JP6991259B2

JP6991259B2 - 光導波路素子

Info

Publication number: JP6991259B2
Application number: JP2020026131A
Authority: JP
Inventors: 秀彰岡山; 陽介太縄
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd; Photonics Electronics Technology Research Association
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd; Photonics Electronics Technology Research Association
Priority date: 2020-02-19
Filing date: 2020-02-19
Publication date: 2022-01-12
Anticipated expiration: 2040-02-19
Also published as: JP2021131446A

Description

この発明は、例えば、波長多重光通信技術、光コヒーレント通信技術、又は、光センサに用いることができる、光導波路素子に関する。

近年、光素子として、小型化と量産性に優れることから、シリコン系素材を導波路材料として用いるシリコン（Ｓｉ）導波路を用いた光導波路素子が注目されている。

Ｓｉ導波路では、実質的に光の伝送路となる光導波路コアを、Ｓｉを材料として形成する。そして、Ｓｉよりも屈折率の低い例えばシリカ等を材料としたクラッドで、光導波路コアの周囲を覆う。このような構成により、光導波路コアとクラッドとの屈折率差が極めて大きくなるため、光導波路コア内に光を強く閉じ込めることができる。その結果、曲げ半径を例えば１μｍ程度まで小さくした、小型の曲線導波路を実現することができる。そのため、電子回路と同程度の大きさの光回路を作成することが可能であり、光デバイス全体の小型化に有利である。

また、Ｓｉ導波路では、ＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の半導体装置の製造過程を流用することが可能である。そのため、チップ上に電子機能回路と光機能回路とを一括形成する光電融合（シリコンフォトニクス）の実現が期待されている。

この技術をコヒーレント検波に用いるときに有用な素子が光ハイブリッドである（例えば、特許文献１～３参照）。光ハイブリッドの基本的な構成例を説明する。２本の入力導波路の一方を、第１及び第２の光導波路に２分岐し、他方を第３及び第４の光導波路に２分岐する。第２及び第３の光導波路を交差させ、第４の光導波路を伝播する光に９０°の位相回転を施す。そして、第１及び第３の光導波路を２つの方向性結合器のうちの一方の方向性結合器に入力し、第２及び第４の光導波路を他方の方向性結合器に入力する。このようにして、光ハイブリッドが構成される。

あるいは、この技術を利用した、波長を分離又は合波する素子で、波長多重光通信を実現することも可能である（例えば、特許文献４～１２参照）。

上述の従来の素子で、複数の偏波を用いるには、単一の偏波での動作が行われるものを組み合わせる（例えば、特許文献１３又は１４参照）、又は、入力光を偏波分離し、２つの偏波を揃える（例えば、非特許文献１参照）技術が、通常用いられる。

特表２０１２－５１８２０２号公報特許第５２８７５２７号公報特開第５２４３６０７号公報米国特許第４，８６０，２９４号明細書米国特許第５，７６４，８２６号明細書米国特許第５，９６０，１３５号明細書米国特許第７，０７２，５４１号明細書特開平０８－１６３０２８号公報特開２００３－２１５５１５号公報特開２０１３－０９３６２７号公報特開２００６－２７８７７０号公報特開２００６－３３０１０４号公報特開２０１８－１４６６１４号公報特許第５９２０４６７号公報特開２０１９－１２４７１２号公報特開２０１５－５９９８２号公報

Optics Express vol. 20, p.B493, 2012 年12 月10 日、Optics Express vol. 23, p.12840, 2015 年5 月7 日

この発明は、上述の従来の素子についての問題点に鑑みてなされた。この発明の目的は、１つの素子で２偏波に対して同時に動作可能な光導波路素子を提供することにある。

上述した目的を達成するためにこの発明の光導波路素子は、支持基板と、支持基板上に形成されるクラッドと、クラッド中に埋設され、支持基板の上面に平行に設けられる、光導波路コアとを備えて構成される。

光導波路コアは、空間光の直交する２つの偏光成分の一方を、ｐ（ｐは０以上の整数）次モードの所定偏波に変換し、他方を、ｑ（ｑはｐとは異なる、０以上の整数）次モードの所定偏波にそれぞれ変換して、当該光導波路コアに導入するカップリング部と、ｐ次モード及びｑ次モードの所定偏波が伝搬する伝搬部とを備える。

この発明の光導波路素子の好適な実施形態によれば、カップリング部は、空間光の直交する２つの偏光成分の一方を、０次モードのＴＥ偏波に変換し、他方を、０次モードのＴＥ偏波に変換して、当該カップリング部に導入する、二次元グレーティングカプラと、空間光の直交する２つの偏光成分の他方から変換された０次モードのＴＥ偏波を、１次モードのＴＥ偏波に変換する移行部とを備えて構成される。

また、この発明の光導波路素子の他の好適な実施形態によれば、カップリング部は、空間光の直交する２つの偏光成分の一方を、０次モードのＴＥ偏波に変換し、他方を、０次モードのＴＥ偏波に変換して、当該カップリング部に導入する、二次元グレーティングカプラと、０次モードのＴＥ偏波の一部を、１次モードのＴＥ偏波に変換する移行部とを備えて構成される。

また、この発明の光導波路素子の他の好適な実施形態によれば、光導波路コアは、第１導波路コアと、第１光導波路コアの周囲に、第１光導波路コアの屈折率よりも低い屈折率を有し、クラッドの屈折率よりも高い屈折率を有する材料で形成されている第２光導波路コアとを有している。

カップリング部において、第１光導波路コアは、第１テーパ部、第２テーパ部を備え、及び、厚みの小さい第１コアと、厚みの大きい第２コアとを備えて構成され、第１テーパ部は、第１コアで構成され、入力面から離れるにつれて幅が大きくなる。

第２テーパ部は、第１コア及び第２コアで構成され、第２コアは入力面から離れるにつれて幅が大きくなる。第２テーパ部の第１コアは、第２コアの両側に設けられていて、第
１テーパ部の第１コアと連続して設けられている。

さらに、入力面に入力された空間光は、第２光導波路コアのＴＥ偏波及びＴＭ偏波の、それぞれ０次モードの伝搬光にカップリングされ、第１テーパ部において、第２光導波路コアを伝搬する０次モードのＴＭ偏波が第１コアにカップリングされ、第２テーパ部において、第２光導波路コアを伝搬する０次モードのＴＥ偏波が第２コアにカップリングされ、かつ、第１コアを伝搬する０次モードのＴＭ偏波が、第２コアを伝搬する１次モードのＴＥ偏波にカップリングされる。

この発明の光導波路素子によれば、１つの素子で２偏波に対して同時に動作可能である。

第１素子を説明するための模式図である。第２素子を説明するための模式図である。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

また、平面図において、ハッチングを付しているが、発明の理解を容易にするためのものであり、平面図におけるハッチングは、断面を示すものではない。

この発明の光導波路素子は、支持基板と、支持基板上に形成されるクラッドと、クラッド中に埋設され、支持基板の上面に平行に設けられる、光導波路コアとを備えて構成される。

光導波路コアは、空間光の直交する２つの偏光成分の一方を、ｐ（ｐは０以上の整数）次モードの所定偏波（ＴＥ偏波又はＴＭ偏波）に変換し、他方を、ｑ（ｑはｐとは異なる、０以上の整数）次モードの所定偏波に変換して、当該光導波路コアに導入するカップリング部と、ｐ次モード及びｑ次モードの所定偏波が伝搬する伝搬部とを備える。

（第１素子）
図１を参照して、この発明の第１実施形態に係る光導波路素子（以下、第１素子）を説明する。図１は、第１素子を説明するため模式図である。図１（Ａ）は、第１素子の概略的端面図である。また、図１（Ｂ）は、第１素子の第１構成例の概略的平面図である。また、図１（Ｃ）は、第１素子の第２構成例の概略的平面図である。ここで、図１（Ｂ）及び（Ｃ）では、光導波路コアの平面形状を示し、他の構成要素を省略して示してある。

なお、以下の説明では、各構成要素について、光伝播方向に沿った方向を長さ方向とする。また、支持基板の厚さに沿った方向を厚さ方向とする。また、長さ方向及び厚さ方向に直交する方向を幅方向とする。

第１素子は、支持基板１０、クラッド２０及び光導波路コア３０を備えて構成されている。

支持基板１０は、例えば単結晶Ｓｉを材料とした平板状体で構成されている。

クラッド２０は、支持基板１０上に、支持基板１０の上面１０ａを被覆して形成されている。クラッド２０は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を材料として形成されている。

光導波路コア３０は、支持基板１０の上面１０ａに平行に、クラッド２０中に埋設されている。ここで、光導波路コア３０を伝播する光が支持基板１０へ逃げるのを防止するために、光導波路コア３０は、支持基板１０から少なくとも１μｍ以上離間して形成されているのが好ましい。

光導波路コア３０は、ＳｉＯ_２のクラッド２０の屈折率（１．４５）よりも高い屈折率（３．５）を有する、例えばシリコン（Ｓｉ）を材料として形成されている。その結果、光導波路コア３０は、光の伝送路として機能し、光導波路コア３０に入力された光は、光導波路コア３０の平面形状に応じた伝播方向に伝播する。

また、光導波路コア３０の厚みは、厚さ方向でシングルモード条件を達成できる、厚みで形成されていることが望ましい。光導波路コア３０を、Ｓｉを材料として形成し、クラッド２０を、ＳｉＯ_２を材料として形成しているＳｉ導波路では、光導波路コア３０は、２００～５００ｎｍの範囲内の厚みで形成される。例えば、１５５０ｎｍ前後の波長帯域で、第１素子を用いる場合、光導波路コア３０の厚みを２２０ｎｍとすることができる。

この光導波路素子は、例えばＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を利用することによって、簡易に製造することができる。以下、図１に示す構成例の第１素子の製造方法の一例を説明する。

先ず、支持基板層、ＳｉＯ_２層、及びＳｉ層が順次積層されて構成されたＳＯＩ基板を用意する。

次に、例えばドライエッチングを行い、Ｓｉ層をパターニングすることによって、光導波路コア３０を形成する。

次に、例えばＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて、ＳｉＯ_２層上に、光導波路コア３０を被覆して上部ＳｉＯ_２層を形成する。その結果、光導波路コア３０が、ＳｉＯ_２層と上部ＳｉＯ_２層とで構成されるクラッド２０によって包含され、第１素子が得られる。

図１（Ｂ）を参照して、第１素子の第１構成例を説明する。

第１素子は、カップリング部１００及び伝搬部２００を備えて構成される。カップリング部１００は、空間光導入部５０と、移行部８０とを備える。

空間光導入部５０として、例えば、交差したグレーティングで構成される二次元グレーティングカプラを用いることができる（例えば、特許文献１５参照）。二次元グレーティングカプラでは、それぞれの格子に平行な偏光成分の空間光が、光導波路のＴＥ（ＴｒａｎｓｖｅｒｓｅＥｌｅｃｔｒｉｃ）偏波に変換される。

空間光導入部５０には、それぞれ、第１及び第２テーパ部６１及び６２を経て、第１及び第２接続導波路７１及び７２が接続されている。基本（０次）モードのＴＥ偏波（ＴＥ０）は、空間光導入部５０に導入された、空間光の偏光成分の方向に従って、一方が第１
テーパ部６１を経て第１接続導波路７１を伝搬し、他方が第２テーパ部６２を経て第２接続導波路７２を伝搬する。

第１接続導波路７１及び第２接続導波路７２には、移行部８０が接続されている。移行部８０は、互いに離間しかつ並んで配置された、幅縮小テーパ導波路８１と多モード導波路８２とを備えて構成される。

第１接続導波路７１は、移行部８０の幅縮小テーパ導波路８１に接続されている。また、第２接続導波路７２は、幅拡大テーパ導波路８３を介して、移行部８０の多モード導波路８２に接続されている。多モード導波路８２は、基本モード及び１次モードのＴＥ偏波（ＴＥ０及びＴＥ１）が励起可能な幅で構成される。多モード導波路８２は、例えば、幅５９０ｎｍ、厚み２００ｎｍとすることができる。幅縮小テーパ導波路８１の、基本モードのＴＥ偏波（ＴＥ０）の等価屈折率が、多モード導波路８２の、１次モードのＴＥ偏波（ＴＥ１）の等価屈折率と等しくなる幅を有するように設けられる。幅縮小テーパ導波路８１は、例えば、幅が４００ｎｍから２００ｎｍまで長さ２０μｍで縮小させ、多モード導波路８２からの平均距離が２００ｎｍとなるように配置することができる。

このように、構成すると、第１接続導波路７１を伝搬する、基本モードのＴＥ偏波（ＴＥ０）は、多モード導波路８２に、１次モードのＴＥ偏波（ＴＥ１）として移行する。

この結果、カップリング部１００に導入された、直交する２つの偏光成分の光は、基本モードのＴＥ偏波（ＴＥ０）及び１次モードのＴＥ偏波（ＴＥ１）に変換される。

カップリング部１００の後段には、伝搬部２００が接続されている。伝搬部２００は、基本モードのＴＥ偏波（ＴＥ０）及び１次モードのＴＥ偏波（ＴＥ１）が伝搬するように設計され、これらに対して動作する素子が設けられる（例えば、特許文献１６参照）。

空間光の直交した二偏光に対して動作する光回路を実現するには、基本モードのＴＥ偏波（ＴＥ０）と基本モードのＴＭ（ＴｒａｎｓｖｅｒｓｅＭａｇｎｅｔｉｃ）偏波（ＴＭ０）を利用する方法が知られている。しかし、基本モードのＴＭ偏波（ＴＭ０）は、深さ方向の広がりが大きいことから、基板のＳｉに漏れ出す傾向があり、その結果、損失が大きくなりがちである。

これに対し、この第１素子によれば、ＴＥ偏波のみを伝搬させ、利用するので、この損失が増大する問題は緩和される。

図１（Ｃ）を参照して、第１素子の第２構成例を説明する。第２構成例は、カップリング部１０１が備える移行部８４の構成が第１構成例と異なっている。第２構成例は、移行部８４を多モード導波路８５で構成している。それ以外の構成は、第１構成例と同様なので、重複する説明を省略する。

この移行部８４を構成する多モード導波路８５は、基本モード及び１次モードのＴＥ偏波（ＴＥ０及びＴＥ１）を励起する。このため、第１接続導波路７１及び第２接続導波路７２を伝搬する基本モードのＴＥ偏波（ＴＥ０）は、多モード導波路８５において、基本モードと１次モードのＴＥ偏波（ＴＥ０及びＴＥ１）となる。

図１（Ｂ）を参照して説明した第１素子の第１構成例では、空間光導入部５０に導入された空間光は、空間光導入部５０の交差グレーティングの一方に平行な偏光成分が第２テーパ６２及び第２接続導波路７２を経て移行部８０における基本モードのＴＥ偏波（ＴＥ０）となり、他方に平行な光成分が第１テーパ６１及び第１接続導波路７１を経て移行部
８０における１次モードのＴＥ偏波（ＴＥ１）となる。よって、空間光導入部５０に導入される空間光の偏光方向が空間光導入部５０の交差グレーティングとそれぞれ平行となる場合に、移行部８０において基本モードのＴＥ偏波（ＴＥ０）と１次モードのＴＥ偏波（ＴＥ１）とが１対１となる。

これに対し、図１（Ｃ）を参照して説明した第１素子の第２構成例では、移行部８４において励起される基本モード及び１次モードのＴＥ偏波（ＴＥ０及びＴＥ１）の比率は、第１テーパ６１及び第１接続導波路７１を経て移行部８４に導入される基本モードのＴＥ偏波（ＴＥ０）と第２テーパ６２及び第２接続導波路７２を経て移行部８４に導入される基本モードのＴＥ偏波（ＴＥ０）との位相差に依存する。よって、空間光導入部５０に導入される空間光の偏光方向と空間光導入部５０の交差グレーティングとが４５°傾いた場合に、移行部８４において基本モードのＴＥ偏波（ＴＥ０）と１次モードのＴＥ偏波（ＴＥ１）とが１対１となる。第１素子の第２構成例は、第１構成例に比べて移行部８４の構成が単純であり設計がしやすい。また、動作波長範囲も広い。

（第２素子）
図２を参照して、この発明の第２実施形態に係る光導波路素子（以下、第２素子）を説明する。図２は、第２素子を説明するための模式図である。図２（Ａ）は、第２素子の概略平面図である。また、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示す第２素子をＩ－Ｉ線で切り取った概略的端面図である。ここで、図２（Ａ）では、光導波路コアの平面形状を示し、他の構成要素を省略して示してある。また、第１光導波路コアの上部に位置する第２光導波路コアの部分を省略して示している。なお、図２（Ａ）は、平面図であるが、各構成要素の視認を容易にするために、ハッチングを付している。

第２素子は、支持基板１０、クラッド２０、第１光導波路コア３１及び第２光導波路コア３５を備えて構成されている。

第１光導波路コア３１は、支持基板１０の上面１０ａに平行に、クラッド２０中に埋設されている。ここで、第１光導波路コア３１を伝播する光が支持基板１０へ逃げるのを防止するために、第１光導波路コア３１は、支持基板１０から少なくとも１μｍ以上離間して形成されているのが好ましい。

第１光導波路コア３１は、ＳｉＯ_２のクラッド２０の屈折率（１．４５）よりも高い屈折率（３．５）を有する、例えばシリコン（Ｓｉ）を材料として形成されている。その結果、第１光導波路コア３１は、光の伝送路として機能し、第１光導波路コア３１に入力された光は、第１光導波路コア３１の平面形状に応じた伝播方向に伝播する。

第２光導波路コア３５は、第１光導波路コア３１の周囲に、クラッド２０中に埋設されて設けられている。第２光導波路コア３５は、第１光導波路コア３１の屈折率よりも低い屈折率を有し、クラッド２０の屈折率よりも高い屈折率を有する材料で形成されている。第２光導波路コア３５の材料として、例えば、ＳｉＯ_ｘ（ｘは０より大きく２より小さい実数）又はＳｉＯＮなどを用いることができる。

第２素子は、カップリング部１０２及び伝搬部２００を備えて構成される。

カップリング部１０２において、第１光導波路コア３１は、第１テーパ部５１、第２テーパ部５２を備えて構成される。また、カップリング部１０２において、第１光導波路コア３１は、厚みの小さい第１コア３２と、厚みの大きい第２コア３３とを有している。

第１テーパ部５１は、第１コア３２で構成され、第２素子の１つの端面（入力面）５ａから離れるにつれて幅が大きくなる。また、第２テーパ部５２は、第１コア３２及び第２コア３３で構成され、第２コア３３は入力面５ａから離れるにつれて幅が大きくなる。第２テーパ部５２の第１コア３２は、第２コア３３の両側に設けられていて、第１テーパ部５１の第１コア３２と連続して設けられる。

第２素子の入力面５ａに入力された空間光は、第２光導波路コア３５のＴＥ偏波及びＴＭ偏波の伝搬光としてカップリングされる。このうち、基本モードのＴＭ偏波（ＴＭ０）は、第１テーパ部５１の第１コア３２にカップリングされる。第１コア３２の導波路厚の薄さにより、ＴＭ偏波の等価屈折率と容易に整合する。ＴＭ偏波の等価屈折率は、導波路幅を縮小しても低下しにくいが、厚みを薄くすることで容易に低下させることができる。

第２光導波路コア３５を伝搬する基本モードのＴＥ偏波（ＴＥ０）は、第２テーパ部５２の第２コア３３にカップリングされる。第２光導波路コア３５中のＴＥ偏波は、第２コア３３の幅が狭い部分で、このＴＥ偏波の等価屈折率と一致して、第２コア３３に基本モードのＴＥ偏波（ＴＥ０）が移行していく。

第２テーパ部５２において、第１コア３２及び第２コア３３の幅が拡大していくと、特定の幅で第１コア３２を伝搬する基本モードのＴＭ偏波（ＴＭ０）と、第２コア３３を伝搬する１次モードのＴＥ偏波（ＴＥ１）の等価屈折率が一致する。また、第２コア３３の両側に、第２コア３３よりも薄い第１コア３２が突出して設けられる形状により、すなわち導波路の厚さ方向が非対称になっていることにより、基本モードのＴＭ偏波（ＴＭ０）と１次モードのＴＥ偏波（ＴＥ１）の連成波が発生するので、第２テーパ部５２において、基本モードのＴＭ偏波（ＴＭ０）が、１次モードのＴＥ偏波（ＴＥ１）に伝搬方向で移行していく。

第２コア３３の後段側は、幅が一定の部分３３ｂとして構成される。この幅が一定の部分３３ｂの両側にも、第１コア３２が設けられているが、第１コア３２は、素子の入力面５ａから離れるにつれて幅が小さくなり、やがて存在しなくなる。

第２テーパ部５２において、基本モードのＴＭ偏波と１次モードのＴＥ偏波が変換される寸法として、波長が１００ｎｍ近辺では、第２コア３３の導波路厚を２００ｎｍ、第１コア３２の導波路厚を１３０ｎｍ、第２コア３３から突出している第１コア３２の幅を１００ｎｍとしたとき、第２コア３３の幅を５００～５４０ｎｍにすることができる。

なお、第１テーパ部５１の第１コア３２、第２テーパ部５２の第２コア３３の入力面５ａ側の幅（先端幅）は狭いほど良いが、作製限界では１００ｎｍ程度である。テーパの長さは、伝搬時に断熱的に徐々にモード形状が変わっていく条件が必要で、１００μｍ以上であれば良い。

カップリング部１０２の後段には、伝搬部２００が接続されている。伝搬部２００は、第１素子と同様に、基本モードのＴＥ偏波（ＴＥ０）及び１次モードのＴＥ偏波（ＴＥ１）が伝搬する、多モード導波路となるように設計され、これらに対して動作する素子が設けられる。

伝搬部２００は、第２コア３３と同じ厚みで構成される、多モード導波路である。この
伝搬部２００を構成する多モード導波路は、基本モード及び１次モードのＴＥ偏波を励起する。

第２テーパ部５２の第２コア３３の、伝搬部２００と接続される面における幅と、伝搬部２００の、第２テーパ部５２と接続される面における幅とは等しく設けられている。

１０支持基板
２０クラッド
３０光導波路コア
３１第１光導波路コア
３２第１コア
３３第２コア
３５第２光導波路コア
５０空間光導入部
５１、６１第１テーパ部
５２、６２第２テーパ部
７１第１接続導波路
７２第２接続導波路
８０、８４移行部
８１幅縮小テーパ導波路
８２、８５多モード導波路
８３幅拡大テーパ導波路
１００、１０１、１０２カップリング部
２００伝搬部

Claims

支持基板と、
前記支持基板上に形成されるクラッドと、
前記クラッド中に埋設され、前記支持基板の上面に平行に設けられる、光導波路コアとを備え、
前記光導波路コアは、
空間光の直交する２つの偏光成分の一方を、０次モードのＴＥ偏波として、他方を、０次モードのＴＥ偏波として、当該光導波路コアに導入する、二次元グレーティングカプラ、及び、
０次モードのＴＥ偏波の一部を、１次モードのＴＥ偏波に変換する移行部
を有するカップリング部と、
０次モード及び１次モードのＴＥ偏波が伝搬する伝搬部と
を備え、
前記伝搬部には、０次モード及び１次モードのＴＥ偏波に対して動作する素子が設けられる
ことを特徴とする光導波路素子。