(57)【要約】      （修正有）【課題】窒化シリコン層の形成を限定することにより、製造時間の増大および製造装置の複雑化を招くことのない偏波回転回路を提供する。【解決手段】偏波回転回路は、幅が徐々に拡大するテーパ導波路１０２、１０３、１０４、と、幅の広い導波路１０５および幅の狭い導波路１０６の２つの導波路から成り、幅の広い導波路１０５の一端がテーパ導波路１０４の幅の広い側の端と光学的に接続された非対称方向性結合器とから構成されている。偏波変換機能を担うテーパ導波路１０３のコアの上方であって、回路構成面を見たときに、テーパ導波路１０３と重複しおよびテーパ導波路１０３を包含する領域１０９のみに、窒化シリコン層による上部クラッド層を備える。偏波変換機能を担うテーパ導波路１０３を除く他のモード変換回路や入出力導波路１０１、１０７、１０８上には窒化シリコン層を備えていない。【選択図】図１
2015169766.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
幅が徐々に拡大するテーパ導波路と、
幅の広い導波路および幅の狭い導波路の２つの導波路から成り、前記幅の広い導波路の一端が前記テーパ導波路の幅の広い側の端と光学的に接続された非対称方向性結合器と
から構成され、
前記テーパ導波路および前記非対称方向性結合器が、シリコンで形成されたコアと、前記コアを挟むように形成された下部クラッドおよび上部クラッドから成る導波路で構成されている偏波回転回路において、
前記下部クラッドおよび前記上部クラッドは、シリコンよりも屈折率の低い材料によって形成され、
前記上部クラッドにおいて、回路構成面を見たときに前記テーパ導波路を内部に包含する領域は、前記コアの上部に接する第１の層と、前記第１の層の上部に形成された第２の層を少なくとも含み、
前記第１の層は、シリコンよりも屈折率の低い材料によって形成され、
前記第２の層は、前記下部クラッドを形成する材料および前記第１の層を形成する材料より屈折率が高く、かつ、シリコンよりも屈折率の低い材料によって形成され、
前記コアの上面と前記第２の層の底面との間の距離は、前記コアの厚さと同等、または、前記コアの厚さより薄く構成されていること
を特徴とする偏波回転回路。
【請求項２】
前記テーパ導波路の幅の広い側の端と、前記非対称方向性結合器の前記幅の広い導波路の一端が、第２のテーパ導波路により滑らかに接続されていることを特徴とする請求項１に記載の偏波回転回路。
【請求項３】
入出力導波路と、前記テーパ導波路の幅の狭い側の端が、第３のテーパ導波路により滑らかに接続されていることを特徴とする請求項１または２に偏波回転回路。
【請求項４】
前記第２のテーパ導波路および前記第３のテーパ導波路の少なくとも一方のコアの上部には、
前記第２の層を延長して同じ高さにテーパ構造がさらに形成され、
前記テーパ構造の幅の広い側が前記第２の層に接続し、前記第２の層と同じ材料によって形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の偏波回転回路。
【請求項５】
前記下部クラッドおよび前記上部クラッドの前記第１の層は、石英系ガラスから成ることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の偏波回転回路。
【請求項６】
前記上部クラッドの前記第２の層は、窒化シリコンから成ることを特徴とする請求項５に記載の偏波回転回路。
【請求項７】
前記上部クラッドの前記第２の層は、高濃度にドーパントを付加した石英系ガラスから成ることを特徴とする請求項５に記載の偏波回転回路。
【請求項８】
幅が徐々に拡大するテーパ導波路と、
幅の広い導波路および幅の狭い導波路の２つの導波路から成り、前記幅の広い導波路の一端が前記テーパ導波路の幅の広い側の端と光学的に接続された非対称方向性結合器と
から構成され、
前記テーパ導波路および前記非対称方向性結合器が、シリコンで形成されたコアと、前記コアを挟むように形成された下部クラッドおよび上部クラッドとから成る導波路で構成されている平面型偏波回転回路であって、
前記上部クラッドにおいて、回路構成面を見たときに前記テーパ導波路を内部に包含し、前記テーパ導波路の幅の１．５倍の幅を有する領域は、前記コアの上部に接する第１の層と、前記第１の層の上部に形成された第２の層を少なくとも含み、
前記第２の層は、窒化シリコンによって形成され、
前記第１の層、前記第２の層を除いた前記上部クラッド、および、前記下部クラッドは、窒化シリコンよりも屈折率のさらに低い材料によって形成され、
前記コアの上面と前記第２の層の底面との間の距離は、前記コアの厚さと同等、または、前記コアの厚さより薄く構成されていること
を特徴とする偏波回転回路。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は偏波回転回路に関する。より詳細には、シリコン導波路で形成された平面型の偏波回転回路に関する。
【０００２】
シリコン導波路による光回路は、石英など従来の材料に比して回路サイズを飛躍的に小さくできる利点を持っているため、研究開発が盛んに行われている。通過する光の偏波の制御、特に偏波分離および偏波回転は、光回路の重要機能の１つである。偏波回転回路は、入力されたある偏波の光に対し、その偏波と直交する偏波の光を出力する回路である。平面基板上に形成される光回路においては、基板に水平な電界成分を有するＴＥ偏波の光を、基板に垂直な電界成分を有するＴＭ偏波の光に変換する光回路、または、ＴＭ偏波の光をＴＥ偏波に変換する光回路が一般的に利用されている。
【０００３】
シリコン導波路において偏波回転を行う手法は、いくつかが提案されている。第１の従来技術例として、シリコン導波路の上部に窒化シリコンＳｉ３Ｎ４の構造を付加することにより、断熱的に偏波を回転させる回路が提案されている。この偏波回転回路については、非特許文献１に詳細が開示されている。
【０００４】
また第２の従来技術例として、シリコン導波路の上部クラッドを窒化シリコンとし、偏波変換回路とモード変換回路から構成された偏波回転回路が提案されている。この従来技術例では、偏波変換回路を幅の徐々に広がるテーパ導波路によって構成し、モード変換回路を幅の異なる２つの導波路から成る非対称方向性結合器によって構成している。この偏波回転回路については、非特許文献２に詳細に開示されている。
【０００５】
図５は、上述の第２の従来技術例による偏波回転回路の構成を示した図である。図５の（ａ）は、回路の構成面を見た上面図である。図５に示した偏波回転回路は、幅がｗ１からｗ２まで広がるテーパ導波路からなる偏波変換回路９１０３と、幅の異なる２つの導波路９１０５、９１０６からなる非対称方向性結合器で構成されるモード変換回路９１１４とを備えている。テーパ導波路９１０３および導波路９１０５は、第２のテーパ導波路９１０４によって滑らかに接続されている。図５に示した偏波回転回路は、入出力導波路９１０１、９１０７、９１０８によって、各偏波およびモードの光信号を入出力する。入出力導波路９１０１およびテーパ導波路９１０３は、第３のテーパ導波路９１０２によって滑らかに接続されている。図面上では、各導波路および領域の境界を明示的な線（光の進行方向に垂直な区画）によって分けて描いているが、便宜上、機能ごとに区画が描かれているのであって、構成材料の不連続や構造上の境界が実際にあるわけではないことに留意されたい。
【０００６】
テーパ導波路９１０３の長さは５０μｍ、幅はｗ１＝０．６９μｍ、ｗ２＝０．８３μｍである。非対称方向性結合器を形成する導波路９１０５は幅が０．９μｍ、導波路９１０６は幅が０．４０５μｍをそれぞれ持ち、長さはともに１７μｍである。２つの導波路９１０４、９１０５の間のギャップは０．２５μｍである。入出力導波路９１０１の幅は０．５μｍ、第２のテーパ導波路９１０４および第３のテーパ導波路９１０２の長さはそれぞれ１５μｍである。
【０００７】
図５の（ｂ）は、（ａ）に示した偏波回転回路の上面図のＡ−Ａ’線における断面の構造を示す。シリコン基板９１１１上には、石英で形成された下部クラッド９１０を備える。下部クラッド９１０の上には、シリコンによりテーパ導波路のコア９１０３が形成され、さらに、コア９１０３を覆うように窒化シリコンＳｉ３Ｎ４の上部クラッド９１０９が形成されている。導波路９１０３のコア厚さは０．２２μｍ、上部クラッド９１０９の厚さは１．５μｍ、下部クラッド９１１０の厚さは２μｍである。
【０００８】
入出力導波路９１０１から回路に入力されたＴＭ偏波の基底モード光９１１２は、偏波変換回路であるテーパ導波路９１０３を伝搬する過程で、ＴＥ偏波の１次モード光に変換される。さらにモード変換回路である非対称方向性結合器９１１４において、導波路９１０５を伝搬するＴＥ偏波の１次モード光は、導波路９１０６のＴＥ偏波の基底モードに結合し、ＴＥ偏波の基底モード光９１１３が入出力導波路９１０８へ出力される。図５に示した回路は相反的であり、入出力導波路９１０８からＴＥ偏波の基底モード光９１１３が逆向きに入力された場合、上述の説明とは逆の経路を経て、ＴＭ偏波の基底モード光９１１２が入出力導波路９１０１に出力される。
【０００９】
偏波回転回路において、伝搬する光波に対して偏波変換を生じさせるには、導波路に非対称性を持たせることが必要である。構造的に対称な導波路は、ＴＥモードおよびＴＭモードの間の結合がなく、偏波変換が生じ得ない。第１の従来技術例においては、上部に形成された窒化シリコンＳｉ３Ｎ４の構造が導波路の対称性を崩すよう作用する。また、第２の従来技術例においては、下部クラッドと上部クラッドの屈折率が異なることによって、導波路に非対称性を持たせている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】L. Chen et al, “Compact polarization rotator on silicon for polarization-diversified circuits”, OPTICS LETTERS, Vol. 36, pp.469-471, 2011年
【非特許文献２】D. Dai et al, “Novel concept for ultracompact polarization splitter-rotator based on silicon nanowires”, OPTICS EXPRESS, Vol. 19, pp.10941-10949, 2011年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述のような従来技術によるシリコン導波路による偏波回転回路では、窒化シリコン層または窒化シリコンの構成部分を備える必要があった。第１の従来技術例の偏波変換回路は、シリコン導波路を形成した後、その上部に窒化シリコン層を形成し加工する必要がある。また第２の従来技術例の偏波変換回路は、上部クラッド全体を窒化シリコンとするため、シリコン導波路を形成後、その上部に窒化シリコン層を形成する必要がある。
【００１２】
また、第１の従来技術例の偏波変換回路は、幅の狭いシリコン導波路を精度良く形成し、加えてその上部に幅の狭い窒化シリコン導波路を、シリコン導波路と位置ずれ無く形成する必要がある。窒化シリコン導波路の位置ずれが生じれば所望の特性が得られない構造となっており、安定的に回路を製造する点に課題があった。
【００１３】
第２の従来技術例の偏波変換回路では、窒化シリコンの層を加工する必要はなく、第１の従来技術例に比べれば安定に製造できる構成ではある。しかしながら、上部クラッドの全体を窒化シリコンとすることが必須であり、上部クラッドが石英であることを前提に構成や作製プロセスが最適化されている、シリコン導波路による他の光回路、特に変調器やフォトディテクタとの一体集積ができないという問題があった。
【００１４】
本発明はかかる問題を鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、所望の特性を実現できるデバイスを安定に製造可能であって、他の機能を持つ光回路との一体集積も可能な、偏波回転回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
このような目的を達成するために、請求項１の発明は、幅が徐々に拡大するテーパ導波路と、幅の広い導波路および幅の狭い導波路の２つの導波路から成り、前記幅の広い導波路の一端が前記テーパ導波路の幅の広い側の端と光学的に接続された非対称方向性結合器とから構成され、前記テーパ導波路および前記非対称方向性結合器が、シリコンで形成されたコアと、前記コアを挟むように形成された下部クラッドおよび上部クラッドから成る導波路で構成されている偏波回転回路において、前記下部クラッドおよび前記上部クラッドは、シリコンよりも屈折率の低い材料によって形成され、前記上部クラッドにおいて、回路構成面を見たときに前記テーパ導波路を内部に包含する領域は、前記コアの上部に接する第１の層と、前記第１の層の上部に形成された第２の層を少なくとも含み、前記第１の層は、シリコンよりも屈折率の低い材料によって形成され、前記第２の層は、前記下部クラッドを形成する材料および前記第１の層を形成する材料より屈折率が高く、かつ、シリコンよりも屈折率の低い材料によって形成され、前記コアの上面と前記第２の層の底面との間の距離は、前記コアの厚さと同等、または、前記コアの厚さより薄く構成されていることを特徴とする偏波回転回路である。        
請求項２の発明は、請求項１の偏波回転回路であって、前記テーパ導波路の幅の広い側の端と、前記非対称方向性結合器の前記幅の広い導波路の一端が、第２のテーパ導波路により滑らかに接続されていることを特徴とする。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項１または２の偏波回転回路であって、入出力導波路と、前記テーパ導波路の幅の狭い側の端が、第３のテーパ導波路により滑らかに接続されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項２または３の偏波回転回路であって、前記第２のテーパ導波路および前記第３のテーパ導波路の少なくとも一方のコアの上部には、前記第２の層を延長して同じ高さにテーパ構造がさらに形成され、前記テーパ構造の幅の広い側が前記第２の層に接続し、前記第２の層と同じ材料によって形成されていることを特徴とする。
【００１８】
請求項５の発明は、請求項１乃至４いずれかの偏波回転回路であって、前記下部クラッドおよび前記上部クラッドの前記第１の層は、石英系ガラスから成ることを特徴とする。
【００１９】
請求項６の発明は、請求項５の偏波回転回路であって、前記上部クラッドの前記第２の層は、窒化シリコンから成ることを特徴とする。
【００２０】
請求項７の発明は、請求項５の偏波回転回路であって、前記上部クラッドの前記第２の層は、高濃度にドーパントを付加した石英系ガラスから成ることを特徴とする。
【００２１】
請求項８の発明は、幅が徐々に拡大するテーパ導波路と、幅の広い導波路および幅の狭い導波路の２つの導波路から成り、前記幅の広い導波路の一端が前記テーパ導波路の幅の広い側の端と光学的に接続された非対称方向性結合器とから構成され、前記テーパ導波路および前記非対称方向性結合器が、シリコンで形成されたコアと、前記コアを挟むように形成された下部クラッドおよび上部クラッドとから成る導波路で構成されている平面型偏波回転回路であって、前記上部クラッドにおいて、回路構成面を見たときに前記テーパ導波路を内部に包含し、前記テーパ導波路の幅の１．５倍の幅を有する領域は、前記コアの上部に接する第１の層と、前記第１の層の上部に形成された第２の層を少なくとも含み、前記第２の層は、窒化シリコンによって形成され、前記第１の層、前記第２の層を除いた前記上部クラッド、および、前記下部クラッドは、窒化シリコンよりも屈折率のさらに低い材料によって形成され、前記コアの上面と前記第２の層の底面との間の距離は、前記コアの厚さと同等、または、前記コアの厚さより薄く構成されていることを特徴とする偏波回転回路である。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように、本発明により、所望の特性を実現できるデバイスを安定に製造可能であって他の光回路との一体集積も可能な、偏波回転回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の偏波回転回路の第１の実施形態の構成を示す図である。
【図２】図２は、第１の実施形態において、窒化シリコンで形成された上部クラッドの第２の層の相対幅と偏波変換効率との関係を示す図である。
【図３】図３は、第１の実施形態の偏波回転回路の作製フローを説明する図である。
【図４】図４は、本発明の偏波回転回路の第２の実施形態の構成を示す図である。
【図５】図５は、従来技術例２による偏波回転回路の構成を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の偏波回転回路は、偏波変換機能を担うテーパ導波路のコアの上方であって、回路構成面を見たときに、テーパ導波路と重複しおよびテーパ導波路を包含する領域のみに、窒化シリコン層による上部クラッド層を備える。偏波変換機能を担うテーパ導波路を除いた他のモード変換回路や入出力導波路上には窒化シリコン層を備えていないため、上部クラッドが石英であることを前提に構成や作製プロセスが最適化されている、シリコン導波路による他の光回路、特に変調器やフォトディテクタとの一体集積化が容易となる。窒化シリコン層による上部クラッド層領域を、偏波変換機能を担うテーパ導波路の両側方向に向かって概ねテーパ形状に拡張して、偏波変換機能を担うテーパ導波路に隣接する導波路とのモード整合性をさらに改善することもできる。
【００２５】
以下、本発明の偏波回転回路の様々な実施形態について詳細に説明する。
【００２６】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る偏波回転回路について説明する。本実施形態は、本発明の偏波回転回路の基本的な構成を示すものであり、偏波変換回路の導波路コア上部に形成される窒化シリコン層を含む上部クラッドの構成について説明される。
【００２７】
図１は、本発明の偏波回転回路の第１の実施形態の構成を示す図であり、デバイス上の回路構成面を見た図である。以下、本発明を説明する各図では、各導波路および領域の境界を明示的な線（光の進行方向に垂直な区画）によって分けて描いているが、各部の機能ごとに便宜的に区画が描かれているのであって、構成材料の不連続や実際に境界線があるわけではないことに留意されたい。偏波回転の主な動作は、偏波変換回路１０３およびモード変換回路１２２によって行われる。図上左端の入出力導波路１０１から入力したＴＭ偏波の基底モード光１２０を、本発明の偏波変換回路によってＴＥ偏波の１次モード光１２１に変換して右端の入出力導波路１０８より出力する。
【００２８】
偏波変換回路は、幅がｗ１からｗ２まで広がるテーパ導波路１０３によって構成される。また、モード変換回路１２２は、幅の異なる２つの導波路１０５、１０６からなる非対称方向性結合器によって構成される。モード変換回路１２２は、一方の幅の広いシリコン導波路１０５へ図１上の左側から入力したＴＥ偏波の１次モード光を、ＴＥ偏波の基底モード光に変換して、他方の幅の狭いシリコン導波路１０６の右側から出力する。
【００２９】
偏波変換の機能を担うテーパ導波路１０３およびモード変換の機能を担う導波路１０５の間は、第２のテーパ導波路１０４によって滑らかに接続されている。偏波回転回路の全体の両端には、入出力導波路１０１、１０７、１０８を備えており、入出力導波路１０１およびテーパ導波路１０３の間は、第３のテーパ導波路１０２によって滑らかに接続されている。
【００３０】
偏波変換回路のテーパ導波路１０３の長さは５０μｍ、幅の狭いほうの幅がｗ１＝０．６４μｍ、幅の広いほうの幅がｗ２＝０．７４μｍである。モード変換回路１２２である非対称方向性結合器を形成する一方の導波路１０５は幅が０．８μｍ、他方の導波路１０６は幅が０．３８μmで、長さはともに６０μｍ、２つの導波路間のギャップは０．４μｍである。入出力導波路１０１の幅は０．５μｍであり、第２のテーパ導波路１０４および第３のテーパ導波路１０２の長さはそれぞれ１５μｍである。
【００３１】
本発明の偏波回転回路の特徴的な構成は、テーパ導波路１０３の近傍の上部にのみに形成された窒化シリコンＳｉ３Ｎ４層の領域１０９にある。図１の（ａ）では、テーパ導波路１０３の上部の点線で示された領域１０９に対応する。本発明の偏波回転回路では、回路構成面を見たときに、偏波変換機能を担うテーパ導波路１０３を包含する領域の上部に窒化シリコンＳｉ３Ｎ４の層が形成されることによって機能する。しかしながら、この窒化シリコンＳｉ３Ｎ４層は、方向性結合器１０５、１０６および入出力導波路１０１、１０７、１０８の上部には無いことが好ましい。基板に垂直方向の非対称構造により、導波路を伝搬する光波が影響を受け、様々な伝搬特性の劣化を招く恐れがあるからである。
【００３２】
図１の（ｂ）は、（ａ）の上面図における偏波変換機能を担うテーパ導波路を横切るＢ−Ｂ’断面での回路構造を示す図である。シリコン基板１１２の上には、石英による下部クラッド１１１が形成され、下部クラッド１１１上に、シリコンによるテーパ導波路のコア１０３が形成されている。さらに、導波路コア１０３全体を非常に薄く覆うように、石英による上部クラッドの第１の層１１３が形成される。本発明の偏波回転回路では、さらに、上部クラッドの第１の層１１３上であって、回路構成面（基板と平行な面）を見たときにテーパ導波路１０３を包含する領域に窒化シリコンＳｉ３Ｎ４で形成された上部クラッドの第２の層１０９を備える。上部クラッドの第２の層１０９は、少なくともテーパ導波路１０３を内部に含む領域に形成されている。クラッドの第１の層１１３およびクラッドの第２の層１０９の全体を覆うようにさらに、石英による最上部のクラッド層１１０が堆積されている。
【００３３】
したがって、本発明の光回転回路は、幅が徐々に拡大するテーパ導波路と、幅の広い導波路および幅の狭い導波路の２つの導波路から成り、前記幅の広い導波路の一端が前記テーパ導波路の幅の広い側の端と光学的に接続された非対称方向性結合器とから構成され、前記テーパ導波路および前記非対称方向性結合器が、シリコンで形成されたコアと、前記コアを挟むように形成された下部クラッドおよび上部クラッドから成る導波路で構成されている偏波回転回路において、前記下部クラッドおよび前記上部クラッドは、シリコンよりも屈折率の低い材料によって形成され、前記上部クラッドにおいて、回路構成面を見たときに前記テーパ導波路を内部に包含する領域は、前記コアの上部に接する第１の層と、前記第１の層の上部に形成された第２の層を少なくとも含み、前記第１の層は、シリコンよりも屈折率の低い材料によって形成され、前記第２の層は、前記下部クラッドを形成する材料および前記第１の層を形成する材料より屈折率が高く、かつ、シリコンよりも屈折率の低い材料によって形成され、前記コアの上面と前記第２の層の底面との間の距離は、前記コアの厚さと同等、または、前記コアの厚さより薄く構成されている。
【００３４】
本実施形態では、窒化シリコンＳｉ３Ｎ４で形成された上部クラッドの第２の層の領域１０９は、テーパ導波路１０３の長さ方向については、テーパ導波路領域と一致する範囲に形成される。テーパ導波路の幅方向については、概ねテーパ導波路の幅、またはそれ以上に広がった領域上に形成される。このような範囲の領域１０９に窒化シリコンＳｉ３Ｎ４で形成された上部クラッドの第２の層を形成すれば、テーパ導波路１０３を伝搬する光波が上下方向の屈折率の非対称性を感じ、偏波変換が生じる。ただし、テーパ導波路１０３を伝搬する光波のエネルギーはテーパ導波路の幅と同程度に分布している。このため、光波が十分な非対称性を感じ、効率良く偏波変換が生じるには、領域１０９はある程度の幅があることが望ましい。
【００３５】
図２は、本実施形態において、窒化シリコンで形成された上部クラッドの第２の層の相対幅と偏波変換効率との関係を示す図である。縦軸の変換効率は、テーパ導波路１０３に左側から入力したＴＭ偏波の基底モード光のパワーに対して、テーパ導波路１０３の右側から出力されるＴＥ偏波の１次モード光のパワーの比（％）として定義される。横軸は、窒化シリコンの領域１０９の相対幅であって、テーパ導波路１０３の平均の幅を１としたときの領域１０９の幅である。図２に示したように、テーパ導波路１０３の平均幅の半分程度から偏波変換が生じるようになり、１．５倍以上で効率はほぼ１００％に達する。したがって、効率良く偏波変換が生じるために、窒化シリコンで形成される領域１０９は、テーパ導波路１０３の平均幅の１．５倍より広がった領域上に形成されることがより好ましい。
【００３６】
したがって、上部クラッドにおいて、回路構成面を上方から見たときにテーパ導波路１０３を内部に包含し、前記テーパ導波路の幅の少なくとも１．５倍の幅を有する領域（図１の（ａ）の矩形領域１０９）は、コア１０３の上部に接する第１の層１１３と、第１の層の上部に形成された第２の層１０９を少なくとも含むことになる。
【００３７】
テーパ導波路１０３のコア厚さは０．２２μｍ、最上部のクラッド１１０の厚さは１．５μｍ、下部クラッド１１１の厚さは２μｍである。上部クラッドの第２の層１０９の厚さは０．５μｍであり、上部クラッドの第１の層１１３の厚さは、テーパ導波路１０３のコア上面から、上部クラッドの第２の層１０９の下面までで０．１μｍとなっている。
【００３８】
図１の（ｃ）は、（ａ）の上面図における非対称方向性結合器を横切るＣ−Ｃ’断面での回路構造を示す図である。シリコン基板１１２の上には、石英による下部クラッド１１１が形成され、下部クラッド１１１上に、シリコンによる非対称方向性結合器の２つの導波路のコア１０５、１０６が形成されている。さらに、２つの導波路のコア１０５、１０６を覆うように、石英の上部クラッド１１０が形成されている。
【００３９】
図１の（ｃ）では、図１の（ｂ）に見られる上部クラッドの第１の層１１３が存在していないが、これは、窒化シリコンＳｉ３Ｎ４で形成された上部クラッドの第２の層を作製する必要が無く、同じ石英によるによる上部クラッド１１０を一度に形成すれば良いからである。
【００４０】
図３は、本実施形態の偏波回転回路の作製フローを説明する図である。以下に述べる作製フローのステップの順で、図３の（ａ）から（ｆ）に対応する状態が描かれている。
（ａ）        ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を準備する。ＳＯＩ基板はシリコン基板１１２上に石英層１１１とシリコン層１１３が形成された基板である（ステップ１）
（ｂ）        ＳＯＩ基板のシリコン層１１３を加工して、シリコン導波路のパターン１１４を形成する（ステップ２）
（ｃ）        導波路パターン１１４を形成した後で、石英層１１５を堆積し、平坦化する。この工程によって上部クラッドの第１の層１１５が形成される（ステップ３）
（ｄ）        上部クラッドの第１の層１１５上に、窒化シリコンＳｉ３Ｎ４層１１６を堆積する（ステップ４）
（ｅ）        窒化シリコンＳｉ３Ｎ４層１１６を加工して、窒化シリコンのパターン１１７を形成する。これによって上部クラッドの第２の層１１７が形成される（ステップ５）
（ｆ）        全体を覆うように、石英層１１８を堆積する（ステップ６）
【００４１】
再び図１を参照すると、入出力導波路１０１から偏波回転回路に入力されたＴＭ偏波の基底モード光１２０は、偏波変換回路として動作するテーパ導波路１０３を伝搬する過程でＴＥ偏波の１次モード光に変換される。さらにモード変換回路として動作する非対称方向性結合器１１４において、一方の導波路１０５を伝搬するＴＥ偏波の１次モード光は、他方の導波路１０６のＴＥ偏波の基底モードに結合し、ＴＥ偏波の基底モード光１２１が入出力導波路１０８へ出力される。また本発明の偏波回転回路は相反的であり、入出力導波路１０８からＴＥ偏波の基底モード１２１光が逆向き入力された場合、上述の説明した経路とは逆の経路を経て、ＴＭ偏波の基底モード光１２０が入出力導波路１０１に出力される。
【００４２】
このように本実施例の偏波回転回路は、上では説明をしていない偏波分離機能および偏波合流機能なども含めて、従来技術の偏波回転回路と同様の機能を実現する。しかしながらその上部クラッドは、偏波変換機能を担うテーパ導波路１０３の上部の一部の領域１０９に窒化シリコンの層を形成する他は、石英で形成されている。したがって、上部クラッドが石英で構成されることを前提に構成や作製プロセスが最適化されている他のシリコン導波路による光回路、特に変調器やフォトディテクタと共に、一体集積回路として製造することが可能となる。
【００４３】
［第２の実施形態］
上述の第１の実施形態では、偏波変換回路の導波路コア上方に形成される窒化シリコン層の領域１０９は、テーパ導波路の長さ方向については、テーパ導波路と一致する領域に形成されていた。窒化シリコン層の領域の範囲をさらに広げてモード整合の改善の効果をさらに得ることも可能である。以下、本発明の第２の実施形態に係る偏波回転回路の構成について説明する。
【００４４】
図４は、本発明の偏波回転回路の第２の実施形態の構成を示す図である。（ａ）は、デバイス上の回路構成面を見た図である。偏波回転の主な動作は、偏波変換回路２０３およびモード変換回路２２２によって行われる。図上左端の入出力導波路２０１から入力したＴＭ偏波の基底モード光２２０を、本発明の偏波変換回路によってＴＥ偏波の１次モード光２２１に変換して右端の入出力導波路２０８より出力する。
【００４５】
偏波変換回路は、幅がｗ１からｗ２まで徐々に拡大するテーパ導波路２０３によって構成される。また、モード変換回路２２２は、幅の広い導波路および幅の狭い導波路のを含み、幅の異なる２つの導波路２０５、２０６からなる非対称方向性結合器で構成される。テーパ導波路２０３および導波路２０５の間は、第２のテーパ導波路２０４によって滑らかに接続されている。偏波回転回路の全体の両端には、入出力導波路２０１、２０７、２０８を備えており、入出力導波路２０１およびテーパ導波路２０３の間は、第３のテーパ導波路２０２によって滑らかに接続されている。
【００４６】
テーパ導波路２０３の長さは５０μｍ、幅は幅の狭い側がｗ１＝０．６４μｍ、幅の広い側がｗ２＝０．７４μｍである。モード変換回路として動作する非対称方向性結合器を形成する一方導波路２０５は幅が０．８μｍ、他方の導波路２０６は幅が０．３８μｍである。２つの導波路の長さはともに６０μｍで、導波路間のギャップは０．４μｍである。入出力導波路２０１の幅は０．５μｍであり、第２のテーパ導波路２０４および第３のテーパ導波路２０２の長さはそれぞれ１５μｍである。
【００４７】
本実施形態の偏波回転回路でも、テーパ導波路２０３の上部に形成された窒化シリコンＳｉ３Ｎ４層の領域２０９の構成に特徴がある。図４の（ａ）の回路構成面（基板に平行な面）を見たときに、窒化シリコンＳｉ３Ｎ４層は、テーパ導波路２０３の上部のテーパ導波路２０３を包含する点線で示された矩形の領域２０９に対応する。このＳｉ３Ｎ４層の矩形の領域２０９に加えて、本実施形態では、第２のテーパ導波路２０４および第３のテーパ導波路２０２の上部に、領域２０９と接続しており、さらに領域２０９を延長するように窒化シリコンで形成されたテーパ構造２１４およびテーパ構造２１３をそれぞれ備えている。
【００４８】
ここで第３のテーパ導波路２０２上のテーパ構造２１３は、幅が０．２μｍからｗ１＝０．６４μｍまで変化している。第２のテーパ導波路２０４上のテーパ構造２１４は、幅がｗ２＝０．７４μｍ から０．２μｍまで変化している。本発明の第１の実施形態では、第２のテーパ導波路１０４およびテーパ導波路１０３の間、テーパ導波路１０３および第３のテーパ導波路１０２の間の各接続部において、モード不整合が存在するために、過剰損失が発生する懸念があった。本実施形態の偏波回転回路では、偏波変換機能を担うテーパ導波路２０３の両側の各テーパ導波路側に向かって、Ｓｉ３Ｎ４層の領域２０９を拡張してテーパ構造２１４、２１３を構成することにより、第２のテーパ導波路２０４およびテーパ導波路２０３の間、ならびに、テーパ導波路２０３および第３のテーパ導波路２０４の間のモード整合性を改善し、より過剰損失の小さい偏波回転回路を実現することができる。
【００４９】
図４の（ｂ）は、（ａ）の第３のテーパ導波路を横切るＤ−Ｄ’断面での回路構造を示す図である。シリコン基板２１２の上には、石英による下部クラッド２１１が形成され、下部クラッド２１１上に、シリコンによる第３のテーパ導波路のコア２０２が形成されている。導波路コア２０２全体を非常に薄く覆うように、石英による上部クラッドの薄い第１の層２１５が形成される。本発明の偏波回転回路では、さらに、上部クラッドの第１の層２１５上であって、回路構成面（基板と平行な面）を見たときに第２テーパ導波路２０２の概ね内部側の領域に窒化シリコンＳｉ３Ｎ４で形成された上部クラッドの第２の層２１３を備える。上部クラッドの第１の層２１５および上部クラッドの第２の層２１３の全体を覆うようにさらに、石英による最上部のクラッド層２１０が堆積されている。
【００５０】
導波路２０２のコア厚さは０．２２μｍ、上部クラッド２１０の厚さは１．５μｍ、下部クラッド２１１の厚さは２μｍである。上部クラッドの第２の層２１３の厚さは０．５μｍであり、上部クラッドの第１の層２１５の厚さは、導波路２０２のコア上面から、第２の層２１３の下面までで０．１μｍとなっている。
【００５１】
図４の（ｃ）は、（ａ）の上面図における偏波変換機能を担うテーパ導波路を横切るＥ−Ｅ’断面での回路構造を示す図である。シリコン基板２１２の上には、石英による下部クラッド２１１が形成され、下部クラッド２１１上に、シリコンによるテーパ導波路のコア２０３が形成されている。導波路コア２０３全体を非常に薄く覆うように、石英による上部クラッドの第１の層２１５が形成される。第１の実施形態と同様に、上部クラッドの第１の層２１５上であって、回路構成面（基板と平行な面）を見たときにテーパ導波路２０３を包含する領域に窒化シリコンＳｉ３Ｎ４で形成された上部クラッドの第２の層２０９を備える。上部クラッドの第２の層２０９は、少なくともテーパ導波路２０３を内部に含む領域に形成されている。上部クラッドの第１の層２１５および窒化シリコンＳｉ３Ｎ４で形成された上部クラッドの第２の層２０９の全体を覆うようにさらに、石英による最上部のクラッド層２１０が堆積されている。
【００５２】
したがって、本実施形態の光回転回路は、第２のテーパ導波路および第３のテーパ導波路の少なくとも一方のコアの上部には、第２の層２０９を延長して同じ高さにテーパ構造２１３、２１４がさらに形成され、前記テーパ構造の幅の広い側が第２の層２０９に接続し、前記第２の層と同じ材料によって形成されていることになる。
【００５３】
導波路２０３のコア厚さは０．２２μｍ、上部クラッド２１０の厚さは１．５μｍ、下部クラッド２１１の厚さは２μｍである。上部クラッドの第２の層２０９の厚さは０．５μｍであり、上部クラッドの第１の層２１５の厚さは、導波路２０３のコア上面から、第２の層２０９の下面までで０．１μｍとなっている。
【００５４】
図４の（ａ）の上面図における非対称方向性結合器を横切るＦ−Ｆ’断面での回路構造は図示されていないが、図１の（ｃ）に示したＣ−Ｃ´の断面図と全く同様である。図４の（ｂ）に示した窒化シリコンＳｉ３Ｎ４で形成された上部クラッドの第２の層２１３と、図４の（ｃ）に示した窒化シリコンＳｉ３Ｎ４で形成された上部クラッドの第２の層２０９とは、同一の高さにあり、同一の工程（図３の（ｅ）を参照のこと）によって一度に形成されるのは言うまでもない。
【００５５】
図４の（ａ）の矩形領域２０９は、第１の実施形態と同様に、テーパ導波路２０３の幅方向については、概ねテーパ導波路の幅、またはそれ以上に広がった領域上に形成される。このような範囲の領域２０９に窒化シリコンＳｉ３Ｎ４で形成された上部クラッドの第２の層を形成すれば、テーパ導波路２０３を伝搬する光波が上下方向の屈折率の非対称性を感じ、偏波変換が生じる。ただし、テーパ導波路２０３を伝搬する光波のエネルギーはテーパ導波路の幅と同程度に分布している。このため、光波が十分な非対称性を感じ、効率良く偏波変換が生じるには、ある程度の幅があることが望ましい。
【００５６】
第１の実施形態において図２で示したように、窒化シリコンの領域１０９がテーパ導波路１０３の平均幅の半分程度から偏波変換が生じるようになり、１．５倍以上で効率はほぼ１００％に達する。したがって、効率良く偏波変換が生じるためには、領域２０９は、テーパ導波路１０３の平均幅の１．５倍より広がった領域上に形成されることがより好ましい。
【００５７】
したがって、上部クラッドにおいて、回路構成面を上方から見たときにテーパ導波路２０３を内部に包含し、前記テーパ導波路の幅の少なくとも１．５倍の幅を有する領域（図４の（ａ）の矩形領域２０９）は、コア２０３の上部に接する第１の層２１５と、第１の層の上部に形成された第２の層２０９を少なくとも含むことになる。
【００５８】
また、図４の（ａ）においては、テーパ構造２１３およびテーパ構造２１４が形成される各領域は、それぞれテーパ導波路２０２およびテーパ導波路２０４の領域の内部側にあるが、テーパ導波路２０３から離れるにしたがって、幅が狭くなるようなテーパ構造である限り図４の（ａ）の形状に限定されない。
【００５９】
図４の（ａ）を再び参照すれば、入出力導波路２０１から回路に入力されたＴＭ偏波の基底モード光２２０は、テーパ導波路２０３を伝搬する過程でＴＥ偏波の１次モード光に変換される。さらにモード変換回路機能を担う非対称方向性結合器２２２において、一方の導波路２０５を伝搬するＴＥ偏波の１次モード光は、他方の導波路２０６のＴＥ偏波の基底モードに結合し、ＴＥ偏波の基底モード光２２１が入出力導波路２０８へ出力される。本発明の偏波回転回路は相反的であり、入出力導波路２０８からＴＥ偏波の基底モード光２２１が逆向きの入力された場合、上述の説明をした経路とは逆の経路を経て、ＴＭ偏波の基底モード光２２０が入出力導波路２０１に出力される。
【００６０】
このように本実施形態の偏波回転回路は、上では説明をしていない偏波分離機能および偏波合流機能なども含めて、従来技術の偏波回転回路と同様の機能を実現する。しかしながら、その上部クラッドは、一部の限られた領域２０９および領域２０９から延長するテーパ構造２１３、２１４の領域に窒化シリコンの層を形成する以外は、石英によって形成されている。したがって、本発明の光回転回路は、上部クラッドが石英であることを前提に構成や作製プロセスが最適化されている他のシリコン導波路による光回路、特に変調器やフォトディテクタと、一体集積回路として製造することが可能である。
【００６１】
上述の２つの実施形態からわかるように、本発明による偏波回転回路では、製造の安定性の利点を失うことなく、従来技術の偏波回転回路において困難であった、上部クラッドが石英であることを前提に構成や作製プロセスが最適化されている、シリコン導波路による他の光回路との集積化を実現することができる。 
上述の各実施形態では、上部クラッドの第１の層、上部クラッドの第２の層、上部クラッド、および下部クラッドについて特定の材料のものとして説明をしてきたが、本発明は、これらの材料だけに限定されない。上部クラッドの第１の層、上部クラッド、および下部クラッドはシリコンより屈折率の低い材料で形成され、上部クラッドの第２の層は、上部クラッドの第１の層、上部クラッド、および下部クラッドを形成する材料と、シリコンの中間の屈折率を有する材料で形成されれば良い。
【００６２】
したがって、１つの側面では、本発明の光回転回路は、幅が徐々に拡大するテーパ導波路と、幅の広い導波路および幅の狭い導波路の２つの導波路から成り、前記幅の広い導波路の一端が前記テーパ導波路の幅の広い側の端と光学的に接続された非対称方向性結合器とから構成され、前記テーパ導波路および前記非対称方向性結合器が、シリコンで形成されたコアと、前記コアを挟むように形成された下部クラッドおよび上部クラッドとから成る導波路で構成されている平面型偏波回転回路であって、前記上部クラッドにおいて、回路構成面を見たときに前記テーパ導波路を内部に包含し、前記テーパ導波路の幅の１．５倍の幅を有する領域は、前記コアの上部に接する第１の層と、前記第１の層の上部に形成された第２の層を少なくとも含み、前記第２の層は、窒化シリコンによって形成され、前記第１の層、前記第２の層を除いた前記上部クラッド、および、前記下部クラッドは、窒化シリコンよりも屈折率のさらに低い材料によって形成され、前記コアの上面と前記第２の層の底面との間の距離は、前記コアの厚さと同等、または、前記コアの厚さより薄く構成されている。
【００６３】
上述の実施形態では、シリコン導波路の設計パラメータを特定の値に限定したが、本発明は、これらのパラメータに限定されない。ＴＭの基底モード光およびＴＥの１次モード光の間で変換が生じるシリコン導波路の幅は、導波路コアの厚さと、上部クラッドの第１の層、上部クラッドの第２の層、上部クラッド、および下部クラッドの各材料の屈折率と、シリコン導波路−上部クラッドの第２の層の間隔によって決まる。偏波変換動作を担うテーパ導波路の両端の導波路幅ｗ１、ｗ２は、変換が生じる導波路幅の領域をなるべく含むように設定されれば良い。
【００６４】
ただし偏波変換動作を担うテーパ導波路の長さは、光波を断熱的に伝搬させる必要がある。したがって、導波路幅の変化量（ｗ２−ｗ１）に対して、少なくとも５０倍の長さを有することが好ましい。加えてシリコン導波路のコアの上面と、上部クラッドの窒化シリコンによる第２の層の底面との間隔は、シリコン導波路を伝搬する光波が、上部クラッドの第２の層の影響を受ける程度に狭いことが必要である。したがって、シリコン導波路のコア厚よりも狭い間隔であることが好ましい。
【００６５】
また、モード変換機能を担う非対称方向性結合器の２つの導波路の幅についても、導波路コアの厚さと、上部クラッド、および下部クラッドの各材料の屈折率によって所要条件が決まる。非対称方向性結合器の内の、幅の狭い導波路のＴＥ基底モードの実効屈折率と、幅の広い導波路のＴＥ１次モードの実効屈折率が、近い値となるように各導波路幅が設定されれば良い。
【００６６】
上述のいずれの実施形態の偏波変換回路でも、上部クラッドおよび下部クラッドの材料として石英ガラスを用いたものとして説明したが、石英ガラスだけに限定されない。シリコンより屈折率の低い材料で形成されれば良い。
【００６７】
また、上述のいずれの実施形態の偏波変換回路でも、窒化シリコンの層の厚さ、上部クラッドおよび下部クラッドの厚さとして特定の数値の場合を例示したが、本発明はこれらの数値に限定されるものではなく、コアと同程度以上の厚さがあれば良い。
【００６８】
また全ての実施の形態では、他の回路との接続性の観点から、入出力導波路はシングルモード導波路であるか、シングルモード導波路に光学的に接続していることが好ましい。シリコン導波路のシングルモード条件は、上部クラッド、および下部クラッドの各材料の屈折率によって異なるが、概ね導波路コアの断面積が０．２μｍ２以下であることが必要である。
【００６９】
以上詳細に述べたように、本発明により、上部クラッドが石英であることを前提に構成や作製プロセスが最適化されている、シリコン導波路による他の光回路と一体集積化が容易な偏波回転回路が提供される。特に、変調器やフォトディテクタとの一体集積化が容易な偏波回転回路を実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は、一般的に光通信システムに利用することができる。
【符号の説明】
【００７１】
１０１、１０７、１０８、２０１、２０７、２０８、９１０１、９１０７、９１０８  入出力導波路
１０３、２０３、９１０３  テーパ導波路
１０２、２０２、９１０２  第２のテーパ導波路
１０４、２０４、９１０４  第３のテーパ導波路
１０５、１０６、２０５、２０６、９１０５、９１０６  非対称方向性結合器の導波路
１１０、２１０、９１０９  上部クラッド
１１３、１１５、２１５  上部クラッドの第１の層
１０９、１１７、２０９  上部クラッドの第２の層
１１１、２１１、９１１０  下部クラッド
１１２、２１２、９１１１  シリコン基板
２１３、２１４  テーパ構造
【図１】
2015169766.tif 000003
【図２】
2015169766.tif 000004
【図３】
2015169766.tif 000005
【図４】
2015169766.tif 000006
【図５】
2015169766.tif 000007