(57)【要約】  温度変化、波長変化による偏波消光比の劣化を抑制した導波路型偏波ビームスプリッタを提供する。導波路型偏波ビームスプリッタは、入力用光導波路（１１）と、入力用光導波路（１１）に結合された第１の光カプラ（１２）と、第１の光カプラの出力に結合された一対の光導波路アーム（１３ａ、１３ｂ）と、一対の光導波路アーム（１３ａ、１３ｂ）に結合された第２の光カプラ（１８）とを備える。一対の光導波路アーム（１３ａ、１３ｂ）を横断するように溝（１５）が形成され、溝（１５）には、各アーム（１３ａ、１３ｂ）を夫々横断するように２枚の四分の一波長板（１６ａ、１６ｂ）が設けられる。四分の一波長板（１６ａ、１６ｂ）は、互いに偏波軸が直交する。合分岐する光間に０度又は１８０度の位相差を与える第１の光カプラ（１２）と、合分岐する光間に９０度又は−９０度の位相差を与える第２の光カプラ（１８）を組み合わせる。
2012102039.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された導波路型偏波ビームスプリッタであって、
１本または２本の入力用光導波路と、
前記１本または２本の入力用光導波路に光学的に結合された、１入力２出力または２入力２出力の第１の光カプラと、
前記第１の光カプラの出力に光学的に結合された一対の光導波路アームと、
前記一対の光導波路アームに光学的に結合された２入力１出力または２入力２出力の第２の光カプラと
を備え、
前記一対の光導波路アームを横断するように溝が設けられ、前記溝に、前記一対の光導波路アームの各アームをそれぞれ横断するように２枚の四分の一波長板が挿入され、前記２枚の四分の一波長板は、互いに偏波軸が直交しており、
前記第１の光カプラおよび前記第２の光カプラのうちの一方の光カプラは、合分岐する光間に約９０度または約−９０度の位相シフトを与える光カプラであり、他方の光カプラは、合分岐する光間に約０度または約１８０度の位相シフトを与える光カプラであることを特徴とする導波路型偏波ビームスプリッタ。
【請求項２】
前記合分岐する光間に約０度または約１８０度の位相シフトを与える光カプラは、Ｙ分岐カプラ、１入力２出力多モード干渉光カプラ、２入力１出力多モード干渉光カプラ、またはＸ分岐カプラであることを特徴とする請求項１に記載の導波路型偏波ビームスプリッタ。
【請求項３】
前記合分岐する光間に約９０度または約−９０度の位相シフトを与える光カプラは、２入力２出力多モード干渉光カプラ、または方向性結合器であることを特徴とする請求項１または２に記載の導波路型偏波ビームスプリッタ。
【請求項４】
前記２枚の四分の一波長板の偏波主軸の角度はそれぞれ、導波路の基板平面に対して０度および９０度をなしてい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導波路型偏波ビームスプリッタ。
【請求項５】
前記２枚の四分の一波長板はそれぞれ、ポリイミド波長板であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の導波路型偏波ビームスプリッタ。
【請求項６】
前記溝の前後にテーパ部をさらに備え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導波路型偏波ビームスプリッタ。
【請求項７】
前記溝の前後に導波路レンズをさらに備え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導波路型偏波ビームスプリッタ。
【請求項８】
前記光導波路はシリコン基板上に形成された石英系光導波路であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の導波路型偏波ビームスプリッタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導波路型偏波ビームスプリッタに関し、より詳細には、偏波を合分岐する導波路型偏波ビームスプリッタに関する。
【背景技術】
【０００２】
大容量光通信に向けて偏波多重された光信号の利用が進んでおり、偏波を合分岐する偏波ビームスプリッタの重要性が増している。特に導波路型偏波ビームスプリッタは、カプラや遅延干渉計、光ハイブリッドなど他の導波路型デバイスと一体集積できることから注目されている。導波路型偏波ビームスプリッタは一般に、マッハツェンダ型干渉計（ＭＺＩ）の構成でＴＥ偏光とＴＭ偏光との間にπの位相差を設けて、ＴＥ偏光の干渉計での位相差を０（あるいはπ）とし、ＴＭ偏光の干渉計での位相差をπ（あるいは０）とすることで偏波合分岐機能を実現する。【０００３】
図１に、従来の導波路型偏波ビームスプリッタの例を示す。従来の導波路型偏波ビームスプリッタは入力用光導波路１０１ａ、１０１ｂと、第１の光カプラ１０２と、一対の導波路アーム１０３と、導波路アーム１０３を横断するように設けた溝１０４と、溝１０４に挿入された０度および９０度の角度の四分の一波長板１０５ａ、１０５ｂと、第２の光カプラ１０６と、出力用光導波路１０７ａ、１０７ｂとから構成されている。（特許文献１参照）。この手法は、偏波間の位相差を両アームに挿入された波長板によって付与するため、温度特性に優れた偏波ビームスプリッタを実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−９２３２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の構成には、波長依存性が大きいという問題があった。図１の構成では第１の光カプラ１０２および第２の光カプラ１０６に方向性結合器を用いているために、方向性結合器自体の波長依存性が生じる。また、四分の一波長板１０５は、直交する偏波ＴＥおよびＴＭにそれぞれ、±９０度の位相を与えるため、偏波ビームスプリッタ動作のためには導波路アーム１０３ａあるいは１０３ｂのいずれかに四分の一波長の遅延部を設ける必要がある。この遅延部は波長依存性を有するため、偏波ビームスプリッタの特性は劣化する。【０００６】
図２は、理想的に製造された場合の、従来の導波路型偏波ビームスプリッタの波長特性を示す図である。図２より分かるように、従来の導波路型偏波ビームスプリッタでは理想的に製造された場合であっても波長範囲１．５３〜１．５６５ミクロンの範囲で、消光比は２５ｄＢ以下まで劣化する。【０００７】
図３は、製造トレランスを考慮した場合の、従来の導波路型偏波ビームスプリッタのヒストグラムを示している。製造トレランスを考慮しても、ポート１の消光比は２５ｄＢ以下となっている。【０００８】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、温度変化および波長変化による偏波消光比の劣化を抑制した導波路型偏波ビームスプリッタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、基板上に形成された導波路型偏波ビームスプリッタであって、１本または２本の入力用光導波路と、前記１本または２本の入力用光導波路に光学的に結合された１入力２出力または２入力２出力の第１の光カプラと、前記第１の光カプラの出力に光学的に結合された一対の光導波路アームと、前記一対の光導波路アームに光学的に結合された２入力１出力または２入力２出力の第２の光カプラとを備える。前記一対の光導波路アームの両方のアームを横断するように溝が設けられ、前記溝に、前記一対の光導波路アームの各アームをそれぞれ横断するように２枚の四分の一波長板が挿入され、前記２枚の四分の一波長板は、互いに偏波軸が直交している。そして、前記第１の光カプラおよび前記第２の光カプラの一方の光カプラは、合分岐する光間に約９０度または約―９０度の位相シフトを与える光カプラであり、他方の光カプラは、合分岐する光間に約０度または約１８０度の位相シフトを与える光カプラであることを特徴とする。【００１０】
また、本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記合分岐する光間に約０度または約１８０度の位相シフトを与える光カプラが、Ｙ分岐カプラ、１入力２出力多モード干渉光カプラ、２入力１出力多モード干渉光カプラ、またはＸ分岐カプラであることを特徴とする。【００１１】
また、本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様において、前記合分岐する光間に約９０度または約‐９０度の位相シフトを与える光カプラが、２入力２出力多モード干渉光カプラ、または方向性結合器であることを特徴とする。【００１２】
また、本発明の第４の態様は、第１から第３のいずれかの態様において、前記２枚の四分の一波長板の偏波主軸の角度がそれぞれ、導波路の基板平面に対して０度および９０度をなしていることを特徴とする。【００１３】
また、本発明の第５の態様は、第１から第４のいずれかの態様において、前記２枚の四分の一波長板がそれぞれ、ポリイミド波長板であることを特徴とする。【００１４】
また、本発明の第６の態様は、第１から第５のいずれかの態様において、前記溝の前後にテーパ部をさらに備えることを特徴とする。【００１５】
また、本発明の第７の態様は、第１から第６のいずれかの態様において、前記溝の前後に導波路レンズをさらに備えることを特徴とする。【００１６】
また、本発明の第８の態様は、第１から第７のいずれかの態様において、前記光導波路がシリコン基板上に形成された石英系光導波路であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
ＭＺＩを構成する一対の光導波路アームの両方のアームを横断するように溝が設けられ、当該溝に、一対の光導波路アームの各アームをそれぞれ横断するように２枚の四分の一波長板が挿入され、これら２枚の四分の一波長板として、互いに偏波軸が直交するものを用い、光カプラとして約９０度または約−９０度の位相シフトを与える光カプラと、約０度または約１８０度の位相シフトを与える光カプラを組み合わせて使うことで、波長変化および温度変化による偏波消光比の劣化を抑制した導波路型偏波ビームスプリッタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来の導波路型偏波ビームスプリッタを示す図である。
【図２】従来の導波路型偏波ビームスプリッタの偏波消光比の波長依存性を示す図である。
【図３】従来の導波路型偏波ビームスプリッタの偏波消光比のヒストグラムを示す図である。
【図４】第１の実施形態に係る導波路型偏波ビームスプリッタを示す図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿った断面図を示す図である。
【図６】第１の実施形態に係る導波路型偏波ビームスプリッタの偏波消光比の波長依存性を示す図である。
【図７】第１の実施形態に係る導波路型偏波ビームスプリッタの偏波消光比のヒストグラムを示す図である。
【図８】第１の実施形態に係る導波路型偏波ビームスプリッタの変形形態を示す図である。
【図９】第２の実施形態に係る導波路型偏波ビームスプリッタを示す図である。
【図１０】図９のＸ−Ｘ線に沿った断面図である。
【図１１】第２の実施形態に係る導波路型偏波ビームスプリッタの偏波消光比の波長依存性を示す図である。
【図１２】第２の実施形態に係る導波路型偏波ビームスプリッタの偏波消光比のヒストグラムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００２０】
（第１の実施形態）
図４に、第１の実施形態に係る導波路型偏波ビームスプリッタを示す。導波路型偏波ビームスプリッタは、１本の入力用光導波路１１と、１本の入力用光導波路１１に光学的に結合された１入力２出力の第１の光カプラ１２と、第１の光カプラの出力に光学的に結合された一対の光導波路アーム１３ａおよび１３ｂと、一対の光導波路アーム１３ａおよび１３ｂに光学的に結合された２入力２出力の第２の光カプラ１８とを備える。第１の光カプラ１２、一対の光導波路アーム１３、および第２の光カプラ１８がＭＺＩを構成する。
【００２１】
本実施形態による導波路型偏波ビームスプリッタでは、一対の光導波路アーム１３ａ、１３ｂを横断するように溝１５が形成されており、溝１５には、各アーム１３ａ、１３ｂをそれぞれ横断するように２枚の四分の一波長板１６ａ、１６ｂが設けられている。２枚の四分の一波長板１６ａ、１６ｂは、互いに偏波軸が直交するものを用いている。このような構成にすることで、２つのアーム１３ａ、１３ｂは、挿入されている波長板も含めて、偏波軸方向を除き完全に対称となるので、温度依存性が小さくなる。
【００２２】
さらに、第１の光カプラ１２としては、光導波路アーム１３ａおよび１３ｂに出力される光間に０度の位相差を与えるＹ分岐カプラを用いている。また第２の光カプラ１８としては、導波路アーム１３ａおよび１３ｂそれぞれの光入力に対して、出力ポート１９ａおよび１９ｂに出力される光に、それぞれ約９０度および約−９０度の位相差を与える２入力２出力（２×２）多モード干渉（ＭＭI：Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）カプラを用いている。このように、合分岐する光間に０度または１８０度の位相差を与える光カプラと、合分岐する光間に９０度または−９０度の位相差を与える光カプラとを組み合わせることで、導波路アーム１３ａおよび１３ｂの長さを一致することができるため、波長依存性を持つ遅延部を用いる必要がなく、波長依存性が小さくなる。
【００２３】
本実施形態では、合分岐する光間に約０度または約１８０度の位相差を与える光カプラとして、Ｙ分岐カプラを用いたが、これは、Ｙ分岐カプラを用いることで、小型で低損失な導波路型偏波ビームスプリッタを提供することが可能になるからである。しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、合分岐する光間に０度または１８０度の位相差を与える光カプラであれば、１入力２出力（１×２）ＭＭＩカプラでも、断熱Ｘ分岐カプラでも、もちろん構わない。
【００２４】
本実施形態では、合分岐する光間に約９０度または約−９０度の位相差を与える光カプラとして、２×２ＭＭＩカプラを用いたが、これは、２×２ＭＭＩカプラを用いることで波長依存性が小さく、製造トレランスに優れた偏波ビームスプリッタを提供することが可能になるからである。しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、合分岐する光間に約９０度または約−９０度の位相差を与えるカプラであれば、方向性結合器でも、もちろん構わない。
【００２５】
本実施形態では、入力側に１入力２出力のＹ分岐カプラを用い、出力側に２入力２出力のＭＭＩカプラを用いて、１入力２出力の偏波ビームスプリッタを構成するとしたが、入力と出力を反転して、入力側に２入力２出力のＭＭＩ光カプラを用い、出力側に２入力１出力のＹ分岐カプラを用いて、２入力１出力の偏波ビームコンバイナを構成しても、もちろん構わない。
【００２６】
一対の光導波路アーム１３を構成する各アーム１３ａ、１３ｂは、例えば、シリコン基板上の比屈折率差１．５％の石英系光導波路とすることができる。光ファイバとの接続損失小が０．６ｄＢ／点未満となる利点や、量産性および制御性に優れるという利点がある。
【００２７】
四分の一波長板１６ａ、１６ｂは、ポリイミドから作製することができる。ポリイミドは薄いので、四分の一波長板１６ａ、１６ｂを挿入する溝１５を例えば２０μｍ未満等に狭くすることができる。偏波軸の角度は、一対の光導波路アーム１３ａおよび１３ｂが形成されている平面の垂線に対して、０度と９０度とすると分離される偏波が直線偏波となり、取り扱いが容易となる。
【００２８】
溝１５における過剰損失を低減するために、溝１５の前後の導波路部分にテーパ部を設けてもよい。テーパ部の終端幅は、１０μｍ以上とするのが好ましい。
【００２９】
図５に、図４のＶ−Ｖ線に沿った断面図を示す。基板１０の上に２つのアーム１３ａ、１３ｂが形成されており、それぞれのコアを横断するように四分の一波長板１６ａ、１６ｂが設けられる。
【００３０】
図２に示した例とは対照的に、本実施形態による導波路型偏波ビームスプリッタでは図６に示すように偏波消光比の波長依存性が大幅に低減されている。
【００３１】
また、図３に示した例とは対照的に、本実施形態による導波路型偏波ビームスプリッタでは図７に示すように製造トレランスを考慮した場合の偏波消光比としても３０ｄＢ以上が確保できる。
【００３２】
（第１の実施形態の変形形態）
図８に、第１の実施形態の変形形態に係る導波路型偏波ビームスプリッタを示す。導波路型偏波ビームスプリッタは、２本の入力用光導波路１１ａ、１１ｂと、２本の入力用光導波路１１ａ、１１ｂに光学的に結合された２入力２出力の第１の光カプラ１２と、第１の光カプラの出力に光学的に結合された一対の光導波路アーム１３と、一対の光導波路アーム１３に光学的に結合された２入力２出力の第２の光カプラ１８とを備える。第１の光カプラ１２、一対の光導波路アーム１３、及び第２の光カプラ１８がＭＺＩを構成する。
【００３３】
本実施形態による導波路型偏波ビームスプリッタでは、一対の光導波路アーム１３ａ、１３ｂの両方を横断するように溝１５が形成されており、溝１５には、各アーム１３ａ、１３ｂをそれぞれ横断するように２枚の四分の一波長板１６ａ、１６ｂが設けられている。２枚の四分の一波長板１６ａ、１６ｂは、互いに偏波軸が直交するものを用いている。このような構成にすることで、２つのアーム１３ａ、１３ｂは、挿入されている波長板も含めて、偏波軸方向を除き完全に対称となるので、温度依存性が小さくなる。
【００３４】
さらに、第１の光カプラ１２としては、光導波路アーム１３ａおよび１３ｂに出力される光間に約０度および約１８０度の位相差を与える断熱Ｘ分岐カプラを用いている。また第２の光カプラ１８としては、導波路アーム１３ａおよび１３ｂそれぞれの光入力に対して、出力ポート１９ａおよび１９ｂに出力される光に、それぞれ約９０度および約−９０度の位相差を与える２入力２出力（２×２）多モード干渉（ＭＭI：Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）カプラを用いている。このように、合分岐する光間に約０度または約１８０度の位相差を与える光カプラと、合分岐する光間に約９０度または約−９０度の位相差を与える光カプラを組み合わせることで、導波路アーム１３ａおよび１３ｂの長さを一致させることができるため、波長依存性を持つ遅延部を用いる必要がなく、波長依存性が小さくなる。
【００３５】
溝１５における過剰損失を低減するために、溝１５の前後の導波路部分にパラボラ光導波路を設けてもよい。パラボラ光導波路の終端幅は１０μｍ以上とするのが好ましい。
【００３６】
このような構成としても、波長依存性および温度依存性が小さな導波路型偏波ビームスプリッタを提供することが可能となる。
【００３７】
（第２の実施形態）
図９に、第２の実施形態に係る導波路型偏波ビームスプリッタを示す。導波路型偏波ビームスプリッタは、１本の入力用光導波路１１と、１本の入力用光導波路１１に光学的に結合された１入力２出力の第１の光カプラ１２と、第１の光カプラの出力に光学的に結合された一対の光導波路アーム１３（１３ａおよび１３ｂ）と、一対の光導波路アーム１３ａおよび１３ｂに光学的に結合された２入力２出力の第２の光カプラ１８とを備える。第１の光カプラ１２、一対の光導波路アーム１３、および第２の光カプラ１８がＭＺＩを構成する。
【００３８】
本実施形態による導波路型偏波ビームスプリッタでは、一対の光導波路アーム１３ａ、１３ｂを横断するように溝１５が形成されており、溝１５には、各アーム１３ａ、１３ｂをそれぞれ横断するように２枚の四分の一波長板１６ａ、１６ｂが設けられている。２枚の四分の一波長板１６ａ、１６ｂは、互いに偏波軸が直交するものを用いている。このような構成にすることで、２つのアーム１３ａ、１３ｂは、挿入されている波長板も含めて、偏波軸方向を除き完全に対称となるので、温度依存性が小さくなる。
【００３９】
さらに、第１の光カプラ１２としては、光導波路アーム１３ａおよび１３ｂに出力される光間に０度の位相差を与える１入力２出力（１×２）ＭＭＩカプラを用いている。また、第２の光カプラ１８としては、導波路アーム１３ａおよび１３ｂそれぞれの光入力に対して、出力ポート１９ａおよび１９ｂに出力される光に、それぞれ約９０度および約−９０度の位相差を与える２入力２出力方向性結合器カプラを用いている。このように、合分岐する光間に約０度または約１８０度の位相差を与える光カプラと、合分岐する光間に約９０度または約−９０度の位相差を与える光カプラを組み合わせることで、導波路アーム１３ａおよび１３ｂの長さを一致させることができるため、波長依存性を持つ遅延部を用いる必要がなく、波長依存性が小さくなる。
【００４０】
本実施形態では、合分岐する光間に０度の位相差を与える光カプラとして、１×２ＭＭＩ光カプラを用いたが、本発明はこの例に限定されるものではなく、合分岐する光間に０度または１８０度の位相差を与える光カプラであれば、断熱Ｘ分岐光カプラを用いても、マッハツェンダ干渉計を縦続に接続したラティス型光回路を用いても、もちろん構わない。
【００４１】
本実施形態では、合分岐する光間に約９０度または−９０度の位相差を与える光カプラとして、方向性結合器を用いたが、これは、方向性結合器を用いることで損失が小さな偏波ビームスプリッタを提供することが可能になるからである。しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、合分岐する光間に約９０度または約−９０度の位相差を与えるカプラであれば、ＭＭＩカプラでも、もちろん構わない。
【００４２】
本実施形態では、入力側に１入力２出力のＭＭＩ光カプラを用い、出力側に２入力２出力の方向性結合器を用いて、２入力２出力の偏波ビームスプリッタを構成するとしたが、これは、入力と出力を反転して、入力側に２入力２出力の方向性結合器を用い、出力側に２入力１出力のＭＭＩ光カプラを用いて、２入力１出力の偏波ビームコンバイナを構成しても、もちろん構わない。
【００４３】
一対の光導波路アーム１３を構成する各アーム１３ａ、１３ｂは、例えば、シリコン基板上の比屈折率差１．５％の石英系光導波路とすることができる。光ファイバとの接続損失小が０．６ｄＢ／点未満となる利点や、量産性および制御性に優れるという利点がある。
【００４４】
四分の一波長板１６ａ、１６ｂは、水晶から作製することができる。水晶は剛性が高く曲げや反りなどの問題がない波長板を提供でき、制御性が向上する特徴がある。偏波軸の角度は、一対の光導波路アーム１３ａおよび１３ｂが形成されている平面の垂線に対して、４５度と−４５度とすると、同じ種類の波長板を向きを変えて挿入できるため、部品数を低減できる利点がある。
【００４５】
溝１５における過剰損失を低減するために、溝１５の前後の導波路部分にパラボラ光導波路１７を設けてもよい。パラボラ光導波路の終端幅は、１０μｍ以上とするのが好ましい。
【００４６】
図１０に、図９のＸ−Ｘ線に沿った断面図を示す。基板１０の上に２つのアーム１３ａ、１３ｂが形成されており、それぞれのコアを横断するように四分の一波長板１６ａ、１６ｂが設けられる。
【００４７】
図２に示した例とは対照的に、本実施形態による導波路型偏波ビームスプリッタでは図１１に示すように偏波消光比の波長依存性が大幅に低減されている。
【００４８】
また、図３に示した例とは対照的に、本実施形態による導波路型偏波ビームスプリッタでは図１２に示すように製造トレランスを考慮した場合の偏波消光比としても２５ｄＢ以上が確保できる。
【符号の説明】
【００４９】
１０１、１１  入力用光導波路
１０２、１２  第一の光カプラ
１０３、１３  一対の光導波路アーム
１０４、１５  導波路溝
１４、１７  テーパ光導波路あるいはパラボラ光導波路
１０５、１６  四分の一波長板
１０６、１８  第二の光カプラ
１０７、１９  出力用光導波路
２０  クラッド
２１  コア
２２  遅延
【図１】
2012102039.tif 000003
【図２】
2012102039.tif 000004
【図３】
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【図４】
2012102039.tif 000006
【図５】
2012102039.tif 000007
【図６】
2012102039.tif 000008
【図７】
2012102039.tif 000009
【図８】
2012102039.tif 000010
【図９】
2012102039.tif 000011
【図１０】
2012102039.tif 000012
【図１１】
2012102039.tif 000013
【図１２】
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【国際調査報告】
2012102039.tif 000015
2012102039.tif 000016
2012102039.tif 000017
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