JP6103520B2 - モード展開複合変換器 - Google Patents

Description

本発明は、包括的には光変換器に関し、より詳細には、光信号の偏波及び空間モードの変換のための複合光変換器に関する。

フォトニック集積回路（ＰＩＣ（photonic integrated circuit））において光信号の偏波モード及び空間モードを制御することは、光ファイバー通信ネットワークに重要である。例えば、ネットワークにおいて用いることができる従来のシングルモードファイバーは、偏波モードを保持しない。光信号がシングルモードファイバーからＰＩＣに結合されると、信号は、２つの直交する偏波成分、すなわち、横方向電気（ＴＥ（transverse electric））モードの第１の成分と、横方向磁気（ＴＭ（transverse magnetic））モードの第２の成分との任意の組成に分解できる。ＰＩＣにおいて用いられる多くのモジュールにおいて、ＴＥモードの成分及びＴＭモードの成分は異なる特性を呈する。例えば、異なるＴＥモード及びＴＭモードを有する成分は、高屈折率差の導波路（high index contrast waveguide）において異なる速度で伝搬し、ＴＥモード及びＴＭモードのマイクロリング共振器のエネルギー結合係数は異なる。

これらの偏波依存効果によって、特に高速通信の場合にＰＩＣの性能が劣化する。また、ほとんどの光通信ネットワークは１つの偏波モードしか用いない。さらに、偏波分割多重（ＰＤＭ（polarization-division multiplexing））システムにおいて、双方の偏波モードの成分が用いられる場合、そのようなシステムのスペクトル効率を増大させることができる。

偏波モードに加えて、光信号及び／又は光信号の各成分は、様々な空間モード次数を有することができる。例えば、基本モード次数の信号は、導波路において最も低い伝搬損失を有する。

通常、光信号の偏波を制御するシステム、例えば偏波透過型システム及び偏波多重システムは、偏波変換器及び／又は偏波スプリッターを用いる。空間次数モードを制御するシステムは、MMI(multi mode interference マルチモード干渉)結合器と、方向性結合器と、Ｙ字形結合器とを含む。一般に、変換器は２つのタイプ、すなわちモード結合変換器及びモード展開変換器として分類することができる。

モード結合変換器は通常、接合部の急な遷移を介して異なる形状が接続された、２つの導波路で構成される。モード結合は、第１の導波路における特定のモードによって励起された第２の導波路における一対の導波路モード間のビーティング挙動を用いる。ビーティング（beating）は、２つの僅かに異なる周波数の組合せが、互いに同相又は異相でサイクル動作（cycling in and out of phase with each other）するトーンから生じた「ビート」を生成することに起因する。モードビーティング挙動は、デバイスの形状及び信号の動作波長によって決まる。したがって、モード結合変換器は、製造プロセスにおけるばらつきの影響を本質的に受けやすく、波長依存である。

モード展開変換器は、急な遷移を、波伝搬方向に沿った導波路形状の漸進的変化に置き換える。変換器に沿って、第１の導波路のモードは、第２の導波路の他のモードを励起することなく、異なる偏波及び空間分布で第２の導波路の別のモードに漸進的に変換（evolve）することができる。モード結合変換器と比較して、モード展開変換器は、より長い長さ、より大きな帯域幅、及び製造ばらつきに対するより良好な許容度を有する。

不都合なことに、偏波制御及び空間モード制御を１つのタイプの変換器を用いて達成することは必ずしも可能であるとは限らない。例えば、基本ＴＭモード（ＴＭ_０）の信号を基本ＴＥモード（ＴＥ_０）の信号に変換するためのモード展開偏波変換器は複雑であり、水平方向及び垂直方向の双方において形状の非対称性を達成するのに、例えば非対称二段テーパー（asymmetric bi-level tapers）が用いられることを必要とする。そのような変換器は、製造ばらつきに対し小さな許容度しか有しない。したがって、偏波モード次数及び空間モード次数を個々に制御することができる異なる変換器が、多くの場合に組み合わされ、複合変換器にされる。しかしながら、複合変換器も、製造及び構成の複数の問題を有する。例えば、偏波変換器及び空間変換器は様々なエピタキシャル成長及びエッチ構造を有する場合があり、これらは単純な製造プロセスでは実現が困難である。

したがって、従来の解決法は、モード展開変換器とモード結合変換器との組合せを含む。例えば、１つの従来の変換器は、方向性結合器、すなわちモード結合変換器に接続された、深くエッチングされた幅テーパー、すなわちモード展開変換器を含む。別の変換器は、非対称Ｙ結合器、すなわちモード展開変換器に接続された、一定の幅の導波路、すなわちモード結合変換器を備える。利点として、そのような変換器は、比較的小さな長さを有することができる。しかしながら、モード結合に基づく変換器を用いることによって総デバイス長を低減することができるが、モード結合デバイスと直列のモード展開デバイスは、より大きな帯域幅及び製造許容度等の、モード展開デバイスを用いる利益を保持しない。

したがって、大きな帯域幅を有し、製造が単純な光変換器を設計する必要がある。

本発明の目的は、光信号を変換し、信号の偏波モード及び空間モードを制御する方法及びシステムを提供することである。本発明の更なる目的は、大きな帯域幅を有し、製造が単純な変換器を提供することである。

本発明の更なる目的は、製造プロセス中に精度許容度を有する展開複合変換器を提供することである。本発明の別の目的は、偏波変換器及び空間変換器の様々な組合せを含む複合変換器を提供することである。

本発明の幾つかの実施の形態は、モード展開変換器及びモード結合型変換器を組み合わせて所望の変換を達成する代わりに、モード展開に基づく変換器のみの組を用いて所望の結果を達成することができるという認識に基づいている。さらに、モード展開に基づく変換器は、偏波変換器、空間変換器、及びそれらの組合せからなる群から選択することができる。モード展開に基づく複合変換器は本質的に広帯域であり、製造に対する許容度が高いので、上記の目的が達成される。偏波段階と空間モードの次数制御段階とがそれぞれ別個であることによって、信号の特性が制御される。

１つの実施の形態は、基本横方向磁気（ＴＭ）モードを有する第１の成分と、基本横方向電気（ＴＥ）モードを有する第２の成分とを含む光信号を処理するモード展開複合変換器を開示する。複合変換器は、該複合変換器を形成するように接続された複数の変換器の組であって、該各変換器は、偏波変換器、空間変換器、及びそれらの組合せを含む群から選択されたモード展開変換器であり、前記偏波変換器は少なくとも、前記光信号の少なくとも１つの成分の偏波のモードを変換し、前記空間モード変換器は少なくとも、前記光信号の少なくとも１つの成分の空間モード次数を変換する、変換器の組を備える。

別の実施の形態は、基本横方向磁気（ＴＭ）モードを有する第１の成分と、基本横方向電気（ＴＥ）モードを有する第２の成分とを含む光信号を変換するモード展開に基づく複合変換器であって、前記第１の成分の前記基本ＴＭモードを、二次ＴＥモードに変換する偏波変換器と、前記第１の成分の前記二次ＴＥモードを前記基本ＴＥモードに変換し、前記光信号の前記第１の成分及び前記第２の成分を、第１のＴＥモード信号と、第２のＴＥモード信号とに分割する空間変換器と、を備える、モード展開に基づく複合変換器を開示する。

更に別の実施の形態は、光信号を処理するモード展開複合変換器であって、該光信号は、基本横方向磁気（ＴＭ）モードを有する成分を含み、該モード展開複合変換器は、該複合変換器を形成するように接続された複数の変換器の組であって、該各変換器は、偏波変換器、空間変換器、逆偏波変換器、逆空間変換器、及びそれらの組合せを含む群から選択されたモード展開に基づく変換器であり、前記偏波変換器及び前記逆偏波変換器は少なくとも、前記光信号の少なくとも１つの成分の偏波のモードを変換し、前記空間モード変換器及び前記逆空間モード変換器は少なくとも、前記光信号の少なくとも１つの成分の空間モード次数を変換する、複数の変換器の組を備える、光信号を処理するモード展開複合変換器を開示する。

本発明の幾つかの実施形態によるモード展開複合変換器のブロック図である。 本発明の一実施形態による、複合変換器を用いて光信号を処理する方法のブロック図である。 偏波変換器におけるモード展開のブロック図である。 本発明の１つの実施形態による偏波変換器の概略図である。 本発明の１つの実施形態による偏波変換器の概略図である。 本発明の別の実施形態による偏波変換器の概略図である。 本発明の別の実施形態による偏波変換器の概略図である。 本発明の別の実施形態による偏波変換器の概略図である。 本発明の１つの実施形態による複合偏波変換器の概略図である。 本発明の１つの実施形態による空間モード変換器の概略図である。 本発明の１つの実施形態による空間モード変換器の概略図である。 本発明の１つの実施形態による空間モード変換器の概略図である。 本発明の別の実施形態による空間モード変換器の概略図である。 本発明の別の実施形態による空間モード変換器の概略図である。 本発明の幾つかの実施形態による複合変換器の概略図である。 本発明の幾つかの実施形態による複合変換器の概略図である。 正規化されたＴＥモード出力パワー及びＴＭモード出力パワーのグラフである。 正規化されたＴＥモード出力パワー及びＴＭモード出力パワーのグラフである。 正規化されたＴＥモード出力パワー及びＴＭモード出力パワーのグラフである。 正規化されたＴＥモード出力パワー及びＴＭモード出力パワーのグラフである。 本発明の１つの実施形態による逆方向に複合変換器を用いた複合変換器の概略図である。 本発明の１つの実施形態による高次モードフィルターを用いた複合変換器の概略図である。 本発明の１つの実施形態による高次モードフィルターを用いた複合変換器の概略図である。 本発明の１つの実施形態による高次モードフィルターを用いた複合変換器の概略図である。 本発明の別の実施形態による高次モードフィルターを用いた複合変換器の概略図である。 異なる入力成分で正規化されたＴＥモード出力パワー及びＴＭモード出力パワーのグラフである。 異なる入力成分で正規化されたＴＥモード出力パワー及びＴＭモード出力パワーのグラフである。

図１は、本発明の幾つかの実施形態による、入力信号１３０を処理するモード展開複合変換器１１０を示している。通常、入力信号１３０は、基本横方向磁気（ＴＭ）モードを有する第１の成分及び基本横方向電気（ＴＥ）モードを有する第２の成分のうちの少なくとも１つを有する信号、例えば光信号である。出力信号１４０は、１つ又は複数の光信号を含む。出力信号は、入力信号の成分と異なる成分を有することができる。付加的に又は代替的に、出力信号は、それぞれ１つ又は複数の成分を有する幾つかの光信号を含むことができる。

モード展開複合変換器１１０は入力信号を出力信号に変換する。変換器１１０は、偏波変換器１５０、空間変換器１６０、及びそれらの組合せからなる群１２５から選択される複数のモード展開変換器の組１２０によって形成される。

本発明の実施形態は、モード展開変換器及びモード結合型変換器を組み合わせて入力信号の所望の変換器を達成する代わりに、モード展開変換器のみの組を用いて所望の出力信号を生成することができるという認識に基づいている。モード展開は本質的に広帯域であり、製造工程におけるばらつきに対し許容度が高いので、モード展開複合変換器も大きな帯域幅を有し、製造がより単純である。また、変換器１１０は複合変換器であり、すなわち変換器は複数の変換器を含むので、そのような変換器の製造が単純にされる。１つの実施形態では、複合変換器は光導波路構造を用いて構築される。光導波路構造は、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）の構成要素として用いられる。

図２は、本発明の１つの実施形態による、複合変換器１１０を用いて光信号２３０を処理するブロック図を示している。光信号２３０は、基本横方向磁気（ＴＭ）モードを有する第１の成分２１０と、基本横方向電気（ＴＥ）モードを有する第２の成分２２０とを含む。光信号は複合変換器１１０への入力であり、複合変換器１１０は、偏波変換器２４０と、空間モード変換器２５０とを含む。

複合変換器は、以下に示すような、基板と、コアと、クラッド層とを有するエピタキシャル成長構造として実装することができる。例えば、１つの実施形態では、複合変換器は、リン化インジウム（ＩｎＰ）／ヒ化リン化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓＰ）構造であり、ＩｎＰ基板と、例えばＩｎＰに６０％格子整合したＡｓ組成を有するＩｎＧａＡｓＰコア層と、ＩｎＰクラッド層とを含む。別の実施形態では、複合変換器はヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）／ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）である。他の変形形態が可能であり、本発明の実施形態の範囲内にある。

偏波変換器２４０は、第２の成分のモードを変更することなく、第１の成分の基本ＴＭモードを二次ＴＥモード２４５に変換する。空間変換器２５０は、第１の成分の二次ＴＥモードを、基本ＴＥモードに変換し、光信号の第１の成分及び第２の成分を、第１のＴＥモード信号２６０と、第２のＴＥモード信号２７０とに分割する。この実施形態では、空間モード変換器２５０は空間変換器及びスプリッターの双方であり、出力信号１４０は、基本ＴＥモードを有する成分をそれぞれ１つしか有しない２つの異なる信号によって表される。しかしながら、複合変換器並びに／又は入力信号及び出力信号の成分の他の変形形態も可能である。

偏波変換器
モード展開偏波変換器は、信号の偏波を、例えばＴＭモードからＴＥモードへ、又はその逆に変換するか又は回転させる。

図３は、偏波変換器の例を示している。この例では、偏波変換器は波伝搬の方向に沿って形状が漸進的に変化する導波路３１０である。導波路３１０は、導波路の入力側３１１から出力側３１２へ幅３１５が増大していくようにテーパリングされる。

変換器に沿って、光信号の第１の成分のモードが、光信号の他の成分を励起することなく、異なる偏波及び空間分布を有する別のモードに展開する。図３は、幅３１５と無関係の、偏波変換器３１０における電界強度展開を示している。この偏波変換器では、一方の成分の基本ＴＥ_０モード３２１〜３２３が保持される。しかしながら、他方の成分の基本ＴＭ_０モード３３１は、一次ＴＥ_１モード３３３に変換される。

詳細には、テーパリングされた導波路の入力において、ＴＭ_０モードの実効屈折率がＴＥ_１モードの実効屈折率をはるかに超えている。導波路の幅が増大すると、ＴＥ_１とＴＭ_０との間の屈折率の差は小さくなる。波伝搬の方向の構造的非対称性に起因して、これらの２つのモードは互いにインタラクトし、ハイブリッドＴＭ_０＋ＴＥ_１モード３３２を形成する。ＴＭ_０はより大きな屈折率を有するハイブリッドモードに展開する。プロット３３２は、５０％のＴＭ_０及び５０％のＴＥ_１を有するハイブリッドモードを示している。導波路の幅が更に増大すると、屈折率差が増大し始め、２ハイブリッドモードが分離する。結果として、ＴＭ_０モード３３１から始まったハイブリッドモードはＴＥ_１モード３３３に展開する。

図４Ａは、本発明の１つの実施形態による偏波変換器４１０の一例を示している。偏波変換器４１０は、光信号の成分のＴＭ_０モード２１０をＴＥ_１モード２４５に変換するためのテーパー部４１５を含む。変換器のテーパー部は変化する幅３１５を有し、これによって、ＴＭ_０モードを、より高い屈折率を有するＴＭ_０−ＴＥ_１ハイブリッドモードを介してＴＥ_１モードに変換するのが容易になる。偏波変換器４１０は、オプションで、一定の幅の部分４１２及び／又は４１４を含むこともできる。

図４Ｂは、線４２０による偏波変換器４１０の断面図を示している。この実施形態では、偏波変換器は、コア層４４０と、クラッド層４３０と、基板４５０とを含む導波路である。この実施形態の１つの変形形態では、部分４１５は浅くエッチングされた幅テーパーであり、この浅くエッチングされた幅テーパーは、入力側においてより狭く、出力側においてより広い。浅くエッチングされた幅テーパーは、深くエッチングされた幅テーパーよりも短い長さで同一のＴＭ_０対ＴＥ_１の変換効率を達成することができる。

図５Ａは、本発明の別の実施形態による偏波変換器５１０の一例を示している。偏波変換器５１０は、より深くエッチングされた入力導波路エリア５１６と、光信号の成分のＴＭ_０モード２１０をＴＥ_１モード２４５に変換するための浅くエッチングされた出力導波路エリア５１７を有する二段テーパー５１５を備える。

実施形態４１０と同様に、二段テーパーは、コア層５４０と、クラッド層５３０と、基板層５５０とを含む。

図５Ｂは、線５２０による二段テーパーの断面図を示している。

図５Ｃは、線５２５による二段テーパーの断面図を示している。入力から出力へ一定の（又は増大する）上側層導波路幅及び増大する下側層導波路幅を有するテーパーが、入力導波路形状から出力導波路形状へ漸進的遷移を形成する。入力導波路のエッチ深度によって、ＴＭ_０モードの実効屈折率がＴＥ_１の実効屈折率よりも大きくなる。出力導波路のエッチ深度によって、ＴＥ_１モードの実効屈折率がＴＭ_０の実効屈折率よりも大きくなる。伝搬方向に沿って、ＴＭ_０モードは漸進的にＴＥ_１モードに展開する。この実施形態は、導波路の浅いエッチ構造及び深いエッチ構造の利点を組み合わせ、モード制御が良好な短いデバイス長を有する。

図６は、複数の偏波変換器、例えば変換器５１５及び４１５を含む複合偏波変換器６１０を示している。この実施形態では、各変換器は信号の成分の少なくとも一部を変換し、結果として改善された変換をもたらす。例えば、変換器５１５を用いて、ＴＭモードを、５０％のＴＭ偏波及び５０％のＴＥ偏波を有するハイブリッドモードに変換することができる。変換器４１５を用いてハイブリッドモードをＴＥモードに変換することができる。

空間モード変換器
空間モード変換器は、少なくとも、光信号の成分のモードの次数を変換する。例えば、空間モード変換器は、光信号の二次成分を一次成分に変換することができる。空間モード変換器は、限定ではないが、非対称Ｙ字形結合器及び非対称方向性結合器を含むことができる。幾つかの実施形態では、空間変換器は、第１の成分の二次ＴＥモードを基本ＴＥモードに変換し、光信号の第１の成分及び第２の成分を、第１のＴＥモード信号と、第２のＴＥモード信号とに分割する。これらの実施形態では、空間変換器は信号スプリッターでもある。

図７Ａは、本発明の１つの実施形態による空間モード変換器７１０を示している。変換器７１０は、非対称Ｙ結合器であって、光信号の成分のＴＥ_１モード２４５を、変換器の狭い方の上側分岐７２５においてＴＥ_０モードに変換し、第１のＴＥモード信号２６０を生成し、ＴＥ_０モード２２０の成分を、Ｙ結合器の広い方の下側分岐７３５に通し、第２のＴＥモード信号２７０を生成し、これによって、入力信号を２つの信号に分割するように設計された、非対称Ｙ結合器である。これらの機能を実現するために、１つの実施形態では、Ｙ結合器の上側分岐におけるＴＥ_０の実効屈折率は、入力ＴＥ_１モード、例えば偏波変換器の出力の実効屈折率にほぼ等しい。図７Ｂ及び図７Ｃは、それぞれ線７２０及び７３０による変換器７１０の断面図を示している。

通常、非対称Ｙ結合器は、高い分割比で低い挿入損失を有し、これは、偏波変換器／スプリッターの用途の場合に、偏波消光比（ＰＥＲ）に役立つ。しかしながら、偏波変換器の偏波変換効率（ＰＣＥ）が１００％未満である場合、変換器７１０への入力は、変換されていないＴＭ_０、例えば偏波変換器からの出力を含む可能性があり、これも下側分岐においてＴＭ_０モードになるように送信される可能性があり、結果としてＰＥＲが低くなる。この問題を解決するために、本発明の１つの実施形態は、Ｙ結合器に一体化されてＴＭ_０モードをフィルタリング除去するオプションのＴＥモード偏波器７４０を備える。

ＴＥ偏波器７４０は、下側Ｙ分岐導波路の上に金又は他の適切な材料を堆積することによって実現することができる。この実施形態の１つの変形形態では、金のＴＥ偏波器は１００ｎｍ厚である。

図８Ａは、非対称方向性結合器８１０として設計された空間モード変換器の別の実施形態を示している。この非対称方向性結合器では、２つの並列な導波路、例えば第１の導波路８２０及び第２の導波路８３０が、導波路間に一定の大きさの間隙８４０を有して互いの近くに配列される。一定の幅を有する第１の導波路８２０は、ＴＥ_０モード及びＴＥ_１モードの信号の入力として用いられる。第２の導波路は、狭い入力側８３１から広い出力側８３３にテーパリングされる。図８Ｂは、線８５０による変換器８１０の断面図を示している。

第２の導波路８３０の入力側の幅は、第２の導波路に入るＴＥ_０モードの信号の成分の実効屈折率が第１の導波路におけるＴＥ_１モードの成分の実効屈折率よりも小さくなるように選択される。第２の導波路の出力側８３３の幅は、第２の導波路におけるＴＥ_０モードの信号の成分の実効屈折率が、第１の導波路におけるＴＥ_１モードの成分の実効屈折率よりも大きくなるように選択される。第１の導波路の入力における、基本ＴＥ_０モードの信号の成分は第１の導波路に沿って伝搬し（８２５）、第１の導波路の入力における二次ＴＥ_１モードの成分は、第２の導波路におけるＴＥ_０モードの成分に漸進的に展開する（８２７）。

複合変換器
複合変換器は、上述した偏波変換器及び空間モード変換器等の複数のモード展開変換器の組によって形成される。幾つかの実施形態では、複合変換器は、偏波変換器のみ、又は空間モード変換器のみを備える。他の実施形態では、複合変換器は、偏波変換器及び空間モード変換器の双方を備える。幾つかの他の実施形態では、複合変換器はモード展開変換器のみを備える。また、様々な実施形態において、モード展開変換器は、直接、例えば固定的に、又は間接的に、例えば操作可能に、他の導波路と接続することができる。様々な実施形態において、空間モード変換器は、上述したような信号スプリッターを含むことができる。

図９は、複合変換器９００の一例を示している。この例では、二段テーパー５１５が非対称Ｙ結合器７１０に接続される。

図１０は、二段テーパー５１５と、テーパー４１５と、非対称Ｙ結合器７１０とを備える複合変換器１０００の別の例を示している。この例では、二段テーパー及び幅テーパーが組み合わされ、ＴＥ_０モードを変更することなくＴＭ_０モードをＴＥ_１モードに変換する。

変換器９００及び１０００等の変換器は、材料エピタキシャル成長、フォトリソグラフィー、乾式エッチング及び湿式エッチング、薄膜蒸着を含む従来のＩＣ製造工程において製造することができる。また、複合変換器は様々な寸法を有することができる。非限定的な例として、変換器１０００は以下の構造及び寸法を有する。

１つの実施形態では、変換器１０００は、ＩｎＰ基板と、ＩｎＰに６０％格子整合されたＡｓ組成を有する３７０ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓＰコア層と、１７０ｎｍ厚のＩｎＰ上側クラッド層とを含むＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ構造上に設計される。この実施形態では、幅テーパーは、９０度偏波変換の約９５％を行い、二段テーパーは、偏波変換の約５％を行う。二段テーパーは、ＩｎＧａＡｓＰコア層に、例えば０．１μｍだけエッチングすることによって生成することができる。幅テーパーは、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ界面に達するまでＩｎＰ上側クラッド層を通じて選択的にエッチングすることによって生成することができる。

この実施形態では、二段テーパー５１５の長さ１００５は５０μｍであり、高い方の段のリブ、すなわち上側層の幅１０１５は２μｍであり、低い方の段のリブマスク、すなわち下側層の幅１０２５は、１μｍから６．５μｍまで変化する。この設計は、２つのエッチ段のマスクを位置合わせするのに、０．５μｍの精度しか必要としない。３部幅変換器を用いることができる。例えば、第１の部分の長さ１０３０は５μｍであり、２μｍから２．３μｍ１０４５まで変化する幅を有し、第２の部分の長さ１０３５は７０７μｍであり、２．３μｍ１０４５から２．８５μｍ１０５０まで変化する幅を有し、第３の部分の長さ１０４０は１８８μｍであり、２．８５μｍ１０５０から３．１μｍ１０５５まで変化する幅を有する。

非対称Ｙ結合器は、異なる分岐角度を有する２つの部分を含む。双方の部分について、上側分岐導波路は１μｍ幅１０７５であり、下側分岐導波路は２．１μｍ幅１０８５である。第１の部分は２６０μｍ長１０６５であり、２つの分岐間の分離は０μｍから０．６μｍ１０９０まで変化する。第２の部分は１４０μｍ長１０７０であり、２つの分岐間の分離は０．６μｍ１０９０から３．５μｍ１０２０まで変化する。偏波器７４０等の統合されたＴＥ偏波器は１０μｍ長である。複合変換器の総長は１３５０μｍである。

図１１Ａ及び図１１Ｂは、ＴＥ_０モード入力（図１１Ａ）及びＴＭ_０モード入力（図１１Ｂ）によって励起された１５２０ｎｍから１６２０ｎｍの波長の関数としての、上側及び下側Ｙ分岐からの正規化されたＴＥ_０モード出力パワー並びに下側Ｙ分岐からの正規化されたＴＭ_０モード出力パワーを示している。ＴＥ_０モード入力の場合、デバイスは、Ｃ（１５２８ｎｍ〜１５６７ｎｍ）＋Ｌ（１５６５ｎｍ〜１６１２ｎｍ）の全体帯域にわたって、０．２３ｄＢの挿入損失及び２５ｄＢのＰＥＲを有する。ＴＭ_０モード入力の場合、デバイスは、Ｃ＋Ｌ帯域全体にわたって、０．６２ｄＢの挿入損失及び２１ｄＢのＰＥＲを有する。

図１２Ａ及び図１２Ｂは、波長１５７０ｎｍにおける、ＴＥ_０モード入力（図１２Ａ）及びＴＭ_０モード入力（図１２Ｂ）によって励起された導波路幅変動の関数としての、上側及び下側Ｙ分岐からの正規化されたＴＥ_０モード出力パワー並びに下側Ｙ分岐からの正規化されたＴＭ_０モード出力パワーを示している。ＴＥ_０モード入力の場合、デバイスは、±０．１５μｍの幅変動に対して、０．３９ｄＢよりも小さい挿入損失及び１３ｄＢを超えるＰＥＲを有する。ＴＭ_０モードの場合、デバイスは、±０．１５μｍの幅変動に対して、１．８ｄＢよりも小さい挿入損失及び１３ｄＢを超えるＰＥＲを有する。

逆変換
複合変換器を形成するのに用いられる展開モード変換器を用いてかつ／又は変更して、逆変換を行うことができる。例えば、偏波変換器／スプリッターとして用いられる変換器は、偏波合成器／回転器として逆に用いることができる。

図１３は、図９に示す複合変換器の逆の使用を示している。この実施形態では、上側Ｙ分岐における第１の成分及び下側Ｙ分岐における第２の成分の双方が基本ＴＥ偏波を有する。逆空間変換器１３１０、例えば逆Ｙ結合器は、第２の成分を変更することなく、第１の成分のＴＥ_０モードをＴＥ_１モードに変換する。同様に、逆偏波変換器１３２０、例えば逆二段テーパーは、第２の成分を変更することなく、第１の成分のＴＥ_１モードをＴＭ_０モードに変換する。

図１３に示す実施形態では、二次モードＴＥ_１は線１３３０におけるデバイスの出力ポートにおいてサポートすることができる。例えば、二次ＴＥ_１モードがＴＭ_０モードに変換される場合、残りのＴＭ_０モードがＴＥ_０モード及びＴＭ_０モードの双方とともに伝搬し、低い消光比及び偏波合成器の不満足な性能につながる場合がある。性能を改善するために、複合デバイスの出口ポートから高次モードが除去される必要がある。そのために、本発明の幾つかの実施形態は、高次モードフィルターを含む。このフィルターの後、デバイスから高次モードが除去され、２つの基本ＴＥ_０モード及び基本ＴＭ_０モードのみが許可される。

図１４は、高次モードフィルターを含む複合変換器の一例を示している。この実施形態では、新たな部分１４１０がデバイス１３００の出力ポート１３３０に付加される。図１４Ａに示すように、複合変換器１４００は逆空間変換器１３１０と、逆偏波変換器１３２０と、高次モードフィルター１４１０とを備える。この実施形態では、モードフィルター１４１０は、導波路幅が線１４２０から線１４３０まで低減するテーパー部分によって実現される。線１４２０において、光信号の１つ又は複数の高次モードが含まれ、線１４３０において、基本ＴＥ_０モード及び基本ＴＭ_０モードのみが含まれる。図１４Ｂは、線１４２０におけるモードフィルターの断面図を示している。同様に、図１４Ｃは、線１４３０におけるモードフィルターの断面図を示している。上側層導波路１４５０は、エッチングされた下側層１４６０と同じ幅１４４０を有する。幅１４４０は、モードフィルター１４１０において漸進的に低減される。線１４３０における出力ポートにおいて、上側層導波路１４５０及びエッチングされた下側層１４６０の双方の幅が１４７０に低減される。モードフィルター１４１０を付加することによって、デバイスの消光比が大幅に改善することが予期される。

図１５は複合変換器の別の例を示している。詳細には、図１５は、図１０に示す複合変換器に基づく偏波合成器／回転器を示している。この実施形態では、上側Ｙ分岐における第１の成分及び下側Ｙ分岐における第２の成分の双方が基本ＴＥ偏波を有する。逆空間変換器１５１０、例えば逆Ｙ結合器が、第２の成分を変更することなく、第１の成分のＴＥ_０モードをＴＥ_１モードに変換する。逆偏波変換器が、第２の成分を変更することなく、第１の成分のＴＥ_１モードをＴＭ_０モードに変換する。この実施形態では、偏波変換器は、２つの部分、すなわち逆幅テーパー１５２０及び逆二段テーパー１５３０の組合せである。加えて、高次モード、特にＴＥ_１モードを除去する高次モードフィルター１５４０が付加される。このモードフィルター１５４０において、導波路幅は、１００μｍの長さにわたって２μｍから１．２μｍに線形に減らされる。デバイス１５００の出力において、第１の成分の基本ＴＥモードが基本ＴＭモードに変換され、第２の成分の基本ＴＥモードの偏波が維持され、さらに、基本ＴＥモード及び基本ＴＭモードが組み合わされ、ともに伝搬する。

図１６Ａ及び図１６Ｂは、Ｙ分岐の第１の成分の基本ＴＥモードによって励起されたとき（図１６Ａ）、及びＹ分岐の第２の成分の基本ＴＥモードによって励起されたとき（図１６Ｂ）の、１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍの波長の関数としての、図１５に示すデバイスの出力における正規化されたＴＥ_０モード及びＴＭ_０モードのパワーを示している。デバイスがＹ分岐の第１の成分の基本ＴＥモードによって励起されるとき、モードは出力ポートにおいて、０．８３ｄＢ未満の挿入損失及び２４ｄＢよりも大きな消光比でＴＭ_０モードに変換される。デバイスがＹ分岐の第２の成分の基本ＴＥモードによって励起されるとき、モードは出力ポートにおいて、０．１ｄＢ未満の挿入損失及び２７ｄＢよりも大きな消光比でＴＥ_０モードとして維持される。

Claims (6)

1. 基本横方向磁気（ＴＭ）モードを有する第１の成分と、基本横方向電気（ＴＥ）モードを有する第２の成分とを含む光信号を変換するモード展開複合変換器であって、
   前記第１の成分の前記基本ＴＭモードを、二次ＴＥモードに変換する偏波変換器と、
   前記第１の成分の前記二次ＴＥモードを前記基本ＴＥモードに変換し、前記光信号の前記第１の成分及び前記第２の成分を、第１のＴＥモード信号と、第２のＴＥモード信号とに分割する空間モード変換器と
   を備え、
   前記偏波変換器および前記空間モード変換器は、それぞれ、漸進的に変化する導波路形状を有し、入力された少なくとも１つの成分のモードを漸進的に他のモードに変換するモード展開変換器から構成され、
   前記偏波変換器は、浅くエッチングされた幅テーパーを含み、前記空間モード変換器は、非対称Ｙ字形結合器または非対称方向性結合器を含む、
   モード展開複合変換器。
2. 前記非対称Ｙ字形結合器はＴＥモード偏波器を含む、請求項１に記載のモード展開複合変換器。
3. 前記ＴＥモード偏波器は金を含む、請求項２に記載のモード展開複合変換器。
4. 少なくとも１つの成分の前記基本ＴＥモードを前記二次ＴＥモードに変換する逆空間モード変換器と、
   前記成分の前記二次ＴＥモードを前記基本ＴＭモードに変換する逆偏波変換器と、
   を更に備える、請求項１に記載のモード展開複合変換器。
5. 光信号を処理するモード展開複合変換器であって、
   該光信号は、基本横方向磁気（ＴＭ）モードを有する成分を含み、
   該モード展開複合変換器は、
   該複合変換器を形成するように接続された複数のモード展開変換器の組であって、該各モード展開変換器は、漸進的に変化する導波路形状を有し、入力された少なくとも１つの成分のモードを漸進的に他のモードに変換するものであって、該各モード展開変換器は、偏波変換器、空間モード変換器、逆偏波変換器、逆空間モード変換器、高次モードフィルター、及びそれらの組合せを含む群から選択されたモード展開変換器であり、前記偏波変換器及び前記逆偏波変換器は少なくとも、前記光信号の少なくとも１つの成分の偏波のモードを変換し、前記空間モード変換器及び前記逆空間モード変換器は少なくとも、前記光信号の少なくとも１つの成分の空間モード次数を変換する、複数のモード展開変換器の組 を備え、
   前記偏波変換器は、前記光信号の前記成分の前記基本ＴＭモードを二次横方向電気（ＴＥ）モードに変換し、前記空間モード変換器は前記成分の前記二次ＴＥモードを基本ＴＥモードに変換し、前記逆空間モード変換器は前記成分の基本横方向電気（ＴＥ）モードを前記二次ＴＥモードに変換し、前記逆偏波変換器は前記成分の前記二次ＴＥモードを前記基本ＴＭモードに変換し、
   前記偏波変換器は、浅くエッチングされた幅テーパーを含み、前記空間モード変換器は、非対称Ｙ字形結合器または非対称方向性結合器を含む、
   モード展開複合変換器。
6. 前記各モード展開変換器は、リン化インジウム（ＩｎＰ）基板、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）基板、シリカ基板、及びシリコン基板からなる群から選択された基板を含む、請求項５に記載のモード展開複合変換器。

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