CN106662709A - 基板型光波导元件及基板型光波导元件的制造方法 - Google Patents

基板型光波导元件及基板型光波导元件的制造方法 Download PDF

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Abstract

在基板型光波导元件(1)中，在将第1芯体(13)中的TE偏振波以及TM偏振波的有效折射率设为NTE＠WG1以及NTM＠WG1，将第2芯体(14)中的TE偏振波以及TM偏振波的有效折射率设为NTE＠WG2以及NTM＠WG2时，所述有效折射率NTM＠WG1与所述有效折射率NTM＠WG2的大小关系在所述并行区间的起点与终点处逆转，由式(a)定义的相对折射率差是0.25以上。

Description

基板型光波导元件及基板型光波导元件的制造方法
技术领域
本发明涉及一种在下部包层与上部包层之间形成有2个芯体的基板型光波导元件。
背景技术
当前，通过光通信传送的信息量持续增加。针对这样的信息量的增加，正在推进信号速度的高速化、增设利用波长复用通信的信道数等对策。其中，在能够实现信号速度的高速化的下一代的100Gbps数字相干传送技术中，为了使每单位时间能够发送的信息量达到2倍，利用在电场正交的2个偏振波搭载不同的信息的偏振复用方式。然而，在利用偏振复用方式的调制方式中，需要结构复杂的光调制器，会产生装置的大型化、高额化这样的课题。对于这样的课题，在非专利文献1中记载了一种基于将硅用于芯体的基板型光波导的光调制器，其具有制造工艺简单、能够实现由集成化带来的光学元件的小型化、能够实现由大口径晶圆带来的制造成本的低成本化等优点。
在偏振复用方式中，使用在基板型光波导内对TE偏振波和TM偏振波进行复用的偏振波合束器(Polarization Beam Combiner：PBC)。图33(a)是示出PBC101的结构的框图。PBC101具备第1输入端口102、第2输入端口103和输出端口104。PBC101对输入到输入端口102的TM偏振波与输入到输入端口103的TE偏振波进行复用，并从输出端口104输出该经复用的TM偏振波以及TE偏振波。此外，图33(a)所示的箭头的长度表示输入到PBC101的TE偏振波的功率以及TM偏振波的功率。在后文中参照的图33(b)以及(c)中，也同样是箭头的长度表示各偏振波的功率。
在此，TE偏振波是指在基板型光波导内在相对于光的行进方向垂直的面内与基板水平的方向(以下，称为宽度方向或者x方向)的电场分量为主的模。另外，TM偏振波是指在基板型光波导内在相对于光的行进方向垂直的面内与基板垂直的方向(以下，称为高度方向或者y方向)的电场分量为主的模。
在PBC中重要的性能是偏振复用时的损失以及偏振消光比。
TM偏振波的损失表示输出端口104处的TM偏振波的功率相对于输入到输入端口102的TM偏振波的功率的比例，由式(1)定义。
【数式1】
TE偏振波的损失表示输出端口104处的TE偏振波的功率相对于输入到输入端口103的TE偏振波的功率的比例，由式(2)定义。
【数式2】
根据能量效率的观点，损失小较好。
另一方面，偏振消光比(Polarization Extinction Ratio：以下也记为“PER”)表示在对PBC的一个输入端口(例如输入端口103)输入了TM偏振波和TE偏振波的情况下从输出端口104输出的TM偏振波的功率与TE偏振波的功率的比例。由下式定义(参考图33(b)。图中的箭头的长度表示各偏振波的功率)。
在对输入TM偏振波的输入端口102输入了相同功率的TM偏振波以及TE偏振波的情况下(参照图33(b))，PER由式(3)定义。
【数式3】
在对输入TE偏振波的输入端口103输入了相同功率的TM偏振波以及TE偏振波的情况下(参照图33(c))，PER由式(4)定义。
【数式4】
如上所述，PER表示对1个输入端口输入了TM偏振波以及TE偏振波的情况下的一方的偏振波的功率被抑制的程度。PER例如根据以下观点是重要的。如在非专利文献1中公开的偏振复用调制器那样，PBC连接到偏振旋转器(Polarization Rotator：以下也记为“PR”)的后级。PR是使TE偏振波转换成TM偏振波的器件，但由于转换不足，在从PR输出的TM偏振波中稍微混入有TE偏振波。该混入了的TE偏振波在PBC101的输出端口104与作为复用对象的TE偏振波(图33(a)所示的TE偏振波)发生串扰。该串扰导致信号质量下降。因此，PBC101优选通过抑制混在PR的输出中输入的TE偏振波的功率，抑制在输出端口104处产生的串扰。即，PER越高，则越能够抑制在输出端口104产生的串扰，越能够抑制进行偏振复用时的信号质量的下降。
以上叙述的PBC的2个性能优选在较宽的波段中良好。这是基于以下理由。在光通信中，由于广泛应用波长复用方式，包括光调制器的大量的光组件优选在较宽的波段中工作。较宽的波段是指包括例如C频带(波长范围1530～1565nm)、L频带(波长范围1565～1625nm)的频带。当在这样的光组件内应用PBC的情况下，同样地优选在较宽的波段中损失低且PER高。
作为PBC的现有技术，可以列举非专利文献2以及专利文献1。
非专利文献2涉及偏振分束器。偏振分束器能够通过如下方式来实现，即对图33(a)所示的PBC101的输出端口104输入TE偏振波以及TM偏振波，并从输入端口102输出TM偏振波，从输入端口103输出TE偏振波。如上所述，偏振分束器能够实现与PBC等同的功能，因此，作为PBC的现有技术而提出。非专利文献2通过使具有全等的芯体形状的2个矩形波导相邻的定向耦合器来实现TE0和TM0的偏振波分离。在此，TE0以及TM0分别是指在TE偏振波、TM偏振波中有效折射率最大的波导模。图34中示出在非专利文献2中记载的偏振分束器201的结构的概略图。图34(a)是与光的行进方向垂直的剖面中的偏振分束器201的定向耦合器的剖视图。图34(b)以及(c)是偏振分束器201的俯视图。偏振分束器201具备下部包层204、上部包层205以及由下部包层204和上部包层205埋设的芯体202和203。
偏振分束器201能够利用定向耦合器的耦合长度在TM0的情况下比在TE0的情况下短这一点来进行偏振波的复用或者分离。更具体地说，能够利用在TE0完成向定向耦合器的相邻波导的移动之前TM0移动完成这一点，进行各偏振波的复用(图34(c))或者分离(图34(b))。
专利文献1涉及偏振分选器(polarization sorter)，能够起到与PBC等同的功效。因此，将偏振分选器作为PBC的现有技术而提出。在专利文献1中记载的偏振分选器通过使用绝热转换的模分选(adiabatic sorting)来进行偏振波分离。
如在专利文献1的Fig.2a～2c中记载的那样，专利文献1的偏振分选器由2个彼此相邻的波导12以及14构成，芯体的高度各自不同。进而，具有一方的芯体的宽度相对于光的行进方向连续地变化的模分选部46，通过该区域中的模分选进行偏振波分离。在此，模分选是指利用了在使波导相对于光的行进方向连续地变化时保持有效折射率的顺序以及偏振波这一点的偏振波分离的方法。
例如，波导12的输入端口30的TE偏振波(专利文献1的Fig.6中记载的TE-1)与波导14的输入端口36的TE偏振波(专利文献1的Fig.6中记载的TE-2)的有效折射率的大小关系在波导12的输出端口32和波导14的输出端口34处交换。另一方面，波导12的输入端口30的TM偏振波(专利文献1的Fig.6中记载的TM-1)与波导14的输入端口36的TM偏振波(专利文献1的Fig.6中记载的TM-2)的执行折射率的大小关系在波导12的输出端口32和波导14的输出端口34处未变化。
通过满足关于有效折射率的上述大小关系，将输入到波导12的输入端口30的TE偏振波从波导14的输出端口34输出，将输入到波导12的输入端口30的TM偏振波从波导12的输出端口32输出。由此，专利文献1的偏振分选器对输入到波导12的输入端口30的TE偏振波以及TM偏振波进行偏振波分离。
为了满足有效折射率的上述大小关系，在偏振分选器的器件总长范围内相邻的2个波导12以及14的剖面中的芯体形状不能是全等的。因此，如专利文献1的Fig.2a～2c所示，作为相邻波导的波导12以及波导14的高度各自不同。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利申请公开第2008/0152277号说明书(公开日：2008年6月26日)
非专利文献
非专利文献1：Po Dong,et al.,"112-Gb/s Monolithic PDM-QPSK Modulator inSilicon,"ECOC2012Th.3.B.1(2012).
非专利文献2：Hiroshi Fukuda,et al.,"Ultrasmall polarization splitterbased on silicon wire waveguides,"OPTICS EXPRESS,Vol.14,No.25,12401(2006).
非专利文献3：Allan W.Snyder and John D.Love,"Optical WaveguideTheory,"CHAPMAN&HALL,London(First edition 1983,Reprinted 1991).
非专利文献4：Yosi Shani,et al.,"Integrated Optical Adiabatic Deviceson Silicon,"IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS,VOL.27,NO.3(1991).
非专利文献5：Daoxin Dai,et al.,"Mode conversion in tapered submicronsilicon,"OPTICS EXPRESS,Vol.20,No.12(2012).
发明内容
发明要解决的课题
非专利文献2的定向耦合器的构造能够通过简单的制造工艺来制作，但存在损失的波长依赖性大并且容易受制造误差影响这样的问题。
在非专利文献2中，2个波导相邻的部分的长度L需要与TM偏振波的耦合长度相匹配。在此，耦合长度是指光完全完成向相邻的波导的移动所需的长度。例如，在某个波长(设为第1波长)下耦合长度是Lc，设为L＝Lc。此时，具有第1波长的TM偏振波的损失原理上是零。
然而，在波长从第1波长向第2波长变化时，光从波导的芯体渗出的程度变化，因此向相邻的波导的耦合的强度发生变化。其结果是，第2波长下的耦合长度相对于第1波长下的耦合长度而变化。其结果是，在L＝Lc的情况下，具有第2波长的TM偏振波无法完全移动到相邻波导，或者移动了的TM偏振波返回来。因此，具有第2波长的TM偏振波在输出端口产生损失。即，非专利文献2存在在波长变化时TM偏振波的损失的增加量较大这样的问题。
进而，在由于制造误差而使波导的芯体的高度、宽度变化时，TM偏振波的光的向芯体的束缚的程度变化，因此耦合长度变化。其结果是，与波长变化时同样地，产生与没有制造误差的情况相比TM偏振波的损失大幅增加这样的问题。
专利文献1存在制造工艺复杂而最终导致成本增加、成品率降低这样的问题。
专利文献1的构造为了进行模分选，在模分选部46中需要满足以下2个条件。
条件1：在相邻的2个波导进行导波的2个同一偏振波(例如，专利文献1的Fig.6中记载的TE-1以及TE-2)存在有效折射率相同的剖面。
条件2：在相邻的2个波导中进行导波的另一方的2个同一偏振波(例如，专利文献1的Fig.6中记载的TM-1以及TM-2)的有效折射率始终不同。
为了满足这些条件，在专利文献1中，采用在相邻的波导中改变其高度的结构。在制造这样的波导构造的情况下，为了改变高度，芯体的蚀刻次数增加。例如，在硅波导中，能够通过蚀刻SOI(Silicon-On-Insulator)晶圆的最上部的硅层来形成芯体，但为了制作具有2个等级的高度的芯体，最少需要2次蚀刻。这样的多余的工艺导致成本增加，并且由于新产生的制造误差要素导致成品率的降低，因此不优选。
此外，在1次蚀刻中无法满足上述条件1以及2的理由如下所述。当在1次蚀刻中制作芯体的情况下，芯体的高度相同。此时，为了满足条件1，需要在某个剖面使芯体的宽度相同，使2个相邻波导的芯体形状全等。这是由于，在芯体宽度不同的情况下，光被向芯体束缚的程度变化，因此有效折射率在相邻的波导的同一偏振波之间变化，始终不满足条件1。然而，如上所示，如果通过使芯体形状全等而满足条件1，则不仅作为条件1的对象的偏振波，在全部的偏振波中有效折射率都变得相同，因此不可能满足条件2。因此，为了同时满足条件1、2，需要如在专利文献1中记载的那样，通过改变2个相邻的波导的高度等，在不同的波导构造中满足条件1。因此，在1次蚀刻之外，还需要进一步的工艺。
本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于，提供在较宽的波长范围内将TM偏振波的损失抑制得较低且容易制造的基板型光波导元件及光调制器。
用于解决课题的技术方案
为了解决上述课题，本发明的一个方式涉及一种基板型光波导元件，具备：下部包层，折射率是Ncl1；第1芯体和第2芯体，形成在所述下部包层上，且折射率是Nco，其中Nco＞Ncl1；以及上部包层，以埋设所述第1芯体和所述第2芯体的方式层叠在所述下部包层上，且折射率是Ncl2，其中Nco＞Ncl2，所述基板型光波导元件的特征在于，在将不存在所述第2芯体的情况下的所述第1芯体中的TE偏振波以及TM偏振波的有效折射率分别设为NTE＠WG1以及NTM＠WG1，将不存在所述第1芯体的情况下的所述第2芯体中的TE偏振波以及TM偏振波的有效折射率分别设为NTE＠WG2以及NTM＠WG2时，(A)所述有效折射率NTE＠WG1、NTM＠WG1、NTE＠WG2、NTM＠WG2分别作为从所述第1芯体与所述第2芯体彼此并行的并行区间的起点起的距离的函数而连续，(B)所述有效折射率NTE＠WG1、NTM＠WG1在整个所述并行区间中满足NTE＠WG1＞NTM＠WG1，(C)所述有效折射率NTE＠WG2、NTM＠WG2在整个所述并行区间中满足NTE＠WG2＞NTM＠WG2，(D)所述有效折射率NTM＠WG1与所述有效折射率NTM＠WG2的大小关系在所述并行区间的起点与终点处逆转，(E)在将所述下部包层的折射率Ncl1与所述上部包层的折射率Ncl2中的较大的折射率设为Ncl时，由下式(a)定义的相对折射率差是0.25以上。
【数式5】
此外，也可以将上述(E)的发明特定事项置换为“在所述并行区间中，将存在于所述第1芯体与所述第2芯体之间的间隙的介质的折射率设为Ncl，由下式(a)定义的相对折射率差是0.25以上”。
为了解决上述课题，本发明的一个方式涉及一种基板型光波导元件的制造方法，该基板型光波导元件具备：下部包层，折射率是Ncl1；第1芯体和第2芯体，形成在所述下部包层上，且折射率是Nco，其中Nco＞Ncl1；以及上部包层，以埋设所述第1芯体和所述第2芯体的方式层叠在所述下部包层上，且折射率是Ncl2，其中Nco＞Ncl2，所述基板型光波导元件的制造方法的特征在于，在将不存在所述第2芯体的情况下的所述第1芯体中的TE偏振波以及TM偏振波的有效折射率分别设为NTE＠WG1以及NTM＠WG1，将不存在所述第1芯体的情况下的所述第2芯体中的TE偏振波以及TM偏振波的有效折射率分别设为NTE＠WG2以及NTM＠WG2时，包括形成满足以下条件(1)～(4)的所述第1芯体和所述第2芯体的芯体形成工序。
(1)所述有效折射率NTE＠WG1、NTM＠WG1、NTE＠WG2、NTM＠WG2分别作为从所述第1芯体与所述第2芯体彼此并行的并行区间的起点起的距离的函数而连续，
(2)所述有效折射率NTE＠WG1、NTM＠WG1在整个所述并行区间中满足NTE＠WG1＞NTM＠WG1，所述有效折射率NTE＠WG2、NTM＠WG2在整个所述并行区间中满足NTE＠WG2＞NTM＠WG2，
(3)所述有效折射率NTM＠WG1与所述有效折射率NTM＠WG2的大小关系在所述并行区间的起点与终点处逆转，
(4)在将所述下部包层的折射率Ncl1与所述上部包层的折射率Ncl2中的较大的折射率设为Ncl时，由下式(a)定义的相对折射率差是0.25以上。
【数式7】
发明效果
本发明提供在较宽的波长范围内将TM偏振波的损失抑制得较低且容易制造的基板型光波导元件及光调制器。
附图说明
图1是示出本发明的第1实施方式的PBC的功能的概要的框图。(a)示出上述PBC对所输入的TM偏振波以及TE偏振波进行复用的情形，(b)定义上述PBC所具备的2个输入端口以及2个输出端口处的TE偏振波的波导模的名称，(c)定义上述PBC所具备的2个输入端口以及2个输出端口处的TM偏振波的波导模的名称。
图2中(a)是示出在本发明的第1实施方式中用于计算芯体的有效折射率的构造的剖视图。(b)以及(c)分别是示出在(a)所示的构造中将相对折射率差设为5％以及40％的情况下得到的标准化有效折射率的曲线图。
图3(a)以及(b)是示出在实际制造图2(a)所示的构造的情况下能够形成的芯体的形状的示意图。
图4是示出使用图2(a)所示的构造按芯体的高度h标准化而得到的Wupper的模拟结果的曲线图。
图5中(a)是示出本发明的第1实施方式的PBC的结构的立体图。(b)是示出(a)所示的PBC所具备的芯体的结构的立体图。
图6中(a)是示出图5所示的PBC的结构的俯视图。(b)～(d)分别是(a)所示的A-A’线、B-B’线以及C-C’线处的上述PBC的剖视图。
图7中(a)是示出本发明的第1实施例的PBC的结构的俯视图。(b)是(a)所示的PBC的与光的行进方向垂直的剖面的剖视图。
图8(a)是示出不具备本发明的第1实施方式的PBC所具备的2个芯体中的某一个(仅具备其中一个芯体)的矩形形状波导的有效折射率的计算结果的曲线图。(b)是示出不具备图7所示的PBC的第2芯体的矩形形状波导的结构的剖视图。(c)是示出不具备图7所示的PBC的第1芯体的矩形形状波导的结构的剖视图。
图9是示出在图7所示的PBC中计算与光的行进方向垂直的剖面中的波导模的有效折射率的结果的曲线图。
图10是示出在图7所示的PBC中使X从-100变化至100的情况下得到的δTE0/CTE0以及δTM0/CTM0的曲线图。
图11是示出图7所示的PBC的基于A-A’线的剖面中的TE0和TM0的电场分布的模拟结果的曲线图。
图12是示出图7所示的PBC的基于B-B’线的剖面中的TE0和TM0的电场分布的模拟结果的曲线图。
图13是示出图7所示的PBC的基于C-C’线的剖面中的TE0和TM0的电场分布的模拟结果的曲线图。
图14是示出图7所示的PBC的基于D-D’线的剖面中的TE0和TM0的电场分布的模拟结果的曲线图。
图15是示出图7所示的PBC的基于E-E’线的剖面中的TE0和TM0的电场分布的模拟结果的曲线图。
图16是示出本发明的第2实施方式的PBC的结构的俯视图。
图17是示出通过FDTD计算在对图16所示的PBC的port1-1输入TM0时从port2-2输出的TM0的损失的结果的曲线图。
图18中(a)是示出针对向图16所示的PBC的port1-1输入TM0时的Ey分量的电场分布进行模拟的结果的曲线图，(b)是示出针对向port1-1输入TE0时的Ex分量的电场分布进行模拟的结果的曲线图。
图19中，在图16所示的PBC和图35所示的PBC中，(a)是示出计算对port1-1输入TM0并从port2-2输出TM0时的TM0的损失的结果的曲线图，(b)是示出计算在对port1-1分别输入TE0和TM0时从port2-2输出的各个偏振波的损失比即PER的结果的曲线图，(c)是示出计算对port1-2输入TE0并从port2-2输出时的TE0的损失的结果的曲线图，(d)是示出计算在对port1-2分别输入TE0和TM0时从port2-2输出的各个偏振波的损失比即PER的结果的曲线图。
图20是示出在图16所示的PBC中通过FDTD计算制造误差对TM0的损失造成的影响的结果的曲线图。
图21是示出在图35所示的PBC中通过FDTD计算制造误差对TM0的损失造成的影响的结果的曲线图。
图22中，在本发明的一个实施例中制作的PBC中，(a)是示出对port1-1输入TM0并从port2-2输出TM0时的损失的测定结果的曲线图，(b)是示出在对port1-1分别输入TE0和TM0时从port2-2输出的各个偏振波的损失比即PER的测定结果的曲线图，(c)是示出对port1-2输入TE0并从port2-2输出时的损失的测定结果的曲线图。
图23中(a)是示出本发明的第3实施方式的PBC的结构的俯视图，(b)是示出本发明的第3实施方式的变形例的PBC的结构的俯视图。
图24是示出本发明的第4实施方式的偏振器件的结构的俯视图。
图25是示出本发明的第5实施方式的调制器的结构的框图。
图26是示出本发明的第6实施方式的基板型光波导元件的结构的框图。
图27是示出本发明的第7实施方式的肋形波导的基本形状的剖视图。
图28中(a)是示出包括第7实施方式的上述肋形波导的PBC的结构的俯视图，(b)～(d)分别是(a)所示的A-A’线、B-B’线以及C-C’线的上述PBC的剖视图。
图29中(a)是示出本发明的第8实施方式的脊形波导的制作方法的剖视图，(b)是示出该脊形波导的基本形状的剖视图。
图30中(a)是示出包括第8实施方式的上述脊形波导的PBC的结构的俯视图，(b)～(d)是(a)所示的A-A’线、B-B’线以及C-C’线处的上述PBC的剖视图。
图31中(a)是示出包括作为第8实施方式的一个变形例的脊形波导的PBC的结构的俯视图，(b)～(d)是(a)所示的A-A’线、B-B’线以及C-C’线的上述PBC的剖视图。
图32中(a)是在与图30(a)所示的A-A’线相同的位置将包括作为第8实施方式的另一变形例的矩形波导的PBC剖切的情况下的剖视图，(b)是在与上述A-A’线相同的位置将包括作为第8实施方式的又另一变形例的肋形波导的PBC剖切的情况下的剖视图。
图33中(a)是说明一般的PBC的结构的框图。(b)是表示在对(a)所示的PBC的第1输入端口输入相同的功率的TE偏振波以及TM偏振波的情况下从输出端口输出的TE偏振波以及TM偏振波的功率的概念图，(c)是表示在对(a)所示的PBC的第2输入端口输入相同的功率的TE偏振波以及TM偏振波的情况下从输出端口输出的TE偏振波以及TM偏振波的功率的概念图。
图34是示出非专利文献2中记载的偏振分束器的结构的概略图。(a)是与光的行进方向垂直的剖面中的偏振分束器的定向耦合器的剖视图。(b)以及(c)是偏振分束器的俯视图。
图35中(a)是示出本发明的比较例的PBC的结构的俯视图，(b)是(a)所示的A-A’线处的PBC的剖视图。
具体实施方式
〔第1实施方式〕
本实施方式的PBC1通过具备使用相对折射率差大的波导的锥形化定向耦合器，从而提供在较宽的波长范围内将TM偏振波的损失抑制得较低且容易制造的基板型光波导元件。此外，较宽的波长范围是指包括例如C频带(波长范围1530～1565nm)、L频带(波长范围1565～1625nm)的波长范围。
首先，参照图1～图6说明作为基板型光波导元件的PBC1的特征。图1是示出本实施方式的PBC1的概要的框图。如图1(a)所示，PBC1具备由下部包层和上部包层埋设的2个波导(称为WG1以及WG2)，并具有4个端口(port1-1、port1-2、port2-1、port2-2)。
另外，如图1(b)那样定义各端口的剖面中的TE偏振波和TM偏振波的名称。在图中，如果将i、j分别设为0以上的整数，则TEi意味着在WG1或者WG2中TE偏振波中的有效折射率第(i+1)大的波导模，TMj意味着在WG1或者WG2中TM偏振波中的有效折射率第(j+1)大的波导模。
图1是示出PBC1的结构的框图。图1(a)示出PBC1对所输入的TM偏振波以及TE偏振波进行复用的情形。图1(b)定义PBC1具备的2个输入端口以及2个输出端口处的TE偏振波的波导模的名称。图1(c)定义输入端口以及输出端口处的TM偏振波的波导模的名称。
如图1(a)以及图5所示，PBC1具备作为2个波导的芯体13以及芯体14。以下，将芯体13的一个端口称为输入端口13a，将另一个端口称为输出端口13b。另外，将芯体14的一个端口称为输入端口14a，将另一个端口称为输出端口14b。
另外，如图1(b)所示，将输入端口13a处的TE偏振波定义为TEi＠13a，将输出端口13b处的TE偏振波定义为TEi＠13b，将输入端口14a处的TE偏振波定义为TEi＠14a，将输出端口14b处的TE偏振波定义为TEi＠14b。如图1(c)所示，将输入端口13a处的TM偏振波定义为TMj＠13a，将输出端口13b处的TM偏振波定义为TMj＠13b，将输入端口14a处的TM偏振波定义为TMj＠14a，将输出端口14b处的TM偏振波定义为TMj＠14b。i以及j分别是0以上的整数。TEi意味着芯体13或者芯体14中的TE偏振波的波导模中的有效折射率第i+1大的波导模。TMj意味着芯体13或者芯体14中的TM偏振波的波导模中的有效折射率第j+1大的波导模。
PBC1以非专利文献3以及4中记载的锥形化定向耦合器的原理作为基础原理，具备与这些锥形化定向耦合器同样的特征。
在非专利文献3中，示出使直径相对于光的行进方向变化的2根光纤彼此相邻的TAPERED COUPLERS(在本实施方式中，也称为锥形化定向耦合器)。在通常的锥形化定向耦合器中，2根光纤的相对折射率差是5％以下。在非专利文献3中，作为锥形化定向耦合器的用途，提及到向相邻波导的光功率的100％的移动。
在非专利文献4中，公开了使芯体宽度相对于光的行进方向变化的2个矩形形状的芯体彼此相邻的ADIABATIC ASYMMETRIC DIRECTIONAL COUPLERS(相当于本实施方式中的锥形化定向耦合器)。其中，关于芯体和包层的材料，公开了掺P的SiO2和SiO2。在非专利文献4中虽然未记载，但相对折射率差通常在5％以下。在非专利文献4中，作为锥形化定向耦合器的用途，提及到向相邻波导的光功率的100％的移动。
PBC1具备与非专利文献3以及4中的某一个相同的以下特征。
特征1：芯体13与芯体14是矩形形状芯体。
特征2：芯体13的高度与芯体14的高度相等。
特征3：芯体13与芯体14彼此隔出距离地配置。
特征4：关于芯体13的宽度与芯体14的宽度的大小关系，(1)在作为与光的行进方向垂直的剖面的具有输入端口13a和输入端口14a一侧的剖面的入射端面处，芯体13的宽度比芯体14的宽度大，(2)在作为与光的行进方向垂直的剖面的具有输出端口13b和输出端口14b一侧的剖面的出射端面处，芯体14的宽度比芯体13的宽度大，(3)在上述入射端面与上述出射端面之间的至少一个剖面中，芯体13的宽度与芯体14的宽度相等。
特征5：芯体13的宽度与芯体14的宽度沿着光的行进方向连续地变化。其中，还包括芯体13以及芯体14中的一个芯体的芯体宽度不变化而另一个芯体的芯体宽度连续地变化这样的情况。
通过满足以上特征1～5，能够获得以下效果。
根据特征1，能够通过基板型光波导来制作。在此，矩形形状芯体是指从宏观上观察时剖面是矩形形状的情况。如梯形形状芯体以及平行四边形形状芯体那样的芯体侧壁倾斜的形状的芯体也包括在矩形形状芯体中。另外，从微观上观察时构成剖面的角由曲线构成的芯体也包括在矩形形状芯体中。这是由于，即使是从微观上观察时角由曲线构成的圆角形状，如果从宏观上观察，则可以说是矩形形状。
根据特征2，通过一次蚀刻能够形成2个芯体(芯体13以及芯体14)，能够简化制造工艺。通常，PBC具备下部包层、配置于其上的矩形形状芯体以及覆盖下部包层和矩形形状芯体的上部包层。下部包层使用例如SOI晶圆的BOX(Buried Oxide，隐埋氧化物)层，矩形形状芯体能够通过以蚀刻加工SOI晶圆最上位层的硅层来制作。上部包层可以形成为空气包层，为了保护芯体，也可以沉积SiO2、Si3N4。将这样的波导称为硅波导。
在特征2成立的情况下，在这样的PBC中，仅通过一次蚀刻，就能够形成芯体13以及芯体14。因此，能够简化制造工艺。特别是，在包括硅波导的光电路整体中，通过光束缚强的矩形形状芯体的波导进行布线的情况较多，因此能够一并制作这样的布线和PBC。
通过简化制造工艺，能够降低PBC的制造成本。另外，能够抑制由于制造工艺的增加而产生的制造误差，因此制造PBC的情况下的成品率也得到提高。
根据特征3，能够降低作为形成芯体时的制造工艺的光刻法的要求精度，能够简化制造工艺。根据特征3，芯体13与芯体14不会接触。如果是在2个芯体相接的情况下，需要使芯体13与芯体14彼此的芯体间隔连续地逐渐减小。但是，关于光刻法，由于曝光时的光的衍射，实际能够制作的芯体间隔是有限度的。另外，在需要更窄的芯体间隔的情况下，制造工艺的难度上升。因此，通过满足特征3，能够简化PBC1的制造工艺。
根据特征4～5，能够实现在较宽的波长范围内损失低且还不易受制造误差影响的构造。
通常，在具备高度相等的矩形形状芯体的PBC中，随着芯体的宽度增大，芯体的剖面积会增加，因此TEi以及TMj向芯体的光束缚变强。其结果是，受到折射率高的芯体的影响，各波导模的有效折射率增加。根据特征4，在包括输入端口13a和输入端口14a的入射端面处，芯体13的芯体宽度比芯体14的芯体宽度大，因此TEi＠13a(TMj＠13a)的有效折射率大于TEi＠14a(TMj＠14a)。另一方面，在包括输出端口13b和输出端口14b的剖面中，芯体14的芯体宽度比芯体13的芯体宽度大，因此TEi＠14b(TMj＠14b)的有效折射率大于TEi＠13b(TMj＠13b)。进而，根据特征5，芯体13与芯体14连续地使芯体宽度变化，因此TEi(TMj)的有效折射率相对于光的行进方向连续地变化。其结果是，以下4个波导模的组合C1～C4由连续的有效折射率曲线来连接。
组合C1：TEi＠13a与TEi＠14b
组合C2：TEi＠14a与TEi＠13b
组合C3：TMj＠13a与TMj＠14b
组合C4：TMj＠14a与TMj＠13b
在此，有效折射率曲线是指，针对相对于光的行进方向的坐标而标绘各坐标的包括芯体13和芯体14的波导剖面中的波导模的有效折射率而得到的曲线。通常，处于同一有效折射率曲线上的波导模彼此使芯体宽度相对于光的行进方向的变化充分平缓，即固定输入端口13a、输入端口14a、输出端口13b以及输出端口14b各自的芯体宽度，将芯体13和芯体14的相对于光的行进方向的长度(后文中，称为锥形长度)取充分长，从而能够几乎无能量损失地进行转换。这样的转换被称为绝热转换。
因此，如果着眼于组合C3和组合C4，则根据特征4～5，通过使锥形长度变长，能够使TMj从芯体13向芯体14或者从芯体14向芯体13以较低的损失进行移动。
关于以上的原理，基于非专利文献3进一步地详细叙述。首先，定义以下的值。在此，λ表示光波长。
NTEi＠WG1：芯体13单独存在的情况下的TEi的有效折射率
NTEi＠WG2：芯体14单独存在的情况下的TEi的有效折射率
它们针对非专利文献3的式(19-14)的
【数式8】
分别对应于：
【数式9】
NTMj＠WG1：芯体13单独存在的情况下的TMj的有效折射率
NTMj＠WG2：芯体14单独存在的情况下的TMj的有效折射率
它们针对非专利文献3的式(19-14)的
【数式10】
分别对应于：
【数式11】
CTEi：芯体13的TEi与芯体14的TEi的光耦合的强度
CTMj：芯体13的TMj与芯体14的TMj的光耦合的强度
它们对应于非专利文献3的式(19-14)的C(z)。
δTEi＝(π/λ)×|NTEi＠WG1-NTEi＠WG2|
δTMj＝(π/λ)×|NTMj＠WG1-NTMj＠WG2|
其中，上述各变量的定义考虑了与光的行进方向垂直的剖面中的局部模。δTEi和芯体13的TEi与芯体14的TEi的相位速度之差有关，δTMj和芯体13的TMj与芯体14的TMj的相位速度之差有关。δTEi(或者δTMj)的值越接近0，则表示芯体13与芯体14的相位越匹配。
以下，说明TMj从芯体13向芯体14移动时的条件。
在CTMj＜＜δTMj时，相位不匹配的程度胜过光耦合的强度，因此芯体13的TMj局部存在于芯体13，芯体14的TMj局部存在于芯体14。换言之，芯体13的TMj与芯体14的TMj几乎不发生相互作用，成为与芯体13和芯体14独立存在的情况相同的电场分布。
另一方面，在CTMj＞＞δTMj时，光耦合的强度胜过相位不匹配的程度，因此芯体13的TMj跨芯体13和芯体14地存在。芯体14的TMj也同样地跨芯体13和芯体14地存在。这样的波导模被称为超级模。换言之，可以说芯体13的TMj与芯体14的TMj各自相互作用。
通过满足特征4，包括输入端口13a以及输入端口14a的入射端面处的δTMj以及包括输出端口13b以及输出端口14b的出射端面处的δTMj变大。其结果是，入射端面处的TMj以及出射端面处的TMj均局部存在于某一个波导(芯体13或者芯体14)。
通过使芯体13的芯体宽度与芯体14的芯体宽度相对于光的行进方向逐渐接近，δTMj趋近于0。因此，芯体13和芯体14中的光耦合逐渐变强。在芯体13的芯体宽度与芯体14的芯体宽度相等时，即，在芯体13和芯体14在芯体形状上全等时，δTMj＝0，TMj的电场在芯体13和芯体14中以相同的功率的比例存在。TMj经由该芯体13和芯体14中的光耦合而在芯体13与芯体14之间移动。
基于以上内容，根据以下理由，在宽的波长范围内TMj的损失变小。
如上所述，在锥形化定向耦合器中，TMj在波导间移动的部分是各个波导的芯体宽度相等即芯体形状全等的部位的剖面附近。即使波长变化，在以上所示的芯体宽度相等的剖面中，芯体13和芯体14各自的TMj的有效折射率也始终一致，因此波导间的TMj的移动成立。即，具备特征1～5的PBC1在较宽的波段中进行低损失动作。
不易受制造误差影响的理由如下所述。作为制造误差，可列举(1)芯体宽度因设计值而变化，(2)芯体高度因设计值而变化、(3)芯体的折射率因设计值而变化、(4)包层的折射率因设计值而变化等。在芯体宽度因设计值而变化的情况下，如果满足特征4，则WG1与WG2的芯体宽度相等的剖面始终存在于本发明的内部，因此TMj能够移动。即使在芯体高度因设计值而变化的情况下，由于作为同一高度的芯体的芯体13、14通常通过同一工艺来制作，因此芯体13与芯体14的芯体高度也始终相等。因此，同样地，如果满足特征2，则TMj能够移动。即使在芯体的折射率因设计值而变化的情况下，由于芯体13、14通过同一工艺而形成，因此芯体13的折射率与芯体14的折射率也能够视为相等。另外，即使在包层的折射率因设计值而变化的情况下，芯体13相对于包层的相对折射率差与芯体14相对于包层的相对折射率差也能够视为相等。因此，TMj能够移动。
另外，即使在芯体13与芯体14在芯体的高度上不同的情况以及芯体形状为非对称的梯形的情况下，如果维持TMj的有效折射率在输入端口13a处大于输入端口14a处且在输出端口14b处大于输出端口13b处这样的关系，则TMj也能够移动。
根据以上所述，PBC1可以说不易受制造误差影响。
PBC1除了以上特征之外，还具备在非专利文献3以及4中未公开的以下2个特征。
特征6：在芯体13以及芯体14的所有部位，TMj的有效折射率始终小于TEi的有效折射率。
特征7：芯体13以及芯体14由比下部包层11以及上部包层12的相对折射率差大的材料构成。
在此，相对折射率差由下式定义。
【数式12】
在此，Nco表示芯体的折射率，Ncl表示包层的折射率。在包层由多种材料构成的情况下，将下部包层11以及上部包层12的折射率分别设为Ncl1以及Ncl2，将折射率最大的材料的折射率设为Ncl。
由于具备特征6～7，本发明具有作为PBC的功能。即，在图1(b)中，具有仅TMj的光功率向相邻波导(从WG1向WG2或者从WG2向WG1)移动、TEi的光功率仅有其极微小的一部分向相邻波导移动而大部分从同一波导输出这样的效果。其结果是，例如当将TMj输入到芯体13的输入端口13a并将TEi输入到芯体14的输入端口14a时，两个偏振波同时从芯体14的输出端口14b输出。因此，PBC1作为PBC而发挥功能。另外，当对输出端口14b同时输入TEi和TMj时，TMj从输入端口13a输出，TEi从输入端口14a输出。因此，PBC1还作为偏振分束器而发挥功能。
以下，叙述起到效果的理由。
由于具备特征6，与TMj相比，TEi向芯体的光束缚的程度较大。这是由于，有效折射率的大小对应于光向芯体的束缚的强弱。换言之，可以说在TMj的情况下光更大程度地渗出到包层中。进而，由于具备特征7，能够使TEi和TMj的向包层的光渗出的程度之差进一步增大。换言之，能够使TEi与TMj的有效折射率之差进一步增大。这是基于以下理由。
在TEi的电场中，宽度方向(x方向)的电场分量(Ex)为主，在TMj的电场中，高度方向(y方向)的电场分量(Ey)为主。如果使芯体宽度增大，则光的束缚变大，与此相应地有效折射率增加，而关于该增加率，TEi比TMj大。这能够根据电场的芯体与包层的边界条件来说明。通过麦克斯韦的方程式，芯体侧面(左右两边)处的电场的边界条件由式(6)以及式(7)来确定。
【数式13】
【数式14】
在此，各参数如下所述。
【数式15】
表示侧面边界上的包层侧的Ex，
【数式16】
表示侧面边界上的芯体侧的Ex，
【数式17】
表示侧面边界上的包层侧的Ey，
【数式18】
表示侧面边界上的芯体侧的Ey。
式(6)与TEi有很大关系，式(7)与TMj有很大关系。观察式(6)，Nco＞Ncl，因此在芯体侧面边界Ex不连续，
【数式19】
电场在更靠包层的一侧较大地分布。其中，在满足特征6的情况下，与TEi相比，在TMj的情况下电场向包层的渗出较小。因此，如果芯体宽度变大，则在外侧较大地分布着的Ex向芯体分布，在芯体中束缚大的电场。
另一方面，观察式(7)，Ey在芯体侧面边界连续地变化。因此，相对于芯体宽度的变化，不像Ex分量那样变化。因此，如果使芯体宽度增大，则与Ey是主电场的TMj相比，在Ex是主电场的TEi的情况下，向芯体的光束缚较大。其结果是，关于有效折射率的增加率，也是TEi变大。然而，如果式(5)所示的相对折射率差小，则TEi的边界面上的不连续性变小，变成与相对于芯体宽度的TMj的束缚程度相同的程度。另一方面，如果相对折射率差大，则TEi的边界面处的不连续性变大，与TMj相比，TEi更强地被束缚在芯体中，换言之，通过使相对折射率差增大，能够减小TEi的向包层的渗出。其结果是，根据特征7，通过增加芯体宽度，能够对TEi与TMj的向包层的光渗出的程度设置大的差。
为了观察因相对折射率差的大小而会在TEi和TMj的有效折射率发生什么样的变化，在相对折射率差为5％的情况以及为40％的情况下，计算相对于芯体宽度的TE0以及TM0各自的经标准化而得到的有效折射率。在图2中示出该计算的结果。图2(a)是示出计算中使用的芯体的结构的剖视图。图2(b)是示出相对折射率是5％的情况下的计算结果的曲线图，图2(c)是示出相对折射率是40％的情况下的计算结果的曲线图。如图2(a)所示，将芯体的高度h设为220nm，将硅制的芯体的折射率设为3.47，根据相对折射率差，确定上部包层的折射率(＝下部包层的折射率)。将TE0以及TM0的波长设为1550nm。另外，经标准化而得到的有效折射率通过式(8)来求出。
【数式20】
标准化有效折射率＝(有效折射率-包层的折射率)/(芯体的折射率-包层的折射率) (8)
如果比较图2(b)以及(c)的结果，则在相对折射率差是5％的情况下，即使芯体宽度增大，在TE0与TM0中标准化执行折射率之差也非常小。具体来说，在芯体宽度400nm至1000nm的范围内，标准化执行折射率之差的最大值是0.01。另一方面，在相对折射率差是40％的情况下，可知标准化执行折射率之差非常大。具体来说，在芯体宽度400nm至1000nm的范围内，标准化执行折射率之差的最小值是0.23。有效折射率表示向芯体的光束缚，换言之，表示光向包层的渗出的程度。因此，可以说在相对折射率差大的情况下，在TE0和TM0的向包层的光渗出的程度上产生较大的差。
根据以上所述，在本发明中，与TEi相比，在TMj的情况下光向包层的渗出较大。如果光向包层的渗出较大，则向相邻的波导的光耦合变强。因此，由于具备特征6～7，式(9)始终成立。
【数式21】
CTMj＞CTEi (9)
该关系与TEi以及TMj通过绝热变化而在波导间移动所需的锥形长度有关。作为该锥形长度的评价指标，可列举非专利文献3的式(19-3)的Zb。该值越大，则需要使锥形长度越长。Zb根据在同一偏振波中在芯体13和芯体14中进行导波的2个波导模的传输常数之差(有效折射率之差/(2π/λ))来确定，因此TEi和TMj各自的Zb能够如式(10)以及式(11)那样写出。
【数式22】
【数式23】
Zb达到最大是在芯体13和芯体14各自的芯体宽度相等时，此时δTEi＝0以及δTMj＝0。因此，式(10)变成式(12)，式(11)变成式(13)。
【数式24】
Zb(TEi)＝2π/CTEi (12)
【数式25】
Zb(TMj)＝2π/CTMj (13)
由此，光耦合越大，则在越短的锥形长度下引起波导间的绝热移动。由于具备特征6～7，式(9)的关系成立，因此Zb(TMj)比Zb(TEi)短。即，作为锥形长度，设定TMj在绝热状态下在波导间移动所需的长度，从而能够使TMj低损失地移动，并且使TEi在波导间几乎不移动。
进而，由于具备特征7，PBC1起到如下效果。TEi以及TMj的波导间的移动分别在CTEi＞＞δTEi以及CTMj＞＞δTMj的范围内高强度地进行。为了在进行波导间的移动的范围(称为相互作用区域)内进行绝热转换，与其他部分相比需要特别长的锥形长度。这根据式(10)以及式(11)也可知，在CTEi＞＞δTEi以及CTMj＞＞δTMj时，Zb(TEi)以及Zb(TMj)各自变大。
PBC1通过改变芯体13以及芯体14的芯体宽度，使TMj从局部存在于一个波导的波导模转移到局部存在于另一个波导的波导模。如式(6)以及式(7)所示，在相对折射率差较大的情况下，关于使芯体宽度变化时的有效折射率的变化量，与TMj相比在TEi的情况下较大。因此，相对于芯体宽度的变化，δTEi比δTMj更急剧地变化，其结果是，关于相互作用区域在锥形部分整体中所占的比例，与TEi相比在TMj的情况下较大。因此，即使是相同的锥形长度，与TEi相比，在TMj的情况下也相对较平缓地进行波导间的光功率的移动，其结果是，仅TMj能够进行选择性的波导间的移动。
如上所述，PBC1由于具备特征6～7，使得仅TMj能够选择性地进行波导间的移动。其结果是，PBC1具有作为PBC的功能。
以如下方式提供满足以上条件的相对折射率差。根据式(6)，相对折射率差越大，则TEi相对于芯体宽度的有效折射率的增加的影响越显著，其结果是，得到较大的CTMj与CTEi之差。支配性的参数是式(6)的
【数式26】
如果其是2以上，则使TEi和TMj的芯体宽度变化时的有效折射率的变化量之差达到2倍以上，其结果是，对TEi与TMj的分离的程度设置2倍以上的差，因此可以说是足够的。此时，相对折射率差变为25％以上。因此，PBC1将相对折射率差是25％以上设为必要条件。
此外，在非专利文献3以及4中，仅记载了相对折射率差小(例如，5％以下)的锥形化定向耦合器。如上所述，如果相对折射率差小，则TEi与TMj的特性相类似。例如，在相对折射率差＝5％时，
【数式27】
仅仅产生10％的差。因此，这样的相对折射率差小的锥形化定向耦合器不仅发生TMj的波导间的移动，还相同程度地发生TEi的波导间的移动。因此，在非专利文献3以及4中，仅公开了向相邻波导间的光功率的100％移动。换言之，非专利文献3以及4的锥形化定向耦合器无法作为PBC而发挥功能。
〔优选的结构1〕
在PBC1中，优选的是：(1)芯体13以及芯体14由Si构成，(2)下部包层11由SiO2构成，(3)上部包层12由空气、SiO2以及Si3N4中的某一方构成。
根据该结构，通过CMOS工艺加工SOI晶圆，从而能够容易地制作PBC1。另外，根据该结构，能够得到具有较高的相对折射率差的波导。具体来说，在上部包层由空气或者SiO2构成的情况下，相对折射率差约为41％，在上部包层由Si3N4构成的情况下，相对折射率差约为32％。
下部包层11能够通过使用SOI晶圆的BOX层而形成。芯体13以及芯体14能够通过利用蚀刻来加工作为SOI晶圆的最上位层的Si层而形成。上部包层12能够通过在形成芯体后沉积所期望的材料(SiO2或者Si3N4)而形成。此外，在上部包层12由空气构成的情况下，不需要沉积SiO2或者Si3N4。
特别是，在使用SiO2作为上部包层12的情况下，由于是与下部包层11相同的材料，因此能够使下部包层11与上部包层12的边界处的应力减小，能够进一步提高制作PBC1时的成品率。
〔优选的结构2〕
在PBC1中，优选的是：(1)芯体13以及芯体14由Si构成，(2)下部包层11由SiO2构成。当在此基础上进一步地将芯体13的宽度设为宽度W1且将芯体14的宽度设为宽度W2的情况下，宽度W1以及宽度W2优选在满足式(14)的范围内变化。
【数式28】
h＜W1，W2＜Wupper (14)
在此，h表示芯体13以及芯体14的高度。另外，Wupper由式(15)表示。此外，在式(15)中e是自然常数。
【数式29】
Wupper＝{0.868224×[loge(h)]4·21.265613×[loge(h)]3+195.780964×[loge(h)]2
-802.242303×loge(h)+1236.45521}×h (15)
由此，在进行TE0和TM0的偏振复用或者分离的情况下，能够降低TM0的过度损失。
在将TE0和TM0设为对象的情况下，为了满足特征6，芯体的宽度W1以及宽度W2需要比芯体的高度h大。这是由于，在矩形波导中，在芯体宽度＝芯体高度时，芯体的剖面形状为正方形，TE0和TM0表示转动了90度的同一电场分布。
芯体宽度的最大值Wupper以如下方式确定。在实际的制造中，芯体侧壁有时相对于下部包层11的上表面不完全垂直，而是呈图3(a)以及(b)所示的梯形形状。这从宏观上能够视为矩形形状，但在以下方面导致TM0的损失增加。如非专利文献5所示，在具有如图3(a)以及(b)那样的在高度方向上非对称的折射率分布的情况下，在TM0与TE1的有效折射率相同的芯体宽度下，TM0与TE1相互作用。
其结果是，TM0的一部分转换成TE1，产生过度损失。因此，为了防止该不必要的损失，芯体宽度需要比TE1与TM0的有效折射率相同的芯体宽度小。因此，将TE1与TM0的有效折射率相同的芯体宽度设为Wupper。在图4中示出按高度h标准化而得到的Wupper的模拟结果。在此，将波长设为1550nm。图4中记载的点表示模拟结果，虚线表示对该模拟结果进行内插而得到的曲线。通过该曲线，Wupper如式(15)这样确定。
根据以上所述，在进行TE0和TM0的偏振复用或者分离的情况下，能够降低TM0的过度损失。关于TE0和TM0，在各个偏振波中有效折射率最高，因此向芯体的束缚最强。其结果是，弯曲波导中的损失变小。根据这样的理由，通常是最常使用TE0和TM0。因此，抑制TM0的过度损失的优选的结构2在实用方面是有用的。
〔其他利用方法〕
PBC1能够仅使TMj以低损失在芯体13与芯体14之间移动。因此，PBC1能够用作使用提取TMj或者TEi的偏振波的基板型光波导的偏振器件。
在用作针对TMj的偏振器件的情况下，例如，通过将输入端口13a设为输入端口并将输出端口14b设为输出端口，在对输入端口13a输入TEi和TMj的情况下，能够从输出端口14b仅提取其中的TMj。
在用作针对TEi的偏振器件的情况下，例如，通过将输入端口13a设为输入端口并将输出端口13b设为输出端口，在对输入端口13a输入TEi和TMj的情况下，能够从输出端口13b仅提取其中的TEi。
在任一情况下，都能够通过使用在较宽的波长范围内能够进行低损失的动作的PBC1，实现在较宽的波长范围内损失低并且具有高偏振消光比的偏振器件。
进而，能够通过进行多级连接来提高偏振消光比。
〔PBC1的结构〕
参照图5以及图6说明PBC1的结构。图5是示出PBC1的结构的立体图。图6(a)是示出PBC1的芯体13以及芯体14的结构的俯视图。图6(b)～(d)分别是图6(a)所示的A-A’线、B-B’线以及C-C’线处的PBC1的剖视图。
如图5(a)所示，PBC1具备配置于下部包层11上的第1芯体13、第2芯体14以及以埋设第1芯体13和第2芯体14的方式层叠于下部包层11上的上部包层12。第1芯体13以及第2芯体14是与光的行进方向正交的剖面呈矩形形状的芯体。关于芯体13以及芯体14，设成作为TE偏振波对TE0(也称为TE0偏振波)进行导波且作为TM偏振波对TM0(也称为TM0偏振波)进行导波来说明。另外，芯体13以及芯体14是硅制的，下部包层11以及上部包层12设为是二氧化硅制成的来进行说明。但是，构成芯体13和芯体14以及下部包层11和上部包层12的材料的组合不限定于此。
以下，将下部包层11的折射率设为Ncl1，将上部包层的折射率设为Ncl2。在下部包层11和上部包层12由相同的材料构成的情况下，设为Ncl1＝Ncl2＝Ncl。在下部包层11和上部包层12由不同的材料构成的情况下，将折射率Ncl1和折射率Ncl2中的较大的折射率设为Ncl。在PBC1中，由上述式(5)定义的相对折射率是0.25以上。
第1芯体13和第2芯体14由相同的材料构成，其折射率Nco满足Nco＞Ncl1、Ncl2。另外，将芯体13的宽度以及高度分别设为W1以及h1，将芯体14的宽度以及高度分别设为W2以及h2。在PBC1中高度h1与高度h2相等，以下设为h1＝h2＝h。芯体13的宽度W1以及芯体14的宽度W2分别大于芯体13与芯体14的共同的高度即高度h。
另外，在将芯体13与芯体14的间隔设为宽度WG时，在第1芯体13与第2芯体14并行的PBC1的总长的范围内，宽度WG恒定。以下，也将第1芯体13与第2芯体14并行的区间表述为并行区间。
以下，将在下部包层以及上部包层中仅埋设有第1芯体的状态(在PBC1中不存在第2芯体14的状态)下的上述第1芯体中的TE偏振波以及TM偏振波的有效折射率分别设为NTE＠WG1以及NTM＠WG1。另外，将在下部包层以及上部包层中仅埋设有第2芯体的状态(在PBC1中不存在第1芯体13的状态)下的上述第2芯体中的TE偏振波以及TM偏振波的有效折射率分别设为NTE＠WG2以及NTM＠WG2。
上述有效折射率NTE＠WG1、NTM＠WG1、NTE＠WG2、NTM＠WG2分别作为从第1芯体13与第2芯体14彼此并行的并行区间的起点起的距离的函数而连续。
上述有效折射率NTE＠WG1、NTM＠WG1在整个上述并行区间中满足NTE＠WG1＞NTM＠WG1，上述有效折射率NTE＠WG2、NTM＠WG2在整个上述并行区间中满足NTE＠WG2＞NTM＠WG2。
上述有效折射率NTM＠WG1与上述有效折射率NTM＠WG2的大小关系在上述并行区间的起点与终点处逆转。具体来说，在PBC1中，在上述并行区间的起点处为NTM＠WG1＞NTM＠WG2，在上述并行区间的终点处为NTM＠WG1＜NTM＠WG2。
为了满足这些要件，芯体13的宽度W1随着从输入端口13a趋近于输出端口13b而线性地变化。同样地，芯体14的宽度W2随着从输入端口14a趋近于输出端口14b而线性地变化。换言之，宽度W1以及宽度W2相对于光的行进方向线性地变化。芯体13以及芯体14这样的形状根据使PBC1的设计更加容易这样的观点是优选的。
宽度W1与宽度W2相等的剖面位于PBC1的中央。该结构能够使芯体13与芯体14相互作用的相互作用区域变宽，因此是优选的。
此外，在本实施方式中，将宽度WG设为恒定，但宽度WG也可以不一定是恒定的。特别是，相互作用区域(宽度W1与宽度W2相同的剖面附近)需要比其他部分长的锥形长度，因此从输入端口13a和14a到相互作用区域的范围内波导宽度变窄的构造以及从输出端口13b和14b到相互作用区域的范围内波导宽度变窄的构造能够在相互作用区域中提高耦合长度，因此是优选的。
另外，宽度W1以及宽度W2不一定需要相对于光的行进方向线性地变化，也可以构成为在相互作用区域中按更平缓的函数变化。该结构能够使相互作用区域中的锥形长度相对变长，因此是优选的。
另外，PBC1以矩形形状芯体作为前提，但还能够使用能够通过一次蚀刻制作的肋形波导来构成芯体13以及芯体14。但是，在该情况下，芯体侧壁比矩形波导少，因此设为肋部宽度(相当于芯体宽度)时的TE0与TM0的有效折射率的变化量之差变小。
〔第1实施例〕
参照图7～15说明第1实施例的PBC1。在本实施例中，其目的在于，使用PBC1来进行TE0和TM0的偏振复用或者分离。图7是示出本实施例的PBC1的各部的尺寸的概略图。图7中(a)是PBC1的俯视图，(b)是与光的行进方向垂直的面中的PBC1的剖视图。
另外，图8(a)是示出不具备PBC1所具备的芯体14(仅具备芯体113)的矩形形状波导101a的有效折射率以及不具备PBC1所具备的芯体13(仅具备芯体114)的矩形形状波导101b的有效折射率的计算结果的曲线图。矩形形状波导101a以及矩形形状波导101b是本实施例的PBC1的比较例的一个方式。图8(b)是示出具备下部包层111、上部包层112以及所埋设的芯体113(对应于第1芯体)的波导101a的结构的剖视图。图8(c)是示出具备下部包层111、上部包层112以及所埋设的芯体114(对应于第2芯体)的波导101b的结构的剖视图。
图7(b)所示的X在-100至100的范围内变化，从而芯体13的宽度W1以及芯体14的宽度W2相对于光的行进方向线性地变化。具体来说，(1)在A-A’线的位置即输入端口13a以及输入端口14a的位置处，宽度W1是600nm(X＝-100nm)，宽度W2是400nm(X＝-100nm)，(2)在E-E’线的位置即输出端口13b以及输出端口14b的位置处，宽度W1是400nm(X＝100nm)，宽度W2是600nm(X＝100nm)，(3)在C-C’线的位置即输入端口13a(14a)与输出端口13b(14b)的中点的位置处，宽度W1以及宽度W2均是500nm(X＝0nm)。另外，芯体13以及芯体14的高度h设为220nm。
作为下部包层11，使用SOI晶圆的BOX层。
通过利用蚀刻来加工SOI晶圆最上位层的硅(Si)层，制作芯体13以及芯体14。
在制成芯体13以及芯体14之后，以埋设芯体13以及芯体14的方式沉积二氧化硅(SiO2)，从而形成上部包层12。
如上所述，在本实施例中，芯体13以及芯体14是硅制的，下部包层11以及上部包层12是二氧化硅制的。
在本实施例中，计算与光的行进方向垂直的剖面中的TE0和TM0的有效折射率。首先，在芯体13独立存在于下部包层11以及上部包层12中的波导101a(参照图8(b))以及芯体14独立存在于下部包层11以及上部包层12中的波导101b(参照图8(c))中，针对各个波导计算TE0以及TM0的有效折射率。在图8(a)中示出其结果。将光的波长设为1550nm来计算。根据该图8(a)，能够确认在芯体宽度从600nm向400nm变化了200nm的期间，TE0的有效折射率变化了0.35，TM0的有效折射率变化了0.13。即，TE0的有效折射率比TM0的有效折射率更大地变化。这是由于，本实施例的PBC1由特征7所示的相对折射率大的波导构成。在本实施例中，芯体(13、14)与包层(11、12)的相对折射率差约为41％。
此外，在图8(a)中，TE0以及TM0各自的有效折射率之差的绝对值相当于δTE0/(π/λ)、δTM0/(π/λ)，因此，由此能够求出δTE0以及δTM0。
接着，在图9中示出计算如图7(b)所示的剖视图那样的使芯体13与芯体14相邻的PBC1在相对于光的行进方向垂直的剖面中的波导模的有效折射率的结果。在图9中以相同种类的曲线描绘出的曲线图各自连续地相连。在图8(a)中有效折射率交叉的点在图9中通过使芯体13与芯体14以间隔WG＝350nm相邻而相互作用，交点分离。其结果是，以一条曲线连接芯体13的TE0与芯体14的TE0，以另一条曲线连接芯体13的TM0与芯体14的TM0。此时的TE0的有效折射率之差的绝对值相当于：
【数式30】
TM0的有效折射率之差的绝对值相当于：
【数式31】
因此使用它们以及根据图8(a)得到的δTE0以及δTM0，能够求出CTE0以及CTM0。X＝0时的CTE0以及CTM0分别为0.01rad/μm以及0.13rad/μm，TM0的情况下的耦合非常大。这是由于满足特征6、7。如果使用该结果求出式(10)的Zb(TE0)以及式(11)的Zb(TM0)，则分别为470μm以及50μm。因此，可知TM0通过绝热转换向相邻波导移动所需的长度与TM0相比可以非常短。
进而，关于X，分别求出CTE0与δTE0之比(δTE0/CTE0)、CTM0与δTM0之比(δTM0/CTM0)。在图10中示出其结果。该比越小，则芯体13以及芯体14的TE0越高强度地相互作用。在本说明书中，将2以下设为相互作用区域。关于TM0，也与TE0一样。观察图10，在X＝0时，δTE0、δTM0为0，因此可知是最高强度地相互作用。在X＝0的前后，芯体宽度发生了变化，从而δTE0、δTM0增加，其结果是，相互作用减弱。在此，根据特征7(相对折射率差大)，关于使芯体宽度变化时的有效折射率的增加量，与TM0相比在TE0的情况下较大，因此与δTM0/CTM0相比，δTE0/CTE0更急剧地增加。其结果是，相对于整个器件的TE0的相互作用区域(-10＜X＜10)比TM0的相互作用区域(-90＜X＜90)小。因此，可知的是，与TM0相比，TE0更急剧地发生电场分布的变化，因此几乎不发生绝热转换，另一方面，TM0能够高效地进行绝热转换。
为了详细观察以上的结果，对基于图7所示的A-A’线、B-B’线、C-C’线、D-D’线以及E-E’线的剖面中的TE0和TM0的电场分布进行模拟。在图11～图15中示出其结果。在图11～图15的各图中，TE0表示作为主电场分量的Ex，TM0表示作为主电场分量的Ey。TE0#0、TE0#1分别表示使WG1与WG2相邻的剖面的TE偏振波中的有效折射率第1大、第2大的模。同样地，TM0#0、TM0#1分别表示使WG1与WG2相邻的剖面的TM偏振波中的有效折射率第1大、第2大的模。
在TM0中，绝热转换成立，因此几乎不从TM#0或者TM#1中的一方转移向其他波导模。例如，观察图11～图15，在X＝-100时输入到芯体13的TM0按TM0#0的电场分布前进，在X＝100时从芯体14输出。在波导中进行移动是在X＝0附近(参照图13)，在此时的电场分布中，相邻波导的TM0最高强度地相互作用，从而观察到TM0存在于两个波导中。另外，同样地输入到芯体14的TM0按TM0#1的电场分布推进，从而在X＝100处从芯体13输出。
另一方面，TE0几乎不进行绝热转换，因此保持电场局部存在于同一波导的状态被输出。例如，观察图11～图15，在X＝-100时输入到WG1的TE0激发TE0#0的电场分布，但直至X＝-10为止，TE0几乎不向相邻波导移动。在X＝0时，绝热转换不成立，因此激发TE0#0和TE0#1的电场分布这两者。虽然在图中未示出，但TE0#0和TE0#1是被称为偶模和奇模的模，TE0#1的电场分布在宽度方向上反对称。因此，所激发的这2个波导模相重叠，其结果是，形成电场几乎都局部存在于WG1的电场分布。其后，在X＝10、100时，在芯体13的波导中推进，因此TE0不向相邻的波导移动而直接输出。在X＝-100处输入到芯体14的TE0也同样地从芯体14输出。
以上的说明不限于本实施例，关于对TEi和TMj进行处理的本发明的全部内容同样地成立。
〔第2实施方式〕
参照图16说明第2实施方式的PBC1A。PBC1A是在实施方式的PBC1的前级以及后级分别连接弯曲波导部2以及3而成的基板型光波导元件。
如图16所示，设置于PBC1的前级的弯曲波导部2具备第3芯体23以及第4芯体24。第3芯体23是经由PBC1的并行区间的起点与第1芯体13连通的芯体。第4芯体24是经由上述起点与第2芯体14连通的芯体。与第1芯体13以及第2芯体14同样地，第3芯体23以及第4芯体24均是硅制的。因此，第3芯体的折射率以及第4芯体的折射率均与第1芯体13的折射率以及第2芯体14的折射率相同。第3芯体23与第4芯体24的间隔随着从上述起点离开而变大。
第3芯体23的宽度W3与上述起点处的第1芯体13的宽度W1一致。宽度W3优选从作为第3芯体23的一个端部的第3输入端口23a至作为第3芯体23的另一个端部的第3输出端口23b是恒定的。
第4芯体24的宽度W4与上述起点处的第2芯体14的宽度W2一致。宽度W4优选从作为第4芯体24的一个端部的第4输入端口24a至作为第4芯体24的另一个端部的第4输出端口24b是恒定的。
设置于PBC1的后级的弯曲波导部3具备第5芯体33以及第6芯体34。弯曲波导部3是与弯曲波导部2对应的结构。具体来说，第5芯体33对应于第3芯体23，第6芯体34对应于第4芯体24。
第5芯体33是经由PBC1的并行区间的终点与第1芯体13连通的芯体。第6芯体34是经由上述终点与第2芯体14连通的芯体。与第1芯体13以及第2芯体14同样地，第5芯体33以及第6芯体34均是硅制的。因此，第3芯体的折射率以及第4芯体的折射率均与第1芯体13的折射率以及第2芯体14的折射率相同。第5芯体33与第6芯体34的间隔随着从上述终点离开而变大。
第5芯体33的宽度W5与上述终点处的第1芯体13的宽度W1一致。宽度W5优选从作为第5芯体33的一个端部的第5输入端口33a至作为第5芯体33的另一个端部的第5输出端口33b是恒定的。
第6芯体34的宽度W6与上述起点处的第2芯体14的宽度W2一致。宽度W6优选从作为第6芯体34的一个端部的第6输入端口34a至作为第6芯体34的另一个端部的第6输出端口34b是恒定的。
通过连接弯曲波导部2，能够在不使芯体13与芯体14的间隔变宽的情况下使芯体23与芯体24的间隔变宽。另外，通过连接弯曲波导部3，能够在不使芯体13与芯体14的间隔变宽的情况下使芯体33与芯体34的间隔变宽。因此，能够抑制在输入端口23a、输入端口24a、输出端口33b以及输出端口34b处产生不必要的光反射。
另外，由于能够使相邻的芯体13与芯体14逐渐地分隔开，因此能够使TM偏振波的光耦合的强度连续地增强(输入侧)/减弱(输出侧)。由此，能够随着远离输入输出部而使相邻波导的TM偏振波的光耦合的强度减弱，因此TM偏振波能够具有靠向一个波导局部存在的电场分布，能够降低由于残留于另一个波导而产生的损失。
弯曲波导可以连接到WG1、WG2这两者，也可以仅连接到单侧。如图16所示，在对芯体宽度粗的波导端面连接直线波导并对芯体宽度细的波导端面连接弯曲波导的情况下，如果将TM0输入到图16的左上的port，将输入TE0到左下的port，从右下的port得到TE0和TM0的输出，则在用作PBC时，光以最少的次数通过弯曲波导，因此是优选的。特别是在该情况下，与TM0相比，TE0向芯体的光束缚更强，因此设想为TE0通过弯曲波导。
此外，使WG1与WG2接近/分隔开的方法不限于弯曲波导，能够使用任意的曲线形状。
另外，为了至少在WG1、WG2相接近的前级以及WG1、WG2分隔开的后级中的一方低损失地与构成光布线的光波导连接，也可以连接连续地变化到与该光布线相同的芯体宽度的锥形波导。
〔第2实施例〕
列举对应于第2实施方式的图16的实施例。在弯曲波导部2以及3中，作为直线波导部分的第3芯体23以及第6芯体34分别保持在维持第1芯体13的输入端口13a以及第2芯体14的输出端口14b的芯体宽度的状态下延长。作为弯曲波导的第4芯体24以及第5芯体33分别保持在维持第2芯体14的输入端口14a以及第1芯体13的输出端口13b的芯体宽度的状态下延长。芯体24以及芯体33圆弧状地弯曲。
图16的并行区间是与实施例1相同的尺寸。本实施例的PBC1A能够通过与实施例1同样的工艺来制作。以下，也将并行区间记为锥形部，也将并行区间的长度记为锥形长度。
以下，通过模拟，示出本实施例的PBC1A作为PBC而发挥功能。
首先，通过有限差分时间区域法(FDTD)计算在对port1-1输入TM0时从port2-2输出的TM0的损失。在图17中示出其结果。将波长设为1550nm。由此，如果锥形长度是80μm以上，则可知PBC1A的损失为0.01dB以下，绝热转换充分成立。在图18中示出此时(锥形长度＝80μm)的电场进行传输的情形。在图18(a)中示出对port1-1输入TM0时的Ey分量的电场分布。在图18(b)中示出对port1-1输入TE0时的Ex分量的电场分布。根据图18(a)可知，TM0在芯体13的中央附近逐渐地向芯体14移动。另一方面，可知TE0在几乎不向芯体14移动的情况下穿过芯体13。因此，可知能够进行TE0以及TM0中的偏振波分离。
接着，设想将PBC1A用作PBC，通过FDTD计算相对于波长的此时的TE0和TM0的损失以及偏振消光比(PER)。在图19中示出其结果。将锥形长度设为80μm。在图19(a)中示出对port1-1输入TM0并从port2-2输出时的损失(相当于式(1))，在(b)中示出在对port1-1分别输入TE0和TM0时从port2-2输出的各个偏振波的损失比即PER(相当于式(3))，在(c)中示出对port1-2输入TE0并从port2-2输出时的损失(相当于式(2))，在(d)中示出在对port1-2分别输入TE0和TM0时从port2-2输出的各个偏振波的损失比即PER(相当于式(4))。此外，在图19中还一并记载有用于后述的比较的现有技术的结果。
根据图19的结果，可知在包括C频带和L频带的120nm的非常宽的波长范围内，TM0的损失为0.1dB以下，TE0的损失为0.32dB以下，都非常小。另外，可知PER分别为10dB以上，能够将不需要的偏振分量抑制至1/10以下。
接着，通过FDTD计算制造误差的影响。作为制造误差，设想芯体的高度在芯体13和芯体14中都比设计值大出约5％的情况，计算此时的输入到port1-1并从port2-2输出的TM0的损失。关于有制造误差的情况和没有制造误差的情况，在图20中示出结果。根据该结果，可知即使在制造误差的影响下，PBC1A也在120nm的宽的波长范围内具有0.1dB以下的低损失。
〔比较例〕
通过模拟来比较第2实施例与非专利文献2的构造。在图35中示出在比较中使用的现有技术的PBC201的尺寸。为了与第2实施例的PBC1A进行比较，将PBC201的芯体高度、波导间隔以及材料分别设为与PBC1A相同。直线部分的长度以在波长范围1520nm～1640nm内输入到port1-1的TM0的损失的最大值最小的方式确定。另外，在该条件下，芯体宽度以port1-1的PER为与第2实施例相同的程度的方式确定。在图19中示出此时的结果。
根据图19可知，在全部的特性中，PBC1A都超过PBC201。特别是，TM0的损失在PBC201中最大是0.43dB，与此相对地，在PBC1A中最大是0.1dB。即，与现有技术相比，可知PBC1A在较宽的波长范围内具有较高的性能。
进而，计算考虑到与在图20中进行计算时同样的制造误差时的现有技术的性能。在图21中示出结果。在PBC201中，由于制造误差的影响，芯体的大小发生变化，其结果是，TM0的束缚的程度发生变化，因此并行区间中的耦合长度发生变化。因此，如图21所示，损失最小的中心波长偏移，在波长范围1520nm～1640nm内最大损失从0.43dB增加至0.84dB。另一方面，如上所述，PBC1A即使受到相同程度的制造误差的影响，仍维持0.1dB以下的低损失。
〔PBC1A的制作〕
制作本实施例的PBC1A，测定其各种特性。在图22中示出其结果。锥形长度是120μm。在图22(a)中，示出100nm的宽的波长范围内的、对port1-1输入TM0并从port2-2输出时的损失(相当于式(1))，在(b)中示出在对port1-1分别输入TE0和TM0时从port2-2输出的各个偏振波的损失比即PER(相当于式(3))，(c)示出对port1-2输入TE0并从port2-2输出时的损失(相当于式(2))的测定结果。
根据这些结果，证实了TM0的最大损失是0.16dB，能够以非常小的损失进行动作。另外，port1-1的PER是10.6dB以上，是充分大的值。TE0的损失的最大值是0.59dB，可知它们也能够以小的值进行动作。
如上所述，已证实了本实施例的PBC1A具有改进现有技术的问题点的较大的效果。
〔第3实施方式〕
本实施方式的PBC1B对第2实施方式的PBC1A附加了去除不需要的偏振分量的构造即终端部4。例如，在对port1-1输入TEi的情况下，其功率的大部分从port2-1输出。在该TEi是不需要的分量的情况下，需要将port2-1设成光学上的终端。如果没有终端部，则TEi有可能反射而变成返回光，进而，有可能对安装PBC的光电路的性能造成不良影响。另外，在对port1-1输入TMj的情况下，其功率的大部分从port2-2输出，但极小一部分未完全移动到相邻波导的TMj(残留TMj)从port2-1输出。根据同样的理由，优选也去除该残留TMj。
图23(a)是示出PBC1B的结构的俯视图。在此，仅图示PBC1B所具备的芯体。如图23(a)所示，PBC1B在有可能输出不需要的光的port2-1处具备第7芯体43来作为终端部4的芯体。芯体43经由第5芯体33连通到第1芯体13。芯体43的宽度随着沿着光的行进方向从芯体13离开而变小。即，终端部4将作为芯体宽度逐渐变窄的倒锥形波导的芯体43用作光终端。
如果芯体宽度变窄，则向芯体的光束缚变弱，电场的大部分渗出到包层。因此，能够使不需要的光的电场逐渐移动到包层。其结果是，能够抑制反射并发出不需要的光。
此外，在PBC1B中，在利用从第6芯体34的port2-2输出的TMj的前提下，在第5芯体33的port2-1处设置芯体43。但是，在利用从port2-1输出的TEi的情况下，也可以在第6芯体34的port2-2处设置芯体43。
〔变形例〕
参照图23(b)说明第3实施方式的变形例的PBC1C。图23(b)是示出PBC1C的结构的俯视图。在此，仅图示PBC1C所具备的芯体。PBC1C具备终端部4’。终端部4’具备经由第5芯体33连接到第1芯体13的光吸收体43’。
作为光吸收体43’，例如能够使用在芯体中注入掺杂剂而成的P型半导体或者N型半导体。这是由于，由注入到P型半导体以及N型半导体中的掺杂剂引起的自由载流子作为吸收光的光吸收体而发挥功能。另外，作为光吸收体43’，也可以使用由金属或者金属化合物构成的光吸收体。构成光吸收体43’的材料未特别限定，只要是在包括C频带以及L频带的较宽的波长范围内吸收光的材料即可。
〔第4实施方式〕
参照图24说明本实施方式的偏振器件1D。图24是示出偏振器件1D的结构的俯视图。在此，仅图示偏振器件1D所具备的芯体。偏振器件1D是串联连接2个图16所示的PBC1A而成的构造。偏振器件1D还能够表述为是分别具备n组第1芯体13以及第2芯体14的基板型光波导元件。在本实施方式中，将前级的PBC1A记载为PBC1Aa，将后级的PBC1A记载为PBC1Ab。即，从偏振器件的一个端部数起，具备第1组的第1芯体13以及第2芯体14的PBC是PBC1Aa，具备第2组的第1芯体13以及第2芯体14的PBC是PBC1Ab。
PBC1Aa的第2芯体14经由PBC1Aa的第6芯体34以及PBC1Ab的第3芯体23而与PBC1Ab的第1芯体13连通。偏振器件1D作为偏振器件而发挥功能的理由如下所述。
在对PBC1Aa的port1-1输入了TE偏振波以及TM偏振波的情况下，(1)TM偏振波的大部分在PBC1Aa的并行区间中向第2芯体14移动，到达PBC1Aa的port2-2，(2)TE偏振波的大部分直接到达PBC1Aa的port2-1，(3)TE偏振波的一部分在PBC1Aa的并行区间中向第2芯体14移动，到达PBC1Aa的port2-2。
将到达了PBC1Aa的port2-2的(1)TM偏振波的大部分以及(3)TE偏振波的一部分输入到PBC1Ab的port1-1。在该情况下，(4)TM偏振波的大部分在PBC1Ab的并行区间中移动到第2芯体14，从PBC1Ab的port2-2输出，(5)TE偏振波的一部分直接从PBC1Ab的port2-1输出，(6)TE偏振波的一部分中的另外一部分在PBC1Ab的并行区间中移动到第2芯体14，从PBC1Ab的port2-2输出。
如上所述，通过串联连接2个PBC1A，与单独使用PBC1A的情况下的PER相比，偏振器件1D起到提高PER的效果。在本实施方式中，以串联连接2个PBC1A(2组第1芯体13以及第2芯体14)的情况为例进行了说明。但是，偏振器件1D也可以通过将3个以上的PBC1A(2组以上的第1芯体13以及第2芯体14)串联连接而构成。在由n组(n是正的整数)第1芯体13以及第2芯体14构成偏振器件1D的情况下，第i组的第2芯体14构成为与第i+1组的第1芯体13连通。此时，i是整数且1≤i≤n-1。此外，也可以在第i组的芯体14与第i+1组的芯体13之间夹设与芯体13以及14不同的其他芯体。
通过增加构成偏振器件1D的PBC1A的个数，能够进一步提高PER。
〔第5实施方式〕
上述各实施方式的PBC能够用作在非专利文献1中记载的DP-QPSK(DualPolarization-Quadrature Phase Shift Keying，双偏振四相相移键控)调制器所具备的偏振波合束器。在DP-QPSK调制器中，利用在光波导中能够存在TE0和TM0这2个模这一点，在通过TE0使所输入的光分支并分别调制成QPSK信号之后，使单侧的TE0转换成TM0(偏振旋转器)，通过PBC使2个模在同一光波导上进行复用，进行具有与TE0/TM0的两个模独立的QPSK信号的DP-QPSK调制。作为对TE0和TM0进行偏振复用的PBC，能够利用上述各实施方式的PBC1以及PBC1A～1C。
在本实施方式中，参照图25，说明包括第1实施方式的PBC1以作为偏振波合束器的光调制器5。图25是示出这样的光调制器5的结构的框图。
如图25所示，作为DP-QPSK调制器的光调制器5具备(1)对TE0进行QPSK调制的第1QPSK调制器51、(2)对TE0进行QPSK调制的第2QPSK调制器52、(3)将由第2QPSK调制器52调制过的TE0转换成TM0的偏振旋转器53、以及(4)对由第1QPSK调制器51调制过的TE0和通过偏振旋转器53而得到的TM0进行偏振复用的PBC54。
PBC54与图6所示的PBC1同样地构成。对PBC54的第1芯体13的输入端口13a输入上述TM0，对第2芯体14的输入端口14a输入上述TE0。PBC54对上述TM0和上述TE0进行偏振复用，从第2芯体14的输出端口14b输出被偏振复用的TM0以及TE0。
具备PBC54以作为偏振波合束器的光调制器5在包括C频带以及L频带的较宽的波长范围内损失低。因此，能够实现在这些较宽的波长范围内损失低的基于基板型光波导的DP-QPSK调制器。另外，本发明能够通过通常在大多数情况下使用的矩形波导来制作，因此能够与构成DP-QPSK的光布线的光波导一并制作，不需要多余的工艺。
此外，对TE0和TM0进行调制的方式不限于QPSK，即使是具有复杂结构的调制器，也能够使用本发明来进行偏振复用。
〔第6实施方式〕
参照图26说明本实施方式的基板型光波导元件6。图26是示出基板型光波导元件6的结构的框图。如图26所示，除了偏振器件62之外，基板型光波导元件6还具备光斑尺寸转换器61和光学器件63。在本实施方式中，偏振器件62设为与图6中记载的PBC1同样地构成来进行说明。此外，作为偏振器件62，也可以利用上述PBC1A～1C以及偏振器件1D以代替PBC1。
光斑尺寸转换器61将从外部经由光纤、透镜等输入的光的光斑尺寸缩小，输入到偏振器件62的第1芯体13的输入端口13a。作为光斑尺寸转换器61，例如能够利用随着从被输入光的一侧的端部接近于偏振器件62侧的端部而芯体宽度变大的倒锥形波导。
光学器件63例如是对所输入的光进行调制的调制器，或者是仅提取特定的波长的波长滤波器。光学器件63具有偏振依赖性。因此，优选对光学器件63输入TE偏振波或者TM偏振波中的某一方的光。但是，在经过外部的光纤和透镜以及光斑尺寸转换器61的光中，由于光纤、透镜以及光斑尺寸转换器61中的偏振波轴的对准错误等，有可能包含有不期望的偏振分量。
如图26所示，偏振器件62设置于光斑尺寸转换器61(光输入构造)与光学器件63之间。偏振器件62对光学器件63输出从光斑尺寸转换器61输入的光可能包含的TE偏振分量以及TM偏振分量中的对于光学器件63而言优选的偏振分量(TE偏振分量或者TM偏振分量)。
具体来说，光斑尺寸转换器61输出的光经由PBC1的输入端口13a输入到第1芯体13。偏振器件62从第1芯体13的输出端口13b输出TE偏振分量，从第2芯体14的输出端口14b输出TM偏振分量。
在优选TE偏振分量作为输入到光学器件63的光的偏振分量的情况下，光学器件63连接到偏振器件62的第1芯体13的后级即可。对光学器件63输入从第1芯体13输出的TE偏振分量。
另一方面，在优选TM偏振分量作为输入到光学器件63的光的偏振分量的情况下，光学器件63连接到偏振器件62的第2芯体14的后级即可。对光学器件63输入从第2芯体14输出的TM偏振分量。
如上所述，通过在形成于同一基板上的光斑尺寸转换器61与光学器件63之间设置偏振器件62，能够仅将对于光学器件63而言优选的偏振分量输入到光学器件63。偏振器件62能够通过与制作光斑尺寸转换器61以及光学器件63的工艺相同的工艺来制作。换言之，无需追加用于对光斑尺寸转换器61以及光学器件63追加偏振器件62的特别工艺，就能够制作基板型光波导元件6。另外，基板型光波导元件6具备与PBC1同样地构成的偏振器件62，因此能够在较宽的波长范围内保持低损失地抑制不优选的偏振分量对光学器件63造成的不良影响。
〔第7实施方式〕
参照图27以及图28说明第7实施方式的PBC100。在本实施方式中，与第1实施方式同样地，其目的也在于使用PBC100来进行TE0和TM0的偏振复用或者分离。图27是示出本实施方式的肋形波导的基本形状的剖视图。图28中(a)是PBC100的俯视图，(b)～(d)分别是(a)所示的A-A’线、B-B’线以及C-C’线处的PBC100的剖视图。
(肋形波导的基本构造)
如图27所示，肋形波导构成为具备配置于下部包层110上的芯体150以及以与下部包层110一起夹着芯体150的方式层叠于芯体150上的上部包层120这3层构造。芯体150具备以覆盖下部包层110的整个上表面的方式形成的薄板状的板片160以及相对于板片160隆起的肋部130。肋部130的剖面形状如图27中虚线所示呈长方形。
为了制作PBC100，例如将SOI晶圆的由SiO2构成的BOX层设为下部包层110，蚀刻SOI晶圆最上位层的Si层而使肋部130以及板片160残留，从而形成芯体150。其后，以覆盖芯体150的方式形成由SiO2构成的上部包层120。此外，上部包层120也可以是空气。图6所示的矩形波导与肋形波导的差异在于，在肋形波导中，在蚀刻芯体时使芯体残留在肋部的两侧，从而形成厚度比肋部薄的板片这一点。
(由肋形波导构成的PBC的构造)
接下来，参照图28，说明由上述肋形波导构成的本发明的一个方式的PBC100的构造。如图28(a)、(b)所示，PBC100具备被下部包层110与上部包层120夹着的第1肋部130和第2肋部140。第1肋部130与第2肋部140沿着PBC100中的光的行进方向呈并列状地形成，在第1肋部130与第2肋部140之间保持宽度WG的恒定间隔。如图28(d)所示，在第1肋部130以及第2肋部140的各两侧存在上述板片160，通过第1肋部130、第2肋部140以及板片160的整体来构成上述芯体150。
在考虑到PBC100中的与光的行进方向垂直的剖面的情况下，在图28(a)所示的并行区间的起点处的A-A’线所示的剖面、并行区间的中央处的B-B’线所示的剖面以及并行区间的终点处的C-C’线所示的剖面的任一个剖面中，板片160的宽度W都与下部包层110以及上部包层120的宽度W(即SOI基板的宽度)相等，是恒定的。换言之，在下部包层110的表面中，在除去形成有第1肋部130以及第2肋部140的区域之外的全部区域形成有板片160。根据该结构，能够通过1次蚀刻而形成第1肋部130以及第2肋部140。
其中，如图28(a)所示，也可以将板片160的宽度设为比上述宽度W窄的宽度Wp。换言之，板片160也可以形成于包括第1肋部130以及第2肋部140的由宽度Wp限定的区域。为了形成第1肋部130以及第2肋部140而实施2次蚀刻，从而能够以限定于宽度Wp的区域的方式形成板片160。
关于第1肋部130以及第2肋部140的折射率与下部包层110以及上部包层120的各折射率的关系、第1肋部130宽度W1以及高度h1、第2肋部140的宽度W2以及高度h2，与在第1实施方式中参照图6说明的PBC1相同。
在将PBC100用作锥形化定向耦合器的情况下，对芯体130的输入端口130a入射TM0偏振波，对芯体140的输入端口140a入射TE0偏振波。芯体140从输出端口140b射出TE0偏振波和从芯体130移动来的TM0偏振波。在将PBC100用作针对TM0的偏振器件的情况下，例如在对输入端口130a输入了TE0和TM0的情况下，能够从输出端口140b仅提取其中的TM0。另外，在将PBC100用作针对TE0的偏振器件的情况下，例如在对输入端口130a输入了TE0和TM0的情况下，能够从输出端口130b仅提取其中的TEi。
(关于PBC100的特征)
在PBC1中，将上述特征1～7作为为了实现本发明的目的的充分必要条件。然而，在由肋形波导构成PBC的情况下，特征1需要置换成以下的特征1’。
特征1’：2个波导WG1以及WG2构成为肋形波导。
上述特征1的效果由于“能够制作基板型光波导”这一点，因此即使如特征1’那样将矩形波导置换成肋形波导，对于带来上述效果的功能性也没有问题。
另外，将其他上述特征2～6中的“芯体13”、“芯体14”分别置换为“肋部130”、“肋部140”，将特征7的“芯体13以及芯体14”置换为芯体150整体，从而本领域技术人员能够容易理解可以得到与上述特征2～7所起到的效果同样的效果。
对于基于上述特征1’的进一步的效果进行补充。在矩形波导中，为了形成芯体，通过蚀刻削去芯体的侧面。此时，由于加工精度的问题，产生芯体宽度沿着光的行进方向不连续地变动的被称为“侧壁粗糙”的现象。即，在芯体的侧壁产生不连续部分。其结果是，在该不连续部分进行导波的光发生散射，因此产生损失。另一方面，在肋形波导中，形成有具有预定厚度的板片。板片的侧壁形成于从作为光导波的区域的肋部充分离开的位置，因此板片的侧壁粗糙不会使导波的光发生散射。即，与矩形波导相比，肋形波导使导波的光发生散射的侧壁部分的比例较小，因此能够减少该损失。另外，还能够更高精度地实现在上述特征5中需要的波导宽度(芯体宽度)的连续性，根据该观点，也能够降低损失。根据以上所述，通过使用肋形波导，能够降低由于加工精度的影响而产生的光的损失。
〔第8实施方式〕
参照图29以及图30说明第8实施方式的PBC100A。在本实施方式中，与第1实施方式同样地，其目的也在于使用PBC100A来进行TE0和TM0的偏振复用或者分离。图29(a)是示出本实施方式的脊形波导的制作方法的剖视图，(b)是示出脊形波导的基本形状的剖视图。图30中(a)是示出包括第8实施方式的上述脊形波导的PBC100A的结构的俯视图，(b)～(d)是(a)所示的A-A’线、B-B’线以及C-C’线处的PBC100A的剖视图。
(脊形波导的基本构造)
如图29(b)所示，脊形波导具备如下的使下部包层110A的上表面的一部分以剖面呈矩形形状的方式隆起而成的下部包层肋部110a，并具有在下部包层肋部110a上依次层叠芯体150A以及上部包层120A而成的构造。芯体150A以及上部包层120A以与下部包层肋部110a相同的宽度层叠。下部包层肋部110a、芯体150A以及上部包层120A整体构成在下部包层110A的上表面隆起的脊部130A。
为了制作PBC100A，如图29(a)所示，例如以由InP构成的下部包层以及上部包层夹着由InGaAsP构成的芯体的方式呈层状地形成下部包层、芯体以及上部包层。其后，使具有期望的芯体宽度的芯体的一部分残留，并且以使下部包层肋部110a形成于下部包层的上表面的方式蚀刻上部包层、芯体以及下部包层。
在蚀刻后的区域即脊部130A的两侧的区域中，可以充满空气等气体，也可以用树脂或者半导体等填埋。这样，通过将波导形成为脊形波导，即使在上部包层120A以及下部包层110A与芯体150A的相对折射率差小的情况下，也能够提高着眼于宽度方向时的相对折射率差。例如，在通过InP(折射率3.17)形成上部包层120A以及下部包层110A并将芯体150A设为InGaAsP(折射率3.47)的情况下，相对折射率差为0.08(8％)。但是，在对蚀刻后的区域设置空气(折射率1)的情况下，能够将宽度方向的相对折射率差大幅提高到0.46(46％)。
通过采用脊形波导以代替矩形波导或者肋形波导，即使在采用芯体针对包层的相对折射率差小的组合例如由InGaAsP构成的芯体150与由InP构成的包层110A、120A的组合的情况下，也能够增强向宽度方向的光的束缚。
(由脊形波导构成的PBC的构造)
接下来，参照图30，说明由上述脊形波导构成的本发明的一个方式的PBC100A的构造。如图30(a)～(d)所示，PBC100A在下部包层110A上具备在光的行进方向上并列的脊部130A以及脊部140A。脊部140A的结构与图29(b)所示的脊部130A的结构相同，下部包层110A与脊部130A以及脊部140A相同。在脊部130A与脊部140A之间设置恒定的间隔。换言之，脊部130A以及脊部140A的相对的侧壁彼此隔出恒定的间隔地平行。
(关于PBC100A的特征)
在PBC100A中，关于针对上述特征1～7中的特征7说明的相对折射率差，需要进行变更。在上述PBC1中，关于由式(5)定义的相对折射率差，将下部包层11以及上部包层12的折射率分别设为Ncl1以及Ncl2，将折射率最大的材料的折射率设为Ncl。与此相对地，在PBC100A中，以“在将填充于脊部130A(WG1)的芯体与脊部140A(WG2)的芯体之间的间隙(蚀刻区域)的材料的折射率设为Nb时，Ncl为Nb。”的方式重新定义Ncl。
该理由如下所述。在本发明中，利用如下这一点：与TMj相比，TEi向相邻波导的光耦合较小。光耦合根据从一个波导向另一个波导渗出的光的量来确定。因此，通过增大2个波导之间的区域与芯体的相对折射率差，针对从一个波导向另一个波导的方向，能够增强光束缚，能够得到本发明的效果。此时，关于Ncl，承担本质作用的是2个波导之间的区域的材料，因此将Ncl的值视为Nb是适当的。
如果使用脊形波导，则产生如下的较大的优点。即，在芯体与上部包层以及下部包层的相对折射率差小的情况即采用矩形波导或者肋形波导的情况下，无法将光充分束缚于芯体。与此相对地，在脊形波导中，仅通过对矩形波导的制成工序追加蚀刻工序，就能够将光充分束缚于芯体。此外，能够将芯体与存在于芯体的两侧的介质(例如，空气等气体、树脂或者半导体等)的相对折射率差设定得较大。因此，能够减小芯体150的弯曲半径，因此能够减小器件尺寸或者提高器件的集成度。
〔变形例(1)〕
参照图31说明第8实施方式的变形例(1)的PBC100B。图31(a)是示出包括作为第8实施方式的一个变形例的脊形波导的PBC的结构的俯视图，(b)～(d)是(a)所示的A-A’线、B-B’线以及C-C’线处的上述PBC的剖视图。
如图31(a)～(d)所示，也可以利用保护材料170填埋脊部130A以及脊部140A的各两侧中的不存在相邻波导的一侧。由此，能够防止灰尘附着于在蚀刻后暴露出的脊部130A以及脊部140A的侧壁以及下部包层110A的上表面等。作为构成保护材料170的材料，需要使用折射率比构成脊形波导的芯体的材料小的材料，例如能够使用二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)等。
〔变形例(2)〕
参照图32(a)说明第8实施方式的变形例(2)的PBC100C。图32(a)是在与图30(a)所示的A-A’线相同的位置将PBC100C剖切的情况下的PBC100C的剖视图。
具备图6(b)所示的矩形波导的PBC1与PBC100C的结构上的差异在于，在PBC1中在下部包层11上并列的芯体13与芯体14之间的间隙中形成有在PBC1的高度方向上贯通的槽。形成于PBC100C的槽180从上部包层120C的上表面贯通相邻的芯体130C与芯体140C之间的间隙，到达下部包层110C的高度方向的中途位置。
在制作PBC100C的情况下，如在图30(a)中的肋部130A以及肋部140A的俯视时的轮廓所示，在下部包层110C上以俯视时的形状为平行四边形的方式形成芯体150C的层。该平行四边形为将相对的2条短边分别对位到图30(a)所示的并行区间的起点以及终点而得到的形状。接下来，以埋设芯体150C的方式在下部包层110C上层叠上部包层120C。在这样将下部包层110C、芯体150C以及上部包层120C层叠3层之后，在PBC100C的宽度的中央附近，从上部包层120C的上表面按上述宽度WG(图28(b))进行蚀刻，从而形成上述槽180。通过该槽180，芯体150C被分离成例如被入射TM偏振波的芯体130C以及被入射TE偏振波的芯体140C。
PBC100C的蚀刻的区域是1处，因此与蚀刻的区域为3处的PBC100A相比，能够通过更简易的工序来制作PBC100C，而且PBC100C能够得到与PBC100A等同的效果。
〔变形例(3)〕
参照图32(b)说明第8实施方式的变形例(3)的PBC100D。图32(b)是在与图30(a)所示的A-A’线相同的位置将PBC100D剖切的情况下的PBC100D的剖视图。
PBC100D具备与图27所示的芯体150同样地将上述PBC100C的芯体150C置换成具备板片以及肋部的芯体150D而成的结构。
在制作PBC100D时，如图32(b)所示，在下部包层110D上以肋部的俯视时的形状为平行四边形的方式形成芯体150D的层。该平行四边形为将相对的2条短边分别对位到图30(a)所示的并行区间的起点以及终点而得到的形状。接下来，以与下部包层110D一起夹着芯体150D的方式层叠上部包层120D。在这样将下部包层110D、芯体150D以及上部包层120D层叠3层之后，在PBC100D的宽度的中央附近，从上部包层120D的上表面按上述宽度WG(图28(b))进行蚀刻，从而形成上述槽180。通过该槽180，芯体150D的肋部被分离成例如被入射TM偏振波的肋部130D以及被入射TE偏振波的肋部140D。
PBC100D能够得到与PBC100C等同的效果。
〔附记事项〕
为了解决上述课题，本发明的一个方式涉及一种基板型光波导元件，具备：下部包层，且折射率是Ncl1；第1芯体和第2芯体，形成在上述下部包层上，且折射率是Nco，其中Nco＞Ncl1；以及上部包层，以埋设上述第1芯体和上述第2芯体的方式层叠在上述下部包层上，折射率是Ncl2，其中Nco＞Ncl2，上述基板型光波导元件的特征在于，在将不存在上述第2芯体的情况下的上述第1芯体中的TE偏振波以及TM偏振波的有效折射率分别设为NTE＠WG1以及NTM＠WG1，将不存在上述第1芯体的情况下的上述第2芯体中的TE偏振波以及TM偏振波的有效折射率分别设为NTE＠WG2以及NTM＠WG2，(A)上述有效折射率NTE＠WG1、NTM＠WG1、NTE＠WG2、NTM＠WG2分别作为从上述第1芯体与上述第2芯体彼此并行的并行区间的起点起的距离的函数而连续，(B)上述有效折射率NTE＠WG1、NTM＠WG1在整个上述并行区间中满足NTE＠WG1＞NTM＠WG1，(C)上述有效折射率NTE＠WG2、NTM＠WG2在整个上述并行区间中满足NTE＠WG2＞NTM＠WG2，(D)上述有效折射率NTM＠WG1与上述有效折射率NTM＠WG2的大小关系在上述并行区间的起点与终点处逆转，(E)在将上述下部包层的折射率Ncl1与上述上部包层的折射率Ncl2中的较大的折射率设为Ncl时，由下式(a)定义的相对折射率差是0.25以上。
【数式5】
本发明的一个方式的基板型光波导元件满足上述条件(A)以及(D)，因此输入到上述第1芯体的一个端部的TM偏振波在上述并行区间中绝热地移动到上述第2芯体，从上述第2芯体的另一个端部输出。
另外，在本发明的一个方式的基板型光波导元件中，由于满足上述条件(B)以及(C)，因此在TM偏振波的光耦合的强度与TE偏振波的光耦合的强度之间产生差，由于满足上述条件(E)，因此该差充分大。因此，输入到上述第2芯体的一个端部的TE偏振波的大部分不移动到上述第1芯体而从上述第2芯体的另一个端部输出。
即，根据本发明的一个方式，能够实现TM偏振波的损失较小且偏振消光比较高的基板型光波导元件。
具有上述的功能的上述基板型光波导元件作为(a)对TE偏振波和TM偏振波进行偏振复用的偏振波合束器、(b)对TE偏振波和TM偏振波进行偏振分离的偏振分束器、(c)从TE偏振波和TM偏振波混合存在的光仅提取一方的偏振分量的偏振器件而发挥功能，能够在较宽的波长范围内将TM偏振波的损失抑制得较低。
另外，上述基板型光波导元件是具备上述下部包层、形成于上述下部包层上的上述第1芯体以及上述第2芯体以及以埋设这些芯体的方式层叠于上述下部包层上的上述上部包层这样的简易结构，因此能够使用普遍确立的制造工艺来简易地制造。
如上所述，上述基板型光波导元件能够提供在较宽的波长范围内将TM偏振波的损失抑制得较低且容易制造的基板型光波导元件。
另外，在本发明的一个方式的基板型光波导元件中，优选的是，上述第1芯体和上述第2芯体是与光的行进方向正交的剖面呈矩形形状的芯体，上述第1芯体的高度以及上述第2芯体的高度是共同的，上述第1芯体的宽度W1以及上述第2芯体的宽度W2作为从上述并行区间的起点起的距离的函数而连续，上述宽度W1与上述宽度W2的大小关系在上述并行区间的起点与终点处逆转。
根据上述结构，起到与上述基板型光波导元件同样的效果。另外，根据上述结构，上述第1芯体与上述第2芯体的高度相等，因此能够通过1次蚀刻来制成这2个芯体。因此，工艺变简易，能够实现低成本化以及高成品率化。
另外，在本发明的一个方式的基板型光波导元件中，优选的是，上述上部包层与上述下部包层由共同的材质构成，上述第1芯体的宽度W1以及上述第2芯体的宽度W2分别大于上述第1芯体和上述第2芯体的共同的高度，在上述第1芯体和上述第2芯体中，作为上述TE偏振波对TE0偏振波进行导波，作为上述TM偏振波对TM0偏振波进行导波。
根据上述结构，起到与上述基板型光波导元件同样的效果。
另外，在本发明的一个方式的基板型光波导元件中，优选的是，上述第1芯体和上述第2芯体由硅制成，上述下部包层以及上述上部包层由二氧化硅制成。
根据上述结构，上述基板型光波导元件能够将SOI(Silicon-On-Insulator)晶圆作为基板，利用现有的CMOS工艺来制造。因此，能够容易地制造上述基板型光波导元件。另外，上述基板型光波导元件实现较大的相对折射率差。
另外，在本发明的一个方式的基板型光波导元件中，优选的是，
在由下式(b)定义Wupper时，上述第1芯体的宽度W1以及上述第2芯体的宽度W2分别满足W1＜Wupper以及W2＜Wupper，其中h是上述第1芯体与上述第2芯体的共同的高度，e是自然常数。
【数式6】
Wupper＝{0.868224×[loge(h)]4·21.265613×[loge(h)]3+195.780964×[loge(h)]2
-802.242303×loge(h)+1236.45521}×h (b)
如果使宽度W1或者宽度W2逐渐增大，则TE0偏振波的有效折射率非偶然性地变大，且与TM0偏振波的有效折射率之差扩大。但是，在宽度W1或者宽度W2变成Wupper以上的情况下，TM0偏振波的有效折射率与TE1的有效折射率的大小关系逆转，其结果是，TM0偏振波与TE1偏振波相互作用的可能性变高。即，使得产生因TM0偏振波的一部分转换成TE1偏振波引起的TM0偏振波的过度损失的可能性提高。
另一方面，根据上述结构，TM0偏振波的有效折射率与TE1偏振波的有效折射率的大小关系不会逆转，因此能够抑制TM0偏振波与TE1偏振波相互作用的可能性。因此，能够抑制TM0偏振波的过度损失。
另外，在本发明的一个方式的基板型光波导元件中，优选的是，还具备：第3芯体，经由上述并行区间的起点或者终点与上述第1芯体连通，且折射率是Nco；以及第4芯体，折射率是Nco，并且，(1)在上述第3芯体经由上述并行区间的起点与上述第1芯体连通的情况下，上述第4芯体经由上述并行区间的起点与上述第2芯体连通，(2)在上述第3芯体经由上述并行区间的终点与上述第1芯体连通的情况下，上述第4芯体经由上述并行区间的终点连通到上述第2芯体，上述第3芯体与上述第4芯体的间隔构成为，(1)在上述第3芯体经由上述并行区间的起点与上述第1芯体连通的情况下，随着远离上述并行区间的起点而变大，(2)在上述第3芯体经由上述并行区间的终点与上述第1芯体连通的情况下，随着远离上述并行区间的终点而变大。
根据上述结构，在对上述第1芯体连接其他波导的情况下，在上述第1芯体与上述其他波导之间夹设上述第3芯体，从而能够顺利地连接上述第1芯体与上述其他波导。同样地，在对上述第2芯体连接其他波导的情况下，在上述第2芯体与上述其他波导之间夹设上述第4芯体，从而能够顺利地连接上述第2芯体与上述其他波导。因此，能够抑制伴随着上述连接而产生无用的反射的可能性。
另外，根据上述结构，能够使2个相邻的芯体逐渐分隔开，因此能够使TM偏振波的光耦合的强度连续地增强(输入侧)/减弱(输出侧)。由此，随着远离输入输出部，能够使相邻波导的TM偏振波的光耦合的强度减弱，因此TM偏振波能够具有靠向一个波导局部存在的电场分布，能够降低由于残留于另一个波导而产生的损失。
另外，在本发明的一个方式的基板型光波导元件中，优选的是，还具备第5芯体，该第5芯体连通到上述第1芯体或者上述第2芯体，且折射率是Nco，上述第5芯体的宽度随着远离上述第1芯体而变小。
根据上述结构，从上述第1芯体或者上述第2芯体输入到上述第5芯体的光在该第5芯体中传输的过程中漏出到上述下部包层或者上述上部包层。因此，能够抑制从上述第1芯体或者上述第2芯体输入到上述第5芯体的光再次返回到上述并行区间。
另外，本发明的一个方式的基板型光波导元件也可以具备连接到上述第1芯体或者上述第2芯体的光吸收体。
根据上述结构，从上述第1芯体或者上述第2芯体输入到上述光吸收体的光被该光吸收体吸收。因此，能够抑制从上述第1芯体或者上述第2芯体输入到上述光吸收体的光再次返回到上述并行区间。
另外，本发明的一个方式涉及一种基板型光波导元件，具备n组上述第1芯体和n组上述第2芯体，优选的是，将从该基板型光波导元件的一个端部数起的第i组的上述第2芯体构成为与第i+1组的上述第1芯体连通，其中i是整数且1≤i≤n-1。
根据上述结构，能够实现偏振消光比较高的偏振器件。
另外，在本发明的一个方式的基板型光波导元件中，优选的是，构成为还具备：第1光调制器，对TE偏振波进行调制；第2光调制器，对TE偏振波进行调制；以及偏振旋转器，将从上述第2光调制器输出的TE偏振波转换成TM偏振波，对上述第1芯体输入从上述偏振旋转器输出的TM偏振波，对上述第2芯体输入从上述第1光调制器输出的TE偏振波。
根据上述结构，能够实现在较宽的波长范围内损失低的光调制器。
另外，在本发明的一个方式的基板型光波导元件中，优选的是，构成为还具备光输入构造和光学器件，上述光输入构造将从外部输入的光的光斑尺寸缩小并向上述第1芯体输入，上述第1芯体将输入到上述第1芯体的光的TE偏振分量输出，上述第2芯体将输入到上述第1芯体的光的TM偏振分量输出，对上述光学器件输入从上述第1芯体输出的TE偏振分量或者从上述第2芯体输出的TM偏振分量。
根据上述结构，即使在上述光输入构造中产生对于上述光学器件而言不优选的偏振分量的情况下，也能够仅将从上述第1芯体输出的TE偏振分量或者从上述第2芯体输出的TM偏振分量输入到上述光学器件。上述光输入构造以及上述光学器件能够在与该基板型光波导元件相同的基板上通过相同的制造工艺来制造，因此能够容易地制造。
为了解决上述课题，本发明的一个方式涉及一种基板型光波导元件的制造方法，该基板型光波导元件具备：下部包层，折射率是Ncl1；第1芯体和第2芯体，形成在上述下部包层上，且折射率是Nco，其中Nco＞Ncl1；以及上部包层，以埋设上述第1芯体和上述第2芯体的方式层叠在上述下部包层上，且折射率是Ncl2，其中Nco＞Ncl2，上述基板型光波导元件的制造方法的特征在于，在将不存在上述第2芯体的情况下的上述第1芯体中的TE偏振波以及TM偏振波的有效折射率分别设为NTE＠WG1以及NTM＠WG1，将不存在上述第1芯体的情况下的上述第2芯体中的TE偏振波以及TM偏振波的有效折射率分别设为NTE＠WG2以及NTM＠WG2时，包括形成满足以下条件(1)～(4)的上述第1芯体和上述第2芯体的芯体形成工序。
(1)上述有效折射率NTE＠WG1、NTM＠WG1、NTE＠WG2、NTM＠WG2分别作为从上述第1芯体与上述第2芯体彼此并行的并行区间的起点起的距离的函数而连续，
(2)上述有效折射率NTE＠WG1、NTM＠WG1在整个上述并行区间中满足NTE＠WG1＞NTM＠WG1，上述有效折射率NTE＠WG2、NTM＠WG2在整个上述并行区间中满足NTE＠WG2＞NTM＠WG2，
(3)上述有效折射率NTM＠WG1与上述有效折射率NTM＠WG2的大小关系在上述并行区间的起点与终点处逆转，
(4)在将上述下部包层的折射率Ncl1与上述上部包层的折射率Ncl2中的较大的折射率设为Ncl时，由下式(a)定义的相对折射率差是0.25以上。
【数式7】
根据上述结构，上述基板型光波导元件的制造方法起到与上述基板型光波导元件同样的效果。
本发明不限定于上述各实施方式，在权利要求所示的范围内能够进行各种变更，将不同的实施方式中各自公开的技术手段适当组合而得到的实施方式也包括在本发明的技术范围内。
产业上的可利用性
本发明能够用于在光纤通信中使用的基板型光波导元件，更具体地说，能够用于进行偏振波的复用、分离或者去除的基板型光波导元件。
标号说明
1、1A、1B、1C PBC(偏振波合束器、基板型光波导元件)
11 下部包层
12 上部包层
13 第1芯体
14 第2芯体
23 第3芯体
24 第4芯体
33 第5芯体(第3芯体)
34 第6芯体(第4芯体)
43 第7芯体(第5芯体)
43’ 光吸收体
1D 偏振器件(基板型光波导元件)
5 光调制器(基板型光波导元件)
51 第1QPSK调制器(第1光调制器)
52 第2QPSK调制器(第2光调制器)
53 偏振旋转器
54 PBC(偏振波合束器)
6 基板型光波导元件
61 光斑尺寸转换器(光输入构造)
62 偏振器件
63 光学器件
100、100A、100B、100C、100D PBC(偏振波合束器、基板型光波导元件)
110、110A、110C、110D 下部包层
120、120A、120C、120D 上部包层
130、130D 肋部
130C 芯体
140C 芯体
140、140D 肋部
130A 脊部
140A 脊部。

Claims (13)

1.一种基板型光波导元件，具备：
下部包层，折射率是Ncl1；
第1芯体和第2芯体，形成在所述下部包层上，且折射率是Nco，其中Nco＞Ncl1；以及
上部包层，以埋设所述第1芯体和所述第2芯体的方式层叠在所述下部包层上，且折射率是Ncl2，其中Nco＞Ncl2，
所述基板型光波导元件的特征在于，
在将不存在所述第2芯体的情况下的所述第1芯体中的TE偏振波以及TM偏振波的有效折射率分别设为NTE＠WG1以及NTM＠WG1，将不存在所述第1芯体的情况下的所述第2芯体中的TE偏振波以及TM偏振波的有效折射率分别设为NTE＠WG2以及NTM＠WG2时，
所述有效折射率NTE＠WG1、NTM＠WG1、NTE＠WG2、NTM＠WG2分别作为从所述第1芯体与所述第2芯体彼此并行的并行区间的起点起的距离的函数而连续，
所述有效折射率NTE＠WG1、NTM＠WG1在整个所述并行区间中满足NTE＠WG1＞NTM＠WG1，所述有效折射率NTE＠WG2、NTM＠WG2在整个所述并行区间中满足NTE＠WG2＞NTM＠WG2，
所述有效折射率NTM＠WG1与所述有效折射率NTM＠WG2的大小关系在所述并行区间的起点与终点处逆转，
在将所述下部包层的折射率Ncl1与所述上部包层的折射率Ncl2中的较大的折射率设为Ncl时，由下式(a)定义的相对折射率差是0.25以上，
【数式1】
2.根据权利要求1所述的基板型光波导元件，其特征在于，
所述第1芯体和所述第2芯体是与光的行进方向正交的剖面呈矩形形状的芯体，
所述第1芯体的高度以及所述第2芯体的高度是共同的，
所述第1芯体的宽度W1以及所述第2芯体的宽度W2作为从所述并行区间的起点起的距离的函数而连续，
所述宽度W1与所述宽度W2的大小关系在所述并行区间的起点与终点处逆转。
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，
所述上部包层与所述下部包层由共同的材质构成，
所述第1芯体的宽度W1以及所述第2芯体的宽度W2分别大于所述第1芯体和所述第2芯体的共同的高度，
在所述第1芯体和所述第2芯体中，作为所述TE偏振波对TE0偏振波进行导波，作为所述TM偏振波对TM0偏振波进行导波。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的基板型光波导元件，其特征在于，
所述第1芯体和所述第2芯体由硅制成，
所述下部包层以及所述上部包层由二氧化硅制成。
5.根据权利要求4所述的基板型光波导元件，其特征在于，
在由下式(b)定义Wupper时，
所述第1芯体的宽度W1以及所述第2芯体的宽度W2分别满足W1＜Wupper以及W2＜Wupper，
【数式2】
Wupper＝{0.868224×[loge(h)]4·21.265613×[loge(h)]3+195.780964×[loge(h)]2
-802.242303×loge(h)+1236.45521}×h (b)
其中h是所述第1芯体与所述第2芯体的共同的高度，e是自然常数。
6.根据权利要求1～5中的任一项所述的基板型光波导元件，其特征在于，还具备：
第3芯体，经由所述并行区间的起点或者终点与所述第1芯体连通，且折射率是Nco；以及
第4芯体，折射率是Nco，并且，(1)在所述第3芯体经由所述并行区间的起点与所述第1芯体连通的情况下，所述第4芯体经由所述并行区间的起点与所述第2芯体连通，(2)在所述第3芯体经由所述并行区间的终点与所述第1芯体连通的情况下，所述第4芯体经由所述并行区间的终点连通到所述第2芯体，
所述第3芯体与所述第4芯体的间隔构成为：(1)在所述第3芯体经由所述并行区间的起点与所述第1芯体连通的情况下，所述间隔随着远离所述并行区间的起点而变大，(2)在所述第3芯体经由所述并行区间的终点与所述第1芯体连通的情况下，所述间隔随着远离所述并行区间的终点而变大。
7.根据权利要求1～6中的任一项所述的基板型光波导元件，其特征在于，
还具备第5芯体，该第5芯体连通到所述第1芯体或者所述第2芯体，且折射率是Nco，
所述第5芯体的宽度随着远离所述第1芯体而变小。
8.根据权利要求1～6中的任一项所述的基板型光波导元件，其特征在于，
还具备连接到所述第1芯体或者所述第2芯体的光吸收体。
9.一种基板型光波导元件，具备n组权利要求1～8中的任一项所述的所述第1芯体、和n组权利要求1～8中的任一项所述的所述第2芯体，
所述基板型光波导元件的特征在于，
从该基板型光波导元件的一个端部数起的第i组的所述第2芯体与第i+1组的所述第1芯体连通，其中i是整数且1≤i≤n-1。
10.根据权利要求1～8中的任一项所述的基板型光波导元件，其特征在于，还具备：
第1光调制器，对TE偏振波进行调制；
第2光调制器，对TE偏振波进行调制；以及
偏振旋转器，将从所述第2光调制器输出的TE偏振波转换成TM偏振波，
对所述第1芯体输入从所述偏振旋转器输出的TM偏振波，对所述第2芯体输入从所述第1光调制器输出的TE偏振波。
11.根据权利要求1～9中的任一项所述的基板型光波导元件，其特征在于，
还具备光输入构造和光学器件，
所述光输入构造将从外部输入的光的光斑尺寸缩小并向所述第1芯体输入，
所述第1芯体将输入到所述第1芯体的光的TE偏振分量输出，所述第2芯体将输入到所述第1芯体的光的TM偏振分量输出，
对所述光学器件输入从所述第1芯体输出的TE偏振分量或者从所述第2芯体输出的TM偏振分量。
12.一种基板型光波导元件的制造方法，该基板型光波导元件具备：下部包层，折射率是Ncl1；第1芯体和第2芯体，形成在所述下部包层上，且折射率是Nco，其中Nco＞Ncl1；以及上部包层，以埋设所述第1芯体和所述第2芯体的方式层叠在所述下部包层上，且折射率是Ncl2，其中Nco＞Ncl2，
所述基板型光波导元件的制造方法的特征在于，
在将不存在所述第2芯体的情况下的所述第1芯体中的TE偏振波以及TM偏振波的有效折射率分别设为NTE＠WG1以及NTM＠WG1，将不存在所述第1芯体的情况下的所述第2芯体中的TE偏振波以及TM偏振波的有效折射率分别设为NTE＠WG2以及NTM＠WG2时，
包括形成满足以下条件(1)～(4)的所述第1芯体和所述第2芯体的芯体形成工序：
(1)所述有效折射率NTE＠WG1、NTM＠WG1、NTE＠WG2、NTM＠WG2分别作为从所述第1芯体与所述第2芯体彼此并行的并行区间的起点起的距离的函数而连续，
(2)所述有效折射率NTE＠WG1、NTM＠WG1在整个所述并行区间中满足NTE＠WG1＞NTM＠WG1，所述有效折射率NTE＠WG2、NTM＠WG2在整个所述并行区间中满足NTE＠WG2＞NTM＠WG2，
(3)所述有效折射率NTM＠WG1与所述有效折射率NTM＠WG2的大小关系在所述并行区间的起点与终点处逆转，
(4)在将所述下部包层的折射率Ncl1与所述上部包层的折射率Ncl2中的较大的折射率设为Ncl时，由下式(a)定义的相对折射率差是0.25以上，
【数式3】
13.一种基板型光波导元件，具备：
下部包层，折射率是Ncl1；
第1芯体和第2芯体，形成在所述下部包层上，且折射率是Nco，其中Nco＞Ncl1；以及
上部包层，以埋设所述第1芯体和所述第2芯体的方式层叠在所述下部包层上，且折射率是Ncl2，其中Nco＞Ncl2，
所述基板型光波导元件的特征在于，
在将不存在所述第2芯体的情况下的所述第1芯体中的TE偏振波以及TM偏振波的有效折射率分别设为NTE＠WG1以及NTM＠WG1，将不存在所述第1芯体的情况下的所述第2芯体中的TE偏振波以及TM偏振波的有效折射率分别设为NTE＠WG2以及NTM＠WG2时，
所述有效折射率NTE＠WG1、NTM＠WG1、NTE＠WG2、NTM＠WG2分别作为从所述第1芯体与所述第2芯体彼此并行的并行区间的起点起的距离的函数而连续，
所述有效折射率NTE＠WG1、NTM＠WG1在整个所述并行区间中满足NTE＠WG1＞NTM＠WG1，所述有效折射率NTE＠WG2、NTM＠WG2在整个所述并行区间中满足NTE＠WG2＞NTM＠WG2，
所述有效折射率NTM＠WG1与所述有效折射率NTM＠WG2的大小关系在所述并行区间的起点与终点处逆转，
在将所述并行区间中的存在于所述第1芯体与所述第2芯体之间的间隙的介质的折射率设为Ncl时，由下式(a)定义的相对折射率差是0.25以上，
【数式1】
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