JP2021157131A - 光導波路回路及びセンシングデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】入力された光をＴＭ偏波に変換することのできる光導波路回路及びセンシングデバイスを提供する。【解決手段】支持基板１０と、支持基板上に形成されるクラッド２０と、支持基板の上面に平行に設けられる光導波路コア３０とを備え、光導波路コアは、偏波分離素子２００、モード変換素子３００、偏波変換素子４００及び波長選択素子５００を備える。偏波分離素子は、光導波路コアに導入される光を、互いに直交するＴＭ０と、ＴＥ０とに２分岐し、ＴＭ０を第１経路１０１に、ＴＥ０を第２経路１０２に出力する。モード変換素子は、偏波分離素子から出力されたＴＥ０を、ＴＥ偏波の高次モード光に変換する。偏波変換素子は、モード変換素子で変換されたＴＥ偏波の高次モード光をＴＭ０に変換する。波長選択素子は、第１経路及び第２経路に接続され、第１経路及び第２経路を経てそれぞれ導入されるＴＭ０から所定波長の光を選択して出力する。【選択図】図１

Description

この発明は、光導波路回路、例えば、光導波路に入力される光の偏光を全てＴＭ偏波に変換する光導波路回路と、この光導波路回路を備えるセンシングデバイスに関する。

近年、光モジュールのプラットフォーム技術として、シリコン（Ｓｉ）フォトニクスが注目を集めている。Ｓｉフォトニクスの特徴は、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ
Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の半導体装置の製造過程を流用することによる、光デバイスの小型・集積性、及び、２００ｍｍ又は３００ｍｍウェハプロセスによる生産性の高さである。

また、Ｓｉをコア、Ｓｉ酸化膜（ＳｉＯ_２）をクラッドとするＳｉ導波路は比屈折率差が４０％に達するので、高い光の閉じ込め効果が得られる。また、Ｓｉ導波路の中で、特に、Ｓｉ細線導波路は、曲げ導波路の曲率半径や並走配線ピッチを数μｍオーダーまで小さくできるので、光導波路回路の小型化が可能となる。

これらの特徴からＳｉフォトニクスは、光トランシーバや光センサーデバイスなど様々なアプリケーションへの展開が期待される(例えば、非特許文献１又は２参照)。

光センシングの手法の１つにリング共振器を用いるものがある。リング共振器を用いる光センシングでは、先ず、初期状態として、光源の出力波長をリング共振器の共振ピーク波長に合せておく。この状態で、リング共振器がセンシング対象である検体に曝されると、リング共振器を伝搬する光の実効屈折率（等価屈折率）が変化し、共振ピーク波長のシフトが生じる。この結果、光源の出力波長と共振ピーク波長との不一致から、リング共振器からの出力パワーが減衰する。従って、リング共振器からの出力パワーの変動量とリング共振器が感知する屈折率の変動量の関係から、屈折率の変化量を推測することが可能となる。検体は特有の屈折率をもつため、検体を構成する物質の特定や濃度などを知ることができる。

Ｓｉフォトニクス技術に基づくリング共振器では、上述の通り曲率半径を数μｍまで小さくできる。このため、極めて微小なリング共振器デバイスを実現することが可能である。さらに、受光器（ＰＤ）もゲルマニウム（Ｇｅ）成長装置を用いることで同一ウェハ上に作りこむことができ、センシングに必要な素子を集積形成することが可能である。

ただし、光源に関しては、間接遷移型半導体であり発光効率の低いＳｉでは実現が困難である。従って、現状ではリング共振器デバイスやＰＤが集積化されたＳｉチップ上に、別プロセスで作製したレーザダイオード（ＬＤ）チップを実装する手法や、外付け光源を、光ファイバ等を介して接続する手法が用いられる。

特開２０１８−１５５８６３ 特開２０１５−１２１６９６

CLEO 2018 OSA 2018, JTh2A.60, "High Q Si Slot Waveguide Ring Resonators for Gas Sensing Application" Japanese Journal of Applied Physics 55, 04EM04 (2016),"Differential Si ring resonators for label-free biosensing"

ここで、Ｓｉ導波路のような比屈折率差の大きな導波路では、２つの直交する偏波成分である、Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ（ＴＥ）偏波光と、Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ（ＴＭ）偏波光とで、等価屈折率や群屈折率が大きく異なり、それに応じて光伝搬特性も異なる挙動を示す偏波依存性がある。このため、Ｓｉ導波路を用いたリング共振器の伝搬特性も、Ｓｉチップに入ってくる偏波状態により変動するので、入力光の偏波状態が規定されていない場合、Ｓｉチップの動作は不安定になる。

Ｓｉチップへの光入出力インターフェースとしては、グレーティングカプラ（ＧＣ）や、スポットサイズコンバータ（ＳＳＣ）などがある。

ＧＣは偏波依存性が大きいため特定の偏波成分にしか結合しないという特徴がある。このため、ＧＣを通して入力する光は特定の偏波成分のみに限定できる。しかし、特定の偏波成分に限定することは、他の偏波成分を捨ててしまうことを意味する。従って、Ｓｉチップへの入力光の偏波状態が決まっていないと検出パワーが不安定で常に揺らいでしまう。また、ＧＣは光結合の波長選択性が強く、動作波長帯域が限られてしまう。特に光センシング応用ではリング共振器の透過特性の波長依存性を用いるため、出来るだけ波長依存性の少ない光入出力インターフェースが求められる。

一方、ＳＳＣは波長依存性が少なくリング共振器などの波長フィルタデバイスと相性がよく、光センシング応用にも適する。しかし、偏波依存性も少ないため、あらゆる偏波光をＳｉチップへと結合する。このため、Ｓｉチップにはいかなる偏波光が入力されても安定してリング共振器を動作させるための光回路の工夫が求められる。

また、Ｓｉ導波路を用いたセンシングデバイスでは、伝搬モードのうちＳｉコアから漏れた成分であるエバネッセント波がセンシング検体に触れることで等価屈折率の変化を生じる。このため、検知感度を向上させるためにはＳｉ導波路コア直上のクラッドをエッチングやＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）などにより薄膜化して、センシング検体とＳｉコアとの距離を縮めることが重要となる。さらに、一般的なＳｉ細線導波路の構造では、ＴＥ偏波よりもＴＭ偏波の方が、エバネッセント波成分が大きい。従って、Ｓｉ導波路ベースのセンシングデバイスにおいては検知感度の面でＴＭ偏波を用いることが望ましい。

ところが、従来の偏波制御回路（例えば、特許文献１参照。）は、ＴＥ偏波を励振させるには有効であるが、ＴＭ偏波を選択的に励振させるのは困難であり、センシング応用には適しているとは言えない。そのためＳｉ導波路を用いたセンシングデバイスの検知感度を向上させるため、いかなる偏波光がＳｉチップに入力されても、光回路中でＴＭ偏波のみを選択的に励振させる構造が必要となる。

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものである。この発明の目的は、入力された光をＴＭ偏波に変換するための光導波路回路と、この光導波路回路を用いたセンシングデバイスを提供することにある。

上述した目的を達成するために、この発明の光導波路回路は、支持基板と、支持基板上に形成されるクラッドと、クラッド中に埋設され、支持基板の上面に平行に設けられる、
光導波路コアとを備え、光導波路コアは、偏波分離素子、モード変換素子、偏波変換素子及び波長選択素子を備えて構成される。

偏波分離素子は、光導波路コアに導入される光を、互いに直交するＴＭ偏波の基本モード光（ＴＭ０）と、ＴＥ偏波の基本モード光（ＴＥ０）とに２分岐し、ＴＭ０を第１経路に出力し、ＴＥ０を第２経路に出力する。モード変換素子は、第２経路に設けられ、偏波分離素子から出力されたＴＥ０を、ＴＥ偏波の高次モード光に変換する。偏波変換素子は、第２経路に設けられ、モード変換素子で変換された、ＴＥ偏波の高次モード光を、ＴＭ０に変換する。波長選択素子は、第１経路及び第２経路に接続され、第１経路及び第２経路を経てそれぞれ導入されるＴＭ０から所定波長の光を選択して出力する。

この光導波路回路の好適実施形態によれば、モード変換素子は、メイン導波路とサブ導波路とで構成される非対称方向性結合器である。また、偏波変換素子は、リブ導波路とすることができる。

また、波長選択素子を、一端が第１経路に接続され、他方が第２経路に接続されているバス導波路と、バス導波路を伝搬する光が、第１結合領域において結合するリング状のトレース導波路と、リング状のトレース導波路を周回する光が第２結合領域において結合し、伝搬する光を両端から出力する出力導波路とを備えて構成されるリング共振器とすることができる。

また、この発明のセンシングデバイスは、上述の光導波路回路と、光導波路回路から出力される所定波長の光を受光する受光素子とを備えて構成される。

このセンシングデバイスの好適実施形態によれば、波長選択素子の直上のクラッドが、波長選択素子を伝搬するＴＭ０のエバネッセント成分が波長選択素子の直上のクラッド上に実装される検体に到達できる厚さで形成されている。また、波長選択素子及び受光素子が複数設けられ、複数の波長選択素子と、複数の受光素子とが、１対１で接続されている構成にすることができる。このとき、複数の波長選択素子は、それぞれ、バス導波路と、バス導波路を伝搬する光が、第１結合領域において結合するリング状のトレース導波路と、リング状のトレース導波路を周回する光が第２結合領域において結合し、伝搬する光を両端から出力する出力導波路とを備えて構成されるリング共振器であり、第１の波長選択素子が備えるバス導波路の一端が第１経路に接続され、第ｎ（ｎは２以上の整数）の波長選択素子が備えるバス導波路の他端が第２経路に接続され、第ｋ（ｋは１以上ｎ−１以下の整数）の波長選択素子が備えるバス導波路の他端が第ｋ＋１の波長選択素子が備えるバス導波路の一端に接続される構成にすることができる。

また、複数の波長選択素子が、互いに共振波長の異なるリング共振器である構成にしてもよい。また、波長選択素子の直上のクラッドが、波長選択素子を伝搬するＴＭ偏波の基本モード光のエバネッセント成分が波長選択素子の直上のクラッド上に実装される検体に到達できる厚さで形成され、隣接する波長選択素子間のクラッドが、波長選択素子の直上のクラッドよりも厚く形成されていてもよい。

この発明の光導波路回路によれば、いかなる偏波光が入力されてもＴＭ偏波に変換して出力することができる。また、この光導波路回路を用いたセンシングデバイスでは、エバネッセント成分が大きいＴＭ偏波の基本モード光を用いて波長選択を行うので、高い検知感度が期待できる。

光導波路回路の一実施形態を説明するための模式図である。 モード変換素子の一構成例を説明するための模式図である。 偏波変換素子の一構成例を説明するための模式図である。 偏波変換素子のリブ導波路における各モードフィールドの電界成分を示す図である。 波長選択素子の構成例を説明するための模式図である。 センシングデバイスの一構成例を示す模式図である。 センシングデバイスの動作を説明するための模式図である。

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。

図１を参照して、この発明の光導波路回路の一実施形態を説明する。図１は、光導波路回路の一実施形態を説明するための模式図である。図１（Ａ）は、光導波路回路の概略的構成図を示している。また、図１（Ｂ）は、光導波路回路の概略的端面図である。

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。

光導波路回路は、支持基板１０、クラッド２０及び光導波路コア３０を備えて構成されている。

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、支持基板１０の上面１０ａを被覆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。

光導波路コア３０は、支持基板１０の上面１０ａに平行に、クラッド２０中に埋設されて設けられている。ここで、光導波路コア３０を伝播する光が支持基板１０へ逃げるのを防止するために、光導波路コア３０は、支持基板１０から少なくとも３μｍ以上離間して形成されているのが好ましい。

光導波路コア３０は、ＳｉＯ_２のクラッド２０の屈折率（１．４５）よりも高い屈折率（３．５）を有する、例えばシリコン（Ｓｉ）を材料として形成されている。その結果、光導波路コア３０は、光の伝搬経路として機能し、光導波路コア３０に入力された光は、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。

また、光導波路コア３０の厚さは、厚さ方向でシングルモード条件を達成できる厚みで形成されていることが望ましい。光導波路コア３０を、Ｓｉを材料として形成し、クラッド２０を、ＳｉＯ_２を材料として形成しているＳｉ導波路では、光導波路コア３０は、２００〜５００ｎｍの範囲内の厚みで形成される。例えば、１５５０ｎｍ前後の波長帯域で、光導波路回路を用いる場合、光導波路コア３０の厚みを２２０ｎｍとすることができる。

この光導波路回路は、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、図１に示す光導波路回路の製造方法の一例を説明する。

先ず、支持基板１０となる支持基板層、ＳｉＯ_２層２０ａ、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、例えばドライエッチングを行い、Ｓｉ層をパターニングすることによって、光導波路コア３０を形成する。

次に、例えばＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて、ＳｉＯ_２層２０ａ上に、光導波路コア３０を被覆する上部ＳｉＯ_２層２０ｂを形成する。その結果、光導波路コア３０が、ＳｉＯ_２層２０ａと上部ＳｉＯ_２層２０ｂとで構成されるクラッド２０によって包含され、光導波路回路が得られる。

光導波路回路は、Ｓｉ層のパターニングにより、光導波路コア３０に設けられた、偏波分離素子２００、モード変換素子３００、偏波変換素子４００及び波長選択素子５００を備えて構成される。

光導波路回路に入力された光は、偏波分離素子２００に送られる。

偏波分離素子２００は、入力された光を、ＴＥ偏波の基本モード光（ＴＥ０）とＴＭ偏波の基本モード光（ＴＭ０）とに２分岐して、それぞれ異なる経路に振り分ける。偏波分離素子２００として、従来公知の、例えば、方向性結合器やグレーティングフィルタ（例えば、特許文献２参照。）などを用いることができる。偏波分離素子２００で分離されたＴＭ０は、第１経路１０１に出力されて、波長選択素子５００に送られる。また、偏波分離素子２００で分離されたＴＥ０は、第２経路１０２に出力されて、波長選択素子５００に送られる。

第２経路１０２には、モード変換素子３００及び偏波変換素子４００が設けられている。偏波分離素子２００で分離され、第２経路を伝搬するＴＥ０は、先ず、モード変換素子３００に送られる。

モード変換素子３００は、ＴＥ０をＴＥ偏波の高次モード光、例えば、ＴＥ偏波の１次モード光（ＴＥ１）に変換させる。ここでは、高次モード光として１次モード光の例を説明する。

図２を参照して、モード変換素子の一構成例を説明する。図２は、モード変換素子の一構成例を説明するための模式図である。図２（Ａ）は、モード変換素子３００の概略的平面図である。図２（Ｂ）はモード変換素子３００における伝搬定数を模式的に示している。図２（Ｂ）では、横軸に、伝搬軸Ｚに沿った位置を取って示し、縦軸に、伝搬定数βを取って示している。

モード変換素子３００としては、互いに異なるコア幅のメイン導波路３２０とサブ導波路３４０を備えて構成される非対称方向性結合器を用いることができる。

メイン導波路３２０は、後段の偏波変換素子４００に光を送る導波路と接続されている。また、サブ導波路３４０は、前段の偏波分離素子２００から光が送られる導波路と接続されている。

メイン導波路３２０とサブ導波路３４０とは、互いに光の相互結合が可能な程度に離間して平行に配置され、光の伝搬軸Ｚに沿って、Ｚ＝Ｚ_ａ〜Ｚ_ｂまでの間に、光の結合領域３１０を形成している。モード結合理論に基づく方向性結合器の結合式は以下の式（１）で表される。

ここで、Ｅ_ｍはメイン導波路３２０の固有モードフィールド、Ｅ_ｓはサブ導波路３４０の固有モードフィールド、κ_ｍｓはメイン導波路３２０とサブ導波路３４０との固有モード間の結合係数、ωは光の角周波数、ε_０は真空中の誘電率、δεは互いの導波路の存在により生じる孤立した導波路からの誘電率の摂動項である。

例えば、Ｚ＝Ｚ_ａにおいてサブ導波路３４０の一端へ光の入力があった場合、サブ導波路３２０及びメイン導波路３４０を伝搬する光の固有モードの伝搬定数をそれぞれβ_ｓ及びβ_ｍとすると、伝搬座標Ｚにおけるそれぞれの固有モードの電力変化率Ｓ及びＭは、以下の式（２）〜（４）で与えられる。

方向性結合器において、一方の導波路から他方の導波路へ電力を１００％移行させるための完全結合条件として、上記式(２)〜（４）から、メイン導波路３２０を伝搬するモードの伝搬定数とサブ導波路３４０を伝搬するモードの伝搬定数とが一致すること、すなわち、β_ｍ＝β_ｓが要求される。このため、サブ導波路３４０を伝搬するＴＥ０の伝搬定数と、メイン導波路３２０を伝搬するＴＥ１の伝搬定数とが一致するように、光の結合領域３１０を設計することにより、サブ導波路３４０を伝搬するＴＥ０を、メイン導波路３２０を伝搬するＴＥ１に変換させることが可能となる。なお、両者のモード変換の動作点を広波長帯域にわたり担保するため、メイン導波路３２０とサブ導波路３４０とはそれぞれ幅テーパ構造を有し、光の伝搬方向に沿って幅の拡縮方向が互いに逆になるようにするとよい。

具体的には、サブ導波路３４０は、光の結合領域３１０（Ｚ＝Ｚ_ａ〜Ｚ_ｂ）において光の伝搬軸Ｚに沿って幅寸法がＷ_ａからＷ_ｂ（ただし、Ｗ_ａ＞Ｗ_ｂ）に縮小するテーパ構造となっている。また、メイン導波路３２０は光の結合領域３１０（Ｚ＝Ｚ_ａ〜Ｚ_ｂ）において光の伝搬軸Ｚに沿って幅寸法がＷ_ｃからＷ_ｄ（ただし、Ｗ_ｄ＞Ｗ_ｃ）へと拡大してい
くテーパ構造となっている。すなわち、この例のモード変換素子３００は、非対称性方向性結合器である。

このメイン導波路３２０とサブ導波路３４０のテーパ構造により、メイン導波路３２０とサブ導波路３４０とでは光の伝搬軸Ｚに沿って伝搬定数の増減方向が正負逆向きとなる。

図２（Ｂ）は、メイン導波路３２０を伝搬するＴＥ偏波のｉ−１次モード光（ｉは１以上の整数）、ｉ次モード光及びｉ＋１次モード光の伝搬定数β_ｍｉ−１、β_ｍｉ及びβ_ｍｉ＋１と、サブ導波路３４０を伝搬するＴＥ０の伝搬定数β_ｓ０を示している。ここでは、ｉ＝１として説明する。

Ｚ＝Ｚ_ａにおけるサブ導波路３４０を伝搬するＴＥ０の伝搬定数β_ｓ０が、メイン導波路３４０を伝搬するＴＥ０及びＴＥ１の伝搬係数β_ｍ０及びβ_ｍ１に対して、β_ｍ１＜β_ｓ０＜β_ｍ０を満たし、かつ、Ｚ＝Ｚ_ｂにおけるサブ導波路３４０を伝搬するＴＥ０の伝搬定数β_ｓ０がメイン導波路３２０を伝搬するＴＥ１の伝搬定数β_ｍ１に対して、β_ｓ０＜β_ｍ１を満たすように設計することで、光の結合領域３１０（Ｚ＝Ｚ_ａ〜Ｚ_ｂ）において、両モードの伝搬定数の交点を見出すことができる。この場合、完全結合条件が満たされるので、サブ導波路３４０を伝搬するＴＥ０を、メイン導波路３２０を伝搬するＴＥ１に変換することが可能となる。

モード変換素子３００で得られたＴＥ１は、偏波変換素子４００に送られる。偏波変換素子４００は、ＴＥ１を、ＴＭ偏波の基本モード光ＴＭ０に変換させる。

図３及び図４を参照して、偏波変換素子の一構成例を説明する。図３は、偏波変換素子の一構成例を説明するための模式図である。図３（Ａ）は、偏波変換素子４００の概略的平面図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＩ−Ｉ線に沿って切った偏波変換素子４００の切断端面を概略的に示している。図３（Ｃ）は偏波変換素子４００における伝搬定数を模式的に示している。図３（Ｃ）では、横軸に、伝搬軸Ｚに沿った位置を取って示し、縦軸に、伝搬定数βを取って示している。また、図４は、偏波変換素子における各モードフィールドの電界成分を示す図である。図４は、ＴＥ０、ＴＥ１及びＴＭ０について、電界分布の幅方向に沿ったＥｘ成分、厚さ方向に沿ったＥｙ成分、及び、長さ方向に沿ったＥｚ成分をそれぞれ示してある。なお、図中に示す矢印は、各電界分布のピークの正負の向きを表している。ここでは、正の値をとるピークを上向きの矢印で、また、負の値をとるピークを下向きの矢印で示している。

偏波変換素子４００は、リブ領域４２０とスラブ領域４４０とを含む、リブ導波路４１０で構成される。リブ導波路４１０を、ＴＥ１の伝搬定数β_ＴＥ１がＴＭ０の伝搬定数β_ＴＭ０に一致するように設計することにより、リブ導波路４１０において、ＴＥ１をＴＭ０に変換して伝搬することが可能となる。

ＴＥ０について、Ｅｘ成分、Ｅｙ成分及びＥｚ成分は、それぞれ、左右対称分布、左右反対称分布及び左右反対称分布となっている。また、ＴＥ１について、Ｅｘ成分、Ｅｙ成分及びＥｚ成分は、それぞれ、左右反対称分布、左右対称分布及び左右対称分布となっている。また、ＴＭ０について、Ｅｘ成分、Ｅｙ成分及びＥｚ成分は、それぞれ、左右反対称分布、左右対称分布及び左右対称分布となっている。

ＴＥ０は、ＴＥ１又はＴＭ０の同一電界成分（Ｅｘ、Ｅｙ、Ｅｚ）に対して、左右対称分布と左右反対称分布とで入れ違いになっている。すなわち、ＴＥ０のＴＥ１に対するモード結合係数は常に（対称分布×反対称分布）となる。この結果、ＴＥ０のＴＥ１に対す
るモード結合係数は打ち消しあい０となるため、ＴＥ０は、ＴＥ１に対して直交していると言える。すなわち、ＴＥ０とＴＥ１は結合しない。同様に、ＴＥ０のＴＭ０に対するモード結合係数は常に（対称分布×反対称分布）となる。この結果、ＴＥ０のＴＭ０に対するモード結合係数は打ち消しあい０となるため、ＴＥ０は、ＴＭ０に対して直交していると言える。すなわち、ＴＥ０とＴＭ０は結合しない。

一方、ＴＥ１とＴＭ０は、同一電界成分（Ｅｘ、Ｅｙ、Ｅｚ）に対して、左右対称分布及び左右反対称分布のいずれかで一致している。すなわち、ＴＥ１のＴＭ０に対するモード結合係数は、常に（対称分布×対称分布）及び（反対称分布×反対称分布）のいずれかとなる。さらに、リブ導波路４１０の構造により、厚み方向の非対称性を与えると、モードフィールドの上下の対称性が崩れ、ＴＥ１とＴＭ０の間でモード結合係数が有意な値となる。この結果、ＴＥ１をＴＭ０に相互変換することが可能となる。

偏波変換素子４００におけるリブ領域４２０及びスラブ領域４４０は、幅テーパ構造を有し、光の伝搬方向に沿って幅寸法が連続的に縮小していく。なお、リブ領域４２０及びスラブ領域４４０の幅テーパ構造として、リブ領域４２０及びスラブ領域４４０は、光の伝搬方向に沿って幅寸法が連続的に拡大していく構成にしてもよい。これによりＴＥ１とＴＭ０との偏波変換の動作点を広帯波長帯域にわたり担保することが可能となる。

図３（Ｃ）に示すように、幅寸法変化に対するＴＥ１の伝搬定数β_ＴＥ１の傾きとＴＭ０の伝搬定数β_ＴＭ０の傾きとが異なる。このため、例えば伝搬軸座標Ｚ＝Ｚ_ｅ〜Ｚ_ｆにおいて、Ｚ＝Ｚ_ｅにおいてβ_ＴＥ１＞β_ＴＭ０、かつ、Ｚ＝Ｚ_ｆにおいてβ_ＴＭ０＞β_ＴＥ１を満たすようにパラメータ設定することができる。このとき、伝搬軸座標Ｚ＝Ｚ_ｅ〜Ｚ_ｆにおいて、ＴＥ１の伝搬定数とＴＭ０の伝搬定数との一致点を見出すことができる。

偏波変換素子４００で生成されたＴＭ０は、波長選択素子５００に送られる。波長選択素子５００として、例えば、リング共振器を用いて構成することができる。

図５を参照して、リング共振器を用いて構成された波長選択素子の構成例を説明する。図５は、波長選択素子の構成例を説明するための模式図である。

波長選択素子５００は、バス導波路５１０、トレース導波路５２０及び出力導波路５３０を備えて構成される。トレース導波路５２０は、リング状の導波路である。トレース導波路５２０の一部は、バス導波路５１０の一部と互いに光の相互結合が可能な程度に離間して平行に配置され、第１結合領域５４０を形成している。また、トレース導波路５２０の一部は、出力導波路５３０の一部と互いに光の相互結合が可能な程度に離間して平行に配置され、第２結合領域５５０を形成している。

また、バス導波路５１０の一端５１０ａは、第１経路１０１に接続されている。バス導波路５１０の一端５１０ａには、偏波分離素子２００から出力されるＴＭ０が、第１経路１０１を経て到達する第１信号として入力される。バス導波路５１０の他端５１０ｂは、第２経路１０２に接続されている。バス導波路５１０の他端５１０ｂには、偏波分離素子２００から出力されるＴＥ０が、第２経路１０２を経てＴＭ０に変換されて到達する第２信号として入力される。

第１信号と第２信号は、バス導波路５１０を互いに対向して伝搬し、第１結合領域５４０において、トレース導波路５２０に結合する。トレース導波路５２０に結合した第１信号は、トレース導波路５２０を反時計回りに周回し、第２信号は、トレース導波路５２０を時計回りに周回する。トレース導波路５２０を周回する第１信号及び第２信号のうち、共振条件を満たす波長の信号が、第２結合領域５５０において、出力導波路５３０に結合
する。

出力導波路５３０に結合した第１信号は、出力導波路５３０を伝搬し、出力導波路５３０の一端５３０ａから出力される。また、出力導波路５３０に結合した第２信号は、出力導波路５３０を伝搬し、出力導波路５３０の他端５３０ｂから出力される。

この光導波路回路によれば、入力されたＴＭ０のうち、波長選択素子５００における共振条件を満たす波長のものが、波長選択素子５００が備える出力導波路５３０の一端５３０ａから、ＴＭ０として出力される。また、入力されたＴＥ０のうち、波長選択素子５００における共振条件を満たす波長のものが、波長選択素子５００が備える出力導波路５３０の他端５３０ｂから、ＴＭ０として出力される。

このように、この光導波路回路では、入力光の偏波状態によらず、波長選択素子５００に、エバネッセント成分の大きなＴＭ偏波のみが入力される。

さらに、波長選択素子５００の出力導波路５３０の両端は同一の導波路型の光検出器（ＰＤ）で終端することができる。すなわち、光導波路回路にＴＭ０が入力された場合は第１信号として、ＴＥ０が入力された場合は第２信号として、共にＴＭ０の光が、同一の波長選択素子５００を経て同一の導波路型ＰＤで受光される。従って、センシングデバイスとして、検知感度を向上させつつ、偏波変動に対して安定した動作が可能となる。

（センシングデバイス）
図６及び図７を参照して、この発明のセンシングデバイスの一実施形態を説明する。図６は、センシングデバイスの概略的構成図である。また、図７は、センシングデバイスの動作を説明するための模式図である。図７（Ａ）は、図６のＩ−Ｉ線に沿って切った切断端面を模式的に示している。すなわち、図７（Ａ）は、波長選択素子の切断端面を模式的に示す図である。また、図７（Ｂ）は、波長選択素子における波長選択特性を示している。図７（Ｂ）は、横軸に波長を取って示し、縦軸に透過率を取って示している。

センシングデバイスは、Ｓｉ層のパターニングにより、光導波路コア３０に設けられた、偏波分離素子２００、モード変換素子３００、偏波変換素子４００、第１〜第３の波長選択素子５００−１〜５００−３及び第１〜第３の受光素子７００−１〜７００−３を備えて構成される。

ここでは、波長選択素子として、第１〜第３の波長選択素子５００−１〜５００−３の３つの波長選択素子を備える例を説明するが、センシングデバイスが備える波長選択素子５００の個数は、３に限定されない。センシングデバイスが、１つの波長選択素子５００を備えて構成されてもよいし、２以上の任意好適な数の波長選択素子５００を備えて構成されてもよい。また、センシングデバイスが、複数の波長選択素子５００を備える場合、各波長選択素子５００の波長特性が互いに異なっていてもよい。

第１〜第３の受光素子７００−１〜３は、例えば、導波路型ＰＤで構成することができる。センシングデバイスには、波長選択素子５００と同じ数の受光素子７００が設けられ、波長選択素子５００と受光素子７００とは、１対１で接続される。この構成例では、第１の波長選択素子５００−１が備える出力導波路の一端と他端のそれぞれから出力されるＴＭ０は、第１の波長選択素子５００−１と１対１で接続された第１の受光素子７００−１で検出される。同様に、第２及び第３の波長選択素子５００−２及び５００−３から出力されるＴＭ０は、それぞれ、１対１で接続された、第２及び第３の受光素子７００−２及び７００−３で受光される。

偏波分離素子２００、モード変換素子３００、偏波変換素子４００、第１〜第３の波長選択素子５００−１〜５００−３のそれぞれについては、図１〜５を参照して説明した光導波路回路の各構成要素と同様に構成することができるので重複する説明を省略する。

センシングデバイスでは、波長選択素子５００の直上のクラッド２１上に、検体９００が実装される。従って、波長選択素子５００を構成する光導波路コア３１を伝搬するＴＭ０のエバネッセント成分が検体に到達できる程度の厚さで、波長選択素子５００の直上のクラッド２１が構成される。

図７（Ｂ）を参照して、センシングデバイスにおける光センシングの原理を説明する。

先ず、初期状態として、センシングデバイスに入力される光を発生させる光源の出力波長λ_０を、波長選択素子５００が備えるリング共振器の共振ピーク波長に合わせておく。図７（Ｂ）中、Ｉは、初期状態におけるリング共振器の透過率を示す。

次に、波長選択素子５００の直上に検体９００を実装すると、リング共振器を伝搬する光の実効屈折率（等価屈折率）が変化する。透過屈折率の変化に伴い、共振ピーク波長のシフト、すなわち、透過率のシフトが生じる（図７（Ｂ）中、ＩＩで示す）。この結果、光源波長λ_０と共振ピーク波長との不一致から、リング共振器デバイスの出力パワーが減衰する。

従って、波長選択素子５００からの出力強度の変動量と、リング共振器が感知する屈折率の変動量の関係から屈折率の変化量を推測することが可能となる。検体９００は特有の屈折率をもつため、検体９００に含まれる検知物質の特定や濃度などを知ることが出来る。

なお、センシングデバイスが、複数の波長選択素子５００を備える場合、複数の検体９００を同時に測定することができる。複数の検体９００を同時に測定する際、各検体９００は、物理的にアイソレーションされている必要がある。このため、波長選択素子５００に対応する部分のクラッド２１をエッチングなどにより掘り込み、波長選択素子５００間の部分よりも薄く構成されるのが良い。

以上説明したように、このセンシングデバイスによれば、センシングデバイスに入力される入力光の偏波状態によらず、波長選択素子を、エバネッセント成分の大きなＴＭ０が伝搬する。これにより、検体に対する検知感度を向上させたセンシングデバイスを実現できる。

１０ 支持基板
２０、２１ クラッド
３０ 光導波路コア
２００ 偏波分離素子
３００ モード変換素子
３１０ 結合領域
３２０ メイン導波路
３４０ サブ導波路
４００ 偏波変換素子
４１０ リブ導波路
４２０ リブ領域
４４０ スラブ領域
５００ 波長選択素子
５１０ バス導波路
５２０ トレース導波路
５３０ 出力導波路
５４０ 第１結合領域
５５０ 第２結合領域
７００ 受光素子

Claims (12)

1. 支持基板と、
   前記支持基板上に形成されるクラッドと、
   前記クラッド中に埋設され、前記支持基板の上面に平行に設けられる、光導波路コアとを備え、
   前記光導波路コアは、偏波分離素子、モード変換素子、偏波変換素子及び波長選択素子を備え、
   前記偏波分離素子は、前記光導波路コアに導入される光を、互いに直交するＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ）偏波の基本モード光と、ＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）偏波の基本モード光とに２分岐し、前記ＴＭ偏波の基本モード光を第１経路に出力し、前記ＴＥ偏波の基本モード光を第２経路に出力し、
   前記モード変換素子は、前記第２経路に設けられ、前記偏波分離素子から出力された前記ＴＥ偏波の基本モード光を、ＴＥ偏波の高次モード光に変換し、
   前記偏波変換素子は、前記第２経路に設けられ、前記モード変換素子で変換された、前記ＴＥ偏波の高次モード光を、ＴＭ偏波の基本モード光に変換し、
   前記波長選択素子は、前記第１経路及び前記第２経路に接続され、前記第１経路及び前記第２経路を経てそれぞれ導入されるＴＭ偏波の基本モード光から所定波長の光を選択して出力する
   ことを特徴とする光導波路回路。
2. 前記モード変換素子は、メイン導波路とサブ導波路とで構成される非対称方向性結合器である
   ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路回路。
3. 前記偏波変換素子は、リブ導波路である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光導波路回路。
4. 前記波長選択素子は、
   一端が前記第１経路に接続され、他端が前記第２経路に接続されているバス導波路と、
   前記バス導波路を伝搬する光が、第１結合領域において結合するリング状のトレース導波路と、
   前記リング状のトレース導波路を周回する光が第２結合領域において結合し、伝搬する光を両端から出力する出力導波路と
   を備えて構成されるリング共振器である
   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回路。
5. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の光導波路回路と、
   前記光導波路回路から出力される所定波長の光を受光する受光素子と
   を備えることを特徴とするセンシングデバイス。
6. 前記波長選択素子は、
   一端が前記第１経路に接続され、他端が前記第２経路に接続されているバス導波路と、
   前記バス導波路を伝搬する光が、第１結合領域において結合するリング状のトレース導波路と、
   前記リング状のトレース導波路を周回する光が第２結合領域において結合し、伝搬する光を両端から出力する出力導波路と
   を備えて構成されるリング共振器である
   ことを特徴とする請求項５に記載のセンシングデバイス。
7. 前記波長選択素子の直上のクラッドが、波長選択素子を伝搬するＴＭ偏波の基本モード光のエバネッセント成分が前記波長選択素子の直上のクラッド上に実装される検体に到達できる厚さで形成されている
   ことを特徴とする請求項５又は６に記載のセンシングデバイス。
8. 前記波長選択素子及び前記受光素子が複数設けられ、複数の前記波長選択素子と、複数の前記受光素子とが、１対１で接続されている
   ことを特徴とする請求項５に記載のセンシングデバイス。
9. 複数の前記波長選択素子は、それぞれ、
   バス導波路と、
   前記バス導波路を伝搬する光が、第１結合領域において結合するリング状のトレース導波路と、
   前記リング状のトレース導波路を周回する光が第２結合領域において結合し、伝搬する光を両端から出力する出力導波路と
   を備えて構成されるリング共振器であり、
   第１の波長選択素子が備える前記バス導波路の一端が前記第１経路に接続され、
   第ｎ（ｎは２以上の整数）の波長選択素子が備える前記バス導波路の他端が前記第２経路に接続され、
   第ｋ（ｋは１以上ｎ−１以下の整数）の波長選択素子が備える前記バス導波路の他端が、第ｋ＋１の波長選択素子が備える前記バス導波路の一端に接続される
   ことを特徴とする請求項８に記載のセンシングデバイス。
10. 複数の前記波長選択素子が、互いに共振波長の異なるリング共振器である
    ことを特徴とする請求項９に記載のセンシングデバイス。
11. 複数の前記波長選択素子の直上のクラッドが、前記波長選択素子を伝搬するＴＭ偏波の基本モード光のエバネッセント成分が前記波長選択素子の直上のクラッド上に実装される検体に到達できる厚さで形成されている。
    ことを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載のセンシングデバイス。
12. 隣接する前記波長選択素子間のクラッドが、前記波長選択素子の直上のクラッドよりも厚く形成されている
    ことを特徴とする請求項１１に記載のセンシングデバイス。

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