JP6242662B2 - Mode conversion element and optical waveguide element - Google Patents
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Description
本発明は、例えば光ファイバ通信において用いられる基板型光導波路素子に関し、特に、モード変換を行うモード変換素子及び光導波路素子に関する。 The present invention relates to a substrate-type optical waveguide element used in, for example, optical fiber communication, and more particularly to a mode conversion element and an optical waveguide element that perform mode conversion.
現在、光通信で伝送される情報量は増加の一途をたどっている。こうした情報量の増加に対応するため、信号速度の高速化、波長多重通信によるチャネル数の増加といった対策が進められている。特に、高速度の情報通信を目的とした次世代の１００Ｇｂｐｓデジタルコヒーレント伝送技術では、単位時間当たりの情報量を２倍にするために、電界が直交する２つの偏波に情報を載せる偏波多重方式が利用されている。
偏波多重を含む高速通信の変調方式は、複雑な光変調器が必要になり、装置の大型化、高額化といった課題が生じる。こうした課題に対して、加工が容易であり、集積化による小型化、大量生産による低コスト等のメリットを持つシリコンを用いた基板型光導波路による光変調器が研究されている。
Currently, the amount of information transmitted by optical communication is steadily increasing. In order to cope with such an increase in the amount of information, measures such as an increase in signal speed and an increase in the number of channels by wavelength division multiplexing are being promoted. In particular, in the next-generation 100 Gbps digital coherent transmission technology aiming at high-speed information communication, in order to double the amount of information per unit time, polarization multiplexing that places information on two polarized waves with orthogonal electric fields The method is used.
The modulation method for high-speed communication including polarization multiplexing requires a complicated optical modulator, which causes problems such as an increase in size and cost of the apparatus. In response to these problems, an optical modulator using a substrate-type optical waveguide using silicon, which has advantages such as easy processing, downsizing by integration, and low cost by mass production, has been studied.
しかしながら、このような基板型光導波路内での偏波多重には、次のような問題点がある。一般的に、基板型光導波路は、基板に対して平行な幅方向と基板に対して垂直な高さ方向が非対称な形状をしている。このため、実質的に幅方向の電界成分のみを持つモード（以下、ＴＥモードと呼ぶ）と、実質的に高さ方向の電界成分のみを持つモード（以下、ＴＭモードと呼ぶ）の２種類の偏波モードに対して、実効屈折率などの特性が異なる。
これらのモードの中で、多くの場合に使用されるのは、基本ＴＥモードと基本ＴＭモードである。ここで、基本ＴＥモードはＴＥモードの中で実効屈折率が一番大きなモード（ＴＥ０）であり、基本ＴＭモードはＴＭモードの中で実効屈折率が一番大きなモード（ＴＭ０）である。
特性が異なるこれらのモードに対して、光変調操作を行う場合、単一の基板型光導波路素子だけでは困難である。モードごとに最適化された基板型光導波路素子を必要とした場合、基板型光導波路素子の開発の面で大きな労力が必要となる。
However, the polarization multiplexing in such a substrate type optical waveguide has the following problems. In general, a substrate-type optical waveguide has an asymmetric shape in the width direction parallel to the substrate and the height direction perpendicular to the substrate. For this reason, there are two types of modes: a mode having substantially only an electric field component in the width direction (hereinafter referred to as TE mode) and a mode having substantially only an electric field component in the height direction (hereinafter referred to as TM mode). The characteristics such as the effective refractive index are different from the polarization mode.
Of these modes, the basic TE mode and the basic TM mode are often used. Here, the basic TE mode is a mode (TE 0 ) having the largest effective refractive index in the TE mode, and the basic TM mode is a mode (TM 0 ) having the largest effective refractive index in the TM mode. .
When optical modulation operation is performed for these modes having different characteristics, it is difficult with only a single substrate type optical waveguide device. When a substrate-type optical waveguide device optimized for each mode is required, a great effort is required in the development of the substrate-type optical waveguide device.
この問題を解決する方法として、基本ＴＥモードに対して最適化された所望の基板型光導波路素子への入力光として基本ＴＥモードを用い、その出力を基本ＴＭモードに偏波変換する方法が挙げられる。ここで偏波変換とは、基本ＴＥモードから基本ＴＭモード、もしくは基本ＴＭモードから基本ＴＥモードへの変換を表すものとする。上記操作を行うためには、基板上で偏波変換を行う基板型光導波路素子が必要となる。
このような偏波変換を基板上で行う技術として、基本ＴＥモードを高次ＴＥモードに変換し、その後、高次ＴＥモードを基本ＴＭモードに変換するものがある。ここで、高次ＴＥモードは２番目に実効屈折率の高いＴＥモード（ＴＥ１）を表すものとする。
このような変換には、基本ＴＥモードを高次ＴＥモードに変換させる素子と高次ＴＥモードを基本ＴＭモードに変換させる素子の二つが必要になる。本発明は、前者の、基本ＴＥモードを高次ＴＥモードに変換させる素子に関するものである。
なお、基本モードから高次モードへの変換と、その逆方向の変換とを含め、基本モードと高次モードとの間の変換を高次モード変換と呼ぶ。
As a method for solving this problem, there is a method in which the basic TE mode is used as input light to a desired substrate type optical waveguide element optimized for the basic TE mode, and the output is polarized to the basic TM mode. It is done. Here, polarization conversion refers to conversion from the basic TE mode to the basic TM mode, or from the basic TM mode to the basic TE mode. In order to perform the above operation, a substrate type optical waveguide element that performs polarization conversion on the substrate is required.
As a technique for performing such polarization conversion on a substrate, there is a technique in which a basic TE mode is converted into a high-order TE mode, and then the high-order TE mode is converted into a basic TM mode. Here, the higher order TE mode represents a TE mode (TE 1 ) having the second highest effective refractive index.
Such conversion requires two elements: an element that converts the basic TE mode into a higher order TE mode and an element that converts the higher order TE mode into a basic TM mode. The present invention relates to an element that converts the basic TE mode into a higher-order TE mode.
The conversion between the basic mode and the higher order mode including the conversion from the basic mode to the higher order mode and the conversion in the opposite direction is referred to as higher order mode conversion.
偏波変換素子としては、非特許文献１に記載のものがある。
図２８に示すように、非特許文献１に記載の偏波変換素子２１０は、コア２１１、２１２と、クラッド２１５とを有する。コア２１１、２１２の長さ方向の一部は、互いに並設されて方向性結合器２１８を構成している。クラッド２１５は、下部クラッド２１７と上部クラッド２１６とを有する。上部クラッド２１６はコア２１１、２１２及び下部クラッド２１７の上に設けられている。
方向性結合器２１８におけるコア２１１、２１２は、互いに幅が異なる断面矩形状の導波路（以下、矩形導波路と呼ぶ）である。
コア２１１、２１２の幅は、ある波長において、入力側コア２１１の高次ＴＥモードの実効屈折率と、出力側コア２１２の基本ＴＥモードの実効屈折率とが互いに近くなるように設計されている。これによって位相整合がおこり、入力側コア２１１の高次ＴＥモードが出力側コア２１２の基本ＴＥモードに高効率で結合するため、高次モード変換が可能である。
なお、非特許文献１の技術では、高次ＴＥモードを基本ＴＥモードに変換しているが、受動的な光導波路では逆過程も成り立つため、前記方向性結合器は、基本ＴＥモードを高次ＴＥモードに変換する機能も有する。すなわち、前記方向性結合器は、高次モード変換を行う素子である。
非特許文献２、３には、同モードの結合を扱う方向性結合器が開示されている。
There exists a thing of a nonpatent literature 1 as a polarization conversion element.
As illustrated in FIG. 28, the polarization conversion element 210 described in Non-Patent Document 1 includes cores 211 and 212 and a clad 215. Part of the cores 211 and 212 in the length direction is arranged side by side to form a directional coupler 218. The clad 215 has a lower clad 217 and an upper clad 216. The upper clad 216 is provided on the cores 211 and 212 and the lower clad 217.
The cores 211 and 212 in the directional coupler 218 are waveguides having a rectangular cross section with different widths (hereinafter referred to as rectangular waveguides).
The widths of the cores 211 and 212 are designed so that the effective refractive index of the higher-order TE mode of the input-side core 211 and the effective refractive index of the basic TE mode of the output-side core 212 are close to each other at a certain wavelength. . As a result, phase matching occurs and the high-order TE mode of the input-side core 211 is coupled to the basic TE mode of the output-side core 212 with high efficiency, so that high-order mode conversion is possible.
In the technique of Non-Patent Document 1, a high-order TE mode is converted to a basic TE mode. However, since a reverse process also holds in a passive optical waveguide, the directional coupler converts a high-order TE mode into a high-order TE mode. It also has a function of converting to the TE mode. That is, the directional coupler is an element that performs higher-order mode conversion.
Non-Patent Documents 2 and 3 disclose directional couplers that handle coupling in the same mode.
非特許文献１に記載の変換素子の方向性結合器２１８に用いられる矩形導波路（コア２１１、２１２）は、幅方向の閉じ込めが大きいため、外部に浸み出す光が少なくなり、隣接する導波路への光の結合が弱くなる。このことは、特にコアがシリコン、クラッドがシリカからなる導波路のように、コアとクラッドとの間の屈折率差が大きい導波路を採用した場合に顕著になる。
光の結合が弱い場合には、波長が変化したときの結合効率への影響が大きくなり、広い波長帯域での高効率な変換が望めないという問題がある。
なお、結合効率は、例えば入力される基本ＴＥモードのパワーに対する、出力される高次ＴＥモードのパワーの比であり、変換効率と等価である。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、広い波長帯域での高効率なモード変換が可能なモード変換素子及び光導波路素子を提供することを課題とする。
The rectangular waveguides (cores 211 and 212) used in the directional coupler 218 of the conversion element described in Non-Patent Document 1 have a large confinement in the width direction, so that light that oozes out to the outside is reduced, and adjacent waveguides The coupling of light into the waveguide is weakened. This is particularly noticeable when a waveguide having a large refractive index difference between the core and the clad is employed, such as a waveguide having the core made of silicon and the clad made of silica.
When the light coupling is weak, there is a problem that the effect on the coupling efficiency when the wavelength is changed becomes large, and high-efficiency conversion in a wide wavelength band cannot be expected.
The coupling efficiency is, for example, the ratio of the output power of the higher order TE mode to the input power of the basic TE mode, and is equivalent to the conversion efficiency.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a mode conversion element and an optical waveguide element capable of highly efficient mode conversion in a wide wavelength band.
前記課題を解決するため、本発明は、下部クラッドと、前記下部クラッド上に形成され、前記下部クラッドより屈折率が大きい光導波領域と、を備え、前記光導波領域は、互いに離間して形成された一対のリブ部と、前記リブ部の幅方向に延出して形成されたスラブ部と、を有し、前記一対のリブ部のうち一方は入力側光導波路であり、他方は出力側光導波路であり、前記入力側および出力側光導波路は、少なくとも一部が並設されることによって方向性結合器を構成し、前記方向性結合器は、前記入力側光導波路から前記出力側光導波路に、次数が異なるモード間での結合が可能であり、前記スラブ部は、前記リブ部の長さ方向に垂直な断面内で幅方向に直交する厚さ方向の寸法が前記リブ部に比べ小さく、かつ、前記方向性結合器の少なくとも一部において、前記入力側光導波路と前記出力側光導波路との間にこれらを互いに接続して形成されているモード変換素子を提供する。
前記入力側光導波路には、ｎ番目（ｎは自然数）に実効屈折率が大きいＴＥモードである（ｎ−１）次モードが導波し、前記出力側光導波路には、ｍ番目（ｍは自然数。ｍ＞ｎ）に実効屈折率が大きいＴＥモードである（ｍ−１）次モードが導波し、前記入力側光導波路のＴＥモードと、前記出力側光導波路のＴＥモードが結合可能であることが好ましい。
前記方向性結合器におけるスラブ部は、前記方向性結合器の少なくとも一部において、前記入力側光導波路と前記出力側光導波路との間にこれらを互いに接続して形成された中間領域と、前記入力側および出力側光導波路からそれぞれ幅方向の外方に延出する外方延出領域と、を有する構成としてよい。
前記方向性結合器におけるスラブ部は、前記方向性結合器の少なくとも一部において、前記入力側光導波路と前記出力側光導波路との間にこれらを互いに接続して形成された中間領域のみからなる構成としてよい。
本発明のモード変換素子は、前記入力側光導波路及び前記出力側光導波路のそれぞれの長手方向の一端または両端に、曲がり導波路が配置され、前記入力側光導波路に接続された曲がり導波路と前記出力側光導波路に接続された曲がり導波路とが、前記方向性結合器に向かって互いに接近し、または、前記方向性結合器から離れる向きで互いに離間する構成としてよい。
前記入力側光導波路と前記出力側光導波路のいずれか一方または両方には、リブ部および／またはスラブ部の幅が延出方向に行くほど減少するテーパ状の光導波路が形成されていてもよい。
前記入力側光導波路と前記出力側光導波路のいずれか一方または両方には、リブ部および／またはスラブ部の幅が延出方向に行くほど増加するテーパ状の光導波路が形成されていてもよい。
前記入力側光導波路と前記出力側光導波路の高さは、互いに等しくすることができる。
前記入力側光導波路には、０次モードが導波し、かつ前記出力側光導波路には、１次モードが導波することが好ましい。
本発明のモード変換素子は、前記スラブ部と前記リブ部がＳｉからなり、前記下部クラッドと前記上部クラッドがＳｉＯ２からなることが好ましい。
In order to solve the above problems, the present invention includes a lower clad and an optical waveguide region formed on the lower clad and having a higher refractive index than the lower clad, and the optical waveguide regions are formed apart from each other. And a slab portion formed extending in the width direction of the rib portion, one of the pair of rib portions being an input side optical waveguide, and the other being an output side light guide. The input-side and output-side optical waveguides form a directional coupler by being arranged in parallel at least partially, and the directional coupler is connected to the output-side optical waveguide from the input-side optical waveguide. In addition, it is possible to couple between modes having different orders, and the slab portion has a smaller dimension in the thickness direction perpendicular to the width direction in the cross section perpendicular to the length direction of the rib portion than the rib portion. And a small number of the directional couplers In some and also provides a mode converter which is formed by connecting these to one another between the output-side optical waveguide and the input optical wave guide.
The input side optical waveguide is guided by an nth (n-1) order mode which is a TE mode having an effective refractive index nth (n is a natural number), and the output side optical waveguide is mth (m is A natural number, m> n), which is a TE mode with a large effective refractive index. (M−1) The next mode is guided, and the TE mode of the input side optical waveguide and the TE mode of the output side optical waveguide can be coupled. Preferably there is.
The slab portion in the directional coupler includes, in at least a part of the directional coupler, an intermediate region formed by connecting them to each other between the input side optical waveguide and the output side optical waveguide; It is good also as a structure which has the outward extension area | region extended to the outward of the width direction from the input side and output side optical waveguide, respectively.
The slab portion in the directional coupler is composed of only an intermediate region formed by connecting them between the input-side optical waveguide and the output-side optical waveguide in at least a part of the directional coupler. It is good as composition.
In the mode conversion element of the present invention, a bent waveguide is disposed at one or both ends in the longitudinal direction of each of the input-side optical waveguide and the output-side optical waveguide, and the bent waveguide is connected to the input-side optical waveguide. The bent waveguides connected to the output-side optical waveguide may be configured to approach each other toward the directional coupler or be separated from each other in a direction away from the directional coupler.
Either or both of the input-side optical waveguide and the output-side optical waveguide may be formed with a tapered optical waveguide in which the width of the rib portion and / or the slab portion decreases as it goes in the extending direction. .
Either or both of the input-side optical waveguide and the output-side optical waveguide may be formed with a tapered optical waveguide in which the width of the rib portion and / or slab portion increases in the extending direction. .
The heights of the input side optical waveguide and the output side optical waveguide may be equal to each other.
Preferably, a zero-order mode is guided in the input-side optical waveguide, and a first-order mode is guided in the output-side optical waveguide.
In the mode conversion element of the present invention, it is preferable that the slab part and the rib part are made of Si, and the lower clad and the upper clad are made of SiO 2 .
本発明は、前記モード変換素子と、前記出力側光導波路に接続された高次偏波変換素子とを有する光導波路素子を提供する。
本発明は、前記モード変換素子を備えたＤＰ−ＱＰＳＫ変調器を提供する。
本発明は、前記モード変換素子を備えた偏波ダイバーシティ・コヒーレント受信機を提供する。
本発明は、前記モード変換素子を備えた偏波ダイバーシティ方式を提供する。
The present invention provides an optical waveguide device having the mode conversion device and a high-order polarization conversion device connected to the output-side optical waveguide.
The present invention provides a DP-QPSK modulator including the mode conversion element.
The present invention provides a polarization diversity coherent receiver including the mode conversion element.
The present invention provides a polarization diversity system including the mode conversion element.
本発明によれば、導波路幅が互いに異なる非対称の方向性結合器などに、入力側光導波路と出力側光導波路とがスラブ部で接続された構造（リブ導波路）を採用することによって、広い波長帯域にわたって異なるモード間の高い結合効率を実現できる。
したがって、広い波長帯域で高い効率でモード変換を行うことができる。
According to the present invention, by adopting a structure (rib waveguide) in which the input-side optical waveguide and the output-side optical waveguide are connected by a slab part, such as an asymmetric directional coupler having different waveguide widths, High coupling efficiency between different modes can be realized over a wide wavelength band.
Therefore, mode conversion can be performed with high efficiency in a wide wavelength band.
以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１は、本発明のモード変換素子の第１の実施形態であるモード変換素子１０を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
図１（ａ）では、光の導波方向は上下方向であって、光導波路１１、１２の長さ方向である。図１（ｂ）では、光の導波方向は紙面に垂直な方向である。以下の説明では、図１（ｂ）に示す、光の導波方向に垂直な断面において、入力側光導波路１１と出力側光導波路１２とが向かい合う方向の寸法を幅といい、前記向かい合う方向に垂直な方向の寸法を高さという。図１（ｂ）において、前記幅は基板Ｓに平行な方向の寸法であり、前記高さは基板Ｓに垂直な方向の寸法である。以下、高さ方向（図１（ｂ）の上方）を上方とし、その反対方向を下方として各構造の位置関係を説明することがある。なお、図１（ａ）等の平面図では、スラブ部４に網かけを付している。
Hereinafter, based on a preferred embodiment, the present invention will be described with reference to the drawings.
1A and 1B show a mode conversion element 10 according to a first embodiment of a mode conversion element of the present invention, wherein FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is a cross-sectional view.
In FIG. 1A, the light guide direction is the vertical direction, which is the length direction of the optical waveguides 11 and 12. In FIG. 1B, the light guiding direction is a direction perpendicular to the paper surface. In the following description, the dimension in the direction in which the input side optical waveguide 11 and the output side optical waveguide 12 face each other in the cross section perpendicular to the light guiding direction shown in FIG. The dimension in the vertical direction is called height. In FIG. 1B, the width is a dimension in a direction parallel to the substrate S, and the height is a dimension in a direction perpendicular to the substrate S. Hereinafter, the positional relationship of each structure may be described with the height direction (above FIG. 1B) as the upper side and the opposite direction as the lower side. In the plan view of FIG. 1A and the like, the slab portion 4 is shaded.
図１に示すように、モード変換素子１０は、光導波領域２及びクラッド５を有する光導波路１を備えている。
光導波領域２は、互いに離間して形成された一対のリブ部３（厚肉部）と、リブ部３の幅方向に延出して形成されたスラブ部４（薄板部）と、を有する。
リブ部３とスラブ部４とは同じ材料からなり、一体に形成されている。
光導波領域２は、クラッド５よりも屈折率が高い材料、好ましくはＳｉ（シリコン）からなる。光導波領域２は、Ｓｉ−ＳｉＯ２−ＳｉからなるＳＯＩ（Silicon on insulator）基板の最上層のシリコン（Ｓｉ）層を加工して形成することができる。
As shown in FIG. 1, the mode conversion element 10 includes an optical waveguide 1 having an optical waveguide region 2 and a clad 5.
The optical waveguide region 2 has a pair of rib portions 3 (thick portions) formed apart from each other and a slab portion 4 (thin plate portion) formed extending in the width direction of the rib portions 3.
The rib part 3 and the slab part 4 consist of the same material, and are integrally formed.
The optical waveguide region 2 is made of a material having a higher refractive index than that of the clad 5, preferably Si (silicon). The optical waveguide region 2 can be formed by processing the uppermost silicon (Si) layer of an SOI (Silicon on insulator) substrate made of Si—SiO 2 —Si.
リブ部３は、スラブ部４の上面４ａから上方に突出して形成されており、一対のリブ部３のうち一方は入力側光導波路１１であり、他方のリブ部３は出力側光導波路１２である。
図示例の出力側光導波路１２の幅は、入力側光導波路１１の幅より大きい。
入力側光導波路１１の高さＨ１と出力側光導波路１２の高さＨ２との関係は、特に限定されず、Ｈ１＞Ｈ２でも、Ｈ１＝Ｈ２でも、Ｈ１＜Ｈ２でもよいが、Ｈ１とＨ２との差は極端に大きくないことが望ましい。図示例では、高さＨ１，Ｈ２は互いに等しい。
The rib portion 3 is formed to protrude upward from the upper surface 4 a of the slab portion 4. One of the pair of rib portions 3 is the input side optical waveguide 11, and the other rib portion 3 is the output side optical waveguide 12. is there.
The width of the output side optical waveguide 12 in the illustrated example is larger than the width of the input side optical waveguide 11.
The relationship between the height H1 of the input-side optical waveguide 11 and the height H2 of the output-side optical waveguide 12 is not particularly limited, and H1> H2, H1 = H2, or H1 <H2 may be satisfied. It is desirable that the difference is not extremely large. In the illustrated example, the heights H1 and H2 are equal to each other.
入力側光導波路１１および出力側光導波路１２の長さ方向の少なくとも一部は、互いに並設されて方向性結合器１８（非対称方向性結合器）を構成している。
図示例では、方向性結合器１８における光導波路１１、１２は、直線状であり、長さ方向にわたって一定の間隔に形成され、互いに平行である。
At least a part of the length direction of the input side optical waveguide 11 and the output side optical waveguide 12 is arranged in parallel with each other to constitute a directional coupler 18 (asymmetric directional coupler).
In the illustrated example, the optical waveguides 11 and 12 in the directional coupler 18 are linear, are formed at regular intervals along the length direction, and are parallel to each other.
スラブ部４は、入力側光導波路１１と出力側光導波路１２との間に、これらを互いに接続して形成された中間領域１３と、入力側光導波路１１から幅方向の外方に延出する入力側外方延出領域１４と、出力側光導波路１２から幅方向の外方に延出する出力側外方延出領域１５と、を備えている。
スラブ部４（領域１３、１４、１５）は、方向性結合器１８における導波方向の少なくとも一部に形成されていればよい。すなわち、スラブ部４は、方向性結合器１８におけるリブ部３の長さ方向の一部のみに形成されていてもよいし、リブ部３の全長にわたって形成されていてもよい。図示例では、スラブ部４はリブ部３の全長にわたって形成されている。
The slab portion 4 extends between the input-side optical waveguide 11 and the output-side optical waveguide 12 between the input-side optical waveguide 11 and the input-side optical waveguide 11. An input-side outward extension region 14 and an output-side outward extension region 15 extending outward in the width direction from the output-side optical waveguide 12 are provided.
The slab portion 4 (regions 13, 14, 15) only needs to be formed in at least part of the waveguide direction in the directional coupler 18. That is, the slab part 4 may be formed only in a part of the length direction of the rib part 3 in the directional coupler 18, or may be formed over the entire length of the rib part 3. In the illustrated example, the slab portion 4 is formed over the entire length of the rib portion 3.
スラブ部４は、リブ部３より薄く形成されている。
厚さとは、リブ部３の長さ方向に垂直な断面において、リブ部３の幅方向に直交する方向の寸法である。すなわち、リブ部３の長さ方向および幅方向に直交する方向の寸法である。
The slab part 4 is formed thinner than the rib part 3.
The thickness is a dimension in a direction perpendicular to the width direction of the rib portion 3 in a cross section perpendicular to the length direction of the rib portion 3. That is, it is a dimension in a direction orthogonal to the length direction and the width direction of the rib portion 3.
クラッド５は、下部クラッド７と、光導波領域２及び下部クラッド７の上に設けられた上部クラッド６とを有する。下部クラッド７は、例えばＳＯＩ基板のＳｉＯ２層からなる。
モード変換素子１０は、光導波路１が基板Ｓ上に形成された基板型光導波路素子としてもよい。
The clad 5 includes a lower clad 7 and an upper clad 6 provided on the optical waveguide region 2 and the lower clad 7. The lower clad 7 is made of, for example, an SiO 2 layer of an SOI substrate.
The mode conversion element 10 may be a substrate type optical waveguide element in which the optical waveguide 1 is formed on the substrate S.
光導波領域２は、リブ部３とスラブ部４とを有する「リブ導波路」である。リブ導波路は、スラブ部にも電界が広がるため、矩形導波路（例えば図２８のコア２１１、２１２）に比べて光の閉じ込めが弱く、隣接するリブ部への浸み出しも多くなる。 The optical waveguide region 2 is a “rib waveguide” having a rib portion 3 and a slab portion 4. In the rib waveguide, since the electric field spreads also in the slab portion, light confinement is weaker than that in the rectangular waveguide (for example, the cores 211 and 212 in FIG. 28), and the seepage into the adjacent rib portion increases.
図２は、リブ導波路を有する光導波路の基本ＴＥモードの電界分布の一例である。この例では、上部クラッドおよび下部クラッドはＳｉＯ２（屈折率：１．４４）からなり、光導波領域はＳｉ（屈折率：３．４７）からなる。リブ部の高さは２２０ｎｍ、リブ部の幅は４００ｎｍ、スラブ部の高さは９５ｎｍとし、光の波長は１５８０ｎｍとした。
図３は、矩形導波路の基本ＴＥモードの電界分布の一例である。コア（矩形導波路）の高さは２２０ｎｍ、幅は４００ｎｍとした。その他の条件はリブ導波路の場合と同様とした。
図２および図３より、それぞれの基本ＴＥモードの幅方向（ｘ方向）の成分（Ｅｘ成分とする）が確認できる。これらより、リブ導波路の電界はスラブ部にも広がりを持ち、矩形導波路に比べて、同じサイズでも閉じ込めが弱いことがわかる。
このため、リブ導波路からなる非対称方向性結合器は、同じ導波路幅と同じ間隔を持つ矩形導波路による非対称方向性結合器に比べ、結合が強くなり、波長帯域が拡大する。
なお、リブ導波路のスラブ部の幅は、電界モードの幅方向範囲を制限しない程度に大きいことが好ましい。
FIG. 2 is an example of an electric field distribution in the basic TE mode of an optical waveguide having a rib waveguide. In this example, the upper clad and the lower clad are made of SiO 2 (refractive index: 1.44), and the optical waveguide region is made of Si (refractive index: 3.47). The height of the rib portion was 220 nm, the width of the rib portion was 400 nm, the height of the slab portion was 95 nm, and the wavelength of light was 1580 nm.
FIG. 3 is an example of the electric field distribution of the basic TE mode of the rectangular waveguide. The height of the core (rectangular waveguide) was 220 nm and the width was 400 nm. Other conditions were the same as in the case of the rib waveguide.
From FIG. 2 and FIG. 3, the width direction (x direction) component (ex component) of each basic TE mode can be confirmed. From these, it can be seen that the electric field of the rib waveguide also spreads in the slab portion, and the confinement is weak even at the same size as compared to the rectangular waveguide.
For this reason, the asymmetric directional coupler composed of the rib waveguide is stronger in coupling than the asymmetric directional coupler using the rectangular waveguide having the same waveguide width and the same interval, and the wavelength band is expanded.
The width of the slab portion of the rib waveguide is preferably large enough not to limit the range of the electric field mode in the width direction.
図４（ｂ）は、リブ部３の幅方向の両方にスラブ部４を有する光導波領域２Ａ（リブ導波路）（図４（ａ）参照）における基本ＴＥモードの実効屈折率と、光導波領域２Ａの幅Ｗ１との関係を示すグラフである。この例では、リブ部３の幅は４００ｎｍとした。
実効屈折率は光導波領域内への閉じ込めに関係しており、光導波領域の実効屈折率の値が大きい方がより光の閉じ込めは強くなる。スラブ部の幅は、大きい方が高屈折率部分への光の閉じ込めが強くなるため、光導波領域の実効屈折率は大きくなる傾向にある。
図４（ｂ）をみると、光導波領域の幅が２μｍ以上の範囲では、実効屈折率はほとんど変化しなくなっている。これは、基本ＴＥモードの電界は主に光導波領域のリブ部に分布しているため、スラブ部の幅が十分に大きくなると、スラブ部の幅変化が基本ＴＥモードの電界へ及ぼす影響が非常に小さくなることを示している。
そのため、この例では、光導波領域の幅を２μｍ以上とすることで、この光導波領域を一般的なリブ導波路とみなすことができる。ただし、光導波領域の幅が２μｍより小さい場合であっても、光導波領域の幅がリブ部の幅より大きい場合は光がスラブ部へ浸み出す。このため、このような導波路構造でも本発明の効果を発揮する。このことは、図４（ａ）に示す光導波路構造、または取り扱うモードに限らず、一般的な光導波路構造やモードでも成り立つ。
FIG. 4B shows the effective refractive index of the basic TE mode in the optical waveguide region 2A (rib waveguide) (see FIG. 4A) having the slab portions 4 in both the width directions of the rib portion 3, and the optical waveguide. It is a graph which shows the relationship with the width | variety W1 of the area | region 2A. In this example, the width of the rib portion 3 is 400 nm.
The effective refractive index is related to confinement in the optical waveguide region, and the light confinement becomes stronger as the value of the effective refractive index of the optical waveguide region is larger. The larger the width of the slab portion, the stronger the confinement of light in the high refractive index portion, and therefore the effective refractive index of the optical waveguide region tends to increase.
As shown in FIG. 4B, the effective refractive index hardly changes when the width of the optical waveguide region is 2 μm or more. This is because the electric field of the basic TE mode is mainly distributed in the rib portion of the optical waveguide region, so if the width of the slab portion becomes sufficiently large, the influence of the change in the width of the slab portion on the electric field of the basic TE mode is very large. It shows that it becomes smaller.
Therefore, in this example, by setting the width of the optical waveguide region to 2 μm or more, the optical waveguide region can be regarded as a general rib waveguide. However, even when the width of the optical waveguide region is smaller than 2 μm, the light penetrates into the slab portion when the width of the optical waveguide region is larger than the width of the rib portion. For this reason, the effect of the present invention is exhibited even with such a waveguide structure. This is not limited to the optical waveguide structure shown in FIG. 4A or the mode to be handled, but is also applicable to a general optical waveguide structure or mode.
次に、本実施形態の効果について説明する。
方向性結合器の結合効率Ｔは、入力側光導波路と出力側光導波路とが接近しすぎていない場合、次式で示される。
Next, the effect of this embodiment will be described.
The coupling efficiency T of the directional coupler is expressed by the following equation when the input side optical waveguide and the output side optical waveguide are not too close.
ここで、Ｆ、ｑは、それぞれ以下の式で表される。 Here, F and q are represented by the following equations, respectively.
δは、以下の式で表される。 δ is expressed by the following equation.
Ｌは方向性結合器における光導波路の長さ（図１（ａ）参照）、ΔＮＩは２つの導波路が独立に存在する場合のそれぞれの結合対象のモードの実効屈折率差を表し、λは光の波長を表す。 L represents the length of the optical waveguide in the directional coupler (see FIG. 1A), ΔN I represents the effective refractive index difference between the modes to be coupled when two waveguides exist independently, and λ Represents the wavelength of light.
式（１）〜（４）より、入力側光導波路と出力側光導波路のそれぞれの結合対象のモードの高効率な結合を可能にするには、これらのモードの実効屈折率の差を、式（４）のδが結合係数χとの比較において小さくなるように調整する必要がある。入力側光導波路の実効屈折率と出力側光導波路の実効屈折率とは互いに同程度であることが好ましい。実効屈折率は光の閉じ込めに関係しており、導波路の大きさを変えることで調整することが可能である。具体的には、リブ部の高さ、スラブ部の高さ、導波路幅を変えることで調整可能である。
特に、基板型導波路でエッチングの回数を減らし、より単純なプロセスで作製することを念頭に置いた場合、リブ部の高さ、スラブ部の高さは入力／出力側光導波路で互いに同じとし、導波路幅を変えることで実効屈折率の調整を行うことが好ましい。
From equations (1) to (4), in order to enable highly efficient coupling of the coupling target modes of the input-side optical waveguide and the output-side optical waveguide, the difference in effective refractive index of these modes is expressed by the equation It is necessary to adjust so that δ in (4) becomes smaller in comparison with the coupling coefficient χ. It is preferable that the effective refractive index of the input-side optical waveguide and the effective refractive index of the output-side optical waveguide are approximately the same. The effective refractive index is related to light confinement and can be adjusted by changing the size of the waveguide. Specifically, the height can be adjusted by changing the height of the rib portion, the height of the slab portion, and the waveguide width.
In particular, if the number of times of etching is reduced in the substrate-type waveguide and the manufacturing process is simplified, the height of the rib part and the height of the slab part should be the same in the input / output side optical waveguide. The effective refractive index is preferably adjusted by changing the waveguide width.
χは２つの導波路の結合の強さを表し、結合係数と呼ばれ次式で求められる。 χ represents the strength of coupling between the two waveguides, which is called a coupling coefficient and is obtained by the following equation.
式（５）の各パラメータは次のように定義される（入力側光導波路１１の基本ＴＥモードと出力側光導波路１２の高次ＴＥモードを結合することを想定する）。
Ｎ１：入力側光導波路のみが存在するときの光導波領域断面の屈折率分布
Ｎ：入力側光導波路および出力側光導波路が存在するときの光導波領域断面の屈折率分布
Ｅｉ（ｉ＝１，２）：導波路ｉを導波するモードの電界ベクトル（導波路１は入力側光導波路、導波路２は出力側光導波路である）
Each parameter of Expression (5) is defined as follows (assuming that the basic TE mode of the input-side optical waveguide 11 and the higher-order TE mode of the output-side optical waveguide 12 are coupled).
N 1 : Refractive index distribution of the optical waveguide region cross section when only the input side optical waveguide exists N: Refractive index distribution E i of the optical waveguide region cross section when the input side optical waveguide and the output side optical waveguide exist (i = 1, 2): Electric field vector of mode guided through waveguide i (waveguide 1 is input side optical waveguide, waveguide 2 is output side optical waveguide)
式（５）は、出力光導波路の断面において、両方のモードの電界の内積を積分するため、結合係数χは、光導波路の外部へ光が浸み出すほど大きくなり、結合が強くなる。 Since Equation (5) integrates the inner product of the electric fields of both modes in the cross section of the output optical waveguide, the coupling coefficient χ increases as the light oozes out of the optical waveguide, and the coupling becomes stronger.
以下、式（１）〜（５）に基づいて、非対称方向性結合器の波長依存性が結合の強さ、すなわち結合係数χに依存することを説明する。
結合効率Ｔを表す式（１）は、Ｆとｓｉｎ２（ｑＬ）からなり、それぞれの値は波長によって変化する。
Ｆは、式（２）に示すように、実効屈折率差に比例するδと結合係数χの比に依存し、結合係数χが大きいほど１に近づき、結合効率は高くなる。
特に、非対称方向性結合器の場合、ある波長で実効屈折率差ΔＮＩ（∝δ）が十分小さくなるように光導波路の構造を決めても、波長が変化すると実効屈折率差が大きくなる場合がある。結合係数χが小さい場合、式（１），（２）よりそのずれの影響が顕著になり結合効率の波長依存性は大きくなる。よって、非対称方向性結合器の波長依存性を小さくする観点からはχは大きい方が好ましい。
また、波長の変化が大きくなるほど実効屈折率差ΔＮＩ（∝δ）は大きくなるため、結合係数χが大きいと、式（２），（４）から、広い波長帯域でＦが高い値を維持することができ、波長帯域拡大につながる。
ｓｉｎ２（ｑＬ）の項は、結合効率Ｔが方向性結合器における光導波路の長さＬに依存することを示し、Ｌによって光が一方の導波路から他方の導波路へ移ったり戻ったりすることを表現している。ある波長で、光が最も多く移るような長さは結合長（Ｌｃ）と呼ばれ、次式で表される。
Hereinafter, it will be described that the wavelength dependence of the asymmetric directional coupler depends on the coupling strength, that is, the coupling coefficient χ, based on the equations (1) to (5).
Expression (1) representing the coupling efficiency T is composed of F and sin 2 (qL), and each value varies depending on the wavelength.
As shown in the equation (2), F depends on the ratio of δ proportional to the effective refractive index difference to the coupling coefficient χ, and approaches F as the coupling coefficient χ increases, and the coupling efficiency increases.
In particular, in the case of an asymmetric directional coupler, even if the structure of the optical waveguide is determined so that the effective refractive index difference ΔN I (∝δ) becomes sufficiently small at a certain wavelength, the effective refractive index difference increases as the wavelength changes. There is. When the coupling coefficient χ is small, the influence of the deviation becomes significant from the equations (1) and (2), and the wavelength dependency of the coupling efficiency increases. Therefore, from the viewpoint of reducing the wavelength dependence of the asymmetric directional coupler, it is preferable that χ is large.
In addition, since the effective refractive index difference ΔN I (） δ) increases as the change in wavelength increases, if the coupling coefficient χ is large, the value of F is maintained high over a wide wavelength band from the equations (2) and (4). Can lead to expansion of the wavelength band.
The term sin 2 (qL) indicates that the coupling efficiency T depends on the length L of the optical waveguide in the directional coupler, and light is transferred from one waveguide to the other by L. It expresses that. The length at which light moves most at a certain wavelength is called the coupling length (Lc) and is expressed by the following equation.
ある波長においてＬ＝Ｌｃとすれば、式（１）のｓｉｎ２（ｑＬ）は１となり結合効率は高くなる。式（６）よりＬｃはχとδに依存し、波長によって変化するため（式（４）参照）、波長によってｓｉｎ２（ｑＬ）が１より小さくなってしまうのは避けられないが、波長に対するδの変化を小さくするか、χを大きくする、もしくはその両方が行えればδの影響は小さくなり波長依存性は改善される。
以上より、波長に対するδの変化が小さく、結合係数χが大きい方が、広い帯域にわたって結合効率が高く維持できることがわかる。
なお、δがχに対して小さくなるような場合を「位相が整合する」（または単に「位相整合」）と呼び、これが満たされているとき、モードは結合可能である、とする。
本発明で扱うモードの変換は、ＴＥｉとＴＥｊ（ｉ≠ｊ）、ＴＭｉとＴＭｊ（ｉ≠ｊ）、ＴＥｉとＴＭｊ（ｉ，ｊは同じでも異なっていてもいい）の変換を含む。
If L = Lc at a certain wavelength, sin 2 (qL) in equation (1) becomes 1, and the coupling efficiency increases. From equation (6), Lc depends on χ and δ and varies depending on the wavelength (see equation (4)), so it is inevitable that sin 2 (qL) becomes smaller than 1 depending on the wavelength, If the change in δ is reduced, χ is increased, or both, the influence of δ is reduced and the wavelength dependency is improved.
From the above, it can be seen that when the change in δ with respect to the wavelength is small and the coupling coefficient χ is large, the coupling efficiency can be maintained high over a wide band.
A case where δ is smaller than χ is referred to as “phase matching” (or simply “phase matching”), and when this is satisfied, the modes can be coupled.
The conversion of the modes handled in the present invention is TE i and TE j (i ≠ j), TM i and TM j (i ≠ j), TE i and TM j (i and j may be the same or different). Includes conversion.
続いて、リブ導波路を用いた非対称方向性結合器と、従来技術である矩形導波路を用いた非対称方向性結合器の特性を比較する。以降、実効屈折率は、有限要素法（ＦＥＭ：finite element method）によるシミュレーションによって求めている。
＜計算例１＞
図１に示すモード変換素子１０についてシミュレーションを行った。リブ部（光導波路１１、１２）の高さＨ１、Ｈ２は２２０ｎｍ、入力側光導波路１１の幅Ｗ１１は４００ｎｍ、スラブ部４の高さＨ４は９５ｎｍとした。
スラブ部４の幅Ｗ１４、Ｗ１５は、１．５μｍ以上とした。
スラブ部４の幅がこの範囲であると、入力側光導波路１１の基本ＴＥモードと出力側光導波路１２の高次ＴＥモードは、スラブ部４の幅変化の影響をほとんど受けない。このため、光導波領域２を「リブ導波路」とみなすことができる。
Next, the characteristics of the asymmetric directional coupler using the rib waveguide and the asymmetric directional coupler using the rectangular waveguide according to the prior art are compared. Thereafter, the effective refractive index is obtained by simulation using a finite element method (FEM).
<Calculation Example 1>
A simulation was performed on the mode conversion element 10 shown in FIG. The heights H1 and H2 of the rib portions (optical waveguides 11 and 12) were 220 nm, the width W11 of the input-side optical waveguide 11 was 400 nm, and the height H4 of the slab portion 4 was 95 nm.
The widths W14 and W15 of the slab part 4 were 1.5 μm or more.
When the width of the slab portion 4 is within this range, the basic TE mode of the input side optical waveguide 11 and the higher order TE mode of the output side optical waveguide 12 are hardly affected by the width change of the slab portion 4. For this reason, the optical waveguide region 2 can be regarded as a “rib waveguide”.
上部クラッドおよび下部クラッドはＳｉＯ２（屈折率：１．４４）製とし、光導波領域はＳｉ（屈折率：３．４７）製とした。光の波長は１５８０ｎｍとした。
出力側光導波路１２の幅Ｗ１２は、入力側光導波路１１の基本ＴＥモードと出力側光導波路１２の高次ＴＥモードの実効屈折率が近くなることを指標として、９５９ｎｍとした。実効屈折率を表１に示す。
The upper cladding and the lower cladding were made of SiO 2 (refractive index: 1.44), and the optical waveguide region was made of Si (refractive index: 3.47). The wavelength of light was 1580 nm.
The width W12 of the output-side optical waveguide 12 was set to 959 nm using as an index that the effective refractive index of the basic TE mode of the input-side optical waveguide 11 and the higher-order TE mode of the output-side optical waveguide 12 are close. The effective refractive index is shown in Table 1.
＜計算例２＞
図５に示す変換素子２１０であって、コア（矩形導波路）（コア２１１、２１２）の高さは２２０ｎｍとし、コア（矩形導波路）（コア２１１のみ）の幅は４００ｎｍとした。その他の条件は計算例１と同様とした。
コア２１２の幅は、入力側コア２１１の基本ＴＥモードと出力側コア２１２の高次ＴＥモードの実効屈折率が近くなるように定めた。具体的には、出力側光導波路２１２の幅は８３８ｎｍとした。
実効屈折率を表１に示す。
<Calculation Example 2>
In the conversion element 210 shown in FIG. 5, the height of the core (rectangular waveguide) (cores 211 and 212) was 220 nm, and the width of the core (rectangular waveguide) (only the core 211) was 400 nm. Other conditions were the same as those in Calculation Example 1.
The width of the core 212 was determined so that the effective refractive index of the basic TE mode of the input side core 211 and the higher order TE mode of the output side core 212 were close. Specifically, the output side optical waveguide 212 has a width of 838 nm.
The effective refractive index is shown in Table 1.
表１に示すように、計算例１（リブ導波路）、計算例２（矩形導波路）の実効屈折率差は同程度であった。 As shown in Table 1, the difference in effective refractive index between Calculation Example 1 (rib waveguide) and Calculation Example 2 (rectangular waveguide) was approximately the same.
実効屈折率は波長によって変化する。特に、幅が異なる光導波路の、異なるモードの実効屈折率は、光の波長に対する変化量が等しくない。
図６は、リブ導波路（図１参照）と、矩形導波路（図５参照）について、入力側光導波路の基本ＴＥモードと出力側光導波路の高次ＴＥモードとの実効屈折率の差から求めたδの絶対値と、光の波長との関係を示すグラフである。
この図より、リブ導波路、矩形導波路ともに、光の波長が１５８０ｎｍからずれるに従って、δの絶対値が大きくなっていることがわかる。このズレの量は、リブ導波路と矩形導波路で大きな差は見られない。
The effective refractive index varies with wavelength. In particular, the effective refractive indexes of different modes of optical waveguides having different widths do not have the same amount of change with respect to the wavelength of light.
FIG. 6 shows the difference in effective refractive index between the basic TE mode of the input side optical waveguide and the higher order TE mode of the output side optical waveguide for the rib waveguide (see FIG. 1) and the rectangular waveguide (see FIG. 5). It is a graph which shows the relationship between the absolute value of calculated | required (delta), and the wavelength of light.
From this figure, it is understood that the absolute value of δ increases as the wavelength of light deviates from 1580 nm in both the rib waveguide and the rectangular waveguide. There is no significant difference in the amount of deviation between the rib waveguide and the rectangular waveguide.
次に、リブ導波路と矩形導波路について、非対称方向性結合器における結合係数χを比較する。
結合係数χは次のようにして求めた。
結合長Ｌｃは、方向性結合器の断面（図１（ａ）および図５（ａ）を参照）のモード（いわゆるスーパーモード）を求めるときに得られる２つの実効屈折率の差ΔＮｓより求めることができる。
結合長Ｌｃは、ΔＮｓを用いて、式（７）で表すことができる。なお、理論的考察については、岡本勝就著「光導波路の基礎」（コロナ社）などを参照した。
Next, the coupling coefficient χ in the asymmetric directional coupler is compared between the rib waveguide and the rectangular waveguide.
The coupling coefficient χ was determined as follows.
The coupling length Lc is obtained from a difference ΔNs between two effective refractive indexes obtained when obtaining a mode (so-called super mode) of a cross section of the directional coupler (see FIG. 1A and FIG. 5A). Can do.
The bond length Lc can be expressed by Equation (7) using ΔNs. For theoretical considerations, see Okamoto's book "Basics of Optical Waveguide" (Corona).
式（６）、（７）より、結合係数χは次式で表される。 From equations (6) and (7), the coupling coefficient χ is expressed by the following equation.
ΔＮｓは、ＦＥＭによるシミュレーションによって求めることができる。
図７は、リブ導波路（図１参照）および矩形導波路（図５参照）について、入力側光導波路と出力側光導波路との間隔（ｇａｐ）と、非対称方向性結合器の結合係数χとの関係を示すグラフである。光の波長は１５８０ｎｍとした。
この図より、同じ間隔においてリブ導波路と矩形導波路を比べると、３５０ｎｍ以上の間隔においては、リブ導波路の結合係数χは、矩形導波路の結合係数χに比べ、２倍以上となっている。これは、リブ導波路では、矩形導波路に比べ、光がリブ部の外に拡がっているからである。
図８に、入力側光導波路と出力側光導波路との間隔を３５０ｎｍとしたときの、結合係数χの波長依存性を示す。この図より、１５２０〜１６４０ｎｍの広い波長帯域にわたり、矩形導波路に比べ、リブ導波路を用いた方が、大きな結合係数χをもつことがわかる。
ΔNs can be obtained by FEM simulation.
FIG. 7 shows the gap (gap) between the input-side optical waveguide and the output-side optical waveguide, the coupling coefficient χ of the asymmetric directional coupler, and the rib waveguide (see FIG. 1) and rectangular waveguide (see FIG. 5). It is a graph which shows the relationship. The wavelength of light was 1580 nm.
From this figure, when the rib waveguide and the rectangular waveguide are compared at the same interval, the coupling coefficient χ of the rib waveguide is more than twice the coupling coefficient χ of the rectangular waveguide at an interval of 350 nm or more. Yes. This is because light spreads out of the rib portion in the rib waveguide compared to the rectangular waveguide.
FIG. 8 shows the wavelength dependence of the coupling coefficient χ when the distance between the input side optical waveguide and the output side optical waveguide is 350 nm. From this figure, it can be seen that the rib waveguide has a larger coupling coefficient χ than the rectangular waveguide over a wide wavelength band of 1520 to 1640 nm.
リブ導波路（図１参照）および矩形導波路（図５参照）について、非対称方向性結合器の結合効率Ｔと、光の波長との関係を調べた。
入力側光導波路と出力側光導波路との間隔を３５０ｎｍとし、シミュレーションにはＦＥＭを用いた。結果を図９に示す。方向性結合器の光導波路の長さＬは、波長１５８０ｎｍのときの結合長Ｌｃとした。なお、ＬはＬｃよりも長くてもよいし、短くてもよい。導波路に関するパラメータは、図６と図８を求めたときと同じであるため、δとχはこれらの図と同じになる。これらから式（１）〜（３）を用いて結合効率Ｔを求めたものが図９となる。
この図より、矩形導波路による非対称方向性結合器の結合効率の最小値は、１５２０〜１６４０ｎｍまでの波長帯域で約−３．９６ｄＢであるのに対し、リブ導波路による方向性結合器の結合効率の増減幅は約−０．６６ｄＢとなることから、リブ導波路は、広い波長帯域にわたって高い結合効率をもっている。これは、矩形導波路よりも外部に光が浸み出しやすいリブ導波路構造を用いることで結合係数χを高めることができたためである。
Regarding the rib waveguide (see FIG. 1) and the rectangular waveguide (see FIG. 5), the relationship between the coupling efficiency T of the asymmetric directional coupler and the wavelength of light was examined.
The distance between the input side optical waveguide and the output side optical waveguide was set to 350 nm, and FEM was used for the simulation. The results are shown in FIG. The length L of the optical waveguide of the directional coupler was the coupling length Lc when the wavelength was 1580 nm. Note that L may be longer or shorter than Lc. Since the parameters relating to the waveguide are the same as those obtained in FIGS. 6 and 8, δ and χ are the same as those in these figures. FIG. 9 shows the coupling efficiency T obtained from the equations (1) to (3).
From this figure, the minimum value of the coupling efficiency of the asymmetric directional coupler by the rectangular waveguide is about −3.96 dB in the wavelength band from 1520 to 1640 nm, whereas the coupling of the directional coupler by the rib waveguide is Since the increase / decrease width of the efficiency is about −0.66 dB, the rib waveguide has a high coupling efficiency over a wide wavelength band. This is because the coupling coefficient χ can be increased by using a rib waveguide structure in which light is more likely to ooze out than the rectangular waveguide.
次数が異なるモード間で変換を行う非対称方向性結合器では、光の波長によっては結合対象の２つのモードの実効屈折率の差が大きくなるため、光の波長に応じて結合効率が大きく変化する。
これに対し、モード変換素子１０では、方向性結合器１８の入力側光導波路１１と出力側光導波路１２とがスラブ部４で接続された構造（リブ導波路）を採用することによって、図９に示すように、広い波長帯域にわたって高い結合効率を実現できる。
したがって、広い波長帯域で高い効率でモード変換を行うことができる。
In an asymmetric directional coupler that performs conversion between modes of different orders, the difference in effective refractive index between the two modes to be coupled increases depending on the wavelength of light, so that the coupling efficiency varies greatly depending on the wavelength of light. .
On the other hand, in the mode conversion element 10, by adopting a structure (rib waveguide) in which the input side optical waveguide 11 and the output side optical waveguide 12 of the directional coupler 18 are connected by the slab portion 4, FIG. As shown in FIG. 4, high coupling efficiency can be realized over a wide wavelength band.
Therefore, mode conversion can be performed with high efficiency in a wide wavelength band.
光導波路（特にシリコンからなる光導波路）では、製造プロセスによって起こる側壁荒れによる導波光の散乱を原因として、損失が生じることがある。特に、非対称方向性結合器において、結合を強めるために光導波路の幅を小さくすると、外部に浸み出す光が増加するため側壁荒れの影響を受けやすく、損失が生じやすい。
リブ導波路は、矩形導波路よりも側壁部分の面積が小さいため、この損失を小さくすることができる。リブ導波路は、側壁荒れの影響を小さくしつつ、光をリブ部から多く浸出させることができる。
In an optical waveguide (particularly an optical waveguide made of silicon), a loss may occur due to scattering of guided light due to side wall roughness caused by the manufacturing process. In particular, in an asymmetric directional coupler, if the width of the optical waveguide is reduced in order to increase the coupling, the amount of light that oozes out increases, so that it is susceptible to side wall roughness and loss is likely to occur.
Since the rib waveguide has a smaller side wall area than the rectangular waveguide, this loss can be reduced. The rib waveguide can allow a large amount of light to be leached from the rib portion while reducing the influence of the side wall roughness.
矩形導波路であっても、（１）隣接する導波路を互いに近接させる、または（２）導波路幅を小さくして光が浸み出す量を増やす、により導波路どうしの結合を強くすることができる。
しかし、（１）では、導波路どうしが近接しているため、エッチングにより導波路の隙間を形成する際の再現性が低くなり、導波路の形成精度が低くなるおそれがある。（２）では、導波路幅が小さいため（１）と同様に導波路形成の再現性が低くなり、導波路の形成精度が低くなるおそれがある。そのため、導波路間隔と導波路幅はある程度大きな値としたままで結合効率を向上することが望まれる。
モード変換素子１０では、リブ部３（光導波路１１、１２）どうしがスラブ部４で接続された構造（リブ導波路）を採用することによって、導波路間隔と導波路幅が大きくても高い結合効率が得られる。このため、光導波領域２を再現性よく、しかも高精度で形成することができ、製造プロセスの面でも有利である。
Even for rectangular waveguides, the coupling between the waveguides is strengthened by (1) making adjacent waveguides close to each other, or (2) reducing the waveguide width to increase the amount of light that oozes out. Can do.
However, in (1), since the waveguides are close to each other, the reproducibility when the gaps of the waveguides are formed by etching is lowered, and the waveguide formation accuracy may be lowered. In (2), since the waveguide width is small, the reproducibility of the waveguide formation becomes low as in (1), and the formation accuracy of the waveguide may be lowered. Therefore, it is desired to improve the coupling efficiency while keeping the waveguide interval and the waveguide width at a certain large value.
The mode conversion element 10 employs a structure (rib waveguide) in which the rib portions 3 (optical waveguides 11 and 12) are connected to each other by the slab portion 4 so that high coupling is achieved even when the waveguide interval and the waveguide width are large. Efficiency is obtained. For this reason, the optical waveguide region 2 can be formed with high reproducibility and high accuracy, which is advantageous in terms of the manufacturing process.
上述の例では、基本モードと高次ＴＥモードとの変換を想定しているが、本発明は、他のモード間の変換も可能である。例えば、ｉ番目に実効屈折率の高いＴＥモードをＴＥ（ｉ−１）とすると、ＴＥｉとＴＥｊと（ｉ，ｊ＞＝０かつｉ≠ｊ）のモードの実効屈折率差に比例するδを結合係数χよりも小さくすることで、効率的なモード変換が可能である。
また、ｉ番目に実効屈折率の高いＴＭモードをＴＭ（ｉ−１）とすると、本発明では、ＴＭｉとＴＭｊと（ｉ，ｊ＞＝０かつｉ≠ｊ）のモードの実効屈折率差に比例するδを結合係数χよりも小さくすることで、効率的なモード変換が可能である。
In the above example, conversion between the basic mode and the higher-order TE mode is assumed, but the present invention can also convert between other modes. For example, assuming that the TE mode with the i-th highest effective refractive index is TE (i−1) , it is proportional to the effective refractive index difference of the modes of TE i , TE j, and (i, j> = 0 and i ≠ j). By making δ smaller than the coupling coefficient χ, efficient mode conversion is possible.
Also, assuming that the TM mode with the i-th highest effective refractive index is TM (i−1) , in the present invention, the effective refractive index of the mode of TM i , TM j, and (i, j> = 0 and i ≠ j). By making δ proportional to the difference smaller than the coupling coefficient χ, efficient mode conversion is possible.
本発明は、モード多重にも対応できる。モード多重とは、異なるＴＥモードを同一の導波路に伝搬させることをいう。
出力側光導波路の基本ＴＥモードの実効屈折率は、入力側光導波路のどのモードの実効屈折率とも大きく離れている。例えば、波長１５８０ｎｍにおいて、図１に示すモード変換素子１０の出力側光導波路１２の基本ＴＥモードの実効屈折率は２．７３１８５１であるが、最も実効屈折率が近くなる入力側光導波路１１の基本ＴＥモードの実効屈折率は２．４５１３８７であり、ΔＮＩ＝０．２８０４６４となる。
入力側光導波路１１の基本ＴＥモードは、高次ＴＥモードよりも光の閉じ込めが強いことを考えると、基本ＴＥモードの結合係数は、高次ＴＥモードの結合係数よりも小さくなると考えられる。
そこで上限として、高次ＴＥモードの結合係数を用いて計算する。光導波路１１、１２の間隔を３５０ｎｍとすると、結合係数は０．０６９９０６０９６となる。
このとき、式（２）によりＦを求めると、０．０１５４７１０１４となり、光は、結合効率の上限値で約１．５％しか移らないことになる。この値は、実際は正確な結合係数や結合長等を考慮するとさらに下がるが、実効屈折率差が大きい、出力側光導波路１２の基本ＴＥモードは、ほとんど損失無く透過することがわかる。
すなわち、入力側光導波路１１に基本ＴＥモードを入力し、出力側光導波路１２にも同時に基本ＴＥモード（区別のため、基本ＴＥ’モードとする）を入力した場合、出力側光導波路１２の出力端では、基本ＴＥモードが変換された高次ＴＥモードと、基本ＴＥ’モードが多重された出力を得ることができる。
このことは、基本ＴＥモードに限らず、他のＴＥｉモード１でも実効屈折率に差がある場合（δが結合係数よりも十分小さい）に適用可能である。
なお、モード多重を行うには、図１０、図１１等に示すように、出力側光導波路１２の入力側に、ポート１２ａが接続されていることが必要である。
The present invention can also cope with mode multiplexing. Mode multiplexing refers to propagating different TE modes in the same waveguide.
The effective refractive index of the fundamental TE mode of the output side optical waveguide is far away from the effective refractive index of any mode of the input side optical waveguide. For example, at the wavelength of 1580 nm, the effective refractive index of the basic TE mode of the output-side optical waveguide 12 of the mode conversion element 10 shown in FIG. 1 is 2.731851, but the basic of the input-side optical waveguide 11 that has the closest effective refractive index. The effective refractive index of the TE mode is 2.451387, and ΔN I = 0.280464.
Considering that the fundamental TE mode of the input-side optical waveguide 11 is more confined in light than the higher order TE mode, the coupling coefficient of the fundamental TE mode is considered to be smaller than the coupling coefficient of the higher order TE mode.
Therefore, the upper limit is calculated using the coupling coefficient of the higher order TE mode. When the interval between the optical waveguides 11 and 12 is 350 nm, the coupling coefficient is 0.0699906096.
At this time, when F is calculated by the equation (2), it becomes 0.0154771014, and the light moves only about 1.5% at the upper limit value of the coupling efficiency. This value actually decreases further when an accurate coupling coefficient, coupling length, and the like are taken into consideration, but it can be seen that the fundamental TE mode of the output-side optical waveguide 12 having a large effective refractive index difference transmits almost without loss.
That is, when the basic TE mode is input to the input-side optical waveguide 11 and the basic TE mode is also input to the output-side optical waveguide 12 at the same time (the basic TE ′ mode for distinction), the output of the output-side optical waveguide 12 At the end, it is possible to obtain an output in which the high-order TE mode converted from the basic TE mode and the basic TE ′ mode are multiplexed.
This is applicable not only to the basic TE mode but also to other TE i modes 1 when there is a difference in effective refractive index (δ is sufficiently smaller than the coupling coefficient).
In order to perform mode multiplexing, it is necessary that the port 12a be connected to the input side of the output side optical waveguide 12, as shown in FIGS.
本発明では、入力側光導波路には、ｎ番目（ｎは自然数）に実効屈折率が大きいＴＥモードである（ｎ−１）次モードが導波し、出力側光導波路には、ｍ番目（ｍは自然数。ｍ＞ｎ）に実効屈折率が大きいＴＥモードである（ｍ−１）次モードが導波することが好ましい。
例えば、入力側光導波路には０次モードが導波し、かつ前記出力側光導波路には１次モードが導波することが好ましい。
In the present invention, the (n-1) th order mode, which is the TE mode having an effective refractive index nth (n is a natural number), is guided to the input side optical waveguide, and the mth ( m is a natural number, and it is preferable that (m-1) order mode which is a TE mode having a large effective refractive index is guided by m> n).
For example, it is preferable that a zero-order mode is guided in the input-side optical waveguide, and a first-order mode is guided in the output-side optical waveguide.
以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。
＜実施例１＞
実施例１のモード変換素子１０は、図１に示す構造を有する。
本実施例のモード変換素子１０は、ＳＯＩ基板の中間のＳｉＯ２層を下部クラッドとし、Ｓｉ層を光導波領域２として用いる。光導波領域２の形成後、上部クラッドとしてＳｉＯ２層を設けることができる。クラッドの材料であるＳｉＯ２の屈折率は１．４４、光導波領域の材料であるＳｉの屈折率は３．４８とした。
入力側光導波路１１のリブ部３の高さは２２０ｎｍ、幅は４００ｎｍとする。出力側光導波路１２のリブ部３の高さは２２０ｎｍ、幅は９５９ｎｍとする。方向性結合器１８における入力側光導波路１１と出力側光導波路１２との間隔は３５０ｎｍとする。スラブ部４の高さは９５ｎｍとする。
このモード変換素子１０では、広い波長域にわたって結合係数χを大きくでき、高い結合効率Ｔが得られる。
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples.
<Example 1>
The mode conversion element 10 of Example 1 has the structure shown in FIG.
In the mode conversion element 10 of this embodiment, the middle SiO 2 layer of the SOI substrate is used as the lower cladding, and the Si layer is used as the optical waveguide region 2. After the optical waveguide region 2 is formed, a SiO 2 layer can be provided as an upper clad. The refractive index of SiO 2 that is the cladding material was 1.44, and the refractive index of Si that was the material of the optical waveguide region was 3.48.
The height of the rib portion 3 of the input side optical waveguide 11 is 220 nm and the width is 400 nm. The height of the rib portion 3 of the output side optical waveguide 12 is 220 nm and the width is 959 nm. The interval between the input side optical waveguide 11 and the output side optical waveguide 12 in the directional coupler 18 is 350 nm. The height of the slab part 4 is 95 nm.
In this mode conversion element 10, the coupling coefficient χ can be increased over a wide wavelength range, and a high coupling efficiency T can be obtained.
＜実施例２＞
図１０に、モード変換素子１０の変形例であるモード変換素子１０Ａを示す。
モード変換素子１０Ａは、方向性結合器１８の入力側光導波路１１の両端に、それぞれ曲がり導波路８ａ、８ｂが形成され、出力側光導波路１２の両端に、それぞれ曲がり導波路９ａ、９ｂが形成されている。
導波方向の一方側では、入力側光導波路１１に接続された曲がり導波路８ａと出力側光導波路１２に接続された曲がり導波路９ａとが、方向性結合器１８に向かって互いに接近している。
導波方向の他方側では、入力側光導波路１１に接続された曲がり導波路８ｂと出力側光導波路１２に接続された曲がり導波路９ｂとが、方向性結合器１８から離れる方向に互いに離間する。
曲がり導波路８ａ、８ｂ、９ａ、９ｂの形成によって、２つの導波路を徐々に接近／離間することができ、不要な光の反射を抑えることができる。
曲がり導波路８ａ、８ｂ、９ａ、９ｂは、入力側光導波路１１及び出力側光導波路１２のいずれか一方のみに設けてもよく、また、入力側光導波路１１又は出力側光導波路１２の一方側および他方側のいずれかのみに設けてもよい。曲がり導波路を設けない場合には、方向性結合器１８の各光導波路から直線状に光導波路を延長することができる。
<Example 2>
FIG. 10 shows a mode conversion element 10 </ b> A that is a modification of the mode conversion element 10.
In the mode conversion element 10A, bent waveguides 8a and 8b are formed at both ends of the input side optical waveguide 11 of the directional coupler 18, and bent waveguides 9a and 9b are formed at both ends of the output side optical waveguide 12, respectively. Has been.
On one side of the waveguide direction, the bent waveguide 8a connected to the input-side optical waveguide 11 and the bent waveguide 9a connected to the output-side optical waveguide 12 approach each other toward the directional coupler 18. Yes.
On the other side in the waveguide direction, the bent waveguide 8b connected to the input side optical waveguide 11 and the bent waveguide 9b connected to the output side optical waveguide 12 are separated from each other in a direction away from the directional coupler 18. .
By forming the bent waveguides 8a, 8b, 9a, and 9b, the two waveguides can be gradually approached / separated, and unnecessary light reflection can be suppressed.
The bent waveguides 8a, 8b, 9a, and 9b may be provided in only one of the input side optical waveguide 11 and the output side optical waveguide 12, or one side of the input side optical waveguide 11 or the output side optical waveguide 12. And may be provided only on the other side. When a bent waveguide is not provided, the optical waveguide can be extended linearly from each optical waveguide of the directional coupler 18.
＜実施例３＞
図１１は、モード変換素子１０と、高次偏波変換素子１０１とを組み合わせた光導波路素子の一例を示す。
入力側光導波路１１に接続される入力側の導波路を第１のポート１１ａとし、出力側光導波路１２の入力側に接続される導波路を第２のポート１２ａとする。出力側光導波路１２の出力側にある第３のポート１２ｂは、高次偏波変換素子１０１に接続される。
図１２に示すように、高次偏波変換素子１０１は、コア１０２と、屈折率がコアよりも低い下部クラッド１０３と、屈折率がコア１０２より低い上部クラッド１０４とを有する。コア１０２は例えばＳｉからなる。下部クラッド１０３は例えばＳｉＯ２からなる。上部クラッド１０４は例えば空気からなる。上部クラッド１０４と下部クラッド１０３が互いに異なる屈折率を持つことで、高次偏波変換が可能となる。
図１２（ａ）に示すように、コア１０２は、幅が光導波路１１の光の導波方向に連続的に減少するテーパ状に形成されている。
<Example 3>
FIG. 11 shows an example of an optical waveguide element in which the mode conversion element 10 and the high-order polarization conversion element 101 are combined.
An input-side waveguide connected to the input-side optical waveguide 11 is a first port 11a, and a waveguide connected to the input-side of the output-side optical waveguide 12 is a second port 12a. The third port 12 b on the output side of the output side optical waveguide 12 is connected to the high-order polarization conversion element 101.
As shown in FIG. 12, the high-order polarization conversion device 101 includes a core 102, a lower clad 103 having a refractive index lower than that of the core, and an upper clad 104 having a refractive index lower than that of the core 102. The core 102 is made of Si, for example. The lower cladding 103 is made of, for example, SiO 2 . The upper clad 104 is made of air, for example. Since the upper clad 104 and the lower clad 103 have different refractive indexes, higher-order polarization conversion is possible.
As shown in FIG. 12A, the core 102 is formed in a tapered shape whose width continuously decreases in the light guiding direction of the optical waveguide 11.
図１１に示すように、出力側光導波路１２の出力側には、出力側光導波路１２から延出する方向に、スラブ部４の幅が徐々に減少するテーパ状のテーパ領域１９が形成されている。テーパ領域１９では、スラブ部４の幅は徐々に減少し、延出方向の端部１９ａではスラブ部４がなくなり光導波領域２は断面矩形となる。 As shown in FIG. 11, on the output side of the output side optical waveguide 12, a tapered region 19 having a tapered shape in which the width of the slab part 4 gradually decreases in the direction extending from the output side optical waveguide 12 is formed. Yes. In the taper region 19, the width of the slab portion 4 gradually decreases, and the end portion 19 a in the extending direction loses the slab portion 4, and the optical waveguide region 2 has a rectangular cross section.
図示例のテーパ領域１９は、スラブ部４の幅が延出方向に減少する一方、リブ部３の幅は長さ方向に一定であるが、テーパ領域は、リブ部が延出方向に幅が徐々に減少するテーパ状であってもよい。
すなわち、テーパ領域は、リブ部および／またはスラブ部の幅が延出方向に行くほど減少するテーパ状としてよい。
また、図示例のテーパ領域１９は、出力側光導波路１２に形成されているが、入力側光導波路１１に形成してもよい。すなわち、テーパ領域１９は、入力側光導波路１１と出力側光導波路１２の一方または両方に形成することができる。
テーパ領域１９は、リブ部および／またはスラブ部の幅が延出方向に全長にわたって徐々に減少する形状であることが好ましいが、長さ方向の一部に、一定幅の部分、または延出方向に幅が増加する部分を含んでいてもよい。
In the taper region 19 in the illustrated example, the width of the slab portion 4 decreases in the extending direction, while the width of the rib portion 3 is constant in the length direction, but in the tapered region, the width of the rib portion extends in the extending direction. The taper may gradually decrease.
That is, the taper region may have a tapered shape in which the width of the rib portion and / or the slab portion decreases as it goes in the extending direction.
In the illustrated example, the tapered region 19 is formed in the output side optical waveguide 12, but may be formed in the input side optical waveguide 11. That is, the tapered region 19 can be formed in one or both of the input side optical waveguide 11 and the output side optical waveguide 12.
The taper region 19 preferably has a shape in which the width of the rib portion and / or the slab portion gradually decreases over the entire length in the extending direction. However, the taper region 19 has a constant width portion or an extending direction in a part of the length direction. A portion where the width increases may be included.
テーパ領域１９は、リブ部および／またはスラブ部が延出方向に幅が減少する形状に限らず、同方向にリブ部および／またはスラブ部が延出方向に幅が増加する形状であってもよい。
なお、テーパ領域１９は、実施例１、２についても、光導波路１１、１２のいずれか一方または両方に形成することができる。
The taper region 19 is not limited to a shape in which the width of the rib portion and / or slab portion decreases in the extending direction, but may be a shape in which the width of the rib portion and / or slab portion increases in the extending direction in the same direction. Good.
In addition, the taper area | region 19 can be formed in any one or both of the optical waveguides 11 and 12 also about Example 1,2.
この光導波路素子は、基本ＴＥモードを非対称方向性結合器１８によって高次ＴＥモードに変換し、高次ＴＥモードを高次偏波変換素子１０１によって基本ＴＭモードに変換することができる。
高次偏波変換素子１０１は基本ＴＥモードには影響を与えないため、第１のポート１１ａと第２のポート１２ａへ同時に基本ＴＥモードを入力すると、高次偏波変換素子１０１の出力側から、基本ＴＥモードと基本ＴＭモードとが合波した出力が得られる。これにより、偏波多重を行うための素子として用いることが可能である。
In this optical waveguide element, the basic TE mode can be converted into a high-order TE mode by the asymmetric directional coupler 18, and the high-order TE mode can be converted into the basic TM mode by the high-order polarization conversion element 101.
Since the high-order polarization conversion element 101 does not affect the basic TE mode, if the basic TE mode is input to the first port 11a and the second port 12a at the same time, from the output side of the high-order polarization conversion element 101 An output in which the basic TE mode and the basic TM mode are combined is obtained. Thus, it can be used as an element for performing polarization multiplexing.
＜実施例４＞
図１３は、モード変換素子１０と、高次偏波変換素子１１１とを組み合わせた光導波路素子の他の例を示す。
高次偏波変換素子１１１は、出力側光導波路１２の出力側にある第３のポート１２ｂに接続される。
図１４に示すように、高次偏波変換素子１１１は、コア１１２が、下部コア１１４と上部コア１１３からなり、上部コア１１３の幅又は下部コア１１４は、幅が光導波路１１の光の導波方向に連続的に減少するテーパ状に形成されている。
開始部１１８は、実効屈折率の大きさが基本ＴＥモード、高次ＴＥモード、基本ＴＭモードの順に小さくなるような３つ以上のモードを持つ。終了部１１９は、実効屈折率の大きさが基本ＴＥモード、基本ＴＭモード、高次ＴＥモードの順に小さくなるような３つ以上のモードを持つ。
開始部１１８と終了部１１９との間の光導波路１のコア形状が、上部コア１１３の幅と下部コア１１４の幅が異なる上下非対称な構造を有する。
高次偏波変換素子１１１では、開始部１１８の高次ＴＥモードと終了部１１９の基本ＴＭモードとの間で偏波変換できる。
高次偏波変換素子１１１では、上部クラッド１１４と下部クラッド１１３は屈折率が同じでもよい。下部クラッド１１３および上部クラッド１１４は例えばＳｉＯ２からなる。光導波領域２は例えばＳｉからなる。
高次偏波変換素子１１１は、幅が広い下部コア１１４が形成される。下部コア１１４は、モード変換素子１０のスラブ部４に一体的に形成することができる。
<Example 4>
FIG. 13 shows another example of an optical waveguide element in which the mode conversion element 10 and the high-order polarization conversion element 111 are combined.
The high-order polarization conversion element 111 is connected to the third port 12 b on the output side of the output side optical waveguide 12.
As shown in FIG. 14, the high-order polarization conversion element 111 has a core 112 composed of a lower core 114 and an upper core 113, and the width of the upper core 113 or the width of the lower core 114 is a light guide of the optical waveguide 11. It is formed in a tapered shape that continuously decreases in the wave direction.
The starter 118 has three or more modes in which the effective refractive index decreases in the order of the basic TE mode, the higher-order TE mode, and the basic TM mode. The end unit 119 has three or more modes in which the magnitude of the effective refractive index decreases in the order of the basic TE mode, the basic TM mode, and the higher order TE mode.
The core shape of the optical waveguide 1 between the start portion 118 and the end portion 119 has a vertically asymmetric structure in which the width of the upper core 113 and the width of the lower core 114 are different.
The high-order polarization conversion element 111 can perform polarization conversion between the high-order TE mode of the start unit 118 and the basic TM mode of the end unit 119.
In the high-order polarization conversion element 111, the upper cladding 114 and the lower cladding 113 may have the same refractive index. The lower clad 113 and the upper clad 114 are made of, for example, SiO 2 . The optical waveguide region 2 is made of Si, for example.
The high-order polarization conversion element 111 is formed with a wide lower core 114. The lower core 114 can be formed integrally with the slab portion 4 of the mode conversion element 10.
この光導波路素子は、基本ＴＥモードを非対称方向性結合器１８によって高次ＴＥモードに変換し、高次ＴＥモードを高次偏波変換素子１１１によって基本ＴＭモードに変換することができる。
高次偏波変換素子１１１は基本ＴＥモードには影響を与えないため、第１のポート１１ａと第２のポート１２ａへ同時に基本ＴＥモードを入力すると、高次偏波変換素子１１１の出力側から、基本ＴＥモードと基本ＴＭモードとが合波した出力が得られる。これにより、偏波多重を行うための素子として用いることが可能である。
In this optical waveguide element, the basic TE mode can be converted into a high-order TE mode by the asymmetric directional coupler 18, and the high-order TE mode can be converted into a basic TM mode by the high-order polarization conversion element 111.
Since the high-order polarization conversion element 111 does not affect the basic TE mode, if the basic TE mode is input to the first port 11a and the second port 12a at the same time, from the output side of the high-order polarization conversion element 111 An output in which the basic TE mode and the basic TM mode are combined is obtained. Thus, it can be used as an element for performing polarization multiplexing.
図１５は、本発明のモード変換素子の第２の実施形態であるモード変換素子５０を示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
モード変換素子５０は、光導波領域２に代えて光導波領域５２を有する点で、図１等に示すモード変換素子１０と異なる。光導波領域５２は、スラブ部４が外方延出領域１４、１５を備えておらず、中間領域１３のみからなる。
光導波領域５２は、リブ部３の幅方向の一方側（内方側）にのみスラブ部４を有する構造（半リブ導波路）であり、入力側光導波路１１および出力側光導波路１２の長さ方向の一部は、互いに並設されて方向性結合器５８（非対称方向性結合器）を構成している。
FIG. 15 shows a mode conversion element 50 which is a second embodiment of the mode conversion element of the present invention, in which (a) is a plan view and (b) is a cross-sectional view.
The mode conversion element 50 differs from the mode conversion element 10 shown in FIG. 1 and the like in that it has an optical waveguide region 52 instead of the optical waveguide region 2. In the optical waveguide region 52, the slab portion 4 does not include the outwardly extending regions 14 and 15, and includes only the intermediate region 13.
The optical waveguide region 52 has a structure (semi-rib waveguide) having the slab portion 4 only on one side (inward side) in the width direction of the rib portion 3, and the length of the input side optical waveguide 11 and the output side optical waveguide 12. A part of the vertical direction is arranged side by side to constitute a directional coupler 58 (asymmetric directional coupler).
図１６は、半リブ導波路を有する光導波路の基本ＴＥモードの電界分布の一例である。この例では、上部クラッドおよび下部クラッドはＳｉＯ２（屈折率：１．４４）からなり、光導波領域はＳｉ（屈折率：３．４７）からなる。リブ部の高さは２２０ｎｍ、リブ部の幅は４００ｎｍ、スラブ部の高さは９５ｎｍとし、光の波長は１５８０ｎｍとした。
リブ導波路の基本ＴＥモードの電界分布（図２）と比較すると、半リブ導波路では、幅方向の一方側にのみスラブ部を持つことから、リブ導波路に比べ一方の幅方向への浸み出しが大きくなり、非対称方向性結合器としての結合が向上する。これは以下の理由による。
半リブ導波路では、スラブ部が存在する一方側の屈折率分布は、他方側に比べ、実効的にコアとクラッドの屈折率差が小さくなる。コアとクラッドの屈折率差が小さい場合、一般的に光の閉じ込めは弱くなるため、スラブ部を有する方に多くの光が浸み出すことになる。
一方、両方にスラブ部を有する通常のリブ導波路では、左右両方へ同程度の光の浸み出しが生じる。
FIG. 16 is an example of an electric field distribution in the basic TE mode of an optical waveguide having a half-rib waveguide. In this example, the upper clad and the lower clad are made of SiO 2 (refractive index: 1.44), and the optical waveguide region is made of Si (refractive index: 3.47). The height of the rib portion was 220 nm, the width of the rib portion was 400 nm, the height of the slab portion was 95 nm, and the wavelength of light was 1580 nm.
Compared with the electric field distribution of the basic TE mode of the rib waveguide (FIG. 2), the half-rib waveguide has a slab portion only on one side in the width direction, so that it is immersed in one width direction compared to the rib waveguide. The protrusion is increased, and the coupling as an asymmetric directional coupler is improved. This is due to the following reason.
In the half-rib waveguide, the refractive index distribution on one side where the slab portion exists is effectively smaller in the refractive index difference between the core and the clad than on the other side. When the refractive index difference between the core and the clad is small, light confinement is generally weakened, so that much light oozes out toward the side having the slab portion.
On the other hand, in a normal rib waveguide having both slab portions, the same amount of light oozes out to both the left and right.
図１６および図２より、半リブ導波路と、これと同じ幅のリブ部を持つリブ導波路とについて、基本ＴＥモードの幅方向（ｘ方向）の成分（Ｅｘ成分とする）が確認できる。
これらより、リブ導波路では左右両方向に光が浸み出しているのに対して、半リブ導波路ではスラブ部を有する側にだけ光の浸み出しが生じていることがわかる。そのため、非対称方向性結合器を構成する導波路として考えた場合、半リブ導波路では、隣接する導波路が存在しない側の光の浸み出しが少なくなる。よって、半リブ導波路を用いた非対称方向性結合器構造は、結合を高める点で優位であり、波長帯域拡大が可能となる。
From FIG. 16 and FIG. 2, the component in the width direction (x direction) of the basic TE mode (ex component) can be confirmed for the half-rib waveguide and the rib waveguide having the rib portion having the same width.
From these, it can be seen that light oozes out in both the left and right directions in the rib waveguide, whereas light oozes out only on the side having the slab portion in the half-rib waveguide. Therefore, when considered as a waveguide constituting an asymmetric directional coupler, the semi-rib waveguide is less likely to ooze light on the side where no adjacent waveguide exists. Therefore, the asymmetric directional coupler structure using the half-rib waveguide is advantageous in that the coupling is enhanced, and the wavelength band can be expanded.
図１７（ｂ）は、リブ部３の幅方向の一方にスラブ部４を有する半リブ導波路（図１７（ａ）参照）における基本ＴＥモードの実効屈折率と、スラブ部４の幅Ｗ２との関係を示すグラフである。
図１７（ｂ）をみると、スラブ部４の幅が１μｍ以上の範囲では、実効屈折率はほとんど変化しなくなっている。これは、基本ＴＥモードの電界は主に光導波領域のリブ部に分布しているため、スラブ部の幅が十分に大きくなると、スラブ部の幅変化が基本ＴＥモードの電界へ及ぼす影響が非常に小さくなることを示している。
そのため、この例では、スラブ部の幅を１μｍ以上とすることで、この光導波領域を半リブ導波路とみなすことができる。ただし、スラブ部の幅が１μｍより小さい場合であっても０μｍより大きい場合は、スラブ部へ光が浸み出す。このため、このような導波路構造でも本発明の効果を発揮する。このことは、図１７（ａ）に示す光導波路構造、または取り扱うモードに限らず、一般的な光導波路やモードでも成り立つ。
FIG. 17B shows the effective refractive index of the basic TE mode in the half-rib waveguide (see FIG. 17A) having the slab part 4 on one side in the width direction of the rib part 3, and the width W2 of the slab part 4. It is a graph which shows the relationship.
As shown in FIG. 17B, the effective refractive index hardly changes in the range where the width of the slab portion 4 is 1 μm or more. This is because the electric field of the basic TE mode is mainly distributed in the rib portion of the optical waveguide region, so if the width of the slab portion becomes sufficiently large, the influence of the change in the width of the slab portion on the electric field of the basic TE mode is very large. It shows that it becomes smaller.
Therefore, in this example, the optical waveguide region can be regarded as a half-rib waveguide by setting the width of the slab portion to 1 μm or more. However, even if the width of the slab portion is smaller than 1 μm, if it is larger than 0 μm, light oozes out into the slab portion. For this reason, the effect of the present invention is exhibited even with such a waveguide structure. This is not limited to the optical waveguide structure shown in FIG. 17A or the mode to be handled, but also holds in general optical waveguides and modes.
続いて、半リブ導波路を用いた非対称方向性結合器と、リブ導波路を用いた非対称方向性結合器の特性を比較する。
＜計算例３＞
図１５に示すモード変換素子５０についてシミュレーションを行った。リブ部（光導波路１１、１２）の高さ、入力側光導波路１１の幅、スラブ部４の高さは計算例１に準じて定めた。
光の波長は１５８０ｎｍとした。
出力側光導波路１２の幅は、入力側光導波路１１の基本ＴＥモードと出力側光導波路１２の高次ＴＥモードの実効屈折率が近くなるように定めた。具体的には、出力側光導波路１２の幅は９０５ｎｍとした。
有限要素法（ＦＥＭ）によるシミュレーションによって得られた実効屈折率を表２に示す。
表２には、表１に示す計算例１（リブ導波路）の結果を併せて示す。
Next, the characteristics of the asymmetric directional coupler using the semi-rib waveguide and the asymmetric directional coupler using the rib waveguide are compared.
<Calculation Example 3>
A simulation was performed on the mode conversion element 50 shown in FIG. The height of the rib portions (optical waveguides 11 and 12), the width of the input-side optical waveguide 11, and the height of the slab portion 4 were determined according to Calculation Example 1.
The wavelength of light was 1580 nm.
The width of the output side optical waveguide 12 was determined so that the effective refractive index of the basic TE mode of the input side optical waveguide 11 and the higher order TE mode of the output side optical waveguide 12 were close. Specifically, the width of the output side optical waveguide 12 was set to 905 nm.
Table 2 shows the effective refractive index obtained by the simulation by the finite element method (FEM).
Table 2 also shows the results of Calculation Example 1 (rib waveguide) shown in Table 1.
表２に示すように、計算例３（半リブ導波路）、計算例１（リブ導波路）の実効屈折率差は同程度であった。 As shown in Table 2, the difference in effective refractive index between Calculation Example 3 (half-rib waveguide) and Calculation Example 1 (rib waveguide) was about the same.
実効屈折率は波長によって変化する。特に、幅が異なる光導波路の、異なるモードの実効屈折率は、光の波長に対する変化量は等しくない。
式（４）より、実効屈折率差はδに比例するため、波長変化に対して、δが増加することになる。
The effective refractive index varies with wavelength. In particular, the effective refractive indexes of different modes of optical waveguides having different widths do not have the same amount of change with respect to the wavelength of light.
From Equation (4), since the effective refractive index difference is proportional to δ, δ increases with wavelength change.
図１８は、半リブ導波路（図１５参照）と、リブ導波路（図１参照）について、入力側光導波路の基本ＴＥモードと出力側光導波路の高次ＴＥモードとの実効屈折率の差から計算されるδの絶対値と、光の波長との関係を示すグラフである。
この図より、半リブ導波路、リブ導波路ともに波長が１５８０ｎｍからずれるに従って、δの絶対値が大きくなっていることが分かる。このズレの量は、半リブ導波路とリブ導波路で大きな差は見られない。
18 shows the difference in effective refractive index between the basic TE mode of the input-side optical waveguide and the higher-order TE mode of the output-side optical waveguide for the half-rib waveguide (see FIG. 15) and the rib waveguide (see FIG. 1). 5 is a graph showing the relationship between the absolute value of δ calculated from λ and the wavelength of light.
From this figure, it can be seen that the absolute value of δ increases as the wavelength shifts from 1580 nm in both the half-rib waveguide and the rib waveguide. There is no significant difference in the amount of deviation between the half-rib waveguide and the rib waveguide.
なお、対称な方向性結合器による同モードの結合を取り扱う場合は（非特許文献３を参照）、波長変化や、隣接する導波路の寸法が同様に変動するタイプの製造誤差を考慮しても、δは常にゼロになる。
一方で、非対称方向性結合器において結合係数χを高める構造は、新たにδが非ゼロになるという問題をはらみ、対称な方向性結合器の取り扱いとは大きく異なる。そのため、非対称方向性結合器において結合係数χを高めるという観点は、対称な方向性結合器において結合係数χを高めるという観点とは異なる内容（波長変化で増加するδに対して、結合係数χを大きくすることで結合効率を高めるという内容）を含み、これを解決するために、リブ導波路または半リブ構造を導入することは、当業者の予測範囲を越える技術思想であるといえる。
When handling the same-mode coupling by a symmetric directional coupler (see Non-Patent Document 3), it is possible to take into account manufacturing errors of the type in which the wavelength change and the dimensions of adjacent waveguides fluctuate similarly. , Δ is always zero.
On the other hand, the structure for increasing the coupling coefficient χ in the asymmetric directional coupler is greatly different from the handling of the symmetric directional coupler, with the problem that δ is newly non-zero. Therefore, the viewpoint of increasing the coupling coefficient χ in the asymmetric directional coupler is different from the viewpoint of increasing the coupling coefficient χ in the symmetric directional coupler (the coupling coefficient χ is set to δ that increases with wavelength change). Introducing a rib waveguide or a semi-rib structure in order to solve this problem can be said to be a technical idea that exceeds the prediction range of those skilled in the art.
次に、リブ導波路と半リブ導波路について、非対称方向性結合器における結合係数χを比較する。
結合係数χは次のようにして求めた。
結合長Ｌｃは、方向性結合器の断面（図１５（ｂ）および図１（ｂ））のモード（いわゆるスーパーモード）を求めるときに得られる２つの実効屈折率の差ΔＮｓより求めることができる。
上述のように、結合長Ｌｃは式（７）で表すことができる。ΔＮｓは有限要素法（ＦＥＭ）によるシミュレーションによって求めことができる。
Next, the coupling coefficient χ in the asymmetric directional coupler is compared between the rib waveguide and the half-rib waveguide.
The coupling coefficient χ was determined as follows.
The coupling length Lc can be obtained from the difference ΔNs between the two effective refractive indexes obtained when obtaining the mode (so-called super mode) of the cross section of the directional coupler (FIG. 15B and FIG. 1B). .
As described above, the bond length Lc can be expressed by Equation (7). ΔNs can be obtained by simulation by a finite element method (FEM).
図１９は、半リブ導波路（図１５参照）およびリブ導波路（図１参照）について、入力側光導波路と出力側光導波路との間隔（ｇａｐ）と、非対称方向性結合器の結合係数χとの関係を示すグラフである。光の波長は１５８０ｎｍとした。
この図より、同じ間隔において半リブ導波路とリブ導波路を比べると、４００ｎｍ以上の間隔においては、半リブ導波路の結合係数χは、リブ導波路の結合係数χに比べ、２倍以上となっているとわかる。これは、半リブ導波路では、リブ導波路に比べ、光が隣接する導波路へ効率的に結合しているためである。
FIG. 19 shows the gap (gap) between the input-side optical waveguide and the output-side optical waveguide and the coupling coefficient χ of the asymmetric directional coupler for the half-rib waveguide (see FIG. 15) and the rib waveguide (see FIG. 1). It is a graph which shows the relationship. The wavelength of light was 1580 nm.
From this figure, comparing the half-rib waveguide and the rib waveguide at the same interval, the coupling coefficient χ of the half-rib waveguide is more than twice the coupling coefficient χ of the rib waveguide at the interval of 400 nm or more. I understand that it is. This is because light is efficiently coupled to the adjacent waveguide in the half-rib waveguide compared to the rib waveguide.
図２０は、半リブ導波路（図１５参照）およびリブ導波路（図１参照）について、非対称方向性結合器の結合係数χと、光の波長との関係を示すグラフであり、図２１は、結合効率Ｔと、光の波長との関係を示すグラフである。
入力側光導波路と出力側光導波路との間隔は５００ｎｍとし、シミュレーションにはＦＥＭを用いた。方向性結合器の光導波路の長さＬは、波長１５８０ｎｍのときの結合長Ｌｃとした。具体的には、半リブ導波路のＬｃは２２．３μｍとし、リブ導波路は４６．８μｍとした。
図２０より、半リブ導波路による非対称方向性結合器では、リブ導波路よりも大きな結合係数χが得られたことがわかる。
また、図２１より、リブ導波路による非対称方向性結合器の結合効率の最小値は、１５２０〜１６４０ｎｍまでの波長帯域で約−１．８３ｄＢであるのに対し、半リブ導波路による方向性結合器の結合効率の増減幅は約−１．３２ｄＢとなり、広い波長帯域にわたって高い結合効率を示すことがわかる。これは、半リブ導波路では、リブ導波路よりも効率的に隣接する導波路へと光が浸み出すためである。
FIG. 20 is a graph showing the relationship between the coupling coefficient χ of the asymmetric directional coupler and the wavelength of light for the half-rib waveguide (see FIG. 15) and the rib waveguide (see FIG. 1). 4 is a graph showing the relationship between coupling efficiency T and the wavelength of light.
The distance between the input side optical waveguide and the output side optical waveguide was 500 nm, and FEM was used for the simulation. The length L of the optical waveguide of the directional coupler was the coupling length Lc when the wavelength was 1580 nm. Specifically, the Lc of the half-rib waveguide was 22.3 μm, and the rib waveguide was 46.8 μm.
As can be seen from FIG. 20, in the asymmetric directional coupler using the semi-rib waveguide, a larger coupling coefficient χ than that of the rib waveguide was obtained.
Further, from FIG. 21, the minimum value of the coupling efficiency of the asymmetric directional coupler by the rib waveguide is about −1.83 dB in the wavelength band from 1520 to 1640 nm, whereas the directional coupling by the half rib waveguide. The increase / decrease width of the coupling efficiency of the device is about −1.32 dB, which shows that the coupling efficiency is high over a wide wavelength band. This is because in the half-rib waveguide, light oozes out into the adjacent waveguide more efficiently than the rib waveguide.
半リブ導波路を用いた方向性結合器５８は、結合係数χが高いため、結合長Ｌｃが短くなり、リブ導波路による非対称方向性結合器に比べ小型化することができる。このことは、上述の例において、半リブ導波路の結合長Ｌｃが２２．３μｍであり、リブ導波路における結合長Ｌｃ（４６．８μｍ）の約半分であったことから明らかである。 Since the directional coupler 58 using the semi-rib waveguide has a high coupling coefficient χ, the coupling length Lc is shortened, and the size can be reduced as compared with the asymmetric directional coupler using the rib waveguide. This is clear from the fact that the coupling length Lc of the half-rib waveguide is 22.3 μm in the above example, which is about half of the coupling length Lc (46.8 μm) of the rib waveguide.
実効屈折率差に比例するδは、波長変化だけでなく、導波路幅やスラブ高さ等の変動といった製造誤差によってもずれが生じる。そのため、高い結合係数χを持つ半リブ導波路は、リブ導波路や矩形導波路に比べて、製造誤差にも対応できるという利点も有する。 Δ proportional to the effective refractive index difference is not only caused by a change in wavelength, but also caused by a manufacturing error such as a change in the waveguide width and slab height. Therefore, the semi-rib waveguide having a high coupling coefficient χ has an advantage that it can cope with a manufacturing error as compared with the rib waveguide and the rectangular waveguide.
半リブ導波路は、通常の光導波路で多くの場合に用いられる矩形状コアとの間の変換が、リブ導波路に比べ容易である。
リブ導波路では矩形導波路の両側面から、光の伝搬する長手方向に沿ってテーパ状に徐々にスラブ部を延出形成する必要があるが、半リブ導波路では、スラブ部は光導波路１１、１２の内方側にのみ形成すればよい。このため、矩形導波路からの変化が小さくて済み、導波路の構造変換に必要なスラブ部のテーパ部分が短くて済む。
The half-rib waveguide is easier to convert between a rectangular core used in many cases in a normal optical waveguide than a rib waveguide.
In the rib waveguide, it is necessary to gradually extend and form a slab portion from both side surfaces of the rectangular waveguide along the longitudinal direction in which light propagates. In the half-rib waveguide, however, the slab portion is the optical waveguide 11. , 12 may be formed only on the inner side. For this reason, the change from the rectangular waveguide is small, and the taper portion of the slab portion necessary for the structural conversion of the waveguide is short.
本発明はモード多重にも対応できる。以下、入力側光導波路１１からの高次ＴＥモードと、出力側光導波路１２に入力された基本ＴＥモードとのモード多重について述べる。
例えば、波長１５８０ｎｍにおいて、図１５に示す構造の出力側光導波路１２の基本ＴＥモードの実効屈折率は２．７１０８７８であるが、最も実効屈折率が近くなる入力側光導波路１１の基本ＴＥモードの実効屈折率は２．３６０１４であり、ΔＮＩ＝０．３５０７３８となる。
入力側光導波路１１の基本ＴＥモードは、高次ＴＥモードよりも光の閉じ込めが強いことを考えると、基本ＴＥモードの結合係数は、高次ＴＥモードの結合係数よりも小さくなると考えられる。
そこで上限として、高次ＴＥモードの結合係数を用いて計算する。光導波路１１、１２の間隔を５００ｎｍとすると、結合係数は０．０７０３６８６となる。
このとき、式（２）によりＦを求めると、０．００８４０１となり、結合効率の上限値で約０．８％しか移らないことになる。この値は、実際は正確な結合係数や結合長等を考慮するとさらに下がるが、実効屈折率差が大きい、出力側光導波路１２の基本ＴＥモードは、ほとんど損失無く透過することがわかる。
すなわち、入力側光導波路１１に基本ＴＥモードを入力し、出力側光導波路１２にも同時に基本ＴＥモード（区別のため、基本ＴＥ’モードとする）を入力した場合、出力側光導波路１２の出力端では、基本ＴＥモードが変換された高次ＴＥモードと、基本ＴＥ’モードが多重された出力を得ることができる。
このことは、基本ＴＥモードに限らず、他のＴＥｉモード１でも実効屈折率に差がある場合（δが結合係数よりも十分小さい）に適用可能である。
なお、モード多重を行うには、図２３、図２４等に示すように、出力側光導波路１２の入力側に、ポート１２ａが接続されていることが必要である。
The present invention can also cope with mode multiplexing. Hereinafter, mode multiplexing of the higher order TE mode from the input side optical waveguide 11 and the basic TE mode input to the output side optical waveguide 12 will be described.
For example, at the wavelength of 1580 nm, the effective refractive index of the basic TE mode of the output-side optical waveguide 12 having the structure shown in FIG. 15 is 2.710878, but the basic TE mode of the input-side optical waveguide 11 that has the closest effective refractive index. The effective refractive index is 2.36014, and ΔN I = 0.350738.
Considering that the fundamental TE mode of the input-side optical waveguide 11 is more confined in light than the higher order TE mode, the coupling coefficient of the fundamental TE mode is considered to be smaller than the coupling coefficient of the higher order TE mode.
Therefore, the upper limit is calculated using the coupling coefficient of the higher order TE mode. When the distance between the optical waveguides 11 and 12 is 500 nm, the coupling coefficient is 0.0703686.
At this time, when F is obtained by the equation (2), it is 0.008401, and the upper limit value of the coupling efficiency is only about 0.8%. This value actually decreases further when an accurate coupling coefficient, coupling length, and the like are taken into consideration, but it can be seen that the fundamental TE mode of the output-side optical waveguide 12 having a large effective refractive index difference transmits almost without loss.
That is, when the basic TE mode is input to the input-side optical waveguide 11 and the basic TE mode is also input to the output-side optical waveguide 12 at the same time (the basic TE ′ mode for distinction), the output of the output-side optical waveguide 12 At the end, it is possible to obtain an output in which the high-order TE mode converted from the basic TE mode and the basic TE ′ mode are multiplexed.
This is applicable not only to the basic TE mode but also to other TE i modes 1 when there is a difference in effective refractive index (δ is sufficiently smaller than the coupling coefficient).
In order to perform mode multiplexing, it is necessary that the port 12a be connected to the input side of the output side optical waveguide 12, as shown in FIGS.
以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。
＜実施例５＞
実施例５のモード変換素子５０は、図１５に示す構造を有する。
本実施例のモード変換素子５０は、方向性結合器５８における入力側光導波路１１と出力側光導波路１２との間隔を５００ｎｍとした。その他の条件は実施例１に準じた。
このモード変換素子５０では、広い波長域にわたって結合係数χを大きくでき、高い結合効率Ｔが得られる。
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples.
<Example 5>
The mode conversion element 50 of Example 5 has the structure shown in FIG.
In the mode conversion element 50 of this example, the distance between the input side optical waveguide 11 and the output side optical waveguide 12 in the directional coupler 58 is set to 500 nm. Other conditions were the same as in Example 1.
In this mode conversion element 50, the coupling coefficient χ can be increased over a wide wavelength range, and a high coupling efficiency T can be obtained.
＜実施例６＞
図２２に、モード変換素子５０の変形例であるモード変換素子５０Ａを示す。
モード変換素子５０Ａは、方向性結合器１８の入力側光導波路１１の両端に、それぞれ曲がり導波路８ａ、８ｂが形成され、出力側光導波路１２の両端に、それぞれ曲がり導波路９ａ、９ｂが形成されている。
そのほかの構成は、実施例５に準じた。
<Example 6>
FIG. 22 shows a mode conversion element 50 </ b> A that is a modification of the mode conversion element 50.
In the mode conversion element 50A, bent waveguides 8a and 8b are formed at both ends of the input-side optical waveguide 11 of the directional coupler 18, and bent waveguides 9a and 9b are formed at both ends of the output-side optical waveguide 12, respectively. Has been.
Other configurations were the same as in Example 5.
＜実施例７＞
図２３は、モード変換素子５０と、高次偏波変換素子１０１（図１２参照）とを組み合わせた光導波路素子を示す。出力側光導波路１２の出力側にある第３のポート１２ｂは、高次偏波変換素子１０１に接続されている。
<Example 7>
FIG. 23 shows an optical waveguide element in which the mode conversion element 50 and the high-order polarization conversion element 101 (see FIG. 12) are combined. The third port 12 b on the output side of the output side optical waveguide 12 is connected to the high-order polarization conversion element 101.
＜実施例８＞
図２４は、モード変換素子５０と、高次偏波変換素子１１１（図１４参照）とを組み合わせた光導波路素子を示す。第３のポート１２ｂは、高次偏波変換素子１１１に接続されている。
<Example 8>
FIG. 24 shows an optical waveguide element in which the mode conversion element 50 and the high-order polarization conversion element 111 (see FIG. 14) are combined. The third port 12b is connected to the high-order polarization conversion element 111.
＜実施例９＞
（ＤＰ−ＱＰＳＫ変調器）
本発明のモード変換素子は、参考文献１（P. Dong, C. Xie, L. Chen, L. L. Buhl, andY.-K. Chen, “112-Gb/s Monolithic PDM-QPSK Modulator in Silicon,” European Conference and Exhibition on Optical Communication, Vol. 1, p. Th.3.B.1, June 16, 2012）で開示されているような偏波多重４値位相変調（ＤＰ−ＱＰＳＫ：Dual Polarization-Quadrature Phase Shift Keying）に使用することが可能である。
図２５にＤＰ−ＱＰＳＫ変調器の一例を模式的に示す。このＤＰ−ＱＰＳＫ変調器２０は、通常の光導波路に基本ＴＥモードと基本ＴＭモードの２つのモードが存在できることを利用して、基本ＴＥモード／基本ＴＭモードの両モードに独立したＱＰＳＫ信号を有する、ＤＰ−ＱＰＳＫ変調を行う。具体的には、入力部２１から基本ＴＥモードで入力した光を２つの光導波路２２，２２に分岐し、ＱＰＳＫ変調器２３，２３により各々ＱＰＳＫ信号に変調した後、光導波路２４，２４の片側の基本ＴＥモードを偏波変換素子２５により基本ＴＭモードに変換させて、２つのモードを偏波ビームコンバイナで同一の光導波路上に合成し、基本ＴＥモードと基本ＴＭモードに独立した信号を出力部２６に出力する。
<Example 9>
(DP-QPSK modulator)
The mode conversion element of the present invention is described in Reference Document 1 (P. Dong, C. Xie, L. Chen, LL Buhl, and Y.-K. Chen, “112-Gb / s Monolithic PDM-QPSK Modulator in Silicon,” European. Dual Polarization-Quadrature Phase (DP-QPSK) as disclosed in Conference and Exhibition on Optical Communication, Vol. 1, p. Th.3.B.1, June 16, 2012) (Shift Keying).
FIG. 25 schematically shows an example of the DP-QPSK modulator. The DP-QPSK modulator 20 has independent QPSK signals for both the basic TE mode and the basic TM mode by utilizing the fact that two modes of a basic TE mode and a basic TM mode can exist in a normal optical waveguide. DP-QPSK modulation is performed. Specifically, the light input in the basic TE mode from the input unit 21 is branched into two optical waveguides 22 and 22, modulated into QPSK signals by the QPSK modulators 23 and 23, and then one side of the optical waveguides 24 and 24. The basic TE mode is converted to the basic TM mode by the polarization conversion element 25, the two modes are combined on the same optical waveguide by the polarization beam combiner, and signals independent of the basic TE mode and the basic TM mode are output. To the unit 26.
＜実施例１０＞
（偏波ダイバーシティ・コヒーレント受信機）
本発明の偏波変換素子は、参考文献２（C. Doerr et al., “Packaged Monolithic Silicon 112-Gb/s Coherent Receiver,” IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 23, pp. 762-764, 2011）で開示されているような、基本ＴＥモードと基本ＴＭモードを同時に伝送した偏波多重信号のＳｉ光導波路上のコヒーレント受信機に使用することが可能である。
図２６に、偏波ダイバーシティ・コヒーレント受信機の一例を模式的に示す。このコヒーレント受信機３０は、基本ＴＥモードと基本ＴＭモードを同時に伝送した偏波多重信号の光導波路３１を、偏波変換と偏波ビームスプリッタが同時に行える偏波変換素子３２に接続し、光導波路３３，３３の一方には基本ＴＥモードの信号を、また、光導波路３３，３３の他方には基本ＴＭモードから変換した基本ＴＥモードの信号を分岐させる。局発光３４として、一般的に用いられる半導体レーザ光源は片偏波のみ、例えば基本ＴＥモード(local)の出力を用いる。このような光源を用いる場合、従来では局発光の偏波変換が必要となる。
しかし、このコヒーレント受信機３０では、信号光は偏波分離後にいずれも基本ＴＥモードの信号（signal）となるので、局発光の偏波変換が不要になる。信号光と局発光は、光合波部３５を経て、結合部３６から出力される。
偏波変換素子３２に光導波路型の構造を用いる場合、結合部３６における素子外部との光の結合には、基板側方より結合する逆テーパ型のモードフィールド変換器など、偏波分離機能を持たない結合器を利用することが可能である。結合器には、例えば参考文献３（Qing Fang, et al., “Suspended optical fiber-to-waveguide mode size converter for silicon photonics,” Optics Express, Vol. 18, Issue 8, pp. 7763-7769 (2010)）に開示されている、逆テーパ型の構造が開示できる。
<Example 10>
(Polarization diversity coherent receiver)
The polarization conversion element of the present invention is described in Reference 2 (C. Doerr et al., “Packaged Monolithic Silicon 112-Gb / s Coherent Receiver,” IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 23, pp. 762-764, 2011). Can be used for a coherent receiver on a Si optical waveguide of a polarization multiplexed signal that simultaneously transmits the basic TE mode and the basic TM mode.
FIG. 26 schematically shows an example of a polarization diversity coherent receiver. This coherent receiver 30 connects a polarization multiplexed signal optical waveguide 31 that transmits the basic TE mode and the basic TM mode at the same time to a polarization conversion element 32 that can simultaneously perform polarization conversion and polarization beam splitter. A basic TE mode signal is branched to one of 33 and 33, and a basic TE mode signal converted from the basic TM mode is branched to the other of the optical waveguides 33 and 33. A semiconductor laser light source generally used as the local light 34 uses only one polarized wave, for example, an output of a basic TE mode (local). In the case of using such a light source, conventionally, polarization conversion of local light is necessary.
However, in this coherent receiver 30, since the signal light becomes a signal in the basic TE mode after polarization separation, polarization conversion of local light becomes unnecessary. The signal light and the local light are output from the coupling unit 36 via the optical multiplexing unit 35.
When an optical waveguide type structure is used for the polarization conversion element 32, the coupling part 36 has a polarization separation function for coupling light to the outside of the element, such as an inverted taper mode field converter coupled from the side of the substrate. It is possible to use a coupler without it. For example, reference 3 (Qing Fang, et al., “Suspended optical fiber-to-waveguide mode size converter for silicon photonics,” Optics Express, Vol. 18, Issue 8, pp. 7763-7769 (2010 The structure of the reverse taper type disclosed in)) can be disclosed.
＜実施例１１＞
（偏波ダイバーシティ方式）
本発明の偏波変換素子は、参考文献４（Hiroshi Fukuda et al., “Silicon photoniccircuit with polarization diversity,” Optics Express, Vol. 16, Issue 7, pp. 4872-4880 (2008)）で開示されているような、基本ＴＥモードと基本ＴＭモードが同時に伝送される偏波多重伝送や、片方の偏波がランダムに伝送されるときに、両モードに対して同様の操作を与えるための素子を利用したい場合、偏波ダイバーシティ方式を実行するために用いることができる。
図２７に示す偏波ダイバーシティ方式４０では、基本ＴＥモードと基本ＴＭモードが同時に伝送される偏波多重信号の光導波路４１を、偏波変換と偏波ビームスプリッタが同時に行える偏波変換素子４２に接続し、光導波路４３，４３の一方には基本ＴＥモードの信号を、また、光導波路４３，４３の他方には基本ＴＭモードから変換した基本ＴＥモードの信号を分岐させる。素子４４，４４で操作された基本ＴＥモードの信号光は、光導波路４５，４５から偏波変換素子４６で合成して、基本ＴＥモードと基本ＴＭモードが同時に伝送される偏波多重信号の光導波路４７に出力する。
<Example 11>
(Polarization diversity method)
The polarization conversion element of the present invention is disclosed in Reference 4 (Hiroshi Fukuda et al., “Silicon photonic circuit with polarization diversity,” Optics Express, Vol. 16, Issue 7, pp. 4872-4880 (2008)). Use polarization multiplex transmission in which the basic TE mode and the basic TM mode are transmitted at the same time, or use elements to give the same operation to both modes when one polarization is transmitted randomly If so, it can be used to implement a polarization diversity scheme.
In the polarization diversity method 40 shown in FIG. 27, an optical waveguide 41 of a polarization multiplexed signal in which the basic TE mode and the basic TM mode are transmitted simultaneously is changed to a polarization conversion element 42 that can simultaneously perform polarization conversion and polarization beam splitter. The basic TE mode signal is branched to one of the optical waveguides 43 and 43, and the basic TE mode signal converted from the basic TM mode is branched to the other of the optical waveguides 43 and 43. The signal light of the basic TE mode operated by the elements 44 and 44 is synthesized from the optical waveguides 45 and 45 by the polarization conversion element 46, and the optical signal of the polarization multiplexed signal in which the basic TE mode and the basic TM mode are transmitted simultaneously. Output to the waveguide 47.
偏波変換素子４２には、偏波ダイバーシティ・コヒーレント受信機と同様に、偏波変換と偏波ビームスプリッタが同時に行える本発明の偏波変換素子を用いることができる。
偏波変換素子４６には、ＤＰ−ＱＰＳＫ変調器と同様に、偏波変換と偏波ビームコンバイナが同時に行える本発明の偏波変換素子を用いることができる。
As the polarization conversion element 42, the polarization conversion element of the present invention capable of performing polarization conversion and polarization beam splitter at the same time can be used as in the polarization diversity coherent receiver.
As the polarization conversion element 46, as in the DP-QPSK modulator, the polarization conversion element of the present invention capable of simultaneously performing polarization conversion and polarization beam combiner can be used.
以上、本発明を好適な実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の形態例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。 As mentioned above, although this invention has been demonstrated based on suitable embodiment, this invention is not limited to the above-mentioned example, Various modifications are possible in the range which does not deviate from the summary of this invention.
１…光導波路、２…光導波領域、３…リブ部、４…スラブ部４、５…クラッド、６…上部クラッド、７…下部クラッド、１０、５０…モード変換素子、１１…入力側光導波路、１２…出力側光導波路、１８、５８…非対称方向性結合器。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Optical waveguide, 2 ... Optical waveguide area, 3 ... Rib part, 4 ... Slab part 4, 5 ... Cladding, 6 ... Upper clad, 7 ... Lower clad, 10, 50 ... Mode conversion element, 11 ... Input side optical waveguide , 12 ... output side optical waveguide, 18, 58 ... asymmetric directional coupler.
Claims (13)
前記光導波領域は、互いに離間して形成された一対のリブ部と、前記リブ部の幅方向に延出して形成されたスラブ部と、を有し、
前記一対のリブ部のうち一方は入力側光導波路であり、他方は出力側光導波路であり、
前記入力側および出力側光導波路は、少なくとも一部が並設されることによって方向性結合器を構成し、
前記方向性結合器は、前記入力側光導波路から前記出力側光導波路に、次数が異なるモード間での結合が可能であり、
前記スラブ部は、前記リブ部の長さ方向に垂直な断面内で幅方向に直交する厚さ方向の寸法が前記リブ部に比べ小さく、かつ、前記方向性結合器の少なくとも一部において、前記入力側光導波路と前記出力側光導波路との間にこれらを互いに接続して形成され、
前記方向性結合器におけるスラブ部は、前記方向性結合器の少なくとも一部において、前記入力側光導波路と前記出力側光導波路との間にこれらを互いに接続して形成された中間領域と、
前記入力側光導波路および出力側光導波路からそれぞれ幅方向の外方に延出する外方延出領域と、を有することを特徴とするモード変換素子。 A lower clad, and an optical waveguide region formed on the lower clad and having a higher refractive index than the lower clad,
The optical waveguide region has a pair of rib portions formed to be separated from each other, and a slab portion formed to extend in the width direction of the rib portions,
One of the pair of rib portions is an input side optical waveguide, the other is an output side optical waveguide,
The input side and output side optical waveguides constitute a directional coupler by being at least partially arranged in parallel,
The directional coupler is capable of coupling between modes having different orders from the input side optical waveguide to the output side optical waveguide,
The slab portion has a dimension in the thickness direction perpendicular to the width direction in a cross section perpendicular to the length direction of the rib portion, which is smaller than the rib portion, and in at least a part of the directional coupler, Formed by connecting them to each other between the input side optical waveguide and the output side optical waveguide ,
The slab part in the directional coupler is an intermediate region formed by connecting them between the input side optical waveguide and the output side optical waveguide in at least a part of the directional coupler,
A mode conversion element comprising: an outward extension region extending outward in the width direction from the input side optical waveguide and the output side optical waveguide .
前記出力側光導波路には、ｍ番目（ｍは自然数。ｍ＞ｎ）に実効屈折率が大きいＴＥモードである（ｍ−１）次モードが導波し、
前記入力側光導波路のＴＥモードと、前記出力側光導波路のＴＥモードが結合可能であることを特徴とする請求項１に記載のモード変換素子。 In the input side optical waveguide, a (n−1) th order mode which is a TE mode having an effective refractive index nth (n is a natural number) is guided,
The output side optical waveguide is guided by an (m−1) th order mode which is a TE mode having an effective refractive index of mth (m is a natural number, m> n),
The mode conversion element according to claim 1, wherein the TE mode of the input-side optical waveguide and the TE mode of the output-side optical waveguide can be coupled.
前記スラブ部と前記リブ部がＳｉからなり、前記下部クラッドと前記上部クラッドがＳｉＯ２からなることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のモード変換素子。 An upper clad covering the slab part, the rib part, and the lower clad;
Wherein the rib portion and the slab part is made of Si, the mode conversion device according to any one of claims 1-8, wherein the upper cladding and the lower cladding is characterized by comprising of SiO 2.
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