(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、コア（１３及び１４）の少なくとも何れか一方は、断面の形状が四角形の主要部（１３ｍ又は１４ｍ）と、該主要部の一方の側面から上記下部クラッドと上記上部クラッドとの界面に平行な方向に突出した突出部（１３ｐ又は１４ｐ）とからなる。
2016052344.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、
（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、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、
（Ｃ）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、
（Ｄ）上記第１のコア及び上記第２のコアの少なくとも何れか一方は、光の進行方向に直交する断面の形状が四角形の主要部と、該主要部の一方の側面から上記下部クラッドと上記上部クラッドとの界面に平行な方向に突出した突出部であって、光の進行方向に直交する断面の形状が四角形の突出部とからなる、
ことを特徴とする基板型光導波路素子。
【請求項２】
上記第１のコアの上記主要部の幅をＷｍ１、上記第１のコアの上記突出部の幅をＷｐ１、これらの幅の和Ｗｍ１＋Ｗｐ１をＷ１とし、上記第２のコアの上記主要部の幅をＷｍ２、上記第２のコアの上記突出部の幅をＷｐ２、これらの幅の和Ｗｍ２＋Ｗｐ２をＷ２として、
上記幅Ｗｍ１，Ｗ１，Ｗｍ２，Ｗ２は、それぞれ、上記並走区間の始点からの関数として連続であり、
上記並走区間の始点において、Ｗｍ１≧Ｗｍ２かつＷ１＞Ｗ２、又は、Ｗｍ１＞Ｗｍ２かつＷ１≧Ｗ２を満たしており、
上記並走区間の終点において、Ｗｍ１≦Ｗｍ２かつＷ１＜Ｗ２、又は、Ｗｍ１＜Ｗｍ２かつＷ１≦Ｗ２を満たしている、
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】
上記第１のコアの上記主要部の高さと上記第２のコアの上記主要部の高さとは、一致、又は、略一致しており、
上記第１のコアの上記突出部の高さと上記第２のコアの上記突出部の高さとは、一致、又は、略一致している、
ことを特徴とする請求項２に記載の基板型光導波路素子。
【請求項４】
上記第１のコアの上記突出部は、上記第２のコアから遠ざかる方向に突出しており、
上記第２のコアの上記突出部は、上記第１のコアから遠ざかる方向に突出している、
ことを特徴とする請求項２または３に記載の基板型光導波路素子。
【請求項５】
上記幅Ｗｍ１，Ｗｐ１は、上記第１のコアの主要部の高さよりも大きく、
上記幅Ｗｍ２，Ｗｐ２は、上記第２のコアの主要部の高さよりも大きい、
ことを特徴とする請求項２〜４までの何れか１項に記載の基板型光導波路素子。
【請求項６】
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、
ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の基板型光導波路素子。
【数１】
2016052344.tif 000042
【請求項７】
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６に記載の基板型光導波路素子。
【請求項８】
上記第１のコアの上記主要部、および、上記第２のコアの主要部の共通の高さをｈとし、ネイピア数をｅ、下記式（ｂ）で定義される値をＷｕｐｐｅｒとし、
上記第１のコアの上記主要部の幅をＷｍ１、上記第１のコアの上記突出部の幅をＷｐ１、これらの幅の和Ｗｍ１＋Ｗｐ１をＷ１とし、上記第２のコアの上記主要部の幅をＷｍ２、上記第２のコアの上記突出部の幅をＷｐ２、これらの幅の和Ｗｍ２＋Ｗｐ２をＷ２として、
上記幅Ｗｍ１，Ｗ１，Ｗｍ２，Ｗ２は、それぞれ、ｈよりも大きく、かつ、Ｗｕｐｐｅｒよりも小さい、
ことを特徴とする請求項２〜７の何れか１項に記載の基板型光導波路素子。
【数２】
2016052344.tif 000043
【請求項９】
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１〜８の何れか１項に記載の基板型光導波路素子。
【請求項１０】
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１〜９の何れか１項に記載の基板型光導波路素子。
【請求項１１】
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１〜９の何れか１項に記載の基板型光導波路素子。
【請求項１２】
請求項１〜１１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１３】
ＴＥ偏波を変調する第１の光変調器と、
上記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１〜１１までの何れか１項に記載の基板型光導波路素子。
【請求項１４】
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１〜１１までの何れか１項に記載の基板型光導波路素子。
【請求項１５】
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、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、
（Ｃ）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、
（Ｄ）上記第１のコア及び上記第２のコアの少なくとも何れか一方は、光の進行方向に直交する断面の形状が、上記下部クラッドの上面から上記上部クラッドの上面に向かうに連れて、上記下部クラッドの上面に平行をなす幅が狭くなるｎ段（ｎ≧３）の階段形状をしている、
ことを特徴とする基板型光導波路素子。
【請求項１６】
上記第１のコアのｊ段目(１≦ｊ≦ｎ)の上記幅をＷ１−ｊとし、上記第２のコアのｊ段目(１≦ｊ≦ｎ)の上記幅をＷ２−ｊとすると、上記並走区間の始点において、Ｗ１−ｊ≧Ｗ２−ｊ(ただし、少なくとも１つのｊについて、等号は成立しない)を満足し、
上記並走区間の終点において、Ｗ１−ｊ≦Ｗ２−ｊ(ただし、少なくとも１つのｊについて、等号は成立しない)を満たしている、
ことを特徴とする請求項１５に記載の基板型光導波路素子。
【請求項１７】
上記第１のコア及び上記第２のコアは、上記下部クラッドの上面に、上記下部クラッドと同じ幅で形成された薄膜層の上に形成されている、
ことを特徴とする請求項１６に記載の基板型光導波路素子。
【請求項１８】
上記下部クラッド上で並走する上記第１のコアと上記第２のコアとの間の間隙において、当該間隙を上記上部クラッドの上面から上記下部クラッドの高さの途中位置まで貫く溝が設けられ、
少なくとも上記溝に充填される材料の屈折率は、上記下部クラッドの屈折率よりも小さい、
ことを特徴とする請求項１５〜１７までの何れか１項に記載の基板型光導波路素子。
【請求項１９】
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、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、
（Ｃ）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、
（Ｄ）上記第１のコア及び上記第２のコアは、上記下部クラッド上で並走する上記第１のコア及び上記第２のコアに合わせて並走するように上記下部クラッドから隆起した第１の下部クラッドリブ及び第２の下部クラッドリブの上に、それぞれ積層され、
上記第１のコア及び上記第２のコアは、それぞれ、光の進行方向に直交する断面の形状が、上記下部クラッドの上面から垂直方向に離れるに連れて、上記下部クラッドの上面に平行をなす幅が狭くなるｎ段（ｎ≧２）の階段形状をしており、
少なくとも、上記第１の下部クラッドリブ及び上記第１のコアの積層構造と、上記第２の下部クラッドリブ及び上記第２のコアの積層構造との間に設けられた間隙には、上記下部クラッドよりも屈折率の小さい材料が充填されている、
ことを特徴とする基板型光導波路素子。
【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３６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３６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３６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。
【数１】
2016052344.tif 000003
【０００７】
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。
【数２】
2016052344.tif 000004
【０００８】
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（図３６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３６の（ｂ）を参照）、ＰＥＲは、式（３）で定義される。
【数３】
2016052344.tif 000005
【００１１】
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３６の（ｃ）を参照）、ＰＥＲは、式（４）で定義される。
【数４】
2016052344.tif 000006
【００１２】
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３６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３６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３７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３７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２−１の方向性結合器の断面図である。図３７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３７の（ｃ））又は分離（図３７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に記載の偏波ソーターにおいては、２つの導波路の一方の高さを高くする、又は、２つの導波路の他方の高さを低くするという２つの構成が考えられる。前者の構成を採用する場合は、偏波ソーターの厚みの増加が避けられないという問題を生じる。一方、後者の構成を採用する場合は、偏波ソーターの特性が製造誤差の影響を受けやすくなるために、製造プロセスに要求される精度（以下において、製造プロセスの要求精度とも記載する）が高くなるという問題を生じる。【００３３】
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、厚みの増加を招来することなく、且つ、製造プロセスの要求精度を高めなくても、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できる基板型光導波路素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
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）上記第１のコア及び上記第２のコアの少なくとも何れか一方は、光の進行方向に直交する断面の形状が四角形の主要部と、該主要部の一方の側面から上記下部クラッドと上記上部クラッドとの界面に平行な方向に突出した突出部であって、光の進行方向に直交する断面の形状が四角形の突出部とからなる、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３５】
本発明は、厚みの増加を招来することなく、且つ、製造プロセスの要求精度を高めなくても、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できる基板型光導波路素子を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【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】本発明の第１の実施形態に係るＰＢＣの構成を示す断面図である。
【図３】（ａ）は、クラッド中に独立したコアを備えている基板型光導波路素子の構成を示す断面図であり、（ｂ）は、該コアにおけるＴＥ０のＥｘの電界分布を計算した結果を示し、（ｃ）は、該コアにおけるＴＭ０のＥｙの電界分布を計算した結果を示す。
【図４】本発明の第１の実施形態に係るＰＢＣと、該ＰＢＣの外部に形成された光配線とを接続する接続部の構成を示す上面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係るＰＢＣにおいて、高さｈを変化させた場合に得られる高さ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６】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。
【図７】（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るＰＢＣの構成を示す上面図であり、（ｂ）〜（ｄ）は、該ＰＢＣの構成を示す断面図である。
【図８】（ａ）は、第１の実施例に係るＰＢＣの構成を示す上面図であり、（ｂ）は、該ＰＢＣの構成を示す断面図である。
【図９】（ａ）は、クラッド中に埋設された独立したコアの実効屈折率を計算した結果を示し、（ｂ）及び（ｃ）は、（ａ）に示した計算に用いた基板型光導波路素子の構成を示す断面図である。
【図１０】第１の実施例に係るＰＢＣの断面におけるＴＥ０とＴＭ０との実効屈折率を計算した結果を示す。
【図１１】第１の実施例に係るＰＢＣを導波するＴＥ０及びＴＭ０における比（δＴＥ０／ＣＴＥ０）及び比（δＴＭ０／ＣＴＭ０）を示すグラフである。
【図１２】図８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１３】図８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１４】図８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１５】図８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１６】図８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１７】本発明の一実施形態に係るＰＢＣと、該ＰＢＣの外部に形成された光配線とを接続する接続部の構成を示す上面図である。
【図１８】第２の実施形態に係るＰＢＣの構成を示す上面図である。
【図１９】第２の実施形態に係るＰＢＣの入力ポートにＴＭ０を入力した時に、出力ポートから出力されるＴＭ０の損失を有限差分時間領域法によって計算した結果を示すグラフである。
【図２０】（ａ）は、図１８に示したＰＢＣの入力ポートに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、入力ポートに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２１】図１８に示したＰＢＣと図３８に示したＰＢＣとにおいて、（ａ）は、入力ポートにＴＭ０を入力し、出力ポートから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、入力ポートにＴＥ０とＴＭ０をそれぞれ入力した時に、出力ポート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２２】図１８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２３】図３８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２４】（ａ）は、比較例に係るＰＢＣの構成を示す上面図であり、（ｂ）は、該ＰＢＣの並走区間の構成を示す上面図であり、（ｃ）は、該ＰＢＣの構成を示す断面図である。
【図２５】本発明の第２の実施例及び比較例に係るＰＢＣにおいて、（ａ）は、入力ポートにＴＭ０を入力し、出力ポートから出力するときの損失の計算結果を示し、（ｂ）は、入力ポートにＴＥ０及びＴＭ０をそれぞれ入力した時に、出力ポートから出力されるそれぞれの偏波の損失比であるＰＥＲの計算結果を示す。
【図２６】（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２７】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２８】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２９】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３０】（ａ）は、本発明の第７の実施形態に係るＰＢＣの構成を示す上面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すＡ−Ａ’線における該ＰＢＣの断面図であり、（ｃ）は、（ａ）に示すＢ−Ｂ’線における該ＰＢＣの断面図であり、（ｄ）は、（ａ）に示すＣ−Ｃ’線における該ＰＢＣの断面図である。
【図３１】本発明の第８の実施形態に係るＰＢＣに設けられるリブ導波路の構成を示す断面図である。
【図３２】（ａ）は、本発明の第８の実施形態に係るＰＢＣの構成を示す上面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すＡ−Ａ’線における該ＰＢＣの断面図であり、（ｃ）は、（ａ）に示すＢ−Ｂ’線における該ＰＢＣの断面図であり、（ｄ）は、（ａ）に示すＣ−Ｃ’線における該ＰＢＣの断面図である。
【図３３】（ａ）（ｂ）は、本発明の第９の実施形態に係るＰＢＣに設けられるリッジ導波路の作製方法を示す断面図であり、（ｃ）は、該リッジ導波路の基本形状を示す断面図である。
【図３４】（ａ）は、本発明の第９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）は、（ａ）に示すＡ−Ａ’線における該ＰＢＣの断面図であり、（ｃ）は、（ａ）に示すＢ−Ｂ’線における該ＰＢＣの断面図であり、（ｄ）は、（ａ）に示すＣ−Ｃ’線における該ＰＢＣの断面図である。
【図３５】（ａ）は、図３０の（ａ）に示すＢ−Ｂ’線と同じ位置で変形例としてのＰＢＣを切断した場合における該ＰＢＣの断面図であり、（ｂ）は、図３２の（ａ）に示すＢ−Ｂ’線と同じ位置で他の変形例としてのＰＢＣを切断した場合における該ＰＢＣの断面図である。
【図３６】（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３７】（ａ）は、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３８】（ａ）は、本発明の比較例に係るＰＢＣ２０１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ＰＢＣ２０１の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
（ＰＢＣ１の基本原理）
以下、本実施形態に係る偏波ビームコンバイナ（Polarization Beam Combiner：ＰＢＣ）１が奏する効果と、その効果を奏する基本原理について、図１〜５を参照しながら説明する。ＰＢＣ１は、本発明の一態様に係る基板型光導波路素子の一態様である。
【００３８】
図１は、ＰＢＣ１の機能の概要を示すブロック図である。図１の（ａ）は、ＰＢＣ１に入力されたＴＭ偏波及びＴＥ偏波を上記ＰＢＣが多重する様子を示す。図１の（ｂ）は、ＰＢＣ１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する。図１の（ｃ）は、ＰＢＣ１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。
【００３９】
詳しくは図６参照して後述するが、ＰＢＣ１は、下部クラッドと、第１のコアＷＧ１及び第２のコアＷＧ２と、上部クラッドとを備えている。第１のコアＷＧ１と第２のコアＷＧ２とは、互いに並走するように配置されている。なお、図１における第１のコアから成るＷＧ１及び第２のコアから成るＷＧ２は、それぞれ、図６における第１のコア１３及び第２のコア１４に対応するブロックである。以下において、第１のコアＷＧ１と第２のコアＷＧ２とが並走する区間のことを並走区間と呼称する。
【００４０】
並走区間を備えているＰＢＣ１は、テーパ化方向性結合器とも表現できる。後述するように、ＰＢＣ１は、Ｃバンド及びＬバンドを含む広い波長範囲において、ＴＭ偏波の損失を抑制し、かつ、要求される製造プロセスの精度が低く、製造誤差に対して強いＰＢＣである。
【００４１】
図１の（ａ）に示すように、第１のコアＷＧ１は、光を入力するポートであるｐｏｒｔ１−１と、光を出力するポートであるｐｏｒｔ２−１とを備えている。同様に第２のコアＷＧ２は、ｐｏｒｔ１−２とｐｏｒｔ２−２とを備えている。すなわち、ｐｏｒｔ１−１及び１−２は、並走区間の始点であり、ｐｏｒｔ２−１及び２−２は、並走区間の終点である。
【００４２】
ｐｏｒｔ１−１にＴＭ偏波を入力した場合、入力されたＴＭ偏波の大部分は、並走区間を進む過程において第１のコアＷＧ１から第２のコアＷＧ２へ移動し、ｐｏｒｔ２−２から出力される。一方、ｐｏｒｔ１−２にＴＥ偏波を入力した場合、入力されたＴＥ偏波の大部分は、第２のコアＷＧ２内を進み、ｐｏｒｔ２−２から出力される。このようにＰＢＣ１は、ｐｏｒｔ１−１に入力されたＴＭ偏波とｐｏｒｔ１−２に入力されたＴＥ偏波とを合波することによって、ＰＢＣとして機能する。
【００４３】
ｐｏｒｔ１−１及び１−２、並びに、ｐｏｒｔ２−１及び２−２における、ＴＥ偏波の名称を図１の（ｂ）のように定義し、ＴＭ偏波の名称を図１の（ｃ）のように定義する。図１の（ｂ）及び（ｃ）において、ｉ，ｊをそれぞれ０以上の整数とする。この場合、ＴＥｉは、第１のコアＷＧ１又は第２のコアＷＧ２における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する。また、ＴＭｊは、第１のコアＷＧ１又は第２のコアＷＧ２における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。
【００４４】
図２は、ＰＢＣ１の構成を示す断面図であって、並走区間を進む光の進行方向に直交する断面における断面図である。図２に示すように、ＰＢＣ１は、下部クラッド１１と、下部クラッド１１上に形成された第１のコア１３及び第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は、図１における第１のコアＷＧ１に対応し、第２のコア１４は、図１における第２のコアＷＧ２に対応する部材である。
【００４５】
以下において、下部クラッド１１の屈折率は、Ｎｃｌ１であり、上部クラッド１２の屈折率は、Ｎｃｌ２である。ここで、下部クラッド１１の屈折率Ｎｃｌ１と上部クラッド１２の屈折率Ｎｃｌ２とのうち、大きい方の屈折率をＮｃｌとする。以下では、下部クラッド１１と上部クラッド１２とが同じ材料からなる、すなわち、Ｎｃｌ＝Ｎｃｌ１＝Ｎｃｌ２である場合を例にして説明する。また、第１のコア１３の屈折率及び第２のコア１４の屈折率は、何れもＮｃｏである。
【００４６】
図２に示すように、第１のコア１３は、光の進行方向に直交する断面の形状が四角形の主要部１３ｍと、光の進行方向に直交する断面の形状が四角形の突出部１３ｐとからなる。また、第２のコア１４は、光の進行方向に直交する断面の形状が四角形の主要部１４ｍと、光の進行方向に直交する断面の形状が四角形の突出部１４ｐとからなる。換言すれば、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の形状が階段形状である階段状コアである。
【００４７】
突出部１３ｐは、主要部１３ｍの側面であって第２のコア１４に対向しない側面から突出した突出部である。突出部１３ｐの突出した方向は、下部クラッド１１と上部クラッド１２との界面に平行な方向であって、第２のコア１４から遠ざかる方向である。また、突出部１４ｐは、主要部１４ｍの側面であって第１のコア１３に対向しない側面から突出した突出部である。突出部１４ｐの突出した方向は、下部クラッド１１と上部クラッド１２との界面に平行な方向であって、第１のコア１３から遠ざかる方向である。換言すれば、突出部１３ｐ及び１４ｐは、互いに遠ざかる方向に突出している。
【００４８】
以下において、第１のコア１３の主要部１３ｍの幅及び高さを、それぞれ、Ｗｍ１及びｈｍ１とし、第１のコア１３の突出部１３ｐの幅及び高さを、それぞれ、Ｗｐ１及びｈｐ１とする。同様に、第２のコア１４の主要部１４ｍの幅及び高さを、それぞれ、Ｗｍ２及びｈｍ２とし、第２のコア１４の突出部１４ｐの幅及び高さを、それぞれ、Ｗｐ２及びｈｐ２とする。なお、第１のコア１３の幅を幅Ｗ１とすると、Ｗ１＝Ｗｍ１＋Ｗｐ１であり、第２のコア１４の幅を幅Ｗ２とすると、Ｗ２＝Ｗｍ２＋Ｗｐ２である。
【００４９】
以下において、主要部１３ｍ及び主要部１４ｍの高さは、共通に高さｈｍであるものとして説明する。すなわち、ｈｍ＝ｈｍ１＝ｈｍ２である。なお、高さｈｍは、第１のコア１３の高さでもあり、第２のコア１４の高さでもある。また、以下において、突出部１３ｐ及び突出部１４ｐの高さは、共通に高さｈｐであるものとして説明する。すなわち、ｈｐ＝ｈｐ１＝ｈｐ２である。高さｈｍと高さｈｐとは、ｈｐ＜ｈｍを満足する。
【００５０】
また、第１のコア１３と第２のコア１４との間隔を間隔ＷＧとする。本実施形態において、並走区間の始点から終点の全域にわたって間隔ＷＧは、一定である。換言すれば、第１のコア１３と第２のコア１４とは、下部クラッド１１上に平行に配置されている。
【００５１】
（従来技術と共通する特徴）
以上のように構成された第１のコア１３及び第２のコア１４は、以下の特徴１〜４を有する。
特徴１：主要部１３ｍと主要部１４ｍと高さは等しい。また、突出部１３ｐと突出部１４ｐとの高さは等しい。
特徴２：第１のコア１３と第２のコア１４とは、離間して配置されている。
特徴３：第１のコア１３と第２のコア１４とは、ｐｏｒｔ１−１及びｐｏｒｔ１−２を含む断面において、（Ｗｍ１≧Ｗｍ２）且つ（Ｗ１＞Ｗ２）、又は、（Ｗｍ１＞Ｗｍ２）且つ（Ｗ１≧Ｗ２）を満足し、ｐｏｒｔ２−１及びｐｏｒｔ２−２を含む断面において、（Ｗｍ１≦Ｗｍ２）且つ（Ｗ１＜Ｗ２）、又は、（Ｗｍ１＜Ｗｍ２）且つ（Ｗ１≦Ｗ２）を満足する。
特徴４：第１のコア１３と第２のコア１４との導波路に対して、それぞれの主要部（１３ｍ及び１４ｍ）と突出部（１３ｐ及び１４ｐ）は、並走区間の始点からの距離の関数として連続である。
【００５２】
続いて、以上の特徴を有することにより得られる効果について説明する。
【００５３】
ＰＢＣ１は、非特許文献３及び非特許文献４に記載のテーパ化方向性結合器の原理を基礎原理としている。
【００５４】
非特許文献３には、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テーパ化方向性結合器（非特許文献３ではTAPERED COUPLERS）が記載されている。また、非特許文献４には、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テーパ化方向性結合器（非特許文献４ではADIABATIC ASYMMETRIC DIRECTIONAL COUPLERS）が記載されている。非特許文献３及び４には、テーパ化方向性結合器の用途として、一方のコアから隣接する他方のコアへ光パワーを１００％移動させることが記載されている。
【００５５】
以下に、特徴１〜４を有することによって得られる効果を説明する。
【００５６】
特徴１を有することによって、第１のコア１３及び第２のコア１４を作成する場合に、主要部１３ｍ及び主要部１４ｍを同じプロセスで一括して作成することが可能となり、突出部１３ｐ及び突出部１４ｐを同じプロセスで一括して作成することが可能となる。例えば、ＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）ウェハを用いてＰＢＣ１を作製する場合に、第１のコア１３及び第２のコア１４は、ＳＯＩウェハの最上位層であるシリコン（Ｓｉ）層に対して、２回のリソグラフィと２回のエッチングとを施すことによって作製可能である。
【００５７】
特徴２を有することによって、第１のコア１３と第２のコア１４とを作製するリソグラフィの要求精度を下げることができる。リソグラフィの要求精度が高い場合、その要求精度を満たすために製造プロセスは複雑になる傾向がある。リソグラフィの要求精度をさげることができれば、製造プロセスを簡素化することができる。
【００５８】
特徴２を有することによって、第１のコア１３と第２のコア１４とは、離間して配置されているため、リソグラフィの精度が低かったとしても各コアが接する虞はない。もし、第１のコア１３と第２のコア１４とが互いに接する構造である場合、第１のコア１３と第２のコア１４との間隔が徐々に小さくなるようにリソグラフィを施す必要がある。しかし、露光時に光の回折が生じるために、リソグラフィを用いて作製可能なコアの間隔には限界がある。また、より狭いコア間隔を必要とする場合、プロセスの難度が上昇する。以上のことから、特徴２を備えるＰＢＣ１は、製造プロセスを簡素化することができる。
【００５９】
特徴３、４を有することによって、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が可能となる。
【００６０】
一般にコアの光の進行方向に直交する断面の断面積(コア断面積とも呼ぶ)が大きいほど、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、ＴＥｉ及びＴＭｊの各導波モードの実効屈折率は増加する。特徴３を有することによって、ｐｏｒｔ１−１とｐｏｒｔ１−２とを含む断面において、第１のコア１３の断面積は第２のコア１４の断面積よりも大きい。したがって、ＴＥｉの場合には、ＴＥｉ＠ｐｏｒｔ１−２＜ＴＥｉ＠ｐｏｒｔ１−１となり、ＴＭｊの場合には、ＴＭｊ＠ｐｏｒｔ１−２＜ＴＭｊ＠ｐｏｒｔ１−１となる。
【００６１】
一方、ｐｏｒｔ２−１とｐｏｒｔ２−２とを含む断面において、第２のコア１４の断面積は、第１のコア１３の断面積よりも大きい。したがって、ＴＥｉの場合には、ＴＥｉ＠ｐｏｒｔ２−２＞ＴＥｉ＠ｐｏｒｔ２−１となり、ＴＭｊの場合には、ＴＭｊ＠ｐｏｒｔ２−２＞ＴＭｊ＠ｐｏｒｔ２−１となる。
【００６２】
さらに、特徴４を有することによって、第１のコア１３の断面形状と第２のコア１４の断面形状とは、光の進行方向に沿って何れも連続的に変化する。したがって、ＴＥｉの実効屈折率及びＴＭｊの実効屈折率は、何れも連続的に変化する。その結果、次の４つの導波モードの組み合わせは、連続した実効屈折率曲線で接続される。
【００６３】
組み合わせＣ１：ＴＥｉ＠ｐｏｒｔ１−１とＴＥｉ＠ｐｏｒｔ２−２
組み合わせＣ２：ＴＥｉ＠ｐｏｒｔ１−２とＴＥｉ＠ｐｏｒｔ２−１
組み合わせＣ３：ＴＭｊ＠ｐｏｒｔ１−１とＴＭｊ＠ｐｏｒｔ２−２
組み合わせＣ４：ＴＭｊ＠ｐｏｒｔ１−２とＴＭｊ＠ｐｏｒｔ２−１
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、各座標の第１のコア１３と第２のコア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形状の変化を十分緩やかにする、即ち、ｐｏｒｔ１−１、ｐｏｒｔ１−２、ｐｏｒｔ２−１、及びｐｏｒｔ２−２のそれぞれのポートにおける主要部の幅及び突出部の幅を固定し、第１のコア１３と第２のコア１４とが並走する並走区間の長さを十分長くとることによって、ほとんどエネルギー損失なく導波モードを変換することが可能である。以下において、並走区間の長さをテーパ長とも表現する。このような偏波モード間の変換は、断熱変換と呼ばれる。
【００６４】
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３〜４よりテーパ長を長くすることで、ＴＭｊを第１のコア１３から第２のコア１４へ、若しくは、第２のコア１４から第１のコア１３へ低い損失で移すことが可能となる。
【００６５】
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。
【００６６】
まず、次の値を定義する。ここで、λは光波長である。
【００６７】
ＮＴＥｉ＠ＷＧ１：第１のコア１３（ＷＧ１）が下部クラッド２１１及び上部クラッド２１２に埋設されて単独で存在する場合のＴＥｉの実効屈折率
ＮＴＥｉ＠ＷＧ２：第２のコア１４（ＷＧ２）が下部クラッド２１１及び上部クラッド２１２に埋設されて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
【数７】
2016052344.tif 000007
について、それぞれ
【数８】
2016052344.tif 000008
に対応する。
【００６８】
ＮＴＭｊ＠ＷＧ１：第１のコア１３（ＷＧ１）が下部クラッド２１１及び上部クラッド２１２に埋設されて単独で存在する場合のＴＭｊの実効屈折率
ＮＴＭｊ＠ＷＧ２：第２のコア１４（ＷＧ２）が下部クラッド２１１及び上部クラッド２１２に埋設されて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
【数９】
2016052344.tif 000009
について、それぞれ
【数１０】
2016052344.tif 000010
に対応する。
【００６９】
ＣＴＥｉ：第１のコア１３のＴＥｉと第２のコア１４のＴＥｉとの光結合の強さ
ＣＴＭｊ：第１のコア１３のＴＭｊと第２のコア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、第１のコア１３のＴＥｉと第２のコア１４のＴＥｉとの位相速度の差に関係し、δＴＭｊは、第１のコア１３のＴＭｊと第２のコア１４のＴＭｊとの位相速度の差に関係している。δＴＥｉが０に近いほど、第１のコア１３のＴＥｉと第２のコア１４のＴＥｉとの位相が整合していることを意味し、δＴＭｊが０に近いほど、第１のコア１３のＴＭｊと第２のコア１４のＴＭｊとの位相が整合していることを意味する。以下、ＴＭｊが第１のコア１３から第２のコア１４に移る条件を説明する。
【００７１】
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、第１のコア１３のＴＭｊは第１のコア１３に、第２のコア１４のＴＭｊは第２のコア１４に、それぞれ局在する。言い換えると、第１のコア１３のＴＭｊと第２のコア１４のＴＭｊとはほとんど相互作用しない。その結果として、クラッド（２１１，２１２）中に独立して第１のコア１３又は第２のコア１４が存在する場合と同様の電界分布になる。
【００７２】
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、第１のコア１３のＴＭｊは、第１のコア１３と第２のコア１４とにまたがって存在する。同様に、第２のコア１４のＴＭｊは、第２のコア１４と第１のコア１３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、第１のコア１３のＴＭｊと第２のコア１４のＴＭｊとは、相互作用すると言える。
【００７３】
特徴３を有することによって、ｐｏｒｔ１−１、ｐｏｒｔ１−２、ｐｏｒｔ２−１、及びｐｏｒｔ２−２においては、δＴＭｊが大きくなり、その結果ＴＭｊは、一方のコアに局在する。光の進行方向に対して、コアの主要部及び突出部の少なくとも一方のコア幅を徐々に変化させることで、δＴＭｊが０に近づくため、徐々に光結合が行われる。δＴＭｊ=０となる部分（光の進行方向に対して直交する断面）において、ＴＭｊの電界は、第１のコア１３と第２のコア１４とに同じパワーの割合で存在する。この光結合を通して、ＴＭｊは、第１のコア１３と第２のコア１４との間を移動する。
【００７４】
以上を踏まえると、上述した特徴１〜４を有しているＰＢＣ１は、次の理由で広い波長範囲でＴＭｊの損失を小さくすることができる。
【００７５】
上述したように、テーパ化方向性結合器において、ＴＭｊが第１のコア１３と第２のコア１４との間を移る部分は、並走区間のうちδＴＭｊ=０となる部分である。もし、波長が変化したとしても、ＰＢＣ１が特徴３を常に有するように設計することによって、並走区間のどこかにＮＴＭｊ＠ＷＧ１とＮＴＭｊ＠ＷＧ２とが一致する断面が含まれることになる。したがって、第１のコア１３と第２のコア１４との間におけるＴＭｊの移動は成立する。すなわち、ＰＢＣ１は、広い波長帯域で、低損失動作する。
【００７６】
製造誤差に強い理由について、次に説明する。ＰＢＣ１を製造する場合に生じる可能性がある製造誤差としては、（１）コアの主要部の幅及びコアの突出部の幅が設計値から変化する、（２）上記主要部の高さ及び上記突出部の高さが設計値から変化する、（３）クラッド（１１，１２）及びコア（１３，１４）の屈折率が設計値から変化する、（４）コア（１３，１４）の形状が設計した通りの四角形（例えば長方形）ではなく、対称性が低い四角形（例えば台形）となる、などが挙げられる。
【００７７】
（１）〜（４）の何れの理由によって製造誤差が生じた場合であっても、特徴３を満たすように設計すれば、並走区間に含まれる何れかの断面において、第１のコア１３の幅と第２のコア１４の幅とが一致する、すなわち、ＮＴＭｊ＠ＷＧ１とＮＴＭｊ＠ＷＧ２とが一致する。したがって、ＰＢＣ１に製造誤差が生じた場合であっても、第１のコア１３と第２のコア１４との間においてＴＭｊの移動は可能である。以上のように、ＰＢＣ１は、製造誤差に強いと言える。
【００７８】
なお、突出部（１３ｐ、１４ｐ）は、下部クラッド１１と上部クラッド１２との界面に接して形成されていることが好ましい。このような突出部（１３ｐ、１４ｐ）を備えているコア（１３、１４）は、ＳＯＩウェハのシリコン層に対して２回のリソグラフィと２回のエッチングとを施すことによって製造可能である。換言すれば、ＰＢＣ１を簡易な製造プロセスによって製造することができる。
【００７９】
ＰＢＣ１において、突出部（１３ｐ、１４ｐ）が上記界面に接して形成されておらず、突出部（１３ｐ、１４ｐ）の上面と主要部（１３ｍ、１４ｍ）の上面とが一致するような位置に形成されていたとしてもＰＢＣ１は、一方のコアから隣接する他方のコアへ光パワーを１００％移動することができる。しかし、このような突出部（１３ｐ、１４ｐ）を備えたコア（１３、１４）を製造する為には、２回のリソグラフィと２回のエッチングと比較して複雑な製造プロセスを要する。
【００８０】
（ＰＢＣ１に固有の特徴）
次に、第１のコア１３及び第２のコア１４が有している特徴５〜６について説明する。
特徴５：並走区間における光の進行方向に直交する各断面において、第１のコア１３におけるＴＭｊの実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ１は、ＴＥｉの実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ１より常に小さく、第２のコア１４におけるＴＭｊの実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ２は、ＴＥｉの実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ２より常に小さい。すなわち、並走区間における光の進行方向に直交する各断面において、ＮＴＭ＠ＷＧ１＜ＮＴＥ＠ＷＧ１を満足し、ＮＴＭ＠ＷＧ２＜ＮＴＥ＠ＷＧ２を満足する。
特徴６：並走区間における光の進行方向における任意の座標位置にて、光の進行方向に直交する各断面において、第１のコア１３及び第２のコア１４の少なくとも一方のコア（例えば第１のコア１３）におけるコアの幅（例えばＷ１）と主要部の幅（例えばＷｍ１）とは、常に異なる。また、一方のコアの突出部は、他方のコアの突出部から遠ざかる方向に突出している。
【００８１】
また、特徴６は、次の特徴６’のように言い換えることもできる。
特徴６’：第１のコア１３及び第２のコア１４の少なくとも一方（例えば第１のコア１３）は、（１）光の進行方向に直交する断面の形状が四角形の主要部（例えば１３ｍ）と、（２）該主要部（例えば１３ｍ）の一方の側面から下部クラッド１１と上部クラッド１２との界面に平行な方向に突出した突出部であって、光の進行方向に直交する断面の形状が四角形の突出部（例えば１３ｐ）とからなる。
【００８２】
特徴５〜６を有していることによって、ＰＢＣ１は、ＰＢＣとして機能する。具体的には、図１の（ａ）に示すように、ＰＢＣ１の並走区間を進む光において、ＴＭｊの光パワーは、一方のコアから他方のコアへ移動する。一方、ＴＥｉの光パワーは、そのわずかしか一方のコアから他方のコアへ移動せず、その大部分が一方のコアから出力される。このようにＰＢＣ１は、並走区間を進む光の内、ＴＭｊの光パワーのみを一方のコアから他方のコアへ移動させる機能を有する。この機能を利用して、例えば、ＴＭｊを第１のコアＷＧ１のｐｏｒｔ１−１に、ＴＥｉを第２のコアＷＧ２のｐｏｒｔ１−２にそれぞれ入力すると、入力されたＴＭｊ及びＴＥｉは、合波され、ｐｏｒｔ２−２から同時に出力される。したがって、ＰＢＣ１は、ＰＢＣとして機能すると言える。また、ｐｏｒｔ２−２にＴＥｉとＴＭｊとを同時に入力すると、ＴＭｊは、ｐｏｒｔ１−１から出力され、ＴＥｉは、ｐｏｒｔ１−２から出力される。したがって、本発明は偏波ビームスプリッタとして機能するとも言える。
【００８３】
以下、効果を奏する理由を述べる。
【００８４】
特徴５を有することによって、第１のコアＷＧ１及び第２のコアＷＧ２の何れにおいても、ＴＥｉがコアに閉じ込められる程度は、ＴＭｊがコアの閉じ込められる程度より強くなる。これは、各偏波の実効屈折率の大小は、各偏波がコアへ閉じ込めの強弱に対応するからである。換言すれば、ＴＥｉよりもＴＭｊの方がクラッドに大きく光が浸み出すと言える。
【００８５】
さらに、特徴６を有することによって、各コア（１３及び１４）が突出部（１３ｐ又は１４ｐ）を備えていない場合と比較して、ＴＥｉの各コア（１３及び１４）への光閉じ込めの程度は強くなる。一方、ＴＭｊの各コア（１３及び１４）への光閉じ込めの程度は有意には変化しない。このことは、ＴＭｊと比較して強いＴＥｉのコアへの閉じ込められる程度を更に強めることを意味する。したがって、ＴＥｉのコアへの閉じ込められる程度と、ＴＭｊのコアへの閉じ込められる程度との差は、更に大きくなる。
【００８６】
以下に、特徴６を有することによって当該差が更に大きくなる理由を説明する。
【００８７】
ＴＥｉの電界は、各コア（１３及び１４）の幅方向(x方向)の電界成分(Ｅｘ)が主であり、ＴＭｊの電界は、各コア（１３及び１４）の高さ方向（ｙ方向）の電界成分(Ｅｙ)が主である。各コア（１３及び１４）の主要部（１３ｍ及び１４ｍ）の幅（Ｗｍ１及びＷｍ２）、又は、各コア（１３及び１４）の幅（Ｗ１及びＷ２）を大きくすると、各コア（１３及び１４）へのＴＥｉ及びＴＭｊの閉じ込めが強くなり、それに応じてＴＥｉの実効屈折率及びＴＭｊの実効屈折率が何れも増加する。しかし、この実効屈折率の増加率は、ＴＭｊに比べてＴＥｉの方が大きい。これは、電界のコアとクラッド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（１）及び（２）で表される。
【数１１】
2016052344.tif 000011
【数１２】
2016052344.tif 000012
ここで、各パラメータは以下の通りである。
【数１３】
2016052344.tif 000013
は、側面境界上のクラッド側のＥｘであり、
【数１４】
2016052344.tif 000014
は、側面境界上のコア側のＥｘであり、
【数１５】
2016052344.tif 000015
は、側面境界上のクラッド側のＥｙであり、
【数１６】
2016052344.tif 000016
は、側面境界上のコア側のＥｙであり、
【数１７】
2016052344.tif 000017
は、コアの屈折率であり、
【数１８】
2016052344.tif 000018
は、クラッドの屈折率である。
【００８８】
ＴＥｉには、式（１）が大きく関係し、ＴＭｊには、式（２）が大きく関係する。式（１）を見ると、Ｎｃｏ＞Ｎｃｌであるため、コア側面境界でＥｘは不連続になり、
【数１９】
2016052344.tif 000019
よりクラッド側に大きく電界が分布する。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がコアの内側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。一方で、式（２）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ほどの変化はない。したがって、導波路幅を大きくすると、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。
【００８９】
上記に加えて、特徴６では、コアの主要部（１３ｍ及び１４ｍ）の側面から突出部であって、コアの高さが主要部（１３ｍ及び１４ｍ）より低い突出部（１３ｐ及び１４ｐ）を設けることで、ＴＥｉとＴＭｊとにおけるこの光閉じ込めの差をさらに強めている。
【００９０】
特徴６により、第１のコア１３及び第２のコア１４の少なくとも一方は、光の進行方向に直交する断面の形状が階段形状である階段状コアとなる。次に説明するように、突出部（１３ｐ及び１４ｐ）には、ＴＭｊよりもＴＥｉの電界が強く閉じ込められる。マクスウェルの方程式より、コア上下面(高さ方向の端面)における電界の境界条件は、
【数２０】
2016052344.tif 000020
【数２１】
2016052344.tif 000021
ここで、各パラメータは以下の通り。
【数２２】
2016052344.tif 000022
は、上下面境界上のクラッド側のＥｘであり、
【数２３】
2016052344.tif 000023
は、上下面境界上のコア側のＥｘであり、
【数２４】
2016052344.tif 000024
は、上下面境界上のクラッド側のＥｙであり、
【数２５】
2016052344.tif 000025
は、上下面境界上のコア側のＥｙである。
【００９１】
コアの上下面境界上においては、コアの側面境界上とは反対に、Ｅｙは不連続で、Ｅｘは連続的である。その為、各コア（１３及び１４）の高さの変化に伴って、ＴＥｉの電界の閉じ込めよりもＴＭｊの電界の閉じ込めの方が大きく変化する。各コア（１３及び１４）の高さが低くなると、コアへの電界（ＴＥｉ及びＴＭｊ）の閉じ込めが弱くなる。したがって、コアの高さが主要部（１３ｍ及び１４ｍ）の高さより低い突出部（１３ｐ及び１４ｐ）において、ＴＭｊのコアへの閉じ込めは弱くなり、一方でＴＥｉのコアへの閉じ込めは強くなるという効果が得られる。
【００９２】
階段状コアにおけるＴＥ０のＥｘとＴＭ０のＥｙの電界分布を計算した結果を、図３の（ｂ）及び（ｃ）に示す。図３の（ａ）は、これらの電界分布の計算に用いた基板型導波路素子２０１ａの構成を示す断面図である。基板型導波路素子２０１ａは、下部クラッド２１１と、下部クラッド２１１の上に形成されたコア２１３と、コア２１３を埋設するように下部クラッド２１１の上に積層された上部クラッド２１２とを備えている。ＰＢＣ１が第１のコア１３及び第２のコア１４を備えているのに対し、基板型導波路素子２０１ａは、単一のコア２１３のみを備えている。コア２１３は、ＰＢＣ１の第１のコア１３と同様に構成されている。具体的には、コア２１３は、断面の形状が四角形の主要部２１３ｍ及び突出部２１３ｐからなる。
【００９３】
コア２１３を導波するＴＥ０及びＴＭ０の波長は、１５８０ｎｍとした。図３の（ｂ）及び（ｃ）に示す電界強度を比較すると、ＴＥ０のＥｘが突出部２１３ｐに大きく分布するのに対し、ＴＭ０のＥｙは、突出部２１３ｐにはあまり分布しないことが確認された。
【００９４】
ＰＢＣ１において、一方のコア（１３又は１４）の各突出部（１３ｐ又は１４ｐ）は、他方のコア（１４又は１３）が存在しない側に設けられている。換言すれば、各突出部（１３ｐ又は１４ｐ）は、互いに遠ざかる方向に突出している。したがって、各突出部（１３ｐ又は１４ｐ）は、ＴＥｉの電界が他方のコア（１４又は１３）へ浸み出すことを抑制する一方で、ＴＭｊの電界が他方のコア（１４又は１３）へ浸み出すことを阻害しないという効果を奏する。
【００９５】
以上より、ＰＢＣ１では、ＴＥｉに比べＴＭｊの方が他方のコア（１４又は１３）への光の浸み出しが多い。このとき、ＴＥｉに比べＴＭｊの方がコア１３とコア１４との間に生じる光結合が強まる。したがって、式（５）が常に成立する。
【００９６】
【数２６】
2016052344.tif 000026
この関係は、ＴＥｉ及びＴＭｊが、断熱変化によってコア１３とコア１４との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））で決まる。したがって、ＴＥｉのＺｂは、式（６）のように表され、ＴＭｊのＺｂは、式（７）のように表される。
【数２７】
2016052344.tif 000027
【数２８】
2016052344.tif 000028
【００９７】
式（６）よりＺｂ（ＴＥｉ）が最も大きくなるのは、δＴＥｉ＝０の場合であり、式（７）よりＺｂ（ＴＭｊ）が最も大きくなるのは、δＴＭｊ＝０の場合である。したがって、Ｚｂ（ＴＥｉ）の最大値は、式（８）で表され、Ｚｂ（ＴＭｊ）の最大値は、式（９）で表さる。
【数２９】
2016052344.tif 000029
【数３０】
2016052344.tif 000030
【００９８】
式（８）及び（９）より、コア１３とコア１４とにおける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。ＰＢＣ１が有する特徴５及び６より式（５）の関係が成立することから、Ｚｂ（ＴＭｊ）は、Ｚｂ（ＴＥｉ）より短くなる。すなわち、ＴＭｊが断熱的にコア１３及びコア１４の間を移動するのに必要な並走区間の長さをテーパ長として設定することで、ＰＢＣ１は、（１）ＴＭｊを低損失に一方のコアから他方のコアへ移動させ、且つ、（２）ＴＥｉのほとんどを一方のコアから他方のコアへ移動させない、という機能を実現する。
【００９９】
さらに、特徴６を有することによって、ＰＢＣ１は、次の効果を得る。ＴＥｉ及びＴＭｊのコア間の移動は、それぞれ、ＣＴＥｉ＞＞δＴＥｉ及びＣＴＭｊ＞＞δＴＭｊとなる範囲において強く行われる。コア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。これらは、式（６）及び式（７）からも分かる。ＣＴＥｉ＞＞δＴＥｉのときにＺｂ（ＴＥｉ）は大きくなり、ＣＴＭｊ＞＞δＴＭｊのときにＺｂ（ＴＭｊ）は大きくなる。
【０１００】
ＰＢＣ１は、コア幅を変えることで、ＴＥｉ又はＴＭｊを一方のコアに局在している導波モードから、他方のコアに局在している導波モードに移している。突出部（１３ｐ及び１４ｐ）を含むコア（１３及び１４）において、コア（１３及び１４）の幅（Ｗ１及びＷ２）と、主要部（１３ｍ及び１４ｍ）の幅（Ｗｍ１及びＷｍ２）とのうち少なくとも何れか一方を変化させることに伴う実効屈折率の変化は、ＴＭｊよりもＴＥｉの方が大きい。そのため、コア幅の変化に伴い、δＴＥｉは、δＴＭｊよりも急激に変化する。その結果、並走区間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、同じテーパ長であっても、相対的にＴＥｉの光パワーよりもＴＭｊの光パワー方が、緩やかにコア間を移動する。その結果、ＰＢＣ１は、ＴＭｊのみを選択的に一方のコアから他方のコアへ移動させることができる。
【０１０１】
以上に示したように、ＰＢＣ１は、特徴５〜６を有することによって、ＴＭｊのみを選択的に一方のコアから他方のコアへ移動させることができる。換言すれば、ＰＢＣ１は、ＰＢＣとしての機能を実現する。
【０１０２】
（従来技術との比較）
続いて、ＰＢＣ１と従来技術である非特許文献２と特許文献１との比較を行う。非特許文献２に記載された技術の問題は、広い波長帯域での使用を想定した場合に、ＴＭ偏波の損失が大きく、製造誤差にも弱い（影響を受けやすい）ことである。この問題に対して、特徴３〜４で述べたようにＰＢＣ１は、断熱変化によってＴＭｊを一方のコアから他方のコアへ移動させ、且つ、広い波長帯域内において波長が変化したり、製造誤差によって並走区間におけるコアの構造が変化しても、低損失なＴＭｊのコア間の移動を可能にする。上述した各特徴を満足するＰＢＣ１を設計する場合、ＰＢＣ１を使用する場合に想定される波長帯域や、ＰＢＣ１を製造するために用いる製造プロセスにおいて生じ得る製造誤差の大きさを予め見積もっておくことが好ましい。上述した各特徴を満足するＰＢＣ１は、非特許文献２に記載された構造よりも、広い波長帯域で低損失であり、かつ製造誤差に強い。
【０１０３】
特許文献１に記載された技術の問題は、製造プロセスの要求精度が高く、製造誤差に弱いことである。この問題に対して、ＰＢＣ１は、特許文献１に記載された技術に対して次の点において優位である。
【０１０４】
ＰＢＣ１は、特許文献１に記載された技術と同様に、高さの異なる２つの部分（主要部及び突出部）からなるコアを用いる。換言すれば、各コア（１３及び１４）は、階段状コアである。ＰＢＣ１において突出部（１３ｐ及び１４ｐ）は、主要部（１３ｍ及び１４ｍ）に対して、補助的な役割を果たしている。ＰＢＣ１において各コア（１３及び１４）を導波する光の主な電界は、主要部（１３ｍ及び１４ｍ）に分布している。そのため、各コア（１３及び１４）とＰＢＣ１の外部に設けられた光配線を構成するコアと接続する場合に、その接続部分で製造プロセスの精度の制限によって構造的な不連続部分が生じても、この部分における損失は小さくて済む（図４参照）。
【０１０５】
また、突出部（１３ｐ及び１４ｐ）は、ＴＥｉの電界を主要部（１３ｍ及び１４ｍ）の外側に逃がし、各コア間におけるＴＥｉの光結合を弱める為だけに用いている。したがって、突出部（１３ｐ及び１４ｐ）と主要部（１３ｍ及び１４ｍ）とが独立した製造誤差の影響を受けたとしても、この部分の製造誤差による影響は小さい。従って、ＰＢＣ１は、特許文献１に記載された技術よりも製造プロセスの要求精度が低く済み、製造誤差にも強いといえる。
【０１０６】
（より好ましい条件１）
ＰＢＣ１において、コア（１３及び１４）の屈折率Ｎｃｏと、クラッド（１１及び１２）の屈折率Ｎｃｌとの比屈折率差は、０．２５以上であることが好ましい。
【０１０７】
この構成によれば、ＴＥｉとＴＭｊとの光の浸みだしの程度の差を大きくすることができ、その結果、ＴＥｉとＴＭｊとをより強く分離することができる。換言すれば、ＰＥＲを向上させることができる。以下に、その理由を説明する。
【０１０８】
比屈折率差は、式（１０）のように定義される。
【数３１】
2016052344.tif 000031
【０１０９】
ここで、Ｎｃｏはコアの屈折率、Ｎｃｌはクラッドの屈折率を表す。下部クラッド１１と上部クラッド１２とが異なる材料からなり、下部クラッド１１の屈折率Ｎｃｌ１と上部クラッド１２の屈折率Ｎｃｌ２とが異なる場合、大きい方の屈折率をＮｃｌとする。クラッドが３つ以上の材料からなる場合でも、最も屈折率の大きな材料の屈折率をＮｃｌとすればよい。比屈折率差が大きいと、式（１）及び式（４）の
【数３２】
2016052344.tif 000032
が大きくなるため、ＴＥｉとＴＭｊとの光の浸みだしの程度の差は、大きくなる。屈折率差の２乗が２以上、すなわち
【数３３】
2016052344.tif 000033
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０．２５以上となる。したがって、比屈折率差が２５％以上であることは、本発明の好ましい条件である。
【０１１０】
（より好ましい条件２）
ＰＢＣ１において、コア（１３及び１４）は、シリコン（Ｓｉ）製であり、下部クラッド１１は、シリカ（ＳｉＯ２）製であり、上部クラッド１２は、空気、シリカ製、及び窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）製の何れかであることが好ましい。
【０１１１】
このような構成のＰＢＣ１は、ＳＯＩウェハを、ＣＭＯＳプロセスによって加工することで容易に製造できる。下部クラッド１１は、ＳＯＩウェハのＢＯＸ（Buried Oxide）層を利用し、コア（１３及び１４）は、ＳＯＩウェハの最上位層であるシリコン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（１３及び１４）形成後に所望の材料を堆積させることで形成できる。空気からなる上部クラッド１２を用いる場合には、コア（１３及び１４）形成後に堆積させる材料は、不要である。特に、上部クラッド１２としてシリカを用いる場合、下部クラッド１１と上部クラッド１２とが同じ材料からなるため、下部クラッド１１と上部クラッド１２との界面に生じ得る応力を小さくできる。したがって、ＰＢＣ１の製造プロセスにおける歩留まりを向上させることができる。
【０１１２】
また、上記の構成によれば、高い比屈折率差を有するＰＢＣ１を得ることが可能となる。具体的には、ＰＢＣ１の比屈折率差は、上部クラッド１２が空気又はシリカからなる場合、比屈折率差＝約４１％となり、上部クラッド１２が窒化シリコンからなる場合、比屈折率差＝約３２％となる。その結果、ＰＢＣ１は、ＴＥｉとＴＭｊとをより強く分離することができる。したがって、ＰＢＣ１は、ＰＥＲを向上させることが出来る。
【０１１３】
（より好ましい条件３）
上述したように、ＰＢＣ１において、コア（１３及び１４）はシリコン製であり、下部クラッド１１と上部クラッド１２はともにシリカ製であることが好ましい。ここで、図２に示すように、コア１３の幅をＷ１とし、コア１３の主要部１３ｍの幅をＷｍ１とし、コア１３の突出部１３ｐの幅をＷｐ１とし、コア１４の幅をＷ２とし、コア１４の主要部１４ｍの幅をＷｍ２とし、コア１４の突出部１４ｐの幅をＷｐ２とする。すなわち、Ｗ１＝Ｗｍ１＋Ｗｐ１であり、Ｗ２＝Ｗｍ２＋Ｗｐ２である。また、主要部１３ｍの高さｈ１と主要部１４ｍの高さｈ２は、共通にｈであるものとする。
この場合に、ＰＢＣ１は、以下の関係を満足することが好ましい。
【数３４】
2016052344.tif 000034
ここで、Ｗｕｐｐｅｒは、式（１１）で表される。ここで、ｅは、ネイピア数である。
【数３５】
2016052344.tif 000035
【０１１４】
上記の関係を満足することによって、ＰＢＣ１は、ＴＥ０とＴＭ０との偏波多重及び偏波分離を行う場合に生じ得るＴＭ０の過剰損失を抑制可能である。
【０１１５】
ＴＥ０とＴＭ０とを偏波多重又は偏波分離の対象とした場合、特徴５を満たすためには、主要部（１３ｍ及び１４ｍ）の幅（Ｗｍ１及びＷｍ２）は、高さｈより大きいことが好ましい。これは、主要部（１３ｐ及び１４ｐ）の幅（Ｗｐ１及びＷｐ２）が小さい場合であって、幅（Ｗ１及びＷ２）＝ｈとなる場合に、コア形状は正方形となり、ＴＥ０とＴＭ０とは、一方を９０度回転することによって同一となる電界分布を示す為である。
【０１１６】
コア幅の最大Ｗｕｐｐｅｒは次のように定まる。ＰＢＣ１のコア形状のように高さ方向に上下非対称な屈折率分布を持つと、次の点でＴＭ０の損失増加につながる。非特許文献５に記載されているように、コアが高さ方向に非対称な屈折率分布を持つ場合であって、ＴＭ０とＴＥ１との実効屈折率が接近するようなコア形状を持つ場合には、これらＴＭ０及びＴＥ１の導波モードは相互作用する。
【０１１７】
その結果、並走区間を導波するＴＭ０の一部がＴＥ１に変換し、ＴＭ０の過剰損失を生じさせる。したがって、この不要な過剰損失を防ぐためには、ＴＥ１とＴＭ０とが相互作用しないようにすることが好ましい。
【０１１８】
そのために、ＴＭ０とＴＥ１とが相互作用するような、すなわちＴＭ０の過剰損失が生じ得るコア形状を明らかにする。上記相互作用が生じ得るのは、次の場合である。コア（１３及び１４）のコア形状が正方形に近い場合において、ＴＥ１とＴＭ０との実効屈折率が交差するようなコア幅に対して、主要部（１３ｍ及び１４ｍ）の幅（Ｗｍ１及びＷｍ２）と、コア（１３及び１４）の幅（Ｗ１及びＷ２）とを異なる大きさで増加させる場合に、上記相互作用が生じやすい。異なる大きさで増加させると、常に屈折率分布は上下非対称性を持つためである。したがって、このようなコア幅をＷｕｐｐｅｒとすることが出来る。
【０１１９】
図５は、ＰＢＣ１において、高さｈを変化させた場合に得られる高さ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。コアを伝播する光の波長は、１５５０ｎｍである。図５に示すドットは、シミュレーション結果を表し、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（１１）のように定まる。
【０１２０】
以上より、ＴＥ０とＴＭ０との偏波多重及び偏波分離を行う場合に、ＰＢＣ１は、ＴＭ０の過剰損失を抑制可能である。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、コアへの最も閉じ込めの程度が最も強い。その結果、曲げ導波路での損失が小さくなる。このような理由により、偏波多重及び偏波分離を行う場合において、ＴＥ０とＴＭ０とは、一般的に使用される偏波モードである。そのため、ＴＭ０の過剰損失を抑制可能な（より好ましい条件３）は、実用上有用な条件である。
【０１２１】
（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との間を移動させることができるので、ＴＭｊ及びＴＥｉの何れかの偏波を抽出する基板型導波路を用いた偏光子として利用可能である。
【０１２２】
ＴＭｊに対する偏光子として利用する場合、図１に示すｐｏｒｔ１−１を入力ポートとし、ｐｏｒｔ２−２を出力ポートとすればよい。ｐｏｒｔ１−１にＴＥｉとＴＭｊとが入力された場合、ＰＢＣ１は、ＴＭｊのみを第１のコアＷＧ１（１３）から第２のコアＷＧ２（１４）へ移動することによって、ｐｏｒｔ２−２からＴＭｊのみを出力する。すなわち、ＰＢＣ１は、入力されたＴＥｉ及びＴＭｊからＴＭｊのみを抽出して出力することができる。
【０１２３】
ＴＥｉに対する偏光子として利用する場合、例えば、図１に示すｐｏｒｔ１−１を入力ポートとし、ｐｏｒｔ２−１を出力ポートとすればよい。ｐｏｒｔ１−１にＴＥｉとＴＭｊとが入力された場合、ＴＭｊは、上述のようにｐｏｒｔ２−２から出力される。したがって、ｐｏｒｔ２−１からは、並走区間において第１のコアＷＧ１（１３）から第２のコアＷＧ２（１４）へ移動しなかったＴＥｉのみが出力される。すなわち、ＰＢＣ１は、入力されたＴＥｉ及びＴＭｊからＴＥｉのみを抽出して出力することができる。
【０１２４】
いずれの場合も、ＰＢＣ１は、広い波長帯域において低損失な動作が可能である。ＰＢＣ１を偏光子として用いることで、広い波長帯域で低損失かつ高いＰＥＲを有する偏光子を実現可能である。
【０１２５】
さらに、ＰＢＣ１を直列に多段接続することで、偏波消光比を更に向上させることが可能となる。
【０１２６】
〔第１の実施形態〕
以下に、本実施形態に係るＰＢＣ１について、図６〜図７を参照しながら説明する。ＰＢＣ１は、上述した特徴１〜６を有しているＰＢＣの一実施形態であって、上記特徴１〜６に対応する効果を奏する。
【０１２７】
図６は、ＰＢＣ１の構成を示す斜視図である。図６の（ａ）は、下部クラッド１１、上部クラッド１２、第１のコア１３、及び第２のコア１４を備えているＰＢＣ１を示す。図６の（ａ）に示すように、ＰＢＣ１においては、コア１３及びコア１４が下部クラッド１１と上部クラッド１２とに埋設されている。図６の（ｂ）は、コア１３及びコア１４のみを図示したものである。図６の（ｂ）に示すように、コア（１３及び１４）は、それぞれ、主要部（１３ｍ及び１４ｍ）と突出部（１３ｐ及び１４ｐ）とからなる階段状コアである。
【０１２８】
図７の（ａ）は、本実施例に係るＰＢＣ１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ＰＢＣ１の断面図であり、（ｃ）は、（ａ）に示すＢ−Ｂ’線におけるＰＢＣ１の断面図であり、（ｄ）は、（ａ）に示すＣ−Ｃ’線におけるＰＢＣ１の断面図である。
【０１２９】
ＰＢＣ１において、コア１３の幅Ｗ１、主要部１３ｍの幅Ｗｍ１、突出部１３ｐの幅Ｗｐ１、主要部１３ｍの高さｈｍ１、突出部１３ｐの高さｈｐ１、コア１４の幅Ｗ２、主要部１４ｍの幅Ｗｍ２、突出部１４ｐの幅Ｗｐ２、主要部１４ｍの高さｈｍ２、及び突出部１４ｐの高さｈｐ２は、図６の（ｂ）に示すように定義されている。ＰＢＣ１において、高さｈｍ１と高さｈｍ２とは、共通であり、これをｈｍとする。なお、主要部（１３ｍ及び１４ｍ）の高さは、コア（１３及び１４）の高さでもあるため、ｈ＝ｈｍである。また、高さｈｐ１と高さｈｐ２とは、共通であり、これをｈｐとする。また、コア１３とコア１４とは互いに離間して配置されており、並走区間の全域においてコア１３とコア１４との間隔は等しくＷＧであることが好ましい。換言すれば、コア１３とコア１４とは平行に配置されていることが好ましい。
【０１３０】
ＰＢＣ１において、幅Ｗｍ１、幅Ｗｍ２、幅Ｗｐ１、幅Ｗｐ２、及び間隔ＷＧは、それぞれ、並走区間の始点からの距離の関数として連続である。したがって、幅Ｗ１及び幅ｗ２は、それぞれ、並走区間の始点からの距離の関数として連続であると言える。このように構成されたＰＢＣ１は、設計が容易であるという利点を有する。
【０１３１】
上述のように、間隔ＷＧは、並走区間の始点からの距離の関数として連続であればよく、必ずしも一定でなくてもよい。例えば、間隔ＷＧは、並走区間の始点からの距離の関数として直線で表されてもよいし、曲線で表されてもよい。特に、並走区間における相互作用領域は、他の部分に比べてテーパ長が長いことが好ましい。相互作用領域の長いテーパ長を実現するために、ＰＢＣ１において、入力ポート（ｐｏｒｔ１−１及び１−２）から相互作用領域にかけて、及び、出力ポート（ｐｏｒｔ２−１及び２−２）から相互作用領域にかけて、コア幅（Ｗ１及びＷ２）が狭くなることが好ましい。この構成によれば、相互作用領域におけるＴＭｊの光結合を強めることができ、結果としてＴＭｊの結合長を短くすることができる。
【０１３２】
また、ＰＢＣ１において、コア幅（Ｗ１及びＷ２）は、並走区間の始点からの距離の関数として線形でなくてもよい。相互作用領域におけるコア幅（Ｗ１及びＷ２）を表す関数は、入出力ポート近傍より緩やかな傾きを有することが好ましい。この構成によれば、相互作用領域におけるテーバ長を相対的に長くすることができる。
【０１３３】
〔第１の実施例〕
第１の実施形態に対応した実施例に係るＰＢＣ１について、図８を参照しながら説明する。図８の（ａ）は、本実施例に係るＰＢＣ１の構成を示す上面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すＰＢＣ１における光の進行方向に直交する断面の断面図である。ＰＢＣ１は、ＴＥ０とＴＭ０との偏波多重及び偏波分離を行うことを目的としている。
【０１３４】
ＰＢＣ１の各部の寸法は、図８の（ａ）及び（ｂ）に示すとおりである。図８の（ｂ）に示すＸを−１００から１００の範囲で変化させることによって、主要部１３ｍの幅Ｗｍ１及び主要部１４ｍの幅Ｗｍ２は、並走区間の始点からの距離の関数として線形に変化する。下部クラッド１１は、ＳＯＩウェハのＢＯＸ層からなる。すなわち、下部クラッド１１は、シリカ製である。コア１３及び１４は、ＳＯＩウェハの最上位層であるシリコン層をエッチングで加工することによって形成した。コア１３及び１４を形成した後、コア１３及び１４を埋設するように下部クラッド１１上にシリカを堆積することによって上部クラッド１２を形成した。
【０１３５】
本実施例に係るＰＢＣ１ついて、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。その結果を、図１０に示す。図１０に示すＴＥ０＠ＷＧ１及びＴＭ０＠ＷＧ１は、それぞれ、第１のコア１３におけるＴＥ０及びＴＭ０の実効屈折率に対応し、ＴＥ０＠ＷＧ２及びＴＭ０＠ＷＧ２は、それぞれ、第２のコア１４におけるＴＥ０及びＴＭ０の実効屈折率に対応する。ここで、ＴＥ０及びＴＭ０の波長を１５５０ｎｍとした。
【０１３６】
また、ＰＢＣ１の参考例として、クラッド（２１１及び２１２）中に第１のコア２１３のみが埋設されている基板型光導波路素子２０１ａ（図９の（ｂ）参照）と、クラッド（２１１及び２１２）中に第２のコア２１４のみが埋設されている基板型光導波路素子２０１ｂ（図９の（ｃ）参照）とについて、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。その結果を、図９の（ａ）に示す。図９の（ａ）に示すＴＥ０＠ＷＧ１及びＴＭ０＠ＷＧ１は、それぞれ、第１のコア２１３におけるＴＥ０及びＴＭ０の実効屈折率を表し、ＴＥ０＠ＷＧ２及びＴＭ０＠ＷＧ２は、それぞれ、第２のコア２１４におけるＴＥ０及びＴＭ０の実効屈折率を表す。ここで、ＴＥ０及びＴＭ０の波長を１５５０ｎｍとした。
【０１３７】
図９の（ａ）より、コア２１３及びコア２１４の幅が２００ｎｍ変化する間に、ＴＥ０の実効屈折率は、0.33だけ変化し、ＴＭ０の実効屈折率は、0.12だけ変化することが分かった。すなわち、コア（２１３及び２１４）の幅が２００ｎｍ変化することに対応して、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示す。これは、本実施例が、特徴５を有している、すなわち、突出部を備えているためである。なお、図９の（ａ）において、ＴＥ０の実効屈折率の差の絶対値、及び、ＴＭ０の実効屈折率の差の絶対値が、それぞれ、δＴＥ０／（π／λ）及びδＴＭ０／（π／λ）に相当する。したがって、図９の（ａ）に示した結果よりδＴＥ０及びδＴＭ０を求めることができる。
【０１３８】
続いて、本実施例に係るＰＢＣ１について、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結果について、図１０を参照して説明する。図１０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９においては実効屈折率が交差していた点が、コア１３とコア１４とが隣接していることで、コア１３の偏波モードとコア１４の偏波モードとが相互作用し、上記交点が分離する。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、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、
【数３６】
2016052344.tif 000036
に相当し、ＴＭ０の実効屈折率の差の絶対値は、
【数３７】
2016052344.tif 000037
に相当する。これらと、図９の（ａ）から得られるδＴＥ０及びδＴＭ０を用いて、ＣＴＥ０及びＣＴＭ０を求めることができる。Ｘ＝０における（本実施例に係るＰＢＣ１の対称性のため、δＴＥ０＝０、δＴＭ０＝０となる）、ＣＴＥ０及びＣＴＭ０は、それぞれ０．０３ｒａｄ／μｍ及び０．１８ｒａｄ／μｍとなった。この結果より、ＴＥ０よりＴＭ０の方が光結合が非常に大きいといえる。これは、特徴５〜６を満たすことによって得られる効果である。この結果を用いて、式（８）の
【数３８】
2016052344.tif 000038
及び式（９）の
【数３９】
2016052344.tif 000039
を求めると、それぞれ、２１４μｍ及び３６μｍとなった。したがって、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、ＴＥ０に比べて非常に短いうことが分かった。
【０１３９】
さらに、Ｘについて、ＣＴＥ０とδＴＥ０との比（δＴＥ０／ＣＴＥ０）、及び、ＣＴＭ０とδＴＭ０との比（δＴＭ０／ＣＴＭ０）をそれぞれ求めた。その結果を図１１に示す。この比が小さいほど、コア１３のＴＥ０とコア１４のＴＥ０とは、強く相互作用する。以下では、ＴＥ０に関する比（δＴＥ０／ＣＴＥ０）が１以下となる領域を相互作用領域とする。また、ＴＭ０に関する比（δＴＭ０／ＣＴＭ０）についても同様に、１以下となる領域を相互作用領域とする。図１１を参照すると、Ｘ＝０では、δＴＥ０及びδＴＭ０が共に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及びδＴＭ０が共に増加し、その結果、相互作用が弱まる。ここで、（より好ましい条件１）において上述したように比屈折率差が０．２５以上と大きいによって、コア幅を変化させたときのＴＥ０の実効屈折率の増加量は、ＴＭ０の実効屈折率の増加量よりも大きいため、比（δＴＭ０／ＣＴＭ０）に比べて、急激に比（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）よりも小さいことが分かった（図１１参照）。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ない。一方で、ＴＭ０は、効率的な断熱変換が可能であることが分かった。
【０１４０】
以上の結果を詳しくみるため、図８の（ａ）に示すＡ−Ａ’線、Ｂ−Ｂ’線、Ｃ−Ｃ’線、Ｄ−Ｄ’線、及びＥ−Ｅ’線における断面におけるＴＥ０とＴＭ０との電界分布をシミュレーションした。結果を図１２〜１６に示す。図１２はＡ−Ａ’線における電界分布、図１３はＢ−Ｂ’線における電界分布、図１４はＣ−Ｃ’線における電界分布、図１５はＤ−Ｄ’線における電界分布、図１６はＥ−Ｅ’線における電界分布を、それぞれ示している。
【０１４１】
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及びＴＥ０＃１は、コア１３及びコア１４を隣接させた断面における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及びＴＭ０＃１は、コア１３及びコア１４を隣接させた断面における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。
【０１４２】
ＴＭ０では、断熱変換が成立するため、ＴＭ＃０又はＴＭ０＃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１２を参照すると、Ｘ＝−１００でコア１３に入力された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。ＴＭ０がコア１３からコア１４へ移動するのはＸ＝０付近で、このときの電界分布はコア１３のＴＭ０とコア１４のＴＭ０とが最も強く相互作用することで、両方のコア（１３及び１４）にＴＭ０が存在していることが見て取れる。
【０１４３】
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。
【０１４４】
一方で、ＴＥ０は、断熱変換がほとんど行われない為、入力された一方のコア（１３又は１４）に電界が局在したまま並行区間を導波し、一方のコア（１３又は１４）から電界が局在したまま出力される。例えば、図１２及び図１３を参照すると、Ｘ＝−１００でコア１３に入力されたＴＥ０は、ＴＥ０＃０の電界分布を励起するが、Ｘ＝−１０までほとんどコア１４へＴＥ０は移動しない。図１４を参照するとＸ＝０では、断熱変換が成立し無いため、ＴＥ０＃０及び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及び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、コアの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、ほとんどコア１に電界が局在するような電界分布を形成する。その後、図１５及び図１６に示すように、Ｘ＝１０及びＸ＝１００において、ＴＥ０は、コア１３を辿る。その為、ＴＥ０は、隣接する導波路へ移動することなく、そのままコア１３から出力される。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。
【０１４５】
以上の説明は、本実施例に限るものではなく、ＴＥｉとＴＭｊとを扱う本発明の全てについて、同様に成り立つ。
【０１４６】
〔第２の実施形態〕
本実施形態に係るＰＢＣ１Ａについて、図１８を参照しながら説明する。図１８は、ＰＢＣ１Ａの構成を示す上面図である。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。
【０１４７】
ＰＢＣ１の前段に設けられている曲げ導波路部２は、図１８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、主要部２３ｍと突出部２３ｐとからなるコアであって、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。また、第４のコア２４は、主要部２４ｍと突出部２４ｐとからなるコアであって、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。したがって、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。
【０１４８】
第３のコア２３の主要部２３ｍの幅Ｗｍ３及び突出部２３ｐの幅Ｗｐ３は、上記始点における第１のコア１３の主要部１３ｍの幅Ｗｍ１及び突出部１３ｐの幅Ｗｐ１と一致している。第３のコアの幅Ｗｍ３及び幅Ｗｐ３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。
【０１４９】
第４のコア２４の主要部２４ｍの幅Ｗｍ４及び突出部２４ｐの幅Ｗｐ４は、上記始点における第２のコア１４の主要部１４ｍの幅Ｗｍ２及び突出部１４ｐの幅Ｗｐ４と一致している。第４のコアの幅Ｗｍ４及び幅Ｗｐ４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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
第５のコア３３は、主要部３３ｍと突出部３３ｐとからなるコアであって、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、主要部３４ｍと突出部３４ｐとからなるコアであって、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。
【０１５２】
第５のコア３３の主要部３３ｍの幅Ｗｍ５及び突出部３３ｐの幅Ｗｐ５は、上記終点における第１のコア１３の主要部１３ｍの幅Ｗｍ１及び突出部１３ｐの幅Ｗｐ１と一致している。第５のコアの幅Ｗｍ５及び幅Ｗｐ５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。
【０１５３】
第６のコア３４の主要部３４ｍの幅Ｗｍ６及び突出部３４ｐの幅Ｗｐ６は、上記終点における第２のコア１４の主要部１４ｍの幅Ｗｍ２及び突出部１４ｐの幅Ｗｐ２と一致している。第６のコアの幅Ｗｍ６及び幅Ｗｐ６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。
【０１５４】
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、ＰＢＣ１Ａは、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。
【０１５５】
曲げ導波路は、本実施形態に係るＰＢＣ１Ａのようにコア１３及びコア１４の両方に接続してもよいし、片方だけでも良い。図１８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１８の左上の入力ポート２３ａに入力、ＴＥ０を左下の入力ポート２４ａに入力し、右下の出力ポート３４ｂ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。
【０１５６】
なお、コア１３とコア１４とを接近／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。
【０１５７】
また、少なくともコア１３とコア１４とが接近する前段と、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。
【０１５８】
また、図１７に示すように、少なくともコア１３及びコア１４が接近する前段と、離間した後段の一方において、突出部（１３ｐ及び１４ｐ）のコア幅がテーパ状に減少して、矩形導波路に変換するための光配線接続部１５を接続してもよい。コア（１３及び１４）と同様に、光配線接続部１５は、主要部１５ｍと突出部１５ｐとからなる。
このとき、光配線を成す光導波路と低損失に接続できる点で好ましい。
【０１５９】
〔第２の実施例〕
図１８に示したＰＢＣ１Ａの実施例について、曲げ導波路部２を例に以下に説明する。曲げ導波路部２において、第３のコア２３（直線導波路部分）は、第１のコア１３の幅Ｗ１を維持したまま延長されている。一方、第４のコア２４（曲げ導波路部分）は、第２のコア１４のコア幅を維持したまま、一定の半径の円弧で曲げている。曲げ導波路部３は、曲げ導波路部２と同様に構成されている。
【０１６０】
ＰＢＣ１Ａにおいて、ＰＢＣ１（以下、テーパ部と呼ぶ）の寸法は、実施例１と同じである。また、曲げ導波路部２及び３を含むＰＢＣ１Ａは、実施例１に係るＰＢＣ１と同様のプロセスで製造可能である。
【０１６１】
以下、シミュレーションにより、ＰＢＣ１ＡがＰＢＣとして機能することを示す。
【０１６２】
まず始めに、入力ポート２３ａにＴＭ０を入力した時に、出力ポート３４ｂ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１９に示す。ＰＢＣ１Ａを導波する光の波長は、１５５０ｎｍとした。これより、テーパ長が８０μｍ以上であればＴＭ０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２０に示す。図２０の（ａ）には、入力ポート２３ａにＴＭ０を入力したときのＥｙ成分の電界分布を示し、図２０の（ｂ）には、入力ポート２３ａにＴＥ０を入力したときのＥｘ成分の電界分布を示している。図２０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１３に局在し、コア１４にはほとんど移動することなくコア１３を導波することが分かった。したがって、ＰＢＣ１Ａは、偏波分離が可能であることが分かった。
【０１６３】
続いて、ＰＢＣ１ＡをＰＢＣとして使用することを想定して、このときの波長に対するＴＥ０の損失と、ＴＭ０の損失と、偏波消光比（ＰＥＲ）とをＦＤＴＤで計算した。それらの結果を、図２１に示す。ここで、テーパ長は、８０μｍとした。図２１の（ａ）は、入力ポート２３ａにＴＭ０を入力し、出力ポート３４ｂから出力するときのＴＭ０の損失（式（１）に相当）を示す。図２１の（ｂ）は、入力ポート２３ａにＴＥ０とＴＭ０とをそれぞれ入力した時に、出力ポート３４ｂ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）を示す。
【０１６４】
また、後述する比較のための従来技術の結果も図２１に併記している。図２１に示す結果より、ＣバンドとＬバンドとを含む１２０ｎｍの非常に広い波長帯域で、ＴＭ０の損失は、０．０２ｄＢ以下であり非常に小さい。また、ＰＥＲは、８ｄＢ以上あり、不要な偏波成分を１６％以下まで抑え込むことが可能であることが分かる。
【０１６５】
また、波長１５２０nmとしたときの、入力ポート２４ａにＴＥ０を入力し、出力ポート３４ｂから出力するときの損失（式（２）に相当）と、入力ポート２４ａにＴＥ０とＴＭ０とをそれぞれ入力した時に、出力ポート３４ｂから出力されるそれぞれの偏波の損失比も計算した。ＴＥ０の損失は、０．１８ｄＢと十分小さく、ＰＥＲは、２０ｄＢと十分高いことが分かった。
【０１６６】
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（１３及び１４）の高さがともに約５％だけ設計値より大きくなる場合を計算した。その結果を、図２２に示す。図２２は、上記製造誤差がある場合とない場合とについて、入力ポート２３ａにＴＭ０を入力し、出力ポート３４ｂから出力するときのＴＭ０の損失（式（１）に相当）を計算した結果を示す。図２２の製造誤差なしが示すプロットは、図２１の（ａ）の本発明のプロットに対応する。
この結果より、製造誤差の影響下でも、ＰＢＣ１Ａの損失に大きな変動は無く、１２０ｎｍの広い波長帯域で０．０２ｄＢ以下の低い損失を持つことが分かる。
【０１６７】
（従来技術との比較）
第２の実施例に係るＰＢＣ１Ａと、非特許文献２に記載されている構造をシミュレーションで比較した。比較に用いたＰＢＣ１０１Ａの構成を図３８に示す。第２の実施例との比較のため、ＰＢＣ２０１のコア（２１３及び２１４）の高さ、導波路間隔、及び材料は、ＰＢＣ１Ａと同じとした。並走区間の長さは、波長範囲１５２０ｎｍ〜１６４０ｎｍにおいて、入力ポート２１３ａ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、入力ポート２１３ａのＰＥＲが第２の実施例に係るＰＢＣ１Ａと同程度となるように定めた。このときの結果を図２１に示す。図２１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、従来技術では最大で０．２７ｄＢであるのに対して、ＰＢＣ１Ａでは最大で０．０２ｄＢであった。したがって、ＰＢＣ１Ａは、ＰＢＣ２０１に比べて広い波長帯域で高い性能をもつことが分かった。
【０１６８】
さらに、図２２で計算したときと同様の製造誤差を考慮したときのＰＢＣ２０１の性能を計算した。その結果を、図２３に示す。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、方向性結合器の結合長が変化する。そのため、図２３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０．２７ｄＢから０．３８ｄＢまで増加した。一方、前述したようにＰＢＣ１Ａの性能は、同じ製造誤差の影響を受けても有意には劣化せず、０．０２ｄＢ以下の低い損失を維持した。
【０１６９】
（突出部の効果の確認）
本発明の張り出し部の効果を示すため、第２の実施例に係るＰＢＣ１Ａと、張り出し部がない比較例１に係るＰＢＣ１０１Ａ（テーパ化方向性結合器：矩形状コアから成るテーパ化方向性結合器）との性能を比較する。
【０１７０】
比較例１に係るＰＢＣ１０１Ａの構成を、図２４に示す。ＰＢＣ１０１Ａのコア１１３とコア１１４とのコア間隔、曲げ導波路部分の長さ、及び並走区間の長さ（テーパ長）は、ＰＢＣ１Ａと同様とした。曲げ導波路部分とテーパ長が同じため、ＰＢＣ１ＡとＰＢＣ１０１Ａとは、同じデバイスサイズで比較している。コア１１３及びコア１１４のそれぞれのコア幅は、ＰＢＣ１ＡにおけるＴＭ０の損失（図２１の（ａ）参照）と同程度となるように設定した。コア幅を変えることで、損失を変化させているのは以下の理由による。コア幅を増加（減少）させると、それに応じて光がコアへより強く（弱く）閉じ込められる。テーパ化方向性結合器は、隣接導波路への光結合が強いほど損失が小さくなるため、コア幅を変えることで損失を変えることが出来る。
【０１７１】
図２５に、ＰＢＣ１Ａ及びＰＢＣ１０１Ａのそれぞれに対して、入力ポート（２３ａ及び１２３ａ）にＴＭ０を入力し、出力ポート（３４ｂ及び１３４ｂ）から出力するときの損失（式（１）に相当）と、入力ポート（２３ａ及び１２３ａ）にＴＥ０及びＴＭ０をそれぞれ入力した時に、出力ポート（３４ｂ及び１３４ｂ）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）の計算結果を示す。図２５の（ａ）に示したＴＭ０の損失を見ると、ＰＢＣ１ＡとＰＢＣ１０１Ａとで、同程度であることが分かる。これは設計通りの結果である。このとき、ＰＥＲは、ＰＢＣ１０１ＡよりもＰＢＣ１Ａの方が１ｄＢも向上していることが分かる。
【０１７２】
これは次の理由による。ＰＢＣ１Ａのコア１３及びコア１４は、互いに遠ざかる方向に突出した突出部１３ｐ及び突出部１４ｐを備えている。前述したように突出部１３ｐ及び突出部１４ｐにはＴＭｊよりもＴＥｉが分布しやすいため、ＴＥｉのみ隣接コアへの光の浸みだしを大きく抑えることが可能となる。そのため、ＰＢＣ１ＡとＰＢＣ１０１Ａとで、ＴＭｊの光が隣接コアへ同程度浸みだしている状況において（すなわち、損失が同程度な状況において）、ＴＥｉは、ＰＢＣ１Ａの方がＰＢＣ１０１Ａよりも隣接コアへの浸み出しが小さい。換言すれば、ＰＢＣ１０１Ａの方がＴＥｉの隣接コアへの移動時のロスが大きい。その結果、ＰＢＣ１０１ＡよりもＰＢＣ１Ａの方が、ＰＥＲが大きくなる。これは、ＰＢＣ１Ａが備えているＰＢＣ１のコア（１３及び１４）が突出部（１３ｐ及び１４ｐ）を備えていることによる効果であることが分かった。
【０１７３】
〔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。
【０１７４】
図２６（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２６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。
【０１７５】
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。
【０１７６】
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。
【０１７７】
〔変形例〕
第３の実施形態の変形例に係るＰＢＣ１Ｃについて、図２６の（ｂ）を参照して説明する。図２６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。
【０１７８】
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。
【０１７９】
〔第４の実施形態〕
本実施形態に係る偏光子１Ｄについて、図２７を参照して説明する。図２７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。
【０１８０】
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。
【０１８１】
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。
【０１８２】
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。
【０１８３】
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。
【０１８４】
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。
【０１８５】
〔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。
【０１８６】
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２８を参照して説明する。図２８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。
【０１８７】
ＤＰ−ＱＰＳＫ変調器である光変調器５は、図２８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。
【０１８８】
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。
【０１８９】
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。
【０１９０】
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。
【０１９１】
〔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２９を参照して説明する。図２９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２９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。
【０１９２】
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。
【０１９３】
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。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。
【０１９４】
図２９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。
【０１９５】
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。
【０１９６】
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。
【０１９７】
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。
【０１９８】
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。
【０１９９】
〔第７の実施形態〕
第７の実施形態に係るＰＢＣ１００について、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、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３０の（ａ）は、ＰＢＣ１００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ＰＢＣ１００の断面図であり、（ｃ）は、（ａ）に示すＢ−Ｂ’線におけるＰＢＣ１００の断面図であり、（ｄ）は、（ａ）に示すＣ−Ｃ’線におけるＰＢＣ１００の断面図である。
【０２００】
これまでは、コアが２段の階段形状を有している例を挙げた。すなわち、コアが主要部と、主要部より低い突出部とを備えていることによって、ＴＥｉがＴＭｊよりも突出部に局在しやすくなり、コアに閉じ込められる程度が、ＴＭｊよりもＴＥｉの方が大きくなる効果を得た。しかし、この効果は、コアの段数が２段であること、及びコアが階段形状を有していることに限られない。例えば、上記効果は、コアの段数がｎ段（ｎ≧３）であっても得られる。本実施形態では、ｎ＝３の場合におけるＰＢＣ１００について説明する。
【０２０１】
（ＰＢＣ１００の構成）
図３０の（ｂ）に示すように、ＰＢＣ１００は、ＰＢＣ１と同様に、下部クラッド１１と同等の下部クラッド１１０上に、一定間隔を開けて並列に配置された第１のコア１３０及び第２のコア１４０を備えている。下部クラッド１１０と、第１のコア１３０及び第２のコア１４０との上には、第１のコア１３０及び第２のコア１４０を埋設するように、上部クラッド１２０が積層されている。
【０２０２】
第１のコア１３０は、３段の階段形状を有し、上段部１３０ｍ、中段部１３０ｐ１及び下段部１３０ｐ２を備えている。第２のコア１４０も同様に、３段の階段形状を有し、上段部１４０ｍ、中段部１４０ｐ１及び下段部１４０ｐ２を備えている。
【０２０３】
上段部１３０ｍは一定の幅Ｗ１−３を有し、上段部１４０ｍも一定の幅Ｗ２−３を有している。中段部１３０ｐ１は、図３０の（ａ）に示す並走区間の始点から終点に向かって、連続的に狭くなる幅Ｗ１−２を有している。中段部１４０ｐ１は、上記始点から終点に向かって、連続的に広くなる幅Ｗ２−２を有している。下段部１３０ｐ２は、図７に示すＰＢＣ１の突出部１３ｐに相当し、上記始点から終点に向かって、連続的に広くなる幅Ｗ１−１を有している。下段部１４０ｐ２は、図７に示すＰＢＣ１の突出部１４ｐに相当し、上記始点から終点に向かって、連続的に狭くなる幅Ｗ２−１を有している。
【０２０４】
ＰＢＣ１００を作製するには、ＰＢＣ１の主要部１３ｍにおいて、一定の幅Ｗ１−３を有した上段部１３０ｍが残るように、主要部１３ｍをエッチングしてもよいし、主要部１３ｍの上に、上記上段部１３０ｍを積層させてもよい。
【０２０５】
（ＰＢＣ１００の特徴について）
ＰＢＣ１では、前記特徴１〜６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、コアの段数をｎ段（ｎ≧３）にする場合には、次の修正が必要になる（特徴の番号に付記した記号；プライム（’）は、修正を表す）。なお、修正の無い特徴２，５は、ＰＢＣ１００にそのまま当てはまる。
【０２０６】
特徴１'：第１のコア１３０と第２のコア１４０とにおいて、対応する各段の高さは互いに等しい。
【０２０７】
特徴３'：ＷＧｉ(ｉ＝１，２)、すなわち第１のコア１３０（ＷＧ１）または第２のコア１４０（ＷＧ２）のｊ段目(１≦ｊ≦ｎ)のコア幅をＷｉ−ｊとすると、ｐｏｒｔ１−１、ｐｏｒｔ１−２を含む断面では、Ｗ１−ｊ≧Ｗ２−ｊ(全てのｊについて成立。ただし、少なくとも１つのｊについて、等号は成立しない。)を満足し、ｐｏｒｔ２−１、ｐｏｒｔ２−２を含む断面では、Ｗ１−ｊ≦Ｗ２−ｊ(全てのｊについて成立。ただし、少なくとも１つのｊについて、等号は成立しない)を満足する。
【０２０８】
特徴４'：Ｗ１−ｊ、Ｗ２−ｊは、並走区間の始点からの距離の関数として連続である。
【０２０９】
特徴６'：並走区間における光の進行方向における任意の座標位置にて、光の進行方向に直交する各断面において、第１のコア１３０（ＷＧ１）及び第２のコア１４０（ＷＧ２）の少なくとも一方のコアは、常にＷｉ−ｊ≠Ｗｉ−ｋ(ｊ＞ｋ)となる(ｊ,ｋ)の組み合わせを持つ。言い換えると、少なくとも一方のコアには必ず突出部（段部）が存在する。また、一方のコアの突出部（段部）は、他方のコアの突出部（段部）から遠ざかる方向に突出している。
【０２１０】
上記各特徴について補足する。特徴１’をＰＢＣ１００に当てはめて具体的に説明すると、上段部１３０ｍの高さは上段部１４０ｍの高さと等しく、中段部１３０ｐ１の高さは中段部１４０ｐ１の高さと等しく、下段部１３０ｐ２の高さは下段部１４０ｐ２の高さと等しい。
【０２１１】
特徴３’をＰＢＣ１００に当てはめて具体的に説明すると、ｐｏｒｔ１−１、ｐｏｒｔ１−２を含む断面では、第１のコア１３０の各段の幅と第２のコア１４０の各段の幅とは、図３０の（ａ）に示す関係になっている。すなわち、上段部については、幅Ｗ１−３＝幅Ｗ２−３となり、中断部については、幅Ｗ１−２＞幅Ｗ２−２となり、下段部については、幅Ｗ１−１＝幅Ｗ２−１となっている。また、ｐｏｒｔ２−１、ｐｏｒｔ２−２を含む断面では、上段部については、幅Ｗ１−３＝幅Ｗ２−３となり、中断部については、幅Ｗ１−２＜幅Ｗ２−２となり、下段部については、幅Ｗ１−１＝幅Ｗ２−１となっている。
【０２１２】
ＰＢＣ１００の上記幅の関係を前記特徴３で規定したＰＢＣ１の幅の関係と対比すると、中断部１３０ｐ１の幅Ｗ１−２及び中段部１４０ｐ１の幅Ｗ２−２、並びに下断部１３０ｐ２の幅Ｗ１−１及び下段部１４０ｐ２の幅Ｗ２−１が、特徴３で規定した上記関係を満足していることがわかる。すなわち、ＰＢＣ１００の上記幅の関係は、特徴３における「ｐｏｒｔ１−１及びｐｏｒｔ１−２を含む断面において、（Ｗｍ１＞Ｗｍ２）且つ（Ｗ１≧Ｗ２）を満足し、ｐｏｒｔ２−１及びｐｏｒｔ２−２を含む断面において、（Ｗｍ１＜Ｗｍ２）且つ（Ｗ１≦Ｗ２）を満足する」という関係に対応している。このことから、中断部１３０ｐ１及び中段部１４０ｐ１が、それぞれ前記主要部１３ｍ及び１４ｍに相当し、下断部１３０ｐ２及び下段部１４０ｐ２が、それぞれ前記突出部１３ｐ及び１４ｐに相当していることが導かれる。
【０２１３】
特徴４’は、ＰＢＣ１００の場合、上段部１３０ｍ，１４０ｍ、中段部１３０ｐ１，１４０ｐ１及び下段部１３０ｐ２，１４０ｐ２のいずれも、断面形状が光の進行方向に対して不連続に変化する部分を持たないことを意味する。
【０２１４】
（ＰＢＣ１００に特有の効果）
ＰＢＣ１００は、ＰＢＣ１について既に説明した効果を同様に得ることができる。その上に、製造誤差で生じるコア側壁の荒れの影響を低減でき、ＴＭ偏波の損失を一層抑えることが可能となる。これは以下の理由による。コアの階段形状の各段は、それぞれ独立にエッチングすることで形成される。この際に、光の進行方向に対して各段に不連続な部位が生じる為、光の損失を生じる側壁荒れが各段に生じてしまう。この側壁荒れは、言い換えると、コアの断面積が光の進行方向に対して不連続に変化した状態である、と言える。その為、段数が増えると、各段のエッチングによる製造誤差はならされ、断面積の製造誤差による変化は小さくなる。以上のことより、コアの階段形状の段数が増えると、側壁荒れの影響を低減することができ、低損失化が可能となる。
【０２１５】
〔第８の実施形態〕
第８の実施形態に係る、リブ導波路を備えたＰＢＣ１００Ａについて、図３１及び図３２を参照して説明する。なお、説明の便宜上、前記実施形態７にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。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３１は、リブ導波路の構成を示す断面図である。図３２の（ａ）は、ＰＢＣ１００Ａ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ＰＢＣ１００Ａの断面図であり、（ｃ）は、（ａ）に示すＢ−Ｂ’線におけるＰＢＣ１００Ａの断面図であり、（ｄ）は、（ａ）に示すＣ−Ｃ’線におけるＰＢＣ１００Ａの断面図である。
【０２１６】
（リブ導波路）
図３１に示すように、リブ導波路は、リブ及びリブより低い薄板状のスラブ（薄膜層）を一体的に備えたコアを有している。リブは薄板状のスラブの上面から上方向に隆起しており、リブの断面形状は、前記第１のコア１３０または第２のコア１４０と同じくｎ段の階段状になっている。また、リブ導波路は、上記コアを上下に挟む下部クラッド１１０及び上部クラッド１２０Ａを有している。上部クラッド１２０Ａは、上記スラブ上にも積層されている点を除けば、前記上部クラッド１２０と本質的に変わらない。
【０２１７】
リブ導波路を作製するには、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階段状のリブおよびスラブを残すようにすることで、コアを形成する。その後、コアを覆うようにＳｉＯ２から成る上部クラッド１２０Ａを形成する。なお、上部クラッド１２０Ａは空気でもよい。図６等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。
【０２１８】
（リブ導波路で構成したＰＢＣの構造）
次に、図３２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ＰＢＣ１００Ａの構造について説明する。図３２の（ａ）（ｂ）に示すように、ＰＢＣ１００Ａは、下部クラッド１１０と上部クラッド１２０Ａとに挟まれた第１のリブ１３０Ａと第２のリブ１４０Ａとを備えている。なお、ＰＢＣ１００Ａの構成を前記ＰＢＣ１００の構成と対比すると、ＰＢＣ１００Ａは、ｎ段の階段形状を備えた前記第１のコア１３０及び第２のコア１４０の下に、スラブ１５１を設けた構成と同等である。したがって、第１のリブ１３０Ａ及び第２のリブ１４０Ａがそれぞれ備えている上段部１３０ｍ、中段部１３０ｐ１、下段部１３０ｐ２、上段部１４０ｍ、中段部１４０ｐ１及び下段部１４０ｐ２は、前記第１のコア１３０及び第２のコア１４０について説明したとおりなので、その説明を省略する。
【０２１９】
なお、スラブ１５１の幅は、その幅の両端において、リブ１３０Ａとリブ１４０Ａを導波する光が十分小さくなる程度に広がっている。ここで、十分小さくなるとは、スラブ１５１の上記両端における側壁荒れの影響が無視できる程度を意味する。
【０２２０】
これにより、ＰＢＣ１００Ａは、ＰＢＣ１００と同様の特徴を備えているという議論が可能であり、その結果、ＰＢＣ１００と同様の効果を得ることが可能となる。
【０２２１】
（ＰＢＣ１００Ａに特有の効果）
ＰＢＣ１００Ａがリブ導波路を備えていることによって奏する特有の効果は次の通りである。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規則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、コアの側壁に不規則な微細構造が生じる。その結果、その導波する光が微細構造によって散乱され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４’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損失を低減することが可能となる。
【０２２２】
〔第９の実施形態〕
第９の実施形態に係るＰＢＣ１００Ｂについて、図３３及び図３４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、ＰＢＣ１００Ｂ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３３の（ａ）（ｂ）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、（ｃ）は、リッジ導波路の基本形状を示す断面図である。図３４の（ａ）は、ＰＢＣ１００Ｂ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ＰＢＣ１００Ｂの断面図であり、（ｃ）は、（ａ）に示すＢ−Ｂ’線におけるＰＢＣ１００Ｂの断面図であり、（ｄ）は、（ａ）に示すＣ−Ｃ’線におけるＰＢＣ１００Ｂの断面図である。
【０２２３】
（リッジ導波路の基本構造）
図３３の（ｃ）に示すように、リッジ導波路は、下部クラッドの上面の一部を、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を備え、下部クラッドリブ上に形成されたコアは、光の進行方向に直交する断面の形状が、上記下部クラッドの上面から垂直方向に離れるに連れて、上記下部クラッドの上面に平行をなす幅が狭くなるｎ段（ｎ≧２）の階段形状をなしている。すなわち下部クラッドリブ上に形成されたコアは、第１−１コア及び第１−２コアをこの順に階段状に積層した構造を有している。なお、下部クラッドリブ上に、複数層のコアを階段状に積層した構造の全体をリッジと呼び、リッジの構造を備えた導波路をリッジ導波路と呼ぶ。図３４は、上記リッジ導波路を備えたＰＢＣ１００Ｂの構成を示している。ＰＢＣ１００Ｂは、下部クラッド１１０Ｂの上面において光の進行方向に並列する第１のリッジ導波路１３０Ｂ及び第２のリッジ導波路１４０Ｂを備えている。下部クラッド１１０Ｂは、リッジ１３０Ｂ及びリッジ１４０Ｂに共通している。リッジ１３０Ｂとリッジ１４０Ｂ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１３０Ｂ及びリッジ１４０Ｂ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。図３４の（ｂ）（ｃ）に示すように、第１のリッジ導波路１３０Ｂが有する第１のコアについて、第１−２コア１３０Ｂ２の幅Ｗｍ１は第１−１コア１３０Ｂ１の幅Ｗ１より狭く、第１−２コア１３０Ｂ２は第１−１コア１３０Ｂ１の上に段状に形成されている。同様に、第２のリッジ導波路１４０Ｂが有する第２のコアについて、第２−２コア１４０Ｂ２の幅Ｗｍ２は第２−１コア１４０Ｂ１の幅Ｗ２より狭く、第２−２コア１４０Ｂ２は第２−１コア１４０Ｂ１の上に段状に形成されている。なお、第１のリッジ導波路１３０Ｂ及び第２のリッジ導波路１４０Ｂの周囲は上部クラッドになるが、上部クラッドの材料は、下部クラッドよりも屈折率が小さい材料（空気、樹脂または半導体等）から選択することができる。
【０２２４】
また、第１−１コア１３０Ｂ１及び第２−１コア１４０Ｂ１の各幅Ｗ１及びＷ２、第１−２コア１３０Ｂ２及び第２−２コア１４０Ｂ２の各幅Ｗｍ１及びＷｍ２、第１−１コア１３０Ｂ１及び第２−１コア１４０Ｂ１の各高さｈｐ１及びｈｐ２、第１−１コア１３０Ｂ１及び第２−１コア１４０Ｂ１の高さと第１−２コア１３０Ｂ２及び第２−２コア１４０Ｂ２の高さとを合わせた高さｈｍ１及びｈｍ２については、実施形態１で説明した議論がそのまま当てはまる。特に、第１−１コア１３０Ｂ１及び第２−１コア１４０Ｂ１の各幅Ｗ１及びＷ２、第１−２コア１３０Ｂ２及び第２−２コア１４０Ｂ２の各幅Ｗｍ１及びＷｍ２については、前記特徴３で規定した関係がそのまま当てはまる。
【０２２５】
上記リッジ導波路を作製するには、図３３の（ａ）に示すように、例えばＩｎＰから成る下部クラッド、ＩｎＧａＡｓＰから成る第１−１コア、及びＩｎＰから成る上部クラッドをこの順に層状に形成する。その後、所望のコア幅を有する第１−１コア及び第１−２コアの一部を残すとともに、下部クラッドリブが下部クラッドの上面に形成されるように、第１−１コア、第１−２コア及び下部クラッドをエッチングする。最後に、第１−１コアに対して第１−２コアが階段形状を成すように第１−２コアをエッチングすることによって、第１−１コア及び第１−２コアから成る第１のコアが形成される。同様にして、第２−１コア及び第２−２コアから成る第２のコアが形成される。
【０２２６】
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、下部クラッドと第１−１コアとの比屈折率差、及び第１−１コアと第１−２コア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、第１−２コア及び下部クラッドをＩｎＰ(屈折率３.１７)で形成し、第１−１コアをＩｎＧａＡｓＰ(屈折率３.４７)で形成した場合、下部クラッドと第１−１コアとの比屈折率差、及び第１−１コアと第１−２コアとの比屈折率差は０.０８（８％）となる。しかし、エッチング後の領域、すなわち上部クラッドを空気(屈折率１)とした場合、第１−１コアの幅方向の比屈折率差を０.４６（４６％）とし、第１−２コアの幅方向の比屈折率差を０.４５（４５％）として、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からなるコアとＩｎＰからなるクラッド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】
（ＰＢＣ１００Ｂの特徴について）
ＰＢＣ１に関して、（より好ましい条件１）として説明した比屈折率差について、ＰＢＣ１００Ｂでは変更が必要になる。前記ＰＢＣ１では、式（１０）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、ＰＢＣ１００Ｂでは、“リッジ１３０Ｂ（ＷＧ１）のコアとリッジ１４０Ｂ（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。
【０２２９】
この理由は以下の通りである。本発明では、ＴＥ０がＴＭ０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。
【０２３０】
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には、矩形導波路では本発明の効果を充分に得ることができない。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、本発明の効果を充分に得ることができる。
【０２３１】
〔変形例（１）〕
第９の実施形態の変形例（１）に係るＰＢＣ１００Ｃについて、図３５の（ａ）を参照して説明する。図３５の（ａ）は、図３０の（ａ）に示すＢ−Ｂ’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。
【０２３２】
図３０の（ａ）（ｃ）に示す階段状コアを備えたＰＢＣ１００とＰＢＣ１００Ｃとの構成上の違いは、ＰＢＣ１００において下部クラッド１１０上で並列した第１のコア１３０と第２のコア１４０との間の間隙を、ＰＢＣ１００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、隣り合う第１のコア１３０Ｃと第２のコア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。
【０２３３】
上記溝１８０に少なくとも充填される材料は、上述した「リッジ１３０Ｂ（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）に少なくとも充填される、屈折率Ｎｂを有する材料」と同じである。
【０２３４】
ＰＢＣ１００Ｃを作製する場合、図３０の（ａ）〜（ｄ）に示すＰＢＣ１００を形成した後で、第１のコア１３０と第２のコア１４０との間の間隙を、ＰＢＣ１００の高さ方向に貫く溝１８０を形成するように、上部クラッド１２０Ｃ及び下部クラッド１１０Ｃをエッチングする。したがって、ＰＢＣ１００の作製工程に１箇所に対するエッチング工程を追加するだけで、ＰＢＣ１００Ｃを作製することができる。
【０２３５】
〔変形例（２）〕
第９の実施形態の変形例（２）に係るＰＢＣ１００Ｄについて、図３５の（ｂ）を参照して説明する。図３５の（ｂ）は、図３２の（ａ）に示すＢ−Ｂ’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。
【０２３６】
図３２の（ａ）（ｃ）に示す、階段状コアにスラブを設けたＰＢＣ１００ＡとＰＢＣ１００Ｄとの構成上の違いは、ＰＢＣ１００Ａにおいて下部クラッド１１０上で並列した第１のリブ１３０Ａと第２のリブ１４０Ａとの間の間隙を、ＰＢＣ１００Ａの高さ方向に貫く溝が形成されていることである。ＰＢＣ１００Ｄに形成された溝１８１は、上部クラッド１２０Ｄの上面から、隣り合う第１のリブ１３０Ａと第２のリブ１４０Ａとの間の間隙を貫いて、下部クラッド１１０Ｄの高さ方向の途中位置まで達している。
【０２３７】
上記溝１８１に少なくとも充填される材料は、上述した「リッジ１３０Ｂ（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）に少なくとも充填される、屈折率Ｎｂを有する材料」と同じである。
【０２３８】
ＰＢＣ１００Ｄを作製する場合、図３２の（ａ）〜（ｄ）に示すＰＢＣ１００Ａを形成した後で、第１のリブ１３０Ａと第２のリブ１４０Ａとの間の間隙を、ＰＢＣ１００Ａの高さ方向に貫く溝１８１を形成するように、上部クラッド１２０Ｄ及び下部クラッド１１０Ｄをエッチングする。したがって、ＰＢＣ１００Ａの作製工程に１箇所に対するエッチング工程を追加するだけで、ＰＢＣ１００Ｃと同等の効果を奏するＰＢＣ１００Ｄを作製することができる。
【０２３９】
〔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）上記第１のコア及び上記第２のコアの少なくとも何れか一方は、光の進行方向に直交する断面の形状が四角形の主要部と、該主要部の一方の側面から上記下部クラッドと上記上部クラッドとの界面に平行な方向に突出した突出部であって、光の進行方向に直交する断面の形状が四角形の突出部とからなる、ことを特徴とする。
【０２４０】
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。
【０２４１】
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。
【０２４２】
すなわち、本発明によれば、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。しかも、本発明によれば、上記条件（Ｅ）を満たすことによって、ＴＭ偏波の光結合の強さとＴＥ偏波の光結合の強さとの差を大きくしているので、このような効果を得るために、第１のコア又は第２のコアの高さを高くする又は低くする必要がない。したがって、厚みの増加又は減少を招来することはない。
【０２４３】
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、上記突出部は、上記主要部に対して補助的な役割を果たしている。換言すれば、上記基板型光導波路素子を導波する光の主な電界は、上記主要部に分布している。そのため、上記主要部と上記突出部とを形成するときの製造プロセスに誤差が生じた場合であっても、当該誤差に伴って生じる損失は小さい。また、上記主要部と上記突出部とが独立した製造誤差の影響を受けたとしても、上記突出部は、ＴＥ偏波における上記第１のコアと上記第２のコアとの光結合を弱める為だけに用いているため、当該製造誤差による影響は小さい。したがって、製造誤差の影響を受けにくく、製造プロセスの要求精度を高めなくても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できる。
【０２４４】
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。
【０２４５】
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のコアの上記主要部の幅をＷｍ１、上記第１のコアの上記突出部の幅をＷｐ１、これらの幅の和Ｗｍ１＋Ｗｐ１をＷ１とし、上記第２のコアの上記主要部の幅をＷｍ２、上記第２のコアの上記突出部の幅をＷｐ２、これらの幅の和Ｗｍ２＋Ｗｐ２をＷ２として、上記幅Ｗｍ１，Ｗ１，Ｗｍ２，Ｗ２は、それぞれ、上記並走区間の始点からの関数として連続であり、上記並走区間の始点において、Ｗｍ１≧Ｗｍ２かつＷ１＞Ｗ２、又は、Ｗｍ１＞Ｗｍ２かつＷ１≧Ｗ２を満たしており、上記並走区間の終点において、Ｗｍ１≦Ｗｍ２かつＷ１＜Ｗ２、又は、Ｗｍ１＜Ｗｍ２かつＷ１≦Ｗ２を満たしている、ことが好ましい。
【０２４６】
上記の構成によれば、上記幅Ｗｍ１，Ｗ１，Ｗｍ２，Ｗ２が、それぞれ、上記並走区間の始点からの関数として連続であるため、上記の条件（Ａ）を満たす。また、上記並走区間の始点において、Ｗｍ１≧Ｗｍ２かつＷ１＞Ｗ２、又は、Ｗｍ１＞Ｗｍ２かつＷ１≧Ｗ２を満たしており、上記並走区間の終点において、Ｗｍ１≦Ｗｍ２かつＷ１＜Ｗ２、又は、Ｗｍ１＜Ｗｍ２かつＷ１≦Ｗ２を満たしているため、上記の条件（Ｄ）を満たす。したがって、上記の条件（Ａ）と条件（Ｄ）とを満たす基板型光導波路素子を、簡単な構成で実現することができる。
【０２４７】
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のコアの上記主要部の高さと上記第２のコアの上記主要部の高さとは、一致、又は、略一致しており、上記第１のコアの上記突出部の高さと上記第２のコアの上記突出部の高さとは、一致、又は、略一致している、ことが好ましい。
【０２４８】
上記の構成によれば、上記第１のコアと上記第２のコアとを２回のエッチングで形成することが可能になる。したがって、上記の構成によれば、基板型光導波路素子の製造を容易にし、その製造コストを低下させることができる。
【０２４９】
なお、上記第１のコアの上記主要部の高さと上記第２のコアの上記主要部の高さとが略一致するとは、これらの２つの主要部の高さが、これら２つの主要部の上面を１回のエッチングで形成できる程度に一致していることを意味する。また、上記第１のコアの上記突出部の高さと上記第２のコアの上記突出部の高さとが略一致するとは、これら２つの突出部の高さが、これら２つの突出部の上面を１回のエッチングで形成できる程度に一致していることを意味する。
【０２５０】
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のコアの上記突出部は、上記第２のコアから遠ざかる方向に突出しており、上記第２のコアの上記突出部は、上記第１のコアから遠ざかる方向に突出している、ことが好ましい。
【０２５１】
上記の構成によれば、ＴＥ偏波の光結合の強さとＴＭ偏波の光結合の強さとの差を更に大きくすることができる。したがって、上記基板型導波路素子を偏波ビームスプリッタ又は偏波ビームコンバイナとして機能させたときの偏波消光比を更に高くすることができる。
【０２５２】
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、上記幅Ｗｍ１，Ｗｐ１は、上記第１のコアの主要部の高さよりも大きく、上記幅Ｗｍ２，Ｗｐ２は、上記第２のコアの主要部の高さよりも大きい、ことが好ましい。
【０２５３】
上記の構成によれば、上記ＴＥ偏波がＴＥ０であり、上記ＴＭ偏波がＴＭ０である場合、以下の効果を奏する。すなわち、上記幅Ｗｍ１，Ｗｐ１が、上記第１のコアの主要部の高さよりも大きいため、上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ１，ＮＴＭ＠ＷＧ１は、上記の条件（Ｂ）を満たす。また、上記幅Ｗｍ２，Ｗｐ２が、上記第２のコアの主要部の高さよりも大きいため、上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ２，ＮＴＭ＠ＷＧ２は、上記の条件（Ｂ）、（Ｃ）を満たす。したがって、上記の条件（Ｂ）、（Ｃ）を満たす基板型光導波路素子を、簡単な構成で実現することができる。
【０２５４】
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、ことが好ましい。
【数５】
2016052344.tif 000040
【０２５５】
上記の構成によれば、ＴＥ偏波の光結合の強さとＴＭ偏波の光結合の強さとの差を更に大きくすることができる。したがって、上記基板型導波路素子を偏波ビームスプリッタ又は偏波ビームコンバイナとして機能させたときの偏波消光比を更に高くすることができる。
【０２５６】
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。
【０２５７】
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。
【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、上記第１のコアの上記主要部、および、上記第２のコアの主要部の共通の高さをｈとし、ネイピア数をｅ、下記式（ｂ）で定義される値をＷｕｐｐｅｒとし、上記第１のコアの上記主要部の幅をＷｍ１、上記第１のコアの上記突出部の幅をＷｐ１、これらの幅の和Ｗｍ１＋Ｗｐ１をＷ１とし、上記第２のコアの上記主要部の幅をＷｍ２、上記第２のコアの上記突出部の幅をＷｐ２、これらの幅の和Ｗｍ２＋Ｗｐ２をＷ２として、上記幅Ｗｍ１，Ｗ１，Ｗｍ２，Ｗ２は、それぞれ、ｈよりも大きく、かつ、Ｗｕｐｐｅｒよりも小さい、ことが好ましい。
【数６】
2016052344.tif 000041
【０２５９】
幅Ｗ１又は幅Ｗ２を徐々に大きくしてくと、ＴＥ０の実効屈折率が有意に大きくなり、ＴＭ０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とＴＥ１とが相互作用する可能性が高まる。すなわち、ＴＭ０の一部がＴＥ１偏波に変換されることに起因するＴＭ０の過剰損失を生じさせる可能性を高める。
【０２６０】
一方、上記の構成によれば、ＴＭ０の実効屈折率とＴＥ１の実効屈折率との大小関係が逆転しないため、ＴＭ０とＴＥ１とが相互作用する可能性を抑制できる。したがって、ＴＭ０の過剰損失を抑制することができる。
【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、ように構成されていてもよい。
【０２６２】
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。
【０２６３】
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。
【０２６４】
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、ように構成されていてもよい。
【０２６５】
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。
【０２６６】
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。
【０２６７】
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。
【０２６８】
また、本発明の一態様に係る基板型光導波路素子は、請求項１〜１１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組目の記第１のコアと連通する、ように構成されていてもよい。
【０２６９】
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。
【０２７０】
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、上記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てもよい。
【０２７１】
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。
【０２７２】
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てもよい。
【０２７３】
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。
【０２７４】
本発明の一態様に係る基板型光導波路素子は、前記条件（Ｅ）を下記の条件に置き換えてもよい。
【０２７５】
「上記第１のコア及び上記第２のコアの少なくとも何れか一方は、光の進行方向に直交する断面の形状が、上記下部クラッドの上面から上記上部クラッドの上面に向かうに連れて、上記下部クラッドの上面に平行をなす幅が狭くなるｎ段（ｎ≧３）の階段形状をしている。」
この場合にも、上記条件（Ａ）〜（Ｅ）を備えた上記基板型光導波路素子が奏する効果を得ることができる。
【０２７６】
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、上記第１のコアのｊ段目(１≦ｊ≦ｎ)の上記幅をＷ１−ｊとし、上記第２のコアのｊ段目(１≦ｊ≦ｎ)の上記幅をＷ２−ｊとすると、上記並走区間の始点において、Ｗ１−ｊ≧Ｗ２−ｊ(ただし、少なくとも１つのｊについて、等号は成立しない)を満足し、上記並走区間の終点において、Ｗ１−ｊ≦Ｗ２−ｊ(ただし、少なくとも１つのｊについて、等号は成立しない)を満たしていてもよい。
【０２７７】
上記の構成によれば、上記並走区間の始点及び終点において、上記等号が成立しないｊ段目のコアが、前記した主要部と同等の効果を奏する。
【０２７８】
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、上記第１のコア及び上記第２のコアは、上記下部クラッドの上面に、上記下部クラッドと同じ幅で形成された薄膜層の上に形成されてもよい。
【０２７９】
上記の構成によれば、導波する光を散乱させる側壁部分の割合が矩形導波路よりも小さいので、光の進行方向に沿って不規則な微細構造である「側壁荒れ」を抑制でき、「側壁荒れ」に起因した損失を小さくすることができる。また、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、上記構成によって、加工精度の影響で生じる損失を低減することが可能となる。
【０２８０】
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、上記下部クラッド上で並走する上記第１のコアと上記第２のコアとの間の間隙において、当該間隙を上記上部クラッドの上面から上記下部クラッドの高さの途中位置まで貫く溝が設けられ、少なくとも上記溝に充填される材料の屈折率は、上記下部クラッドの屈折率よりも小さいことが好ましい。
【０２８１】
上記の構成によれば、基板型光導波路素子の幅方向、すなわち一方のコアから他方のコアへ向かう方向への光の閉じ込めを強めることができる。これにより、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も、本発明の効果を充分に得ることができる。
【０２８２】
本発明の一態様に係る基板型光導波路素子は、前記条件（Ｅ）を下記の条件に置き換えてもよい。
【０２８３】
「上記第１のコア及び上記第２のコアは、上記下部クラッド上で並走する上記第１のコア及び上記第２のコアに合わせて並走するように上記下部クラッドから隆起した第１の下部クラッドリブ及び第２の下部クラッドリブの上に、それぞれ積層され、
上記第１のコア及び上記第２のコアは、それぞれ、光の進行方向に直交する断面の形状が、上記下部クラッドの上面から垂直方向に離れるに連れて、上記下部クラッドの上面に平行をなす幅が狭くなるｎ段（ｎ≧２）の階段形状をしており、
少なくとも、上記第１の下部クラッドリブ及び上記第１のコアの積層構造と、上記第２の下部クラッドリブ及び上記第２のコアの積層構造との間に設けられた間隙には、上記下部クラッドよりも屈折率の小さい材料が充填されている。」
上記の構成によれば、基板型光導波路素子の幅方向、すなわち一方のコアから他方のコアへ向かう方向への光の閉じ込めを強めることができる。これにより、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も、本発明の効果を充分に得ることができる。
【０２８４】
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】
【０２８５】
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利用することができる。
【符号の説明】
【０２８６】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，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）
１１，１１０，１１０Ｂ，１１０Ｃ，１１０Ｄ    下部クラッド
１２，１２０，１２０Ａ，１２０Ｃ，１２０Ｄ    上部クラッド
１３，１３０    第１のコア
１３ｍ  主要部
１３ｐ  突出部
１４，１４０    第２のコア
１４ｍ  主要部
１４ｐ  突出部
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
１１０Ｂａ  下部クラッドリブ
１８０，１８１  溝
１３０Ａ  第１のリブ
１３０Ｂ１  第１−１コア（第１のコア）
１３０Ｂ２  第１−２コア（第１のコア）
１４０Ａ  第２のリブ
１４０Ｂ１  第２−１コア（第２のコア）
１４０Ｂ２  第２−２コア（第２のコア）
１５１  スラブ（薄膜層）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
2016052344.tif 000068
【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
2016052344.tif 000074
【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
2016052344.tif 000080
【図３８】
2016052344.tif 000081
【国際調査報告】
2016052344.tif 000082
2016052344.tif 000083
2016052344.tif 000084
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