JPH02275402A - 断熱偏波操作デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 光匪夏亘１ 本発明はＴＥ−ＴＭ偏波操作（つまりスプリッティング
、コンパイニング或はフィルタリング）デバイス、より
詳細には基板に支持された薄膜導波路から構成される、
これらデバイスのインチグレーティラド　オプティック
　バージョンに関する。

多くの重要なアプリケーション、例えば、コヒーレント
光波受信機及び偏波独立（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｉ
ｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ）光学イソレータ及びサーキュレ
ータにおいては、幾つかの設計においては、トランスバ
ース電気（ＴＥ）モードをトランスバース磁気（ＴＭ）
モードから分離することが必要である。バルク　オプテ
ィクスを使用する設計においては、偏波スプリッティン
グ　デバイスは、典型的には複屈折方解石キューブから
成るが、但し。

これらバルク　デバイスは機械的及び熱的安定性の問題
を持つ、これに加えて、より複雑な設計が小さなサイス
及びインチクレーティラド　オブティクス凹素（例えば
、半導体レーザー及び光タイオート）との互換性を達成
するために要求されるインチクレーティラド　オプティ
クスに対しては、これらは、不適当である。

一つのインチクレーティラド　オブティクス偏波スプリ
ッターかＭ、マスダ（Ｍ、　Ｍａｓｕｄａ）らによって
ア°ライ　　フ　ジクス　レターズ（ＡｐｐｌｉｅｄＰ
ｈｙｓｉｃｓ　ＬｅｔＬｅｒｓ　）　、　Ｖ　ｏ　１　
、３７、Ｎｏ、１、ページ２０　（１９８０年）に発表
の論文ｒＬｉＮｂ　Ｏｚブランチンク導波路を使用する
光学ＴＥ−ＴＭモード　スプリッター（Ａｎ　Ｏｐｔ、
１ｃａｌ　ＴＥ−ＴｈｌＭｏｄｅ　５ｐｌｉｔｔｅｒ　
Ｕｓｉｎｇ　ａ　ＬｉＮｂ０３ＢｒａｎｃｈｉｎｇＷａ
ｖｅｇｕｉｄｅ　）　Ｊにおいて説明されている。この
デバイスは、Ｙの形状に形成されたＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏ
３線型多東モード導波路セグメントを含む。基本モード
（ｆｕｎｄａ＋ｍｅｎｔａｌ　ｍｏｄｅ）を励起するた
めに、プリズム結合器か要求される。導波路全体のコア
はＴｉ拡％　Ｌ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏ：＋から製造されるが
、メイン導波路の軸方向に見て半分及びこれらブランチ
の一つは、それらの上に金属電極を持つ誘電フィルム（
Ａ　ｌ　２　Ｏｆｆ　）にてクラッドされ、メイン導波
路の他方の半分及び他方のブランチはこれらクラッディ
ングの束縛を受けない。この誘電フィルムの部分的クラ
ッディングのために、このクラットされた半分の導波路
は、クラットされてない半分よりも大きな屈折率を持つ
、電極に加えられる電圧の不在下においては、ＴＥ及び
ＴＭモードの両方かメイン導波路のクラッドされた半分
内に拘束される。ＺＺモモ−〜に対して、メイン導波路
のこの二つの半分の間の屈折率差を克服するのに十分に
大きな電圧（例えば、２０ｖ）か加えられるとＺＺモー
ドの拘束がメイン導波路のクラットされてない半分内に
おいて起こる。１Ｇ、Ｌ、、ＴＭモードは、これかＴＥ
モードより■）電ｆＦに対１ノでセンシティフてないた
めに、クラッドされた半分に拘束される。従って、ＴＥ
−ＴＭモードのスブリ・ンティンクが適当な電圧を加え
ることによってＯＴ使となる。例えば、ＴＥモードはＹ
のクラッドされないフランチ内に伝播され、−力、ＴＭ
モードは、Ｙのクラットされたブランチ内に伝播する。

但し、この吸光率は比較的低い（＜１０ｄＢ）。

このタイプのモード　スプリッティング　デバイスは多
くの短所を持ち、多くの未解決の問題を残す。づまり、
（１）これは、比較的大きな電圧を加えることを要求す
るアクティ７　デバイスてあり、パワー源のための付随
の要件及び関連するコストをともない：　（２）これは
、インチクレーティラド　オプティクスに対して好まし
い半導体及び誘電材料１例えば、シリコン化合物或は第
ｍ−Ｖ族化合物ではなく　Ｌ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏｓにて製
造され、これは基本モードな励起するために別個のプリ
ズム結合器を使用し、（４）Ｙ−ブランチか２．８６度
の大きなブランチング角度を持ち：従ってこれは断熱的
てはなく：つまり、これは出力ブランチ内において、基
本モード以外のモー１−を励起し；そして（５）これは
単一モード（ｓ’＋ｎｇｌｅＩｌｏｄｅ）導波路技術と
の互換性を持たない。

−力Ｈ，ヤンマ（Ｙａｊｉｍａ）らは、互ライ１−ブイ
ンクス　レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　
１．ｅｔｔｃｒｓＶｏｌ、２２．、Ｎｏ、１２、ベージ
６４７−６４９　（１９７３年）において、ｅ！＃ｊ膜
光学フランチンク　ガラス導波路を説明するが、これは
、ブランチンク導波路間の大きな角度の効果に注目する
。ガラス−５ｉＯ−ガラスの三層構造か５ｉＯ２層のエ
ツジが１：５００のスロープにテーパーされるように、
基板玉にスパッターされる。この浅いテーパーから、メ
イン　ガラス導波路（ＡＲＭＮｏ、１）とツランチンク
　ガラス導波路（ＡＲＭ　　Ｎｏ、２とＮｏ、３）との
間のモードトランジションは断熱的であると想像するこ
とかてきる。モード　フィルタリンク及びモード変換の
両方かＴＥに対して観察されるが、但し、ＴＥモードと
ＴＭモードとの間のモード　スプリッティング、コンパ
イニンク或はフィルタリングは、観察されたことも、或
は示唆されたこともない。

従って、先行技術において残された問題を解決するよう
なインテグレーテイッ１へ偏波スプリッター及び当然の
結果としての偏波コンバイナー及びフィルターに対する
要求か存在する。

１肛Ω１盾 本発明の一面によると、偏波操作デバイス（ｐｏｌａｒ
ｉｚａｔｉｏｎ　ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｎｇ　ｄｅｖｉ
ｃｅ）か異なる材料及び異なる屈折率のコアを持つ少な
くとも二つの基板に支持されたｉ膜導波路から製造され
る。このデバイスの３−ボート　バージョンは、第一の
導波路コアを含む第一のセクション、コアか物理的に離
され、光学的に互いに減結合される少なくとも一つのベ
アのブランチを持つ第二のセクション、及び第一のセク
ションを第二のセクションに断熱的に結合するようにコ
アか最初重なり、互いに緩やかに離されるトランジショ
ンセクションを含む。これらコア材料の屈折率は、“シ
ステム°′　（つまり、導波路の組合わせを全体として
見たときの）導波路モードを考えた場合、第二のセクシ
ョンの一つのブランチがＴＥモードに対する最も高い有
効屈折率を持ち、他方のブランチかＴＭモードに対する
最も高い有効屈折率を持つように設計される。

断熱的という用語は、−旦、比較的高屈折率のシステム
　モードか励起されると、導波路及び／或はモードか断
熱的トランジションを受けたとき、形状及び／或は屈折
率を変えることはあっても、エネルギーがそのモード内
に留まり、又、低い屈折率のシステム　モードに（或は
この逆に）変化することはないことを含蓄する。この原
理及び導波路モードとシステム　モードとの間の関係は
、後に詳細に説明される。

本発明の偏波スプリッタ一実施態様においては、第一の
セクションは入力セクションであり、そして、第二のセ
クションのフランチは出力フランチである。一方、偏波
コンハイニング或はフィルタリング　デバイスにおいて
は、第一のセクションは出力セクションてあり、第二の
セクションのブランチは入力ブランチである。コンバイ
ナーとして機能するときは、ＴＥ及びＴＭモードかトラ
ンジション　セクション内において結合し、出力セクシ
ョンの外へと伝播されるが、但し、フィルターとして機
能する場合は、そのモードに対して最も高い有効屈折率
を持たない入力ブランチに加えられる任意のモード（Ｔ
Ｅ或はＴＭ）は、出力セクションか（１）そのモードを
サポートしないように設計されている、或は（２）その
モードをサポートしないデバイス（例えば、単一モード
ファイハー）に結合されると言う前提の下て、デバイス
の外に放射され、出力セクション内にエネルギーか伝播
されることはない。

好ましい実施態様においては、導波路の一つの・端かト
ランジション　セクション内において断熱的にテーパー
される。

シリコン“光学ベンチパテクノロジーにおいては、７４
膜導波路が、好ましくは、シリカ　クラブインク及びト
ープされたシリカ　コア或は窒化シ・リコン　コア或は
この両方を持つ。

本発明のもう一つの実施態様は、上に説明の３−ボート
　デバイスを第一のセクションに結合された薄膜導波路
ブランチのもう一つのベアとともに組み入れる４−ボー
ト　デバイスである。これらブランチの一つは、ＴＥ及
びＴＭモードの両方に対して他方より高い有効屈折率を
もつ。この結果、ＴＥ或はＴＭモード信号かこれらデバ
イスを通して真直に一つの入力ボートから反対の出力ボ
ートに直接結合されるが、或はこれらは、クロス　オー
バー経路を通じて、一つの入力ボートから対角線的に反
対の出力ボートに結合される。

本発明の詳細な説明に入る前に、用語゛断熱的（ａｄｉ
ａｂａｔｉｃ　）”を定義しておくことか必要である。

この定義に当って、ボックス（つまり、ポテンシャル井
戸）内の粒子のエネルギー　レベルと誘電導波路（つま
り、屈折率を持つ井戸）内を伝播する光のトランスバー
ス　モードとの間の類比を行なう。これら二つの現象は
、ポテンシャルＶか屈折率旦によって置き換えられる類
似のシュレーディンガーの波動方程式によって記述する
ことかできる。

一般に、トランジション（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）は、
量子力学的な意味において、エネルギー　レベルオキュ
ベーション（Ｃｎｅｒｇｙ　１ｅｖｅｌ　ｏｃｃｕｐａ
ｔｉｏｎ　）（光学の場合は、モード　オキュベーショ
ン）かこのトランジションを通過したときに保持される
場合は、断熱的であると言われる。断熱的である為には
、トランジションは突然なものではなく、緩やかなもの
であることが要求される。最初に、第１１１：］に示さ
れるような、ボックス内の粒子と関連するポテンシャル
の非断熱的な急激な変化について考える。最初は、粒子
のエネルギーの全ては、基本モード（第１１図、バート
Ａ）内に存在するが、ポテンシャル（つまり、ボックス
の底）か急激に増加すると、この粒子のエネルギーは複
数のモードに分裂する（−例として、三つのモード、第
１１図、バートＢに分裂する）。これとは対比的に、同
一の粒子に対する断熱的トランジションの結果か第１２
図、バートＢに示される。理想的には、基本モード（第
１２図、バートＡ）にて開始されたエネルギーの全てが
、トランジションの後（第１２図、バートＢ）も全て基
本モードに留まる。後者の図面は、又、このポテンシャ
ル井戸は複数のモードをサポートすることかできるが、
エネルギーがこれらの全ての中に存在する必要はないこ
とを示す。

この類比を誘電導波路内の光の伝播の原理に広げるため
に、注意を第１３図に向ける。上と同様に、最初は、２
一方向に伝播するエネルギーの全てか基本トランスバー
ス　モード（第１３図、バートＡ）内に含まれるものと
想定する。しかし、導波路パラメータ（例えば、幅、厚
さ、屈折率、後者か第１３図に示される）内をトランジ
ションした後、我々は、このトランジションか断熱的と
なるのはどのような条件であるか：つまり、どのような
（理想）条件の丁で、エネルギーの全てか基本モードに
留まるかと言う間を行なう。

この間に答えるために、誘電導波路内に第１３図、バー
トＢに示されるように、２一方向に伝播する二つの光波
Ｍ。及びＭ、を考察する。基本モードＭ。の伝播は、ｅ
″βｂ′Ｒによって表わされ、次モードＭ、の伝播は、
ｅ′β−によって表わされる。ここで、伝播定数β＝２
πｎ／入である。こうして、Ｍｎは、Ｍｌよりも高い屈
折率を持った？ｈ　（ｎｏ　＞ｎ、　）　、誘電体内に
おいては、より短い波長を持つように示される。これら
二つの波は、これらの伝播定数の差Δ＝β。−β、を補
償するのに（−分な導波路パラメータの急激な摂動かな
い限り互いに結合することはない（つまり、互いにエネ
ルギーか移ることはない）。理想ＩＪｉＭトランジショ
ンにおいては、この摂動は、Δβに対する補償か起こら
ず、従ってモード間の結合も起こらないような１−分に
緩やかなものである。゛上方に緩やか”とはどんなこと
であるかは、モー１〜間のビート長しによって定義され
る。ここでＬはｌ／Δβに比例する。Ｉｔｌ’ｒ熱的で
あるためには、変化（摂動）かＬよりも長い距離を通し
て起こらなくてはならない。例えば、フランチ導波路構
造においては、導波路が、また、互いに光学的に結合さ
れている初期の分岐角度が、少なくとも、約１度以下で
あることか要求され、又、導波路の幅のテーパーは同様
に小さな角度を持つべきである。

この原理から、結果として、導波路か大きなモード　ス
プリット（つまり、大きなΔβ）を持つように設計され
た場合、ヒート長か短くなり、パラメータ　トランジシ
ョンか短い距離を通して断熱性にてきることか推論でき
る。これは、集積アプリケーションに対して好都合な小
さなＰＪｒ熱的デバイスか可能となることを意味する。

３−ボート　−バイ 本発明は、バシブ光学偏波スプリッテインク、コンハイ
ニング及び／或はフィルタリング　デバイスに関するが
、最初に、ここては、説明を簡単にするために、第１図
から第５図を参照にしなから３−ボート偏波スプリ・ン
ティング　デバイスについてのみ説明する。第１図には
、夫々、第２図及び第３図に示されるようなコア１０．
１及び１２、ｌを持つ少なくとも二つの基板に支持され
た薄゛膜導波路１０及び１２から製造される偏波スブリ
ッティンク　デバイスか示される。この導波路は、単一
（つまり、基本）モードのみをサポートするようにも、
或は複数のモードをサポートするようにも設計すること
かできる。但し、後者の場合は、好ましくは、この装近
／システムの他の部分によって、高次のモードかフィル
ターされるように設計する。このフィルタリンク機能は
、例えば、この多毛モード導波路に結合された単一モー
ド光ファイバーによって遂行される。

定義の目的上、ＴＥ偏波は基板に並行のトランスバース
電場を持ち、ＴＭ偏波は基板に垂直なトランスバース胛
場を持つ。

第１図に戻り、第２図に示されるような導波路コア１Ｏ
０２を持つ第一の（つまり、入力）セクション１４、コ
アか物理的に離され、光学的に減結合された第二の（つ
まり、出力）セクション、及びコアか東なり、次に、緩
やかに互いに離れて行き、入力セクション１４を出力セ
クション１６に断熱的に結合するトランジション　セク
ション１８を持つ。

コア材料の屈折率は１例えば、光ファイバー２０から結
合される放射によってＴＥ及びＴＭモードか入力セクシ
ョン内で励起されたとき、本質的に、ＴＭモードのみか
出力ブランチ１０．２に結合され、又本質的に、ＴＥモ
ードのみか出力フランチ１２．２に結合されるように設
計される。より具体的には、この形式のＴＥ−ＴＭ偏波
スブリッテインクは、導波路１２の複屈折が導波路１０
の複屈折よりも大きく、これをまたぐときにのみ達成さ
れる。つまり、 ｎｒｖ＋ｚ＜　　（ｎｔＭ＋ｏ、　　ｎｔｃ＋ｏ）　　
＜　　ｎｔＥ＋ｚの時にのみ達成される。ここて、ｎは
有効屈折率テリ、ＴＭｉ及びＴＥｉは、１番ｒｌ（ｉ＝
ｌｏ＜１２）の導波路内の基本トランスバース磁気及び
’ｌＣＬ気光学モードを表わす。好ましくは、導波路１
０の屈折率は、導波路１２の屈折率からの約゛ト分とさ
れる。このＪ設計は、任意の偏波に対する導波路間の屈
折率の差に依存するＰｙｉ熱的トランジションの効率を
向上させる。この中間の屈折率の設計は、９νましくな
い偏波の特定の出力導波路へのクロス　トーク結合か両
方の出力導波路内で概ね同一）誹たけ抑止されることを
保証する。

必須てはないが、従来の偏波独立ファイバーにマツチす
るために、本質的に偏波独立である薄膜導波路か好まし
い。この特性は、導波路内に本質的に正方形のコア、或
は小さなコア　クラッディング屈折率差を与えることに
よって達成される。

従って、゛導波路１０はほぼ偏波独立であるが、導波路
１２は、偏波に高度に依存する。この状況か第５図に示
される。線５０及び５２は夫々導波路１０内のＴＥ及び
ＴＭモードの屈折率を表わす。

線５０及び５２かほぼ一致することは、導波路１０か本
質的に偏波独立であること（つまり、これか小さな複屈
折を持つこと）を示す。線５４及び５６は、他方、導波
路１２のＴＥ及びＴＭモードのｋ１１折率を表わす。線
５４及び５６か薄れることは、コアの厚さへの強い依存
を示す。

但し、導波路１２の複屈折か導波路１０の複屈折をまた
ぐためには、これら導波路はデバイスパラメータかクロ
スオーバー　ポイント６０と６２の間に入るように設計
されなければならない。つまり、特定のセットの材料及
びディメンションに対して、導波路１２か約ｄｅｌとｄ
ｃ２どの間の厚さを持たなければならない。屯−モード
動作に対しては、この厚さが、導波路１２か複数のモー
ドをサポートするほど厚くてはならない。

」−の基準か満たされるものと想定すると、第１図の好
ましい実施態様においては、これら導波路のトランジシ
ョンン　セクション１８は、距離との幾つかの数学的関
係に従って一〃いに断熱的に分離する。例えば、ソーン
１Ｏ１５及び１２．５内における距薄との線型或はコサ
イン（つまり、本質的に、二次方程式）の関係か満足さ
れる性能を提供する。

但し、ある好ましい実施態様においては、トランジショ
ン　セクション１８内の導波路１２のコアのチップ１２
．６は、入力セクション１４の入力の方向に向かって実
質的にゼロとなるように断熱的にテーパーされる。ｉ１
図に示されるように、コアのチップが、テーパーされた
幅を持つが、コア１２．１のチップのＨさをこの幅に加
えて、或はこの代わりにテーパーすることもできる。導
波路をいかに離するかに関して上にｌ論されたように、
チップのテーパー寸法は、モード伝播の方向に沿９て、
本質的に、二次方程式的に、或は線型的に距離とともに
変化する。

多重モード実施態様の動作においては、導波路１０．２
は、入力セクション１４内において、ＴＥ及びＴＭの両
方に対して、第６図、バートＡに示されるように、基本
モードＭ。及び−次モードＭ１の両方をサポートする。

Ｍ、及びＭｌは１両方とも、二対Ｘプロフィルにて定義
されるポテンシャル井戸の最も上７０より下に横たわる
。導波路１０．２か多毛モードてあった場合ても、ソー
ス、例えば、光ファイバー２０からの放射は、Ｍｏてな
く、Ｍ、のみか導波路内て励起されるように、導波路に
結合及び整合されなければならない。但し、入力セクシ
ョン１４の導波路は、例えば、ポテンシャル井戸か十分
に浅く、Ｍｌか井戸の新しい７０′より−１−に来るよ
うにすることによって、単一モード導波路に設計するこ
ともてきる。つまりこの場合、Ｍｌは拘束モード（ｂｏ
ｕｎｄＩＭｏｄｅ　）ではなく、従って導波路１Ｏ１２
の外に放射する。

導波路か完全に分離する出力セクション１６内において
は、導波路１２に対するモードは、第６図のＴＭに対す
るバートＥ及びＴＥに対するパーｈ　Ｇの通りである。

同様に、導波路１０に対する七−トが、第６図に、ＴＭ
に対するバートＦ及び丁Ｅに対するバートＨとして示さ
れる。個々の導波路は−４波路１２内の・ＴＭモードを
除いて、複数のモードをサポートするように示されるこ
とに注意する。つまり、導波路１２内においては、説明
の都合Ｌ、バートＥは、基本モードのみか拘束されるよ
うに示される（但し、この導波路は、ＴＭに対しては、
多重モードてあり得る）。但しＬに説明のように１人力
セクション１４か単一モード導波路から製造される場合
は、導波路１０．２かこれらセクションの両方において
同一のコア及びクラブインクを持つために、出力セクシ
ョン１６の導波路１０．２も屯−モード導波路から成る
。結果として、第６図のバートＦ及びＨは、パー）−Ａ
かこの七−トのみか入力セクション内て拘束するのを示
すのと全く同様に、Ｍｏのみか出力セクション内て拘束
されることを示す。

第６図のバートＥからＨの四つのムモードＭｏのみの比
較は、出力セクション１６内において１複屈折を持つ導
波路１２はＴＥ（バートＧ）に対して最も高い有効屈折
−ドな持ち、ＴＭ（バートＥ）に対して最も低い有効屈
折率を持ち方、複屈折を持たない導波路１０は、ＴＭ（
バートＦ）及びＴＥ（パー１−Ｈ）に対してほぼ同一の
有効ｋｊ；折率を持つことを示す。更に、これら四つの
モードの相対位置は、式（１）によって要求されるよう
に、導波路１２の基本モー１’に対する４１効屈折率か
導波路１０の基本モードに対４−るイ１効屈折率をまた
ぐことを示す。従っ°Ｃ１任意の偏波及び基本モードの
光波信号か入力セクション１４に加えられると、ＴＭ偏
波は出力導波路１０．２に結合され、ＴＥ偏波は、出力
導波路１２．２に結合される。逆に、以下の条件、つま
りｎ　丁トニＩ２＜　　（ｎ　ＴＥ１０＋　　ｎ　ＴＭ
ＩＱ）　　＜　ｎ　ＴＭ＋２か導波路１０及び１２によ
って満足されると、１Ｍ偏波は出力導波路１２．２に結
合され、ＴＥ偏波は出力導波路１０．２に結合される。

一方、第１図のデバイスは、単に信号の方向を反転する
のみで：つまり、ＴＥ偏波の信号を導波路１２．２のセ
クション１６に入力として加え、１Ｍ偏波の信号を導波
路１０．２のセクション１６に入力として加えることに
よって、ＴＥ／ＴＭ偏波コンバイナーとして機能する。

この状況下においては、これら二、つの信号は、トラン
ジション　セクション１８内において結合され、セクシ
ョン１４を通って外に伝播される。

但し、上に述べたように、第１図のデバイスはまた、Ｔ
Ｅ偏波の信号が入力として導波路１０゜２のセクション
１６に加えられたとき、或は１Ｍ偏波の信号か入力とし
て導波路１２．２のセクション１６に加えられたとき、
或はこの両方か起こったとき、偏波フィルターとしても
機能する。このような条件下においては、（１）導波路
１０゜２のセクション１４が、第６　［Ｊ、バートＡの
ボテンシャル井戸のトップか７０′の所に来るように屈
折率及び寸法を選択することによって単一（基本）モー
ドのみをサポートするように設計される、或は（２）導
波路１Ｏ８２のセクション１４か複数のモードをサポー
トする場合は、基本モードのみがデバイス（ファイバー
）に入るようにこの導波路を巾−モード　デバイス（単
一モードファイバー）に正しく結合するという前提の下
で、加えられた信号のいずれかが、デバイスの外に放射
される（つまりこれらは、拘束モードとしてこれを通じ
て伝播されることはない）。

フィルタリング機能を理解するために、個別の導波路モ
ードとは対比的に全体としての“システム′°モードの
概念を定義することが有効である。

システム　モードは、我々が、デバイスを全体として見
、モードをそれらの有効屈折率に従ってランク付けする
ことを要求する。第６図、バートＧ及びＨのデバイスを
考察する。ここでは、四つのＴＥモードの屈折率ｎＴＥ
か導波路１２（バートＧ）及び導波路１０（バートＨ）
に関して、次元Ｘに対してプロットされている。ＴＥ導
波路モードは以下のようにランクされる。つまり最も高
い屈折率を持つモードは、導波路１２の基本モードＭｏ
（１２）であり、第二番目に高い屈折率を持つモードは
導波路１０の基本モードＭ。（１０）゛〔あり、第三番
目に高い屈折率を持つモードは一部モードＭ、＜１２）
、そして最も低い屈折率は一部モードＭ、（１０）であ
る。これらＴＥモードは、Ｉｆｉ番に、基本、−次、二
次及び三次ＴＥシステムモードに以下のように対応する
。

ＴＥ導波路モード　　ＴＥシステム　モードＭ、（１２
）　　　　　　Ｍ。

Ｍｏ　　（１０）　　　　　　Ｍ。

Ｍ、（１２）　　　　　　Ｍ。

Ｍ、（１０）　　　　　　Ｍ：Ｉ 但し、この導波路とシステム　モードの対応は同一を意
味するものではない。つまり高次ＴＥシステム　モード
、例えば、Ｍ、となる基本ＴＥ導波路モード、例えば、
Ｍ、（１０）は、導波路か光学的にη二いに結合される
デバイスのセクシ三ｌンつまり導波路がオーバーラツプ
するトランジション　セクション１８内において、その
ガウス形状を二重ローノ形状（第６図、バートＢ）に変
換する。これら変換は、−ヒのチーフル並びに第６図の
バートＢに示される。バートＢは、又、ＭｏからＭ、に
対するＴＥシステム　モードの形状も示す。

第６図のバートＥ及びＦの三つのＴＭ導波路モードは、
類似する方法によって、対応するシステム　七−ドな定
義するようにランクすることかてきる。但し、第６図の
バートＣには三次（、及びこれより高い）モードＭ２か
ポテンシャル井戸のトップ７０よりも高く、従って拘束
されないという事実を図解する目的から、二つのＴＭシ
ステムモードＭ。及びＭｌのみが示される。

フィルタリンク機能を完全に理解する為には、システム
　モードと断熱原理との間の関係を理解することか必要
である。前述の如く後者は、導波路間の結合か十分に緩
やかな場合は、デバイスの中のどこかて特定のシステム
　モードか−旦励起されると、エネルギーかこのモード
内に留り、導波路及び／或はモードか形状を変えても異
なるシステム　モードに変換しないことを記述する。例
えば、基本ＴＥＥ波路そ一トＭ。（１０）（第６図、バ
ートＨ）か導波路１０．２のセクション１６の所で励起
されるものと想定する。上のテーブルに示される如く、
この導波路モードＭ。

（１０）は−次ＴＥシステム　モードＭ、に対応する。

Ｍ。　（１０）か断熱トランジション　セクション１８
を通じて伝播するとき、このガウス形状（第６図、バー
トＨ）は−次ＴＥシステム　モードＭ＋（第６図、バー
トＢ）の二重ローフ形状に変換する。−次ＴＥシステム
　モードとしてのこの特性は変化しないことに注意する
。同様にこれは、断熱テーパー１２．６を横断し、セク
ション１４から一部ＴＥモードＭ、（第６図、バートＡ
）として出る時も一面システム　モードに留まる。単一
導波路であるセクション１４内において、導波路モード
はシステム　モードと同一である。

ＴＥシステム　モードＭ１がセクション１４に入ると、
このモードかサポートされる場合は、つまり、第６図に
示されるように、Ｍｌの有効屈折率かこのポテンシャル
井戸のトップ７０よりも低いときは伝播される。そうで
ない場合は、有効屈折率かトップ７０′よりも高い場合
は１Ｍ１は導波路１Ｏ１２のセクション１４の所を伝播
する（つまり、ガイドされる）ことなく、これは導波路
の外に放射され、Ｍｌからのエネルギーの多くかボート
ｌに達することはない。従って、ボート２を介して導波
路１０に人力として加えられるＴＥ導導波路モードウ（
１０）は、ＴＥシステムモードＭ、に変換され、結果と
してフィルターされる。対応するフィルタリング動作が
、ＴＭ導波路モードＭ。（１２）をボート４を介して人
力として導波路１２に加えた場合も起こる。

本発明のこの一面は、例えば、第１図の個々の出力ブラ
ンチ１Ｏ９２及び１２．２か第１　＋ｇに示されるタイ
プの別個の偏波デバイスを形成するオーバラップ導波路
を持つような二重フィルタリング　アプリケーションに
も採用することかできる。

例 シリンコ光学ベンチ　テクノロジーにて実現される本発
明の一例としての実施態様は、シリコン基板３０（第２
同−第４図）から開始され、このＬに周知の酸化技術（
例えば、高圧蒸気酸化）によって、シリカ（ＳｉＯ２）
の層１Ｏ１３，１２，３か約１０−１５４ｍのレンジの
厚さに堆積される。その後、窒化シリコン層か周知の技
術（例えば、低圧ＣＶＤ）によって、−例としての約３
００−６００Ｘのレンジの厚さに堆積され、次に所望の
領域内に窒化シリコン導波路の薄膜コア１２．１第３．
４）を形成するために、標準のフォトリングラフィック
処理を使用してパターン化される。コアの一例としての
幅は、約４−８ルｍのレンジである。次に、トープされ
たシリカが、同様に、周知の技術（例えば、低圧ＣＶＤ
）によって、約２−６ｇｍのレンジの一例としての厚さ
に堆積され、次に一ヒと同様に要求される領域内にシリ
カ導波路の薄膜コア１０．１　（第２図第４図）を形成
するためにパターン化される。シリカ　コア１０．１の
厚さ及びコア１０．１のクラッディング１０．３の屈折
率と相対的な屈折率が、好ましくは、〃いにシリカ導波
路か本質的に偏波独立となることを保証するように設計
される。この［１的を達成するために、シリカ　コア１
０．１が、典型的にはリンにて約４−８　ｗ　ｔ％Ｐの
レンジの一例としてのレベルにトープされる。このコア
材料はしばしば、）オスホシリヶト　ガラス或はＰ−ガ
ラスと呼ばれる。最後にシリカの上側クラッド層１０．
４．１２．４か一例として、シリカ　コア１０．ｌに対
して使用されたのと同一の技術を使用して、約３−２０
゜ｍの一例としてのレンジの厚さに堆積される。但し、
このクラッディングは、約０−２　ｗ　ｔ％Ｐの一例と
してのレンジのリンを含み、従ってより低い屈折率を持
つ。典型的には、上側クラット層１Ｏ１４，１２，４及
び（下側）クラットとしてもａ能するシリカ層１０．３
は、概ね同一の屈折率を持つ。

以ドのセットのパラメータ二つまり、６ｇｍの厚さの及
び６．５ｗｔ％Ｐを持つＰ−ガラス　コア１０．１：６
ｇｍ幅ｘ５００Ｘの厚さの窒化シリコン　コア１２．１
：５ｇｍの厚さ及びＯｗ　ｔ％Ｐを持つ上側シリコン　
クラッディングＩＯ３４，１２，４；及び１５ｇｍの厚
さの下側シリコン　クラッディング１Ｏ９３，１２，３
を考える。周知の有効屈折率法及び入＝１．５５ｇｍを
使用して、我々は夫々基本モードに関してＰ−ガラス　
コアに対して ｎｖｕ＝１．４４９２及びｎＴＦ：＝１．４４９２そし
て、窒化シリコン　コアに対して ｆｉ７ｙ：　１．４４６８及びｎＴ、＝１．４５３４と
計算することかできる。従って、窒化シリコン　コアの
屈折率は、第５図に示され、また、式（１）によって定
義されるように、Ｐ−ガラスコアの屈折率をまたぐ。窒
化シリコン　コアの厚さ（例えば、ｄｈ）の適当な選択
によって、Ｐガラス　コアの屈折率は、窒化シリコン　
コアの屈折率との間のほぼ中間の所に入るようにでき、
これは上に述べた理由によって、好ましいことである。

（５，０００５のオーダーの小さなストレスによって誘
引される複屈折は上の計算によっては無視されたが、こ
の原理は変わらないことに注意する。

七に説明の構成は、単に、本発明の原理の応用を示す多
くの可能な実施態様を図解することを目的とするもので
ある。本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、他
の様々な構成が考えられる。より具体的には、バランス
ド偏波独立コヒーレン１−光波受信機においては、二つ
の偏波スプリッターを使用することかてきる。つまり、
信号とローカル発振器ソースか３ｄＢ結合器内において
混合された後、これらスプリッターかこうして混合され
た信号をＴＥ及びＴＥモードに対する異なる光学検出器
に送るために使用される。更にここては、強調か本発明
のシリコン光学ベンチ技術による実現におかれたが、第
ｍ−Ｖ族化合物技術も採用できることは勿論である。最
後に、」−に説明の３−ボート　デバイスは下に説１月
のタイプ゛の４−ボート　デバイス内に組み込むことも
てきる。

４−ボート　デバイス 第７Ｆ・４から第１０図には、光学サーキュレータ−と
して特に有効な４−ボート偏波スブリッテインク或はコ
ンハイニンタ　デバイス１００か示される。この４−ボ
ート　デバイス１００は、これに導波路１０８．ｌ及び
１１０か結合される入力／出力ボートｌ及び３、及び導
波路１０６及び１０Ｂ、４か結合される入力／出力ボー
ト２及び４を含む。導波路１０６．１０８．ｌ及び１０
８゜４は、以ドの幾つかの点か異なることを除いて第１
図−第６図との関係て前に説明のタイプと回−・の３−
ボート　デバイスを形成する。つまり（１）ボート２と
ボート４か交換されている（つまり、導波路１０６か）
５本ＴＥモードに対する最も高い有効屈折率を持つ一方
において、導波路１０８．４か基本ＴＭモードに対する
最も高い屈折率を持ち）；　　（２）これら導波路か入
力／出力セクション１１４／１１６において、巾−（基
本）モードのみをサポートするが、或はこれらか複数の
モードをサポートする場合は、高次のモードかストリ、
リビングによって、或は出力ボートの所て基本モードの
みを単一モード　デバイス（例えば、ファイバー）に結
合することによって除去され、モして（３）導波路１０
８．１及び１１０か夫々ボートｌ及び３に結合され、ま
た断熱的に中央セクション１１９に結合される点か異な
る。導波路１１０は、ＴＥ及びＴＭモードの両方に対し
て導波路１０８．１の屈折率よりも低い有効屈折率を持
つ。これとは対比的に、導波路１０６の有効屈折率は、
３−ボート　デバイスの場合と同様に、導波路１０８．
４の有効屈折率をまたぐ。

これら屈折率の関係かｍ９図に示されるが、ここで、こ
れら曲線のゼなセクションは、離された導波路に対応し
、そして、こぶのあるセクションは重なった導波路に対
応する。断熱の条件を満足させるためには、ベアの実線
の曲線かこのデハイスの長さを通して互いに交叉しない
ことか必要であり、ベアの点線の曲線についても同様で
ある。

第１図の場合と同様に、第８図の導波路１０６は中央領
域１１９内において、断熱テーパー１０６．１に終端す
るように示される。同様に、導波路１１０は、断熱テー
パー１１０．１に終端するように示される。これらテー
パーは、隣接する導波路コアか異なる材料（例えば、Ｐ
−ガラスとＳｉＮや）から製造される場合に使用される
。

７５７図−第８図の高（Ｈ）及び低（Ｌ）屈折率の命名
法は以下の通っである。つまり：　　（１）Ｈと命名さ
れる任意の導波路は、中央領域内に基本システム　モー
ドを励起し、一方、Ｌと命名される任、ｄの導波路は、
−次システム　モードを励起し；　　（２）Ｈ（ＴＭ／
ＴＥ）と命名される導波路１０８．１は、ＴＭ及びＴＥ
の両方に対して、Ｌ（ＴＭ／ＴＥ）と命名される導波路
１１０内の対応するモードよりも高い有効屈折率を持ち
（第８図の左側を参照）；　Ｌ　（ＴＭ）及びＨ（ＴＥ
）と命名される導波路１０６は、ＴＭモードに対しては
、ＴＥモモ−〜に対する高い有効屈折率よりも低い有効
屈折率を持つが、但し、ＴＥモードに対しては、これも
しくＴＥ）と命名される導波路１０８．４よりも高い有
効屈折率を持つ（第８［Ａの右側を参照）。Ｈ（ＴＭ）
及びＨ（ＴＥ）は、示されるように、はぼ等しいことに
注意する。

この命名法は、いかに光波信号か４−ボートデバイスを
通じてルートされるかを理解するのに有効である。基本
アルゴリズムは以下の通りである。つまり、特定の偏波
（例えば、ＴＥ）を持つ信号かＨと命名されるボートに
入ると、これは、これもＨと命名される反対のボートか
ら出て、同一の偏波（つまり、Ｈ（ＴＥ）と命名される
導波路）をサポートする。反対に特定の偏波を持つ信号
が、Ｌと命名されるボートに入ると、これは、これもし
と命名される反対のボートから出て、同一の偏波をサポ
ートする。こうして、ＴＥ倍信号ボート４に入ると、こ
れはＬ　（ＴＥ）と命名される導波路１０８．４１−に
来る。この信号は、導波路１１０かＬ　（ＴＭ／ＴＥ）
と命名されてお′これかＬ　（ＴＥ）並びにＬ　（ＴＭ
）を含む為に、直接、反対のボート３から出る。同様に
、ＴＭモードかＨ（ＴＭ）と命名される導波路１０８゜
４Ｆのボート４に入ると、これは、Ｈ（ＴＭ／ＴＥ）と
命名される導波路１０８．１を通って伝播し、対角線的
に、反対のボート１から出る。

逆に、ＴＥモードを持つ信号かボートｌに入ると１これ
は、反対のボート２から直接用るが、ボート１に入るＴ
Ｍモードはクロス　オーバーし対角線的に反対のボート
４から出る。同様に、ボート３にＴＥモードか入ると、
これは直接に反対のボート４から出るが、ボート３に入
るＴＭモー１〜は、クロス　オーバーし、対角線的に１
反対のボート２から出る。ヒの例においてＴＭかなされ
たように、どのモードかクロス　オーバーされるかは、
導波路の設計及びレイアウトに依存する。

ｒｎに導波路１０８．４と交叉する導波路１０６は　Ｔ
Ｅモードをクロス　オーバーさせ、ＴＭモードを真直に
通過させる。

第７図の導波路の構造か第９図の断面図にて図解される
が、ここでは、（第７図においては、簡略化の目的で省
かれている）クラッディング層ｌ１２か加えられている
。下側のシリカ　クラッディング層１０４上にシリコン
基板１０２か形成され、次に三つの重ねられたコア、つ
まり、１０６（三つのうちて最も高い屈折率を持つ５ｉ
ＮＸ）１０８（導波路１０８．１及び１０８．４に対応
する中間屈折率を持つＰ−ガラス）、及び１１０（最も
低い屈折率を持つトープされたＰ−ガラス）か形成され
る。製造の際に、導波路１１０及び１０８は同一のコア
から開始されるが、イロし導波路１１０のリン濃度（及
び、従って、屈折・（へ）は、導波路１０８をアニーリ
ンクの際に、１０８のコアに較べてＩＩＱのコアからよ
り多くのリンか追い出されるようにカバーすることによ
って選択的に変えられる。もう一つの”Ｔ　（ｋ性とし
ては、Ｐ−ガラスの比較的薄いコアを持つ導波路１１０
とＰ−ガラスのより厚いコアを持つ導波路１０８．１及
び１０８．４を作り、一つのＰ−ガラス屈折率のみか使
用されるようにする方法てある。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明の様々な実施態様による３−ボート偏
波スプリッティング、コンパイニング或はフィルタリン
グ　デバイスの略正面図であって、説明を簡潔化するた
めに、下側のコアか露出されるように最も上側のクラツ
デイング層か示されてない図； 第２図は、２８１図の線２−２に沿って切断した第一の
（例えば、入力）入力セクション１４及び第二の（例え
ば、出力）セクションのブランチ１０．２の断面図であ
って、完結のために、クラツデイング１０．４か加えら
れている図；第３図は第１図の線３−３に沿って切断さ
れた第二の（例えば、出力）セクションのブランチ１２
．２の断面図： 第４図は第１図の線４−４に沿って切断されたトランジ
ション　セクシ：１ン１８の断面図であって、完結のた
めに、クラツデイング１Ｏ２４、■２．４が加えられて
いる図； 第５図は、本発明の一つの実施態様の動作を説明するた
めに有効な複屈折薄膜導波路の有効屈折率とコアの厚さ
との関係を示すグラフ：第６図のパートＤは、第１図の
導波路コアの略正面図であり、パートＡ−Ｃ及びＥ−Ｈ
はこの構造の異なる経路内のデバイスの様々なモードに
対する有効屈折率を示す図； 第７ｆｆｌは、本発明のもう一つの実施態様による４−
ボート偏波スプリッティング、コンパイニング或はフィ
ルタリク　デバイスのフロック図を示す図； 第８図は第７図のデバイスの一つの実施態様の略正面図
であって、説明の簡潔化のために、下側コアを露出する
ために上側クラツデイングか示されている図； 第９図は第８図のデバイス内の伝播の方向（ｚ）に沿っ
てモード有効屈折率ｎか伝播の方向（Ｚ）に沿っていか
に変化するかを示す図；第１Ｏ図は、第８図の線１０−
１０に沿って切断されたトランジション　セクション１
１８の断面図であって、完結のためにクラツデイング１
１２か加えられている図； 第１１図及び１２図は、電位Ｖの急激なトランジション
に対する（第１１図）及び緩やかな（ｌｔｌｉ熱的）ト
ランジション（第１２図）に対するボウクス内の粒子の
’ｉｆｆ位と関連する量子力学モードを示す図、そして 第１３図は、誘電導波路内に伝播する光の有効屈折率旦
と関連するモードを示す図であって、導波路パラメータ
の緩やかなＩ−ランジションに適用されるときの“°断
熱的”という用語を定義するためにイｊ効な図である。 く主要部の符号の説明〉 ｌ０１１２　・・・　導波路 １０　、２ １２．２　・・・　出力フランチ １０．５ １２．５　・・・　ソーン １２．６　・・・　コアチッフ １４　・・・　入力セクション １６　・・・　出力セクション ２０　・・・　光ファイバ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光波信号の偏波を操作するためのデバイスにおいて
   、該デバイスが 基板、及び 該基板によってサポートされる第一及び第二の薄膜導波
   路（１０、１２）を含み、 該第一の導波路が第一のコア（１０．１）及び該コアを
   包囲するクラディングを含み、該第二の導波路が第二の
   コア（１２．１）及び該第二のコアを包囲するクラディ
   ングを含み、 該導波路が該第一のコア（１０．２）を含む第一のセク
   ション（１４）を持ち 該導波路が、該導波路が光学的に減結合さ れ、互いに離される第二のセクション（１６）を持ち、 該導波路が該第一及び第二のコアが最初重なり、該第一
   のセクション及び第二のセクションを互いに断熱的に結
   合するように緩やかに離れる第一のトランジションセク
   ション（１８）を持ち、該第一のトランジションセクシ
   ョンが複数のトランスバースモードをサポートする能力
   を持ち、そして 該第一及び第二のコア（１０．１、１２． １）が異なる有効屈折率を持つ異なる材料から成り、該
   コアの屈折率及びディメンジョンが互いに（１）放射が
   該第一のセクション（１８）に結合されたとき、ＴＭモ
   ードが該第二のセクション（１６）内において該第一の
   導波路（１０）に結合され、ＴＥモードが該第二のセク
   ション（１６）内において該第二の導波路（１２）に結
   合され、或は（２）ＴＭモードが該第一の導波路（１０
   ）に結合されたとき及び／或はＴＥモードが該第二の導
   波路（１２）に結合されたとき、該モードが該トランジ
   ションセクション（１８）内において結合され、該第一
   のセクション（１４）内に伝播されるように、或は（３
   ）ＴＭモードが該第二の導波路（１２）内に結合された
   とき及び／或はＴＥモードが該第一の導波路（１０）内
   に結合されたとき、該モードが該トランジションセクシ
   ョン（１８）の外に放射され、該モードからのエネルギ
   ーが実質的に該第一のセクション（１４）内に伝播され
   ないように設計されることを特徴とするデバイス。 ２、請求項１記載のデバイスにおいて、該コアの屈折率
   及びディメンジョンが互いに ｎ＿Ｔ＿Ｍ＿２＜（ｎ＿Ｔ＿Ｍ＿１、ｎ＿Ｔ＿Ｅ＿１）
   ＜ｎ＿Ｔ＿Ｅ＿２となるように設計され、ここで、￥ｎ
   ￥が有効屈折率を表わし、そしてＴＭｉ及びＴＥｉがｉ
   番目（ｉ＝１、２）内の基本トランスバース磁気及び電
   気導波路モードを表わすことを特徴とするデバイス。 ３、請求項１に記載のデバイスにおいて、該トランジシ
   ョンセクションが該導波路が互いに緩やかに離される第
   一のゾーンを含み、該第一のゾーン内の該分離が、モー
   ドの伝播の方向に沿っての距離と本質的に二次方程式或
   は線型の関係に従うことを特徴とするデバイス。 ４、請求項１に記載のデバイスにおいて、該トランジシ
   ョンセクション内の該第二のコアが本質的にゼロに断熱
   的にテーパーされるチップを持つことを特徴とするデバ
   イス。 ５、請求項１に記載のデバイスにおいて、該チップのデ
   ィメンジョンが本質的にモード伝播の方向に沿っての距
   離と本質的に二次方程式或は線型の関係に従うことを特
   徴とするデバイス。 ６、請求項１−５の任意の項に記載のデバイスにおいて
   、該第一のコアが第一のシリコン化合物からなり、そし
   て該第二のコアが第二のシリコン化合物から成ることを
   特徴とするデバイス。 ７、請求項６に記載のデバイスにおいて、該第一の化合
   物がドープされたシリカから成り、該第二の化合物が窒
   化シリコンから成ることを特徴とするデバイス。 ８、請求項１に記載のデバイスにおいて、該基板によっ
   てサポートされる第三及び第四の薄膜導波路が更に含ま
   れ、 該第三の導波路が第三のコア及び該第三のコアを包囲す
   るクラッディングを含み、 該第四の導波路が第四のコア及び該第四のコアを包囲す
   るクラッディングを含み、 該第三及び第四の導波路が該第三及び第四のコアが重な
   る該第一のセクションに結合され、該第三及び第四の導
   波路が、該第三と第四の導波路が光学的に減結合され互
   いに離される第三のセクションを持ち、 該第一のセクションが、該第一のトランジションセクシ
   ョンとともに該第三のセクションと該第一のセクション
   とを互いに断熱的に結合し、また、複数のトランスバー
   スモードをサポートする能力を持つ第二のトランジショ
   ンセクションを含み、 該コアの有効屈折率及びディメンジョンが互いに（１）
   基本ＴＭ導波路モードに対する屈折率が該第一及び第二
   の導波路の一つの中において他方よりも大きくなり、又
   、基本ＴＥ導波路モードに対する屈折率が反対に該一つ
   の導波路内において該他方よりも小さくなるよう、及び
   （２）該基本ＴＭ及びＴＥ導波路モードの両方に対する
   屈折率が該第三及び第四の導波路内の一方において他方
   よりも大きくなるように設計されることを特徴とするデ
   バイス。 ９、請求項８に記載のデバイスにおいて、該第三のコア
   が該第一のコアの拡張であることを特徴とするデバイス
   。 １０、請求項８に記載のデバイスにおいて、該第四のコ
   アが該第一及び第二のコアと異なる屈折率を持つ材料か
   ら成ることを特徴とするデバイス。 １１、請求項１乃至８に記載のデバイスにおいて、該第
   一或は第二のトランジションセクションにおいて、該導
   波路がこれらの間にある角度が形成されるように互いに
   緩やかに離されてゆき、そして該導波路がまた光学的に
   結合されている少なくとも最初の領域内で、該角度が約
   １度以下であることを特徴とするデバイス。