博 士 （ 情報 科 学 ）小松 正 明学 位 論 文題 名

A Study on Polarization Control Devices Based on High‑Index
Contrast Waveguides for Polarization Diversity Systems（偏波ダイバーシテイシステムのための高屈折率差光導波路に基づく偏波制御デバイスに関する研究）

学位論文内容の要旨
光 通信 システ ムの通信容量の増大に伴い，これを構成する光デバイスの小型化，省電力化が求められ ている ．シ リコン 細線導 波路に 代表さ れる 高屈折 率差光導波路は，コアとクラッドの大きな屈折率 差 によ ルコア 部への 光の閉 込め効 果が 非常に 強く， 半径数 pmの微 小曲げ におぃ ても 十分を 低損
失 が得ら れ， 従来のシリカ系素子を劇的に微小化することが可能であり，高密度化，高機能を光集積回 路の母 体と して発展することが期待されている．また，製造技術の観点からは，成熟したシリコン半 導体の 微細 加工技術が適応できるために，微細パターンの形成が容易で，量産性に優れる．このため ，高屈 折率 差光導 波路を 用いた 超小型 光デ バイス を実現化する研究が国内外で盛んに行われており ，既に シリ コン細線導波路を用いたりング共振器やアレー導波路回折格子をど，様々をデバイスが報 告され てい る．
し かし をがら ，高屈折率差光導波路の課題のーっとして，強い偏波依存性がある．光デバイスを注
意 深く設 計す ることにより，偏波無依存化を実現することも可能であるが，光回路を構成するすべての デバイ スに 対して，そのようを設計を行うことは非常に難しい．そのため，高屈折率差光導波路の偏 波依存 性を 解決する有望毅方法として，偏波ダイバーシティシステムが注目されている，偏波ダイ
バ ーシテ ィシ ステム では， 入射さ れた光 を偏 波スプ リッタを用いてT
E‑likeモード．T
M‑likeモードの 各 偏波 に分離 し，TM‑likeモ ード（ あるい はTE‑likeモ― ド）を 偏波 変換器 により 90゜回 転させTE‑likeモ ード（ あるい はTM‑likeモー ド） とする ．こう して分離されたニつの光波を同ーの光デパ
イ スに作 用さ せ，そ の後， 一方の T
E‑
likeモード （ある いはTM‑likeモード）を偏波変換器によって90
゜ 回転 し，最 後に偏 波コン バイ ナを用 いて合 波する ことにより，光デバイスの偏波無依存化を実現 するこ とが できる．したがって，小型で高性能を偏波スプリッタをらびに偏波変換器は，偏波ダイバ ーシテ ィシ ステム におい て必要 不可欠 をデ バイス である ．
こ れま でに， 小型教偏波スプリッタとして，シリコン細線導波路を用いて方向性結合器を構成し，結 合 長が T
M‑likeモ ード とTE‑likeモー ドで異 毅るこ とを利 用した 偏波 スプリ ッタが 提案さ れて いる ．しか しを がら， 単純を 方向性 結合器を用いているため，10pm程度のデバイス長の方向性結合器
で 達 成で きるCバン ド帯に おける 偏波消 光比は 13dB程度で あり， さら をるデ バイス サイズ の小型化 や消光 比の 改善が望まれる．また，小型を偏波変換器として，シリコン細線導波路の側面と上部に金 属薄膜 を装 荷．した構造が提案されている．金属と誘電体の境界に光が強く局在する表面プラズモ
ン ポラリ トン の効果 により ，3pmの デバイ ス長で 消光 比11dBの偏波 変換器 を実現しているが，表面 プラズ モン ポラリ トンの 影響に より損 失が 非常に 大きく，損失の低滅が望まれている．そこで本論 文では ，共 振結合に基づく導波路型偏波スプリッタ，をらびに表面プラズモンポラリトンを用いた
モ ―ド変 化型 偏波変 換器を 新たに 提案し ，従 来の導 波路型偏波制御デバイスに比べて小型で高性能― 643―

を 偏 波 ス プ リ ッ タ ， お よ び 偏 波 変 換 器 が 構 成 可 能 で あ る こ と を 明 ら か に し て いる ．
本論文の構成内 容は以下のとおりで ある．
第1章で は，本論文の背景 ，目的，およぴ構 成について述べる．
第2章では，高屈折率 差光導波路の数値 解析に用いるべクト ル有限要素法，ベ クトル有限要素ビ ーム伝搬法，ならび に3次元ベ クトル有限要素法 の定式化を行ってい る．
第 3章で は， 三 つの シリ コ ン細 線導 波 路を 用いた共振結合 型方向性結合器に 基づく偏波スプリ ッタを提案する．左 右の導波路を入出カ の導波路，中央の 導波路を共振器と して用い，共振器の構造を最適 設計 す るこ とに よ って ，12 pm
程 度 のデ バイ ス 長で Cバン ドよ り 広い 帯域 に おい て， 20 dB以上の偏波消光比を 達成できることを示 す．
第 4章で は， SOI
基 板 からの製造をより 容易にすることを想 定し，偏波スプリ ッタを構成するす べての導波路の高さ を同一とするために ，スロット導波路 を共振器に用いた 偏波スプリッタを提案し。
シリ コン 細 線導 波路 を 共振器に用いた場 合と比べて遜色の橡 い偏波消光比が得 られることを示す ．
第 5章で は， シ リコ ン細 線 導波 路上 部 にシ リカからをるバ ッフア層と伝搬方 向に幅が狭くをる 金属薄 膜を 装 荷し たモ ― ド変化型偏波変換 器を提案する，シリ コン細線導波路上 部のバッフア層の 厚さや金属薄膜の大 きさを最適化するこ とにより，10 J
LII1程度のデバイス長で，Cバン・ド全域において，約20dBの偏波消光比， 4.7 d
B以下の損失 を達成できることを 示す．
第6章で は，本論文により 得られた結論を取 りまとめている．

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学位論文審査の要旨
主 査 准教授 齊藤晋聖
副査 教授 宮永喜一
副査 教授 野島俊雄
副査 教授 小川恭孝
副査 特任教授 小柴正則

学 位 論 文 題名

A Study on Polarization Control Devices Based on High‐工 ndeX
COntraStWaVeguideSforPOlariZationDiVerSitySyStemS（偏波ダイバーシテイシステムのための高屈折率差光導波路に基づく偏波制御デバイスに関する研究）
光 通信シ ステ ムの通 信容量 の増大 に伴い，これを構成する光デバイスの小型化，省電力化が求められ ている ．シリ コン細 線導 波路に 代表さ れる高 屈折 率差光 導波路 は，コ アとク ラッドの大きな屈折率 差 に よ ルコ ア 部 へ の 光の 閉込め 効果が 非常に 強く ，半径 数pmの微 小曲 げにお いても 十分を 低損
失 が得ら れ，従 来のシ リカ 系素子 を劇的に微小化することが可能であり，高密度化，高機能を光集積回 路の母 体とし て発展 する ことが 期待されている．また，製造技術の観点からは，成熟したシリコン半 導体の 微細加 工技術 が適 応でき るために，微細パターンの形成が容易で，量産性に優れる．このため ，高屈 折率差 光導波 路を 用いた 超小型 光デバ イス を実現 化する 研究が 国内外 で盛んに行われており ，既に シリコ ン細線 導波 路を用 いたりング共振器やアレー導波路回折格子をど，様々をデバイスが報 告され ている ．
し かしを がら ，高屈 折率差 光導波 路の課題のーっとして，強い偏波依存性がある．光デバイスを注
意 深く設 計する ことに より ，偏波 無依存化を実現することも可能であるが，光回路を構成するすべての デバイ スに対 して， その よう誼 設計を行うことは非常に難しい，そのため，高屈折率差光導波路の偏 波依存 性を解 決する 有望 を方法 として，偏波ダイバーシティシステムが注目されている．偏波ダイ
バ ーシテ ィシス テムで は， 入射さ れた光 を偏波 スプ リッタを用いてT
Eーlikeモ―ド，TM‑Iike
モードの 各 偏 波 に分 離 し ， TM‑Iikeモ ード （ある いはTE‑likeモ ード） を偏波 変換器 によ り90゜回 転させTE‑likeモ ード（ あるい はTM‑Iikeモード）とする．こうして分離されたニつの光波を同一の光デ′ヾ
イ スに作 用させ ，その 後， 一方の T
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likeモード （ある いはTM‑likeモ ―ド） を偏波変換器によって90
゜ 回転し ，最 後に偏 波コン パイナ を用い て合 波する ことに より， 光デ バイスの偏波無依存化を実現 するこ とがで きる． した がって ，小型で高性能誼偏波スプリッタをらびに偏波変換器は，偏波ダイ
バ ーシテ ィシス テムに おい て必要 不可欠 をデバ イス である ，こ れまで に， 小型を 偏波ス プリッ タとして，シリコン細線導波路を用いて方向性結合器を構成し，結合長がT
M‑likeモ ー ド とTE‑lik
eモー ドで異 をる ことを 利用し た偏波 スプリ ッタ が提案 されて いる ．しか しをが ら，単 純を 方向性 結合器 を用い てい るため，10pm程度のデバイス長の方向性結合器
で 達 成 で きる Cバ ン ド 帯に おけ る偏波 消光比 は13d
B程度 であり ，さら をるデ バイ スサイ ズの小 型‑ 645―

化や 消光比の改善が望ま れる．また，小型 謡偏波変換器とし て，シリコン細線導 波路の側面と上部に金 属薄 膜 を装 荷し た 構造 が提 案 され てい る．金属と誘 電体の境界に光が 強く局在する表面プ ラズモ
ン ポラ リ トン の効 果 によ り， 3 pmの デバ イ ス長 で消 光 比11 d
Bの偏波変 換器を実現している が，表面 プラ ズ モン ポラ リ トン の影 響 によ り損 失が非常に大 きく，損失の低減 が望まれている．そ こで本
論文 では，共振結合に基 づく導波路型偏波 スプリッタ，′よらびに表面プラズモンポラリトンを用いた
モ ード 変 化型 偏波 変 換器 を新 た に提 案し ，従来の導波 路型偏波制御デバ イスに比べて小型で 高性能を 偏波 スプ リッタ，および偏波変換器が構成可能であること を明らかにしている．
本 論文の構成内容は以 下のとおりである ，第1章では， 本論文の背景，目 的，および構成につ いて述べる．
第2章 では ， 高屈 折率差光導波路の 数値解析に用いる べクトル有限要素 法，ベクトル有限要 素ビー
ム伝 搬法，をらびに3次元ベクト ル有限要素法の定式 化を行っている．
第3章 では ， 三つ のシ リ コン 細線 導 波路 を用 い た共 振結 合 型方向性結 合器に基づく偏波ス プリッ
タを 提案する．左右の導 波路を入出カの導 波路，中央の導波 路を共振器として用 い，共振器の構造を最 適 設 計 する こと に よっ て， 12 pm程 度の デバ イ ス長 でCバ ンド よ り広 い帯 域 にお いて ， 20 dB以上の 偏波消光比を達成で きることを示す．
第4章 では ， S
OI基 板か らの 製 造を より 容易にするこ とを想定し，偏波 スプリッタを構成す るすべての 導波路の高さを同一 とするために，ス ロット導波路を共 振器に用いた偏波ス プリッタを提案し，シ リコ ン 細線 導波 路 を共 振器 に 用い た場 合と比べて遜 色のをい偏波消光 比が得られることを 示す．
第5章 では ． シリ コン 細 線導 波路 上 部に シリ カ から をる バ ッフア層と 伝搬方向に幅が狭く をる金属 薄膜 を 装荷 した モ ード 変化 型 偏波 変換 器を提案する ．シリコン細線導 波路上部のバッフア 層の厚さ や金 属 薄膜 の大 き さを 最適 化 する こと に より ，10 pm
程 度 のデ バイ ス 長で ，Cバ ンド全域 において， 約20 dBの 偏波消光比，4.
7dB以下の損失を達成 できることを示す ．
第6章では， 本論文により得ら れた結論を取りまと めている．
こ れを要するに，著者 は，高屈折率差光 導波路における強 い偏波依存性を解決 するための偏波ダイ
バー シティシステムの基 本構成要素に関し て，小型で高性能 を共振結合型偏波ス プリッタ，をらびに
モー ド変化型偏波変換器 の構成方法を見出 すとともに，その 偏波制御特性を明ら かにし，高屈折率差光導 波路デ′ヾイスの偏 波無依存化のため の有益を知見を得 ており，情報通信フ ォトニクスに関する学術 分野に貢献するとこ ろ大をるものがあ る．
よ っ て 著 者 は ， 北 海 道 大 学 博 士 （ 情報 科学 ） の学 位を 授 与さ れる 資 格が ある も のと 認め る ．

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