JP2013156512A - Grating element and optical element - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、偏波無依存で偏波変換を行うグレーティング素子及び該素子を用いた光素子に関する。 The present invention relates to a grating element that performs polarization conversion independent of polarization, and an optical element using the element.
加入者側から局側への光伝送（上り通信）と、局側から加入者側への光伝送（下り通信）とを１本の光ファイバで行う光加入者系の通信システムにおいては、上り通信及び下り通信を異なる波長の光で行うことがある。この場合、局側及び加入者側の双方で、異なる波長の光を合分波する光素子（以下、光合分波素子とも称する。）が必要となる。 In an optical subscriber communication system in which optical transmission from the subscriber side to the station side (uplink communication) and optical transmission from the station side to the subscriber side (downlink communication) are performed with one optical fiber, Communication and downlink communication may be performed with light of different wavelengths. In this case, an optical element (hereinafter also referred to as an optical multiplexing / demultiplexing element) that multiplexes / demultiplexes light of different wavelengths is required on both the station side and the subscriber side.
光合分波素子は発光素子及び受光素子と空間光学的に光軸合わせされて、光加入者系の通信システム、例えばＰＯＮ（Ｐａｓｓｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ）の加入者側終端装置（ＯＮＵ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｕｎｉｔ）や、局側終端装置（ＯＬＴ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｉｎｅ Ｔｅｒｍｉｎａｌ）に用いられる。しかし、近年、光軸合わせの手間を軽減するために、光導波路により構成された光合分波素子が開発されている（例えば、特許文献１〜５参照）。この光導波路を用いた光合分波素子（以下、導波路型光素子とも称する。）では、光の伝搬経路を、予め作りこまれた光導波路内に限定するので、従来の光合分波素子におけるレンズやミラー等の光軸合わせが不要となる。さらに、導波路型光素子では、発光素子及び受光素子を、予め光合分波素子に作成されたマークを基準にして、光導波路の入出射端に位置合わせすればよい。そのため、発光素子及び受光素子に入出射される光ビームの厳密な光軸合わせの手間が大幅に省かれる。 The optical multiplexing / demultiplexing element is spatially optically aligned with the light emitting element and the light receiving element, so that an optical subscriber communication system, for example, a PON (Passive Optical Network) subscriber-side termination unit (ONU: Optical Network Unit), , Used in a station-side terminal device (OLT: Optical Line Terminal). However, in recent years, an optical multiplexing / demultiplexing element constituted by an optical waveguide has been developed in order to reduce the labor for aligning the optical axis (see, for example, Patent Documents 1 to 5). In an optical multiplexing / demultiplexing device using this optical waveguide (hereinafter also referred to as a waveguide type optical device), the light propagation path is limited to a pre-made optical waveguide. It is not necessary to align the optical axis of a lens or mirror. Further, in the waveguide type optical element, the light emitting element and the light receiving element may be aligned with the input / output end of the optical waveguide with reference to a mark previously created in the optical multiplexing / demultiplexing element. Therefore, the labor of strict optical axis alignment of the light beams entering and exiting the light emitting element and the light receiving element is greatly reduced.
近年、Ｓｉを材料とするコアと、Ｓｉとの屈折率差が大きなＳｉＯ２を材料とするクラッドとで光導波路（以下、Ｓｉ光導波路とも称する。）を構成した導波路型光素子が報告されている（例えば、非特許文献１〜３参照）。 In recent years, a waveguide type optical element in which an optical waveguide (hereinafter also referred to as Si optical waveguide) is composed of a core made of Si and a clad made of SiO 2 having a large refractive index difference from Si has been reported. (For example, see Non-Patent Documents 1 to 3).
Ｓｉ光導波路は、コアの屈折率がクラッドよりも非常に大きく光の閉じ込めが強いために、光を１μｍ程度の小さい曲率半径で曲げる曲線状光導波路を実現することができる。また、製造時に、Ｓｉ電子デバイスでの加工技術が利用できるために、きわめて微細なサブミクロンの断面構造を実現できる。これらのことから、Ｓｉ光導波路を用いることで導波路型光素子を小型化することができる。 Since the refractive index of the core is much larger than that of the clad and the light confinement is strong, the Si optical waveguide can realize a curved optical waveguide that bends light with a small radius of curvature of about 1 μm. In addition, since a processing technique using a Si electronic device can be used at the time of manufacture, a very fine submicron cross-sectional structure can be realized. For these reasons, the waveguide type optical device can be miniaturized by using the Si optical waveguide.
Ｓｉ光導波路により光の合分波を行う導波路型光素子として、マッハツェンダ干渉計を利用したもの、方向性結合器を利用したもの、及びグレーティングを利用したものなどが知られている。 Known waveguide-type optical elements that perform optical multiplexing / demultiplexing using a Si optical waveguide include those using a Mach-Zehnder interferometer, those using a directional coupler, and those using a grating.
方向性結合器を利用した導波路型光素子は、光の透過率が波長に依存するので、光源で生じる波長ずれが透過率変動、すなわち透過光の強度変動を引き起こす。これにより、方向性結合器を光合分波素子に用いた場合、透過出力の強度変動が生じる。また、必要な合分波能力を得るための素子長が数百ミクロンに及び、小型化が困難である。マッハツェンダ干渉計を利用した導波路型光素子は、光の透過率が一定な透過帯域を得るために、多数の素子を直列接続する必要があり、素子が長大化してしまう。 In the waveguide type optical element using the directional coupler, the light transmittance depends on the wavelength, and therefore the wavelength shift caused by the light source causes the transmittance fluctuation, that is, the intensity fluctuation of the transmitted light. As a result, when the directional coupler is used as an optical multiplexing / demultiplexing device, the intensity of the transmitted output varies. Further, the element length for obtaining the necessary multiplexing / demultiplexing capability is several hundred microns, and it is difficult to reduce the size. A waveguide type optical element using a Mach-Zehnder interferometer needs to connect a large number of elements in series in order to obtain a transmission band having a constant light transmittance, resulting in an increase in the length of the element.
これに対し、グレーティングを利用した導波路型光素子（以下、グレーティング素子とも称する。）では、Ｂｒａｇｇ波長の反射光強度を高めることで、グレーティング内部への所定波長帯域の光の侵入を防止できる。その結果、この波長帯域で光の透過率を一定にすることができる。また、目的波長の半分以下の周期で格子溝を設けることで、１個の素子で、目的波長の光を十分な波長分解能で選択することができる（例えば、非特許文献４参照）。 On the other hand, in a waveguide type optical element using a grating (hereinafter also referred to as a grating element), it is possible to prevent the invasion of light in a predetermined wavelength band into the grating by increasing the reflected light intensity of the Bragg wavelength. As a result, the light transmittance can be made constant in this wavelength band. Further, by providing a grating groove with a period of half or less of the target wavelength, light of the target wavelength can be selected with a sufficient wavelength resolution with a single element (see, for example, Non-Patent Document 4).
しかしながら、非特許文献４に記載されたＳｉを用いたグレーティング素子は、偏波依存性があるため、ＴＥ波とＴＭ波とでＢｒａｇｇ波長に差が生じる問題があった。この問題に関して、ＩｎＰコアを用いるグレーティング素子では、ＴＥ波とＴＭ波との偏波変換を利用して、偏波無依存を達成している（例えば、特許文献６及び７参照）。しかし、これらの技術では、偏波無依存化のための構造が複雑であった。すなわち、特許文献６では、電子線で描画した格子溝を市松模様状にコア上面に配置している。また、特許文献７では、コア上のクラッドの厚みを市松模様状に変化させている。 However, since the grating element using Si described in Non-Patent Document 4 has polarization dependency, there is a problem that a difference occurs in the Bragg wavelength between the TE wave and the TM wave. Regarding this problem, a grating element using an InP core achieves polarization independence by using polarization conversion between a TE wave and a TM wave (see, for example, Patent Documents 6 and 7). However, in these techniques, the structure for making polarization independence was complicated. That is, in Patent Document 6, lattice grooves drawn with an electron beam are arranged on the upper surface of the core in a checkered pattern. In Patent Document 7, the thickness of the clad on the core is changed to a checkered pattern.
この発明は、このような問題に鑑みなされた。従って、この発明の目的は、従来よりも構造が簡単なＳｉを用いたグレーティングを利用した偏波無依存の導波路型光素子（グレーティング素子）を得ることにある。また、この発明の更なる目的は、このグレーティング素子を利用した光素子を得ることにある。 The present invention has been made in view of such problems. Accordingly, an object of the present invention is to obtain a polarization-independent waveguide type optical element (grating element) using a grating using Si having a simpler structure than that of the prior art. Another object of the present invention is to obtain an optical element using the grating element.
発明者は鋭意検討の結果、屈折率分布に反対称性を有する（屈折率差がある）第１及び第２クラッドで挟まれたＳｉを材料とするコアに、適切な周期の凹凸を形成したグレーティング素子で偏波無依存化が可能であることに想到した。従って、この発明のグレーティング素子は、基板の主面側に設けられたクラッドと、クラッド中に設けられたコアとで構成される光導波路を備えている。この光導波路は、コアに形成された規則的な凹凸の周期Λに応じた波長λの光を偏波変換して反射する。 As a result of intensive studies, the inventor formed irregularities with an appropriate period in a core made of Si sandwiched between first and second claddings having antisymmetrical refractive index distribution (with a difference in refractive index). We came up with the idea that the polarization element can be made independent of the grating element. Accordingly, the grating element of the present invention includes an optical waveguide composed of a clad provided on the main surface side of the substrate and a core provided in the clad. This optical waveguide reflects and converts the light having a wavelength λ corresponding to the period Λ of regular irregularities formed in the core.
上述のクラッドは、基板の主面上にこの順序で設けられた第１及び第２クラッドを備える。第２クラッドの屈折率は、第１クラッドの屈折率よりも小さい。そして、第１及び第２クラッドの間にコアが設けられている。 The above-described clad includes first and second clads provided in this order on the main surface of the substrate. The refractive index of the second cladding is smaller than the refractive index of the first cladding. A core is provided between the first and second claddings.
コアを構成する材料は、第１クラッドを構成する材料よりも４０％以上大きな屈折率を有しており、コアの側面に上述の凹凸が設けられている。 The material that constitutes the core has a refractive index that is 40% or greater than the material that constitutes the first cladding, and the above-described unevenness is provided on the side surface of the core.
ここで、波長λのＴＥ波の等価屈折率をｎＴＥとし、及び波長λのＴＭ波の等価屈折率をｎＴＭとする。このとき、このグレーティング素子では、上述の周期Λを下記式（１）に従う値に設定する。 Here, the equivalent refractive index of the TE wave with the wavelength λ is nTE, and the equivalent refractive index of the TM wave with the wavelength λ is nTM. At this time, in this grating element, the above-mentioned period Λ is set to a value according to the following formula (1).
Λ＝λ／（ｎＴＥ＋ｎＴＭ）・・・（１） Λ = λ / (nTE + nTM) (1)
この発明のＳｉを用いたグレーティング素子は上述のように構成されている。従って、従来よりも簡単な構造で偏波無依存化を達成できる。また、この素子を利用した光素子が得られる。 The grating element using Si of the present invention is configured as described above. Therefore, polarization independence can be achieved with a simpler structure than in the prior art. Moreover, an optical element using this element can be obtained.
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。なお、各図において各構成要素の形状、大きさ及び配置関係について、この発明が理解できる程度に概略的に示してある。また、以下、この発明の好適な構成例について説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は、以下の実施形態に何ら限定されない。また、各図において、共通する構成要素には同符号を付し、その説明を省略することもある。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each figure, the shape, size, and arrangement relationship of each component are schematically shown to the extent that the present invention can be understood. Moreover, although the preferable structural example of this invention is demonstrated hereafter, the material of each component, a numerical condition, etc. are only a suitable example. Therefore, the present invention is not limited to the following embodiments. Moreover, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to a common component and the description may be abbreviate | omitted.
（グレーティング素子の実施形態）
以下、図面を参照して、実施形態のグレーティング素子について説明する。図１は、グレーティング素子の構造を概略的に示す斜視図である。図２（Ａ）は、グレーティング素子を一端部側（図１中１６Ｉで示す）から見た概略的な構造を示す側面図であり、図２（Ｂ）は、図１に示すグレーティング素子の概略的な平面図である。なお、図２（Ｂ）においては、第１クラッド１４ａと基板８の図示を省略している。
(Embodiment of Grating Element)
Hereinafter, the grating element of the embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view schematically showing the structure of the grating element. 2A is a side view showing a schematic structure of the grating element as viewed from one end side (indicated by 16I in FIG. 1), and FIG. 2B is an outline of the grating element shown in FIG. FIG. In FIG. 2B, the first clad 14a and the substrate 8 are not shown.
ここで、図１を参照して、以下の説明で用いる方向及び寸法を定義する。光伝搬方向（図中矢印Ｐ）に垂直かつ基板８の主面８ａに平行な方向を幅方向と称し、幅方向に沿って測った幾何学的長さを「幅」と称する。また、主面８ａに垂直な方向を厚み方向と称し、厚み方向に沿って測った幾何学的長さを「厚み」と称する。同様に、光伝搬方向に平行な方向を長さ方向と称し、長さ方向に沿って測った幾何学的長さを「長さ」と称する。また、所定の構造体の光伝搬方向に垂直な断面のことを「横断面」と称する。 Here, referring to FIG. 1, directions and dimensions used in the following description are defined. A direction perpendicular to the light propagation direction (arrow P in the figure) and parallel to the main surface 8a of the substrate 8 is referred to as a width direction, and a geometric length measured along the width direction is referred to as a “width”. In addition, a direction perpendicular to the main surface 8a is referred to as a thickness direction, and a geometric length measured along the thickness direction is referred to as “thickness”. Similarly, a direction parallel to the light propagation direction is referred to as a length direction, and a geometric length measured along the length direction is referred to as a “length”. A section perpendicular to the light propagation direction of a predetermined structure is referred to as a “cross section”.
（構造）
図１及び図２を参照して、グレーティング素子１０の構造について説明する。グレーティング素子１０は光導波路１２を備える。光導波路１２は、基板８の主面８ａ側に設けられたクラッド１４と、クラッド１４中に設けられたＳｉコア１６とを備える。
(Construction)
The structure of the grating element 10 will be described with reference to FIGS. The grating element 10 includes an optical waveguide 12. The optical waveguide 12 includes a clad 14 provided on the main surface 8 a side of the substrate 8 and an Si core 16 provided in the clad 14.
クラッド１４は、第１クラッド１４ａと第２クラッド１４ｂとを備える。第１及び第２クラッド１４ａ及び１４ｂは、主面８ａ上にこの順序で設けられる。 The clad 14 includes a first clad 14a and a second clad 14b. The first and second claddings 14a and 14b are provided in this order on the main surface 8a.
第１クラッド１４ａは、平坦面である主面８ａ上に形成された厚みが均一な膜体である。この例では、第１クラッド１４ａを構成する材料は、屈折率ｎａが約１．４５のＳｉＯ２とする。第１クラッド１４ａの上面上にコア１６が設けられる。光導波路１２を伝搬する光の基板８への不所望な結合を防ぐために、第１クラッド１４ａの厚みは１μｍ以上であることが好ましく、この例では、約２μｍとする。 The first cladding 14a is a film body having a uniform thickness formed on the major surface 8a which is a flat surface. In this example, the material constituting the first cladding 14a is SiO 2 having a refractive index na of about 1.45. A core 16 is provided on the upper surface of the first cladding 14a. In order to prevent undesired coupling of light propagating through the optical waveguide 12 to the substrate 8, the thickness of the first cladding 14a is preferably 1 μm or more, and in this example, it is about 2 μm.
第２クラッド１４ｂは第１クラッド１４ａ上に設けられる。この例では、屈折率ｎｂが約１の大気（空気）を第２クラッド１４ｂとしている。第１及び第２クラッド１４ａ及び１４ｂの屈折率の大小関係は「ｎａ＞ｎｂ」とする。第１及び第２クラッド１４ａ及び１４ｂに有限の屈折率差（ｎａ−ｎｂ≠０）を設けることで、コア１６が位置する第１及び第２クラッド１４ａ及び１４ｂの境界面に関して、屈折率分布を反対称にしている。なお、「屈折率分布の反対称性」については、原理の項で後述する。 The second cladding 14b is provided on the first cladding 14a. In this example, the atmosphere (air) having a refractive index nb of about 1 is used as the second cladding 14b. The magnitude relationship between the refractive indexes of the first and second claddings 14a and 14b is “na> nb”. By providing a finite refractive index difference (na−nb ≠ 0) in the first and second claddings 14a and 14b, a refractive index distribution can be obtained with respect to the boundary surface between the first and second claddings 14a and 14b where the core 16 is located. It is anti-symmetric. The “anti-symmetry of the refractive index distribution” will be described later in the principle section.
両クラッド１４ａ及び１４ｂの屈折率差（ｎａ−ｎｂ）が僅かでも偏波変換は生じるが、実用的には、両クラッド１４ａ及び１４ｂの屈折率差は大きくすることが好ましい。屈折率差を大きくすれば、それに応じて偏波変換に要するグレーティング素子１０の全長を実用上十分に短くすることができる。また、この例では、第２クラッド１４ｂとして気体（空気）を用いたが、第２クラッド１４ｂとしては、コア１６の上面１６Ｕと、両側面１６Ｌ及び１６Ｒとを囲むように設けられた固体を用いてもよい。 Polarization conversion occurs even if the refractive index difference (na−nb) between the clads 14a and 14b is slight, but it is preferable to increase the refractive index difference between the clads 14a and 14b practically. If the refractive index difference is increased, the overall length of the grating element 10 required for polarization conversion can be shortened practically sufficiently. In this example, gas (air) is used as the second cladding 14b. However, as the second cladding 14b, a solid provided so as to surround the upper surface 16U of the core 16 and the side surfaces 16L and 16R is used. May be.
コア１６は、第１及び第２クラッド１４ａ及び１４ｂ間に介在する。コア１６には一定周期Λで規則的な凹凸Ｃが形成されている。このコア１６を備える光導波路１２は、凹凸Ｃの周期Λに応じた波長λの光を偏波変換して反射する。この光を、以下、反射光ＲＦとも称する。光導波路１２は、言わば光導波路グレーティングとして機能する。反射光ＲＦの波長λのＴＥ波の光導波路１２に関する等価屈折率をｎＴＥとし、波長λのＴＭ波の光導波路１２に関する等価屈折率をｎＴＭとするとき、凹凸Ｃの周期Λは下記式（１）で与えられる。 The core 16 is interposed between the first and second claddings 14a and 14b. The core 16 is formed with regular irregularities C with a constant period Λ. The optical waveguide 12 including the core 16 reflects the light having the wavelength λ corresponding to the period Λ of the unevenness C by performing polarization conversion. Hereinafter, this light is also referred to as reflected light RF. The optical waveguide 12 functions as an optical waveguide grating. When the equivalent refractive index of the TE wave optical waveguide 12 having the wavelength λ of the reflected light RF is nTE and the equivalent refractive index of the TM wave optical waveguide 12 having the wavelength λ is nTM, the period Λ of the unevenness C is expressed by the following formula (1) ).
Λ＝λ／（ｎＴＥ＋ｎＴＭ）・・・（１）
すなわち、式（１）は、凹凸Ｃの周期Λを、波長λのＴＥ波及びＴＭ波のそれぞれの等価屈折率ｎＴＥ及びｎＴＭの平均値を用いて決めることを意味している。なお、ＴＥ波とは、光伝搬方向に伝搬するとともに、電場が主面８ａに平行な面内で幅方向に振動する偏波を示す。また、ＴＭ波とは、光伝搬方向に伝搬するとともに、電場が主面８ａに垂直な面内で厚み方向に振動する偏波を示す。
Λ = λ / (nTE + nTM) (1)
That is, the equation (1) means that the period Λ of the unevenness C is determined using the average values of the equivalent refractive indexes nTE and nTM of the TE wave and the TM wave having the wavelength λ. The TE wave indicates a polarized wave that propagates in the light propagation direction and an electric field vibrates in the width direction in a plane parallel to the main surface 8a. The TM wave indicates a polarized wave that propagates in the light propagation direction and an electric field vibrates in the thickness direction in a plane perpendicular to the main surface 8a.
主に、図２（Ａ）を参照すると、コア１６は横断面が矩形状であり、下面１６Ｄと第１クラッド１４ａの上面とが接している。また、コア１６の両側面１６Ｒ及び１６Ｌ並びに上面１６Ｕと第２クラッド１４ｂとが接している。つまり、コア１６の上下面１６Ｕ及び１６Ｄは、ＴＥ波の電場の振動面に平行に配置されている。なお、以降、入射光の光伝搬方向Ｐに対して、コア１６の右側の側面を右側面１６Ｒと、及び左側の側面を左側面１６Ｌとそれぞれ称することもある。 Referring mainly to FIG. 2A, the core 16 has a rectangular cross section, and the lower surface 16D is in contact with the upper surface of the first cladding 14a. Further, both side surfaces 16R and 16L and the upper surface 16U of the core 16 are in contact with the second cladding 14b. That is, the upper and lower surfaces 16U and 16D of the core 16 are arranged in parallel to the vibration surface of the electric field of the TE wave. Hereinafter, with respect to the light propagation direction P of the incident light, the right side surface of the core 16 may be referred to as the right side surface 16R, and the left side surface may be referred to as the left side surface 16L.
コア１６の厚みＨは均一であり、この例では約３００ｎｍとする。コア１６の厚みＨは、２００〜５００ｎｍの範囲の中から設計に応じて好適な値を選択できる。厚みＨをこの範囲の値とすることで、光導波路１２を厚み方向にシングルモード導波路とすることができる。 The thickness H of the core 16 is uniform, and is about 300 nm in this example. A suitable value for the thickness H of the core 16 can be selected from the range of 200 to 500 nm according to the design. By setting the thickness H within this range, the optical waveguide 12 can be a single mode waveguide in the thickness direction.
主に、図２（Ｂ）を参照すると、両側面１６Ｌ及び１６Ｒに凹凸Ｃが設けられているものの、コア１６は、光の伝搬に関する限り、平均幅Ｗａｖのコア１６’と同様に機能する。ここで、平均幅Ｗａｖとは、コア１６の幅を、コア１６の全長に渡って平均したものである。また、コア１６’とは、両側面１６Ｌ及び１６Ｒの凹凸Ｃ１６Ｌ及びＣ１６Ｒをそれぞれ平均して得られる、平坦面１６’Ｌ及び１６’Ｒを備える仮想的なコアを示す。以降、特に断らない限り「コア１６の幅」とは平均幅Ｗａｖを示す。 Referring mainly to FIG. 2B, although the concaves and convexes C are provided on both side surfaces 16L and 16R, the core 16 functions in the same manner as the core 16 'having the average width Wav as far as light propagation is concerned. Here, the average width Wav is an average of the width of the core 16 over the entire length of the core 16. The core 16 'is a virtual core having flat surfaces 16'L and 16'R obtained by averaging the unevennesses C16L and C16R on both side surfaces 16L and 16R, respectively. Hereinafter, unless otherwise specified, the “width of the core 16” indicates the average width Wav.
コア１６の幅Ｗａｖは、この例では約６００ｎｍとする。コア１６の幅Ｗａｖは、５００ｎｍ以上の範囲から設計に応じて好適な値を選択できる。幅Ｗａｖをこの範囲の値とすることで、光導波路１２は、コア１６の幅方向の寸法誤差（以下、幅誤差とも称する。）の影響を受けにくくなり、反射光ＲＦの波長揺らぎが抑制される。この例のようにコア１６の幅Ｗａｖを５００ｎｍ以上とすれば、光導波路１２の等価屈折率の幅誤差による変動率（ｄｎ／ｄＷａｖ）を１０−３／ｎｍ未満に抑えることができる。これは、コア１６の幅Ｗａｖを大きくして、幅方向での伝搬光の閉じ込めを十分強くすれば、コア１６の幅Ｗａｖが多少変化しても、伝搬光の閉じ込め性には殆ど影響しないことによる。 The width Wav of the core 16 is about 600 nm in this example. As the width Wav of the core 16, a suitable value can be selected from a range of 500 nm or more according to the design. By setting the width Wav to a value in this range, the optical waveguide 12 is less affected by the dimensional error in the width direction of the core 16 (hereinafter also referred to as a width error), and the wavelength fluctuation of the reflected light RF is suppressed. The If the width Wav of the core 16 is 500 nm or more as in this example, the variation rate (dn / dWav) due to the width error of the equivalent refractive index of the optical waveguide 12 can be suppressed to less than 10 −3 / nm. This is because if the width Wav of the core 16 is increased and the confinement of the propagation light in the width direction is sufficiently strong, even if the width Wav of the core 16 changes slightly, the confinement property of the propagation light is hardly affected. by.
コア１６を構成する材料には、第１クラッド１４ａを構成する材料よりも４０％以上屈折率が大きな物質を用いる。コア１６の屈折率をこの範囲とすることで、クラッド１４の屈折率分布の反対称性と、後述するコア１６の屈折率分布の反対称性とで、グレーティングの対称性評価面ＡＳ（図５）を主面８ａに対して傾け、偏波変換を可能にする。なお、この例では、コア１６の構成材料は屈折率が約３．４７のＳｉとする。 As the material constituting the core 16, a substance having a refractive index larger by 40% or more than that of the material constituting the first cladding 14a is used. By setting the refractive index of the core 16 within this range, the symmetry evaluation surface AS of the grating AS (FIG. 5) can be determined by the antisymmetry of the refractive index distribution of the cladding 14 and the antisymmetry of the refractive index distribution of the core 16 described later. ) With respect to the main surface 8a to enable polarization conversion. In this example, the constituent material of the core 16 is Si having a refractive index of about 3.47.
凹凸Ｃはコア１６の側面に設けられている。この例では、凹凸Ｃは、コア１６の右側面１６Ｒに設けられる右凹凸Ｃ１６Ｒと、コア１６の左側面１６Ｌに設けられる左凹凸Ｃ１６Ｌとを備える。なお、コア１６の側面、すなわち左右の凹凸Ｃ１６Ｌ及びＣ１６Ｒが含む全ての側面は、主面８ａに対して垂直に延在する。 The unevenness C is provided on the side surface of the core 16. In this example, the unevenness C includes a right unevenness C16R provided on the right side surface 16R of the core 16 and a left unevenness C16L provided on the left side surface 16L of the core 16. Note that the side surfaces of the core 16, that is, all the side surfaces included in the left and right unevennesses C16L and C16R extend perpendicular to the main surface 8a.
右凹凸Ｃ１６Ｒと左凹凸Ｃ１６Ｌとは、個々の凹部及び凸部の形状が等しいので、以下、右凹凸Ｃ１６Ｒを例にとり説明する。右凹凸Ｃ１６Ｒは、光伝搬方向に沿ってこの順で直列に接続された凹部１０１Ｒと凸部１００Ｒとを備える。凹凸の全長、すなわちグレーティングの周期をΛとする。周期Λは、全ての凹凸で等しい値とし、この例では、約３５０ｎｍとする。両側面１６Ｌ及び１６Ｒにはそれぞれ１００周期の凹凸Ｃ１６Ｌ及びＣ１６Ｒが設けられる。凹凸の周期数は、グレーティング素子１０の反射効率に関係し、周期数を大きくすれば、反射効率が上がり反射光ＲＦの強度が増加する。周期数は、所望の反射効率に応じて任意好適な値を選択できるが、実用上許容できる程度の反射効率を得るためには、１０周期以上とすることが好ましい。 Since the right concavo-convex C16R and the left concavo-convex C16L have the same concave and convex shapes, the right concavo-convex C16R will be described below as an example. The right concavo-convex C16R includes a concave portion 101R and a convex portion 100R connected in series in this order along the light propagation direction. Let Λ be the total length of the irregularities, that is, the period of the grating. The period Λ is the same value for all the unevennesses, and in this example, is about 350 nm. The both side surfaces 16L and 16R are provided with 100 periods of irregularities C16L and C16R, respectively. The number of periods of unevenness is related to the reflection efficiency of the grating element 10, and the reflection efficiency increases and the intensity of the reflected light RF increases as the number of periods increases. As the number of periods, any suitable value can be selected according to the desired reflection efficiency. However, in order to obtain a reflection efficiency that is practically acceptable, it is preferably set to 10 periods or more.
周期Λは、凸部１００Ｒの長さＭＲと、凹部１０１Ｒの長さＷＲの和で与えられる。従って、周期Λに対する凸部１００Ｒの長さの比率であるデューティー比ＭｒＲは、ＭＲ／Λで与えられる。同様に、周期Λに対する凹部１０１Ｒの長さの比率であるデューティー比ＷｒＲは、ＷＲ／Λで与えられる。凹部及び凸部のデューティー比ＷｒＲ及びＭｒＲには、下記式（２）の関係がある。 The period Λ is given by the sum of the length MR of the convex portion 100R and the length WR of the concave portion 101R. Therefore, the duty ratio MrR, which is the ratio of the length of the convex portion 100R to the period Λ, is given by MR / Λ. Similarly, the duty ratio WrR, which is the ratio of the length of the recess 101R to the period Λ, is given by WR / Λ. The duty ratios WrR and MrR of the concave and convex portions have the relationship of the following formula (2).
ＷｒＲ＝１−ＭｒＲ・・・（２）
なお、この例では、ＭｒＲ＝ＷｒＲ＝ＭｒＬ＝ＷｒＬ＝０．５とする。つまり、右凹凸Ｃ１６Ｒの凸部１００Ｒのデューティー比ＭｒＲと、左凹凸Ｃ１６Ｌの凸部１００Ｌのデューティー比ＭｒＬは、互いに等しく０．５である。
WrR = 1−MrR (2)
In this example, MrR = WrR = MrL = WrL = 0.5. That is, the duty ratio MrR of the convex portion 100R of the right uneven portion C16R and the duty ratio MrL of the convex portion 100L of the left uneven portion C16L are equal to each other and 0.5.
また、凹凸の上段面（凸部１００Ｒの頂部に対応する側面１６Ｒｔ）と凹凸の下段面（凹部１０１Ｒの底部に対応する側面１６Ｒｂ）との幅方向の距離は、全ての凹凸で等しくＤとする。以降、この距離Ｄを単に凹凸高さとも称する。この例では、凹凸高さＤを約１００ｎｍとする。凹凸高さＤは、グレーティング素子１０の（１）反射光ＲＦの反射効率、（２）反射光ＲＦの波長半値幅、及び（３）反射光ＲＦの偏波変換能力に関係している。凹凸高さＤを大きくすれば、反射効率及び偏波変換能力は増加するが、反射光ＲＦの波長半値幅が広がる。逆に、凹凸高さＤを小さくすれば、反射効率及び偏波変換能力は減少するが、波長半値幅が狭まる。よって、凹凸高さＤは、グレーティング素子１０の用途に応じて適切な値を選択すればよい。 Further, the distance in the width direction between the upper surface of the unevenness (side surface 16Rt corresponding to the top of the convex portion 100R) and the lower surface of the unevenness (side surface 16Rb corresponding to the bottom of the concave portion 101R) is equal to D for all the unevenness. . Hereinafter, this distance D is also simply referred to as uneven height. In this example, the uneven height D is about 100 nm. The unevenness height D is related to (1) the reflection efficiency of the reflected light RF, (2) the half-value width of the reflected light RF, and (3) the polarization conversion capability of the reflected light RF. Increasing the concavo-convex height D increases the reflection efficiency and the polarization conversion capability, but widens the half-value width of the reflected light RF. On the contrary, if the uneven height D is reduced, the reflection efficiency and the polarization conversion capability are reduced, but the wavelength half width is narrowed. Therefore, an appropriate value may be selected as the unevenness height D according to the application of the grating element 10.
主に図２（Ｂ）を参照して、左右の凹凸Ｃ１６Ｌ及びＣ１６Ｒの凹凸の位置関係について説明する。ここで、左側面１６Ｌ側において、コア１６の一端部１６Ｉに最も近い凹部から凸部への境界の一端部１６Ｉからの距離をＥＬとする。また、右側面１６Ｒにおいて、コア１６の一端部１６Ｉに最も近い凹部から凸部への境界の一端部１６Ｉからの距離をＥＲとする。そして、左右の凹凸のずれ量であるΔΛを、｜ＥＬ−ＥＲ｜と定義する。このとき、グレーティング素子１０では、ΔΛ＝Λ／２である。つまり、左右の凹凸は互いに半周期ずれて配置されている。なお、定義から明らかなように、ΔΛは、０≦ΔΛ＜Λの範囲の値である。 Referring mainly to FIG. 2B, the positional relationship between the left and right unevennesses C16L and C16R will be described. Here, on the left side surface 16L side, the distance from the one end portion 16I of the boundary from the concave portion closest to the one end portion 16I of the core 16 to the convex portion is defined as EL. Further, on the right side surface 16R, the distance from the one end 16I of the boundary from the concave portion closest to the one end portion 16I of the core 16 to the convex portion is defined as ER. Then, ΔΛ, which is the deviation amount of the left and right unevenness, is defined as | EL-ER | At this time, in the grating element 10, ΔΛ = Λ / 2. That is, the left and right irregularities are arranged with a half-cycle shift from each other. As is clear from the definition, ΔΛ is a value in the range of 0 ≦ ΔΛ <Λ.
このように、左右の凹凸のずれ量ΔΛをΛ／２とすることにより、コア１６の左右側面１６Ｌ及び１６Ｒの凹凸を互い違いに設けることができる。その結果、後述のように、コア１６に屈折率分布の反対称性が付与される。 Thus, by setting the deviation amount ΔΛ of the left and right unevenness to Λ / 2, the unevenness of the left and right side surfaces 16L and 16R of the core 16 can be provided alternately. As a result, as will be described later, the anti-symmetry of the refractive index distribution is imparted to the core 16.
なお、この例では、グレーティング素子１０は、Ｓｉ基板上にＳｉＯ２層とＳｉ層とがこの順序で積層されたＳＯＩ基板を利用して作成される。すなわち、最上層のＳｉ層を従来公知のドライエッチング法等でパターニングして、凹凸Ｃと同時並行的にコア１６を作成することでグレーティング素子１０を形成する。 In this example, the grating element 10 is formed using an SOI substrate in which a SiO 2 layer and a Si layer are stacked in this order on a Si substrate. That is, the grating element 10 is formed by patterning the uppermost Si layer by a conventionally known dry etching method or the like and forming the core 16 in parallel with the unevenness C.
（原理）
続いて、図３〜図５を参照して、グレーティング素子１０の偏波変換原理について説明する。
(principle)
Next, the principle of polarization conversion of the grating element 10 will be described with reference to FIGS.
図３（Ａ）〜（Ｄ）は、光導波路１２におけるＴＭ及びＴＥ基本モード波の光電界分布を示す模式図であり、（Ａ）がＴＥ基本モード波の水平方向（Ｘ方向）成分を示し、（Ｂ）がＴＭ基本モード波の垂直方向（Ｙ方向）成分を示し、（Ｃ）がＴＥ基本モード波の光伝搬方向の成分を示し、及び（Ｄ）がＴＭ基本モード波の光伝搬方向の成分を示す。図４（Ａ）は、コア１６のブロックを示す概略的な平面図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は、それぞれブロックＢ１及びＢ２における屈折率差Δｎの幅方向分布を示す模式図である。なお、図４（Ａ）においては、基板８及びクラッド１４の図示を省略している。図５は、グレーティング素子１０と同様に機能する光素子の構成を概略的に示す断面図である。 3A to 3D are schematic views showing optical electric field distributions of TM and TE fundamental mode waves in the optical waveguide 12, and FIG. 3A shows a horizontal direction (X direction) component of the TE fundamental mode wave. , (B) shows the vertical direction (Y direction) component of the TM fundamental mode wave, (C) shows the component of the TE fundamental mode wave in the light propagation direction, and (D) shows the light propagation direction of the TM fundamental mode wave. The components of are shown. 4A is a schematic plan view showing the block of the core 16, and FIGS. 4B and 4C are schematic views showing the distribution in the width direction of the refractive index difference Δn in the blocks B1 and B2, respectively. . In FIG. 4A, illustration of the substrate 8 and the clad 14 is omitted. FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of an optical element that functions in the same manner as the grating element 10.
図３（Ａ）を参照すると、光導波路１２を伝搬するＴＥ基本モード波の水平方向成分は、Ｘ＝０すなわち幅方向に関して対称に分布している。同様に、図３（Ｂ）を参照すると、光導波路１２を伝搬するＴＭ基本モード波の垂直方向成分は、Ｙ＝０すなわち厚み方向に関して対称に分布している。 Referring to FIG. 3A, the horizontal component of the TE fundamental mode wave propagating through the optical waveguide 12 is distributed symmetrically with respect to X = 0, that is, with respect to the width direction. Similarly, referring to FIG. 3B, the vertical component of the TM fundamental mode wave propagating through the optical waveguide 12 is distributed symmetrically with respect to Y = 0, that is, the thickness direction.
図３（Ｃ）を参照すると、ＴＥ基本モード波の光伝搬方向の成分（以下、Ｚ成分とも称する。）は、光電界が水平方向に関して反対称に分布している。グレースケールの図３（Ｃ）では明確でないが、Ｘ＝０を対称軸として左右に分布している光電界成分は、正負が逆転している。 Referring to FIG. 3C, in the light propagation direction component (hereinafter also referred to as Z component) of the TE fundamental mode wave, the optical electric field is distributed antisymmetrically with respect to the horizontal direction. Although it is not clear in FIG. 3C of the gray scale, the positive / negative is reversed in the optical electric field component distributed to the left and right with X = 0 as the symmetry axis.
図３（Ｄ）を参照すると、ＴＭ基本モード波のＺ成分は、光電界が垂直方向に関して反対称に分布している。上述と同じ理由により、Ｙ＝０を対称軸として上下に分布している光電界成分は、正負が逆転している。 Referring to FIG. 3D, in the Z component of the TM fundamental mode wave, the optical electric field is distributed antisymmetrically with respect to the vertical direction. For the same reason as described above, the positive and negative optical field components distributed up and down with Y = 0 as the symmetry axis are reversed.
基本モード波の場合に限らず、ＴＥ波（ＴＭ波）からＴＭ波（ＴＥ波）への変換は、反射波長λの両偏波光の伝搬モードのＺ成分の対称性と、グレーティング素子１０の屈折率分布の対称性との関係で決定される。 The conversion from the TE wave (TM wave) to the TM wave (TE wave) is not limited to the case of the fundamental mode wave, but the symmetry of the Z component of the propagation modes of both polarized lights of the reflection wavelength λ and the refraction of the grating element 10. It is determined in relation to the symmetry of the rate distribution.
特に、Ｚ成分が反対称な基本モード波におけるＴＥ波の、ＴＭ波への変換は、言わばＺ成分を図３（Ｃ）から図３（Ｄ）へと回転させることに相当する。このような回転を、グレーティングで行うためには、グレーティングにも屈折率分布の反対称性が求められる。より詳細には、基本モード波でＴＥ／ＴＭ変換を最も効率よく行うには、図５に示すように、グレーティングに４５度方向（図３（Ｃ）でのＸ＝Ｙ又はＸ＝−Ｙに沿う方向）に延在する対称性評価面ＡＳに対する屈折率分布の反対称性が求められる。 In particular, the conversion of the TE wave in the fundamental mode wave having an antisymmetric Z component into a TM wave corresponds to rotating the Z component from FIG. 3C to FIG. 3D. In order to perform such rotation with a grating, the grating is also required to have an antisymmetric property of the refractive index distribution. More specifically, in order to perform the TE / TM conversion with the fundamental mode wave most efficiently, as shown in FIG. 5, the grating has a 45 degree direction (X = Y or X = −Y in FIG. 3C). The anti-symmetry of the refractive index distribution with respect to the symmetry evaluation plane AS extending in the (along direction) is required.
屈折率分布を４５度方向に延びる面に対して反対称にするために、グレーティング素子１０は、クラッド１４による厚み方向の屈折率分布の反対称性と、コア１６による幅方向での屈折率分布の反対称性を利用する。 In order to make the refractive index distribution antisymmetric with respect to the plane extending in the 45 degree direction, the grating element 10 includes the antisymmetric property of the refractive index distribution in the thickness direction by the clad 14 and the refractive index distribution in the width direction by the core 16. Use the antisymmetry of.
まず、クラッド１４の屈折率分布の反対称性について説明する。まず、第１及び第２クラッド１４ａ及び１４ｂの単純平均屈折率を考える。そして、この平均屈折率と第１及び第２クラッド１４ａ及び１４ｂの屈折率の差をそれぞれΔｎａ及びΔｎｂとする。この時、｜Δｎａ｜＝｜Δｎｂ｜であり、Δｎａ＞０及びΔｎｂ＜０である。つまり、Δｎａ及びΔｎｂの空間分布を考えると、両者は、第１及び第２クラッド１４ａ及び１４ｂの境界面の上下で、大きさが等しく符号が異なる。これを、屈折率分布の反対称性と称する。 First, the antisymmetry of the refractive index distribution of the clad 14 will be described. First, consider the simple average refractive index of the first and second claddings 14a and 14b. The difference between the average refractive index and the refractive indexes of the first and second claddings 14a and 14b is denoted by Δna and Δnb, respectively. At this time, | Δna | = | Δnb |, and Δna> 0 and Δnb <0. In other words, considering the spatial distribution of Δna and Δnb, they are equal in size and have different signs above and below the boundary surface between the first and second claddings 14a and 14b. This is called anti-symmetry of the refractive index distribution.
次に、図４及び図５を参照して、コア１６の屈折率分布の反対称性について説明する。図４（Ａ）を参照すると、コア１６は、光伝搬方向に沿って、屈折率の空間分布が異なる２種類のブロックＢ１及びＢ２に分けることができる。ここで、ブロックＢ１とは、左側面１６Ｌの凸部１００Ｌと、右側面１６Ｒの凹部１０１Ｒとを含む領域である。なお、ここで、「凹部１０１Ｒを含む」とは、凹部１０１Ｒ内に延在する第２クラッド１４ｂをも含む概念とする。 Next, the antisymmetry of the refractive index distribution of the core 16 will be described with reference to FIGS. Referring to FIG. 4A, the core 16 can be divided into two types of blocks B1 and B2 having different refractive index spatial distributions along the light propagation direction. Here, the block B1 is a region including the convex portion 100L of the left side surface 16L and the concave portion 101R of the right side surface 16R. Here, “including the recess 101 </ b> R” is a concept including the second cladding 14 b extending into the recess 101 </ b> R.
同様に、ブロックＢ２とは、左側面１６Ｌの凹部１０１Ｌと、右側面１６Ｒの凸部１００Ｒとを含む領域である。凹部１０１Ｒと同様に、凹部１０１Ｌは内部の第２クラッド１４ｂを含む。 Similarly, the block B2 is a region including the concave portion 101L of the left side surface 16L and the convex portion 100R of the right side surface 16R. Similar to the recess 101R, the recess 101L includes an internal second cladding 14b.
また、コア１６の中心軸Ｏを含み、コア１６の上面１６Ｕに垂直に延在する平面を対称性評価面ＡＳとする。 A plane including the central axis O of the core 16 and extending perpendicularly to the upper surface 16U of the core 16 is defined as a symmetry evaluation plane AS.
ここで、各ブロックＢ１及びＢ２内における、コア１６及び第２クラッド１４ｂの両者を含めた平均屈折率ｎａｖを考える。なお、どちらの側面が凸であるか以外は同様に構成された両ブロックＢ１及びＢ２の平均屈折率ｎａｖは互いに等しい。 Here, an average refractive index nav including both the core 16 and the second cladding 14b in each of the blocks B1 and B2 is considered. The average refractive index nav of both blocks B1 and B2 that are similarly configured except which side is convex is equal to each other.
ここで、両ブロックＢ１及びＢ２内の任意の点における屈折率ｎＢと、平均屈折率ｎａｖとの差Δｎを考える。そして、図４（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、各ブロックＢ１及びＢ２において幅方向に沿ったΔｎの分布を考える。なお、図４（Ｂ）及び（Ｃ）に共通して横軸は、対称性評価面ＡＳの位置を原点とした場合の、各ブロックＢ１及びＢ２における幅方向に沿った位置を示し、縦軸は任意単位のΔｎを示す。 Here, a difference Δn between the refractive index nB at an arbitrary point in both blocks B1 and B2 and the average refractive index nav is considered. Then, as shown in FIGS. 4B and 4C, consider the distribution of Δn along the width direction in each of the blocks B1 and B2. 4B and 4C, the horizontal axis indicates the position along the width direction in each of the blocks B1 and B2 when the position of the symmetry evaluation surface AS is the origin, and the vertical axis Indicates Δn in arbitrary units.
図４（Ｂ）を参照すると、ブロックＢ１において、Δｎは対称性評価面ＡＳ付近を境にして、正負が逆転している。すなわち、左側面１６Ｌ側ではΔｎ＞０であり、右側面１６Ｒ側では、Δｎ＜０である。左右側面１６Ｌ及び１６Ｒ側での正負が逆転している点を除いて、図４（Ｃ）に示したブロックＢ２も同様である。 Referring to FIG. 4B, in block B1, Δn is reversed between positive and negative with respect to the vicinity of the symmetry evaluation plane AS. That is, Δn> 0 on the left side 16L side, and Δn <0 on the right side 16R side. The block B2 shown in FIG. 4C is the same except that the positive and negative sides on the left and right side surfaces 16L and 16R are reversed.
このように、これらのブロックＢ１及びＢ２は、対称性評価面ＡＳを挟んだ左右で屈折率差Δｎの正負が逆転している。つまり、ブロックＢ１及びＢ２は、幅方向に関して屈折率分布が反対称である。よって、ブロックＢ１及びＢ２で構成されるコア１６も屈折率分布が反対称である。このように、任意のグレーティングにおいて、所定の対称性評価面ＡＳの左右での屈折率に差があることを「屈折率分布の反対称性」と称する。 As described above, in these blocks B1 and B2, the positive and negative of the refractive index difference Δn are reversed on the left and right sides of the symmetry evaluation plane AS. That is, the refractive index distribution of the blocks B1 and B2 is antisymmetric with respect to the width direction. Therefore, the refractive index distribution of the core 16 composed of the blocks B1 and B2 is also antisymmetric. Thus, in any grating, the difference in refractive index between the left and right of a predetermined symmetry evaluation surface AS is referred to as “antisymmetrical refractive index distribution”.
このように、グレーティング素子１０は、異なる２方向で屈折率分布の反対称性を有している。すなわち、幅方向におけるコア１６の屈折率分布の反対称性と、厚み方向における第１及び第２クラッド１４ａ及び１４ｂの間の屈折率分布の反対称性である。これら２種の屈折率分布の反対称性を合成することで、この例のグレーティング素子１０は、効率的な偏波変換に好ましい、主面８ａから４５°傾いた対称性評価面ＡＳに対する屈折率分布の反対称性の摂動成分を獲得する。 As described above, the grating element 10 has anti-symmetry of the refractive index distribution in two different directions. That is, the antisymmetry of the refractive index distribution of the core 16 in the width direction and the antisymmetry of the refractive index distribution between the first and second claddings 14a and 14b in the thickness direction. By synthesizing the antisymmetry of these two types of refractive index distributions, the grating element 10 of this example is preferable for efficient polarization conversion, and has a refractive index with respect to the symmetry evaluation plane AS inclined by 45 ° from the main surface 8a. Obtain the antisymmetric perturbation component of the distribution.
これは、図５に示すように、擬似的に、屈折率分布の反対称性を有さない均質なクラッド１４’中で、コア１６を、主面８ａ、詳細にはＴＥ波の電場の振動面に対して４５°傾けることに相当する。このように、屈折率分布が反対称なコア１６を、ＴＥ及びＴＭ波の電場の振動面に対して斜めに傾けることにより、ＴＥ波のＺ成分（図３（Ｃ））と、ＴＭ波のＺ成分（図３（Ｄ））が相互に回転する。その結果、ＴＥ基本モード波とＴＭ基本モード波との間で偏波無依存な偏波変換が達成される。 As shown in FIG. 5, this is because, in a pseudo manner, the core 16 is made to oscillate in the principal surface 8a, more specifically, the electric field of the TE wave, in the homogeneous clad 14 'having no antisymmetric property of the refractive index distribution. This corresponds to a 45 ° tilt with respect to the surface. In this way, by tilting the core 16 having an antisymmetric refractive index distribution with respect to the vibration planes of the electric fields of the TE and TM waves, the TE wave Z component (FIG. 3C) and the TM wave The Z component (FIG. 3D) rotates with each other. As a result, polarization conversion independent of polarization is achieved between the TE fundamental mode wave and the TM fundamental mode wave.
（動作）
続いて、主に図１及び図６を参照して、グレーティング素子１０の動作について説明する。
(Operation)
Subsequently, the operation of the grating element 10 will be described mainly with reference to FIGS. 1 and 6.
まず、コア１６の一端部１６Ｉからの入力光ＩＮを、ＴＭ基本モード波とした場合を考える。この場合、一端部１６Ｉから、Ｂｒａｇｇ波長λ（式（１））の反射光ＲＦとしてＴＥ基本モード波が出力される。また、Ｂｒａｇｇ波長λ以外の入力光ＩＮは、光導波路１２を、偏波が保たれた状態で伝搬して、ＴＭ基本モード波の透過光ＴＲとしてコア１６の他端部１６Ｏから出力される。つまり、グレーティング素子１０は、Ｂｒａｇｇ波長λのＴＭ基本モード波を、偏波変換してＴＥ基本モード波の反射光ＲＦとして出力する波長変換素子として機能する。 First, consider the case where the input light IN from the one end 16I of the core 16 is a TM fundamental mode wave. In this case, the TE fundamental mode wave is output as the reflected light RF having the Bragg wavelength λ (formula (1)) from the one end portion 16I. Also, the input light IN other than the Bragg wavelength λ propagates through the optical waveguide 12 while maintaining the polarization, and is output from the other end portion 16O of the core 16 as the transmitted light TR of the TM fundamental mode wave. In other words, the grating element 10 functions as a wavelength conversion element that performs polarization conversion on the TM fundamental mode wave having the Bragg wavelength λ and outputs it as reflected light RF of the TE fundamental mode wave.
入力光ＩＮがＴＥ基本モード波の場合も同様であり、一端部１６Ｉから偏波変換された波長λのＴＭ基本モード波が反射光ＲＦとして出力される。また、他端部１６Ｏから波長λ以外のＴＥ基本モード波が偏波を保ったまま透過光ＴＲとして出力される。 The same applies to the case where the input light IN is a TE fundamental mode wave, and a TM fundamental mode wave having a wavelength λ that has undergone polarization conversion is output as reflected light RF from the one end 16I. Further, the TE fundamental mode wave other than the wavelength λ is output from the other end portion 16O as the transmitted light TR while maintaining the polarization.
ここで、ＴＭ及びＴＥ基本モード波の含有比率（以下、偏波比率とも称する。）が、ＴＭ：ＴＥ＝３：７の入力光ＩＮがグレーティング素子１０に入力された場合を考える。この場合、一端部１６Ｉから出力される波長λの反射光ＲＦの偏波比率は、偏波変換の結果逆転してＴＭ：ＴＥ＝７：３となる。なお、透過光ＴＲでは偏波比率は変化せず、ＴＭ：ＴＥ＝３：７のままである。 Here, a case is considered where an input light IN having TM: TE = TE = 3: 7 input ratio IN of TM and TE fundamental mode waves (hereinafter also referred to as a polarization ratio) is input to the grating element 10. In this case, the polarization ratio of the reflected light RF having the wavelength λ output from the one end portion 16I is reversed as a result of the polarization conversion to be TM: TE = 7: 3. In the transmitted light TR, the polarization ratio does not change, and TM: TE = 3: 7 remains unchanged.
続いて、図６のシミュレーション結果を参照して、グレーティング素子１０の動作特性を説明する。図６は、縦軸が、一端部１６Ｉ及び他端部１６Ｏから出力される出力光の、入力光ＩＮに対する強度比率（ｄＢ）を示し、横軸が、光の波長（μｍ）を示す。 Next, the operational characteristics of the grating element 10 will be described with reference to the simulation results of FIG. In FIG. 6, the vertical axis represents the intensity ratio (dB) of the output light output from the one end 16I and the other end 16O to the input light IN, and the horizontal axis represents the wavelength (μm) of the light.
図６は、入力光ＩＮを、横軸の波長範囲のＴＭ基本モード波とした場合の、出力光の強度比率を計算したものである。なお、計算では、グレーティング素子１０に、上述した寸法及び材質を条件として与えた。また、計算には、３次元ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）法を用いた。図６中の曲線ｒｆが、一端部１６Ｉから反射出力されるＴＥ基本モード波の強度比率である。また、曲線ｔｒが、他端部１６Ｏから透過出力されるＴＭ基本モード波の強度比率である。 FIG. 6 shows the calculated intensity ratio of output light when the input light IN is a TM fundamental mode wave in the wavelength range on the horizontal axis. In the calculation, the above-described dimensions and materials were given to the grating element 10 as conditions. For the calculation, a three-dimensional FDTD (Finite Difference Time Domain) method was used. A curve rf in FIG. 6 is an intensity ratio of the TE fundamental mode wave reflected and output from the one end portion 16I. Further, the curve tr is the intensity ratio of the TM fundamental mode wave transmitted through the other end 16O.
曲線ｒｆに注目すると、約１．６１μｍの波長に−３ｄＢ程度の大きなピークが存在する。このピーク波長は、式（１）で与えられるグレーティング素子１０のＢｒａｇｇ波長λに対応する。つまり、このピークは、上述の偏波変換された反射光ＲＦに対応する。反射光ＲＦのピーク値が０ｄＢとならないのは、ガウス分布を仮定した入力光ＩＮの光導波路１２との結合損失と、クラッド１４への光の放射による損失とによる。 When attention is paid to the curve rf, a large peak of about −3 dB exists at a wavelength of about 1.61 μm. This peak wavelength corresponds to the Bragg wavelength λ of the grating element 10 given by Equation (1). That is, this peak corresponds to the above-described reflected light RF subjected to polarization conversion. The reason why the peak value of the reflected light RF does not become 0 dB is due to the coupling loss of the input light IN with the optical waveguide 12 assuming a Gaussian distribution and the loss due to the radiation of light to the cladding 14.
曲線ｔｒに注目すると、約１．４３μｍの波長及びＢｒａｇｇ波長以外の波長範囲では、約−６ｄＢの一定値をとる。つまり、このグレーティング素子１０では、反射効率を高めて十分に強度の強い反射光ＲＦを得ることにより、反射光ＲＦの波長以外における透過光ＴＲの透過率を一定に保っている。 Focusing on the curve tr, it takes a constant value of about −6 dB in the wavelength range other than the wavelength of about 1.43 μm and the Bragg wavelength. That is, in the grating element 10, the transmittance of the transmitted light TR other than the wavelength of the reflected light RF is kept constant by increasing the reflection efficiency to obtain a sufficiently strong reflected light RF.
曲線ｔｒに存在する波長が約１．４３μｍのボトムは、この波長における入力光ＩＮの高次モード波への変換に由来する。この高次モード波への変換はグレーティング素子１０に不可避の現象であるが、コア１６の寸法を適切に設計することにより、このボトムの波長をグレーティング素子１０の使用波長範囲からずらすことができる。 The bottom having a wavelength of about 1.43 μm existing in the curve tr is derived from the conversion of the input light IN into a higher-order mode wave at this wavelength. This conversion to a higher-order mode wave is an inevitable phenomenon for the grating element 10, but the bottom wavelength can be shifted from the wavelength range of use of the grating element 10 by appropriately designing the dimensions of the core 16.
なお、図示はしていないが、入力光ＩＮをＴＥ基本モード波とした場合には、グレーティング素子１０は、一端部１６Ｉ及び他端部１６Ｏからの出力光がそれぞれＴＭ及びＴＥ基本モード波となる以外は、図６と同様の特性を示す。 Although not shown, when the input light IN is a TE fundamental mode wave, the grating element 10 has the output light from the one end 16I and the other end 16O become TM and TE fundamental mode waves, respectively. Except for this, the same characteristics as in FIG. 6 are exhibited.
図６から明らかなようにグレーティング素子１０は、ＴＭ及びＴＥ基本モード波の両者に対して等しい動作特性を示す。つまり、グレーティング素子１０は、Ｂｒａｇｇ波長λにおいて、ＴＭ及びＴＥ基本モード波を相互に変換する偏波無依存な波長変換素子として動作する。 As is apparent from FIG. 6, the grating element 10 exhibits the same operating characteristics for both the TM and TE fundamental mode waves. That is, the grating element 10 operates as a polarization-independent wavelength conversion element that mutually converts the TM and TE fundamental mode waves at the Bragg wavelength λ.
このように、この実施形態のグレーティング素子１０は、両側面１６Ｌ及び１６Ｒに凹凸Ｃを設けることでコア１６の厚みが均一に保たれており、厚みに段差を設ける従来技術よりも構造が簡単である。また、凹凸Ｃは、コアの側面に設けられた単なる段差であり、電子線描画等の特殊技術で形成された格子溝よりも、より構造が簡単である。 As described above, the grating element 10 of this embodiment has a uniform structure as compared with the prior art in which the thickness of the core 16 is kept uniform by providing the unevenness C on both side surfaces 16L and 16R, and a step is provided in the thickness. is there. The unevenness C is a simple step provided on the side surface of the core, and has a simpler structure than a lattice groove formed by a special technique such as electron beam drawing.
次に、グレーティング素子１０の変形例について説明する。 Next, a modified example of the grating element 10 will be described.
この実施形態では、グレーティング素子１０において、対称性評価面ＡＳを４５°傾けた理想的な場合について説明した。しかし、対称性評価面ＡＳを傾ける角度は４５°には限定されない。４５°未満であっても、対称性評価面ＡＳの傾き角に応じて、ＴＥ波（ＴＭ波）の偏波面を回転させることができる。ただ、この場合には、ＴＥ波（ＴＭ波）からＴＭ波（ＴＥ波）へと偏波面を９０°回転させるには、複数のグレーティング素子を直列する必要がある。 In this embodiment, the ideal case where the symmetry evaluation plane AS is inclined by 45 ° in the grating element 10 has been described. However, the angle at which the symmetry evaluation plane AS is tilted is not limited to 45 °. Even if it is less than 45 °, the polarization plane of the TE wave (TM wave) can be rotated according to the inclination angle of the symmetry evaluation plane AS. However, in this case, in order to rotate the plane of polarization by 90 ° from the TE wave (TM wave) to the TM wave (TE wave), it is necessary to connect a plurality of grating elements in series.
この実施形態では、ＴＥ基本モード波及びＴＭ基本モード波間の偏波変換について説明した。Ｚ成分が反対称な基本モード波に関しては、屈折率分布が反対称である上述のコア１６で偏波変換を行うことができる。しかし、屈折率分布が反対称なコア１６では、Ｚ成分が対称である高次モードのＴＥ波及びＴＭ波の偏波変換を行うことができない。 In this embodiment, the polarization conversion between the TE fundamental mode wave and the TM fundamental mode wave has been described. With respect to a fundamental mode wave having an antisymmetric Z component, polarization conversion can be performed by the above-described core 16 having an antisymmetric refractive index distribution. However, the core 16 having an antisymmetric refractive index distribution cannot perform polarization conversion of TE wave and TM wave of a higher order mode in which the Z component is symmetric.
高次モードのＴＥ波及びＴＭ波間で偏波変換を行うためには、コア１６の屈折率分布にも対称性が求められる。すなわち、図７（Ａ）に示すような、中心軸Ｏの回りに対称的な屈折率分布を持つコア１６−０を用いることにより、高次モードにおいてＴＥ波とＴＭ波との変換が可能になる。ただし、この場合も、クラッド１４の屈折率分布の反対称性は必要である。なお、コア１６−０が対称的な屈折率分布を有することは、図４（Ｂ）のようなΔｎ分布を考えると明らかである。 In order to perform polarization conversion between the TE wave and TM wave in the higher order mode, the refractive index distribution of the core 16 is also required to have symmetry. That is, by using a core 16-0 having a symmetric refractive index distribution around the central axis O as shown in FIG. 7A, conversion between a TE wave and a TM wave is possible in a higher mode. Become. However, also in this case, the antisymmetry of the refractive index distribution of the clad 14 is necessary. In addition, it is clear that the core 16-0 has a symmetrical refractive index distribution when a Δn distribution as shown in FIG. 4B is considered.
また、この実施形態では、コア１６の両側面１６Ｌ及び１６Ｒに、それぞれ凹凸Ｃ１６Ｌ及びＣ１６Ｒを設ける場合について説明した。しかし、図７（Ｂ）に示した右側面１６Ｒのみに凹凸Ｃ１６Ｒを備えるコア１６−１でもＴＥ波とＴＭ波との間で偏波を変換できる。これは、上述のように、一方の側面のみに凹凸が設けられたコア１６−１も、基本モード波の偏波変換に必要な屈折率分布の反対称性を備えていることによる。ただし、このコア１６−１の屈折率分布の反対称性の程度は低く、コア１６−１には屈折率分布の対称性も含まれる。この屈折率分布の対称性に由来して、コア１６−１では、余計な高次モードでの偏波変換も生じる恐れがある。 Moreover, in this embodiment, the case where the unevenness | corrugation C16L and C16R were each provided in the both sides | surfaces 16L and 16R of the core 16 was demonstrated. However, even with the core 16-1 having the unevenness C16R only on the right side surface 16R shown in FIG. 7B, the polarization can be converted between the TE wave and the TM wave. This is because, as described above, the core 16-1 provided with irregularities only on one side surface also has antisymmetry of the refractive index distribution necessary for polarization conversion of the fundamental mode wave. However, the degree of anti-symmetry of the refractive index distribution of the core 16-1 is low, and the core 16-1 includes the symmetry of the refractive index distribution. Due to the symmetry of the refractive index distribution, in the core 16-1, polarization conversion in an extra high-order mode may also occur.
また、この実施形態では、コア１６のデューティー比ＭｒＬ、ＭｒＲ、ＷｒＬ及びＷｒＬが全て０．５であり、及び左右の凹凸のずれ量ΔΛがΛ／２の場合について説明した。しかし、凹凸のデューティー比及びΔΛは、これらの値には限定されない。例えば、図８に示すような、より一般的なコア１６−２であっても、コア１６−２が備える屈折率分布の反対称性及び対称性の程度に応じてＴＥ波とＴＭ波との間で偏波を変換できる。なお、コア１６−２の対称性及び反対称性の程度は、図４（Ｂ）のようなΔｎ分布により求めることができる。 In this embodiment, the case where the duty ratios MrL, MrR, WrL, and WrL of the core 16 are all 0.5 and the deviation amount ΔΛ between the left and right projections is Λ / 2 has been described. However, the duty ratio of unevenness and ΔΛ are not limited to these values. For example, even in the more general core 16-2 as shown in FIG. 8, the TE wave and the TM wave vary depending on the degree of anti-symmetry and symmetry of the refractive index distribution provided in the core 16-2. The polarization can be converted between them. Note that the degree of symmetry and anti-symmetry of the core 16-2 can be obtained by a Δn distribution as shown in FIG.
ここで、図９（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、左右の凸部１００Ｌ及び１００Ｒのデューティー比ＭｒＬ及びＭｒＲと、コアの凹凸形状との関係について説明する。図９（Ａ）には、左右の凸部１００Ｌ及び１００Ｒのデューティー比ＭｒＬ及びＭｒＲが等しい（ＭｒＬ＝ＭｒＲ）コア１６−３を示した。コア１６−３は、左右の凹凸Ｃ１６Ｌ及びＣ１６Ｒの凹凸高さＤが等しければ、左右の凸部１００Ｌ及び１００Ｒ同士、並びに、左右の凹部１０１Ｌ及び１０１Ｒ同士は、形状が等しくなる。 Here, with reference to FIGS. 9A and 9B, the relationship between the duty ratios MrL and MrR of the left and right convex portions 100L and 100R and the uneven shape of the core will be described. FIG. 9A shows the core 16-3 in which the duty ratios MrL and MrR of the left and right convex portions 100L and 100R are equal (MrL = MrR). In the core 16-3, if the uneven heights D of the left and right protrusions C16L and C16R are equal, the left and right protrusions 100L and 100R and the left and right recesses 101L and 101R have the same shape.
ＭｒＬ＝ＭｒＲが成り立つコア１６−３は、位置ずれΔΛ（＝｜ＥＬ−ＥＲ｜）が０の、図９（Ａ）のような場合には、屈折率分布は対称的となる。よってΔΛ＝０のコア１６−３は、基本モード波での偏波変換はできないが、高次モード波において偏波を変換することができる。なお、コア１６−３においても、ΔΛ≠０の場合には、屈折率分布に反対称性が生じるので、この反対称性の程度に応じて、基本モード波における偏波変換が可能となる。 In the core 16-3 in which MrL = MrR is satisfied, the refractive index distribution is symmetric when the positional deviation ΔΛ (= | EL-ER |) is 0, as shown in FIG. Therefore, the core 16-3 with ΔΛ = 0 cannot perform polarization conversion with a fundamental mode wave, but can convert polarization with a higher-order mode wave. Also in the core 16-3, when ΔΛ ≠ 0, antisymmetry occurs in the refractive index distribution, so that polarization conversion in the fundamental mode wave is possible according to the degree of antisymmetry.
また、図９（Ｂ）には、左右の凸部１００Ｌ及び１００Ｒのデューティー比ＭｒＬ及びＭｒＲに、下記式（３）が成り立つ場合を示した。
ＭｒＲ＝１−ＭｒＬ・・・（３）
式（３）に式（２）を適用すると、ＭｒＲ＝ＷｒＬとなる。つまり、式（３）は、左右の凹凸Ｃ１６Ｌ及びＣ１６Ｒの凹凸高さＤが等しければ、右側面１６Ｒの凸部１００Ｒと、左側面１６Ｌの凹部１０１Ｌの形状が等しいことを示す。これは、図９（Ｂ）に示すように、右凹凸Ｃ１６Ｒと、左凹凸Ｃ１６Ｌの形状が、言わばポジネガの反転関係にあることを示す。
FIG. 9B shows a case where the following expression (3) is established in the duty ratios MrL and MrR of the left and right convex portions 100L and 100R.
MrR = 1−MrL (3)
When formula (2) is applied to formula (3), MrR = WrL. That is, equation (3) indicates that the shape of the convex portion 100R on the right side surface 16R and the shape of the concave portion 101L on the left side surface 16L are equal if the concave and convex height D of the left and right concave portions C16L and C16R are equal. As shown in FIG. 9B, this indicates that the shapes of the right unevenness C16R and the left unevenness C16L are in a positive / negative reversal relationship.
式（３）が成り立つコア１６−４は、位置ずれΔΛが０の場合には、屈折率分布が反対称的となる。よって、ΔΛ＝０のコア１６−４は、基本モード波における偏波変換が可能である。なお、コア１６−４において、ΔΛ≠０の場合には、屈折率分布に対称性が生じるので、この対称性の程度に応じて、高次モード波における偏波変換が可能となる。 In the core 16-4 in which Expression (3) is satisfied, when the positional deviation ΔΛ is 0, the refractive index distribution is antisymmetric. Therefore, the core 16-4 with ΔΛ = 0 can perform polarization conversion in the fundamental mode wave. In the core 16-4, when ΔΛ ≠ 0, symmetry occurs in the refractive index distribution, so that polarization conversion in a higher-order mode wave is possible depending on the degree of symmetry.
次に、図８、図９（Ａ）及び（Ｂ）において、左右側面１６Ｌ及び１６Ｒの凸部のデューティー比ＭｒＬ、ＭｒＲがともに０．５である場合について説明する。式（２）から、ＭｒＬ＝ＭｒＲ＝０．５の場合には、左右の凹部のデューティー比ＷｒＬ及びＷｒＲも共に０．５となる。以降、ＭｒＬ＝ＭｒＲ＝ＷｒＬ＝ＷｒＲ＝０．５であるコアを等凹凸コアとも称する。 Next, the case where the duty ratios MrL and MrR of the convex portions of the left and right side surfaces 16L and 16R are both 0.5 in FIGS. 8, 9A and 9B will be described. From Equation (2), when MrL = MrR = 0.5, the duty ratios WrL and WrR of the left and right recesses are both 0.5. Hereinafter, the core satisfying MrL = MrR = WrL = WrR = 0.5 is also referred to as an equal uneven core.
等凹凸コアは、図１に示した本実施形態のコア１６や、図７（Ａ）に示したコア１６−０に対応する。すなわち、コア１６では、言わば両側面１６Ｌ及び１６Ｒに半周期位相をずらして凹凸が設けられている。以降、この配置を反対称配置とも称する。反対称配置では、長さ方向に沿った任意の位置において、左右の側面１６Ｒ及び１６Ｌには、一方に凸部１００が設けられ、他方に凹部１０１が設けられる。 The equal uneven core corresponds to the core 16 of the present embodiment illustrated in FIG. 1 and the core 16-0 illustrated in FIG. In other words, the core 16 is provided with irregularities on both side surfaces 16L and 16R by shifting the half-cycle phase. Hereinafter, this arrangement is also referred to as an antisymmetric arrangement. In the antisymmetric arrangement, at any position along the length direction, the left and right side surfaces 16R and 16L are provided with a convex portion 100 on one side and a concave portion 101 on the other side.
一方、コア１６−０では、言わば両側面１６Ｌ及び１６Ｒに位相を揃えて凹凸が設けられている。以降、この配置を対称配置とも称する。対称配置では、長さ方向に沿った任意の位置において、左右の側面１６Ｒ及び１６Ｌの両者には、凹部１０１か凸部１００のどちらか一方が設けられる。 On the other hand, in the core 16-0, so-called unevenness is provided on both side surfaces 16L and 16R so that the phases are aligned. Hereinafter, this arrangement is also referred to as a symmetrical arrangement. In the symmetrical arrangement, at any position along the length direction, either the concave portion 101 or the convex portion 100 is provided on both the left and right side surfaces 16R and 16L.
コア１６のような等凹凸コアを反対称配置とするためには、左右側面１６Ｌ及び１６Ｒのずれ量ΔΛをΛ／２とすればよい。同様に、コア１６−０のような等凹凸コアを対称配置とするためには、左右側面１６Ｌ及び１６Ｒのずれ量ΔΛを０とすればよい。 In order to make an equi-convex core such as the core 16 antisymmetrical, the shift amount ΔΛ between the left and right side surfaces 16L and 16R may be set to Λ / 2. Similarly, in order to symmetrically arrange an equally uneven core such as the core 16-0, the shift amount ΔΛ between the left and right side surfaces 16L and 16R may be set to zero.
この実施形態では、コア１６の横断面が矩形状である場合について説明した。しかし、コアの横断面形状は矩形状には限定されない。基本モード波の偏波変換なのか、高次モード波の偏波変換なのかに応じて適切な屈折率分布を有すれば、突出部の両側面に凹凸が形成された横断面が凸型のリッジ型光導波路をコアとして用いても良い。 In this embodiment, the case where the cross section of the core 16 is rectangular has been described. However, the cross-sectional shape of the core is not limited to a rectangular shape. If it has an appropriate refractive index distribution depending on whether it is polarization conversion of the fundamental mode wave or polarization of the higher-order mode wave, the cross section with irregularities formed on both sides of the protruding part has a convex shape. A ridge type optical waveguide may be used as the core.
（光素子の実施形態）
続いて、図１０を参照して、この実施形態の光素子について説明する。図１０は光素子５０の概略的な構造を示す平面図である。光素子５０は、実施形態のグレーティング素子１０を構成要素として備えている。従って、図１０において図１及び図２と同様の構成要素には、同符号を付し、重複した説明を省略する。また、図１０において図１及び２との対応関係が明らかな構成要素については、符号を省略することもある。また、図１０において、基板８と、第１及び第２クラッド１４ａ及び１４ｂの図示を省略している。
(Embodiment of optical element)
Next, the optical element of this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a plan view showing a schematic structure of the optical element 50. The optical element 50 includes the grating element 10 of the embodiment as a constituent element. Therefore, in FIG. 10, the same components as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In addition, in FIG. 10, reference numerals may be omitted for components whose correspondence with FIGS. 1 and 2 is clear. Further, in FIG. 10, the substrate 8 and the first and second claddings 14a and 14b are not shown.
光素子５０は、実施形態のグレーティング素子１０を２個備えている。これらのグレーティング素子を、それぞれ第１グレーティング素子１０−１及び第２グレーティング素子１０−２と称する。さらに、光素子５０は、偏波無依存で動作する２入力２出力型の第１及び第２光カプラＣ１及びＣ２を備える。 The optical element 50 includes two grating elements 10 of the embodiment. These grating elements are referred to as a first grating element 10-1 and a second grating element 10-2, respectively. Further, the optical element 50 includes two-input two-output first and second optical couplers C1 and C2 that operate independent of polarization.
概略的には、光素子５０は、第１及び第２光カプラＣ１及びＣ２の間に、第１及び第２グレーティング素子１０−１及び１０−２が並列されている。そして、第１光カプラＣ１の２個の出力が、第１及び第２グレーティング素子１０−１及び１０−２の各入力に接続され、第１及び第２グレーティング素子１０−１及び１０−２の出力が、第２光カプラＣ２の２個の入力に接続される。 Schematically, in the optical element 50, the first and second grating elements 10-1 and 10-2 are arranged in parallel between the first and second optical couplers C1 and C2. Then, the two outputs of the first optical coupler C1 are connected to the inputs of the first and second grating elements 10-1 and 10-2, and the first and second grating elements 10-1 and 10-2 are connected. The output is connected to two inputs of the second optical coupler C2.
より詳細には、第１光カプラＣ１の一方の入力端ＩＮ１−１には、光導波路ＷＧ１が接続されている。第１光カプラＣ１の他方の入力端ＩＮ１−２には、光導波路ＷＧ２が接続されている。第１光カプラＣ１の一方の出力端ＯＵＴ１−１には、光導波路ＷＧ３が接続されている。第１光カプラＣ１の他方の出力端ＯＵＴ１−２には、光導波路ＷＧ４が接続されている。 More specifically, the optical waveguide WG1 is connected to one input terminal IN1-1 of the first optical coupler C1. An optical waveguide WG2 is connected to the other input terminal IN1-2 of the first optical coupler C1. An optical waveguide WG3 is connected to one output end OUT1-1 of the first optical coupler C1. The optical waveguide WG4 is connected to the other output terminal OUT1-2 of the first optical coupler C1.
第１グレーティング素子１０−１の入力端には、テーパ形光導波路Ｌ１が接続され、該テーパ形光導波路Ｌ１の入力端は光導波路ＷＧ３に接続されている。第１グレーティング素子１０−１の出力端には、テーパ形光導波路Ｒ１が接続され、該テーパ形光導波路Ｒ１の出力端は光導波路ＷＧ５に接続されている。 A tapered optical waveguide L1 is connected to the input end of the first grating element 10-1, and the input end of the tapered optical waveguide L1 is connected to the optical waveguide WG3. A tapered optical waveguide R1 is connected to the output end of the first grating element 10-1, and the output end of the tapered optical waveguide R1 is connected to the optical waveguide WG5.
第２グレーティング素子１０−２の入力端には、テーパ形光導波路Ｌ２が接続され、該テーパ形光導波路Ｌ２の入力端は光導波路ＷＧ４に接続されている。第２グレーティング素子１０−２の出力端には、テーパ形光導波路Ｒ２が接続され、該テーパ形光導波路Ｒ２の出力端は光導波路ＷＧ６に接続されている。 A tapered optical waveguide L2 is connected to the input end of the second grating element 10-2, and the input end of the tapered optical waveguide L2 is connected to the optical waveguide WG4. A tapered optical waveguide R2 is connected to the output end of the second grating element 10-2, and the output end of the tapered optical waveguide R2 is connected to the optical waveguide WG6.
第２光カプラＣ２の一方の入力端ＩＮ２−１には、光導波路ＷＧ５が接続されている。第２光カプラＣ２の他方の入力端ＩＮ２−２には、光導波路ＷＧ６が接続されている。第２光カプラＣ２の一方の出力端ＯＵＴ２−１には、光導波路ＷＧ７が接続されている。第２光カプラＣ２の他方の出力端ＯＵＴ２−２には、光導波路ＷＧ８が接続されている。この例では、例えば、光導波路ＷＧ１〜ＷＧ８の幅及び厚みを、約３００ｎｍとする。これにより、光導波路ＷＧ１〜ＷＧ８はシングルモードで動作する。 An optical waveguide WG5 is connected to one input terminal IN2-1 of the second optical coupler C2. An optical waveguide WG6 is connected to the other input terminal IN2-2 of the second optical coupler C2. The optical waveguide WG7 is connected to one output end OUT2-1 of the second optical coupler C2. An optical waveguide WG8 is connected to the other output end OUT2-2 of the second optical coupler C2. In this example, for example, the width and thickness of the optical waveguides WG1 to WG8 are about 300 nm. Thereby, the optical waveguides WG1 to WG8 operate in a single mode.
なお、光素子５０の各構成要素を接続する光導波路ＷＧ１〜ＷＧ８には、特に偏波無依存性は求められない。これは、光素子５０の中心線を軸にして、構造が等しい光導波路ＷＧ１〜ＷＧ８を対称的に配置することにより、素子全体として偏波ごとに位相差を相殺できるからである。 Note that the polarization independence is not particularly required for the optical waveguides WG1 to WG8 connecting the constituent elements of the optical element 50. This is because the optical waveguide WG1 to WG8 having the same structure are symmetrically arranged with the center line of the optical element 50 as an axis, so that the phase difference can be canceled for each polarization as the entire element.
第１及び第２光カプラＣ１及びＣ２には、偏波無依存性が求められる。この例では、素子寸法の調整により偏波無依存を達成した、ＭＭＩ（ＭｕｌｔｉＭｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）導波路製の２×２光カプラを用いる。より詳細には、第１及び第２光カプラＣ１及びＣ２の幅を約１６００ｎｍとし、厚みを約３００ｎｍとすることで、波長が１．５５μｍ付近で偏波無依存を達成している。 The first and second optical couplers C1 and C2 are required to have polarization independence. In this example, a 2 × 2 optical coupler made of an MMI (MultiMode Interference) waveguide, which has achieved polarization independence by adjusting element dimensions, is used. More specifically, the first and second optical couplers C1 and C2 have a width of about 1600 nm and a thickness of about 300 nm, thereby achieving polarization independence in the vicinity of a wavelength of 1.55 μm.
なお、この例では、平面形状が矩形状のＭＭＩ導波路製光カプラを用いているが、偏波無依存性を有していれば、第１及び第２光カプラＣ１及びＣ２は、ＭＭＩ導波路製光カプラに限定されない。例えば、方向性結合器を利用したカプラや、２×２の分岐素子を用いても良い。 In this example, an optical coupler made of an MMI waveguide having a rectangular planar shape is used, but the first and second optical couplers C1 and C2 are MMI waveguides as long as they have polarization independence. It is not limited to waveguide optical couplers. For example, a coupler using a directional coupler or a 2 × 2 branch element may be used.
また、テーパ形光導波路Ｌ１、Ｒ１、Ｌ２及びＲ２も、光素子５０の中心軸を軸として、対称に配置されているので、上述した理由により、偏波無依存性は求められない。 Further, since the tapered optical waveguides L1, R1, L2, and R2 are also symmetrically arranged with the central axis of the optical element 50 as an axis, the polarization independence is not required for the reason described above.
次に、図１０を参照して、光素子５０を、光加入者系通信システム（以下、光加入者系とも称する。）におけるＯＮＵとして用いる場合の動作について説明する。 Next, with reference to FIG. 10, an operation when the optical element 50 is used as an ONU in an optical subscriber communication system (hereinafter also referred to as an optical subscriber system) will be described.
ここで、光導波路ＷＧ１が、上り光信号ＵＰの光源である図示しないＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）に接続されている。上り光信号ＵＰに用いられる光の波長λ１は、光加入者系で一般的に用いられる約１．３１μｍとする。ＬＤの出力特性により、上り光信号ＵＰは基本モードのＴＥ波としてＬＤから出力される。 Here, the optical waveguide WG1 is connected to an LD (Laser Diode) (not shown) that is a light source of the upstream optical signal UP. The wavelength λ1 of the light used for the upstream optical signal UP is about 1.31 μm generally used in the optical subscriber system. Due to the output characteristics of the LD, the upstream optical signal UP is output from the LD as a TE wave in the basic mode.
また、光導波路ＷＧ７が、受光器である図示しないＰＤ（ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ）に接続されている。ＰＤには、局側から送信された下り光信号ＤＮが入力される。下り光信号ＤＮに用いられる光の波長λ２は、光加入者系で一般的に用いられる約１．４９μｍとする。局と加入者との間の光ファイバを伝搬する過程で偏波面が回転される結果、全方向の偏波面を平均して含む下り光信号ＤＮが光素子５０に到達する。 The optical waveguide WG7 is connected to a PD (PhotoDiode) (not shown) that is a light receiver. The PD receives the downstream optical signal DN transmitted from the station side. The wavelength λ2 of light used for the downstream optical signal DN is about 1.49 μm that is generally used in an optical subscriber system. As a result of the polarization plane being rotated in the process of propagating the optical fiber between the station and the subscriber, the downstream optical signal DN including the polarization planes in all directions on average reaches the optical element 50.
また、光導波路ＷＧ２の内部を、局側に向かって上り光信号ＵＰが伝搬し、光素子５０側に向かって下り光信号ＤＮが伝搬する。ここで、第１及び第２グレーティング素子１０−１及び１０−２は、上り光信号ＵＰの波長λ１がＢｒａｇｇ波長λとなるように周期が最適化されているとする。 Further, the upstream optical signal UP propagates toward the station side and the downstream optical signal DN propagates toward the optical element 50 side inside the optical waveguide WG2. Here, it is assumed that the periods of the first and second grating elements 10-1 and 10-2 are optimized so that the wavelength λ1 of the upstream optical signal UP becomes the Bragg wavelength λ.
まず、下り光信号ＤＮに関する光素子５０の動作について説明する。光導波路ＷＧ２を、光素子５０側に向かって伝搬する波長λ２の下り光信号ＤＮは、他方の入力端ＩＮ１−２から第１光カプラＣ１へと入力される。第１光カプラＣ１内で、複数のモードが励起された下り光信号ＤＮは、互いに干渉しあいながら伝搬し、一方及び他方の出力端ＯＵＴ１−１及びＯＵＴ１−２から等しいパワーで出力される。 First, the operation of the optical element 50 regarding the downstream optical signal DN will be described. The downstream optical signal DN having the wavelength λ2 propagating through the optical waveguide WG2 toward the optical element 50 is input from the other input terminal IN1-2 to the first optical coupler C1. In the first optical coupler C1, the downstream optical signal DN in which a plurality of modes is excited propagates while interfering with each other, and is output with equal power from one and the other output terminals OUT1-1 and OUT1-2.
出力端ＯＵＴ１−１から出力された下り光信号ＤＮは、光導波路ＷＧ３及びテーパ形光導波路Ｌ１を介して第１グレーティング素子１０−１へと入力される。同様に、出力端ＯＵＴ１−２から出力された下り光信号ＤＮは、光導波路ＷＧ４及びテーパ形光導波路Ｌ２を介して第２グレーティング素子１０−２へと入力される。ここで、光導波路ＷＧ３及びＷＧ４と、テーパ形光導波路Ｌ１及びＬ２は、互いに同形でありかつ配置が対称なので、偏波ごとに位相差が相殺され、全体として偏波無依存となる。 The downstream optical signal DN output from the output terminal OUT1-1 is input to the first grating element 10-1 via the optical waveguide WG3 and the tapered optical waveguide L1. Similarly, the downstream optical signal DN output from the output terminal OUT1-2 is input to the second grating element 10-2 via the optical waveguide WG4 and the tapered optical waveguide L2. Here, since the optical waveguides WG3 and WG4 and the tapered optical waveguides L1 and L2 have the same shape and symmetrical arrangement, the phase difference is canceled for each polarization, and the polarization becomes independent as a whole.
第１及び第２グレーティング素子１０−１及び１０−２のＢｒａｇｇ波長はλ１であるので、波長λ２の下り光信号ＤＮは、反射されずに透過して、偏波を保ったまま第２光カプラＣ２へと入力される。ここで、光導波路ＷＧ５及びＷＧ６と、テーパ形光導波路Ｒ１及びＲ２は、互いに同形でありかつ配置が対称なので、偏波ごとに位相差が相殺され、全体として偏波無依存となる。 Since the Bragg wavelength of the first and second grating elements 10-1 and 10-2 is λ1, the downstream optical signal DN having the wavelength λ2 is transmitted without being reflected, and the second optical coupler maintains its polarization. Input to C2. Here, since the optical waveguides WG5 and WG6 and the tapered optical waveguides R1 and R2 have the same shape and are symmetrically arranged, the phase difference is canceled for each polarization, and the polarization becomes independent as a whole.
ここで、一方の入力端ＩＮ２−１から第２光カプラＣ２に入力された下り光信号ＤＮを第１下り成分ＤＮ１と称する。同様に、他方の入力端ＩＮ２−２から第２光カプラＣ２に入力された下り光信号ＤＮを第２下り成分ＤＮ２と称する。第２光カプラＣ２に入力された第１及び第２下り成分ＤＮ１及びＤＮ２は、それぞれ複数のモードを励起し、これらの複数のモード間、及び下り成分ＤＮ１及びＤＮ２間で干渉しながら伝搬する。第１及び第２光カプラＣ２での干渉の結果、πの位相差を得た下り光信号ＤＮは第２光カプラＣ２の一方の出力端ＯＵＴ２−１のみから出力され、光導波路ＷＧ７を介してＰＤに出力される。 Here, the downstream optical signal DN input from the one input terminal IN2-1 to the second optical coupler C2 is referred to as a first downstream component DN1. Similarly, the downstream optical signal DN input from the other input terminal IN2-2 to the second optical coupler C2 is referred to as a second downstream component DN2. The first and second downlink components DN1 and DN2 input to the second optical coupler C2 excite a plurality of modes, respectively, and propagate while interfering between the plurality of modes and between the downlink components DN1 and DN2. As a result of the interference in the first and second optical couplers C2, the downstream optical signal DN having a phase difference of π is output only from one output terminal OUT2-1 of the second optical coupler C2, and passes through the optical waveguide WG7. Output to PD.
続いて、上り光信号ＵＰに関する光素子５０の動作について説明する。ＬＤから出力された波長λ１の上り光信号ＵＰは、光導波路ＷＧ１を介して、一方の入力端ＩＮ１−１から、第１光カプラＣ１へと入力される。第１光カプラ内で、複数のモードが励起された上り光信号ＵＰは、互いに干渉しあいながら伝搬し、一方及び他方の出力端ＯＵＴ１−１及びＯＵＴ１−２から等しいパワーで出力される。 Next, the operation of the optical element 50 related to the upstream optical signal UP will be described. The upstream optical signal UP of wavelength λ1 output from the LD is input from one input terminal IN1-1 to the first optical coupler C1 via the optical waveguide WG1. In the first optical coupler, the upstream optical signal UP in which a plurality of modes are excited propagates while interfering with each other, and is output with equal power from one and the other output terminals OUT1-1 and OUT1-2.
出力端ＯＵＴ１−１から出力された上り光信号ＵＰは、光導波路ＷＧ３及びテーパ形光導波路Ｌ１を介して第１グレーティング素子１０−１へと入力される。同様に、出力端ＯＵＴ１−２から出力された上り光信号ＵＰは、光導波路ＷＧ４及びテーパ形光導波路Ｌ２を介して第２グレーティング素子１０−２へと入力される。上述した理由により、光導波路ＷＧ３及びＷＧ４と、テーパ形光導波路Ｌ１及びＬ２とは、構造全体として偏波無依存となる。なお、第１及び第２グレーティング素子１０−１及び１０−２に入力された上り光信号ＵＰはＴＥ波を保っている。 The upstream optical signal UP output from the output terminal OUT1-1 is input to the first grating element 10-1 via the optical waveguide WG3 and the tapered optical waveguide L1. Similarly, the upstream optical signal UP output from the output terminal OUT1-2 is input to the second grating element 10-2 via the optical waveguide WG4 and the tapered optical waveguide L2. For the reasons described above, the optical waveguides WG3 and WG4 and the tapered optical waveguides L1 and L2 are independent of polarization as a whole structure. The upstream optical signal UP input to the first and second grating elements 10-1 and 10-2 maintains a TE wave.
第１及び第２グレーティング素子１０−１及び１０−２のＢｒａｇｇ波長に等しい波長λ１の上り光信号ＵＰは、実施形態で述べたように偏波変換された上で反射される。その結果、上り光信号ＵＰは、基本モードのＴＭ波へと偏波変換されて、第１光カプラＣ１の一方及び他方の出力端ＯＵＴ１−１及びＯＵＴ１−２から、再び、第１光カプラＣ１に入力される。 The upstream optical signal UP having the wavelength λ1 equal to the Bragg wavelength of the first and second grating elements 10-1 and 10-2 is reflected after being subjected to polarization conversion as described in the embodiment. As a result, the upstream optical signal UP is polarized and converted into a TM wave in the basic mode, and is again transmitted from the one and other output terminals OUT1-1 and OUT1-2 of the first optical coupler C1 to the first optical coupler C1. Is input.
ここで、一方の出力端ＯＵＴ１−１から第１光カプラＣ１に入力された上り光信号ＵＰを第１上り成分ＵＰ１と称する。同様に、他方の出力端ＯＵＴ１−２から第１光カプラＣ１に入力された上り光信号ＵＰを第２上り成分ＵＰ２と称する。第１光カプラＣ１に入力された第１及び第２上り成分ＵＰ１及びＵＰ２は、それぞれ複数のモードを励起し、複数のモード間、及び上り成分ＵＰ１及びＵＰ２間で干渉しながら伝搬する。第１光カプラＣ１を往復する過程で、πの位相差を得た上り光信号ＵＰは第１光カプラＣ１の他方の入力端ＩＮ１−２のみから出力され、光導波路ＷＧ２を介して局側に送信される。 Here, the upstream optical signal UP input from the one output terminal OUT1-1 to the first optical coupler C1 is referred to as a first upstream component UP1. Similarly, the upstream optical signal UP input from the other output terminal OUT1-2 to the first optical coupler C1 is referred to as a second upstream component UP2. The first and second upstream components UP1 and UP2 input to the first optical coupler C1 respectively excite a plurality of modes and propagate while interfering between the plurality of modes and between the upstream components UP1 and UP2. In the process of reciprocating through the first optical coupler C1, the upstream optical signal UP having a phase difference of π is output only from the other input terminal IN1-2 of the first optical coupler C1, and is transmitted to the station side via the optical waveguide WG2. Sent.
このように、当初ＴＥ波だった上り光信号ＵＰは、第１及び第２グレーティング素子１０−１及び１０−２による偏波変換の結果、ＴＭ波に変換された状態で局側に送信される。しかし、この偏波変換による不都合は生じない。それは、当初の偏波方向に関わらず、上り信号ＵＰは光ファイバを伝搬する過程で偏波面がランダムに回転し、結局は、全方向の偏波面を平均して含む光として局に到達するからである。 Thus, the upstream optical signal UP that was initially a TE wave is transmitted to the station side in a state of being converted into a TM wave as a result of polarization conversion by the first and second grating elements 10-1 and 10-2. . However, there is no inconvenience due to this polarization conversion. This is because, regardless of the initial polarization direction, the upstream signal UP has its polarization plane rotated randomly in the process of propagating through the optical fiber, and eventually reaches the station as light that includes the polarization plane in all directions on average. It is.
このように、実施形態のグレーティング素子を用いた光素子５０は、偏波無依存に波長の異なる光を合分波することができる。 Thus, the optical element 50 using the grating element of the embodiment can multiplex and demultiplex light having different wavelengths without depending on polarization.
このように、グレーティング素子１０を備えるこの実施形態の光素子５０は、上述の実施形態と同様の効果を奏する。 Thus, the optical element 50 of this embodiment provided with the grating element 10 has the same effect as the above-described embodiment.
８ 基板
８ａ 主面
１０ グレーティング素子
１０−１ 第１グレーティング素子
１０−２ 第２グレーティング素子
１２ 光導波路
１４，１４’ クラッド
１４ａ 第１クラッド
１４ｂ 第２クラッド
１６，１６’，１６−０，１６−１，１６−２，１６−３，１６−４ コア
１６Ｕ 上面
１６Ｄ 下面
１６Ｌ 左側面（側面）
１６Ｒ 右側面（側面）
１６’Ｌ，１６’Ｒ 平坦面
Ｃ 凹凸
Ｃ１６Ｌ 左凹凸
Ｃ１６Ｒ 右凹凸
５０ 光素子
１００Ｌ，１００Ｒ 凸部
１０１Ｌ，１０１Ｒ 凹部
Ｃ１ 第１光カプラ
Ｃ２ 第２光カプラ
ＩＮ１−１，ＩＮ２−１ 一方の入力端
ＩＮ１−２，ＩＮ２−２ 他方の入力端
ＯＵＴ１−１，ＯＵＴ２−１ 一方の出力端
ＯＵＴ１−２，ＯＵＴ２−２ 他方の出力端
ＷＧ１，ＷＧ２，ＷＧ３，ＷＧ４，ＷＧ５，ＷＧ６，ＷＧ７，ＷＧ８ 光導波路
Ｌ１，Ｒ１，Ｌ２，Ｒ２ テーパ形光導波路
8 Substrate 8a Main surface 10 Grating element 10-1 First grating element 10-2 Second grating element 12 Optical waveguide 14, 14 'Clad 14a First clad 14b Second clad 16, 16', 16-0, 16-1 , 16-2, 16-3, 16-4 Core 16U Upper surface 16D Lower surface 16L Left side surface (side surface)
16R Right side (side)
16'L, 16'R Flat surface C Concavity and convexity C16L Left concavity and convexity C16R Right concavity and convexity 50 Optical element 100L, 100R Convex portion 101L, 101R Concavity C1 First optical coupler C2 Second optical coupler IN1-1, IN2-1 One input end IN1-2, IN2-2 Other input terminals OUT1-1, OUT2-1 One output terminal OUT1-2, OUT2-2 The other output terminals WG1, WG2, WG3, WG4, WG5, WG6, WG7, WG8 Optical waveguide L1, R1, L2, R2 Tapered optical waveguide
Claims (10)
前記クラッドが、前記主面上にこの順で設けられた第１クラッドと、該第１クラッドよりも屈折率の小さい第２クラッドとを備え、該第１及び第２クラッドの間に前記コアが設けられ、
前記コアを構成する材料は、前記第１クラッドを構成する材料よりも４０％以上大きな屈折率を有しており、前記コアの側面に前記凹凸が設けられており、
前記波長λのＴＥ波の等価屈折率をｎＴＥとし、及び前記波長λのＴＭ波の等価屈折率をｎＴＭとするとき、前記周期Λを下記式（１）に従う値とすることを特徴とするグレーティング素子。
Λ＝λ／（ｎＴＥ＋ｎＴＭ）・・・（１） It consists of a clad provided on the main surface side of the substrate and a core provided in the clad, and polarization-converts light having a wavelength λ corresponding to the period Λ of regular irregularities formed in the core. With an optical waveguide that reflects
The clad includes a first clad provided on the main surface in this order, and a second clad having a refractive index smaller than that of the first clad, and the core is between the first and second clads. Provided,
The material constituting the core has a refractive index greater by 40% or more than the material constituting the first cladding, and the unevenness is provided on the side surface of the core,
The grating is characterized in that when the equivalent refractive index of the TE wave of wavelength λ is nTE and the equivalent refractive index of the TM wave of wavelength λ is nTM, the period Λ is a value according to the following equation (1): element.
Λ = λ / (nTE + nTM) (1)
前記主面上に設けられた前記第１クラッド上に、光伝搬方向に垂直な横断面形状が矩形状の前記コアが設けられており、
該コアの前記主面に垂直な両側面に前記凹凸が形成されていることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載のグレーティング素子。 The material constituting the core is Si, the material constituting the first clad is SiO 2 , the material constituting the second clad is air,
On the first clad provided on the main surface, the core having a rectangular cross section perpendicular to the light propagation direction is provided,
The grating element according to claim 1, wherein the unevenness is formed on both side surfaces perpendicular to the main surface of the core.
前記主面上に設けられた前記第１クラッドの上面を覆って、該第１クラッドとは反対側に突出部を有するコアが設けられており、前記突出部の両側面に凹凸が形成されていることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載のグレーティング素子。 The material constituting the core is Si, the material constituting the first clad is SiO 2 , the material constituting the second clad is air,
Covering the upper surface of the first cladding provided on the main surface, a core having a protruding portion on the opposite side of the first cladding is provided, and irregularities are formed on both side surfaces of the protruding portion. The grating element according to any one of claims 1 to 7, wherein:
偏波無依存で動作する２入力２出力型の第１及び第２光カプラとを備え、
第１光カプラの２つの出力が、前記２個のグレーティング素子の一端にそれぞれ接続され、第２光カプラの２つの入力が、前記２個のグレーティング素子の他端にそれぞれ接続されていることを特徴とする光素子。
Two grating elements according to any one of claims 1 to 9,
A two-input two-output first and second optical coupler that operate without polarization;
Two outputs of the first optical coupler are respectively connected to one end of the two grating elements, and two inputs of the second optical coupler are respectively connected to the other ends of the two grating elements. A characteristic optical element.
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