(57)【要約】【課題】優れた偏波消光比及び偏波クロストークを得ることができる光偏波回転素子及び光トランシーバ等を提供する。【解決手段】光偏波回転素子１００には、第１の結合部１１１を備えた第１の導波路１１０と、第１の結合部１１１に光学的に結合された第２の結合部１２１を備えた第２の導波路１２０と、が含まれる。第１の導波路１１０及び第２の導波路１２０は共にチャネル導波路であり、底面の高さを揃えて形成されている。第１の結合部１１１の高さｈ1は第２の結合部１２１の高さｈ2より大きく、第１の結合部１１１の幅ｗ1は第２の結合部１２１の幅ｗ2より小さい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の結合部を備えた第１の導波路と、
前記第１の結合部に光学的に結合された第２の結合部を備えた第２の導波路と、
を有し、
前記第１の導波路及び前記第２の導波路は共にチャネル導波路であり、かつ底面の高さを揃えて形成されており、
前記第１の結合部の高さは前記第２の結合部の高さより大きく、
前記第１の結合部の幅は前記第２の結合部の幅より小さいことを特徴とする光偏波回転素子。
【請求項２】
前記第１の結合部の高さが前記第２の結合部の幅と等しく、
前記第１の結合部の幅が前記第２の結合部の高さと等しいことを特徴とする請求項１に記載の光偏波回転素子。
【請求項３】
前記第１の導波路及び前記第２の導波路が半導体材料から形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光偏波回転素子。
【請求項４】
前記第１の結合部の底面及び前記第２の結合部の底面が同一平面にあることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光偏波回転素子。
【請求項５】
ＴＥモードの第１の光信号を発する発光器と、
前記第１の光信号をＴＥモードの第２の光信号とＴＥモードの第３の光信号に分波する分波器と、
前記第３の光信号をＴＭモードの第４の光信号に偏波回転する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光偏波回転素子と、
前記第２の光信号及び前記第４の光信号を合波する合波器と、
を有することを特徴とする光トランシーバ。
【請求項６】
光信号をＴＥモードの第５の光信号及びＴＭモードの第６の光信号に偏光分波する偏光分波器と、
前記第６の光信号をＴＥモードの第７の光信号に偏波回転する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光偏波回転素子と、
前記第５の光信号を受ける第１の受光器と、
前記第７の光信号を受ける第２の受光器と、
を有することを特徴とする光トランシーバ。
【請求項７】
第１のマスクを用いて半導体材料膜を部分的にエッチングして、第１の厚さの第１の領域と前記第１の領域より薄い第２の厚さの第２の領域を形成する工程と、
第２のマスクを用いて前記半導体材料膜を部分的にエッチングして、前記第１の領域に第１の結合部を備えた第１の導波路を形成し、前記第２の領域に前記第１の結合部に光学的に結合された第２の結合部を備えた第２の導波路を形成する工程と、
を有し、
前記第１の導波路及び前記第２の導波路は共にチャネル導波路であり、かつ底面の高さを揃えて形成され、
前記第１の結合部の高さは前記第２の結合部の高さより大きく、
前記第１の結合部の幅は前記第２の結合部の幅より小さいことを特徴とする光偏波回転素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光偏波回転素子及び光トランシーバに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＴＭモードからＴＥモードへの偏波回転の効率の向上を図った光偏波回転素子として、片側リブ導波路及びチャネル導波路からなる方向性結合器を備えた光偏波回転素子が提案されている。
【０００３】
しかしながら、このような従来の光偏波回転素子では、二つの導波路間の同一偏波モード間の屈折率差が大きく取れないために、ＴＭモードの光がチャネル導波路に入射した場合に、ＴＭモードの光の一部がチャネル導波路から出射してしまい、十分な偏波消光比及び偏波クロストークが得られない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１１１２８号公報
【特許文献２】特開２０１３−１４０３９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、優れた偏波消光比及び偏波クロストークを得ることができる光偏波回転素子及び光トランシーバ等を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
１つの態様では、光偏波回転素子は、第１の結合部を備えた第１の導波路と、前記第１の結合部に光学的に結合された第２の結合部を備えた第２の導波路と、を有し、前記第１の導波路及び前記第２の導波路は共にチャネル導波路であり、かつ底面が同じ高さにそろえて形成されており、前記第１の結合部の高さは前記第２の結合部の高さより大きく、前記第１の結合部の幅は前記第２の結合部の幅より小さい。
【０００７】
１つの態様では、光トランシーバは、ＴＥモードの第１の光信号を発する発光器と、前記第１の光信号をＴＥモードの第２の光信号とＴＥモードの第３の光信号に分波する分波器と、前記第３の光信号をＴＭモードの第４の光信号に偏波回転する上記の光偏波回転素子と、前記第２の光信号及び前記第４の光信号を合波する合波器と、を有する。
【０００８】
１つの態様では、光トランシーバは、光信号をＴＥモードの第５の光信号及びＴＭモードの第６の光信号に偏光分波する偏光分波器と、前記第６の光信号をＴＥモードの第７の光信号に偏波回転する上記の光偏波回転素子と、前記第５の光信号を受ける第１の受光器と、前記第７の光信号を受ける第２の受光器と、を有する。
【０００９】
１つの態様では、光偏波回転素子の製造方法は、第１のマスクを用いて半導体材料膜を部分的にエッチングして、第１の厚さの第１の領域と前記第１の領域より薄い第２の厚さの第２の領域を形成する工程と、第２のマスクを用いて前記半導体材料膜を部分的にエッチングして、前記第１の領域に第１の結合部を備えた第１の導波路を形成し、前記第２の領域に前記第１の結合部に光学的に結合された第２の結合部を備えた第２の導波路を形成する工程と、を有し、前記第１の導波路及び前記第２の導波路は底面の高さをそろえて形成されており、前記第１の結合部の高さは前記第２の結合部の高さより大きく、前記第１の結合部の幅は前記第２の結合部の幅より小さい。
【発明の効果】
【００１０】
１つの側面として、優れた偏波消光比及び偏波クロストークを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係る光偏波回転素子を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係る光偏波回転素子の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図３Ａ】第２の実施形態に係る光偏波回転素子を示す平面図。
【図３Ｂ】図３Ａ中のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。
【図３Ｃ】図３Ａ中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【図４】第２の実施形態に係る光偏波回転素子の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図５】第３の実施形態に係る光トランシーバを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１３】
（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。第１の実施形態は、光偏波回転素子の一例である。図１は、第１の実施形態に係る光偏波回転素子を示す図である。図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）中のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。
【００１４】
第１の実施形態に係る光偏波回転素子１００には、図１に示すように、第１の結合部１１１を備えた第１の導波路１１０と、第１の結合部１１１に光学的に結合された第２の結合部１２１を備えた第２の導波路１２０と、が含まれる。第１の導波路１１０及び第２の導波路１２０は共にチャネル導波路であり、底面の高さを揃えて形成されている。第１の結合部１１１の高さｈ1は第２の結合部１２１の高さｈ2より大きく、第１の結合部１１１の幅ｗ1は第２の結合部１２１の幅ｗ2より小さい。
【００１５】
光偏波回転素子１００では、高さｈ1が第２の結合部１２１の高さｈ2より大きく、第１の結合部１１１の幅ｗ1は第２の結合部１２１の幅ｗ2より小さい。つまり、第１の結合部１１１と第２の結合部１２１との間では、一方が他方より高くかつ狭く、方向性結合器を構成する２つの導波路（第１の結合部１１１及び第２の結合部１２１）の光伝搬方向に直交する断面の形状は、二つの導波路を一つの構造体とみなした場合、二つの導波路のどの中心高さ位置を基準としても、高さ方向には非対称である。このため、第１の導波路１１０に入射したＴＭモードの光は、第１の結合部１１１及び第２の結合部１２１を含む方向性結合器においてＴＥモードの光に偏波回転され、第２の導波路１２０から出射される。一方、第１の導波路１１０に入射したＴＥモードの光は、そのまま第１の導波路１１０から出射される。例えば、第１の導波路１１０にＴＭモードの基本モード（ＴＭ0モード）の光が入射すると、第２の導波路１２０からＴＥモードの基本モード（ＴＥ0モード）の光が出射され、第１の導波路１１０にＴＥ0モードの光が入射すると、第１の導波路１１０からＴＥ0モードの光が出射される。つまり、片側リブ導波路でなくても、偏波回転が可能である。
【００１６】
また、片側リブ導波路を用いた方向性結合器では、二つの導波路の高さが同じであり、大きな屈折率差が取れないために、高さ方向に振動する電場成分が存在し、偏波消光比及び偏波クロストークが劣化する。一方、本実施形態では、第１の結合部１１１及び第２の結合部１２１のいずれでも、二つの導波路の高さが異なることによる同一偏波モード間の屈折率差が大きいために、片側リブ導波路に存在するような特異な電場成分が実質的に存在せず、優れた偏波消光比及び偏波クロストークが得られる。すなわち、第１の結合部１１１と第２の結合部１２１との間で高さ及び幅が相違しているため、異なる偏波モードでは、伝播モード間の結合が起こるのに対し、同一偏波モードでは、伝播モード間の結合が起こらない。従って、本実施形態によれば、優れた偏波消光比及び偏波クロストークを得ることができる。
【００１７】
次に、第１の実施形態に係る光偏波回転素子１００の製造方法について説明する。図２は、第１の実施形態に係る光偏波回転素子１００の製造方法を工程順に示す断面図である。
【００１８】
先ず、図２（ａ）に示すように、下地１５２上の厚さがｈ1のシリコン（Ｓｉ）膜１５３上にレジストパターン１３１を形成する。レジストパターン１３１は、第１の導波路１１０を形成する領域を覆い、第２の導波路１２０を形成する領域を露出する。レジストパターン１３１の平面形状を第１の導波路１１０又は第２の導波路１２０の輪郭と一致させる必要はない。Ｓｉ膜１５３は半導体材料膜の一例である。
【００１９】
次いで、図２（ｂ）に示すように、レジストパターン１３１をマスクとしてＳｉ膜１５３をエッチングし、レジストパターン１３１から露出している部分の厚さをｈ2とする。その後、レジストパターン１３１を除去する。
【００２０】
続いて、図２（ｃ）に示すように、Ｓｉ膜１５３上にレジストパターン１３２を形成する。レジストパターン１３２は第１の導波路１１０を形成する領域及び第２の導波路１２０を形成する領域を覆う。レジストパターン１３２の平面形状は第１の導波路１１０の輪郭及び第２の導波路１２０の輪郭と一致させる。
【００２１】
次いで、図２（ｄ）に示すように、レジストパターン１３１をマスクとしてＳｉ膜１５３をエッチングし、第１の結合部１１１を含む第１の導波路１１０及び第２の結合部１２１を含む第２の導波路１２０を形成する。第１の結合部１１１の底面及び第２の結合部１２１の底面は同一平面にある。その後、レジストパターン１３２を除去する。
【００２２】
続いて、必要に応じてクラッド膜等を形成して光偏波回転素子１００を完成させる。
【００２３】
第１の実施形態に係る光偏波回転素子１００にはリブが含まれないため、リブを形成するために用いるマスクを形成する必要がない。従って、マスクの形成に伴う精度の低下を回避することができる。
【００２４】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、入力光の波長が１．５５μｍの光偏波回転素子の一例である。図３Ａは、第２の実施形態に係る光偏波回転素子を示す平面図であり、図３Ｂは、図３Ａ中のＩ−Ｉ線に沿った断面図であり、図３Ｃは、図３Ａ中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【００２５】
第２の実施形態に係る光偏波回転素子２００には、図３Ａ〜図３Ｃに示すように、第１の結合部２１１を備えた第１の導波路２１０と、第１の結合部２１１に光学的に結合された第２の結合部２２１を備えた第２の導波路２２０と、が含まれる。第１の導波路２１０及び第２の導波路２２０は共にチャネル導波路であり、かつ底面の高さを揃えて形成されている。例えば、第１の結合部２１１の高さｈ1は２２０ｎｍであり、第２の結合部２２１の高さｈ2は１１０ｎｍであり、第１の結合部２１１の幅ｗ1は１１０ｎｍであり、第２の結合部２２１の幅ｗ2は２２０ｎｍである。
【００２６】
第１の結合部２１１の光伝搬方向の両端には、第１の結合部２１１から離れるほど幅広となるテーパ部２１２が設けられている。第２の結合部２２１の光伝搬方向の両端には、リブチャネル変換部２２２が設けられている。リブチャネル変換部２２２には、テーパ部２２３及びリブ部２２４が含まれる。テーパ部２２３の高さは第１の結合部２１１の高さと等しく２２０ｎｍであり、第２の結合部２２１から離れるほど幅広となる。リブ部２２４はテーパ部２２３の両側に設けられており、リブ部２２４の高さは第２の結合部２２１の高さと等しく１１０ｎｍであり、幅は２２０ｎｍである。
【００２７】
光偏波回転素子２００では、第１の結合部２１１と第２の結合部２２１との間で、一方の断面形状が他方の断面形状を９０°回転させたものとなっている。このため、第１の結合部２１１のＴＭ0モードの屈折率と第２の結合部２２１のＴＥ0モードの屈折率と一致する。すなわち、異なる偏波モードでは、２つの結合部での屈折率は一致する。また、第１の結合部２１１と第２の結合部２２１との間では、一方が他方より高くかつ狭く、方向性結合器を構成する２つの導波路（第１の結合部２１１及び第２の結合部２２１）の光伝搬方向に直交する断面の形状は、幅方向及び高さ方向のいずれにおいても非対称である。このため、第１の導波路２１０に入射したＴＭモードの光は、方向性結合器においてＴＥモードの光に偏波回転され、第２の導波路２２０から出射される。一方、第１の導波路２１０に入射したＴＥモードの光は、そのまま第１の導波路２１０から出射される。例えば、第１の導波路２１０にＴＭ0モードの光が入射すると、第２の導波路２２０からＴＥ0モードの光が出射され、第１の導波路２１０にＴＥ0モードの光が入射すると、第１の導波路２１０からＴＥ0モードの光が出射される。
【００２８】
更に、光偏波回転素子２００では、偏波回転が生じるモード間で屈折率が一致し、その他のモード間では屈折率の相違が従来の偏波回転素子のそれよりも大きい。また、第１の結合部２１１及び第２の結合部２２１のいずれでも、二つの結合部の異なる高さによる二つの導波路の同一偏波モード間の屈折率差が大きいために、片側リブ導波路に存在するような特異な電場成分が実質的に存在しない。従って、第２の実施形態によれば、特に優れた偏波消光比及び偏波クロストークが得られる。
【００２９】
第１の結合部２１１及び第２の結合部２２１の結合長Ｌは、ＴＭ0モードからＴＥ0モードへの遷移が起こる最低次の結合長であることが好ましい。この場合、最低次の結合長があれば、偏波回転が可能である一方で、結合長が長くなるほど、一方の導波路に入射したＴＥ0／ＴＭ0モードの、もう一方の導波路への移行が生じやすくなるからである。
【００３０】
次に、第２の実施形態に係る光偏波回転素子２００の製造方法について説明する。図４は、第２の実施形態に係る光偏波回転素子２００の製造方法を工程順に示す断面図である。
【００３１】
先ず、図４（ａ）に示すように、Ｓｉ基板２５１、Ｓｉ酸化膜２５２及びＳｉ膜２５３を含むＳＯＩ基板２５０を準備する。Ｓｉ膜２５３の厚さは第１の結合部２１１の高さと等しい２２０ｎｍである。次いで、Ｓｉ膜２５３上にレジストパターン２３１を形成する。レジストパターン２３１は、第２の結合部２２１を形成する領域及びリブ部２２４を形成する領域を露出し、第１の導波路２１０及び第２の導波路２２０の他の部分を形成する領域を覆う。Ｓｉ膜２５３は半導体材料膜の一例である。
【００３２】
次いで、図４（ｂ）に示すように、レジストパターン２３１をマスクとしてＳｉ膜２５３をエッチングし、レジストパターン２３１から露出している部分の厚さを１１０ｎｍとする。その後、レジストパターン２３１を除去する。
【００３３】
続いて、図４（ｃ）に示すように、Ｓｉ膜２５３上にレジストパターン２３２を形成する。レジストパターン２３２は第１の導波路２１０を形成する領域及び第２の導波路２２０を形成する領域を覆う。レジストパターン２３２の平面形状は第１の導波路２１０の輪郭及び第２の導波路２２０の輪郭と一致させる。
【００３４】
次いで、図４（ｄ）に示すように、レジストパターン２３１をマスクとしてＳｉ膜２５３をエッチングし、第１の結合部２１１を含む第１の導波路２１０及び第２の結合部２２１を含む第２の導波路２２０を形成する。第１の結合部２１１の底面及び第２の結合部２２１の底面は同一平面にある。その後、レジストパターン２３２を除去する。
【００３５】
続いて、必要に応じてクラッド膜等を形成して光偏波回転素子２００を完成させる。
【００３６】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。第３の実施形態は、光トランシーバの一例である。図５は、第３の実施形態に係る光トランシーバを示すブロック図である。
【００３７】
第３の実施形態に係る光トランシーバ３００には、送信部（Ｔｘ）３１０及び受信部（Ｒｘ）３２０が含まれる。
【００３８】
送信部３１０には、レーザ（発光器）３１１、スプリッタ（分波器）３１２、ＩＱ変調器３１３、ＩＱ変調器３１４、カプラ（合波器）３１５及び偏波回転素子３１６が含まれる。レーザ３１１はＴＥモードの第１の光信号を発する。スプリッタ３１２は第１の光信号をＴＥモードの第２の光信号及びＴＥモードの第３の光信号に分波する。ＩＱ変調器３１３及び３１４はＴＥモードの光信号（第２の光信号及び第３の光信号）のＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）変調を行う。偏波回転素子３１６はＩＱ変調器３１４によるＱＡＭ変調後の第３の光信号をＴＭモードの第４の光信号に偏波回転する。偏波回転素子３１６に第２の実施形態の光偏波回転素子２００が用いられ、第１の導波路２１０に第３の光信号が入力される。カプラ３１５は、ＩＱ変調器３１３によるＱＡＭ変調後の第２の光信号及び第４の光信号を合波する。送信部３１０はカプラ３１５により合波された光信号を送信する。
【００３９】
受信部３２０には、偏波スプリッタ３２１（偏光分波器）、偏波回転素子３２２、受光器３２３及び受光器３２４が含まれる。偏波スプリッタ３２１は、入射してきた光信号をＴＥモードの第５の光信号及びＴＭモードの第６の光信号に分波する。偏波回転素子３２２は第６の光信号をＴＥモードの第７の光信号に偏波回転する。偏波回転素子３２２に第２の実施形態の光偏波回転素子２００が用いられ、第２の導波路２２０に第６の光信号が入力される。受光器３２３は第５の光信号を受け、受光器３２４は第７の光信号を受ける。
【００４０】
光トランシーバ３００の偏波回転素子３１６及び偏波回転素子３２２に第２の実施形態の光偏波回転素子２００が用いられているため、特に優れた偏波消光比及び偏波クロストークが得られ、適切な光信号の送受信を行うことができる。
【００４１】
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００４２】
（付記１）
第１の結合部を備えた第１の導波路と、
前記第１の結合部に光学的に結合された第２の結合部を備えた第２の導波路と、
を有し、
前記第１の導波路及び前記第２の導波路は共にチャネル導波路であり、かつ底面の高さを揃えて形成されており、
前記第１の結合部の高さは前記第２の結合部の高さより大きく、
前記第１の結合部の幅は前記第２の結合部の幅より小さいことを特徴とする光偏波回転素子。
【００４３】
（付記２）
前記第１の結合部の高さが前記第２の結合部の幅と等しく、
前記第１の結合部の幅が前記第２の結合部の高さと等しいことを特徴とする付記１に記載の光偏波回転素子。
【００４４】
（付記３）
前記第１の導波路及び前記第２の導波路が半導体材料から形成されていることを特徴とする付記１又は２に記載の光偏波回転素子。
【００４５】
（付記４）
前記第１の結合部の底面及び前記第２の結合部の底面が同一平面にあることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の光偏波回転素子。
【００４６】
（付記５）
前記第１の導波路は、前記第１の結合部の両端に設けられたテーパ部を有し、
前記第２の導波路は、前記第２の結合部の両端に設けられたリブチャネル変換部を有することを特徴とする付記１乃至４のいずれか１項に記載の光偏波回転素子。
【００４７】
（付記６）
ＴＥモードの第１の光信号を発する発光器と、
前記第１の光信号をＴＥモードの第２の光信号とＴＥモードの第３の光信号に分波する分波器と、
前記第３の光信号をＴＭモードの第４の光信号に偏波回転する付記１乃至５のいずれか１項に記載の光偏波回転素子と、
前記第２の光信号及び前記第４の光信号を合波する合波器と、
を有することを特徴とする光トランシーバ。
【００４８】
（付記７）
光信号をＴＥモードの第５の光信号及びＴＭモードの第６の光信号に偏光分波する偏光分波器と、
前記第６の光信号をＴＥモードの第７の光信号に偏波回転する付記１乃至５のいずれか１項に記載の光偏波回転素子と、
前記第５の光信号を受ける第１の受光器と、
前記第７の光信号を受ける第２の受光器と、
を有することを特徴とする光トランシーバ。
【００４９】
（付記８）
第１のマスクを用いて半導体材料膜を部分的にエッチングして、第１の厚さの第１の領域と前記第１の領域より薄い第２の厚さの第２の領域を形成する工程と、
第２のマスクを用いて前記半導体材料膜を部分的にエッチングして、前記第１の領域に第１の結合部を備えた第１の導波路を形成し、前記第２の領域に前記第１の結合部に光学的に結合された第２の結合部を備えた第２の導波路を形成する工程と、
を有し、
前記第１の導波路及び前記第２の導波路は共にチャネル導波路であり、かつ底面の高さを揃えて形成されており、
前記第１の結合部の高さは前記第２の結合部の高さより大きく、
前記第１の結合部の幅は前記第２の結合部の幅より小さいことを特徴とする光偏波回転素子の製造方法。
【符号の説明】
【００５０】
１００、２００、３１６、３２２：光偏波回転素子
１１０、１２０、２１０、２２０：導波路
１１１、１２１、２１１、２２１：結合部
２１２：テーパ部
２２２：リブチャネル変換部
３００：光トランシーバ
３１０：送信部
３２０：受信部
【図１】
2018180388.tif 000003
【図２】
2018180388.tif 000004
【図３Ａ】
2018180388.tif 000005
【図３Ｂ】
2018180388.tif 000006
【図３Ｃ】
2018180388.tif 000007
【図４】
2018180388.tif 000008
【図５】
2018180388.tif 000009