(57)【要約】      （修正有）【課題】小型で低コストな偏波分離素子を提供する。【解決手段】基板の上に形成された下部クラッド層と、下部クラッド層の上に形成された第１の光導波路１１０及び第２の光導波路１２０と、第１の光導波路１１０に形成されている先端に近づくに伴い先が細くなる第１の先細りテーパ部１１１と、第２の光導波路１２０に形成されている先端に近づくに伴い先が細くなる第２の先細りテーパ部１２１と、第１の光導波路１１０における第１の先細りテーパ部１１１及び第２の光導波路１２０における第２の先細りテーパ部１２１を覆うセカンドコア１３０と、セカンドコア１３０の上面及び側面に形成された上部クラッド層と、を有し、第１の光導波路１１０及び第２の光導波路１２０はセカンドコア１３０よりも屈折率の高い材料により形成されており、第１の先細りテーパ部１１１及び第２の先細りテーパ部１２１は、光の伝搬方向において直列に配置されている。【選択図】図２
2015135409.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に形成された下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に形成された第１の光導波路及び第２の光導波路と、
前記第１の光導波路に形成されている先端に近づくに伴い先が細くなる第１の先細りテーパ部と、
前記第２の光導波路に形成されている先端に近づくに伴い先が細くなる第２の先細りテーパ部と、
前記第１の光導波路における第１の先細りテーパ部及び前記第２の光導波路における第２の先細りテーパ部を覆うセカンドコアと、
前記セカンドコアの上面及び側面に形成された上部クラッド層と、
を有し、
前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路は前記セカンドコアよりも屈折率の高い材料により形成されており、
前記第１の先細りテーパ部及び前記第２の先細りテーパ部は、光の伝搬方向において直列に配置されていることを特徴とする偏波分離素子。
【請求項２】
前記偏波分離素子は、光ファイバと接続されるものであって、
前記第１の先細りテーパ部の先端は、前記第２の先細りテーパ部の先端よりも、前記光ファイバに近い位置に形成されており、
前記第１の先細りテーパ部の先端における幅は、前記第２の先細りテーパ部の先端における幅よりも広いことを特徴とする請求項１に記載の偏波分離素子。
【請求項３】
前記第１の先細りテーパ部と前記第２の先細りテーパ部との間には、前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路と同じ材料により偏波回転部が形成されており、
前記偏波回転部は前記セカンドコアの周辺部に形成されており、前記セカンドコアを伝搬する光は、前記偏波回転部が形成されている領域において偏波が回転することを特徴とする請求項１に記載の偏波分離素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏波分離素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高速、大容量の信号伝送を行なう方法として、光通信があり、長距離の基幹通信システムは、既に実用化されている。また、コンピュータ等の情報系装置間においても、信号伝送の高速化等のため、光通信は実用化されており、今後は、情報系装置内やボード間における実用化が視野に入っている。
【０００３】
このような光通信においては、光信号を伝送する配線部材として、光ファイバが用いられている。また、光信号を加工する部品等としては、例えば、光トランシーバー、光カプラ・スプリッタ、ＡＷＧ（Arrayed Waveguide Grating）等が挙げられるが、これらについては、光導波路を用いて形成することが好ましい。
【０００４】
一方、近年においては、光通信における光導波路部品として、シリコンフォトニクスが用いられつつある。シリコンフォトニクスでは、シリコンを半導体製造プロセスにおける微細加工により、光導波路部品を極めて小さな領域に形成できるといった長所があるため、光通信に用いられる装置の小型化等においては有利とされている。
【０００５】
通常、シリコンフォトニクスにおいては、屈折率が非常に大きいシリコン（ｎ＞３）をコアとして用いるため、非常に強い光の閉じ込めが実現されており、これが光導波路部品の小型化に大きく寄与している。しかしながら、シリコンフォトニクスにおける、強い光の閉じ込めには、偏波（＝偏光）依存性が大きいという副作用がある。このため、現状においては、一方の偏波でのみ動作する光導波路部品を設計、製造している。一般的には、ＴＥ（Transverse Electric）モードにおける動作のシリコンフォトニクスが主流であるが、ＴＭ（Transverse Magnetic）モードにおける動作についても、適用することが可能である。
【０００６】
光ファイバを伝搬する光信号の偏波状態は不定であるため、これを受信する側の光導波路部品において対応が求められている。従来からの石英系光導波路部品では、ＴＥモードおよびＴＭモードの損失差を規格内に収めることが可能であり、光ファイバをそのまま接続することができる。しかしながら、シリコンフォトニクスでは、現在は上述したように一方の偏波でしか動作しないため、単純に光ファイバを接続しても、他方の偏波を用いることができない。従って、例えば、光ファイバからの受信光がＴＭ状態であった場合には、シリコンフォトニクスにおいて、光を受けることができない可能性がある。
【０００７】
このため、偏波ダイバーシティと呼ばれる構造が開示されている（例えば、非特許文献１）。これは、光ファイバから受信光をスポットサイズ変換器によりシリコン光導波路に結合させ、すぐに、偏波スプリッタ（分離器）を用いて、ＴＥモードとＴＭモードに分離する。この後、分離されたＴＭモードは偏波変換器により、ＴＥモードに変換する。これにより、光ファイバからの受信光は、２系統のＴＥモードとして用いることができる。
【０００８】
この際用いられるスポットサイズ変換器においては、例えば、先端部分が徐々に細くなっている先細りのテーパのシリコン光導波路と、このシリコン光導波路を覆うセカンドコアとにより形成されている（例えば、特許文献１〜３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−１２２７５０号公報
【特許文献２】特開２００４−１３３４４６号公報
【特許文献３】特開２００４−１５７５３０号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】山田ほか、極微小シリコン光回路の偏波無依存化技術、ＮＴＴ技術ジャーナル、２００９．１２、ｐ．p.１６−１９
【非特許文献２】M. Pu, et.al.,"Ultra-low-loss inverted taper coupler for silicon-on-insulator ridge waveguide", Opt. Commun., Vol. 283, pp.3678-3682 (2010)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上述した偏波ダイバーシティにおいては、スポットサイズ変換器、偏波スプリッタ、偏波回転器の３つの要素となる素子が必要であり、各々別々の光導波路部品として配置されている。これらの要素となる素子は、各々に最適な屈折率や立体構造が異なっているため、同時に一括して形成することが困難である。即ち、屈折率が異なる材料により形成されているため、各々の要素となる素子を形成する工程が必要となり、製造に要する時間が長くなる。
【００１２】
更に、異なる材料により形成された要素となる素子を近接して形成することは、一般的に困難であり、偏波ダイバーシティのために、ある程度の領域を確保する必要が有り、このため、大型化してしまう。即ち、光ファイバ１本であれば、確保される領域も狭いため、さほど問題にはならないが、シリコンフォトニクスは大容量のデータを扱うために導入される場合が多く、必然的に用いられる光ファイバの本数も多くなる。このため、シリコンフォトニクスは、小型にすることができることを特徴の１つとしているが、この特徴が活かされることなく、大型化してしまう。
【００１３】
このため、スポットサイズ変換器、偏波スプリッタ、偏波回転器の３つの要素となる素子のうち、複数の要素となる素子を一体化することができれば、小型化や製造工程の簡素化において、有利となり、低コストで製造することが可能となる。
【００１４】
従って、スポットサイズ変換器と偏波スプリッタとを一体化した偏波分離素子のような小型で低コストな偏波分離素子が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本実施の形態の一観点によれば、基板の上に形成された下部クラッド層と、前記下部クラッド層の上に形成された第１の光導波路及び第２の光導波路と、前記第１の光導波路に形成されている先端に近づくに伴い先が細くなる第１の先細りテーパ部と、前記第２の光導波路に形成されている先端に近づくに伴い先が細くなる第２の先細りテーパ部と、前記第１の光導波路における第１の先細りテーパ部及び前記第２の光導波路における第２の先細りテーパ部を覆うセカンドコアと、前記セカンドコアの上面及び側面に形成された上部クラッド層と、を有し、前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路は前記セカンドコアよりも屈折率の高い材料により形成されており、前記第１の先細りテーパ部及び前記第２の先細りテーパ部は、光の伝搬方向において直列に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
開示の偏波分離素子によれば、偏波分離素子を小型にすることができ、低コストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】光ファイバとスポットサイズ変換器の説明図
【図２】第１の実施の形態における偏波分離素子の構造図
【図３】第１の実施の形態における偏波分離素子の断面図
【図４】第１の実施の形態における偏波分離素子の製造方法の工程図（１）
【図５】第１の実施の形態における偏波分離素子の製造方法の工程図（２）
【図６】第１の実施の形態における偏波分離素子の特性の説明図
【図７】第２の実施の形態における偏波分離素子の構造図
【図８】第２の実施の形態における偏波分離素子の断面図
【図９】セカンドコアを伝搬する光の説明図（１）
【図１０】セカンドコアを伝搬する光の説明図（２）
【図１１】第２の実施の形態における偏波回転部の長さと偏波変換効率の相関図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００１９】
〔第１の実施の形態〕
最初に、偏波ダイバーシティにおいて用いられる３つの要素となる素子のうち、スポットサイズ変換器について、図１に基づき説明する。尚、スポットサイズ変換器１０は、シリコンフォトニクスにおける光導波路と光ファイバ２０との接合に用いられるものである。即ち、光導波路を伝搬している光を光ファイバ２０に入射、また、光ファイバ２０を伝搬している光を光導波路に入射させるために用いられる。光ファイバ２０は、コア２１の周囲にクラッド２２が形成されており、光はコア２１を伝搬する。シリコンフォトニクスにおいて形成される光導波路は、光ファイバ２０におけるコア２１よりも狭いため、シリコンフォトニクスにおける光導波路と光ファイバ２０との接合の際には、光のスポットサイズを変換するスポットサイズ変換器１０が必要となる。尚、一般的なシングルモード光ファイバのコア径は約８．２μｍであり、コア径の小さな高ＮＡシングルモード光ファイバのコア径は約２．４μｍである。
【００２０】
スポットサイズ変換器１０は、コアとなるシリコン光導波路１１、シリコン光導波路１１を覆うセカンドコア１２、シリコン光導波路１１及びセカンドコア１２の周囲を覆う不図示のクラッドにより形成されている。シリコン光導波路１１の端部には、光ファイバ２０に近づくに伴い、幅が細くなる先細りテーパ部１１ａが形成されている。このように、シリコン光導波路１１に先細りテーパ部１１ａを形成することにより、シリコン光導波路１１を伝搬していた光は、セカンドコア１２に広がるため、光ファイバ２０のコア２１に効率よく入射させることができる。
【００２１】
シリコン光導波路１１においては、一般的には、ＴＥモードの光を伝搬させているが、光ファイバにおいては、ＴＥモードの光及びＴＭモードの光の双方が伝搬している。このため、ＴＭモードの光を用いる場合には、ＴＥモードの光とＴＭモードの光を分離する偏波スプリッタ、ＴＭモードの光をＴＥモードの光に変換する偏波回転器が必要となる。従って、偏波ダイバーシティにおいて、図１に示されるスポットサイズ変換器１０を用いた場合には、このスポットサイズ変換器１０の後段に、別部品として偏波スプリッタ及び偏波回転器が配置される。
【００２２】
（偏波分離素子）
本実施の形態における偏波分離素子について、図２及び図３に基づき説明する。本実施の形態における偏波分離素子は、偏波ダイバーシティにおいて用いられるスポットサイズ変換器、偏波スプリッタ、偏波回転器の３つの要素となる素子のうち、スポットサイズ変換器と偏波スプリッタとを一体化したものである。
【００２３】
本実施の形態における偏波分離素子は、屈折率が約３．４８となるシリコン（Ｓｉ）により形成された第１のシリコン光導波路１１０と第２のシリコン光導波路１２０とを有している。第１のシリコン光導波路１１０の端部には、光ファイバ２０に近づくに伴い先が細くなる第１の先細りテーパ部１１１が形成されており、第１の先細りテーパ部１１１における光ファイバ２０に最も近い部分が、先端１１１ａとなる。第２のシリコン光導波路１２０の端部には、光ファイバ２０に近づくに伴い先が細くなる第２の先細りテーパ部１２１が形成されており、第２の先細りテーパ部１２１における光ファイバ２０に最も近い部分が、先端１２１ａとなる。
【００２４】
また、第１のシリコン光導波路１１０に形成されている第１の先細りテーパ部１１１及び第２のシリコン光導波路１２０に形成されている第２の先細りテーパ部１２１が形成されている領域は、セカンドコア１３０により覆われている。セカンドコア１３０は、断面の形状が四角であって、光の伝搬方向に長く延びた形状により形成されている。本実施の形態においては、セカンドコア１３０は、屈折率が約１．４６となる酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）により形成されている。尚、上述した屈折率の値は、波長１５５０ｎｍの光のおける値である。
【００２５】
図３に示すように、本実施の形態においては、第１のシリコン光導波路１１０及び第２のシリコン光導波路１２０は、シリコン基板１０１の上の下部クラッド層１０２の上に形成されている。更に、第１のシリコン光導波路１１０、第２のシリコン光導波路１２０及びセカンドコア１３０を覆うように、上部クラッド層１３１が形成されている。下部クラッド層１０２及び上部クラッド層１３１は、屈折率が約１．４４となる酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜により形成されており、上部クラッド層１３１と下部クラッド層１０２によりクラッドが形成される。
【００２６】
本実施の形態における偏波分離素子は、第１のシリコン光導波路１１０における第１の先細りテーパ部１１１の先端１１１ａが、第２のシリコン光導波路１２０における第２の先細りテーパ部１２１の先端１２１ａよりも、光ファイバ２０の近い位置に形成されている。また、第１のシリコン光導波路１１０における第１の先細りテーパ部１１１と第２のシリコン光導波路１２０における第２の先細りテーパ部１２１とは、各々の伸びる方向が光の伝搬方向であり、光の伝搬方向において直列となるように形成されている。
【００２７】
また、第１のシリコン光導波路１１０における第１の先細りテーパ部１１１の先端１１１ａは、第２のシリコン光導波路１２０における第２の先細りテーパ部１２１の先端１２１ａよりも広く形成されている。即ち、光導波路の端部における先細りテーパ部の先端を広くすることにより、ＴＥモードの光の選択性を高めることができる。従って、第１のシリコン光導波路１１０における第１の先細りテーパ部１１１の先端１１１ａの幅は１００ｎｍ〜１５０ｎｍ、第２のシリコン光導波路１２０における第２の先細りテーパ部１２１の先端１２１ａの幅は５０ｎｍ以下となるように形成する。
【００２８】
これにより、光ファイバ２０からセカンドコア１３０に入射した光のうち、ＴＥモードの光は、第１のシリコン光導波路１１０における第１の先細りテーパ部１１１において分離され、第１のシリコン光導波路１１０を伝搬する。また、セカンドコア１３０を伝搬している残りのＴＭモードの光は、第２の先細りテーパ部１２１より第２のシリコン光導波路１２０に入り、第２のシリコン光導波路１２０を伝搬する。従って、本実施の形態における偏波分離素子は、光ファイバ２０内を伝搬しているＴＭモードの光とＴＥモードの光を分離することができるため、偏波スプリッタとしての機能を有している。
【００２９】
また、第１のシリコン光導波路１１０における第１の先細りテーパ部１１１及び第２のシリコン光導波路１２０における第２の先細りテーパ部１２１はセカンドコア１３０に覆われているため、各々が、スポットサイズ変換器としての機能も有している。
【００３０】
よって、本実施の形態における偏波分離素子は、偏波スプリッタとスポットサイズ変換器とが一体化されたものであり、小型化及び低コスト化に有利となる。尚、本実施の形態における偏波分離素子は、第２のシリコン光導波路１２０の後段に、偏波回転器を設けることにより、偏波ダイバーシティとなる。
【００３１】
（偏波分離素子の製造方法）
次に、本実施の形態における偏波分離素子の製造方法について、図４及び図５に基づき説明する。本実施の形態においては、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いて偏波変換素子を製造する場合について説明するが、ＳＯＩ基板を用いることなく製造する製造方法であってもよい。
【００３２】
最初に、図４（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板１００の上に、酸化シリコン膜１４０ａを形成し、酸化シリコン膜１４０ａの上に、レジストパターン１４１を形成する。ＳＯＩ基板１００は、シリコン基板１０１の上に、下部クラッド層１０２となる酸化シリコン膜が形成されており、下部クラッド層１０２となる酸化シリコン膜の上にシリコン層１０３が形成されている基板である。尚、形成されている下部クラッド層１０２となる酸化シリコン膜は、埋め込み酸化膜やＢＯＸ（Buried Oxide）層と呼ばれるものであり、厚さが３μｍである。また、形成されているシリコン層１０３は、厚さが２５０ｎｍである。具体的には、ＳＯＩ基板１００におけるシリコン層１０３の上に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）による成膜により、酸化シリコン膜１４０ａを形成する。このように形成される酸化シリコン膜１４０ａは、後述するハードマスク１４０を形成するためのものである。酸化シリコン膜１４０ａをＣＶＤにより成膜する際には、原料ガスとして、ＳｉＨ４（２０％）／Ｈｅ、Ｎ２Ｏ等が用いられる。この後、酸化シリコン膜１４０ａの上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なう。これにより、第１のシリコン光導波路１１０及び第２のシリコン光導波路１２０が形成される領域における酸化シリコン膜１４０ａの上に、レジストパターン１４１を形成する。
【００３３】
次に、図４（ｂ）に示すように、レジストパターン１４１が形成されていない領域における酸化シリコン膜１４０ａをドライエッチングにより除去することにより、ハードマスク１４０を形成する。具体的には、レジストパターン１４１が形成されていない領域における酸化シリコン膜１４０ａをエッチングガスとしてＣＦ４等を用いたＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等のドライエッチングにより除去する。これにより、残存する酸化シリコン膜１４０ａによりハードマスク１４０が形成される。この後、レジストパターン１４１は有機溶剤等により除去する。
【００３４】
次に、図４（ｃ）に示すように、ハードマスク１４０が形成されていない領域におけるシリコン層１０３をＲＩＥ等のドライエッチングにより除去することにより、第１のシリコン光導波路１１０及び第２のシリコン光導波路１２０を形成する。具体的には、ハードマスク１４０が形成されていない領域におけるシリコン層１０３をエッチングガスとしてＨＢｒ等を用いたＲＩＥ等のドライエッチングにより除去する。これにより、残存するシリコン層１０３により、第１のシリコン光導波路１１０及び第２のシリコン光導波路１２０が形成される。この後、酸化シリコンにより形成されているハードマスク１４０はウェットエッチング等により除去する。
【００３５】
次に、図５（ａ）に示すように、酸化シリコン膜により形成されている下部クラッド層１０２、第１のシリコン光導波路１１０及び第２のシリコン光導波路１２０の上に、ＳｉＯＮ膜１３０ａを形成し、ＳｉＯＮ膜１３０ａの上に、レジストパターン１４２を形成する。尚、ＳｉＯＮ膜１３０ａは、セカンドコア１３０を形成するためのものである。具体的には、ＳｉＯＮ膜１３０ａは、ＣＶＤ等により膜厚が約３μｍとなるように成膜することにより形成する。この際成膜されるＳｉＯＮ膜１３０ａにおける屈折率は、１．４６である。この後、ＳｉＯＮ膜１３０ａの上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行なうことにより、セカンドコア１３０が形成される領域の上に、レジストパターン１４２を形成する。
【００３６】
次に、図５（ｂ）に示すように、レジストパターン１４２が形成されていない領域におけるＳｉＯＮ膜１３０ａをＲＩＥ等のドライエッチング等により除去することにより、残存するＳｉＯＮ膜１３０ａにより、セカンドコア１３０を形成する。この後、レジストパターン１４２は、有機溶剤等により除去する。
【００３７】
次に、図５（ｃ）に示すように、セカンドコア１３０、第１のシリコン光導波路１１０及び第２のシリコン光導波路１２０の露出している部分を覆うように、酸化シリコン膜を成膜することにより、上部クラッド層１３１を形成する。形成されている上部クラッド層１３１となる酸化シリコン膜は、膜厚が１μｍとなるようにＣＶＤによる成膜により形成されている。これにより、下部クラッド層１０２と上部クラッド層１３１によりクラッドが形成される。以上により、本実施の形態における偏波変換素子を製造することができる。
【００３８】
尚、更に、ＴＥモードの選択性能を高めるためには、第１のシリコン光導波路１１０が厚くなるように形成するとよい。具体的には、ＳＯＩ基板１００におけるシリコン層１０３の上の第１のシリコン光導波路１１０が形成される領域にのみ、膜厚が１０ｎｍ〜１００ｎｍのシリコン層を成膜する。この後に、上述した工程を行なうとにより、１のシリコン光導波路１１０を厚く形成することができる。また、シリコン層１０３の厚さが３００ｎｍのＳＯＩ基板１００を用いた方法であってもよい。この場合、第１のシリコン光導波路１１０が形成される領域を除き、シリコン層１０３の厚さが２５０ｎｍまでドライエッチング等により除去した後、上述した工程を行なうとにより、第１のシリコン光導波路１１０を厚く形成することができる。
【００３９】
次に、図６に基づき、本実施の形態における偏波分離素子において、第１のシリコン光導波路１１０及び第２のシリコン光導波路１２０で検出されるＴＥモードの光及びＴＭモードの光について説明する。図６は、本実施の形態における偏波分離素子に、光ファイバ２０より光を入射させた場合において、シミュレーションした結果である。第１のシリコン光導波路１１０及び第２のシリコン光導波路１２０においては、１０ｄＢ以上の消光比で、ＴＭモードの光とＴＥモードの光とを分離することができる。即ち、本実施の形態における偏波分離素子では、第１のシリコン光導波路１１０には、ＴＥモードの光の殆どが伝搬しており、第２のシリコン光導波路１２０には、ＴＭモードの光の殆どが伝搬している。
【００４０】
〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、偏波ダイバーシティにおいて、３つの要素となる素子であるスポットサイズ変換器、偏波スプリッタ、偏波回転器を一体化した偏波分離素子である。
【００４１】
図７に示すように、本実施の形態における偏波分離素子は、第１のシリコン光導波路１１０の第１の先細りテーパ部１１１と第２のシリコン光導波路１２０の第２の先細りテーパ部１２１との間において偏波回転部３１２が設けられている。偏波回転部３１２はセカンドコア１３０を伝搬している光の偏波を回転させるものであり、後述するように、偏波回転部３１２を光の伝搬方向において、所定の長さで形成することにより、ＴＭモードの光をＴＥモードの光に変換することができる。このように、セカンドコア１３０においてＴＭモードからＴＥモードに変換された光は、第２のシリコン光導波路１２０においてＴＥモードの光として伝搬する。本実施の形態においては、第１のシリコン光導波路１１０は、光ファイバ２０が設置されている側から、第１の先細りテーパ部１１１、偏波回転部３１２の順に形成されている。尚、第１の先細りテーパ部１１１の先端１１１ａが、第１のシリコン光導波路１１０における光ファイバ２０が設置されている側の端部となる。
【００４２】
偏波回転部３１２は、セカンドコア１３０の断面における周辺部となる４隅のいずれかの近傍に形成されている。このようにセカンドコア１３０の断面における周辺部となる４隅のいずれかの近傍に偏波回転部３１２を形成することにより、偏波回転部３１２が形成されている領域の近傍のセカンドコア１３０を伝搬する光の偏波を回転させることができる。
【００４３】
従って、光ファイバ２０からセカンドコア１３０に入射した光のうち、ＴＥモードの光は、第１のシリコン光導波路１１０における第１の先細りテーパ部１１１において分離され、第１のシリコン光導波路１１０を伝搬する。この後、セカンドコア１３０を伝搬している残りのＴＭモードの光は、偏波回転部３１２においてＴＥモードの光に変換された後、第２のシリコン光導波路１２０における第２の先細りテーパ部１２１に入り、第２のシリコン光導波路１２０を伝搬する。即ち、第２のシリコン光導波路１２０には、セカンドコア１３０の偏波回転部３１２が形成されている領域においてＴＭモードからＴＥモードに変換された光が伝搬する。よって、第１のシリコン光導波路１１０及び第２のシリコン光導波路１２０には、ともにＴＥモードの光が伝搬する。
【００４４】
従って、本実施の形態においては、偏波回転器を別途設けることなく、ＴＭモードの光をＴＥモードに変換することができ、偏波ダイバーシティにおいて、３つの要素となる素子であるスポットサイズ変換器、偏波スプリッタ、偏波回転器を一体化することができる。
【００４５】
（偏波回転部）
次に、本実施の形態における偏波回転部３１２を説明するため、セカンドコア１３０に入射した光のモードについて説明する。図８（ａ）に示されるように、セカンドコア１３０に、偏波回転部３１２が形成されていない場合には、光はＴＥモードまたはＴＭモードで伝搬する。図９（ａ）は、偏波回転部３１２が形成されていないセカンドコア１３０において、ＴＥモードで伝搬する光の光強度の分布を等高線で示し、図９（ｂ）は、ＴＭモードで伝搬している光の光強度の分布を等高線でしたものである。また、矢印は、モード軸を示す。
【００４６】
一方、図８（ｂ）に示されるように、セカンドコア１３０の断面における周辺部に偏波回転部３１２が形成されている場合には、セカンドコア１３０を伝搬する光は、図１０に示されるようにモード軸が傾く。例えば、ＴＥモードの光の場合、図１０（ａ）及び（ｂ）に示される２つのモードに分割される。２つのモードは位相速度が異なるため、光の伝搬に伴い２つのモードの位相がずれる。これにより、この部分を伝搬する光は偏波が回転する。このような偏波の回転は、偏波回転部３１２が形成されている部分において生じるため、偏波回転部３１２の長さを調節することにより、所望とするモードの光を得ることができる。即ち、偏波回転部３１２の長さを調節することにより、ＴＥモードの光をＴＭモードの光に変換することができる。
【００４７】
ところで、安定した偏波変換を行なうためには、セカンドコア１３０と偏波回転部３１２とが単独で存在している状態において、相互のモードにおける等価屈折率がマッチングしていることが必要である。具体的には、偏波回転部３１２が単独で存在している状態におけるモードの等価屈折率が、セカンドコア１３０の屈折率以下となるように形成されていることが好ましい。また、モードの等価屈折率は、偏波回転部３１２の断面における大きさにより調整可能である。偏波回転部３１２の断面を小さくすると、等価屈折率は小さくなり、クラッドの屈折率に近づいていく。更に、偏波回転部３１２の断面を大きくすると、等価屈折率は大きくなる。
【００４８】
図１１は、本実施の形態における偏波変換素子において、偏波回転部３１２における長さと偏波変換効率との関係について、シミュレーションにより得られた結果を示す。尚、偏波回転部３１２の幅は４８０ｎｍとし、偏波回転部３１２が単独で存在している状態における高次モードを用いている。ＴＥモードの光を入射させた場合、偏波回転部３１２の長さに応じて、周期的にＴＭモードにおける偏波変換効率及びＴＥモードにおける偏波変換効率が変化している。
【００４９】
図１１に示されるように、偏波回転部３１２の長さを約５００μｍとすることにより、ＴＥモードで入射した光をＴＭモードに高効率に変換することができる。この場合、ＴＭモードで入射した光はＴＥモードに高効率に変換される。
【００５０】
本実施の形態における説明では、セカンドコア１３０をＳｉＯＮにより形成した場合について説明したが、セカンドコア１３０はＳｉＯＮ以外の材料により形成してもよく、Ｇｅ等をドープした石英ガラスや樹脂材料により形成してもよい。また、第１のシリコン光導波路１１０等をＳｉにより形成した場合について説明したが、第１のシリコン光導波路１１０等はＳｉ以外の材料により形成してもよく、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ等により形成してもよい。
【００５１】
以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
【００５２】
上記の説明に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
基板の上に形成された下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に形成された第１の光導波路及び第２の光導波路と、
前記第１の光導波路に形成されている先端に近づくに伴い先が細くなる第１の先細りテーパ部と、
前記第２の光導波路に形成されている先端に近づくに伴い先が細くなる第２の先細りテーパ部と、
前記第１の光導波路における第１の先細りテーパ部及び前記第２の光導波路における第２の先細りテーパ部を覆うセカンドコアと、
前記セカンドコアの上面及び側面に形成された上部クラッド層と、
を有し、
前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路は前記セカンドコアよりも屈折率の高い材料により形成されており、
前記第１の先細りテーパ部及び前記第２の先細りテーパ部は、光の伝搬方向において直列に配置されていることを特徴とする偏波分離素子。
（付記２）
前記偏波分離素子は、光ファイバと接続されるものであって、
前記第１の先細りテーパ部の先端は、前記第２の先細りテーパ部の先端よりも、前記光ファイバに近い位置に形成されており、
前記第１の先細りテーパ部の先端における幅は、前記第２の先細りテーパ部の先端における幅よりも広いことを特徴とする付記１に記載の偏波分離素子。
（付記３）
前記第１の光導波路には、ＴＥモードの光が伝搬し、前記第２の光導波路には、ＴＭモードの光が伝搬することを特徴とする付記１または２に記載の偏波分離素子。
（付記４）
前記第１の先細りテーパ部と前記第２の先細りテーパ部との間には、前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路と同じ材料により偏波回転部が形成されており、
前記偏波回転部は前記セカンドコアの周辺部に形成されており、前記セカンドコアを伝搬する光は、前記偏波回転部が形成されている領域において偏波が回転することを特徴とする付記１に記載の偏波分離素子。
（付記５）
前記偏波回転部は、前記セカンドコアを伝搬しているＴＭモードをＴＥモードに、ＴＥモードをＴＭモードに変換されることを特徴とする付記４に記載の偏波分離素子。
（付記６）
前記第１の光導波路には、ＴＥモードの光が伝搬し、前記第２の光導波路には、ＴＥモードの光が伝搬することを特徴とする付記４または５に記載の偏波分離素子。
（付記７）
前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路は、シリコンを含む材料により形成されており、
前記前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層は、酸化シリコンを含む材料により形成されていることを特徴とする付記１から６のいずれかに記載の偏波変換素子。
【符号の説明】
【００５３】
２０        光ファイバ
２１        コア
２２        クラッド
１００      ＳＯＩ基板
１０１      シリコン基板
１０２      下部クラッド層
１０３      シリコン層
１１０      第１のシリコン光導波路
１１１      第１の先細りテーパ部
１１１ａ    先端
１２０      第２のシリコン光導波路
１２１      第２の先細りテーパ部
１２１ａ    先端
１３０      セカンドコア
１３１      上部クラッド層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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