JP2013019961A - 偏波回転素子 - Google Patents

Abstract

【課題】容易に形成することができ、且つ偏波面（偏光面）を十分に回転させることができる偏波回転素子を提供する。
【解決手段】偏波回転素子１Ａは、主面１０ａを有する基部１０と、Ｘ軸方向に延びる光導波路２０とを備える。光導波路２０は、Ｘ軸方向に連続して延びる下段部２１、及び該下段部２１上に設けられておりＸ軸方向に連続して延びる上段部２２を含むとともに、Ｘ軸方向に分割された第１及び第２の領域を有する。第１の領域において、下段部２１の一方の側面２１ａはＸ軸方向に対して傾斜しており、Ｙ軸方向における下段部２１の幅が光導波路２０の一端２０ｆ側から他端２０ｇ側へ向けて次第に拡がっている。第２の領域において、下段部２１の他方の側面２１ｂはＸ軸方向に対して傾斜しており、Ｙ軸方向における下段部２１の幅が光導波路２０の一端２０ｆ側から他端２０ｇ側へ向けて次第に拡がっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、偏波回転素子に関するものである。

特許文献１には、光導波路構造に関する発明が記載されている。この光導波路構造は、電磁波の偏波面を回転させるための偏波回転部を有する。図１４（ａ）は、この偏波回転部の外観を示す斜視図である。図１４（ａ）に示されるように、この偏波回転部１００は、第１段部１０１及び第２段部１０２を有する。第１段部１０１の側面１０１ａには偏波回転部１００の長手方向Ａ１に対するテーパ角θが付与されており、長手方向Ａ１に沿って第１段部１０１の横幅Ｗ１が減少し、最終的にその横幅Ｗ１がゼロとなる。第２段部１０２の横幅Ｗ２は、偏波回転部１００の長手方向Ａ１に沿って一定である。

米国特許第７７９２４０３号明細書

図１４（ａ）に示された構造では、第１段部１０１の幅Ｗ１が最終的にゼロとなるので、長手方向に沿って偏波回転部１００の高さが変化する。また、第１段部１０１の側面１０１ａの実際のテーパ角θは極めて小さい。例えば、特許文献１には、偏波回転部１００の幅（すなわち、第１段部１０１における最大幅）が１．１μｍであり、側面１０１ａにテーパ角θが付与された区間の長さが１５０μｍ〜２０００μｍである実施例が示されている。つまり、第１段部１０１の幅がゼロとなる先端付近は、極めて薄く尖った形状となる。したがって、このような偏波回転部１００を形成することは容易ではない。

また、このような問題点を解消するために、図１４（ｂ）に示されるように、長手方向Ａ１と交差する面で第１段部１０１の先端部をカットした形状とすることも考えられる。しかしながら、このような形状では偏波面を十分な角度（例えば約９０°）に回転させることができない。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、容易に形成することができ、且つ偏波面（偏光面）を十分に回転させることができる偏波回転素子を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明による偏波回転素子は、主面を有する基部と、基部上に設けられ、主面に沿った第１方向に延びる光導波路とを備える。光導波路は、第１方向に連続して延びる第１の部分、及び該第１の部分上に設けられており第１方向に連続して延びる第２の部分を含むとともに、第１方向に分割された第１及び第２の領域を有している。光導波路の第１の領域において、第１の部分の一方の側面が第１方向に対して傾斜していることにより、第１方向と交差し且つ主面に沿った第２方向における第１の部分の幅が光導波路の一端側から他端側へ向けて次第に拡がっている。光導波路の第２の領域において、第１の部分の他方の側面が第１方向に対して傾斜していることにより、第２方向における第１の部分の幅が光導波路の一端側から他端側へ向けて次第に拡がっている。

この偏波回転素子では、光導波路の第１の領域において、第１の部分の一方の側面が傾斜しており、これによって第１の部分の幅が光導波路の一端側から他端側へ向けて次第に拡がっている。したがって、光導波路の一端に光が入射すると、第１の領域における上述した第１の部分の形状に起因して、該入射光の偏波面が回転する。例えば、この入射光の電界面が主面に垂直である場合、入射光は、第１の部分の側面が傾斜している側に電界面を回転させながら光導波路内を伝搬する。しかしながら、第１の部分の一方の側面が傾斜している第１の領域を光が通過しても、光の偏波面は十分に（例えば９０°まで）回転しない。そこで、上述した偏波回転素子では、第２の領域において、第１の部分の他方の側面が傾斜しており、これによって第１の部分の幅が光導波路の一端側から他端側へ向けて次第に拡がっている。この第２の領域を光が通過すると、光の偏波面が更に回転し、十分な角度まで（例えば９０°まで）回転させることができる。すなわち、上述した偏波回転素子によれば、偏波面（偏光面）を十分に回転させることができる。

また、上述した偏波回転素子では、光導波路において第１の部分の上に第２の部分が設けられており、これらの部分は、第１方向（すなわち光導波方向）に沿って連続して延びている。したがって、図１４（ａ）に示された構造とは異なり、光導波路の高さの変化を抑えることができ、また薄く尖った形状も不要なので、光導波路を容易に形成することができる。

また、上記偏波回転素子は、第１の領域における第１の部分の他方の側面が第１方向に沿って延びており、第２の領域における第１の部分の一方の側面が、第１の領域により拡がった幅を維持しつつ第１方向に沿って延びていることを特徴としてもよい。これにより、第１及び第２の領域において光の偏波面をより効果的に回転させることができる。

また、上記偏波回転素子は、光導波路が、第１及び第２の領域と一端との間に位置し、第２方向における第１及び第２の部分の幅が一端へ向けて次第に拡がっている第３の領域を更に有することを特徴としてもよい。また、上記偏波回転素子は、光導波路が、第１及び第２の領域と他端との間に位置し、第２方向における第２の部分の幅が他端へ向けて次第に拡がっている第４の領域を更に有することを特徴としてもよい。これらのうち少なくとも一方の構成により、光導波路の一端または他端の幅が広くなり、光導波路の一端または他端に光デバイス等の光学部品を容易に結合することができる。

また、上記偏波回転素子は、第１方向を基準とする、第１の領域における第１の部分の一方の側面の傾斜角が５°より小さいことを特徴としてもよい。これにより、第１の領域において光の偏波面をより効果的に回転させることができる。

また、上記偏波回転素子は、板状部材の上に、第２の部分の平面形状に応じたパターンを有する第１のエッチングマスクを形成し、板状部材及び第１のエッチングマスクの上に、第１の領域における第１の部分の一方の側面の形状に応じた第１パターン、及び第２の領域における第１の部分の他方の側面の形状に応じた第２パターンを有する第２のエッチングマスクを形成し、第１及び第２のエッチングマスクを用いて板状部材をエッチングし、第２のエッチングマスクを除去したのち、第１のエッチングマスクを用いて板状部材を更にエッチングすることにより作製されたことを特徴としてもよい。また、この場合、第２のエッチングマスクの第１パターンは、第１の領域における第１の部分の一方の側面の形状を第１のエッチングマスク上に延長したパターンを含み、第２のエッチングマスクの第２パターンは、第２の領域における第１の部分の他方の側面の形状を第１のエッチングマスク上に延長したパターンを含むことが好ましい。これにより、第２のエッチングマスクの位置が所定の位置からずれた場合であっても、第１の部分の両側面を好適に形成することができる。

本発明による偏波回転素子によれば、容易に形成することができ、且つ偏波面（偏光面）を十分に回転させることができる。

図１は、本発明に係る偏波回転素子の第１実施形態の外観を示す斜視図である。 図２は、図１に示された偏波回転素子が有する光導波路の平面図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は、図２に示された偏波回転素子が有する光導波路のＩ−Ｉ線に沿った切断面及びII−II線に沿った切断面をそれぞれ示す図である。 図４（ａ）及び図３（ｂ）は、図２に示された偏波回転素子が有する光導波路のIII−III線に沿った切断面及びIV−IV線に沿った切断面をそれぞれ示す図である。 図５（ａ）〜図５（ｄ）は、偏波回転素子の動作の様子を示す図である。 図６（ａ）は、第１の領域を通過する光の電界面の回転角の変化の一例を示すグラフである。図６（ｂ）は、第２の領域を通過する光の電界面の回転角の変化の一例を示すグラフである。 図７は、第１の領域を通過する光の電界面の回転角の変化に関する或る実施例を示すグラフである。 図８は、偏波回転素子を作製する方法の各工程を示す断面図であって、光導波方向（Ｘ軸方向）に垂直な断面を示している。 図９は、偏波回転素子を作製する方法の各工程を示す断面図であって、光導波方向（Ｘ軸方向）に垂直な断面を示している。 図１０は、偏波回転素子を作製する方法の各工程を示す断面図であって、光導波方向（Ｘ軸方向）に垂直な断面を示している。 図１１は、第１及び第２のエッチングマスクの平面形状を示す模式図である。 図１２は、第２実施形態に係る偏波回転素子の平面図である。 図１３（ａ）〜図１３（ｄ）それぞれは、図１２に示されたＶ−Ｖ線、VI−VI線、VII−VII線、及びVIII−VIII線それぞれに沿った断面を示している。 図１４（ａ）及び図１４（ｂ）は、従来の偏波回転部の外観を示す斜視図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明による偏波回転素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る偏波回転素子の第１実施形態の外観を示す斜視図である。図２は、図１に示された偏波回転素子１Ａが有する光導波路２０の平面図である。図３（ａ）及び（ｂ）は、図２に示された光導波路２０のＩ−Ｉ線に沿った切断面及びII−II線に沿った切断面をそれぞれ示す。図４（ａ）及び（ｂ）は、図２に示された偏波回転素子１Ａが有する光導波路２０のIII−III線に沿った切断面及びIV−IV線に沿った切断面をそれぞれ示す。なお、図１〜図４には、理解の容易の為にＸＹＺ直交座標系が併せて示されている。Ｘ軸は、偏波回転素子１Ａが備える光導波路２０の光導波方向に沿って設定されている。Ｙ軸は、該光導波方向と直交する方向に設定されている。Ｚ軸は、光導波路２０の高さ方向（すなわち基部１０の厚さ方向）に設定されている。

図１〜図４に示されるように、本実施形態の偏波回転素子１Ａは、基部１０と、基部１０上に設けられた光導波路２０とを備えている。基部１０は、例えばＩｎＰといった半導体から成る板状部材であって、主面１０ａを有している。光導波路２０は、主面１０ａに沿った第１方向（本実施形態ではＸ軸方向）に延びており、その上面および側面は基部１０から露出している。

光導波路２０は、基部１０上に設けられた下部クラッド層２６と、下部クラッド層２６上に設けられたコア層２７と、コア層２７上に設けられた上部クラッド層２８とから成る。これらの層２１〜２３は、Ｚ軸方向に積層されている。下部クラッド層２６及び上部クラッド層２８は、例えば基部１０と同一の材料（ＩｎＰ）から成る。コア層２７は、下部クラッド層２６及び上部クラッド層２８より屈折率が大きい材料、例えばＧａＩｎＡｓＰから成る。一実施例では、下部クラッド層２６及び基部１０の主面１０ａは、基板材料（例えばＩｎＰ基板）がエッチングされることにより形成される。また、コア層２７は、該基板材料の上にエピタキシャル成長した半導体層（例えばＧａＩｎＡｓＰ層）がエッチングされることにより形成される。また、上部クラッド層２８は、コア層２７の為の半導体層の上にエピタキシャル成長した半導体層（例えばＩｎＰ層）がエッチングされることにより形成される。一実施例では、下部クラッド層２６の厚さは２．６５μｍであり、コア層２７の厚さは０．３８μｍであり、上部クラッド層２８の厚さは１．２５μｍである。

光導波路２０は、下段部２１と、上段部２２とを含んで構成される。本実施形態において、下段部２１は第１の部分であり、上段部２２は第２の部分である。下段部２１は、Ｘ軸方向に沿って連続して（中断することなく）延びている。下段部２１の厚さ（主面１０ａを含む平面を基準とする下段部２１の上端の高さ）Ｄ_Ａは、光導波路２０の一端２０ｆから他端２０ｇにかけて一定である。一実施例では、厚さＤ_Ａは２．９３μｍである。本実施形態では、下段部２１は、下部クラッド層２６と、コア層２７の一部とから成る。下段部２１は、主面１０ａに対して略垂直に形成された一対の側面２１ａ及び２１ｂを有する。

上段部２２は、下段部２１上に設けられている。上段部２２は、Ｘ軸方向に沿って連続して（中断することなく）延びている。上段部２２の厚さ（下段部２１の上端から上段部２２の上端までの高さ）Ｄ_Ｂは、光導波路２０の一端２０ｆから他端２０ｇにかけて一定である。一実施例では、厚さＤ_Ｂは１．３５μｍである。本実施形態では、上段部２２は、コア層２７の残りの部分と、上部クラッド層２８とから成る。上段部２２は、主面１０ａに対して略垂直に形成された一対の側面２２ａ及び２２ｂを有する。

また、光導波路２０は、Ｘ軸方向に沿って分割された領域２０ａ〜２０ｅを有している。領域２０ａは、本実施形態における第１の領域である。領域２０ｂは、本実施形態における第２の領域であって、領域２０ａと光導波路２０の他端２０ｇとの間に位置している。領域２０ｃは、本実施形態における第３の領域であって、領域２０ａと光導波路２０の一端２０ｆとの間に位置している。領域２０ｄは、本実施形態における第４の領域であって、領域２０ｂと光導波路２０の他端２０ｇとの間に位置している。領域２０ｅは、領域２０ｄと光導波路２０の他端２０ｇとの間に位置している。

図２に示されるように、領域２０ａでは、下段部２１の一方の側面２１ａがＸ軸に対して角度θ_１だけ傾斜している。これにより、Ｘ軸方向と交差し且つ主面１０ａに沿った第２方向（本実施形態ではＹ軸方向）における下段部２１の幅は、光導波路２０の一端２０ｆ側から他端２０ｇ側へ向けて次第に拡がっている。一方、下段部２１の他方の側面２１ｂは、Ｘ軸方向に沿って延びている。領域２０ａにおける一端２０ｆ側の下段部２１の幅はＷａであり、他端２０ｇ側の下段部２１の幅はＷｂ（＞Ｗａ）である。一実施例では、幅Ｗａは０．７５μｍであり、側面２１ａの傾斜角θ_１は５°より小さい。

領域２０ｂでは、下段部２１の他方の側面２１ｂがＸ軸に対して角度θ_２だけ傾斜している。これにより、上述した第２方向（本実施形態ではＹ軸方向）における下段部２１の幅は、光導波路２０の一端２０ｆ側から他端２０ｇ側へ向けて次第に拡がっている。一方、下段部２１の一方の側面２１ａは、領域２０ａにおいて拡がった幅を維持しつつ、Ｘ軸方向に沿って延びている。領域２０ｂにおける一端２０ｆ側の下段部２１の幅はＷｂであり、他端２０ｇ側の下段部２１の幅はＷｃ（＞Ｗｂ）である。一実施例では、側面２２ｂの傾斜角θ_２は５°より小さい。また、領域２０ｂにおける側面２２ｂの傾斜角θ_２は、領域２０ａにおける側面２１ａの傾斜角θ_１と略等しくてもよい。

領域２０ａ及び２０ｂにおいて、上段部２２の両側面２２ａ，２２ｂは、Ｘ軸方向に沿って延びている。これにより、Ｙ軸方向における上段部２２の幅は一貫してＷａとなっている。領域２０ａにおいて、下段部２１の側面２１ａと上段部２２の側面２２ａとの間には、ＸＹ平面に沿った段差面２３が形成されており、下段部２１の側面２１ｂと上段部２２の側面２２ｂとは互いに面一に形成されている。また、領域２０ｂにおいて、側面２１ａと側面２２ａとの間には上記段差面２３が形成されており、側面２１ｂと側面２２ｂとの間には、ＸＹ平面に沿った段差面２４が形成されている。

なお、本実施形態では、図２に示されるように、領域２０ａでの側面２１ａ及び領域２０ｂでの側面２２ｂは、主面１０ａの法線方向から見て直線状に（すなわち平坦に）形成されている。側面２１ａ，２２ｂの形態はこれに限られず、例えば主面１０ａの法線方向から見て湾曲していてもよい。

領域２０ｃでは、下段部２１の両側面２１ａ，２１ｂ及び上段部２２の両側面２２ａ，２２ｂが、Ｘ軸に対して傾斜している。これにより、Ｙ軸方向における下段部２１及び上段部２２の幅が、光導波路２０の一端２０ｆへ向けて次第に拡がっている。領域２０ｃにおける他端２０ｇ側の下段部２１及び上段部２２の幅はＷａであり、一端２０ｆ側の下段部２１及び上段部２２の幅はＷｄ（＞Ｗａ）である。一実施例では、幅Ｗａは０．７５μｍであり、幅Ｗｄは１．５μｍである。

領域２０ｄでは、上段部２２の両側面２２ａ，２２ｂが、Ｘ軸に対して傾斜している。これにより、Ｙ軸方向における上段部２２の幅が、光導波路２０の他端２０ｇへ向けて次第に拡がっている。領域２０ｄにおける一端２０ｆ側の上段部２２の幅はＷａであり、他端２０ｇ側の上段部２２の幅はＷｅ（＞Ｗａ）である。一実施例では、幅Ｗａは０．７５μｍであり、幅Ｗｅは１．５μｍである。なお、領域２０ｄにおいて、下段部２１の側面２１ａ，２１ｂは、幅Ｗｃを維持しつつＸ軸に沿って延びている。

領域２０ｅでは、下段部２１の両側面２１ａ，２１ｂが、Ｘ軸に対して傾斜している。これにより、Ｙ軸方向における下段部２１の幅が、光導波路２０の他端２０ｇへ向けて次第に狭くなっている。領域２０ｅにおける一端２０ｆ側の下段部２１の幅はＷｃであり、他端２０ｇ側の下段部２１の幅はＷｅである。この領域２０ｅによって、他端２０ｇにおける下段部２１の側面２１ａと上段部２２の側面２２ａとが互いに面一となり、下段部２１の側面２１ｂと上段部２２の側面２２ｂとが互いに面一となる。

ここで、本実施形態による偏波回転素子１Ａの動作について説明する。図５は、偏波回転素子１Ａの動作の様子を示す図である。図５（ａ）は光導波路２０の一端２０ｆにおける光の偏波の様子を示しており、図５（ｂ）は領域２０ａと領域２０ｂとの境界部分における光の偏波の様子を示しており、図５（ｃ）は領域２０ｂと領域２０ｃとの境界部分における光の偏波の様子を示しており、図５（ｄ）は光導波路２０の他端２０ｇにおける光の偏波の様子を示している。なお、図５（ａ）〜図５（ｄ）において、矢印Ａｅは電界の向きを示しており、矢印Ａｍは磁界の向きを示している。

一例では、準ＴＭモードの光が、光導波路２０の一端２０ｆに入射する。この場合、図５（ａ）に示されるように、光導波路２０の一端２０ｆでは準ＴＭモードが維持される。そして、この光が領域２０ａを通過するとき、図５（ｂ）に示されるように、電界および磁界の向きが、０°より大きく９０°より小さい或る角度だけ回転する。すなわち、本実施形態の領域２０ａでは、下段部２１の一方の側面２１ａがＸ軸方向に対して傾斜しており、これによって下段部２１の幅が光導波路２０の一端２０ｆ側から他端２０ｇ側へ向けて次第に拡がっている。一方、上段部２２の一方の側面２２ａはＸ軸に沿って延びている。領域２０ａにおけるこのような下段部２１及び上段部２２の形状に起因して、入射光は、下段部２１の側面が傾斜している側（本実施形態では側面２１ａ側）に電界の向きを回転させながら、光導波路２０内を伝搬する。なお、このときの回転角は、図２に示された幅Ｗｂと幅Ｗａとの差（Ｗｂ−Ｗａ）に依存し、この差が大きいほど電界および磁界の回転角は大きくなる。但し、領域２０ａでは電界および磁界の回転角が９０°に近づくことはなく、９０°より小さい一定の角度（例えば８０°）に漸近する。

続いて、領域２０ａを通過した光が領域２０ｂを通過するとき、図５（ｃ）に示されるように、電界および磁界の向きが更に回転する。すなわち、本実施形態の領域２０ｂでは、下段部２１の他方の側面２１ｂがＸ軸方向に対して傾斜しており、これによって下段部２１の幅が光導波路２０の一端２０ｆ側から他端２０ｇ側へ向けて次第に拡がっている。一方、上段部２２の他方の側面２２ｂはＸ軸に沿って延びている。領域２０ｂにおけるこのような下段部２１及び上段部２２の形状に起因して、電界および磁界の向きが上記一定の角度から更に回転する。このような作用によって、領域２０ｂを通過した光の電界および磁界の回転角は９０°に漸近し、準ＴＥモードの光が生成される（図５（ｄ））。その後、この光は、領域２０ｄを通過して光導波路２０の他端２０ｇから出射する。

なお、上述した説明では、準ＴＭモードの光が光導波路２０の一端２０ｆに入射される場合について述べたが、準ＴＥモードの光が他端２０ｇに入射されてもよい。この場合、図５（ｃ）、図５（ｂ）の順に電界および磁界の向きが回転し、光導波路２０の一端２０ｆから準ＴＭモードの光が出射される。

ここで、図６（ａ）は、領域２０ａを通過する光の電界面の回転角の変化の一例を示すグラフである。また、図６（ｂ）は、領域２０ｂを通過する光の電界面の回転角の変化の一例を示すグラフである。図６（ａ）及び図６（ｂ）において、縦軸はＸＹ平面に対する電界面の角度（単位：度）を示している。また、図６（ａ）の横軸は、主面１０ａの法線方向から見た領域２０ａにおける側面２１ａと側面２２ａとの距離Ｗ_２Ａ（すなわち幅Ｗｂと幅Ｗａとの差（Ｗｂ−Ｗａ））（単位：μｍ）を示しており、図６（ｂ）の横軸は、主面１０ａの法線方向から見た領域２０ｂにおける側面２１ｂと側面２２ｂとの距離Ｗ_２Ｂ（すなわち幅Ｗｃと幅Ｗｂとの差（Ｗｃ−Ｗｂ））（単位：μｍ）を示している。

図６（ａ）に示されるように、この例では、距離Ｗ_２Ａが大きくなるほど、領域２０ａにおいてＸＹ平面に対する電界面の角度が初期値（９０°）から次第に小さくなっている。しかしながら、距離Ｗ_２Ａが或る程度大きくなると、この角度は１０°に漸近し、それ以上小さくならない。そして、その後の領域２０ｂでは、図６（ｂ）に示されるように、距離Ｗ_２Ｂが大きくなるほど、ＸＹ平面に対する電界面の角度が１０°から次第に小さくなっており、０°に漸近する。このように、本実施形態による偏波回転素子１Ａによれば、偏波面（偏光面）を、９０°といった十分な角度にわたって回転させることができる。

また、本実施形態の偏波回転素子１Ａでは、光導波路２０において下段部２１の上に上段部２２が設けられており、これらの下段部２１及び上段部２２は、Ｘ軸方向（すなわち光導波方向）に沿って連続して延びている。したがって、図１４（ａ）に示された構造とは異なり、光導波路２０の高さの変化を抑えることができ、また薄く尖った形状も不要なので、光導波路２０を容易に形成することができる。

なお、本実施形態のように、光導波路２０の領域２０ａにおける下段部２１の他方の側面２１ｂは、Ｘ軸方向（すなわち光導波方向）に沿って延びていることが好ましい。また、領域２０ｂにおける下段部２１の一方の側面２１ａは、領域２０ａにおいて拡がった幅を維持しつつＸ軸方向に沿って延びていることが好ましい。これらの構成によって、領域２０ａ，２０ｂにおいて光の電界および磁界の向きをより効果的に回転させることができる。

また、本実施形態のように、光導波路２０は、領域２０ａ，２０ｂと一端２０ｆとの間に位置し、下段部２１及び上段部２２の幅が一端２０ｆへ向けて次第に拡がっている領域２０ｃを有することが好ましい。また、光導波路２０は、領域２０ａ，２０ｂと他端２０ｇとの間に位置し、下段部２１及び上段部２２の幅が他端２０ｇへ向けて次第に拡がっている領域２０ｄを有することが好ましい。これらの構成によって、光導波路２０の一端２０ｆおよび他端２０ｇの幅が広くなるので、光導波路２０の一端２０ｆおよび他端２０ｇのそれぞれに光デバイス等の光学部品を容易に結合することができる。

また、本実施形態のように、Ｘ軸を基準とする、領域２０ａにおける下段部２１の一方の側面２１ａの傾斜角θ_１は、５°より小さいことが好ましい。ここで、図７は、領域２０ａを通過する光の電界面の回転角の変化に関する或る実施例を示すグラフである。図７において、グラフＧ１１は、傾斜角θ_１が５°より小さい場合における回転角の変化を示しており、図６（ａ）に示されたグラフと同一である。また、グラフＧ１２は、傾斜角θ_２が５°より大きい場合における回転角の変化を示している。傾斜角θ_１が５°より大きい場合には、光導波路２０を伝搬する光のうち約半分が、偏波方向が９０度異なるモードに結合してしまう。したがって、光導波路２０を伝搬する光全体の偏波方向は、グラフＧ１２に示されるようにＸＹ平面に対して４５°付近まで回転した後、再び９０°へ向けて増加することとなる。これに対し、傾斜角θ_１が５°より小さく、下段部２１の幅の変化が緩やかな場合には、一端２０ｆに入射した準ＴＭモードの光は、他のモードに結合することなく、電界の向きをＸＹ平面に沿った方向に近づけながら伝搬することができる。すなわち、傾斜角θ_１が５°より小さいことにより、領域２０ａにおいて光の偏波面をより効果的に回転させることができる。なお、これと同様の理由から、領域２０ｂにおいても傾斜角θ_２は５°より小さいことが好ましい。

続いて、本実施形態に係る偏波回転素子１Ａを作製する方法の一例について説明する。図８〜図１０は、偏波回転素子１Ａを作製する方法の各工程を示す断面図であって、光導波方向（Ｘ軸方向）に垂直な断面を示している。また、図１１は、第１のエッチングマスクＭ２及び第２のエッチングマスクＭ４の平面形状を示す模式図である。

まず、図８（ａ）に示されるように、例えばＩｎＰから成る基板５１の上に、下部クラッド層２６のための半導体層５２、コア層２７のための半導体層５３、および上部クラッド層２８のための半導体層５４をエピタキシャル成長させる。これらの半導体層５２〜５４は、例えば有機金属気相成長法によって好適に成長する。これにより、基板５１及び半導体層５２〜５４から成る板状部材５５が作製される。

続いて、この板状部材５５の上に、上段部２２の平面形状に応じたパターンを有するエッチングマスク（第１のエッチングマスク）を形成する。具体的には、通常のフォトリソグラフィ技術を用いて、上段部２２の平面形状に応じた開口を有するレジストパターンＲ１を形成する。そして、基板５１上の全面にエッチングマスクのためのマスク材料Ｍ１（例えばＣｒ）を蒸着したのち、図８（ｂ）に示されるように、レジストパターンＲ１のリフトオフを行う。これにより、上段部２２の平面形状に応じたパターンを有するエッチングマスクＭ２が板状部材５５上に残る。

続いて、板状部材５５及びエッチングマスクＭ２の上に、第２のエッチングマスクを形成する。このエッチングマスクは、領域２０ａにおける下段部２１の一方の側面２１ａの形状に応じた第１パターン、及び領域２０ｂにおける下段部２１の他方の側面２１ｂの形状に応じた第２パターンを有する。具体的には、図９（ａ）に示されるように、通常のフォトリソグラフィ技術を用いて、領域２０ａにおける側面２１ａの形状に応じた開口側面（第１パターン）Ｒ２１と、領域２０ｂにおける側面２１ｂの形状に応じた開口側面（第２パターン）とを含むレジストパターンＲ２を形成する。そして、基板５１上の全面にエッチングマスクのためのマスク材料Ｍ３（例えばＮｉ）を蒸着したのち、レジストパターンＲ２のリフトオフを行う。これにより、図９（ｂ）及び図１１に示されるように、領域２０ａにおける側面２１ａの形状に応じた第１パターンＭ４１、及び領域２０ｂにおける側面２１ｂの形状に応じた第２パターンＭ４２を有するエッチングマスクＭ４が、板状部材５５及びエッチングマスクＭ２の上に残る。

続いて、図１０（ａ）に示されるように、エッチングマスクＭ２及びＭ４を用いて板状部材５５をエッチングする。このとき、エッチング方法としては例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）が好適である。また、エッチング深さは、例えば半導体層５２に達する程度が好適である。この工程では、下段部２１の平面形状と、上段部２２の平面形状とを重ね合わせた形状に半導体層５３，５４がエッチングされる。この工程ののち、例えばウェットエッチングによりエッチングマスクＭ４を除去する。

続いて、図１０（ｂ）に示されるように、エッチングマスクＭ２を用いて板状部材５５をエッチングすることにより、光導波路２０の下段部２１及び上段部２２を形成する。このとき、先の工程においてエッチングされた板状部材５５の領域（すなわちエッチングマスクＭ２及びＭ４の何れにも覆われていなかった半導体層５２の領域）は、更に深くエッチングされる。このエッチング方法としては例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）が好適である。また、エッチング深さは、例えば基板５１に達する程度が好適である。この工程ののち、例えばウェットエッチングによりエッチングマスクＭ２を除去する。こうして、本実施形態に係る偏波回転素子１Ａが好適に作製される。

なお、上述した作製方法では、図１１に示されるように、エッチングマスクＭ４の第１パターンＭ４１は、領域２０ａにおける下段部２１の側面２１ａの形状を、エッチングマスクＭ２上に延長したパターンＭ４３を含むことが好ましい。同様に、エッチングマスクＭ４の第２パターンＭ４２は、領域２０ｂにおける上段部２２の側面２２ｂの形状を、エッチングマスクＭ２上に延長したパターンＭ４４を含むことが好ましい。これにより、エッチングマスクＭ４の位置が所定の位置から（例えばＹ軸方向に）ずれた場合であっても、下段部２１の両側面２１ａ，２１ｂの変形を抑えて好適に形成することができる。

（第２の実施の形態）
図１２及び図１３（ａ）〜図１３（ｄ）は、本発明の第２実施形態に係る偏波回転素子１Ｂの構造を示す図である。図１２は、偏波回転素子１Ｂの平面図である。図１３（ａ）〜図１３（ｄ）それぞれは、図１２に示されたＶ−Ｖ線、VI−VI線、VII−VII線、及びVIII−VIII線それぞれに沿った断面を示している。

図１２及び図１３に示されるように、本実施形態の偏波回転素子１Ｂは、基部６０と、基部６０上に設けられた光導波路７０と、光導波路７０を覆うクラッド層８０とを備えている。基部６０は、例えばＳｉＯ_２といった絶縁性シリコン化合物から成る板状部材であって、主面６０ａを有している。光導波路７０は、例えばＳｉといった、基部６０よりも屈折率が大きい材料からなり、主面６０ａに沿った第１方向（Ｘ軸方向）に延びている。光導波路７０の上面および側面は、ＳｉＯ_２といった絶縁性シリコン化合物から成るクラッド層８０によって覆われている。

光導波路７０は、下段部７１と、上段部７２とを含んで構成される。本実施形態において、下段部７１は第１の部分であり、上段部７２は第２の部分である。下段部７１は、Ｘ軸方向に沿って連続して（中断することなく）延びている。下段部７１の厚さ（主面６０ａを基準とする下段部７１の上端の高さ）Ｄ_Ａは、光導波路７０の一端７０ｆから他端７０ｇにかけて一定である。一実施例では、厚さＤ_Ａは０．１８μｍである。下段部７１は、主面６０ａに対して略垂直に形成された一対の側面７１ａ及び７１ｂを有する。

上段部７２は、下段部７１上に設けられている。上段部７２は、Ｘ軸方向に沿って連続して（中断することなく）延びている。上段部７２の厚さ（下段部７１の上端から上段部７２の上端までの高さ）Ｄ_Ｂは、光導波路７０の一端７０ｆから他端７０ｇにかけて一定である。一実施例では、厚さＤ_Ｂは０．１２μｍである。上段部７２は、主面６０ａに対して略垂直に形成された一対の側面７２ａ及び７２ｂを有する。

また、光導波路７０は、Ｘ軸方向に沿って分割された領域７０ａ〜７０ｅを有している。領域７０ａは、本実施形態における第１の領域である。領域７０ｂは、本実施形態における第２の領域であって、領域７０ａと光導波路７０の他端７０ｇとの間に位置している。領域７０ｃは、本実施形態における第３の領域であって、領域７０ａと光導波路７０の一端７０ｆとの間に位置している。領域７０ｄは、本実施形態における第４の領域であって、領域７０ｂと光導波路７０の他端７０ｇとの間に位置している。領域７０ｅは、領域７０ｄと光導波路７０の他端７０ｇとの間に位置している。

図１２に示されるように、領域７０ａでは、下段部７１の一方の側面７１ａがＸ軸に対して角度θ_１だけ傾斜している。これにより、Ｘ軸方向と交差し且つ主面６０ａに沿った第２方向（本実施形態ではＹ軸方向）における下段部７１の幅は、光導波路７０の一端７０ｆ側から他端７０ｇ側へ向けて次第に拡がっている。一方、下段部７１の他方の側面７１ｂは、Ｘ軸方向に沿って延びている。領域７０ａにおける一端７０ｆ側の下段部７１の幅はＷａであり、他端７０ｇ側の下段部７１の幅はＷｂ（＞Ｗａ）である。一実施例では、幅Ｗａは０．３μｍであり、側面７１ａの傾斜角θ_１は５°より小さい。

領域７０ｂでは、下段部７１の他方の側面７１ｂがＸ軸に対して角度θ_２だけ傾斜している。これにより、上述した第２方向（本実施形態ではＹ軸方向）における下段部７１の幅は、光導波路７０の一端７０ｆ側から他端７０ｇ側へ向けて次第に拡がっている。一方、下段部７１の一方の側面７１ａは、領域７０ａにおいて拡がった幅を維持しつつ、Ｘ軸方向に沿って延びている。領域７０ｂにおける一端７０ｆ側の下段部７１の幅はＷｂであり、他端７０ｇ側の下段部７１の幅はＷｃ（＞Ｗｂ）である。一実施例では、側面７２ｂの傾斜角θ_２は５°より小さい。また、側面７２ｂの傾斜角θ_２は、側面７１ａの傾斜角θ_１と略等しくてもよい。

領域７０ａ及び７０ｂにおいて、上段部７２の両側面７２ａ，７２ｂは、Ｘ軸方向に沿って延びている。これにより、Ｙ軸方向における上段部７２の幅は一貫してＷａとなっている。領域７０ａにおいて、下段部７１の側面７１ａと上段部７２の側面７２ａとの間にはＸＹ平面に沿った段差面７３が形成されており、下段部７１の側面７１ｂと上段部７２の側面７２ｂとは互いに面一に形成されている。また、領域７０ｂでは、側面７１ａと側面７２ａとの間には上記段差面７３が形成されており、側面７１ｂと側面７２ｂとの間には、ＸＹ平面に沿った段差面７４が形成されている。

なお、本実施形態では、図１２に示されるように、領域７０ａでの側面７１ａ及び領域７０ｂでの側面７２ｂは、主面６０ａの法線方向から見て直線状に形成されている。側面７１ａ，７２ｂの形態はこれに限られず、例えば主面６０ａの法線方向から見て湾曲していてもよい。

領域７０ｃでは、下段部７１の両側面７１ａ，７１ｂ及び上段部７２の両側面７２ａ，７２ｂが、Ｘ軸に対して傾斜している。これにより、Ｙ軸方向における下段部７１及び上段部７２の幅が、光導波路７０の一端７０ｆへ向けて次第に拡がっている。領域７０ｃにおける他端７０ｇ側の下段部７１及び上段部７２の幅はＷａであり、一端７０ｆ側の下段部７１及び上段部７２の幅はＷｄ（＞Ｗａ）である。一実施例では、幅Ｗａは０．３μｍであり、幅Ｗｄは０．４μｍである。

領域７０ｄでは、上段部７２の両側面７２ａ，７２ｂが、Ｘ軸に対して傾斜している。これにより、Ｙ軸方向における上段部７２の幅が、光導波路７０の他端７０ｇへ向けて次第に拡がっている。領域７０ｄにおける一端７０ｆ側の上段部７２の幅はＷａであり、他端７０ｇ側の上段部７２の幅はＷｅ（＞Ｗａ）である。一実施例では、幅Ｗａは０．３μｍであり、幅Ｗｅは０．４μｍである。なお、下段部７１の側面７１ａ，７１ｂは、Ｘ軸に沿って延びている。

領域７０ｅでは、下段部７１の両側面７１ａ，７１ｂが、Ｘ軸に対して傾斜している。これにより、Ｙ軸方向における下段部７１の幅が、光導波路７０の他端７０ｇへ向けて次第に狭くなっている。領域７０ｅにおける一端７０ｆ側の下段部７１の幅はＷｃであり、他端７０ｇ側の下段部７１の幅はＷｅである。この領域７０ｅによって、他端７０ｇにおける下段部７１の側面７１ａと上段部７２の側面７２ａとが互いに面一となり、下段部７１の側面７１ｂと上段部７２の側面７２ｂとが互いに面一となる。

以上の構成を備える本実施形態の偏波回転素子１Ｂによれば、第１実施形態と同様の動作を行うことができ、入射光の偏波面（偏光面）を十分に回転させることができる。また、偏波回転素子１Ｂでは、下段部７１の上に上段部７２が設けられており、これらの下段部７１及び上段部７２は、Ｘ軸方向（すなわち光導波方向）に沿って連続して延びている。したがって、光導波路７０の高さの変化を抑えることができ、また薄く尖った形状も不要なので、光導波路７０を容易に形成することができる。

本発明による偏波回転素子は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上述した各実施形態では、偏波回転素子を構成する材料としてＩｎＰ系半導体やシリコン及びその化合物を例示したが、本発明に係る偏波回転素子は、これら以外にも様々な材料によって構成されることができる。

１Ａ，１Ｂ…偏波回転素子、１０，６０…基部、１０ａ，６０ａ…主面、２０，７０…光導波路、２０ａ，７０ａ…第１の領域、２０ｂ，７０ｂ…第２の領域、２０ｃ〜２０ｅ，７０ｃ〜７０ｅ…領域、２０ｆ，７０ｆ…一端、２０ｇ，７０ｇ…他端、２１，７１…下段部、２２，７２…上段部、２６…下部クラッド層、２７…コア層、２８…上部クラッド層、５１…基板、５２〜５４…半導体層、５５…板状部材、８０…クラッド層、Ａｅ…電界の向き、Ａｍ…磁界の向き、Ｍ１，Ｍ３…マスク材料、Ｍ２…第１のエッチングマスク、Ｍ４…第２のエッチングマスク。

Claims (7)

1. 主面を有する基部と、
   前記基部上に設けられ、前記主面に沿った第１方向に延びる光導波路と
   を備え、
   前記光導波路は、前記第１方向に連続して延びる第１の部分、及び該第１の部分上に設けられており前記第１方向に連続して延びる第２の部分を含むとともに、前記第１方向に分割された第１及び第２の領域を有しており、
   前記光導波路の前記第１の領域において、前記第１の部分の一方の側面が前記第１方向に対して傾斜していることにより、前記第１方向と交差し且つ前記主面に沿った第２方向における前記第１の部分の幅が前記光導波路の一端側から他端側へ向けて次第に拡がっており、
   前記前記光導波路の前記第２の領域において、前記第１の部分の他方の側面が前記第１方向に対して傾斜していることにより、前記第２方向における前記第１の部分の幅が前記光導波路の一端側から他端側へ向けて次第に拡がっていることを特徴とする、偏波回転素子。
2. 前記第１の領域における前記第１の部分の他方の側面が前記第１方向に沿って延びており、
   前記第２の領域における前記第１の部分の一方の側面が、前記第１の領域により拡がった幅を維持しつつ前記第１方向に沿って延びていることを特徴とする、請求項１に記載の偏波回転素子。
3. 前記第１方向を基準とする、前記第１の領域における前記第１の部分の前記一方の側面の傾斜角が５°より小さいことを特徴とする、請求項１または２に記載の偏波回転素子。
4. 前記光導波路が、前記第１及び第２の領域と前記一端との間に位置し、前記第２方向における前記第１及び第２の部分の幅が前記一端へ向けて次第に拡がっている第３の領域を更に有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の偏波回転素子。
5. 前記光導波路が、前記第１及び第２の領域と前記他端との間に位置し、前記第２方向における前記第２の部分の幅が前記他端へ向けて次第に拡がっている第４の領域を更に有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の偏波回転素子。
6. 板状部材の上に、前記第２の部分の平面形状に応じたパターンを有する第１のエッチングマスクを形成し、
   前記板状部材及び前記第１のエッチングマスクの上に、前記第１の領域における前記第１の部分の前記一方の側面の形状に応じた第１パターン、及び前記第２の領域における前記第１の部分の前記他方の側面の形状に応じた第２パターンを有する第２のエッチングマスクを形成し、
   前記第１及び第２のエッチングマスクを用いて前記板状部材をエッチングし、前記第２のエッチングマスクを除去したのち、前記第１のエッチングマスクを用いて前記板状部材を更にエッチングすることにより作製されたことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の偏波回転素子。
7. 前記第２のエッチングマスクの前記第１パターンが、前記第１の領域における前記第１の部分の前記一方の側面の形状を前記第１のエッチングマスク上に延長したパターンを含み、
   前記第２のエッチングマスクの前記第２パターンが、前記第２の領域における前記第１の部分の前記他方の側面の形状を前記第１のエッチングマスク上に延長したパターンを含むことを特徴とする、請求項５に記載の偏波回転素子。

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