JP2016148798A - 光導波路素子 - Google Patents

Abstract

【課題】素子特性を制御する為の新たな自由度が導入された、光波長フィルタ機能あるいは光経路切り換え機能が実現される光導波路素子を提供する。【解決手段】入力部１０、第１経路切り換え部１２、第２経路切り換え部１３、第３経路切り換え部１４、出力部１５を備え、この順に接続された光導波路素子である。第１経路切り換え部１２、第２経路切り換え部１３、第３経路切り換え部１４はいずれも方向性光結合器として形成されている。第１〜第３経路切り換え部１２〜１４は、平行して二本の光導波路３−１、３−２が配置されており、これら二本の光導波路３−１、３−２の中心間隔はすべて等しく設定されている。そして、第１〜第３経路切り換え部１２〜１４を構成する二本の導波路３−１、３−２の幅はこれら経路切り換え部ごとに違えてあり、また、第１〜第３経路切り換え部の導波方向の長さも経路切り換え部ごとに異なっている。【選択図】図１

Description

この発明は、シリコン素材を利用して形成され、光波長フィルタ機能あるいは光経路切り換え機能に関する特性を制御するための自由度を多数備える光導波路素子に関する。

シリコン導波路コアをシリコンよりも低屈折率の素材（例えば、酸化シリコンあるいは窒化シリコン）のクラッド層で囲って形成される光導波路をシリコン導波路と呼ぶ。近年、小型化と量産性の観点から、光導波路のコアの素材にシリコンを利用した光波長フィルタが注目されている。

シリコン導波路を利用した光波長フィルタとして、マッハ・ツェンダ干渉器を利用するもの、方向性光結合器を利用するもの、あるいは回折グレーティングを利用するもの等が知られている（例えば、特許文献１〜２２を参照）。

光通信技術等で利用するにあたっては、これらの素子には、導波路の寸法誤差に基づく特性のばらつき、あるいは温度変化に対する特性変動が十分に小さいことが求められている。そこで、この課題を解決する技術が複数の特許文献に開示されている（例えば、非特許文献１及び２参照）。

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W. Bogaerts, et. al,. "Silicon-on-Insulator Spectral Filters Fabricated With CMOS Technology"Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 16, No. 1, pp. 33-44 (2010). Mutsunori Uenuma and Teruaki Motooka, "Temperature-independent silicon waveguide optical filter" Optics Letters, Vol. 34, No. 5, pp. 599-601 (2009).

しかしながら、例えば、マッハ・ツェンダ干渉器を利用して形成される、光波長フィルタ機能あるいは光経路切り換え機能が実現される光導波路素子において、両機能に関する特性を制御するために利用可能な自由度は、光経路を分離する方向性光結合器の部分の結合長等に限られている。そこで、光波長フィルタ機能あるいは光経路切り換え機能が実現される光導波路素子において、これら特性を制御する為の新たな自由度が導入された素子構成を見出す必要がある。

方向性光結合器あるいは多モード干渉MMI(MMI:Multi-Mode Interference)導波路素子を利用して、対称伝搬モードの等価屈折率と反対称伝搬モードの等価屈折率との等価屈折率差Δnと伝搬距離Lを適宜設定することによって、光波長フィルタ機能あるいは光経路切り換え機能を実現させることができる。すなわち、ΔnLの値をフィルタリング波長として設定された波長の奇数倍とすれば導波光をクロス(Cross)方向に誘導でき、偶数倍とすれば導波光をバー(Bar)方向に誘導できる。ここで、光波長フィルタ機能あるいは光経路切り換え機能を制御する自由度は、等価屈折率差Δnと伝搬距離Lの２つのパラメータだけである。

そこで、本願の発明者は、等価屈折率差Δnと伝搬距離Lが異なる複数の部分を導波方向に接続して成る、複数の等価屈折率差及び伝搬距離を規定するパラメータが導入された新たな光導波路素子を見出した。

したがって、本願発明の目的は、素子特性を制御する為の新たな自由度が導入された、光波長フィルタ機能あるいは光経路切り換え機能が実現される光導波路素子を提供することにある。

この発明の要旨によれば、上述の目的を達成するため、光導波路素子は、以下の特徴を具えている。

本願発明の基本構成の光導波路素子は、入力部、２つの出力ポートを有する出力部、及び、対称伝搬モードと反対称伝搬モード間の位相差を調整して対称伝搬モードと反対称伝搬モード間で経路の切り換えをする経路切り換え部を少なくとも２か所を含んでいる。そして、入力部、経路切り換え部、出力部の順に接続されている。入力部から入力される入力光は、出力部の２つの出力ポートのいずれか一方の出力ポートを選択してこの出力ポートから出力される。

上述の基本構成の光導波路素子に、対称伝搬モードの伝搬光の光路長と反対称伝搬モードの伝搬光の光路長との差を調整して両伝搬光の位相差がπだけ異なるように光路長の調整を行う第１対称-反対称モード交換部を追加して備え、そして経路切り換え部として、第１経路切り換え部、第２経路切り換え部、第３経路切り換え部を備えた構成することができる。このような構成とした場合は、入力部、第１経路切り換え部、第１対称-反対称モード交換部、第２経路切り換え部、第３経路切り換え部、出力部の順に接続する。この光導波路素子では、入力部から入力される第１波長及び第２波長の二種類の波長を含む入力光は、波長分離され、出力部の２つの出力ポートから第１波長の光と第２波長の光を別々に出力させる。

また、上述の第１対称-反対称モード交換部を備えた光導波路素子に更に、第２対称-反対称モード交換部を追加した構成とすることもできる。このような構成とした場合は、入力部、第２対称-反対称モード交換部、第１経路切り換え部、第１対称-反対称モード交換部、第２経路切り換え部、第３経路切り換え部、出力部の順に接続する。

上述の第１経路切り換え部、第２経路切り換え部、及び第３経路切り換え部は、方向性光結合器、あるいは多モード干渉(MMI)導波路素子で形成するのが好適である。

本願発明の光導波路素子は、経路切り換え部を少なくとも２か所を含んでいる。経路切り換え部一か所につき等価屈折率差Δnと伝搬距離Lを一組のパラメータ(Δn、L)として含んでいるので、本願発明の光導波路素子は、二組のパラメータ(Δn₁、L₁)と(Δn₂、L₂)を含んでいることになる。

光波長フィルタ機能あるいは光経路切り換え機能を規定する条件式は、λをフィルタリング波長として、一組のパラメータ(Δn、L)だけであればΔnL＝mλとなるが、二組のパラメータ(Δn₁、L₁)と(Δn₂、L₂)を利用できれば、Δn₁L₁＋Δn₂L₂＝mλとすることができる。mを奇数とすれば導波光をクロス方向に誘導する条件となり、mを偶数とすれば導波光をバー方向に誘導する条件となる。このように本願発明によれば、少なくとも２種類の等価屈折率差及び伝搬距離が、フィルタリング波長及び経路切り換え機能を制御するパラメータとして導入される。

更に、フィルタリング波長が複数(例えばλ₁及びλ₂)設定されており、λ₁をクロス方向に誘導し、λ₂をバー方向に誘導するという条件、あるいは、この逆にλ₂をクロス方向に誘導し、λ₁をバー方向に誘導するという条件のいずれかを満たすように構成させるという用途もあり得る。この場合、後述するように、更に対称-反対称モード交換部を設けることによって、任意にλ₁及びλ₂の導波光を、バー方向あるいはクロス方向のいずれの方向にも誘導することができる。

第１の光導波路素子の構成例を示す図であり、(A)は第１の光導波路素子を構成する導波路コアの概略的形状を示し、(B)は(A)に示す一点破線(I-I)で示した位置での概略的断面構造図である。 第２の光導波路素子の構成例を示す図であり、(A)は第１対称-反対称モード交換部を備えた構成例を示し、(B)は第１及び第２対称-反対称モード交換部を備えた構成例を示す。 第３の光導波路素子の構成例を示す図である。 第３の光導波路素子の動作の定性的な説明に供する図である。 図１に示す第１の光導波路素子の動作特性を示す数値シミュレーションの結果の説明に供する図である。 図２(A)に示す第２の光導波路素子の動作特性を示す数値シミュレーションの結果の説明に供する図である。

以下、図を参照して、この発明の実施形態につき説明する。なお、光導波路素子の概略的構成図である図１〜３は、この発明の実施形態に係る一構成例を示すものであり、この発明を図示例に限定するものではない。また、以下の説明において、特定の構成素材及び設計条件等を用いることがあるが、これら構成素材及び設計条件等は好適例の一つに過ぎず、したがって、何らこれらに限定されない。

＜第１の光導波路素子＞
図１(A) (B)を参照して、第１の光導波路素子の構成について説明する。図１(A)に第１の光導波路素子を構成する導波路コアの概略的形状を示し、図１(B)に図１(A)の一点破線(I-I)で示した位置で切断した概略的断面構造図を示している。

第１の光導波路素子を構成する導波路コアは図１(A)に示すように、特定の導波路パターンを形成しているので、以後説明の便宜上、導波路コア3を導波路パターン構造体ということもある。また、第１の光導波路素子は図1(B)に示すように、基板1上に導波路コア3(3-1, 3-2)をクラッド層2で囲った構成とされている。すなわち、導波路パターン構造体はクラッド層2で囲われている。基板1としてはシリコン基板を利用し、導波路コア3はシリコン導波路とするのが好適である。また、クラッド層2は酸化シリコン層あるいは窒化シリコン層等が適宜利用できる。

基板1としてシリコン基板を利用し、導波路コア3をシリコン導波路で形成する場合、導波路コア3の底面とシリコン基板1の上面との距離を、1μm以上に設定すると、導波路コア3を伝搬する光がシリコン基板1に染み出すことを有効に防止できる。

第１の光導波路素子は、入力部10、第１経路切り換え部12、第２経路切り換え部13、第３経路切り換え部14、出力部15を備え、この順に接続されている。入力部10は、第１入力ポート10aと第２入力ポート10bを備えている。この第１の光導波路素子を利用するに当たっては、入力光を第１入力ポート10a、第２入力ポート10bのいずれから入力させてもよい。また、出力部15は、第１出力ポート15aと第２出力ポート15bを備えている。出力光は、第１出力ポート15a、第２出力ポート15bのいずれから出力させてもよい。

第１経路切り換え部12、第２経路切り換え部13、第３経路切り換え部14はいずれも方向性光結合器として形成されている。第１〜第３経路切り換え部では、平行して二本の光導波路が配置されており、これら二本の光導波路の中心間隔はすべて等しく設定されている。そして、第１〜第３経路切り換え部を構成する二本の導波路の幅はこれら経路切り換え部ごとに違えてあり、また、第１〜第３経路切り換え部の導波方向の長さも経路切り換え部ごとに異なっている。

ここで、第１経路切り換え部12の導波方向に沿った長さをL(伝搬距離L)、この第１経路切り換え部12を伝搬する導波光の対称伝搬モードの等価屈折率と反対称伝搬モードの等価屈折率との等価屈折率差をΔnとし、同様に第２経路切り換え部13の伝搬距離をL_a、等価屈折率差をΔn_aとし、第３経路切り換え部14の伝搬距離をL_b、等価屈折率差をΔn_bとする。この場合、光波長フィルタ機能あるいは光経路切り換え機能を規定する条件式は、λをフィルタリング波長として、次式(1)で与えられる。
ΔnL＋Δn_aL_a＋Δn_bL_b＝mλ (1)
mを奇数とすれば導波光をクロス方向に誘導する条件となり、mを偶数とすれば導波光をバー方向に誘導する条件となる。

偏波無依存で動作させるには、第１経路切り換え部12、第２経路切り換え部13、第３経路切り換え部14のそれぞれにおける直交偏波間の等価屈折率差を、δΔn、δΔn_a、δΔn_b、として次式(2)
δΔnL＋δΔn_aL_a＋δΔn_bL_b＝0 (2)
を満足させる必要がある。

フィルタリング波長として１波長だけ選択してフィルタリング機能を果たさせるだけであれば、第３経路切り換え部14を備えていなくてもよい。すなわち、対称伝搬モードと反対称伝搬モード間の位相差を調整して対称伝搬モードと反対称伝搬モード間で経路の切り換えをする経路切り換え部として、第１経路切り換え部12と第２経路切り換え部13の少なくとも二つの経路切り換え部を備えていればよい。

しかしながら、入力部10の第１入力ポート10aあるいは第２入力ポート10bのいずれかの入力ポートから第１波長及び第２波長の二種類の波長を含む入力光を入力させて、第１波長の光と第２波長の光を分離して、出力部15の第１出力ポート15aから第１波長の光を出力させ、第２出力ポート15bから第２波長の光を出力させるためには、条件式(2)に替えて条件式(3a)及び(3b)を満足させる必要がある。

ここでは、第１経路切り換え部12、第２経路切り換え部13、第３経路切り換え部14のそれぞれにおける、第１波長λ₁に対する直交偏波間の等価屈折率差を、δΔn₁、δΔn_a1、δΔn_b1、とし、第２波長λ₂に対する直交偏波間の等価屈折率差を、δΔn₂、δΔn_a2、δΔn_b2、とすると、偏波無依存で動作させるための条件式(3a)及び(3b)は
δΔn₁L＋δΔn_a1L_a＋δΔn_b1L_b＝0 (3a)
δΔn₂L＋δΔn_a2L_a＋δΔn_b2L_b＝0 (3b)
となる。

一方、光波長フィルタ機能あるいは光経路切り換え機能を規定する条件式(1)に対応する条件式は、第１経路切り換え部12の第１波長λ₁に対する導波光の対称伝搬モードの等価屈折率と反対称伝搬モードの等価屈折率との等価屈折率差をΔn₁とし、第２波長λ₂に対する等価屈折率差Δn₂とし、同様に第１波長λ₁に対する第２経路切り換え部13の等価屈折率差をΔn_a1、及び第２波長λ₂に対する等価屈折率差をΔn_a2とし、第１波長λ₁に対する第３経路切り換え部14の等価屈折率差をΔn_b1、及び第２波長λ₂に対する等価屈折率差をΔn_b2として、条件式(4a)及び(4b)で与えられる。
Δn₁L＋Δn_a1L_a＋Δn_b1L_b＝m₁λ₁ (4a)
Δn₂L＋Δn_a2L_a＋Δn_b2L_b＝m₂λ₂ (4b)
ここで、m₁及びm₂は正の整数である。m₁とm₂は等しくとも異なっていてもよい。第１波長λ₁と第２波長λ₂に対してそれぞれm₁，m₂を奇数とすれば導波光をクロス方向に誘導する条件となり、m₁，m₂を偶数とすれば導波光をバー方向に誘導する条件となる。

条件式(3a)及び(3b)並びに条件式(4a)及び(4b)を満足させるには、経路切り換え部は２か所では足りず、第１経路切り換え部12、第２経路切り換え部13、及び第３経路切り換え部14の３か所必要となる。

＜第２の光導波路素子＞
図２(A) (B)を参照して、第２の光導波路素子の構成について説明する。第２の光導波路素子は、上述の第１の光導波路素子の構成要素である経路切り換え部に更に対称-反対称モード交換部を備えて構成される。図２(A)に第１対称-反対称モード交換部を備えた構成例を示し、図２(B)に第１及び第２対称-反対称モード交換部を備えた構成例を示す。

図２(A)に示す第２の光導波路素子は、入力部10、第１経路切り換え部12、第１対称-反対称モード交換部20、第２経路切り換え部13、第３経路切り換え部14、出力部15を備え、この順に接続されている。また、図２(B)に示す第２の光導波路素子は、入力部10、第２対称-反対称モード交換部21、第１経路切り換え部12、第１対称-反対称モード交換部20、第２経路切り換え部13、第３経路切り換え部14、出力部15を備え、この順に接続されている。第２の光導波路素子において、入力部10、第１経路切り換え部12、第２経路切り換え部13、第３経路切り換え部14、出力部15は、第１の光導波路素子と同一である。第２対称-反対称モード交換部21は、後述する、L_a/LあるいはL_b/Lの値が負の値となる場合に対して、正の値を以てこの負の値と同様の機能を実現するための必須構成要素ではないが、これらの機能を制御するための自由度の一つとして利用価値がある。

第１対称-反対称モード交換部20は、第１光路20a、第２光路20bを備えており、第１光路20aと第２光路20bをそれぞれ伝搬する伝搬光の対称伝搬モードの伝搬光の光路長と反対称伝搬モードの伝搬光の光路長との差を調整して両伝搬光の位相差がπだけ異なるように光路長の調整を行う機能を有している。また、第２対称-反対称モード交換部21も、第１光路21a、第２光路21bを備えており、同様に第１光路21aと第２光路21bをそれぞれ伝搬する伝搬光の対称伝搬モードの伝搬光の光路長と反対称伝搬モードの伝搬光の光路長との差を調整して両伝搬光の位相差がπだけ異なるように光路長の調整を行う機能を有している。

第２の光導波路素子において、入力部10の第１入力ポート10aあるいは第２入力ポート10bのいずれかの入力ポートから第１波長λ₁と第２波長λ₂の二種類の波長を含む入力光を入力させて、第１波長λ₁の光と第２波長λ₂の光を分離して、出力部15の第１出力ポート15aから第１波長λ₁の光を出力させ、第２出力ポート15bから第２波長λ₂の光を出力させることができる。また、この第２の光導波路素子を利用するに当たっては、入力光を第１入力ポート10a、第２入力ポート10bのいずれから入力させてもよく、出力光として、第１波長λ₁の光あるいは第２波長λ₂の光は第１出力ポート15aと第２出力ポート15bのいずれからも出力させることができる。これは、第１対称-反対称モード交換部20を備えていることによって、第１波長λ₁の光と第２波長λ₂の光の対称伝搬モードの伝搬光の光路長と反対称伝搬モードの伝搬光の光路長との差を調整して両伝搬光の位相差がπだけ変更できる自由度があるので、第１波長λ₁の出力光を第１出力ポート15aと第２出力ポート15bのいずれからも出力させることができることになる。第２波長λ₂の出力光についても同様である。

第２の光導波路素子において、第１波長λ₁の光と第２波長λ₂の光を含んだ入力光を入力部10の第１入力ポート10aあるいは第２入力ポート10bのいずれかの入力ポートから入力させるかが規定され、かつ出力部15の第１出力ポート15aあるいは第２出力ポート15bのいずれから出力させるかが規定されている場合、条件式(3a)及び(3b)並びに条件式(4a)及び(4b)を満足させるL、L_a、L_bが求められ、L_a/LあるいはL_b/Lの値が負の値となる場合がある。このような場合、物理的に負の長さを設定することはできないが、図２(B)に示すように、第１対称-反対称モード交換部20と第２対称-反対称モード交換部21を備えることで、正の値を以てこの負の値と同様の機能を実現できる。この理由は以下のとおりである。

第１対称-反対称モード交換部20の伝達マトリックスM_−πは次式(5)で与えられる。

第１経路切り換え部12の伝達マトリックスM(L)は次式(6)で与えられる。ここで、Kは結合係数である。

第２対称-反対称モード交換部21の伝達マトリックスM_πは次式(7)で与えられる。

したがって、図２(B)に示す第１対称-反対称モード交換部20、第１経路切り換え部12、第２対称-反対称モード交換部21からなる構成部分の伝達マトリックスは次式(8)で与えられる。

第１対称-反対称モード交換部20、第１経路切り換え部12、第２対称-反対称モード交換部21からなる構成部分の伝達マトリックスは伝達マトリックスM(-L)と等価の働きをすることがわかる。すなわち、第１対称-反対称モード交換部20、第１経路切り換え部12、第２対称-反対称モード交換部21を直列に配置する構成を利用することによって、L_a/LあるいはL_b/Lの値を負の値から正の値に変換することができることを意味する。方向性光結合器あるいは後述する多モード干渉(MMI)導波路素子において、対称伝搬モードの等価屈折率と反対称伝搬モードの等価屈折率との等価屈折率差Δnは、対称伝搬モードと反対称伝搬モードを入れ換えれば正の値に置き換えが可能であり、L_a/LあるいはL_b/Lが負の値となる場合、これらの値を正の値に置き換えることができる。

＜第３の光導波路素子＞
第１経路切り換え部12、第２経路切り換え部13、及び第３経路切り換え部14を、MMI導波路素子で形成することも可能である。図３を参照して第３の光導波路素子について説明する。

第３の光導波路素子は、入力部35、第１経路切り換え部31、第１対称-反対称モード交換部34、第２経路切り換え部32、第３経路切り換え部33、出力部36を備え、この順に接続されている。入力部35はテーパ導波路35tを介して入力光が第１経路切り換え部31に入力される構成となっている。出力部36の第１出力ポート36a、第２出力ポート36bはそれぞれテーパ導波路36at、36btを介して第３経路切り換え部33から出力される出力光を出力する。

第１経路切り換え部31、第２経路切り換え部32、及び第３経路切り換え部33はそれぞれMMI導波路素子で形成されており、MMI導波路素子としての導波路幅はそれぞれ異なっている。また、それぞれの導波方向に沿った長さは、上述の方向性光結合器の導波方向の長さL、L_a、L_bと対応する。第２の光導波路素子の第１対称-反対称モード交換部20と同様の作用をするのが、第１対称-反対称モード交換部34である。第１対称-反対称モード交換部34は、第１経路切り換え部31の後段に接続されるMMI導波路34w1、テーパ導波路34t2、導波路部34c2、及び第２経路切り換え部32の前段に接続されるMMI導波路34w2、テーパ導波路34t1、導波路部34c1を含んで構成される。

第１対称-反対称モード交換部34は点対称となるように構成し、MMI導波路34w1に近接させて導波路部34c1を配置し、導波路部34c1はテーパ導波路34t1を通してMMI導波路34w2に接続されている。MMI導波路34w1は、テーパ導波路34t2を介して導波路部34c2に接続され、導波路部34c2とMMI導波路34w2は近接配置されている。

第３の光導波路素子においても、上述した対称伝搬モードの伝搬光の光路長と反対称伝搬モードの伝搬光の光路長との差を調整して両伝搬光の位相差がπだけ異なるように光路長の調整を行う必要が生じる。これを実現する箇所が第１対称-反対称モード交換部34である。

入力部35のテーパ導波路35tを介して入力光が第１経路切り換え部31に入力されると第１経路切り換え部31であるMMI導波路素子中に基本伝搬モードと1次伝搬モードが励起される。1次伝搬モードは位相整合する導波路部34c1へMMI導波路34w1から移行される。テーパ導波路34t1を導波した光は、MMI導波路34w2の基本伝搬モードになる。第１経路切り換え部31を基本伝搬モードで伝搬した光は、テーパ導波路34t2を伝搬して導波路部34c2に入力される。導波路部34c2を伝搬した光は、MMI導波路34w2の1次伝搬モードに位相整合しており、MMI導波路34w2の1次伝搬モードに変換される。これによって、MMI導波路34w1中の基本伝搬モードとMMI導波路34w2中の1次伝搬モード、及びMMI導波路34w1中の1次伝搬モードとMMI導波路34w2中の基本伝搬モードの入れ換えが行われる。

図４を参照して、第３の光導波路素子の動作を定性的に説明する。図４は導波光の基本伝搬モードと1次伝搬モードに対する、第１経路切り換え部31、第１対称-反対称モード交換部34、第２経路切り換え部32、第３経路切り換え部33における等価屈折率の変化の様子を示している。図４の横軸は伝搬長を任意スケールで示し、縦軸は透過屈折率N_effを任意スケールで示してある。

動作の基本となる基本伝搬モードと１次伝搬モード間の位相差は、この伝搬モード等価屈折率変化を示す両曲線で囲まれる面積に比例する。第１経路切り換え部31においては基本伝搬モードに対する等価屈折率が１次伝搬モードに対する等価屈折率より大きい。第１対称-反対称モード交換部34においては、基本伝搬モードが１次伝搬モードに変換されるので、基本伝搬モードに対する等価屈折率と１次伝搬モードに対する等価屈折率の値の大きさが反転する。そして第２経路切り換え部32中では、再び基本伝搬モードに対する等価屈折率が１次伝搬モードに対する等価屈折率より大きくなる。すなわち、第１対称-反対称モード交換部34では、基本伝搬モードに対する等価屈折率と１次伝搬モードに対する等価屈折率の値の大きさが反転するので、位相差を与える値の符号が(正の値から負の値へ、あるいは負の値から正の値へ)反転する。

第１対称-反対称モード交換部34の部分は、上述したように点対称の形状に形成されているので、基本伝搬モードと１次伝搬モード間での位相差は発生しない。したがって、第３の光導波路素子の設計に当たっては、第１経路切り換え部31、第２経路切り換え部32、第３経路切り換え部33における位相差だけを考慮すればよいことになる。

＜数値シミュレーションの結果＞
図５を参照して、図１に示した第１の光導波路素子の動作特性を示す数値シミュレーションの結果について説明する。ここでは、第１波長λ₁を1310 nmとし、第２波長λ₂を1490 nmとした数値シミュレーションの結果を説明する。数値シミュレーションは、FDTD（Finite-difference time-domain method）法によった。

図５の横軸は波長をμm単位で目盛って示してあり、縦軸は入力部10から入力され出力部15から出力される出力光の透過強度をdB目盛で示してある。図５において、曲線(a)はTE(Transverse Electric)波がクロス方向に誘導されて出力される出力光の透過強度を示し、曲線(b)はTE波がバー方向に誘導されて出力される出力光の透過強度を示し、曲線(c)はTM(Transverse Magnetic)波がバー方向に誘導されて出力される出力光の透過強度を示し、曲線(d)はTM波がクロス方向に誘導されて出力される出力光の透過強度を示している。

導波路コア3はシリコン素材で形成し、導波路コア3の厚みは220 nm、第１経路切り換え部12の導波路幅は210 nm、長さはL、第２経路切り換え部13の導波路幅は220 nm、長さはL_a、第３経路切り換え部14の導波路幅は230 nm、長さはL_bとし、二本の光導波路の中心間隔は600 nmとした。数値シミュレーションの結果、波長λ₁が1310 nmの光と、波長λ₂が1490 nmの光で、互いにクロス状態とバー状態が入れ替わり、この二波長を波長分離するフィルタリング効果を実現するために、L_a/L＝12.984、L_ｂ/L＝22.572と設定し、第１経路切り換え部12の導波路の長さLをL＝0.2195μmと設定した。

図５において、それぞれTE波及びTM波がクロス方向に誘導されて出力される出力光の透過強度を示す曲線(a)と曲線(d)はほぼ同様の形状をしている。また、それぞれTE波及びTM波がバー方向に誘導されて出力される出力光の透過強度を示す曲線(b)と曲線(c)はほぼ同様の形状をしている。すなわち、偏波無依存で、波長分離及び経路選択がなされている。

次に、図６を参照して、図２(A)に示した第２の光導波路素子の動作特性を示す数値シミュレーションの結果について説明する。このシミュレーションにおいては、第２の光導波路素子は偏波分離作用を実現させるべく動作させることを目的に構成されている。ここでは、第１波長λ₁を1490 nmとし、第２波長λ₂を1550 nmとして、この両波長において、偏波分離を行うことを目的としている。

図６の横軸は波長をμm単位で目盛って示してあり、縦軸は入力部10から入力され出力部15から出力される出力光の透過強度をdB目盛で示してある。図６において、曲線(a)はTE(Transverse Electric)波がクロス方向に誘導されて出力される出力光の透過強度を示し、曲線(b)はTE波がバー方向に誘導されて出力される出力光の透過強度を示し、曲線(c)はTM(Transverse Magnetic)波がクロス方向に誘導されて出力される出力光の透過強度を示し、曲線(d)はTM波がバー方向に誘導されて出力される出力光の透過強度を示している。

導波路コア3はシリコン素材で形成し、導波路コア3の厚みは220 nm、第１経路切り換え部12の導波路幅は210 nm、長さLはL＝37.8μm、第２経路切り換え部13の導波路幅は600 nm、長さL_aはL_a＝54.8μmとし、二本の光導波路の中心間隔は900 nmとした。第３経路切り換え部14は設けられていないものとした。

数値シミュレーションの結果から、L_a/L＝-1.45と設定した。そして、L_a/Lが負の値となっていることから、第１対称-反対称モード交換部20は、波長1490 nmで、対称伝搬モードの伝搬光の光路長と反対称伝搬モードの伝搬光の光路長との差を調整して両伝搬光の位相差がπだけ異なるように設定した。

図６に示すように、波長1.49μmにおいてTE波がクロス方向に誘導されて出力される出力光の透過強度は-16dB、TM波がバー方向に誘導されて出力される出力光の透過強度は-11dBと非常に小さい。また、波長1.55μmにおいてTE波がクロス方向に誘導されて出力される出力光の透過強度は-18dB、TM波がバー方向に誘導されて出力される出力光の透過強度は-34dBと非常に小さい。すなわちこれらの条件を満たす光は、クロス方向にもバー方向にも出力されないとみることができる。

これに対して、TE波がバー方向に誘導されて出力される出力光の透過強度を示す曲線(b)と、TM波がクロス方向に誘導されて出力される出力光の透過強度を示す曲線(c)に示すように、波長1.49μmと波長1.55μmにおいて、-１dB程度の減衰しかしていない。すなわち、この両波長において、TE波はバー方向に誘導されTM波はクロス方向に誘導されていることが読み取れる。このことから、両波長において、TE波とTM波との偏波分離が行われていることが確かめられた。

＜光導波路素子の製造方法＞
図１〜図３に示した光導波路素子を構成する、入力部10(35)、第１経路切り換え部12(31)、第２経路切り換え部13(32)、第３経路切り換え部14(33)、第１対称-反対称モード交換部20(34)、第２対称-反対称モード交換部21、出力部15(36)を含む導波路パターン構造体は、例えば、SOI基板を入手して、以下の工程によって形成できる。SOI基板は、広く市販品として入手可能であり、シリコン基板に酸化シリコン層、及びこの酸化シリコン層上に導波路の厚みの寸法に等しい厚みのシリコン層が形成されている。

SOI基板の酸化シリコン層上に形成されているシリコン層に対して、上述の導波路パターン構造体を残してドライエッチングを行い、他の部分のシリコン層を取り除く。ドライエッチング工程に続き、エッチング処理で残された導波路パターンを導波構造のコアとして取り囲む酸化シリコン層を化学気相成長(CVD: Chemical Vapor Deposition)法等によって形成する。そして、酸化シリコン層の上面が平坦になるように研磨し、この酸化シリコン層を上部クラッド層として形成する。

クラッド層となる、導波路パターンを導波路構造のコアとして取り囲む酸化シリコン層は、SOI基板入手時にシリコン基板に既に形成されている酸化シリコン層を下部クラッド層とし、コアを形成した後にCVD法で形成される酸化シリコン層を上部クラッド層として構成する。図１(B)では、下部クラッド層と上部クラッド層とを合わせてクラッド層2と示してある。

このように、この発明の光導波路素子を構成する導波路パターン構造体は、SOI基板を用いて周知のエッチング処理、CVD法等によって形成することが可能であるので、量産性に優れ低コストで簡便に形成することが可能である。

1：基板
2：クラッド層
3、3-1、3-2：導波路コア
10、35：入力部
10a：第１入力ポート
10b：第２入力ポート
12、31：第１経路切り換え部
13、32：第２経路切り換え部
14、33：第３経路切り換え部
15、36：出力部
15a、36a：第１出力ポート
15b、36b：第２出力ポート
20、34：第１対称-反対称モード交換部
20a、21a：第１光路
20b、21b：第２光路
21：第２対称-反対称モード交換部
34w1、34w2：MMI導波路
34t1、34t2、35t、36at、36bt：テーパ導波路
34c1、34c2：導波路部

Claims (5)

1. 入力部、２つの出力ポートを有する出力部、及び対称伝搬モードと反対称伝搬モード間の位相差を調整して対称伝搬モードと反対称伝搬モード間で経路の切り換えをする経路切り換え部を少なくとも２か所含み、
   前記入力部、前記経路切り換え部、前記出力部の順に接続されており、
   前記入力部から入力される入力光を、前記出力部の前記２つの出力ポートのいずれか一方の出力ポートを選択して当該出力ポートから出力させる
   ことを特徴とする光導波路素子。
2. 更に、対称伝搬モードの伝搬光の光路長と反対称伝搬モードの伝搬光の光路長との差を調整して両伝搬光の位相差がπだけ異なるように光路長の調整を行う第１対称-反対称モード交換部を備え、
   前記経路切り換え部として、第１経路切り換え部、第２経路切り換え部、第３経路切り換え部を備え、
   前記入力部、前記第１経路切り換え部、前記第１対称-反対称モード交換部、前記第２経路切り換え部、前記第３経路切り換え部、前記出力部の順に接続されており、
   前記入力部から入力される第１波長及び第２波長の二種類の波長を含む入力光を波長分離して、前記出力部の前記２つの出力ポートから前記第１波長の光と前記第２波長の光を別々に出力させる
   ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
3. 前記入力部と前記第１経路切り換え部の間に、更に、対称伝搬モードの伝搬光の光路長と反対称伝搬モードの伝搬光の光路長との差を調整して両伝搬光の位相差がπだけ異なるように光路長の調整を行う第２対称-反対称モード交換部を備える
   ことを特徴とする請求項２に記載の光導波路素子。
4. 前記第１経路切り換え部、前記第２経路切り換え部、及び前記第３経路切り換え部は、方向性光結合器で形成されている
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載の光導波路素子。
5. 前記第１経路切り換え部、前記第２経路切り換え部、及び前記第３経路切り換え部は、多モード干渉(Multi-Mode Interference)導波路素子で形成されている
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載の光導波路素子。

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