CN105408786B - 高阶偏振波转换元件、光波导元件以及dp－qpsk调制器 - Google Patents

高阶偏振波转换元件、光波导元件以及dp－qpsk调制器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及高阶偏振波转换元件、光波导元件以及DP－QPSK调制器。高阶偏振波转换元件具备基板、下部包层、在剖面矩形状都具有恒定的高度且由相同的材料形成的上部纤芯(3)以及下部纤芯(4)构成的纤芯(2)、和由与上述下部包层相同的材料形成的上部包层，上述纤芯在开始部(8)和结束部(9)的任意一个中，下部纤芯的宽度和上部纤芯的宽度都相同，从开始部朝向结束部，上部纤芯的宽度以及下部纤芯的宽度中的至少一方连续减少、且上部纤芯的宽度以及下部纤芯的宽度双方都不增加，在开始部中，TE1的有效折射率大于TM0的有效折射率，在结束部中，TM0的有效折射率大于TE1的有效折射率，在除了开始部和结束部之外的、开始部与结束部之间的部分中，上述纤芯具有上部纤芯的宽度与下部纤芯的宽度不同的上下非对称的结构，在开始部的TE1与结束部的TM0之间进行高阶偏振波转换。

Description

高阶偏振波转换元件、光波导元件以及DP－QPSK调制器
技术领域
本发明例如涉及光纤通信中所使用的基板型光波导元件，特别是进行偏振波的转换的高阶偏振波转换元件、光波导元件以及DP－QPSK调制器。
本申请基于2013年6月27日在日本申请的特愿2013－135490号并主张优先权，并在此引用其内容。
背景技术
现在，伴随着高速的因特网线路服务、智能手机等的普及，通过光通信传输的信息量不断增加。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。特别是在以高速度的信息通信为目的下一代的100Gbps(每秒吉比特)的数字相干传输技术中，为了使每单位时间的信息量为2倍，利用在电场正交的2个偏振波的各个携带信息的偏振波复用方式。然而，对于包括偏振波复用方式的高速通信的调制方式而言，构成光调制器的光电路部件的结构变得复杂，产生装置大型化、高额化等课题。
另外，根据通过光通信传输的信息量的增加，收发器等光电路部件的需要个数也增加。因此，为了在有限的空间中增加光电路部件，需要构成光电路部件的光元件的小型化和高密度集成化。
针对这样的课题，展开具有加工容易、基于集成化的小型化、基于大量生产的低成本等优点，并使用了硅的基板型光波导(硅光波导)的光电路部件(光调制器等)的研究以及开发。
硅光波导是纤芯利用折射率较大的硅系材料(Si、Si3N4等)、包层利用了与纤芯的折射率差较大的材料(SiO2、空气、Si3N4等)的所谓相对折射率差较大的光波导。若相对折射率差较大则对纤芯的光封闭变大，所以可能变为陡峭的弯曲，适合光元件的小型化、高密度集成化。
然而，这种基板型光波导内的偏振波复用中存在如下那样的问题点。一般，基板型光波导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。因此，相对于实际上仅具有宽度方向的电场成分的模(以下，称为TE模)、和实际上仅具有高度方向的电场成分的模(以下，称为TM模)这两种偏振波模，有效折射率等特性不同。在这些模中，多少情况下使用的是基本TE模(TE0)和基本TM模(TM0)。此处，TE0是指TE模中有效折射率最大的模。另外，TM0是指TM模中有效折射率最大的模。
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较困难。在需要按照每个模式进行最优化的基板型光波导元件的情况下，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，例举使用TE0作为向对TE0最优化后的所希望的基板型光波导元件的输入光，并将其输出偏振波转换为TM0的方法。此处偏振波转换表示从TE0向TM0或者从TM0向TE0的转换。为了进行上述操作，需要在基板上进行偏振波转换的基板型光波导元件。
作为在基板上进行这种偏振波转换的技术，有将TE0转换为高阶TE模(TE1)后再将TE1转换为TM0的方法。此处，TE1表示有效折射率第二高的TE模。TE1由于具有与TE0同方向的电场成分，所以通过使用仅利用使矩形状的光波导并列等简单的工序就可制成的方向性耦合器，能够转换。因此，如果实现将TE1转换为TM0的元件，则能够经由TE1进行偏振波转换。
另外，一般硅光波导具有较大的双折射率，所以具有较强的偏振波依赖性。例如，在对光元件输入TE0和TM0时，光元件的特性较大地不同。为了解决该问题，利用使用将TM0转换为TE0(或相反)的偏振波转换元件，向光元件输入同一模的偏振波分集方式。因此，为了进行光元件的小型化、高密度集成化，必需小型的偏振波转换元件。
作为硅光波导的偏振波转换元件的技术，提出将TE0转换为TE1，之后再将TE1转换为TM0的方法。
作为在基板型光波导上使用这样的TE1与TM0之间的转换(以下，称为高阶偏振波转换)来进行偏振波转换的技术，例举非专利文献1。
非专利文献1的Fig.2(a)以及Fig.2(b)示出其实施例。
非专利文献1公开的光波导元件成为由方向性耦合器部分(耦合部)和锥状光波导部分(锥形部)构成，耦合部的出射端与锥形部连接的结构。是耦合部将TE0转换为TE1，锥形部将TE1转换为TM0的基板型光波导元件。这两个部分中所使用的光波导的折射率的、与导波方向垂直的剖面分布在非专利文献1的Fig.1(a)以及Fig.1(c)的图中被示出。在这些图中，示出被称为纤芯的矩形部分、位于该纤芯的下部且折射率比纤芯低的水平的下部包层、以及折射率比纤芯低且覆盖与下部包层不同的纤芯的上部包层。
非专利文献1的Fig.1(a)以及Fig.1(c)示出有效折射率相对于纤芯宽度的图表。纤芯为Si、折射率为3.455，下部包层为SiO2、折射率为1.445，上部包层为空气(折射率为1.0)或者Si3N4(折射率为2.0)，纤芯的高度为220nm。
另外，非专利文献1的Fig.1(b)示出上部包层和下部包层具有相等的折射率的上下对称的折射率剖面形状的光波导的有效折射率的图表。
从这些图可知，折射率剖面具有上下非对称的折射率剖面结构的情况下，在各模式的有效折射率的变化相对于宽度方向的变化的图表中，具有上下对称的折射率剖面结构的波导中简并的TE1和TM0的点分离。
例如，在非专利文献1的Fig.1(a)的图表中示出在波导宽度0.7μm附近，波导宽度扩展的期间，有效折射率第二高的模式从TM0(基本TM模)向TE1(高阶TE模)变化，另外，有效折射率第三高的模式从TE1(高阶TE模)向TM0(基本TM模)变化。因此，TE1和TM0以有效折射率曲线状连续地连接，使波导宽度缓慢地变化，从而能够进行损失较小的高阶偏振波转换。利用该现象是通过成为利用前述的偏振波转换元件中的锥形部将波导宽度从TE1转换为TM0的范围内缓慢地使其变化的锥形结构，而进行高阶偏振波转换。
另外，非专利文献2公开了通过使用上下包层为相同的材料(SiO2)，并使纤芯的剖面结构上下非对称来进行高阶偏振波转换。
非专利文献2在Fig.11等中公开了输入输出部的剖面的一个端部具有肋形波导的剖面结构，而另一个端部具有矩形波导的剖面结构的高阶偏振波转换元件。
非专利文献1:Daoxin Dai and John E.Bowers,“Novel concept forultracompact polarization splitter-rotator based on silicon nanowires,”OpticsExpress,Vol.19,Issue 11,pp.10940(2011)
非专利文献2:Daoxin Dai,Yongbo Tang,and John E Bowers,"Mode conversionin tapered submicron silicon ridge optical waveguides,"Optics Express,Vol.20,Issue.12,pp.13425-13439(2012)
非专利文献1中公开在进行高阶偏振波转换的锥形部中需要在上部包层和下部包层中具有不同的折射率的材料。在使用这种新的材料的情况下，产生多余的工序、需要本来其它光波导部分不使用的材料。因此，在效率、成本方面是不利的。另外，若在上部包层和下部包层使用不同种类材料，则因线膨胀系数等的不同而产生变形，降低合格率。另外也例举下部包层为光波导所使用的材料，而使上部包层的材料为空气的方法。然而，由于在制造过程中光波导裸露，因异物的附着而特性恶化，合格率降低。
并且，在非专利文献2公开的结构中，由于肋形波导的宽度方向的包层区域较窄，所以有时宽度方向的光的封闭变弱，陡峭的弯曲半径的弯曲波导部分导致较大的损失。因此，使用肋形波导的情况下需要增大弯曲半径(数十～数百μm)，在非专利文献2公开的结构中高密度集成化较困难。换句话说，在以光电路部件内的光元件的高密度集成化为目标的情况下，光元件间需要利用宽度方向以包层充分覆盖的矩形波导进行连接。另外，即使假设在非专利文献2所公开的肋形波导的端部组合从肋形波导向矩形波导的转换结构，也需要矩形－肋形转换部。因此，使光元件小型化较困难。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而完成的，其课题在于提供即使上部包层和下部包层不具有不同的折射率，也能够在TE1与TM0之间进行偏振波转换的高阶偏振波转换元件以及光波导元件、以及兼得小型化、高密度集成化的高阶偏振波转换元件以及光波导元件。
为了解决上述课题，本发明的第1方式所涉及的高阶偏振波转换元件基板；下部包层，其被设置在上述基板上；纤芯，其具有被设置在上述下部包层上，在剖面矩形状中具有恒定的高度的下部纤芯、和由与上述下部纤芯相同的材料形成且在上述下部纤芯上连续地配置的在剖面矩形状中具有恒定的高度的上部纤芯；以及上部包层，其被设置在上述纤芯以及上述下部包层上，并由与上述下部包层相同的材料形成，上述纤芯构成光能够从上述下部纤芯的宽度与上述上部纤芯的宽度相同的开始部到上述下部纤芯的宽度与上述上部纤芯的宽度相同的结束部进行导波的光波导，至少上述上部纤芯的宽度以及上述下部纤芯的宽度中的一方在上述开始部与上述结束部之间相对于上述光的导波方向连续地减少、且上述上部纤芯的宽度以及上述下部纤芯的宽度双方从上述开始部到上述结束部不增加，在上述开始部中，TE0的有效折射率大于TE1的有效折射率，上述TE1的有效折射率大于TM0的有效折射率，在上述光波导的结束部中，上述TE0的有效折射率大于上述TM0的有效折射率，上述TM0的有效折射率大于上述TE1的有效折射率，在上述开始部与上述结束部之间的上述光波导中的除了上述开始部和上述结束部之外的部分中，上述纤芯具有上述上部纤芯的宽度与上述下部纤芯的宽度不同的上下非对称的结构，上述高阶偏振波转换元件在上述开始部的TE1与上述结束部的TM0之间进行高阶偏振波转换。
也可以在上述开始部与上述结束部之间，上述下部纤芯的宽度始终大于上述上部纤芯的宽度，在与上述光被进行导波的方向垂直的剖面中上述上部纤芯的下边始终包含于上述下部纤芯的上边。
也可以在上述开始部与上述结束部之间，上述上部纤芯的宽度方向的两端分别始终不与上述下部纤芯的上述宽度方向的两端重叠。
也可以在上述开始部与上述结束部之间，上述上部纤芯的宽度方向的一端始终与上述下部纤芯的上述宽度方向的一端重叠。
也可以在上述开始部中，上述纤芯的高度为210nm以上230nm以下，上述纤芯的宽度为700nm以上，且在上述结束部中，上述纤芯的高度为210nm以上230nm以下，上述纤芯的宽度为620nm以下。
也可以上述下部纤芯和上述上部纤芯由Si构成，上述下部包层和上述上部包层由SiO2构成。
也可以上述上部纤芯的宽度从上述开始部到中间部减少，而从上述中间部到上述结束部为恒定、且上述下部纤芯的宽度从上述开始部到上述中间部为恒定，而从上述中间部到上述结束部之间减少。
另外，本发明的第2方式所涉及的光波导元件具备上述的高阶偏振波转换元件；方向性耦合器，其由未连接上述高阶偏振波转换元件的第1光波导、和连接有上述高阶偏振波转换元件的上述开始部的第2光波导构成，TE0在上述第1光波导中导波，TE1在上述第2光波导中导波，上述第1光波导的TE0能够与上述第2光波导的TE1耦合。
上述第1光波导的TE0的有效折射率与上述第2光波导的TE0的有效折射率之差也可以为0.2以上。
另外，本发明的第3方式的DP－QPSK调制器具备上述光波导元件。
根据本发明的上述方，光波导的纤芯由宽度不同的上部纤芯和下部纤芯构成，为上下具有非对称性的纤芯形状，从而即使上部包层和下部包层不具有不同的折射率，也能够进行高阶偏振波转换。
附图说明
图1A是本发明的实施方式所涉及的高阶偏振波转换元件的一个例子的光波导的剖视图。
图1B是本发明的实施方式所涉及的高阶偏振波转换元件的一个例子的纤芯的立体图。
图2A是本发明的实施方式所涉及的高阶偏振波转换元件的其它一个例子的光波导的剖视图。
图2B是本发明的实施方式所涉及的高阶偏振波转换元件的其它一个例子的纤芯的立体图。
图3A是表示利用了上部包层与下部包层的折射率差的结构的一个例子的纤芯的俯视图。
图3B是表示利用了上部包层与下部包层的折射率差的结构的一个例子的光波导的剖视图。
图4A是本发明的第1实施方式所涉及的高阶偏振波转换元件的纤芯的俯视图。
图4B是沿着图4A的IVb－IVb线的剖视图。
图4C是沿着图4A的IVc－IVc线的剖视图。
图4D是沿着图4A的IVd－IVd线的剖视图。
图5A是本发明的第2实施方式所涉及的高阶偏振波转换元件的纤芯的俯视图。
图5B是沿着图5A的Vb－Vb线的剖视图。
图5C是沿着图5A的Vc－Vc线的剖视图。
图5D是沿着图5A的Vd－Vd线的剖视图。
图6A是本发明的实施方式所涉及的高阶偏振波转换元件的第3实施方式的纤芯的俯视图。
图6B是沿着图6A的VIb－VIb线的剖视图。
图6C是沿着图6A的VIc－VIc线的剖视图。
图7A是本发明的实施方式所涉及的高阶偏振波转换元件的第1或者第2实施方式的改变例的纤芯的俯视图。
图7B是本发明的实施方式所涉及的高阶偏振波转换元件的第1或者第2实施方式的改变例的纤芯的俯视图。
图7C是本发明的实施方式所涉及的高阶偏振波转换元件的第1或者第2实施方式的改变例的纤芯的俯视图。
图7D是本发明的实施方式所涉及的高阶偏振波转换元件的第1或者第2实施方式的改变例的纤芯的俯视图。
图8A是本发明的第3实施方式所涉及的高阶偏振波转换元件的改变例的纤芯的俯视图。
图8B是本发明的第3实施方式所涉及的高阶偏振波转换元件的改变例的纤芯的俯视图。
图8C是本发明的第3实施方式所涉及的高阶偏振波转换元件的改变例的纤芯的俯视图。
图9A是本发明的第4实施方式所涉及的高阶偏振波转换元件的纤芯的俯视图。
图9B是沿着图9A的IXb－IXb线的剖视图。
图9C是沿着图9A的IXc－IXc线的剖视图。
图10A是本发明的第4实施方式所涉及的高阶偏振波转换元件的改变例的纤芯的俯视图。
图10B是本发明的第4实施方式所涉及的高阶偏振波转换元件的改变例的纤芯的俯视图。
图10C是本发明的第4实施方式所涉及的高阶偏振波转换元件的改变例的纤芯的俯视图。
图11A是本发明的第5实施方式所涉及的高阶偏振波转换元件的纤芯的俯视图。
图11B是沿着图11A的XIb－XIb线的剖视图。
图11C是沿着图11A的XIc－XIc线的剖视图。
图12A是本发明的第5实施方式所涉及的高阶偏振波转换元件的改变例的纤芯的俯视图。
图12B是本发明的第5实施方式所涉及的高阶偏振波转换元件的改变例的纤芯的俯视图。
图12C是本发明的第5实施方式所涉及的高阶偏振波转换元件的改变例的纤芯的俯视图。
图13A是将本发明的实施方式所涉及的高阶偏振波转换元件与非对称方向性耦合器组合而成的偏振波转换元件的一个例子的纤芯的俯视图，(b)是沿着(a)的XIIIb－XIIIb线的剖视图。
图13B是沿着图13A的XIIIb－XIIIb线的剖视图。
图14A是将本发明的实施方式所涉及的高阶偏振波转换元件与非对称方向性耦合器组合而成的偏振波转换元件的其它一个例子的纤芯的俯视图。
图14B是将本发明的实施方式所涉及高阶偏振波转换元件与非对称方向性耦合器组合而成的偏振波转换元件的其它一个例子的非对称方向性耦合器的纤芯的剖视图。
图15是表示DP－QPSK调制器的一个例子的示意图。
图16是表示偏振波分集相干接收机的一个例子的示意图。
图17是表示偏振波分集方式的一个例子的示意图。
图18是表示计算例1中有效折射率相对于下底的变化的图。
图19(a)～(d)分别是表示计算例1中，下底为0.5μm时的电场振幅的图。
图20(a)～(d)分别是表示计算例1中，下底为0.6μm时的电场振幅的图。
图21(a)～(d)分别是表示计算例1中，下底为0.8μm时的电场振幅的图。
图22(a)～(d)分别是表示计算例1中，下底为1.2μm时的电场振幅的图。
图23是表示实施例1中有效折射率相对于Z坐标的变化的图表。
图24(a)～(d)分别是实施例1中表示开始部剖面的电场振幅的图。
图25是实施例1中所求出的转换损失的波长依赖性的图表。
图26是实施例1中利用FDTD法求出沿着波导的电场的(a)Ex成分、以及(b)Ey成分的模拟结果。
图27是表示实施例3的结构中有效折射率的变化的图表。
图28是表示实施例4的结构中有效折射率的变化的图表。
图29是表示实施例5的结构中有效折射率的变化的图表。
图30是表示实施例7的结构中偏振波转换损失的波长依赖性的图表。
图31是表示实施例7的结构中TE0的透过损失的波长依赖性的图表。
图32是表示使TE1产生的转换合波元件的一个例子的俯视图。
图33是表示对称方向性耦合器的一个例子的俯视图。
图34是表示具备图32的转换合波元件的DP－QPSK调制器的一个例子的俯视图。
图35是表示具备图32的转换合波元件的DP－QPSK调制器的其它一个例子的俯视图。
图36是表示实施例8的转换合波元件中的(a)输入部分的剖面的基本TE模的模分布、(b)合波部的剖面的高阶TE模的模分布的模拟结果的图。
图37是表示实施例8的转换合波元件中的过度损失的模拟结果的图表。
图38是表示基于FDTD法的实施例8的转换合波元件的电场模拟的结果的图。
图39是使用了图4A～4D所示的构成的情况下的向锥形波导的埋入的示意图。
图40是表示使用了本发明所涉及的实施方式的高阶偏振波转换部的设计例的图。
图41A是表示使用了本发明所涉及的实施方式的高阶偏振波转换部的设计例的图。
图41B是表示使用了本发明所涉及的实施方式的高阶偏振波转换部的设计例的图。
图41C是表示使用了本发明所涉及的实施方式的高阶偏振波转换部的设计例的图。
图42A是表示产生侧壁粗糙的转换合波元件的图。
图42B是表示产生侧壁粗糙的转换合波元件的图。
图43A是表示实施例10的高阶偏振波转换元件的结构的图。
图43B是表示实施例10的高阶偏振波转换元件的结构的图。
图44是表示在实施例10的高阶偏振波转换元件中导波的模的有效折射率的图表。
图45是表示在实施例10的高阶偏振波转换元件中导波的模的RTE、RTM的图表。
图46A是表示比较例2的高阶偏振波转换元件的结构的图。
图46B是表示比较例2的高阶偏振波转换元件的结构的图。
图47是表示在比较例2的高阶偏振波转换元件中导波的模的有效折射率的图表。
图48是表示在比较例2的高阶偏振波转换元件中导波的模的RTE、RTM的图表。
图49是表示实施例10和比较例2的高阶偏振波转换时的转换效率相对于全元件长的图表。
图50是表示模拟计算出实施例10的高阶偏振波转换元件的高阶偏振波转换效率的波长依赖性的结果的图。
图51是表示测量实施例11所制成的器件的高阶偏振波转换效率的波长依赖性的结果的图。
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。
图1A～图2B示意性地例示本发明的高阶偏振波转换元件的结构。这些高阶偏振波转换元件如图1A以及图2A所示，由具备基板S上具有纤芯2以及包层5的光波导1的基板型光波导元件构成。纤芯2的形状形成在与导波方向垂直的剖面中重叠纤芯形状所具有2个宽度的矩形的形状。此外，在本申请中，在仅记载为“剖面”的情况下是指与光的导波方向垂直的剖面。
以下，将上侧的剖面矩形状的部分称为上部纤芯3，将下侧的剖面矩形状的部分称为下部纤芯4，将下部纤芯4与下部包层7相接的部分称为下底4a，将上部纤芯3的上部称为上底3a。上部纤芯3由与下部纤芯4相同的材料构成。包层5具有被设置在基板S与纤芯2之间的下部包层7、和被设置在纤芯2以及下部包层7上的上部包层6。
换句话说，在被设置于基板S上的下部包层7上设置具有下部纤芯4和上部纤芯3的纤芯2。并且，在纤芯2以及下部包层7上设置上部包层6。
图1B以及图2B表示具有这样的剖面的光波导的纤芯形状的一个例子。图1B是具有图1A的剖面的光波导的纤芯形状的一个例子，图2B是具有图2A的剖面的光波导的纤芯形状的一个例子。
图1A～图2B中，为了光波导作为高阶偏振波转换元件发挥作用，首先，需要在光波导的开始部8中具有TE0(基本TE模)的有效折射率大于TE1(高阶TE模)的有效折射率、且TE1(高阶TE模)的有效折射率大于TM0(基本TM模)的有效折射率这样的3个以上的模、和在光波导的结束部9中具有TE0的有效折射率大于TM0的有效折射率、且TM0的有效折射率大于TE1的有效折射率这样的3个以上的模。为了具有该关系，优选结束部9中的纤芯宽度(上部纤芯3的宽度或者下部纤芯4的宽度)小于开始部8中的纤芯宽度。
即，优选满足(1)结束部9中的上部纤芯3的宽度小于开始部8中的上部纤芯3的宽度，(2)结束部9中的下部纤芯4的宽度小于开始部8中的下部纤芯4的宽度中的至少一个。
并且，高阶偏振波转换元件为了成为开始部8的TE1与结束部9的TM0之间进行偏振波转换的元件，需要开始部8与结束部9之间的光波导的纤芯形状具有上部纤芯的宽度和下部纤芯的宽度不同的上下非对称的结构，上部纤芯3的宽度或者下部纤芯4的宽度在光波导的光的导波方向上连续地变化。即，优选满足(3)具有在开始部8与结束部9之间，上部纤芯3的宽度连续地充分缓慢变化的结构，(4)具有在开始部8与结束部9之间，下部纤芯4的宽度连续地充分缓慢变化的结构中的至少一个。另外，还优选(5)上部纤芯3的宽度或者下部纤芯4的宽度在上述开始部与上述结束部之间相对于上述光的行进方向连续地减少且在开始部8与结束部9之间，上部纤芯3以及下部纤芯4的宽度不增加。
此外，本申请中“连续地减少”不光是如图2A的上部纤芯3的宽度以及下部纤芯4的宽度那样从开始部8到结束部9始终减少的情况，也包括如图4A的上部纤芯3的宽度以及下部纤芯4的宽度那样有恒定宽度的部分的情况。
此时，若从开始部8输入TE1，则从结束部9作为TM0被输出。反之，在从结束部9输入TM0的情况下，从开始部8输出TE1。即，该高阶偏振波转换元件作为在开始部8的TE1与结束部9的TM0之间进行偏振波转换(高阶偏振波转换)的元件发挥作用。
此外，以下如果也是若从开始部8输入TE1则从结束部9作为TM0被输出的结构，则若对结束部9输入TM0则从开始部8输出TE1。
在图1A以及1B中，上部纤芯3的宽度方向的一个端与下部纤芯4的宽度方向的一个端重叠，在相反侧的端具有台阶差。在图2A以及2B中，上部纤芯3的宽度方向的两端分别不与下部纤芯4的宽度方向的两端重叠，左右两端产生台阶差。上下非对称的剖面结构并不限于图1A～图2B，也可以是在剖视图的右上、右下、左上、左下的任意的角落对应地具有一个或者2个以上台阶差的结构。
作为上下非对称的结构，如图1A～图2B所示，并不限于上部纤芯3的宽度小于下部纤芯4的宽度的结构，也能够为上部纤芯3的宽度大于下部纤芯4的宽度的结构。在下部纤芯4上设置宽度较小的上部纤芯3的情况下，通过利用蚀刻等从设置在基板(以及下部包层)上的纤芯材料层的上部除去一部分的方法，能够容易地制成由相同的材料构成的上部纤芯3和下部纤芯4。因此，优选在下部纤芯4上设置宽度较小的上部纤芯3。
对于上部纤芯3相对于下部纤芯4的配置，上部纤芯3与下部纤芯4的宽度方向的中心位置较近的一方的偏振波转换效率较高，并能够缩短元件的长度即锥形长。
从该观点来看，如图2A以及2B所示，优选在纤芯的宽度方向的两端设置台阶差。并且，在下部纤芯4的宽度大于上部纤芯3的宽度、且上部纤芯3的下边包含于下部纤芯4的上边的情况下，如图2A的剖视图所示，能够利用制成肋形波导的工序。
另一方面，如图1A以及1B所示，在下部纤芯4与上部纤芯3的宽度方向的一个端重叠的这样的纤芯形状中，仅在宽度方向的相反侧的一个端产生台阶差，下部纤芯4的突出变大。因此，制造工序的要求精度下降，能够提高生产效率。
优选上部纤芯3和下部纤芯4由相同的材料构成。例如能够使上部纤芯3和下部纤芯4都由Si构成。纤芯的Si可以包括预料中的杂质(掺杂剂)或不可避的杂质。
并且，根据本实施方式的高阶偏振波转换元件，即使上部包层6和下部包层7不具有不同的折射率，也能够进行高阶偏振波转换。因此，即使在上部包层和下部包层的材料相同的情况下，也能够在光波导上进行从TE1向TM0的转换以及从TM0向TE1的转换即高阶偏振波转换。例如在下部包层7的材料使用SiO2的情况下，优选上部包层6也使用SiO2。在上部包层6的SiO2的堆积时，也可以包括意图的杂质(掺杂剂)或不可避的杂质。
即使上部包层和下部包层不是相同的材料，也能够使上部包层和下部包层由相同的元素种类构成。此处，“由2个材料相同的元素种类构成”的定义是指构成2个材料的元素全部相同。例如，硅(Si)的元素种类仅是Si，二氧化硅(SiO2)的元素种类是Si以及O。由Si以及O这2个元素种类构成的材料能够称为与SiO2相同的元素种类，但仅由Si构成的材料(Si等)、包括Si以及O以外的元素种的材料(Si3N4等)不能说是与SiO2相同的元素种类。
接下来，对通过上述结构的光波导元件发生高阶偏振波转换的原理进行叙述。一般，各模式的有效折射率根据光波导内的光的封闭的强度而变化。该封闭的强度在纤芯和包层的折射率分别恒定的情况下，取决于纤芯的大小，纤芯越大，封闭越大。因此，通过使纤芯的大小变化，从而有效折射率变化。此处考虑宽度方向的变化。相对于宽度方向的纤芯的大小的变化量，TE模的有效折射率与TM模的有效折射率相比较大地变化，所以在表示有效折射率相对于波导宽度的变化的图表(有效折射率曲线)中在TE1和TM0中存在接近的点。
在上下对称的光波导形状中，TE1的有效折射率曲线与TM0的有效折射率曲线相交，TE1和TM0的有效折射率简并。该情况下，在该交点的前后不产生模的转换。
另一方面，在具有上下非对称的纤芯形状的光波导的情况下，如非专利文献1所叙述那样，折射率剖面的折射率分布为上下非对称，所以在具有上下对称的纤芯形状的波导中简并的TE1和TM0的点分离。此时，TE1和TM0在相同的有效折射率曲线上连续地连接，所以通过使波导宽度缓慢地变化，能够进行高阶偏振波转换。此外，详细的具体例子在计算例1以及各实施例中叙述。
接着，例举本实施方式的光波导元件的制成上的优势点。如本实施方式那样的具有纤芯形状的光波导能够通过制成肋形波导的工序制成。在基板型光波导中，大多与矩形波导一起并用与矩形波导相比损失较小的肋形波导，所以图1A～图2B所示的那样的2段重叠的纤芯形状在多数情况下不需要多余的工序而可以制成。在下部纤芯和上部纤芯中能够使用相同的材料。特别是在与具有肋形型的相位调制部的光调制器(参考文献：K.Goi etal.,"20-Gbps BPSK silicon Mach-Zehnder modulator with excellent chirp-freeperformance,"OFC/NFOEC 2013,OW4J.4.)集成的情况下，制作相位调制部时能够一并制作本发明。因此，DP-QPSK调制器的制作非常容易。另外，能够在上部包层中使用与下部包层相同的材料，与需要使用不同的材料的高阶偏振波转换元件相比实现制成的简单化。另外，若在上部包层和下部包层中使用不同的种类材料，则因线膨胀系数等的不同而产生变形，降低合格率。因此，通过以相同的材料制成上部包层和下部包层，也带来合格率提高。特别是SOI(Silicon on Insulator：绝缘衬底上的硅)基板的光波导，成为下部包层的BOX(buriedoxide：埋入氧化层)层为SiO2，上部包层也经常使用SiO2。因此，如本实施方式那样上部包层和下部包层为相同的材料而能够进行高阶偏振波转换则也能够使用于SOI基板的光波导。
在非专利文献1所记载的结构中，即使在上部包层和下部包层的折射率不同的情况下，在这些折射率差不大的情况下，上下的非对称性变小，TE1与TM0的有效折射率接近。因此，进行充分转换所需的锥形部的长度非常长，在小型化的观点上是不利的。此外，即使在光波导中上部包层和下部包层使用不同的材料而可挪用这些材料的情况下，如果折射率差较小则不能够小型地进行高阶偏振波转换。另外，通过在由同一材料构成的上部包层和下部包层中改变掺杂条件来产生折射率差等多余的工序的麻烦较少的情况下，同样地如果折射率差较小则也不能够小型地进行高阶偏振波转换。在这种情况下利用小型的基板型光波导上的元件进行高阶偏振波转换的方法作为课题被例举。本发明即使在这样有包层的折射率差的情况下，通过使纤芯形状成为非对称，能够增强波导剖面的上下非对称性，并以更短的距离进行偏振波转换。
肋形结构在肋形(上部纤芯)以及板(下部纤芯)的制成时分别使用其它的掩膜，所以有时下部纤芯和上部纤芯在宽度和长边方向上偏移。然而，在本实施方式中，以上下非对称性结构形成波导即可，所以这样的制造偏差对高阶偏振波转换的影响较少。另外，下部纤芯的高度也有可能在制造时产生偏差，但根据同样的理由，对高阶偏振波转换的影响较小。对于对损失的影响，如果设置上部纤芯和下部纤芯的区间较短则影响较小。因此，在本实施方式的高阶偏振波转换元件中，制造偏差与以往的肋形结构的波导同程度就没有问题。因此，高阶偏振波转换元件的上部纤芯和肋形结构的肋形的制成能够使用相同的(一体的)掩膜，或高阶偏振波转换元件的下部纤芯和肋形结构的板的制成能够使用相同的(一体的)掩膜。另外，在掩膜上的其它场所并用所使用的肋形工序的情况下，无法自由地选择下部纤芯和上部纤芯的高度，但根据同样的理由，在高阶偏振波转换中可以。
在高阶偏振波转换元件中导波的TE0的有效折射率与TM0和TE1的有效折射率相比较大地不同的情况下，难以产生TE0向其它导波模转换。也具有作为若对这样的有效折射率同时输入TE0和TE1，则作为几乎没有转换的TE0和转换为TM0的TE1同时被输出的这样的元件的功能。从该观点来看，优选TE0的有效折射率与TE1的有效折射率的差为0.2以上。根据同样的理由，优选TE0的有效折射率与TM0的有效折射率的差为0.2以上。与这些有效折射率差有关的必要条件优选在整个光波导的开始部与结束部之间的全长都满足。
将如本实施方式那样使纤芯形状具有上下非对称性的结构与如图3A以及3B那样利用了上部包层与下部包层的折射率差的结构(非专利文献1参照)相比较，存在本实施方式的高阶偏振波转换元件从TE1向TM0的转换损失变小的情况。例如例举为后述的实施例1(图4A～4D)和比较例1(图3A以及3B)那样，开始部(输入剖面)和结束部(输出剖面)的各个的纤芯形状相同、且它们的剖面间的长边方向的长度也相同的情况下，与比较例1(0.587dB)相比，实施例1(0.004dB)能够以更小的损失进行转换。
图4A～4D表示本发明的第1实施方式所涉及的高阶偏振波转换元件。图4A表示纤芯2的俯视图，图4B～4D分别表示高阶偏振波转换元件的结束部、中间部、开始部的剖视图。在纤芯2的周围与图2A同样地设置包层5，但在图4A～4D中省略图示。该结构的详细作为实施例1后述。
此外，在图4A中，在下部纤芯4突出到上部纤芯3的外侧的阶梯状的部分标上网格。在后述的图5A等中，有时同样地在俯视图标上网格。
在本实施方式中，从开始部8到结束部9为止，上部纤芯3位于下部纤芯4的宽度方向的中央。但是，即使是在下部纤芯的中心以外配置上部纤芯的结构也能够进行高阶偏振波转换。特别是利用制造肋形波导的工序制成上述结构的情况下，决定上部纤芯和下部纤芯的设计的掩膜的偏移下从中心位置偏移的情况下，转换效率降低但能够进行高阶偏振波转换。
在开始部8和结束部9中，上部纤芯3的宽度方向的两端分别与下部纤芯4的宽度方向的两端重叠，下部纤芯4的宽度和上部纤芯3的宽度相同，所以图4B以及4D所示剖面为矩形状。开始部8的纤芯宽度W1大于结束部9的纤芯宽度W2。
在开始部8与结束部9之间的除了开始部8和结束部9之外的部分中，上部纤芯3的宽度方向的两端分别始终不与下部纤芯4的宽度方向的两端重叠，而与肋形结构同样。即，如图4C所示，下部纤芯4的宽度大于上部纤芯3的宽度，与导波方向垂直的剖面中的上部纤芯3的下边包含于下部纤芯4的上边。从上底到下底的距离与开始部8和结束部9的纤芯高度H1相等，下部纤芯4的高度H2恒定。
在图4A所示的纤芯2中，长边方向上，L1的区间中仅使上部纤芯3的宽度变化而使下部纤芯4的宽度为恒定，L2的区间中仅使下部纤芯4的宽度变化而使上部纤芯3的宽度为恒定。在使上部纤芯3的宽度和下部纤芯4的宽度在长边方向相同的区间内变化的情况下，这些宽度的差一直较小而在长边方向上变化。因此，上下非对称性较小。即变为TE1与TM0的有效折射率差较小的范围内的变化，转换效率降低。因此，在开始部8侧使上部纤芯3的宽度变化，在上部纤芯3与下部纤芯4的宽度的差扩大后，在结束部9侧减小下部纤芯4的宽度的结构转换效率高，并能够缩短作为元件的长度的锥形长(L1与L2的长度的合计)。
另外，纤芯2的长边方向的宽度的变化的方法使宽度相对于长边方向的距离呈线形地变化。该宽度的变化也能够改变为二次函数等任意的连续曲线状的变化，但与曲线状的波导结构线形变化的情况相比，再现性变低。因此，通过采用图4A所示的纤芯2，能够降低制造工序所带来的影响。
在本实施方式的结构中，TE1和TM0的有效折射率曲线的分离的程度与使上部纤芯和下部纤芯的尺寸相同，而将上部纤芯的位置置于中心以外且不从下部纤芯露出的范围的结构相比较大。因此在本实施方式中，TE1和TM0的有效折射率差越大，高阶偏振波转换的效率越高，所以能够缩短作为元件的长度的锥形长。
图5A～5D表示本发明的第2实施方式所涉及的高阶偏振波转换元件。图5A表示纤芯2的俯视图，图5B～5D分别表示高阶偏振波转换元件的结束部、中间部、开始部的剖视图。在纤芯2的周围与图1A同样地设置包层5，但在图5A～5D中省略图示。该结构的详细作为实施例2后述。
在本实施方式中，是从开始部8到结束部9为止，上部纤芯3和下部纤芯4的宽度方向的一个端一致的结构。纤芯2的长边方向的剖面形状的变化的特征、宽度的变化的方法与图4A～4D的第1实施方式同样。
该结构的有效折射率差较小、偏振波转换效率降低，但与第1实施方式的结构相比，未被上部纤芯覆盖的下部纤芯的部分扩大，制造上与第1实施方式相比要求精度降低，能够制成再现性较高的结构。
图6A～6C表示本发明的第3实施方式所涉及的高阶偏振波转换元件。图6A表示纤芯2的俯视图，图6B以及6C分别表示高阶偏振波转换元件的结束部、开始部的剖视图。在纤芯2的周围与图1A同样地设置包层5，图6A～6C中省略图示。该结构的详细作为实施例3后述。
是开始部8的剖面形状为肋形波导，结束部9的剖面形状为矩形波导，上部纤芯3和下部纤芯4的宽度方向的中心一致的结构。如图6C所示，在开始部8中下部纤芯4的宽度大于上部纤芯3的宽度，如图6B所示，在结束部9中上部纤芯3的宽度和下部纤芯4的宽度相同。纤芯2的长边方向的宽度的变化的方法使宽度相对于长边方向的距离呈线形地变化。在开始部8与结束部9之间，下部纤芯4与上部纤芯3的宽度的比率不同，但成为与图6C同样的剖面形状。
在开始部8与结束部9之间，上底的长度从W1a到W2，下底的长度从W1到W2，沿着光波导的长边方向缓缓地变化，从而能够进行从TE1向TM0的转换。作为本结构的纤芯2的长边方向的剖面形状的变化的特征，有从开始部8到结束部9使上部纤芯3的宽度和下部纤芯4的宽度线形变化这一点。在本结构中，除了结束部9以及其附近之外，在开始部8侧采用肋形结构，上部纤芯3与下部纤芯4的宽度的差较大，所以上下非对称性较大。因此，宽度在有效折射率差较大的范围中变化，能够提高转换效率。
肋形波导与矩形波导相比，因制造工序而引起的侧壁粗糙带来的损失较小。与通常传播所使用的TE0相比，具有较大地扩展的电场分布的TE1特别是侧壁粗糙的损失较大，所以通过在肋形波导中进行导波，能够进行损失较少的传播。在上述结构中，特征在于能够将肋形波导中传播来的TE1直接转换为TM0的结构。不会一度将TE1转换为矩形波导而能够转换为TM0，所以无需传播多余的距离，能够削除侧壁粗糙、波导的转换所产生的损失。
本发明的高阶偏振波转换元件并不限于上述的实施方式，在不脱离本发明的要旨的范围内能够进行各种改变。例如输入输出剖面(开始部以及结束部)、长边方向的变化如下那样的结构的高阶偏振波转换元件也可以。
7A～7D表示本发明的第1或者第2实施方式的高阶偏振波转换元件的改变例。图7A～7D分别是纤芯的俯视图。这些与第1或者第2实施方式同样地，是开始部8和结束部9的剖面为矩形状、上下对称的结构。即，在开始部8的剖面中下部纤芯4的宽度与上部纤芯3的宽度相同、且在结束部9的剖面中下部纤芯4的宽度与上部纤芯3的宽度相同。另外，与第1或者第2实施方式同样地在开始部8与结束部9之间，上部纤芯3的宽度始终比下部纤芯4的宽度窄。
图7A与图5A同样地，在上部纤芯3的单侧具有下部纤芯4伸出的台阶部。图7B与图4A同样地，在上部纤芯3的两侧具有下部纤芯4伸出的台阶部，但上部纤芯3可以相对于下部纤芯4不为宽度方向的中心，左右非对称。图7C中，上部纤芯3以及下部纤芯4的锥形部分中宽度的变化是连续的变化，不是线形(直线)而为曲线状。换句话说，从开始部8朝向结束部9，上部纤芯3的宽度呈曲线状地变窄。并且，在图7D中，从开始部8朝向结束部9，上部纤芯3以及上部纤芯3的宽度呈曲线状地变窄。
第1或者第2实施方式的光波导的情况下，作为尺寸的具体例，优选在开始部的剖面中，纤芯整体的高度为220nm、纤芯整体的宽度为700nm以上、以及在结束部的剖面中，纤芯整体的高度为220nm、纤芯整体的宽度为620nm以下。这样，如果将纤芯的高度统一为特定的值，而仅变更纤芯宽度，则从SOI基板等具有特定厚度的纤芯材料(Si)层的基板制成光波导的工序变得容易。在使制造误差为±10nm的情况下，开始部以及结束部的剖面中的纤芯整体的高度优选从210nm～230nm左右。另外，下部纤芯的高度优选考虑了制造误差的情况下，从75nm～115nm左右。
针对第1或者第2实施方式，使用图4A、图5A、以及图7A～7D更详细地进行说明。
在图4A、图5A以及图7A～7D中，在开始部8与结束部9之间的除了开始部8和上述结束部9之外的部分中，上部纤芯3的宽度始终比下部纤芯4的宽度窄。因此，能够通过两次的蚀刻制作。因而，例如通过在SOI基板的上位层利用蚀刻削去SI层，或从其上使SiO2堆积，能够制成。
另外，如图4A那样纤芯宽度的变化可以相对于光的行进方向分阶段的，也可以如图7D那样连续的。纤芯宽度的变化分阶段的话，设计较容易。另一方面，纤芯宽度的变化连续的情况下，能够更平滑地使波导结构变化，可以实现更低损失化。
另外，下部纤芯相对于上部纤芯伸出的部分可以如图4A等那样相对于光的行进方向，在两侧突出，也可以如图5A那样仅单侧突出。在两侧突出的情况下，具有较高的高阶偏振波转换效率。在单侧突出的情况下，能够更宽地确保下部纤芯的突出，所以能够缓和制造时要求的分辨率。
在上述实施方式的光波导中，能够通过高效的锥形波导连接具有不同的波导宽度的矩形波导彼此、且在纤芯2的宽度从开始部8到结束部9变窄的波导(锥形波导)内并列设置(埋入)高阶偏振波转换部。通过具有该构成，能够进行短距离的高阶偏振波转换。
以下，使用图39对上述实施方式所涉及的高阶偏振波转换元件的原理进行叙述。
图39(b)是具有从开始部到结束部为止的剖面始终为矩形、且宽度从开始部8到结束部9变窄的纤芯2的锥形波导，图39(a)是在图39(b)的锥形波导埋入高阶偏振波转换部74的高阶偏振波转换元件。
首先，进行高阶偏振波转换的情况下，需要在开始部8(输入剖面)中，TE0的有效折射率大于TE1的有效折射率，而TE1的有效折射率大于TM0的有效折射率，在结束部9(输出剖面)中，TE0的有效折射率大于TM0的有效折射率，而TM0的有效折射率大于TE1的有效折射率。并且，需要开始部8与结束部9之间的纤芯2是具有连续地连接波导的结构、且如图39(a)那样具有上部纤芯3与下部纤芯4的2段锥形波导结构。此外，以下将具有2段锥形波导结构的部分称为2段锥形部73。
假设如图39(b)那样考虑了上部纤芯的宽度和下部纤芯的宽度从开始部到结束部始终相等时的情况下，TE1和TM0的有效折射率更换(具有简并点)而不进行高阶偏振波转换。
另一方面，如图39(b)所示，在上部纤芯3和下部纤芯4的宽度不同的情况下，2段锥形部73的剖面具有上下非对称的折射率分布。在上下非对称的折射率分布中，TE1和TM0的有效折射率不更换(不具有简并点)，而产生被称为混合模的TE1和TM0混合的导波模。通过利用该混合模来进行高阶偏振波转换。此外，以下将产生混合模的部分称为高阶偏振波转换部74。但是，为了以高的转换效率进行高阶偏振波转换，需要在高阶偏振波转换部74中，以进行电场的连续变化(隔热转换)的方式延长锥形长。
该情况下，在使上部纤芯3和下部纤芯4的高度为恒定时，满足开始部8和结束部9的有效折射率的顺序的条件的情况下，开始部8的上部纤芯3的宽度始终比结束部9的上部纤芯3的宽度大。另外，开始部8的下部纤芯4的宽度始终比结束部9的下部纤芯4的宽度大。
这根据如下的理由。
纤芯2的宽度越窄，宽度方向的电场成分的主要的TE1的光封闭越弱。若光封闭较弱，则包层5中电场扩展，与纤芯2相比受到包层5的折射率的影响，所以有效折射率降低。对此，TM0主要为高度方向的电场成分，所以因纤芯宽度的狭窄化而带来的有效折射率的变化比TE1小。因此，在满足前述的前提条件时，开始部8的纤芯的宽度始终比结束部9的纤芯宽度大。
因此，在高阶偏振波转换元件中，需要利用锥形波导连接宽度不同的矩形波导之间。考虑了这样的光元件中的、不具有高阶偏振波转换的功能的通常的光元件的小型化的情况下，为了高效地连接宽度不同的矩形波导，有使用从宽幅的矩形波导(开始部8)向窄幅的矩形波导(结束部9)使宽度单调地变窄的锥形波导的方法。
基于前述的锥形波导，在波导内并列设置高阶偏振波转换部74。高阶偏振波转换部74通过具有上下非对称的折射率剖面部能够实现。因此，在上述实施方式中，针对前述的锥形波导设置上部纤芯和下部纤芯，并在开始部8与结束部9之间设置其宽度的变化在光的行进方向分别不同这样的2段锥形波导结构。此时，在开始部8与结束部9之间具有上下非对称的折射率分布，所以从开始部8到结束部9为止的剖面中的下部纤芯4的宽度和上部纤芯3的宽度始终不同。并且，上部纤芯3或者下部纤芯4的宽度单调地减少、且上部纤芯以及下部纤芯双方的宽度不增加。由此，能够高效地连接具有不同的宽度的开始部8以及结束部9的矩形波导、且其间设置高阶偏振波转换部74。由此，能够实现小型、且可高密度集成的高阶偏振波转换元件。
并且，若使用上述实施方式的高阶偏振波转换元件，则在通常的锥形波导中并列设置高阶偏振波转换部，所以能够任意地设计高阶偏振波转换部74的埋入位置。
例如，如图40所示，在针对规定结构的开始部8和结束部9使用上述实施方式的高阶偏振波转换元件时，高阶偏振波转换部74相对于整个元件长的比例也能够任意地设计。这能够调整2段锥形相对于光的导波方向的变化的方法。高阶偏振波转换部占高阶偏振波转换元件整体的比例越大，高阶偏振波转换的效率越高。因此，能够以更短的距离进行高效率的转换。但是，需要设定高阶偏振波转换部以外的部分的波导以使损失充分小。
另外，作为其它例子，若使用上述实施方式的高阶偏振波转换元件，则也能够调整高阶偏振波转换部74相对于高阶偏振波转换元件整体的位置。在开始部8和结束部9的宽度不同的情况下，若调整2段锥形的变化的方法相同，则高阶偏振波转换部的位置偏移。高阶偏振波转换部的位置如后述处于元件的中央在波长频带和制造误差的观点上是优选的。因此，与图40同样地，通过调整2段锥形相对于光的行进方向的变化的方法，如图41A～41C所示，针对任意的宽度的开始部8和结束部9，都能够将高阶偏振波转换部74设置于高阶偏振波转换元件的中央附近。在图41A～C中，开始部8以及结束部9的宽度按照图41A、图41B、图41C的顺序变小，但在全部中高阶偏振波转换部74被配置在中央。
另外，若导波的光的波长变化，则对纤芯的光封闭的程度发生改变。由此，有效折射率变化，后述的实施例10所定义的高阶偏振波转换部74的位置发生变化。在上述实施方式中，在开始部与结束部之间始终具有上下非对称的结构，所以即使高阶偏振波转换部的位置偏移，只要开始部与结束部之间具有高阶偏振波转换部74，就可以进行转换。因此，上述实施方式能够在整个宽的波长频带中进行动作。特别是高阶偏振波转换部74处于高阶偏振波转换元件的中央的情况下，能够分割在更宽的波长范围进行动作。这是因为波长的变化越大，高阶偏振波转换部74的位置偏移越大。若使用上述实施方式则能够容易地在高阶偏振波转换元件的中央设计高阶偏振波转换部。
并且，在即使在因制造误差的影响而有效折射率发生变化，高阶偏振波转换部的位置发生变化的情况下，也能够在高阶偏振波转换元件的中央设计高阶偏振波转换部74的上述实施方式中能够进行高阶偏振波转换。此处作为产生制造误差的例子，例举上部纤芯3或者下部纤芯4的宽度从设计值偏移、上部纤芯3或者下部纤芯4的高度从设计值偏移、上部纤芯3与下部纤芯4的相对位置偏移、另外上部纤芯或下部纤芯的侧壁相对于基板从垂直方向具有倾斜的情况。
并且，在通过蚀刻形成纤芯2时，如图42A那样，存在上部纤芯3或者下部纤芯4的宽度相对于设计值产生随机的微小变动(侧壁粗糙)的情况。若产生该纤芯的宽度的微小变动，则光的封闭变化，对应于此，有效折射率也随机地变动。因此，有效折射率曲线实际上变粗，TE1和TM0的有效折射率的交叉的分离的程度减弱。即，因侧壁粗糙的影响，高阶偏振波转换部的转换效率降低。根据上述实施方式，能够提高高阶偏振波转换部74占整个元件长的比例，所以能够抑制高阶偏振波转换元件整体中的转换效率降低。
另外，部纤芯3和下部纤芯4的宽度越大，侧壁粗糙的影响越小。是因为若纤芯宽度较大，则光被封闭在纤芯内部，结果能够减小纤芯的宽度变动的影响。该情况下，与开始部8越近，纤芯宽度越大，所以如图42B那样通过在与开始部8较近的位置上设置高阶偏振波转换部74，能够抑制因侧壁粗糙而带来的高阶偏振波转换的效率降低。
并且，例如若具有高阶偏振波转换元件中的下部纤芯4的宽度大于开始部8的下部纤芯4的宽度的部分(宽度广部)，则在该宽幅部中与开始部8相比对纤芯的光的封闭的程度变高。换句话说，存在在开始部8中不导波，而在更高阶的导波模(有效折射率比TE1、MT0小的导波模)导波的情况。该情况下，因由制造误差所带来的纤芯宽度的变动而引起扰动，输入的TE1有可能向该高阶模转换。因向该高阶模的转换而产生损失，进而在高阶偏振波转换元件的波导中前进某个距离后从高阶模逆转换为TE1，原TE1与相位偏移的TE1重叠传播，有可能导致损失的波长依赖性。
另一方面，在上述实施方式中，上部纤芯3以及下部纤芯4不会比开始部8的宽度宽。因此，开始部中不进行导波的高阶模之后也不会成为导波模，不产生上述的问题。
图8A～8C表示本发明的第3实施方式所涉及的高阶偏振波转换元件的改变例。图8A～8C分别是纤芯的俯视图。这些光波导与第3实施方式同样地具有开始部8的剖面为上下非对称的肋形结构，结束部9的剖面为上下对称的矩形状的纤芯。
图8A在上部纤芯3的单侧具有下部纤芯4伸出的台阶部。图8B在上部纤芯3的两侧具有下部纤芯4伸出的台阶部，但上部纤芯3相对于下部纤芯4不处于宽度方向的中心，而左右非对称。图8C中，锥形部分中的上部纤芯3以及下部纤芯4的宽度的变化为连续的变化，但不是线形(直线)而是曲线状。
第3实施方式的光波导的情况下，作为尺寸的具体例，优选在开始部的剖面中，成为肋形波导的板的下部纤芯的高度为75～115nm、纤芯整体的高度为210～230nm、上部纤芯的宽度为600nm以上、以及在结束部的剖面中，纤芯整体的高度为210～230nm、纤芯整体的宽度为620nm以下。这样，如果将纤芯整体的高度以及下部纤芯的高度统一为特定的值，而仅变更纤芯宽度，则从SOI基板等具有特定厚度的纤芯材料(Si)层的基板通过蚀刻等制成具有下部纤芯的光波导的工序变得容易。在使制造误差为±10nm的情况下，开始部以及结束部的剖面中的纤芯整体的高度优选是210nm～230nm左右，下部纤芯的高度优选是80nm～110nm左右。
开始部中的上部纤芯的宽度优选比结束部中的纤芯整体的宽度宽，更优选700nm以上。在开始部中的上部纤芯的宽度为结束部中的纤芯整体的宽度以下的情况下，优选开始部中的下部纤芯的宽度比结束部中的纤芯整体的宽度宽。
图9A～9C表示本发明的第4实施方式所涉及的高阶偏振波转换元件。图9A表示纤芯2的俯视图，图9B以及9C分别表示高阶偏振波转换元件的结束部、开始部的剖视图。在纤芯2的周围与图2A同样地设置包层5，但在图9A～9C中省略图示。该结构的详细作为实施例4后述。
另外，图10A～10C表示本发明的高阶偏振波转换元件的第4实施方式的改变例。图10A～10C分别是纤芯的俯视图。
本实施方式的光波导具有开始部8的剖面为上下对称的矩形状、结束部9的剖面为上下非对称的肋形结构的纤芯。在开始部8与结束部9之间，上底的长度从W1到W2a，下底的长度从W1到W2，沿着光波导的长边方向缓缓地变化，从而能够进行从TE1向TM0的转换。
此外，与纤芯形状的左右有关的对称性不一定需要，如图10A～10C所示，上部纤芯3可以相对于下部纤芯4不是中心，另外，如果锥形部分是连续的变化则可以不是线形(直线)。
第4实施方式的光波导的情况下，基于第1～3实施方式的同样的主旨，优选在开始部的剖面中，纤芯整体的高度等于220nm、纤芯整体的宽度为700nm以上，而在结束部的剖面中，纤芯整体的高度等于220nm、下部纤芯的高度等于95nm、上部纤芯的宽度为620nm以下。
图11A～11C表示本发明的第5实施方式所涉及的高阶偏振波转换元件。图11A表示纤芯2的俯视图，图11B以及11C分别表示结束部、开始部的剖视图。在纤芯2的周围与图2A同样地设置包层5，但在图11A～11C中省略图示。该结构的详细作为实施例5后述。
另外，图12A～12C表示本发明的第5实施方式所涉及的高阶偏振波转换元件改变例。图12A～12C分别是纤芯的俯视图。
本实施方式的光波导具有开始部8和结束部9的剖面为上下非对称的肋形结构的纤芯。在开始部8与结束部9之间，上底的长度从W1a到W2a，下底的长度从W1到W2，沿着光波导的长边方向缓缓地变化，从而能够进行从TE1向TM0的转换。
此外，与纤芯形状的左右有关的对称性不一定需要，如图12A～12C所示，上部纤芯3可以相对于下部纤芯4不是中心，另外，锥形部分(上部纤芯3、下部纤芯4的宽度)如果是连续的变化则可以不是线形(直线)。
第5实施方式的光波导的情况下，基于第3实施方式的同样的主旨，优选在开始部的剖面中，下部纤芯的高度为95nm、纤芯整体的高度为220nm、上部纤芯的宽度为600nm以上、以及在结束部的剖面中，下部纤芯的高度为95nm、纤芯整体的高度为220nm、上部纤芯的宽度为620nm以下。开始部中的上部纤芯的宽度优选比结束部中的上部纤芯的宽度宽，更优选为700nm以上。在开始部中的上部纤芯的宽度为结束部中的上部纤芯的宽度以下的情况下，优选开始部中的下部纤芯的宽度比结束部中的上部纤芯的宽度宽。
＜与非对称方向性耦合器组合的偏振波转换元件＞
本发明的高阶偏振波转换元件能够在同一基板上的光波导中与其它元件组合使用。例如通过组合非对称方向性耦合器和本发明的高阶偏振波转换元件，能够实现偏振波转换元件。该偏振波转换元件通过非对称方向性耦合器将TE0转换为TE1，通过高阶偏振波转换元件将TE1转换为TM0。
图13A以及13B表示将本发明的高阶偏振波转换元件与非对称方向性耦合器组合的偏振波转换元件的一个例子。图13A是纤芯的俯视图，图13B是非对称方向性耦合器中的剖视图。该结构的详细作为实施例6后述。
非对称方向性耦合器13由2个矩形状的波导即第1光波导11和第2光波导12构成。这些波导的周围如图13B所示，以包层14覆盖。第1光波导11和第2光波导12中仅在第2光波导12上连接高阶偏振波转换元件10。
TE0在第1光波导11中导波。另外，TE1在第2光波导12中导波。由于第1光波导11的TE0和第2光波导12的TE1具有较近的有效折射率，所以能够从第1光波导11向第2光波导12耦合。将与第1光波导11连接的输入侧的波导作为第1端口11a，将与第2光波导12连接的输入侧的波导作为第2端口12a。处于第2光波导12的输出侧的第3端口12b与高阶偏振波转换元件10的开始部8连接。图13A所示的高阶偏振波转换元件10作为一个例子而示出与图4A～4D同样的结构，并未被特别限定。
输入到第1端口11a的TE0通过非对称方向性耦合器13与第2光波导12的TE1耦合，并从第3端口12b作为TE1被输出。从第3端口12b输出的TE1被输入至高阶偏振波转换元件10，最终被变换为TM0。
另一方面，若对第2端口12a输入TE0，而在非对称方向性耦合器13中，第2光波导12的TE0的有效折射率与第1光波导11的哪个模的有效折射率都较大地不同。因此，不产生模耦合、转换。而且，在高阶偏振波转换元件10中TE0也不进行模转换，所以从第3端口12b输入的TE0到高阶偏振波转换元件10的结束部9为止几乎没有损失地透过。因此，若向第1端口11a和第2端口12a同时输入TE0，则在作为本结构的输出部的高阶偏振波转换元件10的结束部9中获得TE0与TM0合波的输出。换句话说，本结构也能够作为兼具偏振波转换和偏振波合波的功能的元件发挥作用。
此外，由于本结构在时间上可逆，所以能够作为兼具从输出部输入的TE0与TM0的重叠光被各个模分离，并从第1端口11a、第2端口12a作为TE0被输出的偏振波分离和偏振波转换的元件进行动作。
作为第2光波导12的TE0的有效折射率与第1光波导11的模式的有效折射率都不同的程度，优选非对称方向性耦合器13的第1光波导11的TE0的有效折射率与第2光波导12的TE0的有效折射率的差为0.2以上。
图14A以及14B表示将本实施方式的高阶偏振波转换元件与非对称方向性耦合器组合的偏振波转换元件的其它一个例子。图14A是纤芯的俯视图，图14B是非对称方向性耦合器的纤芯的剖视图。该结构的详细作为实施例7后述。
在该偏振波转换元件中，非对称方向性耦合器13r由肋形型波导构成。在2个光波导的肋形11r、12r之间形成板部13s，在各肋形11r、12r的外侧也分别形成有板部11s、12s。
图14A以及14B的偏振波转换元件的功能与图13A～13B的偏振波转换元件相同，若向第1端口11a和第2端口12a同时输入TE0，则从高阶偏振波转换元件10的结束部9获得TE0和TM0合波的输出。由此，能够作为用于进行偏振波复用的元件使用。
＜DP－QPSK调制器＞
本实施方式的偏振波转换元件能够使用于参考文献(P.Dong,C.Xie,L.Chen,L.L.Buhl,and Y.-K.Chen,“112-Gb/s Monolithic PDM-QPSK Modulator in Silicon,”European Conference and Exhibition on Optical Communication,Vol.1,p.Th.3.B.1,June 16,2012)所公开那样的偏振波复用4值相位调制(DP－QPSK：Dual Polarization-Quadrature Phase Shift Keying)。图15示意性地表示DP－QPSK调制器的一个例子。该DP－QPSK调制器20利用在通常的光波导中能够存在TE0和TM0这2个模，来进行具有与TE0/TM0的两模式独立的QPSK信号的、DP－QPSK调制。具体而言，将从输入部21以TE0输入的光分支为2个光波导22、22，通过QPSK调制器23、23分别调制成QPSK信号后，利用偏振波转换元件25使光波导24、24的单侧的TE0转换为TM0，利用偏振合束器在同一光波导上合成2个模式，将与TE0和TM0独立的信号输出给输出部26。
在将TE0的一方转换为TM0，而与另一方的TE0合波的偏振波转换元件25的部分能够利用例如图13A～14B所示的实施方式的偏振波转换元件。例如，图13A～14B的第1端口11a以及第2端口12a相当于图15的光波导24。并且，图13A～14B的高阶偏振波转换元件10的结束部9相当于图15的输出部26。
此外，调制TE0和TM0的方式并不局限于QPSK，即使是具有复杂的构成的调制器，使用本实施方式的偏振波转换元件也能够进行偏振波复用。
＜偏振波分集相干接收机＞
本实施方式的偏振波转换元件能够使用于参考文献(C.Doerr et al.,“PackagedMonolithic Silicon 112-Gb/s Coherent Receiver,”IEEE Photonics TechnologyLetters,Vol.23,pp.762-764,2011)所公开那样的、同时传输TE0和TM0的偏振波复用信号的Si光波导上的相干接收机。图16示意性地表示偏振波分集相干接收机的一个例子。在该相干接收机30中，使同时传输TE0和TM0的偏振波复用信号的光波导31与偏振波转换和偏振分束器可同时进行的偏振波转换元件32连接，并在光波导33的一方使TE0的信号分支。另外，在光波导33的另一方使从TM0转换的TE0的信号分支。作为本地光34，一般使用的半导体激光源仅使用单个偏振波，例如使用TE0(local)的输出。在使用这种光源的情况下，通常需要本地光的偏振波转换。然而，在图16的相干接收机30中，信号光在偏振波分离后的光波导33中都对TE0的信号(signal)进行导波，所以不需要本地光的偏振波转换。信号光和本地光经由光合波部35从耦合部36输出。
在偏振波转换元件32中使用光波导型的结构的情况下，耦合部36中的光与元件外部的耦合能够利用从基板侧方耦合的倒锥形的模场转换器等不具有偏振波分离功能的耦合器。耦合器能够公开例如参考文献(Qing Fang,et al.,“Suspended optical fiber-to-waveguide mode size converter for silicon photonics,”Optics Express,Vol.18,Issue 8,pp.7763-7769(2010))所公开的倒锥形的结构
在偏振波转换与偏振分束器可同时进行的偏振波转换元件32的部分能够利用例如图13A～14B所示的实施方式的偏振波转换元件。例如，图13A～14B的高阶偏振波转换元件10的结束部9相当于图16的光波导31，图13A～14B的第1端口11a以及第2端口12a相当于图16的光波导33。
＜偏振波分集方式＞
本实施方式的偏振波转换元件能够用于参考文献(Hiroshi Fukuda et al.,“Silicon photonic circuit with polarization diversity,”Optics Express,Vol.16,Issue 7,pp.4872-4880(2008))所公开那样的、同时传输TE0和TM0的偏振波复用传输、随机传输单方的偏振波时，想要利用用于对两模式给予同样的操作的元件的情况下，执行图17所示那样的偏振波分集方式。在图17所示的偏振波分集方式40中，使同时传输TE0和TM0的偏振波复用信号的光波导41与偏振波转换和偏振分束器可同时进行的偏振波转换元件42连接，并在光波导43的一方使TE0的信号分支。另外，在光波导43的另一方使从TM0转换的TE0的信号分支。由元件44操作的TE0的信号光从光波导45由偏振波转换元件46合成，输出给同时传输TE0和TM0的偏振波复用信号的光波导47。
在偏振波转换元件42中，与图16所示的相干接收机30同样地能够使用偏振波转换和偏振分束器可同时进行的本实施方式的偏振波转换元件。
在偏振波转换元件46中，与图15所示的DP－QPSK调制器20同样地能够使用偏振波转换和偏振合束器可同时进行的本发明的偏振波转换元件。
＜与分支部组合的偏振波转换元件＞
通过将分支部和本实施方式的高阶偏振波转换元件组合，能够进行偏振波转换。作为分支部，例举2×1的MMI(多模干涉仪)以及Y分支。这些通过调整输入至2个输入部分的电场的相位，能够使TE1产生。或者也可以仅从单侧输入TE1。因此，通过在该后段连接本实施方式的高阶偏振波转换元件，能够将该TE1转换为TM0，并可以具有偏振波转换的功能。
另外，在参考文献(Wangqing Yuan,et al.,“Mode-evolution-basedpolarization rotator-splitter design via simple fabrication process,”OpticsExpress,Vol.20,Issue 9,pp.10163-10169(2012))中，通过使非对称的Y分支和高阶偏振波转换元件连接来同时实现偏振分束器和偏振波转换的功能，但即使使用非对称的Y分支进而本实施方式也能够实现同样的效果。
图32表示使TE1产生的转换合波元件的一个例子。该结构的详细作为实施例8后述。转换合波元件50利用平面矩形状的合波部53中的TE1的2个模分布与2个输入部分51、52的TE0的模分布类似的性质。若从2个输入部分51、52的一方或者双方输入TE0，则从合波部53经过锥形部分54后转换为TE1，并作为TE1从输出部分55输出。
优选将输入至各输入部分51、52的2个TE0的相位差设为π。因输入具有非对称(反对称)的模分布，所以合波后不会产生具有对称的模分布的TE0。由此，能够防止合波后不必要的TE0的产生，并抑制偏振波消光比的降低。
若使转换合波元件50的输出部分55与例如图4A～4D等所示的高阶偏振波转换元件的开始部8连接，则从输出部分55输出的TE1被转换为TM0，并从结束部9输出TM0。能够在TM0与TE0的合波中使用例如图33所示那样的对称方向性耦合器60。对称方向性耦合器60的结构的详细在实施例9中后述。对称方向性耦合器60具备具有相同的纤芯宽度W的2个波导61、62在规定的耦合长度L间经由规定的间隔G平行地配置的结构。若在输入侧，从波导61输入TE0，从波导62输入TM0，则TM0移至波导61，能够从波导61的输出侧获得被偏振波复用的信号(TE/TM)。
图34以及图35表示具备图32的转换合波元件50的DP－QPSK调制器的构成例。图中，TE0(基本TE模)略记为“TE”，高阶TE模略记为“TE1”，TM0(基本TM模)略记为“TM”。各QPSK调制器71、72、81、82分别包括2个马赫－曾德干涉仪。一个马赫－曾德干涉仪71a、72a、81a、82a是同相成分(I)用，另一方的马赫－曾德干涉仪71b、72b、81b、82b是正交相位成分(Q)用。
在图34所示的DP－QPSK调制器70中，2个QPSK调制器71、72中的一个QPSK调制器72的I、Q合波部设置转换合波元件50，将TE0转换为TE1，并通过高阶偏振波转换元件10从TE1转换为TM0。将该TM0通过对称方向性耦合器60与从另一个QPSK调制器71输出的TM0进行合波。
在图35所示的DP－QPSK调制器80中，一个QPSK调制器82的2个马赫－曾德干涉仪82a、82b的合波部中分别设置转换合波元件50，将TE0转换为TE1，并通过高阶偏振波转换元件10从TE1转换为TM0。通过在QPSK调制器82的I、Q合波部设置TM模用MMI合波部83、且将合波所得的TM0通过对称方向性耦合器60与从另一个QPSK调制器81输出的TM0进行合波。
根据这些DP－QPSK调制器70、80，能够在TM0和TE0的合波中使用与非对称的方向性耦合器相比性能较好的对称方向性耦合器60。另外，转换合波元件50兼作合波部，所以能够降低偏振波依赖损失(使MMI的过度损失为0.3dB以下)。
以上，基于优选的实施方式对本发明进行了说明，但本发明并不限于上述的实施方式，在不脱离本发明的要旨的范围内能够进行各种改变。
在与本发明同样的原理下，能够通过与本发明同样的上下非对称结构分离有效折射率曲线中TE2n+1模(n为0以上的整数)和TM0相交的简并点，并通过对其间进行锥形化能够进行转换。此处，TE2n+1是指TE模(TE0、TE1、TE2、…)中有效折射率第(2n+2)高的模式。TE1模式是n＝0的TE2n+1模式。
TE模的奇数阶的模式成为转换对象根据以下的理由。在矩形状纤芯(宽度方向和高度都对称的结构(折射率分布))中传播的TM0其电场的x成分(Ex)在宽度方向和高度方向上都变为反对称的分布。另一方面，包括TE1的奇数阶的TE模的Ex变为相对于宽度方向为反对称，而相对于高度方向为对称的电场分布。因此，通过使折射率分布相对于高度方向为非对称，TE2n+1的高度方向的对称性被破坏，与TM0相互作用而在简并点附近各个模式混合，简并点分离。因此，通过与本发明同样的结构，TE2n+1模式能够与TM0之间进行转换。
实施例
以下，基于实施例，具体地对本发明进行说明。
＜计算例1＞
图18表示图2A以及2B所示的纤芯形状在凸型的光波导的下底中变化时，按照有效折射率从高到低的顺序，4个模式的有效折射率的变化的图表。波长为1.55μm，纤芯为Si，折射率为3.48，上部包层以及下部包层为SiO2，折射率为1.44，光波导的高度为0.22μm，下部纤芯的高度为0.095μm，上部纤芯的宽度为0.5μm，上部纤芯位于纤芯的中心。
如18所示，有效折射率第一高的模式为TE0，有效折射率第二或者第三高的模取决于下底(的宽度)，是TE1、TM0或者从这些变化的模。有效折射率第四高的模式在图中未确定，但进而是高阶的模式。
从图18可知，由于纤芯剖面形状的上下非对称性，TE1和TM0并未简并，始终具有有效折射率差。图18中，作为虚线的椭圆(下底0.7μm附近)，示出模转换部的概略范围。在该模转换部中，有效折射率第二高的模式在下底较窄时为TM0，在下底较宽时为TE1。反之，有效折射率第三高的模式在下底较窄时为TE1，在下底较宽时为TM0。因此，通过循着同一有效折射率曲线(有效折射率第二高的模或者第三高的模中的任意一个)，各个模能够进行转换。
为了观察这些模的推移，图19～22表示针对几个下底的宽度的有效折射率第二高的模式(#1)和第三高的模式(#2)的、各个的电场的Ex成分(宽度方向的成分)和Ey成分(高度方向的成分)的电场振幅。图19～22共用，各图(a)表示“#1”的Ex成分的电场振幅，各图(b)表示“#1”的Ey成分的电场振幅，各图(c)表示“#2”的Ex成分的电场振幅，各图(d)表示“#2”的Ey成分的电场振幅。
若关注电场振幅，则明白在下底的宽度为0.5μm的图19中，#1为TM0，#2为TE1，相反在下底的宽度为1.2μm的图22中，#1为TE1，#2为TM0。另一方面，在下底的宽度为0.6μm的图20中，明白#1和#2的电场成分开始变化，在下底的宽度为0.8μm的图21中，Ex成分和Ey成分的哪个都具有较近的电场振幅。
从以上能够观察TE1和TM0连续转换的样子。从该情况也明白在TE1与TM0之间能够相互转换偏振波。
＜比较例1＞
在比较例1中，在图3A以及3B所示的波导101中，成为纤芯102为Si，下部包层103的材料为SiO2，上部包层104由空气构成，纤芯102的高度H0为0.22μm，开始部的宽度W1为0.84μm，结束部的宽度W2为0.5μm，长边方向的长度L0为35μm，从开始部的矩形波导使纤芯宽度相对于长度方向呈线形变化的结构。通过基于时域有限差分(Finite-Difference TimeDomain：FDTD)法的模拟所求出的高阶偏振波转换的转换损失(以输出的TM0的功率/输入的TE1的功率表示的比)为0.587dB。
＜实施例1＞
鉴于计算例1，制成具有上部纤芯处于下部纤芯的中心的结构(参照上述的第1实施方式)的实施例1的波导元件。
图4A～4D表示本实施例的元件的图。在本实施例中，以由Si－SiO2－Si构成的SOI(Silicon on insulator)基板为基础来制成波导。将作为中间的SiO2层作为下部包层，将上部的Si层作为纤芯使用。纤芯形成后，设置SiO2层作为上部包层。
下部纤芯4的高度H2为0.095μm，上部纤芯3的高度(H1－H2的差)为0.125μm，将下部纤芯4与上部纤芯3加在一起的纤芯高度H1为0.22μm。在开始部8中，上部纤芯以及下部纤芯的宽度W1为0.84μm，在区间L2(长度15μm)中，上部纤芯3的宽度W2为0.5μm，位于下部纤芯4的中央。在区间L1(长度20μm)中，下部纤芯4的宽度W1为0.84μm，在结束部9中，上部纤芯和下部纤芯的宽度W2都为0.5μm。在实施例1的结构的区间L2中，上部纤芯的宽度0.5μm等参数与计算例1一致。因此，能够将上面求出的图18的图表中的下底的宽度为0.5～0.84μm的范围应用于实施例1。
另外，若将光的传播方向的坐标设为Z，则图23表示与实施例1的全长有关的Z的剖面中计算出的有效折射率曲线。在图中的椭圆区域附近进行模的转换。为了表示能够进行高阶偏振波转换，比较从开始部到结束部之间有效折射率第二(#1)和第三(#2)大的导波模的Ex、Ey成分。此外，图23中开始部为Z＝0μm，结束部为Z＝35μm，图4A的IVc(中间部)的位置为Z＝20μm。图24表示开始部剖面(Z＝0μm)的模，结束部剖面(Z＝35μm)的模与图19相同。从这些可知，#1的模在从开始部到结束部之间主电场从Ex变化为Ey，#2的模在从开始部到结束部之间主电场从Ey变化为Ex。另外，鉴于这些有效折射率曲线不相交而连续地连接，明白能够从高阶TE向基本TM(从基本TM向高阶TE)转换。另外，图21相当于Z＝21.8μm附近的电场，Ex、Ey为同程度，看出转换的过渡的电场分布。
根据图18以及图23，有效折射率第二高的模式和第三高的模式最接近的点中两模的有效折射率差为0.16。
作为比较，在使后述的实施例2例举的上部纤芯和下部纤芯的同一端对齐的结构中，最接近的点的有效折射率差为0.10。有效折射率差越大，高阶偏振波转换的效率越高，所以上部纤芯处于下部纤芯的中心的结构能够缩短高阶偏振波转换元件的长度(锥形长)。
另外，即使上部纤芯在宽度方向上偏移+60nm的情况下(上部纤芯在无下部纤芯的范围内偏移的情况下，在其范围重新制作下部纤芯)，最接近的点的有效折射率差为0.15，有效折射率曲线分离(不简并)，所以能够进行高阶偏振波转换。
在以上的结构中，在将TE1输入到开始部8的情况下，利用FDTD法求出从结束部9输出的TM0的转换损失(以输出的TM0的功率/输入的TE1的功率表示的比)的波长依赖性。结果确认出相对于高阶偏振波转换几乎没有损失。
图25表示上述转换损失的波长依赖性。从此明白在整个1530～1630nm的宽带中，转换损失为0.05dB以下。波长1550nm的转换损失为0.004dB。若与上述的比较例1的结构相比，则实施例1中同样的输入、具有结束部的纤芯形状、长边方向的长度也相同。另一方面，比较例1的转换损失为0.587dB，实施例1的转换损失为0.004dB，实施例1能够以比比较例1小的损失进行转换。
另外，关于实施例1的结构，图26表示利用FDTD法计算波长1550nm中的电场的结果。此外，图26中，开始部8为Z＝20μm，结束部9处于Z＝55μm的位置，图26(a)表示Ex成分，图26(b)表示Ey成分。看出输入的TE1(Ex成分为主成分)通过本结构最终变迁为TM0(Ey成分为主成分)的样子。
而且，对于相同的结构，若求出对开始部8输入TE0时、从结束部9出射的TE0的透过损失(以输出的TE0的功率/输入的TE0的功率表示的比)，则为0.001dB以下(波长1.55μm)。由此，明白TE0以较小的损失透过。
＜实施例2＞
如图5A～5D所示，利用与实施例1同样的方法制成上部纤芯和下部纤芯的端一致的结构(参照上述的第2实施方式)的高阶偏振波转换元件。
下部纤芯4的高度H2为0.095μm，上部纤芯3的高度(H1－H2的差)为0.125μm，将下部纤芯4和上部纤芯3加在一起的纤芯高度H1为0.22μm。在开始部8中，上部纤芯以及下部纤芯的宽度W1为0.84μm，在区间L2(长度15μm)中，上部纤芯3的宽度W2为0.5μm。在区间L1(长度20μm)中，下部纤芯4的宽度W1为0.84μm，位于以横跨区间L1和L2的全长、上部纤芯与下部纤芯的端一致的方式的位置。在结束部9中，上部纤芯和下部纤芯的宽度W2都为0.5μm。
在以上的结构中，光的波长1550nm时，在将TE1输入到开始部8的情况下，利用FDTD求出从结束部9输出的TM0的转换损失(以输出的TM0的功率/输入的TE1的功率表示的比)。结果明白转换损失成为0.26dB，与是相同的长度的实施例1的元件相比转换效率落后，但能够以较小的损失进行转换。
＜实施例3＞
如图6A～6C所示，利用与实施例1同样的方法制成开始部8的剖面形状为肋形波导，结束部9的剖面形状为矩形波导，上部纤芯3和下部纤芯4的宽度方向的中心一致的结构(参照上述的第3实施方式)的高阶偏振波转换元件。
下部纤芯4的高度H2为0.095μm，上部纤芯3的高度(H1－H2的差)为0.125μm，将下部纤芯4和上部纤芯3加在一起的纤芯高度H1为0.22μm。在开始部8中，上部纤芯3的宽度W1a为1μm，下部纤芯4的宽度W1为4μm。在结束部9中，上部纤芯和下部纤芯的宽度W2都为0.5μm。开始部8的最大的纤芯宽度为4μm，有限，但通过该剖面的TE1的分布与开始部8的下部纤芯4的两端相比充分处于内侧。因此，板部宽度充分大，能够视为肋形波导。
图27是实施例3的结构中按照各剖面(以#表记)的有效折射率从高到低的顺序表示4个模式的有效折射率的变化的图表。从开始部到结束部将长边方向10等分，从开始部(#0)到结束部(#10)按顺序标号。如果鉴于#的编号越大，下底越小的点，则明白4个模与计算例1的图18相同。图27中，明白#9附近表示的虚线的椭圆(模转换部)中TE1与TM0的有效折射率分离，TE1与TM0之间能够进行高阶偏振波转换。此时的最小的有效折射率差为0.15。
＜实施例4＞
如图9A～9C所示，利用与实施例1相同的方法制成开始部8的剖面形状为矩形波导，结束部9的剖面形状为凸型，上部纤芯3与下部纤芯4的宽度方向的中心一致的结构(参照上述的第4实施方式)的高阶偏振波转换元件。
下部纤芯4的高度H2为0.095μm，上部纤芯3的高度(H1－H2的差)为0.125μm，加在一起的纤芯高度H1为0.22μm。在开始部8中，上部纤芯和下部纤芯的宽度W1都为0.8μm。在结束部9中，上部纤芯3的宽度W2a为0.44μm，下部纤芯4的宽度W2为0.5μm。该情况下，下底和上底(单位μm)的尺寸关系为“上底＝0.8－1.2×(0.8－下底)”。
图28是在实施例4的结构中针对下底的尺寸，按照有效折射率从高到低的顺序表示4个模的有效折射率的变化的图表。可知4个模与计算例1的图18相同。下底0.7μm附近所示的虚线的椭圆(模转换部)中TE1与TM0的有效折射率分离。因此，明白TE1与TM0之间能够进行高阶偏振波转换。
＜实施例5＞
如图11A～11C所示，利用与实施例1相同的方法制成开始部8和结束部9的剖面形状为凸型，上部纤芯3和下部纤芯4的宽度方向的中心一致的结构(参照上述的第5实施方式)的高阶偏振波转换元件。
下部纤芯4的高度H2为0.095μm，上部纤芯3的高度(H1－H2的差)为0.125μm，加在一起的纤芯高度H1为0.22μm。在开始部8中，上部纤芯3的宽度W1a为0.7μm，下部纤芯4的宽度W1为1.1μm。在结束部9中，上部纤芯3的宽度W2a为0.3μm，下部纤芯4的宽度W2为0.7μm。该情况下，上底和下底(单位μm)的尺寸关系为“下底＝上底+0.4”。
图29是实施例5的结构中针对上底的尺寸按照有效折射率从高到低的顺序表示4个模的有效折射率的变化的图表。可知4个模与计算例1的图18相同。上底0.5μm附近所示的虚线的椭圆(模转换部)中TE1和TM0的有效折射率分离。因此，明白TE1与TM0之间能够进行高阶偏振波转换。
＜实施例6＞
图13A以及13B表示将实施例1的高阶偏振波转换元件与非对称方向性耦合器组合的偏振波转换元件的一个实施例。
在图13B所示的非对称方向性耦合器13的剖面中，第1光波导11的纤芯宽度E为0.4μm，第2光波导12的纤芯宽度F为0.84μm，第1光波导11以及第2光波导12的纤芯的高度H都为0.22μm，2个波导的间隔G为0.35μm。
第1光波导11由长度L＝54μm的直线部和具有与该直线部连接的半径40μm的弯曲半径的弯曲波导构成。第2光波导12由长度L＝54μm的直线部和具有与该直线部连接的半径40μm的弯曲半径的弯曲波导构成。各波导的直线部相互平行，两端面分别处于同一平面上。
输入到第1端口11a的TE0通过非对称方向性耦合器13与第2光波导12的TE1耦合，并从第3端口12b作为TE1被输出时，利用基于FDTD法的模拟求出从TE0转换为TE1的转换损失。根据本结构，转换损失在波长为1550nm时，成为0.105dB。从该情况明白通过本结构能够进行TE0与TE1之间的转换。
可知由于高阶偏振波转换元件10的转换损失如实施例1所叙述那样为0.004dB，所以作为组合了非对称方向性耦合器13和高阶偏振波转换元件10的偏振波转换元件整体的转换损失为0.109dB，能够进行偏振波转换。
＜实施例7＞
如图14A以及14B所示，也能够制成非对称方向性耦合器为肋形型波导的偏振波转换元件。在图14A以及图14B所示的非对称方向性耦合器13r中，肋形型波导的长度Lr为20.8μm。第1光波导的肋形11r的宽度W1r为0.4μm，第2光波导的肋形12r的宽度W2r为0.95μm，肋形11r、12r的高度H1r为0.22μm。第1光波导的外侧的板部11s的宽度W1s为0.8μm以上，第2光波导的外侧的板部12s的宽度W2s为1.1μm以上，2个波导间的板部13s的宽度W3s为0.3μm，板部的高度H1s为0.095μm。
高阶偏振波转换元件10与实施例1同样地制成。但是，在本实施例中，使开始部8的宽度W1为与肋形12r的宽度W2r相同的0.95μm，使结束部9的宽度W2为0.6μm。另外，上部纤芯3的宽度变化的区间的长度L1为15μm以上，下部纤芯4的宽度变化的区间的长度L2为20μm以上。图30以及图31针对这样的实施例7的偏振波转换元件，表示通过基于FDTD法的模拟求出的损失的波长依赖性的结果。
图30是表示偏振波转换损失的波长依赖性的图表。偏振波转换损失(图30的loss)在波长1.53～1.63μm的范围中为0.4～3.3dB左右。另外，图31是表示TE0的透过损失的波长依赖性的图表。该透过损失(图31的loss)在波长1.53～1.63μm的范围中为0.14～0.16dB左右。从这些图表明白能够进行TE0与TE1间的转换，TE0几乎不会受到损失地透过，所以也能够进行偏振波复用。
＜实施例8＞
如图32所示的，与实施例1同样地，以由Si－SiO2－Si构成的SOI(Silicon oninsulator)基板为基础来制成使TE1(TE1)产生的转换合波元件。将中间的SiO2层作为下部包层，将上部的Si层作为纤芯使用。纤芯形成后，设置SiO2层作为上部包层。
输入部分51、52的宽度Wc为600nm，输入部分51与输入部分52的间隔Wd为350nm，合波部53的宽度Wa为1700nm，输出部分55的宽度Wb为840nm。合波部53的长度La为1000nm，锥形部分54的长度Lb为6000nm。
图36(a)以及图36(b)表示输入部分(宽度600nm)的剖面中的TE0和合波部(宽度1700nm)的剖面中的TE1的模分布的模拟结果。在输入部分51、52的剖面中，TE0分别各具有一个波导的宽度方向上较长的椭圆状的模分布，在合波部53的剖面中，TE1具有宽度方向上排列2个的模分布，但输入部分51、52的剖面中的模分布和合波部53的剖面中的模分布类似。据此，对于本实施例的转换合波元件50，输入部分51、52的TE0与合波部53的TE1耦合，能够将TE0转换为TE1。
图37表示基于有限单元法(FEM：finite element method)的本实施例的转换合波元件的过度损失的模拟结果。即使波导纤芯的宽度的制造误差(error)为±25nm，遍及1530～1630nm(相当于C波段以及L波段)，过度损失小于0.35dB。从该情况明白本结构具有高的制造公差和小的波长依赖性。
图38表示基于FDTD法的本实施例的转换合波元件的电场模拟的结果。在该图中，在+1～－1的范围中对电场的值进行标准化来进行显示，+1为白色，－1为黑色。从图38看出从2个输入部分输入的TE0的节在合波部中并列耦合，并作为T0E1模式被输出的样子。TE1模的分布在Z相等的波导宽度方向中，正负的符号相反。如上述，通过将输入的2个TE0的相位差设为π，合波后不产生具有对称的模分布的TE0。TE1转换后的过度损失能够为0.25dB。
＜实施例9＞
与实施例1同样地以由Si－SiO2－Si构成的SOI(Silicon on insulator)基板为基础来制成图33所示的对称方向性耦合器。将中间的SiO2层作为下部包层，将上部的Si层作为纤芯使用。纤芯形成后，设置SiO2层作为上部包层。各波导61、62的宽度W为500nm，波导61、62的间隔G为350nm。
本实施例的对称方向性耦合器60通过利用TE0的耦合长度与TM0的耦合长度存在差，来适当地设定2个波导61、62平行地配置的长度L，能够从一方的波导向另一方的波导仅改变TM0。换句话说，获得TM0的耦合损失较小、TE0的结合损失较大(相对于另一方的波导，TM0容易耦合，TE0较难耦合)的方向性耦合器。
基于FDTD法的模拟结果即使波导纤芯的制造误差为±25nm，过度损失较小，在1530～1630nm(相当于C波段以及L波段)这种较宽的波长范围中，TM0的耦合损失小于0.6dB，TE0的耦合损失为12dB以上。从该情况明白本结构具有较高的制造公差和较小的波长依赖性。
＜实施例10＞
图43A表示具有基于第1实施方式的结构的实施例10的高阶偏振波转换元件，43B表示其中央部(Z＝0.5)中的剖视图。此处，图43A的坐标表示将元件全长作为1的标准化的值。纤芯2由Si形成，包层5由SiO2形成。开始部8(Z＝0)中的宽度W1＝850nm，结束部9(Z＝1)的宽度W2＝500nm，分别将中央部(Z＝0.5)中的上部纤芯3的宽度以及下部纤芯4的宽度设定为W3＝500nm、W4＝850nm。上部纤芯3的宽度以及下部纤芯4中都利用直线连接开始部、中央部、结束部。另外，纤芯2的高度以及下部纤芯4的高度分别H1＝220nm、H2＝90nm为恒定。
图43A以及43B所示的高阶偏振波转换元件通过蚀刻削去SOI基板的SI层，从其上使SiO2堆积能够制成。在本实施例中，使用模拟来表示能够进行上述实施方式的高阶偏振波转换。
首先，对高阶偏振波转换部的定义进行叙述。为了定量化地表示导波模的主要的电场成分是Ex还是Ey，如以下的式(1)以及式(2)那样定义表示各个的比例的量RTE、RTM。
[数1]
[数2]
此处，假定Hx、Hy分别为宽度方向和高度方向的磁场成分，积分在包括宽度方向、高度方向的平面整体进行的情况。在Ex(Ey)为主要的导波模中，Hy(Hx)为主要的，电场成分与磁场成分的积的积分值具有电力的维度，所以RTE(RTM)表示Ex(Ey)的电力比例。在本说明书中，Ex(Ey)为主要是指RTE(RTM)为0.7以上的情况，在0.3＜RTE＜0.7(0.3＜RTM＜0.7)时，称为混合模。因此，高阶偏振波转换部针对光的行进方向，定义为具有0.3＜RTE＜0.7(0.3＜RTM＜0.7)的导波模的范围。
由于调查图43A的高阶偏振波转换部，所以计算出相对于光的行进方向的坐标(z)，在实施例10的高阶偏振波转换元件中导波的模的有效折射率的图表(按照有效折射率从大到小的顺序，称为#0、#1、#2)、和#1的RTE，RTM。图44以及45表示各个的结果。图44表示本实施例的有效折射率，图45表示本实施例的RTE、RTM。图44中，#0为TE0，#1在开始部8中为TE1，#2在开始部8中为TM0。从图44可知#1的有效折射率相对于光的行进方向单调地减少，高效地与结束部的有效折射率连接。观察图45，在开始部中，Ex成分为主要的，但在元件的中央附近产生混合模，之后到结束部中Ey成分为主要的。即，示出通过2段锥形波导结构能够进行高阶偏振波转换。另外，由于混合模处于元件的中央部，所以也示出高阶偏振波转换部位于其中央部。
＜比较例2＞
接着，图46A表示针对实施例10的比较例2的高阶偏振波转换元件的结构，46B表示其中央部(Z＝0.5)中的剖视图。此处，在图46A以及B中，纤芯2的宽度以外与实施例10相同。在比较例2中，开始部8(Z＝0)中的宽度W1＝850nm、结束部9(Z＝1)的宽度W2＝500nm、分别将中央部(Z＝0.5)中的上部纤芯3的宽度以及下部纤芯的宽度设定为W3＝550nm、W4＝1550nm。
图47表示对比较例2的结构，计算相对于光的行进方向的坐标(z)，在实施例的结构中导波的模的有效折射率(按照有效折射率从大到小的顺序，称为#0、#1、#2)的结果。另外，图48表示计算#1的RTE、RTM的结果。从图47以及48可知高阶偏振波转换部与实施例10相比在结束部9侧产生。并且，暗示高阶偏振波转换部占整个元件长的比例较小，高阶偏振波转换效率较低。
图49表示模拟计算出实施例10和比较例2的具体的高阶偏振波转换效率、和此时的整个元件长的长度的结果。导波光的波长为1550nm。从图49可知在以相同的转换效率比较的情况下，实施例10以更短的距离获得较高的转换效率。例如，获得90％的转换效率所需的元件长在实施例10中为7um，在比较例2中为22.5um，在本实施例10中能够实现比较例2的1/3以下的元件长的缩短。
因此，在平面上集成光元件的光电路部件中，能够减少1/9以下的面积。
并且，图50表示实施例10中，模拟计算出转换效率的波长依赖性的结果。元件长为10um。从图50可知在1520nm～1640nm的波长范围中高阶偏振波转换的转换效率为94％以上，在较宽的波长范围中具有高的转换效率。由于该波长范围包括光通信所使用的C－band(1530-1565nm)、L－band(1565-1625nm)，所以本实施例也能够应用于波分复用(WDM)通信。能够获得这样的较宽的波长频带是因为能够如本实施例那样在元件的中央设计高阶偏振波转换部。
＜实施例11＞
试制基于上述实施例10的器件，进行评价。本实施例的高阶偏振波转换元件的结构除了纤芯2的宽度以及高度以外与实施例10相同。在本实施例中，开始部8(Z＝0)中的宽度W1＝860nm、结束部9(Z＝1)的宽度W2＝500nm、使中央部(Z＝0.5)中的上部纤芯3的宽度以及下部纤芯的宽度分别为W3＝500nm、W4＝860nm。另外，纤芯2的高度以及下部纤芯4的高度分别为H1＝220nm、H2＝95nm。
图51表示该测定结果。从图51清楚在1520－1640nm的波长范围中获得92％以上的高的转换效率。
附图符号说明
1…光波导，2…纤芯，3…上部纤芯，4…下部纤芯，5…包层，6…上部包层，7…下部包层，8…开始部，9…结束部，10…高阶偏振波转换元件，11…第1光波导，12…第2光波导，13，13r…非对称方向性耦合器。

Claims (11)

1.一种高阶偏振波转换元件，是构成基板型光波导的高阶偏振波转换元件，具备：
基板；
下部包层，其被设置在上述基板上；
纤芯，其具有被设置在上述下部包层上，在剖面矩形状中具有恒定的高度的下部纤芯、和由与上述下部纤芯相同的材料形成且在上述下部纤芯上连续地配置的在剖面矩形状中具有恒定的高度的上部纤芯；以及
上部包层，其被设置在上述纤芯以及上述下部包层上，并由与上述下部包层相同的材料形成，
上述纤芯构成光能够从上述下部纤芯的宽度与上述上部纤芯的宽度相同的开始部到上述下部纤芯的宽度与上述上部纤芯的宽度相同的结束部进行导波的光波导，
在上述开始部和上述结束部中，上述上部纤芯的宽度方向的两端分别与上述下部纤芯的宽度方向的两端重叠，上述纤芯的剖面是矩形状，
至少上述上部纤芯的宽度以及上述下部纤芯的宽度中的一方在上述开始部与上述结束部之间相对于上述光的导波方向连续地减少、且上述上部纤芯的宽度以及上述下部纤芯的宽度双方从上述开始部到上述结束部不增加，
在上述开始部中，TE0的有效折射率大于TE1的有效折射率，上述TE1的有效折射率大于TM0的有效折射率，
在上述光波导的结束部中，上述TE0的有效折射率大于上述TM0的有效折射率，上述TM0的有效折射率大于上述TE1的有效折射率，
在上述开始部与上述结束部之间的上述光波导中的除了上述开始部和上述结束部之外的部分中，上述纤芯具有上述上部纤芯的宽度与上述下部纤芯的宽度不同的上下非对称的结构，
上述高阶偏振波转换元件在上述开始部的TE1与上述结束部的TM0之间进行高阶偏振波转换。
2.根据权利要求1所述的高阶偏振波转换元件，其中，
在上述开始部与上述结束部之间的上述光波导中的除了上述开始部和上述结束部之外的部分中，上述下部纤芯的宽度始终大于上述上部纤芯的宽度，在与上述光被进行导波的方向垂直的剖面中上述上部纤芯的下边始终包含于上述下部纤芯的上边。
3.根据权利要求2所述的高阶偏振波转换元件，其中，
在上述开始部与上述结束部之间的上述光波导中的除了上述开始部和上述结束部之外的部分中，上述上部纤芯的宽度方向的两端分别始终不与上述下部纤芯的上述宽度方向的两端重叠。
4.根据权利要求2所述的高阶偏振波转换元件，其中，
在上述开始部与上述结束部之间，上述上部纤芯的宽度方向的一端始终与上述下部纤芯的上述宽度方向的一端重叠。
5.根据权利要求1所述的高阶偏振波转换元件，其中，
在上述开始部中，上述纤芯的高度为210nm以上230nm以下，上述纤芯的宽度为700nm以上，且在上述结束部中，上述纤芯的高度为210nm以上230nm以下，上述纤芯的宽度为620nm以下。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的高阶偏振波转换元件，其中，
上述下部纤芯和上述上部纤芯由Si构成，上述下部包层和上述上部包层由SiO2构成。
7.根据权利要求1～5中任意一项所述的高阶偏振波转换元件，其中，
上述上部纤芯的宽度从上述开始部到中间部减少，而从上述中间部到上述结束部为恒定、且上述下部纤芯的宽度从上述开始部到上述中间部为恒定，而从上述中间部到上述结束部之间减少。
8.根据权利要求6所述的高阶偏振波转换元件，其中，
上述上部纤芯的宽度从上述开始部到中间部减少，而从上述中间部到上述结束部为恒定、且上述下部纤芯的宽度从上述开始部到上述中间部为恒定，而从上述中间部到上述结束部之间减少。
9.一种光波导元件，具备：
权利要求1～8中任意一项所述的高阶偏振波转换元件；
方向性耦合器，其由未连接上述高阶偏振波转换元件的第1光波导、和连接有上述高阶偏振波转换元件的上述开始部的第2光波导构成，
TE0在上述第1光波导中导波，TE1在上述第2光波导中导波，上述第1光波导的TE0能够与上述第2光波导的TE1耦合。
10.根据权利要求9所述的光波导元件，其中，
上述第1光波导的TE0的有效折射率与上述第2光波导的TE0的有效折射率之差为0.2以上。
11.一种DP-QPSK调制器，其具备权利要求9或者10所述的光波导元件。
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