基板型光波导元件、偏振复用4值相位调制器、相干接收机及偏振分集的利记博彩app
【专利说明】基板型光波导元件、偏振复用4值相位调制器、相干接收 机及偏振分集
[0001] 本申请主张于2014年8月27日提出的日本专利申请2014 - 173320号的优先权， 并在此引用其内容。
技术领域
[0002] 本发明涉及基板型光波导元件、偏振复用4值相位调制器、相干接收机以及偏振 分集。
【背景技术】
[0003] 现在，在光通信中要传送的信息量一直在增加。为了应对这样的信息量的增加，进 行了信号速度的高速化、基于波长复用通信的信道数的增加之类的对策。特别是，在以高速 度的信息通信为目的的下一代lOOGbps数字相干传送技术中，为了使每单位时间的信息量 为二倍，利用了使电场正交的两个偏振波载运信息的偏振复用方式。
[0004] 然而，包括偏振复用的高速通信的调制方式需要构成复杂的光调制器，产生了装 置的大型化、价格高昂这样的课题。对于这样的课题，正在研究由使用了硅的基板型光波导 构成的光调制器，该基板型光波导具有加工容易、基于集成化的小型化、由于大量生产而低 成本等优点。
[0005] 然而，这样的基板型光波导内的偏振复用有如下的问题点。一般来说，基板型光波 导的形状呈与基板平行的宽度方向和与基板垂直的高度方向非对称的形状。因此，对于以 宽度方向的电场分量为主的模式（以下，称为"TE模式"）和以高度方向的电场分量为主的 模式（以下，称为"TM模式"）这两种偏振模式，有效折射率等特性是不同的。在这些模式 中多数的情况下使用的是TE。和TM。。这里，TE。指在TE模式中有效折射率最大的模式，TM。 指在TM模式中有效折射率最大的模式。
[0006] 对于特性不同的这些模式，在进行光调制操作的情况下，仅利用单个基板型光波 导元件较困难，需要按照每个模式最佳地设计的基板型光波导元件，但这在基板型光波导 元件的开发方面需要较大的劳力。
[0007] 作为解决该问题的方法，可举出使用TE。作为输入针对TE。最佳地设计的基板型光 波导元件的输入光，并将其输出偏振转换成TM。的方法。这里，所谓偏振转换表示从TE。向 TM。或从TM。向TE。的转换。为了进行上述操作，需要在基板上进行偏振转换的基板型光波 导元件。
[0008] 作为在基板上进行偏振转换的技术，有组合TE。与TEi的转换、以及TE1与TM。的转 换的方法。其中，着眼于TE。与TEi的转换。此外，TEi表示有效折射率第二高的TE模式。
[0009] 作为具有TE。与TE转换功能的光波导元件的现有技术，可举出非专利文献1所 记载的光波导元件。
[0010] 图55A以及55B示出将非专利文献1所记载的构造模型化了的光波导元件。图 55A是俯视图，图55B是剖视图。
[0011] 该光波导元件具有纤芯部81、82以及包层15。包层15具有下部包层7和上部包 层6。
[0012] 纤芯部81、82是直线波导，并列地构成定向耦合器。在该定向耦合器中，使纤芯部 81的TE。与纤芯部82的TEi耦合，进行模式转换。
[0013] 为了在定向耦合器中进行高效的模式转换，需要使TE。与TEi的有效折射率为相同 程度。因此，根据各个模式调整了波导构造。
[0014] 在该光波导元件中，为了使TE。与TEi的有效折射率为相同程度，而调整了纤芯部 81、82的宽度。纤芯部81、82的宽度彼此不同，所以该定向耦合器被称为"非对称定向耦合 器"。
[0015] 非专利文献 1:DaoxinDaiandJohnE.Bowers,"Novelconceptforultracompact polarizationsplitter-rotatorbasedonsiliconnanowires,^Optics Express,Vol. 19,Issue11,pp.10940-10949 (2011)
[0016] 然而，上述光波导元件使彼此不同的模式耦合。因此，根据波导构造的调整（纤芯 部的宽度的调整等）的不同，即使对于特定的波长满足"使TE。与TEi的有效折射率为相同 程度"这样的条件，当波长发生偏移时，上述两个模式的有效折射率也会产生偏差。并且，在 波导构造由于制造误差而改变了的情况下，在上述两个模式的有效折射率产生偏移。转换 效率由于这些情况降低。
[0017]因此，现有技术存在能够进行高效率的转换的波长带较窄，另外不耐制造误差这 样的问题。
[0018] 以下，以图55A以及55B所示的现有技术的非对称定向耦合器为例对该问题点进 行说明。
[0019] 在该例中，纤芯部81、82由Si(折射率3. 48)形成，上部/下部包层6、7均由 Si〇2(折射率为1.44)形成。纤芯部81、82的高度为220nm。纤芯部81、82的间隔为200nm。
[0020] 将模式转换对象的TE。进行导波的具有宽度较窄的一方的纤芯部81的波导作为 "波导1"，将TEi进行导波的具有宽度较宽的纤芯部82的波导作为"波导2"。
[0021] 使纤芯部81的宽度为400nm。此时，在波长1580nm中，将纤芯部82的宽度设定为 838nm，以使纤芯部81的TE。与纤芯部82的TEi的有效折射率为相同程度。在表1示出各 个有效折射率的计算结果。计算使用了有限要素法（FEM)。
[0022]【表1】
[0023]
[0029]
[0030]
[0031]
[0032]δ由以下的公式表示。
[0033]【公式4】
[0034]
[0035]L表不非对称定向親合器相对于光的传播方向的长度，△Ν表不两个波导独立存 在的情况下的波导1的ΤΕ。与波导2的ΤΕ 有效折射率差（表1的有效折射率的差），λ 表示波长。另外，X表示两个波导的耦合强度，被称为耦合系数。
[0036] 在非对称定向耦合器中，在某个波长（在该例中是1580nm)处，即使通过调整纤芯 部的宽度等波导构造来使耦合对象的两个模式的有效折射率一致，若波长变化，则有效折 射率也会产生偏移。
[0037] 该问题是在两个纤芯高度和宽度均彼此相等，并且处理相同模式的耦合的对称定 向耦合器中不会产生的问题，而是在处理不同模式的耦合的非对称定向耦合器中会异常产 生的问题。
[0038] 图56示出该例的光波导元件中波长与ΔN的绝对值之间的关系。通过图56,可知 随着波长偏离1580nm，ΔΝ的绝对值变大。
[0039] 根据公式（1)、（2)、（4)，随着波长偏移，转换效率T降低，所以在较宽的波长带中 期望不到较高效率的转换。
[0040] 根据公式（1)~（4)计算出此时对于波长（1520nm~1640nm)的转换效率。在图 57示出结果。这里，公式（1)的L是1520nm~1640nm的波长带中转换效率的最小值变为 最大这样的值，L= 16. 1μm。
[0041] 通过图57,可知随着远离1580nm附近的波长，转换效率降低，在1520nm~1640nm 的波长带中约为一 〇.94dB以上。这是因为，如上述那样ΔΝ的绝对值相对于波长增加。[0042] 接着，对制造误差与转换效率之间的关系进行描述。若波导构造发生变化，则光的 封闭程度会发生变化，与此相关的有效折射率也会发生变化。因此，即使以耦合对象的两个 模式的有效折射率在某个波长下为相同程度的方式来设计波导构造，波导构造也会根据制 造误差而发生变化，两个模式的有效折射率发生了偏移。
[0043] 由此，与关于上述波长依赖性议论相同地，转换效率降低了。
[0044] 为了确认该情况，列举由于光刻/蚀刻而产生的纤芯部宽度的制造误差为例。
[0045] 通常，制造误差相对于纤芯部宽度的设计值（由掩模规定的纤芯部的宽度。在图 58中是WS1、WS2)，如图58所示，仅局部地在两个纤芯部81、82产生彼此相同的量（δ)。在 该例中，假定各纤芯的两侧边缘的位置分别向内侧或者外侧变化S/2。
[0046]以下，认为对于图55Α以及55Β的光波导元件的纤芯部81 (设计值：宽度400nm) 以及纤芯部82(设计值：宽度838nm)产生了制造误差δ( =- 30nm)的情况。图59示出 波长与AN的绝对值的关系。
[0047] 通过图59,可知纤芯部81的TE。与纤芯部82的TEi的有效折射率偏移较大，ΔN 的绝对值变大。根据该情况计算出转换效率。L采用上述的值（L= 16. 1μm)。在图60示 出结果。
[0048] 通过图60,可知ΔΝ的绝对值由于制造误差而变大，所以转换效率大幅下降。具 体而言，在1580nm下转换效率约为一 5. 16dB，在1520nm~1640nm的范围中约为一 7. 32dB 以上。由于该情况，可以说非对称定向耦合器不耐制造误差。
[0049] 这样，在现有技术的具备非对称定向耦合器的光波导元件中，存在模式转换中的 波长带较窄，不耐制造误差这样的问题点。
【发明内容】
[0050] 本发明是鉴于上述情形而完成的，其课题在于，提供一种基板型光波导元件，该基 板型光波导元件在较宽的波长带中确保较高的转换效率，并且在波导构造由于制造误差而 变化的情况下也能够确保模式转换的效率。
[0051] 本发明的第一方式的基板型光波导元件具备光波导，该光波导具有：基板；纤芯， 其在上述基板上具有相互并列的第一纤芯部以及第二纤芯部；以及包层，其折射率比上述 纤芯小，上述纤芯构成前段模式转换部以及后段模式转换部，上述前段模式转换部转换被 输入的光的模式，上述后段模式转换部转换从上述前段模式转换部输出的光的模式，在上 述前段模式转换部的输入端中，上述第一纤芯部与上述第二纤芯部的剖面形状彼此不全 等，并且，上述第一纤芯部和上述第二纤芯部中的至少一方的纤芯部的剖面形状或剖面大 小沿光的导波方向连续地变化，从而在上述前段模式转换部的输出端中，上述第一纤芯部 和上述第二纤芯部的剖面形状彼此全等，在上述后段模式转换部的输入端中，上述第一纤 芯部和上述第二纤芯部彼此分离，上述第一纤芯部与上述第二纤芯部的间隔沿光的导波方 向连续变小，在上述后段模式转换部的输出端中，上述第一纤芯部和上述第二纤芯部彼此 接触。
[0052] 也可以是上述第一纤芯部以及上述第二纤芯部与光的导波方向垂直的剖面是矩 形状。
[0053] 也可以是在上述前段模式转换部中，上述第一纤芯部与上述第二纤芯部的高度彼 此相等，并且，在上述第一纤芯部和上述第二纤芯部中上述输入端处剖面大的纤芯部的宽 度沿光的导波方向连续变小，从而在上述输出端处上述第一纤芯部与上述第二纤芯部的剖 面的形状彼此全等。
[0054] 也可以是在上述后段模式转换部中，上述第一纤芯部以及第二纤芯部的剖面形状 分别遍及全长恒定，上述后段模式转换部的输入端处的上述第一纤芯部以及上述第二纤 芯部的剖面形状分别与上述前段模式转换部的输出端处的上述第一纤芯部以及上述第二 纤芯部的剖面形状相同。
[0055] 也可以是上述纤芯具有板部，上述板部沿上述第一纤芯部以及上述第二纤芯部的 宽度方向延伸突出，上述板部的高度尺寸比上述第一纤芯部以及上述第二纤芯部小，上述 板部至少配置于上述第一纤芯部与上述第二纤芯部之间，将上述第一纤芯部和上述第二纤 芯部彼此连接而形成。
[0056] 也可以是上述板部具有外侧延伸突出区域，上述外侧延伸突出区域从上述第一纤 芯部以及上述第二纤芯部分别向宽度方向的外侧延伸突出而形成。
[0057] 也可以是上述前段模式转换部能够将TE。转换成TE。的超模的奇模，上述后段模式 转换部能够将上述超模的奇模转换成TE1<3
[0058] 也可以是上述纤芯在上述前段模式转换部的输入侧具有弯曲波导，上述弯曲波导 使上述第一纤芯部和上述第二纤芯部中的至少一方在俯视中弯曲形成，在上述弯曲波导 中，越接近上述前段模式转换部，上述第一纤芯部和上述第二纤芯部越彼此接近。
[0059] 也可以是上述基板型光波导元件还具备中间纤芯部，上述中间纤芯部设置于上述 前段模式转换部与上述后段模式转换部之间，将上述前段模式转换部和上述后段模式转换 部彼此连接。
[0060] 也可以是上述纤芯由Si形成，上述包层由Si02形成。
[0061] 也可以是上述基板型光波导元件还具备高阶偏振转换部，上述高阶偏振转换部与 上述后段模式转换部的输出侧连接，能够将由上述后段模式转换部得到的TEi转换成TM。。
[0062] 本发明的第二方式的偏振复用4值相位调制器具备上述基板型光波导元件。
[0063] 本发明的第三方式的相干接收机具备上述基板型光波导元件。
[0064] 本发明的第四方式的偏振分集具备上述基板型光波导元件。
[0065] 上述方式的基板型光波导元件具有组合了前段模式转换部（超模生成元件）和后 段模式转换部（Y分支）而成的构成。
[0066] 在具有波导构造沿光的导波方向变化的构造（例如锥形波导）的超模生成元件 中，输入的TE。被转换成TE。的超模的奇模。在Y分支中，TE。的超模的奇模被转换成TE1<3
[0067] 并且，超模生成元件因为输出端处两个纤芯部的剖面形状以及剖面大小彼此相同 (全等），所以难以受到制造误差的影响，波长依赖性也小。关于难以受到制造误差的影响、 以及波长依赖性小，Y分支也相同。
[0068]因此，高效率的转换能够遍及较宽的波长带地进行，并且，即使在波导构造由于制 造误差而变化的情况下也能够确保模式转换的效率。
【附图说明】
[0069]图1A是表示本发明的第一实施方式的基板型光波导元件的俯视图。
[0070]图1B是表示本发明的第一实施方式的基板型光波导元件的剖面位置（a)中的剖 视图。
[0071] 图2A是表不光波导元件的一个例子的俯视图。
[0072] 图2B是表不光波导元件的一个例子的剖视图。
[0073] 图3A是图2A以及图2B的光波导元件中的偶模的电场分布（Ex分量）的模拟结 果。
[0074] 图3B是图2A以及图2B的光波导元件中的奇模的电场分布（Ex分量）的模拟结 果。
[0075] 图3C是图2A以及图2B的光波导元件中的偶模的电场分布（Ex分量）的曲线图。
[0076] 图3D是图2A以及图2B的光波导元件中的奇模的电场分布（Ex分量）的曲线图。
[0077] 图4A是表示前段模式转换部的构造的俯视图。
[0078]图4B是表示前段模式转换部的构造的剖面位置（c)的剖视图。
[0079]图4C是表示前段模式转换部的构造的剖面位置（b)的剖视图。
[0080]图4D是表示前段模式转换部的构造的剖面位置（a)的剖视图。
[0081]图5是表示两个波导分别独立地存在的情况下的有效折射率的图。
[0082]图6是表示使两个波导彼此相邻的情况下的有效折射率的图。
[0083] 图7A是图4A的剖面位置（a)中的模式#0的电场分布（Ex分量）的模拟结果。
[0084] 图7B是图4A的剖面位置（a)中的模式#1的电场分布（Ex分量）的模拟结果。
[0085] 图7C是图4A的剖面位置（b)中的模式#0的电场分布（Ex分量）的模拟结果。
[0086] 图7D是图4A的剖面位置（b)中的模式#1的电场分布（Ex分量）的模拟结果。 [0087]图7E是图4A的剖面位置（c)中的模式#0的电场分布（Ex分量）的模拟结果。
[0088] 图7F是图4A的剖面位置（c)中的模式#1的电场分布（Ex分量）的模拟结果。
[0089]图8A是表示后段模式转换部的构造的俯视图。
[0090]图8B是表示后段模式转换部的构造的图，是剖面位置（e)的剖视图。
[0091]图8C是表示后段模式转换部的构造的图，是剖面位置（d)的剖视图。
[0092] 图8D是表示后段模式转换部的构造的图，是剖面位置（c)的剖视图。
[0093] 图9是表示纤芯部的间隔（gap)与有效折射率之间的关系的曲线图。
[0094] 图10A是图8㈧的剖面位置（c)中的模式#0的电场分布（Ex分量）的模拟结果。 [0095]图10B是图8A的剖面位置（c)中的模式#1的电场分布（Ex分量）的模拟结果。 [0096]图10C是图8A的剖面位置⑷中的模式#0的电场分布（Ex分量）的模拟结果。
[0097] 图10D是图8A的剖面位置⑷中的模式#1的电场分布（Ex分量）的模拟结果。
[0098] 图10E是图8A的剖面位置（e)中的模式#0的电场分布（Ex分量）的模拟结果。 [0099] 图10F是图8A的剖面位置（e)中的模式#1的电场分布（Ex分量）的模拟结果。
[0100] 图11A是表示具有弯曲波导的基板型光波导元件的例子的俯视图。
[0101] 图11B是表示具有弯曲波导的基板型光波导元件的例子的剖面位置（a)中的剖视 图。
[0102] 图12是表示前段模式转换部的锥形长度与转换效率之间的关系的曲线图。
[0103] 图13是表不不出电场分布（Ex分量）的模拟结果的图。
[0104]图14是表示光的波长与转换效率的关系的曲线图。
[0105]图15是表示纤芯部的宽度变化了的情况下的波长与转换效率之间的关系的曲线 图。
[0106] 图16是表不不出电场分布（Ex分量）的模拟结果的图。
[0107]图17是表示光的波长与转换效率之间的关系的曲线图。
[0108]图18是表示纤芯部的宽度变化了的情况下的波长与转换效率之间的关系的曲线 图。
[0109] 图19是表示在前段模式转换部与后段模式转换部之间设置了中间纤芯部的构造 的基板型光波导元件的第一例的俯视图。
[0110] 图20是表示在前段模式转换部与后段模式转换部之间设置了中间纤芯部的构造 的基板型光波导元件的第二例的俯视图。
[0111] 图21是表示在前段模式转换部与后段模式转换部之间设置了中间纤芯部的构造 的基板型光波导元件的第三例的俯视图。
[0112] 图22是表示使用了高阶偏振转换元件的基板型光波导元件的例子的俯视图。
[0113] 图23A是示意性地表示图22的高阶偏振转换元件的一个例子的俯视图。
[0114] 图23B是示意性地表示图22的高阶偏振转换元件的一个例子的剖视图。
[0115] 图24A是表示高阶偏振转换元件的其他例子的俯视图。
[0116] 图24B表示高阶偏振转换元件的其他例子，是剖面位置（h)中的剖视图。
[0117] 图24C表示高阶偏振转换元件的其他例子，是剖面位置（g)中的剖视图。
[0118] 图24D表示高阶偏振转换元件的其他例子，是剖面位置（f)中的剖视图。
[0119]图25A是表示本发明的第二实施方式的基板型光波导元件的俯视图。
[0120] 图25B表示本发明的第二实施方式的基板型光波导元件，是剖面位置（a)中的剖 视图。
[0121] 图26A是表不光波导元件的一个例子的俯视图。
[0122] 图26B是表不光波导元件的一个例子的剖视图。
[0123] 图27A是图26A以及图26B的光波导元件中的偶模的电场分布（Ex分量）的模拟 结果。
[0124] 图27B是图26A以及图26B的光波导元件中的奇模的电场分布（Ex分量）的模拟 结果。
[0125] 图27C是图26A以及图26B的光波导元件中的偶模的电场分布（Ex分量）的图。
[0126] 图27D是图26A以及图26B的光波导元件中的奇模的电场分布（Ex分量）的曲线 图。
[0127] 图28A是表示前段模式转换部的构造的俯视图。
[0128] 图28B表示前段模式转换部的构造，是剖面位置（c)的剖视图。
[0129]图28C表示前段模式转换部的构造，是剖面位置（b)的剖视图。
[0130] 图28D表示前段模式转换部的构造，是剖面位置（a)的剖视图。
[0131] 图29A是表示两个波导分别独立地存在的情况下的有效折射率的图。
[0132] 图29B是表示两个波导分别独立地存在的情况下的一个波导的构造的剖视图。
[0133] 图29C是表示两个波导分别独立地存在的情况下的另一个波导的构造的剖视图。
[0134] 图30是表示使两个波导彼此相邻的情况下的有效折射率的图。
[0135] 图31A是图28A的剖面位置（a)中的电场分布（Ex分量）的模式#0的模拟结果。
[0136] 图31B是图28A的剖面位置（a)中的电场分布（Ex分量）的模式#1的模拟结果。
[0137] 图31C是图28A的剖面位置（b)中的模式#