JP2013205742A - 光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】グレーティング素子において偏波無依存を達成することで出力光の強度を高める。
【解決手段】基板８の主面８ａ上の、第１クラッド１４ａ及び第２クラッド１４ｂを備えるクラッド１４と、コア１６とで構成される光導波路１２を備える。なお、第１及び第２クラッドの屈折率は異なっている。また、コアの一方の側面１６Ｓに周期Λの規則的な突出部１６ａを備える。波長λにおいて、ＴＥ波及びＴＭ波の０次モード光の等価屈折率をそれぞれｎＴＥ０及びｎＴＭ０とし、ＴＥ波及びＴＭ波の１次モード光の等価屈折率をそれぞれｎＴＥ１及びｎＴＥ１とするとき、ｎＴＥ１＝ｎＴＭ１であり、かつ、Λ＝λ／（ｎＴＭ０＋ｎＴＥ１）、又はΛ＝λ／（ｎＴＥ０＋ｎＴＥ１）のどちらか一方が満足される
【選択図】図４

Description

この発明は、偏波無依存で波長を選択する光素子に関する。

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通信システムにおいては、上り通信及び下り通信に異なる波長の光を用いることがある。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。

光合分波素子は発光素子及び受光素子と空間光学的に光軸合わせされて、光加入者系の通信システム、例えばＰＯＮ（Ｐａｓｓｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ）の加入者側終端装置（ＯＮＵ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｕｎｉｔ）や、局側終端装置（ＯＬＴ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｉｎｅ Ｔｅｒｍｉｎａｌ）に用いられる。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１〜４参照）。この光導波路を用いた光合分波素子では、光の伝搬経路を、予め作りこまれた光導波路内に限定するので、光合分波素子にレンズやミラー等が不要となる。さらに、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。

近年、Ｓｉを材料とするコアと、Ｓｉとの屈折率差が大きなＳｉＯ_２を材料とするクラッドとで光導波路（以下、Ｓｉ光導波路とも称する。）を構成した光合分波素子が報告されている（例えば、非特許文献１〜３参照）。

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く光の閉じ込めが強いために、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。また、製造時に、Ｓｉ電子デバイスでの加工技術が利用できるために、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光合分波素子を小型化することができる。

Ｓｉ光導波路により光の合分波を行う光合分波素子として、マッハツェンダ干渉計を利用したもの、方向性結合器を利用したもの、及びグレーティングを利用したものなどが知られている。

方向性結合器を利用した光合分波素子は、光の透過率が波長に依存するので、光源で生じる波長ずれが透過率変動、すなわち透過光の強度変動を引き起こす。これにより、方向性結合器を用いた場合、透過出力の強度変動が生じる。また、必要な合分波能力を得るための素子長が数百ミクロンに及び、小型化が困難である。マッハツェンダ干渉計を利用した光合分波素子は、光の透過率が一定な透過帯域を得るために、多数の素子を直列接続する必要があり、素子が長大化してしまう。

これに対し、グレーティングを利用した光合分波素子（以下、グレーティング素子とも称する。）では、Ｂｒａｇｇ波長の反射光強度を高めることで、グレーティング内部への所定波長帯域の光の侵入を防止できる。その結果、この波長帯域で光の透過率を一定にすることができる。また、設計波長λの半分以下の周期で格子溝を設けることで、１個の素子で、設計波長の光を十分な波長分解能で選択することができる（例えば、非特許文献４参照）。

Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．１８，ｐ．２３９２，２００６年１１月 Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．２０，ｐ．１９６８，２００８年１２月 ＯｐｔｉｃｓＥｘｐｒｅｓｓ ｖｏｌ．１８，ｐ．２３８９１，２０１０年１０月 ＩＥＩＣＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ ｖｏｌ．Ｅ−９０−Ｃ， Ｎｏ．１， ｐ．５９，Ｊａｎ ２００７

米国特許４８６０２９４号明細書 米国特許５７６４８２６号明細書 米国特許５９６０１３５号明細書 米国特許７０７２５４１号明細書

しかしながら、非特許文献４に記載されたＳｉを用いたグレーティング素子には、偏波依存性がある。そのため、非特許文献４に記載された素子では、光は偏波状態により異なる経路を辿るため、偏波状態が規定されていない環境下での使用を想定する光デバイスの場合、不安定動作の原因となる場合があった。

この発明は、このような問題に鑑みなされた。従って、この発明の目的は、光の偏波状態に関わらず、光をＴＥ及びＴＭ波に対し同一の経路を辿らせることが出来る偏波無依存の光素子（グレーティング素子）を得ることにある。

発明者等は鋭意検討の結果、屈折率が違う第１及び第２クラッド間に位置するコアの幅の最適化により、１次モード光に関する等価屈折率をＴＭ波及びＴＥ波の両方の偏波（以下、両偏波とも称する。）で等しくできることを見出した。さらに、コアに設ける突出部の周期Λの最適化により、ＴＥ波及びＴＭ波のどちらか一方の基本モード光と、上述の両偏波の１次モード光とのモード間結合条件を得ることを想到した。従って、この発明の光素子は、クラッドとコアとを備える光導波路を有する。ここで、クラッドは、基板の主面上にこの順で設けられた第１及び第２クラッドを備える。第１及び第２クラッドは互いに屈折率が異なっている。また、コアは、第１及び第２クラッドの間に設けられている。そして、コアの一方の側面に周期Λの規則的な突出部が備えられている。

ここで、波長λにおいて、それぞれ、ＴＥ波及びＴＭ波の０次モード光の等価屈折率をｎＴＥ０及びｎＴＭ０とし、ＴＥ波及びＴＭ波の１次モード光の等価屈折率をｎＴＥ１及びｎＴＥ１とするとき、ｎＴＥ１＝ｎＴＭ１であり、周期Λを下記式（１）及び（２）の何れか一方に従う値とする。
Λ＝λ／（ｎＴＭ０＋ｎＴＥ１）・・・（１）
Λ＝λ／（ｎＴＥ０＋ｎＴＥ１）・・・（２）

この発明の光素子は上述のように構成されている。従って、この光素子は、光の偏波状態、つまり、ＴＥ波かＴＭ波であるかに関わらず、光に対し同一の経路を辿らせることが出来る。つまり、偏波無依存を可能にする。

（Ａ）は、実施形態の光素子とこの光素子に入出力される光とを模式的に示す平面図であり、（Ｂ）は、この光素子がＴＭ波の基本モード光と、両偏波の１次モード光との相互変換を行う場合の入力光、反射光及び透過光の伝搬モードの関係を示す図であり、（Ｃ）は、この光素子がＴＥ波の基本モード光と、両偏波の１次モード光との相互変換を行う場合の入力光、反射光及び透過光の伝搬モードの関係を示す図である。 実施形態の光素子が特性１に従って動作する場合の出力特性を、光導波路の模式的な断面構造とともに示す特性図である。 実施形態の光素子が特性３に従って動作する場合の出力特性を、光導波路の模式的な断面構造とともに示す特性図である。 実施形態の光素子（グレーティング素子）の構造を概略的に示す斜視図である。 実施形態の光素子を一端部側から見た概略的な側面図である。 （Ａ）は、実施形態の光合分波素子における光の合波を概念的に示す模式図であり、（Ｂ）は、この光合分波素子における光の分波を概念的に示す模式図である。 （Ａ）は、実施形態の光合分波素子の概略的な平面構造を示し、（Ｂ）は、モードフィルタの部分拡大図を示す平面図である。 実施形態の光合分波素子の模式図である。 実施形態の光アイソレータの構成を概念的に示す概念図である。 実施形態の光アイソレータの構成を模式的に示す模式図である。 （Ａ）は、光を順方向に伝搬させた時の光アイソレータの動作を説明するための模式図であり、（Ｂ）は、光を逆方向に伝搬させた時の光アイソレータの動作を説明するための模式図である。

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。

（発明の概要）
具体的な構成の説明に先立ち、図１を参照して、この発明の光素子の特徴を概説する。図１（Ａ）は、光素子と、この光素子に入出力される光とを模式的に示す平面図である。図１（Ａ）では、基板の図示を省略している。図１（Ｂ）は、光素子がＴＭ波の基本モード光と、両偏波の１次モード光との相互変換を行う場合の入力光、反射光及び透過光の伝搬モードの関係を示す図である。図１（Ｃ）は、光素子がＴＥ波の基本モード光と、両偏波の１次モード光との相互変換を行う場合の入力光、反射光及び透過光の伝搬モードの関係を示す図である。

まず、以下の説明で用いる光素子１０の方向及び寸法を定義する。図１に示したような右手系の直交座標系を考え、Ｘ方向を入力光ＩＮの光伝搬方向とし、この方向を長さ方向とも称する。また、Ｚ方向を図が描かれた紙面の裏面から表面に向かう方向とし、この方向を高さ方向又は厚み方向とも称する。また、Ｙ方向を図が描かれた紙面の下方から上方に向かう方向とし、この方向を幅方向とも称する。そして、Ｘ方向に沿って測った幾何学的長さを「長さ」とも称し、Ｙ方向に沿って測った幾何学的長さを「幅」とも称し、Ｚ方向に沿って測った幾何学的長さを「高さ」又は「厚さ」とも称する。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。

図１（Ａ）を参照すると、光素子１０はコア１６と、クラッド１４とを備えた光導波路１２を有する。コア１６の片方の側面１６Ｓには、周期Λの規則的な突出部１６ａを備えたグレーティングＧが設けられている。クラッド１４は、コア１６の周囲に延在する。なお、光導波路１２の具体的な構成については後述する。以降、光素子１０をグレーティング素子１０とも称する。

光素子１０は、概略的には、入力光ＩＮを偏波無依存で反射して、波長がλで所定偏波の反射光ＲＦを出力する。そして、波長λ以外の光を、偏波を保ったまま透過して透過光ＴＲとして出力する。ここで、反射光ＲＦとは、光導波路１２で反射されて、入力光ＩＮが入力された端部１６ｉから出力される光とする。また、透過光ＴＲとは、光導波路１２を透過して、端部１６ｉとは反対の端部１６ｏから出力される光とする。

より詳細には、光素子１０は、図１（Ｂ）及び（Ｃ）に示す動作特性を有する。図１（Ｂ）は、ＴＭ波の基本モード光と、両偏波の１次モード光との間で相互変換を行うように構成されている場合の光素子１０の動作特性である。

図１（Ｂ）及び（Ｃ）において、ＴＥ０及びＴＭ０は、それぞれＴＥ波及びＴＭ波の基本モード光（以下、０次モード光とも称する。）を示す。ＴＥ１及びＴＭ１は、それぞれＴＥ波及びＴＭ波の１次モード光を示す。また、（λ）は、伝搬モード光の波長がλに限定されることを示す。同様に、（≠λ）は、伝搬モード光がλ以外の波長であることを示す。さらに、特性３のｘは０＜ｘ＜１の実数であり、特性６のｙは０＜ｙ＜１の実数である。

以降、図１（Ｂ）に従った動作形式、すなわちＴＥ１及びＴＭ１とＴＭ０とを相互に変換する動作形式を、ＴＭ０形式と称する。また、図１（Ｃ）は、ＴＥ波の基本モード光と、両偏波の１次モード光との間で相互変換を行うように構成されている場合の光素子１０の動作特性である。以降、図１（Ｃ）に従った動作形式、すなわちＴＥ１及びＴＭ１とＴＥ０とを相互に変換する動作形式を、ＴＥ０形式と称する。

なお、ＴＥ波とは、入力光ＩＮの光伝搬方向（図中、Ｘ方向）に伝搬するとともに、電場がＹ方向に振動する偏波を示す。また、ＴＭ波とは、光伝搬方向に伝搬するとともに、電場がＺ方向に振動する偏波を示す。

図１（Ｂ）の特性１は、入力光ＩＮに含まれる波長λのＴＥ１及びＴＭ１は、偏波と伝搬モードとが変換されて、波長λを保ったまま、ＴＭ０の反射光ＲＦとして出力されることを示す。つまり、この特性は、光導波路１２が、偏波無依存で、波長λのＴＥ１及びＴＭ１をＴＭ０に変換して出力することを示す。

特性２は、ＴＭ０形式の光素子１０では、入力光ＩＮに含まれる波長λのＴＥ０は、反射光ＲＦとしては出力されないことを示す。つまり、ＴＥ０の入力光ＩＮは伝搬モードを保ったまま透過光ＴＲとして出力される。

特性３は、入力光ＩＮに含まれる波長λのＴＭ０は、偏波と伝搬モードとが変換されて、波長λを保ったまま、ＴＥ１とＴＭ１とが混合した反射光ＲＦとして出力されることを示す。反射光ＲＦにおけるＴＥ１とＴＭ１の強度比は、ＴＥ１：ＴＭ１＝ｘ：（１−ｘ）で与えられる。ここで、ｘは、光導波路１２の設計条件により調整可能である。

特性４は、入力光ＩＮに含まれる波長がλ以外の光は、反射光ＲＦとしては出力されず、偏波を保ったまま透過光ＴＲとして出力されることを示す。

図１（Ｃ）は、変換形式がＴＥ０形式である以外は、図１（Ｂ）と同様である。つまり、図１（Ｃ）において、「ＴＭ０」と「ＴＥ０」とを相互に読み替えれば、図１（Ｂ）の説明がそのまま成り立つ。よって、図１（Ｃ）に関する重複する説明を省略する。

なお、変換形式をＴＭ０形式とするか、ＴＥ０形式とするかは、後述のように、周期Λにより任意に選択できる。よって、以降、特に断らない限り、ＴＭ０形式、すなわち、ＴＥ１（λ）及びＴＭ１（λ）とＴＭ０（λ）との間で相互変換を行う場合を例示する。

次に、光素子１０の動作原理について説明する。一般に、グレーティング素子１０におけるモード結合条件は、下記式（３）で与えられる。

βＭ１−βＭ２＝２π／Λ・・・（３）
ここで、βＭ１は光Ｍ１の伝搬定数であり、βＭ２は光Ｍ２の伝搬定数である。なお、βの添字であるＭ１及びＭ２は、それぞれグレーティング素子１０を伝搬する光の伝搬モードを示す。Ｍ１とＭ２は同一でも異なっていても良い。Λは、グレーティング素子１０の突出部１６ａの周期である。一般に任意の伝搬モードＭの光の伝搬定数βＭは、光Ｍの真空中での波数をｋ_０とし、光Ｍに関するグレーティングの等価屈折率ｎＭとするとき、βＭ＝ｋ_０ｎＭで与えられる。

式（３）が成り立つ場合、グレーティング素子１０は、伝搬モードＭ１及びＭ２の光を相互に変換する。つまり、入力された伝搬モードＭ１の光をＭ２に変換して出力し、逆に、入力された伝搬モードＭ２の光をＭ１に変換して出力する。式（３）の伝搬定数βＭ１及びβＭ２が有する波長依存性のため、この式は特定波長λでのみ成立する。つまり、グレーティング素子１０は、この波長λの光を選択する波長選択素子として機能する。

よって、式（３）を用いれば、グレーティング素子１０に、図１（Ｂ）及び（Ｃ）に示したように偏波に依存せず波長を選択させるための条件が、それぞれ下記（４）及び（５）として導き出される。

ＴＭ０形式（図１（Ｂ））： βＴＭ０−βＴＥ１＝βＴＭ０−βＴＭ１＝２π／ΛＴＭ・・・（４）
ＴＥ０形式（図１（Ｃ））： βＴＥ０−βＴＥ１＝βＴＥ０−βＴＭ１＝２π／ΛＴＥ・・・（５）
ここで、βＴＥ１及びβＴＭ１は、波長λにおけるＴＥ１及びＴＭ１の伝搬定数であり、βＴＥ０及びβＴＭ０は、波長λにおけるＴＥ０及びＴＭ０の伝搬定数である。ΛＴＭはＴＭ０形式での突出部１６ａの周期であり、ΛＴＥはＴＥ０形式での突出部１６ａの周期である。一般にΛＴＭ≠ΛＴＥである。

しかし、従来型のグレーティング素子では、電場の振動方向が直交しているＴＥ及びＴＭ波間の結合係数を大きく取ることが出来なかったため、式（４）及び（５）を実際に適用することは、困難であった。

そこでこの発明では、まず、屈折率分布が反対称なグレーティング素子を用いることで、両偏波の結合係数を大きくした。さらに、コア１６の寸法を最適化することで、例えばＴＭ０形式の場合、ＴＥ１及びＴＭ０間の変換に要するΛと、ＴＭ１及びＴＭ０間の変換に要するΛとを、等しい値ΛＴＭとした。

式（４）及び（５）からは、さらに、光導波路１２についてβＴＥ１＝βＴＭ１の関係が得られる。この関係に伝搬定数の定義を用いることで、下記式（６）が得られる。

ｎＴＥ１＝ｎＴＭ１・・・（６）
ここで、ｎＴＥ１及びｎＴＭ１は、ＴＥ１（λ）及びＴＭ１（λ）に関する光導波路１２の等価屈折率である。

また、グレーティング素子１０においては、入射光ＩＮと、反射光ＲＦの伝搬方向が反転することを考慮して、式（４）及び（５）を変形すると、下記式（７）及び（８）が得られる。

ΛＴＭ＝λ／（ｎＴＭ０＋ｎＴＥ１）・・・（７）
ΛＴＥ＝λ／（ｎＴＥ０＋ｎＴＥ１）・・・（８）
ここで、ｎＴＥ０及びｎＴＭ０は、ＴＥ０（λ）及びＴＥ０（λ）に関する光導波路１２の等価屈折率である。

式（７）及び（８）に従うように、ΛＴＭ及びΛＴＥを決定することにより、グレーティングＧは、ＴＥ１及びＴＭ１と、ＴＭ０とを相互に変換することができる。

続いて、図２及び図３を参照して、この発明の光素子１０の奏する効果を、動作と共に説明する。図２及び図３は、光素子１０が、図１（Ｂ）の特性１及び特性３に従って動作する場合の出力特性を、光導波路１２の模式的な断面構造とともに示す特性図である。より詳細には、図２は特性１に対応し、入力光ＩＮをＴＭ１又はＴＥ１とした場合に反射光ＲＦとして出力されるＴＭ０の強度を示す。図３は特性３に対応し、入力光ＩＮをＴＭ０とした場合に反射光ＲＦとして出力されるＴＭ１及びＴＥ１の強度を示す。図２及び図３とも、横軸は反射光ＲＦの波長（μｍ）であり、縦軸は反射光ＲＦの強度（ｄＢｍ）である。なお、縦軸の強度は、入力光ＩＮに対する強度比率で表す。

図２及び図３の計算は、以下に列記するパラメータを与えた光導波路１２について、３次元ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）法で行った。

＜計算のパラメータ＞
（１）コア１６を屈折率が約３．４７のＳｉとした。
（２）第１クラッド１４ａを屈折率が約１．４５のＳｉＯ_２とした。
（３）第２クラッド１４ｂを屈折率が約１．００の空気とした。
（４）コア１６の厚さＨを約３００ｎｍとした。
（５）コア１６の幅Ｗ（グレーティングＧの全長に渡り平均したコア１６の幅）を約５９０ｎｍとした。
（６）コア１６の突出部１６ａの突出量Ｄを約１８０ｎｍとした。
（７）突出部１６ａの周期ΛＴＭを約３６０ｎｍとした。これは、光素子１０の設計波長λ、すなわち反射光ＲＦの波長を約１．４９μｍとすることに対応する。
（８）突出部１６ａの周期を１００周期とした。
（９）計算に当たって、入力光ＩＮは、端部１６ｉ（図１（Ａ））と最初の突出部１６ａとの間からグレーティングＧに入力されるとし、反射光ＲＦは、端部１６ｉの位置で求めた。

図２の曲線Ｉ及びＩＩは、入力光ＩＮをそれぞれＴＭ１及びＴＥ１とした場合に、反射光ＲＦとして出力されるＴＭ０の強度に対応する。両曲線とも、与えられた波長範囲（１．４〜１．６μｍ）で、設計波長（１．４９μｍ付近）で最大強度のピークを取る。より詳細には、曲線Ｉ（ＴＭ１由来）及び曲線ＩＩ（ＴＥ１由来）は、この波長で、それぞれ約−５ｄＢｍ及び約−９ｄＢｍのＴＭ０を反射光ＲＦとして出力する。なお、ＴＭ１及びＴＥ１のＴＭ０への変換効率、つまり設計波長でのそれぞれのピーク強度は、グレーティングＧの周期数を増加させることにより、大きくすることができる。

図３の曲線Ｉ及びＩＩは、入力光ＩＮをＴＭ０とした場合に、それぞれ反射光ＲＦとして出力されるＴＭ１及びＴＥ１の強度に対応する。両曲線とも、与えられた波長範囲（１．４〜１．６μｍ）で、設計波長で最大強度のピークを取る。より詳細には、この波長で、曲線Ｉでは約−３ｄＢｍのＴＭ１が、及び、曲線ＩＩでは約−１０ｄＢｍのＴＥ１が、それぞれ反射光ＲＦとして出力される。図３を参照すると、ＴＭ１（曲線Ｉ）の方がＴＥ１（曲線ＩＩ）よりもピーク強度が大きい、つまり変換効率が高いことが分かる。これは、曲線ＩのＴＭ０からＴＭ１への変換では伝搬モード次数だけが変換されるが、曲線ＩＩのＴＭ０からＴＥ１への変換では伝搬モード次数と偏波とが、言わば２重に変換されるからである。なお、反射光ＲＦにおけるＴＭ１とＴＥ１の含有率（上述のｘに対応）は、コア１６の寸法を調整することにより変化させることができる。また、ＴＭ０の変換効率、つまりＴＭ１とＴＥ１の強度の和である反射光ＲＦ全体としての強度は、図２の場合と同様に、グレーティングＧの周期数を増加させることで、大きくできる。

このように、ＴＭ０形式及びＴＥ０形式の何れであるかに対応して、光素子１０は、ＴＭ１及びＴＥ１が入力された場合、偏波無依存で波長選択を行い、波長λのＴＭ０又はＴＥ０を反射光ＲＦとして出力する。すなわち光素子１０は、偏波状態つまり、ＴＥ及びＴＭ波に関わらず、光は、同一の経路を辿るため、光加入者系通信システムのＯＮＵやＯＬＴに備わる光合分波素子として好適に用いることができる。

（光素子の詳細説明）
続いて、図４及び図５を参照して、光素子１０について詳細に説明する。図４は、グレーティング素子１０の構造を概略的に示す斜視図である。図５は、グレーティング素子１０を一端部側（図４中１６ｉで示す）から見た概略的な構造を示す側面図である。なお、図４において、コア１６は、第２クラッド１４ｂで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示す。

グレーティング素子１０は光導波路１２を備える。光導波路１２は、基板８の主面８ａ側に設けられたクラッド１４と、クラッド１４中に設けられたコア１６とを備える。クラッド１４は、第１クラッド１４ａと第２クラッド１４ｂとを備える。第１及び第２クラッド１４ａ及び１４ｂは、主面８ａ上にこの順序で設けられる。

第１クラッド１４ａは、平坦面である主面８ａ上に形成された厚みが均一な膜体である。第１クラッド１４ａの上面上にコア１６が設けられる。光導波路１２を伝搬する光の基板８への不所望な結合を防ぐために、第１クラッド１４ａの厚みは１μｍ以上であることが好ましい。

第２クラッド１４ｂは第１クラッド１４ａ上に設けられる。第１及び第２クラッド１４ａ及び１４ｂの屈折率をそれぞれｎａ及びｎｂとすると、ｎａ≠ｎｂである。このように、第１及び第２クラッド１４ａ及び１４ｂに屈折率差を設けることで、第１及び第２クラッド１４ａ及び１４ｂの境界面を挟んで、クラッド１４に屈折率分布の反対称性が付与される。この反対称性と、後述するコア１６の屈折率分布の反対称性とで、グレーティング素子１０全体としての屈折率分布に反対称性を付与し、偏波変換を可能にしている。なお、両クラッド１４ａ及び１４ｂの屈折率差は僅かでも偏波変換は生じるが、実用的には、両クラッド１４ａ及び１４ｂの屈折率差は大きくすることが好ましい。屈折率差を大きくすれば、それに応じて偏波変換に要するグレーティング素子１０の全長を実用上十分に短くすることができる。

コア１６の屈折率をｎｃとするとき、少なくともｎａ及びｎｂのどちらか一方は、０．７１４ｎｃ（＝１／１．４ｎｃ）以下であり、かつ、ｎａ及びｎｂの他方はｎｃ未満とすることが好ましい。これにより、コア１６の方がクラッド１４よりも屈折率が大きいこと、つまり（ｎｃ＞ｎａかつｎｃ＞ｎｂ）が保証されるので、光導波路１２において、光はコア１６に局在して伝搬する。

コア１６は、第１及び第２クラッド１４ａ及び１４ｂ間に設けられる。コア１６の片方の側面１６Ｓには一定周期Λで規則的な突出部１６ａが形成され、グレーティングＧを構成している。片方の側面１６Ｓのみに突出部１６ａを備える結果、グレーティングＧには、屈折率分布の反対称性が付与される。コア１６は横断面が矩形状であり、下面が第１クラッド１４ａの上面に接して設けられている。そして、側面１６Ｓはコア１６の下面に対して垂直に延在する。コア１６の上下面は、ＴＥ波の電場の振動面に平行に配置されている。

コア１６の厚みＨは均一であり、２００〜５００ｎｍの範囲の中から設計に応じて好適な値を選択できる。厚みＨをこの範囲の値とすることで、光導波路１２を厚み方向にシングルモード導波路とすることができる。

コア１６は、光の伝搬に関する限り、突出部１６ａをグレーティングＧの全長に渡り平坦化した、幅Ｗの光導波路と同様に機能する。詳細には、図４及び図５に仮想線で示すように、幅Ｗは、グレーティングＧの全長に渡り平均したコア１６の幅とする。幅Ｗは、光導波路１２を両偏波の０次及び１次モード光が伝搬可能な大きさとする。具体的には、Ｗを５３０ｎｍ以上とする。なお、光導波路１２の幅Ｗは、２次モード以上の高次モード光が伝搬可能な大きさとしても良い。ただし、この場合には、２次以上の高次モード光と、波長選択に係る１次モード以下の光（ＴＭ０、ＴＥ０、ＴＭ１及びＴＥ１）との不所望な結合を考慮する必要がある。

突出部１６ａの突出量Ｄは、設計に応じて任意好適な値を選択できる。ここで、突出量Ｄとは、幅方向に最も外側に張り出した突出部１６ａの点の、コア１６の側面１６Ｓから計った距離である。突出量Ｄは、光導波路１２において、反射光ＲＦの反射効率及び波長半値幅等に関係している。突出量Ｄを大きくすれば、反射光ＲＦの反射効率は増加するが、波長半値幅が広がるとともに、クラッド１４への放射量が増す。逆に、突出量Ｄを小さくすれば、反射効率は減少するが、波長半値幅が狭まり、クラッド１４への放射量が減少する。よって、突出量Ｄは、光導波路１２の用途に応じて適切な値を選択すればよい。

また、突出部１６ａの個数すなわち周期数は、光導波路１２の反射効率、すなわち反射光ＲＦの強度を勘案して、任意好適な数を選択することができる。実用上許容できる反射効率を得るためには、突出部１６ａの周期数は、１００周期以上とすることが好ましい。

また、突出部１６ａの光伝搬方向に沿って計った長さをΛａとしたとき、周期Λに対するΛａの比率を０．５とする。以降、この比率（Λａ／Λ）をデューティー比とも称する。デューティー比を０．５とすることにより、反射光ＲＦの強度を高めることができる。

続いて、光導波路１２の設計法について説明する。まず始めに、コア１６の幅Ｗを決定する。すなわち、予め、設計波長λ、コア１６の材質、厚みＨ、並びに第１及び第２クラッド１４ａ及び１４ｂの材質等の基本的な構成を与えた上で、コア１６の幅Ｗを、式（６）を満足するような値に設定する。具体的には、コアの幅Ｗを変化させてｎＴＥ１及びｎＴＭ１を求めるシミュレーションにより、両者が一致するＷを決定する。

このようにしてコア１６の幅Ｗを決めれば、周期Λと突出量Ｄを除いた光導波路１２の諸元が定まるので、この光導波路１２に対して、式（７）のｎＴＭ０が一義的に求まる。次に、式（７）に従い、ｎＴＭ０と、ｎＴＥ１又はｎＴＭ１とから、設計波長λが得られる突出部１６ａの周期ΛＴＭを決定する。最後に、グレーティングＧの反射効率及び波長半値幅を考慮して、突出量Ｄ、及び突出部１６ａの周期数を決定する。このようにして、光導波路１２の幅Ｗ、突出部１６ａの周期ΛＴＭ及び突出量Ｄを設計する。

光素子１０に用いられるコア１６と、第１及び第２クラッド１４ａ及び１４ｂとしては、上述の屈折率の関係を満たす種々の材料を設計に応じて選択できる。例えば、図２及び３に示すように、コア１６をＳｉとし、第１クラッド１４ａをＳｉＯ_２とし、第２クラッド１４ｂを空気としてもよい。また、コア１６をＳｉとし、第１クラッド１４ａをＳｉＯ_２とし、第２クラッド１４ｂをＳｉＯ_ｐＮ_ｑ（ただし、ｐ及びｑは、（ｐ＝２かつｑ＝０）を除く（２＞ｐ≧０かつ４／３≧ｑ＞０）である。）とすることもできる。また、コア１６をＳｉとし、第１クラッド１４ａをＳｉＯ_２とし、第２クラッド１４ｂをＳｉＯ_ｒ（ただし、ｒは２＞ｒ＞０）とすることもできる。何れの構成であっても、第１及び第２クラッド１４ａと１４ｂとの間に屈折率差が設けられ、クラッド１４に屈折率分布の反対称性が付与される。

続いて、光素子１０の製造方法について簡単に説明する。光素子１０は、Ｓｉ基板上にＳｉＯ_２層とＳｉ層とがこの順序で積層されたＳＯＩ（Ｓｉ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を利用して作成される。すなわち、最上層のＳｉ層を利用してコア１６を形成し、ＢＯＸ（Ｂｕｒｉｅｄ−ＯＸｉｄｅ）層であるＳｉＯ_２層を第１クラッド１４ａに利用する。より詳細には、最上層のＳｉ層を従来公知のドライエッチング法等でパターニングしてコア１６を作成する。そして、このコア１６を埋め込むように、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等で、所望の第２クラッド１４ｂを形成し、光素子１０を得る。

（光合分波素子）
続いて、図６〜図８を参照して、光素子の別の実施形態について説明する。この光素子は、上述のグレーティング素子１０を含む光合分波素子として構成されている。ここで、図６の概念図を参照して、光合分波素子を概説する。図６（Ａ）は、光合分波素子２０における光の合波を概念的に示す模式図であり、図６（Ｂ）は、光合分波素子２０における光の分波を概念的に示す模式図である。

光合分波素子２０とは、図６（Ａ）及び（Ｂ）に示す合波及び分波動作を行う素子である。すなわち、図６（Ａ）のように、光合分波素子２０は、波長λの光を含まない入力光ＩＮと、波長λの入力光ｉｎとが入力された場合に、これらの光ｉｎ及びＩＮを混合した出力光ＯＵＴを出力する。また、図６（Ｂ）のように、光合分波素子２０は、波長λの光を含む入力光ＩＮが入力された場合に、波長λの出力光ｏｕｔと、波長λを含まない出力光ＯＵＴとに分離して出力する。

図７（Ａ）は、光合分波素子２０の概略的な平面構造を示し、（Ｂ）は（Ａ）の破線で囲んだモードフィルタの部分拡大図を示す平面図である。なお、図７においては、基板８及びクラッド１４の図示を省略している。

光合分波素子２０は、上述のグレーティング素子１０と、第１及び第２モードフィルタ２０Ｌ及び２０Ｒとを備えている。第１及び第２モードフィルタ２０Ｌ及び２０Ｒは、グレーティング素子１０の端部１６ｉ及び１６ｏにそれぞれ接続される。さらに、光合分波素子２０は、任意的な要素として、光導波路５２Ｌ，５４Ｌ，５２Ｒ及び５４Ｒと備える。

第１及び第２モードフィルタ２０Ｌ及び２０Ｒは、グレーティング素子１０を挟んで対称に構成されており、同様に機能するので、以下、第２モードフィルタ２０Ｒを例に挙げて説明する。なお、第１及び第２モードフィルタ２０Ｌ及び２０Ｒを、区別する必要が無い場合には、モードフィルタ２０と総称することもある。

第２モードフィルタ２０Ｒは、主光導波路２２Ｒと、第１及び第２入出力光導波路２０Ｒ−１及び２０Ｒ−２とを備える。第２モードフィルタ２０Ｒは、第１及び第２入出力光導波路２０Ｒ−１及び２０Ｒ−２が並列に配置された方向性結合器型のモードフィルタである。第２モードフィルタ２０Ｒは、概略的に、主光導波路２２Ｒでの光の伝搬モードに応じて、第１及び第２入出力光導波路２０Ｒ−１又は２０Ｒ−２へと光を分岐させる機能を有する。

主光導波路２２Ｒは、０次及び１次モード光のみが伝搬できる、平面形状が矩形状のＭＭＩ（Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）導波路である。主光導波路２２Ｒのコアの幅Ｗ１は、グレーティング素子１０のコア１６の幅Ｗと等しく形成されている。この例では、コアの幅Ｗ１は、例えば、約６８０ｎｍとする。主光導波路２２Ｒの一端部は、グレーティング素子１０の上述の端部１６ｏに接続されている。主光導波路２２Ｒの、端部１６ｏとは反対側の端部は、第２入出力光導波路２０Ｒ−２に接続されている。

第２入出力光導波路２０Ｒ−２は、長さがＬ１であり、長さ方向に沿って幅がＷ１からＷ２まで、等脚台形状に変化する、いわゆるテーパ型光導波路である。ここでＷ１＞Ｗ２である。この例では、Ｌ１は、例えば約５００μｍとする。また、この例では、幅Ｗ２は、例えば、約４００ｎｍとする。第２入出力光導波路２０Ｒ−２の幅Ｗ１の端部は、上述のように主光導波路２２Ｒに接続される。一方、幅Ｗ２の端部は、単一モード光導波路である光導波路５４Ｒに接続される。ここで、第２入出力光導波路２０Ｒ−２は、主光導波路２２Ｒを伝搬する０次モード光を、伝搬モードを保ったまま、偏波無依存で光導波路５４Ｒに結合する。Ｌ１、Ｗ１及びＷ２を上述のように設定することにより、第２入出力光導波路２０Ｒ−２のテーパ角が０．０６°以下に保たれ、光のクラッド１４への放射が抑制される。

第１入出力光導波路２０Ｒ−１は、長さがＬ２であり、長さ方向に沿って幅がＷ３からＷ４に変化するテーパ型光導波路である。ここで、Ｗ３＜Ｗ４である。この例では、Ｌ２は、例えば約４００μｍとする。また、この例では、幅Ｗ４は、光導波路５２Ｒの幅と等しく形成されており、例えば、約３５０ｎｍとする。また、幅Ｗ３は、例えば、約１５０ｎｍとする。第１入出力光導波路２０Ｒ−１の幅Ｗ３の端部は、無反射構造が設けられた自由端である。一方、幅Ｗ４の端部は、単一モード光導波路である光導波路５２Ｒに接続される。ここで、第１入出力光導波路２０Ｒ−１は、該導波路２０Ｒ−１を伝搬する０次モード光と、主光導波路２２Ｒを伝搬する１次モード光とを偏波無依存でモード変換する。Ｌ２、Ｗ３及びＷ４を上述のように設定することで、第２入出力光導波路２０Ｒ−２と同様の理由により、光のクラッド１４への放射が抑制される。

第１及び第２入出力光導波路２０Ｒ−１及び２０Ｒ−２の導波路中心間距離Ｓは、光結合可能な距離である７５０ｎｍに保たれている。

なお、第２モードフィルタ２０Ｒを偏波無依存とするために、シミュレーションにより、両偏波で等しい入出力特性を示すように、上述したＷ１〜Ｗ４、Ｌ１，Ｌ２及びＳを決定した。

続いて、図８を参照して、光合分波素子２０の動作を説明する。図８は、光合分波素子２０の模式図である。図８においては、発明の理解に資するために、光合分波素子２０を簡略的に描いている。つまり、基板８及びクラッド１４の図示を省略するとともに、各構成要素を単純化して描いている。

今、光導波路５２Ｌから、光合分波素子２０に向けて、グレーティング素子１０の設計波長λを含んだＴＭ０及びＴＥ０の混合光が入力光ＩＮとして入力されたとする。この場合、入力光ＩＮは、第１モードフィルタ２０Ｌの第１入出力光導波路２０Ｌ−１から、主光導波路２２Ｌへと結合される。光Ｌｔ１に示すように、入力光ＩＮである基本モード光ＴＭ０及びＴＥ０はモード変換されて、主光導波路２２Ｌにおいて、それぞれ１次モード光ＴＭ１及びＴＥ１である光Ｌｔ１として伝搬する。光Ｌｔ１は、グレーティング素子１０に結合され、図１（Ｂ）の特性１に従い、偏波によらず設計波長λで反射されて、モードがＴＭ０へと変換された光Ｌｔ２となる。このようにして偏波変換され波長選択された、光Ｌｔ２は、第１モードフィルタ２０Ｌの主光導波路２２Ｌを、波長λのＴＭ０モードの光である光Ｌｔ３として伝搬する。そして、光Ｌｔ３は、第１モードフィルタ２０Ｌの第２入出力光導波路２０Ｌ−２を、伝搬モードを保ったまま伝搬し、光導波路５４Ｌから、波長λのＴＭ０モードの反射光ＲＦとして出力される。

一方、グレーティング素子１０に入力された光の中で、光Ｌｔ２以外の光、つまり、波長がλ以外のＴＭ１（≠λ）及びＴＥ１（≠λ）は、光Ｌｔ４として、そのままグレーティング素子１０を透過する。そして、光Ｌｔ４は、第２モードフィルタ２０Ｒの主光導波路２２Ｒに入力される。そして、主光導波路２２Ｒを伝搬するＴＭ１（≠λ）及びＴＥ１（≠λ）が混合された光Ｌｔ５は、主光導波路２２ＲにおいてＴＭ０（≠λ）及びＴＥ０（≠λ）へとモード変換され、第１入出力光導波路２０Ｒ−１伝搬する。このようにして、光Ｌｔ５は、波長λの光を含まないＴＭ０（≠λ）及びＴＥ０（≠λ）が混合された透過光ＴＲとして光導波路５２Ｒから出力される。

このように、光合分波素子２０は、入力光ＩＮの中から、波長λの光を偏波によらず選択して、伝搬モードがＴＭ０の反射光ＲＦとして出力する。そして、波長λ以外の光を偏波によらず透過させ、ＴＭ０（≠λ）及びＴＥ０（≠λ）が混合された透過光ＴＲとして出力する。ところで、光には逆過程が成り立つので、上述とは逆に、光導波路５２Ｒから、波長λを含まない基本モード光を入力し、同時に、光導波路５４Ｌから、設計波長λのＴＭ波の基本モード光をグレーティング素子１０に入力した場合、これらの光は合波されて、光導波路５２Ｌから出力される。

このように、この光合分波素子２０を用いることで、波長λの光を合分波することが可能となる。

なお、光Ｌｔ６に示したように、波長λにおいて、ＴＭ１及びＴＥ１からＴＭ０へと変換された光Ｌｔ２が、グレーティング素子１０で再変換されて、伝搬モードＴＥ１の光Ｌｔ６が生じる場合がある。しかし、この再変換効率、すなわち光Ｌｔ６の強度は、光Ｌｔ２の１／１０未満であり、十分に小さく実用上問題とはならない。

また、第１及び第２モードフィルタ２０Ｌ及び２０Ｒとしては、方向性結合器型には限定されず、Ｙ分岐導波路型を用いてもよい。

（光アイソレータ）
続いて、図９〜図１１を参照して、光素子のさらに別の実施形態について説明する。この光素子は、上述のグレーティング素子１０を含む光アイソレータとして構成されている。図９の概念図に示すように、光アイソレータＩＳとは、光学的に、言わばダイオードとして機能する光素子である。詳細には、図９に示すように、光アイソレータＩＳとは、ポートＩ／Ｏ１から入力されＩ／Ｏ２へと出力される光の強度を保つが、ポートＩ／Ｏ２から入力されＩ／Ｏ１へと出力される光の強度を減少させる素子である。ここで、ポートＩ／Ｏ１からＩ／Ｏ２に向かう方向を順方向と称し、ポートＩ／Ｏ２からＩ／Ｏ１に向かう方向を逆方向と称する。また、図９の光ＩＮ_Ｆを順方向入力光と称し、ＯＵＴ_Ｆを順方向出力光と称する。同様に、光ＩＮ_Ｒを逆方向入力光と称し、ＯＵＴ_Ｒを逆方向出力光と称する。このとき、光アイソレータＩＳでは、ＯＵＴ_Ｆ／ＩＮ_Ｆ＞ＯＵＴ_Ｒ／ＩＮ_Ｒが成り立つ。以降、逆方向に関する強度比ＯＵＴ_Ｒ／ＩＮ_Ｒを減衰率と称する。

続いて、図１０を参照して、光アイソレータの構成について説明する。図１０は、光アイソレータＩＳの構成を模式的に示す模式図である。なお、図１０は、図８と同様に簡略化している。

光アイソレータＩＳは、ｉ個（ｉは２以上の整数）のグレーティング素子１０_１〜１０_ｉと、各グレーティング素子１０_１〜１０_ｉの一方の端部に設けられたモードフィルタ２０_１〜２０_ｉとを備える。ここで、グレーティング素子１０_１〜１０_ｉとしては、上述したグレーティング素子１０を用いる。また、モードフィルタ２０_１〜２０_ｉとしては、上述した第１又は第２モードフィルタ２０Ｌ又は２０Ｒを用いる。

光アイソレータＩＳでは、第ｊ（ｊは、１≦ｊ≦ｉ−１）モードフィルタ２０_ｊの第２入出力光導波路２０_ｊ−２と、第（ｊ＋１）モードフィルタ２０_ｊ＋１の第１入出力光導波路２０_ｊ＋１−１とが接続されている。

そして、第１モードフィルタ２０_１の第１入出力用導波路２０_１−１及び第ｉモードフィルタ２０_ｉの第２入出力用導波路２０_ｉ−２が光を入出力するためのポートＩ／Ｏ１及びＩ／Ｏ２となっている。

なお、図１０に示した光アイソレータＩＳでは、グレーティング素子１０_ｊが１個のモードフィルタ２０_ｊを備えた場合を例示しているが、上述の光合分波素子２０と同様に、グレーティング素子１０_ｊが２個のモードフィルタを備えていてもよい。

続いて、図１１を参照して、光アイソレータＩＳの動作について説明する。図１１（Ａ）は、光を順方向に伝搬させた時の光アイソレータＩＳの動作を説明するための模式図であり、図１１（Ｂ）は、光を逆方向に伝搬させた時の光アイソレータＩＳの動作を説明するための模式図である。なお、図１１は、図８と同様に簡略化している。

図１１（Ａ）は、図１０の第ｊグレーティング素子１０_ｊと、第（ｊ＋１）グレーティング素子１０_ｊ＋１とを順方向に伝搬する光とともに、抜き出して示している。

今、ポートＩ／Ｏ１から入力された設計波長λの光が、第ｊモードフィルタ２０_ｊの第１入出力光導波路２０_ｊ−１にＴＥ０の入力光ＩＮとして入力されたとする。入力光ＩＮは、第ｊモードフィルタ２０_ｊにより伝搬モードがＴＥ１へと変換されて、主光導波路２２_ｊを伝搬する光Ｌｔ１となる。光Ｌｔ１は、第ｊグレーティング素子１０_ｊで図１（Ｂ）の特性１に従って反射され、伝搬モードがＴＭ０であり波長λの光Ｌｔ２を出力する。光Ｌｔ２は、主光導波路２２_ｊを、伝搬モードを維持したまま光Ｌｔ３として伝搬する。光Ｌｔ３は、光導波路５４ｊに伝搬モードがＴＭ０の光Ｌｔ４を励起する。

光Ｌｔ４は、光導波路５４ｊから、第（ｊ＋１）モードフィルタ２０_ｊ＋１の第１入出力光導波路２０_ｊ＋１−１に入力される。入力された光は、第（ｊ＋１）モードフィルタ２０_ｊ＋１により伝搬モードがＴＭ１へと変換されて、主光導波路２２_ｊ＋１を伝搬する光Ｌｔ５となる。光Ｌｔ５は、第（ｊ＋１）グレーティング素子１０_ｊ＋１で図１（Ｂ）の特性１に従って反射され、伝搬モードがＴＭ０であり波長λの光Ｌｔ６を出力する。光Ｌｔ６は、主光導波路２２_ｊ＋１を、伝搬モードを維持したまま光Ｌｔ７として伝搬する。そして、第第（ｊ＋１）モードフィルタ２０_ｊ＋１の第２入出力光導波路２０_ｊ＋１−２から伝搬モードがＴＭ０の出力光ＯＵＴとして出力される。

以上説明したように、順方向伝搬では、グレーティング素子１０_ｊの設計波長λでの反射効率を十分に高くしておけば、波長λの入力光ＩＮは、順方向の伝搬過程で強度をロスすることなく、出力光ＯＵＴとして出力される。

次に、図１１（Ｂ）を参照して、光を逆方向に伝搬させる場合について説明する。図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）と同様の素子を、逆方向に伝搬する光とともに示している。

図１１（Ａ）とは逆に、ポートＩ／Ｏ２から、波長がλで伝搬モードがＴＭ０の入力光ＩＮが、第（ｊ＋１）モードフィルタ２０_ｊ＋１の第２入出力光導波路２０_ｊ＋１−２に入力されたとする。入力光ＩＮは、伝搬モードを保ったまま、主光導波路２２_ｊ＋１を伝搬する光Ｒｅ１となる。光Ｒｅ１は、第（ｊ＋１）グレーティング素子１０_ｊ＋１で、図１（Ｂ）の特性３に従って反射され、伝搬モードＴＭ１とＴＥ１とが混合した光Ｒｅ２を出力する。光Ｒｅ２は、第（ｊ＋１）モードフィルタ２０_ｊ＋１により伝搬モードＴＭ０とＴＥ０とが混合した光Ｒｅ３へと変換され、第１入出力光導波路２０_ｊ＋１−１に結合される。光Ｒｅ３は、伝搬モードを保ったまま、光導波路５４ｊに光Ｒｅ４を励起する。

光Ｒｅ４は、光導波路５４ｊを逆方向に伝搬して、第ｊモードフィルタ２０_ｊの第２入出力光導波路２０_ｊ−２に入力される。入力された光は、伝搬モードＴＭ０及びＴＥ０を、保ったまま、主光導波路２２_ｊを伝搬する光Ｒｅ５となる。

光Ｒｅ５に含まれる伝搬モードがＴＭ０の成分は、第ｊグレーティング素子１０_ｊで、図１（Ｂ）の特性３に従って反射され、伝搬モードＴＭ１とＴＥ１が混合した光Ｒｅ６となる。一方、光Ｒｅ５に含まれる伝搬モードがＴＥ０の成分は、図１（Ｂ）の特性２に従って、反射されることなく、第ｊグレーティング素子１０_ｊを光Ｒｅ７として透過して、第１出力光ＯＵＴ１として外部に捨てられる。

第ｊグレーティング素子１０_ｊで反射された光Ｒｅ６は、第ｊモードフィルタ２０_ｊにより伝搬モードＴＭ０及びＴＥ０が混合した光Ｒｅ８へと変換され、第１入出力光導波路２０_ｊ−１から第２出力光ＯＵＴ２として出力される。

以上のように、逆方向の伝搬過程では、入力光ＩＮから第１出力光ＯＵＴ１が系外に捨てられるので、第２出力光ＯＵＴ２の強度は、入力光ＩＮの強度よりも小さくなる。よって、グレーティング素子１０_ｉ及びモードフィルタ２０_ｉの段数ｉを適切に調整することにより、逆方向に伝搬する光を遮断することが可能となる。

実用的には、光アイソレータＩＳには、減衰率ＯＵＴ_Ｆ／ＩＮ_Ｆ＜１／１００が求められる。図１０の光アイソレータＩＳでこの減衰率を達成するためには、１段のアイソレータでの減衰率をα（ただし、０＜α＜１）として、α^ｉ＜１／１００となるような段数ｉのアイソレータを接続すれば良い。

８ 基板
８ａ 主面
１０，１０_１〜１０_ｊ，１０_ｊ＋１〜１０_ｉ 光素子（グレーティング素子）
１２ 光導波路
１４ クラッド
１４ａ 第１クラッド
１４ｂ 第２クラッド
１６ コア
１６ａ 突出部
１６Ｓ 側面
１６ｉ，１６ｏ 端部
２０ 光合分波素子
２０Ｌ 第１モードフィルタ
２０Ｒ 第２モードフィルタ
２０_１〜２０_ｊ，２０_ｊ＋１〜２０_ｉ 第ｊモードフィルタ
２０Ｌ−１，２０Ｒ−１，２０_１−１〜２０_ｊ−１，２０_ｊ＋１−１〜２０_ｉ−１ 第１入出力光導波路
２０Ｌ−２，２０Ｒ−２，２０_１−２〜２０_ｊ−２，２０_ｊ＋１−２〜２０_ｉ−２ 第２入出力光導波路
２２Ｌ，２２Ｒ 主光導波路
５２Ｌ，５４Ｌ，５２Ｒ，５４Ｒ 光導波路
Ｇ グレーティング
ＩＳ 光アイソレータ
Ｉ／Ｏ１，Ｉ／Ｏ２ ポート

Claims (8)

1. 基板の主面上にこの順で設けられた第１クラッド、及び該第１クラッドと屈折率が異なる第２クラッドを備えるクラッドと、該第１及び第２クラッドの間に設けられたコアとで構成される光導波路を備え、
   該コアの一方の側面に周期Λの規則的な突出部を備え、
   波長λにおいて、それぞれ、ＴＥ波及びＴＭ波の０次モード光の等価屈折率をｎＴＥ０及びｎＴＭ０とし、ＴＥ波及びＴＭ波の１次モード光の等価屈折率をｎＴＥ１及びｎＴＥ１とするとき、
   ｎＴＥ１＝ｎＴＭ１であり、
   前記周期Λを下記式（１）及び（２）の何れか一方に従う値とすることを特徴とする光素子。
   Λ＝λ／（ｎＴＭ０＋ｎＴＥ１）・・・（１）
   Λ＝λ／（ｎＴＥ０＋ｎＴＥ１）・・・（２）
2. 光伝搬方向に垂直で、かつ前記主面に平行な方向の長さである前記コアの幅を前記０次及び１次モード光のみが伝搬可能な大きさに構成することを特徴とする請求項１に記載の光素子。
3. 前記第１及び第２クラッドの少なくとも一方の構成材料の屈折率が前記コアの構成材料の０．７１４倍以下であり、かつ、他方の構成材料の屈折率が前記コアの構成材料未満であることを特徴とする請求項１に記載の光素子。
4. 前記コアを構成する材料をＳｉとし、前記第１クラッドを構成する材料をＳｉＯ_２とし、前記第２クラッドを構成する材料を空気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。
5. 前記コアを構成する材料をＳｉとし、前記第１クラッドを構成する材料をＳｉＯ_２とし、前記第２クラッドを構成する材料をＳｉＯ_ｐＮ_ｑ（ただし、ｐ及びｑは、（ｐ＝２かつｑ＝０）を除く（２≧ｐ≧０かつ４／３≧ｑ≧０）である。）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。
6. 前記コアを構成する材料をＳｉとし、前記第１クラッドを構成する材料をＳｉＯ_２とし、前記第２クラッドの材料をＳｉＯ_ｒ（ただし、ｒは２＞ｒ＞０）とする請求項１〜３の何れか一項に記載の光素子。
7. 請求項１〜６の何れか一項に記載の光素子と、該光素子の前記光導波路の一方及び他方の端部にそれぞれ接続された第１及び第２モードフィルタとを備え、
   該第１及び第２モードフィルタは、前記端部に光学的に接続された主光導波路と、該主光導波路に接続された第１及び第２入出力光導波路とを備え、前記波長λの光に対して偏波無依存に構成されており、
   前記主光導波路を伝搬する１次モード光と、前記第１入出力光導波路を伝搬する０次モード光とを相互に変換し、及び前記主光導波路を伝搬する０次モード光を、伝搬モードを保ったまま前記第２入出力光導波路を伝搬させるように構成されていることを特徴とする光素子
8. ｉ個（ｉは２以上の整数）のグレーティング素子と、各該グレーティング素子の一方の端部に設けられたモードフィルタとを備え、
   前記グレーティング素子として、請求項１〜６の何れか一項に記載の光素子を用い、
   前記モードフィルタは、前記一方の端部に光学的に接続された主光導波路と、該主光導波路に接続された第１及び第２入出力光導波路とを備え、前記波長λの光に対して偏波無依存に構成されており、
   前記主光導波路を伝搬する１次モード光と、前記第１入出力光導波路を伝搬する０次モード光とを相互に変換し、及び前記主光導波路を伝搬する０次モード光を、モード次数を保ったまま前記第２入出力光導波路を伝搬させるように構成されており、
   第ｊ（ｊは、１≦ｊ≦ｉ−１）モードフィルタの前記第２入出力光導波路と、第（ｊ＋１）モードフィルタの前記第１入出力光導波路とが接続されており、
   第１モードフィルタの第１入出力用導波路及び第ｉモードフィルタの第２入出力用導波路から光を入出力することを特徴とする光素子。