JPWO2018123709A1 - 方向性結合器とその設計方法 - Google Patents

Abstract

本発明の目的は、方向性結合器において、ギャップのトレランスを向上させることである。そのために本発明の方向性結合器は、二つの導波路がギャップを挟んで相対する方向性結合器であって、前記方向性結合器の分岐比が最大またはその近傍となるギャップとDC（Directional Coupler）長のうち、所望のギャップとDC長を備え、しかも結合領域における前記二つの導波路の伝搬定数に差を設けて所望の分岐比とすることを特徴とする。

Description

本発明は、方向性結合器とその設計方法に関する。

近年の光通信では通信トラフィックの増加に伴い、光通信回線の増強が強く求められている。光通信回線の増強に向けて、光学機能素子の集積化が盛んに検討されている。光学機能素子の集積化について、光導波路型フィルタの集積化が重要課題の一つである。この光導波路型フィルタについて次に説明する。

光導波路型フィルタの一例として、マッハツェンダー干渉計(Mach-Zehnder interferometer、MZI干渉計)やリング共振器が挙げられるが、そのどちらも、方向性結合器(DC：Directional Coupler)から構成される。これは、方向性結合器が光の分岐機能を持つからである。方向性結合器は、２つの光導波路（以下導波路と略す）が光学的に結合することによって、分岐機能が発現する。光が結合するためには、導波路間隔(ギャップ)が導波路幅と同じか、またはそれ以下の寸法にする。ギャップは製造プロセスにおいて発生する製造誤差によって必ずばらつくため、分岐比もばらつきを持つことになる。結果、光導波路型フィルタの特性にばらつきが生じ、ひいては集積光学素子全体の特性がばらつくことになる。従って、方向性結合器の分岐比のばらつきを押さえることが、非常に重要である。分岐比がばらつく理由を次に詳細に述べる。

前提として、図１に示す様に、周囲をクラッド３に囲まれた２つの導波路１及び導波路２を備えた方向性結合器を考える。方向性結合器の中央付近(ギャップが最も狭い部分)での導波路の断面構造を図２に示す。一般に、２つの導波路１及び導波路２は同じ寸法とされることが多いため、ここでも同じ寸法として説明する。方向性結合器の分岐比を、図３によって定義する。つまり、ある導波路中を通る強度１の光のうちの一部（Ｘ）が隣接する導波路に分岐した場合、分岐比はＸである。分岐比は0から1までの値をとる。なお、本明細書では分岐比と記述しているが、他の文献では結合効率と記述される場合があることを補足する。

2つの導波路の寸法が同じ前述の構造では、分岐比は、DC長およびギャップによって決定される。一例として、DC長をパラメータとした場合の分岐比の変化を図４に示す。分岐比はDC長によって周期的に変化し、また、ギャップが狭いほど、小さい周期で変化する。加えて、図４より次のことが分かる。ある狙いのDC長に対して、プロセスエラー等によってDC長が0.1umずれた場合分岐比の変動は非常に小さいが、ギャップが狙いに対して、0.1umずれると分岐比が大きく変わることが分かる。つまりDC長の寸法の変動よりもギャップの寸法の変動に対してトレランス（許容度）が厳しいと言える。通常、方向性結合器の分岐比は、狙い値として0.1〜0.3程度と設定されることが多いため、分岐比の狙う値として0.2を想定し、分岐比の許容プロセス誤差を±10%（従って分岐比は0.20±0.02）として、トレランスを考える。横軸をギャップとし、DC長を一定にした場合の分岐比をプロットしたのが図５である。分岐比を0.20±0.02に収めるためには、ギャップを0.50±0.01umとしなくてはならない。2016年現在の製造プロセス技術では、一般的に商用利用可能な装置のプロセス公差は0.03um程度であり、0.01umを安定して実現することは非常に難しい。そのため、これまでは、プロセス誤差による歩留りの悪化は避けられなかった。

特許文献１には、方向性結合器を構成する２本の光導波路の幅を異ならせて伝搬定数を変えた導波型光分岐素子が開示されている。この素子では、伝搬定数に差を設けることで結合率の波長依存性を緩和している。

特開平２−２８７４０８号公報 特開平６−１１００９１号公報

岡本勝就著 「光導波路の基礎(フォトニクスシリーズ)」 コロナ社、1992年、P131-P132

図１で述べた方向性結合器では、集積型光機能素子に用いられる方向性結合器の分岐比について、製造プロセスにおけるギャップ寸法の誤差の許容度（プロセストレランス）が非常に小さい。そのため安定的に製作できず、歩留りが悪いことが問題であった。特許文献１ではギャップのプロセストレランスについては全く記載がない。

本発明の目的は、ギャップのトレランスを向上させることである。

本発明は、二つの導波路がギャップを挟んで相対する方向性結合器であって、前記方向性結合器の分岐比が最大またはその近傍となるギャップとDC（Directional Coupler）長のうち、所望のギャップとDC長を備え、しかも結合領域における前記二つの導波路の伝搬定数に差を設けて所望の分岐比とすることを特徴とする方向性結合器、である。

また本発明は、二つの導波路がその間に配置されたリング共振器を介して結合する方向性結合器であって、前記導波路とリング共振器の間の分岐比が最大またはその近傍となるギャップとDC長のうち、所望のギャップとDC長を備え、しかも前記導波路と前記リング共振器の結合領域に伝搬定数に差を設けて所望の分岐比とする方向性結合器、である。

また本発明は、二つの導波路がギャップを挟んで相対する方向性結合器を備えた方向性結合器の設計方法であって、
前記方向性結合器の分岐比が最大またはその近傍となるギャップとDC長のうち、所望のギャップとDC長を選択し、
結合領域における前記二つの導波路の伝搬定数に差を設けて所望の分岐比とする、
ことを特徴とする方向性結合器の設計方法、である。

本発明によれば、方向性結合器においてギャップのトレランスを向上させることが可能になる。

導波路2つからなる既存の方向性結合器の平面図である。 図１の方向性結合器の中央付近(ギャップが最も狭い部分)での導波路の断面構造を示した図である。 方向性結合器の分岐比を説明した平面図である。 DC長をパラメータとした場合の分岐比の変化を示す図である。 狙う分岐比の値が小さい領域でのギャップ、DC長のトレランスを説明するための図である。 狙う分岐比の値が大きい領域でのギャップ、DC長のトレランスを説明するための図である。 本発明の第１の実施形態の方向性結合器の平面図である。 本発明の第１の実施形態の方向性結合器の断面図である。 本発明の第１の実施形態において、分岐比の最大値が0.2とした場合のギャップトレランスを示す図である。 本発明の第２の実施形態の方向性結合器の平面図である。 本発明の第２の実施形態の方向性結合器の平面図である。

（第１の実施形態）
図５〜図８を用いて本発明の第１の実施形態を説明する。図７に本実施形態の方向性結合器５０の平面図を示す。図８は結合領域での断面図である。方向性結合器５０は平面光導波路型フィルタを構成している。

基板上に周囲をクラッド３に囲まれた２本の導波路５１、５２が配置されている。導波路５２の一部が曲って導波路５１に近接し、その近接部分で光結合することで方向性結合器５０を構成している。導波路５２は導波路５１との間の結合領域５４で幅が導波路５１よりも太く（図８）、その領域で導波路５１と伝搬定数が異なる。それ以外の領域は導波路５１と同じ幅である。幅の太い領域と同じ領域の境界には幅が徐々に変わっていく遷移領域５３がある。導波路５１、５２の材料はシリコン等の半導体あるいはSiON（酸化窒化シリコン）、クラッドはSiO₂（二酸化シリコン）等を用いることができる。

本実施形態の方向性結合器１０は、次の(1)と(2)を満たす設計を行うことによってギャップのトレランスを拡大する。
(1)分岐比が最大またはその近傍となる領域のギャップ及びDC長を使用する。
(2)二つの導波路の伝搬定数を異なるものとする。

(1)分岐比が最大またはその近傍となる領域のギャップ及びDC長を使用する、について
前述の通り、本実施形態の方向性結合器５０の分岐比は、ギャップおよびDC長をパラメータとするが、狙う分岐比の値が小さい領域では、ギャップのトレランスが小さくなる傾向がある(図４)。つまり分岐比を小さくしようとすると、ギャップの寸法精度を高くする必要がある。

逆に、分岐比が大きい領域、具体的には分岐比が1及びその近傍の領域ではトレランスが最も大きくなる。これを図６に示す。トレランスを議論するため、分岐比の許容誤差を前述例と同じく10％とする(従って、分岐比1.00〜0.90)。この場合、ギャップの許容誤差は±0.04umである。前述の例が±0.01umであったことを考えると、およそ4倍にトレランスを拡大することができる。しかしながら、これはあくまでも分岐比が1の場合である。分岐比は通常は0.1〜0.3が用いられるので、分岐比をこの範囲にすることが望ましい。（図５と図６は２つの導波路を備えた方向性結合器のギャップのトレランスを示す点では同じであるが、対象が異なる。図５は分岐比0.2を狙うためにDC長が短い場合であり、図６は分岐比1を狙うためにDC長が長い場合である。そのため図５と図６でギャップに対する分岐比の変化の傾向が異なっている。）
(2)二つの導波路の伝搬定数を異なるものとする、について
そこで、上記(1)で述べたトレランスを可能な限り保持して、分岐比の最大値を調整する。分岐比の最大値は、方向性結合器を構成する二つの導波路の伝搬定数の差によって決まる[非特許文献１：P131-P132]。伝搬定数は導波路の寸法によって決まるため、2つの導波路の寸法が同じである場合、伝搬定数差は0となる。伝搬定数差が0の場合、分岐比の最大値が1となる。伝搬定数差が大きくなるにつれて分岐比の最大値は減少する。伝搬定数の差が非常に大きい場合は、分岐比の最大値はほぼ0になり、分岐機能を有さない。

この特性を踏まえて、分岐比の最大値が0.2となる様に伝搬定数差を求めて、2つの導波路の寸法を決定すれば良い。2つの導波路の寸法に差をつけるためには、導波路の厚み方向、横方向（導波路の幅方向）に変化をつける方法が考えられるが、通常の製造プロセスであれば横方向に変化をつける方法が簡便である。横方向に異なる寸法とした例が図７、図８である。寸法を決定するにあたり、2つの導波路の伝搬定数および、伝搬定数の差を決定する必要がある。ここで伝搬定数の差は分岐比の狙い値によって決まるが、伝搬定数は、その他の要件から決める。その他の要件とは、例えば、導波路を伝搬するモードの上限数や、プロセス上の制約、また使用する材料の特性である。伝搬定数が決まれば、導波路寸法が決まる。

伝搬定数が異なる場合、厳密に言えば、前述の分岐比の変動周期から乖離が少し生じる可能性はある。つまり伝搬定数が変わることで分岐比の最大値が変わった場合、分岐比の変動周期はわずかに変わる。しかし、最大値近辺の分岐比vsギャップの変化が緩やかであることに変わりはないので殆ど影響はない。そのため変動周期は変わらないと考えてよい。図９に、分岐比の最大値が0.2とした場合のギャップトレランスを示す。図１で述べた方向性結合器では分岐比を0.20±0.02に収めるためには、ギャップの許容公差は±0.01umであったが、本実施形態では±0.04umに拡大することができた。±0.04umは上述した、現状におけるギャップの許容誤差であり、本実施形態によって方向性結合器のギャップについて、プロセストレランスが飛躍的に拡大することが分かる。その結果として歩留りを大きく向上させることが可能となる。

なお、本実施形態の方向性結合器を設計する際は、分岐比が最大になるギャップ及びDC長を使用するようにする。しかし製造誤差があるので、実際に製造した方向性結合器のギャップ及びDC長の組合せが、分岐比が最大になる値とは限らず、その近傍になる可能性がある。しかしその製造後のギャップ及びDC長の組合せによって得られる分岐比が、許容できるトレランスの範囲内に収まっていれば、本実施形態に含まれる。また、ギャップ及びDC長を分岐比が最大になる組合せからわずかにずらして設計しても、製造後のギャップ及びDC長の組合せによって得られる分岐比の値が、許容できるトレランスの範囲内に収まっていれば、それも本実施形態に含まれる。

また図８では分岐先の導波路５２の幅を、分岐元の導波路５１の幅よりも太くした。しかし逆に、分岐元の導波路５１の幅を分岐先の導波路５２の幅よりも太くしても伝搬定数に差を出してもよい。

また図７、８では導波路５１，５２の厚みは同じで幅にだけ差を付けて伝搬定数に差を出した。しかし幅は同じで厚みだけに差を付ける、または、幅と厚みの両方に差を付けて伝搬定数に差を出しても構わない。

また、これまでの説明は、ギャップについてのトレランス拡大を説明したが、本構造では、DC長についても、また、動作波長についてもトレランスが拡大できることを補足する。以下DC長と動作波長についてもトレランスが拡大できる理由を述べる。光は導波路だけに閉じ込められているのではなく、クラッドに染み出して伝搬する。染み出している部分が、別の導波路を感じることで光の分岐が起こる。分岐のしやすさは、光の染み出し量が多いほど多い。トレラントであるというのは、光の染み出し量が変わりにくいということを意味しているが、DC長に対してトレラントな設計をすれば、つまり上述したような分岐比が変化しにくい設計をすれば、光の染み出し量が変わりにくい設計をしたということになる。

また光の染み出し量は動作波長によっても変わるが、染み出し量が変化しにくい設計をしていれば、動作波長に対してもトレラントである。

石英系導波路に比べ、Si導波路では小型化が可能な反面、製造トレランス確保が難しくなる。しかし本実施形態によれば、方向性結合器においてギャップのトレランスを向上させることが可能になる。その結果歩留りを向上させることが可能となる。また本実施形態ではギャップだけでなく、DC長と動作波長についてもトレランスが向上する。本実施形態の方向性結合器は例えば光通信用に0.2um〜10um程度の使用波長域で用いることができる。
（第２の実施形態）
第１の実施形態では、２つの導波路の伝搬定数を異ならせた。第２の実施形態の方向性結合器では、図１０に示すように、導波路９１と導波路９２の間にリング共振器９３を配置し、リング共振器９３と導波路９１、９２の間の伝搬定数に差を付ける。差を付けるために、例えばリング共振器９３の幅を導波路９１，９２の幅より太くする。導波路９１と導波路９２の伝搬定数に差を付ける必要はない。

本実施形態の場合、第１実施形態の方向性結合器でいうギャップとDC長に該当するのは、それぞれ、リング共振器９３と導波路９１、９２の間のギャップ（２箇所）、導波路９１，９２との間でカップリングを起こす曲線部分（２箇所）の長さである。

本実施形態においても、リング共振器９３と導波路９１，９２の間の分岐比が最大になるギャップとDC長のうち、所望のギャップとDC長を選択し、更に、分岐比を0.1−0.3に下げるためにリングの幅を導波路よりも太くして伝搬定数に差を付ければよい。この点は第１の実施形態と同様である。

なおリング共振器９３の幅を導波路９１、９２より細くすることで伝搬定数に差を付けてもよいが、リング共振器９３を太くする方が、リングだけを太くすれば済み導波路９１、９２を変更しないで済むので、方向性結合器のサイズを小さくできる。

また通常、図１１に示すように、リングの真上にヒータ９５を二か所形成する。具体的には、リング上の一部にSiO₂膜等を介して金属膜ヒータを形成し、金属膜ヒータの両端を加熱用電源（不図示）に接続する。加熱した際の特性変化はリングの幅が太いほど起こりやすい。太いほどリングの特性変化が起こりやすい理由は、光の閉じ込めによる。前述したが、光は全て導波路内にあるのではなく、クラッドにも染み出して伝搬する(a)。導波路材料としてSiやSiONを想定し、クラッドの材料としてSiO₂を想定すると、SiやSiONはSiO₂より熱光学係数(熱で屈折率が変わる程度を示した係数)が大きい（b）。コアとクラッドを含めた導波路としての熱光学係数は、(a)と(b)から決まる。熱光学係数の高いコアに光がいるほど、導波路としての熱光学係数が高くなる。リングの幅を太くするというのは、光の閉じ込めを強くするということなので、熱光学係数が大きくなる。

なお図１０では平面形状が円形のリング共振器９３を用いたが、陸上競技のレーストラック形状の共振器に代えても良い。その場合レーストラックの直線部分で導波路９１，９２と光結合しても良いし、レーストラックを立てたような配置とし、そのカーブの部分で光結合させても良い。
（第３の実施形態）
本実施形態では方向性結合器の設計手法を説明する。方向性結合器は以下の(i)、(ii)の手順で設計する。
(i) 分岐比が最大（=1）またはその近傍となるギャップ幅とDC長（図４）のうち、所望のギャップ幅とDC長が得られる組み合わせを選択する。図４にあるように、ギャップ幅が大きいほどDC長に対する分岐比の変動周期が長くなるため、ギャップトレランスの点では有利となる。しかしその一方で、DC長が長くなるため、方向性結合器の小型化の点では不利となる。従って設計の際には、要求されるトレランス、使える面積、製造プロセスの制限の兼ね合いで、ギャップ幅とDC長の組み合わせを決定する。
(ii) 結合領域の２つの導波路（図３,７）に伝搬定数差を与えて所望の分岐比に調整する。

第１の実施形態でも述べたが、伝搬定数が変わることで分岐比の最大値が変わった場合、分岐比の変動周期はわずかに変わる。しかし、最大値近辺の分岐比vsギャップの変化が緩やかであることに変わりはないので殆ど影響はない。そのため変動周期が変わらないと考えてよい。このように設計すれば、ギャップ幅とDC長が所望の値であって、しかもギャップのトレランスが向上した方向性結合器性が得られる。

以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上述した実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。

この出願は、２０１６年１２月２８日に出願された日本出願特願２０１６−２５５３７０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。

本発明の方向性結合器はリング共振器、MZI干渉計等の光導波路型フィルタ、または光導波路型フィルタを外部共振器に使用した波長可変レーザ等に用いることができる。

１、２、５１、５２、９１、９２ 導波路
３ クラッド
５０ 方向性結合器
５３ 遷移領域
５４ 結合領域
９３ リング共振器
９５ ヒータ

Claims (8)

1. 二つの導波路がギャップを挟んで相対する方向性結合器であって、前記方向性結合器の分岐比が最大またはその近傍となるギャップとDC（Directional Coupler）長のうち、所望のギャップとDC長を備え、しかも結合領域における前記二つの導波路の伝搬定数に差を設けて所望の分岐比とすることを特徴とする方向性結合器。
2. 前記近傍は、前記ギャップとDC長によって得られる分岐比が、許容できるトレランスの範囲である請求項１に記載の方向性結合器。
3. 前記二つの導波路の幅または厚さの少なくとも一方が互いに異なる請求項１または２に記載の方向性結合器。
4. 二つの導波路がその間に配置されたリング共振器を介して結合する方向性結合器であって、前記導波路とリング共振器の間の分岐比が最大またはその近傍となるギャップとDC長のうち、所望のギャップとDC長を備え、しかも前記導波路と前記リング共振器の結合領域に伝搬定数に差を設けて所望の分岐比とする方向性結合器。
5. 前記導波路と前記リング共振器は幅または厚さの少なくとも一方が互いに異なる請求項４に記載の方向性結合器。
6. 前記リング共振器を加熱するヒータが設けられた請求項４または５に記載の方向性結合器。
7. 前記導波路は半導体導波路である請求項１から６のいずれか一項に記載の方向性結合器。
8. 二つの導波路がギャップを挟んで相対する方向性結合器を備えた方向性結合器の設計方法であって、
   前記方向性結合器の分岐比が最大またはその近傍となるギャップとDC長のうち、所望のギャップとDC長を選択し、
   結合領域における前記二つの導波路の伝搬定数に差を設けて所望の分岐比とする、
   ことを特徴とする方向性結合器の設計方法。

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