WO2016052343A1 - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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WO2016052343A1
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pbc
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岡　徹
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株式会社フジクラ
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    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/07—Polarisation dependent

Definitions

  • the present invention relates to a substrate type optical waveguide device in which two cores are formed between a lower clad and an upper clad.
  • Non-Patent Document 1 discloses an optical modulator using an optical waveguide.
  • FIG. 33A is a block diagram showing the configuration of the PBC 101.
  • the PBC 101 includes a first input port 102, a second input port 103, and an output port 104.
  • the PBC 101 multiplexes the TM polarization input to the input port 102 and the TE polarization input to the input port 103, and outputs the multiplexed TM polarization and TE polarization from the output port 104.
  • the length of the arrow shown to (a) of FIG. 33 represents the power of TE polarized wave and the power of TM polarized wave input into PBC101.
  • FIGS. 33B and 33C to be referred to later, it is the same that the length of the arrow represents the power of each polarization.
  • the TE polarization mode is a mode in which an electric field component in a direction horizontal to the substrate (hereinafter referred to as the width direction or the x direction) is mainly in a plane perpendicular to the light traveling direction in the substrate type optical waveguide.
  • TM polarization is a mode in which the electric field component is mainly in the direction perpendicular to the substrate (hereinafter referred to as the height direction or the y direction) in a plane perpendicular to the light traveling direction in the substrate type optical waveguide.
  • the important performance in PBC is the loss and polarization extinction ratio when multiplexing polarization.
  • TM loss is a ratio of TM polarization power at the output port 104 to TM polarization power input to the input port 102, and is defined by equation (1).
  • the loss of TE polarization indicates the ratio of the power of TE polarization at the output port 104 to the power of TE polarization input to the input port 103, and is defined by Expression (2).
  • the loss should be small.
  • the polarization extinction ratio (hereinafter also referred to as “PER”) is the output port 104 when TM polarization and TE polarization are input to one input port (for example, input port 103) of the PBC.
  • the ratio of the power of TM polarization output from the power of TE polarization and the power of TE polarization is shown. It is defined by the following equation (refer to (b) of FIG. 33. The length of the arrow in the figure represents the power of each polarization).
  • PER is defined by equation (3).
  • PER is defined by Expression (4).
  • PER represents the degree to which the power of one polarization is suppressed when TM polarization and TE polarization are input to one input port.
  • PER is important, for example, from the following viewpoints.
  • the PBC is connected to the subsequent stage of a polarization rotator (hereinafter also referred to as “PR”).
  • PR is a device that converts TE polarization into TM polarization.
  • the TE polarization is slightly mixed into the TM polarization output from the PR.
  • the mixed TE polarization crosstalks with the TE polarization to be multiplexed (TE polarization shown in FIG.
  • the PBC 101 suppresses the crosstalk generated at the output port 104 by suppressing the power of the TE polarization input mixed with the PR output. That is, the higher the PER, the more the crosstalk that occurs at the output port 104 can be suppressed, and the deterioration of the signal quality when performing polarization multiplexing can be suppressed.
  • the two performances of PBC described above are good in a wide wavelength band. This is due to the following reason. Since wavelength division multiplexing is widely used in optical communications, it is preferable that many optical components including an optical modulator operate in a wide wavelength band.
  • the wide wavelength band refers to a band including, for example, the C band (wavelength range 1530 to 1565 nm) and the L band (wavelength range 1565 to 1625 nm). When PBC is used in such an optical component, it is preferable that the loss is low and the PER is high in a wide wavelength band.
  • Non-patent document 2 and patent document 1 are listed as conventional technologies of PBC.
  • Non-Patent Document 2 relates to a polarization beam splitter.
  • the polarization beam splitter inputs TE polarization and TM polarization to the output port 104 of the PBC 101 shown in FIG. 33A, outputs TM polarization from the input port 102, and outputs TE polarization from the input port 103. This can be realized by outputting.
  • the polarization beam splitter can realize a function equivalent to that of the PBC, and therefore is taken up as a conventional technique of the PBC.
  • Non-Patent Document 2 realizes polarization separation of TE0 and TM0 by a directional coupler in which two rectangular waveguides having congruent core shapes are adjacent to each other.
  • FIG. 34 shows a schematic diagram of the configuration of the polarization beam splitter 201 described in Non-Patent Document 2.
  • FIG. 34A is a cross-sectional view of the directional coupler of the polarization beam splitter 201 in a cross section perpendicular to the light traveling direction.
  • 34B and 34C are top views of the polarization beam splitter 201.
  • the polarization beam splitter 201 includes a lower cladding 204, an upper cladding 205, and cores 202 and 203 embedded by the lower cladding 204 and the upper cladding 205.
  • the polarization beam splitter 201 makes it possible to multiplex or demultiplex polarization using the fact that the coupling length of the directional coupler is shorter in TM0 than in TE0. More specifically, by using the fact that TM0 moves before TE0 moves to the adjacent waveguide of the directional coupler, multiplexing (FIG. 34 (c)) or separation (FIG. 34) of each polarization is performed. (B)) is possible.
  • Patent Document 1 relates to a polarization sorter, but can operate in the same manner as PBC. Therefore, the polarization sorter is taken up as the prior art of PBC.
  • the polarization sorter described in Patent Document 1 performs polarization separation by mode sorting using adiabatic conversion.
  • the polarization sorter according to Patent Document 1 includes two mutually adjacent waveguides 12 and 14, each having a different core height. Furthermore, a mode sorting unit 46 in which the width of one core continuously changes with respect to the light traveling direction is provided, and polarization separation is performed by mode sorting in this region.
  • mode sorting is a polarization separation method using the order of the effective refractive index and the fact that the polarization is maintained when the waveguide is continuously changed with respect to the light traveling direction.
  • the TE polarized wave of the input port 30 of the waveguide 12 (TE-1 described in FIG. 6 of Patent Document 1) and the TE polarized wave of the input port 36 of the waveguide 14 (FIG. 6 of Patent Document 1).
  • the magnitude relationship of the effective refractive index with TE-2) described above is switched between the output port 32 of the waveguide 12 and the output port 34 of the waveguide 14.
  • the magnitude relationship of the effective refractive index with TM-2) described does not change between the output port 32 of the waveguide 12 and the output port 34 of the waveguide 14.
  • the TE polarized wave input to the input port 30 of the waveguide 12 is output from the output port 34 of the waveguide 14 and input to the input port 30 of the waveguide 12.
  • the TM polarization is output from the output port 32 of the waveguide 12.
  • the polarization sorter according to Patent Document 1 separates the TE polarization and the TM polarization input to the input port 30 of the waveguide 12 into polarization.
  • FIG. 1 As shown in 2a to 2c, the heights of the waveguide 12 and the waveguide 14 which are adjacent waveguides are different from each other.
  • Non-Patent Document 2 Although the structure using the directional coupler of Non-Patent Document 2 can be manufactured by a simple manufacturing process, there are problems that the wavelength dependency of loss is large and the manufacturing error is weak.
  • the length L of the portion where two waveguides are adjacent must match the coupling length of the TM polarization.
  • the coupling length is a length necessary for complete transfer of light to the adjacent waveguide.
  • the loss of the TM polarization having the first wavelength is theoretically zero.
  • Non-Patent Document 2 has a problem that the amount of increase in TM polarization loss is large when the wavelength changes.
  • Patent Document 1 has a problem that the manufacturing process is complicated, resulting in an increase in cost and a decrease in yield.
  • Patent Document 1 needs to satisfy the following two conditions in the mode sorting unit 46 in order to perform mode sorting.
  • Patent Document 1 adopts a configuration in which the height is changed between adjacent waveguides.
  • the number of etchings of the core increases in order to change the height.
  • a core can be formed by etching the uppermost silicon layer of an SOI (Silicon-On-Insulator) wafer. Requires at least two etchings. Such an extra process is not preferable because it causes an increase in cost and a decrease in yield due to a newly generated manufacturing error factor.
  • SOI Silicon-On-Insulator
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a substrate-type optical waveguide element and an optical modulator that can suppress the loss of TM polarization in a wide wavelength range and are easy to manufacture. It is to be.
  • a substrate-type optical waveguide device includes a lower clad having a refractive index of Ncl1 , and a refractive index formed on the lower clad of N co (N co > N cl1 ), the first core and the second core, and the first core and the second core are laminated on the lower clad so as to embed the first core and the second core, and the refractive index is N cl2 (N co > N cl2 ), the effective refractive index of the TE polarized wave and the TM polarized wave in the first core when the second core is not present, respectively.
  • N TE @ WG1 and N TM @ WG1 and the effective refractive indexes of the TE polarized wave and the TM polarized wave in the second core when the first core does not exist are respectively N TE @ WG2 and N TM.
  • the invention specific matter of (E) is that “in the parallel running section, the refractive index of the medium existing in the gap between the first core and the second core is N cl and the following formula ( The relative refractive index difference defined in a) may be 0.25 or more.
  • a method of manufacturing a substrate-type optical waveguide device includes a lower clad having a refractive index of Ncl1 , and a refractive index of N formed on the lower clad.
  • the first core and the second core that are co (N co > N cl1 ), and the refractive index N stacked on the lower cladding so as to embed the first core and the second core.
  • TE polarization and TM polarization in the first core when the second core does not exist The effective refractive indexes are N TE @ WG1 and N TM @ WG1, respectively.
  • the effective refractive indexes of the TE polarization and the TM polarization in the second core when the first core does not exist are N N TE @ WG2 and N TM @ WG2 includes a core forming step of forming the first core and the second core satisfying the following conditions (1) to (4).
  • the effective refractive indexes N TE @ WG1, N TM @ WG1, N TE @ WG2, and N TM @ WG2 are parallel running sections in which the first core and the second core run in parallel with each other, respectively. Is continuous as a function of distance from the starting point of (2)
  • the effective refractive index N TE @ WG1, N TM @ WG1 satisfies N TE @ WG1> N TM @ WG1 in the entire parallel section, and the effective refractive index N TE @ WG2, N TM @ WG2 may satisfy N TE @ WG2> N TM @ WG2 throughout the parallel extended section,
  • the magnitude relationship between the effective refractive index N TM @ WG1 and the effective refractive index N TM @ WG2 is reversed between the start point and the end point of the parallel running section, (4) of the refractive index N cl2 refractive index N cl1 and the upper cladding of said lower clad, a larger
  • the present invention provides a substrate-type optical waveguide element and an optical modulator that can suppress the loss of TM polarization in a wide wavelength range and are easy to manufacture.
  • FIG. 1 It is a block diagram which shows the outline
  • (A) shows how the PBC multiplexes the input TM polarized wave and TE polarized wave, and (b) shows TE polarized wave guiding in two input ports and two output ports of the PBC.
  • the name of the mode is defined, and
  • (A) is sectional drawing which shows the structure used in order to calculate the effective refractive index of a core in the 1st Embodiment of this invention.
  • (B) and (c) are graphs showing normalized effective refractive indexes obtained when the relative refractive index difference is 5% and 40% in the structure shown in (a), respectively.
  • (A) And (b) is a schematic diagram which shows the shape of the core which can be formed when the structure shown to (a) of FIG. 2 is actually manufactured. It is a graph which shows the simulation result of Wupper standardized with the height h of the core using the structure shown to (a) of FIG.
  • (A) is a perspective view which shows the structure of PBC which concerns on the 1st Embodiment of this invention.
  • (B) is a perspective view which shows the structure of the core with which PBC shown to (a) is provided.
  • FIG. (A) is a top view which shows the structure of PBC shown in FIG. (B) to (d) are cross-sectional views of the PBC along the lines A-A ′, B-B ′, and C-C ′ shown in FIG. (A) is a top view which shows the structure of PBC which concerns on the 1st Example of this invention.
  • (B) is sectional drawing of a cross section perpendicular
  • (A) is an effective refractive index of a rectangular waveguide that does not include any one of the two cores included in the PBC according to the first embodiment of the present invention (including only one core). It is a graph which shows a calculation result.
  • FIG. 8 is sectional drawing which shows the structure of the rectangular waveguide which is not provided with the 2nd core of PBC shown in FIG.
  • C is sectional drawing which shows the structure of the rectangular waveguide which is not provided with the 1st core of PBC shown in FIG. 8 is a graph showing a result of calculating an effective refractive index of a waveguide mode in a cross section perpendicular to the light traveling direction in the PBC shown in FIG. 8 is a graph showing ⁇ TE0 / C TE0 and ⁇ TM0 / C TM0 obtained when X is changed from ⁇ 100 to 100 in the PBC shown in FIG.
  • FIG. 8 is a graph showing a simulation result of electric field distribution of TE0 and TM0 in the cross section taken along the line A-A ′ of the PBC shown in FIG. 7.
  • FIG. 8 is a graph showing a simulation result of electric field distribution of TE0 and TM0 in a cross section taken along line B-B ′ of the PBC shown in FIG. 7.
  • FIG. 8 is a graph showing a simulation result of electric field distribution of TE0 and TM0 in a cross section taken along line C-C ′ of the PBC shown in FIG. 7.
  • 8 is a graph showing a simulation result of an electric field distribution of TE0 and TM0 in a cross section taken along the line D-D 'of the PBC shown in FIG.
  • FIG. 8 is a graph showing a simulation result of an electric field distribution of TE0 and TM0 in a cross section taken along line E-E 'of the PBC shown in FIG. It is a top view which shows the structure of PBC which concerns on the 2nd Embodiment of this invention.
  • FIG. 17 is a graph showing a result of calculating a loss of TM0 output from port 2-2 by FDTD when TM0 is input to port 1-1 of the PBC shown in FIG.
  • (A) is a graph showing a result of simulating the electric field distribution of the Ey component when TM0 is input to the PBC port 1-1 shown in FIG. 16, and
  • (b) is a graph where TE0 is input to the port 1-1.
  • FIG. 17 is a graph showing the result of FDTD calculation of the effect of manufacturing error on TM0 loss in the PBC shown in FIG. 16.
  • FIG. 36 is a graph showing the result of FDTD calculation of the influence of manufacturing errors on TM0 loss in the PBC shown in FIG.
  • (a) is a graph showing the measurement results of loss when TM0 is input to port 1-1 and TM0 is output from port 2-2
  • (b) 4 is a graph showing the measurement results of PER, which is the loss ratio of the respective polarizations output from port 2-2 when TE0 and TM0 are input to port 1-1, respectively
  • (c) is TE0 to port 1-2. Is a graph showing the measurement result of the loss when is input and output from port 2-2.
  • (A) is a top view which shows the structure of PBC which concerns on the 3rd Embodiment of this invention
  • (b) is a top view which shows the structure of PBC which concerns on the modification of the 3rd Embodiment of this invention. It is. It is a top view which shows the structure of the polarizer which concerns on the 4th Embodiment of this invention.
  • (A) is a top view showing a configuration of a PBC including the rib waveguide according to the seventh embodiment, and (b) to (d) are AA ′ lines shown in (a), respectively. It is sectional drawing of said PBC in a BB 'line and CC' line.
  • (A) is sectional drawing which shows the preparation methods of the ridge waveguide based on the 8th Embodiment of this invention,
  • (b) is sectional drawing which shows the basic shape of the said ridge waveguide.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the PBC along the line BB ′ and CC ′.
  • FIG. 30 (a) is a cross-sectional view when a PBC including a rectangular waveguide as another modification of the eighth embodiment is cut at the same position as the AA ′ line shown in FIG. 30 (a).
  • B It is sectional drawing at the time of cut
  • A is a block diagram explaining the structure of a general PBC.
  • FIG. 7C is a conceptual diagram showing the TE polarization and the TE polarization output from the output port when the same power TE polarization and TM polarization are input to the second input port of the PBC shown in FIG. It is a conceptual diagram showing the power of TM polarization. It is the schematic which shows the structure of the polarization beam splitter described in the nonpatent literature 2.
  • (A) is sectional drawing of the directional coupler of a polarization beam splitter in the cross section perpendicular
  • B And
  • (A) is a top view showing a configuration of a PBC according to a comparative example of the present invention, and (b) is a cross-sectional view of the PBC along the line A-A ′ shown in (a).
  • the PBC 1 according to the present embodiment includes a tapered directional coupler using a waveguide having a large relative refractive index difference, thereby suppressing the loss of TM polarization in a wide wavelength range and easy to manufacture.
  • a substrate type optical waveguide device is provided.
  • the wide wavelength range refers to a wavelength range including, for example, the C band (wavelength range 1530 to 1565 nm) and the L band (wavelength range 1565 to 1625 nm).
  • FIG. 1 is a block diagram showing an outline of the PBC 1 according to the present embodiment.
  • the PBC 1 includes two waveguides (referred to as WG1 and WG2) embedded by a lower clad and an upper clad, and four ports (port1-1, port1- 2, port 2-1 and port 2-2).
  • TEi means a waveguide mode having the (i + 1) -th effective refractive index among TE polarized waves in WG1 or WG2
  • TMj is WG1 or In WG2
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the PBC 1.
  • FIG. 1A shows a state where the PBC 1 multiplexes the inputted TM polarization and TE polarization.
  • FIG. 1B defines the names of the TE polarized wave guide modes in the two input ports and the two output ports of the PBC 1.
  • FIG. 1C defines the names of TM polarization waveguide modes at the input port and the output port.
  • the PBC 1 includes a core 13 and a core 14 which are two waveguides.
  • one port of the core 13 is called an input port 13a, and the other port is called an output port 13b.
  • One port of the core 14 is called an input port 14a, and the other port is called an output port 14b.
  • the TE polarization at the input port 13a is defined as TEi @ 13a
  • the TE polarization at the output port 13b is defined as TEi @ 13b
  • the input port 14a Is defined as TEi @ 14a
  • the TE polarization at the output port 14b is defined as TEi @ 14b.
  • TM polarization at the input port 13a is defined as TMj @ 13a
  • TM polarization at the output port 13b is defined as TMj @ 13b
  • TM at the input port 14a is defined.
  • TMj The polarization is defined as TMj @ 14a, and the TM polarization at the output port 14b is defined as TMj @ 14b.
  • i and j are each an integer of 0 or more.
  • TEi means a waveguide mode having an effective refractive index i + 1th among the waveguide modes of TE polarization in the core 13 or the core 14.
  • TMj means a waveguide mode having an effective refractive index j + 1-th largest among waveguide modes of TM polarization in the core 13 or the core 14.
  • PBC1 is based on the principle of the tapered directional coupler described in Non-Patent Documents 3 and 4, and has the same characteristics as these tapered directional couplers.
  • Non-Patent Document 3 shows TAPERED COUPLERS (also referred to as a tapered directional coupler in this embodiment) in which two optical fibers whose diameters change with respect to the traveling direction of light are adjacent to each other.
  • TAPERED COUPLERS also referred to as a tapered directional coupler in this embodiment
  • the relative refractive index difference between two optical fibers is 5% or less.
  • Non-Patent Document 3 mentions 100% movement of optical power to an adjacent waveguide as an application of a tapered directional coupler.
  • Non-Patent Document 4 discloses ADIABATIC ASYMMETRIC DIRECTIONAL COUPLERS (corresponding to the tapered directional coupler in the present embodiment) in which two rectangular cores whose core width changes with respect to the light traveling direction are adjacent to each other. is doing. Among them, the core and clad materials disclose P-added SiO 2 and SiO 2 . Although not described in Non-Patent Document 4, the relative refractive index difference is generally 5% or less. Non-Patent Document 4 mentions 100% transfer of optical power to an adjacent waveguide as an application of a tapered directional coupler.
  • the PBC 1 has the following features that are the same as those of any of Non-Patent Documents 3 and 4.
  • Feature 1 The core 13 and the core 14 are rectangular cores.
  • Feature 2 The height of the core 13 and the height of the core 14 are equal.
  • Feature 3 The core 13 and the core 14 are arranged at a distance from each other.
  • Feature 4 The relationship between the width of the core 13 and the width of the core 14 is as follows: (1) Incident that is a cross section perpendicular to the traveling direction of light and having the input port 13a and the input port 14a.
  • the width of the core 13 is larger than the width of the core 14, and (2) an exit end face that is a section perpendicular to the light traveling direction and having the output port 13b and the output port 14b.
  • the width of the core 14 is larger than the width of the core 13, and (3) the width of the core 13 and the width of the core 14 are equal in at least one cross section between the incident end face and the exit end face.
  • Feature 5 The width of the core 13 and the width of the core 14 change continuously along the traveling direction of light. However, the case where the core width of one of the cores 13 and 14 does not change and the core width of the other core continuously changes is also included.
  • the rectangular core means a case where the cross section is rectangular when viewed macroscopically.
  • a core having a curved corner when forming a cross section is also included in the rectangular core. This is because even a rounded corner having a curved corner when viewed microscopically can be said to be rectangular when viewed macroscopically.
  • the PBC includes a lower cladding, a rectangular core disposed thereon, and an upper cladding that covers the lower cladding and the rectangular core.
  • a BOX (Buried Oxide) layer of an SOI wafer is used for the lower cladding, and a rectangular core can be manufactured by processing a silicon layer of the uppermost layer of the SOI wafer by etching.
  • the upper clad may be an air clad, or SiO 2 or Si 3 N 4 may be deposited to protect the core.
  • Such a waveguide is called a silicon waveguide.
  • the core 13 and the core 14 can be formed by only one etching. Therefore, the manufacturing process can be simplified.
  • wiring is often performed by a rectangular core waveguide having strong light confinement. Therefore, such wiring and PBC can be manufactured in a lump.
  • the manufacturing cost of PBC can be reduced.
  • the yield when manufacturing the PBC is also improved.
  • Feature 3 can reduce the required accuracy of lithography, which is a manufacturing process when forming a core, and can simplify the manufacturing process. Due to the feature 3, the core 13 and the core 14 do not contact each other. If two cores are in contact with each other, the interval between the cores 13 and 14 needs to be gradually reduced. However, in lithography, there is a limit to the core spacing that can be actually produced due to light diffraction during exposure. In addition, when a narrower core interval is required, the difficulty of the manufacturing process increases. Therefore, if the feature 3 is satisfied, the manufacturing process of the PBC 1 can be simplified.
  • the cross-sectional area of the core increases as the core width increases, so that light confinement in the TEi and TMj cores becomes stronger.
  • the effective refractive index of each waveguide mode increases under the influence of the core having a high refractive index.
  • the core width of the core 13 is larger than the core width of the core 14 at the incident end face including the input port 13a and the input port 14a. Therefore, TEi @ 13a (TMj @@) is larger than TEi @ 14a (TMj @ 14a).
  • the effective refractive index of 13a) increases.
  • the core width of the core 14 is larger than the core width of the core 13 in the cross section including the output port 13b and the output port 14b, the TEi @ 14b (TMj @ 14b) is larger than the TEi @ 13b (TMj @ 13b).
  • Effective refractive index increases.
  • the core 13 and the core 14 change the core width continuously from the feature 5, the effective refractive index of TEi (TMj) changes continuously with respect to the light traveling direction.
  • the following four waveguide mode combinations C1 to C4 are connected by a continuous effective refractive index curve.
  • the effective refractive index curve means a plot of the effective refractive index of the waveguide mode in the waveguide cross section including the core 13 and the core 14 of each coordinate with respect to the coordinates with respect to the light traveling direction.
  • waveguide modes on the same effective refractive index curve make the change in the core width with respect to the traveling direction of light sufficiently gentle, that is, the input port 13a, the input port 14a, the output port 13b, and the output port 14b. It is possible to convert with almost no energy loss by fixing the respective core widths and making the length of the core 13 and the core 14 in the light traveling direction (hereinafter referred to as taper length) sufficiently long. . Such a conversion is called adiabatic conversion.
  • ⁇ represents the light wavelength
  • N TEi @ WG1 Effective refractive index of TEi when core 13 is present alone
  • N TEi @ WG2 Effective refractive index of TEi when core 14 is present alone
  • N TMj @ WG1 Effective refractive index of TMj when core 13 is present alone
  • N TMj @ WG2 Effective refractive index of TMj when core 14 is present alone
  • C TEi Strength of optical coupling between TEi of core 13 and TEi of core 14
  • C TMj Strength of optical coupling between TMj of core 13 and TMj of core 14
  • ⁇ TEi ( ⁇ / ⁇ ) ⁇
  • ⁇ TMj ( ⁇ / ⁇ ) ⁇
  • ⁇ TEi ( ⁇ / ⁇ ) ⁇
  • ⁇ TEi ( ⁇ / ⁇ ) ⁇
  • ⁇ TEi is related to the phase velocity difference between TEi of the core 13 and TEi of the core 14
  • ⁇ TEi (or ⁇ TMj ) represents that the phases of the core 13 and the core 14 are matched as the value is closer to zero.
  • TMj of the core 13 exists across the core 13 and the core 14.
  • TMj of the core 14 also exists across the core 13 and the core 14.
  • Such a guided mode is called a super mode. In other words, it can be said that TMj of the core 13 and TMj of the core 14 interact with each other.
  • ⁇ TMj By gradually bringing the core width of the core 13 and the core width of the core 14 close to each other in the light traveling direction, ⁇ TMj approaches zero. For this reason, the optical coupling between the core 13 and the core 14 gradually increases.
  • TMj moves between the core 13 and the core 14 through the optical coupling between the core 13 and the core 14.
  • TMj loss is reduced over a wide wavelength range for the following reason.
  • the part where TMj moves between the waveguides is near the cross section of the portion where the core widths of the respective waveguides are equal, that is, the core shapes are congruent. Even if the wavelength changes, since the effective refractive indexes of the TMj of the core 13 and the core 14 coincide with each other in the cross section where the core width is always equal as described above, the movement of the TMj between the waveguides is established. . That is, the PBC 1 having the features 1 to 5 operates with a low loss in a wide wavelength band.
  • the reason for being strong against manufacturing errors is as follows. As manufacturing errors, (1) the core width changes from the design value, (2) the core height changes from the design value, (3) the refractive index of the core changes from the design value, (4) the clad refraction. The rate changes from the design value.
  • the core width changes from the design value if feature 4 is satisfied, the cross section in which the core widths of WG1 and WG2 are always equal is present inside the present invention, and therefore the movement of TMj is possible.
  • the cores 13 and 14 that are cores having the same height are generally manufactured by the same process. Will be equal. Therefore, if the feature 2 is satisfied in the same manner, the movement of TMj is possible.
  • the cores 13 and 14 are processed in the same process, so that the refractive index of the core 13 and the refractive index of the core 14 can be regarded as equal. Even if the refractive index of the clad changes from the design value, the relative refractive index difference of the core 13 with respect to the clad and the relative refractive index difference of the core 14 with respect to the clad can be regarded as equal. Therefore, movement of TMj is possible.
  • the effective refractive index of TMj is larger at the input port 13a than at the input port 14a. If the relationship that the output port 14b is larger than the output port 13b is maintained, TMj can be moved.
  • the PBC 1 further includes the following two features that are not disclosed in Non-Patent Documents 3 and 4.
  • Feature 6 Throughout the core 13 and the core 14, the effective refractive index of TMj is always smaller than the effective refractive index of TEi.
  • Feature 7 The core 13 and the core 14 are made of a material having a large relative refractive index difference with respect to the lower clad 11 and the upper clad 12.
  • the relative refractive index difference is defined by the following equation.
  • N co represents the refractive index of the core
  • N cl represents the refractive index of the cladding. If the cladding is composed of a plurality of materials, the refractive index of the lower clad 11 and the upper clad 12, respectively, and N cl1 and N cl2, most refractive index of the material having a large refractive index and N cl.
  • the present invention has a function as a PBC. That is, in FIG. 1B, only the optical power of TMj moves to the adjacent waveguide (WG1 to WG2 or WG2 to WG1), and the optical power of TEi moves to the adjacent waveguide only slightly. The effect is that most of the light is output from the same waveguide.
  • PBC1 functions as a PBC.
  • TEi has a greater degree of light confinement in the core than TMj. This is because the magnitude of the effective refractive index corresponds to the intensity of light confinement in the core. In other words, it can be said that TMj oozes light more into the clad. Furthermore, by providing the feature 7, it is possible to further increase the difference in the degree of light penetration into the cladding between TEi and TMj. In other words, the difference in effective refractive index between TEi and TMj can be further increased. This is due to the following reason.
  • the electric field of TEi is mainly an electric field component (Ex) in the width direction (x direction), and the electric field of TMj is mainly an electric field component (Ey) in the height direction (y direction).
  • TEi electric field component
  • TMj electric field component
  • Increasing the core width increases the light confinement and the effective refractive index increases accordingly, but this increase rate is greater for TEi than for TMj.
  • This can be explained from the boundary condition between the core and the clad of the electric field. From Maxwell's equation, the boundary condition of the electric field on the core side surface (both left and right) is defined by Equation (6) and Equation (7).
  • Equation (6) is greatly related to TEi
  • Equation (7) is greatly related to TMj.
  • N co > N cl
  • Ex becomes discontinuous at the core side boundary
  • the electric field is more greatly distributed on the cladding side.
  • TMj has less leaching of the electric field into the cladding than TEi.
  • the core width is increased, Ex that has been largely distributed outside is distributed in the core, and the electric field is largely confined in the core.
  • the relative refractive index difference when the relative refractive index difference is large, the discontinuity at the boundary surface of TEi increases, and TEi is more strongly confined in the core than TMj. In other words, the relative refractive index difference is increased. Thus, the leaching of TEi into the cladding can be reduced. As a result, by increasing the core width according to the feature 7, it becomes possible to make a large difference in the degree of light penetration into the cladding of TEi and TMj.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view showing the configuration of the core used in the calculation.
  • FIG. 2B is a graph showing a calculation result when the relative refractive index is 5%
  • FIG. 2C is a graph showing a calculation result when the relative refractive index is 40%. is there. As shown in FIG.
  • the height h of the core is 220 nm
  • the refractive index of the core made of silicon is 3.47
  • the wavelengths of TE0 and TM0 were 1550 nm.
  • the normalized effective refractive index is calculated
  • the effective refractive index represents the light confinement in the core, in other words, the degree of light penetration into the cladding. Therefore, when the relative refractive index difference is large, it can be said that there is a large difference in the degree of light penetration into the clad between TE0 and TM0.
  • TMj has a greater light penetration into the clad than TEi.
  • the optical coupling to the adjacent waveguide is strengthened. Therefore, the provision of the features 6 to 7 always holds the expression (9).
  • the PBC1 has the following effects.
  • the movement of TEi and TMj between the waveguides is strongly performed in a range where C TEi >> ⁇ TEi and C TMj >> ⁇ TMj , respectively.
  • a taper length that is particularly longer than other portions is required. This can also be seen from the equations (10) and (11).
  • Zb (TEi) and Zb (TMj) increase respectively.
  • the PBC 1 shifts TMj from the waveguide mode localized in one waveguide to the waveguide mode localized in the other waveguide by changing the core width of the core 13 and the core 14. .
  • the relative refractive index difference is large as shown in Expression (6) and Expression (7), the amount of change in effective refractive index when the core width is changed is larger in TEi than in TMj. Therefore, with respect to the change in core width, [delta] TEi sharply changes than [delta] TMj, As a result, the ratio of the interaction region to the entire tapered portion increases found the following TMj than TEi. Accordingly, even with the same taper length, TMj relatively moves optical power between the waveguides more than TEi. As a result, only TMj can selectively move between the waveguides.
  • the PBC 1 includes the features 6 to 7 so that only TMj can selectively move between the waveguides.
  • PBC1 has a function as a PBC.
  • the relative refractive index difference satisfying the above conditions is given as follows. From the equation (6), as the relative refractive index difference is larger, the influence of the increase in the effective refractive index of TEi on the core width becomes more significant, and as a result, a larger difference between C TMj and C TEi is obtained.
  • the dominant parameter is
  • the difference in the amount of change in effective refractive index when the core width of TEi and TMj is changed is more than twice, and as a result, the degree of separation between TEi and TMj is more than twice. It can be said that this is sufficient.
  • the relative refractive index difference is 25% or more. Therefore, PBC1 is required to have a relative refractive index difference of 25% or more.
  • Non-Patent Documents 3 and 4 disclose only 100% movement of optical power between adjacent waveguides. In other words, the tapered directional coupler according to Non-Patent Documents 3 and 4 cannot function as a PBC.
  • the core 13 and the core 14 are made of Si
  • the lower clad 11 is made of SiO 2
  • the upper clad 12 is any of air, SiO 2 , and Si 3 N 4 . It is preferable to consist of these.
  • the PBC 1 can be easily manufactured by processing the SOI wafer by the CMOS process.
  • a waveguide having a high relative refractive index difference can be obtained. Specifically, when the upper cladding is made of air or SiO 2 , the relative refractive index difference is about 41%, and when the upper cladding is made of Si 3 N 4 , the relative refractive index difference is about 32%.
  • the lower clad 11 can be formed by using a BOX layer of an SOI wafer.
  • the core 13 and the core 14 can be formed by processing the Si layer, which is the uppermost layer of the SOI wafer, by etching.
  • the upper cladding 12 can be formed by depositing a desired material (SiO 2 or Si 3 N 4 ) after the core is formed. When the upper clad 12 is made of air, it is not necessary to deposit SiO 2 or Si 3 N 4 .
  • the stress at the boundary between the lower clad 11 and the upper clad 12 can be reduced, and the yield when producing the PBC 1 can be further increased. it can.
  • a core 13 and core 14 is made of Si
  • lower cladding 11 is preferably made of SiO 2.
  • the width W1 and the width W2 change within a range satisfying the expression (14).
  • Equation (15) e is the number of Napiers.
  • the maximum core width value W upper is determined as follows.
  • the core side wall may not be completely perpendicular to the upper surface of the lower clad 11 and may have a trapezoidal shape as shown in FIGS. Although this can be regarded as a rectangular shape macroscopically, it leads to an increase in loss of TM0 in the following points.
  • Non-Patent Document 5 when the refractive index distribution is asymmetric in the height direction as shown in FIGS. 3A and 3B, the core has the same effective refractive index of TM0 and TE1. In width, TM0 and TE1 interact.
  • the core width needs to be smaller than the core width where the effective refractive indexes of TE1 and TM0 are the same. For this reason, the core width at which the effective refractive indexes of TE1 and TM0 are the same is defined as W upper .
  • a simulation result of W upper normalized by height h is shown in FIG. Here, the wavelength was 1550 nm.
  • the dots shown in FIG. 4 indicate simulation results, and the dotted lines indicate curves obtained by interpolating the simulation results. From this curve, W upper is determined as shown in equation (15).
  • TE0 and TM0 have the highest effective refractive index in each polarization, they are most confined in the core. As a result, the loss in the bending waveguide becomes small. For this reason, TE0 and TM0 are generally most used. Therefore, the preferred configuration 2 that suppresses the excessive loss of TM0 is practically useful.
  • the PBC 1 can move only between TMj between the core 13 and the core 14 with low loss. Therefore, the PBC 1 can be used as a polarizer using a substrate type optical waveguide that extracts TMj or TEi polarization.
  • TMj When used as a polarizer for TMj, for example, when TEi and TMj are input to the input port 13a by using the input port 13a as an input port and the output port 14b as an output port, only TMj is output. It can be extracted from the port 14b.
  • TEi and TMj When used as a polarizer for TEi, for example, when TEi and TMj are input to the input port 13a by using the input port 13a as an input port and the output port 13b as an output port, only TEi is output. It can be extracted from the port 13b.
  • a polarizer having a low loss and a high polarization extinction ratio can be realized in a wide wavelength range by using the PBC 1 that can operate with a low loss in a wide wavelength range.
  • FIG. 5 is a perspective view showing the configuration of the PBC 1.
  • FIG. 6A is a top view showing the configuration of the core 13 and the core 14 of the PBC 1.
  • 6B to 6D are cross-sectional views of the PBC 1 taken along lines AA ′, BB ′, and CC ′ shown in FIG. 6A, respectively.
  • the PBC 1 embeds the first core 13, the second core 14, the first core 13, and the second core 14 disposed on the lower cladding 11.
  • an upper clad 12 laminated on the lower clad 11 is provided.
  • the first core 13 and the second core 14 are cores having a rectangular cross section perpendicular to the light traveling direction.
  • the core 13 and the core 14 will be described as those that guide TE0 (also referred to as TE0 polarization) as TE polarization and guide TM0 (also referred to as TM0 polarization) as TM polarization.
  • the core 13 and the core 14 are made of silicon, and the lower clad 11 and the upper clad 12 are explained to be made of silica.
  • the combination of materials constituting the core 13 and the core 14 and the lower clad 11 and the upper clad 12 is not limited to this.
  • the first core 13 and the second core 14 is constituted by the same material, N co the refractive index satisfies the N co> N cl1, N cl2 .
  • the width and height of the core 13 are W1 and h1, respectively, and the width and height of the core 14 are W2 and h2, respectively.
  • the width W ⁇ b> 1 of the core 13 and the width W ⁇ b> 2 of the core 14 are respectively greater than a height h that is a common height of the core 13 and the core 14.
  • the width WG is constant over the entire length of the PBC 1 running in parallel with the first core 13 and the second core 14.
  • a section in which the first core 13 and the second core 14 are running in parallel is also expressed as a parallel running section.
  • the effective refractive indexes N TE @ WG1, N TM @ WG1, N TE @ WG2, and N TM @ WG2 are respectively from the start point of the parallel running section in which the first core 13 and the second core 14 run in parallel with each other. Is continuous as a function of distance.
  • the effective refractive index N TE @ WG1, N TM @ WG1 satisfies N TE @ WG1> N TM @ WG1 in the entire parallel section, and the effective refractive index N TE @ WG2, N TM @ WG2 is N TE @ WG2> N TM @ WG2 is satisfied in the entire parallel running section.
  • N TM @ WG1 The magnitude relationship between the effective refractive index N TM @ WG1 and the effective refractive index N TM @ WG2 is reversed between the start point and the end point of the parallel running section. Specifically, in PBC1, N TM @ WG1> N TM @ WG2 at the start point of the parallel running section, and N TM @ WG1 ⁇ N TM @ WG2 at the end point of the parallel running section.
  • the width W1 of the core 13 changes linearly as the input port 13a approaches the output port 13b.
  • the width W2 of the core 14 changes linearly as it approaches the output port 14b from the input port 14a.
  • the width W1 and the width W2 change linearly with respect to the traveling direction of light.
  • Such shapes of the core 13 and the core 14 are preferable from the viewpoint of facilitating the design of the PBC 1.
  • the cross section where the width W1 and the width W2 are equal is located in the center of the PBC1. This configuration is preferable because the interaction region where the core 13 and the core 14 interact can be widened.
  • the width WG is constant, but the width WG is not necessarily constant.
  • the interaction region near the cross section where the width W1 and the width W2 are the same
  • a structure in which the waveguide width becomes narrower from the output ports 13b and 14b to the interaction region are preferable because the coupling length can be increased in the interaction region.
  • the width W1 and the width W2 do not necessarily change linearly with respect to the traveling direction of light, and may be configured to change with a more gradual function in the interaction region. This configuration is preferable because the taper length in the interaction region can be made relatively long.
  • PBC1 presupposes a rectangular core
  • the core side wall is smaller than the rectangular waveguide, the difference in the amount of change in the effective refractive index between TE0 and TM0 when the rib width (corresponding to the core width) is reduced.
  • FIG. 7 is a schematic diagram illustrating the size of each part of the PBC 1 according to the present embodiment.
  • FIG. 7A is a top view of the PBC 1 and
  • FIG. 7B is a cross-sectional view of the PBC 1 in a plane perpendicular to the light traveling direction.
  • FIG. 8A shows the effective refractive index of the rectangular waveguide 101a that does not include the core 14 included in the PBC 1 (only includes the core 113), and the core 13 that includes the PBC 1.
  • FIG. It is a graph which shows the calculation result of the effective refractive index of the rectangular waveguide 101b which is not provided (it is provided only with the core 114).
  • the rectangular waveguide 101a and the rectangular waveguide 101b are an aspect of a comparative example of the PBC 1 according to the present embodiment.
  • FIG. 8B is a cross-sectional view showing a configuration of a waveguide 101a including a lower clad 111, an upper clad 112, and an embedded core 113 (corresponding to the first core).
  • FIG. 8C is a cross-sectional view showing a configuration of a waveguide 101b including a lower clad 111, an upper clad 112, and an embedded core 114 (corresponding to the second core).
  • the width W1 of the core 13 and the width W2 of the core 14 change linearly with respect to the light traveling direction.
  • the height h of the core 13 and the core 14 was 220 nm.
  • the core 13 and the core 14 were manufactured by processing the silicon (Si) layer of the uppermost layer of the SOI wafer by etching.
  • silica (SiO 2 ) was deposited so as to embed the core 13 and the core 14, thereby forming the upper cladding 12.
  • the core 13 and the core 14 are made of silicon, and the lower clad 11 and the upper clad 12 are made of silica.
  • the effective refractive index of TE0 and TM0 in a cross section perpendicular to the light traveling direction was calculated.
  • a waveguide 101a in which the core 13 exists independently in the lower cladding 11 and the upper cladding 12, and a core 14 independently in the lower cladding 11 and the upper cladding 12.
  • the existing waveguide 101b in which the effective refractive index of TE0 and TM0 was calculated for each waveguide. The results are shown in FIG. The light wavelength was calculated as 1550 nm.
  • the effective refractive index of TE0 changes by 0.35 and the effective refractive index of TM0 changes by 0.13. confirmed. That is, the effective refractive index of TE0 changes more than the effective refractive index of TM0.
  • the PBC 1 according to the present embodiment is constituted by the waveguide having a large relative refractive index shown in the feature 7. In this example, the relative refractive index difference between the core (13, 14) and the clad (11, 12) is about 41%.
  • the absolute value of the difference between each of the effective refractive index of the TE0 and TM0 is, ⁇ TE0 / ( ⁇ / ⁇ ), for corresponding to ⁇ TM0 / ( ⁇ / ⁇ ) , from which , ⁇ TE0 and ⁇ TM0 can be obtained.
  • the effective refractive index of the waveguide mode in the cross section perpendicular to the light traveling direction of the PBC 1 in which the core 13 and the core 14 are adjacent to each other was calculated.
  • the results are shown in FIG. In FIG. 9, the graphs drawn with the same type of curve are connected continuously.
  • TE0 of the core 13 and TE0 of the core 14 are connected by one curve
  • TM0 of the core 13 and TM0 of the core 14 are connected by another one curve.
  • the absolute value of the difference in effective refractive index of TE0 at this time is
  • C TE0 and C TM0 can be obtained.
  • C TE0 and C TM0 respectively 0.01 rad / [mu] m and 0.13rad / ⁇ m, and the can is very large binding towards TM0. This is because the features 6 and 7 are satisfied.
  • Zb (TE0) of formula (10) and Zb (TM0) of formula (11) were determined to be 470 ⁇ m and 50 ⁇ m, respectively. Therefore, it can be seen that the length required for TM0 to move to the adjacent waveguide by adiabatic conversion is much shorter than TM0.
  • the X was calculated ratio C TE0 and ⁇ TE0 ( ⁇ TE0 / C TE0 ), C TM0 and [delta] TM0 ratio of ( ⁇ TM0 / C TM0), respectively.
  • the results are shown in FIG. The smaller this ratio, the stronger the TE0 of the core 13 and the core 14 interact. In the present specification, 2 or less is defined as an interaction region.
  • TM0 is the same as TE0.
  • the X 0, [delta] TE0, since [delta] TM0 is 0, it can be seen that act most strongly with each other.
  • TE0 indicates Ex as a main electric field component
  • TM0 indicates Ey as a main electric field component
  • TE0 # 0 and TE0 # 1 represent the first and second highest effective refractive index modes, respectively, of the TE polarized waves having a cross section in which WG1 and WG2 are adjacent to each other.
  • TM0 # 0 and TM0 # 1 represent modes with the highest effective refractive index, respectively, in the first and second TM polarizations in the cross section where WG1 and WG2 are adjacent to each other.
  • TM0 since adiabatic conversion is established, there is almost no transition from one of TM # 0 or TM # 1 to another waveguide mode.
  • TE0 since TE0 hardly undergoes adiabatic conversion, TE0 is output while the electric field is localized in the same waveguide.
  • X 0 since adiabatic conversion is not established, both the electric field distributions of TE0 # 0 and TE0 # 1 are excited.
  • TE0 # 0 and TE0 # 1 are modes called an even mode and an odd mode, and the electric field distribution of TE0 # 1 is antisymmetric in the width direction.
  • the PBC 1A is a substrate type optical waveguide device in which the bent waveguide portions 2 and 3 are connected to the front and rear stages of the PBC 1 according to the embodiment, respectively.
  • former stage of PBC1 is provided with the 3rd core 23 and the 4th core 24, as shown in FIG.
  • the third core 23 is a core that communicates with the first core 13 through the starting point of the parallel running section of the PBC 1.
  • the fourth core 24 is a core that communicates with the second core 14 via the start point.
  • the third core 23 and the fourth core 24 are both made of silicon, like the first core 13 and the second core 14. Therefore, the refractive index of the third core and the refractive index of the fourth core are both the same as the refractive index of the first core 13 and the refractive index of the second core 14.
  • the distance between the third core 23 and the fourth core 24 increases as the distance from the start point increases.
  • the width W3 of the third core 23 matches the width W1 of the first core 13 at the start point.
  • the width W3 may be constant from the third input port 23a that is one end of the third core 23 to the third output port 23b that is the other end of the third core 23. preferable.
  • the width W4 of the fourth core 24 matches the width W2 of the second core 14 at the start point.
  • the width W4 may be constant from the fourth input port 24a that is one end of the fourth core 24 to the fourth output port 24b that is the other end of the fourth core 24. preferable.
  • the bending waveguide section 3 provided in the subsequent stage of the PBC 1 includes a fifth core 33 and a sixth core 34.
  • the bending waveguide section 3 has a configuration corresponding to the bending waveguide section 2.
  • the fifth core 33 corresponds to the third core 23
  • the sixth core 34 corresponds to the fourth core 24.
  • the fifth core 33 is a core that communicates with the first core 13 via the end point of the parallel running section of the PBC 1.
  • the sixth core 34 is a core that communicates with the second core 14 via the end point.
  • the fifth core 33 and the sixth core 34 are both made of silicon like the first core 13 and the second core 14. Therefore, the refractive index of the third core and the refractive index of the fourth core are both the same as the refractive index of the first core 13 and the refractive index of the second core 14.
  • the distance between the fifth core 33 and the sixth core 34 increases as the distance from the end point increases.
  • the width W5 of the fifth core 33 coincides with the width W1 of the first core 13 at the end point.
  • the width W5 may be constant from the fifth input port 33a that is one end of the fifth core 33 to the fifth output port 33b that is the other end of the fifth core 33. preferable.
  • the width W6 of the sixth core 34 matches the width W2 of the second core 14 at the start point.
  • the width W6 may be constant from the sixth input port 34a that is one end of the sixth core 34 to the sixth output port 34b that is the other end of the sixth core 34. preferable.
  • the interval between the core 23 and the core 24 can be increased without increasing the interval between the core 13 and the core 14. Further, by connecting the bending waveguide portion 3, the interval between the core 33 and the core 34 can be increased without increasing the interval between the core 13 and the core 14. Therefore, it is possible to suppress unnecessary light reflection from occurring at the input port 23a, the input port 24a, the output port 33b, and the output port 34b.
  • the strength of optical coupling of TM polarization can be continuously increased (input side) / weakened (output side).
  • the strength of the optical coupling of the TM polarization of the adjacent waveguide can be reduced as the distance from the input / output unit increases, so that the TM polarization can have an electric field distribution localized in one of the waveguides. The loss caused by remaining in the other waveguide can be reduced.
  • the bending waveguide may be connected to both WG1 and WG2 or only one of them.
  • TM0 is input to the port at the upper left of FIG. If TE0 is input to the lower left port and the outputs of TE0 and TM0 are obtained from the lower right port, it is preferable that light passes through the bending waveguide with the minimum number of times when used as a PBC. Particularly in this case, TE0 is more confined to the core than TM0, so it is assumed that TE0 passes through the bending waveguide.
  • the method of approaching / separating WG1 and WG2 is not limited to a bending waveguide, and an arbitrary curved shape can be used.
  • At least one of the preceding stage where WG1 and WG2 approach and the separated latter stage is connected to the optical waveguide forming the optical wiring with low loss, so that a tapered waveguide continuously changing to the same core width as this optical wiring is provided. You may connect.
  • the third core 23 and the sixth core 34 which are straight waveguide portions, are the cores of the input port 13a of the first core 13 and the output port 14b of the second core 14, respectively. It is extended while maintaining the width.
  • the fourth core 24 and the fifth core 33 which are bending waveguides, are extended while maintaining the core widths of the input port 14a of the second core 14 and the output port 13b of the first core 13, respectively.
  • the core 24 and the core 33 are bent in an arc shape.
  • the parallel running section in FIG. 16 has the same dimensions as in Example 1.
  • the PBC 1A according to the present embodiment can be manufactured by the same process as in the first embodiment.
  • the parallel running section is also referred to as a tapered portion, and the length of the parallel running section is also referred to as a taper length.
  • the PBC 1A according to the present embodiment functions as a PBC.
  • FIG. 18A shows the electric field distribution of the Ey component when TM0 is input to port 1-1.
  • FIG. 18B shows the electric field distribution of the Ex component when TE0 is input to port 1-1.
  • FIG. 19A shows a loss (corresponding to equation (1)) when TM0 is input to port 1-1 and output from port 2-2
  • FIG. 19B shows TE0 as port 1-1.
  • PER corresponding to equation (3)
  • TE0 is input to port 1-2.
  • the loss when output from port 2-2 is shown.
  • TM0 is 0.1 dB or less and the loss of TE0 is 0.32 dB or less in a very wide wavelength range of 120 nm including the C band and the L band.
  • PER is 10 dB or more, respectively, and it can be seen that unnecessary polarization components can be suppressed to 1/10 or less.
  • FIG. 19 shows that PBC1A exceeds PBC201 in all characteristics.
  • the loss of TM0 was 0.43 dB at maximum in PBC201, and 0.1 dB at maximum in PBC1A. That is, it can be seen that PBC 1A has higher performance over a wide wavelength range as compared to the prior art.
  • the performance of the prior art when the same manufacturing error as that calculated in FIG. 20 is considered was calculated.
  • the results are shown in FIG.
  • the size of the core changes due to the influence of the manufacturing error.
  • the degree of confinement of TM0 changes, so that the coupling length in the parallel running section changes. Therefore, as shown in FIG. 21, the center wavelength at which the loss is minimized shifts, and the maximum loss increases from 0.43 dB to 0.84 dB in the wavelength range of 1520 nm to 1640 nm.
  • the PBC 1A maintains a low loss of 0.1 dB or less even under the influence of the same manufacturing error.
  • FIG. 22A shows a loss (corresponding to equation (1)) when TM0 is input to port 1-1 and output from port 2-2 in a wide wavelength range of 100 nm
  • FIG. , PER1 (corresponding to equation (3)), which is the loss ratio of the respective polarizations output from port 2-2 when TE0 and TM0 are input to port 1-1, respectively, (c) is port 1-2. Shows the measurement result of the loss (corresponding to equation (2)) when TE0 is input to and output from port 2-2.
  • TM0 the maximum loss of TM0 is 0.16 dB, and it can be operated with a very small loss.
  • the port 1-1 PER is 10.6 dB or more, which is a sufficiently large value.
  • the maximum value of TE0 loss is 0.59 dB, and it can be seen that operation is possible with a small value.
  • the PBC 1A according to the present embodiment has a great effect of improving the problems of the prior art.
  • the PBC 1B according to the present embodiment is obtained by adding a termination unit 4 having a structure for removing unnecessary polarization components to the PBC 1A according to the second embodiment.
  • a termination unit 4 having a structure for removing unnecessary polarization components
  • TMj When TMj is input to port 1-1, most of its power is output from port 2-2, but only a part of TMj (residual TMj) that has not been transferred to the adjacent waveguide is output from port 2-1. The For the same reason, it is preferable to remove this residual TMj.
  • FIG. 23A is a top view showing the configuration of the PBC 1B.
  • the PBC 1B includes a seventh core 43 as a core of the termination unit 4 in the port 2-1, where unnecessary light may be output.
  • the core 43 communicates with the first core 13 via the fifth core 33.
  • the width of the core 43 decreases as the distance from the core 13 increases along the light traveling direction. That is, the termination portion 4 uses the core 43, which is an inverted tapered waveguide whose core width is gradually narrowed, as an optical termination.
  • the core 43 is provided in the port 2-1 of the fifth core 33 on the premise that the TMj output from the port 2-2 of the sixth core 34 is used. However, when using TEi output from the port 2-1, the core 43 may be provided in the port 2-2 of the sixth core 34.
  • FIG. 23B is a top view showing the configuration of the PBC 1C.
  • the PBC 1C includes a terminal end 4 ′.
  • the terminal end 4 ′ includes a light absorber 43 ′ connected to the first core 13 through the fifth core 33.
  • the light absorber 43 ′ for example, a P-type semiconductor or an N-type semiconductor in which a dopant is implanted into the core can be used. This is because free carriers caused by dopants implanted into the P-type semiconductor and the N-type semiconductor function as a light absorber that absorbs light. Further, as the light absorber 43 ′, a light absorber made of a metal or a metal compound may be used.
  • the material constituting the light absorber 43 ′ is not particularly limited as long as it is a material that absorbs light in a wide wavelength range including the C band and the L band.
  • FIG. 24 is a top view showing the configuration of the polarizer 1D.
  • the polarizer 1D has a structure in which two PBCs 1A shown in FIG. 16 are connected in series.
  • the polarizer 1D can also be expressed as a substrate-type optical waveguide element having n sets of the first core 13 and the second core 14, respectively.
  • the front PBC 1A is described as PBC 1Aa
  • the rear PBC 1A is described as PBC 1Ab.
  • the PBC including the first set of the first core 13 and the second core 14 counted from one end of the polarizer is PBC1Aa
  • the PBC provided with the core 14 is PBC1Ab.
  • the second core 14 of the PBC 1Aa communicates with the first core 13 of the PBC 1Ab via the sixth core 34 of the PBC 1Aa and the third core 23 of the PBC 1Ab.
  • the reason why the polarizer 1D functions as a polarizer is as follows.
  • the polarizer 1D has an effect of improving the PER as compared to the PER when the PBC 1A is used alone.
  • the case where two PBC 1A (two sets of the first core 13 and the second core 14) are connected in series has been described as an example.
  • the polarizer 1D may be configured by connecting three or more PBCs 1A (two or more sets of the first core 13 and the second core 14) in series.
  • the polarizer 1 ⁇ / b> D is configured by the n cores (n is a positive integer) and the second core 14, the i-th second core 14 includes the i + 1-th first core. It is configured to communicate with the core 13.
  • i is an integer of 1 ⁇ i ⁇ n ⁇ 1.
  • another core different from the cores 13 and 14 may be interposed between the i-th set of cores 14 and the i + 1-th set of cores 13.
  • the PER can be further improved by increasing the number of PBC 1A constituting the polarizer 1D.
  • the PBC according to each of the embodiments described above can be used as a polarization beam combiner provided in a DP-QPSK (Dual Polarization-Quadrature Phase Shift Keying) modulator described in Non-Patent Document 1.
  • the DP-QPSK modulator uses the fact that two modes, TE0 and TM0, can exist in the optical waveguide. After the light input at TE0 is branched and modulated into QPSK signals, one side of TE0 is converted to TM0. (Polarization rotator), two modes are multiplexed on the same optical waveguide by PBC, and DP-QPSK modulation having QPSK signals independent of both modes of TE0 / TM0 is performed.
  • PBC1 and PBC1A to 1C according to each of the above-described embodiments can be used as PBC for polarization multiplexing TE0 and TM0.
  • FIG. 25 is a block diagram showing the configuration of such an optical modulator 5.
  • the optical modulator 5 which is a DP-QPSK modulator includes (1) a first QPSK modulator 51 that QPSK modulates TE0 and (2) a second QPSK modulation that QPSK modulates TE0. 52, (3) a polarization rotator 53 for converting TE0 modulated by the second QPSK modulator 52 into TM0, and (4) TE0 and polarization rotator 53 modulated by the first QPSK modulator 51.
  • the PBC 54 which polarization-multiplexes TM0 obtained by the above.
  • the PBC 54 is configured in the same manner as the PBC 1 shown in FIG.
  • the TM0 is input to the first core 13 input port 13a of the PBC 54, and the TE0 is input to the input port 14a of the second core 14.
  • the PBC 54 polarization-multiplexes the TM0 and the TE0, and outputs the polarization-multiplexed TM0 and TE0 from the output port 14b of the second core 14.
  • the optical modulator 5 including the PBC 54 as a polarization beam combiner has low loss over a wide wavelength range including the C band and the L band. Therefore, it is possible to realize a DP-QPSK modulator using a substrate-type optical waveguide with low loss in these wide wavelength ranges.
  • the present invention can be manufactured with a rectangular waveguide that is usually used in many cases, it can be manufactured together with the optical waveguide forming the optical wiring of DP-QPSK, and an extra process is unnecessary.
  • the method for modulating TE0 and TM0 is not limited to QPSK, and even a modulator having a complicated configuration can perform polarization multiplexing using the present invention.
  • FIG. 26 is a block diagram showing the configuration of the substrate-type optical waveguide element 6.
  • the substrate-type optical waveguide element 6 includes a spot size converter 61 and an optical device 63 in addition to a polarizer 62.
  • the polarizer 62 will be described as being configured in the same manner as the PBC 1 described in FIG.
  • the above-described PBCs 1A to 1C and the polarizer 1D may be used instead of the PBC 1.
  • the spot size converter 61 reduces the spot size of light input from the outside via an optical fiber, a lens, etc., and inputs it to the input port 13a of the first core 13 of the polarizer 62.
  • the spot size converter 61 for example, an inverted taper waveguide whose core width increases as it approaches the end on the polarizer 62 side from the end on the light input side can be used.
  • the optical device 63 is, for example, a modulator that modulates input light or a wavelength filter that extracts only a specific wavelength.
  • the optical device 63 has polarization dependency. For this reason, it is preferable that either one of TE polarized light and TM polarized light is input to the optical device 63.
  • the external optical fiber and lens, and the light that has passed through the spot size converter 61 have undesirable polarization components due to misalignment of the polarization axes in the optical fiber, lens, and spot size converter 61, and the like. May be included.
  • the polarizer 62 is provided between the spot size converter 61 (light input structure) and the optical device 63.
  • the polarizer 62 emits a polarization component (TE polarization component or TM polarization component) preferable for the optical device 63 among the TE polarization component and the TM polarization component that can be included in the light input from the spot size converter 61. Output to the device 63.
  • TE polarization component or TM polarization component a polarization component preferable for the optical device 63 among the TE polarization component and the TM polarization component that can be included in the light input from the spot size converter 61.
  • the light output from the spot size converter 61 is input to the first core 13 via the input port 13a of the PBC1.
  • the polarizer 62 outputs a TE polarization component from the output port 13 b of the first core 13 and outputs a TM polarization component from the output port 14 b of the second core 14.
  • the optical device 63 may be connected to the subsequent stage of the first core 13 of the polarizer 62.
  • the TE polarization component output from the first core 13 is input to the optical device 63.
  • the optical device 63 may be connected to the subsequent stage of the second core 14 of the polarizer 62.
  • the TM polarization component output from the second core 14 is input to the optical device 63.
  • the polarizer 62 can be manufactured by the same process as that for manufacturing the spot size converter 61 and the optical device 63. In other words, the substrate-type optical waveguide element 6 can be manufactured without adding a special process for adding the polarizer 62 to the spot size converter 61 and the optical device 63.
  • the substrate-type optical waveguide element 6 includes the polarizer 62 configured in the same manner as the PBC 1, the adverse effect of the undesired polarization component on the optical device 63 is suppressed with a low loss over a wide wavelength range. be able to.
  • FIG. 27 is a cross-sectional view showing the basic shape of the rib waveguide according to the present embodiment.
  • FIG. 28 (a) is a top view of the PBC 100
  • FIGS. 28 (b) to (d) are views of the PBC 100 taken along the lines AA ′, BB ′, and CC ′ shown in FIG. FIG.
  • the rib waveguide includes a core 150 disposed on the lower clad 110 and an upper clad 120 stacked on the core 150 so as to sandwich the core 150 with the lower clad 110. It has a layered structure.
  • the core 150 includes a thin plate-like slab 160 formed so as to cover the entire upper surface of the lower clad 110, and a rib 130 protruding from the slab 160.
  • the cross-sectional shape of the rib 130 is a rectangle as shown by a broken line in FIG.
  • the BOX layer made of SiO 2 of the SOI wafer is used as the lower clad 110, and the Si layer of the uppermost layer of the SOI wafer is etched to leave the rib 130 and the slab 160, thereby leaving the core 150.
  • an upper clad 120 made of SiO 2 is formed so as to cover the core 150.
  • the upper clad 120 may be air.
  • the PBC 100 includes a first rib 130 and a second rib 140 sandwiched between a lower clad 110 and an upper clad 120.
  • the first rib 130 and the second rib 140 are formed in parallel along the light traveling direction in the PBC 100, and the width WG is constant between the first rib 130 and the second rib 140. The interval is maintained.
  • the slab 160 is present on each side of the first rib 130 and the second rib 140, and the first rib 130, the second rib 140, and the slab 160 are in contact with each other.
  • the core 150 is configured as a whole.
  • the width W of the slab 160 is the width W of the lower cladding 110 and the upper cladding 120 (that is, the width of the SOI substrate) in both the cross section indicated by the line and the cross section indicated by the CC ′ line at the end of the parallel running section. Equally constant.
  • the slab 160 is formed in all regions on the surface of the lower clad 110 except for the region where the first rib 130 and the second rib 140 are formed. According to this configuration, the first rib 130 and the second rib 140 can be formed by one etching.
  • the width of the slab 160 may be a width Wp narrower than the width W.
  • the slab 160 may be formed in a region limited to the width Wp including the first rib 130 and the second rib 140.
  • the slab 160 can be limited to a region having a width Wp.
  • TM0 polarized light is incident on the input port 130a of the core 130
  • TE0 polarized light is incident on the input port 140a of the core 140.
  • the core 140 emits the TE0 polarization and the TM0 polarization moved from the core 130 from the output port 140b.
  • Feature 1 ′ The two waveguides WG1 and WG2 are configured as rib waveguides.
  • the effect of the feature 1 is that “a substrate type optical waveguide can be manufactured”, even if the rectangular waveguide is replaced with a rib waveguide as in the feature 1 ′, there is no problem with the functionality that brings about the effect. .
  • core 13 and core 14 in the other features 2 to 6 are replaced with “rib 130” and “rib 140”, respectively, and “core 13 and core 14” in feature 7 are replaced with the entire core 150.
  • the rib waveguide can reduce this loss because the ratio of the side wall portion that scatters the guided light is small compared to the rectangular waveguide.
  • the continuity of the waveguide width (core width) required in the feature 5 can be realized with higher accuracy, and loss can be reduced from this viewpoint.
  • the rib waveguide it is possible to reduce the loss of light caused by the influence of processing accuracy.
  • FIG. 29A is a cross-sectional view showing a method of manufacturing a ridge waveguide according to the present embodiment
  • FIG. 29B is a cross-sectional view showing a basic shape of the ridge waveguide
  • FIG. 30A is a top view showing the configuration of the PBC 100A including the ridge waveguide according to the eighth embodiment
  • FIGS. 30B to 30D are AA ′ lines shown in FIG.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the PBC 100A taken along the line BB ′ and the line CC ′.
  • the ridge waveguide includes a lower clad rib 110a in which a part of the upper surface of the lower clad 110A is raised so as to have a rectangular cross section, and the core is formed on the lower clad rib 110a.
  • 150A and upper clad 120A are laminated in this order.
  • the core 150A and the upper clad 120A are stacked with the same width as the lower clad rib 110a.
  • the lower clad rib 110a, the core 150A, and the upper clad 120A as a whole form a ridge 130A raised on the upper surface of the lower clad 110A.
  • the lower clad, the core, and the upper clad are formed in layers so that the lower clad and upper clad made of InP sandwich the core made of InGaAsP. . Thereafter, the upper clad, the core, and the lower clad are etched so that a part of the core having a desired core width remains and the lower clad rib 110a is formed on the upper surface of the lower clad.
  • the region after etching that is, the regions on both sides of the ridge 130A may be filled with a gas such as air, or may be filled with a resin or a semiconductor.
  • a gas such as air
  • the difference can be increased.
  • the relative refractive index difference is 0.08 (8%).
  • the region after etching is air (refractive index 1)
  • the relative refractive index difference in the width direction can be significantly increased to 0.46 (46%).
  • a combination having a small relative refractive index difference of the core with respect to the clad for example, a combination of the core 150 made of InGaAsP and the clads 110A and 120A made of InP. Even if it is adopted, light confinement in the width direction can be strengthened.
  • the PBC 100A includes a ridge 130A and a ridge 140A arranged in parallel in the light traveling direction on the lower cladding 110A.
  • the configuration of the ridge 140A is the same as the configuration of the ridge 130A shown in FIG. 29B, and the lower cladding 110A is common to the ridge 130A and the ridge 140A.
  • a certain distance is provided between the ridge 130A and the ridge 140A. In other words, the facing side walls of the ridge 130A and the ridge 140A are parallel to each other with a certain distance therebetween.
  • the present invention utilizes the fact that TEi has less optical coupling to the adjacent waveguide than TMj.
  • Optical coupling is determined by the amount of light that oozes from one waveguide to the other. Therefore, by increasing the relative refractive index difference between the core and the region between the two waveguides, the optical confinement can be strengthened in the direction from one waveguide to the other waveguide. The effect of can be obtained.
  • the N cl to play an essential role, since materials of the region between the two waveguides, the value of N cl be regarded as Nb becomes appropriate.
  • a ridge waveguide produces the following great advantages. That is, when the relative refractive index difference between the core and the upper clad and the lower clad is small and a rectangular waveguide or a rib waveguide is adopted, light cannot be sufficiently confined in the core. On the other hand, in the ridge waveguide, light can be sufficiently confined in the core only by adding an etching process to the rectangular waveguide forming process. In addition, the relative refractive index difference between the core and a medium (for example, a gas such as air, a resin, or a semiconductor) existing on both sides of the core can be set large. Therefore, since the bending radius of the core 150 can be reduced, the device size can be reduced or the integration degree of the device can be increased.
  • a medium for example, a gas such as air, a resin, or a semiconductor
  • FIG. 31 (a) is a top view showing a configuration of a PBC including a ridge waveguide as a modification of the eighth embodiment
  • FIGS. 31 (b) to (d) are cross-sectional views of FIGS. It is sectional drawing of said PBC in the A 'line, BB' line, and CC 'line.
  • the side where no adjacent waveguide is present may be filled with a protective material 170 on both sides of the ridge 130A and the ridge 140A. Accordingly, it is possible to prevent dust and the like from adhering to the side walls of the ridge 130A and the ridge 140A that are exposed after etching and the upper surface of the lower cladding 110A.
  • a material constituting the protective material 170 it is necessary to use a material having a refractive index lower than that of the material constituting the core of the ridge waveguide. For example, silica (SiO 2 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), etc. Can be used.
  • FIG. 32A is a cross-sectional view of the PBC 100C when the PBC 100C is cut at the same position as the line AA ′ shown in FIG.
  • the difference in configuration between the PBC 1 and the PBC 100 C having the rectangular waveguide shown in FIG. 6B is that the gap between the core 13 and the core 14 arranged in parallel on the lower cladding 11 in the PBC 1 is set to the height of the PBC 1. That is, a groove penetrating in the direction is formed.
  • the groove 180 formed in the PBC 100C extends from the upper surface of the upper clad 120C through the gap between the adjacent cores 130C and 140C to a midway position in the height direction of the lower clad 110C.
  • the layer of the core 150C is formed on the lower clad 110C so that the shape in plan view is a parallelogram, as shown by the plan view outlines of the rib 130A and rib 140A in FIG. Form.
  • the parallelogram has a shape in which two opposing short sides are aligned with the start point and end point of the parallel running section shown in FIG.
  • the upper clad 120C is laminated on the lower clad 110C so as to embed the core 150C.
  • etching is performed with the width WG (FIG.
  • the groove 180 is formed.
  • the core 150C is separated into, for example, a core 130C that receives TM polarized light and a core 140C that receives TE polarized light.
  • the PBC 100C Since the etching area of the PBC 100C is one, the PBC 100C can be manufactured by a simpler process than the PBC 100A having three etching areas, and the PBC 100C can obtain the same effect as the PBC 100A.
  • FIG. 32B is a cross-sectional view of the PBC 100D when the PBC 100D is cut at the same position as the line AA ′ shown in FIG.
  • the PBC 100D has a configuration in which the core 150C of the PBC 100C is replaced with a core 150D having slabs and ribs in the same manner as the core 150 shown in FIG.
  • the layer of the core 150D is formed on the lower clad 110D so that the shape of the rib in plan view is a parallelogram.
  • the parallelogram has a shape in which two opposing short sides are aligned with the start point and end point of the parallel running section shown in FIG.
  • the upper clad 120D is laminated so as to sandwich the core 150D with the lower clad 110D.
  • etching is performed with the width WG (FIG. 28B) from the upper surface of the upper clad 120D near the center of the width of the PBC 100D.
  • the groove 180 is formed. By this groove 180, the rib of the core 150D is separated into, for example, a rib 130D that receives TM polarized light and a rib 140D that receives TE polarized light.
  • PBC100D can obtain the same effect as PBC100C.
  • a substrate-type optical waveguide device includes a lower clad having a refractive index of Ncl1 , and a refractive index formed on the lower clad of N co (N co > N cl1 ), the first core and the second core, and the first core and the second core are laminated on the lower clad so as to embed the first core and the second core, and the refractive index is N cl2 (N co > N cl2 ), the effective refractive index of the TE polarized wave and the TM polarized wave in the first core when the second core is not present, respectively.
  • N TE @ WG1 and N TM @ WG1 and the effective refractive indexes of the TE polarized wave and the TM polarized wave in the second core when the first core does not exist are respectively N TE @ WG2 and N TM.
  • the substrate-type optical waveguide device satisfies the above conditions (A) and (D)
  • the TM polarization input to one end of the first core is In the parallel running section, it moves to the second core in an adiabatic manner and is output from the other end of the second core.
  • the strength of the optical coupling of TM polarization and the strength of the optical coupling of TE polarization are increased. Since the above condition (E) is satisfied, the difference becomes sufficiently large. Accordingly, most of the TE polarized wave input to one end of the second core is output from the other end of the second core without moving to the first core.
  • the present invention it is possible to realize a substrate-type optical waveguide device with a small loss of TM polarization and a high polarization extinction ratio.
  • the above-mentioned substrate type optical waveguide device having the above-described functions includes (a) a polarization beam combiner that multiplexes TE polarization and TM polarization, and (b) polarization of TE polarization and TM polarization.
  • Polarization beam splitter to be separated (c) Functions as a polarizer that extracts only one polarization component from light in which TE polarization and TM polarization are mixed, and reduces TM polarization loss in a wide wavelength range It is possible to suppress.
  • the substrate-type optical waveguide element is laminated on the lower clad, the first core and the second core formed on the lower clad, and the core so as to embed these cores. Because of the simple structure of the above-described upper clad, it can be easily manufactured using a generally established manufacturing process.
  • the substrate-type optical waveguide device can provide a substrate-type optical waveguide device that can suppress the loss of TM polarization in a wide wavelength range and can be easily manufactured.
  • the first core and the second core are cores having a rectangular cross section perpendicular to the light traveling direction, and the first core
  • the height of the second core and the height of the second core are the same, and the width W1 of the first core and the width W2 of the second core are the distance from the starting point of the parallel running section. It is preferable that the magnitude relationship between the width W1 and the width W2 is reversed between the start point and the end point of the parallel running section.
  • the same effect as the above-described substrate type optical waveguide device can be obtained.
  • the height of the said 1st core and the said 2nd core is equal, these two cores can be produced by one etching. As a result, the process becomes simple, and the cost and yield can be reduced.
  • the upper clad and the lower clad are made of a common material, and the width W1 of the first core and the second core are The width W2 is larger than the common height of the first core and the second core, and the first core and the second core guide TE0 polarization as the TE polarization.
  • the first core and the second core may be made of silicon, and the lower clad and the upper clad may be made of silica. preferable.
  • the substrate-type optical waveguide device can be manufactured using an existing CMOS process using an SOI (Silicon-On-Insulator) wafer as a substrate. Therefore, the substrate type optical waveguide device can be easily manufactured. Further, the substrate type optical waveguide device realizes a large relative refractive index difference.
  • SOI Silicon-On-Insulator
  • Wupper is defined by the following formula (b) (h is a common height between the first core and the second core, and e is The number of napiers), the width W1 of the first core, and the width W2 of the second core preferably satisfy W1 ⁇ Wupper and W2 ⁇ Wupper, respectively.
  • the width W1 or the width W2 When the width W1 or the width W2 is gradually increased, the effective refractive index of the TE0 polarization is significantly increased, and the difference from the effective refractive index of the TM0 polarization is increased.
  • the width W1 or the width W2 is greater than or equal to Wupper, the magnitude relationship between the effective refractive index of the TM0 polarization and the effective refractive index of the TE1 is reversed, and as a result, the TM0 polarization and the TE1 polarization are mutually reversed.
  • the possibility of acting increases. That is, it increases the possibility of causing an excess loss of the TM0 polarization resulting from the conversion of a part of the TM0 polarization to the TE1 polarization.
  • the third core communicates with the first core via the start point or the end point of the parallel running section, and the refractive index is N co .
  • a third core and (1) when the third core communicates with the first core via the start point of the parallel running section, communicates with the second core via the start point of the parallel running section.
  • the fourth core communicates with the second core via the end point of the parallel running section.
  • a fourth core having a refractive index of Nco and the distance between the third core and the fourth core is (1) the third core is in parallel with the third core.
  • the distance increases as the distance from the start point of the parallel section increases (2 If the third core is communicated with the first core through the end of the parallel segment, increases with distance from the end of the parallel segment, it is preferable.
  • the third core is interposed between the first core and the other waveguide, so that the first core One core and the other waveguide can be smoothly connected.
  • the fourth core is interposed between the second core and the other waveguide, so that the second core The other waveguides can be connected smoothly. Therefore, it is possible to suppress the possibility that unnecessary reflection occurs with the connection.
  • the strength of optical coupling of TM polarization can be continuously increased (input side) / weakened (output side).
  • the strength of the optical coupling of the TM polarization of the adjacent waveguide can be reduced as the distance from the input / output unit increases, so that the TM polarization can have an electric field distribution localized in one of the waveguides. The loss caused by remaining in the other waveguide can be reduced.
  • a substrate-type optical waveguide device is a fifth core that communicates with the first core or the second core, and has a fifth core having a refractive index of N co. Furthermore, it is preferable that the width of the fifth core decreases as the first core moves away.
  • the substrate-type optical waveguide device may further include a light absorber connected to the first core or the second core.
  • a polarizer according to one embodiment of the present invention is a substrate-type optical waveguide element that includes n sets of the first core and the second core, and one of the substrate-type optical waveguide elements.
  • the second core of the i-th set (i is an integer of 1 ⁇ i ⁇ n ⁇ 1) counting from the end portion is configured to communicate with the first core of the i + 1th set. preferable.
  • a polarizer having a high polarization extinction ratio can be realized.
  • the substrate-type optical waveguide device includes a first optical modulator that modulates TE polarization, a second optical modulator that modulates TE polarization, and the second optical modulation.
  • a polarization rotator for converting the TE polarization output from the detector into a TM polarization, and the TM polarization output from the polarization rotator is input to the first core, and the second core It is preferable that the core is configured to receive the TE polarized wave output from the first optical modulator.
  • a low-loss optical modulator can be realized in a wide wavelength range.
  • the substrate-type optical waveguide device further includes an optical input structure and an optical device, wherein the optical input structure reduces the spot size of light input from the outside, and
  • the first core outputs the TE polarization component of the light input to the first core, and the second core outputs the TM of the light input to the first core.
  • a polarization component is output, and the optical device is configured to receive the TE polarization component output from the first core or the TM polarization component output from the second core. It is preferable that
  • the TE polarization component output from the first core, or the second Only the TM polarization component output from the core can be input to the optical device. Since the optical input structure and the optical device can be manufactured on the same substrate as the substrate-type optical waveguide element by the same manufacturing process, they can be easily manufactured.
  • a method of manufacturing a substrate-type optical waveguide device includes a lower clad having a refractive index of Ncl1 , and a refractive index of N formed on the lower clad.
  • the first core and the second core that are co (N co > N cl1 ), and the refractive index N stacked on the lower cladding so as to embed the first core and the second core.
  • TE polarization and TM polarization in the first core when the second core does not exist The effective refractive indexes are N TE @ WG1 and N TM @ WG1, respectively.
  • the effective refractive indexes of the TE polarization and the TM polarization in the second core when the first core does not exist are N N TE @ WG2 and N TM @ WG2 includes a core forming step of forming the first core and the second core satisfying the following conditions (1) to (4).
  • the effective refractive indexes N TE @ WG1, N TM @ WG1, N TE @ WG2, and N TM @ WG2 are parallel running sections in which the first core and the second core run in parallel with each other, respectively. Is continuous as a function of distance from the starting point of (2)
  • the effective refractive index N TE @ WG1, N TM @ WG1 satisfies N TE @ WG1> N TM @ WG1 in the entire parallel section, and the effective refractive index N TE @ WG2, N TM @ WG2 may satisfy N TE @ WG2> N TM @ WG2 throughout the parallel extended section,
  • the magnitude relationship between the effective refractive index N TM @ WG1 and the effective refractive index N TM @ WG2 is reversed between the start point and the end point of the parallel running section, (4) of the refractive index N cl2 refractive index N cl1 and the upper cladding of said lower clad, a larger
  • mold optical waveguide element has an effect similar to the said board
  • the present invention can be used for a substrate-type optical waveguide device used in optical fiber communication, more specifically, a substrate-type optical waveguide device that multiplexes, separates, or removes polarization.
  • 1,1A, 1B, 1C PBC Polyized beam combiner, substrate type optical waveguide device 11 Lower cladding 12 Upper cladding 13 First core 14 Second core 23 Third core 24 Fourth core 33 Fifth core (third core) 34 Sixth core (fourth core) 43 Seventh core (fifth core) 43 'light absorber 1D polarizer (substrate type optical waveguide device) 5 Optical modulator (substrate type optical waveguide device) 51 First QPSK modulator (first optical modulator) 52 Second QPSK modulator (second optical modulator) 53 Polarization Rotator 54 PBC (Polarization Beam Combiner) 6 Substrate type optical waveguide device 61 Spot size converter (light input structure) 62 Polarizer 63 Optical Device 100, 100A, 100B, 100C, 100D PBC (Polarized Beam Combiner, Substrate Type Optical Waveguide Element) 110, 110A, 110C, 110D Lower clad 120, 120A, 120C, 120D Upper clad 130, 130, 130

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Abstract

　基板型光導波路素子（１）において、第１のコア（１３）におけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の実効屈折率をＮＴＥ＠ＷＧ１及びＮＴＭ＠ＷＧ１とし、第２のコア（１４）におけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の実効屈折率をＮＴＥ＠ＷＧ２及びＮＴＭ＠ＷＧ２として、上記実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ１と上記実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ２との大小関係は、上記並走区間の始点と終点とで逆転しており、式（ａ）で定義される比屈折率差が０．２５以上である。

Description

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
　本発明は、下部クラッドと上部クラッドとの間に２つのコアが形成された基板型光導波路素子に関する。
　現在、光通信で伝送される情報量は増加し続けている。こうした情報量の増加に対して、信号速度の高速化、波長多重通信を用いたチャネル数の増設などの対策が進められている。このうち、信号速度の高速化を可能にする次世代の１００Ｇｂｐｓデジタルコヒーレント伝送技術では、単位時間当たりに送信可能な情報量を２倍にするために、電界が直交する２つの偏波に異なる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、偏波多重方式を利用する変調方式では、複雑な構成の光変調器が必要になり、装置の大型化、高額化といった課題が生じる。こうした課題に対して、製造プロセスが簡単である、集積化による光学素子の小型化が可能、大口径ウェハによる製造コストの低コスト化が可能などのメリットを持つ、シリコンをコアに用いた基板型光導波路による光変調器が非特許文献１に記載されている。
　偏波多重方式では、基板型光導波路内でＴＥ偏波とＴＭ偏波を多重する偏波ビームコンバイナ（Polarization Beam Combiner：ＰＢＣ）が用いられる。図３３の（ａ）は、ＰＢＣ１０１の構成を示すブロック図である。ＰＢＣ１０１は、第１の入力ポート１０２と、第２の入力ポート１０３と、出力ポート１０４とを備えている。ＰＢＣ１０１は、入力ポート１０２に入力されたＴＭ偏波と、入力ポート１０３に入力されたＴＥ偏波とを多重し、この多重したＴＭ偏波及びＴＥ偏波を出力ポート１０４から出力する。なお、図３３の（ａ）に示す矢印の長さは、ＰＢＣ１０１に入力するＴＥ偏波のパワー及びＴＭ偏波のパワーを表す。後で参照する図３３の（ｂ）及び（ｃ）においても、矢印の長さが各偏波のパワーを表すことは同様である。
　ここで、ＴＥ偏波は、基板型光導波路内で光の進行方向に対して垂直な面内において基板に水平な方向（以下、幅方向もしくはｘ方向と呼ぶ）の電界成分が主となるモードを指す。また、ＴＭ偏波は、基板型光導波路内で光の進行方向に対して垂直な面内において基板に垂直な方向（以下、高さ方向もしくはｙ方向と呼ぶ）の電界成分が主となるモードを指す。
　ＰＢＣにおいて重要となる性能は、偏波多重時の損失及び偏波消光比である。
　ＴＭ偏波の損失は、入力ポート１０２に入力されたＴＭ偏波のパワーに対する、出力ポート１０４におけるＴＭ偏波のパワーの割合を示すものであり、式（１）で定義される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 　ＴＥ偏波の損失は、入力ポート１０３に入力されたＴＥ偏波のパワーに対する、出力ポート１０４におけるＴＥ偏波のパワーの割合を示すものであり、式（２）で定義される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 　エネルギー効率の観点から損失は小さい方がよい。
　一方、偏波消光比（Polarization Extinction Ratio：以下「ＰＥＲ」とも記載）は、ＰＢＣの一方の入力ポート（例えば入力ポート１０３）にＴＭ偏波とＴＥ偏波とを入力した場合に、出力ポート１０４から出力されるＴＭ偏波のパワーと、ＴＥ偏波のパワーとの割合を示すものである。次式で定義される（図３３の（ｂ）を参考。図中の矢印の長さは、各偏波のパワーを表す）。
　ＴＭ偏波を入力する入力ポート１０２に、同じパワーのＴＭ偏波及びＴＥ偏波を入力した場合（図３３の（ｂ）を参照）、ＰＥＲは、式（３）で定義される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 　ＴＥ偏波を入力する入力ポート１０３に、同じパワーのＴＭ偏波及びＴＥ偏波を入力した場合（図３３の（ｃ）を参照）、ＰＥＲは、式（４）で定義される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 　以上のように、ＰＥＲは、１つの入力ポートにＴＭ偏波及びＴＥ偏波が入力された場合における一方の偏波のパワーが抑圧される程度を表している。ＰＥＲは、例えば以下の観点で重要である。非特許文献１で開示されている偏波多重変調器のように、ＰＢＣは、偏波ローテータ(Polarization Rotator:以下「ＰＲ」とも記載)の後段に接続される。ＰＲは、ＴＥ偏波をＴＭ偏波に変換させるデバイスであるが、変換不足のため、ＰＲから出力されるＴＭ偏波にわずかにＴＥ偏波が混入する。この混入したＴＥ偏波は、ＰＢＣ１０１の出力ポート１０４において多重対象となるＴＥ偏波（図３３の（ａ）に示すＴＥ偏波）とクロストークする。このクロストークは、信号の品質低下を招く。そのため、ＰＢＣ１０１は、ＰＲの出力に混ざって入力されるＴＥ偏波のパワーを抑制することによって、出力ポート１０４で生じるクロストークを抑圧することが好ましい。即ち、ＰＥＲが高いほど出力ポート１０４で生じるクロストークを抑制でき、偏波多重する際の信号品質の低下を抑えることが出来る。
　以上で述べたＰＢＣの２つの性能は、広い波長帯域で良好であることが好ましい。これは以下の理由による。光通信では、波長多重方式が広く利用されているため、光変調器を含む多くの光コンポーネントは、広い波長帯域で動作することが好ましい。広い波長帯域とは、例えばＣバンド（波長範囲１５３０～１５６５ｎｍ）やＬバンド（波長範囲１５６５～１６２５ｎｍ）を含む帯域を指す。ＰＢＣをこのような光コンポーネント内で利用する場合、同様に広い波長帯域で、損失が低く、ＰＥＲが高いことが好ましい。
　ＰＢＣの従来技術として、非特許文献２及び特許文献１が挙げられる。
　非特許文献２は、偏波ビームスプリッタに関するものである。偏波ビームスプリッタは、図３３の（ａ）に示すＰＢＣ１０１の出力ポート１０４にＴＥ偏波及びＴＭ偏波を入力し、入力ポート１０２からＴＭ偏波を出力し、入力ポート１０３からＴＥ偏波を出力することによって実現できる。以上のように、偏波ビームスプリッタは、ＰＢＣと同等の機能を実現可能であるため、ＰＢＣの従来技術として取り上げる。非特許文献２は、合同なコア形状を持つ２つの矩形導波路を隣接させた方向性結合器によってＴＥ０とＴＭ０の偏波分離を実現している。ここで、ＴＥ０及びＴＭ０は、それぞれＴＥ偏波、ＴＭ偏波の中で実効屈折率が最大の導波モードを指す。図３４に非特許文献２に記載された偏波ビームスプリッタ２０１の構成の概略図を示す。図３４の（ａ）は、光の進行方向に垂直な断面における、偏波ビームスプリッタ２０１の方向性結合器の断面図である。図３４の（ｂ）及び（ｃ）は、偏波ビームスプリッタ２０１の上面図である。偏波ビームスプリッタ２０１は、下部クラッド２０４と、上部クラッド２０５と、下部クラッド２０４と上部クラッド２０５とによって埋設されているコア２０２及び２０３を備えている。
　偏波ビームスプリッタ２０１は、方向性結合器の結合長がＴＥ０よりもＴＭ０の方が短くなることを利用して偏波の多重又は分離を可能としている。より具体的には、ＴＥ０が方向性結合器の隣接導波路へ移りきる前に、ＴＭ０が移りきることを利用して、各偏波の多重（図３４の（ｃ））又は分離（図３４の（ｂ））を可能としている。
　特許文献１は、偏波ソーター（polarization sorter）に関するものであるが、ＰＢＣと同等の働きが可能である。従って、偏波ソーターをＰＢＣの従来技術として取り上げる。特許文献１に記載の偏波ソーターは、断熱変換を用いたモードソーティング（adiabatic sorting）によって、偏波分離を行っている。
　特許文献１のＦｉｇ．２ａ～２ｃに記載されているように、特許文献１に係る偏波ソーターは、２つの互いに隣接する導波路１２及び１４から成り、それぞれコアの高さが異なる。さらに、一方のコアの幅が光の進行方向に対して連続的に変化するモードソーティング部４６を有し、この領域におけるモードソーティングによって偏波分離を行う。ここで、モードソーティングとは、導波路を光の進行方向に対して連続的に変化させたときに実効屈折率の順番と偏波が保持されることを利用した偏波分離の方法である。
　例えば、導波路１２の入力ポート３０のＴＥ偏波（特許文献１のＦｉｇ．６に記載のＴＥ－１）と、導波路１４の入力ポート３６のＴＥ偏波（特許文献１のＦｉｇ．６に記載のＴＥ－２）との実効屈折率の大小関係が、導波路１２の出力ポート３２と、導波路１４の出力ポート３４とにおいて入れ替わる。一方、導波路１２の入力ポート３０のＴＭ偏波（特許文献１のＦｉｇ．６に記載のＴＭ－１）と、導波路１４の入力ポート３６のＴＭ偏波（特許文献１のＦｉｇ．６に記載のＴＭ－２）との実行屈折率の大小関係は、導波路１２の出力ポート３２と、導波路１４の出力ポート３４とにおいて変化しない。
　実効屈折率における上記の大小関係を満たすことによって、導波路１２の入力ポート３０に入力されたＴＥ偏波は、導波路１４の出力ポート３４から出力され、導波路１２の入力ポート３０に入力されたＴＭ偏波は、導波路１２の出力ポート３２から出力される。このようにして、特許文献１に係る偏波ソーターは、導波路１２の入力ポート３０に入力されたＴＥ偏波及びＴＭ偏波を偏波分離する。
　実効屈折率における上記の大小関係を満たすためには、偏波ソーターのデバイス全長にわたって隣接する２つの導波路１２及び１４の断面におけるコア形状は、合同であってはならない。そのため、特許文献１のＦｉｇ．２ａ～２ｃに示すように、隣接する導波路である導波路１２及び導波路１４の高さは、それぞれ異なっている。
米国特許出願公開第２００８／０１５２２７７号明細書（公開日：２００８年６月２６日）
Po Dong, et al., "112-Gb/s Monolithic PDM-QPSK Modulator in Silicon," ECOC2012 Th.3.B.1 (2012). Hiroshi Fukuda, et al., " Ultrasmall polarization splitter based on silicon wire waveguides," OPTICS EXPRESS, Vol. 14, No. 25, 12401 (2006). Allan W. Snyder and John D. Love, "Optical Waveguide Theory," CHAPMAN&HALL, London (First edition 1983, Reprinted 1991). Yosi Shani, et al., "Integrated Optical Adiabatic Devices on Silicon," IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 27, NO. 3 (1991). Daoxin Dai, et al., "Mode conversion in tapered submicron silicon," OPTICS EXPRESS, Vol. 20, No. 12 (2012).
　非特許文献２の方向性結合器による構造は、簡単な製造プロセスで作製可能であるが、損失の波長依存性が大きく、また製造誤差に弱いという問題がある。
　非特許文献２において、２つの導波路が隣接する部分の長さＬは、ＴＭ偏波の結合長に合わせる必要がある。ここで、結合長とは隣接する導波路へ光が完全に移りきるのに必要な長さである。例えば、ある波長（第１の波長とする）において結合長がＬｃであり、Ｌ＝Ｌｃとしたとする。このとき、第１の波長を有するＴＭ偏波の損失は、原理的にはゼロである。
　しかしながら、波長が第１の波長から第２の波長へ変化したとき、導波路のコアからの光の浸み出しの程度が変わる為、隣接する導波路への結合の強さが変化する。その結果、第２の波長における結合長は、第１の波長における結合長から変化する。その結果、Ｌ＝Ｌｃでは第２の波長を有するＴＭ偏波は隣接導波路へ移りきらない、もしくは移ったＴＭ偏波が戻ってきてしまう。そのため、第２の波長を有するＴＭ偏波は、出力ポートで損失が生じてしまう。即ち、非特許文献２は、波長が変化したときにＴＭ偏波の損失の増加量が大きいという問題がある。
　さらに、製造誤差によって導波路のコアの高さや幅が変化したとき、ＴＭ偏波の光のコアへの閉じ込めの程度が変わる為、結合長が変化する。その結果、波長が変化したときと同様に、製造誤差が無い場合に比べてＴＭ偏波の損失が大きく増加するという問題が生じる。
　特許文献１は製造プロセスが複雑であり、その結果コスト増加や歩留り低下を招くという問題がある。
　特許文献１の構造は、モードソーティングを行う為に、モードソーティング部４６において次の２つの条件を満たす必要がある。
　条件１：隣接する２つの導波路を導波する２つの同一偏波（例えば、特許文献１のＦｉｇ．６に記載のＴＥ－１及びＴＥ－２）は、実効屈折率が同一になる断面が存在する。
　条件２：隣接する２つの導波路を導波する他方の２つの同一偏波（例えば、特許文献１のＦｉｇ．６に記載のＴＭ－１とＴＭ－２）は、実効屈折率が常に異なっている。
　これらの条件を満たすために、特許文献１においては、隣接する導波路でその高さを変える構成が採用されている。このような導波路構造を製造する場合、高さを変える為にコアのエッチング回数が増加する。例えば、シリコン導波路では、ＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）ウェハの最上部のシリコン層をエッチングすることでコアを形成することが可能であるが、２段階の高さを持つコアを作製する為には、最低２回のエッチングが必要となる。このような余分なプロセスは、コスト増加を招き、また新たに生じる製造誤差要因によって歩留りの低下を招くため、好ましくない。
　なお、１回のエッチングで上記の条件１及び２が満たせない理由は、以下の通りである。１回のエッチングでコアを作製した場合、コアの高さは同じとなる。このとき、条件１を満たすためには、ある断面でコアの幅を同一にして、２つの隣接導波路のコア形状を合同にする必要がある。なぜなら、コア幅が異なる場合、コアへ光が閉じ込められる程度が変わる為、実効屈折率が隣接する導波路の同一偏波間で変わってしまい、条件１は常に満たされない。しかしながら、以上で示したようにコア形状を合同にすることで条件１を満たすと、条件１の対象となる偏波だけでなく、全ての偏波で実効屈折率が同一となることから、条件２を満たすことは不可能となる。従って、条件１、２を同時に満たすためには、特許文献１で記載されているように２つの隣接する導波路の高さを変えるなどして、異なる導波路構造で、条件１を満たす必要がある。そのためには、１回のエッチングに加えて、さらなるプロセスが必要となる。
　本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、広い波長範囲においてＴＭ偏波の損失を低く抑え、かつ、製造が容易な基板型光導波路素子及び光変調器を提供することである。
　上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る基板型光導波路素子は、屈折率がＮｃｌ１である下部クラッドと、上記下部クラッド上に形成された、屈折率がＮｃｏ（Ｎｃｏ＞Ｎｃｌ１）である第１のコア及び第２のコアと、上記第１のコア及び上記第２のコアを埋設するように上記下部クラッド上に積層された、屈折率がＮｃｌ２（Ｎｃｏ＞Ｎｃｌ２）である上部クラッドとを備えた基板型光導波路素子において、上記第２のコアが存在しない場合の上記第１のコアにおけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の実効屈折率を、それぞれ、ＮＴＥ＠ＷＧ１及びＮＴＭ＠ＷＧ１とし、上記第１のコアが存在しない場合の上記第２のコアにおけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の実効屈折率を、それぞれ、ＮＴＥ＠ＷＧ２及びＮＴＭ＠ＷＧ２として、（Ａ）上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ１，ＮＴＭ＠ＷＧ１，ＮＴＥ＠ＷＧ２，ＮＴＭ＠ＷＧ２は、それぞれ、上記第１のコアと上記第２のコアとが互いに並走する並走区間の始点からの距離の関数として連続であり、（Ｂ）上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ１，ＮＴＭ＠ＷＧ１は、上記並走区間の全体においてＮＴＥ＠ＷＧ１＞ＮＴＭ＠ＷＧ１を満足し、（Ｃ）上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ２，ＮＴＭ＠ＷＧ２は、上記並走区間の全体においてＮＴＥ＠ＷＧ２＞ＮＴＭ＠ＷＧ２を満足し、（Ｄ）上記実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ１と上記実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ２との大小関係は、上記並走区間の始点と終点とで逆転しており、（Ｅ）上記下部クラッドの屈折率Ｎｃｌ１と上記上部クラッドの屈折率Ｎｃｌ２とのうち、大きい方の屈折率をＮｃｌとして、下記式（ａ）で定義される比屈折率差が０．２５以上である、ことを特徴とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 　なお、上記（Ｅ）の発明特定事項を、「上記並走区間において、上記第１のコアと上記第２のコアとの間の間隙に存在する媒質の屈折率をＮｃｌとして、下記式（ａ）で定義される比屈折率差が０．２５以上である」と置き換えてもよい。
　上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る基板型光導波路素子の製造方法は、屈折率がＮｃｌ１である下部クラッドと、上記下部クラッド上に形成された、屈折率がＮｃｏ（Ｎｃｏ＞Ｎｃｌ１）である第１のコア及び第２のコアと、上記第１のコア及び上記第２のコアを埋設するように上記下部クラッド上に積層された、屈折率がＮｃｌ２（Ｎｃｏ＞Ｎｃｌ２）である上部クラッドとを備えた基板型光導波路素子の製造方法において、上記第２のコアが存在しない場合の上記第１のコアにおけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の実効屈折率を、それぞれ、ＮＴＥ＠ＷＧ１及びＮＴＭ＠ＷＧ１とし、上記第１のコアが存在しない場合の上記第２のコアにおけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の実効屈折率を、それぞれ、ＮＴＥ＠ＷＧ２及びＮＴＭ＠ＷＧ２として、以下の条件（１）～（４）を満足する上記第１のコア及び上記第２のコアを形成するコア形成工程を含む、ことを特徴とする。
　（１）上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ１，ＮＴＭ＠ＷＧ１，ＮＴＥ＠ＷＧ２，ＮＴＭ＠ＷＧ２は、それぞれ、上記第１のコアと上記第２のコアとが互いに並走する並走区間の始点からの距離の関数として連続であり、
　（２）上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ１，ＮＴＭ＠ＷＧ１は、上記並走区間の全体においてＮＴＥ＠ＷＧ１＞ＮＴＭ＠ＷＧ１を満足し、上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ２，ＮＴＭ＠ＷＧ２は、上記並走区間の全体においてＮＴＥ＠ＷＧ２＞ＮＴＭ＠ＷＧ２を満足し、
　（３）上記実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ１と上記実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ２との大小関係は、上記並走区間の始点と終点とで逆転しており、
　（４）上記下部クラッドの屈折率Ｎｃｌ１と上記上部クラッドの屈折率Ｎｃｌ２とのうち、大きい方の屈折率をＮｃｌとして、下記式（ａ）で定義される比屈折率差が０．２５以上である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　本発明は、広い波長範囲においてＴＭ偏波の損失を低く抑え、かつ、製造が容易な基板型光導波路素子及び光変調器を提供する。
本発明の第１の実施形態に係るＰＢＣの機能の概要を示すブロック図である。（ａ）は、入力されたＴＭ偏波及びＴＥ偏波を上記ＰＢＣが多重する様子を示し、（ｂ）は、上記ＰＢＣが備える２つの入力ポート及び２つの出力ポートにおけるＴＥ偏波の導波モードの名称を定義し、（ｃ）は、上記ＰＢＣが備える２つの入力ポート及び２つの出力ポートにおけるＴＭ偏波の導波モードの名称を定義する。 （ａ）は、本発明の第１の実施形態においてコアの実効屈折率を計算するために用いた構造を示す断面図である。（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ、（ａ）に示した構造において比屈折率差を５％及び４０％とした場合に得られた規格化実効屈折率を示すグラフである。 （ａ）及び（ｂ）は、図２の（ａ）に示した構造を実際に製造した場合に形成され得るコアの形状を示す模式図である。 図２の（ａ）に示した構造を用いて、コアの高さｈで規格化したＷｕｐｐｅｒのシミュレーション結果を示すグラフである。 （ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るＰＢＣの構成を示す斜視図である。（ｂ）は、（ａ）に示すＰＢＣが備えるコアの構成を示す斜視図である。 （ａ）は、図５に示したＰＢＣの構成を示す上面図である。（ｂ）～（ｄ）は、それぞれ、（ａ）に示すＡ－Ａ’線、Ｂ－Ｂ’線及びＣ－Ｃ’線における上記ＰＢＣの断面図である。 （ａ）は、本発明の第１の実施例に係るＰＢＣの構成を示す上面図である。（ｂ）は、（ａ）に示すＰＢＣの、光の進行方向に対して垂直な断面の断面図である。 （ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るＰＢＣが備えている２つのコアの何れか一方を備えていない（一方のコアのみを備えている）矩形状導波路の実効屈折率の計算結果を示すグラフである。（ｂ）は、図７に示したＰＢＣの第２のコアを備えていない矩形状導波路の構成を示す断面図である。（ｃ）は、図７に示したＰＢＣの第１のコアを備えていない矩形状導波路の構成を示す断面図である。 図７に示したＰＢＣにおいて、光の進行方向に対して垂直な断面における導波モードの実効屈折率を計算した結果を示すグラフである。 図７に示したＰＢＣにおいて、Ｘを－１００から１００まで変化させた場合に得られたδＴＥ０／ＣＴＥ０及びδＴＭ０／ＣＴＭ０を示したグラフである。 図７に示したＰＢＣのＡ－Ａ’線による断面における、ＴＥ０とＴＭ０との電界分布のシミュレーション結果を示すグラフである。 図７に示したＰＢＣのＢ－Ｂ’線による断面における、ＴＥ０とＴＭ０との電界分布のシミュレーション結果を示すグラフである。 図７に示したＰＢＣのＣ－Ｃ’線による断面における、ＴＥ０とＴＭ０との電界分布のシミュレーション結果を示すグラフである。 図７に示したＰＢＣのＤ－Ｄ’線による断面における、ＴＥ０とＴＭ０との電界分布のシミュレーション結果を示すグラフである。 図７に示したＰＢＣのＥ－Ｅ’線による断面における、ＴＥ０とＴＭ０との電界分布のシミュレーション結果を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係るＰＢＣの構成を示す上面図である。 図１６に示したＰＢＣのｐｏｒｔ１－１にＴＭ０を入力したときに、ｐｏｒｔ２－２から出力されるＴＭ０の損失をＦＤＴＤによって計算した結果を示すグラフである。 （ａ）は、図１６に示したＰＢＣのｐｏｒｔ１－１にＴＭ０を入力したときのＥｙ成分の電界分布をシミュレーションした結果を示すグラフであり、（ｂ）は、ｐｏｒｔ１－１にＴＥ０を入力したときのＥｘ成分の電界分布をシミュレーションした結果を示すグラフである。 図１６に示したＰＢＣと図３５に示したＰＢＣとにおいて、（ａ）は、ｐｏｒｔ１－１にＴＭ０を入力し、ｐｏｒｔ２－２からＴＭ０を出力するときのＴＭ０の損失を計算した結果を示したグラフであり、（ｂ）は、ｐｏｒｔ１－１にＴＥ０とＴＭ０をそれぞれ入力した時に、ｐｏｒｔ２－２から出力されるそれぞれの偏波の損失比であるＰＥＲを計算した結果を示したグラフであり、（ｃ）は、ｐｏｒｔ１－２にＴＥ０を入力し、ｐｏｒｔ２－２から出力するときのＴＥ０の損失を計算した結果を示したグラフであり、（ｄ）は、ｐｏｒｔ１－２にＴＥ０とＴＭ０をそれぞれ入力した時に、ｐｏｒｔ２－２から出力されるそれぞれの偏波の損失比であるＰＥＲを計算した結果を示したグラフである。 図１６に示したＰＢＣにおいて、製造誤差がＴＭ０の損失に与える影響をＦＤＴＤで計算した結果を示すグラフである。 図３５に示したＰＢＣにおいて、製造誤差がＴＭ０の損失に与える影響をＦＤＴＤで計算した結果を示すグラフである。 本発明の一実施例において作製したＰＢＣにおいて、（ａ）は、ｐｏｒｔ１－１にＴＭ０を入力し、ｐｏｒｔ２－２からＴＭ０を出力したときの損失の測定結果を示すグラフであり、（ｂ）は、ｐｏｒｔ１－１にＴＥ０とＴＭ０をそれぞれ入力した時に、ｐｏｒｔ２－２から出力されるそれぞれの偏波の損失比であるＰＥＲの測定結果を示すグラフであり、（ｃ）は、ｐｏｒｔ１－２にＴＥ０を入力し、ｐｏｒｔ２－２から出力するときの損失の測定結果を示すグラフである。 （ａ）は、本発明の第３の実施形態に係るＰＢＣの構成を示す上面図であり、（ｂ）は、本発明の第３の実施形態の変形例に係るＰＢＣの構成を示す上面図である。 本発明の第４の実施形態に係る偏光子の構成を示す上面図である。 本発明の第５の実施形態に係る変調器の構成を示すブロック図である。 本発明の第６の実施形態に係る基板型光導波路素子の構成を示すブロック図である。 本発明の第７の実施形態に係るリブ導波路の基本形状を示す断面図である。 （ａ）は、第７の実施形態に係る上記リブ導波路を含むＰＢＣの構成を示す上面図であり、（ｂ）～（ｄ）は、それぞれ、（ａ）に示すＡ－Ａ’線、Ｂ－Ｂ’線及びＣ－Ｃ’線における上記ＰＢＣの断面図である。 （ａ）は、本発明の第８の実施形態に係るリッジ導波路の作製方法を示す断面図であり、（ｂ）は、当該リッジ導波路の基本形状を示す断面図である。 （ａ）は、第８の実施形態に係る上記リッジ導波路を含むＰＢＣの構成を示す上面図であり、（ｂ）～（ｄ）は、（ａ）に示すＡ－Ａ’線、Ｂ－Ｂ’線及びＣ－Ｃ’線における上記ＰＢＣの断面図である。 （ａ）は、第８の実施形態の一変形例としてのリッジ導波路を含むＰＢＣの構成を示す上面図であり、（ｂ）～（ｄ）は、（ａ）に示すＡ－Ａ’線、Ｂ－Ｂ’線及びＣ－Ｃ’線における上記ＰＢＣの断面図である。 （ａ）は、図３０の（ａ）に示すＡ－Ａ’線と同じ位置で、第８の実施形態の他の変形例としての矩形導波路を含むＰＢＣを切断した場合における断面図であり、（ｂ）は、上記Ａ－Ａ’線と同じ位置で、第８の実施形態のさらに他の変形例としてのリブ導波路を含むＰＢＣを切断した場合における断面図である。 （ａ）は、一般的なＰＢＣの構成を説明するブロック図である。（ｂ）は、（ａ）に示すＰＢＣの第１の入力ポートに同じパワーのＴＥ偏波及びＴＭ偏波を入力した場合に、出力ポートから出力されるＴＥ偏波及びＴＭ偏波のパワーを表す概念図であり、（ｃ）は、（ａ）に示すＰＢＣの第２の入力ポートに同じパワーのＴＥ偏波及びＴＭ偏波を入力した場合に、出力ポートから出力されるＴＥ偏波及びＴＭ偏波のパワーを表す概念図である。 非特許文献２に記載された偏波ビームスプリッタの構成を示す概略図である。（ａ）は、光の進行方向に垂直な断面における、偏波ビームスプリッタの方向性結合器の断面図である。（ｂ）及び（ｃ）は、偏波ビームスプリッタの上面図である。 （ａ）は、本発明の比較例に係るＰＢＣの構成を示す上面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すＡ－Ａ’線におけるＰＢＣの断面図である。
　〔第１の実施形態〕
　本実施形態に係るＰＢＣ１は、比屈折率差の大きな導波路を用いたテーパ化方向性結合器を備えていることによって、広い波長範囲においてＴＭ偏波の損失を低く抑え、かつ、製造が容易な基板型光導波路素子を提供する。なお、広い波長範囲とは、例えばＣバンド（波長範囲１５３０～１５６５ｎｍ）やＬバンド（波長範囲１５６５～１６２５ｎｍ）を含む波長範囲を指す。
　まず、基板型光導波路素子であるＰＢＣ１の特徴を、図１～図６を参照して説明する。図１は、本実施形態に係るＰＢＣ１の概要を示すブロック図である。図１の（ａ）に示すように、ＰＢＣ１は、下部クラッドと上部クラッドとによって埋設された２つの導波路（ＷＧ１及びＷＧ２と呼ぶ）を備えており、４つのポート（ｐｏｒｔ１－１、ｐｏｒｔ１－２、ｐｏｒｔ２－１、ｐｏｒｔ２－２）を有する。
　また、各ポートの断面におけるＴＥ偏波とＴＭ偏波の名称を図１の（ｂ）のように定義する。図において、ｉ，ｊをそれぞれ０以上の整数とすると、ＴＥｉは、ＷＧ１もしくはＷＧ２において、ＴＥ偏波のうち実効屈折率が（ｉ＋１）番目に大きな導波モードを意味し、ＴＭｊは、ＷＧ１もしくはＷＧ２において、ＴＭ偏波のうち実効屈折率が（ｊ＋１）番目に大きな導波モードを意味する。
　図１は、ＰＢＣ１の構成を示すブロック図である。図１の（ａ）は、入力されたＴＭ偏波及びＴＥ偏波をＰＢＣ１が多重する様子を示す。図１の（ｂ）は、ＰＢＣ１が備える２つの入力ポート、並びに、２つの出力ポートにおけるＴＥ偏波の導波モードの名称を定義する。図１の（ｃ）は、入力ポート、並びに、出力ポートにおけるＴＭ偏波の導波モードの名称を定義する。
　図１の（ａ）及び図５に示すように、ＰＢＣ１は、２つの導波路であるコア１３及びコア１４を備えている。以下において、コア１３の一方のポートを入力ポート１３ａと呼び、他方のポートを出力ポート１３ｂと呼ぶ。また、コア１４の一方のポートを入力ポート１４ａと呼び、他方のポートを出力ポート１４ｂと呼ぶ。
　また、図１の（ｂ）に示すように、入力ポート１３ａにおけるＴＥ偏波のことをＴＥｉ＠１３ａと定義し、出力ポート１３ｂにおけるＴＥ偏波のことをＴＥｉ＠１３ｂと定義し、入力ポート１４ａにおけるＴＥ偏波のことをＴＥｉ＠１４ａと定義し、出力ポート１４ｂにおけるＴＥ偏波のことをＴＥｉ＠１４ｂと定義する。図１の（ｃ）に示すように、入力ポート１３ａにおけるＴＭ偏波のことをＴＭｊ＠１３ａと定義し、出力ポート１３ｂにおけるＴＭ偏波のことをＴＭｊ＠１３ｂと定義し、入力ポート１４ａにおけるＴＭ偏波のことをＴＭｊ＠１４ａと定義し、出力ポート１４ｂにおけるＴＭ偏波のことをＴＭｊ＠１４ｂと定義する。ｉ及びｊは、それぞれ０以上の整数である。ＴＥｉは、コア１３又はコア１４におけるＴＥ偏波の導波モードのうち、実効屈折率がｉ＋１番目に大きな導波モードを意味する。ＴＭｊは、コア１３又はコア１４におけるＴＭ偏波の導波モードのうち実効屈折率がｊ＋１番目に大きな導波モードを意味する。
　ＰＢＣ１は、非特許文献３及び４に記載されているテーパ化方向性結合器の原理を基礎原理としており、これらのテーパ化方向性結合器と同様の特徴を備えている。
　非特許文献３では、直径が光の進行方向に対して変化する２本の光ファイバを、それぞれ隣接させたTAPERED COUPLERS（本実施形態では、テーパ化方向性結合器とも呼ぶ）を示している。一般的なテーパ化方向性結合器において、２本の光ファイバの比屈折率差は、５％以下である。非特許文献３では、テーパ化方向性結合器の用途として、隣接導波路への光パワーの１００％の移動について言及している。
　非特許文献４では、コア幅が光の進行方向に対して変化する２つの矩形状のコアを、それぞれ隣接させたADIABATIC ASYMMETRIC DIRECTIONAL COUPLERS（本実施形態におけるテーパ化方向性結合器に相当）を開示している。その中で、コアとクラッドの材料は、Ｐ添加ＳｉＯ２とＳｉＯ２とを開示している。非特許文献４に記載はないが、比屈折率差は一般に５％以下である。非特許文献４では、テーパ化方向性結合器の用途として、隣接導波路への光パワーの１００％の移動について言及している。
　ＰＢＣ１は、非特許文献３及び４のいずれかと同様である以下の特徴を備えている。
特徴１：コア１３とコア１４とは、矩形状コアである。
特徴２：コア１３の高さとコア１４の高さとは、等しい。
特徴３：コア１３とコア１４とは、それぞれ距離を置いて配置される。
特徴４：コア１３の幅とコア１４の幅との大小関係は、（１）光の進行方向に対して垂直な断面であって入力ポート１３ａと入力ポート１４ａとを有する側の断面である入射端面において、コア１４の幅よりコア１３の幅の方が大きく、（２）光の進行方向に対して垂直な断面であって出力ポート１３ｂと出力ポート１４ｂとを有する側の断面である出射端面において、コア１３の幅よりコア１４の幅の方が大きく、（３）上記入射端面と上記出射端面との間の少なくとも一断面において、コア１３の幅とコア１４の幅とは等しい。
特徴５：コア１３の幅とコア１４の幅とは、光の進行方向に沿って連続的に変化する。ただし、コア１３及びコア１４のうち、一方のコアのコア幅が変化せず、他方のコアのコア幅が連続的に変化するような場合も含む。
　以上の特徴１～５を満足することにより、次の効果を得ることが出来る。
　特徴１によって、基板型光導波路で作製することが可能となる。ここで、矩形状コアとは、巨視的にみて断面が矩形状である場合を意味する。台形状コア及び平行四辺形状コアのように、コア側壁が傾斜を持つような形状のコアも、矩形状コアに含まれる。また、断面を構成する角が微視的にみて曲線からなるコアも、矩形状コアに含まれる。微視的にみて角が曲線からなる角丸形状であっても、巨視的にみれば矩形状といえるためである。
　特徴２によって、一回のエッチングによって２つのコア（コア１３及びコア１４）を形成でき、製造プロセスの簡素化が可能である。一般に、ＰＢＣは、下部クラッド、その上に配置される矩形状コア、及び下部クラッドと矩形状コアとを覆う上部クラッドを備えている。下部クラッドは、例えばＳＯＩウェハのＢＯＸ（Buried Oxide）層を用い、矩形状コアはＳＯＩウェハ最上位層のシリコン層をエッチングで加工することで作製可能である。上部クラッドは、空気クラッドにしてもよいし、コアを守る為にＳｉＯ２やＳｉ３Ｎ４を堆積させてもよい。このような導波路は、シリコン導波路と呼ばれる。
　特徴２が成立する場合、このようなＰＢＣでは、一回のエッチングだけでコア１３及びコア１４を形成可能となる。従って製造プロセスが簡素化できる。特に、シリコン導波路を含む光回路全般において、光閉じ込めの強い矩形状コアの導波路によって配線することが多いため、このような配線とＰＢＣとを一括して作製することが可能である。
　製造プロセスを簡素化することで、ＰＢＣの製造コストを下げることができる。また、製造プロセスの増加によって生じる製造誤差を抑えることが出来るため、ＰＢＣを製造する場合の歩留りも向上する。
　特徴３によって、コア形成時の製造プロセスであるリソグラフィの要求精度を下げることが出来、製造プロセスの簡素化が可能である。特徴３によって、コア１３とコア１４とが接することは無い。もし、２つのコアが接する場合、連続的にコア１３とコア１４とのそれぞれのコアの間隔は、徐々に小さくする必要がある。しかし、リソグラフィは露光時の光の回折によって、実際に作製可能なコア間隔には限度がある。また、より狭いコア間隔を必要とする場合、製造プロセスの難度が上昇する。そのため、特徴３を満足することによって、ＰＢＣ１の製造プロセスの簡素化が可能である。
　特徴４～５によって、広い波長範囲において低損失、かつ製造誤差にも強い構造を実現可能となる。
　一般に、高さが等しい矩形状コアを備えているＰＢＣでは、コアの幅が大きいほどコアの断面積が増すことから、ＴＥｉ及びＴＭｊのコアへの光の閉じ込めが強くなる。その結果、屈折率の高いコアの影響を受けて、各導波モードの実効屈折率は増加する。特徴４より、入力ポート１３ａと入力ポート１４ａとを含む入射端面において、コア１３のコア幅はコア１４のコア幅よりも大きいため、ＴＥｉ＠１４ａ（ＴＭｊ＠１４ａ）よりもＴＥｉ＠１３ａ（ＴＭｊ＠１３ａ）の実効屈折率が大きくなる。一方、出力ポート１３ｂと出力ポート１４ｂとを含む断面において、コア１４のコア幅はコア１３のコア幅よりも大きいため、ＴＥｉ＠１３ｂ（ＴＭｊ＠１３ｂ）よりもＴＥｉ＠１４ｂ（ＴＭｊ＠１４ｂ）の実効屈折率が大きくなる。さらに、特徴５より、コア１３とコア１４とは連続的にコア幅を変化させるので、ＴＥｉ（ＴＭｊ）の実効屈折率は、光の進行方向に対して連続的に変化する。その結果、次の４つの導波モードの組み合わせＣ１～Ｃ４は、連続した実効屈折率曲線で接続される。
　組み合わせＣ１：ＴＥｉ＠１３ａとＴＥｉ＠１４ｂ
　組み合わせＣ２：ＴＥｉ＠１４ａとＴＥｉ＠１３ｂ
　組み合わせＣ３：ＴＭｊ＠１３ａとＴＭｊ＠１４ｂ
　組み合わせＣ４：ＴＭｊ＠１４ａとＴＭｊ＠１３ｂ
　ここで、実効屈折率曲線とは、光の進行方向に対する座標に対して、各座標のコア１３とコア１４とを含む導波路断面における導波モードの実効屈折率をプロットしたものを意味する。一般に、同一の実効屈折率曲線上にある導波モード同士は、光の進行方向に対するコア幅の変化を十分緩やかにする、即ち、入力ポート１３ａ、入力ポート１４ａ、出力ポート１３ｂ、及び出力ポート１４ｂのそれぞれのコア幅を固定して、コア１３とコア１４との光の進行方向に対する長さ（以降、テーパ長と呼ぶ）を十分長くとることで、ほとんどエネルギー損失無く変換することが可能である。このような変換は、断熱変換と呼ばれる。
　したがって、組み合わせＣ３と組み合わせＣ４とに注目すると、特徴４～５よりテーパ長を長くすることで、ＴＭｊをコア１３からコア１４へ、又は、コア１４からコア１３へ低い損失で移すことが可能となる。
　以上の原理について、非特許文献３を基にさらに詳しく述べる。まず、次の値を定義する。ここで、λは光波長を表す。
　ＮＴＥｉ＠ＷＧ１：コア１３が単独で存在する場合のＴＥｉの実効屈折率
　ＮＴＥｉ＠ＷＧ２：コア１４が単独で存在する場合のＴＥｉの実効屈折率
　これらは、非特許文献３の式（１９－１４）の
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
 について、それぞれ
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
 に対応する。
　ＮＴＭｊ＠ＷＧ１：コア１３が単独で存在する場合のＴＭｊの実効屈折率
　ＮＴＭｊ＠ＷＧ２：コア１４が単独で存在する場合のＴＭｊの実効屈折率
　これらは、非特許文献３の式（１９－１４）の
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
 について、それぞれ
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
 に対応する。
　ＣＴＥｉ：コア１３のＴＥｉとコア１４のＴＥｉとの光結合の強さ
　ＣＴＭｊ：コア１３のＴＭｊとコア１４のＴＭｊとの光結合の強さ
　これらは、非特許文献３の式（１９－１４）のＣ（ｚ）に対応する。
　δＴＥｉ＝（π／λ）×｜ＮＴＥｉ＠ＷＧ１－ＮＴＥｉ＠ＷＧ２｜
　δＴＭｊ＝（π／λ）×｜ＮＴＭｊ＠ＷＧ１－ＮＴＭｊ＠ＷＧ２｜
　ただし、上述した各変数の定義は、光の進行方向に対して垂直な断面における局所モードを考慮している。δＴＥｉは、コア１３のＴＥｉとコア１４のＴＥｉとの位相速度の差に関係し、δＴＭｊは、コア１３のＴＭｊとコア１４のＴＭｊとの位相速度の差に関係する。δＴＥｉ（又はδＴＭｊ）は、その値が０に近いほどコア１３とコア１４との位相が整合していることを表す。
　以下、ＴＭｊがコア１３からコア１４へ移るときの条件を説明する。
　ＣＴＭｊ＜＜δＴＭｊのとき、光結合の強さに対して位相が整合しない度合いが勝る為、コア１３のＴＭｊはコア１３に、コア１４のＴＭｊはコア１４にそれぞれ局在する。言い換えると、コア１３のＴＭｊとコア１４のＴＭｊは、ほとんど相互作用せず、独立してコア１３とコア１４とが存在する場合と同様の電界分布になる。
　一方、ＣＴＭｊ＞＞δＴＭｊのとき、光結合の強さが位相が整合しない度合いに勝る為、コア１３のＴＭｊは、コア１３とコア１４とにまたがって存在する。コア１４のＴＭｊも同様に、コア１３とコア１４とにまたがって存在する。このような導波モードは、スーパモードと呼ばれる。言い換えると、コア１３のＴＭｊとコア１４のＴＭｊとは、それぞれ相互作用すると言える。
　特徴４を満たすことで、入力ポート１３ａ及び入力ポート１４ａを含む入射端面におけるδＴＭｊ、並びに、出力ポート１３ｂ及び出力ポート１４ｂを含む出射端面におけるδＴＭｊは、大きくなる。その結果、入射端面におけるＴＭｊ及び出射端面におけるＴＭｊは、いずれも一方の導波路（コア１３又はコア１４）に局在する。
　光の進行方向に対して、コア１３のコア幅とコア１４のコア幅とを徐々に近づけることによって、δＴＭｊは０に近づく。そのため、コア１３とコア１４とにおける光結合が徐々に強くなる。コア１３のコア幅と、コア１４のコア幅とが等しくなるとき、即ち、コア形状がコア１３とコア１４とで合同となるとき、δＴＭｊ＝０となり、ＴＭｊの電界は、コア１３とコア１４とに同じパワーの割合で存在する。このコア１３とコア１４とにおける光結合を介して、ＴＭｊは、コア１３とコア１４との間を移動する。
　以上を踏まえると、次の理由から、広い波長範囲でＴＭｊの損失は、小さくなる。
　上述したように、テーパ化方向性結合器において、ＴＭｊが導波路間を移る部分は、それぞれの導波路のコア幅が等しい、即ち、コア形状が合同となる箇所の断面付近である。もし、波長が変化したとしても、常に上記で示したコア幅が等しくなる断面においてコア１３とコア１４とのそれぞれのＴＭｊの実効屈折率が一致するので、導波路間のＴＭｊの移動は成立する。即ち、特徴１～５を備えているＰＢＣ１は、広い波長帯域で、低損失動作する。
　製造誤差に強い理由は、次の通り。製造誤差としては、（１）コア幅が設計値より変化する、（２）コア高さが設計値より変化する、（３）コアの屈折率が設計値より変化する、（４）クラッドの屈折率が設計値より変化する、などが挙げられる。コア幅が設計値より変化する場合、特徴４が満たされていれば、常にＷＧ１とＷＧ２のコア幅が等しくなる断面が本発明の内部に存在するため、ＴＭｊの移動は可能である。コア高さが設計値より変化する場合であっても、一般に、同一高さのコアであるコア１３，１４は同一プロセスで作製されるため、コア高さは、コア１３とコア１４とで常に等しくなる。従って、同様に特徴２が満たされていれば、ＴＭｊの移動は可能である。コアの屈折率が設計値より変化する場合であっても、コア１３，１４は同一プロセスでされるため、コア１３の屈折率とコア１４の屈折率とは、等しいと見なせる。また、クラッドの屈折率が設計値より変化する場合であっても、クラッドに対するコア１３の比屈折率差とクラッドに対するコア１４の比屈折率差とは、等しいと見なせる。そのため、ＴＭｊの移動は可能である。
　また、コアの高さがコア１３とコア１４とで異なった場合、及び、コア形状が非対称な台形になる場合でも、ＴＭｊの実効屈折率が、入力ポート１４ａよりも入力ポート１３ａの方が大きく、出力ポート１３ｂよりも出力ポート１４ｂの方が大きい、という関係を維持していれば、ＴＭｊの移動は可能となる。
　以上より、ＰＢＣ１は製造誤差に強いと言える。
　ＰＢＣ１は、以上の特徴に加えて非特許文献３及び４には開示されていない、次の２つの特徴を更に備えている。
特徴６：コア１３及びコア１４の至る所で、ＴＭｊの実効屈折率はＴＥｉの実効屈折率よりも常に小さい。
特徴７：コア１３及びコア１４は、下部クラッド１１及び上部クラッド１２に対して比屈折率差が大きな材料から構成される。
　ここで、比屈折率差は次式で定義する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
 　ここで、Ｎｃｏはコアの屈折率、Ｎｃｌはクラッドの屈折率を表す。クラッドが複数の材料から構成される場合は、下部クラッド１１及び上部クラッド１２の屈折率を、それぞれ、Ｎｃｌ１及びＮｃｌ２とし、最も屈折率の大きな材料の屈折率をＮｃｌとする。
　特徴６～７を備えていることにより、本発明はＰＢＣとしての機能を有する。即ち、図１の（ｂ）において、ＴＭｊの光パワーのみが隣接導波路（ＷＧ１からＷＧ２又はＷＧ２からＷＧ１）へ移動し、ＴＥｉの光パワーは、そのごく僅かしか隣接導波路へ移動せず、大部分が同一の導波路から出力される、という効果を有する。その結果、例えば、ＴＭｊをコア１３の入力ポート１３ａに、ＴＥｉをコア１４の入力ポート１４ａにそれぞれ入力すると、両方の偏波はコア１４の出力ポート１４ｂから同時に出力される。従って、ＰＢＣ１は、ＰＢＣとして機能する。また、出力ポート１４ｂにＴＥｉとＴＭｊとを同時に入力すると、ＴＭｊは入力ポート１３ａから出力し、ＴＥｉは入力ポート１４ａから出力する。従って、ＰＢＣ１は、偏波ビームスプリッタとしても機能する。
　以下、効果を奏する理由を述べる。
　特徴６を備えていることによって、ＴＥｉは、ＴＭｊよりもコアへの光閉じ込めの程度が大きくなる。これは、実効屈折率の大小が、コアへの光の閉じ込めの強弱に対応するためである。言い換えると、ＴＭｊの方が、クラッドに光が大きく浸み出すと言える。さらに、特徴７を備えていることによって、ＴＥｉとＴＭｊとのクラッドへの光の浸みだしの程度の差をより大きくすることが出来る。言い換えれば、ＴＥｉとＴＭｊとの実効屈折率の差をより大きくすることが出来る。これは以下の理由による。
　ＴＥｉの電界は、幅方向（ｘ方向）の電界成分（Ｅｘ）が主であり、ＴＭｊの電界は、高さ方向（ｙ方向）の電界成分（Ｅｙ）が主である。コア幅を大きくすると、光の閉じ込めが大きくなり、それに応じて実効屈折率が増加するが、この増加率はＴＭｊに比べＴＥｉの方が大きい。これは、電界のコアとクラッドとの境界条件から説明できる。マクスウェルの方程式より、コア側面（左右両方）における電界の境界条件は、式（６）及び式（７）で定められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
 ここで、各パラメータは以下の通り。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
 は、側面境界上のクラッド側のＥｘを表し、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
 は、側面境界上のコア側のＥｘを表し、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000020
 は、側面境界上のクラッド側のＥｙを表し、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000021
 は、側面境界上のコア側のＥｙを表す。
ＴＥｉには、式（６）が大きく関係し、ＴＭｊには、式（７）が大きく関係する。式（６）を見ると、Ｎｃｏ＞Ｎｃｌである為、コア側面境界でＥｘは不連続になり、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000022
 よりクラッド側に大きく電界が分布する。ただし、特徴６が満たされる場合、ＴＥｉよりもＴＭｊの方が、クラッドへの電界の浸み出しが小さい。その為、コア幅が大きくなると、外側に大きく分布していたＥｘがコアに分布することになり、コアに大きく電界が閉じ込められる。
　一方で、式（７）を見ると、Ｅｙはコア側面境界で連続的に変化する。その為、コア幅の変化に対して、Ｅｘ成分ほどの変化はない。従って、コア幅を大きくすると、Ｅｙが主電界であるＴＭｊに比べて、Ｅｘが主電界であるＴＥｉの方がコアへの光閉じ込めが大きくなる。その結果、実効屈折率の増加率もＴＥｉが大きくなる。しかしながら、式（５）で示す比屈折率差が小さいと、ＴＥｉの境界面上における不連続性が小さくなり、コア幅に対するＴＭｊの閉じ込めの程度と同程度となる。一方で、比屈折率差が大きいと、ＴＥｉの境界面における不連続性が大きくなり、ＴＥｉは、ＴＭｊと比べてより強くコアの中に閉じ込められる、言い換えると、比屈折率差を大きくすることによって、ＴＥｉのクラッドへの浸み出しを小さくすることが出来る。その結果、特徴７によって、コア幅を増やすことで、ＴＥｉとＴＭｊとのクラッドへの光の浸みだしの程度に、大きな差をつけることが可能となる。
　比屈折率差が大きさに起因して、ＴＥｉとＴＭｊの実効屈折率にどのような変化が生じるかをみるため、比屈折率差が５％の場合と、４０％の場合とにおいて、コア幅に対するＴＥ０及びＴＭ０のそれぞれの規格化した実効屈折率を計算した。その計算の結果を、図２に示す。図２の（ａ）は、計算に用いたコアの構成を示す断面図である。図２の（ｂ）は、比屈折率が５％である場合の計算結果を示すグラフであり、図２の（ｃ）は、比屈折率が４０％である場合の計算結果を示すグラフである。図２の（ａ）に示すように、コアの高さｈは２２０ｎｍとし、シリコン製であるコアの屈折率は３．４７として、比屈折率差に応じて上部クラッドの屈折率（＝下部クラッドの屈折率）を定めた。ＴＥ０及びＴＭ０の波長は、１５５０ｎｍとした。また、規格化した実効屈折率は、式（８）により求めている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000023
 図２の（ｂ）及び（ｃ）の結果を比較すると、比屈折率差が５％の場合は、コア幅を大きくしてもＴＥ０とＴＭ０とにおいて、規格化実行屈折率の差が非常に小さい。具体的には、コア幅４００ｎｍから１０００ｎｍの範囲において、規格化実行屈折率の差の最大値は、０．０１であった。一方、比屈折率差が４０％の場合、規格化実行屈折率の差が非常に大きいことが分かる。具体的には、コア幅４００ｎｍから１０００ｎｍの範囲において、規格化実行屈折率の差の最小値は、０．２３であった。実効屈折率は、コアへの光閉じ込めを表し、言い換えると、クラッドへの光の浸みだしの程度を表す。そのため、比屈折率差が大きい場合は、ＴＥ０とＴＭ０とのクラッドへの光の浸みだしの程度に、大きな差が生じるといえる。
　以上より、本発明ではＴＥｉに比べＴＭｊの方がクラッドへの光の浸み出しが大きい。クラッドへの光の浸み出しが大きいと、隣接する導波路への光結合が強まる。そのため、特徴６～７を備えていることによって、式（９）が常に成立する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000024
 この関係は、ＴＥｉ及びＴＭｊが、断熱変化によって導波路間を移動するのに必要なテーパ長に関係する。このテーパ長の評価指標として、非特許文献３の式（１９－３）のＺｂがあげられる。この値が大きいほどテーパ長を長くする必要がある。Ｚｂは、同一偏波においてコア１３とコア１４とを導波する２つの導波モードの伝搬定数の差（実効屈折率の差／（2π／λ））によって決まるので、ＴＥｉとＴＭｊとのそれぞれのＺｂは、式（１０）及び式（１１）のように書ける。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000025
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000026
 　最もＺｂが大きくなるのは、コア１３とコア１４とのそれぞれのコア幅が等しくなる時で、このときδＴＥｉ＝０及びδＴＭｊ＝０となる。したがって、式（１０）は式（１２）になり、式（１１）は式（１３）になる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000027
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000028
 これより、光結合が大きいほど、短いテーパ長で導波路間の断熱的な移動が起こる。特徴６～７を備えていることによって、式（９）の関係が成立することから、Ｚｂ（ＴＭｊ）は、Ｚｂ（ＴＥｉ）より短くなる。即ち、テーパ長として、ＴＭｊが断熱的に導波路間を移動するのに必要な長さを設定することで、ＴＭｊを低損失に移動させ、かつＴＥｉはほとんど導波路間を移動させない、ということが可能となる。
　さらに、特徴７を備えていることによって、ＰＢＣ１は、次の効果を奏する。ＴＥｉ及びＴＭｊの導波路間の移動は、それぞれＣＴＥｉ＞＞δＴＥｉ及びＣＴＭｊ＞＞δＴＭｊとなる範囲で強く行われる。導波路間の移動が行われる範囲（相互作用領域と呼ぶ）で断熱変換を行うためには、他の部分よりも特に長いテーパ長を必要とする。これは、式（１０）及び式（１１）からも分かり、ＣＴＥｉ＞＞δＴＥｉ及びＣＴＭｊ＞＞δＴＭｊのとき、Ｚｂ（ＴＥｉ）及びＺｂ（ＴＭｊ）はそれぞれ大きくなる。
　ＰＢＣ１は、コア１３及びコア１４のコア幅を変えることで、ＴＭｊを一方の導波路に局在している導波モードから、他方の導波路に局在している導波モードに移している。式（６）及び式（７）で示したように比屈折率差が大きい場合、コア幅を変化させたときの実効屈折率の変化量がＴＭｊよりもＴＥｉの方が大きい。そのため、コア幅の変化に対して、δＴＥｉは、δＴＭｊよりも急激に変化し、その結果、テーパ部分全体に占める相互作用領域の割合がＴＥｉよりもＴＭｊの方が多くなる。したがって、同じテーパ長でも、相対的にＴＥｉよりもＴＭｊの方が、緩やかに導波路間の光パワーの移動がおこり、その結果、ＴＭｊのみ選択的な導波路間の移動が可能となる。
　以上に示したように、ＰＢＣ１は特徴６～７を備えていることによって、ＴＭｊのみ選択的に導波路間の移動を可能する。その結果、ＰＢＣ１は、ＰＢＣとしての機能を有する。
　以上の条件を満たす比屈折率差は次のように与えられる。式（６）より、比屈折率差が大きいほど、コア幅に対するＴＥｉの実効屈折率の増加の影響が顕著となり、その結果、大きなＣＴＭｊとＣＴＥｉとの差が得られる。支配的なパラメータは、式（６）の
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000029
 であり、これが２以上であれば、ＴＥｉとＴＭｊのコア幅を変化させたときの実効屈折率の変化量の差は２倍以上となり、その結果、ＴＥｉとＴＭｊの分離の程度に２倍以上の差を付けれるため、十分であるといえる。このとき、比屈折率差は２５％以上となる。従って、ＰＢＣ１は、比屈折率差が２５％以上であることを必要条件とする。
　なお、非特許文献３及び４には、比屈折率差が小さい（例えば、５％以下）テーパ化方向性結合器についてのみ記載されている。前述したように、比屈折率差が小さいとＴＥｉとＴＭｊとの特性が類似する。例えば、比屈折率差＝５％のとき、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000030
 となり１０％しか差が生じない。そのため、このような比屈折率差が小さいテーパ化方向性結合器は、ＴＭｊの導波路間の移動だけでなく、ＴＥｉの導波路間の移動も同程度生じる。そのため、非特許文献３及び４では、隣接導波路間への光パワーの１００％移動についてのみ開示している。言い換えれば、非特許文献３及び４に係るテーパ化方向性結合器は、ＰＢＣとして機能することは出来ない。
　〔好ましい構成１〕
　ＰＢＣ１において、（１）コア１３及びコア１４は、Ｓｉからなり、（２）下部クラッド１１は、ＳｉＯ２からなり、（３）上部クラッド１２は、空気、ＳｉＯ２、及びＳｉ３Ｎ４の何れかからなることが好ましい。
　この構成によれば、ＳＯＩウェハをＣＭＯＳプロセスによって加工することによって、ＰＢＣ１を容易に製作できる。また、この構成によれば、高い比屈折率差を持つ導波路を得ることが可能となる。具体的には、上部クラッドが空気又はＳｉＯ２からなる場合、比屈折率差は約４１％であり、上部クラッドがＳｉ３Ｎ４からなる場合、比屈折率差は約３２％である。
　下部クラッド１１は、ＳＯＩウェハのＢＯＸ層を利用することで形成できる。コア１３及びコア１４は、ＳＯＩウェハの最上位層であるＳｉ層をエッチングによって加工することで形成できる。上部クラッド１２は、コア形成後に所望の材料（ＳｉＯ２又はＳｉ３Ｎ４）を堆積させることで形成できる。なお、上部クラッド１２が空気からなる場合は、ＳｉＯ２又はＳｉ３Ｎ４を堆積する必要はない。
　特に、上部クラッド１２としてＳｉＯ２を用いる場合、下部クラッド１１と同じ材料であるため、下部クラッド１１と上部クラッド１２との境界における応力を小さくでき、ＰＢＣ１を制作するときの歩留まりをより高めることができる。
　〔好ましい構成２〕
　ＰＢＣ１において、（１）コア１３及びコア１４は、Ｓｉからなり、（２）下部クラッド１１は、ＳｉＯ２からなることが好ましい。その上で更に、コア１３の幅を幅Ｗ１、コア１４の幅を幅Ｗ２とした場合に、幅Ｗ１及び幅Ｗ２は、式（１４）を満たす範囲内で変化することが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000031
 ここで、ｈは、コア１３及びコア１４の高さを表す。また、Ｗｕｐｐｅｒは、式（１５）で表される。なお、式（１５）においてｅは、ネイピア数である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000032
 　これより、ＴＥ０とＴＭ０との偏波多重又は分離を行う場合に、ＴＭ０の過剰損失を下げることが可能となる。
　ＴＥ０とＴＭ０とを対象とした場合、特徴６を満たすためには、コアの幅Ｗ１及び幅Ｗ２は、コアの高さｈより大きい必要がある。これは、矩形導波路において、コア幅＝コア高さとなるとき、コアの断面形状が正方形となり、ＴＥ０とＴＭ０とは、９０度回転した同一の電界分布を示す為である。
　コア幅の最大値Ｗｕｐｐｅｒは、次のように定まる。実際の製造において、コア側壁が下部クラッド１１の上面に対して完全に垂直にならず、図３の（ａ）及び（ｂ）に示すような台形状になる場合がある。これは、巨視的には矩形状とみなせるが、次の点でＴＭ０の損失増加につながる。非特許文献５が示すように、図３の（ａ）及び（ｂ）のような高さ方向に非対称な屈折率分布を持つ場合、ＴＭ０とＴＥ１との実効屈折率が同じになるようなコア幅では、ＴＭ０とＴＥ１とは、相互作用する。
　その結果、ＴＭ０の一部がＴＥ１に変換し、過剰損失を生じさせる。したがって、この不要な損失を防ぐためには、コア幅は、ＴＥ１とＴＭ０との実効屈折率が同じになるコア幅よりも小さくする必要がある。そのため、ＴＥ１とＴＭ０との実効屈折率が同じになるコア幅をＷｕｐｐｅｒとする。高さｈで規格化したＷｕｐｐｅｒのシミュレーション結果を、図４に示す。ここで、波長は、１５５０nmとした。図４に記載のドットは、シミュレーション結果を示し、点線は、このシミュレーション結果を内挿した曲線を示す。この曲線より、Ｗｕｐｐｅｒは、式（１５）のように定められる。
　以上より、ＴＥ０とＴＭ０との偏波多重又は分離を行う場合、ＴＭ０の過剰損失を下げることが可能となる。ＴＥ０とＴＭ０とは、それぞれの偏波において最も実効屈折率が高いことから、最もコアへの閉じ込めが強い。その結果、曲げ導波路での損失が小さいくなる。このような理由により、ＴＥ０とＴＭ０とは一般的に最も使用される。そのため、ＴＭ０の過剰損失を抑える好ましい構成２は、実用上有用である。
　〔その他の利用方法〕
　ＰＢＣ１は、ＴＭｊのみを低損失でコア１３とコア１４との間を移動することができる。したがって、ＰＢＣ１は、ＴＭｊ又はＴＥｉの偏波を抽出する基板型光導波路を用いた偏光子として利用可能である。
　ＴＭｊに対する偏光子として利用する場合、例えば、入力ポート１３ａを入力ポートとし、出力ポート１４ｂを出力ポートとすることで、入力ポート１３ａにＴＥｉとＴＭｊとが入力された場合、このうちＴＭｊのみを出力ポート１４ｂから抽出できる。
　ＴＥｉに対する偏光子として利用する場合、例えば、入力ポート１３ａを入力ポートとし、出力ポート１３ｂを出力ポートとすることで、入力ポート１３ａにＴＥｉとＴＭｊとが入力された場合、このうちＴＥｉのみを出力ポート１３ｂから抽出できる。
　いずれの場合も、広い波長範囲で低損失な動作が可能であるＰＢＣ１を用いることで、広い波長範囲で低損失かつ高偏波消光比をもつ偏光子を実現可能である。
　さらに、多段接続することで偏波消光比を向上させることが可能となる。
　〔ＰＢＣ１の構成〕
　ＰＢＣ１の構成について、図５及び図６を参照して説明する。図５は、ＰＢＣ１の構成を示す斜視図である。図６の（ａ）は、ＰＢＣ１のコア１３及びコア１４の構成を示す上面図である。図６の（ｂ）～（ｄ）は、それぞれ、図６の（ａ）に示すＡ－Ａ’線、Ｂ－Ｂ’線及びＣ－Ｃ’線におけるＰＢＣ１の断面図である。
　図５の（ａ）に示すように、ＰＢＣ１は、下部クラッド１１上に配置される第１のコア１３と、第２のコア１４と、第１のコア１３及び第２のコア１４を埋設するように下部クラッド１１上に積層された上部クラッド１２とを備えている。第１のコア１３及び第２のコア１４は、光の進行方向に直交する断面が矩形状のコアである。コア１３及びコア１４は、ＴＥ偏波としてＴＥ０（ＴＥ０偏波とも呼ぶ）を導波し、ＴＭ偏波としてＴＭ０（ＴＭ０偏波とも呼ぶ）を導波するものとして説明する。また、コア１３及びコア１４は、シリコン製であり、下部クラッド１１及び上部クラッド１２は、シリカ製であるものとして説明する。しかし、コア１３及びコア１４、並びに、下部クラッド１１及び上部クラッド１２を構成する材料の組み合わせは、これに限定されるものではない。
　以下において、下部クラッド１１の屈折率をＮｃｌ１、上部クラッドの屈折率をＮｃｌ２とする。下部クラッド１１と上部クラッド１２とが同じ材料によって構成されている場合は、Ｎｃｌ１＝Ｎｃｌ２＝Ｎｃｌとする。下部クラッド１１と上部クラッド１２とが異なる材料によって構成されている場合は、屈折率Ｎｃｌ１と屈折率Ｎｃｌ２とのうち、大きい方の屈折率をＮｃｌとする。ＰＢＣ１において、上述した式（５）で定義される比屈折率は、０．２５以上である。
　第１のコア１３と第２のコア１４とは同じ材料によって構成されており、その屈折率をＮｃｏは、Ｎｃｏ＞Ｎｃｌ１，Ｎｃｌ２を満足する。また、コア１３の幅及び高さを、それぞれ、Ｗ１及びｈ１とし、コア１４の幅及び高さを、それぞれ、Ｗ２及びｈ２とする。ＰＢＣ１において高さｈ１と高さｈ２とは等しく、以下においてｈ１＝ｈ２＝ｈとする。コア１３の幅Ｗ１及びコア１４の幅Ｗ２は、それぞれ、コア１３とコア１４との共通の高さである高さｈよりも大きい。
　また、コア１３とコア１４との間隔を幅ＷＧとしたとき、第１のコア１３と第２のコア１４との並走しているＰＢＣ１の全長にわたって幅ＷＧは一定である。以下において、第１のコア１３と第２のコア１４とが並走している区間のことを並走区間とも表現する。
　以下において、下部クラッド及び上部クラッドに第１のコアのみが埋設されている状態（ＰＢＣ１において第２のコア１４が存在しない状態）の上記第１のコアにおけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の実効屈折率を、それぞれ、ＮＴＥ＠ＷＧ１及びＮＴＭ＠ＷＧ１とする。また、下部クラッド及び上部クラッドに第２のコアのみが埋設されている状態（ＰＢＣ１において第１のコア１３が存在しない状態）の上記第２のコアにおけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の実効屈折率を、それぞれ、ＮＴＥ＠ＷＧ２及びＮＴＭ＠ＷＧ２とする。
　上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ１，ＮＴＭ＠ＷＧ１，ＮＴＥ＠ＷＧ２，ＮＴＭ＠ＷＧ２は、それぞれ、第１のコア１３と第２のコア１４とが互いに並走する並走区間の始点からの距離の関数として連続である。
　上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ１，ＮＴＭ＠ＷＧ１は、上記並走区間の全体においてＮＴＥ＠ＷＧ１＞ＮＴＭ＠ＷＧ１を満足し、上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ２，ＮＴＭ＠ＷＧ２は、上記並走区間の全体においてＮＴＥ＠ＷＧ２＞ＮＴＭ＠ＷＧ２を満足する。
　上記実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ１と上記実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ２との大小関係は、上記並走区間の始点と終点とで逆転する。具体的には、ＰＢＣ１において、上記並走区間の始点においてＮＴＭ＠ＷＧ１＞ＮＴＭ＠ＷＧ２であり、上記並走区間の終点においてＮＴＭ＠ＷＧ１＜ＮＴＭ＠ＷＧ２である。
　これらの要件を満たすために、コア１３の幅Ｗ１は、入力ポート１３ａから出力ポート１３ｂに近づくに従って線形に変化する。同様に、コア１４の幅Ｗ２は、入力ポート１４ａから出力ポート１４ｂに近づくに従って線形に変化する。言い換えれば、幅Ｗ１及び幅Ｗ２は、光の進行方向に対して線形に変化する。コア１３及びコア１４のこのような形状は、ＰＢＣ１の設計をより容易にするという観点で好ましい。
　幅Ｗ１と幅Ｗ２とが等しくなる断面は、ＰＢＣ１の中央に位置する。この構成は、コア１３とコア１４とが相互作用する相互作用領域を広くとることが可能であるために好ましい。
　なお、本実施形態では幅ＷＧを一定としているが、幅ＷＧは必ずしも一定でなくてもよい。特に、相互作用領域（幅Ｗ１と幅Ｗ２とが同じになる断面付近）は、他の部分に比べて長いテーパ長が必要なため、入力ポート１３ａ及び１４ａから相互作用領域にかけて導波路幅が狭くなる構造、及び、出力ポート１３ｂ及び１４ｂから相互作用領域にかけて導波路幅が狭くなる構造は、相互作用領域において結合長を高めることが可能なため好ましい。
　また、幅Ｗ１及び幅Ｗ２は、光の進行方向に対して、必ずしも線形に変化する必要は無く、相互作用領域において、より緩やかな関数で変化するように構成されていてもよい。この構成は、相互作用領域におけるテーパ長を相対的に長くできるために好ましい。
　また、ＰＢＣ１は、矩形状コアを前提としているが、一回のエッチングで作製可能であるリブ導波路を用いてコア１３及びコア１４を構成することも可能である。ただし、この場合、コア側壁が矩形導波路に比べて少ないことから、リブ幅（コア幅に相当）したときの、ＴＥ０とＴＭ０との実効屈折率の変化量の差が小さくなる。
　〔第１の実施例〕
　第１の実施例に係るＰＢＣ１について、図７～１５を参照して説明する。本実施例では、ＰＢＣ１を用いてＴＥ０とＴＭ０との偏波多重又は分離を行うことを目的としている。図７は、本実施例に係るＰＢＣ１の各部におけるサイズを示す概略図である。図７の（ａ）は、ＰＢＣ１の上面図であり、（ｂ）は、光の進行方向に垂直な面における、ＰＢＣ１の断面図である。
　また、図８の（ａ）は、ＰＢＣ１が備えているコア１４を備えていない（コア１１３のみを備えている）矩形状導波路１０１ａの実効屈折率、及び、ＰＢＣ１が備えているコア１３を備えていない（コア１１４のみを備えている）矩形状導波路１０１ｂの実効屈折率の計算結果を示すグラフである。矩形状導波路１０１ａ及び矩形状導波路１０１ｂは、本実施例に係るＰＢＣ１の比較例の一態様である。図８の（ｂ）は、下部クラッド１１１と、上部クラッド１１２と、埋設されたコア１１３（第１のコアに対応する）とを備えている導波路１０１ａの構成を示す断面図である。図８の（ｃ）は、下部クラッド１１１と、上部クラッド１１２と、埋設されたコア１１４（第２のコアに対応する）とを備えている導波路１０１ｂの構成を示す断面図である。
　図７の（ｂ）に示すＸが－１００から１００の範囲を変化することで、光の進行方向に対してコア１３の幅Ｗ１及びコア１４の幅Ｗ２が線形に変化する。具体的には、（１）Ａ－Ａ’線の位置、すなわち、入力ポート１３ａ及び入力ポート１４ａの位置において、幅Ｗ１は６００ｎｍ（Ｘ＝－１００ｎｍ）であり、幅Ｗ２は４００ｎｍ（Ｘ＝－１００ｎｍ）であり、（２）Ｅ－Ｅ’線の位置、すなわち、出力ポート１３ｂ及び出力ポート１４ｂの位置において、幅Ｗ１は４００ｎｍ（Ｘ＝１００ｎｍ）であり、幅Ｗ２は６００ｎｍ（Ｘ＝１００ｎｍ）であり、（３）Ｃ－Ｃ’線の位置、すなわち、入力ポート１３ａ（１４ａ）と出力ポート１３ｂ（１４ｂ）との中点の位置において、幅Ｗ１及び幅Ｗ２は、いずれも５００ｎｍ（Ｘ＝０ｎｍ）である。また、コア１３及びコア１４の高さｈは、２２０ｎｍとした。
　下部クラッド１１としては、ＳＯＩウェハのＢＯＸ層を用いた。
　ＳＯＩウェハ最上位層のシリコン（Ｓｉ）層をエッチングで加工することによって、コア１３及びコア１４を作製した。
　コア１３及びコア１４を作成した後、コア１３及びコア１４を埋設するようにシリカ（ＳｉＯ２）を堆積させることで、上部クラッド１２を形成した。
　以上のように、本実施例において、コア１３及びコア１４はシリコン製であり、下部クラッド１１及び上部クラッド１２はシリカ製である。
　本実施例において、光の進行方向に垂直な断面におけるＴＥ０とＴＭ０との実効屈折率を計算した。まず始めに、コア１３が下部クラッド１１及び上部クラッド１２中に独立して存在する導波路１０１ａ（図８の（ｂ）参照）と、コア１４が下部クラッド１１及び上部クラッド１２中に独立して存在する導波路１０１ｂ（図８の（ｃ）参照）とにおいて、それぞれの導波路についてＴＥ０及びＴＭ０の実効屈折率を計算した。それらの結果を、図８の（ａ）に示す。光の波長は、１５５０ｎｍとして計算した。この図８の（ａ）より、コア幅が６００ｎｍから４００ｎｍへ２００ｎｍだけ変化する間に、ＴＥ０の実効屈折率は０．３５だけ変化し、ＴＭ０の実効屈折率は０．１３だけ変化することが確認された。即ち、ＴＥ０の実効屈折率の方が、ＴＭ０の実効屈折率よりも大きな変化をする。これは、本実施例に係るＰＢＣ１が、特徴７に示した比屈折率の大きな導波路から構成されているためである。本実施例において、コア（１３、１４）とクラッド（１１、１２）との比屈折率差は、約４１％である。
　なお、図８の（ａ）において、ＴＥ０及びＴＭ０のそれぞれの実効屈折率の差の絶対値が、δＴＥ０／（π／λ）、δＴＭ０／（π／λ）に相当するため、これより、δＴＥ０及びδＴＭ０を求めることができる。
　続いて、図７の（ｂ）に示す断面図のように、コア１３とコア１４とを隣接させたＰＢＣ１の光の進行方向に対して垂直な断面における導波モードの実効屈折率を計算した結果を図９に示す。図９において同じ種類の曲線で描いたグラフは、それぞれ連続的に繋がっている。図８の（ａ）では実効屈折率が交差していた点が、図９においては、コア１３とコア１４とを間隔ＷＧ＝３５０ｎｍで隣接させることで相互作用し、交点が分離する。その結果、一つの曲線でコア１３のＴＥ０とコア１４のＴＥ０とが接続され、別の一つの曲線でコア１３のＴＭ０とコア１４のＴＭ０とが接続される。このときの、ＴＥ０の実効屈折率の差の絶対値は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000033
 に相当し、ＴＭ０の実効屈折率の差の絶対値は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000034
 に相当するため、これらと、図８の（ａ）から得られるδＴＥ０及びδＴＭ０を用いて、ＣＴＥ０及びＣＴＭ０を求めることが出来る。Ｘ＝０における、ＣＴＥ０及びＣＴＭ０は、それぞれ０．０１ｒａｄ／μｍ及び０．１３ｒａｄ／μｍとなり、ＴＭ０の方が結合が非常に大きい。これは、特徴６、７を満たすためである。この結果を用いて、式（１０）のＺｂ（ＴＥ０）及び式（１１）のＺｂ（ＴＭ０）を求めると、それぞれ４７０μｍ及び５０μｍとなった。従って、ＴＭ０が断熱変換により隣接導波路へ移動するのに必要な長さは、ＴＭ０に比べて非常に短くて済むということが分かる。
　さらに、Ｘについて、ＣＴＥ０とδＴＥ０の比（δＴＥ０／ＣＴＥ０）、ＣＴＭ０とδＴＭ０の比（δＴＭ０／ＣＴＭ０）をそれぞれ求めた。結果を図１０に示す。この比が小さいほど、コア１３及びコア１４のＴＥ０は強く相互作用する。本明細では、2以下を相互作用領域とする。ＴＭ０についても、ＴＥ０と同様である。図１０を見ると、Ｘ＝０では、δＴＥ０、δＴＭ０が０となるため、最も強く相互作用することが分かる。Ｘ＝０の前後では、コア幅が変化したことによって、δＴＥ０、δＴＭ０が増加し、その結果、相互作用が弱まる。ここで、特徴７（比屈折率差が大きい）によって、コア幅を変化させたときの実効屈折率の増加量がＴＥ０がＴＭ０よりも大きいため、δＴＭ０／ＣＴＭ０に比べて、急激にδＴＥ０／ＣＴＥ０が増加している。その結果、デバイス全体に対するＴＥ０の相互作用領域（－１０＜Ｘ＜１０）は、ＴＭ０の相互作用領域（－９０＜Ｘ＜９０）よりも小さい。そのため、ＴＥ０はＴＭ０よりも急激に電界分布の変化が生じるため断熱変換がほとんど生じず、一方で、ＴＭ０は効率的な断熱変換が可能であることが分かる。
　以上の結果を詳しくみるため、図７に示すＡ－Ａ’線、Ｂ－Ｂ’線、Ｃ－Ｃ’線、Ｄ－Ｄ’線、及びＥ－Ｅ’線による断面におけるＴＥ０とＴＭ０との電界分布をシミュレーションした。それらの結果を、図１１～図１５に示す。図１１～図１５の各図において、ＴＥ０は主電界成分であるＥｘを、ＴＭ０は主電界成分であるＥｙを示している。ＴＥ０＃０、ＴＥ０＃１は、ＷＧ１とＷＧ２を隣接させた断面のＴＥ偏波のうち、それぞれ１番目、２番目に実効屈折率が大きいモードを表す。同様に、ＴＭ０＃０、ＴＭ０＃１は、ＷＧ１とＷＧ２を隣接させた断面のＴＭ偏波のうち、それぞれ１番目、２番目に実効屈折率が大きいモードを表す。
　ＴＭ０では、断熱変換が成立するためＴＭ＃０もしくは、ＴＭ＃１の一方から他の導波モードへほとんど移ることはない。例えば、図１１～図１５を見ると、Ｘ＝－１００でコア１３に入力したＴＭ０は、ＴＭ０＃０の電界分布を辿ることで、Ｘ＝１００でコア１４から出力される。導波路を移動するのはＸ＝０付近（図１３参照）で、このときの電界分布は隣接導波路のＴＭ０が最も強く相互作用することで、両方の導波路にＴＭ０が存在していることが見て取れる。また、同様にコア１４に入力したＴＭ０は、ＴＭ０＃１の電界分布を辿ることで、Ｘ＝１００でコア１３から出力される。
　一方で、ＴＥ０は断熱変換がほとんど行われない為、同一の導波路に電界が局在したまま出力される。例えば、図１１～図１５を見ると、Ｘ＝－１００でＷＧ１に入力したＴＥ０は、ＴＥ０＃０の電界分布を励起するが、Ｘ＝－１０までほとんど隣接導波路へＴＥ０は移動しない。Ｘ＝０では、断熱変換が成立し無いため、ＴＥ０＃０とＴＥ０＃１の電界分布の両方を励起する。図には示していないが、ＴＥ０＃０とＴＥ０＃１は偶モードと奇モードと呼ばれるモードであり、ＴＥ０＃１の電界分布は幅方向に反対称となる。そのため、励起されたこれら２つの導波モードは、重ね合わさった結果、ほとんどＷＧ１に電界が局在するような電界分布を形成する。その後、Ｘ＝1０、１００において、コア１３の導波路を辿る為、ＴＥ０は隣接する導波路へ移動することなく、そのまま出力される。Ｘ＝－１００でコア１４に入力したＴＥ０も同様に、コア１４から出力される。
　以上の説明は、本実施例に限るものではなく、ＴＥｉとＴＭｊとを扱う本発明全てについて、同様に成り立つ。
　〔第２の実施形態〕
　第２の実施形態に係るＰＢＣ１Ａについて、図１６を参照しながら説明する。ＰＢＣ１Ａは、実施形態に係るＰＢＣ１の前段及び後段に、それぞれ、曲げ導波路部２及び３を接続した基板型光導波路素子である。
　ＰＢＣ１の前段に設けられている曲げ導波路部２は、図１６に示すように、第３のコア２３及び第４のコア２４を備えている。第３のコア２３は、ＰＢＣ１の並走区間の始点を介して第１のコア１３と連通するコアである。第４のコア２４は、上記始点を介して第２のコア１４と連通するコアである。第３のコア２３及び第４のコア２４は、いずれも、第１のコア１３及び第２のコア１４と同じくシリコン製である。従って、第３のコアの屈折率及び第４のコアの屈折率は、いずれも、第１のコア１３の屈折率及び第２のコア１４の屈折率と同じである。第３のコア２３と第４のコア２４との間隔は、上記始点から離れるに従って大きくなる。
　第３のコア２３の幅Ｗ３は、上記始点における第１のコア１３の幅Ｗ１と一致している。幅Ｗ３は、第３のコア２３の一方の端部である第３の入力ポート２３ａから、第３のコア２３の他方の端部である第３の出力ポート２３ｂに至るまで一定であることが好ましい。
　第４のコア２４の幅Ｗ４は、上記始点における第２のコア１４の幅Ｗ２と一致している。幅Ｗ４は、第４のコア２４の一方の端部である第４の入力ポート２４ａから、第４のコア２４の他方の端部である第４の出力ポート２４ｂに至るまで一定であることが好ましい。
　ＰＢＣ１の後段に設けられている曲げ導波路部３は、第５のコア３３及び第６のコア３４を備えている。曲げ導波路部３は、曲げ導波路部２と対応した構成である。具体的には、第５のコア３３は、第３のコア２３に対応し、第６のコア３４は、第４のコア２４に対応している。
　第５のコア３３は、ＰＢＣ１の並走区間の終点を介して第１のコア１３と連通するコアである。第６のコア３４は、上記終点を介して第２のコア１４と連通するコアである。第５のコア３３及び第６のコア３４は、いずれも、第１のコア１３及び第２のコア１４と同じくシリコン製である。従って、第３のコアの屈折率及び第４のコアの屈折率は、いずれも、第１のコア１３の屈折率及び第２のコア１４の屈折率と同じである。第５のコア３３と第６のコア３４との間隔は、上記終点から離れるに従って大きくなる。
　第５のコア３３の幅Ｗ５は、上記終点における第１のコア１３の幅Ｗ１と一致している。幅Ｗ５は、第５のコア３３の一方の端部である第５の入力ポート３３ａから、第５のコア３３の他方の端部である第５の出力ポート３３ｂに至るまで一定であることが好ましい。
　第６のコア３４の幅Ｗ６は、上記始点における第２のコア１４の幅Ｗ２と一致している。幅Ｗ６は、第６のコア３４の一方の端部である第６の入力ポート３４ａから、第６のコア３４の他方の端部である第６の出力ポート３４ｂに至るまで一定であることが好ましい。
　曲げ導波路部２を接続することで、コア１３とコア１４との間隔を広げることなしに、コア２３とコア２４との間隔を広げることができる。また、曲げ導波路部３を接続することで、コア１３とコア１４との間隔を広げることなしに、コア３３とコア３４との間隔を広げることができる。したがって、入力ポート２３ａ、入力ポート２４ａ、出力ポート３３ｂ、及び出力ポート３４ｂにおいて不要な光反射が生じることを抑制することができる。
　また、隣接するコア１３とコア１４とを徐々に離間できることから、連続的にＴＭ偏波の光結合の強さを強める（入力側）／弱める（出力側）ことができる。これにより、入出力部から離れるに従い、隣接導波路のＴＭ偏波の光結合の強さを弱めることができるため、ＴＭ偏波はより一方の導波路へ局在した電界分布を持つことができ、他方の導波路に残存することで生じる損失を低下することができる。
　曲げ導波路は、ＷＧ１、ＷＧ２の両方に接続してもよいし、片方だけでも良い。図１６に示すように、コア幅が太い導波路端面には直線導波路を接続し、コア幅が細い導波路端面に曲げ導波路を接続した場合、ＴＭ０を図１６の左上のｐｏｒｔに入力、ＴＥ０を左下のｐｏｒｔに入力し、右下のｐｏｒｔからＴＥ０とＴＭ０の出力を得るようにすれば、ＰＢＣとして使用する際に、最も少ない回数で曲げ導波路を光が通ることになり好ましい。特にこの場合、ＴＥ０の方が、ＴＭ０よりコアへの光閉じ込めが強いので、ＴＥ０が曲げ導波路を通るように想定している。
　なお、ＷＧ１とＷＧ２を接近/離間する方法は曲げ導波路に限らず、任意の曲線形状を用いることが出来る。
　また、少なくともＷＧ１、ＷＧ２が接近する前段と、離間した後段の一方において、光配線を成す光導波路と低損失に接続する為、この光配線と同じコア幅に連続的に変化するテーパ導波路を接続してもよい。
　〔第２の実施例〕
　第２の実施形態の図１６に対応した実施例を挙げる。曲げ導波路部２及び３において、直線導波路部分である第３のコア２３及び第６のコア３４は、それぞれ第１のコア１３の入力ポート１３ａ及び第２のコア１４の出力ポート１４ｂのコア幅を維持したまま延長されている。曲げ導波路である第４のコア２４及び第５のコア３３は、それぞれ第２のコア１４の入力ポート１４ａ及び第１のコア１３の出力ポート１３ｂのコア幅を維持したまま延長されている。コア２４及びコア３３は、円弧状に曲げている。
　図１６の並走区間は、実施例１と同じ寸法である。本実施例に係るＰＢＣ１Ａは、実施例１と同様のプロセスで作製可能である。以下において、並走区間のことをテーパ部とも記載し、並走区間の長さをテーパ長とも記載する。
　以下、シミュレーションにより、本実施例に係るＰＢＣ１ＡがＰＢＣとして機能することを示す。
　まず始めに、ｐｏｒｔ１－１にＴＭ０を入力したときに、ｐｏｒｔ２－２から出力されるＴＭ０の損失を有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ）によって計算した。その結果を図１７に示す。波長は１５５０ｎｍとした。これより、テーパ長が８０μｍ以上であれば、ＰＢＣ１Ａの損失は０．０１ｄＢ以下となり、断熱変換が十分成立していることが分かる。このとき（テーパ長＝８０μｍ）の、電界の伝搬する様子を図１８に示す。図１８の（ａ）には、ｐｏｒｔ１－１にＴＭ０を入力したときのＥｙ成分の電界分布を示す。図１８の（ｂ）には、ｐｏｒｔ１－１にＴＥ０を入力したときのＥｘ成分の電界分布を示す。図１８の（ａ）より、ＴＭ０はコア１３の中央付近で徐々にコア１４に移動することが分かる。一方で、ＴＥ０はコア１４にほとんど移動することなくコア１３を通り抜けることが分かる。従って、ＴＥ０及びＴＭ０における偏波分離が可能であることが分かる。
　続いて、ＰＢＣ１ＡをＰＢＣとして使用することを想定して、波長に対するこのときのＴＥ０とＴＭ０の損失と、偏波消光比（ＰＥＲ）をＦＤＴＤで計算した。結果を図１９に示す。テーパ長は、８０μｍとした。図１９の（ａ）には、ｐｏｒｔ１－１にＴＭ０を入力し、ｐｏｒｔ２－２から出力するときの損失（式（１）に相当）を示し、（ｂ）には、ｐｏｒｔ１－１にＴＥ０とＴＭ０をそれぞれ入力した時に、ｐｏｒｔ２－２から出力されるそれぞれの偏波の損失比であるＰＥＲ（式（３）に相当）を示し、（ｃ）には、ｐｏｒｔ１－２にＴＥ０を入力し、ｐｏｒｔ２－２から出力するときの損失（式（２）に相当）を示し、（ｄ）には、ｐｏｒｔ１－２にＴＥ０とＴＭ０をそれぞれ入力した時に、ｐｏｒｔ２－２から出力されるそれぞれの偏波の損失比であるＰＥＲ（式（４）に相当）を示した。なお、図１９には、後述する比較のための従来技術の結果も併記している。
　図１９の結果より、ＣバンドとＬバンドを含む１２０ｎｍの非常に広い波長範囲で、ＴＭ０の損失は０．１ｄＢ以下、ＴＥ０の損失は０．３２ｄＢ以下であり、ともに非常に小さいことが分かった。また、ＰＥＲは、それぞれ１０ｄＢ以上あり、不要な偏波成分を1/1０以下まで抑え込むことが可能であることが分かる。
　続いて、製造誤差の影響をＦＤＴＤで計算した。製造誤差としてコアの高さがコア１３とコア１４とでともに約５％だけ設計値より大きくなる場合を想定し、このときのｐｏｒｔ１－１に入力され、ｐｏｒｔ２－２から出力されるＴＭ０の損失を計算した。製造誤差がある場合とない場合とについて、結果を図２０に示す。この結果より、製造誤差の影響下でも、ＰＢＣ１Ａは、１２０ｎｍの広い波長範囲で０．１ｄＢ以下の低い損失を持つことが分かる。
　〔比較例〕
　第２の実施例と非特許文献２の構造をシミュレーションで比較した。比較に用いた従来技術に係るＰＢＣ２０１の寸法を図３５に示す。第２の実施例に係るＰＢＣ１Ａとの比較のため、ＰＢＣ２０１のコア高さ、導波路間隔及び材料は、それぞれＰＢＣ１Ａと同じとした。直線部分の長さは、波長範囲１５２０ｎｍ～１６４０ｎｍにおいて、ｐｏｒｔ１－１に入力したＴＭ０の損失の最大値が最小となるように定めた。また、この条件下で、コア幅は、ｐｏｒｔ１－１のＰＥＲが第２の実施例と同程度となるように定めた。このときの結果を図１９に示す。
　図１９より、全ての特性において、ＰＢＣ１ＡがＰＢＣ２０１を上回っていることが分かった。特に、ＴＭ０の損失は、ＰＢＣ２０１では最大で０．４３ｄＢであるのに対して、ＰＢＣ１Ａでは最大で０．１ｄＢであった。即ち、従来技術に比べ、ＰＢＣ１Ａは、広い波長範囲で高い性能をもつことが分かる。
　さらに、図２０で計算したときと同様の製造誤差を考慮したときの従来技術の性能を計算した。結果を図２１に示す。ＰＢＣ２０１では、製造誤差の影響でコアの大きさが変化し、その結果、ＴＭ０の閉じ込めの程度が変わる為、並走区間における結合長が変化する。そのため、図２１に示すように、損失が最小となる中心波長がずれ、波長範囲１５２０ｎｍ～１６４０ｎｍにおいて、最大損失が０．４３ｄＢから０．８４ｄＢまで増加する。一方、前述したようにＰＢＣ１Ａは、同じ程度の製造誤差の影響を受けても、０．１ｄＢ以下の低い損失を維持する。
　〔ＰＢＣ１Ａの作製〕
　本実施例に係るＰＢＣ１Ａを作製し、その諸特性を測定した。その結果を図２２に示す。テーパ長は１２０μｍである。図２２の（ａ）には、１００ｎｍの広い波長範囲における、ｐｏｒｔ１－１にＴＭ０を入力し、ｐｏｒｔ２－２から出力するときの損失（式（１）に相当）を示し、（ｂ）には、ｐｏｒｔ１－１にＴＥ０とＴＭ０をそれぞれ入力した時に、ｐｏｒｔ２－２から出力されるそれぞれの偏波の損失比であるＰＥＲ（式（３）に相当）を示し、（ｃ）は、ｐｏｒｔ１－２にＴＥ０を入力し、ｐｏｒｔ２－２から出力するときの損失（式（２）に相当）の測定結果を示している。
　これらの結果より、ＴＭ０の最大損失は０．１６ｄＢであり、非常に小さい損失で動作可能であることを実証した。また、ｐｏｒｔ１－１のＰＥＲは、１０．６ｄＢ以上であり十分大きい値である。ＴＥ０の損失の最大値は０．５９ｄＢであり、こちらも小さい値で動作可能であることが分かる。
　以上のように本実施例に係るＰＢＣ１Ａは、従来技術の問題点を改善する大きな効果をもっていることを実証済みである。
　〔第３の実施形態〕
　本実施形態に係るＰＢＣ１Ｂは、第２の実施形態に係るＰＢＣ１Ａに対して、不要な偏波成分を除去する構造である終端部４を付加したものである。例えば、ｐｏｒｔ１－１にＴＥｉを入力した場合、そのパワーの大部分はｐｏｒｔ２－１から出力される。このＴＥｉが不要な成分である場合、ｐｏｒｔ２－１を光学的に終端する必要がある。もし、終端部が無いと、ＴＥｉは反射して戻り光になる可能性があり、ひいては、ＰＢＣを取り付ける光回路の性能に悪影響を及ぼす可能性がある。また、ｐｏｒｔ１－１にＴＭｊを入力した場合、そのパワーの大部分はｐｏｒｔ２－２から出力されるが、ごく一部隣接導波路に移りきらなかったＴＭｊ（残留ＴＭｊ）はｐｏｒｔ２－１から出力される。同様の理由でこの残留ＴＭｊも除去することが好ましい。
　図２３（ａ）は、ＰＢＣ１Ｂの構成を示す上面図である。ここでは、ＰＢＣ１Ｂが備えているコアのみを図示している。図２３の（ａ）に示すように、ＰＢＣ１Ｂは、不要な光が出力される可能性があるｐｏｒｔ２－１に終端部４のコアとして第７のコア４３を備えている。コア４３は、第５のコア３３を介して第１のコア１３に連通している。コア４３の幅は、光の進行方向に沿ってコア１３から離れるにしたがって小さくなる。すなわち、終端部４は、コア幅が徐々に狭くなる逆テーパ導波路であるコア４３を光終端として使用している。
　コア幅が狭くなると、コアへの光の閉じ込めが弱くなり、電界の大部分はクラッドに浸みだす。そのため、不要な光の電界を徐々にクラッドに移すことができる。その結果、反射を抑えて不要な光を放出することが可能となる。
　なお、ＰＢＣ１Ｂでは、第６のコア３４のｐｏｒｔ２－２から出力されるＴＭｊを利用する前提で、第５のコア３３のｐｏｒｔ２－１にコア４３を設けている。しかし、ｐｏｒｔ２－１から出力されるＴＥｉを利用する場合は、第６のコア３４のｐｏｒｔ２－２にコア４３を設けてもよい。
　〔変形例〕
　第３の実施形態の変形例に係るＰＢＣ１Ｃについて、図２３の（ｂ）を参照して説明する。図２３の（ｂ）は、ＰＢＣ１Ｃの構成を示す上面図である。ここでは、ＰＢＣ１Ｃが備えているコアのみを図示している。ＰＢＣ１Ｃは、終端部４’を備えている。終端部４’は、第５のコア３３を介して第１のコア１３に接続されている光吸収体４３’を備えている。
　光吸収体４３’としては、例えば、コアにドーパントを打ち込んだＰ型半導体又はＮ型半導体を用いることができる。Ｐ型半導体及びＮ型半導体に打ち込まれたドーパントに起因するフリーキャリヤは、光を吸収する光吸収体として機能するためである。また、光吸収体４３’として、金属又は金属化合物からなる光吸収体を用いてもよい。光吸収体４３’を構成する材料は、特に限定されるものではなく、Ｃバンド及びＬバンドを含む広い波長範囲において光を吸収する材料であればよい。
　〔第４の実施形態〕
　本実施形態に係る偏光子１Ｄについて、図２４を参照して説明する。図２４は、偏光子１Ｄの構成を示す上面図である。ここでは、偏光子１Ｄが備えているコアのみを図示している。偏光子１Ｄは、図１６に示すＰＢＣ１Ａを直列に２個接続した構造である。偏光子１Ｄは、第１のコア１３及び第２のコア１４を、それぞれｎ組備えた基板型光導波路素子であるとも表現できる。本実施形態では、前段のＰＢＣ１ＡをＰＢＣ１Ａａと記載し、後段のＰＢＣ１ＡをＰＢＣ１Ａｂと記載する。すなわち、偏光子の一方の端部から数えて、１組目の第１のコア１３及び第２のコア１４を備えたＰＢＣがＰＢＣ１Ａａであり、２組目の第１のコア１３及び第２のコア１４を備えたＰＢＣがＰＢＣ１Ａｂである。
　ＰＢＣ１Ａａの第２のコア１４は、ＰＢＣ１Ａａの第６のコア３４及びＰＢＣ１Ａｂの第３のコア２３を介してＰＢＣ１Ａｂの第１のコア１３と連通している。偏光子１Ｄが偏光子として機能する理由は、以下の通りである。
　ＰＢＣ１Ａａのｐｏｒｔ１－１にＴＥ偏波及びＴＭ偏波が入力された場合、（１）ＴＭ偏波の大部分は、ＰＢＣ１Ａａの並走区間において第２のコア１４に移り、ＰＢＣ１Ａａのｐｏｒｔ２－２に至り、（２）ＴＥ偏波の大部分は、そのままＰＢＣ１Ａａのｐｏｒｔ２－１に至り、（３）ＴＥ偏波の一部は、ＰＢＣ１Ａａの並走区間において第２のコア１４に移り、ＰＢＣ１Ａａのｐｏｒｔ２－２に至る。
　ＰＢＣ１Ａａのｐｏｒｔ２－２に至った（１）ＴＭ偏波の大部分と、（３）ＴＥ偏波の一部は、ＰＢＣ１Ａｂのｐｏｒｔ１－１に入力される。その場合、（４）ＴＭ偏波の大部分は、ＰＢＣ１Ａｂの並走区間において第２のコア１４に移り、ＰＢＣ１Ａｂのｐｏｒｔ２－２から出力され、（５）ＴＥ偏波の一部は、そのままＰＢＣ１Ａｂのｐｏｒｔ２－１から出力され、（６）ＴＥ偏波の一部のうちの更に一部は、ＰＢＣ１Ａｂの並走区間において第２のコア１４に移り、ＰＢＣ１Ａｂのｐｏｒｔ２－２から出力される。
　以上のように、ＰＢＣ１Ａを２つ直列に接続することによって、偏光子１Ｄは、ＰＢＣ１Ａを単独で用いた場合のＰＥＲと比較して、ＰＥＲを向上させる効果を奏する。本実施形態では、２つのＰＢＣ１Ａ（２組の第１のコア１３及び第２のコア１４）を直列に接続した場合を例に説明した。しかし、偏光子１Ｄは、３つ以上のＰＢＣ１Ａ（２組以上の第１のコア１３及び第２のコア１４）を直列に接続することによって構成されていてもよい。ｎ組（ｎは正の整数）の第１のコア１３及び第２のコア１４によって偏光子１Ｄが構成されている場合、ｉ組目の第２のコア１４は、ｉ＋１組目の第１のコア１３と連通するように構成される。このとき、ｉは１≦ｉ≦ｎ－１の整数である。なお、ｉ組目のコア１４と、ｉ＋１組目のコア１３との間には、コア１３及び１４とは異なる別のコアが介在していてもよい。
　偏光子１Ｄを構成するＰＢＣ１Ａの個数を増やすことによって、ＰＥＲを更に向上させることができる。
　〔第５の実施形態〕
　上述の各実施形態に係るＰＢＣは、非特許文献１に記載のＤＰ－ＱＰＳＫ（Dual Polarization-Quadrature Phase Shift Keying）変調器が備えている偏波ビームコンバイナとして利用可能である。DP-QPSK変調器では、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で入力した光を分岐して各々QPSK信号に変調したのち、片側のＴＥ０をＴＭ０に変換させて（偏波ローテータ）、２つのモードをＰＢＣで同一光導波路上に多重し、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。ＴＥ０とＴＭ０とを偏波多重するＰＢＣとして、上述の各実施形態に係るＰＢＣ１及びＰＢＣ１Ａ～１Ｃを利用することができる。
　本実施形態では、第１の実施形態に係るＰＢＣ１を偏波ビームコンバイナとして含む光変調器５について、図２５を参照して説明する。図２５は、そのような光変調器５の構成を示すブロック図である。
　ＤＰ－ＱＰＳＫ変調器である光変調器５は、図２５に示すように、（１）ＴＥ０をＱＰＳＫ変調する第１のＱＰＳＫ変調器５１と、（２）ＴＥ０をＱＰＳＫ変調する第２のＱＰＳＫ変調器５２と、（３）第２のＱＰＳＫ変調器５２により変調されたＴＥ０をＴＭ０に変換する偏波ローテータ５３と、（４）第１のＱＰＳＫ変調器５１により変調されたＴＥ０と偏波ローテータ５３により得られたＴＭ０とを偏波多重するＰＢＣ５４とを備えている。
　ＰＢＣ５４は、図６に示すＰＢＣ１と同様に構成されている。ＰＢＣ５４の第１のコア１３入力ポート１３ａには上記ＴＭ０が入力され、第２のコア１４の入力ポート１４ａには上記ＴＥ０が入力される。ＰＢＣ５４は、上記ＴＭ０と上記ＴＥ０とを偏波多重し、第２のコア１４の出力ポート１４ｂから偏波多重されたＴＭ０及びＴＥ０を出力する。
　偏波ビームコンバイナとしてＰＢＣ５４を備えている光変調器５は、Ｃバンド及びＬバンドを含む広い波長範囲で低損失である。そのため、これらの広い波長範囲で低損失な基板型光導波路によるDP-QPSK変調器が実現可能である。また、本発明は通常多くの場合で使用される矩形導波路で作製可能なため、DP-QPSKの光配線を成す光導波路と一括作製が可能であり、余分なプロセスは不要となる。
　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、本発明を用いて偏波多重を行うことが可能である。
　〔第６の実施形態〕
　本実施形態に係る基板型光導波路素子６について、図２６を参照して説明する。図２６は、基板型光導波路素子６の構成を示すブロック図である。図２６に示すように、基板型光導波路素子６は、偏光子６２に加えて、スポットサイズコンバータ６１と、光デバイス６３とを備えている。本実施形態において、偏光子６２は、図６に記載のＰＢＣ１と同様に構成されているものとして説明する。なお、偏光子６２としては、ＰＢＣ１の代わりに上述したＰＢＣ１Ａ～１Ｃ及び偏光子１Ｄを利用してもよい。
　スポットサイズコンバータ６１は、外部から光ファイバ、レンズなどを介して入力された光のスポットサイズを縮小して、偏光子６２の第１のコア１３の入力ポート１３ａに入力する。スポットサイズコンバータ６１としては、例えば、光を入力される側の端部から偏光子６２側の端部に近づくに従ってコア幅が大きくなる逆テーパ導波路を利用可能である。
　光デバイス６３は、例えば、入力される光を変調する変調器であったり、特定の波長のみを抽出する波長フィルターであったりする。光デバイス６３は、偏波依存性を有している。そのため、光デバイス６３には、ＴＥ偏波又はＴＭ偏波のいずれか一方の光が入力されることが好ましい。しかし、外部の光ファイバ及びレンズ、並びに、スポットサイズコンバータ６１を介した光には、光ファイバ、レンズ及びスポットサイズコンバータ６１における偏波軸のアライメントミスなどに起因して、望まない偏波成分が含まれている可能性がある。
　図２６に示すように、偏光子６２は、スポットサイズコンバータ６１（光入力構造）と光デバイス６３との間に設けられている。偏光子６２は、スポットサイズコンバータ６１から入力された光が含みうるＴＥ偏波成分及びＴＭ偏波成分のうち、光デバイス６３にとって好ましい偏波成分（ＴＥ偏波成分又はＴＭ偏波成分）を光デバイス６３に対して出力する。
　具体的には、スポットサイズコンバータ６１が出力する光は、ＰＢＣ１の入力ポート１３ａを介して第１のコア１３に入力される。偏光子６２は、第１のコア１３の出力ポート１３ｂからＴＥ偏波成分を出力し、第２のコア１４の出力ポート１４ｂからＴＭ偏波成分を出力する。
　光デバイス６３が入力される光の偏波成分としてＴＥ偏波成分が好ましい場合、光デバイス６３は、偏光子６２の第１のコア１３の後段に接続されていればよい。光デバイス６３には、第１のコア１３から出力されたＴＥ偏波成分が入力される。
　一方、光デバイス６３が入力される光の偏波成分としてＴＭ偏波成分が好ましい場合、光デバイス６３は、偏光子６２の第２のコア１４の後段に接続されていればよい。光デバイス６３には、第２のコア１４から出力されたＴＭ偏波成分が入力される。
　以上のように、同一の基板上に形成されたスポットサイズコンバータ６１と光デバイス６３との間に偏光子６２を設けることによって、光デバイス６３にとって好ましい偏波成分のみを光デバイス６３に入力することができる。偏光子６２は、スポットサイズコンバータ６１及び光デバイス６３を作製するプロセスと同じプロセスによって作製可能である。言い換えれば、スポットサイズコンバータ６１及び光デバイス６３に対して、偏光子６２を追加するための特別なプロセスを追加することなしに、基板型光導波路素子６を作製することができる。また、基板型光導波路素子６は、ＰＢＣ１と同様に構成された偏光子６２を備えているため、好ましくない偏波成分が光デバイス６３に与える悪影響を、広い波長範囲において低損失なまま抑制することができる。
　〔第７の実施形態〕
　第７の実施形態に係るＰＢＣ１００について、図２７及び図２８を参照して説明する。本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、ＰＢＣ１００を用いてＴＥ０とＴＭ０との偏波多重又は分離を行うことを目的としている。図２７は、本実施形態に係るリブ導波路の基本形状を示す断面図である。図２８の（ａ）は、ＰＢＣ１００の上面図であり、（ｂ）～（ｄ）は、それぞれ、（ａ）に示すＡ－Ａ’線、Ｂ－Ｂ’線及びＣ－Ｃ’線におけるＰＢＣ１００の断面図である。
　（リブ導波路の基本構造）
　図２７に示すように、リブ導波路は、下部クラッド１１０上に配置されたコア１５０と、コア１５０を下部クラッド１１０と挟むように、コア１５０上に積層された上部クラッド１２０とを備えた３層構造をなしている。コア１５０は、下部クラッド１１０の上面全体を覆うように形成された薄板状のスラブ１６０と、スラブ１６０に対して隆起したリブ１３０とを備えている。リブ１３０の断面形状は、図２７に破線で示すように、長方形である。
　ＰＢＣ１００を作製するには、例えばＳＯＩウェハのＳｉＯ２から成るＢＯＸ層を下部クラッド１１０とし、ＳＯＩウェハ最上位層のＳｉ層をエッチングしてリブ１３０及びスラブ１６０を残すようにすることで、コア１５０を形成する。その後、コア１５０を覆うようにＳｉＯ２から成る上部クラッド１２０を形成する。なお、上部クラッド１２０は空気でもよい。図６に示す矩形導波路とリブ導波路との違いは、リブ導波路において、コアをエッチングする際に、リブの両側にコアを残すことによって、リブより厚みの薄いスラブを形成している点にある。
　（リブ導波路で構成したＰＢＣの構造）
　次に、図２８を参照して、上記リブ導波路によって構成した本発明の一態様に係るＰＢＣ１００の構造について説明する。図２８の（ａ）（ｂ）に示すように、ＰＢＣ１００は、下部クラッド１１０と上部クラッド１２０とに挟まれた第１のリブ１３０と第２のリブ１４０とを備えている。第１のリブ１３０と第２のリブ１４０とは、ＰＢＣ１００における光の進行方向に沿って並列状に形成され、第１のリブ１３０と第２のリブ１４０との間には、幅ＷＧの一定間隔が保たれている。図２８の（ｄ）に示すように、第１のリブ１３０及び第２のリブ１４０の各両側には、上記スラブ１６０が存在し、第１のリブ１３０、第２のリブ１４０及びスラブ１６０の全体で、上記コア１５０を構成している。
　ＰＢＣ１００における光の進行方向に対して垂直な断面を考えた場合、図２８の（ａ）に示す並走区間の始点におけるＡ－Ａ’線で示す断面、並走区間の中央におけるＢ－Ｂ’線で示す断面、及び並走区間の終点におけるＣ－Ｃ’線で示す断面のいずれにおいても、スラブ１６０の幅Ｗは、下部クラッド１１０及び上部クラッド１２０の幅Ｗ（すなわちＳＯＩ基板の幅）と等しく一定である。換言すれば、下部クラッド１１０の表面において、第１のリブ１３０及び第２のリブ１４０が形成されている領域を除くすべての領域には、スラブ１６０が形成されている。この構成によれば、第１のリブ１３０及び第２のリブ１４０を１回のエッチングにより形成することができる。
　ただし、図２８の（ａ）に示すように、スラブ１６０の幅を上記幅Ｗより狭い幅Ｗｐとしてもよい。換言すれば、スラブ１６０は、第１のリブ１３０及び第２のリブ１４０を含む幅Ｗｐに限定された領域に形成されていてもよい。第１のリブ１３０及び第２のリブ１４０を形成するために２回のエッチングを施すことによって、スラブ１６０を幅Ｗｐである領域に限定して形成することができる。
　第１のリブ１３０及び第２のリブ１４０の屈折率と、下部クラッド１１０及び上部クラッド１２０の各屈折率との関係、第１のリブ１３０幅Ｗ１及び高さｈ１、第２のリブ１４０の幅Ｗ２及び高さｈ２については、第１の実施形態において図６を参照して説明したＰＢＣ１と同じである。
　ＰＢＣ１００をテーパ化方向性結合器として利用する場合、コア１３０の入力ポート１３０ａにはＴＭ０偏波が入射され、コア１４０の入力ポート１４０ａにはＴＥ０偏波が入射される。コア１４０は、ＴＥ０偏波とコア１３０から移動してきたＴＭ０偏波とを出力ポート１４０ｂから出射する。ＰＢＣ１００をＴＭ０に対する偏光子として利用する場合、例えば、入力ポート１３０ａにＴＥ０とＴＭ０とが入力された場合、このうちＴＭ０のみを出力ポート１４０ｂから抽出できる。また、ＰＢＣ１００をＴＥ０に対する偏光子として利用する場合、例えば、入力ポート１３０ａにＴＥ０とＴＭ０とが入力された場合、このうちＴＥｉのみを出力ポート１３０ｂから抽出できる。
　（ＰＢＣ１００の特徴について）
　ＰＢＣ１では、前記特徴１～７が本発明の目的を達成するために必要十分な条件としていた。しかしながら、リブ導波路でＰＢＣを構成する場合、特徴１は次の特徴１'に置き換える必要がある。
　特徴１'：２つの導波路ＷＧ１及びＷＧ２は、リブ導波路として構成される。
　前記特徴１の効果は、「基板型光導波路を作製可能である」という点なので、特徴１'のように矩形導波路をリブ導波路に置き換えても、上記効果をもたらす機能性について問題はない。
　また、その他の前記特徴２～６における「コア１３」「コア１４」を、それぞれ「リブ１３０」「リブ１４０」と置き換え、特徴７の「コア１３及びコア１４」を、コア１５０全体と置き換えることによって、前記特徴２～７が奏する効果と同様の効果が得られることは、当業者に容易に理解することができる。
　上記特徴１’によるさらなる効果について補足する。矩形導波路では、コアを形成するために、エッチングによってコアのサイドを削る。この際、加工精度の問題で、光の進行方向に沿って不連続にコア幅が変動する「側壁荒れ」と呼ばれる事象が発生する。すなわち、コアの側壁に不連続部分が生じる。その結果、その不連続部分で導波する光が散乱するため損失が生じる。一方、リブ導波路では、所定の厚さを有するスラブが形成されている。スラブの側壁は、光が導波する領域であるリブから十分に離れた位置に形成されているため、スラブの側壁荒れは、導波する光を散乱させない。すなわち、リブ導波路は、矩形導波路と比較して、導波する光を散乱させる側壁部分の割合が小さいので、この損失を小さくすることができる。また、前記特徴５で必要となる導波路幅(コア幅)の連続性を、より精度高く実現することにもつながり、この観点でも損失低下を可能とする。以上より、リブ導波路を用いることで、加工精度の影響で生じる光の損失を低減することが可能となる。
　〔第８の実施形態〕
　第８の実施形態に係るＰＢＣ１００Ａについて、図２９及び図３０を参照して説明する。本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、ＰＢＣ１００Ａを用いてＴＥ０とＴＭ０との偏波多重又は分離を行うことを目的としている。図２９の（ａ）は、本実施形態に係るリッジ導波路の作製方法を示す断面図であり、（ｂ）は、リッジ導波路の基本形状を示す断面図である。図３０の（ａ）は、第８の実施形態に係る上記リッジ導波路を含むＰＢＣ１００Ａの構成を示す上面図であり、（ｂ）～（ｄ）は、（ａ）に示すＡ－Ａ’線、Ｂ－Ｂ’線及びＣ－Ｃ’線におけるＰＢＣ１００Ａの断面図である。
　（リッジ導波路の基本構造）
　図２９の（ｂ）に示すように、リッジ導波路は、下部クラッド１１０Ａの上面の一部を、断面が矩形状となるように隆起させた下部クラッドリブ１１０ａを備え、下部クラッドリブ１１０ａ上に、コア１５０Ａ及び上部クラッド１２０Ａをこの順に積層した構造を有している。コア１５０Ａ及び上部クラッド１２０Ａは、下部クラッドリブ１１０ａと同じ幅で積層されている。下部クラッドリブ１１０ａ、コア１５０Ａ及び上部クラッド１２０Ａが全体で、下部クラッド１１０Ａの上面に隆起したリッジ１３０Ａとなっている。
　ＰＢＣ１００Ａを作製するには、図２９の（ａ）に示すように、例えばＩｎＰから成る下部クラッド及び上部クラッドが、ＩｎＧａＡｓＰから成るコアを挟むように、下部クラッド、コア及び上部クラッドを層状に形成する。その後、所望のコア幅を有するコアの一部を残すとともに、下部クラッドリブ１１０ａが下部クラッドの上面に形成されるように、上部クラッド、コア及び下部クラッドをエッチングする。
　エッチング後の領域、すなわちリッジ１３０Ａの両側の領域には、空気等の気体を満たしてもよいし、樹脂または半導体等で埋めてもよい。このように、導波路をリッジ導波路として形成することで、上部クラッド１２０Ａ及び下部クラッド１１０Ａとコア１５０Ａとの比屈折率差が小さい場合であっても、幅方向に注目した際の比屈折率差を高めることができる。例えば、上部クラッド１２０Ａ及び下部クラッド１１０ＡをＩｎＰ(屈折率３.１７)で形成し、コア１５０ＡをＩｎＧａＡｓＰ(屈折率３.４７)とした場合、比屈折率差は０.０８（８％）となる。しかし、エッチング後の領域を空気(屈折率１)とした場合、幅方向の比屈折率差を０.４６（４６％）と大幅に高めることができる。
　矩形導波路又はリブ導波路の代わりにリッジ導波路を採用することによって、クラッドに対するコアの比屈折率差が小さい組み合わせ、例えば、ＩｎＧａＡｓＰからなるコア１５０とＩｎＰからなるクラッド１１０Ａ，１２０Ａとの組み合わせを採用する場合であっても、幅方向への光の閉じ込めを強めることができる。
　（リッジ導波路で構成したＰＢＣの構造）
　次に、図３０を参照して、上記リッジ導波路によって構成した本発明の一態様に係るＰＢＣ１００Ａの構造について説明する。図３０の（ａ）～（ｄ）に示すように、ＰＢＣ１００Ａは、下部クラッド１１０Ａ上に、光の進行方向に並列するリッジ１３０Ａ及びリッジ１４０Ａを備えている。リッジ１４０Ａの構成は、図２９の（ｂ）に示すリッジ１３０Ａの構成と同じであり、下部クラッド１１０Ａは、リッジ１３０Ａ及びリッジ１４０Ａに共通している。リッジ１３０Ａとリッジ１４０Ａとの間には一定の間隔が設けられている。言い換えると、リッジ１３０Ａ及びリッジ１４０Ａの対面する側壁同士は、一定の間隔を置いて平行になっている。
　（ＰＢＣ１００Ａの特徴について）
　ＰＢＣ１００Ａでは、前記特徴１～７のうち、特徴７に関して説明した比屈折率差について、変更が必要になる。前記ＰＢＣ１では、式（５）で定義される比屈折率差において、下部クラッド１１及び上部クラッド１２の屈折率を、それぞれ、Ｎｃｌ１及びＮｃｌ２とし、最も屈折率の大きな材料の屈折率をＮｃｌとした。これに対し、ＰＢＣ１００Ａでは、“リッジ１３０Ａ（ＷＧ１）のコアとリッジ１４０Ａ（ＷＧ２）のコアとの間の間隙（エッチング領域）に充填される材料の屈折率をＮｂとすると、ＮｃｌはＮｂとする。”のように、Ｎｃｌを定義し直す。
　この理由は以下の通りである。本発明では、ＴＥｉがＴＭｊよりも隣接導波路への光結合が小さいことを利用している。光結合は、一方の導波路から他方の導波路へ浸み出す光の量で決まる。そのため、２つの導波路の間の領域と、コアとの比屈折率差を大きくすることにより、一方の導波路から他方の導波路へ向かう方向に対して光閉じ込めを強めることができ、本発明の効果を得ることができる。その際、Ｎｃｌについて、本質的な役割を担うのは、２つの導波路の間の領域の材料なので、Ｎｃｌの値をＮｂと見做すことが適切となる。
　リッジ導波路を用いると次のような大きなメリットを生む。すなわち、コアと上部クラッド及び下部クラッドとの比屈折率差が小さい場合であって、矩形導波路又はリブ導波路を採用した場合には、光をコアに十分に閉じ込めることができない。これに対し、リッジ導波路では、矩形導波路の作成工程にエッチング工程を追加するだけで、光をコアに十分に閉じ込めることができる。加えて、コアとコアの両側に存在する媒質（例えば、空気などの気体や、樹脂又は半導体等）との比屈折率差を大きく設定することができる。したがって、コア１５０の曲げ半径を小さくすることができるので、デバイスサイズを小さくする、又は、デバイスの集積度を高めることができる。
　〔変形例（１）〕
　第８の実施形態の変形例（１）に係るＰＢＣ１００Ｂについて、図３１を参照して説明する。図３１の（ａ）は、第８の実施形態の一変形例としてのリッジ導波路を含むＰＢＣの構成を示す上面図であり、（ｂ）～（ｄ）は、（ａ）に示すＡ－Ａ’線、Ｂ－Ｂ’線及びＣ－Ｃ’線における上記ＰＢＣの断面図である。
　図３１の（ａ）～（ｄ）に示すように、リッジ１３０Ａ及びリッジ１４０Ａの各両側のうち、隣接導波路が存在しない側を、保護材１７０で埋めてもよい。これにより、エッチング後にむき出しになっているリッジ１３０Ａ及びリッジ１４０Ａの側壁、及び下部クラッド１１０Ａの上面にゴミ等が付着することを防ぐことができる。保護材１７０を構成する材料としては、リッジ導波路のコアを構成する材料よりも屈折率の小さい材料を用いる必要があり、例えば、シリカ(ＳｉＯ２)やシリコンナイトライド（Ｓｉ３Ｎ４）等を用いることができる。
　〔変形例（２）〕
　第８の実施形態の変形例（２）に係るＰＢＣ１００Ｃについて、図３２の（ａ）を参照して説明する。図３２の（ａ）は、図３０の（ａ）に示すＡ－Ａ’線と同じ位置でＰＢＣ１００Ｃを切断した場合におけるＰＢＣ１００Ｃの断面図である。
　図６の（ｂ）に示す矩形導波路を備えたＰＢＣ１とＰＢＣ１００Ｃとの構成上の違いは、ＰＢＣ１において下部クラッド１１上で並列したコア１３とコア１４との間の間隙を、ＰＢＣ１の高さ方向に貫く溝が形成されていることである。ＰＢＣ１００Ｃに形成された溝１８０は、上部クラッド１２０Ｃの上面から、隣り合うコア１３０Ｃとコア１４０Ｃとの間の間隙を貫いて、下部クラッド１１０Ｃの高さ方向の途中位置まで達している。
　ＰＢＣ１００Ｃを作製する場合、図３０の（ａ）にリブ１３０Ａ及びリブ１４０Ａの平面視した輪郭で示すように、下部クラッド１１０Ｃ上に、平面視した形状が平行四辺形となるようにコア１５０Ｃの層を形成する。当該平行四辺形は、図３０の（ａ）に示す並走区間の始点及び終点に、対向する２つの短辺がそれぞれ位置合わせされた形状となっている。次に、コア１５０Ｃを埋設するように下部クラッド１１０Ｃ上に上部クラッド１２０Ｃを積層する。こうして下部クラッド１１０Ｃ、コア１５０Ｃ及び上部クラッド１２０Ｃを３層に積層した後で、ＰＢＣ１００Ｃの幅の中央付近において、上部クラッド１２０Ｃの上面から前記幅ＷＧ（図２８の（ｂ））でエッチングすることにより、上記溝１８０を形成する。この溝１８０によって、コア１５０Ｃは、例えばＴＭ偏波が入射されるコア１３０Ｃと、ＴＥ偏波が入射されるコア１４０Ｃとに分離される。
　ＰＢＣ１００Ｃのエッチングの領域は１箇所なので、エッチングの領域が３箇所になるＰＢＣ１００Ａよりも、簡易な工程によってＰＢＣ１００Ｃを作製することができる上に、ＰＢＣ１００ＣはＰＢＣ１００Ａと同等の効果を得ることができる。
　〔変形例（３）〕
　第８の実施形態の変形例（３）に係るＰＢＣ１００Ｄについて、図３２の（ｂ）を参照して説明する。図３２の（ｂ）は、図３０の（ａ）に示すＡ－Ａ’線と同じ位置でＰＢＣ１００Ｄを切断した場合におけるＰＢＣ１００Ｄの断面図である。
　ＰＢＣ１００Ｄは、上記ＰＢＣ１００Ｃのコア１５０Ｃを、図２７に示すコア１５０と同様にスラブ及びリブを備えたコア１５０Ｄに置き換えた構成を備えている。
　ＰＢＣ１００Ｄを作製する場合、図３２の（ｂ）に示すように、下部クラッド１１０Ｄ上に、リブの平面視した形状が平行四辺形となるようにコア１５０Ｄの層を形成する。当該平行四辺形は、図３０の（ａ）に示す並走区間の始点及び終点に、対向する２つの短辺がそれぞれ位置合わせされた形状となっている。次に、コア１５０Ｄを下部クラッド１１０Ｄと挟むように上部クラッド１２０Ｄを積層する。こうして下部クラッド１１０Ｄ、コア１５０Ｄ及び上部クラッド１２０Ｄを３層に積層した後で、ＰＢＣ１００Ｄの幅の中央付近において、上部クラッド１２０Ｄの上面から前記幅ＷＧ（図２８の（ｂ））でエッチングすることにより、上記溝１８０を形成する。この溝１８０によって、コア１５０Ｄのリブは、例えばＴＭ偏波が入射されるリブ１３０Ｄと、ＴＥ偏波が入射されるリブ１４０Ｄとに分離される。
　ＰＢＣ１００ＤはＰＢＣ１００Ｃと同等の効果を得ることができる。
　〔付記事項〕
　上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る基板型光導波路素子は、屈折率がＮｃｌ１である下部クラッドと、上記下部クラッド上に形成された、屈折率がＮｃｏ（Ｎｃｏ＞Ｎｃｌ１）である第１のコア及び第２のコアと、上記第１のコア及び上記第２のコアを埋設するように上記下部クラッド上に積層された、屈折率がＮｃｌ２（Ｎｃｏ＞Ｎｃｌ２）である上部クラッドとを備えた基板型光導波路素子において、上記第２のコアが存在しない場合の上記第１のコアにおけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の実効屈折率を、それぞれ、ＮＴＥ＠ＷＧ１及びＮＴＭ＠ＷＧ１とし、上記第１のコアが存在しない場合の上記第２のコアにおけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の実効屈折率を、それぞれ、ＮＴＥ＠ＷＧ２及びＮＴＭ＠ＷＧ２として、（Ａ）上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ１，ＮＴＭ＠ＷＧ１，ＮＴＥ＠ＷＧ２，ＮＴＭ＠ＷＧ２は、それぞれ、上記第１のコアと上記第２のコアとが互いに並走する並走区間の始点からの距離の関数として連続であり、（Ｂ）上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ１，ＮＴＭ＠ＷＧ１は、上記並走区間の全体においてＮＴＥ＠ＷＧ１＞ＮＴＭ＠ＷＧ１を満足し、（Ｃ）上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ２，ＮＴＭ＠ＷＧ２は、上記並走区間の全体においてＮＴＥ＠ＷＧ２＞ＮＴＭ＠ＷＧ２を満足し、（Ｄ）上記実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ１と上記実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ２との大小関係は、上記並走区間の始点と終点とで逆転しており、（Ｅ）上記下部クラッドの屈折率Ｎｃｌ１と上記上部クラッドの屈折率Ｎｃｌ２とのうち、大きい方の屈折率をＮｃｌとして、下記式（ａ）で定義される比屈折率差が０．２５以上である、ことを特徴とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000035
 　本発明の一態様に係る基板型光導波路素子は、上記条件（Ａ）及び（Ｄ）を満たしていることから、上記第１のコアの一方の端部に入力されたＴＭ偏波は、上記並走区間において断熱的に上記第２のコアに移動し、上記第２のコアの他方の端部から出力される。
　また、本発明の一態様に係る基板型光導波路素子においては、上記条件（Ｂ）及び（Ｃ）を満たしていることから、ＴＭ偏波の光結合の強さとＴＥ偏波の光結合の強さとの間に差が生じ、上記条件（Ｅ）を満たしていることから、その差は十分に大きくなる。したがって、上記第２のコアの一方の端部に入力されたＴＥ偏波の大部分は、上記第１のコアに移動することなく、上記第２のコアの他方の端部から出力される。
　すなわち、本発明の一態様によれば、ＴＭ偏波の損失が小さく、かつ、偏波消光比の高い基板型光導波路素子を実現することができる。
　以上のような機能を有する上記基板型光導波路素子は、（ａ）ＴＥ偏波とＴＭ偏波とを偏波多重する偏波ビームコンバイナ、（ｂ）ＴＥ偏波とＴＭ偏波とを偏波分離する偏波ビームスプリッタ、（ｃ）ＴＥ偏波とＴＭ偏波とが混在する光から、一方の偏波成分のみを抽出する偏光子として機能し、広い波長範囲においてＴＭ偏波の損失を低く抑えることが可能である。
　また、上記基板型光導波路素子は、上記下部クラッドと、上記下部クラッド上に形成された上記第１のコア及び上記第２のコアと、これらのコアを埋設するように上記下部クラッド上に積層された上記上部クラッドという簡易な構成であるため、一般的に確立された製造プロセスを用いて簡易に製造可能である。
　以上のように、上記基板型光導波路素子は、広い波長範囲においてＴＭ偏波の損失を低く抑え、かつ、製造が容易な基板型光導波路素子を提供することができる。
　また、本発明の一態様に係る基板型光導波路素子において、上記第１のコア及び上記第２のコアは、光の進行方向に直交する断面が矩形状のコアであり、上記第１のコアの高さ、及び、上記第２のコアの高さは、共通であり、上記第１のコアの幅Ｗ１、及び、上記第２のコアの幅Ｗ２は、上記並走区間の始点からの距離の関数として連続であり、上記幅Ｗ１と上記幅Ｗ２との大小関係は、上記並走区間の始点と終点とで逆転している、ことが好ましい。
　上記の構成によれば、上述の基板型光導波路素子と同様の効果を奏する。また、上記の構成によれば、上記第１のコアと上記第２のコアとの高さが等しいことから、これら２つのコアを１回のエッチングによって作成することができる。そのため、プロセスが簡易になり、低コスト化及び高歩留り化が可能となる。
　また、本発明の一態様に係る基板型光導波路素子において、上記上部クラッドと上記下部クラッドとは、共通の材質により構成されており、上記第１のコアの幅Ｗ１及び上記第２のコアの幅Ｗ２は、それぞれ、上記第１のコアと上記第２のコアとの共通の高さよりも大きく、上記第１のコア及び上記第２のコアは、上記ＴＥ偏波としてＴＥ０偏波を導波し、上記ＴＭ偏波としてＴＭ０偏波を導波する、ことが好ましい。
　上記の構成によれば、上述の基板型光導波路素子と同様の効果を奏する。
　また、本発明の一態様に係る基板型光導波路素子において、上記第１のコア及び上記第２のコアは、シリコン製であり、上記下部クラッド及び上記上部クラッドは、シリカ製である、ことが好ましい。
　上記の構成によれば、上記基板型光導波路素子は、ＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）ウェハを基板として、既存のＣＭＯＳプロセスを利用して製造可能である。従って、上記基板型光導波路素子は、容易に製造可能である。また、上記基板型光導波路素子は、大きな比屈折率差を実現する。
　また、本発明の一態様に係る基板型光導波路素子において、Ｗｕｐｐｅｒを下記式（ｂ）で定義したとき（ｈは上記第１のコアと上記第２のコアとの共通の高さ、ｅはネイピア数）、上記第１のコアの幅Ｗ１及び上記第２のコアの幅Ｗ２は、それぞれ、Ｗ１＜Ｗｕｐｐｅｒ及びＷ２＜Ｗｕｐｐｅｒを満足する、ことが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000036
 　幅Ｗ１又は幅Ｗ２を徐々に大きくしてくと、ＴＥ０偏波の実効屈折率が有意に大きくなり、ＴＭ０偏波の実効屈折率との差が拡大する。しかし、幅Ｗ１又は幅Ｗ２がＷｕｐｐｅｒ以上になった場合、ＴＭ０偏波の実効屈折率とＴＥ１の実効屈折率との大小関係が逆転し、その結果として、ＴＭ０偏波とＴＥ１偏波とが相互作用する可能性が高まる。すなわち、ＴＭ０偏波の一部がＴＥ１偏波に変換されることに起因するＴＭ０偏波の過剰損失を生じさせる可能性を高める。
　一方、上記の構成によれば、ＴＭ０偏波の実効屈折率とＴＥ１偏波の実効屈折率との大小関係が逆転しないため、ＴＭ０偏波とＴＥ１偏波とが相互作用する可能性を抑制できる。したがって、ＴＭ０偏波の過剰損失を抑制することができる。
　また、本発明の一態様に係る基板型光導波路素子において、上記並走区間の始点又は終点を介して上記第１のコアと連通する第３のコアであって、屈折率がＮｃｏである第３のコアと、（１）上記第３のコアが上記並走区間の始点を介して上記第１のコアと連通する場合、上記並走区間の始点を介して上記第２のコアと連通し、（２）上記第３のコアが上記並走区間の終点を介して上記第１のコアと連通する場合、上記並走区間の終点を介して上記第２のコアに連通する第４のコアであって、屈折率がＮｃｏである第４のコアと、を更に備え、上記第３のコアと上記第４のコアとの間隔は、（１）上記第３のコアが上記並走区間の始点を介して上記第１のコアと連通する場合、上記並走区間の始点から離れるにしたがって大きくなり、（２）上記第３のコアが上記並走区間の終点を介して上記第１のコアと連通する場合、上記並走区間の終点から離れるにしたがって大きくなる、ことが好ましい。
　上記の構成によれば、上記第１のコアに他の導波路を接続する場合、上記第１のコアと上記他の導波路との間に上記第３のコアが介在することで、上記第１のコアと上記他の導波路とを滑らかに接続することができる。同様に、上記第２のコアに他の導波路を接続する場合、上記第２のコアと上記他の導波路との間に上記第４のコアが介在することで、上記第２のコアと上記他の導波路とを滑らかに接続することができる。しがたって、上記の接続に伴って無用な反射が生じる可能性を抑制することができる。
　また、上記の構成によれば、２つの隣接するコアを徐々に離間できることから、連続的にＴＭ偏波の光結合の強さを強める（入力側）／弱める（出力側）ことができる。これにより、入出力部から離れるに従い、隣接導波路のＴＭ偏波の光結合の強さを弱めることができるため、ＴＭ偏波はより一方の導波路へ局在した電界分布を持つことができ、他方の導波路に残存することで生じる損失を低下することができる。
　また、本発明の一態様に係る基板型光導波路素子は、上記第１のコア又は上記第２のコアに連通する第５のコアであって、屈折率がＮｃｏである第５のコアを更に備え、上記第５のコアの幅は、上記第１のコアが離れるにしたがって小さくなる、ことが好ましい。
　上記の構成によれば、上記第１のコア又は上記第２のコアから上記第５のコアに入力された光は、当該第５のコアを伝搬する過程において上記下部クラッド又は上記上部クラッドに漏れ出す。したがって、上記第１のコア又は上記第２のコアから上記第５のコアに入力された光が再び上記並走区間に戻ることを抑制可能である。
　また、本発明の一態様に係る基板型光導波路素子は、上記第１のコア又は上記第２のコアに接続されている光吸収体を更に備えていてもよい。
　上記の構成によれば、上記第１のコア又は上記第２のコアから上記光吸収体に入力された光は、当該光吸収体に吸収される。したがって、上記第１のコア又は上記第２のコアから上記光吸収体に入力された光が再び上記並走区間に戻ることを抑制可能である。
　また、本発明の一態様に係る偏光子は、上記第１のコア及び上記第２のコアを、それぞれ、ｎ組備えた基板型光導波路素子であって、当該基板型光導波路素子の一方の端部から数えてｉ組目（ｉは１≦ｉ≦ｎ－１の整数）の上記第２のコアは、ｉ＋１組目の記第１のコアと連通する、ように構成されていることが好ましい。
　上記の構成によれば、偏波消光比の高い偏光子を実現することができる。
　また、本発明の一態様に係る基板型光導波路素子は、ＴＥ偏波を変調する第１の光変調器と、ＴＥ偏波を変調する第２の光変調器と、上記第２の光変調器から出力されたＴＥ偏波をＴＭ偏波に変換する偏波ローテータと、を更に備え、上記第１のコアには、上記偏波ローテータから出力されたＴＭ偏波が入力され、上記第２のコアには、上記第１の光変調器から出力されたＴＥ偏波が入力される、ように構成されていることが好ましい。
　上記の構成によれば、広い波長範囲において低損失な光変調器を実現することができる。
　また、本発明の一態様に係る基板型光導波路素子は、光入力構造と光デバイスとを更に備え、上記光入力構造は、外部から入力された光のスポットサイズを縮小して上記第１のコアに入力し、上記第１のコアは、上記第１のコアに入力された光のＴＥ偏波成分を出力し、上記第２のコアは、上記第１のコアに入力された光のＴＭ偏波成分を出力し、上記光デバイスには、上記第１のコアから出力されたＴＥ偏波成分、又は、上記第２のコアから出力されたＴＭ偏波成分が入力される、ように構成されていることが好ましい。
　上記の構成によれば、上記光デバイスにとって好ましくない偏波成分が上記光入力構造において生じた場合であっても、上記第１のコアから出力されたＴＥ偏波成分、又は、上記第２のコアから出力されたＴＭ偏波成分のみを上記光デバイスに入力することができる。上記光入力構造及び上記光デバイスは、当該基板型光導波路素子と同じ基板上に同じ製造プロセスによって製造可能であるため、容易に製造することができる。
　上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る基板型光導波路素子の製造方法は、屈折率がＮｃｌ１である下部クラッドと、上記下部クラッド上に形成された、屈折率がＮｃｏ（Ｎｃｏ＞Ｎｃｌ１）である第１のコア及び第２のコアと、上記第１のコア及び上記第２のコアを埋設するように上記下部クラッド上に積層された、屈折率がＮｃｌ２（Ｎｃｏ＞Ｎｃｌ２）である上部クラッドとを備えた基板型光導波路素子の製造方法において、上記第２のコアが存在しない場合の上記第１のコアにおけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の実効屈折率を、それぞれ、ＮＴＥ＠ＷＧ１及びＮＴＭ＠ＷＧ１とし、上記第１のコアが存在しない場合の上記第２のコアにおけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の実効屈折率を、それぞれ、ＮＴＥ＠ＷＧ２及びＮＴＭ＠ＷＧ２として、以下の条件（１）～（４）を満足する上記第１のコア及び上記第２のコアを形成するコア形成工程を含む、ことを特徴とする。
　（１）上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ１，ＮＴＭ＠ＷＧ１，ＮＴＥ＠ＷＧ２，ＮＴＭ＠ＷＧ２は、それぞれ、上記第１のコアと上記第２のコアとが互いに並走する並走区間の始点からの距離の関数として連続であり、
　（２）上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ１，ＮＴＭ＠ＷＧ１は、上記並走区間の全体においてＮＴＥ＠ＷＧ１＞ＮＴＭ＠ＷＧ１を満足し、上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ２，ＮＴＭ＠ＷＧ２は、上記並走区間の全体においてＮＴＥ＠ＷＧ２＞ＮＴＭ＠ＷＧ２を満足し、
　（３）上記実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ１と上記実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ２との大小関係は、上記並走区間の始点と終点とで逆転しており、
　（４）上記下部クラッドの屈折率Ｎｃｌ１と上記上部クラッドの屈折率Ｎｃｌ２とのうち、大きい方の屈折率をＮｃｌとして、下記式（ａ）で定義される比屈折率差が０．２５以上である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000037
 　上記の構成によれば、上記基板型光導波路素子の製造方法は、上記基板型光導波路素子と同様の効果を奏する。
　本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
　本発明は、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、より具体的には偏波の多重、分離又は除去を行う基板型光導波路素子に利用することができる。
　１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ　ＰＢＣ（偏波ビームコンバイナ、基板型光導波路素子）
１１　下部クラッド
１２　上部クラッド
１３　第１のコア
１４　第２のコア
２３　第３のコア
２４　第４のコア
３３　第５のコア（第３のコア）
３４　第６のコア（第４のコア）
４３　第７のコア（第５のコア）
４３’　光吸収体
１Ｄ　偏光子（基板型光導波路素子）
　５　光変調器（基板型光導波路素子）
５１　第１のＱＰＳＫ変調器（第１の光変調器）
５２　第２のＱＰＳＫ変調器（第２の光変調器）
５３　偏波ローテータ
５４　ＰＢＣ（偏波ビームコンバイナ）
　６　基板型光導波路素子
６１　スポットサイズコンバータ（光入力構造）
６２　偏光子
６３　光デバイス
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ　ＰＢＣ（偏波ビームコンバイナ、基板型光導波路素子）
１１０，１１０Ａ、１１０Ｃ，１１０Ｄ　下部クラッド
１２０，１２０Ａ，１２０Ｃ，１２０Ｄ　上部クラッド
１３０，１３０Ｄ　リブ
１３０Ｃ　コア
１４０Ｃ　コア
１４０，１４０Ｄ　リブ
１３０Ａ　リッジ
１４０Ａ　リッジ

Claims (13)

  1. 　屈折率がＮｃｌ１である下部クラッドと、上記下部クラッド上に形成された、屈折率がＮｃｏ（Ｎｃｏ＞Ｎｃｌ１）である第１のコア及び第２のコアと、上記第１のコア及び上記第２のコアを埋設するように上記下部クラッド上に積層された、屈折率がＮｃｌ２（Ｎｃｏ＞Ｎｃｌ２）である上部クラッドとを備えた基板型光導波路素子において、
    　上記第２のコアが存在しない場合の上記第１のコアにおけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の実効屈折率を、それぞれ、ＮＴＥ＠ＷＧ１及びＮＴＭ＠ＷＧ１とし、上記第１のコアが存在しない場合の上記第２のコアにおけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の実効屈折率を、それぞれ、ＮＴＥ＠ＷＧ２及びＮＴＭ＠ＷＧ２として、
    　上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ１，ＮＴＭ＠ＷＧ１，ＮＴＥ＠ＷＧ２，ＮＴＭ＠ＷＧ２は、それぞれ、上記第１のコアと上記第２のコアとが互いに並走する並走区間の始点からの距離の関数として連続であり、
    　上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ１，ＮＴＭ＠ＷＧ１は、上記並走区間の全体においてＮＴＥ＠ＷＧ１＞ＮＴＭ＠ＷＧ１を満足し、上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ２，ＮＴＭ＠ＷＧ２は、上記並走区間の全体においてＮＴＥ＠ＷＧ２＞ＮＴＭ＠ＷＧ２を満足し、
    　上記実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ１と上記実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ２との大小関係は、上記並走区間の始点と終点とで逆転しており、
    　上記下部クラッドの屈折率Ｎｃｌ１と上記上部クラッドの屈折率Ｎｃｌ２とのうち、大きい方の屈折率をＮｃｌとして、下記式（ａ）で定義される比屈折率差が０．２５以上である、
    ことを特徴とする基板型光導波路素子。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  2. 　上記第１のコア及び上記第２のコアは、光の進行方向に直交する断面が矩形状のコアであり、
    　上記第１のコアの高さ、及び、上記第２のコアの高さは、共通であり、
    　上記第１のコアの幅Ｗ１、及び、上記第２のコアの幅Ｗ２は、上記並走区間の始点からの距離の関数として連続であり、
    　上記幅Ｗ１と上記幅Ｗ２との大小関係は、上記並走区間の始点と終点とで逆転している、
    ことを特徴とする請求項１に記載の基板型光導波路素子。
  3. 　上記上部クラッドと上記下部クラッドとは、共通の材質により構成されており、
    　上記第１のコアの幅Ｗ１及び上記第２のコアの幅Ｗ２は、それぞれ、上記第１のコアと上記第２のコアとの共通の高さよりも大きく、
    　上記第１のコア及び上記第２のコアは、上記ＴＥ偏波としてＴＥ０偏波を導波し、上記ＴＭ偏波としてＴＭ０偏波を導波する、
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の基板型光導波路素子。
  4. 　上記第１のコア及び上記第２のコアは、シリコン製であり、
    　上記下部クラッド及び上記上部クラッドは、シリカ製である、
    ことを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の基板型光導波路素子。
  5. 　Ｗｕｐｐｅｒを下記式（ｂ）で定義したとき（ｈは上記第１のコアと上記第２のコアとの共通の高さ、ｅはネイピア数）、
    　上記第１のコアの幅Ｗ１及び上記第２のコアの幅Ｗ２は、それぞれ、Ｗ１＜Ｗｕｐｐｅｒ及びＷ２＜Ｗｕｐｐｅｒを満足する、
    ことを特徴とする請求項４に記載の基板型光導波路素子。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
  6. 　上記並走区間の始点又は終点を介して上記第１のコアと連通する第３のコアであって、屈折率がＮｃｏである第３のコアと、
    　（１）上記第３のコアが上記並走区間の始点を介して上記第１のコアと連通する場合、上記並走区間の始点を介して上記第２のコアと連通し、（２）上記第３のコアが上記並走区間の終点を介して上記第１のコアと連通する場合、上記並走区間の終点を介して上記第２のコアに連通する第４のコアであって、屈折率がＮｃｏである第４のコアと、を更に備え、
    　上記第３のコアと上記第４のコアとの間隔は、（１）上記第３のコアが上記並走区間の始点を介して上記第１のコアと連通する場合、上記並走区間の始点から離れるにしたがって大きくなり、（２）上記第３のコアが上記並走区間の終点を介して上記第１のコアと連通する場合、上記並走区間の終点から離れるにしたがって大きくなる、
    ことを特徴とする請求項１～５の何れか１項に記載の基板型光導波路素子。
  7. 　上記第１のコア又は上記第２のコアに連通する第５のコアであって、屈折率がＮｃｏである第５のコアを更に備え、
    　上記第５のコアの幅は、上記第１のコアが離れるにしたがって小さくなる、
    ことを特徴とする請求項１～６の何れか１項に記載の基板型光導波路素子。
  8. 　上記第１のコア又は上記第２のコアに接続されている光吸収体を更に備えている、
    ことを特徴とする請求項１～６の何れか１項に記載の基板型光導波路素子。
  9. 　請求項１～８の何れか１項に記載の上記第１のコア及び上記第２のコアを、それぞれ、ｎ組備えた基板型光導波路素子であって、
    　当該基板型光導波路素子の一方の端部から数えてｉ組目（ｉは１≦ｉ≦ｎ－１の整数）の上記第２のコアは、ｉ＋１組目の上記第１のコアと連通する、
    ことを特徴とする基板型光導波路素子。
  10. 　ＴＥ偏波を変調する第１の光変調器と、
    　ＴＥ偏波を変調する第２の光変調器と、
    　上記第２の光変調器から出力されたＴＥ偏波をＴＭ偏波に変換する偏波ローテータと、を更に備え、
    　上記第１のコアには、上記偏波ローテータから出力されたＴＭ偏波が入力され、上記第２のコアには、上記第１の光変調器から出力されたＴＥ偏波が入力される、
    ことを特徴とする請求項１～８までの何れか１項に記載の基板型光導波路素子。
  11. 　光入力構造と光デバイスとを更に備え、
    　上記光入力構造は、外部から入力された光のスポットサイズを縮小して上記第１のコアに入力し、
    　上記第１のコアは、上記第１のコアに入力された光のＴＥ偏波成分を出力し、上記第２のコアは、上記第１のコアに入力された光のＴＭ偏波成分を出力し、
    　上記光デバイスには、上記第１のコアから出力されたＴＥ偏波成分、又は、上記第２のコアから出力されたＴＭ偏波成分が入力される、
    ことを特徴とする請求項１～９までの何れか１項に記載の基板型光導波路素子。
  12. 　屈折率がＮｃｌ１である下部クラッドと、上記下部クラッド上に形成された、屈折率がＮｃｏ（Ｎｃｏ＞Ｎｃｌ１）である第１のコア及び第２のコアと、上記第１のコア及び上記第２のコアを埋設するように上記下部クラッド上に積層された、屈折率がＮｃｌ２（Ｎｃｏ＞Ｎｃｌ２）である上部クラッドとを備えた基板型光導波路素子の製造方法において、
    　上記第２のコアが存在しない場合の上記第１のコアにおけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の実効屈折率を、それぞれ、ＮＴＥ＠ＷＧ１及びＮＴＭ＠ＷＧ１とし、上記第１のコアが存在しない場合の上記第２のコアにおけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の実効屈折率を、それぞれ、ＮＴＥ＠ＷＧ２及びＮＴＭ＠ＷＧ２として、
    　以下の条件（１）～（４）を満足する上記第１のコア及び上記第２のコアを形成するコア形成工程を含む、
    ことを特徴とする基板型光導波路素子の製造方法。
    　（１）上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ１，ＮＴＭ＠ＷＧ１，ＮＴＥ＠ＷＧ２，ＮＴＭ＠ＷＧ２は、それぞれ、上記第１のコアと上記第２のコアとが互いに並走する並走区間の始点からの距離の関数として連続であり、
    　（２）上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ１，ＮＴＭ＠ＷＧ１は、上記並走区間の全体においてＮＴＥ＠ＷＧ１＞ＮＴＭ＠ＷＧ１を満足し、上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ２，ＮＴＭ＠ＷＧ２は、上記並走区間の全体においてＮＴＥ＠ＷＧ２＞ＮＴＭ＠ＷＧ２を満足し、
    　（３）上記実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ１と上記実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ２との大小関係は、上記並走区間の始点と終点とで逆転しており、
    　（４）上記下部クラッドの屈折率Ｎｃｌ１と上記上部クラッドの屈折率Ｎｃｌ２とのうち、大きい方の屈折率をＮｃｌとして、下記式（ａ）で定義される比屈折率差が０．２５以上である。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
  13. 　屈折率がＮｃｌ１である下部クラッドと、上記下部クラッド上に形成された、屈折率がＮｃｏ（Ｎｃｏ＞Ｎｃｌ１）である第１のコア及び第２のコアと、上記第１のコア及び上記第２のコアを埋設するように上記下部クラッド上に積層された、屈折率がＮｃｌ２（Ｎｃｏ＞Ｎｃｌ２）である上部クラッドとを備えた基板型光導波路素子において、
    　上記第２のコアが存在しない場合の上記第１のコアにおけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の実効屈折率を、それぞれ、ＮＴＥ＠ＷＧ１及びＮＴＭ＠ＷＧ１とし、上記第１のコアが存在しない場合の上記第２のコアにおけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の実効屈折率を、それぞれ、ＮＴＥ＠ＷＧ２及びＮＴＭ＠ＷＧ２として、
    　上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ１，ＮＴＭ＠ＷＧ１，ＮＴＥ＠ＷＧ２，ＮＴＭ＠ＷＧ２は、それぞれ、上記第１のコアと上記第２のコアとが互いに並走する並走区間の始点からの距離の関数として連続であり、
    　上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ１，ＮＴＭ＠ＷＧ１は、上記並走区間の全体においてＮＴＥ＠ＷＧ１＞ＮＴＭ＠ＷＧ１を満足し、上記実効屈折率ＮＴＥ＠ＷＧ２，ＮＴＭ＠ＷＧ２は、上記並走区間の全体においてＮＴＥ＠ＷＧ２＞ＮＴＭ＠ＷＧ２を満足し、
    　上記実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ１と上記実効屈折率ＮＴＭ＠ＷＧ２との大小関係は、上記並走区間の始点と終点とで逆転しており、
    　上記並走区間において、上記第１のコアと上記第２のコアとの間の間隙に存在する媒質の屈折率をＮｃｌとして、下記式（ａ）で定義される比屈折率差が０．２５以上である、
    ことを特徴とする基板型光導波路素子。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
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