JP2022532113A - 偏光回転子 - Google Patents

Abstract

本発明は、入力端部及び出力端部を持つ少なくとも第１導波路を含む第１導波路層と、入力端部及び出力端部を持つ少なくとも第２導波路を有する第２導波路層と、並びに第1導波路の出力端部と第２導波路の入力端部との間で光結合を生ずるため、少なくとも一方の導波路の端部に配置される少なくとも１つの第１垂直ミラー素子と、を備える偏光回転子に関する。端部に垂直ミラー素子を有する第１又は第２の導波路の光軸が導波路層で第１角度の回転をされ、これにより第１角度に対応する偏光回転量で第１導波路と第２導波路との間に結合される光の偏光の回転を誘発する。【選択図】図７Ｄ

Description

本発明は、偏光回転子（ローテーター）を使用する、フォトニック集積回路及びシステムのような光学的コンポーネントに関する。

本発明は、偏光回転子、より具体的には、フォトニック集積回路（ＰＩＣ：photonic integrated circuits）、すなわち、平面状の導波路回路に関する。フォトニック集積回路を形成する導波路は、一般的にはシリコンチップのようなチップの表面上に形成する。このような平面状導波路において、光はチップの表面に沿って局所的ｚ軸の方向に伝播する。

偏光回転子は、直線偏光光ビームの偏光軸線を選択角度だけ回転させる光学デバイスであり、光学的アイソレータ、偏光スプリッタ-回転子及びサーキュレータにおける重要なコンポーネントである。直線偏光の回転は本開示の主題であるが、同一又は同様のコンセプトは、円形又は楕円偏光にも適用できる。

自由空間光学において、これら偏光回転デバイスは、ファラデー効果、複屈折、又は反射に基づくものであり得る。ファラデー回転子は、磁気-光学効果を有する導波路材料を必要とする。複屈折偏光回転子において直線偏光した光は、２つの成分に分解され、これら成分間における位相差は、複屈折に起因して生じ、また偏光を変化させる。複屈折は材料特性であり、また導波路の場合、一般的に導波路ジオメトリ、導波路材料内の応力、又はその双方によって誘発される。１回又は複数回の反射を経る光は、偏光成分間で位相シフトを受けることもあり得るもので、またひいてはその偏光が回転されることがあり得る。

集積偏光マニピュレータは、しばしば幾つかのタイプの複屈折波長板の使用に基づくものであり、これら複屈折波長板は、複屈折材料で作成された非対称導波路区域又は個別波長板のいずれかで作成され、また導波路を横切ってエッチングされる溝孔内に挿入される。波長板をベースとする偏光回転子は、一般的に偏光モード間における干渉に基づき、この干渉は、これら偏光モードを波長に依存させ、また極めて広帯域の用途には適さない。

導波路回路において、交差偏光結合又はモード展開（エボリューション）も提案された。モード展開に基づく回転子は、導波路の断面を断熱的に変更する原理で機能し、これにより偏光固有モードの配向性は必要量だけ徐々に回転する。異なるモード間でパワー結合が生じないよう、遷移は断熱曲線的になることを必要とし、これは、従来式の導波路プロセスで作製するためにはデバイスを極めて長くし、また困難なものにする。さらに、これらタイプの偏光回転子での非直交偏光回転、すなわち、９０°回転以外の偏光回転を達成するのは困難である。

光の光学的パワーは、２つの偏光固有モードに分割することができ、各偏光固有モードはその特性速度で導波路に沿って伝播する。平面状導波路における偏光モードは、しばしば純ＴＥモード及び純ＴＭモードとして見積ることができ、これらモードにおいて、光が導波路の光軸、すなわち、局所的ｚ軸に沿って伝播するとき、電場は導波路チップの表面に沿って配向する（ＴＥ、ｘ軸）、又は導波路チップの法線に沿って配向する（ＴＭ、ｙ軸）。速度は、モードの実効屈折率（ｎ_ｅｆｆ）によって定義される。複屈折導波路において、２つの偏光モードは異なるｎ_ｅｆｆを有する。したがって、２つのモード間の位相差、及びひいては光の偏光は、導波路に沿って変化する。光の総電場は、したがって、２つの成分より成ると見なすことができ、すなわち、１つの成分（Ｅ_ｘ）はｘ軸に沿って指向し、またもう１つの成分（Ｅ_ｙ）はｙ軸に沿って指向する。この近似性は本発明を説明するのに使用されるが、本発明は純ＴＥモード及び純ＴＭモードの使用に限定されない。

ミクロン規模のシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）導波路における偏光は、９０°の倍数以外の角度に回転させるのは困難である。現在、ＳＯＩ導波路において４５°の偏光回転は、ファラデー回転に基づく完全集積光アイソレータを実現するのに必要である。

既知の集積偏光回転子は、偏光固有モードの配向性及び複屈折量の双方ともに正確に制御する必要があるため、作製誤差及びプロセス変動に極めて敏感である。このことは、商用デバイスへの適用を制限する。エッチングした溝孔に薄い波長板を挿入して使用するような幾つかの技術が、組み立ての観点から強く要望されている。特に導波路モード間の干渉効果に頼る多くの既知の手法も、本質的に波長依存である。

本発明の目的は、任意な望ましい回転角度のため、また広域の波長レンジのために、１つ又はそれ以上の平面状導波路チップを使用することによって偏光回転を達成することにある。この目的は、ミクロン規模のＳＯＩプラットフォームの使用により導波路チップを開発するときに明らかになった必要性に由来する。しかし、以下に提示する解決法は、多くの他の平面状導波路プラットフォームに適用することができる。

本発明の重要な利点は、任意な方向に偏光回転することを可能にすること、及び単一導波路チップ上における多重導波路に対する偏光回転の同時実現を支援し、各導波路用に個別に必要な部品を組み付ける必要がないことである。

本発明によれば偏光回転子を提供し、この偏光回転子は、
・少なくとも第１導波路を含む第１導波路層であって、前記第１導波路は入力端部及び出力端部を持つ、該第１導波路層と、
・少なくとも第２導波路を含む第２導波路層であって、前記第２導波路は入力端部及び出力端部を持つ、該第２導波路層と、
・前記第１導波路の前記出力端部と前記第２導波路の前記入力端部との間で光を結合するよう、前記第１及び第２の導波路のうち少なくとも一方の導波路における前記端部に配置された少なくとも第１垂直ミラー素子と、
を備える。

その端部に前記垂直ミラー素子を有する前記第１又は第２の導波路の光軸は、本発明によれば、前記導波路層で第１角度の回転をさせられており、これにより前記第１導波路と前記第２導波路との間で結合される光の偏光回転を前記第１角度に対応する量で誘発することができる。

前記第１導波路層は、少なくとも第３導波路であって、入力端部及び出力端部を持つ、該第3導波路と、及び前記第２導波路の前記出力端部と前記第３導波路の前記入力端部との間で光を結合するよう、前記第２及び第３の導波路のうち少なくとも一方の導波路における前記端部に配置された少なくとも第２垂直ミラー素子と、を備えることができる。前記第２垂直ミラー素子を有する前記導波路の光軸は、本発明によれば、前記導波路層で第２角度の回転をさせられており、これにより前記第２導波路から前記第３導波路に結合される光の偏光回転を前記第２角度に対応する量で誘発することができる。

幾つかの実施形態において、前記第２導波路層は前記第１導波路層に対して直交し、前記第１導波路の前記光軸は前記第１導波路層で前記第１角度の回転をさせられており、また前記第１垂直ミラー素子は前記第１導波路の前記出力端部に連結されて、前記第１導波路の前記出力端部から前記第２導波路の前記入力端部に光を結合し、また前記第2垂直ミラー素子は前記第３導波路の前記入力端部に連結されて、前記第２導波路の前記出力端部から前記第３導波路の前記入力端部に光を結合し、また前記第３導波路の光軸は、本発明によれば、前記第１導波路層で前記第２角度の回転をさせられており、これにより光の偏光回転を誘発することができる。

他の実施形態において、前記第２導波路層は前記第１導波路層に対して直交し、前記第２導波路の前記入力端部の前記光軸は前記第２導波路層で前記第１角度の回転をさせられており、また前記第１垂直ミラー素子は前記第２導波路の前記入力端部に連結されて、前記第１導波路の前記出力端部から前記第２導波路の前記入力端部に光を結合し、また前記第2垂直ミラー素子は前記第２導波路の前記出力端部に連結されて、前記第２導波路の前記出力端部から前記第３導波路の前記入力端部に光を結合し、また前記第２導波路の前記出力端部の光軸は前記第２導波路層で前記第２角度の回転をさせられており、これにより光のさらなる偏光回転を誘発することができる。

幾つかの実施形態において、前記第２導波路層は前記第１導波路層の上方又は下方にあり、前記第２及び第１の導波路層は互いに平行であり、前記第１垂直ミラー素子は前記第１導波路の前記出力端部に連結され、また第３垂直ミラー素子が前記第２導波路の前記入力端部に連結され、これにより前記第１導波路から前記第２導波路に光を結合することができる。幾つかの実施形態において、前記第１導波路層は、この第１導波路層上に堆積した少なくとも第３導波路であって、入力端部及び出力端部を持つ、該第３導波路を有することができ、前記第２垂直ミラー素子は前記第３導波路の前記入力端部に連結され、また第４垂直ミラー素子が前記第２導波路の前記出力端部に連結され、これにより前記第２導波路から前記第３導波路に光を結合することができる。

幾つかの実施形態において、前記第２導波路は、その入力端部に連結された第３垂直ミラー素子を有して前記第１導波路から前記第２導波路に光を結合する真直ぐな導波路であり、また第４垂直ミラー素子をその出力端部に連結して前記第２導波路から前記第３導波路に光を結合する。

幾つかの実施形態において、前記第２導波路は、曲げ部又は水平ＴＩＲミラーのような水平光転向素子を含むことができ、前記水平光転向素子は、前記第２導波路層で前記光を水平に転向させ、前記第１導波路の前記出力から前記第３導波路の前記入力に対する光の結合を可能にする。前記水平光転向素子は、前記偏光回転子における偏光依存位相シフトを調整又は補償することができる。

他の実施形態によれば、本発明による偏光回転子は、以下の特徴、すなわち、
・前記第３導波路は、第１基板上で前記第1導波路と同一方向に配向する、
・前記第３導波路は、第１基板上で前記第1導波路とは逆方向に配向する、
・前記第２導波路は、真直ぐかつ平行な入力部分及び出力部分、並びに曲げ部又は水平ＴＩＲミラーのような前記水平光転向素子であって、前記入力部分及び前記出力部分を連結する、該水平光転向素子を有する、
・前記真直ぐな導波路区域及び／又は前記水平光転向素子は、前記垂直ミラー素子によって誘発される偏光依存位相シフトを補償又は追補する偏光依存位相シフトを有し、これにより、直線入力偏光の直線出力偏光への回転を可能にするよう選択される、
・前記第２導波路層における前記第２導波路及び任意なミラー素子は、３Ｄプリンティング又は直接ライティングのような積層造形を用いて作製される、
のうち１つ又は数個を有することができる。

複数の導波路対間で同時回転を支援しない共通光軸の周りに１つの導波路を他の導波路に対して回転させる概念を示す。 本発明の実施形態により、２つの真直ぐな導波路間における偏光回転をどのように達成するかを示す。 本発明の実施形態により、３つの真直ぐな導波路間における偏光回転をどのように達成するかを示す。 本発明の少なくとも幾つかの実施形態で採用されるミラー素子の例を示す。 本発明の少なくとも幾つかの実施形態で採用されるミラー素子の例を示す。 本発明に関する偏光回転子の概略的側面図を示す。 本発明に関する偏光回転子の概略的平面図を示す。 本発明に関するフォトニック集積回路の他の実施形態における概略的側面図を示す。 本発明の他の実施形態により、２つの平行導波路間にＵ字状ループの導波路を用いて、どのようにして２つの平行導波路間における偏光回転を達成するかを示す。 本発明の他の実施形態により、２つの平行導波路間にＵ字状ループの導波路を用いて、どのようにして２つの平行導波路間における偏光回転を達成するかを示す。 本発明の他の実施形態により、２つの平行導波路間にＵ字状ループの導波路を用いて、どのようにして２つの平行導波路間における偏光回転を達成するかを示す。 本発明の他の実施形態により、２つの平行導波路間にＵ字状ループの導波路を用いて、どのようにして２つの平行導波路間における偏光回転を達成するかを示す。 他の例示的な本発明に関するフォトニック集積回路の正面図及び側面図を示す。 様々な導波路に使用される座標系の概略を示す。 ミクロン規模のＳＯＩプラットフォーム上における幾つかの基本的構成単位ブロックを示す。 本発明に関する集積アイソレータにおける１つの実施形態の概略図を示す。 ２つの導波路間における座標系回転の基本原理を示す。 ２つの導波路間における１回の座標系回転により生ずる直線偏光回転を示す。 ３つの導波路間における座標系回転の基本原理を示す。 ３つの導波路間における２回の座標系回転により生ずる直線偏光回転を示す。 ２つの導波路間における反対方向座標系回転の基本原理を示す。 ３つの導波路間における２回の反対方向座標系回転、及び第２導波路における１回の偏光反射によって生ずる直線偏光回転を示す。 ３つの導波路間における２回の追補的座標系によって生ずる直線偏光回転を示す。 ２つの導波路間における１回の座標系回転及び第２導波路における１回の偏光反射の場合における直線偏光回転を示す。 ２回の座標系回転及び第２導波路における１回の偏光反射の場合における直線偏光回転を示す。

偏光回転は、光が１つの導波路から他の導波路に（又は１つの複屈折材料から他の複屈折材料に）伝播するとき、及び２つの伝播媒体内での偏光固有モード（又は速軸及び遅軸の方向）が異なる方向に指向するとき、自然に生起する。平面状光導波路においては、導波路の基板（サブストレート）に対して固有モードを回転させるのは極めて困難である。

しかし、導波路の基板に対する導波路の固有モードの回転は、平面状導波路回路上で偏光回転を実現するための一般的な手法である。導波路における非対称性の漸次的な導入は、非対称導波路における複屈折が偏光固有モードの１つの方向に対する偏光を反射する間に偏光固有モードを徐々に回転させる。このことは、自由空間光学に波長板を使用することに対応する。傾斜した固有モードを有する非対称導波路の他の例としては、非対称導波路の断面がデバイスに沿って交互に入れ替わる周期的格子、又は漸次的に形状が変化する導波路がある。

図１は、１つの導波路チップ２の他の導波路チップ１に対する、その導波路対における共通光軸周りの回転が、どのようにして同一の２つの導波路チップ上における１つの導波路対に対しては偏光回転を可能にするが、任意な他の導波路対に対しては可能にしないのかを示す。図１において、２つの導波路チップ１、２は、２つのチップ上における一次導波路１Ａ及び２Ａの共通軸線として定義される回転軸線Ｒの周りに角度βの回転をさせられる。チップ１、２上の他の導波路１Ｂ、２Ｂ、１Ｃ、２Ｃは、回転後に整列しない。

本発明は、入力導波路からの光を上又は下に転向させることで、入力導波路とは異なる導波路チップ又は導波路層上にある出力導波路を回転させることによって偏光を回転させることが可能になるというアイデアに基づく。このことを図２で実証し、この図２は、２つの導波路１及び２による偏光回転素子の平面図及び側面図を概略的に示す。これら導波路は、垂直ミラー素子４により互いに光学的に結合される。ミラー４は、２つの導波路１、２間の太い矢印で示すように、光を上方の導波路２に反射することによって、入来する光を結合する。当然、光の方向を逆転させることもできる。光を入力導波路１から上方の出力導波路２に結合する間に、互いに任意な角度βだけ物理的に回転させられるとき、２つの導波路間で偏光回転を生ずる。

本発明の基本概念を示す図２において、入力導波路１に対して出力導波路２を２つの導波路間の垂直光軸周りに角度βだけ回転させることによって、２つの真直ぐな導波路１及び２間で偏光が回転する。光は２つの導波路間でミラー素子４によって結合されるとともに、光が垂直方向に伝播するときに、ミラー間で偏光が回転させられる。

より具体的には、導波路１、２は、互いに頂部に配置された２つの個別の導波路層にある。導波路層は、共通基板上かつ同一平面内に、フォトニック集積回路又は少なくとも２つの個別導波路を含む。導波路１及び２の導波路層は、２つの個別基板上に堆積させることができ、これにより、互いに頂部上かつ互いに平行に配置された２つの個別導波路チップ上にある（例えば、図３参照）。代案として、導波路１及び２の２つの個別導波路層は共通基板上に堆積させることができ、これによりそれらは単一導波路チップ上に２つの導波路層である。第１又は入力導波路１は、太い矢印で示すように光が進入する入力端部と、及び図の側面図に明示するようにミラー素子４での出力端部とを有する。これとは逆のことが第２又は出力導波路２に当てはまる。第１ミラー素子４は第１又は入力導波路１の出力端部に連結し、また第２ミラー素子は第２導波路２の入力端部に連結する。第１及び第２の導波路における導波路層は互いに整列し、これにより第１ミラー素子は光を第２ミラー素子に結合する。

図示のように、第２導波路及びその光軸は第１導波路の光軸に対して角度βの回転をさせられ、これにより第１導波路から第２導波路に結合される光における第１角度βに対応する量の偏光回転を誘発するようになる。この実施例において、２つの導波路層間で光が垂直方向に移行し、また２つの導波路の光軸が２つの垂直ミラー間の小さいギャップ内で互いに回転することができるとき、偏光回転が生起する。

本発明の重要な態様によれば、２つの平行な導波路層内に多数の入力導波路及び出力導波路を集積させることができるとともに、すべての導波路からの光をすべての出力導波路に同時に結合することができる。好適には、垂直ミラー素子４は、光を９０°だけ上方又は下方に反射し、この場合、転向させるべき導波路の回転軸線は導波路層の平面に対して垂直である。

以下の説明において、垂直ミラー素子は、導波路層から出ていく、すなわち、反射前の導波路における光伝播方向に対して上方又は下方に出ていくミラー反射光として定義される。水平ミラーは、導波路層内における反射、すなわち、反射前の導波路における光伝播方向に対して左又は右に反射するミラー反射光として定義される。

次に図３につき説明すると、これは３つの導波路による偏光回転素子の平面図及び側面図を概略的に示すものであり、これら導波路は、垂直ミラー素子により互いに光学的に結合される。本発明のこの実施形態において、偏光回転は、それぞれ転向角度β_１及びβ_２に起因する導波路１、２及び３間における２回の偏光回転の組合せとして達成される。この実施形態において、２つの導波路１及び３は第１基板５上に堆積され、また第１導波路層の一部である。図３の図解において、導波路２は第２基板（図示せず）上に堆積させることができ、またそれは個別の導波路チップ上における第２導波路層の一部である。しかし、導波路２を有するこの第２導波路層は、同一基板５上で第１導波路層の上方又は下方に堆積することもできる。

本発明に関する偏光回転子における第２導波路層を実現するため、積層造形、イオンビームエッチング又は３Ｄ作製方法を使用することもできる。例えば、第２導波路層における導波路及びミラーは、３Ｄプリンティング又はレーザー直接ライティング技術で形成することができる。これら手法によれば、第２導波路層内における２つのミラー間に従来型の真直ぐな導波路を追加する必要性を回避する湾曲ミラーを製造することができる。積層造形（additive manufacturing）、イオンビームエッチング又は３Ｄ作製方法の他の利点は、第２導波路層における異なる導波路及びミラーは、一般的に材料の結晶配向性で整列する湿式エッチングしたミラーとは違って、異なる配向性を有することができる。積層造形、イオンビームエッチング又は３Ｄ作製方法により製造されるミラーを使用する選択肢は、本発明のすべての実施形態における第２導波路層に使用することができる。

第１ミラー素子４を第１導波路１の出力端部に連結し、また第２ミラー素子４を第２導波路２の入力端部に連結する。さらに、第３ミラー素子４を第２導波路２の出力端部に連結し、また第４ミラー素子４を第３導波路３の入力端部に連結する。第１及び第２の導波路層は、第１ミラー素子が光を第２ミラー素子に結合し、また第３ミラー素子が光を第４ミラー素子に結合するように、整列させる。光を第１垂直ミラーから第２垂直ミラーに結合するとき、第２導波路２の光軸は第１導波路１の光軸に対して角度β_１の回転をさせられる。この実施例において、第２導波路層は第１導波路層の頂部に配置し、また２つの導波路層は互いに平行である。

図３の実施形態において、２回の偏光回転が同一の時計方向で生ずる、光伝播方向に沿って見るとき、すなわち、光が第１回転で上方に移行するときと、及び第１回転で下方に移行するときとで生ずる。平面図において、角度β_１及びβ_２の正回転は互いに逆向きであるように見える。

図３の実施形態において、導波路曲げ部又は水平ミラーは不要である。しかし、組み立ての観点から、ミラー素子における光の結合はエッチング誤差に敏感であるため、ミラー素子は精密に製造（エッチング）する必要がある。このことは、以下に詳細に説明する。

本発明で採用されるミラー素子を実装するには複数の選択肢があり、図４Ａ及び図４Ｂを参照されたい。例えば、図４Ａに示すような全反射（ＴＩＲ）ミラー又は図４Ｂに示すような外部金属ミラーに基づくものとすることができる。

図４Ａ及び図４Ｂは、本発明で使用される垂直ミラー素子の３Ｄ概略図を提示する。

図４Ａの実施例において、ミラー表面４１は、導波路４０の導波路層から光を上方（又は下方）に反射し、また負の角度及び出力ファセット４２を有するＴＩＲミラー表面４１で構成することができる。さらに、ミラー表面４１上に金属コーティング又は他の反射コーティングを施すこともできる。出力ファセットは、望ましくない反射を減少するために反射防止コーティングすることができる。

図４Ｂの実施例において、ミラー素子４３は、導波路４３の端部における透明導波路ファセット４５で構成することができ、これに続いて外部（破線Ｄで示す）金属ミラー表面４４を配置することができる。垂直ファセット４５は、望ましくない反射を減少するために反射防止コーティングすることができる。ミラー表面４４はやはり何らかの非金属性反射コーティングを有することができる。明らかに、図４Ａ及び図４Ｂと同一技術を用いて、水平ミラー素子を製造する、又は光を上方の代わりに、下方に反射させることができる。

図４Ａ又は図４Ｂによる傾斜したミラー表面は、傾斜した角度において異方性乾式エッチングを用いて、例えばイオンビームエッチャーで、又は所定結晶平面に沿う平坦表面を製造する異方性湿式エッチングを用いて作製することができる。ＳＯＩ導波路に関しては、水酸化カリウム（ＫＯＨ）又は水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）が一般的に湿式エッチング方法として使用される。正確に４５°のミラーは、ウェハー上に化学物質をエッチングするための適当な表面活性剤を添加するか、又は特別結晶方位を使用するかのいずれかによって製造することができる。最も一般的な結晶方位［１００］では、シリコン上に角度５５°のミラーが最も容易に製造され、本発明の幾つかの実施形態において、このようなミラーを使用することができる。しかし、４５°のミラー角度は、本発明の好ましい選択肢である、垂直方向上方又は下方に光を反射する。

いかなるミラーも、上述したような積層造形又はイオンビームエッチングを用いて作製することができる。これらプロセスのいずれかにより、同一導波路層における異なるミラー配向を有することができ、このことは、同一導波路層又はチップにおける異なる偏光回転の実現を可能にする。

図３（及び図５～６）に示す設計に対する現実的難題は、幾つかのケースにおいて、垂直ミラー素子の位置を精密に制御できない点である。例えば、湿式エッチングした４５°ミラーは、一般的にエッチング領域の幅に何らかの変動を生ずる。この場合、例えば、図３に示すような互いに対面する異なる角度にある任意な２つのミラー素子間における正確な距離は、ウェハー上で又はウェハー毎に変動する。このことは、導波路の光軸間に誤整列を生ずる。例えば、作製不全が図３に示すすべてのミラーに対してそれぞれに対応する導波路に一層近づける移動を生ぜしめる場合、導波路層１における第１及び第４のミラーは、互いに一層離れるよう移動するとともに、導波路層２における第２及び第３のミラーは、互いに一層近づくよう移動する。このことは、導波路層を互いに整列させることによる双方のミラー対の完全な整列を不可能にする。本発明の幾つかの実施形態は、各導波路層に同一ミラー（正確には同一配向性）を使用すること（図７及び８参照）に基づく場合、この潜在的難題を回避することができる。

本発明に関する導波路の偏光回転を全体的に決定するとき、ミラー及び特にＴＩＲミラーによりｓ及びｐ偏光に導入される位相シフトを考慮しなければならない。誘電体ミラーに関しては、これら位相シフトは、フレネル方程式を用いて計算することができ、この場合、ｓ及びｐ偏光は、入射平面で直交する電場及び磁場を有する偏光状態に言及する。上方反射ＴＩＲミラーに関しては、ｓ偏光は導波路のＴＥモードに対応し、また電場は導波路層の平面内にあり、また導波路の局所的座標系のｘ軸に沿って配向する。それに相応して、ｐ偏光は導波路のＴＭモードに対応し、また電場は導波路層の平面に直交し、また導波路の局所的座標系のｙ軸に沿って配向する。本発明の幾つかの実施形態において、垂直ミラー素子における偏光依存位相シフトは、例えば、金属ミラーを使用することによって最小化できる。

偏光依存位相シフトは、水平ミラー、導波路曲げ部において、及び真直ぐな導波路においてさえも生起することがあり得る。ＴＥ及びＴＭモードの実効指標が異なる場合、これらモードは異なる速度で伝播し、また伝播距離の関数として両者間の位相シフトが累積する。このことは、さらに、偏光回転子の一部分に望ましい偏光依存位相シフトを創出して、同一デバイスの他の部分における望ましくない位相シフトを補償する可能性を広げる。

理想的なケースにおいて、偏光回転子の各部分における偏光依存位相シフトはゼロ又はπの倍数であり、また偏光回転子を伝播するとき任意な直線偏光入力光は直線偏光されたままである。πの整数倍でない偏光依存位相シフトは、通常、直線偏光を楕円偏光に変換する。分かり易くするために、楕円偏光に対する偏光回転の詳細な解析は極めて複雑であり、説明困難であるので、直線偏光は以下のように仮定する。

ＴＩＲミラーにおける偏光依存位相シフトは、少なくとも光の入射角（α）、導波路材料（シリコン）及びクラッド材（例えば、空気、二酸化ケイ素又は窒化ケイ素）の関数である。

垂直ミラー素子における偏光依存位相シフトΔφがゼロでないケースに対しては、数個の解決法がある。例えば、１つの解決法は、垂直ミラー素子に隣接して、－Δφの非ゼロ偏光依存位相シフトを有する１つ又はそれ以上の補償光学素子を使用することができる。例えば、垂直ミラー素子が一体化されている同一導波路に対して複屈折導波路区域又は水平ＴＩＲミラーを一体化することができる。この手法を任意な直線入力偏光に適用する。当業者は、本明細書記載の任意な偏光構体における偏光に対する、また偏光回転子を設計するための、偏光依存位相シフトの影響を計算することができ、これにより、必要なときに直線偏光した光を維持するよう、任意な望ましくない偏光依存位相シフトは他の同様な位相シフトで補償される。このことの１例は、各垂直ＴＩＲミラー素子に隣接して１つの水平ＴＩＲミラーを追加することであり、これにより、それらは互いの偏光依存位相シフトを補償する（例えば、図７Ｃ参照）。

再び図３につき説明すると、４つの垂直ミラー素子４、すなわち２つの偏光回転界面で各導波路１、２、３の端部における垂直ミラー素子全体を示す。しかし、これら垂直ミラー素子の幾つかは、第２導波路層が第１導波路層に対して直立位置に転向する場合、Ｕターン型の第２導波路層に置き換えることができる。

図５Ａは、２つの導波路層が互いに直交する２つの基板（又は導波路チップ）５及び７上にある本発明に関する偏光回転子の概略的側面図である。３つの導波路１、２及び３は、図３におけるのと同様に互いに光学的に結合されるが、この場合２つの垂直ミラー素子４のみが必要である。この実施形態において、第２導波路２は、真直ぐな入力部分２ａと、真直ぐな出力部分２ｃと、並びにこれら入力部分及び出力部分を連結する中間湾曲導波路部分２ｂとを有する。

より具体的には、中間導波路２ｂは、第２導波路層を水平Ｕ字曲げ部にし、上方伝播光を導波路３に向かって下方に転向させる。導波路曲げ部に基づくＵ字状ループは、一般的に、偏光回転子を設計する際に考慮することが必要である偏光依存位相シフトを生起させる。導波路１及び３と同一の（第１）基板５に導波路２を直接堆積させるのは極めて困難であり、したがって、図５Ａに示す構体を実現する好適な手法で２つの個別の導波路チップを互いに組み合わせる。

図５Ａは、さらに、２つの導波路層間に受動機械的アライメント用のスタッド８及び整合受け部８ａを設ける可能性を示し、これは、基板（又は導波路チップ）５、７が互いに直交する実施形態において特に有用である。しかし、この機械的アライメント概念は、２つの個別の導波路チップを使用する任意な偏光回転子に適用することができる。

図５Ｂは図５Ａの実施形態の平面図を示し、双頭矢印で示すように基板５上の導波路１及び３における様々な配置オプションを示す。したがって、基板（又は導波路チップ）７の位置は相応的に調整する必要があること勿論である。図５Ａの導波路１及び３は、図示の平面に対して傾いていると見なすことができるが、このことは図５Ｂの投影図でのみ分かる。図示の２つの例において、導波路１及び３は互いに平行であるが、このことは必須ではない。

図６において、基板（又は導波路チップ）７上の導波路層２の一部である導波路２に４つの水平ＴＩＲミラー１０を使用する、他の実施形態を示す。ここで、第２導波路２は、真直ぐな入力部分、真直ぐな出力部分、及び中間導波路部分を有し、この中間導波路部分は、さらに、ＴＩＲミラー１０と、及びこれらミラーを連結する真直ぐな導波路区域とを有する。中間導波路部分は、入力部分及び出力部分を互いに連結するＵ字状ループの等価物を効果的に形成する。

ここで、ミラー１０は導波路２において光を水平に転向させる。ＴＩＲミラーにより偏光位相シフトが生起する問題を軽減するため、適当なミラー角度を有する適当な数のミラー１０を使用して、Ｕ字状ループを効果的に形成するとともに、ＴＥ偏光とＴＭ偏光との間で約２πの位相シフトを生ずるようにすることができる。したがって、水平ＴＩＲミラーは偏光状態を事実上変化させない。図６（及び図７Ｂ）におけるミラー個数（４個）及びそれらの角度は概略図に対してのみ選択され、また導波路２における２つの偏光モード間に任意な所望位相シフトを達成するよう最適化することができる。このような最適化の一例は、導波路の偏光軸線に対して直線偏光を反射させるＵ字状ループを作成するため、ＴＥ偏光とＴＭ偏光との間におけるπの位相シフトを実現することである。

言うまでもなく、導波路２が導波路１及び３を光学的に結合する限り、任意な反射角度を有する任意な個数のミラーを使用することができる。基板（又は導波路チップ）５及び７上における導波路の配置に関しては、図５Ｂを参照されたい。図５及び６に示す実施形態の共通する利点は、垂直ミラー素子の数を減らす能力である。

水平曲げ部、水平ミラー、及び垂直ミラー素子間における選択は、光学的損失及び偏光依存位相シフトによって影響を受けることがあり得る。先に説明したように、ＴＩＲミラーは、一般的に有限位相シフトΔφを有するが、真直ぐな導波路及び導波路曲げ部も有限Δφを生ずることができる。時々は、垂直ミラー素子における有限Δφに対して補償するため、又は１つの偏光軸線に対して直線偏光を反射するため、有限Δφを真直ぐな導波路、曲げ部、又は水平ミラーに使用することができる。

本発明の一実施形態において、１つの偏光固有状態に対して偏光を反射するため、多数の曲げ部又はＴＩＲミラーを使用して、第２導波路における２つの偏光モード間にπの位相シフトを生ずることができる。他の幾つかの実施形態において、ゼロに減少できないΔφの正味効果を回避するため、多数の曲げ部又はＴＩＲミラーを使用して、第２導波路における２つの偏光モード間に２πの位相シフトを生ずることができる。このことを４つのＴＩＲミラー１０を有する図６で概略的に示すが、水平ミラー（又は曲げ部）の個数及び角度は、使用される導波路、ミラー及び曲げ構体に対して最適化すべきである。

導波路の光軸間におけるいかなる誤整列をも減少するため、本発明の幾つかの実施形態によれば、同一導波路層（又は導波路チップ）におけるすべてのミラーが同一配向性を有するよう配列することができ、これにより導波路は逆平行になる。このことは、導波路層間の整列を容易にし、とくに、垂直ミラー素子の位置が有限作製公差を有するときに容易になる。

このような実施形態の１つを図７Ａに示し、この図７Ａは、３つすべての導波路に垂直ミラー素子４がある（合計４個）互いに光学的に結合される３つの導波路１、２及び３を有する偏光回転子の概略的平面図である。この実施形態において、２回の偏光回転が同一方向に生じ、また導波路２は、水平Ｕ字状ループ曲げ部２ｂを含む。導波路１及び３は、角度β_１＝β_２かつＵ字状ループが１８０°転向する場合、逆平行（１８０°）である。

やはり、導波路がＵターンするとき一般的に生起する偏光依存位相シフトに注意を払うことは重要である。１つの手法は、有限位相シフトΔφを２π（すなわち、３６０°）又はその整数倍まで意図的に増加させることであり、これにより導波路２及びその垂直ミラー素子は確実にいかなる偏光依存位相シフトをも生じない。

図７Ｂは、３つすべての導波路１、２及び３に垂直ミラー素子４がある互いに光学的に結合される３つの導波路を有する偏光回転子の概略的平面図である。この実施例において、２回の偏光回転が同一方向に生じ、また導波路２は、導波路１及び３を逆平行にするよう光を転向させる水平ＴＩＲミラー１０で連結される２つの真直ぐな導波路を有する。ここでは、β_１＝β_２のアイデアを図解するため、４つの９０°ミラーを使用して概略的にのみ示す。ＴＩＲミラー１０がＴＥ偏光とＴＭ偏光との間に約３６０°の位相シフトを生ずる場合、導波路２における偏光状態を事実上変化させない。このような水平ＴＩＲミラーは、垂直ミラー素子によって生起される望ましくない位相シフトを補償することもできる。例えば、導波路２の端部における２つの垂直ＴＩＲミラー（９０°転向角度）の偏光依存性は、導波路２における２つの水平ＴＩＲミラー（９０°転向角度）によって補償できる。これと同一の補償は、導波路１及び３内に水平ＴＩＲミラーを追加することによって導波路１におけるＴＩＲミラーにも適用できる。このことを図７Ｃ及び７Ｄに示す。

図５Ａの実施形態で、Ｕ字状曲げ部を使用することにより、どのように導波路２の垂直ミラー素子を排除できたかを先に示した。幾つかの実施形態において、それに代わって導波路１及び３からミラー素子を省略することができる。このことを図８に示す。このケースにおいて、導波路２のチップ１２は直立位置に転向させ、この導波路チップに連結されるすべての垂直ミラー素子４は整列し、かつ同一チップ上に位置する。第２導波路２の基板又はチップ１２は、導波路１及び３が作製される基板又はチップ５の端縁に配置される、又は基板又はチップ５内にエッチングしたキャビティ内に配置される。２回の座標系回転（β_１及びβ_２）は自由に選択することができるが、本発明の一実施形態によれば、２つのミラー４は同一の配向性を有することができ、これにより導波路２はやはりＵ字状ループ２ｂをなす。

この実施形態において、導波路１及び３が逆平行であり、また導波路２が水平曲げ部２ｂをなしているため、２回の偏光回転は同一方向で行われる。導波路２のチップ１２は同一チップ5上にある導波路１及び２に対して回転する。正面図は導波路１の光伝播方向に沿い、また側面図は導波路１及び３（導波路１は導波路３の背後にある）の側面図である。

この構成において、Δφ＝０である場合、偏光回転はβ_１＋β_２である。しかし、垂直ミラー素子４又は導波路２及びそのＵ字状曲げ部２ｂが何らかの有限位相シフトΔφを生起する場合、好適な手法は、個別の素子における偏光依存位相シフトを調整し、例えば、図７Ｂ、７Ｃ及び７Ｄにつき説明したように、その正味効果がゼロ又は２πの倍数となるように調整する。

これら実施形態の利点は、少ない数の上方反射ミラー及びミラーエッチングに対する非感受性のニーズを含む。

様々な導波路実施例及び垂直ミラー素子に使用される局所的座標系を図９で説明する。太い矢印は導波路間における光の結合を示し、またｚ軸（ｚ_１～ｚ_３）は、光伝播の主方向、すなわち、導波路１～３の光軸を示す。ｘ軸及びｙ軸は、導波路及びそれらに対応するミラー素子における偏光固有モードの主電場方向を示す。導波路２は、見易くするため、目標場所から離れるよう移動されている。

図１０は、ミクロン規模のＳＯＩプラットフォーム上における基本的構成単位ブロックを示す。金属化上方反射導波路ミラー１３、単一モードリブ導波路１４及びシミュレートしたモード場分配１４ａ、水平ＴＩＲミラー１５、リブ導波路とストリップ導波路との間における断熱結合用のリブ-ストリップ・コンバータ１６、並びに２つの導波路厚さ間における垂直テーパー１７を示す。

図１１は、２つの偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳｓ）１８、２つの４５°ファラデー回転子（ＦＲｓ）１９及び２つの４５°（可逆）偏光回転子２０より成る本発明に関する集積アイソレータ又はサーキュレータ一実施形態の概略図を示す。

様々な座標系回転及びその結果として生ずる偏光回転を図１２～２０に示す。すべての図は、座標軸、（直線）偏光状態、及びそれらの回転を光伝播の断面で及び主方向に見たものとして提示する。光は、システムが可逆的である限り、当然逆方向にも伝播することができる。

図１２は、入力導波路と出力導波路（例えば、図２又は９の導波路１及び２）との間における座標系回転（β）の基本原理を示す。垂直ミラー素子が導波路の端部に集積される場合、回転はミラー素子の座標系に対して生ずる。

図１３は、座標系回転（β）後における原初座標系（ｘ_ｉｎ、ｙ_ｉｎ）及び新座標系（ｘ_ｏｕｔ、ｙ_ｏｕｔ）双方における直線偏光及びその方向（α）の例を示す。偏光固有モードは、一般的に導波路のｘ軸及びｙ軸に沿って整列する。偏光角度は、第１（入力）導波路の座標系においてα_ｉｎであり、また第２（出力）導波路の座標系においてα_ｏｕｔである。

同一方向への導波路１、２及び３間における順次の座標系回転（β_１＋β_２）を図１４に示す。指標１、２及び３は導波路１、２及び３に言及する。偏光角度の結果として生ずる回転を図１５に示し、ここで２回の順次の座標系回転（β_１＋β_２）後における直線偏光を示し、また偏光回転角度は、２回の回転前及び回転後で、それぞれα_１及びα_３である。

逆方向に行う２回の順次かつ反対方向座標系回転β_１＞０及びβ_２＜０を図１６に示す。分かり易くするため、２回の偏光回転を異なる大きさを有するように示すが、多くのケースにおいて、２つの等しい大きさであるが、方向が逆であるのが望ましい。

図１７は、２回の座標系回転が逆方向に生ずる場合であっても、２回の偏光回転を合計する方法を示す。このことはｙ（又はｘ）軸に対する偏光の反射に基づくものであり、この反射は、導波路２における２つの偏光固有モード間にΔφ＝π位相差を誘発することによって達成することができる。原初偏光（ＯＰ）は角度α_１における太い実線で示し、また反射した最終偏光（ＦＰ）を角度α_３における二重線でそれぞれ示す。α_２及びα′_２は、導波路２における偏光反射前及び後における偏光を示す。

図１８において、２回の座標系回転が追補的である図１５の特別ケース、すなわち、β_１＋β_２＝πであるケースを示す。このケースにおいて、実効偏光回転はゼロであるが、偏光回転子が位相感知導波路回路の一部である場合、光の絶対位相は依然として考慮しなければならない。２回の偏光間に何ら位相変化がない場合、合計の偏光回転はπ、すなわち、実質的にゼロである。

図１９及び２０は、２回の回転間で偏光が反射されるときの追補的回転のケースにおける偏光回転を示す。これらの図は、単一の図で見ることが困難な２回の回転及び１回の偏光を段階的に示す。

図１９において、導波路１と導波路２との間における角度β_１の第１座標系回転後の直線偏光と、それに続くｙ_２軸に対する偏光反射を示す。原初偏光ＯＰ及び最終偏光ＦＰの角度は、それぞれα_１及びα′_２である。

図２０において、導波路１、２及び３間における２回の順次の座標系回転（β_１及びβ_２）後の直線偏光と、これら回転間でのｙ_２軸に対する偏光反射を示す。初期偏光角度はα_１であり、また最終偏光角度はα_３である。この実施例において２回の回転は追補的である（β_２＝π－β_１）。

開示した本発明の実施形態は、開示した特別な構造、プロセスステップ、又は材料に限定するものではなく、当業者には認識されるそれらの均等物に拡張できると理解されたい。さらに、本明細書で採用される用語は、特別な実施形態を記載する目的にのみ使用され、限定的であることを意図しないと理解すべきである。あるとすれば、任意な技術に対する参照は、この技術はあらゆる国における共通した一般的知識の一部をなすことの承認又は任意な示唆形式ではなく、またそのようなものとして受け取るべきではない。

本明細書全体を通して「一実施形態（one embodiment）」又は「或る実施形態（an embodiment）」に対する参照は、その実施形態に関連して説明される特別な特徴、構造又は特性が本発明の少なくとも１つの実施形態内に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体にわたる様々な箇所における語句「一実施形態における（in one embodiment）」又は「或る実施形態における（in an embodiment）」は、必ずしも、すべてその同一実施形態に言及しているものではない。

本発明の様々な実施形態及び実施例は、それらの様々コンポーネントの代替物とともに本明細書で言及され得る。このような実施形態、実施例及び変更例は、互いの事実上の均等物と解すべきでなく、本発明の個別かつ自律的表現として見なすべきである。

さらにまた、記載した特徴、構造又は特性は、１つ又はそれ以上の実施形態において任意の適当な様態で組み合わせることができる。本明細書において、例えば、長さ、幅、形状等々のような多くの特別な細部を提示したが、これは本発明の実施形態を完全に理解してもらうためである。しかし、当業者は、特別な細部のうち１つ又はそれ以上がなくても、又は他の方法、コンポーネント、材料等々でも実施できることを認識するであろう。他の例では、周知の構造、材料、又は運用は、発明の態様を曖昧にすることを回避するため、詳細には示さない又は記載しない。

上述した実施例は、１つ又はそれ以上の特別な用途における本発明の原理を示すものであるとともに、実施の形式、使用法、及び細部に対する多くの変更を、発明の才能を行使することなく、また発明の原理及び概念から逸脱することなく行えることは、当業者には明らかであろう。したがって、特許請求の範囲で記載されることを除いて、本発明を限定することは意図しない。

Claims (14)

1. 偏光回転子において、
   ・少なくとも第１導波路を含む第１導波路層であって、前記第１導波路は入力端部及び出力端部を持つ、該第１導波路層と、
   ・少なくとも第２導波路を含む第２導波路層であって、前記第２導波路は入力端部及び出力端部を持つ、該第２導波路層と、
   ・前記第１導波路の前記出力端部と前記第２導波路の前記入力端部との間で光を結合するよう、前記第１及び第２の導波路のうち少なくとも一方の導波路における前記端部に配置された少なくとも第１垂直ミラー素子と、
   を備え、
   その端部に前記垂直ミラー素子を有する前記第１又は第２の導波路の光軸は前記導波路層で第１角度の回転をさせられており、これにより前記第１導波路と前記第２導波路との間で結合される光の偏光回転を前記第１角度に対応する量で誘発する、偏光回転子。
2. 請求項１記載の偏光回転子において、前記第１導波路層は、少なくとも第３導波路であって、入力端部及び出力端部を持つ、該第3導波路と、及び前記第２導波路の前記出力端部と前記第３導波路の前記入力端部との間で光を結合するよう、前記第２及び第３の導波路のうち少なくとも一方の導波路における前記端部に配置された少なくとも第２垂直ミラー素子と、を備え、また前記第２垂直ミラー素子を有する前記導波路の光軸は前記導波路層で第２角度の回転をさせられており、これにより前記第２導波路から前記第３導波路に結合される光の偏光回転を前記第２角度に対応する量で誘発する、偏光回転子。
3. 請求項１又は２記載の偏光回転子において、前記第２導波路層は前記第１導波路層の上方又は下方にあり、前記第２及び第１の導波路層は互いに平行であり、前記第１垂直ミラー素子は前記第１導波路の前記出力端部に連結され、また第３垂直ミラー素子が前記第２導波路の前記入力端部に連結され、これにより前記第１導波路から前記第２導波路に光を結合する、偏光回転子。
4. 請求項２記載の偏光回転子において、前記第１導波路上に堆積した少なくとも第３導波路は入力端部及び出力端部を持ち、前記第２垂直ミラー素子は前記第３導波路の前記入力端部に連結され、また第４垂直ミラー素子が前記第２導波路の前記出力端部に連結され、これにより前記第２導波路から前記第３導波路に光を結合する、偏光回転子。
5. 請求項２記載の偏光回転子において、前記第２導波路層は前記第１導波路層に対して直交し、前記第１導波路の前記光軸は前記第１導波路層で前記第１角度の回転をさせられており、また前記第１垂直ミラー素子は前記第１導波路の前記出力端部に連結されて、前記第１導波路の前記出力端部から前記第２導波路の前記入力端部に光を結合し、また前記第2垂直ミラー素子は前記第３導波路の前記入力端部に連結されて、前記第２導波路の前記出力端部から前記第３導波路の前記入力端部に光を結合し、また前記第３導波路の光軸は前記第１導波路層で前記第２角度の回転をさせられており、これにより光の偏光回転を誘発する、偏光回転子。
6. 請求項２記載の偏光回転子において、前記第２導波路層は前記第１導波路層に対して直交し、前記第２導波路の前記入力端部の前記光軸は前記第２導波路層で前記第１角度の回転をさせられており、また前記第１垂直ミラー素子は前記第２導波路の前記入力端部に連結されて、前記第１導波路の前記出力端部から前記第２導波路の前記入力端部に光を結合し、また前記第2垂直ミラー素子は前記第２導波路の前記出力端部に連結されて、前記第２導波路の前記出力端部から前記第３導波路の前記入力端部に光を結合し、また前記第２導波路の前記出力端部の光軸は前記第２導波路層で前記第２角度の回転をさせられており、これにより光のさらなる偏光回転を誘発する、偏光回転子。
7. 請求項２～４のうちいずれか１項記載の偏光回転子において、前記第２導波路は、その入力端部に連結された第３垂直ミラー素子を有して前記第１導波路から前記第２導波路に光を結合する真直ぐな導波路であり、また第４垂直ミラー素子をその出力端部に連結して前記第２導波路から前記第３導波路に光を結合する、偏光回転子。
8. 請求項２～６のうちいずれか１項記載の偏光回転子において、前記第２導波路は、曲げ部又は水平ＴＩＲミラーのような水平光転向素子を含み、前記水平光転向素子は、前記第２導波路層で前記光を水平に転向させ、前記第１導波路の前記出力から前記第３導波路の前記入力に対する光の結合を可能にする、偏光回転子。
9. 請求項８記載の偏光回転子において、前記水平光転向素子は、前記偏光回転子における偏光依存位相シフトを調整又は補償する、偏光回転子。
10. 請求項２～９のうちいずれか１項記載の偏光回転子において、前記第３導波路は、共通基板上で前記第1導波路と同一方向に配向する、偏光回転子。
11. 請求項２～９のうちいずれか１項記載の偏光回転子において、前記第３導波路は、共通基板上で前記第1導波路とは逆方向に配向する、偏光回転子。
12. 請求項８記載の偏光回転子において、前記第２導波路は、真直ぐかつ平行な入力部分及び出力部分、並びに曲げ部又は水平ＴＩＲミラーのような前記水平光転向素子であって、前記入力部分及び前記出力部分を連結する、該水平光転向素子を有する、偏光回転子。
13. 請求項１～１２のうちいずれか１項記載の偏光回転子において、前記垂直ミラー素子によって誘発される偏光依存位相シフトを補償又は追補する偏光依存位相シフトを有する、真直ぐな導波路区域及び／又は曲げ部又は水平ＴＩＲミラーのような水平光転向素子を含み、これにより、直線入力偏光の直線出力偏光への回転を可能にする、偏光回転子。
14. 請求項１～１３のうちいずれか１項記載の偏光回転子において、前記第２導波路層における前記第２導波路及び任意なミラー素子は、３Ｄプリンティング又は直接ライティングのような積層造形を用いて作製される、偏光回転子。

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