(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長、偏波、および光渦を利用した多重化を行う光多重素子であって、
複数の導波路と、
波長、偏波、および位相の組み合わせが異なる光波を前記導波路の端部の各々から出力し、前記出力される光波を用いて光渦を生成する光渦生成部と、を備え、
前記光渦生成部は、前記導波路の先頭部を基板に対して上方に湾曲させて、前記導波路の端部が同一面上に配置される構造をとっている、
ことを特徴とする光多重素子。
【請求項２】
固有の波長、固有の偏波、および固有のＯＡＭ（Orbital Angular Momentum）を有する前記光波の送受信を行う複数の送受信部と、
複数の前記送受信部の各々から入力される前記光波を分岐し、前記分岐した光波の各々の間で位相差を作り出して、前記分岐した光波の各々を前記導波路の各々に出力する位相差生成部と、をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の光多重素子。
【請求項３】
前記同一面は、平面である、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光多重素子。
【請求項４】
前記光渦生成部は、
複数の前記導波路の端部が、環状に配置されている構造をとっている、
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光多重素子。
【請求項５】
波長、偏波、および光渦を利用した多重化を行う光多重素子を製造する光多重素子製造方法であって、
基板上の支持層に複数の導波路を、前記導波路の先頭部が微小領域内に配置されるように形成する導波路形成工程と、
前記支持層のうち、前記微小領域に対応する部分を除去する除去工程と、
前記導波路の先頭部に向けてイオンを打ち込むことにより、前記先頭部の各々を前記基板に対して上方にセルフアライメント的に湾曲させる湾曲工程と、
前記湾曲した先頭部を被覆する被覆工程と、を備える、
ことを特徴とする光多重素子製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を伝送する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、波長多重（ＷＤＭ（Wavelength Division Multiplex））や偏波多重（例：ＤＰ−ＱＰＳＫ（Dual-polarization quadrature phase shift keying））などのさまざまな多重化方式を導入した光伝送技術によって、１００Ｇｂｉｔ／ｓもの伝送容量の光ネットワークが実現されている。しかし、光ネットワークに対して、伝送容量が１００Ｇｂｉｔ／ｓを超えるリンクの低コスト化および低消費電力化への要求が高まっている。そのような状況下で、従来の多重化方式に加えて、未利用の光の自由度を積極的に利用した多重化方式に関心が集まっている。具体的には、光渦（またはＯＡＭ（Orbital Angular Momentum）：軌道角運動量）を利用した多重化方式に関心が集まっている。
【０００３】
光渦多重については、波面のらせん周期に情報を乗せることから、理論上無限チャネル多重化が可能である。また、光渦は、大容量伝送に欠かせないマルチコアファイバとの整合性にも優れている。このため、光渦多重の研究は盛んに行われている。
【０００４】
光渦多重を導入した光伝送技術を実用化するためには、光渦多重を担う光学系をチップ化できる程度に小型化および低コスト化する必要がある。現状では、例えば、光渦多重の研究の大部分は自由空間データリンクとして行われている（非特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Nature Photonics 6,498,2012
【非特許文献２】Optics Letters 39,197,2014
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、自由空間データリンクとして研究される光渦多重では、送受信器として大きな光学系（＞１ｍ２）を組む必要があり、チップ化には程遠い。また、光伝送容量を増大する際、光渦多重は、波長多重や偏波多重といった既存の多重化方式と整合できることが望ましい。つまり、光渦多重を採用すると既存の波長多重や偏波多重はできなくなるという不都合は排除したい。
【０００７】
そこで、本発明は、上記事情に鑑みて、光渦多重によって光伝送容量を増大させた光多重素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明は、
波長、偏波、および光渦を利用した多重化を行う光多重素子であって、
複数の導波路と、
波長、偏波、および位相の組み合わせが異なる光波を前記導波路の端部の各々から出力し、前記出力される光波を用いて光渦を生成する光渦生成部と、を備え、
前記光渦生成部は、前記導波路の先頭部を基板に対して上方に湾曲させて、前記導波路の端部が同一面上に配置される構造をとっている、
ことを特徴とする光多重素子である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、光渦多重によって光伝送容量を増大させた光多重素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】光渦多重を実現するための光多重素子の構成を示す図であり、（ａ）は全体図、（ｂ）は光渦生成部の拡大図である。
【図２】光多重素子の光渦生成部の製造方法を示す図であり、（ａ１）〜（ｉ１）の各々は、工程１〜工程９の各々の光渦生成部の要部側面図であり、（ａ２）〜（ｉ２）の各々は、工程１〜工程９の各々の光渦生成部の上面図である。
【図３】６光渦３波長２偏波の多重化の説明図である。
【図４】波長、偏波、および光渦を利用した多重化を行う光多重素子全体の回路内構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明を実施するための形態（実施形態）について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
≪素子構成≫
図１（ａ）に示すように、光渦多重を実現するための光多重素子Ｅ１は、光渦生成部１、複数の導波路２、位相差生成部３、複数の送受信部４、といった構成要素を備える。これらの構成要素は、１つの基板上に集積して配置されている。光渦多重は、ＯＡＭモードの多重化を意味する。光渦は、らせん状の等位相面を有する光波であり、一般的なＯＡＭモードは、ドーナツ状の電界分布をとることが知られている。また、光渦の位相は、らせんの中心軸まわりに波面を１周すると２πの整数倍（２π×ｌ）となるように分布する。ここで、ｌは、トポロジカルチャージ数、または単に、チャージ数と呼ばれる。チャージ数の異なるＯＡＭモードは互いに直交性があるため、理論上はそれらのＯＡＭモードを無限に多重化することができる。
【００１３】
送受信部４は、固有の波長、固有の偏波、および固有のＯＡＭを有する光波の送受信を行う。光波には、変調素子（図示せず）によってＱＰＳＫなどの多値信号が乗せられている。本実施形態では、送受信部４は、位相差生成部３に光波を送信する送信機（Ｔｘ）として機能するものとして説明を続けるが、位相差生成部３から光波を受信する受信機（Ｒｘ）として機能することもできる。図１（ａ）の複数の送受信部４の各々は、同一の波長、同一の偏波を有し、チャージ数ｌがそれぞれ異なる（図１（ａ）では、ｌ＝−２，−１，０，１，２）光波を位相差生成部３に送信する。なお、偏波は、光波の進行方向（螺旋の中心軸）に垂直であり、互いに直交する２成分（ＴＥ（Transverse Electric Wave）とＴＭ（Transverse Magnetic Wave））が存在し、２つの自由度を持つことができる。
【００１４】
位相差生成部３は、複数の送受信部４の各々から入力される光波を分岐し、分岐した光波の各々の間で位相差を作り出して、分岐した光波の各々を各導波路２に出力する。位相差生成部３は、例えば、スターカプラとすることができる。
【００１５】
導波路２は、位相差生成部３から入力される光波を光渦生成部１に案内する。導波路２は、例えば、シリコン（Ｓｉ）製の細線である。
【００１６】
光渦生成部１は、複数の導波路２の端部が、例えば円周上に配置される構造をとっており、これらの端部の各々から出力される光波を用いて光渦を生成する。図１（ｂ）に示すように、光渦生成部１は、端部２ｂを含む導波路２の先頭部２ａを、例えば、（基板に対して）上方に湾曲させて、端部２ｂが円周上に配置される構造をとることができる。導波路２の先頭部２ａを湾曲させる技術として、例えば、特許第５７９４５７４号公報（参考文献１）に記載されている発明を採用する。光渦生成部１は、エレファントカプラとも呼ばれる。参考文献１の技術を用いれば、光渦生成部１の寸法をサブミクロンオーダにすることができる。
【００１７】
位相差生成部３は、複数の送受信部４の各々に連結しており、アレイ導波路となる入力ポートと、分岐空間と、導波路２の各々に連結しており、アレイ導波路となる出力ポートとを有している。１つの送受信部４から送信された光波は、対応の入力ポートを経由して分岐空間内を伝搬する。伝搬した光波は、出力ポートの各々に到達し、導波路２の各々に入力されることで分岐される。このとき、１つの入力ポートから各出力ポートまでの距離が異なるため、分岐される光波の光路長が異なり、その結果、分岐される光波間で位相差を作り出すことができる。
【００１８】
例えば、図１（ａ）に示すように、ｌ＝−２のチャージ数を有する光波が対応の入力ポートから分岐空間内を伝搬する場合、図１（ａ）中最上部の出力ポートまでの光路長が最短となり、その最上部の出力ポートから離れるにつれて出力ポートまでの光路長が段階的に大きくなり、図１（ａ）中最下部の出力ポートまでの光路長が最長となる。各出力ポート内の光波は、図１（ａ）に示すように、各出力ポートとの距離が異なる仮想的な等位相面Ｐに到達した時点で同じ位相となる。
【００１９】
なお、図１（ａ）には示していないが、入力ポート（ｌ＝−１）から分岐空間内を伝搬し、各出力ポートに分岐された光波は、等位相面Ｐとは異なる等位相面を形成する。つまり、分岐された光波間の位相差が、入力ポート（ｌ＝−２）の場合の位相差と異ならせることができる。また、図１（ａ）には示していないが、中央の入力ポート（ｌ＝０）から分岐空間内を伝搬し、各出力ポートに分岐された光波は、各出力ポートまでの光路長が同じとなるため、図１（ａ）の紙面上下方向に延在する等位相面を形成する。つまり、分岐された光波間の位相差を０にすることができる。
【００２０】
複数の導波路２の各々は、位相差生成部３が作り出した位相差を維持して光波を端部２ｂに伝送することができる。必要であれば、導波路２の各々に設けたヒータ（詳細は後記。図４の位相補正部５に相当。）によって導波路２を加熱し、位相差生成部３が作り出した位相差を崩す要因（例：導波路２そのものの長さのばらつき、位相差生成部３の設計誤差）を取り除くことで、その位相差を維持することができる。
【００２１】
光渦生成部１は、３次元湾曲した導波路２の先頭部２ａを介して端部２ｂから、位相差が維持された光波を出力することで、空間位相が同心円状に分布した光渦を実現することができる。導波路２の端部２ｂの各々は、光渦生成部１の上方のマルチコアファイバＦ（外部の光デバイスの例）のコアＣに結合している。光渦生成部１から出力された光渦は、コアＣに向けて効率的に出力される。参考文献１の湾曲の技術を用いれば、円周上に端部２ｂを高精度に配置することができる。このため、導波路２から外部の光デバイスへの出力に関して、損失かつ位相ずれを大幅に抑制することができる。
【００２２】
なお、送受信部４が、受信機（Ｒｘ）として機能する場合、ＯＡＭモードが多重化した光波は、マルチコアファイバＦから導波路２の端部２ｂの各々に入力され、位相差生成部３の出力ポートの各々から１つの入力ポートに向けて合流する。送受信部４はその合流した光波を得ることができる。
【００２３】
≪製造方法≫
次に、光多重素子Ｅ１の光渦生成部１の製造方法について説明する。この製造方法は、参考文献１の技術の応用である。
図２に示すように、光渦生成部１の製造工程は、主に、工程１：マーク形成、工程２：Ｓｉ細線形成、工程３：ヒータ電極形成、工程４：ＳｉＯ２堆積、工程５：片持ち梁構造形成、工程６：イオン打ち込み、工程７：ＳｉＯ２堆積、工程８：ヒータ電極窓開け、工程９：電極引き回し、に分けることができる。なお、図２中（ａ１）〜（ｉ１）の各々は、工程１〜工程９の各々の光渦生成部１の要部側面図であり、（ａ２）〜（ｉ２）の各々は、工程１〜工程９の各々の光渦生成部１の上面図である。
【００２４】
［工程１：マーク形成］
（ａ１）および（ａ２）に示すように、光多重素子Ｅ１の基板となるシリコン基板１１の上に形成されている支持層１２の上に形成されているシリコン層１３を、リソグラフィ技術を用いて加工し、導波路２の端部２ｂの位置合わせに用いるマークＭを形成する。支持層１２は、例えば、ＳｉＯ２（シリコン酸化膜）でできている。
【００２５】
［工程２：Ｓｉ細線形成］
（ｂ１）および（ｂ２）に示すように、シリコン層１３を、リソグラフィ技術を用いて加工し、導波路２となるＳｉ細線を形成する。図２では、導波路２は、１点に向かって４本形成されているが、４本よりも少なくてもよいし、５本以上でもよい。
【００２６】
［工程３：ヒータ電極形成］
（ｃ１）および（ｃ２）に示すように、導波路２を加熱して導波路２を伝送する光波の位相を補正するヒータ電極１４（図４の位相補正部５を構成する。）を導波路２の各々の一部を覆うように設ける。
【００２７】
［工程４：ＳｉＯ２堆積］
（ｄ１）および（ｄ２）に示すように、支持層１２の上にＳｉＯ２を堆積する。堆積したＳｉＯ２は、導波路２、および、ヒータ電極１４を被覆する第１の被覆層１５となる。
【００２８】
［工程５：片持ち梁構造形成］
（ｅ１）および（ｅ２）に示すように、ウェットエッチングやドライエッチングにより、第１の被覆層１５のうち、導波路２の端部の各々を含む微小領域Ｓの部分、および支持層１２のうち、導波路２の端部の各々を含む微小領域Ｓの部分を除去する。これにより、支持層１２および第１の被覆層１５に微小領域Ｓに対応する孔が形成される。また、導波路２の端部２ｂの各々は、微小領域Ｓに対応する孔の周縁部から片持ち梁状に孔内に伸長する自由端となる。
【００２９】
［工程６：イオン打ち込み］
（ｆ１）および（ｆ２）に示すように、微小領域Ｓを含むシリコン基板１１の領域に亘って、シリコン基板１１の上方からイオンを打ち込む。イオンの打ち込み条件（イオン種、加速電圧、ドーズ）を適切に選択することにより、微小領域Ｓの孔内の原子密度の疎密の差を引き起こし、導波路２の先頭部２ａの各々を上方にセルフアライメント的に、かつ、均等に湾曲させることができる。
【００３０】
［工程７：ＳｉＯ２堆積］
（ｇ１）および（ｇ２）に示すように、第１の被覆層１５の上にＳｉＯ２を堆積する。堆積したＳｉＯ２は、片持ち梁構造をとる導波路２の先頭部２ａを含む微小領域Ｓを被覆する第２の被覆層１６となる。
【００３１】
［工程８：ヒータ電極窓開け］
（ｈ１）および（ｈ２）に示すように、ウェットエッチングやドライエッチングにより、第２の被覆層１６の一部領域を除去し、ヒータ電極１４の部分を露出させる。
【００３２】
［工程９：電極引き回し］
（ｉ１）および（ｉ２）に示すように、第２の被覆層１６の上に、ヒータ電極１４の露出部分に当接する金属板１７，１７（図４の位相補正部５を構成する。）を配置する。この金属板１７，１７の各々は、導波路２を加熱するための外部の熱源（図示せず）に連結している。
【００３３】
端部２ｂが上方に向いた微小領域Ｓに対向して光デバイスを配置することで、導波路２と光デバイスとの間で、損失も位相ずれも大幅に抑制された光波のやり取りを実現することができる。
【００３４】
≪光渦・波長・偏波多重≫
光多重素子Ｅ１は、光渦生成部１が生成した光渦を利用した光渦多重に加えて、既存の波長多重および偏波多重を併せることができる。
図３に示すように、光渦生成部１において、各波長（波長１〜波長３）、各偏波（偏波１，偏波２）を有する光波を伝送する導波路２の端部（長方形で図示）を同心円状に並べることができる。そして、例えば、全周（３６０°）に亘って位相がπだけ変化する位相変化を６分割し、時計回りにπ／６ずつ増大する位相ごとに偏波多重（多重度２）、および、波長多重（図３では、多重度３）を行う。これにより、６光渦（例えば、チャージ数ｌが、ｌ＝−１〜−３，＋１〜＋３の６種類の光渦）、３波長、２偏波の多重化された（多重度３６（＝６×３×２））の光変調信号（光波）を光デバイスに出力することができる。なお、図３に示す光学系では導波路２を３６本使用しており、図２に示す製造方法によって、３６本の導波路２の端部を微小円周上に配置することができる。
【００３５】
≪光渦・波長・偏波多重を実現する光多重素子の全体構成≫
図１（ａ）に示す光多重素子Ｅ１を複数組み合わせた冗長構成をとることで、図３に１例を示す光渦・波長・偏波多重を実現する光多重素子Ｅ２（図４）を構築することができる。図４に示すように、光多重素子Ｅ２は、波長ごと（λ＝１，・・・，ｍ）、かつ、偏波ごと（ＴＥ，ＴＭ）に用意される複数の位相差生成部３を有する。図１（ａ）に示す光多重素子Ｅ１と同様にして、光多重素子Ｅ２の位相差生成部３の各々に対し、複数の送受信部４および複数の導波路２が連結している。位相補正部５は、図２のヒータ電極１４に相当する。
【００３６】
送受信部４の各々は、固有の波長、固有の偏波、および固有のＯＡＭを有する光波の送受信を行う。さらに、１つの位相差生成部３に連結する複数の送受信部４の各々は、同じ波長、同じ偏波を有するが、ＯＡＭが各々異なる光波の送受信を行う。例えば、図４中最上段の位相差生成部３に連結する（２ｎ＋１）個（ｎは自然数）の送受信部４の各々は、偏波はＴＥ波、波長はλ＝１として共通するが、ＯＡＭはｌ＝−ｎ，・・・，０，・・・，ｎの光波をそれぞれ送受信する。
【００３７】
複数（図４では、２×ｍ×（２ｎ＋１）本）の導波路２の端部は、図１（ａ）と同様にして、円周上に配置することができ、１つの光渦生成部１を構築することができる。図４では示していないが、導波路２の端部２ｂを含む先頭部２ａは、図１（ａ）と同様にして、例えば、（基板に対して）上方にセルフアライメント的に、かつ、均等に湾曲させることができ、位相差生成部３ごとに円周配置構成をとる必要は無い。なお、配置の形状は任意である。
【００３８】
図４に示すような光渦生成部１の構築は、さまざまな様式（例：波長の種類を増やす、ＯＡＭの種類を増やす）の多重化に応用できる汎用性があり、既存の４次元変調に光渦多重を組み込む際の標準モデルとなるものである。
【００３９】
（まとめ）
本実施形態によれば、光渦生成部１は、複数種類の波長の各々、および、複数種類の偏波の各々を有する光波を、複数の端部２ｂのうちの１つから自在に出力させることができる。よって、光渦生成部１が生成する光渦に円周上の空間位相分布を持たせることで高精度に実現される光渦多重に対して、波長多重、および、偏波多重も同時に実現することができる。また、複数の導波路２の端部２ｂが配置される円周は、波長ごとや、偏波ごとに用意するわけでなく、１つで済ませることができ、チップ化に相当するサイズに設計することができる。
したがって、光渦多重によって光伝送容量を増大させた光多重素子を提供することができる。
【００４０】
また、位相差生成部３などの、複数の導波路を伝送する光波間に位相差を作り出す素子（例：スターカプラ）はすでにチップ化が実現されているが、本実施形態の光渦生成部１を、このような位相差生成部３に組み合わせることは容易である。よって、光渦・波長・偏波多重を実現する光多重素子を容易に構築することができる。
【００４１】
また、光渦生成部１が、導波路２の先頭部２ａを上方に湾曲させて、端部２ｂが円周上に配置される構造をとっていることで、複数の導波路２の端部２ｂを微小領域上に高精度に密集させることができ、チップ化に大きく寄与する。
また、導波路２の先頭部２ａをセルフアライメント的、かつ、均等に湾曲させることができる。このため、導波路２の先頭部２ａの上方に配置される外部の光デバイスと導波路２とを高精度に結合させることができる。その結果、導波路２から外部の光デバイスへの出力に関して、損失かつ位相ずれを大幅に抑制することができる。また、光デバイスの構造が予め分かっていればその構造に合わせて先頭部２ａを適宜湾曲させることができる。さらに、光渦生成部１とレーザ等の能動素子との組み合わせも良好にすることができ、小型で安価のＯＡＭ光モジュールを実現することができる。
また、光渦生成部１の上方に外部の光デバイスを配置させることができるので、光多重素子をモノリシックに集積された素子として構築することができる。
【００４２】
（変形例）
（１）：本実施形態では、光渦生成部１にて、複数の導波路２の端部２ｂが円周上に配置されていた。しかし、例えば、複数の端部２ｂは、三角や四角の周上に配置してもよいし、一般的には環状に配置してもよい。また、例えば、複数の端部２ｂは、線状に配置してもよい。また、円周上に配置する場合、径の異なる同心円の周上に配置することもできる。これにより、径の異なる同心円状の空間位相分布の光渦を出力することができる。また、複数の導波路２の端部２ｂは、同一面上に配置することもできる。このとき同一面を平面とすることもできる。また、この平面は、光多重素子の基板に平行であってもよいし、非平行であってもよい。これらの設計変更は、参考文献１の技術によって自在にでき、光渦多重に求められる品質の光渦の生成を可能にする。
【００４３】
（２）：本実施形態では、光渦生成部１にて、複数の導波路２の先頭部２ａを上方に湾曲させた例を示していた。しかし、例えば、複数の導波路２の先頭部２ａは、横方向、下方向など任意の方向に湾曲させることができる。これらの設計変更は、参考文献１の技術によって自在にできる。
【００４４】
（３）：本実施形態では、光渦生成部１と結合する光デバイスとして、マルチコアファイバＦを採り上げた（図１参照）。しかし、光デバイスとしては、マルチコアファイバの他にも光渦ファイバでもよいし、フォトディテクタでもよい。
【００４５】
（４）：図２を参照して説明した工程６：イオン打ち込みにおいて、微小領域Ｓに向けて打ち込むイオン種は、シリコンイオン、リンイオン、ホウ素イオン、ヒ素イオンとすることができる。
【００４６】
本実施形態で説明した種々の技術を適宜組み合わせた技術を実現することもできる。
その他、本発明の構成要素の形状、配置などは、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更できる。
【符号の説明】
【００４７】
１      光渦生成部
２      導波路
２ａ    先頭部
２ｂ    端部
３      位相差生成部
４      送受信部
５      位相補正部
Ｅ１，Ｅ２  光多重素子
【図１】
0006713631.tif 000002
【図２】
0006713631.tif 000003
【図３】
0006713631.tif 000004
【図４】
0006713631.tif 000005