WO2017169922A1 - 偏波分離素子 - Google Patents

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waveguides
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松本　崇
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日本電気株式会社
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    • G02B6/126—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind using polarisation effects

Definitions

  • the present invention relates to a polarization separation element.
  • the coherent receiver is a key component of the DP-QPSK (Dual Polarization-Quadrature Phase Shift Keying) digital coherent transmission technology.
  • coherent receivers include PLC type (Planar Lightwave Circuit) optical coherent mixers, polarization separation elements (PBS: Polarization Beam Splitter), light receiving elements (PD: Photo Detector), TIA (Trans Impedance Amplifier) Are shipped from many device vendors.
  • PLC Planar Lightwave Circuit
  • PBS Polarization Beam Splitter
  • PD Photo Detector
  • TIA Trans Impedance Amplifier
  • MSA Multi Source Agreement
  • MSA Multi Source Agreement
  • MSA Micro-ICR (Micro-Integrated Coherent Receiver)
  • MSA is a contract that a product company bears when developing a form factor for a communication interface, or by sharing the package size, bin arrangement, and specifications of a product among multiple vendors to stabilize the product. It is an agreement between vendors to establish a supply system.
  • Si photonics which uses Si as the base material for optical waveguides.
  • Si photonics due to the large refractive index difference between Si and SiO 2 , small bending radii due to strong light confinement, PD integration using Ge, PBS integration due to large structural birefringence, etc. are expected.
  • Technology development is in progress.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2-287408 is a waveguide type optical branching element, and describes a quartz-based single mode waveguide formed on a silicon substrate by a quartz glass material. A part of two optical waveguides is made close to each other to form a directional coupler, the width of the optical waveguide in the coupling region is made different, and the depth is made the same. It is said that the wavelength dependence of the power coupling rate from the input port to the sub-output port can be relaxed by making the waveguide widths different. Furthermore, an embodiment in which a coupling region and an input / output port are connected by a tapered waveguide is described.
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-333289 describes an optical waveguide that separates light incident from two light incident ports into TE polarized light and TM polarized light and emits the light from the two light outgoing ports, respectively.
  • An optical front end with a directional polarization separator is provided.
  • the optical directional coupler disclosed in Patent Document 3 reduces the refractive index, the waveguide width, or the waveguide thickness continuously from the optical non-coupling region to the optical coupling region.
  • the coupling region is shortened. Since the waveguide width is gradually narrowed from a curved portion (such as 103 in FIG. 5) of the introduction portion, since optical coupling starts from this portion, it is difficult to adjust to a desired coupling characteristic.
  • Patent Document 4 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-065089
  • MZ Machine-Zehnder
  • the variation in the coupling ratio can be reduced with respect to the process variation including the variation in the optical waveguide width and the relative refractive index of the optical waveguide.
  • the bond length is zero, and the characteristics as PBS cannot be obtained.
  • the waveguide width is gradually narrowed toward the optical coupling portion and the waveguide width is increased as the distance from the optical coupling portion increases, the same problem as in Patent Document 4 is included.
  • the problem is characteristic deterioration due to manufacturing variations.
  • the waveguide type PBS has severe restrictions on the waveguide width, and the desired characteristics can be obtained only in a very narrow range of the processing accuracy of the waveguide width of about several nanometers. This is because the sensitivity to processing accuracy is very high due to the strong light confinement unique to Si photonics.
  • the present inventors also have the most serious problem in advancing the study of PBS due to the characteristic deterioration due to the variation in the waveguide width.
  • Patent Document 5 International Publication No. 2014/174735.
  • FIG. 1A shows a rib type structure
  • FIG. 1B shows a channel type structure.
  • Si1Sub. Is a Si substrate
  • SOI is a SiliconSOn Insulator
  • BOX is a Buried Oxide.
  • the polarization separator of Patent Document 5 uses a rib-type waveguide and a channel-type waveguide, and the refractive index of the rib-type waveguide and the channel-type waveguide with respect to input light is the same for one of linearly polarized light components orthogonal to each other.
  • the waveguide width is such that the refractive index change with respect to the waveguide width change is the same between the rib-type waveguide and the channel-type waveguide, and the other of the linearly polarized light components is the rib-type waveguide and the channel-type waveguide. A phase difference is caused between the input light propagating through the light.
  • the allowable range of waveguide width variation is still very narrow, about ⁇ 10 nm, and the manufacturing process is very severe.
  • the manufacturing process is complicated. In other words, a photomask cost + manufacturing process and a channel-type photomask cost + manufacturing process are required to make a rib mold, so that a double process is required, and the manufacturing period is increased and the cost is increased.
  • An object of the present invention is to solve the above-described problems and to provide a directional coupler type polarization separation element having a large tolerance for manufacturing variation.
  • the present invention provides a bending waveguide, A waveguide that is narrower than the bending waveguide and optically couples with the opposing waveguide to cause polarization separation, and is formed of the same type of waveguide as the opposing waveguide.
  • FIG. 2 is a sectional view of the rib waveguide DC
  • FIG. 3 is a top view of the DC.
  • DC arranges waveguides of the same shape in parallel and close to each other.
  • the light oozing out from the waveguide is coupled to the other waveguide and propagates. If the waveguides have the same structure, the light is completely transferred to one side as it is propagated. By further propagating, the light returns to the original waveguide and repeats.
  • the DC length and the distance between the waveguides are determined so that the two polarized waves incident from one waveguide are completely separated into the two waveguides. For example, the condition is such that TM polarization is not coupled at all, but TE polarization is completely coupled to the waveguide on one side.
  • DC type PBS there is a problem that the polarization separation characteristic is deteriorated due to the variation in the degree of coupling of light due to the variation in the manufacture of the waveguide.
  • Factors that cause optical coupling to change in the rib waveguide are a change in the waveguide width, a change in the gap between the waveguides, and a change in the amount of etching along the side of the waveguide (rib height). Therefore, the DC type PBS of this embodiment is optimized so that the optical coupling does not change even if the rib height and the waveguide width are changed.
  • FIG. 4 shows a top view of the DC type PBS 1 of the present embodiment.
  • DC type PBS1 is composed of two waveguides facing each other. Each of the waveguides is connected in the order of the bending waveguide 21, the taper waveguide 23, the coupling waveguide 25, the taper waveguide 27, and the bending waveguide 29.
  • the bent waveguides 21 and 29, the tapered waveguides 23 and 27 are non-coupled waveguides, and the coupled waveguide 25 is a coupled waveguide.
  • the bending waveguides 21 and 29 and the tapered waveguides 23 and 27 are optical waveguides having such a width that optical coupling does not occur.
  • the tapered waveguides 23 and 27 are tapered waveguides in which the waveguide width is continuously changed.
  • the coupled waveguide 25 that causes polarization separation is thinner and narrower than the uncoupled waveguide, strong optical coupling occurs.
  • Two adjacent coupling waveguides 25 are the same rib-type waveguide.
  • the TE / TM port 10 receives a signal in which TE mode light and TM mode light are mixed and is polarized, the TM port 12 outputs almost TM mode wave, and the TE port 14 outputs almost TE mode wave. Is done.
  • the port 15 is an unused port 15 that is unused and nothing is input.
  • the waveguide width is fixed, and the coupling degree of light is adjusted by changing the waveguide interval.
  • the flexibility with respect to the waveguide width is lost, and it is difficult to make a PBS structure having a high tolerance (high tolerance) for manufacturing variations.
  • the design of an optical waveguide is generally determined by the single mode characteristics and the bending radius of the waveguide required in the optical circuit.
  • the narrower the waveguide width the higher the single mode property and the greater the light leakage.
  • the bending radius has a value called the minimum bending radius. Basically, it depends on the material used to make the waveguide, but in addition, it depends on the width and structure of the waveguide. The bend radius is determined so that it is within the loss value acceptable by the designer.
  • the width Wn of the bending waveguides 21 and 29 is increased to some extent (1.35 ⁇ m in the embodiment), optical coupling does not occur even when the other waveguide is close (strong optical confinement).
  • um means ⁇ m.
  • the bending waveguide is used, a necessary bending radius can be obtained. The reason for using the bent waveguide is as follows. This is because the waveguide type polarization splitting element is rarely used alone, and is often used in combination with other elements, and the occupied area is made as small as possible to reduce the waveguide chip.
  • the waveguide width W d as high polarization separation characteristics of tolerance is obtained in coupling waveguide 25.
  • Tapered waveguides 23 and 27 are introduced so as to make the distances close to each other using the bending waveguides 21 and 29 and to narrow down to W d suitable for the polarization separation characteristic therefrom.
  • desired single mode property, bending radius, and PBS characteristic can be made compatible.
  • the design When designing a polarization separator with a directional coupler, the design has a great degree of freedom and can take various design values. Light oozes out from the coupling waveguide 25 on the side where the TE / TM port 10 is present and is coupled to the opposing coupling waveguide 26, but the distance at which the light is coupled differs between the TE mode light and the TM mode light. In addition, the waveguide width and waveguide rib height vary due to manufacturing variations and deviate from the design values, and the desired polarization extinction ratio (light intensity ratio of TM wave and TE wave) is not achieved.
  • the TE / TM extinction ratio is calculated to determine what range the waveguide width and the waveguide pitch are, even if there is a manufacturing variation, the extinction ratio is difficult to shift.
  • the thickness of the Si core is 1.5 ⁇ m
  • the rib height is 0.975 ⁇ m
  • the coupling waveguide width W d is 0.5 ⁇ m
  • the gap between the waveguides g is 1.6 ⁇ m
  • the bending waveguide width W n is 1.35.
  • um is the (design value) of the waveguide
  • DCL 267.9 um.
  • DCL is an abbreviation for “Directional Coupler Length”, which is the length of a narrow waveguide having a width Wd in FIG.
  • the inter-waveguide gap g is the pitch of the coupled waveguides 25 of the coupled part arranged in parallel.
  • the center position of the waveguide is determined by the positional accuracy on the photomask and does not vary depending on the manufacturing process.
  • the waveguide width varies depending on the exposure accuracy and etching accuracy of photolithography. Therefore, the distance between the side walls between the waveguides that determine optical coupling varies.
  • the polarization extinction ratio at the TM port 12 and the TE port 14 was calculated by changing the waveguide width while maintaining the gap g between the waveguides, that is, using the fluctuation value of the waveguide width due to the manufacturing process as a parameter.
  • the polarization extinction ratio at each PBS port was also calculated using the fluctuation value of the rib height due to the manufacturing process as a parameter.
  • the calculation wavelength is the L band, which is one of the wavelength bands used in optical communications, and the worst value in the band is mapped.
  • TE polarized light is transferred to the other waveguide, so that it has a steep wavelength characteristic, that is, the polarization extinction ratio fluctuates greatly. Therefore, if the waveguide structure varies, the center wavelength shifts from the design value, and the polarization extinction ratio deteriorates when viewed in a fixed band.
  • FIG. 5 shows the polarization extinction ratio when the deviation from the design value of the coupled waveguide width and the rib height of the DC type PBS of this example are used as parameters.
  • "Waveguide width [um]” (-0.03 to 0.03um) on the horizontal axis shows the deviation of the coupled waveguide width from the design value of 0.5um
  • "Rib height [um]” on the vertical axis (0.925 to 1.025um) ) Indicates the rib height itself.
  • the design value of rib height is 0.975um.
  • FIG. 5 (a) shows the attenuation amount of the TE mode light coming out of the TM port 12
  • FIG. 5 (b) shows the attenuation amount of the TM mode light coming out of the TE port 14.
  • FIG. The attenuation is the ratio of the light intensity at the TM port 12 or the TE port 14 to the light intensity of the TE mode light and the TM mode light at the TE / TM port 10.
  • FIG. 5 (c) shows the smaller value (the smaller attenuation value) of the attenuation amounts coming out of the same design parameters in FIGS. 5 (a) and 5 (b).
  • FIGS. 5A and 5B are compatible.
  • FIG. 5 (c) is shown to show that the polarization extinction ratio is equal to or greater than a predetermined value even when the attenuation is smaller (TE mode light or TM mode light is attenuated by a certain ratio or more).
  • TE mode light or TM mode light is attenuated by a certain ratio or more.
  • the polarization extinction ratio (dB) is displayed in five levels of 5-10, 10-15, 15-20, 20-25, and 25-30 dB with the gray tone changed.
  • the worst polarization extinction ratio at both PBS ports is shown in FIG.
  • the tolerance of the waveguide width is ⁇ 30 nm or more
  • the tolerance of the rib height is ⁇ 25 nm or more.
  • FIG. 6 shows the yield of each design value of the pitch g and the coupling waveguide width Wd estimated using the actual manufacturing variation in the DC type PBS of this example.
  • Gap (um) on the horizontal axis is the design value of the pitch g of the coupling waveguides 25 and 26 described above, and Wd is the design value of the coupling waveguide width.
  • the manufacturing variation between silicon wafers of the coupled waveguide width was 20 nm, the manufacturing variation within one wafer was 10 nm, the manufacturing variation between wafers of the rib height was 25 nm, and the in-plane manufacturing variation was 10 nm. Assuming that each parameter independently fluctuated in a normal distribution, it was determined by Monte Carlo simulation whether it was within the range of the polarization extinction ratio of 10 dB or more.
  • FIG. 7 is a top view for explaining the DC type PBS of the second embodiment.
  • the DC type PBS of the first embodiment is multistaged in two stages. That is, another PBS same as that shown in FIG. 4 is prepared, and the second-stage DC type PBS 4 is cascaded after the first-stage DC type PBS 3.
  • a signal in which TE mode light and TM mode light are mixed is input from the TE / TM port 10 of the first-stage DC type PBS 3 in FIG.
  • a TM mode wave is output to the TM port 12 and a TE mode wave is output to the TE port 14.
  • the light output to the TM port 12 is input to the TE / TM port 100.
  • the TE mode wave and the TM mode wave are further polarized and separated by the coupling waveguide of the second-stage DC type PBS 4, and the light further attenuated by the TE mode wave is output to the TM port 22.
  • Light input to the TE port 150 connected to the TE port 14 is output to the TE port 24 as it is.
  • the polarization extinction ratio of the DC type PBS of the present embodiment has the same characteristic form as that of FIG. (Another embodiment)
  • tolerance can be improved by designing the channel-type PBS in the same manner as the rib-type PBS.
  • the above-described embodiment is a DC type PBS using Si
  • a compound material such as InP (indium phosphide) can also be used.

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Abstract

本発明の目的は、製造バラつきの許容範囲が大きい方向性結合器型偏波分離素子を提供することである。そのために本発明の方向性結合器型偏波分離素子は、曲げ導波路、前記曲げ導波路よりも細く、対向する導波路との間で光結合して偏波分離を起こし、前記対向する導波路と同タイプの導波路で形成される導波路、前記曲げ導波路と前記導波路の間をつなぐテーパ導波路、を有する。

Description

偏波分離素子
　本発明は、偏波分離素子に関する。
　コヒーレントレシーバは、DP-QPSK（Dual Polarization-Quadrature Phase Shift Keying：偏波多重４値位相変調）方式のデジタルコヒーレント伝送技術のキーコンポーネントである。これまで、このようなコヒーレントレシーバには、PLC型(Planar Lightwave Circuit)の光コヒーレントミキサ、偏波分離素子(PBS：Polarization Beam Splitter)、受光素子(PD：Photo Detector)、TIA(Trans Impedance Amplifier)などが搭載されており、多くのデバイスベンダから出荷されている。さらに今後の展望として、MSA（Multi Source Agreement）ではGeneration2やMicro-ICR（Micro-Integrated Coherent Receiver）と呼ばれる小型コヒーレントレシーバの検討も進められており、これには更なるPLCの小型化が必要となる。MSAとは、通信用インターフェース用のフォームファクターを開発する際に製品業者が負う契約、あるいは製品のパッケージサイズ、ビン配置、およびスペックなどを複数のベンダー間で共通化する事で、製品の安定した供給体制を確立するためのベンダー間の取り決めである。
　その中で注目されているのが、Siを光導波路の母体としたSiフォトニクスである。Siフォトニクスでは、SiとSiO2の大きな屈折率差により、強い光閉じ込めによる小さな曲げ半径や、Geを利用したPD集積、大きな構造複屈折によるPBS集積などが期待されており、本発明者らも技術開発を進めている。
　特許文献１（特開平２－２８７４０８号公報）は導波路型光分岐素子であり、シリコン基板上に石英ガラス形材料により形成した石英系単一モード導波路が記載されている。２本の光導波路の一部を互いに近接させて方向性結合器を構成し、結合領域での光導波路の幅を異ならせ、深さを同じにしている。導波路幅を異ならせることで入力ポートから副出力ポートへのパワーの結合率の波長依存性を緩和できるとしている。さらに結合領域と入出力ポートの間をテーパ状導波路で接続した実施例が記載されている。
　特許文献２（特開平５－３３３２８９号公報）には、二つの光入射ポートから入射される光をそれぞれTE偏波とTM偏波に分離して二つの光出射ポートからそれぞれ出射する光導波路を備えた方向性偏波分離器を備えた光フロントエンドが記載されている。
　特許文献３（特開２００４－１５１１７５号公報）の光方向性結合器は、光非結合領域から光結合領域に向け連続的に屈折率や導波路幅または、導波路厚を小さくすることで光結合領域部を短長化している。導入部の曲線部分（同文献図５の103等）から導波路幅を徐々に狭めているため、この部分から光結合が始まるため、所望の結合特性に調整しづらい。
　特許文献４（特開２００６－０６５０８９号公報）は、MZ（Mach-Zehnder）型カプラの方向性結合部の、結合領域における直線部分の長さが0（すべて曲線）である構造である。この構成によってコア中心間距離の変動に加え、光導波路幅の変動および光導波路の比屈折率の変動を含むプロセス変動に対し、結合率の変動を低減することができるとしている。
　しかしこの構造では結合長はゼロであり、PBSとしての特性を得られない。また光結合部に向かって徐々に導波路幅を狭め、離れるに従って導波路幅を広げることが開示されているが、特許文献４と同様の課題を含む。
特開平２－２８７４０８号公報 特開平５－３３３２８９号公報 特開２００４－１５１１７５号公報 特開２００６－０６５０８９号公報 国際公開第２０１４／１７４７３５号
　特許文献１～４で問題となるのが、製作バラつきによる特性劣化である。特に導波路型のPBSは導波路幅に対する制約が厳しく、導波路幅の加工精度は数nm程度と非常に狭い範囲でしか、所望の特性が得られない。これはSiフォトニクス特有の強い光閉じ込めがゆえに、加工精度に対する感度が非常に高いためである。本発明者らもPBSの検討を進める上で最も問題となるのが導波路幅のばらつきによる、特性劣化であった。
　これを解決するために、特許文献５（国際公開第２０１４／１７４７３５号）において、図１に示すようなリブ導波路とチャネル導波路を組み合わせることによって、低損失かつ、ばらつきに強いマッハツェンダー干渉器型PBSを提案している。図１(a)はリブ型構造、(b)はチャネル型構造であり、図１中のSi Sub.はSi基板、SOIはSilicon On Insulator, BOXはBuried Oxideである。特許文献５の偏波分離器は、リブ型導波路とチャネル型導波路を用い、互いに直交する直線偏光成分の一方では、入力光に対するリブ型導波路とチャネル型導波路の屈折率が同じで、かつ、リブ型導波路とチャネル型導波路で導波路幅の変化に対する屈折率変化が同じになるような導波路幅であり、直線偏光成分の他方では、リブ型導波路とチャネル型導波路を伝搬する入力光の間に位相差を生じさせている。
　しかしそれでも導波路幅のばらつきの許容範囲は±10nm程度と非常に狭い範囲にとどまり、製造工程上の制約が非常に厳しい。また、リブ構造とチャネル構造という2つの異なる導波路構造が存在するために、製造プロセスが複雑になる。つまりリブ型を作るのにフォトマスク費用+製造工程、それに追加してチャネル型のフォトマスク費用＋製造工程がかかるので、2倍の工程が必要で製造期間が長くなり、コストも増える。
　本発明の目的は、以上述べた問題点を解決し、製造バラつきの許容範囲が大きい方向性結合器型偏波分離素子を提供することである。
　本発明は、曲げ導波路、
前記曲げ導波路よりも細く、対向する導波路との間で光結合して偏波分離を起こし、前記対向する導波路と同タイプの導波路で形成される導波路、
前記曲げ導波路と前記導波路の間をつなぐテーパ導波路、
を有することを特徴とする方向性結合器型偏波分離素子である。
　本発明によれば、製造バラつきの許容範囲が大きい方向性結合器型偏波分離素子が得られる。
特許文献１のシリコン導波路構造を示す断面図で、（ａ）はリブ型構造、（ｂ）はチャネル型構造を示す。 DC型PBSの動作原理を説明するための断面図である。 DC型PBSの動作原理を説明するための上面図である。 本発明の第１の実施形態のDC型PBSを示す平面図である。 本発明の実施例のDC型PBSで、導波路幅とリブ高さをパラメータとしたときの偏波消光比を示す図である。 本発明の実施例のDC型PBSで、歩留まりを見積もった図である。 第２の実施形態のDC型PBSを説明する上面図である。
（第１の実施形態）
　まずDC型PBSの動作原理を述べる。図２にリブ導波路のDCの断面図、図３にDCの上面図をそれぞれ示す。DCは同じ形状の導波路を平行にかつ近接して配置する。片側の導波路より光を入れた場合に、導波路から染み出した光がもう片側の導波路に結合し、伝搬する。同じ構造の導波路であれば、伝搬させるにしたがって、光は完全に片方に乗り移ることとなる。さらに伝搬させることで、光は元の導波路に戻り、それを繰り返す。DC型PBSでは一本の導波路から入射した2つの偏波が2つの導波路に完全に分離するようにDC長、および導波路間距離を決める。例えば、TM偏波は全く結合しないが、TE偏波は片側の導波路に完全に結合するような条件を決めることとなる。
　DC型PBSにおいても、導波路の製造ばらつきによる光の結合度のばらつきによって、偏光分離特性が劣化することが問題となる。リブ導波路で光結合が変化する要因として、導波路幅の変化、それに伴う導波路間ギャップの変化、加えて導波路脇をエッチングする量(リブ高さ)が変化することである。そこで本実施形態のDC型PBSでは、リブ高さ及び導波路幅が変化しても光結合が変化しないように最適化した。
　本実施形態のDC型PBS１の上面図を図４に示す。 DC型PBS1は相対する二本の導波路で構成されている。それぞれの導波路はいずれも、曲げ導波路２１、テーパ導波路２３、結合導波路２５、テーパ導波路２７、曲げ導波路２９の順につながっている。曲げ導波路２１，２９、テーパ導波路２３，２７が非結合導波路、結合導波路２５が結合導波路である。曲げ導波路２１，２９とテーパ導波路２３，２７は光結合が起こらない程度の幅の光導波路である。テーパ導波路２３，２７は連続的に導波路幅を変化させたテーパ形状の導波路である。偏波分離を起こす結合導波路２５は非結合導波路よりも細くしかも間隔が狭いため、強い光結合が生じる。隣接する二本の結合導波路２５はいずれも同じリブ型の導波路とする。TE/TMポート１０にはTEモード光とTMモード光が混在した信号を入力し偏波分離され、TMポート１２にはほぼTMモード波が出力され、TEポート１４にはほぼTEモード波が出力される。ポート１５は未使用で何も入力しない未使用ポート１５である。
　一般にDC型PBSでは導波路幅を一定にし、導波路間隔を変えることで光の結合度を調整する。しかしながらそれでは導波路幅に対する自由度が失われ、製造ばらつきに対する許容範囲の高い（トレランスの高い）PBS構造にすることは難しい。これは一般に光導波路の設計は、単一モード性、および光回路で必要とされる導波路の曲げ半径によって決められるからである。一般に導波路幅が細くなるほど、単一モード性は上がり、光の染み出しが大きくなる。そのため別の導波路を近接させた場合に光の結合は強くなるが、曲げ半径は大きくなる。なお曲げ半径には最小曲げ半径と呼ばれる値が存在している。基本的には導波路を作る際の材料で決まるが、それに加えて導波路の幅や構造でも決まる。設計者が許容できる損失値以内に収まるように曲げ半径を決める。
　本実施形態では、曲げ導波路２１，２９の幅Wnをある程度広くした（実施例では1.35um）ため、相手の導波路がたとえ近接しても光結合しない（光閉じ込めが強い）。なお本出願ではumはμmの意味である。また曲げ導波路にしているために必要な曲げ半径を得られる。曲げ導波路にする理由は以下のとおりである。導波路型の偏波分離素子を単体で使うことは非常に少なく、他の素子とつなぎ合わせて使用することが多いことと、占有面積をできるだけ小さくして導波路チップを小さくするためである。
　また、偏波分離機能に対しては、トレランスの高い偏光分離特性が得られるような導波路幅Wdを結合導波路２５に採用する。曲げ導波路２１，２９を用いて互いの距離を近接させ、そこから偏光分離特性に適したWdに絞るようなテーパ導波路２３，２７を導入する。さらにPBS動作を起こしたのちに、導波路幅を広げ、導波路幅Wdに戻す。これにより、所望の単一モード性、曲げ半径、PBS特性を両立させることができる。
　方向性結合器で偏波分離器を設計する場合、設計には非常に大きな自由度があり、様々な設計値を取りうる。TE/TMポート１０のある側の結合導波路２５から光が染み出し、対向する結合導波路２６と結合するが、TEモード光とTMモード光で、光が結合する距離が異なる。また導波路幅、導波路リブ高さが製造ばらつきによってばらついて設計値からずれ、所望の偏波消光比（TM波とTE波の光強度比）にならない。そこで本実施形態では、TE/TMの消光比をそれぞれ計算して、導波路幅と導波路ピッチがどのような範囲であれば、製造ばらつきがあっても消光比がずれにくいか、を求める。
[実施例]
　本実施例のDC型PBSでは、Siコアの厚さ1.5um、リブ高さ0.975um、結合導波路幅Wd=0.5um、導波路間ギャップg=1.6um、曲げ導波路幅Wn=1.35umを導波路の（設計値）とし、DCL=267.9umとした。DCLは結合長（Directional Coupler Length）の略であり、図４の幅Wdの細い導波路の長さのことである。また導波路間ギャップgは二本並んだ結合部の結合導波路２５のピッチである。製造プロセスにおいて、導波路の中心位置はフォトマスク上での位置精度で決まり、製造プロセスにより変動しない。一方で導波路幅は、フォトリソグラフィの露光精度及びエッチング精度によって変化する。そのため、光結合を決める導波路間の側壁間の距離は変動する。そこで導波路間ギャップgは固定したまま、導波路幅を変化させるつまり製造工程による導波路幅の変動値をパラメータとして、 TMポート１２とTEポート１４での偏波消光比を計算した。また、同じくgは固定したまま、製造工程によるリブ高さの変動値をパラメータとして、PBS各ポートでの偏波消光比も併せて計算した。計算波長は光通信で使われる波長帯の一つであるLバンドとし、帯域内での最悪値をマップにした。このDC型PBSではTE偏光が他方の導波路に乗り移るため、急峻な波長特性を持つ、つまり偏波消光比が大きく変動する。そのため導波路構造がばらつくと、中心波長が設計値からシフトし、固定された帯域で見ると偏波消光比が劣化することとなる。
　図５は本実施例のDC型PBSの、結合導波路幅の設計値からのずれとリブ高さをパラメータとしたときの偏波消光比を示す。横軸の「導波路幅[um]」（-0.03～0.03um）は結合導波路幅の設計値0.5umからのずれを示し、縦軸の「リブ高さ[um]」（0.925～1.025um）はリブ高さそのものを示している。リブ高さの設計値は0.975umである。
　図５(a)はTMポート１２から出てくるTEモードの光の減衰量、図５(b)はTEポート１４から出てくるTMモードの光の減衰量を表している。減衰量とはTE/TMポート１０におけるTEモード光とTMモード光の光強度に対するTMポート１２またはTEポート１４における光強度の比である。
　また図５(c)は図５(a)、(b)の同じ設計パラメータから出てくる減衰量のうちの小さい方（減衰の小さい方）の値を表している。偏波分離素子では図５(a)と図５(ｂ)が両立しないと意味をなさない。減衰の小さい方でも偏波消光比が所定の値以上になる（TEモード光かTMモード光が一定の比率以上減衰する）ことを示すために図５(c)を示している。なお、ここでは、図４のTE/TMポート１０からはTEモードとTMモードの光が同じ量だけ入ってくると仮定している。
　図５では、偏光消光比(dB)は5-10、10-15、15-20、20-25、及び25-30dBの５段階にグレーのトーンを変えて表示している。
　本実施例で述べた設計パラメータでは、PBSの両ポートにおける最悪偏波消光比が図５(c)となる。10dB以上の偏波消光比を1つの基準とした場合に、導波路幅のトレランスは±30nm以上、リブ高さにおいても±25nm以上のトレランスをもつこととなる。
　本実施例のDC型PBSで、実際の製造ばらつきを用いて、ピッチｇと結合導波路幅Wdの各設計値における歩留まりを見積もったのが図６である。横軸のGap（um）は前述の結合導波路２５，２６のピッチｇの設計値、Wdは結合導波路幅の設計値である。結合導波路幅のシリコンウェハ間での製造ばらつきを20nm、一枚のウェハ内での製造ばらつきを10nmとし、リブ高さのウェハ間製造ばらつきを25nm、面内製造ばらつきを10nmとした。各パラメータが独立に正規分布で変動したと仮定し、10dB以上の偏波消光比の範囲内に入っているかどうかを、モンテカルロシミュレーションにより求めた。
　MZI（Mach-Zehnder interferometer）型のPBSの歩留まりを基準とする。本実施例のDCPBSでは図６に示すように、Wdの設計値が0.5umの場合、Gapの設計値が1.1um以上で相対的な歩留まり（本実施例のDCPBSの歩留まり/MZIの歩留まり）は１を超える。特にWd＝0.5umではGap1.4um以上とした場合には1.75以上の相対的歩留まりが見込まれる。またWd＝0.6umの場合、1.0umから2.2umの間で1を超え、1.0から1.5umでは1.25を超えると見積もることができる。
これらを併せると、Wdの設計値が0.5umから0.6umでは、Gapの設計値が1.0-2.2umの範囲でMZI型PBSに比べて高い歩留まりを見積もることができる。同様にWdの設計値が0.6um以上、Gapの設計値が1.0-2.2umでも高い歩留まりを見積もることができる。
　また、リブ導波路のみで構成されるDC型PBSを採用することにより、チャネル導波路を形成するためのプロセスを排除できるため、さらなる製造ばらつきの低減、プロセスコストの低減が期待できる。
（第２の実施形態）
　図７は第２の実施形態のDC型PBSを説明する上面図である。本実施形態では第１の実施形態のDC型PBSを二段に多段化する。つまり図４と同じPBSをもう一つ作り、一段目のDC型PBS３の後段に二段目のDC型PBS４を縦続接続する。図７の一段目のDC型PBS３のTE/TMポート１０からTEモード光とTMモード光が混在した信号を入力し、TMポート１２とTEポート１４に偏波分離される。第１の実施形態と同様に、TMポート１２にはほぼTMモード波が出力され、TEポート１４にはほぼTEモード波が出力される。本実施形態ではTMポート１２に出力された光がTE/TMポート１００に入力される。入力された光は、二段目のDC型PBS４の結合導波路で更にTEモード波とTMモード波を偏波分離され、さらにTEモード波が減衰した光がTMポート２２に出力される。TEポート１４に接続されたTEポート１５０に入力した光はそのままTEポート２４に出力される。
　本実施形態では、マイクロ集積コヒーントレシーバ（Micro-ICR）で要求される20dB以上の高い偏波消光比を得ることができる。本実施形態のDC型PBSの偏波消光比は、図５と同じ特性形でしかも偏波消光比の数値が二倍になり、偏波分離性能が向上する。
（別の実施形態）
　なお上記の第１、第２の実施形態ではリブ型のPBSについて説明したが、チャネル型のPBSについてもリブ型と同様に設計することでトレランスの向上を図ることが出来る。
　また、上述の実施例はSiを用いたDC型PBSであるが、InP（リン化インジウム）のような化合物材料も用いることができる。
　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３月２８日に出願された日本出願特願２０１６－０６３５９７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　　DC型PBS
　３　　一段目のDC型PBS
　４　　二段目のDC型PBS
　１０、１００　　TE/TMポート
　１２、２２　　TMポート
　１４、２４、１５０　　TEポート
　１５　　未使用ポート
　２１、２９　　曲げ導波路
　２３、２７　　テーパ導波路
　２５、２６　　結合導波路

Claims (7)

  1. 　曲げ導波路、
    前記曲げ導波路よりも細く、対向する導波路との間で光結合して偏波分離を起こし、前記対向する導波路と同タイプの導波路で形成される導波路、
    前記曲げ導波路と前記導波路の間をつなぐテーパ導波路、
    を有することを特徴とする方向性結合器型偏波分離素子。
  2. 　前記光結合する導波路のピッチの設計値を1.0-2.2umとした請求項１に記載の方向性結合器型偏波分離素子。
  3. 　前記光結合する導波路の幅の設計値を0.5um以上、前記導波路のピッチの設計値を1.0-2.2umとした請求項１または２に記載の方向性結合器型偏波分離素子。
  4. 　前記光結合する導波路の幅の設計値を0.5umから0.6um、前記導波路のピッチの設計値を1.0-2.2umとした請求項１から３のいずれか一項に記載の方向性結合器型偏波分離素子。
  5. 　前記光結合する導波路の幅の設計値を0.5um、前記導波路のピッチの設計値を1.4-2.2umとした請求項１から４のいずれか一項に記載の方向性結合器型偏波分離素子。
  6. 　前記対向する導波路のタイプはいずれもリブ型またはチャネル型である請求項１から５のいずれか一項に記載の方向性結合器型偏波分離素子。
  7. 　前記方向性結合器型偏波分離素子の後段にさらに方向性結合器型偏波分離素子を接続した請求項１から６のいずれか一項に記載の方向性結合器型偏波分離素子。
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