JP6670209B2

JP6670209B2 - ハイブリッド光回路

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Publication number: JP6670209B2
Application number: JP2016168597A
Authority: JP
Inventors: 阿部　淳; 淳阿部; 田中　拓也; 拓也田中; 隼志阪本; 毅伺梅木; 拓志風間; 弘和竹ノ内; 橋本　俊和; 俊和橋本
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2016-08-30
Filing date: 2016-08-30
Publication date: 2020-03-18
Anticipated expiration: 2036-08-30
Also published as: JP2018036433A

Description

本発明は、ハイブリッド光回路に関し、より詳細には、石英系平面回路とＰＰＬＮ導波路とが接合されたハイブリッド光回路に関する。

石英系光回路は、石英ガラス基板又はシリコン基板上に、石英系ガラスを主たる材料として作製される石英系光導波路により構成され、実用に供せられている。石英系光回路上の石英系光導波路は、伝播損失が低い、信頼性・安定性が高い、および加工性が良い等の特徴を有している。また、石英系光ファイバとの整合性が良いため、標準的な通信用石英系光ファイバと接続した場合においても、低損失・高信頼性を有している。

現在、石英系光導波路により構成したＹ分岐パワースプリッター、マッハ・ツェンダ干渉計（ＭＺＩ：Mach-Zehnder Interferometer）、ＭＺＩを利用した光スイッチ、およびアレイ導波路型波長合分波器（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating）などの光回路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuits）の開発が進められている。これらの光回路は、近年、構築が進められつつある波長分割多重（ＷＤＭ）光伝送システムを基盤とした、フォトニックネットワークシステムの重要なキーデバイスとなっている（例えば、非特許文献１、２および３参照）。

周期分極反転ニオブ酸リチウム（Periodically Poled LiNbO₃：ＰＰＬＮ）導波路は、高効率な二次非線形光学効果を有する媒質で、波長変換および光パラメトリック増幅器（Optical parametric amplifier：ＯＰＡ）としての研究開発が進められている。近年は、ＰＰＬＮ導波路の特性向上及び実装技術の進展、並びに励起光を発生させるファイバ光増幅器技術の進展に伴い、通信分野を中心として、ＰＰＬＮ導波路を使用した光デバイスの実用化を視野にいれた研究開発も進められている。特に、ＰＰＬＮ導波路を使用したＯＰＡは、低雑音光増幅器として注目され、実用化に向けた研究開発が加速されている（例えば、非特許参考文献５、６および７参照）。

Y. Hibino, IEEE CIRCUITS & DEVICES, Nov., 2000, pp.21-27 A. Himeno, et al., J. Sel. Top. Q.E., vol. 4, 1998, pp.913-924 M. Abe, J. Cer. Soc. J., 2008, pp.1063-1070. M. Kawachi, Opt. Quantum Electron., 22, 1990, pp.391-416 O plus E, Vol.37, 2015, pp.636-639 T. Kazama, et al., CLEO2014, SM4I.8 T. Kazama, et al., PTL, vol. 26, 2014, pp.2248-2251

図１は、従来のＰＰＬＮ導波路を使用したＯＰＡの構成を示す概略図である。図１のＯＰＡ１００は、入力光ファイバ１０１および出力光ファイバ１０３が接続されたＯＰＡ用モジュール１１０と、入力光ファイバ１０２および出力光ファイバ１０４が接続された第２高調波光（Second Harmonic light：ＳＨ光）発生（ＳＨＧ）用モジュール１２０とを備える。ＯＰＡ用モジュール１１０は、光の入力側から、コリメートレンズ１１１、ダイクロイックミラー１１２、集光レンズ１１３、ＰＰＬＮ導波路１１４、集光レンズ１１５、ダイクロイックミラー１１６、コリメートレンズ１１７が順に配置されている。ＳＨＧ用モジュール１２０は、光の入力側から、コリメートレンズ１２１、ダイクロイックミラー１２２、集光レンズ１２３、ＰＰＬＮ導波路１２４、集光レンズ１２５、ダイクロイックミラー１２６、コリメートレンズ１２７が順に配置されている。ＯＰＡ用モジュール１１０とＳＨＧ用モジュール１２０とは光ファイバ１０５により接続されている。また、入力光ファイバ１０２とＳＨＧ用モジュール１２０との間にＥＤＦＡ１０６と、ＢＰＦ１０７とが挿入されている。

ＯＰＡ１００においては、まず、入力光ファイバ１０２からＥＤＦＡ１０６およびＢＰＦ１０７を介して、基本波光がＳＨＧ用モジュール１２０に入射する。基本波光は、コリメートレンズ１２１にてコリメートされ、ダイクロイックミラー１２２を通過した後、集光レンズ１２３において集光され、ＰＰＬＮ導波路１２４に入射する。ＰＰＬＮ導波路１２４において、基本光波は、励起光となる第２高調波光（Second Harmonic light：ＳＨ光）に変換され、出射される。このとき、すべての基本波光がＳＨ光に変換されるわけではなく、未変換基本波光も一緒に出射される。ＳＨ光は、集光レンズ１２５によりコリメートされた後、ダイクロイックミラー（dichroic mirror：ＤＭ）１２６において基本波光と分離して、光ファイバ１０５を介してＯＰＡ用モジュール１１０に入力される。

ＯＰＡ用モジュール１１０には、入力光ファイバ１０１から信号光が入射される。入射された信号光は、コリメートレンズ１１１によりコリメートされ、ダイクロイックミラー１１２において、光ファイバ１０５からのＳＨ光と合波され、集光レンズ１１３において集光され、ＰＰＬＮ導波路１１４に入射される。ＰＰＬＮ導波路１１４において、信号光はＳＨ光とのパラメトリック効果により増幅されて出力される。このとき、すべてのＳＨ光が信号光増幅に寄与するわけではなく、ＳＨ光の一部も増幅された信号光と伴にＰＰＬＮ導波路１１４から出射される。ＰＰＬＮ導波路１１４からの出射光は、コリメートレンズ１１５でコリメートされ、ダイクロイックミラー１１６により未変換ＳＨ光と増幅された信号光とに分波され、信号光はコリメートレンズ１１７により出力光ファイバ１０３に集光、入射される。

通信分野等における実用化を想定した場合に、ＯＰＡは、光ファイバによる入出力形態での実装モジュール化が必須又は好ましい為、光ファイバ入出力を想定したモジュール化実装の検討が進められている。一方で、ＯＰＡは、励起光発生用のＳＨＧ用モジュールおよびＯＰＡ用モジュール等のＰＰＬＮモジュールを実装するにあたり、コリメートレンズ、ダイクロイックミラーおよび集光レンズ等の素子を個々に設置・調整（アライメント）する必要がある。こうしたアセンブリは、量産性を低くし、コストを高くするという問題等を有している。

本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、ＰＰＬＮ導波路を含むモジュール等の作製において、レンズおよびダイクロイックミラー等の設置並びに調整のアセンブリに係る工程を軽減し、部品点数を軽減し、量産性を向上し、安価で製造することができるＰＰＬＮ導波路を含む光回路の実装方法を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、基板上に、導波路と光合分波器とが形成され、当該導波路は、石英系ガラスにより形成されたコア層及びクラッド層から構成される光回路と、少なくとも一部に周期分極反転構造を有するニオブ酸リチウムにより形成され、励起光発生用の導波路と光パラメトリック増幅用の導波路とを備えるＰＰＬＮ導波路と、を備えたハイブリッド光回路であって、前記光回路と前記ＰＰＬＮ導波路とは、直接接合され、前記光回路の前記光合分波器は、少なくとも前記励起光発生用の前記導波路からの光を基本波光と励起光とに分岐して出力する第１の光合分波器と、信号光と前記励起光とを合波して前記光パラメトリック増幅用の前記導波路へと出力する第２の光合分波器と、を備え、前記光回路の前記導波路の一部は、少なくとも異なる２つの曲率半径の曲線導波路を含み、前記曲線導波路の曲率半径による損失の波長依存性を用いて長波長光を放射減衰させて波長の分離を行うものであり、前記曲線導波路のうち、前記曲率半径による損失の波長依存性を用いて前記基本波光を放射減衰させて波長の分離を行う放射減衰導波路が、前記第１の光合分波器及び前記第２の光合分波器を繋ぐ経路に対し、当該基本波光の放射方向が前記ＰＰＬＮ導波路の接合された端面に対向する端面に向かう方向となるように設けられ、前記光回路の端面であって、前記対向する端面には、前記クラッド層と屈折率を整合したジェル、オイル又は樹脂が塗布され、更に前記ジェル、前記オイル又は前記樹脂の外側に前記基本波光の吸収材を混合したジェルが塗布されることにより、前記クラッド層内の迷光を当該対向する端面で反射させず、当該光回路の外部に導いて吸収することを特徴とする。

また、本発明の第２の態様は、第１の態様のハイブリッド光回路であって、前記第１の光合分波器及び前記第２の光合分波器は、方向性結合器、又はマッハ・ツェンダ干渉計であることを特徴とする。

本発明のハイブリッド光回路は、ダイクロイックミラー等の部品点数の削減を図ることを可能とし、レンズ、ダイクロイックミラー等の設置調整のアセンブリに係る工程を削減することができる。これにより、製造コストの低減が図れ、ＯＰＡハイブリッドデバイスを安価に製造することが可能になる。

従来のＰＰＬＮ導波路を使用したＯＰＡの構成を示す概略図である。本発明の一実施形態に係るハイブリッド光回路の構成を示す平面図である。図２の石英系光回路の構成を示す平面図である。図２および図３に記載の石英系光回路の損失スペクトル特性を示す図である。図２のハイブリッド光回路に光ファイバを接続したハイブリッドデバイスの構成を示す斜視図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

図２は、本発明の一実施形態に係るハイブリッド光回路の構成を示す平面図である。ハイブリッド光回路２００は、石英系光回路２１０と、石英系光回路２１０に直接接合されたＰＰＬＮ導波路２２０とを備える。石英系光回路２１０は、Ｓｉ基板上に石英系ガラスを主たる材料として形成されたコアおよびクラッド層からなる導波路、および波長合分波器の機能を有する方向性結合器（directional coupler：ＤＣ）が形成される。また、ＰＰＬＮ導波路２２０は、少なくとも一部に周期分極反転構造を有するニオブ酸リチウムを主たる材料とする導波路からなる、ＯＰＡ用ＰＰＬＮ導波路２２１と、ＳＨＧ用ＰＰＬＮ導波路２２２とを含む。

石英系光回路２１０は、Ｓｉ基板上に、熱酸化膜層に加え火炎堆積法（flame hydrolysis deposition：ＦＨＤ）を用いてアンダークラッド層を形成し、アンダークラッド層上に、導波路のコア層となるＳｉＯ₂−ＧｅＯ₂ガラス層を堆積する。ＳｉＯ₂−ＧｅＯ₂ガラス層上に導波路パターンの加工マスク層を形成した後、フォトリソグラフィー技術を用いて、露光および導波路パターン化を行い、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、コアガラス層を加工してパターン化する。

コア層のパターン化加工後、残留加工マスク層を除去し、再び火炎堆積法を用いて、オーバークラッドとなるガラス層を堆積して、埋め込み型導波路により構成された石英系光回路を作製する。なお、本実施形態において、光回路を形成する導波路の、クラッド層に対するコアの比屈折率差（Δ）は、約２％に設定する。アンダークラッド層は、２０μｍとする。コアサイズは、約３μｍ×３μｍとする。

図３は、図２の石英系光回路２１０の構成を示す平面図である。図３の石英系光回路の導波路パターンは、導波路２１１−１は一端がポート６となり、他端が方向性結合器２１２−１の入力に接続される。方向性結合器２１２−１の出力の一方には導波路２１１−２の一端が結合され、導波路２１１−２の他端がポート３となり、方向性結合器２１２−１の出力の他方には放射減衰導波路２１３が接続される。放射減衰導波路２１３は方向性結合器２１２−２の入力に接続され、方向性結合器２１２−２の出力には導波路２１１−３の一端および２１１−４の一端が接続される。導波路２１１−４の他端はポート２となり、導波路２１１−３の他端は方向性結合器２１２−３の入力の一方に接続される。方向性結合器２１２−３の入力の他方には、導波路２１１−５の一端が接続され、導波路２１１−５の他端はポート１となり、方向性結合器２１２−３の出力には、導波路２１１−６の一端および２１１−７の一端が接続される。導波路２１１−６の他端はポート４となり、導波路２１１−７の他端はポート５となる。ポート６はＳＨＧ用ＰＰＬＮ導波路２２２が接続され、ポート５にはＯＰＡ用ＰＰＬＮ導波路２２１が接続される。

基本光波（本実施形態では、１．５μｍ帯光）は、ＰＰＬＮ導波路２２０のＳＨＧ用ＰＰＬＮ導波路２２２において、一部が第２次高調波（ＳＨ光、０．７８μｍ帯光）に変換される。高強度の未変換基本波光と第２次高調波光は、ＰＰＬＮ導波路２２０との接続面のポート６より入射し、導波路２１１−１を伝搬して方向性結合器２１２−１に入射する。方向性結合器２１２−１は、クロスポート（放射減衰導波路２１３側）から結合した基本波光（１．５μｍ帯光）が出力し、スルーポート（Through port：導波路２１１−２側）はＳＨ光が結合せずに出力する様に設計した。

放射減衰導波路２１３においては、基本波光（１．５μｍ帯光）を放射減衰させるために、導波路の一部を曲線状に形成する。本実施形態において、石英系光回路２１０に形成された導波路は、少なくとも異なる２つの曲率半径の曲線導波路を含み、導波路の曲率半径による損失の波長依存性を用い、曲線導波路部分において長波長光を放射減衰させて波長の分離を行う。石英系光回路２１０においては、一般的な曲線導波路の曲率半径Ｒは約２ｍｍであり、この部分における長波長（基本波光）の放射は少ない。しかし、放射減衰導波路２１３においては、基本波光を放射減衰させたい部分の導波路の曲率半径を、Ｒ＝０．３ｍｍとして、放射減衰導波路２１３を伝搬する長波長光の放射減衰を行う。Ｒ＝０．３ｍｍでの基本波光の減衰量は約５０ｄＢである。基本波光が放射減衰されたＳＨ光は方向性結合器２１２−２に入射し、さらに基本波光とＳＨ光が分波される。

ポート１からは信号光が入射し、導波路２１１−５を伝搬して方向性結合器２１２−３に入射する。また、ＳＨ光は導波路２１１−３を伝搬して方向性結合器２１２−３に入射する。方向性結合器２１２−３においては、信号光とＳＨ光とが合波され、導波路２１１−７を介してＯＰＡ用ＰＰＬＮ導波路２２１と接続するポート５に結合する。信号光が出力するポート（ポート５）は、放射減衰導波路２１３の曲線部分からの長波長光の放射光が主に進む方向と反対側の端面にレイアウトして、迷光の信号光ポートへの結合が低減するようにしている。

なお、波長合分波機能は、方向性結合器の替わりにマッハ・ツェンダ干渉計（ＭＺＩ：Mach-Zehnder Interferometer）を使用することによっても実現することができる。

ＯＰＡ用ＰＰＬＮ導波路２２１内では、ＳＨ光は励起光（Pump光）として作用し、信号光がパラメトリック増幅される。

図４は、図２および図３に記載の石英系光回路の損失スペクトル特性を示す図である。図４は、ＳＨＧ用ＰＰＬＮ導波路２２２に接続されたポート６に入射する光と、ＯＰＡ用ＰＰＬＮ導波路２２１に接続されたポート５から出射する光とにおける光の損失スペクトル特性を示している。ＳＨ光（０．７８μｍ帯光）の透過損失（４０１）は、約１ｄＢであった。一方で基本波光（１．５μｍ帯光）の透過損失（４０２）は、６２〜６７ｄＢであり、ＳＨ光と基本波光との消光比は、約６０ｄＢであった。放射減衰導波路２１３における長波長光（基本波光）の放射によるＳＨ光と基本波光の分離は、導波路の製造誤差、即ち導波路の幅や屈折率の設計値に差異が生じた際にも、高い消光比を保ち、製造誤差に対する許容性が高い。

図５は、図２のハイブリッド光回路２００に光ファイバを接続したハイブリッドデバイス５００の構成を示す斜視図である。ハイブリッドデバイス５００は、石英系光回路２１０と、石英系光回路２１０に直接接合されたＰＰＬＮ導波路２２０と、ファイバブロック５０２を介して石英系光回路２１０に光学的に接続された光ファイバ５０３と、ファイバブロック５０４を介してＰＰＬＮ導波路２２０に光学的に接続された光ファイバ５０５とを備える。

石英系光回路２１０の、ＰＰＬＮ導波路２２０が接合される側と反対側の端面には、石英系ガラスと屈折率が整合したジェル、オイル又は樹脂を塗布し、さらにその外側に１．５μｍ帯光の吸収材を混合したジェルを塗布した。ジェル等を塗布することにより、クラッド内の迷光を端面で反射させず、石英系光回路２１０の外部に導くことにより迷光を低減した。ジェルを塗布した後の消光比は、概ね９０ｄＢに改善した（図４の４０３参照）。

石英系光回路２１０の導波路および方向性結合器には、基本波光、ＳＨ光および信号光の合分波に用いるダイクロイックミラーと同等の機能をもたせることができる。また、石英系光回路２１０の導波路は、入出力光ファイバとの直接接合が可能であるという特徴を有している。従って、ハイブリッド光回路２００は、石英系光回路２１０にダイクロイックミラー等の機能を集積することにより、図１に記載の従来のＯＰＡ中の個々の素子の設置・調整を不要となる。また、石英系光回路とＰＰＬＮ導波路との調整接合、及び光ファイバとの直接接合を行うことにより、コリメート用レンズを不要とするため、大幅なアセンブリ工程の削減が可能となり、量産性が向上するため、ＯＰＡのハイブリッドデバイスとして安価に製造することが可能となる。

なお、ＰＰＬＮ導波路チップに、基本波光、ＳＨ光および信号光の合分波機能を付加する試み（非特許参考文献６および７参照）もあるが、ＰＰＬＮ導波路において急峻な曲げ導波路を作製することは困難であり、石英系光回路によって機能付加を図る方が製造歩留りが高く、また石英系光回路ＰＰＬＮ導波路ハイブリッドデバイスの方が最終的に安価に製造可能である。

１００ＯＰＡ
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、５０３、５０５光ファイバ
１０６ＥＤＦＡ
１０７ＢＰＦ
１１１、１１７、１２１、１２７コリメートレンズ
１１２、１１６、１２２、１２６ダイクロイックミラー
１１３、１１５、１２３、１２５集光レンズ
１１４、１２４ＰＰＬＮ導波路
２００ハイブリッド光回路
２１０石英系光回路
２１１−１〜２１１−７導波路
２１２−２〜２１２−３方向性結合器
２１３放射減衰導波路
２２０ＰＰＬＮ導波路
２２１ＯＰＡ用ＰＰＬＮ導波路
２２２ＳＨＧ用ＰＰＬＮ導波路
５００ハイブリッドデバイス
５０１ジェル
５０２、５０４ファイバブロック

Claims

基板上に、導波路と光合分波器とが形成され、当該導波路は、石英系ガラスにより形成されたコア層及びクラッド層から構成される光回路と、
少なくとも一部に周期分極反転構造を有するニオブ酸リチウムにより形成され、励起光発生用の導波路と光パラメトリック増幅用の導波路とを備えるＰＰＬＮ導波路と、を備えたハイブリッド光回路であって、
前記光回路と前記ＰＰＬＮ導波路とは、直接接合され、
前記光回路の前記光合分波器は、少なくとも前記励起光発生用の前記導波路からの光を基本波光と励起光とに分岐して出力する第１の光合分波器と、信号光と前記励起光とを合波して前記光パラメトリック増幅用の前記導波路へと出力する第２の光合分波器と、を備え、
前記光回路の前記導波路の一部は、少なくとも異なる２つの曲率半径の曲線導波路を含み、前記曲線導波路の曲率半径による損失の波長依存性を用いて長波長光を放射減衰させて波長の分離を行うものであり、
前記曲線導波路のうち、前記曲率半径による損失の波長依存性を用いて前記基本波光を放射減衰させて波長の分離を行う放射減衰導波路が、前記第１の光合分波器及び前記第２の光合分波器を繋ぐ経路に対し、当該基本波光の放射方向が前記ＰＰＬＮ導波路の接合された端面に対向する端面に向かう方向となるように設けられ、
前記光回路の端面であって、前記対向する端面には、前記クラッド層と屈折率を整合したジェル、オイル又は樹脂が塗布され、更に前記ジェル、前記オイル又は前記樹脂の外側に前記基本波光の吸収材を混合したジェルが塗布されることにより、前記クラッド層内の迷光を当該対向する端面で反射させず、当該光回路の外部に導いて吸収する
ことを特徴とするハイブリッド光回路。
前記第１の光合分波器及び前記第２の光合分波器は、方向性結合器、又はマッハ・ツェンダ干渉計であることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド光回路。