JP2017134222A - 光導波路素子 - Google Patents

Abstract

【課題】信号光のパワーを正確にモニタする光導波路素子を提供する。
【解決手段】光導波路素子１００は、主導波路２と、第１副導波路３と、第２副導波路４と、第１副導波路３および第２副導波路４の両方と接続されており、光電変換を行うフォトダイオード５とを備えており、並走区間２３における結合効率と並走区間２４における結合効率とは、特定の波長で互いに一致し、かつ特定の波長より高い波長と特定の波長より低い波長とで大小関係が反転している。
【選択図】図１

Description

本発明は、マルチモード光導波路を備えた光導波路素子に関する。

長距離通信網にて要求される通信量の増加に対応するため、デジタルコヒーレント光伝送技術を導入した光送受信機が普及し始めている。このような光送受信機を構成する部品の１つである光変調器においては、信号光のパワーおよび位相をモニタする機能が必要とされている。この機能は、信号光の基本モード光の一部または高次モード（例えば、１次モード）光を、マルチモード光導波路から分離させて、フォトダイオードに供給し、電気信号として取り出すことによって実現することができる。

例えば、マッハ‐ツェンダー型光変調器（Mach-Zehnder Interferometer：ＭＺＩ）においては、光合波器の前段における、２つの光の位相差により、信号のＯＮ状態とＯＦＦ状態とが決定される。２つの光が同位相で光合波器に供給された場合、合波された光は、後段のマルチモード光導波路を基本モードで伝搬し、このとき、マッハ‐ツェンダー型光変調器はＯＮ状態となる。一方、２つの光が逆位相で光合波器に供給された場合、合波された光は、後段のマルチモード光導波路を１次モードで伝搬し、このとき、マッハ‐ツェンダー型光変調器はＯＦＦ状態となる。この１次モードの光をフォトダイオードに供給することによって、信号光のパワーおよび位相をモニタすることができる。

特許文献１では、マルチモード光導波路を備えた光導波路素子において、マルチモード光導波路にて、モードスプリッタによって、信号光のモード分離が可能であることが開示されている。

特開２０１４−４１２５２号公報（２０１４年３月６日公開）

モードスプリッタは、光の波長に対する、結合効率の変動が非常に大きい。このため、モードスプリッタからフォトダイオードに光が供給される場合、フォトダイオードに供給される光は、その波長に対するパワーの変動が非常に大きくなる。その結果、マルチモード光導波路を伝搬する光の波長に依存して、当該光のパワーとフォトダイオードから出力される電気信号のレベルとの対応関係が大幅に変動する。従って、特許文献１の光導波路素子では、信号光のパワーを正確にモニタすることが困難になるという問題が発生する。

本発明は、上記の課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、信号光のパワーを正確にモニタすることを可能とする光導波路素子を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の光導波路素子は、互いに伝搬次数の異なる複数の伝搬モードが導波される主導波路と、上記主導波路と並走する第１並走区間を有しており、上記複数の伝搬モードのうち特定のモードが上記主導波路から移行される第１副導波路と、上記主導波路と並走する第２並走区間を有しており、上記特定のモードまたは上記複数の伝搬モードのうち上記特定のモードとは異なるモードが上記主導波路から移行される第２副導波路と、上記第１副導波路および上記第２副導波路の両方と接続されており、光電変換を行う光電変換部とを備えており、上記第１並走区間における結合効率と上記第２並走区間における結合効率とは、（１）特定の波長で互いに一致し、かつ（２）当該特定の波長より高い波長と当該特定の波長より低い波長とで大小関係が反転していることを特徴としている。

上記の構成によれば、主導波路と第１副導波路との並走区間（第１並走区間）がモードスプリッタを構成すると共に、主導波路と第２副導波路との並走区間（第２並走区間）がモードスプリッタを構成する。そして、これら２つのモードスプリッタの結合効率は、（１）特定の波長で互いに一致し、かつ（２）当該特定の波長より高い波長と当該特定の波長より低い波長とで大小関係が反転している。換言すれば、これら２つのモードスプリッタの結合効率は、相補的な関係（一方が小さくなれば、他方が大きくなる）となる。例えば、２つの導波路の並走区間が長いと、当該２つの導波路によって構成されるモードスプリッタの結合効率の波長依存性は長波長側にシフトする。つまり、２つのモードスプリッタが互いに同じ２つの導波路で構成されていても、２つのモードスプリッタにおける並走区間の長さを互いに異ならせることにより、２つのモードスプリッタの結合効率が相補的となる。このため、主導波路を伝搬する光の波長に依存した、当該光のパワーとフォトダイオードから出力される電気信号のレベルとの対応関係の変動を抑制することができる。結果、上記の構成によれば、信号光のパワーを正確にモニタすることが可能となる。

また、本発明の光導波路素子において、上記光電変換部は、互いに対向する２つの端面を有しており、上記第１副導波路は上記２つの端面の一方と接続されており、上記第２副導波路は上記２つの端面の他方と接続されていることが好ましい。

フォトダイオードをはじめとする光電変換部の受光領域において、光電変換部へ接続された導波路近傍の光のパワー密度が最も高くなる。光電変換部の受光領域に入射する光のパワー密度が高過ぎると、光電変換部の入出力特性（入力光のパワーと出力電流の大きさとの関係）が非線形になる。そこで、第１副導波路を伝搬する光を入射させる光電変換部の端面（一方）と、第２副導波路を伝搬する光を入射させる光電変換部の端面（他方）とを分ければ、いずれか一方の端面からのみ光が入射する場合と比較して、当該光電変換部の受光領域におけるパワー密度は低下する。従って、光電変換部の入出力特性が非線形になることを抑制することができる。

また、本発明の光導波路素子は、上記２つの端面のいずれかに対して垂直な方向に見たときに、上記第１副導波路と接続される端面と上記第１副導波路との接続部分と上記第２副導波路と接続される端面と上記第２副導波路との接続部分とが、互いに重なり合わない部分を含んでいることが好ましい。

上記の構成によれば、第１副導波路を伝搬する光がフォトダイオードに入射する領域と、第２副導波路を伝搬する光がフォトダイオードに入射する領域とがより重なり難くなるため、フォトダイオードの入出力特性が非線形になることをさらに抑制することができる。

また、本発明の光導波路素子は、上記第１副導波路の長さであって、上記第１並走区間の上記光電変換部側の端部から、上記光電変換部までの長さをｘ１とし、上記主導波路の長さであって、上記第１並走区間の上記光電変換部側の端部から、上記第２並走区間の上記光電変換部側と反対側の端部までの長さをｘａとし、上記第２副導波路の長さであって、上記第２並走区間の上記光電変換部側と反対側の端部から、上記光電変換部までの長さをｘ２とすると、
ｘ１＝ｘａ＋ｘ２
の関係を満たすことが好ましい。

上記の構成によれば、第１副導波路から光電変換部に供給される光の位相と、第２副導波路から光電変換部に供給される光の位相とを一致させることができる。結果、光電変換部に入力される光信号の線形性を高めることができるので、さらなる正確なモニタが可能となる。

また、本発明の光導波路素子は、上記第１並走区間の長さと上記第２並走区間の長さとが互いに異なっていることが好ましい。

上記の構成によれば、第１並走区間における結合効率の波長依存性と、第２並走区間における結合効率の波長依存性とを、互いに異ならせることができる。

また、本発明の光導波路素子は、上記主導波路と並走する第３並走区間を有しており、上記特定のモードが上記主導波路から移行される第３副導波路と、上記第３副導波路と接続されており、光を除去または吸収する光終端部とを備えていてもよい。

上記の構成によれば、信号品質を向上させることが可能である。

本発明によれば、信号光のパワーを正確にモニタすることが可能となる。

本発明の実施の形態１に係る光導波路素子の概略構成を示す平面図である。 （ａ）は図１に示す光導波路素子に設けられたフォトダイオードの具体的な構成例を示す上面写真であり、（ｂ）は同構成例を示す断面図である。 （ａ）は比較例に係る光導波路素子における結合効率の波長依存性を示すグラフであり、（ｂ）は同光導波路素子におけるフォトダイオードに供給される光のパワーの波長依存性を示すグラフである。 （ａ）は図１に示す光導波路素子における結合効率の波長依存性を示すグラフであり、（ｂ）は同光導波路素子におけるフォトダイオードに供給される光のパワーの波長依存性を示すグラフである。 結合効率の波長依存性を、方向性結合器における主導波路と副導波路との間隔および結合導波路長を変えて種々計算した結果を示すグラフである。 本発明の実施の形態２に係る光導波路素子の概略構成を示す平面図である。 本発明の実施の形態３に係る光導波路素子の概略構成を示す平面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図１〜図６を参照して詳細に説明する。

〔実施の形態１〕
（光導波路素子の構成）
図１は、本発明の実施の形態１に係る光導波路素子１００の概略構成を示す平面図である。光導波路素子１００は、光導波路９９ａおよび９９ｂ、光合波器１、主導波路２、第１副導波路３、第２副導波路４、ならびにフォトダイオード（光電変換部）５を備えている。なお、光導波路９９ａおよび９９ｂ、主導波路２、第１副導波路３、ならびに第２副導波路４はそれぞれ、例えば、シリカ（ＳｉＯ２）をクラッドとし、シリコン（Ｓｉ）をコアとする光導波路であるが、図示を簡潔にするために、図１では、コアのみを図示しており、クラッドの図示を省略している。

以下、導波路の長さは、それぞれ、導波路のコアの長さを意味するものとする。

光合波器１は、複数の入射光を１つの出射光に合波するものである。主導波路２は、光合波器１の出力端から延伸している。主導波路２は、互いに伝搬次数の異なる複数の伝搬モードが導波されるものである。

第１副導波路３は、主導波路２と一定の間隔離れており、かつ、主導波路２と並走する区間を有している。第１副導波路３は、上記複数の伝搬モードのうち特定のモード（例えば、１次モード）が主導波路２から移行されるものである。すなわち、主導波路２と第１副導波路３との並走区間（第１並走区間）２３は、モードスプリッタを構成している。

第２副導波路４は、第１副導波路３と同様に、主導波路２と一定の間隔離れており、かつ、主導波路２と並走する区間を有している。第２副導波路４は、上記特定のモードが主導波路２から移行されるものである。もしくは、第２副導波路４は、上記複数の伝搬モードのうち上記特定のモードとは異なるモード（例えば、２次以上の高次モード）が主導波路２から移行されるものである。すなわち、主導波路２と第２副導波路４との並走区間（第２並走区間）２４は、モードスプリッタを構成している。光導波路素子１００において、並走区間２４は、並走区間２３の後段に配置されている。また、並走区間２３における結合効率と並走区間２４における結合効率とは、（１）特定の波長で互いに一致し、かつ（２）当該特定の波長より高い波長と当該特定の波長より低い波長とで大小関係が反転している。具体例として、上記（１）および（２）の条件を満たすように、並走区間２３の長さと並走区間２４の長さとを調整した構成が考えられる。

光導波路９９ａおよび９９ｂのそれぞれを伝搬した光（複数の入射光）は、光合波器１に供給される。光合波器１の出力光（１つの出射光）は、主導波路２に供給され、主導波路２を伝搬する。光合波器１の具体的な構成は特に限定されないが、光合波器１の具体例としては、ＭＭＩ型合波器、Ｙ型合波器、および方向性結合器が挙げられる。

光導波路９９ａおよび９９ｂ、ならびに主導波路２はそれぞれ、光をマルチモードで導波する、いわゆるマルチモード導波路である。光導波路９９ａおよび９９ｂ、ならびに主導波路２のそれぞれとして、マルチモード導波路のようにコア幅の大きい導波路を用いると、表面の荒れ（コアの側壁の荒れ）に起因する特性の劣化が起こりにくいため、好ましい。光導波路９９ａおよび９９ｂは、コアの幅が例えば５００ｎｍである。

第１副導波路３および第２副導波路４はいずれも、互いに伝搬次数の異なる複数の伝搬モードが導波可能なマルチモード導波路である。並走区間２３が構成するモードスプリッタ、および、並走区間２４が構成するモードスプリッタはそれぞれ、方向性結合器の形態である。主導波路２、第１副導波路３、および第２副導波路４は、コアの幅が例えば６００ｎｍである。また、実際には、主導波路２の後段では、導波路幅が徐々に狭く（広く）なるようなテーパ形状の導波路幅変換部材を用いて、光導波路９９ａおよび９９ｂと同じ導波路幅にする。

第１副導波路３および第２副導波路４はいずれも、主導波路２と同じ導波路構造（材料、寸法、形状等）であることが好ましい。一般に、方向性結合器では、２つの導波路構造が完全に対称であれば、最大パワー移行率が１００％となり、各導波路構造間で１次モード等の高次モードの光を効率良く移行させることができるためである。

フォトダイオード５は、第１副導波路３および第２副導波路４の両方と接続されている。具体的に、フォトダイオード５は、互いに対向する２つの端面である面５Ｌおよび５Ｒを有しており、第１副導波路３は面（２つの端面の一方）５Ｌと接続されており、第２副導波路４は面（２つの端面の他方）５Ｒと接続されている。第１副導波路３および第２副導波路４の両方が、面５Ｌおよび面５Ｒのいずれか一方に接続されていてもよい。

フォトダイオード５は、第１副導波路３から供給される光と、第２副導波路４から供給される光とを、光電変換によって、光信号から電気信号に変換するものである。光導波路素子１００では、フォトダイオード５の個数は１であるが、２以上であってもよい。

図２の（ａ）はフォトダイオード５の具体的な構成例を示す上面写真であり、（ｂ）は同構成例を示す断面図である。なお、図２の（ｂ）に示す断面は、面５Ｌに相当するものとしているが、面５Ｒも面５Ｌと同様の断面を有している。

図２の（ａ）に示すとおり、フォトダイオード５は、アルミニウム電極６上に設けられている。また、図２の（ｂ）に示すとおり、フォトダイオード５は、シリコン導波路層５１、ｐ^＋シリコン層５２、ｐ^＋シリコン層５３、ｉゲルマニウム層５４、およびｎ^＋ゲルマニウム層５５を備えている。フォトダイオード５において、ｐ^＋シリコン層５２およびｐ^＋シリコン層５３が形成されたシリコン導波路層５１、ｉゲルマニウム層５４、ならびにｎ^＋ゲルマニウム層５５は、この順に積層されている。シリコン導波路層５１およびｐ^＋シリコン層５２を合わせた高さが、第１副導波路３および第２副導波路４のコアの高さに相当する。

ｐ^＋シリコン層５２と各ｐ^＋シリコン層５３とは、互いにｐ^＋シリコンの濃度が異なっている。ｐ^＋シリコン層５２におけるｐ^＋シリコンの濃度は１×１０^１４であり、各ｐ^＋シリコン層５３におけるｐ^＋シリコンの濃度は１×１０^２２〜１×１０^２３である。また、ｐ^＋シリコン層５２およびｐ^＋シリコン層５３のドーパントの一例としてボロンが、ｎ^＋ゲルマニウム層５５のドーパントの一例としてリンが、それぞれ挙げられる。

図２の（ａ）および（ｂ）に示すフォトダイオード５は、縦型ｎ‐ｉ‐ｐ接合を有している。

ここで、上述したとおり、第１副導波路３は面５Ｌにおいてシリコン導波路層５１と接続されており、第２副導波路４は面５Ｒにおいてシリコン導波路層５１と接続されている。これらの接続は、図２の（ｂ）に示す断面において、ｐ^＋シリコン層５２の外縁より中心側にて行われている。そして、面５Ｌまたは５Ｒのいずれかに対して垂直な方向に見たときに、第１副導波路３と面５Ｌとの接続部分２１が、第２副導波路４と面５Ｒとの接続部分２２に対して、また、第２副導波路４と面５Ｒとの接続部分２２が、第１副導波路３と面５Ｌとの接続部分２１に対して、重なり合わない部分を含んでいることが好ましい。すなわち、これらの両接続部分が、互いに図２の（ｂ）に示す断面と平行な方向にずれていることが好ましい。またこのとき、両接続部分は、一部が面５Ｌまたは５Ｒのいずれかに対して垂直な方向に重なっていてもよいし、同方向に全く重なっていなくてもよい。

フォトダイオード５の受光領域において、フォトダイオード５へ接続された導波路近傍の光のパワー密度が最も高くなる。フォトダイオード５の受光領域に入射する光のパワー密度が高過ぎると、フォトダイオード５の入出力特性（入力光のパワーと出力電流の大きさとの関係）が非線形になる。そこで、第１副導波路３を伝搬する光を入射させるフォトダイオード５の端面（一方）と、第２副導波路４を伝搬する光を入射させるフォトダイオード５の端面（他方）とを分ければ、面５Ｌまたは５Ｒのいずれかからのみ光が入射する場合と比較して、当該フォトダイオード５の受光領域におけるパワー密度は低下する。従って、フォトダイオード５の入出力特性が非線形になることを抑制することができる。また、上記の両接続部分をずらせば、第１副導波路３を伝搬する光がフォトダイオード５に入射する領域と、第２副導波路４を伝搬する光がフォトダイオード５に入射する領域とがより重なり難くなるため、フォトダイオード５の入出力特性が非線形になることをさらに抑制することができる。

（光導波路素子の構成に関する補足）
なお、半導体基板を用いてフォトダイオード５を構成する場合、フォトダイオード５を半導体素子として、主導波路２、第１副導波路３、および第２副導波路４と同一の基板上に集積することが可能である。シリカをクラッドとしシリコンをコアとした光導波路を有するシリコン基板上に集積可能なフォトダイオード５としては、例えば図２の（ａ）および（ｂ）を参照して上述したゲルマニウムフォトダイオードに代表されるＩＶ族半導体フォトダイオード、インジウムリン（ＩｎＰ）系のフォトダイオード、およびガリウムヒ素（ＧａＡｓ）に代表されるＩＩＩ‐Ｖ族化合物半導体フォトダイオードが挙げられる。

フォトダイオード５は例えば、厚さ２２０ｎｍのシリコン導波路層に、ゲルマニウムを５００ｎｍ堆積させて形成することができる。ｉゲルマニウム層５４の幅は８μｍ、ｉゲルマニウム層５４の長さは１００μｍとなっている。このため、第１副導波路３および第２副導波路４を、それぞれ、面５Ｌおよび面５Ｒに接続することは十分可能である。このとき、第１副導波路３および第２副導波路４のそれぞれからフォトダイオード５に入力された光がフォトダイオード５を透過しないように、フォトダイオード５における光の導波方向の長さを十分大きくすることが好ましい。例えば、フォトダイオード５が図２の（ａ）および（ｂ）に示す構成を有している場合、１０μｍで２０ｄＢ程度の光吸収が生じることが知られていることから、光の導波方向の長さが少なくとも２０μｍあれば、フォトダイオード５を透過する光は基本信号光と比べて十分小さな値となる。

また、図２の（ａ）および（ｂ）に示す構成を有しているフォトダイオード５は、その受光感度に波長依存性を有することが知られている。このことを考慮して、並走区間２３が構成するモードスプリッタおよび並走区間２４が構成するモードスプリッタを、フォトダイオード５における電気信号のレベルの波長依存性を補償するように構成してもよい。

（比較例に係る光導波路素子との比較）
図３の（ａ）は比較例に係る光導波路素子における結合効率の波長依存性を示すグラフであり、図３の（ｂ）は同光導波路素子におけるフォトダイオードに供給される光のパワーの波長依存性を示すグラフである。

なお、「比較例に係る光導波路素子」の構成は、並走区間２３が構成するモードスプリッタおよび並走区間２４が構成するモードスプリッタの替わりに、主導波路と副導波路との並走区間が構成する１つのモードスプリッタを有し、その他が光導波路素子１００と同じである。なお、当該１つのモードスプリッタは、結合効率のピーク波長を１５９０ｎｍに持つ。具体的に、図３の（ａ）および（ｂ）では、当該モードスプリッタの結合導波路長（主導波路と副導波路とが平行に配置されている長さ）を１６．８μｍとしている。また、図３の（ａ）には、比較例に係る光導波路素子を伝搬する光の波長（横軸）に対する、主導波路から副導波路に移る１次モードの光についての結合効率（縦軸）を示している。また、図３の（ｂ）には、比較例に係る光導波路素子を伝搬する光の波長（横軸）に対する、同光導波路素子におけるフォトダイオードに供給される光のパワー（縦軸）を示している。

図４の（ａ）は光導波路素子１００における結合効率の波長依存性を示すグラフであり、図４の（ｂ）は光導波路素子１００におけるフォトダイオード５に供給される光のパワーの波長依存性を示すグラフである。

なお、光導波路素子１００において、並走区間２３が構成するモードスプリッタは、結合効率のピーク波長を１５５０ｎｍに持ち、並走区間２４が構成するモードスプリッタは、結合効率のピーク波長を１６１０ｎｍに持つものとする。具体的に、図４の（ａ）および（ｂ）では、並走区間２３が構成するモードスプリッタの結合導波路長を１４．５μｍとし、並走区間２４が構成するモードスプリッタの結合導波路長を１９．５μｍとしている。また、図４の（ａ）には、光導波路素子１００を伝搬する光の波長（横軸）に対する、主導波路２から第１副導波路３および第２副導波路４に移る１次モードの光についての各種結合効率（縦軸）を示している。また、図４の（ｂ）には、光導波路素子１００を伝搬する光の波長（横軸）に対する、光導波路素子１００におけるフォトダイオード５に供給される光のパワー（縦軸）を示している。

また、図３の（ａ）および（ｂ）ならびに図４の（ａ）および（ｂ）に示す各グラフを導出するためのシミュレーションとして、有限要素法（ＦＥＭ）を採用した。また、主導波路２、第１副導波路３、第２副導波路４、ならびに比較例に係る光導波路素子の主導波路および副導波路の幅は６００ｎｍとした。また、主導波路２と第１副導波路３との間隔、主導波路２と第２副導波路４との間隔、および比較例に係る光導波路素子の主導波路と副導波路との間隔はいずれも、５００ｎｍとした。なお、コアの高さはすべて２２０ｎｍであるものとした。

図３の（ａ）によれば、比較例に係る光導波路素子を伝搬する光の波長が１５９０ｎｍであるとき、同光導波路素子が有するモードスプリッタの結合効率がピーク（１．００ａｒｂ．ｕｎｉｔ）となる。一方、当該波長が１５９０ｎｍから離れるほど当該結合効率は小さくなり、当該波長が１５３０ｎｍのとき、当該結合効率はおよそ０．８９ａｒｂ．ｕｎｉｔにまで、当該波長が１６３０ｎｍのとき、当該結合効率はおよそ０．８５ａｒｂ．ｕｎｉｔにまで小さくなる。

図３の（ｂ）によれば、比較例に係る光導波路素子を伝搬する光の波長が１５９０ｎｍであるとき、同光導波路素子におけるフォトダイオードに供給される光のパワーが最大（変動量−０．００ｄＢ）となる。一方、当該波長が１５９０ｎｍから離れるほど当該パワーは小さくなり、当該波長が１６３０ｎｍであるとき、当該パワーは最小（およそ変動量−０．７０ｄＢ）となる。つまり、比較例に係る光導波路素子においては、同光導波路素子を伝搬する光の波長に依存して、フォトダイオードに供給される光のパワーが最大およそ０．７０ｄＢ変動する。

一方、光導波路素子１００においては、並走区間２３が構成するモードスプリッタの結合効率をη１とし、並走区間２４が構成するモードスプリッタの結合効率をη２とし、モニタ光（光合波器１で発生し、並走区間２３の手前まで導波する主導波路２での高次モード光）のパワーをＰｍｏｎとした場合、下記数式（Ａ）の関係を満たす。

フォトダイオード５に供給される光のパワー＝Ｐｍｏｎ×η１＋Ｐｍｏｎ×（１−η１）×η２ ・・・（Ａ）
ここで、η１＋（１−η１）×η２は、発生した高次モードを１としたときに、並走区間２３および２４から第１副導波路３および第２副導波路４に移る高次モードの割合を示す。並走区間２４の手前では（１−η１）の割合の高次モードが残っている。並走区間２４においては（１−η１）×η２の割合の高次モードが第２副導波路４に移ることから、第１副導波路３および第２副導波路４に移った高次モードの割合を合計するとη１＋（１−η１）×η２となる。上記数式（Ａ）左辺第一項Ｐｍｏｎ×η１は、並走区間２３が構成するモードスプリッタにより主導波路２から第１副導波路３に移った電力を表す。その結果、並走区間２３を過ぎた主導波路２を伝搬する光を残留モニタ光とすると、残留モニタ光はＰｍｏｎ×（１−η１）となる。つまり、上記数式（Ａ）左辺第二項Ｐｍｏｎ×（１−η１）×η２は、並走区間２４が構成するモードスプリッタにより主導波路２から第２副導波路４に移った電力を表す。従って、フォトダイオード５に供給される光のパワーは、左辺第一項と第二項の和でＰｍｏｎ×η１＋Ｐｍｏｎ×（１−η１）×η２と表すことができる。

ここで、Ｐｍｏｎを１．００ａｒｂ．ｕｎｉｔで規格化した場合、図４の（ａ）によれば、光導波路素子１００を伝搬する光の波長が１５３０ｎｍ〜１６３０ｎｍのいずれであっても、η１＋（１−η１）×η２の値は１．００ａｒｂ．ｕｎｉｔまたはほぼ１．００ａｒｂ．ｕｎｉｔとなる。このため、図４の（ｂ）によれば、光導波路素子１００を伝搬する光の波長が１５３０ｎｍ〜１６３０ｎｍのいずれであっても、フォトダイオード５に供給される光のパワーはほぼ一定（変動量−０．００ｄＢから−０．０４ｄＢの間）となる。つまり、光導波路素子１００においては、光導波路素子１００を伝搬する光の波長に依存して、フォトダイオード５に供給される光のパワーをおよそ０．０４ｄＢの変動に抑えることができる。

図４の（ａ）によれば、光導波路素子１００を伝搬する光の波長が１５５０ｎｍ（η１＝１．０００、η２＝０．７２８）であるとき、光導波路素子１００が有するモードスプリッタの結合効率がピーク（１．００ａｒｂ．ｕｎｉｔ）となる。一方、当該波長が１５５０ｎｍから離れるほど当該結合効率は小さくなるが、当該波長が１６３０ｎｍ（η１＝０．７２２、η２＝０．９６７）のときであっても、当該結合効率はおよそ０．９９ａｒｂ．ｕｎｉｔと高い。

図４の（ｂ）によれば、光導波路素子１００を伝搬する光の波長が１５５０ｎｍであるとき、光導波路素子１００におけるフォトダイオード５に供給される光のパワーが最大（変動量−０．００ｄＢ）となる。一方、当該波長が１５５０ｎｍから離れるほど当該パワーは小さくなるが、当該波長が１６３０ｎｍであっても、当該パワーは最小（およそ変動量−０．０４ｄＢ）と高い。つまり、光導波路素子１００においては、光導波路素子１００を伝搬する光の波長に依存して、フォトダイオード５に供給される光のパワーが最大およそ０．０４ｄＢ変動する。

なお、フォトダイオード５の受光特性には最も受光感度が高い波長（以下、フォトダイオードのピーク波長）が存在する。並走区間２３が構成するモードスプリッタの最も結合効率の高い波長（以下、結合効率のピーク波長）と、並走区間２４が構成するモードスプリッタの結合効率のピーク波長とにより、フォトダイオード５のピーク波長が挟まれることが好ましい。フォトダイオード５のピーク波長が２つのモードスプリッタのピーク波長に挟まれない場合に比べて、光電変換された電流の波長依存性の変化を抑制することができる。フォトダイオード５によっては、受光感度の波長依存性を持つことがある。その場合、フォトダイオード５によるモニタが波長によって変動してしまう。今回の場合、フォトダイオード５の波長依存性を加味してモードスプリッタの結合効率の波長依存性を適切に設計することにより電気出力の波長による変動を抑えることが可能になる。

さらに、光導波路素子１００は、主導波路２と並走する区間（第３並走区間）を有しており、上記特定のモードが主導波路２から移行される第３副導波路と、この第３副導波路と接続されており、光を除去または吸収する光終端部とを備えていてもよい。第３副導波路および光終端部については、周知の技術によって実現可能であるため、ここでは図示および詳細な説明は省略する。光導波路素子１００に光終端部を設けることにより、信号品質を向上させることが可能である。

（作用効果の定性的な議論）
一般に、モード結合理論によると、２つの光導波路がある間隔で並行している場合、一つの導波路からもう一つの導波路に電力が移行する。一つの導波路からもう一つの導波路へ電力が移り切る長さを結合長Ｌとすると、結合長Ｌは、二つの導波路間の光波の結合を強くする、または弱くすることにより自由に調整することが可能である。入射側の導波路幅を大きくした場合、コアからクラッドへの光のしみだしは弱くなり、隣の導波路への結合は小さくなる。つまり、隣の導波路へ出力が移る結合長は長くなる。二つの光導波路の間隔を大きくした場合、光の閉じ込めは強くなり、隣の導波路への結合は小さくなる。つまり、隣の導波路へ出力が移る結合長は長くなる。導波路の高さを非対称にすることや屈折率を変えるなどについても一定の効果が得られるが、導波路作成のプロセスが複雑になるため好ましくない。

結合効率の波長依存性を、方向性結合器における主導波路と副導波路との間隔および結合導波路長を変えて種々計算した結果を、図５に示している。図４の（ａ）および（ｂ）に示す各グラフを導出するための諸条件と併せて参照すれば、並走区間２３における結合効率と並走区間２４における結合効率とは、（１）特定の波長（１５９５ｎｍ辺り）で互いに一致し、かつ（２）当該特定の波長より高い波長と当該特定の波長より低い波長とで大小関係が反転していることが分かる。

〔実施の形態２〕
図６は、本発明の実施の形態２に係る光導波路素子１０１の概略構成を示す平面図である。なお、図示を簡潔にするために、図６では、図１と同様に、各導波路について、コアのみを図示しており、クラッドの図示を省略している。

図６に示す光導波路素子１０１は、図１に示す光導波路素子１００の構成において、さらに下記数式（２）の関係を満たすものである。

ｘ１＝ｘａ＋ｘ２ ・・・（２）
なお、ｘ１は、第１副導波路３の長さであって、並走区間２３のフォトダイオード５側の端部から、フォトダイオード５までの長さである。また、ｘａは、主導波路２の長さであって、並走区間２３のフォトダイオード５側の端部から、並走区間２４のフォトダイオード５側と反対側の端部までの長さである。また、ｘ２は、第２副導波路４の長さであって、並走区間２４のフォトダイオード５側と反対側の端部から、フォトダイオード５までの長さである。

光導波路素子１０１は、上記数式（２）を満足しているため、第１副導波路３からフォトダイオード５に供給される光の位相と、第２副導波路４からフォトダイオード５に供給される光の位相とを一致させることができる。結果、フォトダイオード５に入力される光信号の線形性を高めることができるので、さらなる正確なモニタが可能となる。

なお、主導波路２の幅が０．６μｍである場合、１次モードの光に対して、主導波路２の曲げ半径（図６中、Ｒによって示している）が５０μｍであれば、曲げ損失による放射損失はほぼ発生しない。

〔実施の形態３〕
図７は、本発明の実施の形態３に係る光導波路素子１０２の概略構成を示す平面図である。なお、図示を簡潔にするために、図７では、図１および図６と同様に、各導波路について、コアのみを図示しており、クラッドの図示を省略している。

図７に示す光導波路素子１０２は、図１に示す光導波路素子１００の構成において、さらに副導波路７および８を備えている。

副導波路７は、第１副導波路３の前段に配置されている。副導波路７は、第１副導波路３と同様に、主導波路２と一定の間隔離れており、かつ、主導波路２と並走する区間を有している。副導波路７は、上記特定のモードが主導波路２から移行されるものである。すなわち、主導波路２と副導波路７との並走区間２７は、モードスプリッタを構成している。

副導波路８は、第２副導波路４の後段に配置されている。副導波路８は、第１副導波路３と同様に、主導波路２と一定の間隔離れており、かつ、主導波路２と並走する区間を有している。副導波路８は、上記特定のモードが主導波路２から移行されるものである。すなわち、主導波路２と副導波路８との並走区間２８は、モードスプリッタを構成している。

フォトダイオード５は、第１副導波路３および第２副導波路４に加え、副導波路７および８の両方と接続されている。具体的に、副導波路７は面５Ｌと接続されており、副導波路８は面５Ｒと接続されている。フォトダイオード５は、第１副導波路３から供給される光と、第２副導波路４から供給される光とに加え、副導波路７から供給される光と、副導波路８から供給される光とを、光信号から電気信号に変換する。

フォトダイオード５の幅が、第１副導波路３の幅に対して十分大きい場合、面５Ｌに副導波路７を接続することができる。同様に、フォトダイオード５の幅が、第２副導波路４の幅に対して十分大きい場合、面５Ｒに副導波路８を接続することができる。

光導波路素子１０２のように、光導波路素子が３つ以上の副導波路を備え、これら３つ以上の副導波路をフォトダイオードに接続することによって、光導波路素子に３つ以上のモードスプリッタが構成されてもよい。モードスプリッタの数が多いほど、光導波路素子の構成に製造公差が生じても、高次モードの光を十分に取り出す（フォトダイオード５に供給する）ことができるので、光導波路素子における結合効率の波長依存性をよりフラットにすることができる。

第１副導波路３、第２副導波路４、副導波路７、および副導波路８の幅は、６００ｎｍ以上とする必要があるが、例えばシリコン基板上に集積したゲルマニウムフォトダイオードにおいて、受光幅が８μｍである場合、隣接する副導波路同士の間隔を考慮しても、面５Ｌと面５Ｒとのそれぞれに５本の副導波路を接続することも可能である。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１ 光合波器
２ 主導波路
３ 第１副導波路
４ 第２副導波路
５ フォトダイオード（光電変換部）
２３ 並走区間（第１並走区間）
２４ 並走区間（第２並走区間）
１００ 光導波路素子
１０１ 光導波路素子
１０２ 光導波路素子

Claims (6)

1. 互いに伝搬次数の異なる複数の伝搬モードが導波される主導波路と、
   上記主導波路と並走する第１並走区間を有しており、上記複数の伝搬モードのうち特定のモードが上記主導波路から移行される第１副導波路と、
   上記主導波路と並走する第２並走区間を有しており、上記特定のモードまたは上記複数の伝搬モードのうち上記特定のモードとは異なるモードが上記主導波路から移行される第２副導波路と、
   上記第１副導波路および上記第２副導波路の両方と接続されており、光電変換を行う光電変換部とを備えており、
   上記第１並走区間における結合効率と上記第２並走区間における結合効率とは、（１）特定の波長で互いに一致し、かつ（２）当該特定の波長より高い波長と当該特定の波長より低い波長とで大小関係が反転していることを特徴とする光導波路素子。
2. 上記光電変換部は、互いに対向する２つの端面を有しており、
   上記第１副導波路は上記２つの端面の一方と接続されており、上記第２副導波路は上記２つの端面の他方と接続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. 上記２つの端面のいずれかに対して垂直な方向に見たときに、
   上記第１副導波路と接続される端面と上記第１副導波路との接続部分と上記第２副導波路と接続される端面と上記第２副導波路との接続部分とが、互いに重なり合わない部分を含んでいることを特徴とする請求項２に記載の光導波路素子。
4. 上記第１副導波路の長さであって、上記第１並走区間の上記光電変換部側の端部から、上記光電変換部までの長さをｘ１とし、
   上記主導波路の長さであって、上記第１並走区間の上記光電変換部側の端部から、上記第２並走区間の上記光電変換部側と反対側の端部までの長さをｘａとし、
   上記第２副導波路の長さであって、上記第２並走区間の上記光電変換部側と反対側の端部から、上記光電変換部までの長さをｘ２とすると、
   ｘ１＝ｘａ＋ｘ２
   の関係を満たすことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光導波路素子。
5. 上記第１並走区間の長さと上記第２並走区間の長さとが互いに異なっていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光導波路素子。
6. 上記主導波路と並走する第３並走区間を有しており、上記特定のモードが上記主導波路から移行される第３副導波路と、
   上記第３副導波路と接続されており、光を除去または吸収する光終端部とを備えていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光導波路素子。