JP3020129B2

JP3020129B2 - 光信号の偏光を処理するための集積光デバイス

Info

Publication number: JP3020129B2
Application number: JP6040309A
Authority: JP
Inventors: デアトールヨハネスヤコブスゲラルダスマリアバン
Original assignee: コニンクリジケケーピーエヌエヌブィー
Priority date: 1993-02-02
Filing date: 1994-02-02
Publication date: 2000-03-15
Anticipated expiration: 2015-03-15
Also published as: US5418867A; NL9300204A; JPH06242334A; EP0609926A1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は集積光デバイスの分野に
関し、さらに詳しくは、光信号の偏光を処理する−この
場合は分離し、結合し、またはフィルターにかけること
−ための集積光デバイスに関するものである。

【０００２】

【従来技術とその問題点】偏光スプリッターのような偏
光を処理する集積光デバイスは、なかんずく、偏光多様
性にもとづいて検知するコヒーレント光レシーバーの集
積体において使われる。世界的にみると、このタイプの
２種の集積偏光スプリッターが公知になっている。その
１つは、光信号の２つの互いに直交する偏光ＴＥおよび
ＴＭを分離するため、偏光の基本モードと１次伝播モー
ドの間の位相差による干渉に基づいている。もう１つ
は、いわゆる「モード分類効果」に基づいている。この
場合、非対称Ｙ接合の互いに伝播定数の異なる２つの出
力路に対し、偏光の伝播選択差を利用する。伝播選択は
２つの偏光に対する非対称が符号において異なるという
事実に基づいており、これは複屈折物質を使うことによ
って達成される。このように、文献１（Ｊ．Ｊ．Ｇ．
Ｍ．ファンジアトール、Ｊ．Ｈ．ラールイス「チタン散
乱のみを用いたニオブ酸リチウム上の偏光スプリッタ
ー」ＩＥＥＥ雑誌、９巻７号、１９９１年７月、８７９
−８８６頁）は、チタン散乱の結果、導波管内でのチタ
ン散乱によって得られるＹ接合に対するニオブ酸リチウ
ム上の偏光スプリッターを開示しており、その際の逆非
対称性はチタン散乱の結果として得られる屈折率の増加
に起因するものである。文献２（ヨーロッパ特許出願Ｅ
Ｐ−Ａ−０４４４７２１）は、透明な極性ポリマーにも
とづくＹ接合用の導波管をもった偏光スプリッターを開
示している。この場合、分極していない極性ポリマーは
複屈折を示さず、分極したポリマーは複屈折を示し、非
分極状態に対し、分極状態は互いに符号が異なる屈折率
差を示すという事実を利用する。

【０００３】現在、光通信システムにおいて、近赤外に
光信号の波長を選定することが通例なので、このタイプ
の偏光スプリッターを備えた集積光レシーバーは、従来
技術によれば、インジウム−リン（ＩｎＰ）のような半
導体によってのみ供給され得る。ＩｎＰ上に作られた第
１タイプの偏光スプリッターは、たとえば文献３（Ｐ．
アルバート他「ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ上のＴＥ／ＴＭ
モード・スプリッター」ＩＥＥＥ，光工学レター，２巻
２号，１９９０年２月，１１４−１１５頁）に開示され
ている。この公知の偏光スプリッターは、指向性カップ
リングにおける導波モードの伝播上の金属層の偏光依存
効果を利用する。しかし、そのような金属層をもった指
向性カップリングは、製造するのが容易でなく、かつ、
それを製造する時に更に複雑な工程を必要とする。そ
れにもとづく偏光スプリッターにおいて、金属層がある
事により、その中を伝播する光信号を更に不必要に減衰
させる事になる。まだ公開されていない本出願人による
文献４（ヨーロッパ特許出願第９２２０１３３８．８
号）は、ＩｎＰ上に非常に容易に作られ、かつ、文献３
で開示されている偏光スプリッターの欠点をもっていな
い偏光スプリッターを開示している。これは、上記２種
の偏光スプリッターのハイブリッドであるとみなされ得
るが、非対称Ｙ接合と結合した周期構造をもつモード・
コンバーターからなり、モード・コンバーターは２つの
偏光の１つを異次元導波モードに変換する。しかしなが
ら、ＩｎＰ上に作られ得る従来の偏光スプリッターは両
方とも、強い波長依存性を示すという欠点をもってい
る。

【０００４】上記した文献４に記載されているハイブリ
ッド型の第２のタイプのスプリッターは、文献１が示す
第１タイプのスプリッターに比べ、大きな利点を有して
いる。すなわち、波長依存性が小さく、製造するのが難
しくない。さらに、入力路における減衰が非常に低く、
光信号反射が非常に少ない。これは、とくに、狭帯域レ
ーザーを用いるコヒーレント検知の場合に重要なことで
ある。ＩｎＰが複屈折物質でないので、ニオブ酸リチウ
ムや極性ポリマーの場合に対応する偏光スプリッターの
供給は不可能である。しかし、非複屈折物質の導波薄
膜層において、２つの偏光に対し異なった伝播特性を持
つ導波管を形成する事は可能であり、その場合には、当
該導波管内で複屈折が発生する事になる。このタイプの
複屈折は、導波管複屈折、幾何複屈折または形状複屈折
という名で知られている。それは基板面上に形成されて
いる導波管によっている。支配している電界成分が基板
面に垂直な偏光はこの場合、ＴＭ偏光であり、基板面に
平行なそれはＴＥ偏光である。この効果は、文献５
（Ｊ．アールニョ他「酸窒化シリコン光導波管の複屈折
制御・分散特性」エレクトロニクス・レターズ、２７巻
２５号、１９９１年１２月５日、２３１７−２３１８
頁）に開示されているように、導波管の上または下にあ
る適当な層を平面の導波層にアレンジすることにより、
または、文献６（鈴木他「ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ不規則
超格子における偏光モード選択チャネル導波管」、応用
物理レター、５７巻２６号、１９９０年１２月２４日、
２７４５−２７４７頁）に開示されているように、複合
層構造（「超格子」）をアレンジすることにより、影響
を与えることができ、この場合、層構造を特定選択する
ことにより、２つの偏光モードの１つに対し選択的であ
るチャネル形状導波管が得られる。文献７（ヨーロッパ
特許出願ＥＰ−Ａ−０３８９１７２）は、適当に選定さ
れた層構造にもとづいてこのタイプの形状複屈折が加え
られる、第２タイプの偏光スプリッターを含む３ゲー
ト、および４ゲートの偏光処理デバイスを開示してい
る。偏光スプリッターのような３ゲート・デバイスは、
異なる物質のコアをもち、異なる有効屈折率をもつ２つ
の導波管からなる。第１導波部と第２導波部の間の遷移
部において、上記コアは重なり合い、導波管コアの１つ
は断熱テーパー部を有している。また、その遷移部にお
いて、２つの導波管は第２導波部の物理的に分離し、か
つ光学的に結合を解かれた導波管内に断熱発散する。し
かし、このタイプの形状複屈折が適当に選定された層構
造にもとづく集積光デバイスは、必要な製造工程の数が
多いばかりでなく、使用する材料の種類と数も多いた
め、製造するのがかなり困難であるという欠点をもって
いる。

【０００５】

【発明の目的】本発明の目的は偏光処理デバイスのため
の構造を提供することにあり、さらに詳しくは、ＩｎＰ
のような非複屈折物質によって作られ、前記のような欠
点をもたない、上記した第２タイプの偏光スプリット・
デバイスを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】従来技術とは対照的に、
本発明は構造的複屈折が側方向に偏光感度を影響させる
ことによって達成されるという事実を利用する。この目
的のため、いわば長手方向に分離された構造をもつ導波
管を採用する。本発明の光信号の偏光を処理するための
集積光デバイスは、基板（３７）及び当該基板に支持さ
れた所定のチャネル型光導波管パターンを持つ薄い光導
波層（３８／３９）からなり、該パターンは、入力導波
管である第１の導波管（２１；６１）と、光学的に脱結
合され且つ物理的に分離さた、第１及び第２の出力導波
管（２２，２５、６３，７１，７２）及び、当該第１の
導波管を第１と第２の出力導波管に分岐させる為に、該
入力導波管及び第１と第２の出力導波管とに結合され
た、偏光スプリット部（Ｃ；Ｋ）であって、当該偏光ス
プリット部は、それぞれ第１の出力導波管（２８；７
１）及び第２の出力導波管（２９；７２）と個別に結合
される２つの互いに発散する導管分岐（２５，２７；６
７，６９）を備えるものであり、更に当該２つの導波管
分岐はそれぞれの横偏光モード（ＴＥ，ＴＭ）に対して
異なる伝播定数をもたらす幾何学構造を持ち、１つの偏
光モードに対する２つの導波管分岐の伝播定数の差は他
方の偏光モードに対する２つの導波管分岐の伝播定数の
差に於いて異なり、２つの発散する導波管分岐の少なく
とも第１の偏光スプリット部（２５；６７）は、分裂導
波管である長手方向に分裂した幾何学構造を有するもの
であり、更に当該幾何学構造に於いては、当該パターン
は、当該入力導波管（２１；６１）と分裂せしめられた
第１と第２の導波管分岐（２５，２７；６７，６９）と
を断熱結合するための第１の結合部（２２；６３）と、
分裂せしめられた第１の導波管と該第１の出力導波管
（２８；７１）とを断熱結合するための第２の結合部
（３０；７４）を有する光信号を偏光処理する為の集積
光デバイスである。なお、本明細書において偏光スプリ
ット部は、非対称Ｙ分岐素子、或いは非対称Ｙ接合を構
成するものであり、以下の説明では、非対称Ｙ分岐素
子、或いは非対称Ｙ接合、の用語を使用する場合があ
る。

【０００７】好ましい実施態様において、本発明は前記
２つの導波管分岐（６７，６９）のそれぞれが分裂導波
管であり、そのうち１つ（６９）が双モードであり他方
（６７）が単一モードであり、入力及び出力導波管（６
１，７１，７２）が単一モードであり、入力導波管（６
１）と第１結合部（６３）との間に、０次導波モードを
１次導波モードに及びその逆に変換するための第１偏光
非感受性モード・コンバーター（６２）が設けられてお
り、双モードの導波管（６９）が第２出力導波管と結合
する第２結合部（７５）と第２出力導波管との間に、１
次導波モードを０次導波モードに又はその逆に変換する
ための第２の偏光非感受性モード・コンバーター（７
３）が設けられていることを特徴とする集積光デバイス
である。さらに好ましい実施態様では、デバイスの一部
を形成するすべての導波管がリッジ（隆起）タイプであ
る。

【０００８】本発明による光デバイスは次の利点を有し
ている：デバイスの製造が、使われる集積材料の上にチ
ャネル形状導波管を作るために必要な工程以外には必要
としないこと、他のデバイスと良好な集積可能性がある
こと、リッジ・タイプの導波管を採用すると、デバイス
全体の製造にエッチング工程しか必要としないこと、非
対称Ｙ接合において「モード分類効果」を採ることによ
って、デバイスの作動が（チャネル形状導波管の角度や
幅のような）いろいろなパラメーターに厳密に依存せ
ず、その結果デバイスが大きな製造許容性をもち、デバ
イスを広い波長範囲で使うことができ、デバイスの減衰
度と反射率が低く、デバイスがさまざまな作動条件下で
安定して作動すること。

【０００９】たとえば偏光スプリッターのような、いわ
ゆる「モード分類効果」にもとづく偏光処理デバイスに
おいて、非対称Ｙ接合の互いに伝播定数が異なる２つの
出力チャネルに対する偏光の伝播選択差が利用される。
そのような伝播選択は２つの偏光に対する非対称は符号
が異なるという事実にもとづき、それは少なくとも１つ
の出力チャネルにおいて複屈折を用いることによって達
成される。知られているように、そのような複屈折は、
複屈折物質を選ぶことによってのみならず、導波管に対
し適当に選ばれたいくつかの非複屈折物質の特別構造、
この場合は層構造によっても達成され得る。導波管の構
造によるこのタイプの複屈折を、以後、構造複屈折また
は導波管複屈折と呼ぶ。これは薄層、たとえば基板面に
おける導波管の場合に生ずる。このタイプの薄層におけ
る光伝播は一般に偏光感受性がある。支配電界成分が面
に垂直なＴＭ偏光は面に平行なＴＥ偏光とは異なる伝播
をする。偏光感受性は知られているように、また上記の
ように、光伝播自身がおこる面の直上（または直下）に
ある特別な層構造によって影響され得る。この事は、当
該薄膜層内を伝播する光信号の導波モードに属する光−
電磁界のテイル（tail) 部であるエバンシェントフィー
ルド（evanescent field) （つまり時間的に振幅が単調
に減少する電磁界）が、支配的な電界成分が存在してい
る方向に作用し続ける事から可能となる。ＴＭ偏光に対
し、方向は法線、すなわち面に垂直で、一方、ＴＥ偏光
に対しては、平行方向である。従来技術においては、層
構造を適当に選ぶことにより、基板に垂直な方向に偏光
感受性に影響を与えることが目的であり、これは明らか
にそれにもとづく光デバイスの製造を複雑にする。本発
明はそれとは対照的に、偏光感受性が平行方向に影響さ
れる構造をもつ導波管を利用する。この影響効果を図１
及び２を用いて説明する。図１は、たとえば光方向性カ
プラーにおけるような２つの結合導波チャネルの断面を
示している。簡単にするため、リッジ１，２をもつチャ
ネル形状導波管が選ばれ、そのチャネル幅はリッジ幅に
よって規制されている。リッジはそれぞれ幅ｄをもち、
間隔ｇをあけて設けられているので、全幅はｗである。
リッジが結合する長さはここでは重要でない。結合チャ
ネルのこのようなシステムにおいて、当該導波モード
は、体系化された複数のモード群から構成される。これ
らの体系化された複数のモード群のさまざまな伝播定数
の振舞いを間隔ｇの関数として比較できるように、伝播
定数を適当に規格化する。偏光ＴＸおよびｉ次導波モー
ドに対し、規格化された伝播定数β_Nは、次のように定
義される。 β_N(TX,i,g)=(-1) ⁱ｛β(TX,i,g)−β_ref(TX)｝/
｛β(TX,i,o)−β_ref(TX)｝ …（１）ここでβ（ＴＸ，ｉ，ｇ）は間隔ｇの関数としての、ｉ
次導波モード（ｉは０次に対しｉ＝０，１次に対しｉ＝
１となる次数）における、偏光ＴＸ（すなわち、ＴＥま
たはＴＭ）の伝播定数、β（ＴＸ，ｉ，ｏ）はｇ＝０に
対する同伝播定数、β_ref（ＴＸ）＝β（ＴＸ，ｉ，ｇ
→∞）、すなわち、ｇ→∞に対する偏光ＴＸの伝播定数
に等しく選ばれた参照値であり、モードの次数ｉには依
存しない。図２は、一定リッジ幅に対するリッジ間の間
隔ｇの関数として、０次および１次導波モード双方にお
ける各偏光の規格化伝播定数β_Nの量的変化を示してい
る。図中の曲線（実線）ａ₁，ａ₂はそれぞれ（ＴＸ＝
ＴＥ，ｉ＝０）及び（ＴＸ＝ＴＥ，ｉ＝１）に対する規
格化伝播定数に対応し、また曲線（破線）ｂ₁，ｂ₂は
それぞれ（ＴＸ＝ＴＭ，ｉ＝０）及び（ＴＸ＝ＴＭ，ｉ
＝１）に対する規格化伝播定数に対応する。横軸におい
て、０次および１次導波モードに対し、ＴＥ偏光とＴＭ
偏光の間で最大差が生じる間隔ｇの値がそれぞれｇ₁，
ｇ₂で示されている。図２は、ｇの小さな値に対し、０
次・１次導波モードの規格化伝播定数の間に大きな差が
あり、ｇの増加する値に対しすべての規格化伝播定数が
最終値０に等しくなる、ということを示している。この
場合、非規格化伝播定数βは、単一チャネルを伝播する
モードの伝播定数に相当する値に達する。次に２つのチ
ャネルが実際に分離される。

【００１０】同時に、図２は、ｇの増加に対しＴＥ偏光
よりも早くＴＭ偏光の方が０次および１次モードの双方
において最終値０、すなわち分離段階に達することを示
している。これは、一方のチャネルのＴＭ導波モードの
電磁界がＴＥ導波モードの電磁界よりも小さな値の間隔
ｇで、他方のチャネルの存在を感じるのを止め、２つの
偏光に対する微小界のテール・オフにおいて上記差に完
全に一致することを示唆している。これは、互いに平行
に伸びる２つの単一チャネルが二重構造の導波管になり
得、２つの偏光の間の伝播差がそれらの間隔の関数とし
てのみ生ずることを意味している。それはどのｇの値で
最大差が生ずるかを図２が示している。０次導波モード
に対し、これはｇ＝ｇ₁で、１次導波モードに対しては
関連する微小界がそれほど早くなく減衰するのでｇ₁よ
りも大きなｇ＝ｇ₂で生ずる。さらに、符号も反対にあ
る（矢印ｐ₁とｐ₂の向きが逆）。図２に示すような規
格化伝播定数の変化は、基板面上のどんな現行タイプ
（たとえば、「リッジ」タイプ、「埋込み」タイプ、
「紐状」タイプ）の結合チャネル形状導波管の各ペアに
対しても特徴的である。

【００１１】さらに一般的には、互いに平行に走り適当
な幅で相互適当に間隔をあけられたいくつか（２または
それ以上）の単一チャネル構造物が一緒になって、多重
構造の１つのチャネル形状導波管を構成し、そこでは光
信号のＴＥ・ＴＭ偏光が異なる伝播定数をもって、伝播
し、したがって複屈折が生じることが見いだされてい
る。全幅Ｗに依存して、その導波管は単一モード、双モ
ードまたは３モードとなる。互いに平行に走るいくつか
の構造体からなるこのようなタイプのチャネル形状導波
管を、以後、分裂導波管（fragmented waveguide）と呼
ぶ。さらに、分裂の大きさに依存して、すなわち分裂導
波管の一定全幅Ｗに対して単一構造体の数が大きい程、
複屈折がさらに強く影響されることが見いだされてい
る。

【００１２】本発明による偏光処理デバイスは、少なく
とも１つの分岐チャネルが、同次の２つの偏光の伝播定
数｜β_N（ＴＥ，ｉ，ｇ）−β_N（ＴＭ，ｉ，ｇ）｜
（ここで、ｉ＝０，１それぞれ０次，１次に対する）が
好ましくは最大限異なるような大きさをもつ分裂導波管
である非対称Ｙ接合にもとづいている。これはたとえ
ば、分裂導波管を構成する単一チャネル構造体に対し、
図２の矢印ｐ１，ｐ２で示される状況の１つに相当する
ような、ある与えられた幅に対し適当な相互距離（間
隔）を選定することによって達成される。次に、他方の
分岐チャネルに対し、単一チャネル構造のすなわち非分
裂導波管か、あるいは分裂導波管かを選ぶことができ
る。

【００１３】以後、この両者の場合について説明する。
分裂導波管は、集積光デバイスにおける現行のどんなチ
ャネル構造タイプ（たとえば「リッジ」タイプ、「埋込
み」タイプ、「紐状」タイプ）によっても、非複屈折物
質にもとづいて、基板面上に作られ得る。「リッジ」タ
イプのチャネル構造体は、作るのが簡単なので一般に好
ましい。以後の説明は、ＩｎＰにもとづく「リッジ」タ
イプ・チャネル構造体の例にのみ限定して行う。

【００１４】図３は本発明による偏光スプリッターの第
１実施例の導波管パターンの上面図であり、図４のａ〜
ｄはそれぞれ図３中のIII.１−III.１〜III.４−III.４
における断面図を示している。なお以下に「導波管」を
「ガイド」と記すことがある。この導波管パターンは
（ＩｎＰ）基板３７，（ＩｎＧａＡｓＰ）導波層３８お
よび（ＩｎＰ）上層３９からなる積層体上のリッジ形状
パターンとして具現化されている。このパターンは、そ
れぞれ断熱接続している導波部Ａ−Ｅからなる。入力部
Ａは入力光信号Ｉに対する１つの非分裂単一モード入力
ガイド２１からなる。第１結合部Ｂは、単一モードから
双モード導波管構造へ、また同時に非分裂構造から分裂
構造へと断熱遷移するためのテーパー片２２からなる。
このため、Ｂは２つの直接つながっているサブセクショ
ンＢ１，Ｂ２からなる。Ｂ１において、テーパー片２２
は単一の漸広リッジ２２．１からなる。Ｂ２において、
テーパー片２２は点２３からスプリットし、漸広ギャッ
プ２４を間にはさんだ広リッジ２２．２と狭リッジ２
２．３に分かれる。テーパー片２２がサプセクションＢ
１で広がる角度は、図３のようにサプセクションＢ２で
広がる角度に等しく選ぶことができるが、それよりも大
きい方が好ましい。偏光スプリット部Ｃは、２つの分裂
する導波管すなわちギャップ２６をはさんで互いに平行
に伸びる２つのリッジ２５．１と２５．２をもつ分裂導
波管２５と、非分裂導波管２７からなる。この配置で、
導波管２５と２７は完全に脱結合し、ギャップ２４はギ
ャップ２６と融合する。出力部Ｅは、それぞれ出力光信
号０１，０２に対する２つの単一の非分裂出力ガイド２
８，２９からなる。第２結合部Ｄは、導波管２５の分裂
導波構造から導波管２８の単一モード非分裂導波構造ま
で断熱接合するための、図３に示す様なテーパー片３０
からなり、当該テーパー片３０はＤとＥとの接合点３２
で幅がゼロになるギャップ３１をはさんだ２つの分岐リ
ッジ３０．１と３０．２からなる。尚、導波管２７は出
力導波管２９に接続されている。

【００１５】導波管２５，２７は次のような大きさであ
る。分裂導波管２５は、リッジ２５．１と２５．２の幅
が適当に決められ、その間のギャップ２６の幅は図２で
矢印ｐ１で示されているように、できるだけｇ＝ｇ１に
なるように選定され、単一導波管２７は、次式を満たす
ようにリッジ幅が選定される。 β₂₅（ＴＭ，０，ｇ₁）＜β₂₇（ＴＭ，０，０） …（２）かつ β₂₇（ＴＥ，０，０）＜β₂₅（ＴＥ，０，ｇ₁）ここでβ₂₅（ＴＸ，０，ｇ₁）とβ₂₇（ＴＸ，０，０）
はそれぞれ、前記定義による導波管２５，２７の偏光Ｔ
Ｘ（ＴＥ，ＴＭ）に対する伝播定数を表している。

【００１６】図３による導波管パターンをもつ偏光スプ
リッターは、次のように作動する。入力ガイド２１を通
ってＩのように入力してきた０次モードのＴＥ偏光、す
なわちＴＥ₀₀信号は、テーパー片２２の断熱遷移を通っ
て、偏光スプリット部Ｃの接合分岐に影響されず到達す
る。そこでＴＥ₀₀信号は（２）式によって、そのモード
に対する最も高い伝播定数をもつチャネル、すなわち導
波管２５を選択する。そこからさらに、影響されずに、
Ｄ部のテーパー片とＥ部の出力ガイド２８の断熱遷移を
通って、出力光信号０１のように伝播する。同様に入力
ガイドとテーパー片２２を通って伝播する０次モードの
ＴＭ偏光（ＴＭ₀₀）も、Ｂ部からＣ部への接合分岐に到
達し、さらにそのモードに対する最高の伝播定数をもつ
チャネルを通って伝播する。しかし今度は、このチャネ
ルは（２）式によれば単一管２７となる。したがって、
単一モードの入力導波管２１を通り、一般に任意の相対
強度と位相をもつＴＥ₀₀成分とＴＭ₀₀成分を含む未知の
偏光をもつ入力光信号Ｉは、実質的にＴＥ₀₀成分のみ含
み出力ガイド２８から出ていく信号Ｏ₁と、実質的にＴ
Ｍ₀₀成分のみ含み出力ガイド２９から出ていく信号Ｏ₂
とにスプリットする。

【００１７】

【実施例】

実施例１図５は、図３と図４の構造体の寸法を示す上面図であ
る。この構造体の長さはＺ軸に沿ってｍｍ単位で、また
その幅はＸ軸に沿ってμｍ単位で表されている。対応す
る各導波部はそれぞれＡ〜Ｅで示されている。この構造
体の偏光スプリットの様子は、ビーム伝播法という名で
一般に知られている方法をつかってシミュレーションさ
れた。次のデータがそのシミュレーションに使われた。光信号の波長：１．５μｍ屈折率：ＩｎＰは３．１７５４ＩｎＧａＡｓＰは３．
４１１６導光層（ＩｎＧａＡｓＰ）の厚さ：４６０ｎｍ上層（ＩｎＰ）の厚さ：２５０ｎｍ上層上方のリッジ高さ：７５０ｎｍＡ部：長さ１００μｍ、リッジ（２１）幅３．１μｍサブセクションＢ１：長さ３７２μｍ，リッジ（２２．
１）幅３．１μｍ〜６．３５μｍサブセクションＢ２：長さ２，８６５μｍ（幅６．３５
μｍ〜８．８５μｍ）、狭リッジ（２２．３）幅２．０
μｍ、広リッジ（２２．２）幅４．３５μｍ、ギャップ
（２４）幅０〜２．５μｍＣ部：長さ５，７３０μｍ（幅８．８５μｍ〜１４．８
５μｍ）、リッジ（２５．１と２５．２）幅２．０μ
ｍ、ギャップ（２６）幅２．５μｍ、リッジ（２７）幅
２．３５μｍ、リッジ（２５．２と２７）間隔０〜１
０．０μｍ、Ｄ部：長さ３９０μｍ（幅６．５〜３．１μｍ）、ギャ
ップ（３１）幅は２８６μｍにおいて、０μｍとなる、
リッジ（３０．１と３０．２）幅２．０μｍＥ部：リッジ（２８）幅３．１μｍ、リッジ（２４）幅
２．３５μｍ

【００１８】図６は、Ａ部に入力した光信号ＩがＴＥ偏
光のみを含む信号の場合の伝播コースを示している。シ
ミュレーションの結果、ＴＥ信号の８１．５％が出力光
信号０１、また１７％が出力光信号０２となって出力
し、損失は−０．０７ｄＢ、（振動）抑制は−７．６ｄ
Ｂであった。図７は入力光信号ＩがＴＭ偏光のみを含ん
でいる場合で、シミュレーションの結果、ＴＭ信号の８
２．５％が光信号０２、１７％が光信号０１となって出
力し、損失は−０．０２ｄＢ、抑制は−７．６ｄＢであ
った。

【００１９】実施例２図８は、図３と図４の構造体の寸法を示しているが、今
度は、Ｃ部がそれぞれ等幅のギャップ２６．１と２６．
２をはさんだ３本の平行なリッジ２５．３〜２５．５か
らなる分裂導波管からなっている。ここで、Ｂ部とＤ部
はそれに応じて分裂している。サブセクションＢ２はギ
ャップ２４．１をはさむ等幅の２つのリッジ２２．５と
２２．６、およびギャップ２４．２を介した広リッジ２
２．４からなる。Ｄ部は最後はゼロに狭まるギャップ３
１．１と３１．２を間にはさんだ３本の収束するリッジ
３０．３〜３０．５からなる。この構造体の長さはＺ軸
に沿ってｍｍ単位で、またその幅はＸ軸に沿ってμｍ単
位で表されている。この構造体の偏光スプリットの様子
もシミュレートした。このシミュレーションで次のデー
タを使った。Ａ部：長さ１００μｍ、リッジ（２１）幅３．１μｍサブセクションＢ１：長さ２０６μｍ，リッジ（２２．１）幅３．１μｍ〜８．５μｍサブセクションＢ２：長さ２，８６５μｍ（幅８．５μｍ〜１３．５μｍ）、狭リッジ（２２．５と２２．６）幅２．０μｍ、広リッジ（２２．４）幅４．５μｍ、ギャップ（２４．１と２４．２）幅０〜２．５μｍＣ部：長さ４，０１１μｍ（幅１３．５μｍ〜２０．５μｍ）、リッジ（２５．３〜２５．５）幅２．０μｍ、ギャップ（２６．１と２６．２）幅２．５μｍ、リッジ（２７）幅２．５μｍ、リッジ（２５．５と２７）間隔０〜２０ μｍ、Ｄ部：長さ６１１μｍ（幅１１．０μｍ〜３．１μｍ）、ギャップ３１．１と３１．２の幅は４６３μｍにおいて０μｍに減じる、リッジ（３０．３〜３０．５）幅２．０μｍＥ部：リッジ（２８）幅３．１μｍ、リッジ（２９）幅２．５μｍ

【００２０】図９はＡ部に入力する光信号ＩがＴＥ偏光
のみを含む信号の場合の、図８の構造体における信号伝
播のシミュレーション結果を示している。その結果はＴ
Ｅ信号の８７％が光信号０１、１０．５％が光信号０２
となって出力し、損失は−０．１１ｄＢ、抑制は−９．
７ｄＢであった。

【００２１】図１０は入力光信号ＩがＴＭ偏光のみを含
む場合の結果を示し、ＴＭ信号の９２％が光信号０２、
６％が光信号０１となって出力し、損失は−０．０９ｄ
Ｂ、抑制は−１２．１ｄＢであった。

【００２２】実施例１と２は、その１つの分岐出力チャ
ネルが分裂導波管でもう１つが単一管である非対称Ｙ接
合が偏光スプリット効果を現し、この効果は分裂が増大
するにつれ増大するということを示している。しかし、
抑制はまだ非常に小さい。導波管パターンの寸法を最適
化することにより、より良い結果にすることができる。
しかし、構造的により良い結果は、双方の偏光に対し、
一方のチャネルを単一モードに、他方のチャネルを双モ
ードに分裂するようにチャネルを分岐させる設計によっ
て達成される。この場合、非対称分岐デバイスの始まり
に現れた信号は、もはや０次モードでなく、１次モード
である。このタイプの非対称分岐デバイスそれ自身は、
光信号が０次モードで現れ、０次モードとして扱われる
ので、直接偏光スプリッターとして使うことはできな
い。このため、適当なモード変換を入力部および出力部
で行うことができなければならない。

【００２３】図１１（上面図）において、分岐チャネル
双方が分裂導波管である非対称分岐デバイスにもとづく
偏光スプリッターの導波管パターンが示されている。導
波管パターンは図４と同様にして、リッジ形状パターン
として作られており、それゆえ図１１のパターンに対し
詳細は特定しない。このパターンは断熱接続されている
導波部Ｇ，Ｈ，Ｋ，Ｌ，Ｍからなり、Ｇは入力部、Ｈは
第１結合部、Ｋは偏光スプリット部、Ｌは第２結合部、
およびＭは出力部である。入力部Ｇは、脱結合されてい
ると考えられ得る領域の外側からＨ部の入力の双モード
を持つ幹部まで収束してＴＥ・ＴＭ両偏光に対しともに
単一モードである２つの単一ガイド６１，６２をもつ、
非対称Ｙ接合によるモード・コンバーターからなる。こ
の配列で、ガイド６２はガイド６１よりも幅が広いので
６１よりも大きな伝播定数をもち、ガイド６１は入力光
信号Ｉに対する真正の入力ガイドとなるが、ガイド６２
はダミーである。結合部Ｈは、非分裂双モード・ガイド
から、Ｋ部の入口での分裂構造までの断熱遷移に対する
テーパー片６３からなり、２つの直接つながっているサ
ブセクションＨ１とＨ２からなる。サブセクションＨ１
において、テーパー片６３は１つの漸広リッジ６３．１
からなり、Ｈ２においては、点６４，６５から各間に漸
広ギャップ６６．１と６６．２をはさんで３つのリッジ
６３．２〜６３．４にスプリットする。Ｈ１においてテ
ーパー片６３が広がる角度は、図１１のようにＨ２にお
けるその角度に等しく選るが、より大きい方が好まし
い。偏光スプリット部Ｋは２つの発散する分岐導波管か
らなり、第１の分裂単一モード導波管６７はギャップ６
８をはさんで平行に伸びる２つのリッジ６７．１と６
７．２を有し、第２の分裂双モード導波管６９はギャッ
プ７０をはさんで平行に伸びる２つのリッジ６９．１と
６９．２を有する。導波管６７と６９は、完全に脱結合
するように発散し、ギャップ６６．１と６６．２はそれ
ぞれギャップ６８と７０に融合している。出力部Ｍは、
それぞれ出力光信号０１，０２に対する２つの単一（す
なわち非分裂）の単一モード出力ガイド７１と７２から
なり、出力ガイド７２ともう１つの単一モード・ガイド
７３はともに、双モード・トランクをもつ非対称Ｙ接合
の発散する分岐を形成する。この配列にガイド７３はガ
イド７２の幅よりも広いので、両偏光に対し、ガイド７
２よりも大きな伝播定数をもつ。ガイド７３はガイド７
２からある距離のところで終了するダミーのガイドで、
そこでガイド７２と７３は脱結合したとみなし得る。結
合部Ｌは、導波管６７の分裂導波構造から導波管７１の
単一モード非分裂導波構造まで断熱遷移するためのテー
パー片７４、および、導波管６９の分裂導波構造から出
力部Ｍの非対称Ｙ接合の非分裂双モード・トランク構造
まで断熱遷移するためのテーパー片７５からなる。テー
パー片７４はＬ部からＭ部への接合点７７でゼロに終端
するギャップ７６をはさむ２つの収束する分岐リッジ７
４．１と７４．２からなり、テーパー片７５はＬ部から
Ｍ部への接合点７９でゼロに終端するギャップ７８をは
さむ２つの収束する分岐リッジ７５．１と７５．２から
なる。本具体例に於いては、いずれの場合でも、入力部
及び出力部に設けられる非対称Ｙ接合に設けられるべき
当該双モードを持つ幹部の長さはゼロになる様に選択さ
れている事に注意すべきである。

【００２４】リッジ６７．１と６７．２に対し適当なリ
ッジ幅が与えられ、単一モード・ガイド６７に対し分岐
管の大きさを決めるとき、リッジ間のギャップ６８の幅
は図２の矢印ｐ１に示されているようにｇ＝ｇ_１に選ば
れ、双モード・ガイド６９に対し、適当に選ばれたリッ
ジ６７．１と６７．２の幅に対し、図２の矢印ｐ２（ｇ
＝ｇ_２）に相当するギャップ７０の幅にもとづき、より
広いリッジ幅がガイド６７，６９の伝播定数に対し次式
（３．１），（３．２）が成立するように選ばれた。 β_６７（ＴＭ，０，ｇ_１）＜β_６９（ＴＭ，１，ｇ_２）＜β_６９（ＴＭ，０，ｇ_２） …（３．１）かつ β_６９（ＴＥ，１，ｇ_２）＜β_６７（ＴＥ，０，ｇ_１）＜β_６９（ＴＥ，０，ｇ_２） …（３．２）

【００２５】図１１による導波管パターンをもつ偏光ス
プリッターは、次のように作動する。０次モードのＴＥ
偏光すなわち入力ガイド６１を通って入力する（Ｉ）Ｔ
Ｅ₀₀信号は、ダミー・ガイド６２に近接しているので、
１次モードのＴＥ偏光、すなわちＴＥ₀₁信号に変換さ
れ、テーパー片６３の断熱遷移を経て伝播し、擾乱なし
にＨ部からＫ部に移行するスプリットに達する。そこで
ＴＥ₀₁信号は最高の伝播定数をもつチャネル、これは
（３．２）式によればガイド６７を選択する。ガイド６
７は単一モードなので、信号はＴＥ₀₀信号としてガイド
６７を通ってさらに伝播し、Ｌ部のテーパー片７４から
断熱遷移を通り、Ｍ部の出力ガイド７１を通って矢印Ｏ
₁の向きに出力する。また、入力ガイド６１を経て伝播
する０次モードのＴＭ偏光、すなわちＴＭ₀₀信号も、初
めは同様に１次モードのＴＭ₀₁信号に変換され、テーパ
ー片６３を通って伝播し、Ｍ部からＫ部へのスプリット
に到達し、その偏光に対する最高の伝播定数をもつチャ
ネルを通ってさらに伝播する。今度は、（３．１）式に
よってそのチャネルは双モード・ガイド６９である。そ
れゆえＴＭ₀₁信号は、１次モードとしてガイド６９、及
びＬ部のテーパー片７５を通ってさらに伝播する。Ｍ部
の非対称Ｙ接合の分岐ガイド７２，７３において、１次
モード信号は０次モード信号に変換されながら、最低の
伝播定数をもつチャネル（この場合は、単一モード・ガ
イド７２の中をさらに伝播する。

【００２６】それゆえ、単一モード入力ガイド６１に進
入し、一般に任意相対強度・位相のＴＥ_００・ＴＭ_００
成分を含む入力光信号Ｉは、実質的にＴＥ_００成分のみ
含んでガイド７１を通って出力する光信号０１と、実質
的にＴＭ_００信号のみ含んでガイド７２を通って出力す
る光信号０２とにスプリットする。

【００２７】実施例３図１１に、上記構造体の寸法はすでに示されている。そ
の長さはＺ軸に沿ってｍｍ単位で、また幅はＸ軸に沿っ
てμｍ単位で示されている。この構造体の偏光スプリッ
トの様子も、次のデータを使ってシミュレートされた。光信号の波長：１．５μｍ屈折率：ＩｎＰは３．１７５４ＩｎＧａＡｓＰは３．
４１１６導光層３８（ＩｎＧａＡｓＰ）の厚さ：４７３ｎｍ上層３９（ＩｎＰ）の厚さ：１９０ｎｍ上層上方のリッジ高さ：２００ｎｍＧ部：長さ８７３μｍ、リッジ（６１）幅２．０μｍ、
リッジ（６２）幅４．０μｍ、リッジ６１，６２間のア
プローチ角５．７ｍｒａｄサブセクションＨ１：長さ１，０７０μｍ，リッジ（６
３．１）幅６．０〜９．０μｍサブセクションＨ２：長さ１，４３０μｍ（幅９．０〜
１３．０μｍ）、リッジ（６３．２）幅２．０μｍ、リ
ッジ（６３．３）幅４．０μｍ、リッジ（６３．４）幅
３．０μｍ、ギャップ（６６．１）幅０〜１．０μｍ、
ギャップ（６６．２）幅０〜２．０μｍＫ部：長さ２，８６５μｍ（幅１３．０〜１８．０μ
ｍ）、リッジ（６７．１と６７．２）幅２．０μｍ、ギ
ャップ（６８）幅１．０μｍ、リッジ（６９．１と６
９．２）幅３．０μｍ、ギャップ（７０）幅２．０μ
ｍ、リッジ６７．２と６９．２の間隔０〜５．０μｍＬ部：テーパー片（７４，７５）長さ２１２μｍ、テー
パー片（７４）幅５．０〜４．０μｍ、テーパー片（７
５）幅８．０〜６．０μｍ、リッジ（７４．１と７４．
２）幅２．０μｍ、リッジ（７５．１と７５．２）幅
３．０μｍＭ部：リッジ（７１，７３）幅４．０μｍ、リッジ１７
の幅２．０μｍ

【００２８】図１２は、Ｇ部に入力する光信号ＩがＴＥ
偏光のみを含む信号の場合の伝播コースを表している。
その結果はＴＥ信号の９６．６％が光信号０１、１．３
％が光信号０２となって出力し、損失は０．１７ｄＢ以
下、抑制は−１９ｄＢであった。

【００２９】図１３は入力光信号ＩがＴＭ偏光のみ含む
場合の伝播コースを表し、結果はＴＭ信号の９６．０％
が光信号０１、１．０％が光信号０２となって出力し、
損失は０．１３ｄＢ、抑制は−２０ｄＢであった。

【００３０】上記偏光スプリッターにおいて、構成要素
である導波部は、時間非可逆原理にもとづき、逆向きに
伝播する光信号に対し、反対に作用する。したがって、
スプリッターは逆向きの信号に対し、偏光結合器（すな
わち、マルチプレクサー）、または偏光フィルターとし
て作用する。純粋偏光（すなわち、矢印Ｏ ₁ に従う純粋
ＴＥ信号と矢印Ｏ ₂ に従う純粋ＴＭ信号）を持つ信号
が、矢印Ｏ ₁ と従う純粋ＴＥ信号と矢印Ｏ ₂ と逆向きに
出力ガイドに入力すると、当該出力ガイドと合わない偏
光成分（すなわち、矢印Ｏ ₁の出力ガイドに対するＴＭ
と、矢印Ｏ ₂の出力ガイドに対するＴＥ）はフィルター
にかけられて除かれるので、純粋なＴＥまたはＴＭ信号
が入力ガイドに現れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】リッジ・タイプの２つの結合導波管の断面図。

【図２】０次・１次の各偏光の伝播定数の間隔に対する
関係を表す図。

【図３】本発明による偏光スプリッターの第１実施例の
上面図。

【図４】それぞれａ〜ｄは図３のＩＩＩ．１−ＩＩＩ．
１〜ＩＩＩ．４〜ＩＩＩ．４矢視断面図。

【図５】図３の偏光スプリッターの導波管構造体の寸法
を入れた上面図。

【図６】図５の導波管構造体を通り抜けるＴＥ信号の伝
播コースを表す図。

【図７】図５の導波管構造体を通り抜けるＴＭ信号の伝
播コースを表す図。

【図８】図３の変形よりなる偏光スプリッターの導波管
構造体の寸法を入れた上面図。

【図９】図８の導波管構造体を通り抜けるＴＥ信号の伝
播コースを表す図。

【図１０】図８の導波管構造体を通り抜けるＴＭ信号の
伝播コースを表す図。

【図１１】本発明による偏光スプリッターの第２実施例
の上面図。

【図１２】図１１の導波管構造体を通り抜けるＴＥ信号
の伝播コースを表す図。

【図１３】図１１の導波管構造体を通り抜けるＴＭ信号
の伝播コースを表す図。

【符号の説明】

１，２リッジ２１入力ガイド２２テーパー片２５，２７導波管（ガイド）２８，２９出力ガイド３７基板３８導光層３９上層６１入力ガイド６３テーパー片６７，６９導波管（ガイド）７１，７２出力ガイドＡ入力部Ｂ第１結合部Ｃ偏光スプリット部Ｄ第２結合部Ｅ出力部Ｇ入力部Ｈ第１結合部Ｋ偏光スプリット部Ｌ第２結合部Ｍ出力部Ｉ入力光信号０１，０２出力光信号ｇ間隔（リッジ間相互距離）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平１−239503（ＪＰ，Ａ) 特開平２−275402（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 6/12

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板（３７）及び当該基板に支持された
所定のチャネル型光導波管パターンを持つ薄い光導波層
（３８／３９）からなり、該パターンは、入力導波管で
ある第１の導波管（２１；６１）と、光学的に脱結合され且つ物理的に分離された、第１及び
第２の出力導波管（２８，２９、７１，７２）及び、当該第１の導波管を第１と第２の出力導波管に分岐させ
る為に、該入力導波管及び第１と第２の出力導波管とに
結合された、偏光スプリット部（Ｃ；Ｋ）であって、当該偏光スプリット部は、それぞれ第１の出力導波管
（２８；７１）及び第２の出力導波管（２９；７２）と
個別に結合された２つの互いに発散する導管分岐（２
５，２７；６７，６９）を備えるものであり、更に当該２つの導波管分岐はそれぞれの横偏光モード
（ＴＥ，ＴＭ）に対して異なる伝播定数をもたらす幾何
学構造を持ち、１つの偏光モードに対する２つの導波管
分岐の伝播定数の差は他方の偏光モードに対する２つの
導波管分岐の伝播定数の差とは異なっており、２つの発散する導波管分岐の少なくとも第１の導波管分
岐（２５；６７）は、長手方向に分割された幾何学構造
を有する分裂導波管であり、更に当該幾何学構造に於い
ては、当該パターンは、当該入力導波管（２１；６１）
と分割せしめられた第１と第２の導波管分岐（２５−
１，２５−２、６７−１、６７−２）とを断熱結合する
ための第１の結合部（２２；６３）と、分割せしめられ
た第１の導波管分岐（２５−１，２５−２、６７−１、
６７−２）と該第１の出力導波管（２８；７１）とを断
熱結合するための第２の結合部（３０；７４）を有する
ものである事を特徴とする光信号を偏光処理する為の集
積光デバイス。
【請求項２】当該第２の導波管分岐（６９）は、同様
に分裂せしめられた導波管分岐であり、且つ分裂せしめ
られた第１の導波管分岐（６７）は単一モードであり且
つ分裂せしめられた第２の導波管分岐（６９）は双モー
ドであり、更に入力導波管と出力導波管（６１，７１，
７２）は単一モードであり、又、当該入力導波管（６
１）と当該第１の結合部（６３）との間に、０次導波モ
ードを一次導波モードに、或いはその逆に変換する為
に、第１偏光非感受性モード・コンバーター（６２）が
設けられており、双モードに分裂せしめられた第２の導
波管（６９）が第２の出力導波管と結合されている構成
による第２の結合部（７５）と第２の出力導波管（７
２）との間に、１次導波モードを０次導波モードに、或
いはその逆に変換する為に第２の偏光非感受性モード・
コンバーター（７３）が設けられている事を特徴とする
請求項１記載の集積光デバイス。
【請求項３】当該第１の偏光非感受性モード・コンバ
ーターは、単一モードの入力導波管（６１）と互いに収
斂しあって、双モードの幹部（６３．１）を有する非対
称Ｙ分岐素子を形成する第１の結合部（６３）に接続さ
れている単一モードのダミー導波管（６２）を含んでお
り、且つチャネルを形成している当該２個の単一モード
の分岐した導波管（６１、６２）は、互いに異なる伝播
定数を持っており、当該入力導波管（６１）が、最も低
い伝播定数を持つ様に構成されたものであり、又当該第
２の偏光非感受性モード・コンバーターは、単一モード
の第２の出力導波管（７２）と共に、双モードを有する
非対称Ｙ分岐素子を形成する第２の結合部（７５）から
互いに発散しあう、単一モードのダミー導波管（７３）
を含んでおり、且つチャネルを形成している当該２個の
単一モードの分岐した導波管（７２、７３）は、互いに
異なる伝播定数を持っており、当該第２の出力導波管
（７２）が、最も低い伝播定数を持つ様に構成されたも
のである事を特徴とする請求項２記載の集積光デバイ
ス。
【請求項４】当該分裂せしめられた導波管と結合部は
リッジタイプを有しており、それぞれの分裂せしめられ
た導波管（２４、６７、６９）は互いに平行に伸びてい
る複数個のリッジ部（２５．１、２５．２；６７．１、
６７．２；６９．１、６９．２）を有しており、且つそ
れぞれの結合部（２２、６３）は、当該分裂せしめられ
た導波管が設けられている当該結合部側の方向に向けて
拡大される様な単一のリッジ部（２２．１、６３．１）
を持つと共に、当該分裂せしめられた導波管のリッジ部
と断熱接続している複数個のリッジ部（２２．２、２
２．３；６３．２、６３．３、６３．４）に分割されて
いるリッジパターンを含む事を特徴とする請求項１乃至
３の何れかに記載の集積光デバイス。
【請求項５】当該分裂せしめられた導波管（２４、６
７、６９）のそれぞれに於けるリッジタイプは、適切に
選択された高さ、幅（ｄ）及び間隔（ｇ）を有する２つ
のリッジを含んでいる事を特徴とする請求項４記載の集
積光デバイス。