JP2022101903A - 光導波路素子 - Google Patents

Abstract

【課題】偏波変換機能を有する光導波路素子のサイズを小さくする。【解決手段】光導波路素子１は，１組の導波路ＷＧ１、ＷＧ２を備える。導波路ＷＧ１は、変換領域に形成される第１のコア１１および出射領域に形成される第３のコア１３を含む。導波路ＷＧ２は、変換領域に形成される第２のコア１２および出射領域に形成される第４のコア１４を含む。入力端において、第１および第２のコア１１、１２の断面積は互いに異なる。第１のコア１１または第２のコア１２のうちの少なくとも一方の断面の屈折率の分布は、上下非対称である。ＴＥ０の奇モードの実効屈折率とＴＭ０の偶モードの実効屈折率との大小関係は、入力端と出力端とで反対になる。第３および第４のコア１３、１４それぞれの断面の屈折率の分布は、基板２１の表面に垂直な方向において対称である。出射領域の出力端において、第３のコア１３の断面積および第４のコア１４の断面積は互いに異なる。【選択図】図２

Description

本発明は、偏波変換機能を備える光導波路素子に係わる。

近年、光通信システムの容量を増加させるために、偏波多重方式が普及してきている。偏波多重方式は、互いに直交する１組の偏波成分を用いて独立した情報を伝送できる。

コヒーレント光通信において使用される光送受信機は、一般に、導波路が基板上に形成された光導波路素子を備える。ここで、基板上に形成される導波路においては、互いに直交するＴＥ－ｌｉｋｅモード（以下、ＴＥモード）およびＴＭ－ｌｉｋｅモード（以下、ＴＭモード）が存在し得る。ＴＥモードは、電界の主成分が基板に平行である。ＴＭモードは、電界の主成分が基板に垂直である。

ただし、ＴＥモードおよびＴＭモードは、導波路のコアへの光の閉じ込めおよび実効屈折率などの特性が互いに異なる。このため、例えば、ＴＭモード光は、ＴＥモード光に変換されて処理されることがある。また、処理されたＴＥモード光は、ＴＭモード光に変換されて送信されることがある。よって、偏波多重光信号を処理する光回路は、多くのケースにおいて、ＴＥモードとＴＭモードとの間の偏波変換を行う光導波路素子を備える。

偏波変換を行う光導波路素子は、例えば、互いに近接し且つ互いに平行に形成された１組の導波路を備える。１組の導波路は、互いに直交する偏波成分（例えば、ＴＥ０およびＴＭ０）が相互作用するように設計される。また、例えば、ＴＭ０モード光が伝搬する導波路の断面の形状を非対称にする。そうすると、ＴＭ０モード光の偏波面が傾き、エバネッセンス光が他方の導波路に遷移する。この結果、他方の導波路にＴＥ０モード光が発生する。なお、偏波変換を行う光導波路素子は、たとえば、特許文献１～２に記載されている。また、関連する技術が特許文献３～４に記載されている。

米国特許９５２３８２０ 特許第６３２０５７３号 ＷＯ２０１６／０５２３４４ ＷＯ２０１６／１１７５３２

上述のように、入力光の偏波面を傾けることでＴＭ０モードとＴＥ０モードとの間で偏波変換を行う光導波路素子が知られている。ところが、一般に、エバネッセント光の電界は弱く、一方の導波路のＴＭ０モードと他方の導波路のＴＥ０モードとの間の相互作用は弱い。すなわち、変換効率が低い。このため、一方の偏波から他方の偏波に十分にエネルギーを遷すためには、１組の導波路の長さを長くする必要がある。この結果、偏波変換を行う光導波路素子のサイズが大きくなってしまう。

本発明の１つの側面に係わる目的は、偏波変換機能を有する光導波路素子のサイズを小さくすることである。

本発明の１つの態様に係わる光導波路素子は、互いに平行に形成された１組の導波路を備える。前記１組の導波路のうちの一方の導波路は、変換領域に形成される第１のコアおよび出射領域に形成される第３のコアを含む。前記１組の導波路のうちの他方の導波路は、前記変換領域に形成される第２のコアおよび前記出射領域に形成される第４のコアを含む。前記変換領域の入力端において、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異なる。前記第１のコアまたは前記第２のコアのうちの少なくとも一方の断面の屈折率の分布は、前記変換領域の入力端から出力端までの間の少なくとも一部の区間において、前記１組の導波路が形成される基板の表面に垂直な方向において非対称である。前記変換領域の入力端におけるＴＥ０の奇モードの実効屈折率とＴＭ０の偶モードの実効屈折率との大小関係、及び、前記変換領域の出力端におけるＴＥ０の奇モードの実効屈折率とＴＭ０の偶モードの実効屈折率との大小関係は、互いに逆である。前記第１のコアおよび前記第２のコアの構造は、それぞれ、光の進行方向に対して連続的に変化する。前記第３のコアおよび前記第４のコアそれぞれの断面の屈折率の分布は、前記基板の表面に垂直な方向において対称である。前記第３のコアおよび前記第４のコアの構造は、それぞれ、光の進行方向に対して連続的に変化する。前記出射領域の出力端において、前記第３のコアの断面積および前記第４のコアの断面積は互いに異なる。

上述の態様によれば、偏波変換機能を有する光導波路素子のサイズを小さくできる。

光導波路素子による偏波変換機能を示す図である。 本発明の実施形態に係わる光導波路素子の一例を示す図である。 変換部にＴＥ０モード光が入力されるときのモード変換の一例を示す図である。 コアの形状およびＴＥ０／ＴＭ０の実効屈折率の一例を示す図である。 ＴＭ０モード光の抽出について説明する図である。 損失および偏波消光比についてのシミュレーション結果を示す図である。 本発明の実施形態の第１のバリエーションを示す図である。 本発明の実施形態の第２のバリエーションを示す図である。 本発明の実施形態の第３のバリエーションを示す図である。 本発明の実施形態の第４のバリエーションを示す図である。

図１は、光導波路素子による偏波変換機能を示す。本発明の実施形態に係わる光導波路素子は、ＴＥ（Transverse Electric）モードとＴＭ（Transverse Magnetic）モードとの間の変換を行う。すなわち、本発明の実施形態に係わる光導波路素子は、偏波変換素子として動作する。なお、ＴＥモードの電界の主成分は、光の進行方向に垂直な断面において、光導波路素子が形成される基板に水平である。ＴＭモードの電界の主成分は、光の進行方向に垂直な断面において、光導波路素子が形成される基板に垂直である。

光導波路素子１０１は、ＴＥモードをＴＭモードに変換する。すなわち、光導波路素子１０１のポートＰ１にＴＥモード光が与えられると、ポートＰ２からＴＭモード光が出力される。また、光導波路素子１０２は、ＴＭモードをＴＥモードに変換する。すなわち、光導波路素子１０２のポートＰ１にＴＭモード光が与えられると、ポートＰ２からＴＥモード光が出力される。ただし、光導波路素子は、可逆動作が可能である。すなわち、光導波路素子１０１のポートＰ２にＴＭモード光が与えられると、ポートＰ１からＴＥモード光が出力される。光導波路素子１０２のポートＰ２にＴＥモード光が与えられると、ポートＰ１からＴＭモード光が出力される。

図２は、本発明の実施形態に係わる光導波路素子の一例を示す。この実施例では、光導波路素子１は、ＴＥ０モードをＴＭ０モードに変換する。ただし、光導波路素子１は、可逆動作が可能である。すなわち、光導波路素子１は、ＴＭ０モードをＴＥ０モードに変換することもできる。なお、光導波路素子１は、例えば、シリコンフォトニクス技術によりシリコン基板上に形成される。

光導波路素子１は、図２（ａ）に示すように、互いに隣接し且つ互いに平行に形成された１組の導波路ＷＧ１、ＷＧ２を備える。各導波路ＷＧ１、ＷＧ２は、コアおよびクラッドから構成される。コアの屈折率は、クラッドの屈折率より大きい。コアは、例えばＳｉで形成され、クラッドは、例えばＳｉＯ２で形成される。尚、以下の記載では、導波路のコアを「導波路」と呼ぶことがある。例えば、図２（ａ）に示すＷＧ１、ＷＧ２は、各導波路のコアを示している。

光導波路素子１は、変換部（変換領域）２および出射部（出射領域）３を備える。変換部２は、入力光の偏波モードを変換する。また、出射部３は、変換部２において偏波モードが変換された光を抽出する。

導波路ＷＧ１は、変換部２に属するコア１１および出射部３に属するコア１３から構成される。また、導波路ＷＧ２は、変換部２に属するコア１２および出射部３に属するコア１４から構成される。すなわち、変換部２においては、互いに隣接し且つ互いに平行に形成されたコア１１およびコア１２が設けられる。また、出射部３においては、互いに隣接し且つ互いに平行に形成されたコア１３およびコア１４が設けられる。なお、コア１１およびコア１３は連続的に形成されており、コア１２およびコア１４は連続的に形成されている。また、コア１１およびコア１２を１つの導波路コアとみなすときは、その導波路コアを「コア１０」と呼ぶことがある。

図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す光導波路素子１の断面を示す。なお、導波路は、上述したように、コアおよびクラッドから構成される。例えば、図２（ｂ）に示すように、コア１１～１４は、それぞれ、下側クラッド２１および上側クラッド２２により囲まれている。

変換部２の入力端（即ち、Ａ－Ａ断面、コア１１、１２の入力端、導波路ＷＧ１、ＷＧ２の入力端）においては、コア１１およびコア１２の断面の形状はそれぞれ矩形である。なお、「矩形」は、巨視的に矩形として見られる形状を含む。よって、「矩形」は、例えば、製造によって、角に丸みが生じる形状および台形形状も含むものとする。コア１１およびコア１２の高さＨ１は、互いに同じである。他方、コア１１およびコア１２の幅は、互いに異なる。この実施例では、コア１２の幅は、コア１１の幅より狭い。すなわち、コア１２の断面積は、コア１１の断面積より小さい。なお、コア１１～１４の高さは、全領域において一定であるものとする。

変換部２の出力端（即ち、Ｃ－Ｃ断面、コア１１、１２の出力端）においても、コア１１およびコア１２の断面の形状はそれぞれ矩形である。ただし、この位置においては、コア１１の幅およびコア１２の幅は、互いに同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。この実施例では、コア１１の幅およびコア１２の幅は互いに同じである。

変換部２の入力端と出力端との間の領域（即ち、Ｂ－Ｂ断面、コア１１、１２の入力端と出力端との間の領域）においては、コア１１、１２は、それぞれスラブを有する。具体的には、コア１１はスラブ１１Ｓを備え、コア１２はスラブ１２Ｓを備える。スラブ１１Ｓ、１２Ｓは、コア１１、１２と同じ材料で形成される。ただし、スラブ１１Ｓ、１２Ｓの高さＨ２は、Ｈ１より低い。

このように、変換部２の入力端と出力端との間の領域においては、コア１１、１２は、それぞれスラブを有する。このため、各コア１１、１２の断面の形状は、光導波路素子１が形成される基板の表面に垂直な方向において非対称（すなわち、上下非対称）である。この結果、各コア１１、１２の任意の断面における屈折率の分布は、光導波路素子１が形成される基板の表面に垂直な方向において非対称（すなわち、上下非対称）である。

なお、図２に示す形状は１つの実施例であり、本発明はこの構成に限定されるものではない。すなわち、光導波路素子１は、コア１１またはコア１２のいずれか一方がスラブを有する構成であってもよい。また、コア１１、１２は、変換部２の入力端と出力端との間の全区間にわたってスラブを有する必要はなく、変換部２の入力端と出力端との間の一部の区間にスラブを有する構成であってもよい。ただし、各コア１１、１２の断面形状は、入力端と出力端との間で連続的に変化することが好ましい。よって、各スラブ１１Ｓ、１２Ｓの幅は、入力端と出力端との間で連続的に変化することが好ましい。図２に示す例では、各スラブ１１Ｓ、１２Ｓの幅は、入力端から出力端に向って、ゼロから徐々に広くなってゆき、その後、徐々に狭くなってゆく。

出射部３の出力端（即ち、Ｄ－Ｄ断面、コア１３、１４の出力端、導波路ＷＧ１、ＷＧ２の出力端）においては、コア１３およびコア１４の断面の形状はそれぞれ矩形である。ただし、コア１３およびコア１４の幅は、互いに異なる。この実施例では、コア１３の幅は、コア１４の幅より広い。すなわち、コア１３の断面積は、コア１４の断面積より大きい。なお、コア１３の幅は、出力端に向って徐々に広くなっていく。すなわち、コア１３の断面積は、出力端に向って徐々に大きくなっていく。コア１４の幅は一定である。

上記構成の光導波路素子１には、ＴＥ０モード光が入力される。ＴＥ０モード光は、変換部２において、ＴＥ０の奇モードを介してＴＭ０の偶モードに変換される。そして、出射部３において、ＴＭ０モード光が抽出される。

なお、ＴＥ０は、孤立した導波路（例えば、光導波路素子１の入力側に接続する外部導波路）を導波するＴＥモードのうちで、最も実効屈折率が高いモードを表す。ＴＥ０の偶モードは、並列する２つの導波路（ここでは、コア１１、１２）を導波するＴＥモードのうちで、最も実効屈折率が高いモードを表す。ＴＥ０の奇モードは、並列する２つの導波路（ここでは、コア１１、１２）を導波するＴＥモードのうちで、２番目に実効屈折率が高いモードを表す。ＴＭ０は、孤立した導波路（例えば、光導波路素子１の出力側に接続する外部導波路）を導波するＴＭモードのうちで、最も実効屈折率が高いモードを表す。ＴＭ０の偶モードは、並列する２つの導波路（ここでは、コア１１、１２）を導波するＴＭモードのうちで、最も実効屈折率が高いモードを表す。

上記構成の光導波路素子１は、下記の要件（１）～（５）を満足するように設計することが好ましい。

（１）コア１１が存在しないと仮定したときのコア１２の入力端におけるＴＥ０モードの実効屈折率は、コア１２が存在しないと仮定したときのコア１１の入力端におけるＴＥ０モードの実効屈折率より小さい。ただし、コア１１が存在しないと仮定したときのコア１２の入力端におけるＴＥ０モードの実効屈折率は、コア１２が存在しないと仮定したときのコア１１の入力端におけるＴＥ０モードの実効屈折率より大きくなるような構成でも良い。この場合、偏波変換の機能を得るためには、ＴＥ０をコア１１に入力する。なお、「コア１１が存在しない」は「コア１２が孤立」を意味し、「コア１２が存在しない」は「コア１１が孤立」を意味する。また、「コア１１が存在しない」は、コア１１が形成されている領域がすべてクラッド２２と同じ屈折率であると仮定した状態を意味し、「コア１２が存在しない」は、コア１２が形成されている領域がすべてクラッド２２と同じ屈折率であると仮定した状態を意味する。

（２）コア１１、１２がそれぞれ孤立したコアであると仮定したときに、変換部２の入力端と出力端との間に任意の断面において、一方のコアを導波するＴＥ０モードの実効屈折率は、他方のコアを導波するＴＭ０モードの実効屈折率より常に大きい。

（３）変換部２の入力端におけるＴＥ０の奇モードとＴＭ０の偶モードとの大小関係、及び、変換部２の出力端におけるＴＥ０の奇モードとＴＭ０の偶モードとの大小関係は、互いに逆である。

（４）変換部２において、ＴＥ０の奇モードとＴＭ０の偶モードとが相互作用する相互作用領域において、光の伝播方向に対して垂直な断面における屈折率分布が上下非対称である。

（５）出射部３の出力端において、一方のコア（例えば、コア１３）の断面積は、他方のコア（例えば、コア１４）の断面積より大きい。

要件（１）は、変換部２の入力端（即ち、導波路ＷＧ１、ＷＧ２の入力端）において、コア１１の断面積よりコア１２の断面積を小さくすることで実現される。実施例では、コア１１の入力端の幅よりコア１２の入力端の幅を狭くすることで、要件（１）が満たされる。導波モードが同じである場合、コアの断面積を大きくすると、そのコア内に光の電界が強く閉じ込められるので、実効屈折率が大きくなる。反対に、コアの断面積を小さくすると、実効屈折率が小さくなる。

図３は、変換部２にＴＥ０モード光が入力されるときのモード変換の一例を示す。変換部２にＴＥ０モード光が入力するとき、入力端におけるコア１１、１２の実効屈折率が互いに一致するケースでは、入力光の電界は、２つのコアにまたがって分布する割合が大きくなる。一方、入力端におけるコア１１、１２の実効屈折率が互いに異なるケースでは、入力光の電界は、一方のコアに局在しやすくなる。このとき、次数の低いモード（即ち、ＴＥ０の偶モード）は、コア１１、１２のうちで実効屈折率の大きい方のコアに局在しやすい。また、次数の高いモード（即ち、ＴＥ０の奇モード）は、コア１１、１２のうちで実効屈折率の小さい方のコアに局在しやすい。ここで、奇モードの実効屈折率は、常に、偶モードの実効屈折率より小さくなる。

よって、要件（１）を満足するときに、コア１１にＴＥ０モード光が入力されると、図３（ａ）に示すように、コア１１にＴＥ０の偶モードが局在する。すなわち、入力光の導波モードがＴＥ０からＴＥ０モードの偶モードに変換される。そして、コア１１を介してＴＥ０の偶モードが導波する。また、コア１２にＴＥ０モード光が入力されると、図３（ｂ）に示すように、コア１２にＴＥ０の奇モードが局在する。すなわち、入力光の導波モードがＴＥ０モードからＴＥ０の奇モードに変換される。そして、コア１２を介してＴＥ０の奇数モードが導波する。なお、ＴＥ０の奇数モードは、ＴＥ１モードと実質的に等価である。

要件（２）は、コア１１およびコア１２の形状を適切に設計することで実現可能である。なお、各導波モードの実効屈折率は、コアの断面の形状（特に、コアの断面の面積）に依存する。

図４は、コアの形状およびＴＥ０／ＴＭ０の実効屈折率の一例を示す。この例では、光導波路素子１は、図４（ａ）に示すサイズで形成される。すなわち、変換部２の入力端におけるコア１１およびコア１２の幅は、それぞれ５００ｎｍおよび４００ｎｍである。変換部２の出力端におけるコア１１およびコア１２の幅は、それぞれ２５０ｎｍおよび２５０ｎｍである。変換部２の入力端と出力端との中間点におけるコア１１およびコア１２の幅は、それぞれ３００ｎｍおよび２５０ｎｍである。このように、コア１１の幅は、入力端から中間点に向ってテーパ状に狭くなってゆき、さらに、中間点から出力端に向ってもテーパ状に狭くなってゆく。コア１２の幅は、入力端から中間点に向ってテーパ状に狭くなってゆくが、中間点から出力端に向っては一定である。なお、コア１１、１２間の間隔は、２００ｎｍである。

出射部３の出力端におけるコア１３およびコア１４の幅は、それぞれ５００ｎｍおよび２５０ｎｍである。このように、コア１３の幅は、出射部３の入力端から出力端に向ってもテーパ状に広くなってゆく。コア１４の幅は一定である。なお、コア１３、１４間の間隔は、２００ｎｍである。コア１１～１４の高さＨ１は、２２０ｎｍである。スラブ１１Ｓおよびスラブ１２Ｓの高さＨ２は、１０５ｎｍである。

図４（ｂ）は、コア１１およびコア１２におけるＴＥ０およびＴＭ０の実効屈折率を示す。横軸は、コア１１、１２の入力端と出力端との間の位置を表し、正規化されている。なお、コア１１およびコア１２は、それぞれ孤立しているものとする。即ち、ＴＥ０＠１１は、コア１１が孤立していると仮定したときのコア１１におけるＴＥ０モードの実効屈折率を表し、ＴＥ０＠１２は、コア１２が孤立していると仮定したときのコア１２におけるＴＥ０モードの実効屈折率を表す。また、ＴＭ０＠１１は、コア１１が孤立していると仮定したときのコア１１におけるＴＭ０モードの実効屈折率を表し、ＴＭ０＠１２は、コア１２が孤立していると仮定したときのコア１２におけるＴＭ０モードの実効屈折率を表す。

このように、任意の断面において、ＴＥ０＠１１は、常にＴＭ０＠１２より大きい。また、任意の断面において、ＴＥ０＠１２は、常にＴＭ０＠１１より大きい。

要件（３）は、コア１１およびコア１２の形状を適切に設計することで実現することができる。なお、各導波モードの実効屈折率は、コアの断面の形状（特に、コアの断面積）に依存する。よって、シミュレーション等を利用してコア１１およびコア１２の幅を適切に設計することで、要件（３）を満足する光導波路素子１を設計することが可能である。また、要件（４）は、スラブ１１Ｓおよびスラブ１２Ｓを形成することで実現される。そして、要件（３）および要件（４）を満足することにより、ＴＥ０の奇モードからＴＭ０の偶モードへの効率の良い変換が実現される。この理由は、例えば、特許第６３２０５７３号に記載されている。

なお、要件（４）を満足しないとき（即ち、スラブ１１Ｓおよびスラブ１２Ｓが形成されていない構成）は、変換部２において、光の伝播方向に対して垂直な断面における屈折率の分布が上下対称になる。この場合、ＴＥ０の奇モードの電界の主成分およびＴＭ０の偶モードの電界の主成分は互いに直交するので、要件（３）を満足する場合であっても、ＴＥ０の奇モードとＴＭ０の偶モードとの間で相互作用が発生しにくい。そこで、スラブ１１Ｓおよびスラブ１２Ｓを設けることにより、要件（４）を満足する構成を実現する。

これに対して、要件（３）および要件（４）を満足するケースでは、ＴＥ０の奇モードとＴＭ０の偶モードとの相互作用領域において、光の伝播方向に対して垂直な断面における屈折率の分布が上下非対称である。ここで、要件（４）は、上述したように、スラブ１１Ｓおよびスラブ１２Ｓを形成することで実現される。すなわち、相互作用領域にスラブを形成すれば、要件（４）は満足する。ただし、光の伝搬方向においてコアの形状が不連続になると、散乱等に起因して通信品質が劣化する。よって、図２（ａ）に示すように、光導波路素子１においては、スラブ１１Ｓおよびスラブ１２Ｓは、幅が連続的に変化するように形成される。

コア１１、１２の屈折率の分布が上下非対称であるときは、各導波モードの電界の向きが傾く。この場合、ＴＥ０の奇モードの電界の主成分およびＴＭ０の偶モードの電界の主成分は、互いに直交しなくなる。そうすると、ＴＥ０の奇モードとＴＭ０の偶モードとの間の相互作用が強くなる。この結果、ＴＥ０の奇モードとＴＭ０の偶モードとの間の変換効率が高くなり、変換部２の出力端にＴＭ０の偶モードが現れる。

要件（５）は、光導波路素子１の出力端において、一方のコアの幅を他方のコアの幅より広くすることで実現される。この実施例では、出力端において、コア１３の幅がコア１４の幅より広く形成されている。

図５は、ＴＭ０モード光の抽出について説明する図である。なお、この実施例では、上述したように、変換部２においてＴＥ０の奇モードがＴＭ０の偶モードに変換される。よって、変換部２から出射部３にＴＭ０の偶モード光が入力される。ただし、出射部３の入力端において、ＴＭ０の偶モードの電界は、コア１３およびコア１４にまたがって分布している。

コア１３の幅は、出力端に向って連続的に広くなっている。他方、コア１４の幅は一定である。よって、出力端において、コア１３の断面積は、コア１４の断面積より大きい。ここで、互いに平行に形成された１組のコアを介して光が伝搬する場合、断面積が大きい方のコアに偶モードが局在する。したがって、光導波路素子１の出力端においては、ＴＭ０モードの電界はコア１３に局在する。

なお、コアの断面の形状が上下／左右非対称である場合、ＴＭ０の偶モードとＴＥ０の奇モードとの間の変換が生じ得る。よって、コア１３、１４の断面の形状はそれぞれ矩形である。即ち、コア１３、１４の断面の形状は、上下／左右対称である。したがって、出射部３において、ＴＭ０の偶モードからＴＥ０の奇モードへの変換が回避または抑制される。

このように、本発明の実施形態に係わる光導波路素子１は、導波路ＷＧ１（コア１１、１３）および導波路ＷＧ２（コア１２、１４）を備える。そして、孤立導波路からコア１２にＴＥ０モード光が入力されると、変換部２においてＴＥ０の奇モードが導波する。また、ＴＥ０の奇モードは、変換部２においてＴＭ０の偶モードに変換される。さらに、光導波路素子１の出力端において、コア１３にＴＥ０モード光の電界が局在する。したがって、コア１３の出力端に孤立導波路を結合すれば、ＴＥ０モード光を抽出できる。すなわち、光導波路素子１において、ＴＥ０モード光がＴＭ０モード光に変換される。

なお、従来技術（例えば、特許文献１：米国特許９５２３８２０）においてもＴＥ０モードとＴＭ０モードとの間の変換は可能である。ただし、米国特許９５２３８２０においては、テーパ状の方向性結合器を用いてＴＥ０モードとＴＭ０モードとの間の変換が行われる。ここで、テーパ状の方向性結合器では、２つのコアがそれぞれ孤立していると仮定したときのＴＥ０の実効屈折率とＴＭ０の実効屈折率とが、入力端と出力端との間のいずれかの点で交差する。この場合、この交差点の近傍でＴＥ０モードとＴＭ０モードとが相互作用し、モード変換が実現される。ところが、ＴＥ０モードとＴＭ０モードとの間の相互作用は弱い。このため、この構成で十分な相互作用を得るためには、２つのコアが並列に形成される区間を長くする必要があり、光導波路素子の小型化が困難である。

これに対して、本発明の実施形態に係わる光導波路素子１においては、テーパ状の方向性結合器ではなく、並列に形成された２つのコアを１つの断面とみなしたときのＴＥ０の奇モード（即ち、ＴＥ１）とＴＭ０の偶モード（即ち、ＴＭ０）との間の変換を行っている。ここで、一般に、ＴＥ０モードとＴＭ０モードとの変換より、ＴＥ１モードとＴＭ０モードとの変換の方が、効率が高い。したがって、光導波路素子１は、２つのコアが並列に形成される区間を短くでき、光導波路素子の小型化が可能となる。なお、光導波路素子１は、上述した要件（２）を満たすことが好ましい。そして、要件（２）を満たす構成では、ＴＥ０の実効屈折率とＴＭ０の実効屈折率とが一致しないので、ＴＥ０とＴＭ０との間での直接的な変換は生じない。

図６は、損失および偏波消光比についてのシミュレーション結果を示す。このシミュレーションでは、図２に示す構成において、変換部２の長さ（即ち、Ａ－Ａ断面からＣ－Ｃ断面までの長さ）が６０μｍであり、出射部３の長さ（即ち、Ｃ－Ｃ断面からＤ－Ｄ断面までの長さ）が３０μｍである。そして、ＴＥ０モード光からＴＭ０モード光への変換における損失および偏波消光比がＦＤＴＤにより計算されている。

図６（ａ）に示すように、ＣバンドおよびＬバンドを含む１１０ｎｍの波長範囲において損失が０．２１ｄＢ以下である。また、図６（ｂ）に示すように、上記波長範囲において２５ｄＢ以上の偏波消光比が得られる。このように、短いデバイス長で高効率な偏波変換が実現される。

また、光導波路素子１においては、図２（ａ）に示すように、光の伝搬方向においてコアの断面形状は連続的に変化する。ここで、コアが不連続点を有すると、光の反射に起因して損失が大きくなる。また、反射が大きい構成では、レーザ光源の発振が不安定になることがある。したがって、本発明の実施形態によれば、反射が低減され、損失が小さくなる。

なお、図２に示す実施例においては、１組の導波路のうちの一方の導波路（ＷＧ２）にＴＥ０モード光を入力したときに、他方の導波路（ＷＧ１）からＴＭ０モード光が出力されるが、本発明はこの構成に限定されるものではない。すなわち、一方の導波路（たとえば、ＷＧ２）にＴＥ０モード光を入力したときに、同じ導波路（即ち、ＷＧ２）からＴＭ０モード光が出力される構成であってもよい。たとえば、光導波路素子１の出力端（図２では、Ｄ－Ｄ断面）において、コア１３の断面積よりもコア１４の断面積の方が大きければ、ＴＭ０の偶モードはコア１４に局在する。この場合、コア１４の出力端に孤立導波路を結合すれば、ＴＭ０モード光を得ることができる。

また、図２に示す実施例では、各コア１１、１２に対してそれぞれにスラブ１１Ｓ、１２Ｓが形成されるが、本発明はこの構成に限定されるものではない。すなわち、コア１１またはコア１２のいずれか一方のみにスラブが形成される構成であってもよい。加えて、コア１１、１２は、リブの両側にスラブを有する構成であってもよい。

＜バリエーション＞
図７は、本発明の実施形態の第１のバリエーションを示す。第１のバリエーションにおいては、光導波路素子１は、偏波多重器として使用される。

図７に示す例では、コア１１およびコア１２に互いに独立したＴＥ０モード光が入力される。コア１１およびコア１２に入力されるＴＥ０モード光は、それぞれ「ＴＥ０＿Ａ」および「ＴＥ０＿Ｂ」と表記されている。ここで、光導波路素子１の入力端において、コア１１の断面積はコア１２の断面積より大きい。よって、コア１１を介してＴＥ０＿Ａの偶モードが導波し、コア１２を介してＴＥ０＿Ｂの奇モードが導波する。

ＴＥ０＿Ｂの奇モードは、上述したように、ＴＭ０の偶モードに変換される。そして、コア１３を介してＴＭ０モード光（ＴＭ０＿Ｂ）が出力される。他方、ＴＥ０の偶モードは、変換部２の全区間にわたって、他の導波モード（ＴＥ０の奇モード、ＴＭ０の偶モード）と実効屈折率が一致することはない。すなわち、ＴＥ０の偶モードと他の導波モードとの間の相互作用が発生することはない。よって、コア１２を伝搬するＴＥ０＿Ａは、他のモードに変換されることなく、コア１３を介して出力される。この結果、ＴＥ０モードおよびＴＭ０モードの多重化が実現される。

図８は、本発明の実施形態の第２のバリエーションを示す。第２のバリエーションにおいては、光導波路素子１は、離間部３１および接近部３２を備える。

離間部３１は、導波路ＷＧ１、ＷＧ２の出力側に設けられ、導波路３１Ａおよび導波路３１Ｂを備える。導波路３１Ａは、導波路ＷＧ１に結合する。導波路３１Ｂは、導波路ＷＧ２に結合する。そして、導波路３１Ａと導波路３１Ｂとの間の間隔は、導波路ＷＧ１、ＷＧ２の出力端から離れるにつれて徐々に広がっていく。この例では、導波路３１Ａは直線導波路であり、導波路３１Ｂは曲げ導波路である。曲げ導波路は、円弧、Ｓベンド、またはクロソイド曲線などの緩和曲線で形成される。

上記構成において、導波路ＷＧ２から出力される光は、導波路３１Ｂの先端部で反射する。このとき、雑音が発生し得る。ただし、導波路３１Ｂの先端部は、ＴＭ０モード光が伝搬する導波路３１Ａから離れている。よって、光導波路素子１から出力されるＴＭ０モード光に対する雑音の影響は緩和される。

接近部３２は、導波路ＷＧ１、ＷＧ２の入力側に設けられ、導波路３２Ａおよび導波路３２Ｂを備える。導波路３２Ａは、導波路ＷＧ１に結合する。導波路３２Ｂは、導波路ＷＧ２に結合する。そして、導波路３２Ａと導波路３２Ｂとの間の間隔は、導波路ＷＧ１、ＷＧ２の入力端から離れるにつれて徐々に広がっていく。この例では、導波路３２Ａは曲げ導波路であり、導波路３２Ｂは直線導波路である。

なお、第２のバリエーションは、この構成に限定されるものではない。例えば、光導波路素子１は、離間部３１または接近部３２のいずれか一方を備える構成であってもよい。また、導波路３１Ａおよび導波路３１Ｂの双方が曲げ導波路であってもよいし、導波路３２Ａおよび導波路３２Ｂの双方が曲げ導波路であってもよい。

図９は、本発明の実施形態の第３のバリエーションを示す。第３のバリエーションにおいては、光導波路素子１は、外部導波路との間に接続部を備える。この実施例では、導波路ＷＧ２にＴＥ０モード光が入力され、導波路ＷＧ１を介してＴＭ０モード光が出力されるものとする。

接続部３３は、ＴＭ０モード光が出力される導波路ＷＧ１と外部導波路との間に設けられる。外部導波路は、この実施例では、光の閉じ込めが強いチャネル導波路である。この場合、接続部３３は、光導波路３３Ａにより実現される。また、この外部導波路の幅は、出力端における導波路ＷＧ１の幅より狭い。したがって、光導波路３３Ａの断面形状は、導波路ＷＧ１の出力端と外部導波路との間で連続的にテーパ状に変化する。

接続部３４は、外部導波路とＴＥ０モード光が入力される導波路ＷＧ２との間に設けられる。この外部導波路もチャネル導波路である。そして、接続部３４は、光導波路３４Ａにより実現される。また、この外部導波路の幅は、入力端における導波路ＷＧ２の幅より狭い。したがって、光導波路３４Ａの形状は、外部導波路と導波路ＷＧ２の入力端との間で連続的にテーパ状に変化する。

このように、第３のバリエーションによれば、接続部３３および／または接続部３４を設けることにより、導波路ＷＧ１、ＷＧ２と外部導波路との間で導波路の不連続点を無くすことができる。この結果、反射等に起因する損失が抑制される。

図１０は、本発明の実施形態の第４のバリエーションを示す。第４のバリエーションにおいては、光導波路素子１は、不要な光を除去または抑制するための光終端器４１を備える。

光導波路素子１においては、ポートＰ１を介して導波路ＷＧ２にＴＥ０モード光を入力すると、ＴＥ０モードがＴＭ０モードに変換され、ポートＰ２を介してＴＭ０モード光が出力される。ただし、入力光成分の一部は、残留成分として導波路ＷＧ１の出力端（すなわち、ポートＰ３）を介して出力される。ここで、光終端器４１を設けない構成では、この残留成分は、導波路３１Ｂの端部で反射して導波路ＷＧ２に戻ってくる。そして、戻ってきた残留成分は、光導波路素子１の特性に影響を与える。

そこで、光導波路素子１は、図１０（ａ）に示すように、導波路３１Ｂの先端に光終端器４１を備えてもよい。この構成によれば、ポートＰ３を介して出力される残留成分は、光終端器４１により終端されるので、反射が抑制される。したがって、光終端器４１を設けることにより光導波路素子１の特性が改善する。なお、ポートＰ４を介して光が入力されないときは、ポートＰ４に対しても光終端器を設けることが好ましい。

光終端器４１は、例えば、図１０（ｂ）に示すように、導波路３１Ｂの先端をテーパ構造にすることで実現される。この場合、導波路３１Ｂ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４１は、図１０（ｃ）に示すように、導波路３１Ｂ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。例えば、導波路３１Ｂのコアに、光を吸収する物質がドープされる。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。あるいは、光終端器４１は、図１０（ｄ）に示すように、導波路３１Ｂ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３１Ｂ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。

なお、上述の実施形態では、コアがＳｉで形成され、クラッドがＳｉＯ２で形成されるが、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、コアおよびクラッドがいずれもＳｉＯ２で形成されるＰＬＣであってもよい。また、導波路ＷＧ１、ＷＧ２は、ＩｎＰ導波路であってもよいし、ＧａＡｓ導波路であってもよい。あるいは、コアがＳｉまたはＳｉＮで形成され、下部クラッドがＳｉＯ２で形成され、上部クラッドがＳｉＯ２または空気で実現される導波路であってもよい。

ただし、Ｓｉ導波路は、コアとクラッドとの間で屈折率の差が大きく、光の閉じ込めが強いので、曲率半径の小さいパターンであっても損失が小さい。よって、光回路の小型化が要求されるケースでは、Ｓｉ導波路を使用する形態が好ましい。

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。

（付記１）
互いに平行に形成された１組の導波路を備える光導波路素子であって、
前記１組の導波路のうちの一方の導波路は、変換領域に形成される第１のコアおよび出射領域に形成される第３のコアを含み、
前記１組の導波路のうちの他方の導波路は、前記変換領域に形成される第２のコアおよび前記出射領域に形成される第４のコアを含み、
前記変換領域の入力端において、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異なり、
前記第１のコアまたは前記第２のコアのうちの少なくとも一方の断面の屈折率の分布は、前記変換領域の入力端から出力端までの間の少なくとも一部の区間において、前記１組の導波路が形成される基板の表面に垂直な方向において非対称であり、
前記変換領域の入力端におけるＴＥ０の奇モードの実効屈折率とＴＭ０の偶モードの実効屈折率との大小関係、及び、前記変換領域の出力端におけるＴＥ０の奇モードの実効屈折率とＴＭ０の偶モードの実効屈折率との大小関係は、互いに逆であり、
前記第１のコアおよび前記第２のコアの構造は、それぞれ、光の進行方向に対して連続的に変化し、
前記第３のコアおよび前記第４のコアそれぞれの断面の屈折率の分布は、前記基板の表面に垂直な方向において対称であり、
前記第３のコアおよび前記第４のコアの構造は、それぞれ、光の進行方向に対して連続的に変化し、
前記出射領域の出力端において、前記第３のコアの断面積および前記第４のコアの断面積は互いに異なる
ことを特徴とする光導波路素子。
（付記２）
前記変換領域の入力端と出力端との間のいずれの位置においても、前記第１のコアが孤立していると仮定したときの前記第１のコアにおけるＴＭ０モードの実効屈折率は、前記第２のコアが孤立していると仮定したときの前記第２のコアにおけるＴＥ０モードの実効屈折率より小さい
ことを特徴とする付記１に記載の光導波路素子。
（付記３）
前記第１のコアまたは前記第２のコアのうちの少なくとも一方は、前記変換領域の入力端から出力端までの間の少なくとも一部の区間においてスラブを有する
ことを特徴とする付記１に記載の光導波路素子。
（付記４）
前記第１のコアおよび前記第２のコアの高さは互いに同じであり、
前記第１のコアおよび前記第２のコアの幅は、それぞれ、光の進行方向に対して連続的に変化する
ことを特徴とする付記１に記載の光導波路素子。
（付記５）
前記第３のコアおよび前記第４のコアの断面の形状はそれぞれ矩形である
ことを特徴とする付記１に記載の光導波路素子。
（付記６）
前記第３のコアの出力端に結合する第１の導波路および前記第４のコアの出力端に結合する第２の導波路を含む離間部をさらに備え、
前記第１の導波路と前記第２の導波路との間の間隔は、前記第３のコアおよび前記第４のコアの出力端から離れるにつれて広がっていく
ことを特徴とする付記１に記載の光導波路素子。
（付記７）
前記第１のコアの入力端に結合する第３の導波路および前記第２のコアの入力端に結合する第４の導波路を含む接近部をさらに備え、
前記第３の導波路と前記第４の導波路との間の間隔は、前記第１のコアおよび前記第２のコアの入力端から離れるにつれて広がっていく
ことを特徴とする付記１に記載の光導波路素子。
（付記８）
前記第３のコアまたは前記第４のコアのうちで断面積が大きい方のコアの出力端に結合する第５の導波路を含む接続部をさらに備え、
前記第５の導波路の幅は、光の伝搬方向に対して連続的にテーパ状に変化する
ことを特徴とする付記１に記載の光導波路素子。
（付記９）
前記第１のコアまたは前記第２のコアのうちで断面積が小さい方のコアの入力端に結合する第６の導波路を含む接続部をさらに備え、
前記第６の導波路の幅は、光の伝搬方向に対して連続的にテーパ状に変化する
ことを特徴とする付記１に記載の光導波路素子。
（付記１０）
前記第３のコアまたは前記第４のコアのうちで断面積が小さい方のコアの出力端に光終端器を備える
ことを特徴とする付記１に記載の光導波路素子。

１ 光導波路素子
２ 変換部（変換領域）
３ 出射部（出射領域）
１１～１４ コア
１１Ｓ、１２Ｓ スラブ
２１、２２ クラッド
３１ 離間部
３２ 接近部
３３、３４ 接続部
４１ 光終端器

Claims (5)

1. 互いに平行に形成された１組の導波路を備える光導波路素子であって、
   前記１組の導波路のうちの一方の導波路は、変換領域に形成される第１のコアおよび出射領域に形成される第３のコアを含み、
   前記１組の導波路のうちの他方の導波路は、前記変換領域に形成される第２のコアおよび前記出射領域に形成される第４のコアを含み、
   前記変換領域の入力端において、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異なり、
   前記第１のコアまたは前記第２のコアのうちの少なくとも一方の断面の屈折率の分布は、前記変換領域の入力端から出力端までの間の少なくとも一部の区間において、前記１組の導波路が形成される基板の表面に垂直な方向において非対称であり、
   前記変換領域の入力端におけるＴＥ０の奇モードの実効屈折率とＴＭ０の偶モードの実効屈折率との大小関係、及び、前記変換領域の出力端におけるＴＥ０の奇モードの実効屈折率とＴＭ０の偶モードの実効屈折率との大小関係は、互いに逆であり、
   前記第１のコアおよび前記第２のコアの構造は、それぞれ、光の進行方向に対して連続的に変化し、
   前記第３のコアおよび前記第４のコアそれぞれの断面の屈折率の分布は、前記基板の表面に垂直な方向において対称であり、
   前記第３のコアおよび前記第４のコアの構造は、それぞれ、光の進行方向に対して連続的に変化し、
   前記出射領域の出力端において、前記第３のコアの断面積および前記第４のコアの断面積は互いに異なる
   ことを特徴とする光導波路素子。
2. 前記変換領域の入力端と出力端との間のいずれの位置においても、前記第１のコアが孤立していると仮定したときの前記第１のコアにおけるＴＭ０モードの実効屈折率は、前記第２のコアが孤立していると仮定したときの前記第２のコアにおけるＴＥ０モードの実効屈折率より小さい
   ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
3. 前記第１のコアまたは前記第２のコアのうちの少なくとも一方は、前記変換領域の入力端から出力端までの間の少なくとも一部の区間においてスラブを有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
4. 前記第１のコアおよび前記第２のコアの高さは互いに同じであり、
   前記第１のコアおよび前記第２のコアの幅は、それぞれ、光の進行方向に対して連続的に変化する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
5. 前記第３のコアおよび前記第４のコアの断面の形状はそれぞれ矩形である
   ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。

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