JP2014504379A - 平面偏光回転子 - Google Patents

Abstract

光偏光回転子は、基板の平坦な表面に沿って位置する第１および第２の光導波路リブを含む。第２の光導波路リブは、第１の光導波路リブよりも表面からさらに遠くに位置する。光導波路リブの第１のセグメントは、基板上に垂直のスタックを形成し、光導波路リブの第２のセグメントは、平坦な表面に沿った方向で横方向にオフセットされる。第１および第２の光導波路リブは、異なるバルク屈折率を有する材料から形成される。

Description

本発明は、偏光回転子、ならびに偏光回転子を作製および使用する方法に関する。

本節は、本発明についてのよりよい理解を促すのに役立つ可能性のある態様について紹介する。したがって、本節の記述は、この観点で読まれるべきであり、何が従来技術にあるか、または、何が従来技術にないかに関して認めていると理解されるべきではない。

一部の光学部品は、デジタル・データ・ストリームの光通信に関連づけられた機能（複数可）を行なうために、１つまたは両方の直交する直線偏光成分（複数可）を別々に処理する。そうした処理を可能にするために、偏光スプリッタは、受信した光を処理して、２つの直交する直線偏光成分を分離することができる。さらに、そうした処理を可能にするために、偏光回転子は、そうした光の分離された直線偏光成分の１つまたは両方を回転させることができる。例えば、そうした光学回転によって、分離された偏光成分の両方の偏光をそろえることができる。

一実施形態は、基板の平坦な表面に沿って位置する第１および第２の光導波路リブを有する光偏光回転子を含む装置を提供する。第２の光導波路リブは、第１の光導波路リブよりも表面からより遠くに位置する。２つの光導波路リブの第１のセグメントは、基板上に垂直のスタックを形成する。２つの光導波路リブの第２のセグメントは、平坦な表面に沿った方向で横方向にオフセットされている。第１および第２の光導波路リブは、異なるバルク屈折率を有する材料から形成される。

一部の実施形態において、上記の装置は、第１の光導波路リブと第２の光導波路リブとの間にスペーサ層をさらに含んでもよい。そうしたスペーサ層は、例えば、第１および第２の光導波路リブの材料とは異なるバルク屈折率を有する材料から形成されてもよい。そうしたスペーサ層は、第１の光導波路リブよりも表面に垂直な方向に薄くてもよい。

上記の装置のいずれかの一部の実施形態において、第１の光導波路リブは、基板の平坦な表面の一部と同一の材料から形成されてもよい。

上記の装置のいずれかの一部の実施形態において、光導波路リブの一方は、半導体から形成されてもよく、光導波路リブのもう一方は誘電体から形成さてもよい。

上記の装置のいずれかの一部の実施形態において、光偏光回転子は、受信した直線偏光の光の偏光を少なくとも４５度だけ回転させるように構成されてもよい。

上記の装置のいずれかの一部の実施形態において、装置は、第１の光導波路リブが、入力平面光導波路の境界におけるより大きな値から第１の光導波路リブの第１のセグメントにおけるより小さな値へと単調にテーパーが付いている、表面に対して横方向の幅を有する遷移領域を含むことができる。一部のそうした装置において、第２の光導波路リブは、入力光導波路により近い第２の光導波路リブの端部におけるより小さな値から第２の光導波路リブの第１のセグメントにおけるより大きな値へと単調にテーパーが付いている、表面に対して横方向の幅を有する。

上記の装置のいずれかの一部の実施形態において、装置は、第１の光導波路リブが、第１の光導波路リブの第２のセグメントにおけるより小さな値から出力平面光導波路の境界におけるより大きな値へと単調にテーパーが付いている、表面に対して横方向の幅を有する遷移領域を含むことができる。

上記の装置のいずれかの一部の実施形態において、装置は、第１の光導波路リブに光を送信するように接続された第１の光出力部、および第１の光導波路リブに対して横方向の基板上に位置する第１の特定の出力光導波路に接続された第２の光出力部を有する偏光ビームスプリッタを含むことができる。一部のそうした実施形態において、装置は、光偏光回転子を介して偏光ビームスプリッタの第１の光出力部に接続された第２の特定の出力光導波路をさらに含むことができる。装置は、２つの特定の出力光導波路に、実質的に同一の直線偏光の光を送信するように構成されてもよい。

上記の装置の一部の実施形態において、装置は、１×２光学スプリッタと、第１および第２の光導波路アームと、２×１光結合器とを有する光変調器を含むことができる。それぞれの光導波路アームは、１×２光学スプリッタの対応する光出力部を、２×１光結合器の対応する光入力部に接続し、受信した電気信号に応答してそれぞれの光導波路アームを通って伝播する光の位相および／または振幅を変調することができる電気光学変調器を含む。そうした実施形態において、光偏光回転子は、光導波路アームのうちの１つに位置する。

別の実施形態は、方法を提供する。本方法は、基板の平坦な表面に沿って位置する第１の光導波路リブ上に光学層を形成するステップを含む。光学層および第１の光導波路リブは、異なるバルク屈折率を有する材料から形成される。また、本方法は、光学層をエッチングして第２の光導波路リブを形成するステップも含む。光導波路リブの第１のセグメントは、平坦な表面に対して垂直方向に向いたスタックを形成する。光導波路リブの第２のセグメントは、平坦な表面に沿って相対的に横方向にオフセットされている。

一部の実施形態において、上記の方法は、光学層を形成する前に、第１の光導波路リブ上にスペーサ層を形成するステップをさらに含むことができる。スペーサ層は、光学層および第１の光導波路層の材料とは異なるバルク屈折率を有する材料から形成される。

上記の方法のいずれかの一部の実施形態において、第１の光導波路および平坦な表面の一部は、同じ光学材料から形成されてもよい。一部のそうした実施形態において、光学材料がエッチング中に停止層として機能するようにエッチングが行なわれてもよい。

上記の方法のいずれかの一部の実施形態において、光学層および第１の光導波路リブの一方は、半導体から形成されてもよく、光学層および第１の光導波路リブのもう一方は、誘電体から形成されてもよい。

上記の方法のいずれかの一部の実施形態において、第１の光導波路リブの第３および第４のセグメントは、第２の光導波路リブに対して横方向に位置することができ、第１の光導波路リブの第１および第２のセグメントよりも横方向に幅が広くてもよい。そうした実施形態おいては、第１の光導波路リブの第１および第２のセグメントは、第１の光導波路リブの第３のセグメントと第４のセグメントとの間に接続される。

別の実施形態は、ハイブリッド光導波路のセグメントの第１の端部において、平面導波路から直線偏光の光を受信するステップと、この光をハイブリッド光導波路のセグメントを通して伝搬させて、この光の直線偏光を回転させるステップとを含む第２の方法を提供する。ハイブリッド光導波路のセグメントは、第２の光導波路リブが第１の光導波路リブ上の垂直方向に位置する１つのセグメントを含み、第２の光導波路リブが第１の光導波路リブの対応するセグメントから実質的に横方向にオフセットされている別のセグメントを含む。第１および第２の光導波路リブは、異なるバルク屈折率を有する材料から形成される。

第２の方法の一部の実施形態において、第１および第２の光導波路リブの一方は、半導体のリブであってもよく、第１および第２の光導波路リブのもう一方は、誘電体のリブであってもよい。

第２の方法の上記の実施形態のいずれかにおいて、ハイブリッド光導波路のセグメントは、第１の光導波路リブと第２の光導波路リブとの間に位置する、光導波路リブの材料とは異なるバルク屈折率を有する材料から作られたスペーサ層を含んでもよい。

光偏光回転子を示す上面図である。 光偏光回転子を示す側面図である。 図１Ａ〜１Ｂの横方向面Ａにおける、図１Ａ〜１Ｂの光偏光回転子における第１の光伝播モードの光パワー分配の過程を概略的に示す断面図である。 図１Ａ〜１Ｂの横方向面Ｂにおける、図１Ａ〜１Ｂの光偏光回転子における第１の光伝播モードの光パワー分配の過程を概略的に示す断面図である。 図１Ａ〜１Ｂの横方向面Ｃにおける、図１Ａ〜１Ｂの光偏光回転子における第１の光伝播モードの光パワー分配の過程を概略的に示す断面図である。 図１Ａ〜１Ｂの同じ横方向面Ａにおける、図１Ａ〜１Ｂの光偏光回転子における相対的に直交する第２の光伝搬モードの光パワー分配の過程を概略的に示す断面図である。 図１Ａ〜１Ｂの同じ横方向面Ｂにおける、図１Ａ〜１Ｂの光偏光回転子における相対的に直交する第２の光伝搬モードの光パワー分配の過程を概略的に示す断面図である。 図１Ａ〜１Ｂの同じ横方向面Ｃにおける、図１Ａ〜１Ｂの光偏光回転子における相対的に直交する第２の光伝搬モードの光パワー分配の過程を概略的に示す断面図である。 図１Ａ〜１Ｂの光偏光回転子の具体的な実施形態を概略的に示す上面図である。 図１Ａ〜１Ｂの光偏光回転子の具体的な実施形態を概略的に示す側面図である。 図１Ａ〜１Ｂの光偏光回転子の具体的な実施形態を概略的に示す斜視図である。 光偏光回転子、例えば図４Ａ〜４Ｃに概略的に示す光偏光回転子を作製する方法を概略的に示す流れ図である。 直線偏光の光の偏光を、例えば図１Ａ〜１Ｃおよび４Ａ〜４Ｃに概略的に示す光偏光回転子において回転させる方法を概略的に示す流れ図である。 偏光多重化されたデータ変調光搬送波を生成するために、光偏光回転子、例えば図１Ａ〜１Ｂまたは４Ａ〜４Ｃの光偏光回転子のうちの１つを組込む光変調器を概略的に示すブロック図である。 偏光多重化されたデータ変調光搬送波、例えば図７に概略的に示す光変調器によって生成された光搬送波の２つの直線偏光成分からデータを別々に復調するように構成された光受信器を概略的に示すブロック図である。

本明細書において、光導波路とは、受信した光を所定の導光方向に沿って伝播させる光学構造を指す。光導波路は、受信した光をある面内で伝搬するように単に閉じ込める光学構造とは異なる。本明細書において、光導波路は、被覆されてない光導波路、または被覆された光導波路の光学コアを指す場合もある。すなわち、光導波路という表現は、両方のタイプの構造をカバーする。

図１Ａおよび１Ｂは、光導波路として形成された光偏光回転子１０を示す。光導波路は、第１の遷移領域１２と、偏光回転領域１４と、第２の遷移領域１６とを有する。第１の遷移領域１２は、偏光回転領域１４を入力光導波路１８、例えば平面光導波路に光学的に端部間接続する。偏光回転領域１４は、１つまたは２つの実質的に直線偏光伝搬モードで受信した光の直線偏光を回転させる。第２の遷移領域１６は、偏光回転領域１４を出力光導波路２０、例えば平面光導波路に光学的に端部間接続する。

第１の遷移領域１２および第２の遷移領域１６は、それぞれの入力光導波路１８および出力光導波路２０と光学的に結合する領域である。一部の実施形態において、遷移領域１２、１６は、例えば直線偏光を回転させずに、基板２２の近傍表面に対して垂直方向にまたは横方向に光学モードを伝搬させる光パワー密度の再分配も行なう。第１の遷移領域１２は、より大きな垂直方向領域にわたって上記光パワー密度を断熱的に再分配することができる光導波路のテーパー付けを含むことができる。第２の遷移領域１６は、より小さな垂直方向領域にわたって上記受信光パワー密度を断熱的に再分配する光導波路のテーパー付けを含むことができる。

偏光回転領域１４は、光学スタックおよび基板２２を含む。光学スタックは、基板２２上に位置する第１の光導波路リブ２４と、第１の光導波路リブ２４よりも基板２２の平坦な表面からより遠くに位置する第２の光導波路リブ２６とを含む。第１および第２の光導波路リブ２４、２６は、異なるバルク屈折率を有する材料から形成される。例えば、光導波路リブ２４、２６の一方は、半導体から作られてもよく、光導波路リブ２６、２４のもう一方は、誘電体から作られてもよい。あるいは、第１および第２の光導波路リブ２４、２６は、異なる誘電体、または異なる半導体から作られてもよい。

一部の実施形態において、第１の光導波路リブ２４は、基板２２と一体となった部分であってもよい。その場合、第１の光導波路リブ２４は、最も近い基板２２の平坦な表面の一部と同一材料から形成される。

あるいは、第１の光導波路リブ２４は、近傍の基板２２の平坦な表面の部分とは異なる材料、例えば異なる屈折率の材料から形成されてもよい。

実際に、第１の光導波路リブ２４は、近傍の基板２２の平坦な表面上に、表面と直接接触して位置することができ、または上記平坦な表面とは直接接触せずに、近傍の基板２２の平坦な表面上方に位置することができる。

第２の光導波路リブ２６は、第１の光導波路リブ２４（図示せず）上で、この第１の光導波路リブ２４と直接接触することができ、または第１の光導波路リブ２４の上方に位置し、実質的に光学的に透明な材料のスペーサ層２８によって第１の光導波路リブ２４から分離されていてもよい。そうしたスペーサ層２８は、第１の光導波路リブ２４よりも典型的には垂直方向に薄い。

偏光回転領域１４において、第１および第２の光導波路リブ２４、２６の中心軸は、横方向に分岐する方向に沿って向けられている。そのため、第１および第２の光導波路リブ２４、２６の対応するセグメントの横方向幅間の垂直の重なりが、偏光回転領域１４において光伝搬の方向に沿って減少する、すなわち、図１Ａ〜１Ｂにおいて右側に減少する。したがって、第１および第２の光導波路リブ２４、２６の一部の対応するセグメントは、基板２２の平坦な表面に沿って、すなわち偏光回転領域１４の最も右側部分で横方向にオフセットされうる。

偏光回転領域１４において、光導波路リブ２４、２６のそれぞれは、一定の横方向幅を有することができ、または一定でない幅を有することができる。例えば、第１の光導波路リブ２４の幅は、偏光回転領域１４において光伝搬の方向に沿って増加してもよい。また、第２の光導波路リブ２６の幅は、偏光回転領域１４において光伝搬の方向に沿って減少してもよい。

第１および第２の光導波路リブ２４、２６の垂直方向の幅は、光偏光回転子１０全体にわたって典型的には実質的に一定である。

図２Ａ、２Ｂ、および２Ｃは、図１Ａ〜１Ｂにおける一連の横方向平面Ａ、Ｂ、およびＣにおける第１の伝播光モードの予期される光パワー分配を概略的に示す。第１の伝播モードは、当初は、最初の直線偏光を有する横磁場（ＴＭ）光伝播モードである。

最初の横方向平面Ａにおいて、第１および第２の光導波路リブ２４、２６の横方向断面は、基板２２の平坦な表面ＰＳに対して垂直方向にそろっている。最初の横方向平面Ａにおいて、第１の伝播光モード、すなわちＴＭモードの光パワーは、第１の長円形領域ＯＲ１に集中し、その長軸は、基板２２の平坦な表面ＰＳに対して垂直方向に向いている。

その後の横方向平面Ｂにおいて、第１および第２の光導波路リブ２４、２６の断面の中心は、実質的に横方向にオフセットし、第１の伝播光モードの光パワーは、第２の長円形領域ＯＲ２に集中する。長円形領域の長軸が２つの光導波路リブ２４、２６の中心間の対角線に沿ってほぼ向くように、長円形の領域ＯＲ２は、基板２２の平坦な表面ＰＳの法線方向に対して強く傾いている。

最後の横方向平面Ｃにおいて、第１および第２の光導波路リブ２４、２６の断面は、大きな横方向のギャップによって離隔され、第１の伝播光モードの光パワーは、長軸が基板２２の平坦な表面とほぼ平行な第３の長円形領域ＯＲ３に集中する。

したがって、光学スタックが緩やかに進展することによって、第１の伝播光モードの光パワーが集中する長円形領域が徐々に回転する。徐々に回転する間に、第１の伝播光モードの直線偏光は、このモードの光パワーが集中する長円形領域と共に回転する。図示した例において、この偏光回転は、約π／２ラジアンであって、それによって最初のＴＭ伝播光モードを最終的な横電場（ＴＥ）伝播光モードに変化させる。

図３Ａ、３Ｂ、および３Ｃは、図１Ａ〜１Ｂにおける同一の横方向平面Ａ、Ｂ、およびＣそれぞれにおける第２の伝播光モードの予期される光パワー分配を概略的に示す。第１の伝播モードは、最初はＴＥ伝播光モードであり、このモードは最初の直線偏光を有し、第１の伝播光モードに相対的に直交している。

最初の横方向平面Ａにおいて、第１および第２の光導波路リブ２４、２６の断面は、垂直方向にそろっており、第２の伝播光モード、すなわちＴＥモードの光パワーは、別の第１の長円形領域ＯＲ１’に集中する。第１の長円形領域ＯＲ１’は、基板２２の平坦な表面と平行で水平方向に向いた長軸を有する。

その後の横方向平面Ｂにおいて、第１および第２の光導波路リブ２４、２６の断面の中心は、実質的に横方向にオフセットし、第２の伝播光モードの光パワーは、別の第２の長円形領域ＯＲ２’に集中する。長円形領域ＯＲ２’は、長円形領域の長軸が２つの光導波路リブ２４、２６の中心間の対角線に沿ってほぼ向くように、基板２２の平坦な表面の法線方向に対して強く傾いている。

最後の横方向平面Ｃにおいて、第１および第２の光導波路リブ２４、２６の断面は、大きな横方向ギャップによって離隔され、第２の伝播光モードの光パワーは、長軸が基板２２の平坦な表面に対してほぼ垂直に向く別の第３の長円形領域ＯＲ３’に集中する。

したがって、光学スタックが緩やかに進展することによって、第２の伝播光モードの光パワーが集中する長円形の領域も徐々に回転する。徐々に回転する間に、第２の伝播光モードの直線偏光は、このモードの光パワーが集中する長円形領域の長軸と共に回転する。図示した例において、この回転は、約π／２ラジアンであり、それによって最初のＴＥ伝播光モードを最終的なＴＭ伝播光モードに変化させる。

図４Ａ、４Ｂおよび４Ｃは、図１Ａ〜１Ｂにおいて示した光導波路１０の具体的な例１０’を示す。光導波路１０’は、第１の遷移領域１２と、偏光回転領域１４と、第２の遷移領域１６とを有する。偏光回転領域１４、および第１の遷移領域１２のセグメントにおいて、光導波路１０’は、第１および第２の光導波路リブ２４、２６を含む。第１の光導波路リブ２４は、やはり第２の光導波路リブ２６よりも基板２２の平坦な表面により近く位置する。

第１の遷移領域１２において、光導波路１０’の断面は徐々に変化し、その結果伝播光モードの横方向光パワー分配が図２Ａまたは３Ａにおいて概略的に示したようになる。本例において、これらの変化には、光導波路リブ２４、２６両方の横方向変化が含まれる。これらの変化には、伝搬方向に沿って第１の光導波路リブ２４の横方向の幅を単調に減少させる滑らかなテーパー付けが含まれる。本願発明者は、この横方向の幅が徐々に減少することにより、最初のＴＥおよびＴＭ伝播光モードのより多くの光パワーが第１の光導波路リブ２４の外部に再分配されると考えている。また、これらの変化には、伝搬方向に沿って第２の光導波路リブ２６の横方向の幅を単調に増加させる滑らかなテーパー付けが含まれる。また、本願発明者は、この横方向の幅が徐々に増加することにより、最初のＴＭ伝播光モードのより多くの光パワーが第１の光導波路リブ２４から第２の光導波路リブ２６に再分配されると考えてもいる。第１および第２の光導波路リブ２４、２６のテーパー付けされたセグメントがなければ、入力光導波路から注入された光は、恐らくより多くの散乱、反射、および高次のモードの励起を生成する、すなわち光偏光回転子１０’においてより高い挿入損を引き起こすことになるであろうと本願発明者は考えている。

偏光回転領域１４において、光導波路１０’は滑らかな変化を受け、その結果実質的に直線偏光の伝搬モードが、例えば、図２Ａ〜２Ｃおよび３Ａ〜３Ｃで概略的に示したように、それらの直線偏光を回転させるように移行する。ここで、この変化は、伝搬方向に沿って、第１および第２の光導波路リブ２４、２６の断面間の横方向の重なり部分における滑らかな減少を含む。この減少は、少なくとも一部は、第１および第２の光導波路リブ２４、２６の軸間の角度のずれに起因する。一部の実施形態において、この減少は、一部は、伝搬方向に沿った第２の光導波路リブ２６の横方向幅における任意の単調で滑らかな減少に起因することもある。ここで、この変化は、伝搬方向に沿った第１の光導波路リブ２４の横方向幅の滑らかで単調な増加を含んでもよい。

第２の遷移領域１６において、光導波路１０’の断面は、最終的な伝播光モードの横方向光パワー分配が出力光導波路２０の伝播光モードにより効率的に結合するように、徐々に変化する。ここで、この変化は、伝搬方向に沿って第１の光導波路リブ２４の横方向幅を単調に増加させる滑らかなテーパー付けである。第２の光導波路リブ２６は、例えば、第２の遷移領域１６における伝播光モードの変化に実質的に影響を及ぼさないように、第２の遷移領域１６には存在しないか、または第１の光導波路リブ２４から大きな横方向距離オフセットされている。

上記の説明は、光の伝搬方向が、図１Ａ〜１Ｂおよび４Ａ〜４Ｃで概略的に示す光偏光回転子１０、１０’の動作中、左から右であるとして説明している。しかしながら、光偏光回転子１０、１０’は、光が反対方向に伝搬するときにも、機能する。すなわち、光偏光回転子１０、１０’は、図１Ａ〜１Ｂおよび４Ａ〜４Ｃの右に示す光導波路２０から注入された光の直線偏光をやはり回転させることになる。

実施例
図４Ａ〜４Ｃは、例えば、市販のシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板から、および例えば、相補型金属酸化膜半導体プロセスを用いて作製することができる光導波路１０’の例を示す。

本例において、第１および第２の光導波路リブ２４、２６、ならびに入力および出力光導波路１８、２０は、本明細書で説明したようにして構築される。第１の光導波路リブ２４は、初期のＳＯＩ基板のシリコン層の一部から形成され、約２００ナノメートル（ｎｍ）の厚さを有する。第２の光導波路リブ２６は、窒化シリコンから形成され、約４００ｎｍの厚さを有する。入力および出力光導波路１８、２０は、初期のＳＯＩ基板のシリコン層の一部から形成され、約２００ｎｍの厚さ、および約５００ｎｍ〜６００ｎｍの横方向幅を有する。

本例において、光導波路１０’は、任意選択のスペーサ層２８を含み、このスペーサ層２８は、第１の光導波路リブ２４と第２の光導波路リブ２６との間に位置する約１００ｎｍの二酸化シリコンである。

本例において、第１の遷移領域１２、偏光回転領域１４、および第２の遷移領域１６は、以下で説明するような横方向サイズおよび形状を有する。

第１の遷移領域１２において、第１および第２の光導波路リブ２４、２６は、横方向にそろった主軸を有し、領域１２の全長にわたって延在し、この全長は、例えば約５０マイクロメートル（μｍ）の長さであってもよい。第１の光導波路リブ２４は、入力光導波路１８との境界における最初の横方向幅が約５００ｎｍ〜６００ｎｍである。入力光導波路１８の横方向幅とほぼ一致する、その最初の横方向幅は、距離と共に直線的に減少して、偏光回転領域１４の境界において、またはその境界の近くで約２００ｎｍの値になる。第２の光導波路リブ２６は、入力光導波路１８との境界において、またはその境界の近くで、約１００ｎｍ以下の最初の横方向幅を有し、その横方向幅は、距離と共に直線的に増加して、偏光回転領域１４の境界において、またはその境界の近くで約２００ｎｍの値になる。

一部の実施形態において、第１の遷移領域１２における第１および第２の光導波路リブ２４、２６の１つまたは両方の横方向幅は、偏光回転領域１４の境界の直前で約２００ｎｍの値に達する。例えば、これらの横方向幅は、境界から約１００ｎｍ以上の距離において２００ｎｍの値に達してもよく、次いで、偏光回転領域１４の境界まで一定のままであってもよい。

偏光回転領域１４において、第１および第２の光導波路リブ２４、２６は、領域１４のほぼ全長に延在し、この全長は、例えば、２５０μｍ〜約３００μｍであってもよい。第１の光導波路リブ２４は、第１の遷移領域１２との境界において約２００ｎｍの最初の横方向幅を有し、その横方向幅は、直線的に増加して、第２の遷移領域１６との境界において、約２６０ｎｍになる。第２の光導波路リブ２６は、第１の遷移領域１２との境界において、約２００ｎｍの横方向幅を有し、その横方向幅は、一定であってもよく、または直線的に減少して、第２の遷移領域１４との境界において、約１５０ｎｍ以下の値になってもよい。偏光回転領域１４における第１および第２の光導波路リブ２４、２６の主軸間の横方向アラインメントが分岐するため、第２の光導波路リブ２６は、第２の遷移領域１６との境界において、およびその境界の近くで、第１の光導波路リブ２４の対応する部分から約１５０ｎｍ〜約２００ｎｍ横方向にオフセットされている。

第２の遷移領域１６において、第１の光導波路リブ２４は、領域１６の全長にわたって延在し、その全長は、例えば約５０μｍであってもよい。第１の光導波路リブ２４は、偏光回転領域１４との境界において、約２６０ｎｍの最初の横方向幅を有し、その横方向幅は、距離と共に直線的に増加して、出力光導波路２０との境界において約５００ｎｍ〜６００ｎｍの値になる。

第２の光導波路リブ２６は、第２の遷移領域１６の最初の部分に突出してもよいし、突出しなくてもよい。第２の光導波路リブ２６が第２の遷移領域１６へ突出する場合は、第２の光導波路リブ２６の横方向幅は、約１５０ｎｍから約１００ｎｍ以下にまで滑らかに減少し続けてもよい。第２の遷移領域１６において、第１の光導波路リブ２４の緩やかな外向きのテーパーは、第１の光導波路リブ２４と第２の光導波路リブ２６との間の横方向オフセットを実質的に減少させるほどには十分ではない。最初の大きな横方向オフセットのために、第２の光導波路リブ２６は、光が第２の遷移領域１６内を伝播する間、実質的な偏光回転を引き起こさない。

図１Ａ〜１Ｂおよび４Ａ〜４Ｃの偏光回転子１０、１０’の様々な実施形態において、第１の光導波路リブ２４、２４の材料組成と第２の光導波路リブ２６、２６の材料組成の差が、作製中に有利となる可能性がある。具体的には、材料組成が異なることにより、第１の光導波路リブ２４および／または第１の光導波路リブ２４と第２の光導波路リブ２６との間の任意選択のスペーサ層２８の材料を、第２の光導波路リブ２６および／または任意選択のスペーサ層２８の異方性エッチングに対するエッチストップとして使用することが可能となる場合がある。そうした異なる組成は、光導波路リブ２４、２６および存在する場合はスペーサ層２８のより簡単でおよび／またはより正確なエッチング作製を支援することができる。

図５は、光偏光回転子、例えば図１Ａ〜１Ｂおよび／または４Ａ〜４Ｃの光偏光回転子１０、１０’を作製するための例示的な方法３０を概略的に示す。

本方法３０は、基板の上部層の、例えばＳＯＩ基板のシリコン層のエッチングを行なって、図４Ａ〜４Ｃの第１の光導波路リブ２４を形成するステップを含む（ステップ３２）。同じエッチングを用いて、第１の光導波路リブ２４の横方向に位置するさらなるシリコン光導波路を形成する、例えば、図１Ａ〜１Ｂおよび４Ａ〜４Ｃの入力光導波路１８および出力光導波路２０を形成することができる。エッチングは、そうした例示的なＳＯＩ基板上のシリコンをマスク制御してエッチングするための任意の従来の処理、例えば二酸化シリコン上で停止するシリコンの異方性ドライ・エッチングを使用することができる。

本方法３０は、任意選択で、第１の光導波路リブ２４上に、ならびに例えば基板２２の平坦な表面の横方向に隣接する部分および／または横方向に隣接した光導波路上にも、異なる材料の層を形成するステップを含むことができる（ステップ３４）。異なる材料の層は、例えば、光学品質の二酸化シリコン層を形成する従来の堆積処理によって形成されてもよい。

ステップ３４が行なわれる場合、本方法３０は、ステップ３４で形成された異なる材料の層を化学機械研磨して、適切なスペーサ層、例えば図１Ａ〜１Ｂおよび４Ａ〜４Ｃのスペーサ層２８を生成するステップを含むことができる（ステップ３６）。化学機械研磨によって、例えば、ステップ３２で形成された第１の光導波路リブ上に、例えば約１００ｎｍ以下の厚さを有する二酸化シリコンの平坦なスペーサ層を生成することができる。化学機械研磨は、ステップ３４で形成された異なる材料の層を研磨するのに効果的な、当業者に知られている任意の従来の処理を使用することができる。

また、本方法３０は、第１の光導波路リブ２４の一部分上に、および、例えば、基板２２の平坦な表面の一部分上に光学層を形成するステップも含む（ステップ３８）。この形成するステップ３８は、例えば、任意選択のスペーサ層上に約４００ｎｍの窒化シリコンの層を堆積させるステップを含むことができ、窒化シリコンの光学層を堆積させるために、当業者に知られている任意の従来の処理を使用することができる。光学層、第１の光導波路リブ２４、およびスペーサ層は、典型的には異なるバルク屈折率を有する材料から形成される。

また、本方法３０は、第２の光導波路リブ２６を、例えば任意選択のスペーサ層２８上に直接、または第１の光導波路リブ２４上に直接形成するための光学層をエッチングするステップも含む（ステップ４０）。第２の光導波路リブ２６は、第１および第２の光導波路リブ２４、２６の第１のセグメントが、基板２２の平坦な表面に対して垂直方向に向いたスタックを形成するように、および光導波路リブ２４、２６の第２のセグメントが、基板２２の平坦な表面に沿った方向で相対的に横方向にオフセットされるように形成される。光学層が窒化シリコンである実施形態において、エッチング・ステップ４０は、例えば窒化シリコンをエッチングするための任意の従来の処理を使用することができる。例えば、エッチング・ステップは、例示的なスペーサ層２８の二酸化シリコン上で実質的に停止する、ならびに／または例示的なシリコンの第１の光導波路リブ２４のシリコン上および／もしくは例示的な基板２２のシリコン表面上で実質的に停止する、窒化シリコンに対する異方性ドライ・エッチングを含むことができる。

また、本方法は、上記のステップ４０で生成された導波路構造体上に、クラッド層、例えば二酸化シリコン層を堆積させるステップを含むことができる（ステップ４２）。例えば、クラッド層は、数マイクロメートル以上の厚さを有することができる。堆積させるステップ４２は、例えば、二酸化シリコンの厚い光学クラッド層を堆積させるための任意の従来の処理を使用することができる。

図６は、平面光偏光回転子、例えば図１Ａ〜１Ｂおよび４Ａ〜４Ｃに示す光偏光回転子１０、１０’において直線偏光成分の偏光を回転させる方法５０を概略的に示す。

本方法５０は、偏光回転子の第１の端部で、平面導波路から、例えば入力光導波路１８から光を受信するステップを含む（ステップ５２）。受信した光は、典型的には直線偏光モード、例えば、ＴＥもしくはＴＭ伝播光モード、またはほぼ位相のそろったＴＥおよびＴＭ伝播光モードの組合せである。

本方法５０は、受信した光を光偏光回転子の第１のテーパー付けされた導波路セグメントを通って伝搬させ、それによって光パワーの実質的な部分を、例えば、図１Ａ〜１Ｂおよび４Ａ〜４Ｃの第１の遷移領域１２において、横方向および／または垂直方向に再分配させるステップを任意に含む（ステップ５４）。光パワーの横方向および／または垂直方向の再分配は、典型的には受信した光の偏光を実質的に変化させることなく行なわれる。

本方法５０は、偏光回転子のハイブリッド光導波路セグメントに沿って横方向に再分配された光パワーを伝搬させて、光の直線偏光を実質的な角度、例えば４５度より大きな角度、およびしばしば約９０度の角度だけ、例えば図１Ａ〜１Ｂおよび４Ａ〜４Ｃの偏光回転領域１６において、回転させるステップを含む（ステップ５６）。ハイブリッド光導波路セグメントは、例えば、図１Ａ〜１Ｂおよび４Ａ〜４Ｃそれぞれの偏光回転領域１４の左側部分におけるように、第２の光導波路リブが第１の光導波路リブ上の垂直方向に位置する１つのセグメントを含む。ハイブリッド光導波路セグメントは、２つの光導波路リブが偏光回転子のハイブリッド光導波路セグメントにおいて分岐する方向に沿って向けられているので、第２の光導波路リブが第１の光導波路リブの対応するセグメントから実質的に横方向にオフセットする別のセグメントを含む。ハイブリッド光導波路セグメントにおいて、第１および第２の光導波路リブは、異なるバルク屈折率を有する材料から形成される。

本方法５０は、光を、光偏光回転子のハイブリッド光導波路セグメントから最後のテーパー付けされた導波路セグメントを通って伝搬させ、それによって光パワーの実質的な部分が横方向におよび／または垂直方向に、例えば、図１Ａ〜１Ｂおよび４Ａ〜４Ｃの第２の遷移領域１６において、再分配されるステップを含むことができる（ステップ５８）。光パワーのこの最後の横方向の再分配は、送信される光の偏光を実質的に変化させることなく行なうことができる。この横方向の再分配により、偏光回転された光を出力平面導波路、例えば図１Ａ〜１Ｂおよび４Ａ〜４Ｃの出力光導波路２０の伝播光モード（複数可）へより高効率に結合させる。

図７は、デジタル・データの偏光モード多重化をサポートする光変調器４３を示す。光変調器４３は、１×２光学スプリッタ４４と、第１および第２の光導波路アーム４５、４６と、２×１光結合器４７とを含む。

１×２光学スプリッタ４３は、光源から実質的に直線偏光した光、例えばＴＥまたはＴＭモードのレーザ光を受信し、受信した光の一部を２つの光導波路アーム４５、４６に向けられる２つの光ビームに分離する。図７において、光源は、例示的なＴＥモードの光を１×２光学スプリッタ４４に送信するものとして示されている。

それぞれの光導波路アーム４５、４６は、１×２光学スプリッタ４３の対応する光出力部を２×１の光結合器４７の対応する光入力部に接続する。１×２光学スプリッタ４３は、ほぼ同じ直線偏光の、すなわち例示的なＴＥ伝播光モードとして示されている光を２つの光導波路アーム４５、４６に送信する。それぞれの光導波路アーム４５、４６は、電気光学変調器４８＿１、４８＿２を含み、これらは、電気的なデジタル・データ信号、すなわちデータ＿１またはデータ＿２のストリームを受信するように電気的に接続されている。それぞれの電気光学変調器４８＿１、４８＿２は、そこを通り抜けて伝搬する光の位相および／または振幅を変調して、受信したデジタル・データ信号、すなわちデータ＿１、データ＿２の受信ストリームを搬送する。また、第２の光導波路アーム４６は、光偏光回転子４９、例えば図１Ａ〜１Ｂまたは４Ａ〜４Ｃの光偏光回転子１０、１０’を含み、この光偏光回転子によって、光の直線偏光を回転させる。偏光回転子４９は、直線偏光を、例えば少なくとも４５度、より好ましくは約９０度だけ回転させ、それによって２つの光導波路アーム４５、４６からの変調された光ビームが、２×１光結合器４７において再結合されるときにほぼ直交する偏光を有するようになる。２つの光導波路アーム４５、４６からの変調された光ビームは、２×１光結合器４７において結合され、２つのデータ変調された光搬送波を偏光多重化する。

他の一部の実施形態において、光偏光回転子４９および電気光学変調器４８＿２の順序は、光導波路アーム４６上で逆にされてもよい。

光変調器４３は、完全に光集積化されたデバイスとして、または部分的に光集積化されたデバイスとして作製されてもよい。

図８は、光搬送波からのデータを復調するように構成された光受信器６０の一部を示し、光搬送波は、データ・ストリームデータ＿１およびデータ＿２で偏光多重化されている。光受信器６０は、第１の光偏光ビームスプリッタ６２と、光偏光回転子６４と、第１および第２の光復調器６６、６８とを含む。光偏光回転子６４は、光偏光ビームスプリッタ６２の１つの光出力部から光学信号を受信し、上記受信した光学信号の直線偏光を光学的に回転させるように接続されている。光偏光回転子６４の働きにより、両方の光復調器は、実質的に同様の、または同一の直線偏光の、例えば、図８において例示的なＴＥ伝播光モードとして示されている光を受信する。したがって、それぞれの光復調器６６、６８は、デジタル・データ、例えば、光受信器６０の入力部において受信した光の異なる直線偏光成分からのデータ・ストリームデータ＿１’およびデータ＿２’を復調するが、２つの光復調器６６、６８は、実質的に同様の、または同一の直線偏光の光ビームを処理する。

一部の実施形態において、光偏光回転子６４の光出力部は、任意選択の第２の光偏光ビームスプリッタ（図示せず）に直接接続することができ、次いで、第２の光偏光ビームスプリッタの光出力部の１つが第２の光復調器６８の１つの光入力部に直接接続することができる。そうした実施形態において、第２の光偏光ビームスプリッタは、光偏光回転子６４に対するクリーンアップ偏光フィルターとして機能する。

光受信器６０において、１つの光ビームの直線偏光の中間変換は、確実に、それぞれのデータ搬送光搬送波の処理を実質的に同様にするのに有用な場合がある。すなわち、中間変換を用いて、光復調器６６、６８の媒体および導波路の光学特性の偏光依存性に関わる問題を回避することができる。

例示的な実施形態の詳細な説明および図面は、単に本発明の原理を示すに過ぎない。したがって、当業者は、明示的に本明細書では説明され示されてはいないが、本発明の原理を具現化し、特許請求される本発明の範囲内に含まれる様々な構成を考案することができるであろうことを理解されるであろう。さらに、本明細書で列挙した例はすべて、本願発明者が当技術を進展させることに寄与した本発明および概念の原理を理解する手助けとなるように単に教育的な目的のためであることが主に意図され、そうした具体的に列挙された例および条件には限定されないものとして解釈されるべきである。その上、本発明の原理、態様および実施形態、ならびにそれらの具体的な例を列挙する本明細書の記述はすべて、それらの等価物を包含することが意図されている。

Claims (10)

1. 基板の平坦な表面に沿って位置する第１および第２の光導波路リブを含み、前記第２の光導波路リブが前記第１の光導波路リブよりも前記表面からより遠くに位置する光偏光回転子を備え、
   前記光導波路リブの第１のセグメントが前記基板上に垂直のスタックを形成し、前記光導波路リブの第２のセグメントが前記表面に沿った方向で横方向にオフセットされ、
   前記第１および第２の光導波路リブが異なるバルク屈折率を有する材料から形成される、装置。
2. 前記第１の光導波路リブと前記第２の光導波路リブとの間に位置し、前記第１および第２の光導波路リブの前記材料とは異なるバルク屈折率を有する材料から形成されるスペーサ層をさらに含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記光導波路リブの一方が半導体から形成され、前記光導波路リブのもう一方が誘電体から形成される、請求項１に記載の装置。
4. 前記第１の光導波路リブが、入力平面光導波路におけるより大きな値から第１の光導波路リブの前記第１のセグメントにおけるより小さな値へと単調にテーパーが付いている、前記表面に対して横方向の幅を有する遷移領域をさらに備える、請求項１に記載の装置。
5. 前記第１の光導波路リブに光を送信するように接続された第１の光出力部を有し、前記基板上で前記第１の光導波路リブの横方向に位置する出力光導波路に接続された第２の光出力部を有する偏光ビームスプリッタをさらに備える、請求項１に記載の装置。
6. １×２光学スプリッタと、第１および第２の光導波路アームと、２×１光結合器とを有する光変調器であって、それぞれの光導波路アームが前記１×２光学スプリッタの対応する光出力部を前記２×１光結合器の対応する光入力部に接続する光変調器をさらに備え、
   それぞれの光導波路アームが、受信した電気信号に応答して、前記光導波路アームを通って伝播する光の位相および／または振幅を変調することができる電気光学変調器を含み、
   光偏光回転子が前記光導波路アームの１つに位置する、請求項１に記載の装置。
7. 基板の平坦な表面に沿って位置する第１の光導波路リブ上に光学層を形成するステップであって、前記光学層および第１の光導波路リブが異なるバルク屈折率を有する材料から形成されるステップと、
   前記光学層をエッチングして、前記光導波路リブの第１のセグメントが前記平坦な表面に対して垂直方向に向いたスタックを形成するように、および前記光導波路リブの第２のセグメントが前記平坦な表面に沿って相対的に横方向にオフセットされるように第２の光導波路リブを形成するステップとを含む、方法。
8. 前記第１の光導波路リブの第３および第４のセグメントが前記第２の光導波路リブの横方向に位置し、該第１の光導波路リブの該第３および第４のセグメントは該第１の光導波路リブの前記第１および第２のセグメントよりも横方向に幅が広く、該第１の光導波路リブの該第１および第２のセグメントが該第３のセグメントと該第４のセグメントとの間に接続される、請求項７に記載の方法。
9. ハイブリッド光導波路のセグメントの第１の端部において、平面導波路から直線偏光した光を受信するステップと、
   前記光を前記ハイブリッド光導波路の前記セグメントを通って伝搬させて前記光の直線偏光を回転させるステップとを含み、
   前記ハイブリッド光導波路の前記セグメントが、第２の光導波路リブが第１の光導波路リブ上で垂直方向に位置する１つのセグメントを含み、および前記第２の光導波路リブが前記第１の光導波路リブの対応するセグメントから実質的に横方向にオフセットされる別のセグメントを含み、
   前記第１および第２の光導波路リブが異なるバルク屈折率を有する材料から形成される、方法。
10. 前記ハイブリッド光導波路の前記セグメントが、前記第１の光導波路リブと前記第２光導波路リブとの間に位置し、前記光導波路リブの材料とは異なるバルク屈折率を有する材料から作られるスペーサ層を含む、請求項９に記載の方法。

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