JP2007293211A - 光導波路回路 - Google Patents

Abstract

【課題】小型・高集積の光回路の実現に適する高比屈折率差を有しコア断面積の小さな光導波路においては、低損失光伝搬を実現するため二光子吸収を低減する。
【解決手段】本発明による第一実施形態の光導波路及び入力光学系の構成を図１に示す。光導波路１０１のコア３はシリコン、下部クラッド２及び上部クラッド４は石英ガラスから成る。波長１．５５μｍ帯の光に対する屈折率は、コアで約３．５、クラッドで約１．５であり、高い比屈折率差が得られる。この光導波路に対し、波長λ＝１．５５μｍの光信号を、偏光制御器５を通して円偏光とした後に入力する。入力された光信号は、光導波路を伝搬する際に円偏光となっているため、二光子吸収による光損失が低減される。
【選択図】図１

Description

本発明は、光導波路回路に関し、特に小型で高集積の光回路を実現するのに用いられる光導波路回路に関する。

小型・高集積の光回路の実現に向け、比屈折率差の高い光導波路の研究開発が活発化している。比屈折率差（Δ）は、コア屈折率ｎ₁、クラッド屈折率ｎ₂に対し、通常、Δ＝（ｎ₁−ｎ₂）／ｎ₁で定義される。既に実用化されている石英ガラス系の光導波路では通常Δ＜１％であるが、その場合曲げ半径は数ｍｍ以上となり小型化・集積化の限界を決めてしまう。これに対し、Δ＞１０％とする場合、数μｍ程度までの曲げ半径が可能となり、小型・高集積の光回路の実現が期待される。
比屈折率差Δを１０％以上とするものとして、コアをシリコン、クラッドを石英ガラスにより構成した光導波路が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、図６に示すように、シリコン基板１上に構成された、コア３がシリコンから成り、下部クラッド２及び上部クラッド４が石英ガラスから成る光導波路１０１が開示されている。シリコンの吸収端波長は約１．１μｍであるので、このような光導波路において波長１．５５μｍ帯の光に対する一光子吸収は生じない。このため、光通信において通常用いられる波長１．５５μｍ帯の光を低損失で伝搬させることが可能である。コアの屈折率は約３．５、下部及び上部のクラッドの屈折率は約１．５であり、高い比屈折率差が得られる。したがって、コア断面の寸法を０．３μｍ×０．３μｍ程度まで小さくすることが可能となり、光導波路曲げ半径も１０μｍ程度まで小さくすることが可能となる。また、このような光導波路の作成は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いて行うことが可能であり、また、シリコン電子デバイスの発展の中で培われてきた大口径ウェハの微細加工技術を生かすことが可能であることから、低コスト化に向けた期待も大きい。

このようなコア断面積が小さい光導波路では、断面の単位面積あたりの光強度は容易に高くなるが、光強度が高くなると二光子吸収の影響が無視できなくなる。すなわち、二つの光子が同時に吸収され電子が価電子帯から伝導帯へ励起される現象が顕著になる。この現象は、アクティブデバイスの駆動原理として積極的に活用される場合と、低損失光伝搬の妨げとなるため低減が求められる場合がある。
二光子吸収を活用したアクティブデバイスとしては、光論理素子が知られている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に記載された光論理素子では、強度変調された制御光が誘起する二光子吸収により、ＣＷの信号光に対する吸収率が変調され、論理反転したデータパターンが信号光に転写される。

図７は、特許文献２に記載された光論理素子を示す構成図である。この光論理素子は、シリコンのコアとこれより低屈折率のクラッドとから構成された光導波路１１と、合波回路１４と、波長フィルタ１５とから構成される。また、パターンジェネレータ１２及び光変調器１３によって強度変調された波長λ₁の制御光と、波長λ₂のＣＷ光である信号光とが、合波回路１４の入力側より入力され、合波回路１４で合波されて出力する。制御光、信号光の波長は、それぞれ、１．１μｍ＜λ₁＜２．２μｍ、１．１μｍ＜λ₂＜２．２μｍである。出力した合波光は、光導波路１１に入力される。光導波路１１を出射した光は、波長フィルタ１５を通ることで、信号光だけが取り出される。
制御光は強度変調されており、その光強度はデータパターンに応じて高強度値と低強度値の二値をとる。制御光が高強度の場合、制御光と信号光が関与する二光子吸収、及び、この二光子吸収により生成されたキャリアによるフリーキャリア吸収により、信号光に対する吸収率は高くなる。逆に、制御光が低強度の場合、信号光に対する吸収率は低い。すなわち、制御光のデータパターンに対応した信号光吸収率の変調が生ずることにより、論理反転したデータパターンを有する信号光が得られる。
特開２００５−１２８４１９号公報 特開２００５−１２２０３１号公報

低損失光伝搬が求められる場合には、二光子吸収は低損失光伝搬の妨げとなる。光損失は、一般に、光導波路の単位長さあたりの光強度変化で表されるが、二光子吸収の影響を考慮すると、
ｄＩ/ｄｚ＝−αＩ−βＩ²−γＩ³
と表される。ここでIは光強度、ｚは導波路の伝搬方向の位置座標である。右辺第１項は、例えばコア断面積ゆらぎによる光散乱など二光子吸収以外の様々な要因であり、Ｉの係数である「減衰定数」αは光強度Ｉに依存しない。右辺第２項は、二光子吸収の影響を表す。二光子吸収の場合、「減衰定数」βIは光強度に比例するものとして表される。また、二光子吸収によりキャリアが生成されると、さらに、フリーキャリア吸収も生じるようになり、これを右辺第３項で表す。フリーキャリア吸収の場合、「減衰定数」はキャリア密度に比例すると考えられる。ここでは、キャリアの生成は二光子吸収を通して行われるので、「減衰定数」は光強度の２乗に比例するものとして表される。以上に示すように、二光子吸収を要因とする光損失は、生成されたキャリアによるフリーキャリア吸収の寄与も加わるため、光強度が高くなると急速に増大し、大きな課題となる。
本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解決することであって、その目的は、比屈折率差を大きくしてコア断面を小さくしたことにより光強度が上昇しても二光子吸収を抑制することができるようにして、低損失で小型・高集積の光導波路回路を実現し得るようにすることである。

上記の目的を達成するため、本発明によれば、入力端および出力端を有し、コアとこれより低屈折率のクラッドから成る光導波路と、前記光導波路の前記入力端側に配置された、前記光導波路への入力信号光を円偏光ないしそれに近い偏光とする偏光制御手段と、を有することを特徴とする光導波路回路、が提供される。
そして、好ましくは、前記コアが吸収端波長がλ_gの材料によって形成され、前記光導波路へ入力される信号光の波長λが、λ_g＜λ＜２λ_gの範囲にある。
また、好ましくは、前記光導波路のコア材料の屈折率をｎ_１、クラッド材料の屈折率をｎ_２とするとき、比屈折率差（ｎ_１−ｎ_２）／ｎ_１が、１０％以上である。
また、好ましくは、前記コアの断面形状が、０．３μｍ以下×０．３μｍ以下で概略正方形である。

媒質における二光子吸収は、三次非線形光学効果に分類される。ＣＷ光、すなわち、単一周波数成分の光電界Ｅ→（ω）〔Ｅ→は、Ｅの上に右矢があることを示し、Ｅがベクトルであることを意味する。以下のＰ→についても同様である。〕が媒質中で引き起こす三次非線形光学効果は分極Ｐ→（ω）として表わされ、その関係は、

となる。ここで、ε₀は誘電率、Ｄは非線形光学効果の種類によって決まる比例係数である。分極Ｐ→、光電界Ｅ→はベクトルであり、χ⁽³⁾（ω＝ω＋ω−ω）はテンソルである。二光子吸収はχ⁽³⁾（ω＝ω＋ω−ω）の虚数部が要因となる。ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の各方向の空間成分を添え字ｉ、ｊ、ｋ、ｌで表わすと、

となる。等方的な媒質の場合、空間対称性からχ⁽³⁾（ω＝ω＋ω−ω）の８１成分のうちで独立なものは二つであり、この二つの成分が虚数であることを考えてｉＡ、ｉＢとすると、

となる。ここで・はベクトルの内積を表す。
他方、分極Ｐ→と光電界Ｅ→の関係は以下のＭａｘｗｅｌｌの方程式にも従う。電荷、電流のない媒質中におけるＭａｘｗｅｌｌの方程式は、

と表され、ここで

である。これより光電界Ｅ→に対する波動方程式は、

となる。ここではCW光を考えているから、その周波数をωとし、ｚ軸方向に進む平面波とすると、

と表わす。E₀はｚ軸方向での光強度変化を示す量で実数、ｓ→は偏光の状態を示すベクト
ル、すなわち、複素数のｘ成分、ｙ成分を有し、ｚ成分を0とするベクトルである。
（３）式を（６）式に代入し、さらに（７）式を代入し、E₀のｚ軸方向での光強度変化が比較的ゆっくりであるという近似、すなわち、E₀のｚによる微分を１次までとると、

となる。光強度Ｉは、Ｅ₀の２乗に比例するから、上式から光強度Ｉのｚ軸方向での変化を示す方程式として、

が得られる。すなわち二光子吸収による光強度の減衰を示している。ここで、

を用いた。また、β_AはＡに比例する量、β_BはＢに比例する量とした。
ここで（９）の右辺の第２項に着目すると、直線偏光の場合には、例えば、

であり、

である。これに対して、円偏光の場合には、ｘ成分とｙ成分は位相差π／２となるため、例えば、

であり、

である。このような考察により、等方的な媒質の場合、直線偏光に対する二光子吸収は円偏光に対する二光子吸収よりも大きくなると考えられる。
本発明による光導波路では、伝搬させる光信号の波長λは光導波路コアの吸収端波長λ_gに対して、λ_g＜λ＜２λ_gとなっているが、伝搬させる光信号の偏光が円偏光となっているため、二光子吸収を低減することができる。また、二光子吸収の低減によりキャリア生成が抑制され、フリーキャリア吸収による光損失も低減することができる。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明による第１の実施の形態の構成を示す斜視図である。光導波路１０１は、シリコンから成るコア３、石英ガラスから成る下部クラッド２及び上部クラッド４を有し、シリコン基板１上に構成される。シリコン基板上にシリコン酸化膜（石英ガラス）及びシリコン層を有するＳＯＩ基板において、まず、フォトレジスト等をマスクとしてドライエッチングを行い、シリコン層を細線状に加工する。これによりシリコンのコア３が形成される。その後、上部クラッド４となる石英ガラスを堆積して、シリコンのコア３を埋め込む。波長１．５５μｍ帯の光に対する屈折率は、コアで約３．５、クラッドで約１．５であり、高い比屈折率差が得られる。したがって、コア断面の寸法を０．３μｍ×０．３μｍ程度まで小さくすることが可能となり、光導波路曲げ半径も１０μｍ程度まで小さくすることが可能となる。ここで、コア断面の形状としては、水平方向と垂直方向を同じ長さとし、複屈折性を持たせないことが望ましい。

この光導波路１０１に対し、波長λ＝１．５５μｍの光信号を、偏光制御器５を通して円偏光とした後に入力する。シリコンの吸収端波長はλ_g〜１．１μｍであるので、λ_g＜λ＜２λ_gとなっているが、光信号は、光導波路を伝搬する際に円偏光となっている、もしくは少なくとも光導波路の入力端付近の光強度が高い領域において円偏光となっているため、二光子吸収による光損失を低減することが可能となる。

図２は、本発明による第２の実施の形態の構成を示す斜視図である。光導波路１０１のコア３はシリコンから成る。またクラッドは、少なくとも光導波路の入力端付近では導電性の媒質から成る。例えば、下部クラッド２がｎドープ半導体、上部クラッド４がｐドープ半導体であれば良い。ｎドープの下部クラッド２とｐドープの上部クラッド４は、それぞれ、電極６及び７を介してフィードバック制御機構８に接続され、電流量の測定が行われる。ここで、電極7は、ｎドープされたシリコン基板1の裏面に形成されている。これにより、シリコンのコアで生成されるキャリアの量を光電流測定により知ることができる。ｎドープの下部クラッドとｐドープの上部クラッドの間には逆バイアスが印加されていても良い。

この光導波路に対し、波長λ＝１．５５μｍの光信号を、偏光制御器５を通して円偏光とした後に入力する。シリコンの吸収端波長はλ_g〜１．１μｍであるので、λ_g＜λ＜２λ_gとなっているが、光信号は、光導波路を伝搬する際に円偏光となっている、もしくは少なくとも光導波路の入力端付近の光強度が高い領域において円偏光となっているため、二光子吸収による光損失を低減することが可能となる。

ここで、偏光制御器５の設定は、測定される光電流量が最小となるようにフィードバック制御機構８を通して制御される。光電流量は二光子吸収で生成されるキャリアに比例するため、光電流量が最小となるように偏光制御器５を設定すれば、二光子吸収を最も低減することができる円偏光状態を保持することができる。
フィードバック制御機構８の中では、例えば、図３に示すアルゴリズムが用いられる。最初のステップＳ１では、光電流量Ｉ（ｔ₀）測定が行われた後、偏光制御器５の設定パラメータを少し変化させる（ステップＳ２）。ここでは、変化量をｐ₀で示す。この変化量は、偏光制御器が１枚の波長板で構成される場合には波長板の設定角度を示す。ステップＳ３においてｎ＝１に設定した後、次のステップＳ４では、光電流量Ｉ（ｔ_ｎ）測定が行われた後、光電流量の差分
ΔＩ＝Ｉ（ｔ_ｎ）−Ｉ（ｔ_ｎ−１）
が負かどうかを判定し（ステップＳ５）、負であれば、前のステップと同じ方向に偏光制御器設定パラメータを変化させ（ｐ_n＝ｐ_n-1）（ステップＳ６）、負でなければ、前のステップと逆方向に偏光制御器設定パラメータを変化させる（ｐ_n＝−ｐ_n-1）（ステップＳ７）。その後、ステップS８において、光電流量Ｉ（ｔ_n）が前測定値Ｉ（ｔ_ｎ−１）と置き換えられ、ステップS９において、変化量ｐ_ｎが前変化量ｐ_ｎ−１と置き換えられる。そして、ステップＳ１０においてｎがインクリメントされた後、ステップＳ４に戻り、同様の過程が繰り返される。
このようなアルゴリズムにより、光電流量が最小となるように偏光制御器５を制御することができる。

図４は、本発明による第３の実施の形態の構成を示す斜視図である。シリコン基板１上に、半導体レーザ光源１０、偏光変換部１０２、光導波路部１０３が集積されている。光導波路部１０３のコア３はシリコン、下部クラッド２及び上部クラッド４は石英ガラスから成る。また、偏光変換部１０２は、下部クラッド２と上部クラッド４との間に挟まれたコア９を有し、直線偏光の光信号を円偏光に変換する。このような目的に使える偏光変換機能の実現に関しては、例えば、Ｈｕａｎｇ他著「アイ・イー・イー・イー・フォトニクス・テクノロジー・レターズ」誌（ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ）、第１２巻、第３１７頁〜第３１９頁、２０００年に記載がある。偏光変換部１０２もシリコンから成るコア９と石英ガラスから成るクラッドで構成されるが、コア９の断面形状は、図５に示すように、左右非対称な台形となっている。このため、偏光変換部１０２を伝搬する光信号の偏光の固有モードは、光電界が水平のモード（ＴＥモード）あるいは光電界が垂直のモード（ＴＭモード）ではなく、これを水平あるいは垂直から４５度回転させたものとなり、図５の実線矢印で示す偏光方向となる。このため、この偏光変換部１０２にＴＥモードの光信号を入力すると、偏光変換部１０２においては光電界を水平から＋４５度回転させたモードと−４５度回転させたモードで異なる位相変化を受けながら伝搬する。この二つのモードに対し偏光変換部１０２から出力される際の位相差を９０度となるようにしておくことで、円偏光出力が得られる。なお、偏光変換部は、シリコンをコアとし石英ガラスをクラッドとする形態ではなく半導体レーザ光源にモノリシック集積された形態であっても良い。

半導体レーザ光源１０からは、波長λ＝１．５５μｍの光が直線偏光で出力されるが、偏光変換部１０２を伝搬することにより円偏光に変換される。そしてこの円偏光の光信号が光導波路部１０３を伝搬する。シリコンの吸収端波長はλ_g〜１．１μｍであるので、λ_g＜λ＜２λ_gとなっているが、光信号は、光導波路を伝搬する際に円偏光となっている、もしくは少なくとも光導波路の入力端付近の光強度が高い領域において円偏光となっているため、二光子吸収による光損失を低減することが可能となる。

以上の説明において、コアをシリコンとする光導波路を例にとって説明したが、コア材料はシリコンに限らない。また、光信号は波長１．５５μｍ帯としたものを例にとって説明したが、光信号波長は１．５５μｍ帯に限らない。

本発明の光導波路回路の第１実施形態の構成図である。 本発明の光導波路回路の第２実施形態の構成図である。 本発明の第２実施形態の動作を説明するための流れ図である。 本発明の光導波路回路の第３実施形態の構成図である。 本発明の第３実施形態における偏光変換部の偏光の固有モードを説明する図である。 従来技術による光導波路の構成図である。 従来技術による二光子吸収を活用した光論理素子の構成図である。

符号の説明

１ シリコン基板
２ 下部クラッド
３、９ コア
４ 上部クラッド
５ 偏光制御器
６ 電極
７ 電極
８ フィードバック制御機構
１０ 半導体レーザ光源
１１ 光導波路
１２ パターンジェネレータ
１３ 光変調器
１４ 合波回路
１５ 波長フィルタ
１０１ 光導波路
１０２ 偏光変換部
１０３ 光導波路部

Claims (14)

1. 入力端および出力端を有し、コアとこれより低屈折率のクラッドから成る光導波路と、前記光導波路の前記入力端側に配置された、前記光導波路への入力信号光を円偏光ないしそれに近い偏光とする偏光制御手段と、を有することを特徴とする光導波路回路。
2. 前記コアが吸収端波長がλ_gの材料によって形成され、前記光導波路へ入力される信号光の波長λが、λ_g＜λ＜２λ_gの範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の光導波路回路。
3. 前記コアの断面形状が、０．３μｍ以下×０．３μｍ以下で概略正方形であることを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路回路。
4. 前記光導波路のコア材料の屈折率をｎ_１、クラッド材料の屈折率をｎ_２とするとき、比屈折率差（ｎ_１−ｎ_２）／ｎ_１が、１０％以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光導波路回路。
5. 前記コアが本質的にシリコンによって形成され、前記クラッドが本質的にシリカによって形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかまたは２に記載の光導波路回路。
6. 前記光導波路が、ＳＯＩ基板を用いて形成され、前記コアがＳＯＩ基板のシリコン薄膜を用いて形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光導波路回路。
7. 前記偏光制御手段が、偏光制御部コアと該偏光制御部コアを包囲する偏光制御部クラッドとを有する導波路型偏光制御手段であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光導波路回路。
8. 前記偏光制御手段が、断面形状が左右非対称台形の偏光制御部コアと該偏光制御部コアを包囲する偏光制御部クラッドとを有することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光導波路回路。
9. 前記偏光制御部コアが本質的にシリコンによって形成され、前記偏光制御部クラッドが本質的にシリカによって形成されていることを特徴とする請求項８に記載の光導波路回路。
10. 前記偏光制御手段が、前記光導波路と同一基板上に形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の光導波路回路。
11. 前記偏光制御手段が、光源である半導体レーザとモノリシックに形成されていることを特徴とする請求項７または８に記載の光導波路回路。
12. 前記偏光制御手段には、偏光角を可変とする機能が備えられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光導波路回路。
13. 前記偏光制御手段の偏光角は、電気的手段により可変とされることを特徴とする請求項１２に記載の光導波路回路。
14. 前記光導波路には前記光導波路の光電流を計測する手段が備えられており、該光電流計測手段の出力値に基づいて前記偏光制御手段の偏光角を制御することを特徴とする請求項１２または１３に記載の光導波路回路。
    

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