(57)【要約】  導波モードを変換する導波モード変換素子（３０）であり、リブ型導波路（５０）とチャネル型導波路（５１）との遷移領域（接続部）（４３）に存在し、テーパ部（２３ｂ）を有するリブ型導波路（５０）であり、テーパ部（２３ｂ）は、リブ（２３ａ）の両側に延在するコア層（２３）であって、導波方向に鉛直な方向の幅Ｗｔが徐々に変化する。
2014196103.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リブ型導波路とチャネル型導波路との接続部に存在し、テーパ部を有するリブ型導波路であり、
前記テーパ部は、リブの両側に延在するコア層であって、導波方向に鉛直な方向の幅が徐々に変化する、導波モード変換素子。
【請求項２】
前記テーパ部を含む前記コア層の導波方向に鉛直な方向の幅は、前記リブの幅の３倍以上の大きさである、請求項１に記載の導波モード変換素子。
【請求項３】
前記テーパ部の幅変動を表す値をＴｓ、前記テーパ部を含む前記コア層の導波方向に鉛直な方向の幅をＷｒ、前記チャネル型導波路のコア層の幅をＷｗとし、Ｔｓは、（Ｗｒ−Ｗｗ）／Ｌｔで表される値とすると、
前記テーパ部の幅変動を表す値Ｔｓは、０．１より小さい、請求項１又は２に記載の導波モード変換素子。
【請求項４】
リブ型導波路によって形成され、入力光を第１の入力光及び第２の入力光に分波する分波器と、
前記リブ型導波路によって形成され、前記分波器で分波された前記第１の入力光と前記第２の入力光を合波する合波器と、
少なくとも一部がチャネル型導波路によって形成され、前記第１の入力光を前記合波器に導く第１のアーム導波路と、
少なくとも一部が前記チャネル型導波路によって形成され、前記第１のアーム導波路を伝搬する前記第１の入力光に対して位相差を生じさせて、前記第２の入力光を前記合波器に導く第２のアーム導波路と、を備え、
前記リブ型導波路と前記チャネル型導波路との接続部に、請求項１乃至３の何れか一項に記載の導波モード変換素子を有する、偏波分離器。
【請求項５】
請求項４に記載の偏波分離器を備え、
前記偏波分離器が多段に接続されている、光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導波モード変換素子、偏波分離器及び光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の光通信における伝送方式は、劇的な変動を見せている。伝送方式は、これまで主流であったＩＭ−ＤＤ方式（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ−Ｄｉｒｅｃｔ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）からＱＰＳＫ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ  Ｐｈａｓｅ  Ｓｈｉｆｔ  Ｋｅｙｉｎｇ）をはじめとするコヒーレント検波方式へと変化している。中でも、直交偏波と位相に対して信号を載せた、ＤＰ−ＱＰＳＫ（Ｄｕａｌ  Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ  Ｐｈａｓｅ  Ｓｈｉｆｔ  Ｋｅｙｉｎｇ）方式は、４０Ｇｂｐｓ以上の高速伝送を可能にする伝送方式として、研究開発が進められ、一部製品として出荷が始まっている。【０００３】
ＤＰ−ＱＰＳＫ方式は、コヒーレントレシーバを主要な構成要素としている。このコヒーレントレシーバには、これまでＰＬＣ型（Ｐｌａｎｅｒ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）の光コヒーレントミキサ、偏光分離素子（ＰＢＳ：Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｂｅａｍ  Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）、受光素子（ＰＤ：Ｐｈｏｔｏ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）、ＴＩＡ（Ｔｒａｎｓ  Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）などが搭載されている。これらの構成要素は、多くのデバイスベンダから出荷されている。例えば、特許文献１は、ＳｉＯ２を用いた偏波分離素子を開示している。
また、特許文献２は、シングルモード導波路を備える光デバイスを開示している。【０００４】
さらに今後の展望として、ＭＳＡ（Ｍｕｌｔｉ  Ｓｏｕｒｃｅ  Ａｇｒｅｅｍｅｎｔ）ではＧｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ２と呼ばれる小型コヒーレントレシーバの検討も進められている。この小型コヒーレントレシーバには、更なるＰＬＣの小型化が必要である。その中で注目されているのが、Ｓｉを光導波路の母体としたＳｉフォトニクスである。Ｓｉフォトニクスでは、ＳｉとＳｉＯ２の大きな屈折率差により、強い光閉じ込めによる小さな曲げ半径が期待されている。さらに、Ｓｉフォトニクスでは、Ｇｅを利用したＰＤ集積、並びに、大きな構造複屈折によるＰＢＳ集積などが期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２２２７４８号公報
【特許文献２】特表２００６−５１７６７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、Ｓｉフォトニクスでは、ＳｉとＳｉＯ２の大きな屈折率差により、強い光閉じ込めによる小さな曲げ半径が期待される反面、矩形導波路の場合、シングルモード条件が数１００ｎｍレベルと小さくなってしまう。そのため、Ｓｉフォトニクスでは、加工が難しいという問題がある。そのため、導波路幅のばらつきによってＰＢＳの特性が劣化してしまうという問題がある。【０００７】
また、特許文献２に記載の光デバイスは、導波路の厚みを導波路の導波方向に沿って変化させた複雑な形状を有しており、製造が難しいという問題がある。また、特許文献２に記載の光デバイスは、シングルモードの光を導波することが記載されているが、マルチモードの光を導波することは記載されていない。【０００８】
偏波分離器の特性劣化がより少ない導波モード変換素子、偏波分離器及び光デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様にかかる導波モード変換素子は、導波モードを変換する導波モード変換素子である。また、前記導波モード変換素子は、リブ型導波路とチャネル型導波路との接続部に存在する。また、前記導波モード変換素子は、テーパ部を有するリブ型導波路である。そして、前記テーパ部は、リブの両側に延在するコア層であって、導波方向に鉛直な方向の幅が徐々に変化する。【００１０】
本発明の第２の態様にかかる偏波分離器は、分波器と、合波器と、第１のアーム導波路と、第２のアーム導波路と、を備える。また、前記分波器は、リブ型導波路によって形成され、入力光を第１の入力光及び第２の入力光に分波する。また、前記合波器は、前記リブ型導波路によって形成され、前記分波器で分波された前記第１の入力光と前記第２の入力光を合波する。また、前記第１のアーム導波路は、少なくとも一部がチャネル型導波路によって形成され、前記第１の入力光を前記合波器に導く。また、前記第２のアーム導波路は、少なくとも一部が前記チャネル型導波路によって形成され、前記第１のアーム導波路を伝搬する前記第１の入力光に対して位相差を生じさせて、前記第２の入力光を前記合波器に導く。そして、前記リブ型導波路と前記チャネル型導波路との接続部に、上記の導波モード変換素子を有する。【００１１】
本発明の第３の態様にかかる光デバイスは、上記の偏波分離器を備える。また、前記偏波分離器が多段に接続されている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、偏波分離器の特性劣化がより少ない導波モード変換素子、偏波分離器及び光デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】リブ型導波路断面を示す図である。
【図２】チャネル型導波路断面を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかる偏波分離器の全体構成を示す概略図である。
【図４】本発明の実施の形態１にかかる導波モード変換素子を示す斜視図である。
【図５】十分な幅のコア層を有するリブ型導波路に有限な幅のコア層を有するリブ型導波路を結合した場合の光学損失を計算するためのモデルである。
【図６】十分な幅のコア層を有するリブ型導波路に結合するリブ型導波路のコア層の幅と光学損失との関係を表すグラフである。
【図７】十分な幅のコア層を有するリブ型導波路にテーパ部を備えるコア層を有するリブ型導波路を結合した場合の光学損失を計算するためのモデルである。
【図８】十分な幅のコア層を有するリブ型導波路に結合するリブ型導波路のテーパ部の幅変動を表す値と光学損失との関係を表すグラフである。
【図９】十分な幅のコア層を有するリブ型導波路に結合するリブ型導波路のコア層の幅と光学損失との関係を表すグラフである。
【図１０】十分な幅のコア層を有するリブ型導波路に結合するリブ型導波路のテーパ部の幅変動を表す値と光学損失との関係を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
実施の形態１．
【００１５】
本実施の形態１にかかる偏波分離器（ＰＢＳ：Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｂｅａｍ  Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）１は、シリコン導波路を有している。シリコン導波路では、コアとクラッドの比屈折率差を大きくすることができる。このため、石英導波路に比べて、最小曲げ半径を小さくすることができる。シリコン導波路はリブ型構造とチャネル型構造の２つを有している。図１、図２に、一般的なリブ型構造のシリコン導波路断面（以下、リブ型導波路と称する。）と、チャネル型構造のシリコン導波路断面（以下、チャネル型導波路と称する。）を示す。
【００１６】
チャネル型導波路５１、及びリブ型導波路５０は、基板２１、下層クラッド層２２、コア層２３、及び上層クラッド層２４を備えている。シリコン基板である基板２１の上に下層クラッド層２２が設けられる。ここでは、下層クラッド層２２はＳｉＯ２膜であり、例えば、埋め込み酸化膜（ＢＯＸ）によって形成される。下層クラッド層２２の上には、コア層２３が設けられる。コア層２３は、例えば、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などのＳｉ膜である。コア層２３の上には、上層クラッド層２４が設けられる。上層クラッド層２４は、例えば、ＳｉＯ２膜である。コア層２３は、下層クラッド層２２、上層クラッド層２４と異なる屈折率の物質で設けられている。
【００１７】
リブ型構造の断面では、コア層２３は、上側に突起したリブ２３ａを有している。そして、リブ２３ａの両側が上層クラッド層２４に挟まれている。リブ型構造では、厚さは１〜３μｍ程度で様々である。曲げ半径は２００μｍ程度とチャネル型ほど小さくならないが、伝搬損失は０．５〜１．０ｄＢ／ｃｍとチャネル型より小さい。導波路作製はステッパ露光で十分特性が得られるため、ＥＢ露光により形成する場合と比較して生産性が高い。
【００１８】
チャネル型構造では、導波路となるコア層２３の断面がほぼ矩形状となっている。そして、上層クラッド層２４がコア層２３を覆っている。下層クラッド層２２及び上層クラッド層２４がコア層２３の全体を覆っている。本実施の形態１にかかる偏波分離器（ＰＢＳ）１は、チャネル型導波路５１とリブ型導波路５０の両方を有している。
【００１９】
本実施の形態１にかかる偏波分離器１は、コヒーレントミキサ素子（光デバイス）に用いられる。コヒーレントミキサ素子は、例えば、平面光波回路（ＰＬＣ）であり、偏波分離器（ＰＢＳ）、及び９０°光ハイブリッド（９０°ＯＨ）を有している。偏波分離器は偏波分離機能を有する回路である。偏波分離器は互いに直交する直線偏光成分を分離して、出力する。偏波分離器は、例えば、アーム導波路の複屈折率を利用したマッハツェンダ型干渉計である。９０°光ハイブリッドは位相情報を取り出す機能を有する回路（コヒーレントミキサ回路）である。
【００２０】
図３は、本実施の形態１にかかる偏波分離器１の全体構成を模式的に示す図である。偏波分離器１は、コヒーレントミキサ素子の内部にモノリシックに集積されたマッハツェンダ型の偏光ビームスプリッタである。
図３に示すように、偏波分離器１は、分波器１１、合波器１４、アーム部１５、入力導波路１６、及び出力導波路１７を有している。アーム部１５は、第１のアーム導波路１２、及び第２のアーム導波路１３を有している。アーム部１５は、分波器１１と合波器１４との間に配置されている。アーム部１５は、マッハツェンダ干渉計を構成する。分波器１１、及び合波器１４は、例えばＭＭＩ（Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）カプラである。また、分波器１１は、２入力２出力のカプラとなっており、合波器１４も同様に、２入力２出力のカプラとなっている。例えば、分波器１１、及び合波器１４は３ｄＢカプラである。なお、分波器１１、及び合波器１４として、方向性結合器やＹ分岐器等を用いることも可能である。
【００２１】
分波器１１は、入力導波路１６に結合されており、入力光を第１の入力光と第２の入力光に分波する。例えば、分波器１１は、信号光を５０：５０に分岐して、第１の入力光と第２の入力光とを生成する。分波器１１は、第１のアーム導波路１２と第２のアーム導波路１３とに結合している。分波器１１で分波された第１の入力光は、第１のアーム導波路１２を伝搬する。分波器１１で分波された第２の入力光は、第２のアーム導波路１３を伝搬する。第１のアーム導波路１２と第２のアーム導波路１３は、合波器１４に結合している。第１のアーム導波路１２は、第１の入力光を合波器１４に導き、第２のアーム導波路１３は、第２の入力光を合波器１４に導く。
【００２２】
合波器１４は、第１のアーム導波路１２を伝搬してきた第１の入力光と、第２のアーム導波路１３を伝搬してきた第２の入力光を合波する。合波器１４は、２つの出力導波路１７に結合されている。合波器１４は、一方の出力導波路１７からＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）偏光を出力し、他方の出力導波路１７からＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ）偏光を出力する。これにより、偏波分離器１が入力光を偏波分離する。偏波分離器１は、互いに直交する直線偏光成分であるＴＭ偏光とＴＥ偏光を分離して出力する。
【００２３】
分波器１１、及び合波器１４はリブ型のシリコン導波路（リブ型導波路５０）で構成されている。また、アーム部１５の少なくとも一部は、チャネル型のシリコン導波路（チャネル型導波路５１）で構成されている。すなわち、リブ型導波路５０の間にチャネル型導波路５１が配置されている。チャネル型の場合、そもそも構造的にリブ高さを変動要因として考慮する必要がない。また、計算の結果、コアＳｉ層（コア層２３）の厚さについても、入力光の光学損失の感度は小さい。これにより、両アーム導波路１２、１３にリブ型を採用するよりも、生産性の高い偏波分離器１を実現することができる。
【００２４】
偏波分離器１は、チャネル型導波路５１とリブ型導波路５０とを有している。以下、チャネル型導波路５１とリブ型導波路５０とが設けられている領域について詳細に説明する。図３に示すように、偏波分離器１は、リブ型領域４１とチャネル型領域４２と遷移領域４３とを備えている。リブ型領域４１では、図１に示すリブ型導波路５０が設けられている。チャネル型領域４２では、図２に示すチャネル型導波路５１が設けられている。遷移領域４３は、リブ型導波路５０とチャネル型導波路５１との間の領域である。
【００２５】
リブ領域４１に、分波器１１、及び合波器１４が設けられている。アーム部１５の途中までが、リブ型領域４１となっている。例えば、第１のアーム導波路１２と第２のアーム導波路１３の間隔が徐々に広くなるファンアウト４５、及び、徐々に狭くなるファンイン４６は、リブ型領域４１となっている。チャネル型領域４２にアーム部１５の一部が設けられている。チャネル型領域４２とリブ型領域４１との間のアーム部１５は、遷移領域４３となる。
【００２６】
このように、第１のアーム導波路１２の少なくとも一部は、チャネル型導波路５１で形成されている。第１のアーム導波路１２は、第１の入力光を合波器１４に導く。さらに、第２のアーム導波路１３の少なくとも一部がチャネル型導波路５１で形成されている。第２のアーム導波路１３は、第１のアーム導波路１２を伝搬する第１の入力光に対して位相差を生じさせて、第２の入力光を合波器１４に導く。
【００２７】
遷移領域４３に、本実施の形態１にかかる導波モード変換素子３０が設けられている。図４を用いて、実施の形態１にかかる導波モード変換素子３０について説明する。図４は、実施の形態１にかかる遷移領域４３を示す斜視図である。図４に示すように、遷移領域４３は、リブ型領域４１とチャネル型領域４２との間に設けられている。また、導波モード変換素子３０は、テーパ部２３ｂを有するリブ型導波路５０である。換言すれば、導波モード変換素子３０は、リブ２３ａとテーパ部２３ｂとからなるコア層２３を有している。
【００２８】
また、図４に示すように、リブ型領域４１には、リブ２３ａを有するコア層２３が設けられている。そして、遷移領域４３の導波モード変換素子３０及びリブ型領域４１において、リブ２３ａは、コア層２３の他の部分から上に突出している。また、チャネル型領域４２のコア層２３は、遷移領域４３の導波モード変換素子３０及びリブ型領域４１のリブ２３ａと同じ高さとなっている。すなわち、遷移領域４３の導波モード変換素子３０及びリブ型領域４１におけるリブ２３ａを含めたコア層２３の厚さと、チャネル型領域４２におけるコア層２３の厚さがほぼ一致している。そして、チャネル型領域４２のコア層２３の幅は、遷移領域４３の導波モード変換素子３０及びリブ型領域４１のリブ２３ａの幅とほぼ一致している。
【００２９】
導波モード変換素子３０のテーパ部２３ｂは、リブ２３ａの両側に延在するコア層２３である。また、テーパ部２３ｂの導波方向に鉛直な方向の幅は、徐々に変化している。より具体的には、テーパ部２３ｂの導波方向に鉛直な方向の幅は、リブ型領域４１からチャネル型領域４２に向かうにつれて、徐々に狭くなっている。換言すれば、導波モード変換素子３０において、コア層２３とクラッド層２４との境界面がテーパ状になっている。また、テーパ部２３ｂの高さは、リブ型領域４１におけるリブ２３ａを含まないコア層２３の高さとほぼ等しくなっている。すなわち、導波モード変換素子３０のテーパ部２３ｂの厚さは、リブ型領域４１におけるリブ２３ａを含まないコア層２３の厚さとほぼ一致している。換言すると、テーパ部２３ｂの高さは、チャネル型領域４２におけるコア層２３よりも低くなっている。リブ型導波路５０とチャネル型導波路５１では光の閉じ込めが異なるため、リブ領域４１とチャネル領域４２とを滑らかにつながないと光学損失が生じてしまう。そのため、リブ領域４１とチャネル領域４２との間の遷移領域４３に導波モード変換素子３０を設けている。そして、導波モード変換素子３０のテーパ部２３ｂの幅を出来るだけ緩やかに狭くしている。これにより、導波モード変換素子３０は、遷移領域４３におけるコア層２３の形状をリブ型からチャネル型に変換する。
【００３０】
また、テーパ部２３ｂを含むコア層２３の導波方向に鉛直な方向の幅Ｗｒは、リブ２３ａの幅の３倍以上の大きさであることが好ましい。
また、テーパ部２３ｂの幅変動を表す値をＴｓ、テーパ部２３ｂを含むコア層２３の導波方向に鉛直な方向の幅をＷｒ、導波路幅（チャネル型導波路５１のコア層２３の幅）をＷｗとし、Ｔｓは、（Ｗｒ−Ｗｗ）／Ｌｔで表される値とすると、テーパ部２３ｂの幅変動を表す値Ｔｓは、０．１より小さいことが好ましい。
テーパ部２３ｂを含むコア層２３の導波方向に鉛直な方向の幅Ｗｒ及びテーパ部２３ｂの幅変動を表す値Ｔｓを上述の値の範囲内とすることにより、導波モード変換素子３０において、リブ領域４１からチャネル領域４２又はチャネル領域４２からリブ領域４１へと入力光を導波する際の光学損失をより確実に低減することができる。
【００３１】
次に、導波モード変換素子３０における光学損失について説明する。まず、図５に示すように、十分な幅のコア層２３を有するリブ型導波路５０に有限な幅のコア層２３を有するリブ型導波路５０を結合した場合の光学損失を計算する。図５に示すように、有限な幅のコア層２３の幅をＷｒとする。また、入力光の波長を１．５５μｍ、導波路幅（チャネル型導波路５１のコア層２３の幅）Ｗｗを１．３５μｍ、コア層２３のリブ２３ａを含む高さを１．５μｍ、リブ２３ａがコア層２３の他の部分から突出する高さ（以下、単に「リブ高さ」と称する。）を０．９μｍ〜１．０μｍとして、光学損失を計算した。リブ高さに値の幅があるのは、リブ高さの設計中心である０．９２５μｍに対して、製造バラつきとして０．０５μｍのトレランスを必要とするためである。計算結果を図６に示す。図６において、縦軸が光学損失［ｄＢ］を示し、横軸が有限な幅のコア層２３の幅Ｗｒを示し、○印がリブ高さ１．０μｍ、＊印がリブ高さ０．９８μｍ、×印がリブ高さ０．９６μｍ、△印がリブ高さ０．９４μｍ、□印がリブ高さ０．９２μｍ、◆印がリブ高さ０．９０μｍを示す。
【００３２】
図６に示すように、有限な幅のコア層２３の幅Ｗｒが約３．５μｍ以上である場合、光学損失がほぼ０となることが分かる。また、リブ高さが０．９μｍである場合、光学損失が最も大きくなる。これは、リブ高さが低いほど、コア層２３のリブ２３ａ以外の部分に染み出す入力光の成分が多くなるため、導波路の幅の変化（幅Ｗｒの変化）を感じやすいためと考えられる。また、仮に、０．１［ｄＢ］程度の光学損失が許容できる場合、有限な幅のコア層２３の幅Ｗｒが約１．８μｍ以上であってもよいことが分かる。
【００３３】
次に、図７に示すように、十分な幅のコア層２３を有するリブ型導波路５０にテーパ部２３ｂを備えるコア層２３を有するリブ型導波路５０（導波モード変換素子３０）を結合した場合の光学損失を計算する。図７に示すように、テーパ部２３ｂを備えるコア層２３の幅をＷｒとする。また、導波路幅（チャネル型導波路５１のコア層２３の幅）をＷｗとする。また、テーパ部２３ｂの長さをＬｔとする。また、テーパ部２３ｂの幅変動を表す値をＴｓとすると、Ｔｓは（Ｗｒ−Ｗｗ）／Ｌｔで表される。テーパ部２３ｂの幅変動を表す値Ｔｓが小さいほど、テーパ部２３ｂの長さＬｔは長くなり、緩やかにテーパ部２３ｂの幅Ｗｔが変化する。そこで、Ｗｒ＝３．５μｍとした場合の計算結果を図８に示す。その他の計算条件は、図５、図６の場合と同様である。図８において、縦軸が光学損失［ｄＢ］を示し、横軸がテーパ部２３ｂの幅変動を表す値Ｔｓを示し、○印がリブ高さ１．０μｍ、＊印がリブ高さ０．９８μｍ、×印がリブ高さ０．９６μｍ、△印がリブ高さ０．９４μｍ、□印がリブ高さ０．９２μｍ、◆印がリブ高さ０．９０μｍを示す。
【００３４】
図６と同様に、図８においても、リブ高さが０．９μｍである場合、光学損失が最も大きくなる。図８に示すように、テーパ部２３ｂの幅変動を表す値Ｔｓが０．２２以下であれば、光学損失が０．１［ｄＢ］以下となることが分かる。特に、リブ高さが０．９μｍの際でも、テーパ部２３ｂの幅変動を表す値Ｔｓが０．２２以下であれば、光学損失が０．１［ｄＢ］以下となることから、製造バラつきに対して、十分トレランスを有する導波モード変換素子３０を実現することができる。
【００３５】
次に、図９に、導波路幅（チャネル型導波路５１のコア層２３の幅）Ｗｗが３．２μｍ、コア層２３のリブ２３ａを含む高さが３μｍ、リブ高さが１．２０μｍ〜１．３０μｍである導波モード変換素子３０を十分な幅のコア層を有するリブ型導波路に結合した場合の、モード変換素子３０のコア層の幅Ｗｒと光学損失の関係を表すグラフを示す。図９において、縦軸が光学損失［ｄＢ］を示し、横軸がコア層の幅Ｗｒを示し、○印がリブ高さ１．３０μｍ、＊印がリブ高さ１．２８μｍ、×印がリブ高さ１．２６μｍ、△印がリブ高さ１．２４μｍ、□印がリブ高さ１．２２μｍ、◆印がリブ高さ１．２０μｍを示す。
【００３６】
導波路幅Ｗｗを図７、図８の場合より広くすることにより、導波路を伝搬する光は導波路側面の影響を受けにくくなり、光学損失を低減することができる。一方で、導波路幅Ｗｗを広くすると、光閉じ込め作用が弱くなるため、導波路の曲げ半径を小さくすることが難しくなるという問題が生じる。
そこで、導波路を曲げる直前に導波モード変換素子３０を設けて、導波路幅Ｗｗを狭くし、導波路の曲げ半径を小さくすることにより、上記問題を解決することができる。
また、導波路幅Ｗｗが３．２μｍ、コア層２３のリブ２３ａを含む高さが３μｍの導波路を用いて、偏波分離器１を製造することは可能である。また、チャネル型導波路５１を用いて当該導波路を構成することにより、導波路の製造バラつきに対するトレランスを向上できる。
【００３７】
図９に示すように、導波路幅Ｗｗが３．２μｍ、コア層２３のリブ２３ａを含む高さが３μｍの導波路は、光閉じ込め作用が、導波路幅Ｗｗ及びコア層の高さが１．５μｍの導波路に比べて弱い。そのため、テーパ部２３ｂを備えるコア層２３の幅Ｗｒは、９μｍ以上を確保する必要がある。そして、図６及び図９に示すように、導波路幅Ｗｗが３．２μｍの場合及び導波路幅Ｗｗが１．５μｍである場合の光学損失の計算結果から、Ｗｒ／Ｗｗ＞２．０以上であれば、光学損失を十分に低減できることが分かる。また、Ｗｒ／Ｗｗが３．０以上であれば、光学損失をほぼ無視することができる。
【００３８】
次に、図１０に、テーパ部２３ｂを備えるコア層２３の幅Ｗｒが９μｍである場合の、十分な幅のコア層を有するリブ型導波路５０に結合する導波モード変換素子３０のテーパ部２３ｂの幅変動を表す値Ｔｓと光学損失との関係を表すグラフを示す。図１０において、縦軸が光学損失［ｄＢ］を示し、横軸がテーパ部２３ｂの幅変動を表す値Ｔｓを示し、○印がリブ高さ１．３０μｍ、＊印がリブ高さ１．２８μｍ、×印がリブ高さ１．２６μｍ、△印がリブ高さ１．２４μｍ、□印がリブ高さ１．２２μｍ、◆印がリブ高さ１．２０μｍを示す。
【００３９】
図１０に示すように、図８の場合に比べて、コア層２３のリブ２３ａ以外の部分に染み出す入力光の成分が多くなるため、テーパ部２３ｂの幅Ｗｔを緩やかに変える必要がある。図１０に示すように、テーパ部２３ｂの幅変動を表す値Ｔｓ＜０．１であれば実用上問題なく、０．０５以下とすれば、光学損失をほぼ無視することができることが分かる。
【００４０】
また、遷移領域４３に上述の導波モード変換素子３０を設けることにより、分波器１１及び合波器１４をリブ型導波路５０で形成する一方で、アーム部１５をチャネル型導波路５１で形成することができる。これにより、製造誤差等に対するトレランスを大きくすることができる。このため、歩留まりを改善することができ、生産性を向上することができる。さらに、導波路幅の変動によって生じる位相誤差による損失を低減することができる。また、一般にリブ型導波路で光回路を構成すると、チャネル型導波路のみで構成する場合に比べて過剰損失が低い。従って、リブ型導波路とチャネル型導波路を組み合わせた偏波分離器ＰＢＳは、全てをチャネル型導波路で構成するのに比べて低い過剰損失が期待できる。さらに所望の導波路長、及び導波路幅を簡便に得ることができる。よって、製造後に、位相差の調整を行うための構成が不要となり、生産性を向上することができる。
【００４１】
リブ型導波路５０、及びチャネル型導波路５１は、ステッパ露光によって形成することができる。すなわち、レジスト塗布、露光、現像、エッチング、レジスト剥離等の工程を経て、リブ２３ａを含むコア層２３が形成される。これにより、露光時間の長いＥＢ露光が不要となるため、生産性を向上することができる。さらに、ステッパ露光によって、一つの基板上にリブ型導波路５０とチャネル型導波路５１とを一括形成することができる。このため、リブ型導波路５０とチャネル型導波路５１とを異なる基板上に別々に形成して、接着剤などによって基板を接着する必要がない。これにより、生産性を高くすることができる。
【００４２】
なお、位相条件を満たすため、第１のアーム導波路１２と第２のアーム導波路１３の導波路幅が異なっている。例えば、第２のアーム導波路１３の導波路幅ｗ２が第１のアーム導波路１２の導波路幅ｗ１よりも広くなっている。第２のアーム導波路１３の途中で導波路幅を広くするために、第２のアーム導波路１３は、一部の導波路がテーパ状になっている。すなわち、第２のアーム導波路１３は、分波器１１から合波器１４に向かうにつれて、導波路幅が徐々に広がるテーパアーム導波路１８と、導波路幅が徐々に狭くなるテーパアーム導波路１９とを備えている。同様に、第１のアーム導波路１２は、分波器１１から合波器１４に向かうにつれて、導波路幅が徐々に広くなるテーパアーム導波路１８と、導波路幅が徐々に狭くなるテーパアーム導波路１９を備えている。
【００４３】
このように、第１のアーム導波路１２、第２のアーム導波路１３にテーパアーム導波路１８、１９を設けることで、位相条件を満たす導波路幅を容易に得ることができる。さらに、導波路をテーパ状にしているため、損失を低減することができ、さらに多モード導波路であるアーム導波路１２、１３に対して、不要なモードを立てず基本モードを入力することが出来るため，安定した偏波分離機能が期待できる。また、第１のアーム導波路１２に設けられたテーパアーム導波路１８、１９と、同様のテーパアーム導波路１８、１９を第２のアーム導波路１３に設けている。導波路幅を変化させることによる位相のずれを補償することができる。これにより、位相条件を満たす第１のアーム導波路１２、及び第２のアーム導波路１３を容易に得ることができる。
【００４４】
さらに、チャネル型領域４２では、導波路が直線状になっている。第１のアーム導波路１２、及び第２のアーム導波路１３のチャネル型導波路５１で形成された部分が直線状になっている。このため、チャネル型領域４２は、導波路に曲げ部分を有していない。こうすることで、曲げ部分での損失を抑制することができる。
【００４５】
以上に説明した、本発明の実施の形態１にかかる導波モード変換素子３０、偏波分離器１、コヒーレントミキサ素子（光デバイス）においては、導波モード変換素子３０は、リブ型導波路５０とチャネル型導波路５１との遷移領域４３（接続部）に存在し、テーパ部２３ｂを有するリブ型導波路５０である。また、テーパ部２３ｂは、リブ２３ａの両側に延在するコア層２３であって、導波方向に鉛直な方向の幅Ｗｔが徐々に変化する。
【００４６】
これにより、光学損失を抑えて、リブ型導波路５０とチャネル型導波路５１とを導波モード変換素子３０を介して接続することができる。そして、導波モード変換素子３０をマッハツェンダ型の偏波分離器１に組み合わせることにより、偏波分離器１をリブ型導波路５０及びチャネル型導波路５１で製作することができる。これにより、リブ型導波路５０のみ又はチャネル型導波路５１のみで偏波分離器を製作する場合比べて、偏波分離器１の歩留まりを向上することができるとともに光学損失を低減することができる。換言すれば、偏波分離器１の特性劣化がより少ない導波モード変換素子３０、偏波分離器１及びコヒーレントミキサ素子（光デバイス）を提供することができる。
【００４７】
また、テーパ部２３ｂを含むコア層２３の導波方向に鉛直な方向の幅Ｗｒは、リブ２３ａの幅Ｗｗの３倍以上の大きさであることが好ましい。これにより、光学損失をほぼ無視することができる。
また、テーパ部２３ｂの幅変動を表す値をＴｓ、テーパ部２３ｂを含むコア層２３の導波方向に鉛直な方向の幅をＷｒ、導波路幅（チャネル型導波路５１のコア層２３の幅）をＷｗとし、Ｔｓは、（Ｗｒ−Ｗｗ）／Ｌｔで表される値とすると、テーパ部２３ｂの幅変動を表す値Ｔｓは、０．１より小さいことが好ましい。これにより、光学損失を実用上問題ない範囲に低減することができる。
【００４８】
なお、上記の説明では、導波路がシリコン導波路として説明したが、導波路はシリコン導波路に限られるものではない。例えば、導波路として、ＩｎＰ等の半導体導波路を用いることも可能である。種々の材料を含む化合物半導体材料を導波路として用いることができる。
【００４９】
以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【００５０】
この出願は、２０１３年６月７日に出願された日本出願特願２０１３−１２０７４４を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
偏波分離器の特性劣化がより少ない導波モード変換素子、偏波分離器及び光デバイスを提供することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１  偏波分離器
１１  分波器
１２  第１のアーム導波路
１３  第２のアーム導波路
１４  合波器
１５  アーム部
１６  入力導波路
１７  出力導波路
１８  テーパアーム導波路
１９  テーパアーム導波路
２１  基板
２２  下層クラッド層
２３  コア層
２３ａ  リブ
２３ｂ  テーパ部
２４  上層クラッド層
３０  導波モード変換素子
４１  リブ型領域
４２  チャネル型領域
４３  遷移領域（接続部）
４５  ファインイン
４６  ファンアウト
５０  リブ型導波路
５１  チャネル型導波路
【図１】
2014196103.tif 000003
【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】
2014196103.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2014196103.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成28年11月18日(2016.11.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リブ型導波路とチャネル型導波路との接続部に存在し、テーパ部を有するリブ型導波路であり、
前記リブ型導波路のコア層は上側に突起したリブを有し、
前記テーパ部は、前記コア層と前記チャネル型導波路との間で前記リブの両側に延在し、導波方向に垂直な方向の幅が徐々に変化し、前記テーパ部の高さは、前記リブを含まない前記コア層の高さとほぼ等しい、導波モード変換素子。
【請求項２】
前記テーパ部を含む前記コア層の導波方向に垂直な方向の幅は、前記リブの幅の３倍以上の大きさである、請求項１に記載の導波モード変換素子。
【請求項３】
前記テーパ部の幅変動を表す値をＴｓ、前記テーパ部を含む前記コア層の導波方向に垂直な方向の幅をＷｒ、前記チャネル型導波路のコア層の幅をＷｗ、前記テーパ部の長さをＬｔとし、Ｔｓは、（Ｗｒ−Ｗｗ）／Ｌｔで表される値とすると、
前記テーパ部の幅変動を表す値Ｔｓは、０．１より小さい、請求項１又は２に記載の導波モード変換素子。
【請求項４】
リブ型導波路によって形成され、入力光を第１の入力光及び第２の入力光に分波する分波器と、
前記リブ型導波路によって形成され、前記分波器で分波された前記第１の入力光と前記第２の入力光を合波する合波器と、
少なくとも一部がチャネル型導波路によって形成され、前記第１の入力光を前記合波器に導く第１のアーム導波路と、
少なくとも一部が前記チャネル型導波路によって形成され、前記第１のアーム導波路を伝搬する前記第１の入力光に対して位相差を生じさせて、前記第２の入力光を前記合波器に導く第２のアーム導波路と、を備え、
前記リブ型導波路と前記チャネル型導波路との接続部に、請求項１乃至３の何れか一項に記載の導波モード変換素子を有する、偏波分離器。
【請求項５】
請求項４に記載の偏波分離器を備え、
前記偏波分離器が多段に接続されている、光デバイス。
【国際調査報告】
2014196103.tif 000013
2014196103.tif 000014
2014196103.tif 000015
2014196103.tif 000016