学位論文内容の要旨

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TE‑likeモード．TM‑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TE‑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TM‑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，10 pm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13 dB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 ，3 pmの デバイ ス長で 消光 比11 dB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

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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 JLII1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，4.7 dB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

（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TE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TE‑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TM‑likeモ ー ド とTE‑like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，10 pm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13 dB程度 であり ，さら をるデ バイ スサイ ズの小 型

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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 dB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 ，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，4.7 dB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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