(57)【要約】      （修正有）【課題】一方の導波路に入力された偏波を他方の導波路から出力する基板型導波路素子において、偏波消光比を低下させることなく素子サイズを抑制する。【解決手段】基板型導波路素子は、四角形の断面を有する第１の導波路１３ｂ１、四角形の断面を有する第２の導波路１３ｂ２、及び、第１の導波路１３ｂ１及び第２の導波路１３ｂ２を連通し、第１の導波路１３ｂ１及び第２の導波路１３ｂ２のより厚さが薄い第１のスラブ部１３ｂ３を含む第１の区間である方向性結合部１ｂと、第２の導波路１３ｂ２の延長である第３の導波路１３ａ２、及び、第１のスラブ部１３ｂ３の延長である第１のテーパー部１３ａ３を含む第２の区間である偏波変換部１ａとを備えている。【選択図】図１
2015225252.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部クラッドと、上記下部クラッド上に形成されたコアと、上記コアを埋設するように上記下部クラッド上に積層された上部クラッドとを備えた基板型導波路素子において、
当該基板型導波路素子は、第１の区間と、上記第１の区間の出力側に配置された第２の区間とを含み、
上記第１の区間において、上記コアは、四角形の断面を有する第１の導波路、四角形の断面を有する第２の導波路、及び、厚みが上記第１の導波路及び上記第２の導波路の厚みより薄い第１のスラブ部であって、側面を介して上記第１の導波路及び上記第２の導波路の双方に連通する第１のスラブ部からなり、
上記第２の区間において、上記コアは、上記第２の導波路の延長である第３の導波路、及び、上記第１のスラブ部の延長である第１のテーパー部であって、側面を介して上記第３の導波路に連通し、上記第１の区間から遠ざかるに従って幅が狭くなる第１のテーパー部からなる、
ことを特徴とする基板型導波路素子。
【請求項２】
当該基板型導波路素子は、上記第１の区間の入力側に配置された第３の区間を更に含み、
上記第３の区間において、上記コアは、上記第１の導波路の延長である第４の導波路、及び、上記第１のスラブ部の延長である第２のテーパー部であって、側面を介して上記第４の導波路に連通し、上記第１の区間から遠ざかるに従って幅が狭くなる第２のテーパー部からなる、
ことを特徴とする請求項１に記載の基板型導波路素子。
【請求項３】
上記第１の導波路の入力側の端面と上記第４の導波路の出力側の端面とが互いに合同でなく、
当該基板型導波路素子は、上記第１の区間と上記第３の区間との間に介在する第４の区間を更に含み、
上記第４の区間において、上記コアは、上記第１の導波路の延長であると共に上記第４の導波路の延長である第５の導波路、及び、上記第１のスラブ部の延長であると共に上記第２のテーパー部の延長である第２のスラブ部であって、側面を介して上記第５の導波路に連通する第２のスラブ部とからなり、
上記第５の導波路の出力側の端面は、上記第１の導波路の入力側の端面と合同であり、上記第５の導波路の入力側の端面は、上記第４の導波路の出力側の端面と合同である、
ことを特徴とする請求項２に記載の基板型導波路素子。
【請求項４】
上記第１の導波路の中心軸と上記第４の導波路の中心軸とが同一直線上になく、
当該基板型導波路素子は、上記第１の区間と上記第３の区間との間に介在する第４の区間を更に含み、
上記第４の区間において、上記コアは、上記第１の導波路の延長であると共に上記第４の導波路の延長である第５の導波路、及び、上記第１のスラブ部の延長であると共に上記第２のテーパー部の延長である第２のスラブ部であって、側面を介して上記第５の導波路に連通する第２のスラブ部とからなり、
上記第５の導波路及び上記第２のスラブ部は、滑らかに曲がっている、
ことを特徴とする請求項２に記載の基板型導波路素子。
【請求項５】
上記上部クラッド及び上記下部クラッドは、シリカ製であり、上記第１の導波路、上記第２の導波路及び上記スラブ部は、シリコン製である、
ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の基板型導波路素子。
【請求項６】
ＴＭ０偏波とＴＥ０偏波とを合波する偏波ビームコンバイナの一部として請求項１〜５の何れか１項に記載の基板型導波路素子を備えている、
ことを特徴とする光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏波ビームコンバイナ又は偏波ビームスプリッタとして機能する基板型導波路素子に関する。また、そのような基板型導波路素子を備えた光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信により伝送される情報量は増加の一途を辿っている。こうした情報量の増加に対応するために、信号速度を高速化したり、波長多重によりチャンネル数を増やしたりする対策が進められている。特に、高速情報通信を目的とした次世代の１００Ｇｂｐｓデジタルコヒーレント伝送技術では、偏波多重によって単位時間あたりの情報量を倍増させることが検討されている。ここで、偏波多重とは、電界が互いに直交する２つの偏波（例えば、ＴＭ偏波とＴＥ偏波）の各々に異なる情報を重畳することを指す。
【０００３】
しかしながら、偏波多重を行う場合、光変調器の構成が複雑化し、その結果、装置サイズの大型化や製造コストの上昇などの問題を招来する。そこで、加工が容易であり、かつ、集積化による装置サイズの小型化、及び、大量生産による製造コストの低下が可能なシリコン製の導波路を備えた基板型導波路素子によって、偏波多重を行う光変調器が実現されている。
【０００４】
偏波多重を行う光変調器には、例えば、或る情報が重畳されたＴＭ偏波と他の情報が重畳されたＴＥ偏波とを合波する偏波ビームコンバイナが搭載される。基板型導波路素子をこのような偏波ビームコンバイナとして機能させる技術としては、例えば、非特許文献１に記載の技術が知られている。
【０００５】
図１０に非特許文献１に記載の基板型導波路素子６を示す。図１０（ａ）は、基板型導波路素子６の断面図であり、図１０（ｂ）〜図１０（ｃ）は、基板型導波路素子６の平面図（下部クラッド６１及び上部クラッド６２の図示省略）である。
【０００６】
基板型導波路素子６は、図１０（ａ）に示すように、シリカ（ＳｉＯ２）製の下部クラッド６１と、下部クラッド６１上に形成されたシリコン（Ｓｉ）製の２つのコア６３〜６４と、２つのコア６３〜６４を埋設するように下部クラッド６１上に積層されたシリカ製の上部クラッド６２とにより構成されている。２つのコア６３〜６４は、図１０（ａ）に示すように、互いに合同な長方形の断面を有し、図１０（ｂ）〜図１０（ｃ）に示すように、一部の区間（同図において点線で囲まれた区間）において側面同士が互いに近接するように配置される。２つのコア６３〜６４の側面同士が互いに近接する区間のことを、以下、「並走区間」とも記載する。
【０００７】
基板型導波路素子６においては、２つのコア６３〜６４の並走区間の長さＬがＴＭ０偏波に対する結合長に一致するように設計されている。このため、図１０（ｂ）に示すように、第１のコア６３にＴＭ０偏波とＴＥ０偏波とを入力すると、ＴＭ０偏波が第２のコア６４から出力され、ＴＥ０偏波が第１のコア６３から出力される。すなわち、基板型導波路素子６は、ＴＭ０偏波とＴＥ０偏波とに分波する偏波ビームスプリッタとして機能する。また、図１０（ｃ）に示すように、第１のコア６３にＴＭ０偏波を入力し、第２のコア６４にＴＥ０偏波を入力すると、ＴＭ０偏波とＴＥ０偏波とが第２のコア６４から出力される。すなわち、基板型導波路素子６は、ＴＭ０偏波とＴＥ０偏波とを合波する偏波ビームコンバイナとしても機能する。
【０００８】
なお、本明細書において、「ＴＥ偏波」とは、コアを伝播する光の進行方向に直交する方向のうち、上部クラッドと下部クラッドとの境界面に平行な方向の電界成分が主となる偏波モードのことを指す。特に、実効屈折率が最大となるＴＥ偏波のことを、「ＴＥ０偏波」と呼ぶ。また、本明細書において、「ＴＭ偏波」とは、コアを伝播する光の進行方向に直交する方向のうち、上部クラッドと下部クラッドとの境界面に垂直な方向の電界成分が主となる偏波モードのことを指す。特に、実効屈折率が最大となるＴＭ偏波のことを、「ＴＭ０偏波」と呼ぶ。
【０００９】
基板型導波路素子６においては、上述したように、第１のコア６３に入力されたＴＭ０偏波が第２のコア６４から出力されるのに対して、第１のコア６３に入力されたＴＥ０偏波は主に第１のコア６３から出力され、第２のコア６４に入力されたＴＥ０偏波は主に第２のコア６４から出力される。以下、その理由を説明する。
【００１０】
まず、各偏波モード（以下、着目する偏波モードのことを「対象モード」と記載する）に対する基板型導波路素子５の結合効率Ｔは、２つのコア６３〜６４の並走区間の長さＬの関数として、概ね（１）式によって与えられる。ここで、「結合効率」とは、第１のコア６３に入力された対象モードのパワーに対する、第２のコア６４から出力される対象モードのパワーの比（あるいは、第２のコア６４に入力された対象モードのパワーに対する、第１のコア６３から出力される対象モードのパワーの比）を意味する。（１）式におけるＦ及びｑの定義は、（２）式及び（３）式に示すとおりである。
【００１１】
【数１】
2015225252.tif 000003
【００１２】
【数２】
2015225252.tif 000004
【００１３】
【数３】
2015225252.tif 000005
【００１４】
ここで、δは、対象モードに対する第１のコア６３の実効屈折率（第２のコア６４が存在しない場合の実効屈折率）と対象モードに対する第２のコア６４の実効屈折率（第１のコア６３が存在しない場合の実効屈折率）との差をΔＮＩ、対象モードの波長をλとして、（４）式により定義される係数である。
【００１５】
【数４】
2015225252.tif 000006
【００１６】
また、χ（「結合係数」と呼ばれる）は、第１のコア６３のみが存在する場合（第２のコア６４が存在しない場合）のコア断面の屈折率分布をＮ１、第１のコア６３及び第２のコア６４の両方が存在する場合のコア断面の屈折率分布をＮ、第１のコア６３を導波する対象モードの電界ベクトルをＥ１、第２のコア６４を導波する対象モードの電界ベクトルをＥ２として、（５）式により与えられる。
【００１７】
【数５】
2015225252.tif 000007
【００１８】
なお、結合係数χは、第１のコア６３を導波する対象モードの電界ベクトルＥ１と、第２のコア６４を導波する対象モードの電界ベクトルＥ２との内積を、コア断面において積分したものである。したがって、２つのコア６３〜６４の各々を導波する対象モードの浸み出しが大きいほど、結合係数χは大きくなる。２つのコア６３〜６４の各々を導波する対象モード間の光結合が強いとは、（５）式により定義された結合係数χが大きくなることに他ならない。
【００１９】
また、（１）式に現れるｓｉｎ（ｑＬ）は、２つのコア６３〜６４の並走区間の長さＬが（６）式により定義されるＬｃに一致するときに１になる。（６）式により定義されるＬｃを「結合長」と呼ぶ。なお、結合長Ｌｃは、偏波モード毎に与えられる。以下、ＴＭ０偏波に対する結合長をＬｃ（ＴＭ０）と記載し、ＴＥ０偏波に対する結合長をＬｃ（ＴＥ０）と記載する。
【００２０】
【数６】
2015225252.tif 000008
【００２１】
基板型導波路素子６において、第１のコア６３に入力されたＴＭ０偏波が第２のコア６４から出力される理由は、以下のとおりである。すなわち、基板型導波路素子６においては、２つのコア６３〜６４の断面形状が同一である。このため、各偏波モードに対する２つのコア６３〜６４の実効屈折率差ΔＮＩは０になる。したがって、（１）式に現れるＦは１になる。また、基板型導波路素子６においては、２つのコア６３〜６４の並走区間の長さＬがＴＭ０偏波に対する結合長Ｌｃ（ＴＭ０）に一致するように設計されている。したがって、（１）式に現れるｓｉｎ（ｑＬ）は１になる。このため、ＴＭ０偏波に対する結合効率Ｔ（ＴＭ０）は１になる。これは、第１のコア６３に入力されたＴＭ０偏波が漏れなく第２のコア６４から出力されることを意味する。
【００２２】
基板型導波路素子６において、第１のコア６３に入力されたＴＥ０偏波が主に第１のコア６３から出力され、第２のコア６４に入力されたＴＥ０偏波が主に第２のコア６４から出力される理由は、以下のとおりである。すなわち、ＴＥ０偏波に対する結合長Ｌｃ（ＴＥ０）は、ＴＭ０偏波に対する結合長Ｌｃ（ＴＭ０）とは一致せず、ＴＭ０偏波に対する結合長Ｌｃ（ＴＭ０）よりも長くなる。このため、ＴＥ０偏波に対する結合効率Ｔ（ＴＥ０）は、（７）式に示すように、ＴＭ０偏波に対する結合効率Ｔ（ＴＭ０）＝１よりも小さくなる。このため、第１のコア６３に入力されたＴＥ０偏波は、その一部分のみが第２のコア６４から出力され、残りの部分は第１のコア６３から出力されることになる。同様に、第２のコア６４に入力されたＴＥ偏波は、その一部分のみが第１のコア６３から出力され、残りこの部分は第２のコア６４から出力されることになる。
【００２３】
【数７】
2015225252.tif 000009
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２４】
【非特許文献１】Hiroshi Fukuda, et al., "Ultrasmall polarization splitter based on silicon wire waveguides," OPTICS EXPRESS, Vol. 14, No. 25, 12401(2006).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
従来の基板型導波路素子５を偏波ビームコンバイナとして機能させる際に重要となる性能指標としては、ＴＭ０偏波の損失及び偏波消光比が挙げられる。
【００２６】
ＴＭ０偏波の損失は、第２のコア６４から出力されるＴＭ０偏波のパワーが、第１のコア６３に入力されるＴＭ０偏波のパワーと比べてどれだけ減少するかを示す指標であり、その値は小さい方が好ましい。
【００２７】
一方、偏波消光比は、図１０に示すように、同じパワーのＴＭ０偏波とＴＥ０偏波とを第１のコア６３に入力したときに、第２のコア６４から出力されるＴＭ０偏波のパワーと比べて第２のコア６４から出力されるＴＥ０偏波のパワーがどれだけ小さくなるかを示す指標であり、（８）式により定義される。なお、（８）式における「出力ポート」とは、第２のコア６４の出力端のことを指す。
【００２８】
【数８】
2015225252.tif 000010
【００２９】
偏波消光比が低くなるほど、信号として第２のコア６４に入力されたＴＥ０偏波は、ＴＭ０偏波に混入したノイズとして第１のコア６３に入力されたＴＥ０偏波に汚染され易くなる。したがって、偏波消光比は、高い方が望ましい。
【００３０】
偏波ビームコンバイナ６の偏波消光比を向上させる第１の方法としては、非特許文献１に記載のように、複数の偏波ビームコンバイナ６を連結する方法が挙げられる。この方法を採用する場合、連結する偏波ビームコンバイナ６の段数に応じて偏波消光比が向上する。しかしながら、この方法を採用する場合、装置サイズの大型化が避けられない。
【００３１】
また、偏波ビームコンバイナ６の偏波消光比を向上させる第２の方法としては、２つのコア６３〜６４の各々の幅を大きくしたり、２つのコア６３〜６４の間隔を広くしたりする方法が挙げられる。２つのコア６３〜６４の各々の幅を大きくすると、２つのコア６３〜６４の各々へのＴＥ０偏波の閉じ込め及びＴＭ０の偏波の閉じ込めが強くなる。この際、ＴＥ０偏波の閉じ込めが強くなる程度が、ＴＭ０偏波の閉じ込めが強くなる程度を上回るので、偏波消光比が向上する。また、２つのコア６３〜６４の間隔を広げると、２つのコア６３〜６４の各々を導波するＴＥ０偏波間の光結合及びＴＭ０偏波間の光結合が弱くなる。この際、ＴＥ０偏波間の光結合が弱まる程度が、ＴＥ０偏波間の光結合が弱まる程度を上回るので、偏波消光比が向上する。しかしながら、２つのコア６３〜６４の各々の幅を大きくしたり、２つのコア６３〜６４の間隔を広くしたりすると、上述したように、２つのコア６３〜６４の各々へのＴＭ０偏波の閉じ込めが強くなったり、２つのコア６３〜６４の各々を導波するＴＭ０偏波同士の光結合が弱くなったりすることが避けられない。このため、ＴＭ０偏波の結合長が増大し、装置サイズが大型化するという問題を生じる。
【００３２】
なお、上記の問題は、ＴＭ０偏波とＴＥ０偏波とを合波する場合に限らず、より高次の偏波を第１のコア６３に入力し、第２のコア６４から出力する場合にも生じ得る。
【００３３】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、偏波ビームコンバイナ又は偏波ビームスプリッタとして機能する基板型導波路素子において、偏波消光比の低下を招来することなく、従来よりも素子長の短い基板型導波路素子を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
上記課題を解決するために、本発明に係る基板型導波路素子は、下部クラッドと、上記下部クラッド上に形成されたコアと、上記コアを埋設するように上記下部クラッド上に積層された上記クラッドとを備えた基板型導波路素子において、当該基板型導波路素子は、第１の区間と、上記第１の区間の出力側に配置された第２の区間とを含み、上記第１の区間において、上記コアは、四角形の断面を有する第１の導波路、四角形の断面を有する第２の導波路、及び、厚みが上記第１の導波路及び上記第２の導波路の厚みより薄い第１のスラブ部であって、側面を介して上記第１の導波路及び上記第２の導波路の双方に連通する第１のスラブ部からなり、上記第２の区間において、上記コアは、上記第２の導波路の延長である第３の導波路、及び、上記第１のスラブ部の延長である第１のテーパー部であって、側面を介して上記第３の導波路に連通し、上記第１の区間から遠ざかるに従って幅が狭くなる第１のテーパー部からなる、ことを特徴とする。
【００３５】
また、本発明に係る基板型導波路素子は、上記第１の区間の入力側に配置された第３の区間を更に含み、上記第３の区間において、上記コアは、上記第１の導波路の延長である第４の導波路、及び、上記第１のスラブ部の延長である第２のテーパー部であって、側面を介して上記第４の導波路に連通し、上記第１の区間から遠ざかるに従って幅が狭くなる第２のテーパー部からなる、ことが好ましい。
【００３６】
上記第１の区間の入力側に配置された上記第３の区間を更に含む場合、本発明に係る基板型導波路素子は、以下の効果を奏する。
【００３７】
すなわち、上記第１の区間は、上記第１の導波路に入力されたＴＥ１偏波を上記第２の導波路から出力する方向性結合器として機能する。また、上記第２の区間は、上記第３の導波路に入力されたＴＥ１偏波をＴＭ０偏波に変換する偏波変換器として機能し、上記第３の区間は、上記第４の導波路に入力されたＴＭ０偏波をＴＥ１偏波に変換する偏波変換器として機能する。したがって、上記基板型導波路素子は、上記第３の区間の上記第４の導波路に入力されたＴＭ０偏波を上記第２の区間の上記第３の導波路から出力する偏波ビームコンバイナ又は偏波ビームスプリッタとして機能する。
【００３８】
そして、上記第１の区間においては、上記第１の導波路と上記第２の導波路とが、これらの２つの導波路よりも厚みの薄い第１のスラブ部によって連通されている。このため、これら２つの導波路を導波するＴＥ０偏波間の光結合、及び、これら２つの導波路を導波するＴＥ１偏波間の光結合は、何れも強められる。この際、ＴＥ１偏波間の光結合が強められる程度が、ＴＥ０偏波間の光結合が強められる程度を上回る。したがって、これら２つの導波路を導波するＴＥ０偏波間の光結合に比べ、これら２つの導波路を導波するＴＥ１偏波間の光結合を強くすることができ、その結果、偏波消光比を低下させることなく、これら２つの導波路を導波するＴＥ１偏波間の結合長を短縮することができる。ここで、上記第１の区間における短縮されたＴＥ１偏波に対する結合長は、従来の基板型導波路素子におけるＴＭ０偏波に対する結合長よりも短く、後者の結合長から前者の結合長を引いた差は、上記第２の区間の長さと上記第３の区間の長さとの和よりも大きい。したがって、偏波消光比の低下を招来することなく、従来よりも素子長の短い基板型導波路素子を実現することができる。
【００３９】
また、上記第３の区間に代えて、ＴＥ０偏波をＴＥ１偏波に変換する偏波変換素子を含む場合、本発明に係る基板型導波路素子は、ＴＥ０偏波をＴＭ０偏波に変換する基板型導波路素子として機能する。この場合にも、偏波消光比の低下を招来することなく、従来よりも素子長の短い基板型導波路素子を実現するという効果を奏する。
【００４０】
本発明に係る基板型導波路素子は、上記第１の導波路の入力側の端面と上記第４の導波路の出力側の端面とが互いに合同でなく、当該基板型導波路素子は、上記第１の区間と上記第３の区間との間に介在する第４の区間を更に含み、上記第４の区間において、上記コアは、上記第１の導波路の延長であると共に上記第４の導波路の延長である第５の導波路、及び、上記第１のスラブ部の延長であると共に上記第２のテーパー部の延長である第２のスラブ部であって、側面を介して上記第５の導波路に連通する第２のスラブ部とからなり、上記第５の導波路の出力側の端面は、上記第１の導波路の入力側の端面と合同であり、上記第５の導波路の入力側の端面は、上記第４の導波路の出力側の端面と合同である、ように構成されていてもよい。
【００４１】
上記の構成によれば、上記第１の導波路の入力側の端面と上記第４の導波路の出力側の端面とが互いに合同でない場合に生じ得る反射を抑制することが可能になる。
【００４２】
本発明に係る基板型導波路素子は、上記第１の導波路の中心軸と上記第４の導波路の中心軸とが同一直線上になく、当該基板型導波路素子は、上記第１の区間と上記第３の区間との間に介在する第４の区間を更に含み、上記第４の区間において、上記コアは、上記第１の導波路の延長であると共に上記第４の導波路の延長である第５の導波路、及び、上記第１のスラブ部の延長であると共に上記第２のテーパー部の延長である第２のスラブ部であって、側面を介して上記第５の導波路に連通する第２のスラブ部とからなり、上記第５の導波路及び上記第２のスラブ部は、滑らかに曲がっている、ように構成されていてもよい。
【００４３】
上記の構成によれば、上記第１の導波路の中心軸と上記第４の導波路の中心軸とが同一直線上にない場合に生じ得る反射を抑制することが可能になる。また、第４の導波路の中心軸方向、及び、第３の導波路の中心軸方向に依存することなく本発明に係る基板型導波路素子を配置できるため、配置の自由度を上げることができる。
【００４４】
本発明に係る基板型導波路素子は、上記上部クラッド及び上記下部クラッドは、シリカ製であり、上記第１の導波路、上記第２の導波路及び上記スラブ部は、シリコン製である、ことが好ましい。
【００４５】
上記の構成によれば、加工が容易であり、かつ、集積化による装置サイズの小型化、及び、大量生産による製造コストの低下が可能な基板型導波路素子を実現することができる。
【００４６】
また、上記の構成によれば、上部クラッド、下部クラッド、コアが何れもシリカ製である石英系平面光導波路（ＰＬＣ：planar lightwave circuit）と比べて、より高い偏波消光比を得ることができる。
【００４７】
クラッドがシリカ（屈折率１．４４程度）製である場合、コアをシリコン（屈折率３．４４程度）製としたとき（上記の構成）の方がコアをシリカ製としたとき（石英系平面光導波路）よりも高い偏波消光比を得られる理由は、以下のとおりである。すなわち、シリコン製のコアとシリカ製のクラッドとの比屈折率差は、シリカ製のコアとシリカ製のクラッドとの比屈折率差よりも大きくなる。したがって、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波に対する閉じ込めの強さは、コアをシリコン製としたときの方がコアをシリカ製としたときよりも強くなる。したがって、シリコン製のコアとシリカ製のクラッドとを用いることによって、第１の導波路及び第２の導波路における結合係数χを大きくすることが可能であり、ＴＥ１偏波を遷移させるために必要となる結合長を短くすることが可能である。また、シリコン製のコアとシリカ製のクラッドとを用いることによって、上記第２の区間が備えている上記第３の導波路及び上記第１のテーパー部の長さ、並びに、上記第３の区間が備えている上記第４の導波路及び上記第２のテーパー部の長さを短くすることができる。
【００４８】
以上のように、本発明に係る基板型導波路素子は、シリコン製のコアとシリカ製のクラッドとを用いることによって、その素子サイズをさらに抑制することができる。
【００４９】
なお、ＴＭ０偏波とＴＥ０偏波とを合波する偏波ビームコンバイナの一部として、上記の基板型導波路素子を備えている光変調器も本発明の範疇に含まれる。このような光変調器においても、上記の基板型導波路素子と同様の効果が得られる。
【発明の効果】
【００５０】
本発明によれば、偏波ビームコンバイナ又は偏波ビームスプリッタとして機能する基板型導波路素子において、偏波消光比の低下を招来することなく、従来よりも素子長の短い基板型導波路素子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】（ａ）は、本発明の一実施形態に係る基板型導波路素子の構成を示す斜視図である。（ｂ）は、（ａ）に示す基板型導波路素子が備えるコアの構成を示す斜視図である。
【図２】（ａ）は、図１に示す基板型導波路素子が備える第１の導波路を導波するＴＥ０偏波（波長１５８０ｎｍ）の電界（Ｅｘ成分）分布を示すグラフである。（ｂ）は、図１に示す基板型導波路素子が備える第１の導波路を導波するＴＥ１偏波（波長１５８０ｎｍ）の電界（Ｅｘ成分）分布を示すグラフである。（ｃ）は、（ａ）及び（ｂ）に示す電界分布を得るために用いた第１の導波路の形状を示す断面図である。
【図３】（ａ）は、実施例に係る基板型導波路素子が備えている方向性結合部の平面図であり、（ｂ）は、その方向性結合部の断面図である。（ｃ）は、（ａ）及び（ｂ）に示す方向性結合部の偏波消光比及び結合長を、２つの導波路間の間隔ｇａｐを変えながら算出することにより得たグラフである。
【図４】（ａ）は、比較例に係る基板型導波路素子が備えている方向性結合部の平面図であり、（ｂ）は、その方向性結合部の断面図である。（ｃ）は、（ａ）及び（ｂ）に示す方向性結合部の偏波消光比及び結合長を、２つの導波路間の間隔ｇａｐを変えながら算出することにより得たグラフである。
【図５】図３に示す方向性結合部（実施例）及び図４に示す方向性結合部（比較例）の結合長を、偏波消光比に対してプロットすることにより得たグラフである。
【図６】（ａ）は、実施例に係る基板型導波路素子が備えている偏波変換部の平面図であり、（ｂ）は、その偏波変換部の断面図である。（ｃ）は、（ａ）及び（ｂ）に示す偏波変換部がＴＭ０偏波をＴＥ１偏波に変換する場合の損失を、偏波変換部の長さＬ１を変えながら算出することにより得たグラフである。
【図７】（ａ）は、本発明の一実施形態に係る基板型導波路素子の構成を示す斜視図である。（ｂ）は、（ａ）に示す基板型導波路素子が備えるコアの構成を示す斜視図である。
【図８】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る基板型導波路素子が備えるコアの構成を示す平面図である。
【図９】図１に示す基板型導波路素子を備えた光変調器の構成を示すブロック図である。
【図１０】（ａ）は、従来の基板型導波路素子の断面図であり、（ｂ）及び（ｃ）は、その基板型導波路素子の平面図である。
【図１１】図９に示す基板型導波路素子の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
〔第１の実施形態〕
本発明の一実施形態に係る基板型導波路素子について、図面に基づいて説明すれば以下のとおりである。なお、本実施形態においては、ＴＭ０偏波とＴＥ０偏波とを合波する基板型導波路素子について説明する。
【００５３】
〔本実施形態に係る基板型導波路素子の構成〕
まず、本実施形態に係る基板型導波路素子１の構成について、図１を参照して説明する。図１（ａ）は、基板型導波路素子１の構成を示す斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す基板型導波路素子が備えるコア１３の構成を示す斜視図である。なお、図１（ｂ）において、コア１３は、後述する３つの領域に対応するコア１３ａ、１３ｂ及び１３ｃに分割して示されている。
【００５４】
基板型導波路素子１は、図１（ａ）に示すように、シリカ（ＳｉＯ２）製の下部クラッド１１と、下部クラッド１１上に形成されたシリコン（Ｓｉ）製のコア１３と、コア１３を埋設するように下部クラッド１１上に積層されたシリカ（ＳｉＯ２）製の上部クラッド１２とを備えている。
【００５５】
本実施形態において、基板型導波路素子１は、第１の区間である方向性結合部１ｂ、第２の区間である偏波変換部１ａ、及び、第３の区間である偏波変換部１ｃを含む。なお、偏波変換部１ａ、方向性結合部１ｂ及び偏波変換部１ｃの各区間は、基板型導波路素子１の構成を説明するために仮想的に分割したものである。偏波変換部１ａ、方向性結合部１ｂ及び偏波変換部１ｃの各区間は、一連の製造プロセスによって一括して製造されることが好ましい。また、偏波変換部１ａが備えているコア１３ａ、方向性結合部１ｂが備えているコア１３ｂ、及び、偏波変換部１ｃが備えているコア１３ｃは、構造上の不連続が生じないように形成されていることが好ましい。
【００５６】
（方向性結合部）
図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、方向性結合部１ｂは、下部クラッド１１ｂ、上部クラッド１２ｂ及びコア１３ｂを備えている。コア１３ｂは、長方形の断面を有する第１の導波路１３ｂ１と、長方形の断面を有する第２の導波路１３ｂ２と、板状部材であるスラブ部１３ｂ３とを備えている。第１のスラブ部であるスラブ部１３ｂ３は、厚みが第１の導波路１３ｂ１及び第２の導波路１３ｂ２の厚みより薄く、その側面を介して第１の導波路１３ｂ１及び第２の導波路１３ｂ２の双方に連通するものである。より詳しくは、スラブ部１３ｂ３は、（ｉ）スラブ部１３ｂ３の一方の側面と、第１の導波路１３ｂ１の一方の側面の一部とを介して、第１の導波路１３ｂ１に連通しており、（ｉｉ）スラブ部１３ｂ３の他方の側面と、第２の導波路１３ｂ２の一方の側面の一部とを介して、第２の導波路１３ｂ２に連通している。
【００５７】
以下において、第１の導波路１３ｂ１に光が入射する面を入射端面１３ｂ４と呼称し、第２の導波路１３ｂ２に光が入射する面を入射端面１３ｂ５と呼称し、スラブ部１３ｂ３に光が入射する面を入射端面１３ｂ６と呼称する。また、第１の導波路１３ｂ１から光が出射する面を出射端面１３ｂ７と呼称し、第２の導波路１３ｂ２から光が出射する面を出射端面１３ｂ８と呼称し、スラブ部１３ｂ３から光が出射する面を出射端面１３ｂ９と呼称する。
【００５８】
方向性結合部１ｂが備えている第１の導波路１３ｂ１、第２の導波路１３ｂ２、及びスラブ部１３ｂ３は、予め定められた設計波長において、以下の条件（１）〜（３）を満たすように設計されている。なお、以下において、ＴＥ０偏波に対する実効屈折率のことをｎｅｆｆ（ＴＥ０）とも表記し、ＴＥ１偏波に対する実効屈折率のことをｎｅｆｆ（ＴＥ１）とも表記し、ＴＭ０偏波に対する実効屈折率のことをｎｅｆｆ（ＴＭ０）とも表記する。
【００５９】
（１）第１の導波路１３ｂ１におけるｎｅｆｆ（ＴＥ１）と、第２の導波路１３ｂ２におけるｎｅｆｆ（ＴＥ１）との差ΔＮｉが小さい。
【００６０】
（２）方向性結合部１ｂの長さ（第１の導波路１３ｂ１及び第２の導波路１３ｂ２の長さ）がＴＥ１偏波の結合長Ｌｃ（ＴＥ１）に近い。
【００６１】
（３）ＴＥ１偏波に対する第１の導波路１３ｂ１及び第２の導波路１３ｂ２の光結合は、ＴＥ０偏波に対する第１の導波路１３ｂ１及び第２の導波路１３ｂ２の光結合より強い。
【００６２】
条件（１）及び（２）を満たすことによって、第１の導波路１３ｂ１に入力されたＴＥ１偏波の大部分を第２の導波路１３ｂ２に遷移させることが可能になる。その理由は、条件（１）を満たすことによって、（１）式に現れるＦが１に近づき、条件（２）を満たすことによって、（１）式に現れるｓｉｎ（ｑＬ）が１に近づくので、（１）式により定義される結合効率Ｔが１に近づくからである。なお、第１の導波路１３ｂ１におけるｎｅｆｆ（ＴＥ１）と、第２の導波路１３ｂ２におけるｎｅｆｆ（ＴＥ１）とが一致し、ΔＮｉ＝０となることが好ましく、方向性結合部１ｂの長さは、設計波長（例えば１５８０ｎｍ）におけるＬｃ（ＴＥ１）と一致していることが好ましい。ΔＮｉ＝０であり、かつ、方向性結合部１ｂの長さがＬｃ（ＴＥ１）と一致している場合、Ｆが１になり、その結果として結合効率Ｔが１になる。すなわち、第１の導波路１３ｂ１に入力されたＴＥ１偏波の全てを第２の導波路１３ｂ２に遷移させることが可能になる。
【００６３】
ΔＮｉをより小さくするためには、第１の導波路１３ｂ１、第２の導波路１３ｂ２及びスラブ部１３ｂ３からなるコア１３ｂの断面形状が左右対称であればよい。言い換えれば、第１の導波路１３ｂ１の断面形状と、第２の導波路１３ｂ２の断面形状とが合同であり、かつ、スラブ部１３ｂ３の厚さが一定であればよい。
【００６４】
なお、条件（１）に関して、第１の導波路１３ｂ１におけるｎｅｆｆ（ＴＥ１）、及び、第２の導波路１３ｂ２におけるｎｅｆｆ（ＴＥ１）は、（４）式により定義されるδが（５）式により定義されるχよりも小さくなる程度に近ければ十分である。言い換えれば、δがχよりも小さくなる程度に（４）式に表されるΔＮＩが小さければよい。また、条件（２）に関して、方向性結合部１ｂの長さがＴＥ１偏波の結合長に近いとは、方向性結合部の長さがＴＥ１偏波の結合長Ｌｃ（ＴＥ１）に対して、８０％以上、１２０％以下の範囲内となることを意味する。この範囲は、（１）式に現れるｓｉｎ２（ｑＬ）が０．９以上となるように定められている。（１）式に現れるｓｉｎ２（ｑＬ）が０．９以上となる方向性結合部の結合効率Ｔは、十分に高いと言える。
【００６５】
また、条件（３）を満たすことによって、ＴＥ１偏波が第１の導波路１３ｂ１から第２の導波路１３ｂ２へ遷移する場合の結合長Ｌｃ（ＴＥ１）は、ＴＥ０偏波が第１の導波路１３ｂ１から第２の導波路１３ｂ２へ遷移する場合の結合長Ｌｃ（ＴＥ０）より短くなる。したがって、条件（３）を満たすことによって、方向性結合部１ｂのサイズ（長さ）を短く設計することが可能になる。方向性結合部１ｂのサイズを抑制するために、ＴＥ１偏波に対する第１の導波路１３ｂ１及び第２の導波路１３ｂ２の光結合は、より強いことが好ましい。
【００６６】
また、方向性結合部１ｂのサイズをＬｃ（ＴＥ１）と一致する長さとした場合、ＴＥ０偏波が第１の導波路１３ｂ１から第２の導波路１３ｂ２へ遷移する確率を抑制することができる。したがって、ＴＥ０偏波に対するＴＥ１偏波の偏波消光比を向上させることができる。偏波消光比を向上させる点において、ＴＥ１偏波に対する第１の導波路１３ｂ１及び第２の導波路１３ｂ２の光結合と、ＴＥ０偏波に対する第１の導波路１３ｂ１及び第２の導波路１３ｂ２の光結合との差は、より大きいことが好ましい。
【００６７】
条件（３）を満たすために、方向性結合部１ｂは、スラブ部１３ｂ３を備えている。スラブ部１３ｂ３が第１の導波路１３ｂ１及び第２の導波路１３ｂ２の間に介在し、スラブ部１３ｂ３の厚さが第１の導波路１３ｂ１及び第２の導波路１３ｂ２の厚さより薄いことによって、第１の導波路１３ｂ１におけるＴＥ１偏波の電界（ＥＸ成分）分布は、第１の導波路１３ｂ１におけるＴＥ０偏波の電界（ＥＸ成分）分布と比較して、第２の導波路１３ｂ２の方向へ広がる。ＴＥ１偏波の電界（ＥＸ成分）分布は、ＴＥ１偏波が導波する導波路の幅に強く依存する。第１の導波路１３ｂ１と連通するスラブ部１３ｂ３を設けられていることは、ＴＥ１偏波が導波する導波路の実効的な幅を広げることを意味し、第１の導波路１３ｂ１を導波するＴＥ１偏波電界（ＥＸ成分）分布を、第１の導波路１３ｂ１から第２の導波路１３ｂ２の方向へ大きく広げることを可能とする。
【００６８】
したがって、第１の導波路１３ｂ１におけるＴＥ１偏波の電界と、第２の導波路１３ｂ２におけるＴＥ１偏波の電界との重なりが大きくなり、ＴＥ１偏波の光結合は強くなる。言い換えれば、第１の導波路１３ｂ１を導波するＴＥ１偏波の電界ベクトルＥ１と、第２の導波路１３ｂ２を導波するＴＥ１偏波の電界ベクトルＥ２との内積が大きくなる。その結果として（５）式に現れる結合係数χが大きくなる。すなわち、ＴＥ１偏波に対する第１の導波路１３ｂ１及び第２の導波路１３ｂ２の光結合が強くなる。結合係数χが大きくなることは、（３）式に現れるｑが大きくなることを意味し、（１）式に現れるｓｉｎ（ｑＬ）を１にするために要求されるＬを抑制することが可能となる。また、設計波長から外れたＴＥ１偏波に生じる損失を減少させることも可能になる。
【００６９】
なお、従来技術に係る偏波ビームコンバイナ６において２つのコア間を遷移するＴＭ０偏波の電界（ＥＸ成分）分布は、ＴＥ１偏波の電界（ＥＸ成分）分布と比較して、よりコアの内側に閉じ込められている。したがって、ＴＭ０偏波に対する第１の導波路１３ｂ１及び第２の導波路１３ｂ２の光結合は、ＴＥ１偏波に対する光結合と比較しても弱い。
【００７０】
なお、条件（３）は、第１の導波路１３ｂ１におけるｎｅｆｆ（ＴＥ０）が第１の導波路１３ｂ１におけるｎｅｆｆ（ＴＥ１）より大きい、と言い換えることもできる。実効屈折率がより大きいことは、第１の導波路１３ｂ１を伝播する光の電界ベクトルが第１の導波路１３ｂ１内により閉じ込められていることを意味するためである。
【００７１】
また、条件（３）を満たすことによって、ＴＥ０偏波に対する第１の導波路１３ｂ１及び第２の導波路１３ｂ２の光結合を弱くすることが可能になる。したがって、（３）式に現れるｑは小さくなり（１）式で表されるＴＥ０偏波に対するＴは、ＴＥ１偏波に対するＴと比較して小さくなる。このことは、第１の導波路１３ｂ１を導波するＴＥ１偏波が第２の導波路１３ｂ２に遷移しにくい、及び、第２の導波路１３ｂ２を導波するＴＥ１偏波が第１の導波路１３ｂ１に遷移しにくいことを意味する。
【００７２】
基板型導波路素子１の方向性結合部１ｂのコア１３ｂは、条件（１）及び条件（３）を同時に満たすべく、図１（ｂ）に示すように、長方形の断面を有する第１の導波路１３ｂ１、長方形の断面を有する第２の導波路１３ｂ２、及び、第１の導波路１３ｂ１と第２の導波路１３ｂ２とをつなぐスラブ部１３ｂ３を備えている。本実施形態において、第１の導波路１３ｂ１の長方形の断面（例えば入射端面１３ｂ４、出射端面１３ｂ７など）と、第２の導波路１３ｂ２の長方形の断面（入射端面１３ｂ５、出射端面１３ｂ８など）とは合同であることが好ましい。言い換えれば、第１の導波路１３ｂ１の幅及び第２の導波路１３ｂ２の幅は等しいことが好ましく、第１の導波路１３ｂ１の厚さ及び第２の導波路１３ｂ２の厚さは等しいことが好ましい。スラブ部１３ｂ３の厚さは、第１の導波路１３ｂ１の厚さ、及び、第２の導波路１３ｂ２の厚さより薄い。したがって、コア１３ｂの入射端面（１３ｂ４、１３ｂ５及び１３ｂ６）から出射端面（１３ｂ７、１３ｂ８及び１３ｂ９）へ向かう方向に直行する断面は、中央部が両端部よりへこんだＵ字型形状と表現できる。このように、コア１３ｂの断面は、図１（ｂ）に示すＵ字型形状であり、左右対称な形状であるため、条件（１）は満たされる。したがって、（４）式で定義されるδは、０又は０に近い小さい値となる。
【００７３】
次に、コア１３ｂの断面をＵ字型形状とすることによって、条件（３）が満たされる理由について、図２を参照して説明する。本実施形態では、説明を明確にするためコア１３ｂを左右方向に二等分した構成を用いる。以下において、スラブ部１３ｂ３を二等分したスラブ部のうち第１の導波路１３ｂ１の側面に接している方のスラブ部をスラブ部１３ｂ３’と表記する。図２（ａ）は、第１の導波路１３ｂ１及びスラブ部１３ｂ３’を導波するＴＥ０偏波（波長１５８０ｎｍ）の電界（Ｅｘ成分）分布を示すグラフである。図２（ｂ）は、第１の導波路コア１３ｂ１及びスラブ部１３ｂ３’を導波するＴＥ１偏波（波長１５８０ｎｍ）の電界（Ｅｘ成分）分布を示すグラフである。図２（ｃ）は、図２（ａ）及び（ｂ）に示す電界分布を得るために用いたコア１３ｂを左右方向に二等分したコア１３ｂ’の形状を示す断面図である。図２（ａ）〜（ｃ）に示すコア１３ｂ’は、第１の導波路１３ｂ１と、スラブ部１３ｂ３’とからなる。
【００７４】
図２（ａ）に示すグラフを参照すると、第１の導波路１３ｂ１及びスラブ部１３ｂ３’を導波するＴＥ０偏波に関して、スラブ部１３ｂ３’内に形成される電界が弱い（後述するＴＥ１偏波と比較して弱い）こと、及び、第１の導波路１３ｂ１外への電界の浸み出しが少ないことが見てとれる。また、図２（ｂ）に示すグラフを参照すると、第１の導波路１３ｂ１を伝播するＴＥ１偏波に関して、スラブ部１３ｂ３’内に形成される電界が強い（上述のＴＥ０偏波と比較して強い）こと、及び、第１の導波路１３ｂ１外への電界の浸み出し、特に第２の導波路１３ｂ２方向への浸み出しが多いことが見て取れる。ここで注目すべきは、ＴＥ１偏波の第１の導波路１３ｂ１外への浸み出しがスラブ部１３ｂ３’を介して第２の導波路１３ｂ２の方向へ有意に広がっている点である。これは、ＴＥ１偏波がＴＥ０偏波に比べてより高次のＴＥ偏波であり、高次な偏波モードほど電界の閉じ込めが弱くなるためである。
【００７５】
また、コア１３ｂを左右方向に二等分されたコアは、互いに等価な構造である。したがって、第１の導波路１３ｂ１を伝播するＴＥ１偏波の電界（Ｅｘ成分）分布と同様に第２の導波路１３ｂ２を伝播するＴＥ１偏波の電界（Ｅｘ成分）分布は、第２の導波路１３ｂ２内にとどまらず、二等分されたスラブ部を介して第１の導波路１３ｂ１の方向へ広がっている。一方、第２の導波路１３ｂ２を導波するＴＥ０偏波は、第２の導波路１３ｂ２外への電界の浸み出しは少なくなる。
【００７６】
以上のことから、第１の導波路１３ｂ１を導波するＴＥ１偏波の電界分布と、第２の導波路１３ｂ２を導波するＴＥ１偏波の電界分布との内積（Ｅ１＊・Ｅ２）は、第１の導波路１３ｂ１を伝播するＴＥ０偏波の電界分布と、第２の導波路１３ｂ２を導波するＴＥ０偏波の電界分布との内積（Ｅ１＊・Ｅ２）と比較して優位に大きくなる。したがって、方向性結合部１ｂにおいて、ＴＥ１偏波に対するχは、ＴＥ０偏波に対するχより有意に大きくなる。以上のことから、方向性結合部１ｂの長さをＴＥ１偏波に対する結合長に設定した場合、ＴＥ１偏波よりχが小さなＴＥ０偏波は、第１の導波路１３ｂ１から第２の導波路１３ｂ２へ遷移することができず、方向性結合部１ｂは、偏波消光比を向上させることが可能である。
【００７７】
（偏波変換部）
図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、第２の区間である偏波変換部１ａは、第１の区間である方向性結合部１ｂの出力側に配置されており、下部クラッド１１ａ、上部クラッド１２ａ及びコア１３ａを備えている。コア１３ａは、第３の導波路１３ａ２と第１のテーパー部１３ａ３とを備えている。以下において、第３の導波路１３ａ２に光が入射する面を入射端面１３ａ６と呼称し、第１のテーパー部１３ａ３に光が入射する面を入射端面１３ａ７と呼称する。また、第３の導波路１３ａ２から光が出射する面を出射端面１３ａ９と呼称する。
【００７８】
第３の導波路１３ａ２は、第２の導波路１３ｂ２を延長したものである。第２の導波路１３ｂ２との境界面における第３の導波路１３ａ２の断面（入射端面１３ａ６）は、第２の導波路１３ｂ２の断面（出射端面１３ｂ８）と合同である。第１のテーパー部１３ａ３は、第１のスラブ部であるスラブ部１３ｂ３を延長したものであり、その側面を介して第３の導波路１３ａ２に連通し、第１の区間である方向性結合部１ｂから遠ざかるに従って幅が狭くなるように構成されている。言い換えれば、第１のテーパー部１３ａ３の幅は、スラブ部１３ｂ３との境界面から遠ざかるに従って狭くなるように構成されている。また、第１のテーパー部１３ａ３の幅は、出射端面１３ａ９において０になることが好ましい。スラブ部１３ｂ３との境界面における第１のテーパー部１３ａ３の断面（入射端面１３ａ７）は、スラブ部１３ｂ３の断面（出射端面１３ｂ９）に包含されている。
【００７９】
偏波変換部１ａが備えている第３の導波路１３ａ２及び第１のテーパー部１３ａ３は、予め定められた設計波長において、以下の条件（４）〜（７）を満たすように設計されている。
【００８０】
（４）第３の導波路１３ａ２の入射端面１３ａ６及び第１のテーパー部１３ａ３の入射端面１３ａ７において、ｎｅｆｆ（ＴＥ１）＞ｎｅｆｆ（ＴＭ０）であり、出射端面１３ａ９において、ｎｅｆｆ（ＴＥ１）＜ｎｅｆｆ（ＴＭ０）である。
【００８１】
（５）第３の導波路１３ａ２及び第１のテーパー部１３ａ３における光の伝播方向に対して垂直な断面の形状は、上下非対称である。
【００８２】
（６）第３の導波路１３ａ２及び第１のテーパー部１３ａ３の全区間において、ｎｅｆｆ（ＴＥ０）は、ｎｅｆｆ（ＴＥ１）及びｎｅｆｆ（ＴＭ０）のいずれよりも大きい。
【００８３】
（７）第３の導波路１３ａ２及び第１のテーパー部１３ａ３の長さは、ＴＥ１偏波をＴＭ０偏波に変換するために十分な長さである。
【００８４】
条件（４）及び（５）を満たすことによって、第３の導波路１３ａ２及び第１のテーパー部１３ａ３を入射端面側から出射端面側へ伝播するＴＥ１偏波は、伝播するにしたがってＴＭ０偏波に変換される。したがって、第３の導波路１３ａ２及び第１のテーパー部１３ａ３は、ＴＥ１偏波をＴＭ０偏波へ変換する偏波変換部として機能する。
【００８５】
条件（６）を満たすことによって、第３の導波路１３ａ２及び第１のテーパー部１３ａ３を入射端面側から出射端面側へ伝播するＴＥ０偏波は、ＴＥ１偏波及びＴＭ０偏波のいずれにも変換されない。
【００８６】
条件（７）を満たすことによって、第３の導波路１３ａ２の入射端面１３ａ６及び第１のテーパー部１３ａ３の入射端面１３ａ７に入射されたＴＥ１偏波は、ＴＭ０偏波に変換されて第３の導波路１３ａ２の出射端面１３ａ９から出力される。したがって、第３の導波路１３ａ２から出射される光は、ほぼＴＥ１偏波を含まない。
【００８７】
なお、条件（４）を満たすために、偏波変換部１ａのコア１３ａは、第３の導波路１３ａ２と第１のテーパー部１３ａ３とを備えており、入射端面１３ａ６及び１３ａ７において第１のテーパー部１３ａ３は、第３の導波路１３ａ２に隣接し導波路１３ａ１の方向へ延びていればよい。入射端面１３ａ６及び１３ａ７は、長方形の断面から突出部が導波路１３ａ１の方向へ突出している階段形状と表現できる。
【００８８】
長方形の断面から突出部が突出していない場合と比較して、当該突出部が突出していることによって、ＴＥ１偏波の電界は、コア１３ａ（第３の導波路１３ａ２及び第１のテーパー部１３ａ３）の内部に閉じこめられる。一方、ＴＭ０偏波の電界は、突出部の影響をあまり受けずコア１３ａの外部、すなわち下部クラッド１１ａ及び上部クラッド１２ａにしみ出したままである。したがって、入射端面１３ａ６及び１３ａ７において、ｎｅｆｆ（ＴＥ１）＞ｎｅｆｆ（ＴＭ０）が満たされる。
【００８９】
コア１３ａの出射端面１３ａ９において、第１のテーパー部１３ａ３の幅は０であり、長方形の断面から突出する突出部はない。出射端面１３ａ９の形状は、ｎｅｆｆ（ＴＥ１）＜ｎｅｆｆ（ＴＭ０）を満たすように設計されている。
【００９０】
突出部である第１のテーパー部１３ａ３の幅は、方向性結合部１ｂとの境界面から遠ざかるにしたがって狭くなればよい。第１のテーパー部１３ａ３の幅が狭くなることは、ＴＥ１偏波のコア１３ａの内部への閉じ込めを弱め、ｎｅｆｆ（ＴＥ１）を小さくする。一方、ＴＭ０偏波は、第１のテーパー部１３ａ３の幅が狭くなることの影響をＴＥ１偏波と比較して受けない。したがって、ｎｅｆｆ（ＴＭ０）は、第１のテーパー部１３ａ３の幅が狭くなってもあまり変化しない。以上のように、ｎｅｆｆ（ＴＥ１）とｎｅｆｆ（ＴＭ０）とは、第１のテーパー部１３ａ３の幅に対して異なる依存性を有する。この依存性の違いを利用することによって、（ａ）コア１３ａは、その入射端面におけるｎｅｆｆ（ＴＥ１）とｎｅｆｆ（ＴＭ０）との大小関係と、（ｂ）その出射端面におけるｎｅｆｆ（ＴＥ１）とｎｅｆｆ（ＴＭ０）との大小関係とを反転する。
【００９１】
以上のように構成された第３の導波路１３ａ２及び第１のテーパー部１３ａ３は、条件（４）を満たす。
【００９２】
また、条件（５）を満たすために、第１のテーパー部１３ａ３は、下部クラッド１１上に直接設けられており、その高さは、第１のテーパー部１３ａ３の高さより低ければよい。当該構成によれば、コア１３ａの断面は、上下非対称な階段形状になる。
【００９３】
条件（６）を満たすために、第３の導波路１３ａ２の長方形の断面において、幅は高さより長ければよい。長方形の断面の幅が高さより長いことによって、ＴＥ０偏波は、ＴＭ０偏波と比較して第３の導波路１３ａ２の内部に閉じ込められる。したがって、コア１３ａの全域を通じてｎｅｆｆ（ＴＥ０）＞ｎｅｆｆ（ＴＭ０）が満たされる。また、ＴＥ０偏波は、ＴＥ偏波のうち実効屈折率が最も高い偏波である。したがって、コア１３ａの全域を通じてｎｅｆｆ（ＴＥ０）＞ｎｅｆｆ（ＴＥ１）が満たされる。以上のように、コア１３ａの全域を通じて、ｎｅｆｆ（ＴＥ０）は、ｎｅｆｆ（ＴＥ１）及びｎｅｆｆ（ＴＭ０）のいずれよりも大きい。
【００９４】
条件（７）を満たすために、第３の導波路１３ａ２及び第１のテーパー部１３ａ３を伝播し、出射端面１３ａ９から出射されるＴＥ１偏波とＴＭ０偏波との比率を表す損失は、０．１ｄＢ以下であれば十分である。損失を０．１ｄＢ以下に抑制可能な第１のテーパー部１３ａ３の長さについては、実施例において後述する。
【００９５】
なお、条件（４）は、以下の条件（４’）のように言い換えることも可能である。
（４’）第３の導波路１３ａ２の入射端面１３ａ６及び第１のテーパー部１３ａ３の入射端面１３ａ７において、ＴＥ１偏波の電界は、ＴＭ０偏波の電界と比較して第３の導波路１３ａ２及び第１のテーパー部１３ａ３の内部に閉じ込められている。出射端面１３ａ９に近づくにしたがってＴＥ１偏波の電界は、第３の導波路１３ａ２及び第１のテーパー部１３ａ３から多くしみ出すようになり、出射端面１３ａ９において、ＴＥ１偏波の電界は、ＴＭ０偏波の電界と比較して第３の導波路１３ａ２から多くしみ出している。
【００９６】
図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、第３の区間である偏波変換部１ｃは、方向性結合部１ｂの入力側に配置されており、下部クラッド１１ｃ、上部クラッド１２ｃ及びコア１３ｃを備えている。コア１３ｃは、第４の導波路１３ｃ１と第２のテーパー部１３ｃ３とを備えている。以下において、第４の導波路に光が入射する面を入射端面１３ｃ５と呼称する。また、第４の導波路から光が出射する面を出射端面１３ｃ７と呼称し、第２のテーパー部１３ｃ３から光が出射する面を出射端面１３ｃ９と呼称する。
【００９７】
第４の導波路１３ｃ１は、第１の導波路１３ｂ１を延長したものである。第１の導波路１３ｂ１との境界面における第４の導波路１３ｃ１の断面（出射端面１３ｃ７）は、第１の導波路１３ｂ１の断面（入射端面１３ｂ４）と合同である。第２のテーパー部１３ｃ３は、第１のスラブ部であるスラブ部１３ｂ３を延長したものであり、その側面を介して第４の導波路１３ｃ１に連通し、第１の区間である方向性結合部１ｂから遠ざかるに従って幅が狭くなるように構成されている。言い換えれば、第２のテーパー部１３ｃ３の幅は、スラブ部１３ｂ３との境界面から遠ざかるに従って狭くなるように構成されている。また、第２のテーパー部１３ｃ３の幅は、入社端面１３ｃ５において０になることが好ましい。スラブ部１３ｂ３との境界面における第２のテーパー部１３ｃ３の断面（出射端面１３ｃ９）は、スラブ部１３ｂ３の断面（入社端面１３ｂ６）に包含されている。
【００９８】
図１（ｂ）に示すように、偏波変換部１ｃは、偏波変換部１ａの入射側と出射側とを反転させた構成である。したがって、偏波変換部１ｃは、予め定められた設計波長において、以下の条件（８）〜（１１）を満たすように設計されている。
（８）第４の導波路１３ｃ１の入射端面１３ｃ５においてｎｅｆｆ（ＴＭ０）＞ｎｅｆｆ（ＴＥ１）であり、出射端面（１３ｃ７及び１３ｃ９）においてｎｅｆｆ（ＴＭ０）＜ｎｅｆｆ（ＴＥ１）である。
（９）第４の導波路１３ｃ１及び第２のテーパー部１３ｃ３における光の伝播方向に対して垂直な断面の形状は、第４の導波路１３ｃ１及び第２のテーパー部１３ｃ３の厚さ方向に対して非対称である。
（１０）第４の導波路１３ｃ１及び第２のテーパー部１３ｃ３の全区間において、ｎｅｆｆ（ＴＥ０）は、ｎｅｆｆ（ＴＥ１）及びｎｅｆｆ（ＴＭ０）のいずれよりも大きい。
（１１）第４の導波路１３ｃ１及び第２のテーパー部１３ｃ３の長さは、ＴＭ０偏波をＴＥ１偏波に変換するために十分な長さである。
【００９９】
条件（８）及び（９）を満たすことによって、第４の導波路１３ｃ１及び第２のテーパー部１３ｃ３を入射端面側から出射端面側へ伝播するＴＭ０偏波は、伝播するにしたがってＴＥ１偏波に変換される。したがって、第４の導波路１３ｃ１及び第２のテーパー部１３ｃ３は、ＴＭ０偏波をＴＥ１偏波へ変換する偏波変換部として機能する。
【０１００】
条件（１０）を満たすことによって、第４の導波路１３ｃ１の入射端面１３ｃ５に入射する光に、ＴＥ０偏波が含まれたとしても、第４の導波路１３ｃ１及び第２のテーパー部１３ｃ３を入射端面側から出射端面側へ伝播するＴＥ０偏波は、ＴＥ１偏波及びＴＭ０偏波のいずれにも変換されない。
【０１０１】
条件（１１）を満たすことによって、第４の導波路１３ｃ１の入射端面１３ｃ５に入射されたＴＭ０偏波は、ＴＥ１偏波に変換されて第４の導波路１３ｃ１の出射端面１３ａ９及び第２のテーパー部１３ｃ３の出射端面１３ｃ９から出力される。したがって、第４の導波路１３ｃ１及び第２のテーパー部１３ｃ３から出射される光は、ほぼＴＭ０偏波を含まない。
【０１０２】
偏波変換部１ｃは、偏波変換部１ａの入射側と出射側とを反転させて配置した構成である。具体的には、偏波変換部１ｃの入射端面は、偏波変換部１ａの出射端面に対応し、偏波変換部１ｃの出射端面は、偏波変換部１ａの入射端面に対応する。したがって、偏波変換部１ｃが満たすべき条件（８）〜（１１）は、偏波変換部１ａが満たすべき条件（４）〜（７）に対応する。
【０１０３】
条件（８）を満たすために、偏波変換部１ｃのコア１３ｃは、第４の導波路１３ｃ１と第２のテーパー部１３ｃ３とを備えており、出射端面１３ｃ７及び１３ｃ９において第２のテーパー部１３ｃ３は、第４の導波路１３ｃ１に隣接し導波路１３ｃ２の方向へ延びていればよい。出射端面１３ｃ７及び１３ｃ９は、長方形の断面から突出部が導波路１３ｃ２の方向へ突出している階段形状と表現できる。
【０１０４】
長方形の断面から突出部が突出していない場合と比較して、当該突出部が突出していることによって、ＴＥ１偏波の電界は、コア１３ｃ（第４の導波路１３ｃ１及び第２のテーパー部１３ｃ３）の内部に閉じこめられる。一方、ＴＭ０偏波の電界は、突出部の影響をあまり受けず第４の導波路１３ｃ１及び第２のテーパー部１３ｃ３の外部、すなわち下部クラッド１１ａ及び上部クラッド１２ａにしみ出したままである。したがって、出射端面１３ｃ７及び１３ｃ９において、ｎｅｆｆ（ＴＥ１）＞ｎｅｆｆ（ＴＭ０）が満たされる。
【０１０５】
コア１３ｃの入射端面１３ｃ５において、第２のテーパー部１３ｃ３の幅は０であり、長方形の断面から突出する突出部はない。入射端面１３ｃ５の形状は、ｎｅｆｆ（ＴＥ１）＜ｎｅｆｆ（ＴＭ０）を満たすように設計されている。
【０１０６】
突出部である第２のテーパー部１３ｃ３の幅は、方向性結合部１ｂとの境界面から遠ざかるにしたがって狭くなればよい。第２のテーパー部１３ｃ３の幅が狭くなることは、ＴＥ１偏波のコア１３ｃの内部への閉じ込めを弱め、ｎｅｆｆ（ＴＥ１）を小さくする。一方、ＴＭ０偏波は、第１のテーパー部１３ａ３の幅が狭くなることの影響をＴＥ１偏波と比較して受けない。したがって、ｎｅｆｆ（ＴＭ０）は、第１のテーパー部１３ａ３の幅が狭くなってもあまり変化しない。以上のように、ｎｅｆｆ（ＴＥ１）とｎｅｆｆ（ＴＭ０）とは、第２のテーパー部１３ｃ３の幅に対して異なる依存性を有する。この依存性の違いを利用することによって、（ａ）コア１３ｃは、その入射端面におけるｎｅｆｆ（ＴＥ１）とｎｅｆｆ（ＴＭ０）との大小関係と、（ｂ）その出射端面におけるｎｅｆｆ（ＴＥ１）とｎｅｆｆ（ＴＭ０）との大小関係とを反転する。
【０１０７】
以上のように構成された第４の導波路１３ｃ１及び第２のテーパー部１３ｃ３は、条件（８）を満たす。
【０１０８】
また、条件（９）を満たすために、第２のテーパー部１３ｃ３は、下部クラッド１１上に直接設けられており、その高さは、第２のテーパー部１３ｃ３の高さより低ければよい。当該構成によれば、コア１３ｃの断面は、上下非対称な階段形状になる。
【０１０９】
条件（１０）を満たすために、第４の導波路１３ｃ１の長方形の断面において、幅は高さより長ければよい。長方形の断面の幅が高さより長いことによって、ＴＥ０偏波は、ＴＭ０偏波と比較して第４の導波路１３ｃ１の内部に閉じ込められる。したがって、コア１３ｃの全域を通じてｎｅｆｆ（ＴＥ０）＞ｎｅｆｆ（ＴＭ０）が満たされる。また、ＴＥ０偏波は、ＴＥ偏波のうち実効屈折率が最も高い偏波である。したがって、コア１３ｃの全域を通じてｎｅｆｆ（ＴＥ０）＞ｎｅｆｆ（ＴＥ１）が満たされる。以上のように、コア１３ｃの全域を通じて、ｎｅｆｆ（ＴＥ０）は、ｎｅｆｆ（ＴＥ１）及びｎｅｆｆ（ＴＭ０）のいずれよりも大きい。
【０１１０】
条件（１１）を満たすために、第４の導波路１３ｃ１及び第２のテーパー部１３ｃ３を伝播し、出射端面１３ｃ７及び１３ｃ９から出射されるＴＭ０偏波とＴＥ１偏波との比率を表す損失は、０．１ｄＢ以下であれば十分である。損失を０．１ｄＢ以下に抑制可能な第１のテーパー部１３ａ３の長さについては、実施例において後述する。
【０１１１】
なお、条件（８）は、以下の条件（８’）のように言い換えることも可能である。
（８’）第４の導波路１３ｃ１の出射端面１３ｃ７及び第２のテーパー部１３ｃ３の出射端面１３ｃ９において、ＴＥ１偏波の電界は、ＴＭ０偏波の電界と比較して第４の導波路１３ｃ１及び第２のテーパー部１３ｃ３の内部に閉じ込められている。入射端面１３ｃ５に近づくにしたがってＴＥ１偏波の電界は、第４の導波路１３ｃ１及び第２のテーパー部１３ｃ３から多くしみ出すようになり、入射端面１３ｃ５において、ＴＥ１偏波の電界は、ＴＭ０偏波の電界と比較して第４の導波路１３ｃ１から多くしみ出している。
【０１１２】
偏波変換部１ｃ、方向性結合部１ｂ及び偏波変換部１ａを備えている基板型導波路素子１は、第４の導波路１３ｃ１の入射端面１３ｃ５に入射されたＴＭ０偏波と、導波路１３ｃ２の入射端面１３ｃ６に入射されたＴＥ０偏波とを合波し、最終的に第３の導波路１３ａ２の出射端面１３ａ９からＴＭ０偏波及びＴＥ０偏波を出射する。具体的には、第４の導波路１３ｃ１の入射端面１３ｃ５に入射されたＴＭ０偏波は、偏波変換部１ｃの第４の導波路１３ｃ１及び第２のテーパー部１３ｃ３を導波する過程においてＴＭ０偏波からＴＥ１偏波へ変換される。当該ＴＥ１偏波は、偏波変換部１ｃの出射端面１３ｃ７及１３ｃ９から方向性結合部１ｂの入射端面１３ｂ４及び１３ｂ６へ入射し、第１の導波路１３ｂ１及びスラブ部１３ｂ３を導波する過程において第２の導波路１３ｂ２及びスラブ部１３ｂ３へ遷移する。当該ＴＥ１偏波は、方向性結合部１ｂの出射端面１３ｂ８及び１３ｂ９から偏波変換部１ａの入射端面１３ａ６及び１３ａ７へ入射する。偏波変換部１ａに入射されたＴＥ１偏波は、第３の導波路１３ａ２及び第１のテーパー部１３ａ３を導波する過程において、ＴＥ１偏波からＴＭ０偏波へ変換される。当該ＴＭ０偏波は、第３の導波路１３ａ２の出射端面１３ａ９から出力される。一方、導波路１３ｃ２の入射端面１３ｃ６に入射されたＴＥ０偏波は、導波路１３ｃ２、第２の導波路１３ｂ２及び第３の導波路１３ａ２を導波され、第３の導波路１３ａ２の出射端面１３ａ９から出射される。
【０１１３】
方向性結合部１ｂは、ＴＥ１偏波に対する第１の導波路１３ｂ１及び第２の導波路１３ｂ２の光結合を強くすることが可能なため、方向性結合部の長さを抑制することが可能であり、結果として、基板型導波路素子１の長さを抑制することが可能である。
【０１１４】
〔補足事項〕
偏波変換部１ａが備えている第１のテーパー部１３ａ３の幅が狭くなるに従い、ｎｅｆｆ（ＴＥ１）は小さくなる。その一方、ｎｅｆｆ（ＴＭ０）は、第１のテーパー部１３ａ３の幅が変化した場合にｎｅｆｆ（ＴＥ１）ほど変化しない。ｎｅｆｆ（ＴＥ１）は、ｎｅｆｆ（ＴＭ０）と比較して第１のテーパー部１３ａ３の幅に強く依存する理由を以下に説明する。
【０１１５】
ＴＥ１偏波の電界は、幅方向（ｘ方向）の電界成分（Ｅｘ）が主であり、ＴＭ０偏波の電界は、厚さ方向（ｙ方向）の電界成分（Ｅｙ）が主である。第３の導波路１３ａ２に隣接している第１のテーパー部１３ａ３は、第３の導波路１３ａ２の実効的な幅（実行幅）を広げる方向に作用する。一般的にコアを狭くすると、光（電界）の閉じ込めが小さくなるが、特に第３の導波路１３ａ２の実行幅を狭くした場合には、ＴＭ０偏波よりも、ＴＥ１偏波の方がその傾向が大きい。これは、電界の導波路とクラッドとの間の境界条件から説明できる。マクスウェルの方程式より、導波路側面(左右両方)における電界の境界条件は、以下の式（９）、及び式（１０）のように表される。
【０１１６】
【数９】
2015225252.tif 000011
【０１１７】
【数１０】
2015225252.tif 000012
【０１１８】
ここで、Ｅxcl（側面）は、側面境界上のクラッド側のＥｘ、Ｅxco（側面）は、側面境界上のコア側のＥｘ、Ｅycl（側面）は、側面境界上のクラッド側のＥｙ、Ｅyco（側面）は、側面境界上のコア側のＥｙ、Ｎcoは、コアの屈折率、Ｎclは、クラッドの屈折率をそれぞれ表している。
【０１１９】
ＴＥ１偏波は、式（９）が大きく関係し、ＴＭ０偏波は、式（１０）が大きく関係する。式（９）を見ると、Ｎco＞Ｎclである為、コア側面境界でＥｘは不連続になり、Ｅxcl（側面）＞Ｅxco（側面）より、クラッド側に大きく電界が分布する。その為、第３の導波路１３ａ２の実行幅が広い場合、外側に大きく分布していたＥｘが導波路に分布することになり、導波路に大きく電界が閉じ込められる。一方で、式（１０）を見ると、Ｅｙはコア側面境界で連続的に変化する。その為、第３の導波路１３ａ２の実行幅の変化に対して、Ｅｙ成分は、Ｅｘ成分ほど変化しない。従って、第３の導波路１３ａ２の実行幅を大きくすると、Ｅｙが主電界であるＴＭ０偏波に比べて、Ｅｘが主電界であるＴＥ１偏波の方が、導波路への光閉じ込めが大きくなる。以上のことから、ｎｅｆｆ（ＴＥ１）は、第１のテーパー部１３ａ３の幅、言い換えれば第３の導波路１３ａ２の実行幅への依存度がｎｅｆｆ（ＴＭ０）より強いといえる。
【０１２０】
〔副次的な効果と変形例〕
なお、本実施形態に係る基板型導波路素子１は、上述した効果の他に、以下の副次的な効果も奏する。
【０１２１】
偏波消光比に関係するＴＥ０偏波の結合長は、方向性結合部１ｂの第２の導波路１３ｂ２に入力した、偏波多重の為のＴＥ０偏波の損失を表している。従来技術と比較して短い方向性結合部の長さであっても偏波消光比を向上可能な本発明は、より短い方向性結合部の長さでＴＥ０偏波を低損失に偏波多重することが可能である。
【０１２２】
方向性結合部１ｂのコア１３ｂにおいて、スラブ部１３ｂ３の厚さは、第１の導波路１３ｂ１及び第２の導波路１３ｂ２の厚さより薄ければよい。偏波変換部１ａのコア１３ａにおいて、第１のテーパー部１３ａ３の厚さは、第３の導波路１３ａ２の厚さより薄ければよい。偏波変換部１ｃのコア１３ｃにおいて、第２のテーパー部１３ｃ３の厚さは、第４の導波路１３ｃ１の厚さより薄ければよい。したがって、例えば、リブ型位相変調器を含むシリコン光変調器の一部として基板型導波路素子１を構成する場合に、コア１３ｂのスラブ部１３ｂ３、コア１３ａの第１のテーパー部１３ａ３及びコア１３ｃの第２のテーパー部１３ｃ３の厚さをリブ型位相変調器の高さと一致させることができる。この場合、スラブ部１３ｂ３、第１のテーパー部１３ａ３及び第２のテーパー部１３ｃ３をリブ型位相変調器のリブと一括して形成することができるので、シリコン光変調器の製造が容易になる。
【０１２３】
なお、偏波変換部１ａは、導波路１３ａ１及びテーパー部１３ａ４を更に備えていることが好ましい。当該構成によれば、方向性結合部１ｂの第１の導波路１３ｂ１を伝播してきた偏波であって、第２の導波路１３ｂ２へ遷移しなかった偏波は、第１の導波路１３ｂ１の延長である導波路１３ａ１を伝播する。したがって、第１の導波路１３ｂ１を伝播してきた偏波であって、第２の導波路１３ｂ２へ遷移しなかった偏波は、第１の導波路１３ｂ１と導波路１３ａ１との境界面において反射することなく方向性結合部１ｂから出力されるため、ノイズの発生を抑制可能である。
【０１２４】
また、偏波変換部１ｃは、導波路１３ｃ２及びテーパー部１３ｃ４を更に備えていることが好ましい。当該構成によれば、導波路１３ｃ２の入射端面１３ｃ６に入射された偏波（例えばＴＭ０偏波）は、導波路１３ｃ２及びテーパー部１３ｃ４を伝播し、導波路１３ｃ２及びテーパー部１３ｃ４の出射端面から、第２の導波路１３ｂ２の入射端面１３ｂ５及びスラブ部１３ｂ３の入射端面１３ｂ６に入射する。この場合に、導波路１３ｃ２及びテーパー部１３ｃ４と、第２の導波路１３ｂ２及びスラブ部１３ｂ３との境界面において構造上の不連続が生じないため、導波路１３ｃ２を伝播してきたＴＭ０偏波は、上記境界面において損失を伴わずに方向性結合部１ｂの第２の導波路１３ｂ２及びスラブ部１３ｂ３に入射することが可能となる。
【０１２５】
また、本実施形態においては、方向性結合部１ｂの断面、偏波変換部１ａの入射端面及び偏波変換部１ｃの出射端面は、上側が開いたＵ字型形状としているが、本発明は、これに限定されない。たとえば、スラブ部１３ｂ３、第１のテーパー部１３ａ３及び第２のテーパー部１３ｃ３における上面が第１の導波路１３ｂ１、第２の導波路１３ｂ２、第３の導波路１３ａ２及び第４の導波路１３ｃ１の上面と一致するように形成されており、方向性結合部１ｂの断面、偏波変換部１ａの入射端面及び偏波変換部１ｃの出射端面は、下側が開いたＵ字型形状であってもよい。ただし、スラブ部１３ｂ３、第１のテーパー部１３ａ３及び第２のテーパー部１３ｃ３が下部クラッド１１上に形成されており、方向性結合部１ｂの断面、偏波変換部１ａの入射端面及び偏波変換部１ｃの出射端面が上側の開いたＵ字型形状である方が、基板型導波路素子１の製造をより容易にすることができる。なぜなら、方向性結合部１ｂの断面、偏波変換部１ａの入射端面及び偏波変換部１ｃの出射端面が上側の開いたＵ字型形状とした場合、コア１３を２回のエッチングによって形成することができるからである。
【０１２６】
また、本実施形態においては、第１の導波路１３ｂ１、第２の導波路１３ｂ２、第３の導波路１３ａ２、第４の導波路１３ｃ１、第１のテーパー部１３ａ３及び第２のテーパー部１３ｃ３の断面形状を長方形としたが、本発明はこれに限定されない。すなわち、第１の導波路１３ｂ１、第２の導波路１３ｂ２、第３の導波路１３ａ２、第４の導波路１３ｃ１、第１のテーパー部１３ａ３及び第２のテーパー部１３ｃ３の断面形状は、台形その他の四角形であればよい。なお、ここでいう「四角形」は、巨視的に見たときに四角形と見做せる図形であればよく、微視的に見たときに辺が曲がったり角が丸まったりしていても構わない。
【０１２７】
また、本実施形態において、コア１３は、シリコン製であるものとして説明している。したがって、本実施形態における第１の導波路１３ｂ１、第２の導波路１３ｂ２、第３の導波路１３ａ２、第４の導波路３３ｃ１、スラブ部１３ｂ３、第１のテーパー部１３ａ３及び第２のテーパー部１３ｃ３の屈折率は、いずれも同じである。しかし、方向性結合部１ｂにおいて、第１の導波路１３ｂ１、第２の導波路１３ｂ２及びスラブ部１３ｂ３は、異なる屈折率を有する異なる材料によって構成されていてもよい。ＴＥ１偏波がスラブ部１３ｂ３を介して第１の導波路１３ｂ１から第２の導波路１３ｂ２へ遷移するためには、Ｎ１≦ＮＳ≦Ｎ２が満たされていればよい。ここで、Ｎ１は第１の導波路１３ｂ１の屈折率であり、ＮＳはスラブ部１３ｂ３の屈折率であり、Ｎ２は第２の導波路１３ｂ２の屈折率である。ただし、製造時の工数を抑制するために、第１の導波路１３ｂ１、第２の導波路１３ｂ２及びスラブ部１３ｂ３は、同じ材料によって構成され、一括して製造されることが好ましい。
【０１２８】
〔実施例〕
本実施形態に係る基板型導波路素子１の一実施例について、図３〜図６を参照して説明する。
【０１２９】
図３（ａ）は、実施例に係る基板型導波路素子１が備えている方向性結合部１ｂの平面図であり、図３（ｂ）は、その方向性結合部１ｂの断面図である。図３（ｃ）は、（ｂ）及び（ｃ）に示す方向性結合部１ｂの偏波消光比及び結合長を、２つの導波路間の間隔ｇａｐを変えながら算出することにより得たグラフである。
【０１３０】
本実施例においては、以下の手順に従って、基板型導波路素子１が備える方向性結合部１ｂの断面形状を設計した。まず、コア１３ｂの断面形状を図３（ｂ）に示すＵ字型形状に決定した。具体的には、第１の導波路１３ｂ１及び第２の導波路１３ｂ２の厚さは、２２０ｎｍであり、スラブ部１３ｂ３の厚さは、９５ｎｍである。次に、図３（ａ）に示すように、第１の導波路１３ｂ１及び第２の導波路１３ｂ２の幅を、いずれも７００ｎｍに決定した。
なお、２つの方向性結合部１ｂの長さＬ２は、波長１５８０ｎｍのＴＥ１偏波に対する結合長Ｌｃに一致させた。
【０１３１】
なお、本実施例に係る基板型導波路素子１は、例えば以下のように製造することができる。まず、シリカ（Ｓｉ０２）層を２枚のシリコン（Ｓｉ）層で挟み込んだＳＯＩ（Silicon on insulator）基板を用意する（中間のシリカ層を下部クラッド１１として用い、上部のシリコン層を２つのコア１３として用いる）。次に、このＳＯＩ基板の上部のシリコン層に２回のエッチングを施すことによって、コア１３を形成する。次に、コア１３を埋設するように他のシリカ層を下部クラッド１１上に積層し、これを上部クラッド１２とする。
【０１３２】
以上のように設計した方向性結合部１ｂにおいて、第１の導波路１３ｂ１及び第２の導波路１３ｂ２間の間隔であるｇａｐを変えながら波長１５８０ｎｍでの偏波消光比及び結合長を算出した結果を図３（ｃ）に示す。ｇａｐを４００ｎｍから１２００ｎｍまで広げるに従って、偏波消光比は、約２０ｄＢから約４８ｄＢまで直線的に増大した、結合長は、約５μｍから約３０μｍまで指数的に増加した。図３（ｃ）に示す計算結果より、例えば偏波消光比が４５．０ｄＢとなる方向性結合部１ｂを実現するためには、ｇａｐを１０８５μｍにし、長さＬ２を２５μｍにすればよいことが確かめられた。
【０１３３】
図４（ａ）は、比較例に係る基板型導波路素子（偏波ビームコンバイナ）６が備えている方向性結合部の平面図であり、図４（ｂ）は、その方向性結合部の断面図である。図４（ｃ）は、（ａ）及び（ｂ）に示す方向性結合部の偏波消光比及び結合長を、２つの導波路間の間隔ｇａｐを変えながら算出することにより得たグラフである。
【０１３４】
本比較例に係る基板型導波路素子６が備えている方向性結合部は、シリカ製の下部クラッド６１と、下部クラッド６１上に形成された、シリコン製の２つのコア６３〜６４と、２つのコア６３〜６４を埋設するように下部クラッド２１上に積層された、シリカ製の上部クラッド６２とを備えている。２つのコア６３〜６４の断面形状は、互いに合同な長方形状である。
【０１３５】
本比較例においては、以下の手順に従って、基板型導波路素子６が備える２つのコア６３〜６４の断面形状を設計した。まず、２つのコア６３〜６４の高さを、本実施例に係る基板型導波路素子１が備える第１の導波路１３ｂ１及び第２の導波路１３ｂ２の高さと同じ２２０ｎｍとした。次に、２つのコア６３〜６４の幅ｇａｐを変化させながら、波長１５８０ｎｍでの偏波消光比及び結合長を算出し、図４（ｃ）に示すグラフを得た。なお、各ｇａｐに対する偏波消光比の算出に際し、２つのコア２３〜２４の並走区間の長さＬ２は、そのｇａｐに応じて決まるＴＭ０偏波の結合長Ｌｃに一致させた。
【０１３６】
図４（ｃ）に示すように、コア６３〜６４のｇａｐを広げるに従って、偏波消光比は直線的に増大し、結合長は指数的に増加した。基板型導波路素子６が備えている方向性結合部において確認された偏波消光比及び結合長の傾向は、基板型導波路素子１が備えている方向性結合部１ｂが示した偏波消光比及び結合長の傾向と同様である。しかし、同程度の偏波消光比を実現するために必要となる結合長は、基板型導波路素子６が備えている方向性結合部と、方向性結合部１ｂとにおいて著しく異なることが確認された。偏波消光比を４５．０ｄＢに設計する場合を例にすると、実施例に係る方向性結合部１ｂの場合、その長さを２５μｍとすればよいのに対し、比較例に係る方向性結合部の場合、その長さを６３０μｍにする必要があることが確認された。基板型導波路素子１の場合、方向性結合部１ｂに加えて偏波変換部１ａ及び１ｂを備える必要があるが、方向性結合部１ｂは、比較例に係る方向性結合部と比較して、そのサイズを大幅に抑制可能であることが確認された。偏波変換部の長さについては、図６を参照しながら後述する。
【０１３７】
図５は、図３に示す方向性結合部１ｂ（実施例）及び図４に示す方向性結合部（比較例）の結合長を、偏波消光比に対してプロットすることにより得たグラフである。図５に示すように、比較例に係る方向性結合部（従来技術）及び実施例に係る方向性結合部１ｂ（本発明）に係る方向性結合部は、何れにおいても偏波消光比と結合長との間に正の相関関係、より詳しくは指数関数的な正の相関関係を示す。図５の偏波消光比が２０〜５０ｄＢの範囲に示すように、比較例に係る方向性結合部の結合長（破線）は、偏波消光比が大きくなるにしたがって著しく長くなる。また、偏波消光比が大きくなるにしたがって、方向性結合部１ｂの結合長（実線）も長くなる。しかし、各偏波消光比におけるその傾きは、比較例に係る方向性結合部の場合と比較して、有意に小さい。この違いは、方向性結合部１ｂが備える第１の導波路１３ａ１と第２の導波路１３ａ２とのＴＥ１偏波に対する光結合が、比較例に係る方向性結合部が備えるコア６３とコア６４とのＴＭ０偏波に対する光結合より顕著に強いためことに起因すると考えられる。方向性結合部１ｂと比較例に係る方向性結合部との違いは、以下のようにも表現できる。図５に示す結合長の偏波消光比依存性を、指数関数を用いて表す場合に、（ａ）方向性結合部１ｂでは、ＴＥ１偏波に対する光結合が強いことに起因して、指数関数の底は小さく、（ｂ）比較例に係る方向性結合部では、ＴＭ０偏波に対する光結合が弱いことに起因して、指数関数における底は大きい。
【０１３８】
以上のように、第１の導波路１３ａ１と第２の導波路１３ａ２とのＴＥ１偏波に対する光結合が強いことによって、実施例に係る方向性結合部１ｂは、比較例に係る方向性結合部と比較して、偏波消光比を低下させることなく方向性結合部の素子サイズを抑制することが可能である。
【０１３９】
図６（ａ）は、実施例に係る基板型導波路素子１が備えている偏波変換部１ｃの平面図、より詳しくは、偏波変換部１ｃが備えている第４の導波路１３ｃ１及び第２のテーパー部１３ｃ３の平面図である。図６（ｂ）は、偏波変換部１ｃが備えている第４の導波路１３ｃ１及び第２のテーパー部１３ｃ３の断面図である。図６（ｃ）は、偏波変換部１ｃが備えている第４の導波路１３ｃ１及び第２のテーパー部１３ｃ３がＴＭ０偏波をＴＥ１偏波に変換する場合の損失を、偏波変換部１ｃの長さＬ１を変えながら算出することにより得たグラフである。図６（ｂ）に示すように、下部クラッド１１ｃ及び上部クラッド１２ｃは、シリカ製であり、第４の導波路１３ｃ１及び第２のテーパー部１３ｃ３は、シリコン製である。
【０１４０】
図６（ｃ）より、Ｌ１＝５０μｍにおいて偏波変換時の損失は、０．１ｄＢであり、ＴＭ０偏波をＴＥ１偏波へ変換する偏波変換部として十分に低損失となることが確認された。なお、詳細な計算結果は省略するが、偏波変換部１ｃの入射側と出射側とを入れ替えた構成である偏波変換部１ａにおける偏波の変換特性も同様に図６（ｃ）に示す結果と同様になることが確認された。
【０１４１】
なお、偏波変換部１ａにおいてＴＥ１偏波がＴＭ０偏波に変換される場合に、ＴＥ１偏波のごく一部がＴＥ０偏波に変換される可能性がある。これは、本来であればＴＭ０偏波として合波されるべき光が、ＴＥ０偏波に誤変換されて合波されることを意味する。基板型導波路素子１全体の偏波消光比は、偏波変換部１ａにおける上記誤変換の割合によって決定されることを発明者らは確認している。
【０１４２】
上述のようにＬ１＝５０μｍとした場合、ＴＥ１偏波からＴＥ０偏波への誤変換の割合は４５．６ｄＢであった。したがって、方向性結合部１ｂにおいて、４５．６ｄＢ以上の偏波消光比を得ることは無用に基板型導波路素子１の素子サイズを長くすることを意味する。そこで、Ｌ１＝５０μｍとした場合、方向性結合部１ｂの偏波消光比が４５．０ｄＢとなるようにｇａｐ及びＬ２の値を決定すればよい。図３（ｃ）に示す結果より、偏波消光比４５．０ｄＢを得るために必要なｇａｐは、１０８５ｎｍである。この時、ＴＥ１偏波の結合長は２５μｍとなる。したがって、方向性結合部１ｂの長さＬ２を２５μｍに設定した場合、ＴＥ１偏波の損失は、原理的に生じない。上述のように偏波変換部１ａ及び１ｃの長さＬ１は、５０μｍに設定すればよいので、基板型導波路素子１の素子全体のサイズ（長さ）は、Ｌ１×２＋Ｌ２＝１２５μｍとなった。
【０１４３】
一方、偏波消光比４５．０ｄＢが得られる基板型導波路素子を、比較例である基板型導波路素子６を用いて作製する場合、図４（ｃ）に示す結果より、ｇａｐを９９５ｎｍに設定すればよく、その場合のＴＭ０偏波の結合長は６３０μｍとなることが分かった。従って、比較例である基板型導波路素子６を用いる場合、基板型導波路素子の素子全体のサイズ（長さ）は、６３０μｍとなった。
【０１４４】
以上の結果から、実施例に係る基板型導波路素子１は、偏波消光比を低下させることなく素子サイズを抑制することができた。実施例に係る基板型導波路素子１と、比較例に係る基板型導波路素子６との比較では、基板型導波路素子１は、素子サイズを１／５以下に抑制可能であることが確認された。
【０１４５】
〔第２の実施形態〕
本発明の一実施形態に係る基板型導波路素子について、図面に基づいて説明すれば以下のとおりである。なお、本実施形態においては、ＴＥ０偏波とＴＥ１偏波とを合波し、当該ＴＥ１偏波をＴＭ０偏波へ変換し、ＴＥ０偏波とＴＭ０偏波として出力する基板型導波路素子について説明する。本実施形態に係る基板型導波路素子は、その前段にＴＥ０偏波をＴＥ１偏波へ変換する偏波変換素子と組み合わせ、当該偏波変換素子によって変換されたＴＥ１偏波を入力することによって、２つの異なるＴＥ０偏波を合波し、ＴＥ０偏波及びＴＭ０偏波を出力する偏波ビームコンバイナとして機能する。
【０１４６】
〔本実施形態に係る基板型導波路素子の構成〕
まず、本実施形態に係る基板型導波路素子２の構成について、図７を参照して説明する。図７（ａ）は、基板型導波路素子２の構成を示す斜視図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す基板型導波路素子が備えるコア２３の構成を示す斜視図である。なお、図７（ｂ）において、コア２３は、後述する２つの領域に対応するコア２３ａ及び２３ｂに分割して示されている。
【０１４７】
基板型導波路素子２は、図７（ａ）に示すように、シリカ（ＳｉＯ２）製の下部クラッド２１と、下部クラッド２１上に形成されたシリコン（Ｓｉ）製のコア２３と、コア２３を埋設するように下部クラッド２１上に積層されたシリカ（ＳｉＯ２）製の上部クラッド２２とを備えている。
【０１４８】
本実施形態において、基板型導波路素子２は、第１の区間である方向性結合部２ｂ及び第２の区間である偏波変換部２ａからなる。なお、偏波変換部２ａ及び方向性結合部２ｂの各区間は、基板型導波路素子２の構成を説明するために仮想的に分割したものである。偏波変換部２ａ及び方向性結合部２ｂの各区間は、一連の製造プロセスによって一括して製造されることが好ましい。また、偏波変換部２ａが備えているコア２３ａ及び方向性結合部２ｂが備えているコア２３ｂは、構造上の不連続が生じないように形成されていることが好ましい。
【０１４９】
（方向性結合部）
図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、方向性結合部２ｂは、下部クラッド２１ｂ、上部クラッド２２ｂ及びコア２３ｂを備えている。コア２３ｂは、長方形の断面を有する第１の導波路２３ｂ１と、長方形の断面を有する第２の導波路２３ｂ２と、板状部材であるスラブ部２３ｂ３とを備えている。第１のスラブ部であるスラブ部２３ｂ３は、厚みが第１の導波路２３ｂ１及び第２の導波路２３ｂ２の厚みより薄く、その側面を介して第１の導波路２３ｂ１及び第２の導波路２３ｂ２の双方に連通するものである。より詳しくは、スラブ部２３ｂ３は、（ｉ）スラブ部２３ｂ３の一方の側面と、第１の導波路２３ｂ１の一方の側面の一部とを介して、第１の導波路２３ｂ１に連通しており、（ｉｉ）スラブ部２３ｂ３の他方の側面と、第２の導波路２３ｂ２の一方の側面の一部とを介して、第２の導波路２３ｂ２に連通している。
【０１５０】
以下において、第１の導波路２３ｂ１に光が入射する面を入射端面２３ｂ４と呼称し、第２の導波路２３ｂ２に光が入射する面を入射端面２３ｂ５と呼称し、スラブ部２３ｂ３に光が入射する面を入射端面２３ｂ６と呼称する。また、第１の導波路２３ｂ１から光が出射する面を出射端面２３ｂ７と呼称し、第２の導波路２３ｂ２から光が出射する面を出射端面２３ｂ８と呼称し、スラブ部２３ｂ３から光が出射する面を出射端面２３ｂ９と呼称する。
【０１５１】
方向性結合部２ｂが備えている第１の導波路２３ｂ１、第２の導波路２３ｂ２及びスラブ部２３ｂ３は、第１の実施形態に係る基板型導波路素子１が備える方向性結合部１ｂと同様に構成されている。したがって、方向性結合部２ｂは、予め定められた設計波長において、第１の実施形態に記載された条件（１）〜（３）を満たすように設計されていればよい。方向性結合部２ｂは、方向性結合部１ｂと同じ技術的思想のもとに設計されているため、ここでは、その詳細な説明を省略する。
【０１５２】
（偏波変換部）
図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、第２の区間である偏波変換部２ａは、第１の区間である方向性結合部２ｂの出力側に配置されており、下部クラッド２１ａ、上部クラッド２２ａ及びコア２３ａを備えている。コア２３ａは、第３の導波路２３ａ２と第１のテーパー部２３ａ３とを備えている。以下において、第３の導波路２３ａ２に光が入射する面を入射端面２３ａ６と呼称し、第１のテーパー部２３ａ３に光が入射する面を入射端面２３ａ７と呼称する。また、第３の導波路２３ａ２から光が出射する面を出射端面２３ａ９と呼称する。
【０１５３】
第３の導波路２３ａ２は、第２の導波路２３ｂ２を延長したものである。第２の導波路２３ｂ２との境界面における第３の導波路２３ａ２の断面（入射端面１３ａ６）は、第２の導波路２３ｂ２の断面（出射端面２３ｂ８）と合同である。第１のテーパー部２３ａ３は、第１のスラブ部であるスラブ部２３ｂ３を延長したものであり、その側面を介して第３の導波路２３ａ２に連通し、第１の区間である方向性結合部２ｂから遠ざかるに従って幅が狭くなるように構成されている。言い換えれば、第１のテーパー部２３ａ３の幅は、スラブ部２３ｂ３との境界面から遠ざかるに従って狭くなるように構成されている。また、第１のテーパー部の幅は、出射端面２３ａ９において０になることが好ましい。スラブ部２３ｂ３との境界面における第１のテーパー部２３ａ３の断面（入射端面２３ａ７）は、スラブ部２３ｂ３の断面（出射端面２３ｂ９）に包含されている。
【０１５４】
偏波変換部２ａが備えている第３の導波路２３ａ２及び第１のテーパー部２３ａ３は、第１の実施形態に係る基板型導波路素子１が備える偏波変換部１ａと同様に構成されている。したがって、偏波変換部２ａは、予め定められた設計波長において、第１の実施形態に記載された条件（４）〜（７）を満たすように設計されている。偏波変換部２ａは、偏波変換部１ａと同じ技術的思想のもとに設計されているため、本実施形態ではその詳細な説明を省略する。
【０１５５】
方向性結合部２ｂ及び偏波変換部２ａを備えている基板型導波路素子２は、第１の導波路２３ｂ１の入射端面２３ｂ４に入射されたＴＥ１偏波と、第２の導波路２３ｂ２の入射端面２３ｂ５に入射されたＴＥ０偏波とを合波し、最終的に第３の導波路２３ａ２の出射端面２３ａ９からＴＭ０偏波及びＴＥ０偏波を出射する。具体的には、第１の導波路２３ｂ１の入射端面２３ｂ４に入射されたＴＥ１偏波は、第１の導波路２３ｂ１及びスラブ部２３ｂ３を導波する過程において第２の導波路２３ｂ２及びスラブ部２３ｂ３へ遷移する。当該ＴＥ１偏波は、方向性結合部２ｂの出射端面２３ｂ８及び２３ｂ９から偏波変換部２ａの入射端面２３ａ６及び２３ａ７へ入射する。偏波変換部２ａに入射されたＴＥ１偏波は、第３の導波路２３ａ２及び第１のテーパー部２３ａ３を導波する過程において、ＴＥ１偏波からＴＭ０偏波へ変換される。当該ＴＭ０偏波は、第３の導波路２３ａ２の出射端面２３ａ９から出力される。一方、第２の導波路２３ｂ２の入射端面２３ｂ５に入射されたＴＥ０偏波は、主に第２の導波路２３ｂ２及び第３の導波路２３ａ２の内部を導波され、第３の導波路２３ａ２の出射端面２３ａ９から出射される。
【０１５６】
方向性結合部２ｂは、ＴＥ１偏波に対する第１の導波路２３ｂ１及び第２の導波路２３ｂ２の光結合を強くすることが可能なため、偏波消光比を低下させることなく方向性結合部の長さを抑制することが可能である。結果として、方向性結合部２ｂを備えている基板型導波路素子２の長さを抑制することが可能である。
【０１５７】
基板型導波路素子２は、例えば、ＴＥ０偏波をＴＥ１偏波に変換するＴＥ偏波変換素子と組み合わせることによってＴＥ０偏波と、ＴＭ０偏波を合波する偏波ビームコンバイナを構成することができる。具体的には、上記ＴＥ偏波変換素子の後段に基板型導波路素子２を配置する。上記ＴＥ偏波変換素子は、入力部に入力されたＴＥ０偏波をＴＥ１偏波に変換して出力する。上記ＴＥ偏波変換素子が出力したＴＥ１偏波を、基板型導波路素子２が備えている第１の導波路２３ｂ１の入射端面２３ｂ４に入射させる。一方、第２の導波路２３ｂ２の入射端面２３ｂ５には、上記ＴＥ偏波変換素子に入力したＴＥ０偏波と合波するＴＭ０偏波を入射させる。
【０１５８】
上記の構成によれば、基板型導波路素子２は、第１の導波路２３ｂ１に入射されたＴＥ１偏波を、スラブ部２３ｂ３を介して第２の導波路２３ｂ２に遷移させ、最終的には第３の導波路１３ａ２の出射端面２３ａ９からＴＭ０偏波として出射する。また、基板型導波路素子２は、第２の導波路２３ｂ２に入射されたＴＥ０偏波を、最終的には第３の導波路１３ａ２の出射端面２３ａ９からＴＥ０偏波のまま出射する。したがって、上記ＴＥ偏波変換素子及び基板型導波路素子２を備えている偏波ビームコンバイナは、偏波消光比を低下させることなくその素子サイズを抑制することが可能である。
【０１５９】
〔第３の実施形態〕
本発明の一実施形態に係る基板型導波路素子について、図面に基づいて説明すれば以下のとおりである。なお、本実施形態においては、ＴＭ０偏波とＴＥ０偏波とを合波する基板型導波路素子について説明する。
【０１６０】
〔本実施形態に係る基板型導波路素子の構成〕
まず、本実施形態に係る基板型導波路素子３及び４の構成について、図８（ａ）及び図８（ｂ）を参照して説明する。図８（ａ）は、基板型導波路素子３の構成を示す平面図であり、図８（ｂ）は、基板型導波路素子４の構成を示す平面図である。なお、図８（ａ）及び図８（ｂ）において、基板型導波路素子３及び４が備えている下部クラッド及び上部クラッドは省略されており、基板型導波路素子３が備えているコア３３及び基板型導波路素子４が備えているコア４３のみが図示されている。
【０１６１】
基板型導波路素子３は、シリカ（ＳｉＯ２）製の下部クラッドと、下部クラッド上に形成されたシリコン（Ｓｉ）製のコア３３と、コア３３を埋設するように下部クラッド上に積層されたシリカ（ＳｉＯ２）製の上部クラッドとを備えている。
【０１６２】
本実施形態において、基板型導波路素子３は、第１の区間である方向性結合部（コア３３ｂを備える）、第２の区間である偏波変換部（コア３３ａを備える）、第３の区間である偏波変換部（コア３３ｃを備える）に加えて、上記第１の区間と上記第３の区間との間に介在する第４の区間（コア３３ｄを備える）を更に含む。
【０１６３】
基板型導波路素子３の上記構成のうち、第１の区間である方向性結合部及び第２の区間である偏波変換部は、第１の実施形態に記載した基板型導波路素子１が備えている方向性結合部１ｂ及び偏波変換部１ａとそれぞれ同様に構成されている。一方、第３の区間である偏波変換部が備えている第４の導波路３３ｃ１及び第２のテーパー部３３ｃ３の幅は、基板型導波路素子１が備えている第４の導波路１３ｃ１及び第２のテーパー部１３ｃ３の幅より広い。したがって、本実施形態において、第１の導波路３３ｂ１の入力側の端面（入社端面）の形状と、第４の導波路３３ｃ１の出力側の端面（出射端面）の形状とは、合同ではない。
【０１６４】
上記第４の区間において、コア３３ｄは、第１の導波路３３ｂ１の延長であると共に第４の導波路３３ｃ１の延長である第５の導波路３３ｄ１、及び、第１のスラブ部３３ｂ３の延長であると共に第２のテーパー部３３ｃ３の延長である第２のスラブ部であって、側面を介して第５の導波路３３ｄ１に連通する第２のスラブ部３３ｄ３とからなり、第５の導波路３３ｄ１の出力側の端面は、第１の導波路３３ｂ１の入力側の端面と合同であり、第５の導波路３３ｄ１の入力側の端面は、第４の導波路３３ｃ１の出力側の端面と合同である。
【０１６５】
上記の構成によれば、方向性結合部の入射端面の形状と、偏波変換部の出射端面の形状が異なる場合であっても、接続区間である第４の区間を備えていることによって、導波する光の反射を伴わずに第１の区間である方向性結合部、及び、第３の区間である偏波変換部を接続することが可能である。
【０１６６】
次に、図８（ｂ）に示す基板型導波路素子４について説明する。基板型導波路素子４は、シリカ（ＳｉＯ２）製の下部クラッドと、下部クラッド上に形成されたシリコン（Ｓｉ）製のコア４３と、コア４３を埋設するように下部クラッド上に積層されたシリカ（ＳｉＯ２）製の上部クラッドとを備えている。
【０１６７】
基板型導波路素子４は、第１の区間である方向性結合部（コア４３ｂを備える）、第２の区間である偏波変換部（コア４３ａを備える）、第３の区間である偏波変換部（コア４３ｃを備える）に加えて、上記第１の区間と上記第３の区間との間に介在する第４の区間（コア４３ｄを備える）を更に含む。本実施形態において、第１の導波路４３ｂ１の中心軸と第４の導波路４３ｃ１の中心軸とは、同一直線上にない。
【０１６８】
基板型導波路素子４の上記構成のうち、第１の区間である方向性結合部、第２の区間である偏波変換部及び第３の区間である偏波変換部は、第１の実施形態に記載した基板型導波路素子１が備えている方向性結合部１ｂ、偏波変換部１ａ及び偏波変換部１ｃとそれぞれ同様に構成されている。
【０１６９】
第４の区間において、コア４３ｄは、第１の導波路４３ｂ１の延長であると共に第４の導波路４３ｃ１の延長である第５の導波路４３ｄ１、及び、第１のスラブ部４３ｂ３の延長であると共に第２のテーパー部４３ｃ３の延長である第２のスラブ部であって、側面を介して第５の導波路４３ｃ１に連通する第２のスラブ部４３ｃ３とからなり、第５の導波路４３ｃ１及び第２のスラブ部４３ｃ３は、滑らかに曲がっている。
【０１７０】
コア４３ｄを備えている第４の区間は、第１の区間である方向性結合部のコア４３ｂと、第３の区間である偏波変換部のコア４３ｃとを接続する接続区間であり、コア４３における方向を変化させる屈曲部であると言える。上記の構成によれば、同じ基板上に設けられている他の構造物を避けて基板型導波路素子４を配置することが可能になる。言い換えれば、基板型導波路素子４が第４の区間を備えていることによって、方向性結合部及び偏波変換部を設計する場合に、その設計に柔軟性を与え、その設計の自由度を向上させることが可能となる。
【０１７１】
なお、本実施形態において接続区間は、方向性結合部の入力側に設けられているが、方向性結合部の出力側に設けられていてもよいし、方向性結合部の入力側及び出力側の双方に設けられていてもよい。
【０１７２】
〔光変調器〕
第１の実施形態に係る基板型導波路素子１を偏波ビームコンバイナとして含む光変調器５について、図９を参照して説明する。図９は、そのような光変調器５の構成を示すブロック図である。
【０１７３】
光変調器５は、ＤＰ−ＱＰＳＫ（Dual Polarization-Quadrature Phase Shift Keying）変調器であり、図９に示すように、（１）ＴＥ０偏波をＱＰＳＫ変調する２つのＱＰＳＫ変調器５１〜５２と、（２）第２のＱＰＳＫ変調器５２により変調されたＴＥ０偏波をＴＭ０偏波に変換する偏波ローテータ５３と、（３）第１のＱＰＳＫ変調器５１により変調されたＴＥ０偏波と偏波ローテータ５３により得られたＴＭ０偏波とを合波する偏波ビームコンバイナ５４とを備えている。ＱＰＳＫ変調器５１〜５２、偏波ローテータ５３、及び、偏波ビームコンバイナ５４は、何れも、シリコン製の導波路として共通の下部クラッド上に一体的に形成される。
【０１７４】
光変調器５においては、偏波ビームコンバイナ５４として、第１の実施形態に係る基板型導波路素子１を備えている。このため、光変調器５において、偏波消光比を低下させることなく、素子サイズを抑制することが可能である。
【０１７５】
〔付記事項〕
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１７６】
本発明は、偏波ビームコンバイナ又は偏波ビームスプリッタとして好適に利用することができる。例えば、シリコン製の導波路により構成された光変調器における偏波ビームコンバイナとして好適に利用することができる。
【符号の説明】
【０１７７】
１          基板型導波路素子
１ａ        偏波変換部（第１の区間）
１ｂ        方向性結合部（第２の区間）
１ｃ        偏波変換部（第３の区間）
１１        下部クラッド
１２        上部クラッド
１３        コア
１３ａ２    第３の導波路
１３ａ３    第１のテーパー部
１３ｂ１    第１の導波路
１３ｂ２    第２の導波路
１３ｂ３    スラブ部
１３ｃ１    第４の導波路
１３ｃ３    第２のテーパー部
５          光変調器
５１        第１のＱＰＳＫ変調器
５２        第２のＱＰＳＫ変調器
５３        偏波ローテータ
５４        偏波ビームコンバイナ（基板型導波路素子）
【図１】
2015225252.tif 000013
【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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