JPH08292334A

JPH08292334A - 統合光偏光スプリッタ

Info

Publication number: JPH08292334A
Application number: JP8097237A
Authority: JP
Inventors: Der Tol Johannes J G M Van; ヤコブスジエラルダスマリアバンデルトールヨハネス
Original assignee: Koninklijke PTT Nederland NV
Current assignee: Koninklijke PTT Nederland NV
Priority date: 1995-04-20
Filing date: 1996-04-19
Publication date: 1996-11-05
Also published as: DE69633209D1; US5696856A; EP0738907B1; NL1000182C2; DE69633209T2; ATE274711T1; EP0738907A1

Abstract

(57)【要約】【課題】長さの短い、金属層がなくしかも半導体材料
上で一つのエッチング工程で製造できる統合光偏光スプ
リッタを提供する。【解決方法】中継セクション（Ｂ）は、第一のモノモ
ード導波管（２２）及び第二のバイモード導波管（２
３）からなり、それらは、長さＬにわたって光学的に結
合している。バイモード導波管（２３）は、モノモード
導波管（２２）の偏光（ＴＥ又はＴＭ）の零次導波モー
ドに関する伝搬定数に等しい一つの偏光（ＴＥ又はＴ
Ｍ）の一次導波モードに関する伝搬定数を有する。二つ
の結合導波管は、残りの導波モードについて異なる伝搬
定数を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、統合光コンポーネ
ントの分野にある。特に、それは、方向性結合構造に基
づく統合光偏光スプリッタに関する。

【０００２】

【従来の技術】統合光偏光スプリッタは、特に、検出が
偏光ダイバーシチに基づいて行われるコヒーレント光レ
シーバの統合的実施に適用される。これらの統合光偏光
スプリッタのなかで、二三のタイプが知られている。第
一のタイプ、例えば引例（１）に記載されたもの（この
引例及び以下の引例については、下記のＣ参照）は、半
導体ＩｎＰに実現される方向性結合構造の導波モードの
伝搬上の金属層の偏光依存の影響に基づく。この周知の
偏光スプリッタは比較的短い（１．５−２ｍｍ）が、そ
の欠点は、製造技術に課さられるべき厳重な要求、並び
に製造例えば追加のエッチング工程で生ずる追加の複雑
さ、並びに方向性カップラの二つの導波管の一つだけの
金属層の大きさの決定及び沈着である。その上、金属層
の存在は、方向性カップリング構造を経て伝搬する導波
モードにおける望まない追加の減衰損失を生じさせる。
これらの欠点は、引例（２）に記載されているような第
二のタイプの偏光スプリッタで少なくとも一部排除され
る。前記の第二のタイプは、モードオーダー選択性モー
ドスプリッティングと組合わさった高いオーダーの導波
モードへの偏光の一つのモード変換に基づく。特定の周
期的な幾何学的構造及びモードスプリッタとしての大き
さの非対称Ｙ結合（それらにより、モード変換及びモー
ドスプリッティングがそれぞれ実現される）の両者は、
一つのエッチング工程で製造でき、それらは、金属層を
含まずそして半導体材料例えばＩｎＰ上で実現可能であ
る。非対称性Ｙ結合は、また、偏光モードについて選択
可能なモードスプリッタとしての大きさを有することが
できる。本発明が基づく第三のタイプの偏光スプリッタ
は、概して、例えば製造及び適用される光の波長に関し
て大きな許容範囲の利点を示す。さらに、非常に低い減
衰、並びにインプットチャンネルへ戻る非常に低い戻り
反射（特にコヒーレント検出について光源として狭帯域
レーザーを適用するとき、重要である）の追加の利点を
有する。この偏光モード選択性非対称Ｙ結合に基づく偏
光スプリッタは、ニオブ酸リチウム（引例（３）参照）
及び電気光学重合体（引例（４）参照）について知られ
ている。引例（５）に開示されているＩｎＰに実現可能
な他の偏光スプリッタは、非対称Ｙ結合の一部を形成す
るチャンネル形状の導波管中の二つの直交偏光（ＴＥ、
ＴＭ）の一次導波モード間の伝搬の比較的大きな相違を
利用する。しかし、引例（５）に開示されたスプリッタ
は、比較的大きな（４−６ｍｍ）の欠点を有する。

【０００３】

【発明の概要】本発明の目的は、引例（１）に開示され
た偏光スプリッタのような、平行な結合導波管の一組を
利用する方向性Ｙ結合の原則の変法に基づく結合光偏光
スプリッタを提供することにある。該変法は、完全な偏
光スプリッタに関して、一つのエッチング工程において
さらに金属層なしに半導体材料例えばＩｎＰについて製
造できる導波構造が適用できることを可能にする。一般
に認められるように、引例（５）に開示されたスプリッ
タは、この選択も有するが、しかし、本発明では、その
長さが引例（１）に開示されたスプリッタの長さに匹敵
するスプリッタが得られる。どの導波モードがチャンネ
ル形状の光導波中で伝搬できるかを指示するために、こ
の光ガイドは、ときに、モノモード、バイモード、トリ
モードなどと呼ばれる。これは、光ガイドが、所定の波
長及び偏光を有する光信号のそれぞれ一つ、二つ、三つ
などの導波モードを導くのに好適であることを意味す
る。本発明の構成では、これは、チャンネル形状の光ガ
イドが、オーダー１、２、３などの導波の様式（ｍｏｄ
ａｌｉｔｙ）を有するということにより表現される。そ
の目的のため、請求項１の前文による偏光スプリッタ
は、本発明により請求項１により特徴づけられる。

【０００４】二つの平行な結合導波管の間の導波モード
の間の完全なアクロス結合（ｃｏｕｐｌｉｎｇａｃｒ
ｏｓｓ）に関して、これらの導波管は、たとえ同一であ
るとしても、必ずしも同一である導波の様式を有する必
要がないという洞察に基づく。この目的のために、結合
されるべき導波モードに関する結合導波管が等しい伝搬
定数を有し、一方導波管の残りの導波モードに関する伝
搬定数がそれとは異なりさらに互いに異なることのみが
必須である。この場合、結合されるべき導波モード間の
相の関係は、電力の最適な交換が可能な結果として、結
合された導波管の一組を経る伝搬の場合、全結合長さに
沿って維持される。本発明による偏光スプリッタが基づ
く原則は、概して、高いオーダーの導波の様式を有する
結合導波管に適用できるが、簡単のために、導波管の導
波の様式は、好ましくはできる限り低く維持される。好
ましい態様では、本発明は、請求項２により特徴づけら
れる。バイモードの導波管が、モノモード導波管の同じ
偏光（ＴＥ₀₀又はＴＭ₀₀）の零次導波モードに関する伝
搬定数に等しい偏光（ＴＥ₀₁又はＴＭ₀₁）の一次モード
に関する伝搬定数を有することを知ることにより、前記
の二つの導波モードは同期的であり、そして完全なそれ
らの間のアクロス結合が可能である。その結果は、二つ
の直交偏光（ＴＥ₀₀及びＴＭ₀₀）の零次の導波モードに
従って伝搬するモノモード導波管中に注入される光信号
では、偏光（ＴＥ₀₀又はＴＭ₀₀）の一つの零次モード
は、バイモード導波管の該偏光（ＴＥ₀₁又はＴＭ₀₁）の
一次モードへ結合し、一方他の零次導波モード（ＴＭ₀₀
又はＴＥ₀₀）は、モノモード導波管で維持される。この
結合の作用は、必要な変更を加えて、バイモード導波管
中に注入される光信号で一次導波モードについて生ず
る。他の好ましい態様では、二つの結合導波管は、主と
して幅でのみ異なる導波プロフィルを有する。これは、
リッジタイプの導波管を適用させ、それにより完全な変
更スプリッタについて可能な一つのエッチング工程によ
り実現させる。それらの伝搬の作用に関して、横に結合
して伝搬する二つの直交偏光の一次導波モード、薄い光
伝導層のチャンネル形状の導波管は、しかし、互いにか
なり異なる。従って、ＴＭ偏光について、横の閉じこ
め、そしてそれによる一次導波モードの導きは、ＴＥ偏
光に関するそれより遥かに強い。この結果は、比較的大
きな横の相違の結果であり、それは、導波管（例えば、
リッジタイプ導波管のリッジ）を決める構造内の伝搬定
数そしてこの構造の一面に対して比較的大きさ差異が存
在することとされる。その結果、二つの結合導波管の間
の所定の結合距離の場合、アクロス結合は、ＴＭ偏光の
導波モードに関するのよりもＴＥ偏光の導波モードに関
して強いだろう。それ故、導波管の導波プロフィルの大
きさは、好ましくは、バイモード導波管のＴＥ偏光の一
次導波モードに関する伝搬定数が、モノモード導波管の
ＴＥ偏光の零次導波モードの伝搬定数に等しいようにさ
れる。

【０００５】Ｃ．引例（１）Ｐ．Ａｌｂｒｅｃｈｔら、「ＴＥ／ＴＭｍｏｄ
ｅｓｐｌｉｔｔｅｒｓｏｎＩｎＧａＡｓＰ／Ｉｎ
Ｐ」ＩＥＥＥＰｈｏｔ．Ｔｅｃｈｎ．Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ，ｖｏｌ．２，ｎｏ．２，１９９０年２月、ｐｐ．１
１４／５。（２）ＥＰ−Ａ−０５２２６２５。（３）Ｊ．Ｊ．Ｇ．Ｍ．ｖａｎｄｅｒＴｏｌら、
「Ａｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｓｐｌｉｔｔｅｒ
ｏｎＬｉＮｂＯ₃，ｕｓｉｎｇｏｎｌｙｔｉｔａ
ｎｉｕｍｄｉｆｆｕｓｉｏｎ」Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗ．Ｔ
ｅｃｈｎ．，ｖｏｌ．９，ｎｏ．７，１９９１年７月、
ｐｐ．８７９−８８６。（４）ＥＰ−Ａ−０４４４７２１。（５）ＥＰ−Ａ−０６０９９２７。全ての引例は、本発明に引用されるものと考えられる。

【０００６】本発明は、以下の図を参照しつつ、例示的
な態様の記述によりさらに説明されるだろう。図１は、
リッジタイプ導波管の断面プロフィルを概略的に示す。
図２は、本発明による偏光スプリッタの態様を一定の割
合で拡大した平面図を概略的に示す。

【０００７】本発明は、例示のために、燐化インジウム
（ＩｎＰ）に基づくチャンネル形状のリッジタイプ導波
管構造に制限されるが、本発明は、従来の材料の光伝達
層におけるチャンネル構造の統合された構成部分（例え
ば、「リッジ」タイプ、「埋込（ｂｕｒｉｅｄ）タイ
プ」、「ストリップ−ローデッド（ｓｔｒｉｐｌｏａ
ｄｅｄ）タイプ」）で認められた、任意のタイプで実現
可能であることが強調される。図１では、燐化インジウ
ム（ＩｎＰ）に基づくリッジタイプ導波管の断面プロフ
ィルが概略的に示される。両者ともＩｎＰから作られる
基体１１及び頂部層１２の間では、厚さｔのＩｎＧａＡ
ｓＰのいわゆる４元素からなる層である光伝達層１３が
存在する。位置的に、導波の長さにわたって、頂部層１
２は、例えば最初の厚さＨを有する頂部層が、一部のエ
ッチングにより離れて得られたとしたとき、高さｈ及び
幅ｗを有するリッジタイプの隆起１２．１を示す。周知
なように、大きさ（ｈ、Ｈ、ｗ及びｔ）の好適な選択の
場合、この隆起１２．１は、光伝達層中を伝搬する光波
について横の制限を実施して、光伝達チャンネルが創ら
れる。好適にｔ、Ｈ及びｈを選んだとして、幅ｗの変化
は、それらが所定の波長及び偏光を有する光信号のそれ
ぞれ一つ、二つ、三つなどの導波モードのガイドに好適
であるといわれるモノモード、バイモード、トリモード
などである光伝達チャンネルを提供するようになる。こ
れは、光伝達チャンネルが、オーダー１、２、３などの
導波様式を有するということにより実現される。このや
り方で示されるとき、モノモードガイドは、オーダー１
の導波様式を有し、バイモードガイドは、オーダー２の
導波様式を有するなどとなる。モノモード導波管は、二
つの直交偏光ＴＥ及びＴＭの少なくとも一つの零次モー
ドをガイドするが、それより高いオーダーの導波モード
をガイドしない。バイモード導波管は、いずれにして
も、二つの偏光の少なくとも一つの一次モードをガイド
するが、それより高いオーダーの導波モードをガイドし
ない。

【０００８】図２では、本発明による偏光スプリッタの
導波パターンが平面図で概略的に示される。導波パター
ンは、図１によるリッジタイプのパターンとして実施さ
れる。導波パターンは、導波セクションＡ、Ｂ及びＣ、
即ち入力セクションＡ、中継セクションＢ、出力セクシ
ョンＣからなる。入力セクションＡは、導波管２１から
なり、偏光ＴＥ及びＴＭの両者についてモノモードであ
る。中継セクションＢは、二つの結合導波管２２及び２
３からなる。この接続において、導波管２２は、入力セ
クションＡの直接的な連続を形成し、そしてそれと同じ
導波プロフィルを有する。導波管２３は、結合長さと呼
ばれる一定の長さＬにわたってそして相互の距離ｄで導
波管２２に平行に置かれる。導波管２３は、いずれにし
ても偏光ＴＥについてバイモードであり、そして導波管
２２のＴＥ₀₀モードに関する伝搬定数に等しいＴＥ₀₁モ
ードに関する伝搬定数を有する。出力セクションＣは、
射出光信号（矢印Ｏ₁及びＯ₂）に関するそれぞれ二つ
のモノモード出力ガイド２４及び２５からなる。出力ガ
イド２５及び他のモノモードガイド２６はともに、モー
ドフィルターとして操作するバイモードトランク（ｔｒ
ｕｎｋ）により非対称Ｙ結合の発散ブランチを形成す
る。この接続において、両方の偏光に関するガイド２６
は、ガイド２５のそれよりやや大きい幅により、例えば
図に示されるように、やや大きな伝搬定数を有する。ガ
イド２６は、ダミーガイドであり、それは、ガイド２５
及び２６が分断されつつあると考えることのできるガイ
ド２５の距離で終わる。アダプタ２７は、出力セクショ
ンＣの非対称Ｙ結合のバイモードガイドトランクへのバ
イモード導波管２５の断熱接続をもたらす。この例示の
態様では、出力セクションの非対称Ｙ結合のバイモード
トランクの長さは、零であると選択される。図２による
導波パターンを有する偏光スプリッタは、以下のように
操作される。ＴＥ偏光の零次導波モード、即ち入力ガイ
ド２１により導波管２２に（矢印Ｉに従って）入るＴＥ
₀₀信号は、導波管２２の導波セクションＢの結合導波管
２２及び２３の特に選ばれた伝搬定数及び結合長さの結
果として、導波管２３にアクロス結合し、次に、アダプ
タ２７の断熱結合により、さらに同じ偏光の一次導波モ
ード、即ちＴＥ₀₁信号として伝搬する。次に、ＴＥ₀₁信
号は、第二の最高の伝搬定数を有するチャンネル、即ち
出力ガイド２５を選ぶ。出力ガイド２５がモノモードで
あるので、信号は、矢印Ｏ₁の方向に出力セクションＣ
の出力ガイド２５を経てＴＥ₀₀信号としてさらに伝搬す
るだろう。入力セクションＡの導波管２１を経てまた導
波管２２に入るＴＭ偏光の零次導波モード、ＴＭ₀₀信号
は、結合導波管の一組におけるＴＭ偏光に関するその伝
搬定数が適合しないので、中継セクションＢでアクロス
結合しないだろう。そのため、ＴＭ₀₀信号それ自体は、
さらに導波管２２から出力導波管２４中へ伝搬するだろ
う。それ故、任意の相対強さ及び任意の相対の相のＴｅ
₀₀コンポーネント及びＴｍ₀₀コンポーネントを概して含
む未知の偏光を有するモノモード入力ガイド２１（矢印
Ｉ）を経て入る信号は、ＴＥ₀₀コンポーネントを（殆
ど）排他的に含む出力ガイド２５（矢印Ｏ₁）を経て出
る信号、並びにＴＭ₀₀コンポーネントを（殆ど）排他的
に含む出力ガイド２５（矢印Ｏ₂）を経て出る信号に分
裂されるだろう。

【０００９】

【実施例】図２において、上記の構造は、一定の割合で
拡大して既に示されている。構造の長さは、ｚ軸に沿っ
てｍｍで示され、一方構造の幅は、ｘ軸に沿ってμｍで
示される。「ビーム伝搬法」の名で一般に知られている
シミュレーション法の助けにより、この構造の偏光−ス
プリッティング作用がシミュレートされる。このシミュ
レーションでは、以下のデータが使用される。光信号の波長（λ）：１．５５μｍ。屈折率：ＩｎＰ：３．１７５４、及びＩｎＧａＡｓＰ：
３．４１１６。光伝達層１３（ＩｎＧａＡｓＰ）の厚さ（ｔ）：４６０
ｎｍ。頂部層１２（ＩｎＰ）の厚さ（Ｈ−ｈ）：１７５ｎｍ。頂部層より上のリッジ高さ（ｈ）：３２５ｎｍ。セクションＡ：長さ：無関係、入力ガイド２１のリッジ
幅：１．５μｍ。セクションＢ：長さ：８００μｍ、導波管２２のリッジ
幅：１．５μｍ、導波管２３のリッジ幅：５．２μｍ、
導波管２２及び２３の間のリッジ距離ｄ：２．０μｍ。セクションＣ：長さ：８５０μｍ、出力ガイド２４及び
２５のリッジ幅：１．５μｍ、ダミーガイド２６のリッ
ジ幅：２．５μｍ、ガイド２５及び２６のリッジ間の発
散角：７．０ｍｒａｄ（０．４度）、アダプタ２７の長
さ：１５０μｍ、５．２から４．０で幅の減少。バイモード導波管２３の５．２μｍのリッジ幅は、Ｅｆ
ｆｅｃｔｉｖｅＩｎｄｅｘＭｅｔｈｏｄ（ＥＩＭ
法）として知られているコンピュータ化法の助けによ
り、即ちこの幅に関して、導波管２２のＴＥ₀₀モードの
伝搬定数が、導波管２３のＴＥ₀₁モードの伝搬定数に等
しいやり方で、決定された。シミュレーションの結果と
して、両者の偏光に関して、スプリッティング比は、９
９／１より大きく、そして無視してよいダンピング（＜
０．１ｄＢ）で得られた。出力セクションＣにおいて、
出力ガイド２５及びダミーガイド２６、及びアダプタ２
７からなる非対称Ｙ結合は、もし偏光スプリッタが、例
えば出口ガイドに直接接続された光検出器の助けにより
出力信号（矢印Ｏ₁及びＯ₂）が直接検出されるやり方
で適用されるならば、省略できる。

【００１０】この場合、出口信号の強度のみが重要であ
り、それは、それにより出口信号が検出器の感光表面を
打つ導波モードのオーダー数に無関係である。中継セク
ション及び出力セクションＣの転移において、入力信号
（矢印Ｉ）の偏光分裂は、概に完了しているので、ガイ
ド２５の代わりに、この場合、バイモード導波管２３の
直接連続を形成しているバイモードガイド２８（破線）
は、該導波管（矢印Ｏ ₁）を経て出る信号に関する出力
ガイドとして働くことができる。出力ガイド２４及び２
８の間の分断が、非対称Ｙ結合で必要であるより遥かに
広い発散角で行われうるので、この適用では、偏光スプ
リッタの合計の長さは、なおかなり減少することができ
る（約１ｍｍまで）。上記では、偏光スプリッタは、受
動のコンポーネントとして記述される。これは、分裂効
果が、それにより所定の製造の許容度内で結合導波管２
２及び２３の一組の二つの特定の伝搬定数が互いに等し
い精度の度合いに依存することを意味する。これらと無
関係であるために、コンポーネントにおいて、二つの伝
搬定数が大きな精度で互いに等しいやり方で導波管２２
及び２３の一組の一つ又は両者の有効な屈折率に影響を
与えるために、手段をさらに加えることができる。Ｉｎ
Ｐに関する上記の態様では、これは、特に、例えば導波
管２３の上及び下に設けられた金属電極の一組の助けに
より、電荷キャリア注入によって達成できる。良好な操
作では、電極は、導波管自体から緩衝層により分離され
たままでなければならないので、これらの電極の金属
は、導波管に直接適用される引例（１）に開示された偏
光スプリッタの金属層よりガイドにおける光伝搬に遥か
に低いダンピング効果を有する。前記の周知のスプリッ
タにおいて、金属層は、偏光の一つの導波モードの伝搬
に影響することを特に目的としていた。

【図面の簡単な説明】

【図１】リッジタイプ導波管の断面プロフィルを概略的
に示す。

【図２】本発明による偏光スプリッタの態様を一定の割
合で拡大した平面図を概略的に示す。

【符号の説明】

１１基体１２頂部層１２．１隆起１３光伝達層２１導波管２２導波管２３導波管２４出力ガイド２５出力ガイド２６ダミーガイド２７アダプタ２８出力ガイド

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第一のチャンネル形状の導波管を囲む第
一の導波セクション、それらが光学的に切り離される間
隔まで物理的に分離されしかも互いに発散される第二及
び第三のチャンネル形状の導波管を囲む第二の導波セク
ション、その一組の中の第一の導波管が、第一の導波セ
クションの第一のチャンネル形状の導波管と第二の導波
セクションの第二のチャンネル形状の導波管との間に導
波接続を形成しさらにその一組の中の第二の導波管が、
第二の導波セクションの第三のチャンネル形状の導波管
に導波的に接続されている、限定された結合の長さで相
互に結合されている結合されたチャンネル形状の導波管
の一組を囲む中継導波セクションを設けられた、基体及
び基体により支持される光導波薄層を含む統合光偏光ス
プリッタにおいて、結合導波管の一組の導波管が、オー
ダーの異なる導波様式を有し、さらに導波管が、二つの
相互に直交する偏光の第一（ＴＥ又はＴＭ）のオーダー
の異なる二つの導波モードについて等しい伝搬定数を有
ししかも残りの導波モードについて異なる伝搬定数を有
することを特徴とする偏光スプリッタ。
【請求項２】結合導波管の一組が、モノモード及びバ
イモード導波管を囲むことを特徴とする請求項１の偏光
スプリッタ。
【請求項３】二つの結合導波管が、主として幅が異な
る幾何学的構造により決定される導波プロフィルを有す
ることを特徴とする請求項１又は２の偏光スプリッタ。
【請求項４】結合導波管の一組の導波プロフィル決定
幾何学的構造の大きさは、バイモード導波管におけるＴ
Ｅ偏光の一次導波モードに関する伝搬定数が、モノモー
ド導波のＴＥ偏光の零次導波モードの伝搬定数に等しい
ようにされることを特徴とする請求項３の偏光スプリッ
タ。
【請求項５】第一の導波セクションの第一のチャンネ
ル形状の導波管、第二の導波セクションの第二のチャン
ネル形状の導波管、及び結合導波管の一組の第一の導波
管が、モノモードであり、そして結合導波管の一組の第
二の導波管及び第二の導波セクションの第三のチャンネ
ル形状の導波管が、バイモードであって互いに直接接続
していることを特徴とする請求項２−４の何れか一つの
項の偏光スプリッタ。
【請求項６】第一の導波セクションの第一のチャンネ
ル形状の導波管、第二の導波セクションの第二及び第三
のチャンネル形状の導波管、並びに結合導波管の一組の
第一の導波管が、モノモードであり、そして結合導波管
の一組の第二の導波管が、バイモードであり、さらに第
二の導波セクションが、さらに、その非対称Ｙ接合で第
三のチャンネル形状の導波管が一部を形成する結合導波
管の一組の第二の導波管に導波的に接続する、モードフ
ィルタとして必要な大きさを有する非対称Ｙ接合を囲む
ことを特徴とする請求項２−４の何れか一つの項の偏光
スプリッタ。