CN104252020A - 偏振波转换元件 - Google Patents

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小川宪介
日下裕幸
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Abstract

本发明提供一种偏振波转换元件，具有定向耦合器，其具备相互平行地配置且分别具有芯的输入侧光波导路及输出侧光波导路。在与输入侧及输出侧光波导路的长边方向垂直的剖面，在将输入侧与输出侧光波导路相对的方向作为宽度方向并将与宽度方向垂直的方向作为高度方向时，输入侧与输出侧光波导路的芯的高度方向尺寸相等，输入侧及输出侧光波导路中至少一方的芯由矩形的下部芯与矩形的上部芯构成，上部芯以使宽度方向的一个侧面与下部芯的一个侧面处于一个平面上的方式配置在下部芯之上，且与下部芯相比宽度方向的尺寸小，定向耦合器构成为在输入侧光波导路进行波导的第一光与在输出侧光波导路进行波导的偏振方向与第一光正交的第二光耦合。

Description

偏振波转换元件
技术领域
本发明涉及光波导元件。特别是，对于光纤通信中使用的基板型光波导元件，涉及作为进行偏振波转换的装置的偏振波转换元件。
本申请主张2013年6月27日在日本提出的日本专利申请2013-135491号的优先权，并在此引用其全部内容。
背景技术
当前，光通信中使用的信息量一直在增加。为了应对这种信息量的增加，而实施信号速度的高速化、基于波分复用通信的信道数的增加等对策。特别是，在以高速度的信息通信为目的的下一代的100Gbps(千兆每秒)的数字相干传输技术中，为了使单位时间的信息量提高至2倍，利用使信息分别载于电场相互正交的两个偏振波的偏振复用方法。然而，包括偏振复用方法的高速通信的调制方法需要复杂的光调制器。因此产生装置的大型化、高额化之类的课题。对于这种课题，正在研究加工容易、并具有基于集成化的小型化、基于大量生产的低成本等优点的、基于使用了硅的基板型光波导路的光调制器。
然而，这种基板型光波导路内的偏振复用存在如下的问题。通常，基板型光波导路的形状形成为平行于基板的宽度方向与垂直于基板的高度方向非对称的形状。因此，对于宽度方向的电场分量为主的模式(以下，称为TE模式。)与高度方向的电场分量为主的模式(以下，称为TM模式。)这两种偏振波模式而言，有效折射率等特性不同。在上述模式之中，多数情况下使用基本TE模式与基本TM模式。此处，基本TE模式是指TE模式之中有效折射率最大的模式，基本TM模式是指TM模式之中有效折射率最大的模式。
对于特性不同的上述模式而言，在进行光调制操作的情况下，难以仅使用单一的基板型光波导元件。在对每个模式使用最佳化的基板型光波导元件的情况下，为了研制每个模式的基板型光波导元件，需要在研制方面花费较大的劳力。
作为解决该问题的方法，举出了如下方法：制造对于希望的基本TE模式来说最佳的基板型光波导元件，使用基本TE模式作为其输入，并将其输出偏振波转换为基本TM模式。此处，所谓偏振波转换是指从基本TE模式向基本TM模式的转换，或者从基本TM模式向基本TE模式的转换。为了进行偏振波转换的操作，需要在基板上进行偏振波转换的基板型光波导元件。
作为这种在基板上进行偏振波转换的技术，存在如下方法：使用定向耦合器，使输入至其一方的波导路的基本TE模式与另一方的波导路的基本TM模式耦合，从而进行从基本TE模式向基本TM模式的偏振波转换。在Liu Liu,et al.,“Silicon-on-insulator polarization splittingand rotating device for polarization diversity circuits,”Optics Express,Vol.19,Issue13,pp.12646-12651(2011)(以下，称为非专利文献1)中公开有这种现有技术。但是，在非专利文献1中，向一方的波导路输入基本TM模式，并使基本TE模式与另一方的波导路耦合。在下述本发明的实施方式中，并不限定于将基本TM模式转换为基本TE模式的过程，也关注其逆过程、即关注将输入的基本TE模式转换为基本TM模式而输出的构造。这些在被动的波导路元件中为同等的现象。
非专利文献1的图1所示的光波导元件是定向耦合器，并且是由波导路的高度相等、宽度不同的两个平行排列的波导路形成的。该定向耦合器的与各自的波导路的长边方向垂直的剖面(折射率剖面)是由下部包层、形成于下部包层上的矩形的芯、以及遮盖下部包层和芯的上部包层形成的。非专利文献1的定向耦合器形成为下部包层与上部包层具有不同的折射率的上下非对称的构造。以使在宽度窄的一方的波导路进行波导的基本TE模式的有效折射率与在宽度宽的一方的波导路进行波导的基本TM模式的有效折射率为十分接近的值的方式来决定各自的波导路宽度。
在折射率剖面为上下对称的情况下，对于基本TE模式与基本TM模式而言，主电场的振幅方向正交。因此，为了利用定向耦合器进行耦合，要求耦合长度足够长，并要求两个模式的有效折射率高精度地一致。因此，在非专利文献1中，使折射率剖面的上下具有非对称性。由此，光的封闭方向倾斜，而使各自的模式的与主电场分量正交的分量增加，从而提高基本TE模式与基本TM模式的耦合。
为了使折射率剖面的上下具有非对称性，需要在上部包层与下部包层具有不同折射率的材料。由于这种新材料的必要性会产生额外的工序，或者需要本来不在其他的光波导路部分使用的材料，所以在效果以及成本的方面不利。
在非专利文献1中，通过使用空气作为上部包层，使用二氧化硅作为下部包层，而形成“requiring no additional and nonstandardfabrication steps”(无需额外且非标准的工序)。在该情况下，由于在制造过程中光波导路会裸露，所以会因异物的附着而使特性变差、成品率降低。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而提出的，其以提供一种即使上部包层与下部包层的折射率差小、也能够以更短距离并且高效地进行偏振波转换的偏振波转换元件为课题。
为了解决上述课题，本发明的第一技术方案的偏振波转换元件具有定向耦合器，该定向耦合器具备相互平行地配置、并且分别具有芯的输入侧光波导路以及输出侧光波导路，在与上述输入侧光波导路以及上述输出侧光波导路的长边方向垂直的剖面上，在将上述输入侧光波导路与上述输出侧光波导路相对的方向作为宽度方向、并将与上述宽度方向垂直的方向作为高度方向时，上述输入侧光波导路与上述输出侧光波导路的上述芯的高度方向的尺寸相等，上述输入侧光波导路以及上述输出侧光波导路中的至少一方的上述芯是由矩形的下部芯与矩形的上部芯构成的，该上部芯以使上述宽度方向的一个侧面与上述下部芯的一个侧面处于一个平面上的方式配置在上述下部芯之上，并且与上述下部芯相比上述宽度方向的尺寸小，上述定向耦合器构成为在上述输入侧光波导路进行波导的第一光与在上述输出侧光波导路进行波导的、偏振方向与上述第一光正交的第二光耦合。
优选上述输入侧光波导路以及上述输出侧光波导路中的一方的光波导路的芯由上述下部芯与上述上部芯构成，并且另一方的光波导路的芯由矩形的芯构成。
优选在上述一方的光波导路的上述下部芯以及上述上部芯的上述宽度方向的侧端一致的一侧，存在上述另一方的光波导路。
优选上述偏振波转换元件还具备配置于上述另一方的光波导路的长边方向的至少一端、并具有上述宽度方向的尺寸缓缓变化的锥状的芯的光波导路。
优选上述输入侧光波导路与上述输出侧光波导路分别具有由上述下部芯与上述上部芯构成的上述芯。
优选以使上述下部芯与上述上部芯的处于一个平面上的上述侧面彼此相对的方式配置上述输入侧光波导路与上述输出侧光波导路。
优选上述偏振波转换元件还具备分别配置于上述输入侧光波导路以及上述输出侧光波导路的长边方向的至少一端的弯波导路，与上述输入侧光波导路连接的上述弯波导路以及与上述输出侧光波导路连接的上述弯波导路趋向上述定向耦合器而相互接近，或者随着远离上述定向耦合器而相互分离。
优选上述偏振波转换元件还具备配置于由上述下部芯与上述上部芯构成芯的光波导路的长边方向的至少一端、并且上述下部芯与上述上部芯的宽度缓缓变得相等的光波导路。
优选构成为向上述输入侧光波导路以及上述输出侧光波导路输入基本TE模式，并且在上述输入侧光波导路进行波导的上述基本TE模式的有效折射率与在上述输出侧光波导路进行波导的上述基本TE模式的有效折射率之差的绝对值在0.2以上。
优选上述偏振波转换元件还具备在上表面形成上述输入侧光波导路以及上述输出侧光波导路的基板，上述输入侧光波导路以及上述输出侧光波导路配置为，上述宽度方向成为与上述基板的上述上表面平行的方向，上述高度方向成为与上述基板的上述上表面垂直的方向。
另外，本发明的第二技术方案的DP－QPSK调制器具备上述偏振波转换元件。
另外，本发明的第三技术方案的偏振分集·相干接收机具备上述偏振波转换元件。
另外，本发明的第四技术方案的偏振分集方法采用上述偏振波转换元件。
根据本发明的上述技术方案，由于定向耦合器的至少一个光波导路的芯形成为由宽度不同的上部芯与下部芯构成、并且上下具有非对称性的芯形状，从而即使上部包层与下部包层的折射率差小，也能够以更短距离并且高效地进行偏振波转换。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式中使用的由下部芯与上部芯构成的光波导路的芯的一个例子的剖视图。
图2是表示本发明的实施方式中使用的矩形的光波导路的芯的一个例子的剖视图。
图3是表示本发明的实施方式的偏振波转换元件的一个例子的俯视图。
图4是举例说明本发明的实施方式的偏振波转换元件的定向耦合器的剖视图。
图5是举例说明本发明的实施方式的偏振波转换元件的定向耦合器的剖视图。
图6是举例说明本发明的实施方式的偏振波转换元件的定向耦合器的剖视图。
图7是表示DP－QPSK调制器的一个例子的示意图。
图8是表示偏振分集·相干接收机的一个例子的示意图。
图9是表示偏振分集方法的一个例子的示意图。
图10A是表示向具有实施例1的阶梯状芯的输入侧光波导路输入基本TE模式时的电场的Ex分量的模拟结果。
图10B是表示向具有实施例1的阶梯状芯的输入侧光波导路输入基本TE模式时的电场的Ey分量的模拟结果。
图11A是表示向具有与实施例1的输入侧光波导路相同宽度的矩形芯的光波导路输入基本TE模式时的电场的Ex分量的模拟结果。
图11B是表示向具有与实施例1的输入侧光波导路相同宽度的矩形芯的光波导路输入基本TE模式时的电场的Ey分量的模拟结果。
图12A是表示图10A以及10B的阶梯状芯的、从中心(X＝0)向宽度方向离开+1μm的位置的电场的Ey分量的值的图表。
图12B是表示图11A以及11B的矩形芯的、从中心(X＝0)向宽度方向离开+1μm的位置的电场的Ey分量的值的图表。
图13是表示实施例1中向输入侧光波导路输入基本TE模式时的Ey分量的变迁的模拟结果。
图14是表示实施例1中向输出侧光波导路输入基本TE模式时的Ex分量的变迁的模拟结果。
图15A是表示使基本TM模式在具有实施例2的阶梯状芯的输出侧光波导路进行波导时的电场的Ex分量的模拟结果。
图15B是表示使基本TM模式在具有实施例2的阶梯状芯的输出侧光波导路进行波导时的电场的Ey分量的模拟结果。
图16A是表示使基本TM模式在具有与实施例2的输出侧光波导路相同宽度的矩形芯的光波导路进行波导时的电场的Ex分量的模拟结果。
图16B是表示使基本TM模式在具有与实施例2的输出侧光波导路相同宽度的矩形芯的光波导路进行波导时的电场的Ey分量的模拟结果。
图17A是表示向具有实施例3的阶梯状芯的输入侧光波导路输入基本TE模式时的电场的Ex分量的模拟结果。
图17B是表示向具有实施例3的阶梯状芯的输入侧光波导路输入基本TE模式时的电场的Ey分量的模拟结果。
图18A是表示使基本TM模式在具有实施例3的阶梯状芯的输出侧光波导路进行波导时的电场的Ex分量的模拟结果。
图18B是表示使基本TM模式在具有实施例3的阶梯状芯的输出侧光波导路进行波导时的电场的Ey分量的模拟结果。
图19A是表示向具有比较例1的矩形芯的输入侧光波导路输入基本TE模式时的电场的Ex分量的模拟结果。
图19B是表示向具有比较例1的矩形芯的输入侧光波导路输入基本TE模式时的电场的Ey分量的模拟结果。
图20A是表示向具有比较例2的矩形芯的输入侧光波导路输入基本TE模式时的电场的Ex分量的模拟结果。
图20B是表示向具有比较例2的矩形芯的输入侧光波导路输入基本TE模式时的电场的Ey分量的模拟结果。
具体实施方式
以下，参照附图并根据优选的实施方式对本发明进行说明。
本实施方式的偏振波转换元件具备构成定向耦合器的相互平行的输入侧光波导路以及输出侧光波导路。另外，在输入侧光波导路进行波导的光与在输出侧光波导路进行波导的光耦合时，即使偏振方向不同的模式的光彼此也能够耦合。定向耦合器的输入侧光波导路以及输出侧光波导路中至少一方的光波导路的芯在与波导方向垂直的剖面上如图1所示地具有阶梯形状的芯1。阶梯状芯1是由矩形的下部芯1a与上部芯1b构成的，该上部芯1b以使宽度方向的一个侧端(侧面)1c与下部芯1a的一个侧端(侧面)1c一致(即，下部芯1a与上部芯1b的一个侧面处于一个平面上)的方式配置在下部芯1a上，并且与下部芯1a相比宽度方向的尺寸小。由此，至少能够使基本TE模式的光以及基本TM模式的光中的一方的电场旋转，从而提高基本TE模式与基本TM模式之间的耦合效率。通过这样地形成阶梯状芯形状，能够不改变上部包层与下部包层的折射率地，形成上下的非对称性。由此，能够以更短距离并且高效地进行偏振波转换。
在仅将一方的光波导路的芯形成为图1所示的阶梯状芯形状的情况下，也可以将另一方的光波导路的芯在与波导方向垂直的剖面上如图2所示地形成为矩形的芯2(矩形波导)。
另外，优选输入侧光波导路与输出侧光波导路的芯的高度H相等。所谓芯的高度H，在图1所示的阶梯状芯1的情况下是包括下部芯1a与上部芯1b在内的整体的高度，在图2所示的矩形芯2的情况下是芯的高度。在输入侧光波导路以及输出侧光波导路形成于基板的上表面P上的情况下，所谓宽度W、Wa、Wb，在与波导方向垂直的剖视图中是指与基板的上表面P平行的方向的尺寸，所谓高度H、Ha、Hb是指与基板P的上表面垂直的方向的尺寸。在图1中，上部芯1b的宽度Wb比下部芯1a的宽度Wa小，在侧端1c的相反一侧形成有对应于下部芯1a与上部芯1b的宽度之差的阶梯部1d。图1所示的基板P的位置表示下部包层的上表面。在下部包层之上、芯的上表面以及两侧端的周围，形成有上部包层。
下部芯1a的高度Ha与上部芯1b的高度Hb的关系没有特别地限定，可以是Ha＞Hb、Ha＝Hb、或者Ha＜Hb，但是Ha与Hb之差不宜过大。优选下部芯1a与上部芯1b由相同的材料形成。在为Si芯的情况下，也可以由一个单晶Si通过蚀刻形成下部芯1a与上部芯1b。还能够在由单晶Si形成下部芯1a后，由多晶Si等形成上部芯1b。
为了使相互平行的输入侧光波导路与输出侧光波导路作为定向耦合器而发挥功能，优选在一方的光波导路进行波导的基本TE模式(第一光)的有效折射率与在另一方的光波导路进行波导的基本TM模式(第二光)的有效折射率是十分接近的值，进一步优选两种模式的有效折射率相等。
在将输入至输入侧光波导路的基本TE模式与在输出侧光波导路进行波导的基本TM模式耦合的情况下，希望在输入侧光波导路进行波导的基本TE模式的有效折射率与在输出侧光波导路进行波导的基本TM模式的有效折射率大致相等。
另外，在将输入至输入侧光波导路的基本TM模式与在输出侧光波导路进行波导的基本TE模式耦合的情况下，希望在输入侧光波导路进行波导的基本TM模式的有效折射率与在输出侧光波导路进行波导的基本TE模式的有效折射率大致相等。
接下来，对利用阶梯状芯的形状来提高基本TE模式与基本TM模式之间的耦合效率的理由进行叙述。定向耦合器的耦合效率T是输出模式的功率与输入模式的功率的比。在两个波导路分离时，近似地以下面的公式(1)来表示耦合效率T。
数1
T = χ 2 χ 2 + δ 2 sin 2 ( L χ 2 + δ 2 ) - - - ( 1 )
此处，χ是耦合常数，δ是作为耦合对象的两个模式在各自的波导路独立地进行波导时的传输常数之差的一半的值，L是定向耦合器的长度。作为耦合对象的两个模式例如像基本TE模式与基本TM模式那样是偏振方向不同的模式(基本TE模式的偏振方向与基本TM模式的偏振方向相互正交)。可以将其中之一作为输入模式、或者作为输出模式，例如，可以将基本TE模式作为输入模式，将基本TM模式作为输出模式。
此处关注χ，若χ大则耦合效率T变大，耦合长度变短。根据公式(1)，耦合效率T被分成χ2/(χ2+δ2)的项与sin2 的项。此处，虽然省略记载根号内的“(χ2+δ2)”，但是指即指下述式2所示的公式。
数2
L χ 2 + δ 2
χ2/(χ2+δ2)在δ接近零时增大，δ是由输入侧光波导路与输出侧光波导路的构造、以及包层/芯的折射率所决定的有效折射率来决定的。因此，因制造误差、温度变化、以及材料的折射率波动等，未必能够使δ为零。因此，在δ不为0的情况下为了提高耦合效率，优选χ较大。另外，对于sin2 的项而言，若将该项取得最大值1时的最短的L作为耦合长度Lc，则以下面的公式(2)来表示Lc。
数3
L c = π 2 χ 2 + δ 2 - - - ( 2 )
在δ接近零的情况下，若χ小则Lc变大而会使定向耦合器变长。因此，优选χ较大。
以上，由公式(1)可知，若χ较大则耦合效率T增高，而能够以更短的距离耦合。
接着，用本发明的实施方式对耦合常数χ增大的理由进行叙述。耦合常数χ存在如下面的公式(3)那样的依赖关系。
数4
χ ∝ ∫ - ∞ ∞ ∫ - ∞ ∞ ( N 2 - N 1 2 ) E 2 * · E 1 dxdy χ ∝ ∫ - ∞ ∞ ∫ - ∞ ∞ ( N 2 - N 2 2 ) E 1 * · E 2 dxdy - - - ( 3 )
此处，如下地对公式(3)的参数进行定义。分别将两个波导路设为波导路1、波导路2。
N1为仅波导路1存在时的芯剖面的折射率分布。同样，能够将N2定义为仅波导路2存在时的芯剖面的折射率分布。
N为波导路1、2都存在时的芯剖面的折射率分布。E1以及E2分别为在波导路1或者波导路2进行波导的模式的电场矢量。x为宽度方向的位置，y为高度方向的位置。
根据公式(3)，由于耦合常数χ是由两个模式的电场的内积(E2 *·E1或E1 *·E2)决定的，所以在波导路1与波导路2进行波导的模式的电场分量的值越接近，则耦合常数χ越高，耦合效率T越高。如基本TE模式以及基本TM模式那样，在主电场的振幅方向相互正交的两个模式间的耦合中，在至少一方的模式使电场旋转，使非主电场的电场分量增加，从而使耦合常数χ增高。
若分别使阶梯状芯与矩形芯的芯的宽度以及高度相同，求出用于基本TE模式的波导的构造的电场分布并对其进行比较，则阶梯状芯形状(图10A以及图10B)与矩形芯形状(图11A以及图11B)相比，Ey分量(在基本TE模式中为与主电场分量正交的分量)大，耦合效率大，对此，例如在后面进行详细叙述(参照实施例1)。因此，能够使用定向耦合器来进行偏振波转换。此处，在图10A～图11B中，X轴为波导路的宽度方向，Y轴为波导路的高度方向。另外，Ex分量为波导路的宽度方向的电场分量，Ey分量为波导路的高度方向的电场分量。图中的电场分量的值是以主电场分量的最大振幅标准化后得到的值。
另外，在图12A中示出了图10A以及图10B的阶梯状芯的、从中心(X＝0)向宽度方向离开+1μm的位置的电场的Ey分量的值。并且在图12B中示出了图11A以及图11B的矩形芯的、从中心(X＝0)向宽度方向离开+1μm的位置的电场的Ey分量的值。图12A以及图12B的图的纵轴Y与图10A、图10B、以及图11相同地表示芯的高度方向的位置(μm)。图12A以及图12B的横轴表示将Ex分量与Ey分量合成后得到的电场设为1时的Ey分量的值。从该结果可知，在阶梯状芯形状下，电场也广泛地分布在远离中心的位置从而提高针对邻接的波导路的耦合。
接着，对本实施方式的光波导元件的制造进行叙述。具有阶梯状芯形状的光波导路能够以与脊形波导的制造相同的工序进行制造。在基板型光波导路中，大多同时采用矩形波导以及与矩形波导相比损失小的脊形波导。因此，图1那样的两层重叠的阶梯状芯形状在多数情况下能够无需额外的工序地进行制造。另外，在本实施方式的光波导元件中，能够对上部包层以及下部包层使用相同的材料。因此，与非专利文献1所公开的需要使用不同的材料的偏振波转换元件相比，在本实施方式中能够实现制造工序的简化。特别是，对于基于SOI(Silicon on insulator：绝缘体上的硅)的光波导路而言，成为下部包层的BOX(箱)层为SiO2，上部包层也大多采用SiO2。因此，在能够使用基于SOI的光波导路的本实施方式中，能够对上部包层与下部包层使用相同的材料。
另外，根据本实施方式，在上部包层与下部包层的材料相同的情况下，也能够在光波导路上进行作为基本TE模式与基本TM模式之间的转换的偏振波转换。
在本实施方式中，优选在上部包层与下部包层双方使用由相同种类的元素构成的材料。例如，若下部包层为SiO2，则优选上部包层也使用SiO2。
另外，在上部包层与下部包层的折射率差的不同程度不大的情况下，通过使用本实施方式，也能够使阶梯状芯中的上下的非对称性增大，从而能够以更短距离并且高效率地进行偏振波转换。
作为折射率差不大的情况，例如举出了如在其他的光波导路中对上部包层与下部包层使用不同的材料并且上述材料能够用作偏振波转换元件的上部包层与下部包层的情况、以及在以相同的材料为母材的上部包层与下部包层改变掺杂条件从而增大折射率差的情况等那样额外的工序的花费少的情况。根据本实施方式，即使在上述情况下，也能够在基板型光波导路上小型且高效率地进行偏振波转换。
在未使用阶梯状芯的情况下，如非专利文献1所公开那样，若上部包层与下部包层的折射率差不大，则上下的非对称性小，不会充分地进行模式的旋转，从而难以进行偏振波转换。
在构成定向耦合器的两个光波导路的基本TE模式的有效折射率不一致的情况下，即使向输出基本TM模式的波导路输入基本TE模式，该基本TE模式也几乎不与另一方的光波导路耦合地通过输出基本TM模式的波导路。因此，还能够使本发明的偏振波转换元件作为偏振波束组合器而发挥功能。
在图3中举例说明了本实施方式的偏振波转换元件(光波导元件10)的结构。在图4中示出了图3的光波导元件10的与定向耦合器13的光的波导方向垂直的剖视图。
在定向耦合器13的波导方向的前后配置有弯波导路14、15、16以及17。在图3的情况下，在输入侧光波导路11以及输出侧光波导路12各自的长边方向的两端配置有弯波导路14、15、16以及17。在波导方向的前侧，与输入侧光波导路11连接的弯波导路14以及与输出侧光波导路12连接的弯波导路15趋向定向耦合器13而相互接近。在波导方向的后侧，与输入侧光波导路11连接的弯波导路16以及与输出侧光波导路12连接的弯波导路17随着远离定向耦合器13而相互分离。这样，通过配置弯波导路14、15、16以及17，能够增大定向耦合器13的前后的两个波导路间隔，从而能够抑制光的耦合。
弯波导路14、15、16、17也可以仅设置于输入侧光波导路11以及输出侧光波导路12的其中之一。另外，弯波导路14、15、16、17也可以仅设置于输入侧光波导路11或者输出侧光波导路12的前后的其中一端。在未设置弯波导路的一端，能够从定向耦合器13的各波导路直线状地延长波导路。
如图4所示，在图3所示的光波导元件10中，仅输入侧光波导路11的芯是由下部芯11a与上部芯11b构成的阶梯状芯，输出侧光波导路12的芯为矩形芯。因此，在向输入侧光波导路11输入基本TE模式等输入模式时，需要将广泛使用的具有矩形芯的波导路转换为阶梯状。这与仅沿波导方向缓缓地改变矩形芯的宽度的情况相比，额外需要进行阶梯状转换的波导路部分。因此，与将输入侧光波导路11以及输出侧光波导路12双方形成为阶梯状芯的情况相比，仅一侧形成为阶梯状芯而使偏振波倾斜的图4的构造更容易实现小型化。
另外，如图4所示，在对输入侧光波导路11使用阶梯状芯的情况下，无意在输入侧光波导路11进行定向耦合器13的直线部分以下的部分(图3中为弯波导路16)上的波导。因此，实际上进行一次矩形芯与阶梯状芯之间的芯形状的转换即可。因此，与如图5所示地对输出侧光波导路12使用阶梯状芯的情况相比，特别是在作为偏振波束组合器而使用的情况下更容易实现小型化。另一方面，特别是在波导路宽度比高度大的一般的基板型光波导路的情况下，供基本TE模式进行波导的波导路与供基本TM模式进行波导的波导路相比波导路尺寸小。因此，在输入基本TE模式的情况下，如图4所示地对输入侧光波导路11使用阶梯状芯的光波导元件的制造更严格。
在图5所示的定向耦合器中，与图4相反，输出侧光波导路12的芯是由下部芯12a与上部芯12b构成的阶梯状芯，输入侧光波导路11的芯为矩形芯。如上述那样，特别是在波导路宽度比高度大的一般的基板型光波导路的情况下，供基本TE模式进行波导的波导路与供基本TM模式进行波导的波导路相比波导路尺寸小。因此，在输入基本TE模式的情况下，如图5所示地对输出侧光波导路12使用阶梯状芯的光波导元件的制造容易。
在仅将光波导元件作为偏振波转换元件利用的情况下，在输出侧光波导路12上，不向与定向耦合器13的输出端相反的一侧的波导路(图3中为弯波导路15)输入光，因此无意进行光的波导。因此，将阶梯状芯转换为矩形芯的构造实际上进行一次矩形芯与阶梯状芯之间的模式的转换即可。
在输出侧光波导路12上从与定向耦合器13的输出端相反的一侧复用其他的基本TE模式(基本TE模式′)的情况下，即使在基本TE模式′的输入端也需要将矩形芯转换为阶梯状芯的构造。因此，光波导元件的元件尺寸变得更大。
图6所示的定向耦合器成为如下构造：输入侧光波导路11以及输出侧光波导路12的双方为阶梯状芯，使输入侧的模式与输出侧的模式的双方旋转。与将一方的波导路形成为阶梯状芯的图4以及图5相比，通过使双方的模式旋转，能够进一步提高耦合效率。
另外，由于脊形波导工序的制造误差，存在厚板的高度(下部芯的高度)相对于整体的波导路芯的高度独立地变动的情况。在该影响下，在将双方的波导路形成为阶梯状芯的本实施方式中，双方的芯形状相同地变化，上述变化对于光的封闭具有相同的趋势的效果。即，若芯的尺寸小则封闭光的效果弱，若芯的尺寸大则封闭光的效果强。因此，针对光的封闭的有效折射率的增减在双方的波导路中是一致的，而能够减小两个光波导路11、12间的有效折射率差的变化。
如图4以及图5所示，在仅将一方的波导路形成为阶梯状芯的情况下，仅阶梯状芯受到下部芯的高度变动的影响。因此，仅在具有阶梯状芯的波导路进行波导的模式的有效折射率产生变化，使两个光波导路11、12的有效折射率差变大。
此外，若两个光波导路11、12的有效折射率差变大，则在上述的公式(1)中δ增大，因此耦合效率降低，不优选。
如图4以及图5所示，在一方的光波导路设置阶梯状芯的情况下，优选在下部芯以及上部芯的侧端一致的一侧，存在另一方的光波导路(下部芯和上部芯的呈一个平面的侧面与另一方的光波导路相对)。
另外，如图6所示，在双方的光波导路设置阶梯状芯的情况下，优选下部芯11a的侧端11c与上部芯11b的侧端11c一致的一侧以及下部芯12a的侧端12c与上部芯12b的侧端12c一致的一侧以彼此相对的方式配置。即，优选下部芯11a与上部芯11b的呈一个平面的侧面以及下部芯12a与上部芯12b的呈一个平面的侧面以彼此相对的方式配置。对于使偏振波旋转的效果而言，阶梯状芯的上下的一致的侧端(呈一个平面的侧面)11c、12c以及阶梯部11d、12d的朝向为任意方向均可。但是，若将高度低的波导路配置于邻接的波导路的内侧，则存在耦合效率降低、制造精度下降的情况。因此，如图4～6所示，优选一致的侧端(呈一个平面的侧面)11c、12c为内侧，阶梯部11d、12d朝向外侧。
在图3中，对于具有阶梯状芯的光波导路而言，阶梯状芯不仅形成于定向耦合器13的输入侧光波导路11，直至其前后的弯波导路14、16为止都形成有阶梯状芯。
在使阶梯状芯的光波导路与矩形芯的光波导路连接的情况下，优选设置下部芯与上部芯的宽度缓缓变得相等的光波导路。下部芯与上部芯的宽度缓缓变得相等的光波导路可以设置于弯波导路14、16的一端的直线部(图3的范围外)，也可以设置于弯波导路14、16的中途。
在图3的光波导元件10中，向弯波导路14输入基本TE模式，并在定向耦合器13中将基本TE模式转换为基本TM模式。其结果是，输入至弯波导路15的基本TE模式与转换而成的基本TM模式合波而向弯波导路17输出。在该情况下，能够同时进行偏振波转换与偏振波束合成。在用作偏振波束合成器的情况下，优选在输入侧光波导路11进行波导的TE模式的有效折射率、与在输出侧光波导路12进行波导的基本TE模式的有效折射率之差的绝对值在0.2以上。
在向两个光波导路输入偏振方向相同的模式的光时，同时进行偏振波转换与偏振波束合成的元件将定向耦合器中在一方的光波导路传输的光与另一方的光波导路上的偏振方向不同的模式耦合。其结果是，能够在另一方的光波导路上输出同时传输偏振方向不同的两个模式的偏振复用信号。输入模式优选为基本TE模式，但是还能够是其他模式。
在图3中，如图4所示地仅对一方的光波导路11使用阶梯状芯，但是即使如图5以及图6所示地对另一方的光波导路12使用阶梯状芯，也能够同时实现偏振波转换与偏振波束合成。
在图3的光波导元件10中，在向弯波导路17输入同时传输基本TE模式与基本TM模式的偏振复用信号、并利用定向耦合器13使基本TM模式的信号转换为基本TE模式而将其输出至弯波导路14、并且基本TE模式的信号不在定向耦合器13中耦合而输出至弯波导路15的情况下，能够同时进行偏振波转换与偏振波束分离。
在输入同时传输偏振方向不同的两个模式的偏振复用信号时，同时进行偏振波转换与偏振波束分离的元件使定向耦合器中在一方的光波导路传输的一个模式与另一方的光波导路上的偏振方向不同的其他的模式耦合，其结果是，能够从两个光波导路输出偏振方向相同的模式。输出模式优选为基本TE模式，但是还能够是其他模式。
在图3中，如图4所示地仅对一方的光波导路11使用阶梯状芯，但是即使如图5以及图6所示地对另一方的光波导路12使用阶梯状芯，也能够同时实现偏振波转换与偏振波束分离。
(DP－QPSK调制器)
本实施方式的偏振波转换元件能够用于参考文献1(P.Dong,C.Xie,L.Chen,L.L.Buhl,andY.-K.Chen,“112-Gb/s Monolithic PDM-QPSKModulator in Silicon,”European Conference and Exhibition on OpticalCommunication,Vol.1,p.Th.3.B.1,June16,2012)所公开的偏振复用四进制相位调制(DP－QPSK：Dual Polarization-Quadrature PhaseShift Keying)。在图7中示意地示出了DP－QPSK调制器的一个例子。在DP－QPSK调制器20中，在通常的光波导路上能够存在基本TE模式与基本TM模式这两个模式。由此，DP－QPSK调制器20进行具有独立于基本TE模式/基本TM模式这两个模式的QPSK信号的DP－QPSK调制。具体而言，使以基本TE模式从输入部21输入的光在两个光波导路22、22分叉，并且两个QPSK调制器23分别对QPSK信号进行调制。之后，利用偏振波转换元件25将光波导路24的一侧的基本TE模式转换为基本TM模式，并由偏振波束合成器在同一光波导路上合成两个模式，从而向输出部26输出独立于基本TE模式与基本TM模式的信号。
对于将基本TE模式的一方转换为基本TM模式，使其与另一方的基本TE模式合波的偏振波转换元件25的部分，例如能够利用图3所示的实施方式的偏振波转换元件。例如，图3的弯波导路14、15相当于图7的两个光波导路24，图3的弯波导路17相当于图7的输出部26。
此外，对基本TE模式进行调制的方式并不限定于QPSK，即使是具有复杂的结构的其他调制器，也能够使用本实施方式的偏振波转换元件来进行偏振复用。
(偏振分集·相干接收机)
本实施方式的偏振波转换元件能够用于参考文献2(C.Doerr et al.,“Packaged Monolithic Silicon112-Gb/s Coherent Receiver,”IEEEPhotonics Technology Letters,Vol.23,pp.762-764,2011)所公开那样的同时传输基本TE模式与基本TM模式的偏振复用信号的Si光波导路上的相干接收机。在图8中示意地示出了偏振分集·相干接收机的一个例子。该相干接收机30将同时传输基本TE模式与基本TM模式的偏振复用信号的光波导路31与能够同时进行偏振波转换与偏振波束分离的偏振波转换元件32连接。并且，使基本TE模式的信号分叉于两个光波导路33中的一方，另外使从基本TM模式转换而来的基本TE模式的信号分叉于两个光波导路33中的另一方。作为本振光34一般所使用的半导体激光源仅使用单偏振波、例如基本TE模式(local)的输出。在使用这种光源的情况下，以往有必要进行本振光的偏振波转换。但是，在图8的相干接收机30中，由于信号光在偏振波分离后都成为基本TE模式的信号(signal)，所以无需进行本振光的偏振波转换。此外，经由光合波部35而从耦合部36输出信号光与本振光。
在对偏振波转换元件32使用光波导型的构造的情况下，对于耦合部36的与元件外部的光的耦合，能够利用从基板侧方进行耦合的倒锥形模场转换器等、不具备偏振波分离功能的耦合器。对于耦合器，例如能够使用参考文献3(Qing Fang,et al.,“Suspended opticalfiber-to-waveguide mode size converter for silicon photonics,”OpticsExpress,Vol.18,Issue8,pp.7763-7769(2010))所公开的倒锥形的结构。
(偏振分集方法)
本实施方式的偏振波转换元件能够在执行图9所示的偏振分集方法中使用。在进行参考文献4(Hiroshi Fukuda et al.,“Siliconphotoniccircuit with polarization diversity,”Optics Express,Vol.16,Issue7,pp.4872-4880(2008))所公开的同时传输基本TE模式与基本TM模式的偏振复用传输时、以及在随机地传输单个偏振波时，由于给予两模式相同的操作而能够使用该方法。在图9所示的偏振分集方法40中，对同时传输基本TE模式与基本TM模式的偏振复用信号进行波导的光波导路41与能够同时进行偏振波转换与偏振波束分离的偏振波转换元件42连接。而且，向从偏振波转换元件42分叉的两个光波导路43中的一方传输基本TE模式的信号，另外，向两个光波导路43、43中的另一方传输从基本TM模式转换而来的基本TE模式的信号。并且，在分别与从偏振波转换元件42分叉的波导路连接的元件44中***作的两个基本TE模式的信号光经由光波导路45而在偏振波转换元件46中合成。然后，向光波导路47输出同时传输基本TE模式与从基本TE模式转换而来的基本TM模式的偏振复用信号。
与图8所示的偏振分集·相干接收机相同地，对于偏振波转换元件42，能够使用可同时进行偏振波转换与偏振波束分离的本发明的偏振波转换元件。
与图7所示的DP－QPSK调制器相同地，对于偏振波转换元件46，能够使用可同时进行偏振波转换与偏振波束合成的本实施方式的偏振波转换元件。
以上，根据优选的实施方式对本发明进行了说明，但是本发明并不限定于上述方式例，能够在不脱离本发明的要旨的范围内进行各种改变。
在本发明所使用的定向耦合器中，输入侧光波导路与输出侧光波导路能够在与基板的上表面垂直等任意的方向上排列。在该情况下，在与光的波导方向垂直的剖面上，将输入侧光波导路与输出侧光波导路相对的方向的尺寸作为宽度，将与相对的方向垂直的方向的尺寸作为高度。即，在两个光波导路与基板的上表面垂直地相对的情况下，将与基板垂直的方向的尺寸作为“宽度”，将与基板平行的方向的尺寸作为“高度”。
优选在定向耦合器的具有矩形芯的光波导路中，在长边方向的一端或者两端，配置有宽度缓缓变化的锥状的光波导路。由此，能够低损耗地将具有与定向耦合器相适的宽度的矩形芯的光波导路与外部的具有优选的宽度的矩形芯的光波导路连接。
实施例
以下，根据实施例对本发明进行具体说明。
(实施例1)
在图3以及图4中示出了本实施例的构造。图3表示从上部观察的图，图4表示定向耦合器的与波导方向垂直的剖面。以由Si－SiO2－Si构成的SOI(Silicon on insulator)基板为基础而形成本实施例的光波导元件的制造。将中间的SiO2层作为下部包层使用，将上部的Si层作为芯使用。在芯形成后，设置SiO2作为上部包层。作为包层的材料的SiO2的折射率为1.44，作为芯的材料的Si的折射率为3.48。
在图4中，对于输入侧光波导路11的芯的剖面尺寸而言，将上部芯11b的高度Hb1设为125nm，将上部芯11b的宽度Wb1设为200nm，将下部芯11a的高度Ha1设为95nm，将下部芯11a的宽度Wa1设为300nm，并将芯整体的高度H1设为220nm。对于输出侧光波导路12的芯的剖面尺寸而言，将芯的高度H2设为220nm，并将宽度W2设为336nm。另外，将输入侧光波导路与输出侧光波导路的定向耦合器13的间隔设为250nm。
对于芯形状而言，沿着光波导路的长边方向，任意位置上的剖面都是与图4相同的形状，并且尺寸也相同。在定向耦合器13中，两个光波导路11、12平行。定向耦合器13的长度L为3μm。
在定向耦合器13的前后分别设置有弯波导路14、15、16、17，并且在定向耦合器13的附近使两个光波导路接近。各弯波导路是两个曲率半径为70μm、弯曲角度为7.5°的圆弧连接而成的S形曲线。用附图标记C表示由一个圆弧构成的范围。从弯波导路15的一端到弯波导路17的一端的距离约为44μm。
将光的波长设为1.55μm，求出使基本TE模式在实施例1的具有阶梯状芯的输入侧光波导路进行波导时的电场。在图10A中示出了其结果的Ex分量，在图10B中示出了其结果的Ey分量。耦合常数为0.145rad/μm。此时的有效折射率neff约为1.625665。
此外，在实施例1的具有矩形芯的输出侧光波导路进行波导的基本TM模式的有效折射率约为1.625892，其与在具有阶梯状芯的输入侧光波导路进行波导的基本TE模式的有效折射率(neff＝1.625665)程度相同。此时，上述δ(参照公式(1))为0.000460rad/μm，与耦合常数0.145rad/μm相比十分小，可知具有充分的偏振波转换的功能。
作为比较，代替实施例1的输入侧光波导路，使用与实施例1的输入侧光波导路宽度相同的具有矩形芯(宽度300nm、高度220nm)的光波导路，并求出使基本TE模式在该光波导路波导时的电场。在图11A中示出了其结果的Ex分量，在图11B中示出了其结果的Ey分量。此时的有效折射率neff为1.820082、即约为1.82008。
根据图10A以及图10B与图11A以及图11B的对比，可知阶梯状芯的Ey分量(在基本TE模式中与主电场分量正交的分量)增加。因此，通过使输入侧光波导路11具有阶梯状芯，能够增大耦合效率，而能够提高偏振波转换效率。
为了进一步比较，对基于使用了上述矩形芯(宽度为300nm、高度为220nm)的定向耦合器进行的偏振波转换的情况下的耦合常数进行表示。考虑与上述矩形芯平行地配置输出侧的矩形芯、并将输入侧光波导路的基本TE模式移至输出侧光波导路的基本TM模式的情况。对于输出侧光波导路的矩形芯的尺寸而言，宽度为591nm，并高度为220nm。此时，输出侧光波导路的基本TM模式的有效折射率约为1.81988，其与输出侧光波导路的基本TE模式的有效折射率(1.82008)程度相同。另外，此时，δ＝0.000404rad/μm。另外，与实施例1的构造相同地将上述波导路的宽度方向的间隔设为250nm。此时的耦合常数为0.0420rad/μm。由于实施例1的构造的情况下的耦合常数为0.145rad/μm，所以可知，通过形成阶梯状芯而能够增大耦合常数。
在图12A中示出了图10A以及图10B的阶梯状芯中的、从中心(X＝0)向宽度方向离开+1μm的位置的电场的Ey分量的值。另外，在图12B中示出了图11A以及图11B的矩形芯中的、从中心(X＝0)向宽度方向离开+1μm的位置的电场的Ey分量的值。
如图12B所示，在矩形芯形状下，Ey分量的最大值为±7×10－4左右。与此相对，如图12B所示，在阶梯状芯形状下，Ey分量的最大值约为0.01，其比矩形芯形状的值大。此外，如上述那样，电场分量的值是以主电场分量(此处为Ex分量)的最大振幅标准化后得到的值。由此可知，在阶梯状芯形状下，电场也广泛地分布在远离中心的位置，从而提高针对邻接的波导路的耦合。
本实施例的偏振波转换元件的偏振波转换效率是使用基于有限差分时域(Finite-Difference Time Domain：FDTD)法的电磁场模拟而计算出的。在图13中示出了向输入侧光波导路11输入基本TE模式时的电场的Ey分量的变迁的情况。根据图13，可知在输入侧光波导路传输的基本TE模式也具有较大的Ey分量，并可以看出其与相邻的光波导路的基本TM模式耦合。其结果是，偏振波转换效率(与耦合效率等价)作为(输出侧的基本TM模式功率)/(输入侧的基本TE模式功率)之比，是－0.75dB，可知在本实施例的偏振波转换元件中，能够高效率地进行偏振波转换。
另一方面，在从输出侧光波导路12的非输出端的一方输入基本TE模式(写成基本TE模式′)的情况下，输入侧光波导路11的基本TE模式与输出侧光波导路12的基本TE模式′的有效折射率存在较大的差。因此，耦合效率非常小。在图14中示出了通过FDTD法模拟向输出侧光波导路12输入基本TE模式′时的电场的Ex分量的变迁的情况的结果。由此可知，基本TE模式′几乎不与输入侧光波导路11耦合，而透过输出侧光波导路12。根据FDTD的计算结果，输出基本TE模式′的功率与输入基本TE模式′的功率的比为－0.08dB，可知基本TE模式′几乎无损失地透过。由此可知，本实施例不仅具有偏振波转换元件的功能，还具有作为将输入的两个基本TE模式中的一方转换为基本TM模式、并使其与另一方的基本TE模式合波的元件的功能。
此外，在输出侧光波导路进行波导的基本TE模式(基本TE模式′)的有效折射率约为1.98712，其与在输入侧光波导路进行波导的基本TE模式的有效折射率(neff＝1.625665)之差的绝对值在0.2以上。因此可知，具有充分的作为偏振波束合成器的功能。
(实施例2)
如图5所示，以与实施例1相同的方法制造输出侧光波导路12具有阶梯状芯、输入侧光波导路11具有矩形芯的光波导元件。对于输入侧光波导路11的芯的剖面尺寸而言，将芯的高度H1设为220nm，并将宽度W1设为282nm。对于输出侧光波导路12的芯的剖面尺寸而言，将上部芯12b的高度Hb2设为125nm，将上部芯12b的宽度Wb2设为420nm，将下部芯12a的高度Ha2设为95nm，将下部芯12a的宽度Wa2设为600nm，并将芯整体的高度H2设为220nm。将输入侧光波导路与输出侧光波导路的宽度方向的间隔设为400nm，从而耦合常数为0.0315rad/μm。
求出使基本TM模式在实施例2的具有阶梯状芯的输出侧光波导路进行波导时的电场。在图15A中示出了其结果的Ex分量，在图15B中示出了其结果的Ey分量。此时的有效折射率neff约为1.737666。
此外，在实施例2的具有矩形芯的输入侧光波导路进行波导的基本TE模式的有效折射率约为1.733459。因此，具有矩形芯的输入侧光波导路的有效折射率与具有阶梯状芯的输出侧光波导路的有效折射率(neff＝1.737666)程度相同。在实施例2中，δ＝0.00853rad/μm，其与耦合常数0.0315rad/μm相比十分小，可知具有充分的偏振波转换的功能。
作为比较，求出使基本TM模式在与实施例2的输出侧光波导路宽度相同的具有矩形芯(宽度为600nm、高度为220nm)的光波导路进行波导时的电场，并在图16A中示出了其结果的Ex分量，在图16B中示出了其结果的Ey分量。此时有效折射率neff为1.823885、即约为1.82389。
根据图15A以及图15B与图16A以及图16B的对比，可知阶梯状芯的的Ex分量(在基本TM模式中与主电场分量正交的分量)增加。因此，即便使输出侧光波导路12具有阶梯状芯，也能够与实施例1相同地，增大耦合效率，提高偏振波转换效率。
为了进一步的比较，对使用上述矩形芯(宽度为600nm、高度为220nm)的定向耦合器的进行偏振波转换的情况的耦合常数进行表示。与上述矩形芯(宽度为600nm、高度为220nm)平行地配置矩形芯，并考虑前者的基本TM模式与后者的基本TE模式的耦合。对于后者的矩形芯的尺寸而言，宽度为301nm，高度为220nm。此时，后者的基本TE模式的有效折射率约为1.82486，其与后者的基本TE模式的有效折射率(1.82389)程度相同，此时δ＝0.00198rad/μm。另外，与实施例2的构造相同地将上述波导路的宽度方向的间隔设为400nm。此时的耦合常数为0.0123rad/μm。在为实施例2的构造的情况下，耦合常数为0.0315rad/μm，因此可知，能够形成阶梯状芯来提高耦合常数。
(实施例3)
如图6所示，以与实施例1相同的方法制造输入侧光波导路11与输出侧光波导路12的双方具有阶梯状芯的光波导元件。对于输入侧光波导路11的芯的剖面尺寸而言，与实施例1相同地，将上部芯11b的高度Hb1设为125nm，将上部芯11b的宽度Wb1设为200nm，将下部芯11a的高度Ha1设为95nm，将下部芯11a的宽度Wa1设为300nm，并将芯整体的高度H1设为220nm。对于输出侧光波导路12的芯的剖面尺寸而言，将上部芯12b的高度Hb2设为125nm，将上部芯12b的宽度Wb2设为304nm，将下部芯12a的高度Ha2设为95nm，将下部芯12a的宽度Wa2设为608nm，并将芯整体的高度H2设为220nm。若将输入侧光波导路与输出侧光波导路的宽度方向的间隔设为250nm，则耦合常数为0.154rad/μm。
求出使基本TE模式在实施例3的具有阶梯状芯的输入侧光波导路进行波导时的电场。在图17A中示出了其结果的Ex分量，在图17B中示出了其结果的Ey分量。此处有效折射率neff约为1.625665。此外，由于输入侧光波导路的折射率剖面(形状以及尺寸)与实施例1相同，所以图17A以及图17B与图10A以及图10B的结果相等。
另外，求出使基本TM模式在实施例3的具有阶梯状芯的输出侧光波导路进行波导时的电场。在图18A中示出了其结果的Ex分量，在图18B中示出了Ey分量。有效折射率neff约为1.625885。
在输入侧光波导路进行波导的基本TE模式的有效折射率(neff＝1.625665)与在输出侧光波导路进行波导的基本TM模式的有效折射率(neff＝1.625885)几乎程度相同。此时δ＝0.000446rad/μm，其与耦合常数0.154rad/μm相比十分小，可知具有充分的偏振波转换的功能。
由于双方的光波导路具有阶梯状芯，从而与实施例1、2相同地，在使基本TM模式波导的输入侧光波导路上Ex分量增加，在使基本TE模式波导的输出侧光波导路上Ey分量增加，由此构成使双方的模式旋转的构造。因此，能够与实施例1、2相同或者进一步，增大耦合效率，提高偏振波转换效率。实际上，在波导路间隔(250nm)相同并且输入侧光波导路的宽度相等(300nm)的实施例1与实施例3中，在仅一侧为阶梯状芯的实施例1中χ＝0.145rad/μm。与此相对，在两侧为阶梯状芯的实施例3中χ＝0.154rad/μm，可知实施例3一方的耦合常数χ增加。
(比较例1)
与非专利文献1相同，以与实施例1相同的方法制造输入侧光波导路与输出侧光波导路的双方具有矩形芯的光波导元件。对于输入侧光波导路的芯的剖面尺寸而言，宽度为600nm，高度为250nm。对于输出侧光波导路的芯的剖面尺寸而言，宽度为333nm，高度为250nm。在形成芯后设置由SiO2构成的上部包层。即，上部包层以及下部包层的材料与非专利文献1不同，均为SiO2。
求出使基本TE模式在比较例1的输入侧光波导路进行波导时的电场，并在图19A示出了其结果的Ex分量，在图19B示出了其结果的Ey分量。有效折射率neff约为2.075428。由于折射率剖面不存在上下非对称性，所以基本TE模式的电场几乎不旋转。
(比较例2)
与非专利文献1相同，以与实施例1相同的方法制造输入侧光波导路与输出侧光波导路的双方具有矩形芯的光波导元件。对于输入侧光波导路的芯的剖面尺寸而言，宽度为600nm，高度为250nm。对于输出侧光波导路的芯的剖面尺寸而言，宽度为333nm，高度为250nm。此处，省略形成芯后设置上部包层的工序，从而上部包层的材料为空气，下部包层的材料为SiO2。
求出使基本TE模式在比较例2的输入侧光波导路进行波导时的电场。在图20A中示出了其结果的Ex分量，在图20B中示出了其结果的Ey分量。有效折射率neff约为1.879921。由于包层的上下非对称性，从而Ey分量增加，并且基本TE模式的电场旋转。
当使基本TM模式在比较例2的输出侧光波导路进行波导时，由于包层的上下非对称性，从而Ey分量增加，并且基本TE模式的电场旋转。这样，利用上下非对称的折射率剖面，使主电场相互正交的两个模式旋转，从而提高波导路间的耦合效率。但是，由于在制造过程中光波导路会裸露，所以因异物的附着会使特性变差、成品率降低。
以上记载并讲解了本发明的优选实施方式，但是这些应被理解为本发明的典型的实施方式，而不应被考虑作为限定的实施方式。能够不脱离本发明的范围地进行追加、削除、置换、以及其他的变更。因此，不考虑由上述记述限定本发明，而仅由添加的权利要求书限定本发明。

Claims (13)

1.一种偏振波转换元件，其具有定向耦合器，该定向耦合器具备相互平行地配置并分别具有芯的输入侧光波导路以及输出侧光波导路，
在与所述输入侧光波导路以及所述输出侧光波导路的长边方向垂直的剖面上，在将所述输入侧光波导路与所述输出侧光波导路相对的方向作为宽度方向、并将与所述宽度方向垂直的方向作为高度方向时，所述输入侧光波导路与所述输出侧光波导路的所述芯的高度方向的尺寸相等，
所述输入侧光波导路以及所述输出侧光波导路中的至少一方的所述芯是由矩形的下部芯与矩形的上部芯构成的，该上部芯以使所述宽度方向的一个侧面与所述下部芯的一个侧面处于一个平面上的方式配置在所述下部芯之上，并且与所述下部芯相比所述宽度方向的尺寸小，
所述定向耦合器构成为，在所述输入侧光波导路进行波导的第一光与在所述输出侧光波导路进行波导的、偏振方向与所述第一光正交的第二光耦合。
2.根据权利要求1所述的偏振波转换元件，其特征在于，
所述输入侧光波导路以及所述输出侧光波导路中的一方的光波导路的芯由所述下部芯与所述上部芯构成，并且另一方的光波导路的芯由矩形的芯构成。
3.根据权利要求2所述的偏振波转换元件，其特征在于，
所述一方的光波导路的所述下部芯与所述上部芯的处于一个平面上的所述侧面与所述另一方的光波导路相对。
4.根据权利要求2或3所述的偏振波转换元件，其特征在于，
还具备配置于所述另一方的光波导路的长边方向的至少一端、并具有所述宽度方向的尺寸缓缓变化的锥状的芯的光波导路。
5.根据权利要求1所述的偏振波转换元件，其特征在于，
所述输入侧光波导路与所述输出侧光波导路分别具有由所述下部芯与所述上部芯构成的所述芯。
6.根据权利要求5所述的偏振波转换元件，其特征在于，
以使所述下部芯与所述上部芯的处于一个平面上的所述侧面彼此相对的方式配置所述输入侧光波导路与所述输出侧光波导路。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的偏振波转换元件，其特征在于，
还具备分别配置于所述输入侧光波导路以及所述输出侧光波导路的长边方向的至少一端的弯波导路，
与所述输入侧光波导路连接的所述弯波导路以及与所述输出侧光波导路连接的所述弯波导路趋向所述定向耦合器而相互接近，或者随着远离所述定向耦合器而相互分离。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的偏振波转换元件，其特征在于，
还具备配置于由所述下部芯与所述上部芯构成芯的光波导路的长边方向的至少一端、并且所述下部芯与所述上部芯的宽度缓缓变得相等的光波导路。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的偏振波转换元件，其特征在于，
构成为向所述输入侧光波导路以及所述输出侧光波导路输入基本TE模式，
在所述输入侧光波导路进行波导的所述基本TE模式的有效折射率与在所述输出侧光波导路进行波导的所述基本TE模式的有效折射率之差的绝对值在0.2以上。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的偏振波转换元件，其特征在于，
还具备在上表面形成所述输入侧光波导路以及所述输出侧光波导路的基板，
所述输入侧光波导路以及所述输出侧光波导路配置为，所述宽度方向成为与所述基板的所述上表面平行的方向，并且所述高度方向成为与所述基板的所述上表面垂直的方向。
11.一种DP－QPSK调制器，其特征在于，
具备权利要求1～10中任一项所述的偏振波转换元件。
12.一种偏振分集·相干接收机，其特征在于，
具备权利要求1～10中任一项所述的偏振波转换元件。
13.一种偏振分集方法，其特征在于，
采用权利要求1～10中任一项所述的偏振波转换元件。
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