高階偏振波轉換元件、光波導元件以及dp-qpsk調制器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明例如涉及光纖通信中所使用的基板型光波導元件,特別是進行偏振波的轉 換的高階偏振波轉換元件、光波導元件以及DP-QPSK調制器。
[0002] 本申請基于2013年6月27日在日本申請的特愿2013 - 135490號并主張優先權, 并在此引用其內容。
【背景技術】
[0003] 現在,伴隨著高速的因特網線路服務、智能手機等的普及,通過光通信傳輸的信息 量不斷增加。為了應對這樣的信息量的增加,不斷展開由信號速度的高速化、波長復用通信 帶來的信道數的增加等對策。特別是在以高速度的信息通信為目的下一代的lOOGbps(每 秒吉比特)的數字相干傳輸技術中,為了使每單位時間的信息量為2倍,利用在電場正交的 2個偏振波的各個攜帶信息的偏振波復用方式。然而,對于包括偏振波復用方式的高速通信 的調制方式而言,構成光調制器的光電路部件的結構變得復雜,產生裝置大型化、高額化等 課題。
[0004] 另外,根據通過光通信傳輸的信息量的增加,收發器等光電路部件的需要個數也 增加。因此,為了在有限的空間中增加光電路部件,需要構成光電路部件的光元件的小型化 和高密度集成化。
[0005] 針對這樣的課題,展開具有加工容易、基于集成化的小型化、基于大量生產的低成 本等優點,并使用了硅的基板型光波導(硅光波導)的光電路部件(光調制器等)的研究 以及開發。
[0006] 硅光波導是纖芯利用折射率較大的硅系材料(Si、Si3N4等)、包層利用了與纖芯的 折射率差較大的材料(Si02、空氣、Si3N4等)的所謂相對折射率差較大的光波導。若相對折 射率差較大則對纖芯的光封閉變大,所以可能變為陡峭的彎曲,適合光元件的小型化、高密 度集成化。
[0007] 然而,這種基板型光波導內的偏振波復用中存在如下那樣的問題點。一般,基板型 光波導呈與基板平行的寬度方向和與基板垂直的高度方向為非對稱的形狀。因此,相對于 實際上僅具有寬度方向的電場成分的模(以下,稱為TE模)、和實際上僅具有高度方向的電 場成分的模(以下,稱為TM模)這兩種偏振波模,有效折射率等特性不同。在這些模中,多 少情況下使用的是基本TE模(TE。)和基本TM模(TM。)。此處,TE。是指TE模中有效折射率 最大的模。另外,TM。是指TM模中有效折射率最大的模。
[0008] 在對特性不同的這些模進行光調制操作的情況下,僅利用單一的基板型光波導元 件較困難。在需要按照每個模式進行最優化的基板型光波導元件的情況下,在基板型光波 導元件的開發方面需要大量的勞動。
[0009] 作為解決該問題的方法,例舉使用TE。作為向對TE。最優化后的所希望的基板型光 波導元件的輸入光,并將其輸出偏振波轉換為TM。的方法。此處偏振波轉換表示從TE。向 TM。或者從TM。向TE。的轉換。為了進行上述操作,需要在基板上進行偏振波轉換的基板型 光波導元件。
[0010] 作為在基板上進行這種偏振波轉換的技術,有將TE。轉換為高階TE模(TEi)后再 將TEi轉換為TM。的方法。此處,TEi表示有效折射率第二高的TE模。TEi由于具有與TE。 同方向的電場成分,所以通過使用僅利用使矩形狀的光波導并列等簡單的工序就可制成的 方向性耦合器,能夠轉換。因此,如果實現將TEi轉換為TM。的元件,則能夠經由TEi進行偏 振波轉換。
[0011]另外,一般硅光波導具有較大的雙折射率,所以具有較強的偏振波依賴性。例如, 在對光元件輸入TE。和TM。時,光元件的特性較大地不同。為了解決該問題,利用使用將TM。 轉換為TE。(或相反)的偏振波轉換元件,向光元件輸入同一模的偏振波分集方式。因此, 為了進行光元件的小型化、高密度集成化,必需小型的偏振波轉換元件。
[0012] 作為硅光波導的偏振波轉換元件的技術,提出將TE。轉換為TEi,之后再將TE1轉換 為TM。的方法。
[0013] 作為在基板型光波導上使用這樣的TE1與TM。之間的轉換(以下,稱為高階偏振波 轉換)來進行偏振波轉換的技術,例舉非專利文獻1。
[0014] 非專利文獻1的Fig. 2(a)以及Fig. 2(b)示出其實施例。
[0015] 非專利文獻1公開的光波導元件成為由方向性親合器部分(親合部)和錐狀光波 導部分(錐形部)構成,耦合部的出射端與錐形部連接的結構。是耦合部將TE。轉換為ΤΕρ 錐形部將TEi轉換為TM。的基板型光波導元件。這兩個部分中所使用的光波導的折射率的、 與導波方向垂直的剖面分布在非專利文獻1的Fig. 1(a)以及Fig. 1(c)的圖中被示出。在 這些圖中,示出被稱為纖芯的矩形部分、位于該纖芯的下部且折射率比纖芯低的水平的下 部包層、以及折射率比纖芯低且覆蓋與下部包層不同的纖芯的上部包層。
[0016] 非專利文獻1的Fig. 1(a)以及Fig. 1(c)示出有效折射率相對于纖芯寬度的圖 表。纖芯為Si、折射率為3. 455,下部包層為Si02、折射率為1. 445,上部包層為空氣(折射 率為1. 〇)或者Si3N4(折射率為2. 0),纖芯的高度為220nm。
[0017] 另外,非專利文獻1的Fig. 1(b)示出上部包層和下部包層具有相等的折射率的上 下對稱的折射率剖面形狀的光波導的有效折射率的圖表。
[0018] 從這些圖可知,折射率剖面具有上下非對稱的折射率剖面結構的情況下,在各模 式的有效折射率的變化相對于寬度方向的變化的圖表中,具有上下對稱的折射率剖面結構 的波導中簡并的TEJPTM。的點分離。
[0019] 例如,在非專利文獻1的Fig. 1(a)的圖表中示出在波導寬度0.7μπι附近,波導寬 度擴展的期間,有效折射率第二高的模式從ΤΜ。(基本ΤΜ模)向TEi(高階ΤΕ模)變化,另 外,有效折射率第三高的模式從TEi(高階TE模)向TM。(基本TM模)變化。因此,TEJP TM。以有效折射率曲線狀連續地連接,使波導寬度緩慢地變化,從而能夠進行損失較小的高 階偏振波轉換。利用該現象是通過成為利用前述的偏振波轉換元件中的錐形部將波導寬度 從TEi轉換為TM。的范圍內緩慢地使其變化的錐形結構,而進行高階偏振波轉換。
[0020] 另外,非專利文獻2公開了通過使用上下包層為相同的材料(Si02),并使纖芯的剖 面結構上下非對稱來進行高階偏振波轉換。
[0021] 非專利文獻2在Fig. 11等中公開了輸入輸出部的剖面的一個端部具有肋形波導 的剖面結構,而另一個端部具有矩形波導的剖面結構的高階偏振波轉換元件。
[0022] 非專利文獻 1:DaoxinDaiandJohnE.Bowers,"Novelconceptfor ultracompactpolarizationsplitter-rotatorbasedonsiliconnanowires,^Optics Express,Vol. 19,Issue11,pp. 10940 (2011)
[0023]非專利文獻 2:DaoxinDai,YongboTang,andJohnEBowers,"Modeconversion intaperedsubmicronsiliconridgeopticalwaveguides,^OpticsExpress,Vol. 20,I ssue. 12,pp. 13425-13439(2012)
[0024] 非專利文獻1中公開在進行高階偏振波轉換的錐形部中需要在上部包層和下部 包層中具有不同的折射率的材料。在使用這種新的材料的情況下,產生多余的工序、需要本 來其它光波導部分不使用的材料。因此,在效率、成本方面是不利的。另外,若在上部包層 和下部包層使用不同種類材料,則因線膨脹系數等的不同而產生變形,降低合格率。另外也 例舉下部包層為光波導所使用的材料,而使上部包層的材料為空氣的方法。然而,由于在制 造過程中光波導裸露,因異物的附著而特性惡化,合格率降低。
[0025] 并且,在非專利文獻2公開的結構中,由于肋形波導的寬度方向的包層區域較窄, 所以有時寬度方向的光的封閉變弱,陡峭的彎曲半徑的彎曲波導部分導致較大的損失。因 此,使用肋形波導的情況下需要增大彎曲半徑(數十~數百μm),在非專利文獻2公開的結 構中高密度集成化較困難。換句話說,在以光電路部件內的光元件的高密度集成化為目標 的情況下,光元件間需要利用寬度方向以包層充分覆蓋的矩形波導進行連接。另外,即使假 設在非專利文獻2所公開的肋形波導的端部組合從肋形波導向矩形波導的轉換結構,也需 要矩形一肋形轉換部。因此,使光元件小型化較困難。
【發明內容】
[0026] 本發明是鑒于上述情況而完成的,其課題在于提供即使上部包層和下部包層不具 有不同的折射率,也能夠在TE1與TM。之間進行偏振波轉換的高階偏振波轉換元件以及光波 導元件、以及兼得小型化、高密度集成化的高階偏振波轉換元件以及光波導元件。
[0027] 為了解決上述課題,本發明的第1方式所涉及的高階偏振波轉換元件基板;下部 包層,其被設置在上述基板上;纖芯,其具有被設置在上述下部包層上,在剖面矩形狀中具 有恒定的高度的下部纖芯、和由與上述下部纖芯相同的材料形成且在上述下部纖芯上連續 地配置的在剖面矩形狀中具有恒定的高度的上部纖芯;以及上部包層,其被設置在上述纖 芯以及上述下部包層上,并由與上述下部包層相同的材料形成,上述纖芯構成光能夠從上 述下部纖芯的寬度與上述上部纖芯的寬度相同的開始部到上述下部纖芯的寬度與上述上 部纖芯的寬度相同的結束部進行導波的光波導,至少上述上部纖芯的寬度以及上述下部纖 芯的寬度中的一方在上述開始部與上述結束部之間相對于上述光的導波方向連續地減少、 且上述上部纖芯的寬度以及上述下部纖芯的寬度雙方從上述開始部到上述結束部不增加, 在上述開始部中,TE。的有效折射率大于TEi的有效折射率,上述TEi的有效折射率大于TM。 的有效折射率,在上述光波導的結束部中,上述TE。的有效折射率大于上述TM。的有效折射 率,上述TM。的有效折射率大于上述TE1的有效折射率,在上述開始部與上述結束部之間的 上述光波導中的除了上述開始部和上述結束部之外的部分中,上述纖芯具有上述上部纖芯 的寬度與上述下部纖芯的寬度不同的上下非對稱的結構,上述高階偏振波轉換元件在上述 開始部的TE1與上述結束部的TM。之間進行高階偏振波轉換。
[0028] 也可以在上述開始部與上述結束部之間,上述下部纖芯的寬度始終大于上述上部 纖芯的寬度,在與上述光被進行導波的方向垂直的剖面中上述上部纖芯的下邊始終包含于 上述下部纖芯的上邊。
[0029] 也可以在上述開始部與上述結束部之間,上述上部纖芯的寬度方向的兩端分別始 終不與上述下部纖芯的上述寬度方向的兩端重疊。
[0030] 也可以在上述開始部與上述結束部之間,上述上部纖芯的寬度方向的一端始終與 上述下部纖芯的上述寬度方向的一端重疊。
[0031] 也可以在上述開始部中,上述纖芯的高度為210nm以上230nm以下,上述纖芯的寬 度為700nm以上,且在上述結束部中,上述纖芯的高度為210nm以上230nm以下,上述纖芯 的寬度為620nm以下。
[0032] 也可以上述下部纖芯和上述上部纖芯由Si構成,上述下部包層和上述上部包層 由Si02構成。
[0033] 也可以上述上部纖芯的寬度從上述開始部到中間部減少,而從上述中間部到上述 結束部為恒定、且上述下部纖芯的寬度從上述開始部到上述中間部為恒定,而從上述中間 部到上述結束部之間減少。
[0034] 另外,本發明的第2方式所涉及的光波導元件具備上述的高階偏振波轉換元件; 方向性耦合器,其由未連接上述高階偏振波轉換元件的第1光波導、和連接有上述高階偏 振波轉換元件的上述開始部的第2光波導構成,TE。在上述第1光波導中導波,TEi在上述 第2光波導中導波,上述第1光波導的TE。能夠與上述第2光波導的TEi耦合。
[0035] 上述第1光波導的TE。的有效折射率與上述第2光波導的TE。的有效折射率之差 也可以為〇. 2以上。
[0036] 另外,本發明的第3方式的DP-QPSK調制器具備上述光波導元件。
[0037] 根據本發明的上述方,光波導的纖芯由寬度不同的上部纖芯和下部纖芯構成,為 上下具有非對稱性的纖芯形狀,從而即使上部包層和下部包層不具有不同的折射率,也能 夠進行高階偏振波轉換。
【附圖說明】
[0038] 圖1A是本發明的實施方式所涉及的高階偏振波轉換元件的一個例子的光波導的 剖視圖。
[0039] 圖1B是本發明的實施方式所涉及的高階偏振波轉換元件的一個例子的纖芯的立 體圖。
[0040] 圖2A是本發明的實施方式所涉及的高階偏振波轉換元件的其它一個例子的光波 導的剖視圖。
[0041] 圖2B是本發明的實施方式所涉及的高階偏振波轉換元件的其它一個例子的纖芯 的立體圖。
[0042] 圖3A是表示利用了上部包層與下部包層的折射率差的結構的一個例子的纖芯的 俯視圖。
[0043] 圖3B是表示利用了上部包層與下部包層的折射率差的結構的一個例子的光波導 的剖視圖。
[0044] 圖4A是本發明的第1實施方式所涉及的高階偏振波轉換元件的纖芯的俯視圖。
[0045] 圖4B是沿著圖4A的IVb-IVb線的剖視圖。
[0046] 圖4C是沿著圖4A的IVc-IVc線的剖視圖。
[0047] 圖4D是沿著圖4A的IVd-IVd線的剖視圖。
[0048] 圖5A是本發明的第2實施方式所涉及的高階偏振波轉換元件的纖芯的俯視圖。
[0049] 圖5B是沿著圖5A的Vb-Vb線的剖視圖。
[0050] 圖5C是沿著圖5A的Vc-Vc線的剖視圖。
[0051 ] 圖是沿著圖5A的Vd-Vd線的剖視圖。
[0052] 圖6A是本發明的實施方式所涉及的高階偏振波轉換元件的第3實施方式的纖芯 的俯視圖。
[0053] 圖6B是沿著圖6A的VIb-VIb線的剖視圖。
[0054] 圖6C是沿著圖6A的Vic-Vic線的剖視圖。
[0055] 圖7A是本發明的實施方式所涉及的高階偏振波轉換元件的第1或者第2實施方 式的改變例的纖芯的俯視圖。
[0056] 圖7B是本發明的實施方式所涉及的高階偏振波轉換元件的第1或者第2實施方 式的改變例的纖芯的俯視圖。
[0057] 圖7C是本發明的實施方式所涉及的高階偏振波轉換元件的第1或者第2實施方 式的改變例的纖芯的俯視圖。
[0058] 圖7D是本發明的實施方式所涉及的高階偏振波轉換元件的第1或者第2實施方 式的改變例的纖芯的俯視圖。
[0059] 圖8A是本發明的第3實施方式所涉及的高階偏振波轉換元件的改變例的纖芯的 俯視圖。
[0060] 圖8B是本發明的第3實施方式所涉及的高階偏振波轉換元件的改變例的纖芯的 俯視圖。
[0061] 圖8C是本發明的第3實施方式所涉及的高階偏振波轉換元件的改變例的纖芯的 俯視圖。
[0062] 圖9A是本發明的第4實施方式所涉及的高階偏振波轉換元件的纖芯的俯視圖。
[0063] 圖9B是沿著圖9A的IXb-IXb線的剖視圖。
[0064] 圖9C是沿著圖9A的IXc-IXc線的剖視圖。
[0065] 圖10A是本發明的第4實施方式所涉及的高階偏振波轉換元件的改變例的纖芯的 俯視圖。
[0066] 圖10B是本發明的第4實施方式所涉及的高階偏振波轉換元件的改變例的纖芯的 俯視圖。
[0067] 圖10C是本發明的第4實施方式所涉及的高階偏振波轉換元件的改變例的纖芯的 俯視圖。
[0068] 圖11A是本發明的第5實施方式所涉及的高階偏振波轉換元件的纖芯的俯視圖。
[0069] 圖11B是沿著圖11A的Xlb-Xlb線的剖視圖。
[0070] 圖11C是沿著圖11A的XIc-XIc線的剖視圖。
[0071] 圖12A是本發明的第5實施方式所涉及的高階偏振波轉換元件的改變例的纖芯的 俯視圖。
[0072] 圖12B是本發明的第5實施方式所涉及的高階偏振波轉換元件的改變例的纖芯的 俯視圖。
[0073] 圖12C是本發明的第5實施方式所涉及的高階偏振波轉換元件的改變例的纖芯的 俯視圖。
[0074] 圖13A是將本發明的實施方式所涉及的高階偏振波轉換元件與非對稱方向性耦 合器組合而成的偏振波轉換元件的一個例子的纖芯的俯視圖,(b)是沿著(a)的Xlllb- XIIlb線的剖視圖。
[0075] 圖13B是沿著圖13A的Xlllb-Xlllb線的剖視圖。
[0076] 圖14A是將本發明的實施方式所涉及的高階偏振波轉換元件與