JP2010223991A - 光波長フィルタ及び光合分波素子 - Google Patents

Abstract

【課題】作成容易であり偏波依存性をなくすること。
【解決手段】第１波長の光のＴＥ成分である第１ＴＥ成分と、第１波長の光のＴＭ成分と、第２波長の光のＴＥ成分である第２ＴＥ成分とが混合した混合光から、第１ＴＥ成分及びＴＭ成分と、第２ＴＥ成分とを分離する光波長フィルタ１０であって、第１幅が０次モード光及び１次モード光のみを励起する大きさとされた第１多モード光導波路１６と、第１多モード光導波路１６に接続されていて、第２幅の平均値が第１幅よりも大きい第２多モード光導波路１８と、第２多モード光導波路に接続されていて第２幅よりも大きい第３幅を有する第３多モード光導波路２０とを備え、前記第１〜第３多モード光導波路の光伝播方向に沿った長さをＬ_１〜Ｌ_３とするときに、固有モード方程式に従って、Ｌ_１〜Ｌ_３を決定する。
【選択図】図２

Description

この発明は、異なる波長の光を分離する光波長フィルタ、及びこの光波長フィルタを用いた光合分波素子に関する。

光加入者系においては、加入者側から局側への光伝送（上り通信）と、局側から加入者側への光伝送（下り通信）を一本の光ファイバで行う必要があり、そのため上り通信及び下り通信を異なる波長の光で行っている。このため、局側及び加入者側の双方で、異なる波長の光を分離する光波長フィルタが必要となる。一般的に光加入者系では、この光波長フィルタと発光素子及び受光素子とを空間光学的に光軸合わせして組み立てることより、光合分波素子として用いている。加入者側で用いられる光合分波素子は加入者側終端装置（ＯＮＵ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｕｎｉｔ）と称される（例えば、特許文献１〜５）。

近年、光波長フィルタとして、光軸合わせを不要とする光導波路型の光波長フィルタが研究されている。この種の光波長フィルタとしては、マッハツェンダ干渉計を用いたもの、方向性結合器を用いたもの、多モード干渉光導波路を用いたもの等が知られている。

マッハツェンダ干渉計を用いた光波長フィルタは、回路理論を用いて波長特性を設計できる利点がある。しかし、Ｓｉ製のマッハツェンダ型光波長フィルタをＯＮＵに使用する場合には、等価屈折率や結合係数の波長依存性が大きいために設計が難しい。

また、方向性結合器を用いた光波長フィルタは、透過率が波長依存性を有しているために、光源から出力される光の波長のズレにより透過率が変化してしまう。

また、多モード干渉光導波路を用いた光波長フィルタとしては、１．３μｍの波長の光と、１．５μｍの光を分離できる素子が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

米国特許第４８６０２９４号明細書 米国特許第５７６４８２６号明細書 米国特許第５９６０１３５号明細書 米国特許第７０７２５４１号明細書 特開平８−１６３０２８号

Ｂａｏｊｕｎ Ｌｉ ｅｔ ａｌ．"１×２ ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｆｉｌｔｅｒｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ １．３− ａｎｄ １．５５−μｍ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ"，Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｖｏｌ．４１，Ｎｏ．３，ｐｐ７２３−７２７（Ｍａｒｃｈ，２００２）

しかしながら、非特許文献１に記載された光波長フィルタは、大きな偏波依存性があり、ＴＥ成分及びＴＭ成分のどちらか一方の偏波成分しか利用することができなかった。また、非特許文献１に記載された光波長フィルタを構成する材料は、ＳｉＧｅであるため、Ｓｉ製の素子に比べて作成が難しかった。

この発明は、このような問題点に鑑みなされたものである。従って、この発明の目的は、多モード干渉光導波路を用いたＳｉ製の作成容易な光波長フィルタであって、偏波依存性がない光波長フィルタ及び、この光波長フィルタを用いた光合分波素子を提供することにある。

上述した目的の達成を図るために、この発明の光波長フィルタは、第１波長の光のＴＥ成分である第１ＴＥ成分と、第１波長の光のＴＭ成分と、第１波長とは異なる第２波長の光のＴＥ成分である第２ＴＥ成分とが混合した混合光から、第１ＴＥ成分及びＴＭ成分と、第２ＴＥ成分とを分離する。

光波長フィルタは、第１〜第３多モード光導波路と、第１〜第３入出力用光導波路とを備えている。

第１多モード光導波路は、入力された混合光の光伝播方向に直交しかつ基板の第１主面に平行な方向における長さとしての第１幅が第１及び第２ＴＥ成分並びにＴＭ成分の０次モード光及び１次モード光のみを励起する大きさとされている。

第２多モード光導波路は、第１多モード光導波路に、光伝播方向に沿って接続されていて、混合光の光伝播方向に直交しかつ基板の第１主面に平行な方向における長さとしての第２幅を有していて、第２幅の平均値が第１幅よりも大きい。

第３多モード光導波路は、第２多モード光導波路に、光伝播方向に沿って接続された、第２幅よりも大きい第３幅を有する。

第１入出力用光導波路は、第１多モード光導波路の自由端に接続されていて、混合光が第１多モード光導波路に向けて伝播される。

第２及び第３入出力用光導波路は、第３多モード光導波路の自由端に接続されている。

そして、第１〜第３多モード光導波路の光伝播方向に沿った長さをＬ_１，Ｌ_２及びＬ_３（ただしＬ_１〜Ｌ_３は正数）とし、
第１〜第３多モード光導波路における第１ＴＥ成分の０次モード光と１次モード光の間の伝播定数差をそれぞれΔβ_１１，Δβ_１２及びΔβ_１３（ただしΔβ_１１〜Δβ_１３は実数）とし、
第１〜第３多モード光導波路における第２ＴＥ成分の０次モード光と１次モード光の間の伝播定数差をそれぞれΔβ_２１，Δβ_２２及びΔβ_２３（ただしΔβ_２１〜Δβ_２３は実数）とし、
第１〜第３多モード光導波路における第ＴＭ成分の０次モード光と１次モード光の間の伝播定数差をそれぞれΔβ_３１，Δβ_３２及びΔβ_３３（ただしΔβ_３１〜Δβ_３３は実数）とし、
第１及び第２ＴＥ成分並びにＴＭ成分の干渉次数をそれぞれｍ_１，ｍ_２及びｍ_３としたときに、下記（１）式〜（３）式を満たし、かつ、下記（条件１）又は（条件２）が成り立つように、第１〜第３多モード光導波路の長さＬ_１，Ｌ_２及びＬ_３を決定することにより、第１ＴＥ成分及びＴＭ成分を第２又は第３入出力用光導波路のどちらかに出力し、第２ＴＥ成分を、第３又は第２出力用光導波路のどちらかに出力する。

Ｌ_１Δβ_１１＋Ｌ_２Δβ_１２＋Ｌ_３Δβ_１３＝ｍ_１π・・・（１）
Ｌ_１Δβ_２１＋Ｌ_２Δβ_２２＋Ｌ_３Δβ_２３＝ｍ_２π・・・（２）
Ｌ_１Δβ_３１＋Ｌ_２Δβ_３２＋Ｌ_３Δβ_３３＝ｍ_３π・・・（３）
（条件１）：ｍ_１及びｍ_３の両者が偶数かつ、ｍ_２が奇数
（条件２）：ｍ_１及びｍ_３の両者が奇数かつ、ｍ_２が偶数

上述した光波長フィルタの好ましい一実施態様として、第２多モード光導波路の第２幅を、第１幅から第３幅まで連続的に増加させるのがよい。

上述した光波長フィルタの好ましい一実施態様として、第１及び第２出力用光導波路が、第３多モード光導波路との第１及び第２接続部を備えていて、第１及び第２接続部は、第３多モード光導波路から離間するに従って、幅が連続的に狭くなる平面型導波路として形成されているのがよい。

上述した光波長フィルタの好ましい一実施態様として、第１〜第３多モード光導波路、入力用光導波路及び第１及び第２出力用光導波路を、Ｓｉを材料として形成するのがよい。

この発明の光合分波素子は、上述した光波長フィルタを用いていて、第２入出力用光導波路から第１ＴＥ成分及びＴＭ成分が出力された場合に、第３入出力用光導波路に第２ＴＥ成分が入力され、又は第３入出力用光導波路から第１ＴＥ成分及びＴＭ成分が出力された場合に、第２入出力用光導波路に第２ＴＥ成分が入力される。

この発明によれば、多モード干渉光導波路を用いたＳｉ製の作成容易な光波長フィルタであって、偏波依存性がない光波長フィルタ及び、この光波長フィルタを用いた光合分波素子が得られる。

実施の形態１の光波長フィルタの構造を概略的に示す斜視図である。 実施の形態１の光波長フィルタの平面図である。 実施の形態１の多モード光導波路領域における混合光の各成分の伝播径路の一例を模式的に示した模式図である。 （Ａ）は、第１ＴＥ成分の光波長フィルタ内での伝播の様子を示す模式図であり、（Ｂ）は、第２ＴＥ成分の光波長フィルタ内での伝播の様子を示す模式図であり、（Ｃ）は、ＴＭ成分の光波長フィルタ内での伝播の様子を示す模式図である。 実施の形態２の光合分波素子の構造を概略的に示す平面図である。

以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。なお、各図は、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係について、この発明が理解できる程度に概略的に示してある。また、以下、この発明の好適な構成例について説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は、以下の実施の形態に何ら限定されない。また、各図において、共通する構成要素には同符号を付し、その説明を省略することもある。

（実施の形態１）
（構造）
まず、図１及び図２を参照して、この実施の形態の光波長フィルタの構造について説明する。図１は、この実施の形態の光波長フィルタの構造を概略的に示す斜視図である。なお、図１においては、クラッド中に埋め込まれた光波長フィルタを強調して示すために、光波長フィルタを実線で示してある。図２は、光波長フィルタの平面図である。なお、図２においては、基板とクラッドの図示を省略してある。

図１を参照して、光波長フィルタの構造についてその概略を簡単に説明する。その後、図２を用いて、光波長フィルタの平面構造についてより詳細に説明する。

図１を参照すると、光波長フィルタ１０は、基板１２の第１主面１２ａ側に形成されたクラッド１４の中に埋め込まれた構造体として形成されている。ここで、基板１２は矩形状の平行平板である。基板１２は、好ましくは、例えばＳｉ基板とする。また、クラッド１４は、平面形状が基板と等しい矩形状の平行平板である。クラッド１４は、好ましくは、例えばＳｉＯ_２を材料として形成する。

光波長フィルタ１０は、その平坦な底面が基板１２の第１主面１２ａと平行になるように、クラッド１４中に埋め込まれている。光波長フィルタ１０を構成する材料は、場所によらず同一であり、好ましくは、例えばＳｉとする。

光波長フィルタ１０の底面と、基板１２の第１主面１２ａとの間の距離Ｄ１は、光波長フィルタ１０中を伝播する光の基板１２への結合を防ぐために、好ましくは、例えば、約１μｍ以上の大きさとする。また、光波長フィルタ１０の第１主面１２ａに垂直に測った厚みＤ２は、場所によらず等しく、好ましくは、例えば約０．３μｍとする。

光波長フィルタ１０は、クラッド１４の側面１４ａ及び１４ｂに合計３つの光入出力ポートである第１〜第３ポートＰ１〜Ｐ３を備えている。より詳細には、側面１４ｂに、後述する第２及び第３入出力用光導波路２４及び２６（図２参照）にそれぞれ接続する第２及び第３ポートＰ２及びＰ３を備えている。そして、側面１４ａに後述する第１入出力用光導波路２２に接続する第１ポートＰ１を備えている。

詳しくは後述するが、この第１ポートＰ１には、第１波長λ_１の光のＴＥ成分である第１ＴＥ成分ＴＥ_１（λ_１）と、第１波長λ_１の光のＴＭ成分ＴＭ（λ_１）と、第１波長λ_１とは異なる第２波長λ_２の光のＴＥ成分である第２ＴＥ成分ＴＥ_２（λ_２）とが混合した混合光が入力される。そして、光波長フィルタ１０により第１ＴＥ成分ＴＥ_１（λ_１）及びＴＭ成分ＴＭ（λ_１）と、第２ＴＥ成分ＴＥ_２（λ_２）とを分離して、第２及び第３ポートＰ２及びＰ３からそれぞれ出力する。

次に、図２を参照して、光波長フィルタ１０の構造についてより詳細に説明する。

光波長フィルタ１０は、第１〜第３多モード光導波路１６，１８及び２０と、第１〜第３入出力用光導波路２２，２４及び２６とを備えている。なお、以降、第１〜第３多モード光導波路１６〜２０を総称するときには、多モード光導波路領域２１と称する。

第１多モード光導波路１６は、第１入出力用光導波路２２が自由端１６ａに接続された矩形状の多モード干渉光導波路である。ここで、自由端１６ａとは、第２多モード光導波路１８が接続されていない側の第１多モード光導波路１６の端面のことを示す。第１多モード光導波路１６の光伝播方向に沿った長さは、Ｌ_１とする。なお、Ｌ_１の決定法については、後述する。

また、第１多モード光導波路１６の光伝播方向に直交しかつ基板１２の第１主面１２ａに平行な方向における長さとしての第１幅Ｗ_１は、第１及び第２ＴＥ成分ＴＥ_１（λ_１）及びＴＥ_２（λ_２）並びにＴＭ成分ＴＭ（λ_１）の０次モード光及び１次モード光のみを励起する大きさとする。これは、第１多モード光導波路１６の第１幅Ｗ_１を２次以上の高次モード光を励起する大きさとすると、後述する（１）式〜（３）式において、２次以上の高次モード光の干渉条件をも考慮しなければならなくなり、第１多モード光導波路１６の長さＬ_１を決定することが難しくなるからである。

具体的なＷ_１の値は、光波長フィルタ１０に入力される光の波長により変化するために、一義的には決定できない。しかし、第１ＴＥ成分ＴＥ_１（λ_１）及びＴＭ成分ＴＭ（λ_１）の第１波長λ_１を１．４９μｍとし、第２ＴＥ成分ＴＥ_２（λ_２）の第２波長λ_２を１．３１μｍとした場合には、第１幅Ｗ_１は、好ましくは、例えば約０．７５μｍとする。第１幅Ｗ_１の値を約０．７５μｍとすることにより、第１多モード光導波路１６を伝播する過程で、波長が１．４９μｍの第１ＴＥ成分ＴＥ_１（λ_１）及びＴＭ成分ＴＭ（λ_１）と、波長が１．３１μｍの第２ＴＥ成分ＴＥ_２（λ_２）とは、０次モード光と１次モード光のみが励起される。

第２多モード光導波路１８は、第１多モード光導波路１６に光伝播方向に沿って接続された多モード干渉光導波路である。第２多モード光導波路１８は、平面形状が等脚台形状であり、この等脚台形の上底側（長さが短い方の底辺側）が第１多モード光導波路１６に接続されていて、下底側（長さが長い方の底辺側）が第３多モード光導波路２０に接続されている。つまり、第２多モード光導波路１８は、第１多モード光導波路１６と第３多モード光導波路２０との間に介在している。

第２多モード光導波路１８の光伝播方向に沿った長さは、Ｌ_２とする。なお、Ｌ_２の決定法については、後述する。

第２多モード光導波路１８の光伝播方向に直交しかつ基板１２の第１主面１２ａに平行な方向における長さとしての第２幅Ｗ_２は、第１幅Ｗ_１から、第３多モード光導波路２０の第３幅Ｗ_３まで直線的かつ連続的に増加している。つまり、第２多モード光導波路１８の光伝播方向に直交しかつ基板１２の第１主面１２ａに平行な方向における第２幅Ｗ_２の平均値は、第１多モード光導波路１６の第１幅Ｗ_１よりも大きい。

第３多モード光導波路２０は、第２多モード光導波路１８に光伝播方向に沿って接続された多モード干渉光導波路である。第３多モード光導波路２０は、平面形状が矩形状であり、第２多モード光導波路１８の下底側に接続されている。また、第３多モード光導波路２０の自由端２０ａには、第２及び第３入出力用光導波路２４及び２６が接続されている。ここで、自由端２０ａとは、第３多モード光導波路２０の第２多モード光導波路１８と接続していない側の端面を言う。

第３多モード光導波路２０の光伝播方向に沿った長さは、Ｌ_３とする。なお、Ｌ_３の決定法については、後述する。

第３多モード光導波路２０の光伝播方向に直交しかつ基板１２の第１主面１２ａに平行な方向における長さとしての第３幅Ｗ_３は、第１幅Ｗ_１及び第２幅Ｗ_２の平均値よりも大きい。具体的なＷ_３の値であるが、第１ＴＥ成分ＴＥ_１（λ_１）及びＴＭ成分ＴＭ（λ_１）の第１波長を１．４９μｍとし、第２ＴＥ成分ＴＥ_２（λ_２）の第２波長を１．３１μｍとした場合には、第３幅Ｗ_３は、好ましくは、例えば約１．４μｍとする。

なお、第３幅Ｗ_３の大きさは、第１幅Ｗ_１より大きく、かつ第１幅Ｗ_１の３倍以内とすることが好ましい。第３幅Ｗ_３をこの範囲の値とすることにより、第２多モード光導波路１８において２次モード光以上の高次モード光の励起を抑えることができ、その結果、迷光の発生を抑制し、光波長フィルタの波長選択能力を高めることができる。

第１入出力用光導波路２２は、第１多モード光導波路１６の自由端１６ａに接続されたチャネル型のシングルモード光導波路である。第１入出力導波路２２の光伝播方向に垂直に切断した横断面形状は矩形状である。より詳細には、第１入出力用光導波路２２は、光波長フィルタ１０の中心軸１０Ｃから第２入出力用光導波路２４側にずれた位置で、第１多モード光導波路１６に接続されている。

第１入出力用光導波路２２の横断面の寸法は、この実施の形態に示す例では、第１主面１２ａに垂直に測った厚みが、好ましくは、例えば約０．３μｍであり、第１主面１２ａに平行かつ光伝播方向に垂直に測った幅が、好ましくは、例えば、約０．３μｍとする。

第１入出力用光導波路２２の横断面の寸法をこの値とすることにより、第１入出力用光導波路２２をシングルモード光導波路とすることができる。

第２入出力用光導波路２４は、第３多モード光導波路２０の自由端２０ａに接続されている。第２入出力用光導波路２４は、第２テーパ部２４ａと第２導波路部２４ｂとを備えている。第２テーパ部２４ａは、自由端２０ａに接続されていて、光伝播方向に沿って幅が等脚台形状に狭くなっていく平面型光導波路である。

第２テーパ部２４ａの寸法は、光伝播方向に沿った長さＬ_４を、好ましくは、例えば約１０μｍとする。また、第３多モード光導波路２０との接続部における幅、つまり、等脚台形の下底の長さＷ_４を、好ましくは、例えば約０．５５μｍとする。

第２導波路部２４ｂは、第２テーパ部２４ａのテーパの先端、すなわち等脚台形の上底側に接続されているチャネル型のシングルモード光導波路である。第２導波路部２４ｂの横断面形状は、寸法も含めて第１入出力用光導波路２２と同様である。つまり、第２導波路部２４ｂは、シングルモード光導波路である。

第３入出力用光導波路２６は、第３多モード光導波路２０の自由端２０ａに接続されている。より詳細には、第３入出力用光導波路２６は、光波長フィルタ１０の中心軸１０Ｃを線対称軸として、第２入出力用光導波路２４と線対称の位置に設けられている。

第３入出力用光導波路２６は、第２テーパ部２４ａと同形状の第３テーパ部２６ａと、第２導波路部２４ｂと同形状の第３導波路部２６ｂとを備えている。

第２テーパ部２４ａと第３テーパ部２６ａとの間の最小間隔Ｗ_ｍｉｎ、つまり、第３多モード光導波路２０の自由端２０ａにおける両テーパ部２４ａ及び２６ａ間の間隔は、多モード導波路領域２１を伝播する光の自由端２０ａからの漏れによる損失を少なくするために、できるだけ小さい値であることが好ましい。

この実施の形態のように、光波長フィルタ１０をＳｉ製とし、半導体製造プロセスを利用して第２及び第３テーパ部２４ａ及び２６ａを作成する場合には、最小間隔Ｗ_ｍｉｎを、現段階での製造技術の限界である約０．３μｍとすることが好ましい。

（動作）
次に、図３を参照して光波長フィルタ１０の動作について説明する。

図３は、多モード光導波路領域２１における混合光の各成分の伝播径路の一例を模式的に示した模式図である。

第１ＴＥ成分ＴＥ_１（λ_１）とＴＭ成分ＴＭ（λ_１）と第２ＴＥ成分ＴＥ_２（λ_２）とが混合した混合光は、第１ポートＰ１から第１入出力用光導波路２２に入力され、第１入出力用光導波路２２を光伝播方向に伝播して第１多モード光導波路１６に至る。

ところで、第１多モード光導波路１６の第１幅Ｗ_１は、上述のように０次モード光と１次モード光のみを励起する大きさとされている。その結果、第１多モード光導波路１６内で、混合光の各成分において０次モード光と１次モード光とが励起される。より詳細には、第１多モード光導波路１６において、第１ＴＥ成分ＴＥ_１（λ_１）、ＴＭ成分ＴＭ（λ_１）及び第２ＴＥ成分ＴＥ_２（λ_２）のそれぞれで、０次モード光と１次モード光とが励起される。

その結果、励起された０次モード光と１次モード光とは、混合光の成分ごとに、互いに干渉し合いながら多モード光導波路領域２１を第２及び第３入出力用光導波路２４及び２６に向けて伝播していく。図３に示すように、０次モード光と１次モード光とが干渉する結果、混合光の各成分は、多モード光導波路領域２１を蛇行するような径路で伝播することとなる。

図３に示す例では、第１ＴＥ成分ＴＥ_１（λ_１）は、多モード光導波路領域２１において、伝播方向を６回変化させて第３入出力用光導波路２６に出力されている。ＴＭ成分ＴＭ（λ_１）は、伝播方向を４回変化させて第３入出力用光導波路２６に出力される。そして、第２ＴＥ成分ＴＥ_２（λ_２）は、伝播方向を３回変化させて第２入出力用光導波路２４に出力される。ここで、混合光の成分によって伝播方向の変化回数が異なるのは、成分ごとに多モード光導波路領域２１における干渉の様子が異なるからである。これは、混合光の成分ごとに感じる多モード光導波路領域２１の等価屈折率が異なることに由来する。なお、以降、混合光の各成分の伝播方向が多モード光導波路領域２１の側壁面において大きく変化することを「蛇行」と称する。

ここで、第１〜第３多モード光導波路１６〜２０のそれぞれの長さＬ_１〜Ｌ_３を適当に決定することにより、混合光の成分ごとの干渉条件、すなわち混合光の各成分の伝播径路を変更することができる。つまり、Ｌ_１〜Ｌ_３を適当に決定することにより、第１ＴＥ成分ＴＥ_１（λ_１）及びＴＭ成分ＴＭ（λ_１）を第２入出力用光導波路２４又は第３入出力用光導波路２６に入力し、第２ＴＥ成分ＴＥ_２（λ_２）を第３入出力用光導波路２６又は第２入出力用光導波路２４に入力させることができる。すなわち、混合光の成分ごとの干渉条件を適切に設定することで、光波長フィルタ１０により混合光を波長分離することができる。

以下、この点、すなわち第１〜第３多モード光導波路１６〜２０の長さＬ_１〜Ｌ_３の決定方法について説明する。

上述したように、長さＬ_１〜Ｌ_３は、混合光の成分ごとの干渉条件に関係している。ところで、混合光の各成分の干渉条件は、下記（１）式〜（３）式に示した従来公知のモード伝播方程式をこの実施の形態の光波長フィルタ１０に適合させることにより、以下の （１）式〜（３）式を得ることができる。

第１ＴＥ成分ＴＥ_１（λ_１）：Ｌ_１Δβ_１１＋Ｌ_２Δβ_１２＋Ｌ_３Δβ_１３＝ｍ_１π・・・（１）
第２ＴＥ成分ＴＥ_２（λ_２）：Ｌ_１Δβ_２１＋Ｌ_２Δβ_２２＋Ｌ_３Δβ_２３＝ｍ_２π・・・（２）
ＴＭ成分（λ_１）：Ｌ_１Δβ_３１＋Ｌ_２Δβ_３２＋Ｌ_３Δβ_３３＝ｍ_３π・・・（３）
ここで、Δβ_１１，Δβ_１２及びΔβ_１３（ただしΔβ_１１〜Δβ_１３は実数）は、それぞれ第１〜第３多モード光導波路１６，１８及び２０における第１ＴＥ成分ＴＥ_１（λ_１）の０次モード光と１次モード光の間の伝播定数差を示す。

Δβ_２１，Δβ_２２及びΔβ_２３（ただしΔβ_２１〜Δβ_２３は実数）は、それぞれ第１〜第３多モード光導波路１６，１８及び２０における第２ＴＥ成分ＴＥ_２（λ_２）の０次モード光と１次モード光の間の伝播定数差を示す。

Δβ_３１，Δβ_３２及びΔβ_３３（ただしΔβ_３１〜Δβ_３３は実数）は、第１〜第３多モード光導波路１６，１８及び２０におけるＴＭ成分ＴＭの０次モード光と１次モード光の間の伝播定数差を示す。

また、ｍ_１，ｍ_２及びｍ_３は、それぞれ第１及び第２ＴＥ成分ＴＥ_１（λ_１）及びＴＥ_２（λ_２）並びにＴＭ成分ＴＭの干渉次数であり、下記の２条件を満足する値である。

（条件１）：ｍ_１及びｍ_３の両者が偶数かつ、ｍ_２が奇数
（条件２）：ｍ_１及びｍ_３の両者が奇数かつ、ｍ_２が偶数

ここで、干渉次数ｍ_１，ｍ_２及びｍ_３の物理的意味について簡単に説明する。干渉次数ｍ_１，ｍ_２及びｍ_３は、第１ＴＥ成分ＴＥ_１（λ_１）、第２ＴＥ成分ＴＥ_２（λ_２）及びＴＭ成分ＴＭの多モード光導波路領域２１における蛇行回数をそれぞれ示すことが知られている。

つまり、（条件１）が成り立つ場合には、第１波長λ_１の第１ＴＥ成分ＴＥ_１（λ_１）及びＴＭ成分ＴＭ（λ_１）は、多モード光導波路領域２１においてそれぞれｍ_１回及びｍ_３回（偶数回）蛇行して、第３入出力用光導波路２６に出力される。また、第２波長λ_２の第２ＴＥ成分ＴＥ_２（λ_２）は、多モード光導波路領域２１においてそれぞれｍ_２回（奇数回）蛇行して、第２入出力用光導波路２４に出力される。

また、（条件２）が成り立つ場合には、第１波長λ_１の第１ＴＥ成分ＴＥ_１（λ_１）及びＴＭ成分ＴＭ（λ_１）は、多モード光導波路領域２１においてそれぞれｍ_１回及びｍ_３回（奇数回）蛇行して、第２入出力用光導波路２４に出力される。また、第２波長λ_２の第２ＴＥ成分ＴＥ_２（λ_２）は、多モード光導波路領域２１においてそれぞれｍ_２回（偶数回）蛇行して、第３入出力用光導波路２６に出力される。

ところで、伝播定数差Δβ_１１〜Δβ_３３は、計算により求められる量であるので、ｍ_１〜ｍ_３を適当な値に設定してやれば、（１）式〜（３）式を解いてＬ_１〜Ｌ_３を求めることができる。

有限要素法を用いて（１）式〜（３）式を解くことにより得られたＬ_１〜Ｌ_３の値の一例を下記表１に示す。

なお、表１を得るに当たって、Ｌ_１〜Ｌ_３以外の光波長フィルタ１０を構成する各要素の寸法は、既に説明したものを用いている。また、第１波長λ_１は１．４９μｍとし、第２波長λ_２は１．３１μｍとした。

また、（１）式〜（３）式において、等脚台形状の第２多モード光導波路１８に対応する項Ｌ_２Δβ_１２，Ｌ_２Δβ_２２及びＬ_２Δβ_３２を計算するに当たっては、混合光の各成分における局所的な伝播定数差を、各成分の伝播方向に積分した値を用いた。

なお、表１に示した結果は、飽くまで（１）式〜（３）式を成立させるＬ_１〜Ｌ_３の一例である。従って、表１以外のＬ_１〜Ｌ_３の組合せが存在する可能性があり、これらのＬ_１〜Ｌ_３の組合せも（１）式〜（３）式を満たす限り本発明の技術的範囲に含まれることは言うまでもない。

次に、図４を参照して、光波長フィルタ１０のシミュレーション結果について説明する。

図４（Ａ）は、第１ＴＥ成分ＴＥ_１（λ_１）の光波長フィルタ１０内での伝播の様子を示す模式図である。図４（Ｂ）は、第２ＴＥ成分ＴＥ_２（λ_２）の光波長フィルタ１０内での伝播の様子を示す模式図である。図４（Ｃ）は、ＴＭ成分ＴＭ（λ_１）の光波長フィルタ１０内での伝播の様子を示す模式図である。なお、図４（Ａ）〜（Ｃ）においては、理解の容易さを考えて、光波長フィルタ１０の輪郭を描き加えてある。

なお、図４（Ａ）〜（Ｃ）は、３次元ＢＰＭ法（Ｂｅａｍ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ）による計算機シミュレーションで得られたものである。シミュレーションは、下記に列記する条件の下で実施した。

（１）第１多モード光導波路１６の第１幅Ｗ_１を０．７５μｍとする。また、第３多モード光導波路２０の第３幅Ｗ_３を１．３９μｍとする。
（２）光波長フィルタ１０の厚みＤ２を０．３μｍとする。
（３）第１多モード光導波路１６の長さＬ_１を１２μｍ、第２多モード光導波路１８の長さＬ_２を６μｍ、第３多モード光導波路２０の長さＬ_３を０μｍとする。
（４）光波長フィルタ１０を構成するＳｉの屈折率を３．５とする。また、クラッド１４としてのＳｉＯ_２の屈折率を１．４６とする。
（５）第１ＴＥ成分ＴＥ_１（λ_１）及びＴＭ成分（λ_１）の第１波長λ_１を１．４９μｍとする。また、第２ＴＥ成分ＴＥ_２（λ_２）の第２波長λ_２を１．３１μｍとする。

図４（Ａ）及び（Ｃ）を参照すると明らかなように、第１ＴＥ成分ＴＥ_１（λ_１）及びＴＭ成分（λ_１）は、多モード光導波路領域２１を蛇行しながら伝播して、第３入出力用光導波路２６に出力されていることが分かる。また、図４（Ｂ）を参照すると明らかなように、第２ＴＥ成分ＴＥ_２（λ_２）は、多モード光導波路領域２１を蛇行しながら伝播して、第２入出力用光導波路２４に出力されていることが分かる。

さらに、発明者は、３次元ＢＰＭ法を用いて、光波長フィルタ１０の寸法誤差が波長分離特性に与える影響について調査した。

より詳細には、多モード光導波路領域２１において第１幅Ｗ_１及び第３幅Ｗ_３を僅かずつ変化させてシミュレーションを行い、第２入出力用光導波路２４におけるクロストーク光の強度を調査した。ここで、「クロストーク光」とは、本来は第３入出力用光導波路２６に出力されるべき混合光の成分の中で、寸法誤差の影響により第２入出力用光導波路２４に入射した成分のことを示す。

その結果、クロストーク光の強度が−１３ｄＢ以下となる第１幅Ｗ_１及び第３幅Ｗ_３の寸法誤差の範囲は、第１波長λ_１が１．４９μｍの第１ＴＥ成分ＴＥ_１（λ_１）については±７ｎｍであった。また、第１波長λ_１が１．４９μｍのＴＭ成分ＴＭ（λ_１）については±１０ｎｍであった。さらに第２波長λ_２が１．３１μｍの第２ＴＥ成分ＴＥ２（λ_２）については±８ｎｍであった。

この許容される寸法誤差の値は、同サイズの方向性結合器よりも良好な値であった。

（効果）
このように、この実施の形態の光波長フィルタ１０において、第１多モード光導波路１６の第１幅Ｗ_１を０次モード光及び１次モード光のみを励起できる大きさとした上で、多モード光導波路領域２１を幅の異なる３領域から構成し、かつ、第１〜第３多モード光導波路１６〜２０の長さＬ_１〜Ｌ_３を適当に設定することにより、第１波長λ_１の第１ＴＥ成分ＴＥ_１（λ_１）及びＴＭ成分ＴＭと、第２波長λ_２の第２ＴＥ成分ＴＥ_２（λ_２）とを偏波無依存で波長分離することができる。

また、この光波長フィルタ１０は、Ｓｉを材料として形成されており、周囲のクラッド１４もＳｉＯ_２であるので、従来周知の半導体製造プロセス技術を用いて容易に作成することができる。

（変形例、設計条件等）
（１）この実施の形態においては、上述の（１）式〜（３）式を解くに当たって、（条件１）ｍ_１及びｍ_３の両者が偶数かつ、ｍ_２が奇数、又は（条件２）：ｍ_１及びｍ_３の両者が奇数かつ、ｍ_２が偶数、という２条件のどちらかを満たすように干渉次数ｍ_１〜ｍ_３を決定することにより、波長分離を達成していた。

ここで、上述の２条件を変更して、（条件Ａ）ｍ_１及びｍ_２の両者が偶数かつ、ｍ_３が奇数、又は（条件Ｂ）：ｍ_１及びｍ_２の両者が奇数かつ、ｍ_３が偶数、と言う新たな２条件の下で（１）式〜（３）式を解くことにより、混合光の偏波分離を行うことができる。

すなわち、条件Ａ又は条件Ｂを満たすように長さＬ_１〜Ｌ_３を決定することにより、混合光のＴＥ偏波成分（第１ＴＥ成分ＴＥ_１（λ_１）及び第２ＴＥ成分ＴＥ_２（λ_２）と、ＴＭ偏波成分（ＴＭ成分ＴＭ）とを偏波分離して、第２及び第３出力用光導波路２４及び２６に出力させることができる。

（実施の形態２）
次に、図５を参照して、実施の形態２の光合分波素子について説明する。図５は、光合分波素子の構造を概略的に示す平面図である。

なお、この実施の形態の光合分波素子３０は、（１）第２ＴＥ成分ＴＥ_２（λ_２）の伝播方向が異なっている点、（２）受光素子及び発光素子を備える点の２点を除き実施の形態１の光波長フィルタ１０と同様である。そこで、図５においては、図２と同様の構成要素には同符号を付して、その説明を省略する。

（構造）
この実施の形態の光合分波素子３０は、光加入者系のＯＮＵとして好適に用いられ、光ファイバ３６で接続された局側終端装置（ＯＬＴ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｉｎｅ Ｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ）との間で光通信を行う。以降、通信方向がＯＬＴからＯＮＵに向かっている場合を「下り」と称し、逆にＯＮＵからＯＬＴに向かっている場合を「上り」と称する。

光合分波素子３０は、実施の形態１の光波長フィルタ１０と、光波長フィルタ１０の第２ポートＰ２に接続された発光素子３２と、光波長フィルタ１０の第３ポートＰ３に接続された受光素子３４とを備えている。

発光素子３２は、従来公知のＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）であり、第２波長λ_２の第２ＴＥ成分ＴＥ_２（λ_２）を第２入出力用光導波路２４に向けて出射する。詳しくは後述するが、第２ＴＥ成分ＴＥ_２（λ_２）は、実施の形態１で説明した伝播径路と逆の伝播径路で第１入出力用光導波路２２から上り信号としてＯＬＴに向かって送信される。

なお、この実施の形態では、第２波長λ_２の光のＴＭ成分を考慮していない。これは、ＬＤから出射される光は偏光方向が一定しており、ＴＥ成分のみが出射されることが知られているからである。

受光素子３４は、従来公知のＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）である。受光素子３４では、ＯＬＴから送信された下り信号としての第１波長λ_１の第１ＴＥ成分ＴＥ_１（λ_１）及びＴＭ成分ＴＭ（λ_１）を、実施の形態１で説明したと同様の伝播径路で受光する。

光合分波素子３０の第１ポートＰ１には、光ファイバ３６が接続されている。この光ファイバ３６は、光合分波素子３０と図示しないＯＬＴとを接続している。

なお、この実施の形態において、第１波長λ_１は、光加入者系において下り方向通信（局→加入者）に一般的に用いられる１．４９μｍとし、及び第２波長λ_２は、光加入者系において上り方向通信（加入者→局）に一般的に用いられる１．３１μｍとする。
（動作）
次に図５を参照して、この光合分波素子３０の動作について説明する。なお、以下の説明においては適宜、実施の形態１の説明を援用する。

（下り信号）
下り信号としての第１波長λ_１の第１ＴＥ成分ＴＥ_１（λ_１）及びＴＭ成分ＴＭ（λ_１）は、光ファイバ３６をＯＬＴから光合分波素子３０に向けて伝播し、第１ポートＰ１から第１入出力用光導波路２２に至る。第１入出力用光導波路２２を伝播する第１ＴＥ成分ＴＥ_１（λ_１）及びＴＭ成分ＴＭ（λ_１）は、多モード光導波路領域２１において、実施の形態１で説明したように波長分離される結果、第３入出力用光導波路２６に入力される。そして、第３入出力用光導波路２６を伝播して、第３ポートＰ３から出力され受光素子３４で検出される。

（上り信号）
上り信号としての第２波長λ_２の第２ＴＥ成分ＴＥ_２（λ_２）は、発光素子３２から出力されて、第２ポートＰ２を介して第２入出力用光導波路２４に入力される。第２入出力用光導波路２４に入力された第２ＴＥ成分ＴＥ_２（λ_２）は、第２入出力用光導波路２４を伝播して多モード光導波路領域２１に至る。

ところで、一般に、光の伝播においては、逆過程（時間反転）が成立する。つまり、その他の条件に変更がない場合、発光素子３２から出力された第２ＴＥ成分ＴＥ_２（λ_２）は、実施の形態１において説明した伝播径路（第１入出力用光導波路２２→多モード光導波路領域２１→第２入出力用光導波路２４）とは逆の伝播径路を辿って伝播する。

つまり、発光素子３２から出力され、多モード光導波路領域２１に至った第２ＴＥ成分ＴＥ_２（λ_２）は、多モード光導波路領域２１における０次モード光と１次モード光の干渉の結果、第１入出力用光導波路２２に入力され、上り信号として光ファイバ３６をＯＬＴに向けて伝播する。

（効果）
この実施の形態の光合分波素子３０は、実施の形態１の光波長フィルタ１０を用いているので、実施の形態１で説明したと同様の効果を奏する。

１０ 光波長フィルタ
１０Ｃ 中心軸
１２ 基板
１２ａ 第１主面
１４ クラッド
１６ 第１多モード光導波路
１６ａ，２０ａ 自由端
１８ 第２多モード光導波路
２０ 第３多モード光導波路
２１ 多モード光導波路領域
２２ 第１入出力用光導波路
２４ 第２入出力用光導波路
２６ 第３入出力用光導波路
３０ 光合分波素子
３２ 発光素子
３４ 受光素子
３６ 光ファイバ

Claims (5)

1. 第１波長の光のＴＥ成分である第１ＴＥ成分と、第１波長の光のＴＭ成分と、第１波長とは異なる第２波長の光のＴＥ成分である第２ＴＥ成分とが混合した混合光から、前記第１ＴＥ成分及び前記ＴＭ成分と、前記第２ＴＥ成分とを分離する光波長フィルタであって、
   入力された前記混合光の光伝播方向に直交しかつ基板の第１主面に平行な方向における長さとしての第１幅が前記第１及び第２ＴＥ成分並びにＴＭ成分の０次モード光及び１次モード光のみを励起する大きさとされた第１多モード光導波路と、
   該第１多モード光導波路に、光伝播方向に沿って接続されていて、前記混合光の光伝播方向に直交しかつ基板の第１主面に平行な方向における長さとしての第２幅を有していて、該第２幅の平均値が前記第１幅よりも大きい第２多モード光導波路と、
   該第２多モード光導波路に、光伝播方向に沿って接続された、前記第２幅よりも大きい第３幅を有する第３多モード光導波路と、
   前記第１多モード光導波路の自由端に接続されていて、前記混合光が前記第１多モード光導波路に向けて伝播される第１入出力用光導波路と、
   前記第３多モード光導波路の自由端に接続された第２及び第３入出力用光導波路とを備え、
   前記第１〜第３多モード光導波路の光伝播方向に沿った長さをＬ_１，Ｌ_２及びＬ_３（ただしＬ_１〜Ｌ_３は正数）とし、
   前記第１〜第３多モード光導波路における前記第１ＴＥ成分の０次モード光と１次モード光の間の伝播定数差をそれぞれΔβ_１１，Δβ_１２及びΔβ_１３（ただしΔβ_１１〜Δβ_１３は実数）とし、
   前記第１〜第３多モード光導波路における前記第２ＴＥ成分の０次モード光と１次モード光の間の伝播定数差をそれぞれΔβ_２１，Δβ_２２及びΔβ_２３（ただしΔβ_２１〜Δβ_２３は実数）とし、
   前記第１〜第３多モード光導波路における前記第ＴＭ成分の０次モード光と１次モード光の間の伝播定数差をそれぞれΔβ_３１，Δβ_３２及びΔβ_３３（ただしΔβ_３１〜Δβ_３３は実数）とし、
   前記第１及び第２ＴＥ成分並びにＴＭ成分の干渉次数をそれぞれｍ_１，ｍ_２及びｍ_３としたときに、下記（１）式〜（３）式を満たし、かつ、下記（条件１）又は（条件２）が成り立つように、前記第１〜第３多モード光導波路の長さＬ_１，Ｌ_２及びＬ_３を決定することにより、前記第１ＴＥ成分及びＴＭ成分を前記第２又は第３入出力用光導波路のどちらかに出力し、前記第２ＴＥ成分を、前記第３又は第２入出力用光導波路のどちらかに出力することを特徴とする光波長フィルタ。
   Ｌ_１Δβ_１１＋Ｌ_２Δβ_１２＋Ｌ_３Δβ_１３＝ｍ_１π・・・（１）
   Ｌ_１Δβ_２１＋Ｌ_２Δβ_２２＋Ｌ_３Δβ_２３＝ｍ_２π・・・（２）
   Ｌ_１Δβ_３１＋Ｌ_２Δβ_３２＋Ｌ_３Δβ_３３＝ｍ_３π・・・（３）
   （条件１）：ｍ_１及びｍ_３の両者が偶数かつ、ｍ_２が奇数
   （条件２）：ｍ_１及びｍ_３の両者が奇数かつ、ｍ_２が偶数
2. 前記第２多モード光導波路の第２幅を、前記第１幅から前記第３幅まで連続的に増加させることを特徴とする請求項１に記載の光波長フィルタ。
3. 前記第１及び第２出力用光導波路が、前記第３多モード光導波路との第１及び第２接続部を備えていて、該第１及び第２接続部は、前記第３多モード光導波路から離間するに従って、幅が連続的に狭くなる平面型導波路として形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光波長フィルタ。
4. 前記第１〜第３多モード光導波路、及び前記第１〜第３入出力用光導波路を、Ｓｉを材料として形成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光波長フィルタ。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の光波長フィルタを用いた光合分波素子であって、
   前記第２入出力用光導波路から前記第１ＴＥ成分及びＴＭ成分が出力された場合に、前記第３入出力用光導波路に第２ＴＥ成分が入力され、又は
   前記第３入出力用光導波路から前記第１ＴＥ成分及びＴＭ成分が出力された場合に、前記第２入出力用光導波路に第２ＴＥ成分が入力されることを特徴とする光合分波素子。