CN104570201A - 基板型光波导元件以及dp－qpsk调制器 - Google Patents

基板型光波导元件以及dp－qpsk调制器 Download PDF

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Abstract

基板型光波导元件和DP-QPSK调制器。基板型光波导元件具有两个输入部，它们是相互具有相同的宽度、相互平行、剖面为矩形形状的波导；宽幅部，是直线波导且与上述两个输入部的后段连接；锥形部与上述宽幅部的后段连接且是宽度逐渐变狭的锥状的至少TE1传播的多模波导；输出部，是与上述锥形部的后段连接的剖面为矩形形状的至少TE1传播的多模波导，基板型光波导元件具备能够将输入到上述两个输入部的TE0从上述输出部作为TE1输出的高阶模转换多路复用元件，将上述两个输入部的宽度方向的间隔定义为gap，上述两个输入部的宽度定义为Wa，上述宽幅部的波导宽度定义为Wb时，满足Wb＞Wa×2+gap，上述两个输入部的宽度方向的中心与上述宽幅部的宽度方向的中心一致。

Description

基板型光波导元件以及DP－QPSK调制器
技术领域
本发明涉及对于在光纤通信中使用的基板型光波导元件以及DP－QPSK调制器，同时进行光的多路复用和模转换的器件。
本申请基于在2013年10月15日于日本申请的特愿2013－214792号并主张其优先权，将其内容援引于此。
背景技术
现在，在通过光通信传输的信息量有增无减。为了应对这样的信息量的增加，不断展开由信号速度的高速化、波长复用通信带来的信道数的增加等对策。特别是在以高速的信息通信为目的的下一代的100Gbps数字相干传输技术中，为了使每单位时间的信息量为二倍，利用电场正交的2个偏振承载信息的偏振复用方式。然而，包含偏振复用的高速通信的调制方式中构成光调制器的光电路元件的构造变复杂，产生装置的大型化、高额化等的课题。针对这样的课题，研究具有加工容易、基于集成化的小型化、基于大量生产的低成本等优点的使用硅的基板型光波导的光调制器。
然而，这样的基板型光波导内的偏振复用存在如下的问题。一般而言，基板型光波导的形状呈与基板平行的宽度方向和与基板垂直的高度方向为非对称的形状，相对于宽度方向的电场分量为主的模(以下，称为TE模)和高度方向的电场分量为主的模(以下，称为TM模)这两种偏振模，有效折射率等特性不同。在这些模中多数情况下使用的是基本TE模(TE0)和基本TM模(TM0)。在此，TE0是在TE模中有效折射率第一大的模。另外，TM0是在TM模中有效折射率第一大的模。在对特性不同的这些模进行光调制操作的情况下，仅利用单一的基板型光波导元件很困难，需要按每一模最优化后的基板型光波导元件。然而，这在基板型光波导元件的开发方面需要大量的劳动。
作为解决该问题的方法，列举了作为向对所希望的TE0最优化后的基板型光波导元件的输入光使用TE0，将其输出偏振转换为TM0的方法。在此偏振转换是表示从TE0向TM0，或从TM0向TE0的转换。为了进行上述操作，需要在基板上进行偏振转换的基板型光波导元件。
作为在基板上进行这样的偏振转换的技术，提出在相对于两个或一个TE0的输入而输出一个高阶TE模(TE1)的多路复用部(以下，将具有这样的部分的元件称为高阶模转换多路复用元件)中，将TE0转换为TE1，然后，将TE1向TM0进行转换的光波导元件。
其中，TE1是指有效折射率第二大的TE模。作为以往技术列举有非专利文献1(K.Mertens,et al.,“First Realized Polarization ConverterBased on Hybrid Supermodes,”IEEE Photonics technologyletters,Vol.10,No.3(1998))、非专利文献2(Yunhong Ding,et al.,“Wide-band Polarization Splitter and Rotator with Large FabricationTolerance and Simple Fabrication Process,”OFC/NFOEC TechnicalDigest,OTh4I.2(2013))、以及非专利文献3(松浦祐司他，“新構造Y分岐素子の低損失化”，1994年电子信息通信学会春季大会，C－330，1994年4月)。
如图2A所示，非专利文献1、2所记载的器件具有使用TM0作为输入，并向要将其转换为TE1的高阶偏振转换元件21输入，在其后段具备将TE1分为2个TE0的分支部22的构造(参照非专利文献1的图4(b)，非专利文献2的图1(a)～(c))。在此，本发明中关注其逆过程。此时，以往技术的构造如图2B所示，与将输入到多路复用部22的两个输入端口的一方或两方的TE0输出为TE1(即，高阶模转换多路复用元件)，然后，通过经过高阶偏振转换元件21而转换为TM0的构造同等(在此，由于关注于逆过程，所以将分支部称为多路复用部。以下也是相同的)。即，如果使用这些元件，则能够将偏振转换与多路复用同时进行。
在非专利文献1、2中作为高阶模转换多路复用元件，考虑使用Y分支元件。其中，非专利文献1、2都没有提及Y分支，但从论文内的图、波导尺寸判断。
非专利文献3公开有通过空开输入部的间隔，而减少了制造误差的Y分支元件。但是，输入部分、输出部分都是只使TE0经过的单一模波导，该Y分支元件原本没有向TE1的转换的意图。
在非专利文献1、2中，作为高阶模转换多路复用元件，使用Y分支构造。如图3A所示，在Y分支构造中，通过使输入部的两个波导101、102连续缓慢地接近而能够形成损耗小的多路复用部103。由于利用这样的构造，制成输入部的两个波导相互接近相交的交点部分，所以需要能够制成非常细的构造的工序。但是，实际上难以将这样的构造高精度地制成，2个波导的交点部分圆弧化成为图3B的附图标记104那样。在图3B那样的构造中，在圆弧化的交点部分104和一定宽度的两个波导101、102的边界，丧失波导长边方向的连续性。在其前后模急剧地发生变化而导致损耗增大。特别是如硅细线波导那样，波导的尺寸为数百nm级的情况下，上述的制造上的问题变大。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而完成的，其以提供一种具备制造容易、能够减少损耗的高阶模转换多路复用元件的基板型光波导元件作为课题。
为了解决上述课题，本发明的第一方式所涉及的基板型光波导元件具备：两个输入部，它们是相互具有相同的宽度、并相互平行、且剖面为矩形形状的波导；宽幅部，其是直线波导，且与上述两个输入部的后段连接；锥形部，其与上述宽幅部的后段连接，且是宽度逐渐变狭的锥状的、至少TE1传播的多模波导；以及输出部，其是与上述锥形部的后段连接的、剖面为矩形形状的、至少TE1传播的多模波导。另外，上述基板型光波导元件构成能够将输入到上述两个输入部的TE0从上述输出部作为TE1输出的高阶模转换多路复用元件，在分别将上述两个输入部的宽度方向的间隔定义为gap，将上述两个输入部的宽度定为Wa，将上述宽幅部的波导宽度定义为Wb时，满足Wb＞Wa×2+gap，上述两个输入部的宽度方向的中心与上述宽幅部的宽度方向的中心一致。
上述方式所涉及的基板型光波导元件也可以还具备与上述两个输入部的一方或者两方的前段连接的弯曲波导。
上述方式所涉及的基板型光波导元件也可以还具备与上述两个输入部的前段连接，变更波导的宽度的锥状波导。
上述方式所涉及的基板型光波导元件也可以还具备与上述输出部的后段连接，变更波导的宽度的锥状波导。
上述方式所涉及的基板型光波导元件也可以还具备与上述输出部的后段连接，提取TE1的高阶模分离器。
上述方式所涉及的基板型光波导元件也可以还具备与上述高阶模分离器的后段连接，将TE1转换为TM0的高阶偏振转换元件。
上述方式所涉及的基板型光波导元件也可以还具备与上述输出部的后段连接，将TE1转换为TM0的高阶偏振转换元件。
上述方式所涉及的基板型光波导元件也可以还具备与上述高阶偏振转换元件的后段连接，提取TM0的偏振分束器。
上述方式所涉及的基板型光波导元件也可以还具备与上述高阶偏振转换元件的后段连接，提取TM0的偏振分束器。
构成上述高阶模转换多路复用元件的波导可以由纤芯和包围上述纤芯的包层形成，上述包层仅由同一材料构成。
在构成上述高阶模转换多路复用元件的波导中，在纤芯的高度为220nm、纤芯由Si构成、包层由SiO2构成、上述Wa以及上述gap分别满足400nm≤Wa≤800nm且100nm≤gap≤500nm、并将Wc以及Wd分别定义为Wc＝(Wb－(Wa×2+gap))/2、Wd＝(－0.0000000008350862×gap2－0.000000436986×gap+0.0008631515625)×Wa2+(0.0000016652002737×gap2+0.000208004578×gap－1.2672957688375)×Wa+(－0.00069425946204×gap2+0.670233759496504×gap+462.994458236249)时，也可以满足0＜Wc＜Wd。
本发明的第二方式所涉及的DP－QPSK调制器具备上述第一方式的基板型光波导元件。
根据本发明的上述方式，能够提供一种具备制造容易、能够减少损耗的高阶模转换多路复用元件的基板型光波导元件。
附图说明
图1是表示本发明的高阶模转换多路复用元件的一个例子的概略的俯视图。
图2A是表示具备高阶偏振转换元件和分支部的构造的模型图。
图2B是表示具备多路复用部和高阶偏振转换元件的构造的模型图。
图3A是表示理想的Y分支的图。
图3B是表示考虑到实际制造的Y分支的图。
图4A是表示2个输入部的TE0的电场分布(Ex分量)的模拟结果。
图4B是表示在宽度方向的两侧设置有宽度相等的突出部的模转换部的TE1的电场分布(Ex分量)的模拟结果。
图4C是表示没有在宽度方向的两侧设置突出部的构造的模转换部的TE1的电场分布(Ex分量)的模拟结果。
图4D是表示图4A中的Y＝0μm的Ex分量的曲线图。
图4E是表示图4B中的Y＝0μm的Ex分量的曲线图。
图4F是表示图4C中的Y＝0μm的Ex分量的曲线图。
图4G是与图4A～4C的电场分布对应的标度。
图5是表示本发明的高阶模转换多路复用元件的一个例子的模型图。
图6A是表示输入了TE0时的输入部的电场分布(Ex分量)(图中的四边分别为纤芯剖面)的模拟结果(偶模)。
图6B是表示输入了TE0时的输入部的电场分布(Ex分量)(图中的四边分别为纤芯剖面)的模拟结果(奇模)。
图6C是表示图6A中的Y＝0μm的Ex分量的曲线图(偶模)。
图6D是表示图6B中的Y＝0μm的Ex分量的曲线图(奇模)。
图7是说明理想的Y分支构造中的位置的俯视图。
图8A是表示图7的VIII处的电场分布(Ex分量)的模拟结果(偶模)。
图8B是表示图7的VIII处的电场分布(Ex分量)的模拟结果(奇模)。
图8C是表示图8A中的Y＝0μm的Ex分量的曲线图(偶模)。
图8D是表示图8B中的Y＝0μm的Ex分量的曲线图(奇模)。
图9A是表示图7的IX处的电场分布(Ex分量)的模拟结果(偶模)。
图9B是表示图7的IX处的电场分布(Ex分量)的模拟结果(奇模)。
图9C是表示图9A中的Y＝0μm的Ex分量的曲线图(偶模)。
图9D是表示图9B中的Y＝0μm的Ex分量的曲线图(奇模)。
图10A是表示图7的X处的电场分布(Ex分量)的模拟结果(偶模)。
图10B是表示图7的X处的电场分布(Ex分量)的模拟结果(奇模)。
图10C是图10A中的表示Y＝0μm的Ex分量的曲线图(偶模)。
图10D是图10B中的表示Y＝0μm的Ex分量的曲线图(奇模)。
图11A是表示图7的XI处的电场分布(Ex分量)的模拟结果(偶模)。
图11B是表示图7的XI处的电场分布(Ex分量)的模拟结果(奇模)。
图11C是表示图11A中的Y＝0μm的Ex分量的曲线图(偶模)。
图11D是表示图11B中的Y＝0μm的Ex分量的曲线图(奇模)。
图12是说明Y分支的岔根变平的位置的俯视图。
图13A是表示图12的XIII处的电场分布(Ex分量)的模拟结果(偶模)。
图13B是表示图12的XIII处的电场分布(Ex分量)的模拟结果(奇模)。
图13C是表示图13A中的Y＝0μm的Ex分量的曲线图(偶模)。
图13D是表示图13B中的Y＝0μm的Ex分量的曲线图(奇模)。
图14是过度损耗相对于突出部的宽度W3的关系的模拟结果。
图15是表示波导的一个例子的剖视图。
图16是表示连接了弯曲波导的高阶模转换多路复用元件的一个例子的俯视图。
图17是表示在高阶模转换多路复用元件的后段连接了高阶模分离器的构造的一个例子的俯视图。
图18是表示在高阶模转换多路复用元件的后段连接了高阶偏振转换元件的构造的一个例子的俯视图。
图19A是表示纤芯形状为上下非对称的高阶偏振转换元件的一个例子的俯视图。
图19B是表示纤芯形状为上下非对称的高阶偏振转换元件的一个例子的剖视图。
图20是表示在高阶模转换多路复用元件的后段连接了高阶偏振转换元件和偏振分束器的构造的一个例子的俯视图。
图21是表示第五实施方式的DP－QPSK调制器的概略的俯视图。
图22是表示第6实施方式的DP－QPSK调制器的概略的俯视图。
图23是表示第7实施方式的DP－QPSK调制器的概略的俯视图。
图24A是表示在实施例1中，W1＝400nm时，过度损耗相对于突出部的宽度W3的关系的模拟结果(gap＝100nm)的曲线图。
图24B是表示在实施例1中，W1＝400nm时，过度损耗相对于突出部的宽度W3的关系的模拟结果(gap＝300nm)的曲线图。
图24C是表示实施例1中，W1＝400nm时，过度损耗相对于突出部的宽度W3的关系的模拟结果(gap＝500nm)的曲线图。
图25A是表示在实施例1中，W1＝600nm时，过度损耗相对于突出部的宽度W3的关系的模拟结果(gap＝100nm)的曲线图。
图25B是表示在实施例1中，W1＝600nm时，过度损耗相对于突出部的宽度W3的关系的模拟结果(gap＝300nm)的曲线图。
图25C是表示在实施例1中，W1＝600nm时，过度损耗相对于突出部的宽度W3的关系的模拟结果(gap＝500nm)的曲线图。
图26A是表示在实施例1中，W1＝800nm时，过度损耗相对于突出部的宽度W3的关系的模拟结果(gap＝100nm)的曲线图。
图26B是表示在实施例1中，W1＝800nm时，过度损耗相对于突出部的宽度W3的关系的模拟结果(gap＝300nm)的曲线图。
图26C是表示在实施例1中，W1＝800nm时，过度损耗相对于突出部的宽度W3的关系的模拟结果(gap＝500nm)的曲线图。
图27是表示在实施例1中，过度损耗的波长取决性的一个例子的曲线图。
具体实施方式
以下，基于优选的实施方式，参照附图对本发明进行说明。
如图1所示，本实施方式所涉及的高阶模转换多路复用元件10由2个输入部11、12、宽幅部13(以下，称为模转换部13)、锥形部14、和输出部15构成。输入部11、12是形成宽度相等的2个输入部分的波导。输入部11和输入部12空开间隔地设置，高阶模转换多路复用元件10具有与输入部11、12的岔根变平的Y分支同样的构造。2个输入部11、12以在宽度方向上成线对称的方式与作为直线波导的模转换部13连接。另外，模转换部13与2个输入部11、12的后段连接，在宽度方向的两端具有宽度相等的突出部13a、13b。
另外，锥形部14是为了与其他波导连接而改变波导的宽度的锥状波导，其与模转换部13的后段连接。输出部15为与锥形部14的后段连接的矩形形状，形成至少TE1的波导模存在的多模的直线波导。锥形部14以及输出部15未必一定进行从TE0向TE1的转换。另一方面，在考虑实际的使用时，优选设置有能够将模转换部13的波导宽度转换为适当的宽度的锥形部14；和与锥形部14的后段连接，能够传输产生的TE1的输出部15。具有锥形部14以及输出部15的高阶模转换多路复用元件构成至少传输TE1的多模波导。
＜第一实施方式＞作为高阶模转换多路复用元件的基本的实施方式
在第一实施方式的高阶模转换多路复用元件10中，在分别将2个输入部11、12的间隔定义为gap(nm)，将2个输入部11、12的宽度定义为Wa(nm)，将模转换部13的波导宽度定义为Wb(nm)时，满足Wb＞Wa×2+gap的关系。
另外，2个输入部11、12的宽度方向的中心如图1的中心线16所示，与模转换部13的宽度方向的中心一致。
图4A～4G例示对各构造进行导波时的电场分布(Ex分量)和Y＝0μm的Ex分量。在任何例子中都是波导的高度为220nm、复合材料为SiO2(折射率1.44)，纤芯材料为Si(折射率3.48)，光的波长为1550nm。另外，X表示宽度方向的坐标，Y表示高度方向的坐标(以下均相同)。图4A～4C中的四边表示纤芯形状。
图4A是2个输入部的TE0的电场分布(Ex分量)，图4D表示图4A中的Y＝0μm的Ex分量。
图4B是在宽度方向的两侧设置有宽度相等的突出部13a、13b的模转换部的TE1的电场分布(Ex分量)，图4E表示图4B中的Y＝0μm的Ex分量。
图4C是在宽度方向的两侧未设置突出部的构造的模转换部的TE1的电场分布(Ex分量)，图4F表示图4C中的Y＝0μm的Ex分量。
若将图4E所示的TE1的Ex分量与图4F所示的TE1的Ex分量进行比较，则TE1的电场分布(Ex分量)的2个峰值部分的位置(间隔)和各自的宽度不同。另外，与图4F所示的TE1的Ex分量相比图4E所示的TE1的Ex分量的2个峰值部分与输入部11、12的TE0的电场分布(Ex分量)的2个峰值部分大幅重叠。换句话说，通过在模转换部13设置突出部13a、13b，从而输入部11、12的TE0的电场分布(Ex分量)与模转换部13的TE1的电场分布的Ex分量(参照图4D)的2个峰值部分的重叠变大。因此，在发生不连续的波导的变化的输入部11、12与模转换部13的边界能够高效的耦合，损耗降低。因此，在本实施方式所涉及的高阶模转换多路复用元件10中，通过空开间隔设置的输入部11、12和设置于模转换部13的突出部13a、13b而能够减少制造误差的影响。
图5表示图1所示的高阶模转换多路复用元件10的模型图，基于其来说明效果。2个输入部11、12具有相同的宽度W1，且相互平行。构成各个输入部11、12的波导是剖面为矩形形状的波导(矩形波导)。2个输入部11、12的间隔(gap)恒定。W2相当于W1×2+gap。加入了突出部13a、13b的模转换部13的宽度为W2+W3×2，比W2＝W1×2+gap大。图中示出各部分的重要参数，W3＞0时相当于本实施方式的高阶模转换多路复用元件10(参照图4B、4E)。另外，W3＝0时相当于没有突出部在制造误差上空开输入部11、12的间隔的Y分支构造(参照图4C、4F)。此外，在图5中W3＝0时的Y分支构造与先前所示的图3B的Y分支构造完全不同，但圆弧部分几乎能够视为平坦。另外损耗产生的主要部分是输入部11、12与模转换部13的连接部，所以在图5中W3＝0时的Y分支构造与图3B的Y分支构造即使视为同样的构造也没有问题。另外，由于输入部11、12的间隔gap越宽则制造变得容易，所以间隔gap根据状况而确定。
因此，在输入部11、12的波导宽度W1与间隔gap以某个特定的值而确定的前提下，考虑过度损耗变低的突出部13a、13b的宽度W3。
此外，在本申请中，仅记载为“剖面”的情况是指与光的导波方向垂直的剖面。
以下，将设置有突出部的情况与没有设置突出部的情况进行比较，来说明通过设置突出部从而损耗降低这一情况。
首先，表示输入部11、12与模转换部13的边界处的不连续的连接处的耦合效率的想法。当考虑损耗时，考虑仅向输入部11输入了TE0的状况。本实施方式的高阶模转换多路复用元件10在宽度方向上对称地配置有输入部11、12，所以与仅向输入部12输入了TE0的情况也被同样考虑。若向输入部11输入TE0，则如图6A～6D所示，输入的TE0表示为具有相同比例的功率的2个模(称为偶模和奇模)的重叠。这些模在输入部11、12与模转换部13的边界，向模转换部13的模耦合(对接耦合)。此时的耦合效率T以下式(1)表示(其中，TE0的Ex分量是主分量，所以忽略其以外的分量的参与)。
【数式1】
T = K ∫ ∫ E x TE 0 × ( E x TE 1 ) * dxdy · · · ( 1 )
在此，符号如下决定，＊表示复数共轭，在输入部11、12与模转换部13的边界的整个剖面进行积分。
Ex TE0：输入部处的TE0的电场(偶模和奇模的重叠)的Ex分量
Ex TE1：模转换部处的TE1的电场的Ex分量
K：其它常量
由式(1)可知，电场分布的重叠越大，则耦合效率T越高。此外，偶模的电场分布相对于宽度方向为对称，奇模的电场分布相对于宽度方向为反对称。另一方面，模转换部的TE1的电场分布相对于宽度方向为反对称，所以可知向模转换部的TE1耦合的仅是奇模。从2个输入部中的一方输入的情况下，输入的功率的一半作为奇模与模转换部的TE1耦合。可知与TE1耦合时的原理上的损耗(原理损失)作为－10log10(1/2)，具有3dB。因此以下考虑基于该原理损失的过度损耗。
接着以式(1)为基础，对作为以往技术的理想的Y分支构造(图3A，图7)、考虑到制造误差的Y分支(在图5中W3＝0的情况)、和本实施方式的高阶模转换多路复用元件10(在图5中W3＞0)的情况下的效果进行比较。为了由式(1)提高耦合效率T(降低损耗)，需要提高输入部11、12的奇模与模转换部13的TE1的电场分布的重叠。图8A～11D表示理想的Y分布构造中的奇模与偶模的电场分布的转变图。图8A～11D分别表示图7的VIII、IX、X、XI所示的位置的电场分布。图8A、9A、10A以及11A是偶模的剖面上的电场分布，图8B、9B、10B以及11B是奇模的剖面上的电场分布，图8C、9C、10C以及11C是偶模的Y＝0μm的Ex分量，图8D、9D、10D以及11D是奇模的Y＝0μm的Ex分量。根据这些结果可知，输入部的2个模(偶模以及奇模)逐渐向多路复用部分的偶模(TE0)和奇模(TE1)转变。该转变通过将Y分支取足够长，从而能够进行原理上无损失{偶模→TE0、奇模→TE1}的转换。然而，如上述那样考虑到实际的制造的情况下，Y分支的岔根变圆滑(视为平坦)，所以图7的IX的部分如图12的XIII的部分那样。此时，图9A～9D的模分布如图13A～13D的模分布那样具有较大不同的模分布向波导输入，因此产生损耗(此时的损耗由式(1)求出)。
对该情况进一步详述。若如图12所示在Y分支的岔根变平的情况下，在2个输入部的奇模的电场分布的2个峰值没有足够靠中心的阶段，与电场分布模的2个峰值比该奇模靠近中心的模转换部的TE1耦合，则电场分布的重叠变小。因此，如在式(1)所示那样耦合效率T会降低。因此，本实施方式的高阶模转换多路复用元件10使模转换部13的TE1的电场分布接近电场分布的2个峰值没有足够靠中心的输入部11、12的奇模的电场分布，所以设置有突出部13a、13b(即W3＞0)。该构成以如下理由起到上述的效果。通过设置突出部13a、13b从而在模转换部13中波导宽度变宽W3×2。若波导宽度变宽，则波导剖面的模也随之变宽。此时，TE1的2个波峰也从中心向外侧离开，所以能够接近输入部11、12的没有足够靠中心的奇模。
上述的图4A～4F中的各参数在图5中是W1＝400nm，gap＝500nm，W2＝1300nm，输入的光的波长是1550nm，纤芯的高度是220nm。而且图4A～4F表示输入部11、12与模转换部13各自的剖面的电场分布。图4B以及4E是具有突出部情况下的结果，设为W3＝198nm。图4C以及4F是没有突出部情况下的结果，是W3＝0。若观察这些图可知，具有突出部的情况下，TE1的峰值远离中心，在输入部11、12的模中各峰值的中心一致。
为了定量比较，图14示出通过使用了有限要素法的模拟求出过度损耗相对于突出部宽度W3的关系的结果。W3以外的各参数使用了与在求出图4A～4F的电场分布时相同的值。图中的TE1表示被从输入部11输入了TE0时在模转换部13向TE1转换时的过度损耗，TE0表示被从输入部11输入了TE0时在模转换部13向TE0转换时的过度损耗。由图14可知，W3＞0nm的情况比W3＝0nm时能够减小损耗。具体地说，在W3＝0nm，TE1的损耗为0.80dB，相对于此，在取最小损耗的W3＝198nm，则为0.16dB，可知能够大幅度地降低损耗。
另一方面，若W3过大，则模转换部13的TE1的2个峰值会过于远离输入部11、12的奇模的中心。因此，过度损耗增加。因此，需要找到适当的W3。在本实施方式的高阶模转换多路复用元件10的构造中，W3若从0nm起增加则最初过度损耗降低，在取得某个最小值后过度损耗增加。因此，本实施方式相对于W3＝0nm的以往技术发挥效果的是在比取得与W3＝0nm时的过度损耗相同的损耗的非0的W3的值(将其设为W3max)小时。即，满足0＜W3＜W3max为本实施方式的特征构造。此外，在图14中，W3max＝395nm。
接着，对与具有与本实施方式的高阶模转换多路复用元件10相似的构造的非专利文献3的差异进行说明。在非专利文献3中，对相当于TE0的模的分复用波进行描述。为了此时的过度损耗减少，非专利文献3的Y分支元件设置与本实施方式中的突出部相当的部分，通过调整其宽度从而减少与TE0相当的模的过度损耗。然而，非专利文献3中并未如本实施方式提及从TE0到TE1，在向TE1之类的其它模的转换这样的观点，无法知晓非专利文献3的构造能够适应。在本实施方式中，根据输入部11、12的奇模与模转换部13的TE1的模形状的类似性，对将从非专利文献3完全无法推断的模转换，能够调整基于突出部的TE1的电场分布的2个峰值位置。另外，在本实施方式所涉及的高阶模转换多路复用元件10中，具有通过以使其峰值位置一致的方式进行调整而能够低损耗的耦合的构造。因此，本实施方式着眼于输入部11、12的奇模和模转换部13的高阶模的电场分布的类似性，从实现低损耗的模转换这样的观点来看与非专利文献3的公开完全不同。
最后，对本实施方式的高阶模转换多路复用元件10的其它特征/效果进行说明。
作为第一点，在图5中，直线波导的模转换部13优选长边方向的长度(设为L1)不小。例如若L1＝0，则光从输入部11、12输入到模转换部13后被输入到波导宽度急剧变化的锥形部14，所以在该部分发生急剧的电场分布的变化。由此产生损耗。因此，为了电场分布的变化不变得急剧，优选L1不小。
作为第2点，在图5中，在模转换部13的后段连接有锥形部14和输出部15。该部分虽并未有助于模转换，但模转换部的波导宽度由W1、gap和据此确定的W3来决定。因此，一般为了与具有某个波导宽度的外部的光电路的连接，优选具备进行波导宽度不同的波导间的连接的锥形波导。
作为第3点，本实施方式与如非专利文献3所示那样与TE0间的分复用波低损耗化的原理不同。因此，将TE0从输入部11输入时的、向模转换部13的TE1转换时的过度损耗、向模转换部的TE0转换时的过度损耗与分别为最小的W3的值较大不同(参照图14)。因此，在TE1的过度损耗为最小的W3中，向TE0转换的过度损耗变大。这是在后述的第二实施方式、第四实施方式以后的、将TE1转换为TM0，将该TM0用于传送信号进而与附加了其它信号的TE0偏振复用，在进行偏振复用传输时有利。在该情况下，与TE1同时激励的TE0最终与承担传输信号的TE0混合，关联到偏振消光比的恶化。因此，从偏振消光比的观点来看，在模转换部中，输入的TE0向TE1是高效耦合、另一方面如向TE0则以低效率耦合的本实施方式是有利的。
接下来，对本实施方式的高阶模转换多路复用元件10的使用例进行说明。
＜使用例1＞仅向输入部11输入了TE0的情况
此时，能够将TE0转换为TE1。其中，作为原理损失，产生3dB的损耗。这是与针对通常的TE0的多路复用元件同样(例如，理想的Y分支或者MMI)。另外，若仅向输入部12输入TE0，则相对于向输入部11输入的情况，相位位移π。
＜使用例2＞向输入部11、12分别输入了相位不同±π/2的TE0的情况
此时，各个被输入的TE0是输入部分一方的相位位移π，但相互的相位差为±π/2的某一个，与不干扰地独立输入的情况同样。因此，使用例2的损耗是与使用例1同样地进一步加上3dB的原理损失而得的值。
＜使用例3＞向输入部11、12分别输入了相反相位的TE0的情况
输入到输入部11和12的TE0分别是偶模和奇模的重叠。在所输入的TE0为相反相位(相位偏离π)时，输入部11的TE0的奇模与输入部12的TE0的奇模若耦合为模转换部13的TE1则为同相位，以相互增强的方式干扰。另一方面，由于各自的偶模为相反相位，所以以相互减弱的方式干扰。偶模和奇模由于产生为功率比为50：50，所以干扰的结果为，仅奇模承担输入的全部能量。因此，该情况下不产生原理损失，图14(或者实施例1的图24A～26C)所示那样的过度损耗直接成为损耗。另外，此时，在模转换部中TE0完全没有产生。
＜第一实施方式的变形例＞连接了弯曲波导的构造
作为上述的第一实施方式的变形例，如图16所示，具有在输入部11、12的前段连接了弯曲波导17a、17b的构造。与输入部11、12连接的外部光线路的波导未必限定为维持第一实施方式的gap(参照图5)所示的间隔。因此，为了连接分离的两个波导，也考虑在输入部11、12的前段连接弯曲波导17a、17b的构造。此时的弯曲半径优选导波的TE0的损耗不过大的程度。另外，弯曲波导17a、17b不直接与本实施方式的模转换部13连接，而与形成输入部11、12的直线波导连接。此时输入部11、12的长边方向的长度(L2)最好不过短。在弯曲波导中导波的光在外周方向变形。因此，需要消除该变形的模的影响。假如L2过短，则电场分布变形的模与模转换部13耦合，有可能假定的效果降低。为了避免该情况，如果足够的L2有例如1波长(设为真空中的波长)程度的长度则足够。这是因为将1波长输入到波导的光成为稳定到稳定状态(即模的电场分布)所需的长度的级。
在图16中，在2个输入部11、12的双方的前段连接有弯曲波导17a、17b。然而，本发明并不特别局限于此，也可以在任意一个输入部11、12的前段连接弯曲波导。
＜第二实施方式＞将高阶模分离器连接在后段的高阶模转换多路复用元件
在使用例1以及2中除了TE1以外，产生TE0、TE1以上的高阶的模(有效折射率比TE1高的TE模)。另外，在使用例3中输入的TE0的相位差也偏差π的情况下，同样产生TE0等。因此，如图17所示，列举将提取TE1的高阶模分离器40连接在第一实施方式的高阶模转换多路复用元件10的后段的实施方式。作为高阶模分离器40，有方向性耦合器型的器件(参照日本特愿2012－183305)。
图17所示的高阶模分离器40通过适当地选择形成方向性结合器的平行的2个波导41、42的间隔，从而在以波导41能够导波的两种以上的传播模间，能够使耦合系数的不同足够大，能够仅将TE1提取到波导42(分离)。换句话说，输入到波导41的模中的TE1从波导42输出，其它(TE1以外)的模从波导41输出。
在平行的2个波导41、42的前后分别连接有弯曲波导41a、41b、42a、42b。高阶模分离器40为了提高TE0和TE1的消光比，也可以连接于多段。另外，在将TE1输入到波导41的同时，将TE0输入到波导42的情况下，能够从波导42输出两者被复用化的信号(TE0/TE1)。(例如，参照后述的第6实施方式的DP－QPSK调制器)
＜第三实施方式＞将高阶偏振转换元件连接在输出部的后段的高阶模转换多路复用元件
如上述的非专利文献1以及2那样，可考虑通过在将在模转换部13产生的TE1导波的输出部的后段连接高阶偏振转换元件，而将输入的TE0作为TM0输出那样的方式(参照图18)。图18表示在第一实施方式的高阶模转换多路复用元件10的后段连接了高阶偏振转换元件50的构造。作为高阶偏振转换元件50，具有将TE1转换为TM0的功能即可，作为其例，列举改变与非专利文献1以及2同样的上下包层的材质使折射率分布为上下非对称的锥状波导。另外，也列举日本特愿2013－135490所示那样的使纤芯形状为非对称的2段构造的锥状波导的高阶偏振转换元件51(参照图19A以及19B)。此外，图19B表示图19A的添加向右箭头的虚线的位置处的剖面。高阶偏振转换元件51由于上部纤芯52a和下部纤芯52b的宽度不同，从而纤芯52的剖面形状为上下非对称。另外通过上部纤芯52a的宽度或者下部纤芯52b的宽度相对于光波导的光的导波方向连续地变化，从而能够将TE1转换为TM0。在高阶偏振转换元件51的情况下，由于纤芯52的构造为上下非对称，所以包层53的构造无需上下非对称性。
＜第四实施方式＞将高阶偏振转换元件和偏振分束器在后段连接的高阶模转换多路复用元件
如上所述，在高阶模转换多路复用元件10中存在产生TE1以外的模的情况。因此，例如如图20所示，也可考虑在高阶模转换多路复用元件10的后段连接高阶偏振转换元件50将TE1转换为TM0后，将提取TM0的偏振分束器60连接在后段的构造。
作为偏振分束器，列举参考文献1(Hiroshi Fukuda,etal.,“Ultrasmall polarization splitter based on silicon wire waveguides,”OPTICS EXPRESS,Vol.14,No.25,12401(2006))所示那样的方向性耦合器型的偏振分束器。
偏振分束器60通过适当选择形成方向性耦合器的平行的两个波导61、62的间隔，从而能够仅将TM0从波导61向波导62提取(分离)。换句话说，输入到波导61的模中的TM0从波导62输出，其它(TM0以外)的模从波导61输出。
在平行的两个波导61、62的前后分别连接有弯曲波导61a、61b、62a、62b。可以将波导61、62的前段的弯曲波导61a、62a仅设置在单侧，也可以将波导61、62的后段的弯曲波导61b、62b仅设置在单侧。
偏振分束器60为了提高TE0和TM0的偏振消光比，也可以连接于多段。另外，在将TM0输入波导61的同时，将TE0输入到波导62的情况下，能够将两者被复用化的信号(TE0/TM0)从波导62输出。(例如，参照后述的第五实施方式的DP－QPSK调制器)
＜第五实施方式＞DP－QPSK调制器其1
高阶模转换多路复用元件能够在参考文献2(P.Dong,C.Xie,L.Chen,L.L.Buhl,and Y.-K.Chen,“112-Gb/s MonolithicPDM-QPSK Modulator in Silicon,”in European Conference andExhibition on Optical Communication(2012),Vol.1,p.Th.3.B.1)所公开那样的偏振复用4值相位调制(Dual Polarization-Quadrature PhaseShift Keying(DP-QPSK))中使用。
在图21表示利用了上述实施方式的高阶模转换多路复用元件10的DP－QPSK调制器的实施方式之一。各个QPSK调制器71、72包含两个MZ(马赫-曾德尔)干扰计。使一个MZ干扰计71a、72a的输出信号为同相分量(I信号)，使另一个MZ干扰计71b、72b的输出信号为正交相位分量(Q信号)。
为了向I信号与Q信号之间提供π/2的相位差，各QPSK调制器71、72具有相位调整部73。向各MZ干扰计输入TE0。然后，在一个QPSK调制器72中，将载有I、Q信号的TE0，通过相位调整部73提供π/2的相位差，并输入至高阶模转换多路复用元件10。作为其结果，这些TE0被转换为TE1。在此，高阶模转换多路复用元件10由于利用QPSK调制器的相位调整部73，所以能够如第一实施方式的使用例2那样使用。然后，与第四实施方式同样地高阶偏振转换元件51和偏振分束器60被连接在后段，以最终具有独立的QPSK信号的TE0和TM0一致的形式输出。换句话说，在该DP－QPSK调制器70中，从QPSK调制器71输出的TE0的QPSK信号直接向偏振分束器60的波导62输出，从QPSK调制器72输出的TE0的QPSK信号通过高阶模转换多路复用元件10和高阶偏振转换元件51被转换为TM0向偏振分束器60的波导61输出，从偏振分束器60的波导62输出偏振复用的信号(TE0/TM0)。此外，调制TE0的方式不限于QPSK。具有更简单的构成的调制器、具有复杂的构成的调制器等都能够使用上述实施方式的高阶模转换多路复用元件进行偏振复用。
＜第6实施方式＞DP－QPSK调制器其2
也能够制成使用第二实施方式的DP－QPSK调制器。在图22的DP－QPSK调制器80中，与第五实施方式同样之处在于：各自的QPSK调制器81、82具有两个MZ干扰计81a、81b、82a、82b和相位调整部83、83，QPSK调制器82的多路复用部中具备高阶模转换多路复用元件10。在本实施方式中，与第五实施方式不同之处在于：代替偏振分束器60而设置高阶模分离器40，高阶偏振转换元件51不是设置在偏振分束器60的前段，而是设置在高阶模分离器40的后段。
根据本实施方式的DP－QPSK调制器80，以高阶模分离器40提取通过高阶模转换多路复用元件10而产生的TE1，使与作为一方的QPSK调制器81的输出的TE0多路复用，在其后段连接高阶偏振转换元件51，由此最终得到基本TE模和TM0被多路复用的输出(TE0/TM0)。与第五实施方式同样，在本实施方式中输入高阶模转换多路复用元件10的两个信号能够以通过设置于其前段的QPSK调制器的相位调整部83从而相位差成为π/2的方式进行调整。因此，能够如第一实施方式的使用例2那样利用。此外，调制TE0的方式不限于QPSK。具有更简单的构成的调制器、具有复杂的构成的调制器都能够使用上述实施方式的高阶模转换多路复用元件进行偏振复用。
＜第7实施方式＞DP－QPSK调制器其3
也能够制成使用了第三实施方式的组合和偏振分束器的DP－QPSK调制器。如图23所示，本实施方式的DP－QPSK调制器90在一个QPSK调制器92中，在MZ干扰计92a、92b的多路复用部使用高阶模转换多路复用元件10。另外，I信号和Q信号的多路复用部使用基本TM模用的多路复用部93。与第五以及第6实施方式同样之处在于各自的QPSK调制器91、92具有以I信号和Q信号的相位差为π/2的方式调整的相位调整部94。
一般，作为QPSK调制器使用的MZ干扰计具备调整多路复用前的2个波导的相位差的机构。在图23，按每个MZ干扰计91a、91b、92a、92b设为相位调整部95示出。由此，通过将被输入到高阶模转换多路复用元件10的TE0的相位差设为π，从而在输出的TE1没有混合TE0，能够实现高的偏振消光比。(其中，在调制信号的转变间无法维持相位差π，因此输出会混合TE0)。由高阶模转换多路复用元件10输出的TE1通过连接在后段的高阶偏振转换元件51而被转换为TM0，这些I信号和Q信号通过多路复用部93被多路复用。进而在后段，与第五实施方式同样地，通过将从QPSK调制器92输出的TM0被偏振分束器60从波导61提取到波导62，从而与另一方的QPSK调制器91输出的TE0偏振复用。此外，调制TE0的方式不限于QPSK。具有更简单的构成的调制器、具有复杂的构成的调制器，都能够使用本发明的高阶模转换多路复用元件进行偏振复用。
以上，基于优选的实施方式对本发明进行说明，但本发明并不限定于上述的实施方式，在不脱离本发明的要旨的范围内能够进行各种改变。
弯曲波导不限于高阶模转换多路复用元件的输入部的前段。也可以在输出部的后段设置弯曲波导，还可以在其它任意的场所设置弯曲波导。
构成高阶模转换多路复用元件的各部(输入部，宽幅部，锥形部，输出部)的波导优选包层包围纤芯的周围的构造。如图15所示，包层也可以具有设置于纤芯30的下侧(基板侧)的下部包层32和设置于纤芯30的上侧以及宽度方向两侧的上部包层31的构造。在该情况下，通过从基板侧起，层叠了下部包层32后，形成纤芯30，进而堆积上部包层31的顺序，能够制成波导。在纤芯的剖面为矩形形状的波导中，包围纤芯的包层由相同材料构成的情况下，剖面的折射率分布沿上下左右为对称，所以即使设置锥形部，也能够抑制不希望的偏振转换。例如优选下部包层32的材料使用SiO2的情况下，上部包层31也使用SiO2。在上部包层的SiO2堆积时，也可以包含希望的杂质(掺杂剂)或者不可避免的杂质。在纤芯30由Si构成、下部包层32由SiO2构成的情况下，能够以SOI(Silicon on Insulator)作为材料来形成波导。作为构成纤芯以及包层的材料，若使用Si、Ge、SiGe等IV族半导体、SiO2、Si3N4等的化合物，则能够利用与制成硅等半导体元件同样的装置以及工序，制成光波导元件，所以优选。
也可以在高阶模转换多路复用元件的两个输入部的前段设置变更波导的宽度的锥状波导。该锥状波导可以是朝向输入部宽度逐渐变狭的波导，也可以是朝向输入部宽度逐渐变宽的波导。
也可以在高阶模转换多路复用元件的输出部的后段设置变更波导的宽度的锥状波导。该锥状波导可以是从输出部起宽度逐渐变狭的波导，也可以是从输出部起宽度逐渐变宽的波导。
作为调制器的调制方式，列举振幅偏移调制(ASK)、频率偏移调制(FSK)、相位偏移调制(PSK)等。另外，作为PSK，不限于上述的QPSK，可列举BPSK(Binary Phase Shift Keying：二进制相移键控)、8PSK(8 Phase Shift Keying：8相移键控)、OQPSK(Offset QPSK：偏移QPSK)等。
以下，以实施例对本发明具体进行说明。
＜实施例1＞高阶模转换多路复用元件
作为基本的实施例，列举基于图14以过度损耗变小的方式选择了设计参数的高阶模转换多路复用元件。本实施例的高阶模转换多路复用元件以由Si－SiO2－Si构成的SOI(Silicon on insulator：绝缘体上硅)基板为基础形成。SOI基板将其中间的SiO2层用作下部包层，将上部的Si层用作纤芯。在纤芯形成后，作为上部包层设置SiO2层。在图15示出此时的波导剖视图。该剖面是指与光的行进方向垂直的面。
本实施例的高阶模转换多路复用元件如上所述由在纤芯30使用Si，在上部包层31和下部包层32使用了SiO2的高折射率差的波导构成。因此，光向纤芯的禁锢强，能够制成为小型。
图24A～26C示出对图5所示的参数设定代表性的值并通过有限要素法进行模拟计算时的、求出TE1以及TE0的过度损耗(dB)相对于W3(nm)的关系的曲线图。在本实施例，纤芯的高度设为220nm，波长设为1550nm。作为在此使用的代表性的参数，W1(nm)和gap(nm)的值如以下的表1那样。在该表1中，在各个条件下，TE1的过度损耗为最小的W3的值(W3min)与取得与W3＝0nm时的过度损耗相同的过度损耗的不为0的W3的值(W3max)都一并标注。
表1
W1(nm) gap(nm) W3min(nm) W3max(nm)
400 100 80 161
400 300 142 285
400 500 198 395
600 100 39 77
600 300 103 205
600 500 167 333
800 100 29 58
800 300 89 178
800 500 153 306
W3max是在400nm≤W1≤800nm并且100nm≤gap≤500nm的范围下，如下式(2)那样被求出。在该式(2)中，若将W1以及gap用nm单位的数值代入，则W3max的值被作为nm单位的数值给予。
W3max＝(-0.0000000008350862×gap2-0.000000436986×gap+0.0008631515625)×W12+(0.0000016652002737×gap2+0.000208004578×gap-1.2672957688375)×W1+(-0.00069425946204×gap2+0.670233759496504×gap+462.994458236249)···(2)
在上述W1、gap的范围下，能够由式(2)确定具有本发明的较大效果的范围(0＜W3＜W3max)。在本实施例中，例示纤芯的高度为220nm、纤芯由Si构成、包层由SiO2构成的情况，得到了式(2)的结果。然而，在纤芯的高度、材料不同的情况下，以同样的手法能够求得优选的范围。
此外，在将输入部的宽度定义为Wa(nm)，将宽幅部的波导宽度定义为Wb(nm)，将突出部的宽度定义为Wc(nm)时，若使这些与图5的参数对应，则如下。
Wa＝W1，
Wb＝W2+W3×2＝gap+(W1+W3)×2，
Wc＝W3＝(Wb－(Wa×2+gap))/2
图27示出本实施例的高阶模转换多路复用元件的过度损耗的波长取决性。图中也示出制造误差带来的影响下的波长取决性。该制造误差假设形成本实施例的高阶模转换多路复用元件的全部波导的波导宽度与设计值相比一律变化了“+25nm”或者“－25nm”的情况。图27的“无制造误差”的计算中使用的参数为W1＝600nm、gap＝300nm、W3＝103nm，纤芯的高度为220nm。可知即使如图27的“+25nm”或“－25nm”那样考虑到制造误差，在频带宽度为200nm的较宽的波长频带，具有约0.2dB以下的低过度损耗。
以上记载有本发明的最佳的实施方式，虽进行解说，但这些应理解为本发明的典型的实施方式，不应考虑为限定。追加、削除、置换、其它变更不脱离本发明的范围都可进行。因此，不认为本发明通过上述的记述被限定，仅被附上的权利要求限定。

Claims (14)

1.一种基板型光波导元件，其特征在于，具备：
两个输入部，它们是相互具有相同的宽度、相互平行、且剖面为矩形形状的波导；
宽幅部，其是直线波导，与所述两个输入部的后段连接；
锥形部，其与所述宽幅部的后段连接，且是宽度逐渐变狭的锥状的、至少TE1传播的多模波导；以及
输出部，其是与所述锥形部的后段连接的、剖面为矩形形状的、至少TE1传播的多模波导，
所述基板型光波导元件构成能够将输入到所述两个输入部的TE0从所述输出部作为TE1输出的高阶模转换多路复用元件，
在分别将所述两个输入部的宽度方向的间隔定义为gap，将所述两个输入部的宽度定义为Wa，将所述宽幅部的波导宽度定义为Wb时，满足Wb＞Wa×2+gap，所述两个输入部的宽度方向的中心与所述宽幅部的宽度方向的中心一致。
2.根据权利要求1所述的基板型光波导元件，其特征在于，
还具备与所述两个输入部的一方或者两方的前段连接的弯曲波导。
3.根据权利要求1或者2所述的基板型光波导元件，其特征在于，
还具备与所述两个输入部的前段连接，且变更波导的宽度的锥状波导。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的基板型光波导元件，其特征在于，
还具备与所述输出部的后段连接，变更波导的宽度的锥状波导。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的基板型光波导元件，其特征在于，
还具备与所述输出部的后段连接，提取TE1的高阶模分离器。
6.根据权利要求5所述的基板型光波导元件，其特征在于，
还具备与所述高阶模分离器的后段连接，将TE1转换为TM0的高阶偏振转换元件。
7.根据权利要求1～4中任一项所述的基板型光波导元件，其特征在于，
还具备与所述输出部的后段连接，将TE1转换为TM0的高阶偏振转换元件。
8.根据权利要求7所述的基板型光波导元件，其特征在于，
还具备与所述高阶偏振转换元件的后段连接，提取TM0的偏振分束器。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的基板型光波导元件，其特征在于，
构成所述高阶模转换多路复用元件的波导由纤芯和包围所述纤芯的包层形成，
所述包层仅由同一材料构成。
10.根据权利要求9所述的基板型光波导元件，其特征在于，
在构成所述高阶模变换多路复用元件的波导中，纤芯的高度为220nm，纤芯由Si构成，包层由SiO2构成，所述Wa以及所述gap分别满足400nm≤Wa≤800nm且100nm≤gap≤500nm，
将Wc以及Wd分别定义为Wc＝(Wb－(Wa×2+gap))/2、Wd＝(－0.0000000008350862×gap2－0.000000436986×gap+0.0008631515625)×Wa2+(0.0000016652002737×gap2+0.000208004578×gap－1.2672957688375)×Wa+(－0.00069425946204×gap2+0.670233759496504×gap+462.994458236249)时，满足0＜Wc＜Wd。
11.一种DP－QPSK调制器，其特征在于，
具备权利要求6所记载的基板型光波导元件。
12.一种DP－QPSK调制器，其特征在于，
具备权利要求7所记载的基板型光波导元件。
13.一种DP－QPSK调制器，其特征在于，
具备权利要求9所记载的基板型光波导元件。
14.一种DP－QPSK调制器，其特征在于，
具备权利要求10所记载的基板型光波导元件。
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