(57)【要約】  基板型光導波路素子（１）において、第１のコア（１３）におけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の実効屈折率をＮＴＥ＠ＷＧ１及びＮＴＭ＠ＷＧ１とし、第２のコア（１４）におけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の実効屈折率をＮＴＥ＠ＷＧ２及びＮＴＭ＠ＷＧ２として、上記実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ１と上記実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ２との大小関係は、上記並走区間の始点と終点とで逆転しており、式（ａ）で定義される比屈折率差が０．２５以上である。
2016052343.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折率がＮｃｌ１である下部クラッドと、上記下部クラッド上に形成された、屈折率がＮｃｏ（Ｎｃｏ＞Ｎｃｌ１）である第１のコア及び第２のコアと、上記第１のコア及び上記第２の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、屈折率がＮｃｌ２（Ｎｃｏ＞Ｎｃｌ２）である上部クラッドとを備えた基板型光導波路素子において、
上記第２のコアが存在しない場合の上記第１のコアにおけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の実効屈折率を、それぞれ、ＮＴＥ＠ＷＧ１及びＮＴＭ＠ＷＧ１とし、上記第１のコアが存在しない場合の上記第２のコアにおけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の実効屈折率を、それぞれ、ＮＴＥ＠ＷＧ２及びＮＴＭ＠ＷＧ２として、
上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ１，ＮＴＭ＠ＷＧ１，ＮＴＥ＠ＷＧ２，ＮＴＭ＠ＷＧ２は、それぞれ、上記第１のコアと上記第２のコアとが互いに並走する並走区間の始点からの距離の関数として連続であり、
上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ１，ＮＴＭ＠ＷＧ１は、上記並走区間の全体においてＮＴＥ＠ＷＧ１＞ＮＴＭ＠ＷＧ１を満足し、上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ２，ＮＴＭ＠ＷＧ２は、上記並走区間の全体においてＮＴＥ＠ＷＧ２＞ＮＴＭ＠ＷＧ２を満足し、
上記実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ１と上記実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ２との大小関係は、上記並走区間の始点と終点とで逆転しており、
上記下部クラッドの屈折率Ｎｃｌ１と上記上部クラッドの屈折率Ｎｃｌ２とのうち、大きい方の屈折率をＮｃｌとして、下記式（ａ）で定義される比屈折率差が０．２５以上である、
ことを特徴とする基板型光導波路素子。
【数１】
2016052343.tif 000036
【請求項２】
上記第１のコア及び上記第２のコアは、光の進行方向に直交する断面が矩形状のコアであり、
上記第１のコアの高さ、及び、上記第２のコアの高さは、共通であり、
上記第１のコアの幅Ｗ１、及び、上記第２のコアの幅Ｗ２は、上記並走区間の始点からの距離の関数として連続であり、
上記幅Ｗ１と上記幅Ｗ２との大小関係は、上記並走区間の始点と終点とで逆転している、
ことを特徴とする請求項１に記載の基板型光導波路素子。
【請求項３】
上記上部クラッドと上記下部クラッドとは、共通の材質により構成されており、
上記第１のコアの幅Ｗ１及び上記第２のコアの幅Ｗ２は、それぞれ、上記第１のコアと上記第２のコアとの共通の高さよりも大きく、
上記第１のコア及び上記第２のコアは、上記ＴＥ偏波としてＴＥ０偏波を導波し、上記ＴＭ偏波としてＴＭ０偏波を導波する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の基板型光導波路素子。
【請求項４】
上記第１のコア及び上記第２のコアは、シリコン製であり、
上記下部クラッド及び上記上部クラッドは、シリカ製である、
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の基板型光導波路素子。
【請求項５】
Ｗｕｐｐｅｒを下記式（ｂ）で定義したとき（ｈは上記第１のコアと上記第２のコアとの共通の高さ、ｅはネイピア数）、
上記第１のコアの幅Ｗ１及び上記第２のコアの幅Ｗ２は、それぞれ、Ｗ１＜Ｗｕｐｐｅｒ及びＷ２＜Ｗｕｐｐｅｒを満足する、
ことを特徴とする請求項４に記載の基板型光導波路素子。
【数２】
2016052343.tif 000037
【請求項６】
上記並走区間の始点又は終点を介して上記第１のコアと連通する第３のコアであって、屈折率がＮｃｏである第３のコアと、
（１）上記第３のコアが上記並走区間の始点を介して上記第１のコアと連通する場合、上記並走区間の始点を介して上記第２のコアと連通し、（２）上記第３のコアが上記並走区間の終点を介して上記第１のコアと連通する場合、上記並走区間の終点を介して上記第２のコアに連通する第４のコアであって、屈折率がＮｃｏである第４のコアと、を更に備え、
上記第３のコアと上記第４のコアとの間隔は、（１）上記第３のコアが上記並走区間の始点を介して上記第１のコアと連通する場合、上記並走区間の始点から離れるにしたがって大きくなり、（２）上記第３のコアが上記並走区間の終点を介して上記第１のコアと連通する場合、上記並走区間の終点から離れるにしたがって大きくなる、
ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の基板型光導波路素子。
【請求項７】
上記第１のコア又は上記第２のコアに連通する第５のコアであって、屈折率がＮｃｏである第５のコアを更に備え、
上記第５のコアの幅は、上記第１のコアが離れるにしたがって小さくなる、
ことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の基板型光導波路素子。
【請求項８】
上記第１のコア又は上記第２のコアに接続されている光吸収体を更に備えている、
ことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の基板型光導波路素子。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか１項に記載の上記第１のコア及び上記第２のコアを、それぞれ、ｎ組備えた基板型光導波路素子であって、
当該基板型光導波路素子の一方の端部から数えてｉ組目（ｉは１≦ｉ≦ｎ−１の整数）の上記第２のコアは、ｉ＋１組目の上記第１のコアと連通する、
ことを特徴とする基板型光導波路素子。
【請求項１０】
ＴＥ偏波を変調する第１の光変調器と、
ＴＥ偏波を変調する第２の光変調器と、
上記第２の光変調器から出力されたＴＥ偏波をＴＭ偏波に変換する偏波ローテータと、を更に備え、
上記第１のコアには、上記偏波ローテータから出力されたＴＭ偏波が入力され、上記第２のコアには、上記第１の光変調器から出力されたＴＥ偏波が入力される、
ことを特徴とする請求項１〜８までの何れか１項に記載の基板型光導波路素子。
【請求項１１】
光入力構造と光デバイスとを更に備え、
上記光入力構造は、外部から入力された光のスポットサイズを縮小して上記第１のコアに入力し、
上記第１のコアは、上記第１のコアに入力された光のＴＥ偏波成分を出力し、上記第２のコアは、上記第１のコアに入力された光のＴＭ偏波成分を出力し、
上記光デバイスには、上記第１のコアから出力されたＴＥ偏波成分、又は、上記第２のコアから出力されたＴＭ偏波成分が入力される、
ことを特徴とする請求項１〜９までの何れか１項に記載の基板型光導波路素子。
【請求項１２】
屈折率がＮｃｌ１である下部クラッドと、上記下部クラッド上に形成された、屈折率がＮｃｏ（Ｎｃｏ＞Ｎｃｌ１）である第１のコア及び第２のコアと、上記第１のコア及び上記第２の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、屈折率がＮｃｌ２（Ｎｃｏ＞Ｎｃｌ２）である上部クラッドとを備えた基板型光導波路素子の製造方法において、
上記第２のコアが存在しない場合の上記第１のコアにおけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の実効屈折率を、それぞれ、ＮＴＥ＠ＷＧ１及びＮＴＭ＠ＷＧ１とし、上記第１のコアが存在しない場合の上記第２のコアにおけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の実効屈折率を、それぞれ、ＮＴＥ＠ＷＧ２及びＮＴＭ＠ＷＧ２として、
以下の条件（１）〜（４）を満足する上記第１のコア及び上記第２のコアを形成するコア形成工程を含む、
ことを特徴とする基板型光導波路素子の製造方法。
（１）上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ１，ＮＴＭ＠ＷＧ１，ＮＴＥ＠ＷＧ２，ＮＴＭ＠ＷＧ２は、それぞれ、上記第１のコアと上記第２のコアとが互いに並走する並走区間の始点からの距離の関数として連続であり、
（２）上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ１，ＮＴＭ＠ＷＧ１は、上記並走区間の全体においてＮＴＥ＠ＷＧ１＞ＮＴＭ＠ＷＧ１を満足し、上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ２，ＮＴＭ＠ＷＧ２は、上記並走区間の全体においてＮＴＥ＠ＷＧ２＞ＮＴＭ＠ＷＧ２を満足し、
（３）上記実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ１と上記実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ２との大小関係は、上記並走区間の始点と終点とで逆転しており、
（４）上記下部クラッドの屈折率Ｎｃｌ１と上記上部クラッドの屈折率Ｎｃｌ２とのうち、大きい方の屈折率をＮｃｌとして、下記式（ａ）で定義される比屈折率差が０．２５以上である。
【数３】
2016052343.tif 000038
【請求項１３】
屈折率がＮｃｌ１である下部クラッドと、上記下部クラッド上に形成された、屈折率がＮｃｏ（Ｎｃｏ＞Ｎｃｌ１）である第１のコア及び第２のコアと、上記第１のコア及び上記第２の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、屈折率がＮｃｌ２（Ｎｃｏ＞Ｎｃｌ２）である上部クラッドとを備えた基板型光導波路素子において、
上記第２のコアが存在しない場合の上記第１のコアにおけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の実効屈折率を、それぞれ、ＮＴＥ＠ＷＧ１及びＮＴＭ＠ＷＧ１とし、上記第１のコアが存在しない場合の上記第２のコアにおけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の実効屈折率を、それぞれ、ＮＴＥ＠ＷＧ２及びＮＴＭ＠ＷＧ２として、
上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ１，ＮＴＭ＠ＷＧ１，ＮＴＥ＠ＷＧ２，ＮＴＭ＠ＷＧ２は、それぞれ、上記第１のコアと上記第２のコアとが互いに並走する並走区間の始点からの距離の関数として連続であり、
上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ１，ＮＴＭ＠ＷＧ１は、上記並走区間の全体においてＮＴＥ＠ＷＧ１＞ＮＴＭ＠ＷＧ１を満足し、上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ２，ＮＴＭ＠ＷＧ２は、上記並走区間の全体においてＮＴＥ＠ＷＧ２＞ＮＴＭ＠ＷＧ２を満足し、
上記実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ１と上記実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ２との大小関係は、上記並走区間の始点と終点とで逆転しており、
上記並走区間において、上記第１のコアと上記第２のコアとの間の間隙に存在する媒質の屈折率をＮｃｌとして、下記式（ａ）で定義される比屈折率差が０．２５以上である、
ことを特徴とする基板型光導波路素子。
【数１】
2016052343.tif 000039
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下部クラッドと上部クラッドとの間に２つのコアが形成された基板型光導波路素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、光通信で伝送される情報量は増加し続けている。こうした情報量の増加に対して、信号速度の高速化、波長多重通信を用いたチャネル数の増設などの対策が進められている。このうち、信号速度の高速化を可能にする次世代の１００Ｇｂｐｓデジタルコヒーレント伝送技術では、単位時間当たりに送信可能な情報量を２倍にするために、電界が直交する２つの偏波に異なる情報を載せる偏波多重方式が利用されている。しかしながら、偏波多重方式を利用する変調方式では、複雑な構成の光変調器が必要になり、装置の大型化、高額化といった課題が生じる。こうした課題に対して、製造プロセスが簡単である、集積化による光学素子の小型化が可能、大口径ウェハによる製造コストの低コスト化が可能などのメリットを持つ、シリコンをコアに用いた基板型光導波路による光変調器が非特許文献１に記載されている。【０００３】
偏波多重方式では、基板型光導波路内でＴＥ偏波とＴＭ偏波を多重する偏波ビームコンバイナ（Polarization Beam Combiner：ＰＢＣ）が用いられる。図３３の（ａ）は、ＰＢＣ１０１の構成を示すブロック図である。ＰＢＣ１０１は、第１の入力ポート１０２と、第２の入力ポート１０３と、出力ポート１０４とを備えている。ＰＢＣ１０１は、入力ポート１０２に入力されたＴＭ偏波と、入力ポート１０３に入力されたＴＥ偏波とを多重し、この多重したＴＭ偏波及びＴＥ偏波を出力ポート１０４から出力する。なお、図３３の（ａ）に示す矢印の長さは、ＰＢＣ１０１に入力するＴＥ偏波のパワー及びＴＭ偏波のパワーを表す。後で参照する図３３の（ｂ）及び（ｃ）においても、矢印の長さが各偏波のパワーを表すことは同様である。【０００４】
ここで、ＴＥ偏波は、基板型光導波路内で光の進行方向に対して垂直な面内において基板に水平な方向（以下、幅方向もしくはｘ方向と呼ぶ）の電界成分が主となるモードを指す。また、ＴＭ偏波は、基板型光導波路内で光の進行方向に対して垂直な面内において基板に垂直な方向（以下、高さ方向もしくはｙ方向と呼ぶ）の電界成分が主となるモードを指す。【０００５】
ＰＢＣにおいて重要となる性能は、偏波多重時の損失及び偏波消光比である。【０００６】
ＴＭ偏波の損失は、入力ポート１０２に入力されたＴＭ偏波のパワーに対する、出力ポート１０４におけるＴＭ偏波のパワーの割合を示すものであり、式（１）で定義される。【０００７】
【数１】
2016052343.tif 000003
ＴＥ偏波の損失は、入力ポート１０３に入力されたＴＥ偏波のパワーに対する、出力ポート１０４におけるＴＥ偏波のパワーの割合を示すものであり、式（２）で定義される。【０００８】
【数２】
2016052343.tif 000004
エネルギー効率の観点から損失は小さい方がよい。【０００９】
一方、偏波消光比（Polarization Extinction Ratio：以下「ＰＥＲ」とも記載）は、ＰＢＣの一方の入力ポート（例えば入力ポート１０３）にＴＭ偏波とＴＥ偏波とを入力した場合に、出力ポート１０４から出力されるＴＭ偏波のパワーと、ＴＥ偏波のパワーとの割合を示すものである。次式で定義される（図３３の（ｂ）を参考。図中の矢印の長さは、各偏波のパワーを表す）。【００１０】
ＴＭ偏波を入力する入力ポート１０２に、同じパワーのＴＭ偏波及びＴＥ偏波を入力した場合（図３３の（ｂ）を参照）、ＰＥＲは、式（３）で定義される。【００１１】
【数３】
2016052343.tif 000005
ＴＥ偏波を入力する入力ポート１０３に、同じパワーのＴＭ偏波及びＴＥ偏波を入力した場合（図３３の（ｃ）を参照）、ＰＥＲは、式（４）で定義される。【００１２】
【数４】
2016052343.tif 000006
以上のように、ＰＥＲは、１つの入力ポートにＴＭ偏波及びＴＥ偏波が入力された場合における一方の偏波のパワーが抑圧される程度を表している。ＰＥＲは、例えば以下の観点で重要である。非特許文献１で開示されている偏波多重変調器のように、ＰＢＣは、偏波ローテータ(Polarization Rotator:以下「ＰＲ」とも記載)の後段に接続される。ＰＲは、ＴＥ偏波をＴＭ偏波に変換させるデバイスであるが、変換不足のため、ＰＲから出力されるＴＭ偏波にわずかにＴＥ偏波が混入する。この混入したＴＥ偏波は、ＰＢＣ１０１の出力ポート１０４において多重対象となるＴＥ偏波（図３３の（ａ）に示すＴＥ偏波）とクロストークする。このクロストークは、信号の品質低下を招く。そのため、ＰＢＣ１０１は、ＰＲの出力に混ざって入力されるＴＥ偏波のパワーを抑制することによって、出力ポート１０４で生じるクロストークを抑圧することが好ましい。即ち、ＰＥＲが高いほど出力ポート１０４で生じるクロストークを抑制でき、偏波多重する際の信号品質の低下を抑えることが出来る。【００１３】
以上で述べたＰＢＣの２つの性能は、広い波長帯域で良好であることが好ましい。これは以下の理由による。光通信では、波長多重方式が広く利用されているため、光変調器を含む多くの光コンポーネントは、広い波長帯域で動作することが好ましい。広い波長帯域とは、例えばＣバンド（波長範囲１５３０〜１５６５ｎｍ）やＬバンド（波長範囲１５６５〜１６２５ｎｍ）を含む帯域を指す。ＰＢＣをこのような光コンポーネント内で利用する場合、同様に広い波長帯域で、損失が低く、ＰＥＲが高いことが好ましい。【００１４】
ＰＢＣの従来技術として、非特許文献２及び特許文献１が挙げられる。【００１５】
非特許文献２は、偏波ビームスプリッタに関するものである。偏波ビームスプリッタは、図３３の（ａ）に示すＰＢＣ１０１の出力ポート１０４にＴＥ偏波及びＴＭ偏波を入力し、入力ポート１０２からＴＭ偏波を出力し、入力ポート１０３からＴＥ偏波を出力することによって実現できる。以上のように、偏波ビームスプリッタは、ＰＢＣと同等の機能を実現可能であるため、ＰＢＣの従来技術として取り上げる。非特許文献２は、合同なコア形状を持つ２つの矩形導波路を隣接させた方向性結合器によってＴＥ０とＴＭ０の偏波分離を実現している。ここで、ＴＥ０及びＴＭ０は、それぞれＴＥ偏波、ＴＭ偏波の中で実効屈折率が最大の導波モードを指す。図３４に非特許文献２に記載された偏波ビームスプリッタ２０１の構成の概略図を示す。図３４の（ａ）は、光の進行方向に垂直な断面における、偏波ビームスプリッタ２０１の方向性結合器の断面図である。図３４の（ｂ）及び（ｃ）は、偏波ビームスプリッタ２０１の上面図である。偏波ビームスプリッタ２０１は、下部クラッド２０４と、上部クラッド２０５と、下部クラッド２０４と上部クラッド２０５とによって埋設されているコア２０２及び２０３を備えている。【００１６】
偏波ビームスプリッタ２０１は、方向性結合器の結合長がＴＥ０よりもＴＭ０の方が短くなることを利用して偏波の多重又は分離を可能としている。より具体的には、ＴＥ０が方向性結合器の隣接導波路へ移りきる前に、ＴＭ０が移りきることを利用して、各偏波の多重（図３４の（ｃ））又は分離（図３４の（ｂ））を可能としている。【００１７】
特許文献１は、偏波ソーター（polarization sorter）に関するものであるが、ＰＢＣと同等の働きが可能である。従って、偏波ソーターをＰＢＣの従来技術として取り上げる。特許文献１に記載の偏波ソーターは、断熱変換を用いたモードソーティング（adiabatic sorting）によって、偏波分離を行っている。【００１８】
特許文献１のＦｉｇ．２ａ〜２ｃに記載されているように、特許文献１に係る偏波ソーターは、２つの互いに隣接する導波路１２及び１４から成り、それぞれコアの高さが異なる。さらに、一方のコアの幅が光の進行方向に対して連続的に変化するモードソーティング部４６を有し、この領域におけるモードソーティングによって偏波分離を行う。ここで、モードソーティングとは、導波路を光の進行方向に対して連続的に変化させたときに実効屈折率の順番と偏波が保持されることを利用した偏波分離の方法である。【００１９】
例えば、導波路１２の入力ポート３０のＴＥ偏波（特許文献１のＦｉｇ．６に記載のＴＥ−１）と、導波路１４の入力ポート３６のＴＥ偏波（特許文献１のＦｉｇ．６に記載のＴＥ−２）との実効屈折率の大小関係が、導波路１２の出力ポート３２と、導波路１４の出力ポート３４とにおいて入れ替わる。一方、導波路１２の入力ポート３０のＴＭ偏波（特許文献１のＦｉｇ．６に記載のＴＭ−１）と、導波路１４の入力ポート３６のＴＭ偏波（特許文献１のＦｉｇ．６に記載のＴＭ−２）との実行屈折率の大小関係は、導波路１２の出力ポート３２と、導波路１４の出力ポート３４とにおいて変化しない。【００２０】
実効屈折率における上記の大小関係を満たすことによって、導波路１２の入力ポート３０に入力されたＴＥ偏波は、導波路１４の出力ポート３４から出力され、導波路１２の入力ポート３０に入力されたＴＭ偏波は、導波路１２の出力ポート３２から出力される。このようにして、特許文献１に係る偏波ソーターは、導波路１２の入力ポート３０に入力されたＴＥ偏波及びＴＭ偏波を偏波分離する。【００２１】
実効屈折率における上記の大小関係を満たすためには、偏波ソーターのデバイス全長にわたって隣接する２つの導波路１２及び１４の断面におけるコア形状は、合同であってはならない。そのため、特許文献１のＦｉｇ．２ａ〜２ｃに示すように、隣接する導波路である導波路１２及び導波路１４の高さは、それぞれ異なっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／０１５２２７７号明細書（公開日：２００８年６月２６日）
【非特許文献】
【００２３】
【非特許文献１】Po Dong, et al., "112-Gb/s Monolithic PDM-QPSK Modulator in Silicon," ECOC2012 Th.3.B.1 (2012).
【非特許文献２】Hiroshi Fukuda, et al., " Ultrasmall polarization splitter based on silicon wire waveguides," OPTICS EXPRESS, Vol. 14, No. 25, 12401 (2006).
【非特許文献３】Allan W. Snyder and John D. Love, "Optical Waveguide Theory," CHAPMAN&HALL, London (First edition 1983, Reprinted 1991).
【非特許文献４】Yosi Shani, et al., "Integrated Optical Adiabatic Devices on Silicon," IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 27, NO. 3 (1991).
【非特許文献５】Daoxin Dai, et al., "Mode conversion in tapered submicron silicon," OPTICS EXPRESS, Vol. 20, No. 12 (2012).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
非特許文献２の方向性結合器による構造は、簡単な製造プロセスで作製可能であるが、損失の波長依存性が大きく、また製造誤差に弱いという問題がある。【００２５】
非特許文献２において、２つの導波路が隣接する部分の長さＬは、ＴＭ偏波の結合長に合わせる必要がある。ここで、結合長とは隣接する導波路へ光が完全に移りきるのに必要な長さである。例えば、ある波長（第１の波長とする）において結合長がＬｃであり、Ｌ＝Ｌｃとしたとする。このとき、第１の波長を有するＴＭ偏波の損失は、原理的にはゼロである。【００２６】
しかしながら、波長が第１の波長から第２の波長へ変化したとき、導波路のコアからの光の浸み出しの程度が変わる為、隣接する導波路への結合の強さが変化する。その結果、第２の波長における結合長は、第１の波長における結合長から変化する。その結果、Ｌ＝Ｌｃでは第２の波長を有するＴＭ偏波は隣接導波路へ移りきらない、もしくは移ったＴＭ偏波が戻ってきてしまう。そのため、第２の波長を有するＴＭ偏波は、出力ポートで損失が生じてしまう。即ち、非特許文献２は、波長が変化したときにＴＭ偏波の損失の増加量が大きいという問題がある。【００２７】
さらに、製造誤差によって導波路のコアの高さや幅が変化したとき、ＴＭ偏波の光のコアへの閉じ込めの程度が変わる為、結合長が変化する。その結果、波長が変化したときと同様に、製造誤差が無い場合に比べてＴＭ偏波の損失が大きく増加するという問題が生じる。【００２８】
特許文献１は製造プロセスが複雑であり、その結果コスト増加や歩留り低下を招くという問題がある。【００２９】
特許文献１の構造は、モードソーティングを行う為に、モードソーティング部４６において次の２つの条件を満たす必要がある。【００３０】
条件１：隣接する２つの導波路を導波する２つの同一偏波（例えば、特許文献１のＦｉｇ．６に記載のＴＥ−１及びＴＥ−２）は、実効屈折率が同一になる断面が存在する。【００３１】
条件２：隣接する２つの導波路を導波する他方の２つの同一偏波（例えば、特許文献１のＦｉｇ．６に記載のＴＭ−１とＴＭ−２）は、実効屈折率が常に異なっている。【００３２】
これらの条件を満たすために、特許文献１においては、隣接する導波路でその高さを変える構成が採用されている。このような導波路構造を製造する場合、高さを変える為にコアのエッチング回数が増加する。例えば、シリコン導波路では、ＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）ウェハの最上部のシリコン層をエッチングすることでコアを形成することが可能であるが、２段階の高さを持つコアを作製する為には、最低２回のエッチングが必要となる。このような余分なプロセスは、コスト増加を招き、また新たに生じる製造誤差要因によって歩留りの低下を招くため、好ましくない。【００３３】
なお、１回のエッチングで上記の条件１及び２が満たせない理由は、以下の通りである。１回のエッチングでコアを作製した場合、コアの高さは同じとなる。このとき、条件１を満たすためには、ある断面でコアの幅を同一にして、２つの隣接導波路のコア形状を合同にする必要がある。なぜなら、コア幅が異なる場合、コアへ光が閉じ込められる程度が変わる為、実効屈折率が隣接する導波路の同一偏波間で変わってしまい、条件１は常に満たされない。しかしながら、以上で示したようにコア形状を合同にすることで条件１を満たすと、条件１の対象となる偏波だけでなく、全ての偏波で実効屈折率が同一となることから、条件２を満たすことは不可能となる。従って、条件１、２を同時に満たすためには、特許文献１で記載されているように２つの隣接する導波路の高さを変えるなどして、異なる導波路構造で、条件１を満たす必要がある。そのためには、１回のエッチングに加えて、さらなるプロセスが必要となる。【００３４】
本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、広い波長範囲においてＴＭ偏波の損失を低く抑え、かつ、製造が容易な基板型光導波路素子及び光変調器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３５】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る基板型光導波路素子は、屈折率がＮｃｌ１である下部クラッドと、上記下部クラッド上に形成された、屈折率がＮｃｏ（Ｎｃｏ＞Ｎｃｌ１）である第１のコア及び第２のコアと、上記第１のコア及び上記第２の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、屈折率がＮｃｌ２（Ｎｃｏ＞Ｎｃｌ２）である上部クラッドとを備えた基板型光導波路素子において、上記第２のコアが存在しない場合の上記第１のコアにおけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の実効屈折率を、それぞれ、ＮＴＥ＠ＷＧ１及びＮＴＭ＠ＷＧ１とし、上記第１のコアが存在しない場合の上記第２のコアにおけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の実効屈折率を、それぞれ、ＮＴＥ＠ＷＧ２及びＮＴＭ＠ＷＧ２として、（Ａ）上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ１，ＮＴＭ＠ＷＧ１，ＮＴＥ＠ＷＧ２，ＮＴＭ＠ＷＧ２は、それぞれ、上記第１のコアと上記第２のコアとが互いに並走する並走区間の始点からの距離の関数として連続であり、（Ｂ）上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ１，ＮＴＭ＠ＷＧ１は、上記並走区間の全体においてＮＴＥ＠ＷＧ１＞ＮＴＭ＠ＷＧ１を満足し、（Ｃ）上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ２，ＮＴＭ＠ＷＧ２は、上記並走区間の全体においてＮＴＥ＠ＷＧ２＞ＮＴＭ＠ＷＧ２を満足し、（Ｄ）上記実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ１と上記実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ２との大小関係は、上記並走区間の始点と終点とで逆転しており、（Ｅ）上記下部クラッドの屈折率Ｎｃｌ１と上記上部クラッドの屈折率Ｎｃｌ２とのうち、大きい方の屈折率をＮｃｌとして、下記式（ａ）で定義される比屈折率差が０．２５以上である、ことを特徴とする。【００３６】
【数５】
2016052343.tif 000007
なお、上記（Ｅ）の発明特定事項を、「上記並走区間において、上記第１のコアと上記第２のコアとの間の間隙に存在する媒質の屈折率をＮｃｌとして、下記式（ａ）で定義される比屈折率差が０．２５以上である」と置き換えてもよい。【００３７】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る基板型光導波路素子の製造方法は、屈折率がＮｃｌ１である下部クラッドと、上記下部クラッド上に形成された、屈折率がＮｃｏ（Ｎｃｏ＞Ｎｃｌ１）である第１のコア及び第２のコアと、上記第１のコア及び上記第２の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、屈折率がＮｃｌ２（Ｎｃｏ＞Ｎｃｌ２）である上部クラッドとを備えた基板型光導波路素子の製造方法において、上記第２のコアが存在しない場合の上記第１のコアにおけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の実効屈折率を、それぞれ、ＮＴＥ＠ＷＧ１及びＮＴＭ＠ＷＧ１とし、上記第１のコアが存在しない場合の上記第２のコアにおけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の実効屈折率を、それぞれ、ＮＴＥ＠ＷＧ２及びＮＴＭ＠ＷＧ２として、以下の条件（１）〜（４）を満足する上記第１のコア及び上記第２のコアを形成するコア形成工程を含む、ことを特徴とする。【００３８】
（１）上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ１，ＮＴＭ＠ＷＧ１，ＮＴＥ＠ＷＧ２，ＮＴＭ＠ＷＧ２は、それぞれ、上記第１のコアと上記第２のコアとが互いに並走する並走区間の始点からの距離の関数として連続であり、
（２）上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ１，ＮＴＭ＠ＷＧ１は、上記並走区間の全体においてＮＴＥ＠ＷＧ１＞ＮＴＭ＠ＷＧ１を満足し、上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ２，ＮＴＭ＠ＷＧ２は、上記並走区間の全体においてＮＴＥ＠ＷＧ２＞ＮＴＭ＠ＷＧ２を満足し、
（３）上記実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ１と上記実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ２との大小関係は、上記並走区間の始点と終点とで逆転しており、
（４）上記下部クラッドの屈折率Ｎｃｌ１と上記上部クラッドの屈折率Ｎｃｌ２とのうち、大きい方の屈折率をＮｃｌとして、下記式（ａ）で定義される比屈折率差が０．２５以上である。【００３９】
【数７】
2016052343.tif 000008
【発明の効果】
【００４０】
本発明は、広い波長範囲においてＴＭ偏波の損失を低く抑え、かつ、製造が容易な基板型光導波路素子及び光変調器を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るＰＢＣの機能の概要を示すブロック図である。（ａ）は、入力されたＴＭ偏波及びＴＥ偏波を上記ＰＢＣが多重する様子を示し、（ｂ）は、上記ＰＢＣが備える２つの入力ポート及び２つの出力ポートにおけるＴＥ偏波の導波モードの名称を定義し、（ｃ）は、上記ＰＢＣが備える２つの入力ポート及び２つの出力ポートにおけるＴＭ偏波の導波モードの名称を定義する。
【図２】（ａ）は、本発明の第１の実施形態においてコアの実効屈折率を計算するために用いた構造を示す断面図である。（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ、（ａ）に示した構造において比屈折率差を５％及び４０％とした場合に得られた規格化実効屈折率を示すグラフである。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は、図２の（ａ）に示した構造を実際に製造した場合に形成され得るコアの形状を示す模式図である。
【図４】図２の（ａ）に示した構造を用いて、コアの高さｈで規格化したＷｕｐｐｅｒのシミュレーション結果を示すグラフである。
【図５】（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るＰＢＣの構成を示す斜視図である。（ｂ）は、（ａ）に示すＰＢＣが備えるコアの構成を示す斜視図である。
【図６】（ａ）は、図５に示したＰＢＣの構成を示す上面図である。（ｂ）〜（ｄ）は、それぞれ、（ａ）に示すＡ−Ａ’線、Ｂ−Ｂ’線及びＣ−Ｃ’線における上記ＰＢＣの断面図である。
【図７】（ａ）は、本発明の第１の実施例に係るＰＢＣの構成を示す上面図である。（ｂ）は、（ａ）に示すＰＢＣの、光の進行方向に対して垂直な断面の断面図である。
【図８】（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るＰＢＣが備えている２つのコアの何れか一方を備えていない（一方のコアのみを備えている）矩形状導波路の実効屈折率の計算結果を示すグラフである。（ｂ）は、図７に示したＰＢＣの第２のコアを備えていない矩形状導波路の構成を示す断面図である。（ｃ）は、図７に示したＰＢＣの第１のコアを備えていない矩形状導波路の構成を示す断面図である。
【図９】図７に示したＰＢＣにおいて、光の進行方向に対して垂直な断面における導波モードの実効屈折率を計算した結果を示すグラフである。
【図１０】図７に示したＰＢＣにおいて、Ｘを−１００から１００まで変化させた場合に得られたδＴＥ０／ＣＴＥ０及びδＴＭ０／ＣＴＭ０を示したグラフである。
【図１１】図７に示したＰＢＣのＡ−Ａ’線による断面における、ＴＥ０とＴＭ０との電界分布のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１２】図７に示したＰＢＣのＢ−Ｂ’線による断面における、ＴＥ０とＴＭ０との電界分布のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１３】図７に示したＰＢＣのＣ−Ｃ’線による断面における、ＴＥ０とＴＭ０との電界分布のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１４】図７に示したＰＢＣのＤ−Ｄ’線による断面における、ＴＥ０とＴＭ０との電界分布のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１５】図７に示したＰＢＣのＥ−Ｅ’線による断面における、ＴＥ０とＴＭ０との電界分布のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１６】本発明の第２の実施形態に係るＰＢＣの構成を示す上面図である。
【図１７】図１６に示したＰＢＣのｐｏｒｔ１−１にＴＭ０を入力したときに、ｐｏｒｔ２−２から出力されるＴＭ０の損失をＦＤＴＤによって計算した結果を示すグラフである。
【図１８】（ａ）は、図１６に示したＰＢＣのｐｏｒｔ１−１にＴＭ０を入力したときのＥｙ成分の電界分布をシミュレーションした結果を示すグラフであり、（ｂ）は、ｐｏｒｔ１−１にＴＥ０を入力したときのＥｘ成分の電界分布をシミュレーションした結果を示すグラフである。
【図１９】図１６に示したＰＢＣと図３５に示したＰＢＣとにおいて、（ａ）は、ｐｏｒｔ１−１にＴＭ０を入力し、ｐｏｒｔ２−２からＴＭ０を出力するときのＴＭ０の損失を計算した結果を示したグラフであり、（ｂ）は、ｐｏｒｔ１−１にＴＥ０とＴＭ０をそれぞれ入力した時に、ｐｏｒｔ２−２から出力されるそれぞれの偏波の損失比であるＰＥＲを計算した結果を示したグラフであり、（ｃ）は、ｐｏｒｔ１−２にＴＥ０を入力し、ｐｏｒｔ２−２から出力するときのＴＥ０の損失を計算した結果を示したグラフであり、（ｄ）は、ｐｏｒｔ１−２にＴＥ０とＴＭ０をそれぞれ入力した時に、ｐｏｒｔ２−２から出力されるそれぞれの偏波の損失比であるＰＥＲを計算した結果を示したグラフである。
【図２０】図１６に示したＰＢＣにおいて、製造誤差がＴＭ０の損失に与える影響をＦＤＴＤで計算した結果を示すグラフである。
【図２１】図３５に示したＰＢＣにおいて、製造誤差がＴＭ０の損失に与える影響をＦＤＴＤで計算した結果を示すグラフである。
【図２２】本発明の一実施例において作製したＰＢＣにおいて、（ａ）は、ｐｏｒｔ１−１にＴＭ０を入力し、ｐｏｒｔ２−２からＴＭ０を出力したときの損失の測定結果を示すグラフであり、（ｂ）は、ｐｏｒｔ１−１にＴＥ０とＴＭ０をそれぞれ入力した時に、ｐｏｒｔ２−２から出力されるそれぞれの偏波の損失比であるＰＥＲの測定結果を示すグラフであり、（ｃ）は、ｐｏｒｔ１−２にＴＥ０を入力し、ｐｏｒｔ２−２から出力するときの損失の測定結果を示すグラフである。
【図２３】（ａ）は、本発明の第３の実施形態に係るＰＢＣの構成を示す上面図であり、（ｂ）は、本発明の第３の実施形態の変形例に係るＰＢＣの構成を示す上面図である。
【図２４】本発明の第４の実施形態に係る偏光子の構成を示す上面図である。
【図２５】本発明の第５の実施形態に係る変調器の構成を示すブロック図である。
【図２６】本発明の第６の実施形態に係る基板型光導波路素子の構成を示すブロック図である。
【図２７】本発明の第７の実施形態に係るリブ導波路の基本形状を示す断面図である。
【図２８】（ａ）は、第７の実施形態に係る上記リブ導波路を含むＰＢＣの構成を示す上面図であり、（ｂ）〜（ｄ）は、それぞれ、（ａ）に示すＡ−Ａ’線、Ｂ−Ｂ’線及びＣ−Ｃ’線における上記ＰＢＣの断面図である。
【図２９】（ａ）は、本発明の第８の実施形態に係るリッジ導波路の作製方法を示す断面図であり、（ｂ）は、当該リッジ導波路の基本形状を示す断面図である。
【図３０】（ａ）は、第８の実施形態に係る上記リッジ導波路を含むＰＢＣの構成を示す上面図であり、（ｂ）〜（ｄ）は、（ａ）に示すＡ−Ａ’線、Ｂ−Ｂ’線及びＣ−Ｃ’線における上記ＰＢＣの断面図である。
【図３１】（ａ）は、第８の実施形態の一変形例としてのリッジ導波路を含むＰＢＣの構成を示す上面図であり、（ｂ）〜（ｄ）は、（ａ）に示すＡ−Ａ’線、Ｂ−Ｂ’線及びＣ−Ｃ’線における上記ＰＢＣの断面図である。
【図３２】（ａ）は、図３０の（ａ）に示すＡ−Ａ’線と同じ位置で、第８の実施形態の他の変形例としての矩形導波路を含むＰＢＣを切断した場合における断面図であり、（ｂ）は、上記Ａ−Ａ’線と同じ位置で、第８の実施形態のさらに他の変形例としてのリブ導波路を含むＰＢＣを切断した場合における断面図である。
【図３３】（ａ）は、一般的なＰＢＣの構成を説明するブロック図である。（ｂ）は、（ａ）に示すＰＢＣの第１の入力ポートに同じパワーのＴＥ偏波及びＴＭ偏波を入力した場合に、出力ポートから出力されるＴＥ偏波及びＴＭ偏波のパワーを表す概念図であり、（ｃ）は、（ａ）に示すＰＢＣの第２の入力ポートに同じパワーのＴＥ偏波及びＴＭ偏波を入力した場合に、出力ポートから出力されるＴＥ偏波及びＴＭ偏波のパワーを表す概念図である。
【図３４】非特許文献２に記載された偏波ビームスプリッタの構成を示す概略図である。（ａ）は、光の進行方向に垂直な断面における、偏波ビームスプリッタの方向性結合器の断面図である。（ｂ）及び（ｃ）は、偏波ビームスプリッタの上面図である。
【図３５】（ａ）は、本発明の比較例に係るＰＢＣの構成を示す上面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すＡ−Ａ’線におけるＰＢＣの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
〔第１の実施形態〕
本実施形態に係るＰＢＣ１は、比屈折率差の大きな導波路を用いたテーパ化方向性結合器を備えていることによって、広い波長範囲においてＴＭ偏波の損失を低く抑え、かつ、製造が容易な基板型光導波路素子を提供する。なお、広い波長範囲とは、例えばＣバンド（波長範囲１５３０〜１５６５ｎｍ）やＬバンド（波長範囲１５６５〜１６２５ｎｍ）を含む波長範囲を指す。
【００４３】
まず、基板型光導波路素子であるＰＢＣ１の特徴を、図１〜図６を参照して説明する。図１は、本実施形態に係るＰＢＣ１の概要を示すブロック図である。図１の（ａ）に示すように、ＰＢＣ１は、下部クラッドと上部クラッドとによって埋設された２つの導波路（ＷＧ１及びＷＧ２と呼ぶ）を備えており、４つのポート（ｐｏｒｔ１−１、ｐｏｒｔ１−２、ｐｏｒｔ２−１、ｐｏｒｔ２−２）を有する。
【００４４】
また、各ポートの断面におけるＴＥ偏波とＴＭ偏波の名称を図１の（ｂ）のように定義する。図において、ｉ，ｊをそれぞれ０以上の整数とすると、ＴＥｉは、ＷＧ１もしくはＷＧ２において、ＴＥ偏波のうち実効屈折率が（ｉ＋１）番目に大きな導波モードを意味し、ＴＭｊは、ＷＧ１もしくはＷＧ２において、ＴＭ偏波のうち実効屈折率が（ｊ＋１）番目に大きな導波モードを意味する。
【００４５】
図１は、ＰＢＣ１の構成を示すブロック図である。図１の（ａ）は、入力されたＴＭ偏波及びＴＥ偏波をＰＢＣ１が多重する様子を示す。図１の（ｂ）は、ＰＢＣ１が備える２つの入力ポート、並びに、２つの出力ポートにおけるＴＥ偏波の導波モードの名称を定義する。図１の（ｃ）は、入力ポート、並びに、出力ポートにおけるＴＭ偏波の導波モードの名称を定義する。
【００４６】
図１の（ａ）及び図５に示すように、ＰＢＣ１は、２つの導波路であるコア１３及びコア１４を備えている。以下において、コア１３の一方のポートを入力ポート１３ａと呼び、他方のポートを出力ポート１３ｂと呼ぶ。また、コア１４の一方のポートを入力ポート１４ａと呼び、他方のポートを出力ポート１４ｂと呼ぶ。
【００４７】
また、図１の（ｂ）に示すように、入力ポート１３ａにおけるＴＥ偏波のことをＴＥｉ＠１３ａと定義し、出力ポート１３ｂにおけるＴＥ偏波のことをＴＥｉ＠１３ｂと定義し、入力ポート１４ａにおけるＴＥ偏波のことをＴＥｉ＠１４ａと定義し、出力ポート１４ｂにおけるＴＥ偏波のことをＴＥｉ＠１４ｂと定義する。図１の（ｃ）に示すように、入力ポート１３ａにおけるＴＭ偏波のことをＴＭｊ＠１３ａと定義し、出力ポート１３ｂにおけるＴＭ偏波のことをＴＭｊ＠１３ｂと定義し、入力ポート１４ａにおけるＴＭ偏波のことをＴＭｊ＠１４ａと定義し、出力ポート１４ｂにおけるＴＭ偏波のことをＴＭｊ＠１４ｂと定義する。ｉ及びｊは、それぞれ０以上の整数である。ＴＥｉは、コア１３又はコア１４におけるＴＥ偏波の導波モードのうち、実効屈折率がｉ＋１番目に大きな導波モードを意味する。ＴＭｊは、コア１３又はコア１４におけるＴＭ偏波の導波モードのうち実効屈折率がｊ＋１番目に大きな導波モードを意味する。
【００４８】
ＰＢＣ１は、非特許文献３及び４に記載されているテーパ化方向性結合器の原理を基礎原理としており、これらのテーパ化方向性結合器と同様の特徴を備えている。
【００４９】
非特許文献３では、直径が光の進行方向に対して変化する２本の光ファイバを、それぞれ隣接させたTAPERED COUPLERS（本実施形態では、テーパ化方向性結合器とも呼ぶ）を示している。一般的なテーパ化方向性結合器において、２本の光ファイバの比屈折率差は、５％以下である。非特許文献３では、テーパ化方向性結合器の用途として、隣接導波路への光パワーの１００％の移動について言及している。
【００５０】
非特許文献４では、コア幅が光の進行方向に対して変化する２つの矩形状のコアを、それぞれ隣接させたADIABATIC ASYMMETRIC DIRECTIONAL COUPLERS（本実施形態におけるテーパ化方向性結合器に相当）を開示している。その中で、コアとクラッドの材料は、Ｐ添加ＳｉＯ２とＳｉＯ２とを開示している。非特許文献４に記載はないが、比屈折率差は一般に５％以下である。非特許文献４では、テーパ化方向性結合器の用途として、隣接導波路への光パワーの１００％の移動について言及している。
【００５１】
ＰＢＣ１は、非特許文献３及び４のいずれかと同様である以下の特徴を備えている。
特徴１：コア１３とコア１４とは、矩形状コアである。
特徴２：コア１３の高さとコア１４の高さとは、等しい。
特徴３：コア１３とコア１４とは、それぞれ距離を置いて配置される。
特徴４：コア１３の幅とコア１４の幅との大小関係は、（１）光の進行方向に対して垂直な断面であって入力ポート１３ａと入力ポート１４ａとを有する側の断面である入射端面において、コア１４の幅よりコア１３の幅の方が大きく、（２）光の進行方向に対して垂直な断面であって出力ポート１３ｂと出力ポート１４ｂとを有する側の断面である出射端面において、コア１３の幅よりコア１４の幅の方が大きく、（３）上記入射端面と上記出射端面との間の少なくとも一断面において、コア１３の幅とコア１４の幅とは等しい。
特徴５：コア１３の幅とコア１４の幅とは、光の進行方向に沿って連続的に変化する。ただし、コア１３及びコア１４のうち、一方のコアのコア幅が変化せず、他方のコアのコア幅が連続的に変化するような場合も含む。
【００５２】
以上の特徴１〜５を満足することにより、次の効果を得ることが出来る。
【００５３】
特徴１によって、基板型光導波路で作製することが可能となる。ここで、矩形状コアとは、巨視的にみて断面が矩形状である場合を意味する。台形状コア及び平行四辺形状コアのように、コア側壁が傾斜を持つような形状のコアも、矩形状コアに含まれる。また、断面を構成する角が微視的にみて曲線からなるコアも、矩形状コアに含まれる。微視的にみて角が曲線からなる角丸形状であっても、巨視的にみれば矩形状といえるためである。
【００５４】
特徴２によって、一回のエッチングによって２つのコア（コア１３及びコア１４）を形成でき、製造プロセスの簡素化が可能である。一般に、ＰＢＣは、下部クラッド、その上に配置される矩形状コア、及び下部クラッドと矩形状コアとを覆う上部クラッドを備えている。下部クラッドは、例えばＳＯＩウェハのＢＯＸ（Buried Oxide）層を用い、矩形状コアはＳＯＩウェハ最上位層のシリコン層をエッチングで加工することで作製可能である。上部クラッドは、空気クラッドにしてもよいし、コアを守る為にＳｉＯ２やＳｉ３Ｎ４を堆積させてもよい。このような導波路は、シリコン導波路と呼ばれる。
【００５５】
特徴２が成立する場合、このようなＰＢＣでは、一回のエッチングだけでコア１３及びコア１４を形成可能となる。従って製造プロセスが簡素化できる。特に、シリコン導波路を含む光回路全般において、光閉じ込めの強い矩形状コアの導波路によって配線することが多いため、このような配線とＰＢＣとを一括して作製することが可能である。
【００５６】
製造プロセスを簡素化することで、ＰＢＣの製造コストを下げることができる。また、製造プロセスの増加によって生じる製造誤差を抑えることが出来るため、ＰＢＣを製造する場合の歩留りも向上する。
【００５７】
特徴３によって、コア形成時の製造プロセスであるリソグラフィの要求精度を下げることが出来、製造プロセスの簡素化が可能である。特徴３によって、コア１３とコア１４とが接することは無い。もし、２つのコアが接する場合、連続的にコア１３とコア１４とのそれぞれのコアの間隔は、徐々に小さくする必要がある。しかし、リソグラフィは露光時の光の回折によって、実際に作製可能なコア間隔には限度がある。また、より狭いコア間隔を必要とする場合、製造プロセスの難度が上昇する。そのため、特徴３を満足することによって、ＰＢＣ１の製造プロセスの簡素化が可能である。
【００５８】
特徴４〜５によって、広い波長範囲において低損失、かつ製造誤差にも強い構造を実現可能となる。
【００５９】
一般に、高さが等しい矩形状コアを備えているＰＢＣでは、コアの幅が大きいほどコアの断面積が増すことから、ＴＥｉ及びＴＭｊのコアへの光の閉じ込めが強くなる。その結果、屈折率の高いコアの影響を受けて、各導波モードの実効屈折率は増加する。特徴４より、入力ポート１３ａと入力ポート１４ａとを含む入射端面において、コア１３のコア幅はコア１４のコア幅よりも大きいため、ＴＥｉ＠１４ａ（ＴＭｊ＠１４ａ）よりもＴＥｉ＠１３ａ（ＴＭｊ＠１３ａ）の実効屈折率が大きくなる。一方、出力ポート１３ｂと出力ポート１４ｂとを含む断面において、コア１４のコア幅はコア１３のコア幅よりも大きいため、ＴＥｉ＠１３ｂ（ＴＭｊ＠１３ｂ）よりもＴＥｉ＠１４ｂ（ＴＭｊ＠１４ｂ）の実効屈折率が大きくなる。さらに、特徴５より、コア１３とコア１４とは連続的にコア幅を変化させるので、ＴＥｉ（ＴＭｊ）の実効屈折率は、光の進行方向に対して連続的に変化する。その結果、次の４つの導波モードの組み合わせＣ１〜Ｃ４は、連続した実効屈折率曲線で接続される。
【００６０】
組み合わせＣ１：ＴＥｉ＠１３ａとＴＥｉ＠１４ｂ
組み合わせＣ２：ＴＥｉ＠１４ａとＴＥｉ＠１３ｂ
組み合わせＣ３：ＴＭｊ＠１３ａとＴＭｊ＠１４ｂ
組み合わせＣ４：ＴＭｊ＠１４ａとＴＭｊ＠１３ｂ
ここで、実効屈折率曲線とは、光の進行方向に対する座標に対して、各座標のコア１３とコア１４とを含む導波路断面における導波モードの実効屈折率をプロットしたものを意味する。一般に、同一の実効屈折率曲線上にある導波モード同士は、光の進行方向に対するコア幅の変化を十分緩やかにする、即ち、入力ポート１３ａ、入力ポート１４ａ、出力ポート１３ｂ、及び出力ポート１４ｂのそれぞれのコア幅を固定して、コア１３とコア１４との光の進行方向に対する長さ（以降、テーパ長と呼ぶ）を十分長くとることで、ほとんどエネルギー損失無く変換することが可能である。このような変換は、断熱変換と呼ばれる。
【００６１】
したがって、組み合わせＣ３と組み合わせＣ４とに注目すると、特徴４〜５よりテーパ長を長くすることで、ＴＭｊをコア１３からコア１４へ、又は、コア１４からコア１３へ低い損失で移すことが可能となる。
【００６２】
以上の原理について、非特許文献３を基にさらに詳しく述べる。まず、次の値を定義する。ここで、λは光波長を表す。
【００６３】
ＮＴＥｉ＠ＷＧ１：コア１３が単独で存在する場合のＴＥｉの実効屈折率
ＮＴＥｉ＠ＷＧ２：コア１４が単独で存在する場合のＴＥｉの実効屈折率
これらは、非特許文献３の式（１９−１４）の
【００６４】
【数８】
2016052343.tif 000009
について、それぞれ
【００６５】
【数９】
2016052343.tif 000010
に対応する。
【００６６】
ＮＴＭｊ＠ＷＧ１：コア１３が単独で存在する場合のＴＭｊの実効屈折率
ＮＴＭｊ＠ＷＧ２：コア１４が単独で存在する場合のＴＭｊの実効屈折率
これらは、非特許文献３の式（１９−１４）の
【００６７】
【数１０】
2016052343.tif 000011
について、それぞれ
【００６８】
【数１１】
2016052343.tif 000012
に対応する。
【００６９】
ＣＴＥｉ：コア１３のＴＥｉとコア１４のＴＥｉとの光結合の強さ
ＣＴＭｊ：コア１３のＴＭｊとコア１４のＴＭｊとの光結合の強さ
これらは、非特許文献３の式（１９−１４）のＣ（ｚ）に対応する。
【００７０】
δＴＥｉ＝（π／λ）×｜ＮＴＥｉ＠ＷＧ１−ＮＴＥｉ＠ＷＧ２｜
δＴＭｊ＝（π／λ）×｜ＮＴＭｊ＠ＷＧ１−ＮＴＭｊ＠ＷＧ２｜
ただし、上述した各変数の定義は、光の進行方向に対して垂直な断面における局所モードを考慮している。δＴＥｉは、コア１３のＴＥｉとコア１４のＴＥｉとの位相速度の差に関係し、δＴＭｊは、コア１３のＴＭｊとコア１４のＴＭｊとの位相速度の差に関係する。δＴＥｉ（又はδＴＭｊ）は、その値が０に近いほどコア１３とコア１４との位相が整合していることを表す。
【００７１】
以下、ＴＭｊがコア１３からコア１４へ移るときの条件を説明する。
【００７２】
ＣＴＭｊ＜＜δＴＭｊのとき、光結合の強さに対して位相が整合しない度合いが勝る為、コア１３のＴＭｊはコア１３に、コア１４のＴＭｊはコア１４にそれぞれ局在する。言い換えると、コア１３のＴＭｊとコア１４のＴＭｊは、ほとんど相互作用せず、独立してコア１３とコア１４とが存在する場合と同様の電界分布になる。
【００７３】
一方、ＣＴＭｊ＞＞δＴＭｊのとき、光結合の強さが位相が整合しない度合いに勝る為、コア１３のＴＭｊは、コア１３とコア１４とにまたがって存在する。コア１４のＴＭｊも同様に、コア１３とコア１４とにまたがって存在する。このような導波モードは、スーパモードと呼ばれる。言い換えると、コア１３のＴＭｊとコア１４のＴＭｊとは、それぞれ相互作用すると言える。
【００７４】
特徴４を満たすことで、入力ポート１３ａ及び入力ポート１４ａを含む入射端面におけるδＴＭｊ、並びに、出力ポート１３ｂ及び出力ポート１４ｂを含む出射端面におけるδＴＭｊは、大きくなる。その結果、入射端面におけるＴＭｊ及び出射端面におけるＴＭｊは、いずれも一方の導波路（コア１３又はコア１４）に局在する。
【００７５】
光の進行方向に対して、コア１３のコア幅とコア１４のコア幅とを徐々に近づけることによって、δＴＭｊは０に近づく。そのため、コア１３とコア１４とにおける光結合が徐々に強くなる。コア１３のコア幅と、コア１４のコア幅とが等しくなるとき、即ち、コア形状がコア１３とコア１４とで合同となるとき、δＴＭｊ＝０となり、ＴＭｊの電界は、コア１３とコア１４とに同じパワーの割合で存在する。このコア１３とコア１４とにおける光結合を介して、ＴＭｊは、コア１３とコア１４との間を移動する。
【００７６】
以上を踏まえると、次の理由から、広い波長範囲でＴＭｊの損失は、小さくなる。
【００７７】
上述したように、テーパ化方向性結合器において、ＴＭｊが導波路間を移る部分は、それぞれの導波路のコア幅が等しい、即ち、コア形状が合同となる箇所の断面付近である。もし、波長が変化したとしても、常に上記で示したコア幅が等しくなる断面においてコア１３とコア１４とのそれぞれのＴＭｊの実効屈折率が一致するので、導波路間のＴＭｊの移動は成立する。即ち、特徴１〜５を備えているＰＢＣ１は、広い波長帯域で、低損失動作する。
【００７８】
製造誤差に強い理由は、次の通り。製造誤差としては、（１）コア幅が設計値より変化する、（２）コア高さが設計値より変化する、（３）コアの屈折率が設計値より変化する、（４）クラッドの屈折率が設計値より変化する、などが挙げられる。コア幅が設計値より変化する場合、特徴４が満たされていれば、常にＷＧ１とＷＧ２のコア幅が等しくなる断面が本発明の内部に存在するため、ＴＭｊの移動は可能である。コア高さが設計値より変化する場合であっても、一般に、同一高さのコアであるコア１３，１４は同一プロセスで作製されるため、コア高さは、コア１３とコア１４とで常に等しくなる。従って、同様に特徴２が満たされていれば、ＴＭｊの移動は可能である。コアの屈折率が設計値より変化する場合であっても、コア１３，１４は同一プロセスでされるため、コア１３の屈折率とコア１４の屈折率とは、等しいと見なせる。また、クラッドの屈折率が設計値より変化する場合であっても、クラッドに対するコア１３の比屈折率差とクラッドに対するコア１４の比屈折率差とは、等しいと見なせる。そのため、ＴＭｊの移動は可能である。
【００７９】
また、コアの高さがコア１３とコア１４とで異なった場合、及び、コア形状が非対称な台形になる場合でも、ＴＭｊの実効屈折率が、入力ポート１４ａよりも入力ポート１３ａの方が大きく、出力ポート１３ｂよりも出力ポート１４ｂの方が大きい、という関係を維持していれば、ＴＭｊの移動は可能となる。
【００８０】
以上より、ＰＢＣ１は製造誤差に強いと言える。
【００８１】
ＰＢＣ１は、以上の特徴に加えて非特許文献３及び４には開示されていない、次の２つの特徴を更に備えている。
特徴６：コア１３及びコア１４の至る所で、ＴＭｊの実効屈折率はＴＥｉの実効屈折率よりも常に小さい。
特徴７：コア１３及びコア１４は、下部クラッド１１及び上部クラッド１２に対して比屈折率差が大きな材料から構成される。
【００８２】
ここで、比屈折率差は次式で定義する。
【００８３】
【数１２】
2016052343.tif 000013
ここで、Ｎｃｏはコアの屈折率、Ｎｃｌはクラッドの屈折率を表す。クラッドが複数の材料から構成される場合は、下部クラッド１１及び上部クラッド１２の屈折率を、それぞれ、Ｎｃｌ１及びＮｃｌ２とし、最も屈折率の大きな材料の屈折率をＮｃｌとする。
【００８４】
特徴６〜７を備えていることにより、本発明はＰＢＣとしての機能を有する。即ち、図１の（ｂ）において、ＴＭｊの光パワーのみが隣接導波路（ＷＧ１からＷＧ２又はＷＧ２からＷＧ１）へ移動し、ＴＥｉの光パワーは、そのごく僅かしか隣接導波路へ移動せず、大部分が同一の導波路から出力される、という効果を有する。その結果、例えば、ＴＭｊをコア１３の入力ポート１３ａに、ＴＥｉをコア１４の入力ポート１４ａにそれぞれ入力すると、両方の偏波はコア１４の出力ポート１４ｂから同時に出力される。従って、ＰＢＣ１は、ＰＢＣとして機能する。また、出力ポート１４ｂにＴＥｉとＴＭｊとを同時に入力すると、ＴＭｊは入力ポート１３ａから出力し、ＴＥｉは入力ポート１４ａから出力する。従って、ＰＢＣ１は、偏波ビームスプリッタとしても機能する。
【００８５】
以下、効果を奏する理由を述べる。
【００８６】
特徴６を備えていることによって、ＴＥｉは、ＴＭｊよりもコアへの光閉じ込めの程度が大きくなる。これは、実効屈折率の大小が、コアへの光の閉じ込めの強弱に対応するためである。言い換えると、ＴＭｊの方が、クラッドに光が大きく浸み出すと言える。さらに、特徴７を備えていることによって、ＴＥｉとＴＭｊとのクラッドへの光の浸みだしの程度の差をより大きくすることが出来る。言い換えれば、ＴＥｉとＴＭｊとの実効屈折率の差をより大きくすることが出来る。これは以下の理由による。
【００８７】
ＴＥｉの電界は、幅方向（ｘ方向）の電界成分（Ｅｘ）が主であり、ＴＭｊの電界は、高さ方向（ｙ方向）の電界成分（Ｅｙ）が主である。コア幅を大きくすると、光の閉じ込めが大きくなり、それに応じて実効屈折率が増加するが、この増加率はＴＭｊに比べＴＥｉの方が大きい。これは、電界のコアとクラッドとの境界条件から説明できる。マクスウェルの方程式より、コア側面（左右両方）における電界の境界条件は、式（６）及び式（７）で定められる。
【００８８】
【数１３】
2016052343.tif 000014
【００８９】
【数１４】
2016052343.tif 000015
ここで、各パラメータは以下の通り。
【００９０】
【数１５】
2016052343.tif 000016
は、側面境界上のクラッド側のＥｘを表し、
【００９１】
【数１６】
2016052343.tif 000017
は、側面境界上のコア側のＥｘを表し、
【００９２】
【数１７】
2016052343.tif 000018
は、側面境界上のクラッド側のＥｙを表し、
【００９３】
【数１８】
2016052343.tif 000019
は、側面境界上のコア側のＥｙを表す。
ＴＥｉには、式（６）が大きく関係し、ＴＭｊには、式（７）が大きく関係する。式（６）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、
【００９４】
【数１９】
2016052343.tif 000020
よりクラッド側に大きく電界が分布する。ただし、特徴６が満たされる場合、ＴＥｉよりもＴＭｊの方が、クラッドへの電界の浸み出しが小さい。その為、コア幅が大きくなると、外側に大きく分布していたＥｘがコアに分布することになり、コアに大きく電界が閉じ込められる。
【００９５】
一方で、式（７）を見ると、Ｅｙはコア側面境界で連続的に変化する。その為、コア幅の変化に対して、Ｅｘ成分ほどの変化はない。従って、コア幅を大きくすると、Ｅｙが主電界であるＴＭｊに比べて、Ｅｘが主電界であるＴＥｉの方がコアへの光閉じ込めが大きくなる。その結果、実効屈折率の増加率もＴＥｉが大きくなる。しかしながら、式（５）で示す比屈折率差が小さいと、ＴＥｉの境界面上における不連続性が小さくなり、コア幅に対するＴＭｊの閉じ込めの程度と同程度となる。一方で、比屈折率差が大きいと、ＴＥｉの境界面における不連続性が大きくなり、ＴＥｉは、ＴＭｊと比べてより強くコアの中に閉じ込められる、言い換えると、比屈折率差を大きくすることによって、ＴＥｉのクラッドへの浸み出しを小さくすることが出来る。その結果、特徴７によって、コア幅を増やすことで、ＴＥｉとＴＭｊとのクラッドへの光の浸みだしの程度に、大きな差をつけることが可能となる。
【００９６】
比屈折率差が大きさに起因して、ＴＥｉとＴＭｊの実効屈折率にどのような変化が生じるかをみるため、比屈折率差が５％の場合と、４０％の場合とにおいて、コア幅に対するＴＥ０及びＴＭ０のそれぞれの規格化した実効屈折率を計算した。その計算の結果を、図２に示す。図２の（ａ）は、計算に用いたコアの構成を示す断面図である。図２の（ｂ）は、比屈折率が５％である場合の計算結果を示すグラフであり、図２の（ｃ）は、比屈折率が４０％である場合の計算結果を示すグラフである。図２の（ａ）に示すように、コアの高さｈは２２０ｎｍとし、シリコン製であるコアの屈折率は３．４７として、比屈折率差に応じて上部クラッドの屈折率（＝下部クラッドの屈折率）を定めた。ＴＥ０及びＴＭ０の波長は、１５５０ｎｍとした。また、規格化した実効屈折率は、式（８）により求めている。
【００９７】
【数２０】
2016052343.tif 000021
図２の（ｂ）及び（ｃ）の結果を比較すると、比屈折率差が５％の場合は、コア幅を大きくしてもＴＥ０とＴＭ０とにおいて、規格化実行屈折率の差が非常に小さい。具体的には、コア幅４００ｎｍから１０００ｎｍの範囲において、規格化実行屈折率の差の最大値は、０．０１であった。一方、比屈折率差が４０％の場合、規格化実行屈折率の差が非常に大きいことが分かる。具体的には、コア幅４００ｎｍから１０００ｎｍの範囲において、規格化実行屈折率の差の最小値は、０．２３であった。実効屈折率は、コアへの光閉じ込めを表し、言い換えると、クラッドへの光の浸みだしの程度を表す。そのため、比屈折率差が大きい場合は、ＴＥ０とＴＭ０とのクラッドへの光の浸みだしの程度に、大きな差が生じるといえる。
【００９８】
以上より、本発明ではＴＥｉに比べＴＭｊの方がクラッドへの光の浸み出しが大きい。クラッドへの光の浸み出しが大きいと、隣接する導波路への光結合が強まる。そのため、特徴６〜７を備えていることによって、式（９）が常に成立する。
【００９９】
【数２１】
2016052343.tif 000022
この関係は、ＴＥｉ及びＴＭｊが、断熱変化によって導波路間を移動するのに必要なテーパ長に関係する。このテーパ長の評価指標として、非特許文献３の式（１９−３）のＺｂがあげられる。この値が大きいほどテーパ長を長くする必要がある。Ｚｂは、同一偏波においてコア１３とコア１４とを導波する２つの導波モードの伝搬定数の差（実効屈折率の差／（2π／λ））によって決まるので、ＴＥｉとＴＭｊとのそれぞれのＺｂは、式（１０）及び式（１１）のように書ける。
【０１００】
【数２２】
2016052343.tif 000023
【０１０１】
【数２３】
2016052343.tif 000024
最もＺｂが大きくなるのは、コア１３とコア１４とのそれぞれのコア幅が等しくなる時で、このときδＴＥｉ＝０及びδＴＭｊ＝０となる。したがって、式（１０）は式（１２）になり、式（１１）は式（１３）になる。
【０１０２】
【数２４】
2016052343.tif 000025
【０１０３】
【数２５】
2016052343.tif 000026
これより、光結合が大きいほど、短いテーパ長で導波路間の断熱的な移動が起こる。特徴６〜７を備えていることによって、式（９）の関係が成立することから、Ｚｂ（ＴＭｊ）は、Ｚｂ（ＴＥｉ）より短くなる。即ち、テーパ長として、ＴＭｊが断熱的に導波路間を移動するのに必要な長さを設定することで、ＴＭｊを低損失に移動させ、かつＴＥｉはほとんど導波路間を移動させない、ということが可能となる。
【０１０４】
さらに、特徴７を備えていることによって、ＰＢＣ１は、次の効果を奏する。ＴＥｉ及びＴＭｊの導波路間の移動は、それぞれＣＴＥｉ＞＞δＴＥｉ及びＣＴＭｊ＞＞δＴＭｊとなる範囲で強く行われる。導波路間の移動が行われる範囲（相互作用領域と呼ぶ）で断熱変換を行うためには、他の部分よりも特に長いテーパ長を必要とする。これは、式（１０）及び式（１１）からも分かり、ＣＴＥｉ＞＞δＴＥｉ及びＣＴＭｊ＞＞δＴＭｊのとき、Ｚｂ（ＴＥｉ）及びＺｂ（ＴＭｊ）はそれぞれ大きくなる。
【０１０５】
ＰＢＣ１は、コア１３及びコア１４のコア幅を変えることで、ＴＭｊを一方の導波路に局在している導波モードから、他方の導波路に局在している導波モードに移している。式（６）及び式（７）で示したように比屈折率差が大きい場合、コア幅を変化させたときの実効屈折率の変化量がＴＭｊよりもＴＥｉの方が大きい。そのため、コア幅の変化に対して、δＴＥｉは、δＴＭｊよりも急激に変化し、その結果、テーパ部分全体に占める相互作用領域の割合がＴＥｉよりもＴＭｊの方が多くなる。したがって、同じテーパ長でも、相対的にＴＥｉよりもＴＭｊの方が、緩やかに導波路間の光パワーの移動がおこり、その結果、ＴＭｊのみ選択的な導波路間の移動が可能となる。
【０１０６】
以上に示したように、ＰＢＣ１は特徴６〜７を備えていることによって、ＴＭｊのみ選択的に導波路間の移動を可能する。その結果、ＰＢＣ１は、ＰＢＣとしての機能を有する。
【０１０７】
以上の条件を満たす比屈折率差は次のように与えられる。式（６）より、比屈折率差が大きいほど、コア幅に対するＴＥｉの実効屈折率の増加の影響が顕著となり、その結果、大きなＣＴＭｊとＣＴＥｉとの差が得られる。支配的なパラメータは、式（６）の
【０１０８】
【数２６】
2016052343.tif 000027
であり、これが２以上であれば、ＴＥｉとＴＭｊのコア幅を変化させたときの実効屈折率の変化量の差は２倍以上となり、その結果、ＴＥｉとＴＭｊの分離の程度に２倍以上の差を付けれるため、十分であるといえる。このとき、比屈折率差は２５％以上となる。従って、ＰＢＣ１は、比屈折率差が２５％以上であることを必要条件とする。
【０１０９】
なお、非特許文献３及び４には、比屈折率差が小さい（例えば、５％以下）テーパ化方向性結合器についてのみ記載されている。前述したように、比屈折率差が小さいとＴＥｉとＴＭｊとの特性が類似する。例えば、比屈折率差＝５％のとき、
【０１１０】
【数２７】
2016052343.tif 000028
となり１０％しか差が生じない。そのため、このような比屈折率差が小さいテーパ化方向性結合器は、ＴＭｊの導波路間の移動だけでなく、ＴＥｉの導波路間の移動も同程度生じる。そのため、非特許文献３及び４では、隣接導波路間への光パワーの１００％移動についてのみ開示している。言い換えれば、非特許文献３及び４に係るテーパ化方向性結合器は、ＰＢＣとして機能することは出来ない。
【０１１１】
〔好ましい構成１〕
ＰＢＣ１において、（１）コア１３及びコア１４は、Ｓｉからなり、（２）下部クラッド１１は、ＳｉＯ２からなり、（３）上部クラッド１２は、空気、ＳｉＯ２、及びＳｉ３Ｎ４の何れかからなることが好ましい。
【０１１２】
この構成によれば、ＳＯＩウェハをＣＭＯＳプロセスによって加工することによって、ＰＢＣ１を容易に製作できる。また、この構成によれば、高い比屈折率差を持つ導波路を得ることが可能となる。具体的には、上部クラッドが空気又はＳｉＯ２からなる場合、比屈折率差は約４１％であり、上部クラッドがＳｉ３Ｎ４からなる場合、比屈折率差は約３２％である。
【０１１３】
下部クラッド１１は、ＳＯＩウェハのＢＯＸ層を利用することで形成できる。コア１３及びコア１４は、ＳＯＩウェハの最上位層であるＳｉ層をエッチングによって加工することで形成できる。上部クラッド１２は、コア形成後に所望の材料（ＳｉＯ２又はＳｉ３Ｎ４）を堆積させることで形成できる。なお、上部クラッド１２が空気からなる場合は、ＳｉＯ２又はＳｉ３Ｎ４を堆積する必要はない。
【０１１４】
特に、上部クラッド１２としてＳｉＯ２を用いる場合、下部クラッド１１と同じ材料であるため、下部クラッド１１と上部クラッド１２との境界における応力を小さくでき、ＰＢＣ１を制作するときの歩留まりをより高めることができる。
【０１１５】
〔好ましい構成２〕
ＰＢＣ１において、（１）コア１３及びコア１４は、Ｓｉからなり、（２）下部クラッド１１は、ＳｉＯ２からなることが好ましい。その上で更に、コア１３の幅を幅Ｗ１、コア１４の幅を幅Ｗ２とした場合に、幅Ｗ１及び幅Ｗ２は、式（１４）を満たす範囲内で変化することが好ましい。
【０１１６】
【数２８】
2016052343.tif 000029
ここで、ｈは、コア１３及びコア１４の高さを表す。また、Ｗｕｐｐｅｒは、式（１５）で表される。なお、式（１５）においてｅは、ネイピア数である。
【０１１７】
【数２９】
2016052343.tif 000030
これより、ＴＥ０とＴＭ０との偏波多重又は分離を行う場合に、ＴＭ０の過剰損失を下げることが可能となる。
【０１１８】
ＴＥ０とＴＭ０とを対象とした場合、特徴６を満たすためには、コアの幅Ｗ１及び幅Ｗ２は、コアの高さｈより大きい必要がある。これは、矩形導波路において、コア幅＝コア高さとなるとき、コアの断面形状が正方形となり、ＴＥ０とＴＭ０とは、９０度回転した同一の電界分布を示す為である。
【０１１９】
コア幅の最大値Ｗｕｐｐｅｒは、次のように定まる。実際の製造において、コア側壁が下部クラッド１１の上面に対して完全に垂直にならず、図３の（ａ）及び（ｂ）に示すような台形状になる場合がある。これは、巨視的には矩形状とみなせるが、次の点でＴＭ０の損失増加につながる。非特許文献５が示すように、図３の（ａ）及び（ｂ）のような高さ方向に非対称な屈折率分布を持つ場合、ＴＭ０とＴＥ１との実効屈折率が同じになるようなコア幅では、ＴＭ０とＴＥ１とは、相互作用する。
【０１２０】
その結果、ＴＭ０の一部がＴＥ１に変換し、過剰損失を生じさせる。したがって、この不要な損失を防ぐためには、コア幅は、ＴＥ１とＴＭ０との実効屈折率が同じになるコア幅よりも小さくする必要がある。そのため、ＴＥ１とＴＭ０との実効屈折率が同じになるコア幅をＷｕｐｐｅｒとする。高さｈで規格化したＷｕｐｐｅｒのシミュレーション結果を、図４に示す。ここで、波長は、１５５０nmとした。図４に記載のドットは、シミュレーション結果を示し、点線は、このシミュレーション結果を内挿した曲線を示す。この曲線より、Ｗｕｐｐｅｒは、式（１５）のように定められる。
【０１２１】
以上より、ＴＥ０とＴＭ０との偏波多重又は分離を行う場合、ＴＭ０の過剰損失を下げることが可能となる。ＴＥ０とＴＭ０とは、それぞれの偏波において最も実効屈折率が高いことから、最もコアへの閉じ込めが強い。その結果、曲げ導波路での損失が小さいくなる。このような理由により、ＴＥ０とＴＭ０とは一般的に最も使用される。そのため、ＴＭ０の過剰損失を抑える好ましい構成２は、実用上有用である。
【０１２２】
〔その他の利用方法〕
ＰＢＣ１は、ＴＭｊのみを低損失でコア１３とコア１４との間を移動することができる。したがって、ＰＢＣ１は、ＴＭｊ又はＴＥｉの偏波を抽出する基板型光導波路を用いた偏光子として利用可能である。
【０１２３】
ＴＭｊに対する偏光子として利用する場合、例えば、入力ポート１３ａを入力ポートとし、出力ポート１４ｂを出力ポートとすることで、入力ポート１３ａにＴＥｉとＴＭｊとが入力された場合、このうちＴＭｊのみを出力ポート１４ｂから抽出できる。
【０１２４】
ＴＥｉに対する偏光子として利用する場合、例えば、入力ポート１３ａを入力ポートとし、出力ポート１３ｂを出力ポートとすることで、入力ポート１３ａにＴＥｉとＴＭｊとが入力された場合、このうちＴＥｉのみを出力ポート１３ｂから抽出できる。
【０１２５】
いずれの場合も、広い波長範囲で低損失な動作が可能であるＰＢＣ１を用いることで、広い波長範囲で低損失かつ高偏波消光比をもつ偏光子を実現可能である。
【０１２６】
さらに、多段接続することで偏波消光比を向上させることが可能となる。
【０１２７】
〔ＰＢＣ１の構成〕
ＰＢＣ１の構成について、図５及び図６を参照して説明する。図５は、ＰＢＣ１の構成を示す斜視図である。図６の（ａ）は、ＰＢＣ１のコア１３及びコア１４の構成を示す上面図である。図６の（ｂ）〜（ｄ）は、それぞれ、図６の（ａ）に示すＡ−Ａ’線、Ｂ−Ｂ’線及びＣ−Ｃ’線におけるＰＢＣ１の断面図である。
【０１２８】
図５の（ａ）に示すように、ＰＢＣ１は、下部クラッド１１上に配置される第１のコア１３と、第２のコア１４と、第１のコア１３及び第２のコア１４を埋設するように下部クラッド１１上に積層された上部クラッド１２とを備えている。第１のコア１３及び第２のコア１４は、光の進行方向に直交する断面が矩形状のコアである。コア１３及びコア１４は、ＴＥ偏波としてＴＥ０（ＴＥ０偏波とも呼ぶ）を導波し、ＴＭ偏波としてＴＭ０（ＴＭ０偏波とも呼ぶ）を導波するものとして説明する。また、コア１３及びコア１４は、シリコン製であり、下部クラッド１１及び上部クラッド１２は、シリカ製であるものとして説明する。しかし、コア１３及びコア１４、並びに、下部クラッド１１及び上部クラッド１２を構成する材料の組み合わせは、これに限定されるものではない。
【０１２９】
以下において、下部クラッド１１の屈折率をＮｃｌ１、上部クラッドの屈折率をＮｃｌ２とする。下部クラッド１１と上部クラッド１２とが同じ材料によって構成されている場合は、Ｎｃｌ１＝Ｎｃｌ２＝Ｎｃｌとする。下部クラッド１１と上部クラッド１２とが異なる材料によって構成されている場合は、屈折率Ｎｃｌ１と屈折率Ｎｃｌ２とのうち、大きい方の屈折率をＮｃｌとする。ＰＢＣ１において、上述した式（５）で定義される比屈折率は、０．２５以上である。
【０１３０】
第１のコア１３と第２のコア１４とは同じ材料によって構成されており、その屈折率をＮｃｏは、Ｎｃｏ＞Ｎｃｌ１，Ｎｃｌ２を満足する。また、コア１３の幅及び高さを、それぞれ、Ｗ１及びｈ１とし、コア１４の幅及び高さを、それぞれ、Ｗ２及びｈ２とする。ＰＢＣ１において高さｈ１と高さｈ２とは等しく、以下においてｈ１＝ｈ２＝ｈとする。コア１３の幅Ｗ１及びコア１４の幅Ｗ２は、それぞれ、コア１３とコア１４との共通の高さである高さｈよりも大きい。
【０１３１】
また、コア１３とコア１４との間隔を幅ＷＧとしたとき、第１のコア１３と第２のコア１４との並走しているＰＢＣ１の全長にわたって幅ＷＧは一定である。以下において、第１のコア１３と第２のコア１４とが並走している区間のことを並走区間とも表現する。
【０１３２】
以下において、下部クラッド及び上部クラッドに第１のコアのみが埋設されている状態（ＰＢＣ１において第２のコア１４が存在しない状態）の上記第１のコアにおけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の実効屈折率を、それぞれ、ＮＴＥ＠ＷＧ１及びＮＴＭ＠ＷＧ１とする。また、下部クラッド及び上部クラッドに第２のコアのみが埋設されている状態（ＰＢＣ１において第１のコア１３が存在しない状態）の上記第２のコアにおけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の実効屈折率を、それぞれ、ＮＴＥ＠ＷＧ２及びＮＴＭ＠ＷＧ２とする。
【０１３３】
上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ１，ＮＴＭ＠ＷＧ１，ＮＴＥ＠ＷＧ２，ＮＴＭ＠ＷＧ２は、それぞれ、第１のコア１３と第２のコア１４とが互いに並走する並走区間の始点からの距離の関数として連続である。
【０１３４】
上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ１，ＮＴＭ＠ＷＧ１は、上記並走区間の全体においてＮＴＥ＠ＷＧ１＞ＮＴＭ＠ＷＧ１を満足し、上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ２，ＮＴＭ＠ＷＧ２は、上記並走区間の全体においてＮＴＥ＠ＷＧ２＞ＮＴＭ＠ＷＧ２を満足する。
【０１３５】
上記実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ１と上記実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ２との大小関係は、上記並走区間の始点と終点とで逆転する。具体的には、ＰＢＣ１において、上記並走区間の始点においてＮＴＭ＠ＷＧ１＞ＮＴＭ＠ＷＧ２であり、上記並走区間の終点においてＮＴＭ＠ＷＧ１＜ＮＴＭ＠ＷＧ２である。
【０１３６】
これらの要件を満たすために、コア１３の幅Ｗ１は、入力ポート１３ａから出力ポート１３ｂに近づくに従って線形に変化する。同様に、コア１４の幅Ｗ２は、入力ポート１４ａから出力ポート１４ｂに近づくに従って線形に変化する。言い換えれば、幅Ｗ１及び幅Ｗ２は、光の進行方向に対して線形に変化する。コア１３及びコア１４のこのような形状は、ＰＢＣ１の設計をより容易にするという観点で好ましい。
【０１３７】
幅Ｗ１と幅Ｗ２とが等しくなる断面は、ＰＢＣ１の中央に位置する。この構成は、コア１３とコア１４とが相互作用する相互作用領域を広くとることが可能であるために好ましい。
【０１３８】
なお、本実施形態では幅ＷＧを一定としているが、幅ＷＧは必ずしも一定でなくてもよい。特に、相互作用領域（幅Ｗ１と幅Ｗ２とが同じになる断面付近）は、他の部分に比べて長いテーパ長が必要なため、入力ポート１３ａ及び１４ａから相互作用領域にかけて導波路幅が狭くなる構造、及び、出力ポート１３ｂ及び１４ｂから相互作用領域にかけて導波路幅が狭くなる構造は、相互作用領域において結合長を高めることが可能なため好ましい。
【０１３９】
また、幅Ｗ１及び幅Ｗ２は、光の進行方向に対して、必ずしも線形に変化する必要は無く、相互作用領域において、より緩やかな関数で変化するように構成されていてもよい。この構成は、相互作用領域におけるテーパ長を相対的に長くできるために好ましい。
【０１４０】
また、ＰＢＣ１は、矩形状コアを前提としているが、一回のエッチングで作製可能であるリブ導波路を用いてコア１３及びコア１４を構成することも可能である。ただし、この場合、コア側壁が矩形導波路に比べて少ないことから、リブ幅（コア幅に相当）したときの、ＴＥ０とＴＭ０との実効屈折率の変化量の差が小さくなる。
【０１４１】
〔第１の実施例〕
第１の実施例に係るＰＢＣ１について、図７〜１５を参照して説明する。本実施例では、ＰＢＣ１を用いてＴＥ０とＴＭ０との偏波多重又は分離を行うことを目的としている。図７は、本実施例に係るＰＢＣ１の各部におけるサイズを示す概略図である。図７の（ａ）は、ＰＢＣ１の上面図であり、（ｂ）は、光の進行方向に垂直な面における、ＰＢＣ１の断面図である。
【０１４２】
また、図８の（ａ）は、ＰＢＣ１が備えているコア１４を備えていない（コア１１３のみを備えている）矩形状導波路１０１ａの実効屈折率、及び、ＰＢＣ１が備えているコア１３を備えていない（コア１１４のみを備えている）矩形状導波路１０１ｂの実効屈折率の計算結果を示すグラフである。矩形状導波路１０１ａ及び矩形状導波路１０１ｂは、本実施例に係るＰＢＣ１の比較例の一態様である。図８の（ｂ）は、下部クラッド１１１と、上部クラッド１１２と、埋設されたコア１１３（第１のコアに対応する）とを備えている導波路１０１ａの構成を示す断面図である。図８の（ｃ）は、下部クラッド１１１と、上部クラッド１１２と、埋設されたコア１１４（第２のコアに対応する）とを備えている導波路１０１ｂの構成を示す断面図である。
【０１４３】
図７の（ｂ）に示すＸが−１００から１００の範囲を変化することで、光の進行方向に対してコア１３の幅Ｗ１及びコア１４の幅Ｗ２が線形に変化する。具体的には、（１）Ａ−Ａ’線の位置、すなわち、入力ポート１３ａ及び入力ポート１４ａの位置において、幅Ｗ１は６００ｎｍ（Ｘ＝−１００ｎｍ）であり、幅Ｗ２は４００ｎｍ（Ｘ＝−１００ｎｍ）であり、（２）Ｅ−Ｅ’線の位置、すなわち、出力ポート１３ｂ及び出力ポート１４ｂの位置において、幅Ｗ１は４００ｎｍ（Ｘ＝１００ｎｍ）であり、幅Ｗ２は６００ｎｍ（Ｘ＝１００ｎｍ）であり、（３）Ｃ−Ｃ’線の位置、すなわち、入力ポート１３ａ（１４ａ）と出力ポート１３ｂ（１４ｂ）との中点の位置において、幅Ｗ１及び幅Ｗ２は、いずれも５００ｎｍ（Ｘ＝０ｎｍ）である。また、コア１３及びコア１４の高さｈは、２２０ｎｍとした。
【０１４４】
下部クラッド１１としては、ＳＯＩウェハのＢＯＸ層を用いた。
【０１４５】
ＳＯＩウェハ最上位層のシリコン（Ｓｉ）層をエッチングで加工することによって、コア１３及びコア１４を作製した。
【０１４６】
コア１３及びコア１４を作成した後、コア１３及びコア１４を埋設するようにシリカ（ＳｉＯ２）を堆積させることで、上部クラッド１２を形成した。
【０１４７】
以上のように、本実施例において、コア１３及びコア１４はシリコン製であり、下部クラッド１１及び上部クラッド１２はシリカ製である。
【０１４８】
本実施例において、光の進行方向に垂直な断面におけるＴＥ０とＴＭ０との実効屈折率を計算した。まず始めに、コア１３が下部クラッド１１及び上部クラッド１２中に独立して存在する導波路１０１ａ（図８の（ｂ）参照）と、コア１４が下部クラッド１１及び上部クラッド１２中に独立して存在する導波路１０１ｂ（図８の（ｃ）参照）とにおいて、それぞれの導波路についてＴＥ０及びＴＭ０の実効屈折率を計算した。それらの結果を、図８の（ａ）に示す。光の波長は、１５５０ｎｍとして計算した。この図８の（ａ）より、コア幅が６００ｎｍから４００ｎｍへ２００ｎｍだけ変化する間に、ＴＥ０の実効屈折率は０．３５だけ変化し、ＴＭ０の実効屈折率は０．１３だけ変化することが確認された。即ち、ＴＥ０の実効屈折率の方が、ＴＭ０の実効屈折率よりも大きな変化をする。これは、本実施例に係るＰＢＣ１が、特徴７に示した比屈折率の大きな導波路から構成されているためである。本実施例において、コア（１３、１４）とクラッド（１１、１２）との比屈折率差は、約４１％である。
【０１４９】
なお、図８の（ａ）において、ＴＥ０及びＴＭ０のそれぞれの実効屈折率の差の絶対値が、δＴＥ０／（π／λ）、δＴＭ０／（π／λ）に相当するため、これより、δＴＥ０及びδＴＭ０を求めることができる。
【０１５０】
続いて、図７の（ｂ）に示す断面図のように、コア１３とコア１４とを隣接させたＰＢＣ１の光の進行方向に対して垂直な断面における導波モードの実効屈折率を計算した結果を図９に示す。図９において同じ種類の曲線で描いたグラフは、それぞれ連続的に繋がっている。図８の（ａ）では実効屈折率が交差していた点が、図９においては、コア１３とコア１４とを間隔ＷＧ＝３５０ｎｍで隣接させることで相互作用し、交点が分離する。その結果、一つの曲線でコア１３のＴＥ０とコア１４のＴＥ０とが接続され、別の一つの曲線でコア１３のＴＭ０とコア１４のＴＭ０とが接続される。このときの、ＴＥ０の実効屈折率の差の絶対値は、
【０１５１】
【数３０】
2016052343.tif 000031
に相当し、ＴＭ０の実効屈折率の差の絶対値は、
【０１５２】
【数３１】
2016052343.tif 000032
に相当するため、これらと、図８の（ａ）から得られるδＴＥ０及びδＴＭ０を用いて、ＣＴＥ０及びＣＴＭ０を求めることが出来る。Ｘ＝０における、ＣＴＥ０及びＣＴＭ０は、それぞれ０．０１ｒａｄ／μｍ及び０．１３ｒａｄ／μｍとなり、ＴＭ０の方が結合が非常に大きい。これは、特徴６、７を満たすためである。この結果を用いて、式（１０）のＺｂ（ＴＥ０）及び式（１１）のＺｂ（ＴＭ０）を求めると、それぞれ４７０μｍ及び５０μｍとなった。従って、ＴＭ０が断熱変換により隣接導波路へ移動するのに必要な長さは、ＴＭ０に比べて非常に短くて済むということが分かる。
【０１５３】
さらに、Ｘについて、ＣＴＥ０とδＴＥ０の比（δＴＥ０／ＣＴＥ０）、ＣＴＭ０とδＴＭ０の比（δＴＭ０／ＣＴＭ０）をそれぞれ求めた。結果を図１０に示す。この比が小さいほど、コア１３及びコア１４のＴＥ０は強く相互作用する。本明細では、2以下を相互作用領域とする。ＴＭ０についても、ＴＥ０と同様である。図１０を見ると、Ｘ＝０では、δＴＥ０、δＴＭ０が０となるため、最も強く相互作用することが分かる。Ｘ＝０の前後では、コア幅が変化したことによって、δＴＥ０、δＴＭ０が増加し、その結果、相互作用が弱まる。ここで、特徴７（比屈折率差が大きい）によって、コア幅を変化させたときの実効屈折率の増加量がＴＥ０がＴＭ０よりも大きいため、δＴＭ０／ＣＴＭ０に比べて、急激にδＴＥ０／ＣＴＥ０が増加している。その結果、デバイス全体に対するＴＥ０の相互作用領域（−１０＜Ｘ＜１０）は、ＴＭ０の相互作用領域（−９０＜Ｘ＜９０）よりも小さい。そのため、ＴＥ０はＴＭ０よりも急激に電界分布の変化が生じるため断熱変換がほとんど生じず、一方で、ＴＭ０は効率的な断熱変換が可能であることが分かる。
【０１５４】
以上の結果を詳しくみるため、図７に示すＡ−Ａ’線、Ｂ−Ｂ’線、Ｃ−Ｃ’線、Ｄ−Ｄ’線、及びＥ−Ｅ’線による断面におけるＴＥ０とＴＭ０との電界分布をシミュレーションした。それらの結果を、図１１〜図１５に示す。図１１〜図１５の各図において、ＴＥ０は主電界成分であるＥｘを、ＴＭ０は主電界成分であるＥｙを示している。ＴＥ０＃０、ＴＥ０＃１は、ＷＧ１とＷＧ２を隣接させた断面のＴＥ偏波のうち、それぞれ１番目、２番目に実効屈折率が大きいモードを表す。同様に、ＴＭ０＃０、ＴＭ０＃１は、ＷＧ１とＷＧ２を隣接させた断面のＴＭ偏波のうち、それぞれ１番目、２番目に実効屈折率が大きいモードを表す。
【０１５５】
ＴＭ０では、断熱変換が成立するためＴＭ＃０もしくは、ＴＭ＃１の一方から他の導波モードへほとんど移ることはない。例えば、図１１〜図１５を見ると、Ｘ＝−１００でコア１３に入力したＴＭ０は、ＴＭ０＃０の電界分布を辿ることで、Ｘ＝１００でコア１４から出力される。導波路を移動するのはＸ＝０付近（図１３参照）で、このときの電界分布は隣接導波路のＴＭ０が最も強く相互作用することで、両方の導波路にＴＭ０が存在していることが見て取れる。また、同様にコア１４に入力したＴＭ０は、ＴＭ０＃１の電界分布を辿ることで、Ｘ＝１００でコア１３から出力される。
【０１５６】
一方で、ＴＥ０は断熱変換がほとんど行われない為、同一の導波路に電界が局在したまま出力される。例えば、図１１〜図１５を見ると、Ｘ＝−１００でＷＧ１に入力したＴＥ０は、ＴＥ０＃０の電界分布を励起するが、Ｘ＝−１０までほとんど隣接導波路へＴＥ０は移動しない。Ｘ＝０では、断熱変換が成立し無いため、ＴＥ０＃０とＴＥ０＃１の電界分布の両方を励起する。図には示していないが、ＴＥ０＃０とＴＥ０＃１は偶モードと奇モードと呼ばれるモードであり、ＴＥ０＃１の電界分布は幅方向に反対称となる。そのため、励起されたこれら２つの導波モードは、重ね合わさった結果、ほとんどＷＧ１に電界が局在するような電界分布を形成する。その後、Ｘ＝1０、１００において、コア１３の導波路を辿る為、ＴＥ０は隣接する導波路へ移動することなく、そのまま出力される。Ｘ＝−１００でコア１４に入力したＴＥ０も同様に、コア１４から出力される。
【０１５７】
以上の説明は、本実施例に限るものではなく、ＴＥｉとＴＭｊとを扱う本発明全てについて、同様に成り立つ。
【０１５８】
〔第２の実施形態〕
第２の実施形態に係るＰＢＣ１Ａについて、図１６を参照しながら説明する。ＰＢＣ１Ａは、実施形態に係るＰＢＣ１の前段及び後段に、それぞれ、曲げ導波路部２及び３を接続した基板型光導波路素子である。
【０１５９】
ＰＢＣ１の前段に設けられている曲げ導波路部２は、図１６に示すように、第３のコア２３及び第４のコア２４を備えている。第３のコア２３は、ＰＢＣ１の並走区間の始点を介して第１のコア１３と連通するコアである。第４のコア２４は、上記始点を介して第２のコア１４と連通するコアである。第３のコア２３及び第４のコア２４は、いずれも、第１のコア１３及び第２のコア１４と同じくシリコン製である。従って、第３のコアの屈折率及び第４のコアの屈折率は、いずれも、第１のコア１３の屈折率及び第２のコア１４の屈折率と同じである。第３のコア２３と第４のコア２４との間隔は、上記始点から離れるに従って大きくなる。
【０１６０】
第３のコア２３の幅Ｗ３は、上記始点における第１のコア１３の幅Ｗ１と一致している。幅Ｗ３は、第３のコア２３の一方の端部である第３の入力ポート２３ａから、第３のコア２３の他方の端部である第３の出力ポート２３ｂに至るまで一定であることが好ましい。
【０１６１】
第４のコア２４の幅Ｗ４は、上記始点における第２のコア１４の幅Ｗ２と一致している。幅Ｗ４は、第４のコア２４の一方の端部である第４の入力ポート２４ａから、第４のコア２４の他方の端部である第４の出力ポート２４ｂに至るまで一定であることが好ましい。
【０１６２】
ＰＢＣ１の後段に設けられている曲げ導波路部３は、第５のコア３３及び第６のコア３４を備えている。曲げ導波路部３は、曲げ導波路部２と対応した構成である。具体的には、第５のコア３３は、第３のコア２３に対応し、第６のコア３４は、第４のコア２４に対応している。
【０１６３】
第５のコア３３は、ＰＢＣ１の並走区間の終点を介して第１のコア１３と連通するコアである。第６のコア３４は、上記終点を介して第２のコア１４と連通するコアである。第５のコア３３及び第６のコア３４は、いずれも、第１のコア１３及び第２のコア１４と同じくシリコン製である。従って、第３のコアの屈折率及び第４のコアの屈折率は、いずれも、第１のコア１３の屈折率及び第２のコア１４の屈折率と同じである。第５のコア３３と第６のコア３４との間隔は、上記終点から離れるに従って大きくなる。
【０１６４】
第５のコア３３の幅Ｗ５は、上記終点における第１のコア１３の幅Ｗ１と一致している。幅Ｗ５は、第５のコア３３の一方の端部である第５の入力ポート３３ａから、第５のコア３３の他方の端部である第５の出力ポート３３ｂに至るまで一定であることが好ましい。
【０１６５】
第６のコア３４の幅Ｗ６は、上記始点における第２のコア１４の幅Ｗ２と一致している。幅Ｗ６は、第６のコア３４の一方の端部である第６の入力ポート３４ａから、第６のコア３４の他方の端部である第６の出力ポート３４ｂに至るまで一定であることが好ましい。
【０１６６】
曲げ導波路部２を接続することで、コア１３とコア１４との間隔を広げることなしに、コア２３とコア２４との間隔を広げることができる。また、曲げ導波路部３を接続することで、コア１３とコア１４との間隔を広げることなしに、コア３３とコア３４との間隔を広げることができる。したがって、入力ポート２３ａ、入力ポート２４ａ、出力ポート３３ｂ、及び出力ポート３４ｂにおいて不要な光反射が生じることを抑制することができる。
【０１６７】
また、隣接するコア１３とコア１４とを徐々に離間できることから、連続的にＴＭ偏波の光結合の強さを強める（入力側）／弱める（出力側）ことができる。これにより、入出力部から離れるに従い、隣接導波路のＴＭ偏波の光結合の強さを弱めることができるため、ＴＭ偏波はより一方の導波路へ局在した電界分布を持つことができ、他方の導波路に残存することで生じる損失を低下することができる。
【０１６８】
曲げ導波路は、ＷＧ１、ＷＧ２の両方に接続してもよいし、片方だけでも良い。図１６に示すように、コア幅が太い導波路端面には直線導波路を接続し、コア幅が細い導波路端面に曲げ導波路を接続した場合、ＴＭ０を図１６の左上のｐｏｒｔに入力、ＴＥ０を左下のｐｏｒｔに入力し、右下のｐｏｒｔからＴＥ０とＴＭ０の出力を得るようにすれば、ＰＢＣとして使用する際に、最も少ない回数で曲げ導波路を光が通ることになり好ましい。特にこの場合、ＴＥ０の方が、ＴＭ０よりコアへの光閉じ込めが強いので、ＴＥ０が曲げ導波路を通るように想定している。
【０１６９】
なお、ＷＧ１とＷＧ２を接近/離間する方法は曲げ導波路に限らず、任意の曲線形状を用いることが出来る。
【０１７０】
また、少なくともＷＧ１、ＷＧ２が接近する前段と、離間した後段の一方において、光配線を成す光導波路と低損失に接続する為、この光配線と同じコア幅に連続的に変化するテーパ導波路を接続してもよい。
【０１７１】
〔第２の実施例〕
第２の実施形態の図１６に対応した実施例を挙げる。曲げ導波路部２及び３において、直線導波路部分である第３のコア２３及び第６のコア３４は、それぞれ第１のコア１３の入力ポート１３ａ及び第２のコア１４の出力ポート１４ｂのコア幅を維持したまま延長されている。曲げ導波路である第４のコア２４及び第５のコア３３は、それぞれ第２のコア１４の入力ポート１４ａ及び第１のコア１３の出力ポート１３ｂのコア幅を維持したまま延長されている。コア２４及びコア３３は、円弧状に曲げている。
【０１７２】
図１６の並走区間は、実施例１と同じ寸法である。本実施例に係るＰＢＣ１Ａは、実施例１と同様のプロセスで作製可能である。以下において、並走区間のことをテーパ部とも記載し、並走区間の長さをテーパ長とも記載する。
【０１７３】
以下、シミュレーションにより、本実施例に係るＰＢＣ１ＡがＰＢＣとして機能することを示す。
【０１７４】
まず始めに、ｐｏｒｔ１−１にＴＭ０を入力したときに、ｐｏｒｔ２−２から出力されるＴＭ０の損失を有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ）によって計算した。その結果を図１７に示す。波長は１５５０ｎｍとした。これより、テーパ長が８０μｍ以上であれば、ＰＢＣ１Ａの損失は０．０１ｄＢ以下となり、断熱変換が十分成立していることが分かる。このとき（テーパ長＝８０μｍ）の、電界の伝搬する様子を図１８に示す。図１８の（ａ）には、ｐｏｒｔ１−１にＴＭ０を入力したときのＥｙ成分の電界分布を示す。図１８の（ｂ）には、ｐｏｒｔ１−１にＴＥ０を入力したときのＥｘ成分の電界分布を示す。図１８の（ａ）より、ＴＭ０はコア１３の中央付近で徐々にコア１４に移動することが分かる。一方で、ＴＥ０はコア１４にほとんど移動することなくコア１３を通り抜けることが分かる。従って、ＴＥ０及びＴＭ０における偏波分離が可能であることが分かる。
【０１７５】
続いて、ＰＢＣ１ＡをＰＢＣとして使用することを想定して、波長に対するこのときのＴＥ０とＴＭ０の損失と、偏波消光比（ＰＥＲ）をＦＤＴＤで計算した。結果を図１９に示す。テーパ長は、８０μｍとした。図１９の（ａ）には、ｐｏｒｔ１−１にＴＭ０を入力し、ｐｏｒｔ２−２から出力するときの損失（式（１）に相当）を示し、（ｂ）には、ｐｏｒｔ１−１にＴＥ０とＴＭ０をそれぞれ入力した時に、ｐｏｒｔ２−２から出力されるそれぞれの偏波の損失比であるＰＥＲ（式（３）に相当）を示し、（ｃ）には、ｐｏｒｔ１−２にＴＥ０を入力し、ｐｏｒｔ２−２から出力するときの損失（式（２）に相当）を示し、（ｄ）には、ｐｏｒｔ１−２にＴＥ０とＴＭ０をそれぞれ入力した時に、ｐｏｒｔ２−２から出力されるそれぞれの偏波の損失比であるＰＥＲ（式（４）に相当）を示した。なお、図１９には、後述する比較のための従来技術の結果も併記している。
【０１７６】
図１９の結果より、ＣバンドとＬバンドを含む１２０ｎｍの非常に広い波長範囲で、ＴＭ０の損失は０．１ｄＢ以下、ＴＥ０の損失は０．３２ｄＢ以下であり、ともに非常に小さいことが分かった。また、ＰＥＲは、それぞれ１０ｄＢ以上あり、不要な偏波成分を1/1０以下まで抑え込むことが可能であることが分かる。
【０１７７】
続いて、製造誤差の影響をＦＤＴＤで計算した。製造誤差としてコアの高さがコア１３とコア１４とでともに約５％だけ設計値より大きくなる場合を想定し、このときのｐｏｒｔ１−１に入力され、ｐｏｒｔ２−２から出力されるＴＭ０の損失を計算した。製造誤差がある場合とない場合とについて、結果を図２０に示す。この結果より、製造誤差の影響下でも、ＰＢＣ１Ａは、１２０ｎｍの広い波長範囲で０．１ｄＢ以下の低い損失を持つことが分かる。
【０１７８】
〔比較例〕
第２の実施例と非特許文献２の構造をシミュレーションで比較した。比較に用いた従来技術に係るＰＢＣ２０１の寸法を図３５に示す。第２の実施例に係るＰＢＣ１Ａとの比較のため、ＰＢＣ２０１のコア高さ、導波路間隔及び材料は、それぞれＰＢＣ１Ａと同じとした。直線部分の長さは、波長範囲１５２０ｎｍ〜１６４０ｎｍにおいて、ｐｏｒｔ１−１に入力したＴＭ０の損失の最大値が最小となるように定めた。また、この条件下で、コア幅は、ｐｏｒｔ１−１のＰＥＲが第２の実施例と同程度となるように定めた。このときの結果を図１９に示す。
【０１７９】
図１９より、全ての特性において、ＰＢＣ１ＡがＰＢＣ２０１を上回っていることが分かった。特に、ＴＭ０の損失は、ＰＢＣ２０１では最大で０．４３ｄＢであるのに対して、ＰＢＣ１Ａでは最大で０．１ｄＢであった。即ち、従来技術に比べ、ＰＢＣ１Ａは、広い波長範囲で高い性能をもつことが分かる。
【０１８０】
さらに、図２０で計算したときと同様の製造誤差を考慮したときの従来技術の性能を計算した。結果を図２１に示す。ＰＢＣ２０１では、製造誤差の影響でコアの大きさが変化し、その結果、ＴＭ０の閉じ込めの程度が変わる為、並走区間における結合長が変化する。そのため、図２１に示すように、損失が最小となる中心波長がずれ、波長範囲１５２０ｎｍ〜１６４０ｎｍにおいて、最大損失が０．４３ｄＢから０．８４ｄＢまで増加する。一方、前述したようにＰＢＣ１Ａは、同じ程度の製造誤差の影響を受けても、０．１ｄＢ以下の低い損失を維持する。
【０１８１】
〔ＰＢＣ１Ａの作製〕
本実施例に係るＰＢＣ１Ａを作製し、その諸特性を測定した。その結果を図２２に示す。テーパ長は１２０μｍである。図２２の（ａ）には、１００ｎｍの広い波長範囲における、ｐｏｒｔ１−１にＴＭ０を入力し、ｐｏｒｔ２−２から出力するときの損失（式（１）に相当）を示し、（ｂ）には、ｐｏｒｔ１−１にＴＥ０とＴＭ０をそれぞれ入力した時に、ｐｏｒｔ２−２から出力されるそれぞれの偏波の損失比であるＰＥＲ（式（３）に相当）を示し、（ｃ）は、ｐｏｒｔ１−２にＴＥ０を入力し、ｐｏｒｔ２−２から出力するときの損失（式（２）に相当）の測定結果を示している。
【０１８２】
これらの結果より、ＴＭ０の最大損失は０．１６ｄＢであり、非常に小さい損失で動作可能であることを実証した。また、ｐｏｒｔ１−１のＰＥＲは、１０．６ｄＢ以上であり十分大きい値である。ＴＥ０の損失の最大値は０．５９ｄＢであり、こちらも小さい値で動作可能であることが分かる。
【０１８３】
以上のように本実施例に係るＰＢＣ１Ａは、従来技術の問題点を改善する大きな効果をもっていることを実証済みである。
【０１８４】
〔第３の実施形態〕
本実施形態に係るＰＢＣ１Ｂは、第２の実施形態に係るＰＢＣ１Ａに対して、不要な偏波成分を除去する構造である終端部４を付加したものである。例えば、ｐｏｒｔ１−１にＴＥｉを入力した場合、そのパワーの大部分はｐｏｒｔ２−１から出力される。このＴＥｉが不要な成分である場合、ｐｏｒｔ２−１を光学的に終端する必要がある。もし、終端部が無いと、ＴＥｉは反射して戻り光になる可能性があり、ひいては、ＰＢＣを取り付ける光回路の性能に悪影響を及ぼす可能性がある。また、ｐｏｒｔ１−１にＴＭｊを入力した場合、そのパワーの大部分はｐｏｒｔ２−２から出力されるが、ごく一部隣接導波路に移りきらなかったＴＭｊ（残留ＴＭｊ）はｐｏｒｔ２−１から出力される。同様の理由でこの残留ＴＭｊも除去することが好ましい。
【０１８５】
図２３（ａ）は、ＰＢＣ１Ｂの構成を示す上面図である。ここでは、ＰＢＣ１Ｂが備えているコアのみを図示している。図２３の（ａ）に示すように、ＰＢＣ１Ｂは、不要な光が出力される可能性があるｐｏｒｔ２−１に終端部４のコアとして第７のコア４３を備えている。コア４３は、第５のコア３３を介して第１のコア１３に連通している。コア４３の幅は、光の進行方向に沿ってコア１３から離れるにしたがって小さくなる。すなわち、終端部４は、コア幅が徐々に狭くなる逆テーパ導波路であるコア４３を光終端として使用している。
【０１８６】
コア幅が狭くなると、コアへの光の閉じ込めが弱くなり、電界の大部分はクラッドに浸みだす。そのため、不要な光の電界を徐々にクラッドに移すことができる。その結果、反射を抑えて不要な光を放出することが可能となる。
【０１８７】
なお、ＰＢＣ１Ｂでは、第６のコア３４のｐｏｒｔ２−２から出力されるＴＭｊを利用する前提で、第５のコア３３のｐｏｒｔ２−１にコア４３を設けている。しかし、ｐｏｒｔ２−１から出力されるＴＥｉを利用する場合は、第６のコア３４のｐｏｒｔ２−２にコア４３を設けてもよい。
【０１８８】
〔変形例〕
第３の実施形態の変形例に係るＰＢＣ１Ｃについて、図２３の（ｂ）を参照して説明する。図２３の（ｂ）は、ＰＢＣ１Ｃの構成を示す上面図である。ここでは、ＰＢＣ１Ｃが備えているコアのみを図示している。ＰＢＣ１Ｃは、終端部４’を備えている。終端部４’は、第５のコア３３を介して第１のコア１３に接続されている光吸収体４３’を備えている。
【０１８９】
光吸収体４３’としては、例えば、コアにドーパントを打ち込んだＰ型半導体又はＮ型半導体を用いることができる。Ｐ型半導体及びＮ型半導体に打ち込まれたドーパントに起因するフリーキャリヤは、光を吸収する光吸収体として機能するためである。また、光吸収体４３’として、金属又は金属化合物からなる光吸収体を用いてもよい。光吸収体４３’を構成する材料は、特に限定されるものではなく、Ｃバンド及びＬバンドを含む広い波長範囲において光を吸収する材料であればよい。
【０１９０】
〔第４の実施形態〕
本実施形態に係る偏光子１Ｄについて、図２４を参照して説明する。図２４は、偏光子１Ｄの構成を示す上面図である。ここでは、偏光子１Ｄが備えているコアのみを図示している。偏光子１Ｄは、図１６に示すＰＢＣ１Ａを直列に２個接続した構造である。偏光子１Ｄは、第１のコア１３及び第２のコア１４を、それぞれｎ組備えた基板型光導波路素子であるとも表現できる。本実施形態では、前段のＰＢＣ１ＡをＰＢＣ１Ａａと記載し、後段のＰＢＣ１ＡをＰＢＣ１Ａｂと記載する。すなわち、偏光子の一方の端部から数えて、１組目の第１のコア１３及び第２のコア１４を備えたＰＢＣがＰＢＣ１Ａａであり、２組目の第１のコア１３及び第２のコア１４を備えたＰＢＣがＰＢＣ１Ａｂである。
【０１９１】
ＰＢＣ１Ａａの第２のコア１４は、ＰＢＣ１Ａａの第６のコア３４及びＰＢＣ１Ａｂの第３のコア２３を介してＰＢＣ１Ａｂの第１のコア１３と連通している。偏光子１Ｄが偏光子として機能する理由は、以下の通りである。
【０１９２】
ＰＢＣ１Ａａのｐｏｒｔ１−１にＴＥ偏波及びＴＭ偏波が入力された場合、（１）ＴＭ偏波の大部分は、ＰＢＣ１Ａａの並走区間において第２のコア１４に移り、ＰＢＣ１Ａａのｐｏｒｔ２−２に至り、（２）ＴＥ偏波の大部分は、そのままＰＢＣ１Ａａのｐｏｒｔ２−１に至り、（３）ＴＥ偏波の一部は、ＰＢＣ１Ａａの並走区間において第２のコア１４に移り、ＰＢＣ１Ａａのｐｏｒｔ２−２に至る。
【０１９３】
ＰＢＣ１Ａａのｐｏｒｔ２−２に至った（１）ＴＭ偏波の大部分と、（３）ＴＥ偏波の一部は、ＰＢＣ１Ａｂのｐｏｒｔ１−１に入力される。その場合、（４）ＴＭ偏波の大部分は、ＰＢＣ１Ａｂの並走区間において第２のコア１４に移り、ＰＢＣ１Ａｂのｐｏｒｔ２−２から出力され、（５）ＴＥ偏波の一部は、そのままＰＢＣ１Ａｂのｐｏｒｔ２−１から出力され、（６）ＴＥ偏波の一部のうちの更に一部は、ＰＢＣ１Ａｂの並走区間において第２のコア１４に移り、ＰＢＣ１Ａｂのｐｏｒｔ２−２から出力される。
【０１９４】
以上のように、ＰＢＣ１Ａを２つ直列に接続することによって、偏光子１Ｄは、ＰＢＣ１Ａを単独で用いた場合のＰＥＲと比較して、ＰＥＲを向上させる効果を奏する。本実施形態では、２つのＰＢＣ１Ａ（２組の第１のコア１３及び第２のコア１４）を直列に接続した場合を例に説明した。しかし、偏光子１Ｄは、３つ以上のＰＢＣ１Ａ（２組以上の第１のコア１３及び第２のコア１４）を直列に接続することによって構成されていてもよい。ｎ組（ｎは正の整数）の第１のコア１３及び第２のコア１４によって偏光子１Ｄが構成されている場合、ｉ組目の第２のコア１４は、ｉ＋１組目の第１のコア１３と連通するように構成される。このとき、ｉは１≦ｉ≦ｎ−１の整数である。なお、ｉ組目のコア１４と、ｉ＋１組目のコア１３との間には、コア１３及び１４とは異なる別のコアが介在していてもよい。
【０１９５】
偏光子１Ｄを構成するＰＢＣ１Ａの個数を増やすことによって、ＰＥＲを更に向上させることができる。
【０１９６】
〔第５の実施形態〕
上述の各実施形態に係るＰＢＣは、非特許文献１に記載のＤＰ−ＱＰＳＫ（Dual Polarization-Quadrature Phase Shift Keying）変調器が備えている偏波ビームコンバイナとして利用可能である。DP-QPSK変調器では、光導波路にＴＥ０とＴＭ０の２つのモードが存在できることを利用して、ＴＥ０で入力した光を分岐して各々QPSK信号に変調したのち、片側のＴＥ０をＴＭ０に変換させて（偏波ローテータ）、２つのモードをＰＢＣで同一光導波路上に多重し、ＴＥ０/ＴＭ０の両モードに独立したQPSK信号を有するDP-QPSK変調を行う。ＴＥ０とＴＭ０とを偏波多重するＰＢＣとして、上述の各実施形態に係るＰＢＣ１及びＰＢＣ１Ａ〜１Ｃを利用することができる。
【０１９７】
本実施形態では、第１の実施形態に係るＰＢＣ１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２５を参照して説明する。図２５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。
【０１９８】
ＤＰ−ＱＰＳＫ変調器である光変調器５は、図２５に示すように、（１）ＴＥ０をＱＰＳＫ変調する第１のＱＰＳＫ変調器５１と、（２）ＴＥ０をＱＰＳＫ変調する第２のＱＰＳＫ変調器５２と、（３）第２のＱＰＳＫ変調器５２により変調されたＴＥ０をＴＭ０に変換する偏波ローテータ５３と、（４）第１のＱＰＳＫ変調器５１により変調されたＴＥ０と偏波ローテータ５３により得られたＴＭ０とを偏波多重するＰＢＣ５４とを備えている。
【０１９９】
ＰＢＣ５４は、図６に示すＰＢＣ１と同様に構成されている。ＰＢＣ５４の第１のコア１３入力ポート１３ａには上記ＴＭ０が入力され、第２のコア１４の入力ポート１４ａには上記ＴＥ０が入力される。ＰＢＣ５４は、上記ＴＭ０と上記ＴＥ０とを偏波多重し、第２のコア１４の出力ポート１４ｂから偏波多重されたＴＭ０及びＴＥ０を出力する。
【０２００】
偏波ビームコンバイナとしてＰＢＣ５４を備えている光変調器５は、Ｃバンド及びＬバンドを含む広い波長範囲で低損失である。そのため、これらの広い波長範囲で低損失な基板型光導波路によるDP-QPSK変調器が実現可能である。また、本発明は通常多くの場合で使用される矩形導波路で作製可能なため、DP-QPSKの光配線を成す光導波路と一括作製が可能であり、余分なプロセスは不要となる。
【０２０１】
なお、ＴＥ０とＴＭ０を変調する方式はQPSKに限らず、複雑な構成を持つ変調器であっても、本発明を用いて偏波多重を行うことが可能である。
【０２０２】
〔第６の実施形態〕
本実施形態に係る基板型光導波路素子６について、図２６を参照して説明する。図２６は、基板型光導波路素子６の構成を示すブロック図である。図２６に示すように、基板型光導波路素子６は、偏光子６２に加えて、スポットサイズコンバータ６１と、光デバイス６３とを備えている。本実施形態において、偏光子６２は、図６に記載のＰＢＣ１と同様に構成されているものとして説明する。なお、偏光子６２としては、ＰＢＣ１の代わりに上述したＰＢＣ１Ａ〜１Ｃ及び偏光子１Ｄを利用してもよい。
【０２０３】
スポットサイズコンバータ６１は、外部から光ファイバ、レンズなどを介して入力された光のスポットサイズを縮小して、偏光子６２の第１のコア１３の入力ポート１３ａに入力する。スポットサイズコンバータ６１としては、例えば、光を入力される側の端部から偏光子６２側の端部に近づくに従ってコア幅が大きくなる逆テーパ導波路を利用可能である。
【０２０４】
光デバイス６３は、例えば、入力される光を変調する変調器であったり、特定の波長のみを抽出する波長フィルターであったりする。光デバイス６３は、偏波依存性を有している。そのため、光デバイス６３には、ＴＥ偏波又はＴＭ偏波のいずれか一方の光が入力されることが好ましい。しかし、外部の光ファイバ及びレンズ、並びに、スポットサイズコンバータ６１を介した光には、光ファイバ、レンズ及びスポットサイズコンバータ６１における偏波軸のアライメントミスなどに起因して、望まない偏波成分が含まれている可能性がある。
【０２０５】
図２６に示すように、偏光子６２は、スポットサイズコンバータ６１（光入力構造）と光デバイス６３との間に設けられている。偏光子６２は、スポットサイズコンバータ６１から入力された光が含みうるＴＥ偏波成分及びＴＭ偏波成分のうち、光デバイス６３にとって好ましい偏波成分（ＴＥ偏波成分又はＴＭ偏波成分）を光デバイス６３に対して出力する。
【０２０６】
具体的には、スポットサイズコンバータ６１が出力する光は、ＰＢＣ１の入力ポート１３ａを介して第１のコア１３に入力される。偏光子６２は、第１のコア１３の出力ポート１３ｂからＴＥ偏波成分を出力し、第２のコア１４の出力ポート１４ｂからＴＭ偏波成分を出力する。
【０２０７】
光デバイス６３が入力される光の偏波成分としてＴＥ偏波成分が好ましい場合、光デバイス６３は、偏光子６２の第１のコア１３の後段に接続されていればよい。光デバイス６３には、第１のコア１３から出力されたＴＥ偏波成分が入力される。
【０２０８】
一方、光デバイス６３が入力される光の偏波成分としてＴＭ偏波成分が好ましい場合、光デバイス６３は、偏光子６２の第２のコア１４の後段に接続されていればよい。光デバイス６３には、第２のコア１４から出力されたＴＭ偏波成分が入力される。
【０２０９】
以上のように、同一の基板上に形成されたスポットサイズコンバータ６１と光デバイス６３との間に偏光子６２を設けることによって、光デバイス６３にとって好ましい偏波成分のみを光デバイス６３に入力することができる。偏光子６２は、スポットサイズコンバータ６１及び光デバイス６３を作製するプロセスと同じプロセスによって作製可能である。言い換えれば、スポットサイズコンバータ６１及び光デバイス６３に対して、偏光子６２を追加するための特別なプロセスを追加することなしに、基板型光導波路素子６を作製することができる。また、基板型光導波路素子６は、ＰＢＣ１と同様に構成された偏光子６２を備えているため、好ましくない偏波成分が光デバイス６３に与える悪影響を、広い波長範囲において低損失なまま抑制することができる。
【０２１０】
〔第７の実施形態〕
第７の実施形態に係るＰＢＣ１００について、図２７及び図２８を参照して説明する。本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、ＰＢＣ１００を用いてＴＥ０とＴＭ０との偏波多重又は分離を行うことを目的としている。図２７は、本実施形態に係るリブ導波路の基本形状を示す断面図である。図２８の（ａ）は、ＰＢＣ１００の上面図であり、（ｂ）〜（ｄ）は、それぞれ、（ａ）に示すＡ−Ａ’線、Ｂ−Ｂ’線及びＣ−Ｃ’線におけるＰＢＣ１００の断面図である。
【０２１１】
（リブ導波路の基本構造）
図２７に示すように、リブ導波路は、下部クラッド１１０上に配置されたコア１５０と、コア１５０を下部クラッド１１０と挟むように、コア１５０上に積層された上部クラッド１２０とを備えた３層構造をなしている。コア１５０は、下部クラッド１１０の上面全体を覆うように形成された薄板状のスラブ１６０と、スラブ１６０に対して隆起したリブ１３０とを備えている。リブ１３０の断面形状は、図２７に破線で示すように、長方形である。
【０２１２】
ＰＢＣ１００を作製するには、例えばＳＯＩウェハのＳｉＯ２から成るＢＯＸ層を下部クラッド１１０とし、ＳＯＩウェハ最上位層のＳｉ層をエッチングしてリブ１３０及びスラブ１６０を残すようにすることで、コア１５０を形成する。その後、コア１５０を覆うようにＳｉＯ２から成る上部クラッド１２０を形成する。なお、上部クラッド１２０は空気でもよい。図６に示す矩形導波路とリブ導波路との違いは、リブ導波路において、コアをエッチングする際に、リブの両側にコアを残すことによって、リブより厚みの薄いスラブを形成している点にある。
【０２１３】
（リブ導波路で構成したＰＢＣの構造）
次に、図２８を参照して、上記リブ導波路によって構成した本発明の一態様に係るＰＢＣ１００の構造について説明する。図２８の（ａ）（ｂ）に示すように、ＰＢＣ１００は、下部クラッド１１０と上部クラッド１２０とに挟まれた第１のリブ１３０と第２のリブ１４０とを備えている。第１のリブ１３０と第２のリブ１４０とは、ＰＢＣ１００における光の進行方向に沿って並列状に形成され、第１のリブ１３０と第２のリブ１４０との間には、幅ＷＧの一定間隔が保たれている。図２８の（ｄ）に示すように、第１のリブ１３０及び第２のリブ１４０の各両側には、上記スラブ１６０が存在し、第１のリブ１３０、第２のリブ１４０及びスラブ１６０の全体で、上記コア１５０を構成している。
【０２１４】
ＰＢＣ１００における光の進行方向に対して垂直な断面を考えた場合、図２８の（ａ）に示す並走区間の始点におけるＡ−Ａ’線で示す断面、並走区間の中央におけるＢ−Ｂ’線で示す断面、及び並走区間の終点におけるＣ−Ｃ’線で示す断面のいずれにおいても、スラブ１６０の幅Ｗは、下部クラッド１１０及び上部クラッド１２０の幅Ｗ（すなわちＳＯＩ基板の幅）と等しく一定である。換言すれば、下部クラッド１１０の表面において、第１のリブ１３０及び第２のリブ１４０が形成されている領域を除くすべての領域には、スラブ１６０が形成されている。この構成によれば、第１のリブ１３０及び第２のリブ１４０を１回のエッチングにより形成することができる。
【０２１５】
ただし、図２８の（ａ）に示すように、スラブ１６０の幅を上記幅Ｗより狭い幅Ｗｐとしてもよい。換言すれば、スラブ１６０は、第１のリブ１３０及び第２のリブ１４０を含む幅Ｗｐに限定された領域に形成されていてもよい。第１のリブ１３０及び第２のリブ１４０を形成するために２回のエッチングを施すことによって、スラブ１６０を幅Ｗｐである領域に限定して形成することができる。
【０２１６】
第１のリブ１３０及び第２のリブ１４０の屈折率と、下部クラッド１１０及び上部クラッド１２０の各屈折率との関係、第１のリブ１３０幅Ｗ１及び高さｈ１、第２のリブ１４０の幅Ｗ２及び高さｈ２については、第１の実施形態において図６を参照して説明したＰＢＣ１と同じである。
【０２１７】
ＰＢＣ１００をテーパ化方向性結合器として利用する場合、コア１３０の入力ポート１３０ａにはＴＭ０偏波が入射され、コア１４０の入力ポート１４０ａにはＴＥ０偏波が入射される。コア１４０は、ＴＥ０偏波とコア１３０から移動してきたＴＭ０偏波とを出力ポート１４０ｂから出射する。ＰＢＣ１００をＴＭ０に対する偏光子として利用する場合、例えば、入力ポート１３０ａにＴＥ０とＴＭ０とが入力された場合、このうちＴＭ０のみを出力ポート１４０ｂから抽出できる。また、ＰＢＣ１００をＴＥ０に対する偏光子として利用する場合、例えば、入力ポート１３０ａにＴＥ０とＴＭ０とが入力された場合、このうちＴＥｉのみを出力ポート１３０ｂから抽出できる。
【０２１８】
（ＰＢＣ１００の特徴について）
ＰＢＣ１では、前記特徴１〜７が本発明の目的を達成するために必要十分な条件としていた。しかしながら、リブ導波路でＰＢＣを構成する場合、特徴１は次の特徴１'に置き換える必要がある。
【０２１９】
特徴１'：２つの導波路ＷＧ１及びＷＧ２は、リブ導波路として構成される。
【０２２０】
前記特徴１の効果は、「基板型光導波路を作製可能である」という点なので、特徴１'のように矩形導波路をリブ導波路に置き換えても、上記効果をもたらす機能性について問題はない。
【０２２１】
また、その他の前記特徴２〜６における「コア１３」「コア１４」を、それぞれ「リブ１３０」「リブ１４０」と置き換え、特徴７の「コア１３及びコア１４」を、コア１５０全体と置き換えることによって、前記特徴２〜７が奏する効果と同様の効果が得られることは、当業者に容易に理解することができる。
【０２２２】
上記特徴１’によるさらなる効果について補足する。矩形導波路では、コアを形成するために、エッチングによってコアのサイドを削る。この際、加工精度の問題で、光の進行方向に沿って不連続にコア幅が変動する「側壁荒れ」と呼ばれる事象が発生する。すなわち、コアの側壁に不連続部分が生じる。その結果、その不連続部分で導波する光が散乱するため損失が生じる。一方、リブ導波路では、所定の厚さを有するスラブが形成されている。スラブの側壁は、光が導波する領域であるリブから十分に離れた位置に形成されているため、スラブの側壁荒れは、導波する光を散乱させない。すなわち、リブ導波路は、矩形導波路と比較して、導波する光を散乱させる側壁部分の割合が小さいので、この損失を小さくすることができる。また、前記特徴５で必要となる導波路幅(コア幅)の連続性を、より精度高く実現することにもつながり、この観点でも損失低下を可能とする。以上より、リブ導波路を用いることで、加工精度の影響で生じる光の損失を低減することが可能となる。
【０２２３】
〔第８の実施形態〕
第８の実施形態に係るＰＢＣ１００Ａについて、図２９及び図３０を参照して説明する。本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、ＰＢＣ１００Ａを用いてＴＥ０とＴＭ０との偏波多重又は分離を行うことを目的としている。図２９の（ａ）は、本実施形態に係るリッジ導波路の作製方法を示す断面図であり、（ｂ）は、リッジ導波路の基本形状を示す断面図である。図３０の（ａ）は、第８の実施形態に係る上記リッジ導波路を含むＰＢＣ１００Ａの構成を示す上面図であり、（ｂ）〜（ｄ）は、（ａ）に示すＡ−Ａ’線、Ｂ−Ｂ’線及びＣ−Ｃ’線におけるＰＢＣ１００Ａの断面図である。
【０２２４】
（リッジ導波路の基本構造）
図２９の（ｂ）に示すように、リッジ導波路は、下部クラッド１１０Ａの上面の一部を、断面が矩形状となるように隆起させた下部クラッドリブ１１０ａを備え、下部クラッドリブ１１０ａ上に、コア１５０Ａ及び上部クラッド１２０Ａをこの順に積層した構造を有している。コア１５０Ａ及び上部クラッド１２０Ａは、下部クラッドリブ１１０ａと同じ幅で積層されている。下部クラッドリブ１１０ａ、コア１５０Ａ及び上部クラッド１２０Ａが全体で、下部クラッド１１０Ａの上面に隆起したリッジ１３０Ａとなっている。
【０２２５】
ＰＢＣ１００Ａを作製するには、図２９の（ａ）に示すように、例えばＩｎＰから成る下部クラッド及び上部クラッドが、ＩｎＧａＡｓＰから成るコアを挟むように、下部クラッド、コア及び上部クラッドを層状に形成する。その後、所望のコア幅を有するコアの一部を残すとともに、下部クラッドリブ１１０ａが下部クラッドの上面に形成されるように、上部クラッド、コア及び下部クラッドをエッチングする。
【０２２６】
エッチング後の領域、すなわちリッジ１３０Ａの両側の領域には、空気等の気体を満たしてもよいし、樹脂または半導体等で埋めてもよい。このように、導波路をリッジ導波路として形成することで、上部クラッド１２０Ａ及び下部クラッド１１０Ａとコア１５０Ａとの比屈折率差が小さい場合であっても、幅方向に注目した際の比屈折率差を高めることができる。例えば、上部クラッド１２０Ａ及び下部クラッド１１０ＡをＩｎＰ(屈折率３.１７)で形成し、コア１５０ＡをＩｎＧａＡｓＰ(屈折率３.４７)とした場合、比屈折率差は０.０８（８％）となる。しかし、エッチング後の領域を空気(屈折率１)とした場合、幅方向の比屈折率差を０.４６（４６％）と大幅に高めることができる。
【０２２７】
矩形導波路又はリブ導波路の代わりにリッジ導波路を採用することによって、クラッドに対するコアの比屈折率差が小さい組み合わせ、例えば、ＩｎＧａＡｓＰからなるコア１５０とＩｎＰからなるクラッド１１０Ａ，１２０Ａとの組み合わせを採用する場合であっても、幅方向への光の閉じ込めを強めることができる。
【０２２８】
（リッジ導波路で構成したＰＢＣの構造）
次に、図３０を参照して、上記リッジ導波路によって構成した本発明の一態様に係るＰＢＣ１００Ａの構造について説明する。図３０の（ａ）〜（ｄ）に示すように、ＰＢＣ１００Ａは、下部クラッド１１０Ａ上に、光の進行方向に並列するリッジ１３０Ａ及びリッジ１４０Ａを備えている。リッジ１４０Ａの構成は、図２９の（ｂ）に示すリッジ１３０Ａの構成と同じであり、下部クラッド１１０Ａは、リッジ１３０Ａ及びリッジ１４０Ａに共通している。リッジ１３０Ａとリッジ１４０Ａとの間には一定の間隔が設けられている。言い換えると、リッジ１３０Ａ及びリッジ１４０Ａの対面する側壁同士は、一定の間隔を置いて平行になっている。
【０２２９】
（ＰＢＣ１００Ａの特徴について）
ＰＢＣ１００Ａでは、前記特徴１〜７のうち、特徴７に関して説明した比屈折率差について、変更が必要になる。前記ＰＢＣ１では、式（５）で定義される比屈折率差において、下部クラッド１１及び上部クラッド１２の屈折率を、それぞれ、Ｎｃｌ１及びＮｃｌ２とし、最も屈折率の大きな材料の屈折率をＮｃｌとした。これに対し、ＰＢＣ１００Ａでは、“リッジ１３０Ａ（ＷＧ１）のコアとリッジ１４０Ａ（ＷＧ２）のコアとの間の間隙（エッチング領域）に充填される材料の屈折率をＮｂとすると、ＮｃｌはＮｂとする。”のように、Ｎｃｌを定義し直す。
【０２３０】
この理由は以下の通りである。本発明では、ＴＥｉがＴＭｊよりも隣接導波路への光結合が小さいことを利用している。光結合は、一方の導波路から他方の導波路へ浸み出す光の量で決まる。そのため、２つの導波路の間の領域と、コアとの比屈折率差を大きくすることにより、一方の導波路から他方の導波路へ向かう方向に対して光閉じ込めを強めることができ、本発明の効果を得ることができる。その際、Ｎｃｌについて、本質的な役割を担うのは、２つの導波路の間の領域の材料なので、Ｎｃｌの値をＮｂと見做すことが適切となる。
【０２３１】
リッジ導波路を用いると次のような大きなメリットを生む。すなわち、コアと上部クラッド及び下部クラッドとの比屈折率差が小さい場合であって、矩形導波路又はリブ導波路を採用した場合には、光をコアに十分に閉じ込めることができない。これに対し、リッジ導波路では、矩形導波路の作成工程にエッチング工程を追加するだけで、光をコアに十分に閉じ込めることができる。加えて、コアとコアの両側に存在する媒質（例えば、空気などの気体や、樹脂又は半導体等）との比屈折率差を大きく設定することができる。したがって、コア１５０の曲げ半径を小さくすることができるので、デバイスサイズを小さくする、又は、デバイスの集積度を高めることができる。
【０２３２】
〔変形例（１）〕
第８の実施形態の変形例（１）に係るＰＢＣ１００Ｂについて、図３１を参照して説明する。図３１の（ａ）は、第８の実施形態の一変形例としてのリッジ導波路を含むＰＢＣの構成を示す上面図であり、（ｂ）〜（ｄ）は、（ａ）に示すＡ−Ａ’線、Ｂ−Ｂ’線及びＣ−Ｃ’線における上記ＰＢＣの断面図である。
【０２３３】
図３１の（ａ）〜（ｄ）に示すように、リッジ１３０Ａ及びリッジ１４０Ａの各両側のうち、隣接導波路が存在しない側を、保護材１７０で埋めてもよい。これにより、エッチング後にむき出しになっているリッジ１３０Ａ及びリッジ１４０Ａの側壁、及び下部クラッド１１０Ａの上面にゴミ等が付着することを防ぐことができる。保護材１７０を構成する材料としては、リッジ導波路のコアを構成する材料よりも屈折率の小さい材料を用いる必要があり、例えば、シリカ(ＳｉＯ２)やシリコンナイトライド（Ｓｉ３Ｎ４）等を用いることができる。
【０２３４】
〔変形例（２）〕
第８の実施形態の変形例（２）に係るＰＢＣ１００Ｃについて、図３２の（ａ）を参照して説明する。図３２の（ａ）は、図３０の（ａ）に示すＡ−Ａ’線と同じ位置でＰＢＣ１００Ｃを切断した場合におけるＰＢＣ１００Ｃの断面図である。
【０２３５】
図６の（ｂ）に示す矩形導波路を備えたＰＢＣ１とＰＢＣ１００Ｃとの構成上の違いは、ＰＢＣ１において下部クラッド１１上で並列したコア１３とコア１４との間の間隙を、ＰＢＣ１の高さ方向に貫く溝が形成されていることである。ＰＢＣ１００Ｃに形成された溝１８０は、上部クラッド１２０Ｃの上面から、隣り合うコア１３０Ｃとコア１４０Ｃとの間の間隙を貫いて、下部クラッド１１０Ｃの高さ方向の途中位置まで達している。
【０２３６】
ＰＢＣ１００Ｃを作製する場合、図３０の（ａ）にリブ１３０Ａ及びリブ１４０Ａの平面視した輪郭で示すように、下部クラッド１１０Ｃ上に、平面視した形状が平行四辺形となるようにコア１５０Ｃの層を形成する。当該平行四辺形は、図３０の（ａ）に示す並走区間の始点及び終点に、対向する２つの短辺がそれぞれ位置合わせされた形状となっている。次に、コア１５０Ｃを埋設するように下部クラッド１１０Ｃ上に上部クラッド１２０Ｃを積層する。こうして下部クラッド１１０Ｃ、コア１５０Ｃ及び上部クラッド１２０Ｃを３層に積層した後で、ＰＢＣ１００Ｃの幅の中央付近において、上部クラッド１２０Ｃの上面から前記幅ＷＧ（図２８の（ｂ））でエッチングすることにより、上記溝１８０を形成する。この溝１８０によって、コア１５０Ｃは、例えばＴＭ偏波が入射されるコア１３０Ｃと、ＴＥ偏波が入射されるコア１４０Ｃとに分離される。
【０２３７】
ＰＢＣ１００Ｃのエッチングの領域は１箇所なので、エッチングの領域が３箇所になるＰＢＣ１００Ａよりも、簡易な工程によってＰＢＣ１００Ｃを作製することができる上に、ＰＢＣ１００ＣはＰＢＣ１００Ａと同等の効果を得ることができる。
【０２３８】
〔変形例（３）〕
第８の実施形態の変形例（３）に係るＰＢＣ１００Ｄについて、図３２の（ｂ）を参照して説明する。図３２の（ｂ）は、図３０の（ａ）に示すＡ−Ａ’線と同じ位置でＰＢＣ１００Ｄを切断した場合におけるＰＢＣ１００Ｄの断面図である。
【０２３９】
ＰＢＣ１００Ｄは、上記ＰＢＣ１００Ｃのコア１５０Ｃを、図２７に示すコア１５０と同様にスラブ及びリブを備えたコア１５０Ｄに置き換えた構成を備えている。
【０２４０】
ＰＢＣ１００Ｄを作製する場合、図３２の（ｂ）に示すように、下部クラッド１１０Ｄ上に、リブの平面視した形状が平行四辺形となるようにコア１５０Ｄの層を形成する。当該平行四辺形は、図３０の（ａ）に示す並走区間の始点及び終点に、対向する２つの短辺がそれぞれ位置合わせされた形状となっている。次に、コア１５０Ｄを下部クラッド１１０Ｄと挟むように上部クラッド１２０Ｄを積層する。こうして下部クラッド１１０Ｄ、コア１５０Ｄ及び上部クラッド１２０Ｄを３層に積層した後で、ＰＢＣ１００Ｄの幅の中央付近において、上部クラッド１２０Ｄの上面から前記幅ＷＧ（図２８の（ｂ））でエッチングすることにより、上記溝１８０を形成する。この溝１８０によって、コア１５０Ｄのリブは、例えばＴＭ偏波が入射されるリブ１３０Ｄと、ＴＥ偏波が入射されるリブ１４０Ｄとに分離される。
【０２４１】
ＰＢＣ１００ＤはＰＢＣ１００Ｃと同等の効果を得ることができる。
【０２４２】
〔付記事項〕
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る基板型光導波路素子は、屈折率がＮｃｌ１である下部クラッドと、上記下部クラッド上に形成された、屈折率がＮｃｏ（Ｎｃｏ＞Ｎｃｌ１）である第１のコア及び第２のコアと、上記第１のコア及び上記第２の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、屈折率がＮｃｌ２（Ｎｃｏ＞Ｎｃｌ２）である上部クラッドとを備えた基板型光導波路素子において、上記第２のコアが存在しない場合の上記第１のコアにおけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の実効屈折率を、それぞれ、ＮＴＥ＠ＷＧ１及びＮＴＭ＠ＷＧ１とし、上記第１のコアが存在しない場合の上記第２のコアにおけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の実効屈折率を、それぞれ、ＮＴＥ＠ＷＧ２及びＮＴＭ＠ＷＧ２として、（Ａ）上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ１，ＮＴＭ＠ＷＧ１，ＮＴＥ＠ＷＧ２，ＮＴＭ＠ＷＧ２は、それぞれ、上記第１のコアと上記第２のコアとが互いに並走する並走区間の始点からの距離の関数として連続であり、（Ｂ）上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ１，ＮＴＭ＠ＷＧ１は、上記並走区間の全体においてＮＴＥ＠ＷＧ１＞ＮＴＭ＠ＷＧ１を満足し、（Ｃ）上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ２，ＮＴＭ＠ＷＧ２は、上記並走区間の全体においてＮＴＥ＠ＷＧ２＞ＮＴＭ＠ＷＧ２を満足し、（Ｄ）上記実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ１と上記実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ２との大小関係は、上記並走区間の始点と終点とで逆転しており、（Ｅ）上記下部クラッドの屈折率Ｎｃｌ１と上記上部クラッドの屈折率Ｎｃｌ２とのうち、大きい方の屈折率をＮｃｌとして、下記式（ａ）で定義される比屈折率差が０．２５以上である、ことを特徴とする。
【０２４３】
【数５】
2016052343.tif 000033
本発明の一態様に係る基板型光導波路素子は、上記条件（Ａ）及び（Ｄ）を満たしていることから、上記第１のコアの一方の端部に入力されたＴＭ偏波は、上記並走区間において断熱的に上記第２のコアに移動し、上記第２のコアの他方の端部から出力される。
【０２４４】
また、本発明の一態様に係る基板型光導波路素子においては、上記条件（Ｂ）及び（Ｃ）を満たしていることから、ＴＭ偏波の光結合の強さとＴＥ偏波の光結合の強さとの間に差が生じ、上記条件（Ｅ）を満たしていることから、その差は十分に大きくなる。したがって、上記第２のコアの一方の端部に入力されたＴＥ偏波の大部分は、上記第１のコアに移動することなく、上記第２のコアの他方の端部から出力される。
【０２４５】
すなわち、本発明の一態様によれば、ＴＭ偏波の損失が小さく、かつ、偏波消光比の高い基板型光導波路素子を実現することができる。
【０２４６】
以上のような機能を有する上記基板型光導波路素子は、（ａ）ＴＥ偏波とＴＭ偏波とを偏波多重する偏波ビームコンバイナ、（ｂ）ＴＥ偏波とＴＭ偏波とを偏波分離する偏波ビームスプリッタ、（ｃ）ＴＥ偏波とＴＭ偏波とが混在する光から、一方の偏波成分のみを抽出する偏光子として機能し、広い波長範囲においてＴＭ偏波の損失を低く抑えることが可能である。
【０２４７】
また、上記基板型光導波路素子は、上記下部クラッドと、上記下部クラッド上に形成された上記第１のコア及び上記第２のコアと、これらの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上部クラッドという簡易な構成であるため、一般的に確立された製造プロセスを用いて簡易に製造可能である。
【０２４８】
以上のように、上記基板型光導波路素子は、広い波長範囲においてＴＭ偏波の損失を低く抑え、かつ、製造が容易な基板型光導波路素子を提供することができる。
【０２４９】
また、本発明の一態様に係る基板型光導波路素子において、上記第１のコア及び上記第２のコアは、光の進行方向に直交する断面が矩形状のコアであり、上記第１のコアの高さ、及び、上記第２のコアの高さは、共通であり、上記第１のコアの幅Ｗ１、及び、上記第２のコアの幅Ｗ２は、上記並走区間の始点からの距離の関数として連続であり、上記幅Ｗ１と上記幅Ｗ２との大小関係は、上記並走区間の始点と終点とで逆転している、ことが好ましい。
【０２５０】
上記の構成によれば、上述の基板型光導波路素子と同様の効果を奏する。また、上記の構成によれば、上記第１のコアと上記第２のコアとの高さが等しいことから、これら２つのコアを１回のエッチングによって作成することができる。そのため、プロセスが簡易になり、低コスト化及び高歩留り化が可能となる。
【０２５１】
また、本発明の一態様に係る基板型光導波路素子において、上記上部クラッドと上記下部クラッドとは、共通の材質により構成されており、上記第１のコアの幅Ｗ１及び上記第２のコアの幅Ｗ２は、それぞれ、上記第１のコアと上記第２のコアとの共通の高さよりも大きく、上記第１のコア及び上記第２のコアは、上記ＴＥ偏波としてＴＥ０偏波を導波し、上記ＴＭ偏波としてＴＭ０偏波を導波する、ことが好ましい。
【０２５２】
上記の構成によれば、上述の基板型光導波路素子と同様の効果を奏する。
【０２５３】
また、本発明の一態様に係る基板型光導波路素子において、上記第１のコア及び上記第２のコアは、シリコン製であり、上記下部クラッド及び上記上部クラッドは、シリカ製である、ことが好ましい。
【０２５４】
上記の構成によれば、上記基板型光導波路素子は、ＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）ウェハを基板として、既存のＣＭＯＳプロセスを利用して製造可能である。従って、上記基板型光導波路素子は、容易に製造可能である。また、上記基板型光導波路素子は、大きな比屈折率差を実現する。
【０２５５】
また、本発明の一態様に係る基板型光導波路素子において、Ｗｕｐｐｅｒを下記式（ｂ）で定義したとき（ｈは上記第１のコアと上記第２のコアとの共通の高さ、ｅはネイピア数）、上記第１のコアの幅Ｗ１及び上記第２のコアの幅Ｗ２は、それぞれ、Ｗ１＜Ｗｕｐｐｅｒ及びＷ２＜Ｗｕｐｐｅｒを満足する、ことが好ましい。
【０２５６】
【数６】
2016052343.tif 000034
幅Ｗ１又は幅Ｗ２を徐々に大きくしてくと、ＴＥ０偏波の実効屈折率が有意に大きくなり、ＴＭ０偏波の実効屈折率との差が拡大する。しかし、幅Ｗ１又は幅Ｗ２がＷｕｐｐｅｒ以上になった場合、ＴＭ０偏波の実効屈折率とＴＥ１の実効屈折率との大小関係が逆転し、その結果として、ＴＭ０偏波とＴＥ１偏波とが相互作用する可能性が高まる。すなわち、ＴＭ０偏波の一部がＴＥ１偏波に変換されることに起因するＴＭ０偏波の過剰損失を生じさせる可能性を高める。
【０２５７】
一方、上記の構成によれば、ＴＭ０偏波の実効屈折率とＴＥ１偏波の実効屈折率との大小関係が逆転しないため、ＴＭ０偏波とＴＥ１偏波とが相互作用する可能性を抑制できる。したがって、ＴＭ０偏波の過剰損失を抑制することができる。
【０２５８】
また、本発明の一態様に係る基板型光導波路素子において、上記並走区間の始点又は終点を介して上記第１のコアと連通する第３のコアであって、屈折率がＮｃｏである第３のコアと、（１）上記第３のコアが上記並走区間の始点を介して上記第１のコアと連通する場合、上記並走区間の始点を介して上記第２のコアと連通し、（２）上記第３のコアが上記並走区間の終点を介して上記第１のコアと連通する場合、上記並走区間の終点を介して上記第２のコアに連通する第４のコアであって、屈折率がＮｃｏである第４のコアと、を更に備え、上記第３のコアと上記第４のコアとの間隔は、（１）上記第３のコアが上記並走区間の始点を介して上記第１のコアと連通する場合、上記並走区間の始点から離れるにしたがって大きくなり、（２）上記第３のコアが上記並走区間の終点を介して上記第１のコアと連通する場合、上記並走区間の終点から離れるにしたがって大きくなる、ことが好ましい。
【０２５９】
上記の構成によれば、上記第１のコアに他の導波路を接続する場合、上記第１のコアと上記他の導波路との間に上記第３のコアが介在することで、上記第１のコアと上記他の導波路とを滑らかに接続することができる。同様に、上記第２のコアに他の導波路を接続する場合、上記第２のコアと上記他の導波路との間に上記第４のコアが介在することで、上記第２のコアと上記他の導波路とを滑らかに接続することができる。しがたって、上記の接続に伴って無用な反射が生じる可能性を抑制することができる。
【０２６０】
また、上記の構成によれば、２つの隣接するコアを徐々に離間できることから、連続的にＴＭ偏波の光結合の強さを強める（入力側）／弱める（出力側）ことができる。これにより、入出力部から離れるに従い、隣接導波路のＴＭ偏波の光結合の強さを弱めることができるため、ＴＭ偏波はより一方の導波路へ局在した電界分布を持つことができ、他方の導波路に残存することで生じる損失を低下することができる。
【０２６１】
また、本発明の一態様に係る基板型光導波路素子は、上記第１のコア又は上記第２のコアに連通する第５のコアであって、屈折率がＮｃｏである第５のコアを更に備え、上記第５のコアの幅は、上記第１のコアが離れるにしたがって小さくなる、ことが好ましい。
【０２６２】
上記の構成によれば、上記第１のコア又は上記第２のコアから上記第５のコアに入力された光は、当該第５のコアを伝搬する過程において上記下部クラッド又は上記上部クラッドに漏れ出す。したがって、上記第１のコア又は上記第２のコアから上記第５のコアに入力された光が再び上記並走区間に戻ることを抑制可能である。
【０２６３】
また、本発明の一態様に係る基板型光導波路素子は、上記第１のコア又は上記第２のコアに接続されている光吸収体を更に備えていてもよい。
【０２６４】
上記の構成によれば、上記第１のコア又は上記第２のコアから上記光吸収体に入力された光は、当該光吸収体に吸収される。したがって、上記第１のコア又は上記第２のコアから上記光吸収体に入力された光が再び上記並走区間に戻ることを抑制可能である。
【０２６５】
また、本発明の一態様に係る偏光子は、上記第１のコア及び上記第２のコアを、それぞれ、ｎ組備えた基板型光導波路素子であって、当該基板型光導波路素子の一方の端部から数えてｉ組目（ｉは１≦ｉ≦ｎ−１の整数）の上記第２のコアは、ｉ＋１組目の記第１のコアと連通する、ように構成されていることが好ましい。
【０２６６】
上記の構成によれば、偏波消光比の高い偏光子を実現することができる。
【０２６７】
また、本発明の一態様に係る基板型光導波路素子は、ＴＥ偏波を変調する第１の光変調器と、ＴＥ偏波を変調する第２の光変調器と、上記第２の光変調器から出力されたＴＥ偏波をＴＭ偏波に変換する偏波ローテータと、を更に備え、上記第１のコアには、上記偏波ローテータから出力されたＴＭ偏波が入力され、上記第２のコアには、上記第１の光変調器から出力されたＴＥ偏波が入力される、ように構成されていることが好ましい。
【０２６８】
上記の構成によれば、広い波長範囲において低損失な光変調器を実現することができる。
【０２６９】
また、本発明の一態様に係る基板型光導波路素子は、光入力構造と光デバイスとを更に備え、上記光入力構造は、外部から入力された光のスポットサイズを縮小して上記第１のコアに入力し、上記第１のコアは、上記第１のコアに入力された光のＴＥ偏波成分を出力し、上記第２のコアは、上記第１のコアに入力された光のＴＭ偏波成分を出力し、上記光デバイスには、上記第１のコアから出力されたＴＥ偏波成分、又は、上記第２のコアから出力されたＴＭ偏波成分が入力される、ように構成されていることが好ましい。
【０２７０】
上記の構成によれば、上記光デバイスにとって好ましくない偏波成分が上記光入力構造において生じた場合であっても、上記第１のコアから出力されたＴＥ偏波成分、又は、上記第２のコアから出力されたＴＭ偏波成分のみを上記光デバイスに入力することができる。上記光入力構造及び上記光デバイスは、当該基板型光導波路素子と同じ基板上に同じ製造プロセスによって製造可能であるため、容易に製造することができる。
【０２７１】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る基板型光導波路素子の製造方法は、屈折率がＮｃｌ１である下部クラッドと、上記下部クラッド上に形成された、屈折率がＮｃｏ（Ｎｃｏ＞Ｎｃｌ１）である第１のコア及び第２のコアと、上記第１のコア及び上記第２の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、屈折率がＮｃｌ２（Ｎｃｏ＞Ｎｃｌ２）である上部クラッドとを備えた基板型光導波路素子の製造方法において、上記第２のコアが存在しない場合の上記第１のコアにおけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の実効屈折率を、それぞれ、ＮＴＥ＠ＷＧ１及びＮＴＭ＠ＷＧ１とし、上記第１のコアが存在しない場合の上記第２のコアにおけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の実効屈折率を、それぞれ、ＮＴＥ＠ＷＧ２及びＮＴＭ＠ＷＧ２として、以下の条件（１）〜（４）を満足する上記第１のコア及び上記第２のコアを形成するコア形成工程を含む、ことを特徴とする。
【０２７２】
（１）上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ１，ＮＴＭ＠ＷＧ１，ＮＴＥ＠ＷＧ２，ＮＴＭ＠ＷＧ２は、それぞれ、上記第１のコアと上記第２のコアとが互いに並走する並走区間の始点からの距離の関数として連続であり、
（２）上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ１，ＮＴＭ＠ＷＧ１は、上記並走区間の全体においてＮＴＥ＠ＷＧ１＞ＮＴＭ＠ＷＧ１を満足し、上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ２，ＮＴＭ＠ＷＧ２は、上記並走区間の全体においてＮＴＥ＠ＷＧ２＞ＮＴＭ＠ＷＧ２を満足し、
（３）上記実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ１と上記実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ２との大小関係は、上記並走区間の始点と終点とで逆転しており、
（４）上記下部クラッドの屈折率Ｎｃｌ１と上記上部クラッドの屈折率Ｎｃｌ２とのうち、大きい方の屈折率をＮｃｌとして、下記式（ａ）で定義される比屈折率差が０．２５以上である。
【０２７３】
【数７】
2016052343.tif 000035
上記の構成によれば、上記基板型光導波路素子の製造方法は、上記基板型光導波路素子と同様の効果を奏する。
【０２７４】
本発明は上述した各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り、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜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】
【０２７５】
本発明は、光ファイバ通信において用いられる基板型光導波路素子、より具体的には偏波の多重、分離又は除去を行う基板型光導波路素子に利用することができる。
【符号の説明】
【０２７６】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ  ＰＢＣ（偏波ビームコンバイナ、基板型光導波路素子）
１１  下部クラッド
１２  上部クラッド
１３  第１のコア
１４  第２のコア
２３  第３のコア
２４  第４のコア
３３  第５のコア（第３のコア）
３４  第６のコア（第４のコア）
４３  第７のコア（第５のコア）
４３’  光吸収体
１Ｄ  偏光子（基板型光導波路素子）
５  光変調器（基板型光導波路素子）
５１  第１のＱＰＳＫ変調器（第１の光変調器）
５２  第２のＱＰＳＫ変調器（第２の光変調器）
５３  偏波ローテータ
５４  ＰＢＣ（偏波ビームコンバイナ）
６  基板型光導波路素子
６１  スポットサイズコンバータ（光入力構造）
６２  偏光子
６３  光デバイス
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ  ＰＢＣ（偏波ビームコンバイナ、基板型光導波路素子）
１１０，１１０Ａ、１１０Ｃ，１１０Ｄ  下部クラッド
１２０，１２０Ａ，１２０Ｃ，１２０Ｄ  上部クラッド
１３０，１３０Ｄ  リブ
１３０Ｃ  コア
１４０Ｃ  コア
１４０，１４０Ｄ  リブ
１３０Ａ  リッジ
１４０Ａ  リッジ
【図１】
2016052343.tif 000040
【図２】
2016052343.tif 000041
【図３】
2016052343.tif 000042
【図４】
2016052343.tif 000043
【図５】
2016052343.tif 000044
【図６】
2016052343.tif 000045
【図７】
2016052343.tif 000046
【図８】
2016052343.tif 000047
【図９】
2016052343.tif 000048
【図１０】
2016052343.tif 000049
【図１１】
2016052343.tif 000050
【図１２】
2016052343.tif 000051
【図１３】
2016052343.tif 000052
【図１４】
2016052343.tif 000053
【図１５】
2016052343.tif 000054
【図１６】
2016052343.tif 000055
【図１７】
2016052343.tif 000056
【図１８】
2016052343.tif 000057
【図１９】
2016052343.tif 000058
【図２０】
2016052343.tif 000059
【図２１】
2016052343.tif 000060
【図２２】
2016052343.tif 000061
【図２３】
2016052343.tif 000062
【図２４】
2016052343.tif 000063
【図２５】
2016052343.tif 000064
【図２６】
2016052343.tif 000065
【図２７】
2016052343.tif 000066
【図２８】
2016052343.tif 000067
【図２９】
2016052343.tif 000068
【図３０】
2016052343.tif 000069
【図３１】
2016052343.tif 000070
【図３２】
2016052343.tif 000071
【図３３】
2016052343.tif 000072
【図３４】
2016052343.tif 000073
【図３５】
2016052343.tif 000074
【国際調査報告】
2016052343.tif 000075
2016052343.tif 000076
2016052343.tif 000077
2016052343.tif 000078