(57)【要約】【課題】動作波長帯域が広い偏波分離素子および光集積素子を提供すること。【解決手段】基板上に形成される光導波路型の偏波分離素子であって、入力光分波部と、出力光合波部と、前記入力光分波部と前記出力光合波部とを接続する、複屈折性を有する光導波から構成される第１アーム導波路および第２アーム導波路と、前記第１アーム導波路および前記第２アーム導波路のそれぞれの上方に形成された１つ以上の加熱部と、を備え、前記第２アーム導波路の幾何学的長さは、前記第１アーム導波路に複屈折性を付与するために前記加熱部が加熱を施した場合に該第１アーム導波路に生じる光路長の増加量に対応する程度以下だけ、前記第１アーム導波路の幾何学的長さよりも長い。【選択図】図１
2012215692.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成される光導波路型の偏波分離素子であって、
入力光分波部と、
出力光合波部と、
前記入力光分波部と前記出力光合波部とを接続する、複屈折性を有する光導波から構成される第１アーム導波路および第２アーム導波路と、
前記第１アーム導波路および前記第２アーム導波路のそれぞれの上方に形成された１つ以上の加熱部と、
を備え、前記第２アーム導波路の幾何学的長さは、前記第１アーム導波路に複屈折性を付与するために前記加熱部が加熱を施した場合に該第１アーム導波路に生じる光路長の増加量に対応する程度以下だけ、前記第１アーム導波路の幾何学的長さよりも長いことを特徴とする偏波分離素子。
【請求項２】
前記入力光分波部はＹ分岐導波路で構成されており、前記出力光合波部は方向性結合器、波長無依存型光カプラ、および多モード干渉型光カプラのいずれか一つで構成される２入力２出力型の光合波器であ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】
前記加熱の前における前記第１アーム導波路および前記第２アーム導波路でのＴＥ偏波とＴＭ偏波とに対する実効屈折率の平均値をそれぞれｎ１Ａｖｅ０、ｎ２Ａｖｅ０とし、前記第１アーム導波路および前記第２アーム導波路において前記加熱により複屈折性が付与される部分の長さをＬ１、Ｌ２とし、前記第１アーム導波路に前記複屈折性を付与する加熱を施した場合の前記実効屈折率の平均値の増加量をδｎ１とすると、前記第２アーム導波路の幾何学的長さと前記第１アーム導波路の幾何学的長さとの差δＬ２は、下記式（１）
【数１】
2012215692.tif 000019
を満たすように設定されていることを特徴とする請求項２に記載の偏波分離素子。
【請求項４】
前記入力光分波部に入力される偏波分離すべき光の波長をλとし、ｍを０以上の整数とすると、前記差δＬ２は、下記式（２）
δＬ２＝ｍλ／（２×ｎ２Ａｖｅ０）  ・・・  （２）
を満たすように設定されていることを特徴とする請求項３に記載の偏波分離素子。
【請求項５】
前記入力光分波部および前記出力光合波部は、方向性結合器、波長無依存型光カプラ、および多モード干渉型光カプラのいずれか一つで構成される２入力２出力型の光合波器であ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６】
前記入力光分波部および前記出力光合波部は、いずれも同一構造の波長無依存型光カプラで構成されており、かつ幾何学的に点対称に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の偏波分離素子。
【請求項７】
前記加熱の前における前記第１アーム導波路および前記第２アーム導波路でのＴＥ偏波とＴＭ偏波とに対する実効屈折率の平均値をそれぞれｎ１Ａｖｅ０、ｎ２Ａｖｅ０とし、前記第１アーム導波路および前記第２アーム導波路において前記加熱により複屈折性が付与される部分の長さをＬ１、Ｌ２とし、前記第１アーム導波路に前記複屈折性を付与する加熱を施した場合の前記実効屈折率の平均値の増加量をδｎ１とすると、前記第２アーム導波路の幾何学的長さと前記第１アーム導波路の幾何学的長さとの差δＬ２は、下記式（３）
【数２】
2012215692.tif 000020
を満たすように設定されていることを特徴とする請求項５または６に記載の偏波分離素子。
【請求項８】
前記入力光分波部に入力される偏波分離すべき光の波長をλとし、ｍを０以上の整数とすると、前記差δＬ２は、下記式（４）
δＬ２＝（ｍ＋０．５）×λ／（２×ｎ２Ａｖｅ０）  ・・・  （４）
を満たすように設定されていることを特徴とする請求項７に記載の偏波分離素子。
【請求項９】
前記第１アーム導波路および前記第２アーム導波路のそれぞれの断面構造が、光導波方向にわたって略同一であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の偏波分離素子。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか一つに記載の偏波分離素子と、
前記偏波分離素子に接続した２つの光導波路型の９０度ハイブリッド素子と、
が同一基板上に集積されたものであることを特徴とする光集積素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に形成される光導波路型の偏波分離素子およびこれを用いた光集積素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
基板上に形成される平面光波回路（Planar Lightwave Circuit：ＰＬＣ）にて光導波路型の偏波分離素子を実現するために、光導波路にてマッハツェンダー（Mach-Zehnder Interferometer：ＭＺＩ）干渉計を構成し、その２つのアーム導波路にアーム導波路間での複屈折の差を付与する方法がある。複屈折は、光導波路のＴＥ偏波とＴＭ偏波のそれぞれに対する屈折率値の差のことである。アーム導波路はもともと複屈折を有するが、さらに複屈折の差を付与することによって偏波分離素子が実現される。
【０００３】
アーム導波路間での複屈折の差を付与する方法としては、各アーム導波路で光導波路の幅を変える方法（たとえば非特許文献１）や、マイクロヒータによってアーム導波路を加熱して複屈折を付与する、いわゆる熱トリミングと呼ばれる方法（たとえば非特許文献２、特許文献１〜３）等、様々な方法が知られている。これらの方法の中で熱トリミングが最も実用的である。また、熱トリミングの場合は、マイクロヒータへの印可電流の値を調整することで、複屈折だけでなくアーム導波路間の位相調整も可能である。
【０００４】
このような偏波分離素子は、たとえば同一基板上に９０度ハイブリッド素子とともに集積され、偏波多重四値位相変調（ＤＰ−ＱＰＳＫ：Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying）方式などのコヒーレント変調方式における復調器に使用されるコヒーレントミキサ等に利用される（非特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２５９９４８８号公報
【特許文献２】特許第３２７５７５８号公報
【特許文献３】特許第３９６１３４８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Y. Hashizume et al., “Integrated polarisation beam splitter using waveguide birefringence dependence on waveguide core width,” Electronics Letters, Vol.37, No.25, p.1517 (2001).
【非特許文献２】M. Abe et al., “Optical path length trimming technique using thin film heaters for silica-based waveguide on Si,” Electronics Letters, Vol.32, No.19, p.1818 (1996).
【非特許文献３】Sakamaki et al., “One-chip integrated dual polarization optical hybrid using silica-based planar lightwave circuit technology”Proc. of ECOC2009, paper 2.2.4.
【非特許文献４】K. Jinguji et al., “Two-Port Optical Wavelength Circuits Composed of Cascaded Mach-Zehnder Interferometers with Point-Symmetrical Configurations,” Journal of Lightwave Technology, Vol.14, p.2301 (1996).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、偏波分離素子を構成するＭＺＩ干渉計の一方のアーム導波路（第１アーム導波路とする）を加熱し、第１アーム導波路の複屈折を大きくするような調整を行うと、同時に第１アーム導波路の実効屈折率も高くなってしまう。これによって、第１アーム導波路ともう一方の第２アーム導波路との実効的な光路長に大きな差が発生し、ＭＺＩ干渉計のＦＳＲ（Free Spectral Range）が小さくなる。その結果、偏波分離素子の動作波長帯域が狭帯域化するという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、動作波長帯域が広い偏波分離素子および光集積素子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】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る偏波分離素子は、基板上に形成される光導波路型の偏波分離素子であって、入力光分波部と、出力光合波部と、前記入力光分波部と前記出力光合波部とを接続する、複屈折性を有する光導波から構成される第１アーム導波路および第２アーム導波路と、前記第１アーム導波路および前記第２アーム導波路のそれぞれの上方に形成された１つ以上の加熱部と、を備え、前記第２アーム導波路の幾何学的長さは、前記第１アーム導波路に複屈折性を付与するために前記加熱部が加熱を施した場合に該第１アーム導波路に生じる光路長の増加量に対応する程度以下だけ、前記第１アーム導波路の幾何学的長さよりも長いことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る光集積素子は、上記発明の偏波分離素子と、前記偏波分離素子に接続した２つの光導波路型の９０度ハイブリッド素子と、が同一基板上に集積されたものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、動作波長帯域が広い偏波分離素子および光集積素子を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、実施の形態１に係る偏波分離素子の模式的な平面図である。
【図２】図２は、図１に示す偏波分離素子のＸ−Ｘ線断面図である。
【図３】図３は、ｋ＝０．５としたときの、位相差ΔφとＰ１との関係を示す図である。
【図４】図４は、ｋ＝０．５としたときの、位相差ΔφとＰ２との関係を示す図である。
【図５】図５は、第１アーム導波路に対するトリミング時間と第１アーム導波路の屈折率との関係を示す図である。
【図６】図６は、実施の形態２に係る偏波分離素子の模式的な平面図である。
【図７】図７は、ｋ＝０．５としたときの、位相差ΔφとＰ１との関係を示す図である。
【図８】図８は、ｋ＝０．５としたときの、位相差ΔφとＰ２との関係を示す図である。
【図９】図９は、実施の形態３に係る光集積素子の模式的な平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、図面を参照して本発明に係る偏波分離素子および光集積素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各層の厚みと幅との関係、各層の比率などは、現実のものとは異なる場合がことに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
【００１４】
（実施の形態１）
はじめに、本発明の実施の形態１に係る偏波分離素子について説明する。図１は、実施の形態１に係る偏波分離素子の模式的な平面図である。図１に示すように、偏波分離素子１０は、入力光分波部１と、出力光合波部２と、入力光分波部１と出力光合波部２とを接続する第１アーム導波路３および第２アーム導波路４と、第１アーム導波路３の上方に形成された第１加熱部であるトリミング用ヒータ５ａと、第２アーム導波路４の上方に形成された第２加熱部であるトリミング用ヒータ６ａと、を備えている。偏波分離素子１０はＭＺＩ干渉計で構成されている。
【００１５】
入力光分波部１は、Ｙ分岐導波路で構成されており、入力ポートから入力された光Ｌ１を２分岐して第１アーム導波路３および第２アーム導波路４のそれぞれに入力する。
【００１６】
出力光合波部２は、光導波路型で２入力２出力型の方向性結合器で構成されており、第１アーム導波路３および第２アーム導波路４のそれぞれを伝搬した光が入力されると、これらの光を合波してその出力ポートＰout１、Ｐout２から出力する。
【００１７】
図２は、図１に示す偏波分離素子１０のＸ−Ｘ線断面図である。図２に示すように、第１アーム導波路３、第２アーム導波路４は、シリコンなどの基板１１上に形成された石英系ガラスからなるクラッド層１２内に、クラッド層１２よりも屈折率が高いコア部を形成することによって構成されている。なお、入力光分波部１および出力光合波部２も同様に、クラッド層１２層内にコア部を形成することによって構成されている。
【００１８】
トリミング用ヒータ５ａ、６ａは、たとえばタンタル（Ｔａ）系材料などのヒータ材料からなる薄膜ヒータである。トリミング用ヒータ５ａ、６ａはクラッド層１２上に形成されている。
【００１９】
なお、偏波分離素子１０の各光導波路を構成するコア部の断面のサイズは、たとえば６μｍ×６μｍである。クラッド層１２に対するコア部の比屈折率差はたとえば０．７５％である。第１アーム導波路３と第２アーム導波路４との距離はたとえば２５０μｍである。トリミング用ヒータ５ａ、６ａのサイズは、たとえば厚さが０．１μｍ、幅が４０μｍである。また、アーム導波路３、４の断面構造（サイズおよ実効屈折率）は、光導波方向にわたって略同一である。
【００２０】
この偏波分離素子１０では、第２アーム導波路４の幾何学的長さが、第１アーム導波路３の幾何学的長さよりも長くなっている。これについては後で詳述する。
【００２１】
つぎに、偏波分離素子１０の特性について説明する。偏波分離素子１０の入力光分波部１に入力される光Ｌ１の光強度をＰ０、第２アーム導波路４を伝搬した光に対する第１アーム導波路３を伝搬した光の位相遅れの量（位相差）をΔφ、出力光合波部２の結合効率をｋとする。すると、出力光合波部２の出力ポートＰout１、Ｐout２から得られる出力光の強度Ｐ１、Ｐ２はそれぞれ式（１１）、（１２）で表すことができる。
【００２２】
【数１】
2012215692.tif 000003
【００２３】
ここで議論を簡単にするために、結合効率ｋを０．５とすると、式（１１）、（１２）は、以下の式（１１ａ）、（１２ａ）となる。
【００２４】
【数２】
2012215692.tif 000004
なお、ｋを０．５に設定したとしても、議論の一般性は失われない。
【００２５】
図３は、ｋ＝０．５としたときの、位相差ΔφとＰ１との関係を示す図である。図４は、ｋ＝０．５としたときの、位相差ΔφとＰ２との関係を示す図である。図３、４から、たとえば以下の式（１３）、（１４）に示す位相差Δφの条件が満たされる場合に、偏波分離素子１０は、出力ポートＰout１からＴＭ偏波成分の光を出力し、出力ポートＰout２からＴＥ偏波成分の光を出力する偏波分離素子として機能する。なお、ΔφＴＭはＴＭ偏波に対する位相差を意味し、ΔφＴＥはＴＥ偏波に対する位相差を意味する。
【００２６】
【数３】
2012215692.tif 000005
【００２７】
ここで、各偏波状態に対するΔφを設定するにあたって、式（１３）、（１４）を満たすΔφに２πの整数倍を加算した値に設定しても偏波分離素子として機能する。ただし、Δφの絶対値が大きくなるにつれて、ＭＺＩ干渉計のＦＳＲが小さくなり、結果として偏波分離素子の動作波長帯域が狭帯域化するため好ましくない。よって、図１に示す偏波分離素子１０において、式（１３）、（１４）を満たすように各偏波状態に対するΔφを±π／２のいずれかに設定すれば、動作波長帯域を最も広帯域化することができるので好適である。
【００２８】
偏波分離素子１０を作製する際には、式（１３）、（１４）を満たすためにトリミング用ヒータ５ａにて第１アーム導波路３に複屈折を付与するトリミングを行うことが好ましい。第１アーム導波路３においてトリミングの効果が及ぶ（すなわち複屈折が付与される）部分の長さと、その部分の長さ方向での実効屈折率（以下、単に屈折率と記載した場合には実効屈折率を意味する）の平均値とをそれぞれＬ１、ｎ１とし、第２アーム導波路４においてトリミングの効果が及ぶ部分の長さと、その部分での屈折率の平均値とをそれぞれＬ２、ｎ２とし、入力される光Ｌ１の波長をλとすると、位相差Δφは以下の式（１５）で表される。
【００２９】
【数４】
2012215692.tif 000006
【００３０】
なお、第１アーム導波路３においてトリミングの効果が及ぶ部分の長さＬ１は、トリミング用ヒータ５ａの長さに略等しい。また、第２アーム導波路４においてトリミングの効果が及ぶ部分の長さＬ２は、トリミング用ヒータ６ａの長さに略等しい。
【００３１】
式（１５）に式（１３）、（１４）で与えられる条件を適用すると、ＴＥおよびＴＭの各偏波成分に対する位相差Δφは以下の式（１３ａ）、（１４ａ）で表される。なお、ｎｉＴＥおよびｎｉＴＭ（ｉ＝１，２）は、それぞれＴＥおよびＴＭの各偏波成分の光に対するｎｉの値を意味する。
【００３２】
【数５】
2012215692.tif 000007
【００３３】
上記式（１３ａ）、（１４ａ）から、第１アーム導波路３および第２アーム導波路４の各光導波路の複屈折Ｂｉ＝ｎｉＴＭ−ｎｉＴＥと、ＴＥおよびＴＭの各偏波成分に対する屈折率の偏波間平均値ｎｉＡｖｅ＝（ｎｉＴＭ＋ｎｉＴＥ）／２について、偏波分離素子１０が機能する際に第１アーム導波路３と第２アーム導波路４との間での満たすべき関係式は、以下の式（１６）、（１７）になる。
【００３４】
【数６】
2012215692.tif 000008
【００３５】
すなわち、上記式（１６）、（１７）を満たすようにトリミングを行うことによって、偏波分離素子１０は所望の偏波分離機能を有するものになる。なお、式（１６）、（１７）においてＬ１＝Ｌ２＝Ｌの場合は、第１アーム導波路３の複屈折Ｂ１を第２アーム導波路４の複屈折Ｂ２よりもλ／（２Ｌ）だけ大きくし、一方でＴＥおよびＴＭの各偏波成分の屈折率の平均値を等しくするようなトリミングを実施すればよい。
【００３６】
たとえば、Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ＝４ｍｍ、λ＝１．５５μｍとすると、ΔＢ＝（Ｂ１−Ｂ２）＝λ／（２Ｌ）＝１．９３７５×１０−４である。そこで、第１アーム導波路３のトリミング用ヒータ５ａに電流を印可し、第１アーム導波路３の複屈折値が第２アーム導波路４の複屈折値よりもΔＢ＝１．９３７５×１０−４だけ大きくなるように、トリミングを行う。
【００３７】
ところで、光導波路にトリミングを施すと、トリミング時間が長くなるにつれてその複屈折率が大きくなるが、それとともに屈折率も高くなる。たとえば、図５は、第１アーム導波路３に対するトリミング時間と第１アーム導波路３の屈折率との関係を示す図である。ここで、線Ｌ１０はＴＥ偏波成分に対する屈折率ｎ１ＴＥを示し、線Ｌ１１はＴＭ偏波成分に対する屈折率ｎ１ＴＭを示し、線Ｌ１２はｎ１ＴＥとｎ１ＴＭとに対する屈折率の偏波間平均値ｎｉＡｖｅ＝（ｎｉＴＭ＋ｎｉＴＥ）／２を示している。また、複屈折Ｂはトリミング時間ｔでの複屈折Ｂ１＝ｎ１ＴＭ−ｎ１ＴＥを示している。
【００３８】
図５に示すように、トリミング時間が長くなるにつれてその複屈折率Ｂ１が大きくなるが、それとともに屈折率ｎ１ＴＥ、ｎ１ＴＭ、および偏波間平均値ｎｉＡｖｅも高くなる。一例として、本発明者らが実測値から見出したｎ１Ａｖｅの増大量はδｎ１＝４×１０−４である。
【００３９】
このように第１アーム導波路３の屈折率が高くなると、第１アーム導波路３と第２アーム導波路４との実効的な光路長に大きな差が発生する場合がある。このように大きな光路長差が発生すると、位相差Δφの絶対値が大きくなるため、動作波長帯域が広い偏波分離素子を実現する上では好ましくない。
【００４０】
また、この位相差Δφの絶対値を小さくするために第２アーム導波路４の屈折率を高めるトリミングを行っても良い。しかし、第２アーム導波路４のトリミングを行うと、第１アーム導波路３のトリミングによって実現したΔＢが小さくなってしまうことがある。その結果、偏波分離特性が低下するので好ましくない。または、ΔＢが小さくなることを考慮して第１アーム導波路３のトリミングを行われなければならないので設計が煩雑になり好ましくない。
【００４１】
これに対して、本実施の形態１に係る偏波分離素子１０では、上述したように、第２アーム導波路４の幾何学的長さが、第１アーム導波路３の幾何学的長さよりも長くなっている。具体的には、第２アーム導波路４の幾何学的長さは、第１アーム導波路３をトリミングした場合に生じる第１アーム導波路３の光路長の増加量に対応する程度だけ、第１アーム導波路３よりも長くなっている。このように、第２アーム導波路４の幾何学的長さは予め第１アーム導波路３の光路長の増加量に対応する程度だけ長くなっているので、トリミング後の第１アーム導波路３と第２アーム導波路４との実効的な光路長に大きな差は発生せず、位相差Δφも小さくなる。その結果、偏波分離素子１０は動作波長帯域が広い偏波分離素子となる。
【００４２】
たとえば、トリミングの前における第１アーム導波路３および第２アーム導波路４でのＴＥ偏波とＴＭ偏波とに対する実効屈折率の偏波間平均値をそれぞれｎ１Ａｖｅ０、ｎ２Ａｖｅ０とし、第１アーム導波路３にトリミングを施した場合の屈折率の偏波間平均値の増加量をδｎ１とすると、第２アーム導波路４の幾何学的長さと第１アーム導波路３の幾何学的長さとの差δＬ２は、下記式（１８）を満たすように設定されることが好ましい。また、Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌであり、かつｎ１Ａｖｅ０＝ｎ２Ａｖｅ０の場合は、式（１８）は式（１８ａ）となる。
【００４３】
【数７】
2012215692.tif 000009
【００４４】
一例として、ｎ２Ａｖｅ０＝１．４５、Ｌ＝４ｍｍ、δｎ１＝４×１０−４とすると、δＬ２＝１．１０３μｍである。この長さは、光波の一波長分に相当する長さであるλ／ｎ２Ａｖｅ０＝１．０６９μｍよりも長く、位相差にして２π以上の大きな値である。また、アーム導波路の幾何学的な長さに関する一般的な製造誤差である０．１μｍ程度よりも１０倍以上長いものである。また、本発明の効果を奏するためには、δＬ２としては、一般的な製造誤差の３倍以上であるたとえば０．３μｍ以上とすることが好ましい。
【００４５】
なお、上記の長さの差δＬ２を算出し、第２アーム導波路４の幾何学的な長さの設計に適用するためには、第１アーム導波路３にトリミングを施した場合の屈折率の平均値の増加量δｎ１の値が必要である。この増加量δｎ１については予備実験等によってデータを取得したり、理論的に導出したりして求めればよい。
【００４６】
以上説明したように、本実施の形態１に係る偏波分離素子１０は、動作波長帯域が広いものとなる。
【００４７】
なお、本実施の形態１では、第２アーム導波路４の幾何学的長さは、第１アーム導波路３をトリミングした場合に生じる第１アーム導波路３の光路長の増加量に対応する程度だけ、第１アーム導波路３よりも長くなっている。しかし、第２アーム導波路４の幾何学的長さは、これよりも短くても良い。たとえば式（１８）、（１８ａ）は等式であるが、長さの差δＬ２は式（１８）、（１８ａ）を満たす値よりも短くても良い。この場合は、長さの差δＬ２を設けたことによっては位相差Δφの絶対値を十分には小さくできない場合があるため第２アーム導波路４のトリミングを行うことが好ましい。この場合のトリミング量は長さの差δＬ２を設けない場合よりも小さくてよいため、偏波分離機能の低下は抑制され、または設計の煩雑さが軽減されるので好ましい。
【００４８】
つぎに、第１アーム導波路３の複屈折を増大させるトリミングを実施する前の段階で、第２アーム導波路４の光路長補正が及ぼす影響について考える。ｎ１Ａｖｅ０＝ｎ２Ａｖｅ０＝ｎ０とおき、Ｌ１＝Ｌ、Ｌ２＝Ｌ＋δＬ２とすると、式（１５）の位相差Δφは式（１５ｂ）のようになる。
【００４９】
【数８】
2012215692.tif 000010
【００５０】
δＬ２＝λ／（４ｎ０）であれば、Δφ＝−π／２となり、出力ポートＰout１で消光することが図３よりわかる。いずれかの出力ポートで消光すると、トリミング前の偏波分離素子のチップ特性評価に支障をきたすため、好ましくない。これに対して、δＬ２の値として、Δφ＝−ｍπ（ｍは０以上の整数）となるような値を選ぶと、トリミング前の段階ではＰout１とＰout２とから得られる出力光のパワー比が１対１になるため、特性評価上都合がよい。したがって、δＬ２としては、式（１９）を満たす値に設定することがより好ましい。ただし、ｍとしては、０以上の整数であり、かつ「δＬ２が式（１８）を満たす値を超えないような最大の整数」以下の値にすることが好ましい。
【００５１】
【数９】
2012215692.tif 000011
【００５２】
（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２に係る偏波分離素子について説明する。図６は、実施の形態２に係る偏波分離素子の模式的な平面図である。図１に示すように、偏波分離素子２０は、図１に示す偏波分離素子１０において、入力光分波部１を入力光分波部２１に置き換え、トリミング用ヒータ５ｂ、６ｂを追加したものである。
【００５３】
入力光分波部２１は、光導波路型で２入力２出力型の方向性結合器で構成されており、一方の入力ポートから入力された光Ｌ１を２分岐して第１アーム導波路３および第２アーム導波路４のそれぞれに入力する。
【００５４】
この偏波分離素子２０では、入力光分波部２１が方向性結合器で構成されているため、偏波分離素子１０とは異なる特性を有している。以下、偏波分離素子１０の特性について説明する。
【００５５】
偏波分離素子２０の入力光分波部２１に入力される光Ｌ１の光強度をＰ０、第２アーム導波路４を伝搬した光に対する第１アーム導波路３を伝搬した光の位相遅れの量（位相差）をΔφ、入力光分波部２１および出力光合波部２の結合効率をｋとする。すると、出力光合波部２の出力ポートＰout１、Ｐout２から得られる出力光の強度Ｐ１、Ｐ２はそれぞれ式（３１）、（３２）で表すことができる。
【００５６】
【数１０】
2012215692.tif 000012
【００５７】
ここで議論を簡単にするために、結合効率ｋを０．５とすると、式（３１）、（３２）は、以下の式（３１ａ）、（３２ａ）となる。
【００５８】
【数１１】
2012215692.tif 000013
となる。なお、ｋを０．５に設定したとしても、議論の一般性は失われない。
【００５９】
図７は、ｋ＝０．５としたときの、位相差ΔφとＰ１との関係を示す図である。図８は、ｋ＝０．５としたときの、位相差ΔφとＰ２との関係を示す図である。図７、８から、たとえば以下の式（３３）、（３４）に示す位相差Δφの条件が満たされる場合に、偏波分離素子２０は、出力ポートＰout１からＴＭ偏波成分の光を出力し、出力ポートＰout２からＴＥ偏波成分の光を出力する偏波分離素子として機能する。
【００６０】
【数１２】
2012215692.tif 000014
【００６１】
ここで、各偏波状態に対するΔφを設定するにあたって、式（３３）、（３４）を満たすΔφに２πの整数倍を加算した値に設定しても偏波分離素子として機能する。ただし、ΔφＴＥに関しては、絶対値が０より大きくなるにつれてＭＺＩ干渉計のＦＳＲが小さくなり、結果として偏波分離素子の動作波長帯域が狭帯域化するため好ましくない。よって、図１に示す偏波分離素子２０において、ΔφＴＥを０に設定すれば、動作波長帯域を最も広帯域化することができるので好適である。一方、ΔφＴＭに関しても同様の議論が可能である。ただし、ΔφＴＭの場合は、ΔφＴＭ＝πの場合のみならず、−πの場合でも、最大の動作帯域が期待できるため、どちらを採用してもよい。以下では、式（３３）、（３４）を満たすように偏波分離素子２０を作製する場合を説明する。
【００６２】
偏波分離素子２０を作製する際に、式（３３）、（３４）を満たすようにするためには、トリミング用ヒータ５ａにて第１アーム導波路３に複屈折を付与するトリミングを行うことが好ましい。ここで、実施の形態１の場合と同様に位相差は式（１５）で表される。
【００６３】
式（１５）に式（３３）、（３４）で与えられる条件を適用すると、ＴＥおよびＴＭの各偏波成分に対する位相差Δφは以下の式（３３ａ）、（３４ａ）で表される。
【００６４】
【数１３】
2012215692.tif 000015
【００６５】
上記式（３３ａ）、（３４ａ）から、第１アーム導波路３および第２アーム導波路４の各光導波路の複屈折Ｂｉと、ＴＥおよびＴＭの各偏波成分に対する屈折率の平均値ｎｉＡｖｅについて、偏波分離素子２０が機能する際に第１アーム導波路３と第２アーム導波路４との間での満たすべき関係式が以下の式（３６）、（３７）として得られる。
【００６６】
【数１４】
2012215692.tif 000016
【００６７】
すなわち、上記式（３６）、（３７）を満たすようにトリミングを行うことによって、偏波分離素子２０は所望の偏波分離機能有するものになる。なお、式（３６）、（３７）においてＬ１＝Ｌ２＝Ｌの場合は、第１アーム導波路３の複屈折Ｂ１の値を第２アーム導波路４の複屈折Ｂ２よりもλ／（２Ｌ）だけ大きくし、ＴＥおよびＴＭの各偏波成分の屈折率の平均値については、第１アーム導波路３の平均値ｎ１Ａｖｅを第２アーム導波路４の平均値ｎ２Ａｖｅよりもλ／（４Ｌ）だけ大きくするようなトリミングを実施すればよい。
【００６８】
たとえば、Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ＝４ｍｍ、λ＝１．５５μｍとすると、ΔＢ＝（Ｂ１−Ｂ２）＝λ／（２Ｌ）＝１．９３７５×１０−４である。そこで、第１アーム導波路３のトリミング用ヒータ５ａに電流を印可し、第１アーム導波路３の複屈折値が第２アーム導波路４の複屈折値よりもΔＢ＝１．９３７５×１０−４だけ大きくなるように、トリミングを行う。
【００６９】
このとき、上述したようにトリミング時間が長くなるにつれてその複屈折率Ｂ１が大きくなるとともに平均値ｎ１Ａｖｅも高くなる。
【００７０】
これに対して、本実施の形態２に係る偏波分離素子２０でも、第２アーム導波路４の幾何学的長さが、第１アーム導波路３の幾何学的長さよりも長くなっている。具体的には、第２アーム導波路４の幾何学的長さは、第１アーム導波路３をトリミングした場合に生じる第１アーム導波路３の光路長の増加量に対応する程度だけ、第１アーム導波路３よりも長くなっている。その結果、偏波分離素子２０は動作波長帯域が広い偏波分離素子となる。
【００７１】
たとえば、偏波分離素子２０における第２アーム導波路４の幾何学的長さと第１アーム導波路３の幾何学的長さとの差δＬ２は、下記式（３８）を満たすように設定されることが好ましい。また、Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌであり、かつｎ１Ａｖｅ０＝ｎ２Ａｖｅ０の場合は、式（３８）は式（３８ａ）となる。
【００７２】
【数１５】
2012215692.tif 000017
【００７３】
一例として、ｎ２Ａｖｅ０＝１．４５、Ｌ＝４ｍｍ、δｎ１＝４×１０−４とすると、δＬ２＝０．７１６μｍである。この長さは、光波の一波長分に相当する長さであるλ／ｎ２Ａｖｅ０＝１．０６９μｍに近く、位相差にして２π近い大きな値である。また、アーム導波路の幾何学的な長さに関する一般的な製造誤差である０．１μｍ程度よりも１０倍近く長いものである。また、本発明の効果を奏するためには、δＬ２としては、一般的な製造誤差の３倍以上であるたとえば０．３μｍ以上とすることが好ましい。
【００７４】
なお、偏波分離素子２０の場合における第１アーム導波路３にトリミングを施した場合の屈折率の偏波間平均値の増加量δｎ１についても、予備実験等によってデータを取得したり、理論的に導出したりして求めればよい。
【００７５】
以上説明したように、本実施の形態１に係る偏波分離素子２０は、動作波長帯域が広いものとなる。
【００７６】
なお、本実施の形態２においても、第２アーム導波路４の幾何学的長さは、第１アーム導波路３をトリミングした場合に生じる第１アーム導波路３の光路長の増加量に対応する程度だけ、第１アーム導波路３よりも長くなっている。しかし、第２アーム導波路４の幾何学的長さは、これよりも短くても良い。たとえば式（３８）、（３８ａ）は等式であるが、長さの差δＬ２は式（３８）、（３８ａ）を満たす値よりも短くても良い。この場合も、実施の形態１の場合と同様に、第２アーム導波路４のトリミングを行う際のトリミング量は長さの差δＬ２を設けない場合よりも小さくてよいため、偏波分離機能の低下は抑制され、または設計の煩雑さが軽減されるので好ましい。
【００７７】
つぎに、第１アーム導波路３の複屈折を増大させるトリミングを実施する前の段階で、第２アーム導波路４の光路長補正が及ぼす影響について考える。ｎ１Ａｖｅ０＝ｎ２Ａｖｅ０＝ｎ０とおき、Ｌ１＝Ｌ、Ｌ２＝Ｌ＋δＬ２とすると、式（１５）の位相差Δφは上述した式（１５ｂ）のようになる。
【００７８】
δＬ２＝０であればΔφ＝０となって出力ポートＰout１で消光し、δＬ２＝λ／（２×ｎ０）であればΔφ＝−πとなって出力ポートＰout２で消光することが図７、８よりわかる。いずれかの出力ポートで消光すると、トリミング前の偏波分離素子のチップ特性評価に支障をきたすため、好ましくない。これに対して、δＬ２の値として、Δφ＝−（ｍ＋０．５）π（ｍは０以上の整数）となるような値を選ぶと、トリミング前の段階ではＰout１とＰout２とから得られる出力光のパワー比が１対１になるため、特性評価上都合がよい。したがって、δＬ２としては、式（３９）を満たす値に設定することがより好ましい。ただし、ｍとしては、０以上の整数であり、かつ「δＬ２が式（３８）を満たす値を超えないような最大の整数」以下の値にすることが好ましい。
【００７９】
【数１６】
2012215692.tif 000018
【００８０】
（実施の形態３）
つぎに、本発明の実施の形態３に係る光集積素子について説明する。図９は、実施の形態３に係る光集積素子の模式的な平面図である。図９に示すように、この光集積素子１００は、基板Ｓ上にＰＬＣの技術によって形成されたものであり、実施の形態１に係る偏波分離素子１０と、光導波路型の９０度ハイブリッド素子３０、４０とが基板Ｓ上に集積されたものである。また、光集積素子１００は、偏波分離素子１０、９０度ハイブリッド素子３０、４０のそれぞれに光を入力させる入力光導波路５１、５２、５３と、偏波分離素子１０と９０度ハイブリッド素子３０、４０のそれぞれを接続する接続光導波路５４、５５と、９０度ハイブリッド素子３０、４０からの出力をそれぞれ出力する４本の光導波路から構成される出力光導波路５６、５７とを備えている。
【００８１】
この光集積素子１００は、ＤＰ−ＱＰＳＫ方式用のコヒーレントミキサとして構成されている。以下、光集積素子１００の動作について説明する。
【００８２】
この光集積素子１００の入力光導波路５１にＤＰ−ＱＰＳＫ信号光Ｌ２を入力し、互いに直交する直線偏波を有する局所発振光Ｌ３、Ｌ４をそれぞれ入力光導波路５２、５３に入力する。すると、偏波分離素子１０はＤＰ−ＱＰＳＫ信号光Ｌ２を直交する２つの直線偏波の信号光Ｌ２１、Ｌ２２に偏波分離する。９０度ハイブリッド素子３０は、信号光Ｌ２１と局所発振光Ｌ３とが入力されると、信号光Ｌ２１をＩチャネル成分の信号光とＱチャネル成分の信号光とに分離して出力光導波路５６から出力する。同様に、９０度ハイブリッド素子４０は、信号光Ｌ２２と局所発振光Ｌ４とが入力されると、信号光Ｌ２２をＩチャネル成分の信号光とＱチャネル成分の信号光とに分離して出力光導波路５７から出力する。
【００８３】
この光集積素子１００は、実施の形態１に係る偏波分離素子１０を備えているので、動作波長帯域が広いコヒーレントミキサとなる。
【００８４】
なお、上記実施の形態では、２入力２出力型の入力光分波部または出力光合波部として方向性結合器を用いている。しかし、入力光分波部または出力光合波部としては、他の２入力２出力型の光カプラを用いても良く、たとえば波長無依存型光カプラ（Wavelength-insensitive coupler：ＷＩＮＣ）や多モード干渉（Multi-Mode Interferometer：ＭＭＩ）型光カプラを用いてもよい。特に、入力光分波部および出力光合波部の両方にＷＩＮＣを用いる場合は、非特許文献４に開示されているように、入力側と出力側とで同一構造のＷＩＮＣを幾何学的に点対称の配置とすることで、ＷＩＮＣの位相特性をキャンセルすることができる。そのため、設計を行いやすく、動作波長帯域が広い偏波分離素子を実現できる。
【００８５】
また、上記実施の形態では、各アーム導波路について一つのヒータ（トリミング用ヒータ５ａあるいは６ａ）を用いて複屈折あるいは屈折率を調整するトリミング手法について述べたが、図６のトリミング用ヒータ５ｂや６ｂのように、各アーム導波路について二つ以上のヒータが搭載されていて、複数のヒータを用いて各アーム導波路の複屈折や屈折率を調整するトリミングを実施してもよい。
【００８６】
また、非特許文献１では、光導波路の幅を太くすることによって複屈折を誘起している。この場合は光導波路の実効屈折率の値が変わってしまうため、ＦＳＲが小さくなる場合がある。その結果、偏波分離素子としての動作波長帯域が狭くなる場合がある。
【００８７】
これに対して、実施の形態１、２に係る偏波分離素子のように、アーム導波路の断面構造（サイズおよ実効屈折率）が光導波方向にわたって略同一とすれば、動作波長帯域の狭帯域化が抑制され、さらに広帯域となるのでより好ましい。
【００８８】
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上記各実施形態の各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。たとえば、実施の形態３における光集積素子に実施の形態２に係る偏波分離素子を適用しても良い。その他、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明に含まれる。
【符号の説明】
【００８９】
１  入力光分波部
２  出力光合波部
３  第１アーム導波路
４  第２アーム導波路
５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂ  トリミング用ヒータ
１０、２０  偏波分離素子
１１、Ｓ  基板
１２  クラッド層
２１  入力光分波部
３０、４０  ９０度ハイブリッド素子
５１、５２、５３  入力光導波路
５４、５５  接続光導波路
５６、５７  出力光導波路
１００  光集積素子
Ｂ  複屈折
Ｌ１  光
Ｌ２、Ｌ２１、Ｌ２２  信号光
Ｌ１０、Ｌ１１、Ｌ１２  線
Ｌ３、Ｌ４  局所発振光
Ｐout１、Ｐout２  出力ポート
【図１】
2012215692.tif 000021
【図２】
2012215692.tif 000022
【図３】
2012215692.tif 000023
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2012215692.tif 000027
【図８】
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【図９】
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