JP6687060B2 - 光導波路、それを用いた光部品および波長可変レーザ - Google Patents

Description

本発明は、光導波路、それを用いた光部品および波長可変レーザに関し、特に、細線光導波路を備えた光導波路、それを用いた光部品および波長可変レーザに関する。

平面光回路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuit）は、石英系を中心に発展・実用化が進み、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating）や、スプリッターなどで近年の光通信市場を支える基幹部品として重要な役割を果たしてきた。また、最近では、化合物半導体アンプ（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）を石英ＰＬＣにハイブリット実装した波長可変光源などの新機能素子の開発も進展している。能動素子と受動素子を共通のＰＬＣ基板に搭載して小型で安価なシステムをワンチップ上に実現しようとする試みが活発化している。

しかしながら、求められる機能がより複雑で高度になるのに従い、ＰＬＣの素子サイズおよび駆動するための消費電力が増大し、石英系で実現できる機能・性能には限界が見えてきた。そこで、シリコン細線やフォトニック結晶（ＰＣ：Photonic Crystal）といったシリコンの微細加工技術を応用したＳＯＩ（Silicon on Insulator）導波路の研究開発が注目され、小型・低消費電力・低コストを特徴とする基幹部品の可能性が検討されている。

ＳＯＩ導波路においては、コア材料としてシリコンを用いることにより、クラッド材料（ＳｉＯ_２やその誘電体）に対する比屈折率差を大きくし、小型化を実現した。石英系の比屈折率差Δは５％程度でその曲げ半径は５００μｍ程度であるのに対し、シリコン細線光導波路のΔは４０％以上でその曲げ半径は数μｍまで小さくできる。これにより、シリコン細線はＰＬＣのサイズを大幅に縮減できる。

しかしながら、比屈折率差を大きくすると、伝播光の単一モード条件を満たすために、コア径を小さくする必要があり、光ファイバやその他の導波路素子とのスポットサイズに差異が生じてしまい、光学結合損失が増大する。そこで、例えば特許文献１、２には、スポットサイズを拡大するための技術が開示されている。特許文献２には、シリコン細線光導波路の出入力領域を、コア層の幅および厚さを光の伝播方向に対してそれぞれ減少させるテーパ状に形成することにより、スポットサイズを拡大する技術が開示されている。

特開２００２−１６２５２８号公報 国際公開第２００８／１１１４４７号

しかしながら、シリコン細線光導波路はもともとコア径が小さく、光の閉じ込め率が高いため、スポットサイズを拡大するためにはテーパ長を十分に確保する必要がある。また、コア層の幅および厚さを光の伝播方向に対してそれぞれ減少させる場合、プロセスが複雑になる。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、比較的容易にスポットサイズを拡大し、他の導波路素子との光学結合損失が大きくなることを抑制する光導波路、それを用いた光部品および波長可変レーザを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係る光導波路は、クラッド部材と、クラッド部材の内部に配置され、クラッド部材を構成する材料よりも屈折率の高い材料により、断面形状が長方形型の長尺体に形成されたコア層と、を備え、コア層の断面形状は、横方向の長さが縦方向の長さの１０倍以上の長方形であることを特徴とする。

上記目的を達成するために本発明に係る光部品は、上記の光導波路を備える。

上記目的を達成するために本発明に係る波長可変レーザは、上記の光導波路を備えるリング共振器および化合物半導体アンプを備え、リング共振器のコア層の化合物半導体アンプとの接続側端部は、横方向の長さを縮小させるテーパ状に形成されていることを特徴とする。

上述した本発明の態様によれば、比較的容易にスポットサイズを拡大し、他の導波路素子との光学結合損失が大きくなることを抑制できる。

第１の実施形態に係る光導波路１００の透過斜視図である。 一般的な光導波路９００の断面図である。 本実施形態に係る光導波路１００の断面図である。 シリコン導波路の各断面構造に対する光の伝搬定数を示す図である。 導波路構造と導波路を伝搬する光のビーム径との、横方向の関係を示す図である。 導波路構造と導波路を伝搬する光のビーム径との、縦方向の関係を示す図である。 第２の実施形態に係る波長可変レーザ２００の透過斜視図である。

＜第１の実施形態＞
本発明に係る第１の実施形態について説明する。本実施形態に係る光導波路の透過斜視図を図１に示す。図１において、光導波路１００は、クラッド部材１１０およびシリコン扁平光導波路１２０によって構成される。

クラッド部材１１０はＳｉＯ_２やその誘電体等によって形成され、クラッド部材１１０の内部にシリコン扁平光導波路１２０が配置される。クラッド部材１１０は、例えば、シリコンの微細加工技術を応用することにより、図示しないシリコン基板等の上にＳｉＯ_２を堆積させる等によって形成される。

シリコン扁平光導波路１２０は、クラッド部材１１０よりも屈折率が高い材料によって形成され、シリコン扁平光導波路１２０内を光信号が伝播する。本実施形態に係るシリコン扁平光導波路１２０は、断面の縦横比が１：１０程度の直方体型に形成されている。例えば、シリコン扁平光導波路１２０は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）プロセス等のシリコンの微細加工技術により、光導波路幅が１．０μｍ、光導波路厚が０．０５μｍに形成される（縦横比は１：２０）。なお、シリコン扁平光導波路１２０の光導波路幅および光導波路厚の寸法は、光導波路幅と光導波路厚との比が１０以上であれば、上記に限定されない。

本実施形態に係る光導波路１００の動作を、一般的な光導波路９００と比較しながら説明する。一般的な光導波路９００の断面図を図２Ａに、本実施形態に係る光導波路１００の断面図を図２Ｂに示す。

図２Ａに示すように、一般的な光導波路９００は、クラッド部材９１０およびシリコン細線光導波路９２０から成る。クラッド部材９１０は、本実施形態に係る光導波路１００のクラッド部材１１０と同様に構成される。一方、シリコン細線光導波路９２０は、導波路幅が０．４μｍ付近、導波路厚が０．２μｍ付近の、縦横比が１：２程度の直方体型に形成されている。すなわち、本実施形態に係る光導波路１００のシリコン扁平光導波路１２０の縦横比は、一般的な光導波路９００のシリコン細線光導波路９２０の縦横比と比較して、１０倍程度大きい。

図２Ａの一般的なシリコン細線光導波路９２０および図２Ｂの本実施形態に係るシリコン扁平光導波路１２０に、波長１．３〜１．５５μｍの通信用の光信号を入射させた時の光信号の広がりを図２Ａ、図２Ｂにそれぞれ点線で示す。

図２Ａに示すように、一般的な光導波路９００のシリコン細線光導波路９２０に入射された光信号の光強度のほとんどは、シリコン細線光導波路９２０の断面の内部に分布する。この理由は、シリコン細線光導波路９２０の幅および厚みが、光信号を閉じ込め易いサイズに形成されているからである。一般的な光導波路９００では、光デバイスのサイズを極力小さくするために、曲げ導波路においても光の放射損失を無視できるレベルになるよう、光の閉じ込め率ができるだけ高くなるように設計される。例えば、一般的な光導波路９００においては、曲率半径１０μｍという非常に小さい曲げ導波路でも、光損失はほぼ０ｄＢとなる。

一方、図２Ｂに示すように、本実施形態に係る光導波路１００のシリコン扁平光導波路１２０に入射された光信号の光強度のほとんどは、シリコン扁平光導波路１２０の断面の外部に分布する。その理由は、シリコン扁平光導波路１２０の厚みが薄いため、厚み方向において光信号を閉じ込めきれず、光強度分布がシリコン扁平光導波路１２０の断面から大きく漏れた分布となるからである。

以上のように、本実施形態に係る光導波路１００は、光の閉じ込め率が小さいことから、曲率半径を小さくすることが困難である。しかし、本実施形態に係る光導波路１００において、シリコン扁平光導波路１２０の断面形状の縦横比を１０倍以上にすることにより、以下のような効果を奏することができる。

第一の効果は、本実施形態に係る光導波路１００は、導波路側面のラフネス（荒れ）の影響による散乱損失を、一般的な光導波路９００の１０分の１程度まで低減できることである。ここで、光の伝搬損失は、導波路の材料そのものに光吸収が無いシリコンのような場合には、大部分の損失は光導波路側壁のラフネスにおける散乱損失に起因する。特に、シリコン細線光導波路９２０のように、コアへの光の閉じ込め率が大きい場合、コア側壁での光が強いため、他の構造や他の材料系の導波路に比べて散乱損失が顕著に表れる。

シリコン導波路の各断面構造に対する光の伝搬定数の変化を図３に示す。図３において、伝搬定数の傾きは導波路側壁のラフネスの影響の大きさと等価である。例えば、導波路幅が０．１〜０．５μｍである場合、導波路厚が０．１μｍ以上になると伝搬定数が導波路幅の変化に応じて大きく変動する。すなわち、シリコン導波路の断面の縦横比が１：１〜２程度である場合、ラフネス等に起因して導波路幅が変動することにより、伝搬定数が敏感に変動する。

図３において、シリコン細線光導波路９２０を有する光導波路９００に対応する位置をＡ点、シリコン扁平光導波路１２０を有する本実施形態に係る光導波路１００に対応する位置をＢ点で示す。一般的な光導波路９００（Ａ点）は、導波路幅の変化に応じて伝搬定数が大きく変化することから、ラフネスの影響を大きく受ける。一方、本実施形態に係る光導波路１００（Ｂ点）の伝搬定数の傾きは、光導波路９００（Ａ点）の伝搬定数の傾きの１０分の１程度であり、光導波路１００は光導波路９００と比較して側壁のラフネスの影響が約１０分の１に低減される。

第二の効果は、本実施形態に係る光導波路１００は、シリコン扁平光導波路１２０の幅を狭くするだけで、他の材料系の光導波路と良好な光結合が得られることである。一般的な光導波路９００のシリコン細線光導波路９２０は、断面が他の光導波路の断面に比べて小さく、光導波路の接続部における光のビーム径が大きく異なる。例えば、光ファイバ内のビーム径は約１０μｍであり、シリコン細線光導波路９２０のサブミクロンのビーム径に比べて大きく異なる。従って、シリコン細線光導波路９２０のビーム径を拡大して、他の光導波路のビーム径に一致させることが提案されている。

導波路構造と導波路を伝搬する光のビーム径との関係を図４Ａ、図４Ｂに示す。例えば、一般的な光導波路９００とＳＯＡと組み合わせてレーザを構成する場合、ＳＯＡの材料であるＩｎＰ系の光導波路のビーム径とシリコン細線光導波路９２０のビーム径とを一致させるために、ＳＯＡ導波路およびシリコン細線光導波路９２０を、ビーム形状が直径３μｍの円になるようにそれぞれテーパ状に加工する。

図４Ａ、図４Ｂにおいて、ビーム径が３μｍ以上となる位置をＴ点、シリコン細線光導波路９２０を有する光導波路９００に対応する位置をＡ点、シリコン扁平光導波路１２０を有する本実施形態に係る光導波路１００に対応する位置をＢ点で示す。図４Ａ、図４Ｂに示すように、Ｔ点は、導波路幅０．３μｍ、導波路厚０．０５μｍ付近であり、Ａ点は導波路幅０．４μｍ付近、導波路厚０．２μｍ付近であり、Ｂ点は導波路幅１．０μｍ付近、導波路厚０．０５μｍ付近である。

そして、光導波路９００とＳＯＡとを接続する場合、導波路幅および導波路厚を同時に変化させる２次元テーパ構造や２段クラッド構造等が用いて、シリコン細線光導波路９２０の寸法（Ａ点）のビーム径が３μｍとなる寸法（Ｔ点）まで縮小させる。しかし、２次元テーパ構造や２段クラッド構造等を適用する場合、プロセスが煩雑になる。さらに、シリコン細線光導波路９２０は内部で光信号が強く閉じ込められているため、導波路サイズを変更しただけでは光ビーム径が容易には広がらない。

一方、本実施形態に係る光導波路１００とＳＯＡと組み合わせてレーザを構成する場合、図４Ａ、図４Ｂから分かるように、導波路厚は変化させる必要がなく、導波路幅を１．０μｍ程度から０．３μｍ付近に変化させる一方向の横テーパ構造により、所望のビーム径が得られる。さらに、本実施形態に係るシリコン扁平光導波路１２０は、もともと光の閉じ込め率が小さいことから、光ビーム径の大きさを容易に調整することができる。従って、ＳＯＡ等の別の材料系の光素子との光結合損失を容易に小さくすることができる。

第三の効果は、本実施形態に係る光導波路１００をＳＯＡと組み合わせてレーザを構成する場合、一般的な光導波路９００をＳＯＡと組み合わせてレーザを構成する場合と比較して、レーザを安定的に動作させることができることである。

前述のように、一般的な光導波路９００はラフネスによる散乱が大きいが、この場合、散乱ポイントにおいて光の反射も大きくなる。そのような光導波路９００を外部共振器として用いたレーザにおいては、余分な内部反射によってレーザ動作が不安定になる。

これに対して、本実施形態に係る光導波路１００をＳＯＡと組み合わせてレーザを構成する場合、導波路側壁のラフネスによる影響が小さいことから、導波路内の内部反射量も小さい。従って、本実施形態に係る光導波路１００を外部共振器として用いることにより、安定的に動作するレーザを構成することができる。

第四の効果は、本実施形態に係る光導波路１００は、一般的な光導波路９００と比較して、シリコン扁平光導波路１２０での光の吸収損失を低減できることである。ここで、シリコンの光吸収は、材料単体では無視できるレベルであるが、光が高密度になると、２光子吸収が顕著に発生して光損失が増大する。２光子吸収が発生すると、レーザ光出力の増加に伴って光吸収量も増大するため、光出力が飽和する。

これに対して本実施形態に係る光導波路１００は、シリコン扁平光導波路１２０の光閉じ込め率がシリコン細線光導波路９２０の光閉じ込め率よりも小さいことから、シリコン扁平光導波路１２０における光吸収の影響が小さい。つまり、シリコン扁平光導波路１２０では光の密度が低くなっているため、特に、２光子吸収等の光の強度の２乗に比例するような吸収による影響が小さい。

以上のように、断面の縦横比が１：１０程度のシリコン扁平光導波路１２０を適用することにより、断面の縦横比が１：１〜２程度の一般的なシリコン細線光導波路９２０を適用する場合と比較して下記のような利点がある。すなわち、曲率半径を小さくできないものの、導波路側面のラフネスの影響による散乱損失、導波路内の内部反射量および２光子吸収が小さい光導波路を構成することができる。

なお、上述の効果が現れる範囲は、シリコン扁平光導波路１２０の断面形状の縦横比が１０倍以上の場合である。例えば、図３および図４Ａ、図４Ｂの場合は、シリコン扁平光導波路１２０の導波路幅が０．８〜１．４μｍ、導波路厚が０．０２〜０．０８μｍの範囲である。さらに効果が顕著となる範囲は、シリコン扁平光導波路１２０の導波路幅が０．９〜１．２μｍ、導波路厚が０．０４〜０．０６μｍの範囲である。

＜第２の実施形態＞
第２の実施形態について説明する。本実施形態では、第１の実施形態で説明したシリコン扁平光導波路１２０を備えたＳｉフォトニクス素子を外部共振器として用いた波長可変レーザを適用する。本実施形態に係る波長可変レーザは、ＰＬＣ等の平面光導波路により光共振器を構成するとともに、ＰＬＣ上にレーザーダイオード（ＬＤ：laser diode）若しくはＳＯＡを直接実装することによって構成される。

本実施形態に係る波長可変レーザの透過斜視図を図５に示す。図５において、波長可変レーザ２００は、Ｓｉフォトニクス素子３００およびＳＯＡ４００から成る。Ｓｉフォトニクス素子３００は、シリコン基板３１０、クラッド部材３２０、第１シリコン扁平光導波路３３０、第２シリコン扁平光導波路３４０、第３シリコン扁平光導波路３５０、第１シリコン扁平リング導波路３６０および第２シリコン扁平リング導波路３７０から成る。

シリコン基板３１０の上にクラッド部材３２０が形成される。クラッド部材３２０は、第１の実施形態で説明したクラッド部材１１０と同様である。

クラッド部材３２０の内部において、シリコン扁平光導波路３３０、３４０、３５０およびシリコン扁平リング導波路３６０、３７０がループミラーを構成するように配置されている。

シリコン扁平光導波路３３０、３４０、３５０はそれぞれ、第１の実施形態で説明したシリコン扁平光導波路１２０と同様に形成されている。すなわち、シリコン扁平光導波路３３０、３４０、３５０はそれぞれ、光導波路幅１．０μｍ、光導波路厚０．０５μｍ、断面の縦横比１：２０程度に形成されている。

シリコン扁平リング導波路３６０、３７０は、互いの円周長を僅かに異ならせることによりバーニア効果を発生させ、双方のピークが一致する波長が波長可変範囲の中で所望の一波長となるリング共振器を構成する。これにより、波長可変レーザ２００において、安定した単一モード発振が実現できる。なお、シリコン扁平リング導波路３６０、３７０は、リング共振器を構成できれば良く、シリコン扁平リング導波路の数は２つに限定されない。

そして、シリコン扁平光導波路３３０、３４０、３５０およびシリコン扁平リング導波路３６０、３７０によって構成されたループミラーにより、ＳＯＡ４００から出射された光が折り返され、ＳＯＡ４００の出射端との間でリング共振器（シリコン扁平リング導波路３６０、３７０）により選択された波長で共振し、レーザ発振する。

ここで、第１シリコン扁平光導波路３３０は、ＳＯＡ４００の光導波路との接続側が、横テーパ構造３３１に形成されている。すなわち、第１シリコン扁平光導波路３２０のＳＯＡ４００の光導波路との接続面は、導波路厚を維持したまま導波路幅を１．０μｍ程度から０．３μｍ付近に変化させる横テーパ構造３３１を適用することにより、ビーム形状が直径３μｍの円になるように調整されている。これにより、第１シリコン扁平光導波路３３０とＳＯＡ４００との接続損失を０．１デシベル以下まで抑制することができる。

ここで、横テーパ構造３３１として、線形に導波路幅が変化するリニアテーパを適用することもできるし、指数関数的に導波路幅が変化するエクスポーネンシャル型テーパを適用することもできる。なお、エクスポーネンシャル型テーパの方が、リニアテーパよりも損失を小さくできる。

また、クラッド部材３２０およびＳＯＡ４００の互いの接続面に、無反射コーティングを施すことが望ましい。無反射コーティングを施すことにより、出射端で光が反射されて接続損失が大きくなることを避けることができる。なお、ＳＯＡ４００の接続面が、シリカなどの半導体とは異なる材料にて構成されている場合、ＳＯＡ４００の接続部に屈折率整合ゲル等を塗布すると共に、ＳＯＡ４００の接続面に屈折率整合ゲルに対して無反射となるコーティングを行えばよい。

上記の波長可変レーザ２００は、外部共振器を構成するＳｉフォトニクス素子３００において、第１の実施形態で説明したシリコン扁平光導波路１２０と同様に構成されたシリコン扁平光導波路３３０、３４０、３５０が用いられていることから、第１の実施形態で説明した４つの効果をそのまま奏する。すなわち、本実施形態に係る波長可変レーザ２００は、シリコン扁平光導波路３３０、３４０、３５０が低伝搬損失、低内部反射および低結合損失の特徴を有することから、所望波長において低電力で共振し、安定的にレーザ発振することができる。

なお、上記の効果は、共振器長が長いＤＢＲ−ＬＤ（Distributed Bragg reflector laser diode）において顕著な効果を奏する。すなわち、ＤＢＲ−ＬＤではデバイス中の共振点が多いため、ラフネスの影響による散乱損失が大きい場合、ＲＩＮ（Relative Intensity Noise：相対強度雑音）が大きくなる。従って、外部共振器に本実施形態に係るシリコン扁平光導波路３３０、３４０、３５０を適用することにより、ＲＩＮが小さいＤＢＲ−ＬＤを提供することができる。

本願発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。

本願発明は、シリコン細線光導波路と接続される光導波路に広く適用することができる。

この出願は、２０１４年３月７日に出願された日本出願特願２０１４−０４４９３５を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１００ 光導波路
１１０ クラッド部材
１２０ シリコン扁平光導波路
２００ 波長可変レーザ
３００ Ｓｉフォトニクス素子
３１０ シリコン基板
３２０ クラッド部材
３３０、３４０、３５０ シリコン扁平光導波路
３６０、３７０ シリコン扁平リング導波路
４００ ＳＯＡ
９００ 光導波路
９１０ クラッド部材
９２０ シリコン細線光導波路

Claims (8)

1. クラッドと、
   前記クラッドの内部に配置され、断面形状が長方形型の長尺体に形成され、前記クラッドを構成する材料よりも屈折率の高い材料により構成されるコアと、を備えるＳＯＩ導波路であり、
   前記コアは、
   接続する導波路素子との光の入出力端に向けて断面の横方向の長さが縮小するテーパ形状に形成されていることによって、前記入出力端における光のビーム径を前記導波路素子における光のビーム径に調整する端部領域と、
   断面の横方向の長さが縦方向の長さの１０倍以上であり、当該縦方向の長さは前記入出力端における断面の縦方向の長さである扁平領域と、を有する
   ことを特徴とする光導波路。
2. 前記端部領域は、前記入出力端に向けて断面の横方向の長さが線形に縮小するテーパ形状に形成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
3. 前記端部領域は、前記入出力端に向けて断面の横方向の長さが指数関数的に縮小するテーパ形状に形成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
4. 前記扁平領域は、断面の横方向の長さが０．９μｍより大きくて１．２μｍよりも小さく、断面の縦方向の長さが０．０４μｍより大きくて０．０６μｍよりも小さい
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光導波路。
5. 前記導波路素子は、化合物半導体の光素子に設けられる光導波路である
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光導波路。
6. 前記クラッドの内部に配置され、前記クラッドを構成する材料よりも屈折率の高い材料により構成され、リング状に形成されるリング状コアをさらに備える
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光導波路。
7. 第１のリング状コアと第２のリング状コアとを備え、
   前記第１のリング状コアと前記第２のリング状コアは円周長が互いに異なる
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光導波路。
8. 前記入出力端に無反射コーティングが施されている
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の光導波路。

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