JP2017044780A - Polarization identification element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、シリコン素材を利用して形成され、偏波無依存で光分岐する光導波路素子、並びにこの光導波路素子を備える波長分離素子及び偏波識別素子に関する。 The present invention relates to an optical waveguide element that is formed using a silicon material and splits light independent of polarization, and to a wavelength separation element and a polarization identification element including the optical waveguide element.
近年、小型化と量産性の観点から、光導波路のコアの素材にシリコンを利用した光導波路素子が注目されている。シリコン導波路コアを、このコア材よりも低屈折率の素材(例えば酸化シリコン)をクラッドとして光導波路構造としたものをシリコン細線導波路と呼ぶ。 In recent years, an optical waveguide element using silicon as a core material of an optical waveguide has attracted attention from the viewpoint of miniaturization and mass productivity. A silicon waveguide core having an optical waveguide structure with a material having a refractive index lower than that of the core material (for example, silicon oxide) as a clad is called a silicon fine wire waveguide.
シリコン細線導波路は、コアとクラッドの屈折率差を極めて大きく取れるので、シリコン導波路コア内に光エネルギーを効率よく閉じ込めることが可能である。そのため、シリコン導波路コアの内径をサブミクロンメートルの寸法にでき、しかも曲率半径を十分小さくして曲げることが可能となる。例えば、シリコン細線導波路を用いれば、曲率半径を1μm程度にすることができるので、コンパクトな素子を実現することが可能である。 The silicon thin wire waveguide can take a very large refractive index difference between the core and the clad, so that it is possible to efficiently confine light energy in the silicon waveguide core. Therefore, the inner diameter of the silicon waveguide core can be set to a submicrometer dimension, and the bending can be performed with a sufficiently small radius of curvature. For example, if a silicon thin wire waveguide is used, the radius of curvature can be reduced to about 1 μm, so that a compact element can be realized.
シリコン細線導波路素子として、光の干渉を利用する波長分離素子が知られている(例えば、非特許文献1及び2、並びに特許文献1参照)。しかしながら、これらの波長分離素子は、その分離動作において偏波依存性がある。
A wavelength separation element using light interference is known as a silicon wire waveguide element (for example, see Non-Patent
偏波無依存で動作可能な素子として、まず入力光を偏波分離して、それぞれの偏波成分ごとに個別に制御して波長分離等の機能を実現させる形態の素子が知られている(非特許文献3参照)。このような形態を採用すると、偏波成分ごとに波長分離等の機能を実現させる独立した機能部分を設ける必要があり、素子の形状が大型化する。 As an element that can operate independently of polarization, an element in a form that first performs polarization separation of input light and individually controls each polarization component to realize functions such as wavelength separation is known ( Non-Patent Document 3). If such a form is adopted, it is necessary to provide an independent functional part for realizing a function such as wavelength separation for each polarization component, and the shape of the element increases.
また、偏波無依存の導波路を利用する形態の素子も知られている(非特許文献4参照)。この場合、偏波無依存の導波路を偏波ごとにその動作特性が揃うように設計する必要があり、設計が複雑で、素子の作製精度も高い必要がある。 An element using a polarization-independent waveguide is also known (see Non-Patent Document 4). In this case, it is necessary to design the polarization-independent waveguide so that the operation characteristics are uniform for each polarization, and the design is complicated and the device fabrication accuracy is also high.
そこで、偏波回転部を設け、この偏波回転部で入力光の偏波方向を統一し、この統一された偏波方向に対して動作する光分岐器あるいは波長分離器を偏波回転部の後段に設ける構造が考えられる。偏波回転部として、従来、高屈折率の上部クラッド及びリブ導波路を利用する素子、又は、低屈折率の上部クラッド及びリブ導波路を利用する素子(例えば、非特許文献4参照)が 開示されている。また、本願の発明者らによって、導波路のコアの垂直断面形状が台形である導波路を利用する偏波回転素子が検討されている。 Therefore, a polarization rotation unit is provided, and the polarization direction of the input light is unified by this polarization rotation unit, and an optical branching device or a wavelength separator that operates in the unified polarization direction is connected to the polarization rotation unit. A structure provided in the subsequent stage is conceivable. Conventionally, an element using a high refractive index upper clad and a rib waveguide or an element using a low refractive index upper clad and a rib waveguide (for example, refer to Non-Patent Document 4) is disclosed as a polarization rotation unit. Has been. Further, the inventors of the present application have studied a polarization rotation element using a waveguide whose trapezoidal vertical cross-sectional shape is the core of the waveguide.
しかしながら、偏波回転部で偏波方向が統一された出力光を、広い波長帯域にわたって分岐する光分岐素子がなく、偏波回転部の後段に設けるこの光分岐素子の使用可能波長帯域を広げることが課題である。 However, there is no optical branching element that branches the output light whose polarization direction is unified at the polarization rotating part over a wide wavelength band, and the usable wavelength band of this optical branching element provided at the subsequent stage of the polarization rotating part is expanded. Is an issue.
本願の発明者は、光分岐素子を、中心導波路と、この中心導波路に対して左右対称に側設置導波路を配置した構成として、中心導波路及び左右に配置された側設置導波路の合計3本の導波路を幅テーパ型導波路とすることによって、動作波長帯域を広げることが可能であることを見出した。 The inventor of the present application has a configuration in which the optical branching element is configured such that the central waveguide and the side-installed waveguides are arranged symmetrically with respect to the central waveguide. It has been found that the operating wavelength band can be expanded by using a total of three waveguides as width tapered waveguides.
そこで、本発明の目的は、偏波回転部と光分岐部とを備えた偏波無依存型の光分岐素子であって、使用可能波長帯域(動作波長帯域)の幅を広くできる、偏波無依存型光導波路素子を実現することにある。 Accordingly, an object of the present invention is a polarization-independent optical branching device including a polarization rotation unit and an optical branching unit, and can broaden the usable wavelength band (operating wavelength band). It is to realize an independent optical waveguide device.
本発明の光導波路素子は偏波回転部と光分岐部とを備えている。 The optical waveguide device of the present invention includes a polarization rotation unit and an optical branching unit.
偏波回転部には、TM(Transverse Magnetic)波基本伝搬モードの光とTE(Transverse Electric)波基本伝搬モードの光のいずれか一方、あるいは両者が混合された光が入力される。そして、TM波基本伝搬モードの光に対しては偏波回転し、TE波1次伝搬モードに変換して出力する。一方、TE波基本伝搬モードの光に対しては無変換で出力する。 The polarization rotation unit receives light of TM (Transverse Magnetic) wave basic propagation mode, light of TE (Transverse Electric) wave basic propagation mode, or light in which both are mixed. The TM wave basic propagation mode light is polarized and rotated, converted to the TE wave primary propagation mode, and output. On the other hand, light in the TE wave basic propagation mode is output without conversion.
光分岐部は、いずれも幅テーパ導波路である、中心導波路と、2本の側設置導波路を備えている。中心導波路の左右には、対称形状の側設置導波路が中心導波路の導波中心軸に対して対称位置に配置されている。そして、第1領域と、第2領域と、第1領域と第2領域とを接続する第3領域が設けられている。 The optical branching unit includes a central waveguide and two side-installed waveguides, both of which are width tapered waveguides. On the left and right of the central waveguide, symmetrical side-installed waveguides are arranged at symmetrical positions with respect to the central waveguide axis of the central waveguide. A first region, a second region, and a third region that connects the first region and the second region are provided.
第1領域には、中心導波路のTE波1次伝搬モードの伝搬定数(等価屈折率)と、2本の側設置導波路のTE波基本伝搬モードの伝搬定数とが等しくなる個所が設けられている。第2領域には、中心導波路のTE波基本伝搬モードの伝搬定数と、2本の側設置導波路のTE波基本伝搬モードの伝搬定数とが等しくなる個所が設けられている。 The first region is provided with a portion where the propagation constant (equivalent refractive index) of the TE wave primary propagation mode of the central waveguide is equal to the propagation constant of the TE wave basic propagation mode of the two side-installed waveguides. ing. The second region is provided with a portion where the propagation constant of the TE wave basic propagation mode of the central waveguide is equal to the propagation constant of the TE wave basic propagation mode of the two side-installed waveguides.
偏波回転部から出力される出力光は中心導波路に入力され、2本の側設置導波路からTE波基本伝搬モードの伝搬光がそれぞれ出力される。 The output light output from the polarization rotation unit is input to the central waveguide, and the propagation light in the TE wave basic propagation mode is output from the two side-installed waveguides.
そして、この光導波路素子の光分岐部の後段に、波長分離部を備えれば波長分離素子が形成できる。また、この光導波路素子の光分岐部の後段に、この光分岐部から出力される2つの出力光間にπ/2の位相差を発生させる第1及び第2干渉アームと、この第1及び第2干渉アームから出力される出力光を合分岐する光カプラを備えれば、入力光がTE波であるかTM波であるかに応じて、出力ポートを選択して出力させる偏波識別素子が形成できる。 And if a wavelength separation part is provided in the back | latter stage of the optical branching part of this optical waveguide element, a wavelength separation element can be formed. The first and second interference arms that generate a phase difference of π / 2 between the two output lights output from the optical branching unit are provided at the subsequent stage of the optical branching unit of the optical waveguide element. A polarization discriminating element that selects and outputs an output port according to whether the input light is a TE wave or a TM wave if an optical coupler that combines and branches the output light output from the second interference arm is provided. Can be formed.
本発明の光導波路素子によれば、偏波回転部と光分岐部とを備えているので、この偏波回転部で入力光の偏波方向を統一し、この統一された偏波方向に対して動作する光分岐部を偏波回転部の後段に設けた構造となっている。 According to the optical waveguide device of the present invention, since the polarization rotation unit and the optical branching unit are provided, the polarization direction of the input light is unified by the polarization rotation unit, and the unified polarization direction is In this structure, the optical branching unit that operates in this manner is provided after the polarization rotating unit.
光分岐部は、いずれも幅テーパ導波路である、中心導波路と、2本の側設置導波路を備えている。そのため、中心導波路のTE波1次伝搬モードの伝搬定数と、2本の側設置導波路のTE波基本伝搬モードの伝搬定数とが等しくなる条件を満たす個所、及び中心導波路のTE波基本伝搬モードの伝搬定数と、2本の側設置導波路のTE波基本伝搬モードの伝搬定数とが等しくなる条件を満たす個所を、導波方向に沿って広い範囲に設定し得る。すなわち、幅テーパ型導波路としてあるため、これらの条件を満たす箇所は、波長が変わっても、導波方向に沿って何れかに存在させることができる。その結果、動作波長帯域の幅を広くできる。 The optical branching unit includes a central waveguide and two side-installed waveguides, both of which are width tapered waveguides. Therefore, the location where the propagation constant of the TE wave primary propagation mode of the central waveguide is equal to the propagation constant of the TE wave fundamental propagation mode of the two side-installed waveguides, and the TE wave fundamental of the central waveguide A portion satisfying the condition that the propagation constant of the propagation mode and the propagation constant of the TE wave basic propagation mode of the two side-mounted waveguides are equal can be set in a wide range along the waveguide direction. That is, since it is a width-tapered waveguide, a location that satisfies these conditions can exist anywhere along the waveguide direction even if the wavelength changes. As a result, the operating wavelength band can be widened.
本発明の光導波路素子は、まず入力光を偏波分離して、後段の光分岐部で波長分離機能を実現させる形態の素子であるが、光分岐部の動作可能波長帯域幅が広められたことに伴って、偏波成分ごとに波長分離機能を実現させる独立した機能部分を設ける必要がなく、素子の形状をコンパクトに収めることが可能である。 The optical waveguide device of the present invention is a device in which the input light is first polarized and the wavelength splitting function is realized in the subsequent optical branching unit, but the operable wavelength bandwidth of the optical branching unit has been widened. Accordingly, it is not necessary to provide an independent functional part for realizing the wavelength separation function for each polarization component, and the shape of the element can be kept compact.
本発明の光導波路素子を利用すれば、この光導波路素子から出力される出力光は偏波方向が統一されているので、偏波依存の波長分離部を光導波路素子の光分岐部の後段に接続しても波長分離動作が行える。すなわち、偏波無依存動作する波長分離素子が形成できる。また、この光導波路素子を利用すれば、入力光の偏波状態に関わらず、TE波基本伝搬モード成分とTM波基本伝搬モード成分とを分離して出力させる偏波識別素子が形成できる。 If the optical waveguide element of the present invention is used, the polarization direction of the output light output from the optical waveguide element is unified. Therefore, the polarization-dependent wavelength separation unit is placed after the optical branching unit of the optical waveguide element. Even if connected, wavelength separation can be performed. That is, a wavelength separation element that operates in a polarization-independent manner can be formed. If this optical waveguide element is used, a polarization discriminating element that separates and outputs the TE wave fundamental propagation mode component and the TM wave fundamental propagation mode component can be formed regardless of the polarization state of the input light.
以下、図を参照して、本発明の実施形態につき説明する。なお、図1〜図4、図6及び図7は、本発明の実施形態に係る一構成例を示すものであり、本発明を図示例に限定するものではない。また、以下の説明において、特定の構成素材及び設計条件等を用いることがあるが、これら構成素材及び設計条件等は好適例の一つに過ぎず、したがって、何らこれらに限定されない。また、本発明の実施形態に係る一構成例を示す図において同様の構成要素については、同一の番号を付して示し、その重複する説明を省略することもある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 to 4, 6, and 7 show one configuration example according to the embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to the illustrated example. In the following description, specific constituent materials, design conditions, and the like may be used. However, these constituent materials, design conditions, and the like are only suitable examples, and are not limited to these. Moreover, in the figure which shows the example of 1 structure which concerns on embodiment of this invention, about the same component, it attaches and shows the same number, The duplication description may be abbreviate | omitted.
≪光導波路素子≫
図1を参照して本発明の光導波路素子の実施形態について説明する。図1は、光導波路素子を構成する導波路コアの平面パターンの概略的構成を示す図である。光導波路素子は、偏波回転部10と光分岐部22とを備えている。
≪Optical waveguide element≫
An embodiment of the optical waveguide device of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a planar pattern of a waveguide core constituting an optical waveguide element. The optical waveguide device includes a
偏波回転部10には、TM波基本伝搬モードの光とTE波基本伝搬モードの光のいずれか一方、あるいは両者が混合された光が入力導波路21を介して入力される。図1では、この入力される入力光を入力光L1と示してある。偏波回転部10は、入力されるTM波基本伝搬モードの光に対しては偏波回転してTE波1次伝搬モードに変換して出力する。また、偏波回転部10は、入力されるTE波基本伝搬モードの光に対しては無変換で出力する。
The
光分岐部22は、中心導波路32cと、導波方向に向かって中心導波路32cに対して左側に設けられた側設置導波路32aと、同じく右側に設けられた側設置導波路32bとを備えている。すなわち、光分岐部22は、中心導波路32cと、この中心導波路32cの導波中心軸に対して対称位置に配置された2本の側設置導波路(32a及び32b)を備えている。
The optical branching
偏波回転部10から出力される出力光は、幅テーパ導波路31aを介して等幅導波路31bに入力される。幅テーパ導波路31aは、入力光が放射損失を伴わないで等幅導波路31bに入力されるように伝搬モードを変更(導波路幅に対応する伝搬モードに変更)する。そして、伝搬光は等幅導波路31bから、中心導波路32cに入力される。
The output light output from the
中心導波路32cは、導波方向に沿って導波路幅が徐々に狭まる幅テーパ導波路であり、側設置導波路32a及び32bは、導波方向に沿って導波路幅が徐々に広がる幅テーパ導波路である。
The
光分岐部22を構成している、中心導波路32cと2本の側設置導波路(32a及び32b)は、中心導波路32cのTE波1次伝搬モードの伝搬光を2本の側設置導波路に移行させる第1領域と、中心導波路32cのTE波基本伝搬モードの伝搬光を2本の側設置導波路(32a及び32b)に移行させる第2領域と、第1領域と第2領域とを接続する第3領域が設けられている。第1〜第3領域については、図4を参照してその詳細を後述する。
The
第1領域では、中心導波路32cのTE波1次伝搬モードの伝搬定数と、2本の側設置導波路(32a及び32b)のTE波基本伝搬モードの伝搬定数とが等しくなる個所が設けられている。また、第2領域では、中心導波路32cのTE波基本伝搬モードの伝搬定数と、2本の側設置導波路(32a及び32b)のTE波基本伝搬モードの伝搬定数とが等しくなる個所が設けられている。ここで、中心導波路32c及び2本の側設置導波路(32a及び32b)が幅テーパ導波路である。このため、第1領域及び第2領域において伝搬定数が等しくなる条件を満たす箇所は、一か所に限定されることなく、波長に応じて導波方向に沿って何れかの位置に設定し得る。すなわち、光分岐部22は分岐動作波長帯域を広い波長帯域にわたって動作が可能となる。
In the first region, there is provided a portion where the propagation constant of the TE wave primary propagation mode of the
偏波回転部10からの出力光が、幅テーパ導波路31a及び等幅導波路31bを経由して中心導波路32cに入力され、2本の側設置導波路(32a及び32b)に接続された曲り導波路34aと曲り導波路34bを介して、導波路23aと導波路23bから、TE波基本伝搬モードの伝搬光がそれぞれ出力される。
The output light from the
<偏波回転部>
図2を参照して本発明の光導波路素子の偏波回転部10の第1の実施形態について説明する。図2(A)は、偏波回転部10の第1の実施形態の構成を示す概略的斜視図であり、図2(B)は図2(A)のA-Aで示す位置で導波方向に垂直な断面で切断した概略的断面図である。
<Polarization rotator>
A first embodiment of the
図2(A)に示すように、偏波回転部10は、入力導波路部4、幅テーパ導波路部5、及び出力導波路部6がこの順序で導波方向に直列に接続された導波路である。図2(A)では、入力導波路部4、幅テーパ導波路部5、及び出力導波路部6のそれぞれの部分を構成する領域をP、Q、Rで示してある。P、Q、Rで示された領域の導波路コアはシリコン材で形成されており、この導波路コアを囲んで酸化シリコン材で形成されるクラッド層2が形成されている。導波路コアとクラッド層2で形成される導波路構造体は、シリコン基板1上に形成されている。
As shown in FIG. 2A, the
図2(B)に示すように、幅テーパ導波路部5のコアは、導波方向に垂直に切断した断面形状が台形であり、偏波回転が発現する条件を満たす導波路幅となっている個所が存在する。ここで、幅テーパ導波路部5の導波路幅とは等脚台形の下底あるいは上底のいずれか一方を選択してその長さをいう。いずれにしても、Qで示される領域のいずれかの箇所において偏波回転が発現する条件を満たすが、この箇所を指定するために、上底の長さあるいは下底の長さの何れかを用いても確定的に指定することができるので、選択した上底あるいは下底の長さを、幅テーパ導波路部5の導波路幅と定義する。
As shown in FIG. 2B, the core of the width-tapered
図2(B)に示す例では、幅テーパ導波路部5を構成している導波路コアの断面形状が等脚台形であり、この等脚台形の底辺の両端の直角方向からの傾き角をθとしてある。Qで示される領域において、偏波回転が発現する条件を満たす位置は角θの値に依存する。
In the example shown in FIG. 2B, the cross-sectional shape of the waveguide core constituting the width-tapered
図2(A)に示すように、入力導波路部4、及び出力導波路部6についても、この部分を構成している導波路コアの導波方向に垂直な方向に切断した断面形状も等脚台形にしてあるが、この部分は、製造工程の都合によるものであり、必ずしも断面形状を等脚台形とする必要はない。入力導波路部4、及び出力導波路部6を、通常の導波路のように矩形にしてもよい。
As shown in FIG. 2 (A), the
偏波回転部10において、入力導波路部4の入力端S1からTM波基本伝搬モード(TM0)の光とTE波基本伝搬モード(TE0)の光のいずれか一方、あるいは両者が混合された入力光L1が入力される。そして、偏波回転部10は、TM波基本伝搬モードの光に対しては偏波回転させてTE波1次伝搬モード(TE1)に変換して、あるいはTE波基本伝搬モード(TE0)の光に対しては無変換で、出力導波路部6の出力端S2から出力光L2として出力する。
In the
次に、図3を参照して本発明の光導波路素子の偏波回転部10の第2の実施形態について説明する。図3(A)は、偏波回転部10の第2の実施形態の構成を示す概略的斜視図であり、図3(B)は図3(A)のA-Aで示す位置で導波方向に垂直な断面で切断した概略的断面図である。
Next, a second embodiment of the
偏波回転部10は、図3(A)に示すように、入力導波路部4、幅テーパ導波路部5、及び出力導波路部6をこの順序で導波方向に直列に接続された導波路である。図3(A)で入力導波路部4、幅テーパ導波路部5、及び出力導波路部6のそれぞれの部分を構成する領域をP、Q、Rで示してある。偏波回転部10の第2の実施形態においても、P、Q、Rで示された領域の導波路コアはシリコン材で形成されており、この導波路コアを囲んで酸化シリコン材で形成されるクラッド層2が形成されている。導波路コアとクラッド層2で形成される導波路構造体は、シリコン基板1上に形成されている。
As shown in FIG. 3 (A), the
図3(B)に示すように、幅テーパ導波路部5のコアは、導波方向に垂直に切断した断面形状が長方形である。この幅テーパ導波路部5の両側に、テラス状構造14が設けられている。幅テーパ導波路部5の導波路幅とテラス状構造14の導波路幅の寸法と、幅テーパ導波路部5とテラス状構造14の高さの差である段差Dとによって決まる、偏波回転が発現する条件を満たす個所が存在する。ここで、幅テーパ導波路部5の導波路幅とは、図3(B)でW1と示す寸法を意味する。また、幅テーパ導波路部5とテラス状構造14とを合わせた幅を、図3(B)でW2と示す。テラス状構造14の導波路幅は、(W2-W1)/2で与えられる。Qで示される領域のいずれかの箇所において偏波回転が発現する条件を満たす。Qで示される領域において、偏波回転が発現する条件を満たす位置は、寸法W1、W2、及び段差Dの値に依存する。
As shown in FIG. 3 (B), the core of the width
偏波回転部10の第2の実施形態において、入力導波路部4の入力端S1からTM波基本伝搬モード(TM0)の光とTE波基本伝搬モード(TE0)の光のいずれか一方、あるいは両者が混合された入力光L1が入力される。そして、出力導波路部6の出力端S2からTM波基本伝搬モードの光に対しては偏波回転させてTE波1次伝搬モード(TE1)に変換して、あるいはTE波基本伝搬モード(TE0)の光に対しては無変換で、出力光L2として出力される。
In the second embodiment of the
<光分岐部>
図4を参照して本発明の光導波路素子の光分岐部22の実施形態について説明する。図4は、光分岐部22を構成する導波路コアの平面パターンの概略的構成を示す図である。
<Optical branching section>
An embodiment of the optical branching
光分岐部22においては、中心導波路32cを伝搬するTE波1次伝搬モードを2本の側設置導波路(32a及び32b)に移行するための第1領域41と、TE波基本伝搬モードを中心導波路32cから2本の側設置導波路(32a及び32b)に移行するための第2領域42と、第1領域41と第2領域42とを接続する第3領域43が設けられている。したがって、中心導波路32cはマルチモード導波路である。第1領域41において、中心導波路32cのTE波1次伝搬モードの伝搬定数が側設置導波路(32a及び32b)のTE波基本伝搬モードの伝搬定数と一致する個所が存在するように設計する。また、第2領域42において、中心導波路32cのTE波基本伝搬モードの伝搬定数が側設置導波路(32a及び32b)のTE波基本伝搬モードの伝搬定数と一致する箇所が存在するように設計する。光分岐部22を広波長帯域で動作可能なようにするために、第1領域41と第2領域42において、中心導波路32cと2本の側設置導波路(32a及び32b)には、幅テーパ導波路が採用されている。
In the optical branching
図4においては、2本の側設置導波路(32a及び32b)の入力端が中心導波路32cの入力端よりEだけずらせて配置されているが、両者の入力端をそろえて(Eの領域を設けないで)形成してもよい。
In FIG. 4, the input ends of the two side-arranged waveguides (32a and 32b) are shifted by E from the input end of the
光分岐部22は、中心導波路32c及び2本の側設置導波路(32a及び32b)で構成された第1〜第3領域(第1領域41、第2領域42、第3領域43)の導波路コアがシリコン材で形成され、この導波路コアを囲んでクラッド層(図示を省略する。)が酸化シリコン材で形成されている。導波路コアとクラッド層で構成される導波路構造体はシリコン基板上に形成されている。
The optical branching
ここで、光分岐部22の動作について説明する。図4において、符号13で示す曲線は中心導波路32cを伝搬するTE波1次伝搬モードの等位相面での光強度を示し、符号44aで示す曲線は側設置導波路32aを伝搬するTE波基本伝搬モードの等位相面での光強度を示し、符号44bで示す曲線は側設置導波路32bを伝搬するTE波基本伝搬モードの等位相面での光強度を示す。また、符号12で示す曲線は中心導波路32cを伝搬するTE波基本伝搬モードの等位相面での光強度を示し、符号45aで示す曲線は側設置導波路32aを伝搬するTE波基本伝搬モードの等位相面での光強度を示し、符号45bで示す曲線は側設置導波路32bを伝搬するTE波基本伝搬モードの等位相面での光強度を示す。
Here, the operation of the optical branching
第1領域41では中心導波路32cを伝搬するTE波1次伝搬モード13の伝搬定数が2本の側設置導波路(32a及び32b)を伝搬するTE波基本伝搬モード44a, 44bの伝搬定数と一致する(位相整合する)。このため、中心導波路32cのTE波1次伝搬モード13は、互いに位相が反転したTE波基本伝搬モード44a, 44bに移行する。
In the
第2領域42における中心導波路32cの幅が、第1領域41における幅とは異なっていてTE波1次伝搬モードが伝搬しない。このため、第2領域42に入力されたTE波基本伝搬モード44a, 44bは、そのまま側設置導波路(32a及び32b)の終端から出力される。中心導波路32cのTE波1次伝搬モード13は、互いに位相が反転したTE波基本伝搬モード44a, 44bに移行するため、第2領域42の出力端では、TE波基本伝搬モード44aとTE波基本伝搬モード44bは互いに反対位相となっている。
The width of the
一方、中心導波路32cのTE波基本伝搬モード12は、第1領域41では位相整合しないのでそのまま第2領域42に入る。第2領域42では、中心導波路32cの導波路幅と側設置導波路(32a及び32b)の導波路幅がほぼ等しくなっている個所があるので、TE波基本伝搬モード12は側設置導波路(32a及び32b)のTE波基本伝搬モード45a, 45bと位相整合して2本の側設置導波路(32a及び32b)の終端から出力される。このため、中心導波路32cにTE波基本伝搬モードが入力された場合は、第2領域42の出力端では、TE波基本伝搬モード45aとTE波基本伝搬モード45bは互いに同位相となっている。
On the other hand, the TE wave
図5を参照して、3次元BPM(Beam Propagation Method)を使用して光分岐部22の動作をシミュレーションした結果について説明する。光分岐部22を構成するシリコン導波路コアの厚みは第1〜第3領域の全てにおいて、220nmである。入力光L1として波長が1.55μmと1.31μmの2波長のTE波を使用した。入力光L1として、図5(A)は波長1.55μmの基本伝搬モード(TE0)を使い、図5(B)は波長1.55μmの1次伝搬モード(TE1)を使い、図5(C)は波長1.31μmの基本伝搬モード(TE0)を使い、図5(D)は波長1.31μmの1次伝搬モード(TE1)をそれぞれ使った場合の光強度分布を示している。
The result of simulating the operation of the optical branching
図5(A)〜(D)において、縦軸を光の伝搬方向であるz方向にとり、横軸を光の伝搬方向に対して直交するx方向にとって、それぞれμm単位で目盛って示してある。光分岐部22の全長は10μm(図4に示すEの領域を含めてある)、中心導波路32cの導波路幅は、440 nmから100 nmまで変えてある。中心導波路32cと側設置導波路(32a及び32b)との間隔(ギャップ33a,33b)は100 nmとなるように、幅テーパ導波路である側設置導波路(32a及び32b)の導波路幅を光の進行方向に沿って設定してある。中心導波路32cはE(=1μm)だけ側設置導波路(32a及び32b)より先行して形成してあり、中心導波路32cの入力端(z=0μm)での導波路幅は440 nmとなっている。中心導波路32cの第1領域41においては、マルチモード導波路となっている。
5A to 5D, the vertical axis is taken in the z direction, which is the light propagation direction, and the horizontal axis is scaled in units of μm with respect to the x direction orthogonal to the light propagation direction. . The total length of the optical branching
図5(A)〜(D)に示すように、中心導波路32cに入力された入力光は、側設置導波路32aと側設置導波路32bに分離されて導波している。図5(A)〜(D)では光強度の濃淡に応じて白〜黒に至る灰色の濃淡で示してあるが、光強度の濃淡に応じて赤〜青に至る色識別表示で示せば一層明瞭に読み取れる。
As shown in FIGS. 5A to 5D, the input light input to the
また、図5(A)と図5(B)、又は、図5(C)と図5(D)を比較するとわかるように、同一波長であれば1次伝搬モードの方が基本伝搬モードよりも先に、二方向に分離している。また、1次伝搬モードは一端分離されれば再び中心導波路32cに戻ることはない。更に、図示は省略するが、光分岐部22を構成するシリコン導波路コアの厚みを300 nmとして、中心導波路32cと側設置導波路(32a及び32b)とのギャップ33a,33bを200 nmとしたものでも1.55〜1.31μmの波長で良好な動作が得られることを確認している。
Also, as can be seen by comparing FIG. 5 (A) and FIG. 5 (B), or FIG. 5 (C) and FIG. 5 (D), the primary propagation mode is better than the basic propagation mode for the same wavelength. First, they are separated in two directions. In addition, once the primary propagation mode is separated, it does not return to the
3次元BPMによるシミュレーションで示されたように、第2領域42では、2本の側設置導波路(32a及び32b)と中央導波路32cが位相整合条件にあっても、第1領域41で中心導波路32cのTE波1次伝搬モードから側設置導波路(32a及び32b)に移行した光は、第2領域42で側設置導波路(32a及び32b)から中央導波路32cに戻ることはない。この事実は、本願の発明者によって初めて得られた知見であり、本発明の光分岐部22における上述の動作が実現される為の重要な法則である。
As shown in the three-dimensional BPM simulation, in the
≪波長分離素子≫
図6を参照して、図1〜図5を参照して説明した上述の光導波路素子を利用して形成される波長分離素子の実施形態について説明する。図6に示す波長分離素子は、偏波回転部10と光分岐部22から構成される上述の光導波路素子の、光分岐部22の後段に、波長分離部50を備えている。波長分離部50は、例えば、2つの第1分岐器52a及び52bと、4つの第2分岐器54a-1、54a-2、54b-1及び54b-2を備えて構成される。これら、第1分岐器52a及び52bと、第2分岐器54a-1、54a-2、54b-1及び54b-2は、1入力2出力の素子で、入力された光を所望の波長に分離して出力する。
≪Wavelength separation element≫
With reference to FIG. 6, an embodiment of a wavelength separation element formed using the above-described optical waveguide element described with reference to FIGS. 1 to 5 will be described. The wavelength separation element shown in FIG. 6 includes a
光分岐部22の後段に導波路23a及び23bが設けられている。1つの第1分岐器52aは、導波路23aに接続され、第1分岐器52aの2つの出力に、それぞれ第2分岐器54a-1及び54a-2が接続されている。同様に、もう1つの第1分岐器52bは、導波路23bに接続され、第1分岐器52bの2つの出力に、それぞれ第2分岐器54b-1及び54b-2が接続されている。
入力導波路21から入力される入力光L1は、偏波回転部10に入力されてTE波に変換され、光分岐部22に入力される。光分岐部22に入力されると上述したように、光分岐部22の2本の側設置導波路(32a及び32b)に接続された導波路23aと導波路23bから、それぞれTE波基本伝搬モードの伝搬光がそれぞれ出力される。
The input light L1 input from the
光分岐部22の二つの出力を異なる導波路23a及び23bに伝搬させる。導波路23aを伝搬した光は第1分岐器52aに入力され、導波路23bを伝搬した光は第1分岐器52bに入力される。第1分岐器52aから出力される2つの出力光は一方が第2分岐器54a-1に入力され、他方は第2分岐器54a-2に入力される。また、第1分岐器52bから出力される2つの出力光は一方が第2分岐器54b-1に入力され、他方は第2分岐器54b-2に入力される。第2分岐器54a-1からは出力光L2a-1とL2a-2が出力され、第2分岐器54a-2からは出力光L2a-3とL2a-4が出力され、第2分岐器54b-1からは出力光L2b-1とL2b-2が出力され、第2分岐器54b-2からは出力光L2b-3とL2b-4が出力される。
The two outputs of the optical branching
すなわち、入力導波路21から入力された入力光L1は、波長分離されて8分割されて出力光L2a-1、L2a-2、L2a-3、L2a-4、L2b-1、L2b-2、L2b-3、L2b-4が出力される。第1分岐器52a及び52b、並びに第2分岐器54a-1、54a-2、54b-1、54b-2としては例えばマッハ・ツェンダ干渉器を利用して形成できる。入力導波路21から入力される入力光L1は、偏波回転部10を通過すれば、すべて同一の偏波(TE偏波)なので、光分岐部22、並びに第1及び第2分岐器は、一方の偏波(ここではTE偏波)での動作が保証されていれば良いことになる。
That is, the input light L1 input from the
≪偏波識別素子≫
図7を参照して、図1〜図5を参照して説明した上述の光導波路素子を利用して形成される偏波識別素子の実施形態について説明する。図7に示す偏波識別素子は、偏波回転部10と光分岐部22から構成される上述の光導波路素子の、光分岐部22の後段に、偏波分離して出力させる偏波識別部60を備えている。
≪Polarization identification element≫
With reference to FIG. 7, an embodiment of a polarization identifying element formed using the above-described optical waveguide element described with reference to FIGS. The polarization discriminating element shown in FIG. 7 is a polarization discriminating unit that outputs the separated light after the optical branching
入力導波路21から入力される入力光L1は、偏波回転部10に入力されてTE波に変換され、光分岐部22に入力される。光分岐部22に入力されると上述したように、光分岐部22の2本の側設置導波路(32a及び32b)に接続された、曲り導波路34aと曲り導波路34bから、それぞれTE波基本伝搬モードの伝搬光がそれぞれ出力される。
The input light L1 input from the
曲り導波路34aから出力された出力光は、マッハ・ツェンダ型干渉計を構成する第1干渉アーム61aを通過して光カプラ62に入力され、曲り導波路34bから出力された出力光は、同じくマッハ・ツェンダ型干渉計を構成する第2干渉アーム61bを通過して光カプラ62に入力される。ここで、第1干渉アーム61aに対する第2干渉アーム61bの光路長差は、第1干渉アーム61aを通過する光と第2干渉アーム61bを通過する光との間にπ/2の位相差が発生するように設定されている。
The output light output from the
上述したように、中心導波路32cにTE波1次伝搬モードが入力されると、第2領域42の出力端では、TE波基本伝搬モード44aとTE波基本伝搬モード44bは互いに反対位相となっており、中心導波路32cにTE波基本伝搬モードが入力されると第2領域42の出力端では互いに同位相となっている。中心導波路32cにTE波1次伝搬モードが入力されるのは偏波回転部10にTM波基本伝搬モードが入力された場合であり、中心導波路32cにTE波基本伝搬モードが入力されるのは偏波回転部10にTE波基本伝搬モードが入力された場合である。このように、TE波1次伝搬モードが入力されるか、あるいはTE波基本伝搬モードが入力されることによって、第2領域42の出力端におけるTE波基本伝搬モード44aとTE波基本伝搬モード44bの位相は、反対位相となるか同位相となる。
As described above, when the TE wave primary propagation mode is input to the
このため、干渉アームによる移相と合わせて光カプラ62の作用で、入力導波路21から入力される入力光L1がTE波であれば、第1及び第2干渉アーム(61a及び61b)から出力された出力光は光カプラ62で合波された後、一方の出力ポート63aから出力され、入力光L1がTM波であれば、他方の出力ポート63bから出力される。このように、入力導波路21から入力される入力光L1がTE波であるかTM波であるかによって、出力ポートが選択されて出力される、偏波識別素子が形成される。
For this reason, if the input light L1 input from the
≪製造方法≫
上述の光導波路素子、波長分離素子、及び偏波識別素子を構成する導波路コアパターン構造体は、例えば、SOI(Silicon on Insulator)基板を入手して、以下の工程によって形成できる。SOI基板は、広く市販品として入手可能であり、シリコン基板に酸化シリコン層、及びこの酸化シリコン層上に光導波路パターンの厚みの寸法に等しい厚みのシリコン層が形成されている。まず、このSOI基板を用意するステップを実行する。
≪Manufacturing method≫
The waveguide core pattern structure constituting the optical waveguide element, the wavelength separation element, and the polarization identification element described above can be formed, for example, by obtaining an SOI (Silicon on Insulator) substrate and performing the following steps. The SOI substrate is widely available as a commercial product, and a silicon oxide layer is formed on the silicon substrate, and a silicon layer having a thickness equal to the thickness of the optical waveguide pattern is formed on the silicon oxide layer. First, a step of preparing this SOI substrate is executed.
次に、以下のドライエッチングステップを実行する。すなわち、SOI基板の酸化シリコン層上に形成されているシリコン層に対して、導波路コアとなる部分(導波路コアパターン構造体)を残してドライエッチング等を行い、他の部分のシリコン層を取り除く。 Next, the following dry etching step is performed. That is, dry etching or the like is performed on the silicon layer formed on the silicon oxide layer of the SOI substrate, leaving a portion that becomes the waveguide core (waveguide core pattern structure), and the other portion of the silicon layer is removed. remove.
ドライエッチングステップに続き、エッチング処理で残された導波路コアパターン構造体を取り囲む酸化シリコン層を化学気相成長(CVD: Chemical Vapor Deposition)法等によって形成する(CVDステップ)。そして、酸化シリコン層の上面が平坦になるように研磨し、更にこの上に酸化シリコン層を形成する。このように研磨工程を挟んでCVDステップを実行することによって、図2及び図3に示すクラッド層2が形成される。また、波長分離素子、及び偏波識別素子における光導波路素子を構成する導波路コア部分以外である波長分離部、及び偏波識別部についても同様である。
Following the dry etching step, a silicon oxide layer surrounding the waveguide core pattern structure left by the etching process is formed by a chemical vapor deposition (CVD) method or the like (CVD step). And it grind | polishes so that the upper surface of a silicon oxide layer may become flat, and also a silicon oxide layer is formed on this. Thus, by performing the CVD step with the polishing step in between, the
このように、本発明の光導波路素子、波長分離素子、及び偏波識別素子は、SOI基板を用いて周知のエッチング処理、CVD法等によって形成することが可能であるので、量産性に優れ低コストで簡便に形成することが可能である。 As described above, the optical waveguide device, the wavelength separation device, and the polarization identification device of the present invention can be formed by a well-known etching process, a CVD method, or the like using an SOI substrate. It can be easily formed at a low cost.
1:シリコン基板
2:クラッド層
4:入力導波路部
5:幅テーパ導波路部
6:出力導波路部
10:偏波回転部
12、44a、44b、45a、45b:TE波基本伝搬モード
13:TE波1次伝搬モード
14:テラス状構造
22:光分岐部
23a、23b:導波路
31a:幅テーパ導波路
31b:等幅導波路
32a、32b:側設置導波路
32c:中心導波路
33a、33b:中心導波路と側設置導波路との間隔(ギャップ)
34a、34b:曲り導波路
41:第1領域
42:第2領域
43:第3領域
50:波長分離部
52a、52b:第1分岐器
54a-1、54a-2、54b-1、54b-2:第2分岐器
60:偏波識別部
61a:第1干渉アーム
61b:第2干渉アーム
62:光カプラ
63a、63b:出力ポート
L1:入力光
L2、L2a-1、L2a-2、L2a-3、L2a-4、L2b-1、L2b-2、L2b-3、L2b-4:出力光
S1:入力端
S2:出力端
P: 入力導波路部の部分を構成する導波路コアの領域
Q: 幅テーパ導波路部の部分を構成する導波路コアの領域
R: 出力導波路部の部分を構成する導波路コアの領域
1: Silicon substrate
2: Clad layer
4: Input waveguide section
5: Width taper waveguide part
6: Output waveguide section
10: Polarization rotating part
12, 44a, 44b, 45a, 45b: TE wave basic propagation mode
13: TE wave primary propagation mode
14: Terrace structure
22: Optical branch
23a, 23b: Waveguide
31a: Width taper waveguide
31b: Equal width waveguide
32a, 32b: Side-mounted waveguide
32c: Central waveguide
33a, 33b: Distance (gap) between the center waveguide and side waveguides
34a, 34b: Curved waveguide
41: First area
42: Second area
43: Third area
50: Wavelength separation part
52a, 52b: First turnout
54a-1, 54a-2, 54b-1, 54b-2: Second turnout
60: Polarization identifier
61a: First interference arm
61b: Second interference arm
62: Optical coupler
63a, 63b: Output port
L1: Input light
L2, L2a-1, L2a-2, L2a-3, L2a-4, L2b-1, L2b-2, L2b-3, L2b-4: Output light
S1: Input terminal
S2: Output terminal
P: Waveguide core region that forms part of the input waveguide
Q: Waveguide core region that forms part of the width taper waveguide
R: Waveguide core region that forms part of the output waveguide section
Claims (8)
TM波基本伝搬モードの光に対しては偏波回転しTE波1次伝搬モードに変換して出力し、TE波基本伝搬モードの光に対しては無変換で出力する
偏波回転部と、
いずれも幅テーパ導波路である、中心導波路と2本の側設置導波路を備え、
前記中心導波路の左右には、対称形状の前記側設置導波路が当該中心導波路の導波中心軸に対して対称位置に配置され、
前記中心導波路のTE波1次伝搬モードの伝搬定数と、前記2本の側設置導波路のTE波基本伝搬モードの伝搬定数とが等しくなる個所が設けられている第1領域と、
前記中心導波路のTE波基本伝搬モードの伝搬定数と、前記2本の側設置導波路のTE波基本伝搬モードの伝搬定数とが等しくなる個所が設けられている第2領域と、
前記第1領域と前記第2領域とを接続する第3領域と
が設けられており、
前記偏波回転部からの出力光が、前記中心導波路に入力され、前記2本の側設置導波路からTE波基本伝搬モードの伝搬光を出力する
光分岐部と
を備えることを特徴とする光導波路素子。 Either TM (Transverse Magnetic) wave basic propagation mode light or TE (Transverse Electric) wave basic propagation mode light, or a mixture of both is input.
Polarization rotation unit that rotates the polarization for light in the TM wave basic propagation mode, converts it to the TE wave primary propagation mode and outputs it, and outputs the light in the TE wave basic propagation mode without conversion,
Each includes a center waveguide and two side-mounted waveguides, each of which is a width taper waveguide,
On the left and right sides of the central waveguide, the symmetrically installed side-mounted waveguides are arranged at symmetrical positions with respect to the central waveguide axis of the central waveguide,
A first region provided with a portion where the propagation constant of the TE wave primary propagation mode of the central waveguide is equal to the propagation constant of the TE wave basic propagation mode of the two side-installed waveguides;
A second region provided with a portion where the propagation constant of the TE wave basic propagation mode of the central waveguide is equal to the propagation constant of the TE wave basic propagation mode of the two side-installed waveguides;
A third region connecting the first region and the second region is provided;
Output light from the polarization rotation unit is input to the central waveguide, and includes an optical branching unit that outputs propagation light of a TE wave basic propagation mode from the two side-installed waveguides. Optical waveguide element.
前記幅テーパ導波路部のコアは、導波方向に垂直に切断した断面形状が台形状であり、偏波回転が発現する条件を満たす導波路幅となっている個所が存在し、
前記入力導波路部からTM波基本伝搬モードの光とTE波基本伝搬モードの光のいずれか一方、あるいは両者が混合された入力光が入力され、TM波基本伝搬モードの光に対しては偏波回転させてTE波1次伝搬モードに変換し、TE波基本伝搬モードの光に対しては無変換で、前記出力導波路部から出力する
ことを特徴とする請求項1に記載の光導波路素子。 The polarization rotation unit is a waveguide in which an input waveguide unit, a width taper waveguide unit, and an output waveguide unit are connected in series in the waveguide direction in this order,
The core of the width-tapered waveguide portion has a trapezoidal cross-sectional shape cut perpendicular to the waveguide direction, and there is a portion where the waveguide width satisfies the condition for causing polarization rotation,
One of TM wave basic propagation mode light and TE wave basic propagation mode light or a mixture of both is input from the input waveguide section, and it is biased against TM wave basic propagation mode light. 2. The optical waveguide according to claim 1, wherein the optical waveguide is rotated and converted into a TE wave primary propagation mode, and is output from the output waveguide section without being converted with respect to light in a TE wave basic propagation mode. element.
前記幅テーパ導波路部は、導波方向に垂直に切断した断面形状が長方形であり、当該幅テーパ導波路部の両側がテラス状構造とされており、当該幅テーパ導波路部の導波路幅と前記テラス状構造の導波路幅とで決まる、偏波回転が発現する条件を満たす個所が存在し、
前記入力導波路部からTM波基本伝搬モードの光とTE波基本伝搬モードの光のいずれか一方、あるいは両者が混合された入力光が入力され、TM波基本伝搬モードの光に対しては偏波回転させてTE波1次伝搬モードに変換し、TE波基本伝搬モードの光に対しては無変換で、前記出力導波路部から出力する
ことを特徴とする請求項1に記載の光導波路素子。 The polarization rotation unit is a waveguide in which an input waveguide unit, a width taper waveguide unit, and an output waveguide unit are connected in series in the waveguide direction in this order,
The width taper waveguide section has a rectangular cross-sectional shape cut perpendicular to the waveguide direction, and both sides of the width taper waveguide section have a terrace structure, and the waveguide width of the width taper waveguide section is And there is a place that satisfies the conditions for expressing polarization rotation, which is determined by the waveguide width of the terrace-shaped structure,
One of TM wave basic propagation mode light and TE wave basic propagation mode light or a mixture of both is input from the input waveguide section, and it is biased against TM wave basic propagation mode light. 2. The optical waveguide according to claim 1, wherein the optical waveguide is rotated and converted into a TE wave primary propagation mode, and is output from the output waveguide section without being converted with respect to light in a TE wave basic propagation mode. element.
当該光分岐部の前記2本の側設置導波路から出力される出力光間にπ/2の位相差を発生させる、第1及び第2干渉アームを備えるマッハ・ツェンダ型干渉計と、
前記第1及び第2干渉アームのそれぞれから出力される出力光を合分岐する光カプラを備え、
前記偏波回転部への入力光がTE波であるかTM波であるかに応じて、前記光カプラによって出力ポートを選択して出力させる
ことを特徴とする偏波識別素子。 In the subsequent stage of the optical branching portion of the optical waveguide device according to any one of claims 1 to 3,
A Mach-Zehnder interferometer including first and second interference arms for generating a phase difference of π / 2 between output lights output from the two side-installed waveguides of the optical branching unit;
An optical coupler for branching output light output from each of the first and second interference arms;
A polarization discriminating element characterized in that an output port is selected and output by the optical coupler depending on whether the input light to the polarization rotation unit is a TE wave or a TM wave.
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