WO2012074134A1 - 光分岐素子、光分岐素子を用いた光導波路デバイス、並びに光分岐素子の製造方法、光導波路デバイスの製造方法 - Google Patents

光分岐素子、光分岐素子を用いた光導波路デバイス、並びに光分岐素子の製造方法、光導波路デバイスの製造方法 Download PDF

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    • Y10T156/10—Methods of surface bonding and/or assembly therefor

Definitions

  • the present invention relates to an optical branching device and an optical waveguide device using the optical branching device, and in particular, a Y-branch structure type optical branching device, an optical waveguide device using the optical branching device, a method of manufacturing the optical branching device, and an optical waveguide device It relates to a manufacturing method.
  • an optical branching element is one of particularly important elements in configuring an optical integrated circuit.
  • the optical branching element for example, a Y branching structure type optical branching element, a multimode interferometer type optical branching element, a directional coupler, or a Mach-Zehnder interferometer type optical branching element is used. All of these can be manufactured by applying a film forming technique or a fine processing technique of a semiconductor manufacturing process.
  • the optical branching ratio may be affected by manufacturing disturbances such as refractive index variations and patterning errors. May change sensitively. Further, in principle, the optical branching ratio of the directional coupler, the Mach-Zehnder interferometer type optical branching element, or the multimode interferometer type optical branching element changes depending on the wavelength. For this reason, the wavelength band to be used must be limited.
  • the Y-branch structure type optical branching element has a symmetrical structure in which input light is branched into two from one waveguide and output.
  • the Y-branch-type optical branching element is normally applied as the most basic optical branching element because it does not depend on the wavelength of the optical branching ratio and is relatively resistant to disturbances during manufacturing if designed appropriately. Is done.
  • the bent waveguide portion of the optical waveguide constituting the optical integrated circuit is desirably made as small as possible in order to reduce the size of the device. It is necessary to design with a radius of curvature or more. The design value of such a minimum curvature radius is determined by the relative refractive index difference between the core and the clad of the optical waveguide (hereinafter referred to as relative refractive index difference), the size of the core, and the like.
  • the optical confinement effect becomes larger as the optical waveguide propagates a large number of modes. That is, in general, light propagating through the optical waveguide travels in a state where an electric field oozes out from the optical waveguide to some extent. And the component which is radiated
  • this leakage is smaller than in a single-mode waveguide, and light propagates while being strongly confined in the waveguide, so that loss is less likely to occur even with a small bending radius.
  • an optical waveguide device including a Y-branch type optical branching element is configured using such an optical waveguide, the following problems occur.
  • the modes propagate while being coupled to each other, so the center of the electric field distribution of the propagating light does not completely coincide with the center of the waveguide, and proceeds while meandering slightly.
  • This meandering state changes depending on the wavelength of the propagating light, and further changes in a complicated manner depending on the individual lengths of the straight and curved portions of the optical waveguide or the number of inflection points.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 8-292340 (hereinafter referred to as Patent Document 1) or Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-011417 (hereinafter referred to as Patent Document 2).
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-011417
  • the core portion of the aperture portion 23 sandwiched between the two is narrowed.
  • the width of the diaphragm portion 23 is 6.0 to 6.5 ⁇ m in Patent Document 1 and 3.5 ⁇ m in Patent Document 2.
  • Patent Documents 1 and 2 described above allow the optical branching of the Y-branching optical branching element at a level that does not cause a problem in a normal optical branching device even when light propagating through the waveguide is incident. The ratio can be kept even.
  • the techniques described in Patent Documents 1 and 2 narrow down the light intensity peak of light meandering in the optical waveguide circuit to the center of the waveguide.
  • a digital coherent receiver using a polarization orthogonal multiplex multilevel digital signal modulation method for ultrahigh-speed communication may be configured with an optical waveguide device.
  • Such a digital coherent receiver requires an interferometer as shown in FIG. 9 that has a 90-degree optical hybrid function of extracting phase information from the polarization-separated optical signal.
  • the optical waveguide arms 26 and 27 have the same optical path length, while the optical path length of the optical waveguide arm 28 is ⁇ / 2 in terms of the phase angle of propagating light with respect to the optical waveguide arm 29.
  • the signal light branched by the optical branching element 30 is input to the couplers 32 and 33 with the same phase.
  • the local oscillation light branched by the optical branching element 31 is input to the couplers 32 and 33 with a phase difference of 90 degrees.
  • This phase difference is generally supposed to be within 90 ⁇ 5 degrees in the wavelength band used.
  • a Y-branch structure type optical branching element is used as the optical branching elements 30 and 31, the light that meanders in the waveguide and propagates by the technique described in Patent Documents 1 and 2. It can be suppressed and light can be branched with sufficiently uniform intensity.
  • a large difference occurs only when the intensity peak of the propagating light just before the branch is slightly shifted from the center of the waveguide.
  • An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and an optical branching element capable of branching light with a deviation from the center of the waveguide while sufficiently suppressing the occurrence of a phase difference, an optical waveguide device using the same, and their It is to provide a manufacturing method.
  • the optical branching element of the present invention includes a first waveguide portion having a shape in which the width of the core monotonously decreases from the first end portion to the second end portion, and the third end portion, A fourth waveguide portion having a shape in which the width of the core monotonously increases over the fourth end portions respectively connected to the second and third waveguide portions, and the second end portion and the third end portion. And a fifth waveguide portion having a core width of any value between 0.8 ⁇ m and 2.7 ⁇ m, and the relative refraction of the core and the clad of the first to fifth waveguide portions The rate difference is characterized by being at least 1.3% for light in the C-band wavelength region.
  • the method for manufacturing an optical branching element of the present invention includes a step of forming a first cladding layer on a substrate, a step of laminating a core layer on the first cladding layer, and patterning the core layer to form a core. And a step of covering the core with a second cladding layer having the same refractive index as that of the first cladding, and the relative refractive index difference between the core and the first cladding and the second cladding. Is a shape in which the width of the core monotonously decreases from the first end to the second end in the patterning of the core layer with respect to light in the C-band wavelength region.
  • first waveguide section having a shape in which the width of the core monotonously increases from the third end section to the fourth end section connected to the second and third waveguide sections, respectively.
  • 4 waveguide sections, and the second end section and the third end section are connected by 0.8 ⁇ m to 2 And forming a fifth waveguide portion having a core width of one of the values of 7 [mu] m, a.
  • an optical branching element capable of branching light incident from a center of a waveguide with sufficiently suppressed generation of a phase difference, an optical waveguide device using the same, and a manufacturing method thereof. can do.
  • FIG. 1 is a top view showing the configuration of the optical waveguide core of the optical branching device according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the optical waveguide structure of the AB portion in FIG.
  • This optical branching element includes a first waveguide section 3, a fourth waveguide section 4, and a fifth waveguide section 5.
  • the first waveguide portion 3 has a shape in which the width of the core monotonously decreases from the first end portion to the second end portion.
  • the fourth waveguide portion 4 has a shape in which the width of the core monotonously increases from the third end portion to the fourth end portion connected to the second and third waveguide portions 6 and 7 respectively.
  • the fifth waveguide portion 5 has a core width of any value from 0.8 ⁇ m to 2.7 ⁇ m, and connects the second end portion and the third end portion.
  • the relative refractive index difference between the core 1 and the clad 2 of the first to fifth waveguide portions is at least 1.3% with respect to light in the C-band wavelength region.
  • This optical branching element is a Y-branch structure type that outputs the light incident from the first end to the second and third waveguide sections 6 and 7, and is an optical signal in the C band, that is, in the band from 1530 nm to 1570 nm. Is preferably handled.
  • the relative refractive index difference between the core 1 and the clad 2 is 1.3% or more, a sufficient optical confinement effect of the optical waveguide can be obtained, and a miniaturized optical waveguide using a bent waveguide with a small curvature radius. It can be applied together with the device.
  • a miniaturized optical waveguide using a bent waveguide with a small curvature radius it can be applied together with the device.
  • the output optical phase difference converges within a certain range as W decreases. Further, as the value of the length L of the fifth waveguide portion 5 is larger, the value of W at which the output light phase difference converges within a certain range tends to increase. However, if W exceeds 2.7 ⁇ m, the output phase difference cannot be completely converged even if L is set to 700 ⁇ m or more. Therefore, W is preferably 2.7 ⁇ m or less.
  • FIG. 5 shows a calculation result of a change in the loss of incident light with respect to W when a Gaussian beam having a wavelength of 1550 nm is incident with a shift of 1.0 ⁇ m from the center of the optical waveguide, using the optical branching element model having the dimensions shown in FIG. It is. Note that the vertical axis of FIG. 5 indicates the loss of output light with respect to incident light, including a fixed coupling loss caused by shifting the input by 1.0 ⁇ m. Referring to FIG. 5, the loss increases as W decreases as the value of W increases from 4.0 ⁇ m to around 2.7 ⁇ m.
  • This loss is considered to be due to radiation from the tapered portion.
  • W is about 2.7 ⁇ m
  • the propagating light is narrowed to the vicinity of the center of the waveguide, and the loss value becomes almost constant.
  • W is smaller than 0.8 ⁇ m
  • the value of loss increases rapidly. This is considered to be a loss generated in the fifth waveguide portion 5 of the core.
  • W it is desirable to set W to a value larger than 0.8 ⁇ m. As described above, if the core width W of the fifth waveguide section 5 is set between 0.8 ⁇ m and 2.7 ⁇ m, both the phase difference of the branched light and the generation of loss can be suppressed.
  • FIG. 6 is a top view showing the configuration of the optical branching device of the second embodiment.
  • the width of the fifth waveguide section 5 in the optical branching device of the first embodiment is 2 ⁇ m.
  • An optical waveguide 8 having a width of 4 ⁇ m and a height of 4 ⁇ m is connected to the first end.
  • the taper angle (angle formed between the waveguide center line and the core edge) of the first waveguide section 3 and the fourth waveguide section 4 is set to be smaller than 3 degrees so that the propagating light does not excite the waveguide mode. It is desirable to do. In order to suppress the loss of extra light, it is desirable to further reduce the taper angle, but the taper angle is set larger in the fourth waveguide portion 4 where the core width is wider than the first waveguide portion 3. can do. The smaller the taper angle is, the longer the overall size of the device becomes. Therefore, the taper angle should be set so as to obtain necessary characteristics in consideration of the chip size, the layout of the optical waveguide, and the like. In FIG.
  • the length of the first waveguide portion 3 is 500 ⁇ m, and the core width is narrowed from 4 ⁇ m to 2 ⁇ m in this portion. In this case, the taper angle is about 0.11 degree.
  • the length of the fourth waveguide portion 4 is 700 ⁇ m, and the core width is expanded from 2 ⁇ m to 12.5 ⁇ m in this portion. In this case, the taper angle is about 0.43 degrees.
  • the change in the core width is sufficiently quasi-static, the propagating light does not excite the waveguide mode, and unnecessary high-order mode light is emitted. It is possible to suppress the loss due to the above and the deviation of the optical branching characteristic from the design value. As shown in FIG.
  • the larger L is, the larger the value of W where the fluctuation of the output optical phase difference converges within a certain range, and when the fluctuation of the output optical phase difference converges, There is a tendency that the amount of variation in the phase difference falls within a narrower range. However, such a tendency is hardly observed when L exceeds 700 ⁇ m. Further, if L is made longer than necessary, the loss also increases. Therefore, the length of L is preferably set to 700 ⁇ m or less.
  • the optical branching element as shown in FIG. 6 can be manufactured integrally with the optical waveguide by applying a microfabrication technique used in a general semiconductor manufacturing process.
  • a high refractive index silicon oxide film serving as a core layer is formed to a thickness of 4 ⁇ m. Laminate with. Thereafter, this core layer is patterned as a waveguide core by a photolithography method using the above-described photomask having a predetermined waveguide core shape pattern. Furthermore, a predetermined optical waveguide can be configured by laminating a low refractive index silicon oxide film as an upper cladding layer with a thickness of 10 ⁇ m and covering the above-mentioned waveguide core.
  • FIG. 7 shows a third embodiment of the present invention, in a digital coherent receiver based on a polarization orthogonal multiplex multilevel digital signal modulation system combining two 90-degree optical hybrid interferometers as shown in FIG. It is a top view which shows the structure at the time of applying this invention.
  • optical branching elements similar to those shown in FIG. 6 are used for the optical branching elements 9 to 13. Since the digital coherent receiver of FIG.
  • the optical waveguide since the output signal is processed by a larger size TIA (trans-impedance amplifier), the optical waveguide is routed in a complicated manner depending on the position of the input port and the output port within a limited chip size. Has been. In such an optical waveguide layout, since a large number of bent waveguides having a small radius of curvature are used, a complete single mode waveguide has too much loss. For this reason, it is desirable to use a waveguide that maintains a certain distance until the excited higher-order mode disappears.
  • TIA trans-impedance amplifier
  • the light input to the optical branching elements 10 and 12 is greatly meandered and propagated. Therefore, in a general Y optical branching element, the generation of the phase difference is suppressed to a required level. It is difficult to branch.
  • the application of the optical branching element shown in FIG. 6 is particularly effective.
  • the digital coherent receiver shown in FIG. 7 is also manufactured by applying a microfabrication technique used in a general semiconductor manufacturing process, in the same procedure as the optical branching device manufacturing method described in the second embodiment. Can do.
  • this embodiment also requires an optical waveguide device in which a waveguide is complicatedly routed within a limited chip size and light propagating through the waveguide is greatly meandering.

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Abstract

導波路中心からずれて入射した光でも、位相差の発生を十分に抑えて分岐することのできる光分岐素子、光分岐素子を用いた光導波路デバイス、並びに光分岐素子の製造方法、光導波路デバイスの製造方法を提供するために、光分岐素子は、第１の端部から、第２の端部に亘り、コアの幅が単調に減少する形状を有する第１の導波路部と、第３の端部から、第２および第３の導波路部とそれぞれ接続する第４の端部に亘り、コアの幅が単調に増加する形状を有する第４の導波路部と、第２の端部と第３の端部とを接続する、０．８μｍ乃至２．７μｍのいずれかの値のコア幅を有する第５の導波路部と、を備え、第１乃至第５の導波路部のコアとクラッドとの比屈折率差は、Ｃバンドの波長領域の光に対して少なくとも１．３％とする。

Description

光分岐素子、光分岐素子を用いた光導波路デバイス、並びに光分岐素子の製造方法、光導波路デバイスの製造方法
　本発明は光分岐素子および光分岐素子を用いた光導波路デバイスに関し、特にＹ分岐構造型の光分岐素子、光分岐素子を用いた光導波路デバイス、並びに光分岐素子の製造方法、光導波路デバイスの製造方法に関する。
　近年の光導波路技術の進歩に伴い、種々の光素子を光導波路で結んで集積した、様々な光導波路デバイスが実用化されている。このような光導波路デバイスに用いられる光素子の中で、光分岐素子は、光集積回路を構成する上で特に重要な素子の一つである。
　一般に、光分岐素子としては、例えばＹ分岐構造型光分岐素子、マルチモード干渉計型光分岐素子、方向性結合器、あるいはマッハツェンダ干渉計型光分岐素子などが利用される。これらはいずれも半導体製造プロセスの成膜技術や微細加工技術などを適用することによって製造することができる。
　これらの光分岐素子のうち方向性結合器やマッハツェンダ干渉計型光分岐素子、あるいはマルチモード干渉計型光分岐素子などの場合、屈折率ばらつきやパターニング誤差など、製造時の外乱によって光分岐比が敏感に変化することがある。また、方向性結合器やマッハツェンダ干渉計型光分岐素子、あるいはマルチモード干渉計型光分岐素子は、原理的に波長によって光分岐比が変化する。このため、使用する波長帯域を制限しなくてはならない。一方、Ｙ分岐構造型光分岐素子は、入力光を１つの導波路から２分岐して出力する対称な構造である。このため、Ｙ分岐構造型光分岐素子は、適切に設計されれば光分岐比の波長依存性はなく、製造時の外乱にも比較的強いことから、通常最も基本的な光分岐素子として適用される。
　ところで、光集積回路を構成する光導波路のうち曲がり導波路部分は、デバイス小型化のためには、できるだけ曲率半径を小さくすることが望ましいが、光の染み出しによる損失の発生を抑えるため、ある曲率半径以上で設計する必要がある。このような最小曲率半径の設計値は、光導波路のコアとクラッドとの比屈折率差（以下、比屈折率差という）や、コアのサイズなどで決定される。
　なお同じ比屈折率差の光導波路でも、多数のモードが伝播する光導波路ほど光の閉じ込め効果は大きくなる。すなわち一般的に、光導波路を伝播する光は、光導波路からある程度電界が染み出した状態で進行する。そして、この染み出し量が少ないほど、曲がり導波路で外部へ放射される成分を少なくすることができる。多数のモードが伝播するマルチモード導波路では、シングルモード導波路よりもこの染み出しが小さく、光は導波路内に強く閉じ込められて伝播するため、小さい曲げ半径でも損失が発生しにくくなる。
　一方、シングルモード光導波路の場合、光導波路中で励振された高次モードは、光導波路外への染み出しによって定常的には存在できず、消滅するまでの限られた距離のみを伝播できる。しかし、その伝播距離を特性上ある程度の長さを保つように構成することにより、シングルモード光導波路であっても、多少とも損失を抑えつつ、曲げ半径を小さくできる効果がある。
　このような光導波路で光集積回路を構成することにより、比屈折率差を変えずに光導波路をより小さい曲率半径で引き回せるようになり、結果としてチップサイズを小さくすることができる。
　しかしながら、このような光導波路を使用してＹ分岐型光分岐素子を含む光導波路デバイスを構成した場合、次のような問題が生じる。
　複数のモードを伝播する光導波路においては、各モードは互いに結合しながら伝播するため、伝播光の電界分布中心は導波路中心と完全には一致せず、若干蛇行しながら進む。
この蛇行状態は伝播する光の波長によって変化し、さらに光導波路の直線部分や曲線部分の個々の長さ、あるいは変曲点の数などによって複雑に変化する。このように導波路内を蛇行して伝播する光がＹ分岐型光分岐素子に入射した場合、Ｙ分岐型光分岐素子内でも蛇行を続けるため、分岐の対称性が崩れることになる。
　このような問題を解決するための技術が、例えば特開平８−２９２３４０号公報（以下、特許文献１という）、あるいは特開２００６−０１１４１７号公報（以下、特許文献２という）に記載されている。特許文献１、２に記載された技術は、図８に示すように、Ｙ分岐型光分岐素子に接続する導波路部分のコアに、２つのテーパ部分２１、２２を設け、テーパ部分２１、２２に挟まれた絞り部分２３のコア幅を狭くした構造とするものである。絞り部分２３の幅は、特許文献１では６．０乃至６．５μｍ、特許文献２では３．５μｍとしている。この構造によれば、蛇行により光導波路の中心からずれて伝播してきた光が、デーパ部分２１から絞り部分２３にかけて高次モードを放射し、光強度ピークは導波路中心に絞り込まれる。これによって、伝播光の蛇行は解消され、電界分布中心が導波路中心に一致した状態からテーパ部２２を介して２つの出力導波路２４、２５に分岐されるため、光分岐比の偏りの発生を効果的に防止することができる。
特開平８−２９２３４０号公報 特開２００６−０１１４１７号公報
　上述した特許文献１、２に記載された技術は、導波路内を蛇行して伝播する光が入射した場合でも、通常の光分岐デバイスでは問題にならないレベルでＹ分岐型光分岐素子の光分岐比を均等に保つことができる。
　しかしながら光の強度以外に、位相情報を扱うデバイスの場合、特許文献１、２に記載された技術では、光導波回路内を蛇行して伝播していた光の光強度ピークを導波路中心に絞り込んでも、位相ずれまで抑制して分岐することは極めて難しい。
　例えば、超高速通信用の偏波直交多重多値デジタル信号変調方式によるデジタルコヒーレントレシーバは、光導波路デバイスで構成される場合がある。このようなデジタルコヒーレントレシーバは、偏波分離した光信号から位相情報を取り出す９０度光ハイブリッド機能を担う、図９に示すような干渉計を必要とする。図９に示す干渉計においては、光導波路アーム２６、２７は光路長が等しく、一方、光導波路アーム２８の光路長は光導波路アーム２９に対して、伝播する光の位相角度にしてπ／２だけ長い。そして光分岐素子３０で分岐された信号光は、カプラ３２、３３にそれぞれ同じ位相で入力される。一方、光分岐素子３１で分岐された局部発振光は互いに９０度の位相差でカプラ３２、３３に入力される。この位相差は一般的に、使用波長帯において９０±５度以内でなければならないとされている。
　この干渉計において、光分岐素子３０、３１としてＹ分岐構造型光分岐素子を用いた場合、導波路中を蛇行して伝播する光に対し、特許文献１、２に記載された技術により蛇行を抑え、十分均等な強度で光を分岐することができる。しかし分岐光のそれぞれの位相については、分岐直前の伝播光の強度ピークが導波路中心からわずかにずれていただけで大きな差が生じる。したがって、特許文献１、２に記載された技術では、光強度については十分なレベルで均等に分岐できても、分岐光の位相ずれの発生については制御することが難しく、デバイス設計上の制約や製造歩留まりの低下を招く。
　本発明の目的は、上記問題点を解決し、導波路中心からずれて入射した光でも、位相差の発生を十分に抑えて分岐できる光分岐素子及びそれを用いた光導波路デバイス、並びにそれらの製造方法を提供することである。
　本発明の光分岐素子は、第１の端部から、第２の端部に亘り、コアの幅が単調に減少する形状を有する第１の導波路部と、第３の端部から、第２および第３の導波路部とそれぞれ接続する第４の端部に亘り、コアの幅が単調に増加する形状を有する第４の導波路部と、第２の端部と第３の端部とを接続する、０．８μｍ乃至２．７μｍのいずれかの値のコア幅を有する第５の導波路部と、を備え、第１乃至第５の導波路部のコアとクラッドとの比屈折率差は、Ｃバンドの波長領域の光に対して少なくとも１．３％であることを特徴とする。
　また本発明の光分岐素子の製造方法は、基板上に第１のクラッド層を成膜する工程と、第１のクラッド層上にコア層を積層する工程と、コア層をパターニングしコアを形成する工程と、コアを、第１のクラッドと同一の屈折率を有する第２のクラッド層で覆う工程と、を有し、コアと、第１のクラッドおよび第２のクラッドとの比屈折率差は、Ｃバンドの波長領域の光に対し、少なくとも１．３％とし、またコア層のパターニングにおいて、第１の端部から、第２の端部に亘り、コアの幅が単調に減少する形状を有する第１の導波路部と、第３の端部から、第２および第３の導波路部とそれぞれ接続する第４の端部に亘り、コアの幅が単調に増加する形状を有する第４の導波路部と、第２の端部と第３の端部とを接続する、０．８μｍ乃至２．７μｍのいずれかの値のコア幅を有する第５の導波路部と、を形成することを特徴とする。
　本発明によれば、導波路中心からずれて入射した光でも、位相差の発生を十分に抑えて分岐することのできる光分岐素子及びそれを用いた光導波路デバイス、並びにそれらの製造方法を提供することができる。
本発明の第１の実施の形態の光分岐素子の光導波路コアの構成を示す上面図である。 本発明の第１の実施の形態の光分岐素子の光導波路構造を示す断面図である。 本発明の特性計算に用いた光分岐素子モデルの構成を示す上面図である。 第５の導波路部５の幅Ｗに対する出力光位相差の変化を第５の導波路部５の長さＬ毎に示したグラフである。 第５の導波路部５の幅Ｗに対する損失の変化を第５の導波路部５の長さＬ毎に示したグラフである。 本発明の第２の実施の形態の光分岐素子の構成を示す上面図である。 本発明の第３の実施の形態の、９０度光ハイブリッド干渉計を２つ組み合わせた、偏波直交多重多値デジタル信号変調方式によるデジタルコヒーレントレシーバの構成を示す上面図である。 特許文献１および２に記載された光分岐素子の構成を示す上面図である。 ９０度光ハイブリッド機能干渉計の構成を示す上面図である。
　次に本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
　図１は、本発明の第１の実施の形態の光分岐素子の光導波路コアの構成を示す上面図、図２は図１におけるＡ−Ｂ部分の光導波路構造を示す断面図である。この光分岐素子は、第１の導波路部３と、第４の導波路部４と、第５の導波路部５と、を備える。第１の導波路部３は、第１の端部から、第２の端部に亘り、コアの幅が単調に減少する形状を有する。第４の導波路部４は、第３の端部から、第２および第３の導波路部６、７とそれぞれ接続する第４の端部に亘り、コアの幅が単調に増加する形状を有する。第５の導波路部５は０．８μｍ乃至２．７μｍのいずれかの値のコア幅を有し、第２の端部と第３の端部とを接続する。そして、第１乃至第５の導波路部のコア１とクラッド２との比屈折率差は、Ｃバンドの波長領域の光に対して少なくとも１．３％としている。
　この光分岐素子は、第１の端部から入射した光を第２および第３の導波路部６、７へ出力するＹ分岐構造型で、Ｃバンドすなわち波長が１５３０ｎｍから１５７０ｎｍの帯域の光信号を好適に扱うものである。コア１とクラッド２との比屈折率差は１．３％以上であれば、十分な光導波路の光閉じ込め効果が得られ、曲率半径の小さな曲がり導波路を用いた、小型化された光導波路デバイスと一体で適用することができる。
　光導波路中を蛇行して伝播する光が第１の端部から入射した場合、第５の導波路部５の幅Ｗを狭くし、伝播光の電界強度ピークを導波路中心に合わせることにより、光強度が十分均等になるように分岐させることができる。しかし位相ずれまで抑制して光分岐するためには、第５の導波路部５の幅Ｗを更に狭くし、伝播光の電界強度ピークを導波路中心により厳密に合わせる必要がある。
　図４は、図３に示す寸法の光分岐素子モデルを用い、波長１５５０ｎｍのガウシアンビームを、光導波路中心から１．０μｍずらして入射させた場合の、出力光１と２との位相差をＷの値に対して計算した結果を示す。図４を参照すると、出力光位相差は、Ｗが小さくなるにつれて一定の範囲内に収束する。また第５の導波路部５の長さＬの値が大きいほど、出力光位相差が一定の範囲内に収束するＷの値は大きくなる傾向がある。しかし、Ｗが２．７μｍを超えるとＬを７００μｍ以上としても出力位相差は収束し切れない。したがってＷは２．７μｍ以下とすることが望ましい。
　なお、上述のようにＷを狭くすることにより分岐出力光の位相差を小さくすることができるが、Ｗを狭くしすぎると損失が増加するという問題が生じる。図５は、図３に示す寸法の光分岐素子モデルを用い、波長１５５０ｎｍのガウシアンビームを、光導波路中心から１．０μｍずらして入射させた場合の、Ｗに対する入射光の損失の変化の計算結果である。なお、図５の縦軸は、入力を１．０μｍずらしたことによる一定の結合損失を含めた、入射光に対する出力光の損失分として示している。図５を参照すると、損失はＷの値が４．０μｍから２．７μｍ付近にかけては、Ｗが小さくなると損失が増えている。この損失分はテーパ部分からの放射によると考えられる。そしてＷが２．７μｍ付近になると、伝播する光は導波路中心付近に絞り込まれ、損失の値はほぼ一定となる。しかしＷが０．８μｍより小さくなると損失の値は急激に増加している。これはコアの第５の導波路部５で発生する損失と考えられ、この部分での損失発生を抑えるためには、Ｗを０．８μｍより大きい値に設定することが望ましい。
　以上のように、第５の導波路部５のコア幅Ｗを０．８μｍから２．７μｍの間とすれば、分岐光の位相差と損失の発生を、共に抑制することができる。
　上記のとおり、この実施の形態の光分岐素子は、導波路中心からずれて入射した光でも、位相差の発生を十分に抑えて分岐することができる。
（第２の実施の形態）
　次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図６は第２の実施の形態の光分岐素子の構成を示す上面図で、上記の第１の実施の形態の光分岐素子における第５の導波路部５の幅を２μｍとしている。また第１の端部には、幅４μｍ、高さ４μｍの光導波路８が接続している。
　第１の導波路部３および第４の導波路部４のテーパ角度（導波路中心線とコアエッジとのなす角度）は、伝播する光が導波モードを励振しないように、３度より小さく設定することが望ましい。なお余分な光のロスを抑えるためには、さらにテーパ角度を小さくすることが望ましいが、コア幅が広がる第４の導波路部４は第１の導波路部３に比べてテーパ角度を大きく設定することができる。これらのテーパ角度は小さくするほど素子全体のサイズが長大になるため、テーパ角度の設定はチップサイズや光導波路のレイアウトなどを勘案して、必要な特性が得られるよう設定すればよい。
　図６においては、第１の導波路部３の長さは５００μｍで、この部分でコア幅は４μｍから２μｍに狭められている。この場合、テーパ角度は約０．１１度である。一方、第４の導波路部４の長さは７００μｍで、この部分でコア幅は２μｍから１２．５μｍまで広げられている。この場合、テーパ角度は約０．４３度である。第１の導波路部３、第４の導波路部４ともに、コア幅の変化は十分準静的で、伝播する光が導波モードを励振することはなく、余計な高次モード光の放出によるロスや、光分岐特性が設計値から乖離するのを抑えることができる。
　なお、図４に示すようにＬが大きいほど、出力光位相差の変動が一定の範囲内に収束するＷの値は大きくなる傾向があり、また出力光位相差の変動が収束したときも、位相差の変動量がより狭い範囲に収まるようになる傾向がある。しかしながらこのような傾向はＬが７００μｍを超えるとほとんど見られなくなる。またＬを必要以上に長くすると損失も増加することから、Ｌの長さは７００μｍ以下とするのが望ましい。
　なお図６に示したような光分岐素子は、一般的な半導体製造プロセスに用いられる微細加工技術を適用し、光導波路と一体で製造することができる。例えばシリコン基板上に下部クラッド層となる低屈折率のシリコン酸化膜を化学気相成長法で１０μｍの厚さで成膜した後、コア層となる高屈折率のシリコン酸化膜を４μｍの厚さで積層する。その後このコア層を、上述した所定の導波路コア形状のパターンを有するフォトマスクを用いて、フォトリソグラフィー法により導波路コアとしてパターニングする。さらに上部クラッド層となる低屈折率のシリコン酸化膜を１０μｍの厚さで積層し、上述の導波路コア上を覆うことにより、所定の光導波路を構成することができる。なおシリコン酸化膜の屈折率はリンやホウ素のドープ量により任意に調整することができる。
　この実施の形態では、上述のように伝播光の損失を抑え、光分岐の効率を向上することができる。
（第３の実施の形態）
　図７は、本発明の第３の実施の形態として、図９に示したような９０度光ハイブリッド干渉計を２つ組み合わせた、偏波直交多重多値デジタル信号変調方式によるデジタルコヒーレントレシーバに、本発明を適用した場合の構成を示す上面図である。図７において、光分岐素子９~１３には、いずれも図６に示したものと同様な光分岐素子が用いられている。
　図７のデジタルコヒーレントレシーバでは、ＴＥモードとＴＭモードという二つの偏光状態の異なるデータを変調して伝送するため、受信側ではこれら二つの偏光状態を分離して復調する必要がある。また出力信号の処理を、より大きなサイズのＴＩＡ（ｔｒａｎｓ−ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）によって行うために、限られたチップサイズ内で、入力ポートや、出力ポートの位置に応じて、光導波路が複雑に引き回されている。このような光導波路のレイアウトでは、曲率半径の小さな曲がり導波路を多数使用しているので、完全なシングルモード導波路では損失が多くなりすぎる。このため、励振した高次モードが消滅するまでの距離をある程度保った導波路が用いられることが望ましい。その場合、特に光分岐素子１０、１２に入力する光は大きく蛇行して伝播することになるため、一般的なＹ光分岐素子では、位相差の発生を必要とされるレベルまで抑制して光分岐することは困難である。このような構成の光導波路において、図６に示した光分岐素子の適用は特に効果を発揮する。
　なお図７のデジタルコヒーレントレシーバもまた、第２の実施の形態で述べた光分岐素子の製造方法と同様の手順により、一般的な半導体製造プロセスに用いられる微細加工技術を適用して製造することができる。
　以上のように、この実施の形態では、限られたチップサイズの中で複雑に導波路を引き回され、導波路中を伝播する光が大きく蛇行している光導波路デバイスでも、必要とされるレベルまで位相差の発生を抑制して光分岐することができる。
　以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
　この出願は、２０１０年１２月１日に出願された日本出願特願２０１０−２６８５４８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。
　１　　コア
　２　　クラッド
　３　　第１の導波路部
　４　　第４の導波路部
　５　　第５の導波路部
　６　　第２の導波路部
　７　　第３の導波路部
　８　　光導波路
　９~１３　　光分岐素子
　２１、２２　　テーパ部分
　２３　　絞り部分
　２４、２５　　出力導波路
　２６~２９　　光導波路アーム
　３０、３１　　光分岐素子
　３２、３３　　カプラ

Claims (8)

  1. 　第１の端部から、第２の端部に亘り、コアの幅が単調に減少する形状を有する第１の導波路部と、
    　第３の端部から、第２および第３の導波路部とそれぞれ接続する第４の端部に亘り、コアの幅が単調に増加する形状を有する第４の導波路部と、
    　前記第２の端部と前記第３の端部とを接続する、０．８μｍ乃至２．７μｍのいずれかの値のコア幅を有する第５の導波路部と、を備え、
    　前記第１乃至第５の導波路部のコアとクラッドとの比屈折率差は、Ｃバンドの波長領域の光に対して少なくとも１．３％であることを特徴とする光分岐素子。
  2. 前記第５の導波路部の長さは７００μｍより短いことを特徴とする、請求項１に記載の光分岐素子。
  3. 前記第４の導波路部のテーパ角度は３度より小さく、かつ前記第１の導波路部のテーパ角度より大きいことを特徴とする、請求項１または２に記載の光分岐素子。
  4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の光分岐素子である、第１および第２の光分岐素子と、
    　前記第１の光分岐素子から分岐した、光路長が等しい第１および第２の光導波路アームと、
    　前記第２の光分岐素子から分岐した、伝播する光の位相角度としてπ／２の光路長差を有する第３および第４の光導波路アームと、
    　前記第１の光導波路アームおよび前記第３の光導波路アームを結合する第１の光カプラと、
    　前記第２の光導波路アームおよび前記第４の光導波路アームを結合する第２の光カプラと、を備えることを特徴とする、光分岐素子を用いた光導波路デバイス。
  5. 基板上に第１のクラッド層を成膜する工程と、
    　前記第１のクラッド層上にコア層を積層する工程と、
    　前記コア層をパターニングしコアを形成する工程と、
    　前記コアを、前記第１のクラッドと同一の屈折率を有する第２のクラッド層で覆う工程と、を有し、
    　前記コアと、前記第１のクラッドおよび前記第２のクラッドとの比屈折率差は、Ｃバンドの波長領域の光に対し、少なくとも１．３％とし、また前記コア層のパターニングにおいて、
    　第１の端部から、第２の端部に亘り、コアの幅が単調に減少する形状を有する第１の導波路部と、
    　第３の端部から、第２および第３の導波路部とそれぞれ接続する第４の端部に亘り、コアの幅が単調に増加する形状を有する第４の導波路部と、
    　前記第２の端部と前記第３の端部とを接続する、０．８μｍ乃至２．７μｍのいずれかの値のコア幅を有する第５の導波路部と、
    を形成することを特徴とする光分岐素子の製造方法。
  6. 前記狭窄導波路部の長さは７００μｍより短くすることを特徴とする、請求項５に記載の光分岐素子の製造方法。
  7. 前記第４のテーパ導波路部のテーパ角度は３度より小さく、かつ前記第１の導波路部のテーパ角度より大きく設定することを特徴とする、請求項５または６に記載の光分岐素子の製造方法。
  8. 第１および第２の光分岐素子と、
    　前記第１の光分岐素子から分岐した、光路長の等しい第１および第２の光導波路アームと、
    　前記第２の光分岐素子から分岐した、伝播する光の位相角度としてπ／２の光路長差を設けた第３および第４の光導波路アームと、
    　前記第１の光導波路アームおよび前記第３の光導波路アームを伝播する光を結合する第１の光カプラと、
    　前記第２の光導波路アームおよび前記第４の光導波路アームを伝播する光を結合する第２の光カプラと、
    を請求項５乃至７のいずれかに記載の光分岐素子の製造方法により構成することを特徴とする、光分岐素子を用いた光導波路デバイスの製造方法。
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