[0073] 在三维光波导的TE模中，具有最高有效折射率的TE模(即，基本模)称为TE0模，具有第二高有效折射率的TE模称为TE1模。以相同的方式，在三维光波导的TM模中，具有最高有效折射率的TM模(即，基本模)称为TM0模，而具有第二高有效折射率的TM模称为TM1模。
[0074] 图8例示了通过光波导(在下文中称为对称锥状波导)传播的本征模的有效折射率的示例，在该光波导中从图1的锥状单元14去除了第六平板单元24f和第七平板单元24g。垂直轴代表有效折射率。水平轴代表沿着对称锥状波导的纵向方向的坐标z。坐标z的原点是端面38(参见图5)上的传播光入射的点。
[0075] 图9是例示了对称锥状波导114的截面的图。如图9所示，对称锥状波导114是垂直对称光波导。这种三维波导的本征模是TE模或TM模。
[0076] 第四曲线40d(参见图8)代表TE0模的有效折射率。第五曲线40e代表TE1模的有效折射率。第六曲线40f代表TM0模的有效折射率。在TE1模和TM0模之间，有效折射率neff相对于坐标z的变化率(＝Δneff/Δz)显著不同(参见图8)。因此，TE1模的有效折射率40e与TM0模的有效折射率40f相交。
[0077] 坐标z对应于对称锥状波导114的芯宽度w。在坐标z低且芯宽度w窄的区域(例如，在z＝0的附近)中，TE1模的有效折射率40e低于TM0模的有效折射率40f。相反，在坐标z大且芯宽度w宽的区域(例如，在z＝Ltp的附近)中，TE1模的有效折射率40e大于TM0模的有效折射率40f。因此，如图8所示，TE1模的有效折射率40e和TM0模的有效折射率40f在特定点44相交。
[0078] 在该点44，对称锥状波导114的TE1模和TM0模退化，而没有混合(即，它们的有效折射率彼此匹配)。
[0079] 第一实施方式的锥状单元14是垂直非对称的，因为它具有平板单元24g和24f。垂直非对称三维光波导的本征模在芯宽度窄的区域中为TE模或TM模。然而，在芯宽度在某种程度上宽并且本征模的有效折射率与其它本征模的有效折射率几乎相同的区域(例如，图7中的区域46)中，垂直非对称三维光波导的本征模是其中TE模和TM模混合在一起的混合模。在芯宽度更宽的区域中，垂直非对称三维光波导的本征模再次变为TE模或TM模。在那时，TE模和TM模切换(例如，参见Daoxin Dai,Yongbo Tang,and John E.Bowers,"Mode
conversion in tapered submicron silicon ridge optical waveguides,"Optics Express,Vol.20,No.12,pp.13425‑13439(2012)(戴道新、唐永波和约翰E·鲍尔斯，“锥状亚微米硅脊光波导中的模变换”，《光学快报》，第20卷，第12期，第13425‑13439页(2012年)))。
[0080] 在图7所示的示例中，由曲线40a所代表的本征模是TE0模。曲线40b所代表的本征模在坐标z低于区域46中的坐标z的区域(即，芯宽度窄的区域)中为TM0模，并且在坐标z大于区域46中的坐标z的区域(即，芯宽度宽的区域)中为TE1模。曲线40c代表的本征模在坐标z低于区域46的坐标z的区域中为TE1模，并且在坐标z大于区域46中的坐标z的区域中为TM0模。因此，例如，从通道波导19经由端面38(参见图5)输入的TM0光3被锥状单元14绝热地变换成TE1光5。
[0081] 联接单元16对TE1光5进行修正，使得光束尺寸与模阶变换单元8的输入侧第一肋单元18a的光束尺寸匹配，并且将得到的TE1光5输入到输入侧第一肋单元18a中。
[0082] (2‑2)模阶变换单元8的操作
[0083] 模阶变换单元8将输入到输入侧第一肋单元18a的TE1光5(参见图5)变换为TE0光7，并将得到的TE0光7从输出侧第一肋单元20a输入到肋通道变换单元10的输出侧第二肋单元20b。
[0084] 图10是例示了非对称定向耦合器42的示例的平面图。图11是沿着图10的线XI‑XI截取的截面图。非对称定向耦合器42包括第一芯44a、比第一芯44a窄的第二芯44b、以及围绕第一芯44a和第二芯44b的覆层6。图10的非对称定向耦合器42与图1的模阶变换单元8不同之处在于：非对称定向耦合器42没有第一平板单元24a。
[0085] 图12例示了通过矩形波导传播的本征模的有效折射率的示例。纵轴代表有效折射率neff。水平轴代表矩形波导的芯宽度W。矩形波导是具有截面为矩形的芯的光波导。第七曲线40g代表TE0模的有效折射率。第八曲线40h代表TE1模的有效折射率。
[0086] 非对称定向耦合器42的第一芯44a和第二芯44b的厚度(参见图11)与在图12中示出了其有效折射率neff的矩形波导的厚度相同。此外，第一芯44a和第二芯44b的折射率与在图12中示出了其有效折射率neff的矩形波导的芯的折射率相同。覆层6的折射率也同样适用。
[0087] 从图12可以清楚地看出，一定芯宽度Wx的矩形波导的TE0模的有效折射率Neff与比Wx宽的芯宽度Wy的矩形波导的TE1模的有效折射率相同。因此，在非对称定向耦合器42(参见图10)的第二芯44b的芯宽度为Wx并且第一芯44a的芯宽度为Wy的情况下，实现了第二芯44b的TE0模与第一芯44a的TE1模之间的相位匹配。当TE1光5被输入到这种非对称定向耦合器42的第一芯44a中时，从第二芯44b输出TE0光7。
[0088] 当实现了TE0光7和TE1光5之间的相位匹配并且第一芯44a和第二芯44b的长度与耦合长度相同时，从第二芯44b输出的TE0光7的光强度(即，光功率)在理想情况下与输入到第一芯44a的TE1光5的光强度相同。换句话说，非对称定向耦合器的耦合效率(从一个光波导传送到另一光波导的功率之比)在理想情况下与其中第一芯44a和第二芯44b的宽度彼此相等的定向耦合器(即，对称定向耦合器)的耦合效率相同。
[0089] 然而，在非对称定向耦合器42中，如果TE1光5的波长偏离最优值，则TE1光5和TE0光7的耦合效率降低。结果，TE0光7变得比TE1光5弱。
[0090] 使TE1光5的波长与最优值匹配并不容易。此外，当TE1光5被波长复用时，难以使多个TE1光束5的波长与最优值匹配。因此，在通过非对称定向耦合器42进行的大多数模变换中，发生光损耗(以下称为变换损耗)。通过在第一芯44a和第二芯44b之间设置平板层(例如，参见图1中的第一平板单元24a)，可以抑制该问题(例如，参见日本特开2015‑90449号公报)。
[0091] 在第一芯44a和第二芯44b之间设置平板层使得TE1光5和TE0光7大量泄漏到第一芯44a和第二芯44b之间的间隙中。结果，TE1光5的电场分布与TE0光7的电场分布之间的交叠增加，并且非对称定向耦合器的耦合系数增加。这使得TE1光5和TE0光7的耦合效率难以被波长偏移影响。结果，TE0光7变得更强(例如，参见日本特开2015‑90449号公报)。
[0092] 由于在第一实施方式中，在模阶变换单元8的输入侧第一肋单元18a和输出侧第一肋单元20a之间布置了第一平板单元24a，因此根据第一实施方式，可以在抑制变换损耗的同时将TE1光5变换为TE0光7。
[0093] (2‑3)肋通道变换单元10的操作
[0094] 图13是例示了肋通道变换单元10(参见图5)中的TE0光7的电场分布的转变的图。在图13中，例示了沿x轴方向(参见图3)的TE0光的电场分布48I至48IV。
[0095] 在模阶变换单元8中，输出侧第一肋单元20a的两个侧表面中的仅一个侧表面联接至平板层(即，第一平板单元24a)。因此，从模阶变换单元8输入的TE0光7的电场分布48I(参照图13)是横向非对称的。肋通道变换单元10将该横向非对称电场分布修正为对称电场分布，并从输出侧第二肋单元20b输出对称电场分布。
[0096] TE0光7首先在联接区域36中通过输出侧第二肋单元20b传播，联接区域36是与模阶变换单元8接触的区域。在该联接区域36中，输入侧第二肋单元18b和输出侧第二肋单元20b之间的距离G(参见图6)随着距模阶变换单元8的距离增加而逐渐增大。因此，输入侧第二肋单元18b与输出侧第二肋单元20b之间的耦合系数逐渐减小，并且在联接区域36的端部
50处变得可忽略不计。因此，通过输出侧第二肋单元20b传播的TE0光7不返回到输入侧第二肋单元18b中的传播光。
[0097] 在联接区域36中，输出侧第二肋单元20b的两个侧表面中的仅一个侧表面联接至平板层(即，第二平板单元24b)。因此，在联接区域36的端部50处的TE0光7的电场分布48II保持不对称。
[0098] 在联接区域36之后的区域(内部区域20in中的未包括在联接区域36中的部分)中，平板层(即，第二平板单元24b和第三平板单元24c)联接至输出侧第二肋单元20b的两个侧表面。因此，TE0光7的电场分布被修正为对称电场分布48III。
[0099] TE0光7在输出侧第二肋单元20b的内部区域20in的端部52处的电场分布48III是对称的，但是明显延伸到平板层(即，第二平板单元24b和第三平板单元24c)。因此，电场分布48III与通道波导9(即，矩形波导)中的电场分布48IV明显不同。
[0100] 宽度逐渐变窄的平板层(即，第四平板单元24d和第五平板单元24e)联接至输出侧第二肋单元20b的外部区域20out的两个侧表面。因此，在外部区域20out中，TE0光7的电场分布朝向通道波导9逐渐变窄，以集中在输出侧第二肋单元20b上。最后，在外部区域20out的端部54处的电场分布48IV与在通道波导9中TE0模的电场分布几乎一致。因此，TE0光7在模变换器2和通道波导之间边界(即，端部54)处几乎不被反射，并完好地进入通道波导9。
[0101] 如果通道波导9直接联接至输出侧第一肋单元20a而没有介于它们之间的肋通道变换单元10，则TE0光7由于电场分布的不匹配(参见电场分布48I和电场分布48IV)而被反射，导致反射损耗。然而，由于根据第一实施方式的模变换器2包括肋通道变换单元10，所以TE0光7几乎不被反射。因此，根据第一实施方式，抑制了从模变换器2输出TE0光7时的反射损耗。注意，在图13等所示的示例中，第三平板单元24c布置在联接区域36的外部，但是第三平板单元24c的尖端可以延伸到联接区域36的内部。
[0102] 另外，作为输入到模阶变换单元8中的TE1光5的一部分并且未被变换为TE0光7的传播光(以下称为未变换部分)被输入到输入侧第二肋单元18b。如图1所示，输入侧第二肋单元18b的尖端部37变窄，以便增大未变换部分的波束直径。当尖端部37处的未变换部分的波束直径增大时，尖端部37的有效折射率与覆层6的折射率之间的差减小。然后，尖端部37处的未变换部分的反射率降低，并且未变换部分几乎不被反射并且完好地输出到覆层6。
[0103] (3)使用单侧肋的肋通道变换单元
[0104] 输出侧第二肋单元20b(参见图13)以及第二平板单元24b和第三平板单元24c形成其中平板层联接至比平板层厚的肋单元的两个侧表面的两侧肋。由于两侧肋，朝向输入侧第二肋单元18b偏移的电场分布48II的中心向输出侧第二肋单元20b侧移动，并且形成横向对称的电场分布48III。
[0105] 然而，用一侧肋也能够形成横向对称的电场分布。图14是例示了使用一侧肋的肋通道变换单元110的示例的平面图。
[0106] 图14中的肋通道变换单元110包括：输入侧第二肋单元118b、输出侧第二肋单元20b、以及具有V状的尖端部124e(以下称为平板尖端部)的平板层124。
[0107] 如图14所示，输出侧第二肋单元20b和平板层124形成其中肋单元的仅一个侧表面联接至平板层的单侧肋。因为TE0光7通过单侧肋传播，所以TE0光7在到达平板尖端部124e之前的电场分布148I、148II和148III是横向非对称的。
[0108] 如图14所示，平板尖端部124e的右侧部分R的宽度朝向输出侧第二肋单元20b的尖端逐渐变窄。因此，TE0光7到平板层124的泄漏逐渐减少，并且最终，TE0光7的电场分布在横向方向上变得对称(参见电场分布148IV)。然而，使用单侧肋的肋通道变换单元110具有TE0光7的散射损耗大的问题。
[0109] 图15是例示了穿过由平板尖端部124e的右侧部分R和输出侧第二肋单元20b形成的单侧肋21的TE0光7的电场分布148V的示意图。如图15所示，穿过单侧肋21的TE0光7的电场分布148V延伸至平板尖端部124e。因此，在平板尖端部124e的侧表面(特别是右侧部分R的侧表面)处的电场强度56没有充分衰减。
[0110] 结果，TE0光7被平板尖端部124e的粗糙侧壁散射，并且在TE0光7中产生很大的散射损耗。“粗糙侧壁”是由于干蚀刻而在Si层等的侧表面上产生的不均匀或不平坦的表面。
[0111] 另一方面，在参照图1等描述的第一实施方式中的肋通道变换单元10中不会发生这样的问题。图16是例示了通过肋通道变换单元10的输出侧第二肋单元20b的尖端部分(即，外部区域20out)传播的TE0光7的电场分布48V的图。
[0112] 如图16所示，电场分布48V是横向对称的，并且第四平板单元24d和第五平板单元24e的侧表面处的电场强度58和60被充分衰减。因此，由于第四平板单元24d和第五平板单元24e的粗糙侧壁而引起的TE0光的散射被限制，并且在通过输出侧第二肋单元20b传播的TE0光7中几乎没有散射损耗发生。
[0113] 注意，内部区域20in中的TE0光7大量泄漏到第二平板单元24b中，而没有如此多地泄漏到第三平板单元24c中(参见图13中的电场分布48II)。因此，限制了由于第三平板单元24c的粗糙侧壁而引起的TE0光7的散射损耗。
[0114] (4)制造方法及尺寸
[0115] 模变换器2例如由SOI(绝缘体上的硅)晶圆形成。首先，通过光刻技术，在掩埋的氧化物膜上的Si层的表面上形成在平面图中具有与芯4几乎相同的形状和尺寸的光刻胶膜。接下来，通过干蚀刻去除未覆盖有光刻胶膜的区域中的Si层，然后去除光刻胶膜。
[0116] 在通过去除光刻胶膜而暴露的Si层上，通过光刻技术再次形成在平面图中具有与输入侧第一肋单元18a至输入侧第四肋单元18d以及输出侧第一肋单元20a和输出侧第二肋单元20b几乎相同的形状和尺寸的光刻胶膜。
[0117] 接着，通过干蚀刻去除未覆盖有再次形成的光刻胶膜的区域中的Si层的上层部分。通过该干蚀刻，形成第一平板单元24a至第八平板单元24h。此外，在覆盖有光刻胶膜的区域上，形成输入侧第一肋单元18a至输入侧第四肋单元18d以及输出侧第一肋单元20a和输出侧第二肋单元20b。至此，通过工艺形成芯4。
[0118] 然后，在掩埋的氧化物膜和芯4上沉积SiO2膜，以形成上覆层6u。掩埋的氧化膜(例如，SiO2膜)用作下覆层6l。
[0119] 输入侧第一肋单元18a至输入侧第四肋单元18d以及输出侧第一肋单元20a和输出侧第二肋单元20b中的每一个的厚度优选地为0.1μm至0.5μm(例如，0.22μm)。第1平板单元24a至第8平板单元24h中的每一个的厚度优选地为0.05μm至0.2μm(例如，0.1μm)。
[0120] 图17是用于例示了模变换器2在水平方向上的尺寸的示例的图。输入侧第三肋单元18c的左端的宽度W1优选地为0.2μm至0.8μm(例如，0.4μm)。输入侧第三肋单元18c的长度L1优选地为30μm至120μm(例如，60μm)。
[0121] 输入侧第三肋单元18c以恒定锥角伸展为宽度W2。宽度W2优选地为0.3μm至1.3μm(例如，0.65μm)的宽度。输入侧第三肋单元18c具有比以上锥角大的锥角，并且伸展为输入侧第四肋单元18d的左端的宽度W3。宽度W3优选地为0.8μm至3.2μm(例如，1.6μm)的宽度。
[0122] 输入侧第四肋单元18d的宽度以恒定锥角改变为输入侧第一肋单元18a的宽度W4。宽度W4优选地为0.5μm至2.3μm(例如，1.11μm)。输入侧第四肋单元18d的长度L2优选地为2μm至8μm(例如，4μm)。输入侧第一肋单元18a的长度L3优选地为4μm至16μm(例如，8μm)。
[0123] 输入侧第二肋单元18b的宽度以恒定锥角从输入侧第一肋单元18a的宽度W4减小到宽度W5。宽度W5优选地为0.1μm至0.6μm(例如，0.3μm)。减小至宽度W5的输入侧第二肋单元18b的宽度保持恒定，直到输入侧第二肋单元18b的右端。
[0124] 输出侧第一肋单元20a的宽度W6优选地为0.2μm至1.0μm(例如，0.46μm)。输出侧第一肋单元20a的长度L4优选地为4μm至16μm(例如，8μm)。
[0125] 输出侧第二肋单元20b的宽度优选地以恒定锥角从输出侧第一肋单元20a的宽度W6稍微增加到恒定宽度W7。宽度W7优选地为0.2μm至1.0μm(例如，0.48μm)。增加到宽度W7的输出侧第二肋单元20b的宽度保持恒定，直到输出侧第二肋单元20b的右端。宽度W7优选地是通道波导9的宽度(参见图5)。联接区域36(参见图6)的长度L5优选地为2μm至8μm(例如，4μm)。
[0126] 输入侧第一肋单元18a和输出侧第一肋单元20a之间的间隙G1恒定，优选地为0.08μm至0.32μm(例如，0.16μm)。
[0127] 第三平板单元24c的左端的宽度优选地为0μm至0.1μm(例如，0.05μm)。第三平板单元24c的右端的宽度W8优选地为0.15μm至0.6μm(例如，0.3μm)。
[0128] 第五平板单元24e的左端的宽度优选地为0.15μm至0.6μm(例如，0.3μm)。第五平板单元24e的右端的宽度优选地为0μm至0.1μm(例如，0.05μm)。第四平板单元24d的宽度优选地与第五平板单元24e的宽度相同。
[0129] (5)应用示例
[0130] 图18是例示了应用了模变换器2的数字相干接收器66的示例的框图。数字相干接收器66可以用于例如其中光学元件集成在SOI基板上的硅光子器件的元件间通信(即，互连)。
[0131] 数字相干接收器66通过定向耦合器72将信号光67解复用为TM0光3和TE0光68，信号光67经过偏振复用和相位调制。数字相干接收器66还通过分光器80将从半导体激光器76输出的激光束77分成第一局部光78a和第二局部光78b。
[0132] 由定向耦合器72解复用的TE0光68以及第一局部光78a由第一90°光学混合器74a组合，并因此被变换成干涉光82的集合，其中每个集合中的光束在相位上彼此相差180°而不同。干涉光82的集合由平衡检测器84光电变换为电信号86。用于调制TE0光68的调制信号由集成电路(未示出)从电信号86中解调。
[0133] 注意，从第一90°光学混合器74a输出干涉光82的两个集合，其中每个集合中的光束在相位上彼此相差180°而不同，但是为了简化附图，在图18中仅例示了一个集合。同样情况也适用于从第二90°光学混合器74b输出的干涉光的集合。
[0134] 由定向耦合器72解复用的TM0光3由模变换器2变换成TE0光7。TE0光7和第二局部光78b由第二90°光学混合器74b组合，从而变换成干涉光182的集合，其中每个集合的光束在相位上彼此相差180°而不同。干涉光182的集合由平衡检测器184光电变换为电信号186。用于调制TM0光3的调制信号由集成电路(未示出)从电信号186中解调。通过以上处理，数字相干接收器66对经过偏振复用和相位调制的信号光67进行解调。
[0135] 由于模变换器2能够与定向耦合器72等一起集成在SOI基板上，因此能够使用根据第一实施方式的模变换器2来实现用于硅光子器件之间的元件间通信的数字相干接收器66。
[0136] (6)变形例
[0137] (6‑1)第一变形例
[0138] 图19是例示了根据第一变形例的模变换器M1的示例的平面图。除了不包括第四平板单元24d和第五平板单元24e以外，模变换器M1的结构与参照图1描述的模变换器2的结构几乎相同。
[0139] 由于模变换器M1不包括第四平板单元24d和第五平板单元24e，因此通过输出侧第二肋单元20b传播的TE0光7在从输出侧第二肋单元20b的内部区域20in发射时被反射。然而，通过优化变换器结构(例如，芯4的每个区域的宽度和厚度)，能够抑制将从内部区域20in发射的TE0光7的反射。例如，根据在“(4)制造方法和尺寸”中的括号中描述的尺寸(例如，输出侧第一肋单元20a和输出侧第二肋单元20b的0.22μm的厚度等)，可以将反射损耗抑制到‑30dB。
[0140] 另外，当输出侧第二肋单元20b的外部区域20out与通道波导9(参见图5)的结构(即，宽度、厚度等)彼此匹配时，并非必须提供外部区域20out本身。在这种情况下，无论是否为模变换器M1提供外部区域20out，变形例的模变换器M1和通道波导9彼此联接的波导结构几乎相同。因此，通道波导9可以直接联接至输出侧第二肋单元20b的内部区域20in，而无需为模变换器M1提供外部区域20out。
[0141] 根据第一修改例，能够简化变换器结构，从而能够简化制造过程。
[0142] (6‑2)第二变形例
[0143] 参照图1描述的第三平板单元24c的宽度朝向输出侧第二肋单元20b的尖端32逐渐增大。然而，第三平板单元24c的宽度并非必须逐渐增大。例如，第三平板单元24c的宽度可以逐步增大。另选地，第三平板单元24c可以是具有恒定宽度的矩形平板层。即使具有这种结构，也可以使通过输出侧第二肋单元20b传播的TE0光7的电场分布横向对称。
[0144] 根据第二变形例，能够简化变换器结构，从而能够简化制造工艺。
[0145] (6‑3)第三变形例
[0146] 图20是例示了根据第三变形例的模变换器M3的示例的平面图。如图20所示，输出侧第二肋单元20b的外部区域20out比输出侧第一肋单元20a窄。除此之外，根据第三变形例的模变换器M3的结构与参照图1描述的模变换器2的结构几乎相同。
[0147] 由于输出侧第二肋单元20b的尖端的宽度优选地为通道波导9(参见图5)的宽度，所以在通道波导9比输出侧第一肋单元20a窄的情况下，外部区域20out可以比输出侧第一肋单元20a窄。在图20所示的示例中，输出侧第二肋单元20b的宽度在内侧区域20in中变窄至通道波导9的宽度。
[0148] 根据第三变形例，即使在通道波导9比输出侧第一肋单元20a窄的情况下，也能够抑制在模变换器M3和通道波导之间的边界处的反射损耗。
[0149] (6‑4)第四变形例
[0150] 图21是例示了根据第四变形例的模变换器M4的示例的平面图。参照图1描述的模变换器2的模阶变换单元8是具有宽度不同的两个肋单元(即，输入侧第一肋单元18a和输出侧第一肋单元20a)的定向耦合器。相反，在根据第四变形例的定向耦合器中，输入侧第一肋单元118a的宽度Win(z)朝向输入侧第二肋单元118b减小，而输出侧第一肋单元120a的宽度Wout(z)朝向输出侧第二肋单元120b增加(差异1)。在此，z是沿着输入侧第一肋单元118a和输出侧第一肋单元120a的坐标。在图22所示的示例中，Win(z)和Wout(z)各自是z的线性函数。输入侧第一肋单元118a和输出侧第一肋单元120a之间的间隙是恒定的。
[0151] 参照图1描述的模变换器2的肋通道变换单元10具有联接区域36，在该联接区域36中输入侧第二肋单元18b与输出侧第二肋单元20b之间的间隙G(参见图6)朝向输出侧第二肋单元20b的尖端增大。相反，第四变形例的肋通道变换单元110不具有这样的区域。结果，输入侧第二肋单元118b和输出侧第二肋单元120b之间的间隙GM4是恒定的(差异2)。
[0152] ‑操作‑
[0153] 图22是例示了第四变形例的模阶变换单元108的操作的示例的图。第四变形例的模阶变换单元108被配置为使得通过输入侧第一肋单元118a传播的TE1光5的有效折射率和通过输出侧第一肋单元120a传播的TE0光7的有效折射率在中央处是相同的。
[0154] 其中通过输入侧第一肋单元118a传播的TE1光5的有效折射率和通过输出侧第一肋单元120a传播的TE0光7的有效折射率相同的位置(以下称为匹配位置)的坐标被定义为zc。作为输入侧第一肋单元118a在匹配位置zc处的宽度的宽度Win(zc)是参照图12所描述的Wy。作为输出侧第一肋单元120a在匹配位置zc处的的宽度的宽度Wout(zc)是参照图12描述的Wx。
[0155] 在包括匹配位置zc的特定区域64(以下称为匹配区域)中，TE1光5的有效折射率和TE0光7的有效折射率几乎相同，使得TE1光5变换为TE0光7。
[0156] 另一方面，在匹配区域64的左侧的区域中，TE1光5和TE0光7之间的有效折射率之差大，使得TE1光5几乎没有变换为TE0光7。在第四变形例中，Win(z)的变化率(＝dWin(z)/dz<0)的符号和Wout(z)的变化率(＝dWout(z)/dz＞0)的符号彼此相反，从而形成这样的匹配区域64。
[0157] 即使在匹配区域64的右侧的区域中，TE1光5和TE0光7之间的有效折射率的差异也大，使得TE0光7在输入侧第一肋单元118a中不会返回到TE1光5。因此，即使输入侧第二肋单元118b与输出侧第二肋单元120b之间的间隙在肋通道变换单元110中没有变宽，TE0光7在输出侧第二肋单元118b中也不会返回到TE1光。因此，在第四变形例中，输入侧第二肋单元118b和输出侧第二肋单元120b之间的间隙GM4是恒定的(参见差异2)。
[0158] 输入侧第一肋单元118a和输出侧第一肋单元120a各自的长度优选地为25μm至100μm(例如，50μm)。输入侧第一肋单元118a和输出侧第一肋单元120a之间的间隙优选地为0.08μm至0.32μm(例如，0.16μm)。输入侧第一肋单元118a的左端的宽度优选地为0.7μm至3μm(例如，1.5μm)。输入侧第一肋单元118a的右端的宽度优选地为0.15μm至0.6μm(例如，0.3μm)。
[0159] 输出侧第一肋单元120a的左端的宽度优选地为0.1μm至0.4μm(例如，0.2μm)。输出侧第一肋单元120a的右端的宽度优选地为0.2μm至1.0μm(例如，0.48μm)。
[0160] 除了这些尺寸之外，根据第四变形例的模变换器M4的每个部分的尺寸优选地与参照图1描述的模变换器2的每个部分的尺寸相同。
[0161] ‑抑制模变换效率的劣化‑
[0162] 考虑输入侧第一肋单元118a和输出侧第一肋单元120a的宽度由于制造误差δ而从其设计值改变的情况。为了简化描述，现在考虑输入侧第一肋单元118a的宽度Win(z)和输出侧第一肋单元120a的宽度Wout(z)各自为z的线性函数的情况。
[0163] 将由于制造误差δ而改变的输入侧第一肋单元118a的宽度称为W′in(z)。以相同的方式，将由于制造误差δ而改变的输出侧第一肋单元120a的宽度称为W′out(z)。宽度W′in(z)和W′out(z)分别由式(1)和式(2)表示。
[0164] W′in(z)＝Win(z)+δ
[0165] ＝Win(zc)‑k(z‑zc)+δ
[0166] ＝Win(zc)‑k{(z‑δ/k)‑zc}
[0167] ＝Win(z‑δ/k) …(1)
[0168] W′out(z)＝Wout(z)+δ
[0169] ＝Wout(zc)‑k(z‑zc)+δ
[0170] ＝Wout(zc)‑k{(z‑δ/k)‑zc}
[0171] ＝Wout(z‑δ/k) …(2)
[0172] 在此，k为正系数。
[0173] 根据式(1)和式(2)，W′in(z)＝Win(z‑δ/k)，并且W′out(z)＝Wout(z‑δ/k)。因此，当输入侧第一肋单元118a和输出侧第一肋单元120a的宽度由于制造误差δ而改变时，匹配区域64(其中TE1光5和TE0光7的有效折射率几乎相同)沿z轴平移δ/k。
[0174] 除非匹配区域64由于该平移而从模阶变换单元108突出，否则从TE1光5到TE0光7的模变换效率不会劣化。
[0175] 通过将模阶变换单元108设计得更长，能够容易地避免匹配区域64从模阶变换单元108突出。因此，根据第四变形例，可以抑制由于制造误差引起的模变换效率的劣化。
[0176] (6‑5)第五变形例
[0177] 图23是例示了根据第五变形例的模变换器M5的示例的平面图。参照图1和图6描述的模变换器2的肋通道变换单元10具有联接区域36，在该联接区域36中，输入侧第二肋单元18b与输出侧第二肋单元20b之间的间隙G(参照图6)增大。相反，根据第五变形例的模变换器M5不具有这样的区域。
[0178] 如图23所示，第五变形例的输入侧第二肋单元418b是其上侧倾斜并且其底侧平行于输出侧第二肋单元20b的四边形。因此，输入侧第二肋单元418b和输出侧第二肋单元20b之间的间隙GM5几乎恒定。
[0179] 如图23所示，输入侧第二肋单元418b的宽度随着距输入侧第一肋单元18a的距离的增加而减小。因此，在输入侧第二肋单元418b中的TE1光的有效折射率随着距输入侧第一肋单元18a的距离增加而偏离输出侧第二肋单元20b中的TE0光的有效折射率。因此，通过输出侧第二肋单元20b传播的TE0光7在输入侧第二肋单元418b中不会返回到TE0光。
[0180] (6‑6)第六变形例
[0181] 在参照图1至图23描述的示例中，模阶变换单元8将TE1光5变换为TE0光7。然而，模阶变换单元8可以将模阶比TE1光的模阶高的传播光变换为模阶比TE0光7的模阶高的传播光。例如，模阶变换单元8可以将TE2模的传播光变换成TE1模的传播光。在这种情况下，偏振旋转单元12将例如TM1模的传播光变换成TE2模的传播光。
[0182] 换句话说，模阶变换单元8可以将其电场方向被偏振为平行于基板11并且其模阶比基本模的模阶高的高阶TE光变换为其电场方向被偏振为平行于基板11并且其模阶比高阶TE光的模阶低的低阶TE光。同样情况适用于第二实施方式和第三实施方式。
[0183] 在这种情况下，高阶TE光是通过输入侧第一肋单元18a传播的传播光(第一传播光)。低阶TE光是通过输出侧第一肋单元20a传播的传播光(第二传播光)。电场方向偏振为与基板11正交的TM光被输入到偏振旋转单元12，并且输入的TM光被变换成高阶TE光，并输入到模阶变换单元8。
[0184] 根据第五变形例，模阶比TE1光的模阶高的TE偏振光能够被变换为模阶更低的另一TE偏振光。
[0185] 在以上示例中，肋通道变换单元10、110和410具有输入侧第二肋单元18b、118b和418b。然而，当未变换TE1光(参见“(2‑3)肋通道变换单元10的操作”)足够弱时，肋通道变换单元10、110和410并非必须分别具有输入侧第二肋单元18b、118b和418b。
[0186] 在这种情况下，未变换TE1光被输入侧第一肋单元18a的端面部分地反射。然而，即使反射了足够弱的未变换TE1光，通过输入侧第一肋单元18a传播回去的反射光也比足够弱的未变换TE1光弱，从而不可能发生由于反射光而造成的损坏。
[0187] 在以上示例中，偏振旋转单元12具有第六平板单元24f和第七平板单元24g。然而，当上覆层6u(参见图4)和下覆层6l的折射率彼此不同时，偏振旋转单元12并非必须具有第六平板单元24f和第七平板单元24g。即使在覆层的折射率垂直非对称的情况下，TM光也被变换为TE光(例如，参见Daoxin Dai and John E.Bowers,"Novel concept for ultracompact polarization splitter‑rotator based on silicon nanowires,"Optics Express,Vol.19,No.11,pp.10940‑10949(2011)(戴道新和约翰E·鲍尔斯，“基于硅纳米线的超紧凑型偏振分光器‑旋转器的新颖概念”《，光学快报》，第19卷，第11期，第10940‑10949页(2011年))、以及Daoxin Dai,Yongbo Tang,and John E.Bowers,"Mode conversion in tapered submicron silicon ridge optical waveguides,"Optics Express,Vol.20,No.12,pp.13425‑13439(2012)(戴道新、唐永波和约翰E·鲍尔斯，“锥状亚微米硅脊光波导中的模变换”《光学快报》，第20卷，第12期，第13425‑13439页(2012年)))。
[0188] 在以上示例中，除了第四变形例之外，输入侧第二肋单元18b的宽度随着距输入侧第一肋单元18a的距离的增加而减小。然而，输入侧第二肋单元18b的宽度并非必须减小。例如，在输入侧第二肋单元18b向上弯曲使得输入侧第二肋单元18b和输出侧第二肋单元20b之间的间隙变宽的情况下，输入侧第二肋单元18b的宽度并非必须减小。另外在这种情况下，由于输入侧第二肋单元18b的TE1模与输出侧第二肋单元20b的TE0模之间的耦合系数变低，因此输出侧第二肋单元中的TE0光7在输入侧第二肋单元18b中不返回到TE1光。
[0189] 根据第一实施方式的模变换器2由于包括偏振旋转单元12而用作光学偏振旋转器。然而，模变换器2并非必须具有偏振旋转单元12。在模变换器2不具有偏振旋转单元12的情况下，模变换器2能够用作不是偏振旋转器的光学元件(例如，参见后述的第三实施方式)。
[0190] 根据第一实施方式，由于在输出侧第一肋单元20a与通道波导9之间设置了其两个侧表面与平板层接触的输出侧第二肋单元20b，因此朝向输入侧第二肋单元18b偏移的TE0光的电场分布被修正为在横向方向上对称。该修正避免了在模变换器2与通道波导9之间的边界处TE0光的电场分布的失配，从而抑制了在模变换器2与通道波导9之间的边界处的反射损耗。
[0191] 第二实施方式
[0192] 根据第二实施方式的模变换器与根据第一实施方式的模变换器2几乎相同。因此，将省略或简化与第一实施方式等相同的结构的描述。
[0193] (1)结构与操作
[0194] 图24是例示了根据第二实施方式的模变换器202的示例的平面图。图25是例示了根据第二实施方式的模变换器202的操作的示例的图。
[0195] 除了与输出侧第一肋单元20a接触的联接区域36(参见图6)之外，根据第一实施方式的模变换器2(参见图1)的输出侧第二肋单元20b的宽度是恒定的。相反，第二实施方式的输出侧第二肋单元220b的中央(即，中间部分)(例如，内部区域220in与外部区域220out之间的边界B附近)的宽度比输出侧第二肋单元220b的两端的宽度更宽。
[0196] 在第一实施方式和第二实施方式的模变换器2和202中的每一个中，输出侧第二肋单元20b和220b的尖端32和232各自的宽度优选地是通道波导9(参见图5)的宽度。因此，在包括中心(即，边界B附近)的宽区域中，第二实施方式的输出侧第二肋单元220b的宽度比第一实施方式的输出侧第二肋单元20b的宽度宽。
[0197] 因此，第二实施方式的输出侧第二肋单元220b能够比第一实施方式的输出侧第二肋单元20b更强地约束TE0光7。因此，根据第二实施方式，能够使由于第三平板单元24c至第五平板单元24e的侧壁等引起的散射损耗低于根据第一实施方式的模变换器2的散射损耗。
[0198] 在图24所示的示例中，输出侧第二肋单元220b包括其宽度朝向输出侧第一肋单元20a减小的内部锥状单元Tin和其宽度朝向尖端232减小的外部锥状单元Tout。输出侧第二肋单元220b在内部锥状单元Tin和外部锥状单元Tout之间的边界BT处的宽度优选地为0.3μm至
1.3μm(例如，0.65μm)。注意，图24和图25例示了内部锥状单元Tin和外部锥状单元Tout之间的边界BT与输出侧第二肋单元220b的内部区域220in和外部区域220out之间的边界B一致的情况。然而，边界BT和边界B并非必须彼此匹配。
[0199] 内部锥状单元Tin的两端中的边界BT的相对端的宽度优选地为0.2μm至1.0μm(例如，0.46μm)。外部锥状单元Tout的两端中的边界BT的相对端(即，输出侧第二肋单元220b的尖端232)的宽度优选地为0.2μm至1.0μm(例如，0.48μm)。除了以上尺寸之外，模变换器202的每个部分的尺寸与参照图17描述的根据第一实施方式的模变换器2的每个部分的尺寸相同。
[0200] (2)变形例
[0201] 图26是例示了根据变形例的模变换器M202的示例的平面图。除了不具有第四五平板单元24d和第五平板单元24e之外，模变换器M202的结构与参照图24描述的模变换器202的结构几乎相同。
[0202] 由于模变换器M202不具有第四五平板单元24d和第五平板单元24e，所以通过输出侧第二肋单元220b传播的TE0光7在从内部区域220in进入外部区域220out时被反射。然而，通过优化变换器结构(例如，芯4的宽度和厚度)能够容易地抑制这种反射(参见第一实施方式的“(6‑1)第一变形例”)。
[0203] 根据变形例，能够简化变换器结构，使得能够简化制造过程。
[0204] 根据第二实施方式，与第一实施方式的模变换器2中一样，通道肋变换单元210能够抑制在模变换器202和通道波导9之间的边界处的反射损耗。此外，根据第二实施方式，可以确保在宽的输出侧第二肋单元220b中约束TE0光7，从而抑制由于第三平板单元24c至第五平板单元24e等的侧壁引起的散射损耗。
[0205] 第三实施方式
[0206] 图27是例示了根据第三实施方式的模变换器302的示例的平面图。图28是例示了根据第三实施方式的模变换器302的操作的示例的图。根据第三实施方式的模变换器302与根据第一实施方式的模变换器2几乎相同。因此，将省略或简化与第一实施方式等的结构相同的结构的描述。
[0207] (1)结构
[0208] 如图27所示，根据第三实施方式的模变换器302不包括偏振旋转单元12。此外，模变换器302的模阶变换单元308被配置为使得输出侧第一肋单元320a的TE1模的有效折射率与输入侧第一肋单元18a的任何TE模(例如，TE1模)的有效折射率不同。除了这些要点之外，根据第三实施方式的模变换器302的结构与根据第一实施方式的模变换器2的结构几乎相同。
[0209] (2)操作
[0210] TE1光5(参见图28)和与TE1光5不同的TE1光305被输入到根据第三实施方式的模变换器302中，使得TE1光305和TE1光5变换成的TE0光7在那里被复用。TE1光5和TE1光305是TE1模的传播光。TE0光7是TE0模的传播光。
[0211] TE1光5经由通道波导309被输入到输入侧第一肋单元18a。以与第一实施方式相同的方式，输入侧第一肋单元18a中的TE1光5的有效折射率与输出侧第一肋单元320a中的TE0光7的有效折射率几乎相同。因此，TE1光5被变换成TE0光7，并且从输出侧第二肋单元20b输出到通道波导9。
[0212] TE1光305经由通道波导409输入到输出侧第一肋单元320a。如上所述，输出侧第一肋单元320a的TE1模的有效折射率不同于输入侧第一肋单元18a的任何TE模的有效折射率。因此，TE1光305完好地穿过输出侧第一肋单元320a，并从输出侧第二肋单元20b输出到通道波导9。
[0213] 结果，TE1光305和TE1光5所变换成的TE0光7被复用并一起从输出侧第二肋单元20b输出。注意，在图28所示的示例中，在通道波导309和409之间设置具有V状尖端的平板层324(参见第一实施方式)，以抑制在模阶变换单元308与输入侧的通道波导309和409之间的边界处的反射损耗。
[0214] 如上所述，根据第三实施方式的模变换器302能够复用具有不同模阶的TE偏振光。
[0215] (3)应用示例
[0216] 图29是例示了使用模变换器302的模复用发送器366的示例的框图。模复用发送器366能够例如用于其中光元件集成在SOI基板上的硅光子器件的元件间通信(即，互连)。
[0217] 当TE1光368(即，TE1模的光)被输入到模复用发送器366中时，TE1光368被分光器80分成TE1光5和TE1光305。TE1光5和TE1光305分别由光调制器374a和374b调制。
[0218] 调制的TE1光5被输入到模变换器302的输入侧第一肋单元18a并被变换为TE0光7。另一方面，调制的TE1光305被输入到模变换器302的输出侧第一肋单元320a并且被完好地输出。因此，模变换器302输出经模复用的信号光(即，调制的TE0光7和调制的TE1光305)。
[0219] 模变换器302可以应用于除模复用发送器366以外的器件。例如，模变换器302可以应用于将TE0模传播光变换成TE1模光的模阶变换器。
[0220] 根据第三实施方式，与第一实施方式的模变换器2中一样，模变换器302能够借助于通道肋变换单元10，在抑制模变换器302与通道波导9之间的边界处的反射损耗的同时变换传播光的模阶。
[0221] 根据第一实施方式至第三实施方式，可以抑制在通道波导与模变换器之间的边界处的反射损耗，该模变换器包括非对称定向耦合器等并将高阶模传播光(例如，TE1光)变换为低阶模传播光(例如，TE0光)。
[0222] 尽管以上已经描述了本发明的实施方式，但是第一实施方式至第三实施方式是示例，并非限制性的。例如，在以上示例中，模阶变换单元将高阶TE光变换为低阶TE光。然而，模阶变换单元可以将低阶TE光变换为高阶TE光。
[0223] 在以上示例中，模阶变换单元变换TE模传播光的模阶。然而，模阶变换单元可以变换TM模传播光的模阶。
[0224] 在以上示例中，芯4的材料是Si。然而，芯4的材料可以是Si以外的材料。芯4的材料可以是例如化合物半导体，例如，InGaAs。
[0225] 在以上示例中，覆层6的材料是SiO2。但是，覆层6的材料可以是SiO2以外的材料。覆层6的材料可以是例如化合物半导体，例如，InP。
[0226] 在以上示例中，基板11的材料是Si。但是，基板11的材料可以是Si以外的材料。基板11的材料可以是例如化合物半导体，例如，InP。
