WO2014125535A1 - 偏波分離器、及び光デバイス - Google Patents

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WO2014125535A1
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松本　崇
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日本電気株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a polarization separator and an optical device.
  • DP-QPSK “Dual-Polarization-Differential-Quadrature-Phase-Shift-Keying”
  • OIF Optical Internetworking Forum
  • a planar lightwave circuit (Planer Lightwave Circuit) using optical waveguide technology is considered to be promising.
  • a quartz waveguide is used as the planar lightwave circuit.
  • the quartz waveguide cannot increase the relative refractive index difference between the core and the clad so much, and is generally about 2%.
  • the minimum bending radius of the waveguide is on the order of mm, and it is difficult to reduce the size of the chip.
  • Patent Document 1 Since the refractive index of silicon is as high as about 3.5, excessive loss does not occur even if the silicon waveguide is bent with a radius on the order of several ⁇ m to several hundred ⁇ m.
  • silicon waveguides are classified into channel type and rib type.
  • the channel type is formed so that the entire waveguide is covered with a clad.
  • the thickness of the channel waveguide is about 200 nm.
  • the bending radius can be made very small, about several ⁇ m, but the roughness of the waveguide side wall is easy to feel and the propagation loss is as large as 2 to 3 dB / cm.
  • the required accuracy is high in waveguide fabrication, and an EB (Electron Beam) exposure apparatus is used, so that drawing takes time.
  • the rib type is formed so that the waveguide is sandwiched between clad layers.
  • the thickness of the rib-type waveguide is about 1 to 3 ⁇ m.
  • the bending radius is about 200 ⁇ m, which is not as small as the channel type, but the propagation loss is 0.5 to 1.0 dB / cm, which is smaller than the channel type.
  • sufficient characteristics can be obtained by stepper exposure, so that the productivity is higher than that of the channel type.
  • the polarization separation function can be realized by a Mach-Zehnder type configuration like a quartz waveguide.
  • structural refractive index dispersion is larger than that of a general quartz waveguide, which is advantageous in terms of size and control.
  • it is sensitive to parameters such as waveguide width, rib height, and core Si layer thickness, and there is a problem in productivity.
  • the present invention has been made in view of such problems.
  • An object of the present invention is to provide a polarization separator and an optical device with high productivity.
  • a polarization beam splitter is formed by a rib-type waveguide, and is formed by a duplexer that demultiplexes input light into first input light and second input light, and a rib-type waveguide. And a multiplexer that multiplexes the first input light and the second input light demultiplexed by the demultiplexer, and at least a part is formed by a channel-type waveguide, and the first input
  • a first arm waveguide that guides light to the multiplexer and at least a part of the first waveguide are channel-type waveguides, and produce a phase difference with respect to the first input light propagating through the first arm waveguide.
  • a second arm waveguide for guiding the second input light to the multiplexer.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a coherent mixer element 1 used for digital coherent communication.
  • the coherent mixer element 1 is, for example, a planar lightwave circuit (PLC), and includes a polarization beam splitter PBS and a 90 ° optical hybrid 90 ° OH.
  • the polarization separator PBS is a circuit having a polarization separation function.
  • the polarization separator PBS is, for example, a Mach-Zehnder interferometer that uses the birefringence of an arm waveguide.
  • the 90 ° optical hybrid 90 ° OH is a circuit (coherent mixer circuit) having a function of extracting phase information.
  • the coherent mixer element 1 is provided, for example, in a receiver in a polarization orthogonal multiplexing multilevel digital signal modulation system. Specifically, the coherent mixer element 1 is an optical receiving FE (front end) provided in the receiver. The coherent mixer element 1 is an integrated optical device in which a polarization separation function and a function for extracting phase information are accommodated in one package.
  • An input port 31 is provided on the input side of the polarization separator PBS. Signal light Signal and local oscillation light Local are input to the input port 31.
  • the polarization separator PBS demultiplexes the signal light signal and the polarization component (X / Y component) orthogonal to the local oscillation light Local and outputs the demultiplexed light to the 90 ° optical hybrid 90 ° OH.
  • 90 ° optical hybrid 90 ° OH separates orthogonal polarization components (X / Y component) and orthogonal phase components (I / Q channel) of input light.
  • the 90 ° optical hybrid 90 ° OH has eight output ports 33.
  • the eight output ports 33 correspond to XIp, XIn, XQp, XQn, YIp, YIn, YQp, and YQn, respectively.
  • the 90 ° optical hybrid 90 ° OH outputs each signal to an OE (Optical / Electrical) converter or the like (not shown).
  • the silicon waveguide constitutes the coherent mixer element 1.
  • the relative refractive index difference between the core and the clad can be increased. For this reason, the minimum bending radius can be made smaller than that of the quartz waveguide.
  • the silicon waveguide has two types, a rib type structure and a channel type structure. 2 and 3 show a cross section of a silicon waveguide having a general rib type structure and a cross section of a silicon waveguide having a channel type structure.
  • the channel-type waveguide 51 and the rib-type waveguide 50 include a substrate 21, a lower clad layer 22, a core layer 23, and an upper clad layer 24.
  • a lower cladding layer 22 is provided on a substrate 21 which is a silicon substrate.
  • the lower clad layer 22 is a SiO 2 film, and is formed of, for example, a buried oxide film (BOX).
  • a core layer 23 is provided on the lower cladding layer 22.
  • the core layer 23 is a Si film such as an SOI (Silicon On Insulator) substrate.
  • An upper clad layer 24 is provided on the core layer 23.
  • the upper clad layer 24 is, for example, a SiO 2 film.
  • the core layer 23 is made of a material having a refractive index different from that of the lower clad layer 22 and the upper clad layer 24.
  • the core layer 23 has a rib 23a protruding upward. Then, both sides of the rib 23 a are sandwiched between the upper clad layers 24.
  • the thickness varies from about 1 to 3 ⁇ m.
  • the bending radius is about 200 ⁇ m, which is not as small as the channel type, but the propagation loss is 0.5 to 1.0 dB / cm, which is smaller than the channel type. Since the waveguide fabrication can provide sufficient characteristics by stepper exposure, the productivity is higher than the case of forming by waveguide exposure.
  • the cross section of the core layer 23 serving as a waveguide is substantially rectangular.
  • the upper clad layer 24 covers the core layer 23.
  • the lower clad layer 22 and the upper clad layer 24 cover the entire core layer 23.
  • the polarization separator PBS according to the present embodiment has both a channel type structure and a rib type structure.
  • FIG. 4 shows a schematic diagram of the polarization separator PBS.
  • the polarization separator PBS is a Mach-Zehnder type polarization beam splitter monolithically integrated inside the coherent mixer element 1.
  • the polarization separator PBS includes a duplexer 11, a multiplexer 14, an arm unit 15, an input waveguide 16, and an output waveguide 17.
  • the arm unit 15 includes a first arm waveguide 12 and a second arm waveguide 13.
  • the arm unit 15 is disposed between the duplexer 11 and the multiplexer 14.
  • the arm unit 15 constitutes a Mach-Zehnder interferometer.
  • the demultiplexer 11 and the multiplexer 14 are, for example, MMI (Multi-Mode Interference) couplers, and are 2-input 2-output couplers here.
  • a directional coupler, a Y branching unit, or the like can be used as the duplexer 11 and the multiplexer 14.
  • the demultiplexer 11 is coupled to the two input waveguides 16 and demultiplexes the input light into the first input light and the second input light.
  • the duplexer 11 splits the signal light into 50:50 and generates the first input light and the second input light.
  • the duplexer 11 is coupled to the first arm waveguide 12 and the second arm waveguide 13.
  • the first input light demultiplexed by the demultiplexer 11 propagates through the first arm waveguide 12.
  • the second input light demultiplexed by the demultiplexer 11 propagates through the second arm waveguide 13.
  • the first arm waveguide 12 and the second arm waveguide 13 are coupled to the multiplexer 14.
  • the multiplexer 14 multiplexes the first input light that has propagated through the first arm waveguide 12 and the second input light that has propagated through the second arm waveguide 13.
  • the multiplexer 14 is coupled to two output waveguides 17.
  • the multiplexer 14 outputs TE (Transverse Electric) polarized light from one output waveguide 17 and outputs TM (Transverse Magnetic) polarized light from the other output waveguide 17.
  • TE Transverse Electric
  • TM Transverse Magnetic
  • the duplexer 11 and the multiplexer 14 are constituted by rib-type silicon waveguides. At least a part of the arm portion 15 is composed of a channel type silicon waveguide. That is, the channel type waveguide is arranged between the rib type waveguides. In the case of the channel type, it is not necessary to consider the variation factor that structurally increases the rib height. Moreover, the sensitivity is small also about the thickness of a core Si layer as a result of calculation. Thereby, it is possible to realize a polarization separator PBS with higher productivity than adopting a rib type for both arm waveguides.
  • the polarization separator PBS has a channel type waveguide and a rib type waveguide.
  • the polarization separator PBS includes a rib type region 41, a channel type region 42, and a transition region 43.
  • a rib-type waveguide 50 is provided as shown in FIG.
  • a channel waveguide 51 is provided as shown in FIG.
  • the transition region 43 is a region between the rib-type waveguide 50 and the channel-type waveguide 51.
  • the duplexer 11 and the multiplexer 14 are provided in the rib area 41.
  • the rib-shaped region 41 extends to the middle of the arm portion 15.
  • a fan-out 45 in which the distance between the first arm waveguide 12 and the second arm waveguide 13 is gradually widened and a fan-in 46 in which the gap is gradually narrowed are rib-type regions 41.
  • a part of the arm portion 15 is provided in the channel type region 42.
  • the arm portion 15 between the channel type region 42 and the rib type region 41 becomes a transition region 43.
  • the first arm waveguide 12 is formed by the channel-type waveguide 51.
  • the first arm waveguide 12 guides the first input light to the multiplexer 14.
  • at least a part of the second arm waveguide 13 is formed by a channel-type waveguide 51.
  • the second arm waveguide 13 generates a phase difference with respect to the first input light propagating through the first arm waveguide 12 and guides the second input light to the multiplexer 14.
  • FIG. 5 is a perspective view showing a waveguide shape around the transition region 43.
  • the rib type region 41 is provided with a core layer 23 having ribs 23a.
  • the rib 23 a protrudes on the core layer 23.
  • the core layer 23 of the channel type region 42 has the same height as the rib 23 a of the rib type region 41. That is, the thickness of the core layer 23 including the ribs 23 a in the rib type region 41 and the thickness of the core layer 23 in the channel type region 42 are substantially the same.
  • the width of the core layer 23 in the channel type region 42 is substantially equal to the width of the rib 23 a in the rib type region 41.
  • a tapered portion 23b in which the waveguide width gradually changes is provided in the transition region 43.
  • variety becomes narrow gradually as it goes to the channel type area
  • the tapered portion 23 b is provided on both side surfaces of the core layer 23 in the channel type region 42.
  • the boundary surface between the core and the cladding layer is tapered.
  • the height of the tapered portion 23 b is substantially equal to the height of the core layer 23 not including the rib 23 a in the rib-type region 41. That is, the thickness of the tapered portion 23 b in the transition region 43 substantially matches the thickness of the core layer 23 that does not include the rib 23 a in the rib-type region 41.
  • the height of the tapered portion 23 b is lower than the core layer 23 in the channel type region 42. Since the tapered portion 23b rib-type waveguide 50 and the channel-type waveguide 51 have different light confinement, a loss occurs unless they are connected smoothly. Therefore, the transition region 43 has a structure in which the slab region is narrowed as gently as possible to form a channel type.
  • the width and height of the core layer 23 in the channel region 42 are, for example, 1 to 3 ⁇ m.
  • the core layer 23 has a width of 1.35 ⁇ m and a height of 1.5 ⁇ m.
  • FIG. 6 shows changes in loss with respect to waveguide width variations.
  • FIG. 6 is a graph showing the loss of TE polarization when the waveguide width is varied. The waveguide width is assumed to be the same fluctuation in both arms.
  • FIG. 7 shows the change of the loss with respect to the fluctuation of the rib height.
  • FIG. 7 is a graph showing the loss of TE-polarized light when the rib height is changed.
  • a case where both the first arm waveguide 12 and the second arm waveguide 13 have a rib-type structure is indicated by a single curve.
  • a case where both the first arm waveguide 12 and the second arm waveguide 13 have a channel structure is indicated by three curves.
  • a case where one of the first arm waveguide 12 and the second arm waveguide 13 has a rib-type structure and the other has a channel-type structure is indicated by two curves.
  • the rib height is not a fluctuation factor.
  • the first arm waveguide 12 and the second arm waveguide 13 have a channel-type structure, it is possible to reduce a loss due to a variation in rib height.
  • the first arm waveguide 12 and the second arm waveguide 13 have a rib-type structure, as shown in FIG. 6, the loss with respect to fluctuations in the waveguide width is smaller than when the channel-type structure is used. growing. Therefore, in the present embodiment, the first arm waveguide 12 and the second arm waveguide 13 are formed by the channel-type waveguide 51. Thereby, the loss resulting from the fluctuation of the waveguide width can be reduced.
  • the balance of the coupler output of the multiplexer 14 changes according to the phase difference provided between the first arm waveguide 12 and the second arm waveguide 13.
  • the arm portion 15 is designed so that the phase difference is zero for the TE polarized light and the phase difference is ⁇ for the TM polarized light. Accordingly, the multiplexer 14 outputs TE polarized light from one output waveguide 17 and outputs TM polarized light from the other output waveguide 17.
  • the width of the first arm waveguide 12 is w 1 and the length is L 1 .
  • the width of the second arm waveguide 13 is w 2 and the length is L 2 .
  • the widths w 1 and w 2 and the lengths L 1 and L 2 of each arm waveguide are set so as to satisfy the expressions (1) and (2) at the same time.
  • n TE (w 1 ) ⁇ L 1 ⁇ n TE (w 2 ) ⁇ L 2 0
  • n TM (w 1 ) ⁇ L 1 ⁇ n TM (w 2 ) ⁇ L 2 ⁇ / 2 (2)
  • n TE is an equivalent refractive index for TE polarized light
  • n TM is an equivalent refractive index for TM polarized light
  • ⁇ is the wavelength of the input light.
  • FIG. 8 shows the change of the equivalent refractive index n with respect to the waveguide width w.
  • the optical path length n ⁇ L is as shown in FIG. 9, and the waveguide length L 1 and the waveguide satisfying the expressions (1) and (2) are satisfied.
  • the length L 2 is determined.
  • the waveguide widths w 1 and w 2 and the waveguide lengths L 1 and L 2 are determined under the phase condition of the same phase for the TE polarized light and the opposite phase for the TM polarized light.
  • the waveguide width and the waveguide length of the first arm waveguide 12 and the second arm waveguide 13 are determined.
  • birefringence control can be performed so as to satisfy the phase condition for the first input light and the second input light. That is, the TE polarized light propagating through the first arm waveguide 12 and the TE polarized light propagating through the second arm waveguide 13 have a phase difference of 0 and TM polarized light propagating through the first arm waveguide 12.
  • the phase condition in which the phase difference is ⁇ is satisfied with the TM polarized light propagating through the second arm waveguide 13.
  • One output waveguide 17 outputs TE polarized light, and the other output waveguide 17 outputs TM polarized light.
  • the arm portion 15 by forming the arm portion 15 with the channel-type waveguide 51, tolerance against manufacturing errors and the like can be increased. For this reason, a yield can be improved and productivity can be improved. Furthermore, it is possible to reduce the loss due to the phase error caused by the fluctuation of the waveguide width.
  • the polarization separator PBS combining the rib-type waveguide and the channel-type waveguide can be expected to have a low excess loss compared to the case where all are constituted by the channel-type waveguide.
  • a desired waveguide length and waveguide width can be easily obtained. Therefore, a configuration for adjusting the phase difference after manufacturing is not necessary, and productivity can be improved.
  • the rib-type waveguide 50 and the channel-type waveguide 51 can be formed by stepper exposure. That is, the core layer 23 including the ribs 23a is formed through steps such as resist coating, exposure, development, etching, and resist stripping. Thereby, since EB exposure with a long exposure time is unnecessary, productivity can be improved. Furthermore, the rib-type waveguide 50 and the channel-type waveguide 51 can be collectively formed on one substrate by stepper exposure. For this reason, it is not necessary to form the rib-type waveguide 50 and the channel-type waveguide 51 separately on different substrates and adhere the substrates with an adhesive or the like. Thereby, productivity can be made high.
  • the waveguide widths of the first arm waveguide 12 and the second arm waveguide 13 are different.
  • the waveguide width w 2 of the second arm waveguide 13 is wider than the waveguide width w 1 of the first arm waveguide 12.
  • a part of the second arm waveguide 13 is tapered. That is, the second arm waveguide 13 includes a taper arm waveguide 18 whose waveguide width gradually increases as it goes from the duplexer 11 to the multiplexer 14, and a taper arm waveguide 19 whose waveguide width gradually decreases. It has.
  • the first arm waveguide 12 includes a tapered arm waveguide 18 whose waveguide width gradually increases as it goes from the duplexer 11 to the multiplexer 14, and a tapered arm waveguide whose waveguide width gradually decreases. 19 is provided.
  • the taper arm waveguides 18 and 19 in the first arm waveguide 12 and the second arm waveguide 13 the waveguide width satisfying the phase condition can be easily obtained. Furthermore, since the waveguide is tapered, the loss can be reduced, and the fundamental mode can be input to the arm waveguides 12 and 13 that are multimode waveguides without setting unnecessary modes. Therefore, stable polarization separation function can be expected.
  • tapered arm waveguides 18 and 19 provided in the first arm waveguide 12 and similar tapered arm waveguides 18 and 19 are provided in the second arm waveguide 13. A phase shift caused by changing the waveguide width can be compensated. Thereby, the 1st arm waveguide 12 and the 2nd arm waveguide 13 which satisfy
  • the waveguide is linear.
  • the first arm waveguide 12 and the portion formed by the channel-type waveguide 51 of the second arm waveguide 13 are linear.
  • the channel type region 42 does not have a bent portion in the waveguide.
  • the waveguide is described as a silicon waveguide, but the waveguide is not limited to a silicon waveguide.
  • a semiconductor waveguide such as InP can be used as the waveguide.
  • a compound semiconductor material including various materials can be used as the waveguide.
  • PBS Polarization separator 90 ° OH 90 ° optical hybrid 11 Demultiplexer 12 First arm waveguide 13 Second arm waveguide 14 Multiplexer 15 Arm portion 16 Input waveguide 17 Output waveguide 18 Tapered arm waveguide 19 Tapered arm waveguide 21 Substrate 22 Lower clad layer 23 Core layer 23a Rib 23b Tapered portion 24 Upper clad layer 31 Input port 33 Output port 41 Rib type region 42 Channel type region 43 Transition region 45 Fine in 46 Fan out 50 Rib type waveguide 51 Channel waveguide

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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

生産性の高い偏波分離器、及び光デバイスを提供すること。 本発明の実施の形態にかかる偏波分離器（ＰＢＳ）は、リブ型導波路（５０）によって形成され、入力光を第１の入力光及び第２の入力光に分波する分波器（１１）と、リブ型導波路（５０）によって形成され、分波器（１１）で分波された第１の入力光と第２の入力光を合波する合波器（１４）と、チャネル型導波路（５１）によって形成され、第１の入力光を合波器（１１）に導く第１のアーム導波路（１２）と、チャネル型導波路（５１）によって形成され、第１のアーム導波路を伝搬する第１の入力光に対して位相差を生じさせて、第２の入力光を合波部（１４）に導く第２のアーム導波路（１３）と、を備えている。

Description

偏波分離器、及び光デバイス
　本発明は、偏波分離器、及び光デバイスに関する。
　近年、１００Ｇｂ／ｓを超える超高速通信において、波長利用効率、受信特性、分散補償能力に優れる偏波直交多重多値デジタル信号変調方式（DP-QPSK: Dual Polarization Differential Quadrature Phase Shift Keying）によるデジタルコヒーレント通信の検討が活発に行われている。DP-QPSK方式は、受信器において偏波分離する機能と、分離した光信号から位相情報を取り出すための90°光ハイブリッド機能が必要とされる。このような機能を有するレシーバは、高速データ通信を推進する業界団体であるOIF（Optical Internetworking Forum）で標準化の検討が進んでおり、この仕様に則ったレシーバ開発が盛んに行われている。
　ところで、このようなレシーバを実現するための機能として、光導波路技術を用いた平面光波回路（Planer Lightwave Circuit）が有力とされている。平面光波回路としては、石英導波路が用いられる。しかしながら、石英導波路はコアとクラッドの比屈折率差をあまり大きくすることができず、一般的には２％程度である。このため、導波路の最小曲げ半径はｍｍオーダであり、チップの小型化が難しい。このような事情から、コヒーレントミキサーに限らず、昨今はシリコン導波路が注目されている（特許文献１）。シリコンの屈折率は３．５程度と高いため、シリコン導波路は数μｍ～数百μｍオーダの半径で曲げても過剰損が発生しない。
特開２０１２－１５４９８０号公報
　一般にシリコン導波路には、チャネル型とリブ型とがある。チャネル型は導波路をすべてクラッドで覆うよう形成している。チャネル型導波路の厚さはおよそ２００ｎｍ程度である。チャネル型では、曲げ半径を数μｍ程度と非常に小さくできる反面、導波路側壁のラフネスを感じやすく、伝搬損失は２～３ｄＢ／ｃｍと大きい。また、導波路作製においては求められる精度が高く、ＥＢ（Electron Beam）露光装置を使用するため、描画に時間を要する。一方、リブ型は導波路がクラッド層に挟まれるよう形成している。リブ型導波路の厚さは１～３μｍ程度である。曲げ半径は２００μｍ程度とチャネル型ほど小さくならないが、伝搬損失は０．５～１．０ｄＢ／ｃｍとチャネル型より小さい。導波路作製はステッパ露光で十分特性が得られるため、チャネル型に比較して生産性が高い。
　このような理由から、挿入損失や量産性（コスト）に照らして、リブ型構造を採用するケースは多い。コヒーレントレシーバのコモディティ化は避けられず、低コスト生産が求められており、部品となるコヒーレントミキサーもリブ型で実現する研究開発が行われている。
　リブ型のシリコン導波路によりコヒーレントミキサーを実現する場合においても、偏光分離機能は石英導波路と同様にマッハツェンダ型の構成で実現できる。シリコン導波路の場合、一般的な石英導波路と比較すると構造的な屈折率分散が大きいため、サイズや制御の点で優位である。しかしながら、導波路幅、リブ高さ、コアＳｉ層の厚さなどのパラメータに敏感であり、生産性に問題がある。本発明は、このような問題に鑑みてなされたものである。
　本発明は、生産性の高い偏波分離器、及び光デバイスを提供することを目的とする。
　本願発明の一態様にかかる偏波分離器は、リブ型導波路によって形成され、入力光を第１の入力光及び第２の入力光に分波する分波器と、リブ型導波路によって形成され、前記分波器で分波された前記第１の入力光と前記第２の入力光を合波する合波器と、少なくとも一部がチャネル型導波路によって形成され、前記第１の入力光を前記合波器に導く第１のアーム導波路と、少なくとも一部がチャネル型導波路によって形成され、前記第１のアーム導波路を伝搬する第１の入力光に対して位相差を生じさせて、前記第２の入力光を前記合波器に導く第２のアーム導波路と、を備えたものである。
　本発明によれば、生産性の高い偏波分離器、及び光デバイスを提供することができる。
光デバイスの全体構成を示す概略図である。 リブ型導波路断面を示す図である。 チャネル型導波路断面を示す図である。 マッハツェンダ型ＰＢＳの概略構成を示す平面図である。 遷移領域の構成を示す斜視図である。 ＷＧ幅トレランスを示すグラフである。 リブ高さトレランスを示すグラフである。 導波路幅に対する等価屈折率変化を示すグラフである。 アーム長に対する光路長変化を示す図である。
　添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
　図1は、デジタルコヒーレント通信に用いられるコヒーレントミキサー素子１の概略図である。コヒーレントミキサー素子１は、例えば、平面光波回路（ＰＬＣ）であり、偏波分離器ＰＢＳ、及び９０°光ハイブリッド90°OHを有している。偏波分離器ＰＢＳは偏波分離機能を有する回路である。偏波分離器ＰＢＳは、例えば、アーム導波路の複屈折率を利用したマッハツェンダ型干渉計である。９０°光ハイブリッド９０°ＯＨは位相情報を取り出す機能を有する回路（コヒーレントミキサー回路）である。
　コヒーレントミキサー素子１は、例えば、偏波直交多重多値デジタル信号変調方式における受信器に設けられる。具体的には、コヒーレントミキサー素子１は、受信器に設けられた光受信ＦＥ（フロントエンド）となる。コヒーレントミキサー素子１は、偏波分離機能と位相情報を取り出す機能とを１パッケージに収容した一体集積型の光デバイスである。
　偏波分離器ＰＢＳの入力側には入力ポート３１が設けられている。入力ポート３１には、信号光Ｓｉｇｎａｌ、及び局所発振光Ｌｏｃａｌが入力される。偏波分離器ＰＢＳは、信号光Ｓｉｇｎａｌ、及び局所発振光Ｌｏｃａｌを直交する偏波成分（Ｘ／Ｙ成分）を分波して、９０°光ハイブリッド９０°ＯＨに出力する。
　９０°光ハイブリッド９０°ＯＨは、入力光の直交する偏波成分（Ｘ／Ｙ成分）、及び直交する位相成分（Ｉ／Ｑチャネル）を分離する。例えば、９０°光ハイブリッド９０°ＯＨは、８つの出力ポート３３を有している。８つの出力ポート３３はそれぞれ、ＸＩｐ、ＸＩｎ、ＸＱｐ、ＸＱｎ、ＹＩｐ、ＹＩｎ、ＹＱｐ、ＹＱｎに対応している。そして、９０°光ハイブリッド９０°ＯＨは、それぞれの信号を図示しないＯＥ（Optical／Electrical）変換部などに出力する。
　ここで、シリコン導波路が、コヒーレントミキサー素子１を構成している。シリコン導波路では、コアとクラッドの比屈折率差を大きくすることができる。このため、石英導波路に比べて、最小曲げ半径を小さくすることができる。シリコン導波路はリブ型構造とチャネル型構造の２つを有している。図２、図３に、一般的なリブ型構造のシリコン導波路断面と、チャネル型構造のシリコン導波路断面を示す。
　チャネル型導波路５１、及びリブ型導波路５０は、基板２１、下層クラッド層２２、コア層２３、及び上層クラッド層２４を備えている。シリコン基板である基板２１の上に下層クラッド層２２が設けられる。ここでは、下層クラッド層２２はＳｉＯ２膜であり、例えば、埋め込み酸化膜（ＢＯＸ）によって形成される。下層クラッド層２２の上には、コア層２３が設けられる。コア層２３は、例えば、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板などのＳｉ膜である。コア層２３の上には、上層クラッド層２４が設けられる。上層クラッド層２４は、例えば、ＳｉＯ２膜である。コア層２３は、下層クラッド層２２、上層クラッド層２４と異なる屈折率の物質で設けられている。
　リブ型構造の断面では、コア層２３は、上側に突起したリブ２３ａを有している。そして、リブ２３ａの両側が上層クラッド層２４に挟まれている。リブ型構造では、厚さは１～３μｍ程度で様々である。曲げ半径は２００μｍ程度とチャネル型ほど小さくならないが、伝搬損失は０．５～１．０ｄＢ／ｃｍとチャネル型より小さい。導波路作製はステッパ露光で十分特性が得られるため、ＥＢ露光により形成する場合と比較して生産性が高い。
　チャネル型構造では、導波路となるコア層２３の断面がほぼ矩形状となっている。そして、上層クラッド層２４がコア層２３を覆っている。下層クラッド層２２及び上層クラッド層２４がコア層２３の全体を覆っている。本実施の形態にかかる偏波分離器ＰＢＳは、チャネル型構造とリブ型構造の両方を有している。
　図４に偏波分離器ＰＢＳの概略図を示す。偏波分離器ＰＢＳは、コヒーレントミキサー素子１の内部にモノリシックに集積されたマッハツェンダ型の偏光ビームスプリッタである。偏波分離器ＰＢＳは、分波器１１、合波器１４、アーム部１５、入力導波路１６、及び出力導波路１７を有している。アーム部１５は、第１のアーム導波路１２、及び第２のアーム導波路１３を有している。アーム部１５は、分波器１１と合波器１４との間に配置されている。アーム部１５は、マッハツェンダ干渉計を構成する。分波器１１、及び合波器１４は、例えばＭＭＩ（Multi-Mode Interference）カプラであり、ここでは、２入力２出力のカプラとなっている。あるいは、分波器１１、及び合波器１４として、方向性結合器やＹ分岐器等を用いることも可能である。
　分波器１１は、２つの入力導波路１６に結合されており、入力光を第１の入力光と第２の入力光に分波する。例えば、分波器１１は、信号光を５０：５０に分岐して、第１の入力光と第２の入力光とを生成する。分波器１１は、第１のアーム導波路１２と第２のアーム導波路１３とに結合している。分波器１１で分波された第１の入力光は、第１のアーム導波路１２を伝搬する。分波器１１で分波された第２の入力光は、第２のアーム導波路１３を伝搬する。第１のアーム導波路１２と第２のアーム導波路１３は、合波器１４に結合している。
　合波器１４は、第１のアーム導波路１２を伝搬してきた第１の入力光と、第２のアーム導波路１３を伝搬してきた第２の入力光を合波する。合波器１４は、２つの出力導波路１７に結合されている。合波器１４は、一方の出力導波路１７からＴＥ（Transverse Electric）偏光を出力し、他方の出力導波路１７からＴＭ（Transverse Magnetic）偏光を出力する。これにより、偏波分離器ＰＢＳが入力光を偏波分離する。
　分波器１１、及び合波器１４はリブ型のシリコン導波路で構成されている。アーム部１５の少なくとも一部は、チャネル型のシリコン導波路で構成されている。すなわち、リブ型導波路の間に、チャネル型導波路が配置された構造となる。チャネル型の場合、そもそも構造的にリブ高さなる変動要因を考慮する必要がない。また、計算の結果コアＳｉ層の厚についても感度が小さい。これにより、両アーム導波路にリブ型を採用するよりも、生産性の高い偏波分離器ＰＢＳを実現できる。
　偏波分離器ＰＢＳは、チャネル型導波路とリブ型導波路を有している。以下、チャネル型導波路とリブ型導波路とが設けられている領域について詳細に説明する。図４に示すように、偏波分離器ＰＢＳは、リブ型領域４１とチャネル型領域４２と遷移領域４３とを備えている。リブ型領域４１では、図２に示したように、リブ型導波路５０が設けられている。チャネル型領域４２では、図３に示したように、チャネル型導波路５１が設けられている。遷移領域４３は、リブ型導波路５０とチャネル型導波路５１との間の領域である。
　リブ領域４１に、分波器１１、及び合波器１４が設けられている。アーム部１５の途中までが、リブ型領域４１となっている。例えば、第１のアーム導波路１２と第２のアーム導波路１３の間隔が徐々に広くなるファンアウト４５、及び、徐々に狭くなるファンイン４６は、リブ型領域４１となっている。チャネル型領域４２にアーム部１５の一部が設けられている。チャネル型領域４２とリブ型領域４１との間のアーム部１５は、遷移領域４３となる。
　このように、第１のアーム導波路１２の少なくとも一部は、チャネル型導波路５１で形成されている。第１のアーム導波路１２は、第１の入力光を合波器１４に導く。さらに、第２のアーム導波路１３の少なくとも一部がチャネル型導波路５１で形成されている。第２のアーム導波路１３は、第１のアーム導波路１２を伝搬する第１の入力光に対して位相差を生じさせて、第２の入力光を合波器１４に導く。
　図５を用いて、遷移領域４３の導波路形状について説明する。図５は、遷移領域４３の周辺の導波路形状を示す斜視図である。リブ型領域４１には、リブ２３ａを有するコア層２３が設けられている。リブ２３ａは、コア層２３の上に突出している。チャネル型領域４２のコア層２３は、リブ型領域４１のリブ２３ａと同じ高さとなっている。すなわち、リブ型領域４１におけるリブ２３ａを含めたコア層２３の厚さと、チャネル型領域４２におけるコア層２３の厚さがほぼ一致している。そして、チャネル型領域４２のコア層２３の幅は、リブ型領域４１のリブ２３ａの幅とほぼ一致している。
　遷移領域４３には、導波路幅が徐々に変化するテーパ部２３ｂが設けられている。テーパ部２３ｂは、リブ型領域４１からチャネル型領域４２に向かうにつれて、導波路幅が徐々に狭くなっている。テーパ部２３ｂはチャネル型領域４２におけるコア層２３の両側面に設けられている。コアとクラッド層との境界面がテーパ状になっている。テーパ部２３ｂの高さは、リブ型領域４１におけるリブ２３ａを含まないコア層２３の高さとほぼ等しくなっている。すなわち、遷移領域４３のテーパ部２３ｂの厚さは、リブ型領域４１におけるリブ２３ａを含まないコア層２３の厚さとほぼ一致している。換言すると、テーパ部２３ｂの高さは、チャネル型領域４２におけるコア層２３よりも低くなっている。テーパ部２３ｂリブ型導波路５０とチャネル型導波路５１では光の閉じ込めが異なるために、滑らかにつながないと損失が生じてしまう。そのため、遷移領域４３は、スラブ領域を出来るだけ緩やかに狭くしていき、チャネル型にしていくような構造となっている。
　チャネル型領域４２におけるコア層２３の幅、及び高さは、例えば、１～３μｍとなっている。具体的な一例として、コア層２３の幅を１．３５μｍ、高さを１．５μｍとしている。
　次に、製造誤差に起因する損失について説明する。図６は導波路幅の変動に対する損失の変化を示す。図６は、導波路幅を変動させたときのＴＥ偏光の損失を示すグラフである。導波路幅は両アーム共に同じ変動が発生すると仮定している。図７はリブ高さの変動に対する損失の変化を示す。図７は、リブ高さを変動させたときのＴＥ偏光の損失を示すグラフである。図６、及び図７では、第１のアーム導波路１２、及び第２のアーム導波路１３の両方をリブ型構造とした場合を、１の曲線で示している。第１のアーム導波路１２、及び第２のアーム導波路１３の両方をチャネル型構造とした場合を、３の曲線で示している。第１のアーム導波路１２、及び第２のアーム導波路１３の一方をリブ型構造とし、他方をチャネル型構造とした場合を、２の曲線で示している。
　図７に示すように、第１のアーム導波路１２、及び第２のアーム導波路１３がチャネル型構造の場合、リブ高さは変動要因でない。第１のアーム導波路１２、及び第２のアーム導波路１３をチャネル型構造とすることで、リブ高さの変動に起因する損失を低減することができる。また、第１のアーム導波路１２、及び第２のアーム導波路１３をリブ型構造とする場合、図６に示すように、チャネル型構造とする場合よりも、導波路幅の変動に対する損失が大きくなる。よって、本実施の形態では、第１のアーム導波路１２、及び第２のアーム導波路１３がチャネル型導波路５１で形成されている。これにより、導波路幅の変動に起因する損失を低減することができる。
　マッハツェンダ型の偏光ビームスプリッタの原理を説明する。マッハツェンダ干渉計では第１のアーム導波路１２と第２のアーム導波路１３とで設けた位相差に応じて、合波器１４のカプラ出力のバランスが変化する。偏光分離の場合、例えばＴＥ偏光については位相差がゼロになり、ＴＭ偏光に対しては位相差がπとなるように、アーム部１５を設計する。これにより、合波器１４は、一方の出力導波路１７からＴＥ偏光を出力し、他方の出力導波路１７からＴＭ偏光を出力する。
　図４に示すように、第１のアーム導波路１２の幅をｗ１とし、長さをＬ１とする。同様に、第２のアーム導波路１３の幅をｗ２とし、長さをＬ２とする。式（１）と式（２）を同時に満たすように、各アーム導波路の幅ｗ１、ｗ２と、長さＬ１、Ｌ２を設定する。
ｎＴＥ（ｗ１）・Ｌ１－ｎＴＥ（ｗ２）・Ｌ２＝０　　・・・（１）
ｎＴＭ（ｗ１）・Ｌ１－ｎＴＭ（ｗ２）・Ｌ２＝λ／２　　・・・（２）
　なお、ｎＴＥは、ＴＥ偏光に対する等価屈折率であり、ｎＴＭは、ＴＭ偏光に対する等価屈折率である。λは入力光の波長である。例えば、図８は導波路幅ｗに対する等価屈折率ｎの変化を示す。導波路幅ｗが大きくなると、等価屈折率ｎが大きくなる。ここで両アームの幅としてｗ１とｗ２を選択した場合、光路長ｎ×Ｌは図９のようになり、式（１）、及び式（２）を満たす導波路長Ｌ１および導波路長Ｌ２が決定される。ＴＥ偏光については同位相、ＴＭ偏光については逆位相となる位相条件で、導波路幅ｗ１、ｗ２及び導波路長Ｌ１、Ｌ２が決まる。
　このように、第１のアーム導波路１２と第２のアーム導波路１３の導波路幅、及び導波路長を決定している。これにより、チャネル型領域４２では、第１の入力光及び第２の入力光に対して、位相条件を満たすように複屈折制御を行うことができる。すなわち、第１のアーム導波路１２を伝搬するＴＥ偏光と第２のアーム導波路１３を伝搬するＴＥ偏光とで、位相差が０となり、かつ第１のアーム導波路１２を伝搬するＴＭ偏光と第２のアーム導波路１３を伝搬するＴＭ偏光とで、位相差がπとなる位相条件を満足させる。一方の出力導波路１７からはＴＥ偏光が出力され、他方の出力導波路１７からはＴＭ偏光が出力される。
　このように、アーム部１５をチャネル型導波路５１で形成することで、製造誤差等に対するトレランスを大きくすることができる。このため、歩留まりを改善することができ、生産性を向上することができる。さらに、導波路幅の変動によって生じる位相誤差による損失を低減することができる。また、一般にリブ型導波路で光回路を構成すると、チャネル型導波路のみで構成する場合に比べて過剰損失が低い。従って、リブ型導波路とチャネル型導波路を組み合わせた偏波分離器ＰＢＳは、全てをチャネル型導波路で構成するのに比べて低い過剰損失が期待できる。さらに所望の導波路長、及び導波路幅を簡便に得ることができる。よって、製造後に、位相差の調整を行うための構成が不要となり、生産性を向上することができる。
　リブ型導波路５０、及びチャネル型導波路５１は、ステッパ露光によって形成することができる。すなわち、レジスト塗布、露光、現像、エッチング、レジスト剥離等の工程を経て、リブ２３ａを含むコア層２３が形成される。これにより、露光時間の長いＥＢ露光が不要となるため、生産性を向上することができる。さらに、ステッパ露光によって、一つの基板上にリブ型導波路５０とチャネル型導波路５１とを一括形成することができる。このため、リブ型導波路５０とチャネル型導波路５１とを異なる基板上に別々に形成して、接着剤などによって基板を接着する必要がない。これにより、生産性を高くすることができる。
　なお、位相条件を満たすため、第１のアーム導波路１２と第２のアーム導波路１３の導波路幅が異なっている。例えば、第２のアーム導波路１３の導波路幅ｗ２が第１のアーム導波路１２の導波路幅ｗ１よりも広くなっている。第２のアーム導波路１３の途中で導波路幅を広くするために、第２のアーム導波路１３は、一部の導波路がテーパ状になっている。すなわち、第２のアーム導波路１３は、分波器１１から合波器１４に向かうにつれて、導波路幅が徐々に広がるテーパアーム導波路１８と、導波路幅が徐々に狭くなるテーパアーム導波路１９とを備えている。同様に、第１のアーム導波路１２は、分波器１１から合波器１４に向かうにつれて、導波路幅が徐々に広くなるテーパアーム導波路１８と、導波路幅が徐々に狭くなるテーパアーム導波路１９を備えている。
　このように、第１のアーム導波路１２、第２のアーム導波路１３にテーパアーム導波路１８、１９を設けることで、位相条件を満たす導波路幅を容易に得ることができる。さらに、導波路をテーパ状にしているため、損失を低減することができ、さらに多モード導波路であるアーム導波路１２、１３に対して、不要なモードを立てず基本モードを入力することが出来るため，安定した偏波分離機能が期待できる。また、第１のアーム導波路１２に設けられたテーパアーム導波路１８、１９と、同様のテーパアーム導波路１８、１９を第２のアーム導波路１３に設けている。導波路幅を変化させることによる位相のずれを補償することができる。これにより、位相条件を満たす第１のアーム導波路１２、及び第２のアーム導波路１３を容易に得ることができる。
　さらに、チャネル型領域４２では、導波路が直線状になっている。第１のアーム導波路１２、及び第２のアーム導波路１３のチャネル型導波路５１で形成された部分が直線状になっている。このため、チャネル型領域４２は、導波路に曲げ部分を有していない。こうすることで、曲げ部分での損失を抑制することができる。
　なお、上記の説明では、導波路がシリコン導波路として説明したが、導波路はシリコン導波路に限られるものではない。例えば、導波路として、ＩｎＰ等の半導体導波路を用いることも可能である。種々の材料を含む化合物半導体材料を導波路として用いることができる。
　以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、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、２０１３年２月１８日に出願された日本出願特願２０１３－０２８８６６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。
　ＰＢＳ　偏波分離器
　９０°ＯＨ　９０°光ハイブリッド
　１１　分波器
　１２　第１のアーム導波路
　１３　第２のアーム導波路
　１４　合波器
　１５　アーム部
　１６　入力導波路
　１７　出力導波路
　１８　テーパアーム導波路
　１９　テーパアーム導波路
　２１　基板
　２２　下層クラッド層
　２３　コア層
　２３ａ　リブ
　２３ｂ　テーパ部
　２４　上層クラッド層
　３１　入力ポート
　３３　出力ポート
　４１　リブ型領域
　４２　チャネル型領域
　４３　遷移領域
　４５　ファインイン
　４６　ファンアウト
　５０　リブ型導波路
　５１　チャネル型導波路
　

Claims (4)

  1. 　リブ型導波路によって形成され、入力光を第１の入力光及び第２の入力光に分波する分波器と、
    　リブ型導波路によって形成され、前記分波器で分波された前記第１の入力光と前記第２の入力光を合波する合波器と、
    　少なくとも一部がチャネル型導波路によって形成され、前記第１の入力光を前記合波器に導く第１のアーム導波路と、
    　少なくとも一部がチャネル型導波路によって形成され、前記第１のアーム導波路を伝搬する第１の入力光に対して位相差を生じさせて、前記第２の入力光を前記合波器に導く第２のアーム導波路と、を備えた偏波分離器。
  2. 　前記リブ型導波路と前記チャネル型導波路の間の遷移領域では、幅が徐々に変化するテーパ状の導波路が設けられている請求項１に記載の偏波分離器。
  3. 　前記第１及び第２のアーム導波路の前記チャネル型導波路で形成された部分が直線状になっている請求項１、又は２に記載の偏波分離器。
  4. 　請求項１～３のいずれか１項に記載の偏波分離器と、
    　前記偏波分離器から出力された出力光の位相情報を取り出す回路と、を備えた光デバイス。
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