(57)【要約】【課題】  小型化・集積化が可能で、かつ作製が容易で、しかも光ファイバーとの結合を簡単に行うことができる偏波分離素子を提供する。【解決手段】  スラブ光導波路からなる偏波分離素子１であって、スラブ光導波路のコア層１２を形成する材料が複屈折材料であって、その屈折率が、下クラッドまたは上下クラッドとの境界面に平行な偏波成分のみをもつＴＥ波と、前記境界面に垂直な偏波成分のみをもつＴＭ波とで異なることを特徴とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スラブ光導波路からなる偏波分離素子であって、
前記スラブ光導波路のコアを形成する材料が複屈折材料であって、その屈折率が、下クラッドまたは上下クラッドとの境界面に平行な偏波成分のみをもつＴＥ波と、前記境界面に垂直な偏波成分のみをもつＴＭ波とで異なることを特徴とする偏波分離素子。
【請求項２】
入射ポートとＴＥ波出射ポートとＴＭ波出射ポートとを備え、前記入射ポートからの入射光のＴＥ波が前記ＴＥ波出射ポート部分で結像し、ＴＭ波が前記ＴＭ波出射ポート部分で結像することを特徴とする請求項１に記載の偏波分離素子。
【請求項３】
偏波結合素子として機能する偏波分離素子であって、
ＴＥ波入射ポートとＴＭ波入射ポートと出射ポートを備え、前記ＴＥ波入射ポートからのＴＥ波および前記ＴＭ波入射ポートからのＴＭ波が前記出射ポート部分で結像することを特徴とする請求項１に記載の偏波分離素子。
【請求項４】
前記各ポートに光ファイバーが接続されてなることを特徴とする請求項２または３に記載の偏波分離素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型化・集積化が可能で、かつ作製が容易で、しかも光ファイバーとの結合を簡単に行うことができる偏波分離素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
偏光の２成分（平行偏光：ｐ偏光成分、直交偏光：ｓ偏光成分）を分離するための偏波分離デバイスとして、図７に示すような偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）キューブ９が知られている（たとえば、特許文献１参照）。ＰＢＳキューブ９は、２つの直角プリズムを組み合わせてキューブに構成したもので、界面に多層膜９１が形成されている。ＰＢＳキューブ９は、レーザビーム等の光をｐ偏光成分とｓ偏光成分に分離することができ、たとえば光アイソレータを用いた距離測定等に応用される。
【特許文献１】特開平８−１１０４０６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、図７に示したＰＢＳキューブ９は、直角プリズムを用いているため平面化が不可能であり、従って集積化ができない。また、直角プリズムの界面に多層膜９１を形成しなくてはならないため製造が必ずしも容易ではなく、製造コストが高くなる。さらに、入射光が空間ビームであるため、光ファイバーを入射光路や出射光路としてもつ光学系との接続には、コリメータ等の部品が必要となる。
【０００４】
本発明の目的は、小型化・集積化が可能で、かつ作製が容易で、しかも光ファイバーとの接続が容易なスラブ光導波路からなる偏波分離素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の偏波分離素子は（１）〜（５）を要旨とする。
（１）「  スラブ光導波路からなる偏波分離素子であって、
前記スラブ光導波路のコアを形成する材料が複屈折材料であって、その屈折率が、下クラッドまたは上下クラッドとの境界面に平行な偏波成分のみをもつＴＥ波と、前記境界面に垂直な偏波成分のみをもつＴＭ波とで異なることを特徴とする偏波分離素子。」を要旨とする。
【０００６】
（２）「入射ポートとＴＥ波出射ポートとＴＭ波出射ポートとを備え、前記入射ポートからの入射光のＴＥ波が前記ＴＥ波出射ポート部分で結像し、ＴＭ波が前記ＴＭ波出射ポート部分で結像することを特徴とする（１）に記載の偏波分離素子。」
【０００７】
（３）「偏波結合素子として機能する偏波分離素子であって、ＴＥ波入射ポートとＴＭ波入射ポートと出射ポートを備え、前記ＴＥ波入射ポートからのＴＥ波および前記ＴＭ波入射ポートからのＴＭ波が前記出射ポート部分で結像することを特徴とする（１）に記載の偏波分離素子。」
【０００８】
（４）「前記各ポートに光ファイバーが接続されてなることを特徴とする（２）または（３）に記載の偏波分離素子。」
なお、本発明の偏波分離素子では、偏波分離と偏波結合とを同時に行うこともあり、出射ポートが入射射ポートとして同時機能することもあるし、入射ポートが出射ポートとして同時機能することもある。偏波分離素子は、たとえば、１つの入射ポートと１つの出射ポートを備えるようにしてもよい。また、たとえば、１つの入射ポートと２つの出射ポートを備えるようにしてもよいし、２つの入射ポートと２つの出射ポートを備えるようにしてもよい。
【０００９】
本発明において、「コアを形成する材料」は、典型的には複屈折材料であり、ＬｉＮｂＯ3、Ｔａ2Ｏ5、ＴｉＯ2、Ｂｉ3Ｏ5、ＣｅＯ2、ＫＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＫＴａＯ3やこれらに金属をドープして使用できる。また、「コアを形成する材料」として、光学異方性を有する有機材料、または高分子材料を使用することもできる。
また、本発明ではクラッドは、コアに対して屈折率が低く、コアとともに導波路を形成することができる透明材料であれば、どのような材料でも使用可能である。
【００１０】
本発明の偏波分離素子では各ポートにチャネル導波路を付加し、これを介して光ファイバーを接続することができる。
【００１１】
また、本発明者らの先提案にかかる「導波路の接続構造」（特願２００５−９０３２４）の技術を用いることで、本発明の偏波分離素子を容易に他のデバイスに光接続することが可能である。
具体的には、先細り形成された光ファイバーの先端を、光ファイバーのコアと偏波分離素子のコアとが光学的に結合されるように各ポートに接続することができる。この場合、偏波分離素子がマウントされた基台に光ファイバー装着溝を形成し、当該光ファイバー装着溝に光ファイバーの先細りとなった部分を装着することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の偏波分離素子は、スラブ型光導波路を使用しているので、小型化・集積化が可能でかつ作製が容易である。
また、光ファイバーとの結合を簡便に行うことができるので、光ファイバーを用いた光学系において、本発明の偏波分離素子をアイソレータにおける偏光ビームスプリッターとして使用することもできるし、直線偏光変換素子として直線偏光の入射を前提とするデバイス等と組み合わせて使用することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の偏波分離素子の実施形態を説明する。以下の説明において、スラブ型光導波路、入射ポート，出射ポートのチャネル導波路等は実寸法比とは異なるモデルで示してある。
図１（Ａ）は偏波分離素子１の斜視図、図１（Ｂ）は偏波分離素子１の平面説明図である。
図１（Ａ），（Ｂ）に示すように偏波分離素子１は、スラブ型光導波路からなり、クラッドとして作用する基板（クラッド層１１）上に矩形状のコア層１２が形成されている。このスラブ導波路は多モード干渉（ＭＭＩ）導波路として動作する。本実施形態では、偏波分離素子１として、コア層１２の下にクラッド層１２が形成されている例を示すが、上下にクラッド層が形成される構造であってもよい。
【００１４】
本発明では、少なくともスラブ導波路のコア層１２が複屈折材料でであり、ＴＥ波の屈折率ｎ0(TE)と、ＴＭ波の屈折率ｎe(TM)とが異なれば両波の分離が可能である。本実施形態では、ＬｉＮｂＯ3からなる基板に、Ｔｉがドープされたコア層（Ｔｉ：ＬｉＮｂＯ3（ＴｉがドープされたＬｉＮｂＯ3）を形成することで、偏波分離素子１を作製した。
【００１５】
コア層の屈折率は、Ｔｉの濃度を調整することにより制御することができる。クラッドとの屈折率差を１％以下とすることでシングルモード条件を満たしやすい。
本実施形態では、クラッド層１１（ＬｉＮｂＯ3）とコア層１２（Ｔｉ：ＬｉＮｂＯ3）のＴＥ波の屈折率ｎ0(TE)とＴＭ波の屈折率ｎe(TM)とを〔表１〕に示す値で設定した。
【００１６】
【表１】
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なお、ｎ0(TE)，ｎe(TM)は波長１５５０ｎｍのビームについての値である。また、ΔTE，ΔTMは、Ｔｉ：ＬｉＮｂＯ3とＬｉＮｂＯ3の屈折率差である。
図１（Ａ），（Ｂ）に示すように、コア層１２の矩形の一辺にはチャネル導波路を用いた入射ポートＰ１が形成され、対向する辺には、同様にチャネル導波路を用いたＴＭ波出射ポートＰ２とＴＥ波出射ポートＰ３とが形成されている。以下の実施形態では、偏波分離素子１を用いて偏波を分離する場合について説明するが、ポートＰ２とポートＰ３とを入射ポートとし、ポートＰ１を出射ポートとして、偏波分離素子１により偏波を結合することもできる。なお、図１（Ａ），（Ｂ）では、コア層１２の入射ポートＰ１が形成された辺にポートＰ４を形成してある。ポートＰ４は、偏波分離素子１を種々の光学システムに組み込んだときに、出射ポートや入射ポートとしてとして使用される。
【００１７】
これらのポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３には、光ファイバーが接続される。これらのポートに光ファイバーを接続するために、チャネル導波路を用いず、前述した本発明者らの先提案にかかる「導波路の接続構造」（特願２００５−９０３２４）の技術を用いることで、容易に他のデバイスとの光接続が可能である。
【００１８】
図２（Ａ），（Ｂ）に、偏波分離素子がマウントされた基台に光ファイバー装着溝を形成し、光ファイバー装着溝に光ファイバーの先細りとなった部分を装着した例を示す。図２（Ａ）は偏波分離素子１を平面視した図、（Ｂ）は偏波分離素子１を側面視した断面図（（Ａ）におけるＡ−Ａ断面）である。図２（Ａ），（Ｂ）では、矩形の基台２の一方の側には溝２１が形成され、他方の側（対向する側）には溝２２２が形成されている。そして、溝２１に先細りに形成した光ファイバー３１がセットされ、溝２２に先細りに形成した融着延伸光ファイバー３２（２つの光ファイバー３２１と３２２からなる）がセットされている。なお、図１（Ａ），（Ｂ）のポートＰ４にも光ファイバーを接続する場合には、溝２１を溝２２と同様に構成し光ファイバー３１に代えて先細りに形成した融着延伸光ファイバーを用いる。
【００１９】
基台２の上面の溝２１，２２間には偏波分離素子１が形成されており、光ファイバー３１の先端は偏波分離素子１の入射ポートＰ１に接続され、融着延伸した光ファイバー３２の先端は偏波分離素子１のＴＭ波出射ポートＰ２とＴＥ波出射ポートＰ３とに接続されている。偏波分離素子１は、上述したようにクラッド層１１とコア層１２とから構成されている。光ファイバー３１のコア３１１は偏波分離素子１のコア層１２に光学的に接続されている（接続点をａで示す）。また、融着延伸した光ファイバー３２を構成する光ファイバー３２１，３２２のコア３２１１，３２２１も、偏波分離素子１のコア層１２に光学的にそれぞれ接続されている（接続点をｂ，ｃで示す）。
【００２０】
ＴＭ波はＴＭ波出射ポートＰ２位置で結像し、ＴＥ波はＴＥ波出射ポートＰ３位置で結像するように、コア層１２の縦長Ｗ，横長Ｌ、入射ポートＰ１，ＴＭ波出射ポートＰ２，ＴＥ波出射ポートＰ３の位置が設定されている。なお、図１（Ａ），（Ｂ）では入射ポートＰ１はコア層１２の矩形辺の上端に設定してあり、ＴＭ波出射ポートＰ２，ＴＥ波出射ポートＰ３はコア層１２の矩形辺（入射ポートＰ１が設けられた辺に対向する辺）の上下端に設定してある。
【００２１】
《設計例》
以下に設計例を示す。
入射ポートＰ１および出射ポートＰ２，Ｐ３の幅ＷPは、低損失化のために、シングルモード条件を満たす範囲でできるだけ広く設計する。ここでは、ＷP＝３．５μｍとした。
また導波路縦幅Ｗは、２８．５μｍとした。なお、入射ポートＰ１および出射ポートＰ２，Ｐ３の長さｇは１２．５μｍとした。
ＴＥ波およびＴＭ波の結像位置をそれぞれシミュレートして求め（図３（Ａ），（Ｂ）参照）、結像距離が一致する長さ（Ｌ＝５．９７ｍｍ）を導波路横幅（コア層１２の矩形長）とした。
図４に上記の設計によるスラブ型光導波路（コア層１２）の設計値を示す。なお、スラブ導波路の厚さ（コア層１２の層厚）は、厚さ方向では単一モードとなるような値に設定すればよい。
【００２２】
《検証結果》
図４の設計値に基づき偏波分離素子１を作製し、その特性を測定した結果、ＴＥ波の挿入損失は１．８９ｄＢ、ＴＭ波の挿入損失は１．２８ｄＢであり、出射ポートＰ３においてＴＥ波がＴＭ波から受けるクロストークは−２６．９ｄＢであり、出射ポートＰ２においてＴＭ波がＴＥ波から受けるクロストークは−２０．０Ｂであった。
【００２３】
さらに、挿入損失の波長依存性およびクロストークの波長依存性についても検証した。
挿入損失の波長依存性を調べるため、波長を１５００ｎｍから１６００ｎｍまで１０ｎｍステップでスキャンした結果を図５に示す。許容損失を仮に３ｄＢとすると、波長範囲は１５２３〜１５８１ｎｍとなり波長依存性については寛容であることがわかる。
クロストークの波長依存性を調べるため、波長を１５００ｎｍから１６００ｎｍまで１０ｎｍステップでスキャンした結果を図６に示す。許容損失を仮に１７ｄＢとすると、波長範囲は１５２４〜１５８８ｎｍとなりクロストークについても波長依存性については寛容であることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の偏波分離素子の一実施形態を示す図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は平面図である。
【図２】チャネル導波路を用いずに光ファイバーを偏波分離素子に装着した例を示す図であり、（Ａ）は偏波分離素子を平面視した図、（Ｂ）は偏波分離素子を側面視した断面図である。
【図３】（Ａ）はＴＥ波の結像位置を示す図、（Ｂ）はＴＭ波の結像位置を示す図である。
【図４】本発明の偏波分離素子の各部の設計値を示す図である。
【図５】挿入損失の波長依存性についての検証結果を示す図である。
【図６】クロストークの波長依存性についての検証結果を示す図である。
【図７】偏光ビームスプリッターキューブを示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  偏波分離素子
２  基台
１１  基板
１２  コア層
２１，２２  溝
３１，３２（３２１，３２２）  光ファイバー
３１１，３２１１，３２２１  コア
Ｐ１  入射ポート
Ｐ２，Ｐ３  出射ポート
【図１】
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【図２】
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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３】
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