基板型光波導元件及基板型光波導元件的制造方法與流程
本發(fā)明涉及一種在下部包層與上部包層之間形成有2個芯體的基板型光波導元件。
背景技術(shù)：
當前，通過光通信傳送的信息量持續(xù)增加。針對這樣的信息量的增加，正在推進信號速度的高速化、增設(shè)利用波長復用通信的信道數(shù)等對策。其中，在能夠?qū)崿F(xiàn)信號速度的高速化的下一代的100Gbps數(shù)字相干傳送技術(shù)中，為了使每單位時間能夠發(fā)送的信息量達到2倍，利用在電場正交的2個偏振波搭載不同的信息的偏振復用方式。然而，在利用偏振復用方式的調(diào)制方式中，需要結(jié)構(gòu)復雜的光調(diào)制器，會產(chǎn)生裝置的大型化、高額化這樣的課題。對于這樣的課題，在非專利文獻1中記載了一種基于將硅用于芯體的基板型光波導的光調(diào)制器，其具有制造工藝簡單、能夠?qū)崿F(xiàn)由集成化帶來的光學元件的小型化、能夠?qū)崿F(xiàn)由大口徑晶圓帶來的制造成本的低成本化等優(yōu)點。
在偏振復用方式中，使用在基板型光波導內(nèi)對TE偏振波和TM偏振波進行復用的偏振波合束器(Polarization Beam Combiner：PBC)。圖33(a)是示出PBC101的結(jié)構(gòu)的框圖。PBC101具備第1輸入端口102、第2輸入端口103和輸出端口104。PBC101對輸入到輸入端口102的TM偏振波與輸入到輸入端口103的TE偏振波進行復用，并從輸出端口104輸出該經(jīng)復用的TM偏振波以及TE偏振波。此外，圖33(a)所示的箭頭的長度表示輸入到PBC101的TE偏振波的功率以及TM偏振波的功率。在后文中參照的圖33(b)以及(c)中，也同樣是箭頭的長度表示各偏振波的功率。
在此，TE偏振波是指在基板型光波導內(nèi)在相對于光的行進方向垂直的面內(nèi)與基板水平的方向(以下，稱為寬度方向或者x方向)的電場分量為主的模。另外，TM偏振波是指在基板型光波導內(nèi)在相對于光的行進方向垂直的面內(nèi)與基板垂直的方向(以下，稱為高度方向或者y方向)的電場分量為主的模。
在PBC中重要的性能是偏振復用時的損失以及偏振消光比。
TM偏振波的損失表示輸出端口104處的TM偏振波的功率相對于輸入到輸入端口102的TM偏振波的功率的比例，由式(1)定義。
【數(shù)式1】
TE偏振波的損失表示輸出端口104處的TE偏振波的功率相對于輸入到輸入端口103的TE偏振波的功率的比例，由式(2)定義。
【數(shù)式2】
根據(jù)能量效率的觀點，損失小較好。
另一方面，偏振消光比(Polarization Extinction Ratio：以下也記為“PER”)表示在對PBC的一個輸入端口(例如輸入端口103)輸入了TM偏振波和TE偏振波的情況下從輸出端口104輸出的TM偏振波的功率與TE偏振波的功率的比例。由下式定義(參考圖33(b)。圖中的箭頭的長度表示各偏振波的功率)。
在對輸入TM偏振波的輸入端口102輸入了相同功率的TM偏振波以及TE偏振波的情況下(參照圖33(b))，PER由式(3)定義。
【數(shù)式3】
在對輸入TE偏振波的輸入端口103輸入了相同功率的TM偏振波以及TE偏振波的情況下(參照圖33(c))，PER由式(4)定義。
【數(shù)式4】
如上所述，PER表示對1個輸入端口輸入了TM偏振波以及TE偏振波的情況下的一方的偏振波的功率被抑制的程度。PER例如根據(jù)以下觀點是重要的。如在非專利文獻1中公開的偏振復用調(diào)制器那樣，PBC連接到偏振旋轉(zhuǎn)器(Polarization Rotator：以下也記為“PR”)的后級。PR是使TE偏振波轉(zhuǎn)換成TM偏振波的器件，但由于轉(zhuǎn)換不足，在從PR輸出的TM偏振波中稍微混入有TE偏振波。該混入了的TE偏振波在PBC101的輸出端口104與作為復用對象的TE偏振波(圖33(a)所示的TE偏振波)發(fā)生串擾。該串擾導致信號質(zhì)量下降。因此，PBC101優(yōu)選通過抑制混在PR的輸出中輸入的TE偏振波的功率，抑制在輸出端口104處產(chǎn)生的串擾。即，PER越高，則越能夠抑制在輸出端口104產(chǎn)生的串擾，越能夠抑制進行偏振復用時的信號質(zhì)量的下降。
以上敘述的PBC的2個性能優(yōu)選在較寬的波段中良好。這是基于以下理由。在光通信中，由于廣泛應(yīng)用波長復用方式，包括光調(diào)制器的大量的光組件優(yōu)選在較寬的波段中工作。較寬的波段是指包括例如C頻帶(波長范圍1530～1565nm)、L頻帶(波長范圍1565～1625nm)的頻帶。當在這樣的光組件內(nèi)應(yīng)用PBC的情況下，同樣地優(yōu)選在較寬的波段中損失低且PER高。
作為PBC的現(xiàn)有技術(shù)，可以列舉非專利文獻2以及專利文獻1。
非專利文獻2涉及偏振分束器。偏振分束器能夠通過如下方式來實現(xiàn)，即對圖33(a)所示的PBC101的輸出端口104輸入TE偏振波以及TM偏振波，并從輸入端口102輸出TM偏振波，從輸入端口103輸出TE偏振波。如上所述，偏振分束器能夠?qū)崿F(xiàn)與PBC等同的功能，因此，作為PBC的現(xiàn)有技術(shù)而提出。非專利文獻2通過使具有全等的芯體形狀的2個矩形波導相鄰的定向耦合器來實現(xiàn)TE0和TM0的偏振波分離。在此，TE0以及TM0分別是指在TE偏振波、TM偏振波中有效折射率最大的波導模。圖34中示出在非專利文獻2中記載的偏振分束器201的結(jié)構(gòu)的概略圖。圖34(a)是與光的行進方向垂直的剖面中的偏振分束器201的定向耦合器的剖視圖。圖34(b)以及(c)是偏振分束器201的俯視圖。偏振分束器201具備下部包層204、上部包層205以及由下部包層204和上部包層205埋設(shè)的芯體202和203。
偏振分束器201能夠利用定向耦合器的耦合長度在TM0的情況下比在TE0的情況下短這一點來進行偏振波的復用或者分離。更具體地說，能夠利用在TE0完成向定向耦合器的相鄰波導的移動之前TM0移動完成這一點，進行各偏振波的復用(圖34(c))或者分離(圖34(b))。
專利文獻1涉及偏振分選器(polarization sorter)，能夠起到與PBC等同的功效。因此，將偏振分選器作為PBC的現(xiàn)有技術(shù)而提出。在專利文獻1中記載的偏振分選器通過使用絕熱轉(zhuǎn)換的模分選(adiabatic sorting)來進行偏振波分離。
如在專利文獻1的Fig.2a～2c中記載的那樣，專利文獻1的偏振分選器由2個彼此相鄰的波導12以及14構(gòu)成，芯體的高度各自不同。進而，具有一方的芯體的寬度相對于光的行進方向連續(xù)地變化的模分選部46，通過該區(qū)域中的模分選進行偏振波分離。在此，模分選是指利用了在使波導相對于光的行進方向連續(xù)地變化時保持有效折射率的順序以及偏振波這一點的偏振波分離的方法。
例如，波導12的輸入端口30的TE偏振波(專利文獻1的Fig.6中記載的TE-1)與波導14的輸入端口36的TE偏振波(專利文獻1的Fig.6中記載的TE-2)的有效折射率的大小關(guān)系在波導12的輸出端口32和波導14的輸出端口34處交換。另一方面，波導12的輸入端口30的TM偏振波(專利文獻1的Fig.6中記載的TM-1)與波導14的輸入端口36的TM偏振波(專利文獻1的Fig.6中記載的TM-2)的執(zhí)行折射率的大小關(guān)系在波導12的輸出端口32和波導14的輸出端口34處未變化。
通過滿足關(guān)于有效折射率的上述大小關(guān)系，將輸入到波導12的輸入端口30的TE偏振波從波導14的輸出端口34輸出，將輸入到波導12的輸入端口30的TM偏振波從波導12的輸出端口32輸出。由此，專利文獻1的偏振分選器對輸入到波導12的輸入端口30的TE偏振波以及TM偏振波進行偏振波分離。
為了滿足有效折射率的上述大小關(guān)系，在偏振分選器的器件總長范圍內(nèi)相鄰的2個波導12以及14的剖面中的芯體形狀不能是全等的。因此，如專利文獻1的Fig.2a～2c所示，作為相鄰波導的波導12以及波導14的高度各自不同。
現(xiàn)有技術(shù)文獻
專利文獻
專利文獻1：美國專利申請公開第2008/0152277號說明書(公開日：2008年6月26日)
非專利文獻
非專利文獻1：Po Dong,et al.,"112-Gb/s Monolithic PDM-QPSK Modulator in Silicon,"ECOC2012Th.3.B.1(2012).
非專利文獻2：Hiroshi Fukuda,et al.,"Ultrasmall polarization splitter based on silicon wire waveguides,"OPTICS EXPRESS,Vol.14,No.25,12401(2006).
非專利文獻3：Allan W.Snyder and John D.Love,"Optical Waveguide Theory,"CHAPMAN&HALL,London(First edition 1983,Reprinted 1991).
非專利文獻4：Yosi Shani,et al.,"Integrated Optical Adiabatic Devices on Silicon,"IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS,VOL.27,NO.3(1991).
非專利文獻5：Daoxin Dai,et al.,"Mode conversion in tapered submicron silicon,"OPTICS EXPRESS,Vol.20,No.12(2012).
技術(shù)實現(xiàn)要素：
發(fā)明要解決的課題
非專利文獻2的定向耦合器的構(gòu)造能夠通過簡單的制造工藝來制作，但存在損失的波長依賴性大并且容易受制造誤差影響這樣的問題。
在非專利文獻2中，2個波導相鄰的部分的長度L需要與TM偏振波的耦合長度相匹配。在此，耦合長度是指光完全完成向相鄰的波導的移動所需的長度。例如，在某個波長(設(shè)為第1波長)下耦合長度是Lc，設(shè)為L＝Lc。此時，具有第1波長的TM偏振波的損失原理上是零。
然而，在波長從第1波長向第2波長變化時，光從波導的芯體滲出的程度變化，因此向相鄰的波導的耦合的強度發(fā)生變化。其結(jié)果是，第2波長下的耦合長度相對于第1波長下的耦合長度而變化。其結(jié)果是，在L＝Lc的情況下，具有第2波長的TM偏振波無法完全移動到相鄰波導，或者移動了的TM偏振波返回來。因此，具有第2波長的TM偏振波在輸出端口產(chǎn)生損失。即，非專利文獻2存在在波長變化時TM偏振波的損失的增加量較大這樣的問題。
進而，在由于制造誤差而使波導的芯體的高度、寬度變化時，TM偏振波的光的向芯體的束縛的程度變化，因此耦合長度變化。其結(jié)果是，與波長變化時同樣地，產(chǎn)生與沒有制造誤差的情況相比TM偏振波的損失大幅增加這樣的問題。
專利文獻1存在制造工藝復雜而最終導致成本增加、成品率降低這樣的問題。
專利文獻1的構(gòu)造為了進行模分選，在模分選部46中需要滿足以下2個條件。
條件1：在相鄰的2個波導進行導波的2個同一偏振波(例如，專利文獻1的Fig.6中記載的TE-1以及TE-2)存在有效折射率相同的剖面。
條件2：在相鄰的2個波導中進行導波的另一方的2個同一偏振波(例如，專利文獻1的Fig.6中記載的TM-1以及TM-2)的有效折射率始終不同。
為了滿足這些條件，在專利文獻1中，采用在相鄰的波導中改變其高度的結(jié)構(gòu)。在制造這樣的波導構(gòu)造的情況下，為了改變高度，芯體的蝕刻次數(shù)增加。例如，在硅波導中，能夠通過蝕刻SOI(Silicon-On-Insulator)晶圓的最上部的硅層來形成芯體，但為了制作具有2個等級的高度的芯體，最少需要2次蝕刻。這樣的多余的工藝導致成本增加，并且由于新產(chǎn)生的制造誤差要素導致成品率的降低，因此不優(yōu)選。
此外，在1次蝕刻中無法滿足上述條件1以及2的理由如下所述。當在1次蝕刻中制作芯體的情況下，芯體的高度相同。此時，為了滿足條件1，需要在某個剖面使芯體的寬度相同，使2個相鄰波導的芯體形狀全等。這是由于，在芯體寬度不同的情況下，光被向芯體束縛的程度變化，因此有效折射率在相鄰的波導的同一偏振波之間變化，始終不滿足條件1。然而，如上所示，如果通過使芯體形狀全等而滿足條件1，則不僅作為條件1的對象的偏振波，在全部的偏振波中有效折射率都變得相同，因此不可能滿足條件2。因此，為了同時滿足條件1、2，需要如在專利文獻1中記載的那樣，通過改變2個相鄰的波導的高度等，在不同的波導構(gòu)造中滿足條件1。因此，在1次蝕刻之外，還需要進一步的工藝。
本發(fā)明是鑒于上述課題而完成的，其目的在于，提供在較寬的波長范圍內(nèi)將TM偏振波的損失抑制得較低且容易制造的基板型光波導元件及光調(diào)制器。
用于解決課題的技術(shù)方案
為了解決上述課題，本發(fā)明的一個方式涉及一種基板型光波導元件，具備：下部包層，折射率是Ncl1；第1芯體和第2芯體，形成在所述下部包層上，且折射率是Nco，其中Nco＞Ncl1；以及上部包層，以埋設(shè)所述第1芯體和所述第2芯體的方式層疊在所述下部包層上，且折射率是Ncl2，其中Nco＞Ncl2，所述基板型光波導元件的特征在于，在將不存在所述第2芯體的情況下的所述第1芯體中的TE偏振波以及TM偏振波的有效折射率分別設(shè)為NTE＠WG1以及NTM＠WG1，將不存在所述第1芯體的情況下的所述第2芯體中的TE偏振波以及TM偏振波的有效折射率分別設(shè)為NTE＠WG2以及NTM＠WG2時，(A)所述有效折射率NTE＠WG1、NTM＠WG1、NTE＠WG2、NTM＠WG2分別作為從所述第1芯體與所述第2芯體彼此并行的并行區(qū)間的起點起的距離的函數(shù)而連續(xù)，(B)所述有效折射率NTE＠WG1、NTM＠WG1在整個所述并行區(qū)間中滿足NTE＠WG1＞NTM＠WG1，(C)所述有效折射率NTE＠WG2、NTM＠WG2在整個所述并行區(qū)間中滿足NTE＠WG2＞NTM＠WG2，(D)所述有效折射率NTM＠WG1與所述有效折射率NTM＠WG2的大小關(guān)系在所述并行區(qū)間的起點與終點處逆轉(zhuǎn)，(E)在將所述下部包層的折射率Ncl1與所述上部包層的折射率Ncl2中的較大的折射率設(shè)為Ncl時，由下式(a)定義的相對折射率差是0.25以上。
【數(shù)式5】
此外，也可以將上述(E)的發(fā)明特定事項置換為“在所述并行區(qū)間中，將存在于所述第1芯體與所述第2芯體之間的間隙的介質(zhì)的折射率設(shè)為Ncl，由下式(a)定義的相對折射率差是0.25以上”。
為了解決上述課題，本發(fā)明的一個方式涉及一種基板型光波導元件的制造方法，該基板型光波導元件具備：下部包層，折射率是Ncl1；第1芯體和第2芯體，形成在所述下部包層上，且折射率是Nco，其中Nco＞Ncl1；以及上部包層，以埋設(shè)所述第1芯體和所述第2芯體的方式層疊在所述下部包層上，且折射率是Ncl2，其中Nco＞Ncl2，所述基板型光波導元件的制造方法的特征在于，在將不存在所述第2芯體的情況下的所述第1芯體中的TE偏振波以及TM偏振波的有效折射率分別設(shè)為NTE＠WG1以及NTM＠WG1，將不存在所述第1芯體的情況下的所述第2芯體中的TE偏振波以及TM偏振波的有效折射率分別設(shè)為NTE＠WG2以及NTM＠WG2時，包括形成滿足以下條件(1)～(4)的所述第1芯體和所述第2芯體的芯體形成工序。
(1)所述有效折射率NTE＠WG1、NTM＠WG1、NTE＠WG2、NTM＠WG2分別作為從所述第1芯體與所述第2芯體彼此并行的并行區(qū)間的起點起的距離的函數(shù)而連續(xù)，
(2)所述有效折射率NTE＠WG1、NTM＠WG1在整個所述并行區(qū)間中滿足NTE＠WG1＞NTM＠WG1，所述有效折射率NTE＠WG2、NTM＠WG2在整個所述并行區(qū)間中滿足NTE＠WG2＞NTM＠WG2，
(3)所述有效折射率NTM＠WG1與所述有效折射率NTM＠WG2的大小關(guān)系在所述并行區(qū)間的起點與終點處逆轉(zhuǎn)，
(4)在將所述下部包層的折射率Ncl1與所述上部包層的折射率Ncl2中的較大的折射率設(shè)為Ncl時，由下式(a)定義的相對折射率差是0.25以上。
【數(shù)式7】
發(fā)明效果
本發(fā)明提供在較寬的波長范圍內(nèi)將TM偏振波的損失抑制得較低且容易制造的基板型光波導元件及光調(diào)制器。
附圖說明
圖1是示出本發(fā)明的第1實施方式的PBC的功能的概要的框圖。(a)示出上述PBC對所輸入的TM偏振波以及TE偏振波進行復用的情形，(b)定義上述PBC所具備的2個輸入端口以及2個輸出端口處的TE偏振波的波導模的名稱，(c)定義上述PBC所具備的2個輸入端口以及2個輸出端口處的TM偏振波的波導模的名稱。
圖2中(a)是示出在本發(fā)明的第1實施方式中用于計算芯體的有效折射率的構(gòu)造的剖視圖。(b)以及(c)分別是示出在(a)所示的構(gòu)造中將相對折射率差設(shè)為5％以及40％的情況下得到的標準化有效折射率的曲線圖。
圖3(a)以及(b)是示出在實際制造圖2(a)所示的構(gòu)造的情況下能夠形成的芯體的形狀的示意圖。
圖4是示出使用圖2(a)所示的構(gòu)造按芯體的高度h標準化而得到的Wupper的模擬結(jié)果的曲線圖。
圖5中(a)是示出本發(fā)明的第1實施方式的PBC的結(jié)構(gòu)的立體圖。(b)是示出(a)所示的PBC所具備的芯體的結(jié)構(gòu)的立體圖。
圖6中(a)是示出圖5所示的PBC的結(jié)構(gòu)的俯視圖。(b)～(d)分別是(a)所示的A-A’線、B-B’線以及C-C’線處的上述PBC的剖視圖。
圖7中(a)是示出本發(fā)明的第1實施例的PBC的結(jié)構(gòu)的俯視圖。(b)是(a)所示的PBC的與光的行進方向垂直的剖面的剖視圖。
圖8(a)是示出不具備本發(fā)明的第1實施方式的PBC所具備的2個芯體中的某一個(僅具備其中一個芯體)的矩形形狀波導的有效折射率的計算結(jié)果的曲線圖。(b)是示出不具備圖7所示的PBC的第2芯體的矩形形狀波導的結(jié)構(gòu)的剖視圖。(c)是示出不具備圖7所示的PBC的第1芯體的矩形形狀波導的結(jié)構(gòu)的剖視圖。
圖9是示出在圖7所示的PBC中計算與光的行進方向垂直的剖面中的波導模的有效折射率的結(jié)果的曲線圖。
圖10是示出在圖7所示的PBC中使X從-100變化至100的情況下得到的δTE0/CTE0以及δTM0/CTM0的曲線圖。
圖11是示出圖7所示的PBC的基于A-A’線的剖面中的TE0和TM0的電場分布的模擬結(jié)果的曲線圖。
圖12是示出圖7所示的PBC的基于B-B’線的剖面中的TE0和TM0的電場分布的模擬結(jié)果的曲線圖。
圖13是示出圖7所示的PBC的基于C-C’線的剖面中的TE0和TM0的電場分布的模擬結(jié)果的曲線圖。
圖14是示出圖7所示的PBC的基于D-D’線的剖面中的TE0和TM0的電場分布的模擬結(jié)果的曲線圖。
圖15是示出圖7所示的PBC的基于E-E’線的剖面中的TE0和TM0的電場分布的模擬結(jié)果的曲線圖。
圖16是示出本發(fā)明的第2實施方式的PBC的結(jié)構(gòu)的俯視圖。
圖17是示出通過FDTD計算在對圖16所示的PBC的port1-1輸入TM0時從port2-2輸出的TM0的損失的結(jié)果的曲線圖。
圖18中(a)是示出針對向圖16所示的PBC的port1-1輸入TM0時的Ey分量的電場分布進行模擬的結(jié)果的曲線圖，(b)是示出針對向port1-1輸入TE0時的Ex分量的電場分布進行模擬的結(jié)果的曲線圖。
圖19中，在圖16所示的PBC和圖35所示的PBC中，(a)是示出計算對port1-1輸入TM0并從port2-2輸出TM0時的TM0的損失的結(jié)果的曲線圖，(b)是示出計算在對port1-1分別輸入TE0和TM0時從port2-2輸出的各個偏振波的損失比即PER的結(jié)果的曲線圖，(c)是示出計算對port1-2輸入TE0并從port2-2輸出時的TE0的損失的結(jié)果的曲線圖，(d)是示出計算在對port1-2分別輸入TE0和TM0時從port2-2輸出的各個偏振波的損失比即PER的結(jié)果的曲線圖。
圖20是示出在圖16所示的PBC中通過FDTD計算制造誤差對TM0的損失造成的影響的結(jié)果的曲線圖。
圖21是示出在圖35所示的PBC中通過FDTD計算制造誤差對TM0的損失造成的影響的結(jié)果的曲線圖。
圖22中，在本發(fā)明的一個實施例中制作的PBC中，(a)是示出對port1-1輸入TM0并從port2-2輸出TM0時的損失的測定結(jié)果的曲線圖，(b)是示出在對port1-1分別輸入TE0和TM0時從port2-2輸出的各個偏振波的損失比即PER的測定結(jié)果的曲線圖，(c)是示出對port1-2輸入TE0并從port2-2輸出時的損失的測定結(jié)果的曲線圖。
圖23中(a)是示出本發(fā)明的第3實施方式的PBC的結(jié)構(gòu)的俯視圖，(b)是示出本發(fā)明的第3實施方式的變形例的PBC的結(jié)構(gòu)的俯視圖。
圖24是示出本發(fā)明的第4實施方式的偏振器件的結(jié)構(gòu)的俯視圖。
圖25是示出本發(fā)明的第5實施方式的調(diào)制器的結(jié)構(gòu)的框圖。
圖26是示出本發(fā)明的第6實施方式的基板型光波導元件的結(jié)構(gòu)的框圖。
圖27是示出本發(fā)明的第7實施方式的肋形波導的基本形狀的剖視圖。
圖28中(a)是示出包括第7實施方式的上述肋形波導的PBC的結(jié)構(gòu)的俯視圖，(b)～(d)分別是(a)所示的A-A’線、B-B’線以及C-C’線的上述PBC的剖視圖。
圖29中(a)是示出本發(fā)明的第8實施方式的脊形波導的制作方法的剖視圖，(b)是示出該脊形波導的基本形狀的剖視圖。
圖30中(a)是示出包括第8實施方式的上述脊形波導的PBC的結(jié)構(gòu)的俯視圖，(b)～(d)是(a)所示的A-A’線、B-B’線以及C-C’線處的上述PBC的剖視圖。
圖31中(a)是示出包括作為第8實施方式的一個變形例的脊形波導的PBC的結(jié)構(gòu)的俯視圖，(b)～(d)是(a)所示的A-A’線、B-B’線以及C-C’線的上述PBC的剖視圖。
圖32中(a)是在與圖30(a)所示的A-A’線相同的位置將包括作為第8實施方式的另一變形例的矩形波導的PBC剖切的情況下的剖視圖，(b)是在與上述A-A’線相同的位置將包括作為第8實施方式的又另一變形例的肋形波導的PBC剖切的情況下的剖視圖。
圖33中(a)是說明一般的PBC的結(jié)構(gòu)的框圖。(b)是表示在對(a)所示的PBC的第1輸入端口輸入相同的功率的TE偏振波以及TM偏振波的情況下從輸出端口輸出的TE偏振波以及TM偏振波的功率的概念圖，(c)是表示在對(a)所示的PBC的第2輸入端口輸入相同的功率的TE偏振波以及TM偏振波的情況下從輸出端口輸出的TE偏振波以及TM偏振波的功率的概念圖。
圖34是示出非專利文獻2中記載的偏振分束器的結(jié)構(gòu)的概略圖。(a)是與光的行進方向垂直的剖面中的偏振分束器的定向耦合器的剖視圖。(b)以及(c)是偏振分束器的俯視圖。
圖35中(a)是示出本發(fā)明的比較例的PBC的結(jié)構(gòu)的俯視圖，(b)是(a)所示的A-A’線處的PBC的剖視圖。
具體實施方式
〔第1實施方式〕
本實施方式的PBC1通過具備使用相對折射率差大的波導的錐形化定向耦合器，從而提供在較寬的波長范圍內(nèi)將TM偏振波的損失抑制得較低且容易制造的基板型光波導元件。此外，較寬的波長范圍是指包括例如C頻帶(波長范圍1530～1565nm)、L頻帶(波長范圍1565～1625nm)的波長范圍。
首先，參照圖1～圖6說明作為基板型光波導元件的PBC1的特征。圖1是示出本實施方式的PBC1的概要的框圖。如圖1(a)所示，PBC1具備由下部包層和上部包層埋設(shè)的2個波導(稱為WG1以及WG2)，并具有4個端口(port1-1、port1-2、port2-1、port2-2)。
另外，如圖1(b)那樣定義各端口的剖面中的TE偏振波和TM偏振波的名稱。在圖中，如果將i、j分別設(shè)為0以上的整數(shù)，則TEi意味著在WG1或者WG2中TE偏振波中的有效折射率第(i+1)大的波導模，TMj意味著在WG1或者WG2中TM偏振波中的有效折射率第(j+1)大的波導模。
圖1是示出PBC1的結(jié)構(gòu)的框圖。圖1(a)示出PBC1對所輸入的TM偏振波以及TE偏振波進行復用的情形。圖1(b)定義PBC1具備的2個輸入端口以及2個輸出端口處的TE偏振波的波導模的名稱。圖1(c)定義輸入端口以及輸出端口處的TM偏振波的波導模的名稱。
如圖1(a)以及圖5所示，PBC1具備作為2個波導的芯體13以及芯體14。以下，將芯體13的一個端口稱為輸入端口13a，將另一個端口稱為輸出端口13b。另外，將芯體14的一個端口稱為輸入端口14a，將另一個端口稱為輸出端口14b。
另外，如圖1(b)所示，將輸入端口13a處的TE偏振波定義為TEi＠13a，將輸出端口13b處的TE偏振波定義為TEi＠13b，將輸入端口14a處的TE偏振波定義為TEi＠14a，將輸出端口14b處的TE偏振波定義為TEi＠14b。如圖1(c)所示，將輸入端口13a處的TM偏振波定義為TMj＠13a，將輸出端口13b處的TM偏振波定義為TMj＠13b，將輸入端口14a處的TM偏振波定義為TMj＠14a，將輸出端口14b處的TM偏振波定義為TMj＠14b。i以及j分別是0以上的整數(shù)。TEi意味著芯體13或者芯體14中的TE偏振波的波導模中的有效折射率第i+1大的波導模。TMj意味著芯體13或者芯體14中的TM偏振波的波導模中的有效折射率第j+1大的波導模。
PBC1以非專利文獻3以及4中記載的錐形化定向耦合器的原理作為基礎(chǔ)原理，具備與這些錐形化定向耦合器同樣的特征。
在非專利文獻3中，示出使直徑相對于光的行進方向變化的2根光纖彼此相鄰的TAPERED COUPLERS(在本實施方式中，也稱為錐形化定向耦合器)。在通常的錐形化定向耦合器中，2根光纖的相對折射率差是5％以下。在非專利文獻3中，作為錐形化定向耦合器的用途，提及到向相鄰波導的光功率的100％的移動。
在非專利文獻4中，公開了使芯體寬度相對于光的行進方向變化的2個矩形形狀的芯體彼此相鄰的ADIABATIC ASYMMETRIC DIRECTIONAL COUPLERS(相當于本實施方式中的錐形化定向耦合器)。其中，關(guān)于芯體和包層的材料，公開了摻P的SiO2和SiO2。在非專利文獻4中雖然未記載，但相對折射率差通常在5％以下。在非專利文獻4中，作為錐形化定向耦合器的用途，提及到向相鄰波導的光功率的100％的移動。
PBC1具備與非專利文獻3以及4中的某一個相同的以下特征。
特征1：芯體13與芯體14是矩形形狀芯體。
特征2：芯體13的高度與芯體14的高度相等。
特征3：芯體13與芯體14彼此隔出距離地配置。
特征4：關(guān)于芯體13的寬度與芯體14的寬度的大小關(guān)系，(1)在作為與光的行進方向垂直的剖面的具有輸入端口13a和輸入端口14a一側(cè)的剖面的入射端面處，芯體13的寬度比芯體14的寬度大，(2)在作為與光的行進方向垂直的剖面的具有輸出端口13b和輸出端口14b一側(cè)的剖面的出射端面處，芯體14的寬度比芯體13的寬度大，(3)在上述入射端面與上述出射端面之間的至少一個剖面中，芯體13的寬度與芯體14的寬度相等。
特征5：芯體13的寬度與芯體14的寬度沿著光的行進方向連續(xù)地變化。其中，還包括芯體13以及芯體14中的一個芯體的芯體寬度不變化而另一個芯體的芯體寬度連續(xù)地變化這樣的情況。
通過滿足以上特征1～5，能夠獲得以下效果。
根據(jù)特征1，能夠通過基板型光波導來制作。在此，矩形形狀芯體是指從宏觀上觀察時剖面是矩形形狀的情況。如梯形形狀芯體以及平行四邊形形狀芯體那樣的芯體側(cè)壁傾斜的形狀的芯體也包括在矩形形狀芯體中。另外，從微觀上觀察時構(gòu)成剖面的角由曲線構(gòu)成的芯體也包括在矩形形狀芯體中。這是由于，即使是從微觀上觀察時角由曲線構(gòu)成的圓角形狀，如果從宏觀上觀察，則可以說是矩形形狀。
根據(jù)特征2，通過一次蝕刻能夠形成2個芯體(芯體13以及芯體14)，能夠簡化制造工藝。通常，PBC具備下部包層、配置于其上的矩形形狀芯體以及覆蓋下部包層和矩形形狀芯體的上部包層。下部包層使用例如SOI晶圓的BOX(Buried Oxide，隱埋氧化物)層，矩形形狀芯體能夠通過以蝕刻加工SOI晶圓最上位層的硅層來制作。上部包層可以形成為空氣包層，為了保護芯體，也可以沉積SiO2、Si3N4。將這樣的波導稱為硅波導。
在特征2成立的情況下，在這樣的PBC中，僅通過一次蝕刻，就能夠形成芯體13以及芯體14。因此，能夠簡化制造工藝。特別是，在包括硅波導的光電路整體中，通過光束縛強的矩形形狀芯體的波導進行布線的情況較多，因此能夠一并制作這樣的布線和PBC。
通過簡化制造工藝，能夠降低PBC的制造成本。另外，能夠抑制由于制造工藝的增加而產(chǎn)生的制造誤差，因此制造PBC的情況下的成品率也得到提高。
根據(jù)特征3，能夠降低作為形成芯體時的制造工藝的光刻法的要求精度，能夠簡化制造工藝。根據(jù)特征3，芯體13與芯體14不會接觸。如果是在2個芯體相接的情況下，需要使芯體13與芯體14彼此的芯體間隔連續(xù)地逐漸減小。但是，關(guān)于光刻法，由于曝光時的光的衍射，實際能夠制作的芯體間隔是有限度的。另外，在需要更窄的芯體間隔的情況下，制造工藝的難度上升。因此，通過滿足特征3，能夠簡化PBC1的制造工藝。
根據(jù)特征4～5，能夠?qū)崿F(xiàn)在較寬的波長范圍內(nèi)損失低且還不易受制造誤差影響的構(gòu)造。
通常，在具備高度相等的矩形形狀芯體的PBC中，隨著芯體的寬度增大，芯體的剖面積會增加，因此TEi以及TMj向芯體的光束縛變強。其結(jié)果是，受到折射率高的芯體的影響，各波導模的有效折射率增加。根據(jù)特征4，在包括輸入端口13a和輸入端口14a的入射端面處，芯體13的芯體寬度比芯體14的芯體寬度大，因此TEi＠13a(TMj＠13a)的有效折射率大于TEi＠14a(TMj＠14a)。另一方面，在包括輸出端口13b和輸出端口14b的剖面中，芯體14的芯體寬度比芯體13的芯體寬度大，因此TEi＠14b(TMj＠14b)的有效折射率大于TEi＠13b(TMj＠13b)。進而，根據(jù)特征5，芯體13與芯體14連續(xù)地使芯體寬度變化，因此TEi(TMj)的有效折射率相對于光的行進方向連續(xù)地變化。其結(jié)果是，以下4個波導模的組合C1～C4由連續(xù)的有效折射率曲線來連接。
組合C1：TEi＠13a與TEi＠14b
組合C2：TEi＠14a與TEi＠13b
組合C3：TMj＠13a與TMj＠14b
組合C4：TMj＠14a與TMj＠13b
在此，有效折射率曲線是指，針對相對于光的行進方向的坐標而標繪各坐標的包括芯體13和芯體14的波導剖面中的波導模的有效折射率而得到的曲線。通常，處于同一有效折射率曲線上的波導模彼此使芯體寬度相對于光的行進方向的變化充分平緩，即固定輸入端口13a、輸入端口14a、輸出端口13b以及輸出端口14b各自的芯體寬度，將芯體13和芯體14的相對于光的行進方向的長度(后文中，稱為錐形長度)取充分長，從而能夠幾乎無能量損失地進行轉(zhuǎn)換。這樣的轉(zhuǎn)換被稱為絕熱轉(zhuǎn)換。
因此，如果著眼于組合C3和組合C4，則根據(jù)特征4～5，通過使錐形長度變長，能夠使TMj從芯體13向芯體14或者從芯體14向芯體13以較低的損失進行移動。
關(guān)于以上的原理，基于非專利文獻3進一步地詳細敘述。首先，定義以下的值。在此，λ表示光波長。
NTEi＠WG1：芯體13單獨存在的情況下的TEi的有效折射率
NTEi＠WG2：芯體14單獨存在的情況下的TEi的有效折射率
它們針對非專利文獻3的式(19-14)的
【數(shù)式8】
分別對應(yīng)于：
【數(shù)式9】
NTMj＠WG1：芯體13單獨存在的情況下的TMj的有效折射率
NTMj＠WG2：芯體14單獨存在的情況下的TMj的有效折射率
它們針對非專利文獻3的式(19-14)的
【數(shù)式10】
分別對應(yīng)于：
【數(shù)式11】
CTEi：芯體13的TEi與芯體14的TEi的光耦合的強度
CTMj：芯體13的TMj與芯體14的TMj的光耦合的強度
它們對應(yīng)于非專利文獻3的式(19-14)的C(z)。
δTEi＝(π/λ)×|NTEi＠WG1-NTEi＠WG2|
δTMj＝(π/λ)×|NTMj＠WG1-NTMj＠WG2|
其中，上述各變量的定義考慮了與光的行進方向垂直的剖面中的局部模。δTEi和芯體13的TEi與芯體14的TEi的相位速度之差有關(guān)，δTMj和芯體13的TMj與芯體14的TMj的相位速度之差有關(guān)。δTEi(或者δTMj)的值越接近0，則表示芯體13與芯體14的相位越匹配。
以下，說明TMj從芯體13向芯體14移動時的條件。
在CTMj＜＜δTMj時，相位不匹配的程度勝過光耦合的強度，因此芯體13的TMj局部存在于芯體13，芯體14的TMj局部存在于芯體14。換言之，芯體13的TMj與芯體14的TMj幾乎不發(fā)生相互作用，成為與芯體13和芯體14獨立存在的情況相同的電場分布。
另一方面，在CTMj＞＞δTMj時，光耦合的強度勝過相位不匹配的程度，因此芯體13的TMj跨芯體13和芯體14地存在。芯體14的TMj也同樣地跨芯體13和芯體14地存在。這樣的波導模被稱為超級模。換言之，可以說芯體13的TMj與芯體14的TMj各自相互作用。
通過滿足特征4，包括輸入端口13a以及輸入端口14a的入射端面處的δTMj以及包括輸出端口13b以及輸出端口14b的出射端面處的δTMj變大。其結(jié)果是，入射端面處的TMj以及出射端面處的TMj均局部存在于某一個波導(芯體13或者芯體14)。
通過使芯體13的芯體寬度與芯體14的芯體寬度相對于光的行進方向逐漸接近，δTMj趨近于0。因此，芯體13和芯體14中的光耦合逐漸變強。在芯體13的芯體寬度與芯體14的芯體寬度相等時，即，在芯體13和芯體14在芯體形狀上全等時，δTMj＝0，TMj的電場在芯體13和芯體14中以相同的功率的比例存在。TMj經(jīng)由該芯體13和芯體14中的光耦合而在芯體13與芯體14之間移動。
基于以上內(nèi)容，根據(jù)以下理由，在寬的波長范圍內(nèi)TMj的損失變小。
如上所述，在錐形化定向耦合器中，TMj在波導間移動的部分是各個波導的芯體寬度相等即芯體形狀全等的部位的剖面附近。即使波長變化，在以上所示的芯體寬度相等的剖面中，芯體13和芯體14各自的TMj的有效折射率也始終一致，因此波導間的TMj的移動成立。即，具備特征1～5的PBC1在較寬的波段中進行低損失動作。
不易受制造誤差影響的理由如下所述。作為制造誤差，可列舉(1)芯體寬度因設(shè)計值而變化，(2)芯體高度因設(shè)計值而變化、(3)芯體的折射率因設(shè)計值而變化、(4)包層的折射率因設(shè)計值而變化等。在芯體寬度因設(shè)計值而變化的情況下，如果滿足特征4，則WG1與WG2的芯體寬度相等的剖面始終存在于本發(fā)明的內(nèi)部，因此TMj能夠移動。即使在芯體高度因設(shè)計值而變化的情況下，由于作為同一高度的芯體的芯體13、14通常通過同一工藝來制作，因此芯體13與芯體14的芯體高度也始終相等。因此，同樣地，如果滿足特征2，則TMj能夠移動。即使在芯體的折射率因設(shè)計值而變化的情況下，由于芯體13、14通過同一工藝而形成，因此芯體13的折射率與芯體14的折射率也能夠視為相等。另外，即使在包層的折射率因設(shè)計值而變化的情況下，芯體13相對于包層的相對折射率差與芯體14相對于包層的相對折射率差也能夠視為相等。因此，TMj能夠移動。
另外，即使在芯體13與芯體14在芯體的高度上不同的情況以及芯體形狀為非對稱的梯形的情況下，如果維持TMj的有效折射率在輸入端口13a處大于輸入端口14a處且在輸出端口14b處大于輸出端口13b處這樣的關(guān)系，則TMj也能夠移動。
根據(jù)以上所述，PBC1可以說不易受制造誤差影響。
PBC1除了以上特征之外，還具備在非專利文獻3以及4中未公開的以下2個特征。
特征6：在芯體13以及芯體14的所有部位，TMj的有效折射率始終小于TEi的有效折射率。
特征7：芯體13以及芯體14由比下部包層11以及上部包層12的相對折射率差大的材料構(gòu)成。
在此，相對折射率差由下式定義。
【數(shù)式12】
在此，Nco表示芯體的折射率，Ncl表示包層的折射率。在包層由多種材料構(gòu)成的情況下，將下部包層11以及上部包層12的折射率分別設(shè)為Ncl1以及Ncl2，將折射率最大的材料的折射率設(shè)為Ncl。
由于具備特征6～7，本發(fā)明具有作為PBC的功能。即，在圖1(b)中，具有僅TMj的光功率向相鄰波導(從WG1向WG2或者從WG2向WG1)移動、TEi的光功率僅有其極微小的一部分向相鄰波導移動而大部分從同一波導輸出這樣的效果。其結(jié)果是，例如當將TMj輸入到芯體13的輸入端口13a并將TEi輸入到芯體14的輸入端口14a時，兩個偏振波同時從芯體14的輸出端口14b輸出。因此，PBC1作為PBC而發(fā)揮功能。另外，當對輸出端口14b同時輸入TEi和TMj時，TMj從輸入端口13a輸出，TEi從輸入端口14a輸出。因此，PBC1還作為偏振分束器而發(fā)揮功能。
以下，敘述起到效果的理由。
由于具備特征6，與TMj相比，TEi向芯體的光束縛的程度較大。這是由于，有效折射率的大小對應(yīng)于光向芯體的束縛的強弱。換言之，可以說在TMj的情況下光更大程度地滲出到包層中。進而，由于具備特征7，能夠使TEi和TMj的向包層的光滲出的程度之差進一步增大。換言之，能夠使TEi與TMj的有效折射率之差進一步增大。這是基于以下理由。
在TEi的電場中，寬度方向(x方向)的電場分量(Ex)為主，在TMj的電場中，高度方向(y方向)的電場分量(Ey)為主。如果使芯體寬度增大，則光的束縛變大，與此相應(yīng)地有效折射率增加，而關(guān)于該增加率，TEi比TMj大。這能夠根據(jù)電場的芯體與包層的邊界條件來說明。通過麥克斯韋的方程式，芯體側(cè)面(左右兩邊)處的電場的邊界條件由式(6)以及式(7)來確定。
【數(shù)式13】
【數(shù)式14】
在此，各參數(shù)如下所述。
【數(shù)式15】
表示側(cè)面邊界上的包層側(cè)的Ex，
【數(shù)式16】
表示側(cè)面邊界上的芯體側(cè)的Ex，
【數(shù)式17】
表示側(cè)面邊界上的包層側(cè)的Ey，
【數(shù)式18】
表示側(cè)面邊界上的芯體側(cè)的Ey。
式(6)與TEi有很大關(guān)系，式(7)與TMj有很大關(guān)系。觀察式(6)，Nco＞Ncl，因此在芯體側(cè)面邊界Ex不連續(xù)，
【數(shù)式19】
電場在更靠包層的一側(cè)較大地分布。其中，在滿足特征6的情況下，與TEi相比，在TMj的情況下電場向包層的滲出較小。因此，如果芯體寬度變大，則在外側(cè)較大地分布著的Ex向芯體分布，在芯體中束縛大的電場。
另一方面，觀察式(7)，Ey在芯體側(cè)面邊界連續(xù)地變化。因此，相對于芯體寬度的變化，不像Ex分量那樣變化。因此，如果使芯體寬度增大，則與Ey是主電場的TMj相比，在Ex是主電場的TEi的情況下，向芯體的光束縛較大。其結(jié)果是，關(guān)于有效折射率的增加率，也是TEi變大。然而，如果式(5)所示的相對折射率差小，則TEi的邊界面上的不連續(xù)性變小，變成與相對于芯體寬度的TMj的束縛程度相同的程度。另一方面，如果相對折射率差大，則TEi的邊界面處的不連續(xù)性變大，與TMj相比，TEi更強地被束縛在芯體中，換言之，通過使相對折射率差增大，能夠減小TEi的向包層的滲出。其結(jié)果是，根據(jù)特征7，通過增加芯體寬度，能夠?qū)Ei與TMj的向包層的光滲出的程度設(shè)置大的差。
為了觀察因相對折射率差的大小而會在TEi和TMj的有效折射率發(fā)生什么樣的變化，在相對折射率差為5％的情況以及為40％的情況下，計算相對于芯體寬度的TE0以及TM0各自的經(jīng)標準化而得到的有效折射率。在圖2中示出該計算的結(jié)果。圖2(a)是示出計算中使用的芯體的結(jié)構(gòu)的剖視圖。圖2(b)是示出相對折射率是5％的情況下的計算結(jié)果的曲線圖，圖2(c)是示出相對折射率是40％的情況下的計算結(jié)果的曲線圖。如圖2(a)所示，將芯體的高度h設(shè)為220nm，將硅制的芯體的折射率設(shè)為3.47，根據(jù)相對折射率差，確定上部包層的折射率(＝下部包層的折射率)。將TE0以及TM0的波長設(shè)為1550nm。另外，經(jīng)標準化而得到的有效折射率通過式(8)來求出。
【數(shù)式20】
標準化有效折射率＝(有效折射率-包層的折射率)/(芯體的折射率-包層的折射率) (8)
如果比較圖2(b)以及(c)的結(jié)果，則在相對折射率差是5％的情況下，即使芯體寬度增大，在TE0與TM0中標準化執(zhí)行折射率之差也非常小。具體來說，在芯體寬度400nm至1000nm的范圍內(nèi)，標準化執(zhí)行折射率之差的最大值是0.01。另一方面，在相對折射率差是40％的情況下，可知標準化執(zhí)行折射率之差非常大。具體來說，在芯體寬度400nm至1000nm的范圍內(nèi)，標準化執(zhí)行折射率之差的最小值是0.23。有效折射率表示向芯體的光束縛，換言之，表示光向包層的滲出的程度。因此，可以說在相對折射率差大的情況下，在TE0和TM0的向包層的光滲出的程度上產(chǎn)生較大的差。
根據(jù)以上所述，在本發(fā)明中，與TEi相比，在TMj的情況下光向包層的滲出較大。如果光向包層的滲出較大，則向相鄰的波導的光耦合變強。因此，由于具備特征6～7，式(9)始終成立。
【數(shù)式21】
CTMj＞CTEi (9)
該關(guān)系與TEi以及TMj通過絕熱變化而在波導間移動所需的錐形長度有關(guān)。作為該錐形長度的評價指標，可列舉非專利文獻3的式(19-3)的Zb。該值越大，則需要使錐形長度越長。Zb根據(jù)在同一偏振波中在芯體13和芯體14中進行導波的2個波導模的傳輸常數(shù)之差(有效折射率之差/(2π/λ))來確定，因此TEi和TMj各自的Zb能夠如式(10)以及式(11)那樣寫出。
【數(shù)式22】
【數(shù)式23】
Zb達到最大是在芯體13和芯體14各自的芯體寬度相等時，此時δTEi＝0以及δTMj＝0。因此，式(10)變成式(12)，式(11)變成式(13)。
【數(shù)式24】
Zb(TEi)＝2π/CTEi (12)
【數(shù)式25】
Zb(TMj)＝2π/CTMj (13)
由此，光耦合越大，則在越短的錐形長度下引起波導間的絕熱移動。由于具備特征6～7，式(9)的關(guān)系成立，因此Zb(TMj)比Zb(TEi)短。即，作為錐形長度，設(shè)定TMj在絕熱狀態(tài)下在波導間移動所需的長度，從而能夠使TMj低損失地移動，并且使TEi在波導間幾乎不移動。
進而，由于具備特征7，PBC1起到如下效果。TEi以及TMj的波導間的移動分別在CTEi＞＞δTEi以及CTMj＞＞δTMj的范圍內(nèi)高強度地進行。為了在進行波導間的移動的范圍(稱為相互作用區(qū)域)內(nèi)進行絕熱轉(zhuǎn)換，與其他部分相比需要特別長的錐形長度。這根據(jù)式(10)以及式(11)也可知，在CTEi＞＞δTEi以及CTMj＞＞δTMj時，Zb(TEi)以及Zb(TMj)各自變大。
PBC1通過改變芯體13以及芯體14的芯體寬度，使TMj從局部存在于一個波導的波導模轉(zhuǎn)移到局部存在于另一個波導的波導模。如式(6)以及式(7)所示，在相對折射率差較大的情況下，關(guān)于使芯體寬度變化時的有效折射率的變化量，與TMj相比在TEi的情況下較大。因此，相對于芯體寬度的變化，δTEi比δTMj更急劇地變化，其結(jié)果是，關(guān)于相互作用區(qū)域在錐形部分整體中所占的比例，與TEi相比在TMj的情況下較大。因此，即使是相同的錐形長度，與TEi相比，在TMj的情況下也相對較平緩地進行波導間的光功率的移動，其結(jié)果是，僅TMj能夠進行選擇性的波導間的移動。
如上所述，PBC1由于具備特征6～7，使得僅TMj能夠選擇性地進行波導間的移動。其結(jié)果是，PBC1具有作為PBC的功能。
以如下方式提供滿足以上條件的相對折射率差。根據(jù)式(6)，相對折射率差越大，則TEi相對于芯體寬度的有效折射率的增加的影響越顯著，其結(jié)果是，得到較大的CTMj與CTEi之差。支配性的參數(shù)是式(6)的
【數(shù)式26】
如果其是2以上，則使TEi和TMj的芯體寬度變化時的有效折射率的變化量之差達到2倍以上，其結(jié)果是，對TEi與TMj的分離的程度設(shè)置2倍以上的差，因此可以說是足夠的。此時，相對折射率差變?yōu)?5％以上。因此，PBC1將相對折射率差是25％以上設(shè)為必要條件。
此外，在非專利文獻3以及4中，僅記載了相對折射率差小(例如，5％以下)的錐形化定向耦合器。如上所述，如果相對折射率差小，則TEi與TMj的特性相類似。例如，在相對折射率差＝5％時，
【數(shù)式27】
僅僅產(chǎn)生10％的差。因此，這樣的相對折射率差小的錐形化定向耦合器不僅發(fā)生TMj的波導間的移動，還相同程度地發(fā)生TEi的波導間的移動。因此，在非專利文獻3以及4中，僅公開了向相鄰波導間的光功率的100％移動。換言之，非專利文獻3以及4的錐形化定向耦合器無法作為PBC而發(fā)揮功能。
〔優(yōu)選的結(jié)構(gòu)1〕
在PBC1中，優(yōu)選的是：(1)芯體13以及芯體14由Si構(gòu)成，(2)下部包層11由SiO2構(gòu)成，(3)上部包層12由空氣、SiO2以及Si3N4中的某一方構(gòu)成。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)，通過CMOS工藝加工SOI晶圓，從而能夠容易地制作PBC1。另外，根據(jù)該結(jié)構(gòu)，能夠得到具有較高的相對折射率差的波導。具體來說，在上部包層由空氣或者SiO2構(gòu)成的情況下，相對折射率差約為41％，在上部包層由Si3N4構(gòu)成的情況下，相對折射率差約為32％。
下部包層11能夠通過使用SOI晶圓的BOX層而形成。芯體13以及芯體14能夠通過利用蝕刻來加工作為SOI晶圓的最上位層的Si層而形成。上部包層12能夠通過在形成芯體后沉積所期望的材料(SiO2或者Si3N4)而形成。此外，在上部包層12由空氣構(gòu)成的情況下，不需要沉積SiO2或者Si3N4。
特別是，在使用SiO2作為上部包層12的情況下，由于是與下部包層11相同的材料，因此能夠使下部包層11與上部包層12的邊界處的應(yīng)力減小，能夠進一步提高制作PBC1時的成品率。
〔優(yōu)選的結(jié)構(gòu)2〕
在PBC1中，優(yōu)選的是：(1)芯體13以及芯體14由Si構(gòu)成，(2)下部包層11由SiO2構(gòu)成。當在此基礎(chǔ)上進一步地將芯體13的寬度設(shè)為寬度W1且將芯體14的寬度設(shè)為寬度W2的情況下，寬度W1以及寬度W2優(yōu)選在滿足式(14)的范圍內(nèi)變化。
【數(shù)式28】
h＜W1，W2＜Wupper (14)
在此，h表示芯體13以及芯體14的高度。另外，Wupper由式(15)表示。此外，在式(15)中e是自然常數(shù)。
【數(shù)式29】
Wupper＝{0.868224×[loge(h)]4·21.265613×[loge(h)]3+195.780964×[loge(h)]2
-802.242303×loge(h)+1236.45521}×h (15)
由此，在進行TE0和TM0的偏振復用或者分離的情況下，能夠降低TM0的過度損失。
在將TE0和TM0設(shè)為對象的情況下，為了滿足特征6，芯體的寬度W1以及寬度W2需要比芯體的高度h大。這是由于，在矩形波導中，在芯體寬度＝芯體高度時，芯體的剖面形狀為正方形，TE0和TM0表示轉(zhuǎn)動了90度的同一電場分布。
芯體寬度的最大值Wupper以如下方式確定。在實際的制造中，芯體側(cè)壁有時相對于下部包層11的上表面不完全垂直，而是呈圖3(a)以及(b)所示的梯形形狀。這從宏觀上能夠視為矩形形狀，但在以下方面導致TM0的損失增加。如非專利文獻5所示，在具有如圖3(a)以及(b)那樣的在高度方向上非對稱的折射率分布的情況下，在TM0與TE1的有效折射率相同的芯體寬度下，TM0與TE1相互作用。
其結(jié)果是，TM0的一部分轉(zhuǎn)換成TE1，產(chǎn)生過度損失。因此，為了防止該不必要的損失，芯體寬度需要比TE1與TM0的有效折射率相同的芯體寬度小。因此，將TE1與TM0的有效折射率相同的芯體寬度設(shè)為Wupper。在圖4中示出按高度h標準化而得到的Wupper的模擬結(jié)果。在此，將波長設(shè)為1550nm。圖4中記載的點表示模擬結(jié)果，虛線表示對該模擬結(jié)果進行內(nèi)插而得到的曲線。通過該曲線，Wupper如式(15)這樣確定。
根據(jù)以上所述，在進行TE0和TM0的偏振復用或者分離的情況下，能夠降低TM0的過度損失。關(guān)于TE0和TM0，在各個偏振波中有效折射率最高，因此向芯體的束縛最強。其結(jié)果是，彎曲波導中的損失變小。根據(jù)這樣的理由，通常是最常使用TE0和TM0。因此，抑制TM0的過度損失的優(yōu)選的結(jié)構(gòu)2在實用方面是有用的。
〔其他利用方法〕
PBC1能夠僅使TMj以低損失在芯體13與芯體14之間移動。因此，PBC1能夠用作使用提取TMj或者TEi的偏振波的基板型光波導的偏振器件。
在用作針對TMj的偏振器件的情況下，例如，通過將輸入端口13a設(shè)為輸入端口并將輸出端口14b設(shè)為輸出端口，在對輸入端口13a輸入TEi和TMj的情況下，能夠從輸出端口14b僅提取其中的TMj。
在用作針對TEi的偏振器件的情況下，例如，通過將輸入端口13a設(shè)為輸入端口并將輸出端口13b設(shè)為輸出端口，在對輸入端口13a輸入TEi和TMj的情況下，能夠從輸出端口13b僅提取其中的TEi。
在任一情況下，都能夠通過使用在較寬的波長范圍內(nèi)能夠進行低損失的動作的PBC1，實現(xiàn)在較寬的波長范圍內(nèi)損失低并且具有高偏振消光比的偏振器件。
進而，能夠通過進行多級連接來提高偏振消光比。
〔PBC1的結(jié)構(gòu)〕
參照圖5以及圖6說明PBC1的結(jié)構(gòu)。圖5是示出PBC1的結(jié)構(gòu)的立體圖。圖6(a)是示出PBC1的芯體13以及芯體14的結(jié)構(gòu)的俯視圖。圖6(b)～(d)分別是圖6(a)所示的A-A’線、B-B’線以及C-C’線處的PBC1的剖視圖。
如圖5(a)所示，PBC1具備配置于下部包層11上的第1芯體13、第2芯體14以及以埋設(shè)第1芯體13和第2芯體14的方式層疊于下部包層11上的上部包層12。第1芯體13以及第2芯體14是與光的行進方向正交的剖面呈矩形形狀的芯體。關(guān)于芯體13以及芯體14，設(shè)成作為TE偏振波對TE0(也稱為TE0偏振波)進行導波且作為TM偏振波對TM0(也稱為TM0偏振波)進行導波來說明。另外，芯體13以及芯體14是硅制的，下部包層11以及上部包層12設(shè)為是二氧化硅制成的來進行說明。但是，構(gòu)成芯體13和芯體14以及下部包層11和上部包層12的材料的組合不限定于此。
以下，將下部包層11的折射率設(shè)為Ncl1，將上部包層的折射率設(shè)為Ncl2。在下部包層11和上部包層12由相同的材料構(gòu)成的情況下，設(shè)為Ncl1＝Ncl2＝Ncl。在下部包層11和上部包層12由不同的材料構(gòu)成的情況下，將折射率Ncl1和折射率Ncl2中的較大的折射率設(shè)為Ncl。在PBC1中，由上述式(5)定義的相對折射率是0.25以上。
第1芯體13和第2芯體14由相同的材料構(gòu)成，其折射率Nco滿足Nco＞Ncl1、Ncl2。另外，將芯體13的寬度以及高度分別設(shè)為W1以及h1，將芯體14的寬度以及高度分別設(shè)為W2以及h2。在PBC1中高度h1與高度h2相等，以下設(shè)為h1＝h2＝h。芯體13的寬度W1以及芯體14的寬度W2分別大于芯體13與芯體14的共同的高度即高度h。
另外，在將芯體13與芯體14的間隔設(shè)為寬度WG時，在第1芯體13與第2芯體14并行的PBC1的總長的范圍內(nèi)，寬度WG恒定。以下，也將第1芯體13與第2芯體14并行的區(qū)間表述為并行區(qū)間。
以下，將在下部包層以及上部包層中僅埋設(shè)有第1芯體的狀態(tài)(在PBC1中不存在第2芯體14的狀態(tài))下的上述第1芯體中的TE偏振波以及TM偏振波的有效折射率分別設(shè)為NTE＠WG1以及NTM＠WG1。另外，將在下部包層以及上部包層中僅埋設(shè)有第2芯體的狀態(tài)(在PBC1中不存在第1芯體13的狀態(tài))下的上述第2芯體中的TE偏振波以及TM偏振波的有效折射率分別設(shè)為NTE＠WG2以及NTM＠WG2。
上述有效折射率NTE＠WG1、NTM＠WG1、NTE＠WG2、NTM＠WG2分別作為從第1芯體13與第2芯體14彼此并行的并行區(qū)間的起點起的距離的函數(shù)而連續(xù)。
上述有效折射率NTE＠WG1、NTM＠WG1在整個上述并行區(qū)間中滿足NTE＠WG1＞NTM＠WG1，上述有效折射率NTE＠WG2、NTM＠WG2在整個上述并行區(qū)間中滿足NTE＠WG2＞NTM＠WG2。
上述有效折射率NTM＠WG1與上述有效折射率NTM＠WG2的大小關(guān)系在上述并行區(qū)間的起點與終點處逆轉(zhuǎn)。具體來說，在PBC1中，在上述并行區(qū)間的起點處為NTM＠WG1＞NTM＠WG2，在上述并行區(qū)間的終點處為NTM＠WG1＜NTM＠WG2。
為了滿足這些要件，芯體13的寬度W1隨著從輸入端口13a趨近于輸出端口13b而線性地變化。同樣地，芯體14的寬度W2隨著從輸入端口14a趨近于輸出端口14b而線性地變化。換言之，寬度W1以及寬度W2相對于光的行進方向線性地變化。芯體13以及芯體14這樣的形狀根據(jù)使PBC1的設(shè)計更加容易這樣的觀點是優(yōu)選的。
寬度W1與寬度W2相等的剖面位于PBC1的中央。該結(jié)構(gòu)能夠使芯體13與芯體14相互作用的相互作用區(qū)域變寬，因此是優(yōu)選的。
此外，在本實施方式中，將寬度WG設(shè)為恒定，但寬度WG也可以不一定是恒定的。特別是，相互作用區(qū)域(寬度W1與寬度W2相同的剖面附近)需要比其他部分長的錐形長度，因此從輸入端口13a和14a到相互作用區(qū)域的范圍內(nèi)波導寬度變窄的構(gòu)造以及從輸出端口13b和14b到相互作用區(qū)域的范圍內(nèi)波導寬度變窄的構(gòu)造能夠在相互作用區(qū)域中提高耦合長度，因此是優(yōu)選的。
另外，寬度W1以及寬度W2不一定需要相對于光的行進方向線性地變化，也可以構(gòu)成為在相互作用區(qū)域中按更平緩的函數(shù)變化。該結(jié)構(gòu)能夠使相互作用區(qū)域中的錐形長度相對變長，因此是優(yōu)選的。
另外，PBC1以矩形形狀芯體作為前提，但還能夠使用能夠通過一次蝕刻制作的肋形波導來構(gòu)成芯體13以及芯體14。但是，在該情況下，芯體側(cè)壁比矩形波導少，因此設(shè)為肋部寬度(相當于芯體寬度)時的TE0與TM0的有效折射率的變化量之差變小。
〔第1實施例〕
參照圖7～15說明第1實施例的PBC1。在本實施例中，其目的在于，使用PBC1來進行TE0和TM0的偏振復用或者分離。圖7是示出本實施例的PBC1的各部的尺寸的概略圖。圖7中(a)是PBC1的俯視圖，(b)是與光的行進方向垂直的面中的PBC1的剖視圖。
另外，圖8(a)是示出不具備PBC1所具備的芯體14(僅具備芯體113)的矩形形狀波導101a的有效折射率以及不具備PBC1所具備的芯體13(僅具備芯體114)的矩形形狀波導101b的有效折射率的計算結(jié)果的曲線圖。矩形形狀波導101a以及矩形形狀波導101b是本實施例的PBC1的比較例的一個方式。圖8(b)是示出具備下部包層111、上部包層112以及所埋設(shè)的芯體113(對應(yīng)于第1芯體)的波導101a的結(jié)構(gòu)的剖視圖。圖8(c)是示出具備下部包層111、上部包層112以及所埋設(shè)的芯體114(對應(yīng)于第2芯體)的波導101b的結(jié)構(gòu)的剖視圖。
圖7(b)所示的X在-100至100的范圍內(nèi)變化，從而芯體13的寬度W1以及芯體14的寬度W2相對于光的行進方向線性地變化。具體來說，(1)在A-A’線的位置即輸入端口13a以及輸入端口14a的位置處，寬度W1是600nm(X＝-100nm)，寬度W2是400nm(X＝-100nm)，(2)在E-E’線的位置即輸出端口13b以及輸出端口14b的位置處，寬度W1是400nm(X＝100nm)，寬度W2是600nm(X＝100nm)，(3)在C-C’線的位置即輸入端口13a(14a)與輸出端口13b(14b)的中點的位置處，寬度W1以及寬度W2均是500nm(X＝0nm)。另外，芯體13以及芯體14的高度h設(shè)為220nm。
作為下部包層11，使用SOI晶圓的BOX層。
通過利用蝕刻來加工SOI晶圓最上位層的硅(Si)層，制作芯體13以及芯體14。
在制成芯體13以及芯體14之后，以埋設(shè)芯體13以及芯體14的方式沉積二氧化硅(SiO2)，從而形成上部包層12。
如上所述，在本實施例中，芯體13以及芯體14是硅制的，下部包層11以及上部包層12是二氧化硅制的。
在本實施例中，計算與光的行進方向垂直的剖面中的TE0和TM0的有效折射率。首先，在芯體13獨立存在于下部包層11以及上部包層12中的波導101a(參照圖8(b))以及芯體14獨立存在于下部包層11以及上部包層12中的波導101b(參照圖8(c))中，針對各個波導計算TE0以及TM0的有效折射率。在圖8(a)中示出其結(jié)果。將光的波長設(shè)為1550nm來計算。根據(jù)該圖8(a)，能夠確認在芯體寬度從600nm向400nm變化了200nm的期間，TE0的有效折射率變化了0.35，TM0的有效折射率變化了0.13。即，TE0的有效折射率比TM0的有效折射率更大地變化。這是由于，本實施例的PBC1由特征7所示的相對折射率大的波導構(gòu)成。在本實施例中，芯體(13、14)與包層(11、12)的相對折射率差約為41％。
此外，在圖8(a)中，TE0以及TM0各自的有效折射率之差的絕對值相當于δTE0/(π/λ)、δTM0/(π/λ)，因此，由此能夠求出δTE0以及δTM0。
接著，在圖9中示出計算如圖7(b)所示的剖視圖那樣的使芯體13與芯體14相鄰的PBC1在相對于光的行進方向垂直的剖面中的波導模的有效折射率的結(jié)果。在圖9中以相同種類的曲線描繪出的曲線圖各自連續(xù)地相連。在圖8(a)中有效折射率交叉的點在圖9中通過使芯體13與芯體14以間隔WG＝350nm相鄰而相互作用，交點分離。其結(jié)果是，以一條曲線連接芯體13的TE0與芯體14的TE0，以另一條曲線連接芯體13的TM0與芯體14的TM0。此時的TE0的有效折射率之差的絕對值相當于：
【數(shù)式30】
TM0的有效折射率之差的絕對值相當于：
【數(shù)式31】
因此使用它們以及根據(jù)圖8(a)得到的δTE0以及δTM0，能夠求出CTE0以及CTM0。X＝0時的CTE0以及CTM0分別為0.01rad/μm以及0.13rad/μm，TM0的情況下的耦合非常大。這是由于滿足特征6、7。如果使用該結(jié)果求出式(10)的Zb(TE0)以及式(11)的Zb(TM0)，則分別為470μm以及50μm。因此，可知TM0通過絕熱轉(zhuǎn)換向相鄰波導移動所需的長度與TM0相比可以非常短。
進而，關(guān)于X，分別求出CTE0與δTE0之比(δTE0/CTE0)、CTM0與δTM0之比(δTM0/CTM0)。在圖10中示出其結(jié)果。該比越小，則芯體13以及芯體14的TE0越高強度地相互作用。在本說明書中，將2以下設(shè)為相互作用區(qū)域。關(guān)于TM0，也與TE0一樣。觀察圖10，在X＝0時，δTE0、δTM0為0，因此可知是最高強度地相互作用。在X＝0的前后，芯體寬度發(fā)生了變化，從而δTE0、δTM0增加，其結(jié)果是，相互作用減弱。在此，根據(jù)特征7(相對折射率差大)，關(guān)于使芯體寬度變化時的有效折射率的增加量，與TM0相比在TE0的情況下較大，因此與δTM0/CTM0相比，δTE0/CTE0更急劇地增加。其結(jié)果是，相對于整個器件的TE0的相互作用區(qū)域(-10＜X＜10)比TM0的相互作用區(qū)域(-90＜X＜90)小。因此，可知的是，與TM0相比，TE0更急劇地發(fā)生電場分布的變化，因此幾乎不發(fā)生絕熱轉(zhuǎn)換，另一方面，TM0能夠高效地進行絕熱轉(zhuǎn)換。
為了詳細觀察以上的結(jié)果，對基于圖7所示的A-A’線、B-B’線、C-C’線、D-D’線以及E-E’線的剖面中的TE0和TM0的電場分布進行模擬。在圖11～圖15中示出其結(jié)果。在圖11～圖15的各圖中，TE0表示作為主電場分量的Ex，TM0表示作為主電場分量的Ey。TE0#0、TE0#1分別表示使WG1與WG2相鄰的剖面的TE偏振波中的有效折射率第1大、第2大的模。同樣地，TM0#0、TM0#1分別表示使WG1與WG2相鄰的剖面的TM偏振波中的有效折射率第1大、第2大的模。
在TM0中，絕熱轉(zhuǎn)換成立，因此幾乎不從TM#0或者TM#1中的一方轉(zhuǎn)移向其他波導模。例如，觀察圖11～圖15，在X＝-100時輸入到芯體13的TM0按TM0#0的電場分布前進，在X＝100時從芯體14輸出。在波導中進行移動是在X＝0附近(參照圖13)，在此時的電場分布中，相鄰波導的TM0最高強度地相互作用，從而觀察到TM0存在于兩個波導中。另外，同樣地輸入到芯體14的TM0按TM0#1的電場分布推進，從而在X＝100處從芯體13輸出。
另一方面，TE0幾乎不進行絕熱轉(zhuǎn)換，因此保持電場局部存在于同一波導的狀態(tài)被輸出。例如，觀察圖11～圖15，在X＝-100時輸入到WG1的TE0激發(fā)TE0#0的電場分布，但直至X＝-10為止，TE0幾乎不向相鄰波導移動。在X＝0時，絕熱轉(zhuǎn)換不成立，因此激發(fā)TE0#0和TE0#1的電場分布這兩者。雖然在圖中未示出，但TE0#0和TE0#1是被稱為偶模和奇模的模，TE0#1的電場分布在寬度方向上反對稱。因此，所激發(fā)的這2個波導模相重疊，其結(jié)果是，形成電場幾乎都局部存在于WG1的電場分布。其后，在X＝10、100時，在芯體13的波導中推進，因此TE0不向相鄰的波導移動而直接輸出。在X＝-100處輸入到芯體14的TE0也同樣地從芯體14輸出。
以上的說明不限于本實施例，關(guān)于對TEi和TMj進行處理的本發(fā)明的全部內(nèi)容同樣地成立。
〔第2實施方式〕
參照圖16說明第2實施方式的PBC1A。PBC1A是在實施方式的PBC1的前級以及后級分別連接彎曲波導部2以及3而成的基板型光波導元件。
如圖16所示，設(shè)置于PBC1的前級的彎曲波導部2具備第3芯體23以及第4芯體24。第3芯體23是經(jīng)由PBC1的并行區(qū)間的起點與第1芯體13連通的芯體。第4芯體24是經(jīng)由上述起點與第2芯體14連通的芯體。與第1芯體13以及第2芯體14同樣地，第3芯體23以及第4芯體24均是硅制的。因此，第3芯體的折射率以及第4芯體的折射率均與第1芯體13的折射率以及第2芯體14的折射率相同。第3芯體23與第4芯體24的間隔隨著從上述起點離開而變大。
第3芯體23的寬度W3與上述起點處的第1芯體13的寬度W1一致。寬度W3優(yōu)選從作為第3芯體23的一個端部的第3輸入端口23a至作為第3芯體23的另一個端部的第3輸出端口23b是恒定的。
第4芯體24的寬度W4與上述起點處的第2芯體14的寬度W2一致。寬度W4優(yōu)選從作為第4芯體24的一個端部的第4輸入端口24a至作為第4芯體24的另一個端部的第4輸出端口24b是恒定的。
設(shè)置于PBC1的后級的彎曲波導部3具備第5芯體33以及第6芯體34。彎曲波導部3是與彎曲波導部2對應(yīng)的結(jié)構(gòu)。具體來說，第5芯體33對應(yīng)于第3芯體23，第6芯體34對應(yīng)于第4芯體24。
第5芯體33是經(jīng)由PBC1的并行區(qū)間的終點與第1芯體13連通的芯體。第6芯體34是經(jīng)由上述終點與第2芯體14連通的芯體。與第1芯體13以及第2芯體14同樣地，第5芯體33以及第6芯體34均是硅制的。因此，第3芯體的折射率以及第4芯體的折射率均與第1芯體13的折射率以及第2芯體14的折射率相同。第5芯體33與第6芯體34的間隔隨著從上述終點離開而變大。
第5芯體33的寬度W5與上述終點處的第1芯體13的寬度W1一致。寬度W5優(yōu)選從作為第5芯體33的一個端部的第5輸入端口33a至作為第5芯體33的另一個端部的第5輸出端口33b是恒定的。
第6芯體34的寬度W6與上述起點處的第2芯體14的寬度W2一致。寬度W6優(yōu)選從作為第6芯體34的一個端部的第6輸入端口34a至作為第6芯體34的另一個端部的第6輸出端口34b是恒定的。
通過連接彎曲波導部2，能夠在不使芯體13與芯體14的間隔變寬的情況下使芯體23與芯體24的間隔變寬。另外，通過連接彎曲波導部3，能夠在不使芯體13與芯體14的間隔變寬的情況下使芯體33與芯體34的間隔變寬。因此，能夠抑制在輸入端口23a、輸入端口24a、輸出端口33b以及輸出端口34b處產(chǎn)生不必要的光反射。
另外，由于能夠使相鄰的芯體13與芯體14逐漸地分隔開，因此能夠使TM偏振波的光耦合的強度連續(xù)地增強(輸入側(cè))/減弱(輸出側(cè))。由此，能夠隨著遠離輸入輸出部而使相鄰波導的TM偏振波的光耦合的強度減弱，因此TM偏振波能夠具有靠向一個波導局部存在的電場分布，能夠降低由于殘留于另一個波導而產(chǎn)生的損失。
彎曲波導可以連接到WG1、WG2這兩者，也可以僅連接到單側(cè)。如圖16所示，在對芯體寬度粗的波導端面連接直線波導并對芯體寬度細的波導端面連接彎曲波導的情況下，如果將TM0輸入到圖16的左上的port，將輸入TE0到左下的port，從右下的port得到TE0和TM0的輸出，則在用作PBC時，光以最少的次數(shù)通過彎曲波導，因此是優(yōu)選的。特別是在該情況下，與TM0相比，TE0向芯體的光束縛更強，因此設(shè)想為TE0通過彎曲波導。
此外，使WG1與WG2接近/分隔開的方法不限于彎曲波導，能夠使用任意的曲線形狀。
另外，為了至少在WG1、WG2相接近的前級以及WG1、WG2分隔開的后級中的一方低損失地與構(gòu)成光布線的光波導連接，也可以連接連續(xù)地變化到與該光布線相同的芯體寬度的錐形波導。
〔第2實施例〕
列舉對應(yīng)于第2實施方式的圖16的實施例。在彎曲波導部2以及3中，作為直線波導部分的第3芯體23以及第6芯體34分別保持在維持第1芯體13的輸入端口13a以及第2芯體14的輸出端口14b的芯體寬度的狀態(tài)下延長。作為彎曲波導的第4芯體24以及第5芯體33分別保持在維持第2芯體14的輸入端口14a以及第1芯體13的輸出端口13b的芯體寬度的狀態(tài)下延長。芯體24以及芯體33圓弧狀地彎曲。
圖16的并行區(qū)間是與實施例1相同的尺寸。本實施例的PBC1A能夠通過與實施例1同樣的工藝來制作。以下，也將并行區(qū)間記為錐形部，也將并行區(qū)間的長度記為錐形長度。
以下，通過模擬，示出本實施例的PBC1A作為PBC而發(fā)揮功能。
首先，通過有限差分時間區(qū)域法(FDTD)計算在對port1-1輸入TM0時從port2-2輸出的TM0的損失。在圖17中示出其結(jié)果。將波長設(shè)為1550nm。由此，如果錐形長度是80μm以上，則可知PBC1A的損失為0.01dB以下，絕熱轉(zhuǎn)換充分成立。在圖18中示出此時(錐形長度＝80μm)的電場進行傳輸?shù)那樾?。在圖18(a)中示出對port1-1輸入TM0時的Ey分量的電場分布。在圖18(b)中示出對port1-1輸入TE0時的Ex分量的電場分布。根據(jù)圖18(a)可知，TM0在芯體13的中央附近逐漸地向芯體14移動。另一方面，可知TE0在幾乎不向芯體14移動的情況下穿過芯體13。因此，可知能夠進行TE0以及TM0中的偏振波分離。
接著，設(shè)想將PBC1A用作PBC，通過FDTD計算相對于波長的此時的TE0和TM0的損失以及偏振消光比(PER)。在圖19中示出其結(jié)果。將錐形長度設(shè)為80μm。在圖19(a)中示出對port1-1輸入TM0并從port2-2輸出時的損失(相當于式(1))，在(b)中示出在對port1-1分別輸入TE0和TM0時從port2-2輸出的各個偏振波的損失比即PER(相當于式(3))，在(c)中示出對port1-2輸入TE0并從port2-2輸出時的損失(相當于式(2))，在(d)中示出在對port1-2分別輸入TE0和TM0時從port2-2輸出的各個偏振波的損失比即PER(相當于式(4))。此外，在圖19中還一并記載有用于后述的比較的現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)果。
根據(jù)圖19的結(jié)果，可知在包括C頻帶和L頻帶的120nm的非常寬的波長范圍內(nèi)，TM0的損失為0.1dB以下，TE0的損失為0.32dB以下，都非常小。另外，可知PER分別為10dB以上，能夠?qū)⒉恍枰钠穹至恳种浦?/10以下。
接著，通過FDTD計算制造誤差的影響。作為制造誤差，設(shè)想芯體的高度在芯體13和芯體14中都比設(shè)計值大出約5％的情況，計算此時的輸入到port1-1并從port2-2輸出的TM0的損失。關(guān)于有制造誤差的情況和沒有制造誤差的情況，在圖20中示出結(jié)果。根據(jù)該結(jié)果，可知即使在制造誤差的影響下，PBC1A也在120nm的寬的波長范圍內(nèi)具有0.1dB以下的低損失。
〔比較例〕
通過模擬來比較第2實施例與非專利文獻2的構(gòu)造。在圖35中示出在比較中使用的現(xiàn)有技術(shù)的PBC201的尺寸。為了與第2實施例的PBC1A進行比較，將PBC201的芯體高度、波導間隔以及材料分別設(shè)為與PBC1A相同。直線部分的長度以在波長范圍1520nm～1640nm內(nèi)輸入到port1-1的TM0的損失的最大值最小的方式確定。另外，在該條件下，芯體寬度以port1-1的PER為與第2實施例相同的程度的方式確定。在圖19中示出此時的結(jié)果。
根據(jù)圖19可知，在全部的特性中，PBC1A都超過PBC201。特別是，TM0的損失在PBC201中最大是0.43dB，與此相對地，在PBC1A中最大是0.1dB。即，與現(xiàn)有技術(shù)相比，可知PBC1A在較寬的波長范圍內(nèi)具有較高的性能。
進而，計算考慮到與在圖20中進行計算時同樣的制造誤差時的現(xiàn)有技術(shù)的性能。在圖21中示出結(jié)果。在PBC201中，由于制造誤差的影響，芯體的大小發(fā)生變化，其結(jié)果是，TM0的束縛的程度發(fā)生變化，因此并行區(qū)間中的耦合長度發(fā)生變化。因此，如圖21所示，損失最小的中心波長偏移，在波長范圍1520nm～1640nm內(nèi)最大損失從0.43dB增加至0.84dB。另一方面，如上所述，PBC1A即使受到相同程度的制造誤差的影響，仍維持0.1dB以下的低損失。
〔PBC1A的制作〕
制作本實施例的PBC1A，測定其各種特性。在圖22中示出其結(jié)果。錐形長度是120μm。在圖22(a)中，示出100nm的寬的波長范圍內(nèi)的、對port1-1輸入TM0并從port2-2輸出時的損失(相當于式(1))，在(b)中示出在對port1-1分別輸入TE0和TM0時從port2-2輸出的各個偏振波的損失比即PER(相當于式(3))，(c)示出對port1-2輸入TE0并從port2-2輸出時的損失(相當于式(2))的測定結(jié)果。
根據(jù)這些結(jié)果，證實了TM0的最大損失是0.16dB，能夠以非常小的損失進行動作。另外，port1-1的PER是10.6dB以上，是充分大的值。TE0的損失的最大值是0.59dB，可知它們也能夠以小的值進行動作。
如上所述，已證實了本實施例的PBC1A具有改進現(xiàn)有技術(shù)的問題點的較大的效果。
〔第3實施方式〕
本實施方式的PBC1B對第2實施方式的PBC1A附加了去除不需要的偏振分量的構(gòu)造即終端部4。例如，在對port1-1輸入TEi的情況下，其功率的大部分從port2-1輸出。在該TEi是不需要的分量的情況下，需要將port2-1設(shè)成光學上的終端。如果沒有終端部，則TEi有可能反射而變成返回光，進而，有可能對安裝PBC的光電路的性能造成不良影響。另外，在對port1-1輸入TMj的情況下，其功率的大部分從port2-2輸出，但極小一部分未完全移動到相鄰波導的TMj(殘留TMj)從port2-1輸出。根據(jù)同樣的理由，優(yōu)選也去除該殘留TMj。
圖23(a)是示出PBC1B的結(jié)構(gòu)的俯視圖。在此，僅圖示PBC1B所具備的芯體。如圖23(a)所示，PBC1B在有可能輸出不需要的光的port2-1處具備第7芯體43來作為終端部4的芯體。芯體43經(jīng)由第5芯體33連通到第1芯體13。芯體43的寬度隨著沿著光的行進方向從芯體13離開而變小。即，終端部4將作為芯體寬度逐漸變窄的倒錐形波導的芯體43用作光終端。
如果芯體寬度變窄，則向芯體的光束縛變?nèi)?，電場的大部分滲出到包層。因此，能夠使不需要的光的電場逐漸移動到包層。其結(jié)果是，能夠抑制反射并發(fā)出不需要的光。
此外，在PBC1B中，在利用從第6芯體34的port2-2輸出的TMj的前提下，在第5芯體33的port2-1處設(shè)置芯體43。但是，在利用從port2-1輸出的TEi的情況下，也可以在第6芯體34的port2-2處設(shè)置芯體43。
〔變形例〕
參照圖23(b)說明第3實施方式的變形例的PBC1C。圖23(b)是示出PBC1C的結(jié)構(gòu)的俯視圖。在此，僅圖示PBC1C所具備的芯體。PBC1C具備終端部4’。終端部4’具備經(jīng)由第5芯體33連接到第1芯體13的光吸收體43’。
作為光吸收體43’，例如能夠使用在芯體中注入摻雜劑而成的P型半導體或者N型半導體。這是由于，由注入到P型半導體以及N型半導體中的摻雜劑引起的自由載流子作為吸收光的光吸收體而發(fā)揮功能。另外，作為光吸收體43’，也可以使用由金屬或者金屬化合物構(gòu)成的光吸收體。構(gòu)成光吸收體43’的材料未特別限定，只要是在包括C頻帶以及L頻帶的較寬的波長范圍內(nèi)吸收光的材料即可。
〔第4實施方式〕
參照圖24說明本實施方式的偏振器件1D。圖24是示出偏振器件1D的結(jié)構(gòu)的俯視圖。在此，僅圖示偏振器件1D所具備的芯體。偏振器件1D是串聯(lián)連接2個圖16所示的PBC1A而成的構(gòu)造。偏振器件1D還能夠表述為是分別具備n組第1芯體13以及第2芯體14的基板型光波導元件。在本實施方式中，將前級的PBC1A記載為PBC1Aa，將后級的PBC1A記載為PBC1Ab。即，從偏振器件的一個端部數(shù)起，具備第1組的第1芯體13以及第2芯體14的PBC是PBC1Aa，具備第2組的第1芯體13以及第2芯體14的PBC是PBC1Ab。
PBC1Aa的第2芯體14經(jīng)由PBC1Aa的第6芯體34以及PBC1Ab的第3芯體23而與PBC1Ab的第1芯體13連通。偏振器件1D作為偏振器件而發(fā)揮功能的理由如下所述。
在對PBC1Aa的port1-1輸入了TE偏振波以及TM偏振波的情況下，(1)TM偏振波的大部分在PBC1Aa的并行區(qū)間中向第2芯體14移動，到達PBC1Aa的port2-2，(2)TE偏振波的大部分直接到達PBC1Aa的port2-1，(3)TE偏振波的一部分在PBC1Aa的并行區(qū)間中向第2芯體14移動，到達PBC1Aa的port2-2。
將到達了PBC1Aa的port2-2的(1)TM偏振波的大部分以及(3)TE偏振波的一部分輸入到PBC1Ab的port1-1。在該情況下，(4)TM偏振波的大部分在PBC1Ab的并行區(qū)間中移動到第2芯體14，從PBC1Ab的port2-2輸出，(5)TE偏振波的一部分直接從PBC1Ab的port2-1輸出，(6)TE偏振波的一部分中的另外一部分在PBC1Ab的并行區(qū)間中移動到第2芯體14，從PBC1Ab的port2-2輸出。
如上所述，通過串聯(lián)連接2個PBC1A，與單獨使用PBC1A的情況下的PER相比，偏振器件1D起到提高PER的效果。在本實施方式中，以串聯(lián)連接2個PBC1A(2組第1芯體13以及第2芯體14)的情況為例進行了說明。但是，偏振器件1D也可以通過將3個以上的PBC1A(2組以上的第1芯體13以及第2芯體14)串聯(lián)連接而構(gòu)成。在由n組(n是正的整數(shù))第1芯體13以及第2芯體14構(gòu)成偏振器件1D的情況下，第i組的第2芯體14構(gòu)成為與第i+1組的第1芯體13連通。此時，i是整數(shù)且1≤i≤n-1。此外，也可以在第i組的芯體14與第i+1組的芯體13之間夾設(shè)與芯體13以及14不同的其他芯體。
通過增加構(gòu)成偏振器件1D的PBC1A的個數(shù)，能夠進一步提高PER。
〔第5實施方式〕
上述各實施方式的PBC能夠用作在非專利文獻1中記載的DP-QPSK(Dual Polarization-Quadrature Phase Shift Keying，雙偏振四相相移鍵控)調(diào)制器所具備的偏振波合束器。在DP-QPSK調(diào)制器中，利用在光波導中能夠存在TE0和TM0這2個模這一點，在通過TE0使所輸入的光分支并分別調(diào)制成QPSK信號之后，使單側(cè)的TE0轉(zhuǎn)換成TM0(偏振旋轉(zhuǎn)器)，通過PBC使2個模在同一光波導上進行復用，進行具有與TE0/TM0的兩個模獨立的QPSK信號的DP-QPSK調(diào)制。作為對TE0和TM0進行偏振復用的PBC，能夠利用上述各實施方式的PBC1以及PBC1A～1C。
在本實施方式中，參照圖25，說明包括第1實施方式的PBC1以作為偏振波合束器的光調(diào)制器5。圖25是示出這樣的光調(diào)制器5的結(jié)構(gòu)的框圖。
如圖25所示，作為DP-QPSK調(diào)制器的光調(diào)制器5具備(1)對TE0進行QPSK調(diào)制的第1QPSK調(diào)制器51、(2)對TE0進行QPSK調(diào)制的第2QPSK調(diào)制器52、(3)將由第2QPSK調(diào)制器52調(diào)制過的TE0轉(zhuǎn)換成TM0的偏振旋轉(zhuǎn)器53、以及(4)對由第1QPSK調(diào)制器51調(diào)制過的TE0和通過偏振旋轉(zhuǎn)器53而得到的TM0進行偏振復用的PBC54。
PBC54與圖6所示的PBC1同樣地構(gòu)成。對PBC54的第1芯體13的輸入端口13a輸入上述TM0，對第2芯體14的輸入端口14a輸入上述TE0。PBC54對上述TM0和上述TE0進行偏振復用，從第2芯體14的輸出端口14b輸出被偏振復用的TM0以及TE0。
具備PBC54以作為偏振波合束器的光調(diào)制器5在包括C頻帶以及L頻帶的較寬的波長范圍內(nèi)損失低。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)在這些較寬的波長范圍內(nèi)損失低的基于基板型光波導的DP-QPSK調(diào)制器。另外，本發(fā)明能夠通過通常在大多數(shù)情況下使用的矩形波導來制作，因此能夠與構(gòu)成DP-QPSK的光布線的光波導一并制作，不需要多余的工藝。
此外，對TE0和TM0進行調(diào)制的方式不限于QPSK，即使是具有復雜結(jié)構(gòu)的調(diào)制器，也能夠使用本發(fā)明來進行偏振復用。
〔第6實施方式〕
參照圖26說明本實施方式的基板型光波導元件6。圖26是示出基板型光波導元件6的結(jié)構(gòu)的框圖。如圖26所示，除了偏振器件62之外，基板型光波導元件6還具備光斑尺寸轉(zhuǎn)換器61和光學器件63。在本實施方式中，偏振器件62設(shè)為與圖6中記載的PBC1同樣地構(gòu)成來進行說明。此外，作為偏振器件62，也可以利用上述PBC1A～1C以及偏振器件1D以代替PBC1。
光斑尺寸轉(zhuǎn)換器61將從外部經(jīng)由光纖、透鏡等輸入的光的光斑尺寸縮小，輸入到偏振器件62的第1芯體13的輸入端口13a。作為光斑尺寸轉(zhuǎn)換器61，例如能夠利用隨著從被輸入光的一側(cè)的端部接近于偏振器件62側(cè)的端部而芯體寬度變大的倒錐形波導。
光學器件63例如是對所輸入的光進行調(diào)制的調(diào)制器，或者是僅提取特定的波長的波長濾波器。光學器件63具有偏振依賴性。因此，優(yōu)選對光學器件63輸入TE偏振波或者TM偏振波中的某一方的光。但是，在經(jīng)過外部的光纖和透鏡以及光斑尺寸轉(zhuǎn)換器61的光中，由于光纖、透鏡以及光斑尺寸轉(zhuǎn)換器61中的偏振波軸的對準錯誤等，有可能包含有不期望的偏振分量。
如圖26所示，偏振器件62設(shè)置于光斑尺寸轉(zhuǎn)換器61(光輸入構(gòu)造)與光學器件63之間。偏振器件62對光學器件63輸出從光斑尺寸轉(zhuǎn)換器61輸入的光可能包含的TE偏振分量以及TM偏振分量中的對于光學器件63而言優(yōu)選的偏振分量(TE偏振分量或者TM偏振分量)。
具體來說，光斑尺寸轉(zhuǎn)換器61輸出的光經(jīng)由PBC1的輸入端口13a輸入到第1芯體13。偏振器件62從第1芯體13的輸出端口13b輸出TE偏振分量，從第2芯體14的輸出端口14b輸出TM偏振分量。
在優(yōu)選TE偏振分量作為輸入到光學器件63的光的偏振分量的情況下，光學器件63連接到偏振器件62的第1芯體13的后級即可。對光學器件63輸入從第1芯體13輸出的TE偏振分量。
另一方面，在優(yōu)選TM偏振分量作為輸入到光學器件63的光的偏振分量的情況下，光學器件63連接到偏振器件62的第2芯體14的后級即可。對光學器件63輸入從第2芯體14輸出的TM偏振分量。
如上所述，通過在形成于同一基板上的光斑尺寸轉(zhuǎn)換器61與光學器件63之間設(shè)置偏振器件62，能夠僅將對于光學器件63而言優(yōu)選的偏振分量輸入到光學器件63。偏振器件62能夠通過與制作光斑尺寸轉(zhuǎn)換器61以及光學器件63的工藝相同的工藝來制作。換言之，無需追加用于對光斑尺寸轉(zhuǎn)換器61以及光學器件63追加偏振器件62的特別工藝，就能夠制作基板型光波導元件6。另外，基板型光波導元件6具備與PBC1同樣地構(gòu)成的偏振器件62，因此能夠在較寬的波長范圍內(nèi)保持低損失地抑制不優(yōu)選的偏振分量對光學器件63造成的不良影響。
〔第7實施方式〕
參照圖27以及圖28說明第7實施方式的PBC100。在本實施方式中，與第1實施方式同樣地，其目的也在于使用PBC100來進行TE0和TM0的偏振復用或者分離。圖27是示出本實施方式的肋形波導的基本形狀的剖視圖。圖28中(a)是PBC100的俯視圖，(b)～(d)分別是(a)所示的A-A’線、B-B’線以及C-C’線處的PBC100的剖視圖。
(肋形波導的基本構(gòu)造)
如圖27所示，肋形波導構(gòu)成為具備配置于下部包層110上的芯體150以及以與下部包層110一起夾著芯體150的方式層疊于芯體150上的上部包層120這3層構(gòu)造。芯體150具備以覆蓋下部包層110的整個上表面的方式形成的薄板狀的板片160以及相對于板片160隆起的肋部130。肋部130的剖面形狀如圖27中虛線所示呈長方形。
為了制作PBC100，例如將SOI晶圓的由SiO2構(gòu)成的BOX層設(shè)為下部包層110，蝕刻SOI晶圓最上位層的Si層而使肋部130以及板片160殘留，從而形成芯體150。其后，以覆蓋芯體150的方式形成由SiO2構(gòu)成的上部包層120。此外，上部包層120也可以是空氣。圖6所示的矩形波導與肋形波導的差異在于，在肋形波導中，在蝕刻芯體時使芯體殘留在肋部的兩側(cè)，從而形成厚度比肋部薄的板片這一點。
(由肋形波導構(gòu)成的PBC的構(gòu)造)
接下來，參照圖28，說明由上述肋形波導構(gòu)成的本發(fā)明的一個方式的PBC100的構(gòu)造。如圖28(a)、(b)所示，PBC100具備被下部包層110與上部包層120夾著的第1肋部130和第2肋部140。第1肋部130與第2肋部140沿著PBC100中的光的行進方向呈并列狀地形成，在第1肋部130與第2肋部140之間保持寬度WG的恒定間隔。如圖28(d)所示，在第1肋部130以及第2肋部140的各兩側(cè)存在上述板片160，通過第1肋部130、第2肋部140以及板片160的整體來構(gòu)成上述芯體150。
在考慮到PBC100中的與光的行進方向垂直的剖面的情況下，在圖28(a)所示的并行區(qū)間的起點處的A-A’線所示的剖面、并行區(qū)間的中央處的B-B’線所示的剖面以及并行區(qū)間的終點處的C-C’線所示的剖面的任一個剖面中，板片160的寬度W都與下部包層110以及上部包層120的寬度W(即SOI基板的寬度)相等，是恒定的。換言之，在下部包層110的表面中，在除去形成有第1肋部130以及第2肋部140的區(qū)域之外的全部區(qū)域形成有板片160。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，能夠通過1次蝕刻而形成第1肋部130以及第2肋部140。
其中，如圖28(a)所示，也可以將板片160的寬度設(shè)為比上述寬度W窄的寬度Wp。換言之，板片160也可以形成于包括第1肋部130以及第2肋部140的由寬度Wp限定的區(qū)域。為了形成第1肋部130以及第2肋部140而實施2次蝕刻，從而能夠以限定于寬度Wp的區(qū)域的方式形成板片160。
關(guān)于第1肋部130以及第2肋部140的折射率與下部包層110以及上部包層120的各折射率的關(guān)系、第1肋部130寬度W1以及高度h1、第2肋部140的寬度W2以及高度h2，與在第1實施方式中參照圖6說明的PBC1相同。
在將PBC100用作錐形化定向耦合器的情況下，對芯體130的輸入端口130a入射TM0偏振波，對芯體140的輸入端口140a入射TE0偏振波。芯體140從輸出端口140b射出TE0偏振波和從芯體130移動來的TM0偏振波。在將PBC100用作針對TM0的偏振器件的情況下，例如在對輸入端口130a輸入了TE0和TM0的情況下，能夠從輸出端口140b僅提取其中的TM0。另外，在將PBC100用作針對TE0的偏振器件的情況下，例如在對輸入端口130a輸入了TE0和TM0的情況下，能夠從輸出端口130b僅提取其中的TEi。
(關(guān)于PBC100的特征)
在PBC1中，將上述特征1～7作為為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的的充分必要條件。然而，在由肋形波導構(gòu)成PBC的情況下，特征1需要置換成以下的特征1’。
特征1’：2個波導WG1以及WG2構(gòu)成為肋形波導。
上述特征1的效果由于“能夠制作基板型光波導”這一點，因此即使如特征1’那樣將矩形波導置換成肋形波導，對于帶來上述效果的功能性也沒有問題。
另外，將其他上述特征2～6中的“芯體13”、“芯體14”分別置換為“肋部130”、“肋部140”，將特征7的“芯體13以及芯體14”置換為芯體150整體，從而本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠容易理解可以得到與上述特征2～7所起到的效果同樣的效果。
對于基于上述特征1’的進一步的效果進行補充。在矩形波導中，為了形成芯體，通過蝕刻削去芯體的側(cè)面。此時，由于加工精度的問題，產(chǎn)生芯體寬度沿著光的行進方向不連續(xù)地變動的被稱為“側(cè)壁粗糙”的現(xiàn)象。即，在芯體的側(cè)壁產(chǎn)生不連續(xù)部分。其結(jié)果是，在該不連續(xù)部分進行導波的光發(fā)生散射，因此產(chǎn)生損失。另一方面，在肋形波導中，形成有具有預定厚度的板片。板片的側(cè)壁形成于從作為光導波的區(qū)域的肋部充分離開的位置，因此板片的側(cè)壁粗糙不會使導波的光發(fā)生散射。即，與矩形波導相比，肋形波導使導波的光發(fā)生散射的側(cè)壁部分的比例較小，因此能夠減少該損失。另外，還能夠更高精度地實現(xiàn)在上述特征5中需要的波導寬度(芯體寬度)的連續(xù)性，根據(jù)該觀點，也能夠降低損失。根據(jù)以上所述，通過使用肋形波導，能夠降低由于加工精度的影響而產(chǎn)生的光的損失。
〔第8實施方式〕
參照圖29以及圖30說明第8實施方式的PBC100A。在本實施方式中，與第1實施方式同樣地，其目的也在于使用PBC100A來進行TE0和TM0的偏振復用或者分離。圖29(a)是示出本實施方式的脊形波導的制作方法的剖視圖，(b)是示出脊形波導的基本形狀的剖視圖。圖30中(a)是示出包括第8實施方式的上述脊形波導的PBC100A的結(jié)構(gòu)的俯視圖，(b)～(d)是(a)所示的A-A’線、B-B’線以及C-C’線處的PBC100A的剖視圖。
(脊形波導的基本構(gòu)造)
如圖29(b)所示，脊形波導具備如下的使下部包層110A的上表面的一部分以剖面呈矩形形狀的方式隆起而成的下部包層肋部110a，并具有在下部包層肋部110a上依次層疊芯體150A以及上部包層120A而成的構(gòu)造。芯體150A以及上部包層120A以與下部包層肋部110a相同的寬度層疊。下部包層肋部110a、芯體150A以及上部包層120A整體構(gòu)成在下部包層110A的上表面隆起的脊部130A。
為了制作PBC100A，如圖29(a)所示，例如以由InP構(gòu)成的下部包層以及上部包層夾著由InGaAsP構(gòu)成的芯體的方式呈層狀地形成下部包層、芯體以及上部包層。其后，使具有期望的芯體寬度的芯體的一部分殘留，并且以使下部包層肋部110a形成于下部包層的上表面的方式蝕刻上部包層、芯體以及下部包層。
在蝕刻后的區(qū)域即脊部130A的兩側(cè)的區(qū)域中，可以充滿空氣等氣體，也可以用樹脂或者半導體等填埋。這樣，通過將波導形成為脊形波導，即使在上部包層120A以及下部包層110A與芯體150A的相對折射率差小的情況下，也能夠提高著眼于寬度方向時的相對折射率差。例如，在通過InP(折射率3.17)形成上部包層120A以及下部包層110A并將芯體150A設(shè)為InGaAsP(折射率3.47)的情況下，相對折射率差為0.08(8％)。但是，在對蝕刻后的區(qū)域設(shè)置空氣(折射率1)的情況下，能夠?qū)挾确较虻南鄬φ凵渎什畲蠓岣叩?.46(46％)。
通過采用脊形波導以代替矩形波導或者肋形波導，即使在采用芯體針對包層的相對折射率差小的組合例如由InGaAsP構(gòu)成的芯體150與由InP構(gòu)成的包層110A、120A的組合的情況下，也能夠增強向?qū)挾确较虻墓獾氖`。
(由脊形波導構(gòu)成的PBC的構(gòu)造)
接下來，參照圖30，說明由上述脊形波導構(gòu)成的本發(fā)明的一個方式的PBC100A的構(gòu)造。如圖30(a)～(d)所示，PBC100A在下部包層110A上具備在光的行進方向上并列的脊部130A以及脊部140A。脊部140A的結(jié)構(gòu)與圖29(b)所示的脊部130A的結(jié)構(gòu)相同，下部包層110A與脊部130A以及脊部140A相同。在脊部130A與脊部140A之間設(shè)置恒定的間隔。換言之，脊部130A以及脊部140A的相對的側(cè)壁彼此隔出恒定的間隔地平行。
(關(guān)于PBC100A的特征)
在PBC100A中，關(guān)于針對上述特征1～7中的特征7說明的相對折射率差，需要進行變更。在上述PBC1中，關(guān)于由式(5)定義的相對折射率差，將下部包層11以及上部包層12的折射率分別設(shè)為Ncl1以及Ncl2，將折射率最大的材料的折射率設(shè)為Ncl。與此相對地，在PBC100A中，以“在將填充于脊部130A(WG1)的芯體與脊部140A(WG2)的芯體之間的間隙(蝕刻區(qū)域)的材料的折射率設(shè)為Nb時，Ncl為Nb?！钡姆绞街匦露xNcl。
該理由如下所述。在本發(fā)明中，利用如下這一點：與TMj相比，TEi向相鄰波導的光耦合較小。光耦合根據(jù)從一個波導向另一個波導滲出的光的量來確定。因此，通過增大2個波導之間的區(qū)域與芯體的相對折射率差，針對從一個波導向另一個波導的方向，能夠增強光束縛，能夠得到本發(fā)明的效果。此時，關(guān)于Ncl，承擔本質(zhì)作用的是2個波導之間的區(qū)域的材料，因此將Ncl的值視為Nb是適當?shù)摹?/p>
如果使用脊形波導，則產(chǎn)生如下的較大的優(yōu)點。即，在芯體與上部包層以及下部包層的相對折射率差小的情況即采用矩形波導或者肋形波導的情況下，無法將光充分束縛于芯體。與此相對地，在脊形波導中，僅通過對矩形波導的制成工序追加蝕刻工序，就能夠?qū)⒐獬浞质`于芯體。此外，能夠?qū)⑿倔w與存在于芯體的兩側(cè)的介質(zhì)(例如，空氣等氣體、樹脂或者半導體等)的相對折射率差設(shè)定得較大。因此，能夠減小芯體150的彎曲半徑，因此能夠減小器件尺寸或者提高器件的集成度。
〔變形例(1)〕
參照圖31說明第8實施方式的變形例(1)的PBC100B。圖31(a)是示出包括作為第8實施方式的一個變形例的脊形波導的PBC的結(jié)構(gòu)的俯視圖，(b)～(d)是(a)所示的A-A’線、B-B’線以及C-C’線處的上述PBC的剖視圖。
如圖31(a)～(d)所示，也可以利用保護材料170填埋脊部130A以及脊部140A的各兩側(cè)中的不存在相鄰波導的一側(cè)。由此，能夠防止灰塵附著于在蝕刻后暴露出的脊部130A以及脊部140A的側(cè)壁以及下部包層110A的上表面等。作為構(gòu)成保護材料170的材料，需要使用折射率比構(gòu)成脊形波導的芯體的材料小的材料，例如能夠使用二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)等。
〔變形例(2)〕
參照圖32(a)說明第8實施方式的變形例(2)的PBC100C。圖32(a)是在與圖30(a)所示的A-A’線相同的位置將PBC100C剖切的情況下的PBC100C的剖視圖。
具備圖6(b)所示的矩形波導的PBC1與PBC100C的結(jié)構(gòu)上的差異在于，在PBC1中在下部包層11上并列的芯體13與芯體14之間的間隙中形成有在PBC1的高度方向上貫通的槽。形成于PBC100C的槽180從上部包層120C的上表面貫通相鄰的芯體130C與芯體140C之間的間隙，到達下部包層110C的高度方向的中途位置。
在制作PBC100C的情況下，如在圖30(a)中的肋部130A以及肋部140A的俯視時的輪廓所示，在下部包層110C上以俯視時的形狀為平行四邊形的方式形成芯體150C的層。該平行四邊形為將相對的2條短邊分別對位到圖30(a)所示的并行區(qū)間的起點以及終點而得到的形狀。接下來，以埋設(shè)芯體150C的方式在下部包層110C上層疊上部包層120C。在這樣將下部包層110C、芯體150C以及上部包層120C層疊3層之后，在PBC100C的寬度的中央附近，從上部包層120C的上表面按上述寬度WG(圖28(b))進行蝕刻，從而形成上述槽180。通過該槽180，芯體150C被分離成例如被入射TM偏振波的芯體130C以及被入射TE偏振波的芯體140C。
PBC100C的蝕刻的區(qū)域是1處，因此與蝕刻的區(qū)域為3處的PBC100A相比，能夠通過更簡易的工序來制作PBC100C，而且PBC100C能夠得到與PBC100A等同的效果。
〔變形例(3)〕
參照圖32(b)說明第8實施方式的變形例(3)的PBC100D。圖32(b)是在與圖30(a)所示的A-A’線相同的位置將PBC100D剖切的情況下的PBC100D的剖視圖。
PBC100D具備與圖27所示的芯體150同樣地將上述PBC100C的芯體150C置換成具備板片以及肋部的芯體150D而成的結(jié)構(gòu)。
在制作PBC100D時，如圖32(b)所示，在下部包層110D上以肋部的俯視時的形狀為平行四邊形的方式形成芯體150D的層。該平行四邊形為將相對的2條短邊分別對位到圖30(a)所示的并行區(qū)間的起點以及終點而得到的形狀。接下來，以與下部包層110D一起夾著芯體150D的方式層疊上部包層120D。在這樣將下部包層110D、芯體150D以及上部包層120D層疊3層之后，在PBC100D的寬度的中央附近，從上部包層120D的上表面按上述寬度WG(圖28(b))進行蝕刻，從而形成上述槽180。通過該槽180，芯體150D的肋部被分離成例如被入射TM偏振波的肋部130D以及被入射TE偏振波的肋部140D。
PBC100D能夠得到與PBC100C等同的效果。
〔附記事項〕
為了解決上述課題，本發(fā)明的一個方式涉及一種基板型光波導元件，具備：下部包層，且折射率是Ncl1；第1芯體和第2芯體，形成在上述下部包層上，且折射率是Nco，其中Nco＞Ncl1；以及上部包層，以埋設(shè)上述第1芯體和上述第2芯體的方式層疊在上述下部包層上，折射率是Ncl2，其中Nco＞Ncl2，上述基板型光波導元件的特征在于，在將不存在上述第2芯體的情況下的上述第1芯體中的TE偏振波以及TM偏振波的有效折射率分別設(shè)為NTE＠WG1以及NTM＠WG1，將不存在上述第1芯體的情況下的上述第2芯體中的TE偏振波以及TM偏振波的有效折射率分別設(shè)為NTE＠WG2以及NTM＠WG2，(A)上述有效折射率NTE＠WG1、NTM＠WG1、NTE＠WG2、NTM＠WG2分別作為從上述第1芯體與上述第2芯體彼此并行的并行區(qū)間的起點起的距離的函數(shù)而連續(xù)，(B)上述有效折射率NTE＠WG1、NTM＠WG1在整個上述并行區(qū)間中滿足NTE＠WG1＞NTM＠WG1，(C)上述有效折射率NTE＠WG2、NTM＠WG2在整個上述并行區(qū)間中滿足NTE＠WG2＞NTM＠WG2，(D)上述有效折射率NTM＠WG1與上述有效折射率NTM＠WG2的大小關(guān)系在上述并行區(qū)間的起點與終點處逆轉(zhuǎn)，(E)在將上述下部包層的折射率Ncl1與上述上部包層的折射率Ncl2中的較大的折射率設(shè)為Ncl時，由下式(a)定義的相對折射率差是0.25以上。
【數(shù)式5】
本發(fā)明的一個方式的基板型光波導元件滿足上述條件(A)以及(D)，因此輸入到上述第1芯體的一個端部的TM偏振波在上述并行區(qū)間中絕熱地移動到上述第2芯體，從上述第2芯體的另一個端部輸出。
另外，在本發(fā)明的一個方式的基板型光波導元件中，由于滿足上述條件(B)以及(C)，因此在TM偏振波的光耦合的強度與TE偏振波的光耦合的強度之間產(chǎn)生差，由于滿足上述條件(E)，因此該差充分大。因此，輸入到上述第2芯體的一個端部的TE偏振波的大部分不移動到上述第1芯體而從上述第2芯體的另一個端部輸出。
即，根據(jù)本發(fā)明的一個方式，能夠?qū)崿F(xiàn)TM偏振波的損失較小且偏振消光比較高的基板型光波導元件。
具有上述的功能的上述基板型光波導元件作為(a)對TE偏振波和TM偏振波進行偏振復用的偏振波合束器、(b)對TE偏振波和TM偏振波進行偏振分離的偏振分束器、(c)從TE偏振波和TM偏振波混合存在的光僅提取一方的偏振分量的偏振器件而發(fā)揮功能，能夠在較寬的波長范圍內(nèi)將TM偏振波的損失抑制得較低。
另外，上述基板型光波導元件是具備上述下部包層、形成于上述下部包層上的上述第1芯體以及上述第2芯體以及以埋設(shè)這些芯體的方式層疊于上述下部包層上的上述上部包層這樣的簡易結(jié)構(gòu)，因此能夠使用普遍確立的制造工藝來簡易地制造。
如上所述，上述基板型光波導元件能夠提供在較寬的波長范圍內(nèi)將TM偏振波的損失抑制得較低且容易制造的基板型光波導元件。
另外，在本發(fā)明的一個方式的基板型光波導元件中，優(yōu)選的是，上述第1芯體和上述第2芯體是與光的行進方向正交的剖面呈矩形形狀的芯體，上述第1芯體的高度以及上述第2芯體的高度是共同的，上述第1芯體的寬度W1以及上述第2芯體的寬度W2作為從上述并行區(qū)間的起點起的距離的函數(shù)而連續(xù)，上述寬度W1與上述寬度W2的大小關(guān)系在上述并行區(qū)間的起點與終點處逆轉(zhuǎn)。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，起到與上述基板型光波導元件同樣的效果。另外，根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，上述第1芯體與上述第2芯體的高度相等，因此能夠通過1次蝕刻來制成這2個芯體。因此，工藝變簡易，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本化以及高成品率化。
另外，在本發(fā)明的一個方式的基板型光波導元件中，優(yōu)選的是，上述上部包層與上述下部包層由共同的材質(zhì)構(gòu)成，上述第1芯體的寬度W1以及上述第2芯體的寬度W2分別大于上述第1芯體和上述第2芯體的共同的高度，在上述第1芯體和上述第2芯體中，作為上述TE偏振波對TE0偏振波進行導波，作為上述TM偏振波對TM0偏振波進行導波。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，起到與上述基板型光波導元件同樣的效果。
另外，在本發(fā)明的一個方式的基板型光波導元件中，優(yōu)選的是，上述第1芯體和上述第2芯體由硅制成，上述下部包層以及上述上部包層由二氧化硅制成。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，上述基板型光波導元件能夠?qū)OI(Silicon-On-Insulator)晶圓作為基板，利用現(xiàn)有的CMOS工藝來制造。因此，能夠容易地制造上述基板型光波導元件。另外，上述基板型光波導元件實現(xiàn)較大的相對折射率差。
另外，在本發(fā)明的一個方式的基板型光波導元件中，優(yōu)選的是，
在由下式(b)定義Wupper時，上述第1芯體的寬度W1以及上述第2芯體的寬度W2分別滿足W1＜Wupper以及W2＜Wupper，其中h是上述第1芯體與上述第2芯體的共同的高度，e是自然常數(shù)。
【數(shù)式6】
Wupper＝{0.868224×[loge(h)]4·21.265613×[loge(h)]3+195.780964×[loge(h)]2
-802.242303×loge(h)+1236.45521}×h (b)
如果使寬度W1或者寬度W2逐漸增大，則TE0偏振波的有效折射率非偶然性地變大，且與TM0偏振波的有效折射率之差擴大。但是，在寬度W1或者寬度W2變成Wupper以上的情況下，TM0偏振波的有效折射率與TE1的有效折射率的大小關(guān)系逆轉(zhuǎn)，其結(jié)果是，TM0偏振波與TE1偏振波相互作用的可能性變高。即，使得產(chǎn)生因TM0偏振波的一部分轉(zhuǎn)換成TE1偏振波引起的TM0偏振波的過度損失的可能性提高。
另一方面，根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，TM0偏振波的有效折射率與TE1偏振波的有效折射率的大小關(guān)系不會逆轉(zhuǎn)，因此能夠抑制TM0偏振波與TE1偏振波相互作用的可能性。因此，能夠抑制TM0偏振波的過度損失。
另外，在本發(fā)明的一個方式的基板型光波導元件中，優(yōu)選的是，還具備：第3芯體，經(jīng)由上述并行區(qū)間的起點或者終點與上述第1芯體連通，且折射率是Nco；以及第4芯體，折射率是Nco，并且，(1)在上述第3芯體經(jīng)由上述并行區(qū)間的起點與上述第1芯體連通的情況下，上述第4芯體經(jīng)由上述并行區(qū)間的起點與上述第2芯體連通，(2)在上述第3芯體經(jīng)由上述并行區(qū)間的終點與上述第1芯體連通的情況下，上述第4芯體經(jīng)由上述并行區(qū)間的終點連通到上述第2芯體，上述第3芯體與上述第4芯體的間隔構(gòu)成為，(1)在上述第3芯體經(jīng)由上述并行區(qū)間的起點與上述第1芯體連通的情況下，隨著遠離上述并行區(qū)間的起點而變大，(2)在上述第3芯體經(jīng)由上述并行區(qū)間的終點與上述第1芯體連通的情況下，隨著遠離上述并行區(qū)間的終點而變大。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，在對上述第1芯體連接其他波導的情況下，在上述第1芯體與上述其他波導之間夾設(shè)上述第3芯體，從而能夠順利地連接上述第1芯體與上述其他波導。同樣地，在對上述第2芯體連接其他波導的情況下，在上述第2芯體與上述其他波導之間夾設(shè)上述第4芯體，從而能夠順利地連接上述第2芯體與上述其他波導。因此，能夠抑制伴隨著上述連接而產(chǎn)生無用的反射的可能性。
另外，根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，能夠使2個相鄰的芯體逐漸分隔開，因此能夠使TM偏振波的光耦合的強度連續(xù)地增強(輸入側(cè))/減弱(輸出側(cè))。由此，隨著遠離輸入輸出部，能夠使相鄰波導的TM偏振波的光耦合的強度減弱，因此TM偏振波能夠具有靠向一個波導局部存在的電場分布，能夠降低由于殘留于另一個波導而產(chǎn)生的損失。
另外，在本發(fā)明的一個方式的基板型光波導元件中，優(yōu)選的是，還具備第5芯體，該第5芯體連通到上述第1芯體或者上述第2芯體，且折射率是Nco，上述第5芯體的寬度隨著遠離上述第1芯體而變小。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，從上述第1芯體或者上述第2芯體輸入到上述第5芯體的光在該第5芯體中傳輸?shù)倪^程中漏出到上述下部包層或者上述上部包層。因此，能夠抑制從上述第1芯體或者上述第2芯體輸入到上述第5芯體的光再次返回到上述并行區(qū)間。
另外，本發(fā)明的一個方式的基板型光波導元件也可以具備連接到上述第1芯體或者上述第2芯體的光吸收體。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，從上述第1芯體或者上述第2芯體輸入到上述光吸收體的光被該光吸收體吸收。因此，能夠抑制從上述第1芯體或者上述第2芯體輸入到上述光吸收體的光再次返回到上述并行區(qū)間。
另外，本發(fā)明的一個方式涉及一種基板型光波導元件，具備n組上述第1芯體和n組上述第2芯體，優(yōu)選的是，將從該基板型光波導元件的一個端部數(shù)起的第i組的上述第2芯體構(gòu)成為與第i+1組的上述第1芯體連通，其中i是整數(shù)且1≤i≤n-1。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)偏振消光比較高的偏振器件。
另外，在本發(fā)明的一個方式的基板型光波導元件中，優(yōu)選的是，構(gòu)成為還具備：第1光調(diào)制器，對TE偏振波進行調(diào)制；第2光調(diào)制器，對TE偏振波進行調(diào)制；以及偏振旋轉(zhuǎn)器，將從上述第2光調(diào)制器輸出的TE偏振波轉(zhuǎn)換成TM偏振波，對上述第1芯體輸入從上述偏振旋轉(zhuǎn)器輸出的TM偏振波，對上述第2芯體輸入從上述第1光調(diào)制器輸出的TE偏振波。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)在較寬的波長范圍內(nèi)損失低的光調(diào)制器。
另外，在本發(fā)明的一個方式的基板型光波導元件中，優(yōu)選的是，構(gòu)成為還具備光輸入構(gòu)造和光學器件，上述光輸入構(gòu)造將從外部輸入的光的光斑尺寸縮小并向上述第1芯體輸入，上述第1芯體將輸入到上述第1芯體的光的TE偏振分量輸出，上述第2芯體將輸入到上述第1芯體的光的TM偏振分量輸出，對上述光學器件輸入從上述第1芯體輸出的TE偏振分量或者從上述第2芯體輸出的TM偏振分量。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，即使在上述光輸入構(gòu)造中產(chǎn)生對于上述光學器件而言不優(yōu)選的偏振分量的情況下，也能夠僅將從上述第1芯體輸出的TE偏振分量或者從上述第2芯體輸出的TM偏振分量輸入到上述光學器件。上述光輸入構(gòu)造以及上述光學器件能夠在與該基板型光波導元件相同的基板上通過相同的制造工藝來制造，因此能夠容易地制造。
為了解決上述課題，本發(fā)明的一個方式涉及一種基板型光波導元件的制造方法，該基板型光波導元件具備：下部包層，折射率是Ncl1；第1芯體和第2芯體，形成在上述下部包層上，且折射率是Nco，其中Nco＞Ncl1；以及上部包層，以埋設(shè)上述第1芯體和上述第2芯體的方式層疊在上述下部包層上，且折射率是Ncl2，其中Nco＞Ncl2，上述基板型光波導元件的制造方法的特征在于，在將不存在上述第2芯體的情況下的上述第1芯體中的TE偏振波以及TM偏振波的有效折射率分別設(shè)為NTE＠WG1以及NTM＠WG1，將不存在上述第1芯體的情況下的上述第2芯體中的TE偏振波以及TM偏振波的有效折射率分別設(shè)為NTE＠WG2以及NTM＠WG2時，包括形成滿足以下條件(1)～(4)的上述第1芯體和上述第2芯體的芯體形成工序。
(1)上述有效折射率NTE＠WG1、NTM＠WG1、NTE＠WG2、NTM＠WG2分別作為從上述第1芯體與上述第2芯體彼此并行的并行區(qū)間的起點起的距離的函數(shù)而連續(xù)，
(2)上述有效折射率NTE＠WG1、NTM＠WG1在整個上述并行區(qū)間中滿足NTE＠WG1＞NTM＠WG1，上述有效折射率NTE＠WG2、NTM＠WG2在整個上述并行區(qū)間中滿足NTE＠WG2＞NTM＠WG2，
(3)上述有效折射率NTM＠WG1與上述有效折射率NTM＠WG2的大小關(guān)系在上述并行區(qū)間的起點與終點處逆轉(zhuǎn)，
(4)在將上述下部包層的折射率Ncl1與上述上部包層的折射率Ncl2中的較大的折射率設(shè)為Ncl時，由下式(a)定義的相對折射率差是0.25以上。
【數(shù)式7】
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，上述基板型光波導元件的制造方法起到與上述基板型光波導元件同樣的效果。
本發(fā)明不限定于上述各實施方式，在權(quán)利要求所示的范圍內(nèi)能夠進行各種變更，將不同的實施方式中各自公開的技術(shù)手段適當組合而得到的實施方式也包括在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性
本發(fā)明能夠用于在光纖通信中使用的基板型光波導元件，更具體地說，能夠用于進行偏振波的復用、分離或者去除的基板型光波導元件。
標號說明
1、1A、1B、1C PBC(偏振波合束器、基板型光波導元件)
11 下部包層
12 上部包層
13 第1芯體
14 第2芯體
23 第3芯體
24 第4芯體
33 第5芯體(第3芯體)
34 第6芯體(第4芯體)
43 第7芯體(第5芯體)
43’ 光吸收體
1D 偏振器件(基板型光波導元件)
5 光調(diào)制器(基板型光波導元件)
51 第1QPSK調(diào)制器(第1光調(diào)制器)
52 第2QPSK調(diào)制器(第2光調(diào)制器)
53 偏振旋轉(zhuǎn)器
54 PBC(偏振波合束器)
6 基板型光波導元件
61 光斑尺寸轉(zhuǎn)換器(光輸入構(gòu)造)
62 偏振器件
63 光學器件
100、100A、100B、100C、100D PBC(偏振波合束器、基板型光波導元件)
110、110A、110C、110D 下部包層
120、120A、120C、120D 上部包層
130、130D 肋部
130C 芯體
140C 芯體
140、140D 肋部
130A 脊部
140A 脊部。
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