JP2020042225A - 光導波路素子 - Google Patents

Abstract

【課題】所望のモード次数以外への変換を抑えつつ、基本モードの一方の偏波をモード変換せずに出力し、かつ基本モードの他方の偏波を所望のモード次数に変換して出力する光導波路素子を提供する。【解決手段】第１結合部３３及び第２結合部３５を含む第1光導波路コア３０と、第３結合部４１及び第４結合部４３を含む第２光導波路コア４０とを備える。第１結合部３３及び第３結合部４１は、幅及び厚さが共通の寸法で形成され、かつ幅と厚さとが異なる寸法で形成されている。第１結合部及び第３結合部の長さは、幅又は厚さの小さな方に、光電界の振動方向が沿った、基本モードの一方の偏波の結合長に設定されている。第２結合部３５と第４結合部４３とが互いに離間しかつ並んで配置された第２結合領域では、第２結合部を伝播する基本モードの他方の偏波と、第４結合部を伝播するｉ次モードの他方の偏波とが結合される。【選択図】図１

Description

この発明は、入力されるＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）偏波及びＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ）偏波それぞれに対し、所望のモード次数を与えて出力する光導波路素子に関する。

情報伝達量の増大に伴い、光配線技術が注目されている。光配線技術では、光ファイバや光導波路を伝送媒体とした光デバイスを用いて、情報処理機器内の装置間、ボード間又はチップ間等の情報伝達を光信号で行う。その結果、高速信号処理を要する情報処理機器においてボトルネックとなっている、電気配線の帯域制限を改善することができる。

光デバイスは、光送信器や光受信器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互いに空間結合することができる。

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。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、光デバイス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。

ここで、光導波路素子は、例えばシリコン（Ｓｉ）を導波路材料とすることができる。Ｓｉを材料とする光導波路素子（Ｓｉ導波路）では、実質的に光の伝送路となる光導波路コアを、Ｓｉを材料として形成する。そして、Ｓｉよりも屈折率の低い例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等を材料としたクラッドで、光導波路コアの周囲を覆う。このような構成により、光導波路コアとクラッドとの屈折率差が極めて大きくなるため、光導波路コア内に光を強く閉じ込めることができる。その結果、曲げ半径を例えば数μｍ程度まで小さくした、小型の曲線導波路を実現することができる。そのため、電子回路と同程度の大きさの光回路を作成することが可能であり、光デバイス全体の小型化に有利である。

しかも、Ｓｉ導波路を利用する場合には、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）の製造過程を流用することによって、多様な機能を有する素子を同一基板上にモノシリック集積した光デバイスを、大量生産することが可能である。従って、Ｓｉ導波路を利用する光デバイスは、小型化及び低コスト化に有利である（例えば、特許文献１並びに非特許文献１及び非特許文献２参照）。

一方で、Ｓｉ導波路では、コアとクラッドとの比屈折率差が大きいことに起因して、ＴＥ偏波とＴＭ偏波とで導波モードの等価屈折率の差及び群屈折率の差が大きくなりやすい。そのため、Ｓｉ導波路には、偏波依存性があるという欠点がある。

従って、Ｓｉ導波路で構成されたマッハツェンダ干渉計、グレーティング及びＡＷＧ（Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）等の波長フィルタや光カプラでは、同一波長であっても両偏波間の波長応答特性の乖離が大きくなる。このような特性の乖離は、例えばファイバ伝送システムにおける受信側デバイス等において、チャネル間クロストークが発生する原因となる。

このようなＳｉ導波路における偏波依存性の問題を解消するために、波長フィルタや光カプラといった光導波路素子の前段に偏波分離素子を設けて、ＴＥ偏波とＴＭ偏波とを分離する方法がある。しかし、この場合には、偏波分離素子の後段に、ＴＥ偏波に最適化した光導波路素子及びＴＭ偏波に最適化した光導波路素子をそれぞれ形成する必要があるため、光デバイスの構成が煩雑となり、また、光デバイスのサイズが大きくなる。このため、偏波依存性に対する本質的な解決手段としては、波長フィルタ等の光導波路素子そのものの波長応答特性において、偏波間の特性の乖離を最小に抑えることが好ましい。

例えばマッハツェンダ干渉計を利用する波長フィルタの場合には、構成要素となる光カプラ及びアーム導波路それぞれについて、各偏波の特性を揃えることが望まれる。具体的には、光カプラにおいては分岐特性について、また、アーム導波路においては位相特性について、各偏波で一致することが求められる。

光カプラとして、低損失及び低反射の観点で有利であるため、方向性結合器が利用される。方向性結合器は、並走する一対の光導波路コアによって構成される。方向性結合器における設計パラメータには、各光導波路コアの幅及び厚さ、並びに各光導波路コア間の離間距離がある（例えば特許文献２参照）。

ただし、光導波路コアの厚さは、製造に用いるＳＯＩ基板のＳＯＩ層の厚さに依存する。このため、方向性結合器の偏波依存性を解消するに当たり、任意に調整可能な設計パラメータが、各光導波路コアの幅及び各光導波路コア間の離間距離のみとなる。そして、この２つのパラメータを調整するのみでは、偏波依存性を解消する条件を達成することができない場合がある。

このため、偏波依存性を確実に解消するためには、光導波路コアの厚さについても調整することが好ましい。しかしながら、上述したように、光導波路コアの厚さはＳＯＩ層の厚さに依存するため、利用可能なＳＯＩ基板が制限されてしまう。

一方で、光デバイスでは、波長フィルタ以外の光導波路素子（例えばスポットサイズ変換器や変調器等）を、共通のＳＯＩ基板を用いて一括形成する場合がある。これら各光導波路素子に最適な光導波路コアの厚さを決定するために、ＳＯＩ層の厚さは柔軟に選択可能であることが望ましい。従って、利用可能なＳＯＩ基板が制限されることは好ましくない。

このような問題を解消するため、光導波路コアの厚さに対する設計の自由度が高い方向性結合器（例えば特許文献３参照）が提案されている。

特許文献３に係る方向性結合器では、各光導波路コアの幅及び厚さ、並びに各光導波路コア間の離間距離に加えて、各光導波路コア間のモード間結合に関与するモード次数を設計パラメータとしている。この結果、偏波無依存で使用するに当たり、光導波路コアの厚さに対する設計の自由度が高くなる。

特開２０１１−７７１３３号公報 特開２０１１−４３５６７号公報 特開２０１６−２４３７５号公報

IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, vol.11, No.1, January/February 2005 p.232-240 IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, vol.12, No.6, November/December 2006 p.1371-1379

特許文献３に係る方向性結合器を利用するに当たっては、設定されたモード次数のＴＥ偏波及びＴＭ偏波を入力する必要がある。各光導波路コア間のモード間結合に関与するモード次数が、一例として１次モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波に設定されている場合には、１次モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波を方向性結合器に入力する必要がある。

このため、入力される基本モードのＴＥ偏波を１次モードに変換して出力し、かつ入力される基本モードのＴＭ偏波を基本モードのままで出力する光導波路素子を、方向性結合器の前段に設ける必要がある。

このような光導波路素子において、所望のモード次数以外への変換は、損失となるだけでなく、方向性結合器における分岐特性の劣化に繋がる。さらに、方向性結合器における分岐特性の劣化は、当該方向性結合器を含んで構成される波長フィルタのアイソレーション特性の劣化にも繋がる。

そこで、この発明の目的は、所望のモード次数以外への変換を抑えつつ、基本モードの一方の偏波をモード変換せずに出力し、かつ基本モードの他方の偏波を所望のモード次数に変換して出力す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、直列に接続された第１結合部及び第２結合部を含む第１光導波路コアと、直列に接続された第３結合部及び第４結合部を含む第２光導波路コアとを備えて構成される。この発明による光導波路素子では、第１結合部と第３結合部とが互いに離間しかつ並んで配置された、第１結合領域が設定されている。第１結合部及び第３結合部は、幅が互いに共通の寸法で、及び厚さが共通の寸法で形成され、かつ幅と厚さとが異なる寸法で形成されている。第１結合部及び第３結合部の長さは、当該第１結合部及び当該第３結合部の幅又は厚さの寸法の小さな方に、光電界の振動方向が沿った、基本モードのＴＥ偏波又はＴＭ偏波の一方の偏波の結合長に設定されている。また、この発明による光導波路素子では、第２結合部と第４結合部とが互いに離間しかつ並んで配置された、第２結合領域が設定されている。第２結合領域では、第２結合部を伝播する基本モードの他方の偏波と、第４結合部を伝播するｉ次モード（ｉは１≦ｉの整数）の他方の偏波とが結合される。

この発明の光導波路素子では、第１結合領域において、基本モードの一方の偏波のみを、基本モードのままで第１結合部から第３結合部に移行させることができる。また、第２結合領域において、基本モードの他方の偏波のみを、ｉ次モード（ｉは１≦ｉの整数）に変換しつつ第２結合部から第４結合部に移行させることができる。これによって、入力されるそれぞれ基本モードのＴＥ偏波及びＴＭ偏波に対して、基本モードの一方の偏波をモード変換せずに出力し、かつ基本モードの他方の偏波を、所望のｉ次モードに変換して出力することができる。この発明の光導波路素子では、第１結合領域及び第２結合領域において不所望な結合が生じないため、基本モード以外のモード次数の一方の偏波及びｉ次モード以外のモード次数の他方の偏波への変換を抑制することができる。

この発明の光導波路素子を示す概略的平面図である。 この発明の光導波路素子を示す概略的端面図である。 アスペクト比と結合長との関係を示す図である。 第２結合部及び第４結合部を伝播する光の伝播定数と、伝播軸座標との関係を示す図である。 この発明の光導波路素子の特性を評価するための図である。 この発明の光導波路素子の特性を評価するための図である。 この発明の光カプラを示す概略的平面図である。 この発明の第１の波長フィルタを示す概略的平面図である。 この発明の第１の波長フィルタを示す概略的端面図である。 この発明の第２の波長フィルタを示す概略的平面図である。 この発明の第２の波長フィルタを示す概略的端面図である。 グレーティングの変形例を示す概略的平面図である。 グレーティングの変形例を示す概略的平面図である。

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。

（光導波路素子）
図１及び図２を参照して、この発明の光導波路素子について説明する。図１は、光導波路素子を示す概略平面図である。なお、図１では、後述する支持基板及びクラッドを省略して示してある。図２は、図１に示す構造体をＩ−Ｉ線で切り取った概略的端面図である。なお、図２では、ハッチングを省略してある。

なお、以下の説明では、各構成要素について、光伝播方向に沿った方向を長さ方向とする。また、支持基板の厚さに沿った方向を厚さ方向とする。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。

光導波路素子１００は、支持基板１０とクラッド２０と第１光導波路コア３０と第２光導波路コア４０とを備えて構成されている。第１光導波路コア３０は、この順に直列に接続された第１入出力ポート３１、入出力テーパ部３２、第１結合部３３、第１接続部３４及び第２結合部３５を含んでいる。第２光導波路コア４０は、この順に直列に接続された第３結合部４１、第２接続部４２、第４結合部４３及び第２入出力ポート４４を含んでいる。また、第１結合部３３と第３結合部４１とが互いに離間しかつ並んで配置された第１結合領域５０が設定されている。さらに、第２結合部３５と第４結合部４３とが互いに離間しかつ並んで配置された第２結合領域６０が設定されている。

光導波路素子１００は、基本モードの一方の偏波をモード変換せずに出力し、かつ基本モードの他方の偏波を所望のモード次数に変換して出力するモードコンバータとして使用される。ここでは、一例として、光導波路素子１００によって、基本モードのＴＭ偏波についてはモード変換せず、かつ基本モードのＴＥ偏波を１次モードに変換する構成について説明する。

この例では、それぞれ基本モードのＴＥ偏波及びＴＭ偏波を含む光が、第１光導波路コア３０の第１入出力ポート３１に入力され、入出力テーパ部３２を経て、第１結合領域５０の第１結合部３３に送られる。入力された光のうち、基本モードのＴＭ偏波は、第１結合領域５０において、基本モードのままで、第１結合部３３から第３結合部４１に移行する。第３結合部４１に移行した基本モードのＴＭ偏波は、第２接続部４２及び第４結合部４３を経て、第２入出力ポート４４から出力される。一方、基本モードのＴＥ偏波は、第１結合領域５０においては第３結合部４１に移行せず、第１接続部３４を経て、第２結合領域６０の第２結合部３５に送られる。基本モードのＴＥ偏波は、第２結合領域６０において、１次モードに変換されつつ、第２結合部３５から第４結合部４３に移行する。第４結合部４３に移行した１次モードのＴＥ偏波は、第２入出力ポート４４から出力される。

支持基板１０は、例えば単結晶Ｓｉを材料とした平板状体で構成されている。

クラッド２０は、支持基板１０上に設けられている。クラッド２０は、支持基板１０の上面を被覆し、かつ、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア４０を包含して形成されている。クラッド２０は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を材料として形成されている。

第１光導波路コア３０は、クラッド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、第１光導波路コア３０は、光の伝送路として機能し、第１光導波路コア３０に入力された光が第１光導波路コア３０の平面形状に応じた伝播方向に伝播する。

第２光導波路コア４０は、第１光導波路コア３０と同様に、クラッド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、第２光導波路コア４０は、光の伝送路として機能し、第２光導波路コア４０に入力された光が第２光導波路コア４０の平面形状に応じた伝播方向に伝播する。

なお、伝播する光が支持基板１０へ逃げるのを防止するために、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア４０は、支持基板１０から例えば少なくとも３μｍ以上離間して形成されているのが好ましい。

第１入出力ポート３１は、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の双方に対してシングルモード条件を達成する厚さ及び幅で形成されている。従って、第１入出力ポート３１は、基本モードのＴＥ偏波及びＴＭ偏波を伝播させる。

入出力テーパ部３２は、第１入出力ポート３１と接続された一端から第１結合部３３と接続された他端に向かって、第１入出力ポート３１の幅から第１結合部３３の幅まで、連続的に幅が拡大するテーパ形状で形成されている。

第１結合部３３は、直線導波路として形成されている。なお、第１結合部３３の詳細な設計については後述する。

第１接続部３４は、第１結合部３３と接続された一端から第２結合部３５と接続された他端に向かって、第１結合部３３の幅から第２結合部３５の幅まで、連続的に幅が変化（ここでは縮小）するテーパ形状で形成されている。

第２結合部３５は、第１接続部３４と接続された一端３５ａから、一端と反対側の他端３５ｂに向かって、連続的に幅が縮小するテーパ形状で形成されている。なお、第２結合部３５の詳細な設計については後述する。

第３結合部４１は、直線導波路として形成されている。なお、第３結合部４１の詳細な設計については後述する。

第２接続部４２は、第３結合部４１と接続された一端から第４結合部４３と接続された他端に向かって、第３結合部４１の幅から第４結合部４３の幅まで、連続的に幅が変化（ここでは縮小）するテーパ形状で形成されている。

第４結合部４３は、第２接続部４２と接続された一端４３ａから第２入出力ポート４４と接続された他端４３ｂに向かって、第２接続部４２の幅から第２入出力ポート４４の幅まで、連続的に幅が拡大するテーパ形状で形成されている。なお、第４結合部４３の詳細な設計については後述する。

第２入出力ポート４４は、少なくとも１次モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波を伝播させる厚さ及び幅で形成されている。

第１結合領域５０について説明する。

第１結合部３３及び第３結合部４１は、第１結合領域５０に含まれる。第１入出力ポート３１と第２入出力ポート４４とは、この第１結合領域５０を挟んで、互いに反対の側に配置されている。第１結合領域５０において、第１結合部３３と第３結合部４１は、方向性結合器を構成している。

第１結合部３３及び第３結合部４１は、幅が互いに共通の寸法で、及び厚さが互いに共通の寸法で形成される。また、第１結合部３３及び第３結合部４１は、幅と厚さとが異なる寸法で形成されている。この結果、第１結合領域５０において、第１結合部３３及び第３結合部４１の幅又は厚さの寸法の小さな方に、光電界の振動方向が沿った一方の偏波の結合長は、他方の偏波の結合長よりも短くなる。従って、第１結合部３３及び第３結合部４１の厚さを幅に対して小さく設定した場合には、ＴＭ偏波の結合長が、ＴＥ偏波の結合長よりも短くなる。また、第１結合部３３及び第３結合部４１の幅を厚さに対して小さく設定した場合には、ＴＥ偏波の結合長が、ＴＭ偏波の結合長よりも短くなる。なお、結合長とは、一方の導波路（ここでは第１結合部３３）から他方の導波路（ここでは第３結合部４１）に電力を完全移行させるために必要な、各導波路の並走距離である。

このような、アスペクト比（光導波路コアにおける幅／厚さの比）に対する、各偏波の結合長の依存性を利用することによって、第１結合領域５０において一方の偏波のみを第１結合部３３から第３結合部４１へ移行させる。

この実施の形態では、第１結合領域５０において、基本モードのＴＭ偏波を、基本モードのままで第１結合部３３から第３結合部４１に移行させる。一方、基本モードのＴＥ偏波については、第３結合部４１に移行させない。従って、第１結合部３３及び第３結合部４１の厚さを、幅に対して小さく設計する。これによって、第１結合部３３及び第３結合部４１間におけるＴＭ偏波の結合長が、ＴＥ偏波の結合長よりも短くなる。そして、第１結合部３３及び第３結合部４１の長さは、基本モードのＴＭ偏波の結合長に設定される。この結果、基本モードのＴＭ偏波のみが、第１結合部３３から第３結合部４１へ移行する。

ここで、図３を参照して、アスペクト比と結合長との関係について説明する。図３は、並走する２つの光導波路コア（ここでは第１結合部３３及び第３結合部４１）におけるアスペクト比（幅／厚さ）に対する、基本モードのＴＭ偏波の結合長との関係、及び基本モードのＴＭ偏波の結合長及び基本モードのＴＥ偏波の結合長の比（ＴＥ／ＴＭ）との関係を示す図である。図３では、横軸にアスペクト比をとって示している。また、紙面左側の縦軸に基本モードのＴＭ偏波の結合長をμｍ単位でとって示している。さらに、紙面右側の縦軸に、基本モードのＴＭ偏波の結合長に対する基本モードのＴＥ偏波の結合長の比をとって示している。なお、図３においては、基本モードのＴＭ偏波の結合長（Ｌｃ／ＴＭ）、並びに基本モードのＴＭ偏波の結合長及び基本モードのＴＥ偏波の結合長の比（ＬｃＴＥ／ＴＭ）をそれぞれプロットしてある。

図３に示すように、アスペクト比が大きくなるほど、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波間の結合長の比が大きくなる。従って、第１結合部３３及び第３結合部４１におけるＴＭ偏波の結合効率を向上させつつ、ＴＥ偏波の結合を抑制するためには、アスペクト比（幅／厚さ）を大きく設定することが好ましい。

ただし、アスペクト比を大きく設定し、ＴＭ偏波の結合長を大きくとることで、第１結合部３３及び第３結合部４１を含む第１結合領域５０の長さが大きくなり、またそれに伴い、第１結合領域の波長依存性が大きくなるので、動作波長域が狭くなる。このため、光導波路素子１００の小型化および広帯域動作という観点を踏まえて、アスペクト比（幅／厚さ）を例えば２程度とすることが好ましい。

次に、第２結合領域６０について説明する。

第２結合部３５及び第４結合部４３は、第２結合領域６０に含まれる。第１入出力ポート３１と第２入出力ポート４４とは、この第２結合領域６０を挟んで、互いに反対の側に配置されている。第２結合領域６０において、第２結合部３５及び第４結合部４３は、方向性結合器を構成している。

上述したように、第２結合部３５は、一端３５ａから他端３５ｂに向かって、連続的に幅が縮小するテーパ形状で形成されている。また、第４結合部４３は、一端４３ａから他端４３ｂに向かって、第２接続部４２の幅から第２入出力ポート４４の幅まで、連続的に幅が拡大するテーパ形状で形成されている。

第２結合領域６０では、第２結合部３５の、幅が最大となる一端３５ａと、第４結合部４３の、幅が最小となる一端４３ａとが同じ側に配置される。また、第２結合部３５の、幅が最小となる他端３５ｂと、第４結合部４３の、幅が最大となる他端４３ｂとが同じ側に配置される。従って、第２結合領域６０では、図１に示す光の伝播方向Ｒに沿って、第２結合部３５の幅が連続的に縮小し、かつ第４結合部４３の幅が連続的に拡大する。なお、図１の構成例では、第２結合部３５の一端３５ａ及び第４結合部４３の一端４３ａの面位置が一致し、かつ第２結合部３５の他端３５ｂ及び第４結合部４３の他端４３ｂの面位置が一致するように配置されている。

ここで、図４を参照して、第２結合部３５及び第４結合部４３の設計について説明する。図４は、第２結合部３５を伝播する光の伝播定数及び第４結合部４３を伝播する光の伝播定数と、伝播軸座標（第２結合領域６０の光伝播方向Ｒにおける座標）Ｚとの関係を示す図である。図４では、縦軸に伝播定数を、また、横軸に伝播軸座標をそれぞれ任意単位でとって示している。ここでは、第２結合部３５の一端３５ａ及び第４結合部４３の一端４３ａ側の、第２結合領域６０の一端６０ａを伝播軸座標のＺａとしている。また、第２結合部３５の他端３５ｂ及び第４結合部４３の他端４３ｂの、第２結合領域６０の他端６０ｂを伝播軸座標のＺｂとしている。なお、図４において、曲線β_ｘ０は第２結合部３５を伝播する基本モードのＴＥ偏波の伝播定数を示している。また、曲線β_ｙｉ−１は第４結合部４３を伝播するｉ−１次モードのＴＥ偏波の伝播定数を示している（ｉは１≦ｉの整数）。また、曲線β_ｙｉは第４結合部４３を伝播するｉ次モードのＴＥ偏波の伝播定数を示している。また、曲線β_ｙｉ＋１は第４結合部４３を伝播するｉ＋１次モードのＴＥ偏波の伝播定数を示している。

第２結合部３５では、第２結合領域６０の一端６０ａから他端６０ｂに向かって幅が狭まるに従い、光の伝播定数が小さくなる。一方、第４結合部４３では、第２結合領域６０の一端６０ａから他端６０ｂに向かって幅が拡がるに従い、光の伝播定数が大きくなる。そして、第２結合領域６０の一端６０ａから他端６０ｂの間において、第２結合部３５及び第４結合部４３には、第２結合部３５を伝播する基本モードのＴＥ偏波の伝播定数と、第４結合部４３を伝播するｉ次モードのＴＥ偏波の伝播定数とが一致する点が含まれる。この伝播定数が一致する点に対応する幅を、第２結合部３５及び第４結合部４３が含むことによって、第２結合部３５を伝播する基本モードのＴＥ偏波と、第４結合部４３を伝播するｉ次モードのＴＥ偏波とが結合される。

従って、第２結合領域６０の一端６０ａにおいてβ_ｙｉ＜β_ｘ０＜β_ｙｉ−１、及び第２結合領域６０の他端６０ｂにおいてβ_ｙｉ＋１＜β_ｘ０＜β_ｙｉを満たすように、第２結合部３５の一端３５ａ及び他端３５ｂの幅、並びに第４結合部４３の一端４３ａ及び他端４３ｂの幅を設定する。この結果、第２結合部３５を伝播する基本モードのＴＥ偏波と、第４結合部４３を伝播するｉ次モードのＴＥ偏波とを結合することができる。

また、このように第２結合部３５の一端３５ａ及び他端３５ｂの幅、並びに第４結合部４３の一端４３ａ及び他端４３ｂの幅を設定することによって、第２結合領域６０では、第２結合部３５を伝播する基本モードのＴＥ偏波の伝播定数と、第４結合部４３を伝播するｉ次モード以外のＴＥ偏波の伝播定数とが一致する点が含まれない。従って、第２結合部３５を伝播する基本モードのＴＥ偏波と、第４結合部４３を伝播するｉ次モード以外のＴＥ偏波との結合が抑制される。

この実施の形態では、第２結合領域６０において、基本モードのＴＥ偏波を、１次モードに変換して、第２結合部３５から第４結合部４３に移行させる。そこで、伝播定数β_ｙｉにおけるｉを１として、上述した条件で第２結合部３５及び第４結合部４３を設計する。この結果、基本モードのＴＥ偏波が、１次モードに変換されて、第２結合部３５から第４結合部４３へ移行する。

なお、図４に示す伝播定数の関係は、ＴＭ偏波についても成立する。そこで、ＴＭ偏波については基本モードのみが伝播可能な幅に、第２結合部３５の幅を設定する。そして、第２結合部３５の一端３５ａの幅Ｗ１と、第４結合部４３の一端４３ａの幅Ｗ２とを、Ｗ１＜Ｗ２とすることによって、第２結合部３５及び第４結合部４３間におけるＴＭ偏波の結合を抑制できる。

以上に説明したように、光導波路素子１００では、第１結合領域５０において、基本モードのＴＭ偏波を、基本モードのままで第１結合部３３から第３結合部４１に移行させることができる。また、第２結合領域６０において、基本モードのＴＥ偏波を、１次モードに変換しつつ第２結合部３５から第４結合部４３に移行させることができる。これによって、入力されるそれぞれ基本モードのＴＥ偏波及びＴＭ偏波に対して、基本モードのＴＭ偏波をモード変換せずに出力し、かつ基本モードのＴＥ偏波を、所望の（ここでは１次）モードに変換して出力することができる。そして、光導波路素子１００では、上述したように、第１結合領域５０及び第２結合領域６０において不所望な結合が生じないため、１次モード以外のモード次数のＴＥ偏波及び基本モード以外のモード次数のＴＭ偏波への変換を抑制することができる。

また、光導波路素子１００では、それぞれテーパ形状で形成された入出力テーパ部３２、第１接続部３４及び第２接続部４２を設けることにより、異なる幅を持つ光導波路コア間を、低損失及び低反射で接続することができる。

なお、ここでは、光導波路素子１００が、入力されるそれぞれ基本モードのＴＥ偏波及びＴＭ偏波に対して、１次モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波を出力する構成例について説明した。しかし、光導波路素子１００は、この構成例に限られない。図４を参照して説明した伝播定数β_ｙｉにおけるｉを任意に設定することにより、第２結合領域６０において、第２結合部３５から第４結合部４３に移行させる光を、任意のｉ次モードに変換することができる。

また、逆に、光導波路素子１００では、第１結合領域５０において、基本モードのＴＥ偏波を、基本モードのままで第１結合部３３から第３結合部４１に移行させ、かつ第２結合領域６０において、基本モードのＴＭ偏波を、ｉ次モードに変換しつつ第２結合部３５から第４結合部４３に移行させることができる。この場合には、第１結合部３３及び第３結合部４１の幅を厚さに対して小さく設定することによって、ＴＥ偏波の結合長を、ＴＭ偏波の結合長よりも短くする。そして、第１結合部３３及び第３結合部４１の長さを、基本モードのＴＥ偏波の結合長に設定することにより、基本モードのＴＥ偏波のみを、第１結合部３３から第３結合部４１へ移行させることができる。この場合には、第１結合部３３及び第３結合部４１の厚さに対して幅を小さく（好ましくはアスペクト比（幅／厚さ）を例えば１／２程度に）設定する。

また、この場合には、ＴＭ偏波の伝播定数に対して、上述した条件で、第２結合部３５の一端３５ａ及び他端３５ｂの幅、並びに第４結合部４３の一端４３ａ及び他端４３ｂの幅を設定する。この結果、第２結合領域６０において、基本モードのＴＭ偏波を、ｉ次モードに変換しつつ第２結合部３５から第４結合部４３に移行させることができる。

（特性評価）
発明者は、ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）を用いて、光導波路素子１００の特性を評価する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結合領域５０において、基本モードのＴＭ偏波を、基本モードのままで第１結合部３３から第３結合部４１に移行させ、かつ第２結合領域６０において、基本モードのＴＥ偏波を、１次モードに変換しつつ第２結合部３５から第４結合部４３に移行させる構成を想定した。そして、光導波路素子１００について、第１入出力ポート３１からそれぞれ基本モードのＴＥ偏波及びＴＭ偏波を入力し、第２入出力ポート４４から出力される１次モードのＴＥ偏波、基本モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波の強度をそれぞれ取得した。

また、このシミュレーションでは、入力するＴＥ偏波及びＴＭ偏波の波長が１５５０ｎｍである場合を想定し、以下のような設計条件を想定した。

すなわち、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア４０の材料をＳｉとした。また、クラッド２０の材料をＳｉＯ_２とした。また、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア４０の厚さを全体的に２００ｎｍとした。

また、第１結合部３３及び第３結合部４１の幅をそれぞれ４８０ｎｍとすることで、第１結合部３３及び第３結合部４１のアスペクト比（幅／厚さ）を２．４とした。そして、第１結合部３３及び第３結合部４１の長さ（すなわち第１結合領域５０の長さ）を、基本モードのＴＭ偏波の結合長である１８μｍとした。なお、この場合、基本モードのＴＭ偏波の結合長が１８μｍであるのに対して、基本モードのＴＥ偏波の結合長が３００μｍであり、ＴＭ偏波の結合長とＴＥ偏波の結合長とが大きく異なる。また、第１結合部３３及び第３結合部４１の離間距離を、長さ方向に沿った中心線間の距離にして９８０ｎｍとした。

また、第２結合部３５の一端３５ａの幅を０．３μｍ、及び他端３５ｂの幅を０．１２μｍとした。また、第４結合部４３の一端４３ａの幅を０．５μｍ、及び他端４３ｂの幅を０．６μｍとした。また、第２結合部３５及び第４結合部４３の長さ（すなわち第２結合領域６０の長さ）を１００μｍとした。また、第２結合部３５及び第４結合部４３の離間距離を、長さ方向に沿った中心線間の距離にして１．０μｍとした。

なお、このシミュレーションでは、従来の構造として、特許文献３に開示された、方向性結合器の前段に設けられた構造についても、同様に特性を評価した。従来の構造では、連続的に幅が縮小するテーパ形状の第１変換部と、連続的に幅が拡大するテーパ形状の第２変換部とが、互いに離間しかつ並んで配置される（特許文献３の図３及び図４参照）。ここでは、第１変換部からそれぞれ基本モードのＴＥ偏波及びＴＭ偏波を入力し、第２変換部から出力される１次モードのＴＥ偏波、基本モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波の強度をそれぞれ取得した。

シミュレーションの結果を図５及び図６に示す。図５（Ａ）は、光導波路素子１００において、第２入出力ポート４４から出力される基本モードのＴＭ偏波の強度を示す図である。図５（Ａ）における線分１０１は、基本モードのＴＭ偏波の強度を示している。また、図５（Ｂ）は、従来の構造において、第２変換部から出力される基本モードのＴＭ偏波の強度を示す図である。図５（Ｂ）における線分１５１は、基本モードのＴＭ偏波の強度を示している。また、図６（Ａ）は、光導波路素子１００において、第２入出力ポート４４から出力される１次モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＥ偏波の強度を示す図である。図６（Ａ）における線分１０２は１次モードのＴＥ偏波の強度を、また、線分１０３は基本モードのＴＥ偏波の強度をそれぞれ示している。また、図６（Ｂ）は、従来の構造において、第２変換部から出力される１次モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＥ偏波の強度を示す図である。図６（Ｂ）における線分１５２は１次モードのＴＥ偏波の強度を、また、線分１５３は基本モードのＴＥ偏波の強度をそれぞれ示している。図５（Ａ）及び（Ｂ）並びに図６（Ａ）及び（Ｂ）では、横軸に波長をμｍ単位でとって示し、また、縦軸に出力光強度をｄＢ目盛でとって示している。

図５（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、光導波路素子１００及び従来の構造ともに、入力された基本モードのＴＭ偏波が、モード変換されずに出力されることが確認できる。

また、図６（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、光導波路素子１００及び従来の構造ともに、入力された基本モードのＴＥ偏波が、１次モードに変換されて出力されることが確認できる。そして、図６（Ａ）及び（Ｂ）を比較すると、光導波路素子１００では、従来の構造と比べて、不所望に出力される基本モードのＴＥ偏波が、波長１５５０ｎｍにおいて７ｄＢ以上改善されていることが確認できる。

（光カプラ）
図７を参照して、上述した光導波路素子１００（図１参照）を備える光カプラについて説明する。図７は、光カプラを示す概略的平面図である。なお、図７では、支持基板及びクラッドを省略して示してある。また、上述した光導波路素子１００と共通する構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

光カプラ２００は、共通に設計された３つの光導波路素子１００（第１光導波路素子１００−１〜第３光導波路素子１００−３）、第１接続導波路部２１０、第２接続導波路部２２０、第３接続導波路部２３０及び方向性結合器２４０を備えて構成される。方向性結合器２４０は、第１カプラ導波路部２５０と第２カプラ導波路部２６０とを含み、これらが互いに離間しかつ並んで配置されて構成されている。これら第１接続導波路部２１０、第２接続導波路部２２０、第３接続導波路部２３０、第１カプラ導波路部２５０及び第２カプラ導波路部２６０は、光導波路素子１００の第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア４０と共通の材料で形成され、かつ共通の支持基板１０（図２参照）上に、共通のクラッド２０（図２参照）に包含されて形成されている。

光カプラ２００は、第１光導波路素子１００−１の第２入出力ポート４４から、第１接続導波路部２１０を経て送られるＴＥ偏波及びＴＭ偏波のそれぞれを、方向性結合器２４０において２分岐する。そして、方向性結合器２４０においてそれぞれ２分岐したＴＥ偏波及びＴＭ偏波を、第２接続導波路部２２０を経て第２光導波路素子１００−２に、及び第３接続導波路部２３０を経て第３光導波路素子１００−３にそれぞれ送る。

この例では、それぞれ基本モードのＴＥ偏波及びＴＭ偏波を含む光が、第１光導波路素子１００−１の第１光導波路コア３０の第１入出力ポート３１に入力される。第１光導波路素子１００−１では、基本モードのＴＭ偏波がモード変換されず、かつ基本モードのＴＥ偏波が１次モードに変換される。

また、第２光導波路素子１００−２及び第３光導波路素子１００−３のそれぞれの第２入出力ポート４４には、方向性結合器２４０でそれぞれ２分岐された１次モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波が入力される。第２光導波路素子１００−２及び第３光導波路素子１００−３では、各第２入出力ポート４４から入力された１次モードのＴＥ偏波は、第１光導波路素子１００−１とは逆の経路を経ることにより、基本モードに変換されて第１入出力ポート３１から出力される。また、各第２入出力ポート４４から入力された基本モードのＴＭ偏波は、第１光導波路素子１００−１とは逆の経路を経ることにより、モード変換されずに第１入出力ポート３１から出力される。

第１接続導波路部２１０は、第１光導波路素子１００−１の第２入出力ポート４４と、第１カプラ導波路部２５０との間を接続する。第１接続導波路部２１０は、少なくとも１次モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波を伝播させる厚さ及び幅で形成されている。

方向性結合器２４０としては、特許文献３に開示された方向性結合器を用いることができる。ここでは、方向性結合器２４０において、第１カプラ導波路部２５０及び第２カプラ導波路部２６０間における１次モードのＴＥ偏波の結合長と、第１カプラ導波路部２５０及び第２カプラ導波路部２６０間における基本モードのＴＭ偏波の結合長とが一致するように、第１カプラ導波路部２５０及び第２カプラ導波路部２６０の幅、及びこれらの離間距離が設定される。この結果、１次モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波のそれぞれを、方向性結合器２４０の長さに応じた共通の分岐比で２分岐することができる。

第１カプラ導波路部２５０は、一端２５０ａ側で第１接続導波路部２１０に接続されており、他端２５０ｂ側で第２接続導波路部２２０と接続されている。また、第２カプラ導波路部２６０は、一端２６０ａ側をここではカットオフとしてあり、他端２６０ｂ側で第３接続導波路部２３０と接続されている。なお、図７の構成例では、第１カプラ導波路部２５０及び第２カプラ導波路部２６０は、第１カプラ導波路部２５０の一端２５０ａ及び第２カプラ導波路部２６０の一端２６０ａの面位置が一致し、かつ第１カプラ導波路部２５０の他端２５０ｂ及び第２カプラ導波路部２６０の他端２６０ｂの面位置が一致するように配置されている。

第２接続導波路部２２０は、第１カプラ導波路部２５０と、第２光導波路素子１００−２の第２入出力ポート４４との間を接続する。第２接続導波路部２２０は、少なくとも１次モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波を伝播させる厚さ及び幅で形成されている。

第３接続導波路部２３０は、第２カプラ導波路部２６０と、第３光導波路素子１００−３の第２入出力ポート４４との間を接続する。第３接続導波路部２３０は、少なくとも１次モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波を伝播させる厚さ及び幅で形成されている。

以上に説明したように、光カプラ２００は、第１光導波路素子１００と方向性結合器２４０を組み合わせることにより、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波のそれぞれを、方向性結合器２４０の長さに応じた共通の分岐比で２分岐することができる。従って、光カプラ２００は、偏波無依存で使用することができる。

なお、ここでは、１次モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波が、第１光導波路素子１００−１の第２入出力ポート４４から方向性結合器２４０に送られる構成例について説明した。しかし、光カプラ２００は、この構成例に限られない。第１光導波路素子１００−１の第２入出力ポート４４から方向性結合器２４０に、ｉ次モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波を送る構成、又は基本モードのＴＥ偏波及びｉ次モードのＴＭ偏波を送る構成とすることもできる。これらの場合には、方向性結合器２４０において、第１カプラ導波路部２５０及び第２カプラ導波路部２６０間におけるｉ次モードの一方の偏波の結合長と、第１カプラ導波路部２５０及び第２カプラ導波路部２６０間における基本モードの他方の偏波の結合長とが一致するように、第１カプラ導波路部２５０及び第２カプラ導波路部２６０の幅、及びこれらの離間距離を設定することができる。

（第１波長フィルタ）
図８及び図９を参照して、上述した光導波路素子１００（図１参照）を備える第１の波長フィルタについて説明する。図８は、第１の波長フィルタを示す概略的平面図である。なお、図８では、支持基板及びクラッドを省略して示してある。図９は、図８に示す構造体をＩＩ−ＩＩ線で切り取った概略的端面図である。なお、図９では、ハッチングを省略してある。上述した光導波路素子１００及び光カプラ２００と共通する構成要素には、図８及び図９において同一の符号を付し、その説明を省略する。

第１の波長フィルタ３００は、共通に設計された３つの光導波路素子１００（第１光導波路素子１００−１〜第３光導波路素子１００−３）、第１接続導波路部２１０、第２接続導波路部２２０、第３接続導波路部２３０、ｎ（ｎは２以上の整数）個の方向性結合器２４０及びｋ（ｋはｋ＝ｎ−１の整数）個の位相調整領域３５０を備えて構成される。図８では、第１の波長フィルタ３００が、３個の方向性結合器２４０−１〜２４０−３及び２個の位相調整領域３５０−１及び３５０−２を備える構成例を示している。

方向性結合器２４０−１〜２４０−３は、第１カプラ導波路部２５０と第２カプラ導波路部２６０とを含み、これらが互いに離間しかつ並んで配置されてそれぞれ構成されている。また、位相調整領域３５０−１及び３５０−２は、第１アーム導波路３１０と第２アーム導波路３２０とを含み、これらが互いに対向して配置されてそれぞれ構成されている。

これら第１接続導波路部２１０、第２接続導波路部２２０、第３接続導波路部２３０、第１カプラ導波路部２５０、第２カプラ導波路部２６０、第１アーム導波路３１０及び第２アーム導波路３２０は、光導波路素子１００の第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア４０と共通の材料で形成され、かつ共通の支持基板１０上に、共通のクラッド２０に包含されて形成されている。

第１の波長フィルタ３００は、マッハツェンダ干渉器型の波長フィルタとして機能する。第１の波長フィルタ３００では、第１光導波路素子１００−１の第２入出力ポート４４から、第１接続導波路部２１０を経て送られるＴＥ偏波及びＴＭ偏波を含む光が、方向性結合器２４０−１において２分岐される。そして、２分岐された光が、位相調整領域３５０−１の第１アーム導波路３１０と第２アーム導波路３２０を経て方向性結合器２４０−２に送られる。光は、方向性結合器２４０−２、位相調整領域３５０−２及び方向性結合器２４０−３を順次に経て、第２接続導波路部２２０及び第３接続導波路部２３０にそれぞれ送られる。第１の波長フィルタ３００では、各位相調整領域３５０−１及び３５０−２の第１アーム導波路３１０を伝播する光と第２アーム導波路３２０を伝播する光とで位相差が生じる。そして、これら位相差が生じた光が方向性結合器２４０−２及び２４０−３で干渉する。この結果、第１アーム導波路３１０及び第２アーム導波路３２０間の位相差に応じた波長の光信号が、方向性結合器２４０−３から取り出される。

ここでは、一例として、第１光導波路素子１００−１の第２入出力ポート４４から１次モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波が、方向性結合器２４０−１に送られる構成について説明する。この例では、それぞれ基本モードのＴＥ偏波及びＴＭ偏波を含む光が、第１光導波路素子１００−１の第１光導波路コア３０の第１入出力ポート３１に入力される。第１光導波路素子１００−１では、基本モードのＴＭ偏波がモード変換されず、かつ基本モードのＴＥ偏波が１次モードに変換される。また、第２光導波路素子１００−２及び第３光導波路素子１００−３のそれぞれの第２入出力ポート４４には、方向性結合器２４０−３でそれぞれ２分岐された１次モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波が入力される。第２光導波路素子１００−２及び第３光導波路素子１００−３では、各第２入出力ポート４４から入力された１次モードのＴＥ偏波は、第１光導波路素子１００−１とは逆の経路を経ることにより、基本モードに変換されて第１入出力ポート３１から出力される。また、各第２入出力ポート４４から入力された基本モードのＴＭ偏波は、第１光導波路素子１００−１とは逆の経路を経ることにより、モード変換されずに第１入出力ポート３１から出力される。

第１接続導波路部２１０は、第１光導波路素子１００−１の第２入出力ポート４４と、方向性結合器２４０−１の第１カプラ導波路部２５０との間を接続する。また、第２接続導波路部２２０は、第２光導波路素子１００−２の第２入出力ポート４４と、方向性結合器２４０−３の第１カプラ導波路部２５０との間を接続する。また、第３接続導波路部２３０は、第３光導波路素子１００−３の第２入出力ポート４４と、方向性結合器２４０−３の第２カプラ導波路部２６０との間を接続する。

方向性結合器２４０−１〜２４０−３は、上述した光カプラ２００における方向性結合器２４０と同様である。各方向性結合器２４０において、第１カプラ導波路部２５０及び第２カプラ導波路部２６０間における１次モードのＴＥ偏波の結合長と、第１カプラ導波路部２５０及び第２カプラ導波路部２６０間における基本モードのＴＭ偏波の結合長とが一致するように、第１カプラ導波路部２５０及び第２カプラ導波路部２６０の幅、及びこれらの離間距離が設定される。この結果、１次モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波のそれぞれを、各方向性結合器２４０−１〜２４０−３の長さに応じた共通の分岐比で２分岐することができる。

各位相調整領域３５０−１及び３５０−２の第１アーム導波路３１０は、隣り合う方向性結合器２４０の第１カプラ導波路部２５０間を接続する。また、各位相調整領域３５０−１及び３５０−２の第２アーム導波路３２０は、隣り合う方向性結合器２４０の第２カプラ導波路部２６０間を接続する。

各位相調整領域３５０−１及び３５０−２において、第１アーム導波路３１０及び第２アーム導波路３２０は、この順に直列に接続された第１引き回し部３０１、第１位相調整部３０２、第２引き回し部３０３、偏波変換部３０４、第３引き回し部３０５、第２位相調整部３０６及び第４引き回し部３０７をそれぞれ含んでいる。

第１引き回し部３０１、第２引き回し部３０３、第３引き回し部３０５及び第４引き回し部３０７は、曲線導波路として形成されており、少なくとも１次モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波を伝播させる厚さ及び幅で形成されている。また、これら第１〜第４引き回し部３０１、３０３、３０５及び３０７は、第１アーム導波路３１０及び第２アーム導波路３２０で共通の設計である。従って、第１〜第４引き回し部３０１、３０３、３０５及び３０７における光路長は、第１アーム導波路３１０と第２アーム導波路３２０とで互いに等しく設定されている。

第１位相調整部３０２及び第２位相調整部３０６は、直線導波路として形成されており、少なくとも１次モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波を伝播させる厚さ及び幅で形成されている。

また、第１アーム導波路３１０の第１位相調整部３０２及び第２位相調整部３０６と、第２アーム導波路３２０の第１位相調整部３０２及び第２位相調整部３０６とは、互いに異なる長さで形成される。この結果、第１アーム導波路３１０と第２アーム導波路３２０とに光路長差が生じる。そして、この光路長差に応じて、第１アーム導波路３１０と第２アーム導波路３２０とを伝播する光に互いに位相差を与えることができる。

さらに、第１アーム導波路３１０の第１位相調整部３０２及び第２位相調整部３０６と、第２アーム導波路３２０の第１位相調整部３０２及び第２位相調整部３０６とは、互いに異なる幅で形成される。第１アーム導波路３１０及び第２アーム導波路３２０における、各第１位相調整部３０２及び各第２位相調整部３０６の幅の設計については、例えば特開２０１３−０５７８４７号公報に記載された設計条件を採用することができる。これによって、第１アーム導波路３１０を伝播する１次モードのＴＥ偏波及び第２アーム導波路３２０を伝播する１次モードのＴＥ偏波間の位相差と、第１アーム導波路３１０を伝播する基本モードのＴＭ偏波及び第２アーム導波路３２０を伝播する基本モードのＴＭ偏波間の位相差とが一致するように、第１アーム導波路３１０の第１位相調整部３０２及び第２位相調整部３０６と、第２アーム導波路３２０の第１位相調整部３０２及び第２位相調整部３０６との光路長差を最適化する。これによって、各位相調整領域３５０−１及び３５０−２において、１次モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波に対して、共通の位相差を与えることができる。

偏波変換部３０４は、図９に示すように、互いに幅の異なる、下部光導波路コア３０４ａと、下部光導波路コア３０４ａ上に一体的に形成された上部光導波路コア３０４ｂとを含む。図９では、下部光導波路コア３０４ａの幅が上部光導波路コア３０４ｂの幅よりも大きく設定された構成例を示している。従って、偏波変換部３０４では、下面の幅と上面の幅とが異なる寸法に設定される。

この結果、偏波変換部３０４では、下部光導波路コア３０４ａと上部光導波路コア３０４ｂとで屈折率が異なるため、伝播する光の厚さ方向の電磁界分布が、コア中心に対して対称でなくなる。すなわち、光の電磁界分布が、コア中心から下側又は上側に偏芯する。そして、偏波変換部３０４では、長さ並びに下部光導波路コア３０４ａ及び上部光導波路コア３０４ｂの幅が、１次モードのＴＥ偏波と基本モードのＴＭ偏波とを変換するように設計される。従って、偏波変換部３０４において、１次モードのＴＥ偏波が基本モードのＴＭ偏波に、また、基本モードのＴＭ偏波が１次モードのＴＥ偏波に変換される。

また、偏波変換部３０４は、第１アーム導波路３１０の長さ方向における中心、及び第２アーム導波路３２０の長さ方向における中心に、それぞれ配置される。この結果、第１アーム導波路３１０及び第２アーム導波路３２０それぞれにおいて、基本モードのＴＭ偏波及び１次モードのＴＥ偏波が、それぞれ等しい距離伝播する。

このように、第１位相調整部３０２及び第２位相調整部３０６並びに偏波変換部３０４を形成することにより、各位相調整領域３５０において、１次モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波に対して、偏波無依存で共通の位相差を与えることができる。

以上に説明したように、第１の波長フィルタ３００は、光導波路素子１００と方向性結合器２４０及び位相調整領域３５０を組み合わせることにより、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波に対して、方向性結合器２４０において共通の分岐比を与え、及び各位相調整領域３５０において共通の位相差を与えることができる。従って、第１の波長フィルタ３００は、偏波無依存の波長フィルタとして使用することができる。

なお、ここでは、１次モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波が、第１光導波路素子１００−１の第２入出力ポート４４から方向性結合器２４０−１に送られる構成例について説明した。しかし、第１の波長フィルタ３００は、この構成例に限られない。第１光導波路素子１００−１の第２入出力ポート４４から方向性結合器２４０−１に、ｉ次モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波を送る構成、又は基本モードのＴＥ偏波及びｉ次モードのＴＭ偏波を送る構成とすることもできる。これらの場合には、上述した各方向性結合器２４０及び各位相調整領域３５０を、ｉ次モードの一方の偏波及び基本モードの他方の偏波に応じて最適化して設計することができる。

（第２波長フィルタ）
図１０及び図１１を参照して、上述した光導波路素子１００（図１参照）を備える第２の波長フィルタについて説明する。図１０は、第２の波長フィルタを示す概略的平面図である。なお、図１０では、支持基板及びクラッドを省略して示してある。図１１は、図１０に示す構造体をＩＩＩ−ＩＩＩ線で切り取った概略的端面図である。なお、図１１では、ハッチングを省略してある。上述した光導波路素子１００及び光カプラ２００と共通する構成要素には、図１０及び図１１において同一の符号を付し、その説明を省略する。

第２の波長フィルタ４００は、共通に設計された２つの光導波路素子１００（第１光導波路素子１００−１及び第２光導波路素子１００−２）、第１接続導波路部２１０、第２接続導波路部２２０、第３接続導波路部２３０、第４接続導波路部４５０、方向性結合器２４０、第１接続テーパ部４１０、第１ブラッグ反射部４２０、第２接続テーパ部４３０及び第２ブラッグ反射部４４０を備えて構成される。

方向性結合器２４０は、第１カプラ導波路部２５０と第２カプラ導波路部２６０とを含み、これらが互いに離間しかつ並んで配置されてそれぞれ構成されている。

これら第１接続導波路部２１０、第２接続導波路部２２０、第３接続導波路部２３０、第４接続導波路部４５０、第１カプラ導波路部２５０、第２カプラ導波路部２６０、第１接続テーパ部４１０、第１ブラッグ反射部４２０、第２接続テーパ部４３０及び第２ブラッグ反射部４４０は、光導波路素子１００の第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア４０と共通の材料で形成され、かつ共通の支持基板１０上に、共通のクラッド２０に包含されて形成されている。

第２の波長フィルタ４００では、第１光導波路素子１００−１の第２入出力ポート４４から、第１接続導波路部２１０を経て送られるＴＥ偏波及びＴＭ偏波を含む光が、方向性結合器２４０において等しい比率で２分岐される。そして、方向性結合器２４０において２分岐された光が、第２接続導波路部２２０及び第１接続テーパ部４１０を経て第１ブラッグ反射部４２０に、並びに第３接続導波路部２３０及び第２接続テーパ部４３０を経て第２ブラッグ反射部４４０にそれぞれ送られる。第１ブラッグ反射部４２０及び第２ブラッグ反射部４４０では、特定の波長のＴＥ偏波がＴＭ偏波に、及び特定の波長のＴＭ偏波がＴＥ偏波にそれぞれ変換されて反射される。第１ブラッグ反射部４２０で反射された光は、第１接続テーパ部４１０及び第２接続導波路部２２０を経て、再び方向性結合器２４０に送られる。また、第２ブラッグ反射部４４０で反射された光は、第２接続テーパ部４３０及び第３接続導波路部２３０を経て、再び方向性結合器２４０に送られる。方向性結合器２４０では、第１ブラッグ反射部４２０及び第２ブラッグ反射部４４０から送られた光が合波される。合波された光は、第４接続導波路部４５０を経て、第２光導波路素子１００−２に送られる。

ここでは、一例として、第１光導波路素子１００−１の第２入出力ポート４４から１次モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波が、方向性結合器２４０に送られる構成について説明する。この例では、それぞれ基本モードのＴＥ偏波及びＴＭ偏波を含む光が、第１光導波路素子１００−１の第１光導波路コア３０の第１入出力ポート３１に入力される。第１光導波路素子１００−１では、基本モードのＴＭ偏波がモード変換されず、かつ基本モードのＴＥ偏波が１次モードに変換される。また、第２光導波路素子１００−２の第２入出力ポート４４には、方向性結合器２４０でそれぞれ合波された１次モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波が入力される。第２光導波路素子１００−２では、第２入出力ポート４４から入力された１次モードのＴＥ偏波は、第１光導波路素子１００−１とは逆の経路を経ることにより、基本モードに変換されて第１入出力ポート３１から出力される。また、第２入出力ポート４４から入力された基本モードのＴＭ偏波は、第１光導波路素子１００−１とは逆の経路を経ることにより、モード変換されずに第１入出力ポート３１から出力される。

第１接続導波路部２１０は、第１光導波路素子１００−１の第２入出力ポート４４と、方向性結合器２４０の第１カプラ導波路部２５０との間を接続する。また、第２接続導波路部２２０は、方向性結合器２４０の第１カプラ導波路部２５０と、第１接続テーパ部４１０との間を接続する。また、第３接続導波路部２３０は、方向性結合器２４０の第２カプラ導波路部２６０と、第２接続テーパ部４３０との間を接続する。また、第４接続導波路部４５０は、第２光導波路素子１００−２の第２入出力ポート４４と、方向性結合器２４０の第２カプラ導波路部２６０との間を接続する。なお、第２接続導波路部２２０及び第３接続導波路部２３０は、等しい光路長で形成されている。また、これら第１接続導波路部２１０、第２接続導波路部２２０、第３接続導波路部２３０及び第４接続導波路部４５０は、少なくとも１次モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波を伝播させる厚さ及び幅で形成されている。

方向性結合器２４０は、上述した光カプラ２００における方向性結合器２４０と同様である。方向性結合器２４０において、第１カプラ導波路部２５０及び第２カプラ導波路部２６０間における１次モードのＴＥ偏波の結合長と、第１カプラ導波路部２５０及び第２カプラ導波路部２６０間における基本モードのＴＭ偏波の結合長とが一致するように、第１カプラ導波路部２５０及び第２カプラ導波路部２６０の幅、及びこれらの離間距離が設定される。この結果、１次モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波のそれぞれを、方向性結合器２４０の長さに応じた共通の分岐比で２分岐することができる。ここでは、分岐比が３ｄＢとなるように、方向性結合器２４０の長さ（第１カプラ導波路部２５０及び第２カプラ導波路部２６０の長さ）が設定される。

第１接続テーパ部４１０は、第２接続導波路部２２０及び第１ブラッグ反射部４２０間を接続する。第１接続テーパ部４１０の幅は、光の伝播方向に沿って、第２接続導波路部２２０の幅から第１ブラッグ反射部４２０におけるリブ導波路部３７の幅へ、連続的に変化するように設定されている。第１接続テーパ部４１０を設けることによって、第２接続導波路部２２０及び第１ブラッグ反射部４２０間を伝播する光の反射を緩和することができる。

第１ブラッグ反射部４２０は、リブ導波路部３７並びにスラブ導波路部３８ａ及び３８ｂを含んでいる。

リブ導波路部３７には、グレーティングが形成されている。グレーティングは、基部５１と突出部５３ａ及び５３ｂとを一体的に含んで構成されている。基部５１は、一定の幅で、光の伝播方向に沿って延在して形成されている。突出部５３ａは、基部５１の一方の側面に、周期的に複数形成されている。突出部５３ｂは、基部５１の他方の側面に、突出部５３ａと同じ周期で複数形成されている。これら突出部５３ａ及び５３ｂは、基部５１を挟んで対称となる位置に形成されている。

この実施の形態では、グレーティングは、入力される特定の波長の基本モードのＴＭ偏波を、１次モードのＴＥ偏波に変換してブラッグ反射する。また、グレーティングは、入力される特定の波長の１次モードのＴＥ偏波を、基本モードのＴＭ偏波に変換してブラッグ反射する。

波長λにおいて、基本モードのＴＭ偏波と１次モードのＴＥ偏波とを変換してブラッグ反射する条件は、基本モードのＴＭ偏波の等価屈折率をＮ_ＴＭ０、１次モードのＴＥ偏波の等価屈折率をＮ_ＴＥ１、及びグレーティング周期（突出部５３ａ及び５３ｂの形成周期）をΛとして下式（１）で表される。

（Ｎ_ＴＭ０＋Ｎ_ＴＥ１）Λ＝λ ・・・（１）
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基本モードのＴＭ偏波が１次モードのＴＥ偏波に変換されて、及び１次モードのＴＥ偏波が基本モードのＴＭ偏波に変換されて、ブラッグ反射される。従って、グレーティング周期は、所望の反射すべき波長λに対して上式（１）が成立するように設計される。また、基部５１の幅や突出部５３ａ及び５３ｂの突出量等、その他の設計についても、所望の反射すべき波長λに応じて設計される。

ここで、グレーティングの変形例として、周期Λを一定に設定し、突出部５３ａ及び５３ｂの突出量Ｄが周期毎に変化する構成とすることができる。図１２を参照して、グレーティングの変形例について説明する。図１２は、グレーティングの変形例を説明するための概略的平面図である。なお、図１２では、ブラッグ反射部のリブ導波路部のみを示してあり、支持基板、クラッド及びスラブ導波路部を省略して示してある。

図１２に示す構成例では、突出部５３ａ及び５３ｂの突出量（突出部５３ａ及び５３ｂの幅方向の寸法）Ｄがそれぞれ固有の突出量を持ち、突出量Ｄに少なくとも２以上の値がある。ここでは、第１周期目の突出部５３ａ及び５３ｂの突出量Ｄ＝Ｄ_０に対して、周期毎に突出量Ｄが一定の変化量でΔＤずつ増加する。従って、第ｎ周期（ｎは１以上の整数）では、突出部５３ａ及び５３ｂの突出量ＤがＤ_０＋ΔＤ（ｎ−１）となる。

突出部５３ａ及び５３ｂの突出量Ｄが変化することによって、上式（１）を満足するブラッグ波長λが変化し、それに伴い等価屈折率が変化する。従って、突出量Ｄを変化させることによって、グレーティングにおいてブラッグ反射される波長帯域（ブラッグ反射帯域）を拡大することができる。

周期毎のブラッグ波長のシフト量Δλは、突出量Ｄの変化量ΔＤを用いて、近似的に下式（２）で表すことができる。なお、Ｎ_０は基本モードの等価屈折率を、Ｎ_１は１次モードの等価屈折率を、それぞれ示す。この実施の形態では、グレーティングが、基本モードのＴＭ偏波と１次モードのＴＥ偏波とを変換してブラッグ反射する構成例であるため、Ｎ_０はＴＭ偏波の基本モードの等価屈折率に、Ｎ_１はＴＥ偏波の１次モードの等価屈折率に、それぞれ対応する。

ΔＤを調整し、各周期のブラッグ波長がオーバーラップするようにΔλを設定することによって、ブラッグ反射帯域を拡大することができる。例えばｎ周期のグレーティングを形成する場合には、突出量Ｄが一定である場合と比して、ブラッグ反射帯域をΔλ×ｎ程度拡大することができる。その結果、ブラッグ反射の波長依存性を緩和することができる。

また、グレーティングにおけるブラッグ反射帯域を拡大する、他の変形例として、突出部５３ａ及び５３ｂの突出量Ｄ及びデューティ比を一定として、周期Λが周期毎に変化する（すなわち光の伝播方向に沿って隣り合う突出部間５３ａ同士及び５３ｂ同士の離間距離が、光の伝播方向に沿って一定の変化量で変化する）構成とすることもできる。この変形例を図１３に示す。図１３は、グレーティングの変形例を説明するための概略的平面図である。なお、図１３では、ブラッグ反射部のリブ導波路部のみを示してあり、支持基板、クラッド及びスラブ導波路部を省略して示してある。

図１３に示す構成例では、第１周期目の周期Λ＝Λ_０に対して、周期毎に周期Λが一定の変化量でΔΛずつ増加する。従って、第ｎ周期では、周期ΛがΛ_０＋ΔΛ（ｎ−１）となる。

周期Λが変化することによって、上式（１）を満足するブラッグ波長λが変化し、それに伴い等価屈折率が変化する。従って、周期Λを変化させることでも、グレーティングにおいてブラッグ反射帯域を拡大することができる。周期毎のブラッグ波長のシフト量Δλは、周期Λの変化量ΔΛを用いて、近似的に下式（３）で表すことができる。

ΔΛを調整し、各周期のブラッグ波長がオーバーラップするようにΔλを設定することによって、ブラッグ反射帯域を拡大することができる。突出量Ｄを変化させる場合と同様に、例えばｎ周期のグレーティングを形成する場合には、周期Λが一定である場合と比して、ブラッグ反射帯域をΔλ×ｎ程度拡大することができる。その結果、ブラッグ反射の波長依存性を緩和することができる。

スラブ導波路部３８ａ及び３８ｂは、リブ導波路部３７よりも小さい厚さで、かつリブ導波路部３７の光伝播方向に沿った両側面に、それぞれリブ導波路部３７と一体的に形成されている。

第２接続テーパ部４３０は、第３接続導波路部２３０及び第２ブラッグ反射部４４０間を接続する。第２接続テーパ部４３０は、第１接続テーパ部４１０と共通の設計で形成される。第２接続テーパ部４３０を設けることによって、第３接続導波路部２３０及び第２ブラッグ反射部４４０間を伝播する光の反射を緩和することができる。

第２ブラッグ反射部４４０は、第１ブラッグ反射部４２０と共通の設計で形成される。

以上に説明したように、第２の波長フィルタ４００は、光導波路素子１００と方向性結合器２４０、第１ブラッグ反射部４２０及び第２ブラッグ反射部４４０を組み合わせることにより、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波に対して、方向性結合器２４０において共通の分岐比を与え、及び第１ブラッグ反射部４２０及び第２ブラッグ反射部４４０において共通の波長で反射することができる。従って、第２の波長フィルタ４００は、第１ブラッグ反射部４２０及び第２ブラッグ反射部４４０の反射波長に応じた波長を取り出す、偏波無依存の波長フィルタとして使用することができる。

なお、ここでは、１次モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波が、第１光導波路素子１００−１の第２入出力ポート４４から方向性結合器２４０に送られる構成例について説明した。しかし、第２の波長フィルタ４００は、この構成例に限られない。第１光導波路素子１００−１の第２入出力ポート４４から方向性結合器２４０に、ｉ次モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波を送る構成、又は基本モードのＴＥ偏波及びｉ次モードのＴＭ偏波を送る構成とすることもできる。これらの場合には、上述した方向性結合器２４０並びに第１ブラッグ反射部４２０及び第２ブラッグ反射部４４０を、ｉ次モードの一方の偏波及び基本モードの他方の偏波に応じて最適化して設計することができる。この場合には、基本モードのＴＭ偏波の等価屈折率をＮ_ＴＭ０、ｉ次モードのＴＥ偏波の等価屈折率をＮ_ＴＥｉ、ｉ次モードのＴＭ偏波の等価屈折率をＮ_ＴＭｉ、及び基本モードのＴＥ偏波の等価屈折率をＮ_ＴＥ０に対して、第１ブラッグ反射部４２０及び第２ブラッグ反射部４４０におけるブラッグ反射条件として、下式（４）又は（５）が成立するように、第１ブラッグ反射部４２０及び第２ブラッグ反射部４４０を設計することができる。

（Ｎ_ＴＭ０＋Ｎ_ＴＥｉ）Λ＝λ ・・・（４）
（Ｎ_ＴＭｉ＋Ｎ_ＴＥ０）Λ＝λ ・・・（５）
（製造方法）
上述した光導波路素子１００、光カプラ２００、第１の波長フィルタ３００及び第２の波長フィルタ４００は、例えばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を利用することによって、簡易に製造することができる。以下、一例として光導波路素子１００の製造方法について説明する。

すなわち、まず、支持基板層、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及び第２光導波路コア４０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及び第２光導波路コア４０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、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア４０を被覆して形成する。その結果、ＳｉＯ_２のクラッド２０によって第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア４０が包含され、光導波路素子１００を製造することができる。なお、光カプラ２００、第１の波長フィルタ３００及び第２の波長フィルタ４００を製造する場合には、Ｓｉ層をパターニングする工程において、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア４０とともに、方向性結合器等の追加的な構成要素を形成することができる。

なお、光導波路素子１００、光カプラ２００、第１の波長フィルタ３００及び第２の波長フィルタ４００は、ＳＯＩ基板を利用せずに製造することもできる。この場合には、例えば、支持基板１０上に、クラッド２０及びＳｉ層を順次に堆積した後、研磨等によりＳｉ層を任意の厚さとなるまで除去する。そして、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及び第２光導波路コア４０を形成する。Ｓｉ層をパターニングする工程以降は、上述したＳＯＩ基板を利用する製造方法と同様である。この製造方法では、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア４０の厚さが、ＳＯＩ基板におけるＳＯＩ層としてのＳｉ層の厚さに限定されない。このため、上述した第１結合領域５０において、基本モードのＴＥ偏波を、基本モードのままで第１結合部３３から第３結合部４１に移行させる構成を得る場合に、第１結合部３３及び第３結合部４１の厚さに対して幅を小さく設定する（すなわち幅に対して厚さを大きく設定する）際に好適である。

１０：支持基板
２０：クラッド
３０：第１光導波路コア
３１：第１入出力ポート
３２：入出力テーパ部
３３：第１結合部
３４：第１接続部
３５：第２結合部
４０：第２光導波路コア
４１：第３結合部
４２：第２接続部
４３：第４結合部
４４：第２入出力ポート
５０：第１結合領域
６０：第２結合領域
１００：光導波路素子
２００：光カプラ
３００：第１の波長フィルタ
４００：第２の波長フィルタ

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、直列に接続された第１結合部及び第２結合部を含む第１光導波路コアと、直列に接続された第３結合部及び第４結合部を含む第２光導波路コアとを備えて構成される。この発明による光導波路素子では、第１結合部と第３結合部とが互いに離間しかつ並んで配置された、第１結合領域が設定されている。第１結合部及び第３結合部は、幅が互いに共通の寸法で、及び厚さが共通の寸法で形成され、かつ幅と厚さとが異なる寸法で形成されている。第１結合部及び第３結合部の長さは、当該第１結合部及び当該第３結合部の幅又は厚さの寸法の小さな方に、光電界の振動方向が沿った、基本モードのＴＥ偏波又はＴＭ偏波の一方の偏波の結合長に設定されている。第１結合領域では、第１結合部を伝播する基本モードの一方の偏波と、第３結合部を伝播する基本モードの一方の偏波とが結合される。また、この発明による光導波路素子では、第２結合部と第４結合部とが互いに離間しかつ並んで配置された、第２結合領域が設定されている。第２結合領域では、第２結合部を伝播する基本モードの他方の偏波と、第４結合部を伝播するｉ次モード（ｉは１≦ｉの整数）の他方の偏波とが結合される。そして、第１結合部には、基本モードのＴＥ偏波及びＴＭ偏波が入力され、かつ第４結合部から、第１結合領域で結合される基本モードの一方の偏波、及び第２結合領域で結合されるｉ次モードの他方の偏波が出力される。

Claims (1)

1. 直列に接続された第１結合部及び第２結合部を含む第１光導波路コアと、
   直列に接続された第３結合部及び第４結合部を含む第２光導波路コアと
   を備え、
   前記第１結合部と前記第３結合部とが互いに離間しかつ並んで配置された、第１結合領域が設定されており、
   前記第１結合部及び前記第３結合部は、幅が互いに共通の寸法で、及び厚さが互いに共通の寸法で形成され、かつ幅と厚さとが異なる寸法で形成されており、
   前記第１結合部及び前記第３結合部の長さは、当該第１結合部及び当該第３結合部の幅又は厚さの寸法の小さな方に、光電界の振動方向が沿った、基本モードのＴＥ偏波又はＴＭ偏波の一方の偏波の結合長に設定されており、
   前記第２結合部と前記第４結合部とが互いに離間しかつ並んで配置された、第２結合領域が設定されており、
   前記第２結合領域では、前記第２結合部を伝播する基本モードの他方の偏波と、前記第４結合部を伝播するｉ次モード（ｉは１≦ｉの整数）の他方の偏波とが結合される
   ことを特徴とする光導波路素子。

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