JP2010088110A5 - - Google Patents
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Description
本発明は、誘電体導波路で構成されるマイクロ波から光波にわたる電磁波伝送路に係り、特に、デバイス長の短縮が可能な偏波変換器及び偏波分離・変換器に関するものである。 The present invention relates to an electromagnetic wave transmission path ranging from microwaves to light waves, which is constituted by dielectric waveguides, and more particularly to a polarization converter and polarization separation / conversion apparatus capable of shortening the device length.
従来の偏波変換器には、非特許文献１で提案されている三角形導波路を利用したものがある。図１５は非特許文献１に開示された従来の偏波変換器の透視図である。この偏波変換器は、断面が正方形の入出力誘電体導波路のコア部の間に、断面が正三角形の誘電体導波路（三角形導波路）のコア部を挟み込み、クラッド部に埋め込んで偏波変換器を構成したものである。図中、ｗは入力誘電体導波路のコア部の高さ及び幅の寸法、ｈは三角形導波路のコア部の高さ及び底面幅の寸法、ｚｇは偏波変換部の長さ、ｎｃｏは三角形導波路のコア部の屈折率、ｎｃｌは三角形導波路のクラッド部の屈折率を表す。 Among conventional polarization converters is one using a triangular waveguide proposed in Non-Patent Document 1. FIG. 15 is a perspective view of a conventional polarization converter disclosed in Non-Patent Document 1. As shown in FIG. In this polarization converter, the core portion of a dielectric waveguide (triangular waveguide) having an equilateral triangle cross section is sandwiched between the core portions of an input / output dielectric waveguide having a square cross section, and embedded in the cladding portion. It constitutes a wave converter. In the figure, w is the dimension of the height and width of the core portion of the input dielectric waveguide, h is the dimension of the height and the bottom width of the core portion of the triangular waveguide, z g is the length of the polarization conversion portion, n co represents the refractive index of the core of the triangular waveguide, and n cl represents the refractive index of the cladding of the triangular waveguide.
一方、同様な原理に基づく光波帯での偏波変換器の構成例として、非特許文献２で開示された偏芯二重コア型の偏波変換器がある。図１６は非特許文献２で開示された従来の偏波変換器の断面図である。この偏波変換器は、シリコンからなるコア部と二酸化シリコンからなるクラッド部を使用し、酸窒化シリコンで二重のコア部を設けた構成となっている。 On the other hand, there is an eccentric double core type polarization converter disclosed in Non-Patent Document 2 as a configuration example of a polarization converter in a lightwave band based on the same principle. FIG. 16 is a cross-sectional view of the conventional polarization converter disclosed in Non-Patent Document 2. As shown in FIG. This polarization converter has a configuration in which a core portion made of silicon and a clad portion made of silicon dioxide are used, and a double core portion made of silicon oxynitride is provided.
他方、偏波分離器に関しては、特許文献１で提案されている方向性結合器を利用するものがある。図１７は特許文献１で開示された従来の偏波分離器の構成図である。この偏波分離器は、平面に配置された方向性結合器を構成する２本の導波路を有し、入出力部では結合をさけるため、屈曲導波路となっている。図中、Ｒは屈曲半径、ｇは２本の導波路間の間隔を表す。 On the other hand, as a polarization splitter, there is one using a directional coupler proposed in Patent Document 1. FIG. 17 is a block diagram of a conventional polarization splitter disclosed in Patent Document 1. As shown in FIG. This polarization splitter has two waveguides constituting a directional coupler arranged in a plane, and is a bending waveguide in order to avoid coupling at the input / output part. In the figure, R represents a bending radius, and g represents a distance between two waveguides.
デバイス長の短い偏波変換器は、個別部品の小型化とともに、波長特性の改善の観点からも望まれる。しかしながら、図１６に示した非特許文献２の構造では、偏波変換長が２５μｍ程度ある。図１６に示す構造で、ｘ軸方向に偏波した電磁波を入射すると、Ａ軸とＢ軸方向に第１モードと第２モードが励起される。第１モードと第２モードの伝搬定数をβ１、β２と表記すると、偏波変換長Ｌｃは、Ｌｃ＝π／（β１−β２）で決定されるので、第１モードと第２モードの伝搬定数差が小さいと偏波変換長は長くなる。また、変換長が長いと、波長変化に伴う位相誤差が大きくなるので、動作帯域が狭くなる問題が生じる。 A polarization converter with a short device length is desired from the viewpoint of improvement of wavelength characteristics as well as miniaturization of individual parts. However, in the structure of Non-Patent Document 2 shown in FIG. 16, the polarization conversion length is about 25 μm. In the structure shown in FIG. 16, when an electromagnetic wave polarized in the x-axis direction is made incident, the first mode and the second mode are excited in the A-axis and B-axis directions. Assuming that the propagation constants of the first mode and the second mode are represented by β 1 and β 2 , the polarization conversion length L c is determined by L c = π / (β 1 −β 2 ). When the propagation constant difference in the second mode is small, the polarization conversion length becomes long. In addition, when the conversion length is long, a phase error due to a wavelength change becomes large, which causes a problem of narrowing the operating band.
一方、図１５で示した非特許文献１の構造では、短い偏波変換長を達成しているが、断面が三角形の突起部が存在するため、製作に困難さが伴うという問題があった。この問題は前記突起部が微細となる光波帯用のものでは顕著となる。
他方、図１７に示した特許文献１の従来の偏波分離器は、平行に配置された２本の導波路の間隔ｇを狭くすれば結合を強くすることができるが、入出力部に屈曲導波路を使用しているため、屈曲損を減らすためには、屈曲半径Ｒを大きく選ぶ必要があり、デバイスの小型化が難しいという問題があった。
On the other hand, in the structure of Non-Patent Document 1 shown in FIG. 15, although a short polarization conversion length is achieved, there is a problem that manufacturing is accompanied by difficulties due to the presence of projections having a triangular cross section. This problem is significant in the light wave band in which the protrusions are fine.
On the other hand, in the conventional polarization splitter of Patent Document 1 shown in FIG. 17, the coupling can be strengthened if the distance g between the two waveguides arranged in parallel is narrowed. Since a waveguide is used, it is necessary to select a large bending radius R in order to reduce bending loss, and there is a problem that it is difficult to miniaturize the device.
本発明は、このような従来技術の事情に鑑みてなされたもので、製作が容易で、かつ短い偏波変換長を有する偏波変換器を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the circumstances of the prior art, and its object is to provide a polarization converter which is easy to manufacture and has a short polarization conversion length.
また、本発明は、製作が容易で、かつ短い偏波変換長を有する偏波変換器を用い、短いデバイス長で小型化が可能な偏波分離・変換器を提供することを別の課題とする。 Another object of the present invention is to provide a polarization separation / conversion device which is easy to manufacture, uses a polarization converter having a short polarization conversion length, and can be miniaturized with a short device length. Do.
本発明によれば、上記課題を解決するため、第１に、誘電体導波路のコア部の一部を、長手方向にわたって一定の傾斜角度をなす傾斜面が現れるように切り落した形状の非対称コア部を形成し、クラッド部に埋め込んだ、誘電体導波路によって構成されることを特徴とする偏波変換器を提供する。 According to the present invention, in order to solve the above problems, first, an asymmetric core having a shape in which a part of the core portion of the dielectric waveguide is cut off so that an inclined surface having a constant inclination angle appears in the longitudinal direction. The present invention provides a polarization converter characterized in that it comprises a dielectric waveguide which forms a portion and is embedded in a cladding portion.
また、第２に、上記第１の発明において、前記誘電体導波路のコア部の断面が矩形であり、前記非対称コア部において前記傾斜面が、上面部及び側壁部の一部をそれぞれ残すように形成されていることを特徴とする偏波変換器を提供する。 Secondly, in the first aspect of the invention, the cross section of the core portion of the dielectric waveguide is rectangular, and in the asymmetric core portion, the inclined surface leaves a part of the upper surface portion and the side wall portion. The present invention provides a polarization converter characterized in that
また、第３に、上記第１又は第２の発明において、前記傾斜面の傾斜角度が水平面に対して４３度から４７度であることを特徴とする偏波変換器を提供する。 Thirdly, in the first or second invention, there is provided a polarization converter characterized in that the inclination angle of the inclined surface is 43 degrees to 47 degrees with respect to the horizontal plane.
また、第４に、誘電体導波路のコア部の一部であって対角方向に対向する２箇所を、長手方向にわたって一定の傾斜角度をなす傾斜面が現れるようにそれぞれ切り落した形状の非対称コア部を形成し、クラッド部に埋め込んだ、誘電体導波路によって構成されることを特徴とする偏波変換器を提供する。 Fourthly, an asymmetry in which two portions which are a part of the core portion of the dielectric waveguide and are opposed in the diagonal direction are cut off so that inclined surfaces having a constant inclination angle appear in the longitudinal direction. Provided is a polarization converter characterized by comprising a dielectric waveguide which is formed in a core portion and embedded in a cladding portion.
また、第５に、上記第４の発明において、前記誘電体導波路のコア部の断面が矩形であり、前記非対称コア部において前記傾斜面の一方は、上面部及び側壁部の一部をそれぞれ残すように、もう一方は、下面部及び側壁部の一部をそれぞれ残すように形成されていることを特徴とする偏波変換器を提供する。 Fifth, in the fourth invention, the cross section of the core portion of the dielectric waveguide is rectangular, and in the asymmetric core portion, one of the inclined surfaces is a part of the upper surface portion and the side wall portion. To leave, the other one is provided so as to leave a part of the lower surface and the side wall, respectively, to provide a polarization converter.
また、第６に、上記第１ないし第５のいずれかの発明において、前記導波路のコア部とクラッド部の比屈折率差が２４％から４２％であり、デバイス長が１．５波長から２０波長であることを特徴とする偏波変換器を提供する。 Sixthly, in any one of the first to fifth inventions, the relative refractive index difference between the core portion and the cladding portion of the waveguide is 24% to 42%, and the device length is 1.5 wavelengths There is provided a polarization converter characterized by having 20 wavelengths.
さらに、第７に、上記第１ないし第６のいずれかの偏波変換器を備えた導波路と、結合導波路と、これらの間に配置された偏波分離促進用の導波路とを、所定の間隔を隔てて平行に配設してなり、偏波分離機能と偏波変換機能を一体化したことを特徴とする偏波分離・変換器を提供する。Seventhly, a waveguide provided with any one of the first to sixth polarization converters, a coupling waveguide, and a waveguide for promoting polarization separation disposed between them, Provided is a polarization separation / conversion device which is disposed in parallel at a predetermined interval and which integrates a polarization separation function and a polarization conversion function.
請求項１ないし６に記載した発明によれば、マイクロ波帯から光波帯までの任意の波長帯の広帯域で動作し、製作が容易で、かつ短い偏波変換長の偏波変換器の提供が可能となる。 According to the invention described in claims 1 to 6, there is provided a polarization converter which operates in a wide band of any wavelength band from the microwave band to the lightwave band, is easy to manufacture, and has a short polarization conversion length. It becomes possible.
請求項７に記載した発明によれば、請求項１ないし６のいずれかに記載した偏波変換器を用い、２本の平行導波路間の一部に偏波分離促進導波路を追加した簡易な構造かつ短いデバイス長で、偏波の分離・変換を達成でき、偏波無依存の偏波ダイバーシティ回路に応用できる。 According to the seventh aspect of the present invention, there is provided a simple and easy-to-use waveguide polarization separating waveguide according to any one of the first to sixth aspects, wherein a polarization separation promoting waveguide is added to a part between two parallel waveguides. It is possible to achieve polarization separation and conversion with a simple structure and short device length, and can be applied to a polarization independent polarization diversity circuit.
以下、本発明の実施の形態について詳述する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
先ず、本発明の実施の形態に係る偏波変換器について述べる。 First, a polarization converter according to an embodiment of the present invention will be described.
本発明の実施の形態に係る偏波変換器は、誘電体導波路のコア部の一部を、長手方向にわたって一定の傾斜角度（水平面と傾斜面のなす角度で、以下、切り落し角とも称する）をなす傾斜面が現れるように切り落した形状の非対称コア部を形成し、クラッド部に埋め込んだ、誘電体導波路によって構成されることを大きな特徴としている。ここで非対称とは、コア部の長手方向に直交する断面の前後方向の中心軸に対して右側部分と左側部分が対称でないことを意味する。 In the polarization converter according to the embodiment of the present invention, a part of the core portion of the dielectric waveguide is inclined at a constant angle in the longitudinal direction (hereinafter, also referred to as a cut-off angle at an angle formed by a horizontal surface and the inclined surface) The present invention is characterized in that it is constituted by a dielectric waveguide in which an asymmetric core portion having a shape which is cut off so as to appear as an inclined surface is formed and embedded in a cladding portion. Here, asymmetry means that the right and left portions are not symmetrical with respect to the central axis in the front-rear direction of the cross section orthogonal to the longitudinal direction of the core portion.
本発明の偏波変換器は、特に、誘電体導波路のコア部の一部を角度４３度から４７度で切り落とす形状とすることで、直交する二つのモード（第１モードと第２モード）を励起した簡易な構造を有し、入射した電磁波の偏波面を９０度回転できる偏波変換器となる。そして、例えばコア部にシリコン、クラッド部に二酸化シリコンを用いた場合（コア部とクラッド部の比屈折率差が４１％）には、第１モードと第２モードとの伝搬定数差が大きいので、前記の非特許文献２に開示された偏芯二重コア型偏波変換器に比べて、１／９のデバイス長で偏波変換を達成することができる。第１モードと第２モードを等しく励起するには、切り落し角は４３度から４７度の範囲が好ましく、更に好ましくは４４度から４６度にすることにより、等しく励起され、良好な偏波変換作用が維持される。 In the polarization converter according to the present invention, two orthogonal modes (the first mode and the second mode) are formed by cutting off a part of the core of the dielectric waveguide at an angle of 43 degrees to 47 degrees. And a polarization converter capable of rotating the polarization plane of the incident electromagnetic wave by 90 degrees. Then, for example, when silicon is used for the core portion and silicon dioxide is used for the cladding portion (the relative refractive index difference between the core portion and the cladding portion is 41%), the propagation constant difference between the first mode and the second mode is large. Compared to the eccentric double-core polarization converter disclosed in Non-Patent Document 2, polarization conversion can be achieved with a device length of 1/9. In order to excite the first mode and the second mode equally, the cut-off angle is preferably in the range of 43 degrees to 47 degrees, more preferably 44 degrees to 46 degrees to be equally excited and have good polarization conversion Is maintained.
また、本発明の偏波変換器において、コア部とクラッド部の比屈折率差が２４％から４２％の範囲にあれば、第１モードと第２モードの伝搬定数差が比較的大きく留まるので、デバイス長を１．５波長から２０波長に収めることができ、より短いデバイス長が達成される。 Moreover, in the polarization converter of the present invention, when the relative refractive index difference between the core portion and the cladding portion is in the range of 24% to 42%, the propagation constant difference between the first mode and the second mode remains relatively large. The device length can be reduced to 1.5 to 20 wavelengths, and a shorter device length is achieved.
本発明の偏波変換器のコア部は、原理上、非対称構造をしていればよいので、成形前のコア部の断面形状は、正方形の他、長方形、多角形、円形、楕円形等の適宜の形状であってよい。 The core portion of the polarization converter of the present invention only needs to have an asymmetric structure in principle, so the cross-sectional shape of the core portion before forming is square, rectangular, polygonal, circular, elliptical, etc. It may have an appropriate shape.
以下、図１（ａ）、（ｂ）に示す断面が正方形の誘電体導波路を利用した偏波変換器を例に具体的に説明する。 Hereinafter, a polarization converter using a dielectric waveguide having a square cross section shown in FIGS. 1A and 1B will be specifically described as an example.
この偏波変換器で、入射した電磁波の偏波面を９０度回転するものである。偏波変換器を作製する前の誘電体導波路のコア部は、図中１で示すように一辺がｗの正方形断面を有し、長手方向に延びた形状をしている。本例の偏波変換器の非対称コア部からなる偏波変換部（以下、非対称コア部とも称する）２は、偏波変換器作製前のコア部の一部を長手方向にわたって斜め方向に切り落した形状となっている。すなわち、非対称コア部２の形状は、四角柱のコア部から断面が直角三角形で長さがｚｇの三角柱が切り落とされた形状となっている。これにより、図に示すように水平面からθ（図１の例では４５度）の傾斜角度を持った傾斜面３が現われ、図１（ａ）に示すように前方側には側壁部の一部４が残されるとともに、上方には、上面部の一部５が残されている。この非対称コア部２をクラッド部６（図示略）で埋め込んで、本例の偏波変換器１が構成されている。非対称コア部２の傾斜面３は、例えば光波帯であれば、ウェットエッチング法などで、また、マイクロ波・ミリ波帯であれば、研磨などの方法により形成することができる。これにより、非対称コア部２とその両側の入出力コア部は一体化したものとすることができる。非対称コア部２の屈折率はｎｃｏ、クラッド部６の屈折率はｎｃｌで表されている。また、非対称コア部２よりはみ出した横倒三角柱の底面幅、高さはそれぞれγで表されている。 The polarization converter rotates the polarization plane of the incident electromagnetic wave by 90 degrees. The core portion of the dielectric waveguide before producing the polarization converter has a square cross section whose side is w as shown by 1 in the figure, and has a shape extending in the longitudinal direction. The polarization conversion part (hereinafter also referred to as an asymmetrical core part) 2 comprising the asymmetrical core part of the polarization converter of this example was obtained by cutting off a part of the core part before manufacturing the polarization converter in the oblique direction over the longitudinal direction It has a shape. That is, the shape of the asymmetric core portion 2 is a shape in which a triangular prism whose section is a right triangle and whose length is z g is cut off from the core portion of the rectangular prism. Thereby, as shown in the figure, the inclined surface 3 having an inclination angle of θ (45 degrees in the example of FIG. 1) from the horizontal surface appears, and as shown in FIG. While 4 is left, a part 5 of the upper surface is left above. The asymmetric core portion 2 is embedded in a cladding portion 6 (not shown) to constitute the polarization converter 1 of this example. The inclined surface 3 of the asymmetric core portion 2 can be formed by, for example, a wet etching method if it is a light wave band, or a polishing method if it is a microwave or millimeter wave band. Thereby, the asymmetric core portion 2 and the input / output core portions on both sides thereof can be integrated. The refractive index of the asymmetric core portion 2 is represented by n co , and the refractive index of the cladding portion 6 is represented by n cl . Further, the bottom width and the height of the horizontally overturned triangular prism protruding beyond the asymmetric core portion 2 are each represented by γ.
次に、図１（ａ）、（ｂ）に例示した偏波変換器１の動作原理を説明する。ここでは誘電体導波路の入力コア部１に進入する電磁波が水平偏波入射（ＴＥモード(Transverse Electric mode)励振)であるものとして説明するが、垂直偏波入射（ＴＭモード(Transverse Magnetic mode)励振)時でも同様な動作原理である。 Next, the operation principle of the polarization converter 1 illustrated in FIGS. 1 (a) and 1 (b) will be described. Here, the electromagnetic wave entering the input core portion 1 of the dielectric waveguide is described as horizontal polarization incidence (TE mode (Transverse Electric mode) excitation), but vertical polarization incidence (TM mode (Transverse Magnetic mode) At the time of excitation), the same operation principle is applied.
誘電体導波路の入力コア部１に進入した電磁波は、非対称コア部２において、図１（ｃ）に示すように斜めに偏波軸をもつ、第１モード、第２モードに分解される。ここで両モードはほぼ等位相、等振幅で励振されるが、コア部２の断面形状が非対称性のため、それぞれのモードの電磁波の伝搬定数β１、β２が異なる。第１モードの方が、電磁波が感じる実質的なコア部が大きいので、β１＞β２の関係を満たす。励振された二つの電磁波は、伝搬定数の違いから、異なるスピードで偏波変換部２を伝搬する。偏波変換部２の長さｚｇを、偏波変換長Ｌｃ＝π／（β１−β２）にすれば、非対称コア部２の出力端で、第１モードと第２モードの位相関係は逆転する。出力では、第１、第２のモードが再び合成されるが、位相関係が入力時とは逆転しているため、出力コア部を励振する電磁波は垂直偏波に変換される。
なお、本構造において、ｚｇ＝Ｌｃ／２＝π／２（β１−β２）とすれば、出力端で第１、第２モードは９０度の位相差を有するので、直線偏波⇔円偏波の変換器としても動作する。
The electromagnetic wave that has entered the input core portion 1 of the dielectric waveguide is decomposed in the asymmetric core portion 2 into a first mode and a second mode having polarization axes obliquely as shown in FIG. 1 (c). Here, both modes are excited with substantially equal phase and equal amplitude, but because the cross-sectional shape of the core portion 2 is asymmetric, the propagation constants β 1 and β 2 of the electromagnetic waves of the respective modes are different. In the first mode, since the substantial core portion felt by the electromagnetic wave is larger, the relationship of β 1 > β 2 is satisfied. The two excited electromagnetic waves propagate through the polarization converter 2 at different speeds due to the difference in propagation constant. If the length z g of the polarization conversion unit 2 is set to the polarization conversion length L c = π / (β 1 −β 2 ), the phase of the first mode and the second mode is output at the output end of the asymmetric core unit 2 The relationship is reversed. At the output, the first and second modes are combined again, but since the phase relationship is reversed from that at the time of input, the electromagnetic wave exciting the output core portion is converted to vertical polarization.
In the present structure, if z g = L c / 2 = π / 2 (β 1 −β 2 ), the first and second modes have a phase difference of 90 degrees at the output end, so linear polarization It also operates as a circularly polarized converter.
図２に動作波長λ＝１．５５μｍで正規化した偏波変換長Ｌｃ／λ１．５５の変化を示す。図２は、コア部の屈折率ｎｃｏとクラッド部の屈折率ｎｃｌの比屈折率差Δ＝（ｎｃｏ ２−ｎｃｌ ２）／（２ｃｏ ２）、と波長で正規化された導波路のコア部幅ｗ／λ１．５５に対して表示されている。固有モード解析にはＹｅｅ格子に基づく虚軸ビーム伝搬法を用いている。ここで、θ＝４５度に固定し、クラッド部は二酸化シリコン（ｎｃｌ＝１．４４４）としているが、本図は、他の波長帯においても近似的に設計値を与えることができる。図２より、偏波変換長Ｌｃを小さくしコンパクトな偏波変換器を実現するには、伝搬定数差を大きくする必要のあることが確認される。このためには、コア部とクラッド部の比屈折率差Δを大きくすればよい。 FIG. 2 shows changes in polarization conversion length L c / λ 1.55 normalized at the operating wavelength λ = 1.55 μm. FIG. 2 shows the wavelength-normalized conductor with the relative refractive index difference Δ = (n co 2 −n cl 2 ) / (2 co 2 ) of the refractive index n co of the core part and the refractive index n cl of the cladding part The waveguide core width w / λ 1.55 is displayed. The imaginary axis beam propagation method based on Yee lattice is used for eigenmode analysis. Here, the angle θ is fixed at 45 degrees, and the cladding portion is made of silicon dioxide (n c1 = 1.44). However, in this figure, design values can be approximately given in other wavelength bands. From FIG. 2, it is confirmed that it is necessary to increase the propagation constant difference in order to reduce the polarization conversion length L c and realize a compact polarization converter. For this purpose, the relative refractive index difference Δ between the core portion and the cladding portion may be increased.
以下の例では設計波長をλ＝１．５５μｍ、コア部にシリコン（ｎｃｏ＝３．４７６）、クラッド部に二酸化シリコン（ｎｃｌ＝１．４４４）を選び、比屈折率差Δが４１％のＳｉ細線導波路での例を示す。偏波変換長がやや長くなっても良い場合には、比屈折率差が小さくなる材料（例えば、コア部に窒化シリコンＳｉＮ）を選べば良い。なお、マイクロ波帯での応用では、空気をクラッド部としテフロン（登録商標）、ポリカーボネート等の誘電体でコア部となる導波路を構成すればよい。 In the following example, the design wavelength is λ = 1.55 μm, silicon (n co = 3.476) is selected for the core and silicon dioxide (n cl = 1.444) for the cladding, and the relative refractive index difference Δ is 41%. An example of the Si wire waveguide is shown. If the polarization conversion length may be slightly longer, a material with a smaller relative refractive index difference (for example, silicon nitride SiN in the core portion) may be selected. In the application in the microwave band, air may be used as a cladding and a waveguide as a core may be formed of a dielectric such as Teflon (registered trademark) or polycarbonate.
図２ではまた広帯域に偏波変換動作が維持される構造を決定することができる。図２の縦軸は波長で正規化されているため、動作波長の変化により、近似的に偏波変換長は図２の垂直方向に変化することになる。従って、等高線がほぼ垂直となっている動作点に構造を設定すれば、広帯域にわたり同じ偏波変換長が維持されることになる。 In FIG. 2 it is also possible to determine the structure in which the polarization conversion operation is maintained in a wide band. Since the vertical axis in FIG. 2 is normalized by the wavelength, the polarization conversion length changes approximately in the vertical direction in FIG. 2 due to the change in the operating wavelength. Therefore, if the structure is set to the operation point where the contour lines are almost vertical, the same polarization conversion length is maintained over the wide band.
次に挿入損の低減の観点から、構造の最適化を図る。図３に動作波長λ＝１．５５μｍにおける偏波変換長と挿入損の等高線を示す。ここで、挿入損は固有モード界の重なり積分から評価しており、近似値を与えている。図の横軸と縦軸はそれぞれ、図１に示すコア部幅ｗと横倒三角柱の高さ（底面幅）γとの比γ／ｗを示している。図より、偏波変換長は比γ／ｗを減少させることで短くなり、挿入損は比を増加させることで小さくなることがわかる。上記より、偏波変換長と挿入損を同時に最短、最小にすることはできないので、両者のバランスを取る必要がある。例えば、ｗを０．３μｍ、γ／ｗを０．４に選ぶと、偏波変換長は約３μｍ、挿入損失は約０．３ｄＢとなる。以後、コア部幅ｗと横倒三角柱の高さ（底面幅）γをそれぞれ、ｗ＝０．３２μｍ（ｗ／λ１．５５＝０．２１）、γ＝０．１３μｍ（γ／ｗ＝０．４）に固定する。 Next, the structure is optimized in order to reduce the insertion loss. FIG. 3 shows contours of polarization conversion length and insertion loss at the operating wavelength λ = 1.55 μm. Here, the insertion loss is evaluated from the overlap integral of the eigenmode field, and gives an approximate value. The horizontal axis and the vertical axis of the drawing respectively show the ratio γ / w of the core portion width w shown in FIG. 1 and the height (bottom surface width) γ of the horizontally overturned triangular prism. From the figure, it can be seen that the polarization conversion length is shortened by reducing the ratio γ / w, and the insertion loss is decreased by increasing the ratio. From the above, since the polarization conversion length and the insertion loss can not be simultaneously minimized and minimized, it is necessary to balance them. For example, when w is 0.3 μm and γ / w is 0.4, the polarization conversion length is about 3 μm and the insertion loss is about 0.3 dB. Thereafter, the core width w and the height (bottom width) γ of the overturned triangular prism are respectively w = 0.32 μm (w / λ 1.55 = 0.21), γ = 0.13 μm (γ / w = 0) Fix to .4).
図４にＦＤＴＤ法により算出した、ｘ−ｙ平面における伝搬界分布を示す。入射界はＳｉ細線導波路の基本固有ＴＥモード（Ｅｘ １１モード）である。界分布からｚｇ＝２．８μｍ付近で偏波がほぼ完全に変換している様子を観察できる。図５に偏波変換部長ｚｇに対する導波モードパワーを示す。ｚｇ＝２．８μｍで、Ｅｘ １１モードからＥｙ １１モードへ偏波変換している様子が確認できる。このときの損失は約０．４ｄＢと評価される。伝搬解析より得られた偏波変換長と損失は、固有モード解析より得られた結果とよく一致している。 FIG. 4 shows propagation field distribution in the xy plane calculated by the FDTD method. The incident field is the fundamental intrinsic TE mode (E x 11 mode) of the Si wire waveguide. It can be observed from the field distribution that the polarization is almost completely converted around z g = 2.8 μm. FIG. 5 shows the guided mode power with respect to the polarization converter length z g . It can be confirmed that the polarization conversion from the E x 11 mode to the E y 11 mode is performed at z g = 2.8 μm. The loss at this time is estimated to be about 0.4 dB. The polarization conversion length and loss obtained by propagation analysis are in good agreement with the results obtained by eigenmode analysis.
図６に切り落し角θの変化に伴うＴＥモード入射における消光比の変化を示す。消光比は変換されるＴＭモードパワーと残存するＴＥモードパワーとの比で表示している。完全に偏波変換されるとパワー比は無限大となる。例えば１５ｄＢの消光比では、９７％のパワーが変換されたことを意味している。θが４３度から４７度の範囲であれば、１５ｄＢ以上の消光比の得られることがわかる。なお、ＴＭモード入射においても類似の特性が得られる。 FIG. 6 shows the change of the extinction ratio at TE mode incidence with the change of the cutoff angle θ. The extinction ratio is represented by the ratio of the TM mode power to be converted to the remaining TE mode power. When the polarization conversion is completely performed, the power ratio becomes infinite. For example, an extinction ratio of 15 dB means that 97% of the power has been converted. It can be seen that an extinction ratio of 15 dB or more can be obtained if θ is in the range of 43 degrees to 47 degrees. Similar characteristics can be obtained also in TM mode incidence.
図７にｚｇ＝２・７５μｍ（ｚｇ／λ１．５５＝１．７７）に選んだ場合の消光比と損失の波長特性を示す。図には、従来の三角形導波路の結果も併記している。図より、波長特性は、三角形導波路と比べやや狭くなるが、デバイス長が短いので広帯域（波長１．２５μｍ〜１．６５μｍ）にわたり消光比１５ｄＢ以上の偏波変換特性を維持していることがわかる。動作比帯域を、上限と下限の波長差と中心波長との比で計算すると、（１．６５−１．２５）／（（１．６５＋１．２５）／２）×１００＝２８％にも及ぶ。このとき損失はこの帯域内で０．７ｄＢ以下である。 FIG. 7 shows wavelength characteristics of the extinction ratio and the loss in the case of z g = 2 · 75 μm (z g / λ 1.55 = 1.77). The figure also shows the result of the conventional triangular waveguide. According to the figure, the wavelength characteristic is slightly narrower than that of the triangular waveguide, but because the device length is short, polarization conversion characteristics with an extinction ratio of 15 dB or more are maintained over a wide band (wavelength 1.25 μm to 1.65 μm) Recognize. When the operating ratio band is calculated by the ratio of the wavelength difference between the upper and lower limits and the center wavelength, it extends to (1.65-1.25) / ((1.65 + 1.25) / 2) × 100 = 28% . At this time, the loss is 0.7 dB or less in this band.
上記実施の形態では、誘電体導波路のコア部の一部を長手方向にわたって一定の傾斜角度をなす傾斜面が１つ現れるように切り落とした形状の非対称コア部を形成したが、本発明によれば、図８に示すように、この傾斜面を対角方向に対向するように２箇所現れるようにそれぞれ切り落とした形状の非対称コア部としてもよい。図８のように２箇所を切り落とした場合、前方側には側壁部の一部４が残されるとともに、上方には、上面部の一部５が残され、後方側には側壁部の一部４’が残されるとともに、下面部の一部５’が残されている。このようにしても、上記と同様な効果を得ることができる。コア部とクラッド部の比屈折率差も上記と同様とすることができる。 In the above embodiment, a part of the core portion of the dielectric waveguide is formed into an asymmetric core portion having a shape which is cut off so that one inclined surface having a constant inclination angle appears in the longitudinal direction. For example, as shown in FIG. 8, an asymmetric core portion may be formed by cutting off the two inclined surfaces so as to be opposite in the diagonal direction. When two places are cut off as shown in FIG. 8, a part 4 of the side wall is left on the front side, a part 5 of the top face is left on the upper side, and a part of the side wall on the rear 4 'is left, and a part 5' of the lower surface is left. Even in this case, the same effect as described above can be obtained. The relative refractive index difference between the core portion and the cladding portion can also be the same as described above.
別の実施の形態では、図９に非対称コア部の傾斜面３を直角面１６とした、より簡単な形状の構成例を示す。図９の（ａ）は透視図、（ｂ）は１箇所を切り落とした断面図、（ｃ）は対角方向に２箇所を切り落とした断面図である。 In another embodiment, FIG. 9 shows a configuration example of a simpler shape in which the inclined surface 3 of the asymmetric core portion is a rectangular surface 16. FIG. 9A is a perspective view, FIG. 9B is a cross-sectional view in which one place is cut off, and FIG. 9C is a cross-sectional view in which two places are cut off in a diagonal direction.
図９の（ｂ）のように１箇所を切り落とした場合、前方側には側壁部の一部４が残されるとともに、上方には、上面部の一部５が残されている。また、図９の（ｃ）のように２箇所切り落とした場合、前方側には側壁部の一部４が残されるとともに、上方には、上面部の一部５が残され、後方側には側壁部の一部４’が残されるとともに、下面部の一部５’が残されている。 When one place is cut off as shown in FIG. 9B, a part 4 of the side wall part is left on the front side, and a part 5 of the top face part is left on the upper side. Further, when cut off at two places as shown in FIG. 9C, a part 4 of the side wall part is left on the front side, and a part 5 of the top face part is left on the upper side. A portion 4 'of the side wall portion is left, and a portion 5' of the lower surface portion is left.
図１０に偏波変換長と挿入損の等高線を示す。図１０は、傾斜面を有する場合に示した図３に対応する。図の横軸と縦軸はそれぞれ、図９（ｂ）に示すコア幅ｗと切り落としによって残存する幅γとの比（γ／ｗ）を示している。図より変換長は、γ／ｗ＝０．４５、ｗ＝０．３５μｍで最少となることがわかる。また、挿入損はγ／ｗを大きくすることで小さくなることがわかる。つまり、変換長と挿入損を同時に最少とすることはできない。そこで、γ／ｗ＝０．５５、ｗ＝０．３２μｍとする。ｚｇ＝３．２μｍとした場合の波長特性を図１１に示す。図７に示した傾斜面を有する場合と比べて挿入損は０．３ｄＢほど大きくなるが、図７と同等に広帯域にわたり１５ｄＢ以上の消光比が維持され、形状の簡素化による加工性の向上が得られる。なお、図１１には、γ／ｗ＝０．７５をとし、一対の対角方向に対向する２箇所を切り落とした場合のデータも併記している。該データから２箇所を切り落とした場合は広帯域に渡り低損失になることが特徴となる。コア部とクラッド部の比屈折率差も第１の実施の形態と同様とすることができる。
次に、本発明の実施の形態に係る偏波分離・変換器について述べる。
FIG. 10 shows contours of polarization conversion length and insertion loss. FIG. 10 corresponds to FIG. 3 shown in the case of having an inclined surface. The horizontal and vertical axes of the drawing respectively indicate the ratio (γ / w) between the core width w shown in FIG. 9B and the width γ remaining by trimming. The figure shows that the conversion length is minimized at γ / w = 0.45 and w = 0.35 μm. In addition, it is understood that the insertion loss decreases with an increase in γ / w. That is, the conversion length and the insertion loss can not be minimized simultaneously. Therefore, γ / w = 0.55 and w = 0.32 μm. The wavelength characteristics when z g = 3.2 μm are shown in FIG. Although the insertion loss is increased by 0.3 dB as compared with the case of having the inclined surface shown in FIG. 7, the extinction ratio of 15 dB or more is maintained over the wide band as in FIG. 7, and the processability is improved by the simplification of the shape. can get. Note that FIG. 11 also shows data in the case where γ / w = 0.75 and two places facing in a pair of diagonal directions are cut off. When two points are cut off from the data, it is characterized that the loss is low over a wide band. The relative refractive index difference between the core portion and the cladding portion can also be the same as in the first embodiment.
Next, a polarization splitter / converter according to an embodiment of the present invention will be described.
本発明の偏波変換器を応用すれば、図１２に示すような２本の平行に配置された同一の導波路を利用して、偏波分離・変換器を構成することができる。 If the polarization converter of the present invention is applied, it is possible to configure a polarization separation / converter using the same two waveguides arranged in parallel as shown in FIG.
本発明の偏波変換器を備えた導波路と、これと平行に結合導波路及び偏波分離促進用の導波路を並設することにより、屈曲導波路の使用で生じる損失を引き起こすことなくコンパクトな偏波分離・変換器を構成でき、光通信において代表的な動作波長λ＝１．５５μｍの場合では、総合的なデバイス長が４０μｍと短くすむ。 By arranging a waveguide provided with the polarization converter of the present invention in parallel with a coupling waveguide and a waveguide for promoting polarization separation parallel to this, it is compact without causing the loss caused by the use of a bending waveguide. In the case of a typical operation wavelength λ = 1.55 μm in optical communication, the overall device length can be as short as 40 μm.
図１２において、１１は偏波変換部（偏波分離器）１４を備えた導波路であり、１２は結合導波路、１３は偏波分離促進用の導波路である。１５の部分が偏波分離部となっている。図１２では、便宜上、クラッド部は図示を省略してある。 In FIG. 12, 11 is a waveguide provided with a polarization conversion unit (polarization splitter) 14, 12 is a coupling waveguide, and 13 is a waveguide for promoting polarization separation. The portion 15 is a polarization separation unit. In FIG. 12, the cladding part is omitted for convenience.
図１２に示す偏波分離・変換器はＴＥモードのみを取り出すことを意図して設計されているが、偏波変換部１４を備えた導波路１１の設置位置を導波路１２の位置とすれば、ＴＭモードのみを取り出す偏波分離・変換器を構成できる。 The polarization splitter / converter shown in FIG. 12 is designed to extract only the TE mode, but if the installation position of the waveguide 11 provided with the polarization converter 14 is the position of the waveguide 12 It is possible to configure a polarization splitter / converter for extracting only the TM mode.
導波路１１より励振されたＴＥモードとＴＭモードが混在した電磁波は，偏波分離部１５によりＴＥモードは結合導波路１２へ結合し、ＴＭモードは導波路１１へ結合する。導波路１１へ結合したＴＭモードは、偏波変換部１４を通りＴＥモードへ変換される。偏波分離部１５にはＳｉ細線導波路と類似の断面構造をもつ偏波分離促進用の導波路１３が挿入されている。この偏波分離促進用の導波路１３は導波路１１と導波路１２とで結合した高次のスーパーモードを生成し、導波路１１と導波路１２との結合をより強くし、偏波分離に要する導波路長を短縮することに貢献する。 The electromagnetic wave mixed with the TE mode and the TM mode excited by the waveguide 11 is coupled to the coupling waveguide 12 by the polarization separation unit 15, and the TM mode is coupled to the waveguide 11. The TM mode coupled to the waveguide 11 passes through the polarization converter 14 and is converted to the TE mode. A waveguide 13 for promoting polarization separation having a cross-sectional structure similar to that of a Si thin wire waveguide is inserted in the polarization separation unit 15. The waveguide 13 for promoting polarization separation generates high-order supermodes coupled by the waveguide 11 and the waveguide 12 to make the coupling between the waveguide 11 and the waveguide 12 stronger, thereby achieving polarization separation. It contributes to shortening the required waveguide length.
従来、偏波分離部のみに関しては、特許文献１に開示されたものがある。この文献に開示された偏波分離器では、結合部に２本の平行な結合導波路を利用している。これに対して、本発明では、結合導波路１１、１２の間に偏波分離促進用の導波路１３を追加している特徴を有する。ここでは、簡単のため、偏波分離促進用の導波路１３の構造は、図１３に示す幅ｄを除き導波路１１、１２と同一の例を示すが、同一にする必然性はなく、構造を最適化すれば、性能が更に向上する可能性がある。 Conventionally, with regard to only the polarization separation unit, there is one disclosed in Patent Document 1. The polarization splitter disclosed in this document utilizes two parallel coupled waveguides at the junction. On the other hand, the present invention is characterized in that the waveguide 13 for promoting polarization separation is added between the coupling waveguides 11 and 12. Here, for the sake of simplicity, the structure of the waveguide 13 for promoting polarization separation is the same as the waveguides 11 and 12 except for the width d shown in FIG. 13, but there is no necessity to make them identical. Optimization may further improve performance.
また、上記の特許文献１では、屈曲部を用いることで入出力部を構成しているが、本発明の構成では、偏波分離促進用の導波路１３の挿入により入出力部に屈曲導波路を使用しなくとも偏波分離が可能であり、屈曲に伴う損失が生じる欠点がない。 Further, in the above Patent Document 1, the input / output unit is configured by using the bent portion, but in the configuration of the present invention, the insertion of the waveguide 13 for promoting polarization separation promotes the bending waveguide to the input / output unit Polarization separation is possible without the use of B., and there is no disadvantage that the loss associated with bending occurs.
図１３に示す各構造パラメータを一例として以下のように選ぶ。断面が正方形の導波路１１と導波路１２のコア部幅をｗ＝０．３２μｍ、導波路１３のコア部幅をｄ＝０．２８μｍ、高さをｗとする。各導波路の間隔をｓ＝０．１６μｍ、導波路１１と導波路１２との間隔をＳ＝０．６μｍとする。導波路１３の長さをｚｓ＝１６μｍ、導波路１３から偏波変換部１４までの距離をｚｃ＝２２．８μｍとする。コア部およびクラッド部の屈折率をそれぞれ、ｎｃｏ＝３．４７６（シリコン）、ｎｃｌ＝１．４４４（二酸化シリコン）に選ぶ。 Each structural parameter shown in FIG. 13 is selected as follows as an example. The core width of the waveguide 11 and the waveguide 12 having a square cross section is w = 0.32 μm, the core width of the waveguide 13 d = 0.28 μm, and the height w. The distance between the waveguides is s = 0.16 μm, and the distance between the waveguides 11 and 12 is S = 0.6 μm. The length of the waveguide 13 is z s = 16 μm, and the distance from the waveguide 13 to the polarization converter 14 is z c = 22.8 μm. The core portion and the refractive index of the cladding portion, respectively, chosen in n co = 3.476 (silicon), n cl = 1.444 (silicon dioxide).
図１４に波長λ＝１．５５μｍにおける界分布を示す。左図にＴＥモード（Ｅｘ １１モード）を励振した場合の界分布を、右図にＴＭモード（Ｅｙ １１モード）を励振した場合の界分布を示している。界分布より、ＴＥモードを導波路より励振した場合、励振された界は、導波路１３を通り導波路１２へ結合する様子が観察される。また、ＴＭモードを励振した場合、界は導波路１３と導波路１２を通り再び導波路１１へ結合する。その後、偏波変換部１４を通りＴＥモードへ変換されることが確認できる。二つの導波路１１、１２間に挿入した偏波分離促進用の導波路１３の長さは１６μｍであり、偏波分離・変換器としての総合的なデバイス長もわずか４０μｍ程度とコンパクトである。分離部のクロストークは３０ｄＢ以上、変換部の消光比は約３０ｄＢの特性が得られる。 FIG. 14 shows the field distribution at a wavelength λ = 1.55 μm. The left figure shows the field distribution when the TE mode (E x 11 mode) is excited, and the right figure shows the field distribution when the TM mode (E y 11 mode) is excited. From the field distribution, when the TE mode is excited from the waveguide, it is observed that the excited field is coupled to the waveguide 12 through the waveguide 13. Also, when TM mode is excited, the field passes through the waveguide 13 and the waveguide 12 and is coupled to the waveguide 11 again. After that, it can be confirmed that the light is converted to the TE mode through the polarization conversion unit 14. The length of the waveguide 13 for promoting polarization separation inserted between the two waveguides 11 and 12 is 16 μm, and the total device length as a polarization separation / converter is as compact as only about 40 μm. Cross talk of the separation part is 30 dB or more, and the extinction ratio of the conversion part is about 30 dB.
本発明は、特にシリコンをコア部に用いたシリコン平面光回路において好ましく適用することができる。また、マイクロ波、ミリ波帯の電磁波回路に適用することができる。 The present invention can be preferably applied particularly to a silicon planar optical circuit using silicon as a core. Moreover, it can apply to the electromagnetic wave circuit of a microwave and a millimeter wave band.
１ 誘電体導波路のコア部
２ 偏波変換部（非対称コア部）
３ 傾斜面
４、４’ 側壁部の一部
５、５’ 上面部の一部、下面部の一部
６ クラッド部
１１ 偏波変換器を備えた導波路
１２ 結合導波路
１３ 偏波分離促進用の導波路
１４ 偏波変換部（偏波変換器）
１５ 偏波分離部
１６ 直角面
1 core of dielectric waveguide 2 polarization converter (asymmetric core)
Reference Signs List 3 inclined surface 4, 4 'part of the side wall part 5, 5' part of the upper surface part, part of the lower surface part 6 cladding part 11 waveguide having a polarization converter 12 coupling waveguide 13 for promoting polarization separation Waveguide 14 Polarization converter (polarization converter)
15 polarization splitter 16 right angle plane
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