CN106164724A - 基板型光波导路元件、偏振复用4值相位调制器、相干接收机以及偏振分集 - Google Patents

基板型光波导路元件、偏振复用4值相位调制器、相干接收机以及偏振分集 Download PDF

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Abstract

基板型光波导路元件具备基板、在上述基板上形成相互并排的第一波导路以及第二波导路的纤芯以及覆盖上述纤芯且折射率比上述纤芯小的包层。上述纤芯具有形成上述第一波导路的第一肋条部、形成上述第二波导路的第二肋条部以及以比上述第一肋条部以及上述第二肋条部的厚度小的厚度仅设置于上述第一肋条部与上述第二肋条部的宽度方向的一侧并且在上述第一肋条部与上述第二肋条部之间被共享的板部。上述第一波导路与上述第二波导路在各自的输入侧与输出侧之间构成将输入上述输入侧的光的模式转换成与上述光的模式不同的模式的模式转换部。上述模式转换部具有在上述第一波导路与上述第二波导路之间产生模式耦合的波导路构造。上述第一波导路的第一波导模式的有效折射率与上述第二波导路的第二波导模式的有效折射率在上述波导路构造的与光的传播方向垂直的至少一剖面一致。上述第一波导模式的有效折射率与上述第二波导模式的有效折射率的大小关系隔着上述一剖面在各自的输入侧与输出侧之间对调。

Description

基板型光波导路元件、偏振复用4值相位调制器、相干接收机 以及偏振分集
技术领域
本发明涉及基板型光波导路元件。
本申请主张于2014年4月3日提出的日本专利申请2014－077232号的优先权，并在此引用其内容。
背景技术
当前，光通信所传送的信息量一直在增加。为了应对信息量的增加，实施了传送速度的高速化、基于波长复用通信的信道数的增设等措施。特别是，在以高速信息通信为目的的下一代100Gbps数字相干传送技术中，利用了使电场正交的两个偏振波模式载运信息的偏振复用方式。通过使用偏振复用方式，与利用了单一的偏振波的光传送系统相比，能够使每单位时间的信息量为两倍。
然而，在包含偏振复用方式的高速通信用的光调制方式中，产生了光调制器的构造变得复杂，装置的大型化以及价格高昂之类的问题。对于这样的问题，正在研究使用了基板型光波导路元件的光调制器。
作为基板型光波导路元件的一个例子，有在基板上具备具有由硅(Si)构成的纤芯以及由折射率比纤芯小的石英(SiO2)构成的包层的波导路的光波导路元件。使用了这样的Si的基板型光波导路元件通过将加工容易且折射率高的Si作为材料使用，从而具有由集成化所带来的小型化、由大量生产所带来的低成本化等优点。
然而，包含使用了这样的基板型光波导路元件的偏振复用方式的光调制器存在以下问题点。即，在基板型光波导路元件中，形成波导路的纤芯的横剖面形状通常呈与基板平行的方向(宽度方向)和与基板垂直的方向(厚度方向)非对称的形状。因此，有效折射率等特性在电场的主要成分成为基板的面内方向的偏振波模式(称为TE模式。)和磁场的主要成分成为基板的面内方向(电场的主要成分为基板的垂直方向)的偏振波模式(称为TM模式。)之间是不同的。
在这两个偏振波模式中多数的情况下使用的是TE0模式与TM0模式。其中，TE0模式是在TE模式中有效折射率最大的模式，TM0模式是TM模式中有效折射率最大的模式。
然而，对有效折射率等特性不同的这些偏振波模式进行光调制操作的情况下，仅使用单一的基板型光波导路元件是很困难的。为此，需要按照每个偏振波模式实施最优化的基板型光波导路元件。因此，在使用了基板型光波导路元件的偏振复用方式存在基板型光波导路元件的开发方面需要大的劳力等的问题。
作为解决该问题的方法，能够列举使用TE0模式的光来作为针对于TE0模式设计的基板型光波导路元件的输入光，并将来自基板型光波导路元件的输出光偏振转换成TM0模式的光的方法。此处，“偏振转换”是指从TE0模式向TM0模式的转换，或者从TM0模式向TE0模式的转换。为了进行上述的光调制操作，需要在基板上进行偏振转换的基板型光波导路元件。
当在基板上进行这样的偏振转换的情况下，存在将从TE0模式向TE1模式的转换与从TE1模式向TM0模式的转换组合的技术(参照非专利文献1。)。其中，TE1模式表示在TE模式中有效折射率第二高的模式。
为了进行这样的偏振转换，需要进行从TE0模式向TE1模式的转换的转换元件以及进行从TE1模式向TM0模式的转换的转换元件(以下，称为高阶偏振转换元件。)的两个转换元件。
本发明在其中着眼于上述的从TE0模式向TE1模式的转换。
另外，鉴于该转换，着眼于通常的不同的模式之间的转换(以下，称为模式转换，将进行该转换的元件称为模式转换元件。)。此处，“模式转换”是指针对0以上的整数i、j(其中，i≠j。)进行的、TEi模式与TEj模式之间的转换、TMi模式与TMj模式之间的转换、TEi模式与TMi模式之间的转换以及TEi模式与TMj模式之间的转换中的任一转换。此处，TEi模式以及TEj模式是在TE模式中有效折射率分别为第(i+1)以及第(j+1)大的模式。另外，TMi模式以及TMj模式是在TM模式中有效折射率分别为第(i+1)以及第(j+1)大的模式。其中，上述的从TE0模式向TE1模式的模式转换在从TEi模式向TEj模式的模式转换中为i＝0、j＝1的情况。以下，将成为转换对象的两个模式称为对象模式。
作为与模式转换相关的现有技术，能够列举非专利文献2、3所记载的模式转换元件。具体而言，针对下述非专利文献2所记载的模式转换元件，参照图44A、图44B进行说明。其中，图44A是表示非专利文献2所记载的模式转换元件的立体图，图44B是由图44A中所示的线段Z3－Z3剖切的模式转换元件的剖视图。
图44A、图44B所示的模式转换元件具备形成两条并排的波导路201、202的纤芯203以及覆盖纤芯203的包层204。纤芯203形成由Si构成的剖面呈矩形状的波导路(所谓的矩形波导路)201、202。包层204由下部包层205以及上部包层206构成，下部包层205由SiO2构成，上部包层206由空气层构成。波导路201、202在下部包层205的面上以相同的厚度(高度)形成。上部包层206覆盖下部包层205的形成有波导路201、202的面上。
在图44A、图44B所示的模式转换元件中，波导路201、202的宽度相互不同，波导路202的宽度沿着光的波导方向连续(锥状)地变化。由此，在两条并排的波导路201、202的输入侧与输出侧之间构成波导路被锥形化的定向耦合器。此外，在以下的说明中，将两条波导路中的任意一方或者双方由锥状的波导路构成的定向耦合器称为“锥形化定向耦合器”。
在图44A、图44B所示的模式转换元件中，以TE0模式波导的光(由图44A中的箭头TE0表示。)被输入一方的波导路201，而在锥形化定向耦合器被模式耦合。由此，从以TE0模式波导的光被模式转换成以TE1模式波导的光(由图44A中的箭头TE1表示。)，而从另一方的波导路202被输出。因此，对象模式是一方的波导路201的TE0模式与另一方的波导路202的TE1模式。
此处，“模式耦合”是指对于一方的波导路的对象模式而言，其电场的一部分向外部渗出，并向邻接的另一方的波导路移动。为了高效地进行模式耦合，需要邻接的波导路中的各对象的模式的有效折射率为相同程度。其中，“相同程度”是指有效折射率之差的绝对值比使用后述的耦合系数χ的χ×波长/π小时。另外，将满足该条件的情况称为“相位整合”。
另外，在图44A、图44B所示的模式转换元件中，以TE0模式波导的光(由图44A中的箭头TE0’表示。)被输入另一方的波导路202，在锥形化定向耦合器中不进行模式转换，而从另一方的波导路202被输出。由此，TE0模式的光与TE1模式的光从另一方的波导路202的输出端同时被输出(以下，称为模式复用。)。
此处，“模式复用”是指通过从一方的波导路向另一方的波导路的模式转换而产生的模式(称为模式A。)的光、和与被输入另一方的波导路的模式A不同的模式(称为模式B。)的光，从另一方的波导路同时被输出。为了被输入另一方的波导路的模式B的光在定向耦合器不被模式转换成与模式B不同的模式而是从另一方的波导路被输出，只要模式B与一方的波导路的任意的模式均不相位整合即可。
另一方面，参照图45A、图45B对非专利文献3所记载的模式转换元件(使用肋条波导路的模式转换元件)进行说明。其中，图45A是表示非专利文献3所记载的模式转换元件的俯视图，图45B是由图45A中所示的线段Z4－Z4剖切的模式转换元件的剖视图。
图45A、图45B所示的模式转换元件具备形成两条并排的波导路301、302的纤芯303以及覆盖纤芯303的包层304。纤芯303具有肋条部305、306以及板部307。肋条部305、306由Si构成，以相同的厚度(高度)形成剖面呈矩形状。板部307由Si构成，以比肋条部305、306低的高度，连续地形成于肋条部305、306的宽度方向的两侧。由此，纤芯303形成在肋条部305、306的宽度方向的两侧设置有板部307的波导路(所谓的肋条波导路)301、302。
包层304由下部包层308以及上部包层309构成，下部包层308由SiO2构成，上部包层309由空气层构成。波导路301、302(肋条部305、306以及板部307)形成于下部包层308的面上。上部包层309覆盖纤芯303的形成肋条部305、306以及板部307的面上。
在图45A、图45B所示的模式转换元件中，波导路301、302的宽度相互不同。另外，曲线状的波导路301与直线状的波导路302的间隔以及波导路301、302的宽度沿着光的波导方向连续(锥状)地变化。由此，在两条并排的波导路301、302的输入侧与输出侧之间，构成锥形化定向耦合器。
在图45A、图45B所示的模式转换元件中，以TE0模式(非专利文献3中的thefundamental mode of the"add"waveguide)波导的光(由图45A中的箭头TE0表示。)被输入一方的波导路301，在锥形化定向耦合器被模式耦合，由此被模式转换成以TE2模式(非专利文献3中的the 3rd modes of the"bus"waveguide)波导的光(由图45A中的箭头TE2表示。)，而从另一方的波导路302被输出。因此，对象模式是波导路301的TE0模式以及波导路302的TE2模式。
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,No.11,pp.10940-10949(2011)
非专利文献2：Yunhong Ding,Jing Xu,Francesco Da Ros,Bo Huang,Haiyan Ou,and Christophe Peucheret,“On-chip two-mode division multiplexing usingtapered directional coupler-based mode multiplexer and demultiplexer,”OpticsExpress,Vol.21,No.8,pp.10376-10382(2013)
非专利文献3：Maxim Greenberg and Meir OrensTEin,Francesco Da Ros,BoHuang,Haiyan Ou,and Christophe Peucheret,“Multimode add-drop multiplexing byadiabatic linearly tapered coupling,”Optics Express,Vol.13,No.23,pp.9381-9387(2005)
然而，在上述的锥形化定向耦合器中，在想要在相同的模式彼此的转换(例如，从TE0模式向TE1模式的转换)中获得相同程度的转换效率的情况下，设备长度取决于邻接的波导路的对象模式彼此的模式耦合的强度。即，模式耦合越强，越能够缩短设备长度。
然而，图44A、图44B所示的模式转换元件是利用了上述的矩形波导路的锥形化定向耦合器，在邻接的波导路201、202之间配置有上部包层206。因此，对于在一方的波导路201进行波导的光而言，向外部渗出的光量少，大部分被困在内部。因此，在利用了矩形波导路的锥形化定向耦合器中，由于邻接的波导路201、202的对象模式彼此的模式耦合弱，因此导致设备长度增长。
另一方面，图45A、图45B所示的模式转换元件是利用了上述的肋条波导路的锥形化定向耦合器，在形成波导路301、302的肋条部305、306之间配置有板部307。因此，在一方的波导路301进行波导的光从肋条部301向板部307大幅渗出。因此，利用了肋条波导路的锥形化定向耦合器，相比于利用了矩形波导路的锥形化定向耦合器，邻接的波导路301、302的对象模式彼此的模式耦合强。
然而，利用了肋条波导路的锥形化定向耦合器在肋条部305、306的宽度方向的两侧存在板部307。因此，在一方的波导路301进行波导的光，不仅以波导路301为基准向另一方的波导路302侧的板部307(肋条部305与肋条部306之间的板部307)渗出，还以波导路301为基准向与另一方的波导路302侧相反的一侧的板部307大幅渗出。由于该光无助于模式耦合，因此成为减弱模式耦合的一个重要因素。
如以上那样，在以往的模式转换元件中，邻接的波导路之间的模式耦合比较弱，因此需要增长设备长度。特别是，以Si为纤芯的基板型光波导路元件，在由Si构成的纤芯与由SiO2(包含空气层、SiN等。)构成的包层之间具有高的折射率差。因此，光向纤芯的困入强，上述的问题显著。
发明内容
本发明是鉴于上述的以往的情况而提出的，其一个目的在于提供一种能够缩短设备长度，从而实现进一步的小型化的基板型光波导路元件、使用了上述的基板型光波导路元件的偏振复用4值相位调制器、相干接收机以及偏振分集。
为了实现上述目的，本发明的第一方式的基板型光波导路元件具备：基板、在上述基板上形成相互并排的第一波导路以及第二波导路的纤芯以及覆盖上述纤芯且折射率比上述纤芯小的包层，上述纤芯具有形成上述第一波导路的第一肋条部、形成上述第二波导路的第二肋条部以及板部，该板部以比上述第一肋条部以及上述第二肋条部的厚度小的厚度仅设置于上述第一肋条部与上述第二肋条部的宽度方向的一侧并且在上述第一肋条部与上述第二肋条部之间被共享，上述第一波导路与上述第二波导路在各自的输入侧与输出侧之间构成将输入上述输入侧的光的模式转换成与上述光的模式不同的模式的模式转换部，上述模式转换部具有在上述第一波导路与上述第二波导路之间产生模式耦合的波导路构造，上述第一波导路的第一波导模式的有效折射率与上述第二波导路的第二波导模式的有效折射率，在上述波导路构造的与光的传播方向垂直的至少一剖面一致，上述第一波导模式的有效折射率与上述第二波导模式的有效折射率的大小关系隔着上述一剖面在各自的输入侧与输出侧之间被对调。
另外，在电场成为上述基板的面内方向的TE模式中(n、m表示自然数。其中，m＞n。)，上述第一波导模式也可以是具有第n大的有效折射率的TE(n－1)模式，上述第二波导模式是具有第m大的有效折射率的TE(m－1)模式。
另外，在上述基板型光波导路元件中，也可以是n＝1、m＝2。
另外，在上述模式转换部中，上述第一肋条部的宽度也可以沿着光的波导方向连续地缩小，上述第二肋条部的宽度沿着光的波导方向连续地增大。
另外，在上述模式转换部中，上述板部的宽度也可以在长度方向保持恒定。
另外，上述模式转换部也可以具有上述板部的宽度最小的窄幅部、上述板部的宽度从输入侧朝向上述窄幅部连续地变小的缩幅部以及上述板部的宽度从上述窄幅部朝向输出侧连续地增大的扩幅部。
另外，上述板部、上述第一肋条部以及上述第二肋条部的厚度也可以在长度方向上保持恒定。
另外，上述第一肋条部以及上述第二肋条部的厚度也可以相等。
另外，上述纤芯也可以在上述模式转换部的输入侧与输出侧这两者中的至少一方具有通过使上述第一肋条部与上述第二肋条部这两者中的至少一方在面内弯曲而具有上述第一肋条部与上述第二肋条部之间的间隔沿着光的波导方向连续地增大或者变小的形状的弯曲波导路。
另外，上述纤芯也可以在上述模式转换部的输入侧与输出侧这两者中的至少一方具有锥形波导路，上述锥形波导路具有与上述第一肋条部的与上述第二肋条部对置的一侧的侧面连续地被设置的第一板部、以及与上述第二肋条部的与上述第一肋条部对置的一侧的侧面连续地被设置的第二板部，上述第一板部与上述第二板部与上述板部连续地被设置，并且具有各自的宽度朝向上述板部连续地增大的形状。
另外，对于上述基板型光波导路元件而言，上述纤芯也可以包含Si，上述包层包含SiO2。
另外，在上述基板型光波导路元件中，上述纤芯也可以具有位于上述模式转换部的输出侧，并连接于上述第二波导路的高阶偏振转换部，上述高阶偏振转换部将从上述第二波导路被输出的以TE1模式进行波导的光，转换成以磁场成为上述基板的面内方向的TM模式中的具有第一大的有效折射率的TM0模式进行波导的光并输出。
另外，本发明的第二方式的偏振复用4值相位调制器使用上述第一方式的基板型光波导路元件。
另外，本发明的第三方式的相干接收机使用上述第一方式的基板型光波导路元件。
另外，本发明的第四方式的偏振分集使用上述第一方式的基板型光波导路元件。
如以上那样，根据上述方式，能够提供一种能够缩短设备长度，从而实现进一步的小型化的基板型光波导路元件、使用了上述的基板型光波导路元件的偏振复用4值相位调制器、相干接收机以及偏振分集。
附图说明
图1A表示本发明的一实施方式的基板型光波导路元件的俯视图。
图1B表示本发明的一实施方式的基板型光波导路元件的剖视图。
图2A表示利用了半肋条波导路的锥形化定向耦合器的俯视图，表示各部的尺寸的一个例子。
图2B表示利用了半肋条波导路的锥形化定向耦合器的剖视图，表示各部的尺寸的一个例子。
图3A是表示通过模拟求解波导路1与波导路2分别独立地存在时的相对于W的有效折射率的变化时的波导路1与波导路2的各部的尺寸的剖视图。
图3B是表示通过模拟求解波导路1与波导路2分别独立地存在时的相对于W的有效折射率的变化的结果的图表。
图4是通过模拟求解使波导路1与波导路2邻接时的相对于W的有效折射率的变化的图表。
图5是通过模拟求解W＝－100的剖面位置(a)的#1模式的电场分布的EX成分的图表。
图6是通过模拟求解W＝－50的剖面位置(b)的#1模式的电场分布的EX成分的图表。
图7是通过模拟求解W＝0的剖面位置(c)的#1模式的电场分布的EX成分的图表。
图8是通过模拟求解W＝+50的剖面位置(d)的#1模式的电场分布的EX成分的图表。
图9是通过模拟求解W＝+100的剖面位置(e)的#1模式的电场分布的EX成分的图表。
图10是通过模拟求解矩形波导路的基于TE0模式的电场分布的EX成分的图表。
图11是通过模拟求解肋条波导路的基于TE0模式的电场分布的EX成分的图表。
图12是通过模拟求解半肋条波导路的基于TE0模式的电场分布的EX成分的图表。
图13A是利用了矩形波导路的锥形化定向耦合器的俯视图，表示各部的尺寸的一个例子。
图13B是利用了矩形波导路的锥形化定向耦合器的剖视图，表示各部的尺寸的一个例子。
图14A是利用了肋条波导路的锥形化定向耦合器的俯视图，表示各部的尺寸的一个例子。
图14B是利用了肋条波导路的锥形化定向耦合器的剖视图，表示各部的尺寸的一个例子。
图15是表示图2A、图13A以及图14A中所示的包围部分C的外侧的波导路构造的俯视图。
图16是针对矩形波导路、肋条波导路、半肋条波导路，表示各自的锥形长度与转换效率的关系的图表。
图17是针对利用了半肋条波导路的锥形化定向耦合器，表示锥形长度与转换效率的关系的图表。
图18是针对利用了半肋条波导路的锥形化定向耦合器，表示向波导路1输入TE0模式的光时的电场分布的y＝0.1μm的剖面中的EX成分的图表。
图19是针对利用了半肋条波导路的锥形化定向耦合器，表示波长与转换效率的关系的图表。
图20是针对利用了半肋条波导路的锥形化定向耦合器，表示向波导路2输入TE0模式的光时的电场分布的y＝0.1μm的剖面中的EX成分的图表。
图21是波长为1520nm时的与上述图3B对应的有效折射率的图表。
图22是波长为1640nm时的与上述图3B对应的有效折射率的图表。
图23是肋条部的宽度变化+30nm时的与上述图3B所示的图表对应的有效折射率的图表。
图24是肋条部的宽度变化－30nm时的与上述图3B所示的图表对应的有效折射率的图表。
图25是板部的高度变化+20nm时的与上述图3B所示的图表对应的有效折射率的图表。
图26是板部的高度变化－20nm时的与上述图3B所示的图表对应的有效折射率的图表。
图27是通过模拟求解W＝－100的剖面位置(a)的基于#0模式的电场分布的EX成分的图表。
图28是通过模拟求解W＝－50的剖面位置(b)的基于#0模式的电场分布的EX成分的图表。
图29是通过模拟求解W＝0的剖面位置(c)的基于#0模式的电场分布的EX成分的图表。
图30是通过模拟求解W＝+50的剖面位置(d)的基于#0模式的电场分布的EX成分的图表。
图31是通过模拟求解W＝+100的剖面位置(e)的基于#0模式的电场分布的EX成分的图表。
图32A表示本发明的第一实施方式的基板型光波导路元件的俯视图。
图32B表示本发明的第一实施方式的基板型光波导路元件的剖视图。
图33A表示本发明的第二实施方式的基板型光波导路元件的俯视图。
图33B表示本发明的第二实施方式的基板型光波导路元件的锥形波导路的俯视图。
图33C是表示本发明的第二实施方式的基板型光波导路元件的锥形波导路的变形例的俯视图。
图34A表示本发明的第三实施方式的基板型光波导路元件的俯视图。
图34B表示本发明的第三实施方式的基板型光波导路元件的剖视图。
图35是针对图34A以及34B所示的基板型光波导路元件，与上述图4对应的有效折射率的图表。
图36是针对图34A以及34B所示的基板型光波导路元件，通过模拟求解W＝－100的剖面位置的#1模式的电场分布的EX成分的图表。
图37是针对图34A以及34B所示的基板型光波导路元件，通过模拟求解W＝+100的剖面位置的#1模式的电场分布的EX成分的图表。
图38是表示本发明的第四实施方式的偏振转换元件的一个例子的示意图。
图39是表示本发明的第五实施方式的偏振转换元件的一个例子的示意图。
图40是表示图39所示的偏振转换元件的一个例子的俯视图。
图41是表示本发明的第六实施方式的DP－QPSK调制器的一个例子的示意图。
图42是表示本发明的第七实施方式的相干接收机的一个例子的示意图。
图43是表示本发明的第八实施方式的偏振分集的一个例子的示意图。
图44A表示使用了以往的矩形波导路的模式转换元件的一个例子的立体图。
图44B表示使用了以往的矩形波导路的模式转换元件的一个例子的剖视图。
图45A表示使用了以往的肋条波导路的模式转换元件的一个例子的俯视图。
图45B表示使用了以往的肋条波导路的模式转换元件的一个例子的剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式详细地进行说明。
此外，在以下的全部的附图中，为了容易呈现各构成要素，存在使尺寸的比例尺根据构成要素不同地表示的情况。另外，以下的说明中例示的材料、尺寸等为一个例子，本发明不限定于此，能够在不变更其主旨的范围内适当地变更来实施。
(基板型光波导路元件)
首先，作为本发明的一实施方式，对例如图1A以及1B所示的基板型光波导路元件1进行说明。其中，图1A是表示基板型光波导路元件1的俯视图，图1B是由图1A中所示的线段Z1－Z1剖切的基板型光波导路元件1的剖视图。
图1A以及1B所示的基板型光波导路元件1具备在基板2上形成相互并排的第一波导路3以及第二波导路4的纤芯5、以及覆盖纤芯5且折射率比纤芯5小的包层6。
在基板型光波导路元件1中，例如，能够使用由Si－SiO2－Si构成的SOI(Siliconon insulator：绝缘体上硅)晶片而制成。具体而言，对处于该SOI晶片的最上层的Si层进行加工，从而能够形成纤芯5(第一波导路3以及第二波导路4)。在使用了SOI晶片的情况下，处于最下层的Si成为基板2，处于中间的SiO2成为后述的下部包层10。
纤芯5具有第一肋条部7、第二肋条部8以及板部9。第一肋条部7形成第一波导路3。第二肋条部8形成第二波导路4。板部9在第一肋条部7与第二肋条部8之间共享。板部9的厚度(高度)比第一肋条部7以及第二肋条部8小。
纤芯5(第一肋条部7、第二肋条部8以及板部9)由折射率比包层6大的材料构成，优选由Si构成。在基板型光波导路元件1中，分两个步骤对处于上述的SOI晶片的最上层的Si层进行蚀刻，从而能够将第一肋条部7、第二肋条部8以及板部9形成为一体。
第一肋条部7与第二肋条部8以相同的厚度(高度)形成且剖面呈矩形状。板部9形成在第一肋条部7与第二肋条部8的相互对置的整个侧面之间。由此，第一波导路3与第二波导路4形成仅在第一肋条部7与第二肋条部8的宽度方向的一侧设置有板部9的波导路(所谓的半肋条波导路)。
包层6具有下部包层10与上部包层11。第一波导路3以及第二波导路4(第一肋条部7、第二肋条部8以及第三板部9)形成于下部包层10的面上。上部包层11覆盖形成有第一肋条部7、第二肋条部8以及第三板部9的下部包层10的面上。
包层6由折射率比纤芯5小的材料构成，具体而言由SiO2、SiN、空气层(其中，空气层仅能应用于上部包层11。)等构成。在基板型光波导路元件1中，上述的SOI晶片的SiO2层形成下部包层10，其上的空气层形成上部包层11。另外，上部包层11也可以由覆盖下部包层10的面上的SiO2层形成。
第一波导路3与第二波导路4具有在各自的输入侧与输出侧之间将输入于输入侧的光的模式转换成与该光的模式不同的模式的模式转换部(模式转换元件)12。模式转换部12具有在第一波导路3与第二波导路4之间产生模式耦合的波导路构造。
具体而言，作为产生模式耦合的波导路构造，例如，能够列举使第一肋条部7以及第二肋条部8的宽度、厚度(高度)、板部9的厚度(高度)等沿着光的波导方向L连续地变化的波导路构造。有效折射率与光向纤芯5(第一波导路3以及第二波导路4)的困入有关。即，在第一波导路3以及第二波导路4中，通过增大第一肋条部7以及第二肋条部8的宽度、厚度(高度)，由此增加有效折射率。另外，通过减小第一肋条部7以及第二肋条部8的宽度、厚度(高度)，由此降低有效折射率。
因此，通过使上述的波导路构造变化，能够调整在第一波导路3以及第二波导路4进行波导的光的模式的有效折射率。特别地，在使第一肋条部7以及第二肋条部8、板部9的厚度(高度)在第一波导路3以及第二波导路4的长度方向保持恒定不变的状态下，仅改变第一肋条部7以及第二肋条部8的宽度来进行有效折射率的调整的情况下，能够容易利用上述的SOI晶片的加工来制作。因此，高效。
在模式转换部12中，第一肋条部7的宽度沿着光的波导方向L连续地变小，第二肋条部8的宽度沿着光的波导方向L连续地增大。另一方面，板部9的宽度在第一肋条部7以及第二肋条部8的长度方向上保持恒定。由此，在第一波导路3以及第二波导路4的输入侧与输出侧之间，构成利用了半肋条波导路的锥形化定向耦合器。
在模式转换部12中，通过上述的波导路构造，第一波导路3的第一波导模式与第二波导路4的第二波导模式的有效折射率，在波导路构造的与光的传播方向垂直的至少一剖面一致。另外，第一波导模式的有效折射率与第二波导模式的有效折射率的大小关系隔着该一剖面在各自的输入侧与输出侧之间被对调。
在基板型光波导路元件1中，第一波导路模式是具有第n(n表示自然数。)大的有效折射率的TE(n－1)模式。另一方面，第二波导路模式是具有第m(m表示自然数。其中，m＞n。)大的有效折射率的TE(m－1)模式。具体而言，本实施方式的第一波导路模式是TE0模式(n＝1)(由图1A中的箭头TE0表示。)，第二波导路模式是TE1模式(m＝2)(由图1A中的箭头TE1表示。)。
如以上那样，本实施方式的基板型光波导路元件1在上述的模式转换部12中，构成利用了半肋条波导路的锥形化定向耦合器。在利用了该半肋条波导路的锥形化定向耦合器中，在形成第一波导路3的第一肋条部7与形成第二波导路4的第二肋条部8之间配置有板部9。因此，在第一波导路3进行波导的光从第一肋条部7向板部9大幅渗出。另一方面，板部9仅存在于第一肋条部与第二肋条部8之间。因此，在第一波导路3进行波导的光难以以第一肋条部7为基准向与配置有板部9的一侧相反的一侧渗出。因此，能够减少在第一波导路3进行波导的光中的无助于模式耦合的光。
由此，在利用了半肋条波导路的锥形化定向耦合器中，与利用了上述的肋条波导路的锥形化定向耦合器相比，模式耦合的强度提高。因此，能够提高每单位长度的转换效率而进行高效率的模式转换。其结果，能够缩短设备长度，因此能够实现基板型光波导路元件1(模式转换部12)的进一步的小型化。
(利用了半肋条波导路的锥形化定向耦合器)
接下来，对利用了半肋条波导路的锥形化定向耦合器进行说明。
此外，在以下的说明中，针对与上述基板型波导路元件1同等的部位，根据需要在附图等标注相同的附图标记。
在邻接的波导路被相位整合的情况下，从一方的波导路渗出的光向另一方的波导路移动所需的波导路的长度，取决于表示模式耦合的强度的耦合系数χ。该耦合系数χ如下述公式(1)表示。
公式1
χ ∝ ∫ - ∞ ∞ ∫ - ∞ ∞ ( N 2 - N 1 2 ) E 1 * · E 2 d x d y o r ∫ - ∞ ∞ ∫ - ∞ ∞ ( N 2 - N 2 2 ) E 1 · E 2 * d x d y ... ( 1 )
其中，在公式(1)中，Ei(i＝1、2)表示在两个邻接的波导路i(i＝1、2)进行波导的耦合对象的模式的电场向量，N表示使两个波导路邻接时的折射率分布，Ni表示波导路i单独存在时的折射率分布，坐标x、y分别表示宽度方向、高度方向。
根据上述公式(1)，可知在邻接的两个波导路中的一方的纤芯剖面，对两方的模式的电场的内积进行积分，因此从纤芯的肋条部向外部渗出的光越大，波导路之间的耦合越强。如后述那样，若耦合系数χ大，则能够以短的距离高效率进行基于模式耦合的模式转换。
接下来，考虑使用利用了半肋条波导路的锥形化定向耦合器来从TE0模式向TE1模式的模式转换。
此外，在以下的说明中，将对耦合对象的TE0模式的光进行波导的第一波导路3称为“波导路1”，将对耦合对象的TE1模式的光进行波导的第二波导路4称为“波导路2”。
另外，将利用了半肋条波导路的锥形化定向耦合器的各部的尺寸例示于图2A、图2B。其中，图2A是表示利用了半肋条波导路的锥形化定向耦合器的各部的尺寸的一个例子的俯视图。图2B是表示利用了半肋条波导路的锥形化定向耦合器的各部的尺寸的一个例子的剖视图。
针对利用了半肋条波导路的锥形化定向耦合器，如图2A、图2B所示，纤芯5(肋条部7、8以及板部9)是Si(折射率3.48(波长1580nm时))，包层6(下部包层10以及上部包层11)是SiO2(折射率1.44(波长1580nm时))。另外，肋条部7、8的厚度(高度)是220nm，板部9的厚度(高度)是95nm。另外，肋条部7、8的间隔(板部9的宽度)是300nm，在长度方向保持恒定。另外，第一肋条部7的宽度是400－W[nm]，第二肋条部8的宽度是908+W[nm](－100≤W≤100)，在各自的始端的剖面位置(a)(W＝－100的位置)与终端的剖面位置(e)(W＝+100的位置)之间，以第一肋条部7的宽度以一定间隔减少，第二肋条部8的宽度以一定间隔增加的方式，使波导路1、2沿着光的波导方向进行锥形化。将该锥形化的部分的长度(称为锥形长度。)设为Sμm。另外，第一肋条部7的宽度与第二肋条部8的宽度在各自的中间的剖面位置(c)(W＝0的位置)附近形成进行相位整合的宽度。此外，剖面位置(b)位于剖面位置(a)与剖面位置(c)的中间(W＝－50的位置)，剖面位置(d)位于剖面位置(c)与剖面位置(e)的中间(W＝+50的位置)。
首先，针对利用了图2A、图2B所示的半肋条波导路的锥形化定向耦合器，通过基于有限元素法(FEM：finite element method)的模拟求出波导路1的TE0模式与波导路2的TE1模式进行相位整合时的有效折射率。计算时，假定波导路1与波导路2分别独立地存在的情况下的构造。此时使用的构造如图3A所示。具体而言，在本模拟中，将波长设为1580nm，将波导路1的肋条部的宽度设为400nm，将波导路2的肋条部的宽度设为908nm，将板部的宽度设为1μm。(在图3A中，与W＝0时相当。)该计算结果示于下述表1。
表1
波导路1 波导路2
A(nm) 400 908
有效折射率 2.360637188(TE0) 2.360531569(TE1)
在本模拟中，波导路1的TE0模式与波导路2的TE1模式之间的有效折射率差约成为1.06×10-4。此外，使后述的波导路1与波导路2以300nm的宽度邻接时的各自的模式的耦合系数χ是0.163356[rad/μm]。这是因为，χ×波长/π(＝0.08216)＞＞有效折射率差(≈1.06×10－4)，因此通过上述模拟求解的TE0模式与TE1模式的有效折射率可以称为相同程度。即，能够称为这些模式进行相位整合。
接下来，基于通过上述模拟求解的相位整合的条件，使邻接的波导路1与波导路2的波导路构造(例如肋条部的宽度等。)沿着光的波导方向连续地变化(即、锥形化)。由此，故意地破坏进行相位整合的条件，直至在锥形化定向耦合器的输入侧与输出侧几乎不进行模式耦合的程度。另外，使得满足在输入侧与输出侧之间进行相位整合的条件。
此时，作为锥形化的条件，在进行相位整合的条件成立的波导路构造的前后，使两个耦合对象的模式的有效折射率的大小对调。通过满足这样的条件，从输入侧朝向输出侧，沿着光的波导方向逐渐进行模式耦合。另外，通过取足够长的锥形的长度，从而能够进行几乎无损失的模式转换。此时，耦合系数χ越大，越能够进行高效率的模式转换，从而能够缩短设备长度。
此外，在改变波导路的宽度而调整有效折射率的方法中，波导路尺寸越大，光向纤芯的困入越大，从而强烈受到纤芯的折射率的影响。由此，利用有效折射率上升等的现象。
接下来，针对利用了半肋条波导路的锥形化定向耦合器，为了在对波导路1、2进行锥形化时，确认在进行相位整合的剖面位置(c)的前后进行相位整合的条件的破坏，通过模拟求解波导路1与波导路2分别独立地存在时的相对于W的各自的有效折射率的变化。具体而言，在本模拟中，如图3A所示，划分成针对波导路1在第一肋条部7的宽度方向的一侧设置有板部9的半肋条波导路单独地存在的情况、与针对波导路2在第二肋条部8的宽度方向的一侧设置有板部9的半肋条波导路单独地存在的情况，分别进行了计算。另外，不管是哪一种情况，板部9的宽度均设为1μm，波长均设为1580nm进行了计算。图3B是表示其结果的图表。其中，在图3B中的图表中，利用实线表示在波导路1进行波导的光的TE0模式的有效折射率，利用点划线表示在波导路2进行波导的光的TE0模式的有效折射率，利用虚线表示在波导路2进行波导的光的TE1模式的有效折射率。
在图3B所示的图表中，可知在波导路1进行波导的光的TE0模式的有效折射率与在波导路2进行波导的光的TE1模式的有效折射率在W＝0附近成为相同程度(一致)，进行相位整合。另一方面，伴随着W从0分离，相互间的有效折射率产生差，进行相位整合的条件被破坏下去。
具体而言，W＝－100的位置的与表1对应的有效折射率差是0.2286，与此相对，χ×波长/π＝0.07844。另外，W＝+100的位置的与表1对应的有效折射率差是0.2442，与此相对，χ×波长/π＝0.08061。因此，可知相对于表示耦合的强度的耦合系数χ，有效折射率差大，因此进行相位整合的条件被大幅破坏。
通常，有效折射率差与各自的模式的相位速度差对应，因此若有效折射率差大，则相对于光的行进方向的相位的偏差增大，从而成为局部存在于与另一方的波导路独立的一方的波导路的电场分布。因此，在本模拟中，可知能够在模式转换前后进行模式的分离。
接下来，通过模拟求解使波导路1与波导路2邻接时的相对于W的各自的有效折射率的变化的图表示于图4。其中，在本模拟中，将波长设为1580nm进行了计算。另外，在图4中的图表中，利用点划线表示的#0是在波导路1与波导路2进行波导的光的模式中的第一模式的有效折射率。利用实线表示的#1是在波导路1与波导路2进行波导的光的模式中的第二模式的有效折射率。利用虚线表示的#2是在波导路1与波导路2进行波导的光的模式中的第三模式的有效折射率。在图4中的图表中，横轴示出了相对于W的剖面位置(a)～(e)。
在图4所示的图表中可知，与上述图3B所示的图表相比，在W＝0附近，#1与#2不交叉而是分离。这是因为在波导路1进行波导的光的TE0模式的有效折射率与在波导路2进行波导的光的TE1模式的有效折射率的相位整合成立，两个模式通过模式耦合相互作用。此时，形成彼此的模式混合的所谓的超模(在图4中利用SP表示的区域附近)。
另一方面，伴随着W从0分离，进行相位整合的条件变得不成立。因此，这样的相互作用不发挥，而是获得与波导路1和波导路2分别独立地存在的情况相同的模式的电场分布。其结果，有效折射率与波导路1和波导路2分别独立地存在的情况相比，也不大幅变化。
此外，在W＜0与W＞0中，在波导路1进行波导的光的TE0模式的有效折射率与在波导路2进行波导的光的TE1模式的有效折射率的大小关系对调。由此，在W＝0附近强烈地进行模式耦合的光被转换成在其前后在波导路1存在TE0模式的模式分布与在波导路2存在TE1模式的模式分布。
另一方面，在锥形化定向耦合器中，公知有若使其波导路构造向光的波导方向逐渐变化，则以在一个有效折射率的曲线上推移的方式转换模式(称为隔热变化。)。因此，在图4所示的图表中，以TE0模式进行波导的光被输入波导路1的始端(W＝－100)，因在中间(W＝0)附近基于超模的模式耦合，被模式转换成以TE1模式进行波导的光，而从波导路2的终端(W＝+100)被输出。
为了确认上述情况，将针对相对于W的每个剖面位置(a)～(e)通过模拟求解上述#1的电场分布的EX成分的图表示于图5～图9。其中，图5～图9所示的图表的坐标x、y分别表示宽度方向、高度方向。另外，模拟的条件与上述图4所示的情况相同。另外，在图5～图9一并表示图2B中所示的纤芯5(肋条部7、8以及板部9)的剖面的轮廓线。
在图5所示的W＝－100的剖面位置(a)，在波导路1存在以TE0模式进行波导的光。在图6所示的W＝－50的剖面位置(b)中，从波导路1的TE0模式向波导路2的TE1模式逐渐进行模式耦合。在图7所示的W＝0的剖面位置(c)中，进行相位整合的条件成立，因此成为波导路1的TE0模式与波导路2的TE1模式混合的模式分布。在图8所示的W＝+50的剖面位置(d)中，在波导路2进行波导的TE1模式的有效折射率比在波导路1进行波导的TE0模式的有效折射率大，因此移至波导路2的TE1模式。在图9所示的W＝+100的剖面位置(e)中，被模式转换成在波导路2以TE1模式进行波导的光。
此处，在锥形化定向耦合器中，若波导路1、2的长度足够长，并且不使彼此的波导路1、2的宽度逐渐变化(锥形化)，则导致具有某有效折射率的模式的一部分从该有效折射率曲线向具有其他的有效折射率的模式、放射模式被转换。因此，向其他的模式的转换直接成为光的损失。因此，针对波导路1、2需要取足够的锥形长度。另外，向不同的模式的转换在接近有效折射率曲线的情况下容易引起。因此，需要在最接近有效折射率曲线的部分所取的锥形长度长，该部分决定整体的尺寸。
在锥形化定向耦合器中，在W＝0的剖面位置(c)，波导路1、2独立地存在的情况下，成为对象的有效折射率一致的模式彼此通过使波导路1、2邻接带来的模式耦合，其一致分离下去。因此，如上述图4所示的图表那样，有效折射率曲线在该剖面位置(c)最接近。另外，该部分分离越大，用于获得所希望的特性的锥形长度越缩短。该部分的有效折射率的分离通常在模式耦合越大时越大。
即，耦合系数χ越大，有效折射率的分离越增大。因此，光向邻接的波导路的渗出越大，锥形化定向耦合器的设备长度越短。
(半肋条波导路与矩形波导路以及肋条波导路的比较)
接下来，将利用了半肋条波导路的锥形化定向耦合器、利用了矩形波导路的锥形化定向耦合器以及利用了肋条波导路的锥形化定向耦合器进行比较。
矩形波导路(参照上述图44B。)从困入的强度考虑，在通常的基板型光波导路元件中被频繁地使用。另外，肋条波导路(参照上述图45B。)与矩形波导路相比，能够减少波导路的侧壁粗糙的影响，因此经常被使用。另一方面，半肋条波导路(参照上述图1B。)通过将矩形波导路与肋条波导路组合的构造，无法充分地发挥各自的效果，因此以往很少被使用。
在本发明中，发现这样的半肋条波导路在不同的模式之间的模式耦合的观点具有大的效果，将该半肋条波导路利用于锥形化定向耦合器，能够进行高效率的模式转换，实现基板型光波导路元件的进一步的小型化。
此处，针对矩形波导路、肋条波导路以及半肋条波导路，通过模拟求解基于各自的TE0模式的电场分布的EX成分的图表示于图10～图12。此外，在本模拟中，将肋条部的厚度(高度)(在矩形波导路的情况下为纤芯的厚度(高度)。以下相同。)设为220nm，将板部的厚度(高度)(在矩形波导路的情况下为0。以下相同。)设为95nm，将肋条部的宽度(在矩形波导路的情况下为纤芯的宽度。以下相同。)设为400nm，进行了计算。另外，在图10～图12一并表示形成矩形波导路、肋条波导路以及半肋条波导路的各纤芯的剖面的轮廓线。
若在图10～图12所示的图表的右侧(+X方向)配置有邻接的波导路，则根据图11所示的图表，在肋条波导路中，存在电场还向不存在邻接的波导路的方向(－X方向)的渗出。向不存在该邻接的波导路的方向渗出的光无助于模式耦合，因此导致整体的耦合系数降低。
与此相对，在半肋条波导路中，根据图10～图12所示的图表，与其他的波导路相比，电场扩大至最右侧。这是因为在半肋条波导路的情况下，在邻接的波导路侧(+X方向)存在由与肋条部相同的材料构成的板部，因此纤芯与包层的折射率差在肋条部的板部侧(+X方向)有效地降低，从而光的渗出增加。向该肋条部的板部侧(+X方向)渗出的光大幅有助于向邻接的波导路的模式耦合。因此，半肋条波导路为在定向耦合器非常有利的构造。
为了更详细地呈现，针对矩形波导路、肋条波导路以及半肋条波导路的每一个，对耦合系数χ进行了计算。在计算时，对TE0模式的光进行波导的波导路1与上述图10相同，以使对TE1模式的光进行波导的波导路2的宽度(肋条部的宽度)进行相位整合的方式设定。另外，将各自的波导路的间隔(板部的宽度)全部设为300nm，将肋条部的厚度(高度)设为220nm，将板部的厚度(高度)设为95nm。另外，波长设为1580nm进行了计算。
将波导路1的宽度(肋条部的宽度)以相同的值固定来进行比较在以下的点来考虑是妥当的。即，由于波导路的宽度越窄，光的渗出越增大，因此波导路1(和与此对应地决定的波导路2)的宽度(肋条波导路以及半肋条波导路为肋条部的宽度)窄的一方，耦合增大。然而，在实际的制造工序中，在将制造偏差抑制在规定的范围的情况下，能够正确地制造的波导路的宽度(肋条部的宽度)的最小尺寸存在极限。因此，需要以某值以上的宽度制作波导路的宽度。即，即便是不同的波导路构造，波导路的宽度(肋条波导路以及半肋条波导路为肋条部的宽度)的最小尺寸也相同，因此在该点存在妥当性。此外，矩形波导路的宽度与肋条部的宽度由于在相同的蚀刻工序中制成，因此在制造的困难性方面几乎不存在差。
另外，对于将波导路的宽度固定为300nm的情况，也以相同的理由，邻接的波导路越接近，模式耦合越大，但若在制造上形成某值以下，则无法正确地制成。
在该点上，将波导路的间隔(板部的宽度)形成相同是妥当的。此外，矩形波导路的间隔与板部的宽度也在相同的蚀刻工序中制成，因此制造的难易度差得不大。
将根据以上的计算条件决定波导路2的宽度的结果示于下述表2。
表2
将此时的耦合系数χ的计算结果示于下述表3。
表3
矩形波导路 0.045732rad/μm
肋条波导路 0.112311rad/μm
半肋条波导路 0.163356rad/μm
根据该计算结果，可知半肋条波导路的模式耦合最强。这是因为光向邻接的波导路的渗出的强度在半肋条波导路中最大。
接下来，将利用了上述图2A、图2B所示的半肋条波导路的锥形化定向耦合器、利用了图13A、图13B所示的矩形波导路的锥形化定向耦合器以及利用了图14A、图14B所示的肋条波导路的锥形化定向耦合器进行比较。其中，图13A是表示利用了矩形波导路的锥形化定向耦合器的各部的尺寸的一个例子的俯视图。图13B是表示利用了矩形波导路的锥形化定向耦合器的各部的尺寸的一个例子的剖视图。另外，图14A是表示利用了肋条波导路的锥形化定向耦合器的各部的尺寸的一个例子的俯视图。图14B是表示利用了肋条波导路的锥形化定向耦合器的各部的尺寸的一个例子的剖视图。此外，在图13A、图13B所示的矩形波导路以及图14A、图14B所示的肋条波导路中，针对与上述图2A、图2B所示的半肋条波导路同等的部位，在附图中标注相同的附图标记。
图13B以及图14B中所示的W在－100≤W≤100的范围内变化。另外，在W＝0的位置，以波长为1580nm且有效折射率成为相同程度的方式设定。
另外，为了进行各模型的性能的比较，研究了图15所示的波导路构造。图15是表示图2A、图13A以及图14A中所示的包围部分C的外侧的波导路构造的俯视图。图15所示的波导路在图2A、图13A以及图14A中所示的包围部分C的外侧，具有连接于波导路1的输入侧的直线波导路、连接于波导路2的输出侧的弯曲波导路、连接于波导路2的输入侧的弯曲波导路以及连接于波导路2的输出侧的直线波导路。
此外，在图15中，集中图示处于图2A、图13A以及图14A中所示的包围部分C的外侧的弯曲波导路以及直线波导路的平面形状。另一方面，图15所示的弯曲波导路以及直线波导路分别在图2A中所示的包围部分C的外侧形成半肋条波导路，在图13A中所示的包围部分C的外侧形成矩形波导路，在图14A中所示的包围部分C的外侧形成肋条波导路。另外，处于图15中所示的包围部分C的外侧的弯曲波导路组合两个曲率40μm、角度8°的曲线，而弯曲形成为S字状。
在以上的波导路构造中，将从波导路1的输入侧输入TE0模式的光时的从波导路2的输出侧输出的TE1模式的光的转换效率[dB]，针对矩形波导路、肋条波导路、半肋条波导路，改变各自的锥形长度S来进行了计算。此外，波长为1520nm，计算使用FDTD(Finite-difference time-domain：时域有限差分法)法。将其计算结果示于图16。此外，此处言及的“转换效率”是输出侧的TE1模式的光的功率相对于输入侧的TE0模式的光的功率之比。
根据图16所示的图表，可知对于锥形长度的转换效率，半肋条波导路最高，矩形波导路最低。另一方面，肋条波导路的转换效率比矩形波导路高，但若锥形长度短，则比半肋条波导路低。另外，可知伴随着锥形长度增长，转换效率接近半肋条波导路，但依然比半肋条波导路低。因此，可知对于将转换效率形成相同的情况下的锥形长度而言，半肋条波导路最短，从而能够进行设备长度的短小化。这是因为基于半肋条波导路的锥形化定向耦合器的耦合最强(耦合系数大)。
接下来，根据图16所示的计算结果，针对半肋条波导路的转换效率进行了进一步的研究。具体而言，在利用了上述图2A、图2B所示的半肋条波导路的锥形化定向耦合器中，将从波导路1的输入侧输入TE0模式的光时的从波导路2的输出侧输出的TE1模式的光的转换效率[dB]，改变锥形长度进行了计算。其中，波长为1520nm，模拟使用FDTD法。将其计算结果示于图17。此外，本模拟使用上述图15所示的模型进行了计算。
根据图17所示的计算结果，可知在半肋条波导路中，锥形长度越长，转换效率越增高。这是因为，若使锥形长度增长，则波导路的宽度更加逐渐变化。可知在锥形长度为100μm的情况下，成为－0.10dB，能够获得高的转换效率。
另外，将锥形长度为100μm时的通过FDTD法计算的电场分布示于图18。
在本模拟中，将波长设为1520nm。另外，图18所示的图表示出了基于TE0模式的电场分布的y＝0.1μm的剖面中的EX成分。此外，图18一并表示构成形成半肋条波导路的波导路1、2的肋条部的平面的轮廓线。
根据图18所示的图表，可知在锥形化定向耦合器的中央附近，TE0模式的光逐渐被模式转换成TE1模式的光。在锥形化定向耦合器的中央附近进行模式转换是因为在中央附近进行相位整合，从而强烈地进行模式耦合。
另外，针对波长依存性，将从波导路1的输入侧输入TE0模式的光时的波导路2的从输出侧输出的TE1模式的光的转换效率[dB]，改变波长并使用FDTD法进行了计算。将其计算结果示于图19。此外，在本模拟中，将锥形长度设为100μm。
根据图19所示的计算结果，可知在1520nm～1640nm的范围，具有－0.10dB以上的高转换效率。
另外，在利用了半肋条波导路的锥形化定向耦合器中，通过将与通过从波导路1向波导路2的模式转换而产生的TE1模式不同的TE0模式的光输入波导路2，能够进行TE1模式的光与TE0模式的光从波导路2同时被输出的模式复用。
为了确认上述情况，使用FDTD法对从波导路1以及波导路2的输入侧分别输入TE0模式的光时的从波导路2的输出侧输出的TE0模式的光的透过率进行了计算。其中，此处言及的“透过率”是从波导路2输出的TE1模式的光的功率相对于输入波导路2的TE0模式的光的功率之比。另外，将锥形长度为100μm时的通过FDTD法计算的电场分布示于图20。在本模拟中，将波长设为1520nm。另外，图20所示的图表示出了基于模式复用的电场分布的y＝0.1μm的剖面中的EX成分。
此外，图20一并表示构成形成半肋条波导路的波导路1、2的肋条部的平面的轮廓线。
可知此时的透过率成为－0.11dB，几乎无损失，TE0模式的光透过。据此，在利用了半肋条波导路的锥形化定向耦合器中，能够进行模式复用。
(基于本发明的效果)
接下来，对基于本发明的效果进行说明。
[第一效果]
作为基于本发明的第一效果，能够列举当在锥形化定向耦合器利用了半肋条波导路的情况下，能够缩短设备长度，从而实现进一步的小型化。如上述那样，对于将转换效率设为相同的情况下的锥形长度而言，半肋条波导路最短，因此能够进行设备长度的短小化。
[第二效果]
作为基于本发明的第二效果，能够列举能够在宽频段进行高效率的模式转换。其理由取决于接下来的两个理由。
第一个理由在于，锥形化定向耦合器耐于从相位整合的条件的偏离这点。通常，定向耦合器被设计为改变波导路的宽度等的波导路构造，从而以某波长进行相位整合。因此，若波长变化，则在具有不同的电场分布的两个模式的有效折射率产生偏差，从而存在转换效率降低的情况。然而，在锥形化定向耦合器中，只要相对于光的波导方向，以在输入与输出之间进行模式耦合的方式进行相位整合即可。因此，即便在因波长变化而进行相位整合的范围从设计值偏移的情况下，只要进行相位整合的范围收敛在锥形化定向耦合器内，则也进行模式转换。
为了确认上述情况，将波长为1520nm时与波长为1640nm时的与上述图3B所示的图表对应的有效折射率的图表分别示于图21与图22。其中，模拟的条件与上述图2A以及图2B所示的情况相同。仅改变波长。
在上述图3B所示的图表中，可知在1580nm时W＝0且有效折射率同等的点(波导路1的TE0模式与波导路2的TE1模式的有效折射率的交点)在图21以及图22所示的图表中偏移。然而，可知交点收敛在－100＜W＜100的范围内，因此能够进行模式转换。
第二个理由在于，耦合系数χ因半肋条波导路而上升这点。若波长缩短，则光向波导路(纤芯)的困入增大，因此向邻接的波导路渗出的光减少，从而耦合系数χ减少。若耦合系数χ小，则为了获得所希望的模式彼此的转换效率所需的锥形长度增长。因此，在锥形的长度相同的情况下，本发明的半肋条波导路与以往的矩形波导路以及肋条波导路相比，耦合系数χ增大，因此能够在宽波段进行模式转换。
[第三效果]
作为基于本发明的第三效果，能够列举耐于制造误差，能够维持高转换效率。例如，存在实际制成的波导路的宽度(肋条部的宽度)因制造误差而从设计值偏移的情况。换句话说，即使在规定的波导路尺寸下将耦合对象的两个模式的有效折射率设计为成为相同程度，也存在实际制造的波导路并不成为那样的情况。
然而，以与上述第二效果相同的理由，在锥形化定向耦合器中，只要相对于光的波导方向，以在输入与输出之间进行模式耦合的方式进行相位整合即可。因此，即便在因波长变化而进行相位整合的范围从设计值偏移的情况下，只要进行相位整合的范围收敛在锥形化定向耦合器内，则也能够进行模式转换。因此，耐于制造误差。此外，制造误差不仅包含波导路宽度的误差，还包含波导路的高度(肋条部的高度)、板部的高度的误差、肋条部不成为完整的矩形而具有倾斜地成为梯形形状的情况等波导路的形状变化的情况。
为了确认上述情况，将肋条部的宽度变化+30nm时与肋条部的宽度变化－30nm时的与上述图3B所示的图表对应的有效折射率的图表分别示于图23以及图24。另外，在将板部的高度变化+20nm时与板部的高度变化－20nm时的与上述图3B所示的图表对应的有效折射率的图表分别示于图25以及图26。其中，模拟的条件与上述图2A以及图2B所示的情况相同。波长设为1580nm。
在上述图3B所示的图表中，可知W＝0且有效折射率同等的点(波导路1的TE0模式与波导路2的TE1模式的有效折射率的交点)在图23～图26所示的图表中偏移。然而，可知由于交点收敛在－100＜W＜100的范围内，因此能够进行模式转换。
另外，本发明的半肋条波导路与以往的矩形波导路以及肋条波导路相比，耦合系数χ增大。因此，即便在产生光向邻接的波导路的渗出变小的制造误差的情况下，例如，肋条部的宽度增大，而使光的困入增大的情况、板部的高度减少而使渗出变小的情况下等，也能够以与上述第二效果相同的理由，维持高耦合效率。因此，本发明的半肋条波导路与以往的矩形波导路以及肋条波导路相比，成为耐于制造误差的构造。
[第四效果]
作为基于本发明的第四效果，能够列举能够进行模式复用。即，输入波导路2的输入侧的无助于模式转换的TE0模式的光在锥形化定向耦合器中不被模式转换，不向波导路1移动，而是保持原样地从波导路2的输出端被输出。由此，能够将通过从波导路1向波导路2的模式转换而产生的TE1模式的光与输入波导路2的TE0模式的光从波导路2同时输出。
此处，以利用了上述图2A以及图2B所示的半肋条波导路的锥形化定向耦合器为例，对将与通过从波导路1向波导路2的模式转换而产生的TE1模式(模式A)不同的TE0模式(模式B)的光输入波导路2，由此能够进行模式A的光与模式B的光从波导路2同时被输出的模式复用的情况进行说明。
根据上述图3B所示的图表，波导路2的TE0模式的有效折射率曲线不与波导路1的任意的模式的有效折射率曲线交叉。因此，模式耦合非常弱，且输入波导路2的TE0模式的光也几乎不被模式转换成波导路1的任意的模式。
另外，与上述图5～图9所示的图表对应地，将按照相对于W的每个剖面位置(a)～(e)通过模拟求解波导路2的基于#0模式(与TE0模式对应)的电场分布的EX成分的图表示于图27～图31。根据该图27～图31所示的图表，也可知波导路2的TE0模式的光不与波导路1的模式进行模式耦合。
如以上那样，波导路2的TE0模式的光不被模式转换，而是从波导路2几乎保持原样地被输出。由此，能够进行与从波导路1被模式转换并从波导路2被输出的TE1模式的光的模式复用。
[第五效果]
作为基于本发明的第五效果，能够列举不限定于上述的从TE0模式向TE1模式的模式转换，能够在其他的不同的模式之间进行模式转换。即，通过以邻接的两个波导路的所希望的模式的有效折射率交叉的方式进行锥形化，从而能够获得相同的效果。此时，由于利用半肋条波导路，因此能够获得比以往的矩形波导路、肋条波导路大的耦合系数χ，从而能够缩短设备长度。
此外，本发明特别是相对于TE偏振波相关联的转换具有大的效果。这取决于以下的理由。TE偏振波通常相对于宽度方向的波导路构造的变化，困入的程度(电场分布、有效折射率)大幅变化。因此，光向半肋条波导路的板部的渗出，TE偏振波比TM偏振波大。因此，对于采用了半肋条波导路时的耦合系数χ的增加的效果，TE偏振能够获得大的效果。
[第六效果]
作为基于本发明的第六效果，能够列举容易进行与具备肋条型相位调制部的光调制器、具有其他的肋条波导路的光波导路元件的集成的构造。即，在本发明中，肋条部与板部的高度不变化，使肋条部的宽度变化，从而能够制成锥形化定向耦合器。因此，能够设计相同高度的肋条型相位调制部的肋条波导路的板部与肋条部。另外，由于能够应用与肋条型相位调制部相同的蚀刻工序，因此能够一并制成。另外，具有与具有其他的肋条波导路的光波导路元件的集成容易这样的大的效果。
[第七效果]
作为基于本发明的第七效果，在半肋条波导路的情况下，在肋条部的宽度方向的一侧存在板部，因此肋条部的设置有板部的一侧的侧壁部分的面积变小。因此，能够列举与以往的仅由肋条部构成的矩形波导路相比因制造误差产生的波导路的侧壁的粗糙引起的影响(光散射所引起的损失增大)小。
(第一实施方式)
＜基板型光波导路元件＞
接下来，作为本发明的第一实施方式，对图32A、图32B所示的基板型光波导路元件101进行说明。其中，图32A是表示基板型光波导路元件101的俯视图，图32B是在图32A中利用虚线表示的包围部分C的基板型光波导路元件101的剖视图。另外，在以下的说明中，针对与上述图1A、1B所示的基板型光波导路元件1同等的部位，省略说明，并且在附图标注相同的附图标记。
图32A、图32B所示的基板型光波导路元件101在包围部分C具有与上述基板型光波导路元件1对应的构成。另外，基板型光波导路元件101在包围部分C的外侧，具有连接于第一波导路3的输入侧的第一直线波导路102、连接于第一波导路3的输出侧的第一弯曲波导路103、连接于第二波导路4的输入侧的第二弯曲波导路104以及连接于第二波导路4的输出侧的第二直线波导路105。除此以外，具有与上述基板型光波导路元件1基本相同的构成。
纤芯5具有：第一肋条部7A、第二肋条部8A、板部9A、第一肋条部7B、第二肋条部8B以及板部9B。第一肋条部7A形成第一直线波导路102。第二肋条部8A形成第二弯曲波导路104。板部9A在第一肋条部7A与第二肋条部8A之间被共享。板部9A的厚度(高度)比第一肋条部7A以及第二肋条部8A的厚度小。另外，第一肋条部7B形成第一弯曲波导路103。第二肋条部8B形成第二直线波导路105。板部9B在第一肋条部7B与第二肋条部8B之间被共享。板部9B的厚度(高度)比第一肋条部7B以及第二肋条部8B的厚度小。
第一直线波导路102以及第二直线波导路105由宽度以及厚度(高度)在长度方向保持恒定的第一肋条部7A以及第二肋条部8B形成为直线状。第一肋条部7A与第二肋条部8B分别连续地形成于第一肋条部7的一端侧(输入侧)与第二肋条部8的另一端侧(输出侧)。即，第一肋条部7A以与第一肋条部7的一端侧(输入侧)相同的宽度以及厚度(高度)形成为剖面矩形状。另一方面，第二肋条部8B以与第二肋条部8的另一端侧(输出侧)相同的宽度以及厚度(高度)形成为剖面矩形状。
第一弯曲波导路103以及第二弯曲波导路104形成为由宽度以及厚度(高度)在长度方向保持恒定的第一肋条部7B以及第二肋条部8A在面内弯曲。第一肋条部7B以及第二肋条部8A分别与第一肋条部7的另一端侧(输出侧)以及第二肋条部8的一端侧(输入侧)连续地形成。
即，第一肋条部7B以与第一肋条部7的另一端侧(输出侧)相同的宽度以及厚度(高度)形成为剖面矩形状。另一方面，第二肋条部8A以与第二肋条部8的一端侧(输入侧)相同的宽度以及厚度(高度)形成为剖面矩形状。
第二弯曲波导路104以第一肋条部7A与第二肋条部8A的间隔沿着光的波导方向L连续地变小的方式以规定的曲率以及角度弯曲形成为S字状。另一方面，第一弯曲波导路103以第一肋条部7B与第二肋条部8B的间隔沿着光的波导方向L连续地增大的方式以规定的曲率以及角度弯曲形成为S字状。此外，在上述图2A以及图2B所示的尺寸的情况下，第一弯曲波导路103以及第二弯曲波导路104组合两个曲率40μm、角度8°的曲线，而弯曲形成为S字状。
板部9A以与板部9相同的厚度(高度)与板部9连续地形成。板部9A形成在第一肋条部7A与第二肋条部8A的相互对置的整个侧面之间。由此，第一直线波导路102与第二弯曲波导路104形成仅在第一肋条部7A与第二肋条部8A的宽度方向的一侧设置有板部9A的半肋条波导路。
板部9B以与板部9相同的厚度(高度)与板部9连续地形成。板部9B形成在第一肋条部7B与第二肋条部8B的相互对置的整个侧面之间。由此，第一弯曲波导路103与第二直线波导路105形成仅在第一肋条部7B与第二肋条部8B的宽度方向的一侧设置有板部9B的半肋条波导路。
此外，在基板型光波导路元件101中，对处于上述的SOI晶片的最上层的Si层进行加工，从而能够形成第一直线波导路102、第一弯曲波导路103、第二弯曲波导路104以及第二直线波导路105(第一肋条部7A、7B、第二肋条部8A、8B以及板部9A、9B)。
在本实施方式的基板型光波导路元件101中，以TE0模式进行波导的光(利用图32A中的箭头TE0表示。)被输入第一直线波导路102，而在模式转换部12进行模式耦合。另外，从TE0模式被模式转换成以TE1模式进行波导的光(利用图32A中的箭头TE1表示。)，而从第二直线波导路105被输出。
在本实施方式的基板型光波导路元件101中，将输入以TE0模式进行波导的光的第一直线波导路102与输出以TE1模式进行波导的光的第二直线波导路105分别形成直线波导路，从而防止弯曲引起的损失增加。
另外，在本实施方式的基板型光波导路元件101中，使第二弯曲波导路104相对于邻接的第一直线波导路102逐渐接近，使第一弯曲波导路103相对于邻接的第二直线波导路105逐渐分离。由此，减少反射。另外，除了不通过上述的波导路的锥形化进行相位整合的方法之外，还能够在输入侧与输出侧，使邻接的波导路分离，从而缩小光向邻接的波导路的渗出，由此进一步减弱模式耦合，而大幅破坏相位整合的条件。若相位整合的条件大幅破坏，则模式的电场分布局部存在于一方的波导路，因此能够进行明确的模式转换，从而能够进行高效率的转换。
(第二实施方式)
＜基板型光波导路元件＞
接下来，作为第二实施方式，对图33A、图33B、图33C所示的基板型光波导路元件101A进行说明。其中，图33A是表示基板型光波导路元件101A的俯视图。图33B是表示基板型光波导路元件101A所具备的锥形波导路106的俯视图。图33C是表示锥形波导路107的变形例的俯视图。
图33A所示的本实施方式的基板型光波导路元件101A在上述包围部分C的外侧，除了板部9C～9F的形状不同以外，具有与上述基板型光波导路元件101基本相同的构成。
本实施方式的基板型光波导路元件101A成为在第一直线波导路102、第一弯曲波导路103、第二弯曲波导路104以及第二直线波导路105分别连接有图33B所示的锥形波导路106的构成。
在锥形波导路106中，如图33A、图33B所示，在半肋条波导路与矩形波导路之间，波导路构造沿着光的波导方向L连续地变化。具体而言，锥形波导路106具有第一板部9C、9D、第二板部9E、9F。第一板部9C、9D分别与第一肋条部7A、7B的与第二肋条部8A、8B对置的一侧的侧面连续地设置。第二板部9E、9F分别与第二肋条部8A、8B的与第一肋条部7A、7B对置的一侧的侧面连续地设置。第一板部9C、9D以及第二板部9E、9F与板部9连续地设置，并且，各自的宽度朝向板部9连续地增大。
输入侧的第一板部9C与第二板部9E设置为从第一肋条部7A以及第二肋条部8A的中途部具有恒定的锥形角且使宽度逐渐扩大地延长至板部9。由此，第一直线波导路102以及第二弯曲波导路104形成从矩形波导路转换成半肋条波导路的波导路构造。
另一方面，输出侧的第一板部9D与第二板部9F设置为从第一肋条部7B以及第二肋条部8B的中途部具有恒定的锥形角且使宽度逐渐扩大地延长至板部9。由此，第二弯曲波导路104以及第二直线波导路105形成从矩形波导路转换成半肋条波导路的波导路构造。
在本实施方式的基板型光波导路元件101A中，通过使用这样的锥形波导路106，从而能够在矩形波导路与半肋条波导路之间使板部9C、9D、9E、9F的宽度连续地变化。由此，矩形波导路与半肋条波导路的连接变得容易。
另一方面，在使用图33C所示的锥形波导路107的情况下，获得从肋条波导路转换成半肋条波导路的波导路构造，或者从半肋条波导路转换成肋条波导路的波导路构造。
具体而言，锥形波导路107具有与第一肋条部7C以及/或者第二肋条部8C的宽度方向的两侧分别连续地设置的板部9G、9H。其中，一方的板部9G设置为从肋条部9C的一端具有恒定的锥形角地使宽度逐渐放大地延长至肋条部9的另一端。另一方的板部9G设置为在肋条部9C的一端与另一端之间延长规定的宽度。此外，在锥形波导路107的情况下，也可以形成板部9G的宽度变化并且肋条部9C的宽度变化的构成。
在使用这样的锥形波导路107的情况下，能够在肋条波导路与半肋条波导路之间使板部的宽度9G、9H连续地变化。由此，肋条波导路与半肋条波导路的连接变得容易。
(第三实施方式)
＜基板型光波导路元件＞
接下来，作为第三实施方式，对图34A、图34B所示的基板型光波导路元件101C进行说明。其中，图34A是表示基板型光波导路元件101C的俯视图，图34B是由图34A中所示的线段Z2－Z2剖切的基板型光波导路元件101C的剖视图。另外，在以下的说明中，对与上述基板型光波导路元件1同等的部位，省略说明，并且在附图标注相同的附图标记。
上述基板型光波导路元件1为板部9的宽度在第一肋条部7以及第二肋条部8的长度方向保持恒定的构成，与此相对，图34A、图34B所示的基板型光波导路元件101C为板部9的宽度在第一肋条部7以及第二肋条部8的长度方向变化的构成。
具体而言，对于该基板型光波导路元件101C而言，第一弯曲波导路108与第二弯曲波导路109在各自的输入侧与输出侧之间，具有以不同的模式被耦合的模式转换部(模式转换元件)12A。
模式转换部12A具有窄幅部110、缩幅部111以及扩幅部112。在窄幅部110中，板部9的宽度最小。在缩幅部111中，板部9的宽度从输入侧朝向窄幅部110连续地变小。在扩幅部112中，板部9的宽度从窄幅部110朝向输出侧连续地增大。
第一肋条部7与第二肋条部8在隔着这样的板部9的两侧，具有朝向内侧弯曲的形状。另外，在模式转换部12A中，第一肋条部7的宽度沿着光的波导方向L连续地变小，第二肋条部8的宽度沿着光的波导方向L连续地增大。
在本实施方式的基板型光波导路元件101C中，以TE0模式进行波导的光(利用图34A中的箭头TE0表示。)被输入第一弯曲波导路108，而在模式转换部12被模式耦合，由此被模式转换成以TE1模式进行波导的光(利用图34A中的箭头TE1表示。)，而从第二弯曲波导路109被输出。
在本实施方式的基板型光波导路元件101C中，在光的波导方向L，使第一弯曲波导路108与第二弯曲波导路109逐渐接近后，使第一弯曲波导路108与第二弯曲波导路109逐渐分离。由此，与基板型光波导路元件1相同地，在进行相位整合的条件成立的前后，两个耦合对象的模式的有效折射率的大小对调。
此处，针对基板型光波导路元件101C，将通过模拟求解使第一弯曲波导路108与第二弯曲波导路109邻接时的相对于W的各自的有效折射率的变化的图表示于图35。其中，本模拟的条件与上述图4所示的情况相同。
根据图35所示的图表，可知以TE0模式进行波导的光被输入第一弯曲波导路108的始端(W＝－100)，通过在中间(W＝0)附近基于超模的模式耦合，模式转换成以TE1模式进行波导的光，而从第二弯曲波导路109的终端(W＝+100)被输出。
为了确认上述情况，将通过模拟求解W＝－100的剖面位置的电场分布的EX成分与W＝+100的剖面位置的电场分布的EX成分的图表示于图36以及图37。其中，图36以及图37所示的图表的坐标x、y分别表示宽度方向、高度方向。另外，模拟的条件与上述图35所示的情况相同。
另一方面，若将图36以及图37所示的图表与上述图5以及图9所示的图表进行比较，则可知尽管波导路的宽度相同，基板型光波导路元件101C的光向一方的波导路的困入却强，而充分减弱耦合。这是因为，在基板型光波导路元件101C中，改变波导路的宽度，除了使TE0模式与TE1模式的有效折射率偏移而不使相位整合成立的效果之外，还具有使波导路的间隔分离，从而减弱向邻接的波导路的耦合之类的其他的效果。
在本发明中，在从相位整合成立的W＝0附近分离的位置中，需要充分地减弱耦合。假设，在未减弱该耦合的情况下，导致被输入的TE0模式的光激励其他的电场，而使转换效率降低。
在本发明中，成为使用半肋条波导路增强模式耦合的波导路构造，因此除了通过改变波导路的宽度来减弱耦合的效果之外，还能够获得使波导路的间隔分离，从而减弱耦合的其他的效果。因此，基板型光波导路元件101C改变波导路的宽度，并且使波导路的间隔分离，由此能够更加高效地进行模式转换，从而能够缩短设备长度。此外，作为使波导路分离的方法不限定于上述的基板型光波导路元件101C的构成，只要是波导路连续地分离的方法，则不被特别地限定。
另外，在本实施方式的基板型光波导路元件101C中，与上述基板型光波导路元件1相同地，将与通过从第一弯曲波导路108向第二弯曲波导路109的模式转换而产生的TE1模式不同的TE0模式的光输入第二弯曲波导路109，由此能够进行TE1模式的光与TE0模式的光从第二弯曲波导路109同时被输出的模式复用。
(第四实施方式)
＜偏振转换元件＞
接下来，作为第四实施方式，对图38所示的偏振转换元件50进行说明。
其中，图38是表示偏振转换元件(基板型光波导路元件)50的一个例子的示意图。
图38所示的偏振转换元件50具有位于上述基板型光波导路元件1的模式转换部12的输出侧，并连接于第二波导路4的高阶偏振转换部(高阶偏振转换元件)51。高阶偏振转换部51例如能够使用非专利文献1所公开的高阶偏振转换元件。在该情况下，为了使用偏振转换元件51，需要改变下部包层10与上部包层11的折射率。
本实施方式的偏振转换元件50在基板型光波导路元件1的模式转换部12的输出侧，从第二波导路4输出的以TE1模式进行波导的光(利用图38中的箭头TE1表示。)被输入高阶偏振转换部51，被模式转换成以TM0模式进行波导的光(利用图38中的箭头TM0表示。)，而从高阶偏振转换部51被输出。
由此，在本实施方式的偏振转换元件50中，通过将TE0模式转换成TE1模式的模式转换部(模式转换元件)12、与将TE1模式转换成TM0模式的高阶偏振转换部(高阶偏振转换元件)51的组合，能够将TE0模式转换成TM0模式。
另外，在本实施方式的偏振转换元件50中，不对上述的模式转换部12中的模式复用赋予影响，因此也能够进行TE0模式的光(利用图38中的箭头TE0’表示。)与TM0模式的光的偏振复用。在该情况下，只要向模式转换部12的第二波导路4输入作为复用对象的TE0模式的光即可。
(第五实施方式)
＜偏振转换元件＞
接下来，作为第五实施方式，对图39所示的偏振转换元件进行说明。
其中，图39是表示偏振转换元件60的一个例子的示意图。
图39所示的偏振转换元件60具有位于基板型光波导路元件1的模式转换部12的输出侧，并连接于第二波导路4的高阶偏振转换部(高阶偏振转换元件)61。高阶偏振转换部61能够使用例如图40所示的高阶偏振转换元件。此外，在图40中，针对与上述基板型光波导路元件101同等的部位，省略说明，并且在附图标注相同的附图标记。
由此，在本实施方式的偏振转换元件60中，通过将TE0模式转换成TE1模式的模式转换部(模式转换元件)12、与将TE1模式转换成TM0模式的高阶偏振转换部(高阶偏振转换元件)61的组合，能够将TE0模式转换成TM0模式。
特别是，在该构成中，不需要如使用上述偏振转换元件51时那样，改变下部包层10与上部包层11的折射率。另外，模式转换部12的输出侧的折射率剖面为上下非对称构造，因此如图40所示，也能够连续地连接上述高阶偏振转换元件61。
(第六实施方式)
＜偏振复用4值相位(DP－QPSK：Dual Polarization-Quadrature Phase ShiftKeying：双极性正交相移键控)调制器＞
接下来，作为第六实施方式，对图41所示的DP－QPSK调制器20进行说明。此外，图41是表示DP－QPSK调制器的一个例子的示意图。
本发明的基板型波导路元件例如能够使用于参考文献[1](P.Dong,C.Xie,L.Chen,L.L.Buhl,and Y.-K.Chen,"112-Gb/s Monolithic PDM-QPSK Modulator inSilicon,"in European Conference and Exhibition on Optical Communication(2012),Vol.1,p.Th.3.B.1)所公开的DP－QPSK调制器。
该DP－QPSK调制器20利用能够在通常的光波导路存在TE0模式与TM0模式两个模式这一情况，进行具有以TE0模式/TM0模式两模式独立的QPSK信号的DP－QPSK调制。具体而言，将从输入部21以TE0模式输入的光分支成两个光波导路22、22，通过QPSK调制器23、23分别调制成QPSK信号。然后，通过偏振转换元件25使光波导路24、24的一侧的TE0模式转换成TM0模式，通过偏振光合束器将两个模式合成于相同的光波导路上，将以TE0模式与TM0模式独立的信号输出至输出部26。
(第七实施方式)
＜相干接收机＞
接下来，作为第七实施方式，对图42所示的相干接收机30进行说明。
其中，图42是表示相干接收机30的一个例子的示意图。
本发明的基板型光波导路元件例如能够使用于参考文献[2](C.Doerr,et al.,"Packaged Monolithic Silicon 112-Gb/s Coherent Receiver,"IEEE PhotonicsTechnology Letters,Vol.23,p.p.762,2011)所公开的同时传送TE0模式与TM0模式的偏振复用信号的Si光波导路上的偏振分集相干接收机。
该相干接收机30将同时传送TE0模式与TM0模式的偏振复用信号的光波导路31连接于能够同时进行偏振转换与偏振光分束偏振转换元件32，在光波导路33、33的一方分支有TE0的信号，另外，在光波导路33、33的另一方分支有从TM0转换的TE0模式的信号。作为本振光34，通常使用的半导体激光源仅是单偏振波，例如使用TE0模式(local)的输出。在使用这样的光源的情况下，以往，需要本振光的偏振转换。
但是，在该相干接收机30中，信号光在偏振波分离后均成为TE0模式的信号(signal)，因此不需要本振光的偏振转换。信号光与本振光经由光多路复用部35从耦合部36被输出。
当在偏振转换元件32使用光波导路型的构造的情况下，与耦合部36的元件外部的光的耦合，能够利用从基板侧方进行耦合的倒锥形的模式滤波转换器等不具有偏振波分离功能的耦合器。对于耦合器，能够使用例如参考文献[3](Qing Fang,et al.,"Suspendedoptical fiber-to-waveguide mode size converter for Silicon photonics",OPTICSEXPRESS,Vol.18,No.8,7763(2010))所公开的倒锥形的构造。
(第八实施方式)
＜偏振分集＞
接下来，作为第八实施方式，对图43所示的偏振分集进行说明。
其中，图43是表示偏振分集40的一个例子的示意图。
本发明的基板型光波导路元件例如能够使用于参考文献[4](Hiroshi Fukuda,etal.,"Silicon photonic circuit with polarization diversity,"Optics Express,Vol.16,No.7,2008)所公开的、在TE0模式与TM0模式被同时传送的偏振复用传送、单侧的偏振波被随机地传送时，欲利用用于对两模式给予相同的操作的元件的情况下，执行偏振分集方式上。
在图43所示的偏振分集40中，将同时传送TE0模式与TM0模式的偏振复用信号的光波导路41连接于能够同时进行偏振转换与偏振光分束的偏振转换元件42。另外，在光波导路43、43的一方分支有TE0模式的信号，另外，在光波导路43、43的另一方分支有从TM0模式转换的TE0的信号。
在元件44、44被操作的TE0的信号光从光波导路45、45通过偏振转换元件46合成，并输出至同时传送TE0模式与TM0模式的偏振复用信号的光波导路47。
在偏振转换元件42能够与偏振分集相干接收机相同地，使用能够同时进行偏振转换与偏振波偏振光分束的本发明的偏振转换元件。
在偏振转换元件46能够与DP－QPSK调制器相同地，使用能够同时进行偏振转换与偏振光合束器的本发明的偏振转换元件。
(其他的实施方式)
此外，本发明不限定于上述实施方式，能够在不脱离本发明的主旨的范围内施加各种变更。
例如，在上述锥形化定向耦合器中，肋条部7、8的间隔(板部9的宽度)在长度方向保持恒定，但宽度也可以在其中途变化。
另外，在上述锥形化定向耦合器中，第一肋条部7的宽度沿着光的波导方向连续地变小，第二肋条部8的宽度沿着光的波导方向连续地增大。然而，能够在满足上述的锥形化的条件的范围内形成任意的形状。即，只要在进行相位整合的条件成立的波导路构造的前后，使两个耦合对象的模式的有效折射率的大小对调即可。在该情况下，除了两个邻接的波导路的两方相对于光的波导方向被锥形化的波导路构造以外，也可以形成仅任意一方的波导路被锥形化的波导路构造。
另外，作为锥形化的方法，不限定于上述的使肋条部的宽度呈直线状变化的情况，也可以呈曲线状变化。另外，除了肋条部的宽度以外，肋条部的高度、板部的高度等也可以在光的波导方向变化，从而调整有效折射率。
另外，在上述锥形化定向耦合器中，上述的邻接的两个波导路的输入侧与输出侧相对于光的波导方向成为垂直，但也可以具有角度。
附图标记说明
1…基板型光波导路元件；2…基板；3…第一波导路；4…第二波导路；5…纤芯；6…包层；7…第一肋条部；8…第二肋条部；9…板部；9C、9D…第一板部；9E、9F…第二板部；10…下部包层；11…上部包层；12…模式转换部(模式转换元件)；101、101A、101B、101C…基板型光波导路元件；102…第一直线波导路；103…第一弯曲波导路；104…第二弯曲波导路；105…第二直线波导路；106、107…锥形波导路；108…第一弯曲波导路；109…第二弯曲波导路；110…窄幅部；111…缩幅部；112…扩幅部；50、60…偏振转换元件(基板型光波导路元件)；51、61…高阶偏振转换部(高阶偏振转换元件)；20…DP－QPSK调制器；30…相干接收机；40…偏振分集。

Claims (15)

1.一种基板型光波导路元件，其特征在于，
具备：
基板、
在所述基板上形成相互并排的第一波导路以及第二波导路的纤芯、以及
覆盖所述纤芯且折射率比所述纤芯小的包层，
所述纤芯具有形成所述第一波导路的第一肋条部、形成所述第二波导路的第二肋条部以及板部，所述板部以比所述第一肋条部以及所述第二肋条部的厚度小的厚度仅设置于所述第一肋条部与所述第二肋条部的宽度方向的一侧并且在所述第一肋条部与所述第二肋条部之间被共享，
所述第一波导路与所述第二波导路在各自的输入侧与输出侧之间构成将输入所述输入侧的光的模式转换成与所述光的模式不同的模式的模式转换部，
所述模式转换部具有在所述第一波导路与所述第二波导路之间产生模式耦合的波导路构造，
所述第一波导路的第一波导模式的有效折射率与所述第二波导路的第二波导模式的有效折射率，在所述波导路构造的与光的传播方向垂直的至少一剖面一致，
所述第一波导模式的有效折射率与所述第二波导模式的有效折射率的大小关系隔着所述一剖面在各自的输入侧与输出侧之间被对调。
2.根据权利要求1所述的基板型光波导路元件，其特征在于，
在电场成为所述基板的面内方向的TE模式中，所述第一波导模式是具有第n大的有效折射率的TE(n－1)模式，所述第二波导模式是具有第m大的有效折射率的TE(m－1)模式，其中，n、m表示自然数，m＞n。
3.根据权利要求2所述的基板型光波导路元件，其特征在于，
n＝1、m＝2。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的基板型光波导路元件，其特征在于，
在所述模式转换部中，所述第一肋条部的宽度沿着光的波导方向连续地缩小，所述第二肋条部的宽度沿着光的波导方向连续地增大。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的基板型光波导路元件，其特征在于，
在所述模式转换部中，所述板部的宽度在长度方向上保持恒定。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的基板型光波导路元件，其特征在于，
所述模式转换部具有所述板部的宽度最小的窄幅部、所述板部的宽度从输入侧朝向所述窄幅部连续地变小的缩幅部以及所述板部的宽度从所述窄幅部朝向输出侧连续地增大的扩幅部。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的基板型光波导路元件，其特征在于，
所述板部、所述第一肋条部以及所述第二肋条部的厚度在长度方向上保持恒定。
8.根据权利要求4～7中任一项所述的基板型光波导路元件，其特征在于，
所述第一肋条部以及所述第二肋条部的厚度相等。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的基板型光波导路元件，其特征在于，
所述纤芯在所述模式转换部的输入侧与输出侧这两者中的至少一方具有通过使所述第一肋条部与所述第二肋条部这两者中的至少一方在面内弯曲而具有所述第一肋条部与所述第二肋条部之间的间隔沿着光的波导方向连续地增大或者变小的形状的弯曲波导路。
10.根据权利要求1～8中任一项所述的基板型光波导路元件，其特征在于，
所述纤芯在所述模式转换部的输入侧与输出侧这两者中的至少一方具有锥形波导路，
所述锥形波导路具有与所述第一肋条部的与所述第二肋条部对置的一侧的侧面连续地被设置的第一板部、以及与所述第二肋条部的与所述第一肋条部对置的一侧的侧面连续地被设置的第二板部，
所述第一板部与所述第二板部与所述板部连续地被设置，并且具有各自的宽度朝向所述板部连续地增大的形状。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的基板型光波导路元件，其特征在于，
所述纤芯包含Si，所述包层包含SiO2。
12.根据权利要求3～11中任一项所述的基板型光波导路元件，其特征在于，
所述纤芯具有位于所述模式转换部的输出侧，并连接于所述第二波导路的高阶偏振转换部，
所述高阶偏振转换部将从所述第二波导路输出的以TE1模式进行波导的光，转换成以磁场成为所述基板的面内方向的TM模式中的具有第一大的有效折射率的TM0模式进行波导的光并输出。
13.一种偏振复用4值相位调制器，其特征在于，
使用权利要求1～12中任一项所述的基板型光波导路元件。
14.一种相干接收机，其特征在于，
使用权利要求1～12中任一项所述的基板型光波导路元件。
15.一种偏振分集，其特征在于，
使用权利要求1～12中任一项所述的基板型光波导路元件。
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