再表 2019-117313 光偏波素子およびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

【公報種別】再公表特許(A1)

(11)【国際公開番号】WO/0

(43)【国際公開日】2019年6月20日

【発行日】2020年12月17日

(54)【発明の名称】光偏波素子およびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/126 20060101AFI20201120BHJP

   G02B 6/28 20060101ALI20201120BHJP

【ＦＩ】

   G02B6/126

   G02B6/28 P

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

【全頁数】17

【出願番号】特願2019-559239(P2019-559239)

(21)【国際出願番号】PCT/0/0

(22)【国際出願日】2018年12月17日

(31)【優先権主張番号】特願2017-240322(P2017-240322)

(32)【優先日】2017年12月15日

(33)【優先権主張国】JP

(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,ST,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DJ,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JO,JP,KE,KG,KH,KN,KP,KR,KW,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT

(71)【出願人】

【識別番号】000005290

【氏名又は名称】古河電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】特許業務法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 淳一

【テーマコード（参考）】

2H147

【Ｆターム（参考）】

2H147AB21

2H147BD15

2H147BE17

2H147BE22

2H147EA12A

2H147EA12B

2H147EA12C

2H147EA13C

2H147EA14A

2H147EA14B

2H147EA14C

2H147EA32A

2H147EA35A

2H147FA05

2H147FA09

2H147FA21

2H147FA26

2H147FC03

(57)【要約】

光偏波素子は、第１ポート導波路と、２つの第２ポート導波路と、前記第１ポート導波路及び前記２つ第２ポート導波路と光学的に接続された多モード干渉導波路と、を備え、前記多モード干渉導波路にはスリットが形成されており、該スリットは、前記第１ポート導波路から入力された互いに直交する偏波の光のそれぞれに対して、前記多モード干渉導波路が異なる実効屈折率を与え、かつ前記互いに直交する偏波の光が分離されて前記２つの第２ポート導波路のそれぞれから出力される形状に形成されている。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１ポート導波路と、
２つの第２ポート導波路と、
前記第１ポート導波路及び前記２つの第２ポート導波路と光学的に接続された多モード干渉導波路と、
を備え、前記多モード干渉導波路にはスリットが形成されており、該スリットは、前記第１ポート導波路から入力された互いに直交する偏波の光のそれぞれに対して、前記多モード干渉導波路が異なる実効屈折率を与え、これにより前記互いに直交する偏波の光が分離されて前記２つの第２ポート導波路のそれぞれから出力される形状に形成されていることを特徴とする光偏波素子。

【請求項2】

前記スリットは、前記第１ポート導波路から前記２つの第２ポート導波路へ向かう方向に延伸していることを特徴とする請求項１に記載の光偏波素子。

【請求項3】

前記スリットが複数形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光偏波素子。

【請求項4】

前記スリットは略直線状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光偏波素子。

【請求項5】

前記スリットの幅が０．３μｍ以上、５．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の光偏波素子。

【請求項6】

前記第１ポート導波路、前記第２ポート導波路および前記多モード干渉導波路の各導波路の外周を取り囲むクラッドを備えており、
前記クラッドに対する前記各導波路の比屈折率差が０．７％以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の光偏波素子。

【請求項7】

前記第１ポート導波路、前記第２ポート導波路および前記多モード干渉導波路はジルコニアを含む石英系ガラス材料からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の光偏波素子。

【請求項8】

第１ポート導波路と、
２つの第２ポート導波路と、
前記第１ポート導波路及び前記２つの第２ポート導波路と光学的に接続された矩形の多モード干渉導波路と、
を備え、前記多モード干渉導波路には１以上のスリットが形成されており、該スリットは、前記第１ポート導波路から前記２つの第２ポート導波路へ向かう方向に略平行に延伸していることを特徴とする光偏波素子。

【請求項9】

第１ポート導波路と、２つの第２ポート導波路と、前記第１ポート導波路及び前記２つの第２ポート導波路と光学的に接続された多モード干渉導波路との導波路形状を形成する工程と、
前記多モード干渉導波路にスリットを形成する工程と、
を含み、前記スリットを、前記第１ポート導波路から入力された互いに直交する偏波の光のそれぞれに対して、前記多モード干渉導波路が異なる実効屈折率を与え、これにより前記互いに直交する偏波の光が分離されて前記２つの第２ポート導波路のそれぞれから出力される形状に形成することを特徴とする光偏波素子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光の偏波合成や偏波分離を行うことができる光偏波素子およびその製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年の偏波ダイバーシティやコヒーレントミキサ等を使用した高性能の光通信方式においては、光の偏波合成や偏波分離を行うことができる光偏波素子が使用される。従来、このような光偏波素子として、マッハツェンダー（Mach-Zehnder Interferometer：ＭＺＩ）型干渉計の構成を採用した光導波路型の光偏波素子が知られている。この種の光偏波素子では、アーム導波路を横断するようにスリットを形成し、そのスリット内に１／４波長板を挿入する構成が採用される場合がある（特許文献１）。

【0003】

ここで、光偏波素子においてアーム導波路を伝搬する光は、スリット内を通過する間は導波路による光閉じ込めを受けないため、放射損失が生じる。この放射損失は、スリットの幅が広いほど大きくなり、また導波路の比屈折率差が大きい程大きくなる。このような放射損失は、偏波素子の過剰損失を増加させるものであるから、できるだけ低減することが好ましい。放射損失を低減する方法として、スリットにより横断されたアーム導波路の形状を、スリットに向かってテーパ状に幅が広がる形状とする方法が知られている（特許文献２）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第６２１９８８７号

【特許文献2】特開２０１７−１８１９６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

石英系ガラスからなる平面光波回路（Planar Lightwave Circuit：ＰＬＣ）技術を用いた光導波路においては、近年は比屈折率差が大きい設計が提案されてきているため、放射損失をより一層低減することが望まれている。また、従来の光偏波素子では、スリット内に１／４波長板を挿入して実装するための作業が必要となる。この作業のためには、挿入箇所の周囲にある程度のスペースが必要となるため、例えば２つのアーム導波路の間隔を広げたり、スリットの長さをある程度の長さ以上としたりする必要があるため、素子が必要以上に大型化する場合がある。

【0006】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、放射損失を抑制し、小型化が可能であり、かつ製造も容易な光偏波素子およびその製造方法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】

【0007】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る光偏波素子は、第１ポート導波路と、２つの第２ポート導波路と、前記第１ポート導波路及び前記２つの第２ポート導波路と光学的に接続された多モード干渉導波路と、を備え、前記多モード干渉導波路にはスリットが形成されており、該スリットは、前記第１ポート導波路から入力された互いに直交する偏波の光のそれぞれに対して、前記多モード干渉導波路が異なる実効屈折率を与え、これにより前記互いに直交する偏波の光が分離されて前記２つの第２ポート導波路のそれぞれから出力される形状に形成されていることを特徴とする。

【0008】

本発明の一態様に係る光偏波素子は、前記スリットは、前記第１ポート導波路から前記２つの第２ポート導波路へ向かう方向に延伸していることを特徴とする。

【0009】

本発明の一態様に係る光偏波素子は、前記スリットが複数形成されていることを特徴とする。

【0010】

本発明の一態様に係る光偏波素子は、前記スリットは略直線状であることを特徴とする。

【0011】

本発明の一態様に係る光偏波素子は、前記スリットの幅が０．３μｍ以上、５．０μｍ以下であることを特徴とする。

【0012】

本発明の一態様に係る光偏波素子は、前記第１ポート導波路、前記第２ポート導波路および前記多モード干渉導波路の各導波路の外周を取り囲むクラッドを備えており、前記クラッドに対する前記各導波路の比屈折率差が０．７％以上であることを特徴とする。

【0013】

本発明の一態様に係る光偏波素子は、前記第１ポート導波路、前記第２ポート導波路および前記多モード干渉導波路はジルコニアを含む石英系ガラス材料からなることを特徴とする。

【0014】

本発明の一態様に係る光偏波素子は、第１ポート導波路と、２つの第２ポート導波路と、前記第１ポート導波路及び前記２つの第２ポート導波路と光学的に接続された矩形の多モード干渉導波路と、を備え、前記多モード干渉導波路には１以上のスリットが形成されており、該スリットは、前記第１ポート導波路から前記２つの第２ポート導波路へ向かう方向に略平行に延伸していることを特徴とする。

【0015】

本発明の一態様に係る光偏波素子の製造方法は、第１ポート導波路と、２つの第２ポート導波路と、前記第１ポート導波路及び前記２つの第２ポート導波路と光学的に接続された多モード干渉導波路との導波路形状を形成する工程と、前記多モード干渉導波路にスリットを形成する工程と、を含み、前記スリットを、前記第１ポート導波路から入力された互いに直交する偏波の光のそれぞれに対して、前記多モード干渉導波路が異なる実効屈折率を与え、これにより前記互いに直交する偏波の光が分離されて前記２つの第２ポート導波路のそれぞれから出力される形状に形成することを特徴とする。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、放射損失を抑制し、小型化が可能であり、かつ製造も容易な光偏波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】

【0017】

【図1A】図１Ａは、実施形態１に係る光偏波素子の模式図である。

【図1B】図１Ｂは、実施形態１に係る光偏波素子の模式図である。

【図2A】図２Ａは、実施形態２に係る光偏波素子の模式図である。

【図2B】図２Ｂは、実施形態２に係る光偏波素子の模式図である。

【図3】図３は、図２Ａに示す光偏波素子の光学特性のシミュレーション結果を示す図である。

【図4】図４は、実施例の光偏波素子の光学特性の測定結果を示す図である。

【図5】図５は、実施形態３に係る光偏波素子の模式図である。

【図6】図６は、図５に示す光偏波素子の光学特性のシミュレーション結果を示す図である。

【図7】図７は、実施形態４に係る光偏波素子の模式図である。

【図8】図８は、図７に示す光偏波素子の光学特性のシミュレーション結果を示す図である。

【図9】図９は、従来の光偏波素子の一例の模式図である。

【図10】図１０は、図９に示す光偏波素子の光学特性の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下に、図面を参照して実施形態について説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一又は対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合がある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。

【0019】

まず、従来の光偏波素子の一例について、図９を参照して説明する。図９に示す光偏波素子１００は、石英系ガラスからなるＭＺＩ型の構成を有しており、入力ポート導波路１０１ａと、１×２の光カプラ導波路１０１ｂと、２つのアーム導波路１０１ｃ、１０１ｄと、２×２の光カプラ導波路１０１ｅと、２つの出力ポート導波路１０１ｆ、１０１ｇと、これらの導波路の外周を取り囲むクラッド１０２と、１／４波長板１０３とを備えている。

【0020】

入力ポート導波路１０１ａは、光カプラ導波路１０１ｂの１ポート側に接続されている。光カプラ導波路１０１ｂは多モード光干渉導波路である。２つのアーム導波路１０１ｃ、１０１ｄは、それぞれ、一端が光カプラ導波路１０１ｂの２ポート側、他端が光カプラ導波路１０１ｅの一方の２ポート側に接続されている。光カプラ導波路１０１ｅも多モード光干渉導波路である。２つの出力ポート導波路１０１ｆ、１０１ｇは、それぞれ、光カプラ導波路１０１ｅの他方の２ポート側に接続されている。

【0021】

クラッド１０２には、２つのアーム導波路１０１ｃ、１０１ｄを横断するようにスリット１０２ａが形成されており、スリット１０２ａ内に１／４波長板１０３が挿入されている。１／４波長板１０３は例えば接着剤で固定される。なお、図７では図示していないが、アーム導波路１０１ｃ、１０１ｄは、スリット１０２ａに向かってテーパ状に幅が広がる形状を有している。

【0022】

光偏波素子１００は、入力ポート導波路１０１ａに任意偏波の光Ｌ１０１が入力されると、これを互いに直交する２つの直線偏波（ＴＭモード、ＴＥモード）の光Ｌ１０２、Ｌ１０３に分離し、それぞれ出力ポート導波路１０１ｆ、１０１ｇから出力する偏波分離素子として機能する。なお、光の相反性から、光偏波素子１００は偏波合成素子としても機能する。

【0023】

図１０は、光偏波素子１００の光学特性の一例を示す図である。具体的には、クラッド１０２に対する各導波路（入力ポート導波路１０１ａ、光カプラ導波路１０１ｂ、アーム導波路１０１ｃ、１０１ｄ、光カプラ導波路１０１ｅ、出力ポート導波路１０１ｆ、１０１ｇ）の比屈折率差Δと、スリット損失との関係の一例を示す図である。ここで、スリット損失とは、スリット１０２ａによる放射損失を含めた、スリット１０２ａの存在により発生する損失である。なお、スリット１０２ａの幅（アーム導波路１０１ｃ、１０１ｄの対向する端面間の距離に相当）は一定としている。

【0024】

図１０に示すように、比屈折率差Δが大きくなるにつれて、スリット損失は急激に大きくなる。スリット損失の増大は、主に放射損失の増大によるものである。

【0025】

図１０からわかるように、比屈折率差が大きい設計では、放射損失をより一層低減することが重要である。また、上述したように、光偏波素子１００では、スリット１０２ａ内に１／４波長板１０３を挿入して実装するための作業が必要となるため、必要以上に大型化する場合がある。

【0026】

本発明者らは、上述した課題を解決するために鋭意検討したところ、多モード干渉導波路にスリットを形成することで、偏波分離機能や偏波合成機能を発現させることができることを初めて見出した。

【0027】

（実施形態１）
図１Ａ、Ｂは、実施形態１に係る光偏波素子の模式図であり、図１Ａは上面図、図１Ｂは図１ＡのＸ−Ｘ線断面図である。

【0028】

光偏波素子１０は、第１ポート導波路１１ａと、多モード干渉導波路１１ｂと、２つの第２ポート導波路１１ｃａ、１１ｃｂと、クラッド１２とを備えている。

【0029】

多モード干渉導波路１１ｂは、長手方向（光の伝播方向）に垂直な断面が略矩形であり、上面視で略矩形の導波路であり、長方形の対向する短辺のそれぞれに第１ポート導波路１１ａ、第２ポート導波路１１ｃａ、１１ｃｂが光学的に接続されている。

【0030】

クラッド１２は、第１ポート導波路１１ａ、多モード干渉導波路１１ｂ、第２ポート導波路１１ｃａ、１１ｃｂを取り囲んでおり、下部クラッド１２ａと、上部クラッド１２ｂとを備えている。クラッド１２は、例えばシリコン基板やガラス基板上に形成されている。

【0031】

クラッド１２は、石英系ガラス材料で構成されている。第１ポート導波路１１ａ、多モード干渉導波路１１ｂ、第２ポート導波路１１ｃａ、１１ｃｂは、いずれもクラッド１２の屈折率よりも高い屈折率を有する石英系ガラス材料で構成されている。このような屈折率が高い石英系ガラス材料として、例えば屈折率を高めるドーパントとしてのゲルマニア（ＧｅＯ_２）やジルコニア（Ｚｒ０_２）を含む石英ガラスを用いることができる。特に、ジルコニアを含む石英ガラスであるいわゆるＳｉＯ_２−ＺｒＯ_２系材料であれば、比屈折率を高くできるので好ましい。

【0032】

第１ポート導波路１１ａと第２ポート導波路１１ｃａ、１１ｃｂは、クラッド１２に対する比屈折率差に応じて、使用波長（例えば１．５５μｍ帯）の光をシングルモードで伝搬するように、その断面のサイズが設定されている。多モード干渉導波路１１ｂは、クラッド１２に対する比屈折率差に応じて、使用波長（例えば１．５５μｍ帯）の光をマルチモードで伝搬し、かつ以下に説明する偏波分離、偏波合成の機能を有するように、その断面のサイズが設定されている。

【0033】

多モード干渉導波路１１ｂには、２本のスリット１１ｂａ、１１ｂｂが形成されている。スリット１１ｂａ、１１ｂｂ内は、上部クラッド１２ｂと同じ材料で埋め込まれている。

【0034】

スリット１１ｂａ、１１ｂｂは、第１ポート導波路１１ａから入力された互いに直交する偏波の光のそれぞれに対して、多モード干渉導波路１１ｂが異なる実効屈折率を与え、実効屈折率差を大きくし、これにより、第１ポート導波路１１ａから入力された互いに直交する偏波の光が分離されて第２ポート導波路１１ｃａ、１１ｃｂのそれぞれから出力される形状に形成されている。すなわち、例えば図１（ａ）に示すように、互いに直交する偏波モードであるＴＭモードの成分とＴＥモードの成分とを含む光Ｌ１が、第１ポート導波路１１ａに入力されると、光偏波素子１０は第２ポート導波路１１ｃａからＴＥモードの光Ｌ２を出力し、第２ポート導波路１１ｃｂからＴＭモードの光Ｌ３を出力する。このように、光偏波素子１０は偏波分離素子として機能する。また、光の相反性から、光偏波素子１０は偏波分離素子としても機能する。すなわち、光偏波素子１０は、第２ポート導波路１１ｃａ、１１ｃｂにそれぞれ互いに直交する２つの直線偏波（ＴＥモード、ＴＭモード）の光が入力されると、これらの光を偏波合成して第１ポート導波路１１ａから出力する。

【0035】

このような偏波分離、偏波合成機能を実現するために、スリット１１ｂａ、１１ｂｂは、第１ポート導波路１１ａから第２ポート導波路１１ｃａ、１１ｃｂへ向かう方向に、略直線状に延伸しており、かつ互いに略平行である。ここで、第１ポート導波路１１ａから第２ポート導波路１１ｃａ、１１ｃｂへ向かう方向とは、光偏波素子１０において、第１ポート導波路１１ａに入力される光Ｌ１の進行方向である。この方向は、多モード干渉導波路１１ｂの長手方向（光の伝播方向）と実質的に同じである。

【0036】

光偏波素子１０のサイズについて例示すると、例えば長さＬａは１９００μｍであり、第２ポート導波路１１ｃａ、１１ｃｂ間のピッチＰａは１０μｍである。スリット１１ｂａ、１１ｂｂの幅はそれぞれ０．６μｍである。第１ポート導波路１１ａ、第２ポート導波路１１ｃａ、１１ｃｂのサイズは３μｍ×３μｍである。また、各導波路のクラッド１２に対する比屈折率差は５．５％である。その他のサイズについては、これらの例示した値に応じて、所望の偏波消光比が得られるように設計することが好ましい。

【0037】

光偏波素子１０は、従来の光偏波素子１００のように導波路を横断するスリットを形成したものではないので、放射損失を抑制でき、過剰損失が小さくなる。また、従来の光偏波素子１００の上面視のサイズが例えば３ｍｍ×２ｍｍ程度であるのに対して、光偏波素子１０は、上面視のサイズが例えば２ｍｍ×０．０１５ｍｍ程度と大幅に小型化が可能である。また、光偏波素子１０は、製造時に１／４波長板の挿入や固定の作業を行わなくてよいので、このような小型であっても製造の困難さは生じず、製造が容易であり、かつ製造歩留まりも高い。さらには、光偏波素子１０では、比較的高価な１／４波長板を使用しないので低コストであり、１／４波長板を固定する接着剤も使用しないので、信頼性が高くなる。

【0038】

光偏波素子１０について、上記に例示したサイズに設定して、偏波分離素子としてシミュレーション計算を行ったところ、波長１５５０ｎｍにおいて、過剰損失は０．１ｄＢ以下であり、偏波消光比は３０ｄＢ以上であった。

【0039】

なお、光偏波素子１０は、例えば以下のような方法で製造できる。まず、例えばプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いて、シリコン基板上に石英系ガラスからなるクラッド層を所定の厚さだけ成膜し、下部クラッド１２ａの部分を形成する。つづいて、スパッタ法によって、導波路となる層（導波路形成層）を成膜する。つづいて、クラッド層と導波路形成層を加熱処理してアニールし、透明ガラス化する。

【0040】

つづいて、導波路形成層を、フォトリソグラフィ技術およびエッチングによって、第１ポート導波路１１ａ、多モード干渉導波路１１ｂ、第２ポート導波路１１ｃａ、１１ｃｂの形状にパターニングし、導波路形状を形成する。このとき、スリット１１ｂａ、１１ｂｂも同時に形成する。すなわち、スリット１１ｂａ、１１ｂｂを形成するための別途の工程は不要である。なお、エッチングについては、例えば石英系ガラスの加工プロセスにおいて用いられるフッ素系ガス（例えばＣＦ_４）を用いたドライエッチングによって行う。

【0041】

つづいて、下部クラッド１２ａおよび各導波路を覆うように上部クラッド１２ｂを形成する。上部クラッド１２ｂは、例えば公知の火炎堆積（Flame Hydrolysis Deposition：ＦＨＤ）法により石英系ガラスからなる微粒子を堆積し、この微粒子を加熱溶融して透明ガラス化することによって形成できる。

【0042】

なお、スリットの幅が０．３μｍ以上であれば、フォトリソグラフィ技術およびエッチングによって製造し易いので好ましい。

【0043】

（実施形態２）
図２Ａ、Ｂは、実施形態２に係る光偏波素子の模式図であり、図２Ａは上面図、図２（ｂ）は図２Ｂの領域Ａの拡大図である。

【0044】

光偏波素子２０は、第１ポート導波路２１ａと、スリット２１ｂａ、２１ｂｂが形成された多モード干渉導波路２１ｂと、２つの第２ポート導波路２１ｃａ、２１ｃｂと、クラッド２２とを備えている。第１ポート導波路２１ａ、多モード干渉導波路２１ｂ、第２ポート導波路２１ｃａ、２１ｃｂは、実施形態１の光偏波素子１０の第１ポート導波路１１ａ、多モード干渉導波路１１ｂ、第２ポート導波路１１ｃａ、１１ｃｂに対して構造最適化を行って、構造最適化形状としたものである。クラッド２２は光偏波素子１０のクラッド１２と同様のものである。

【0045】

構造最適化形状とは、各導波路の外周面およびスリットの内周面の形状を微小に摂動させ、当該摂動させた形状における結合損失をコンピュータシミュレーションによって計算するというプロセスを繰り返すことにより、過剰損失が小さく抑えられる形状としてコンピュータシミュレーションによって特定された形状のことである。この最適化アルゴリズムは、例えば波面整合法やトポロジー最適化法という名で知られている手法を用いることができる。本実施形態２ではトポロジー最適化法を用いている。

【0046】

光偏波素子２０は、光偏波素子１０と同様に偏波分離素子、偏波合成素子として機能する。そして、光偏波素子２０は、光偏波素子１０と同様に、過剰損失の低減、小型化、製造容易性、高歩留り、低コスト、高信頼性を実現できる。特に、光偏波素子２０では、光偏波素子１０よりもさらに過剰損失を低減できる。

【0047】

光偏波素子２０について、実施形態１において例示したサイズおよび比屈折率差に設定して、偏波分離素子としてシミュレーション計算を行ったところ、波長１５５０ｎｍにおいて、過剰損失は０．０５ｄＢ以下であり、偏波消光比は４０ｄＢ以上であった。図３は、光偏波素子２０の光学特性のシミュレーション結果を示す図である。図３は、ＴＥモードの光を、第１ポート導波路から相対強度１で入力すると、図面上側の第２ポート導波路から強度０．９９０で出力され、下側の第２ポート導波路からはほとんど出力されないこと、および、ＴＭモードの光を、第１ポート導波路から相対強度１で入力すると、下側の第２ポート導波路から強度０．９８７で出力され、上側の第２ポート導波路からはほとんど出力されないことを示している。

【0048】

さらに、実施例として、光偏波素子２０について、実施形態１においてサイズおよび比屈折率差に設定し、実施形態１において例示した製造方法によって製造した。製造した光偏波素子を偏波分離素子として用い、過剰損失と偏波消光比（Polarization Extinction Ratio：ＰＥＲ）を、波長１５３０ｎｍから１５７０ｎｍまでの４０ｎｍの帯域で測定した。

【0049】

図４は、実施例の光偏波素子の光学特性の測定結果を示す図である。図４に示すように、４０ｎｍの広い帯域にわたって、過剰損失は０．２ｄＢ以下であり、ＰＥＲは３５ｄＢ以上であり、良好な偏波分離特性であることが確認された。

【0050】

（実施形態３）
図５は、実施形態３に係る光偏波素子の模式図である。光偏波素子３０は、第１ポート導波路３１ａと、多モード干渉導波路３１ｂと、２つの第２ポート導波路３１ｃａ、３１ｃｂと、クラッド３２とを備えている。

【0051】

光偏波素子３０は、多モード干渉導波路３１ｂに形成されたスリット３１ｂａが一本である点が、実施形態１、２の光偏波素子１０、２０とは大きく異なる。また、各導波路やクラッド３２の構成、材質、機能は光偏波素子１０、２０と同様である。また、各導波路は光偏波素子２０と同様に構造最適化形状とされている。

【0052】

光偏波素子３０のサイズについて例示すると、例えば長さＬｂは２５００μｍであり、第２ポート導波路３１ｃａ、３１ｃｂ間のピッチＰｂは７．５μｍである。スリット３１ｂａの幅は１．２μｍである。第１ポート導波路３１ａ、第２ポート導波路３１ｃａ、３１ｃｂのサイズは３μｍ×３μｍである。また、各導波路のクラッド３２に対する比屈折率差は５．５％である。その他のサイズについては、これらの例示した値に応じて、所望の偏波消光比が得られるように設計することが好ましい。

【0053】

光偏波素子３０は、光偏波素子１０、２０と同様に偏波分離素子、偏波合成素子として機能し、過剰損失の低減、小型化、製造容易性、高歩留り、低コスト、高信頼性を実現できる。

【0054】

光偏波素子３０について、例示したサイズおよび比屈折率差に設定して、偏波分離素子としてシミュレーション計算を行ったところ、波長１５５０ｎｍにおいて、過剰損失は０．２ｄＢ以下であり、偏波消光比は３９ｄＢ以上であった。図６は、光偏波素子３０の光学特性のシミュレーション結果を示す図である。図６は、ＴＥモードの光を、第１ポート導波路から相対強度１で入力すると、図面上側の第２ポート導波路から強度０．９７６で出力され、下側の第２ポート導波路からはほとんど出力されないこと、および、ＴＭモードの光を、第１ポート導波路から相対強度１で入力すると、下側の第２ポート導波路から強度０．９５０で出力され、上側の第２ポート導波路からはほとんど出力されないことを示している。

【0055】

（実施形態４）
図７は、実施形態４に係る光偏波素子の模式図である。光偏波素子４０は、第１ポート導波路４１ａと、多モード干渉導波路４１ｂと、２つの第２ポート導波路４１ｃａ、４１ｃｂと、クラッド４２とを備えている。

【0056】

光偏波素子４０は、実施形態３の光偏波素子３０と同様に、多モード干渉導波路４１ｂに形成されたスリット４１ｂａが一本であるが、そのスリット幅はより幅広となっている。具体的には、スリット４１ｂａでは、スリット幅は、第１ポート導波路４１ａから第２ポート導波路４１ｃａ、４１ｃｂに向かって、まず徐々に広がり、その後等幅となり、第２ポート導波路４１ｃａ、４１ｃｂ側では徐々に狭くなっている。また、各導波路やクラッド４２の構成、材質、機能は光偏波素子１０、２０、３０と同様である。また、各導波路は光偏波素子２０、３０と同様に構造最適化形状とされている。

【0057】

光偏波素子４０のサイズについて例示すると、例えば長さＬｃは２５００μｍであり、スリット４１ｂａの等幅の部分の長さＬｄは２０００μｍである。スリット４１ｂａの幅は５μｍである。また、各導波路のクラッド４２に対する比屈折率差は５．５％である。その他のサイズについては、これらの例示した値に応じて、所望の偏波消光比が得られるように設計することが好ましい。

【0058】

光偏波素子４０は、光偏波素子１０、２０、３０と同様に偏波分離素子、偏波合成素子として機能し、過剰損失の低減、小型化、製造容易性、高歩留り、低コスト、高信頼性を実現できる。

【0059】

光偏波素子４０について、例示したサイズおよび比屈折率差に設定して、偏波分離素子としてシミュレーション計算を行ったところ、波長１５５０ｎｍにおいて、過剰損失は約０．７８ｄＢ程度であり、偏波消光比は約１９．５ｄＢであった。図８は、光偏波素子４０の光学特性のシミュレーション結果を示す図である。図８は、ＴＥモードの光を、第１ポート導波路から相対強度１で入力すると、図面上側の第２ポート導波路から強度０．９０５で出力され、下側の第２ポート導波路からはほとんど出力されないこと、および、ＴＭモードの光を、第１ポート導波路から相対強度１で入力すると、下側の第２ポート導波路から強度０．８２７で出力され、上側の第２ポート導波路からはほとんど出力されないことを示している。

【0060】

なお、上記実施形態および実施例では、各導波路のクラッドに対する比屈折率差は５．５％であるが、比屈折率差は５．５％には限定されない。比屈折率差が０．７％以上であれば、従来の構成に対して有利な効果を得ることができるので好ましい。

【0061】

また、上記実施形態および実施例では、スリットは、１本または２本であるが、３本以上であってもよい。スリットの本数が増加するほど、設計したスリットの形状に対して製造誤差が生じても、光偏波素子の光学特性に与える影響が少なくなる、すなわち、製造誤差に対するトレランスが高くなる。また、スリットの幅は、０．３μｍ以上、５．０μｍ以下であることが好ましい。スリットの幅が５．０μｍ以下であれば、光偏波素子の大型化を抑制できる。

【0062】

また、上記実施形態および実施例では、スリットは直線状であり、第１ポート導波路から前記２つの第２ポート導波路へ向かう方向に延伸しているが、スリットの形状はこれらに限定されない。すなわち、スリットが、第１ポート導波路から入力された互いに直交する偏波の光のそれぞれに対して、多モード干渉導波路が異なる実効屈折率を与え、これにより互いに直交する偏波の光が分離されて２つの第２ポート導波路のそれぞれから出力される形状であれば、本発明の効果を発揮することができる。

【0063】

また、上記実施形態および実施例では、光偏波素子は石英系ガラス材料からなるが、光学材料であれば特に限定されず、例えば半導体材料からなる光偏波素子にも適用できる。

【0064】

また、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した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。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

【産業上の利用可能性】

【0065】

本発明に係る光偏波素子は、光通信の分野において好適に利用できる。

【符号の説明】

【0066】

１０、２０、３０、４０ 光偏波素子
１１ａ、２１ａ、３１ａ、４１ａ 第１ポート導波路
１１ｂ、２１ｂ、３１ｂ、４１ｂ 多モード干渉導波路
１１ｂａ、１１ｂｂ、２１ｂａ、２１ｂｂ、３１ｂａ、４１ｂａ スリット
１１ｃａ、１１ｃｂ、２１ｃａ、２１ｃｂ、３１ｃａ、３１ｃｂ、４１ｃａ、４１ｃｂ 第２ポート導波路
１２、２２、３２、４２ クラッド
１２ａ 下部クラッド
１２ｂ 上部クラッド
Ａ 領域
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ 光

【図1A】

【図1B】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【国際調査報告】