WO2014208601A1 - 高次偏波変換素子、光導波路素子、及びｄｐ－ｑｐｓｋ変調器 - Google Patents

高次偏波変換素子、光導波路素子、及びｄｐ－ｑｐｓｋ変調器 Download PDF

Info

Publication number
WO2014208601A1
WO2014208601A1 PCT/JP2014/066846 JP2014066846W WO2014208601A1 WO 2014208601 A1 WO2014208601 A1 WO 2014208601A1 JP 2014066846 W JP2014066846 W JP 2014066846W WO 2014208601 A1 WO2014208601 A1 WO 2014208601A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
core
width
polarization conversion
optical waveguide
refractive index
Prior art date
Application number
PCT/JP2014/066846
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
岡　徹
一宏 五井
憲介 小川
裕幸 日下
Original Assignee
株式会社フジクラ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社フジクラ filed Critical 株式会社フジクラ
Priority to CN201480035844.8A priority Critical patent/CN105408786B/zh
Priority to SG11201510495TA priority patent/SG11201510495TA/en
Priority to EP14817393.3A priority patent/EP3002616A1/en
Priority to JP2014552239A priority patent/JP5728140B1/ja
Publication of WO2014208601A1 publication Critical patent/WO2014208601A1/ja
Priority to US14/976,603 priority patent/US9557482B2/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/126—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind using polarisation effects
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/105—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type having optical polarisation effects
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/1228—Tapered waveguides, e.g. integrated spot-size transformers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/27—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means
    • G02B6/2726—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means in or on light guides, e.g. polarisation means assembled in a light guide
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/27—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means
    • G02B6/2753—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means characterised by their function or use, i.e. of the complete device
    • G02B6/2766—Manipulating the plane of polarisation from one input polarisation to another output polarisation, e.g. polarisation rotators, linear to circular polarisation converters
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12035—Materials
    • G02B2006/12038—Glass (SiO2 based materials)
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12035—Materials
    • G02B2006/12061—Silicon

Definitions

  • the present invention relates to a substrate-type optical waveguide element used in, for example, optical fiber communication, and more particularly to a high-order polarization conversion element that performs polarization conversion, an optical waveguide element, and a DP-QPSK modulator.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2013-135490 filed in Japan on June 27, 2013, the contents of which are incorporated herein by reference.
  • optical circuit components such as a transceiver increases as the amount of information transmitted by optical communication increases. For this reason, in order to increase the number of optical circuit components in a limited space, it is necessary to reduce the size of optical elements constituting the optical circuit components and to achieve high density integration.
  • Optical circuit components optical modulators
  • silicon-based substrate-type optical waveguides silicon optical waveguides
  • the silicon optical waveguide uses a silicon-based material (Si, Si 3 N 4 etc.) with a large refractive index for the core, and a material (SiO 2 , air, Si 3 N 4 etc.) with a large refractive index difference from the core for the clad.
  • This is an optical waveguide having a large so-called relative refractive index difference.
  • the relative refractive index difference is large, the confinement of light in the core becomes large, so that sharp bending is possible, which is suitable for downsizing and high-density integration of optical elements.
  • a substrate-type optical waveguide has an asymmetric shape in the width direction parallel to the substrate and the height direction perpendicular to the substrate.
  • TE mode a mode having substantially only an electric field component in the width direction
  • TM mode a mode having substantially only an electric field component in the height direction
  • the characteristics such as the effective refractive index are different from the polarization mode.
  • the basic TE mode (TE 0 ) and the basic TM mode (TM 0 ) are often used.
  • TE 0 is a mode having the largest effective refractive index among the TE modes.
  • TM 0 is a mode having the largest effective refractive index among TM modes.
  • the TE 0 is used as input light to optimized desired planar optical waveguide device with respect to TE 0, and a method of polarization converting the output into TM 0.
  • polarization conversion refers to conversion from TE 0 to TM 0 or from TM 0 to TE 0 .
  • a substrate type optical waveguide element that performs polarization conversion on the substrate is required.
  • TE 1 represents a TE mode having the second highest effective refractive index. Since TE 1 has an electric field component in the same direction as TE 0 , it can be converted by using a directional coupler that can be manufactured only by a simple process such as paralleling rectangular optical waveguides. Therefore, if an element that converts TE 1 to TM 0 is realized, polarization conversion can be performed via TE 1 .
  • a silicon optical waveguide has a large birefringence and thus has a strong polarization dependency. For example, when TE 0 and TM 0 are input to the optical element, the characteristics of the optical element are greatly different. In order to solve this problem, a polarization diversity system in which the same mode is input to the optical element using a polarization conversion element that converts TM 0 to TE 0 (or vice versa) is used. Therefore, a small polarization conversion element is essential for downsizing and high-density integration of optical elements. As a polarization conversion element technology using a silicon optical waveguide, a method of converting TE 0 into TE 1 and then converting TE 1 into TM 0 has been proposed.
  • Non-Patent Document 1 is cited as a technique for performing polarization conversion using such conversion between TE 1 and TM 0 (hereinafter referred to as high-order polarization conversion) on a substrate-type optical waveguide.
  • FIG. 2 (a) and FIG. An example is shown in FIG.
  • the optical waveguide device disclosed in Non-Patent Document 1 includes a directional coupler portion (coupling portion) and a tapered optical waveguide portion (tapered portion), and has a structure in which the output end of the coupling portion is connected to the tapered portion.
  • the coupling portion is a substrate type optical waveguide device that converts TE 0 into TE 1 and the taper portion converts TE 1 into TM 0 .
  • FIG. 1 (a) and FIG. 1 (c) show a rectangular part called the core, a horizontal lower clad located at the bottom of the core and having a refractive index lower than that of the core, and an upper clad covering a core having a refractive index lower than that of the core and different from the lower clad. ing.
  • FIG. 1 (a) and FIG. 1 (c) shows a graph of the effective refractive index with respect to the core width.
  • FIG. 1 (b) shows a graph of the effective refractive index of an optical waveguide having a vertically symmetrical refractive index cross section in which the upper cladding and the lower cladding have the same refractive index.
  • the graph showing the change in the effective refractive index of each mode with respect to the change in the width direction has a refractive index cross-sectional structure.
  • the degenerated points TE 1 and TM 0 are separated.
  • FIG. The graph of 1 (a) shows that the mode with the second highest effective refractive index is from TM 0 (basic TM mode) to TE 1 (higher order TE mode) while the waveguide width is increased near the waveguide width of 0.7 ⁇ m.
  • TE 1 and TM 0 are continuously connected in the form of an effective refractive index curve, so that it is possible to perform high-order polarization conversion with a small loss by gently changing the waveguide width.
  • This phenomenon is utilized in the taper portion of the above-described polarization conversion element, and by adopting a taper structure that gradually changes in a range in which the waveguide width is converted from TE 1 to TM 0 , a higher-order polarization is obtained. Wave conversion is performed.
  • Non-Patent Document 2 discloses that high-order polarization conversion is performed by using the same material (SiO 2 ) for the upper and lower clads and making the cross-sectional structure of the core asymmetric in the vertical direction.
  • Non-Patent Document 2 is shown in FIG. 11 etc. discloses a high-order polarization conversion element in which one end of the cross section of the input / output section has a cross section structure of a rib waveguide and the other end has a cross section structure of a rectangular waveguide.
  • Non-Patent Document 1 discloses that materials having different refractive indexes in the upper clad and the lower clad are required in the tapered portion that performs higher-order polarization conversion. When such a new material is used, an extra process is required and a material that is not originally used in another optical waveguide portion is required. Therefore, it is disadvantageous in terms of efficiency and cost.
  • the lower clad is a material used in the optical waveguide, and there is a method in which the upper clad material is air.
  • the optical waveguide is exposed in the manufacturing process, the characteristics are deteriorated due to the adhesion of foreign substances, and the yield is lowered.
  • Non-Patent Document 2 since the cladding region in the width direction of the rib waveguide is narrow, the light confinement in the width direction becomes weak, and a large loss is caused in the bending waveguide portion due to the steep bending radius. Sometimes. Therefore, when a rib waveguide is used, it is necessary to increase the bending radius (several tens to several hundreds ⁇ m), and it is difficult to achieve high-density integration with the structure disclosed in Non-Patent Document 2. That is, when aiming at high-density integration of the optical elements in the optical circuit component, it is necessary to connect the optical elements with a rectangular waveguide whose width direction is sufficiently covered with the clad.
  • Non-Patent Document 2 Even if the conversion structure from the rib waveguide to the rectangular waveguide is combined with the end portion of the rib waveguide disclosed in Non-Patent Document 2, a rectangular-rib conversion section is required. Therefore, it is difficult to reduce the size of the optical element.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and is capable of performing polarization conversion between TE 1 and TM 0 without having different refractive indexes between the upper clad and the lower clad. It is an object of the present invention to provide a polarization conversion element and an optical waveguide element, and to provide a high-order polarization conversion element and an optical waveguide element that achieve both miniaturization and high density integration.
  • a high-order polarization conversion device is provided with a substrate, a lower clad provided on the substrate, a lower clad provided on the lower clad, and having a constant rectangular cross section.
  • the core can guide light from a start portion where the width of the lower core and the width of the upper core are the same to an end portion where the width of the lower core and the width of the upper core are the same. And at least one of the width of the upper core and the width of the lower core continuously decreases with respect to the light guiding direction between the start portion and the end portion.
  • both the width of the upper core and the width of the lower core do not increase from the start portion to the end portion, and at the start portion, the effective refractive index of TE 0 is larger than the effective refractive index of TE 1 , and the TE 1 the effective refractive index is greater than the effective refractive index of the TM 0, at the end portion of the optical waveguide, greater than the effective refractive index of the TE 0 is the effective refractive index of the TM 0, the effective refractive index of the TM 0 greater than but effective refractive index of the TE 1
  • the core has a vertically asymmetric structure in which the width of the upper core and the width of the lower core are different.
  • the high-order polarization conversion element performs high-order polarization conversion between TE 1 at the start portion and TM 0 at the end portion.
  • the width of the lower core is always larger than the width of the upper core, and the lower side of the upper core is the lower core in a cross section perpendicular to the direction in which the light is guided. It may always be included on the top side.
  • both ends in the width direction of the upper core may not always overlap with both ends in the width direction of the lower core, respectively.
  • One end in the width direction of the upper core may always overlap one end in the width direction of the lower core between the start portion and the end portion.
  • the height of the core is 210 nm or more and 230 nm or less
  • the width of the core is 700 nm or more
  • the height of the core is 210 nm or more and 230 nm or less
  • the width may be 620 nm or less.
  • the lower core and the upper core may be made of Si, and the lower clad and the upper clad may be made of SiO2.
  • the width of the upper core decreases from the start part to the intermediate part and is constant from the intermediate part to the end part
  • the width of the lower core is constant from the start part to the intermediate part, and from the intermediate part to the end It may be reduced up to a part.
  • An optical waveguide device includes the above-described high-order polarization conversion device, the first optical waveguide to which the high-order polarization conversion device is not connected, and the high-order polarization conversion.
  • a directional coupler composed of a second optical waveguide connected to the start portion of the element. Further, TE 0 is guided in the first optical waveguide, TE 1 is guided in the second optical waveguide, and TE 0 of the first optical waveguide is TE of the second optical waveguide. 1 can be combined.
  • the difference between the effective refractive index of TE 0 of the first optical waveguide and the effective refractive index of TE 0 of the second optical waveguide may be 0.2 or more.
  • a DP-QPSK modulator includes the optical waveguide element.
  • the core of the optical waveguide is composed of an upper core and a lower core having different widths, and has a core shape having asymmetry in the vertical direction, whereby different refractive indexes are obtained in the upper clad and the lower clad. Even if it is not provided, it is possible to perform high-order polarization conversion.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line IVb-IVb in FIG. 4A.
  • FIG. 4B is a sectional view taken along line IVc-IVc in FIG. 4A.
  • FIG. 4B is a sectional view taken along line IVd-IVd in FIG. 4A.
  • FIG. 6B is a sectional view taken along line VIb-VIb in FIG. 6A.
  • FIG. 6B is a sectional view taken along line VIc-VIc in FIG. 6A. It is a top view of the core of the modification of the 1st or 2nd embodiment of the high-order polarization conversion element concerning the embodiment of the present invention.
  • FIG. 9B is a cross-sectional view taken along line IXb-IXb in FIG. 9A.
  • FIG. 9B is a cross-sectional view taken along line IXc-IXc in FIG. 9A.
  • FIG. 11B is a cross-sectional view taken along line XIb-XIb in FIG. 11A.
  • FIG. 11B is a sectional view taken along line XIc-XIc in FIG. 11A.
  • FIG. 1 It is a top view of the core of the example of a modification of the high order polarization conversion element concerning a 5th embodiment of the present invention. It is a top view of the core of the example of a modification of the high order polarization conversion element concerning a 5th embodiment of the present invention. It is a top view of the core of the example of a modification of the high order polarization conversion element concerning a 5th embodiment of the present invention.
  • the top view of the core of an example of the polarization conversion element which combined the high-order polarization conversion element which concerns on embodiment of this invention with the asymmetrical directional coupler, (b) is sectional drawing which follows the XIIIb-XIIIb line
  • 13B is a sectional view taken along line XIIIb-XIIIb in FIG. 13A. It is a top view of the core of another example of the polarization conversion element which combined the high-order polarization conversion element which concerns on embodiment of this invention with the asymmetrical directional coupler. It is sectional drawing of the core of the asymmetrical directional coupler of another example of the polarization conversion element which combined the high-order polarization conversion element which concerns on embodiment of this invention with the asymmetrical directional coupler. It is a schematic diagram which shows an example of a DP-QPSK modulator. It is a schematic diagram which shows an example of a polarization diversity coherent receiver. It is a schematic diagram which shows an example of a polarization diversity system.
  • FIG. 6 is a graph showing a change in effective refractive index with respect to the lower base in Calculation Example 1.
  • (A) to (d) are calculation examples 1 and show electric field amplitudes when the lower base is 0.5 ⁇ m.
  • (A) to (d) are calculation examples 1 and show electric field amplitudes when the lower base is 0.6 ⁇ m.
  • (A) to (d) are calculation examples 1 and show electric field amplitudes when the lower base is 0.8 ⁇ m.
  • (A) to (d) are calculation examples 1 and show electric field amplitudes when the lower base is 1.2 ⁇ m.
  • 4 is a graph showing a change in effective refractive index with respect to a Z coordinate in Example 1.
  • (A)-(d) is a figure which shows the electric field amplitude of a start part cross section in Example 1, respectively.
  • 6 is a graph of wavelength dependence of conversion loss obtained in Example 1. It is the simulation result which calculated
  • 10 is a graph showing changes in effective refractive index in the structure of Example 3.
  • 6 is a graph showing changes in effective refractive index in the structure of Example 4;
  • 10 is a graph showing changes in effective refractive index in the structure of Example 5.
  • 10 is a graph showing the wavelength dependence of polarization conversion loss in the structure of Example 7.
  • 10 is a graph showing the wavelength dependence of TE 0 transmission loss in the structure of Example 7.
  • FIG. 33 is a plan view illustrating an example of a DP-QPSK modulator including the conversion multiplexing element in FIG. 32.
  • FIG. 33 is a plan view showing another example of a DP-QPSK modulator including the conversion multiplexing element of FIG. 32.
  • the conversion multiplexing element of Example 8 it is a figure which shows the simulation result of (a) mode distribution of the fundamental TE mode in the cross section of an input part, and (b) mode distribution of the high order TE mode in the cross section of a multiplexing part.
  • FIG. 5 is an image diagram of embedding in a tapered waveguide when the configuration shown in FIGS. 4A to 4D is used. It is a figure which shows the example of a design of the high-order polarization conversion part using embodiment which concerns on this invention. It is a figure which shows the example of a design of the high-order polarization conversion part using embodiment which concerns on this invention. It is a figure which shows the example of a design of the high-order polarization conversion part using embodiment which concerns on this invention. It is a figure which shows the example of a design of the high-order polarization conversion part using embodiment which concerns on this invention.
  • FIG. 10 It is a figure which shows the example of a design of the high-order polarization conversion part using embodiment which concerns on this invention. It is a figure which shows the conversion multiplexing element with which the side wall roughness produced. It is a figure which shows the conversion multiplexing element with which the side wall roughness produced. It is a figure which shows the structure of the high-order polarization conversion element of Example 10. FIG. It is a figure which shows the structure of the high-order polarization conversion element of Example 10. FIG. It is a graph which shows the effective refractive index of the mode which guides the high-order polarization conversion element of Example 10. R TE mode guided through higher polarization conversion element of Example 10 is a graph showing the R TM.
  • FIGS. 1A to 2B schematically illustrate the structure of the high-order polarization conversion device of the present invention.
  • these high-order polarization conversion elements are composed of a substrate type optical waveguide device including an optical waveguide 1 having a core 2 and a clad 5 on a substrate S.
  • the shape of the core 2 is such that the core shape is formed by overlapping rectangles having two widths in a cross section perpendicular to the waveguide direction.
  • cross section refers to a cross section perpendicular to the light guiding direction.
  • the upper rectangular section is called the upper core 3
  • the lower rectangular section is called the lower core 4
  • the lower core 4 and the lower cladding 7 are in contact with the lower bottom 4 a, and the upper portion of the upper core 3.
  • the upper core 3 is made of the same material as the lower core 4.
  • the clad 5 has a lower clad 7 provided between the substrate S and the core 2, and an upper clad 6 provided on the core 2 and the lower clad 7. That is, the core 2 having the lower core 4 and the upper core 3 is provided on the lower clad 7 provided on the substrate S. Further, an upper clad 6 is provided on the core 2 and the lower clad 7.
  • FIGS. 1B and 2B An example of the core shape of the optical waveguide having such a cross section is shown in FIGS. 1B and 2B.
  • 1B is an example of the core shape of the optical waveguide having the cross section of FIG. 1A
  • FIG. 2B is an example of the core shape of the optical waveguide having the cross section of FIG. 2A.
  • TE 1 (higher order) has an effective refractive index of TE 0 (basic TE mode) at the start portion 8 of the optical waveguide.
  • the core width at the end portion 9 is preferably smaller than the core width at the start portion 8.
  • the width of the upper core 3 at the end portion 9 is smaller than the width of the upper core 3 at the start portion 8 and (2) the width of the lower core 4 at the end portion 9 is the width of the lower core 4 at the start portion 8. It is preferable to satisfy at least one of smaller.
  • the higher-order polarization conversion element in order for the higher-order polarization conversion element to be an element that performs polarization conversion between the TE 1 of the start unit 8 and the TM 0 of the end unit 9, it is between the start unit 8 and the end unit 9.
  • the core shape of the optical waveguide has a vertically asymmetric structure in which the width of the upper core and the width of the lower core are different, and the width of the upper core 3 or the width of the lower core 4 is continuous in the light guiding direction of the optical waveguide. It is necessary to change.
  • the width of the upper core 3 continuously and sufficiently changes between the start portion 8 and the end portion 9, and (4) the start portion 8 and the end portion 9 It is preferable to satisfy at least one of having a structure in which the width of the lower core 4 changes continuously and sufficiently slowly.
  • “continuously decreasing” is not limited to the case where the width continuously decreases from the start portion 8 to the end portion 9 like the width of the upper core 3 and the width of the lower core 4 in FIG. The case where there is a portion having a constant width such as the width of the upper core 3 and the width of the lower core 4 is also included.
  • this high-order polarization conversion element functions as an element that performs polarization conversion (high-order polarization conversion) between TE 1 of the start unit 8 and TM 0 of the end unit 9.
  • TM 0 is input to the end unit 9
  • TE 1 is output from the start unit 8.
  • FIGS. 1A and 1B one end in the width direction of the upper core 3 and one end in the width direction of the lower core 4 overlap each other, and a step is formed at the opposite end.
  • both ends of the upper core 3 in the width direction do not overlap with both ends of the lower core 4 in the width direction, and there are steps on the left and right ends.
  • the vertically asymmetric cross-sectional structure is not limited to FIGS. 1A to 2B, and may be a structure having one or two or more steps in total in arbitrary corners on the upper right, lower right, upper left, and lower left of the cross-sectional view. . As shown in FIGS.
  • the vertically asymmetric structure is not limited to a structure in which the width of the upper core 3 is smaller than the width of the lower core 4, and a structure in which the width of the upper core 3 is larger than the width of the lower core 4.
  • the polarization conversion efficiency is higher and the taper length, which is the length of the element, can be shortened when the upper core 3 is closer to the center position in the width direction of the lower core 4.
  • the taper length which is the length of the element
  • the upper core 3 and the lower core 4 are preferably made of the same material.
  • both the upper core 3 and the lower core 4 can be made of Si.
  • the core Si may contain intentional impurities (dopants) or inevitable impurities.
  • high-order polarization conversion element of the present embodiment high-order polarization conversion can be performed even if the upper cladding 6 and the lower cladding 7 do not have different refractive indexes. For this reason, even if the materials of the upper clad and the lower clad are the same, high-order polarization conversion which is conversion from TE 1 to TM 0 and conversion from TM 0 to TE 1 is performed on the optical waveguide. It is possible.
  • SiO 2 is used as the material of the lower cladding 7, it is preferable to use SiO 2 for the upper cladding 6.
  • SiO 2 is deposited on the upper clad 6, intentional impurities (dopants) or inevitable impurities may be included.
  • the upper clad and the lower clad are not the same material, the upper clad and the lower clad can be made of the same element species.
  • the definition that “two materials are composed of the same element species” means that the elements constituting the two materials are all the same.
  • the element species of silicon (Si) is only Si
  • the element species of silica (SiO 2 ) are Si and O.
  • a material composed of two element species of Si and O can be said to be the same element species as SiO 2 , but a material composed of only Si (such as Si) or a material including element species other than Si and O (Si 3 N 4 etc.) is not the same element type as SiO 2 .
  • the effective refractive index of each mode changes according to the strength of light confinement in the optical waveguide.
  • the strength of the confinement depends on the size of the core when the refractive indexes of the core and the clad are constant, and the confinement is larger as the core is larger. Therefore, the effective refractive index changes by changing the size of the core.
  • change in the width direction is considered.
  • the refractive index profile of the refractive index cross section is asymmetrical in the vertical direction.
  • the points of TE 1 and TM 0 that have been separated are separated.
  • TE 1 and TM 0 are continuously connected on the same effective refractive index curve, it is possible to perform high-order polarization conversion by gently changing the waveguide width.
  • An optical waveguide having a core shape as in this embodiment can be manufactured by a process of manufacturing a rib waveguide.
  • a rib waveguide having a smaller loss than a rectangular waveguide is often used together with a rectangular waveguide. Therefore, the two-stage core shape as shown in FIGS. 1A to 2B is often used. It can be made without the need for an extra process. It is possible to use the same material for the lower core and the upper core.
  • an optical modulator with a rib-type phase modulator reference: K.
  • a BOX (buried oxide) layer serving as a lower cladding is made of SiO 2 , and SiO 2 is frequently used for an upper cladding. Therefore, as in this embodiment, if the upper clad and the lower clad are made of the same material and can be subjected to high-order polarization conversion, it can be used for an optical waveguide based on an SOI substrate.
  • Non-Patent Document 1 Even when the refractive indexes of the upper clad and the lower clad are different, if the refractive index difference between them is not large, the vertical asymmetry becomes small, and the effective refraction of TE 1 and TM 0 The rate approaches. Therefore, the length of the taper portion necessary for sufficient conversion becomes very long, which is disadvantageous from the viewpoint of miniaturization. In addition, even when different materials are used for the upper clad and lower clad in the optical waveguide and these materials can be used, high-order polarization conversion cannot be performed in a small size if the difference in refractive index is small. .
  • the higher-order polarization conversion cannot be performed in a small size.
  • a method for performing high-order polarization conversion with an element on a small substrate-type optical waveguide is an issue.
  • the present invention even when there is a difference in the refractive index of the clad as described above, it is possible to increase the vertical asymmetry of the waveguide cross section by making the core shape asymmetric and to perform polarization conversion at a shorter distance.
  • the lower core and the upper core may be displaced in the width and longitudinal directions.
  • the waveguide is formed with a vertically asymmetric structure, and therefore, the influence on the high-order polarization conversion due to such manufacturing variation is small.
  • the height of the lower core may vary during manufacturing, but for the same reason, the influence on the high-order polarization conversion is small.
  • the effect on the loss is small if the section in which the upper core and the lower core are provided is short. Therefore, in the high-order polarization conversion device of this embodiment, the manufacturing variation may be the same as that of the conventional waveguide having a rib structure.
  • the same (integrated) mask is used for the fabrication of the upper core of the higher-order polarization conversion element and the rib-structured rib, or the same as the fabrication of the lower-core of the higher-order polarization conversion element and the slab of the rib structure. Or use an (integral) mask.
  • the rib process used in another place on the mask is used in combination, the height of the lower core and the upper core cannot be freely selected, but for the same reason, it is possible with high-order polarization conversion.
  • the effective refractive index of TE 0 guided through the high-order polarization conversion element is significantly different from the effective refractive index of TM 0 and TE 1 , conversion to other waveguide modes of TE 0 is unlikely to occur.
  • TE 0 and TE 1 are simultaneously input to such an effective refractive index, it also functions as an element in which TE 0 that is hardly converted and TE 1 that has been converted to TM 0 are simultaneously output. From this viewpoint, it is preferable that the difference between the effective refractive index of TE 0 and the effective refractive index of TE 1 is 0.2 or more.
  • the difference between the effective refractive index of TE 0 and the effective refractive index of TM 0 is preferably 0.2 or more. These requirements regarding the effective refractive index difference are preferably satisfied over the entire length between the start portion and the end portion of the optical waveguide.
  • the higher-order polarization conversion element of this embodiment may have a smaller conversion loss from TE 1 to TM 0 .
  • Example 1 FIGS. 4A to 4D
  • Comparative Example 1 FIGS. 4A to 4D
  • Example 1 (0.004 dB) can be converted with a smaller loss compared to Comparative Example 1 (0.587 dB).
  • FIGS. 4A to 4D A high-order polarization conversion device according to the first embodiment of the present invention is shown in FIGS. 4A to 4D.
  • FIG. 4A shows a plan view of the core 2
  • FIGS. 4B to 4D show sectional views of an end portion, an intermediate portion, and a start portion of the high-order polarization conversion element, respectively.
  • a cladding 5 is provided around the core 2 as in FIG. 2A, but is not shown in FIGS. 4A to 4D. Details of this structure will be described later as a first embodiment.
  • FIG. 4A the stepped portion where the lower core 4 comes out of the upper core 3 is shaded.
  • FIG. 5A and the like to be described later the plan view may be shaded in the same manner.
  • the upper core 3 is located at the center in the width direction of the lower core 4 from the start portion 8 to the end portion 9.
  • higher-order polarization conversion is possible even in a structure in which the upper core is arranged in addition to the center of the lower core.
  • the conversion efficiency is reduced, but the higher-order polarization conversion is reduced. Is possible.
  • both ends in the width direction of the upper core 3 overlap with both ends in the width direction of the lower core 4, respectively, and the width of the lower core 4 and the width of the upper core 3 are the same.
  • the cross section is rectangular.
  • the core width W1 of the start portion 8 is larger than the core width W2 of the end portion 9.
  • both ends in the width direction of the upper core 3 do not always overlap with both ends in the width direction of the lower core 4. It is similar to the structure. That is, as shown in FIG.
  • the width of the lower core 4 is larger than the width of the upper core 3, and the lower side of the upper core 3 in the cross section perpendicular to the waveguide direction is included in the upper side of the lower core 4.
  • the distance from the upper base to the lower base is equal to the core height H1 of the start portion 8 and the end portion 9, and the height H2 of the lower core 4 is constant.
  • the structure in which the width of the upper core 3 is changed on the start portion 8 side and the width of the lower core 4 is reduced on the end portion 9 side after the difference in width between the upper core 3 and the lower core 4 is widened is the conversion efficiency.
  • the taper length (the total length of L1 and L2), which is the length of the element, can be shortened.
  • the method of changing the width in the longitudinal direction of the core 2 is changing the width linearly with respect to the distance in the longitudinal direction.
  • This change in width can be changed to an arbitrary continuous curved change such as a quadratic function, but the reproducibility of the curved waveguide structure is lower than when the linear change is made. Therefore, the influence by a manufacturing process can be reduced by employ
  • the degree of separation of the effective refractive index curves of TE 1 and TM 0 is the same as that of the upper core and the lower core, and the position of the upper core is other than the center and does not protrude from the lower core.
  • FIG. 5A to 5D show a high-order polarization conversion device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5A shows a plan view of the core 2
  • FIGS. 5B to 5D show sectional views of an end portion, an intermediate portion, and a start portion of the high-order polarization conversion element, respectively.
  • a clad 5 is provided around the core 2 as in FIG. 1A, but is not shown in FIGS. 5A to 5D. Details of this structure will be described later as a second embodiment.
  • one end in the width direction of the upper core 3 and the lower core 4 coincides from the start portion 8 to the end portion 9.
  • the feature of the change in the cross-sectional shape in the longitudinal direction of the core 2 and the way of changing the width are the same as in the first embodiment of FIGS. 4A to 4D.
  • this structure has a small effective refractive index difference and lowers polarization conversion efficiency, the lower core part not covered by the upper core is wider than the structure of the first embodiment, and the structure of the first embodiment is manufactured. The required accuracy is further reduced, and a highly reproducible structure can be manufactured.
  • FIGS. 6A to 6C show a high-order polarization conversion device according to the third embodiment of the present invention.
  • 6A shows a plan view of the core 2
  • FIGS. 6B and 6C show sectional views of an end portion and a start portion of the high-order polarization conversion element, respectively.
  • a cladding 5 is provided around the core 2 as in FIG. 1A, but is not shown in FIGS. 6A to 6C. Details of this structure will be described later as a third embodiment.
  • the cross-sectional shape of the start portion 8 is a rib waveguide
  • the cross-sectional shape of the end portion 9 is a rectangular waveguide
  • the center in the width direction of the upper core 3 and the lower core 4 is the same.
  • the width of the lower core 4 is larger than the width of the upper core 3 at the start portion 8
  • the width of the upper core 3 and the width of the lower core 4 are the same at the end portion 9 as shown in FIG. 6B.
  • the width is changed linearly with respect to the distance in the longitudinal direction.
  • the width ratio of the lower core 4 and the upper core 3 differs between the start part 8 and the end part 9, it has the same cross-sectional shape as FIG. 6C.
  • TE Conversion from 1 to TM 0 is possible.
  • a characteristic of the change in the cross-sectional shape in the longitudinal direction of the core 2 of this structure is that the width of the upper core 3 and the width of the lower core 4 are linearly changed from the start portion 8 to the end portion 9.
  • the start portion 8 side has a rib structure, and the difference in width between the upper core 3 and the lower core 4 is large, so that the vertical asymmetry is large. For this reason, a width
  • the rib waveguide has a smaller loss due to side wall roughness caused by the manufacturing process than the rectangular waveguide.
  • TE 1 having a widely spread electric field distribution has a particularly large loss of side wall roughness. Therefore, propagation with less loss is possible by guiding the rib waveguide.
  • the above structure is characterized by a structure capable of directly converting TE 1 propagating through the rib waveguide into TM 0 . Since TE 1 can be converted to TM 0 without first converting it into a rectangular waveguide, there is no need to propagate an extra distance, and it is possible to eliminate side wall roughness and loss caused by waveguide conversion. is there.
  • the high-order polarization conversion element of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
  • a high-order polarization conversion element having a structure in which the input / output cross section (start and end portions) and changes in the longitudinal direction are as follows is also possible.
  • 7A to 7D show modified examples of the high-order polarization conversion device according to the first or second embodiment of the present invention.
  • 7A to 7D are plan views of the core. Similar to the first or second embodiment, these have a vertically symmetrical structure in which the cross section of the start portion 8 and the end portion 9 is rectangular. That is, the width of the lower core 4 and the width of the upper core 3 are the same in the cross section of the start portion 8, and the width of the lower core 4 and the width of the upper core 3 are the same in the cross section of the end portion 9. Further, as in the first or second embodiment, the width of the upper core 3 is always narrower than the width of the lower core 4 between the start portion 8 and the end portion 9.
  • FIG. 7A has a stepped portion in which the lower core 4 protrudes on one side of the upper core 3 as in FIG. 5A.
  • 7B has a stepped portion in which the lower core 4 protrudes on both sides of the upper core 3 as in FIG. 4A.
  • the upper core 3 does not have to be at the center in the width direction with respect to the lower core 4, and is asymmetric It is.
  • FIG. 7C although the change of the width
  • the height of the entire core is 220 nm
  • the width of the entire core is 700 nm or more
  • the end portion In the cross section the height of the entire core is preferably 220 nm
  • the width of the entire core is preferably 620 nm or less.
  • the height of the entire core in the cross section of the start part and the end part is preferably about 210 nm to 230 nm.
  • the height of the lower core is preferably about 75 nm to 115 nm in consideration of manufacturing errors.
  • the width of the upper core 3 is larger than the width of the lower core 4 in the portion between the start portion 8 and the end portion 9 excluding the start portion 8 and the end portion 9. Is always narrow. Therefore, it can be created by etching twice. Therefore, for example, it can be produced by etching the SI layer, which is the upper layer of the SOI substrate, and depositing SiO 2 thereon. Further, the change in the core width with respect to the light traveling direction may be stepwise as shown in FIG. 4A or may be continuous as shown in FIG. 7D.
  • the design is easier if the change in the core width is gradual.
  • the change in the core width is continuous, the waveguide structure can be changed more smoothly, and the loss can be further reduced.
  • the portion of the lower core that protrudes from the upper core may protrude on both sides with respect to the light traveling direction as shown in FIG. 4A, or may protrude only on one side as shown in FIG. 5A. Good. Higher-order polarization conversion efficiency is obtained when projecting on both sides. When projecting to one side, the projecting of the lower core can be kept wider, so that the resolution required during manufacturing can be relaxed.
  • rectangular waveguides having different waveguide widths can be connected to each other by an efficient tapered waveguide, and the width of the core 2 is narrowed from the start portion 8 to the end portion 9.
  • a high-order polarization converter is provided (embedded) in the (tapered waveguide).
  • FIG. 39B shows a tapered waveguide having a core 2 in which the cross section from the start portion to the end portion is always rectangular and the width becomes narrower from the start portion 8 to the end portion 9, and FIG. ) In which the high-order polarization conversion unit 74 is embedded.
  • the core 2 between the start portion 8 and the end portion 9 has a structure in which waveguides are continuously connected, and two stages of an upper core 3 and a lower core 4 as shown in FIG. It is necessary to have a tapered waveguide structure.
  • the portion having the two-step tapered waveguide structure is referred to as a two-step tapered portion 73.
  • the effective refractive indexes of TE 1 and TM 0 are interchanged (degenerate points High-order polarization conversion is not performed.
  • the widths of the upper core 3 and the lower core 4 are different as shown in FIG. In the vertically asymmetric refractive index distribution, the effective refractive indexes of TE 1 and TM 0 are not interchanged (no degeneracy point), and a waveguide mode called a hybrid mode in which TE 1 and TM 0 are mixed occurs. High-order polarization conversion is performed by using this hybrid mode.
  • the portion where the hybrid mode occurs is referred to as a high-order polarization conversion unit 74.
  • the high-order polarization conversion unit 74 needs to increase the taper length so that the electric field is continuously changed (adiabatic conversion).
  • the width of the upper core 3 of the start portion 8 is always as long as the conditions of the effective refractive index order of the start portion 8 and the end portion 9 are satisfied.
  • the end portion 9 becomes larger than the width of the upper core 3.
  • the width of the lower core 4 of the start portion 8 is always larger than the width of the lower core 4 of the end portion 9.
  • a wide rectangular waveguide is used. There is a method of using a tapered waveguide whose width is monotonously narrowed from the (starting portion 8) to the narrow rectangular waveguide (ending portion 9).
  • a high-order polarization conversion unit 74 is provided in the waveguide.
  • the high-order polarization conversion unit 74 can be realized by having a refractive index section that is asymmetrical in the vertical direction. Therefore, in the above-described embodiment, an upper core and a lower core are provided with respect to the above-described tapered waveguide, and a two-stage tapered waveguide structure in which the change in the width is different in the light traveling direction is defined as the start portion 8. Provided between the end portions 9.
  • the width of the lower core 4 and the width of the upper core 3 in the cross section from the start portion 8 to the end portion 9 are always constant. Different. Further, the width of the upper core 3 or the lower core 4 is monotonously reduced and the widths of both the upper core and the lower core are not increased. Thereby, the rectangular waveguides having the start portion 8 and the end portion 9 having different widths can be efficiently connected, and the high-order polarization conversion portion 74 can be provided therebetween. As a result, a high-order polarization conversion element that is compact and capable of high-density integration can be realized.
  • the high-order polarization conversion unit 74 can be arbitrarily designed because a high-order polarization conversion unit is provided in addition to a normal tapered waveguide. is there.
  • the high-order polarization conversion unit 74 for the entire element length is used.
  • the ratio can also be designed arbitrarily. This can be achieved by adjusting how the two-step taper changes with respect to the light guiding direction.
  • the efficiency of high-order polarization conversion increases as the proportion of the high-order polarization conversion unit in the entire high-order polarization conversion element increases. Therefore, highly efficient conversion is possible at a shorter distance. However, it is necessary to set a portion of the waveguide other than the high-order polarization converter so that the loss is sufficiently small.
  • the position of the high-order polarization conversion unit 74 with respect to the entire high-order polarization conversion device can be adjusted.
  • the position of the high-order polarization conversion portion is shifted if the adjustment of the method of changing the two-step taper is the same.
  • the position of the high-order polarization converter is preferably in the center of the element from the viewpoint of the wavelength band and manufacturing error. Therefore, as in FIG. 40, by adjusting the change of the two-step taper with respect to the traveling direction of light, as shown in FIGS.
  • the start portion 8 and the end portion 9 having an arbitrary width are increased. It becomes possible to provide the secondary polarization conversion unit 74 near the center of the high-order polarization conversion element. In FIGS. 41A to 41C, the widths of the start portion 8 and the end portion 9 are reduced in the order of FIGS. 41A, 41B, and 41C. In all cases, the high-order polarization conversion portion 74 is disposed at the center.
  • the above embodiment can operate over a wide wavelength band.
  • the high-order polarization conversion unit 74 is in the center of the high-order polarization conversion element, the operation can be performed over a wider wavelength range. This is because the position shift of the high-order polarization conversion unit 74 increases as the change in wavelength increases.
  • the high-order polarization converter can be easily designed at the center of the high-order polarization converter.
  • the above-described implementation is possible in which the high-order polarization converter 74 can be designed at the center of the high-order polarization converter.
  • higher-order polarization conversion is possible.
  • the width of the upper core 3 or the lower core 4 deviates from the design value
  • the height of the upper core 3 or the lower core 4 deviates from the design value
  • the upper core 3 and the lower core 4 There are cases where the relative positions are shifted, and the side walls of the upper core or the lower core are inclined from the vertical direction with respect to the substrate.
  • the width of the upper core 3 or the lower core 4 may randomly vary with respect to the design value (side wall roughness) as shown in FIG. 42A.
  • the core width is slightly changed, the light confinement is changed, and the effective refractive index is also changed randomly. Therefore, the effective refractive index curve becomes substantially thick, and the degree of separation of the intersection of the effective refractive indexes of TE 1 and TM 0 is weakened. That is, the conversion efficiency of the high-order polarization conversion unit decreases due to the influence of the side wall roughness.
  • the ratio of the high-order polarization conversion unit 74 occupying the entire element length can be increased, it is possible to suppress a decrease in conversion efficiency in the entire high-order polarization conversion element.
  • the influence of the side wall roughness is smaller as the width between the upper core 3 and the lower core 4 is larger. This is because when the core width is large, light is confined inside the core, and as a result, the influence of the fluctuation of the core width can be reduced.
  • the efficiency of the high-order polarization conversion is reduced by providing the high-order polarization conversion portion 74 at a position close to the start portion 8 as shown in FIG. 42B. Can be suppressed.
  • the lower core 4 in the high-order polarization conversion element has a portion (wide portion) where the width of the lower core 4 of the start portion 8 is larger than the width of the lower core 4, the wide portion has a larger core than the start portion 8.
  • a higher-order guided mode guided mode whose effective refractive index is smaller than TE 1 or MT 0
  • perturbation occurs due to the fluctuation of the core width due to the manufacturing error, and the input TE 1 may be converted to this higher-order mode.
  • Loss occurs due to the conversion to the higher-order mode, and the phase is shifted from the original TE 1 by performing reverse conversion from the higher-order mode to TE 1 after traveling a certain distance in the waveguide of the higher-order polarization conversion element. Further, TE 1 may overlap and propagate, which may lead to wavelength dependency of loss. On the other hand, in the said embodiment, the upper core 3 and the lower core 4 do not spread more than the width
  • FIGS. 8A to 8C Modification examples of the high-order polarization conversion device according to the third embodiment of the present invention are shown in FIGS. 8A to 8C.
  • 8A to 8C are plan views of the core, respectively. Similar to the third embodiment, these optical waveguides have a rectangular core in which the cross section of the start portion 8 is vertically asymmetric and the cross section of the end portion 9 is vertically symmetric.
  • FIG. 8A has a stepped portion where the lower core 4 protrudes on one side of the upper core 3.
  • FIG. 8B has the level
  • FIG. 8A is plan views of the core, respectively. Similar to the third embodiment, these optical waveguides have a rectangular core in which the cross section of the start portion 8 is vertically asymmetric and the cross section of the end portion 9 is
  • variety of the upper core 3 and the lower core 4 in a taper part is a continuous change, it is not linear (straight line) but curvilinear form.
  • the height of the lower core that becomes the slab of the rib waveguide is 75 to 115 nm, and the height of the entire core is 210 to 230 nm.
  • the width of the upper core is 600 nm or more, and in the cross section of the end portion, the height of the entire core is 210 to 230 nm, and the width of the entire core is 620 nm or less.
  • the height of the entire core in the cross section of the start portion and the end portion is preferably about 210 nm to 230 nm, and the height of the lower core is preferably about 80 nm to 110 nm.
  • the width of the upper core at the start portion is preferably wider than the width of the entire core at the end portion, and more preferably 700 nm or more. When the width of the upper core at the start portion is equal to or less than the width of the entire core at the end portion, the width of the lower core at the start portion is preferably wider than the width of the entire core at the end portion.
  • FIGS. 9A to 9C A high-order polarization conversion device according to the fourth embodiment of the present invention is shown in FIGS. 9A to 9C.
  • 9A shows a plan view of the core 2
  • FIGS. 9B and 9C show sectional views of an end portion and a start portion of the high-order polarization conversion element, respectively.
  • a cladding 5 is provided around the core 2 as in FIG. 2A, but is not shown in FIGS. 9A to 9C. Details of this structure will be described later as a fourth embodiment.
  • 10A to 10C show modified examples of the fourth embodiment of the high-order polarization conversion device of the present invention.
  • 10A to 10C are plan views of the core, respectively.
  • the optical waveguide of the present embodiment has a rib-shaped core in which the cross section of the start portion 8 is a vertically symmetrical rectangle and the cross section of the end portion 9 is asymmetrical in the vertical direction.
  • TE Conversion from 1 to TM 0 is possible.
  • the left and right symmetry of the core shape is not necessarily required, and as shown in FIGS. 10A to 10C, the upper core 3 may not be centered with respect to the lower core 4, and the taper portion is continuously changed. If so, it may not be linear (straight line).
  • the height of the entire core is equal to 220 nm and the width of the entire core is 700 nm or more in the cross section of the start portion.
  • the height of the entire core is equal to 220 nm
  • the height of the lower core is equal to 95 nm
  • the width of the upper core is 620 nm or less.
  • FIGS. 11A to 11C A high-order polarization conversion device according to a fifth embodiment of the present invention is shown in FIGS. 11A to 11C.
  • FIG. 11A shows a plan view of the core 2
  • FIGS. 11B and 11C show sectional views of an end portion and a start portion, respectively.
  • a cladding 5 is provided around the core 2 as in FIG. 2A, but is not shown in FIGS. 11A to 11C. Details of this structure will be described later as a fifth embodiment.
  • 12A to 12C show modified examples of the high-order polarization conversion device according to the fifth embodiment of the present invention.
  • 12A to 12C are plan views of the core, respectively.
  • the optical waveguide of the present embodiment has a core with a rib structure in which the cross sections of the start portion 8 and the end portion 9 are vertically asymmetric.
  • TE Conversion from 1 to TM 0 is possible.
  • the left and right symmetry of the core shape is not necessarily required, and the upper core 3 may not be centered with respect to the lower core 4 as shown in FIGS. 12A to 12C.
  • the width of the lower core 4 may not be linear (straight line) as long as it changes continuously.
  • the height of the lower core is 95 nm, the height of the entire core is 220 nm, and the upper core
  • the width of the lower core is 600 nm or more
  • the width of the lower core is 95 nm
  • the height of the entire core is 220 nm
  • the width of the upper core is 620 nm or less.
  • the width of the upper core at the start portion is preferably wider than the width of the upper core at the end portion, and more preferably 700 nm or more.
  • the width of the lower core at the start portion is preferably wider than the width of the upper core at the end portion.
  • the high-order polarization conversion element of the present invention can be used in combination with other elements in an optical waveguide on the same substrate.
  • a polarization conversion element can be realized by combining an asymmetric directional coupler and the high-order polarization conversion element of the present invention.
  • This polarization conversion element converts TE 0 to TE 1 by an asymmetric directional coupler, and converts TE 1 to TM 0 by a high-order polarization conversion element.
  • 13A and 13B show an example of a polarization conversion element in which the high-order polarization conversion element of the present invention is combined with an asymmetric directional coupler.
  • FIG. 13A is a plan view of the core
  • FIG. 13B is a cross-sectional view of the asymmetric directional coupler. Details of this structure will be described later as a sixth embodiment.
  • the asymmetric directional coupler 13 includes a first optical waveguide 11 and a second optical waveguide 12 which are two rectangular waveguides. The periphery of these waveguides is covered with a clad 14 as shown in FIG. 13B.
  • the high-order polarization conversion element 10 is connected only to the second optical waveguide 12.
  • TE 0 is guided through the first optical waveguide 11.
  • TE 1 is guided through the second optical waveguide 12.
  • To have the TE 0 and TE 1 and is close to the effective refractive index of the second optical waveguide 12 of the first optical waveguide 11 can be coupled with the first optical waveguide 11 to the second optical waveguide 12.
  • the input-side waveguide connected to the first optical waveguide 11 is referred to as a first port 11a
  • the input-side waveguide connected to the second optical waveguide 12 is referred to as a second port 12a
  • the third port 12 b on the output side of the second optical waveguide 12 is connected to the start portion 8 of the high-order polarization conversion element 10.
  • the high-order polarization conversion element 10 shown in FIG. 13A has the same structure as that of FIGS. 4A to 4D as an example, it is not particularly limited to this.
  • TE 0 input to the first port 11a is coupled to TE 1 of the second optical waveguide 12 by the asymmetric directional coupler 13, and is output as TE 1 from the third port 12b.
  • TE 1 output from the third port 12b is input to the high-order polarization conversion element 10, it is ultimately converted to TM 0.
  • the effective refractive index of TE 0 of the second optical waveguide 12 is equal to the effective refractive index of any mode of the first optical waveguide 11 in the asymmetric directional coupler 13. to differ greatly. Therefore, mode coupling and conversion do not occur.
  • this structure can also operate as an element having both polarization conversion and polarization multiplexing functions.
  • the modes of TE 0 and TM 0 multiplexed light input from the output unit are separated from each other, and TE 0 from the first port 11a and the second port 12a.
  • the difference between the refractive index and the effective refractive index of TE 0 of the second optical waveguide 12 is preferably 0.2 or more.
  • FIG. 14A and 14B show another example of a polarization conversion element in which the high-order polarization conversion element of this embodiment is combined with an asymmetric directional coupler.
  • 14A is a plan view of the core
  • FIG. 14B is a cross-sectional view of the core of the asymmetric directional coupler. Details of this structure will be described later as a seventh embodiment.
  • the asymmetric directional coupler 13r is composed of a rib-type waveguide. Slabs 13s are formed between the ribs 11r and 12r of the two optical waveguides, and slabs 11s and 12s are also formed outside the ribs 11r and 12r, respectively.
  • FIGS. 14A and 14B The functions of the polarization conversion elements in FIGS. 14A and 14B are the same as those of the polarization conversion elements in FIGS. 13A and 13B.
  • TE 0 When TE 0 is simultaneously input to the first port 11a and the second port 12a, higher-order polarization conversion is performed.
  • An output in which TE 0 and TM 0 are combined is obtained from the end portion 9 of the element 10.
  • it can be used as an element for performing polarization multiplexing.
  • FIG. 15 schematically shows an example of the DP-QPSK modulator.
  • the DP-QPSK modulator 20 has a QPSK signal independent of both modes TE 0 / TM 0 by utilizing the fact that two modes of TE 0 and TM 0 can exist in a normal optical waveguide. Modulate. Specifically, light input from the input unit 21 at TE 0 is branched into two optical waveguides 22 and 22, modulated by QPSK modulators 23 and 23, respectively, and then one side of the optical waveguides 24 and 24. TE 0 is converted to TM 0 by the polarization conversion element 25, the two modes are combined on the same optical waveguide by the polarization beam combiner, and signals independent of TE 0 and TM 0 are output to the output unit 26. .
  • One of the TE 0 is converted into TM 0, can be a part of the polarization conversion element 25 to be multiplexed with other TE 0, it utilizes the polarization conversion element of the embodiment shown in FIGS. 13A ⁇ 14B e.g. .
  • the first port 11a and the second port 12a in FIGS. 13A to 14B correspond to the optical waveguide 24 in FIG.
  • the end portion 9 of the high-order polarization conversion element 10 of FIGS. 13A to 14B corresponds to the output portion 26 of FIG.
  • the method for modulating TE 0 and TM 0 is not limited to QPSK, and even a modulator having a complicated configuration can perform polarization multiplexing using the polarization conversion element of this embodiment. .
  • ⁇ Polarization diversity coherent receiver> The polarization conversion element of this embodiment is described in a reference document (C. Doerr et al., “Packaged Monolithic Silicon 112-Gb / s Coherent Receiver,” IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 23, pp. 762-764, 2011). Can be used for a coherent receiver on a Si optical waveguide of a polarization multiplexed signal in which TE 0 and TM 0 are simultaneously transmitted.
  • FIG. 16 schematically shows an example of a polarization diversity coherent receiver.
  • This coherent receiver 30 connects a polarization multiplexed signal optical waveguide 31 that transmits TE 0 and TM 0 simultaneously to a polarization conversion element 32 that can simultaneously perform polarization conversion and a polarization beam splitter.
  • the signal of TE 0 is branched to one of these. Further, the signal of TE 0 converted from TM 0 is branched to the other side of the optical waveguide 33.
  • a semiconductor laser light source generally used as the local light 34 uses only one polarized wave, for example, an output of TE 0 (local). When such a light source is used, it is necessary to perform polarization conversion of local light emission.
  • the coupling part 36 has a polarization separation function for coupling light to the outside of the element, such as an inverted taper mode field converter coupled from the side of the substrate. It is possible to use a coupler without it.
  • the reference Qing Fang, et al., “Suspended optical fiber-to-waveguide mode size converter for silicon photonics,” Optics Express, Vol. 18, Issue 8, pp. 7763-7769 (2010)
  • the polarization conversion element of the embodiment shown in FIGS. 13A to 14B can be used for the portion of the polarization conversion element 32 that can simultaneously perform polarization conversion and polarization beam splitter.
  • the end portion 9 of the high-order polarization conversion element 10 in FIGS. 13A to 14B corresponds to the optical waveguide 31 in FIG. 16, and the first port 11a and the second port 12a in FIGS. 13A to 14B are the optical waveguides in FIG. This corresponds to the waveguide 33.
  • ⁇ Polarization diversity method The polarization conversion element of this embodiment is disclosed in a reference (Hiroshi Fukuda et al., “Silicon photonic circuit with polarization diversity,” Optics Express, Vol. 16, Issue 7, pp. 4872-4880 (2008)). I would like to use a polarization multiplexing transmission where TE 0 and TM 0 are transmitted at the same time, or an element that gives the same operation to both modes when one polarization is transmitted randomly In this case, it can be used to execute the polarization diversity scheme as shown in FIG. In the polarization diversity method 40 shown in FIG.
  • an optical waveguide 41 of a polarization multiplexed signal in which TE 0 and TM 0 are transmitted simultaneously is connected to a polarization conversion element 42 that can simultaneously perform polarization conversion and polarization beam splitter.
  • the TE 0 signal is branched to one of the optical waveguides 43. Further, the TE 0 signal converted from TM 0 is branched to the other of the optical waveguides 43.
  • the TE 0 signal light operated by the element 44 is combined from the optical waveguide 45 by the polarization conversion element 46 and outputted to the polarization multiplexed signal optical waveguide 47 in which TE 0 and TM 0 are transmitted simultaneously.
  • the polarization conversion element 42 As in the coherent receiver 30 shown in FIG. 16, the polarization conversion element of this embodiment capable of performing polarization conversion and polarization beam splitter at the same time can be used.
  • the polarization conversion element 46 as in the DP-QPSK modulator 20 shown in FIG. 15, the polarization conversion element of the present invention that can simultaneously perform polarization conversion and polarization beam combiner can be used.
  • Polarization conversion is possible by combining the branching unit and the high-order polarization conversion element of this embodiment.
  • the branching unit include a 2 ⁇ 1 MMI (multimode interferometer) and a Y branch. These can generate TE 1 by adjusting the phase of the electric field input to the two input portions. Alternatively, TE 1 may be input only from one side. Therefore, the TE 1 can be converted to TM 0 by connecting the higher-order polarization conversion element of the present embodiment to the subsequent stage, and the function of polarization conversion can be provided.
  • FIG. 32 shows an example of a conversion multiplexing element that generates TE 1 . Details of this structure will be described later as an eighth embodiment.
  • the conversion multiplexing element 50 utilizes the property that the two TE 1 mode distributions in the planar rectangular combining unit 53 are similar to the TE 0 mode distributions of the two input portions 51 and 52.
  • TE 0 is input from one or both of the two input parts 51 and 52, it is converted to TE 1 while passing through the taper part 54 from the multiplexing part 53 and output from the output part 55 as TE 1 .
  • the phase difference between the two TE 0 to be input to each input portion 51, 52 and [pi.
  • TE 0 having a symmetric mode distribution does not occur after multiplexing. This prevents the occurrence of TE 0 which becomes unnecessary after the multiplexing, it is possible to suppress the reduction of the polarization extinction ratio.
  • a symmetric directional coupler 60 as shown in FIG. 33 can be used. Details of the structure of the symmetric directional coupler 60 will be described later in a ninth embodiment.
  • the symmetric directional coupler 60 has a structure in which two waveguides 61 and 62 having the same core width W are arranged in parallel with a predetermined gap G between a predetermined coupling length L.
  • the TE 0 from the waveguide 61 entering TM 0 from the waveguide 62, and proceeds TM 0 is the waveguide 61, the polarization multiplexed signal from the output side of the waveguide 61 (TE / TM ) Can be obtained.
  • TE 0 basic TE mode
  • TE 1 high-order TE mode
  • TM 0 basic TM mode
  • Each QPSK modulator 71, 72, 81, 82 includes two Mach-Zehnder interferometers.
  • One Mach-Zehnder interferometer 71a, 72a, 81a, 82a is for the in-phase component (I), and the other Mach-Zehnder interferometer 71b, 72b, 81b, 82b is for the quadrature-phase component (Q).
  • a conversion multiplexing element 50 is provided in the I and Q multiplexing sections of one of the two QPSK modulators 71 and 72, and TE 0 is changed to TE 1 .
  • the high-order polarization conversion element 10 converts from TE 1 to TM 0 .
  • This TM 0 is combined with TM 0 output from the other QPSK modulator 71 by the symmetric directional coupler 60.
  • conversion multiplexing elements 50 are provided in the multiplexing sections of the two Mach-Zehnder interferometers 82a and 82b of one QPSK modulator 82 to convert TE 0 into TE 1.
  • the high-order polarization conversion element 10 converts TE 1 to TM 0 .
  • the TM mode MMI multiplexer 83 is provided in the I and Q multiplexer of the QPSK modulator 82, and the multiplexed TM 0 is output from the other QPSK modulator 81 by the symmetric directional coupler 60. to TM 0 and the combined was.
  • the multiplexing of the TM 0 and TE 0 can be used with good symmetry directional coupler 60 in performance compared to the asymmetry of the directional coupler.
  • the conversion multiplexing element 50 also serves as a multiplexing unit, polarization dependent loss can be reduced (excess loss of MMI is 0.3 dB or less).
  • TE 2n + 1 refers to a mode having the highest (2n + 2) -th effective refractive index among TE modes (TE 0 , TE 1 , TE 2 ,).
  • the reason why the odd-order mode of the TE mode is to be converted is as follows.
  • TM 0 propagating through a rectangular core (a structure in which the width direction and height are symmetrical (refractive index distribution)) has an x component (Ex) of the electric field in an antisymmetric distribution in both the width direction and the height direction.
  • Ex of odd order TE mode including TE 1 is antisymmetric with respect to the width direction, the symmetrical field distribution is the height direction.
  • the TE 2n + 1 mode can be converted between TM 0 and the same structure as in the present invention.
  • ⁇ Calculation Example 1> 18A and 18B are graphs showing changes in the effective refractive index of the four modes in descending order of the effective refractive index when the bottom of the optical waveguide having a convex core shape as shown in FIGS. 2A and 2B is changed.
  • Wavelength is 1.55 ⁇ m
  • core is Si and refractive index is 3.48
  • upper cladding and lower cladding are SiO 2 and refractive index is 1.44
  • optical waveguide height is 0.22 ⁇ m
  • lower core height is 0 095 ⁇ m
  • the width of the upper core is 0.5 ⁇ m
  • the upper core is located at the center of the lower core.
  • the mode with the highest effective refractive index is TE 0
  • the mode with the second or third highest effective refractive index depends on (the width of) the bottom, and TE 1 , TM 0 or a mode changed from these.
  • the mode having the fourth highest effective refractive index is not specified in the figure, but is a higher order mode.
  • TE 1 and TM 0 always have an effective refractive index difference without degeneration due to the vertical asymmetry of the core cross-sectional shape.
  • the approximate range of the mode conversion unit is shown as a dashed ellipse (near the bottom 0.7 ⁇ m).
  • a high mode effective index in the second is a TE 1 when next TM 0 when the lower bottom is narrow, the lower base broad.
  • the mode with the third highest effective refractive index is TE 1 when the lower base is narrow, and TM 0 when the lower base is wide.
  • each mode can be converted by following the same effective refractive index curve (either the mode with the second highest or the third highest effective refractive index).
  • FIGS. 19 to 22 show the modes with the second highest effective refractive index (# 1) and the third highest mode (# 2) with respect to the width of the bottom base.
  • the electric field amplitude of the Ex component (component in the width direction) and the Ey component (component in the height direction) of the electric field is shown.
  • each figure (a) shows the electric field amplitude of the Ex component of “# 1”
  • each figure (b) shows the electric field amplitude of the Ey component of “# 1”.
  • c) shows the electric field amplitude of the Ex component of “# 2”
  • each figure (d) shows the electric field amplitude of the Ey component of “# 2”.
  • Comparative Example 1 In Comparative Example 1, in the waveguide 101 shown in FIGS. 3A and 3B, the core 102 is made of Si, the lower clad 103 is made of SiO 2 , the upper clad 104 is made of air, and the height H0 of the core 102 is 0.22 ⁇ m.
  • the width W1 of the start portion is 0.84 ⁇ m
  • the width W2 of the end portion is 0.5 ⁇ m
  • the length L0 in the longitudinal direction is 35 ⁇ m
  • the core width is increased in the length direction from the rectangular waveguide of the start portion.
  • the structure was changed linearly. Conversion loss of higher-order polarization conversion obtained by simulation using the Finite-Difference Time Domain (FDTD) method (ratio represented by the output power of TM 0 / input power of TE 1 ) was 0.587 dB.
  • FDTD Finite-Difference Time Domain
  • Example 1 Based on Calculation Example 1, the waveguide element of Example 1 having a structure in which the upper core is located at the center of the lower core (see the first embodiment described above) is manufactured.
  • 4A to 4D are diagrams of the device of this example.
  • a waveguide is manufactured based on an SOI (Silicon on insulator) substrate made of Si—SiO 2 —Si.
  • the middle SiO 2 layer is used as the lower cladding, and the upper Si layer is used as the core.
  • an SiO 2 layer is provided as an upper clad.
  • the height H2 of the lower core 4 is 0.095 ⁇ m
  • the height of the upper core 3 (difference between H1 ⁇ H2) is 0.125 ⁇ m
  • the combined core height H1 of the lower core 4 and the upper core 3 is 0.22 ⁇ m.
  • the width W1 of the upper core and the lower core is 0.84 ⁇ m
  • the width W2 of the upper core 3 is 0.5 ⁇ m and is located at the center of the lower core 4.
  • the width W1 of the lower core 4 is 0.84 ⁇ m
  • the widths W2 of the upper core and the lower core are both 0.5 ⁇ m.
  • parameters such as the width of the upper core of 0.5 ⁇ m are the same as those in the calculation example 1. Therefore, in the graph of FIG. 18 obtained above, the range where the width of the lower base is 0.5 to 0.84 ⁇ m can be applied to the first embodiment.
  • the effective refractive index curve calculated in the cross section of Z regarding the full length of Example 1 is shown in FIG. Mode conversion is performed near the elliptical region in the figure.
  • the second (# 1) and third (# 2) waveguide mode Ex having a large effective refractive index between the start portion and the end portion. Ey components are compared.
  • the position of IVc (intermediate portion) in FIG. 4A 20 ⁇ m.
  • the difference in effective refractive index between the two modes at the point where the second highest mode and the third highest mode are closest to each other is 0.16.
  • the effective refractive index difference at the closest point is 0.10.
  • FIG. 25 shows the wavelength dependence of the conversion loss. From this, it can be seen that the conversion loss is 0.05 dB or less over a wide band of 1530 to 1630 nm. The conversion loss at a wavelength of 1550 nm is 0.004 dB. Compared with the structure of Comparative Example 1 described above, Example 1 has the same input and end core shapes and the same length in the longitudinal direction. On the other hand, the conversion loss of Comparative Example 1 is 0.587 dB, the conversion loss of Example 1 is 0.004 dB, and Example 1 can be converted with a smaller loss than Comparative Example 1.
  • FIG. 26 shows the result of calculating the electric field at a wavelength of 1550 nm by the FDTD method for the structure of Example 1.
  • FIG. 26 (a) shows the Ex component
  • FIG. 26 (b) shows the Ey component. It can be seen that the input TE 1 (Ex component is the main component) is finally changed to TM 0 (Ey component is the main component) by this structure.
  • a high-order polarization conversion device having a structure in which the ends of the upper core and the lower core coincide with each other (see the second embodiment described above) is manufactured by the same method as in the first embodiment.
  • the height H2 of the lower core 4 is 0.095 ⁇ m
  • the height of the upper core 3 (difference between H1 ⁇ H2) is 0.125 ⁇ m
  • the combined core height H1 of the lower core 4 and the upper core 3 is 0.22 ⁇ m.
  • the width W1 of the upper core and the lower core is 0.84 ⁇ m
  • the width W2 of the upper core 3 is 0.5 ⁇ m in the section L2 (length 15 ⁇ m).
  • the width W1 of the lower core 4 is 0.84 ⁇ m, and is positioned so that the ends of the upper core and the lower core coincide with each other over the entire length of the sections L1 and L2.
  • the width W2 of the upper core and the lower core is both 0.5 ⁇ m.
  • the cross-sectional shape of the start portion 8 is a rib waveguide
  • the cross-sectional shape of the end portion 9 is a rectangular waveguide
  • the center in the width direction of the upper core 3 and the lower core 4 coincides.
  • the high-order polarization conversion element (see the third embodiment described above) is manufactured by the same method as in Example 1.
  • the height H2 of the lower core 4 is 0.095 ⁇ m
  • the height of the upper core 3 (difference between H1 ⁇ H2) is 0.125 ⁇ m
  • the combined core height H1 of the lower core 4 and the upper core 3 is 0.22 ⁇ m.
  • the width W1a of the upper core 3 is 1 ⁇ m
  • the width W1 of the lower core 4 is 4 ⁇ m
  • the width W2 between the upper core and the lower core is both 0.5 ⁇ m.
  • the maximum core width of the start portion 8 is 4 ⁇ m and is finite, the distribution of TE 1 passing through this cross section is sufficiently inside the both ends of the lower core 4 of the start portion 8. Therefore, the slab width is sufficiently large and can be regarded as a rib waveguide.
  • FIG. 27 is a graph showing changes in the effective refractive index of the four modes in descending order of the effective refractive index in each cross section (denoted by #) in the structure of Example 3.
  • the start part to the end part are equally divided into 10 parts in the longitudinal direction, and numbers are assigned in order from the start part (# 0) to the end part (# 10). It can be seen that the four modes are the same as those in FIG.
  • the effective refractive indexes of TE 1 and TM 0 are separated by a broken line ellipse (mode conversion unit) shown in the vicinity of # 9, and high-order polarization conversion is possible between TE 1 and TM 0. I understand that.
  • the minimum effective refractive index difference at this time is 0.15.
  • the cross-sectional shape of the start portion 8 is a rectangular waveguide
  • the cross-sectional shape of the end portion 9 is a convex shape
  • the center in the width direction of the upper core 3 and the lower core 4 coincides (see above).
  • the high-order polarization conversion element of the fourth embodiment is manufactured by the same method as in Example 1.
  • the height H2 of the lower core 4 is 0.095 ⁇ m
  • the height of the upper core 3 (difference between H1 ⁇ H2) is 0.125 ⁇ m
  • the combined core height H1 is 0.22 ⁇ m.
  • the width W1 of the upper core and the lower core is both 0.8 ⁇ m.
  • the width W2a of the upper core 3 is 0.44 ⁇ m
  • the width W2 of the lower core 4 is 0.5 ⁇ m.
  • FIG. 28 is a graph showing changes in the effective refractive index of the four modes in descending order of the effective refractive index with respect to the size of the bottom base in the structure of Example 4. It can be seen that the four modes are the same as those in FIG.
  • the effective refractive indexes of TE 1 and TM 0 are separated by a broken line ellipse (mode conversion unit) shown in the vicinity of the lower bottom 0.7 ⁇ m. Therefore, it can be seen between the TE 1 and TM 0 are possible higher polarization conversion.
  • Example 5 As shown in FIGS. 11A to 11C, the cross-sectional shapes of the start portion 8 and the end portion 9 are convex, and the center in the width direction of the upper core 3 and the lower core 4 is coincident (see the fifth embodiment described above).
  • the high-order polarization conversion element is manufactured by the same method as in the first embodiment.
  • the height H2 of the lower core 4 is 0.095 ⁇ m
  • the height of the upper core 3 (the difference between H1 ⁇ H2) is 0.125 ⁇ m
  • the combined core height H1 is 0.22 ⁇ m.
  • the width W1a of the upper core 3 is 0.7 ⁇ m
  • the width W1 of the lower core 4 is 1.1 ⁇ m.
  • the width W2a of the upper core 3 is 0.3 ⁇ m
  • the width W2 of the lower core 4 is 0.7 ⁇ m.
  • FIG. 29 is a graph showing changes in the effective refractive index of the four modes in descending order of the effective refractive index with respect to the size of the upper base in the structure of Example 5. It can be seen that the four modes are the same as those in FIG.
  • the effective refractive indexes of TE 1 and TM 0 are separated by a broken-line ellipse (mode converter) shown in the vicinity of the upper base of 0.5 ⁇ m. Therefore, it can be seen between the TE 1 and TM 0 are possible higher polarization conversion.
  • FIGS. 13A and 13B show an embodiment of a polarization conversion element obtained by combining the high-order polarization conversion element of Embodiment 1 with an asymmetric directional coupler.
  • the core width E of the first optical waveguide 11 is 0.4 ⁇ m
  • the core width F of the second optical waveguide 12 is 0.84 ⁇ m
  • the heights H of the cores of the optical waveguide 11 and the second optical waveguide 12 are both 0.22 ⁇ m
  • the gap G between the two waveguides is 0.35 ⁇ m.
  • the straight portions of each waveguide are parallel to each other, and both end surfaces are on the same plane.
  • the conversion loss was 0.105 dB when the wavelength was 1550 nm. This shows that conversion between TE 0 and TE 1 is possible with this structure. Since the conversion loss of the high-order polarization conversion element 10 is 0.004 dB as described in the first embodiment, the entire polarization conversion element including the asymmetric directional coupler 13 and the high-order polarization conversion element 10 is combined. The conversion loss is 0.109 dB, which indicates that polarization conversion is possible.
  • a polarization conversion element in which the asymmetric directional coupler is a rib-type waveguide can also be manufactured.
  • the length Lr of the rib waveguide is 20.8 ⁇ m.
  • the width W1r of the rib 11r of the first optical waveguide is 0.4 ⁇ m
  • the width W2r of the rib 12r of the second optical waveguide is 0.95 ⁇ m
  • the height H1r of the ribs 11r and 12r is 0.22 ⁇ m.
  • the width W1s of the slab 11s outside the first optical waveguide is 0.8 ⁇ m or more
  • the width W2s of the slab 12s outside the second optical waveguide is 1.1 ⁇ m or more
  • the width W3s of the slab 13s between the two waveguides Is 0.3 ⁇ m
  • the slab height H1s is 0.095 ⁇ m.
  • the high-order polarization conversion element 10 is manufactured in the same manner as in the first embodiment.
  • the width W1 of the start portion 8 is 0.95 ⁇ m, which is the same as the width W2r of the rib 12r, and the width W2 of the end portion 9 is 0.6 ⁇ m.
  • the length L1 of the section in which the width of the upper core 3 changes is 15 ⁇ m or more
  • the length L2 of the section in which the width of the lower core 4 changes is 20 ⁇ m or more.
  • FIG. 30 and FIG. 31 show the results of the wavelength dependence of the loss obtained by the simulation by the FDTD method for the polarization conversion element of Example 7.
  • FIG. 30 is a graph showing the wavelength dependence of polarization conversion loss.
  • the polarization conversion loss (loss in FIG. 30) is about 0.4 to 3.3 dB in the wavelength range of 1.53 to 1.63 ⁇ m.
  • FIG. 31 is a graph showing the wavelength dependence of TE 0 transmission loss. This transmission loss (loss in FIG. 31) is about 0.14 to 0.16 dB in the wavelength range of 1.53 to 1.63 ⁇ m. From these graphs, it can be seen that conversion between TE 0 and TE 1 is possible, and TE 0 is transmitted with almost no loss, so that polarization multiplexing is also possible.
  • the conversion / multiplexing element for generating TE 1 (TE 1 ) shown in FIG. 32 is manufactured based on an SOI (Silicon on insulator) substrate made of Si—SiO 2 —Si, as in Example 1.
  • the middle SiO 2 layer is used as the lower cladding, and the upper Si layer is used as the core.
  • an SiO 2 layer is provided as an upper clad.
  • the width Wc of the input portions 51 and 52 is 600 nm
  • the distance Wd between the input portion 51 and the input portion 52 is 350 nm
  • the width Wa of the combining portion 53 is 1700 nm
  • the width Wb of the output portion 55 is 840 nm.
  • the length La of the combining portion 53 is 1000 nm
  • the length Lb of the tapered portion 54 is 6000 nm.
  • TE 0 has one elliptical mode distribution that is long in the width direction of the waveguide, and in the cross section of the multiplexing unit 53, two TE 1 are arranged in the width direction. Although it has a distribution, the mode distribution in the cross section of the input portions 51 and 52 is similar to the mode distribution in the cross section of the multiplexing unit 53.
  • conversion multiplexing element 50 of this example TE 0 is attached to TE 1 multiplexers 53 of the input part 51 and 52, it is possible to convert a TE 0 to TE 1.
  • FIG. 37 shows the result of the simulation of the excess loss of the conversion multiplexing element of this example by the finite element method (FEM). Even when the manufacturing error of the width of the waveguide core was ⁇ 25 nm, the excess loss was less than 0.35 dB over 1530 to 1630 nm (corresponding to C band and L band). From this, it can be seen that this structure has high manufacturing tolerance and small wavelength dependency.
  • FEM finite element method
  • FIG. 38 shows the result of electric field simulation of the conversion multiplexing device of this example by the FDTD method.
  • the electric field value is normalized and displayed in the range of +1 to -1, where +1 is white and -1 is black.
  • the nodes of TE 0 input from the two input portions are combined side by side at the multiplexing unit and output as the TE 1 mode.
  • the TE 1 mode distribution has opposite signs in the waveguide width direction where Z is equal.
  • TE 0 is not generated with the symmetrical mode distribution after multiplexing.
  • the excess loss after TE 1 conversion can be 0.25 dB.
  • the symmetric directional coupler shown in FIG. 33 is manufactured based on an SOI (Silicon on insulator) substrate made of Si—SiO 2 —Si, as in the first embodiment.
  • the middle SiO 2 layer is used as the lower cladding, and the upper Si layer is used as the core.
  • an SiO 2 layer is provided as an upper clad.
  • the width W of each waveguide 61, 62 is 500 nm, and the gap G between the waveguides 61, 62 is 350 nm.
  • the symmetrical directional coupler 60 of this embodiment uses the difference between the coupling length of TE 0 and the coupling length of TM 0 to set the length L at which the two waveguides 61 and 62 are arranged in parallel. by appropriately setting, from one waveguide to the other waveguide it can be transferred only TM 0. That is, a directional coupler is obtained in which the coupling loss of TM 0 is small and the coupling loss of TE 0 is large (TM 0 is easy to couple and TE 0 is difficult to couple to the other waveguide).
  • the coordinates in FIG. 43A indicate normalized values with the total element length being 1.
  • Core 2 is formed of Si
  • the cladding 5 is formed of SiO 2.
  • the start portion, the center portion, and the end portion are connected by a straight line.
  • the high-order polarization conversion element shown in FIGS. 43A and 43B can be manufactured by etching the SI layer of the SOI substrate by etching and depositing SiO 2 thereon. This example shows that high-order polarization conversion according to the above embodiment is possible using simulation. First, the definition of the high-order polarization converter will be described.
  • Ex (Ey) is dominant means that R TE (R TM ) is 0.7 or more, and 0.3 ⁇ R TE ⁇ 0.7 (0.3 ⁇ R TM When ⁇ 0.7), it is called a hybrid mode. Accordingly, the high-order polarization conversion unit is defined as a range having a waveguide mode of 0.3 ⁇ R TE ⁇ 0.7 (0.3 ⁇ R TM ⁇ 0.7) with respect to the light traveling direction. The In order to investigate the high-order polarization conversion unit in FIG.
  • FIG. 44 shows the effective refractive index of this example
  • FIG. 45 shows R TE and R TM of this example.
  • # 0 is TE 0
  • # 1 is TE 1 at the start unit 8
  • # 2 is TM 0 at the start unit 8.
  • the effective refractive index of # 1 monotonously decreases with respect to the traveling direction of light and is efficiently connected to the effective refractive index of the end portion.
  • the Ex component is dominant at the start portion, but the hybrid mode occurs near the center of the element, and then the Ey component becomes dominant toward the end portion. That is, it is shown that high-order polarization conversion is possible by the two-stage tapered waveguide structure. Further, since the hybrid mode is in the central portion of the element, it is also shown that the high-order polarization conversion portion is located in the central portion.
  • FIG. 46A and 46B it is the same as that of Example 10 except the width of the core 2.
  • FIG. 48 shows the result of calculating R TE and R TM of # 1. 47 and 48, it can be seen that the higher-order polarization converter is generated on the end portion 9 side as compared with the tenth embodiment. Furthermore, it can be seen that the ratio of the high-order polarization conversion unit in the total element length is narrow, suggesting that the high-order polarization conversion efficiency is low.
  • Example 10 shows the result of calculating the specific high-order polarization conversion efficiencies of Example 10 and Comparative Example 2 and the lengths of all element lengths at that time by simulation.
  • the wavelength of the guided light was 1550 nm. From FIG. 49, it can be seen that when the comparison is made with the same conversion efficiency, Example 10 obtains a higher conversion efficiency at a shorter distance.
  • the element length necessary to obtain a conversion efficiency of 90% is 7 ⁇ m in Example 10 and 22.5 ⁇ m in Comparative Example 2.
  • the element length is shorter than 1/3 of Comparative Example 2. Enable. Therefore, in an optical circuit component in which optical elements are integrated on a plane, the area can be reduced by 1/9 or less.
  • FIG. 50 shows the result of calculating the wavelength dependence of the conversion efficiency by simulation in Example 10.
  • the element length was 10 ⁇ m.
  • the conversion efficiency of high-order polarization conversion is 94% or more in the wavelength range of 1520 nm to 1640 nm, and the conversion efficiency is high in a wide wavelength range. Since this wavelength range includes C-band (1530-1565 nm) and L-band (1565-1625 nm) used in optical communication, this embodiment may be applicable to wavelength division multiplexing (WDM) communication. I understand. The reason why such a wide wavelength band can be obtained is that it is possible to design a high-order polarization converter at the center of the element as in this embodiment.
  • WDM wavelength division multiplexing
  • Example 11 A device based on Example 10 was prototyped and evaluated.
  • the structure of the high-order polarization conversion element of this embodiment is the same as that of the tenth embodiment except for the width and height of the core 2.
  • the width of the upper core 3 at the center portion (Z 0.5)
  • FIG. 51 shows the measurement results. From FIG. 51, it was confirmed that a high conversion efficiency of 92% or more was obtained in the wavelength range of 1520 to 1640 nm.
  • SYMBOLS 1 Optical waveguide, 2 ... Core, 3 ... Upper core, 4 ... Lower core, 5 ... Cladding, 6 ... Upper cladding, 7 ... Lower cladding, 8 ... Start part, 9 ... End part, 10 ... High-order polarization conversion Element, 11 ... first optical waveguide, 12 ... second optical waveguide, 13, 13r ... asymmetric directional coupler.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

　高次偏波変換素子が、基板と、下部クラッドと、共に断面矩形状で一定の高さを有し同じ材料で形成される上部コア３および下部コア４からなるコア２と、前記下部クラッドと同じ材料で形成される上部クラッドと、を備え、前記コアは、開始部８と終了部９のいずれにおいても、下部コアの幅と上部コアの幅とが同じであり、開始部から終了部に向かって、上部コアの幅及び下部コアの幅のうち少なくとも一方は連続的に減少し、かつ、上部コアの幅及び下部コアの幅の両方とも増加せず、開始部において、ＴＥ１の実効屈折率がＴＭ０の実効屈折率よりも大きく、終了部において、ＴＭ０の実効屈折率がＴＥ１の実効屈折率よりも大きく、開始部と終了部とを除く、開始部と終了部との間の部分において、前記コアは上部コアの幅と下部コアの幅とが異なる上下非対称な構造を有し、開始部のＴＥ１と終了部のＴＭ０との間で高次偏波変換が行われる。

Description

高次偏波変換素子、光導波路素子、及びＤＰ－ＱＰＳＫ変調器
　本発明は、例えば光ファイバ通信において用いられる基板型光導波路素子に関し、特に、偏波の変換を行う高次偏波変換素子、光導波路素子、及びＤＰ－ＱＰＳＫ変調器に関する。
　本願は、２０１３年６月２７日に、日本に出願された特願２０１３－１３５４９０号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　現在、高速なインターネット回線サービスやスマートフォンなどの普及に伴い、光通信によって伝送される情報量は増加の一途をたどっている。こうした情報量の増加に対応するため、信号速度の高速化、波長多重通信によるチャネル数の増加などの対策が進められている。特に、高速度の情報通信を目的とした次世代の１００Ｇｂｐｓ（ギガビット毎秒）のデジタルコヒーレント伝送技術では、単位時間当たりの情報量を２倍にするために、電界が直交する２つの偏波のそれぞれに情報を載せる偏波多重方式が利用されている。しかしながら、偏波多重方式を含む高速通信の変調方式は、光変調器を構成する光回路部品の構造が複雑になり、装置の大型化、高額化などの課題が生じる。
　また、光通信によって伝送される情報量の増加に応じて送受信器などの光回路部品の必要個数も増加する。そのため、限られたスペースの中で光回路部品を増やすために、光回路部品を構成する光素子の小型化と、高密度集積化が必要となる。
　こうした課題に対して、加工が容易であり、集積化による小型化、大量生産による低コスト等のメリットを持つ、シリコンを用いた基板型光導波路（シリコン光導波路）による光回路部品（光変調器など）の研究及び開発が進められている。
　シリコン光導波路は、コアに屈折率の大きなシリコン系材料（Ｓｉ、Ｓｉ３Ｎ４など）を、クラッドにコアとの屈折率差が大きい材料（ＳｉＯ２、空気、Ｓｉ３Ｎ４など）を利用した、いわゆる比屈折率差の大きな光導波路である。比屈折率差が大きいとコアへの光の閉じ込めが大きくなるため、急峻な曲げが可能になり、光素子の小型化、高密度集積化に適している。
　しかしながら、このような基板型光導波路内での偏波多重には、次のような問題点がある。一般的に、基板型光導波路は、基板に対して平行な幅方向と基板に対して垂直な高さ方向が非対称な形状をしている。このため、実質的に幅方向の電界成分のみを持つモード（以下、ＴＥモードと呼ぶ）と、実質的に高さ方向の電界成分のみを持つモード（以下、ＴＭモードと呼ぶ）の２種類の偏波モードに対して、実効屈折率などの特性が異なる。これらのモードの中で、多くの場合に使用されるのは、基本ＴＥモード（ＴＥ０）と基本ＴＭモード（ＴＭ０）である。ここで、ＴＥ０はＴＥモードの中で実効屈折率が一番大きなモードをいう。また、ＴＭ０はＴＭモードの中で実効屈折率が一番大きなモードをいう。
　特性が異なるこれらのモードに対して、光変調操作を行う場合、単一の基板型光導波路素子だけでは困難である。モードごとに最適化された基板型光導波路素子を必要とした場合、基板型光導波路素子の開発の面で大きな労力が必要となる。
　この問題を解決する方法として、ＴＥ０に対して最適化された所望の基板型光導波路素子への入力光としてＴＥ０を用い、その出力をＴＭ０に偏波変換する方法が挙げられる。ここで偏波変換とは、ＴＥ０からＴＭ０、またはＴＭ０からＴＥ０への変換を表す。上記操作を行う為には、基板上で偏波変換を行う基板型光導波路素子が必要である。
　このような偏波変換を基板上で行う技術として、ＴＥ０を高次ＴＥモード（ＴＥ１）に変換した後、ＴＥ１をＴＭ０に変換する方法がある。ここで、ＴＥ１は２番目に実効屈折率の高いＴＥモードを表す。ＴＥ１は、ＴＥ０と同方向の電界成分を持つので、矩形状の光導波路を並列させるなどの簡単なプロセスのみで作製可能な方向性結合器を用いることで変換することが可能である。そのため、ＴＥ１をＴＭ０に変換する素子が実現されれば、ＴＥ１を介して偏波変換が可能となる。
　また、一般にシリコン光導波路は大きな複屈折率を持つため、強い偏波依存性を持つ。例えば、光素子にＴＥ０と、ＴＭ０を入力した際に、光素子の特性が大きく異なる。この問題を解決するために、ＴＭ０をＴＥ０（もしくはその逆）に変換する偏波変換素子を用いて、同一モードを光素子へ入力する偏波ダイバーシティ方式が利用される。したがって、光素子の小型化、高密度集積化を行うためには、小型の偏波変換素子が必須となる。
　シリコン光導波路による偏波変換素子の技術として、ＴＥ０をＴＥ１に変換し、その後ＴＥ１をＴＭ０に変換する方法が提案されている。
　基板型光導波路上で、このようなＴＥ１とＴＭ０との間の変換（以下、高次偏波変換と呼ぶ）を用いて偏波変換を行う技術として、非特許文献１が挙げられる。
　非特許文献１のＦｉｇ．２（ａ）及びＦｉｇ．２（ｂ）に、その実施例が示されている。
　非特許文献１の開示する光導波路素子は方向性結合器部分（結合部）とテーパ状光導波路部分（テーパ部）から成り、結合部の出射端がテーパ部に接続された構造となる。結合部はＴＥ０をＴＥ１に変換し、テーパ部はＴＥ１をＴＭ０に変換する基板型光導波路素子である。これらの２つの部分において使用される光導波路の屈折率の、導波方向に垂直な断面分布は非特許文献１のＦｉｇ．１（ａ）及びＦｉｇ．１（ｃ）のグラフ中に示されている。これらの図では、コアと呼ばれる矩形部分とそのコアの下部に位置し屈折率がコアよりも低い水平な下部クラッドと、屈折率がコアより低く下部クラッドとは異なるコアを覆う上部クラッドが示されている。
　非特許文献１のＦｉｇ．１（ａ）及びＦｉｇ．１（ｃ）には、コア幅に対する実効屈折率のグラフが示されている。コアはＳｉで屈折率が３．４５５、下部クラッドはＳｉＯ２で屈折率が１．４４５、上部クラッドは空気（屈折率が１．０）又はＳｉ３Ｎ４（屈折率が２．０）、コアの高さは２２０ｎｍとしている。
　また、非特許文献１のＦｉｇ．１（ｂ）には上部クラッドと下部クラッドとが等しい屈折率を持つ上下対称な屈折率断面形状の光導波路の実効屈折率のグラフが示されている。
　これらの図からも分かるように屈折率断面が上下非対称な屈折率断面構造を持つ場合、幅方向の変化に対する各モードの実効屈折率の変化のグラフにおいて、上下対称な屈折率断面構造を持つ導波路では縮退していたＴＥ１とＴＭ０の点が分離している。
　例えば、非特許文献１のＦｉｇ．１（ａ）のグラフには、導波路幅０．７μｍ付近で、導波路幅が広がる間に、実効屈折率が２番目に高いモードはＴＭ０（基本ＴＭモード）からＴＥ１（高次ＴＥモード）へ、また、実効屈折率が３番目に高いモードはＴＥ１（高次ＴＥモード）からＴＭ０（基本ＴＭモード）へ変化することが示されている。このため、ＴＥ１とＴＭ０は実効屈折率曲線状で連続的に繋がるので、導波路幅を緩やかに変化させることで損失の小さい高次偏波変換を行うことが可能となる。この現象を利用しているのが、前述の偏波変換素子におけるテーパ部で、導波路幅をＴＥ１からＴＭ０に変換する範囲で、緩やかに変化させるテーパ構造にすることで、高次偏波変換を行っている。
　また、非特許文献２は、上下クラッドを同じ材料（ＳｉＯ２）を用い、コアの断面構造を上下非対称にすることで高次偏波変換を行うことを開示している。
　非特許文献２はＦｉｇ．１１などにおいて、入出力部の断面の一方の端部がリブ導波路の断面構造をもち、他方の端部は矩形導波路の断面構造をもつ高次偏波変換素子を開示している。
Daoxin Dai and John E. Bowers, "Novel concept for ultracompact polarization splitter-rotator based on silicon nanowires," Optics Express,Vol. 19, Issue 11, pp. 10940 (2011) Daoxin Dai, Yongbo Tang, and John E Bowers, "Mode conversion in tapered submicron silicon ridge optical waveguides," Optics Express, Vol. 20, Issue.12, pp. 13425-13439 (2012)
　非特許文献１では、高次偏波変換を行うテーパ部において上部クラッドと下部クラッドで異なる屈折率を持つ材料が必要となることを開示している。このような新たな材料を用いる場合、余分なプロセスの発生や本来他の光導波路部分で使用しない材料が必要である。従って、効率やコストの面で不利である。また上部クラッドと下部クラッドとに異種材料を使用すると、線膨張係数などの違いによりひずみが生じ歩留りを下げてしまう。また下部クラッドは光導波路で使用する材料であり、上部クラッドの材料を空気とする方法も挙げられている。しかしながら、製造過程において光導波路がむき出しになってしまうので、異物の付着によって特性が劣化し、歩留りが低下してしまう。
　　さらに、非特許文献２の開示する構造では、リブ導波路の幅方向のクラッド領域が狭いことから、幅方向の光の閉じ込めが弱くなり、急峻な曲げ半径による曲げ導波路部分で大きな損失を招くことがある。そのため、リブ導波路を用いる場合は曲げ半径を大きくする必要があり（数十～数百μｍ）、非特許文献２の開示する構造では高密度集積化することが困難である。つまり、光回路部品内における光素子の高密度集積化を目指した場合、光素子間は幅方向がクラッドで十分に覆われている矩形導波路で接続する必要がある。また、仮に非特許文献２の開示するリブ導波路の端部にリブ導波路から矩形導波路への変換構造を組み合わせたとしても、矩形－リブ変換部を必要とする。従って、光素子を小型化することは困難である。
　本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、上部クラッドと下部クラッドで異なる屈折率を持たなくても、ＴＥ１とＴＭ０との間で偏波変換をすることが可能な高次偏波変換素子及び光導波路素子を提供すること、及び小型化・高密度集積化を両立させた高次偏波変換素子及び光導波路素子を提供することを課題とする。
　前記課題を解決するため、本発明の第１態様に係る高次偏波変換素子は、基板と、前記基板上に設けられる下部クラッドと、前記下部クラッド上に設けられ、断面矩形状で一定の高さを有する下部コアと、前記下部コアと同じ材料で形成されかつ前記下部コアの上に連続して配置される断面矩形状で一定の高さを有する上部コアとを有するコアと、前記コア及び前記下部クラッドの上に設けられ、前記下部クラッドと同じ材料で形成される上部クラッドと、を備える。さらに、前記コアは、前記下部コアの幅と前記上部コアの幅とが同じである開始部から、前記下部コアの幅と前記上部コアの幅とが同じである終了部まで光が導波可能な光導波路を構成し、少なくとも前記上部コアの幅及び前記下部コアの幅のうちの一方は、前記開始部と前記終了部との間で前記光の導波方向に対して連続的に減少しかつ前記上部コアの幅及び前記下部コアの幅の両方が前記開始部から前記終了部まで増加せず、前記開始部において、ＴＥ０の実効屈折率がＴＥ１の実効屈折率より大きく、前記ＴＥ１の実効屈折率がＴＭ０の実効屈折率よりも大きく、前記光導波路の終了部において、前記ＴＥ０の実効屈折率が前記ＴＭ０の実効屈折率よりも大きく、前記ＴＭ０の実効屈折率が前記ＴＥ１の実効屈折率よりも大きく、前記開始部と前記終了部との間の前記光導波路のうち前記開始部と前記終了部とを除く部分において、前記コアは前記上部コアの幅と前記下部コアの幅とが異なる上下非対称な構造を有し、前記高次偏波変換素子は、前記開始部のＴＥ１と前記終了部のＴＭ０との間で高次偏波変換をする。
　前記開始部と前記終了部との間において、前記下部コアの幅が前記上部コアの幅よりも常に大きくなり、前記光が導波する方向に垂直な断面において前記上部コアの下辺が前記下部コアの上辺に常に含まれてもよい。
　前記開始部と前記終了部との間において、前記上部コアの幅方向の両端がそれぞれ前記下部コアの前記幅方向の両端と常に重ならなくてもよい。
　前記開始部と前記終了部との間において、前記上部コアの幅方向の一つの端が前記下部コアの前記幅方向の一つの端と常に重なってもよい。
　前記開始部において、前記コアの高さが２１０ｎｍ以上２３０ｎｍ以下であり、前記コアの幅が７００ｎｍ以上であり、かつ、前記終了部において、前記コアの高さが２１０ｎｍ以上２３０ｎｍ以下であり、前記コアの幅が６２０ｎｍ以下であってもよい。
　前記下部コアと前記上部コアがＳｉからなり、前記下部クラッドと前記上部クラッドがＳｉＯ２からなってもよい。
　前記上部コアの幅が前記開始部から中間部まで減少し前記中間部から前記終了部まで一定で、かつ前記下部コアの幅が前記開始部から前記中間部まで一定で、前記中間部から前記終了部までの間で減少してもよい。
　また、本発明の第２態様に係る光導波路素子は、上述の高次偏波変換素子と、前記高次偏波変換素子が接続されていない第１の光導波路と、前記高次偏波変換素子の前記開始部と接続された第２の光導波路とで構成される方向性結合器と、を備える。さらに、前記第１の光導波路にはＴＥ０が導波し、前記第２の光導波路にはＴＥ１が導波し、前記第１の光導波路のＴＥ０が前記第２の光導波路のＴＥ１と結合可能である。
　前記第１の光導波路のＴＥ０の実効屈折率と前記第２の光導波路のＴＥ０の実効屈折率の差が０．２以上であってもよい。
　また、本発明の第３態様に係るＤＰ－ＱＰＳＫ変調器は、前記光導波路素子を備える。
　本発明の上記態様によれば、光導波路のコアが、幅の異なる上部コアと下部コアとからなり、上下に非対称性を有するコア形状とすることにより、上部クラッドと下部クラッドで異なる屈折率を持たなくても、高次偏波変換を行うことが可能になる。
本発明の実施形態に係る高次偏波変換素子の一例の光導波路の断面図である。 本発明の実施形態に係る高次偏波変換素子の一例のコアの斜視図である。 本発明の実施形態に係る高次偏波変換素子の別の一例の光導波路の断面図である。 本発明の実施形態に係る高次偏波変換素子の別の一例のコアの斜視図である。 上部クラッドと下部クラッドとの屈折率差を利用した構造の一例を示すコアの平面図である。 上部クラッドと下部クラッドとの屈折率差を利用した構造の一例を示す光導波路の断面図である。 本発明の第１実施形態に係る高次偏波変換素子のコアの平面図である。 図４ＡのＩＶｂ－ＩＶｂ線に沿う断面図である。 図４ＡのＩＶｃ－ＩＶｃ線に沿う断面図である。 図４ＡのＩＶｄ－ＩＶｄ線に沿う断面図である。 本発明の第２実施形態に係る高次偏波変換素子のコアの平面図である。 図５ＡのＶｂ－Ｖｂ線に沿う断面図である。 図５ＡのＶｃ－Ｖｃ線に沿う断面図である。 図５ＡのＶｄ－Ｖｄ線に沿う断面図である。 本発明の実施形態に係る高次偏波変換素子の第３実施形態のコアの平面図である。 図６ＡのＶＩｂ－ＶＩｂ線に沿う断面図である。 図６ＡのＶＩｃ－ＶＩｃ線に沿う断面図である。 本発明の実施形態に係る高次偏波変換素子の第１又は第２実施形態の改変例のコアの平面図である。 本発明の実施形態に係る高次偏波変換素子の第１又は第２実施形態の改変例のコアの平面図である。 本発明の実施形態に係る高次偏波変換素子の第１又は第２実施形態の改変例のコアの平面図である。 本発明の実施形態に係る高次偏波変換素子の第１又は第２実施形態の改変例のコアの平面図である。 本発明の第３実施形態に係る高次偏波変換素子の改変例のコアの平面図である。 本発明の第３実施形態に係る高次偏波変換素子の改変例のコアの平面図である。 本発明の第３実施形態に係る高次偏波変換素子の改変例のコアの平面図である。 本発明の第４実施形態に係る高次偏波変換素子のコアの平面図である。 図９ＡのＩＸｂ－ＩＸｂ線に沿う断面図である。 図９ＡのＩＸｃ－ＩＸｃ線に沿う断面図である。 本発明の第４実施形態に係る高次偏波変換素子の改変例のコアの平面図である。 本発明の第４実施形態に係る高次偏波変換素子の改変例のコアの平面図である。 本発明の第４実施形態に係る高次偏波変換素子の改変例のコアの平面図である。 本発明の第５実施形態に係る高次偏波変換素子のコアの平面図である。 図１１ＡのＸＩｂ－ＸＩｂ線に沿う断面図である。 図１１ＡのＸＩｃ－ＸＩｃ線に沿う断面図である。 本発明の第５実施形態に係る高次偏波変換素子の改変例のコアの平面図である。 本発明の第５実施形態に係る高次偏波変換素子の改変例のコアの平面図である。 本発明の第５実施形態に係る高次偏波変換素子の改変例のコアの平面図である。 本発明の実施形態に係る高次偏波変換素子を非対称方向性結合器と組み合わせた偏波変換素子の一例のコアの平面図、（ｂ）は（ａ）のＸＩＩＩｂ－ＸＩＩＩｂ線に沿う断面図である。 図１３ＡのＸＩＩＩｂ－ＸＩＩＩｂ線に沿う断面図である。 本発明の実施形態に係る高次偏波変換素子を非対称方向性結合器と組み合わせた偏波変換素子の別の一例のコアの平面図である。 本発明の実施形態に係る高次偏波変換素子を非対称方向性結合器と組み合わせた偏波変換素子の別の一例の非対称方向性結合器のコアの断面図である。 ＤＰ－ＱＰＳＫ変調器の一例を示す模式図である。 偏波ダイバーシティ・コヒーレント受信機の一例を示す模式図である。 偏波ダイバーシティ方式の一例を示す模式図である。 計算例１で下底に対する実効屈折率の変化を示すグラフである。 （ａ）～（ｄ）はそれぞれ計算例１で、下底が０．５μｍであるときの電界振幅を示す図である。 （ａ）～（ｄ）はそれぞれ計算例１で、下底が０．６μｍであるときの電界振幅を示す図である。 （ａ）～（ｄ）はそれぞれ計算例１で、下底が０．８μｍであるときの電界振幅を示す図である。 （ａ）～（ｄ）はそれぞれ計算例１で、下底が１．２μｍであるときの電界振幅を示す図である。 実施例１でＺ座標に対する実効屈折率の変化を示すグラフである。 （ａ）～（ｄ）はそれぞれ実施例１で開始部断面の電界振幅を示す図である。 実施例１で求めた変換損失の波長依存性のグラフである。 実施例１で導波路に沿った電界の（ａ）Ｅｘ成分、及び（ｂ）Ｅｙ成分をＦＤＴＤ法で求めたシミュレーション結果である。 実施例３の構造において実効屈折率の変化を示すグラフである。 実施例４の構造において実効屈折率の変化を示すグラフである。 実施例５の構造において実効屈折率の変化を示すグラフである。 実施例７の構造において偏波変換損失の波長依存性を示すグラフである。 実施例７の構造においてＴＥ０の透過損失の波長依存性を示すグラフである。 ＴＥ１を発生させる変換合波素子の一例を示す平面図である。 対称方向性結合器の一例を示す平面図である。 図３２の変換合波素子を備えたＤＰ－ＱＰＳＫ変調器の一例を示す平面図である。 図３２の変換合波素子を備えたＤＰ－ＱＰＳＫ変調器の別の一例を示す平面図である。 実施例８の変換合波素子における、（ａ）入力部分の断面における基本ＴＥモードのモード分布、（ｂ）合波部の断面における高次ＴＥモードのモード分布のシミュレーション結果を示す図である。 実施例８の変換合波素子における過剰損失のシミュレーション結果を示すグラフである。 ＦＤＴＤ法による実施例８の変換合波素子の電界シミュレーションの結果を示す図である。 図４Ａ～４Ｄに示す構成を用いた場合のテーパ導波路への埋め込みのイメージ図である。 本発明に係る実施形態を用いた高次偏波変換部の設計例を示す図である。 本発明に係る実施形態を用いた高次偏波変換部の設計例を示す図である。 本発明に係る実施形態を用いた高次偏波変換部の設計例を示す図である。 本発明に係る実施形態を用いた高次偏波変換部の設計例を示す図である。 側壁荒れが生じた変換合波素子を示す図である。 側壁荒れが生じた変換合波素子を示す図である。 実施例１０の高次偏波変換素子の構造を示す図である。 実施例１０の高次偏波変換素子の構造を示す図である。 実施例１０の高次偏波変換素子を導波するモードの実効屈折率を示すグラフである。 実施例１０の高次偏波変換素子を導波するモードのＲＴＥ、ＲＴＭを示すグラフである。 比較例２の高次偏波変換素子の構造を示す図である。 比較例２の高次偏波変換素子の構造を示す図である。 比較例２の高次偏波変換素子を導波するモードの実効屈折率を示すグラフである。 比較例２の高次偏波変換素子を導波するモードのＲＴＥ、ＲＴＭを示すグラフである。 実施例１０と比較例２の全素子長に対する高次偏波変換時の変換効率を示すグラフである。 実施例１０の高次偏波変換素子の高次偏波変換効率の波長依存性をシミュレーションで計算した結果を示す図である。 実施例１１で作製されたデバイスの高次偏波変換効率の波長依存性を測定した結果を示す図である。
　以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
　図１Ａ～図２Ｂに、本発明の高次偏波変換素子の構造を模式的に例示する。これらの高次偏波変換素子は、図１Ａ及び図２Ａに示すように、基板Ｓ上にコア２及びクラッド５を有する光導波路１を備える基板型光導波路素子から構成される。コア２の形状は、導波方向に垂直な断面において、コア形状が２つの幅を持つ矩形を重ねた形を成す。なお、本願では、単に「断面」と記載する場合は光の導波方向に垂直な断面を指す。
　以下、上側の断面矩形状の部分を上部コア３、下側の断面矩形状の部分を下部コア４と呼び、下部コア４と下部クラッド７が接する部分を下底４ａ、上部コア３の上部を上底３ａと呼ぶ。上部コア３は下部コア４と同じ材料からなる。クラッド５は、基板Ｓとコア２の間に設けられた下部クラッド７と、コア２及び下部クラッド７の上に設けられた上部クラッド６を有する。
　つまり、基板Ｓ上に設けられる下部クラッド７上に、下部コア４と上部コア３とを有するコア２が設けられる。さらに、コア２及び下部クラッド７の上に上部クラッド６が設けられる。
　このような断面を持つ光導波路のコア形状の一例を図１Ｂ及び図２Ｂに示す。図１Ｂは図１Ａの断面を有する光導波路のコア形状の一例であり、図２Ｂは図２Ａの断面を有する光導波路のコア形状の一例である。
　図１Ａ～図２Ｂに光導波路が高次偏波変換素子として機能するためには、まず、光導波路の開始部８において、ＴＥ０（基本ＴＥモード）の実効屈折率がのＴＥ１（高次ＴＥモード）の実効屈折率よりも大きく、ＴＥ１（高次ＴＥモード）の実効屈折率がＴＭ０（基本ＴＭモード）の実効屈折率よりも大きくなるような３つ以上のモードを持つこと、光導波路の終了部９において、ＴＥ０の実効屈折率がＴＭ０の実効屈折率よりも大きく、ＴＭ０の実効屈折率がＴＥ１の実効屈折率よりも大きくなるような３つ以上のモードを持つことが必要である。この関係を持つためには、終了部９におけるコア幅（上部コア３の幅又は下部コア４の幅）が、開始部８におけるコア幅より小さいことが好ましい。
すなわち、（１）終了部９における上部コア３の幅が開始部８における上部コア３の幅より小さいこと、（２）終了部９における下部コア４の幅が開始部８における下部コア４の幅より小さいこと、の少なくとも１つを満足することが好ましい。
　さらに、高次偏波変換素子が、開始部８のＴＥ１と終了部９のＴＭ０との間で偏波変換をする素子となるためには、開始部８と終了部９との間の光導波路のコア形状が、上部コアの幅と下部コアの幅が異なる上下非対称な構造を有し、上部コア３の幅又は下部コア４の幅は、光導波路の光の導波方向に連続的に変化することが必要である。すなわち、（３）開始部８と終了部９との間で、上部コア３の幅が連続的に十分ゆっくりと変化するような構造を持つこと、（４）開始部８と終了部９との間で、下部コア４の幅が連続的に十分ゆっくりと変化するような構造を持つこと、の少なくとも１つを満足することが好ましい。また、（５）上部コア３の幅又は下部コア４の幅が前記開始部と前記終了部との間で前記光の進行方向に対して連続的に減少しかつ開始部８と終了部９との間で上部コア３及び下部コア４の幅が増加しないことがさらに好ましい。
　なお、本願において「連続的に減少」とは、図２Ａの上部コア３の幅及び下部コア４の幅のように開始部８から終了部９にかけて常に減少している場合だけでなく、図４Ａの上部コア３の幅及び下部コア４の幅のように一定幅の部分がある場合も含まれる。
　このとき、開始部８からＴＥ１を入力すると、終了部９からＴＭ０として出力される。逆に終了部９からＴＭ０を入力した場合、開始部８よりＴＥ１が出力される。すなわち、この高次偏波変換素子は、開始部８のＴＥ１と終了部９のＴＭ０との間で偏波変換（高次偏波変換）をする素子として機能する。
　なお、以下においても開始部８からＴＥ１を入力すると、終了部９からＴＭ０として出力される構造であれば、終了部９にＴＭ０を入力すると開始部８からＴＥ１が出力される。
　図１Ａ及び１Ｂでは、上部コア３の幅方向の一つの端と下部コア４の幅方向の一つの端とが重なり、反対側の端に段差を有している。図２Ａ及び２Ｂでは、上部コア３の幅方向の両端がそれぞれ下部コア４の幅方向の両端と重ならず、左右の両端に段差が生じている。上下非対称な断面構造は、図１Ａ～図２Ｂに限られず、断面図の右上、右下、左上、左下の任意の隅に、合わせて１つ又は２つ以上段差を有する構造であってもよい。
　上下非対称な構造としては、図１Ａ～図２Ｂに示すように、上部コア３の幅が下部コア４の幅より小さい構造に限られず、上部コア３の幅が下部コア４の幅より大きい構造とすることもできる。下部コア４の上により幅の小さい上部コア３を設ける場合、基板（及び下部クラッド）の上に設けたコア材料層の上部から一部をエッチング等で除去する方法により、同じ材料からなる上部コア３と下部コア４を容易に作製することができる。従って、下部コア４の上により幅の小さい上部コア３を設けることが好ましい。
　下部コア４に対する上部コア３の配置は、上部コア３が下部コア４の幅方向の中心位置に近い方が、偏波変換効率が高く、素子の長さであるテーパ長を短くすることができる。
　この観点からは、図２Ａ及び２Ｂに示すように、コアの幅方向の両端に段差を設けることが好ましい。さらに、下部コア４の幅が上部コア３の幅よりも大きく、上部コア３の下辺が下部コア４の上辺に含まれる場合は、図２Ａの断面図に示すように、リブ導波路を作製するプロセスを利用することができる。
　一方、図１Ａ及び１Ｂに示すように、下部コア４と上部コア３の幅方向の一つの端が重なるようなコア形状では、段差が幅方向の反対側の一つの端のみに生じ、下部コア４の張り出しが大きくなる。従って、製造プロセスの要求精度が下がり、生産効率を高めることができる。
　上部コア３と下部コア４は同じ材料からなることが好ましい。例えば、上部コア３と下部コア４をともにＳｉで構成することができる。コアのＳｉは、意図的な不純物（ドーパント）あるいは不可避の不純物を含んでもよい。
　さらに、本実施形態の高次偏波変換素子によれば、上部クラッド６と下部クラッド７で異なる屈折率を持たなくても、高次偏波変換を行うことができる。このため、上部クラッドと下部クラッドとの材料が同一の場合であっても、光導波路上でＴＥ１からＴＭ０への変換及びＴＭ０からＴＥ１への変換である高次偏波変換を行うことが可能である。例えば下部クラッド７の材料にＳｉＯ２を用いる場合、上部クラッド６にもＳｉＯ２を用いることが好ましい。上部クラッド６のＳｉＯ２の堆積に際して、意図的な不純物（ドーパント）あるいは不可避の不純物を含んでもよい。
　上部クラッドと下部クラッドとが同じ材料でないとしても、上部クラッドと下部クラッドとを同じ元素種から構成することもできる。ここで、「２つの材料が同じ元素種から構成される」ことの定義は、２つの材料を構成する元素がすべて同じであることをいう。例えば、シリコン（Ｓｉ）の元素種はＳｉのみであり、シリカ（ＳｉＯ２）の元素種はＳｉ及びＯである。Ｓｉ及びＯの２つの元素種から構成される材料は、ＳｉＯ２と同じ元素種ということができるが、Ｓｉのみから構成される材料（Ｓｉ等）や、Ｓｉ及びＯ以外の元素種を含む材料（Ｓｉ３Ｎ４等）は、ＳｉＯ２と同じ元素種とはいえない。
　次に、上記構造の光導波路素子によって高次偏波変換が起こる原理について述べる。一般に、光導波路内の光の閉じ込めの強さに応じて、各モードの実効屈折率が変化する。この閉じ込めの強さは、コアとクラッドの屈折率がそれぞれ一定の場合、コアの大きさに依存し、コアが大きいほど閉じ込めが大きい。そのため、コアの大きさを変化させることで実効屈折率が変化する。ここでは幅方向の変化を考える。幅方向のコアの大きさの変化量に対して、ＴＥモードの実効屈折率は、ＴＭモードの実効屈折率よりも大きく変化するため、導波路幅に対する実効屈折率の変化を表すグラフ（実効屈折率曲線）においてＴＥ１とＴＭ０で接近する点が存在する。
　上下対称な光導波路形状では、ＴＥ１の実効屈折率曲線とＴＭ０の実効屈折率曲線とが交わり、ＴＥ１とＴＭ０の実効屈折率は縮退する。この場合、この交点の前後でモードの変換は生じない。
　一方で、上下非対称なコア形状をもつ光導波路の場合、非特許文献１で述べているように屈折率断面の屈折率分布が上下非対称になるため、上下対称なコア形状を持つ導波路では縮退していたＴＥ１とＴＭ０の点が分離している。このとき、ＴＥ１とＴＭ０は同一の実効屈折率曲線上で連続的に繋がるので、導波路幅を緩やかに変化させることで高次偏波変換を行うことが可能となる。なお、詳細な具体例は、計算例１及び各実施例で述べる。
　続いて、本実施形態の光導波路素子の作製上の優位点を挙げる。本実施形態のようなコア形状を持つ光導波路はリブ導波路を作製するプロセスで作製することが可能である。基板型光導波路では、矩形導波路と共に、矩形導波路より損失の小さいリブ導波路を併用することが多いので、図１Ａ～図２Ｂに示すような２段重ねのコア形状は、多くの場合に余分なプロセスを必要とせずに作製可能である。下部コアと上部コアとに同じ材料を使用することが可能である。特に、リブ型の位相変調部を有する光変調器（参考文献：K. Goi et al., "20-Gbps BPSK silicon Mach-Zehnder modulator with excellent chirp-free performance," OFC/NFOEC 2013, OW4J.4.）と集積する場合、位相変調部を作成する際に一括して本発明を作成することが可能となる。そのため、DP-QPSK変調器の作成が大変容易となる。また、上部クラッドに下部クラッドと同じ材料を使用することが可能であり、異なる材料を用いる必要がある高次偏波変換素子に比べて作製の単純化が図れる。また上部クラッドと下部クラッドに異種材料を使用すると、線膨張係数などの違いによりひずみが生じ歩留りを下げてしまう。従って、上部クラッドと下部クラッドとを同じ材料で作製することで歩留り向上にもつながる。特にＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板による光導波路は、下部クラッドとなるＢＯＸ（buried oxide）層はＳｉＯ２であり、上部クラッドもＳｉＯ２が多用される。従って、本実施形態のように上部クラッドと下部クラッドとが同じ材料で高次偏波変換が可能であればＳＯＩ基板による光導波路にも用いることができる。
　非特許文献１に記載される構造では、上部クラッドと下部クラッドの屈折率が異なる場合でも、これらの屈折率差が大きくない場合、上下の非対称性が小さくなり、ＴＥ１とＴＭ０の実効屈折率が接近する。従って、十分な変換を行うのに必要なテーパ部の長さが非常に長くなってしまい、小型化の観点で不利である。その他に、光導波路で上部クラッドと下部クラッドとに異なる材料を使用しておりこれらの材料の流用が可能である場合でも、屈折率差が小さければ高次偏波変換を小型に行うことができない。また、同一の材料からなる上部クラッドと下部クラッドとでドーピング条件を変えることで屈折率差をつけるなど、余分なプロセスの手間が少ない場合でも、同様に屈折率差が小さければ高次偏波変換を小型に行うことができない。このような場合に小型の基板型光導波路上の素子で高次偏波変換を行う方法が課題として挙げられる。本発明は、このようにクラッドの屈折率差がある場合でも、コア形状を非対称にすることで導波路断面の上下非対称性を強め、より短い距離で偏波変換を行うことが可能となる。
　リブ構造は、リブ（上部コア）及びスラブ（下部コア）の作製時にそれぞれ別のマスクを使うため、下部コアと上部コアとが幅と長手方向にずれる場合がある。しかしながら、本実施形態では上下非対称性構造で導波路が形成されていればよいので、このような製造バラつきによる高次偏波変換への影響は少ない。また、下部コアの高さも製造時にばらつく可能性があるが、同様の理由により高次偏波変換への影響は小さい。損失への影響については、上部コアと下部コアとを設ける区間が短ければ影響は小さい。従って、本実施形態の高次偏波変換素子では、製造バラつきが従来のリブ構造の導波路と同程度で構わない。このため、高次偏波変換素子の上部コアとリブ構造のリブとの作製に同じ（一体の）マスクを使ったり、高次偏波変換素子の下部コアとリブ構造のスラブとの作製に同じ（一体の）マスクを使ったりすることができる。また、マスク上の他の場所で使用しているリブプロセスを併用する場合、下部コアと上部コアの高さが自由に選べないが、同様の理由により高次偏波変換では可能である。
　高次偏波変換素子を導波するＴＥ０の実効屈折率が、ＴＭ０とＴＥ１の実効屈折率に比べ大きく異なる場合、ＴＥ０の他導波モードへ変換は生じにくい。そのような実効屈折率に、ＴＥ０とＴＥ１とを同時に入力すると、ほとんど変換されないままのＴＥ０とＴＭ０に変換されたＴＥ１とが同時に出力されるような素子としての働きも持つ。この観点から、ＴＥ０の実効屈折率とＴＥ１の実効屈折率の差が０．２以上であることが好ましい。同様の理由から、ＴＥ０の実効屈折率とＴＭ０の実効屈折率の差が０．２以上であることが好ましい。これらの実効屈折率差に関する要件は、光導波路の開始部と終了部との間の全長にわたって、満足されることが好ましい。
　本実施形態のようにコア形状に上下非対称性を持たせる構造を、図３Ａ及び３Ｂのように上部クラッドと下部クラッドとの屈折率差を利用した構造（非特許文献１参照）と比較すると、本実施形態の高次偏波変換素子の方がＴＥ１からＴＭ０への変換損失が小さくなる場合がある。例えば後述する実施例１（図４Ａ～４Ｄ）と比較例１（図３Ａ及び３Ｂ）に挙げるように、開始部（入力断面）と終了部（出力断面）のそれぞれのコア形状が同一で、かつ、それらの断面の間の長手方向の長さも同一の場合、比較例１（０．５８７ｄＢ）に比べて実施例１（０．００４ｄＢ）はより小さい損失で変換が可能である。
　本発明の第１実施形態に係る高次偏波変換素子を図４Ａ～４Ｄに示す。図４Ａにコア２の平面図を示し、図４Ｂ～４Ｄにそれぞれ高次偏波変換素子の終了部、中間部、開始部の断面図を示す。コア２の周囲には図２Ａと同様にクラッド５が設けられるが、図４Ａ～４Ｄでは図示を省略している。この構造の詳細は、実施例１として後述する。
　なお、図４Ａでは、下部コア４が上部コア３の外側に出る階段状の部分に網かけを付けている。後述する図５Ａ等でも、同様に平面図に網かけを付けた場合がある。
　本実施形態では、開始部８から終了部９に至るまで、上部コア３が下部コア４の幅方向の中央に位置する。ただし、下部コアの中心以外に上部コアを配置した構造でも高次偏波変換は可能である。特に上記構造を、リブ導波路を製造するプロセスで作製した場合、上部コアと下部コアのデザインを決めるマスクのずれで中心位置からずれるような場合でも、変換効率は低減するが高次偏波変換は可能である。
　開始部８と終了部９では、上部コア３の幅方向の両端がそれぞれ下部コア４の幅方向の両端と重なり、下部コア４の幅と上部コア３の幅が同じで、図４Ｂ及び４Ｄに示すように断面が矩形状である。開始部８のコア幅Ｗ１は終了部９のコア幅Ｗ２より大きい。
　開始部８と終了部９との間のうち開始部８と終了部９とを除く部分では、上部コア３の幅方向の両端がそれぞれ下部コア４の幅方向の両端と常に重ならず、リブ構造と同様になっている。すなわち、図４Ｃに示すように、下部コア４の幅が上部コア３の幅よりも大きくなり、導波方向に垂直な断面における上部コア３の下辺が下部コア４の上辺に含まれている。上底から下底までの距離は、開始部８と終了部９のコア高さＨ１に等しく、下部コア４の高さＨ２は一定である。
　図４Ａに示すコア２では、長手方向において、Ｌ１の区間では上部コア３の幅のみを変化させて下部コア４の幅を一定とし、Ｌ２の区間では下部コア４の幅のみを変化させて上部コア３の幅を一定としている。上部コア３の幅と下部コア４の幅を長手方向の同じ区間内で変化させた場合、これらの幅の差が小さいまま長手方向に変化することになる。従って、上下非対称性が小さい。即ちＴＥ１とＴＭ０の実効屈折率差が小さい範囲での変化になってしまい、変換効率が低下する。そのため、上部コア３の幅を開始部８側で変化させ、上部コア３と下部コア４の幅の差が広がった後に、終了部９側で下部コア４の幅を小さくする構造は、変換効率が高く、素子の長さであるテーパ長（Ｌ１とＬ２の長さの合計）を短くすることができる。
　また、コア２の長手方向の幅の変化の仕方は、長手方向の距離に対して幅を線形に変化させている。この幅の変化は、二次関数などの任意の連続曲線状の変化に変えることも可能であるが、曲線状の導波路構造は線形に変化させた場合に比べ再現性が低くなる。そのため、図４Ａに示すようなコア２を採用することで製造プロセスによる影響を低減させることができる。
　本実施形態の構造では、ＴＥ１とＴＭ０の実効屈折率曲線の分離の度合いが、上部コアと下部コアの寸法を同じにし、上部コアの位置を中心以外でかつ下部コアからはみ出さない範囲に置いた構造に比べて大きい。従って本実施形態では、ＴＥ１とＴＭ０の実効屈折率差が大きいほど、高次偏波変換の効率が高いため、素子の長さであるテーパ長を短くすることが可能である。　
　本発明の第２実施形態に係る高次偏波変換素子を図５Ａ～５Ｄに示す。図５Ａにコア２の平面図を示し、図５Ｂ～５Ｄにそれぞれ高次偏波変換素子の終了部、中間部、開始部の断面図を示す。コア２の周囲には図１Ａと同様にクラッド５が設けられるが、図５Ａ～５Ｄでは図示を省略している。この構造の詳細は、実施例２として後述する。
　本実施形態では、開始部８から終了部９に至るまで、上部コア３と下部コア４の幅方向の一つの端が一致する構造である。コア２の長手方向の断面形状の変化の特徴や、幅の変化の仕方は、図４Ａ～４Ｄの第１実施形態と同様である。
　この構造は、実効屈折率差が小さく偏波変換効率が低下するが、第１実施形態の構造に比べて上部コアに覆われていない下部コアの部分が広く、製造において第１実施形態のものより要求精度が下がり、再現性の高い構造の作製が可能である。
　本発明の第３実施形態に係る高次偏波変換素子を図６Ａ～６Ｃに示す。図６Ａにコア２の平面図を示し、図６Ｂ及び６Ｃにそれぞれ高次偏波変換素子の終了部、開始部の断面図を示す。コア２の周囲には図１Ａと同様にクラッド５が設けられるが、図６Ａ～６Ｃでは図示を省略している。この構造の詳細は、実施例３として後述する。
　開始部８の断面形状がリブ導波路で、終了部９の断面形状が矩形導波路となり、上部コア３と下部コア４の幅方向の中心が一致する構造である。図６Ｃに示すように開始部８では下部コア４の幅が上部コア３の幅よりも大きく、図６Ｂに示すように終了部９では上部コア３の幅と下部コア４の幅が同じである。コア２の長手方向の幅の変化の仕方は、長手方向の距離に対して幅を線形に変化させている。開始部８と終了部９との間では、下部コア４と上部コア３の幅の比率は異なるが、図６Ｃと同様な断面形状となっている。
　開始部８と終了部９との間で、上底の長さはＷ１ａからＷ２まで、下底の長さはＷ１からＷ２まで、光導波路の長手方向に沿って徐々に変化させることで、ＴＥ１からＴＭ０への変換が可能である。本構造のコア２の長手方向の断面形状の変化の特徴として、開始部８から終了部９まで上部コア３の幅と下部コア４の幅を線形に変化させている点がある。本構造では、終了部９及びその近傍を除き、開始部８側ではリブ構造をとり、上部コア３と下部コア４の幅の差が大きいので、上下非対称性が大きい。このため、実効屈折率差が大きい範囲で幅が変化して、変換効率を高くすることができる。
　リブ導波路は、矩形導波路よりも、製造プロセスによって起こる側壁荒れによる損失が小さい。通常伝搬に使用されるＴＥ０に比べて、大きく広がった電界分布を持つＴＥ１は、特に側壁荒れの損失が大きいため、リブ導波路を導波させることで、損失の少ない伝搬が可能である。上記構造では、リブ導波路を伝搬してきたＴＥ１を直接、ＴＭ０に変換することが可能な構造を特徴とする。ＴＥ１を一度矩形導波路に変換することなくＴＭ０に変換することが可能であるため、余分な距離を伝搬する必要が無く、側壁荒れや導波路の変換で生じる損失をなくすことが可能である。
　本発明の高次偏波変換素子は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。例えば、入出力断面（開始部及び終了部）や長手方向の変化が次のようになる構造の高次偏波変換素子も可能である。
　本発明の第１又は第２実施形態に係る高次偏波変換素子の改変例を図７Ａ～７Ｄに示す。図７Ａ～７Ｄはそれぞれコアの平面図である。これらは、第１又は第２実施形態と同様に、開始部８と終了部９の断面が矩形状で、上下対称な構造である。すなわち、開始部８の断面において下部コア４の幅と上部コア３の幅が同じであり、かつ、終了部９の断面において下部コア４の幅と上部コア３の幅が同じである。また、第１又は第２実施形態と同様に開始部８と終了部９との間で上部コア３の幅が下部コア４の幅よりも常に狭い。
　図７Ａは、図５Ａと同様に、上部コア３の片側に下部コア４がはみ出した段差部を有する。図７Ｂは、図４Ａと同様に、上部コア３の両側に下部コア４がはみ出した段差部を有するが、上部コア３が下部コア４に対して幅方向の中心になくてもよく、左右非対称である。図７Ｃでは、上部コア３及び下部コア４のテーパ部分における幅の変化が連続的な変化であるが、線形（直線）でなくて曲線状である。つまり、開始部８から終了部９に向けて曲線状に上部コア３の幅が狭まっている。さらに、図７Ｄでは、開始部８から終了部９に向けて曲線状に上部コア３及び上部コア３の幅が狭まっている。
　第１又は第２実施形態の光導波路の場合、寸法の具体例として、開始部の断面において、コア全体の高さが２２０ｎｍであり、コア全体の幅が７００ｎｍ以上であること、及び、終了部の断面において、コア全体の高さが２２０ｎｍであり、コア全体の幅が６２０ｎｍ以下であることが好ましい。このように、コアの高さを特定の値に統一して、コア幅のみを変更するようにすれば、ＳＯＩ基板など特定の厚さのコア材料（Ｓｉ）層を有する基板から光導波路を作製する工程が容易になる。製造誤差を±１０ｎｍとした場合、開始部及び終了部の断面におけるコア全体の高さは、２１０ｎｍから２３０ｎｍ程度が好ましい。また、下部コアの高さは、製造誤差を考慮した場合、７５ｎｍから１１５ｎｍ程度が好ましい。
　第１又は第２実施形態について、図４Ａ，図５Ａ，及び図７Ａ～７Ｄを用いてさらに詳しく説明する。
　図４Ａ，図５Ａ，及び図７Ａ～７Ｄでは、開始部８と終了部９との間のうち開始部８と前記終了部９とを除く部分で上部コア３の幅が下部コア４の幅よりも常に狭い。そのため、２回のエッチングによって、作成することが可能となる。そのため、例えば、ＳＯＩ基板の上位層であるＳＩ層をエッチングで削り、その上からＳｉＯ２を堆積させることで作製可能である。
　また、光の進行方向に対して、図４Ａのようにコア幅の変化は段階的でもよいし、図７Ｄのように連続的でもよい。コア幅の変化が段階的な方が設計が容易である。一方、コア幅の変化が連続的な場合はより滑らかに導波路構造を変化させることができ、さらなる低損失化が可能となる。
　また、下部コアの上部コアに対してはみ出している部分は、図４Ａ等のように光の進行方向に対して、両側の張り出していても良いし、図５Ａのように片側だけ張り出していてもよい。両側に張り出している場合の方が高い高次偏波変換効率を持つ。片側に張り出している場合は、下部コアの張り出しをより広く保つことができるので、製造時に要求される解像度を緩和できる。
　上記実施形態の光導波路では、異なる導波路幅を持つ矩形導波路同士を効率的なテーパ導波路によって接続可能であり、かつ、開始部８から終了部９にかけてコア２の幅が狭くなる導波路（テーパ導波路）内に高次偏波変換部が併設される（埋め込まれる）。この構成を有することによって、短距離での高次偏波変換が可能である。
　以下、図３９を用いて上記実施形態に係る高次偏波変換素子の原理を述べる。
　図３９（ｂ）は開始部から終了部までの断面が常に矩形で開始部８から終了部９にかけて幅が狭くなるコア２を有するテーパ導波路であり、図３９（ａ）は図３９（ｂ）のテーパ導波路に高次偏波変換部７４が埋め込まれた高次偏波変換素子である。
　まず、高次偏波変換を行う場合、開始部８（入力断面）では、ＴＥ０の実効屈折率がＴＥ１の実効屈折率よりも大きく、ＴＥ１の実効屈折率がＴＭ０の実効屈折率よりも大きく、終了部９（出力断面）では、ＴＥ０の実効屈折率がＴＭ０の実効屈折率よりも大きく、ＴＭ０の実効屈折率がＴＥ１の実効屈折率より大きい必要がある。さらに、開始部８と終了部９との間のコア２が、連続的に導波路が接続された構造を有し、かつ図３９（ａ）のように上部コア３と下部コア４の２段テーパ導波路構造を有する必要がある。なお、以下２段テーパ導波路構造を持つ部分を２段テーパ部７３と呼ぶ。
　仮に図３９（ｂ）のように上部コアの幅と下部コアの幅が開始部から終了部まで常に等しい場合を考えた場合、ＴＥ１とＴＭ０の実効屈折率は、入れかわり(縮退点を持ち)高次偏波変換は行われない。
　一方、図３９（ｂ）で示すように上部コア３と下部コア４の幅が異なる場合、２段テーパ部７３の断面は上下非対称な屈折率分布を持つ。上下非対称な屈折率分布では、ＴＥ１とＴＭ０の実効屈折率は入れ替わらず(縮退点を持たず)、ハイブリッドモードと呼ばれるＴＥ１とＴＭ０が入り交じった導波モードが生じる。このハイブリッドモードを利用することで、高次偏波変換が行われる。なお、以下ではハイブリッドモードが生じる部分を高次偏波変換部７４と呼ぶ。ただし、高次偏波変換を高い変換効率で行うには、高次偏波変換部７４において、電界の連続的な変化（断熱変換）が行われるようにテーパ長を長くする必要がある。
　この場合、上部コア３と下部コア４の高さを一定としたとき、開始部８と終了部９との実効屈折率の順番の条件を満たす場合、常に開始部８の上部コア３の幅は、終了部９の上部コア３の幅に比べて大きくなる。また、常に開始部８の下部コア４の幅は、終了部９の下部コア４の幅に比べて大きくなる。
　これは次の理由による。
　コア２の幅が狭いほど、幅方向の電界成分が支配的なＴＥ１の光閉じ込めが弱くなる。光閉じ込めが弱いと、クラッド５に電界が広がり、コア２よりもクラッド５の屈折率の影響を受けるため、実効屈折率が低下する。それに対して、ＴＭ０は高さ方向の電界成分が支配的であるため、コア幅の狭窄化による実効屈折率の変化はＴＥ１よりも小さい。そのため、前述の前提条件を満たすときは、常に開始部８のコアの幅は、終了部９のコア幅に比べて大きくなる。
　したがって、高次偏波変換素子では、幅が異なる矩形導波路の間をテーパ導波路で接続する必要がある。このような光素子のうち、高次偏波変換の機能を持たない通常の光素子の小型化を考えた場合、幅が異なる矩形導波路を効率的に接続するには、幅広の矩形導波路（開始部８）から幅狭の矩形導波路（終了部９）へ、幅を単調に狭めたテーパ導波路を用いる方法がある。
　前述のテーパ導波路を基に、導波路内に高次偏波変換部７４を併設する。高次偏波変換部７４は、上下非対称な屈折率断面部を持つことで実現できる。そこで、上記実施形態では、前述のテーパ導波路に対して、上部コアと下部コアを設け、これの幅の変化が光の進行方向にそれぞれ異なるような２段テーパ導波路構造を開始部８と終了部９の間に設ける。このとき、開始部８と終了部９の間では、上下非対称な屈折率分布を持たせるため、開始部８から終了部９までの断面における下部コア４の幅と上部コア３の幅とは常に異なる。さらに、上部コア３又は下部コア４の幅が単調に減少しかつ上部コア及び下部コアの両方の幅が増えない。それにより、異なる幅の開始部８及び終了部９を有する矩形導波路を効率的に接続し、かつ、その間に高次偏波変換部７４を設けることが出来る。これにより、小型でかつ高密度集積が可能な高次偏波変換素子を実現できる。
　さらに、上記実施形態の高次偏波変換素子を用いると、通常のテーパ導波路に高次偏波変換部を併設としているため、高次偏波変換部７４の埋め込み位置を任意に設計可能である。
　例えば、図４０に示すように、構造が定まった開始部８と終了部９に対して、上記実施形態の高次偏波変換素子を用いる際に全素子長に対する高次偏波変換部７４の割合も任意に設計可能である。これは、光の導波方向に対する２段テーパの変化の仕方を調整することで可能となる。高次偏波変換素子全体に占める高次偏波変換部の割合が大きいほど、高次偏波変換の効率が高まる。そのため、より短い距離で高効率な変換が可能となる。ただし、損失が十分小さくなるように高次偏波変換部以外の部分の導波路を設定する必要がある。
　また他の例として、上記実施形態の高次偏波変換素子を用いると、高次偏波変換素子全体に対する高次偏波変換部７４の位置を調整することも可能である。開始部８と終了部９との幅が異なっている場合、２段テーパの変化の仕方を調整が同一であると、高次偏波変換部の位置がずれる。高次偏波変換部の位置は、後述するように素子の中央にある方が、波長帯域と製造誤差の観点で好ましい。そこで、図４０と同様に、光の進行方向に対する２段テーパの変化の仕方を調整することで、図４１Ａ～４１Ｃに示すように任意の幅の開始部８と終了部９に対して、高次偏波変換部７４を高次偏波変換素子の中央付近に設けることが可能となる。図４１Ａ～Ｃでは図４１Ａ，図４１Ｂ、図４１Ｃの順番で開始部８及び終了部９の幅が小さくなっているが、すべてにおいて高次偏波変換部７４は中央に配置される。
　また、導波する光の波長が変化すると、コアへの光閉じ込めの程度が変わる。それにより、実効屈折率が変化し、後述の実施例１０で定義される高次偏波変換部７４の位置が変化する。上記実施形態では、開始部と終了部との間で常に上下非対称な構造を持つことから、高次偏波変換部の位置がずれても、開始部と終了部の間に高次偏波変換部７４を有する限り、変換が可能となる。したがって、上記実施形態は広い波長帯域にわたって動作可能である。特に、高次偏波変換部７４が高次偏波変換素子の中央にある場合、より広い波長範囲に割って動作可能となる。これは、波長の変化が大きいほど、高次偏波変換部７４の位置ずれが大きくなるためである。上記実施形態を用いると高次偏波変換部を高次偏波変換素子の中央に容易に設計することができる。
　さらに、製造誤差の影響で実効屈折率が変化して高次偏波変換部の位置が変化した場合でも、高次偏波変換部７４を高次偏波変換素子の中央に設計可能な上記実施形態では高次偏波変換が可能である。ここで製造誤差が生じる例として、上部コア３又は下部コア４の幅が設計値よりずれたり、上部コア３又は下部コア４の高さが設計値よりずれたり、上部コア３と下部コア４の相対的位置がずれたり、また、上部コア、もしくは下部コアの側壁が基板に対して鉛直方向から傾きを持つ場合が挙げられる。
　さらに、エッチングでコア２を形成する際、図４２Ａのように上部コア３または下部コア４の幅が設計値に対してランダムな微小変動（側壁荒れ）を起こすことがある。このコアの幅の微小変動が生じると、光の閉じ込めが変化し、それに応じて実効屈折率もランダムに変動する。そのため、実効屈折率曲線が実質的に太くなり、ＴＥ１とＴＭ０の実効屈折率の交差の分離の程度が弱まってしまう。即ち、側壁荒れの影響で、高次偏波変換部の変換効率が低下してしまう。上記実施形態によると、全素子長に占める高次偏波変換部７４の割合を高めることが出来るため、高次偏波変換素子全体における変換効率低下を抑えることが可能となる。
　また、側壁荒れの影響は、上部コア３と下部コア４との幅が大きいほど小さい。コア幅が大きいと、光がコア内部により閉じ込められ、その結果、コアの幅が変動した影響を小さくできるためである。その場合、開始部８に近いほどコア幅が大きいため、図４２Ｂのように開始部８に近い位置に高次偏波変換部７４を設けることで、側壁荒れによる高次偏波変換の効率低下を抑制することが可能となる。
　さらに、例えば、高次偏波変換素子中の下部コア４の幅が開始部８の下部コア４の幅よりも大きくなる部分（幅広部）を有すると、その幅広部では開始部８よりもコアへの光の閉じ込めの程度が高くなる。つまり、開始部８では導波しなかった、より高次の導波モード（実効屈折率が、ＴＥ１やＭＴ０よりも小さい導波モード）を導波する場合がある。その場合、製造誤差によるコア幅の変動によって摂動が起こり、入力したＴＥ１がこの高次モードへ変換されてしまう可能性がある。この高次モードへの変換によって損失が生じ、さらに高次偏波変換素子の導波路中をある距離進んだ後に高次モードからＴＥ１に逆変換することで、元のＴＥ１と位相がずれたＴＥ１が重なって伝搬し、損失の波長依存性を招く恐れがある。
　一方、上記実施形態では、上部コア３及び下部コア４が開始部８の幅よりも広がることはない。従って、開始部で導波しない高次モードは、それ以降も導波モードとはならず、上記の問題は生じない。
　本発明の第３実施形態に係る高次偏波変換素子の改変例を図８Ａ～８Ｃに示す。図８Ａ～８Ｃはそれぞれコアの平面図である。これらの光導波路は、第３実施形態と同様に、開始部８の断面が上下非対称なリブ構造で、終了部９の断面が上下対称な矩形状のコアを有する。
　図８Ａは、上部コア３の片側に下部コア４がはみ出した段差部を有する。図８Ｂは、上部コア３の両側に下部コア４がはみ出した段差部を有するが、上部コア３が下部コア４に対して幅方向の中心にはなく、左右非対称である。図８Ｃでは、テーパ部分における上部コア３及び下部コア４の幅の変化が連続的な変化であるが、線形（直線）でなくて曲線状である。
　第３実施形態の光導波路の場合、寸法の具体例として、開始部の断面において、リブ導波路のスラブとなる下部コアの高さが７５～１１５ｎｍであり、コア全体の高さが２１０～２３０ｎｍであり、上部コアの幅が６００ｎｍ以上であること、及び終了部の断面において、コア全体の高さが２１０～２３０ｎｍであり、コア全体の幅が６２０ｎｍ以下であることが好ましい。このように、コア全体の高さ及び下部コアの高さを特定の値に統一して、コア幅のみを変更するようにすれば、ＳＯＩ基板など特定の厚さのコア材料（Ｓｉ）層を有する基板からエッチング等により下部コアを有する光導波路を作製する工程が容易になる。製造誤差を±１０ｎｍとした場合、開始部及び終了部の断面におけるコア全体の高さは、２１０ｎｍから２３０ｎｍ程度が好ましく、下部コアの高さは、８０ｎｍから１１０ｎｍ程度が好ましい。
　開始部における上部コアの幅は、終了部におけるコア全体の幅より広いことが好ましく、７００ｎｍ以上がより好ましい。開始部における上部コアの幅が終了部におけるコア全体の幅以下である場合、開始部における下部コアの幅が終了部におけるコア全体の幅より広いことが好ましい。
　本発明の第４実施形態に係る高次偏波変換素子を図９Ａ～９Ｃに示す。図９Ａにコア２の平面図を示し、図９Ｂ及び９Ｃにそれぞれ高次偏波変換素子の終了部、開始部の断面図を示す。コア２の周囲には図２Ａと同様にクラッド５が設けられるが、図９Ａ～９Ｃでは図示を省略している。この構造の詳細は、実施例４として後述する。
　また、本発明の高次偏波変換素子の第４実施形態の改変例を図１０Ａ～１０Ｃに示す。図１０Ａ～１０Ｃはそれぞれコアの平面図である。
　本実施形態の光導波路は、開始部８の断面が上下対称な矩形状で、終了部９の断面が上下非対称なリブ構造のコアを有する。開始部８と終了部９との間で、上底の長さはＷ１からＷ２ａまで、下底の長さはＷ１からＷ２まで、光導波路の長手方向に沿って徐々に変化させることで、ＴＥ１からＴＭ０への変換が可能である。
　なお、コア形状の左右に関する対称性は必ずしも必要とせず、図１０Ａ～１０Ｃに示すように、上部コア３が下部コア４に対して中心になくてもよく、また、テーパ部分は連続的な変化であれば線形（直線）でなくてもよい。
　第４実施形態の光導波路の場合、第１～３実施形態の同様の趣旨に基づいて、開始部の断面において、コア全体の高さが２２０ｎｍに等しく、コア全体の幅が７００ｎｍ以上であり、終了部の断面において、コア全体の高さが２２０ｎｍに等しく、下部コアの高さが９５ｎｍに等しく、上部コアの幅が６２０ｎｍ以下であることが好ましい。
　本発明の第５実施形態に係る高次偏波変換素子を図１１Ａ～１１Ｃに示す。図１１Ａにコア２の平面図を示し、図１１Ｂ及び１１Ｃにそれぞれ終了部、開始部の断面図を示す。コア２の周囲には図２Ａと同様にクラッド５が設けられるが、図１１Ａ～１１Ｃでは図示を省略している。この構造の詳細は、実施例５として後述する。
　また、本発明の第５実施形態に係る高次偏波変換素子改変例を図１２Ａ～１２Ｃに示す。図１２Ａ～１２Ｃはそれぞれコアの平面図である。
　本実施形態の光導波路は、開始部８と終了部９の断面が上下非対称なリブ構造のコアを有する。開始部８と終了部９との間で、上底の長さはＷ１ａからＷ２ａまで、下底の長さはＷ１からＷ２まで、光導波路の長手方向に沿って徐々に変化させることで、ＴＥ１からＴＭ０への変換が可能である。
　なお、コア形状の左右に関する対称性は必ずしも必要とせず、図１２Ａ～１２Ｃに示すように、上部コア３が下部コア４に対して中心になくてもよく、また、テーパ部分（上部コア３が下部コア４の幅）は連続的な変化であれば線形（直線）でなくてもよい。
　第５実施形態の光導波路の場合、第３実施形態の同様の趣旨に基づいて、開始部の断面において、下部コアの高さが９５ｎｍであり、コア全体の高さが２２０ｎｍであり、上部コアの幅が６００ｎｍ以上であること、及び終了部の断面において、下部コアの高さが９５ｎｍであり、コア全体の高さが２２０ｎｍであり、上部コアの幅が６２０ｎｍ以下であることが好ましい。開始部における上部コアの幅は、終了部における上部コアの幅より広いことが好ましく、７００ｎｍ以上がより好ましい。開始部における上部コアの幅が終了部における上部コアの幅以下である場合、開始部における下部コアの幅が終了部における上部コアの幅より広いことが好ましい。
＜非対称方向性結合器と組み合わせた偏波変換素子＞
　本発明の高次偏波変換素子は、同一基板上の光導波路において、他の素子と組み合わせて用いることができる。例えば、非対称方向性結合器と本発明の高次偏波変換素子とを組み合わせることで偏波変換素子を実現することが可能である。この偏波変換素子は、ＴＥ０を非対称方向性結合器によってＴＥ１に変換し、ＴＥ１を高次偏波変換素子によってＴＭ０に変換する。
　図１３Ａ及び１３Ｂに、本発明の高次偏波変換素子を非対称方向性結合器と組み合わせた偏波変換素子の一例を示す。図１３Ａはコアの平面図であり、図１３Ｂは非対称方向性結合器における断面図である。この構造の詳細は、実施例６として後述する。
　非対称方向性結合器１３は２つの矩形状の導波路である第１の光導波路１１と第２の光導波路１２から構成される。これらの導波路の周囲は、図１３Ｂに示すように、クラッド１４で覆われている。第１の光導波路１１と第２の光導波路１２のうち、第２の光導波路１２のみに高次偏波変換素子１０が接続されている。
　第１の光導波路１１にはＴＥ０が導波する。また、第２の光導波路１２にはＴＥ１が導波する。第１の光導波路１１のＴＥ０と第２の光導波路１２のＴＥ１とが近い実効屈折率を持つため、第１の光導波路１１から第２の光導波路１２へと結合可能である。第１の光導波路１１に接続される入力側の導波路を第１のポート１１ａとし、第２の光導波路１２に接続される入力側の導波路を第２のポート１２ａとする。第２の光導波路１２の出力側にある第３のポート１２ｂは、高次偏波変換素子１０の開始部８に接続される。図１３Ａに示す高次偏波変換素子１０は、一例として図４Ａ～４Ｄと同様な構造を示しているが、特にこれに限定されない。
　第１のポート１１ａに入力したＴＥ０は、非対称方向性結合器１３で第２の光導波路１２のＴＥ１に結合し、第３のポート１２ｂよりＴＥ１として出力される。第３のポート１２ｂから出力されるＴＥ１は、高次偏波変換素子１０に入力され、最終的にＴＭ０に変換される。
　一方、第２のポート１２ａにＴＥ０を入力すると、非対称方向性結合器１３では、第２の光導波路１２のＴＥ０の実効屈折率が第１の光導波路１１のどのモードの実効屈折率とも大きく異なる。そのため、モード結合や変換が起きない。さらに高次偏波変換素子１０においてもＴＥ０はモード変換しないため、第３のポート１２ｂから入力されるＴＥ０は高次偏波変換素子１０の終了部９までほとんど損失無く透過する。従って、第１のポート１１ａと第２のポート１２ａへ同時にＴＥ０を入力すると、本構造の出力部である高次偏波変換素子１０の終了部９では、ＴＥ０とＴＭ０とが合波した出力が得られる。つまり、本構造は、偏波変換と偏波合波の機能を兼ね備えた素子として動作することも可能である。
　なお、本構造は時間に対して可逆なため、出力部から入力されたＴＥ０とＴＭ０の多重光は、それぞれのモードが分離され、第１のポート１１ａ、第２のポート１２ａからＴＥ０として出力される、偏波分離と偏波変換を兼ね備えた素子として動作可能である。
　第２の光導波路１２のＴＥ０の実効屈折率が第１の光導波路１１のモードの実効屈折率とも異なる程度としては、非対称方向性結合器１３の第１の光導波路１１のＴＥ０の実効屈折率と第２の光導波路１２のＴＥ０の実効屈折率の差が０．２以上であることが好ましい。
　図１４Ａ及び１４Ｂに、本実施形態の高次偏波変換素子を非対称方向性結合器と組み合わせた偏波変換素子の別の一例を示す。図１４Ａはコアの平面図であり、図１４Ｂは非対称方向性結合器のコアの断面図である。この構造の詳細は、実施例７として後述する。
　この偏波変換素子では、非対称方向性結合器１３ｒがリブ型導波路から構成される。２つの光導波路のリブ１１ｒ，１２ｒの間にスラブ１３ｓが形成され、各リブ１１ｒ，１２ｒの外側にもそれぞれスラブ１１ｓ，１２ｓが形成されている。
　図１４Ａ及び１４Ｂの偏波変換素子の機能は図１３Ａ～１３Ｂの偏波変換素子と同様であり、第１のポート１１ａと第２のポート１２ａへ同時にＴＥ０を入力すると、高次偏波変換素子１０の終了部９から、ＴＥ０とＴＭ０とが合波した出力が得られる。これにより、偏波多重を行うための素子として用いることが可能である。
＜ＤＰ－ＱＰＳＫ変調器＞
　本実施形態の偏波変換素子は、参考文献（P. Dong, C. Xie, L. Chen, L. L. Buhl, and Y.-K. Chen, “112-Gb/s Monolithic PDM-QPSK Modulator in Silicon,” European Conference and Exhibition on Optical Communication, Vol. 1, p. Th.3.B.1, June 16, 2012）に開示されているような偏波多重４値位相変調（ＤＰ－ＱＰＳＫ：Dual Polarization-Quadrature Phase Shift Keying）に使用することが可能である。図１５にＤＰ－ＱＰＳＫ変調器の一例を模式的に示す。このＤＰ－ＱＰＳＫ変調器２０は、通常の光導波路にＴＥ０とＴＭ０の２つのモードが存在できることを利用して、ＴＥ０／ＴＭ０の両モードに独立したＱＰＳＫ信号を有する、ＤＰ－ＱＰＳＫ変調を行う。具体的には、入力部２１からＴＥ０で入力した光を２つの光導波路２２，２２に分岐し、ＱＰＳＫ変調器２３，２３により各々ＱＰＳＫ信号に変調した後、光導波路２４，２４の片側のＴＥ０を偏波変換素子２５によりＴＭ０に変換させて、２つのモードを偏波ビームコンバイナで同一の光導波路上に合成し、ＴＥ０とＴＭ０に独立した信号を出力部２６に出力する。
　ＴＥ０の一方をＴＭ０に変換して、もう一方のＴＥ０と合波させる偏波変換素子２５の部分に、例えば図１３Ａ～１４Ｂに示す実施形態の偏波変換素子を利用することができる。例えば、図１３Ａ～１４Ｂの第１のポート１１ａ及び第２のポート１２ａが図１５の光導波路２４に相当する。さらに、図１３Ａ～１４Ｂの高次偏波変換素子１０の終了部９が図１５の出力部２６に相当する。
　なお、ＴＥ０とＴＭ０を変調する方式はＱＰＳＫに限らず、複雑な構成を持つ変調器であっても、本実施形態の偏波変換素子を用いて偏波多重を行うことが可能である。
＜偏波ダイバーシティ・コヒーレント受信機＞
　本実施形態の偏波変換素子は、参考文献（C. Doerr et al., “Packaged Monolithic Silicon 112-Gb/s Coherent Receiver,” IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 23, pp. 762-764, 2011）で開示されているような、ＴＥ０とＴＭ０を同時に伝送した偏波多重信号のＳｉ光導波路上のコヒーレント受信機に使用することが可能である。図１６に、偏波ダイバーシティ・コヒーレント受信機の一例を模式的に示す。このコヒーレント受信機３０は、ＴＥ０とＴＭ０とを同時に伝送した偏波多重信号の光導波路３１を、偏波変換と偏波ビームスプリッタが同時に行える偏波変換素子３２に接続し、光導波路３３の一方にはＴＥ０の信号を分岐させる。また、光導波路３３の他方にはＴＭ０から変換したＴＥ０の信号を分岐させる。局発光３４として、一般的に用いられる半導体レーザ光源は片偏波のみ、例えばＴＥ０（local）の出力を用いる。このような光源を用いる場合、通常局発光の偏波変換が必要となる。しかし、図１６のコヒーレント受信機３０では、信号光は偏波分離後の光導波路３３にいずれもＴＥ０の信号（signal）が導波されるので、局発光の偏波変換が不要になる。信号光と局発光は、光合波部３５を経て、結合部３６から出力される。
　偏波変換素子３２に光導波路型の構造を用いる場合、結合部３６における素子外部との光の結合には、基板側方より結合する逆テーパ型のモードフィールド変換器など、偏波分離機能を持たない結合器を利用することが可能である。結合器には、例えば参考文献（Qing Fang, et al., “Suspended optical fiber-to-waveguide mode size converter for silicon photonics,” Optics Express, Vol. 18, Issue 8, pp. 7763-7769 (2010)）に開示されている、逆テーパ型の構造が開示できる。
　偏波変換と偏波ビームスプリッタが同時に行える偏波変換素子３２の部分に、例えば図１３Ａ～１４Ｂに示す実施形態の偏波変換素子を利用することができる。例えば、図１３Ａ～１４Ｂの高次偏波変換素子１０の終了部９が図１６の光導波路３１に相当し、図１３Ａ～１４Ｂの第１のポート１１ａ及び第２のポート１２ａが図１６の光導波路３３に相当する。
＜偏波ダイバーシティ方式＞
　本実施形態の偏波変換素子は、参考文献（Hiroshi Fukuda et al., “Silicon photonic circuit with polarization diversity,” Optics Express, Vol. 16, Issue 7, pp. 4872-4880 (2008)）で開示されているような、ＴＥ０とＴＭ０が同時に伝送される偏波多重伝送や、片方の偏波がランダムに伝送されるときに、両モードに対して同様の操作を与えるための素子を利用したい場合、図１７に示すような偏波ダイバーシティ方式を実行するために用いることができる。図１７に示す偏波ダイバーシティ方式４０では、ＴＥ０とＴＭ０が同時に伝送される偏波多重信号の光導波路４１を、偏波変換と偏波ビームスプリッタが同時に行える偏波変換素子４２に接続し、光導波路４３の一方にはＴＥ０の信号を分岐させる。また、光導波路４３の他方にはＴＭ０から変換したＴＥ０の信号を分岐させる。素子４４で操作されたＴＥ０の信号光は、光導波路４５から偏波変換素子４６で合成して、ＴＥ０とＴＭ０が同時に伝送される偏波多重信号の光導波路４７に出力する。
　偏波変換素子４２には、図１６に示すコヒーレント受信機３０と同様に、偏波変換と偏波ビームスプリッタとが同時に行える本実施形態の偏波変換素子を用いることができる。
　偏波変換素子４６には、図１５に示すＤＰ－ＱＰＳＫ変調器２０と同様に、偏波変換と偏波ビームコンバイナが同時に行える本発明の偏波変換素子を用いることができる。
＜分岐部と組み合わせた偏波変換素子＞
　分岐部と本実施形態の高次偏波変換素子を組み合わせることで、偏波変換が可能である。分岐部としては、２×１のＭＭＩ（マルチモード干渉計）及びＹ分岐が挙げられる。これらは、２つの入力部分に入力する電界の位相を調整することで、ＴＥ１を発生させることが可能である。もしくは、片側からのみＴＥ１を入力してもよい。そのため、この後段に本実施形態の高次偏波変換素子を接続することで、このＴＥ１をＴＭ０に変換することができ、偏波変換の機能を持たせることが可能となる。
　また、参考文献（Wangqing Yuan, et al., “Mode-evolution-based polarization rotator-splitter design via simple fabrication process,” Optics Express, Vol. 20,Issue 9, pp. 10163-10169 (2012)）では、非対称なＹ分岐と高次偏波変換素子とを接続することで偏波ビームスプリッタと偏波変換の機能を同時に実現しているが、非対称なＹ分岐と本実施形態を用いることでも同様の効果を実現することが可能である。
　図３２に、ＴＥ１を発生させる変換合波素子の一例を示す。この構造の詳細は、実施例８として後述する。変換合波素子５０は、平面矩形状の合波部５３におけるＴＥ１の２つのモード分布が、２つの入力部分５１，５２のＴＥ０のモード分布と類似する性質を利用している。２つの入力部分５１，５２の一方又は両方からＴＥ０を入力すると、合波部５３からテーパ部分５４を経るうちにＴＥ１に変換され、ＴＥ１として出力部分５５から出力される。
　各入力部分５１，５２に入力する２つのＴＥ０の位相差をπとすることが好ましい。入力が非対称（反対称）なモード分布を持つことにより、合波後は対称なモード分布を持つＴＥ０は発生しなくなる。これにより、合波後に不必要となるＴＥ０の発生を防ぎ、偏波消光比の低下を抑制することができる。
　変換合波素子５０の出力部分５５を、例えば図４Ａ～４Ｄ等に示す高次偏波変換素子の開始部８に接続すると、出力部分５５から出力されたＴＥ１が、ＴＭ０に変換されて、終了部９からＴＭ０が出力される。ＴＭ０とＴＥ０の合波には、例えば図３３に示すような対称方向性結合器６０を用いることができる。対称方向性結合器６０の構造の詳細は、実施例９に後述する。対称方向性結合器６０は、同じコア幅Ｗを有する２つの導波路６１，６２が所定の結合長Ｌの間、所定の間隔Ｇを介して平行に配置された構造を有する。入力側で、導波路６１からＴＥ０を、導波路６２からＴＭ０を入力すると、ＴＭ０が導波路６１に移行して、導波路６１の出力側から偏波多重された信号（ＴＥ／ＴＭ）を得ることができる。
　図３４及び図３５に、図３２の変換合波素子５０を備えたＤＰ－ＱＰＳＫ変調器の構成例を示す。図中、ＴＥ０（基本ＴＥモード）は「ＴＥ」、高次ＴＥモードは「ＴＥ１」、ＴＭ０（基本ＴＭモード）は「ＴＭ」と略記した。各ＱＰＳＫ変調器７１，７２，８１，８２は、それぞれ２つのマッハツェンダ干渉計を含む。一方のマッハツェンダ干渉計７１ａ，７２ａ，８１ａ，８２ａは同相成分（Ｉ）用であり、もう一方のマッハツェンダ干渉計７１ｂ，７２ｂ，８１ｂ，８２ｂは直交位相成分（Ｑ）用である。
　図３４に示すＤＰ－ＱＰＳＫ変調器７０では、２つのＱＰＳＫ変調器７１，７２のうち一方のＱＰＳＫ変調器７２のＩ，Ｑ合波部に変換合波素子５０を設けてＴＥ０をＴＥ１に変換し、高次偏波変換素子１０によってＴＥ１からＴＭ０に変換する。このＴＭ０を、対称方向性結合器６０により、他方のＱＰＳＫ変調器７１から出力されたＴＭ０と合波する。
　図３５に示すＤＰ－ＱＰＳＫ変調器８０では、一方のＱＰＳＫ変調器８２の２つのマッハツェンダ干渉計８２ａ，８２ｂの合波部にそれぞれ変換合波素子５０を設けて、ＴＥ０をＴＥ１に変換し、高次偏波変換素子１０によってＴＥ１からＴＭ０に変換する。ＱＰＳＫ変調器８２のＩ，Ｑ合波部にＴＭモード用ＭＭＩ合波部８３を設け、さらに、合波されたＴＭ０を、対称方向性結合器６０により、他方のＱＰＳＫ変調器８１から出力されたＴＭ０と合波する。
　これらのＤＰ－ＱＰＳＫ変調器７０，８０によれば、ＴＭ０とＴＥ０の合波に、非対称の方向性結合器に比べ性能の良い対称方向性結合器６０を用いることができる。また、変換合波素子５０が合波部を兼ねているため、偏波依存損失を低減することができる（ＭＭＩの過剰損失を０．３ｄＢ以下）。
　以上、本発明を好適な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
　本発明と同様の原理で、実効屈折率曲線においてＴＥ２ｎ＋１モード（ｎは０以上の整数）とＴＭ０が交わる縮退点を本発明と同様の上下非対称構造によって分離することができ、その間をテーパ化することで変換を行うことができる。ここで、ＴＥ２ｎ＋１は、ＴＥモード（ＴＥ０，ＴＥ１，ＴＥ２，・・・）の中で（２ｎ＋２）番目に実効屈折率が高いモードをいう。ＴＥ１モードは、ｎ＝０のＴＥ２ｎ＋１モードである。
　ＴＥモードの奇数次のモードが変換対象になるのは以下の理由による。矩形状コア（幅方向と高さがともに対称な構造（屈折率分布））を伝搬するＴＭ０は、その電界のｘ成分（Ｅｘ）は、幅方向と高さ方向でともに反対称な分布になる。一方、ＴＥ１を含む奇数次のＴＥモードのＥｘは、幅方向に対して反対称、高さ方向に対しては対称な電界分布になる。そのため、屈折率分布を高さ方向に対して非対称にすることで、ＴＥ２ｎ＋１の高さ方向の対称性が崩れ、ＴＭ０と相互作用して縮退点付近でそれぞれのモードが混ざり、縮退点が分離する。そのため、本発明と同様の構造により、ＴＥ２ｎ＋１モードは、ＴＭ０との間で変換が可能である。
　以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。
＜計算例１＞
　図２Ａ及び２Ｂに示すようなコア形状が凸型の光導波路の下底を変化させたとき、実効屈折率が高い順に４つのモードの実効屈折率の変化のグラフを図１８に示す。波長は１．５５μｍ、コアはＳｉで屈折率が３．４８、上部クラッド及び下部クラッドはＳｉＯ２で屈折率が１．４４、光導波路の高さが０．２２μｍ、下部コアの高さが０．０９５μｍ、上部コアの幅が０．５μｍとし、上部コアは下部コアの中心に位置している。
　図１８に示すように、実効屈折率が１番目に高いモードはＴＥ０であり、実効屈折率が２番目又は３番目に高いモードは、下底（の幅）に依存し、ＴＥ１、ＴＭ０、又はこれらから変化したモードである。実効屈折率が４番目に高いモードは、図中では特定しないが、さらに高次のモードである。
　図１８から分かるように、コア断面形状の上下非対称性のため、ＴＥ１とＴＭ０は縮退することなく、実効屈折率差を常に持つ。図１８において、破線の楕円（下底０．７μｍ付近）として、モード変換部の概略範囲を示した。このモード変換部では、実効屈折率が２番目に高いモードは、下底が狭いときＴＭ０となり、下底が広いときＴＥ１となる。逆に、実効屈折率が３番目に高いモードは、下底が狭いときＴＥ１となり、下底が広いときＴＭ０となる。よって、同一の実効屈折率曲線（実効屈折率が２番目に高いモードまたは３番目に高いモードのいずれか）をたどることで、それぞれのモードは変換可能である。
　これらのモードの推移をみるために、図１９～２２にいくつかの下底の幅に対する実効屈折率が２番目に高いモード（＃１）と３番目に高いモード（＃２）の、それぞれの電界のＥｘ成分（幅方向の成分）とＥｙ成分（高さ方向の成分）の電界振幅を示す。図１９～２２に共通して、各図（ａ）は「＃１」のＥｘ成分の電界振幅を示し、各図（ｂ）は「＃１」のＥｙ成分の電界振幅を示し、各図（ｃ）は「＃２」のＥｘ成分の電界振幅を示し、各図（ｄ）は「＃２」のＥｙ成分の電界振幅を示す。
　電界振幅に注目すると、下底の幅が０．５μｍの図１９では、＃１がＴＭ０で＃２がＴＥ１となり、反対に下底の幅が１．２μｍの図２２では、＃１がＴＥ１で＃２がＴＭ０となっていることが分かる。一方で、下底の幅が０．６μｍの図２０では、＃１と＃２の電界成分が変化しはじめており、下底の幅が０．８μｍの図２１では、Ｅｘ成分とＥｙ成分のどちらも近い電界振幅を持っていることが分かる。
以上より、連続的にＴＥ１とＴＭ０とが変換していく様子を見ることができる。このことからも、ＴＥ１とＴＭ０の間で相互に偏波を変換することが可能であることが分かる。
＜比較例１＞
　比較例１では、図３Ａ及び３Ｂに示す導波路１０１において、コア１０２がＳｉ、下部クラッド１０３の材料がＳｉＯ２であり、上部クラッド１０４が空気からなり、コア１０２の高さＨ０が０．２２μｍ、開始部の幅Ｗ１が０．８４μｍであり、終了部の幅Ｗ２が０．５μｍであり、長手方向の長さＬ０が３５μｍであり、開始部の矩形導波路からコア幅を長さ方向に対して線形に変化させた構造とした。有限差分時間領域（Finite-Difference Time Domain：ＦＤＴＤ）法によるシミュレーションにより求めた高次偏波変換の変換損失（出力されるＴＭ０のパワー／入力されるＴＥ１のパワー、で表される比）は０．５８７ｄＢであった。
＜実施例１＞
　計算例１を踏まえて、上部コアが下部コアの中心にくる構造（上述した第１実施形態を参照）を有する実施例１の導波路素子を作製する。
　図４Ａ～４Ｄに本実施例の素子の図を示す。本実施例では、Ｓｉ－ＳｉＯ２－ＳｉからなるＳＯＩ（Silicon on insulator）基板をもとに導波路を作製する。中間のＳｉＯ２層を下部クラッドとして、上部のＳｉ層をコアとして用いる。コア形成後、上部クラッドとしてＳｉＯ２層を設ける。
　下部コア４の高さＨ２が０．０９５μｍであり、上部コア３の高さ（Ｈ１－Ｈ２の差）が０．１２５μｍであり、下部コア４と上部コア３とを合わせたコア高さＨ１は０．２２μｍである。開始部８では上部コア及び下部コアの幅Ｗ１が０．８４μｍであり、区間Ｌ２（長さ１５μｍ）では上部コア３の幅Ｗ２が０．５μｍで下部コア４の中央に位置する。区間Ｌ１（長さ２０μｍ）では下部コア４の幅Ｗ１は０．８４μｍであり、終了部９では上部コアと下部コアの幅Ｗ２がともに０．５μｍである。実施例１の構造の区間Ｌ２では、上部コアの幅０．５μｍ等のパラメータが計算例１と一致する。従って、上で求めた図１８のグラフのうち、下底の幅が０．５～０．８４μｍの範囲を実施例１に適用することができる。
　また、光の伝搬方向の座標をＺとすると、実施例１の全長に関するＺの断面で計算した実効屈折率曲線を図２３に示す。図中の楕円領域付近でモードの変換が行われる。高次偏波変換が行うことが可能であることを示すために、開始部から終了部の間で２番目（＃１）と３番目（＃２）に実効屈折率の大きい導波モードのＥｘ，Ｅｙ成分を比較する。なお、図２３では開始部がＺ＝０μｍであり、終了部がＺ＝３５μｍであり、図４ＡのＩＶｃ（中間部）の位置はＺ＝２０μｍである。開始部断面（Ｚ＝０μｍ）のモードは図２４に示し、終了部断面（Ｚ＝３５μｍ）のモードは図１９と同様になる。これらより、＃１のモードは、開始部から終了部の間で主電界がＥｘからＥｙに、＃２のモードは、開始部から終了部の間で主電界がＥｙからＥｘにそれぞれ変化していることが分かる。また、これらの実効屈折率曲線が交わることなく連続的につながっていることを踏まえると、高次ＴＥから基本ＴＭ（基本ＴＭから高次ＴＥ）へ変換が可能であることが分かる。また、図２１は、Ｚ＝２１．８μｍ付近の電界に相当し、Ｅｘ、Ｅｙが同程度になり、変換の過渡的な電界分布が見て取れる。
　図１８及び図２３によれば、実効屈折率が２番目に高いモードと３番目に高いモードとが最も接近する点における両モードの実効屈折率差は０．１６である。
　比較として、後述する実施例２で挙げる上部コアと下部コアの同一の端をそろえた構造では、最も接近する点の実効屈折率差が０．１０である。実効屈折率差が大きいほど、高次偏波変換の効率が高いため、上部コアが下部コアの中心にくる構造のほうが、高次偏波変換素子の長さ（テーパ長）を短くすることが可能である。
　また、上部コアが幅方向に＋６０ｎｍずれた場合でも（上部コアが下部コアの無い範囲にずれた場合は、その範囲に下部コアが新たに作られるとする）、最も接近する点の実効屈折率差は０．１５であり、実効屈折率曲線は分離する（縮退しない）ので、高次偏波変換が可能である。
　以上の構造において、ＴＥ１を開始部８に入力し場合に、終了部９から出力されるＴＭ０の変換損失（出力されるＴＭ０のパワー／入力されるＴＥ１のパワー、で表される比）の波長依存性をＦＤＴＤ法により求めた。その結果、高次偏波変換に対してほとんど損失が無いことが確認された。
　図２５に前記変換損失の波長依存性を示す。これより、１５３０～１６３０ｎｍの広帯域にわたって、変換損失が０．０５ｄＢ以下であることが分かる。波長１５５０ｎｍの変換損失は、０．００４ｄＢである。上述した比較例１の構造と比べると、実施例１では同様の入力、終了部のコア形状を持ち、長手方向の長さも同一である。一方、比較例１の変換損失は０．５８７ｄＢ、実施例１の変換損失は０．００４ｄＢとなり、実施例１は比較例１より小さい損失で変換が可能である。
　また、実施例１の構造に関して、波長１５５０ｎｍにおける電界をＦＤＴＤ法で計算した結果を図２６に示す。なお、図２６では、開始部８がＺ＝２０μｍ、終了部９がＺ＝５５μｍの位置にあり、図２６（ａ）がＥｘ成分、図２６（ｂ）がＥｙ成分を示す。入力されたＴＥ１（Ｅｘ成分が主成分）が、本構造によって最終的にＴＭ０（Ｅｙ成分が主成分）に移り変わっている様子が見て取れる。
　さらに同じ構造に対して、開始部８にＴＥ０を入力したときの、終了部９から出射されるＴＥ０の透過損失（出力されるＴＥ０のパワー／入力されるＴＥ０のパワー、で表される比）を求めると、０．００１ｄＢ以下となった（波長１．５５μｍ）。これにより、ＴＥ０は小さな損失で透過することが分かる。
＜実施例２＞
　図５Ａ～５Ｄに示すように、上部コアと下部コアの端が一致する構造（上述した第２実施形態を参照）の高次偏波変換素子を、実施例１と同様の方法で作製する。
　下部コア４の高さＨ２が０．０９５μｍであり、上部コア３の高さ（Ｈ１－Ｈ２の差）が０．１２５μｍであり、下部コア４と上部コア３とを合わせたコア高さＨ１は０．２２μｍである。開始部８では上部コア及び下部コアの幅Ｗ１が０．８４μｍであり、区間Ｌ２（長さ１５μｍ）で上部コア３の幅Ｗ２が０．５μｍである。区間Ｌ１（長さ２０μｍ）で下部コア４の幅Ｗ１は０．８４μｍであり、区間Ｌ１とＬ２の全長にわたって上部コアと下部コアの端が一致するように位置する。終了部９では上部コアと下部コアの幅Ｗ２がともに０．５μｍである。
　以上の構造において、光の波長１５５０ｎｍのとき、ＴＥ１を開始部８に入力した場合に、終了部９から出力されるＴＭ０の変換損失（出力されるＴＭ０のパワー／入力されるＴＥ１のパワー、で表される比）をＦＤＴＤにより求めた。その結果、変換損失が０．２６ｄＢとなり、同じ長さである実施例１の素子よりも変換効率は落ちるが、小さい損失で変換できていることが分かる。
＜実施例３＞
　図６Ａ～６Ｃに示すように、開始部８の断面形状がリブ導波路で、終了部９の断面形状が矩形導波路となり、上部コア３と下部コア４との幅方向の中心が一致する構造（上述した第３実施形態を参照）の高次偏波変換素子を、実施例１と同様の方法で作製する。
　下部コア４の高さＨ２が０．０９５μｍであり、上部コア３の高さ（Ｈ１－Ｈ２の差）が０．１２５μｍであり、下部コア４と上部コア３とを合わせたコア高さＨ１は０．２２μｍである。開始部８では、上部コア３の幅Ｗ１ａが１μｍであり、下部コア４の幅Ｗ１が４μｍである。終了部９では、上部コアと下部コアとの幅Ｗ２がともに０．５μｍである。開始部８の最大のコア幅が４μｍであり、有限ではあるが、この断面を通るＴＥ１の分布は開始部８の下部コア４の両端よりも十分内側にある。そのため、スラブ幅が十分に大きく、リブ導波路とみなすことが可能である。
　図２７は、実施例３の構造において各断面（＃で表記）での実効屈折率が高い順に４つのモードの実効屈折率の変化を表すグラフである。開始部から終了部までを長手方向に１０等分して、開始部（＃０）から終了部（＃１０）まで順に番号を付ける。＃の番号が大きいほど下底が小さくなる点を踏まえれば、４つのモードは、計算例１の図１８と同様であることが分かる。図２７において＃９付近に示した破線の楕円（モード変換部）でＴＥ１とＴＭ０の実効屈折率が分離しており、ＴＥ１とＴＭ０の間で高次偏波変換が可能であることが分かる。このときの最小の実効屈折率差は、０．１５である。
＜実施例４＞
　図９Ａ～９Ｃに示すように、開始部８の断面形状が矩形導波路で、終了部９の断面形状が凸型となり、上部コア３と下部コア４の幅方向の中心が一致する構造（上述した第４実施形態を参照）の高次偏波変換素子を、実施例１と同様の方法で作製する。
　下部コア４の高さＨ２が０．０９５μｍ、上部コア３の高さ（Ｈ１－Ｈ２の差）が０．１２５μｍ、合わせたコア高さＨ１は０．２２μｍである。開始部８では、上部コアと下部コアの幅Ｗ１がともに０．８μｍである。終了部９では、上部コア３の幅Ｗ２ａが０．４４μｍであり、下部コア４の幅Ｗ２が０．５μｍである。この場合、下底と上底（単位μｍ）の寸法関係は、「上底＝０．８－１．２×（０．８－下底）」である。
　図２８は、実施例４の構造において下底の寸法に対して実効屈折率が高い順に４つのモードの実効屈折率の変化を表すグラフである。４つのモードは、計算例１の図１８と同様であることが分かる。下底０．７μｍ付近に示した破線の楕円（モード変換部）でＴＥ１とＴＭ０の実効屈折率が分離している。従って、ＴＥ１とＴＭ０の間で高次偏波変換が可能であることが分かる。
＜実施例５＞
　図１１Ａ～１１Ｃに示すように、開始部８と終了部９の断面形状が凸型となり、上部コア３と下部コア４の幅方向の中心が一致する構造（上述した第５実施形態を参照）の高次偏波変換素子を、実施例１と同様の方法で作製する。
　下部コア４の高さＨ２が０．０９５μｍ、上部コア３の高さ（Ｈ１－Ｈ２の差）が０．１２５μｍであり、合わせたコア高さＨ１は０．２２μｍである。開始部８では、上部コア３の幅Ｗ１ａが０．７μｍであり、下部コア４の幅Ｗ１が１．１μｍである。終了部９では、上部コア３の幅Ｗ２ａが０．３μｍであり、下部コア４の幅Ｗ２が０．７μｍである。この場合、上底と下底（単位μｍ）の寸法関係は、「下底＝上底＋０．４」である。
　図２９は、実施例５の構造において上底の寸法に対して実効屈折率が高い順に４つのモードの実効屈折率の変化を表すグラフである。４つのモードは、計算例１の図１８と同様であることが分かる。上底０．５μｍ付近に示した破線の楕円（モード変換部）でＴＥ１とＴＭ０の実効屈折率が分離している。従って、ＴＥ１とＴＭ０の間で高次偏波変換が可能であることが分かる。
＜実施例６＞
　図１３Ａ及び１３Ｂに、実施例１の高次偏波変換素子を非対称方向性結合器と組み合わせた偏波変換素子の１つの実施例を示す。
　図１３Ｂに示す非対称方向性結合器１３の断面において、第１の光導波路１１のコア幅Ｅは０．４μｍであり、第２の光導波路１２のコア幅Ｆは０．８４μｍであり、第１の光導波路１１及び第２の光導波路１２のコアの高さＨはともに０．２２μｍであり、２つの導波路の間隔Ｇは０．３５μｍとする。
　第１の光導波路１１は、長さＬ＝５４μｍの直線部とそれに接続される半径４０μｍの曲げ半径を持つ曲げ導波路からなる。第２の光導波路１２は、長さＬ＝５４μｍの直線部とそれに接続される半径４０μｍの曲げ半径を持つ曲げ導波路からなる。各導波路の直線部は互いに平行で、両端面がそれぞれ同一平面上にある。
　第１のポート１１ａに入力したＴＥ０が、非対称方向性結合器１３で第２の光導波路１２のＴＥ１に結合し、第３のポート１２ｂよりＴＥ１として出力されるとき、ＴＥ０からＴＥ１に変換される変換損失を、ＦＤＴＤ法によるシミュレーションで求めた。本構造によれば、変換損失は、波長が１５５０ｎｍのとき、０．１０５ｄＢとなった。このことより、本構造によってＴＥ０とＴＥ１との間の変換が可能であることが分かる。
　高次偏波変換素子１０の変換損失が実施例１で述べたように０．００４ｄＢであるので、非対称方向性結合器１３と高次偏波変換素子１０を合わせた偏波変換素子として全体の変換損失は、０．１０９ｄＢとなり、偏波変換が可能であることが分かる。
＜実施例７＞
　図１４Ａ及び１４Ｂに示すように非対称方向性結合器がリブ型導波路である偏波変換素子も作製可能である。図１４Ａ及び図１４Ｂに示す非対称方向性結合器１３ｒにおいて、リブ型導波路の長さＬｒは２０．８μｍである。第１の光導波路のリブ１１ｒの幅Ｗ１ｒは０．４μｍであり、第２の光導波路のリブ１２ｒの幅Ｗ２ｒは０．９５μｍであり、リブ１１ｒ，１２ｒの高さＨ１ｒは０．２２μｍである。第１の光導波路の外側のスラブ１１ｓの幅Ｗ１ｓは０．８μｍ以上、第２の光導波路の外側のスラブ１２ｓの幅Ｗ２ｓは１．１μｍ以上、２つの導波路の間のスラブ１３ｓの幅Ｗ３ｓは０．３μｍ、スラブの高さＨ１ｓは０．０９５μｍである。
　高次偏波変換素子１０は、実施例１と同様に作製される。ただし、本実施例では、開始部８の幅Ｗ１をリブ１２ｒの幅Ｗ２ｒと同じ０．９５μｍとし、終了部９の幅Ｗ２を０．６μｍとする。また、上部コア３の幅が変化する区間の長さＬ１は１５μｍ以上とし、下部コア４の幅が変化する区間の長さＬ２は２０μｍ以上とする。このような実施例７の偏波変換素子について、ＦＤＴＤ法によるシミュレーションで求めた損失の波長依存性の結果を図３０及び図３１に示す。
　図３０は、偏波変換損失の波長依存性を示すグラフである。偏波変換損失（図３０のloss）は、波長１．５３～１．６３μｍの範囲で、０．４～３．３ｄＢ程度である。また、図３１は、ＴＥ０の透過損失の波長依存性を示すグラフである。この透過損失（図３１のloss）は、波長１．５３～１．６３μｍの範囲で、０．１４～０．１６ｄＢ程度である。これらのグラフより、ＴＥ０とＴＥ１間の変換が可能であり、ＴＥ０はほとんど損失を受けることなく透過することから、偏波多重も可能であることが分かる。
＜実施例８＞
　図３２に示す、ＴＥ１（ＴＥ１）を発生させる変換合波素子を、実施例１と同様に、Ｓｉ－ＳｉＯ２－ＳｉからなるＳＯＩ（Silicon on insulator）基板をもとに作製する。中間のＳｉＯ２層を下部クラッドとして、上部のＳｉ層をコアとして用いる。コア形成後、上部クラッドとしてＳｉＯ２層を設ける。
　入力部分５１，５２の幅Ｗｃは６００ｎｍであり、入力部分５１と入力部分５２との間隔Ｗｄは３５０ｎｍであり、合波部５３の幅Ｗａは１７００ｎｍであり、出力部分５５の幅Ｗｂは８４０ｎｍである。合波部５３の長さＬａは１０００ｎｍであり、テーパ部分５４の長さＬｂは６０００ｎｍである。
　入力部分（幅６００ｎｍ）の断面におけるＴＥ０と合波部（幅１７００ｎｍ）の断面におけるＴＥ１のモード分布のシミュレーション結果を図３６（ａ）及び図３６（ｂ）に示す。入力部分５１，５２の断面では、ＴＥ０がそれぞれ導波路の幅方向に長い楕円状のモード分布を１つずつ持ち、合波部５３の断面では、ＴＥ１が幅方向に２つ並んだモード分布を持つが、入力部分５１，５２の断面におけるモード分布と合波部５３の断面におけるモード分布が類似する。このことにより、本実施例の変換合波素子５０は、入力部分５１，５２のＴＥ０が合波部５３のＴＥ１に結合し、ＴＥ０をＴＥ１に変換することが可能である。
　有限要素法（ＦＥＭ：finite element method）による本実施例の変換合波素子の過剰損失のシミュレーションの結果を図３７に示す。導波路コアの幅の製造誤差（error）が±２５ｎｍでも、１５３０～１６３０ｎｍ（Ｃバンド及びＬバンドに相当）にわたって過剰損失は０．３５ｄＢ未満となった。このことから、本構造が高い製造トレランスと小さな波長依存性を有することが分かる。
　ＦＤＴＤ法による本実施例の変換合波素子の電界シミュレーションの結果を図３８に示す。この図では、電界の値を＋１から－１の範囲で規格化して表示し、＋１は白色、－１は黒色である。図３８より、２つの入力部分から入力するＴＥ０の節が合波部で横並びに結合し、ＴＥ１モードとして出力される様子が見て取れる。ＴＥ１モードの分布は、Ｚが等しい導波路幅方向において、正負の符号が反対である。上述したように、入力する２つのＴＥ０の位相差をπとすることにより、合波後は対称なモード分布を持つＴＥ０は発生しなくなる。ＴＥ１変換後の過剰損失は０．２５ｄＢにすることが可能である。
＜実施例９＞
　図３３に示す、対称方向性結合器を、実施例１と同様に、Ｓｉ－ＳｉＯ２－ＳｉからなるＳＯＩ（Silicon on insulator）基板をもとに作製する。中間のＳｉＯ２層を下部クラッドとして、上部のＳｉ層をコアとして用いる。コア形成後、上部クラッドとしてＳｉＯ２層を設ける。各導波路６１，６２の幅Ｗは５００ｎｍであり、導波路６１，６２の間隔Ｇは３５０ｎｍである。
　本実施例の対称方向性結合器６０は、ＴＥ０の結合長とＴＭ０の結合長に差があることを利用して、２つの導波路６１，６２が平行に配置される長さＬを適切に設定することにより、一方の導波路から他方の導波路へ、ＴＭ０のみを移すことができる。つまり、ＴＭ０の結合損失が小さく、ＴＥ０の結合損失が大きい（他方の導波路に対して、ＴＭ０は結合しやすく、ＴＥ０は結合しにくい）方向性結合器が得られる。
　ＦＤＴＤ法によるシミュレーションの結果、導波路コアの製造誤差が±２５ｎｍでも、過剰損失は小さく、１５３０～１６３０ｎｍ（Ｃバンド及びＬバンドに相当）という広い波長範囲で、ＴＭ０の結合損失は０．６ｄＢ未満、ＴＥ０の結合損失は１２ｄＢ以上となった。このことから、本構造が高い製造トレランスと小さな波長依存性を有することが分かる。
＜実施例１０＞
　第１実施形態に基づく構造を有する実施例１０の高次偏波変換素子を図４３Ａに示し、その中央部（Ｚ＝０．５）における断面図を４３Ｂに示す。ここで、図４３Ａの座標は、素子全長を１とした規格化された値を示している。コア２はＳｉで形成され、クラッド５はＳｉＯ２で形成される。開始部８（Ｚ＝０）における幅Ｗ１＝８５０ｎｍ、終了部９（Ｚ＝１）の幅Ｗ２＝５００ｎｍ、中央部（Ｚ＝０．５）における上部コア３の幅及び下部コア４の幅をそれぞれＷ３＝５００ｎｍ、Ｗ４＝８５０ｎｍに設定した。上部コア３の幅及び下部コア４ともに開始部、中央部、終了部は直線で結ばれている。また、コア２の高さ及び下部コア４の高さはそれぞれＨ１＝２２０ｎｍ、Ｈ２＝９０ｎｍで一定とした。
　図４３Ａ及び４３Ｂに示す高次偏波変換素子は、ＳＯＩ基板のＳＩ層をエッチングで削り、その上からＳｉＯ２を堆積させることで作製可能である。本実施例で上記実施形態に係る高次偏波変換が可能であることをシミュレーションを用いて示す。
　まず、高次偏波変換部の定義について述べる。導波モードの支配的な電界成分がＥｘかＥｙかを定量化に示すために、以下の式（１）及び式（２）のようにそれぞれの割合を示す量ＲＴＥ、ＲＴＭを定義する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
  
　ここで、Ｈｘ、Ｈｙはそれぞれ幅方向と高さ方向の磁界成分であり、積分は幅方向、高さ方向を含む平面全体で行う場合を想定する。Ｅｘ（Ｅｙ）が支配的な導波モードでは、Ｈｙ（Ｈｘ）が支配的であり、電界成分と磁界成分の積の積分値は、電力の次元を持つことから、ＲＴＥ（ＲＴＭ）は、Ｅｘ（Ｅｙ）の電力割合を示している。本明細書では、Ｅｘ（Ｅｙ）が支配的であるとは、ＲＴＥ（ＲＴＭ）が０．７以上の場合をいい、０．３＜ＲＴＥ＜０．７（０．３＜ＲＴＭ＜０．７）のとき、ハイブリッドモードと呼ぶ。したがって、高次偏波変換部は、光の進行方向に対して、０．３＜ＲＴＥ＜０．７（０．３＜ＲＴＭ＜０．７）の導波モードを持つ範囲と定義される。
　図４３Ａの高次偏波変換部を調べるため、光の進行方向の座標（ｚ）に対して、実施例１０の高次偏波変換素子を導波するモードの実効屈折率のグラフ（実効屈折率の大きい順に、＃０、＃１、＃２と呼称している）と、＃１のＲＴＥ、ＲＴＭを計算した。それぞれの結果を図４４及び４５に示す。図４４は本実施例の実効屈折率を示し、図４５は本実施例のＲＴＥ、ＲＴＭを示す。図４４において、＃０はＴＥ０であり、＃１は開始部８でＴＥ１、＃２は開始部８でＴＭ０となる。図４４より、＃１の実効屈折率は、光の進行方向に対して単調に減少し、効率的に終了部の実効屈折率へと接続されていることが分かる。図４５を見ると、開始部ではＥｘ成分が支配的であるが、素子の中央付近でハイブリッドモードが生じ、その後終了部にかけてＥｙ成分が支配的となる。即ち、２段テーパ導波路構造により、高次偏波変換が可能であることが示されている。また、ハイブリッドモードが素子の中央部にあることから、高次偏波変換部は、その中央部に位置することも示される。
＜比較例２＞
　続いて、実施例１０に対する比較例２の高次偏波変換素子の構造を図４６Ａに示し、その中央部（Ｚ＝０．５）における断面図を４６Ｂに示す。ここで、図４６Ａ及びＢにおいてコア２の幅以外は実施例１０と同様である。比較例２において開始部８（Ｚ＝０）における幅Ｗ１＝８５０ｎｍ、終了部９（Ｚ＝１）の幅Ｗ２＝５００ｎｍ、中央部（Ｚ＝０．５）における上部コア３の幅及び下部コアの幅をそれぞれＷ３＝５５０ｎｍ、Ｗ４＝１５５０ｎｍに設定した。
　図４７に、比較例２の構造に対して、光の進行方向の座標（ｚ）に対して、実施例の構造中を導波するモードの実効屈折率（実効屈折率の大きい順に、＃０、＃１、＃２と呼称している）を計算した結果を示す。また、図４８に＃１のＲＴＥ、ＲＴＭを計算した結果を示す。図４７及び４８より、高次偏波変換部は実施例１０に比べ終了部９側で生じていることが分かる。さらに、全素子長に占める高次偏波変換部の割合が狭いことが分かり、高次偏波変換効率が低いことが示唆される。
　実施例１０と比較例２の具体的な高次偏波変換効率と、そのときの全素子長の長さをシミュレーションで計算した結果を図４９に示す。導波光の波長は１５５０ｎｍとした。図４９より、同じ変換効率で比較した場合、実施例１０の方がより短い距離で高い変換効率を得ていることが分かる。例えば、９０％の変換効率を得るのに必要な素子長は、実施例１０では７ｕｍ、比較例２では２２．５ｕｍとなり、本実施例１０では比較例２の１／３以下の素子長の短尺化を可能とする。
　したがって、平面上に光素子を集積する光回路部品においては、１／９以下の面積削減が可能である。
　さらに、図５０に実施例１０において、変換効率の波長依存性をシミュレーションで計算した結果を示す。素子長は１０ｕｍとした。図５０より、１５２０ｎｍ～１６４０ｎｍの波長範囲で高次偏波変換の変換効率が９４％以上となり、広い波長範囲で高い変換効率を持つ。この波長範囲は、光通信で用いられるＣ－ｂａｎｄ（１５３０-１５６５ｎｍ）、Ｌ－ｂａｎｄ（１５６５-１６２５ｎｍ）を含むため、本実施例は波長分割多重（ＷＤＭ）通信にも適用可能であることが分かる。このような広い波長帯域を得ることが出来るのは、本実施例のように高次偏波変換部を素子の中央に設計することが可能なためである。
＜実施例１１＞
　上記実施例１０に基づくデバイスを試作し、評価を行った。本実施例の高次偏波変換素子の構造はコア２の幅及び高さ以外は実施例１０と同様である。本実施例において開始部８（Ｚ＝０）における幅Ｗ１＝８６０ｎｍ、終了部９（Ｚ＝１）の幅Ｗ２＝５００ｎｍ、中央部（Ｚ＝０．５）における上部コア３の幅及び下部コアの幅をそれぞれＷ３＝５００ｎｍ、Ｗ４＝８６０ｎｍであった。また、コア２の高さ及び下部コア４の高さはそれぞれＨ１＝２２０ｎｍ、Ｈ２＝９５ｎｍであった。
　図５１にその測定結果を示す。図５１より、１５２０－１６４０ｎｍの波長範囲で、９２％以上の高い変換効率が得られることが確かめられた。
１…光導波路、２…コア、３…上部コア、４…下部コア、５…クラッド、６…上部クラッド、７…下部クラッド、８…開始部、９…終了部、１０…高次偏波変換素子、１１…第１の光導波路、１２…第２の光導波路、１３，１３ｒ…非対称方向性結合器。

Claims (10)

  1. 　基板型光導波路を構成する高次偏波変換素子であって、
    　基板と、
    　前記基板上に設けられる下部クラッドと、
    　前記下部クラッド上に設けられ、断面矩形状で一定の高さを有する下部コアと、前記下部コアと同じ材料で形成されかつ前記下部コアの上に連続して配置される断面矩形状で一定の高さを有する上部コアとを有するコアと、
    　前記コア及び前記下部クラッドの上に設けられ、前記下部クラッドと同じ材料で形成される上部クラッドと、を備え、
    　前記コアは、前記下部コアの幅と前記上部コアの幅とが同じである開始部から、前記下部コアの幅と前記上部コアの幅とが同じである終了部まで光が導波可能な光導波路を構成し、
    　少なくとも前記上部コアの幅及び前記下部コアの幅のうちの一方は、前記開始部と前記終了部との間で前記光の導波方向に対して連続的に減少しかつ前記上部コアの幅及び前記下部コアの幅の両方が前記開始部から前記終了部まで増加せず、
    　前記開始部において、ＴＥ０の実効屈折率がＴＥ１の実効屈折率よりも大きく、前記ＴＥ１の実効屈折率がＴＭ０の実効屈折率よりも大きく、
    　前記光導波路の終了部において、前記ＴＥ０の実効屈折率が前記ＴＭ０の実効屈折率よりも大きく、前記ＴＭ０の実効屈折率が前記ＴＥ１の実効屈折率よりも大きく、
    　前記開始部と前記終了部との間の前記光導波路のうち前記開始部と前記終了部とを除く部分において、前記コアは前記上部コアの幅と前記下部コアの幅とが異なる上下非対称な構造を有し、
    　前記高次偏波変換素子は、前記開始部のＴＥ１と前記終了部のＴＭ０との間で高次偏波変換をする高次偏波変換素子。
  2. 　前記開始部と前記終了部との間において、前記下部コアの幅が前記上部コアの幅よりも常に大きくなり、前記光が導波する方向に垂直な断面において前記上部コアの下辺が前記下部コアの上辺に常に含まれる請求項１に記載の高次偏波変換素子。
  3. 　前記開始部と前記終了部との間において、前記上部コアの幅方向の両端がそれぞれ前記下部コアの前記幅方向の両端と常に重ならない請求項２に記載の高次偏波変換素子。
  4. 　前記開始部と前記終了部との間において、前記上部コアの幅方向の一つの端が前記下部コアの前記幅方向の一つの端と常に重なる請求項２に記載の高次偏波変換素子。
  5. 　前記開始部において、前記コアの高さが２１０ｎｍ以上２３０ｎｍ以下であり、前記コアの幅が７００ｎｍ以上であり、かつ、前記終了部において、前記コアの高さが２１０ｎｍ以上２３０ｎｍ以下であり、前記コアの幅が６２０ｎｍ以下である請求項１に記載の高次偏波変換素子。
  6. 　前記下部コアと前記上部コアがＳｉからなり、前記下部クラッドと前記上部クラッドがＳｉＯ２からなる請求項１～５のいずれか１項に記載の高次偏波変換素子。
  7. 　前記上部コアの幅が前記開始部から中間部まで減少し前記中間部から前記終了部まで一定で、かつ前記下部コアの幅が前記開始部から前記中間部まで一定で、前記中間部から前記終了部までの間で減少する請求項１～６のいずれか１項に記載の高次偏波変換素子。
  8. 　光導波路素子であって、
    　請求項１～７のいずれか１項に記載の高次偏波変換素子と、
    　前記高次偏波変換素子が接続されていない第１の光導波路と、前記高次偏波変換素子の前記開始部と接続された第２の光導波路とで構成される方向性結合器と、を備え、
    　前記第１の光導波路にはＴＥ０が導波し、前記第２の光導波路にはＴＥ１が導波し、前記第１の光導波路のＴＥ０が前記第２の光導波路のＴＥ１と結合可能である光導波路素子。
  9. 　前記第１の光導波路のＴＥ０の実効屈折率と前記第２の光導波路のＴＥ０の実効屈折率の差が０．２以上である請求項８に記載の光導波路素子。
  10. 　請求項８又は９に記載の光導波路素子を備えたＤＰ－ＱＰＳＫ変調器。
PCT/JP2014/066846 2013-06-27 2014-06-25 高次偏波変換素子、光導波路素子、及びｄｐ－ｑｐｓｋ変調器 WO2014208601A1 (ja)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201480035844.8A CN105408786B (zh) 2013-06-27 2014-06-25 高阶偏振波转换元件、光波导元件以及dp－qpsk调制器
SG11201510495TA SG11201510495TA (en) 2013-06-27 2014-06-25 High-order polarization conversion element, optical waveguide element, and dp-qpsk modulator
EP14817393.3A EP3002616A1 (en) 2013-06-27 2014-06-25 High-order polarization conversion element, optical waveguide element, and dp-qpsk modulator
JP2014552239A JP5728140B1 (ja) 2013-06-27 2014-06-25 高次偏波変換素子、光導波路素子、及びｄｐ−ｑｐｓｋ変調器
US14/976,603 US9557482B2 (en) 2013-06-27 2015-12-21 High-order polarization conversion device, optical waveguide device, and DP-QPSK modulator

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013-135490 2013-06-27
JP2013135490 2013-06-27

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US14/976,603 Continuation US9557482B2 (en) 2013-06-27 2015-12-21 High-order polarization conversion device, optical waveguide device, and DP-QPSK modulator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014208601A1 true WO2014208601A1 (ja) 2014-12-31

Family

ID=52141933

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2014/066846 WO2014208601A1 (ja) 2013-06-27 2014-06-25 高次偏波変換素子、光導波路素子、及びｄｐ－ｑｐｓｋ変調器

Country Status (6)

Country Link
US (1) US9557482B2 (ja)
EP (1) EP3002616A1 (ja)
JP (1) JP5728140B1 (ja)
CN (1) CN105408786B (ja)
SG (1) SG11201510495TA (ja)
WO (1) WO2014208601A1 (ja)

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015152633A (ja) * 2014-02-10 2015-08-24 沖電気工業株式会社 光素子及び波長合分波素子
WO2016117532A1 (ja) * 2015-01-19 2016-07-28 株式会社フジクラ 基板型光導波路素子
WO2016117533A1 (ja) * 2015-01-19 2016-07-28 株式会社フジクラ 基板型光導波路素子
JP2017044713A (ja) * 2015-08-24 2017-03-02 日本電信電話株式会社 モード変換器及びモード変換方法並びにモード合分波器及びモード合分波方法
JP2017090575A (ja) * 2015-11-05 2017-05-25 株式会社フジクラ 光合分波素子及び光変調器
EP3287821A4 (en) * 2015-05-08 2018-05-16 Huawei Technologies Co. Ltd. Tapered waveguide and silicon-based chip
WO2021161747A1 (ja) * 2020-02-14 2021-08-19 Tdk株式会社 光導波路素子及び光変調素子
JP2021124578A (ja) * 2020-02-04 2021-08-30 富士通株式会社 光回路素子、これを用いた光送受信器、及び光回路素子の製造方法
JP7477761B2 (ja) 2020-06-09 2024-05-02 富士通オプティカルコンポーネンツ株式会社 モード変換素子

Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015133140A1 (ja) * 2014-03-05 2015-09-11 日本電信電話株式会社 偏波回転回路
JP6346803B2 (ja) 2014-06-23 2018-06-20 株式会社フジクラ 光受信回路およびその調整方法
JP6314240B2 (ja) * 2014-09-30 2018-04-18 株式会社フジクラ 基板型光導波路素子
JP6356254B2 (ja) 2014-09-30 2018-07-11 株式会社フジクラ 基板型光導波路素子及び基板型光導波路素子の製造方法
JP6089077B1 (ja) * 2015-08-25 2017-03-01 沖電気工業株式会社 導波路型光回折格子及び光波長フィルタ
CN105445953B (zh) * 2015-12-30 2017-11-14 武汉邮电科学研究院 基于以高阶te模为过渡模式的偏振转换器
US9915781B1 (en) * 2017-03-28 2018-03-13 Inphi Corporation Silicon-waveguide-based broadband polarization splitter-rotator
JP2019066629A (ja) * 2017-09-29 2019-04-25 株式会社フジクラ 基板型光導波路及び導入方法
GB2572455B (en) * 2018-03-28 2020-07-01 Rockley Photonics Ltd Polarization rotator
GB2578583B (en) 2018-10-30 2020-11-18 Rockley Photonics Ltd Optoelectronic modulator, photonic integrated circuit, and method
US10677987B1 (en) * 2019-05-13 2020-06-09 Huawei Technologies Co., Ltd. Polarization independent photonic device having multimode component
US10996398B1 (en) * 2019-12-04 2021-05-04 Globalfoundries U.S. Inc. Switchable polarization splitters
CN110989076B (zh) * 2019-12-12 2021-05-18 华中科技大学 一种薄膜铌酸锂单偏振波导及其制备方法
JP7380329B2 (ja) 2020-02-28 2023-11-15 富士通オプティカルコンポーネンツ株式会社 光回路デバイス、及び光受信機
CN113406747B (zh) * 2020-03-17 2022-06-21 苏州旭创科技有限公司 一种波分复用器和硅光集成芯片
US11366269B2 (en) * 2020-08-05 2022-06-21 Globalfoundries U.S. Inc. Edge couplers with a partially-etched inverse taper
CN112230338B (zh) * 2020-10-29 2022-09-02 西安邮电大学 一种基于反向双锥非对称耦合器的超宽带片上偏振分束旋转器
CN114910997B (zh) * 2021-02-07 2023-08-25 北京邮电大学 悬臂梁式端面耦合器
CN113885131B (zh) * 2021-10-20 2024-04-16 苏州海光芯创光电科技股份有限公司 一种用于横磁模阶数转换的模式转换器及其制造方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011114753A1 (ja) * 2010-03-19 2011-09-22 日本電信電話株式会社 光変調器
JP2013125276A (ja) * 2011-12-15 2013-06-24 Mitsubishi Electric Corp モード展開複合変換器
JP2013171186A (ja) * 2012-02-21 2013-09-02 Sumitomo Electric Ind Ltd Ｄｐ−ｑｐｓｋ光変調器
JP2014092759A (ja) * 2012-11-06 2014-05-19 Sumitomo Electric Ind Ltd 偏波制御素子

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3501235B2 (ja) * 1993-05-07 2004-03-02 日本電信電話株式会社 導波型光デバイス
DE59610596D1 (de) * 1995-02-01 2003-08-14 Juerg Leuthold Kompakte optisch-optische schalter und wellenlängen-konverter mittels multimode-interferenz moden-konvertern
US6944192B2 (en) * 2001-03-14 2005-09-13 Corning Incorporated Planar laser
FR2841658B1 (fr) * 2002-06-26 2004-10-22 Centre Nat Rech Scient Dispositif de couplage optique directionnel et selectif en longueur d'onde
US6980720B2 (en) * 2003-04-11 2005-12-27 Sioptical, Inc. Mode transformation and loss reduction in silicon waveguide structures utilizing tapered transition regions

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011114753A1 (ja) * 2010-03-19 2011-09-22 日本電信電話株式会社 光変調器
JP2013125276A (ja) * 2011-12-15 2013-06-24 Mitsubishi Electric Corp モード展開複合変換器
JP2013171186A (ja) * 2012-02-21 2013-09-02 Sumitomo Electric Ind Ltd Ｄｐ−ｑｐｓｋ光変調器
JP2014092759A (ja) * 2012-11-06 2014-05-19 Sumitomo Electric Ind Ltd 偏波制御素子

Non-Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
C. DOERR ET AL.: "Packaged Monolithic Silicon 112-Gb/s Coherent Receiver", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, vol. 23, 2011, pages 762 - 764, XP011480035, DOI: doi:10.1109/LPT.2011.2132699
DAI,D. ET AL.: "Mode conversion in tapered submicron silicon ridge optical waveguides", OPTICS EXPRESS, vol. 20, no. 12, 4 June 2012 (2012-06-04), pages 13425 - 13439 *
DAI,D. ET AL.: "Novel concept for ultracompact polarization splitter-rotator based on silicon nanowires", OPTICS EXPRESS, vol. 19, no. 11, 23 May 2011 (2011-05-23), pages 10940 - 10949, XP055222685 *
DAOXIN DAI; JOHN E. BOWERS: "Novel concept for ultracompact polarization splitter-rotator based on silicon nanowires", OPTICS EXPRESS, vol. 19, no. 11, 2011, pages 10940, XP055222685
DAOXIN DAI; YONGBO TANG; JOHN E BOWERS: "Mode conversion in tapered submicron silicon ridge optical waveguides", OPTICS EXPRESS, vol. 20, no. 12, 2012, pages 13425 - 13439
HIROSHI FUKUDA ET AL.: "Silicon photonic circuit with polarization diversity", OPTICS EXPRESS, vol. 16, no. 7, 2008, pages 4872 - 4880
K. GOI ET AL.: "20-Gbpsk BPSK silicon Mach-Zehnder modulator with excellent chirp-free performance", OECC, 2012, pages 4D3 - 5
P. DONG; C. XIE; L. CHEN; L. L. BUHL; Y-K. CHEN: "112-Gb/s Monolithic PDM-QPSK modulator in Silicon", EUROPEAN CONFERENCE AND EXHIBITION ON OPTICAL COMMUNICATION, vol. 1, 16 June 2012 (2012-06-16)
QING FANG ET AL.: "Suspended optical fiber-to-waveguide mode size converter for silicon photonics", OPTICS EXPRESS, vol. 18, no. 8, 2010, pages 7763 - 7769
WANGQING YUAN ET AL.: "Mode-evolution-based polarization rotator-splitter design via simple fabrication process", OPTICS EXPRESS, vol. 20, no. 9, 2012, pages 10163 - 10169
YU WAKABAYASHI ET AL.: "A polarization converter using an L-figured Si wire waveguide", IEICE TECHNICAL REPORT, vol. 110, no. 181, 19 August 2010 (2010-08-19), pages 103 - 108 *

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015152633A (ja) * 2014-02-10 2015-08-24 沖電気工業株式会社 光素子及び波長合分波素子
US9784918B2 (en) 2015-01-19 2017-10-10 Fujikura Ltd. Substrate-type optical waveguide element
WO2016117532A1 (ja) * 2015-01-19 2016-07-28 株式会社フジクラ 基板型光導波路素子
WO2016117533A1 (ja) * 2015-01-19 2016-07-28 株式会社フジクラ 基板型光導波路素子
US9810842B2 (en) 2015-01-19 2017-11-07 Fujikura Ltd. Substrate-type optical waveguide element
JPWO2016117533A1 (ja) * 2015-01-19 2017-06-29 株式会社フジクラ 基板型光導波路素子
JPWO2016117532A1 (ja) * 2015-01-19 2017-07-13 株式会社フジクラ 基板型光導波路素子
EP3287821A4 (en) * 2015-05-08 2018-05-16 Huawei Technologies Co. Ltd. Tapered waveguide and silicon-based chip
JP2017044713A (ja) * 2015-08-24 2017-03-02 日本電信電話株式会社 モード変換器及びモード変換方法並びにモード合分波器及びモード合分波方法
JP2017090575A (ja) * 2015-11-05 2017-05-25 株式会社フジクラ 光合分波素子及び光変調器
JP2021124578A (ja) * 2020-02-04 2021-08-30 富士通株式会社 光回路素子、これを用いた光送受信器、及び光回路素子の製造方法
US11726259B2 (en) 2020-02-04 2023-08-15 Fujitsu Optical Components Limited Optical circuit element, optical communication apparatus, and method for manufacturing optical circuit element
WO2021161747A1 (ja) * 2020-02-14 2021-08-19 Tdk株式会社 光導波路素子及び光変調素子
JP7477761B2 (ja) 2020-06-09 2024-05-02 富士通オプティカルコンポーネンツ株式会社 モード変換素子

Also Published As

Publication number Publication date
CN105408786B (zh) 2017-05-10
US9557482B2 (en) 2017-01-31
CN105408786A (zh) 2016-03-16
JPWO2014208601A1 (ja) 2017-02-23
JP5728140B1 (ja) 2015-06-03
US20160178841A1 (en) 2016-06-23
SG11201510495TA (en) 2016-01-28
EP3002616A1 (en) 2016-04-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5728140B1 (ja) 高次偏波変換素子、光導波路素子、及びｄｐ−ｑｐｓｋ変調器
US9500807B2 (en) Planar optical waveguide element, dual polarization quadrature phase shift keying modulator, coherent receiver, and polarization diversity
JP5966021B2 (ja) 偏波変換素子
US9851504B2 (en) Planar optical waveguide device, DP-QPSK modulator, coherent receiver, and polarization diversity
US9835798B2 (en) Planar optical waveguide device, polarization multiplexing 4-value phase modulator, coherent receiver, and polarization diversity
JP6000904B2 (ja) 偏波変換素子
JP6107948B2 (ja) 導波モード変換素子、偏波分離器及び光デバイス
JP6320573B2 (ja) 基板型光導波路素子
CN113777708B (zh) 模变换器
JP6346454B2 (ja) 基板型導波路素子、及び、光変調器
JP6424018B2 (ja) モード変換素子及び光導波路素子
JP6320574B2 (ja) 基板型光導波路素子
JP6242662B2 (ja) モード変換素子及び光導波路素子
JP6216217B2 (ja) モード変換素子及び光導波路素子
JP6335676B2 (ja) 基板型光導波路素子
WO2023243045A1 (ja) 方向性結合器及びその製造方法
US11662522B2 (en) Optical waveguide device operated as mode converter
JP2015169912A (ja) 基板型導波路素子、及び、光変調器

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 201480035844.8

Country of ref document: CN

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2014552239

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14817393

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2014817393

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2014817393

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE