JP2021170057A - 光導波路素子 - Google Patents

Abstract

【課題】矩形導波路とスロット導波路とを結合する光導波路素子において高次モード成分を抑制する。【解決手段】光導波路素子は、スロット導波路と矩形導波路との間に設けられ、テーパ部２および離間部３を備える。テーパ部２は、スロット導波路の一方のコアと結合する第１のコア１１ａと、スロット導波路の他方のコアと結合し、第１のコアに平行に形成された第２のコア１２ａを備える。離間部３は、第１のコア１１ａおよび矩形導波路に結合する第３のコア１１ｂと、第２のコア１２ａに結合する第４のコア１２ｂを備える。スロット導波路が設けられる側のテーパ部２の端部である第１の端部において、第１および第２のコア１１ａ、１２ａの断面積は互いに同じである。テーパ部２において、第１のコア１１ａの断面積は、第１の端部から第２の端部に向って連続的に大きくなる。離間部３において、第３のコア１１ｂと第４のコア１２ｂとの間隔が連続的に広くなる。【選択図】図６

Description

本発明は、光導波路素子に係わる。

近年、シリコンフォトニクス技術により、小型化および／または高密度集積が可能な光集積素子の開発が進められている。シリコンフォトニクス技術においては、例えば、ＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）ウエハの表面領域に光導波路が形成される。この場合、図１に示すように、コアは、例えばＳｉで形成され、クラッドは、例えばＳｉＯ２等で形成される。

光導波路は、例えば、基板上で光信号を伝搬する光配線として使用される。この場合、コアの断面の形状は、例えば、図１（ａ）に示すように矩形である。よって、以下の記載では、一般的な光導波路を矩形導波路と呼ぶことがある。

他方、図１（ｂ）に示すように、並列に形成された１組のコアを含む光導波路を用いた光デバイス（例えば、光変調器）の開発が進められている。なお、以下の記載では、並列に形成された１組のコアを含む光導波路を「スロット導波路」と呼ぶことがある。

例えば、スロット導波路を構成する２つのコアの間に、印加電圧に応じて屈折率が変化するポリマーが塗布される。そして、送信データを表す電圧信号を光導波路に印加することで、データを伝送する変調光信号が生成される。ここで、スロット導波路においては、２つのコアに挟まれた領域に光電界が集中する。このため、スロット導波路を用いた光変調器においては、電界と光との相互作用の効率が高くなる。なお、スロット導波路を用いた光変調器は、例えば、非特許文献１に記載されている。

ただし、スロット導波路で曲げ半径の小さい光配線を形成すると、光損失が大きくなることがある。これに対して、矩形導波路においては、光電界がコアの内部に集中する。よって、矩形導波路で光配線を形成すれば、曲げ半径が小さい場合であっても、光がコアの外部に漏れることで生じる光損失が小さい。すなわち、光集積素子の小型化を実現するためには、矩形導波路で光配線を形成することが好ましい。

このように、小型で効率の高い光変調器を含む光集積素子を構成する場合、基板上に矩形導波路およびスロット導波路が混在することがある。そして、このような光集積素子は、矩形導波路とスロット導波路とを結合する素子（即ち、矩形導波路とスロット導波路との間で導波路の構造を変換する素子）が必要である。なお、矩形導波路とスロット導波路との間で導波路の構造を変換するコンバータは、例えば、非特許文献２に記載されている。また、本件出願に関連する技術が特許文献１〜４に記載されている。

特開２０１６−０４２１１５号公報 米国特許第９８３５７９８号 特開２００７−１４８２９０号公報 米国特許第７５４６０１４号

R. Palmer, et al., "Silicon-Organic Hybrid Electro-Optical Devices," IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, Vol.19, No.6, Feb.2013 R. Palmer, et al., "Low-Loss Silicon Strip-to-Slot Mode Converters," IEEE Photonics Journal, Vol.5, No.1, Feb.2013

上述のように、矩形導波路とスロット導波路との間で導波路の構造を変換するコンバータが提案されている。ただし、従来のコンバータでは、高次モード成分が伝搬するおそれがある。例えば、スロット導波路を伝搬する光を矩形導波路に導くケースでは、高次モード成分が高い効率で矩形導波路に伝搬するおそれがある。

本発明の１つの側面に係わる目的は、矩形導波路とスロット導波路とを結合する光導波路素子において高次モード成分を抑制することである。

本発明の１つの態様に係わる光導波路素子は、スロット導波路と矩形導波路との間に設けられ、テーパ部と、前記テーパ部と前記矩形導波路との間に設けられる離間部と、を備える。前記テーパ部は、前記スロット導波路の一方のコアと結合する第１のコアと、前記スロット導波路の他方のコアと結合し、前記第１のコアに平行に形成された第２のコアと、を備える。前記離間部は、前記第１のコアおよび前記矩形導波路に結合する第３のコアと、前記第２のコアに結合する第４のコアと、を備える。前記スロット導波路が設けられる側の前記テーパ部の端部である第１の端部において、前記第１のコアの断面積および前記第２のコアの断面積は互いに実質的に同じである。前記離間部が設けられる側の前記テーパ部の端部である第２の端部において、前記第１のコアの断面積は前記第２のコアの断面積より大きい。前記テーパ部において、前記第１のコアの断面の形状は、前記第１の端部と前記第２の端部との間で連続的に変化する。前記離間部において、前記第３のコアと前記第４のコアとの間隔が連続的に広くなっていく。

上述の態様によれば、矩形導波路とスロット導波路とを結合する光導波路素子において高次モード成分が抑制される。

矩形導波路およびスロット導波路の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係わる光集積素子の一例を示す図である。 コンバータの機能を説明する図である。 スロット導波路と矩形導波路とを結合するコンバータの一例を示す図である。 図４に示すコンバータにＴＥ１成分が入力されたときの電界についてのシミュレーション結果を示す図である。 本発明の実施形態に係わるコンバータの一例を示す図である。 コンバータの導波路を介して伝搬する光に対する実効屈折率を説明する図である。 基本モードＴＥ０の電界分布の例を示す図である。 高次モードＴＥ１の電界分布の例を示す図である。 図６に示すコンバータにＴＥ１成分が入力されたときの電界についてのシミュレーション結果を示す図である。 基本モード成分ＴＥ０の損失および波長依存性を示す図である。 上部クラッドの構成のバリエーションを示す図である。 コアの断面の形状のバリエーションを示す図である。 光終端器の実施例を示す図である。 導波路の幅を変換する機能を備えるコンバータの一例を示す図である。 スロット導波路がスラブを有するときのコンバータの構成の一例を示す図である。 キャリアがドーピングされたスロット導波路と矩形導波路とを結合するコンバータの一例を示す図である。

図２は、本発明の実施形態に係わる光集積素子の一例を示す。この実施例では、光集積素子１００は、マッハツェンダ型光変調器を備える。ただし、光集積素子１００は、他の光デバイスを備えてもよい。

マッハツェンダ型光変調器は、入力光導波路、上アーム光導波路、下アーム光導波路、および出力光導波路を含む。上アーム光導波路および下アーム光導波路は、互いに並列に形成されている。入力ＣＷ光は、入力光導波路から上アーム光導波路および下アーム光導波路に導かれる。上アーム光導波路および下アーム光導波路の近傍には、それぞれ不図示の信号電極が設けられている。上アーム光導波路および下アーム光導波路を伝搬するＣＷ光は、それぞれ、信号電極に印加される信号により位相が制御される。上アーム光導波路および下アーム光導波路から出力される光信号は、出力光導波路において合流する。この結果、変調光信号が生成される。

上記構成の光集積素子１００において、入力光導波路および出力光導波路は、それぞれ図１（ａ）に示す矩形導波路で形成される。また、上アーム光導波路および下アーム光導波路は、それぞれ図１（ｂ）に示すスロット導波路で形成される。よって、光集積素子１００は、図２に示すように、矩形導波路とスロット導波路とを結合する光導波路素子（即ち、矩形導波路とスロット導波路との間で導波路の構造を変換する光導波路素子）を備える。以下の記載では、この光導波路素子を「コンバータ１」と呼ぶことがある。

図３は、コンバータ１の機能を説明する図である。コンバータ１は、スロット導波路と矩形導波路との間に設けられる。図３に示す例では、コンバータ１は、スロット導波路を伝搬する光を矩形導波路に導く。ただし、コンバータ１は、矩形導波路を伝搬する光をスロット導波路に導く構成であってもよい。

コンバータ１は、光損失が小さいことが好ましい。特に、ＷＤＭ（波長分割多重）信号を伝送する光通信システムにおいて使用される場合、コンバータ１は、広い帯域に渡って光損失が小さいことが好ましい。

スロット導波路は、図１（ｂ）に示すように、並列に形成された２つのコアから構成される。このため、スロット導波路は、通常、２つの導波モード（基本モードおよび高次モード（１次の高次モード））を有するマルチモード導波路である。ここで、２つのコアの間の領域に光電界が集中するモードは、基本モードである。基本モードは、偶モードと呼ばれることもある。１次の高次モードは、奇モードと呼ばれることもある。

尚、マルチモード導波路においては、導波路構造の製造誤差（例えば、コアの側壁荒れにより、光の進行方向に沿って導波路幅がランダムに変化する誤差）に起因して、基本モードと高次モードとの間で変換が生じることがある。また、ＥＯ（Electro-Optical）ポリマーの塗布のむら等に起因して、光の進行方向に垂直な断面において不連続境界を有する場合も、基本モードと高次モードとの間で変換が生じることがある。

他方、光信号を伝搬させる光導波路（例えば、矩形導波路）において基本モード成分および高次モード成分が存在する場合、導波路構造の製造誤差等に起因して、高次モードが基本モードに変換することがある。そうすると、本来の基本モード成分と変換により発生した基本モード成分とが干渉する。この場合、通信品質が低下してしまう。したがって、コンバータ１は、図３に示すように、スロット導波路で生じた高次モードを、矩形導波路へ伝搬させない機能を有することが望まれる。

図４は、スロット導波路と矩形導波路とを結合するコンバータの一例を示す。この例では、コンバータは、スロット導波路を伝搬する光を矩形導波路に導く。

コンバータは、領域Ｘおよび領域Ｙにわたって形成される。また、コンバータは、導波路１１および導波路１２から構成される。なお、以下の記載において、「導波路１１」は導波路１１のコアを意味することがある。また、「導波路１２」は導波路１２のコアを意味することがある。

導波路１１および導波路１２は、図４に示す端部Ａ−Ａにおいて、スロット導波路を構成する１組の光導波路に結合される。ここで、端部Ａ−Ａにおいて、導波路１１の断面の形状および導波路１２の断面の形状は、互いに同じである。他方、端部Ｂ−Ｂにおいて、導波路１１は、矩形導波路に結合される。ここで、端部Ｂ−Ｂにおける導波路１１の断面の面積は、端部Ａ−Ａにおける導波路１１の断面の面積より大きい。具体的には、端部Ｂ−Ｂにおける導波路１１の断面の幅は、端部Ａ−Ａにおける導波路１１の断面の幅より大きい。なお、導波路１１の形状は、領域Ｘにおいて連続的に変化する。具体的には、導波路１１の幅は、領域Ｘにおいて、端部Ａ−Ａから端部Ｂ−Ｂに向って徐々に広くなっている。なお、領域Ｙにおいては、導波路１１の幅はほぼ一定であるが、導波路１２の幅は端部Ｂ−Ｂに向って徐々に狭くなっている。

上記構成のコンバータは、この実施例では、スロット導波路を伝搬する光を矩形導波路に導く。すなわち、スロット導波路からコンバータに光信号が入力される。ここで、スロット導波路からコンバータへの入力光は、基本モード成分および高次モード成分を含むものとする。

以下の記載では、一例として、ＴＥモード光がコンバータに入力されるものとする。ＴＥモードは、光の進行方向に垂直であり、且つ、基板に水平な電界成分が主となる導波モードである。また、以下の記載では、ＴＥモード光の基本モードを「ＴＥ０」と呼び、ＴＥモード光の１次の高次モードを「ＴＥ１」と呼ぶことがある。なお、ＴＥ０は、ＴＥモードの中で最も実効屈折率が大きい導波モードである。ＴＥ１は、ＴＥモードの中で２番目に実効屈折率が大きい導波モードである。

図４に示すＬ１（光の進行方向における領域Ｘの長さ）およびＬ２（光の進行方向における領域Ｙの長さ）は、ＴＥ０成分がコンバータに入力されたとときに、導波路１１を介して出力されるＴＥ０成分の損失が十分に小さくなるように設計される。この例では、Ｌ１が１７μｍであり、Ｌ２が５μｍである。なお、各導波路１１、１２のコアの高さは、均一であり、２２０ｎｍである。端部Ａ−Ａにおいて、各導波路１１、１２のコアの幅は０．２６μｍである。領域Ｘと領域Ｙとの境界において、導波路１１のコアの幅は０．４８μｍである。

図５は、図４に示すコンバータにＴＥ１成分が入力されたときの電界についてのシミュレーション結果を示す。図５において、白色に近いほど正の電界が強い状態を表している。また、黒色に近いほど負の電界が強い状態を表している。すなわち、白色および黒色から構成される縞模様は、コンバータの光導波路を介してＴＥ１成分が伝搬している状態を表している。

コンバータに入力されたＴＥ１成分は、図５に示すように、領域Ｘおよび領域Ｙを介して伝搬し、端部Ｂ−Ｂに到達する。そして、端部Ｂ−Ｂに到達したＴＥ１成分の一部は、導波路１１から矩形導波路に出力される。ここで、図５に示すシミュレーションにおいては、コンバータに入力されたＴＥ１成分のパワーの約７０パーセントが矩形導波路に出力される。

このように、図４に示す構成では、コンバータにおいてＴＥ１成分は除去されない。したがって、コンバータへの入力光がＴＥ０成分およびＴＥ１成分を含むときには、ＴＥ０成分だけでなくＴＥ１成分も矩形導波路に導かれてしまう。この場合、矩形導波路において、本来のＴＥ０成分とＴＥ１成分から変換されるＴＥ０成分とが干渉し、通信品質が低下するおそれがある。

なお、図４に示すコンバータにおいてＴＥ１成分が十分に除去されないない理由は、コンバータの出力端（即ち、端部Ｂ−Ｂ）において、導波路１１および導波路１２が互いに近接している構成に起因する。すなわち、導波路１２は、端部Ｂ−Ｂにおいて、光の進行方向に対してエッジを有している。このため、端部Ｂ−Ｂにおいて、導波路１２を介して伝搬してきたＴＥ１成分に起因する電界が生じる。ところが、端部Ｂ−Ｂにおいて、導波路１１および導波路１２が互いに近接しているので、導波路１２のエッジの近傍でＴＥ１成分に起因して生じた電界が導波路１１に到達してしまう。この結果、ＴＥ１成分の一部が矩形導波路に導かれる。

＜実施形態＞
図６は、本発明の実施形態に係わるコンバータの一例を示す。図６に示すコンバータ１は、スロット導波路と矩形導波路との間に設けられ、スロット導波路と矩形導波路とを結合する光導波路素子として使用される。この実施例では、コンバータ１は、スロット導波路を伝搬する光を矩形導波路に導く。

なお、以下の記載では、光導波路のコアを「導波路」を呼ぶことがある。例えば、「導波路１１」は、導波路１１のコアを意味することがある。同様に、「導波路１２」は、導波路１２のコアを意味することがある。

コンバータ１は、図６に示すように、テーパ部２および離間部３を備える。テーパ部２は、スロット導波路に接続する。離間部３は、テーパ部２と矩形導波路との間に設けられる。

コンバータ１は、導波路１１および導波路１２を備える。なお、以下の記載では、導波路１１のうち、テーパ部２に形成される部分を「導波路１１ａ」と呼び、離間部３に形成される部分を「導波路１１ｂ」と呼ぶことがある。同様に、導波路１２のうち、テーパ部２に形成される部分を「導波路１２ａ」と呼び、離間部３に形成される部分を「導波路１２ｂ」と呼ぶことがある。

テーパ部２は、導波路１１ａおよび導波路１２ａを備える。導波路１１ａはスロット導波路の一方のコアの結合し、導波路１２ａはスロット導波路の他方のコアに結合する。ここで、導波路１１ａおよび導波路１２ａは、それぞれ直線状に形成される。また、導波路１１ａおよび導波路１２ａは、互いに平行に形成される。「平行」は、「ほぼ平行」または「実質的に平行」を含むものとする。

離間部３は、導波路１１ｂおよび導波路１２ｂを備える。導波路１１ｂの一端は導波路１１ａに結合し、導波路１１ｂの他端は矩形導波路に結合する。導波路１２ｂは、導波路１２ａに結合する。

「結合」は、導波路どうし（又は、導波路のコアどうし）が光学的に結合された状態を意味する。よって、例えば「導波路Ａおよび導波路Ｂが結合する」は、導波路Ａと導波路Ｂとが直接的に結合または接続している状態だけでなく、導波路Ａと導波路Ｂとが他の導波路等を介して光学的に結合している状態を含むものとする。

スロット導波路が設けられる側のテーパ部２の端部（即ち、端部Ａ−Ａ）において、導波路１１ａのコアの断面積および導波路１２ａのコアの断面積は互いに実質的に同じである。この実施例では、端部Ａ−Ａにおいて、導波路１１ａのコアの断面の形状および導波路１２ａのコアの断面の形状は、互いに実質的に同じである。なお、特に限定されるものではないが、端部Ａ−Ａにおいて、導波路１１ａおよび導波路１２ａのコアの幅は０．２６μｍであり、高さは０．２２μｍである。導波路（１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ）のコアの高さは、一定である。

離間部３が設けられる側のテーパ部２の端部（即ち、端部Ｃ−Ｃ）において、導波路１１ａのコアの断面積は、導波路１２ａのコアの断面積より大きい。具体的には、端部Ｃ−Ｃにおいて、導波路１１ａのコアの幅は、導波路１２ａのコアの幅より大きい。なお、特に限定されるものではないが、端部Ｃ−Ｃにおける導波路１１ａのコアの幅は０．４８μｍである。

テーパ部２において、導波路１１ａのコアの断面の形状は、端部Ａ−Ａと端部Ｃ−Ｃとの間で連続的に変化する。具体的には、テーパ部２おいて、導波路１１ａのコアの幅が端部Ａ−Ａから端部Ｃ−Ｃに向って徐々に広くなっていく。これに対して、導波路１２ａのコアの幅は、テーパ部２内でほぼ一定である。

なお、テーパ部２の長さＬ１（端部Ａ−Ａから端末Ｃ−Ｃまでの長さ）は、例えば、図４を参照して説明したポリシに従って設計される。この場合、ＴＥ０成分がコンバータ１に入力されたときに、矩形導波路に出力されるＴＥ０成分の損失が十分に小さくなるように設計される。この例では、長さＬ１は１７μｍである。

導波路１１ｂは、導波路１１ａおよび導波路１１ｂが同じ直線上に配置されるように、離間部３に形成される。なお、導波路１１ｂの幅は、離間部３内で一定であり、端部Ｃ−Ｃにおける導波路１１ａの幅と同じである。

導波路１２ｂは、離間部３において、導波路１１ｂを伝搬する光の方向および導波路１２ｂを伝搬する光の方向が互いに異なるように形成される。具体的には、離間部３において、導波路１１ｂと導波路１２ｂとの間隔が連続的に広くなっていくように、導波路１１ｂが形成される。ここで、導波路１２ｂは、例えば、一定の曲率を有する曲線導波路により実現される。この場合、曲率半径Ｒは、特に限定されるものではないが、例えば２０μｍ程度である。曲線導波路の曲率が一定である構成は、設計が容易である。ただし、導波路１２ｂは、他の構成で実現してもよい。例えば、導波路１２ｂの形状は、クロソイド曲線であってもよい。この場合、導波路１２ａと導波路１２ｂとの境界において曲率が連続的に変化するので、不連続点で生じる高次モード成分（例えば、ＴＥ１）の散乱による影響が小さくなる。

図７は、コンバータ１の導波路を介して伝搬する光に対する実効屈折率を説明する図である。なお、図７に示すグラフの横軸は、コンバータ１内での位置を表す。「位置」は、端部Ａ−Ａを基準として光の進行方向における端部Ａ−Ａからの距離を表す。ここで、端部Ａ−Ａの位置が「ゼロ」であり、端部Ｃ−Ｃの位置が「１０」である。すなわち、横軸は、テーパ部２に長さを「１０」として正規化されている。縦軸は、実効屈折率を表す。

実効屈折率は、光の導波モードに依存する。一般に、基本モードの実効屈折率は、高次モードの実効屈折率より大きい。図７に示す例では、ＴＥ０の実効屈折率は、ＴＥ１の実効屈折率より大きくなっている。

また、実効屈折率は、光が伝搬する導波路の形状に依存する。例えば、光が伝搬する導波路のコアの断面積が大きいほど実効屈折率が大きくなる傾向がある。ここで、互いに隣接する１組の導波路のコアの断面の面積が異なる場合、基本モードの電界は、コアの断面の面積が大きい方の導波路に局在する傾向がある。また、コンバータ１においては、端部Ａ−Ａから離れるにつれて、導波路１１ａのコアの断面の面積が大きくなっていく。すなわち、基本モード成分は、端部Ａ−Ａから離れるにつれて、導波路１１ａの影響が支配的になる。したがって、ＴＥ０の実効屈折率は、図７に示すように、端部Ａ−Ａから離れるにつれて、徐々に大きくなっている。

図８は、基本モードＴＥ０の電界分布の例を示す。図９は、高次モードＴＥ１の電界分布の例を示す。なお、図８〜図９において、Ｘ軸は、基板に対して平行、且つ、光の進行方向に対して直交する方向における位置を表す。Ｙ軸は、基板に垂直な方向における位置を表す。また、図５に示すケースと同様に、白色に近いほど正の電界が強い状態を表し、黒色に近いほど負の電界が強い状態を表す。なお、図８〜図９に示す矩形枠は、導波路１１ａおよび導波路１２ａの位置を表す。

ここで、互いに隣接する１組の導波路のコアの形状が互いに同じときは、それら１組の導波路において位相整合条件が成立する。そして、１組の導波路において位相整合条件が成立するときは、導波路を伝搬する光の電界は、２つのコアに対して均等に分布する。したがって、位置ゼロ（すなわち、テーパ部２の端部Ａ−Ａ）においては、１組の導波路１１ａおよび導波路１２ａに対して電界が均等に分布する。具体的には、位置ゼロにおける基本モード成分ＴＥ０の電界は、図８に示すように、２つのコアの間の領域に局在する。位置ゼロにおける高次モード成分ＴＥ１に対しては、図９に示すように、一方のコア（ここでは、導波路１２ａのコア）の近傍で正の電界が強くなり、他方のコア（ここでは、導波路１１ａのコア）の近傍で負の電界が強くなっている。

互いに隣接する１組の導波路のコアの形状が互いに異なるときは、１組の導波路において位相整合条件が崩れる。この場合、各導波モードの成分は、いずれか一方のコアに局在する傾向がある。具体的には、コアの断面の面積が大きい方の導波路には、実効屈折率が大きい導波モードの電界が局在する傾向がある。また、コアの断面の面積が小さい方の導波路には、実効屈折率が小さい導波モードの電界が局在する傾向がある。よって、入力光が基本モード成分ＴＥ０および高次モード成分ＴＥ１を含むときは、コアの断面の面積が大きい方の導波路に基本モードＴＥ０の電界が局在し、コアの断面の面積が小さい方の導波路に高次モードＴＥ１の電界が局在する。

ここで、コンバータ１においては、端部Ａ−Ａからの距離が大きくなるにつれて、導波路１１ａのコアの断面の面積が徐々に大きくなっていく。一方、導波路１２ａのコアの断面の面積はほぼ一定である。よって、基本モードＴＥ０の電界は、図８に示すように、端部Ａ−Ａからの距離が大きくなるにつれて、導波路１１ａに局在するようになる。具体的には、位置ゼロ（テーパ部２の端部Ａ−Ａ）においては、白色領域（即ち、電界が強い領域）が１組のコアの間に現れるが、位置１０（テーパ部２の端部Ｃ−Ｃ）においては、白色領域が導波路１１ａのコア内に現れる。

高次モードＴＥ１の電界は、図９に示すように、端部Ａ−Ａからの距離が大きくなるにつれて、導波路１２ａに局在するようになる。具体的には、位置ゼロ（テーパ部２の端部Ａ−Ａ）においては、白色領域（即ち、正の電界が強い領域）が導波路１２ａのコアの近傍に現れ、黒色領域（即ち、負の電界が強い領域）が導波路１１ａのコアの近傍に現れる。これに対して位置１０（テーパ部２の端部Ｃ−Ｃ）においては、導波路１１ａのコアの近傍で電界が弱くなっている。

ここで、各モードについて、両方のコアに電界が局在する位置０から、他方のコアに電界が局在する位置１０の間は、光の進行方向に沿って導波路が連続、すなわちテーパ導波路になっている。テーパ長が十分緩やかに変化するとき、ある断面におけるモードは（例えば、断面０のＴＥ０）、別の断面における同一モード（例えば、断面１０のＴＥ０）に無視できる程度の損失で変換することが可能である。これは、一般的に「断熱変換」と呼ばれる。

この原理により、コンバータ１への入力光が基本モード成分ＴＥ０および高次モード成分ＴＥ１を含むときは、端部Ｃ−Ｃにおいて、基本モード成分ＴＥ０は、導波路１１ａを介して出力される。したがって、導波路１１ａから離間部３に入力される基本モード成分ＴＥ０は、導波路１１ｂを介して矩形導波路に導かれる。

高次モード成分ＴＥ１のパワーの大部分は、端部Ｃ−Ｃにおいて、導波路１２ａに局在している。そして、導波路１２ａに局在する高次モード成分ＴＥ１は、離間部３に形成される導波路１２ｂに導かれる。ここで、図６に示すように、離間部３において、導波路１１ｂと導波路１２ｂとの間隔が連続的に大きくなっていく。そして、導波路１２ｂの先端は、導波路１１ｂから大きく離れている。このため、導波路１２ｂに導かれた高次モード成分ＴＥ１の電界は、実質的に、導波路１１ｂには届かない。したがって、矩形導波路に出力される高次モード成分ＴＥ１は僅かである。すなわち、コンバータ１への入力光が基本モード成分ＴＥ０および高次モード成分ＴＥ１を含むとき、高次モード成分ＴＥ１は、コンバータ１において除去または抑制される。

なお、導波路１１ｂと導波路１２ｂの先端との間の間隔が大きいときは、矩形導波路に出力される高次モード成分ＴＥ１が小さくなる。ただし、導波路１１ｂと導波路１２ｂの先端との間の間隔が大きいと、コンバータ１のサイズが大きくなってしまう。よって、導波路１１ｂと導波路１２ｂの先端との間の間隔は、これらの要件を考慮して設計することが好ましい。

図１０は、図６に示すコンバータ１にＴＥ１成分が入力されたときの電界についてのシミュレーション結果を示す。図５に示す例と同様に、図１０においても、白色に近いほど正の電界が強い状態を表している。また、黒色に近いほど負の電界が強い状態を表している。すなわち、白色および黒色から構成される縞模様は、コンバータ１を構成する光導波路を介してＴＥ１成分が伝搬している状態を表している。

コンバータ１に入力されたＴＥ１成分は、図１０に示すように、テーパ部２に形成されている１組の導波路１１ａ／１２ａを介して伝搬し、端部Ｃ−Ｃに到達する。端部Ｃ−Ｃにおいては、ＴＥ１成分のパワーの大部分は導波路１２ａに局在している。そして、このＴＥ１成分は、離間部３に形成されている導波路１２ｂに導かれる。ここで、導波路１２ｂは、端部Ｂ−Ｂにおいてエッジ（即ち、不連続点）を有する。このため、導波路１２ｂの先端の近傍では、ＴＥ１成分の影響が発生する。ただし、導波路１２ｂの先端は、導波路１１ｂから十分に離れているので、ＴＥ１成分の電界は導波路１１ｂには到達しない。したがって、矩形導波路に出力されるＴＥ１成分のパワーは十分に小さい。なお、シミュレーションによれば、コンバータ１にＴＥ１成分が入力されるとき、矩形導波路に出力されるＴＥ１成分のパワーは、コンバータ１に入力されるＴＥ１成分のパワーに対して、−１４．８ｄＢ（すなわち、約３．３パーセント）である。

図１１（ａ）は、コンバータ１における基本モード成分ＴＥ０の損失を示す。横軸は、テーパ部２の長さを表す。縦軸は、ＦＤＴＤ（Finite Difference Time Domain）法で計算した損失を表す。なお、各導波路のコアの断面の形状は、図４に示す通りである。

損失は、テーパ部２に形成される導波路の長さＬ１に依存する。具体的には、Ｌ１が長くなると損失が小さくなる。この理由は、Ｌ１が長くなると、光の進行方向において導波路１１ａのコアの断面の形状の変化が緩やかになる、ことに起因すると考えられる。すなわち、断熱変換が成り立つためである。この実施例では、Ｌ１が１７μｍになると、損失が十分に小さくなっている。よって、コンバータ１のテーパ部２の長さは１７μｍに設定される。

図１１（ｂ）は、コンバータ１における基本モード成分ＴＥ０の損失の波長依存性を示す。横軸は、コンバータ１への入力光の波長を表す。縦軸は、ＦＤＴＤ法で計算した損失を表す。なお、各導波路のコアの断面の形状は図４に示す通りであり、テーパ部２の長さは１７μｍである。

この例では、Ｃバンド及びＬバンドを含む広い波長範囲において、損失は０．０２ｄＢ以下である。すなわち、広い波長範囲に対して低損失のコンバータが実現される。なお、光の進行方向において導波路１１ａのコアの断面の形状の変化が緩やかであれば、入力光の波長が変化しても、変換効率は殆ど変化しないと考えられる。また、基本モード成分ＴＥ０のパワーの一部が導波路１２ｂに導かれるときには、導波路１２ｂの先端部で基本モード成分ＴＥ０の電界が散乱することがある。ところが、導波路１２ｂの先端部は、導波路１１ｂから十分に離れている。よって、導波路１２ｂの先端部で発生する基本モード成分ＴＥ０の電界の散乱は、矩形導波路に出力される基本モード成分ＴＥ０の損失に影響を及ぼさない。

このように、本発明の実施形態に係わる構成によれば、スロット導波路を伝搬する基本モード成分ＴＥ０が、低損失で、矩形導波路に導かれる。すなわち、スロット導波路と矩形導波路との間で、基本モード成分ＴＥ０に対して断熱変換が実現される。また、入力光が基本モード成分ＴＥ０および高次モード成分ＴＥ１を含むときは、コンバータ１において高次モード成分ＴＥ１の伝搬が十分に抑制される。したがって、本発明の実施形態に係わる構成は、通信品質の改善に寄与する。

＜バリエーション１＞
光集積素子が光変調器を含む場合、マッハツェンダ干渉計を構成する上アーム光導波路および下アーム光導波路は、それぞれスロット導波路で構成されることがある。そして、光変調器を構成するスロット導波路の近傍には、例えば、図１２（ａ）に示すように、ＥＯポリマーが塗布される。すなわち、スロット導波路の上部クラッドの材料として、ＥＯポリマーが使用されることがある。なお、図１２に表記される「ＥＯＰ」は、ＥＯポリマーを表す。

この場合、コンバータ１を構成する光導波路の上部クラッドは、一般的な材料で形成してもよい。すなわち、コンバータ１を構成する光導波路（１１、１２）の上部クラッドの材料は、スロット導波路の上部クラッドの材料と異なっていてもよい。図１２（ａ）に示す例では、コンバータ１を構成する光導波路の上部クラッドは、下部クラッドと同様に、ＳｉＯ２で形成されている。この構成を採用する場合は、製造プロセスの安定性が高いので、光集積素子の特性が安定する。なお、図１２（ａ）に示す例では、コンバータ１の端部で上部クラッドの材料が変わるが、他の位置で上部クラッドの材料が変わってもよい。

本発明の実施形態は、この構成に限定されるものではない。すなわち、コンバータ１を構成する光導波路（１１、１２）の上部クラッドの材料は、スロット導波路の上部クラッドの材料と同じであってもよい。図１２（ｂ）に示す例では、スロット導波路のコアにＥＯポリマーが塗布される場合に、コンバータ１を構成する光導波路の上部クラッドもＥＯポリマーで形成される。この構成を採用する場合、スロット導波路が形成される領域とコンバータ１が形成される領域との境界で屈折率が不連続になることがないので、光の導波モードが安定し、コンバータ１における損失が小さくなる。

＜バリエーション２＞
コンバータ１を構成する光導波路（１１、１２）のコアの断面の形状は、例えば、図１３（ａ）に示すように、矩形である。ただし、本発明の実施形態は、この構成に限定されるものではない。例えば、コンバータ１を構成する光導波路は、図１３（ｂ）に示すように、スラブを有するリブ導波路であってもよい。また、矩形導波路、リブ導波路などの導波路の角は、製造上生じる角の丸みを帯びていても良く、実質的にまたはほぼ直角であればよい。導波路の側壁角は基板に対して垂直となっているが、製造上生じる傾斜を持っていても良い。

光導波路のコア／クラッドの材料は、Ｓｉ／ＳｉＯ２に限定されるものではなく、例えば、ＳｉＯ２ベースのＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit）導波路またはＩｎＰ導波路であってもよい。ただし、Ｓｉでコアを形成し、ＳｉＯ２で上部クラッドおよび下部クラッドを形成する導波路は、コアとクラッドとの間で屈折率の差が大きく、デバイスの小型化が可能なので、好ましい。

上述の実施例では、コンバータ１はスロット導波路から矩形導波路への変換を行うが、本発明はこの構成に限定されるものではない。すなわち、受動導波路の時間に対する可逆性により、本発明の実施形態に係わる構成は、矩形導波路からスロット導波路への変換も可能である。また、コンバータ１は、ＴＥモードだけでなく、ＴＭモードに対しても同様の機能を有する。ＴＭモードは、光の進行方向に垂直かつ基板に垂直な方向に主電界成分を持つ導波モードである。

上述の実施例では、離間部３において、矩形導波路に結合する導波路（すなわち、導波路１１ｂ）が直線であり、矩形導波路に結合しない導波路（すなわち、導波路１２ｂ）が導波路１１ｂに対して離間するように形成されるが、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、導波路１２ｂが直線であり、導波路１１ｂが導波路１２ｂに対して離間する構成であってもよい。また、導波路１１ｂおよび導波路１２ｂが互いに離間する構成であってもよい。ただし、導波路１１ｂは、主信号（または、基本モード成分）が伝搬するので、曲げ損失を小さくするためには、導波路１１ｂが直線であり、導波路１２ｂが導波路１１ｂに対して離間する構成が好ましい。

上述の実施例では、コアの幅を変えることでコアの断面積が調整されるが、コアの高さを変えることでコアの断面積を調整してもよいし、幅および高さの双方を変えることでコアの断面積を調整してもよい。ただし、リソグラフィおよびエッチングにより導波路のコアを形成する場合は、マスクの形状によりコアの幅が決定される。したがって、製造工程を複雑にしないためには、コアの幅を変えることでコアの断面積を調整する方法が好ましい。

＜バリエーション３＞
入力光が基本モード成分ＴＥ０および高次モード成分ＴＥ１を含むときは、高次モード成分ＴＥ１は、離間部３において導波路１２に導かれる。そして、この高次モード成分ＴＥ１は、導波路１２の先端において反射し、テーパ部２に戻ってくることがある。戻ってきた光は、側壁荒れによって再度反射し信号光と干渉する恐れがある。また、変調器の前段にレーザーを使用する場合、戻り光により発振波長が不安定動作する恐れがある。

そこで、コンバータ１は、図１４（ａ）に示すように、導波路１２の先端に光終端器２１を備えてもよい。この構成によれば、離間部３において導波路１２を伝搬する高次モード成分ＴＥ１は、光終端器２１により終端されるので、反射が抑制される。すなわち、導波路１２の先端に光終端器２１を設けることにより、高次モード成分を除去または抑制する能力が向上する。これは、矩形導波路からスロット導波路に変換する部分で本願を用いる場合も同様であり、任意の部分で反射した光が導波路１２の先端で反射し、再度光信号と同一方向に伝搬、その後側壁荒れ等の影響でＴＥ０に変換し、信号光と干渉する恐れがある。そのため、使用するか所に寄らず終端を備える構造は効果がある。

なお、光終端器２１は、例えば、図１４（ｂ）に示すように、導波路１２の先端をテーパ構造にすることで実現される。この場合、離間部３において導波路１２のコアの幅が徐々に狭くなるように形成される。また、光終端器２１は、図１４（ｃ）に示すように、導波路１２の先端に近い部分に、光を吸収する物質を高濃度にドープすることで実現してもよい。この場合、例えば、離間部３において導波路１２ｂのコアに、光を吸収する物質が高濃度にドープされる。光を吸収する物質は、特に限定されるものではなく、公知の材料を採用することができる。或いは、光終端器２１は、図１４（ｄ）に示すように、導波路１２の先端にフォトダイオード等の受光器を設けることで実現してもよい。この場合、導波路１２の先端に到達する光は、電流に変換されるので、反射が抑制される。

＜バリエーション４＞
コンバータ１は、上述したように、スロット導波路と矩形導波路との間に設けられる。ただし、コンバータ１を構成する導波路（Ｒ１、Ｒ２）の幅は、必ずしもスロット導波路および／または矩形導波路の幅と同じではない。そこで、コンバータ１は、導波路の幅を変換する構成を備えてもよい。

図１５に示す例では、コンバータ１は、スロット導波路とテーパ部２との間に導波路幅変換部４を備える。導波路幅変換部４は、スロット導波路とテーパ部２に形成される導波路１１、１２との間で連続的に幅が変化するテーパ状の光導波路により実現される。この場合、導波路幅変換部４は、スロット導波路を構成する１組の導波路の間隔と、テーパ部２に形成される導波路１１、１２の間隔とを整合させてもよい。また、コンバータ１は、離間部３と矩形導波路との間に導波路幅変換部５を備える。導波路幅変換部５は、離間部３に形成される導波路１１と矩形導波路との間で連続的に幅が変化するテーパ状の光導波路により実現される。この構成によれば、コンバータ１は、任意の形状のスロット導波路と矩形導波路とを結合できる。なお、導波路幅変換部４、５は、コンバータ１の一部であってもよいし、コンバータ１の外に形成されてもよい。

＜バリエーション５＞
スロット導波路がスラブを有し、コンバータ１を構成する各導波路１１、１２の断面の形状が矩形である場合、コンバータ１は、図１６に示すように、スロット導波路とテーパ部２との間にスラブ発生部６を備えてもよい。スラブは、コアと同じ材料でレールより低く形成される。スラブ発生部６は、光の進行方向においてスラブ領域が徐々に狭くなるように形成される。すなわち、スロット導波路が形成されるＸ１−Ｘ１断面では、横方向にスラブが広がっている。スラブ発生部６が設けられるＸ２−Ｘ２断面では、Ｘ１−Ｘ１断面と比較して、スラブが形成される領域が小さくなっている。そして、テーパ部２が設けられるＸ３−Ｘ３断面では、スラブは形成されない。このように、スラブ発生部６において光の進行方向においてスラブ領域が徐々に狭くなるように形成されると、断熱変換が実現されるので、コンバータ１の低損失化に寄与する。

＜バリエーション６＞
光集積素子が光変調器を含む場合、光変調器を構成する光導波路はスロット導波路で構成されることがある。この場合、スロット導波路の各コアにキャリアがドーピングされることがある。例えば、光導波路の近傍にＥＯポリマーが塗布される光変調器において、ＥＯポリマーに電圧を印加するために、コアにキャリアをドーピングして電気抵抗を小さくする構成が知られている。

図１７は、キャリアがドーピングされたスロット導波路と矩形導波路とを結合するコンバータの一例を示す。なお、図１７に示す斜線領域は、キャリアがドーピングされた領域を表している。

コンバータ１は、上述したように、入力光が基本モード成分ＴＥ０および高次モード成分ＴＥ１を含む場合、基本モード成分ＴＥ０から高次モード成分ＴＥ１を分離して導波路１２に導く。ここで、図１４に示す光終端器２１が設けられていないものとすると、高次モード成分ＴＥ１は、導波路１２の先端で反射してスロット導波路に導かれる。ここで、スロット導波路のコアにキャリアがドーピングされていると、スロット導波路において吸収損失が発生する。ただし、基本モード成分ＴＥ０と比較して、高次モード成分ＴＥ１は電界が広がりやすい。このため、スロット導波路のコアにキャリアがドーピングされている場合、基本モード成分ＴＥ０の損失と比較して、高次モード成分ＴＥ１の損失が大きくなる。すなわち、導波路１２の先端での反射により高次モード成分ＴＥ１がスロット導波路に導かれても、その高次モード成分ＴＥ１はスロット導波路内で吸収される。

したがって、スロット導波路にキャリアがドーピングされているときは、図１４に示す光終端器２１を設けなくても、高次モード成分ＴＥ１の影響が低減される。そして、光終端器２１を設けなくてもよいのであれば、導波路１２の先端の構成を任意に決めることができるので、設計の自由度が高くなる。ただし、スロット導波路にキャリアがドーピングされる構成であっても、導波路１２の先端に光終端器２１を設けてもよい。

なお、図６に示す実施形態およびバリエーション１〜６は、任意に組み合わせることが可能である。

１ コンバータ
２ テーパ部
３ 離間部
４、５ 導波路幅変換部
６ スラブ発生部
１１（１１ａ、１１ｂ） 導波路
１２（１２ａ、１２ｂ） 導波路
２１ 光終端器
１００ 光集積素子

Claims (6)

1. スロット導波路と矩形導波路との間に設けられる光導波路素子であって、
   テーパ部と、
   前記テーパ部と前記矩形導波路との間に設けられる離間部と、を備え、
   前記テーパ部は、
   前記スロット導波路の一方のコアと結合する第１のコアと、
   前記スロット導波路の他方のコアと結合し、前記第１のコアに平行に形成された第２のコアと、を備え、
   前記離間部は、
   前記第１のコアおよび前記矩形導波路に結合する第３のコアと、
   前記第２のコアに結合する第４のコアと、を備え、
   前記スロット導波路が設けられる側の前記テーパ部の端部である第１の端部において、前記第１のコアの断面積および前記第２のコアの断面積は互いに実質的に同じであり、
   前記離間部が設けられる側の前記テーパ部の端部である第２の端部において、前記第１のコアの断面積は前記第２のコアの断面積より大きく、
   前記テーパ部において、前記第１のコアの断面の形状は、前記第１の端部と前記第２の端部との間で連続的に変化し、
   前記離間部において、前記第３のコアと前記第４のコアとの間隔が連続的に広くなっていく
   ことを特徴とする光導波路素子。
2. 前記第４のコアの先端に光終端器をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
3. 前記スロット導波路の一方のコアと前記第１の端部における前記第１のコアとの間で幅が連続的に変化する導波路、及び、前記スロット導波路の他方のコアと前記第１の端部における前記第２のコアとの間で幅が連続的に変化する導波路を更に備える
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路素子。
4. 前記テーパ部が設けられていない側の前記離間部の端部における前記第３のコアと前記矩形導波路との間で幅が連続的に変化する導波路を更に備える
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の光導波路素子。
5. 前記第１〜第２のコアの断面の形状はそれぞれ矩形であり、
   前記第１の端部の近傍かつ前記第１〜第２のコアの周辺の領域に、前記第１〜第２のコアと同じ材料で前記第１〜第２のコアの高さより低いスラブを備える
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の光導波路素子。
6. 前記スロット導波路のコアにはキャリアがドーピングされている
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の光導波路素子。

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