光波导元件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及具备模分离器的光波导元件。而且，本发明涉及具备马赫-曾德尔型 光调制器、和模分离器的光波导元件。
[0002] 本申请主张于2012年8月22日提出的日本专利申请2012 - 183306号的优先权， 并在此引用其全部内容。
【背景技术】
[0003] 关于在光波导中的传播模，在正交的各个偏振波中将模数η按照有效折射率高的 顺序设为〇、1、2、···时，将η = 0的传播模称为基模，将其他的模与各自的模数η对应地 称为η阶模。
[0004] 另外，将η多1以上的模总称为高阶模。
[0005] 近年来，将硅石（SiO2)作为包层，将硅（Si)作为芯线的Si光波导能够利用较高的 折射率差（Si/Si0 2)实现光波导的小型化，以及能够使用Si - LSI (大规模集成电路）用 的现有的制造设备比较廉价地制造，因此被关注和期待。
[0006] 在光波导元件中，通过使用多模干涉（Multi - Mode Interferometer :MMI)型 合分波器或者Y型合分波器等光合分波器（合波分波器）等，构成马赫-曾德尔（Mach - Zehnder :MZ)型光调制器。MZ型光调制器具有沿MZ型波导配置，并施加电压的调制电极。 MZ型光调制器通过由调制电极施加的施加电压使MZ型波导的分支波导（臂）间的光相位 变化，并利用射出侧的合波器中的干涉现象控制光的0N/0FF。输入到合波器的基模的光以 同相位输入的情况下，两个光合波后的光也为基模，光在输出波导导波（ON状态）。与此相 对，两个光为相反相位的情况下，合波后的光成为高阶模。在一般的MZ型光调制器中，以仅 基模被导波的方式设定波导宽度，所以合波后的光从波导向外辐射（OFF状态）。
[0007] 在MZ型光调制器中，有在合波器产生的福射模在基板传播并与导波模親合，而使 消光比劣化的问题。因此，已知有分离、去除（例如专利文献1、2)、或者遮蔽（例如专利文 献3)这样的辐射模光的方法。
[0008] 并且，在MZ型光调制器的分波器中，若混入高阶模光，则由于分支比劣化，而消光 比劣化。为了解决该问题，作为防止向分波器的高阶模的混入的方法，专利文献4公开了在 以LiNbO 3等为对象的波导中，通过使分波器的前段的波导宽度变细来使有效折射率减少， 去除高阶模。专利文献5公开了假定石英系玻璃波导，沿主波导配置具有锥形结构的副波 导，并利用绝热跃迀将高阶模从主波导去除。
[0009] 作为与Si/Si02波导有关的以往技术的一个，非专利文献1 (2. 2项、3. 2项、Fig. 1、 Fig. 4等）公开了能够通过利用由厚度为200nm，宽度为400nm，间隔为480nm的两个Si 波导构成的定向親合器（directional coupler :DC)的偏振波模分离器（Polarization Splitter :PS)，以10 μ m左右的长度进行偏振波模的分离。
[0010] 专利文献1 :日本特开2011 - 164388号公报
[0011] 专利文献2 :日本特开2011 - 186258号公报
[0012] 专利文献3 :日本特开2006 - 301612号公报
[0013] 专利文献4 :日本特开2011 - 257634号公报
[0014] 专利文献5 :日本特开2006 - 235380号公报
[0015] 非专利文献 I :Hiroshi Fukuda, Koji Yamada, Tai Tsuchizawa, Toshifumi Watanabe, Hiroyuki Shinojima,and Sei - ichi Itabashi，"Silicon photonic circuit withpolarization diversity"，Optics Express，2008 年，第 16 卷，第 7 号，p. 4872 - 4880
[0016] 非专利文献2 :山内润治监修，薮哲郎著，"光波导解析入门"，森北出版株式会社， 2007年9月，第四章
[0017] 在专利文献1?4中假定使用了 LiNbO3或者石英系的波导的波导，波导以仅传播 基模的方式设计。在这些构成中，高阶模为辐射模，所以分离、去除、或者遮蔽辐射的光。另 一方面，31/510 2波导的相对折射率差与LiNbO 3或者石英系的波导的相对折射率差相比特 别大。因此，与使用LiNbO3或者石英系的波导的情况相比状况较大地不同，难以将专利文献 1?4的技术应用于Si/Si0 2波导。即，为了在Si/Si02波导中仅对基模进行导波，例如在包 层为3102且51芯线的厚度为220nm的波导中，需要使芯线宽度在450nm以下。但是，若减 小波导宽度，则能量密度上升，表面粗度的影响变大所以波导损耗增大。根据本发明者们的 研宄，例如，芯线宽度为500nm时波导损耗为0· 16dB/mm左右，与此相对，芯线宽度为400nm 时波导损耗为〇. 40dB/mm左右，芯线宽度为400nm时的波导损耗是芯线宽度为500nm时的 波导损耗的约2. 5倍。换句话说，芯线宽度越狭窄波导损耗越上升，越容易引起起因于表面 粗度的波导特性的劣化。
[0018] 为了在波导内仅对基模进行导波而使有效折射率降低，除了使波导宽度变化之 夕卜，考虑使波导中的杂质浓度、或者波导深度变化等。但是，杂质浓度的增加成为光损耗增 加的原因，使波导深度变化在制造工序上困难。这样，在Si/Si0 2波导中，仅对基模进行导 波带来波导特性或者制造工序上较大的障碍。
[0019] 另一方面，根据专利文献5所公开的技术，在绝热跃迀的分支（分波）中为了得到 较高的分支特性，需要平缓的锥形部分。若参考非专利文献2的第四章的模拟，则绝热跃迀 的一阶模分支所需要的分支部的长度以波长λ为单位大致为1000 λ。若将入射光的波长 设为1. 55 μ m，则锥形部分的长度大约需要I. 5_。在专利文献5的实施例1中，也公开了 相对于入射光的波长1. 5 μπι需要2mm的锥形长度。对于3;[/5;[02波导那样的相对折射率 差较大的设备来说，利用了较高的折射率差的μ m级的设备所带来的光设备的小型化是较 大的优势，所以不能够安装专利文献5的锥形部分那样的_尺寸的设备。
[0020] 并且，在Si/Si02波导的制造中也存在问题。在专利文献5中利用绝热跃迀进行 基模光与一阶模光的分离，所以需要两个波导间隔相对于波导宽度极小。例如，芯线宽度 500nm的Si/Si0 2波导的情况下，由于波导间隔制造非常困难。同样地，以芯线宽度500nm 的Si/Si02波导形成副波导的锥形结构在制造上困难，所以制造成本大幅度上升。
[0021] 此外，非专利文献1公开了能够进行偏振波模的分离的设备，但未公开能够进行 模数η不同的传播模的分离（例如基模与高阶模的分离）的设备。
【发明内容】
[0022] 本发明的课题在于，鉴于上述那样的问题，提供具备能够进行模分离的模分离器 的光波导元件。另外，课题在于提供在具备由能够对两种以上的传播模进行导波的波导构 成的马赫-曾德尔型光调制器的光波导元件中，具备能够从光波导进行模分离的模分离器 的光波导元件。
[0023] 本发明的第一方式所涉及的光波导元件具备主波导，其能够对至少两种以上的传 播阶数不同的传播模进行导波、和模分离器，其具有具备以构成定向耦合器的方式从上述 主波导隔开恒定的距离并与上述主波导平行地配置的耦合部分，并且能够将上述两种以上 的传播模中，至少一种传播模从上述主波导分离的副波导，定向耦合器中构成上述主波导 和上述副波导的上述芯线与包层的折射率比亦即 ncOTe/nc;lad在101?250%的范围内。
[0024] 也可以是上述定向耦合器中的上述主波导的宽度与上述副波导的宽度的差在 ± 10 %以内。
[0025] 也可以是上述定向耦合器中的上述主波导的厚度与上述副波导的厚度的差在 ± 10 %以内。
[0026] 也可以是构成上述定向耦合器的上述副波导还具有与上述耦合部分的前段的端 部连续的开始部分，且上述开始部分随着接近上述前段的端部而平缓地接近上述主波导。
[0027] 也可以是上述副波导还具有与上述耦合部分的后段的端部连续的结束部分，且上 述结束部分随着远离上述后段的端部而从上述主波导平缓地分离。
[0028] 也可以是上述光波导元件具备多个上述模分离器，各上述定向耦合器中的上述主 波导的宽度与上述副波导的宽度的差在± 10%以内，上述副波导的上述耦合部分与上述主 波导的间隔、以及上述副波导的上述耦合部分的长度在所有的上述定向耦合器间相等。
[0029] 也可以是上述光波导元件具备多个上述模分离器，各上述定