JP5263045B2 - 偏波無依存型光装置 - Google Patents

Description

この発明は、偏波無依存型光装置に関する。

光加入者系においては、加入者側から局側への光伝送（上り通信）と、局側から加入者側への光伝送（下り通信）を一本の光ファイバで行う必要があり、そのため上り通信及び下り通信を異なる波長の光で行っている。このため、局側及び加入者側の双方で、異なる波長の光を分離する光波長フィルタが必要となる。一般的に光加入者系では、この光波長フィルタと発光素子及び受光素子とを空間光学的に光軸合わせして組み立てることより、光合分波素子として用いている。加入者側で用いられる光合分波素子は加入者側終端装置（ＯＮＵ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｕｎｉｔ）と称される（例えば、特許文献１〜５）。

近年、光波長フィルタとして、光軸合わせを不要とする光導波路型の光波長フィルタが研究されている。この種の光波長フィルタとしては、マッハツェンダ干渉計を用いたもの、方向性結合器を用いたもの、グレーティングを用いたもの等が知られている。

方向性結合器を用いた光波長フィルタは、透過域内での波長依存性が大きいため、光源から照射される光の波長誤差に弱い。また、素子のサイズが数百μｍオーダーとなり、小型化が難しい。

グレーティングを用いた光波長フィルタでは、用いるグレーティングの反射効率を高めれば、透過域内での透過率を一定とすることができる。しかし、グレーティングの反射効率を高めるためには、グレーティングの周期を、分離する光の波長の１／２以下の寸法とする必要があるため、充分な寸法精度でグレーティングを作成することが難しい。

マッハツェンダ干渉計を用いた光波長フィルタは、光回路理論を用いて波長特性を設計できるという利点を有している。

米国特許明細書 第４８６０２９４号 米国特許明細書 第５７６４８２６号 米国特許明細書 第５９６０１３５号 米国特許明細書 第７０７２５４１号 特開平８−１６３０２８号公報

しかしながら、導波路寸法がサブミクロンオーダであるＳｉ細線光導波路を用いてマッハツェンダ型光波長フィルタを作成した場合、等価屈折率や結合係数の波長依存性が大きいために、ＯＮＵの設計が難しくなってしまう。また、Ｓｉ細線光導波路を用いたマッハツェンダ型光波長フィルタは、偏波依存性が極めて大きく、ＴＥ成分及びＴＭ成分のどちらか一方の偏波成分しか利用することができなかった。

この発明は上述した問題点に鑑みなされたものである。従って、この発明の目的は、Ｓｉ細線光導波路で形成された光波長フィルタに好適に用いられる光装置であって、偏波無依存型光装置を提供することにある。

上述した目的の達成を図るために、この発明の偏波無依存型光装置は、方向性結合器及び方向性結合器に光学的に接続された光干渉器を備えた光素子を基板の第１主面側に備えていて、方向性結合器及び光干渉器の両者は、共通のリッジ形光導波路を用いて形成されている。

ここで、リッジ形光導波路は、第１主面側に積層された第１及び第２クラッドと、第１及び第２クラッド間に介在するコアとを備えている。

このコアは、平行平板状に延在する平面導波路部と、コアを伝播する光の光伝播方向に直交する横断面が矩形状であり、平面導波路部から突出した凸条としてのリッジ部とが一体に形成されているとともに、コアが、下記３条件を満たすように形成されている。

（１）リッジ部の横断面において、第１主面に平行かつ前記光伝播方向に直交する方向に沿った長さであるリッジ幅を、コアの下面とリッジ部の上面との間の距離である全厚みよりも小さくし、さらに、方向性結合器の結合長をＴＥ及びＴＭ偏波で等しくし、且つ、光干渉器の等価屈折率をＴＥ及びＴＭ偏波で等しくするような寸法にリッジ幅と、リッジ部の下面と上面との間の距離であるリッジ高さとを設定する。

（２）リッジ高さが、リッジ幅よりも小さい。

（３）平面導波路部の下面と上面との間の距離である平面導波路部厚みが、全厚みの１／４以下である。

上述の偏波無依存型光装置の好適な実施態様によればコアを構成する材料の屈折率を、第１及び第２クラッドの両者を構成する材料よりも４０％以上大きくするのがよい。

さらに、コアを構成する材料をＳｉとし、並びに、第１及び第２クラッドを構成する材料をＳｉＯ_２とすることが好ましい。

上述の偏波無依存型光装置の別の好適な実施態様によれば、光素子を、２個の方向性結合器と、２個の方向性結合器の間を光学的に接続する有限の光路長差を有する２本のリッジ形光導波路を備えた光干渉器とを有するマッハツェンダ干渉計とするのがよい。

上述の偏波無依存型光装置のさらに別の好適な実施態様によれば、光素子を、直列に接続された第１〜第２ｎマッハツェンダ干渉計（ただし、ｎは１以上の整数。）をもって構成し、第（ｎ−ｉ＋１）マッハツェンダ干渉計（ただし、ｉは、１≦ｉ≦ｎの整数）における光路長差である第（ｎ−ｉ＋１）光路長差と、第（ｎ＋ｉ）マッハツェンダ干渉計における光路長差である第（ｎ＋ｉ）光路長差の和を０（ゼロ）とするように、第１〜第２ｎマッハツェンダ干渉計を配置するのがよい。

この発明によれば、Ｓｉ細線光導波路で形成された光波長フィルタに好適に用いられる光装置であって、偏波無依存な偏波無依存型光装置が得られる。

実施形態の偏波無依存型光装置の構造を模式的に示す斜視図である。 図１に示す実施形態の偏波無依存型光装置の構造を模式的に示す平面図である。 （Ａ）は、実施形態の偏波無依存型光装置に使用される光干渉器の等価屈折率及び方向性結合器の結合長の両者を共に偏波無依存とするリッジ幅Ｗとリッジ高さＳとの関係を示す特性図であり、（Ｂ）は、その方向性結合器の部分におけるコアの切断端面を模式的に示しており、（Ａ）の理解に資するための模式図である。 （Ａ）は、実施形態の偏波無依存型光装置に使用される光干渉器の等価屈折率及び方向性結合器の結合長の両者を共に偏波無依存とするリッジ高さＳ及びリッジ幅Ｗと、全厚みＨとの関係を示す特性図であり、（Ｂ）は、その方向性結合器の部分におけるコアの切断端面を模式的に示しており、（Ａ）の理解に資するための模式図である。 （Ａ）は、チャネル型光導波路で構成された方向性結合器の切断端面をＴＭ波の分布とともに示す模式図であり、及び（Ｂ）は、チャネル型光導波路で構成された方向性結合器の切断端面をＴＥ波の分布とともに示す模式図である。 （Ａ）は、図１に示す偏波無依存型光装置の応用例としての波長フィルタの構造を模式的に示す平面図であり、（Ｂ）は、波長フィルタの動作特性を示す特性図である。 （Ａ）は、図１に示す偏波無依存型光装置の変形例としての光スイッチの構造を概略的に示す平面図であり、（Ｂ）は、図１に示す偏波無依存型光装置の変形例としてのリング共振器の構造を概略的に示す平面図である。

以下、図面を参照して、この発明の実施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。

以下、図面を参照して、この実施形態の偏波無依存型光装置の一例について説明する。

（構造）
図１は、実施形態の偏波無依存型光装置の構造を模式的に示す斜視図である。図２は、図１に示す偏波無依存型光装置の構造を模式的に示す平面図である。なお、以下の説明において、偏波無依存型光装置を単に光装置と省略することもある。また、図１及び図２において、リッジ部３０は、第１及び第２クラッド２２及び２４中に埋設されており、直接目視することはできないが、強調して示すために、実線で描いて示してある。

光装置１０は、基板１２の第１主面１２ａ側に、方向性結合器１４ａ及び１４ｂと、これらの方向性結合器１４ａ及び１４ｂに光学的に接続された光干渉器１６とを備えた光素子としてのマッハツェンダ干渉計１８を有している。そして、これら方向性結合器１４ａ及び１４ｂと光干渉器１６の両者は、共通のリッジ形光導波路２０を用いて形成されている。なお、通常は、光装置１０は、上述したマッハツェンダ干渉計１８の入力側に入力部１９を備えるとともに、出力側に出力部２１を備えている（図２参照）。

（リッジ形光導波路）
以下、主に図１を参照して、リッジ形光導波路２０の構造について説明する。

リッジ形光導波路２０は、第１主面１２ａ側に積層された第１及び第２クラッド２２及び２４と、第１及び第２クラッド２２及び２４の間に介在するコア２６とを備えている。

第１クラッド２２は、基板１２の第１主面１２ａ上に、全面にわたって形成された層状体である。この実施形態に示す例では、第１クラッド２２は、好ましくは、例えば屈折率が１．５９であるＳｉＯ_２を材料として形成されている。第１クラッド２２の第１主面１２ａに垂直に測った厚みは、コア２６を伝播する光が基板１２に漏れ出すのを防ぐために、好ましくは、例えば約１μｍ以上の大きさとするのがよい。

第２クラッド２４は、第１クラッド２２の上面に設けられたコア２６を埋め込むように、コア２６の全面にわたって形成された層状体である。この実施形態に示す例では、第２クラッド２４は、第１クラッド２２と同様に、好ましくは、例えば屈折率が１．４６であるＳｉＯ_２を材料として形成されている。

コア２６は、平行平板状に延在する平面導波路部２８と、コア２６を伝播する光の光伝播方向に直交する横断面が矩形状であり、平面導波路部２８から突出した凸条としてのリッジ部３０とが一体に形成されている。

リッジ部３０は、個別の第１及び第２サブリッジ部３０Ｘ及び３０Ｙを備えている。図２を参照して後述するように、リッジ部３０、従って第１及び第２サブリッジ部３０Ｘ及び３０Ｙのそれぞれは、光装置１０の入力部１９、マッハツェンダ干渉計１８及び出力部２１をそれぞれ構成する、この順に連続接続されたリッジ区間部を備えている。なお、以下の説明において、説明に支障がない限り、第１及び第２サブリッジ部３０Ｘ及び３０Ｙを総称してリッジ部３０として説明する。

コア２６は、好ましくは、例えば第１及び第２クラッド２２及び２４の両者を構成する材料の屈折率よりも４０％以上大きい屈折率を有する材料で形成するのがよい。この実施形態に示す例では、コア２６は、好ましくは、例えば屈折率が３．４９のＳｉを用いて形成するのがよい。

ここで、コア２６の下面、すなわち平面導波路部２８の下面２８ｂと、リッジ部３０の上面３０ａとの間の距離を「全厚みＨ」と称する。この実施形態に示す例では、全厚みＨは、好ましくは、例えば約０．４μｍとするのがよい。

平面導波路部２８は、第１クラッド２２の上面に一定の厚みｈで平面的に延在する平面型光導波路である。ここで、平面導波路部２８の厚みｈは、平面導波路部２８の上面２８ａと下面２８ｂとの間の距離のことである。以降、平面導波路部２８の厚みｈを、「平面導波路部厚みｈ」と称する。この実施形態に示す例では、平面導波路部厚みｈは、好ましくは、例えば約０．０７μｍとするのがよい。

リッジ部３０は、既に説明した通り、コア２６を伝播する光の光伝播方向に直交する横断面が矩形状であり、平面導波路部２８の上面２８ａから突出した凸条であり、第１及び第２サブリッジ部３０Ｘ及び３０Ｙとして２本形成されている。リッジ部３０は、平面導波路部２８と同材料を用いて、平面導波路部２８と一体に形成されている。

ここで、リッジ部３０の上面３０ａと下面３０ｂとの間の距離を「リッジ高さＳ」と称する。リッジ高さＳは、リッジ部３０の場所によらず一定の値をとる。この実施形態に示す例では、リッジ高さＳは、好ましくは、例えば約０．３３μｍとするのがよい。なお、リッジ高さＳと平面導波路部厚みｈと全厚みＨとの間には、Ｈ＝ｈ＋Ｓなる関係が成り立つ。

同様に、リッジ部３０の横断面において、第１主面１２ａに平行かつ光伝播方向に直交する方向に沿った長さをリッジ幅Ｗとする。リッジ幅Ｗは、リッジ部３０の場所によらず一定の値をとる。この実施形態に示す例では、リッジ幅Ｗは、好ましくは、例えば約０．３７μｍとするのがよい。

リッジ部３０は、コア２６において、言わば厚みが厚くなっている部分である。つまり、リッジ部３０の等価屈折率は、平面導波路部２８の等価屈折率よりも大きい。従って、光がリッジ形光導波路２０を伝播する際には、主にリッジ部３０に沿って伝播することとなる。

詳しくは（設計条件）の項で後述するが、光装置１０を偏波に依存しないようにするためには、以下の３条件を同時に満たす必要がある。この条件を、以下、「偏波無依存条件」と称する。

（偏波無依存条件１）リッジ幅Ｗが、全厚みＨよりも小さい。

（偏波無依存条件２）リッジ高さＳが、リッジ幅Ｗよりも小さい。

（偏波無依存条件３）平面導波路部厚みｈが、全厚みＨの１／４以下である。

（マッハツェンダ干渉計）
続いて、主に図２を参照して、光素子としてのマッハツェンダ干渉計１８の構造及び動作について簡単に説明する。

マッハツェンダ干渉計１８は、既に説明したように入力部１９に接続された方向性結合器１４ａと、出力部２１に接続された方向性結合器１４ｂと、両方向性結合器１４ａ及び１４ｂ間に接続された光干渉器１６とを備えている。

方向性結合器１４ａは、光結合可能な間隔を空けて平行に配置された第１及び第２サブリッジ部３０Ｘ及び３０Ｙのそれぞれのリッジ区間部３０ａ１及び３０ａ２から構成されている。方向性結合器１４ａの第１サブリッジ部３０Ｘのリッジ区間部３０ａ１の一端は、入力部１９の第１サブリッジ部３０Ｘのリッジ区間部３０ｄ１と接続されており、他端は、光干渉器１６の第１サブリッジ部３０Ｘのリッジ区間部３０ｃ１の一端と接続されている。方向性結合器１４ａの第２サブリッジ部３０Ｙのリッジ区間部３０ａ２の一端は、入力部１９の第２サブリッジ部３０Ｙのリッジ区間部３０ｄ２と接続されており、他端は、光干渉器１６の第２サブリッジ部３０Ｙのリッジ区間部３０ｃ２と接続されている。

同様に方向性結合器１４ｂは、光結合可能な間隔を空けて平行に配置された第１及び第２サブリッジ部３０Ｘ及び３０Ｙのリッジ区間部３０ｂ１及び３０ｂ２から構成されている。方向性結合器１４ｂの第１サブリッジ部３０Ｘのリッジ区間部３０ｂ１の一端は、光干渉器１６の第１サブリッジ部３０Ｘのリッジ区間部３０ｃ１の他端と接続されており、リッジ区間部３０ｂ１の他端は、出力部２１の第１サブリッジ部３０Ｘのリッジ区間部３０ｅ１と接続されている。方向性結合器１４ｂの第２サブリッジ部３０Ｙのリッジ区間部３０ｂ２の一端は、光干渉器１６の第２サブリッジ部３０Ｙのリッジ区間部３０ｃ２の他端と接続されており、リッジ区間部３０ｂ２の他端は、出力部２１の第２サブリッジ部３０Ｙのリッジ区間部３０ｅ２と接続されている。

詳しくは（設計条件）の項で後述するが、方向性結合器１４ａを構成するリッジ区間部３０ａ１及び３０ａ２の間の間隔、すなわち互いに向かい合うリッジ区間部３０ａ１の側面とリッジ区間部３０ａ２の側面との間の距離（以下、「リッジ間隔Ｇ」と称する。）は、好ましくは、例えば約０．３μｍとするのがよい。なお、リッジ間隔Ｇの値は、方向性結合器１４ｂでも同様である。なお、方向性結合器１４ａと１４ｂにおいて、リッジ区間部３０ａ１及び３０ａ２とリッジ区間部３０ｂ１及び３０ｂ２の対向長は同一であっても或いは異なっていてもよく、設計に応じた対向長とすればよい。

光干渉器１６は、２個の方向性結合器１４ａ及び１４ｂの間の領域であり、これらの方向性結合器１４ａ及び１４ｂの間を光学的に接続する有限の光路長差ΔＬを有する２本の湾曲したリッジ区間部３０ｃ１及び３０ｃ２で構成されている。なお、光路長差ΔＬとは、リッジ区間部３０ｃ１の光路長からリッジ区間部３０ｃ２の光路長を差し引いた値とする。

以上をまとめると、マッハツェンダ干渉計１８においては、方向性結合器１４ａを構成するリッジ区間部３０ａ１と、光干渉器１６を構成するリッジ区間部３０ｃ１と、方向性結合器１４ｂを構成するリッジ区間部３０ｂ１とが一本に接続されて光導波路を構成している。同様に、方向性結合器１４ａを構成するリッジ区間部３０ａ２と、光干渉器１６を構成するリッジ区間部３０ｃ２と、方向性結合器１４ｂを構成するリッジ区間部３０ｂ２とが一本に接続されて光導波路を構成している。

従来公知のようにマッハツェンダ干渉計１８は、光波長フィルタとして用いることができる。つまり、マッハツェンダ干渉計１８において、光干渉器１６におけるリッジ部３０の部分領域すなわちリッジ区間部３０ｃ１及び３０ｃ２の光路長差ΔＬを適当に設定することにより、異なる波長の光を分離することができる。

以下、この点についてより詳細に説明する。

今、波長が異なる２種類の光を混合した混合光が、入力部１９を介して方向性結合器１４ａのリッジ区間部３０ａ１に入力されたとものとする。この混合光は、方向性結合器１４ａを光干渉器１６に向けて伝播する。ところで、方向性結合器１４ａにおいては、第１及び第２サブリッジ部３０Ｘ及び３０Ｙの部分領域である２本のリッジ区間部３０ａ１及び３０ａ２が光結合可能な間隔で近接配置されている。その結果、これらの２種類の光は、伝播の過程でリッジ区間部３０ａ１からリッジ区間部３０ａ２へとパワー移行が発生し、両リッジ区間部３０ａ１及び３０ａ２を等しいパワーで伝播する。

このようにして、両リッジ区間部３０ａ１及び３０ａ２に等分配された光は、光干渉器１６のリッジ区間部３０ｃ１及び３０ｃ２へと伝播する。光路長が異なる光干渉器１６のリッジ区間部３０ｃ１及び３０ｃ２を伝播する過程で、これらの光には光の波長に応じた位相差が導入される。

その結果、これらの光が方向性結合器１４ｂに至ったときに、光干渉器１６で導入された位相差に応じた相互作用が生じる。ところで、光に導入される位相差は、光の波長により異なっている。よって、光干渉器１６における光路長差ΔＬを適当に設定することにより、この相互作用の結果として、一方の波長の光を方向性結合器１４ｂのリッジ区間部３０ｂ１を介して出力部２１のリッジ区間部３０ｅ１から出力させ（バー状態）、及び他方の波長の光を方向性結合器１４ｂのリッジ区間部３０ｂ２を介して出力部２１のリッジ区間部３０ｅ２から出力させる（クロス状態）ことができる。つまり、マッハツェンダ干渉計１８により、第１サブリッジ部３０Ｘのリッジ区間部３０ａ１に入力した混合光を波長分離して取り出すことができる。

（設計条件）
次に、図３及び図４を参照して、光装置の設計条件、より詳細にはリッジ形光導波路２０の満たすべき寸法条件について説明する。図３（Ａ）は、光干渉器の等価屈折率及び方向性結合器の結合長の両者を偏波無依存とするリッジ幅Ｗとリッジ高さＳとの関係を示す特性図である。図３（Ｂ）は、方向性結合器１４ａの部分におけるコア２６の切断端面を模式的に示しており、図３（Ａ）の理解に資するための模式図である。

図４（Ａ）は、光干渉器の等価屈折率及び方向性結合器の結合長の両者を共に偏波無依存とするリッジ高さＳ及びリッジ幅Ｗと、全厚みＨとの関係を示す特性図である。図４（Ｂ）は、方向性結合器１４ａの部分におけるコア２６の切断端面を模式的に示しており、図４（Ａ）の理解に資するための模式図である。

なお、図３（Ａ）及び図４（Ａ）の特性図を得るに当たっては、光加入者系で一般的に用いられる波長１．３１μｍの光と波長１．４９μｍの光のうち、波長１．４９μｍの光について計算を行っている。なお、波長１．４９μｍの光を採用した理由については後述する。また、計算法としては有限要素法を共通に用いている。さらに、リッジ形光導波路２０の屈折率の波長依存性を考慮するために、Ｓｉの屈折率を計算するに当たっては、セルマイヤの式を適用している。

まず、図３（Ａ）について説明する。図３（Ａ）において、縦軸はリッジ幅Ｗ（μｍ）を示し、及び横軸はリッジ高さＳ（μｍ）を示している。図３（Ａ）を得るに当たっては、コア２６の全厚みＨを０．４μｍに固定し、リッジ幅Ｗとリッジ高さＳ（平面導波路部厚みｈ）とを変化させている。

図３（Ａ）には、３本の曲線が描かれている。曲線Ｉは、図３（Ｂ）に示すように、方向性結合器１４ａを構成する両リッジ区間部３０ａ１及び３０ａ２の中心軸間距離Ｇｃを０．６μｍとしたときの、方向性結合器１４ａの結合長を偏波無依存とするリッジ幅Ｗとリッジ高さＳの関係を示している。つまり、方向性結合器１４ａにおいて、ＴＥ波とＴＭ波とで結合長を等しくするリッジ幅Ｗとリッジ高さＳとをプロットしている。なお、ここで、中心軸間距離Ｇｃとは、図３（Ｂ）に示すように、両リッジ区間部３０ａ１及び３０ａ２の光伝播方向に沿った中心軸間の距離を示し、これは、第１及び第２サブリッジ部３０Ｘ及び３０Ｙの同様な中心間距離でもある。

曲線ＩＩは、中心軸間距離Ｇｃを０．７μｍとしたときの、方向性結合器１４ａの結合長を偏波無依存とするリッジ幅Ｗとリッジ高さＳの関係を示している。

曲線ＩＩＩは、光干渉器１６において等価屈折率を偏波無依存とする、すなわち、ＴＥ波とＴＭ波とで光干渉器１６の等価屈折率が等しくなるリッジ幅Ｗとリッジ高さＳの関係を示している。

図３（Ａ）を参照すると、曲線Ｉ及び曲線ＩＩと、曲線ＩＩＩとは交差点を有している。つまり、この交差点で与えられるリッジ幅Ｗとリッジ高さＳにおいて、方向性結合器１４ａ及び光干渉器１６の両者は偏波無依存となり、従って、光装置１０において偏波無依存性が達成されることが分かる。

また、曲線ＩＩＩに着目すると、光干渉器１６におけるリッジ幅Ｗは、リッジ高さＳが増加するとともに、全厚みＨ（０．４μｍ）に漸近していくことが分かる。リッジ幅Ｗがこのような傾向を示す理由は、断面形状が正方形状の場合に偏波無依存性を示すことが知られているＳｉ製チャネル型光導波路の断面形状に、リッジ形光導波路２０の断面形状が近づいていくからである。

このことから、光装置１０を構成するリッジ形光導波路２０においては、「リッジ幅Ｗは、全厚みＨよりも小さい」という上述した（偏波無依存条件１）が導き出される。

また、曲線Ｉ及びＩＩに着目すると、方向性結合器１４ａの結合長を偏波無依存とするリッジ幅Ｗは、リッジ高さＳが増加するに従って、小さくなっていく傾向が見られる。以下、この傾向が生じる理由について説明する。

一般に、ＴＭ波では、リッジ幅Ｗとリッジ高さＳの変化に対して方向性結合器１４ａの結合長の変化割合は小さく、リッジ幅Ｗが大きくなるほど結合長は僅かに短くなっていく傾向が見られる。それに対して、ＴＥ波では、リッジ幅Ｗ及びリッジ高さＳが増加すると、方向性結合器１４ａの結合長も増加する傾向が見られる。つまり、ＴＥ波の方がＴＭ波よりもリッジ高さＳの変化に対して結合長の変化が大きい。

これらの傾向から、曲線Ｉ及びＩＩに示すように、ＴＥ波とＴＭ波とで方向性結合器１４ａにおける結合長が一致するリッジ幅Ｗは、リッジ高さＳが大きくなると減少するものと考えられる。

上述したように、ＴＥ波の方がＴＭ波よりもリッジ高さＳの変化に対して結合長の変化が大きいのは、ＴＥ波の方がＴＭ波よりも平面導波路部２６での光界分布が大きいためであると考えられる。つまり、リッジ高さＳが変化することにより、平面導波路部２８におけるＴＥ波の光界分布が大きく影響を受けるために、ＴＥ波の方が結合長の変化が大きいものと考えられる。

また、方向性結合器１４ａにおいて、両リッジ区間部３０ａ１及び３０ａ２の間の間隙での光界分布は、ＴＥ波とＴＭ波とで異なっている。従って、両リッジ区間部３０ａ１及び３０ａ２の中心軸間距離Ｇｃの大きさにより、偏波無依存となるリッジ幅Ｗ及びリッジ高さＳは異なっている。曲線Ｉ及びＩＩを参照すると、中心軸間距離Ｇｃが小さいほど偏波無依存となるリッジ幅Ｗは小さくなる。その結果、曲線ＩＩＩとの交差点で表わされる光干渉器１６の等価屈折率を偏波無依存とするのに必要なリッジ高さＳは、中心軸間距離Ｇｃが小さくなるほど小さくなる。

続いて、図４（Ａ）について説明する。図４（Ａ）において、縦軸は、リッジ高さＳ（μｍ）及びリッジ幅Ｗ（μｍ）を共通に示しており、横軸は、全厚みＨ（μｍ）示している。

図４（Ａ）は、言わば、全厚みＨを０．４μｍで固定していた図３（Ａ）の交差点において、今度は全厚みＨを変数として変化させて、光共振器１６の等価屈折率と方向性結合器１４ａの結合長とを偏波無依存とするリッジ幅Ｗとリッジ高さＳとをプロットしたものに相当する。

なお、図４（Ａ）においては、方向性結合器１４ａの両リッジ区間部３０ａ１及び３０ａ２間の距離を表わすパラメータとして、図３（Ａ）の中心間距離Ｇｃに代えて、両リッジ区間の対向する側面間の距離、すなわちリッジ間隔Ｇを用いている（図４（Ｂ）参照）。図４（Ａ）においては、リッジ間隔Ｇは０．３μｍとしている。このリッジ間隔Ｇの値（０．３μｍ）は、半導体製造プロセスを応用して作成可能な最小の大きさである。

図４（Ａ）には２本の曲線が描かれている。曲線Ｉは、リッジ幅Ｗを表わしている。曲線ＩＩは、リッジ高さＳを表わしている。

図４（Ａ）より、上述した偏波無依存条件２及び３が導き出される。すなわち、リッジ幅Ｗを表わす曲線Ｉの方が、リッジ高さＳを表わす曲線ＩＩよりも計算を行った全ての全厚みＨで大きくなっている。このことから、上述した「リッジ高さＳが、リッジ幅Ｗよりも小さい。」という偏波無依存条件２が導き出される。

また、図４（Ａ）からは、全厚みＨ−リッジ高さＳという計算により平面導波路部厚みｈを求めることができる（ｈ＝Ｈ−Ｓ）。このようにして求めた平面導波路部厚みｈを全厚みＨと比較することにより、「平面導波路部厚みｈが、全厚みＨの１／４以下である。」という偏波無依存条件３が導き出される。

また、図４（Ａ）を用いての高次モード計算より、図４（Ａ）に示したコア２６の寸法及び光の波長（１．４９μｍ）では、全厚みＨが０．４μｍ以下の場合に、リッジ形光導波路２０がシングルモードとなることが明らかとなった。

ここで、図３（Ａ）及び図４（Ａ）を求める、すなわち光装置１０の具体的な寸法を設計するに当たって、波長１．４９μｍの光を採用した理由について説明する。

光装置１０を単結晶シリコンで形成した場合、ＯＮＵに用いる波長範囲（１．３１〜１．４９μｍ）では、方向性結合器１４ａ及び１４ｂの波長依存性が大きく、結合長に４倍程度の差が生じる。つまり、１．３１μｍの波長は、１．４９μｍの波長の光に比べて、結合が非常に弱い。

よって、結合が弱い波長１．３１μｍの光をバー状態で出力させるのが設計上有利である。このように設計した場合、波長１．４９μｍの光はクロス状態で出力させる必要がある。ところで、一般に、マッハツェンダ干渉計においては、クロス状態を消光比よく出力させるためには、結合長を厳密に設定する必要があることが知られている。一方、バー状態は、結合長を厳密に設定しなくとも消光比よく出力されることが知られている。

これが、光装置１０の設計を波長１．４９μｍの光についてのみ行った理由である。

（方向性結合器が偏波無依存となる原理）
次に、図５を参照してこの実施形態の光装置１０の方向性結合器１４ａ及び１４ｂが偏波無依存で動作する原理について説明する。

図５（Ａ）は、チャネル型光導波路で構成された方向性結合器の切断端面をＴＭ波の分布とともに示す模式図である。図５（Ｂ）は、チャネル型光導波路で構成された方向性結合器の切断端面をＴＥ波の分布とともに示す模式図である。

図５（Ａ）及び（Ｂ）を参照すると、方向性結合器８０は、基板８１の第１主面８１ａ側に設けられたクラッド８３中に形成された２本のチャネル型光導波路８２及び８４が光結合可能な距離に近接配置されて構成されている。ここで、チャネル型光導波路８２にＴＥ波及びＴＭ波が入力されたものとする。

図５（Ａ）に示すように、ＴＭ波はチャネル型光導波路８２において、基板８１の第１主面８１ａに垂直な方向に広がったエバネッセント光ＴＭを有している。一方、ＴＥ波は、図５（Ｂ）に示すように、基板８１の第１主面８１ａに平行な方向に広がったエバネッセント光ＴＥを有している。

ところで、方向性結合器８０において一方のチャネル型光導波路８２から他方のチャネル型光導波路８４への光の移行速度は、他方のチャネル型光導波路８４におけるエバネッセント光ＴＥ又はＴＭの重なり合いに依存している。従って、この場合には、他方のチャネル型光導波路８４におけるエバネッセント光の幅が大きいＴＭ波の方がＴＥ波よりも移行速度が大きくなる。つまり、この例では、偏波無依存は達成されていない。

この傾向は、この実施形態で示したようなＳｉをコア材料とした光導波路で特に顕著に現れる。その理由は、（１）Ｓｉは屈折率が大きいため、外部のクラッドとの屈折率差が非常に大きくなること、（２）また、コアの寸法が光の波長以下であり、エバネッセント光の広がりが大きくなる、という２点である。

この実施形態の光装置１０においては、光導波路として平面導波路部２８を有するリッジ形光導波路２０を採用することにより、偏波無依存性を達成している。

つまり、方向性結合器１４ａにおいて、平面導波路部２８の厚みを適切に設定することで、一方のリッジ部３０ａ１に入力されたＴＥ波及びＴＭ波のエバネッセント光の、他方のリッジ部３０ａ２ｂにおける強度を等しくしている。その結果、上述したような理由により方向性結合器１４ａ及び１４ｂにおいて偏波無依存が達成される。

（効果）
次に、表１及び表２を参照して、この実施形態の光装置１０の効果について説明する。

表１及び２は、光加入者系で一般的に用いられる波長１．４９μｍと波長１．３１μｍの光のそれぞれについて、ＴＥ波とＴＭ波とが感じる光装置１０の等価屈折率を有限要素法により算出した結果を示したものである。

表１及び表２において、Ｎ_ｅｆｆ０は、両波長の光に関して、固有モード定数ｍが０（ゼロ）の対称モード光が感じる方向性結合器１４ａにおける等価屈折率を、偏波ごとに求めたものである。Ｎ_ｅｆｆ１は、両波長の光に関して、固有モード定数ｍが１の反対称モード光が感じる方向性結合器１４ａにおける等価屈折率を、偏波ごとに求めたものである。ｄＮ_ｅｆｆは、上述のＮ_ｅｆｆ０とＮ_ｅｆｆ１との差の絶対値を求めたものである。Ｌｃは、Ｎ_ｅｆｆ０，Ｎ_ｅｆｆ１及びｄＮ_ｅｆｆの値を元にして方向性結合器１４ａの結合長を求めたものである。Ｎ_ｅｆｆａは、光干渉器１６における等価屈折率を、偏波ごとに求めたものである。

ｄＮ_ｅｆｆ／ｄＷは、リッジ幅Ｗを変化させたときの等価屈折率Ｎ_ｅｆｆの変化率を求めたものであり、リッジ幅Ｗの寸法誤差により等価屈折率Ｎ_ｅｆｆが受ける影響を評価するためのものである。ｄＬｃ／ｄＷは、リッジ幅Ｗを変化させたときの結合長Ｌｃの変化率を求めたものであり、リッジ幅Ｗの寸法誤差により結合長Ｌｃが受ける影響を評価するためものである。ｄＬｃ／ｄＳは、リッジ高さＳを変化させたときの結合長Ｌｃの変化率を求めたものであり、リッジ高さＳの寸法誤差により結合長Ｌｃが受ける影響を評価するためものである。

なお、表１及び表２に示す結果を求めるに当たって用いた光装置１０は、上述した偏波無依存条件１〜３と図４（Ａ）に示した寸法条件とを満たしている。すなわち、光装置１０は、全厚みＨを０．４μｍとし、リッジ高さＳを０．３３μｍとし、リッジ幅Ｗを０．３７μｍとし、及びリッジ間隔Ｇを０．３μｍとしている。

表１及び２のＬｃを参照すると、両波長の光について、この光装置１０では、方向性結合器１４ａの結合長の偏波間の差が６％以内に抑えられていることが分かる。また、表１及び２のＮ_ｅｆｆａを参照すると、この光装置１０では、光干渉器１６における透過屈折率の偏波間の差が１％以内に抑えられていることが分かる。

これらのことから、この実施形態の光装置１０は、実用上充分な程度に偏波無依存を達成していることが分かる。

また、表１及び２のｄＮ_ｅｆｆ／ｄＷ及びｄＬｃ／ｄＷを参照すると、方向性結合器１４ａ及び１４ｂにおける等価屈折率Ｎ_ｅｆｆ及び結合長Ｌｃのリッジ幅Ｗの寸法誤差による影響は、従来のサブミクロンサイズのＳｉ光導波路を用いた場合の約１／２程度の値となっていることが分かる。また、表１のｄＬｃ／ｄＳを参照すると、方向性結合器１４ａ及び１４ｂの結合長Ｌｃのリッジ高さＳの寸法誤差による影響は、従来のサブミクロンサイズのＳｉ光導波路を用いた場合と略同等の値となっている。これらことから、この実施形態の光装置１０は、従来の光装置に比較して寸法誤差の影響を受けにくく、それゆえ容易に製造できることができる。

また、この実施形態の光装置１０は、方向性結合器１４ａ及び１４ｂと光干渉器１６とで、リッジ形光導波路２０におけるリッジ部３０の寸法が変化しない。よって、方向性結合器と光干渉器との間で光導波路の寸法を変える必要があった従来技術に比較して、光装置１０は、より簡単に、かつ寸法精度良く製造することができる。

（応用例）
次に、図６（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、この実施形態の光装置１０の応用例について説明する。図６（Ａ）は、光装置１０の応用例としての波長フィルタの構造を模式的に示す平面図である。図６（Ｂ）は、この波長フィルタの動作特性を示す特性図である。

図６（Ａ）を参照すると、光素子としての波長フィルタ４０は、正の整数としてのｎを１としたときに、第１及び第２ｎ（＝２×１）マッハツェンダ干渉計４２及び４８を備えており、第（ｎ−ｉ＋１）（＝１−１＋１＝１）マッハツェンダ干渉計４２（ただし、ｉは、１≦ｉ≦ｎの整数）における光路長差である第１光路長差ΔＬ１と、第（ｎ＋ｉ）（＝１＋１＝２）マッハツェンダ干渉計４８における光路長差である第２光路長差ΔＬ２の和を０（ゼロ）とするように、第１及び第２マッハツェンダ干渉計４２及び４８が配置されている。

この応用例の波長フィルタ４０は、言わば、既に説明したマッハツェンダ干渉計１８と同じ構成の第１及び第２マッハツェンダ干渉計４２及び４８を、光干渉器の向きを変えて直列に接続した構成を有している。換言すれば、波長フィルタ４０は、第１及び第２マッハツェンダ干渉計４２及び４８を、両者の接続点を対称中心として点対称な関係で配置したとも言うことができる。従って、以下の記述においては、主にマッハツェンダ干渉計１８との相違点を中心に波長フィルタ４０の説明を行う。

第１及び第２マッハツェンダ干渉計４２及び４８は、それぞれ共通したリッジ部、すなわち第１及び第２サブリッジ部Ｒ１及びＲ２から構成されている。なお、第１及び第２サブリッジ部Ｒ１及びＲ２の基板面に平行でかつ光の伝播方向に直交する面での横断面形状は矩形状であって、矩形の寸法は一定で互いに等しいとする。

第１マッハツェンダ干渉計４２は、２個の第１方向性結合器４４ａ及び４４ｂと、第１方向性結合器４４ａ及び４４ｂの間を光学的に接続する第１光干渉器４６とを備えている。

第１光干渉器４６は光路長が異なる２本のリッジ区間部すなわち第１サブリッジ部Ｒ１のリッジ区間部Ｒ１_１１及び第２サブリッジ部Ｒ２のリッジ区間部Ｒ２_１２から構成されている。ここで、リッジ区間部Ｒ１_１１の光路長をＬＲ１_１１とし、及びリッジ区間部Ｒ２_１２の光路長をＬＲ２_１２と規定する。すると、図６（Ａ）に示す例では、第１光干渉器４６の部分において、ＬＲ１_１１＜ＬＲ２_１２なる関係が成り立つ。

第２マッハツェンダ干渉計４８は、２個の第２方向性結合器５０ａ及び５０ｂと、第２方向性結合器５０ａ及び５０ｂの間を光学的に接続する第２光干渉器５２とを備えている。

第２光干渉器５２は光路長が異なる２本のリッジ区間部すなわち第１サブリッジ部Ｒ１のリッジ区間部Ｒ１_２１及び第２サブリッジ部Ｒ２のリッジ区間部Ｒ２_２２から構成されている。ここで、リッジ区間部Ｒ１_２１の光路長をＬＲ１_２１とし、及びリッジ区間部Ｒ２_２２の光路長をＬＲ２_２２と規定する。すると、図６（Ａ）に示す例では、第２光干渉器５２の部分において、ＬＲ２_２２＜ＬＲ１_２１なる関係が成り立つ。

ここで、第１光干渉器４６において、両リッジ区間部Ｒ１_１１及びＲ２_１２の光路長差を第１光路長差ΔＬ１と称し、第１サブリッジ部Ｒ１側の光路長から第２サブリッジ部Ｒ２側の光路長を差し引いた値、すなわちΔＬ１＝ＬＲ１_１１−ＬＲ２_１２＝Δｌと定義する。上述のように、ＬＲ１_１１＜ＬＲ２_１２であるので、Δｌは負の値となる。

同様に、第２光干渉器４６において、両リッジ区間部Ｒ１_２１及びＲ２_２２の光路長差を第２光路長差ΔＬ２と称し、第１サブリッジ部Ｒ１側の光路長から第２サブリッジ部Ｒ２側の光路長を差し引いた値、ΔＬ２＝ＬＲ１_２１−ＬＲ２_２２と定義する。上述のように、ＬＲ２_２２＜ＬＲ１_２１であるとともに、第１及び第２マッハツェンダ干渉計４２及び４８は、光干渉器の向きを除いて同様に構成されているので、ΔＬ２の値は−Δｌとなる。

つまり、この波長フィルタ４０では、第１マッハツェンダ干渉計４２における光路長差である第１光路長差ΔＬ１（＝Δｌ）と、第２マッハツェンダ干渉計４８における光路長差である第２光路長差ΔＬ２（＝−Δｌ）の和を０（ゼロ）とするように、第１及び第２マッハツェンダ干渉計４２及び４８が配置されている。

次に、図６（Ｂ）を参照して、この波長フィルタ４０の動作について説明する。図６（Ｂ）は、波長フィルタ４０の第１方向性結合器４４ａ側に波長が１．４９μｍの光と、波長が１．３１μｍの光の混合光を入力し、第２方向性結合器５０ｂ側からバー状態とクロス状態で出力される光の波長分散を示す特性図である。図６（Ｂ）において、縦軸は第２方向性結合器５０ｂ側から出力される光の強度（任意単位）を示し、及び横軸は光の波長を示す。

図６（Ｂ）には、２本の曲線が描かれている。曲線Ｉは、第１方向性結合器４４ａの第１サブリッジ部Ｒ１に混合光を入力し、第２方向性結合器５０ｂの第２サブリッジ部Ｒ２からクロス状態で出力される光の波長分布を示す。曲線ＩＩは、第１方向性結合器４４ａの第１サブリッジ部Ｒ１に混合光を入力し、第２方向性結合器５０ｂの第２サブリッジ部Ｒ２からバー状態で出力される光の波長分布を示す。

なお、波長フィルタ４０の設計条件は波長１．４９μｍの光に対して、第１及び第２光干渉器４６及び５２の次数を１．５とした。また、第１及び第２方向性結合器４４ａ，４４ｂ，５０ａ及び５０ｂのそれぞれの長さを足し合わせた全長を結合長の４倍とした。

図６（Ｂ）を参照すると、曲線Ｉの平坦なピーク領域で表わされるクロス状態の波長帯域は、約１．３１μｍの波長を中心にして約０．１μｍの波長範囲にわたっている。同様に、曲線ＩＩの平坦なピーク領域で表わされるバー状態の波長帯域は、約１．４９μｍの波長を中心にして約０．０５μｍの波長範囲にわたっている。

このように、この波長フィルタ３０は、実用上充分なレベルの波長分離性能を有している。

なお、図６（Ａ）では、波長フィルタ４０が２個のマッハツェンダ干渉計４２及び４８で構成される場合について説明したが、マッハツェンダ干渉計の個数は、偶数個であれば２個に限定されない。

（変形例）
以下、図７（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、光装置の変形例について説明する。図７（Ａ）は、光装置の変形例としての光スイッチの構造を概略的に示す平面図である。図７（Ｂ）は、光装置の変形例としてのリング共振器の構造を概略的に示す平面図である。

図７（Ａ）を参照すると、光スイッチ６０は、リッジ形光導波路２０で構成されていて、リッジ部、すなわち第１サブリッジ部Ｒ１及び第２サブリッジ部Ｒ２を備えている。光スイッチ６０では、これらの第１及び第２サブリッジ部Ｒ１及びＲ２により、２個の方向性結合器６２ａ及び６２ｂと、これらの方向性結合器６２ａ及び６２ｂの間を光学的に接続する光干渉器６４とが形成されている。さらに、光スイッチ６０は、電極６６を備えている。なお、第１及び第２サブリッジ部Ｒ１及びＲ２の基板面に平行でかつ光の伝播方向に直交する面での横断面形状は矩形状であって、矩形の寸法は一定で互いに等しいとする。

光スイッチ６０は、（１）光干渉器６４において、第１及び第２サブリッジ部Ｒ１及びＲ２の光路長が等しい点、（２）及び光干渉器６４において、第１サブリッジ部Ｒ１に電極６６が設けられている点が、既に説明したマッハツェンダ干渉計１８と異なっている。そこで、光スイッチ６０についての詳細な説明を省略する。

この光スイッチ６０は、リッジ形光導波路２０を用いて形成されているので、偏波に依存せず動作する。その結果、電極６６に所定の電圧を印加することにより、偏波無依存で光スイッチング動作を実行させることができる。

図７（Ｂ）を参照すると、リング共振器７０は、リッジ形光導波路２０で構成されていて、第１及び第２サブリッジ部Ｒ１及びＲ２のリッジ部を備えている。リング共振器７０では、第１サブリッジ部Ｒ１により、直線状に延在する光導波路である直線光導波路７２が形成されている。また、第２サブリッジ部Ｒ２により、円環状のリング状光導波路７４が形成されている。

リング状光導波路７４はその周面の一部が直線光導波路７２と光結合可能な間隔を隔てて近接配置されており、この部分において方向性結合器７６が形成されている。

このリング共振器７０は、リッジ形光導波路２０を用いて形成されているので、偏波に依存せず動作する。その結果、偏波無依存な共振器型光フィルタや、共振器型遅延素子として用いることができる。

１０：偏波無依存型光装置
１２：基板
１２ａ：第１主面
１４ａ，１４ｂ，６２ａ，６２ｂ，７６：方向性結合器
１６，６４：光干渉器
１８：マッハツェンダ干渉計
１９：入力部
２０：リッジ形光導波路
２１：出力部
２２：第１クラッド
２４：第２クラッド
２６：コア
２８：平面導波路部
２８ａ，３０ａ：上面
２８ｂ，３０ｂ：下面
３０：リッジ部
３０ａ１，３０ａ２，３０ｂ１，３０ｂ２，３０ｃ１，３０ｃ２，３０ｄ１，３０ｄ２，３０ｅ１，３０ｅ２：リッジ区間部
３０Ｘ：第１サブリッジ部
３０Ｙ：第２サブリッジ部
４０：波長フィルタ
４２：第１マッハツェンダ干渉計
４４ａ，４４ｂ：第１方向性結合器
４６：第１光干渉器
４８：第２マッハツェンダ干渉計
５０ａ，５０ｂ：第２方向性結合器
５２：第２光干渉器
６０：光スイッチ
６６：電極
７０：リング共振器
７２：直線光導波路
７４：リング状光導波路

Claims (5)

1. 方向性結合器及び該方向性結合器に光学的に接続された光干渉器を備えた光素子を基板の第１主面側に備え、
   前記方向性結合器及び光干渉器の両者は、共通のリッジ形光導波路を用いて形成されており、
   該リッジ形光導波路は、前記第１主面側に積層された第１及び第２クラッドと、該第１及び第２クラッド間に介在するコアとを備えており、
   該コアは、平行平板状に延在する平面導波路部と、当該コアを伝播する光の光伝播方向に直交する横断面が矩形状であり、前記平面導波路部から突出した凸条としてのリッジ部とが一体に形成されており、及び
   前記コアが、下記３条件を満たすように形成されている
   ことを特徴とする偏波無依存型光装置。
   （１）前記リッジ部の前記横断面において、前記第１主面に平行かつ前記光伝播方向に直交する方向に沿った長さであるリッジ幅を、前記コアの下面と前記リッジ部の上面との間の距離である全厚みよりも小さくし、さらに、前記方向性結合器の結合長をＴＥ及びＴＭ偏波で等しくし、且つ、前記光干渉器の等価屈折率を前記ＴＥ及びＴＭ偏波で等しくするような寸法に前記リッジ幅と、前記リッジ部の下面と上面との間の距離であるリッジ高さとを設定する。
   （２）前記リッジ高さが、前記リッジ幅よりも小さい。
   （３）前記平面導波路部の下面と上面との間の距離である平面導波路部厚みが、前記全厚みの１／４以下である。
2. 前記コアを構成する材料の屈折率が、第１及び第２クラッドの両者を構成する材料よりも４０％以上大きいことを特徴とする請求項１に記載の偏波無依存型光装置。
3. 前記コアを構成する材料をＳｉとし、並びに、第１及び第２クラッドを構成する材料をＳｉＯ２とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の偏波無依存型光装置。
4. 前記光素子が、
   ２個の前記方向性結合器と、該２個の方向性結合器の間を光学的に接続する有限の光路長差を有する２本の前記リッジ形光導波路を備えた前記光干渉器とを有するマッハツェンダ干渉計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偏波無依存型光装置。
5. 前記光素子が、直列に接続された第１〜第２ｎマッハツェンダ干渉計（ただし、ｎは１以上の整数。）を備えており、
   第（ｎ−ｉ＋１）マッハツェンダ干渉計（ただし、ｉは、１≦ｉ≦ｎの整数）における前記光路長差である第（ｎ−ｉ＋１）光路長差と、第（ｎ＋ｉ）マッハツェンダ干渉計における前記光路長差である第（ｎ＋ｉ）光路長差の和を０（ゼロ）とするように、前記第１〜第２ｎマッハツェンダ干渉計が配置されていることを特徴とする請求項４に記載の偏波無依存型光装置。

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