JP2017504830A - 導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子 - Google Patents

Abstract

本発明は、導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子を提供し、本導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子は、光信号を入力するのに用いられる入力直線導波路と、入力直線導波路に接続された屈曲導波路とを含む入力導波路； 第一の変換直線導波路と、第二の変換直線導波路と、第一の変換直線導波路及び第二の変換直線導波路を接続するテーパ型導波路とを含む変換導波路であって、第一の変換直線導波路が入力直線導波路に隣接して配置され、入力直線導波路と結合されて、第一の偏光モードにおける分割及び変換を達成する、変換導波路；及び、光信号を出力するのに用いられる出力直線導波路を含む出力導波路を含み、出力直線導波路は、第二の変換直線導波路に隣接して配置され、第二の変換直線導波路と結合されて、第二の偏光モードにおける分割及び変換を達成する。本偏光スプリッタ兼偏光回転子は挿入損失を減らすことができ、製造が簡単である。

Description

本発明は通信機器の分野に係り、特に導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子に関する。

インターネットの発展、特にクラウドコンピューティング、クラウドストレージ、及びモバイルインターネットの登場に伴い、通信ネットワークの送信速度及び通信品質に対する要求が高まっている。バックプレーンやエネルギー消費等の技術的制限のため、既存の電子スイッチングでは、スイッチング性能に対して高まり続ける要求に合致することが既にできなくなってきている。全光スイッチングは、低エネルギー消費や大容量等の利点を有し、将来のブロードバンド通信の開発方向である。

フォトニック集積チップ、特にシリコンフォトニックチップは、高帯域や低電力消費等の利点を有し、既存のＣＭＯＳプロセスと互換性が有り、将来の全光スイッチングの開発方向及び主要技術である。シリコンフォトニックチップの導波路の寸法制限や複屈折効果等の理由により、シリコンフォトニックチップ中のＴＥモード（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗａｖｅ，電気的横波、電磁波の伝播方向に沿って電場成分がない）及びＴＭモード（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｗａｖｅ，磁気的横波、電磁波の伝播方向に沿って磁場成分がない）の有効屈折率は異なる。結果として、ＴＥモード及びＴＭモードは導波路内において異なる送信速度及び送信特性を有する。従って、大半のシリコンフォトニックデバイスは偏光の影響を受け易く、つまり、ＴＥモード又はＴＭモードのいずれかにおいてのみ使用可能である。

偏光の影響を打ち消すための現状で主流な方法は、偏光ダイバーシティ技術（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）を用いること、つまり、偏光ビームスプリッタ（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）を用いて導波路内においてＴＥモード及びＴＭモードを分割して、別々に処理することである。ＴＥモードはＴＭモードよりも良い性能を有するので、相対的に好ましい解決策は、偏光回転子（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｒｏｔａｔｏｒ）を用いて、分割されたＴＭモードをＴＥモードに変換して、処理を行い、偏光回転子を用いて、処理された信号をＴＭモードに再変換することである。消光比及び変換効率を改善するため、実際には、偏光ビームスプリッタと偏光回転子とを両方とも使用する必要がある。大半の既存のデバイスは、偏光分割又は偏光変換の一方の機能しか行うことができず、使用時にはカスケード接続が必要とされるが、これは挿入損失及びデバイス長を増大させる。

図１は、偏光分割及び偏光変換を行うことができるデバイスであり、デバイス全体がＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ-Ｏｎ-Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ，シリコン・オン・インシュレータ）構造に基づいていて、導波路の被覆層は窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）である。デバイスは、幅が徐々に変化しているテーパ型導波路１０１と、非対称な指向性結合器１０２との複数の部分で構成されている。テーパ型導波路１０１は入力端（幅ｗ０）においてシングルモード導波路であり、出力端（幅ｗ３）においてマルチモード導波路である。ＴＭ光がテーパ型導波路１０１を通過すると、ＴＭ０モードがＴＥ１モードに変換され、変換後に得られたＴＥ１モードは、非対称な結合器１０２を用いて、幅Ｗ４の導波路に結合され、モードが結合後にＴＥモードに変換されて、光が屈曲導波路１０３（Ｓ字屈曲）を通過して、上部ポートから放出される。他方、非対称な結合器１０２の有効屈折率が幅ｗ４の導波路のいずれのモードの有効屈折率とも異なるので、入射ＴＥ光は、テーパ型導波路１０１を通過する際に変化せず、非対称な結合器１０２を通過する際に結合されない。光は下部ポートから放出され、偏光分割及び変換が実現される。

しかしながら、ＴＭ０モードからＴＥ１モードへの変換、ＴＥ１モードからＴＥ０モードへの結合はどちらも導波路の長さの影響を受け易く、デバイスのプロセスエラーに対する許容範囲は小さく、テーパ型導波路１０１を通過後に変換されていないＴＭ０モードと、導波路ｗ４に完全に結合されていないＴＥ１モードとが、導波路内に残り、ＴＥ０と共に下部ポートから出力されて、デバイスの消光比の減少をもたらす。また、複数の部分のテーパ型導波路が用いられているので、デバイスの全体的な挿入損失及び製造の困難性が増大する。

図２は、偏光分割及び偏光変換の両方を行うことができる他のデバイスであり、デバイス全体は、絶縁テーパ型導波路１０４、Ｙ字ビームスプリッタ１０５、π／２位相シフト部１０６、及び、ＭＭＩ１０７（Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）で構成されている。

ＴＥモード及びＴＭモードの光がチップに入射する場合、ＴＭ０モードの光については、テーパ型導波路１０４がＴＭ０モードをＴＥ１モードに変換して、ＴＥ１モードの光を二つの経路に分割し、一方の経路の光は、π/位相シフト部１０６を含む導波路を通過するので、光の位相が変化し、その経路の光は、処理されない他方の経路の光と共にＭＭＩ１０７に入力され、二つのビームに対する干渉イメージングがＭＭＩ１０７内で行われ、最終的に、ＴＥ０モードが下部導波路で出力される。ＴＥ０モードの光については、光がテーパ型導波路１０４を通過する際には変化が生じず、その出力はＴＥ０モードの光のままであり、Ｙ字ビームスプリッタ１０５によって二つの経路に分割され、一方の経路の光は、π／２位相シフト部１０６を含む導波路を通過するので、光の位相が変化し、その経路の光は、処理されない他方の経路の光と共にＭＭＩ１０７に入力されて、二つのビームに対する干渉イメージングがＭＭＩ１０７内で行われて、最終的に、ＴＥ０モードが上部導波路で出力される。このようにして、ＴＥ／ＴＭモードの偏光ビーム分割と、ＴＭモードからＴＥモードへの偏光変換とが実現される。

しかしながら、こうしたデバイスは非常に複雑な構造を有し、テーパ型導波路１０４、Ｙ字ビームスプリッタ１０５、π／２位相シフト部１０６、及び他の構造の複数の部分を用いる。結果として、デバイスの製造の困難性が相対的に高く、デバイスの挿入損失が非常に高い。

本発明は、損入損失を減らすことができて製造が簡単である導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子を提供する。

第一の態様によると、導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子が提供され、本導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子は、光信号を入力するのに用いられる入力直線導波路を含む入力導波路； 第一の変換直線導波路と、第二の変換直線導波路と、第一の変換直線導波路及び第二の変換直線導波路を接続するテーパ型導波路とを含む変換導波路であって、第一の変換直線導波路が入力直線導波路に隣接して配置され、入力直線導波路と結合され、第一の偏光モードにおける分割及び変換を達成する、変換導波路； 及び、光信号を出力するのに用いられる出力直線導波路を含む出力導波路を含み、出力直線導波路は第二の変換直線導波路に隣接して配置され、第二の変換直線導波路と結合され、第二の偏光モードにおける分割及び変換を達成する。

第一の態様の第一の可能な実施形式では、第一の変換直線導波路内のＴＥ１モードの有効屈折率が入力直線導波路内のＴＭ０モードの有効屈折率と同じであり、第二の変換直線導波路内のＴＥ１モードの有効屈折率が出力導波路内のＴＥ０モードの有効屈折率と同じである。

第一の態様の第二の可能な実施形式では、入力直線導波路の幅が第一の幅であり、第一の変換直線導波路の幅が第二の幅であり、第一の幅及び第二の幅が、第一の変換直線導波路内のＴＥ１モードの有効屈折率が入力直線導波路内のＴＭ０モードの有効屈折率と同じであることを可能にし、出力直線導波路の幅が第一の幅であり、第二の変換直線導波路の幅が第三の幅であり、第三の幅及び第一の幅が、第二の変換直線導波路内のＴＥ１モードの有効屈折率が出力導波路内のＴＥ０モードの有効屈折率と同じであることを可能にする。

第一の態様の第三の可能な実施形式では、入力導波路及び出力導波路が変換導波路の同じ側に配置される。

第一の態様の第四の可能な実施形式では、入力導波路及び出力導波路が変換導波路の両側に別々に配置される。

第一の態様の第五の可能な実施形式では、入力導波路が、入力直線導波路に接続されている屈曲導波路を更に含み、屈曲導波路が、入力直線導波路と第一の変換直線導波路との間の結合を分割するように構成される。

第一の態様の第六の可能な実施形式では、屈曲導波路が円形導波路又はＳ字導波路である。

第一の態様の第七の可能な実施形式では、入力導波路、変換導波路、及び出力導波路の物質がシリコン、窒化シリコン、ポリマー、又は半導体である。

第一の態様の第八の可能な実施形式では、入力導波路、変換導波路、及び出力導波路の被覆層の屈折率が、基板の屈折率と異なる。

第一の態様の第九の可能な実施形式では、少なくとも一つの電極が、入力直線導波路、第一の変換直線導波路、第二の変換直線導波路、及び出力直線導波路に加えられ、電極は、電極が配置される導波路の有効屈折率を変更するように構成される。

第一の態様の第十の可能な実施形式では、電極は偏光選択スイッチとして用いられる。

多様な実施形態で提供される導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子は、偏光分割及び偏光変換の両方の機能を果たすことができ、単純な構造、安定した性能、比較的低い挿入損失、短い全長を有し、これは高密度モノリシック集積にとって有用である。他の偏光変換デバイスと比較して、本導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子は単純な構造を有し、機械加工及び製造方法がＣＭＯＳプロセスと互換性があり、導波路寸法の互換性が高く、他のデバイス又はシステムとの集積を簡単に行うことができる。

本発明の実施形態又は従来技術の技術的解決策をより明確に説明するため、以下、実施形態を説明するのに必要な添付図面について簡単に説明する。以下説明の添付図面が本発明の一部の実施形態のみを示すものであり、当業者が創作的活動を行わずに添付図面から他の図面を導き出し得ることは明らかである。

偏光分割及び偏光変換を行うことができる既存のデバイスの構造図である。 偏光分割及び偏光変換を行うことができる他の既存のデバイスの構造図である。 本発明の実施形態１に係る導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子の構造図である。 本発明の一実施形態に係る導波路の有効屈折率と導波路幅との間の関係性の図である。 本発明の一実施形態に係る第一の変換直線導波路及び入力直線導波路内のＴＭ０モード及びＴＥ１モードのモード場分布図である。 本発明の一実施形態に係る幅ｗ０及びｗ１の隣接した導波路内の混合モードの概略図である。 本発明の一実施形態に係るＴＭ０モードとＴＥ１モードとの間の変換関係性である。 本発明の一実施形態に係る導波路ｗ０内のＴＭ０モードと導波路ｗ２内のＴＥ１モードとの間の変換の概略図である。 本発明の一実施形態に係るＴＥ０モード及びＴＭ０モードの分割と、ＴＭ０モードのＴＥ０モード辺の変換との概略変換図である。 本発明の実施形態２に係る導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子の構造図である。 本発明の実施形態３に係る導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子の構造図である。 本発明の実施形態４に係る導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子の構造図である。 本発明の実施形態５に係る導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子の構造図である。 本発明の実施形態４及び実施形態５に係る導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子を偏光回転子として用いる際における入力端から入力された信号のモード変換の概略図である。 本発明の実施形態４及び実施形態５に係る導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子を偏光回転子として用いる際における出力端から入力された信号に対して行われる可逆変換の概略図である。 本発明の実施形態６に係る導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子の構造図である。 本発明の実施形態７に係る導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子の構造図である。

以下、本発明の実施形態の添付図面を参照して、本発明の実施形態の技術的解決策について明確且つ完全に説明する。説明される実施形態が本発明の実施形態の単に一部であって全部ではないことは明らかである。当業者が本発明の実施形態に基づいて創作的活動を行わずに得る他の全ての実施形態は本発明の保護範囲内にある。

まず、本発明に適用される重要な原理について説明する。隣接して配置された二つの光導波路が、伝播モードについて同じ有効屈折率を有する場合には、エネルギー結合及びモード変換が生じ得る。有効屈折率（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ）は光導波路を表す重要なパラメータであり、導波路の寸法と、導波路物質の屈折率とに関係している。導波路の寸法及び物質が決定されると、導波路の有効屈折率も決定される。また、有効屈折率は送信光信号のモードにも関係している。光信号が導波路内を異なるモードで伝わる際には、同じ導波路が異なる有効屈折率を有し、有効屈折率の具体的な値はエミュレーションソフトウェアを用いて計算可能である。

本発明のこの実施形態で提供される導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子は、入力導波路と、変換導波路と、出力導波路とを含む。上記原理を用いて、信号入力端に対して、導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子は、入力導波路及び変換導波路が入力端で同じ有効屈折率を有することを可能にし、隣接して配置される入力導波路及び変換導波路が結合されて、第一の偏光モードにおける分割及び変換を達成するようになる。信号出力端に対して、導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子は、出力導波路及び変換導波路が出力端で同じ有効屈折率を有することを可能にし、隣接して配置される出力導波路及び変換導波路が結合されて、第二の偏光モードにおける分割及び変換を達成するようになる。このようにして、ＴＥ及びＴＭの混合入力光信号が、信号入力端で入力されて、入力導波路と変換導波路との間で生じるエネルギー結合及びモード変換と、変換導波路と出力導波路との間で生じるエネルギー結合及びモード変換とを経ることで、ＴＥ及びＴＭの混合入力光信号を分割して、出力用にＴＭ光をＴＥ光に変換する。

図３を参照すると、図３は、本発明の実施形態１に係る導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子１０を示し、入力導波路１１と、変換導波路１２と、出力導波路１３とを含む。入力導波路１１と、変換導波路１２と、出力導波路１３とはシリコン基板上に配置される。

入力導波路１１は、光信号を入力するのに用いられる入力直線導波路１１２と、入力直線導波路１１２に接続された屈曲導波路１１３とを含む。

変換導波路１２は、第一の変換直線導波路１２１と、第二の変換直線導波路１２３と、第一の変換直線導波路１２１及び第二の変換直線導波路１２３を接続するテーパ型導波路１２５とを含み、第一の変換直線導波路１２１は、変換導波路１２の入力端に位置し、入力直線導波路１１２に隣接して配置され、入力直線導波路１２１と結合されて、第一の偏光モードにおける分割及び変換を達成する。第二の変換直線導波路１２３は変換導波路１２の出力端に位置する。

出力導波路１３は、光信号を出力するのに用いられる出力直線導波路１３１を含み、出力直線導波路１３１は、第二の変換直線導波路１２３に隣接して配置され、第二の変換直線導波路１２３と結合されて、第二の変換モードにおける分割及び変換を達成する。

入力直線導波路１１２及び第一の変換直線導波路１２１は同じ方向に沿って延伸し、延伸方向に垂直な所定の間隔で隣接して配置される。第二の変換直線導波路１２３及び第一の変換直線導波路１２１は同じ軸方向に延伸している。第二の変換直線導波路１２３及び出力直線導波路１３１は同じ方向に沿って延伸し、延伸方向に垂直な所定の間隔で隣接して配置される。

ＴＥ／ＴＭ混合モード光信号は入力導波路１１に入力され得て、ＴＥ１モードに対する第一の変換直線導波路１２１の有効屈折率は、ＴＭ０モードに対する入力直線導波路１１２の有効屈折率と同じである。ＴＥ１モードに対する第二の変換直線導波路１２３の有効屈折率は、ＴＥ０モードに対する出力直線導波路１３１の有効屈折率と同じである。隣接する導波路間に生じるエネルギー結合及びモード変換の上記条件に従って、入力直線導波路１１２は第一の変換直線導波路１２１と結合されて、第一の偏光モードにおける分割及び変換を達成し、第二の変換直線導波路１２３は出力直線導波路１３１と結合されて、第二の偏光モードにおける分割及び変換を達成する。屈曲導波路１１３は、入力直線導波路１１２と第一の変換直線導波路１２１との間の結合を分割するように構成される。

第一の変換直線導波路１２１と、第二の変換直線導波路１２３と、出力直線導波路１３１との適切な幅（導波路幅）を選択すると、ＴＥ１モードに対する第一の変換直線導波路１２１の有効屈折率は、ＴＭ０モードに対する入力直線導波路１１２の有効屈折率と同じになり、ＴＥ１モードに対する第二の変換直線導波路１２３の有効屈折率は、ＴＥ０モードに対する出力直線導波路１３１の有効屈折率と同じになる。

具体的には、入力直線導波路１１２の幅は第一の幅ｗ０であり、第一の変換直線導波路１２１の幅は第二の幅ｗ１であり、第二の変換直線導波路１２３の幅は第三の幅ｗ２であり、出力直線導波路１３１の幅は第一の幅ｗ０である。

図４を参照すると、図４は、導波路の有効屈折率と導波路幅との間の関係性の図を示す。図４から、幅ｗ０の標準的な導波路について、適切な導波路幅ｗ１が
β_ｔｍ０（ｗ０）＝β_ｔｅ１（ｗ１）
を満たすように選択され、つまり、ＴＭ０モードに対する幅ｗ０の導波路の有効屈折率は、ＴＥ１モードに対する幅ｗ１の導波路の有効屈折率と同じであり、エネルギー結合及びモード変換を達成することができる。例えば、図４に示されるように、適切なｗ０及びｗ１を選択すると、ＴＭ０からＴＭ１へのモード変換を達成することができる。

図５を参照すると、図５は、幅ｗ０の導波路におけるＴＭ０モードと、幅ｗ１の導波路におけるＴＥ１モードとのモード場分布図を示す。ＴＭ０モード及びＴＥ１モードの二つの混合モードが、幅ｗ０及びｗ１の隣接して配置された二つの導波路にそれぞれ存在している。混合モードは図６に示されている。

図６を参照すると、ＴＭ０モード及びＴＥ１モードの二つの混合モードが存在しているため、幅ｗ０の導波路内のＴＭ０モードと幅ｗ１の導波路内のＴＥ１モードとの間の変換が生じ、つまり、本実施形態では、入力直線導波路１１２及び第一の変換直線導波路１２１が結合された後において、ＴＭ０モードがＴＥ１モードに変換されて、図７に示されるように、変換効率は略９０％から９５％である。入力直線導波路１１２と第一の変換直線導波路１２１との結合長は略数十マイクロメートルであり、具体的な値は導波路幅や導波路物質等のパラメータに関係していて、実際の要求に応じて設定される。

ＴＭ０モードがＴＥ１モードに変換される場合、ＴＥ０モードに対する幅ｗ０の導波路の有効屈折率がいずれのモードに対する幅ｗ１の導波路の屈折率とも異なるので、入力直線導波路１１２及び第一の変換直線導波路１２１が結合されている場合には、ＴＥ０モードでの結合は生じない。このようにして、入力直線導波路１１２の幅ｗ０と、第一の変換直線導波路１２１の幅ｗ１とに対する適切な値を選択して、ＴＭ／ＴＥモードを含み入力直線導波路１１２に入力される混合モードから、ＴＭ０モードを分割して、第一の変換直線導波路１２１と結合させて、ＴＥ１モードに変換することができる。

テーパ型導波路１２５は、第一の変換直線導波路１２１及び第二の変換直線導波路１２３を接続し、移行機能を果たす。テーパ型導波路１２５の接続を用いると、導波路幅は変化して、導波路内の光信号のモードは変化せず、エネルギー損失がほとんどない。本実施形態では、テーパ型導波路１２５は断熱テーパ型導波路であり、テーパ型導波路１２５の入口幅はｗ１であり、テーパ型導波路１２５の出口幅はｗ２であり、幅が徐々に増大する。第一の変換直線導波路１２１内の光信号がテーパ型導波路１２５を通過した後、光信号のモードは変化せず、ＴＥ１モードのままである。

入力直線導波路１１２と第一の変換直線導波路１２１との間のモード変換の原理と同様に、第二の変換直線導波路１２３の幅ｗ２と、出力直線導波路１３１の幅ｗ０とについても適切な値が以下の条件を満たすように選択される：
β_ｔｅ０（ｗ０）＝β_ｔｅ１（ｗ２）
つまり、ＴＥ１モードに対する幅ｗ２の導波路の有効屈折率は、ＴＥ０モードに対する幅ｗ０の導波路の有効屈折率と同じであり、エネルギー結合及びモード変換を達成することができる。例えば、図４に示されるように、適切なｗ０及びｗ１を選択すると、ＴＥ１からＴＥ０へのモード変換を達成することができる。

この場合、幅ｗ２の導波路内のＴＥ１モードと幅ｗ１の導波路内のＴＥ０モードとの間の変換が生じ、つまり、本実施形態では、第二の変換直線導波路１２３及び出力直線導波路１３１が結合された後、ＴＥ１モードがＴＥ０モードに変換されて、ＴＥ０モードの光信号が、出力直線導波路１３１を介して出力される。図８に示されるように、ＴＥ１モードのＴＥ０への変換効率は９５％よりも高く、結合長は略数十マイクロメートルであり、具体的な値は導波路の幅や物質等のパラメータに関係している。幅ｗ０の出力直線導波路１３１内のＴＭ０モードの有効屈折率は、幅ｗ２の第二の変換直線導波路１２３内のいずれのモードの有効屈折率とも異なるので、ＴＭ０モードでの結合は生じない。

図９を参照すると、図９は、本発明の一実施形態に係る導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子１０におけるエネルギー結合及びモード変換の概略手順図を示す。

ＴＥ０／ＴＭ０混合モードの光信号が入力直線導波路１１２に入力される。入力直線導波路１１２と第一の変換直線導波路１２１との間の結合及びモード変換が行われた後、ＴＭ０モードが、入力光信号から分割されて、ＴＥ１モードに変換されて、第一の変換直線導波路１２１に結合される。

結合が達成された後、入力直線導波路１１２内の光信号は、屈曲導波路１１３に送られる。ＴＥ０モードは屈曲導波路を介して出力される。ＴＭ０モードは屈曲導波路内においてＴＥ０モードよりも大きな損失を有しているので、屈曲導波路１１３の屈曲度を増大させることによって、残存しているＴＭ０モードを減らし得て、消光比を改善するという目的を達成する。

光信号のモードはテーパ型導波路１２５内で変化せず、つまり、第一の変換直線導波路１２１及び第二の変換直線導波路１２３の両方においてＴＥ１モードである。

第二の変換直線導波路１２３内のＴＥ１モードの光信号については、出力直線導波路１３１と第二の変換直線導波路１２３との間の結合及びモード変換が行われた後、ＴＥ１モードがＴＥ０モードに変換されて、出力用に出力直線導波路１３１に結合される。

本発明のこの実施形態に係る導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子１０では、多様な導波路は、高屈折率を有する物質製、例えば、シリコン、窒化シリコン、ポリマー、半導体製である。二酸化シリコンが基板用に選択され得て、被覆層の物質は、基板の物質とは異なり、例えば、空気、又は低屈折率を有する他の物質であり得て、モード間結合及び変換を増強することができる。

本発明のこの実施形態に係る導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子１０は、偏光分割及び偏光変換の両方の機能を果たすことができ、単純な構造及び安定した性能を有する。

本発明のこの実施形態に係る導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子１０は比較的低い挿入損失（挿入損失は、光エネルギーが挿入デバイス内に伝わった後における光エネルギーの入射光強度に対する出射光強度の比を表す）を有し、挿入損失の値は０．５ｄＢから１ｄＢの範囲内にあり、高い変換効率を有する。その全長は短く、５０μｍ未満であり得て、高密度モノリシック集積にとって有用である。また、波長に対する感度が低くて、Ｃバンド（Ｃ ｂａｎｄ）全体において使用することができる。

他の偏光変換デバイスと比較して、本発明のこの実施形態に係る導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子１０は単純な構造を有し、機械加工及び製造方法がＣＭＯＳプロセスと互換性があり、導波路寸法に対する互換性が高く、他のデバイス又はシステムとの集積を簡単に実現することができる。

図１０を参照すると、本発明の実施形態２に係る導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子は実施形態１のものと同様であり、入力導波路２１と、変換導波路２２と、出力導波路２３とを含む。入力導波路２１及び出力導波路２３は、変換導波路２２の両側に別々に配置される。

入力導波路２１は、光信号を入力するのに用いられる入力直線導波路２１２と、入力直線導波路２１２に接続された屈曲導波路２１３とを含む。実施形態１からの相違点は屈曲導波路２１３が円形導波路である点である。

勿論、屈曲導波路２１３の形状は、実施形態１のＳ字導波路や実施形態２の円形に限定されず、他の形状にもなり得て、導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子を他のデバイスに接続する際には、実際の要求に応じた適切な形状を選択し得て、空間を効果的に利用し得て、導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子は、他のデバイスに接続されている際に高い柔軟性を有する。

図１１を参照すると、本発明の実施形態３に係る導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子は実施形態２のものと同様であり、相違点は、入力導波路２１及び出力導波路２３が変換導波路２２の同じ側に配置される点である。このようにして、導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子が他のデバイスに接続される際には、実際の要求に応じた適切な配置が選択され得て、空間を効果的に利用し得て、導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子は、他のデバイスに接続されている際に高い柔軟性を有する。

図１２を参照すると、本発明の実施形態４に係る導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子は、偏光回転子として用いられ、実施形態４に係る導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子は、実施形態１のものと同様に、入力導波路４１と、変換導波路４２と、出力導波路４３とを含む。相違点は、入力導波路４１が、光信号を入力するのに用いられる入力直線導波路４１２のみを含む点である。変換導波路４２は第一の変換直線導波路４２１と、第二の変換直線導波路４２３と、第一の変換直線導波路４２１及び第二の変換直線導波路４２３を接続するテーパ型導波路４２５とを含む。入力導波路４１及び出力導波路４３は変換導波路４２の両側に別々に配置される。

実施形態１において詳細に説明したエネルギー結合及びモード変換の原理と同じく、入力直線導波路４１２が変換導波路４２の第一の変換直線導波路４２１と結合された後、入力ＴＭ０モードはＴＥ１モードに変換されて、変換導波路４２に結合される。変換導波路４２の第二の変換直線導波路４２３が出力導波路４３と結合された後、変換導波路４２内のＴＥ１はＴＥ０モードに変換されて、出力導波路４３に結合される。

入力直線導波路４１２の幅ｗ０、第一の変換直線導波路の幅ｗ１、第二の変換直線導波路の幅ｗ２、及び、出力導波路４３の幅ｗ０の選択される値は、実施形態１のものと同じである。

図１３を参照すると、本発明の実施形態５に係る導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子は実施形態４のものと同様であり、相違点は、入力導波路４１及び出力導波路４３が変換導波路４２の同じ側に配置される点である。

図１４及び図１５を参照すると、本発明の実施形態４及び実施形態５に係る導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子は、偏光回転子として用いられる際に可逆性を有し、つまり、光信号を出力導波路４３からも入力し得て、出力導波路４３と変換導波路４２との間の結合及びモード変換と、変換導波路４２と入力導波路４１との間の結合及びモード変換とを経た後に、入力導波路４１から出力し得る。

具体的には、出力導波路４３への入力の際に、ＴＥ０モードの光信号は、出力導波路４３と変換導波路４２との間の結合及び変換を経て、ＴＥ１モードに変換される。変換導波路４２と入力直線導波路４１２との間の結合及びモード変換の後、ＴＥ１がＴＭ０モードに変換されて、入力導波路４１から出力される。

図１６及び図１７を参照すると、本発明の実施形態６に係る導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子は実施形態１から実施形態３のものと同様であり、入力導波路６１と、変換導波路６２と、出力導波路６３とを含む。入力導波路６１は、光信号を入力するのに用いられる入力直線導波路６１２と、入力直線導波路６１２に接続された屈曲導波路６１３とを含む。変換導波路６２は、第一の変換直線導波路６２１と、第二の変換直線導波路６２３と、第一の変換直線導波路６２１及び第二の変換直線導波路６２３を接続するテーパ型導波路６２５とを含む。出力導波路６３は、光信号を出力するのに用いられる出力直線導波路６３１を含む。

実施形態６と実施形態１から実施形態３との間の相違点は、制御電極６０１が本発明の実施形態６に係る導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子の導波路内に配置されている点である。制御電極６０１の機能は、導波路の屈折率を変更することであり、制御電極６０１の形成原理は、熱電極又は電流注入電極であり得る。導波路の屈折率は、制御電極６０１の電流を制御することによって変更され得て、導波路の中心波長を微調整する機能を達成する。

制御電極６０１は、入力直線導波路６１、第一の変換直線導波路６２１、第二の変換直線導波路６２３、及び出力直線導波路６３内に配置され得る。一つ以上の制御電極が存在し得る。

図１６を参照すると、実施形態６では、制御電極６０１は、出力直線導波路６１２及び出力直線導波路６３１内に配置される。

図１７を参照すると、実施形態７では、制御電極６０１は、第一の変換直線導波路６２１及び第二の変換直線導波路６２３内に配置される。

制御電極６０１の電流を制御することによって、導波路の屈折率を変更し得るので、一実施形態では、電極６０１は偏光選択スイッチとして用いられる。つまり、入力導波路６１と変換導波路６２との間、又は、変換導波路６２と出力導波路６３との間等のエネルギー結合及びモード変換を行うかどうかを、制御電極６０１の電流値を変更することによって制御する。

最後に、上記実施形態は本発明の技術的解決策を説明するためだけのものであって、本発明を限定するものではない点に留意されたい。上記実施形態を参照して、本発明を詳細に説明してきたが、当業者は、本発明の実施形態の技術的解決策の要旨及び範囲から逸脱せずに、上記実施形態で説明された技術的解決策を更に修正して、その技術的特徴について等価な置換を行い得ることを理解するものである。

１１ 入力導波路
１１２ 入力直線導波路
１１３ 屈曲導波路
１２ 変換導波路
１２１ 第一の変換直線導波路
１２３ 第二の変換直線導波路
１２５ テーパ型導波路
１３ 出力導波路
１３１ 出力直線導波路

変換導波路１２は、第一の変換直線導波路１２１と、第二の変換直線導波路１２３と、第一の変換直線導波路１２１及び第二の変換直線導波路１２３を接続するテーパ型導波路１２５とを含み、第一の変換直線導波路１２１は、変換導波路１２の入力端に位置し、入力直線導波路１１２に隣接して配置され、入力直線導波路１１２と結合されて、第一の偏光モードにおける分割及び変換を達成する。第二の変換直線導波路１２３は変換導波路１２の出力端に位置する。

この場合、幅ｗ２の導波路内のＴＥ１モードと幅ｗ０の導波路内のＴＥ０モードとの間の変換が生じ、つまり、本実施形態では、第二の変換直線導波路１２３及び出力直線導波路１３１が結合された後、ＴＥ１モードがＴＥ０モードに変換されて、ＴＥ０モードの光信号が、出力直線導波路１３１を介して出力される。図８に示されるように、ＴＥ１モードのＴＥ０への変換効率は９５％よりも高く、結合長は略数十マイクロメートルであり、具体的な値は導波路の幅や物質等のパラメータに関係している。幅ｗ０の出力直線導波路１３１内のＴＭ０モードの有効屈折率は、幅ｗ２の第二の変換直線導波路１２３内のいずれのモードの有効屈折率とも異なるので、ＴＭ０モードでの結合は生じない。

制御電極６０１は、入力直線導波路６１２、第一の変換直線導波路６２１、第二の変換直線導波路６２３、及び出力直線導波路６３１内に配置され得る。一つ以上の制御電極が存在し得る。

図１６を参照すると、実施形態６では、制御電極６０１は、入力直線導波路６１２及び出力直線導波路６３１内に配置される。

Claims (11)

1. 光信号を入力するのに用いられる入力直線導波路を備える入力導波路と、
   第一の変換直線導波路と、第二の変換直線導波路と、前記第一の変換直線導波路及び前記第二の変換直線導波路を接続するテーパ型導波路と、を備える変換導波路であって、前記第一の変換直線導波路が、前記入力直線導波路に隣接して配置され、前記入力直線導波路と結合され、第一の偏光モードにおける分割及び変換を達成する、変換導波路と、
   前記光信号を出力するのに用いられる出力直線導波路を備える出力導波路であって、前記出力直線導波路が、前記第二の変換直線導波路に隣接して配置され、前記第二の変換直線導波路と結合され、第二の偏光モードにおける分割及び変換を達成する、出力導波路と、を備える導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子。
2. 前記第一の変換直線導波路内のＴＥ１モードの有効屈折率が前記入力直線導波路内のＴＭ０モードの有効屈折率と同じであり、前記第二の変換直線導波路内のＴＥ１モードの有効屈折率が前記出力導波路内のＴＥ０モードの有効屈折率と同じである、請求項１に記載の導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子。
3. 前記入力直線導波路の幅が第一の幅であり、前記第一の変換直線導波路の幅が第二の幅であり、前記第一の幅及び前記第二の幅が、前記第一の変換直線導波路内のＴＥ１モードの有効屈折率が前記入力直線導波路内のＴＭ０モードの有効屈折率と同じであることを可能にし、前記出力直線導波路の幅が前記第一の幅であり、前記第二の変換直線導波路の幅が第三の幅であり、前記第三の幅及び前記第一の幅が、前記第二の変換直線導波路内のＴＥ１モードの有効屈折率が前記出力導波路内のＴＥ０モードの有効屈折率と同じであることを可能にする、請求項２に記載の導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子。
4. 前記入力導波路及び前記出力導波路が前記変換導波路の同じ側に配置されている、請求項１に記載の導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子。
5. 前記入力導波路及び前記出力導波路が前記変換導波路の両側に別々に配置されている、請求項１に記載の導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子。
6. 前記入力導波路が、前記入力直線導波路に接続されている屈曲導波路を更に備え、前記屈曲導波路が、前記入力直線導波路と前記第一の変換直線導波路との間の結合を分割するように構成されている、請求項１に記載の導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子。
7. 前記屈曲導波路が円形導波路又はＳ字導波路である、請求項６に記載の導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子。
8. 前記入力導波路、前記変換導波路、及び前記出力導波路の物質が、シリコン、窒化シリコン、ポリマー、又は半導体である、請求項１に記載の導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子。
9. 前記入力導波路、前記変換導波路、及び前記出力導波路の被覆層の屈折率が、基板の屈折率と異なる、請求項１に記載の導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子。
10. 少なくとも一つの電極が、前記入力直線導波路、前記第一の変換直線導波路、前記第二の変換直線導波路、及び前記出力導波路に加えられていて、前記電極が、前記電極が配置されている導波路の有効屈折率を変更するように構成されている、請求項１に記載の導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子。
11. 前記電極が偏光選択スイッチとして用いられる、請求項１０に記載の導波路偏光スプリッタ兼偏光回転子。

Images