JP2013068909A - Optical device - Google Patents

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秀彰 岡山
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To split output light in any proportion while using a 3dB directional coupler in a Mach-Zehnder interferometer.SOLUTION: An optical waveguide 11 including a clad 12 and a core 18, comprises a first and a second optical waveguide 16a and 16b, and has a first and a second directional coupler 32L and 32R composed of the first and second optical waveguides arranged in parallel with each other, and an arm part 32C composed of the first and second optical waveguides intervening between the first and second directional couplers. The first and second directional couplers function as 3dB couplers in regard to input light, and include a first width taper part 16T1 at the first or the second optical waveguide in the first directional coupler, which narrows from a first width W1 to a second width W2, and a second width taper part 16T2 at the first or the second optical waveguide in the second directional coupler, which widens from the second width to the first width. The arm part gives a phase difference of (2m+z)π to the input light (where z satisfies 0<z<1).

Description

この発明は、1本の光ファイバを伝搬する波長の異なる2種の光により双方向通信を行うに当たり、発光素子から出力される光と、受光素子へと入力される光との合分波を行う光素子に関する。   In the present invention, when performing two-way communication using two types of light having different wavelengths propagating through one optical fiber, the combined demultiplexing of the light output from the light emitting element and the light input to the light receiving element is performed. It is related with the optical element to perform.

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)とを1本の光ファイバで行う光加入者系の通信システムにおいては、上り通信及び下り通信を異なる波長の光で行うことがある。この場合、局側及び加入者側の双方で、異なる波長の光を合分波する光素子(以下、光合分波素子とも称する。)が必要となる。   In an optical subscriber communication system in which optical transmission from the subscriber side to the station side (uplink communication) and optical transmission from the station side to the subscriber side (downlink communication) are performed with one optical fiber, Communication and downlink communication may be performed with light of different wavelengths. In this case, an optical element (hereinafter also referred to as an optical multiplexing / demultiplexing element) that multiplexes / demultiplexes light of different wavelengths is required on both the station side and the subscriber side.

光加入者系の通信システムで用いられる加入者側終端装置(ONU:Optical Network Unit)は、空間光学的に光軸合わせされた光合分波素子、発光素子及び受光素子を備えている。しかし、近年、光軸合わせの手間を軽減するために、光導波路により構成された光合分波素子が開発されている(例えば、特許文献1〜5参照)。この光導波路を用いた光合分波素子(以下、導波路型光素子とも称する。)では、光の伝搬経路を、予め作り込まれた光導波路内に限定するので、従来の光合分波素子におけるレンズやミラー等の光軸合わせが不要となる。さらに、導波路型光素子では、発光素子及び受光素子を、予め光合分波素子に作成されたマークを基準にして、光導波路の入出射端に位置合わせすればよい。そのため、発光素子及び受光素子に入出射される光ビームの厳密な光軸合わせの手間が大幅に省かれる。   2. Description of the Related Art A subscriber-side terminal unit (ONU: Optical Network Unit) used in an optical subscriber communication system includes an optical multiplexing / demultiplexing element, a light emitting element, and a light receiving element that are spatially optically optically aligned. However, in recent years, an optical multiplexing / demultiplexing element constituted by an optical waveguide has been developed in order to reduce the labor for aligning the optical axis (see, for example, Patent Documents 1 to 5). In the optical multiplexing / demultiplexing element using the optical waveguide (hereinafter also referred to as a waveguide type optical element), the light propagation path is limited to a pre-made optical waveguide. It is not necessary to align the optical axis of a lens or mirror. Further, in the waveguide type optical element, the light emitting element and the light receiving element may be aligned with the input / output end of the optical waveguide with reference to a mark previously created in the optical multiplexing / demultiplexing element. Therefore, the labor of strict optical axis alignment of the light beams entering and exiting the light emitting element and the light receiving element is greatly reduced.

近年、SiOを材料とするクラッドと、SiOとの屈折率差が大きなSiを材料とするコアとで光導波路(以下、Si光導波路とも称する。)を構成した導波路型光素子が報告されている(例えば、非特許文献1〜3参照)。 Recently, a cladding SiO 2 as a material, an optical waveguide with a core refractive index difference between the SiO 2 to a large Si and material (hereinafter, also referred to as Si optical waveguides.) Configuration and waveguide-type optical element is reported (For example, see Non-Patent Documents 1 to 3).

Si光導波路は、コアの屈折率がクラッドの屈折率よりも非常に大きいために、光を光導波路に強く閉じ込めることができる。また、この大きな屈折率差を利用して、光を1μm程度の小さい曲率半径で曲げる曲線状光導波路を実現することができる。さらに、製造時に、Si電子デバイスでの加工技術を利用できるために、きわめて微細なサブミクロンの断面構造を実現できる。これらのことから、Si光導波路を用いることで、導波路型光素子を小型化することができる。   Since the refractive index of the core of the Si optical waveguide is much larger than the refractive index of the cladding, light can be strongly confined in the optical waveguide. Further, by utilizing this large refractive index difference, a curved optical waveguide that bends light with a small radius of curvature of about 1 μm can be realized. Furthermore, since a processing technique using a Si electronic device can be used at the time of manufacturing, a very fine submicron cross-sectional structure can be realized. For these reasons, the waveguide type optical device can be miniaturized by using the Si optical waveguide.

Si光導波路を用いた導波路型光素子として、波長分離素子としても機能する1段のマッハツェンダ干渉計(以下、MZ干渉計とも称する。)が開示されている(例えば、非特許文献4参照)。この文献のMZ干渉計は、幅が徐々に変化する光導波路(以下、幅テーパ導波路とも称する。)により方向性結合器を構成している。その結果、文献のMZ干渉計は、光導波路の幅方向の寸法誤差(以下、幅誤差とも称する。)に対する耐性に優れており、また偏波無依存で動作する等の優れた特性を有している。   As a waveguide type optical element using a Si optical waveguide, a one-stage Mach-Zehnder interferometer (hereinafter also referred to as an MZ interferometer) that also functions as a wavelength separation element is disclosed (for example, see Non-Patent Document 4). . The MZ interferometer of this document constitutes a directional coupler by an optical waveguide whose width changes gradually (hereinafter also referred to as a width taper waveguide). As a result, the MZ interferometer in the literature is excellent in resistance to a dimensional error in the width direction of the optical waveguide (hereinafter also referred to as width error), and has excellent characteristics such as operation independent of polarization. ing.

Photonics Technology Letters vol.18,No.22,p.2392,2006年11月Photonics Technology Letters vol. 18, no. 22, p. 2392, November 2006 Photonics Technology Letters vol.20,No.23,p.1968,2008年12月Photonics Technology Letters vol. 20, no. 23, p. 1968, December 2008 Optics Express vol.18,No.23,p.23891,2010年11月Optics Express vol. 18, no. 23, p. 23891, November 2010 国際会議OFC2011予稿集、講演番号OThM3International Conference OFC 2011 Proceedings, Lecture Number OThM3

米国特許4860294号明細書U.S. Pat. No. 4,860,294 米国特許5764826号明細書US Pat. No. 5,764,826 米国特許5960135号明細書US Pat. No. 5,960,135 米国特許7072541号明細書US Pat. No. 7,072,541 特開平8−163028号公報JP-A-8-163028

しかし、より特性の優れた多段のMZ干渉計型の波長分離素子を、この方向性結合器により構成することはできなかった。それは、この方向性結合器の機能が3dBカプラに限られているためである。すなわち、多段のMZ干渉計型の波長分離素子では、個々のMZ干渉計に任意の分配率が求められる。つまり、3dBカプラとして機能する方向性結合器でMZ干渉計を構成した場合、分配比は1:0に限定されてしまうため、2個の出力ポートに任意の強度比で光を出力することができなかった。   However, a multi-stage MZ interferometer type wavelength separation element with better characteristics could not be constructed with this directional coupler. This is because the function of this directional coupler is limited to a 3 dB coupler. That is, in a multistage MZ interferometer type wavelength separation element, an arbitrary distribution ratio is required for each MZ interferometer. In other words, when the MZ interferometer is configured with a directional coupler that functions as a 3 dB coupler, the distribution ratio is limited to 1: 0, so light can be output to the two output ports at an arbitrary intensity ratio. could not.

この発明は、このような問題に鑑みなされた。従って、この発明では、方向性結合器型の3dBカプラを用いつつも、出力光を任意の比率で分配可能であり、それゆえ多段のMZ干渉計型の波長分離素子に用いることができるMZ干渉計としての光素子を得ることを目的とする。   The present invention has been made in view of such problems. Therefore, in the present invention, while using a directional coupler type 3 dB coupler, the output light can be distributed at an arbitrary ratio, and thus can be used for a multistage MZ interferometer type wavelength separation element. It aims at obtaining the optical element as a meter.

上述した目的の達成を図るために、発明者は鋭意検討の結果、方向性結合器のアーム部を構成する2本の導波路を伝搬する光に所定の位相差を発生させることに想到した。従って、この発明の光素子は、基板の主面側に設けられたクラッドと、クラッド中に設けられたコアとで構成された光導波路を備えている。そして、光導波路が第1及び第2光導波路を備え、これらの第1及び第2光導波路で、第1及び第2方向性結合器とアーム部とが構成されている。   In order to achieve the above-described object, the inventors have intensively studied and have come up with the idea that a predetermined phase difference is generated in the light propagating through the two waveguides constituting the arm portion of the directional coupler. Therefore, the optical element of the present invention includes an optical waveguide composed of a clad provided on the main surface side of the substrate and a core provided in the clad. The optical waveguide includes first and second optical waveguides, and the first and second optical waveguides constitute the first and second directional couplers and the arm portion.

第1及び第2方向性結合器は、それぞれ、光結合可能な距離だけ離間して互いに平行に配置した第1及び第2光導波路の部分を備える。アーム部は、第1及び第2方向性結合器間に介在する第1及び第2光導波路の部分で構成されている。   Each of the first and second directional couplers includes first and second optical waveguide portions arranged in parallel to each other at a distance allowing optical coupling. The arm portion is composed of portions of first and second optical waveguides interposed between the first and second directional couplers.

そして、第1及び第2方向性結合器は、第1波長λの第1光に対して3dBカプラとして機能する。さらに、第1方向性結合器を構成する第1又は第2光導波路に、光伝搬方向に垂直で主面に平行な方向に測った長さである幅が第1幅から、第1幅よりも小さい第2幅まで、光伝搬方向に沿って縮小する第1幅テーパ部が形成されている。同様に、第2方向性結合器を構成する第1又は第2光導波路に、幅が第2幅から、第1幅まで、光伝搬方向に沿って拡大する第2幅テーパ部が形成されている。 The first and second directional couplers function as a 3 dB coupler for the first light with the first wavelength λ 1 . Further, the first or second optical waveguide constituting the first directional coupler has a width measured in a direction perpendicular to the light propagation direction and parallel to the main surface from the first width to the first width. A first width taper portion that is reduced along the light propagation direction is formed to a smaller second width. Similarly, a second width taper portion whose width increases from the second width to the first width along the light propagation direction is formed in the first or second optical waveguide constituting the second directional coupler. Yes.

また、アーム部は、アーム部の第1及び第2光導波路を伝搬する第1光に対して、(2m+z)πの位相差(mは0以上の整数、zは0<z<1の実数)を与えるように構成される。   The arm unit has a phase difference of (2m + z) π with respect to the first light propagating through the first and second optical waveguides of the arm unit (m is an integer greater than or equal to 0, and z is a real number where 0 <z <1. ).

この発明の光素子は、方向性結合器のアーム部に所定の位相差を発生させるように構成している。その結果、この発明によれば、3dBカプラとして方向性結合器を用いつつも、出力光を任意の比率で分配可能であり、それゆえ多段のMZ干渉計型の波長分離素子に用いることができるMZ干渉計としての光素子が得られる   The optical element of the present invention is configured to generate a predetermined phase difference in the arm portion of the directional coupler. As a result, according to the present invention, output light can be distributed at an arbitrary ratio while using a directional coupler as a 3 dB coupler, and therefore can be used for a multi-stage MZ interferometer type wavelength separation element. An optical element as an MZ interferometer is obtained.

(A)は実施形態1の光素子の構造を概略的に示す平面図であり、(B)は第1方向性結合器の拡大平面図であり、(C)は第2方向性結合器の拡大平面図であり、(D)は(A)をA−A線に沿って切断した端面図である。(A) is a top view which shows roughly the structure of the optical element of Embodiment 1, (B) is an enlarged plan view of a 1st directional coupler, (C) is a 2nd directional coupler. It is an enlarged top view, (D) is the end elevation which cut | disconnected (A) along the AA line. (A)及び(B)は方向性結合器を伝搬する光の挙動を模式的に描いた模式図であり、(C)は実施形態1の光素子を伝搬する光の挙動を模式的に描いた模式図である。(A) and (B) are schematic diagrams schematically depicting the behavior of light propagating through a directional coupler, and (C) schematically depicts the behavior of light propagating through the optical element of Embodiment 1. It is a schematic diagram. 実施形態2の光素子の構造を概略的に示す平面図である。6 is a plan view schematically showing a structure of an optical element according to Embodiment 2. FIG. 実施形態2の光素子を伝搬する光の挙動を模式的に描いた模式図である。It is the schematic diagram which drew the behavior of the light which propagates the optical element of Embodiment 2 typically. (A)及び(B)は実施形態2の光素子の変形例の構造を模式的に示す平面図である。(A) And (B) is a top view which shows typically the structure of the modification of the optical element of Embodiment 2. FIG. 実施形態2の変形例の動作特性を示す特性図である。FIG. 11 is a characteristic diagram illustrating operation characteristics of a modified example of the second embodiment. 実施形態2の変形例の動作特性を示す特性図である。FIG. 11 is a characteristic diagram illustrating operation characteristics of a modified example of the second embodiment. 実施形態2の別の変形例の構造を模式的に示す平面図である。FIG. 10 is a plan view schematically showing the structure of another modification example of Embodiment 2. 実施形態3の光素子の構造を概略的に示す平面図である。6 is a plan view schematically showing the structure of an optical element according to Embodiment 3. FIG. 実施形態3の光素子の変形例の構造を模式的に示す平面図である。FIG. 10 is a plan view schematically showing the structure of a modification example of the optical element of Embodiment 3. 実施形態3の光素子の別の変形例の構造を模式的に示す平面図である。10 is a plan view schematically showing the structure of another modification of the optical element of Embodiment 3. FIG.

以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。なお、各図において各構成要素の形状、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。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each figure, the shape, size, and arrangement relationship of each component are schematically shown to the extent that the present invention can be understood. Moreover, although the preferable structural example of this invention is demonstrated hereafter, the material of each component, a numerical condition, etc. are only a suitable example. Therefore, the present invention is not limited to the following embodiments. Moreover, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to a common component and the description may be abbreviate | omitted.

[実施形態1]
以下、図1及び図2を参照して、実施形態1の光素子について説明する。図1(A)は、光素子の構造を概略的に示す平面図である。図1(B)は、第1方向性結合器の拡大平面図である。図1(C)は、第2方向性結合器の拡大平面図である。図1(D)は、図1(A)をA−A線に沿って切断した端面図である。図2(A)及び(B)は、方向性結合器を伝搬する光の挙動を模式的に描いた模式図である。図2(C)光素子を伝搬する光の挙動を模式的に描いた模式図である。なお、図1(A)において、光素子を構成するコア18は、クラッド12に覆われているために、直接目視することはできないが、強調のために実線で描いてある。また、図2(A)〜(C)においては、基板8及びクラッド12の描画を省略している。
[Embodiment 1]
Hereinafter, the optical element of Embodiment 1 will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1A is a plan view schematically showing the structure of the optical element. FIG. 1B is an enlarged plan view of the first directional coupler. FIG. 1C is an enlarged plan view of the second directional coupler. FIG. 1D is an end view of FIG. 1A cut along the line AA. 2A and 2B are schematic diagrams schematically illustrating the behavior of light propagating through the directional coupler. FIG. 2C is a schematic diagram schematically depicting the behavior of light propagating through the optical element. In FIG. 1A, the core 18 constituting the optical element is covered with the clad 12 and thus cannot be directly observed, but is drawn with a solid line for emphasis. 2A to 2C, drawing of the substrate 8 and the clad 12 is omitted.

(構造)
図1(A)〜(D)を参照して、光素子10の構造について説明する。光素子10は、クラッド12とコア18とで構成される光導波路11を備えている。光導波路11はMZ干渉計32を備えている。光導波路11は、さらに、任意的な要素として入力部24と出力部26とを備えている。
(Construction)
The structure of the optical element 10 will be described with reference to FIGS. The optical element 10 includes an optical waveguide 11 composed of a clad 12 and a core 18. The optical waveguide 11 includes an MZ interferometer 32. The optical waveguide 11 further includes an input unit 24 and an output unit 26 as optional elements.

クラッド12は、基板8の主面8a側に一様な厚みで延在する膜体である。より詳細には、クラッド12は、主面8a上に設けられており、内部に包含したコア18とともに、光導波路11を構成している。   The clad 12 is a film body that extends to the main surface 8 a side of the substrate 8 with a uniform thickness. More specifically, the clad 12 is provided on the main surface 8a and constitutes the optical waveguide 11 together with the core 18 included therein.

以降、光素子の方向及び寸法に関して、光伝搬方向に垂直かつ主面8aに平行な方向を「幅方向」と称し、幅方向に沿って測った長さを「幅」と称する。また、主面8aに垂直な方向を「厚み方向」と称し、厚み方向に沿って測った長さを「厚み」と称する。同様に、光伝搬方向に沿って測った幾何学的長さを「長さ」と称する。また、所定の構造体の光伝搬方向に垂直な断面のことを「横断面」と称する。   Hereinafter, regarding the direction and dimensions of the optical element, a direction perpendicular to the light propagation direction and parallel to the main surface 8a is referred to as a “width direction”, and a length measured along the width direction is referred to as a “width”. A direction perpendicular to the main surface 8a is referred to as a “thickness direction”, and a length measured along the thickness direction is referred to as a “thickness”. Similarly, the geometric length measured along the light propagation direction is referred to as “length”. A section perpendicular to the light propagation direction of a predetermined structure is referred to as a “cross section”.

クラッド12を構成する材料は、例えば、屈折率が約1.44のSiOとする。クラッド12の厚みは約3μmとする。そして、主面8aからの距離が約1.5μmの深さにコア18が配置されている。基板8への不所望な光の結合を防ぐためには、コア18と基板8との間に1μm以上の厚みのクラッド12を介在させることが好ましい。基板8は、例えば、Siを材料とする。 The material constituting the clad 12 is, for example, SiO 2 having a refractive index of about 1.44. The thickness of the clad 12 is about 3 μm. The core 18 is arranged at a depth of about 1.5 μm from the main surface 8a. In order to prevent undesired coupling of light to the substrate 8, it is preferable to interpose a cladding 12 having a thickness of 1 μm or more between the core 18 and the substrate 8. The substrate 8 is made of Si, for example.

コア18は、クラッド12の屈折率よりも40%以上大きな屈折率を有する材料で形成されている。この実施形態に示す例では、コア18は、屈折率が約3.5のSiとする。   The core 18 is formed of a material having a refractive index that is 40% or more larger than the refractive index of the cladding 12. In the example shown in this embodiment, the core 18 is made of Si having a refractive index of about 3.5.

光導波路11を構成する、入力部24、MZ干渉計32及び出力部26は、この順序で接続されている。より詳細には、入力部24の入力用光導波路24aは、MZ干渉計32の第1光導波路16aの入力端IN16aに接続されている。MZ干渉計32の第1光導波路16aの出力端OUT16aは、出力部26の第1出力用光導波路26aに接続されている。MZ干渉計32の第2光導波路16bの出力端OUT16bは、出力部26の第2出力用光導波路26bに接続されている。   The input unit 24, the MZ interferometer 32, and the output unit 26 constituting the optical waveguide 11 are connected in this order. More specifically, the input optical waveguide 24a of the input unit 24 is connected to the input end IN16a of the first optical waveguide 16a of the MZ interferometer 32. The output end OUT16a of the first optical waveguide 16a of the MZ interferometer 32 is connected to the first output optical waveguide 26a of the output unit 26. The output end OUT16b of the second optical waveguide 16b of the MZ interferometer 32 is connected to the second output optical waveguide 26b of the output unit 26.

光導波路11は、全ての構成要素を断面矩形状のチャネル型導波路とする。また、光導波路11は、全ての構成要素の厚みD1を300nmとする。また、後述する第1及び第2方向性結合器32L及び32Rを除いて、光導波路11は、構成要素の幅Wを300nmとする。このように、第1及び第2方向性結合器32L及び32Rを除く光導波路11の構成要素の横断面形状を幅300nm及び厚み300nmの正方形状とすることにより、第1及び第2方向性結合器32L及び32Rを除く光導波路11の構成要素を偏波無依存にすることができる。   In the optical waveguide 11, all the components are channel-type waveguides having a rectangular cross section. Moreover, the optical waveguide 11 sets thickness D1 of all the components to 300 nm. Further, except for first and second directional couplers 32L and 32R described later, the optical waveguide 11 has a component width W of 300 nm. As described above, the first and second directional couplings are obtained by making the cross-sectional shape of the components of the optical waveguide 11 excluding the first and second directional couplers 32L and 32R into a square shape having a width of 300 nm and a thickness of 300 nm. The components of the optical waveguide 11 excluding the devices 32L and 32R can be made polarization independent.

光導波路11を構成する入力部24は、入力用光導波路24aとダミー導波路24bとを備えている。入力用光導波路24aの一端は、クラッド12の側面から露出している。この一端から第1波長λの第1光Lt1が入力される。入力用光導波路24aの他端は、MZ干渉計32を構成する第1光導波路16aに接続されている。ダミー導波路24bは、一端部がクラッド12の側面から露出しており、他端部が第2光導波路16bに接続されている。ダミー導波路24bは、実質的に光素子10の動作には関係しない。 The input unit 24 constituting the optical waveguide 11 includes an input optical waveguide 24a and a dummy waveguide 24b. One end of the input optical waveguide 24 a is exposed from the side surface of the clad 12. First light Lt1 of the first wavelength lambda 1 is inputted from one end. The other end of the input optical waveguide 24 a is connected to the first optical waveguide 16 a constituting the MZ interferometer 32. One end of the dummy waveguide 24b is exposed from the side surface of the clad 12, and the other end is connected to the second optical waveguide 16b. The dummy waveguide 24b is not substantially related to the operation of the optical element 10.

光導波路11を構成するMZ干渉計32は、第1光導波路16aの入力端IN16aに入力された第1光Lt1を、第1及び第2光導波路16a及び16bの出力端OUT16a及びOUT16bから、任意の分配比で出力する。より詳細には、アーム部32Cにおいて第1光Lt1に生じさせる位相差φに応じた分配比で、第1光Lt1を出力端OUT16a及びOUT16bに分配して出力させる。なお、分配比とは、入力された光が、x:(1−x)(ただし、xは0<x<1)の強度比で2個の出力ポートからそれぞれ出力されるときのxのことを示す。なお、MZ干渉計32が3dBカプラとして機能する場合の分配比xは0.5となる。   The MZ interferometer 32 that constitutes the optical waveguide 11 can arbitrarily input the first light Lt1 input to the input end IN16a of the first optical waveguide 16a from the output ends OUT16a and OUT16b of the first and second optical waveguides 16a and 16b. Is output at a distribution ratio of. More specifically, the first light Lt1 is distributed and output to the output terminals OUT16a and OUT16b at a distribution ratio corresponding to the phase difference φ generated in the first light Lt1 in the arm portion 32C. The distribution ratio is x when the input light is output from each of the two output ports at an intensity ratio of x: (1-x) (where x is 0 <x <1). Indicates. The distribution ratio x when the MZ interferometer 32 functions as a 3 dB coupler is 0.5.

MZ干渉計32は、構造的には、並列された2本の光導波路である第1及び第2光導波路16a及び16bで構成されている。また、機能的には、第1及び第2光導波路16a及び16bにより形成された、第1及び第2方向性結合器32L及び32Rと、アーム部32Cとを備えている。   The MZ interferometer 32 is structurally composed of first and second optical waveguides 16a and 16b which are two optical waveguides arranged in parallel. Functionally, it includes first and second directional couplers 32L and 32R formed by first and second optical waveguides 16a and 16b, and an arm portion 32C.

MZ干渉計32の構造的要素である第1光導波路16aは、2個の第1直線部16aL及び16aRと、第1湾曲部16aCとを備えている。第1湾曲部16aCは、これら第1直線部16aL及び16aR間に介在している。第2光導波路16bは、2個の第2直線部16bL及び16bRと、第2湾曲部16bCとを備えている。第2湾曲部16bCは、これら第2直線部16bL及び16bR間に介在している。なお、以下の記載において、特に断らない限り、「第g直線部」又は「第g湾曲部」(g=1又は2)とは、第g直線部又は第g湾曲部を構成する第h光導波路(h=1又は2)の部分領域を示す。   The first optical waveguide 16a, which is a structural element of the MZ interferometer 32, includes two first linear portions 16aL and 16aR and a first bending portion 16aC. The first curved portion 16aC is interposed between the first straight portions 16aL and 16aR. The second optical waveguide 16b includes two second linear portions 16bL and 16bR and a second bending portion 16bC. The second bending portion 16bC is interposed between the second straight portions 16bL and 16bR. In the following description, unless otherwise specified, the “g-th straight part” or “g-th curved part” (g = 1 or 2) means the h-th light beam constituting the g-th straight part or the g-th curved part. A partial region of the waveguide (h = 1 or 2) is shown.

MZ干渉計32の機能的要素である第1方向性結合器32L、アーム部32C及び第2方向性結合器32Rは、この順序で直列に配置されている。第1方向性結合器32Lは、第1及び第2直線部16aL及び16bLで構成されている。また、第2方向性結合器32Rは、第1及び第2直線部16aR及び16bRで構成されている。同様に、アーム部32Cは、第1及び第2湾曲部16aC及び16bCで構成されている。   The first directional coupler 32L, the arm part 32C, and the second directional coupler 32R, which are functional elements of the MZ interferometer 32, are arranged in series in this order. The first directional coupler 32L includes first and second straight portions 16aL and 16bL. The second directional coupler 32R includes first and second straight portions 16aR and 16bR. Similarly, the arm portion 32C includes first and second bending portions 16aC and 16bC.

第1方向性結合器32Lは、光結合可能な距離だけ離間して互いに並列した第1及び第2直線部16aL及び16bLで構成されている。第1直線部16aLには、幅が第1幅W1から第2幅W2(<W1)まで、光伝搬方向に沿って縮小する第1幅テーパ部16T1が形成されている。より詳細には、第1幅テーパ部16T1は、入力部24からアーム部32Cに向かうに従って、等脚台形状に幅が縮小していく。第2直線部16bLは、幅が第3幅W3であり、第1幅テーパ部16T1との間に一定の間隔Spを空けて配置されている。つまり、第2直線部16bLの側面と、第1幅テーパ部16T1の側面とは平行である。   The first directional coupler 32L includes first and second linear portions 16aL and 16bL that are separated from each other by a distance that allows optical coupling and are parallel to each other. The first straight portion 16aL is formed with a first width taper portion 16T1 whose width decreases from the first width W1 to the second width W2 (<W1) along the light propagation direction. More specifically, the width of the first width taper portion 16T1 is reduced to an isosceles trapezoidal shape from the input portion 24 toward the arm portion 32C. The second straight portion 16bL has a third width W3, and is disposed with a constant interval Sp between the second straight portion 16bL and the first width tapered portion 16T1. That is, the side surface of the second linear portion 16bL and the side surface of the first width taper portion 16T1 are parallel.

第2方向性結合器32Rは、光結合可能な距離だけ離間して互いに並列した第1及び第2直線部16aR及び16bRで構成されている。第2直線部16bRには、幅が第2幅W2から第1幅W1まで、光伝搬方向に沿って拡大する第2幅テーパ部16T2が形成されている。より詳細には、第2幅テーパ部16T2は、アーム部32Cから出力部26に向かうに従って、第1幅テーパ部16T1と等しい等脚台形状に幅が拡大していく。第1直線部16aRは、幅が第3幅W3であり、第2幅テーパ部16T2との間に一定の間隔Spを空けて配置されている。   The second directional coupler 32R includes first and second linear portions 16aR and 16bR that are separated from each other by a distance that allows optical coupling and are parallel to each other. The second linear portion 16bR is formed with a second width taper portion 16T2 whose width increases from the second width W2 to the first width W1 along the light propagation direction. More specifically, the width of the second width taper portion 16T2 expands into an isosceles trapezoidal shape equal to the first width taper portion 16T1 as it goes from the arm portion 32C to the output portion 26. The first straight portion 16aR has a third width W3, and is disposed with a constant interval Sp between the first straight portion 16aR and the second width tapered portion 16T2.

詳しくは(動作)の項で後述するが、第1及び第2方向性結合器32L及び32Rは、第1光Lt1に関して、偏波無依存な3dBカプラとして機能する。つまり、第1直線部16aLに入力された第1光Lt1は、第1方向性結合器32Lより、第1及び第2直線部16aL及び16bLにパワーが等分配されて、両直線部16aL及び16bLから1:1の分配比で出力される。第2方向性結合器32Rも同様にして、第1直線部16aRから入力された第1光Lt1を、第1及び第2直線部16aR及び16bRから1:1の分配比で出力させる。   Although details will be described later in the section of (Operation), the first and second directional couplers 32L and 32R function as a polarization-independent 3 dB coupler with respect to the first light Lt1. That is, the first light Lt1 input to the first straight line portion 16aL is equally distributed from the first directional coupler 32L to the first and second straight line portions 16aL and 16bL, so that both the straight line portions 16aL and 16bL. Is output at a distribution ratio of 1: 1. Similarly, the second directional coupler 32R outputs the first light Lt1 input from the first linear portion 16aR from the first and second linear portions 16aR and 16bR at a distribution ratio of 1: 1.

第1及び第2幅テーパ部16T1及び16T2において、第1幅W1は、約360nmとする。また、第2幅W2は、約320nmとする。また、第3幅W3は、約320nmとする。また、第1幅テーパ部16T1と第2直線部16bLとの間の側面間の間隔Sp、及び第2幅テーパ部16T2と第1直線部16aRとの間の側面間の間隔Spは、互いに等しく、約410nmとする。また、第1及び第2幅テーパ部16T1及び16T2の全長L1、すなわち第1及び第2方向性結合器32L及び32Rの長さは、例えば約100μmとする。   In the first and second width taper portions 16T1 and 16T2, the first width W1 is about 360 nm. The second width W2 is about 320 nm. The third width W3 is about 320 nm. Further, the interval Sp between the side surfaces between the first width taper portion 16T1 and the second linear portion 16bL and the interval Sp between the side surfaces between the second width taper portion 16T2 and the first linear portion 16aR are equal to each other. About 410 nm. The total length L1 of the first and second width taper portions 16T1 and 16T2, that is, the lengths of the first and second directional couplers 32L and 32R are, for example, about 100 μm.

アーム部32Cは、並列された第1及び第2湾曲部16aC及び16bCで構成されている。アーム部32Cは、第1及び第2光導波路16aC及び16bCを伝搬後の第1光Lt1に与える位相差φを(2m+z)π(mは0以上の整数、zは0<z<1の実数)とする条件(以下、位相差条件とも称する。)を満足するように構成されている。つまり、アーム部32Cは、第1光Lt1に対して、0より大きくπ未満の位相差φを付与するように構成されている。   The arm portion 32C includes first and second bending portions 16aC and 16bC arranged in parallel. The arm portion 32C has a phase difference φ given to the first light Lt1 after propagating through the first and second optical waveguides 16aC and 16bC as (2m + z) π (m is an integer greater than or equal to 0, and z is a real number where 0 <z <1. ) (Hereinafter also referred to as a phase difference condition). That is, the arm portion 32C is configured to give a phase difference φ greater than 0 and less than π to the first light Lt1.

MZ干渉計32を伝搬する第1光Lt1に関する干渉条件は、φ=2mπ及びφ=(2m+1)πで与えられる。これらの2式は、第1光Lt1に付与される位相差φが2mπ又は(2m+1)πに等しい場合に、上述の分配比xが0又は1となることを表している。つまり、位相差φが2mπの場合が分配比x=0に対応し、第1光Lt1は出力端OUT16bのみから出力される。一方、位相差φが(2m+1)πの場合が分配比x=1に対応し、第1光Lt1は出力端OUT16aのみから出力される。   The interference conditions regarding the first light Lt1 propagating through the MZ interferometer 32 are given by φ = 2mπ and φ = (2m + 1) π. These two expressions indicate that the above-described distribution ratio x is 0 or 1 when the phase difference φ imparted to the first light Lt1 is equal to 2mπ or (2m + 1) π. That is, the case where the phase difference φ is 2 mπ corresponds to the distribution ratio x = 0, and the first light Lt1 is output only from the output end OUT16b. On the other hand, the case where the phase difference φ is (2m + 1) π corresponds to the distribution ratio x = 1, and the first light Lt1 is output only from the output end OUT16a.

ところで、位相差φが2mπに等しいとは、上述の位相差条件でz=0の場合に対応し、位相差φが(2m+1)πに等しいとは、位相差条件でz=1の場合に対応する。このことより、発明者は、zを0<z<1とすることで、第1光Lt1に与える位相差φを2mπ<φ<(2m+1)πとできることに想到した。これにより、3dBカプラである第1及び第2方向性結合器32L及び32Rを用いているにも関わらず、光素子10は、第1光Lt1を任意の分配比xで出力できる。   By the way, the phase difference φ is equal to 2mπ corresponds to the case where z = 0 in the above phase difference condition, and the phase difference φ is equal to (2m + 1) π when the phase difference condition is z = 1. Correspond. Accordingly, the inventor has conceived that the phase difference φ given to the first light Lt1 can be set to 2mπ <φ <(2m + 1) π by setting z to 0 <z <1. As a result, the optical element 10 can output the first light Lt1 at an arbitrary distribution ratio x even though the first and second directional couplers 32L and 32R, which are 3 dB couplers, are used.

詳しくは後述するが、この実施形態では、第1光Lt1は、対称モード光及び反対称モード光としてアーム部32Cを伝搬する。従って、位相差φを付与することで、対称モード光の一部は、位相差φに応じた比率で反対称モード光に変換される。同様に、反対称モード光の一部も、位相差φに応じた比率で対称モード光に変換される。よって、第1光Lt1は、アーム部32Cを伝搬後に強度比がxの反対称モード光と、強度比が(1−x)の対称モード光との混合光として出力される。なお、以降、対称モード光及び反対称モード光の両者を総称して、両モード光とも称する。   As will be described in detail later, in this embodiment, the first light Lt1 propagates through the arm portion 32C as symmetric mode light and antisymmetric mode light. Therefore, by providing the phase difference φ, a part of the symmetric mode light is converted into antisymmetric mode light at a ratio corresponding to the phase difference φ. Similarly, a part of the antisymmetric mode light is also converted into symmetric mode light at a ratio corresponding to the phase difference φ. Therefore, the first light Lt1 is output as a mixed light of the antisymmetric mode light having the intensity ratio x and the symmetric mode light having the intensity ratio (1-x) after propagating through the arm portion 32C. Hereinafter, both symmetric mode light and antisymmetric mode light are collectively referred to as both mode light.

第1光Lt1に対して、2mπ<φ<(2m+1)πの位相差φを発生させるために、光素子10では、アーム部32Cを構成する第1及び第2湾曲部16aC及び16bCの光路長を異ならせている。なお、「光路長」とは、一般に、光導波路の幾何学的な長さPを、ある波長の光が感じる光導波路の等価屈折率qで補正した光学的な長さのことを示す。光路長をSとすると、S,P及びqの間には、下記式(1)が成り立つ。
S=P×q・・・(1)
In order to generate the phase difference φ of 2mπ <φ <(2m + 1) π with respect to the first light Lt1, in the optical element 10, the optical path lengths of the first and second bending portions 16aC and 16bC constituting the arm portion 32C Are different. The “optical path length” generally indicates an optical length obtained by correcting the geometric length P of the optical waveguide with the equivalent refractive index q of the optical waveguide that the light of a certain wavelength senses. When the optical path length is S, the following formula (1) is established between S, P, and q.
S = P × q (1)

ここで、第1湾曲部16aCの光路長をSaとし、第2湾曲部16bCの光路長をSbとする。また、第1及び第2湾曲部16aC及び16bC間の光路長差(Sa−Sb)を、ΔSとする。ところで、位相差φと光路長差ΔSとの間には、2πΔS/λ=φが成り立つので、位相差条件から、ΔSは下記式(2)が成立するように設定すればよい。
2ΔS/λ=2m+z・・・(2)
Here, the optical path length of the first bending portion 16aC is Sa, and the optical path length of the second bending portion 16bC is Sb. Further, the optical path length difference between the first and second curved portions 16aC and 16bC a (Sa-Sb), and [Delta] S 1. By the way, since 2πΔS 1 / λ 1 = φ holds between the phase difference φ and the optical path length difference ΔS 1 , ΔS 1 may be set so that the following formula (2) is satisfied from the phase difference condition. .
2ΔS 1 / λ 1 = 2m + z (2)

なお、第1及び第2湾曲部16aC及び16bCの長さは、式(2)から求まるΔSと、第1光Lt1に関する第1及び第2湾曲部16aC及び16bCの等価屈折率とから、式(1)により求めればよい。 Incidentally, the lengths of the first and second bending portions 16aC and 16bC has a [Delta] S 1 obtained from Equation (2), the first and second curved portions 16aC and 16bC equivalent refractive index of about the first light Lt1, wherein What is necessary is just to obtain | require by (1).

再び、光導波路11の構成の説明に戻ると、出力部26は、第1出力用光導波路26aと第2出力用光導波路26bとを備えている。第1出力用光導波路26aの一端は、第2方向性結合器32Rの第1直線部16aRに接続されている。第2出力用光導波路26bの一端は、第2方向性結合器32Rの第2直線部16bRに接続されている。第1及び第2出力用光導波路26a及び26bからは、それぞれ、x:(1−x)の分配比で第1光Lt1が出力される。   Returning to the description of the configuration of the optical waveguide 11 again, the output unit 26 includes a first output optical waveguide 26a and a second output optical waveguide 26b. One end of the first output optical waveguide 26a is connected to the first linear portion 16aR of the second directional coupler 32R. One end of the second output optical waveguide 26b is connected to the second linear portion 16bR of the second directional coupler 32R. The first light Lt1 is output from the first and second output optical waveguides 26a and 26b at a distribution ratio of x: (1-x), respectively.

なお、この実施形態では、アーム部32Cを構成する第1及び第2湾曲部16aC及び16bCの長さの差を128nmとする。これは位相差条件で、mを0とし及びzを1/2とする場合に対応し、これによりπ/2の位相差φを発生させる。このときの分配比xは0.5である。   In this embodiment, the difference in length between the first and second bending portions 16aC and 16bC constituting the arm portion 32C is set to 128 nm. This corresponds to a phase difference condition where m is 0 and z is 1/2, thereby generating a phase difference φ of π / 2. The distribution ratio x at this time is 0.5.

(動作)
以下、光素子10の動作について説明する。光素子10の全体動作の説明に先立ち、まず、図2(A)及び(B)を参照して、第1及び第2方向性結合器32L及び32R単独の動作について説明する。ところで、第1及び第2方向性結合器32L及び32Rは、構造に形式的な違いがあるが、実質的に等しく動作する。そこで、以下において、両方向性結合器32L及び32Rの代表として、第1方向性結合器32Lと同様に構成された方向性結合器32Aを用いて説明する。
(Operation)
Hereinafter, the operation of the optical element 10 will be described. Prior to the description of the overall operation of the optical element 10, the operation of the first and second directional couplers 32L and 32R alone will be described with reference to FIGS. 2 (A) and 2 (B). By the way, the first and second directional couplers 32L and 32R operate substantially equally although there is a formal difference in structure. Therefore, hereinafter, as a representative of the bidirectional couplers 32L and 32R, a description will be given using a directional coupler 32A configured similarly to the first directional coupler 32L.

一般に、方向性結合器32Aのように、幅テーパ導波路を構成要素とする方向性結合器(以下、幅テーパ方向性結合器とも称する。)では、光を入力した光導波路に応じて、光の伝搬モードが、対称モード又は反対称モードへと偏波無依存で分離されることが知られている。   In general, in a directional coupler having a width taper waveguide as a constituent element (hereinafter also referred to as a width taper directional coupler), such as the directional coupler 32A, the light depends on the optical waveguide to which light is input. Are known to be separated into a symmetric mode or an anti-symmetric mode in a polarization-independent manner.

すなわち、図2(A)に示すように、第1幅テーパ部16Tを備えた第1光導波路16aの入力端IN16aから光LtIN1が入力された場合、幅テーパ導波路の作用により、出力側OUT16に、両光導波路16a及び16bに跨って分布する対称モード光LtOUT1が励起される。この対称モード光LtOUT1が、光結合しない間隔で配置された2本の光導波路、例えば、アーム部等に出力される場合、これらの光導波路に等しい強度で分配される。つまり、光LtIN1に関して、方向性結合器32Aは3dBカプラとして機能する。   That is, as shown in FIG. 2A, when the light LtIN1 is input from the input end IN16a of the first optical waveguide 16a having the first width tapered portion 16T, the output side OUT16 is caused by the action of the width tapered waveguide. Furthermore, the symmetric mode light LtOUT1 distributed across both the optical waveguides 16a and 16b is excited. When this symmetric mode light LtOUT1 is output to two optical waveguides arranged at intervals not optically coupled, such as an arm portion, it is distributed with equal intensity to these optical waveguides. That is, for the light LtIN1, the directional coupler 32A functions as a 3 dB coupler.

同様に、図2(B)に示すように、幅が変化しない第2光導波路16bの入力端IN16bに光LtIN2が入力された場合、幅テーパ導波路の作用により、出力側OUT16に、両光導波路16a及び16bに跨って分布する反対称モード光LtOUT2が励起される。この反対称モード光LtOUT2も、光結合しない間隔で配置された2本の光導波路に出力される場合、これらの光導波路に等しい強度で分配される。つまり、光LtIN2に関しても、方向性結合器32Aは3dBカプラとして機能する。これらより、方向性結合器32Aは、入力端IN16a及びIN16bから入力された光に関して3dBカプラとして機能する。   Similarly, as shown in FIG. 2B, when the light LtIN2 is input to the input end IN16b of the second optical waveguide 16b whose width does not change, both optical signals are input to the output side OUT16 by the action of the width taper waveguide. The antisymmetric mode light LtOUT2 distributed across the waveguides 16a and 16b is excited. When the antisymmetric mode light LtOUT2 is also output to the two optical waveguides arranged at intervals not optically coupled, they are distributed with equal intensity to these optical waveguides. That is, the directional coupler 32A functions as a 3 dB coupler also for the light LtIN2. Accordingly, the directional coupler 32A functions as a 3 dB coupler with respect to light input from the input ends IN16a and IN16b.

方向性結合器32Aの両入力端IN16a及びIN16bの両者に光LtIN1及びLtIN2が同時に入力された場合、方向性結合器32Aの出力側OUT16には、対称モード光LtOUT1と反対称モード光LtOUT2の混合光が励起される。ここで、出力側OUT16に励起される対称モード光LtOUT1と反対称モード光LtOUT2の強度比は、光LtIN1と光LtIN2の強度比に等しくなる。   When the lights LtIN1 and LtIN2 are simultaneously input to both input terminals IN16a and IN16b of the directional coupler 32A, the symmetric mode light LtOUT1 and the antisymmetric mode light LtOUT2 are mixed at the output side OUT16 of the directional coupler 32A. Light is excited. Here, the intensity ratio between the symmetric mode light LtOUT1 and the antisymmetric mode light LtOUT2 excited on the output side OUT16 is equal to the intensity ratio between the light LtIN1 and the light LtIN2.

一般に、光の伝搬に関しては、逆過程が成り立つ。よって、出力側OUT16側から、両光導波路16a及び16bに跨るように対称モード光LtOUT1と反対称モード光LtOUT2との混合光が入力された場合、対称モード光LtOUT1は、幅テーパ部16Tを有する第1光導波路16aに光を集中し、光LtIN1として入力端IN16aから出力される。また、反対称モード光LtOUT2は、等幅の光導波路である第2光導波路16bに光を集中し、光LtIN2として入力端IN16bから出力される。なお、入力された対称モード光LtOUT1と反対称モード光LtOUT2の強度比がx:(1−x)の場合、出力される光LtIN1と光LtIN2の強度比もx:(1−x)となる。   In general, the reverse process holds for light propagation. Therefore, when the mixed light of the symmetric mode light LtOUT1 and the antisymmetric mode light LtOUT2 is input from the output side OUT16 side so as to straddle both the optical waveguides 16a and 16b, the symmetric mode light LtOUT1 has the width taper portion 16T. The light is concentrated on the first optical waveguide 16a and output as light LtIN1 from the input end IN16a. Further, the antisymmetric mode light LtOUT2 concentrates the light on the second optical waveguide 16b, which is an equal-width optical waveguide, and is output from the input terminal IN16b as the light LtIN2. When the intensity ratio between the input symmetric mode light LtOUT1 and the antisymmetric mode light LtOUT2 is x: (1-x), the intensity ratio between the output light LtIN1 and the light LtIN2 is also x: (1-x). .

以上を踏まえて、図2(C)を参照しながら、光素子10の全体動作を説明する。   Based on the above, the overall operation of the optical element 10 will be described with reference to FIG.

入力部24に入力された第1光Lt1は、入力用光導波路24aを伝搬して第1方向性結合器32Lの第1直線部16aLに、光Lt1として入力される。 First light Lt1 input to the input unit 24, the first linear portion 16aL of the first directional coupler 32L propagates through the input optical waveguides 24a, is inputted as a light Lt1 1.

第1方向性結合器32Lは幅テーパ方向性結合器なので、第1直線部16aLに入力された光Lt1は、上述したように、出力側で対称モード光である光Lt1を励起する。 Since the first directional coupler 32L is width tapered directional coupler, light Lt1 1 is input to the first linear portion 16AL, as described above, to excite the light Lt1 2 is a symmetric mode light output side.

第1方向性結合器32Lは、3dBカプラとして機能するので、このようにして励起された光Lt1は、アーム部32Cを構成する第1及び第2湾曲部16aC及び16bCのそれぞれに等分配される。アーム部32Cを構成する第1及び第2湾曲部16aC及び16bCの光路長差ΔSは、上述のように設定されている。よって、アーム部32Cで与えられる位相差φにより、アーム部32Cを伝搬後の光Lt1は、対称モード光と反対称モード光との混合光である光Lt1となる。位相差φは上述のように設定されているので、光Lt1に含まれる対称モード光と反対称モード光との強度比は分配比に等しく、(反対称モード):(対称モード)=x:(1−x)となる。 The first directional coupler 32L, so functions as 3dB couplers, light Lt1 2 excited in this way, it is equally distributed to each of the first and second curved portions 16aC and 16bC which constitute the arm portion 32C The The optical path length difference ΔS 1 between the first and second bending portions 16aC and 16bC constituting the arm portion 32C is set as described above. Therefore, the phase difference φ given by the arm portion 32C, light Lt1 2 after propagating arm portion 32C is a light Lt1 3 is a mixed light of the symmetric mode light and the antisymmetric mode light. Since the phase difference φ is set as described above, the intensity ratio between the symmetric mode light and the antisymmetric mode light included in the light Lt1 3 is equal to the distribution ratio, and (antisymmetric mode) :( symmetric mode) = x : (1-x).

続いて、光Lt1は、第2方向性結合器32Rに入力される。第2方向性結合器32Rは第1方向性結合器32Lと同様に構成された幅テーパ方向性結合器である。そのため、光Lt1に含まれる対称モード光は、第2幅テーパ部16T2を備える第2直線部16bRへと強度を集中し、分配比(1−x)の光Lt1として第2出力用光導波路26bからクロス状態で出力される。同様に、第1光Lt1に含まれる反対称モード光は、第1直線部16aRへと強度を集中し、分配比xの光Lt1として第1出力用光導波路26aからバー状態で出力される。 Subsequently, the light Lt1 3 is input to the second directional coupler 32R. The second directional coupler 32R is a width-tapered directional coupler configured similarly to the first directional coupler 32L. Therefore, symmetric mode light contained in the light Lt1 the intensity to the second linear portion 16bR having a second width tapered portions 16T2 concentrated, the distribution ratio (1-x) of the second output optical waveguide as the light Lt1 5 26b is output in a cross state. Similarly, antisymmetric mode light contained in the first light Lt1 3 the intensity to the first straight portion 16aR concentrated, is output in the bar state from the first output optical waveguide 26a as a light Lt1 4 distribution ratio x The

ここで、「クロス状態で出力」とは、入力端IN16aから入力された光が、第2光導波路16bにパワーが移行し、出力端OUT16bから出力されることを意味する。また、「バー状態で出力」とは、入力端IN16aから入力された光が、第2光導波路16bへのパワー移行が発生せず、出力端OUT16aから出力されることを意味する。   Here, “output in the cross state” means that the light input from the input end IN16a has its power transferred to the second optical waveguide 16b and is output from the output end OUT16b. Further, “output in the bar state” means that light input from the input end IN16a is output from the output end OUT16a without causing power transfer to the second optical waveguide 16b.

上述した光素子10の動作は、数学的には伝達マトリクスにより説明できる。すなわち、入力端IN16aのみに入力される第1光Lt1をマトリクス表示すると、下記式(3)で表される。なお、第2直線部16bLのみに第1光Lt1が入力される場合には、下記式(3)の0と1とを入れ替えたマトリクスで表される。   The operation of the optical element 10 described above can be mathematically explained by a transfer matrix. That is, when the first light Lt1 input only to the input terminal IN16a is displayed in a matrix, it is expressed by the following formula (3). In addition, when the 1st light Lt1 is input only into the 2nd linear part 16bL, it represents with the matrix which replaced 0 and 1 of following formula (3).

このとき、第1方向性結合器32Lの伝達マトリクスは、下記式(4)で表される。   At this time, the transmission matrix of the first directional coupler 32L is expressed by the following formula (4).

また、アーム部32Cの伝達マトリクスは、下記式(5)で表される。   Further, the transmission matrix of the arm portion 32C is represented by the following formula (5).

よって、MZ干渉計32全体としての動作は、式(4)及び(5)を用いて、下記式(6)として表される。   Therefore, the operation of the MZ interferometer 32 as a whole is expressed as the following equation (6) using equations (4) and (5).

式(6)は、MZ干渉計32が、第1光Lt1に関して、位相差φの値に応じて分配比xを変化可能であることを示している。例えば、位相差φがπ/2の場合には、式(6)から、下記式(7)が得られる。   Expression (6) indicates that the MZ interferometer 32 can change the distribution ratio x in accordance with the value of the phase difference φ with respect to the first light Lt1. For example, when the phase difference φ is π / 2, the following equation (7) is obtained from the equation (6).

式(7)は、位相差φがπ/2の場合には、第1光Lt1に関して、MZ干渉計32が3dBカプラとして機能することを示している。   Expression (7) indicates that when the phase difference φ is π / 2, the MZ interferometer 32 functions as a 3 dB coupler for the first light Lt1.

なお、上述のように、第1及び第2方向性結合器32L及び32Rを除く光導波路11は、第1光Lt1に関して偏波無依存で動作する。また、上述のように、第1及び第2方向性結合器32L及び32Rも第1光Lt1に関して偏波無依存で動作する。よって、光素子10は第1光Lt1に関して偏波無依存で動作する。つまり、第1光Lt1のTE偏波成分とTM偏波成分とは、分配比xが等しい。   As described above, the optical waveguide 11 excluding the first and second directional couplers 32L and 32R operates in a polarization-independent manner with respect to the first light Lt1. Further, as described above, the first and second directional couplers 32L and 32R also operate in a polarization independent manner with respect to the first light Lt1. Therefore, the optical element 10 operates independent of polarization with respect to the first light Lt1. That is, the TE polarization component and the TM polarization component of the first light Lt1 have the same distribution ratio x.

このように、この実施形態の光素子10は、3dBカプラである第1及び第2方向性結合器32L及び32Rを用いているにも関わらず、第1光Lt1を任意の分配比で出力端OUT16a及びOUT16bから出力できる。よって、光素子10のMZ干渉計32を、多段のMZ干渉計型の波長分離素子を構成する要素に用いることができる。   As described above, the optical element 10 of this embodiment uses the first and second directional couplers 32L and 32R, which are 3 dB couplers, and outputs the first light Lt1 at an output end with an arbitrary distribution ratio. It can output from OUT16a and OUT16b. Therefore, the MZ interferometer 32 of the optical element 10 can be used as an element constituting a multistage MZ interferometer type wavelength separation element.

(変形例)
以下、光素子10の変形例について説明する。
(Modification)
Hereinafter, modified examples of the optical element 10 will be described.

(変形例1)
この実施形態では、コア18として、クラッド12の屈折率よりも40%以上大きな屈折率を有する材料を用いた場合について説明した。しかし、コアに十分な強度で光を閉じ込めることができれば、コアの屈折率は、クラッドの屈折率よりも40%以上大きい必要は無い。このようなコア及びクラッドで構成された光導波路を備えた光素子も、第1光Lt1を任意の分配比で出力端OUT16a及びOUT16bから出力できる。
(Modification 1)
In this embodiment, the case where a material having a refractive index 40% or more larger than the refractive index of the cladding 12 is used as the core 18 has been described. However, if light can be confined in the core with sufficient intensity, the refractive index of the core does not need to be 40% or more higher than the refractive index of the cladding. Such an optical element including an optical waveguide composed of a core and a clad can also output the first light Lt1 from the output terminals OUT16a and OUT16b at an arbitrary distribution ratio.

(変形例2)
この実施形態では、光素子10を偏波無依存とする場合について説明した。しかし、偏波無依存性は、光素子10が満たすべき必要条件ではない。従って、幅と厚みとを変化させて、偏波依存性を発生させた光導波路で構成された光素子も本発明の範囲に含まれる。
(Modification 2)
In this embodiment, the case where the optical element 10 is made polarization independent has been described. However, polarization independence is not a necessary condition that the optical element 10 should satisfy. Therefore, an optical element constituted by an optical waveguide in which the polarization dependency is generated by changing the width and the thickness is also included in the scope of the present invention.

[実施形態2]
以下、図3〜図8を参照して、実施形態2の光素子について説明する。図3は、光素子の構造を概略的に示す平面図である。図4は、光素子を伝搬する光の挙動を模式的に描いた模式図である。図5(A)及び(B)は、変形例の構造を模式的に示す平面図である。図6及び図7は、変形例の動作特性を示す特性図である。図8は、別の変形例の構造を模式的に示す平面図である。
[Embodiment 2]
Hereinafter, the optical element of Embodiment 2 will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a plan view schematically showing the structure of the optical element. FIG. 4 is a schematic diagram schematically illustrating the behavior of light propagating through the optical element. 5A and 5B are plan views schematically showing the structure of the modification. 6 and 7 are characteristic diagrams showing operation characteristics of the modification. FIG. 8 is a plan view schematically showing the structure of another modified example.

なお、図3において、光素子を構成するコア18は、クラッド12に覆われているために、直接目視することはできないが、強調のために実線で描いてある。また、図8においては、基板8及びクラッド12の描画を省略している。また、以上の図面において、煩雑化を防ぐために、説明に必要ない一部の構成要素の符号を省略している。   In FIG. 3, the core 18 constituting the optical element is covered with the clad 12 and cannot be directly observed, but is drawn with a solid line for emphasis. In FIG. 8, drawing of the substrate 8 and the clad 12 is omitted. Moreover, in the above drawings, in order to prevent complication, the code | symbol of the one part component which is not required for description is abbreviate | omitted.

(構造)
図3を参照して、光素子50の構造について説明する。光素子50は、言わば実施形態1の光素子10を一構成要素として含んだものに対応する。より正確には、光素子50は、実施形態1のMZ干渉計32を第1及び第2メタ方向性結合器32及び32として備えている。よって、第1及び第2メタ方向性結合器32及び32の構成要素には、MZ干渉計32と同等の符号を付すとともに、符号に付した下付きの添字「1」又は「2」により、第1及び第2メタ方向性結合器32及び32を区別する。
(Construction)
The structure of the optical element 50 will be described with reference to FIG. The optical element 50 corresponds to what includes the optical element 10 of Embodiment 1 as one component. More precisely, the optical element 50 includes the MZ interferometer 32 of the first embodiment as the first and second meta directional couplers 32 1 and 32 2 . Therefore, the first and second components of the meta directional coupler 32 1 and 32 2, with subjecting the MZ interferometer 32 and the equivalent code, subscript subscript that denoted by reference numeral "1" or "2" To distinguish between the first and second meta-directional couplers 32 1 and 32 2 .

光素子50を構成する光導波路11は、光ユニット40を備えている。光ユニット40は、第1及び第2メタ方向性結合器32及び32と、メタアーム部32とで構成されている。詳しくは後述するが、光ユニット40は、全体として、2個の方向性結合器と、アーム部とを備えた1個のMZ干渉計として機能する。すなわち、第1及び第2メタ方向性結合器32及び32が2個の方向性結合器と同等に動作し、メタアーム部32がアーム部と同等に動作する。そこで、以降、光ユニット40を、メタマッハツェンダ干渉計(MMZ干渉計)40と称することもある。 The optical waveguide 11 constituting the optical element 50 includes an optical unit 40. The optical unit 40 includes first and second meta directional couplers 32 1 and 32 2 and a meta arm unit 32 3 . As will be described in detail later, the optical unit 40 as a whole functions as one MZ interferometer including two directional couplers and an arm unit. That is, the first and second meta directional coupler 32 1 and 32 2 operate equivalent to two directional couplers, Metaamu 32 3 operates equivalent to the arm portion. Therefore, hereinafter, the optical unit 40 may be referred to as a Meta Mach-Zehnder interferometer (MMZ interferometer) 40.

また、この実施形態では、MMZ干渉計40が波長分離素子として動作する場合について説明する。つまりMMZ干渉計40は、入力された第1波長λの第1光Lt1と、第1波長λとは異なる第2波長λの第2光Lt2との混合光を、波長分離してそれぞれ異なる出力ポートから出力させる。なお、この実施形態では、第1光Lt1の第1波長λを、光加入者系通信システムで下り通信光として一般的に用いられる1.49μmとする。また、第2光Lt2の第2波長λを、光加入者系通信システムで上り通信光として一般的に用いられる1.31μmとする。 In this embodiment, the case where the MMZ interferometer 40 operates as a wavelength separation element will be described. That MMZ interferometer 40 includes a first first light Lt1 wavelength lambda 1 that has been input, the mixed light of the second light Lt2 different second wavelength lambda 2 and the first wavelength lambda 1, and wavelength separation Output from different output ports. In this embodiment, the first wavelength λ 1 of the first light Lt 1 is 1.49 μm that is generally used as downlink communication light in the optical subscriber communication system. Also, the second wavelength λ 2 of the second light Lt2 is set to 1.31 μm that is generally used as upstream communication light in the optical subscriber communication system.

再び構成の説明に戻ると、光導波路11は、さらに、任意的な要素として実施形態1と同様に構成された入力部24と出力部26とを備えている。   Returning to the description of the configuration again, the optical waveguide 11 further includes an input unit 24 and an output unit 26 configured as optional elements in the same manner as in the first embodiment.

光導波路11を構成する、入力部24、第1メタ方向性結合器32,メタアーム部32,第2メタ方向性結合器32及び出力部26は、この順序で接続されている。より詳細には、入力部24の入力用光導波路24aは、第1メタ方向性結合器32の第1光導波路16aの入力端IN16aに接続されている。第2メタ方向性結合器32の第1光導波路16aの出力端OUT16aは、出力部26の第1出力用光導波路26aに接続されている。第2メタ方向性結合器32の第2光導波路16bの出力端OUT16bは、出力部26の第2出力用光導波路26bに接続されている。 The input unit 24, the first meta directional coupler 32 1 , the meta arm unit 32 3 , the second meta directional coupler 32 2 and the output unit 26 constituting the optical waveguide 11 are connected in this order. More specifically, the input optical waveguide 24a of the input unit 24 is connected to the first meta-directional coupler 32 1 of the first optical waveguide 16a 1 of the input IN16a. The second meta directional coupler 32 2 of the first output terminal OUT16a of the optical waveguide 16a 2 is connected to the first output optical waveguide 26a of the output section 26. The second meta directional coupler 32 2 of the second output terminal OUT16b of the optical waveguide 16b 2 is connected to the second output optical waveguide 26b of the output section 26.

そして、第1及び第2メタ方向性結合器32及び32が備える第1光導波路16a及び16aとメタアーム部32が備える第1光導波路16aとが接続されており、第1及び第2メタ方向性結合器32及び32が備える第2光導波路16b及び16bとメタアーム部32が備える第2光導波路16bとが接続されている。 Then, and a first optical waveguide 16a 3 first optical waveguide 16a 1 and 16a 2 and Metaamu portion 32 3 which the first and second meta directional coupler 32 1 and 32 2 are provided is provided are connected, the first and a second optical waveguide 16b 3 of the second optical waveguide 16b 1 and 16b 2 and Metaamu portion 32 3 provided is connected to the second meta directional coupler 32 1 and 32 2 are provided.

第1メタ方向性結合器32は、アーム部32Cが、第1光Lt1に対して、(2m+1/2)πの位相差φを与えるように構成されている。つまり、アーム部32Cは、上述した位相差条件であるφ=(2m+z)πにおいて、zを1/2に設定している。これにより、アーム部32Cは、第1光Lt1に対して、実質的にπ/2の位相差を付与する。その結果、第1メタ方向性結合器32の分配率xは0.5となり、第1メタ方向性結合器32は、第1光Lt1に関して3dBカプラとして機能する。つまり、第1メタ方向性結合器32は、実施形態1の第1方向性結合器32Lと等価に動作する。 The first meta-directional coupler 32 1 is configured such that the arm portion 32 1 C gives a phase difference φ of (2m + 1/2) π to the first light Lt1. That is, the arm portion 32 1 C sets z to ½ in the above-described phase difference condition φ = (2m + z) π. Thereby, the arm portion 32 1 C substantially gives a phase difference of π / 2 to the first light Lt1. As a result, the first meta directional coupler 32 first distribution ratio x is 0.5, the first meta directional coupler 32 1 functions as a 3dB coupler with respect to the first light Lt1. That is, 1 first meta directional coupler 32 operates equivalent to the first directional coupler 32L of the first embodiment.

この位相差φを与えるために、アーム部32Cの第1及び第2湾曲部16aC及び16bC間の光路長差ΔSを、z=1/2の条件で式(2)を用いて設定する。 In order to give this phase difference φ, the optical path length difference ΔS 1 between the first and second curved portions 16a 1 C and 16b 1 C of the arm portion 32 1 C is expressed by the equation (2) under the condition of z = 1/2. Use to set.

なお、アーム部32Cは、幅広い波長範囲の光に対して、略同等の位相差φを与えるように設計されている。よって、第1光Lt1に基づいて設計しているにも関わらず、第1メタ方向性結合器32は、第2波長λ(≠λ)の第2光Lt2についても、実用上十分に3dBカプラとして機能する。 The arm portion 32 1 C is designed to give a substantially equivalent phase difference φ to light in a wide wavelength range. Therefore, although designed based on the first light Lt1, the first meta-directional coupler 32 1 is practically sufficient for the second light Lt2 having the second wavelength λ 2 (≠ λ 1 ). Function as a 3 dB coupler.

第2メタ方向性結合器32は、第1メタ方向性結合器32と略同様に構成されており、実施形態1の第1方向性結合器32Rと等価に動作する。 The second meta directional coupler 32 2 is substantially the same structure as the first meta directional coupler 32 1, operates equivalently to a first directional coupler 32R of the first embodiment.

ここで、第1及び第2メタ方向性結合器32及び32の構成要素の配置関係について説明する。概略的には、第1及び第2メタ方向性結合器32及び32の各構成要素は、MMZ干渉計40の中心点を対称中心として、点対称に配置されている。ここで、MMZ干渉計40の中心点とは、第1及び第2方向性結合器32L,32L,32R及び32Rを構成する第1及び第2光導波路16a及び16b間の中心線と、MMZ干渉計40の全長方向の中心線とが交差する点である。 Here, explaining the arrangement relationship between the first and second components of the meta directional coupler 32 1 and 32 2. Schematically, the constituent elements of the first and second meta-directional couplers 32 1 and 32 2 are arranged point-symmetrically with the center point of the MMZ interferometer 40 as the center of symmetry. Here, the center point of the MMZ interferometer 40 refers to the first and second optical waveguides 16a and 16b constituting the first and second directional couplers 32 1 L, 32 2 L, 32 1 R, and 32 2 R. And the center line in the full length direction of the MMZ interferometer 40 intersects.

より詳細には、「点対称の配置関係」とは、以下の2条件が成り立つような配置関係を示す。   More specifically, the “point symmetry arrangement relationship” indicates an arrangement relationship that satisfies the following two conditions.

(条件1)
第1メタ方向性結合器32において、第1方向性結合器32Lの第1幅テーパ部16T1が第f光導波路(fは1又は2)に設けられ、及び第2方向性結合器32Rの第2幅テーパ部16T2が、第f光導波路(fは1又は2)に設けられているとする。このとき、第2メタ方向性結合器32における第1方向性結合器32Lの第1幅テーパ部16T1を第u光導波路(u=3−f)に設け、及び第2方向性結合器32Rの第2幅テーパ部16T2を、第u光導波路(u=3−f)に設ける。なお、図3は、f=1,f=2,u=2及びu=1の場合に対応する。
(Condition 1)
In the first meta directional coupler 32 1 , the first width tapered portion 16T1 1 of the first directional coupler 32 1 L is provided in the f 1 optical waveguide (f 1 is 1 or 2), and the second direction It is assumed that the second width taper portion 16T2 1 of the sex coupler 32 1 R is provided in the f 2 optical waveguide (f 2 is 1 or 2). In this case, provided the first width tapered portion 16T1 2 of the first directional coupler 32 2 L in the second meta directional coupler 32 2 to the u 2 optical waveguide (u 2 = 3-f 2 ), and the The second width tapered portion 16T2 2 of the bidirectional coupler 32 2 R is provided in the u 1 optical waveguide (u 1 = 3-f 1 ). FIG. 3 corresponds to the case of f 1 = 1, f 2 = 2, u 1 = 2 and u 2 = 1.

(条件2)
第1メタ方向性結合器32のアーム部32Cにおける第1及び第2光導波路16aC及び16bC間の光路長差をΔS1とし、第2メタ方向性結合器32のアーム部32Cにおける第1及び第2光導波路間16aC及び16bCの光路長差をΔS2とする。このとき、ΔS1及びΔS2が絶対値が等しく符号が反転するように。アーム部32C及び32Cを配置する。
(Condition 2)
The optical path length difference between the first and second optical waveguides 16a 1 C and 16b 1 C in the arm portion 32 1 C of the first meta directional coupler 32 1 is ΔS 1 1, and the second meta directional coupler 32 2 is used. of the first and the optical path length difference between the second optical waveguide between 16a 2 C and 16b 2 C of the arm portion 32 2 C and [Delta] S 1 2. At this time, ΔS 1 1 and ΔS 1 2 have the same absolute value and the signs are reversed. The arm portions 32 1 C and 32 2 C are arranged.

このように、第1及び第2メタ方向性結合器32及び32の各構成要素を点対称配置にすることにより、MMZ干渉計40からクロス出力される第1光Lt1のピーク波長帯域を広げることができる。 As described above, the peak wavelength band of the first light Lt1 cross-outputted from the MMZ interferometer 40 can be obtained by arranging the components of the first and second meta-directional couplers 32 1 and 32 2 in a point-symmetric manner. Can be spread.

再び構成の説明に戻ると、メタアーム部32は、概略的には、波長分離のための位相差Φを第1及び第2光Lt1及びLt2に付与する。つまり、メタアーム部32は、第1及び第2光導波路16a及び16bを伝搬する第1光Lt1に対して2Mπ(Mは0以上の整数)の位相差Φを与えるように構成されている。つまり、第1光Lt1をクロス出力させるために、メタアーム部32が第1光Lt1に付与する位相差Φを、干渉条件であるΦ=2Mπを満足するように設定する。 Returning to the description of the configuration again, Metaamu 32 3 broadly comprises imparting a phase difference Φ for wavelength separation into first and second light Lt1 and Lt2. In other words, the meta arm portion 32 3 is configured to give a phase difference Φ of 2Mπ (M is an integer of 0 or more) to the first light Lt1 propagating through the first and second optical waveguides 16a 3 and 16b 3. Yes. In other words, the first light Lt1 in order to cross output, Metaamu portion 32 3 is a phase difference [Phi that applied to the first light Lt1, set so as to satisfy the Φ = 2Mπ an interference condition.

ここで、メタアーム部32を構成する第1湾曲部16aCの光路長をSaとし、第2湾曲部16bCの光路長をSbとする。また、第1及び第2湾曲部16aC及び16bC間の光路長差(Sa−Sb)を、ΔSとする。ところで、波長λの第1光Lt1に関して、位相差Φと光路長差ΔSとの間には、2πΔS/λ=Φが成り立つので、位相差条件から、ΔSは下記式(8)が成立するように設定すればよい。
2ΔS/λ=2M・・・(8)
Here, the optical path length of the first bending portion 16a 3 C constituting the Metaamu portion 32 3 and S 2 a, the optical path length of the second curved portion 16b 3 C and S 2 b. Further, the optical path length difference (S 2 a−S 2 b) between the first and second curved portions 16a 3 C and 16b 3 C is set to ΔS 2 . By the way, since 2πΔS 2 / λ 1 = Φ holds between the phase difference Φ and the optical path length difference ΔS 2 for the first light Lt 1 having the wavelength λ 1 , ΔS 2 is expressed by the following formula (8 ) Should be established.
2ΔS 2 / λ 1 = 2M (8)

第1光Lt1と同様に、第2光Lt2をバー出力させるためには、メタアーム部32が第2光Lt2に付与する位相差Φを、干渉条件であるΦ=(2M+1)πを更に満足するように設定するのが好ましい。ところで、波長λの第2光Lt2に関して、位相差Φと光路長差ΔSとの間には、2πΔS/λ=Φが成り立つので、位相差条件から、ΔSは下記式(9)を更に満たすように設定する。
2ΔS/λ=2M+1・・・(9)
Like the first light Lt1, in order to the second light Lt2 is bar output Metaamu portion 32 3 is a phase difference [Phi imparted to the second light Lt2, an interference condition Φ = (2M + 1) π further satisfaction It is preferable to set so as to. By the way, since 2πΔS 2 / λ 2 = Φ is established between the phase difference Φ and the optical path length difference ΔS 2 with respect to the second light Lt 2 having the wavelength λ 2 , ΔS 2 is expressed by the following formula (9 ) Is further satisfied.
2ΔS 2 / λ 2 = 2M + 1 (9)

なお、第1及び第2湾曲部16aC及び16bCの長さは、式(8)及び式(9)を満たすように定められたΔSと、第1及び第2光Lt1及びLt2に関する第1及び第2湾曲部16aC及び16bCの等価屈折率とから、式(1)により求めればよい。 Note that the lengths of the first and second bending portions 16a 3 C and 16b 3 C are ΔS 2 determined to satisfy the expressions (8) and (9), and the first and second lights Lt1 and Lt2. and first and second curved portions 16a 3 C and 16b 3 C equivalent refractive index of about, may be determined by equation (1).

このように構成されたメタアーム部32は、メタアーム部32の伝搬後に、第1及び第2湾曲部16aC及び16bCを伝播する第1光Lt1に対して、2Mπの位相差を付与する。また、第2光Lt2に対して、(2M+1)πの位相差を付与する。 The meta arm part 32 3 configured in this way has a phase difference of 2Mπ with respect to the first light Lt1 propagating through the first and second bending parts 16a 3 C and 16b 3 C after propagation of the meta arm part 32 3. Give. Further, a phase difference of (2M + 1) π is given to the second light Lt2.

(動作)
以下、図4を参照して、MMZ干渉計40の動作について説明する。上述のように、第1及び第2メタ方向性結合器32及び32のアーム部32C及び32Cは、第1及び第2光Lt1及びLt2に対して、実質的に等しい位相差φを付与する。その結果、第1及び第2光Lt1及びLt2が、第1及び第2メタ方向性結合器32及び32を伝搬する際の挙動は略同様となる。従って、以下においては、まず、第1光Lt1がMMZ干渉計40を伝搬する際の挙動を説明し、次に、第2光Lt2の伝搬挙動を、第1光Lt1との相違点を中心に説明する。
(Operation)
Hereinafter, the operation of the MMZ interferometer 40 will be described with reference to FIG. As described above, the arm portions 32 1 C and 32 2 C of the first and second meta-directional couplers 32 1 and 32 2 are substantially equal to the first and second lights Lt 1 and Lt 2. A phase difference φ is given. As a result, the behavior when the first and second lights Lt1 and Lt2 propagate through the first and second meta-directional couplers 32 1 and 32 2 is substantially the same. Therefore, in the following, first, the behavior when the first light Lt1 propagates through the MMZ interferometer 40 will be described, and then the propagation behavior of the second light Lt2 will be centered on differences from the first light Lt1. explain.

入力部24及び第1メタ方向性結合器32を伝搬する第1光Lt1の挙動は、光Lt1及び光Lt1の分配比が0.5で等しい点を除き、実施形態1の(動作)の説明と同様である。よって、この項では、メタアーム部32以降における第1光Lt1の伝搬挙動について説明する。 Behavior of the first light Lt1 propagating the input section 24 and the first meta-directional coupler 32 1, the distribution ratio of the optical Lt1 4 and the light Lt1 5 except the point equal 0.5, embodiment 1 (Operation ). Therefore, in this section we describe the propagation behavior of the first light Lt1 in Metaamu portion 32 3 and later.

メタアーム部32Cを構成する第1及び第2湾曲部16aC及び16bCの光路長差ΔSは、(8)式を満たすように設定されている。よって、光Lt1及びLt1は、メタアーム部32Cの伝搬後に、2Mπの位相差が付与された光Lt1及びLt1として、第2メタ方向性結合器32へとそれぞれ出力される。 The optical path length difference ΔS 2 between the first and second bending portions 16a 3 C and 16b 3 C constituting the meta arm portion 32 3 C is set so as to satisfy the equation (8). Therefore, the light Lt1 4 and Lt1 5, after the propagation of Metaamu portion 32 3 C, as a light Lt1 6 and Lt1 7 that the phase difference is imparted in 2Emupai, are output to the second meta directional coupler 32 2 .

続いて、光Lt1及びLt1は、第2メタ方向性結合器32を構成する第1方向性結合器32Lの第1及び第2直線部16aL及び16bLにそれぞれ入力される。第1方向性結合器32Lは、第1方向性結合器32Lと同様に構成された幅テーパ方向性結合器であるので、第1直線部16aLに入力された光Lt1は、出力側で対称モード光成分を励起する。同様に、第2直線部16bLに入力された光Lt1は、出力側で反対称モード光成分を励起する。すなわち、第1方向性結合器32Lの出力側には、光Lt1由来の対称モード光成分と、光Lt1由来の反対称モード光成分とを1:1の強度比で混合した光Lt1が励起される。 Subsequently, the light Lt1 6 and Lt1 7 are respectively the first and second straight portions 16a 2 L and 16b 2 L of the first directional coupler 32 2 L constituting the second meta directional coupler 32 2 Input Is done. Since the first directional coupler 32 2 L is a width-tapered directional coupler configured in the same manner as the first directional coupler 32 1 L, the light Lt1 6 input to the first linear portion 16a 2 L. Excites a symmetric mode light component on the output side. Similarly, the light Lt1 7 input to the second linear portion 16b 2 L excites an antisymmetric mode light component on the output side. That is, on the output side of the first directional coupler 32 2 L, light in which a symmetric mode light component derived from the light Lt1 6 and an antisymmetric mode light component derived from the light Lt1 7 are mixed at an intensity ratio of 1: 1. Lt1 8 is excited.

続いて、光Lt1は、第2メタ方向性結合器32のアーム部32Cに入力される。アーム部32Cは、第1メタ方向性結合器32のアーム部32Cと同様に構成されているので、第1及び第2光導波路16aC及び16bCを伝搬する光Lt1に対して位相差φを与える。つまり、第1及び第2湾曲部16aC及び16bCに等分配されてそれぞれ伝搬する光Lt1の2個の成分光の間にπ/2の位相差φを与える。その結果、これらの成分光に含まれる反対称モード光成分が対称モード光成分へと変換され、アーム部32Cから、対称モード光のみを含む光Lt1が出力される。 Subsequently, the light Lt1 8 is input to the second meta directional coupler 32 and second arm portions 32 2 C. Since the arm portion 32 2 C is configured in the same manner as the arm portion 32 1 C of the first meta-directional coupler 32 1 , the light Lt1 that propagates through the first and second optical waveguides 16a 2 C and 16b 2 C 8 is given a phase difference φ. In other words, it provides a phase difference φ of [pi / 2 between the two component light of the first and second curved portions 16a 2 C and 16b 2 light Lt1 8 to each being equally distributed propagated to C. As a result, the antisymmetric mode light component contained in these component lights is converted into a symmetric mode light component, and the light Lt1 9 including only the symmetric mode light is output from the arm portion 32 2 C.

続いて、光Lt1は、第2方向性結合器32Rに入力される。第2方向性結合器32Rは、第2方向性結合器32Rと同様に構成された幅テーパ方向性結合器である。よって、入力側に入力された対称モード光である光Lt1は、第2幅テーパ部16T2を有する第2直線部16bRに強度を集中し、出力部26の第2出力用光導波路26bから光Lt111が出力される。このように、MMZ干渉計40は第1光Lt1をクロス出力する。 Subsequently, the light Lt1 9 is input to the second directional coupler 32 2 R. The second directional coupler 32 2 R is a width-tapered directional coupler configured in the same manner as the second directional coupler 32 1 R. Therefore, the light Lt1 9 is a symmetric mode light input to the input side, the intensity in the second linear portion 16b 2 R having a second width tapered portions 16T2 2 concentrate, optical waveguide for the second output of the output section 26 The light Lt1 11 is output from 26b. As described above, the MMZ interferometer 40 cross-outputs the first light Lt1.

続いて、第2光Lt2がMMZ干渉計40を伝搬する際の挙動を、主に第1光Lt1との相違点を中心に説明する。第2光Lt2が第1メタ方向性結合器32を伝搬する際の挙動は第1光Lt1と同様である。 Next, the behavior when the second light Lt2 propagates through the MMZ interferometer 40 will be described mainly focusing on the differences from the first light Lt1. Behavior when the second light Lt2 is propagating through the first meta directional coupler 32 1 is the same as that of the first light Lt1.

続いて、第2光Lt2は、メタアーム部32Cに入力される。メタアーム部32Cの光路長差ΔSは、(9)式を満たすように設定されている。よって、入力される第2光Lt2由来の光Lt1及びLt1は、メタアーム部32Cの伝搬後に、(2M+1)πの位相差Φが付与された光Lt1及びLt1として、第2メタ方向性結合器32へとそれぞれ出力される。 Subsequently, the second light Lt2 is input to the meta arm unit 32 3 C. The optical path length difference ΔS 2 of the meta arm portion 32 3 C is set so as to satisfy the expression (9). Therefore, the input light Lt1 4 and Lt1 5 derived from the second light Lt2 are the second light Lt1 6 and Lt1 7 to which the phase difference Φ of (2M + 1) π is given after propagation of the meta arm portion 32 3 C. are output to the meta directional coupler 32 2.

第2光Lt2由来の光Lt1及びLt1が、第2メタ方向性結合器32の第1方向性結合器32Lを伝搬する際の挙動は、第1光Lt1と同様である。よって、第1方向性結合器32Lの出力側には、(2M+1)πの位相差Φがそれぞれ付与された、対称モード光成分と反対称モード光成分とを1:1の強度比で混合した、第2光Lt2由来の光Lt1が励起される。 Light Lt1 6 and Lt1 7 from the second light Lt2 is the behavior at the time of propagating the second meta directional coupler 32 2 of the first directional coupler 32 2 L are the same as the first light Lt1. Therefore, on the output side of the first directional coupler 32 2 L, a symmetric mode light component and an antisymmetric mode light component, each having a phase difference Φ of (2M + 1) π, are provided at an intensity ratio of 1: 1. mixed, light Lt1 8 from the second light Lt2 is excited.

続いて、第2光Lt2由来の光Lt1は、第2メタ方向性結合器32のアーム部32Cに入力される。アーム部32Cは、上述のように、第1及び第2光導波路16aC及び16bCを伝搬する光Lt1に対して、π/2の位相差φを与える。つまり、第1及び第2湾曲部16aC及び16bCに等分配されてそれぞれ伝搬する光Lt1の2個の成分光の間にπ/2の位相差φを与える。その結果、アーム部32Cでの位相差φの付与と、メタアーム部32Cでの位相差Φの付与とが相俟って、これらの成分光に含まれる対称モード成分光が反対称モード成分光へと変換され、アーム部32Cから、第2光Lt2由来の反対称モード光のみを含む光Lt1が出力される。 Subsequently, the light Lt1 8 from the second light Lt2 is input to the second meta directional coupler 32 and second arm portions 32 2 C. As described above, the arm portion 32 2 C gives a phase difference φ of π / 2 to the light Lt1 8 propagating through the first and second optical waveguides 16a 2 C and 16b 2 C. In other words, it provides a phase difference φ of [pi / 2 between the two component light of the first and second curved portions 16a 2 C and 16b 2 light Lt1 8 to each being equally distributed propagated to C. As a result, the provision of the phase difference φ at the arm portion 32 2 C and the provision of the phase difference Φ at the meta arm portion 32 3 C are combined, and the symmetric mode component light included in these component lights is antisymmetric. is converted to mode component light, from the arm portion 32 2 C, light Lt1 9 containing only the antisymmetric mode light from the second light Lt2 is output.

続いて、光Lt1は、第2方向性結合器32Rに入力される。第2方向性結合器32Rの入力側に入力された反対称モード光である光Lt1は、等幅なチャネル型光導波路である第1直線部16aRに強度を集中し、出力部26の第1出力用光導波路26aから光Lt110が出力される。このように、MMZ干渉計40は、第2光Lt2をバー出力する。 Subsequently, the light Lt1 9 is input to the second directional coupler 32 2 R. The light Lt1 9 which is the antisymmetric mode light input to the input side of the second directional coupler 32 2 R concentrates the intensity on the first linear portion 16a 2 R which is a uniform-width channel type optical waveguide, and outputs it. The light Lt1 10 is output from the first output optical waveguide 26a of the section 26. Thus, the MMZ interferometer 40 outputs the second light Lt2 as a bar.

このように、MMZ干渉計40は、方向性結合器と同等に機能するとともに、分配比をより精密に制御可能な第1及び第2メタ方向性結合器32及び32を用いて波長分離素子を構成している。よって、MMZ干渉計40は、通常の方向性結合器を用いたMZ干渉計型の波長分離素子に比べてクロストーク特性に優れている。 As described above, the MMZ interferometer 40 functions in the same manner as the directional coupler and uses the first and second meta directional couplers 32 1 and 32 2 that can control the distribution ratio more precisely. The element is configured. Therefore, the MMZ interferometer 40 is superior in crosstalk characteristics as compared with an MZ interferometer type wavelength separation element using a normal directional coupler.

また、MMZ干渉計40は、実施形態1の方向性結合器32L,32R,32L及び32Rを用いて構成されている。その結果、偏波無依存で動作するとともに、通常の方向性結合器を用いたMZ干渉計型の波長分離素子に比較して、幅誤差に対する耐性が優れている。 The MMZ interferometer 40 is configured using the directional couplers 32 1 L, 32 1 R, 32 2 L, and 32 2 R of the first embodiment. As a result, the operation is independent of the polarization, and the tolerance to the width error is excellent as compared with the MZ interferometer type wavelength separation element using a normal directional coupler.

(変形例)
以下、MMZ干渉計40の変形例について説明する。MMZ干渉計40は光素子10と同様の変形が可能であるとともに、さらに以下に列記する変形が可能である。
(Modification)
Hereinafter, modified examples of the MMZ interferometer 40 will be described. The MMZ interferometer 40 can be modified in the same manner as the optical element 10 and further can be modified as listed below.

(変形例1)
以下、図5(A)及び(B)を参照して、光素子50の変形例について説明する。なお、図5(A)及び(B)において、図3と同様の構成要素には同符号を付してその説明を適宜省略する。
(Modification 1)
Hereinafter, a modification of the optical element 50 will be described with reference to FIGS. 5A and 5B, components similar to those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted as appropriate.

図5(A)に示した光素子50Aは、第1及び第2メタ方向性結合器32A及び32Aの中心軸C32及びC32が互いに平行となっている点、及びメタアーム部32Aの形状が異なっている点を除いて、上述の光素子50と同様に構成されている。 Optical device 50A shown in FIG. 5 (A), that the center axis C32 1 and C32 2 of the first and second meta directional coupler 32 1 A and 32 2 A are parallel to each other, and Metaamu portion The configuration is the same as that of the optical element 50 described above except that the shape of 32 3 A is different.

すなわち、光素子50Aは、メタアーム部32Aを屈曲部として、第1及び第2メタ方向性結合器32A及び32Aをヘアピン状に折り曲げた構造を有している。このように、第1及び第2メタ方向性結合器32A及び32Aを折り曲げることにより、光素子50Aの全長を小さくすることができる。 That is, the optical element 50A has a structure in which the first and second meta directional couplers 32 1 A and 32 2 A are bent into a hairpin shape with the meta arm portion 32 3 A as a bent portion. Thus, the total length of the optical element 50A can be reduced by bending the first and second meta-directional couplers 32 1 A and 32 2 A.

このように、光素子50Aと光素子50との相違点は形式的であるので、光素子50Aは光素子50と同様に動作する。   Thus, since the difference between the optical element 50A and the optical element 50 is formal, the optical element 50A operates in the same manner as the optical element 50.

ここで、図6及び図7を参照して、光素子50Aについて実施したシミュレーションについて説明する。なお、上述した理由により、図6及び図7の説明は、光素子50についても同様に当てはまる。   Here, with reference to FIG.6 and FIG.7, the simulation implemented about 50 A of optical elements is demonstrated. For the reasons described above, the description of FIGS. 6 and 7 applies to the optical element 50 as well.

図6は、2次元FDTD(Finite Difference Time Domain)法で求めた、光素子50Aの動作特性を示す特性図である。概略的に言えば、図6では、入力端IN16aから、波長を変化させた入力光Ltを入力し、出力端OUT16a及びOUT16bのそれぞれから出力されるバー状態光及びクロス状態光の強度比を求めている。図6において、縦軸は、バー状態光(曲線I)及びクロス状態光(曲線II)の、入力光Ltに対する光強度比(dB)であり、横軸は波長(μm)である。   FIG. 6 is a characteristic diagram showing the operating characteristics of the optical element 50A obtained by a two-dimensional FDTD (Finite Difference Time Domain) method. Schematically speaking, in FIG. 6, the input light Lt having a changed wavelength is input from the input terminal IN16a, and the intensity ratio between the bar state light and the cross state light output from the output terminals OUT16a and OUT16b is obtained. ing. In FIG. 6, the vertical axis represents the light intensity ratio (dB) of the bar state light (curve I) and the cross state light (curve II) to the input light Lt, and the horizontal axis represents the wavelength (μm).

なお、図6を求めるに当たっては、光素子50Aを、第1波長λ=1.49μmの第1光Lt1をクロス出力(分配比x=0)する波長分離素子として動作するように設計した。すなわち、メタアーム部32Aの第1及び第2光導波路間の長さの差を1.35μmに設定した。また、メタアーム部32Aに含まれる全ての屈曲部の曲率を5μmとした。ここで、屈曲部とは、メタアーム部32Aの第1及び第2光導波路が直角に屈曲された領域を示す。これ以外の数値的条件、すなわち、コア18及びクラッド12の屈折率、光素子50Aを構成する幅テーパ方向性結合器の第1〜第3幅W1〜W3、幅テーパ方向性結合器を構成する幅テーパ導波路と等幅導波路間の側面間の間隔Sp、幅テーパ方向性結合器の全長L1、及びアーム部を構成する第1及び第2湾曲部の長さの差については、既に説明した値を用いた。 In obtaining FIG. 6, the optical element 50A was designed to operate as a wavelength separation element that cross-outputs the first light Lt1 having the first wavelength λ 1 = 1.49 μm (distribution ratio x = 0). That is, the difference in length between the first and second optical waveguides of the meta arm portion 32 3 A was set to 1.35 μm. Further, the curvature of all the bent portions included in the meta arm portion 32 3 A was set to 5 μm. Here, the bent portion indicates a region where the first and second optical waveguides of the meta arm portion 32 3 A are bent at a right angle. Other numerical conditions, that is, the refractive indexes of the core 18 and the cladding 12, the first to third widths W1 to W3 of the width taper directional coupler constituting the optical element 50A, and the width taper directional coupler are configured. The gap Sp between the side surfaces between the width taper waveguide and the equal width waveguide, the total length L1 of the width taper directional coupler, and the difference between the lengths of the first and second curved portions constituting the arm portion have already been described. The values obtained were used.

図6を参照すると、曲線Iから、波長約1.11μm及び波長約1.42μmの光(バーピーク波長と称する。)が、高い分配比で出力端OUT16aから出力されることが判る。また、曲線IIから、波長約1.25μm及び波長約1.58μmの光(クロスピーク波長と称する。)が、高い分配比で出力端OUT16bから出力されることが判る。このことより、光素子50Aは、クロスピーク波長の光とバーピーク波長の光との混合光を波長分離する波長分離素子として動作することが判る。   Referring to FIG. 6, it can be seen from curve I that light having a wavelength of about 1.11 μm and a wavelength of about 1.42 μm (referred to as a bar peak wavelength) is output from the output terminal OUT16a with a high distribution ratio. Further, it can be seen from the curve II that light having a wavelength of about 1.25 μm and a wavelength of about 1.58 μm (referred to as a cross peak wavelength) is output from the output terminal OUT16b with a high distribution ratio. From this, it can be seen that the optical element 50A operates as a wavelength separation element that wavelength-separates mixed light of cross peak wavelength light and bar peak wavelength light.

図7は、図6とは異なる幅テーパ方向性結合器を用いた場合の、光素子50Aの動作特性を示す特性図である。図7を求めるための計算方法、及び幅テーパ方向性結合器以外の寸法条件等は、図6と同様である。また、図7の縦軸及び横軸と、描かれている2本の曲線I及びIIも、図6と同様の意味である。   FIG. 7 is a characteristic diagram showing operating characteristics of the optical element 50A when a width taper directional coupler different from that in FIG. 6 is used. The calculation method for obtaining FIG. 7 and the dimensional conditions other than the width taper directional coupler are the same as those in FIG. Also, the vertical and horizontal axes in FIG. 7 and the two drawn curves I and II have the same meaning as in FIG.

図7では、幅テーパ方向性結合器の全長を200μmとした。また、幅テーパ導波路と等幅導波路間の側面間の間隔Spをテーパ状に変化させている。すなわち、幅テーパ方向性結合器を構成する幅テーパ導波路の幅が狭くなるにつれて、徐々に導波路間隔を狭くしている。具体的には、幅テーパ導波路と等幅導波路間の側面間の間隔Spを500nmから300nmまで変化させている。また、幅テーパ方向性結合器の第1幅W1を340nmとし、及び第2幅W2を300nmとした。また、アーム部を構成する第1及び第2湾曲部の長さの差を170nmとした。   In FIG. 7, the total length of the width taper directional coupler is 200 μm. Further, the interval Sp between the side surfaces between the width taper waveguide and the equal width waveguide is changed to a taper shape. That is, as the width of the width taper waveguide constituting the width taper directional coupler becomes narrower, the waveguide interval is gradually narrowed. Specifically, the distance Sp between the side surfaces between the width taper waveguide and the equal width waveguide is changed from 500 nm to 300 nm. In addition, the first width W1 of the width taper directional coupler was 340 nm, and the second width W2 was 300 nm. Further, the difference in length between the first and second bending portions constituting the arm portion was set to 170 nm.

図7を参照すると、曲線Iから、波長約1.25μm及び波長約1.66μmの光が、高い分配比で出力端OUT16aから出力されることが判る。また、曲線IIから、波長約1.41μmの光が、高い分配比で出力端OUT16bから出力されることが判る。   Referring to FIG. 7, it can be seen from curve I that light having a wavelength of about 1.25 μm and a wavelength of about 1.66 μm is output from the output terminal OUT16a with a high distribution ratio. Further, it can be seen from the curve II that light having a wavelength of about 1.41 μm is output from the output terminal OUT16b with a high distribution ratio.

また、図7では、バーピーク波長におけるバー状態光(曲線I)に対するクロス状態光(曲線II)の強度比、及びクロスピーク波長におけるクロス状態光(曲線II)に対するバー状態光(曲線I)の強度比が、平均的に図6よりも小さくなっていることが判る。   In FIG. 7, the intensity ratio of the cross state light (curve II) to the bar state light (curve I) at the bar peak wavelength, and the intensity of the bar state light (curve I) relative to the cross state light (curve II) at the cross peak wavelength. It can be seen that the ratio is smaller than that of FIG. 6 on average.

このことより、図7の構成に係る光素子50Aは、図6の構成に係る光素子50Aよりも、クロストーク特性に優れた波長分離素子として動作することが判る。   From this, it can be seen that the optical element 50A according to the configuration of FIG. 7 operates as a wavelength separation element having better crosstalk characteristics than the optical element 50A according to the configuration of FIG.

続いて、図5(B)を参照して、光素子50の別の変形例について説明する。図5(B)に示した光素子50Bは、メタアーム部32Bの形状が異なっている点を除いて、光素子50Aと同様に構成されている。すなわち、光素子50Bは、メタアーム部32Bにおける屈曲部の配置を工夫することにより、光素子50Aよりもサイズを小さくすることに成功している。 Next, another modification of the optical element 50 will be described with reference to FIG. The optical element 50B shown in FIG. 5B is configured in the same manner as the optical element 50A except that the shape of the meta arm portion 32 3 B is different. That is, the optical element 50B has succeeded in making the size smaller than that of the optical element 50A by devising the arrangement of the bent portions in the meta arm portion 32 3 B.

なお、光素子50A及び50Bでは、それぞれの中心軸C32及びC32を互いに平行としているが、中心軸C32及びC32を平行とすることは、必須の条件ではない。中心軸C32及びC32が所定の角度で交差するように第1及び第2メタ方向性結合器32及び32を配置することによっても、光素子50A及び50Bのサイズを小型化できる。 In the optical device 50A and 50B, although the respective center axis C32 1 and C32 2 parallel to one another, to the center axis C32 1 and C32 2 parallel is not an essential condition. Also by the center axis C32 1 and C32 2 places the first and second meta directional coupler 32 1 and 32 2 so as to intersect at a predetermined angle, it can reduce the size of the optical elements 50A and 50B.

(変形例2)
この実施形態においては、第1及び第2メタ方向性結合器32及び32の分配比xを0.5に設定して3dBカプラとして動作させ、単独のMMZ干渉計40が波長分離素子を構成する場合について説明した。しかし、第1及び第2メタ方向性結合器32及び32の分配比xは、任意の値に設定できる。実施形態3で後述するように、第1及び第2メタ方向性結合器32及び32の分配比xを0.5以外の値に調整したMMZ干渉計40を用いて、いわゆる多段のMZ干渉計型の波長分離素子を構成できる。
(Modification 2)
In this embodiment, the distribution ratio x of the first and second meta-directional couplers 32 1 and 32 2 is set to 0.5 to operate as a 3 dB coupler, and the single MMZ interferometer 40 has a wavelength separation element. The case of configuring has been described. However, the first and second distribution ratio x of meta directional coupler 32 1 and 32 2 can be set to any value. As will be described later in Embodiment 3, with reference to MMZ interferometer 40 adjusting the first and second meta directional coupler 32 1 and 32 2 of the distribution ratio x to a value other than 0.5, the so-called multi-stage MZ An interferometer type wavelength separation element can be configured.

(変形例3)
以下、図8を参照して、光素子50の変形例について説明する。図8と図3との比較から明らかなように、光素子50Cは、第1メタ方向性結合器32の第2方向性結合器32Rと、メタアーム部32と、第2メタ方向性結合器32の第1方向性結合器32Lとからなる第1素子部分(図4で符号64で示す。)が、マルチモード光導波路52で置換されている点を除き、光素子50と同様に構成されている。
(Modification 3)
Hereinafter, a modification of the optical element 50 will be described with reference to FIG. As is apparent from comparison between FIG. 8 and FIG. 3, the optical element 50C is 1 and R first meta directional coupler 32 1 of the second directional coupler 32, a Metaamu portion 32 3, the second meta direction (indicated by reference numeral 64 in FIG. 4.) the first element portion consisting of a sex coupler 32 2 of the first directional coupler 32 2 L is, except that it is substituted by a multimode optical waveguide 52, an optical element 50 is configured in the same manner.

図4を参照すると、第1素子部分64は、両モード光を含む光Lt1を、両光導波路16a及び16bを伝搬する光Lt1及びLt1へと変換し、メタアーム部32により波長に応じた位相差Φを付与した上で、再び両モード光を含む光Lt1へと変換している。つまり、第1素子部分64では、波長に応じた位相差Φを付与するために、一旦、光Lt1をシングルモード光である光Lt1及びLt1に変換し、位相差Φの付与後の光Lt1及びLt1を再変換して、両モード光を含む光Lt1を得ていた。 Referring to FIG. 4, the first element portion 64, the light Lt1 3 containing both mode light is converted into light Lt1 4 and Lt1 5 propagating the two optical waveguides 16a and 16b, the wavelength by Metaamu 32 3 on which a retardation Φ corresponding, is converted into the light Lt1 8 containing both mode light again. That is, in the first element portion 64, in order to provide the phase difference Φ according to the wavelength, the light Lt1 3 is once converted into the light Lt1 4 and Lt1 5 which are single mode lights, and after the phase difference Φ is applied. Lights Lt1 6 and Lt1 7 were reconverted to obtain light Lt1 8 including both mode lights.

一般に、マルチモード光導波路では両モード光間で伝搬定数が異なっているので、第1素子部分64をマルチモード光導波路52に置換すれば、光Lt1を光Lt1及びLt1に変換しなくても、直接、光Lt1に位相差Φを付与し、光Lt1を得ることができる。 In general, in the multimode optical waveguide, the propagation constants are different between the two mode lights. Therefore, if the first element portion 64 is replaced with the multimode optical waveguide 52, the light Lt1 3 is not converted into the light Lt1 4 and Lt1 5. However, the light Lt1 8 can be obtained by directly providing the light Lt1 3 with the phase difference Φ.

このように、第1素子部分64をマルチモード光導波路52に置換することにより、光素子50の構造を大幅に単純化できる。   Thus, by replacing the first element portion 64 with the multimode optical waveguide 52, the structure of the optical element 50 can be greatly simplified.

なお、マルチモード導波路52は、この導波路52に関する干渉条件を表す下記式(10)を用いて設計できる。
2πLΔn/λ=2mπ・・・(10)
The multi-mode waveguide 52 can be designed using the following formula (10) that represents the interference condition related to the waveguide 52.
2πL M Δn M / λ 1 = 2m M π (10)

ここで、Lはマルチモード導波路52の全長であり、Δnは、マルチモード導波路52に関する両モード光間の等価屈折率差であり、及びmは0以上の整数値を取る干渉次数である。なお、Δnはマルチモード導波路52の幅と厚みとから計算できる。 Here, L M is the total length of the multi-mode waveguide 52, Δn M is an equivalent refractive index difference between both mode lights with respect to the multi-mode waveguide 52, and m M is an interference that takes an integer value of 0 or more. Is the order. Δn M can be calculated from the width and thickness of the multimode waveguide 52.

ここで、波長分離すべき第1及び第2光Lt1及びLt2間の波長差(λ−λ)をΔλとすると、全長Lは、式(10)変形した下記式(11)から求めることができる。
=(λ /Δλ)×(Δn−λ×(dΔn/dλ))・・・(11)
Here, when the wavelength difference between the first and second light Lt1 and Lt2 should wavelength separating (lambda 1 1-? 2) and [Delta] [lambda] 1, the total length L M from equation (10) deformed following formula (11) Can be sought.
L M = (λ 1 2 / Δλ 1 ) × (Δn M −λ 1 × (dΔn M / dλ 1 )) (11)

このように設定された全長Lのマルチモード導波路52は、第1素子部分64と同様に動作する。 Multi-mode waveguide 52 thus set the overall length L M operates in the same manner as the first element portion 64.

[実施形態3]
以下、図9〜図11を参照して、実施形態3の光素子について説明する。図9は、光素子の構造を概略的に示す平面図である。図10は、変形例の構造を模式的に示す平面図である。図11は、別の変形例の構造を模式的に示す平面図である。
[Embodiment 3]
Hereinafter, the optical element of Embodiment 3 will be described with reference to FIGS. 9 to 11. FIG. 9 is a plan view schematically showing the structure of the optical element. FIG. 10 is a plan view schematically showing the structure of the modification. FIG. 11 is a plan view schematically showing the structure of another modified example.

なお、図9において、光素子を構成するコア18は、クラッド12に覆われているために、直接目視することはできないが、強調のために実線で描いてある。また、図10及び図11においては、基板8及びクラッド12の描画を省略している。また、以上の図面において、煩雑化を防ぐために、説明に必要ない一部の構成要素の符号を省略している。   In FIG. 9, the core 18 constituting the optical element is covered with the clad 12 and cannot be directly observed, but is drawn with a solid line for emphasis. 10 and 11, the drawing of the substrate 8 and the clad 12 is omitted. Moreover, in the above drawings, in order to prevent complication, the code | symbol of the one part component which is not required for description is abbreviate | omitted.

(構造)
図9を参照して、光素子60の構造について説明する。光素子60は、言わば、多段のMZ干渉計型の波長分離素子であり、実施形態2のMMZ干渉計40を複数個直列に接続したものに対応する。より正確には、光素子60は、MMZ干渉計40と略同様に構成された第1〜第iMMZ干渉計40−1〜40−i(iは2以上の整数)を備えている。よって、第1〜第iMMZ干渉計40−1〜40−iの構成要素には、MMZ干渉計40と同等の符号を付すとともに、符号の末尾に付した添字「−i」により、第1〜第iMMZ干渉計40−1〜40−iを区別する。
(Construction)
The structure of the optical element 60 will be described with reference to FIG. The optical element 60 is a multi-stage MZ interferometer-type wavelength separation element, and corresponds to a plurality of MMZ interferometers 40 of the second embodiment connected in series. More precisely, the optical element 60 includes first to i-th MMZ interferometers 40-1 to 40-i (i is an integer equal to or greater than 2) configured in substantially the same manner as the MMZ interferometer 40. Therefore, the components of the first to i-th MMZ interferometers 40-1 to 40-i are denoted by the same reference numerals as those of the MMZ interferometer 40, and the subscripts “-i” attached to the end of the reference numerals indicate The i-MMZ interferometers 40-1 to 40-i are distinguished.

光素子60を構成する光導波路11は、この順序で直列に配置された第1〜第iMMZ干渉計40−1〜40−iを備えている。光導波路11は、さらに、任意的な要素として実施形態1と同様に構成された入力部24と出力部26とを備えている。光素子60は、第1光Lt1をクロス状態で出力し、第2光Lt2をバー状態で出力するように構成されている。   The optical waveguide 11 constituting the optical element 60 includes first to i-th MMZ interferometers 40-1 to 40-i arranged in series in this order. The optical waveguide 11 further includes an input unit 24 and an output unit 26 configured as optional elements in the same manner as in the first embodiment. The optical element 60 is configured to output the first light Lt1 in the cross state and output the second light Lt2 in the bar state.

第1〜第iMMZ干渉計40−1〜40−iは、MMZ干渉計の第1光Lt1に関する分配比が異なっている以外は、実施形態2のMMZ干渉計40と同様に構成されている。すなわち、第1光Lt1をクロス出力するためには、個々の第1〜第iMMZ干渉計40−1〜40−iの第1光に関する分配率の和を1にすればよい。そこで、第1〜第iMMZ干渉計40−1〜40−iの第1光Lt1に関する分配率xをそれぞれ1/iとしている。なお、第2光Lt2はバー出力されるので、個々の第1〜第iMMZ干渉計40−1〜40−iの分配率を考慮する必要は無い。   The first to i-th MMZ interferometers 40-1 to 40-i are configured in the same manner as the MMZ interferometer 40 of the second embodiment except that the distribution ratio of the MMZ interferometer with respect to the first light Lt1 is different. That is, in order to cross-output the first light Lt1, the sum of the distribution ratios related to the first light of each of the first to iMMZ interferometers 40-1 to 40-i may be set to 1. Therefore, the distribution ratio x regarding the first light Lt1 of the first to i-th MMZ interferometers 40-1 to 40-i is 1 / i, respectively. Since the second light Lt2 is output as a bar, it is not necessary to consider the distribution ratio of each of the first to i-th MMZ interferometers 40-1 to 40-i.

ところで、任意の第rMMZ干渉計40−r(rは1〜iの整数。)は、それぞれ2個のメタ方向性結合器32−r及び32−rを備えている。よって、第rMMZ干渉計40−rの分配率を1/iとするためには、メタ方向性結合器32−r及び32−rの分配率を1/(2i)に設定すればよい。 By the way, the arbitrary rMMZ interferometer 40-r (r is an integer of 1 to i) includes two meta directional couplers 32 1 -r and 32 2 -r, respectively. Therefore, in order to set the distribution ratio of the r-th MMZ interferometer 40-r to 1 / i, the distribution ratios of the meta-directional couplers 32 1 -r and 32 2 -r may be set to 1 / (2i). .

あとは、実施形態1と同様にして、分配率が1/(2i)となるように、メタ方向性結合器32−rのアーム部32C−rに導入する位相差を求める。そして、この位相差からアーム部32C−rの光路長差を求め、この光路長差を達成するようにアーム部32C−rを構成する第1及び第2湾曲部16aC−r及び16bC−rの長さを決定する。 After that, in the same manner as in the first embodiment, the phase difference introduced into the arm part 32 1 Cr of the meta directional coupler 32 1 -r is obtained so that the distribution ratio becomes 1 / (2i). Then, the optical path length difference of the arm portion 32 1 C-r is obtained from this phase difference, and the first and second bending portions 16a 1 C- constituting the arm portion 32 1 C-r so as to achieve this optical path length difference. Determine the lengths of r and 16b 1 Cr.

ここで、互いに隣接する第j及び第(j+1)MMZ干渉計40−j及び40−(j+1)(jは1〜i−1の整数)の組み合わせを考える。そして、第j及び第(j+1)MMZ干渉計40−j及び40−(j+1)からなる構造体を第jペア構造体42−jとする。このとき、第jMMZ干渉計40−jを構成する第1及び第2光導波路16a−j及び16b−jと、第(j+1)MMZ干渉計40−(j+1)を構成する第1及び第2光導波路16a−(j+1)及び16b−(j+1)とは、図9の第jペア構造体42−jの中心点を対称中心にして、点対称に配置されている。ここで、第jペア構造体42−jの中心点とは、第jペア構造体42−jの全構成要素についての重心に対応する。   Here, a combination of j-th and (j + 1) -th MMZ interferometers 40-j and 40- (j + 1) (j is an integer of 1 to i-1) adjacent to each other is considered. A structure including the jth and (j + 1) th MMZ interferometers 40-j and 40- (j + 1) is defined as a jth pair structure 42-j. At this time, the first and second optical waveguides 16a-j and 16b-j constituting the jth MMZ interferometer 40-j, and the first and second optical waveguides constituting the (j + 1) th MMZ interferometer 40- (j + 1). The waveguides 16a- (j + 1) and 16b- (j + 1) are arranged point-symmetrically with the center point of the j-th pair structure 42-j in FIG. 9 as the center of symmetry. Here, the center point of the j-th pair structure 42-j corresponds to the center of gravity of all the components of the j-th pair structure 42-j.

このように、第j及び第(j+1)MMZ干渉計40−j及び40−(j+1)を点対称配置にすることにより、クロス出力される第1光Lt1のピーク波長帯域を広げることができる。   As described above, the jth and (j + 1) th MMZ interferometers 40-j and 40- (j + 1) are arranged in a point-symmetric manner, so that the peak wavelength band of the first light Lt1 that is cross-outputted can be widened.

(変形例)
以下、光素子60の変形例について説明する。光素子60は、光素子10及びMMZ干渉計40と同様の変形が可能であるとともに、さらに以下に列記する変形が可能である。
(Modification)
Hereinafter, modified examples of the optical element 60 will be described. The optical element 60 can be modified in the same manner as the optical element 10 and the MMZ interferometer 40, and further can be modified as listed below.

(変形例1)
以下、図10を参照して、光素子60の変形例について説明する。図10は、図9の第jペア構造体42−jの拡大平面図である。図10を参照すると、光素子60Aは、第jペア構造体42−jにおける第2素子部分42A−j(図9)に代えて、第2素子部分42A−jと同様に機能する第j等価アーム部62−jを備えた点が、光素子60と異なっている。つまり、光素子60Aでは、隣接しあう第j及び第j+1MMZ干渉計40−j及び40−(j+1)が、1個の第j等価アーム部62−jを共有している。
(Modification 1)
Hereinafter, a modification of the optical element 60 will be described with reference to FIG. FIG. 10 is an enlarged plan view of the j-th pair structure 42-j in FIG. Referring to FIG. 10, the optical element 60 </ b> A replaces the second element part 42 </ b> A-j (FIG. 9) in the j-th pair structure 42-j and functions in the same way as the second element part 42 </ b> A-j. The optical device 60 is different from the optical device 60 in that the arm portion 62-j is provided. That is, in the optical element 60A, adjacent jth and j + 1th MMZ interferometers 40-j and 40- (j + 1) share one jth equivalent arm portion 62-j.

図9を参照すると、第2素子部分42A−jとは、第jMMZ干渉計40−jにおける第2メタ方向性結合器32−jのアーム部32C−j及び第2方向性結合器32R−jと、第j+1MMZ干渉計40−(j+1)における第1メタ方向性結合器32−(j+1)のアーム部32C−(j+1)及び第1方向性結合器32L−(j+1)とからなる光素子60の部分である。 Referring to FIG. 9, the second element portion 42A-j refers to the arm portion 32 2 Cj and the second directional coupler of the second meta directional coupler 32 2 -j in the j th MMZ interferometer 40-j. 32 2 R-j, and the arm part 32 1 C- (j + 1) and the first directional coupler 32 1 L of the first meta directional coupler 32 1- (j + 1) in the j + 1 MMZ interferometer 40- (j + 1). -(J + 1) is the portion of the optical element 60.

再び図10に戻ると、第j等価アーム部62−jは、並列された第1及び第2光導波路16a及び16bの部分としての第3及び第4湾曲部16aC−j及び16bC−jで構成されている。第j等価アーム部62−jは、第3及び第4湾曲部16aC−j及び16bC−jを伝搬後の第1光Lt1に、上述した位相差φとは異なる位相差φを与えるように構成される。ここで、第j等価アーム部62−jが与える位相差φは、第rMMZ干渉計40−r(図9)が備えるアーム部32C−rが与える位相差φの2倍の大きさとする。 Returning to FIG. 10 again, the j-th equivalent arm portion 62-j includes the third and fourth curved portions 16a 4 C-j and 16b 4 C as the portions of the first and second optical waveguides 16a and 16b arranged in parallel. -J. The j-th equivalent arm portion 62-j has a phase difference φ A different from the above-described phase difference φ in the first light Lt1 after propagating through the third and fourth bending portions 16a 4 Cj and 16b 4 Cj. Configured to give Here, the phase difference φ A given by the j-th equivalent arm unit 62-j is twice as large as the phase difference φ given by the arm unit 32 1 Cr provided in the rMMZ interferometer 40-r (FIG. 9). To do.

第j等価アーム部62−jが、位相差φを2倍にしたアーム部32C−rと等価である点につき、上述の伝達マトリクスを用いて説明する。ここで、図9に示した、第jMMZ干渉計40−jにおける第2メタ方向性結合器32−jと、第j+1MMZ干渉計40−(j+1)における第1メタ方向性結合器32−(j+1)とを直列に接続した直列構造体の伝達特性を伝達マトリクスM31で表す。さらに、第j等価アーム部62−jの伝達特性を伝達マトリクスM33で表す。このとき、M31は、上述の式(4)及び式(5)の伝達マトリクスM及びMを用いて、下記式(12)で表される。
31=M・・・(12)
The point that the j-th equivalent arm portion 62-j is equivalent to the arm portion 32 1 C-r that doubles the phase difference φ will be described using the above-described transmission matrix. Here, the second meta-directional coupler 32 2 -j in the j-th MMZ interferometer 40 -j and the first meta-directional coupler 32 1- in the j + 1 MMZ interferometer 40-(j + 1) shown in FIG. (j + 1) and the transfer characteristics of the series structure are connected in series represented by the transfer matrix M 31. Further, representing the transfer characteristic of the j equivalent arm portion 62-j in transmission matrix M 33. In this case, M 31, using the transfer matrix M s and M f of the above equation (4) and (5), represented by the following formula (12).
M 31 = M s M f M s M s M f M s (12)

式(12)において、2項目から5項目のマトリクスの積であるMが、第j等価アーム部62−jの伝達特性M33に対応する。ここで、式(12)において、Mは単位マトリクスとなるので、式(12)は下記式(13)のように簡単化できる。
31=M・・・(13)
In Expression (12), M f M s M s M f , which is a product of a matrix of 2 to 5 items, corresponds to the transfer characteristic M 33 of the j-th equivalent arm unit 62-j. Here, since M s M s in the equation (12) is a unit matrix, the equation (12) can be simplified as the following equation (13).
M 31 = M s M f M f M s (13)

さらに、式(13)において、Mは、下記式(14)のように表される。 Furthermore, in Formula (13), M f M f is expressed as in the following Formula (14).

ここで、式(14)のM33と、式(6)のMとを比較すると、Mでは各要素の位相項で位相差φに係数1/2が掛けられているが、M33の位相項では位相差φに係数が掛けられていない。つまり、位相項での係数の差により、M33は、位相差2φを与えたMの伝達特性と等しくなる。このことより、第j等価アーム部62−jの位相差φをアーム部32C−rの位相差φの2倍にすれば、両者が同様に動作することが判る。 Here, the M 33 of formula (14), comparing the M f of formula (6), but the coefficient 1/2 is hooked to a phase difference φ in phase term of each the M f elements, M 33 In the phase term, the phase difference φ is not multiplied by a coefficient. In other words, the difference in coefficients of the phase term, M 33 is equal to the transfer characteristic of the M f given a phase difference 2 [phi. This shows that, if the phase difference phi A of the j equivalent arm portion 62-j to twice the phase difference phi of the arm 32 1 C-r, it can be seen that both operate similarly.

この結果を利用すると、式(12)は下記式(15)のように表される。
31=M33・・・(15)
Using this result, Expression (12) is expressed as Expression (15) below.
M 31 = M s M 33 M s (15)

式(15)から、直列構造体と、一部を第j等価アーム部62−jで置換した直列構造体とは、伝達マトリクスが等しく同様の動作をすることがわかる。   From the equation (15), it can be seen that the series structure and the series structure partially substituted with the j-th equivalent arm portion 62-j have the same transfer matrix and perform the same operation.

このように、第2素子部分42A−jを第j等価アーム部62−jで置換することにより、長さが、100μmオーダである第1及び第2方向性結合器32L−(j+1)及び32R−jを省略することができ、光素子60Aの全長を大幅に短縮することができる。 Thus, by replacing the second element portion 42A-j with the j-th equivalent arm portion 62-j, the first and second directional couplers 32 1 L- (j + 1) having a length on the order of 100 μm. And 32 2 Rj can be omitted, and the overall length of the optical element 60A can be greatly shortened.

(変形例2)
以下、主に、図11を参照して、光素子60の変形例について説明する。図11に示す光素子60Bは、言わば、図8に示したマルチモード光導波路52と、図10に示した第j等価アーム部62−jとを併用した構造に対応する。
(Modification 2)
Hereinafter, a modification of the optical element 60 will be mainly described with reference to FIG. The optical element 60B shown in FIG. 11 corresponds to a structure in which the multimode optical waveguide 52 shown in FIG. 8 and the j-th equivalent arm portion 62-j shown in FIG. 10 are used in combination.

より詳細には、光素子60Bは、図10における第1素子部分64−j及び64−(j+1)を、それぞれマルチモード光導波路52−j及び52−(j+1)に置換したものである。   More specifically, the optical element 60B is obtained by replacing the first element portions 64-j and 64- (j + 1) in FIG. 10 with multimode optical waveguides 52-j and 52- (j + 1), respectively.

さらに、光素子60Bでは、第1及び第2光導波路16a及び16bを、平行を保った状態で直角に屈曲させ、該屈曲部の外側と内側とで生じる光導波路16a及び16bの長さの差を利用して、アーム部32C−j及び32C−(j+1)を形成している。 Furthermore, in the optical element 60B, the first and second optical waveguides 16a and 16b are bent at a right angle while maintaining parallelism, and the difference in length between the optical waveguides 16a and 16b generated between the outside and the inside of the bent portion Are used to form the arm portions 32 1 C-j and 32 2 C- (j + 1).

光素子60Bをこのように構成する結果、光素子60Aに比べて、より素子サイズを小型化できる。   As a result of configuring the optical element 60B in this way, the element size can be further reduced as compared with the optical element 60A.

(変形例3)
この実施形態では、第jペア構造体42−jを構成する第1及び第2光導波路を、中心点を対称中心にして点対称に配置した場合について説明した。しかし、第jペア構造体42−jを構成する第1及び第2光導波路を点対称に配置する必要は無く、平行移動したときに互いに重なり合うように配置してもよい。このように構成しても、光素子60は、実用上十分な波長分離能力を奏する。
(Modification 3)
In this embodiment, the case where the first and second optical waveguides constituting the j-th pair structure 42-j are arranged point-symmetrically with the center point as the center of symmetry has been described. However, the first and second optical waveguides constituting the j-th pair structure 42-j do not need to be arranged point-symmetrically, and may be arranged so as to overlap each other when translated. Even if comprised in this way, the optical element 60 has a wavelength separation capability sufficient practically.

8 基板
8a 主面
10,30,50,50A,50B,50C,60,60A,60B 光素子
11 光導波路
12 クラッド
18 コア
32 マッハツェンダ干渉計(MZ干渉計)
32,32−r,32A,32B,32−(j+1) 第1メタ方向性結合器
32,32−r,32A,32B,32−j 第2メタ方向性結合器
32,32A,32B,32C,32C−j,32C−(j+1) メタアーム部
22L,32L,32L,32L,32L−j,32L−j,32L−(j+1),32L−(j+1) 第1方向性結合器
22R,32R,32R,32R,32R−j,32R−j,32R−(j+1),32R−(j+1) 第2方向性結合器
22C,32C,32C,32C,32C−r,32C−j,32C−j,32C−(j+1),32C−(j+1) アーム部
16aL,16aR,16aL,16aR,16aL,16aR 第1直線部
16bL,16bR,16bL,16bR,16bL,16bR 第2直線部
16aC−j 第3湾曲部
16bC−j 第4湾曲部
16aC,16aC,16aC,16aC,16aC−r 第1湾曲部
16bC,16bC,16bC,16bC,16bC−r 第2湾曲部
16a,16a,16a,16a,16a−j,16a−(j+1) 第1光導波路
16b,16b,16b,16b,16b−j,16b−(j+1) 第2光導波路
16T,16T1,16T1,16T1 第1幅テーパ部
16T2,16T2,16T2 第2幅テーパ部
C32,C32 中心軸
IN16a,IN16b 入力端
OUT16 出力側
OUT16a,OUT16b 出力端
24 入力部
24a 入力用光導波路
24b ダミー導波路
26 出力部
26a 第1出力用光導波路
26b 第2出力用光導波路
40 光ユニット(メタマッハツェンダ(MMZ)干渉計)
40−r 第rMMZ干渉計
40−j 第jMMZ干渉計
40−(j+1) 第(j+1)MMZ干渉計
42−j 第jペア構造体
42A−j 第2素子部分
52,52−j,52−(j+1) マルチモード光導波路
62−j 第j等価アーム部
64,64−j,64−(j+1) 第1素子部分
8 Substrate 8a Main surface 10, 30, 50, 50A, 50B, 50C, 60, 60A, 60B Optical element 11 Optical waveguide 12 Clad 18 Core 32 Mach-Zehnder interferometer (MZ interferometer)
32 1 , 32 1 -r, 32 1 A, 32 1 B, 32 1- (j + 1) first meta directional couplers 32 2 , 32 2 -r, 32 2 A, 32 2 B, 32 2 -j 2 meta directional couplers 32 3 , 32 3 A, 32 3 B, 32 3 C, 32 3 C-j, 32 3 C- (j + 1) meta arm portions 22 L, 32 L, 32 1 L, 32 2 L, 32 2 L-j, 32 1 L-j, 32 1 L- (j + 1), 32 2 L- (j + 1) first directional couplers 22R, 32R, 32 1 R, 32 2 R, 32 2 R-j, 32 1 R-j, 32 1 R- (j + 1), 32 2 R- (j + 1) Second directional couplers 22C, 32C, 32 1 C, 32 2 C, 32 1 C-r, 32 2 C-j, 32 1 C-j, 32 1 C- (j + 1), 32 2 C- (j + 1) Arm portions 16aL, 1 6aR, 16a 1 L, 16a 1 R, 16a 2 L, 16a 2 R 1st straight line part 16bL, 16bR, 16b 1 L, 16b 1 R, 16b 2 L, 16b 2 R 2nd straight line part 16a 4 Cj 1st 3 bending portion 16b 4 Cj 4th bending portion 16aC, 16a 1 C, 16a 2 C, 16a 3 C, 16a 1 C-r 1st bending portion 16bC, 16b 1 C, 16b 2 C, 16b 3 C, 16b 1 C-r second curved portion 16a, 16a 1, 16a 2, 16a 3, 16a-j, 16a- (j + 1) first optical waveguide 16b, 16b 1, 16b 2, 16b 3, 16b-j, 16b- ( j + 1) second optical waveguide 16T, 16T1,16T1 1, 16T1 2 first width tapered portions 16T2,16T2 1, 16T2 2 second width tapered portions C32 1, C32 2 central axis IN16a IN16b input end OUT16 output side OUT16a, OUT16b output end 24 input unit 24a input optical waveguide 24b dummy waveguide 26 output unit 26a first output optical waveguide 26b second output optical waveguide 40 optical unit (meta Mach-Zehnder (MMZ) interference) Total)
40-r rMMZ interferometer 40-j jMMZ interferometer 40- (j + 1) (j + 1) MMZ interferometer 42-j j-pair structure 42A-j second element parts 52, 52-j, 52- ( j + 1) Multimode optical waveguide 62-j jth equivalent arm portion 64, 64-j, 64- (j + 1) first element portion

Claims (13)

基板の主面側に設けられたクラッドと、該クラッド中に設けられたコアとで構成された光導波路を備えており、
該光導波路が第1及び第2光導波路を備え、
それぞれ、光結合可能な距離だけ離間して互いに並列した前記第1及び第2光導波路の部分で構成された第1及び第2方向性結合器と、
前記第1及び第2方向性結合器間に介在する前記第1及び第2光導波路の部分で構成されたアーム部とを有し、
前記第1及び第2方向性結合器は、第1波長λの第1光に対して3dBカプラとして機能するとともに、
前記第1方向性結合器を構成する前記第1又は第2光導波路に、光伝搬方向に垂直で前記主面に平行な方向に測った長さである幅が第1幅から、該第1幅よりも小さい第2幅まで、光伝搬方向に沿って縮小する第1幅テーパ部が形成されており、
前記第2方向性結合器を構成する前記第1又は第2光導波路に、幅が前記第2幅から、前記第1幅まで、光伝搬方向に沿って拡大する第2幅テーパ部が形成されており、
前記アーム部は、当該アーム部の前記第1及び第2光導波路を伝搬する前記第1光に対して、(2m+z)πの位相差(mは0以上の整数、zは0<z<1の実数)を与えるように構成されていること特徴とする光素子。
An optical waveguide comprising a clad provided on the main surface side of the substrate and a core provided in the clad;
The optical waveguide comprises first and second optical waveguides;
First and second directional couplers each composed of a portion of the first and second optical waveguides separated from each other by a distance capable of optical coupling;
An arm portion composed of portions of the first and second optical waveguides interposed between the first and second directional couplers,
The first and second directional couplers function as a 3 dB coupler for the first light with the first wavelength λ 1 , and
The first or second optical waveguide constituting the first directional coupler has a width measured in a direction perpendicular to the light propagation direction and parallel to the main surface from the first width. A first width taper portion that is reduced along the light propagation direction to a second width smaller than the width is formed,
The first or second optical waveguide constituting the second directional coupler is formed with a second width taper portion whose width increases from the second width to the first width along the light propagation direction. And
The arm portion has a phase difference of (2m + z) π with respect to the first light propagating through the first and second optical waveguides of the arm portion (m is an integer equal to or greater than 0, and z is 0 <z <1. A real number of the optical element.
前記第1方向性結合器において、前記第1及び第2光導波路間の間隔を光伝搬方向に沿って狭くし、前記第2方向性結合器において、前記第1及び第2光導波路間の間隔を光伝搬方向に沿って広げることを特徴とする請求項1に記載の光素子。   In the first directional coupler, an interval between the first and second optical waveguides is narrowed along a light propagation direction, and in the second directional coupler, an interval between the first and second optical waveguides. The optical element according to claim 1, wherein the optical element is spread along a light propagation direction. 前記アーム部を構成する前記第1及び第2光導波路間の光路長差ΔSを、下記式(1)を満たすように設定することを特徴とする請求項1又は2に記載の光素子。
2ΔS/λ=2m+z・・・(1)
The optical element according to claim 1, wherein an optical path length difference ΔS 1 between the first and second optical waveguides constituting the arm portion is set so as to satisfy the following formula (1).
2ΔS 1 / λ 1 = 2m + z (1)
前記コアを構成する材料をSiとし、前記クラッドを構成する材料をSiOとすることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の光素子。 The material constituting the core and Si, the optical element according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the material constituting the clad and SiO 2. 前記コアを構成する材料は、前記クラッドを構成する材料の屈折率よりも40%以上大きな屈折率を有していることを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の光素子。   The optical element according to any one of claims 1 to 4, wherein the material constituting the core has a refractive index that is 40% or more larger than the refractive index of the material constituting the clad. . 請求項1〜5の何れか一項に記載の光素子をそれぞれ第1及び第2メタ方向性結合器として備えるとともに、
該第1及び第2メタ方向性結合器間に介在する第1及び2光導波路で構成されたメタアーム部を備え、
前記第1及び第2メタ方向性結合器の前記アーム部が、それぞれの当該アーム部を伝搬する前記第1光に対して(2m+1/2)πの位相差を与えるように構成されており、
前記メタアーム部が、当該メタアーム部を伝搬する前記第1光に対して2Mπ(Mは0以上の整数)の位相差を与え、
前記第1及び第2メタ方向性結合器が備える第1光導波路と前記メタアーム部が備える第1光導波路とが接続されており、前記第1及び第2メタ方向性結合器が備える第2光導波路と前記メタアーム部が備える第2光導波路とが接続されていることを特徴とする光素子。
While comprising the optical element according to any one of claims 1 to 5 as a first and a second meta-directional coupler,
A meta arm portion composed of first and second optical waveguides interposed between the first and second meta directional couplers;
The arm portions of the first and second meta-directional couplers are configured to give a phase difference of (2m + 1/2) π to the first light propagating through the respective arm portions;
The meta arm unit gives a phase difference of 2Mπ (M is an integer of 0 or more) to the first light propagating through the meta arm unit,
A first optical waveguide included in the first and second meta directional couplers is connected to a first optical waveguide included in the meta arm unit, and a second optical light included in the first and second meta directional couplers. An optical element, wherein a waveguide and a second optical waveguide provided in the meta arm portion are connected.
前記メタアーム部を構成する前記第1及び第2光導波路間の光路長差ΔSを、下記式(2)を満たすように設定することを特徴とする請求項6に記載の光素子。
2ΔS/λ=2M・・・(2)
The optical element according to claim 6, wherein an optical path length difference ΔS 2 between the first and second optical waveguides constituting the meta arm portion is set so as to satisfy the following formula (2).
2ΔS 2 / λ 1 = 2M (2)
前記光素子に、さらに第1波長λとは異なる第2波長λの第2光が入力され、
前記光路長差ΔSを、前記第2光について、下記式(3)を更に満たすように設定することを特徴とする請求項7に記載の光素子。
2ΔS/λ=2M+1・・・(3)
Second light having a second wavelength λ 2 different from the first wavelength λ 1 is further input to the optical element,
The optical element according to claim 7, wherein the optical path length difference ΔS 2 is set so as to further satisfy the following expression (3) for the second light.
2ΔS 2 / λ 2 = 2M + 1 (3)
前記第1及び第2メタ方向性結合器の中心軸同士を、交差するか又は平行とすることを特徴とする請求項6〜8の何れか一項に記載の光素子。   The optical element according to any one of claims 6 to 8, wherein central axes of the first and second meta-directional couplers intersect or are parallel to each other. 前記第1メタ方向性結合器において、前記第1方向性結合器の前記第1幅テーパ部が第f光導波路(fは1又は2)に設けられ、及び前記第2方向性結合器の前記第2幅テーパ部が、第f光導波路(fは1又は2)に設けられる場合に、
前記第2メタ方向性結合器における前記第1方向性結合器の前記第1幅テーパ部が第u光導波路(u=3−f)に設けられ、及び前記第2方向性結合器の第2幅テーパ部が、第u光導波路(u=3−f)に設けられており、
前記第1メタ方向性結合器のアーム部における第1及び第2光導波路間の光路長差と、前記第2メタ方向性結合器のアーム部における第1及び第2光導波路間の光路長差とが絶対値が等しく符号が反転していることを特徴とする請求項6〜9の何れか一項に記載の光素子。
In the first meta directional coupler, the first width taper portion of the first directional coupler is provided in an f 1 optical waveguide (f 1 is 1 or 2), and the second directional coupler. When the second width taper portion is provided in the f 2 optical waveguide (f 2 is 1 or 2),
The first width tapered portion of the first directional coupler in the second meta directional coupler is provided in a u 2 optical waveguide (u 2 = 3-f 2 ), and the second directional coupler Is provided in the u 1 optical waveguide (u 1 = 3-f 1 ),
The optical path length difference between the first and second optical waveguides in the arm portion of the first meta directional coupler and the optical path length difference between the first and second optical waveguides in the arm portion of the second meta directional coupler. The optical element according to claim 6, wherein the absolute values are equal and the signs are inverted.
前記第1メタ方向性結合器の前記第2方向性結合器と、前記メタアーム部と、前記第2メタ方向性結合器の前記第1方向性結合器とからなる第1素子部分に代えて、当該第1素子部分と同様に機能するマルチモード光導波路を備えることを特徴とする請求項6〜10の何れか一項に記載の光素子。   In place of the first element portion consisting of the second directional coupler of the first meta directional coupler, the meta arm portion, and the first directional coupler of the second meta directional coupler, The optical element according to claim 6, further comprising a multimode optical waveguide that functions in the same manner as the first element part. 請求項6〜11の何れか一項に記載の光素子を第1〜第iメタマッハツエンダ干渉計(iは2以上の整数)として備えており、
前記第1〜第iメタマッハツエンダ干渉計は、この順で互いに接続されており、
第j及び第j+1メタマッハツエンダ干渉計(jは1〜i−1の整数)の第1光導波路同士が接続されており、前記第j及び第j+1メタマッハツエンダ干渉計の第2光導波路同士が接続されていることを特徴とする光素子。
The optical element according to any one of claims 6 to 11 is provided as a first to i-th Meta Mach-Zehnder interferometer (i is an integer of 2 or more),
The first to i-th Meta Mach-Zehnder interferometers are connected to each other in this order,
The first optical waveguides of the jth and j + 1th Meta Mach-Zehnder interferometers (j is an integer from 1 to i-1) are connected to each other, and the second light of the jth and j + 1th Meta Mach-Zehnder interferometers is connected. An optical element characterized in that waveguides are connected to each other.
前記第jメタマッハツエンダ干渉計における前記第2メタ方向性結合器の前記アーム部及び前記第2方向性結合器と、前記第j+1メタマッハツエンダ干渉計における前記第1メタ方向性結合器の前記アーム部及び前記第1方向性結合器とからなる第2素子部分に代えて、当該第2素子部分と同様に機能する第j等価アーム部を備えることを特徴とする請求項12に記載の光素子。   The arm portion of the second meta directional coupler and the second directional coupler in the jth meta Mach-Zehnder interferometer, and the first meta directional coupler in the j + 1 meta Mach-Zehnder interferometer. 13. A j-th equivalent arm portion that functions in the same manner as the second element portion is provided instead of the second element portion including the arm portion and the first directional coupler. Optical element.
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