JP5262639B2 - 光学素子及びマッハツェンダ干渉器 - Google Patents

光学素子及びマッハツェンダ干渉器 Download PDF

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Description

この発明は、光通信などの分野で用いられる光学素子及びマッハツェンダ干渉器に関する。
近年、小型化と量産化を目的として、Ｓｉを光導波路材料として用いることが盛んに研究されている。
この種の研究の一つとして、Ｓｉ製の光導波路を用いて、方向性結合器と、これに接続された光導波路とからなる光学素子を形成する試みが行われている（例えば、非特許文献１及び２参照）。
Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｗｉｒｅ−ｂａｓｅｄ ｕｌｔｒａｓｍａｌｌ ｌａｔｔｉｃｅ ｆｉｌｔｅｒｓ ｗｉｔｈ ｗｉｄｅ ｆｒｅｅ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｒａｎｇｅｓ， Ｋｏｊｉ Ｙａｍａｄａ，ｅｔ．ａｌ．，ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ，Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．１８，ｐｐ１６６３−１６６４ Ｃｏｍｐａｃｔ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｗｉｒｅｓ，Ｗｉｍ Ｂｏｇａｅｒｔｓ，ｅｔ．ａｌ．，ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ ｑｕａｎｔｕｍ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．１２，Ｎｏ．６，ｐｐ１３９４−１４０１
しかし、非特許文献１及び２に開示されている光学素子は、偏波依存性が大きく、ＴＥ波かＴＭ波のどちらか一方の偏波しか利用することができなかった。その結果、光の利用効率が充分でなかった。
この発明は、このような問題点に鑑みなされたものである。従って、この発明の第１の目的は、方向性結合器及び光導波路を接続した光学素子であって、偏波無依存なものを提供することにある。また、この発明の第２の目的は、偏波無依存な光学素子を用いたマッハツェンダ干渉器を提供することにある。
発明者は、上述した目的の達成を図るために、鋭意検討を行い、その結果、方向性結合器を構成する光導波路と、それ以外の光導波路の横断面形状を、高さの方が幅よりも大きい矩形状とすることにより、偏波無依存を達成できることに想到し、この発明を完成するに至った。
従って、この発明の光学素子は、方向性結合器の第１光導波路と、第１光導波路に接続され、光を案内する第２光導波路とを備えており、第１及び第２光導波路の共通のクラッドを、第１クラッドと第１クラッド上に設けられ、第１クラッドよりも屈折率が大きい第２クラッドとで構成してある。
ここで、第１光導波路と、第２光導波路とを互いに一体的に連続して、幅及び高さが一定として第１クラッド上に形成してあり、第１及び第２光導波路の横断面形状を前記第１クラッドの表面に直交する方向に長い矩形状とすることを特徴としている。
また、第１及び第２光導波路の幅、高さ、及び第２クラッドの屈折率を、方向性結合器の結合長がＴＥ偏波及びＴＭ偏波の両偏波で等しくなり、かつ、第２光導波路の等価屈折率がＴＥ偏波及びＴＭ偏波の両偏波で等しくなるような値にそれぞれ設定することが好ましい。
この光学素子の実施態様として、第１及び第２光導波路の材料をＳｉとし、第１クラッドの材料をＳｉＯ２とすることが好ましい。
また、この光学素子の別の実施態様として、第２クラッドの材料をＳｉＯｘＮｙ（但し、２≧ｘ≧０，４／３≧ｙ≧０）とすることが好ましい。
また、第１光導波路の幅の寸法誤差を±１０ｎｍ以内とし、第２光導波路の幅の寸法誤差を±３０ｎｍ以内とすることが好ましい。
また、第２クラッドの屈折率が１．４６〜１．８の範囲の値であることが好ましい。
さらに、第２クラッドの、第１クラッドの表面に垂直に測った厚みが１〜３μｍの範囲の値であることが好ましい。
さらにまた、この光学素子の別の実施態様として、第２光導波路の端部領域と、端部領域の周囲に延在する第１及び第２クラッドとを含む領域がスポットサイズ変換器とされていて、スポットサイズ変換器は、第１クラッドの表面に対して垂直な平面で斜めに切断された傾斜面が形成されている端部領域を含む内側コアと、内側コアを内部に包含するとともに、光伝播方向に沿った長さが、端部領域の光伝播方向に沿った長さ以上の長さとされていて、光伝播方向に直交する面内の横断面形状が、内側コアの横断面よりも大面積の矩形状に形成された第１及び第２クラッドを含む外側コアとを備えることが好ましい。
この発明のマッハツェンダ干渉器は、上述した光学素子を備えている。
この発明は、上述のように構成してあるので、偏波無依存な光学素子及びマッハツェンダ干渉器が得られる。
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。なお、各図は、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係について、この発明が理解できる程度に概略的に示してある。また、以下、この発明の好適な構成例について説明するが、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何ら限定されない。また、各図において、共通する構成要素には同符号を付し、その説明を省略することもある。
（実施の形態１）
以下、図面を参照して、実施の形態１の光学素子について説明する。
（構造）
図１（Ａ）は、光学素子１０の構造を概略的に示す平面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）をＡ−Ａ線で切断した切断端面図である。図１（Ｃ）は、図１（Ａ）をＢ−Ｂ線で切断した切断端面図である。
なお、図１（Ａ）において、第１及び第２光導波路２０ａ，２０ｂ，２２ａ及び２２ｂは、第２クラッド１６で被覆されているため、直接目視することはできないが、第１及び第２光導波路２０ａ，２０ｂ，２２ａ及び２２ｂを強調して示すために、実線で示してある。
図１（Ａ）〜（Ｃ）を参照すると、光学素子１０は、基板１２と、第１クラッド１４と、第２クラッド１６と、方向性結合器１８を構成する２本の第１光導波路２０ａ及び２０ｂと、第１光導波路２０ａ及び２０ｂにそれぞれ接続される第２光導波路２２ａ及び２２ｂとを備えている。
基板１２は、平板状の板状部品であり、この実施の形態では、基板１２は、好ましくは、例えばＳｉを材料とする。
第１クラッド１４は、基板１２の第１主面１２ａに積層された平板状の板状部品である。この実施の形態では、第１クラッド１４は、好ましくは、例えば屈折率が１．４６のＳｉＯ２を材料とする。
第１クラッド１４の第１主面１２ａに垂直に測った長さすなわち厚みは、好ましくは例えば約１μｍ以上とする。これは、第１及び第２光導波路２０ａ，２０ｂ，２２ａ及び２２ｂを伝播する光が基板１２へ放射されることにより生ずる、光の損失を防ぐためである。
第１光導波路２０ａ及び２０ｂと、第２光導波路２２ａ及び２２ｂとは、第１クラッド１４の表面１４ａに形成されている光導波路である。つまり、第１及び第２光導波路２０ａ，２０ｂ，２２ａ及び２２ｂ中を光が伝播する。
より詳細には、第１光導波路２０ａと第２光導波路２２ａ、及び第１光導波路２０ｂと第２光導波路２２ｂは、それぞれ互いに接続され、一体的に連続して第１クラッド１４の表面１４ａに延在している。
第１光導波路２０ａ及び２０ｂは、直線的に延在するとともに、光結合可能な間隔を隔てて互いに平行に配置されている。その結果、２本の第１光導波路２０ａ及び２０ｂにより方向性結合器１８が構成されている。
第２光導波路２２ａ及び２２ｂは、一端が第１光導波路２０ａ及び２０ｂにそれぞれ接続され、他端が光学素子１０の側面部に露出している湾曲した光導波路である。この他端は、光入出射口２２ａ１及び２２ｂ１とされている。第２光導波路２２ａ及び２２ｂは、この光入出射口２２ａ１及び２２ｂ１を介して、方向性結合器１８から出力される出射光、又は方向性結合器１８へ入力される入射光を案内する機能を有する。
第１光導波路２０ａ及び２０ｂと、第２光導波路２２ａ及び２２ｂとは、横断面形状を第１クラッド１４の表面１４ａに直交する方向に長い矩形状としている。なおここで、「横断面」とは、光伝播方向に直交する第１及び第２光導波路２０ａ，２０ｂ，２２ａ及び２２ｂの切断面のことを示す。
また、第１光導波路２０ａ及び２０ｂと、第２光導波路２２ａ及び２２ｂは、横断面の幅Ｗ及び高さＨが一定である（図１（Ｂ）及び（Ｃ）参照）。より詳細には、第１光導波路２０ａ及び２０ｂと、第２光導波路２２ａ及び２２ｂは、光伝播方向に直交する横断面形状がそれぞれ等しく、第１クラッド１４の表面に直交する方向の長さすなわち高さＨの方が、第１クラッド１４の表面に平行な方向の長さすなわち幅Ｗよりも大きく形成されている。
この実施の形態に示す例では、第１及び第２光導波路２０ａ，２０ｂ，２２ａ及び２２ｂの幅Ｗは、好ましくは、例えば約０．２９μｍとする。また、第１及び第２光導波路２０ａ，２０ｂ，２２ａ及び２２ｂの高さＨは、好ましくは、例えば、約０．３０μｍとする。また、方向性結合器１８の領域において、第１光導波路２０ａ及び２０ｂの導波路中心間距離は、好ましくは、例えば約０．８μｍとする。
なお、第１及び第２光導波路２０ａ，２０ｂ，２２ａ及び２２ｂの横断面の幅Ｗ及び高さＨは、光を単一モードで伝播させるために、０．５μｍ以下の値とすることが好ましい。
第１及び第２光導波路２０ａ，２０ｂ，２２ａ及び２２ｂは、第１及び第２クラッド１４及び１６よりも屈折率の大きな材料、好ましくは、例えば、屈折率が３．５のＳｉを材料として形成されている。
なお、Ｓｉ製の基板１２、ＳｉＯ２製の第１クラッド１４、及びＳｉ製の第１及び第２光導波路２０ａ，２０ｂ，２２ａ及び２２ｂからなる構造体２４、すなわち、光学素子１０から第２クラッド１６を除いた構造体２４（図１５（Ｂ）参照）は、半導体製造の技術分野で周知であるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いて作成される。
すなわち、Ｓｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉなる断面構造を有するＳＯＩ基板の最上層のＳｉ層をフォトリソグラフィ及びエッチングにより成形して、第１及び第２光導波路２０ａ，２０ｂ，２２ａ及び２２ｂを形成し、中間層のＳｉＯ２層を第１クラッド１４として残置形成する。
第２クラッド１６は、第１クラッド１４の表面１４ａに、第１及び第２光導波路２０ａ，２０ｂ，２２ａ及び２２ｂを被覆して積層された膜状体である。この実施の形態では、第２クラッド１６は、第１クラッド１４を構成するＳｉＯ２よりも屈折率が大きく、かつ、第１及び第２光導波路２０ａ，２０ｂ，２２ａ及び２２ｂを構成するＳｉよりも屈折率が小さい材料であるＳｉＯｘＮｙ（但し、２≧ｘ≧０，４／３≧ｙ≧０）で形成されている。
この実施の形態では、第２クラッド１６は、好ましくは、例えば、屈折率が１．６のＳｉＯｘＮｙ（但し、２≧ｘ≧０，４／３≧ｙ≧０）とする。また、第２クラッド１６の厚みは、好ましくは、例えば約２μｍとする。
第２クラッド１６は、第１クラッド１４の表面１４ａに、第１及び第２光導波路２０ａ，２０ｂ，２２ａ及び２２ｂを埋め込むように形成されている。
第２クラッド１６の屈折率は、第１クラッド１４よりも屈折率が大きく、かつ、第１及び第２光導波路２０ａ，２０ｂ，２２ａ及び２２ｂよりも屈折率が小さいという条件を満たす範囲で、光学素子１０の設計に応じて選択される任意好適な値とすることができるが、第１及び第２光導波路２０ａ，２０ｂ，２２ａ及び２２ｂに対するクラッドとしての機能を実用上許容できる程度に果たすためには、１．４６〜１．８の範囲の値とすることが好ましい。第２クラッド１６の屈折率の調整は、ＳｉＯｘＮｙの組成比ｘ、ｙの値を変更することで行うことができる。
また、第２クラッド１６の厚みは、光学素子１０の設計に応じて選択される任意好適な値とすることができるが、第１及び第２光導波路２０ａ，２０ｂ，２２ａ及び２２ｂに対するクラッドとしての機能を実用上許容できる程度に果たすためには、１〜３μｍの範囲の厚みとすることが好ましい。
なお、第２クラッド１６は、公知のＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等により、構造体２４の第１クラッド１４の表面側から、膜材料を積層することで形成することができる。
（動作）
次に、図１（Ａ）を参照して、この光学素子１０の動作について簡単に説明する。
例えば、図１（Ａ）の矢印Ｃで示すように、第２光導波路２２ａの光入出射口２２ａ１から方向性結合器１８に向けて光が入力されたものとする。入力された光は、第２光導波路２２ａを伝播して、方向性結合器１８に至る。
方向性結合器１８では、第１光導波路２０ａ及び２０ｂが、光結合可能な間隔を空けて並列されている。その結果、方向性結合器１８においては、第２光導波路２２ａに接続されている第１光導波路２０ａから、第２光導波路２０ｂへと光のパワー移行が生じる。その結果、図１（Ａ）の矢印Ｄ及びＥで示すように、方向性結合器１８からは、第１光導波路２０ａのみだけではなく、第１光導波路２０ｂからも光が出力される。
方向性結合器１８における第１光導波路２０ａから第１光導波路２０ｂへのパワー移行の程度、すなわち矢印Ｅで示される光の強度は、方向性結合器１８の光伝播方向に沿った長さと、第１光導波路２０ａ及び２０ｂ間の光の結合強度によって決定される。
この実施の形態の光学素子１０は、偏波無依存であることを特徴としている。つまり、光学素子１０は、ＴＥ波及びＴＭ波の両者に対して同じ光学特性を示す。この点については、次項の（偏波無依存性）で詳細に説明する。
（偏波無依存性）
次に、図２（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、光学素子１０が偏波に依存しないで動作することについて説明する。
図２（Ａ）は、第２光導波路２２ａ及び２２ｂにおける偏波依存性を説明するための特性図である。図２（Ａ）において、縦軸は第２光導波路２２ａ及び２２ｂの等価屈折率（無次元）を示し、及び横軸は第２光導波路２２ａ及び２２ｂを伝播する光の波長（μｍ）を示す。
図２（Ｂ）は、方向性結合器１８における偏波依存性を説明するための特性図である。図２（Ｂ）において、縦軸は方向性結合器１８の結合長（μｍ）を示し、及び横軸は方向性結合器１８を伝播する光の波長（μｍ）を示す。
なお、図２（Ａ）及び（Ｂ）の計算には、有限要素法を用いている。また、計算に必要な数値は、（構造）の項で示したものを用いている。
まず、図２（Ａ）を参照して、第２光導波路２２ａ及び２２ｂにおいて、偏波無依存性が達成されていることについて説明する。
図２（Ａ）には、２本の直線が示されている。直線Ｉが、ＴＥ波に対応するものであり、直線ＩＩがＴＭ波に対応するものである。
図２（Ａ）に示された波長範囲（約１．４５〜１．６５μｍ）で、直線Ｉ及びＩＩは、よい一致を示している。これは、この波長範囲において、ＴＥ波とＴＭ波が感じる第２光導波路２２ａ及び２２ｂの等価屈折率が等しいことを示している。よって、図２（Ａ）から、第２導波路２２ａ及び２２ｂの領域において、ＴＥ波とＴＭ波の光伝播特性が等しい、つまり偏波依存性がないことがわかる。
続いて、図２（Ｂ）を参照して、方向性結合器１８において、偏波無依存性が達成されることについて説明する。
図２（Ｂ）には、２本の曲線が示されている。曲線ＩＩＩが、ＴＥ波に対応するものであり、直線ＩＶがＴＭ波に対応するものである。
図２（Ｂ）に示された波長範囲（約１．４５〜１．６５μｍ）で、曲線ＩＩＩ及びＩＶは、よい一致を示している。これは、この波長範囲において、ＴＥ波とＴＭ波の結合長が一致していることを示してる。つまり、方向性結合器１８において、光伝播方向に沿った単位長さ当たりのパワー移行の程度が、ＴＥ波とＴＭ波とで等しいことを示している。よって、方向性結合器１８の領域においてもＴＥ波とＴＭ波の光伝播特性が等しい、つまり偏波依存性がないことがわかる。
なお、図２（Ｂ）において、偏波依存性を評価するための指標として、方向性結合器１８の結合長（図２（Ｂ）の縦軸）を選択している。その理由は、方向性結合器１８においては結合係数の値、あるいはこの値より求まる、より直接的に設計に使用される結合長の値が重要な設計数値であるためである。方向性結合器１８の設計長は結合長により決定される。偏波無依存で動作する素子を可能とするには、結合長の偏波依存性を出来るだけ小さくする必要がある。結合長（結合係数）は０次モードと１次モードの間の伝播定数の差から計算される。
また、ここで、「結合長」とは、方向性結合器１８を構成する第１光導波路２０ａから入力された光が、もう一方の第１光導波路２０ｂに完全にパワー移行するのに要する、方向性結合器１８の光伝播方向に沿った長さである。
（効果）
このように、この実施の形態の光学素子１０は、（１）第１及び第２光導波路２０ａ，２０ｂ，２２ａ及び２２ｂの横断面形状を幅Ｗよりも高さＨが大きな一定の形状とし、（２）第１クラッド１４上に、第１クラッド１４よりも屈折率の高い第２クラッド１６を設けるという構成により、光学特性が偏波に依存しない方向性結合器１８と第２光導波路２２ａ及び２２ｂとを接続した光学素子を得ることができる。
（設計条件）
以下、光学素子１０の設計条件について説明する。
（１）第１及び第２光導波路２０ａ，２０ｂ，２２ａ及び２２ｂの幅のズレについて
本発明者は、方向性結合器１８を構成する第１光導波路２０ａ及び２０ｂ幅Ｗのズレの許容値について調査した。一般に、方向性結合器１８において、偏波無依存を達成するためには、ＴＥ波とＴＭ波とで結合長のズレを１０％以内に抑える必要があることが知られている。本発明者の評価によれば、結合長のズレを１０％以内に収めるためには、第１光導波路２０ａ及び２０ｂ幅Ｗのズレの程度は、±１０ｎｍ以内とすればよいことが明らかとなった。この幅Ｗのズレの程度（±１０ｎｍ）は、現在の素子製造プロセス技術で充分に達成可能な値である。
第２光導波路２２ａ及び２２ｂの幅Ｗのズレの程度は、第２光導波路２２ａ及び２２ｂの等価屈折率のズレをどの程度まで許容できるかで決定される。この許容される等価屈折率のズレの程度は、光学素子１０の使用目的によって異なってくる。
例えば、光加入者系で用いられるＯＮＵ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｕｎｉｔ）を構成する部品として、この光学素子１０を用いる場合には、等価屈折率のズレは±０．０４程度まで許容できる。この等価屈折率のズレの程度（±０．０４）から、第２光導波路２２ａ及び２２ｂの許容可能な幅Ｗのズレを見積もると、±３０ｎｍ程度となる。この幅Ｗのズレの程度（±３０ｎｍ）は、現在の素子製造プロセス技術で充分に達成可能な値である。
（２）第２クラッド１６の屈折率依存性について
図３（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、第２クラッド１６の屈折率依存性について説明する。
図３（Ａ）は、第２光導波路２２ａ及び２２ｂの部分における第２クラッド１６の屈折率の屈折率依存性を示す特性図であり、縦軸は第２光導波路２２ａ及び２２ｂの等価屈折率（無次元）を示す。横軸は、第２クラッド１６の屈折率（無次元）を示す。
図３（Ｂ）は、方向性結合器１８（第１光導波路２０ａ及び２０ｂ）の部分における、第２クラッド１６の屈折率の屈折率依存性を示す特性図であり、縦軸は方向性結合器１８の結合長（μｍ）を示す。横軸は、第２クラッド１６の屈折率（無次元）を示す。
図３（Ａ）及び（Ｂ）において、光の波長は１．４９μｍと仮定している。また、図３（Ａ）及び（Ｂ）を求めるに当たっては、（構造）の項で説明した数値を用い、有限要素法で計算を行っている。
図３（Ａ）には、２本の直線が示されている。直線ＶがＴＥ波に対応するものであり、直線ＶＩがＴＭ波に対応するものである。
図３（Ａ）を参照すると、直線Ｖ及びＶＩは、右肩上がりに傾斜している。このことから、第２クラッド１６の屈折率が変化するにつれて、偏波の違いにより第２光導波路２２ａ及び２２ｂの等価屈折率にズレが生じることがわかる。
しかし、直線Ｖ及びＶＩは、横軸（第２クラッド１６の屈折率）が約１．６５の点で一致していることから、この等価屈折率のズレを、第２クラッド１６の屈折率を選択することで補償可能であることがわかる。
図３（Ｂ）には、２本の直線が示されている。直線ＶＩＩがＴＥ波に対応するものであり、直線ＶＩＩＩがＴＭ波に対応するものである。
図３（Ｂ）を参照すると、直線ＶＩＩ及びＶＩＩＩは、ほぼ水平であることがわかる。つまり、評価を行った第２クラッド１６の屈折率の範囲（１．５〜１．７）において、方向性結合器１８の部分では、第２クラッド１６の屈折率に対して結合長がほとんど変化しない。これは、波長１．４９μｍの光に対しては、第２クラッド１６の屈折率に対する偏波依存性が小さいことを示している。
（３）第２クラッド１６の材料について
この実施の形態では、第２クラッド１６としてＳｉＯｘＮｙ（但し、２≧ｘ≧０，４／３≧ｙ≧０）を用いた場合について説明した。しかし、第２クラッド１６を形成する材料は、第１クラッド１４よりも屈折率が大きく、かつ第１及び第２光導波路２０ａ，２０ｂ，２２ａ及び２２ｂよりも屈折率が小さく、それにより第１及び第２光導波路２０ａ，２０ｂ，２２ａ及び２２ｂの横断面寸法を同一に保ったまま偏波無依存を達成できる材料であれば、ＳｉＯｘＮｙ（但し、２≧ｘ≧０，４／３≧ｙ≧０）には限定されない。例えば、Ｔａ２Ｏ５及びＴｉＯ２を含むＳｉＯ２でもよい。
（実施の形態２）
続いて、図４〜図５を参照して、実施の形態２の光学素子について説明する。
図４（Ａ）は、光学素子３０の概略的な構造を示す平面図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の領域Ｅの部分、すなわちスポットサイズ変換器４０の部分を拡大して示す平面図である。図４（Ｃ）は、図４（Ｂ）のＣ−Ｃ線で切断した切断端面図である。
なお、図４（Ａ）及び（Ｂ）において、第１及び第２光導波路２０ａ，２０ｂ，２２ａ及び２２ｂは、第２クラッド１６で被覆されているため、直接目視することはできないが、第１及び第２光導波路２０ａ，２０ｂ，２２ａ及び２２ｂを強調して示すために、実線で示してある。
また、この実施の形態の光学素子３０は、スポットサイズ変換器４０が追加されている点を除いて実施の形態１の光学素子１０と同様の構成である。従って、図４（Ａ），（Ｂ）及び（Ｃ）において、図１と同様の構成要素には同符号を付し、その説明を省略することもある。
光学素子３０は、光学素子１０とスポットサイズ変換器４０とで構成されている。上述のように光学素子１０は、実施の形態１と同様であるので、その説明を省略する。
まず、始めに、スポットサイズ変換器について一般的な説明を行う。スポットサイズ変換器とは、光を伝播する光導波路のコア径が異なる２種類の光学素子間で、光接続を行うための素子である。この実施の形態の場合では、第２光導波路２２ａ及び２２ｂのようなコア径の小さなＳｉ細線導波路と、光学素子３０外部に設けられる光ファイバ等のコア径の大きな光素子との間で光接続を行う。
図４（Ａ）を参照すると、スポットサイズ変換器４０は、第２光導波路２２ａの端部領域２２ａＥと、その周囲に延在する第１及び第２クラッド１４及び１６とを含む領域Ｅに形成されている。
（構造）
以下、図４（Ｂ）及び（Ｃ）を参照して、スポットサイズ変換器４０の構造について説明する。
スポットサイズ変換器４０は、内側コア４２と外側コア４４とを備えている。
内側コア４２は、第２光導波路２２ａの端部領域２２ａＥをクサビ状に加工した部品である。すなわち内側コア４２は、第２光導波路２２ａの端部領域２２ａＥを第１クラッド１４の表面１４ａに対して垂直な平面で斜めに切断した傾斜面４３を備えている。その結果、内側コア４２は、光学素子３０の外側に向かって、断面積が０となるまで徐々に縮小していくテーパ状に形成されている。
ここで、端部領域２２ａＥ、すなわち傾斜面４３が形成されている領域の光伝播方向に沿った長さは、内側コア４２から外側コア４４への光移行効率を勘案して決定される。この実施の形態の材料及び寸法の場合には、端部領域２２ａＥの長さは、好ましくは、例えば約数十μｍとする。
外側コア４４は、内側コア４２を内部に包含するように直方体状に加工された第１及び第２クラッド１４及び１６で構成されている。外側コア４４の光伝播方向に沿った長さは、端部領域２２ａＥの光伝播方向に沿った長さ以上の長さとされている。また、外側コア４４の光伝播方向に直交する面内の横断面形状は、内側コア４２の横断面よりも大面積の矩形状、この実施の形態では正方形状に形成されている。外側コア４４の横断面の寸法は、スポットサイズ変換器３０が、光結合すべき外部の光学素子（例えば光ファイバ）のコア径をと同程度の寸法に形成される。
そして、外側コア４４のこの正方形状の断面の中央部付近に、内側コア４２が延在している。このように、外側コア４４の中央部付近に内側コア４２を配置するのは、内側コア４２から外側コア４４への光の移行効率を高めるためである。
外側コア４４は、外側コア４４となるべき領域の周囲に延在する第２クラッド１６の全部と第１クラッド１４の一部とをエッチングにより除去することで形成されている。すなわち、外側コア４４の幅方向（基板１２の第１主面１２ａに平行であって、光伝播方向に直交する方向）の両側には、凹部４６ａ及び４６ｂが形成されている。
（動作）
続いて、図４（Ｂ）及び（Ｃ）を参照して、スポットサイズ変換器４０の動作について簡単に説明する。
今、方向性結合器１８の第１光導波路２０ａから、第２光導波路２２ａを介して端部領域２２ａＥに向かって光が伝播しているものとする。
端部領域２２ａＥに至った光は、内側コア４２から外側コア４４へと徐々に移行していく。すなわち、内側コア４２の断面積の縮小に伴い、内側コア４２の等価屈折率も先端部に向かって徐々に小さくなっていく。
その結果、内側コア４２の光の閉じ込め能力は、端部領域２２ａＥを先端に向かって光が伝播するに従い徐々に弱くなっていく。その結果、端部領域２２ａＥから、外側コア４４へと光が徐々に移行していく。そして、内側コア４２の断面積が０となる先端で、光は完全に外側コア４４へと移行する。
このようにして外側コア４４へと移行した光は、図示しない光ファイバ等の外部の光学素子に光接続される。
なお、このスポットサイズ変換器４０は、ＴＥ波及びＴＭ波の両方の偏波に対して同様に動作する。ＴＥ波とＴＭ波とで、内側コア４２から外側コア４４への光の移行効率はほぼ等しい。
これは、以下のような理由による。すなわち内側コア４２を伝播するＴＥ波は、内側コア４２の幅が狭くなるとともに生じる等価屈折率の減少により、徐々に外側コア４４へと移行していく。
一方ＴＭ波は、縦長の断面形状では等価屈折率が高いため、内側コア４２を伝播する過程では、なかなか等価屈折率の低い外側コア４４へと移行しない。しかし、内側コア４２は先端部に於いて断面積がほとんど０になっているので、ＴＭ波は、先端部付近において、ほとんどが外側コア４４へと移行する。
結果として、このスポットサイズ変換器４０を用いることにより、ＴＥ波及びＴＭ波の両方の偏波を効率よく内側コア４２から外側コア４４へと移行させることができる。
（製造方法）
続いて、図５を参照して、スポットサイズ変換器４０の製造方法について説明する。特に、スポットサイズ変換器４０と光学素子３０とを共通の製造工程で作成できることについて説明する。
図５（Ａ）〜（Ｄ）は、図４（Ａ）のＤ−Ｄ線の切断端面において、光学素子３０の製造工程の主要工程段階を抜き出して順番に示す工程図である。図５（Ｅ）〜（Ｈ）は、図４（Ｂ）のＣ−Ｃ線の切断端面において、スポットサイズ変換器４０の製造工程の主要工程段階を抜き出して順番に示す工程図である。
図５（Ａ）及び（Ｅ）、図５（Ｂ）及び（Ｆ）、図５（Ｃ）及び（Ｇ）並びに図５（Ｄ）及び（Ｈ）は、それぞれ、同一の工程段階を示している。
（第１工程：図５（Ａ）及び（Ｅ））
まず、Ｓｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉなる積層構造を有する市販のＳＯＩ基板を準備し、従来周知のフォトリソグラフィ及びエッチング技術を用いて、最上層のＳｉ層をパターニングする。
これにより、図５（Ａ）に示すように、ＳＯＩ基板の中間層であるＳｉＯ２層（第１クラッド１４）上に第１光導波路２０ａ及び２０ｂが形成される。同様に、図５（Ｅ）に示すように、ＳＯＩ基板の中間層であるＳｉＯ２層（第１クラッド１４）上に第２光導波路２２ａが形成される。
（第２工程：図５（Ｂ）及び（Ｆ））
続いて、図５（Ｆ）に示すように、スポットサイズ変換器４０となるべき領域において、第２光導波路２２ａを第１クラッド１４の表面１４ａに対して垂直な平面で斜めにエッチングすることにより、傾斜面４３を形成する。
すなわち、傾斜面４３を備えた第２光導波路２２ａの端部領域２２ａＥと、凹部４６ａ及び４６ｂ（図５（Ｈ）参照）となるべき前駆凹部４８ａ及び４８ｂとを除いた第１クラッド１４の全表面を、エッチング保護膜としてのフォトレジストで被覆する（図示せず）。
その上で、公知のエッチングを行い、公知の方法でフォトレジストを除去する。その結果、図５（Ｆ）で示すように、第２光導波路２２ａの端部領域２２ａＥに傾斜面４３が形成され、端部領域２２ａＥがテーパ状に加工される。同時に、端部領域２２ａＥの幅方向の両側に、後の工程で凹部４６ａ及び４６ｂへと変化する前駆凹部４８ａ及び４８ｂが形成される。
一方、図５（Ｂ）に示すように、第１光導波路２０ａ及び２０ｂは、この工程の実施に当たってはフォトレジストで被覆され保護されていたので、変化はない。
（第３工程：図５（Ｃ）及び（Ｇ））
続いて、図５（Ｃ）及び（Ｇ）に示すように、第２工程で得られた構造体において、第１クラッド１４の全表面に、第２クラッド１６としてのＳｉＯｘＮｙ膜（但し、２≧ｘ≧０，４／３≧ｙ≧０）を公知のＣＶＤ法で成膜する。
（第４工程：図５（Ｄ）及び（Ｈ））
続いて、図５（Ｈ）に示すように、スポットサイズ変換器４０となるべき領域において、第２クラッド１６をエッチングにより除去し、凹部４６ａ及び４６ｂを形成する。
すなわち、前駆凹部４８ａ及び４８ｂが形成された領域を除いた第２クラッド１６の全表面を、エッチング保護膜としてのフォトレジストで被覆する（図示せず）。
その上で、公知のエッチングを行い、公知の方法でフォトレジストを除去する。その結果、図５（Ｈ）で示すように、スポットサイズ変換器４０が形成される。
同時に、図５（Ｄ）に示すように、第１光導波路２０ａ及び２０ｂが第１及び第２クラッド１４及び１６で被覆された光学素子３０が形成される。
（効果）
この実施の形態の光学素子３０は、実施の形態１の光学素子１０と同様の効果を奏する。それとともに、光学素子３０は、光学素子１０へと入出力される光を偏波無依存なままで外部の光学素子へと光接続させることができる。
（実施の形態３）
続いて、図６を参照して、実施の形態３の光学素子について説明する。
（構造）
図６（Ａ）は、光学素子５０の構造を概略的に示す平面図である。図６（Ｂ）は、光学素子５０を図６（Ａ）に示した矢印Ａ方向から見た側面図である。
なお、この実施の形態の光学素子５０は、実施の形態１で説明した光学素子１０の応用例であるので、図１と同様の構成要素には同符号を付し、その説明を省略することがある。
また、図６（Ａ）において、マッハツェンダ干渉器５１と、入力用光導波路５６ａ及び５６ｂと、出力用光導波路５８ａ及び５８ｂとは、第２クラッド１６で被覆されているため、直接目視することはできないが、マッハツェンダ干渉器５１と、入力用光導波路５６ａ及び５６ｂと、出力用光導波路５８ａ及び５８ｂを強調して示すために、実線で示してある。
図６（Ａ）を参照すると、光学素子５０は、あたかも２個の光学素子１０（図１参照）を結合したような構造を有している。
すなわち、光学素子５０は、マッハツェンダ干渉器５１と、入力用光導波路５６ａ及び５６ｂと、出力用光導波路５８ａ及び５８ｂとを備えている。マッハツェンダ干渉器５１は、２個の方向性結合器５２Ｌ及び５２Ｒと、これらの方向性結合器５２Ｌ及び５２Ｒ間を接続する２本の第２光導波路５４ａ及び５４ｂとで構成されている。
方向性結合器５２Ｌは、実施の形態１で既に説明したように、光結合可能な間隔を空けて直線状に延在する２本の平行な第１光導波路５２Ｌａ及び５２Ｌｂとから構成されている。
同様に、方向性結合器５２Ｒは、実施の形態１で既に説明したように、光結合可能な間隔を空けて直線状に延在する２本の平行な第１光導波路５２Ｒａ及び５２Ｒｂとから構成されている。
第２光導波路５４ａ及び５４ｂは、互いに光路長が異なっており、この実施の形態の場合には、第２光導波路５４ａの光路長の方が第２光導波路５４ｂの光路長よりも長く形成されている。
第２光導波路５４ａは、方向性結合器５２Ｌの第１光導波路５２Ｌａと、方向性結合器５２Ｒの第１光導波路５２Ｒａとの間を光接続している。
同様に、第２光導波路５４ｂは、方向性結合器５２Ｌの第１光導波路５２Ｌｂと、方向性結合器５２Ｒの第１光導波路５２Ｒｂとの間を光接続している。
つまり、マッハツェンダ干渉器５１は、共通の第２光導波路５４ａ及び５４ｂの両端に、方向性結合器５２Ｌ及び５２Ｒを構成する第１光導波路５２Ｌａ及び５２Ｒａと５２Ｌｂ及び５２Ｒｂとが接続されたような構造を有する。
入力用光導波路５６ａ及び５６ｂは、一端が光学素子５０の一方の側面部に露出しており、他端がそれぞれ方向性結合器５２Ｌの第１光導波路５２Ｌａ及び５２Ｌｂに光接続されている。入力用光導波路５６ａ及び５６ｂは、外部から入力された光をマッハツェンダ干渉器５１へと伝播する機能を有する。
出力用光導波路５８ａ及び５８ｂは、一端が光学素子５０の他方の側面部に露出しており、他端がそれぞれ方向性結合器５２Ｒの第１光導波路５２Ｒａ及び５２Ｒｂに光接続されている。出力用光導波路５８ａ及び５８ｂは、マッハツェンダ干渉器５１から出力された光を外部へと伝播する機能を有する。
（動作）
続いて、図６（Ａ）を参照して、光学素子５０が、光加入者系で用いられるＯＮＵ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｕｎｉｔ）に適用される場合の動作について説明する。
ここで、第２光導波路５４ａと５４ｂとの光路長差をΔＬとする。また、入力用光導波路５６ａから波長λ１の第１光Ｌ１が、及び入力用光導波路５６ｂから波長λ２の第２光Ｌ２が、それぞれマッハツェンダ干渉器５１に向けて同時に入力されたものとする。
一般にマッハツェンダ干渉器においては、第２光導波路５４ａと５４ｂの光路長差ΔＬを、入力された光の波長に対して適当に設定することにより、入力光をバー状態かクロス状態のいずれかの状態で出力させることができる。
光Ｌがバー状態となるか、クロス状態となるかは、第２光導波路５４ａと５４ｂの光路長差ΔＬと光の波長λとの関係で決まることが知られている。すなわち、下記式（１）が成り立つ場合には、光はクロス状態で出力され、下記式（２）が成り立つ場合には、光Ｌはバー状態で出力される。
２πｎΔＬ／λ＝２ｍπ・・・（１）
２πｎΔＬ／λ＝（２ｍ＋１）π・・・（２）
ここで、ｎは、第２光導波路５４ａと５４ｂの屈折率である。また、ｍは自然数である。
すなわち、図６（Ａ）に示すように、第１光Ｌ１についてはバー状態で出力されるように、及び第２光Ｌ２についてはクロス状態で出力されるように、第２光導波路５４ａと５４ｂの光路長差ΔＬを設定する。これにより、光合分波素子５０は、第１光Ｌ１と第２光Ｌ２の合分波を行うことが可能となる。
つまり、入力用光導波路５６ａ及び５６ｂからそれぞれ入力された第１及び第２光Ｌ１及びＬ２は、マッハツェンダ干渉器５１において合波され、合波光Ｌ３として出力用光導波路５８ａから出力される。
（効果）
この実施の形態の光学素子５０は、偏波無依存なマッハツェンダ干渉器５１を備えている。その結果、波長の異なる第１光Ｌ１及びＬ２を偏波に依存することなく合分波することが可能となる。
（Ａ）は、実施の形態１の光学素子の構造を概略的に示す平面図である。（Ｂ）は、（Ａ）のＡ−Ａ線で切断した切断端面図である。（Ｃ）は、（Ａ）のＢ−Ｂ線で切断した切断端面図である。 （Ａ）は、第２光導波路における偏波依存性を説明するための特性図である。（Ｂ）は、方向性結合器における偏波依存性を説明するための特性図である。 （Ａ）は、第２光導波路の部分における第２クラッドの屈折率の屈折率依存性を示す特性図である。（Ｂ）は、方向性結合器の部分における、第２クラッドの屈折率の屈折率依存性を示す特性図である。 （Ａ）は、実施の形態２の光学素子の概略的な構造を示す平面図である。（Ｂ）は、（Ａ）の領域Ｅの部分、すなわちスポットサイズ変換器の部分を拡大して示す平面図である。（Ｃ）は、（Ｂ）のＣ−Ｃ線で切断した切断端面図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、図４（Ａ）のＤ−Ｄ線の切断端面において、光学素子の製造工程の主要工程段階を抜き出して順番に示す工程図である。（Ｅ）〜（Ｈ）は、図４（Ｂ）のＣ−Ｃ線の切断端面において、スポットサイズ変換器の製造工程の主要工程段階を抜き出して順番に示す工程図である。 （Ａ）は、実施の形態３の光学素子の構造を概略的に示す平面図である。（Ｂ）は、光学素子を（Ａ）に示した矢印Ａ方向から見た側面図である。
符号の説明
１０，３０，５０ 光学素子
１２ 基板
１２ａ 第１主面
１４ 第１クラッド
１４ａ 表面
１６ 第２クラッド
１８ 方向性結合器
２０ａ，２０ｂ 第１光導波路
２２ａ，２２ｂ 第２光導波路
２２ａ１，２２ｂ１ 光入出射口
２２ａＥ 端部領域
２４ 構造体
４０ スポットサイズ変換器
４２ 内側コア
４３ 傾斜面
４４ 外側コア
４６ａ，４６ｂ 凹部
４８ａ，４８ｂ 前駆凹部
５１ マッハツェンダ干渉器
５２Ｌ，５２Ｒ 方向性結合器
５２Ｌａ，５２Ｒａ，５２Ｌｂ，５２Ｒｂ 第１光導波路
５４ａ，５４ｂ 第２光導波路
５６ａ，５６ｂ 入力用光導波路
５８ａ，５８ｂ 出力用光導波路

Claims (9)

  1. 方向性結合器の第１光導波路と、該第１光導波路に接続され、光を案内する第２光導波路とを備える光学素子において、
    前記第１及び第２光導波路の共通のクラッドを、第１クラッドと該第１クラッド上に設けられ、該第１クラッドよりも屈折率が大きい第２クラッドとで構成してあり、
    前記第１光導波路と、前記第２光導波路とを互いに一体的に連続して、幅及び高さが一定として前記第１クラッド上に形成してあり、
    該第１及び第２光導波路の横断面形状を前記第１クラッドの表面に直交する方向に長い矩形状とすることを特徴とする光学素子。
  2. 前記幅、前記高さ、及び前記第２クラッドの屈折率を、前記方向性結合器の結合長がＴＥ偏波及びＴＭ偏波の両偏波で等しくなり、かつ、前記第２光導波路の等価屈折率が前記ＴＥ偏波及び前記ＴＭ偏波の両偏波で等しくなるような値にそれぞれ設定することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
  3. 前記第１及び第２光導波路の材料をＳｉとし、前記第１クラッドの材料をＳｉＯ２とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
  4. 前記第２クラッドの材料をＳｉＯｘＮｙ（但し、２≧ｘ≧０，４／３≧ｙ≧０）とすることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の光学素子。
  5. 前記第１光導波路の前記幅の寸法誤差を±１０ｎｍ以内とし、前記第２光導波路の前記幅の寸法誤差を±３０ｎｍ以内とすることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の光学素子。
  6. 前記第２クラッドの屈折率が１．４６〜１．８の範囲の値であることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の光学素子。
  7. 前記第２クラッドの、前記第１クラッドの表面に垂直に測った厚みが１〜３μｍの範囲の値であることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の光学素子。
  8. 前記第２光導波路の端部領域と、該端部領域の周囲に延在する前記第１及び第２クラッドとを含む領域がスポットサイズ変換器とされていて、
    該スポットサイズ変換器は、前記第１クラッドの表面に対して垂直な平面で斜めに切断された傾斜面が形成されている前記端部領域を含む内側コアと、
    該内側コアを内部に包含するとともに、光伝播方向に沿った長さが、前記端部領域の光伝播方向に沿った長さ以上の長さとされていて、光伝播方向に直交する面内の横断面形状が、前記内側コアの横断面よりも大面積の矩形状に形成された前記第１及び第２クラッドを含む外側コアとを備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学素子。
  9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学素子を備えたマッハツェンダ干渉器。
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