JP6276840B2 - 偏波回転回路 - Google Patents

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Description

本発明は偏波回転回路に関する。より詳細には、シリコン導波路で形成された平面型の偏波回転回路に関する。
シリコン導波路による光回路は、石英など従来の材料に比して回路サイズを飛躍的に小さくできる利点を持っているため、研究開発が盛んに行われている。通過する光の偏波の制御、特に偏波分離および偏波回転は、光回路の重要機能の１つである。偏波回転回路は、入力されたある偏波の光に対し、その偏波と直交する偏波の光を出力する回路である。平面基板上に形成される光回路においては、基板に水平な電界成分を有するＴＥ偏波の光を、基板に垂直な電界成分を有するＴＭ偏波の光に変換する光回路、または、ＴＭ偏波の光をＴＥ偏波に変換する光回路が一般的に利用されている。
シリコン導波路において偏波回転を行う手法は、いくつかが提案されている。第１の従来技術例として、シリコン導波路の上部に窒化シリコンＳｉ３Ｎ４の構造を付加することにより、断熱的に偏波を回転させる回路が提案されている。この偏波回転回路については、非特許文献１に詳細が開示されている。
また第２の従来技術例として、シリコン導波路の上部クラッドを窒化シリコンとし、偏波変換回路とモード変換回路から構成された偏波回転回路が提案されている。この従来技術例では、偏波変換回路を幅の徐々に広がるテーパ導波路によって構成し、モード変換回路を幅の異なる２つの導波路から成る非対称方向性結合器によって構成している。この偏波回転回路については、非特許文献２に詳細に開示されている。
図４３Ａ、図４３Ｂは、上述の第２の従来技術例による偏波回転回路の構成を示した図である。図４３Ａは、回路の構成面を見た上面図である。図４３Ａに示した偏波回転回路は、幅がｗ１からｗ２まで広がるテーパ導波路からなる偏波変換回路１００３と、幅の異なる２つの導波路１００５、１００６からなる非対称方向性結合器で構成されるモード変換回路１０１４とを備えている。テーパ導波路１００３および導波路１００５は、第２のテーパ導波路１００４によって滑らかに接続されている。図４３Ａに示した偏波回転回路は、入出力導波路１００１、１００７、１００８によって、各偏波およびモードの光信号を入出力する。入出力導波路１００１およびテーパ導波路１００３は、第３のテーパ導波路１００２によって滑らかに接続されている。図面上では、各導波路および領域の境界を明示的な点線（光の進行方向に垂直な区画）によって分けて描いているが、便宜上、機能ごとに区画が描かれているのであって、構成材料の不連続や実際に境界があるわけではないことに留意されたい。
実際の構造の一例を挙げれば、テーパ導波路１００３の長さは５０μｍ、幅はｗ１＝０．６９μｍ、ｗ２＝０．８３μｍである。非対称方向性結合器を形成する導波路１００５は幅が０．９μｍ、導波路１００６は幅が０．４０５μｍをそれぞれ持ち、長さはともに１７μｍである。２つの導波路１００４、１００５の間のギャップは０．２５μｍである。入出力導波路１００１の幅は０．５μｍ、第２のテーパ導波路１００４および第３のテーパ導波路１００２の長さはそれぞれ１５μｍである。
また回路長全体の短縮に着目した別の構造の例を挙げれば、テーパ導波路１００３の長さは４４μｍとして、幅は上記の構造と同じくｗ１=０．６９μｍ、ｗ２=０．８３μｍとする。非対称方向性結合器を形成する導波路１００５の幅は０．９μｍで、導波路１００６の幅は０．４０５μｍである。導波路１００５、１００６間のギャップを０．１５μｍとすることによって、２つの導波路１００５、１００６の長さをともに７μｍとすることができ、非対称方向性結合器の長さを短縮することができる。入出力導波路１００１の幅は０．５４μｍである。第二のテーパ導波路１００４および第三のテーパ導波路１００２の長さはそれぞれ１５μｍである。この構造の場合、偏波回転回路の全長は７１μｍとなる。
図４３Ｂは、図４３Ａに示した偏波回転回路の上面図のＡ−Ａ´線における断面の構造を示す。シリコン基板１０１１上には、石英で形成された下部クラッド１０１０を備える。下部クラッド１０１０の上には、シリコンによりテーパ導波路のコア１００３が形成され、さらに、コア１００３を覆うように窒化シリコンＳｉ３Ｎ４の上部クラッド１００９が形成されている。導波路１００３のコア厚さは０．２２μｍ、上部クラッド１００９の厚さは１．５μｍ、下部クラッド１０１０の厚さは２μｍである。
入出力導波路１００１から回路に入力されたＴＭ偏波の基底モード光１０１２は、偏波変換回路であるテーパ導波路１００３を伝搬する過程で、ＴＥ偏波の１次モード光に変換される。さらにモード変換回路である非対称方向性結合器１０１４において、導波路１００５を伝搬するＴＥ偏波の１次モード光は、導波路１００６のＴＥ偏波の基底モードに結合し、ＴＥ偏波の基底モード光１０１３が入出力導波路１００８へ出力される。図４３Ａ、図４３Ｂに示した回路は相反的であり、入出力導波路１００８からＴＥ偏波の基底モード光１０１３が逆向きに入力された場合、上述の説明とは逆の経路を経て、ＴＭ偏波の基底モード光１０１２が入出力導波路１００１に出力される。
偏波回転回路において、伝搬する光波に対して偏波変換を生じさせるには、導波路に非対称性を持たせることが必要である。構造的に対称な導波路は、ＴＥモードおよびＴＭモードの間の結合がなく、偏波変換が生じ得ない。従来技術例１においては、上部に形成された窒化シリコンＳｉ３Ｎ４の構造が対称性を崩すよう作用し、従来技術例２においては、下部クラッドと上部クラッドの屈折率が異なることによって非対称性を持たせている。
L. Chen et al, "Compact polarization rotator on silicon for polarization-diversified circuits", OPTICS LETTERS, Vol. 36, pp.469-471, (2011) D. Dai et al, "Novel concept for ultracompact polarization splitter-rotator based on silicon nanowires", OPTICS EXPRESS, Vol. 19, pp.10941-10949, (2011)
しかしながら、上述のようなシリコン導波路による偏波回転回路においては、非特許文献１の偏波変換回路では、シリコン導波路を形成後、その上部に窒化シリコン層を形成して加工する必要がある。また、非特許文献２の偏波変換回路では、上部クラッド全体を窒化シリコンとするため、シリコン導波路を形成後、その上部に窒化シリコン層を形成する必要がある。
また、モード変換回路における非対称方向性結合器の導波路間隔は０．１５μｍと小さく、一方で回路全長は７１μｍにも達し、そのサイズは大きい。
このように従来の偏波回転回路では、一般的にはシリコン導波路回路作製には適用されない窒化シリコン層を形成する必要があり、光集積回路に偏波回転回路を適用するためには、そのためだけに窒化シリコン層形成のプロセス工程が加えられる。このため、製造時間の増大、製造装置の複雑化を招いていた。
また、一部の光回路の最小加工寸法が０．１５μｍと小さく、製造トレランスの確保が難しい。より緩和された製造トレランスを許容できるような構造が必要とされていた。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、シリコン導波路で構成することにより製造コストを抑制し、さらには導波路の近接配置に関する加工精度の条件を緩和することができる光回路を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、中央部コアと、前記中央部コアよりも薄い周辺部コアとから成り、前記周辺部コアのコア幅が徐々に拡大するテーパ形状を有するリブ型シリコン導波路によって構成され、ＴＭ偏波の基底モード光をＴＥ偏波の１次モード光に変換する偏波変換回路と、前記偏波変換回路に光学的に接続し、ＴＥ偏波の１次モード光をＴＥ偏波の基底モード光に変換するモード変換回路とを備えたことを特徴とする偏波回転回路である。
上述の偏波回転回路では、好ましくは、前記モード変換回路は、異なる幅の２つの導波路から成る非対称方向性結合器で構成され、前記異なる幅の２つの導波路は、中央部コアの無いリブ型シリコン導波路であって、前記異なる幅の２つの導波路の内の幅の広い導波路の一端が、前記偏波変換回路に光学的に接続されている。
さらに、前記偏波変換回路および前記モード変換回路は、中間テーパ導波路によって滑らかに接続され、前記中間テーパ導波路は、中央部コアの無いリブ型シリコン導波路、リブ型シリコン導波路、または、中央部コアの無いリブ型シリコン導波路およびリブ型シリコン導波路が接合された構成のいずれかであることができる。
上述の本発明の一態様は、好ましくは、前記モード変換回路は、前記偏波変換回路に光学的に接続された光スプリッタ、２つの導波路から成る遅延回路、および光カプラから構成されることができる。
さらに好ましくは、前記光スプリッタは、中央部コアの無いリブ型シリコン導波路、および、２つのコアの厚い部分を有するリブ型シリコン導波路から構成され、前記中央部コアの無いリブ型シリコン導波路の一端が、前記偏波変換回路に接続されている。
また上述の偏波回転回路では、前記モード変換回路は、異なる幅の２つの導波路から成る非対称方向性結合器で構成され、前記異なる幅の２つの導波路は、チャネル型シリコン導波路であって、前記異なる幅の２つの導波路の内の幅の広い導波路の一端が、中間導波路を介して前記偏波変換回路に光学的に接続されており、前記中間導波路は、２つの比較的コアの厚い部分と、比較的コアの薄い周辺部から成るリブ型シリコン導波路で構成され、前記の比較的コアの厚い部分は、テーパ構造をしていることもできる。
上述の偏波回転回路では、好ましくは、前記非対称方向性結合器の内の幅の広い導波路の一端、および、幅の狭い導波路の一端の少なくとも一方に、テーパ導波路が接続されており、前記テーパ導波路は徐々に幅が狭まり、先端が途切れている。
本発明の別の態様は、ＴＭ偏波の基底モード光を入力する入出力導波路と、中央部コアと、前記中央部コアよりも薄い周辺部コアとから成り、前記周辺部コアのコア幅が徐々に拡大するテーパ形状を有するリブ型シリコン導波路によって構成され、ＴＭ偏波の基底モード光をＴＥ偏波の１次モード光に変換する偏波変換回路と、前記入出力導波路および前記偏波変換回路との間に位置し、前記入出力導波路の導波路と、前記偏波変換回路の前記中央部コアのとの間でコア幅を連続的に変化させるコア幅変換導波路と、前記偏波変換回路に光学的に接続し、ＴＥ偏波の１次モード光をＴＥ偏波の基底モード光に変換するモード変換回路とを備えたことを特徴とする偏波回転回路である。
また、さらに別の態様の偏波変換回路は、中央部コアと、前記中央部コアよりも薄い周辺部コアとから成り、前記周辺部コアのコア幅が徐々に拡大するテーパ形状を有するリブ型シリコン導波路によって構成され、ＴＭ偏波の基底モード光をＴＥ偏波の１次モード光に変換する偏波変換回路と、前記偏波変換回路に光学的に接続し、ＴＥ偏波の１次モード光をＴＥ偏波の基底モード光に変換するモード変換回路とを備え、さらに、前記モード変換回路は、前記偏波変換回路に光学的に接続された２つの導波路から成る遅延回路、並びに光カプラもしくは光合成器から構成されることができる。
上述のさらに別の態様の偏波変換回路は、好ましくは、前記モード変換回路は、１／２波長分の遅延を生じる遅延回路および２×１型カプラ、または、１／４波長分の遅延を生じる遅延回路および２×２型合波器によって構成される。
さらに好ましくは、前記モード変換回路における前記１／４波長分の遅延を生じる遅延回路は、比較的厚い中央部コアと比較的薄い周辺部コアからなる２つのリブ型シリコン導波路であって、前記２つのリブ型シリコン導波路のうちの一方のリブ型シリコン導波路は、前記中央部コアの幅が出力側に向かって徐々に広がったのち徐々に狭まるテーパからなる構造を有し、前記モード変換回路における前記２×２型合波器は方向性結合器である。
また、上述のさらに別の態様の偏波回転回路において、前記偏波変換回路およびモード変換回路は、中間テーパ導波路を介して、光学的に接続され、前記中間テーパ導波路は、中央部コアと、前記中央部コアより薄い周辺部コアとから成るリブ型導波路であり、出力側に向かって徐々に幅が狭くなるテーパ形状を有し、前記中間テーパ導波路と前記モード変換回路との間の接続部分は、２つのコアを有し、当該２つのコアの各々は徐々に幅が拡がるテーパ形状をそれぞれ有することができる。
上述のさらに別の態様の偏波回転回路において、前記偏波変換回路における前記中央部コアは、出力側に向かって徐々に幅が狭まるテーパ形状を有し、前記偏波変換回路における前記周辺部コアは、出力側に向かって徐々に幅が拡がるテーパ形状を有することができる。
また、前記偏波変換回路における前記周辺部コアのテーパ形状は、曲線的に幅が拡がるように構成されることもできる。
さらに、上述の各偏波回転回路は、偏波回転分離回路としても動作することもできる。
以上説明したように、本発明により、窒化シリコン層等の付加的なプロセス工程を必要とせずに、シリコン導波路のみで構成される偏波回転回路を提供することができる。さらに本発明によれば、導波路の近接した配置における加工精度の条件を緩和することができる。
図１は、本発明の偏波回転回路の第１の実施形態の構成を示す図である。 図２は、図１の入出力導波路上のＡ−Ａ´線の断面構造を示す図である。 図３は、図１の偏波変換回路上のＢ−Ｂ´線の断面構造を示す図である。 図４は、図１のモード変換回路上のＣ−Ｃ´線の断面構造を示す図である。 図５は、本発明の第１の実施形態の偏波回転回路の機能を説明する図である。 図６は、図５に示した本発明の偏波変換回路におけるＴＥ偏波成分およびＴＭ偏波成分の強度比を表した図である。 図７は、本発明の偏波回転回路に適用できる光放射の構造の一例を示した図である。 図８は、本発明の偏波回転回路に偏波分離機能を付加することができる導波路構造を示した図である。 図９は、本発明の第２の実施形態の偏波回転回路の構成を示す図である。 図１０は、本発明の第３の実施形態の偏波回転回路の構成を示す図である。 図１１は、図１０の偏波変換回路の入出力導波路上のＡ−Ａ´線の断面構造を示す図である。 図１２は、図１０の偏波変換回路上のＢ−Ｂ´線の断面構造を示す図である。 図１３は、図１０のモード変換回路上のＣ−Ｃ´線の断面構造を示す図である。 図１４は、本発明の第４の実施形態の偏波回転回路の構成を示す図である。 図１５は、図１４の入出力導波路上のＡ−Ａ´線の断面構造を示す図である。 図１６は、図１４の偏波変換回路上のＢ−Ｂ´線の断面構造を示す図である。 図１７は、図１４の中間導波路上のＣ−Ｃ´線の断面構造を示す図である。 図１８は、図１４の非対称方向性結合器上のＤ−Ｄ´線の断面構造を示す図である。 図１９は、本発明の第５の実施形態の偏波回転回路の構成を示す図である。 図２０は、図１９に示したＡ−Ａ´線における偏波回転回路の断面構造を示す図である。 図２１は、図１９に示したＢ−Ｂ´線における偏波回転回路の断面構造を示す図である。 図２２は、チャネル導波路のコア幅に対する固有モードの実効屈折率を計算した結果例を説明する図である。 図２３は、リブ型導波路の周辺部コア幅に対する実効屈折率の計算結果例を示す図である。 図２４は、図２３に示した第２モードに関して、各偏波成分の強度比の計算結果例を示す図である。 図２５は、リブ型導波路の周辺部コア厚に対する第２モードのＴＥ偏波成分とＴＭ偏波成分の計算結果例を示す図である。 図２６は、リブ型導波路の周辺部コア厚ごとの周辺部コア幅に対する第２モードのＴＥ偏波成分の計算結果例を示す図である。 図２７は、リブ型導波路の周辺部コア厚に対する、偏波変換回路の出力光に含まれる各モード成分の計算結果例を示す図である。 図２８は、第５の実施形態の偏波回転回路に中間テーパを付加した構成を示す図である。 図２９は、第５の実施形態の偏波変換回路の中央部コアをテーパ状とした構成を示す図である。 図３０は、リブ型導波路の周辺部コア厚に対する、偏波変換回路の出力光に含まれる各モード成分の計算結果例を示す図である。 図３１は、第５の実施形態の偏波変換回路の周辺部コアを曲線テーパとした構成を示す図である。 図３２は、図３１の偏波変換回路の周辺部コアの曲線テーパの詳細を示す図である。 図３３は、本発明の第５の実施形態の偏波回転分離回路の構成を示す図である。 図３４は、本発明の第６の実施形態の偏波回転回路の構成を示す図である。 図３５は、第６の実施形態の偏波変換回路の周辺部コアを曲線テーパとした構成を示す図である。 図３６は、本発明の第７の実施形態の偏波回転回路の構成を示す図である。 図３７は、図３６に示した偏波回転回路のＣ−Ｃ´線を含む断面図である。 図３８は、第７の実施形態の偏波変換回路の周辺部コアを線形テーパとした構成を示す図である。 図３９は、本発明の第８の実施形態の偏波回転回路の構成を示す図である。 図４０は、図３９の偏波回転回路のモード変換回路の詳細を示す図である。 図４１は、第８の実施形態の偏波回転回路の周辺部コアを線形テーパとした構成を示す図である。 図４２は、第８の実施形態の偏波回転分離回路の構成を示す図である。 図４３Ａは、従来技術例２の偏波回転回路の構成を示した図である。 図４３Ｂは、従来技術例２の偏波回転回路の断面構成を示した図である。
本発明の偏波回転回路の一態様では、偏波変換回路における導波路を、その断面形状が凸型となっているリブ構造とすることで、導波路構造の非対称性を生み出している。さらにリブ構造の中央コア部分の導波路幅を非常に狭くすることによって、光波の強度が中央コア部分だけに集中せず、より構造的な非対称性の影響を受け易い構成としている。この構成により、窒化シリコン層等を形成することなく、シリコン導波路だけの構造でありながら、効率よく偏波変換を生じさせることができる。
すなわち、本発明の偏波回転回路は、中央部コアと、前記中央部コアよりも薄い周辺部コアとから成り、前記周辺部コアのコア幅が徐々に拡大するテーパ形状を有するリブ型シリコン導波路によって構成され、ＴＭ偏波の基底モード光をＴＥ偏波の１次モード光に変換する偏波変換回路と、前記偏波変換回路に光学的に接続し、ＴＥ偏波の１次モード光をＴＥ偏波の基底モード光に変換するモード変換回路とを備える。以下、本発明の偏波回転回路の様々な実施形態について詳細に説明する。
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る偏波回転回路について説明する。本実施形態は、本発明の偏波回転回路の基本的な構成を示すものであり、チャネル型導波路の入出力導波路を持つ構成例である。
図１は、本発明の偏波回転回路の第１の実施形態の構成を示す図であり、デバイス上の回路構成面を見た図である。以下、本発明を説明する各図では、各導波路および領域の境界を明示的な点線（光の進行方向に垂直な区画）によって分けて描いているが、各部の機能ごとに便宜的に区画が描かれているのであって、構成材料の不連続や実際に境界線があるわけではないことに留意されたい。偏波回転の主な動作は、偏波変換回路１０４およびモード変換回路１１３によって行われる。図上左端の入出力導波路１０１から入力したＴＭ偏波の基底モード光１１１を、本発明の偏波変換回路によってＴＥ偏波の１次モード光１１２に変換して右端の入出力導波路１１０より出力する。偏波変換回路は比較的コアの厚い中央部と、比較的コアの薄い周辺部から成るリブ型シリコン導波路１０４で形成され、周辺部のコア幅は幅がｗ１からｗ２まで広がるテーパ導波路１０４になっている。
モード変換回路１１３は、中央部の無いリブ型シリコン導波路１０６、１０７で形成され、幅の異なる２つの導波路から成る非対称方向性結合器となっている。モード変換回路１１３は、一方のリブ型シリコン導波路１０６へ図１上の左側から入力したＴＥ偏波の１次モード光を、ＴＥ偏波の基底モード光に変換して、他方のリブ型シリコン導波路１０７の右側から出力する。したがって、モード変換回路は、異なる幅の２つの導波路から成る非対称方向性結合器で構成され、前記異なる幅の２つの導波路は、中央部の無いリブ型シリコン導波路であって、前記異なる幅の２つの導波路の内の幅の広い導波路の一端が、前記偏波変換回路に光学的に接続されている。
偏波変換回路１０４とリブ型シリコン導波路１０６の間には、中間導波路１０５を備える。中間導波路１０５は、中央部のないリブ型シリコン導波路で形成され、偏波変換回路１０４およびリブ型シリコン導波路１０６を滑らかに接続するテーパ導波路になっている。偏波回転回路全体の両端には、入出力導波路１０１、１１０が備えられ、矩形のコアから成るチャネル型導波路で形成されている。入出力導波路１０１および偏波変換回路１０４の間、および、入出力導波路１１０およびリブ型シリコン導波路１０７の間には、リブ型−チャネル型変換導波路１０２、１０３およびリブ型−チャネル型変換導波路１０８、１０９をそれぞれ備える。
それぞれのリブ型−チャネル型変換導波路は、チャネル型からリブ型に導波路構造を変換する部分１０２、１０９と、リブ型導波路の中央部のコア幅を変化させる部分１０３、１０８から構成されている。これらリブ型−チャネル型変換導波路は、偏波回転の機能には直接寄与しないが、前後に接続される導波路の構造不連続性を解消し、光過剰損失を抑制する効果があり、設置されることが好ましい。特に、リブ型導波路の中央部のコア幅を変化させる部分１０３、１０８は、伝搬する光波の強度が集中している中央のコア部分の不連続性を小さくするため、光過剰損失を抑制する効果も高い。
偏波変換回路１０４の長さは１００μｍ、中央部のコア幅は０．１５μｍ、周辺部のコア幅はｗ１＝０．９μｍ、ｗ２＝１．８μｍである。
モード変換回路である非対称方向性結合器１１３を形成する導波路１０６は幅が２．０μｍ、導波路１０７は幅が０．８μｍである。両導波路の長さはともに５０μｍである、２つの導波路間のギャップは０．４μｍである。
中間導波路１０５の長さは１５μｍである。入出力導波路１０１、１１０の幅はそれぞれ０．５μｍである。リブ型−チャネル型変換導波路１０２、１０３においては、導波路１０２の長さは５０μｍ、中央部のコア幅は０．５μｍ、周辺部のコア幅は０．５μｍから０．９μｍに変化させている。また、導波路１０３の長さは２００μｍ、中央部のコア幅は０．５μｍから０．１５μｍに変化させており、周辺部のコア幅は０．９μｍである。またリブ型−チャネル型変換導波路１０８、１０９においては、導波路１０８の長さは２００μｍ、中央部のコア幅は０．１５μｍから０．５μｍに変化させており、周辺部のコア幅は０．８μｍである。導波路１０９の長さは５０μｍ、中央部のコア幅は０．８μｍ、周辺部のコア幅は０．８μｍから０．５μｍに変化させている。
図２は、図１の上面図における入出力導波路上のＡ−Ａ´線の断面の構造を示す図である。シリコン基板１２３の上には、石英ガラスで形成されている下部クラッド１２２が備えられている。下部クラッド１２２の上には、シリコンで形成されているチャネル型導波路のコア１０１が作成される。さらに、コア１０１を覆うように、石英ガラスで形成されている上部クラッド１２１が備えられる。導波路１０１のコア厚さは０．２２μｍ、上部クラッド１２１の厚さは１．５μｍ、下部クラッド１２２の厚さは２μｍである。特に示さないが、図１の上面図における入出力導波路１１０上のＤ−Ｄ´断面の回路構造も、図２に示したＡ−Ａ´断面の構造と全く同様である。
図３は、図１の上面図における偏波変換回路上のＢ−Ｂ´線の断面の構造を示す図である。シリコン基板１３３の上には、石英ガラスで形成されている下部クラッド１３２が備えられている。下部クラッド１２２の上には、シリコンで形成されたリブ型導波路の中央部コア１０４ａおよび周辺部コア１０４ｂ、１０４ｃが作成される。さらに、各コアを覆うように、石英ガラスで形成されている上部クラッド１３１が備えられる。中央部１０４ａのコア厚さは０．２２μｍ、周辺部１０４ｂ、１０４ｃのコア厚さは０．０６μｍ、上部クラッド１３１の厚さは１．５μｍ、下部クラッド１３２の厚さは２μｍである。
図４は、図１の上面図におけるモード変換回路上のＣ−Ｃ´線の断面の構造を示す図である。シリコン基板１４３の上には、石英ガラスで形成されている下部クラッド１４２が備えられている。下部クラッド１４２の上には、シリコンで形成された中央部の無いリブ型導波路のコア１０６、１０７が作成される。さらに、両コアを覆うように、石英ガラスで形成されている上部クラッド１４１が備えられる。導波路１０６、１０７のコア厚さは０．０６μｍ、上部クラッド１４１の厚さは１．５μｍ、下部クラッド１４２の厚さは２μｍである。
前述のように、偏波回転回路において伝搬する光波に対して偏波変換を生じさせるには、導波路に非対称性を持たせることが必要である。本発明における偏波変換回路１０４は、導波路を、その断面形状が凸型となっているリブ構造にすることで、基本的に非対称性を生み出している。ただし、通常のリブ導波路は、中央コア部分の幅が０．５μｍ程度であり、この中央コア部分に光波の強度が集中するような構造となっている。このため、周辺の薄いコアを備えることだけでは殆ど非対称性が得られず、ある程度の偏波変換を生じさせることができても、偏波変換の効率が良くない。
本発明の偏波回転回路では、さらに中央コア部分の導波路幅を０．１５μｍ程度まで狭くすることによって、光波の強度が中央コア部分だけに集中せず、より構造的な非対称性の影響を受け易いようにしている。この構成により、窒化シリコン層等を形成することなく、シリコン導波路だけの構造でありながら、効率良く偏波変換を生じさせることができる。
本実施形態では、偏波変換回路１０４およびリブ型−チャネル型変換導波路１０２、１０３を、それぞれの機能を担う回路として別個に設けている。偏波変換および導波路構造の変換の２つの機能は、中央コア部分の幅と周辺部コアの幅と同時に変化させるテーパ構造によって、同時に実現することも可能である。しかしながら、１つのテーパ構造によって実現しようとする場合、偏波変換を効率的に生じさせる中央コア部分の幅の変化量と周辺部コアの幅の変化量は限られた設計条件となる。デバイスの作製誤差による±０．０５μｍ程度のコア幅のずれによって大幅に変換効率が劣化する可能性がある。一方、本発明の構造による偏波変換回路１０４では、中央コア部分または周辺部コアの幅が±０．０５μｍ程度変化しても同一の特性を得ることができる。したがって、デバイス作製時により高いトレランスを持つ（許容誤差の大きい）構造として、偏波変換回路１０４と、リブ型−チャネル型変換導波路１０２、１０３とを独立して設けることが好ましい。
したがって、本発明は、ＴＭ偏波の基底モード光を入力する入出力導波路と、中央部コアと、前記中央部コアよりも薄い周辺部コアとから成り、前記周辺部コアのコア幅が徐々に拡大するテーパ形状を有するリブ型シリコン導波路によって構成され、ＴＭ偏波の基底モード光をＴＥ偏波の１次モード光に変換する偏波変換回路と、前記入出力導波路および前記偏波変換回路との間に位置し、前記入出力導波路の導波路と、前記偏波変換回路の前記中央部コアのとの間でコア幅を連続的に変化させるコア幅変換導波路と、前記偏波変換回路に光学的に接続し、ＴＥ偏波の１次モード光をＴＥ偏波の基底モード光に変換するモード変換回路とを備えたことを特徴とする偏波回転回路として実現できる。
図５は、本発明の第１の実施形態の偏波変換回路の動作を説明する図である。リブ型導波路の周辺部コア幅ｗ（横軸）に対する、実効屈折率（縦軸）の計算結果である。計算のために使用した偏波変換回路の各部の材料および導波路の断面構造は、図３に示したＢ−Ｂ´断面のものと同様として、周辺部のコア幅ｗだけを変化させて実効屈折率を３つのモードまで算出している。周辺部のコア幅ｗは、図３の断面図において、周辺部コア１０４ｂの左側端から周辺部コア１０４ｃの右側端までの長さである。
ここで、四角プロットで示した第１モードは、周辺部のコア幅ｗによらずＴＥ偏波の基底モードが保持されている。一方で、ひし形プロットで示した第２モードおよび三角プロットで示した第３モードは、周辺部のコア幅ｗの変化によってＴＥ偏波成分およびＴＭ偏波成分が混合した複合モードになっている。周辺部のコア幅ｗが０．８μｍ付近のときは、第２モードはほぼＴＭ偏波の基底モードに、第３モードはほぼＴＥ偏波の１次モードになっている。一方、周辺部のコア幅ｗが２．４μｍ付近のときは、第２モードはＴＭ偏波の基底モードからほぼＴＥ偏波の１次モードに、第３モードはＴＥ偏波の１次モードからほぼＴＭ偏波の基底モードに入れ替わる。
図６は、図５に示した本発明の偏波変換回路におけるＴＥ偏波成分およびＴＭ偏波成分の強度比を表した図である。図５に示した動作例の第２モードの計算結果から、リブ型導波路の周辺部コア幅ｗ（横軸）に対する、ＴＥ偏波成分およびＴＭ偏波成分の強度比（縦軸）を示している。図６から、周辺部コア１０４ｂ、１０４ｃの幅ｗが増大するにつれて、ＴＭ偏波成分の強度比が減少し、一方で、ＴＥ偏波成分の強度比が増加し、２つの成分が入れ替わる様子がわかる。図１に示した偏波変換回路１０４は、狭い側のコア幅ｗ１および広い側のコア幅ｗ２が、図６で示した第２モードの偏波成分が入れ替わる領域をなるべく含むように設計される。具体的に本実施形態では、ｗ１＝０．９μｍ、ｗ２＝１．８μｍである。図１において偏波変換回路１０４の左からＴＭ偏波の基底モード光１１１を入力した場合、コア幅がｗ１からｗ２に徐々に拡大することによって、偏波変換回路１０４を伝搬する光波はＴＥ偏波の１次モードに変換され、偏波変換回路１０４の右側から出力する。
モード変換回路である非対称方向性結合器１１３においては、一方の導波路１０６におけるＴＥ偏波の１次モード実効屈折率と、他方の導波路１０７におけるＴＥ偏波の基底モード実効屈折率がほぼ同じになるように、導波路１０６および導波路１０７それぞれのコア幅を設計している。これにより、一方の導波路１０６に入力されたＴＥ偏波の１次モード光は、他方の導波路１０７のＴＥ偏波の基底モードに結合し、ＴＥ偏波の基底モード光が導波路１０７から出力される。
本実施形態の偏波回転回路において、入出力導波路１０１から回路に入力されたＴＭ偏波の基底モード光１１１は、リブ型−チャネル型変換導波路１０２、１０３を介して偏波変換回路１０４に入力し、ＴＥ偏波の１次モード光に変換される。偏波変換回路１０４からのＴＥ偏波の１次モード光は、中間導波路１０５を介してモード変換回路である非対称方向性結合器の一方の導波路１０６に入力する。導波路１０６において、ＴＥ偏波の基底モード光に変換されて他方の導波路１０７から出力される。その後、リブ型−チャネル型変換導波路１０８、１０９を経由して、入出力導波路１１０からＴＥ偏波の基底モード光１１２として出力される。本実施形態の偏波回転回路は相反的であり、入出力導波路１１０からＴＥ偏波の基底モード光１１２が逆向きの入力された場合、上述の一連の経路とは逆の経路を経て、ＴＭ偏波の基底モード光１１１が入出力導波路１０１に出力される。
このように本実施形態の偏波回転回路は、従来技術の偏波回転回路と同様の機能を実現する。しかしながら、本発明の偏波回転回路は従来技術のように窒化シリコン層または窒化シリコンの構成部分を備える必要はなく、シリコン導波路のみで構成されており、窒化シリコン層等の付加的なプロセス工程を必要としない大きな利点がある。本実施形態の偏波回転回路に対しては、様々な変形を加えた構成を適用可能である。例えば次に述べるように、ノイズ光を減らし反射減衰量特性を改善する構成を付加することができる。
図１に示した偏波回転回路において、非対称方向性結合器１１３の一方導波路１０６の右側、および他方の導波路１０７の左側には導波路構造はなく、終端されている。設計上、入出力導波路１０１から光を入力した場合、伝搬する光はすべて一方の導波路１０６から他方の導波路１０７へ結合し、導波路１０６の右端に達することはない。逆に入出力導波路１１０から光を入力した場合も、伝搬する光はすべて一方の導波路１０７から他方の導波路１０６へ結合し、導波路１０７の左端に達することはない。しかしながら、実際の回路製造では導波路サイズ等がある程度設計からずれる。このため、伝搬光の一部は不要なノイズ光として導波路１０６の右端、または、導波路１０７の左端に達する可能性がある。
このような場合、導波路１０６の右端または導波路１０７の左端ではノイズ光が反射し、それぞれ、光が入力された入出力導波路１０１または入出力導波路１１０に戻っていく。結果として、偏波回転回路の反射減衰量特性が劣化する可能性がある。
上述の反射減衰量特性の劣化の問題を避けるためには、導波路１０６の右側端部、および、導波路１０７の左側端部の少なくとも一方に、さらに導波路構造ならびに光終端または放射の構造を付加するのが好ましい。
図７は、本発明の偏波回転回路に適用できる光放射の構造の一例を示した図である。図７では、図１に示した非対称方向性結合器１１３の２つの導波路１０６、１０７に付加される構成のみを描いてある。２つの導波路１０６、１０７端部には、中央部の無いリブ型シリコン導波路で形成されたテーパ導波路１６１、１６２が新たに付加される。ここでテーパ導波路１６１、１６２の長さはそれぞれ２００μｍ、先端部のコア幅はそれぞれ０．１５μｍである。したがって、テーパ導波路の先端の形状は、導波路が途切れたかのようなものとなっている。導波路１０６、１０７から伝わるノイズ光は、それぞれ、テーパ導波路１６２、１６１に入力されて伝搬する。しかしながら、テーパ導波路１６１、１６２は先端に向かうにつれて光の閉じ込めが弱くなり、徐々に光を放射して減衰し、ノイズ光が反射して入出力導波路１０１、１１０まで戻ることはない。
したがって、上述の光放射の構造では、非対称方向性結合器の内の幅の広い導波路の一端および幅の狭い導波路の一端の少なくとも一方に、テーパ導波路が接続されており、前記テーパ導波路は徐々に幅が狭まり、先端が途切れていることになる。
本実施形態の偏波回転回路では、入出力導波路１０１からはＴＭ偏波の基底モード光１１１が入力されることを前提としている。入出力導波路１０１からＴＥ偏波の基底モード光が入力された場合、ＴＥ偏波の基底モード光は偏波変換回路１０４をＴＥ偏波の基底モード光のまま伝搬する。さらに、モード変換回路１１３においては、伝搬光は導波路１０７にほとんど結合することなく、導波路１０６をＴＥ偏波の基底モード光のまま伝搬する。したがって、図１においてモード変換回路１１３の内の導波路１０６の延長上に入出力導波路を新たに付加することよって、本発明の偏波回転回路は、偏波分離回路としても機能させることができる。
図８は、本発明の偏波回転回路に偏波分離機能を付加することができる導波路構造を示した図である。偏波分離機能を加えるために、図１に示したモード変換回路の非対称方向性結合器１１３の内の導波路１０６の右側に接続して付加する導波路構造を、図１の一部とともに示している。非対称方向性結合器１１３の導波路１０６の延長上には、中央部のないリブ型導波路で形成された中間導波路１７１、リブ型−チャネル型変換導波路１７２、１７３および入出力導波路１７４が順次接続されている。リブ型−チャネル型変換導波路は、リブ型導波路の中央部のコア幅を変化させる部分１７２およびチャネル型に導波路構造を変換する部分１７３から構成される。また、入出力導波路１７４は、矩形のコアから成るチャネル型導波路で形成されている。
より具体的には、中間導波路１７１は長さが１５μｍで、コア幅が２．０μｍから１．２μｍに変化するテーパ導波路である。リブ型−チャネル型変換導波路における導波路１７２は長さが２００μｍで、中央部のコア幅は０．１５μｍから０．５μｍに変化し、周辺部のコア幅は１．２μｍで一定である。リブ型−チャネル型変換導波路１７３は長さが５０μｍで、中央部のコア幅は０．５μｍで一定であり、周辺部のコア幅は１．０μｍから０．５μｍに変化する。入出力導波路１７４のコア幅は０．５μｍである。
図８に示した導波路構造が付加された本実施形態の偏波回転回路では、図１の入出力導波路１０１から入力されたＴＭ偏波の基底モード光を、偏波変換回路およびモード変換回路を経て、ＴＥ偏波の基底モード光１７６に変換して入出力導波路１１０から出力する（偏波変換機能）。これと同時に、入出力導波路１０１から入力されたＴＥ偏波の基底モード光は、偏波変換回路およびモード変換回路を経ても変換を受けずに、ＴＥ偏波の基底モード光１７５のままで入出力導波路１７４から出力する（偏波分離機能）。すなわち偏波回転回路の機能および偏波分離回路の機能を、同時に実現することができる。
本実施形態の回路は相反的であり、入出力導波路１１０から逆向きに入力したＴＥ偏波の基底モード光１７６をＴＭ偏波の基底モードに変換し、入出力導波路１０１に出力する。また、入出力導波路１７４から逆向きに入力したＴＥ偏波の基底モード光１７５はそのまま、入出力導波路１０１に出力する。すなわち、偏波回転回路の機能および偏波合流回路の機能を同時に実現する。
以上詳細に述べたように、本発明の偏波変換回路によって、従来技術のように窒化シリコン層または窒化シリコンの構成部分を備える必要なしに、シリコン導波路のみで偏波変換回路を構成することができる。窒化シリコン層等の付加的なプロセス工程を必要としないため、製造時間の増大の問題や、製造装置の複雑化の問題を生じることもない。
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る偏波回転回路について説明する。本実施形態の偏波回転回路の構造は、第１の実施形態とほぼ同様であるが、入出力導波路としてリブ型導波路を採用している点で相違している。本発明の偏波回転回路は、チャネル型導波路だけでなく、光信号の多様な入出力導波路の形態にも適応できる。
図９は、本発明の第２の実施形態の偏波回転回路の構成を示す図である。本実施形態の偏波回転回路において、コア幅を変化させるリブ型−チャネル型変換導波路１０３からコア幅を変化させるリブ型−チャネル型変換導波路１０８までの構成は、図１に示した構成と全く同一であり、説明は省略する。本実施形態に偏波回転回路では、入出力導波路１８１、１８４が、リブ型導波路によって形成されている。したがって、入出力導波路１８１およびリブ型−チャネル型変換導波路１０３の間に、リブ型導波路で形成された中間導波路１８２を備えている。同様に、入出力導波路１８４およびリブ型−チャネル型変換導波路１０８の間に、リブ型導波路で形成された中間導波路１８３を備えている。
入出力導波路１８１、１８４の中央のコア幅はそれぞれ０．５μｍであり、周辺部のコア幅はそれぞれ２．５μｍである。中間導波路１８２の長さは５０μｍ、中央のコア幅は０．５μｍであり、周辺部のコア幅は２．５μｍから０．９μｍに変化する。もう１つの中間導波路１８３の長さは５０μｍ、中央のコア幅は０．５μｍであり、周辺部のコア幅は０．８μｍから２．５μｍに変化する。導波路１８１〜導波路１８２、導波路１８３〜導波路１８４の中央部のコア厚さは０．２２μｍ、周辺部のコア厚さは０．０６μｍである。
本実施形態の偏波回転回路において、入出力導波路１８１から回路に入力されたＴＭ偏波の基底モード光１８５は、中間導波路１８２を介して偏波変換回路１０４に入力し、ＴＥ偏波の１次モード光に変換される。偏波変換回路１０４からの出力は、中間導波路１０５を介してモード変換回路１１３である非対称方向性結合器の導波路１０６に入力し、ＴＥ偏波の基底モード光に変換されて導波路１０７から出力される。変換された光は、中間導波路１８３を介して入出力導波路１８４からＴＥ偏波の基底モード光１８６として出力される。本実施形態の偏波回転回路は相反的であり、入出力導波路１８４からＴＥ偏波の基底モード光１８６が逆向きに入力された場合、上述の経路とは逆の経路を経て、ＴＭ偏波の基底モード光１８５が入出力導波路１８１に出力される。
上述のように本実施形態の偏波回転回路は、入出力導波路がリブ型導波路である場合に対応し、従来技術の偏波回転回路と同様の機能を実現する。本発明の偏波変換回路は、シリコン導波路のみで構成され、窒化シリコン層等の付加的なプロセス工程を必要としない。また本実施形態の偏波変換回路においても、第１の実施形態の図７において説明した反射減衰量特性の劣化防止構造や、第１の実施形態の図８において説明した偏波分離または合流回路の機能を同時に実現する構造を適用可能である。
上述の第１の実施形態および第２の実施形態におけるモード変換回路１１３では、リブ型導波路による非対称方向性結合器の設計パラメータについて特定の値を例として説明したが、本発明の偏波回転回路では、これらパラメータに限定されない。２つの導波路の幅は、導波路コアの厚さと、上部クラッド、および下部クラッドの各材料の屈折率によって条件が決まる。したがって、細い幅の導波路１０７におけるＴＥ偏波の基底モードの実効屈折率と、太い幅の導波路１０６におけるＴＥ偏波の１次モードの実効屈折率とが、近い値となるように、非対称方向性結合器の設計パラメータが設定されれば良い。
［第３の実施形態］
本発明の偏波回転回路のさらに別の第３の実施形態の構成および動作について説明する。本実施形態の偏波変換回路は、図１に示した第１の実施形態と比べて、モード変換回路の構成が大きく相違している。チャネル型導波路の入出力導波路および偏波変換を行う回路の部分の構成については、第１の実施形態と同様である。
図１０は、本発明の第３の実施形態の偏波回転回路の構成を示す図である。デバイス上の回路構成面を見た図である。偏波回転の主な動作は、偏波変換回路２０４およびモード変換回路２１５によって行われる。図上の左端の入出力導波路２０１から入力したＴＭ偏波の基底モード光２１３を、本発明の偏波変換回路によってＴＥ偏波の１次モード光２１４に変換して右端の入出力導波路２１２より出力する。偏波変換回路２０４は、比較的コアの厚い中央部と、比較的コアの薄い周辺部から成るリブ型シリコン導波路で形成され、周辺部のコア幅がｗ１からｗ２まで徐々に広がるテーパ導波路になっている。第１および第２の実施形態と同様の構成である。
モード変換回路２１５は、リブ型シリコン導波路で形成された光スプリッタ２０６、リブ型−チャネル型変換導波路２０７、２０８、チャネル型導波路で形成された遅延回路２０９、２１０、チャネル型導波路で形成された光カプラ２１１から構成される。モード変換回路２１５は、図上で光スプリッタ２０６の左側から入力したＴＥ偏波の１次モード光を、ＴＥ偏波の基底モード光に変換して光カプラ２１１の右側より出力する。したがって、モード変換回路は、偏波変換回路に光学的に接続された光スプリッタ、２つの導波路から成る遅延回路、および光カプラから構成されることになる。
偏波変換回路２０４およびモード変換回路２１５の間は、中間導波路２０５によって接続される。本実施形態では、中間導波路２０５は中央部のないリブ型シリコン導波路で形成され、偏波変換回路２０４および光スプリッタ２０６を滑らかに接続するテーパ導波路になっている。偏波回転回路全体の両端には入出力導波路２０１、２１２が備えられ、それぞれ矩形のコアから成るチャネル型導波路で形成されている。入出力導波路２０１および偏波変換回路２０４の間には、リブ型−チャネル型変換導波路２０２、２０３をそれぞれ備える。それぞれのリブ型−チャネル型変換導波路は、チャネル型からリブ型に導波路構造を変換する部分２０２と、リブ型導波路の中央部のコア幅を変化させる部分２０３から構成されている。偏波変換回路２０４の長さは５０μｍ、中央部のコア幅は０．１５μｍ、周辺部のコア幅はｗ１＝０．９μｍ、ｗ２＝１．８μｍである。
モード変換回路２１５において、光スプリッタ２０６は長さ２００μｍで、比較的コアの厚い部位が２つあり、この部位はそれぞれコア幅が０．１５μｍから０．５μｍに広がるテーパ構造になっている。この２つのテーパ構造の間隔は１．１５μｍである。また、光スプリッタ２０６の比較的コアの薄い周辺部のコア幅は２．３μｍである。リブ型−チャネル型変換導波路２０７、２０８はそれぞれ長さが５０μｍで、中央部のコア幅は０．５μｍで一定である。さらに、リブ型−チャネル型変換導波路２０７、２０８の周辺部のコア幅は１．０μｍから０．５μｍまで変化するテーパ構造になっている。
モード変換回路２１５において、遅延回路２０９、２１０は、導波路２０９の長さが導波路２１０に対して０．３１４μｍ長くなるように設計されている。光カプラ２１１は、ここではマルチモード干渉回路（ＭＭＩ：Multi-Mode Interference）によって実現されており、ＭＭＩの長さは３．５μｍ、幅は２．０μｍであって、ＭＭＩに接続する部分の導波路２０９、２１０の間隔は１．０μｍである。また入出力導波路２１２はＭＭＩの中央に接続している。
中間導波路２０５の長さは１５μｍである。入出力導波路２０１、２１２の幅はそれぞれ０．５μｍである。リブ型−チャネル型変換導波路２０２、２０３においては、導波路２０２の長さは５０μｍ、中央部のコア幅は０．５μｍ、周辺部のコア幅は０．５μｍから０．９μｍまで変化させている。また、導波路２０３の長さは２００μｍ、中央部のコア幅は０．５μｍから０．１５μｍまで変化させており、周辺部のコア幅は１．０μｍである。
図１１は、図１０の上面図における入出力導波路上のＡ−Ａ´線の断面の構造を示す図である。シリコン基板２２３の上には、石英ガラスで形成されている下部クラッド２２２が備えられている。下部クラッド２２２の上には、シリコンで形成されているチャネル型導波路のコア２０１が作成される。さらに、コア２０１を覆うように、石英ガラスで形成されている上部クラッド２２１が備えられる。導波路２０１のコア厚さは０．２２μｍ、上部クラッド２２１の厚さは１．５μｍ、下部クラッド２２２の厚さは２μｍである。
図１２は、図１０の上面図における偏波変換回路上のＢ−Ｂ´線の断面の構造を示す図である。シリコン基板２３３の上には、石英ガラスで形成されている下部クラッド２３２が備えられている。下部クラッド２３２の上には、シリコンで形成されたリブ型導波路の中央部コア２０４ａおよび周辺部コア２０４ｂ、２０４ｃが作成される。さらに、各コアを覆うように、石英ガラスで形成されている上部クラッド２３１が備えられる。中央部２０４ａのコア厚さは０．２２μｍ、周辺部２０４ｂ、２０４ｃのコア厚さは０．０６μｍ、上部クラッド２３１の厚さは１．５μｍ、下部クラッド２３２の厚さは２μｍである。
図１３は、図１０の上面図におけるモード変換回路上のＣ−Ｃ´線の断面の構造を示す図である。シリコン基板２４３の上には、石英ガラスで形成されている下部クラッド２４２が備えられている。下部クラッド２４２の上には、シリコンで形成されたリブ型導波路のコアの厚い部位２０６ａ、２０６ｂおよびコアの薄い周辺部コア２０６ｃ、２０６ｄ、２０６ｅが作成される。さらに、両コアを覆うように、石英ガラスで形成されている上部クラッド２４１が備えられる。コアの厚い部位２０６ａ、２０６ｂのコア厚さは０．２２μｍ、周辺部コア２０６ｃ、２０６ｄ、２０６ｅのコア厚さは０．０６μｍ、上部クラッド２４１の厚さは１．５μｍ、下部クラッド２４２の厚さは２μｍである。
本実施形態における偏波変換回路２０４は、第１の実施形態の偏波変換回路１０４と同様の設計となっており、狭い側のコア幅ｗ１は０．９μｍ、広い側のコア幅ｗ２は１．８μｍである。図１０において偏波変換回路２０４の左からＴＭ偏波の基底モード光が入力した場合、コア幅がｗ１からｗ２に徐々に拡大することによって、伝搬する光波はＴＥ偏波の１次モードに変換され、偏波変換回路２０４の右側から出力する。
モード変換回路２１５においては、偏波変換回路２０４から光スプリッタ２０６に入力されたＴＥ偏波の１次モード光は、２つのＴＥ偏波の基底モード光に等強度で分割される。２つのＴＥ偏波の基底モード光は、それぞれリブ型−チャネル型変換導波路２０７、２０８を介して遅延回路２０９、２１０に入力される。この時点で、本実施形態の偏波変換回路の使用中心波長を１．５５μｍとすると、２つのＴＥ偏波の基底モード光の間には、互いに波長の１／２の位相差が生じている。さらに、遅延回路２０９、２１０を通過することによって波長の１／２の遅延が付加される。このため、光カプラ２１１に入力する時点では、２つのＴＥ偏波の基底モード光の間の位相差はゼロの状態になっている。光カプラ２１１において、位相の揃った２つのＴＥ偏波の基底モード光が合流し、ＴＥ偏波の基底モード光として入出力導波路２１２から出力される。
他の実施形態と同様に、本実施形態の偏波回転回路も相反的であり、入出力導波路２１２からＴＥ偏波の基底モード光２１４が逆向きに入力された場合、上述の経路とは逆の経路を経て、ＴＭ偏波の基底モード光２１３が入出力導波路２０１に出力される。
本実施形態の偏波回転回路では、入出力導波路２０１からＴＥ偏波の基底モード光が入力された場合、ＴＥ偏波の基底モード光は偏波変換回路２０４をＴＥ偏波の基底モード光のまま伝搬する。さらに、光スプリッタ２０６において２つのＴＥ偏波の基底モード光に等強度で分割されが、２つのＴＥ偏波の基底モード光の間には、位相差は生じない。
そこで、遅延回路２０９、２１０において付加される遅延を使用中心波長の１／４とし、光カプラ２１１を２入力２出力のＭＭＩに変更すると、変更した実施形態の偏波回転回路に入力されたＴＭ偏波の基底モード光は、ＭＭＩの１つの出力からＴＥ偏波の基底モード光に回転されて出力する。同時に、変更した実施形態の偏波回転回路に入力されたＴＥ偏波の基底モード光は、ＭＭＩのもう１つの出力からＴＥ偏波の基底モード光のまま出力する。すなわち、図１０の偏波回転回路をわずかに変形することで、偏波回転回路および偏波分離回路を同時に実現することもできる。
上述のように本実施形態の偏波回転回路でも、従来技術の偏波回転回路と同様の偏波回転、偏波分離偏波合流などの各機能を実現することができる。一方で、本発明の偏波変換回路は、シリコン導波路のみで構成され、従来技術による偏波回転回路のように窒化シリコン層等の付加的なプロセス工程を必要としない。本実施形態の偏波変換回路においても、第１の実施形態において図７で説明した反射減衰量特性の劣化防止構造を、適用可能であるのは言うまでもない。
本実施形態の偏波回転回路におけるモード変換回路２１５では、光スプリッタ２０６、遅延回路２０９の各設計パラメータを特定の値を例として説明をしてきたが、これらのパラメータ値だけに限定されない。さらに、光カプラとしてはＭＭＩ回路を例として説明をしたが、Ｙ分岐回路など、光合流を実現する他のどのような回路も本発明に適用可能である。
［第４の実施形態］
本発明の偏波回転回路のさらに別の第４の実施形態の構成および動作について説明する。本実施形態では、モード変換回路、および、偏波変換回路とモード変換回路との間を接続する中間導波路の構成がこれまでの実施形態と異なっている。
図１４は、本発明の第４の実施形態の偏波回転回路の構成を示す図である。デバイス上の回路構成面を見た図である。偏波回転の主な動作は、偏波変換回路３０４およびモード変換回路３１４によって行われる。図上の左端の入出力導波路３０１から入力したＴＭ偏波の基底モード光３１１を、本発明の偏波変換回路によってＴＥ偏波の１次モード光３１２に変換して右端の入出力導波路３１０より出力する。偏波変換回路３０４は、比較的コアの厚い中央部と、比較的コアの薄い周辺部から成るリブ型シリコン導波路で形成される。周辺部のコア幅は、幅がｗ１からｗ２まで広がるテーパ導波路になっている。
モード変換回路３１４は、各々がチャネル型シリコン導波路で形成され、幅の異なる２つの導波路から成る非対称方向性結合器３０８、３０９で構成される。モード変換回路は、図１４上で、一方の導波路３０８の左から入力したＴＥ偏波の１次モード光を、ＴＥ偏波の基底モード光に変換して他方の導波路３０９の右より出力する。
本実施形態では、偏波変換回路３０４およびモード変換回路３１４の間を接続する中間導波路３１３の構成に他の実施形態とは異なる特徴がある。中間導波路３１３は、３種類の導波路３０５、３０６、３０７が順次接続されている。導波路３０５は中央部のないリブ型シリコン導波路で形成され、偏波変換回路３０４および次の中間導波路３０６の間を滑らかに接続するテーパ導波路になっている。中間導波路３０６、３０７はリブ型−チャネル型変換導波路であり、リブ型導波路の中央部のコア幅を変化させる導波路部分３０６と、リブ型からチャネル型に導波路構造を変換する導波路部分３０７とから構成されている。
したがって、本実施形態では、モード変換回路は、異なる幅の２つの導波路から成る非対称方向性結合器３０８、３０９で構成され、前記異なる幅の２つの導波路は、チャネル型シリコン導波路であって、前記異なる幅の２つの導波路の内の幅の広い導波路３０８の一端が、中間導波路３１３を介して前記偏波変換回路３０４に光学的に接続されており、前記中間導波路は、２つの比較的コアの厚い部分と、比較的コアの薄い周辺部から成るリブ型シリコン導波路３０６で構成され、前記の比較的コアの厚い部分は、テーパ構造をしていることになる。
偏波変換回路の全体の両端には、矩形のコアから成るチャネル型導波路で形成された入出力導波路３０１、３１０が備えられている。入出力導波路３０１および偏波変換回路３０４の間には、入出力導波路３０１と偏波変換回路３０４を滑らかに接続するリブ型−チャネル型変換導波路３０２、３０３が備えられている。すなわち、チャネル型からリブ型に導波路構造を変換する導波路部分３０２と、リブ型導波路の中央部のコア幅を変化させる導波路部分３０３とから構成されている。
偏波変換回路３０４の長さは５０μｍ、中央部のコア幅は０．１５μｍ、周辺部のコア幅はｗ１＝０．９μｍ、ｗ２＝１．８μｍである。
モード変換回路である非対称方向性結合器３１４を形成する一方の導波路３０８は幅が１．０μｍ、他方の導波路３０９は幅が０．５μｍで、長さはともに２０μｍ、２つの導波路間のギャップは０．４μｍである。
中間導波路３１３において、導波路３０５の長さは１５μｍであり、周辺部のコア幅は１．８μｍから１．０μｍに変化させている。またリブ型−チャネル型変換導波路３０６、３０７については、導波路部分３０６の長さは２００μｍで、比較的コアの厚い部位が２つあり、それぞれコア幅が０．１５μｍから０．４８５μｍに変化するテーパ構造になっている。２つのテーパ構造の間隔は０．５μｍである。周辺部のコア幅も１．０μｍ から２．５μｍまで変化するテーパ構造になっている。導波路部分３０７の長さは５０μｍ、中央部のコア幅は１．０μｍで一定であり、周辺部のコア幅は２．５μｍから１．０μｍに変化させている。
入出力導波路３０１、３１０の幅は、それぞれ０．５μｍである。リブ型−チャネル型変換導波路３０２、３０３については、導波路部分３０２の長さは５０μｍ、中央部のコア幅は０．５μｍ、周辺部のコア幅は０．５μｍから１．０μｍに変化させている。導波路部分３０３の長さは２００μｍ、中央部のコア幅は０．５μｍから０．１５μｍに変化させており、周辺部のコア幅は１．０μｍである。
図１５は、図１４の上面図における入出力導波路上のＡ−Ａ´線の断面の構造を示す図である。シリコン基板３２３の上には、石英ガラスで形成されている下部クラッド３２２が備えられている。下部クラッド３２２の上には、シリコンで形成されているチャネル型導波路のコア３０１が作成される。さらに、コア３０１を覆うように、石英ガラスで形成されている上部クラッド３２１が備えられる。導波路３０１のコア厚さは０．２２μｍ、上部クラッド３２１の厚さは１．５μｍ、下部クラッド３２２の厚さは２μｍである。
図１６は、図１４の上面図における偏波変換回路上のＢ−Ｂ´線の断面の構造を示す図である。シリコン基板３３３の上には、石英ガラスで形成されている下部クラッド３３２が備えられている。下部クラッド３３２の上には、シリコンで形成されたリブ型導波路の中央部コア３０４ａおよび周辺部コア３０４ｂ、３０４ｃが作成される。さらに、各コアを覆うように、石英ガラスで形成されている上部クラッド３３１が備えられる。中央部３０４ａのコア厚さは０．２２μｍ、周辺部３０４ｂ、３０４ｃのコア厚さは０．０６μｍ、上部クラッド３３１の厚さは１．５μｍ、下部クラッド３３２の厚さは２μｍである。
図１７は、図１４の上面図における中間導波路上のＣ−Ｃ´線の断面の構造を示す図である。シリコン基板３４３の上には、石英ガラスで形成されている下部クラッド３４２が備えられている。下部クラッド３４２の上には、シリコンで形成されたリブ型導波路のコアの厚い部位３０６ａ、３０６ｂおよび周辺部コア３０６ｃ、３０６ｄ、３０６ｅが作成される。さらに、両コアを覆うように、石英ガラスで形成されている上部クラッド３４１が備えられる。コアの厚い部位３０６ａ、３０６ｂのコア厚さは０．２２μｍ、周辺部コア３０６ｃ、３０６ｄ、３０６ｅのコア厚さは０．０６μｍ、上部クラッド３４１の厚さは１．５μｍ、下部クラッド３４２の厚さは２μｍである。
図１８は、図１４の上面図における非対称方向性結合器上のＤ−Ｄ´線の断面の構造を示す図である。シリコン基板３５３の上には、石英ガラスで形成されている下部クラッド３５２が備えられている。下部クラッド３５２の上には、シリコンで形成されたチャネル型導波路のコア３０８、３０９が作成される。さらに、各コアを覆うように、石英ガラスで形成されている上部クラッド３５１が備えられる。導波路３０８、３０９のコア厚さは０．２２μｍ、上部クラッド３５１の厚さは１．５μｍ、下部クラッド３５２の厚さは２μｍである。
本実施形態の偏波変換回路３０４は、第１の実施形態の偏波変換回路１０４と同様の設計になっており、狭い側のコア幅ｗ１は０．９μｍ、広い側のコア幅ｗ２は１．８μｍである。図１４において偏波変換回路３０４の左側からＴＭ偏波の基底モード光３１１が入力された場合、コア幅がｗ１からｗ２に徐々に拡大することによって、伝搬する光波はＴＥ偏波の１次モードに変換され、偏波変換回路３０４の右側から出力する。変換されたＴＥ偏波の１次モード光は、中間導波路３１３を経て、モード変換回路に入力する。
モード変換回路である非対称方向性結合器３０８、３０９においては、一方の導波路３０８におけるＴＥ偏波の１次モード実効屈折率と、他方の導波路３０９におけるＴＥ偏波の基底モード実効屈折率がほぼ同じになるよう、導波路３０８、導波路３０９それぞれのコア幅を設計している。これによって、一方の導波路３０８に入力されたＴＥ偏波の１次モード光は、他方の導波路３０９のＴＥ偏波の基底モードに結合し、ＴＥ偏波の基底モード光が導波路３０９から出力される。変換された光は、入出力導波路３１０からＴＥ偏波の基底モード光３１２として出力される。
中間導波路３１３におけるリブ型−チャネル型変換導波路３０６、３０７は、中央部の無いリブ型導波路である３０５から入力されたＴＥ偏波の１次モード光が、非対称方向性結合器のチャネル型導波路３０８にＴＥ偏波の１次モード光のまま入力するように設計されている。
他の実施形態と同様に、本実施形態の偏波回転回路も相反的であり、入出力導波路３１０からＴＥ偏波の基底モード光３１２が逆向きに入力された場合、上述の経路とは逆の経路を経て、ＴＭ偏波の基底モード光３１１が入出力導波路３０１に出力される。
本実施形態の偏波回転回路においても、従来技術の偏波回転回路と同様の偏波回転、偏波分離偏波合流などの各機能を実現することができる。一方で、本発明の偏波変換回路は、シリコン導波路のみで構成され、従来技術による偏波回転回路のように窒化シリコン層等の付加的なプロセス工程を必要としない。本実施形態の偏波変換回路においても、第１の実施形態において図７で説明した反射減衰量特性の劣化防止構造や、第１の実施形態において図８で説明した偏波分離または合流回路の機能を同時に実現する構造を適用可能である。
上述の第４の実施形態の偏波回転回路におけるモード変換回路では、チャネル型導波路による非対称方向性結合器の設計パラメータを特定の値のものとして説明してきたが、これらのパラメータ値に限定されない。２つの導波路３０８、３０９の幅は、導波路コアの厚さと、上部クラッドおよび下部クラッドの各材料の屈折率によって条件が決まる。細い幅の導波路３０９におけるＴＥ偏波の基底モードの実効屈折率と、太い幅の導波路３０８におけるＴＥ偏波の１次モードの実効屈折率とが近い値となるように、非対称方向性結合器の設計パラメータが設定されれば良い。
上述のいずれの実施形態の偏波変換回路でも、上部クラッドおよび下部クラッドの材料として石英ガラスを用いたものとして説明したが、石英ガラスだけに限定されない。シリコンより屈折率の低い材料で形成されれば良い。
また、上述のいずれの実施形態の偏波変換回路でも、上部クラッドおよび下部クラッドの厚さとして特定の数値の場合を例示したが、これらの数値に限定されるものではなく、コアと同程度以上の厚さがあれば良い。
さらに、上述のいずれの実施形態の偏波変換回路でも、シリコン導波路の設計パラメータが特定の値の場合を例示したが、これらパラメータ値に限定されない。ＴＭの基底モード光およびＴＥの１次モード光の間で変換が生じるシリコン導波路の周辺部のコア幅は、中央部コアの厚さおよび幅、周辺部コアの厚さと、上部クラッドおよび下部クラッドの材料の屈折率等によって決まる。偏波変換回路１０４、２０４、３０４におけるテーパ導波路の両端部の導波路幅ｗ１、ｗ２は、偏波変換が生じる導波路幅変化領域をなるべく包含するよう設定されれば良い。
また効率的な偏波変換のため、偏波変換回路１０４、２０４、３０４の中央部コア幅は狭く設定し、光波が十分に影響を受けるような、上下構造の大きな非対称性を持たせることが好ましい。この観点から、中央部コアの幅は中央部コア厚の２倍以下であることが好ましい。上述のいずれの実施形態でも、偏波変換回路の導波路の中央部コア厚は０．２２μｍ、コア幅は０．１５μｍと設定されており、上述の中央部コアの幅が中央部コア厚の２倍以下の条件を十分に満足する。また、リブ導波路における周辺部コアの厚さも実施形態の値に限定されないが、中央部のコアの厚さに匹敵する厚さになると、１次モード以上の不要な高次モードが発生し、偏波変換特性の劣化を招く可能性がある。したがって、高次モード抑制の観点からは、周辺部コアの厚さは、中央部のコアの厚さの１／３程度以下に設定するのが好ましい。
第１、第２および第４の各実施形態では、モード変換回路として非対称方向性結合器を利用した例を、第３の実施形態では光スプリッタ、遅延回路および光カプラから成る干渉回路を利用した例を示した。一般にモード変換回路としては、断熱的な変換回路を利用することも可能であるが、回路の大きさは数１００μｍ程度まで長くなる傾向にある。一方、シリコン導波路による非対称方向性結合器や干渉回路の回路長は高々数〜数１０μｍ程度に収まる。したがって、回路の小型化の観点からは、本発明の各実施形態にあるように非対称方向性結合器や干渉回路を利用するのが好ましい。
また上述のいずれの実施形態の偏波変換回路においても、他の回路との接続性の観点から、入出力導波路はシングルモード導波路であるか、または、シングルモード導波路に光学的に接続していることが好ましい。シリコン導波路のシングルモード条件は、上部クラッド、および下部クラッドの各材料の屈折率によって異なるが、最も一般的な石英をクラッドに用いた場合、チャネル型であれば、概ね導波路コアの断面積が０．２μｍ２以下であることが必要である。またリブ型であれば、概ね中央部（コアの厚い領域）の導波路コアの断面積が０．２μｍ２以下であることが必要である。
以上詳細に述べたように、本発明の偏波変換回路により、窒化シリコン層等の付加的なプロセス工程を必要とせずに、シリコン導波路のみで構成される偏波回転回路を提供することができる。
以降では、本発明の偏波回転回路の別の態様として、別の視点からさらに簡略化した構成を持ち、製造時においてより緩和されたトレランスが許容可能であって、回路長全体を短縮可能な実施形態について説明する。上述の各実施形態では、偏波変換回路の中央部のコア幅において、テーパ導波路の幅が０．１５μｍに達する構成が含まれているが、テーパ導波路の幅が回路の特性に与える影響は十分小さく、製造時の許容誤差（トレランス）の点でも問題はない。
しかしながら、方向性結合器における導波路間隔の変動は、回路特性に大きく影響を与える。従来技術として説明をした偏波回転回路における非対称方向性結合器では、導波路間隔が０．１５μｍに達する構成が含まれていた。このような非対称方向性結合器における導波路間隔の変動は回路特性に大きく影響を与えるため、製造時の許容誤差（トレランス）の点で依然として課題があった。
［第５の実施形態］
以下、本発明の第５の実施形態における偏波回転回路について図１９〜図２１を参照しながら説明する。第５の実施形態以降の各実施形態では、偏波変換回路において方向性結合器を使用しない構成例、また、導波路間隔の比較的広い方向性結合器を使用しながら偏波回転回路の後段のモード変換回路の構成に着目した様々な新しい構成例を提示する。
［偏波回転回路の構成］
図１９は、本実施形態の偏波回転回路の構成例を示す図である。図１９の本実施形態の偏波変換回路１１０２では、図中左側から入力されたＴＭ偏波の基底モード光が、ＴＥ偏波の１次モード光に変換して図中右側から出力される。
偏波変換回路１１０２は、コアの厚い中央部と、コアの薄い周辺部とから成るリブ型シリコン導波路で形成される。中央部の導波路のコア幅は０．５μｍである。周辺部の導波路のコア幅はｗ１〜ｗ２である。
チャネル型導波路で形成された遅延回路１１０３、１１０４と、チャネル型導波路で形成された光カプラ（光結合器）１１０５とによって、モード変換回路が形成される。偏波変換回路１１０２から出力されたＴＥ偏波の１次モード光は、モード変換回路の各遅延回路１１０３、１１０４へ入力される。このとき、ＴＥ偏波の１次モード光は、互いに逆位相を持つ２つのＴＥ偏波の基底モードに分離される。モード変換回路では、光カプラ１１０５が、分離された２つのＴＥ偏波の基底モードを、１つのＴＥ偏波の基底モード光に変換して出力する。
偏波変換回路１１０２において、長さは３０μｍ、中央部の厚いコアの幅ｗ１は０．５μｍ、その周囲の薄いコアの幅ｗ２は１．５μｍである。
遅延回路１１０３、１１０４の各長さは１００μｍである。光カプラ１１０５の長さは３．５μｍ、幅は２．１μｍである。遅延回路の導波路１１０３、１１０４の厚さはともに０．２２μｍであり、各遅延回路の導波路１１０３、１１０４はチャネル型導波路で構成される。
なお、遅延回路の導波路１１０３は、もう一方の導波路１１０４よりも０．３１４μｍだけ長くなるように設定される。後述するように、遅延回路の長い導波路１１０３では遅延が生じるため遅延導波路とも呼ぶ。
図２０は、図１９に示したＡ−Ａ´線を含む偏波回転回路の断面を示す図である。シリコン基板１２０３上には、基板側から、下部クラッド１２０２および上部クラッド１２０１が形成されている。各クラッド１２０１、１２０２は石英で形成されている。
導波路１１０１のコア厚さは０．２２μｍ、上部クラッド１２０１の厚さは１．５μｍ、下部クラッド１２０２の厚さは２μｍである。
図２１は、図１９に示したＢ−Ｂ´線を含む偏波回転回路の断面を示す図である。なお、図２１の構成要素１１０２ａ、１２１１〜１２１３は、それぞれ、図２０の導波路１１０１、上部クラッド１２０１、下部クラッド１２０２、シリコン基板１２０３に対応している。
シリコン基板１２１３上には、基板側から、下部クラッド１２１２および上部クラッド１２１１が形成されている。各クラッド１２１１、１２１２は石英で形成されている。偏波変換回路１１０２において、中央部１１０２ａのコア厚は０．２２μｍ、周辺部１１０２ｂのコア厚は０．１５μｍ、上部クラッド１２１１の厚さは１．５μｍ、下部クラッド１２１２の厚さは２μｍである。
図２２は、チャネル導波路のコア幅に対する固有モードの実効屈折率を有限差分法により計算した結果の一例を説明する図である。図２２に示した例では、導波路の断面構造は、図２０に示したものと同様に、導波路１１０１のコア材料をＳｉ、各クラッド１２０１、１２０２の材料をＳｉＯ２とする。そして、導波路幅（コア幅）を変えて、第１モードから第３モードまでの実効屈折率を算出した。
第１モードは、コア幅にかかわらずＴＥ偏波の基底モードが維持される。
第２モードおよび第３モードについては、導波路幅が０．６６μｍより小さいときは、第２モードはＴＭ偏波の基底モードに、第３モードはＴＥ偏波の１次モードになった。一方、導波路幅が０．６６μｍより大きいときは、第２モードはＴＥ偏波の１次モードとなり、第３モードはＴＭ偏波の基底モードとなった。
導波路路幅が０．６６μｍより小さい幅から、および導波路路幅が０．６６μｍより大きい幅へ、コア幅が徐々に拡がるテーパ導波路を光が伝搬する場合、ＴＭ偏波の基底モードとして入力された光はＴＭ偏波の基底モードのまま伝搬し、ＴＥ偏波の１次モードとして入力された光はＴＥ偏波の１次モードのまま伝搬する。これは、チャネル導波路では厚さ方向および幅方向に対してそれぞれ屈折率構造が対称であり、ＴＥ偏波成分とＴＭ偏波成分とが完全に直交しているためである。
非特許文献２に示されているように導波路の厚さ方向に非対称な構造であれば、ＴＥ偏波成分とＴＭ偏波成分との間の直交性がなくなり、あるコア幅（およそ０．７μｍ）付近でＴＥ偏波成分とＴＭ偏波成分とが混合した複合モードが発生する。このコア幅（０．７μｍ）付近では、第２モードと第３モードの各実効屈折率は一致しない。
断熱的かつ複合モードが発生するコア幅よりある程度小さい幅から、複合モードが発生するコア幅よりある程度大きい幅まで、コア幅が徐々に拡がるテーパ構造とすることにより、ＴＭ偏波の基底モードとして入力された光は、第２モードを保持したままテーパ導波路を伝搬し、ＴＥ偏波の１次モードとして出力され、偏波変換を行うことができる。
図２３は、図１９に示したＢ−Ｂ´線近傍におけるリブ導波路の周辺部コア幅に対する固有モードの実効屈折率を、有限差分法により計算した結果の一例を説明する図である。図２３の例では、導波路の断面構造は、図２１に示したものと同様であり、周辺部１１０２ｂのコア幅ｗ２を変えて、第１モードから第３モードまでの実効屈折率を算出した。なお、中央部１１０２ａのコアの幅は０．５μｍとした。
第１モードは、周辺部コア幅ｗ２の値にかかわらずＴＥ偏波の基底モードが保持される。
一方、第２モードおよび第３モードは、周辺部コア幅ｗ２の値を変えることによって、ＴＥ偏波成分とＴＭ偏波成分とが混合した複合モードになっており、第２モードおよび第３モードの各実効屈折率が一致することはない。
周辺部コア幅ｗ２の値が０．５μｍ付近のときは、第２モードはほぼＴＭ偏波の基底モードとなり、第３モードはほぼＴＥ偏波の１次モードになる。一方、ｗ２の値が１．０μｍ付近のときは、第２モードはほぼＴＥ偏波の１次モードに、第３モードはほぼＴＭ偏波の基底モードに、それぞれ入れ替わる。このように、本実施形態のリブ型導波路であっても、非特許文献２と同様、厚さ方向に対して非対称な構造を持つ。したがって、図１９の偏波変換回路１１０２のように、伝搬方向に対して断熱的かつ複合モードが発生する導波路幅 (およそ０．７μｍ)を含むように、導波路幅が徐々に拡がるテーパ構造とすることで、ＴＭ偏波の基底モードとして入力された光は、第２モードを保持したまま伝搬し、ＴＥ偏波の１次モードとして出力され、偏波変換を行うことができる。
図２４は、図２３に示した第２モードの計算結果から、ＴＥ偏波成分とＴＭ偏波成分との強度比を計算した結果を示す図である。周辺部コア幅ｗ２の値が増大するにつれ、ＴＭ偏波成分の強度比は減少する一方でＴＥ偏波成分の強度比は増加し、偏波成分が入れ替わることが分かる。
偏波変換回路１１０２では、各コア幅ｗ１、ｗ２は、第２モードの偏波成分の入れ替わる領域をなるべく含むように設定される。本実施形態の例では、ｗ１=０．５μｍ、ｗ２=２．５μｍとする。
図２５は、図２１に示した偏波変換回路１１０２のリブ型導波路の薄い周辺部コアの厚みｈに対する第２モードのＴＥ偏波成分とＴＭ偏波成分との強度比の計算結果を示している。
なお、中央部コアの幅はｗ１=０．５μｍ、 周辺部コアの幅はｗ２=１．５μｍとする。
周辺部コアの厚みｈが増大するにつれ、ＴＥ偏波成分が増加する一方ＴＭ偏波成分が減少し、ｈ=０．０６μｍ付近でＴＥ偏波成分とＴＭ偏波成分とが入れ替わる。したがって、偏波変換回路１１０２の周辺部コアの厚みは０．０６μｍ以上に設定される。
図２６は、偏波変換回路１１０２の周辺部コアの厚みｈをパラメータとして周辺部コアの幅ｗ２に対する、第２モードのＴＥ偏波成分の強度比率を計算した結果を示している。
周辺部コアの厚みhが大きいほど、ＴＥ偏波成分とＴＭ偏波成分との強度比が入れ替わるのに必要な周辺部コア幅ｗ２が小さいことが分かる。コアの厚みｈが大きいほど、周辺部コア幅ｗ２を小さくしても偏波変換が行える。このため、偏波変換回路１１０２の周辺部コアのテーパ拡がり角を同一とすれば、回路長をより短縮できる。
図２７は、ＴＭ偏波の基底モード光を入力したときの偏波変換回路１１０２の周辺部コアの厚みｈに対する、偏波変換回路１１０２の出力光に含まれる各モード成分の強度比の計算結果を示す図である。各モード成分の強度比を、３次元有限差分時間領域(Finite Difference Time Domain: ＦＤＴＤ)法および固有モードの重なり積分により計算した結果を示している。
コア厚ｈが大きくなるほど、ＴＥ偏波の１次モード成分が減少し、逆にＴＭ偏波の基底モード成分が多くなっており、偏波の変換効率が低下する。
図２６および図２７に示した計算結果から、回路長の短縮化および高い変換効率を両立するため、本実施形態の偏波回転回路では、偏波変換回路１１０２の周辺部コアの厚さをｈ=０．１５μｍとしている。
また、本実施形態では、モード変換回路である遅延回路１１０３、１１０４を配置するため、偏波変換回路１１０２の周辺部コアの幅をｗ２=１．６μｍとしている。
再度図１９を参照して説明する。偏波変換回路１１０２にＴＭ偏波の基底モード光を入力した場合、コア幅がｗ１からｗ２に徐々に拡大することで、伝搬する光はＴＥ偏波の１次モードに変換されて出力する。
モード変換回路１１０３〜１１０５では、偏波変換回路１１０２から出力されるＴＥ偏波の１次モードが、互いに逆位相を持つ２つのＴＥ偏波の基底モードとして導波路１１０３、１１０４にそれぞれ分岐されて入力される。このとき、導波路１１０３を伝搬する光は、導波路１１０４を伝搬する光に対して位相がさらに１／２波長分遅れ、導波路１１０３、１１０４を伝搬した後では2つの光の位相が一致する。
光カプラ１１０５は、マルチモード干渉導波路（ＭＭＩ）である。光カプラ１１０５は、導波路１１０３、１１０４から入力された２つの同位相のＴＥ偏波の基底モード光を、１つのＴＥ偏波の基本モード光に合波する。そして、光カプラ１１０５は、合波された基本モード光を入出力導波路１１０６に出力する。
本実施形態の偏波回転回路において、入出力導波路１１０１から入力されたＴＭ偏波の基底モード光は、偏波変換回路１１０２に入力され、ＴＥ偏波の１次モード光に変換される。偏波変換回路１１０２からの出力は、互いに逆位相な２つのＴＥ偏波の基底モード光に分離されて遅延導波路１１０３、１１０４に入力される。導波路１１０３に入力された光は、１／２波長分の遅延により導波路１１０４に入力された光と同位相のＴＥ偏波の基底モードとなる。
遅延導波路１１０３、１１０４から出力される光は、２つの同位相なＴＥ偏波の基底モードとしてＭＭＩである光カプラ１１０５に入力され、１つのＴＥ偏波の基底モードとして入出力導波路１１０６に出力される。
このように本実施形態の偏波回転回路は、従来技術の偏波回転回路と同様の機能を実現する。ここで、回路はシリコン導波路のみで構成され、通常のシリコン導波路回路作製には適用されない窒化シリコン層等の付加的なプロセス工程を必要としない利点がある。
また、偏波変換回路１１０２の周囲において周辺部コア厚を比較的厚めにとることで、コア厚が薄いものと比較して、偏波変換回路１１０２の右端部の幅ｗ２をより小さく設定することができるので、偏波変換回路１１０２の回路長を短くすることができる。
図１９において、偏波変換回路１１０２は、中央部の厚いコアと周辺部の薄いコアからなるリブ型導波路で形成されており、モード変換回路１１０３〜１１０５は、薄いコアを持たないチャネル型導波路で形成されている。したがって、偏波変換回路１１０２とモード変換回路１１０３〜１１０５とは、その導波路構造が異なり、伝搬する光が反射したり放射したりすることにより損失が発生する。
（変形例１）
上記の損失を抑制するには、図１９の偏波回転回路において偏波変換回路１１０２とモード変換回路１１０３〜１１０５との間を光学的に接続するため、偏波変換回路１１０２の出力側と遅延回路１１０３、１１０４の入力側にそれぞれ厚いコアと薄いコアとからなるリブ型構造を持つテーパ導波路を付加するのが好ましい。
図２８は、損失を抑制することができるテーパ構造の一例を示す図である。テーパ導波路１４０３、１４０４、１４０５は比較的厚いコアを有しており、その周辺部１４０６は薄いコアを有する。テーパ導波路１４０３〜１４０５の長さは全て１０μｍであり、周辺部の薄いコア１４０６の長さは２０μｍ、幅は１．６μｍである。また、テーパ導波路１４０３の終端部およびテーパ導波路１４０４、１４０５の終端部の幅は全て０．２μｍである。
偏波変換回路１４０２から出力されたＴＥ偏波の１次モード光は、テーパ導波路１４０３および周辺部のコア１４０６へ入力される。テーパ導波路１４０３の幅は出力側（図面の右端）に向かって徐々に小さくなり、光の電力の大部分がコア１４０６に集中するように構成される。そして、コア１４０６からの光は、テーパ導波路１４０４、１４０５に入力される。コア１４０６に電力の集中したＴＥ偏波の１次モード光は、テーパ導波路１４０４、１４０５に入力されるとき、テーパ導波路１４０４、１４０５の各々にそれぞれ等強度で分割される。このとき、テーパ導波路１４０４、１４０５へ、互いに逆位相を持つ２つのＴＥ偏波の０次モードとして出力される。
このように、テーパ導波路１４０３と、各テーパ導波路１４０４、１４０５とは光の伝搬方向に対して構造上不連続となるが、光は主に周辺部の薄いコアを介して伝搬するため、反射や放射を低減することができる。
テーパ導波路１４０３の出力側（図面上で右端）の端部、および、テーパ導波路１４０４、１４０５の入力側（図面上で左端）の端部の各コア幅は、製造プロセスで実現できる最小のコア幅に依存する。例えば、上述の各端部のコア幅は、０．２μｍより狭く設定するのが好ましい。
尚、本実施形態の偏波回転回路は、図１０に示した第３の実施形態の偏波回転回路において、偏波変換回路２０４および中間導波路２０５を削除したものとなっている。第３の実施形態における偏波変換回路の機能は、本実施形態におけるテーパ導波路１４０２によって行われる。
本実施形態の偏波回転回路では、偏波変換回路１４０２において損失抑制のためのテーパ導波路１４０３〜１４０５を備えているため、偏波回転回路の全長が長くなる。また、図２７で説明したように、偏波変換回路１４０２の周囲のコアの厚さを０．１５μｍより厚く設定すると、偏波変換回路１４０２の回路長は短くすることができるものの、ＴＭ偏波の基底モード光からＴＥ偏波の１次モード光への変換効率が低下し、入力光の一部はＴＭ偏波の基底モード光のまま出力されてしまう。
偏波変換回路１４０２の中央部のコアをテーパ構造とすることで、テーパ導波路１４０３が不要となる。このため、偏波変換回路１４０２の長大化を抑えつつ損失を抑制することが可能となり、さらには、偏波変換回路１４０２の偏波の変換効率を向上することができる。
図２９は、偏波変換回路の中央部のコアをテーパ構造とした偏波回転回路の一例を示す平面図である。本構成により、回路の長大化を抑え同時に損失を抑制しながら偏波の変換効率を向上することができる。
偏波変換回路１５０２の長さは３２μｍ、入力端の幅ｗ１は０．５μｍであり、中央部の厚いコアの出力端の幅ｗ２は０．２μｍ、周辺部の薄いコアの出力端の幅ｗ３は１．６μｍである。偏波変換回路１５０２へ入力されたＴＭ偏波の基底モード光は、偏波変換回路１５０２の出力端では、ＴＥ偏波の１次モード光に変換され、その電力のほとんどが周辺部のコアに集中する。
図３０は、偏波変換回路１５０２へＴＭ偏波の基底モードが入力されたときの周辺部コアの厚さｈに対する、偏波変換回路１５０２の出力光に含まれる各モード成分の強度比の計算結果を示す図である。各モード成分の強度比を、３次元有限差分時間領域(Finite Difference Time Domain: ＦＤＴＤ)法および固有モードの重なり積分により計算した結果を示している。
図３０の計算結果を図２７の計算結果と比較すると、周辺部コアの厚さがｈ=０．１５μｍ付近における出力光中のＴＥ偏波の１次モード成分が増加し、ＴＭ偏波の基底モード成分が減少している。したがって、図１９で説明した第５の実施形態の偏波変換回路１１０２と比較して、周辺部のコア厚を厚くしても、高い偏波変換効率を維持することができる。
図２９に示した中間テーパ導波路１５０３、１５０４は、薄いコアの矩形導波路と、厚いコアのテーパ導波路とをそれぞれ備える。このテーパ導波路は、チャネル型の矩形導波路から形成される遅延導波路１５０５、１５０６と、それぞれ光学的に接続される。
厚いコアのテーパ導波路において、入力端（図面左側）の幅は０．２μｍで、出力端（図面右側）の幅は０．５μｍである。薄いコアの矩形導波路の幅は０．５μｍである。
薄いコアに電力が集中したＴＥ偏波の１次モード光は、偏波変換回路１５０２から出力され、厚いコアのテーパ導波路によってチャネル型の矩形導波路１５０５、１５０６に断熱的に伝搬する。上述した厚いコアのテーパ導波路の先端（図面左端）のコア幅は、製造プロセスで実現できる最小のコア幅に依存する。０．２μｍより狭い幅とすることが可能であれば、そのようにするのが好ましい。
モード変換回路１５０５、１５０６、１５０７において、中間テーパ導波路１５０３、１５０４から出力されるＴＥ偏波の１次モード光は、等強度で互いに逆位相を持つ２つのＴＥ偏波の基底モード光として、遅延導波路１５０５および導波路１５０６にそれぞれ分割されて入力される。
遅延導波路１５０５および導波路１５０６は遅延回路である。一方の遅延導波路１５０５は、他方の導波路１５０６に対して０．３１４μｍだけ長くなるように設定される。
遅延導波路１５０５に入力されたＴＥ偏波の基底モード光は、導波路１５０６に結合して透過した後に、導波路１５０６に入力された逆位相のＴＥ偏波の基底モードに対して１／２波長分遅れることにより導波路１５０６出力端で同位相となる。
マルチモード干渉導波路（ＭＭＩ）１５０７において、遅延回路１５０５、１５０６から出力された同位相の２つの等強度なＴＥ偏波の基底モード光は、１つのＴＥ偏波の基底モード光に合波され、入出力導波路１５０８に出力される。
偏波変換回路１５０２のテーパ導波路の幅は、入力端から出力端に向けて線形的に広がるように設定されている。偏波変換回路１５０２と入出力導波路１５０１との境界において、テーパ部分の幅が変化する割合が不連続になっている。この不連続点で、入力導波路１５０１から偏波変換回路１５０２に光が伝搬する際に、ＴＭ偏波の１次以上、または、ＴＥ偏波の２次以上の高次モードが発生し、変換損失を生じる。この不要な高次モードを抑制するためには、偏波変換回路１５０２の全長を伸ばすことで、テーパの広がり角を小さくすることができる。別法として、例えば、周辺部のコアを、線形的なテーパではなく、曲線的なテーパによって幅を広げることにより、偏波変換回路１５０２の長大化を抑えつつ、高次モードを抑制することもできる。
図３１は、回路の長大化を抑えつつ高次モードを抑制するため、薄いコアからなる曲線的なテーパ１６０３を用いて幅を広げた偏波変換回路を用いた偏波回転回路である。
図３１では、テーパ１６０３の構成例を示している。テーパ１６０３は、２次関数的に形成された曲線を２つ組み合わせたものである。すなわち、テーパ全長の半分の位置から入力端側の１６μｍの位置までは、凹状のテーパとなり、テーパ全長の半分の位置から出力端側に対しては、テーパ周辺方向に凸状の２次曲線を有するテーパである。このテーパの様子を図３２に示す。
図３２は、テーパ１６０３のテーパ形状を示す図である。図３２において、横軸ｘは光の伝搬方向の距離（μｍ）、縦軸ｙは光の伝搬方向に垂直な面方向の距離（μｍ）、をそれぞれ示す。ｙは、図３１の紙面上方向を正とする。図３２に示したテーパ１６０３のテーパ曲線Ａ〜Ｄは以下の式で表される。
曲線Ａ：０≦ｘ≦１６、ｙ＝(0.275/256)ｘ2＋0.25
曲線Ｂ：１６≦ｘ≦３２、ｙ=−(ｘ−32)2/(0.275/256)＋0.8
曲線Ｃ：０≦ｘ≦１６、ｙ=−(0.275/256)ｘ2−0.25
曲線Ｄ：１６≦ｘ≦３２、ｙ=(ｘ−32)2/(0.275/256)−0.8
なお、入力導波路１６０１は、テーパ１６０２と光学的に接続される。テーパ１６０２は、厚いコアからなり、幅が線形的に狭まるように形成される。テーパ１６０２において、入力端の幅ｗ１は０．５μｍ、出力端の幅ｗ２は０．２μｍである。テーパ１６０３の出力側の幅ｗ３は１．６μｍである。
テーパ１６０３のテーパ形状は、２次関数的な曲線形状について説明したが、これに限られず、より高次の多項式や三角関数により導き出される曲線状としても良い。
本実施形態の偏波回転回路は、偏波変換回路と、遅延回路および合波回路とからなるモード変換回路とから構成されている。そのうちの合波回路には、２×１型のマルチモード干渉導波路（ＭＭＩ）を使用し、互いに同位相な２つのＴＥ偏波の基底モード光を１つのＴＥ偏波の基底モード光として出力する機能を有している。ここで、合波回路を２×２型のＭＭＩに変更し、遅延回路の遅延量を１／４波長分とすることで、偏波変換回路を偏波変換分離回路として動作させることができる。
図３３は、合波回路に２×２型のＭＭＩ１８０８を用いた偏波変換分離回路の構成例を示す平面図である。入力導波路１８０１、偏波変換回路１８０２、１８０３および中間テーパ１８０４、１８０５の構成は、図３１で示したものとそれぞれ同様である。
遅延回路１８０６、１８０７の構成は図３１に示した遅延回路１６０６、１６０７と同様であるが、遅延導波路１８０６の遅延量は１／４波長分となるよう、導波路１８０７に対し０．１５７μｍだけ長く設定される。
モード変換回路１８０８は、厚さが０．２２μｍのチャネル型導波路によって形成され、幅２．１μｍおよび長さが７．０μｍのＭＭＩである。
出力導波路１８０９、１８１０は、厚さ０．２２μｍ、幅０．５μｍのチャネル型導波路である。
入力導波路１８０１から入力されるＴＭ偏波の基底モード光は、偏波変換回路１８０２、１８０３によってＴＥ偏波の１次モード光に変換され、中間テーパ１８０４、１８０５を介して、互いに逆位相を持つ２つのＴＥ偏波の基底モードとして等強度に分割されて遅延回路１８０６、１８０７に入力される。
一方の遅延導波路１８０６を伝搬する光は、他方の導波路１８０７を伝搬する光に対してさらに１／４波長分位相が遅れ、ＭＭＩ１８０８に入力される。ＭＭＩ１８０８に入力される２つのＴＥ偏波の基底モード光のうち、導波路１８０７を伝搬する光は遅延導波路１８０６に対して１／４波長分位相が進む。そして、ＭＭＩ１８０８によって、導波路１８０６、１８０７からの光が、１つのＴＥ偏波の基底モード光に合波され、出力導波路１８１０に出力される。
偏波変換回路１８０２、１８０３では、入力導波路１８０１からＴＥ偏波の基底モード光が入力されると、偏波の変換は行われず、ＴＥ偏波の基底モードのまま中間テーパ１８０４、１８０５に入力される。そして、中間テーパ１８０４、１８０５からの光は、互いに同位相を持つ２つのＴＥ偏波の基底モード光に等強度に分割され、遅延回路１８０６、１８０７に入力される。遅延導波路１８０６を伝搬する光は、導波路１８０７を伝搬する光に対して１／４波長分位相が遅れ、ＭＭＩ１８０８に入力される。ＭＭＩ１８０８に入力される２つのＴＥ偏波の基底モード光のうち、遅延導波路１８０６を伝搬する光は、もう一方の導波路１８０７に対して１／４波長分位相が遅れており、ＭＭＩ１８０８によって１つのＴＥ偏波の基底モード光に合波され、出力導波路１８０９から出力される。このように、偏波回転回路の遅延回路の遅延量を１／４波長分とし、合波回路を２×２型ＭＭＩとすることによって、入力光がＴＥ偏波のときに光が出力される導波路と、ＴＭ偏波のときで光が出力される導波路が異なることになる。すなわち、本実施形態の偏波回転回路は、偏波回転回路としてだけではなく偏波分離回路としても動作できる。
以上のように、本実施形態の偏波回転回路でも、通常のシリコン導波路回路作製には適用されない窒化膜の作製のような付加的なプロセスを必要としない。また、方向性結合器の導波路間隔も０．２μｍであるため、非特許文献２に示したものと比較して製造トレランスの向上が期待できる。
［第６の実施形態］
第６の実施形態に係る偏波回転回路は、第５の実施形態に示したものとほぼ同様の構成であるが、遅延回路およびＭＭＩ合波回路を用いたモード変換回路の全長をより短くできるように、遅延回路および方向性結合器を備える。
図３４は、本実施形態における偏波回転回路の構成例を示す平面図である。偏波変換回路２１０２の構成およびサイズは、図１９に示した偏波変換回路１１０２と同様である。
遅延回路２１０３、２１０４および方向性結合器２１０５、２１０６は、それぞれ、偏波変換回路２１０２と同様の断面構造をもつリブ型導波路で形成される。厚いコアの厚さは０．２２μｍ、薄いコアの厚さは０．１５μｍである。
入力導波路２１０１および出力導波路２１０７、２１０８は、チャネル型導波路で形成される。なお、出力導波路２１０７、２１０８は、２つの導波路２１０７、２１０８間の光結合のない領域である。つまり、この領域は方向性結合器として動作しない領域である。
遅延回路２１０３、２１０４の厚いコアの入力端および出力端の各幅は０．２μｍであり、薄いコアの幅は０．５μｍである。遅延回路全体の長さは８．９μｍである。
なお、遅延導波路２１０３の厚いコアは、中間部へ向けて徐々に幅が大きくなる長さ３．５μｍの入力側のテーパ、出力端へ向けて徐々に幅が小さくなる長さ３．５μｍの出力側のテーパ、およびその中間の幅０．５μｍ、長さ１．９μｍの矩形導波路から形成される。
方向性結合器２１０５、２１０６において、厚いコアは、入力端の幅が０．２μｍ、および出力端の幅が０．５μｍとなるテーパ構造をもつ。
薄いコアは幅０．５μｍの矩形導波路である。方向性結合器２１０５、２１０６の長さは１５μｍである．また、入出力導波路２１０１、２１０７、２１０８の幅は０．５μｍである。
本実施形態の偏波回転回路において、ＴＭ偏波の基底モード光は、入出力導波路２１０１から偏波変換回路２１０２に入力され、ＴＥ偏波の１次モード光として出力される。
偏波変換回路２１０２から出力されたＴＥ偏波の１次モード光は、互いに逆位相を持つ２つの等強度のＴＥ偏波の基底モードとして遅延回路２１０３、２１０４に入力される。遅延導波路２１０３は、そのテーパ構造により中央部の厚いコアの幅が拡大され、導波路２１０４と比較して伝搬する光の実効屈折率および群屈折率が大きくなる。そのため、遅延導波路２１０３を伝搬する光は、導波路２１０４を伝搬する光に対し１／４波長分位相が遅れて方向性結合器２１０５、２１０６に入力される。
方向性結合器における導波路２１０５に入力された光は、導波路２１０６に結合して透過した後に、導波路２１０５に入力され透過した光と比較して、更に１／４波長分位相遅れを生じる。結果として、導波路２１０３、２１０５を経由した光の位相は、導波路２１０４、２１０６を経由した光の位相と比べて１／２波長分遅れる。導波路２１０６では、光が同位相となって干渉し、出力導波路２１０８から出力される。
このように本実施形態の偏波回転回路は、従来の偏波回転回路と同様の機能を実現する。ここで、偏波回転回路はシリコン導波路のみで構成され、窒化シリコン層等の付加的なプロセス工程を必要としない。更に、第５の実施形態に示したものとよりも回路全長を短くすることができる。
図３４において、入力導波路２１０１においてＴＥ偏波の基底モード光を入力したとき、偏波変換回路２１０２によって偏波は変換されず、ＴＥ偏波の基底モード光のまま遅延回路２１０３、２１０４に対して、互いに同位相の２つのＴＥ偏波の基底モード光として等強度に分割して入力される。
遅延導波路２１０３を伝搬する光は、導波路２１０４に対して１／４波長分位相が遅れて方向性結合器２１０５、２１０６に入力される。
方向性結合器の導波路２１０６に入力する光は、導波路２１０６に到達する際に、更に１／４波長分位相遅れを生じるので、結果として、導波路２１０４、２１０６を経由した光の位相が１／２波長分遅れる。
導波路２１０５では、光が同位相となって干渉し、出力導波路２１０７から出力される。このように、本実施形態の偏波回転回路は、入力光がＴＥ偏波の場合およびＴＭ偏波の場合で、光が出力される導波路が異なり、偏波回転回路としてだけではなく偏波分離回路としても動作する。
（変形例２）
図３５は、第６の実施形態の偏波変換回路の周辺部コアを曲線テーパとした変形例の構成を示す図である。変形例２は、周辺部コアを曲線テーパとするように構成した偏波回転回路である。図３５の変形例では、図３１で示したものと同様に、２次曲線を用いた薄いコアから成るテーパ構造を有する偏波変換回路２２０２を有する偏波回転回路を示している。これにより、偏波分離回路として動作するほか、高次モードの発生を抑制することができる。
以上のように、本実施形態の偏波回転回路でも、通常のシリコン導波路回路作製には適用されない窒化膜の作製のような付加的なプロセスを必要としない。また、方向性結合器の導波路間隔も０．２μｍで済むため、第６の実施形態と比較して製造トレランスの向上が期待できる。
［第７の実施形態］
本実施形態の偏波回転回路におけるモード変換回路は、第６の実施形態のモード変換回路と同様であるが、本実施形態の偏波変換回路は、３段リブ構造としている。この３段リブ構造によって、より高次モードの発生を抑制しつつ回路全長を短縮化できる。
図３６は、本実施形態における偏波回転回路の構成を示す平面図である。遅延回路３１０３、３１０４と方向性結合器３１０５、３１０６の構成およびサイズは、図３４に示した遅延回路２１０３、２１０４と方向性結合器２１０５、２１０６と同様である。また、出力導波路３１０７、３１０８は、図３４に示した出力導波路２１０７、２１０８と同様である。
偏波変換回路３１０２において、全長は２５μｍ、入力端側の中央部の厚いコアの幅ｗ１は０．５μｍ、周辺部の薄いコアの幅ｗ２は０．７μｍ、出力端側の中央部の厚いコアの幅ｗ３は０．２μｍ、周辺部の薄いコアの幅ｗ４は１．６μｍ、および、薄いコアの幅ｗ５は１．８μｍである。
入力導波路３１０１は、偏波変換回路３１０２の周辺部の最も薄いコアと光学的に接続するため、周辺部に薄いコアから成るテーパを備える。なお、偏波変換回路３１０２の周辺部の２つの薄いコアは、ともに２次曲線を組み合わせたテーパ構造となっており、厚さ０．１５μｍのコアは、図３１に示したテーパ構造と同じ関数で与えられる曲線により形成される。
最も薄い厚さ０．０６μｍの周辺部コアのテーパは、厚さ０．１５μｍの周辺部コアのテーパの曲線を、入力導波路３１０１との接続部で幅０．７μｍに、遅延回路との接続部で幅１．８μｍへと拡大したものである。
図３７は、図３６に示した偏波変換回路３１０２のＣ−Ｃ´ 線を含む断面図である。
シリコン基板３２０３上には、基板側から、下部クラッド３２０２、上部クラッド３２０１の順に形成される。上部クラッド３２０１および下部クラッド３２０２はともに、石英ガラスで形成される。
中央部コア３１０２ａは、シリコンで形成されたリブ型導波路のコアであり、その周辺には周辺部コア３１０２ｂ、３１０２ｃが形成される。
中央部コア３１０２ａのコア厚は０．２２μｍ、周辺部コア３１０２ｂのコア厚は０．１５μｍである。周辺部コア３１０２ｃのコア厚は０．０６μｍ、上部クラッド３２０１の厚さは１.５μｍ、下部クラッド３２０２の厚さは２μｍである。
本実施形態の偏波回転回路において、入力導波路３１０１から入力されるＴＭ偏波の基底モード光は、偏波変換回路３１０２に入力され、ＴＥ偏波の１次モード光として出力される。偏波変換回路３１０２から出力されるＴＥ偏波の１次モード光は、互いに逆位相を持つ２つの等強度のＴＥ偏波の０次モードとして分割されて、遅延回路３１０３、３１０４に入力される。
遅延導波路３１０３は、そのテーパ構造によって、中央部のコアの幅が拡大され、導波路３１０４と比較して伝搬する光の実効屈折率が大きくなる。そのため、一方の遅延導波路３１０３に入力された光は、他方の導波路３１０４を伝搬する光に対し１／４波長分位相が遅れて方向性結合器３１０５、３１０６に入力される。
方向性結合器の導波路３１０５を入力した光は、導波路３１０６に到達する際に、更に１／４波長分位相遅れを生じるので、結果として、導波路３１０３、３１０５を経由した光の位相が１／２波長分遅れる。
遅延回路３１０３、３１０４に入力した光は、元々は互いに逆位相であるので、方向性結合器３１０５、３１０６において光が結合することで、導波路３１０６では光が同位相となって干渉し出力導波路３１０８から出力される。
このように本実施形態の偏波回転回路は、従来の偏波回転回路と同様の機能を実現する。偏波回転回路はシリコン導波路のみで構成され、通常のシリコン導波路回路作製には適用されない窒化シリコン層等の付加的なプロセス工程を必要としない。さらに本実施形態の偏波回転回路は、第５の実施形態または第６の実施形態と比較して、回路全長をより短くすることができる。
なお、偏波変換回路３１０２の中央の厚さ０．２２μｍのコアからなるテーパの右端部や、遅延回路３１０３、３１０４の厚さ０．２２μｍのコアの入出力端部、および、方向性結合器の厚さ０．２２μｍのコアの出力部の幅は、製造プロセスで実現できる最小のコア幅に依存する。０．２μｍより狭い幅が作製可能であれば、より好ましい。
図３６において、偏波変換回路３１０２における周辺部の厚さ０．１５μｍのコア、および、厚さ０．０６μｍのコアはともに、２次曲線を組み合わせた曲線によって与えられるテーパである。
図３８は、第７の実施形態の偏波変換回路の周辺部コアを線形テーパとした構成を示す図である。テーパは、図３８に示した偏波変換回路３３０２のように、偏波変換回路の薄い周辺部コアのうち、厚さが０．０６μｍのコアのみを、直線のみで与えられるテーパと矩形導波路とを組み合わせたものにすることで、より高次モードを抑制できる。入力導波路３３０１にテーパ構造が不要になるため、さらに回路全長を短縮化できる。
直線のみで与えられるテーパの長さは、Ｌ１=１０μｍ、Ｌ２=７μｍであり、偏波変換回路の全長は１７μｍである。
なお、本実施形態においても、第６の実施形態と同様に、図３６に示した入力導波路３１０１からＴＥ偏波の基底モード光が入力されると、出力導波路３１０７からＴＥ偏波の基底モードが出力される。このため、入力光がＴＥ偏波の場合とＴＭ偏波の場合とで光が出力される導波路が異なり、偏波回転回路としてだけではなく偏波分離回路としても動作できる。図３８に示した偏波回転回路も同様に、偏波分離回路として動作する。
以上のように、本実施形態の偏波回転回路でも、通常のシリコン導波路回路作製には適用されない窒化膜の作製のような付加的なプロセスを必要としない。また、方向性結合器の導波路間隔も０．２μｍで済むため、非特許文献２の場合と比較して製造トレランスが向上する。
［第８の実施形態］
前述の図３６および図３８において、偏波変換回路３１０２、３３０２は、３段リブ型導波路構造で形成されている場合について説明したが、２段リブ型導波路構造としても良い。この場合、遅延回路（図３６の３１０３、３１０４、および図３８の３３０３、３３０４）および方向性結合器（３１０５、３１０６、３３０５、３３０６）は、厚さ０．２２μｍの中央部コアおよび厚さ０．１５μｍの周辺部コアから成る２段リブ型導波路構造により形成されている。したがって、偏波変換回路（３１０２、３３０２）と遅延回路（３１０３、３１０４、３３０３、３３０４）との間でモードミスマッチが発生し、損失として反射・放射される。本実施形態の偏波回転回路における偏波変換回路は、第７の実施形態の偏波変換回路と同様の構成であるが、遅延回路および方向性結合器は、偏波変換回路との間でのモードミスマッチを抑制するために、以下のように構成される。すなわち、厚さが０．２２μｍ、０．１５μｍおよび０．０６μｍの各コアから成る３段リブ型導波路を用いた、遅延回路と方向性結合器とが一体化するようにモード変換回路が構成される。
図３９は、本実施形態の偏波回転回路の構成例を示す平面図である。
偏波変換回路４１０２は、図３６に示した偏波変換回路３１０２と同様の構成であるが、コアの幅と長さが異なる。すなわち、厚さ０．２２μｍのコアの出力端の幅は０．２μｍ、厚さ０．１５μｍのコアの出力端の幅は１．０μｍ、厚さ０．０６μｍのコアの幅は１．２μｍである。
偏波変換回路４１０２において、長さは２５μｍである。厚さ０．１５μｍのコアと、厚さ０．０６μｍのコアとによって与えられる曲線の関数は、これらのコア幅を満たす２次曲線の組み合わせとする。
モード変換回路４１０３は、遅延回路および方向性結合器を一体化した回路である。図３９において、紙面上側の厚さ０．２２μｍのコアの付近に集中する光は、紙面下側の厚さ０．２２μｍのコアの付近に集中する光に対して１／４波長分だけ位相が遅れるように、上側の厚さ０．２２μｍの導波路幅の一部の幅を紙面上方向に拡大する。厚さ０．１５μｍのコアと厚さ０．０６μｍのコアの一部の幅も同様に拡大させる。
図４０は、図３９に示した遅延回路と方向性結合器とを一体化させたモード変換回路４１０３のみを拡大して示した図である。図４０において、上段および下段にそれぞれ配置された厚さ０．２２μｍのコアの入力端の幅はｗ１=０．２μｍである。コアの中心間の距離は０．８μｍである。厚さ０．１５μｍのコアの幅はｗ２＝１．０μｍである。
厚さ０．０６μｍのコアの幅はｗ３＝０．１２μｍである。厚さ０．２２μｍ、０．１５μｍ、０．０６μｍのいずれのコアにおいても、拡幅テーパ部の長さはＬ１＝１．５μｍである。厚さ０．２２μｍのコアのうち、紙面上側に配置されたコアの拡幅部において、拡幅矩形部の長さはＬ２＝２．９μｍ、幅はｗ４＝０．４μｍである。
厚さ０．２２μｍのコアのうち、紙面下側に配置されたコアは全域で矩形導波路であり、その幅はｗ１＝０．２μｍである。厚さ０．１５μｍのコアの拡幅矩形部の幅はｗ５＝１．２μｍ、長さはＬ３＝３．０μｍ、右端部の幅はｗ７＝０．５μｍである。
厚さ０．０６μｍのコアの拡幅矩形部において、幅はＷ６=１．４μｍで、長さはＬ４＝３．１μｍである。モード変換回路全体の長さＬ５は任意であり、拡幅部の全長よりも長ければ良く、本実施形態では、例えば、Ｌ５＝６．０μｍとする。
終端テーパ４１０４は、厚さ０．２２μｍ、０．１５μｍおよび０．０６μｍの３段リブ型導波路で形成される。終端テーパ４１０４は、モード変換回路４１０３と入出力導波路４１０５とに光学的に接続される。
中央の厚さ０．２２μｍのコアはテーパ構造であり、入力端の幅は０．２μｍ、出力端の幅は０．５μｍである。周辺部の厚さ０．１５μｍのコアは、矩形導波路であり、幅は０．５μｍである。周辺部の厚さ０．０６μｍのコアはテーパ構造であり、入力端の幅は１．２μｍ、出力端の幅は０．５μｍである。
終端テーパ４１０４の長さは５μｍである。出力導波路４１０５は、厚さ０．２２μｍのコアから成るチャネル型の導波路であり、幅０．５μｍの矩形導波路である。
図３９の偏波回転回路において、ＴＭ偏波の基底モード光は、入力導波路４１０１を介して偏波変換回路４１０２に入力され、ＴＥ偏波の１次モード光として出力される。
偏波変換回路４１０２から出力されたＴＥ偏波の１次モード光は、互いに逆位相を持つ２つのＴＥ偏波の０次モード光としてモード変換回路４１０３に入力される。２つのＴＥ偏波の０次モード光のうち、図３９の紙面上側を伝搬する光は、図３９の紙面下側を伝搬する光に対して１／４波長分位相が遅れる。紙面下側の導波路にＴＥ偏波の０次モード光として合波され、終端テーパ４１０４を介して出力導波路４１０５から出力される。
このように本実施形態の偏波回転回路は、従来技術の偏波回転回路と同様の機能を実現する。一方で、本実施形態の偏波回転回路はシリコン導波路のみで構成され、通常のシリコン導波路回路作製には適用されない窒化シリコン層等の付加的なプロセス工程を必要としない。
また、３段リブ型構造をもつモード変換回路４１０３を利用することで、図１９に示したもの（遅延回路１１０３、１１０４および合波回路１１０５）や図３４に示したもの（遅延回路２１０３、２１０４および方向性結合器２１０５、２１０６）のように、導波路を分割する必要がない。したがって、本実施形態の偏波回転回路では、回路の幅を小さくすることができるとともに、方向性結合器の結合長も短くなり、回路長を短くすることができる。
また、回路の幅が小さくなれば、偏波変換回路の全長も短くすることができ、図３６に示した偏波変換回路３１０２と比較して更に回路長を短くできる。したがって、本実施形態のように３段リブ型のモード変換回路４１０３を用いることで、第５の実施形態〜第７の実施形態と比較して、回路長および回路面積をより小さくすることができる。
図３９に示した本実施形態の偏波回転回路では、偏波変換回路の全長は２５μｍで、モード変換回路の全長は６μｍ、入出力テーパ導波路全長は５μｍである。偏波回転回路の全長は３６μｍとなり、非特許文献２に開示された偏波回転回路おける全長７１μｍと比較して、大幅に回路を小型・短縮化することが可能になる。
なお、偏波変換回路４１０２の中央の厚さ０．２２μｍのコアからなるテーパの入力端、モード変換回路の厚さ０．２２μｍのコア、および終端テーパの厚さ０．２２μｍの出力端の各幅は、それぞれ、製造プロセスで実現できる最小のコア幅に依存する。０．２μｍより狭い幅が作製可能であれば、より好ましい。
図３９に示した本実施形態の偏波回転回路の偏波変換回路４１０２において、周辺部の厚さ０．１５μｍのコアと、厚さ０．０６μｍのコアは、ともに２次曲線を組み合わせた曲線によって与えられるテーパであるが、別の形態のテーパ形状とすることもできる。
図４１は、第８の実施形態の偏波回転回路の周辺部コアを線形テーパとした構成を示す図である。図４１に示したように、偏波変換回路の薄い周辺部コアのうち厚さ０．０６μｍのコアのみを、直線のみで与えられるテーパと矩形導波路とを組み合わせたものにすることで、より高次モードを抑制できる。これによって、入力導波路４３０１にテーパ構造が不要になる。これにより、回路全長が短縮化できる。直線のみで与えられるテーパの長さは、Ｌ１＝１０μｍ、Ｌ２＝７μｍであり、偏波変換回路の全長は１７μｍであり、回路全長は２８μｍとなり、非特許文献２における７１μｍと比較して大幅に回路の短縮化ができる。
本実施形態の偏波回転回路において、モード変換回路の出力側に分岐回路を配置することによって、第５の実施形態〜第７の実施形態のように、偏波分離回路として動作することも可能である。
図４２は、モード変換回路の出力側に分岐回路を配置した偏波分離回路の構造を示す平面図である。モード変換回路４４０３は、図３９および図４１で示した偏波回転回路のモード変換回路４１０３、４３０３の各図紙面下側の厚さ０．２２μｍのコアからなる導波路の長さを、各図紙面上側の厚さ０．２２μｍのコアからなる導波路と一致させたものであり、その長さは６μｍである。
図４２に示した分岐回路４４０４は、厚さ０．２２μｍ、０．１５μｍ、０．０６μｍの各コアからなる３段リブ型構造を有する。紙面上側の導波路と紙面下側の導波路の間でのモードの結合がないように設定される。
入力導波路４４０１から入力されたＴＭ偏波の基底モード光は、偏波変換回路４４０２によってＴＥ偏波の１次モード光に変換され、モード変換回路４４０３へ入力される。モード変換回路４４０３へ入力されたＴＥ偏波の１次モード光は、互いに逆位相を持つ２つのＴＥ偏波の基底モード光に等強度で分割される。紙面上側の厚さ０．２２μｍのコア部分を伝搬する光は、紙面下側の厚さ０．２２μｍのコア部分を伝搬する光に対し１／４波長分位相が遅れて、紙面下側の厚さ０．２２μｍのコア部分を伝搬する光と干渉し、分岐回路４４０４の紙面下側の導波路より出力される。
入力導波路４４０１から入力されたＴＥ偏波の基底モード光は、偏波変換回路４４０２によって偏波が変換されることなく、ＴＥ偏波の基底モード光のままモード変換回路４４０３へ入力される。モード変換回路４４０３へ入力されたＴＥ偏波の基底モード光は互いに同位相な2つのＴＥ偏波の基底モード光に等強度で分割される。上側の厚さ０．２２μｍのコア部分を伝搬する光は、紙面下側の厚さ０．２２μｍのコア部分を伝搬する光に対し１／４波長分位相が遅れて、紙面下側の厚さ０．２２μｍのコア部分を伝搬する光と干渉し、分岐回路４４０４の紙面上側の導波路より出力される。
このように、図４２に示した偏波回転回路は、入力光がＴＥ偏波のときとＴＭ偏波のときで光が出力される導波路が異なり、偏波回転回路としてだけではなく偏波分離回路としても動作する。
以上のように、本実施形態の偏波回転回路でも、通常のシリコン導波路回路作製には適用されない窒化膜の作製のような付加的なプロセスを必要としない。また、最小加工寸法も０．２μｍで済むため、非特許文献２に開示された偏波回転回路の場合と比較して製造トレランスが向上する。
上述の第１〜第８の各実施形態および変形例では、上部クラッドおよび下部クラッドの材料として石英ガラスを用いたが、この材料に限定されるものではなく、シリコンより屈折率の小さい材料で形成されれば良い。また、上部クラッドおよび下部クラッドの厚さなどの各値は、上記各実施形態および変形例のものに限定されない。
上述の第１〜第８の各実施形態の偏波変換回路では、シリコン導波路の設計パラメータを特定の値に限定したが、これらのパラメータにも限定されない。ＴＭ偏波の基底モード光とＴＥ偏波の１次モード光との間で変換が生じるシリコン導波路の幅は、導波路のコアの厚さと、上部クラッドおよび下部クラッドの材料の屈折率によって決まる。偏波変換回路におけるテーパ導波路の両端部の導波路幅は、変換が生じる導波路幅変化領域をなるべく包含するよう設定されれば良い。
第５の実施形態のモード変換回路では、光カプラとしてＭＭＩ回路を適用しているが、Ｙ分岐回路など、光合流を実現する他の回路のいずれも適用可能である。また、第５の実施形態のモード変換回路では、遅延導波路１１０３、１１０４において導波路の長さの差によって位相差を生成しているが、導波路の幅の差によって位相差を生成することも可能である。
以上詳細に説明してきたように、本発明により、窒化シリコン層等の付加的なプロセス工程を必要とせずに、シリコン導波路のみで構成される偏波回転回路を提供することができる。さらに本発明によれば、導波路の近接した配置における加工精度の条件を緩和することができる。
本発明は、一般的に光通信システムに利用することができる。
１０１、１１０、１７４、１８１、１８４、２０１、２１２、３０１、３１０、１００１、１００７、１００８、１１０１、１４０１、１５０１、１６０１、１８０１、２１０１、２２０１、３１０１、３３０１、４１０１、４３０１、４４０１ 入出力導波路
１０２、１０３、１０８、１０９、１７２、１７３、２０２、２０３、２０７、２０８、３０２、３０３、３０５、３０７、１５０３、１５０４、１６０４、１６０５、１８０４、 １８０５、４１０４、４３０４ リブ型−チャネル型変換導波路
１０４、２０４、３０４、１００３、１１０２、１４０２、１５０２、２１０２、２２０２、３１０２、３３０２、４１０２、４３０２、４４０２ 偏波変換回路
１０４ａ、２０４ａ、２０６ａ、２０６ｂ、３０４ａ、３０６ａ、３０６ｂ 中央部コア
１０４ｂ、１０４ｃ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０６ｃ〜２０６ｅ、３０４ｂ、３０４ｃ、３０６ｃ〜３０６ｅ 周辺部コア
１０５、１７１、１８２、１８３、２０５、３０５、３１３ 中間導波路
１０６、１０７、２０５、２０６、３０８、３０９、１００５、１００６ 非対称方向性結合器の導波路
１１１、１８５、２１３、３１１、１０１２ ＴＭ偏波の基底モード光
１１２、１７６、１８６、２１４、３１２、１０１３ ＴＥ偏波の基底モード光
１１３、２１５、３１４、４１０３、４３０３、４４０３ モード変換回路
１２１、１３１、１４１、２２１、２３１、２４１、３２１、３３１、３４１、３５１、１００９、１２０１、１２１１、３２０１ 上部クラッド
１２２、１３２、１４２、２２２、２３２、２４２、３２２、３３２、３４２、３５２、１０１０、１２０２、１２１２、３２０２ 下部クラッド
１２３、１３３、１４３、２２３、２３３、２４３、３２３、３３３、３４３、３５３、１０１１、１２０３、１２１３、３２０３ シリコン基板
１６１、１６２、１００２、１００４ テーパ導波路
２０６ 光スプリッタ
２０９、２１０ 遅延回路
２１１、１１０５ 光カプラ
１１０３、１５０５、１６０６、１８０６、２１０３、２２０３、３１０３、 ３３０３ 遅延導波路
１１０４、１５０６、１６０７、１８０７、２１０４、２２０４、３１０４、３３０４ 無遅延導波路
１４０９、１５０７、１６０８、１８０８ ＭＭＩ結合器

Claims (10)

  1. 中央部コアおよび当該中央部コアよりも薄い周辺部コアから成り、前記周辺部コアのコア幅が徐々に拡大するテーパ形状を有するリブ型シリコン導波路によって構成され、ＴＭ偏波の基底モード光をＴＥ偏波の１次モード光に変換する偏波変換回路と、
    前記偏波変換回路に光学的に接続された光スプリッタ、２つの導波路から成る遅延回路、および、光カプラから構成され、ＴＥ偏波の１次モード光をＴＥ偏波の基底モード光に変換するモード変換回路と
    を備え、シリコン導波路のみで構成されたことを特徴とする偏波回転回路。
  2. 前記光スプリッタは、
    中央部コアの無いリブ型シリコン導波路、および、
    ２つのコアの厚い部分を有するリブ型シリコン導波路
    から構成され、
    前記中央部コアの無いリブ型シリコン導波路の一端が、前記偏波変換回路に接続していることを特徴とする請求項１に記載の偏波回転回路。
  3. 中央部コアおよび当該中央部コアよりも薄い周辺部コアから成り、前記周辺部コアのコア幅が徐々に拡大するテーパ形状を有するリブ型シリコン導波路によって構成され、ＴＭ偏波の基底モード光をＴＥ偏波の１次モード光に変換する偏波変換回路と、
    ＴＥ偏波の１次モード光をＴＥ偏波の基底モード光に変換するモード変換回路であって、
    異なる幅の２つの導波路から成る非対称方向性結合器で構成され、
    前記異なる幅の２つの導波路は、チャネル型シリコン導波路であって、
    前記異なる幅の２つの導波路の内の幅の広い導波路の一端が、中間導波路を介して前記偏波変換回路に光学的に接続されており、
    前記中間導波路は、２つの比較的コアの厚い部分と、比較的コアの薄い周辺部とから成るリブ型シリコン導波路で構成され、前記の比較的コアの厚い部分は、テーパ構造をしている、モード変換回路と
    を備え、シリコン導波路のみで構成されたことを特徴とする偏波回転回路。
  4. 中央部コアおよび当該中央部コアよりも薄い周辺部コアから成り、前記周辺部コアのコア幅が徐々に拡大するテーパ形状を有するリブ型シリコン導波路によって構成され、ＴＭ偏波の基底モード光をＴＥ偏波の１次モード光に変換する偏波変換回路と、
    前記偏波変換回路に光学的に接続された２つの導波路から成る遅延回路並びに光カプラもしくは光合成器から構成され、ＴＥ偏波の１次モード光をＴＥ偏波の基底モード光に変換するモード変換回路と
    を備え、シリコン導波路のみで構成されたことを特徴とする偏波回転回路。
  5. 前記モード変換回路は、
    １／２波長分の遅延を生じる遅延回路および２×１型カプラ、または、
    １／４波長分の遅延を生じる遅延回路および２×２型合波器
    によって構成されることを特徴とする請求項４に記載の偏波回転回路。
  6. 前記モード変換回路における前記１／４波長分の遅延を生じる遅延回路は、比較的厚い中央部コアと比較的薄い周辺部コアからなる２つのリブ型シリコン導波路であって、前記２つのリブ型シリコン導波路のうちの一方のリブ型シリコン導波路は、前記中央部コアの幅が出力側に向かって徐々に広がったのち徐々に狭まるテーパからなる構造を有し、
    前記モード変換回路における前記２×２型合波器は方向性結合器であることを特徴とする請求項５に記載の偏波回転回路。
  7. 前記偏波変換回路および前記モード変換回路は、中間テーパ導波路を介して、光学的に接続され、
    前記中間テーパ導波路は、中央部コアと、前記中央部コアより薄い周辺部コアとから成るリブ型導波路であり、出力側に向かって徐々に幅が狭くなるテーパ形状を有し、
    前記中間テーパ導波路と前記モード変換回路との間の接続部分は、２つのコアを有し、当該２つのコアの各々は徐々に幅が拡がるテーパ形状をそれぞれ有することを特徴とする請求項４乃至６いずれかに記載の偏波回転回路。
  8. 前記偏波変換回路における前記中央部コアは、出力側に向かって徐々に幅が狭まるテーパ形状を有し、
    前記偏波変換回路における前記周辺部コアは、出力側に向かって徐々に幅が拡がるテーパ形状を有することを特徴とする請求項４乃至７いずれかに記載の偏波回転回路。
  9. 前記偏波変換回路における前記周辺部コアのテーパ形状は、曲線的に幅が拡がるように構成されることを特徴とする請求項４乃至８いずれかに記載の偏波回転回路。
  10. 前記偏波回転回路は、偏波回転分離回路としても動作することを特徴とする請求項４乃至９いずれかに記載の偏波回転回路。
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