WO2025181968A1 - 光源 - Google Patents

光源

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WO2025181968A1
WO2025181968A1 PCT/JP2024/007398 JP2024007398W WO2025181968A1 WO 2025181968 A1 WO2025181968 A1 WO 2025181968A1 JP 2024007398 W JP2024007398 W JP 2024007398W WO 2025181968 A1 WO2025181968 A1 WO 2025181968A1
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WO
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polarization
waveguide
light
light source
optical
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PCT/JP2024/007398
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French (fr)
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賢哉 鈴木
藍 柳原
知正 清澤
慶太 山口
摂 森脇
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NTT Inc
NTT Inc USA
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
NTT Inc USA
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
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    • G02B6/126—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind using polarisation effects

Definitions

  • the present invention relates to a depolarized light source.
  • variable optical attenuators and coherent communication front ends.
  • These optical devices are primarily made using optical waveguide technology due to their high integration and manufacturability.
  • Depolarizers are elements that depolarize light and are used as measurement light sources for optical devices and as pumping light sources for stimulated Raman fiber amplifiers.
  • a typical existing depolarizer is the Lyot-type depolarizer, which rotates the polarization axis of a 1:2 polarization-maintaining fiber (PMF) by 45° and fusion-splices it.
  • PMF polarization-maintaining fiber
  • this Lyot-type depolarizer requires the use of long-distance fiber, which results in a large device size.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example configuration of the degree of polarization reduction device 110 disclosed in Patent Document 1.
  • excitation light output from a light source (LD) 101 is input to the degree of polarization reduction device 110 via a polarization maintaining fiber (PMF) 102 and a lens 111.
  • PMF polarization maintaining fiber
  • the light waves output from a laser diode (LD) such as LD 101 are linearly polarized.
  • the output light from LD 101 is set up to evenly excite the polarization axis of PMF 102 so that the input light to the degree of polarization reducer 110 is input equally in both a direction horizontal to the main surface of substrate 114 and perpendicular to the propagation direction of the signal light (corresponding to the X-axis direction in Figure 1), and a direction perpendicular to the main surface of substrate 114 (X-axis direction in Figure 1).
  • the polarization axis of PMF 102 is set up at an angle of 45° to the polarization direction of LD 101, i.e., the vibration direction of the electric field.
  • the excitation light input as polarized light in the X-axis and Y-axis directions is separated into X-polarized light and Y-polarized light by the polarization separation waveguide 117.
  • One of the separated excitation lights is guided to the curved waveguide 115, and the other to the straight waveguide 116, where the correlation between the orthogonal polarization components is eliminated, and the light is then polarization-combined by the polarization-combining waveguide section 118 and output to the single mode fiber (SMF) 103 via the lens 121.
  • SMF single mode fiber
  • Patent Document 1 solves the problem of the large size of the Lyot-type depolarizer in which the PMF is fusion-spliced, but still has the following problems:
  • the output from the light source (LD 101) must be input to the degree of polarization reduction device 110 via a polarization-maintaining fiber (PMF 102), and in doing so, the two polarization axes of the PMF must be excited evenly, which increases the amount of work required to align the axes.
  • PMF 102 polarization-maintaining fiber
  • Optical signal processing device 200 is a diagram showing the schematic structure of an optical signal processing device newly proposed in this disclosure that can solve the above-mentioned problems.
  • Optical signal processing device 200 comprises an optical waveguide circuit formed of a silica-based optical waveguide fabricated by depositing glass on an optical waveguide substrate 201 made of a silicon substrate.
  • This optical waveguide circuit includes an input waveguide 202, a first polarization separator 203 that separates a first light wave input from an externally installed light source 215 into two orthogonal polarization components, a first short waveguide 204 that guides the first light wave of the first polarization component, a first long waveguide 205 that guides the first light wave of the second polarization component, the first long waveguide 205 having a longer optical path length than the first short waveguide 204, a first depolarization section 220 that is composed of a first polarization multiplexer 206 that is connected to the output sides of the first short waveguide 204 and the first long waveguide 205 and multiplexes the first light waves that have propagated through each of the first short waveguide 204 and the first long waveguide 205, a first connecting waveguide 207, and a polarization It is formed by a second depolarization section 230 consisting of an optical rotator 208, a second connecting waveguide 209, a second polarization separator
  • Light waves output from a light source 215 installed outside the substrate are input via an optical fiber 216 to an input waveguide 202 formed on the substrate 201 of the optical signal processing device 200.
  • An optical fiber 217 is connected to the output waveguide 214.
  • the direction horizontal to the main surface of substrate 201 and perpendicular to the propagation direction of the light wave is defined as the X-axis direction
  • the direction vertical to the main surface of substrate 201 and perpendicular to the propagation direction of the light wave is defined as the Y-axis direction
  • the component of the optical electric field oscillating in the X-axis direction is defined as X-polarized light
  • the component of the optical electric field oscillating in the Y-axis direction is defined as Y-polarized light.
  • FIG. 2B is a diagram schematically showing the state of X-polarized light and Y-polarized light at various points in the optical signal processing device of FIG. 2.
  • elements with the same reference numerals as in FIG. 2A are the same as in FIG. 2A.
  • FIG. 2B elements with the same reference numerals as in FIG. 2A are the same as in FIG. 2A.
  • polarization state 251 schematically shows the X-polarized and Y-polarized light of the light waves input to input waveguide 202
  • polarization state 252 shows the X-polarized and Y-polarized light of the light waves propagating through first connecting waveguide 207
  • polarization state 253 shows the X-polarized and Y-polarized light of the light waves propagating through second connecting waveguide 209
  • polarization state 254 shows the relationship between the X-polarized and Y-polarized light of the light waves propagating through output waveguide 214.
  • signal light from a light source 215 having a linewidth ⁇ f is incident via an optical fiber 216 onto an input waveguide 202 formed on an optical waveguide substrate 201.
  • the optical fiber 216 may be either an SMF or a PMF.
  • the first light wave incident on the input waveguide 202 has two orthogonal components, X polarization and Y polarization, as shown in polarization state 251 in Figure 2B.
  • This light wave is separated into X-polarized light and Y-polarized light by first polarization separator 203.
  • the separated first light wave of the first polarization component is guided to first long waveguide 205, and the separated first light wave of the second polarization component is guided to first short waveguide 204.
  • the first light waves propagating through first long waveguide 205 and first short waveguide 204 are given a delay ⁇ due to the optical path difference ⁇ L 1 between them, and are then combined by first polarization combiner 206.
  • This combined first light wave has a state in which a delay ⁇ occurs between the X-polarized light and the Y-polarized light, as shown in polarization state 252 in FIG. 2B .
  • the first light wave multiplexed by first polarization multiplexer 206 is input to polarization rotator 208 via first connecting waveguide 207.
  • Polarization rotator 208 has the function of rotating the polarization of the input light wave by an amount equivalent to 45°. That is, as shown by the dotted arrows in polarization state 253 in FIG. 2B, of the light wave that was X-polarized in first connecting waveguide 207 (dotted arrow in polarization state 252), a portion equivalent to 1/2 in intensity remains X-polarized, while the remaining 1/2 is converted to Y-polarized. Similarly, as shown by the solid arrows in polarization state 253 in FIG. 2B, of the light wave that was Y-polarized in first connecting waveguide 207 (solid arrow in polarization state 251), a portion equivalent to 1/2 in intensity remains Y-polarized, while the remaining 1/2 is converted to X-polarized.
  • the second lightwave output from the polarization rotator 208 is further separated into two orthogonal polarization components, X-polarized light and Y-polarized light, by the second polarization separator 210 via the second connecting waveguide 209.
  • the second lightwave of the first polarization component separated by the second polarization separator 210 is guided to the second long waveguide 212, and the second lightwave of the second polarization component is guided to the second short waveguide 211.
  • the second lightwaves of each polarization component propagating through the second long waveguide 212 and the second short waveguide 211 are given a delay due to the optical path difference 2 ⁇ L 1 therebetween, as shown by the polarization state 254 in FIG. 2B , and are then multiplexed by the second polarization multiplexer 213.
  • the lightwave is output to the output fiber 217 via the output waveguide 214.
  • the light waves input from the light source 215 are output as unpolarized.
  • the light waves that were linearly polarized when output from the light source 215 have two orthogonal polarization components when output to the output fiber 217, becoming depolarized light with reduced correlation between these orthogonal components.
  • the spectral linewidth of the light wave output from light source 215 is ⁇ f.
  • the correlation between the optical signals output at time 0 seconds and time 1/ ⁇ f is sufficiently small. This time 1/ ⁇ f is called the coherence time.
  • first light wave output from light source 215 is not incident equally in the X-axis and Y-axis directions, a bias will occur in the intensity of the X-polarized and Y-polarized light wave at the position of first connecting waveguide 207.
  • first light wave input from light source 215 to input waveguide 202 happens to be X-polarized or Y-polarized, its polarization state will be preserved during propagation from first polarization separator 203 to first polarization multiplexer 206.
  • the first light wave output from the first depolarization unit 220 is input to the polarization rotator 208 via the first connecting waveguide 207.
  • This polarization rotator 208 has the function of rotating the polarization state of the input light wave, which is biased in the X-axis or Y-axis direction, by 45°, and equalizing the X-axis and Y-axis components. That is, the light wave component that was X-polarized in the first connecting waveguide 207 is separated equally into the X-axis and Y-axis components by the polarization rotator 208.
  • the light wave component that was Y-polarized in the first connecting waveguide 207 is separated equally into the X-axis and Y-axis components by the polarization rotator 208. Therefore, in the propagation of the light wave from the second polarization separator 210 to the second polarization multiplexer 213, i.e., in the second depolarization unit 230, depolarized light is generated by a mechanism similar to the propagation from the first polarization separator 203 to the first polarization multiplexer 206 described above.
  • the delay time between polarizations from the second polarization separator 210, which is the second depolarization unit 230, to the second polarization combiner 213 is 2 ⁇ or more.
  • the four polarization components in the output waveguide 214 shown in polarization state 254 in Figure 2B are light waves output from the light source 215 simultaneously and have a correlation of 1. Therefore, by setting the delay time to 2 ⁇ or more, the delay time between the polarization component shown by the solid line in the X-axis direction and the polarization component shown by the dotted line in the Y-axis direction in polarization state 254 becomes ⁇ or more, making it possible to sufficiently depolarize the output light wave from the light source 215 with a linewidth ⁇ f.
  • the optical waveguide circuit comprises a first depolarizing section and a second depolarizing section, and is configured so that the first depolarizing section and the second depolarizing section are connected via a polarization rotator.
  • the output from the light source (LD) can be guided without passing through a polarization-maintaining fiber, allowing the use of less expensive single-mode fiber.
  • silica-based optical waveguide Because a silica-based optical waveguide is used, it is possible to use the same optical fiber butt joints used in implementing silica-based optical waveguide devices, simplifying the manufacturing process. Furthermore, butt joint connections in silica-based optical waveguides are generally made by bonding the optical fiber and silica-based optical waveguide with a refractive index-matched resin, which reduces the reflection loss that occurs in silicon waveguides and provides superior loss, an important performance index for passive devices.
  • silica-based optical waveguides have significantly lower optical waveguide propagation loss than silicon waveguides, satisfying important performance indicators for passive devices.
  • optical signal processing device 200 can solve the above-mentioned problems, because this optical signal processing device 200 is connected to the light source 215 via optical fiber 216, there are still problems in miniaturizing the overall size of the device as a light source.
  • One of the purposes of this disclosure is to solve the problems with the optical signal processing device shown in Figure 2, and to provide a small, inexpensive, low-loss light source that eliminates polarization.
  • the light source includes a silicon substrate, at least one light-emitting element, and an optical waveguide circuit consisting of a silica-based optical waveguide formed on the silicon substrate, where the at least one light-emitting element is integrated on the silicon substrate, and the optical waveguide circuit includes at least one depolarization section and a polarization rotator connected to the depolarization section, and the depolarization section includes a polarization separator that separates an input light wave into two orthogonal polarization components, a short waveguide through which the light wave of the first polarization component is guided, a long waveguide through which the light wave of the second polarization component is guided, the long waveguide having a longer optical path length than the short waveguide, and a polarization multiplexer that combines the light waves propagating through the short waveguide and the long waveguide.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of a conventional degree-of-polarization reducing device 110 disclosed in Patent Document 1.
  • 1 is a diagram showing a schematic structure of an optical signal processing device 200 according to the present disclosure that solves the problems of the conventional technology.
  • 2 is a diagram schematically illustrating polarization components of signal light propagating through each waveguide in the optical signal processing device 200.
  • FIG. FIG. 1 is a diagram showing a schematic structure of a light source according to a first embodiment of the present disclosure.
  • 10A and 10B are schematic diagrams illustrating the configuration of a polarization separator and a polarization multiplexer according to a second embodiment of the present disclosure.
  • FIGS. 10A and 10B are diagrams illustrating schematic configurations of a polarization separator and a polarization multiplexer according to a third embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 10 is a diagram schematically illustrating the configuration of a polarization separator and a polarization multiplexer according to a fourth embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 10 is a diagram schematically illustrating the configuration of a polarization separator and a polarization multiplexer according to a fifth embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 10 is a diagram schematically illustrating the configuration of a polarization rotator according to a sixth embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 9 is a diagram showing the calculation results of the relationship between output power Io(x) and Io(y) and wavelength when a ⁇ /2 wave plate and a ⁇ /4 wave plate are used as phase plates of the polarization rotator of FIG. 8.
  • FIG. FIG. 10 is a diagram schematically illustrating the configuration of a polarization rotator according to a seventh embodiment of the present disclosure.
  • 11 is a diagram showing the calculation results of the stress distribution and the change in refractive index when a stress relief groove is formed on one side surface of the optical waveguide of the polarization rotator of FIG. 10.
  • FIG. FIG. 13 is a diagram showing a schematic structure of a light source according to an eighth embodiment of the present disclosure.
  • the light-emitting element and the optical waveguide circuit with depolarization function are integrated and formed integrally on the same substrate, making it possible to reduce the size compared to when the optical signal processing device and light source shown in Figure 2 are used.
  • the first embodiment discloses a light source 300 formed by integrally integrating a light-emitting element 301, such as a semiconductor laser element, on the substrate 201 of the optical signal processing device shown in Figure 2.
  • the light source 300 can be used, for example, as an excitation light source for a stimulated Raman fiber amplifier.
  • the light source 300 comprises a light-emitting element 301 integrated and arranged on an optical waveguide substrate 201 made of a silicon substrate, and an optical waveguide circuit 302 formed from a silica-based optical waveguide created by depositing glass on the substrate 201.
  • the optical waveguide circuit 302 is similar to that shown in FIG. 2 and includes an input waveguide 202, a first polarization separator 203 that separates the first light wave input from the light-emitting element 301 into two orthogonal polarization components, a first short waveguide 204 that guides the first light wave of the first polarization component, a first long waveguide 205 that guides the first light wave of the second polarization component and has a longer optical path length than the first short waveguide 204, a first depolarization section 220 that is composed of a first polarization multiplexer 206 that is connected to the output sides of the first short waveguide 204 and the first long waveguide 205 and multiplexes the first light waves that have propagated through the first short waveguide 204 and the first long waveguide 205, and a first connecting waveguide 207.
  • a polarization rotator 208 a second connecting waveguide 209, a second polarization separator 210 that separates the second light wave output from the polarization rotator 208 into two orthogonal polarization components, a second short waveguide 211 that guides the second light wave of the first polarization component, a second long waveguide 212 that guides the second light wave of the second polarization component and has a longer optical path length than the second short waveguide 211, a second depolarization section 230 that includes a second polarization multiplexer 213 that is connected to the output sides of the second short waveguide 211 and the second long waveguide 212 and multiplexes the second light waves that have propagated through the second short waveguide 211 and the second long waveguide 212, and an output waveguide 214.
  • the light source 300 has a light emitting element 301 integrated integrally with a silicon substrate 201 on which an optical waveguide circuit is formed.
  • the same reference numerals as in Figure 2 are the same as those in Figure 2, and their operation is as described above, so detailed explanations will be omitted here.
  • One method of integrating the light-emitting element 301 onto the substrate 201 is, for example, to form a groove on the glass substrate that forms the quartz-based optical waveguide, exposing the side of the input optical waveguide 202, and then integrate the light-emitting element, such as a semiconductor laser element, as the light-emitting element 301 shown in the figure.
  • the light-emitting element such as a semiconductor laser element
  • the optical waveguide circuit includes two first depolarizing sections and a second depolarizing section, but as will be described later, the optical waveguide circuit may also include only the second depolarizing section.
  • the light-emitting elements are integrated into one unit, there is no need for optical fibers or the like to transmit light from the light-emitting elements to the optical waveguide circuit, making it possible to obtain a small, inexpensive, depolarized light source.
  • Figure 4 shows the schematic configuration of polarization separators 203 and 210 and polarization multiplexers 206 and 213. While Figure 4 explains their operation as polarization separators, it is possible to make them operate as polarization multiplexers by propagating light waves in the opposite direction. In other words, the configuration shown in Figure 4 can be operated as the first and second polarization separators and the first and second polarization multiplexers of Figure 3.
  • the polarization separator 400 shown in FIG. 4 comprises a first polarization separator input waveguide 401, an optical intensity separating element 402 that separates the signal light output from the first polarization separator input waveguide 401, arm waveguides 403 and 404 through which the signal light separated by the optical intensity separating element 402 is guided, a phase plate 405 that is installed on the arm waveguide 403 and changes the phase of each polarization component of the light wave propagating through the arm waveguide 403, a phase plate 406 that is installed on the arm waveguide 404 and changes the phase of each polarization component of the signal light propagating through the arm waveguide 404, an optical intensity combining element 407 that combines the signal light that has passed through each of the phase plates 405 and 406, a first polarization separator output waveguide 408 from which the signal light combined by the optical intensity combining element is output, and a second polarization separator output waveguide 409.
  • phase plates are installed on the arm waveguides 403 and 404 by cutting the optical waveguide and inserting them.
  • the polarization separator may be a two-beam interferometer including two arm waveguides (corresponding to arm waveguides 403, 403 in Figure 4), with at least one of the two arm waveguides having a polarization-dependent phase adjustment element for adjusting the phase of each polarization component.
  • this polarization-dependent phase adjustment element corresponds to phase plates 405 and 406, but may also be a part corresponding to a stress relief groove formed near the side of the optical waveguide, as in the fourth embodiment described below.
  • the polarization separator 400 shown in Figure 4 is used as the first polarization separator 203 in Figure 3.
  • the input waveguide 202 in Figure 3 is connected to the first polarization separator input waveguide 401.
  • the light wave input to the first polarization separator input waveguide 401 is branched by the first optical intensity splitter element 402 into arm waveguides 403 and 404.
  • the interference state of the light waves results in a phase shift of 180 degrees, or an amount equivalent to ⁇ /2, between the X-polarized and Y-polarized light.
  • the interference state of the light waves results in a phase shift of 180 degrees, or an amount equivalent to ⁇ /2, between the X-polarized and Y-polarized light.
  • X-polarized light can be input from the first polarization separator output waveguide 408 and Y-polarized light can be input from the second polarization separator output waveguide 409.
  • the optical intensity splitting element 402 and the optical intensity combining element 407 may be, for example, an optical directional coupler or a multimode interference coupler. Furthermore, a 1:2 Y-branch waveguide may be used as the optical intensity splitting element 402 when operating as a polarization splitter, or as the optical intensity combining element 407 when operating as a polarization combiner.
  • the third embodiment an aspect of improving the polarization extinction ratio of the first polarization separator 203 and the second polarization separator 210 in Fig. 3 will be described. If the polarization extinction ratio of the polarization separator is not good, the performance of the depolarization function of the light source in Fig. 3 may be degraded. In order to improve the polarization extinction ratio, the polarization separator of this embodiment shown in Fig. 5 can be used.
  • Figure 5 discloses an embodiment in which the polarization separators described in the second embodiment are connected in multiple stages.
  • the polarization separator 500 of the third embodiment comprises a first polarization separator 501 and second and third polarization separators 502 and 503.
  • the same reference numerals as in Figure 4 indicate the same elements as in Figure 4, and therefore their explanation will be omitted here.
  • the second polarization separator 502 is arranged with the first polarization separator 501 and the third polarization separator 503 vertically inverted relative to the direction of the figure.
  • the light wave input to the polarization separator input waveguide 504 is polarized and separated by the first polarization separator 501 into the first connecting waveguide 505 and the second connecting waveguide 506, respectively.
  • the first connecting waveguide 505 is mainly composed of the X-polarized component
  • the second connecting waveguide 506 is mainly composed of the Y-polarized component.
  • the polarization extinction ratio of the first polarization separator 501 is finite, and a Y-polarized component corresponding to the polarization extinction ratio remains in the first connecting waveguide 505, and an X-polarized component corresponding to the polarization extinction ratio remains in the second connecting waveguide 506.
  • the performance of the polarization depolarization function of the optical waveguide circuit of the light source 300 in Figure 3 can be limited by the polarization extinction ratios of the polarization separators 203, 210 and polarization multiplexers 206, 213.
  • a second polarization separator 502 is installed downstream of the first connecting waveguide 505, transmitting only the X-polarized component, and a third polarization separator 503 is installed downstream of the second connecting waveguide 506, transmitting only the Y-polarized component.
  • output waveguide 507 which is mainly the X-polarized component
  • first connecting waveguide 505 which is the first output waveguide of first polarization separator 501
  • output waveguide 508 which is mainly the Y-polarized component
  • third polarization separator 503 connected to second connecting waveguide 506, which is the second output waveguide of first polarization separator 501
  • first polarization separator output waveguide and second polarization separator output waveguide of polarization separator 500 can be used as the first polarization separator output waveguide and second polarization separator output waveguide of polarization separator 500.
  • the polarization separator 500 of the embodiment shown in Figure 5 it is possible to obtain a polarization extinction ratio, expressed in decibels as twice the polarization extinction ratio of each polarization separator alone, for output waveguide 507, which corresponds to first polarization separator output waveguide 408, and output waveguide 508, which corresponds to second polarization separator output waveguide 409, of the polarization separator shown in Figure 4. Therefore, when the polarization separator 500 of this embodiment is used, the performance of the depolarization function of the light source shown in Figure 3 is improved.
  • the polarization separators may be connected in multiple stages to improve the polarization extinction ratio. While the above description explicitly assigns X polarization and Y polarization, it should be understood that, depending on the circuit configuration, X polarization and Y polarization may be interchanged for operation.
  • the fourth embodiment shows another aspect of the specific configuration of the polarization splitters (203, 210) and polarization multiplexers (206, 213) of the light source shown in Fig. 3.
  • a portion of the optical waveguide in which stress relief grooves are formed is used as the polarization-dependent phase adjustment element.
  • Figure 6 is a diagram showing the general structure of polarization separator 600, which is another specific embodiment of the polarization separators (203, 210) or polarization multiplexers (206, 213) in Figure 3.
  • Figure 6 explains its operation as a polarization separator, but it is also possible to make it operate as a polarization multiplexer by propagating light waves in the opposite direction.
  • the polarization separator 600 shown in FIG. 6 comprises a first polarization separator input waveguide 601, an optical intensity splitter element 602 that splits the optical waves output from the first polarization separator input waveguide 601, arm waveguides 603 and 604 that guide the optical waves split by the optical intensity splitter element 602, stress relief grooves 605a and 605b formed on the substrate 201 near both side surfaces of the arm waveguide 604, an optical intensity combining element 607 that combines the optical waves that have passed through the arm waveguides 603 and 604, a first polarization separator output waveguide 608 that outputs the optical waves combined by the optical intensity combining element 607, and a second polarization separator output waveguide 609.
  • 610 is a second polarization separator input waveguide, but is not used in the polarization separator.
  • a light wave input to the first polarization separator input waveguide 601 is branched into arm waveguides 603 and 604 by the first optical intensity splitter element 602.
  • arm waveguide 604 has stress relief grooves 605a and 605b formed on the substrate on both sides of it.
  • silica-based optical waveguides made of glass or other materials with very low propagation loss undergo high-temperature heat treatment during their manufacturing process, which applies large compressive stress to the glass layer due to the difference in linear expansion coefficient between the silicon substrate that serves as the substrate and the glass layer through which the signal light is guided. Therefore, optical waveguides have birefringence due to the photoelastic effect. This birefringence prevents the X-polarized and Y-polarized light waves input into the optical waveguide circuit of the light source disclosed herein from being converted into each other except in intended locations, providing the function of maintaining and propagating the X-polarized and Y-polarized light.
  • a light wave input to the first polarization separator input waveguide 601 connected to the input waveguide 202 is branched by the first light intensity splitter element 602 into arm waveguides 603 and 604.
  • arm waveguide 604 has stress relief grooves 605a and 605b formed near both side surfaces. Birefringence is eliminated in the portions of arm waveguide 604 corresponding to stress relief grooves 605a and 605b.
  • arm waveguide 603 has no stress relief grooves formed, so birefringence is maintained. Therefore, it is possible to set different interference states for the X-polarized component and the Y-polarized component in the light intensity combining element 607.
  • the formulation of the interference state in this polarization separator 600 is described in detail below.
  • n x be the refractive index of arm waveguide 603 for the X-polarized component
  • n y be the refractive index for the Y-polarized component
  • dL 2 be the optical path length difference between arm waveguide 603 and arm waveguide 604.
  • L 3 be the length of stress relief grooves 605 a and 605 b along arm waveguide 604 (in the Z-axis direction in FIG. 6 )
  • ⁇ the wavelength of the signal light.
  • the amount of phase change ⁇ of the signal light propagating through arm waveguide 603 can be expressed as the following (Equation 1) and (Equation 2) for the X-polarized component and the Y-polarized component, respectively.
  • ⁇ x (603) 2 ⁇ n x ⁇ (dL 2 +L 3 )/ ⁇ (Formula 1)
  • ⁇ y (603) 2 ⁇ ny ⁇ (dL 2 +L 3 )/ ⁇ (Formula 2)
  • ⁇ x (603) is the amount of phase change in the X-polarized component of the signal light propagating through the arm waveguide 603
  • ⁇ y (603) is the amount of phase change in the Y-polarized component of the signal light propagating through the arm waveguide 603.
  • the birefringence of the signal light propagating through the arm waveguide 604 is eliminated by the stress relief grooves 605a and 605b, so that the refractive index for both the X-polarized component and the Y-polarized component can be set to n1 .
  • the phase change amount of each polarization component in the arm waveguide 604 is expressed as the following (Equation 3) and (Equation 4), respectively.
  • ⁇ x (604) 2 ⁇ n 1 ⁇ L 3 / ⁇ (Formula 3)
  • ⁇ y (604) 2 ⁇ n 1 ⁇ L 3 / ⁇ (Formula 4)
  • ⁇ x (604) is the amount of phase change in the X-polarized component of the signal light propagating through the arm waveguide 604
  • ⁇ y (604) is the amount of phase change in the Y-polarized component of the signal light propagating through the arm waveguide 604.
  • the X-polarized component of the signal light and dL2 and L3 should be set so as to satisfy the following (Equation 5) and (Equation 6), respectively.
  • ⁇ x (603) - ⁇ x (604) 2 ⁇ m (Formula 5)
  • ⁇ y (603) ⁇ y (604) 2 ⁇ (m+1/2) (Formula 6)
  • m is an integer
  • nx , ny , and n1 are constants determined by physical properties.
  • Two variables, dL2 and L3 are introduced into the two equations (Equation 5) and (Equation 6), so they can be solved.
  • a polarization separator is shown as an example in which the arm waveguide portions corresponding to the stress relief grooves 605 a and 605 b formed near both side surfaces of the arm waveguide are used as polarization-dependent phase adjustment elements, but even in this embodiment, the polarization extinction ratio can exhibit a finite value. Therefore, as the fifth embodiment, a mode in which a high polarization extinction ratio can be obtained even when the polarization separator of the fourth embodiment is used is disclosed.
  • the polarization separator 700 of the fifth embodiment comprises a first polarization separator 701 and second and third polarization separators 702 and 703.
  • the same symbols as in Figure 6 are used to indicate the same components as in Figure 6, and therefore their explanation will be omitted here.
  • the light wave input to the polarization separator input waveguide 704 of the polarization separator 700 of the fifth embodiment is polarized and separated by the first polarization separator 701 into the first connecting waveguide 705 and the second connecting waveguide 706, with the first connecting waveguide 705 being dominated by the X-polarized component and the second connecting waveguide 706 being dominated by the Y-polarized component.
  • the connecting waveguides dominated by the X-polarized component and the Y-polarized component may be reversed.
  • the polarization extinction ratio of the polarization separator is finite, and the Y-polarized component corresponding to the polarization extinction ratio remains in the first connecting waveguide 705, and the X-polarized component corresponding to the polarization extinction ratio remains in the second connecting waveguide 706.
  • the performance of the polarization depolarization function of the optical waveguide circuit of the light source in Figure 3 can be limited by the polarization extinction ratio of the polarization separator and polarization multiplexer.
  • a second polarization separator 702 is installed downstream of the first connecting waveguide 705, transmitting only the X-polarized component, and a third polarization separator 703 is installed downstream of the second connecting waveguide 706, transmitting only the Y-polarized component.
  • output waveguide 707 which is mainly the X-polarized component
  • first connecting waveguide 705 which is the first output waveguide of first polarization separator 701
  • first polarization separator output waveguide and second polarization separator output waveguide of polarization separator 700 can be used as the first polarization separator output waveguide and second polarization separator output waveguide of polarization separator 700.
  • the polarization separator 700 of the embodiment shown in Figure 7 it is possible to obtain a polarization extinction ratio, expressed in decibels, that is twice that of each polarization separator alone for the output waveguide 707 corresponding to the first polarization separator output waveguide 608 of the polarization separator 600 shown in Figure 6 and the output waveguide 708 corresponding to the second polarization separator output waveguide 609. Therefore, when the polarization separator 600 of this embodiment is used, the performance of the polarization depolarization function of the optical waveguide circuit of the light source shown in Figure 3 is improved. If a higher polarization extinction ratio is required, the polarization extinction ratio can be improved by connecting polarization separators in multiple stages.
  • a further feature of this embodiment is that the stress relief groove disclosed in the fourth embodiment can be formed as three stress relief grooves 711, 712, and 713, as shown in Figure 7.
  • stress relief groove 711 By arranging stress relief groove 711 so that it is shared by second polarization separator 702 and third polarization separator 703, it is possible to reduce the layout space of the optical circuit, which has the advantage of leading to a reduction in device size.
  • a polarization rotator can be realized by providing an optical waveguide with a polarization-dependent phase adjustment element.
  • Figure 8 is a diagram schematically illustrating the configuration of a polarization rotator 800 used as the polarization rotator 208 in Figure 3.
  • the polarization rotator 800 of this embodiment includes a polarization rotator waveguide 801 connected between the first connecting waveguide 207 and the second connecting waveguide 209 in Figure 3, and a phase plate 802, which is a polarization-dependent phase adjustment element, installed on the polarization rotator waveguide 801.
  • phase plate 802 is a wavelength plate, and for example, a ⁇ /2 wavelength plate or a ⁇ /4 wavelength plate can be used.
  • phase plate 802 is a ⁇ /2 wave plate.
  • the optical axis of phase plate 802 is installed at an angle of 22.5° to the birefringence axis of the waveguide on substrate 201.
  • the optical axis of phase plate 802 is installed at an angle of 45° to the birefringence axis of the optical waveguide on the substrate.
  • the operating center wavelength of the optical waveguide circuit as a depolarizer is 1.55 ⁇ m and quartz crystal is used as a phase plate.
  • the refractive index of quartz crystal is 1.5277 for ordinary light and 1.5362 for extraordinary light.
  • Equation 8 The calculation of the output electric field Eo to the output power Io can be obtained from the following (Equation 8) based on the above (Equation 7): * in (Equation 8) represents a complex conjugate.
  • Figure 9 shows the results of calculating Io using (Equation 7) and (Equation 8) under the above conditions.
  • Figure 9(a) shows the relationship between wavelength and intensity of Io(x) and Io(y) when a ⁇ /2 wave plate is used as phase plate 802
  • Figure 9(b) shows the relationship between wavelength and intensity of Io(x) and Io(y) when a ⁇ /4 wave plate is used as phase plate 802.
  • the results in Figure 9 show that when a ⁇ /2 wave plate is used as phase plate 802, it operates over a wider wavelength range than when a ⁇ /4 wave plate is used as phase plate 802. Therefore, it is desirable to use a ⁇ /2 wave plate for phase plate 802 in polarization rotator 800.
  • the polarization-dependent phase adjustment element provided in the polarization rotator is a portion of the polarization rotator optical waveguide 1001 that corresponds to a stress relief groove formed on the substrate 201 near one side of the polarization rotator optical waveguide 1001.
  • Figure 11(a) shows the distribution of Von Mises stress when a stress relief groove 1002 is formed near one side of the polarization rotator optical waveguide 1001 of the polarization rotator of this embodiment.
  • Figure 11(a) is a contour diagram showing the in-plane distribution of equivalent stress (Mises stress) in a cross section perpendicular to the optical axis direction in the polarization rotator 1000 of this embodiment
  • Figure 11(b) is a diagram plotting the change in refractive index for the X-axis and Y-axis of stress birefringence in the polarization rotator 1000 of this embodiment.
  • a stress component is generated oblique to the position of the core of the optical waveguide (corresponding to the area surrounded by the dashed line in the figure), and it is expected that the axis of birefringence caused by the photoelastic effect will tilt.
  • the difference in refractive index between the X-axis and Y-axis directions is greatest at an angle of 22.5 degrees, and this angle indicates the major axis of the refractive index ellipse for the optical waveguide portion in which stress relief grooves 1002 are formed on only one side of the optical waveguide.
  • the length of the stress relief groove 1002 in the optical axis direction is L4 , then the length should be set so that the relationship in Equation 9 below is satisfied, that is, Equation 10 below is satisfied, when the operating center wavelength of the signal light from the light source shown in FIG. 3 in which the polarization rotator is used is ⁇ , relative to the difference ⁇ n in refractive index between the X and Y axes.
  • a light source capable of outputting a plurality of different wavelengths.
  • a light source with a wide wavelength range can be achieved by integrating light-emitting elements 1201 and 1202 with a plurality of different wavelengths on a silicon substrate 201 and providing an optical multiplexer 1203 that multiplexes the output lightwaves.
  • This light source can be used, for example, as a pumping light source for a stimulated Raman fiber amplifier.
  • This embodiment can achieve Raman gain over a wide wavelength range.
  • the same reference numerals as in FIG. 3 are the same as those in FIG. 3 , and therefore will not be described here.
  • the optical multiplexer 1203 used in the light source 1200 of this embodiment can be, for example, an optical multiplexer using an arrayed waveguide grating, an optical multiplexer using a Mach-Zehnder interferometer with an optical path length difference, an optical multiplexer in which Mach-Zehnder interferometers are connected in multiple stages, or an optical multiplexer using a Bragg diffraction grating.
  • the light-emitting elements 1201 and 1202 may be integrated using a method similar to that for the light-emitting element 301 described in the first embodiment.
  • the polarization separator, polarization combiner, and polarization rotator provided in the optical waveguide circuit of this light source 1200 may be the polarization separator and polarization combiner described in the second to fifth embodiments, and the polarization rotator described in the sixth and seventh embodiments, respectively.
  • the ninth embodiment shows a light source in a form in which the first depolarization section of the optical waveguide circuit, i.e., the sections from the polarization separator 203 to the polarization multiplexer in Fig. 3, have been removed.
  • Fig. 13 is a diagram showing the schematic structure of a light source 1300 of a first example according to the ninth embodiment.
  • the same reference numerals as in Fig. 3 are the same as those in Fig. 3, and therefore their description will be omitted here.
  • the polarization of the output light waves of a semiconductor laser is generally biased towards one of the surfaces of the semiconductor chip.
  • the polarization of the light waves output from the light source 1300 of this embodiment generally has components in the X-axis direction or the Y-axis direction.
  • the first depolarization unit i.e., the first depolarization unit 220 in Figure 3, i.e., the first polarization separator 203, the first polarization multiplexer 206, and the first short waveguide 204 and the first long waveguide 205 connecting the two, may not be necessary.
  • the polarization rotator 208 separates the output light waves from the light-emitting element 1101, which is a semiconductor laser light source, equally into X-axis and Y-axis components. Therefore, the light is depolarized by the second depolarization unit 230, i.e., the polarization separator 210 to the polarization combiner 213 in Figure 12, to generate depolarized light.
  • the second depolarization unit 230 i.e., the polarization separator 210 to the polarization combiner 213 in Figure 12, to generate depolarized light.
  • the number of optical circuit elements can be reduced compared to the second embodiment, making it possible to realize a light source that is compact yet has the necessary and sufficient depolarization function.
  • the first depolarization unit 220 i.e., the first polarization separator 203 to the first polarization multiplexer 206 in Figure 12, can be removed.
  • Figure 14 shows the schematic structure of a light source 1400 of a second example of this embodiment.
  • the polarization separators, polarization combiners, and polarization rotators provided in the optical waveguide circuits of light source 1300 and light source 1400 may be the polarization separators and polarization combiners described in the second to fifth embodiments, and the polarization rotators described in the sixth and seventh embodiments, respectively.
  • this disclosure makes it possible to obtain a small, inexpensive depolarized light source in which a light-emitting element and an optical waveguide circuit with depolarization functionality are integrated onto a substrate.

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Abstract

シリコン基板と、少なくとも１つの発光素子と、シリコン基板上に形成された石英系の光導波路からなる光導波路回路とを含む光源である。発光素子は、シリコン基板上に集積して形成されている。光導波路回路は、偏光解消部と、偏光解消部と接続される偏光回転器とを備える。偏光解消部は、入力された光波を直交する２つの偏光成分に分離する偏光分離器と、第一の偏光成分の光波が導波する短尺導波路と、第二の偏光成分の光波が導波する短尺導波路より光路長が長い長尺導波路と、短尺導波路および長尺導波路の各々を伝搬した各光波を合波する偏光合波器とを備える。発光素子からの光波の偏光は、偏光回転器により直交する２つの偏光成分を持つように回転されたのち、偏光解消部に入力されて偏光分離器により直交する２つの偏光成分に分離され、分離された２つの偏光に対して遅延差が付与されたのちに、偏光合波器により偏光合波される。

Description

光源
　本発明は、偏光が解消された光源に関する。
　インターネット等のデータ通信ネットワーク需要の拡大により、光通信ネットワークにはいっそうの大容量化が望まれている。このようなネットワーク需要の拡大に対応するため、各種の光デバイスが実用化されており、その例としては、光可変減衰器やコヒーレント通信用フロントエンドなどが挙げられる。これらの光デバイスはその集積性、製造性の高さから光導波路技術が主な構成技術である。
　偏光解消装置（以下、デポラライザとも呼ぶ）は光の偏波を解消する素子として、光学デバイスの測定用光源や誘導ラマンファイバアンプの励起光源に用いられる。代表的な既存の偏光解消装置としては、１：２の長さをもつ偏波保持ファイバ（ＰＭＦ）の偏光軸を４５°回転させて融着接続したＬｙｏｔ型のデポラライザが知られている。しかしながら、このＬｙｏｔ型のデポラライザは、長距離のファイバを用いる必要があり装置が大型化するという課題があった。（非特許文献１）
　このような課題に対し、偏光解消装置を小型化するために、集積デバイスとして光導波路技術を用いて構成する例が知られている。（例えば、特許文献１参照）。図１は特許文献１に開示される偏光度低減装置１１０の構成例を示す図である。図１に示される例では、光源（ＬＤ）１０１から出力された励起光が、偏波保持ファイバ（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　Ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ　Ｆｉｂｅｒ：以下、ＰＭＦという）１０２およびレンズ１１１を介して偏光度低減装置１１０に入力される。一般にＬＤ１０１のようなレーザダイオード（Ｌａｓｅｒ　Ｄｉｏｄｅ：以下、ＬＤという。）から出力される光波は直線偏光である。
　しかしながら、特許文献１における偏光度低減装置１１０では、偏光度低減装置１１０への入力光が、基板１１４の主面に対して水平方向且つ信号光の進行方向に対して直交方向（図１におけるＸ軸方向に相当）、および、基板１１４の主面に対して垂直方向（図１におけるＸ軸方向）の両方向の成分が均等に入力されるように、ＬＤ１０１からの出力光はＰＭＦ１０２の偏波軸を均等に励振するように設置される。換言すれば、図１の例では、ＰＭＦ１０２の偏波軸は、ＬＤ１０１の偏波方向、すなわち電界の振動方向に対して４５°傾けて設置される。図１に示される偏光度低減装置１１０では、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の偏光として入力された励起光は、偏波分離導波部１１７により、Ｘ偏光、Ｙ偏光に分離される。分離された励起光のうち一方は迂曲導波路１１５へ、他方は直線導波路１１６へと導波され、直交する偏光成分同士の相関が解消されたうえで、偏波合成導波部１１８により偏波合成されたのちに、レンズ１２１を介してシングルモードファイバ（ｓｉｎｇｌｅ　ｍｏｄｅ　ｆｉｂｅｒ：以下、ＳＭＦという）１０３に出力される。
　特許文献１に開示される偏光度低減装置では、ＰＭＦを融着接続したＬｙｏｔ型デポラライザにおける装置の大型化に関する課題は解消するものの、なお、つぎのような問題点が存在していた。
　（１）光源（ＬＤ１０１）からの出力を、偏波保持ファイバ（ＰＭＦ１０２）を介して偏光度低減装置１１０に入力する必要があり、その際にＰＭＦの２つの偏光軸を均等に励振する必要があり、その軸方向の調心工数が増える。
　（２）ＰＭＦ１０２からの光波を基板上に形成された偏光度低減装置に入力し、出力光をＳＭＦに結合するためにレンズ１１１を必要とするため、精密な光学調心が必要であり、製造工程数が増加する。
（３）光源（ＬＤ１０１）から偏光度低減装置１１０への入力にＰＭＦ１０２を用いているため、ピッグテール部分に起因する装置の大型化が避けられない。
（４）シリコン導波路を用いているため、そもそもの導波路伝搬に起因する損失が大きく、迂曲導波路に起因する損失と直線導波路に起因する損失をバランスさせるため損失用導波路１１９を設ける必要があり、装置全体の損失が増大する。
（本開示に係る光信号処理装置）
　図２Ａは、本開示において新たに提案される上記のような問題点を解消することができる光信号処理装置の概略的な構造を示す図である。光信号処理装置２００は、シリコン基板からなる光導波路基板２０１上にガラスを堆積させて作製した石英系光導波路により形成された光導波路回路からなる。
　この光導波路回路は、入力導波路２０２と、外部に設置された光源２１５から入力された第一の光波を直交する２つの偏光成分に分離する第一の偏光分離器２０３、第一の偏光成分の第一の光波が導波する第一の短尺導波路２０４、第二の偏光成分の第一の光波が導波する第一の長尺導波路２０５であって第一の短尺導波路２０４よりも光路長が長い第一の長尺導波路２０５、第一の短尺導波路２０４および第一の長尺導波路２０５の出力側と接続され第一の短尺導波路２０４および第一の長尺導波路２０５の各々を伝搬した各第一の光波を合波する第一の偏光合波器２０６からなる第一の偏光解消部２２０と、第一の接続導波路２０７と、偏光回転器２０８と、第二の接続導波路２０９と、偏光回転器２０８から出力された第二の光波を直交する２つの偏光成分に分離する第二の偏光分離器２１０、第一の偏光成分の第二の光波が導波する第二の短尺導波路２１１、第二の偏光成分の第二の光波が導波する第二の長尺導波路２１２であって第二の短尺導波路２１１よりも光路長が長い第二の長尺導波路２１２、第二の短尺導波路２１１および第二の長尺導波路２１２の出力側と接続され第二の短尺導波路２１１および第二の長尺導波路２１２の各々を伝搬した各第二の光波を合波する第二の偏光合波器２１３からなる第二の偏光解消部２３０と、出力導波路２１４により形成されている。
　基板外に設置された光源２１５から出力された光波は、光ファイバ２１６を介して光信号処理装置２００の基板２０１上に形成された入力導波路２０２に入力される。出力導波路２１４には、光ファイバ２１７が接続されている。
　本明細書においては、例えば図２Ａの座標軸で示すとおり、基板２０１の主面に対して水平方向且つ光波の進行方向に対して直交方向をＸ軸方向、基板２０１の主面に対して垂直方向且つ光波の進行方向に対して直交方向をＹ軸方向とし、Ｘ軸方向に光電界が振動する成分をＸ偏光、Ｙ軸方向に光電界が振動する成分をＹ偏光として説明する。
　図２Ｂは、図２の光信号処理装置の各所におけるＸ偏光とＹ偏光の状態を模式的に示した図である。図２Ｂにおいて、図２Ａと同じ符号を付したものは、図２Ａと同じである。図２Ｂにおいては、偏光状態２５１は、入力導波路２０２に入力された光波のＸ偏光、Ｙ偏光を、偏光状態２５２は、第一の接続導波路２０７を伝搬する光波のＸ偏光、Ｙ偏光を、偏光状態２５３は、第二の接続導波路２０９を伝搬する光波のＸ偏光、Ｙ偏光を、偏光状態２５４は、出力導波路２１４を伝搬する光波のＸ偏光、Ｙ偏光の関係をそれぞれ模式的に示している。
　図２Ａにおいて線幅Δｆをもつ光源２１５からの信号光は光ファイバ２１６を介して、光導波路基板２０１上に形成された入力導波路２０２へと入射される。ここで、光ファイバ２１６は、ＳＭＦ、ＰＭＦのどちらであってもよい。入力導波路２０２に入射された第一の光波は、図２Ｂの偏光状態２５１に示されるように、Ｘ偏光とＹ偏光の直交する２成分を有する。
　この光波は、第一の偏光分離器２０３によりＸ偏光とＹ偏光とに分離される。この分離された第一の偏光成分の第一の光波は、第一の長尺導波路２０５へと、第二の偏光成分の第一の光波は第一の短尺導波路２０４へと導かれる。第一の長尺導波路２０５と第一の短尺導波路２０４の各々を伝搬した第一の光波は、それらの光路長差ΔＬ1に起因する遅延Δτを付与されて第一の偏光合波器２０６で合波される。この合波された第一の光波は、図２Ｂの偏光状態２５２に示されるように、Ｘ偏光とＹ偏光との間に遅延Δτが生じた状態を有する。
　第一の偏光合波器２０６によって合波された第一の光波は、第一の接続導波路２０７を介して、偏光回転器２０８へ入力される。偏光回転器２０８は、入力された光波に対し、４５°に相当する量だけ偏光を回転させる機能を有する。すなわち図２Ｂの偏光状態２５３に点線矢印で示されるように、第一の接続導波路２０７においてＸ偏光であった光波（偏光状態２５２の点線矢印）のうち、強度で１／２に相当する分はそのままＸ偏光を維持し、残りの１／２に相当する分はＹ偏光に変換される。同様に図２Ｂの偏光状態２５３に実線矢印で示されるように、第一の接続導波路２０７においてＹ偏光であった光波（偏光状態２５１の実線矢印）のうち、強度で１／２に相当する分はそのままＹ偏光を維持し、残りの１／２に相当する分はＸ偏光に変換される。
　偏光回転器２０８から出力された第二の光波は、さらに、第二の接続導波路２０９を介して第二の偏光分離器２１０により、直交する２つの偏光成分であるＸ偏光とＹ偏光に分離される。第二の偏光分離器２１０によって分離された第一の偏光成分の第二の光波は第二の長尺導波路２１２へと、第二の偏光成分の第二の光波は第二の短尺導波路２１１へと導かれる。第二の長尺導波路２１２と第二の短尺導波路２１１の各々を伝搬した各偏光成分の第二の光波は、図２Ｂの偏光状態２５４で示されるように、それらの光路長差２ΔＬ1に起因する遅延を付与されて第二の偏光合波器２１３で合波される。最終的に光波は出力導波路２１４を経由して出力ファイバ２１７へと出力される。
　このように動作する光信号処理装置では、光源２１５から入力された光波が無偏光となって出力される。言い換えれば、光源２１５から出力された時点で直線偏波であった光波は、出力ファイバ２１７に出力される時点では、直交する２つの偏光成分をもち、それらの直交成分の相関が低減されたデポラライズ光となる。
　第一の偏光合波器２０６で合波された第一の光波のＸ偏光とＹ偏光の各々の相関時間は、上述した遅延時間Δτに相当し、Δτ＝ｎΔＬ1／Ｃであらわされる。ここで、ｎは整数、ΔＬ1は、第一の長尺導波路２０５と第一の短尺導波路２０４の光路長差、Ｃは光速である。
　今、光源２１５から出力される光波のスペクトル線幅がΔｆであるとする。この場合、時刻０秒と時刻１／Δｆに出力された光信号の相関は十分小さくなる。この時間１／Δｆをコヒーレンス時間と呼ぶ。したがって、図２Ｂを参照すれば理解できるように、ある時刻ｔに光源２１５を出力した光波が偏光状態２５１のようにＸ偏光とＹ偏光とからなる場合には、偏光状態２５２に示すようにＸ偏光、Ｙ偏光が遅延差を持つように変換されるが、その遅延時間Δτが、Δτ＞１／Δｆの条件が成立するとき、Ｘ偏光とＹ偏光の相関は解消されることとなる。
　ところで、光源２１５から出力された第一の光波が、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に等しく入射されない場合は、第一の接続導波路２０７の位置での光波のＸ偏光、Ｙ偏光の強度に偏りを生じる。例えば、極端な場合を例にすると、光源２１５から入力導波路２０２に入力された第一の光波が、たまたまＸ偏光またはＹ偏光となって入力された場合は、第一の偏光分離器２０３から第一の偏光合波器２０６までの伝搬においてその偏波状態は保存される。
　しかしながら、光信号処理装置２００では、第一の偏光解消部２２０から出力された第一の光波は、第一の接続導波路２０７を介して偏光回転器２０８に入力されるようになっている。この偏光回転器２０８は、入力された光波に対しＸ軸方向またはＹ軸方向に偏った偏光状態を４５°回転させ、Ｘ軸成分、Ｙ軸成分を均等にする機能を有する。すなわち、第一の接続導波路２０７においてＸ偏光であった光波成分は、偏光回転器２０８において、Ｘ軸成分とＹ軸成分に均等に分離される。例えば、第一の接続導波路２０７においてＹ偏光であった光波成分は、偏光回転器２０８によりＸ軸成分とＹ軸成分に均等に分離される。したがって、第二の偏光分離器２１０から第二の偏光合波器２１３までの光波の伝搬、すなわち、第二の偏光解消部２３０において、上述した第一の偏光分離器２０３から第一の偏光合波器２０６までの伝搬と同様の機構によりデポラライズ光が生成される。
　第二の偏光解消部２３０である第二の偏光分離器２１０から第二の偏光合波器２１３までの偏光間の遅延時間は２Δτ以上に設定するのが望ましい。図２Ｂの偏光状態２５４に示した出力導波路２１４における４つの偏光成分は、同時に光源２１５を出力した光波であり１の相関を有する。したがって、遅延時間を２Δτ以上に設定することで、偏光状態２５４においてＸ軸方向の実線で示された偏光成分とＹ軸方向の点線で示された偏光成分との間の遅延時間がΔτ以上となるため、線幅Δｆの光源２１５からの出力光波を十分にデポラライズすることが可能となる。
　このように、図２に示した本開示に係る光信号処理装置では、光導波路回路が、第一の偏光解消部と第二の偏光解消部とを備え、第一の偏光解消部と第二の偏光解消部とを偏光回転器を介して接続するように形成されていることから、光源から第一の偏光解消部に入力される光波の偏光状態にかかわらず偏光を解消することが可能であり、つぎのとおり、上述した問題点を解消することができる。
　（１）光源（ＬＤ）から出力を、偏波保持ファイバを介さず導光してもよく、より安価なシングルモードファイバを用いることができる。
　（２）特に偏波保持ファイバの偏光軸を光源であるレーザダイオードＬＤや光信号処理基板偏光解消素子基板との偏光軸とを一致させて設置する必要がなくなり、追加の調心工程が不要となる。このように、シングルモードファイバ自身の価格に加えて、この調心工程を不要にすることによりコストが削減できる。
　（３）石英系の光導波路が用いられているため、石英系光導波路デバイスの実装で用いられている光ファイバのバットジョイントを使うことができ、製造工程の簡略化を図ることができる。また一般に、石英系光導波路におけるバットジョイント接続は、光ファイバと石英系光導波路間が屈折率整合した樹脂で接着されるため、シリコン導波路において生じる反射損失を低減でき、パッシブデバイスとして重要な性能指標である損失の点で優れている。
　（４）さらに、石英系光導波路はシリコン導波路に比べて圧倒的に光導波路伝搬損失が低く、パッシブデバイスとしての重要な性能指標を満足する。
　このように、図２に示した本開示に係る光信号処理装置は、上述した問題点を解消することができるものの、この光信号処理装置２００は、光源２１５と光ファイバ２１６を介して接続されていることから、光源として装置全体の大きさを小型化するうえでなお問題があった。
国際公開２０１３／１４０５２１号
大越、西原、岡本、久間、大津、保立、「光ファイバセンサ」、オーム社、ｐｐ４１－４２（昭和６１年７月３０日）
　本開示は、図２に示した光信号処理装置の問題点を解決することを一つの目的とするものであり、小型、低廉かつ低損失な偏光が解消された光源を提供することを目的とする。
　本開示は、このような目的を達成するための光源であって、その一実施態様の光源は、シリコン基板と、少なくとも１つの発光素子と、シリコン基板上に形成された石英系光導波路からなる光導波路回路とを含む光源であって、少なくとも１つの発光素子がシリコン基板上に集積されて形成されており、光導波路回路が、少なくとも１つの偏光解消部と、偏光解消部と接続される偏光回転器とを備え、偏光解消部が、入力された光波を直交する２つの偏光成分に分離する偏光分離器と、第一の偏光成分の光波が導波する短尺導波路と、第二の偏光成分の光波が導波する長尺導波路であって短尺導波路よりも光路長が長い長尺導波路と、短尺導波路と長尺導波路の各々を伝搬した各光波を合波する偏光合波器とを備える。
特許文献１に開示される従来の偏光度低減装置１１０の構成例を示す図である。 従来技術の問題点を解消する本開示に係る光信号処理装置２００の概略的な構造を示す図である。 光信号処理装置２００における各導波路を伝搬する信号光の偏光成分を模式的に示した図である。 本開示の第一の実施形態に係る光源の概略的な構造を示す図である。 本開示の第二の実施形態に係る偏光分離器、偏光合波器の構成を概略的に示すである。 本開示の第三の実施形態に係る偏光分離器、偏光合波器の構成を概略的に示す図である。 本開示の第四の実施形態に係る偏光分離器、偏光合波器の構成を概略的に示す図である。 本開示の第五の実施形態に係る偏光分離器、偏光合波器の構成を概略的に示す図である。 本開示の第六の実施形態に係る偏光回転器の構成を概略的に示す図である。 図８の偏光回転器の位相板としてλ／２波長板とλ／４波長板を用いた場合の出力電力Ｉｏ（ｘ）とＩｏ（ｙ）と波長の関係の計算結果を示す図である。 本開示の第七の実施形態に係る偏光回転器の構成を概略的に示す図である。 図１０の偏光回転器の光導波路の一方の側面に応力開放溝を形成した場合における応力分布と屈折率の変化の計算結果を示す図である。 本開示の第八の実施形態に係る光源の概略的な構造を示す図である。 本開示の第九の実施形態に係る第一の実施例の光源の概略的な構造を示す図である。 本開示の第九の実施形態に係る第二の実施例の光源の概略的な構成を示す図である。
　以下、図面を参照しながら本開示の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明は例示であり、本開示の要旨を逸脱しない限り一部の構成を変更した実施形態とすることが可能である。同一または類似の符号は同一または類似の要素を示し、繰り返しの説明を省略することがある。以下の説明における数値は例示であり、本開示の要旨を逸脱しない限り他の数値を用いて本開示を実施してもよい。
（第一の実施形態）
　本開示の第一の実施形態に係る光源の概略的な構造を示す図である。本開示の第一の実施形態は、シリコン基板と、少なくとも１つの発光素子と、シリコン基板上にガラスを堆積させて作製した石英系光導波路により形成された光導波路回路からなる光源であって、少なくとも１つの発光素子がシリコン基板上に集積して形成されており、光導波路回路は、少なくとも１つの偏光解消部と、偏光解消部に接続される偏光回転器とを備え、偏光解消部が、入力された光波を直交する２つの偏光成分に分離する偏光分離器と、第一の偏光成分の光波が導波する短尺導波路と、第二の偏光成分の光波が導波する長尺導波路であって短尺導波路よりも光路長が長い長尺導波路と、短尺導波路と長尺導波路の各々を伝搬した各光波を合波する偏光合波器とを備える光源である。
　本開示の態様によれば、発光素子と偏光解消機能を有する光導波路回路とが同じ基板上に集積されて一体に形成されていることから、図２の光信号処理装置と光源とを用いた場合に比較して、小型化が可能となる。
　以下、図３を参照して、本実施態様について具体的に説明する。第一の実施形態は、図２の光信号処理装置の基板２０１に半導体レーザ素子などの発光素子３０１を一体に集積して形成した光源３００を開示するものである。光源３００は、例えば誘導ラマンファイバアンプの励起光源として用いられ得る。
　図に示すように、光源３００は、シリコン基板からなる光導波路基板２０１上に集積して配置された発光素子３０１と、基板２０１上にガラスを堆積させて作製した石英系光導波路により形成された光導波路回路３０２とを備えている。
　光導波路回路３０２は、図２と同様のものであり、入力導波路２０２と、発光素子３０１から入力された第一の光波を直交する２つの偏光成分に分離する第一の偏光分離器２０３、第一の偏波成分の第一の光波が導波する第一の短尺導波路２０４、第二の偏波成分の第一の光波が導波する第一の長尺導波路２０５であって第一の短尺導波路２０４よりも光路長が長い第一の長尺導波路２０５、第一の短尺導波路２０４および第一の長尺導波路２０５の出力側と接続され第一の短尺導波路２０４および第一の長尺導波路２０５の各々を伝搬した各第一の光波を合波する第一の偏光合波器２０６からなる第一の偏光解消部２２０と、第一の接続導波路２０７と、偏光回転器２０８と、第二の接続導波路２０９と、偏光回転器２０８から出力された第二の光波を直交する２つの偏光成分に分離する第二の偏光分離器２１０、第一の偏光成分の第二の光波が導波する第二の短尺導波路２１１、第二の偏光成分の第二の光波が導波する第二の長尺導波路２１２であって第二の短尺導波路２１１よりも光路長が長い第二の長尺導波路２１２、第二の短尺導波路２１１および第二の長尺導波路２１２の出力側と接続され第二の短尺導波路２１１および第二の長尺導波路２１２の各々を伝搬した各第二の光波を合波する第二の偏光合波器２１３からなる第二の偏光解消部２３０と、出力導波路２１４により形成されている。
　また、出力導波路２１４には、光ファイバ３０３が接続されている。このように、本開示に係る光源３００は、光導波路回路が形成されたシリコン基板２０１に発光素子３０１が一体に集積されている。図３において図２と同じ符号のものは、図２と同じであり、その動作は上述したとおりであるため、ここでの詳しい説明は省略する。
　発光素子３０１の基板２０１への集積方法としては、例えば、石英系の光導波路を形成するガラス基板上に溝を形成して入力光導波路２０２の側面を露出させ、半導体レーザ素子などの発光素子を図に示す発光素子３０１として集積するようにすればよい。
　なお、この実施形態では、光導波路回路が２つの第一の偏光解消部と第二の偏光解消部とを備える態様を例示して説明したが、後述するように、光導波路回路は、第二の偏光解消部のみを備えるものであってもよい。
　本実施形態によれば、発光素子を集積して一体化していることから、発光素子からの光を光導波路回路に伝達する光ファイバなどを必要としないので、小型で、低廉な、偏光が解消された光源を得ることができる。
（第二の実施形態）
　第一の実施形態では、本開示の偏光解消機能を有する光源の概略的な構造について述べた。第二の実施形態は、第一および第二の偏光分離器２０３、２１０、ならびに、第一および第二の偏光合波器２０６、２１３の具体的な構成の一態様について説明する。
　図４は、偏光分離器２０３、２１０、偏光合波器２０６、２１３の概略構成を示す図である。図４では、偏光分離器としての動作を説明するが、光波を逆向きに伝搬させることで偏光合波器として動作させることが可能である。換言すれば、図４に示す構成は、図３の第一および第二偏光分離器、ならびに、第一および第二の偏光合波器として動作させることができる。
　図４に示す偏光分離器４００は、第一の偏光分離器入力導波路４０１、第一の偏光分離器入力導波路４０１から出力された信号光を分岐する光強度分離素子４０２、光強度分離素子４０２によって分岐された各々の信号光が導波路するアーム導波路４０３およびアーム導波路４０４と、アーム導波路４０３上に設置され、アーム導波路４０３を伝搬する光波の各偏光成分に対して位相を変化させる位相板４０５およびアーム導波路４０４上に設置され、アーム導波路４０４を伝搬する信号光の各偏光成分に対して位相を変化させる位相板４０６、位相板４０５および位相板４０６の各々を経由した各々の信号光を合流させる光強度合流素子４０７、光強度合流素子で合流した信号光が出力される第一の偏光分離器出力導波路４０８、第二の偏光分離器出力導波路４０９を備えている。
なお、４１０は、第二の偏光分離器入力導波路であるが、偏光分離器においては、使用されない。この実施形態では、アーム導波路４０３および４０４上への位相板の設置は、光導波路を寸断して挿入することにより実現している。
　上述した構成は、例示を意図したものであり、偏光分離器は、２本のアーム導波路（図４のアーム導波路４０３、４０３に相当）を含む２光束干渉計であって、２本のアーム導波路の少なくとも一方に各偏光成分の位相調整を行うための偏光依存位相調整素子を有するものであればよい。この偏光依存位相調整素子は、図４に示される例では、位相板４０５および位相板４０６が相当するが、後述する第四の実施形態のように、光導波路の側面の近傍に形成される応力開放溝に対応する部分であってもよい。
　以下では、図４に示す偏光分離器４００が図３の第一の偏光分離器２０３として用いられる場合を例にして説明する。この場合、第一の偏光分離器入力導波路４０１には、図３の入力導波路２０２が接続される。第一の偏光分離器入力導波路４０１に入力された光波は、第一の光強度分離素子４０２により、アーム導波路４０３および４０４に分岐される。
　分岐された光波のうち、アーム導波路４０３を伝搬する光波は、位相板４０５によりＸ偏光の位相がλ／４だけ進められ、Ｙ偏光の位相がλ／４だけ遅らせられる。一方、アーム導波路４０４を伝搬する光波は、位相板４０６によりＸ偏光の位相がλ／４だけ遅らせられ、Ｙ偏光の位相がλ／４だけ進められる。
　したがって、アーム導波路４０３およびアーム導波路４０４を経由した光波が合流する光強度合流素子４０７において、光波の干渉状態はＸ偏光とＹ偏光で位相がλ／２に相当する量、すなわち１８０度ずれることになる。このように、光波の波長に対する適切な光路長差をアーム導波路４０３および４０４の間に設けておくことで、Ｘ偏光、Ｙ偏光ごとに光波を第一の偏光分離器出力導波路４０８、または第二の偏光分離器出力導波路４０９へと出力することができる。すなわち、Ｘ偏光とＹ偏光を分離できる。
　図４に記載の偏光分離器を偏光合波器として動作させる場合には、たとえば、Ｘ偏光を第一の偏光分離器出力導波路４０８から、Ｙ偏光を第二の偏光分離器出力導波路４０９から入力するようにすればよい。
　光強度分離素子４０２および光強度合流素子４０７は、例えば、光方向性結合器やマルチモード干渉カプラであり得る。さらに、偏光分離器として動作させる場合の光強度分離素子４０２、または偏光合波器として動作させる場合の光強度合流素子４０７としては、１対２のＹ分岐導波路が用いられてもよい。
（第三の実施形態）
　第三の実施形態では、図３の第一の偏光分離器２０３、第二の偏光分離器２１０の偏波消光比を改善する態様について説明する。偏光分離器の偏波消光比が良好ではない場合は、図３の光源の偏光解消機能としての性能が劣化し得る。偏波消光比を改善するために、本実施形態の図５に示す偏光分離器を用いることができる。
　図５では、第二の実施形態で説明した偏光分離器を多段に接続した態様を開示している。第三の実施形態の偏光分離器５００は、図５に示すように、第一の偏光分離器５０１と第二および第三の偏光分離器５０２、５０３を備えている。図５において図４と同じ符号で示しているものは、図４と同様のものであるのでここでの説明を省略する。また、図５から明らかなように第二の偏光分離器５０２は、第一の偏光分離器５０１と第三の偏光分離器５０３を図の方向で上下方向に反転して配置されている。
　図５に示すように、偏光分離器入力導波路５０４に入力された光波は、第一の偏光分離器５０１により、第一の接続導波路５０５と第二の接続導波路５０６にそれぞれ偏光分離され、例えば、第一の接続導波路５０５をおもにＸ偏光成分が、第二の接続導波路５０６をおもにＹ偏光成分が占める。
　しかしながら、第一の偏光分離器５０１の偏波消光比は有限であり、第一の接続導波路５０５には偏波消光比に相当する分のＹ偏光成分が、第二の接続導波路５０６には偏波消光比に相当する分のＸ偏光成分が、それぞれ残留する。上述したように、図３の光源３００の光導波路回路の偏光解消機能としての性能は偏光分離器２０３、２１０および偏光合波器２０６、２１３の偏波消光比で制限され得る。
　そこで、第三の実施の形態では、第一の接続導波路５０５の後段にＸ偏光成分のみを透過する方法で第二の偏光分離器５０２を、第二の接続導波路５０６の後段にＹ偏光成分のみを透過する方法で第三の偏光分離器５０３を設置する。具体的には、図に示すように、第一の偏光分離器５０１の第一の出力導波路である第一の接続導波路５０５に接続される第二の偏光分離器５０２のおもにＸ偏光成分が占める出力導波路５０７と、第一の偏光分離器５０１の第二の出力導波路である第二の接続導波路５０６に接続される第三の偏光分離器５０３のおもにＹ偏光成分が占める出力導波路５０８とを、偏光分離器５００の第一の偏光分離器出力導波路および第二の偏光分離器出力導波路として用いるようにすればよい。
　図５の態様の偏光分離器５００を用いることで、図４に示した偏光分離器の第一の偏光分離器出力導波路４０８に相当する出力導波路５０７および第二の偏光分離器出力導波路４０９に相当する出力導波路５０８に対しては、各偏光分離器単体の偏波消光比のデシベル表記で２倍の偏波消光比が得られることから、本実施の形態の偏光分離器５００を用いた場合には、図３の光源の偏光解消機能としての性能が改善される。
　さらに、より高い偏波消光比が必要であれば、偏光分離器をさらに多段に接続して偏波消光比を改善してもよい。上記では、Ｘ偏光、Ｙ偏光を明示的に割り当てて説明したが、回路構成によってはＸ偏光とＹ偏光とを入れ替えて動作させてもよいことを理解されたい。
（第四の実施形態）
　第四の実施形態では、図３の光源の偏光分離器（２０３、２１０）、および偏光合波器（２０６、２１３）の具体的な構成の別の態様を示す。本実施の形態は、偏光依存位相調整素子として、応力開放溝が形成された光導波路の部分を用いている。
　図６は、図３の偏光分離器（２０３、２１０）または、偏光合波器（２０６，２１３）の具体的なもう一つの態様の偏光分離器６００の概略的な構造を示す図である。図６では、偏光分離器としての動作を説明するが、光波を逆向きに伝搬させることで偏光合波器として動作させることが可能である。
　図６に示す偏光分離器６００は、第一の偏光分離器入力導波路６０１、第一の偏光分離器入力導波路６０１から出力された光波を分岐する光強度分離素子６０２、光強度分離素子６０２によって分岐された各々の光波が導波するアーム導波路６０３およびアーム導波路６０４、基板２０１上であってアーム導波路６０４の両側面の近傍に形成された応力開放溝６０５ａおよび６０５ｂ、アーム導波路６０３およびアーム導波路６０４の各々を経由した各光波を合流させる光強度合流素子６０７、光強度合流素子６０７で合流した光波が出力される第一の偏光分離器出力導波路６０８、および第二の偏光分離器出力導波路６０９を備えている。なお、６１０は、第二の偏光分離器入力導波路であるが、偏光分離器においては、使用されない。
　以下の説明では、図５に示す偏光分離器６００が図３の第一の偏光分離器として用いられる場合を例にして説明する。この場合、第一の偏光分離器入力導波路６０１には、図３の入力導波路２０２が接続される。
　図６に示すように、第一の偏光分離器入力導波路６０１に入力された光波は、第一の光強度分離素子６０２によりアーム導波路６０３および６０４に分岐される。アーム導波路６０３、６０４のうち、アーム導波路６０４には、その両側の基板上に応力開放溝６０５ａおよび６０５ｂが形成されている。
　一般に、非常に小さい伝搬損失を有するガラスなどで形成される石英系の光導波路においては、その製造工程で高温の熱処理を施すため、基板であるシリコン基板と信号光が導波するガラス層の線膨張係数の差に起因した大きな圧縮応力がガラス層に印加される。したがって、光導波路は光弾性効果に起因した複屈折をもつ。この複屈折は、本開示の光源の光導波路回路に入力された光波のＸ偏光およびＹ偏光が意図した箇所を除いて相互に変換されず、Ｘ偏光、Ｙ偏光を保持して伝搬する機能を提供している。
　本実施形態の偏光分離器では、図６に示すように、入力導波路２０２に接続された第一の偏光分離器入力導波路６０１に入力された光波は、第一の光強度分離素子６０２によりアーム導波路６０３および６０４に分岐される。アーム導波路６０３、６０４のうち、アーム導波路６０４にはその両側面の近傍に応力開放溝６０５ａおよび６０５ｂが形成されている。このアーム導波路６０４の応力開放溝６０５ａおよび６０５ｂに対応する部分において、複屈折が解消される。一方で、アーム導波路６０３においては、応力開放溝が形成されておらず複屈折が保持される。このため、光強度合流素子６０７において、Ｘ偏光成分とＹ偏光成分とで異なる干渉状態に設定することが可能である。このような偏光分離器６００における干渉状態の定式化について、以下詳細に説明する。
　アーム導波路６０３のＸ偏光成分に対する屈折率をｎx、Ｙ偏光成分に対する屈折率をｎyとし、アーム導波路６０３とアーム導波路６０４の光路長差をｄＬ2とする。また、応力開放溝６０５ａおよび６０５ｂのアーム導波路６０４に沿った（図６におけるＺ軸方向）長さをＬ3とし、信号光の波長をλとすると、アーム導波路６０３を伝搬する信号光の位相変化量φは、Ｘ偏光成分、Ｙ偏光成分に対してそれぞれ、下記（式１）、（式２）のように表記される。
φx（６０３）＝２π×ｎx×（ｄＬ2＋Ｌ3）／λ　　　　　　（式１）
φy（６０３）＝２π×ｎy×（ｄＬ2＋Ｌ3）／λ　　　　　　（式２）
　ここで、φx（６０３）は、アーム導波路６０３を伝搬する信号光のＸ偏光成分における位相変化量、φy（６０３）は、アーム導波路６０３を伝搬する信号光のＹ偏光成分における位相変化量である。
　一方、アーム導波路６０４を伝搬する信号光は、応力開放溝６０５ａおよび６０５ｂにより複屈折が解消されているため、Ｘ偏光成分、Ｙ偏光成分に対する屈折率をともにｎ1とすることができる。このとき、アーム導波路６０４における各偏光成分の位相変化量は、それぞれ下記（式３）、（式４）のように表記される。
φx（６０４）＝２π×ｎ1×Ｌ3／λ　　　　　　　　　　　　（式３）
φy（６０４）＝２π×ｎ1×Ｌ3／λ　　　　　　　　　　　　（式４）
　ここで、φx（６０４）は、アーム導波路６０４を伝搬する信号光のＸ偏光成分における位相変化量、φy（６０４）は、アーム導波路６０４を伝搬する信号光のＹ偏光成分における位相変化量である。
　上記（式５）－（式８）から、光強度合流素子６０７において、Ｘ偏光成分とＹ偏光成分で異なる干渉状態を設定するためには、信号光のＸ偏波成分とｄＬ2およびＬ3をそれぞれ下記（式５）および（式６）を満足するように設定すればよい。
φx（６０３）－φx（６０４）＝２πｍ　　　　　　　　　　　（式５）
φy（６０３）－φy（６０４）＝２π（ｍ＋１／２）　　　　　（式６）
　ここで、ｍは整数であり、ｎx、ｎyおよびｎ1は物性的に決まる定数である。（式５）および、（式６）の２式に対して２変数ｄＬ2およびＬ3を導入しているので、求解可能である。
（第五の実施形態）
　第四の実施形態においては、アーム導波路の両側面の近傍に形成された応力開放溝６０５ａおよび６０５ｂに対応するアーム導波路部分を偏波依存位相調整素子として用いた偏光分離器を例として示したが、この態様でも偏波消光比は有限の値を示し得る。そこで、第五の実施形態として、第４の実施形態の偏光分離器を用いる場合においても、高い偏波消光比を得るようにする態様を開示する。
　第五の実施形態では、第三の実施形態と同様に偏光分離器を多段に接続して偏波消光比を高めるようにしている。第五の実施形態の偏光分離器７００は、図７に示すように、第一の偏光分離器７０１と第二および第三の偏光分離器７０２、７０３を備えている。図７において図６と同じ符号で示しているものは、図６と同じであるのでここでの説明を省略する。
　図７に示すように、第五の実施形態の偏光分離器７００の偏光分離器入力導波路７０４に入力された光波は、第一の偏光分離器７０１により、第一の接続導波路７０５と第二の接続導波路７０６にそれぞれ偏光分離され、第一の接続導波路７０５をおもにＸ偏光成分が、第二の接続導波路７０６をおもにＹ偏光成分が占める。（Ｘ偏光成分、Ｙ偏光成分の占める接続導波路を逆に設定しても構わない。）
　しかしながら、偏光分離器の偏波消光比は有限であり、第一の接続導波路７０５には偏波消光比に相当する分のＹ偏光成分が、第二の接続導波路７０６には偏波消光比に相当する分のＸ偏光成分が残留する。上述したように、図３の光源の光導波路回路の偏光解消機能としての性能は偏光分離器、偏光合波器の偏波消光比で制限され得る。
　そこで、第五の実施形態においては、第一の接続導波路７０５の後段にＸ偏光成分のみを透過する方法で第二の偏光分離器７０２を、第二の接続導波路７０６の後段にＹ偏光成分のみを透過する方法で第三の偏光分離器７０３を設置する。具体的には、図に示すように、第一の偏光分離器７０１の第一の出力導波路である第一の接続導波路７０５に接続される第二の偏光分離器７０２のおもにＸ偏光成分が占める出力導波路７０７と、第一の偏光分離器７０１の第二の出力導波路である第二の接続導波路７０６に接続される第三の偏光分離器７０３のおもにＹ偏光成分が占める出力導波路７０８とを、偏光分離器７００の第一の偏光分離器出力導波路および第二の偏光分離器出力導波路として用いるようにすればよい。
　図７の態様の偏光分離器７００を用いることで、図６に示した偏光分離器６００の第一の偏光分離器出力導波路６０８に相当する出力導波路７０７および第二の偏光分離器出力導波路６０９に相当する出力導波路７０８に対しては、各偏光分離器単体の偏波消光比のデシベル表記で２倍の偏波消光比が得られることから、本実施の形態の偏光分離器６００を用いた場合には、図３の光源の光導波路回路の偏光解消機能としての性能が改善される。より高い偏波消光比が必要であれば、偏光分離器をさらに多段に接続して偏波消光比を改善してもよい。
　さらに本実施の形態の特徴は、第四の実施形態で開示した応力開放溝を図７に示すように、３本の応力開放溝７１１、７１２、７１３として形成することができることである。応力開放溝７１１を第二の偏光分離器７０２と第三の偏光分離器７０３とで共有するように配置することで、光回路のレイアウトスペースの削減を図ることが可能になり、装置サイズの削減につながるという利点を有する。
　また、第二の実施形態および第三の実施形態で述べた方式、すなわち光導波路上に位相板４０５および位相板４０６を設置する場合は、光導波路の寸断に伴う光信号強度の光導波路への閉じ込めがなされないことに起因する過剰損失を発生する。したがって、上述した第四の実施形態や、本実施形態のように、光導波路の応力を制御することにより偏光分離器を実現する方式は、損失の点で利点を有する。
（第六の実施形態）
　第二の実施形態から第五の実施形態では、図３における偏光分離器２０３および２１０と偏光合波器２０６および２１３の具体的な態様について説明した。この第六の実施形態では、図３の光源の光導波路回路において用いる偏光回転器２０８の具体的な構成の一態様について説明する。
　偏光回転器は、光導波路に偏光依存位相調整素子を備えるようにすることで実現できる。図８は、図３の偏光回転器２０８として用いられる偏光回転器８００の構成を概略的に示す図である。図に示すように、本実施形態の偏光回転器８００は、図３の第一の接続導波路２０７と第二の接続導波路２０９の間に接続される偏光回転器導波路８０１と、偏光回転器導波路８０１上に設置される偏光依存位相調整素子である位相板８０２とを備えている。
　図８において、第一の接続導波路２０７から偏光回転器導波路８０１に入射された光波は、位相板８０２を通過して偏光回転器導波路８０１から第二の接続導波路２０９へと出力される。ここで、位相板８０２は波長板であり、例えばλ／２波長板やλ／４波長板を用いることができる。
　一般に光波の進行方向に光学軸が角度θだけ傾いたリタデーションがφの位相板のＪｏｎｅｓ行列は、下記（式７）であらわされる。（式７）において、Ｅｏは出力電界、Ｅｉｎは入力電界である。
　今、位相板８０２がλ／２波長板である場合を考える。この場合、位相板８０２の光学軸は基板２０１上の導波路の複屈折軸に２２．５°傾けて設置される。また、位相板８０２がλ／４波長板である場合、位相板８０２の光学軸は基板上の光導波路の複屈折軸に対して４５°傾けて設置される。
　ここで、光導波路回路の偏光解消素子としての動作中心波長を１．５５μｍとし、位相板として水晶を用いる場合を検討する。水晶の常光の屈折率は、１．５２７７であり、異常光の屈折率は１．５３６２であることを用いて、光回転器導波路８０１のＸ軸（図のＸ軸方向）に沿った偏光成分Ｅｉｎ＝（１，０）Tのみを入力する場合の出力電力Ｉｏを求める。なお、Ｔは転置を表す。
　出力電界Ｅｏから出力電力Ｉｏへの計算は、上記の（式７）に基づいて、下記の（式８）から求めることができる。（式８）の＊は複素共役を表す。
　図９は、上記の条件で（式７）および（式８）を用いてＩｏを計算した結果を示している。図９（ａ）は、位相板８０２としてλ／２波長板を用いた場合の波長とＩｏ（ｘ）とＩｏ（ｙ）の強度の関係を、図９（ｂ）は、位相板８０２としてλ／４波長板を用いた場合の波長とＩｏ（ｘ）とＩｏ（ｙ）の強度の関係をそれぞれ示している。図９の結果から、位相板８０２としてλ／２波長板を用いた場合の方が、位相板８０２としてλ／４波長板を用いる場合に比べて広い波長範囲で動作することがわかる。したがって偏光回転器８００の位相板８０２には、λ／２波長板を用いることが望ましいといえる。
（第七の実施形態）
　第六の実施形態では、偏光回転器の偏波依存位相調整素子が、光回転器導波路８０１上に設置された位相板８０２である態様を開示したが、この態様では、上述の第二の実施形態および第三の実施形態において説明した偏光分離器と同様に、損失が大きい。そこで、第七の実施形態では、第六の実施形態のものよりも損失を小さくすることができる偏光回転器の具体的な構成のもう一つの態様について説明する。
　この態様では、偏光回転器が備える偏波依存位相調整素子は、偏光回転器光導波路１００１の、基板２０１上であって偏光回転器光導波路１００１の一方の側面の近傍に形成される応力開放溝に対応する部分である。
　図１０は、本実施形態に係る偏光回転器１０００の構成を概略的に示す図である。図に示すように、本実施形態の偏光回転器１０００は、図３の第一の接続導波路２０７の出力側と第二の接続導波路２０９の入力側に接続される偏光回転器光導波路１００１と、基板２０１上であって偏光回転器光導波路１００１の一方の側面の近傍に形成されるに応力開放溝１００２とを備えている。このように、偏光回転器光導波路１００１の一方の側面の近傍に応力開放溝１００２を形成することで、石英系光導波路においては、ガラス層に印加される圧縮応力に構造非対称性が生じ、偏光回転器が実現される。
　図１１（ａ）は、本実施形態の偏光回転器の偏光回転器光導波路１００１の一方の側面の近傍に応力開放溝１００２を形成した場合のＶｏｎ　Ｍｉｓｅｓ応力の分布を図示したものである。図１１（ａ）は、本実施形態の偏光回転器１０００における光軸方向に対する直交方向断面における相当応力（Ｍｉｓｅｓ応力）の面内分布を示すコンター図を、図１１（ｂ）は、本実施形態の偏光回転器１０００における応力複屈折のＸ軸ならびにＹ軸に対する屈折率の変化をプロットした図を、それぞれ示している。
　図１１（ａ）から理解されるように、偏光回転器１０００では、光導波路のコアの位置に対して斜めの応力成分が発生（図中において破線で囲まれた領域に相当）しており、光弾性効果に起因する複屈折の軸が傾くことが予想される。
　図１１（ｂ）に示されるとおり、２２．５度の角度でＸ軸方向、Ｙ軸方向に対する屈折率の差は最大を示すことがわかり、この角度が光導波路の一方の側面にのみ応力開放溝１００２を形成した光導波路部分における屈折率楕円の主軸を示すことがわかる。
　したがって、応力開放溝１００２の光軸方向の長さをＬ4とすると、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の屈折率の差Δｎに対して、偏光回転器が用いられる図３の光源の信号光の動作中心波長がλの場合に、下記（式９）の関係を満たすこと、すなわち、下記（式１０）が成立する長さとすればよい。ここで、下記（式９）および（式１０）のｍは、次数を表すゼロ以上の整数である。より広い波長域で動作させるためには、ｍ＝０とすることが望ましい。
２πＬ4Δｎ／λ＝π／２＋２πｍ　　　　　　　　　　　　（式９）
Ｌ4＝（１／４＋ｍ）λ／Δｎ　　　　　　　　　　　　　　（式１０）
（第八の実施形態）
　つぎに、第八の実施形態として、複数の異なる波長を出力可能とした光源について説明する。図１２に示すように、複数の波長の異なる発光素子１２０１および発光素子１２０２をシリコン基板２０１上に集積して、それらの出力光波を合波する光合波器１２０３を備えるようにすることで、広い波長域の光源とすることもできる。この光源は、例えば、誘導ラマンファイバアンプの励起光源として用いられ得る。この実施形態によれば、広い波長域のラマンゲインを達成することができる。なお、図１２において、図３と同じ符号で示したものは、図３と同じであるので、ここでの説明は省略する。
　本実施形態の光源１２００において用いる光合波器１２０３は、例えば、アレイ導波路格子による光合波器や、光路長差を有するマッハツェンダ干渉計による光合波器、マッハツェンダ干渉計を多段に接続した光合波器、ブラッグ回折格子による光合波器などを用いることができる。発光素子１２０１、１２０２は、第一の実施形態において説明した発光素子３０１と同様の方法により集積すればよい。
　この光源１２００の光導波路回路が備える偏光分離器、偏光合波器、偏光回転器は、それぞれ上述した第二ないし第五の実施形態において説明した偏光分離器、偏光合波器、第六および第七の実施形態において説明した偏光回転器であってもよい。
（第九の実施形態）
　第九の実施形態では、光導波路回路の第一の偏光解消部、すなわち図３における偏光分離器２０３から偏光合波器までを除去した態様の光源を示す。図１３は、第九の実施形態に係る第一の実施例の光源１３００の概略的な構造を示す図である。図１３において、図３と同じ符号のものは、図３と同じであるため、ここでの説明は省略する。
　半導体レーザの出力光波の偏光は、その半導体チップの面のどちらかに偏っていることが一般である。すなわち、本実施形態の光源１３００から出力される光波の偏波はＸ軸方向、またはＹ軸方向の成分を持つことが一般的である。この場合においては、第一の偏光解消部、すなわち図３における第一の偏光解消部２２０すなわち第一の偏光分離器２０３、第一の偏光合波器２０６、および両者を接続する第一の短尺導波路２０４および第一の長尺導波路２０５はなくてもよい。
　偏光回転器２０８により、半導体レーザ光源である発光素子１１０１からの出力光波はＸ軸成分、Ｙ軸成分に均等に分離される。そのため、第二の偏光解消部２３０、すなわち図１２における偏光分離器２１０から偏光合波器２１３により偏光解消されてデポポライズ光が生成される。
　本実施の形態は、第二の実施形態に比べて光回路要素が削減することができることから、小型であっても必要十分な偏光解消機能を備えた光源を実現することができる。
　図１２に示した第八の実施形態の光源１２００についても同様に、第一の偏光解消部２２０、すなわち図１２における第一の偏光分離器２０３から第一の偏光合波器２０６までを除去することができる。図１４は、本実施形態の第２の実施例の光源１４００の概略的な構造を示す。
　本実施形態においても、さらに小型化された偏光が解消した光源を得ることが可能となる。この光源１３００および光源１４００の光導波路回路が備える偏光分離器、偏光合波器、偏光回転器は、それぞれ上述した第二ないし第五の実施形態において説明した偏光分離器、偏光合波器、第六および第七の実施形態において説明した偏光回転器であってもよい。
　以上述べたとおり、本開示により、基板上に、発光素子と偏光解消機能を有する光導波路回路とが一体に集積された光源であって、小型で低廉な、偏光が解消された光源を得ることができる。

Claims (10)

  1. 　シリコン基板と、少なくとも１つの発光素子と、前記シリコン基板上に形成された石英系の光導波路からなる光導波路回路と、を含む光源であって、
    　前記少なくとも１つの発光素子が前記シリコン基板上に集積して形成されており、
    　前記光導波路回路が、少なくとも１つの偏光解消部と、前記偏光解消部と接続される偏光回転器とを備え、
    　前記偏光解消部は、
    　　入力された光波を直交する２つの偏光成分に分離する偏光分離器と、
    　　第一の偏光成分の前記光波が導波する短尺導波路と、
    　　第二の偏光成分の前記光波が導波する長尺導波路であって、前記短尺導波路より光路長が長い該長尺導波路と、
    　　前記短尺導波路および前記長尺導波路の各々を伝搬した各前記光波を合波する偏光合波器とを備える、
    光源。
  2. 　異なる波長の複数の前記発光素子を含む、請求項１に記載の光源。
  3. 　前記光導波路回路が、第一の前記偏光解消部と第二の前記偏光解消部とを備え、第一の前記偏光解消部と第二の前記偏光解消部が、前記偏光回転器を介して接続されている、請求項１または２に記載の光源。
  4. 　前記偏光回転器は、偏光回転器光導波路と前記偏光回転器光導波路に備えられた各偏光成分の位相調整を行う第１の偏光依存位相調整素子とを含むことを特徴とする請求項１に記載の光源。
  5. 　前記第１の偏光依存位相調整素子は、前記偏光回転器光導波路の、前記シリコン基板上で前記偏光回転器光導波路の一方の側面の近傍に形成された応力開放溝に対応する部分である、請求項４に記載の光源。
  6. 　前記第１の偏光依存位相調整素子は、前記偏光回転器光導波路上に設置された位相板である、請求項４に記載の光源。
  7. 　前記偏光分離器および前記偏光合波器は、２本のアーム導波路を備えた二光束干渉系であって、前記２本のアーム導波路の少なくとも一方が各偏光成分の位相調整を行う第２の偏光依存位相調整素子を有する、請求項１に記載の光源。
  8. 　前記第２の偏光依存位相調整素子は、前記アーム導波路の、前記シリコン基板上で前記アーム導波路の両方の側面の近傍に形成された応力開放溝に対応する部分である、請求項７に記載の光源。
  9. 　前記第２の偏光依存位相調整素子は、前記アーム導波路上に設置された位相板である、請求項７に記載の光源。
  10. 　前記光導波路回路に入力された前記発光素子から出力された光波の偏光は、前記偏光回転器により直交する２つの直交する偏光成分を持つように回転されたのち、前記偏光解消部に入力されて前記偏光分離器により直交する２つの偏光成分に分離され、分離された第一の偏光成分と第二の偏光成分に対して遅延差が付与されたのちに、前記偏光合波器により偏光合波される、請求項１に記載の光源。
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