(57)【要約】【課題】  設計が容易でサイズの小さい偏光光デバイスを提供する。【解決手段】  コア１２，１３とクラッド１１とからなる光導波路に入射される信号光の位相を制御する偏光光デバイス１において、光導波路に低屈折率領域１４を形成し、その低屈折率領域１４の境界１５で信号光が全反射するように入射側コア１２と出射側コア１３を形成し、その低屈折率領域１４と入出射側コア１２，１３とからなる偏光素子を光導波路の光路１８に少なくとも一つ形成して信号光の位相を制御するようにしたものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にコアとクラッドとからなる光導波路に入射される信号光の位相を制御する偏光光デバイスにおいて、光導波路に低屈折率領域を形成し、その低屈折率領域の境界で信号光が全反射するように入射側コアと出射側コアを形成し、その低屈折率領域と入出射側コアとからなる偏光素子を光導波路の光路に少なくとも一つ形成して信号光の位相を制御するようにしたことを特徴とする偏光光デバイス。
【請求項２】
上記偏光素子を２つ形成して信号光の位相差を１／４波長変化させる請求項１記載の偏光光デバイス。
【請求項３】
上記偏光素子を４つ形成して信号光の位相差を１／２波長変化させる請求項１記載の偏光光デバイス。
【請求項４】
上記低屈折率領域に温度により屈折率可変な低屈折率媒質を充填すると共に、基板にヒータを設けた請求項１から３いずれかに記載の偏光光デバイス。
【請求項５】
上記偏光素子に、残留応力を付与する応力付与部材を設け、光導波路を偏波面保持導波路とする請求項１から４いずれかに記載の偏光光デバイス。
【請求項６】
上記応力付与部材は、上記偏光素子に形成した溝である請求項５記載の偏光光デバイス。
【請求項７】
上記応力付与部材は、上記偏光素子に形成したアモルファスシリコン層である請求項５記載の偏光光デバイス。
【請求項８】
上記応力付与部材として基板をＳｉ基板とした請求項５記載の偏光光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路を伝搬する光の位相を制御する偏光光デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在の光通信システムにおいて、光ファイバ中を伝搬する光信号を取り出して異なる光ファイバに分岐したり、光信号の強度や位相、波形等を制御するための受動光回路部品として、石英ガラス等のアモルファス材料からなる光導波路が使用されている。また、コンピュータ内部においても、電子部品の高速化、高機能化に伴い、配線遅延やクロストークを抑制するための配線部品として、光導波路を用いることが検討されている。
【０００３】
石英ガラス等のアモルファス材料からなる光導波路は、一般に材料自体が光学的に等方的であるという特徴を有している。偏光制御を行わない光システムにおいては、光デバイスの光学特性の偏光依存性を小さくすることが必要になるが、材料自体の偏光依存性が小さいアモルファス材料からなる光導波路は、特別な工夫なしでも偏光依存性を小さくすることが可能である。これはアモルファス材料からなる光導波路の長所である。
【０００４】
また、積極的に偏光状態を制御する偏光光デバイスがあり、応力光学効果を呈するアモルファスシリコンからなる応力付与部と、光学的位相に敏感なアレイ導波路回折格子光回路を組み合わせることによって、光導波路の偏光特性制御を実現している（例えば、特許文献１参照）。また、アモルファスシリコンを用いた偏光制御の手法は非特許文献１にも記されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平５−１５７９２０号公報
【非特許文献１】M.Okuno 「バイアフリンジェンス  コントロール  オブ  シリカ  ウェブガイド  オン  シリコン  アンド  イッツ  アプリケーション  トゥ  ア  ポラライゼーションビーム  スプリッタ／スイッチ  （Birefringence control of silica waveguide on Si and its application to a polarization-beam splitter/switch）」，ジャーナル  オブ  ライトウェーブ  テクノロジ（Journal of Lightwave Technolgy），１９９４年，p.625-633
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の偏光光デバイスでは、素子の偏光特性が界面付近の応力分布によって制御されることになるため、わずかな素子構造やプロセス条件の変更が困難である。
【０００７】
また、石英ガラスの応力光学係数の値は小さいので、偏光状態を大きく変えるには素子サイズを大きくする必要がある。さらに、偏光状態の変化量によって素子サイズが変わるため、光回路のレイアウトが複雑になることも問題である。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、設計が容易でサイズの小さい偏光光デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、コアとクラッドとからなる光導波路に入射される信号光の位相を制御する偏光光デバイスにおいて、光導波路に低屈折率領域を形成し、その低屈折率領域の境界で信号光が全反射するように入射側コアと出射側コアを形成し、その低屈折率領域と入出射側コアとからなる偏光素子を光導波路の光路に少なくとも一つ形成して信号光の位相を制御するようにした偏光光デバイスである。
【００１０】
請求項２の発明は、上記偏光素子を２つ形成して信号光の位相差を１／４波長変化させる偏光光デバイスである。
【００１１】
請求項３の発明は、上記偏光素子を４つ形成して信号光の位相差を１／２波長変化させる偏光光デバイスである。
【００１２】
請求項４の発明は、上記低屈折率領域に温度により屈折率可変な低屈折率媒質を充填すると共に、基板にヒータを設けた偏光光デバイスである。
【００１３】
請求項５の発明は、上記偏光素子に、残留応力を付与する応力付与部材を設け、光導波路を偏波面保持導波路とする偏光光デバイスである。
【００１４】
請求項６の発明は、上記応力付与部材は、上記偏光素子に形成した溝である偏光光デバイスである。
【００１５】
請求項７の発明は、上記応力付与部材は、上記偏光素子に形成したアモルファスシリコン層である偏光光デバイスである。
【００１６】
請求項８の発明は、上記応力付与部材として基板をＳｉ基板とした偏光光デバイスである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、設計が容易になり、素子サイズを小さくできるといった優れた効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１９】
図１（ａ）は本実施の形態の偏光光デバイス１の平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）Ｂ−Ｂ線断面図である。
【００２０】
図１（ａ），（ｂ）に示すように、偏光光デバイス１は、基板１０上に形成された入射側コア１２，出射側１３コアとクラッド１１からなる光導波路と、光導波路に形成された低屈折率領域１４とで構成される偏光制御素子を備え、その偏光制御素子が光路１８に沿って接続されてなるものである。
【００２１】
低屈折率領域１４と入出射側コア１２，１３との境界（平面境界）１５は信号光を反射させる反射面であり、入射側コア１２を伝搬する信号光が境界１５で全反射するように入射側コア１２と出射側コア１３とが形成される。より詳細には、入射側コア１２は、基板端面の入射端１６から低屈折領域１４の境界１５まで形成され、境界１５を介して出射側コア１３と接続され、出射側コア１３は低屈折率領域１４の境界１５から基板端面の出射端１７まで形成されている。基板１０及びクラッド１１は石英ガラスで形成されており、入出射側コア１２，１３はクラッド１１より屈折率を高くするためにＧｅやＴｉ等がドープされた石英ガラスで形成されている。
【００２２】
さて、低屈折率領域１４は少なくとも入出射側コア１２，１３に接する境界１５が平面であるエアトレンチ（空溝）であり、その屈折率は略１である。低屈折率領域１４内の屈折率ｎt は入出射側コア１２，１３の屈折率をｎcoreとすると１≦ｎt ＜ｎcoreを満たせばよい。低屈折率領域１４は、入射側コア１２と境界１５の法線方向との角（入射角）θ1 が、境界１５での全反射角θc （＝Ａｒｃｓｉｎ（ｎt／ｎcore ））以上９０°未満となるよう配置され、出射側コア１３と平面境界１５の法線方向との角（反射角）θ2 も入射角θ1 と等しくなるよう配置される。入反射角θ1 を全反射角θc 以上９０°未満とすることで平面境界１５は全反射面となる。
【００２３】
次に本実施の形態の作用について説明する。
【００２４】
入射端１６から入射された信号光は入射側コア１２を伝搬して境界１５にて全反射し、出射側コア１３を伝搬して出射端１７より出射される。信号光が境界１５で全反射される際、信号光の直交偏光であるｐ偏光とｓ偏光（図１（ａ）では紙面上下方向がｐ偏光、紙面垂直方向がｓ偏光）間の位相差が変化する。
【００２５】
入射側コア１２の低屈折率領域１４に対する入射角θが全反射角θc 以上９０°未満の値に設定されているため、信号光は、境界１５で全反射される際に偏光状態に依存した位相変化を受ける。この位相変化量は、境界１５における反射率（フレネル係数）をもとに近似計算可能である。
【００２６】
ここで、全反射面で反射する光の位相変化について図２で説明する。
【００２７】
図２に示すように、特性線２１は媒質の屈折率ｎが１．５１１のときの信号光の入射角に対するｐ偏光成分の位相角の進みδp を示しており、特性線２２は入射角に対するｓ偏光成分の位相角の進みδs を示している。入射角θが全反射角θc のとき、または、入射角θが９０°のとき、ｐ偏光、ｓ偏光共に位相角の進みは等しいが、その変化様相は異なっている。特性線２３はｐ偏光とｓ偏光の位相差Δδ（＝δp−δs）を表している。つまり、反射される光が反射面への入射角θによって、位相変化量がｐ偏光、ｓ偏光間とで異なり、入射角０〜９０°内で連続的に変化し、特に、入射角θが全反射角θｃ以上９０°未満で反射される際に顕著である。
【００２８】
位相角進みδp，δsは入反射角θ1 と、コアの屈折率ｎcoreと低屈折率領域の屈折率ｎt に依存するので、本実施の形態の偏光光デバイス１は、これらのパラメータを調節することによって信号光の偏光状態を制御することができ、ｐ偏光とｓ偏光の相対位相（直交偏光間位相差）をずらす移相子としての機能を有する。
【００２９】
さらに、偏光光デバイス１は、コアとクラッドからなる光導波路に低屈折率領域１４であるエアトレンチを形成するだけで、信号光の偏光制御を可能にできるため、設計に要するパラメータが少なく、設計を容易にすることができる。また、偏光状態を変化させるにあたり全反射を利用しているため、素子のサイズを小さくすることができると共に、信号光の伝搬損失を低く抑えることができる。
【００３０】
また、コア１２，１３とクラッド１１とからなる光導波路は、応力付与部材を形成して光導波路の残留応力を大きくすることで偏波保持導波路とする。図示はしないが具体的には、（１）コア１２、１３の近傍に溝を形成する、（２）偏光制御素子上面にアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）層を形成する、（３）基板１０をＳｉ基板に代える、である。
【００３１】
上記溝、アモルファスシリコン層、Ｓｉ基板が光導波路への応力付与部材となることで、光導波路を偏波保持導波路とすることができる。これにより、入出射側コア１２，１３での偏光依存性を考慮せずに、境界１５での全反射によるｐ偏光、ｓ偏光間の相対位相シフト量のみ考慮して設計することができる。
【００３２】
さらに、偏光光デバイス１に偏光依存性を有する光学素子を接続してもよい。例えば、図３（ａ）に示すように、偏光光デバイス１の入射端１６には外部光学素子１９が接続されている。外部光学素子１９は、偏光依存性を有する光学素子であり、光伝送線、光合分波器、光可変減衰器、光スイッチ、光アイソレータ、光増幅器、光変調器、光検出器、レーザを含む光源等が挙げられる。外部光学素子１９での直交偏光間位相差の変化分だけ、偏光光デバイス１で補正するように屈折率ｎcoreと入射角θ1 を設計することにより、容易に偏光状態の補正ができる。
【００３３】
これとは逆に、図３（ｂ）に示すように、偏光光デバイス１の出射端１７に外部光学素子１９を接続してもよい。この例は、図３（ａ）に示した例と接続形態が異なるという点以外では同一であり、同様な作用により外部光学素子１９の偏光状態を補正することができるとった効果を有する。
【００３４】
偏光光デバイス１は、石英ガラス等のアモルファス材料からなる、すなわち、光学的異方性の小さい材料からなる光導波路において最も有効性が大きいが、全反射の際の位相変化が偏光に依存するという原理は材料の選択に依存しないため、石英ガラス以外の材料を用いてもよく、例えば光学樹脂、シリコン、化合物半導体、電気光学結晶、非線形光学材料等を用いてもよい。
【００３５】
次に第二の実施の形態の偏光光デバイスについて説明する。
【００３６】
図４に示すように、偏光光デバイス５は、フレネル斜方体の原理を利用した、入射側コア、出射側コア、低屈折率領域からなる偏光素子を光路に沿って基板上に２つ形成したものである。
【００３７】
具体的には、入射側コア１２が低屈折率領域１４の境界１５を介して中間コア３２に接続され、中間コア３２が低屈折率領域３０の境界３１を介して出射側コア３３に接続されている。中間コア３２は境界１５の出射側コアと境界３１の入射側コアを兼ねたコアである。
【００３８】
ここで、フレネル斜方体について説明する。図５に示すように、フレネル斜方体２４は、出射光の直交偏光間位相差が入射光のそれよりも１／４波長異なる偏光制御媒体であり、光を斜方体２４に垂直に入射させると、斜方体２４内で２回全反射して出射し、その出射光の直交偏光間位相差は９０°変化する。よって、斜方体２４は１／４波長板（λ／４板）と同等の作用を有し、例えば、入射光の偏光が直線偏光のとき出射光を円偏光にし、入射光の偏光が円偏光であれば直線偏光に偏光変換させるものである。
【００３９】
本実施の形態の偏光光デバイス５は、入射端１６から入射した信号光が境界１５で全反射され、中間コア３２を伝搬し、境界３１で全反射され、出射側コア３３を伝搬して出射端１７より出力される。上述の斜方体２４の原理から、境界１５，３１で全反射される際に信号光のｐ偏光とｓ偏光間の位相差がそれぞれ４５°変化するように入射角θ1 ，θ2 を形成することにより、信号光のｐ、ｓ偏光間の位相差を９０°変化させることができる。
【００４０】
低屈折率領域への入射角は、２度全反射してｐ偏光、ｓ偏光間の位相差が９０°シフトするようにすれば入射角θ1 とθ2 が異なってもよい。また、図１の偏光光デバイス１を信号光の直交偏光間位相差を４５°変化させるように、入反射角θ1 を形成し、その偏光光デバイスを２個光路に沿って接続しても偏光光デバイス５と同様の機能を有する。
【００４１】
その際、光導波路に２個の低屈折率領域が形成された偏光光デバイス５は、光導波路を偏波保持導波路とする応力付与部材を設けることで、２回の全反射によるｐ偏光、ｓ偏光間の相対位相シフト量の単純な和として設計することが可能になる。
【００４２】
次に第三の実施の形態の偏光光デバイスについて説明する。
【００４３】
図６に示すように、偏光光デバイス６は、フレネル斜方体の原理を利用した別の例で基板上に入射側コアと出射側コアと低屈折率領域からなる偏光素子を光路に沿って基板上に４つ形成したものである。具体的には、入射側コア１２が低屈折率領域１４の境界１５を介して中間コア３２に接続され、中間コア３２が低屈折率領域３０の境界３１を介して中間コア３３に接続されている。同様に、中間コア３３は低屈折率領域３６の境界３７を介して中間コア３４に接続され、中間コア３４は低屈折率領域３８の境界３９を介して出射側コア３５に接続されている。入射側コア１２の境界１５への入射角θ1 と中間コア３２への反射角θ1 は等しい。同様に、境界３１における入反射角θ2 、境界３７における入反射角θ3 、境界３９における入反射角θ4 もそれぞれ等しい。入反射角θ1〜θ4の値は、図２の関係から、入射角θ1〜θ4のそれぞれに対する反射光の位相角進みの合計が１８０°となるように設計されている。
【００４４】
ここで、図７に示すように、フレネル斜方体２６は、フレネル斜方体２４を２つ対向に接合したものと同様であり、斜方体２６内では４５°直交偏光間位相差を変化させる全反射を４回繰り返すため出射光の直交偏光間位相差は１８０°となる。斜方体２６は、直線偏光を直線偏光に偏光変化する（例えば、ｓ偏光をｐ偏光に、ｐ偏光をｓ偏光に変換する）ような１／２波長板と同等の作用を有する。
【００４５】
偏光光デバイス６の入射端１６より入射された光信号は、入射側コア１２、中間コア３２，３３，３４、出射側コア３５を伝搬して出射端１７より出射する。偏光光デバイス６は、図４の偏光光デバイス５と同等の作用効果を有し、変化させることのできるｐ偏光、ｓ偏光間の相対位相シフト量は、斜方体２６と同等の原理から、入射された信号光の１／２波長である。
【００４６】
次に第四の実施の形態について説明する。
【００４７】
図８に示すように、偏光光デバイス７は図１の偏光光デバイス１の低屈折領域の屈折率を可変にしたものである。偏光光デバイス１の低屈折率領域１４であるエアトレンチ内に低屈折率媒質として樹脂を充填して低屈折率領域４０とし、光導波路の下部にはヒータを設けた（図示せず）。
【００４８】
偏光光デバイス７は、偏光光デバイス１と同様に、入射された信号光が境界４１にて全反射する際、ｐ偏光とｓ偏光の位相差を変化させることができる。さらに、偏光デバイス７は、ヒータによって屈折率領域４０内の樹脂の温度を変化させ、樹脂の屈折率を変化させることで、全反射によるｐ，ｓ偏光間の相対位相シフト量を調整することができる。
【００４９】
屈折率領域４０内の材料は、その屈折率が１より大きくなると全反射角が大きくなってくる。そこで、入反射角θ1 よりも全反射角θc が大きくならない範囲で温度を変えて屈折率を変えるのが好ましい。また、導波路を形成する材料にチタニアガラス、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）ガラス、タングステンガラス等の石英ガラスよりも屈折率の高い材料を用いてもよく、その際、低屈折率領域を充填する材料として液晶を用いてもよい。液晶の屈折率は温度による制御の他に、電界を印加することで制御することもできる。
【００５０】
また、上述の偏光光デバイス５，６の低屈折率領域に樹脂等の低屈折率媒質を充填し、基板にヒータを設けて、信号光の相対位相シフト量を調整する偏光デバイスとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】（ａ）は第一の実施の形態の偏光光デバイスを示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図２】光の全反射における位相特性を示す図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は、図１の偏光光デバイスの接続例を示す平面図である。
【図４】第二の実施の形態の偏光光デバイスを示す平面図である。
【図５】直交偏光間に１／４波長光路差を付与するフレネル斜方体を示す概略図である。
【図６】第三の実施の形態の偏光光デバイスを示す平面図である。
【図７】直交偏光間に１／２波長光路差を付与するフレネル斜方体を示す概略図である。
【図８】第四の実施の形態の偏光光デバイスを示す平面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  偏光光デバイス
１２  入射側コア
１３  出射側コア
１４  低屈折率領域
１５  境界（平面境界）
【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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