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シリコン・ナノワイヤー偏光ローテータ
概要
Siフォトニックデバイスは、高性能かつ低コストで製造できることから、現代の通信技術において非常に魅力的なデバイスであり、超大容量データ伝送を必要とする光インターコネクトなど、新しい通信技術の様々な側面を満たすために開発されています。
偏光ローテータは、偏光を操作するために最も重要なデバイスの一つです。偏光ローテータは、アクティブまたはパッシブのいずれかになります。このRSoft製品事例では、製造と運用が簡単な超小型のパッシブ偏光ローテータを紹介しています。この回転子は、図1aに示すように、非対称の断面を持つSiナノワイヤをベースにしています。
図1: このチュートリアルで使用されているSiナノワイヤ偏光ローテータ: a) 斜視図、b) 断面図。
図1aに示す概略図は、このRSoft製品事例で求めている偏光ローテーターを示しています。
偏光入力部(ここではTE)、偏光回転部、偏光出力部(ここではTM)の3つの部分から構成されています。偏光回転部では，最初の2つのモードは，それぞれデバイスの固定座標(図1bのx，y)に対して光軸が45°回転するような組み合わせとなっています。偏光入力部にTE偏光を入射させると、2つのモードはほぼ等しい振幅で励起されます。各ハーフビート長において、90°の完全な偏光回転が達成され、TM出力が得られます。ハーフビート長Lπは，2つの第1モードの伝搬定数β1，β2から，Lπ=π/( β1 - β2)として求めることができます。
より短いハーフビート長Lπを得るためには、高屈折率コントラストの導波路が望ましいです。詳細な解析を行うために、FullWAVEシミュレーションを用いて、次のように定義される偏波変換効率(PCE)を計算します：
TE/TMモードの計算
ここでは、FullWAVEに内蔵されているBPMベースの反復モードソルバーを使用して、偏光ローテータ内のTE/TMモードを計算します。より厳密なFEMベースのモードソルバーであるFemSIMを使用しても、これらの結果を得ることができます。
入出力部のTEモード：
図2: 入出力部の計算されたTEモード：a) Ex成分、b) Ey成分、c) Eのベクトルプロット。
出力部のTMモード：
図3: 出力部のTMモードの計算結果: a) Ex成分, b) Ey成分, c) Eのベクトルプロット.
偏波回転部のTE/TMモード:
図4: 偏光回転部のTEモード(上段)とTMモード(下段)の計算結果。
これらのモードは、FEMベースのFemSIMモードソルバーを使用して計算しています。
図4のベクトルプロットのフィールドは約±45度傾いており、両モードが互いに垂直であることに注目してください。直線偏光の光がこの導波路に入射すると、これらのモードは両方とも励振され、各ハーフビート長で、90度の偏光回転が達成されることになります。
偏光ローテータの解析:
図5に示すように、FullWAVEで偏光ローテータ構造(図1参照)をシミュレーションすると、TEからTMへの偏光回転を明確に確認することができます。
図5 TEとTM の電界成分分布図
偏光変換効率(PCE)の計算:
PCEは、こちらのRSoft製品事例の冒頭で定義されており、入射偏光フィールドから直交偏光モードに変換されるパワーの割合を評価します。PCEは、エッチング幅Weと深さHeに依存します。RSoftの多変量最適化およびスキャンツール、MOSTを使用すると、WeとHeをスキャンしてPCEを自動的に計算することができます。
図6: MOSTスキャン結果の2つのフォーマット:
a) プロットオプションを使用した標準出力、b) 等高線プロット。
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参考文献
[1] Z.Wang et al: "Ultrasmall Si-nanowire-based polarization rotator" J. Opt. Soc. Am. B Vol.25, No.5, May 2008.
[2] J.Z.Huang et al:"Realization of a Compact and Single-Mode Optical Passive Polarization Converter" IEEE Photonics Technology Letters, Vol.12, No.3, March 2000