JP2016511448A - 光学導波管のモード回転 - Google Patents

Abstract

光学導波管構造体は、二重層コアを有する回転子を含む。二重層コアの第１の層はテーパ部を含み得る。二重層コアの第２の層は、テーパ部に配置されるリブ部を含み得る。リブ部とテーパ部との組合せは、一方はＴＥモードで偏光し、他方はＴＭモードで偏光する一対の光学信号を受信して、それらを一対のＴＥモード光学信号に変換し得る。

Description

本開示は、概して光学導波管に関し、より詳細には、横方向電気（ＴＥ）偏光及び横方向磁気（ＴＭ）偏光を別個のＴＥモードに変換する光学導波管に関する。

情報を搬送する光学信号又は光信号は、光ファイバケーブル等の光学通信リンクを介して伝送し得る。２つの光学信号を一緒に、直交横方向モードで、すなわち、「ｓ」偏光及び「ｐ」偏光の直交構成で送信し得る。光学集積回路は、光学信号を受信し、機能を光学信号に対して実行し得る。

幾つかの光学集積回路は、１つのタイプの横方向モードでのみ偏光されている光学信号に対してのみ、機能を実行可能であり得る。したがって、光学信号の偏光状態は、処理前又は処理後に変更する必要があり得る。

光学導波管構造体の様々なステージの例示的なブロック図を示す。 例示的な光学導波管構造体の上面図を示す。 別の例示的な光学導波管構造体の上面図を示す。 第３の例示的な光学導波管構造体の上面図を示す。 例示的な光学導波管構造体の単層コア部の断面側面図を示す。 例示的な導波管構造体の二重層コア部の断面側面図を示す。 一対の直交偏光光学信号を一対のＴＥモード光学信号に変換する例示的な方法の流れ図を示す。 一対のＴＥモード光学信号を一対の直交偏光光学信号に変換する例示的な方法の流れ図を示す。

概説
装置は、一対の光学信号を導波モードで送信するように構成される光学導波管構造体を含み得る。光学導波管構造体は、回転子、第１の光学信号と、第２の光学信号とを含む一対の光学信号を含み得る。第１の光学信号は、横方向電気（ＴＥ：ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ）モードで偏光し得、第１の光学信号が回転子を通って伝搬する際、ＴＥモードに維持し得る。第２の光学信号は、横方向磁気（ＴＭ：ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ）モードで偏光し得、第２の光学信号が回転子を通って伝搬する際、ＴＥモード信号に変換し得る。回転子は、基板上に配置される第１の層と、第１の層上に配置される第２の層とを有する二重層コアを含み得る。第１の層は、第１の端部から第２の端部にわたって逆テーパ形状（inversely tapers）を有するベース部を含み得、第１の端部は、第２の端部の幅未満の幅を有する。第２の層はリブ部を含み得、このリブ部は、第１の端部におけるベース部の幅及び第２の端部におけるテーパ構造体の幅未満の幅を有する。

例示的な実施形態の説明
本開示は、横方向電気（ＴＥ）モードで偏光される光又は光学信号及び横方向磁気（ＴＭ）モードで偏光される光又は光学信号を、別個のＴＥモードを有する光学信号に変換するように構成される光学導波管構造体を記載する。ＴＥモード光学信号は、その伝搬方向に直交する軸に沿って電場がないように偏光し得る。ＴＭモード光学信号は、伝搬方向において、及び／又はそれと同じ軸に沿って磁場がないように偏光し得る。さらに、光学チップを使用する用途では、ＴＥモード光学信号は、チップと同じ又は略同じ平面で偏光される電場を有し得、ＴＭモード光学信号は、チップの平面に直交又は略直交する平面において偏光する電場を有し得る。光学導波管は、外部ソースから受信される光学信号を結合し、光学信号を光学導波管内のＴＥモード光学信号及びＴＭモード光学信号に集中させるナノテーパ（nanotaper）を含み得る。光学導波管は回転子を含むこともでき、回転子は、ＴＥモード光学信号をＴＥモードに維持し、ＴＭモード光学信号をＴＥモード光学信号に変換又は回転させる。ＴＭモード光学信号から変換されるＴＥモード光学信号は、回転子を通って伝搬する間、ＴＥモードに維持されたＴＥモード光学信号とは異なる次数を有し得る。光学導波管はセパレータを有することもでき、セパレータは、ＴＥモード変換光学信号及びＴＥモード維持光学信号を別個の光学導波路に分離する。

光学導波管構造体は、「チップ上（on chip）」に配置してもよく、又は情報を搬送する光学信号を処理するか、若しくは、例として、変調、光の方向変更、結合、及び／又は切り換え等の機能を、情報を搬送する光学信号に対して実行するように構成される光学集積回路（ＩＣ）の部分として含まれてもよい。光学ＩＣは、ＴＭモード光学信号をサポートするように構成されていないことがあるか、又はＴＥモード光学信号のみをサポートするように構成されていることがある。すなわち、光学ＩＣは、ＴＭモードで、又はＴＥモード以外のモードで偏光された光学信号を処理するか、又はＴＭモードで、又はＴＥモード以外のモードで偏光された光学信号に対してその機能を実行することができないことがある。さらに、光学ＩＣは、光学ＩＣに送信される２つの光学信号を外部ソースから受信し得る。光学信号は、異なる横方向モードで、又は「ｓ」偏光及び「ｐ」偏光の異なる組合せで直交偏光し得る。さらに、光学信号は、一緒に又は略同時に送信し得る。代替的に、信号は、１つの偏光でのみ偏光し得、精密又は厳密な偏光は、光学ＩＣには未知であり得る。光学ＩＣが光学信号を受信する場合、信号のうちの一方は、ＴＥモード光学信号として光学ＩＣに閉じ込める（confined）ことができ、他方の信号は、ＴＭモード光学信号として光学ＩＣに閉じ込めることができる。同様に、光学ＩＣによって処理された２つの光学信号は、処理に続き、一方の信号がＴＥモード光学信号として偏光され、他方がＴＭモードとして偏光されるように変換し得、それにより、２つの光学信号を外部ソースに直交「ｓ」偏光及び「ｐ」偏光として送信し得る。光学導波管構造体は、受信した光学信号を下流処理に、サポート可能なＴＥモードで提供し、且つ／又はＴＥモードでの光学信号を受信し、外部ソースに送信するために、偏光構成を偏光する光学ＩＣのフロントエンド構成要素（front end component）としての役割又は機能を果たし得る。

代替の用途では、光学ＩＣは、ＴＥモード光学信号をサポートするように構成されないこともあり、又はＴＭモード光学信号のみをサポートするように構成されることがある。すなわち、光学ＩＣは、ＴＥモードで、又はＴＭモード以外のモードで偏光された光学信号を処理するか、もしくはＴＥモードで、又はＴＭモード以外のモードで偏光された光学信号に対してその機能を実行することができないことがある。したがって、光学ＩＣによって受信される一対の直交偏光光学信号は両方とも、ＴＭモードで偏光してから、処理し得る。同様に、光学ＩＣによって処理される２つの光学信号は、光学ＩＣの処理回路によってＴＭモード信号として供給されることがあり、この信号は、直交「ｓ」偏光及び「ｐ」偏光として外部ソースに送信又は結合するために、一方の信号がＴＥモード光学信号として偏光され、他方がＴＭモード光学信号として偏光されるように、処理後に変換し得る。これらの代替の用途では、光学導波管構造体は、受信した光学信号をサポート可能なＴＭモードで下流処理に提供し、且つ／又は光学信号をＴＭモードで受信し、外部ソースに送信するために、偏光構成を変更する光学ＩＣのフロントエンド構成要素としての役割又は機能を果たし得る。

以下の説明は、ＴＥモード光学信号をサポートするが、ＴＭモード光学信号をサポートしない光学ＩＣに集積し得るか、又は使用し得る光学導波管構造体を説明する。しかし、本発明は、ＴＭモード光学信号をサポートするが、ＴＥモード光学信号をサポートしない代替の光学ＩＣ又はＴＥモード光学信号及びＴＭモード光学信号の両方をサポートする代替の光学ＩＣに適用することもできる。

図１は、光学導波管構造体１００のブロック図を示し、光学導波管構造体１００は、一対のＴＥモード光学信号として、外部ソースから受信した一対の光学信号を偏光し、且つ／又は外部ソースに送信するために、一対のＴＥモード光学信号を直交横方向モードで偏光する複数のステージを有する。第１のステージ１０２はナノテーパを含み得、ナノテーパは、外部光源１０４から送信されている光学信号を受信し結合するように構成される。外部光源１０４は、例として、光ファイバ、自由空間ソース（free-space source）、又は異なる光学導波管を含め、情報を搬送する光信号又は光学信号を送信するように構成される任意の光源又は構造体であり得る。自由空間ソースは一般に、例として、レーザ又は光を集束するレンズ若しくはレンズ系等の、非導波的又は未導波的（non-waveguide or unguided manner）に光を送信又は搬送するように構成される光源又は構造体を指し得る。異なる光学導波管は、材料又は寸法の違い等の異なる属性を含み得る、光学導波管構造体１００以外の別又は別個の導波管を指し得る。追加又は代替として、異なる導波管は、光学導波管構造体１００が集積又は包含される光学ＩＣとは異なる光学ＩＣに集積又は包含される別の導波管構造体及び／又は異なる組み立てプロセスを受ける導波管構造体を指し得る。様々な構成又は構成の組合せが可能である。

外部ソース１０４によって送信される光学信号は、約０．５〜１．０ミリワット（ｍＷ）の範囲等の関連付けられた電力を有し得るが、他の電力を使用してもよい。さらに、光学信号は、任意の範囲であり得る波長を有し得、又はＯバンド若しくはＣバンド及び／又は約１５３０〜１５７０ナノメートルの範囲内を含め、光学若しくは光スペクトル内の任意の波長を有し得る。

外部光源１０４は、一対の光学信号を一緒に、又は同時に送信し得る。第１及び第２の光学信号は一緒に、異なる横方向モードで、又は「ｓ」偏光及び「ｐ」偏光の異なる組合せで偏光されることによって送信し得る。第１及び第２の光学信号を受信すると、ナノテーパステージ１０２は、光学信号を導波モードで導波管構造体１００に閉じ込めるか、又は集中させるように構成し得る。導波モードは異なる導波モードであり得、ＴＥモード及びＴＭモードを含み得る。閉じ込められるか、又は集中される（concentrated）ことにより、光は実質的に、少なくとも光学導波管に関して、導波管構造体１００内に限局（localized）又は包含される。したがって、ナノテーパステージ１０２の出力又は端部において、第１の光学信号は、ＴＥモード光学信号として光学導波管構造体１００内に集中し得、第２の光学信号は、ＴＭモード光学信号として、光学導波管構造体１００内に集中し得る。さらに、ＴＥモード光学信号及びＴＭモード光学信号のそれぞれは、最低次数（すなわち、一次）であり得、又は基本モード光学信号であり得、ＴＥ_０及びＴＭ_０モード光学信号と呼ばれ得る。モードの次数は、伝搬の中心軸に相対する光学信号内の光エネルギーの空間的対称性を指し、且つ／又は示し得る。一次又は基本光学信号は、伝搬軸の中心に配置された光エネルギーの単一の集中を有し得る。

光学導波管構造体１００は、回転子ステージ１０６をさらに含み得、回転子ステージ１０６は、ＴＭモード光学信号の偏光状態をＴＥモード光学信号に回転又は変更し、ＴＥモード光学信号をＴＥモード光学信号として維持又は保持するように構成される。したがって、回転子ステージ１０６の出力又は端部において、ナノテーパステージ１０２において最初に受信された一対の光学信号は、第１及び第２のＴＥモード光学信号として光学導波管構造体１００に閉じ込めるか、又は集中させ得る。

第１及び第２のＴＥモード光学信号は、異なる次数を有し得る。例えば、第１のＴＥモード光学信号は、回転ステージ１０６を通って伝搬する際、ＴＥモード光学信号として維持される一次ＴＥ_０光学信号であり得る。第２のＴＥモード光学信号は、一次よりも高い次数を有し得る。例えば、第２のＴＥモード光学信号は二次ＴＥモード光学信号であり得、ＴＥ_１モード光学信号と呼び得る。二次ＴＥ_１モード光学信号は、伝搬軸を中心として光エネルギー対称の２つの集中（two concentrations）を有し得る。したがって、回転ステージ１０６は、一次ＴＭ_０モード光学信号を二次ＴＥ_１光学信号に変換し、受信した光学信号が回転ステージ１０６を通って伝搬する際、一次ＴＥ_０モード光学信号を一次ＴＥ_０モード光学信号として維持するように構成し得る。

光学導波管構造体１００は、一次ＴＥ_０モード光学信号及び二次ＴＥ_１モード光学信号を別個の光学導波管又は導波路内に分離する分離ステージ１０８をさらに含み得る。一次ＴＥ_０モード光学信号及び二次ＴＥ_１モード光学信号は、単一の導波管又は波長路で分離ステージ１０８に一緒に送信し得る。したがって、ＴＥ_０及びＴＥ_１モード光学信号は、別個に処理し得、分離ステージ１０８は、ＴＥ_０モード光学信号及びＴＥ_１モード光学信号を別個の導波路１１０ａ及び１１０ｂに分離し閉じ込め得る。別個の導波路へのＴＥ_０モード光学信号及びＴＥ_１モード光学信号の分離（より一般的には、同じＴＥ又はＴＭモードで偏光される異なる次数の光学信号の分離）は、モードダイバーシティ（modal diversity）と呼ばれる。分離後、ＴＥ_０モード光学信号及びＴＥ_１モード光学信号は次に、各導波路１１０ａ、１１０ｂに沿って処理回路１１２に送信し得、処理回路１１２において、１つ又は複数の機能をＴＥ_０及びＴＥ_１モード光学信号のそれぞれに対して実行し得る。さらに、分離後、ＴＥ_１光学信号は、各導波路１１０ｂに沿って処理回路１１２に送信される際、一次ＴＥ_０モード光学信号になり得る。

上記説明は、外部ソース１０４から光学信号を受信し、処理のために、光学信号をＴＥモード光学信号として下流の処理回路１１２に提供するように動作する受信器としての光学導波管構造体１００を説明する。受信器であることの追加又は代替として、光学導波管構造体１００は、上流の処理回路１１２から一対のＴＥモード光学信号を受信し、外部ソース１０４に出力する送信器として動作するように構成し得る。特に、分離ステージ１０８は、各導波路１１０ａ、１１０ｂに沿ってＴＥ_０モード光学信号及びＴＥ_１モード光学信号を受信し、それらを単一の導波路に結合し得る。単一の導波路に結合されたＴＥ_０及びＴＥ_１モード光学信号は回転ステージ１０６に供給し得、回転ステージ１０６において、ＴＥ_１モード光学信号はＴＭ_０モード光学信号に変換し得、ＴＥ_０モード光学信号はＴＥ_０モード光学信号として維持される。ＴＥ_０モード及びＴＭ_０モード光学信号は次に、ナノテーパステージ１０２に沿って伝搬し得、ナノテーパステージ１０２において、外部ソース１０４に結合される。

図１に示されるように、導波管構造体１００及び処理回路１１２は、同じ光学集積回路１１４の一部として一緒に集積又は包含され得、光学集積回路１１４において、外部光源１０４が、光学集積回路１１４に光学信号を送信し、且つ／又は光学集積回路１１４から光学信号を受信する。代替の構成例では、導波管構造体１００は、独立した構造体又は処理回路１１２を含み得る処理回路１１２及び／又は光学ＩＣ１１４とは別個の構造体であり得る。

図２は、図１に示される導波管構造体１００のステージ１０２、１０６、及び１０８を含み得るか、又は実施し得る一例としての光学導波管構造体２００の上面図を示す。光学導波管構造体２００は、光学集積回路又はチップ２１４の基板又はバッファ２２０を含み、且つ／又は基板又はバッファ２２０に包含若しくは製造され得る。

光学導波管構造体２００は、ナノテーパ２０２を含み得、ナノテーパ２０２は、外部ソースから受信する一対の直交偏光光学信号を光学導波管構造体２００に結合し、一次ＴＥ_０モード光学信号及び一次ＴＭ_０モード光学信号として集中させ得る。ナノテーパ２０２は、逆テーパと呼ばれることもあり、第１の端部２３０を有し得、第１の端部２３０は、外部ソースから受信される光学信号を直接又はエンドファイア結合（direct or end- fire coupling）を通して結合し得る。第１の端部２３０及びナノテーパ２０２全体は、外部ソースと同一平面にあり得、これは、外部ソース及び／又は入力光に直交又は表面法線であることにより外部ソースに結合する、格子結合器等の表面法線結合構造体とは対照的であり得る。

第１の端部２３０は、基板２２０及び／又は光学チップ２１４の縁部又はその近傍（例えば、縁部から数ミクロン離れる）に配置し得る。さらに、第１の端部２３０は、光学信号の光線のサイズに一致するか、又は近づく幅を有し得、それにより、第１の端部２３０は、外部ソースにとっては物理的に大きく見え、受信した光学信号のモードをサポートして、光学信号の結合効率を最大化（又はエネルギー損失を最小化）する。第１の端部２３０及び／又は基板２２０の材料及び光学信号の波長を含む様々な要因を考慮して、第１の端部２３０の幅を決定し得る。幾つかのシリコンベースの光学導波管の場合等の幾つかの例示的な実施形態では、第１の端部２３０の幅は、約２００ナノメートル以下であり得るが、他の幅を使用することも可能である。

ナノテーパ２０２は、第１の端部２３０に対向して配置される第２の端部２３２を含むこともできる。第２の端部２３２は、光学導波管構造体２００の導波ＴＥ及びＴＭモードをサポートする幅を有し得、それにより、外部ソースから受信される一対の光学信号は、光学信号が第１の端部２３０からナノテーパ２０２を通って第２の端部２３２に伝搬する際、ＴＥモード光学信号及びＴＭモード光学信号として光学導波管構造体２００に閉じ込められる。さらに、上述したように、ＴＥ及びＴＭモード光学信号は、一次ＴＥ_０及びＴＭ_０モード光学信号として閉じ込めるか、又は集中させ得る。ナノテーパ２０２及び／又は基板２２０の材料及び光学信号の波長を含む様々な要因を考慮して、第２の端部２３２の幅を決定し得る。図２に示されるように、第２の端部２３２の幅は、第１の端部２３０の幅よりも大きくてよい。一例では、幅は約３００〜４００ナノメートルの範囲であり得るが、他の幅を使用することも可能である。

ナノテーパ２０２は、断熱光学導波管構造体であり得、この場合、光学信号が断熱構造体を伝搬する際、生じるエネルギー損失は最小であり、一対の光学信号間の高分離が維持される。最小のエネルギー損失及び高分離を達成又は保証するために、断熱構造体は、光学信号の漸次的モード遷移が生じ得る長さを有し得る。長さは、光学信号の波長よりもはるかに長くなり得、モードのインデックスに近づくほど、長さは長くなり得る。幾つかの場合では、長さは、波長の少なくとも１０倍大きくし得る。

ナノテーパ２０２は、ナノテーパ２０２が第１の端部２３０の幅から第２の端部２３２の幅に逆テーパ（inversely taper）となる長さを有し得る。長さは、ナノテーパ２０２を断熱構造体として構成するのに十分であり得る。幾つかの例示的な実施形態では、ナノテーパ２０２の長さは約５０マイクロメートル（ミクロン）であり得るが、他の長さを使用することも可能である。

光学導波管構造体２００は、回転子２０６をさらに含み得、回転子２０６は、一次ＴＭ_０モード光学信号を二次ＴＥ_１モード光学信号に変換又は回転し、一次ＴＥ_０モード光学信号として一次ＴＥ_０モード光学信号を維持するように構成される。回転子２０６は、光学信号が、ナノテーパ２０２の第２の端部２３２に当接又は接続する第１の端部２３４から回転子２０６を通って第２の端部２３６に伝搬する際、ＴＥ_０及びＴＭ_０モード光学信号の遷移及び変換をそれぞれ実行し得る。回転子２０６は、維持及び変換を実行し得る関連付けられた長さを有し得る。ナノテーパ２０２と同様に、回転子２０６は断熱構造体であり得、したがって、維持及び変換は、最小の損失及び光学信号間の分離が高い状態で実行し得る。したがって、回転子２０６は、維持及び変換を徐々に実行して、最小損失及び高分離を保証し得るように、十分な長さを有する。幾つかの例示的な実施形態では、ナノテーパの長さは約５０ミクロンであり得るが、他の長さを使用することも可能である。

回転子２０６は、ベース部２３８と、リブ部２４０（rib portion）とを含み得る。ベース部２３８は、ナノテーパ２０２と同一平面であり得る概して平らな構造体であり得る。加えて、ベース部２３８は、逆テーパ形状を有し、すなわち、第１の端部２３４から第２の端部２３６に増大する幅を有し得る。第１の端部２３４において、幅は、ナノテーパの第２の端部２３４でのナノテーパ２０２の幅に等しいか、又は略等しいことができ、幾つかの例では、３００〜４００ナノメートルの範囲であり得る。第２の端部２３６での回転子２０６の幅は、幾つかの例では、約１マイクロメートルに増大し得るが、他の幅を使用することも可能である。

回転子２０６のリブ部２４０は、基板２２０に接触する対向平面の逆にある、ベース部２３８の平面に配置されるか、又は平面から延出若しくは突出する材料の比較的薄い条片（strip）であり得る。図２に示されるように、リブ部２４０は、第１の端部２３４から第２の端部２３６まで回転子２０６の全長に、略伝搬方向において延び得る。代替の構成例では、リブ部２４０は、回転子２０６の全長に延びないことがある。さらに他の構成例では、リブ部２４０は、ナノテーパ２０２の少なくとも一部が、ナノテーパ２０２の平面から延びるリブ部を含むように、ナノテーパ２０２上に延び得る。

リブ部２４０は、ベース部２３８の任意の幅よりも狭い、又はかなり狭い幅を有し得る。幾つかの構成例では、リブ部２４０の幅は、リブ部２４０が第１の端部２３４から第２の端部２３６に延びる際、略均一であり得る。幾つかの例では、リブ部２４０の均一な幅は約１５０ナノメートルであり得るが、他の幅を使用することも可能である。代替の構成では、リブ部２４０は、第１の端部２３４と第２の端部２３６との間で変化する幅を有し得る。例えば、リブ部２４０の幅は、ベース部２３８の先細りと同様に、又は同じ方向において先細りし得る。代替的には、リブ部２４０の幅は、ベース部２３８の先細りとは逆の方向に先細りし得る。様々な構成が可能である。

回転子２０６の第２の端部２３６において、一対の光学信号はここでは両方ともＴＥモード信号として偏光し得、下流の処理回路（図１の処理回路１１２を参照されたい）によってサポートされる偏光モードであり得るが、処理回路は、光学信号を首尾良く処理するために、ＴＥ_０及びＴＥ_１モード信号を別個に、又は独立して受信する必要があり得る。ナノテーパ２０２及び回転子２０６は、一対の光学信号が一緒に伝搬する単一の導波管又は導波路を構成し得る。したがって、光学導波管構造体２００はセパレータ２０８（separator）をさらに含み得、セパレータ２０８は、処理回路に供給される前に、ＴＥ_０モード光学信号及びＴＥ_１モード信号を別個の光学導波管又は導波路に分離するように構成される。

図２に示される例示的な実施形態では、セパレータ２０８は、Ｙ字スプリッタ２４２等のスプリッタ部と、２×２又は３デシベル（３ｄＢ）カプラ（two-by-two (2x2) or three decibel (3 dB) coupler）２４４等のカプラ部とを含み得る。Ｙスプリッタ２４２は、ＴＥ_０モード光学信号及びＴＥ_１モード光学信号を一緒に回転子２０６から受信し、ＴＥ_０モード光学信号及びＴＥ_１モード光学信号を２つの導波路に分割し得る。分割は、ＴＥ_０及びＴＥ_１モード光学信号を互いから分離又は切り離さなくてもよい。代わりに、ＴＥ_０及びＴＥ_１モード光学信号のエネルギーはそれぞれ、第１のエネルギー部及び第２の（残りの）エネルギー部に分割し得る。幾つかの例では、第１及び第２のエネルギー部の割合は、２つの導波路のそれぞれで約半分であり得るが、第１及び第２のエネルギー部の他の割合を決定することも可能である。すなわち、ＴＥ_０モード光学信号のエネルギーの約半分及びＴＥ_１モード光学信号のエネルギーの約半分は、一方の導波路に結合し得、ＴＥ_０モード光学信号のエネルギーの約半分及びＴＥ_１モード光学信号のエネルギーの約半分は、他方の導波路に結合し得る。次に、２×２カプラ２４４は、ＴＥ_０モード光学信号のエネルギーの全て又は略全てを一方の導波路に閉じ込め、ＴＥ_１モード光学信号のエネルギーの全て又は略全てを他方の導波路に閉じ込めることにより、ＴＥ_０及びＴＥ_１モード光学信号を互いから分割又は切り離し得る。

ナノテーパ２０２及び回転子２０４と同様に、スプリッタ２４２及びカプラ２４４は、断熱光学導波管構造体であるように構成し得る。特に、スプリッタ２４２及びカプラ２４４は両方とも、光学信号がスプリッタ２４２及びカプラ２４４を通って伝搬する際に、一対の光学信号の分割及び結合が最小のエネルギー損失及び高分離で実行されるように、十分な長さを有し得る。幾つかの例示的な実施形態では、Ｙスプリッタ２４２及び２×２カプラ２４４のそれぞれは、約４０〜５０ミクロンの範囲の長さを有し得るが、他の長さを使用することも可能である。

図２に示されるように、Ｙスプリッタ２４２は、伝搬方向に関して対称である三叉導波管構造体を含み得る。対称Ｙスプリッタ２４２は、３つのテーパ部２４６、２４８、２５０を含み、ＴＥ_０及びＴＥ_１モード光学信号を受信し、２つの光学導波路に分割し得る。第１のテーパ部２４６は、回転子２０６の第２の端部２３６に当接又は接続して、ＴＥ_０及びＴＥ_１モード光学信号を受信する第１の端部２５２を有し得る。第１のテーパ部２４６は、第１の端部２５２において、回転子２０６の第２の端部２３６での幅と同じ又は略同じであり、第２の端部２５４において、小さな幅又は点に先細りする幅を有し得る。ＴＥ_０及びＴＥ_１モード光学信号が第１のテーパ部２４６に沿って伝搬する際、ＴＥ_０及びＴＥ_１モード光学信号は、第１のテーパ部２４６に閉じ込められる量がより小さく、第１のテーパ部２４６の外又は周囲のエバネセント場（evanescent field）に移動するか、又は包含され得る。

第２及び第３のテーパ部２４８、２５０はそれぞれ、信号が第１のテーパ部２４６に閉じ込まれる量が少なくなるにつれて、ＴＥ_０及びＴＥ_１モード光学信号に結合するように構成されて、別個の導波路の開始部を形成する。第２及び第３のテーパ部２４８、２５０のそれぞれは、ＴＥ_０及びＴＥ_１モード光学信号内のエネルギーの約半分に結合し得る。図２に示されるように、第２及び第３のテーパ部２４８、２５０は、第１のテーパ部２４６に相対して逆に先細りする逆テーパであり得る。第２及び第３のテーパ部２４８、２５０のそれぞれは、第１のテーパ部２４６の第１の端部２５２又はその近傍に配置される第１の端部２５６、２５８から、第１のテーパ部２４６の第２の端部２５４又はその近傍に配置される第２の端部２６０、２６２に延び得る。第２及び第３のテーパ部２４８、２５０は、比較的小さな幅を有し、点に収束し得る第１の端部２５６、２５８から、第２の端部２６０、２６２でのより大きな幅に幅が増大し得、ＴＥ_０及びＴＥ_１モード光学信号に結合し得る。

第１のテーパ部２４６は、第１の端部２５２から第２の端部２５４に延びる対向する側部２６４及び２６６を含み得る。第２のテーパ部２４８は、第１のテーパ部２４６の側部２６４に面して、側部２６４に略平行して延び得る側部２６８を含み得る。同様に、第３のテーパ部２５０は、第１のテーパ部２４６の対向する側部２６６に面し、側部２６６に略平行して延び得る側部２７０を含み得る。第１及び第２の部分２４６、２４８の側部２６４及び２６８は、第１の部分２４６と第２の部分２４８との間隔又は隔たりを決め得る。同様に、側部２６６、２７０は、第１の部分２４６と第３の部分２５０との間隔又は隔たりを決め得る。第１の部分２４６と第２の部分２４８との間隔及び第１の部分２４６と第３の部分２５０との隔たりは、第２のテーパ部２４８及び第３のテーパ部２５０がＴＥ_０及びＴＥ_１モード光学信号に結合するのに十分なものであり得る。

２×２（又は３ｄＢ）カプラ２４４は、２×２カプラ２４４の第１の端部２７６から２×２カプラ２４４の第２の端部２８０まで延びる第１及び第２の並列導波路２７２、２７４を含み得る。２×２カプラ２４４は、第１の端部２７６又は第２の端部２８０のうちの一方での伝搬軸に沿って対称であるとともに、第１の端部２７６又は第２の端部２８０のうちの他方での伝搬軸に沿って非対称であるように構成し得る。２×２カプラ２４４は、導波路２７２、２７４の幅が同じである第１又は第２の端部２７６、２８０のいずれかにおいて対称であり、導波路２７２、２７４の幅が異なる場所で非対称であり得る。非対称端部において、より大きな幅を有する導波路２７２又は２７４は、ＴＥ_０モード信号に結合し得、より小さな幅を有する導波路２７２又は２７４は、ＴＥ_１モード信号に結合し得る。

図２に示される２×２カプラ２４４の構成例では、２×２カプラ２４４は、第１の端部２７６での導波路２７２、２７４の幅が同じであるという点で第１の端部２７６において対称であり、第２の端部２８０での導波路２７２、２７４の幅が異なるという点で第２の端部２８０で非対称である。第２の端部２８０において非対称性を達成するために、第２の導波路２７４は略一定の幅を有し、一方、第１の導波路２７２は、第１の端部２７６と第２の端部２８０との間で逆テーパ形状を有する。第１の導波路２７２は逆テーパ形状を有し、したがって、第２の端部２８０においてより大きな幅を有するため、第１の導波路２７２は、ＴＥ_０モード信号のエネルギーの略全てに結合し得、第２の導波路２７４は、ＴＥ_１モード信号のエネルギーの略全てに結合し得る。

導波路の一方は、第１の端部２７６、２７８から第２の端部２８０、２８２に先細り（又は逆テーパ形状を有し）し得、一方、他方の導波路は略一定の幅を有し得る。図２に示される構成例では、第１の導波路２７２の幅は、第１の端部２７６から第２の端部２８０に増大し得、第２の導波路２７４は、第１の端部２７８から第２の端部２８２まで略一定の幅を有し得る。先細りの幅及び一定幅の導波路２７２、２７４は、ＴＥ_０モード光学信号のエネルギーの全て又は略全てが第１の先細りする導波路２７２に結合され、ＴＥ_１モード光学信号のエネルギーの全て又は略全てが第２の一定幅の導波路２７４に結合されるように決定し得る。

第１の端部２７６での第１及び第２の導波路２７２、２７４の幅は、第２の端部２６０、２６２での第２及び第３のテーパ部２４８、２５０の幅に等しいか、又は略等しいことができる。すなわち、スプリッタ２４２の出力での幅は、カプラ２４４の入力での幅と同じであり得る。図２に示される例示的な実施形態では、これらの端部での幅は、ＴＥ_１モード光学信号に結合する一定幅の導波路２７４の幅であるように選び得、第１の先細りする導波路２７２の幅は、ＴＥ_０モード光学信号に結合するよう増大するように選び得る。代替の構成例では、スプリッタ２４２の出力及びカプラ２４４の入力の幅は、ＴＥ_０モード信号に結合する導波路２７２の幅であるように選び得、この場合、第１の導波路２７２は一定の幅を有し得、ＴＥ_１モード信号に結合する第２の導波路２７４は、より小さな幅に逆テーパ形状を有し得る。

２×２カプラ２４４の代替の構成例では、一方の幅が端部２７６と端部２８０との間で一定のままである代わりに、第２の端部２８０での幅が異なり、非対称性を達成する限り、導波路２７２、２７４の両方が先細りし得る。さらに他の代替の構成例では、２×２カプラ２４４は、第１の端部２７６において非対称であり、第２の端部２８０で対称であり得る。

第１及び第２の並列導波路２７２、２７４は、それぞれの導波路２７２、２７４へのＴＥ_０及びＴＥ_１モード光学信号の所望の結合を達成し得るように、適切な幅又は間隔２８４によって離間され得る。図２に示されるように、幾つかの構成例では、平行導波路２７２、２７４は、間隔２８４に起因して、それぞれの端部２６０、２６２でのＹスプリッタ２４２の第２及び第３のテーパ部２４８、２５０よりも互いに近くに位置決めされる。平行導波路２７２、２７４をより近くに位置決めするために、セパレータ２０８は、Ｙスプリッタ２４２の第２の端部２６０、２６２に２×２カプラ２４４の第１の端部２７６、２７８を結合する一対の導波路２８６ａ、２８６ｂを有する第１の結合部２８６を含み得る。導波路２８６ａ、２８６ｂは、図２に示されるように、Ｓ字形湾曲（又はＳ湾曲）であり得る。代替的には、導波路２８６ａ、２８６ｂは、直線形状導波路又はＳ字形以外の湾曲路等の異なる形状の導波路であってもよい。さらに、処理回路の構成に応じて、平行導波路２７２、２７４は、端部２８０、２８２での間隔よりも互いから広く離間する必要があり得る。したがって、第２の結合部２８８は、Ｓ湾曲２８８ａ、２８８ｂを含み得、ＴＥ_０モード及びＴＥ_１モード信号が処理回路に送信される前、第１の導波路２７２と第２の導波路２７４との間隔を広げるために含め得る。図２に示される第１及び第２の結合部２８６、２８８は、Ｓ湾曲構成に限定されず、スプリッタ２４２及び２４４を結合する且つ／又はカプラ２４４の出力での導波路を広げるために、他の形状の経路を使用することも可能である。追加又は代替として、第１及び第２の結合部２８６、２８８のうちの一方又は両方は、必要に応じてセパレータ２０８から省き得る。様々な構成が可能である。

カプラ２４４の代替の構成では、２×２カプラの代わりに、対称カプラであり得る（２×２カプラとは対照的であり、導波路２７２、２７４のうちの一方が先細りすることに起因して非対称カプラであり得る）方向性カプラが使用可能である。方向性カプラが使用される場合、両方の導波路は、第１の端部２７６、２７８から第２の端部２８０、２８２に一定の幅を有し得る。しかし、方向性カプラは、厚さの影響の受けやすさの増大、製造のばらつき、長さ、及び波長に起因して、２×２カプラよりも望ましくないことがある。代替的には、方向性カプラは、長さが２×２カプラと比較して短く、したがって、サイズに関してより望ましいことがある。

上述したように、セパレータ２０８は、単一の光学導波管又は導波路に沿って一緒に伝搬し得るＴＥ_０及びＴＥ_１モード光学信号を別個の分離された光学導波路に分離し得る。図２に示される構成例では、ナノテーパ２０２、回転子２０４、及びスプリッタ２４２の第１のテーパ部２４６は、単一の光学導波管又は導波路を構成し得、第２及び第３のテーパ部２４８、２５０、第１の結合部２８６、カプラ２４４、並びに第２の結合部２８８は、別個の分離された光学導波路を構成し得る。

図３は、代替例としての光学導波管構造体３００の上面図を示す。代替例としての光学導波管構造体３００は、例としての導波管構造体２００と同様であり得るが、導波管構造体３００は異なるセパレータ３０８を含み得る。代替のセパレータ３０８は、伝搬方向に相対して非対称である非対称Ｙスプリッタ３４３を含み得る。非対称Ｙスプリッタ３４３は、図２に示される対称Ｙスプリッタ２４２、カプラ２４４、及びＳ湾曲結合部２８６を置換し得る。代わりに、非対称Ｙスプリッタ３４３は、スプリッタ及びカプラを結合して単一の光学導波管構造体にし得、単一の光学導波管構造体は、別個のステージではなく、分割機能及び結合機能を同時に又は一緒に実行する。換言すれば、非対称Ｙスプリッタ３４３は二重導波管構造体を含み得、この構造体では、第１の導波管はＴＥ_０及びＴＥ_１モード光学信号を受信し、第２の導波管は、ＴＥ_０及びＴＥ_１モード光学信号が別個の光学導波路にあるように、ＴＥ_０モード光学信号又はＴＥ_１モード光学信号のいずれかを第１の導波管から離れて結合する。セパレータの分割ステージ及び結合ステージを結合することにより、図３の例としてのセパレータ３０８は、図３の例としてのセパレータ２０８よりも短い長さであり得、したがって、より好ましい設計選択であり得る。

図３に示されるように、非対称Ｙスプリッタ３４３は、第１のテーパ部３４７と、第２のテーパ部３４９とを含み得る。第１のテーパ部３４７は、回転子２０６の出力又は第２の端部２３６に当接又は接続する第１の端部３５３を有し得る。第１のテーパ部３４７は、第１の端部３５３での幅から第２の端部３６１での幅まで先細りし得る。第２のテーパ部３４９は、小さな幅を有するか、又は点に収束する第１の端部３５９から、第２の端部３６１での第１のテーパ部３４７の幅とは異なり得る幅を有する第２の端部３６３まで逆テーパ形状を有し、すなわち、幅が増大し得る。

第１及び第２のテーパ部３４７、３４９の幅は、第２のテーパ部３４９がＴＥ_０モード光学信号又はＴＥ_１モード光学信号のいずれかを第１のテーパ部３４７から離れて結合し、一方、他方の光学信号が第１のテーパ部３４７に結合されたままであるように構成し得る。このようにして、ＴＥ_０及びＴＥ_１モード光学信号は、端部３６１、３６３において別個の光学導波路にあり、モードダイバーシティを達成する。図３に示されるように、端部３６１での第１のテーパ部３４７の幅が、端部３６３での第２のテーパ部３４９の幅よりも大きい場合、ＴＥ_０モード光学信号は、第１の導波管部３４７に結合されたままであり得、ＴＥ_１モード光学信号は、第２の導波管部３４９に結合し得る。代替の構成では、端部３６１での第１のテーパ部２３７の幅は、端部３６３での第２のテーパ部３４９の幅よりも小さくし得、それにより、ＴＥ_１モード光学信号は第１のテーパ部３４７に結合したままであり、ＴＥ_０モード光学信号は第２のテーパ部３４９に結合される。

代替の光学導波管用途では、非対称Ｙスプリッタ３４３は、モードダイバーシティが達成される分離とは対照的に、モードダイバーシティを使用しない分割及び／又は用途に向けて構成し得る。すなわち、モードダイバーシティのために、ＴＥ_０モード光学信号のエネルギーの全て又は略全てが第１のテーパ部３４７に結合され、ＴＥ_１モード信号のエネルギーの全て又は略全てが第２のテーパ部３４９に結合される代わりに、非対称Ｙスプリッタ３４３は、ＴＥ_０モード光学信号及びＴＥ_１モード光学信号の両方の第１のエネルギー部が、第１のテーパ部３４７に結合され、ＴＥ_０モード光学信号及びＴＥ_１モード光学信号の両方の第２のエネルギー部が、第２のテーパ部３４９に結合されるように構成し得る。

幾つかの構成例では、非対称Ｙスプリッタ３４３は、ＴＥ_０モード光学信号及びＴＥ_１モード光学信号のエネルギーの約５０％が第１のテーパ部３４７に結合され、ＴＥ_０モード光学信号及びＴＥ_１モード光学信号のエネルギーの約５０％が、第２のテーパ部３４９に結合されるように、第１及び第２のエネルギー部を等しく分割し得る。これらの構成例では、それぞれの端部３６１、３６３での第１及び第２のテーパ部３４７、３４９の幅は、同じ又は略同じであり得る。代替的には、第１及び第２のエネルギー部は、第１及び第２のテーパ部でのエネルギー部の所望又は所定の比率の達成等のために、変更し得る。一例として、幅は、エネルギーの８６％が第１のテーパ部３４７にあり、エネルギーの１４％が第２のテーパ部３４９にあるように構成し得る。様々な構成が可能である。

さらに他の光学導波管用途では、非対称Ｙスプリッタ３４３は、回転子２０６から独立して、且つ／又は回転子２０６なしで使用することができる。追加又は代替として、非対称Ｙスプリッタ３４３は、一次ＴＥモード光学信号のみが光学導波管を通って伝搬する光学導波管用途で分割又は結合するために使用し得る。例えば、非対称Ｙスプリッタ３４３は、単一のＴＥ_０モード光学信号を異なる光学導波路に分割するか、又は一対のＴＥ_０モード光学信号を結合して単一の光学導波路にするように構成し得る。

図３に示されるように、第２のテーパ部３４９は、第１のテーパ部３４７の側部３６７に面し、側部３６７に略平行して延びる側部３７１を含み得る。側部３６７及び３７１は、ＴＥ_１モード信号の第２のテーパ部３４９への離れた結合を達成し得るように、適切な距離又は間隔だけ互いから離間し得る。さらに、図３に示されるように、Ｓ湾曲、他の湾曲構造体、又は直線構造体を含み得る結合部３８９を端部３６１、３６３に結合して、ＴＥ_０及びＴＥ_１モード光学信号を処理回路に送信し得る前に、別個の光学導波路を広げ得る。

さらに、非対称Ｙスプリッタ３４３は、光学導波管構造体２００の構成要素のように、断熱光学導波管構造体であり得る。すなわち、非対称Ｙスプリッタ３４３は、光学信号が非対称Ｙスプリッタ３４３を通って伝搬する際、一対の光学信号の分割及び結合が最小のエネルギー損失及び高分離で実行されるように、第１の端部３５３、３５９から第２の端部３６１、３６３までに十分な長さを有し得る。幾つかの例示的な実施形態では、非対称Ｙスプリッタ３４３は、約５０ミクロンの長さを有し得るが、他の長さを使用することも可能である。

図４は、別の代替例の光学導波管構造体４００の上面図を示す。代替例の光学導波管構造体４００は、例としての導波管構造体２００又は３００と同様であり得るが、導波管構造体４００は異なるセパレータ４０８を含み得る。セパレータ４０８は、回転子２０６の第２の端部２３６に当接し、ＴＥ_０及びＴＥ_１モード信号を別個の光学導波路４７２、４７４に分割する端部４５２において、ＴＥ_０及びＴＥ_１モード信号を受信するように構成し得る。

セパレータ４０８は、回転子２０６の第２の端部２３６に接続される単一の導波路４７６を含み得る。単一の導波路４７６の幅は、第２の端部２３６での回転子２０６の幅に等しいか、又は略等しくし得る。単一の導波路４７６は、ポイント又は位置４７８において一対の導波路４７２、４７４を分割し得る。第１及び第２の導波路４７２、４７４の総合幅又は結合幅は、端部２３６での回転子２０６の幅及び／又は単一の導波路４７６の幅に等しいか、又は略等しくし得る。さらに、第１及び第２の導波路４７２、４７４の個々の幅は、ＴＥ_０及びＴＥ_１モード光学信号が異なる導波路４７２、４７４に結合されるように、互いに異なり得る。図４に示されるように、第１の導波路４７２は、より大きな幅を有し、ＴＥ_０モード信号に結合し得、第２の導波路４７４は、より小さな幅を有し得、ＴＥ_１モード信号に結合し得る。

単一の導波路４７６の長さは、様々であり得、幾つかの構成例では、包含されないことがある。例えば、分割のポイント又は位置４７８は、回転子２０６に当接する端部４５２に位置決めし得、ＴＥ_０及びＴＥ_１モード信号は、回転子２０６の直後に別個の導波路４７２、４７４に分割し得る。

図４に示される導波路４７２、４７４はＳ湾曲として構成される。しかし、代替の構成例では、導波路４７２、４７４は、直線路又はＳ字形路以外の湾曲路であってもよい。様々な構成が可能である。

セパレータ４０８は一般に、図２及び図３に示されるセパレータ２０８、３０８と比較してより単純な設計及び構造を提供し得る。しかし、セパレータ４０８は、セパレータ４０８が、ＴＥ_０及びＴＥ_１モード光学信号をより急激又は漸次姓がより低い（又は断熱性がより低い）ように分割するように構成されることに起因して、セパレータ２０８、３０８と比較してより損失が多く、且つ／又はより多量の散乱をもたらし得る。

光学導波管構造体２００、３００、４００は、受信モードで動作するものとして説明され、受信モードでは、一対の直交偏光光学信号が、外部ソースから受信され、且つ／又は結合され、ＴＥ_０モードで偏光される第１の光学信号及びＴＥ_１モードで偏光される第２の光学信号に変換され、下流の光学処理回路による処理のために、互いに別個の導波路に分離される。

追加又は代替として、図１を参照して上述したように、光学導波管構造体２００、３００、４００は、送信モードで動作し得る。例えば、光学導波管構造体２００、３００、４００は、一対のＴＥモード光学信号を処理回路から受信し、回転子２０８、３０８、４０８等を用いて単一の導波路に閉じ込め、ＴＭモードで偏光されるようにＴＥモード光学信号のうちの一方を回転させ、一方、回転子２０６等を用いて他方の光学信号をＴＥモードに維持し、光学導波管２００、３００、４００のフロントエンド又は縁部に提供して、外部ソースに結合し得る。このようにして、光学導波管構造体は、受信器、送信器、又は送受信器のフロントエンド構成要素として機能又は動作し得る。

光学導波管構造体が送信モードで動作する幾つかの用途例は、変調光学信号を処理回路から送信のために提供し得る二重偏光方式を含め、様々な変調方式を含み得る。変調方式例は、例として、直交位相偏移変調（ＱＰＳＫ：ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ ｐｈａｓｅ−ｓｈｉｆｔ ｋｅｙｉｎｇ）、直交振幅変調（ＱＡＭ：ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）、パルス振幅変調（ＰＡＭ：ｐｕｌｓｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）、又は二進位相偏移変調（ＢＰＳＫ：ｂｉｎａｒｙ ｐｈａｓｅ−ｓｈｉｆｔ ｋｅｙｉｎｇ）を含み得る。他の変調方式も可能であり得る。光学導波管構造体２００、３００、４００は、処理回路からＴＥモードで変調された光学信号を受信し、外部ソースに送信且つ／又は結合するために、ＴＥモード信号のうちの一方をＴＭモード信号に変換するように構成し得る。様々な他の用途も可能である。

例としての光学導管構造体２００、３００、４００は、平面を有する概して平坦な構造であり得る。特に、ナノテーパ２０２、回転子２０６、及びセパレータ２０８、３０８、４０８を含む光学導波管構造体２００、３００、４００のステージ又は部品は、基板又はバッファ２２０等の基板又はバッファの平面上に配置される複数の平坦な層として形成し得る。さらに、回転子２０６のリブ部２４０を除く全ての部品は、略均一の厚さを有し、同じ材料で作られた単層として集積又は製造し得る。リブ部２４０は、第１の層に配置され、且つ／又は第１の層から突出する第２の追加の層として、光学導波管構造体２００、３００内に含まれ得る。リブ部２４０は、第１の層を構成する導波管構造体２００、３００の部品と同じ材料又は異なる材料で作られ得る。第１の層又は第１の層と第２の層とが結合されたものは、導波管構造体のコア（core）又はコア構成要素と呼ばれ得る。例示するために、図２において識別されるナノテーパ２０２は、追加又は代替として、ナノテーパ２０２のコアと呼ばれ得る。同様に、回転子２０６のベース部２３８及びリブ部２４０は、まとめて、回転子２０６のコアと呼ばれ得る。

上述したように、ナノテーパ２０２と、回転子２０６と、セパレータ２０８、３０８、４０８とのそれぞれを含む光学導波管構造体２００、３００、４００は、断熱光学導波管構造体であり得、光学信号間の損失及び干渉を最小化し得る。さらに、導波管構造体２００、３００、４００は、広範囲の波長にわたり、最適な性能で、又は性能低下なく、断熱的に動作又は実行し得る広帯域構造体と見なし得る。ここで、広帯域は、約１００ナノメートルの動作帯域を指し得る。

図５は、図１の線５−５に沿ったナノテーパ２０２の断面側面図を示す。ナノテーパ２０２は、基板又はバッファ２２０の平面５０４上に配置されるコア５０２を含み得る。コア５０２は、被覆材５０６で封入又は囲み得る。図５に示されるように、コア５０２は関連付けられた厚さを有し得、厚さは１１０〜１３０ナノメートルの範囲であり得るが、他の厚さを使用することも可能である。さらに、コア５０２、被覆材５０６、及び基板２２０は、誘電材料を含め、誘電若しくは光学導波管又は誘電若しくは光学導波管を使用する光学集積回路に使用し得る任意の材料で製造し得る。幾つかの構成例では、基板２２０は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）又は比較的低い屈折率を有する他の材料で製造し得る。基板２２０と同様に、被覆材５０６も、比較的低い屈折率を有する材料で製造し得る。例えば、被覆材５０６はガラスで製造し得、ガラスは屈折率約１．５を有する。これとは対照的に、コア５０２はシリコン（Ｓｉ）等の比較的高い屈折率を有する材料で製造し得、シリコンは屈折率約３．５を有する。非限定的な例として、窒化ガリウム、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、単結晶シリコン、多結晶シリコン材料等のシリコンベースの材料、ガリウムヒ素、リン化インジウム、若しくは他の関連する化合物等の他のＩＩＩ／Ｖ族材料等のシリコン以外の様々な材料を使用することも可能である。様々な他の材料を使用することも可能である。コア５０２と被覆材５０６との屈折率のコントラスト又は差は、光学導波管構造体を高コントラスト光学導波管とし得、これは、比較的大きな差が、コア５０２の材料の屈折率と被覆材５０６の材料の屈折率との間に存在することを意味する。

図５に示される断面図は、ナノテーパ２０２のものであるが、セパレータ２０８又は３０８等の単層コアを有する例としての光学導波管構造体２００又は３００の他の部品又は部分を表すこともできる。他の単層コアセクションでのコア５０２の厚さ及び／又はコア５０２及び／又は被覆材５０６に使用される材料は、導波管構造体２００、３００全体を通して同じであり得る。他の断面での違いとしては、コアの幅及び／又は図２及び図３の上面図に示されるように、他の断面が２つの別個の導波路に２つの別個のコアを含み得ることを挙げることができる。

図６は、線６−６に沿った回転子２０６の断面側面図を示す。回転子２０６は、基板２２０の平面上に配置されるコア６０２を含み得る。コア６０２は、図２に示されるように、ベース部２３８の層であり得る第１の層６３８を含み得る。第１の層６３８は、単層で作られる導波管構造体２００、３００の他の部品のコア５０２と同じ層であり得、且つ／又は同一平面にある。例えば、第１の層６３８は、単層コア構成要素の場合のコア５０２と同じ材料で作られ、且つ／又は同じ又は略同じ厚さで作られるように製造し得る。コア６０２は、図２に示されるリブ部２４０の層であり得る第２の層６４０をさらに含み得る。図６に示されるように、第２の層６４０は、第１の層６３８上に配置し得、且つ／又は第１の層６３８から延び得る。第２の層６４０は、第１の層６３８を構成する材料と同じ材料又は異なる材料で製造し得る。一構成例では、第１の層６３８は単結晶シリコンで製造し得、リブ部を構成する第２の層６４０は、多結晶シリコン（ポリシリコン）で製造し得るが、他の材料を使用することも可能である。

回転子２０６のベース部２３８及びリブ部２４０の組合せは、伝搬方向に延びる場合、断面及び形状の両方に関して幾何学的形状を形成し得、この形状は、マクスウェルの法則により、光学信号が回転子２０６を通って伝搬する際、ＴＥ_０モード光学信号にその偏光をＴＥ_０状態に維持させ、一方、ＴＭ_０モード光学信号にその偏光をＴＥ_１モードに変更させ得る。特に、ベース部２３８及びリブ部２４０の組合せは、特定のタイプの対称、非対称、又はテーパ形を生み出し、ＴＥ_０及びＴＭ_０信号の維持及び変換をもたらし得る。

回転子２０６の一構成例では、図２の上面図から示されるように、回転子２０６は、伝搬方向に延びる軸に沿って対称であり得るか、又は鏡面対称を有し得る。リブ部２４０は、伝搬軸に沿って、又はベース部２３８の中心（図２及び図６に示されるように）に配置して、伝搬方向において鏡面対称を達成し得る。代替の構成では、回転子２０６は伝搬方向において非対称であり得る。特に、リブ部２４０は、伝搬軸又はベース部２３８の中心から中心がずれ得る。追加又は代替として、リブ部２４０は、端部２３４と端部２３６との間に変化する幅を有して、非対称性を形成し得る。

回転子２０６が伝搬方向において鏡面対称を有する構成では、一対の光学信号は、純粋なＴＥ及びＴＭモード信号としてナノテーパ２０２によって結合し得、これは、ＴＥモード信号がＴＭ成分又は任意のＴＭ品質を有さず、ＴＭモード信号がＴＥ成分又は任意のＴＥ品質を有さないことを意味する。代替的には、回転子２０６が伝搬方向において非対称である場合、ナノテーパ２０２によって結合される一対の光学信号は、純粋なＴＥ及びＴＭモード信号ではないことがある。しかし、一対の光学信号はなお、特にナノテーパ２０２が十分な長さを有する場合、互いに直交して偏光し、高度に線形に偏光し得る。

さらに、図６に示されるように、回転子２０６は、第１の層６３８と第２の層６４０との間で非対称であり得るか、又は破られた対称性を有し得る。破られた対称性は、図２を参照して上述したように、ベース部２３８の任意の幅よりも小さな幅を有するようにリブ部２４０を構成することによって達成し得る。さらに、回転子２０６又は特に回転子２０６のベース部２３８は、回転子２０６が断熱構造体であるように、比較的滑らかなテーパ形を有するように構成し得る。

上述した光学導波管構造体２００、３００は、ナノテーパ２０２、回転子２０６、及びセパレータ２０８、３０８の全てを包含することに限定されない。光学導波管構造体２００、３００の代替の例示的な実施形態は、ナノテーパ２０２、回転子２０６、及びセパレータ２０８、３０８の全て未満を含み得る。例えば、光学導波管構造体２００、３００の代替の実施形態は、回転子２０６のみを含み得る。他の代替の実施形態は、回転子２０６及び回転子２０８又は３０８を含み得、光学導波管構造体２００、３００とは別個であるか、又は外部にある、ナノテーパ２０２等の結合構造体又は格子カプラ等の何らかの他の結合構造体から、一対のＴＥモード及びＴＭモード光学信号を受信し得る。光学導波管構造体２００、３００のさらに他の代替の例示的な実施形態は、セパレータ２０８又は３０８なしで、ナノテーパ２０２及び回転子２０６を含み得る。光学導波管構造体２００、３００の更なる代替の例示的な実施形態は、Ｙスプリッタ２４２等であるが、２×２カプラ２４４ではないセパレータ２０８の部分のみを含み得る。光学導波管構造体２００、３００の様々な構成又は構成の組合せが可能である。

図７は、外部ソースから結合された一対の直交偏光光学信号を一対のＴＥモード光学信号に変換する方法を記載する。ブロック７０２において、一対の直交偏光光学信号は、光学導波管のナノテーパ等の外部ソースから結合し得る。ナノテーパは、外部ソースに結合されるように構成される幅を光学導波管の縁部に有し得る。ブロック７０４において、ナノテーパは、ＴＥモードで偏光される第１の光学信号及びＴＭモードで偏光される第２の光学信号として、一対の直交偏光光学信号を導波管構造体に閉じ込め得る。ＴＥ及びＴＭモードは一次ＴＥ又はＴＭモードであり得る。

ブロック７０６において、第１及び第２の光学信号は、光学導波管構造体の回転子を通って伝搬し得、ＴＥモードの第１の光学信号はＴＥモードに維持し得、第２の光学信号は、ＴＭモードでの偏光からＴＥモードでの偏光に回転し得る。第２の光学信号は、一次よりも高い次数を有するＴＥモードで偏光し得る。例えば、回転子は、二次ＴＥ_１モードで第２の光学信号を偏光し得る。

ブロック７０８において、第１及び第２の光学信号は、互いから別個の光学導波路に分離し得る。第１及び第２の光学信号はまず、Ｙスプリッタを使用して分割し得、第１及び第２の光学信号のエネルギーの約半分は第１の導波路に結合され、第１及び第２の光学信号のエネルギーの約半分は第２の導波路に結合される。Ｙスプリッタによって分割された後、第１及び第２の光学信号は、互いから、一対の導波路又は部分を含む２×２カプラ等の光学カプラを有する別個の導波路に分離し得る。第１及び第２の光学信号が別個の導波路にあるように、一対のうちの第１の導波管部は、第１の光学信号のエネルギーの略全てに結合し得、一対のうちの第２の導波管部は、第２の光学信号のエネルギーの略全てに結合し得る。

代替的には、セパレータは、非対称Ｙスプリッタを使用して互いから第１及び第２の光学信号を受信し分割し得る。特に、第１のテーパ部は、第１及び第２の光学信号を受信し得る。光学信号のうちの一方は、第１及び第２の光学信号が第１のテーパ部を通って伝搬する際、第１のテーパ部に閉じ込められる程度が低くなり得る。同時に、非対称Ｙスプリッタの第２のテーパ部は、２つの光学信号が互いから、別個の導波路に分離されるように、閉じ込められる程度が低い光学信号の１つを結合し得る。

図８は、一対のＴＥモード光学信号を受信し、外部ソースへの送信及び／又は結合のために、一対の直交偏光光学信号を変換する一例としての方法８００のフローチャートである。ブロック８０２において、セパレータ（追加又は代替として、結合器と呼ばれることもある）は、別個であり、且つ／又は分離された導波路から、両方ともＴＥモードで偏光された一対の光学信号を受信し得る。一対の光学信号は、処理回路から送信し得る。ＴＥモード信号の一方は、一次ＴＥモードであり得、ＴＥモード信号の他方は、二次等の一次よりも高い次数を有するＴＥモードであり得る。

ブロック８０４において、結合器は、一対のＴＥモード光学信号を単一の導波路に結合し、且つ／又は閉じ込め得る。一例では、２×２カプラは、各ＴＥモード信号のエネルギーの約半分が第１の導波管部に結合され、各ＴＥモード信号のエネルギーの約半分が第２の導波管部に結合されるように、一対のＴＥモード信号を２つの平行導波管部に結合し得る。次に、Ｙスプリッタは、第１及び第２の光学信号の両方からのエネルギーの全て又は略全てが単一の導波路に閉じ込められるように、一対の導波管部からのＴＥモード信号を結合し得る。

ブロック８０６において、回転子は、ＴＥモード光学信号の一方をＴＭモードで偏光するように回転させ得、一方、他方のＴＥモード光学信号の偏光をＴＥモードでの偏光に維持し得る。例えば、ＴＥ_０モード光学信号はＴＥ_０モードに維持し得、一方、ＴＥ_１モード信号はＴＭ_０モードで偏光するように回転し得る。

ブロック８０８において、ナノテーパは、ＴＥ及びＴＭモードで導波管構造体に閉じ込められる一対の光学信号を受信し、導波管構造体の端部又は縁部に送信し得、導波管構造体において、導波管構造体に導波モードで閉じ込められる程度を低くし得、チップの外且つ導波管構造体から離れて送信し得る。

本明細書に記載される様々な実施形態は、単独で、又は互いに組み合わせて使用することができる。上述した詳細な説明は、本発明の多くの可能な実装形態のうちの少数のみを説明した。このため、この詳細な説明は限定ではなく例示として意図される。

Claims (20)

1. 装置であって、
   一対の光学信号を導波モードで送信するように構成される光学導波管構造体を備え、
   前記光学導波管構造体は、回転子を含み、
   前記回転子は、
   横方向電気（ＴＥ）モードで偏光された前記一対の光学信号のうちの第１の光学信号を受信し、前記第１の光学信号が前記回転子を通って伝搬する際に、前記第１の光学信号をＴＥモードに維持すること、
   横方向磁気（ＴＭ）モードで偏光された前記一対の光学信号のうちの第２の光学信号を受信し、前記第２の光学信号が前記回転子を通って伝搬する際に、ＴＭモードの光学信号をＴＥモードの光学信号に変換すること、を実行するように構成され、
   前記回転子は、基板上に配置される第１の層と、前記第１の層上に配置される第２の層とを含む二重層コアを含み、
   前記第１の層は、前記二重層コアの第１の端部から第２の端部にわたって逆テーパ形状を有するベース部を含み、
   前記第１の端部における前記ベース部の幅は、前記第２の端部における前記ベース部の幅未満であり、
   前記第２の層は、リブ部を含み、
   前記リブ部は、前記第１の端部及び前記第２の端部における前記ベース部の幅未満の幅を有する、装置。
2. 前記回転子は、
   前記第１の光学信号を一次ＴＥモードの光学信号として受信して維持し、前記第２の光学信号を一次ＴＭモードの光学信号として受信して、一次ＴＭモードの光学信号を、一次よりも高い次数を有するＴＥモードの光学信号に変換するように構成される、請求項１に記載の装置。
3. 前記回転子は、
   一次ＴＭモードの光学信号を二次ＴＥモードの光学信号に変換するように構成される、請求項２に記載の装置。
4. 前記リブ部は、前記回転子が伝搬方向において鏡面対称を有するように、前記ベース部の中心に配置される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記リブ部は、伝搬方向において前記ベース部の中心からずれる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記回転子は、断熱構造体である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記光学導波管構造体は、セパレータをさらに含み、
   前記セパレータは、
   前記第１の光学信号及び前記第２の光学信号を前記回転子から受信すること、
   前記第１の光学信号を前記第２の光学信号から分離して、別個の第１の導波路及び第２の導波路に分けること、を実行するように構成され、
   前記セパレータは、前記基板上に配置される単層コアを含み、
   前記単層コアは、
   前記回転子から前記第１の光学信号及び前記第２の光学信号を受信するように構成される第１のテーパ部と、第２のテーパ部及び第３のテーパ部とを含むＹ字スプリッタであって、前記第２のテーパ部は、前記第１のテーパ部からの前記第１の光学信号及び前記第２の光学信号のそれぞれの第１のエネルギー部分を結合するように構成され、且つ、前記第３のテーパ部は、前記第１のテーパ部からの前記第１の光学信号及び前記第２の光学信号のそれぞれの第２のエネルギー部分を結合するように構成される、前記Ｙ字スプリッタと、
   第２の導波管部と並列に構成される第１の導波管部を含む２×２カプラであって、前記第１の導波管部及び前記第２の導波管部のそれぞれは、前記２×２カプラの第１の端部から前記２×２カプラの第２の端部まで延びる、前記２×２カプラと、を含み、
   前記２×２カプラは、前記第１の端部又は前記第２の端部のうちの一方で、伝搬方向において対称であり、且つ、前記第１の端部又は前記第２の端部のうちの他方で、伝搬方向において非対称である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
8. 第１の導波路は、
   前記Ｙ字スプリッタの第２のテーパ部と、前記２×２カプラの第１の導波管部とを含み、
   前記第２の導波路は、
   前記Ｙ字スプリッタの第３のテーパ部と、前記２×２カプラの第２の導波管部とを含み、
   前記第１の導波管部は、前記２×２カプラの第１の端部と第２の端部との間で先細る幅を有し、且つ、前記第１の光学信号のエネルギーの略全てを結合し、
   前記第２の導波管部は、前記２×２カプラの第１の端部から第２の端部まで略均一な幅を有し、且つ、前記第２の光学信号のエネルギーの略全てを結合する、請求項７に記載の装置。
9. 前記光学導波管構造体は、セパレータをさらに含み、
   前記セパレータは、
   前記回転子から前記第１の光学信号及び前記第２の光学信号を受信すること、
   前記第１の光学信号を前記第２の光学信号から分離して、別個の第１の導波路及び第２の導波路に分けること、を実行するように構成され、
   前記セパレータは、前記基板上に配置される単層コアを含み、
   前記単層コアは、非対称Ｙ字スプリッタを含み、
   前記非対称Ｙ字スプリッタは、
   前記回転子から前記第１の光学信号及び前記第２の光学信号を受信するように構成される第１のテーパ部と、
   前記第１の光学信号又は前記第２の光学信号のうちの一方のエネルギーの略全てを前記第１のテーパ部から離れて結合し、前記第１の光学信号又は前記第２の光学信号のうちの他方のエネルギーの略全ては、前記第１のテーパ部に結合された状態を保つように構成される第２のテーパ部と、を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
10. ナノテーパをさらに備え、
    前記ナノテーパは、第１の端部から第２の端部に延びるテーパ部を含む単層コアを含み、
    前記ナノテーパの第１の端部における前記ナノテーパの幅は、前記ナノテーパの第２の端部における幅未満であり、
    前記ナノテーパの第１の端部における幅は、外部ソースからの前記第１の光学信号及び前記第２の光学信号に結合するように設定され、
    前記ナノテーパの第２の端部における幅は、ＴＥモードの第１の光学信号及びＴＭモードの第２の光学信号を閉じ込めるように設定される、請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
11. 方法であって、
    外部ソースからの第１の光学信号及び第２の光学信号を光学導波管構造体のナノテーパに結合させることであって、前記第１の光学信号及び前記第２の光学信号は、一対の直交偏光光学信号として結合される、前記ナノテーパに結合させること、
    横方向電気（ＴＥ）モードで偏光された前記第１の光学信号及び横方向磁気（ＴＭ）モードで偏光された前記第２の光学信号を、前記ナノテーパによって前記光学導波管構造体に閉じ込めること、
    前記第２の光学信号が光学導波管構造体の回転子を通って伝搬する際に、前記第１の光学信号の偏光をＴＥモードでの偏光に維持しながら、前記回転子によって、前記第２の光学信号をＴＭモードでの偏光からＴＥモードでの偏光に回転させること、
    前記光学導波管構造体のセパレータによって、ＴＥモードで偏光された第１の光学信号及びＴＥモードで偏光された第２の光学信号を受信すること、
    前記光学導波管構造体のセパレータによって、前記第２の光学信号から前記第１の光学信号を分離して、第１及び第２の導波路に分けること、を備える方法。
12. ＴＥモードの第１の光学信号及びＴＭモードの第２の光学信号を前記光学導波管構造体に閉じ込めることは、
    前記第１の光学信号を一次ＴＥモードで閉じ込め、前記第２の光学信号を一次ＴＭモードで閉じ込めることを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記第２の光学信号をＴＭモードでの偏光からＴＥモードでの偏光に回転させることは、
    前記第２の光学信号を、一次ＴＭモードでの偏光から、一次よりも高い次数を有するＴＥモードでの偏光に回転させることを含む、請求項１１又は１２に記載の方法。
14. 前記一次よりも高い次数を有するＴＥモードは、二次ＴＥモードである、請求項１３に記載の方法。
15. 前記第１の光学信号を前記第２の光学信号から分離することは、
    前記セパレータのＹ字スプリッタ部によって、前記第１の光学信号の第１のエネルギー部及び前記第２の光学信号の第１のエネルギー部を、前記Ｙ字スプリッタ部の第１のテーパ部に分割し、前記第１の光学信号の第２のエネルギー部及び前記第２の光学信号の第２のエネルギー部を前記Ｙ字スプリッタ部の第２のテーパ部に分割すること、
    前記セパレータの２×２カプラの第１の導波管部によって、前記第１の光学信号のエネルギーの略全てを結合すること、
    前記セパレータの２×２カプラの第２の導波管部によって、前記第２の光学信号のエネルギーの略全てを結合すること、を含む、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記第１の光学信号及び前記第２の光学信号を分離することは、
    前記セパレータの非対称Ｙ字スプリッタの第１のテーパ部によって、前記第１の光学信号及び前記第２の光学信号を受信すること、
    前記非対称Ｙ字スプリッタの第２のテーパ部によって、前記第１の光学信号又は前記第２の光学信号のうちの一方を前記第１のテーパ部から離れて結合しながら、前記第１の光学信号及び前記第２の光学信号のうちの他方の前記第１のテーパ部への結合を維持すること、を含む、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
17. 光学集積回路を備える装置であって、
    フロントエンド誘電光学導波管構造体を備え、
    前記フロントエンド誘電光学導波管構造体は、
    第１の対の直交偏光光学信号を外部ソースから受信して、前記第１の対の光学信号を横方向電気（ＴＥ）モードの光学信号として処理回路に提供すること、又は
    第２の対の光学信号を一対のＴＥモードの光学信号として受信して、前記装置の外部に結合するために、前記第２の対の光学信号を一対の直交偏光信号に変換すること、のうちの少なくとも１つを実行するように構成され、
    前記フロントエンド誘電光学導波管構造体は、基板上に配置される二重層誘電体コアを含み、
    前記二重層誘電体コアの第１の層は、第１の端部から第２の端部に向かって幅が増大するベース部を含み、
    前記二重層誘電体コアの第２の層は、前記ベース部の少なくとも一部にわたって延びるリブ部を含み、
    前記リブ部は、前記第１の端部及び前記第２の端部における前記ベース部の幅未満の幅を有する、装置。
18. 前記リブ部は、
    前記第１の端部から前記第２の端部まで略均一な幅を有し、且つ、伝搬方向において前記ベース部の中心に配置される、請求項１７に記載の装置。
19. 前記二重層誘電体コアの第１の層は、少なくとも２つのテーパ部をさらに含み、
    前記少なくとも２つのテーパ部は、
    一対のＴＥモードの光学信号としての前記第１の対の光学信号を互いに別個の導波路に分離すること、又は
    前記別個の導波路から受信される前記第２の対の光学信号を単一の導波路に閉じ込め、閉じ込められた第２の対の光学信号を、前記ベース部及び前記リブ部を備える前記二重層誘電体コアに送信すること、のうちの少なくとも一方を実行するように構成される、請求項１７又は１８に記載の装置。
20. 前記少なくとも２つのテーパ部は、少なくとも２つの第１のテーパ部を含み、
    前記二重層誘電体コアの第１の層は、第３の端部から第４の端部まで延びる第２のテーパ部をさらに含み、
    前記第４の端部は、前記ベース部の第１の端部に当接し、
    第３のテーパ部の幅は、前記第３の端部において、前記第４の端部よりも狭く、
    前記第４の端部における前記第２のテーパ部の幅は、前記フロントエンド誘電光学導波管構造体内に、前記第１の対の光学信号又は前記第２の対の光学信号のうちの少なくとも一方を、一対の直交偏光光学信号として閉じ込めるように設定される、請求項１９に記載の装置。