JP2014157372A

JP2014157372A - 偏光ビームスプリッター−偏光回転子構造物

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Publication number: JP2014157372A
Application number: JP2014113739A
Authority: JP
Inventors: E Little Brent; イー．リトルブレント; Wei Chen; チェンウェイ
Original assignee: Infinera Corp
Current assignee: Infinera Corp
Priority date: 2007-07-24
Filing date: 2014-06-02
Publication date: 2014-08-28
Anticipated expiration: 2028-07-23
Also published as: CA2693907A1; JP5912149B2; US20100202724A1; US7702188B2; US20080019637A1; EP2232316B1; CN101765796A; CA2693907C; US8238697B2; CN101765796B; WO2009015241A1; EP2232316A1; JP2010534866A

Abstract

【課題】偏光ビームスプリッター−偏光回転子構造物の提供。
【解決手段】偏光ビームスプリッター偏光回転子−偏光ビームコンバイナーの光学的構造物は、二つの偏光回転子の入力端に関連づけられた偏光ビームスプリッターを有する一対の偏光回転子と、二つの偏光回転子の出力端に関連づけられた偏光ビームコンバイナーとを備え、光信号を純化する方法は、一次的なＴＥモードおよび一次的なＴＭモードを一次スプリッターおよび一次回転誤差成分から分離することによって、ＴＥモードおよびＴＭモードを含む。
【選択図】図１

Description

（関連出願への相互参照）
本出願は、２００５年９月８日に出願された米国シリアル番号第１１／２２２，３５８号の一部継続出願である。本出願はまた、２００６年７月２８日に出願された米国シリアル番号第１１／４９５，２０１号の一部継続出願であり、両者の各々は、ここに本明細書で参照によりその全体が明示的に援用される。

（連邦政府援助の研究または開発に関する陳述）
該当なし。

（発明の背景）
本発明は、概して、入力光学信号の偏光モードを分離し、偏光モードを回転させ、次いで回転された偏光モードを再び組み合わせる方法および装置に関係する。

光は、二つの主要な直交する偏光状態またはベクトル方向を有するベクトル場である。概して、偏光状態は、自由空間光学におけるＳ偏光およびＰ偏光、または光学導波管のＴＥ（ＴｒａｎｓｖｅｒｓｅＥｌｅｃｔｒｉｃ）モードおよびＴＭ（ＴｒａｎｓｖｅｒｓｅＭａｇｎｅｔｉｃ）モードと呼ばれる。光学導波管および光学デバイスの性能は、しばしば偏光状態に対して高感度である。すなわち、デバイスの応答は、偏光状態が変化するにつれて変化する。このことは、誘電体基板上で製作された一体型光学導波管において特に顕著である。

多くの光学成分は、偏光の入力状態に対して低感度である。光ファイバー電気通信において、任意の長さのファイバーを伝わった光学信号の偏光状態は、未知であり、ランダムであり、（環境中の摂動に起因して）時間変化する。しかしながら、多くのデバイスは、ある程度、偏光に対して高感度のままであり、このことは、性能、収量およびコストに影響を与える。

いくつかの用途があり、それらの用途において入力光学信号のＴＥ偏光状態およびＴＭ偏光状態は、各々が独立に操作され得るように空間的に分割される必要がある（例えば、ＰＭＤ（偏光モード分散）補償器では、二つの状態に関する信号の分散は、均等化される必要がある）。しかしながら、入力光信号が分割されるとき、または信号が回転されるとき、偏光ビームスプリッターにおけるまたは偏光回転子における非効率に起因して、通例、信号の中に誤差がもたらされ、存在する。誤差は、非効率に分割されたＴＥモードおよび／またはＴＭモード、あるいは非効率に回転されたＴＥモードまたはＴＭモードを含む。

主要な直交成分から光学信号の誤差成分を実質的に除去する装置および方法が、所望される。
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
光学的構造物であって、該光学的構造物は、
入力端と、第一の出力および第二の出力を有する出力端とを備えている偏光ビームスプリッターと、
入力端および出力端を有する第一の偏光回転子と、入力端および出力端を有する第二の偏光回転子とを備えている偏光回転子システムと、
第一の入力および第二の入力を有する入力端と、出力端とを備えている偏光ビームコンバイナーと
を備え、
該偏光ビームスプリッターの該第一の出力は、該第一の偏光回転子の該入力端に動作可能に接続され、該第一の偏光回転子の該出力端は、該偏光ビームコンバイナーの該第一の入力に動作可能に接続され、
該偏光ビームスプリッターの該第二の出力は、該第二の偏光回転子の該入力端に動作可能に接続され、該第二の偏光回転子の該出力端は、該偏光ビームコンバイナーの該第二の入力に動作可能に接続されている、光学的構造物。
（項目２）
少なくとも一つの付加的な光学要素を備えている、項目１に記載の光学的構造物。
（項目３）
前記少なくとも一つの付加的な光学要素は、フィルター、偏光子、導波管、反射器、結合器、連結器、位相変調器、強度変調器、周波数偏移トランスデューサー、発振器、電力スプリッター、共振器または光検出器である、項目２に記載の光学的構造物。
（項目４）
光学的構造物であって、該光学的構造物は、
入力端および出力端を有する第一のスプリッター導波管と、出力端を有する第二のスプリッター導波管とを備えている偏光ビームスプリッターと、
入力端および出力端を有する第一の第一の偏光回転子と、入力端および出力端を有する第二の偏光回転子とを備えている偏光回転子システムと、
入力端および出力端を有する第一のコンバイナー導波管と、入力端および出力端を有する第二のコンバイナー導波管とを備えている偏光ビームコンバイナーと
を備え、
該第一のスプリッター導波管の出力端は、該第一の偏光回転子の該入力端に動作可能に接続され、該第一の偏光回転子の該出力端は、該第一のコンバイナー導波管の該入力端に動作可能に接続され、該第二のスプリッター導波管の該出力端は、該第二の偏光回転子の該入力端に動作可能に接続され、該第二の偏光回転子の該出力端は、該第二のコンバイナー導波管の該入力端に動作可能に接続されている、光学的構造物。
（項目５）
前記第一のスプリッター導波管は、第一のスプリッターコネクター導波管を介して前記第一の偏光回転子に動作可能に接続され、前記第二のスプリッター導波管は、第二のスプリッターコネクター導波管を介して前記第二の偏光回転子に動作可能に接続されている、項目４に記載の光学的構造物。
（項目６）
前記第一のコンバイナー導波管は、第一のコンバイナーコネクター導波管を介して前記第一の偏光回転子に動作可能に接続され、前記第二のコンバイナー導波管は、第二のコンバイナーコネクター導波管を介して前記第二の偏光回転子に動作可能に接続されている、項目４に記載の光学的構造物。
（項目７）
前記第一のスプリッター導波管は、ＴＭモードをサポートし、前記第二のスプリッター導波管は、ＴＥモードをサポートする、項目４に記載の光学的構造物。
（項目８）
前記第一のスプリッター導波管は、ＴＥモードをサポートし、前記第二のスプリッター導波管は、ＴＭモードをサポートする、項目４に記載の光学的構造物。
（項目９）
前記第一の偏光回転子は、ＴＭモードをＴＥモードに変換し、前記第二の偏光回転子は、ＴＥモードをＴＭモードに変換する、項目４に記載の光学的構造物。
（項目１０）
前記第一の偏光回転子は、ＴＥモードをＴＭモードに変換し、前記第二の偏光回転子は、ＴＭモードをＴＥモードに変換する、項目４に記載の光学的構造物。
（項目１１）
ＴＭモードおよびＴＥモードは、前記第二のコンバイナー導波管の中に組み合わされる、項目４に記載の光学的構造物。
（項目１２）
複数の一次誤差モードは、前記第一のコンバイナー導波管の中に組み合わされる、項目１１に記載の光学的構造物。
（項目１３）
ＴＭモードおよびＴＥモードは、前記第一のコンバイナー導波管の中に組み合わされる、項目４に記載の光学的構造物。
（項目１４）
複数の一次誤差モードは、前記第二のコンバイナー導波管の中に組み合わされる、項目
１３に記載の光学的構造物。
（項目１５）
少なくとも一つの付加的な光学要素を備えている、項目４に記載の光学的構造物。
（項目１６）
前記少なくとも一つの付加的な光学要素は、フィルター、偏光子、導波管、反射器、結合器、連結器、位相変調器、強度変調器、周波数偏移トランスデューサー、発振器、電力スプリッター、共振器または光検出器である、項目１５に記載の光学的構造物。
（項目１７）
光学的構造物であって、該光学的構造物は、
入力端、出力端、および該入力端と該出力端との間に延びる長さを有する中央部分を備えている第一の偏光回転子であって、該中央部分は、該中央部分の該長さに沿った可変の断面の幾何学的形態を有し、該幾何学的形態は、電磁信号の偏光モードの回転を該電磁信号が該中央部分の該長さに沿って伝搬するときに引き起こす、第一の偏光回転子と、
入力端、出力端、および該入力端と該出力端との間に延びる長さを有する中央部分を備えている第二の偏光回転子であって、該中央部分は、該中央部分の該長さに沿って変化する断面の幾何学的形態を有し、該幾何学的形態は、電磁信号の偏光モードの回転を該電磁信号が該中央部分の該長さに沿って伝搬するときに引き起こす、第二の偏光回転子と、
偏光ビームスプリッターであって、該偏光ビームスプリッターは、
入力端および出力端を有する第一のスプリッター導波管であって、該第一のスプリッター導波管は、少なくとも一つの導波ＴＥ偏光モードと、少なくとも一つの導波ＴＭ偏光モードとをサポートする、第一のスプリッター導波管と、
入力端および出力端を有する第二のスプリッター導波管であって、該第二のスプリッター導波管は、導波ＴＥ偏光モードと導波ＴＭ偏光モードとのうちの少なくとも一方をサポートし、該第一のスプリッター導波管と該第二のスプリッター導波管とは一体となって断熱領域を形成し、該断熱領域の中で該ＴＥ偏光モードと該ＴＭ偏光モードとのうちの一方を有する光は、該第一のスプリッター導波管の中に残り、該第一のスプリッター導波管から出て該第一のスプリッター導波管の該出力端を経由して該第一の偏光回転子の中に入り、該ＴＥ偏光モードと該ＴＭ偏光モードとのうちのもう一方を有する光は、わずかに結合して該第二のスプリッター導波管の中に入り、該第二のスプリッター導波管から出て該第二のスプリッター導波管の該出力端を経由して該第二の偏光回転子の中に入る、第二のスプリッター導波管と
を備えている、偏光ビームスプリッターと、
偏光ビームコンバイナーであって、該偏光ビームコンバイナーは、
入力端および出力端を有する第一のコンバイナー導波管であって、該第一のコンバイナー導波管は、該第一の偏光回転子または該第二の偏光回転子のうちの一方からの該ＴＥ偏光モードと該ＴＭ偏光モードとのうちの少なくとも一方をサポートする、第一のコンバイナー導波管と、
入力端および出力端を有する第二のコンバイナー導波管であって、該第二のコンバイナー導波管は、該第一の偏光回転子または該第二の偏光回転子のうちのもう一方からの該ＴＥ偏光モードと該ＴＭ偏光モードとのうちの少なくとも一方をサポートし、該第一のコンバイナー導波管と該第二のコンバイナー導波管とは一体となって断熱領域を形成し、該断熱領域の中で該ＴＥ偏光モードと該ＴＭ偏光モードとのうちの一方を有する光は、実質的に該第一のコンバイナー導波管の中に残り、該第二のコンバイナー導波管内の該ＴＥ偏光モードと該ＴＭ偏光モードとのうちのもう一方を有する実質的にすべての光は、該第一のコンバイナー導波管の中にわずかに結合し、それによって該第一のコンバイナー導波管と該第二のコンバイナー導波管とのうちの一方の中に該ＴＥモードと該ＴＭモードとを実質的に組み合わせる、第二のコンバイナー導波管と
を備えている、偏光ビームコンバイナーと
を備えている、光学的構造物。
（項目１８）
少なくとも一つの付加的な光学要素を備えている、項目１７に記載の光学的構造物。
（項目１９）
前記少なくとも一つの付加的な光学要素は、フィルター、偏光子、導波管、反射器、結合器、連結器、位相変調器、強度変調器、周波数偏移トランスデューサー、発振器、電力スプリッター、共振器または光検出器である、項目１８に記載の光学的構造物。
（項目２０）
光学信号を純化する方法であって、該方法は、
光学的構造物を提供することであって、該光学的構造物は、
入力端および出力端を有する第一のスプリッター導波管と、入力端を有する第二のスプリッター導波管とを備えている偏光ビームスプリッターと、
入力端および出力端を有する第一の偏光回転子と、入力端および出力端を有する第二の偏光回転子とを備えている偏光回転子システムと、
入力端および出力端を有する第一のコンバイナー導波管と、入力端および出力端を有する第二のコンバイナー導波管とを備えている偏光ビームコンバイナーと
を備え、
該第一のスプリッター導波管の該出力端は、該第一の偏光回転子の該入力端に動作可能に接続され、該第一の偏光回転子の該出力端は、該第一のコンバイナー導波管の該入力端に動作可能に接続され、該第二のスプリッター導波管の該出力端は、該第二の偏光回転子の該入力端に動作可能に接続され、該第二の偏光回転子の該出力端は、該第二のコンバイナー導波管の該入力端に動作可能に接続されている、ことと、
ＴＭモードとＴＥモードとを含む光信号を該偏光ビームスプリッターの中に入力することであって、該光信号は、別個のＴＭモードとＴＥモードとに分割され、該ＴＭモードと該ＴＥモードとのうちの一方は、該第一の偏光回転子を介して回転され、該ＴＭモードと該ＴＥモードとのうちのもう一方は、該第二の偏光回転子を介して回転されて、該回転されたＴＭモードと該回転されたＴＥモードとを該第一のコンバイナー導波管と該第二のコンバイナー導波管とのうちの一方の中に組み合わせ、その間、一次ＴＭ誤差成分と一次ＴＥ誤差成分とは、該第一のコンバイナー導波管と該第二のコンバイナー導波管とのうちのもう一方の中に組み合わされ、それによって一次的なＴＭモードと一次的なＴＥモードとを該一次ＴＭ誤差成分と該一次ＴＥ誤差成分とから分離する、ことと
を包含する、方法。
（項目２１）
前記光学的構造物は、少なくとも一つの付加的な光学要素を備えている、項目２０に記載の方法。
（項目２２）
前記少なくとも一つの付加的な光学要素は、フィルター、偏光子、導波管、反射器、結合器、連結器、位相変調器、強度変調器、周波数偏移トランスデューサー、発振器、電力スプリッター、共振器または光検出器である、項目２１に記載の方法。
（項目２３）
組み合わされた偏光ビームスプリッター、偏光回転子および偏光ビームコンバイナーを構成する方法であって、該方法は、
第一の導波管と、該第一の導波管に隣接して位置決めされた第二の導波管とを備えている光学的構造物を提供することであって、該導波管構造物は、クラッディング材料の中に配置されたコア材料を備えている、ことと、
該導波管構造物上にレジスト層を配置することであって、該レジスト層は、該第一の導波管の露出された領域と、該第二の導波管の露出された領域とを露出したままにする、ことと、
該第一の導波管の該露出された領域と、該第二の導波管の該露出された領域とをエッチングすることであって、その結果、第一の偏光回転子は、該第一の導波管の中間部分に形成され、第二の偏光回転子は、該第二の導波管の中間部分に形成され、偏光ビームスプリッターは、該導波管構造物の第一の端末部分に形成され、偏光ビームコンバイナーは、該導波管構造物の第二の端末部分に形成される、ことと
を包含する、方法。
（項目２４）
前記組み合わされた偏光ビームスプリッター、偏光回転子および偏光ビームコンバイナーは、付加的な光学要素を備えている、項目２３に記載の方法。
（項目２５）
前記少なくとも一つの付加的な光学要素は、フィルター、偏光子、導波管、反射器、結合器、連結器、位相変調器、強度変調器、周波数偏移トランスデューサー、発振器、電力スプリッター、共振器または光検出器である、項目２４に記載の方法。

図１は、本発明の偏光ビームスプリッター利用の偏光回転子の一実施形態の概略図である。図２は、本発明に従って構成された、偏光ビームスプリッター利用の偏光回転子の一実施形態の上面図である。図３は、偏光モードおよびその中の誤差成分の経路を示す図１の装置の上面図である。図４は、ＴＭモード＋ＴＥモードおよびその中の誤差成分が導波管構造物を通って結合するときの、それらの経路を示す概略図である。図５は、本発明の偏光ビームスプリッター利用の偏光回転子の代替の実施形態の概略図である。図６は、本発明の別の代替の実施形態の概略図である。図７は、図２の装置を製造するためのレジストマスク配列の概略図である。

（発明の詳細な説明）
本発明は、二つの偏光回転子の入力端に動作可能に接続されている偏光ビームスプリッターを有する一対の偏光回転子を含む偏光ビームスプリッター−偏光回転子−偏光ビームコンバイナー構造物と、二つの偏光回転子の出力端に動作可能に接続されている偏光ビームコンバイナーと、ＴＥモードおよびＴＭモードを含む光信号を純化する方法とを意図する。

本発明のシステムおよび方法において、ＴＥモードおよびＴＭモードの両方を含む偏光は、別個のＴＥモードおよびＴＭモード（および誤差成分）に分割され、ＴＥモードおよびＴＭモードの均質性を高めるように回転されて、再び組み合わされ、それによって望ましくない偏光誤差モードおよび漏洩モードが一次的なＴＥモードおよびＴＭモードから分離されて、一次的な光出力を提供し、一次的な光出力は、二次誤差モードのみが一次的な出力信号の中に残るように、ＴＥモードおよびＴＭモードにおいて高度に純化される。

図１に本発明の概略図が示され、その概略図は、一対の出力を有する偏光ビームスプリッターを備えている光学的構造物であり、一対の出力の各々は、偏光回転子に動作可能に接続され、各回転子は、偏光ビームコンバイナーに動作可能に接続された出力を有する。好適な実施形態における図１の光学的構造物は、チップ上に一体的に形成されたモノリシックな構造物である。

本発明の一実施形態が図２において示され、その中で全体的な参照数字１０によって指定される（本明細書で「システム１０」とも呼ばれる）。

システム１０は、偏光ビームスプリッター１２（本明細書で偏光ソーター１２またはビームスプリッター１２とも呼ばれる）、偏光回転子システム１４、および偏光ビームコンバイナー１６（本明細書で偏光コンバイナー１６またはビームコンバイナー１６とも呼ばれる）で構成されている。ビームスプリッター１２は、入力端２０および出力端２２を有する第一のスプリッター導波管１８と、第一のスプリッター導波管１８とにわずかに結合され、入力端２６および出力端２８を有する第二のスプリッター導波管２４で構成されている。第一のスプリッター導波管１８は、モードランキングの少なくとも一つの導波ＴＥ偏光モードｍｏｄｅ−Ｉ−ＴＥと、モードランキングの少なくとも一つの導波ＴＭ偏光モードｍｏｄｅ−ｊ−ＭＴとをサポートする。第二のスプリッター導波管２４は、モードランキングの導波ＴＥ偏光モードｍｏｄｅ−Ｉ−ＴＥと、モードランキングの導波ＴＭ偏光モードｍｏｄｅ−ｊ−ＴＭのとのうちの少なくとも一つをサポートする。ギャップ３０は、オプションで、第一のスプリッター導波管１８と第二のスプリッター導波管２４とを分離する。

偏光回転子１４システムは、本明細書の別の個所で第一の回転子３２と呼ばれる第一の偏光回転子３２と、本明細書の別の個所で第二の回転子３４と呼ばれる第二の偏光回転子とで構成されている。第一の回転子３２は、入力端３６および出力端３８を有し、第二の回転子３４は、入力端４０および出力端４２を有する。

ビームコンバイナー１６は、入力端４６および出力端４８を有する第一のコンバイナー導波管４４と、入力端５２および出力端５４を有する第二のコンバイナー導波管５０とで構成されている。ギャップ５６は、オプションで、第一のコンバイナー導波管４４と第二のコンバイナー導波管５０とを分離する。

ビームスプリッター１２と回転子システム１４とは、第一のコネクター導波管システム５８を介して動作可能に接続され、第一のコネクター導波管システム５８は、第一のスプリッターコネクター導波管６０と第二のスプリッターコネクター導波管６２とで構成されている。第一のスプリッターコネクター導波管６０は、第一のスプリッター導波管１８の出力端２２を第一の回転子３２の入力端３６に接続し、第二のスプリッターコネクター導波管６２は、第二のスプリッター導波管２４の出力端２８を第二の回転子３４の入力端４０に接続する。

ビームコンバイナー１６と回転子１４システムとは、第二のコネクター導波管システム６４を介して動作可能に接続され、第二のコネクター導波管システム６４は、第一のコンバイナーコネクター導波管６６と第二のコンバイナーコネクター導波管６８とで構成されている。第一のコンバイナーコネクター導波管６６は、第一の回転子３２の出力端３８を第一のコンバイナーコネクター導波管４４の入力端４６に接続し、第二のコンバイナーコネクター導波管６８は、第二の回転子３４の出力端４２を第二のコンバイナー導波管５０の入力端５２に接続する。

第一のスプリッター導波管１８と第二のスプリッター導波管２４とは、一体となって断熱領域を形成し、その中でＴＥ偏光モードとＴＭ偏光モードとのうちの一方を有する光は、第一のスプリッター導波管１８の中に実質的に残り、ＴＥ偏光モードとＴＭ偏光モードとのうちのもう一方を有する光は、第二のスプリッター導波管２４の中に実質的にわずかに結合するが、ＴＥモードとＴＭモードとの各々の小部分は、適当に分割されず、それゆえ図３および図４について以下で論じられる誤差成分を含んでいる。図２に示される実施形態において、ＴＭモードを有する光は、第一のスプリッター導波管１８の中に実質的に残る。概して、光波（または光信号）は、第一のスプリッター導波管１８を介してビームスプリッター１２に入射するかまたは入り、断熱領域を通じて伝搬し、光波は、ビームスプリッター１２を出て、コネクター導波管システム５８の中に入る。光波がビームスプリッター１２の断熱領域を通じて伝搬するとき、偏光の状態は、図３および図４に関して以下でより詳細に説明されるように、実質的に分離されている。

好適な実施形態において、ビームスプリッター１２は、米国シリアル番号第１１／４９５，２０１号において説明されているように、受動性矩形光学チップとして実装される。しかしながら、ビームスプリッター１２は、他の形状および構成で実装され得、その結果、ビームスプリッター１２の入力平面および出力平面は、光学チップの平坦なまたは平らな表面あるいは対向する表面でなくともよいことが、理解されるべきである。加えて、ビームスプリッター１２は、米国特許第７，０３５，４９１号に示されているように、能動性ビームスプリッターとして実装され得、同特許は、本明細書で参照によりその全体が明示的に援用される。

第一のスプリッター導波管１８の入力端２０は、ＴＥ偏光モードとＴＭ偏光モードとの両方を有する光を受け取るように構成され、第一のスプリッター導波管１８の出力端２２は、ＴＥ偏光モードとＴＭ偏光モードとのうちの実質的に一方のみの光を提供するように構成されている（図２の実施形態におけるＴＭモード）。第二のスプリッター導波管２４の出力端２８は、ＴＥ偏光モードとＴＭ偏光モードとのうちの実質的にもう一方のみの光を提供するように構成されている（図２の実施形態でＴＥモード）。第一のコネクター導波管システム５８は、出力導波管６０および出力導波管６２を備え、出力導波管６０および出力導波管６２は、出力端２２および出力端２８と接続されている。

第一のスプリッター導波管１８および第二のスプリッター導波管２４は、幅３１を有するギャップ３０によって分離されている。ギャップ３０の幅３１は、第一のスプリッター導波管１８と第二のスプリッター導波管２４との光学モードがわずかに相互作用することを可能にするように十分に小さい。第一のスプリッター導波管１８と第二のスプリッター導波管２４とが、わずかに接続されている限り、ギャップ３０の幅３１は、一様であり得たり、あり得なかったりする。一実施形態において幅３１は、２００ｎｍ−１０００ｎｍであり、好適には約５００ｎｍである。さらには、ギャップ３１は、異なる屈折率を有する材料で、第一のスプリッター導波管１８および第二のスプリッター導波管２４を構成することによって排除され得る。ギャップ３０はまた、第一のスプリッター導波管１８および第二のスプリッター導波管２４が異なる高さを有する場合には、排除され得る。

第一のスプリッター導波管１８および第二のスプリッター導波管２４の幾何学的形態、例えば、高さ、幅およびギャップ３０は、すべてビームスプリッターの長さに沿って変化し得る。

第一のスプリッター導波管１８および第二のスプリッター導波管２４の各々は、クラッディングの中に配置されたコアを有する。コアは、高屈折率材料で構成され、ビームスプリッター１２に入る光学光の大部分は、閉じ込められる。コアが構成されている高屈折率材料は、ケイ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸窒化ケイ素、酸炭化ケイ素、シリコンオキシニトリドカーバイド（ｓｉｌｉｃｏｎｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅｃａｒｂｉｄｅ）、ゲルマニウムドーピングされたシリカ、リン化インジウム合金、ガリウムヒ素合金、ポリマー、およびそれらの組み合わせを含むが、それらに制限されない。クラッディングは、より低い指数の材料で構成され、より低い指数の材料は、例えば、シリカ、より低い指数の酸窒化ケイ素、より低い指数の酸炭化ケイ素、より低い指数のシリコンオキシニトリドカーバイド、より低い指数のドーピングされたシリカ（ゲルマニウムドーピングされたシリカ、および／またはリンドーピングされたシリカを含む）、より低い指数のポリマー、およびリン化インジウムまたはガリウムヒ素のより低い指数の合金、ならびにそれらの組み合わせを含むが、それらに制限されない。屈折率は、ビームスプリッター１２の長さ７０に沿って（ｚ方向に）変化し得る。適切なクラッディングとそのようなクラッディングを作る方法との例は、米国特許第６，６１４，９７７号において開示され、その内容の全体は、ここに本明細書で参照により明示的に援用される。第一のスプリッター導波管１８および第二のスプリッター導波管２４の各々のコアは、異なる屈折率を有し得るが、典型的には、コアは、製造の容易さについて同様である。導波管は、いわゆる特性モードまたは単に「モード」をサポートする（例えば、ＤｉｅｔｒｉｃｈＭａｒｃｕｓｅ，“Ｔｈｅｏｒｙｏｆｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｏｐｔｉｃａｌｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ”，ＮｅｗＹｏｒｋ，Ａｃａｄｅｍｉｃ１９７４を参照されたい）。モードは、導波管に沿って伝搬される各偏光に対する、電界プロファイル（ＴＥ）および磁界プロファイル（ＴＭ）である。一つのモードまたは一組のモードは、導波路においてつねに光出力を伝える。各モードは、それに関して特性「実効屈折率」または単に「実効屈折率」を有する。特定の導波管の特定の実効屈折率は、数値的方法を含めて多様な方法によって計算され得る。市販コンピューターの補助による設計パッケージが、一般的に利用可能である（例えば、モードおよび複雑な光学回路を通じてのモードの伝搬を計算することについては、カナダのオンタリオ州ＨａｍｉｌｔｏｎのＡｐｏｌｌｏＰｈｏｔｏｎｉｃｓＩｎｃ．（ｗｗｗ．ａｐｏｌｌｏｐｈｏｔｏｎ．ｃｏｍ）、またはオランダのＥｎｓｃｈｅｄｅのＣ２Ｖ
Ｉｎｃ．（ｗｗｗ．ｃ２ｖ．ｎｌ）を参照されたい）。

偏光ビームスプリッター１２は、従来の平面光波回路（ＰＬＣ）製作技術のようなさまざまな技術を用いて製造され得る。従来のＰＬＣ製作技術は、計量可能な体積でよく制御された回路を生成するために、集積電子回路（いわゆる「ＩＣ」）に対して用いられる設置されたバッチツールの基部に影響を与える。そのような技術は、通例、薄膜堆積ステップおよびエッチングステップを伴う。誘電体材料は、基板上に堆積されるか、または基板上で成長し、光学回路は、続いてそれらの誘電体の中にパターン化され、エッチングされる（例えば、“ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＯｐｔｉｃｓ，ＴｈｅｏｒｙａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”，ｂｙＲｏｂｅｒｔＧ．Ｈｕｎｓｐｅｒｇｅｒ，Ｓｐｒｉｎｇ４ｔｈＥｄｉｔｉｏｎ１９９５または“ＯｐｔｉｃａｌＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ”，ｂｙＨｉｒｏｓｈｉＮｉｓｈｉｈａｒ，ＭａｓａｍｉｔｓｕＨａｒｕｎａ，ＴｏｓｈｉａｋｉＳｕｈａｒａ，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ１９８９を参照されたい）。

結合された第一のスプリッター導波管１８および第二のスプリッター導波管２４の実効モード屈折率は、偏光ソーティングをもたらすようなやり方で操作される。第一のスプリッター導波管１８および第二のスプリッター導波管２４の実効屈折率は、導波管のコアおよびクラッディングの屈折率の関数、ならびに導波管の高さおよび幅（またはより一般的に、導波管が矩形でない場合には、その幾何学的形態）の関数である。従来のＰＬＣ製作技術、特に、ＩＣ製作ツールを利用するＰＬＣ製作技術において、平面層の屈折率は、一様であり、光学回路の長さに沿って平面層の屈折率を変えることは、困難である。導波管１８および導波管２４の幅を変えることは、回路を「プリントする」ために用いられるフォトマスクの設計において遂行され得る。フォトマスク（または時として呼ばれるようにフォトレジスト）は、導波管の境界のすべての輪郭を描き、光学回路パターンを規定するより一般的な方法の一つである。スプリッター導波管１８および／またはスプリッター導波管２４の高さは、少なくとも段階的に、光学回路の定められた領域における導波管の本来の厚さの一部分をエッチングして離すか、または導波管の選択された部分に層を伸ばすことによって、変更され得る。概して、導波管の高さまたは幅が増加するとき、導波管によってサポートされる任意のモードの実効屈折率は、増加する。さらには、導波管の高さまたは幅を変更することは、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光に不均等に影響を与える。

ここで、図面に戻ると、図２に示されるように、ビームスプリッター１２は、長さ７０を有し、第一のコネクター導波管システム５８は、長さ７２を有し、回転子システム１４は、長さ７４を有し、第二のコネクター導波管システム６４は、長さ７６を有し、ビームコンバイナー１６は、長さ７８を有する。一バージョンにおいて、長さ７２と長さ７６とは、等しくないことがあり得、５００μｍ−７５０μｍよりも短いかまたは長いことがあり得るが、長さ７０と長さ７８とは、等しくあり得、好適には５００μｍ−７５０μｍの範囲にある。さらには、長さ７２と長さ７６とは、等しくないことがあり得、２５０μｍ−５００μｍよりも短いかまたは長いことがあり得るが、長さ７０と長さ７８とは、等しくあり得、好適には２５０μｍ−５００μｍの範囲にある。長さ７４は、好適には１０００μｍ−２０００μｍの範囲にあるが、１０００μｍ−２０００μｍよりも短いかまたは長くあり得る。

また、図２に示されるように、第一のスプリッター導波管１８の入力端２０および出力端２２は、それぞれ幅８０および幅８２を有する。第二のスプリッター導波管２４の入力端２６および出力端２８は、それぞれ幅８４および幅８６を有する。同様に、第一のコンバイナー導波管４４の入力端４６および出力端４８は、それぞれ幅９８および幅１００を有する。さらには、第二のコンバイナー導波管５０の入力端５２および出力端５４は、それぞれ幅１０２および幅１０４を有する。

第一の回転子３２の入力端３６および出力端３８は、それぞれ幅９０および幅９４を有し、第二の回転子３４の入力端４０および出力端４２は、それぞれ幅９２および幅９６を有する。

好適な実施形態において、幅８４、８６、９２、９４、９８および１００は、これらの幅は１μｍから２μｍよりも小さかったり、大きかったりし得るが、等しいかまたは実質的に等しく、１μｍから２μｍの範囲にあり、一つの好適な実施形態において、１．４μｍ−１．７５μｍであり、より好適には約１．６μｍである。幅８０および幅１０４は、１μｍ−２μｍより小さかったり、大きかったりし得るが、幅８０および幅１０４は、好適には等しいかまたは実質的に等しく、好適には１μｍから２μｍの範囲にあり、より好適には１．２μｍ−１．４μｍの範囲にあり、さらに好適には約１．３μｍである。幅８２、９０、９６および１０２は、０．２５μｍから１．２５μｍよりも小さいかまたは大きくあり得るが、幅８２、９０、９６および１０２は、好適には等しいかまたは実質的に等しく、０．２５μｍから１．２５μｍの範囲にあり得、より好適には０．５μｍから１μｍであり得、より好適には約０．８５μｍである。さらには、幅８２、９０、９６および１０２は、幅８０および幅１０４よりも小さい。

好適な実施形態において、第一のコネクター導波管システム５８および第二のコネクター導波管システム６４は、それぞれビームスプリッター１２およびビームスプリッター１６から独立に構成され得るが、第一のコネクター導波管システム５８は、ビームスプリッター１２と一体的に構成され、第二のコネクター導波管システム６４は、ビームスプリッター１６と一体的に構成される。

当該分野において公知の任意の偏光ビームスプリッターは、それが本発明に従って機能する限り、本明細書でビームスプリッター１２として用いられ得る。一実施形態において、ビームスプリッター１２は、米国シリアル番号第１１／４９５，２０１号の偏光ソーターであり、米国シリアル番号第１１／４９５，２０１号は、本明細書で説明される全体が、本明細書での参照により明示的に援用される。米国シリアル番号第１１／４９５，２０１号の偏光ソーターは、本明細書で以下に簡単に説明される。さらには、当該分野で公知の任意の偏光回転子は、本発明に従って機能する限り、偏光回転子１４として用いられ得る。一実施形態において、偏光回転子システム１４は、米国シリアル番号第１１／２２２，３５８号において説明された一対の偏光コンバーターを備え、米国シリアル番号第１１／２２２，３５８号は、ここにその全体が、本明細書で参照により明示的に援用され、米国シリアル番号第１１／２２２，３５８号は、本明細書で以下に、より詳細に説明される。別のタイプの偏光回転子は、ポリイミドまたは結晶ケイ素から構成されたもののようなバルクな半波長板である。本発明の偏光ビームコンバイナー１６は、当該分野で公知の任意のそのようなビームコンバイナーであり得、好適には、逆に構成されることを除いてビームスプリッター１２と同じに構成され、その結果、第一のコンバイナー導波管４４は、第二のスプリッター導波管２４の逆であり、第二のコンバイナー導波管５０は、第一のスプリッター導波管１８の逆である。

本発明の好適な実施形態において、ビームスプリッター１２は、好適な実施形態における図３に図式的に表現されているように、第一のスプリッター導波管１８の入力端２０に入る光が、ＴＭモードとＴＥモードとに実質的に分割されるように、例えば、ＴＭモードの光が第一のスプリッター導波管１８の中に保存され、同時にＴＥモードの光がギャップ３０を越えて移り第二のスプリッター導波管２４の中に結合するように、ある幾何学的形態を有するように構成されている。

あるいは、ビームスプリッター１２は、第一のスプリッター導波管１８に入る光がＴＥモードに保存され、同時にＴＭモードの光がギャップ３０を越えて移り第二のスプリッター導波管２４の中に結合するように、ある幾何学的形態（図示されていない）とともに構成され得る。そのような実施形態において、その中のさまざまなモードの光の経路は、図３および図４に示される経路とは反対である。さらには、システム１０は、可逆的で双方向性であり、その結果、出力２２、２８、３８、４２、４８および５４は、入力端として作用し得、入力端２０、２６、３６、４０、４６および５２は、出力端として作用し得る。また、別の実施形態において、入力端２６は、入力端２０よりも主要な入力端であり得、その中で出力端４８は、主要な出力となり得、出力端５４は、二次的な出力となる（すなわち、図４に示される主要な出力および二次的な出力を参照）。

本発明の機能の主たるものは、図３および図４に図式的に表現され、光がシステム１０を通過するとき、分割または回転された偏光モードの一次誤差成分がどのように第二のコンバイナー導波管５０の中の一次的な光学信号から分離され、処分のために第一のコンバイナー導波管４４の中に隔離されるかが示される。

ＴＥ偏光モードおよびＴＭ偏光モードを有する光信号は、システム１０のビームスプリッター１２の入力端２０に入る。上記で説明されたように、光信号が第一のスプリッター導波管１８を通過するとき、ＴＭモードの光の大部分は、その中に残り、出力端２２を通って第一のスプリッターコネクター導波管６０（存在する場合）の中に入り、一方、ＴＥモードの光の大部分は、結合してギャップ３０を越えて第二のスプリッター導波管２４の中に入り、その出力端２８を通って第二のスプリッターコネクター導波管６２（存在する場合）の中に入る。しかしながら、ΔＴＥとして指定されたＴＥモードの一部分は、結合して第二の導波管スプリッター２４の中に入ることができず、出力端２２を通ってＴＭモードの光とともに出力され、一方、ＴＭモードの光の一部分ΔＴＭは、第二のスプリッター導波管２４の中に漏洩し、出力端２８を通って第二のスプリッター導波管２４の中のＴＥモードの光とともに出力される。

ＴＭモードおよびΔＴＥ（スプリッター誤差）モードの光は、第一の回転子３２の入力端３６に入り、ＴＥモードおよびΔＴＭ（スプリッター誤差）モードの光は、第二の回転子３４の入力端４０に入る。

ＴＭモードおよびΔＴＥモードの光が第一の回転子３２を通って進むとき、一部のＴＭは十分に回転されず回転子誤差εＴＭを含むが、ＴＭモードは、実質的にＴＥモードに対して回転される。ΔＴＥモードの一部は十分に回転されず回転子誤差εΔＴＥを含むが、ΔＴＥモードの光は、実質的にΔＴＭに対して回転される。ＴＥモード、εＴＥモード、ΔＴＭモードおよびεΔＴＥモードの光は、出力端３８を経由して回転子３２を出る。

ＴＥモードおよびΔＴＭモードの光が第二の回転子３４を通って進むとき、回転子誤差部分εＴＥは十分に回転されないが、ＴＥモードは、実質的にＴＭモードに対して回転される。回転子誤差部分εΔＴＭは十分に回転されないが、ΔＴＭモードの光は、実質的にΔＴＥモードに対して回転される。ＴＭモード、εＴＥモード、ΔＴＥモードおよびεΔＴＭモードの光は、出力端４２を経由して回転子３４を出る。

次いでＴＥモード、εΔＴＥモード、ΔＴＭモードおよびεＴＭモードを含む第一の回転子３２からの光が、第一のコンバイナー導波管４４の入力端４６に入り、ＴＭモード、εΔＴＭモード、ΔＴＥモードおよびεＴＥモードを含む第二の回転子３４からの光は、第二のコンバイナー導波管５０の入力端５２に入る。

図３および図４に示されるように、ＴＥモード、εＴＭモード、ΔＴＭモード、εΔＴＥモードの光が第一のコンバイナー導波管４４を通過するとき、ＴＥモードの光は、実質的に完全に結合されて第二のコンバイナー導波管５０の中に入り、一方、主要でない部分ΔＴＥは、第一のコンバイナー導波管４４の中に残る。同様に、εΔＴＥモードの光は、実質的に完全に結合されて第二のコンバイナー導波管５０の中に入り、一方、主要でない部分εΔ２ＴＥは、第一のコンバイナー導波管４４の中に残る。εＴＭモードおよびΔＴＭモードの光は、実質的に完全に第一のコンバイナー導波管４４の中に残り、一方、主要でない部分εΔＴＭおよびεΔ２ＴＭは、それぞれ第二のコンバイナー導波管５０の中に結合される。

さらには、ＴＭモード、εＴＥモード、ΔＴＥモードおよびεΔＴＭモードの光が第二のコンバイナー導波管５０を通過するとき、ＴＭモードの光は、実質的にその中に残り、一方、主要でない部分ΔＴＥは、第一のコンバイナー導波管４４の中に結合する。同様に、εΔＴＭモードの光は、実質的に第二のコンバイナー導波管５０の中に残り、一方、主要でない部分εＴＥは、第一のコンバイナー導波管４４の中に結合する。εＴＥモードおよびΔＴＥモードの光は、実質的に第一のコンバイナー導波管４４の中に結合し、一方、主要でない部分εΔＴＥおよびΔ２ＴＥは、それぞれ第二のコンバイナー導波管５０の中に残る。

システム１０の主要な出力は、第二のコンバイナー導波管５０の出力端５４を経由して、ＴＭモードおよびＴＥモード、ならびに主要でない二次誤差成分Δ２ＴＭモード、Δ２ＴＥモード、εΔＴＭモードおよびεΔＴＥモードを含む。システム１０の二次的な出力は、第一のコンバイナー導波管４４の出力端４８を経由して、一次誤差成分ΔＴＭ、ΔＴＥ、εＴＭおよびεＴＥ、ならびに誤差成分εΔ２ＴＭおよび誤差成分εΔ２ＴＥを含む。こうして、主要な出力は、一次的な信号（ＴＭモードおよびＴＥモード）および主要でない二次誤差成分を含み、一方、二次的な出力は、一次誤差成分のすべてを含み、それによって誤差成分の大部分を一次的なＴＥモードおよびＴＭモードから隔離する。

本明細書で意図される光学偏光ビームスプリッター利用の構造物のうちの任意のものは、図５および図６で図式的に示されるように、他の光学要素（例えば、偏光子）を組み込むように構成され得る。図５は、偏光ビームスプリッターとその中の二つの偏光回転子との間に位置決めされる偏光子を有することを除いて、図１に示される光学的構造物と同様な光学的構造物を示す。図６は、二つの偏光回転子と偏光ビームコンバイナーとの間に位置決めされる付加的な偏光子を有することを除いて、図５の光学的構造物と同様な光学的構造物を示す。そのような偏光子は、当業者に周知である。例えば図６に示される偏光子は、偏光回転子の前または後に誤差項を阻止するように構成され得、例えば回転子に入るΔＴＥおよびΔＴＭは、排除され得る。本発明の光学的構造物の中に組み込まれ得る他の光学要素は、本明細書で意図されるとき、例えば、図５および図６の偏光子とともに、または図５および図６の偏光子の代替で、フィルター、偏光子、導波管、反射器、結合器、連結器、位相変調器、強度変調器、周波数偏移器、トランスデューサー、発振器、電力スプリッター、光検出器を含むが、それらに制限されない。

システム１０または本明細書で意図される複数のシステムのうちの任意のシステムは、当該分野における任意の適切な技術（例えば、図７に図式的に表現されるエッチング技術）を用いて製作され得る。エッチングプロセスは、典型的には、埋め込まれた導波管を含む開始構造物から始まる。埋め込まれた導波管は、クラッディング材料の中に少なくとも部分的に埋め込まれているか、または配置されたコア材料を有する。導波管のコア材料は、典型的には、ケイ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸窒化ケイ素、酸炭化ケイ素、シリコンオキシニトリドカーバイド、ゲルマニウムドーピングされたシリカ、リン化インジウム合金、ガリウムヒ素合金、ポリマー、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される材料で構成されている。

エッチング方法の次のステップにおいて、所望のパターンを有するフォトレジスト層１１０は、埋め込まれた導波管上に配置される（図７）。フォトレジスト層は、所望の形状またはパターンを有する一つ以上の開口部１１２を含み得る。

概して、フォトレジスト層１１０は、フォトレジスト層１１０の下の材料がエッチングプロセス中に除去されることを防ぐ材料で構成されている。こうして、エッチングプロセス中に、フォトレジスト層１１０の中の開口部１１２から生じる露出領域が適当な深さにまで除去され、開口部１１２のパターンがコアの中に転写される。エッチングプロセスが完了した後に、クラッディング材料の別の層が構造物全体にわたって堆積され、必要な場合には平面化される。変化する高さおよび変化する幅を有するスプリッター導波管を形成するエッチング方法のより詳細な説明は、“ＡＤＩＡＢＡＴＩＣＰＯＬＡＲＩＺＡＴＩＯＮＣＯＮＶＥＲＴＥＲ”という名称で米国シリアル番号第１１／２２２，３５８号として特定される、同時係属特許出願において説明され、同特許出願の内容は、ここに本明細書で参照により援用される。さらには、フォトレジスト層１１０は、負のフォトレジストとして構成され得る。

最適偏光変換は、最初のエッチパターンとまたエッチの深さとの両方の結果であることが、留意されるべきである。しかしながら、システム１０の分離機構が断熱性であるので、上述のエッチング方法を利用して作製されたシステム１０の性能特性は、製作と設計との両方において広い範囲を有することが見込まれる。さらには、本システム１０は、動作中に断熱性であると説明されているが、本システム１０は、非断熱性システムとして動作し得る。

本発明のシステム１０を製作する上記の方法は、一つのシステム１０を製作することに関して上記で説明されているが、そのような製作方法は、当該分野で現在公知の他の適切な製作技術または後に開発される任意の他の適切な製作技術とともに、一つ以上のシステム１０またはその複数の部分を製作するために（例えば、一つ以上のシステム１０が一つのチップ上、または複数のチップを有するウェーハ（例えば、シリコンウェーハ）上に含まれるとき）、利用され得ることが、当業者には明白なはずである。

すべての導波管が同じ厚さを有する結合された導波管のシステムは、多くの周知の方法によって製作され得る。例えば、“ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＯｐｔｉｃｓ，Ｔｈｅｏｒｙ
ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”（ＲｏｂｅｒｔＧ．Ｈｕｎｓｐｅｒｇｅｒ，Ｓｐｒｉｎｇ４ｔｈＥｄｉｔｉｏｎ１９９５）または“ＯｐｔｉｃａｌＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ”（ＨｉｒｏｓｈｉＮｉｓｈｉｈａｒ，ＭａｓａｍｉｔｓｕＨａｒｕｎａ，ＴｏｓｈｉａｋｉＳｕｈａｒａ，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ１９８９）を参照されたい。

上記の説明から、本発明は、目的を果たすように、そして本明細書で述べられた利点および本発明に固有の利点を達成するように完全に構成されることが明らかである。本発明の現在好適な実施形態がこの開示のために説明されているが、容易に多数の変更自体を当業者に示唆し、開示され主張される本発明の精神の中で遂行される多数の変更が行われ得ることが理解される。

Claims

本願明細書に記載された発明。