特許 6011719 偏波分離器、及び光デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6011719

(24)【登録日】2016年9月30日

(45)【発行日】2016年10月19日

(54)【発明の名称】偏波分離器、及び光デバイス

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/126 20060101AFI20161006BHJP

【ＦＩ】

   G02B6/126

【請求項の数】5

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2015-513496(P2015-513496)

(86)(22)【出願日】2014年1月10日

(86)【国際出願番号】JP2014000066

(87)【国際公開番号】WO2014174735

(87)【国際公開日】20141030

【審査請求日】2015年9月25日

(31)【優先権主張番号】特願2013-91272(P2013-91272)

(32)【優先日】2013年4月24日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000004237

【氏名又は名称】日本電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】松本 崇

【審査官】 林 祥恵

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１０／１４０３６３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００３−２２２７４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／０２１６７１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００７／０１９６０４２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２００５／００３８５２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ６／１２−６／１４

Ｇ０２Ｂ １／０１

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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、
少なくとも一部がリブ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、
少なくとも一部がチャネル型導波路によって形成され、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、
互いに直交する直線偏光成分の一方では、前記入力光に対する前記第１のアーム導波路と前記第２のアーム導波路の屈折率が同じであり、かつ導波路幅の変化に対する屈折率変化が同じになるような導波路幅で第１及び第２のアーム導波路が形成され、
前記直線偏光成分の他方では、前記第１のアーム導波路を伝搬する前記第１の入力光と前記第２のアーム導波路を伝搬する前記第２の入力光との間に位相差を生じさせる偏波分離器。

【請求項2】

前記第１及び第２のアーム導波路の導波路幅が１〜４μｍとなっている請求項１に記載の偏波分離器。

【請求項3】

前記第１及び第２のアーム導波路がほぼ同じ長さになっている請求項１、又は２に記載の偏波分離器。

【請求項4】

請求項１〜３のいずれか１項に記載の偏波分離器を多段に接続した光デバイス。

【請求項5】

前段の前記偏波分離器の前記合波器からは、互いに直交する直線偏光成分である第1の偏光と第２の偏光が分離して出力され、
後段の前記偏波分離器の前記分波器には、前記入力光として前記第１の偏光が入力され、
前記１の偏光では、前記入力光に対する前記第１のアーム導波路と前記第２のアーム導波路の屈折率が同じであり、かつ導波路幅の変化に対する屈折率変化が同じになるような導波路幅で、前記後段の偏波分離器の前記第１及び第２のアーム導波路が形成されている請求項４に記載の光デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、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以降の本命として、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キーコンポーネントとしている。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。これらのコンポーネントは、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では、ＳｉＯ_２を用いた偏波分離素子が開示されている。

【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ＳｉＯ_２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

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ＳｉフォトニクスによるＰＢＳとしては、Ｓｉ細線導波路を用いた方向性結合器型、ＭＭＩ(Multi Mode Interferometer)型、リブ型導波路を用いたＭＺＩ(Mach Zehnder Interferometer)型などが提案されている。しかしながら、これらのＰＢＳは、十分に生産適用できる範囲のものとは言えず、製品化されるにいたっていない。

【0007】

これまでのＳｉフォトニクスのＰＢＳでは、それぞれ以下のような問題点が挙げられる。まず、Ｓｉ細線導波路による方向性結合器型では、２本の導波路の間隔を制御することが困難である。さらに、導波路自体の伝搬損失が大きく、現状では光集積回路として利用することは困難である。これはＭＭＩ型でも同様である。

【0008】

一方、リブ型導波路を用いたＭＺＩ型では伝搬損失は細線導波路に比べて小さい。しかしながら、ＭＺＩを構成する２本のアームの屈折率を制御することが困難であり、製造トレランスが十分確保できない。

【0009】

本発明は、生産性の高い偏波分離器、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】

【0010】

本願発明の一態様にかかる偏波分離器は、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、少なくとも一部がリブ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、少なくとも一部がチャネル型導波路によって形成され、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、互いに直交する直線偏光成分の一方では、前記入力光に対する前記第１のアーム導波路と前記第２のアーム導波路の屈折率が同じであり、かつ導波路幅の変化に対する屈折率変化が同じになるような導波路幅で第１及び第２のアーム導波路が形成され、前記直線偏光成分の他方では、前記第１のアーム導波路を伝搬する前記第１の入力光と前記第２のアーム導波路を伝搬する前記第２の入力光との間に位相差を生じさせるものである。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、生産性の高い偏波分離器、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】

【0012】

【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】ＰＢＳの全体構成を示す概略図である。

【図4】ＰＢＳの構成を示す断面図である。

【図5】Ｓｉリブ型導波路の分散関係を示すグラフである。

【図6】２本のアーム導波路をリブ型導波とした場合の、ＰＢＳのスペクトルの一例を示すグラフである。

【図7】２本のアーム導波路をリブ型導波とした場合の、導波路幅のトレランスを示すグラフである。

【図8】２本のアーム導波路をリブ型導波とした場合の、導波路幅のトレランスを示すグラフである。

【図9】ＴＥ偏光における、チャネル型導波路とリブ型導波路の分散関係を示すグラフである。

【図10】ＴＭ偏光における、チャネル型導波路とリブ型導波路の分散関係を示すグラフである。

【図11】ＴＭ偏光での屈折率整合を示すグラフである。

【図12】導波路幅を最適化したときの導波路幅のトレランスを示すグラフである。

【図13】導波路幅を最適化したときの導波路幅のトレランスを示すグラフである。

【図14】導波路幅を最適化したときの導波路幅のトレランスを示すグラフである。

【図15】導波路幅を最適化したときの導波路幅のトレランスを示すグラフである。

【図16】ＰＢＳを２段に接続した光デバイスを示す図である。

【図17】２段ＰＢＳの導波路幅のトレランスを示すグラフである。

【図18】２段ＰＢＳの導波路幅のトレランスを示すグラフである。

【図19】２段ＰＢＳの導波路幅のトレランスを示すグラフである。

【図20】２段ＰＢＳの導波路幅のトレランスを示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施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。

【0014】

本実施の形態にかかるＰＢＳ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と、チャネル型構造のシリコン導波路断面を示す。

【0015】

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ＳｉＯ_２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、ＳｉＯ_２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。

【0016】

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。

【0017】

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。本実施の形態にかかる偏波分離器ＰＢＳは、チャネル型構造とリブ型構造の両方を有している。

【0018】

本実施の形態にかかるＰＢＳは、コヒーレントミキサ素子に用いられる。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。ＰＢＳは偏波分離機能を有する回路である。ＰＢＳ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ＰＢＳ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。

【0019】

図３は、ＭＺＩ型ＰＢＳの全体構成を模式的に示す図である。ＰＢＳ１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。ＰＢＳ１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。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。

【0020】

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。

【0021】

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ＰＢＳが入力光を偏波分離する。ＰＢＳ１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。

【0022】

分波器１１、及び合波器１４は同じタイプのシリコン導波路で形成されている。例えば、分波器１１、及び合波器１４はリブ型のシリコン導波路で構成されている。なお、分波器１１、及び合波器１４をチャネル型のシリコン導波路で形成してもよい。分波器１１、及び合波器１４をチャネル型導波路５１とすることで、小型化することができる。第１のアーム導波路１２の少なくとも一部は、リブ型導波路で形成されている。第２のアーム導波路１３の少なくとも一部は、チャネル型導波路で形成されている。すなわち、２つのアーム導波路のうちの一方が、リブ型導波路５０となっており、他方がチャネル型導波路５１となっている。

【0023】

分波器１１、及び合波器１４をリブ型導波路で構成した場合、第２のアーム導波路１３には、リブ型導波路からチャネル型導波路の遷移領域、及びチャネル型導波路からリブ型導波路への遷移領域が設けられる。第１のアーム導波路１２は、全て、リブ型導波路５０で形成される。反対に、分波器１１、及び合波器１４をチャネル型シリコン導波路５１で構成した場合、第２のアーム導波路１３には、チャネル型導波路５１からリブ型導波路５０の遷移領域、及びリブ型導波路からチャネル型導波路への遷移領域が設けられる。合波器１４は、全て、チャネル型導波路５１で形成される。

【0024】

ここで、アーム部１５におけるＰＢＳ１の断面図を図４に示す。図４に示すように、第１のアーム導波路１２は、チャネル型導波路５１となっている。第２のアーム導波路１３は、リブ型導波路５０となっている。リブ型導波路５０のコア層２３とチャネル型導波路５１のコア層２３の間に上層クラッド層２４が配置されている。よって、リブ型導波路５０のコア層２３とチャネル型導波路５１のコア層２３が分離して形成される。リブ型導波路５０では、リブ２３aの近傍に光が閉じ込められる。リブ型導波路５０では、光が閉じ込められる領域が、リブ２３aよりも若干広がる。このため、リブ２３ａだけでなく、リブ２３ａの下と周辺のコア層２３内も光が伝搬する。チャネル型導波路５１では、コア層２３に光が閉じ込められる。さらに、リブ型導波路５０では、光パワーを検出できない程度の幅だけコア層２３が広がって形成される。リブ型導波路５０のリブ２３aを含めたコア層２３の厚みと、チャネル型導波路５１のコア層２３の厚みは、ほぼ等しくなっている。

【0025】

ＭＺＩ型ＰＢＳ１の基本動作について説明する。図３のようなＭＺＩ型ＰＢＳ１において、ＰＢＳ動作を示すためには、以下の式（１）、（２）を満たす必要がある。
(2π/λ)×n_TE1L₁−(2π/λ)×n_TE2L₂＝0・・・（1）
(2π/λ)×n_TM1L₁−(2π/λ)×n_TM2L₂＝π・・・（2）

【0026】

ここで、λは動作波長、Ｌ_１は第１のアーム導波路１２のアーム長、Ｌ_２は第２のアーム導波路１３の導波路長である。ｎ_ＴＥ１は第１のアーム導波路１２でのＴＥ偏光の屈折率、ｎ_ＴＥ２は第２のアーム導波路１３でのＴＥ偏光の屈折率である。同様に、ｎ_ＴＭ１は第１のアーム導波路１２でのＴＭ偏光の屈折率、ｎ_ＴＭ２は第２のアーム導波路１３でのＴＭ偏光の屈折率である。

【0027】

分波器１１で分かれた光は各アーム間でＴＥ偏光に対しては同位相となり、ＴＭ偏光に対してはπ位相がずれれば、ＴＥ偏光とＴＭ偏光が異なる出力ポートから出射することとなる。このとき、位相条件に関しては、ＴＥ/ＴＭが入れ替わってもよい。すなわち、ＴＭ偏光を同位相とし、ＴＥ偏光を逆位相としてもよい。

【0028】

次に我々が検討しているＳｉリブ型導波路の分散関係を図５に示す。図５は、リブ２３aを含めたコア層２３の厚さを１.５μm、リブ２３aの深さを０．９２５μmとして計算し多結果を示している。図５において、横軸は、導波路幅を示し、縦軸は屈折率を示している。さらに、図５では、ＴＥ偏光に対する屈折率とＴＭ偏光に対する屈折率の差（ｎ_ＴＥ−ｎ_ＴＭ）をｄｎとして示している。屈折率差ｄｎが複屈折の大きさを示すことになる。およそ１０^―３オーダの複屈折が見込め、ＰＢＳ１を構成するには十分な複屈折量があることがわかる。

【0029】

式（１）の位相条件を満たすように、ＰＢＳ１を構成したときの透過スペクトルの１例を図６に示す。ここでは、第１のアーム導波路１２及び第２のアーム導波路１３をリブ型導波路５０とし、それぞれの導波路幅を１．５μm、３μmと設定している。図６において、横軸は、動作波長を示し、縦軸はＴＥ偏光、ＴＭ偏光の損失（透過率）を示している。ＴＥ偏光の損失とＴＭ偏光の損失の差が大きくなるほど、偏波消光比が大きくなる。Ｃ帯内において偏波消光比３０ｄＢ以上のＰＢＳ１を構成できている。しかしながら、実際のプロセスでは導波路幅が設計値からずれることは十分に考えられる。

【0030】

そこで、それぞれの導波路幅を設計値からｄＷ変化させたときの過剰損失と偏波消光比を図７、及び図８に示す。図７において、横軸が設計値からの導波路幅のずれｄＷを示し、縦軸が偏波消光比を示している。図８において、横軸が設計値からの導波路幅のずれｄＷを示し、縦軸が損失を示している。

【0031】

トレランスとしては帯域の端が最も厳しくなる。このため、図７、図８は、Ｃ帯の最長波（１．５６６μｍ）、最短波（１．５２７μｍ）の２波長についての損失、偏波消光比を示している。また、第１のアーム導波路１２と第２のアーム導波路１３は近接しているため、導波路幅が同じように変化すると仮定している。すなわち、第１のアーム導波路１２と第２のアーム導波路１３の導波路幅が設計値からほぼ同じ大きさだけずれると仮定している。過剰損失、偏波消光比ともに導波路幅の変動に対して、非常に急峻な変動を示している。ここで実用上必要とされる偏波消光比２０ｄＢを一つの基準とすると、±５ｎｍ程度のトレランスしか許されておらず、製品化には厳しい結果となっている。

【0032】

これらの損失、偏波消光比の変動は導波路幅が変動することにより、それぞれのアーム導波路の屈折率が変化し、式（１）、（２）を満たせないためである。特に１．５μｍ導波路では分散関係が急峻に変化している部分であり、これが特性を急激に悪化させ、ＰＢＳ１の製品化を難しくしている原因である。

【0033】

そこで、本実施形態では、ＰＢＳ１の２本のアーム導波路をそれぞれ異なる構造の導波路で製作している。すなわち、図４で示したように、第１のアーム導波路１２をチャネル型導波路５１とし、第２のアーム導波路１３をリブ型導波路５０で形成している。そして、２本のアーム導波路間でＴＥ偏光、ＴＭ偏光のどちらかの分散関係を一致させる。こうすることで、導波路幅の製造ばらつきに強いＰＢＳ１を実現することができる。仮にＴＥ偏光の屈折率を合わせたとき、すなわちｎ_ＴＥ１＝ｎ_ＴＥ２となるとき、式（１）はＬ_１＝Ｌ_２となる。換言すると、直交する直線偏光成分の一方に対して、第１のアーム導波路１２と第２のアーム導波路１３の屈折率が同じになるとき、第１のアーム導波路１２と第２のアーム導波路１３のアーム長（導波路長）がほぼ等しくなる。このため、式（２）は以下の式（３）のように変形される。

【0034】

(2π/λ)×n_TM1L₁−(2π/λ)×n_TM2L₂=π → L=λ/(2 (n_TM1- n_TM2)) ・・・（３）

【0035】

式（２）のＬ_１＝Ｌ_２＝Ｌとすることで式（３）が得られる。従って、ＰＢＳ１のアーム長は２本のＴＭ側の屈折率差のみで決まる。すなわち、ｎ_ＴＥ１＝ｎ_ＴＥ２となっているため、アーム長Ｌによらず、ＴＥ偏光での位相差は０となる。

【0036】

次にＳｉリブ型導波路と、Ｓｉチャネル型導波路の分散関係を図９、図１０に示す。図９において、横軸は、導波路幅を示し、縦軸は、ＴＥ偏光に対する屈折率を示している。図１０において、横軸は、導波路幅を示し、縦軸は、ＴＭ偏光に対する屈折率を示している。図９、図１０は、それぞれ、リブ型導波路５０、チャネル型導波路５１の両方の屈折率を示している。

【0037】

導波路幅が広い領域では、２つの導波路構造がほとんど重なっているように見える。したがって、ｎ_ＴＥ１＝ｎ_ＴＥ２となり、式（３）のような状況が作れることが予想される。しかしながら、ＴＭ偏光の屈折率差が小さく、現実的な大きさでＰＢＳ１を構成することができない。すなわち、ＴＭ偏光に対して位相差をπとするためには、アーム長Ｌが長くなり、ＰＢＳ１が大型化してしまう。従って、導波路幅の狭い領域でＰＢＳ１を作る必要がある。

【0038】

ここで、図９において、リブ型導波路５０のみ導波路幅を０．１μｍ変えたときの分散関係を図１１に示す。図１１では、導波路幅Wが１．５μｍ〜２．５μｍの範囲を拡大して示している。図１１に示されるように、リブ型導波路５０をチャネル型導波路５１よりも０．１μｍ幅広にすることで、分散関係がほぼ一致する。例えば、導波路幅１．７μｍ付近でチャネル型導波路とリブ型導波路の分散関係がほぼ一致している。これは、例えばリブ型導波路５０の導波路幅を１．６μmに、チャネル型導波路５１の導波路幅を１．７μｍに設定することで、導波路幅がずれたとしても屈折率が同じように変化することを表している。したがって、導波路幅の製造ばらつきに強いＰＢＳ１が構成できる。なお、導波路幅の設定値は一意で決まるものではなく、必要とするアーム長の大きさ、また必要な導波路幅のトレランスにより決定される。リブ型導波路５０を用いる場合には、導波路幅１〜４μｍ程度が望ましい。これにより、一方の偏光成分に対しては、第１のアーム導波路１２と第２のアーム導波路１３の屈折率差が大きくなる。よって、ＰＢＳ１を大型化することなく、アーム間で位相をずらすことができる。

【0039】

この考えに基づいてＰＢＳ１を構成し、トレランスを計算した結果を図１２〜図１５に示す。図１２では、横軸が導波路幅ＷのずれｄＷを示し、縦軸がＴＥ偏光の損失を示している。図１３では、横軸が導波路幅ＷのずれｄＷを示し、縦軸がＴＭ偏光の損失を示している。図１４では、横軸が導波路幅ＷのずれｄＷを示し、縦軸がＴＥ偏光に対する偏波消光比を示している。図１５では、横軸が導波路幅ＷのずれｄＷを示し、縦軸がＴＭ偏光に対する偏波消光比を示している。

【0040】

このときの導波路幅は、リブ型導波路１．９１μｍ、チャネル型導波路が２μｍである。図７、８と比較して、導波路幅のずれｄＷの許容範囲が改善されている。導波路幅のずれｄＷが大きくなった場合でも、損失が小さくなっている。リブ型導波路５０とチャネル型導波路５１とで、ＴＥ偏光に対する分散関係を一致させたことにより、損失については十分なトレランスを持つことがわかる。ただし、ＴＥ偏光について最適化したため、ＴＭ偏光はＴＥ偏光よりも若干の損失が増加しているが、実用上問題ない範囲である。

【0041】

一方、偏波消光比は１段のＰＢＳでは十分に満たすことができない。そこで損失には十分な余裕があるので、ＰＢＳを２段にすることで、偏波消光比は向上させることが出来る。図１６にＰＢＳを２段構成にした光デバイス１００の構成を示す。光デバイス１００は、多段に接続されたＰＢＳ１〜ＰＢＳ３を備えている。ＰＢＳ１が１段目となっており、ＰＢＳ２、及びＰＢＳ３が２段目になっている。したがって、ＰＢＳ１から出力された出力光が、ＰＢＳ２、及びＰＢＳ３の入力光となる。

【0042】

ＰＢＳ１とＰＢＳ３は、それぞれ、図２で示したＰＢＳ１と同様に、分波器１１、第１のアーム導波路１２、第２のアーム導波路１３、合波器１４、アーム部１５、入力導波路１６、出力導波路１７を備えている。すなわち、ＰＢＳ１、ＰＢＳ３において、第１のアーム導波路１２及び第２のアーム導波路１３の一方がリブ型導波路５０となっており、他方がチャネル型導波路５１となっている。そして、第１のアーム導波路１２と第２のアーム導波路１３とで、分散関係がほぼ一致するよう、導波路幅を異ならせている。
ＰＢＳ２は、ＰＢＳ１と同様に、分波器１１、合波器１４、入力導波路１６、出力導波路１７を備えている。また、ＰＢＳ２は、第１のアーム導波路３２と第２のアーム導波路３３を有するアーム部３５を備えている。ＰＢＳ２の基本的構成は、図２で示したＰＢＳ１と同様になっており、ＰＢＳ２の第１のアーム導波路３２、第２のアーム導波路３３、及びアーム部３５が、ＰＢＳ１のアーム部１５、第１のアーム導波路１２、第２のアーム導波路１３にそれぞれ対応する。ＰＢＳ２においても、ＰＢＳ１と同様に、第１のアーム導波路３２及び第２のアーム導波路３３の一方がリブ型導波路５０となっており、他方がチャネル型導波路５１となっている。そして、第１のアーム導波路３２と第２のアーム導波路３３とで、分散関係がほぼ一致するよう、導波路幅を異ならせている。

【0043】

ＰＢＳ１は、ＴＭ偏光とＴＥ偏光を偏波分離して、出力する。ＰＢＳ１の出力導波路１７の一方は、ＰＢＳ２に結合されており、他方は、ＰＢＳ３に結合されている。したがって、ＰＢＳ２の入力導波路１６には、ＴＭ偏光が入力光として入力される。ＰＢＳ３の入力導波路１６には、ＴＥ偏光が入力光として入力される。なお、ＰＢＳ１で偏波分離されたＴＭ偏光、及びＴＥ偏光には、残留偏波成分が残っている。すなわち、ＰＢＳ２に入力されるＴＭ偏光には、ＴＥ偏光成分がわずかに残留している。同様に、ＰＢＳ３に入力されるＴＥ偏光には、ＴＭ偏光成分がわずかに残留している。なお、図１６では、残留偏波成分を括弧内に示している。

【0044】

ＰＢＳ２は、入力光であるＴＭ偏光に対して最適化されている。すなわち、ＰＢＳ２では、ＴＭ偏光に対して、第１のアーム導波路３２と第２のアーム導波路３３とで位相が揃えられている。換言すると、ＴＭ偏光に対する第１のアーム導波路３２と第２のアーム導波路３３の屈折率が同じとなっており、導波路幅の変化に対する屈折率変化が同じになるような導波路幅で、ＰＢＳ２の第１のアーム導波路３２と第２のアーム導波路３３が形成されている。一方、残留偏波成分であるＴＥ偏光ついては、ＰＢＳ２が、第１のアーム導波路３２と第２のアーム導波路３３との間で光に位相差を生じさせる。１段目で切り出したＴＭ偏光に対しては、２段目のＰＢＳ２をＴＭ偏光に対して最適化することで、損失増加を抑えることが出来る。

【0045】

ＰＢＳ３は、入力光であるＴＥ偏光に対して最適化されている。すなわち、ＰＢＳ３では、ＴＥ偏光については、第１のアーム導波路１２と第２のアーム導波路１３とで位相が揃えられている。換言すると、ＴＥ偏光に対する第１のアーム導波路１２と第２のアーム導波路１３の屈折率が同じとなっており、導波路幅の変化に対する屈折率変化が同じになるような導波路幅で、ＰＢＳ３の第１のアーム導波路１２と第２のアーム導波路１３が形成されている。一方、残留偏波成分であるＴＭ偏光ついては、ＰＢＳ３において、第１のアーム導波路１２と第２のアーム導波路１３との間で光に位相差を生じさせる。１段目で切りだしたＴＥ偏光に対しては、２段目のＰＢＳ３をＴＥ偏光に対して最適化することで、損失増加を抑えることが出来る。

【0046】

ＰＢＳ１を２段とした場合の計算結果を図１７〜図２０に示す。図１７では、横軸が導波路幅ＷのずれｄＷを示し、縦軸がＴＥ偏光の損失を示している。図１８では、横軸が導波路幅ＷのずれｄＷを示し、縦軸がＴＭ偏光の損失を示している。図１９では、横軸が導波路幅ＷのずれｄＷを示し、縦軸がＴＥ偏光に対する偏波消光比を示している。図２０では、横軸が導波路幅ＷのずれｄＷを示し、縦軸がＴＭ偏光に対する偏波消光比を示している。

【0047】

なお、ＴＭ偏光側のＰＢＳ２に関してはリブ型導波路を１．９４μｍ、チャネル型導波路を２μｍとしている。なお、ＴＥ偏光側については、上記の通り、リブ型導波路を１．９１μｍ、チャネル型導波路を２μｍとしている。偏波消光比はＴＥ偏光、ＴＭ偏光ともに２０ｄＢ以上を確保できている。また、２段目をそれぞれの偏光について屈折率を最適化したため、２段の構成としても損失増加はほとんど見られない結果となっている。これにより損失、偏波消光比ともに導波路幅に対して十分なトレランスをもつＰＢＳを構成できる。

【0048】

以上のように、互いに直交する直線偏光成分のうちの一方については、第１のアーム導波路１２と第２のアーム導波路１３とを伝搬する光の位相を揃え、他方については、光の位相をずらしている。そして、第１のアーム導波路１２と第２のアーム導波路１３の一方にリブ型導波路５０を形成し、他方にチャネル型導波路５１を形成している。そして、第１のアーム導波路１２と第２のアーム導波路１３を同じ長さで、異なる導波路幅としている。例えば、リブ型導波路５０とチャネル型導波路５１との導波路幅の差を０．１μｍ程度、又はそれ以下としている。

【0049】

ＰＢＳ１では、ＴＥ偏光に対する第１のアーム導波路１２と第２のアーム導波路１３の屈折率が同じになっており、かつ、導波路幅の変化に対する屈折率変化が同じになるような導波路幅で第１のアーム導波路１２と第２のアーム導波路１３が形成されている。一方、ＴＭ偏光にこれにより、第１のアーム導波路１２を伝搬するＴＥ偏光と第２のアーム導波路１３を伝搬するＴＥ偏光とで、位相を揃えることができる。ＴＭ偏光については、第１のアーム導波路１２を伝搬する光と第２のアーム導波路１３を伝搬する光との間に位相差を生じさせる。

【0050】

このように、２本のアーム導波路をＳｉリブ型導波路とＳｉチャネル型導波路として、ＰＢＳを構成する。そして、第１のアーム導波路１２と第２のアーム導波路１３に対して、ＴＥ/ＴＭ偏光どちらかの屈折率の分散関係を合わせる。こうすることにより、導波路幅に対する製造ばらつきに強い偏光分離素子である。

【0051】

さらに、偏波消光比を高くするために、図１６のようにＰＢＳを多段に接続することができる。そして、前段のＰＢＳ１の合波器１４からは、ＴＥ偏光とＴＭ偏光が分離して出力される。後段のＰＢＳ２の分波器１１には、入力光としてＴＭ偏光が入力される。ＰＢＳ２では、ＴＭ偏光に対する第１のアーム導波路１２と第２のアーム導波路１３の屈折率が同じであり、かつ導波路幅の変化に対する屈折率変化が同じになるような導波路幅で第１及び第２のアーム導波路が形成されている。そして、ＰＢＳ２において、ＴＥ偏光については、第１のアーム導波路１２を伝搬する光と第２のアーム導波路１３を伝搬する光との間に位相差を生じさせる。

【0052】

後段のＰＢＳ３の分波器には、入力光としてＴＥ偏光が入力される。後段のＰＢＳ３では、ＴＥ偏光に対する第１のアーム導波路１２と第２のアーム導波路１３の屈折率が同じであり、かつ導波路幅の変化に対する屈折率変化が同じになるような導波路幅で第１及び第２のアーム導波路が形成されている。そして、ＰＢＳ３において、ＴＭ偏光については、第１のアーム導波路１２を伝搬する光と第２のアーム導波路１３を伝搬する光との間に位相差を生じさせる。なお、ＰＢＳ２、又はＰＢＳ３の一方のみをＰＢＳ１の後段に接続してもよい。

【0053】

もちろん、ＰＢＳを３段以上にしてもよい。ＰＢＳを多段接続させ、２段目以降については、損失を減らしたい偏光に対して屈折率を一致させる、こうすることにより、導波路幅に対する製造ばらつきに強い偏光分離素子を実現することができる。さらに、多段接続したＰＢＳの後段に９０°ＯＨなどを設けて、コヒーレントレシーバとすることも可能である。さらには、ＰＢＳをコヒーレントレシーバ以外の光デバイスに用いてもよい。

【0054】

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。

【0055】

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。

【0056】

この出願は、２０１３年４月２４日に出願された日本出願特願２０１３−９１２７２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。

【符号の説明】

【0057】

１〜３ ＰＢＳ
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
５０ リブ型導波路
５１ チャネル型導波路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】