JP2014170056A - 光導波路素子 - Google Patents

Abstract

【課題】経路切換素子として使用することが可能な光導波路素子であって、偏波無依存の光導波路素子を提供する。
【解決手段】第１光導波路コア３０と第２光導波路コア４０とが、互いに離間しかつ平行に配置された第１双方向結合領域６０が設定されている。第１双方向結合領域には、ブラッググレーティング７０が形成されている。第１双方向結合領域において、第１光導波路コアを伝播する特定の波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波が、ブラッググレーティングで反射され、かつ第２光導波路コアに移行し、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の少なくとも一方の伝播モードが変換される。
【選択図】図１

Description

この発明は、波長の相違に基づき光の経路を切り換える光導波路素子に関する。

近年、加入者系光アクセスシステムは、1つの局側装置（ＯＬＴ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｉｎｅ Ｔｅｒｍｉｎａｌ）と複数の加入者側装置（ＯＮＵ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｕｎｉｔ）を、光ファイバ及びスターカプラを介して接続して構成される、受動型光加入者ネットワーク（ＰＯＮ：Ｐａｓｓｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ）が主流となっている。この通信システムでは、ＯＬＴからＯＮＵへ向けた下り光信号と、ＯＮＵからＯＬＴに向けた上り光信号とが、異なる波長に設定されている。その結果、下り光信号と上り光信号とが相互に干渉し合わない。

ＯＬＴ及びＯＮＵは、フォトダイオードやレーザダイオード等の光学素子を備えて構成される。これらの光学素子は、各光学素子の中心位置（受光位置あるいは発光位置）を設計位置に合せるための複雑な光軸合わせを行った上で、例えばレンズを用いて空間結合されている。

ここで、ＯＬＴ及びＯＮＵにおける各光学素子を結合するための手段として、レンズの代わりに光導波路素子を利用する技術がある（例えば、特許文献１参照）。光導波路素子を利用する場合には、光が光導波路内に閉じ込められて伝搬するため、レンズを利用する場合と異なり、複雑な光軸合わせを必要としない。従って、ＯＬＴ及びＯＮＵの組立工程が簡易となるため、量産に適する形態として有利である。光導波路素子は、例えばシリコン（Ｓｉ）を導波路材料として、極めて小型に形成される。しかも、製造にはＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）の製造過程が流用され低コスト化が実現されている。

また、ＯＬＴ及びＯＮＵでは、下り光信号の経路と上り光信号の経路を切り換えるために、波長フィルタとしての機能が付与された光導波路素子が使用されることもある。

波長フィルタとしての機能は、例えばグレーティング等によって実現される。グレーティングは、例えばマッハ−ツェンダ干渉計と比較すると、単一段で所望の波長を選択できる特徴がある。Ｓｉを主な材料とした光導波路にグレーティングを形成した構成は、例えば非特許文献１及び２、並びに特許文献２に開示されている。

特開平８−１６３０２８号公報 特開２００６−２３５３８０号公報

ＩＥＩＣＥ Ｔｒａｎｓｎａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｖｏｌ．Ｅ９０−Ｃ， Ｎｏ１， ｐ．５９，２００７年１月 Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ２０１２ ＯＴｈ３Ｄ．３

従来の、グレーティングを利用した光導波路素子では、グレーティングへの入射光と、グレーティングにおいてブラッグ反射される反射光とが、同次数のモードとなる。

ここで、グレーティングにおけるブラッグ反射条件は、下式（１）で表される。

（ｎ_ａ＋ｎ_ｂ）Λ＝λ ・・・（１）
なお、ｎ_ａ及びｎ_ｂは、グレーティングにおいて結合される、入射光及び反射光の等価屈折率を示す。ｎ_ａ及びｎ_ｂにおけるａ及びｂは、それぞれ入射光及び反射光のモードの次数を示す。また、Λはグレーティングの周期を示す。そして、グレーティングでは、上式（１）が成立する波長λ、すなわちブラッグ波長の光がブラッグ反射される。

しかしながら、光導波路素子がＳｉを材料として形成されている場合、同一波長において、同次数のモードの、ＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）偏波の等価屈折率とＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ）偏波の等価屈折率とを一致させることが難しく、構造が限定されてしまう。従って、同次数のモードの入射光と反射光とを結合させる場合（すなわちａ＝ｂである場合）には、同一波長でのブラッグ反射条件を偏波に対して無依存に成立させることが困難である。従って、従来のグレーティングを利用した光導波路素子には、偏波依存性があった。

通常、ＰＯＮにおいて光信号として使用される光は、ＴＥ偏波とＴＭ偏波とが混在していることが多い。従って、例えばＯＬＴ及びＯＮＵにおける経路切換素子として使用するに際して、偏波依存性の小さい光導波路素子が求められている。

この発明の目的は、グレーティングを利用した、経路切換素子として使用することが可能な光導波路素子であって、偏波無依存で使用できる光導波路素子を提供することにある。

上述した課題を解決するために、この発明による光導波路素子は、以下の特徴を備えている。

この発明の光導波路素子は、第１光導波路コアと第２光導波路コアとを備える。第１光導波路コアと第２光導波路コアとが、互いに離間しかつ平行に配置された第１双方向結合領域が設定されている。第１双方向結合領域には、ブラッググレーティングが形成されている。第１双方向結合領域において、第１光導波路コアを伝播する特定の波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波が、ブラッググレーティングで反射され、かつ第２光導波路コアに移行し、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の少なくとも一方の伝播モードが変換される。

この発明による光導波路素子では、第１双方向結合領域において、第１光導波路コアと第２光導波路コアとの間で、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の少なくとも一方の偏波の伝播モードが変換される。そのため、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波に対して共通の波長でブラッグ反射条件を成立させることができる。従って、共通する特定の波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波を、ブラッググレーティングで反射し、かつ第１光導波路コアと第２光導波路コアとの間で結合することができる。その結果、この発明による光導波路素子は、偏波無依存の経路切換素子として使用することができる。

（Ａ）及び（Ｂ）は、この発明の光導波路素子を示す概略図である。 光導波路コアの幅に対する等価屈折率の関係を示す図である。 ブラッグ反射条件が成立することを確認する図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、ブラッググレーティングの変形例を示す概略図である。 ブラッグ反射条件が成立することを確認する図である。 この発明の光導波路素子の特性評価に関するシミュレーション結果を示す図である。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

（構成）
図１（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、この発明による光導波路素子について説明する。図１（Ａ）は、光導波路素子を示す概略的平面図である。なお、図１（Ａ）では、後述するクラッド層を部分的に省略して示してある。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す光導波路素子をＩ−Ｉ線で切り取った概略的端面図である。

光導波路素子１００は、支持基板１０と、クラッド層２０と、第１光導波路コア３０と、第２光導波路コア４０と、第３光導波路コア５０とを備えて構成されている。

また、光導波路素子１００には、第１双方向結合領域６０及び第２双方向結合領域８０が互いに離間して設定されている。第１双方向結合領域６０では、第１光導波路コア３０と第２光導波路コア４０とが、互いに離間しかつ平行に配置されている。また、第２双方向結合領域８０では、第２光導波路コア４０と第３光導波路コア５０とが、互いに離間しかつ平行に配置されている。さらに、第１双方向結合領域６０には、ブラッググレーティング７０が形成されている。

第１光導波路コア３０は、第１結合部３１、第１テーパ部３３、及び第１入出力部３５を有している。第１入出力部３５は、第１テーパ部３３を介して第１結合部３１と接続されている。第１テーパ部３３の幅は、光の伝播方向に沿って、第１入出力部３５の一端３５ａの幅から第１結合部３１の他端３１ｄの幅へ、連続的に変化するように設定されている。第１テーパ部３３を設けることによって、第１入出力部３５及び第１結合部３１間を伝播する光の反射を緩和することができる。

第２光導波路コア４０は、第２結合部４１、第２テーパ部４３、及び第２入出力部４５を有している。第２入出力部４５は、第２テーパ部４３を介して第２結合部４１と接続されている。第２テーパ部４３の幅は、光の伝播方向に沿って、第２結合部４１の一端４１ａの幅から第２入出力部４５の一端４５ａの幅へ、連続的に変化するように設定されている。第２テーパ部４３を設けることによって、第２入出力部４５及び第２結合部４１間を伝播する光の反射を緩和することができる。

第３光導波路コア５０は、第３結合部５１及び第３入出力部５７を有している。第３結合部５１は、ＴＭ偏波結合部５３とＴＥ偏波結合部５５とが光の伝播方向に沿って順次に接続されて形成されている。

第１光導波路コア３０の第１結合部３１と第２光導波路コア４０の第２結合部４１は、第１双方向結合領域６０内の部分である。また、第２光導波路コア４０の第２入出力部４５と第３光導波路コア５０の第３結合部５１は、第２双方向結合領域８０内の部分である。

また、第２双方向結合領域８０は、第２入出力部４５とＴＭ偏波結合部５３とが、互いに離間しかつ平行に配置されたＴＭ偏波結合領域８１、及び第２入出力部４５とＴＥ偏波結合部５５とが、互いに離間しかつ平行に配置されたＴＥ偏波結合領域８３を含んでいる。

以下、光導波路素子１００の各構成要素について説明する。なお、以下の説明において、支持基板１０の厚さに沿った方向を厚さ方向とする。また、第１光導波路コア３０、第２光導波路コア４０、及び第３光導波路コア５０について、これらを伝播する光の伝播方向に沿った方向を長さ方向とする。また、長さ方向及び厚さ方向に直交する方向を幅方向とする。

この実施の形態による光導波路素子１００は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を利用することによって、容易に製造することができる。

すなわち、まず、支持基板層、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層、及びＳｉ層が順次積層されて構成されたＳＯＩ基板を用意する。

次に、例えばエッチング技術を用い、Ｓｉ層をパターニングすることによって、第１光導波路コア３０、第２光導波路コア４０、第３光導波路コア５０を形成する。その結果、支持基板１０としての支持基板層上にＳｉＯ_２層が積層され、さらにＳｉＯ_２層上に第１光導波路コア３０、第２光導波路コア４０、及び第３光導波路コア５０が形成された構造体を得ることができる。

次に、例えばＣＶＤ法を用いて、ＳｉＯ_２層上に、ＳｉＯ_２を材料とした材料層を、第１光導波路コア３０、第２光導波路コア４０、及び第３光導波路コア５０を被覆して形成する。その結果、ＳｉＯ_２層及び材料層から、第１光導波路コア３０、第２光導波路コア４０、及び第３光導波路コア５０を包含するクラッド層２０が形成される。

第１光導波路コア３０、第２光導波路コア４０、及び第３光導波路コア５０は、ＳｉＯ_２を材料としたクラッド層２０よりも高い屈折率を有する例えばＳｉを材料として形成されている。その結果、これら各光導波路コア３０、４０、及び５０は、光の伝送路として機能し、入力された光が各光導波路コアの平面形状に応じた伝播方向に伝播する。また、各光導波路コア３０、４０、及び５０は、伝播する光が、支持基板１０へ逃げるのを防止するために、支持基板１０から例えば少なくとも１μｍ離間して形成されているのが好ましい。

光導波路素子１００は、例えばＯＬＴやＯＮＵにおいて、下り光信号と上り光信号との経路切換素子として使用される。ここでは、光導波路素子１００を、ＯＮＵにおける経路切換素子として使用する場合の構成例について説明する。

光導波路素子１００を、ＯＮＵにおける経路切換素子として使用する場合には、第１光導波路コア３０の第１入出力部３５が、例えば光ファイバと接続される。この光ファイバは、ＯＬＴと接続されている。

また、第１光導波路コア３０の第１結合部３１が、一端３１ａ側で例えばレーザダイオード等の発光素子と接続される。また、第３光導波路コア５０の第３入出力部５７が、例えばフォトダイオード等の受光素子と接続される。

また、第１双方向結合領域６０に設けられたブラッググレーティング７０の周期は、下り光信号を反射するように設定されている。

ＯＬＴから光ファイバを経て送られる基本モードの下り光信号は、第１光導波路コア３０の第１入出力部３５に入力され、第１テーパ部３３を経て、第１結合部３１へ送られる。ここで、第１入出力部３５は、シングルモード条件を達成する厚さ及び幅に設定されている。従って、基本モードの光を伝播させる。

第１結合部３１へ送られた下り光信号は、第１双方向結合領域６０において、ブラッググレーティング７０で反射され、かつ第２光導波路コア４０の第２結合部４１に移行する。第１双方向結合領域６０では、第１結合部３１及び第２結合部４１間において、基本モードのＴＥ偏波と２次モードのＴＥ偏波とを変換して結合するように最適化されている。また、第１結合部３１及び第２結合部４１間において、基本モードのＴＭ偏波と１次モードのＴＭ偏波とを変換して結合するように最適化されている。２次モードのＴＥ偏波及び１次モードのＴＭ偏波を含む下り光信号は、第２結合部４１から、第２テーパ部４３を経て、第２入出力部４５へ送られる。

第２入出力部４５へ送られた下り光信号は、第２双方向結合領域８０において、第３結合部５１へ移行する。第２双方向結合領域８０では、第２入出力部４５及び第３結合部５１間において、２次モードのＴＥ偏波と基本モードのＴＥ偏波とを変換して結合するように最適化されている。また、第２入出力部４５及び第３結合部５１間において、１次モードのＴＭ偏波と基本モードのＴＭ偏波とを変換して結合するように最適化されている。

ＴＥ偏波及びＴＭ偏波がそれぞれ基本モードに変換された下り光信号は、第３結合部５１から第３入出力部５７へ送られる。第３入出力部５７から出力された下り光信号は、受光素子によって受光される。

また、発光素子によって生成された基本モードの上り光信号は、一端３１ａ側から第１結合部３１に入力される。第１結合部３１に入力された上り光信号は、ブラッググレーティング７０を透過し、第１テーパ部３３を経て、第１入出力部３５へ送られる。第１入出力部３５から出力された上り光信号は、光ファイバを経てＯＬＴへ送られる。

既に説明したように、第１双方向結合領域６０では、第１結合部３１及び第２結合部４１間において、基本モードのＴＥ偏波と２次モードのＴＥ偏波とが結合される。また、第１結合部３１及び第２結合部４１間において、基本モードのＴＭ偏波と１次モードのＴＭ偏波とが結合される。

第１双方向結合領域６０において、第１結合部３１の幅Ｗ１及び第２結合部４１の幅Ｗ２は、特定の波長について、下式（２）が成立するように設定されている。

ｎ_０ＴＥ−ｎ_０ＴＭ＝ｎ_１ＴＭ−ｎ_２ＴＥ ・・・（２）
なお、ｎ_０ＴＥは、第１結合部３１を伝播する基本モードのＴＥ偏波の等価屈折率を示す。また、ｎ_０ＴＭは、第１結合部３１を伝播する基本モードのＴＭ偏波の等価屈折率を示す。また、ｎ_２ＴＥは、第２結合部４１を伝播する２次モードのＴＥ偏波の等価屈折率を示す。また、ｎ_１ＴＭは、第２結合部４１を伝播する１次モードのＴＭ偏波の等価屈折率を示す。

ここで、上式（１）より、ブラッググレーティング７０で反射され、第１結合部３１及び第２結合部４１間で結合されるＴＥ偏波のブラッグ反射条件は、下式（３）で表される。

（ｎ_０ＴＥ＋ｎ_２ＴＥ）Λ＝λ ・・・（３）
同様に、ブラッググレーティング７０で反射され、第１結合部３１及び第２結合部４１間で結合されるＴＭ偏波のブラッグ反射条件は、下式（４）で表される。

（ｎ_０ＴＭ＋ｎ_１ＴＭ）Λ＝λ ・・・（４）
上式（２）が成立するとき、共通の波長λに対して、上式（３）及び（４）におけるグレーティングの周期Λが一致する。従って、ブラッググレーティング７０の周期を、この一致した周期Λとすることによって、第１双方向結合領域６０において、共通の波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波の両方を、反射し、かつ第１結合部３１及び第２結合部４１間で結合することができる。

ここで、図２を参照して、上式（２）を成立させる設計の一例について説明する。図２は、有限要素法を使用して作成した、１５７７ｎｍの波長における、光導波路コアの幅に対する等価屈折率の関係を示す図である。図２では、縦軸に等価屈折率を任意の目盛で、また、横軸に光導波路コアの幅をｎｍ単位でとって示してある。なお、図２では、基本モード、１次モード、２次モード、３次モード、及び４次モードのＴＥ偏波、並びに基本モード、１次モード、２次モード、及び３次モードのＴＭ偏波の等価屈折率を示してあるが、特に、基本モードのＴＥ偏波の等価屈折率にＩ、基本モードのＴＭ偏波の等価屈折率にＩＩ、２次モードのＴＥ偏波の等価屈折率にＩＩＩ、１次モードのＴＭ偏波の等価屈折率にＩＶの符号をそれぞれ付してある。

図２に示されるように、光導波路コアの幅が５００ｎｍであるときの、基本モードのＴＥ偏波の等価屈折率Ｉから基本モードのＴＭ偏波の等価屈折率ＩＩを引いた値（矢印２０１で示す）と、光導波路コアの幅が９００ｎｍであるときの、１次モードのＴＭ偏波の等価屈折率ＩＶから２次モードのＴＥ偏波の等価屈折率ＩＩＩを引いた値（矢印２０３で示す）が一致する。

従って、第１結合部３１の幅を５００ｎｍ、及び第２結合部の幅を９００ｎｍに設定することによって、１５７７ｎｍのＴＥ偏波及びＴＭ偏波に対して、上式（２）が成立する。

次に、図３を参照して、上式（２）が成立するとき、上式（３）及び（４）のブラッグ反射条件が共通に成立することを確認する。

図３の上段は、光導波路コアの幅に対する等価屈折率の関係を示す図であり、図２と同じ図である。また、図３の下段は、図２の上下を反転させた図である。そして、図２と同様に、Ｉは基本モードのＴＥ偏波の等価屈折率を、ＩＩは基本モードのＴＭ偏波の等価屈折率を、ＩＩＩは２次モードのＴＥ偏波の等価屈折率を、ＩＶは１次モードのＴＭ偏波の等価屈折率を、それぞれ示している。

上式（３）及び（４）は、下式（５）及び（６）
λ／Λ＝ｎ_０ＴＥ＋ｎ_２ＴＥ ・・・（５）
λ／Λ＝ｎ_０ＴＭ＋ｎ_１ＴＭ ・・・（６）
に変形できる。

図３において、矢印３０１は、光導波路コアの幅が５００ｎｍであるときの、基本モードのＴＥ偏波の等価屈折率Ｉと、光導波路コアの幅が９００ｎｍであるときの、２次モードのＴＥ偏波の等価屈折率ＩＩＩとの和、すなわちｎ_０ＴＥ＋ｎ_２ＴＥを示している。また、矢印３０３は、光導波路コアの幅が５００ｎｍであるときの、基本モードのＴＭ偏波の等価屈折率ＩＩと、光導波路コアの幅が９００ｎｍであるときの、１次モードのＴＭ偏波の等価屈折率ＩＶとの和、すなわちｎ_０ＴＭ＋ｎ_１ＴＭを示している。図３から、ｎ_０ＴＥ＋ｎ_２ＴＥとｎ_０ＴＭ＋ｎ_１ＴＭとが等しい、すなわち、上式（２）が成立していることが確認できる。従って、共通の波長λのＴＥ偏波及びＴＭ偏波の両方を、共通の周期Λを有するブラッググレーティング７０で反射できることが確認できる。

次に、ブラッググレーティング７０について説明する。ブラッググレーティング７０は、例えば、第１結合部３１及び第２結合部４１の少なくとも一方に形成されている。

図１に示す構成例では、ブラッググレーティング７０は、第１ブラッググレーティング７１及び第２ブラッググレーティング７３を含んで形成されている。これら第１ブラッググレーティング７１及び第２ブラッググレーティング７３は、グレーティングの周期Λが一致して形成されている。周期Λは、上式（２）が成立する条件において、上式（３）及び（４）から算出された値に設定される。

第１ブラッググレーティング７１は、第１結合部３１の、第２結合部４１と対向する側面３１ｂに形成されている。第１ブラッググレーティング７１は、第１結合部３１の側面３１ｂから凹状の彫り込み７１ａが形成されて構成されている。凹状の彫り込み７１ａは、光の伝播方向に沿って周期Λで複数形成されている。また、第２ブラッググレーティング７３は、第２結合部４１の、第１結合部３１と対向する側面４１ｂに形成されている。第２ブラッググレーティング７３は、第２結合部４１の側面４１ｂから凹状の彫り込み７３ａが形成されて構成されている。凹状の彫り込み７３ａは、光の伝播方向に沿って周期Λで複数形成されている。そして、第１ブラッググレーティング７１を構成する彫り込み７１ａと、第２ブラッググレーティング７３を構成する彫り込み７３ａとは、彫り込み深さｄ１及びｄ２が一致している。

また、第１ブラッググレーティング７１と第２ブラッググレーティング７３とは、互いに彫り込み７１ａと彫り込み７３ａとが対向する配置で、対称的に形成されるのが好ましい。第１ブラッググレーティング７１と第２ブラッググレーティング７３とを対称的に形成することによって、回折効率を向上させることができる。

また、第１結合部３１と第２結合部４１とは、一方の結合部を伝播する光のエバネッセント成分が、他方の結合部に到達する範囲内の距離で離間されている。なお、第１結合部３１と第２結合部４１との離間距離は、光の伝播方向に沿った第１双方向結合領域６０の長さＬ１に応じて、光の移行が可能な値に設定されている。すなわち、第１双方向結合領域６０の長さＬ１を拡張した場合には、第１結合部３１と第２結合部４１との離間距離を拡張することができる。また、第１結合部３１と第２結合部４１との離間距離を短縮した場合には、第１双方向結合領域６０の長さＬ１を短縮することができる。なお、図１（Ａ）では、第１結合部３１と第２結合部４１との離間距離を、これら第１結合部３１及び第２結合部４１を平面的に見た場合の中心間距離Ｄ１として示してある。

ブラッググレーティング７０では、共通の波長のＴＥ偏波とＴＭ偏波とで一致する周期Λが設定されているため、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の両方を反射することができる。

ここで、図４（Ａ）及び（Ｂ）は、ブラッググレーティングの変形例を示す概略的平面図であり、図１に破線で囲って示した第１双方向結合領域６０に対応する領域を拡大した図である。

図４（Ａ）に示すように、第１の変形例として、ブラッググレーティング１７０を、第１結合部３１及び第２結合部４１の、延在方向に沿った各両側面にそれぞれ形成することができる。

第１の変形例では、ブラッググレーティング１７０は、第１ブラッググレーティング１７１及び第２ブラッググレーティング１７３を含んで形成されている。これら第１ブラッググレーティング１７１及び第２ブラッググレーティング１７３は、グレーティングの周期Λが一致して形成されている。周期Λは、上式（２）が成立する条件において、上式（３）及び（４）から算出された値に設定される。

第１ブラッググレーティング１７１は、第１結合部３１の延在方向に沿った両側面３１ｂ及び３１ｃに形成されている。第１ブラッググレーティング１７１は、第１結合部３１の両側面３１ｂ及び３１ｃから、互いに対向する位置に凹状の彫り込み１７１ａが形成されて構成されている。凹状の彫り込み１７１ａは、光の伝播方向に沿って周期Λで複数形成されている。第２ブラッググレーティング１７３は、第２結合部４１の延在方向に沿った両側面４１ｂ及び４１ｃに形成されている。第２ブラッググレーティング１７３は、第２結合部４１の両側面４１ｂ及び４１ｃから、互いに対向する位置に凹状の彫り込み１７３ａが形成されて構成されている。凹状の彫り込み１７３ａは、光の伝播方向に沿って周期Λで複数形成されている。そして、第１ブラッググレーティング１７１を構成する彫り込み１７１ａと、第２ブラッググレーティング１７３を構成する彫り込み１７３ａとは、彫り込み深さが一致して形成されている。

また、第１ブラッググレーティング１７１と第２ブラッググレーティング１７３とは、互いに彫り込み１７１ａと彫り込み１７３ａとが対向する配置で、対称的に形成されるのが好ましい。第１ブラッググレーティング１７１と第２ブラッググレーティング１７３とを対称的に形成することによって、回折効率を向上させることができる。

また、図４（Ｂ）に示すように、第２の変形例では、ブラッググレーティング２７０が、第１結合部３１及び第２結合部４１間の領域に設けられたサブ光導波路コア９０に形成されている。

第２の変形例では、第１結合部３１及び第２結合部４１間の領域に、これら第１結合部３１及び第２結合部４１と離間しかつ平行に配置されて、サブ導波路コア９０が設けられている。そして、サブ導波路コア９０にブラッググレーティング２７０が設けられている。

ブラッググレーティング２７０は、サブ導波路コア９０に凹状の彫り込み２７０ａが形成されて構成されている。彫り込み２７０ａは、光の伝播方向に沿って周期Λで複数形成されている。周期Λは、上式（２）が成立する条件において、上式（３）及び（４）から算出された値に設定される。図４（Ｂ）の構成例では、彫り込み２７０ａを、サブ導波路コア９０の幅に対して０％としてある。従って、この構成例では、ブラッググレーティング２７０は、サブ導波路コア９０を周期的に分断した所謂セグメント構造となっている。

なお、ブラッググレーティングは、図１（Ａ）、並びに図４（Ａ）及び（Ｂ）の構成例に限定されない。グレーティングの周期Λを、上式（２）が成立する条件において、上式（３）及び（４）から算出された値としてあれば、配置や形状を設計に応じて任意に変更することができる。

また、第２双方向結合領域８０において、ＴＭ偏波結合領域８１では、第２入出力部４５を伝播する１次モードのＴＭ偏波の等価屈折率と、ＴＭ偏波結合部５３を伝播する基本モードのＴＭ偏波の等価屈折率とが等しくなるように、第２入出力部４５の幅Ｗ３に対するＴＭ偏波結合部５３の幅Ｗ４が設定されている。また、ＴＥ偏波結合領域８３では、第２入出力部４５を伝播する２次モードのＴＥ偏波の等価屈折率と、ＴＥ偏波結合部５５を伝播する基本モードのＴＥ偏波の等価屈折率とが等しくなるように、第２入出力部４５の幅Ｗ３に対するＴＥ偏波結合部５５の幅Ｗ５が設定されている。その結果、ＴＭ偏波結合領域８１では、第２入出力部４５を伝播する１次モードのＴＭ偏波と、ＴＭ偏波結合部５３を伝播する基本モードのＴＭ偏波とが結合される。また、ＴＥ偏波結合領域８３では、第２入出力部４５を伝播する２次モードのＴＥ偏波と、ＴＥ偏波結合部５５を伝播する基本モードのＴＥ偏波とが結合される。

ここで、図２を参照して、第２入出力部４５の幅Ｗ３、ＴＭ偏波結合部５３の幅Ｗ４、及びＴＥ偏波結合部５５の幅Ｗ５の一例について説明する。

図２に示されるように、光導波路コアの幅が１０００ｎｍであるときの、１次モードのＴＭ偏波の等価屈折率（２１１の符号を付した波線で囲んで示す）と、光導波路コアの幅が４００ｎｍであるときの、基本モードのＴＭ偏波の等価屈折率（２１３の符号を付した波線で囲んで示す）とが一致する。また、光導波路コアの幅が１０００ｎｍであるときの、２次モードのＴＥ偏波の等価屈折率（２１５の符号を付した波線で囲んで示す）と、光導波路コアの幅が３２０ｎｍであるときの、基本モードのＴＥ偏波の等価屈折率（２１７の符号を付した波線で囲んで示す）とが一致する。

従って、第２入出力部４５の幅Ｗ３を１０００ｎｍ、ＴＭ偏波結合部５３の幅Ｗ４を４００ｎｍ、及びＴＥ偏波結合部５５の幅Ｗ５を３２０ｎｍに設定することによって、第２入出力部４５及びＴＭ偏波結合部５３間において、１次モードのＴＭ偏波と基本モードのＴＭ偏波とを変換して結合することができる。また、第２入出力部４５及びＴＥ偏波結合部５５間において、２次モードのＴＥ偏波と基本モードのＴＥ偏波とを変換して結合することができる。

また、第２入出力部４５とＴＭ偏波結合部５３と、及び第２入出力部４５とＴＥ偏波結合部５５とは、それぞれ一方を伝播する光のエバネッセント成分が、他方に到達する範囲内の距離で離間されている。なお、図１（Ａ）では、第２入出力部４５とＴＭ偏波結合部５３との離間距離を、これら第２入出力部４５及びＴＭ偏波結合部５３を平面的に見た場合の中心間距離Ｄ２として示してある。また、第２入出力部４５とＴＥ偏波結合部５５との離間距離を、これら第２入出力部４５及びＴＥ偏波結合部５５を平面的に見た場合の中心間距離Ｄ３として示してある。第２入出力部４５とＴＭ偏波結合部５３との離間距離Ｄ２は、光の伝播方向に沿ったＴＭ偏波結合領域８１の長さＬ２に応じて、光の移行が可能な値に設定されている。すなわち、ＴＭ偏波結合領域８１の長さＬ２を拡張した場合には、第２入出力部４５とＴＭ偏波結合部５３との離間距離Ｄ２を拡張することができる。また、第２入出力部４５とＴＭ偏波結合部５３との離間距離Ｄ２を短縮した場合には、ＴＭ偏波結合領域８１の長さＬ２を短縮することができる。同様に、第２入出力部４５とＴＥ偏波結合部５５との離間距離Ｄ３も、光の伝播方向に沿ったＴＥ偏波結合領域８３の長さＬ３に応じて、光の移行が可能な値に設定されている。具体的な設計例として、第２入出力部４５の幅Ｗ３を１０００ｎｍ、及びＴＭ偏波結合部５３の幅Ｗ４を４００ｎｍとした場合、例えば、第２入出力部４５及びＴＭ偏波結合部５３間の離間距離Ｄ２を１０００ｎｍ、及びＴＭ偏波結合領域８１の長さＬ２を２８μｍとすることで、第２入出力部４５及びＴＭ偏波結合部５３間において、１次モードのＴＭ偏波と基本モードのＴＭ偏波とを変換して移行させることができる。また、第２入出力部４５の幅Ｗ３を１０００ｎｍ、及びＴＥ偏波結合部５５の幅Ｗ５を３２０ｎｍとした場合、例えば、第２入出力部４５及びＴＥ偏波結合部５５間の離間距離Ｄ３を９６０ｎｍ、及びＴＥ偏波結合領域８３の長さＬ３を２３μｍとすることで、第２入出力部４５及びＴＥ偏波結合部５５間において、２次モードのＴＥ偏波と基本モードのＴＥ偏波とを変換して移行させることができる。

第３入出力部５７は、シングルモード条件を達成する厚さ及び幅に設定されている。従って、基本モードの光を伝播させる。第３入出力部５７は、第３結合部５１の一端（図１（Ａ）の構成例ではＴＥ偏波結合部５５の一端）５１ａと接続されている。

以上に説明したように、この実施の形態による光導波路素子１００では、第１双方向結合領域６０において、第１光導波路コア３０の第１結合部３１と第２光導波路コア４０の第２結合部４１との間で、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の伝播モードが変換される。そのため、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波に対して共通の波長でブラッグ反射条件を成立させることができる。従って、共通する特定の波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波を、ブラッググレーティング７０で反射し、かつ第１結合部３１と第２結合部４１との間で結合することができる。その結果、この発明による光導波路素子１００は、偏波無依存の経路切換素子として使用することができる。

なお、上述した構成例では、第１双方向結合領域６０において、ＴＥ偏波同士及びＴＭ偏波同士を結合する例について説明した。しかしながら、この発明による光導波路素子１００は、この構成に限定されない。第１双方向結合領域６０において、異なる偏波間の光を結合する構成とすることもできる。その場合には、第１双方向結合領域６０では、例えば、第１結合部３１及び第２結合部４１間において、基本モードのＴＥ偏波と１次モードのＴＭ偏波とが結合される。また、例えば、第１結合部３１及び第２結合部４１間において、基本モードのＴＭ偏波と１次モードのＴＥ偏波とが結合される。そして、第１双方向結合領域６０において、第１結合部３１の幅Ｗ１及び第２結合部４１の幅Ｗ２は、特定の波長について、下式（７）が成立するように設定される。
ｎ_０ＴＥ−ｎ_０ＴＭ＝ｎ_１ＴＥ−ｎ_１ＴＭ ・・・（７）
なお、ｎ_１ＴＥは、第２結合部４１を伝播する１次モードのＴＥ偏波の等価屈折率を示す。

ブラッググレーティング７０は、偏波を変換して反射する。第１結合部３１を伝播する基本モードのＴＥ偏波と、第２結合部４１を伝播する１次モードのＴＭ偏波とを変換して反射するブラッグ反射条件は、下式（８）で表される。

（ｎ_０ＴＥ＋ｎ_１ＴＭ）Λ＝λ ・・・（８）
同様に、第１結合部３１を伝播する基本モードのＴＭ偏波と、第２結合部４１を伝播する１次モードのＴＥ偏波とを変換して反射するブラッグ反射条件は、下式（９）で表される。

（ｎ_０ＴＭ＋ｎ_１ＴＥ）Λ＝λ ・・・（９）
上式（７）が成立するとき、共通の波長λに対して、上式（８）及び（９）におけるグレーティングの周期Λが一致する。従って、ブラッググレーティング７０の周期を、上式（８）及び（９）から算出したΛとすることによって、第１双方向結合領域６０において、共通の波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波の両方を、反射し、かつ第１結合部３１及び第２結合部４１間で結合することができる。

図５を参照して、上式（７）が成立するとき、上式（８）及び（９）のブラッグ反射条件が共通に成立することを確認する。

図５の上段は、光導波路コアの幅に対する等価屈折率の関係を示す図であり、図２と同じ図である。また、図５の下段は、図２の上下を反転させた図である。そして、図２と同様に、Ｉは基本モードのＴＥ偏波の等価屈折率を、ＩＩは基本モードのＴＭ偏波の等価屈折率を、ＩＶは１次モードのＴＭ偏波の等価屈折率を、また、Ｖは１次モードのＴＥ偏波の等価屈折率を、それぞれ示している。

上式（８）及び（９）は、下式（１０）及び（１１）
λ／Λ＝ｎ_０ＴＥ＋ｎ_１ＴＭ ・・・（１０）
λ／Λ＝ｎ_０ＴＭ＋ｎ_１ＴＥ ・・・（１１）
に変形できる。

図５において、矢印５０１は、光導波路コアの幅が５００ｎｍであるときの、基本モードのＴＥ偏波の等価屈折率Ｉと、光導波路コアの幅が９００ｎｍであるときの、１次モードのＴＭ偏波の等価屈折率ＩＶとの和、すなわちｎ_０ＴＥ＋ｎ_１ＴＭを示している。また、矢印５０３は、光導波路コアの幅が５００ｎｍであるときの、基本モードのＴＭ偏波の等価屈折率ＩＩと、光導波路コアの幅が９００ｎｍであるときの、１次モードのＴＥ偏波の等価屈折率Ｖとの和、すなわちｎ_０ＴＭ＋ｎ_１ＴＥを示している。図５から、ｎ_０ＴＥ＋ｎ_１ＴＭとｎ_０ＴＭ＋ｎ_１ＴＥとが等しくなっていることが確認できる。従って、第１結合部３１の幅Ｗ１を５００ｎｍ、及び第２結合部４１の幅Ｗ２を９００ｎｍに設定することによって、上式（７）が成立し、上式（８）及び（９）のブラッグ反射条件が共通に成立する。この結果から、ブラッググレーティング７０を、偏波を変換して反射する構成とする場合においても、共通の波長λのＴＥ偏波及びＴＭ偏波の両方を、共通の周期Λで反射できることが確認できる。

また、上述した構成例では、第１双方向結合領域６０において、基本モードのＴＥ偏波及びＴＭ偏波を、１次モードのＴＥ偏波及び１次モードのＴＭ偏波に変換する例について説明した。しかしながら、この発明による光導波路素子１００は、この構成に限定されない。

例えば、ｉ次モード（ｉは０以上の整数）のＴＥ偏波をｐ次モード（ｐは０以上の整数）のＴＥ偏波に変換し、かつｊ次モード（ｊは０以上の整数）のＴＭ偏波をｑ次モード（ｑは０以上の整数）のＴＭ偏波に変換する構成とすることもできる。その場合には、少なくとも一方の偏波の伝播モードが変換される。そして、特定の波長について、下式（１２）が成立するように、第１結合部３１の幅Ｗ１及び第２結合部４１の幅Ｗ２を設定する。

ｎ_ｉＴＥ−ｎ_ｊＴＭ＝ｎ_ｑＴＭ−ｎ_ｐＴＥ ・・・（１２）
なお、ｎ_ｉＴＥは、第１結合部３１を伝播するｉ次モード（ｉは０以上の整数）のＴＥ偏波の等価屈折率を示す。また、ｎ_ｊＴＭは、第１結合部３１を伝播するｊ次モード（ｊは０以上の整数）のＴＭ偏波の等価屈折率を示す。また、ｎ_ｐＴＥは、第２結合部４１を伝播するｐ次モード（ｐは０以上の整数）のＴＥ偏波の等価屈折率を示す。また、ｎ_ｑＴＭは、第２結合部４１を伝播するｑ次モード（ｑは０以上の整数）のＴＭ偏波の等価屈折率を示す。

また、偏波を変換して反射するブラッググレーティング７０を利用する場合には、例えば、ｉ次モード（ｉは０以上の整数）のＴＥ偏波をｑ次モード（ｑは０以上の整数）のＴＭ偏波に変換し、かつｊ次モード（ｊは０以上の整数）のＴＭ偏波をｐ次モードのＴＥ偏波に変換する構成とすることもできる。その場合には、少なくとも一方の偏波の伝播モードが変換される。そして、特定の波長について、下式（１３）が成立するように、第１結合部３１の幅Ｗ１及び第２結合部４１の幅Ｗ２を設定する。

ｎ_ｉＴＥ−ｎ_ｊＴＭ＝ｎ_ｐＴＥ−ｎ_ｑＴＭ ・・・（１３）
なお、第１双方向結合領域６０において、ｉ次モードのＴＥ偏波及びｊ次モードＴＭ偏波を、ｐ次モードのＴＥ偏波及びｑ次モードのＴＭ偏波に変換する構成例では、伝播モードの組み合わせに応じて、第１入出力部３５を多モード導波路として構成するのが好ましい。

また、第２双方向結合領域８０についても、２次モードのＴＥ偏波及び１次モードのＴＭ偏波を、基本モードのＴＥ偏波及びＴＭ偏波に変換する構成に限定されない。第２入出力部４５の幅Ｗ３、ＴＭ偏波結合部５３の幅Ｗ４、及びＴＥ偏波結合部５５の幅Ｗ５を、適宜設定することによって、ｐ次モードのＴＥ偏波をｓ次モード（ｓは０以上の整数）のＴＥ偏波に、及びｑ次モードのＴＭ偏波をｔ次モード（ｔは０以上の整数）のＴＭ偏波に、それぞれ変換することができる。なお、第２双方向結合領域８０において、ｐ次モードのＴＥ偏波及びｑ次モードのＴＭ偏波を、ｓ次モードのＴＥ偏波及びｔ次モードのＴＭ偏波に変換する構成例では、伝播モードの組み合わせに応じて、第３入出力部５７を多モード導波路として構成するのが好ましい。

また、この発明による光導波路素子１００は、第３光導波路コア５０を省略した構成とすることもできる。その場合には、第２光導波路コア４０の第２入出力部４５が、他端４５ｂ側で受光素子と接続される。そして、第２入出力部４５の他端４５ｂから出力された下り光信号が、受光素子によって受光される。

（特性評価）
発明者は、光導波路素子１００の特性を評価するために、３次元ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）法を用いてシミュレーションを行った。

このシミュレーションでは、第１光導波路コア３０の第１入出力部３５から基本モードのＴＥ偏波及びＴＭ偏波を入力した場合を想定し、第２光導波路コア４０の第２結合部４１の一端４１ａから出力されるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の強度、及び第１光導波路コア３０の第１結合部３１の一端３１ａから出力されるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の強度を算出した。

また、このシミュレーションでは、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア４０の厚さを２２０ｎｍとした。また、ブラッググレーティング７０におけるブラッグ波長を１５７７ｎｍに設定した。そして、波長１５７７ｎｍにおいて上式（２）を成立させる設計として、第１結合部３１の幅Ｗ１を５００ｎｍ、及び第２結合部４１の幅Ｗ２を９００ｎｍとした。上式（３）及び（４）より、ブラッググレーティング７０の周期Λを３５５ｎｍとし、ブラッググレーティング７０の彫り込み深さｄ１及びｄ２をともに５０ｎｍとした。また、第１結合部３１と第２結合部４１との中心間距離Ｄ１を１０００ｎｍとした。また、第１双方向結合領域６０の長さＬ１を１００μｍとした。

シミュレーションの結果を、図６に示す。図６は、光導波路素子１００の偏波依存性の評価に供する図であり、縦軸に光強度をｄＢ目盛で、また、横軸に波長をμｍ単位でとって示してある。図６に示す曲線６０１は、第２結合部４１の一端４１ａから出力されるＴＥ偏波の強度を示している。また、曲線６０３は、第２結合部４１の一端４１ａから出力されるＴＭ偏波の強度を示している。また、曲線６０５は、第１結合部３１の一端３１ａから出力されるＴＥ偏波の強度を示している。また、曲線６０７は、第１結合部３１の一端３１ａから出力されるＴＭ偏波の強度を示している。

図６に示されるように、第２結合部４１の一端４１ａから出力されるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の両方について、ブラッググレーティング７０におけるブラッグ波長として設定した波長１５７７ｎｍの付近に高いピークが確認できる。この結果から、光導波路素子１００では、ブラッググレーティング７０において、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波を、共通の波長で反射されることが確認された。従って、光導波路素子１００は、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波を同じ経路で伝播させられる、すなわち偏波無依存の経路切換素子として使用できることが確認された。

１０：支持基板
２０：クラッド層
３０：第１光導波路コア
３１：第１結合部
３３：第１テーパ部
３５：第１入出力部
４０：第２光導波路コア
４１：第２結合部
４３：第２テーパ部
４５：第２入出力部
５０：第３光導波路コア
５１：第３結合部
５３：ＴＭ偏波結合部
５５：ＴＥ偏波結合部
５７：第３入出力部
６０：第１双方向結合領域
７０、１７０、２７０：ブラッググレーティング
７１、１７１：第１ブラッググレーティング
７３、１７３：第２ブラッググレーティング
８０：第２双方向結合領域
８１：ＴＭ偏波結合領域
８３：ＴＥ偏波結合領域
９０：サブ導波路コア
１００：光導波路素子

Claims (8)

1. 第１光導波路コアと
   第２光導波路コアと
   を備え、
   前記第１光導波路コアと前記第２光導波路コアとが、互いに離間しかつ平行に配置された第１双方向結合領域が設定されており、
   前記第１双方向結合領域には、ブラッググレーティングが形成されており、
   前記第１双方向結合領域において、前記第１光導波路コアを伝播する特定の波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波が、前記ブラッググレーティングで反射され、かつ前記第２光導波路コアに移行し、前記ＴＥ偏波及び前記ＴＭ偏波の少なくとも一方の伝播モードが変換される
   ことを特徴とする光導波路素子。
2. 前記第１光導波路コアを伝播するｉ次モード（ｉは０以上の整数）のＴＥ偏波の等価屈折率ｎ_ｉＴＥ、前記第１光導波路コアを伝播するｊ次モード（ｊは０以上の整数）のＴＭ偏波の等価屈折率ｎ_ｊＴＭ、前記第２光導波路コアを伝播するｐ次モード（ｐは０以上の整数）のＴＥ偏波の等価屈折率ｎ_ｐＴＥ、及び前記第２光導波路コアを伝播するｑ次モード（ｑは０以上の整数）のＴＭ偏波の等価屈折率ｎ_ｑＴＭについて、ｎ_ｉＴＥ−ｎ_ｊＴＭ＝ｎ_ｑＴＭ−ｎ_ｐＴＥ又はｎ_ｉＴＥ−ｎ_ｊＴＭ＝ｎ_ｐＴＥ−ｎ_ｑＴＭが成立するように、前記第１光導波路コア及び前記第２光導波路コアの幅が設定されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
3. 前記第１双方向結合領域において、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の両方の伝播モードを変換する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光導波路素子。
4. 前記ブラッググレーティングは、前記第１光導波路コア及び前記第２光導波路コアの少なくとも一方に形成されている
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光導波路素子。
5. 前記ブラッググレーティングは、前記第１光導波路コアの、前記第２光導波路コアと対向する側面、及び前記第２光導波路コアの、前記第１光導波路コアと対向する側面に形成されている
   ことを特徴とする請求項４に記載の光導波路素子。
6. 前記ブラッググレーティングは、前記第１光導波路コア及び前記第２光導波路コアの、延在方向に沿った各両側面にそれぞれ形成されている
   ことを特徴とする請求項４に記載の光導波路素子。
7. 前記ブラッググレーティングは、前記第１光導波路コア及び前記第２光導波路コア間の領域に設けられたサブ光導波路コアに形成されている
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光導波路素子。
8. 第３光導波路コアをさらに備え、
   前記第２光導波路コアと前記第３光導波路コアが、互いに離間しかつ平行に配置された第２双方向結合領域が、前記第１双方向結合領域から離間した領域として設定されており、
   前記第２双方向結合領域において、前記第２光導波路コアを伝播する特定の波長の前記ＴＥ偏波及び前記ＴＭ偏波が、前記第３光導波路コアに移行し、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の少なくとも一方の伝播モードが変換される
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の光導波路素子。

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