JP5966021B2 - 偏波変換素子 - Google Patents

Description

本発明は、基板上に作製される光導波路素子の構造に関し、特に偏波変換を目的とした素子である偏波変換素子に関する。
本願は、２０１３年６月２７日に日本に出願された特願２０１３−１３５４９２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

現在、光通信で利用される情報量は増加の一途をたどっている。こうした情報量の増加に対応するため、バックボーン、メトロ、アクセスといった光通信ネットワークでは信号速度の高速化、波長多重通信によるチャネル数の増加、といった対策が進められている。これに伴い、光通信に必要なシステムは複雑になり、システムの大型化や高額化、消費電力の増大といった課題を生じる。

また、近年増加しているデータセンタにおいても同様に、情報量の増加への対応に迫られている。データセンタ内のコンピュータ間の通信では、従来、主にメタルケーブルにより電気信号が伝送されていたが、より一層の高速化や消費電力の低減の要請から、近年光ファイバを用いた光通信の利用が進められている。さらには、コンピュータのボード内、ＣＰＵ内と各レベルにおいても、光通信の導入が課題となっている。

このような光通信ネットワークにおける課題の解決、さらには新規分野への光通信導入を実現する技術として、従来より用いられてきた石英ＰＬＣによる光集積回路や、リチウムナイオベート等の強誘電体による高速動作デバイス等に加え、近年ではシリコン、ＩｎＰ、ＧａＡｓなどの高屈折率材料を用いた光デバイスが注目を集めるなど、基板型光導波路素子デバイスの研究開発が各所で進められている。

媒質中の光の波長はその媒質の屈折率に反比例するため、屈折率が約３．５と高いシリコンでは、光導波路のコア幅などの寸法が小さくなる。また、シリカのような、シリコンに対して屈折率の大きく異なる媒質をクラッドとすることで、閉じ込めの強い光導波路となる。その特徴として曲がり半径を小さくとることができる。これらの理由から、光導波路を用いた光デバイスそのものの小型化が可能となり、同じ機能であればより小型に、同じ大きさであればより多くの機能を実現できる。また、シリコンが半導体材料であることを活かして、電気的な制御が可能であり、光変調器を始めとした、特性可変のデバイスの実現が可能である（特許文献１参照）。

さらに、シリコンを用いた光デバイスの製造に関する技術・装置は、従来のＣＰＵ、メモリ等の半導体デバイス製造で使用する半導体プロセスに関する技術・装置と共通要素が多い。量産により低コストな光デバイスの実現が期待できる。従来の半導体デバイスと光デバイスを同一基板上で集積することにより、基板上で半導体デバイスと光デバイスとを接続することができる。これまではデバイス間の接続にメタル配線上の電気信号が用いられてきたが、今後は信号の一部を光で置き換えることにより、さらなる機器の高速化、低消費電力化の可能性がある。

このような基板型光部品で使用される平面型光導波路は、円筒対称な光ファイバとは異なり、導波路の断面方向において、方位角方向に非対称性を持つ。これにより、異なる偏向方向の導波光（偏波）に対して異なる特性をもつ。平面型光導波路において、今便宜上その導波モードの主電界が基板に対して水平方向であるものをＴＥモード、また主電界が基板に対して垂直方向である導波モードをＴＭモードと表すとする。平面型光導波路の垂直方向の構造及び水平方向の構造に違いがある場合は、二つのモードは異なる実効屈折率を持つ。このため、平面基板上で両偏波に対して同一の特性を持つデバイスの作製は困難である。そこで、偏波ダイバーシティと呼ばれる二つのモードを回転させる構造が用いられる。この偏波ダイバーシティにおいては、ＴＥとＴＭ間で偏波の変換を行う偏波ローテータが必要となる。
また、近年の高速光通信方式では光ファイバ伝送時に直交する二つの偏波に異なる信号を乗せる偏波多重技術が行われており、この送受信デバイスにおいて偏波を分離、合波又は変換させる要素技術が必要である。
このような中、基板集積型の偏波変換素子として、以下のようなものが検討されてきた。

非特許文献１に、シリコン基板上に作製した偏波変換素子を示す。この文献では、シリコンの導波路に対して、屈折率の異なる窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）を用いて、導波路上部に構造を形成している。しかしながら、Ｓｉ_３Ｎ_４を用いたプロセスが必要となり、導波路形成が困難である。また、Ｓｉ_３Ｎ_４を付与する部分において、理想的にはＳｉ_３Ｎ_４の先端を限りなく細く作製することが望ましいが、実際の量産用のプロセスでは、１００ｎｍ程度が限度のため、この部分でモード不整合により損失が生じる。また、先端をさらに細く形成できるＥＢプロセスを用いることもできるが、製造コストの上昇を招く。
一方、上記非特許文献１と同様の偏波回転プロセスをシリコンのみで実現した例として非特許文献２が挙げられる。しかしながら、課題として上記同様に接続部においてテーパー状の先端部が１００ｎｍ程度の幅になる場合、モード不整合による損失が生じる。

非特許文献３に示すような、矩形導波路にＬ字型導波路を接続した構造が挙げられる。これは、もともとの導波路に対して、偏波軸が傾いた導波路を接続することで、二つのモードの実効屈折率差を利用して偏波を回転する素子である。しかしながら、この接続部分において損失が生じ、また実効屈折率が波長に依存するため、波長依存性が生じるという課題がある。
また、非特許文献４には、ＩｎＰを用いた例として、同様にリブ型導波路を変形させることで、軸が傾いた導波路を接続する手法が挙げられている。リブ型導波路から、ＴＥ／ＴＭが混在するＬ字型導波路に適切な長さに設計し、低損失に両方のモードを励起することで低損失な偏波回転素子を実現している。しかしながら、両方のモードを励起するためのｔａｐｅｒ部の製造トレランスと、非特許文献３同様、波長依存性が生じるという課題がある。

国際公開第００／５８７７６号

L. Chen, C. R. Doerr, and Y.-K. Chen, "Compact polarization rotator on silicon for polarization-diversified circuits," Optics letters, Vol. 36, Issue 4, pp. 469-471 (2011) J. Zhang, M. Yu, G.-Q. Lo, and D.-L. Kwong, "Silicon-Waveguide-Based Mode Evolution Polarization Rotator," IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol.16, Issue 1, pp.53-60 (2010) 山内潤治、島田尚亨、中村正志、若林佑、中野久松、"Ｌ字及び傾斜導波路型偏波変換器の反射損"、電子情報通信学会総合大会講演論文集、２０１１年、Ｃ−３−５２ C. Alonso-Ramos, S. Romero-Garcia, A. Ortega-Monux, I. Molina-Fernandez, R. Zhang, H. G. Bach, and M. Schell, "Polarization rotator for InP rib waveguide," Optics Letters, Vol. 37, Issue 3, pp. 335-337 (2012)

以上のように、従来は、容易な製造プロセスと、低い波長依存性を両立した偏波変換素子の実現が課題であった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、容易に製造することが可能な偏波変換素子を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、基板上に形成された光導波路が、順に、第１導波部と偏波回転部と第２導波部を持ち、前記第１導波部は、その断面における導波光の固有モードが、少なくとも１つのＴＥモードと１つのＴＭモードを含み、その最も実効屈折率の高いＴＥモードは、ＴＭモードよりも実効屈折率が高く、前記第２導波部は、その断面における導波光の固有モードが、少なくとも１つのＴＥモードと１つのＴＭモードを含み、ＴＭモードは、その最も実効屈折率の高いＴＥモードよりも実効屈折率が高く、前記第１導波部及び前記第２導波部は互いに導波路構造の高さが等しく、前記偏波回転部の導波路構造は、前記基板からの高さ方向に少なくとも２通りの高さを有し、その導波路構造は、前記第１導波部及び前記第２導波部の導波路構造と同じ高さの厚板部と、前記厚板部より厚みの低い薄板部とを有し、前記偏波回転部の導波路構造は、断面が幅方向に非対称で、かつ高さ方向にも非対称となる部分を有し、前記第１導波部の導波路構造と前記偏波回転部の厚板部と前記第２導波部の導波路構造との間で、同じ高さの導波路構造が連続して存在することを特徴とする偏波変換素子を提供する。

前記第１導波部と前記偏波回転部と前記第２導波部との間で、導波方向に沿って、前記導波路構造の幅が不連続点を持たず連続的に変化することが好ましい。
前記第１導波部の前記導波路構造が、その断面において幅方向が高さ方向よりも広い矩形状であることが好ましい。
前記第１導波部の前記導波路構造が、厚みの厚いリブ部と薄いスラブ部を持つリブ型構造であることが好ましい。
前記偏波回転部の厚板部の高さは前記リブ部の高さと等しく、前記薄板部が前記スラブ部の高さと等しいことが好ましい。
前記第２導波部の前記導波路構造が、その断面において幅方向が高さ方向よりも狭い矩形状であることが好ましい。
前記第２導波部の前記導波路構造が、一定の幅で直線状に延びている断面が矩形状の部分を、前記厚板部に連続して有することが好ましい。
前記第２導波部の前記導波路構造が、厚みの厚いリブ部と薄いスラブ部を持つリブ型構造であることが好ましい。

前記第１導波部の断面における導波光の固有モードが、１つのＴＥモードと１つのＴＭモードを含むか、又は、少なくとも２つのＴＥモードと、２番目に実効屈折率の高いＴＥモードよりも実効屈折率が高い１つのＴＭモードを含むことが好ましい。

前記第２導波部は、前記偏波回転部から離れる方向に従って導波路構造の幅が拡大するモード拡大部に接続されていることが好ましい。
前記第１導波部及び前記第２導波部のいずれか一方又は両方は、前記偏波回転部から離れる方向に従って導波路構造の幅が細くなるテーパー形状のモード変換部に接続されていることが好ましい。
前記偏波回転部の厚板部の下面と薄板部の下面が、前記基板から同じ高さにあることが好ましい。
前記偏波回転部の厚板部の上面と薄板部の上面が、前記基板から同じ高さにあることが好ましい。
前記導波路構造がコアであることが好ましい。
前記導波路構造が、コアと、前記コア上に積層されて前記コアの幅以下の幅を有する上部クラッドとからなることが好ましい。
また、本発明は、前記偏波変換素子を備えたＤＰ−ＱＰＳＫ変調器を提供する。

本発明によれば、コア等の導波路構造が先端部の細いテーパー状の部分を有することなく、容易に製造することが可能な構造となる。

本発明の偏波変換素子の第１実施形態の一例を示す斜視図である。 図１の偏波変換素子の上面図である。 それぞれ図２の（ａ）Ａ−Ａ線、（ｂ）Ｂ−Ｂ線、（ｃ）Ｃ−Ｃ線、（ｄ）Ｄ−Ｄ線に沿う断面図である。 図１の偏波変換素子の前後を矩形導波路に接続した構成の上面図である。 本発明の偏波変換素子の第２実施形態の一例を示す上面図である。 本発明の偏波変換素子の第２実施形態の別の一例を示す上面図である。 本発明の偏波変換素子の第３実施形態の一例を示す（ａ）斜視図、（ｂ）Ｌ１とＬ２の境界部における断面図である。 本発明の偏波変換素子の第４実施形態の一例を示す上面図である。 本発明の偏波変換素子の第５実施形態の一例を示す（ａ）上面図、（ｂ）Ｒ−Ｒ線に沿う断面図である。 本発明の偏波変換素子の第６実施形態の一例を示す（ａ）上面図、（ｂ）Ｓ−Ｓ線に沿う断面図である。 本発明の偏波変換素子の第７実施形態の一例を示す上面図である。 本発明の偏波変換素子の第８実施形態の一例を示す上面図である。 （ａ）厚板部の形成に使用するマスクパターンの一例を示す上面図、（ｂ）薄板部の形成に使用するマスクパターンの一例を示す上面図、（ｃ）二つのマスクパターンの重ね合わせを説明する上面図である。 マスクずれを説明する上面図である。 本発明の偏波変換素子の第９実施形態の一例を示す断面図である。 本発明の偏波変換素子の第１０実施形態の一例を示す（ａ）上面図、（ｂ）Ａ１−Ａ１線に沿う断面図、（ｃ）Ｂ１−Ｂ１線に沿う断面図、（ｄ）Ｃ１−Ｃ１線に沿う断面図、（ｅ）Ｄ１−Ｄ１線に沿う断面図、（ｆ）Ｅ１−Ｅ１線に沿う断面図、（ｇ）Ｆ１−Ｆ１線に沿う断面図である。 本発明の偏波変換素子の第１０実施形態の別の一例を示す上面図である。 本発明の偏波変換素子の第１０実施形態の別の一例を示す（ａ）上面図、（ｂ）Ａ２−Ａ２線に沿う断面図、（ｃ）Ｂ２−Ｂ２線に沿う断面図、（ｄ）Ｃ２−Ｃ２線に沿う断面図、（ｅ）Ｄ２−Ｄ２線に沿う断面図、（ｆ）Ｅ２−Ｅ２線に沿う断面図である。 本発明の偏波変換素子の第１１実施形態の一例を示す（ａ）上面図、（ｂ）Ａ３−Ａ３線に沿う断面図、（ｃ）Ｂ３−Ｂ３線に沿う断面図、（ｄ）Ｃ３−Ｃ３線に沿う断面図、（ｅ）Ｄ３−Ｄ３線に沿う断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は実施例１における断面Ａの電界分布を示す図である。 （ａ）〜（ｄ）は実施例１における断面Ｂの電界分布を示す図である。 （ａ）は実施例１における断面Ａから断面Ｂでの実効屈折率変化を示すグラフであり、（ｂ）はその断面構造の説明図である。 （ａ）〜（ｄ）は実施例１における断面Ｃの電界分布を示す図である。 （ａ）は実施例１における断面Ｂから断面Ｃでの実効屈折率変化を示すグラフであり、（ｂ）はその断面構造の説明図であり、（ｃ）は実施例１における断面Ｂから断面Ｃへ構造が変化する際の各モードの光強度における、Ｅｙ成分の寄与する割合を示すグラフである。 （ａ）は実施例１における断面Ｃから断面Ｄでの実効屈折率変化を示すグラフであり、（ｂ）はその断面構造の説明図である。 実施例１における伝搬の様子を示す図面であり、（ａ）は電界のＥｘ成分を、（ｂ）は電界のＥｙ成分を表す図である。 実施例２のシミュレーション結果を示すグラフである。 実施例２で製作した光導波路の結合パワーの測定結果を示すグラフである。 実施例３の光導波路素子を示す（ａ）上面図、（ｂ）Ａ４−Ａ４線に沿う断面図、（ｃ）Ｂ４−Ｂ４線に沿う断面図、（ｄ）Ｃ４−Ｃ４線に沿う断面図、（ｅ）Ｄ４−Ｄ４線に沿う断面図である。 実施例４の光導波路素子を示す（ａ）上面図、（ｂ）Ａ５−Ａ５線に沿う断面図、（ｃ）Ｂ５−Ｂ５線に沿う断面図、（ｄ）Ｃ５−Ｃ５線に沿う断面図、（ｅ）Ｄ５−Ｄ５線に沿う断面図である。

以下、好適な実施の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１〜３に、本発明の偏波変換素子の第１実施形態の一例を示す。図１はコアの斜視図、図２はコアの上面図、図３（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ図２のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線、Ｄ−Ｄ線に沿う、クラッドを含む光導波路の断面図である。便宜上、図２のＡ〜Ｄに対応して、図３（ａ）〜（ｄ）のそれぞれの断面を、断面Ａ、断面Ｂ、断面Ｃ、断面Ｄという。図１〜２では、クラッドの図示は省略されている。断面図は、導波方向に垂直な面上の断面を示す。

偏波変換素子１０は、基板１７（図３参照）上に形成された光導波路からなる。光導波路は、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、基板１７上に形成された下部クラッド１６ｂと、その上に形成されたコア１１ｃ，１２ｃと、下部クラッド１６ｂ及びコアの上に形成された上部クラッド１６ａを有する。コアは例えばシリコン（Ｓｉ）からなり、クラッド（上部クラッド１６ａ及び下部クラッド１６ｂ）は例えばシリカ（ＳｉＯ_２）からなる。図３では、光導波路の幅方向の一部を示しており、クラッドが、さらに横方向に広がっていてもよい。

図１に示す偏波変換素子１０の光導波路構造は、主に３つの部位に分かれている。それらは、順に、図３（ａ）に示す第１導波部１１と、図３（ｂ）に示す偏波回転部１３と、図３（ｃ）に示す第２導波部１２である。導波方向は、第１導波部１１から偏波回転部１３を経て第２導波部１２に、あるいは、第２導波部１２から偏波回転部１３を経て第１導波部１１に向かう方向である。

第１導波部１１は、その断面における導波光の固有モードが、少なくとも１つのＴＥモードと１つのＴＭモードを含んでいる。第１導波部１１のコア１１ｃは、導波モードのうち、実効屈折率の高い順にＴＥモード、ＴＭモードと、少なくとも２つのモードが存在する構造である。つまり、ある程度幅Ｗ１を広げると、ＴＥの高次のモードが生じるが、この高次のモードの実効屈折率が基本ＴＭモードよりも実効屈折率の低い限り問題ない。そのため、コア１１ｃの幅Ｗ１（図２参照）が高さＨ１（図１参照）よりも広いことが好ましい。
第１導波部１１の断面における導波光の固有モードが、１つのＴＥモードと１つのＴＭモードを含む場合は、そのＴＥモードは、ＴＭモードよりも実効屈折率が高ければよい。
第１導波部１１の断面における導波光の固有モードが、少なくとも２つのＴＥモードと、１つのＴＭモードを含む場合は、その最も実効屈折率の高いＴＥモードは、ＴＭモードよりも実効屈折率が高く、そのＴＭモードは、２番目に実効屈折率の高いＴＥモードよりも実効屈折率が高ければよい。
第１導波部１１は、図１や図３（ａ）では、コア１１ｃの断面が矩形状である矩形導波路からなるが、必ずしもこれに限定されない。第１導波部は、矩形導波路、リブ型導波路、直線導波路、曲げ導波路、その他、所望の形状を有する種々の導波路から構成することができ、例えば、矩形導波路とリブ型導波路を長手方向の異なる区間に用いるなど、２種以上の導波路の組み合わせとしても構成可能である。第１導波部が矩形導波路からなる部分においては、コアの幅がコアの高さよりも広いことが好ましい。

第２導波部１２は、その断面における導波光の固有モードが、少なくとも１つのＴＥモードと１つのＴＭモードを含んでいる。第２導波部１２のコア１２ｃは、導波モードのうち、実効屈折率の高い順にＴＭモード、ＴＥモードと、少なくとも２つのモードが存在する構造である。そのため、コア１２ｃの幅Ｗ２（図２参照）が高さＨ１（図１参照）よりも狭いことが好ましい。
第２導波部１２の断面における導波光の固有モードが、１つのＴＥモードと１つのＴＭモードを含む場合は、そのＴＭモードは、モードよりも実効屈折率が高ければよい。
第２導波部１２の断面における導波光の固有モードが、少なくとも２つのＴＥモードと、１つのＴＭモードを含む場合は、ＴＭモードは、その最も実効屈折率の高いＴＥモードよりも実効屈折率が高ければよい。
第２導波部１２は、図３（ｃ）では、コア１２ｃの断面が矩形状である矩形導波路からなるが、必ずしもこれに限定されない。第２導波部は、矩形導波路、リブ型導波路、直線導波路、曲げ導波路、その他、所望の形状を有する種々の導波路から構成することができ、例えば、矩形導波路とリブ型導波路を長手方向の異なる区間に用いるなど、２種以上の導波路の組み合わせとしても構成可能である。第２導波部が矩形導波路からなる部分においては、コアの幅がコアの高さよりも狭いことが好ましい。

偏波回転部１３においては、導波路構造のうち、コアは図３（ｂ）に示すように基板１７からの高さ方向に少なくとも２通りの高さを有し、階段状の構成をとる。偏波回転部１３のコアは、厚板部１４と、厚板部１４より厚みの低い薄板部１５を有する。図１及び図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、第１導波部１１のコア１１ｃと第２導波部１２のコア１２ｃは高さＨ１が等しく、厚板部１４の高さＨ１はコア１１ｃ，１２ｃの高さＨ１に等しい。図２に示すように、薄板部１５は厚板部１４の片側にあり、断面Ｂのコア断面（図３（ｂ）参照）が幅方向に非対称となっている。薄板部１５の高さＨ２は、厚板部１４の高さＨ１より低い。さらに、薄板部１５が厚板部１４の下段に存在することにより、断面Ｂのコア断面が高さ方向にも非対称となっている。

第１導波部１１と第２導波部１２との間で、コアの断面構造は連続的に変化する。コアの幅は、導波方向に沿って、不連続点を持たず、厚板部１４の幅及び薄板部１５の幅は、それぞれ、連続的に変化する。本実施形態の場合、図１及び図２に示すように、区間Ｌ１で厚板部１４の幅が連続的に変化し、区間Ｌ２で薄板部１５の幅が連続的に変化する。区間Ｌ１で厚板部１４と薄板部１５を合わせたコア全体の幅Ｗ１は一定であり、区間Ｌ２で厚板部１４の幅Ｗ２は一定である。断面Ｂにおける薄板部１５の幅Ｗ３は、Ｗ１−Ｗ２の差に等しい。

コアの高さについては、第１導波部１１のコア１１ｃと偏波回転部１３の厚板部１４と第２導波部１２のコア１２ｃの間で、コアが同じ高さのまま連続して存在する。すなわち、コア１１ｃ，１２ｃの上面１１ａ，１２ａと厚板部１４の上面１４ａが同一平面に含まれ、コア１１ｃ，１２ｃの下面１１ｂ，１２ｂと厚板部１４の下面１４ｂも同一平面に含まれる。

本実施形態の偏波変換素子１０の場合、図１の区間Ｌ３ではコアの幅のみが連続的に変化している。すなわち、第２導波部１２が、偏波回転部１３から離れる方向に従ってコア１８ｃの幅が拡大するモード拡大部１８に接続されている。図３（ｄ）に示す断面Ｄの構造は、図３（ａ）の断面Ａと等しい形状にすることができる。コア１８ｃの断面は矩形状である。モード拡大部１８では、コア１８ｃの高さはＨ１のまま一定であり、コア１８ｃの上面１８ａ及び下面１８ｂは、それぞれ第２導波部１２のコア１２ｃの上面１２ａ及び下面１２ｂと同一平面に含まれている。

本実施形態の偏波変換素子１０は、上述の構造を有することにより、コアの形状を変化させるのみで、偏波を回転すること、すなわちＴＥモードとＴＭモードを入れ替えることが可能となる。この原理を次に説明する。

まず、第１導波部１１の断面Ａにおいては、すでに説明したように、ＴＥモードとＴＭモードがこの実効屈折率の高い順番に並んでいる。この状態では、それぞれのモードの各主電界は高い割合で垂直方向及び水平方向に存在する（例えば実施例１の図２０参照）。上述したように、ＴＥモードの主電界は垂直方向、ＴＭモードの主電界は水平方向である。一方、偏波回転部１３の断面Ｂにおける２つのモードはＴＥ成分とＴＭ成分が混ざったモードとなる（例えば実施例１の図２１参照）。

断面Ａから断面Ｂへ構造が変化する際の各モードの実効屈折率は、例えば実施例１の図２２（ａ）に示すように、交差することなく、互いに離れている。従って、十分緩やかに変化（断熱変化）した場合には、断面Ａにおける最も実効屈折率が高いモード（ＴＥモード）が断面Ｂにおける最も実効屈折率が高いモードに、また断面Ａにおける２番目のモードは断面Ｂにおける２番目のモードに結合する。

次に、第２導波部１２の断面Ｃにおいては、最も実効屈折率が高いモードがＴＭモード、２番目がＴＥモードとなっている（例えば実施例１の図２３参照）。しかし、断面Ｂから断面Ｃに遷移する過程における実効屈折率変化は、実施例１の図２４（ａ）に示すように、実効屈折率が交差することなく、互いに離れている。したがって、断面Ｂにおける最も実効屈折率が高いモードが断面Ｃにおける最も実効屈折率が高いモード（ＴＭモード）に、また断面Ｂにおける２番目のモードは断面Ｃにおける２番目のモードに結合する。
このため、断面Ａから断面Ｃへ光が伝搬する際には、断面ＡでのＴＥモードが断面ＣにおいてはＴＭモードへと変換される。つまり、偏波回転部１３は、偏波ローテータ（偏波回転素子）として機能する。

図２４（ｃ）には、断面Ｂから断面Ｃへ構造が変化する際の各モードの光強度における、Ｅｙ成分の寄与する割合Ｃ_ｙを示す。Ｃ_ｙの定義を次の式に示す。

ただし、ε_０は誘電率、ｖ_ｃは真空中の光の伝搬速度、ｎは比屈折率、ｓは断面上の積分範囲（無限遠まで）である各点を表す変数、Ｅ_ｙはＥｙ成分、Ｐ_ｚはポインティングベクトルを示す。すなわち、ＴＥモードでは通常Ｅｘモードが主電界であり、光強度はＥｘ成分の寄与する割合が高い。すなわちＥｙ成分の寄与する割合が低くなる、一方、ＴＭモードではＥｙ成分の寄与が支配的である。断面Ｂから断面Ｃに遷移する過程において電界の主成分が入れ替わっており、断面Ｃにおいては、１番目がＴＭモード、２番目がＴＥモードとなることが分かる。

モード拡大部１８では、矩形導波路の幅が広がり、図３（ｃ）の断面Ｃでは高さが幅より大きい構造であったのが、図３（ｄ）の断面Ｄでは高さが幅より小さい構造となっている。この場合、実効屈折率の変化は、コアの高さと幅が等しく、上下左右に構造が対称となった位置で、ＴＥモードとＴＭモードの実効屈折率が一致する（例えば実施例１の図２５参照）。
モード拡大部１８においては、モード拡大部の光の伝搬方向に対する全ての垂直面において、ＴＥモード及びＴＭモードはそれぞれ異なる対称性を持つ。すなわち、その垂直面においては、ＴＥモードはそのＥｘ成分はｘ軸方向に対称であり、またＴＭモードのＥｘ成分は反対称である。導波路中の偏波の回転はこのモード間の結合により説明することができるが、この両者のモード間の結合は、対称性が逆であるために生じない。実際の製造時には、製造上のばらつきのために、対称性が崩れる可能性があるが、わずかにずれただけでは、モード間の結合は弱く、数十μｍの範囲では断熱変化とならない。このため、断面Ｃから断面Ｄに向かってＴＥモードとＴＭモードの実効屈折率変化曲線が交差していても、それぞれのモードが交わることはなく、ＴＥモードはＴＥモードに、ＴＭモードはＴＭモードへと遷移することになる。従って、モード拡大部１８では、各伝搬モードの実効屈折率の順番が、ＴＥとＴＭで入れ替わることになる。

以上のように、偏波回転部１３を含む区間Ｌ１及びＬ２の導波路では、断面構造の上下左右（高さ方向と幅方向）に非対称性を生じることで、ＴＥモードからＴＭモードへの変化を誘起している。原理的にわずかでも非対称性が生じれば、十分導波路の長さをとり断熱変換を行うことは可能であるが、現実的には限られた長さで変換を行う必要がある。そこで、本実施形態では、実効屈折率で明確な分離が生じるように、偏波回転部１３の階段形状により非対称性を誘起している。
本構造の偏波回転素子では、ＴＥの０次モード（実効屈折率が最も高いモード）とＴＭの０次モードの反対称性を考慮して、両者の変換を行ったが、後述するように、ＴＥ_２ｎモード（ｎは０以上の整数）とＴＭの０次モードの間で変換を行うことも可能である。

本構造をシリコン導波路に適用する場合、導波路の製造に用いる基板としてＳｉ−ＳｉＯ_２−ＳｉからなるＳＯＩ（Silicon on insulator）基板をもとに形成することができる。中間のＳｉＯ_２層を下部クラッドとし、上部のＳｉ層をコアとして用いる。Ｓｉ層は、高さが異なる段状の形状を有しており、深さ方向へ途中までエッチングすることで形成することができる。シリコンコア上部の上部クラッドは、シリコンコアの形成後にデポジションを行う。
本実施形態の偏波変換素子１０を導波路に組み込む場合、図４に示すように、第１導波部１１及び第２導波部１２のそれぞれに、導波路１，２を接続することができる。導波路１，２の形状は任意であるが、コアの幅及び高さが一定の矩形導波路であってもよい。

図５及び図６に、それぞれ本発明の偏波変換素子の第２実施形態の一例を示す。
図１〜４に示す第１実施形態の偏波変換素子１０では、断面Ａと断面Ｃの中間でコアの高さを２段として上下に非対称性を生じ、かつその下段の薄板部１５を厚板部１４の片側に配置して上下左右に非対称性を生じることで、偏波変換を行っている。このとき、第１実施形態では、便宜上、断面Ｂを境界として区間Ｌ１と区間Ｌ２に分け、階段形状のコアの上段の幅（厚板部１４の幅）と下段の幅（厚板部１４と薄板部１５を合わせた幅）を独立に変化させた。
しかし、この階段の上段と下段の幅を独立に変化させることは本質的ではなく、例えば、図５の偏波変換素子１０Ａのように導波方向に沿って上段と下段の幅を同時に変化させることも可能である。さらに、コア側面の形状が直線である必要はなく図６の偏波変換素子１０Ｂのように曲線でもよい。このように、上段のコア幅が変化する区間と下段のコア幅が変化する区間を、偏波変換素子の導波方向の一部又は全部において重複させることにより、さらに導波路の短縮化、及び偏波消光比の向上を図ることができる。

図７に、本発明の偏波変換素子の第３実施形態の一例を示す。第１実施形態及び第２実施形態では、コアの下段が上段よりも幅が広くなっている。これは、矩形導波路に対してエッチングを行い形成する場合には有用である。図３（ｂ）では、厚板部１４の下面１４ｂと薄板部１５の下面１５ｂは基板１７から同じ高さにあり、偏波回転部１３の下面１３ｂが同一平面にある。
一方、図７に示すように、コアの上段の幅がコアの下段の幅より大きく形成することも可能である。例えば、シリコン導波路では、ポリシリコンを使ってシリコンを堆積させることで、上部の幅の広い導波路を形成することが可能である。図７（ｂ）では、厚板部１４の上面１４ａと薄板部１５の上面１５ａは基板１７から同じ高さにあり、偏波回転部１３の上面１３ａが同一平面にある。

図７（ａ）では、図１及び図２の第１実施形態と同様に、区間Ｌ３にモード拡大部１８を設けたが、偏波変換素子を得るには区間Ｌ１及びＬ２があれば十分である。図４と同様に、前後に導波路１，２を設けてもよい。また、図７（ａ）の偏波変換素子は、導波方向に沿って、コアの下段の幅を変化させる区間Ｌ１とコアの上段の幅を変化させる区間Ｌ２に分けているが、第２実施形態と同様に、上段と下段を同時に変化させることもできる。

図８に、本発明の偏波変換素子の第４実施形態の一例を示す。
第１〜第３の実施形態では、進行方向（導波方向）に沿ったコア幅の中心位置の変化について特に言及していないが、図では、厚板部１４のうち薄板部１５がない方の側部を直線状にしている。本発明は特にこれに限定されるものではなく、例えば、図８の偏波変換素子１０Ｃに示すように、コア幅の中央位置がずれてもよい。

図９（ａ）及び（ｂ）に、本発明の偏波変換素子の第５実施形態の一例を示す。
第１実施形態（図１〜４）では、第１導波部１１及び導波路１が矩形導波路であるが、これに限らず、リブ型形状から連続的にコア断面形状を変化させてもよい。この構成により、リブ型光導波路から矩形導波路への変換と同時に偏波回転を行うことができる。また、図９に示すように、薄板部１５は厚板部１４に対して片方のみに位置している必要はなく、幅方向の非対称性が残れば導波路の反対位置に存在していてもよい。この偏波変換素子１０Ｄでは、第１導波部１１のコアが、厚みの厚いリブ部１１ｒと薄いスラブ部１１ｓ，１１ｓを持つリブ型構造である。この場合、偏波回転部１３の厚板部１４の高さはリブ部１１ｒの高さと等しく、薄板部１５がスラブ部１１ｓの高さと等しいことが好ましい。第１導波部１１に接続されるリブ型光導波路においては、リブ部１１ｒの両側の各スラブ部１１ｓ，１１ｓの幅が等しくてもよい。
本構造はモード発展型の偏波ローテータであり、マスクずれ等から製造誤差が生じた場合においても、特性劣化は低い。図９では、第１導波部１１のコアが厚みの厚いリブ部と薄いスラブ部を持つリブ型構造であるが、第２導波部のコアが厚みの厚いリブ部と薄いスラブ部を持つリブ型構造であってもよい。
リブ型導波路は、非特許文献４に記されるようなＩｎＰ系材料を用いた光導波路デバイスにおいても多用される。本変換素子は、シリコン導波路のみならず、ＩｎＰやＧａＡｓ等他の材料系における高屈折率差導波路に対しても適用することが可能である（例えば、後述する第１０実施形態、第１１実施形態を参照）。

図１０に、本発明の偏波変換素子の第６実施形態の一例を示す。
第１実施形態（図４）では、導波路は第２導波部１２からモード拡大部１８へと再び幅を広げて、元の（反対側の矩形導波路１と同一の断面構造を有する）矩形導波路２へと続くが、この矩形導波路２への接続は必須ではない。
図１０（ａ）に示すように、偏波ローテータの第２導波部１２の先に、さらに幅の細くなるテーパー形状のモード変換部１９を付けることで、偏波回転とモード変換を同時に行うことが可能である。モード変換部１９は、導波方向に沿って、偏波回転部１３から離れる方向に従ってコアの幅が細くなるテーパー形状である。図１０（ａ）では、第２導波部１２にモード変換部１９を接続しているが、第１導波部１１にモード変換部１９を接続してもよく、第１導波部１１及び第２導波部１２の両方にモード変換部１９を接続してもよい。図１０（ｂ）に示すように、モード変換部１９の周囲にはクラッド１６が設けられる。
例えば、非特許文献１では、シリコン導波路とコアの実効屈折率の低いＳｉＯｘ導波路の接続を行っており、周囲をＳｉＯｘで囲む構造をとることにより、ＳｉＯｘ導波路へ接続が可能である。また、テーパー形状の導波路はモードフィールドコンバータとして多用されている。本発明の偏波変換素子は、各導波路に対する変換部と組み合わせて使用することが可能である。

図１１に、本発明の偏波変換素子の第７実施形態の一例を示す。
現在利用の進んでいるＤＰ−ＱＰＳＫ（Dual Polarization-Quadrature Phase Shift Keying）変調方式に代表される偏波多重に対応した変調器として利用した構成例を図１１に示す。このＤＰ−ＱＰＳＫ変調器２０は、入力部２１から入力したＴＥモードの信号を１×２カプラ２２で２つに分岐し、それぞれをＩＱ変調器２３により変調させる。２つに分岐したＴＥモードの信号の一方を偏波ローテータ２４によりＴＭモードに変換する。偏波コンバイナ２５により、ＴＥモードとＴＭモードを同一の導波路上に合成し、出力部２６から出力する。
本発明の偏波変換素子を偏波ローテータ２４として用いて、偏波多重方式に対応した光変調器を同一基板上に構成することが可能である。特に、本構造により、リブ型形状を持つ基板型光変調器に対して追加プロセスを用いることなく、偏波ローテータを集積することができる。

図１２に、本発明の偏波変換素子の第８実施形態の一例を示す。
本実施形態は、製造時のマスクずれを考慮した構造の一例である。本実施形態では、偏波回転部１３とモード拡大部１８との間において、第２導波部１２が、図３（ｃ）に示すように、一定のコア幅で直線状に延びている矩形導波路２７を有する。この矩形導波路２７は、導波路の長手方向で、偏波回転部１３の厚板部１４に連続している。つまり、本構造は、偏波回転部１３の先端で薄板部１５の幅が０となる箇所から先に、厚板部１４と同じ高さで、コア（導波路構造）の断面が矩形状の矩形導波路２７として、コア（導波路構造）の幅が一定の直線導波路が接続されている。この矩形導波路２７は、第２導波部１２の全体に設けてもよく、一部に設けてもよい。

一般に、シリコンのリブ型導波路は、厚みの厚い部分と、薄い部分を製造する二度のパターニング工程により形成される。シリコン導波路の量産プロセスでは、一般に、導波路の形成がフォトリソグラフィによるパターン転写と、エッチングによるパターン形成により行われる。このとき、フォトリソグラフィに使用するマスクのアラインメントの精度により、パターニング工程ごとに数ｎｍから数十ｎｍ程度のずれが生じることがある。二度のパターニング工程により導波路を製作する場合、この各工程で使用するマスクの間にずれ（マスクずれ）が生じることになる。

このマスクずれにより、第２導波部１２の導波路構造が矩形形状にならない場合がある。この場合として、例えば、図１及び図２において、薄板部１５の一部がモード拡大部１８の側面まで形成された場合が挙げられる。この際、第１導波部１１から入射したＴＥモードが、偏波回転部１３の先端まで達した際に十分にＴＭモードまで回転せず、モード拡大部１８において、ＴＥモードに結合する可能性がある。十分に偏波が回転するかどうかの境界条件は、導波路形状により異なるが、一般に、偏波回転部１３の先端における矩形形状のコア寸法の縦と横の比が小さいほど、薄板部１５が第２導波部１２に残っていたときに、偏波の回転が不十分になる。
このマスクずれを補償する（マスクずれがあっても特性を維持する）ために、図１２に示すように、偏波回転部１３のテーパー先端に、矩形導波路２７の導波路幅が一定の部分（区間Ｌ４の部分）を配置することが可能である。矩形導波路２７は、第２導波部１２と同一の断面構造を有する。

図１３（ａ）に、厚板部１４の形成に使用するマスクパターン２８の一例を示す。このマスクパターン２８は、厚板部１４のパターンとともに、第２導波部１２のパターン（さらに所望ならモード拡大部１８等のパターン）を含むことができる。また、図１３（ｂ）に、薄板部１５の形成に使用するマスクパターン２９の一例を示す。このマスクパターン２９は、薄板部１５のパターンを含むが、第２導波部１２やモード拡大部１８のパターンを含んでいない。パターニングの際、二つのマスクパターン２８，２９が重なる部分については、マスクパターン２８に従って厚みが厚く形成されるとする。この場合、図１３（ｃ）に示すように二つのマスクパターン２８，２９を重ね合わせると、図１２に示す導波路構造が形成される。偏波変換素子においては、一般に、偏波の回転が断熱変化となるように、導波路の長手方向が、導波路の幅方向よりも大きい。従って、マスクずれに際しては、幅方向のずれによる影響が大きい。図１２に示す構造では、図１４の破線または鎖線に示すように、幅方向のずれを含むマスクずれが生じた場合においても、光の導波方向に対して急な形状変化が生じず、連続的な変化を保っている。また、偏波回転部１３の先端部で薄板部１５が残ることなく、矩形導波路２７まで変化し、確実に偏波変換が行われる素子を製作することができる。

図１５に、本発明の偏波変換素子の第９実施形態の一例を示す。上記各実施形態の偏波変換素子は、導波路幅を細く絞る構造を用いるため、導波路コア断面が波長に対して小さいと、導波路幅の細い部分（特に、偏波回転部１３の先端や第２導波部１２）において、光の閉じ込めが弱くなり、光導波路を伝搬する光は、その進行方向に垂直な面における導波路周辺部へ、光の分布が広がる。この際、コアから基板までのクラッド（下部クラッド）の厚みが少ない場合には、基板に光が漏洩するおそれがある。これを回避するために、例えば参考文献１（Qing Fang, Tsung-Yang Liow, Jun Feng Song, Chee Wei Tan, Ming Bin Yu, Guo Qiang Lo, and Dim-Lee Kwong, “Suspended optical fiber-to-waveguide mode size converter for silicon photonics,” Optics Express, Vol. 18, Issue 8, pp. 7763-7769 (2010))に示すように、Suspended構造を用いてもよい。これにより、基板への光の漏洩を低減し、より低損失な偏波変換素子を実現することができる。

図１５に示すSuspended構造において、コア３１の周囲を囲むクラッド３２は、コア３１の幅方向の両側で、スリット状の間隙３４，３４を有する。さらに、コア３１の下方で、クラッド３２と基板３３との間にトレンチ３５が形成されている。間隙３４，３４とトレンチ３５は、クラッド３２の上方と同様に、空気（あるいは窒素ガスなどのガス）で満たされている。基板３３とクラッド３２との間に、空気等の、屈折率の低い媒体が満たされているので、クラッド３２から基板３３への光の漏洩を低減することができる。なお、図１３において、コア３１及びその周囲を囲むクラッド３２は、長手方向の前後に間隙３４，３４やトレンチ３５の存在しない部分を設けることにより、基板３３上に支持される。

図１６に、本発明の偏波変換素子の第１０実施形態の一例を示す。この偏波変換素子は、ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓＰからなるコアを配置した光導波路から構成されている。コアの下方のＩｎＰ基板が下部クラッドであり、コアの上部及び両側は、ＳｉＯ_２の上部クラッドに囲まれている。図１６（ｂ）〜（ｇ）の断面図において、ＩｎＧａＡｓＰコアの下面から左右に延びる水平線は、ＩｎＰクラッドとＳｉＯ_２クラッドの境界を示す。

Ａ１−Ａ１線からＢ１−Ｂ１線の間で、リブ型導波路４６の厚みの薄いスラブ部４６ｓの幅を減少させて、厚みの厚いリブ部４６ｒが偏波変換素子４０の第１導波部４１に接続されている。Ｂ１−Ｂ１線からＤ１−Ｄ１線の間で、偏波回転部４３のコアが、厚板部４４と、厚板部４４より厚みの低い薄板部４５を有し、幅を変化させている等の点は、第１実施形態の偏波変換素子１０と同様である。第２導波部４２からモード拡大部４８を経て、さらにリブ型導波路４７が接続されている。リブ型導波路４６，４７のリブ部４６ｒ，４７ｒは、偏波回転部４３やモード拡大部４８のコアと同じ厚みを有する。スラブ部４６ｓ，４７ｓの厚みは、偏波回転部４３の薄板部４５の厚みと同じにしてもよい。図１６の場合、リブ部４６ｒ，４７ｒの幅は、一定であってもよい。

ＩｎＰとＩｎＧａＡｓＰの屈折率差が小さい（例えばＩｎＰの屈折率は３．１７で、ＩｎＧａＡｓＰの屈折率は組成比により異なるが、３．４程度）ため、リブ型導波路のコア幅が狭い場合は、スラブ部を狭めた段階で、コアへの光の閉じ込めが弱く、モードが伝搬しにくい可能性がある。このため、図１７に示すように、第１導波部４１に接続されるリブ型導波路４６において、第１導波部４１に近づくにつれて、スラブ部４６ｓの幅をより狭くするとともに、リブ部４６ｒの幅を広げることが可能である。

図１８は、図１６のＡ１からＣ１の区間（リブ型導波路４６と第１導波部４１と偏波回転部４３の一部）でコア幅を一括して変化させた例である。図１８のＡ２からＢ２では、第１導波部５１のリブ部５１ｒ及びスラブ部５１ｓが、それぞれ偏波回転部５３の厚板部５４及び薄板部５５に長手方向に連続して、幅を変化させている。偏波変換素子５０の第２導波部５２、モード拡大部５８、リブ型導波路５７のリブ部５７ｒ及びスラブ部５７ｓ等の構造は、図１６と同様である。図１８（ｂ）〜（ｆ）の断面図において、ＩｎＧａＡｓＰコアの下面から左右に延びる水平線は、ＩｎＰクラッドとＳｉＯ_２クラッドの境界を示す。
図１６〜１８のいずれの場合においても、各部分の導波方向の長さは、モードの変換が断熱的に行われるように設計する。

図１９に、本発明の偏波変換素子の第１１実施形態の一例を示す。例えば、参考文献２（Masaru Zaitsu, Takuo Tanemura, and Yoshiaki Nakano, “Efficiency and Fabrication Tolerance of Half-Ridge InP/InGaAsP Polarization Converters,”The 18th Opto-Electronics and Communications Conference(2013), pp. WL3-1）には、ＩｎＰ導波路を用いたハイメサ型導波路が開示されている。ハイメサ型導波路は、下部クラッド上に、下から順に所定の幅のコアと上部クラッドが積層され、さらに、コア及び上部クラッドの幅方向両側が空気で囲まれた構造である。ハイメサ型導波路は、導波路の幅方向において屈折率差が大きく、光が強く閉じ込められた構造である。

第１〜第１０実施形態では、導波路構造のうちコアが、高さの異なる厚板部と薄板部を有する構成である。図１９に示す第１１実施形態の偏波変換素子６０では、コア６３ｃ上に上部クラッド６３ａが積層された部分を厚板部６４とし、コア６３ｃ上に上部クラッド６３ａが積層されていない部分を薄板部６５としている。上部クラッド６１ａ，６２ａ，６３ａ，６８ａ及び下部クラッド６１ｂ，６２ｂ，６３ｂ，６８ｂはＩｎＰからなり、コア６１ｃ，６２ｃ，６３ｃ，６８ｃはＩｎＧａＡｓＰからなる。第１導波部６１と第２導波部６２との間に偏波回転部６３が設けられ、偏波回転部６３の導波路構造が、厚みの厚い厚板部６４と、厚みの薄い薄板部６５を有する点や、第２導波部６２にモード拡大部６８が接続されている等の点は、第１実施形態の偏波変換素子１０と同様である。

偏波回転部６３の導波路構造のうち、コアと上部クラッドからなる部分の断面が幅方向に非対称で、かつ高さ方向にも非対称となる部分を有することにより、偏波を回転させることができる。また、第１導波部６１と偏波回転部６３の厚板部６４と第２導波部６２の間で、導波路構造のコアと上部クラッドが同じ高さで連続して存在することにより、第１実施形態と同様の構造的特徴を有する。図１９の場合、第１導波部６１、第２導波部６２、モード拡大部６８は、コアと上部クラッドの幅が等しい矩形導波路とされている。

本実施形態は、この例に限定されるものではなく、第１導波部６１や第２導波部６２の上部で厚さを削ってリブ構造とすることも可能である。また、コア及び上部クラッドの周囲を囲むクラッドとしては、保護膜としてＳｉＯ_２を積層したり、エアクラッドとすることも考えられる。クラッドの材料は、偏波変換素子６０と同一の基板上に集積する他のデバイスで用いるプロセスを考慮して決定することができる。
各部分の導波方向の長さは、モードの変換が断熱的に行われるように設計する。

以上、本発明を好適な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

本発明と同様の原理で、実効屈折率曲線においてＴＥ_２ｎモード（ｎは０以上の整数）と基本ＴＭモードが交わる縮退点を本発明と同様の薄板部と厚板部からなる導波路の上下及び左右方向の非対称性を入れた構造によって分離することができ、その間をテーパ化することで変換を行うことができる。ここで、ＴＥ_２ｎは、ＴＥモード（ＴＥ０次，ＴＥ１次，ＴＥ２次，・・・）の中で（２ｎ＋１）番目に実効屈折率が高いモードをいう。ＴＥ１モードは、ｎ＝０のＴＥ_２ｎ＋１モード（奇数次のモード）である。
ＴＥモードの偶数次のモード（ＴＥ_２ｎモード）が変換対象になるのは以下の理由による。矩形状コア（幅方向と高さがともに対称な構造（屈折率分布））を伝搬する基本ＴＭモードは、その電界のｘ成分（Ｅｘ）は、幅方向と高さ方向でともに反対称な分布になる。一方、ＴＥ０を含む偶数次のＴＥモードのＥｘは、幅方向に対して対称、高さ方向に対しても対称な電界分布になる。そのため、屈折率分布を幅方向、及び高さ方向の両者に対して非対称にすることで、ＴＥ_２ｎの高さ方向及び幅方向の対称性が崩れ、基本ＴＭモードと相互作用して縮退点付近でそれぞれのモードが混ざり、縮退点が分離する。そのため、本発明と同様の構造により、ＴＥ_２ｎモードは、基本ＴＭモードとの間で変換が可能である。

本発明において、第１導波部と偏波回転部の厚板部と第２導波部との間で「導波路構造」の高さが同じであり、偏波回転部において、「導波路構造」の厚みが厚板部より低い薄板部を有する、というときの「導波路構造」としては、第１実施形態のように「コア」であってもよく、第１１実施形態のように「コア及び上部クラッド」であってもよい。また、コア以外の導波路構造として、例えば、クラッドに高さの異なる部分を設けてもよい。導波路構造の変化がモード変換に影響して偏波回転を実現するためには、「導波路構造」のうち高さ及び幅の変化する部分は、コアを含むか、コアに近接する部分（例えばクラッドの一部）を含むことが望ましい。
偏波変換素子の前後に接続される導波路として、矩形導波路、リブ型導波路、モード拡大部、モード変換部、直線導波路、曲げ導波路等が挙げられる。これらの導波路は、偏波変換素子と同様な導波路構造を有することが好ましい。
例えば、コアの高さを２通り以上として、高さ及び幅の変化する偏波回転部を形成した場合、偏波変換素子の前後に接続される導波路のコアの高さは、偏波回転部の厚板部の高さと連続的に接続することが好ましい。また、コア上に上部クラッドを有する部分を厚板部として、コア上に上部クラッドのない部分を薄板部として、高さ及び幅の変化する偏波回転部を形成した場合、偏波変換素子の前後に接続される導波路は、厚板部と同様に、コア上に上部クラッドを有する構造とすることが好ましい。

以下、実施例をもって本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
図１〜３に示すように、コアが第１導波部１１、偏波回転部１３、第２導波部１２を有し、偏波回転部１３が厚板部１４の片側に薄板部１５を有する構造の光導波路を設計した。各寸法はＬ１＝１０μｍ、Ｌ２＝２０μｍ、Ｌ３＝２０μｍ、Ｗ１＝４００ｎｍ、Ｗ２＝２００ｎｍ、Ｗ３＝２００ｎｍ、Ｈ１＝３００ｎｍ、Ｈ２＝１５０ｎｍである。

電界分布を計算したところ、第１導波部１１（断面Ａ）では図２０、偏波回転部１３（断面Ｂ）では図２１、第２導波部１２（断面Ｃ）では図２３のようになった。例えば、図２０において、電界強度のうち９８％がＥｘ成分である。これらの電界分布の結果では、最も実効屈折率の高いモードを「ｍｏｄｅ１」、２番目に実効屈折率の高いモードを「ｍｏｄｅ２」としている。また、電界分布は、（ａ）〜（ｄ）に分けて、ｍｏｄｅ１及びｍｏｄｅ２のそれぞれに対し、Ｅｘ成分とＥｙ成分の結果を示している。
ｍｏｄｅ１及びｍｏｄｅ２の２つのモードについて、断面Ａと断面Ｂの間における実効屈折率の変化を図２２（ａ）に、断面Ｂと断面Ｃの間における実効屈折率の変化を図２４（ａ）に、断面Ｃと断面Ｄの間における実効屈折率の変化を図２５（ａ）に示す。

図２２（ａ）及び図２４（ａ）に示すように、断面Ａから断面Ｂ、そして断面Ｃに移る間、２つのモードの実効屈折率は交差せず、ｍｏｄｅ１とｍｏｄｅ２の順序は変化しない。しかし、図２０に示すように、第１導波部１１（断面Ａ）ではｍｏｄｅ１がＴＥ、ｍｏｄｅ２がＴＭであり、図２３に示すように、第２導波部１２（断面Ｃ）ではｍｏｄｅ１がＴＭ、ｍｏｄｅ２がＴＥである。
図２５（ａ）に示すように、モード拡大部１８では、コア幅ｗが０．３μｍのときにコア高さに等しくなり、ｍｏｄｅ１とｍｏｄｅ２の実効屈折率も、幅０．３μｍ付近で一致していることが分かる。

本構造を、有限差分時間領域（Finite-Difference Time Domain：ＦＤＴＤ）法により計算した。波長は１．５５μｍで計算を行った。屈折率は、ＳｉＯ_２の屈折率を１．４５、Ｓｉの屈折率を３．４８としている。シミュレーションの結果を表１に示す。
入力ポートにＴＥ光を入射した場合、その出力はＴＭになり、この時の損失は０．０５ｄＢである。入力ポートにＴＭを入射した場合はその出力は出力ポートでＴＥに変換され、偏波消光比（ＰＥＲ）は２２ｄＢ以上を確保できている。

この時の伝搬の様子を図２６に示す。図２６には図の下部より、ＴＥモードを入射した場合の光の電界分布を示す。図２６（ａ），（ｂ）には各々電界のＥｘ成分、Ｅｙ成分を表している。伝搬するに従って主電界がＥｘからＥｙに変化しており、出力部においては、モードがＥｙ成分のみとなっており、ＴＥモードがＴＭモードへと変化していることが分かる。

（実施例２）
実施例２として、シリコン光導波路で多用される、シリコンコアの厚みが２２０ｎｍの場合について、シミュレーション及び実際に製作したデバイスの測定結果を示す。

図１〜３に示すように、コアが第１導波部１１、偏波回転部１３、第２導波部１２を有し、偏波回転部１３が厚板部１４の片側に薄板部１５を有する構造の光導波路を設計した。シミュレーションソフトＦｉｍｍｗａｖｅ（Ｐｈｏｔｏｎデザイン社）を用いて、ＥＭＥ（Ｅｉｇｅｎｍｏｄｅ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）法による計算を行った。光の波長は１５５０ｎｍとした。デバイスの各寸法は、Ｌ１＝４０μｍ、Ｌ２＝１５０μｍ、Ｌ３＝４０μｍ、Ｈ１＝２２０ｎｍ、Ｈ２＝９５ｎｍ、Ｗ１＝３００ｎｍ、Ｗ２＝１８０ｎｍ、Ｗ３＝１２０ｎｍを基本とし、Ｗ２の値が１６０ｎｍ、及び１８０ｎｍの各々の場合について、Ｌ２を変化させた。シミュレーションの結果を図２７のグラフに示す。

図２７の縦軸は、図２の第１導波部１１側からＴＥモードを入射した場合に、モード拡大部１８側から出射するＴＥモード及びＴＭモードの出射パワーを規格化した値、すなわち、ＴＥモードから各モードへの変換効率を表している。図２７に示すように、導波路長のＬ２を十分長くとることで、第１導波部１１から入射したＴＥモードは断熱的に変化し、第２導波部１２側に出射時にＴＭモードに変化することが分かる。同様に、第２導波部１２から入射したＴＭモードは断熱的に変化し、第１導波部１１側に出射時にＴＥモードに変化することが分かる。また、Ｗ２＝１６０ｎｍとＷ２＝１８０ｎｍの比較では、Ｗ２の幅が狭い方が、より短い距離（Ｌ２）で断熱変換が生じることが分かる。

シリコンコアの厚みＨ１が２２０ｎｍの導波路では、一般的に４００ｎｍ程度のコア幅が利用される。このコア幅が狭くなるにつれてモードが広がる。コア幅が狭くなり、モードが広がると、製造上生じる側壁のラフネスによる光の散乱による損失が、より増大する。また、モードが広がると、ＳＯＩ基板上に光導波路を形成する場合には、光導波路の下部に基板のシリコン層が存在するため、シリコン層への光の漏洩が生じる。これらの損失増大と、断熱変化に必要な長さの条件を考慮して、適宜最適な導波路幅、及び導波路長を選択することが可能である。

さらに、上部シリコン層の厚さが２２０ｎｍで、ＢＯＸ層の厚さが２μｍのＳＯＩ基板を用いて、光導波路を製作した。本製作では、シミュレーション結果に基づき、Ｌ２＝１５０μｍ、Ｗ２＝１８０ｎｍとした。第１導波部にＴＥモードを入射して、第２導波部（モード拡大部）側から出射するＴＥモード及びＴＭモードの結合パワー（ｄＢ）を測定した結果を図２８に示す。この結合パワーは、偏波変換構造を有しない直線導波路をリファレンスとした、差の値である。図２８より、１５００〜１６００ｎｍの広範な波長にわたって、ＴＥからＴＭへの偏波変換が実現できていることが分かる。また、この波長範囲において、１０ｄＢ以上の偏波消光比（「Ｉｎｐｕｔ ＴＥ⇒Ｏｕｔｐｕｔ ＴＭ」と「Ｉｎｐｕｔ ＴＥ⇒Ｏｕｔｐｕｔ ＴＥ」の結合パワーのｄＢ値の差）が確認された。

（実施例３）
実施例３として、第１０実施形態によるＩｎＰ系光導波路を用いた偏波変換素子を設計した。図２９に、本実施例の構造を示す。この構造は、図１８の構造からモード拡大部５８を省略し、さらに、第１導波部５１のリブ部５１ｒから偏波回転部５３の厚板部５４を経て、第２導波部５２に接続されたリブ型導波路５７のリブ部５７ｒに至るまで、一定の幅とした構造である。
なお、本実施例の偏波変換素子は、その周囲（長手方向の前後）の導波路と接続して使用することが想定されるが、本実施例のＡ４−Ａ４断面やＤ４−Ｄ４断面に、厚板部及び薄板部の幅がテーパー状に変化する導波路を接続することで（例えば、図１６（ａ）、図１７、図１８（ａ）参照）、損失なく周囲の導波路に光を伝搬させることが可能である。
図２９（ｂ）〜（ｅ）の断面図では、各部のコア５１ｃ，５２ｃ，５３ｃ，５７ｃの下方に存在する基板５１ｂ，５２ｂ，５３ｂ，５７ｂと、コア５１ｃ，５２ｃ，５３ｃ，５７ｃの側方及び上方を覆う上部クラッド５１ａ，５２ａ，５３ａ，５７ａのうち、コアの近傍の部分を図示している。基板５１ｂ，５２ｂ，５３ｂ，５７ｂは下部クラッドとして機能する。

偏波回転部５３において、図２９（ａ）の上側にある薄板部５５の幅は、第１導波部５１から長さＬ１１の範囲で、Ｗ１１から０まで線形的に減少している。次の長さＬ１２の範囲では、薄板部５５は厚板部５４の片側にのみ存在している。また、図２９（ａ）の下側にある薄板部５５の幅は、第１導波部５１から長さＬ１１の範囲では、幅がＷ１３で一定であり、次の長さＬ１２の範囲では、幅がＷ１３から０まで線形的に減少している。断面が矩形状の第２導波部５２から長さＬ１３の範囲では、リブ部５７ｒの幅方向の両側で、それぞれスラブ部５７ｓ，５７ｓの幅が線形的に増大している。
Ｈ１１は、スラブ部５１ｓ，５７ｓ及び薄板部５５の高さである。Ｈ１２は、Ｈ１３−Ｈ１１の差である。Ｈ１３は、リブ部５１ｒ，５７ｒ及び厚板部５４の高さである。
Ｗ１１は、図２９（ａ）の上側にあるスラブ部５１ｓ，５７ｓの最大幅である。Ｗ１２は、リブ部５１ｒ，５７ｒ、厚板部５４及び第２導波部５２の幅である。Ｗ１３は、図２９（ａ）の下側にあるスラブ部５１ｓ，５７ｓの最大幅である。

本実施例では、ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓＰをコア、上部クラッドをＳｉＯ_２とした場合について計算を行った。ＩｎＰ及びＳｉＯ_２の屈折率は、３．１７と１．４５をそれぞれ用いた。また、ＩｎＧａＡｓＰの屈折率はその組成比によって変化することが知られているがここでは、３．４として計算を行った。
図２９（ａ）〜（ｅ）における各寸法は以下の通りである。Ｗ１１＝１μｍ、Ｗ１２＝０．８μｍ、Ｗ１３＝１μｍ、Ｈ１１＝１．０４５μｍ、Ｈ１２＝０．６２μｍ、Ｈ１３＝Ｈ１１＋Ｈ１２＝１．６６５μｍ、Ｌ１１＝３００μｍ、Ｌ１２＝６００μｍ、Ｌ１３＝１００μｍ。
シミュレーションには、シミュレーションソフトＦｉｍｍｗａｖｅ（Ｐｈｏｔｏｎデザイン社）を用いてＥＭＥ（Ｅｉｇｅｎｍｏｄｅ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）法による計算を行った。光の波長は１５５０ｎｍとした。シミュレーションの結果を表２に示す。この結果から、基板のＩｎＰと導波路のＩｎＧａＡｓＰとの屈折率差が比較的小さいＩｎＰ系光導波路を用いた偏波変換素子により偏波回転が可能であることが確認できた。

（実施例４）
次に、第１１実施形態の実施例として図３０に示す構造を設計し、シミュレーションを実施した。この構造は、図１９の構造と同様であるが、図３０（ｂ）〜（ｅ）の断面図では、ハイメサ構造（コア、上部クラッド及び下部クラッド）の幅方向両側にクラッド６１ｄ，６２ｄ，６３ｄ，６８ｄを図示している。Ｈ２１は、下部クラッド６１ｂ，６２ｂ，６３ｂ，６８ｂが基板６１ｅ，６２ｅ，６３ｅ，６８ｅの上面から突出する高さである。Ｈ２２はコア６１ｃ，６２ｃ，６３ｃ，６８ｃの厚さである。Ｈ２３は上部クラッド６１ａ，６２ａ，６３ａ，６８ａの厚さである。Ｗ２１，Ｗ２２，Ｗ２３，Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３の定義は、それぞれ図２のＷ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３と同じである。

本実施例では、ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓＰをコアとし、上部クラッドをＩｎＰとし、ハイメサ構造の幅方向両側のクラッドをＳｉＯ_２とした場合について計算を行った。
本実施例においても、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＳｉＯ_２の屈折率は上記実施例３と同様の値を用いた。また、計算手法も同じである。構造の各寸法は、Ｗ２１＝１．５μｍ、Ｗ２２＝０．９μｍ、Ｗ２３＝０．６μｍ、Ｈ２１＝１μｍ、Ｈ２２＝０．５μｍ、Ｈ２３＝１μｍ、Ｌ２１＝２００μｍ、Ｌ２２＝７００μｍ、Ｌ２３＝１００μｍである。シミュレーション結果を表３に示す。この結果から、本構造のハイメサ構造においても、本発明を適用することで偏波回転が実現できることが確認できた。

本発明の偏波変換素子は、例えば、基板上に作製される光導波路素子の構造に関し、偏波変換を目的とした素子に利用することができる。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，４０，５０，６０…偏波変換素子、１１，４１，５１，６１…第１導波部、１１ｃ，１２ｃ，１８ｃ，３１，６１ｃ，６２ｃ，６３ｃ，６８ｃ…コア、１１ｒ，４６ｒ，４７ｒ，５１ｒ，５７ｒ…リブ部、１１ｓ，４６ｓ，４７ｓ，５１ｓ，５７ｓ…スラブ部、１２，４２，５２，６２…第２導波部、１３，４３，５３，６３…偏波回転部、１４，４４，５４，６４…厚板部、１５，４５，５５，６５…薄板部、１７…基板、１８，４８，５８，６８…モード拡大部、１９…モード変換部、２０…ＤＰ−ＱＰＳＫ変調器、６１ａ，６２ａ，６３ａ，６８ａ…上部クラッド、６１ｂ，６２ｂ，６３ｂ，６８ｂ…下部クラッド。

Claims (17)

1. 基板上に形成された光導波路が、順に、第１導波部と偏波回転部と第２導波部を持ち、
   前記第１導波部は、その断面における導波光の固有モードが、少なくとも１つのＴＥモードと１つのＴＭモードを含み、その最も実効屈折率の高いＴＥモードは、ＴＭモードよりも実効屈折率が高く、
   前記第２導波部は、その断面における導波光の固有モードが、少なくとも１つのＴＥモードと１つのＴＭモードを含み、ＴＭモードは、その最も実効屈折率の高いＴＥモードよりも実効屈折率が高く、
   前記第１導波部及び前記第２導波部は互いに導波路構造の高さが等しく、
   前記偏波回転部の導波路構造は、前記基板からの高さ方向に少なくとも２通りの高さを有し、その導波路構造は、前記第１導波部及び前記第２導波部の導波路構造と同じ高さの厚板部と、前記厚板部より厚みの低い薄板部とを有し、
   前記偏波回転部の導波路構造は、断面が幅方向に非対称で、かつ高さ方向にも非対称となる部分を有し、
   前記第１導波部の導波路構造と前記偏波回転部の厚板部と前記第２導波部の導波路構造との間で、同じ高さの導波路構造が連続して存在し、
   前記偏波回転部の長さが、モード変換が断熱的に行われる長さであることを特徴とする偏波変換素子。
2. 前記偏波回転部における前記薄板部の幅は、前記第２導波部に向けて、連続的に細く変化することを特徴とする請求項１に記載の偏波変換素子。
3. 前記第１導波部と前記偏波回転部と前記第２導波部との間で、導波方向に沿って、前記導波路構造の幅が不連続点を持たず連続的に変化することを特徴とする請求項１又は２に記載の偏波変換素子。
4. 前記第１導波部の前記導波路構造が、その断面において幅方向が高さ方向よりも広い矩形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の偏波変換素子。
5. 前記第１導波部の前記導波路構造が、厚みの厚いリブ部と薄いスラブ部を持つリブ型構造であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の偏波変換素子。
6. 前記偏波回転部の厚板部の高さは前記リブ部の高さと等しく、前記薄板部が前記スラブ部の高さと等しいことを特徴とする請求項５に記載の偏波変換素子。
7. 前記第２導波部の前記導波路構造が、その断面において幅方向が高さ方向よりも狭い矩形状であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の偏波変換素子。
8. 前記第２導波部の前記導波路構造が、一定の幅で直線状に延びている断面が矩形状の部分を、前記厚板部に連続して有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の偏波変換素子。
9. 前記第２導波部の前記導波路構造が、厚みの厚いリブ部と薄いスラブ部を持つリブ型構造であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の偏波変換素子。
10. 前記第１導波部の断面における導波光の固有モードが、１つのＴＥモードと１つのＴＭモードを含むか、又は、少なくとも２つのＴＥモードと、２番目に実効屈折率の高いＴＥモードよりも実効屈折率が高い１つのＴＭモードを含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の偏波変換素子。
11. 前記第２導波部は、前記偏波回転部から離れる方向に従って導波路構造の幅が拡大するモード拡大部に接続されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の偏波変換素子。
12. 前記第１導波部及び前記第２導波部のいずれか一方又は両方は、前記偏波回転部から離れる方向に従って導波路構造の幅が細くなるテーパー形状のモード変換部に接続されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の偏波変換素子。
13. 前記偏波回転部の厚板部の下面と薄板部の下面が、前記基板から同じ高さにあることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の偏波変換素子。
14. 前記偏波回転部の厚板部の上面と薄板部の上面が、前記基板から同じ高さにあることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の偏波変換素子。
15. 前記導波路構造がコアであることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の偏波変換素子。
16. 前記導波路構造が、コアと、前記コア上に積層されて前記コアの幅以下の幅を有する上部クラッドとからなることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の偏波変換素子。
17. 請求項１〜１６のいずれか１項に記載の偏波変換素子を備えたＤＰ−ＱＰＳＫ変調器。