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WO2019117313A1 - 光偏波素子およびその製造方法 - Google Patents

光偏波素子およびその製造方法 Download PDF

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WO2019117313A1
WO2019117313A1 PCT/JP2018/046390 JP2018046390W WO2019117313A1 WO 2019117313 A1 WO2019117313 A1 WO 2019117313A1 JP 2018046390 W JP2018046390 W JP 2018046390W WO 2019117313 A1 WO2019117313 A1 WO 2019117313A1
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WO
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waveguide
port
waveguides
slit
light
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PCT/JP2018/046390
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English (en)
French (fr)
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長谷川　淳一
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Furukawa Electric Co Ltd
Original Assignee
Furukawa Electric Co Ltd
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Publication date
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    • G02B6/2808—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers using a mixing element which evenly distributes an input signal over a number of outputs
    • G02B6/2813—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals forming multipart couplers without wavelength selective elements, e.g. "T" couplers, star couplers using a mixing element which evenly distributes an input signal over a number of outputs based on multimode interference effect, i.e. self-imaging

Definitions

  • the present invention relates to an optical polarization element capable of performing polarization synthesis and polarization separation of light, and a method of manufacturing the same.
  • an optical polarization element capable of performing polarization synthesis and polarization separation of light is used.
  • an optical waveguide type optical polarization element which adopts the configuration of a Mach-Zehnder Interferometer (MZI) interferometer.
  • MZI Mach-Zehnder Interferometer
  • a slit may be formed so as to cross the arm waveguide, and a configuration in which a 1 ⁇ 4 wavelength plate is inserted in the slit may be adopted (Patent Document 1).
  • the light propagating through the arm waveguide in the light polarization element does not receive the light confinement by the waveguide while passing through the slit, so that a radiation loss occurs.
  • the radiation loss increases as the width of the slit increases, and increases as the relative refractive index difference of the waveguide increases. Such radiation losses increase the excess loss of the polarization element, so it is preferable to reduce them as much as possible.
  • Patent Document 2 a method in which the shape of the arm waveguide traversed by the slit has a shape in which the width is tapered toward the slit.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide an optical polarization element that can suppress the radiation loss, can be miniaturized, and is easy to manufacture, and a method of manufacturing the same.
  • an optical polarization element comprises a first port waveguide, two second port waveguides, the first port waveguide, and And a multimode interference waveguide optically connected to the two second port waveguides, wherein the multimode interference waveguide is formed with a slit, and the slit corresponds to the first port waveguide.
  • the multi-mode interference waveguide gives different effective refractive indices to each of the orthogonal polarized light input from the two, whereby the light of the orthogonal polarized waves is separated and the two second It is characterized in that it is formed in a shape to be output from each of the port waveguides.
  • the optical polarization element according to an aspect of the present invention is characterized in that the slit extends in a direction from the first port waveguide toward the two second port waveguides.
  • the light polarization element according to an aspect of the present invention is characterized in that a plurality of the slits are formed.
  • the light polarization element according to one aspect of the present invention is characterized in that the slit is substantially linear.
  • the light polarization element according to an aspect of the present invention is characterized in that the width of the slit is 0.3 ⁇ m or more and 5.0 ⁇ m or less.
  • An optical polarization element includes a cladding that surrounds the outer periphery of each waveguide of the first port waveguide, the second port waveguide, and the multimode interference waveguide, and The relative refractive index difference of each of the waveguides is 0.7% or more.
  • the light polarization element according to one aspect of the present invention is characterized in that the first port waveguide, the second port waveguide and the multimode interference waveguide are made of a silica-based glass material containing zirconia.
  • An optical polarization element is optically connected to a first port waveguide, two second port waveguides, and the first port waveguide and the two second port waveguides.
  • a rectangular multimode interference waveguide, and the multimode interference waveguide is formed with one or more slits, and the slits are formed from the first port waveguide to the two second port waveguides. It is characterized in that it extends substantially parallel to the direction to which it is directed.
  • an optical polarization element comprising: a first port waveguide; two second port waveguides; and the first port waveguide and the two second port waveguides optically.
  • the multi-mode interference waveguide gives different effective refractive indexes to each of the orthogonal polarized light beams, whereby the orthogonal polarized light beams are separated and the two second port waveguides are separated. It forms in the shape output from each of.
  • an optical polarization element that can suppress the radiation loss, can be miniaturized, and can be easily manufactured.
  • FIG. 1A is a schematic view of an optical polarization element according to a first embodiment.
  • FIG. 1B is a schematic view of the optical polarization element according to the first embodiment.
  • FIG. 2A is a schematic view of an optical polarization element according to a second embodiment.
  • FIG. 2B is a schematic view of an optical polarization element according to a second embodiment.
  • FIG. 3 is a view showing a simulation result of optical characteristics of the light polarization element shown in FIG. 2A.
  • FIG. 4 is a diagram showing the measurement results of the optical characteristics of the light polarization element of the example.
  • FIG. 5 is a schematic view of an optical polarization element according to a third embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing a simulation result of optical characteristics of the light polarization element shown in FIG.
  • FIG. 7 is a schematic view of an optical polarization element according to the fourth embodiment.
  • FIG. 8 is a view showing a simulation result of optical characteristics of the light polarization element shown in FIG.
  • FIG. 9 is a schematic view of an example of a conventional light polarization element.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of the optical characteristics of the light polarization element shown in FIG.
  • the optical polarization element 100 shown in FIG. 9 has an MZI type structure made of silica-based glass, and has an input port waveguide 101a, a 1 ⁇ 2 optical coupler waveguide 101b, and two arm waveguides 101c. 101d, a 2 ⁇ 2 optical coupler waveguide 101e, two output port waveguides 101f and 101g, a cladding 102 surrounding the outer periphery of these waveguides, and a 1 ⁇ 4 wavelength plate 103.
  • the input port waveguide 101a is connected to one port side of the optical coupler waveguide 101b.
  • the optical coupler waveguide 101b is a multimode optical interference waveguide.
  • One end of each of the two arm waveguides 101c and 101d is connected to the two port side of the optical coupler waveguide 101b, and the other end is connected to one of the two ports of the optical coupler waveguide 101e.
  • the optical coupler waveguide 101e is also a multimode optical interference waveguide.
  • the two output port waveguides 101f and 101g are respectively connected to the other two ports of the optical coupler waveguide 101e.
  • a slit 102a is formed to cross the two arm waveguides 101c and 101d, and a quarter wavelength plate 103 is inserted in the slit 102a.
  • the quarter wave plate 103 is fixed, for example, by an adhesive.
  • the arm waveguides 101c and 101d have a shape in which the width is tapered toward the slit 102a.
  • the light polarization element 100 When the light L101 of arbitrary polarization is input to the input port waveguide 101a, the light polarization element 100 separates the light L102 into light L102 and L103 of two linearly polarized waves (TM mode and TE mode) orthogonal to each other. They function as polarization separation elements output from the output port waveguides 101 f and 101 g, respectively. Note that the light polarization element 100 also functions as a polarization combining element because of the reciprocity of light.
  • TM mode and TE mode linearly polarized waves
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of the optical characteristics of the light polarization element 100.
  • the relative refractive index difference of each waveguide (input port waveguide 101a, optical coupler waveguide 101b, arm waveguides 101c and 101d, optical coupler waveguide 101e, output port waveguides 101f and 101g) with respect to the cladding 102
  • the slit loss is a loss that occurs due to the presence of the slit 102a, including the radiation loss due to the slit 102a.
  • the width of the slit 102a (corresponding to the distance between the opposing end faces of the arm waveguides 101c and 101d) is constant.
  • the slit loss rapidly increases as the relative refractive index difference ⁇ increases.
  • the increase in slit loss is mainly due to the increase in radiation loss.
  • the size may be increased more than necessary.
  • the inventors of the present invention conducted intensive studies to solve the above-mentioned problems, and found for the first time that forming a slit in a multimode interference waveguide makes it possible to exhibit a polarization separation function and a polarization combining function.
  • FIGS. 1A and 1B are schematic views of an optical polarization element according to Embodiment 1, FIG. 1A is a top view, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line XX of FIG. 1A.
  • the optical polarization element 10 includes a first port waveguide 11a, a multimode interference waveguide 11b, two second port waveguides 11ca and 11cb, and a cladding 12.
  • the multimode interference waveguide 11b has a substantially rectangular cross section perpendicular to the longitudinal direction (the propagation direction of light), is a substantially rectangular waveguide in top view, and guides the first port to each of the opposing short sides of the rectangle.
  • the waveguide 11a and the second port waveguides 11ca and 11cb are optically connected.
  • the cladding 12 surrounds the first port waveguide 11a, the multimode interference waveguide 11b, and the second port waveguides 11ca and 11cb, and includes a lower cladding 12a and an upper cladding 12b.
  • the cladding 12 is formed on, for example, a silicon substrate or a glass substrate.
  • the cladding 12 is made of a silica-based glass material.
  • Each of the first port waveguide 11a, the multimode interference waveguide 11b, and the second port waveguides 11ca and 11cb is made of a silica glass material having a refractive index higher than that of the cladding 12.
  • a quartz glass material having a high refractive index quartz glass containing germania (GeO 2 ) or zirconia (ZrO 2 ) as a dopant for increasing the refractive index can be used, for example.
  • so-called SiO 2 -ZrO 2 based materials that are quartz glass containing zirconia are preferable because the relative refractive index can be increased.
  • the first port waveguide 11a and the second port waveguides 11ca and 11cb have cross sections so that light of a working wavelength (for example, 1.55 ⁇ m band) can be propagated in a single mode according to the relative refractive index difference with respect to the cladding 12.
  • the size of is set.
  • the multi-mode interference waveguide 11 b propagates light of a used wavelength (for example, 1.55 ⁇ m band) in a multi mode in accordance with the relative refractive index difference with respect to the cladding 12 and performs polarization separation and polarization combination described below.
  • the size of the cross section is set to have a function.
  • Two slits 11 ba and 11 bb are formed in the multimode interference waveguide 11 b.
  • the insides of the slits 11ba and 11bb are embedded with the same material as the upper cladding 12b.
  • the slits 11 ba and 11 bb increase the effective refractive index difference by giving different effective refractive indexes to the multimode interference waveguides 11 b with respect to light of polarized waves orthogonal to each other inputted from the first port waveguide 11 a.
  • the light beams having orthogonal polarizations input from the first port waveguide 11a are separated and output from the second port waveguides 11ca and 11cb. That is, for example, as shown in FIG.
  • the light polarization element 10 when light L1 including a TM mode component and a TE mode component that are polarization modes orthogonal to each other is input to the first port waveguide 11a
  • the polarization element 10 outputs TE mode light L2 from the second port waveguide 11ca, and outputs TM mode light L3 from the second port waveguide 11cb.
  • the light polarization element 10 functions as a polarization separation element. Further, due to the reciprocity of light, the light polarization element 10 also functions as a polarization separation element.
  • the optical polarization element 10 polarization-synthesizes the light
  • the signal is output from the first port waveguide 11a.
  • the slits 11ba and 11bb extend substantially linearly in the direction from the first port waveguide 11a to the second port waveguides 11ca and 11cb. And are generally parallel to one another.
  • the direction from the first port waveguide 11a to the second port waveguides 11ca and 11cb is the traveling direction of the light L1 input to the first port waveguide 11a in the light polarization element 10. This direction is substantially the same as the longitudinal direction (the propagation direction of light) of the multimode interference waveguide 11b.
  • the length La is 1900 ⁇ m and the pitch Pa between the second port waveguides 11 ca and 11 cb is 10 ⁇ m.
  • the widths of the slits 11ba and 11bb are each 0.6 ⁇ m.
  • the size of the first port waveguide 11a and the second port waveguides 11ca and 11cb is 3 ⁇ m ⁇ 3 ⁇ m.
  • the relative refractive index difference of each waveguide to the cladding 12 is 5.5%.
  • Other sizes are preferably designed to obtain a desired polarization extinction ratio according to these exemplified values.
  • the light polarization element 10 does not have a slit crossing the waveguide as in the conventional light polarization element 100, the radiation loss can be suppressed, and the excess loss can be reduced. Further, while the size of the conventional light polarization element 100 in top view is, for example, about 3 mm ⁇ 2 mm, the size of the light polarization element 10 is significantly small in size, for example, about 2 mm ⁇ 0.015 mm. Is possible. In addition, since the optical polarization element 10 does not have to perform the operation of inserting or fixing the 1 ⁇ 4 wavelength plate at the time of manufacture, such a small size does not cause difficulty in manufacture and is easy to manufacture. And the manufacturing yield is also high. Furthermore, the optical polarization element 10 is low in cost because it does not use a relatively expensive 1 ⁇ 4 wavelength plate, and it does not use an adhesive for fixing the 1 ⁇ 4 wavelength plate, resulting in high reliability.
  • the optical polarization element 10 is set to the size exemplified above and simulation calculation is performed as a polarization separation element.
  • the excess loss is 0.1 dB or less and the polarization extinction ratio is 30 dB or more at a wavelength of 1550 nm. Met.
  • the light polarization element 10 can be manufactured, for example, by the following method. First, a cladding layer made of silica-based glass is formed to a predetermined thickness on a silicon substrate by using, for example, a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method, and a portion of the lower cladding 12a is formed. Subsequently, a layer (waveguide forming layer) to be a waveguide is formed by sputtering. Subsequently, the cladding layer and the waveguide forming layer are heat treated and annealed to be transparent and vitrified.
  • a plasma CVD Chemical Vapor Deposition
  • the waveguide forming layer is patterned into the shapes of the first port waveguide 11a, the multimode interference waveguide 11b, and the second port waveguides 11ca and 11cb by photolithography and etching to form a waveguide shape.
  • the slits 11ba and 11bb are simultaneously formed. That is, a separate process for forming the slits 11ba and 11bb is unnecessary.
  • the etching is performed, for example, by dry etching using a fluorine-based gas (for example, CF 4 ) used in a processing process of quartz-based glass.
  • the upper cladding 12 b is formed to cover the lower cladding 12 a and the respective waveguides.
  • the upper clad 12b can be formed, for example, by depositing fine particles of silica glass by a known flame deposition (FHD) method, and heating and melting the fine particles to vitrify the fine particles.
  • FHD flame deposition
  • the width of the slit is 0.3 ⁇ m or more, it is preferable because the slit can be easily manufactured by photolithography and etching.
  • Second Embodiment 2A and 2B are schematic views of the optical polarization element according to the second embodiment, FIG. 2A is a top view, and FIG. 2B is an enlarged view of a region A of FIG. 2B.
  • the optical polarization element 20 includes a first port waveguide 21a, a multimode interference waveguide 21b in which slits 21ba and 21bb are formed, two second port waveguides 21ca and 21cb, and a cladding 22. .
  • the first port waveguide 21a, the multimode interference waveguide 21b, and the second port waveguides 21ca and 21cb correspond to the first port waveguide 11a, the multimode interference waveguide 11b, and the second of the optical polarization element 10 according to the first embodiment.
  • the structure optimization is performed on the port waveguides 11 ca and 11 cb to obtain a shape optimization shape.
  • the cladding 22 is similar to the cladding 12 of the optical polarization device 10.
  • the structure optimization shape is an excess loss by repeating the process of minutely perturbing the shapes of the outer peripheral surface of each waveguide and the inner peripheral surface of the slit and calculating the coupling loss in the perturbed shape by computer simulation. Is a shape that is identified by computer simulation as a shape that can be kept small.
  • This optimization algorithm can use, for example, techniques known as wavefront matching and topology optimization. In the second embodiment, the topology optimization method is used.
  • the light polarization element 20 functions as a polarization separation element and a polarization combining element. Then, like the light polarization element 10, the light polarization element 20 can realize reduction of excess loss, miniaturization, easiness of manufacture, high yield, low cost, and high reliability. In particular, the excess loss can be further reduced in the light polarization element 20 than in the light polarization element 10.
  • FIG. 3 is a view showing a simulation result of optical characteristics of the light polarization element 20. As shown in FIG. In FIG.
  • the light polarization element 20 was set to the size and the relative refractive index difference in Embodiment 1 and manufactured by the manufacturing method illustrated in Embodiment 1.
  • the manufactured optical polarization element was used as a polarization separation element, and excess loss and polarization extinction ratio (PER) were measured in a 40 nm band from 1530 nm to 1570 nm.
  • FIG. 4 is a diagram showing the measurement results of the optical characteristics of the light polarization element of the example. As shown in FIG. 4, the excess loss was 0.2 dB or less and the PER was 35 dB or more over a broad band of 40 nm, which confirmed that the polarization separation characteristics were good.
  • FIG. 5 is a schematic view of an optical polarization element according to a third embodiment.
  • the light polarization element 30 includes a first port waveguide 31a, a multimode interference waveguide 31b, two second port waveguides 31ca and 31cb, and a cladding 32.
  • the light polarization element 30 is largely different from the light polarization elements 10 and 20 of the first and second embodiments in that the slit 31 ba formed in the multimode interference waveguide 31 b is one.
  • the configuration, material, and function of each waveguide and cladding 32 are the same as those of the light polarization elements 10 and 20.
  • each waveguide has a shape optimized in the same manner as the light polarization element 20.
  • the length Lb is 2500 ⁇ m
  • the pitch Pb between the second port waveguides 31ca and 31cb is 7.5 ⁇ m.
  • the width of the slit 31 ba is 1.2 ⁇ m.
  • the size of the first port waveguide 31a and the second port waveguides 31ca and 31cb is 3 ⁇ m ⁇ 3 ⁇ m.
  • the relative refractive index difference of each waveguide to the cladding 32 is 5.5%.
  • Other sizes are preferably designed to obtain a desired polarization extinction ratio according to these exemplified values.
  • the optical polarization element 30 functions as a polarization separation element and a polarization combining element like the optical polarization elements 10 and 20, and reduces excess loss, downsizing, easiness of manufacture, high yield, low cost, high reliability Can be realized.
  • the light polarization element 30 is set to the illustrated size and relative refractive index difference, and simulation calculation is performed as a polarization separation element.
  • the excess loss is 0.2 dB or less at a wavelength of 1550 nm, and the polarization extinction ratio Was over 39 dB.
  • FIG. 6 is a view showing a simulation result of optical characteristics of the light polarization element 30. As shown in FIG. In FIG.
  • FIG. 7 is a schematic view of an optical polarization element according to the fourth embodiment.
  • the light polarization element 40 includes a first port waveguide 41a, a multimode interference waveguide 41b, two second port waveguides 41ca and 41cb, and a cladding 42.
  • the light polarization element 40 has one slit 41 ba formed in the multimode interference waveguide 41 b as in the light polarization element 30 of the third embodiment, but the slit width is wider. Specifically, in the slit 41ba, the slit width first gradually spreads from the first port waveguide 41a toward the second port waveguides 41ca and 41cb, and then becomes equal, and the second port waveguides 41ca and 41cb. It is getting narrower gradually on the side.
  • the configuration, material, and function of each waveguide and cladding 42 are the same as those of the light polarization elements 10, 20, and 30.
  • each waveguide has a shape optimized in the same manner as the light polarization elements 20 and 30.
  • the length Lc is 2500 ⁇ m
  • the length Ld of the equal-width portion of the slit 41 ba is 2000 ⁇ m.
  • the width of the slit 41 ba is 5 ⁇ m.
  • the relative refractive index difference of each waveguide with respect to the cladding 42 is 5.5%.
  • Other sizes are preferably designed to obtain a desired polarization extinction ratio according to these exemplified values.
  • the optical polarization element 40 functions as a polarization separation element and a polarization combining element in the same manner as the optical polarization elements 10, 20 and 30, and reduces excess loss, downsizing, easiness of manufacture, high yield, low cost, High reliability can be realized.
  • the light polarization element 40 is set to the illustrated size and relative refractive index difference, and simulation calculation is performed as a polarization separation element.
  • the excess loss is about 0.78 dB at a wavelength of 1550 nm, and polarization extinction is The ratio was about 19.5 dB.
  • FIG. 8 is a view showing a simulation result of optical characteristics of the light polarization element 40. As shown in FIG. In FIG.
  • the relative refractive index difference of each waveguide with respect to the cladding is 5.5%, but the relative refractive index difference is not limited to 5.5%. If the relative refractive index difference is 0.7% or more, it is preferable because advantageous effects can be obtained with respect to the conventional configuration.
  • a slit is one or two, three or more may be sufficient. As the number of slits increases, even if a manufacturing error occurs in the designed slit shape, the influence on the optical characteristics of the light polarization element decreases, that is, the tolerance to the manufacturing error increases. Moreover, it is preferable that the width
  • the slits are linear and extend in the direction from the first port waveguide toward the two second port waveguides, but the shape of the slits is not limited to these. That is, the slits give different effective refractive indexes to the orthogonal polarized light beams input from the first port waveguide, respectively, whereby the polarized light beams orthogonal to each other are different. If the shapes are separated and output from each of the two second port waveguides, the effects of the present invention can be exhibited.
  • the light polarization element is made of a silica-based glass material in the above embodiment and examples, it is not particularly limited as long as it is an optical material, and can be applied to, for example, a light polarization element made of a semiconductor material.
  • the present invention is not limited by the above embodiment.
  • the present invention also includes those configured by appropriately combining the above-described components. Further, further effects and modifications can be easily derived by those skilled in the art. Thus, the broader aspects of the present invention are not limited to the above embodiments, but various modifications are possible.
  • optical polarization element according to the present invention can be suitably used in the field of optical communication.
  • Optical polarization elements 11a, 21a, 31a, 41a First port waveguides 11b, 21b, 31b, 41b Multimode interference waveguides 11ba, 11bb, 21ba, 21bb, 31ba, 41ba Slits 11ca, 11cb , 21ca, 21cb, 31ca, 31cb, 41ca, 41cb second port waveguides 12, 22, 32, 42 cladding 12a lower cladding 12b upper cladding A region L1, L2, L3 light

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Abstract

光偏波素子は、第１ポート導波路と、２つの第２ポート導波路と、前記第１ポート導波路及び前記２つ第２ポート導波路と光学的に接続された多モード干渉導波路と、を備え、前記多モード干渉導波路にはスリットが形成されており、該スリットは、前記第１ポート導波路から入力された互いに直交する偏波の光のそれぞれに対して、前記多モード干渉導波路が異なる実効屈折率を与え、かつ前記互いに直交する偏波の光が分離されて前記２つの第２ポート導波路のそれぞれから出力される形状に形成されている。

Description

光偏波素子およびその製造方法
　本発明は、光の偏波合成や偏波分離を行うことができる光偏波素子およびその製造方法に関するものである。
　近年の偏波ダイバーシティやコヒーレントミキサ等を使用した高性能の光通信方式においては、光の偏波合成や偏波分離を行うことができる光偏波素子が使用される。従来、このような光偏波素子として、マッハツェンダー（Mach-Zehnder　Interferometer：ＭＺＩ）型干渉計の構成を採用した光導波路型の光偏波素子が知られている。この種の光偏波素子では、アーム導波路を横断するようにスリットを形成し、そのスリット内に１／４波長板を挿入する構成が採用される場合がある（特許文献１）。
　ここで、光偏波素子においてアーム導波路を伝搬する光は、スリット内を通過する間は導波路による光閉じ込めを受けないため、放射損失が生じる。この放射損失は、スリットの幅が広いほど大きくなり、また導波路の比屈折率差が大きい程大きくなる。このような放射損失は、偏波素子の過剰損失を増加させるものであるから、できるだけ低減することが好ましい。放射損失を低減する方法として、スリットにより横断されたアーム導波路の形状を、スリットに向かってテーパ状に幅が広がる形状とする方法が知られている（特許文献２）。
特許第６２１９８８７号 特開２０１７－１８１９６３号公報
　石英系ガラスからなる平面光波回路（Planar　Lightwave　Circuit：ＰＬＣ）技術を用いた光導波路においては、近年は比屈折率差が大きい設計が提案されてきているため、放射損失をより一層低減することが望まれている。また、従来の光偏波素子では、スリット内に１／４波長板を挿入して実装するための作業が必要となる。この作業のためには、挿入箇所の周囲にある程度のスペースが必要となるため、例えば２つのアーム導波路の間隔を広げたり、スリットの長さをある程度の長さ以上としたりする必要があるため、素子が必要以上に大型化する場合がある。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、放射損失を抑制し、小型化が可能であり、かつ製造も容易な光偏波素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る光偏波素子は、第１ポート導波路と、２つの第２ポート導波路と、前記第１ポート導波路及び前記２つの第２ポート導波路と光学的に接続された多モード干渉導波路と、を備え、前記多モード干渉導波路にはスリットが形成されており、該スリットは、前記第１ポート導波路から入力された互いに直交する偏波の光のそれぞれに対して、前記多モード干渉導波路が異なる実効屈折率を与え、これにより前記互いに直交する偏波の光が分離されて前記２つの第２ポート導波路のそれぞれから出力される形状に形成されていることを特徴とする。
　本発明の一態様に係る光偏波素子は、前記スリットは、前記第１ポート導波路から前記２つの第２ポート導波路へ向かう方向に延伸していることを特徴とする。
　本発明の一態様に係る光偏波素子は、前記スリットが複数形成されていることを特徴とする。
　本発明の一態様に係る光偏波素子は、前記スリットは略直線状であることを特徴とする。
　本発明の一態様に係る光偏波素子は、前記スリットの幅が０．３μｍ以上、５．０μｍ以下であることを特徴とする。
　本発明の一態様に係る光偏波素子は、前記第１ポート導波路、前記第２ポート導波路および前記多モード干渉導波路の各導波路の外周を取り囲むクラッドを備えており、前記クラッドに対する前記各導波路の比屈折率差が０．７％以上であることを特徴とする。
　本発明の一態様に係る光偏波素子は、前記第１ポート導波路、前記第２ポート導波路および前記多モード干渉導波路はジルコニアを含む石英系ガラス材料からなることを特徴とする。
　本発明の一態様に係る光偏波素子は、第１ポート導波路と、２つの第２ポート導波路と、前記第１ポート導波路及び前記２つの第２ポート導波路と光学的に接続された矩形の多モード干渉導波路と、を備え、前記多モード干渉導波路には１以上のスリットが形成されており、該スリットは、前記第１ポート導波路から前記２つの第２ポート導波路へ向かう方向に略平行に延伸していることを特徴とする。
　本発明の一態様に係る光偏波素子の製造方法は、第１ポート導波路と、２つの第２ポート導波路と、前記第１ポート導波路及び前記２つの第２ポート導波路と光学的に接続された多モード干渉導波路との導波路形状を形成する工程と、前記多モード干渉導波路にスリットを形成する工程と、を含み、前記スリットを、前記第１ポート導波路から入力された互いに直交する偏波の光のそれぞれに対して、前記多モード干渉導波路が異なる実効屈折率を与え、これにより前記互いに直交する偏波の光が分離されて前記２つの第２ポート導波路のそれぞれから出力される形状に形成することを特徴とする。
　本発明によれば、放射損失を抑制し、小型化が可能であり、かつ製造も容易な光偏波素子を実現できるという効果を奏する。
図１Ａは、実施形態１に係る光偏波素子の模式図である。 図１Ｂは、実施形態１に係る光偏波素子の模式図である。 図２Ａは、実施形態２に係る光偏波素子の模式図である。 図２Ｂは、実施形態２に係る光偏波素子の模式図である。 図３は、図２Ａに示す光偏波素子の光学特性のシミュレーション結果を示す図である。 図４は、実施例の光偏波素子の光学特性の測定結果を示す図である。 図５は、実施形態３に係る光偏波素子の模式図である。 図６は、図５に示す光偏波素子の光学特性のシミュレーション結果を示す図である。 図７は、実施形態４に係る光偏波素子の模式図である。 図８は、図７に示す光偏波素子の光学特性のシミュレーション結果を示す図である。 図９は、従来の光偏波素子の一例の模式図である。 図１０は、図９に示す光偏波素子の光学特性の一例を示す図である。
　以下に、図面を参照して実施形態について説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一又は対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
　まず、従来の光偏波素子の一例について、図９を参照して説明する。図９に示す光偏波素子１００は、石英系ガラスからなるＭＺＩ型の構成を有しており、入力ポート導波路１０１ａと、１×２の光カプラ導波路１０１ｂと、２つのアーム導波路１０１ｃ、１０１ｄと、２×２の光カプラ導波路１０１ｅと、２つの出力ポート導波路１０１ｆ、１０１ｇと、これらの導波路の外周を取り囲むクラッド１０２と、１／４波長板１０３とを備えている。
　入力ポート導波路１０１ａは、光カプラ導波路１０１ｂの１ポート側に接続されている。光カプラ導波路１０１ｂは多モード光干渉導波路である。２つのアーム導波路１０１ｃ、１０１ｄは、それぞれ、一端が光カプラ導波路１０１ｂの２ポート側、他端が光カプラ導波路１０１ｅの一方の２ポート側に接続されている。光カプラ導波路１０１ｅも多モード光干渉導波路である。２つの出力ポート導波路１０１ｆ、１０１ｇは、それぞれ、光カプラ導波路１０１ｅの他方の２ポート側に接続されている。
　クラッド１０２には、２つのアーム導波路１０１ｃ、１０１ｄを横断するようにスリット１０２ａが形成されており、スリット１０２ａ内に１／４波長板１０３が挿入されている。１／４波長板１０３は例えば接着剤で固定される。なお、図７では図示していないが、アーム導波路１０１ｃ、１０１ｄは、スリット１０２ａに向かってテーパ状に幅が広がる形状を有している。
　光偏波素子１００は、入力ポート導波路１０１ａに任意偏波の光Ｌ１０１が入力されると、これを互いに直交する２つの直線偏波（ＴＭモード、ＴＥモード）の光Ｌ１０２、Ｌ１０３に分離し、それぞれ出力ポート導波路１０１ｆ、１０１ｇから出力する偏波分離素子として機能する。なお、光の相反性から、光偏波素子１００は偏波合成素子としても機能する。
　図１０は、光偏波素子１００の光学特性の一例を示す図である。具体的には、クラッド１０２に対する各導波路（入力ポート導波路１０１ａ、光カプラ導波路１０１ｂ、アーム導波路１０１ｃ、１０１ｄ、光カプラ導波路１０１ｅ、出力ポート導波路１０１ｆ、１０１ｇ）の比屈折率差Δと、スリット損失との関係の一例を示す図である。ここで、スリット損失とは、スリット１０２ａによる放射損失を含めた、スリット１０２ａの存在により発生する損失である。なお、スリット１０２ａの幅（アーム導波路１０１ｃ、１０１ｄの対向する端面間の距離に相当）は一定としている。
　図１０に示すように、比屈折率差Δが大きくなるにつれて、スリット損失は急激に大きくなる。スリット損失の増大は、主に放射損失の増大によるものである。
　図１０からわかるように、比屈折率差が大きい設計では、放射損失をより一層低減することが重要である。また、上述したように、光偏波素子１００では、スリット１０２ａ内に１／４波長板１０３を挿入して実装するための作業が必要となるため、必要以上に大型化する場合がある。
　本発明者らは、上述した課題を解決するために鋭意検討したところ、多モード干渉導波路にスリットを形成することで、偏波分離機能や偏波合成機能を発現させることができることを初めて見出した。
（実施形態１）
　図１Ａ、Ｂは、実施形態１に係る光偏波素子の模式図であり、図１Ａは上面図、図１Ｂは図１ＡのＸ－Ｘ線断面図である。
　光偏波素子１０は、第１ポート導波路１１ａと、多モード干渉導波路１１ｂと、２つの第２ポート導波路１１ｃａ、１１ｃｂと、クラッド１２とを備えている。
　多モード干渉導波路１１ｂは、長手方向（光の伝播方向）に垂直な断面が略矩形であり、上面視で略矩形の導波路であり、長方形の対向する短辺のそれぞれに第１ポート導波路１１ａ、第２ポート導波路１１ｃａ、１１ｃｂが光学的に接続されている。
　クラッド１２は、第１ポート導波路１１ａ、多モード干渉導波路１１ｂ、第２ポート導波路１１ｃａ、１１ｃｂを取り囲んでおり、下部クラッド１２ａと、上部クラッド１２ｂとを備えている。クラッド１２は、例えばシリコン基板やガラス基板上に形成されている。
　クラッド１２は、石英系ガラス材料で構成されている。第１ポート導波路１１ａ、多モード干渉導波路１１ｂ、第２ポート導波路１１ｃａ、１１ｃｂは、いずれもクラッド１２の屈折率よりも高い屈折率を有する石英系ガラス材料で構成されている。このような屈折率が高い石英系ガラス材料として、例えば屈折率を高めるドーパントとしてのゲルマニア（ＧｅＯ２）やジルコニア（Ｚｒ０２）を含む石英ガラスを用いることができる。特に、ジルコニアを含む石英ガラスであるいわゆるＳｉＯ２－ＺｒＯ２系材料であれば、比屈折率を高くできるので好ましい。
　第１ポート導波路１１ａと第２ポート導波路１１ｃａ、１１ｃｂは、クラッド１２に対する比屈折率差に応じて、使用波長（例えば１．５５μｍ帯）の光をシングルモードで伝搬するように、その断面のサイズが設定されている。多モード干渉導波路１１ｂは、クラッド１２に対する比屈折率差に応じて、使用波長（例えば１．５５μｍ帯）の光をマルチモードで伝搬し、かつ以下に説明する偏波分離、偏波合成の機能を有するように、その断面のサイズが設定されている。
　多モード干渉導波路１１ｂには、２本のスリット１１ｂａ、１１ｂｂが形成されている。スリット１１ｂａ、１１ｂｂ内は、上部クラッド１２ｂと同じ材料で埋め込まれている。
　スリット１１ｂａ、１１ｂｂは、第１ポート導波路１１ａから入力された互いに直交する偏波の光のそれぞれに対して、多モード干渉導波路１１ｂが異なる実効屈折率を与え、実効屈折率差を大きくし、これにより、第１ポート導波路１１ａから入力された互いに直交する偏波の光が分離されて第２ポート導波路１１ｃａ、１１ｃｂのそれぞれから出力される形状に形成されている。すなわち、例えば図１（ａ）に示すように、互いに直交する偏波モードであるＴＭモードの成分とＴＥモードの成分とを含む光Ｌ１が、第１ポート導波路１１ａに入力されると、光偏波素子１０は第２ポート導波路１１ｃａからＴＥモードの光Ｌ２を出力し、第２ポート導波路１１ｃｂからＴＭモードの光Ｌ３を出力する。このように、光偏波素子１０は偏波分離素子として機能する。また、光の相反性から、光偏波素子１０は偏波分離素子としても機能する。すなわち、光偏波素子１０は、第２ポート導波路１１ｃａ、１１ｃｂにそれぞれ互いに直交する２つの直線偏波（ＴＥモード、ＴＭモード）の光が入力されると、これらの光を偏波合成して第１ポート導波路１１ａから出力する。
　このような偏波分離、偏波合成機能を実現するために、スリット１１ｂａ、１１ｂｂは、第１ポート導波路１１ａから第２ポート導波路１１ｃａ、１１ｃｂへ向かう方向に、略直線状に延伸しており、かつ互いに略平行である。ここで、第１ポート導波路１１ａから第２ポート導波路１１ｃａ、１１ｃｂへ向かう方向とは、光偏波素子１０において、第１ポート導波路１１ａに入力される光Ｌ１の進行方向である。この方向は、多モード干渉導波路１１ｂの長手方向（光の伝播方向）と実質的に同じである。
　光偏波素子１０のサイズについて例示すると、例えば長さＬａは１９００μｍであり、第２ポート導波路１１ｃａ、１１ｃｂ間のピッチＰａは１０μｍである。スリット１１ｂａ、１１ｂｂの幅はそれぞれ０．６μｍである。第１ポート導波路１１ａ、第２ポート導波路１１ｃａ、１１ｃｂのサイズは３μｍ×３μｍである。また、各導波路のクラッド１２に対する比屈折率差は５．５％である。その他のサイズについては、これらの例示した値に応じて、所望の偏波消光比が得られるように設計することが好ましい。
　光偏波素子１０は、従来の光偏波素子１００のように導波路を横断するスリットを形成したものではないので、放射損失を抑制でき、過剰損失が小さくなる。また、従来の光偏波素子１００の上面視のサイズが例えば３ｍｍ×２ｍｍ程度であるのに対して、光偏波素子１０は、上面視のサイズが例えば２ｍｍ×０．０１５ｍｍ程度と大幅に小型化が可能である。また、光偏波素子１０は、製造時に１／４波長板の挿入や固定の作業を行わなくてよいので、このような小型であっても製造の困難さは生じず、製造が容易であり、かつ製造歩留まりも高い。さらには、光偏波素子１０では、比較的高価な１／４波長板を使用しないので低コストであり、１／４波長板を固定する接着剤も使用しないので、信頼性が高くなる。
　光偏波素子１０について、上記に例示したサイズに設定して、偏波分離素子としてシミュレーション計算を行ったところ、波長１５５０ｎｍにおいて、過剰損失は０．１ｄＢ以下であり、偏波消光比は３０ｄＢ以上であった。
　なお、光偏波素子１０は、例えば以下のような方法で製造できる。まず、例えばプラズマＣＶＤ（Chemical　Vapor　Deposition）法を用いて、シリコン基板上に石英系ガラスからなるクラッド層を所定の厚さだけ成膜し、下部クラッド１２ａの部分を形成する。つづいて、スパッタ法によって、導波路となる層（導波路形成層）を成膜する。つづいて、クラッド層と導波路形成層を加熱処理してアニールし、透明ガラス化する。
　つづいて、導波路形成層を、フォトリソグラフィ技術およびエッチングによって、第１ポート導波路１１ａ、多モード干渉導波路１１ｂ、第２ポート導波路１１ｃａ、１１ｃｂの形状にパターニングし、導波路形状を形成する。このとき、スリット１１ｂａ、１１ｂｂも同時に形成する。すなわち、スリット１１ｂａ、１１ｂｂを形成するための別途の工程は不要である。なお、エッチングについては、例えば石英系ガラスの加工プロセスにおいて用いられるフッ素系ガス（例えばＣＦ４）を用いたドライエッチングによって行う。
　つづいて、下部クラッド１２ａおよび各導波路を覆うように上部クラッド１２ｂを形成する。上部クラッド１２ｂは、例えば公知の火炎堆積（Flame　Hydrolysis　Deposition：ＦＨＤ）法により石英系ガラスからなる微粒子を堆積し、この微粒子を加熱溶融して透明ガラス化することによって形成できる。
　なお、スリットの幅が０．３μｍ以上であれば、フォトリソグラフィ技術およびエッチングによって製造し易いので好ましい。
（実施形態２）
　図２Ａ、Ｂは、実施形態２に係る光偏波素子の模式図であり、図２Ａは上面図、図２（ｂ）は図２Ｂの領域Ａの拡大図である。
　光偏波素子２０は、第１ポート導波路２１ａと、スリット２１ｂａ、２１ｂｂが形成された多モード干渉導波路２１ｂと、２つの第２ポート導波路２１ｃａ、２１ｃｂと、クラッド２２とを備えている。第１ポート導波路２１ａ、多モード干渉導波路２１ｂ、第２ポート導波路２１ｃａ、２１ｃｂは、実施形態１の光偏波素子１０の第１ポート導波路１１ａ、多モード干渉導波路１１ｂ、第２ポート導波路１１ｃａ、１１ｃｂに対して構造最適化を行って、構造最適化形状としたものである。クラッド２２は光偏波素子１０のクラッド１２と同様のものである。
　構造最適化形状とは、各導波路の外周面およびスリットの内周面の形状を微小に摂動させ、当該摂動させた形状における結合損失をコンピュータシミュレーションによって計算するというプロセスを繰り返すことにより、過剰損失が小さく抑えられる形状としてコンピュータシミュレーションによって特定された形状のことである。この最適化アルゴリズムは、例えば波面整合法やトポロジー最適化法という名で知られている手法を用いることができる。本実施形態２ではトポロジー最適化法を用いている。
　光偏波素子２０は、光偏波素子１０と同様に偏波分離素子、偏波合成素子として機能する。そして、光偏波素子２０は、光偏波素子１０と同様に、過剰損失の低減、小型化、製造容易性、高歩留り、低コスト、高信頼性を実現できる。特に、光偏波素子２０では、光偏波素子１０よりもさらに過剰損失を低減できる。
　光偏波素子２０について、実施形態１において例示したサイズおよび比屈折率差に設定して、偏波分離素子としてシミュレーション計算を行ったところ、波長１５５０ｎｍにおいて、過剰損失は０．０５ｄＢ以下であり、偏波消光比は４０ｄＢ以上であった。図３は、光偏波素子２０の光学特性のシミュレーション結果を示す図である。図３は、ＴＥモードの光を、第１ポート導波路から相対強度１で入力すると、図面上側の第２ポート導波路から強度０．９９０で出力され、下側の第２ポート導波路からはほとんど出力されないこと、および、ＴＭモードの光を、第１ポート導波路から相対強度１で入力すると、下側の第２ポート導波路から強度０．９８７で出力され、上側の第２ポート導波路からはほとんど出力されないことを示している。
　さらに、実施例として、光偏波素子２０について、実施形態１においてサイズおよび比屈折率差に設定し、実施形態１において例示した製造方法によって製造した。製造した光偏波素子を偏波分離素子として用い、過剰損失と偏波消光比（Polarization　Extinction　Ratio：ＰＥＲ）を、波長１５３０ｎｍから１５７０ｎｍまでの４０ｎｍの帯域で測定した。
　図４は、実施例の光偏波素子の光学特性の測定結果を示す図である。図４に示すように、４０ｎｍの広い帯域にわたって、過剰損失は０．２ｄＢ以下であり、ＰＥＲは３５ｄＢ以上であり、良好な偏波分離特性であることが確認された。
（実施形態３）
　図５は、実施形態３に係る光偏波素子の模式図である。光偏波素子３０は、第１ポート導波路３１ａと、多モード干渉導波路３１ｂと、２つの第２ポート導波路３１ｃａ、３１ｃｂと、クラッド３２とを備えている。
　光偏波素子３０は、多モード干渉導波路３１ｂに形成されたスリット３１ｂａが一本である点が、実施形態１、２の光偏波素子１０、２０とは大きく異なる。また、各導波路やクラッド３２の構成、材質、機能は光偏波素子１０、２０と同様である。また、各導波路は光偏波素子２０と同様に構造最適化形状とされている。
　光偏波素子３０のサイズについて例示すると、例えば長さＬｂは２５００μｍであり、第２ポート導波路３１ｃａ、３１ｃｂ間のピッチＰｂは７．５μｍである。スリット３１ｂａの幅は１．２μｍである。第１ポート導波路３１ａ、第２ポート導波路３１ｃａ、３１ｃｂのサイズは３μｍ×３μｍである。また、各導波路のクラッド３２に対する比屈折率差は５．５％である。その他のサイズについては、これらの例示した値に応じて、所望の偏波消光比が得られるように設計することが好ましい。
　光偏波素子３０は、光偏波素子１０、２０と同様に偏波分離素子、偏波合成素子として機能し、過剰損失の低減、小型化、製造容易性、高歩留り、低コスト、高信頼性を実現できる。
　光偏波素子３０について、例示したサイズおよび比屈折率差に設定して、偏波分離素子としてシミュレーション計算を行ったところ、波長１５５０ｎｍにおいて、過剰損失は０．２ｄＢ以下であり、偏波消光比は３９ｄＢ以上であった。図６は、光偏波素子３０の光学特性のシミュレーション結果を示す図である。図６は、ＴＥモードの光を、第１ポート導波路から相対強度１で入力すると、図面上側の第２ポート導波路から強度０．９７６で出力され、下側の第２ポート導波路からはほとんど出力されないこと、および、ＴＭモードの光を、第１ポート導波路から相対強度１で入力すると、下側の第２ポート導波路から強度０．９５０で出力され、上側の第２ポート導波路からはほとんど出力されないことを示している。
（実施形態４）
　図７は、実施形態４に係る光偏波素子の模式図である。光偏波素子４０は、第１ポート導波路４１ａと、多モード干渉導波路４１ｂと、２つの第２ポート導波路４１ｃａ、４１ｃｂと、クラッド４２とを備えている。
　光偏波素子４０は、実施形態３の光偏波素子３０と同様に、多モード干渉導波路４１ｂに形成されたスリット４１ｂａが一本であるが、そのスリット幅はより幅広となっている。具体的には、スリット４１ｂａでは、スリット幅は、第１ポート導波路４１ａから第２ポート導波路４１ｃａ、４１ｃｂに向かって、まず徐々に広がり、その後等幅となり、第２ポート導波路４１ｃａ、４１ｃｂ側では徐々に狭くなっている。また、各導波路やクラッド４２の構成、材質、機能は光偏波素子１０、２０、３０と同様である。また、各導波路は光偏波素子２０、３０と同様に構造最適化形状とされている。
　光偏波素子４０のサイズについて例示すると、例えば長さＬｃは２５００μｍであり、スリット４１ｂａの等幅の部分の長さＬｄは２０００μｍである。スリット４１ｂａの幅は５μｍである。また、各導波路のクラッド４２に対する比屈折率差は５．５％である。その他のサイズについては、これらの例示した値に応じて、所望の偏波消光比が得られるように設計することが好ましい。
　光偏波素子４０は、光偏波素子１０、２０、３０と同様に偏波分離素子、偏波合成素子として機能し、過剰損失の低減、小型化、製造容易性、高歩留り、低コスト、高信頼性を実現できる。
　光偏波素子４０について、例示したサイズおよび比屈折率差に設定して、偏波分離素子としてシミュレーション計算を行ったところ、波長１５５０ｎｍにおいて、過剰損失は約０．７８ｄＢ程度であり、偏波消光比は約１９．５ｄＢであった。図８は、光偏波素子４０の光学特性のシミュレーション結果を示す図である。図８は、ＴＥモードの光を、第１ポート導波路から相対強度１で入力すると、図面上側の第２ポート導波路から強度０．９０５で出力され、下側の第２ポート導波路からはほとんど出力されないこと、および、ＴＭモードの光を、第１ポート導波路から相対強度１で入力すると、下側の第２ポート導波路から強度０．８２７で出力され、上側の第２ポート導波路からはほとんど出力されないことを示している。
　なお、上記実施形態および実施例では、各導波路のクラッドに対する比屈折率差は５．５％であるが、比屈折率差は５．５％には限定されない。比屈折率差が０．７％以上であれば、従来の構成に対して有利な効果を得ることができるので好ましい。
　また、上記実施形態および実施例では、スリットは、１本または２本であるが、３本以上であってもよい。スリットの本数が増加するほど、設計したスリットの形状に対して製造誤差が生じても、光偏波素子の光学特性に与える影響が少なくなる、すなわち、製造誤差に対するトレランスが高くなる。また、スリットの幅は、０．３μｍ以上、５．０μｍ以下であることが好ましい。スリットの幅が５．０μｍ以下であれば、光偏波素子の大型化を抑制できる。
　また、上記実施形態および実施例では、スリットは直線状であり、第１ポート導波路から前記２つの第２ポート導波路へ向かう方向に延伸しているが、スリットの形状はこれらに限定されない。すなわち、スリットが、第１ポート導波路から入力された互いに直交する偏波の光のそれぞれに対して、多モード干渉導波路が異なる実効屈折率を与え、これにより互いに直交する偏波の光が分離されて２つの第２ポート導波路のそれぞれから出力される形状であれば、本発明の効果を発揮することができる。
　また、上記実施形態および実施例では、光偏波素子は石英系ガラス材料からなるが、光学材料であれば特に限定されず、例えば半導体材料からなる光偏波素子にも適用できる。
　また、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
　本発明に係る光偏波素子は、光通信の分野において好適に利用できる。
１０、２０、３０、４０　光偏波素子
１１ａ、２１ａ、３１ａ、４１ａ　第１ポート導波路
１１ｂ、２１ｂ、３１ｂ、４１ｂ　多モード干渉導波路
１１ｂａ、１１ｂｂ、２１ｂａ、２１ｂｂ、３１ｂａ、４１ｂａ　スリット
１１ｃａ、１１ｃｂ、２１ｃａ、２１ｃｂ、３１ｃａ、３１ｃｂ、４１ｃａ、４１ｃｂ　第２ポート導波路
１２、２２、３２、４２　クラッド
１２ａ　下部クラッド
１２ｂ　上部クラッド
Ａ　領域
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３　光

Claims (9)

  1. 　第１ポート導波路と、
    　２つの第２ポート導波路と、
    　前記第１ポート導波路及び前記２つの第２ポート導波路と光学的に接続された多モード干渉導波路と、
    　を備え、前記多モード干渉導波路にはスリットが形成されており、該スリットは、前記第１ポート導波路から入力された互いに直交する偏波の光のそれぞれに対して、前記多モード干渉導波路が異なる実効屈折率を与え、これにより前記互いに直交する偏波の光が分離されて前記２つの第２ポート導波路のそれぞれから出力される形状に形成されていることを特徴とする光偏波素子。
  2. 　前記スリットは、前記第１ポート導波路から前記２つの第２ポート導波路へ向かう方向に延伸していることを特徴とする請求項１に記載の光偏波素子。
  3. 　前記スリットが複数形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光偏波素子。
  4. 　前記スリットは略直線状であることを特徴とする請求項１～３のいずれか一つに記載の光偏波素子。
  5. 　前記スリットの幅が０．３μｍ以上、５．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１～４のいずれか一つに記載の光偏波素子。
  6. 　前記第１ポート導波路、前記第２ポート導波路および前記多モード干渉導波路の各導波路の外周を取り囲むクラッドを備えており、
    　前記クラッドに対する前記各導波路の比屈折率差が０．７％以上であることを特徴とする請求項１～５のいずれか一つに記載の光偏波素子。
  7. 　前記第１ポート導波路、前記第２ポート導波路および前記多モード干渉導波路はジルコニアを含む石英系ガラス材料からなることを特徴とする請求項１～６のいずれか一つに記載の光偏波素子。
  8. 　第１ポート導波路と、
    　２つの第２ポート導波路と、
    　前記第１ポート導波路及び前記２つの第２ポート導波路と光学的に接続された矩形の多モード干渉導波路と、
    　を備え、前記多モード干渉導波路には１以上のスリットが形成されており、該スリットは、前記第１ポート導波路から前記２つの第２ポート導波路へ向かう方向に略平行に延伸していることを特徴とする光偏波素子。
  9. 　第１ポート導波路と、２つの第２ポート導波路と、前記第１ポート導波路及び前記２つの第２ポート導波路と光学的に接続された多モード干渉導波路との導波路形状を形成する工程と、
    　前記多モード干渉導波路にスリットを形成する工程と、
    　を含み、前記スリットを、前記第１ポート導波路から入力された互いに直交する偏波の光のそれぞれに対して、前記多モード干渉導波路が異なる実効屈折率を与え、これにより前記互いに直交する偏波の光が分離されて前記２つの第２ポート導波路のそれぞれから出力される形状に形成することを特徴とする光偏波素子の製造方法。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2024148142A (ja) * 2023-04-04 2024-10-17 株式会社東芝 合成ユニット

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11609392B1 (en) * 2022-02-24 2023-03-21 X Development Llc Photonic coupler

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7035494B1 (en) * 2004-05-27 2006-04-25 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army. Slotted multimode interference device
JP2014182371A (ja) * 2013-03-15 2014-09-29 Mitsubishi Electric Corp 多モード干渉デバイスおよび光信号を操作する方法
JP2016180978A (ja) * 2015-03-23 2016-10-13 三菱電機株式会社 光マニピュレータ
CN106094199A (zh) * 2016-08-10 2016-11-09 徐科 一种片上光功率分束器的设计方法
JP2017203879A (ja) * 2016-05-11 2017-11-16 古河電気工業株式会社 光導波路素子
CN107450126A (zh) * 2017-09-07 2017-12-08 北京大学 一种偏振分束器及其设计方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7502530B2 (en) * 2003-08-21 2009-03-10 Ngk Insulators, Ltd. Optical waveguide devices and traveling wave type optical modulators
JP4010012B2 (ja) * 2004-05-28 2007-11-21 日立化成工業株式会社 光導波路を含む光システム
JP2006208518A (ja) * 2005-01-26 2006-08-10 Seikoh Giken Co Ltd 熱光学効果型光導波路素子およびその製造方法
JP3823193B1 (ja) * 2005-07-08 2006-09-20 学校法人慶應義塾 多モード干渉導波路型光スイッチ
GB0707304D0 (en) * 2007-04-16 2007-05-23 Univ Southampton Evanescent field optical waveguide devices
WO2013047333A1 (ja) * 2011-09-29 2013-04-04 日本電気株式会社 平面光波回路および光受信器
US10371890B2 (en) * 2013-02-26 2019-08-06 Furukawa Electric Co., Ltd. Optical waveguide element
WO2016052343A1 (ja) * 2014-09-30 2016-04-07 株式会社フジクラ 基板型光導波路素子及び基板型光導波路素子の製造方法
JP6219887B2 (ja) 2015-06-25 2017-10-25 Ｎｔｔエレクトロニクス株式会社 光導波路デバイス
JP6623106B2 (ja) 2016-03-31 2019-12-18 古河電気工業株式会社 光導波路構造および光導波路回路
JP2020024256A (ja) * 2018-08-06 2020-02-13 株式会社フジクラ 光デバイスの製造方法および光デバイス

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7035494B1 (en) * 2004-05-27 2006-04-25 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army. Slotted multimode interference device
JP2014182371A (ja) * 2013-03-15 2014-09-29 Mitsubishi Electric Corp 多モード干渉デバイスおよび光信号を操作する方法
JP2016180978A (ja) * 2015-03-23 2016-10-13 三菱電機株式会社 光マニピュレータ
JP2017203879A (ja) * 2016-05-11 2017-11-16 古河電気工業株式会社 光導波路素子
CN106094199A (zh) * 2016-08-10 2016-11-09 徐科 一种片上光功率分束器的设计方法
CN107450126A (zh) * 2017-09-07 2017-12-08 北京大学 一种偏振分束器及其设计方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MACKIE, DAVID M. ET AL.: "Slotted multimode- interference devices", APPLIED OPTICS, vol. 43, no. 36, 20 December 2004 (2004-12-20), pages 6609 - 6619, XP055617442 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2024148142A (ja) * 2023-04-04 2024-10-17 株式会社東芝 合成ユニット
JP7728385B2 (ja) 2023-04-04 2025-08-22 株式会社東芝 合成ユニット

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