JP6112606B2 - 平面光導波路の製造方法及びモード合分波器 - Google Patents

Description

本発明は、平面光導波路の製造方法、及び当該製造方法で製造されたモード合分波器に関する。

現在、光ファイバネットワークにおけるトラフィックは増大しており、伝送速度の高速化や波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）技術による波長多重数の増加、多値変調など様々な手法を用いて伝送容量の拡大を図ってきた。しかし、将来的に既設の伝送路、従来の伝送方式を用いての伝送容量の拡大が困難になると予想されるため、波長領域の拡大、新たな伝送ファイバ、及び新たな伝送方式が検討されている。

波長領域を拡大する方法として、現在利用されていない波長帯を利用して、広波長域のＷＤＭを実現し伝送容量を増大させる検討もなされている。しかし、伝送損失が波長帯により異なるため、使用できる波長帯は限定されると考えられ、さらに、広波長域にわたり増幅が可能な光増幅器も実現が困難なため、広波長域のＷＤＭが実用に至るためには多くの課題がある。

新たな伝送ファイバに関しては、ファイバ非線形による波形歪を抑圧するために実効断面積（Ａｅｆｆ）が拡大できるファイバ構造が提案されている。ファイバ非線形の抑圧はファイバへ入力できる入力パワーの増加につながり、入力パワーの増加が可能になれば伝送速度の高速化、更なる多値化が可能になるなどの優位性が得られる。しかし、非特許文献１に示されるようにＡｅｆｆの拡大は単一モード動作を前提としているため、曲げ損失と単一モード動作がトレードオフの関係にあることからＡｅｆｆの大幅な拡大が困難という課題がある。

新たな伝送方式に関しては、非特許文献２に示されている無線の伝送方式において周波数利用効率を向上させるために利用されている直交した周波数成分を利用するＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）や、非特許文献３に示されているようにＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）をマルチモード光ファイバに適用することが検討されているが、送受信機において複雑な信号処理を必要とするため、演算処理の高速化などの課題がある。

さらには、特許文献１に光ファイバの伝搬モードを利用した多重方法も提案されているが、所望の高次モードを励振する方法が提案されておらず、単一波長で利用することを前提としているため、大容量化の実現が困難という課題がある。光ファイバの伝搬モードを利用するためのモード分波器として非特許文献３に示されるように受光する位置を変化させてモードの分波を行う方法が提案されているが、多くの高次モードが存在する状況では、モード間の漏話が大きくなり、受光器の設計も複雑になるため、伝搬モードをキャリアとして利用するモード多重伝送においての利用については好ましくない。

伝搬モードが複数存在する光ファイバを利用して、光ファイバの伝搬モードそれぞれをキャリアとして利用するモード多重伝送において、既存のデバイスは基本モードでの動作が前提であるため、既存のファイバデバイスをそのまま用いてモード多重伝送を実現することは困難である。また、これまで提案されているモード合分波器は、分波効率が悪いため、長距離伝送や高速な信号の伝送が困難であり、また空間系を利用するため構成が複雑になるなどの課題がある。空間系を用いた方法では、非特許文献４に記載されているようにモードごとに高い分波効率を実現することが可能であるが、挿入損失が８ｄＢ以上と大きくデバイスの小型化が困難であるなどの課題もある。

近年、非特許文献５に示されるように非対称平行光導波路を用いた２モード合分波器が提案されており、非対称平行光導波路を用いることで送受信端では基本モードのみで信号を扱うことが可能であり、既存のデバイスをそのまま用いることが可能になる。しかしながら、現状の光導波路の作製方法では同一平面内でコアの高さ方向の大きさが異なる平行光導波路を実現することは困難である。
特許文献２、特許文献３に示されるようにコア径の異なる平行光導波路を実現する方法が提案されている。特許文献２に記載の方法は、高さが等しい平行光導波路において、コアの幅を異なる場合にエッチングを複数回繰り返し、コア形状が三角形になるまでエッチングを行うことでコアの高さが異なる三角形の平行光導波路を作製方法が提案されている。
特許文献３においては、異なる高さのコア径の平行光導波路を作製するために、複数のコア層を堆積させて反応性イオンエッチングなどを複数回用いることで、コアの高さが異なる矩形形状の平行光導波路の作製方法が提案されている。

特開平８−２８８９１１号公報 特開２００２−００６１６２号公報 特開２００２−２７７６６２号公報

松井 他、"Ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｂｅｒ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｂｅｎｄｉｎｇ ｌｏｓｓ ａｎｄ Ａｅｆｆ ｏｆ ＞ ２００ μｍ２ ｆｏｒ ｕｌｔｒａ ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ ＷＤＭ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ"、ＯＦＣ２０１０、ＰＤＰＡ２． Ｂｅｎｎ Ｃ． Ｔｈｏｍｓｅｎ、"ＭＩＭＯ ｅｎａｂｌｅｄ ４０Ｇｂ／ｓ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｍｏｄｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｉｎ ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ"、ＯＦＣ２０１０、ＯｔｈＭ６． Ｃ． Ｐ． Ｔｓｅｋｒｅｋｏｓ、他、"Ｍｏｄｅ−ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｓｐａｔｉａｌ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｆｏｒ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ ｉｎ ａ ｍｏｄｅ ｇｒｏｕｐ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｌｉｎｋ"、ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ、Ｖｏｌ．３２、Ｎｏ．９、２００７． Ｒ．Ｒｙｆ、他、"Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｆｏｒ Ｓｐａｔｉａｌ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｉｎ Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒｓ"、ＥＣＯＣ２０１１、Ｔｈ．１２．Ｂ．１． Ｎ．Ｈａｎｚａｗａ、他、"Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｐａｒａｌｌｅｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｗｉｔｈ ｍｏｄｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｆｏｒ ｍｏｄｅ ａｎｄ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ"、ＯＦＣ２０１２、ＯＴｕ１ｌ．４．

同一平面内に異なるコア径を形成する方法はいくつか提案されているが課題がある。特許文献２に記載された方法は、幅の異なる矩形の光導波路に対して、エッチングを続けると三角形の形状になりコアの幅に比例して高さが異なるコア径を作製できるというものであるが、形状が三角形に制限されるという課題がある。特許文献３に記載された方法では、フォトリソグラフィー法や反応性イオンエッチング法を使い分ける必要があり、大きさの異なるコアの数だけ、コアを作製する工程が増えるため、２つめ以降のコアの作製工程において先に作製したコアが損傷されやすいという課題がある。

そこで、本発明は、コアの形状を限定せず、且つコアを損傷させずに同一平面内に異なる径のコアを形成できる平面光導波路の製造方法及びこの製造方法で製造したモード合分波器を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明は、クラッドとなる第１層目を必要な高さだけ積層し、第１層目の形状をフォトリソグラフィー法や反応性イオンエッチング法などにより所望の形状に加工し、コアとなるクラッドよりも屈折率が高い第２層目を必要な高さだけ積層し、第１層目の形状の加工と同様にコアの形状をエッチングし所望の光導波路の幅や間隔を作製し、さらにクラッド層となる第３層目で光導波路全体を覆うこととした。

具体的には、本発明にかかる平面光導波路の製造方法は、平面光導波路を製造する平面光導波路の製造方法であって、
下部クラッド層となる基板又は基板上にクラッド材を一様に堆積した下部クラッド層を深さ方向にエッチングして所望のベースパターンを形成する下部クラッド層エッチング工程と、
前記下部クラッド層を覆うようにコア材を一様に堆積してコア層を形成するコア層堆積工程と、
前記コア層を深さ方向にエッチングして光導波路パターンを形成するコア層エッチング工程と、
前記コア層及び前記下部クラッド層を覆うように前記クラッド材を一様に堆積して上部クラッド層を形成する上部クラッド層堆積工程と、
を順に行うことを特徴とする。

ベースパターンを形成する際に下部クラッド層の基板からの高さを考慮することで、断面において径の異なるコアや所望の形状のコアを同時に形成することができる。従って、本発明は、コアの形状を限定せず、且つコアを損傷させずに同一平面内に異なる径のコアを形成できる平面光導波路の製造方法を提供することができる。

本発明にかかる平面光導波路の製造方法では、前記クラッド材と前記コア材とは、前記コア層エッチング工程での前記下部クラッド層と前記コア層とのエッチングレートが異なる材質であることを特徴とする。

本発明にかかる平面光導波路の製造方法では、１の断面に現れる、前記コア層エッチング工程で形成される前記光導波路パターンのコア層の、前記クラッド材と前記コア材の堆積方向における位置を、前記下部クラッド層エッチング工程で形成する前記ベースパターンの前記下部クラッド層で決定することを特徴とする。下部クラッド層の厚みやエッチング量を考慮してベースパターンを形成し、さらにベースパターンと光導波路パターンとの関係を考慮することで、基板からの高さが異なるコアを形成することができる。

本発明にかかる平面光導波路の製造方法では、前記コア層エッチング工程終了後に、１の断面に現れる、前記光導波路パターンの前記コア層が前記ベースパターンの前記下部クラッド層の周囲を覆う形状になることを特徴とする。ベースパターンの下部クラッドをコアが完全に覆うようにベースパターンと光導波路パターンとの関係を考慮することで、断面が任意の形状のコアを形成することができる。

本発明にかかるモード合分波器は、前記平面光導波路の製造方法で製造され、１の断面に現れる前記光導波路パターンの複数の前記コア層の、前記クラッド材と前記コア材の堆積方向における位置が異なる平行導波路を備える。前記製造方法で、２以上の任意の数の伝搬モードの合分波を高効率に実現するための、同一平面内でコア径が異なるモード合分波器を提供できる。

本発明にかかるモード合分波器は、前記平面光導波路の製造方法で製造され、１の断面に現れる前記光導波路パターンの前記コア層が前記ベースパターンの前記下部クラッド層の周囲を覆う形状であるモード回転子を備える。前記製造方法で、モード回転子を含むモード合分波器を提供できる。

本発明は、コアの形状を限定せず、且つコアを損傷させずに同一平面内に異なる径のコアを形成できる平面光導波路の製造方法及びこの製造方法で製造したモード合分波器を提供することができる。

本発明に係るモード合分波器の構成例を示す図である。 本発明に係る光導波路の製造方法を説明する図である。 基本モードから第４高次モードまでの実効屈折率の変化の一例を示す。 光導波路幅の決定例を示す。 第１高次モードの結合効率の波長依存性の一例を示す。 第２高次モードの結合効率の波長依存性の一例を示す。 光導波路の設計方法の手順について示したフロー図を示す。 本発明に係るモード合分波器を説明する図である。 本発明に係る光導波路の製造方法を説明する図である。 本発明に係る光導波路の製造方法を説明する図である。 光導波路幅の決定例を示す。 光導波路幅の決定例を示す。 ＬＰ１１ａモードからＬＰ１１ｂモードへの結合効率の波長依存性を説明する図である。 ＬＰ０１モードからＬＰ１１ａモードへの結合効率の波長依存性を説明する図である。 ＬＰ１１ｂモードからＬＰ２１モードへの結合効率の波長依存性を説明する図である。 本発明に係るモード合分波器を設計する方法を説明する図である。 本発明に係るモード合分波器を設計する方法を説明する図である。 本発明に係るモード合分波器を設計する方法を説明する図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。また、本実施形態の説明では、基板側を「下」、クラッド材やコア材を堆積する方向を「上」として説明する。

（実施形態１）
図１は、本実施形態の平面光導波路の製造方法で製造されたモード合分波器を説明する図である。このモード合分波器は同一平面内にコア径の異なる光導波路が存在している。

（光導波路の構成）
本実施形態においては、光ファイバ中の伝搬モードである基本モード、第１高次モード、第２高次モードを用いた３モード多重伝送について説明する。多重するモードの組み合わせは任意であり、例えば、基本モード、第１高次モード及び第３高次モードの組み合わせであってもよいし、基本モード、第２高次モード及び第３高次モードの組み合わせであってもよい。光導波路中の伝搬モードに関しても任意の組み合わせが可能である。本実施形態では、便宜上、基本モード、第１高次モード、第２高次モードをそれぞれＬＰ_０１、ＬＰ_１１、ＬＰ_２１モードとして説明する。

図１のモード合分波器は、光導波路１１１、光導波路１１２及び光導波路１１３を備える。光導波路１１１及び光導波路１１２は単一モード光導波路であり、光導波路１１３はマルチモード光導波路である。本実施形態のモード合分波器は、相互作用長Ｌ_１を有する光導波路１１１と光導波路１１３との結合部と、相互作用長Ｌ_２を有する光導波路１１２と光導波路１１３との結合部とを有する。

各結合部は、光導波路１１３の長手方向に縦続に配列される。光導波路１１１と光導波路１１３との結合部では、非対称平行光導波路を用いて、光導波路１１１のＬＰ_０１モードと光導波路１１３のＬＰ_１１モードを位相整合させる。光導波路１１２と光導波路１１３との結合部では、非対称平行光導波路を用いて、光導波路１１２のＬＰ_０１モードと光導波路１１３のＬＰ_２１モードを位相整合させる。これにより、本実施形態のモード合分波器は、モード変換を行うモード合波器として機能するとともに、モード分波を行うモード分波器として機能する。非対称平行光導波路は、光導波路の大きさ、つまりコア径やコア形状が異なるようにすれば、比屈折率差Δを等しくしてもよいし。また、光導波路の大きさが異なるだけではなく、光導波路の比屈折率差が異なる構成としても良い。

本説明においては、ＬＰ_０１モード、ＬＰ_１１モード及びＬＰ_２１モードの３モードに限定して説明を行うが、本モード合分波器はこれに限定されない。例えば、１本のマルチモード光導波路は、単一モード光導波路の本数よりも多いモード数の多モード光を伝搬すればよく、ＬＰ_２１モード以上の高次モードに対しても同様にモード合波およびモード分波が可能である。また、２以上の任意のモード数に適用することができ、例えば、単一モード光導波路をＮ本とすれば（Ｎ＋１）モードのモード合分波器を構成することができる。

光導波路１１１と光導波路１１２と光導波路１１３は比屈折率差Δが等しい平行光導波路である。Δは、光導波路の屈折率ｎ_１と光導波路周囲の媒質の屈折率ｎ_０を用いて次式であらわされる。

光導波路１１１と光導波路１１２は、使用波長域において単一モードとなるような光導波路幅ｗ_１とｗ_２を有する。ここで、光導波路の高さｈと比屈折率差Δを決定し、光導波路幅ｗと使用波長帯を決定し、例えば有限要素法などを用いて光導波路解析を行うことで、遮断波長を求めることができる。本実施形態では、一例として、光導波路の高さｈは光導波路幅と等しく設定した。

（光導波路の製造方法）
本実施形態の平面光導波路の製造方法は、平面光導波路を製造する平面光導波路の製造方法であって、
下部クラッド層となる基板又は基板上にクラッド材を一様に堆積した下部クラッド層を深さ方向にエッチングして所望のベースパターンを形成する下部クラッド層エッチング工程と、
前記下部クラッド層を覆うようにコア材を一様に堆積してコア層を形成するコア層堆積工程と、
前記コア層を深さ方向にエッチングして光導波路パターンを形成するコア層エッチング工程と、
前記コア層及び前記下部クラッド層を覆うように前記クラッド材を一様に堆積して上部クラッド層を形成する上部クラッド層堆積工程と、
を順に行うことを特徴とする。

図１のようなモード合分波器は、本製造方法で製造できる。図２は、本製造方法をより詳しく説明する図である。図２の製造例にあっては、幅及び高さが同一である光導波路１１１と、光導波路１１１とは幅及び高さが異なる寸法に設定された光導波路１１３を作製する場合について述べるが、光導波路の間隔、形状、幅、高さ、配置、個数等についてはさまざまに設定して製造する場合も含む。また、光導波路の加工法をエッチングとするが、エッチングの方法は様々な方法があり、加工精度に合わせて任意の方法を利用することができる。

図２は光導波路１１０の作製工程を概念的に示している。本実施例では、光導波路を作製する基板とクラッドの屈折率は一致しているものとして説明を行うが、本発明はこれに制限されるものではなく、基板とクラッドの屈折率が異なっていても良く、作製する光導波路特性に合わせて屈折率は調整すればよい。図２（ａ）は、光導波路を作製する基板１４１上に下部クラッド１４２となるＳｉＯ_２の層を積層する下部クラッド層堆積工程を概念的に示す断面図、図２（ｂ）は、下部クラッド１４２の形状をエッチングする下部クラッド層エッチング工程を概念的に示す断面図、図２（ｃ）は、コア１４３となるＳｉＯ_２＋ＧｅＯ_２を積層するコア層堆積工程を概念的に示す断面図、図２（ｄ）、（ｄ）’は、光導波路１１１と光導波路１１３を作製するためのエッチングを行うコア層エッチング工程を概念的に示す断面図、図２（ｅ）は、上部クラッド１４４を積層する上部クラッド層堆積工程を概念的に示す図である。

光導波路１１０の作製にあたっては、まず図２（ａ）に示すように、平面内で光導波路の高さを変えるための下部クラッド層１４２を積層する。下部クラッド１４２の積層する厚さは光導波路１１１と光導波路１１３の高さの差と等しくする。光導波路１１１と光導波路１１３の高さを異なるものとするために、図２（ｂ）に示すように下部クラッド層１４２を光導波路の大きさが小さい光導波路１１１を配置する側を残すようにエッチングを行う。

次に図２（ｃ）に示すように、コア部１４３となるＳｉＯ_２＋ＧｅＯ_２を積層する。このコア部１４３を積層する厚さは基板１４１からの高さが光導波路１１３の高さに等しくなるように積層する。コア部１４３を積層した後に図２（ｄ）又は図２（ｄ）’に示すように、光導波路１１１と光導波路１１３を作製するためのエッチングを行う。

コアと下部クラッドの材質の違いによりエッチング量に大きな差がある場合には、図２（ｄ）のように光導波路の高さを低くするコア（光導波路１１１）の下部クラッド全体が残ることになる。一方、コアと下部クラッドの材質にエッチング量に大きな差がない場合には、図２（ｄ）’のように高さを低くするコア（光導波路１１１）以外の下部クラッド全体がエッチングされることになる。図２（ｄ）と（ｄ）’のいずれの場合でも光導波路１１１と光導波路１１３を形成後に図２（ｅ）に示すように、上部クラッド１４４を積層する。以上の作製工程により同一平面内に大きさの異なる光導波路１１１と光導波路１１３が作製可能となる。

図２に示すように、１の断面に現れる、前記コア層エッチング工程で形成される前記光導波路パターンのコア層の、前記クラッド材と前記コア材の堆積方向における位置を、前記下部クラッド層エッチング工程で形成する前記ベースパターンの前記下部クラッド層で決定することを特徴とする。すなわち、径の異なるコアを形成するために、下部クラッド層エッチング工程で下部クラッド層の厚みを変化させる。径の大きなコアの部分は下部クラッド層を大幅に削除し、径の小さなコアの部分は下部クラッド層をあまり削除しない。このようにコアの径に応じて下部クラッド層のエッチングを行い、下部クラッド層のベースパターンを形成する。

なお、ベースパターンとして下部クラッド層１４２を残す範囲は、図２（ｂ）のように光導波路１１１が配置される位置から光導波路１１３が配置される位置と反対側全てとしたが、これに制限されるものではなく、光導波路１１１が配置される位置と光導波路１１３が配置される位置の中心から光導波路１１１側全てとしても良い。さらには、下部クラッド層１４２を残す範囲は、光導波路１１３が配置される位置から光導波路１１１側全て（光導波路１１３の下は除く）の中心側の端に合わせても良いし、光導波路１１１の下部にのみとしても良い。

また、本実施例においては、基板上１４１に下部クラッド層１４２を積層して加工（エッチング）を行い、下部クラッド層の形状を変化させているが、使用する基板１４１そのものを下部クラッド層として直接エッチング加工を施して、上記の作製方法を実施しても良い。

光導波路１１３は少なくともＬＰ_２１モード以上の伝搬モードが伝搬可能であり、光導波路幅ｗ_３は光導波路１１３のＬＰ_１１モードと光導波路１１１のＬＰ_０１モードの実効屈折率が等しく設計し、かつ光導波路１１３のＬＰ_２１モードと光導波路１１２のＬＰ_０１モードの実効屈折率が等しくなるように設計する。以下に光導波路１１１と光導波路１１２と光導波路１１３の設計方法を具体的に説明する。

光導波路１１１と光導波路１１２は複数のモードが伝搬可能な状態でも前記記載の基本モードと高次モードの結合は可能であるが、本実施形態では単一モードで設計を行った。

例として、各光導波路の比屈折率差Δを０．４％にした場合の光導波路幅ｗに対する波長１５３０ｎｍのＬＰ_０１モードからＬＰ_０２モード（光ファイバ中における第３高次モード）までの実効屈折率の変化を図３に示す。図３は光導波路幅ｗ（光導波路の高さｈはｗに等しい）を横軸として、光導波路の伝搬モードの実効屈折率を縦軸に示している。図３から、比屈折率差Δが０．４％では光導波路幅ｗを１２．０μｍ以上に設定することで３モード伝搬を実現できることがわかる。

図４に光導波路幅ｗ_１と光導波路幅ｗ_２と光導波路幅ｗ_３を決定する図を示す。図４は例として波長１５５０ｎｍでの伝搬モードの実効屈折率の値を示している。ここでは、光導波路幅ｗ_３は３モード以上伝搬可能な１３．７μｍとする。この時、光導波路幅ｗ_１と光導波路幅ｗ_２は単一モードとなる領域で幅を決定すれば良いので、光導波路幅は８μｍ以下で設定すれば良い。光導波路幅ｗ_１は光導波路１１３のＬＰ_１１モードの実効屈折率と等しい幅に設定すれば良いので、ｗ_１は７．１７μｍとなる。また、光導波路幅ｗ_２は光導波路１１３のＬＰ_２１モードと実効屈折率が等しくなれば良いので、ｗ_２は４．３５μｍとなる。

図４に示した光導波路幅ｗ_１とｗ_２とｗ_３を用いた場合に、光導波路１１１のＬＰ_０１モードを光導波路１１３のＬＰ_１１モードに変換するために必要な相互作用長Ｌ_１と光導波路１１２のＬＰ_０１モードを光導波路１１３のＬＰ_２１モードに変換するために必要な相互作用長Ｌ_２を例えばビーム伝搬法などにより計算し、光導波路１１１のＬＰ_０１モードが光導波路１１３のＬＰ_１１モードへの結合効率と光導波路１１２のＬＰ_０１モードが光導波路１１３のＬＰ_２１モードへの結合効率が最大となるように適切な相互作用長を設計する。ここで、光導波路１１１と光導波路１１３の光導波路間隔ｇ_１と光導波路１１２と光導波路１１３の光導波路間隔ｇ_２を４．０μｍと等しい場合にビーム伝搬法によりＬＰ_１１モード、ＬＰ_２１モードそれぞれの結合効率が最大となる相互作用長を求めるとＬ_１は１．６ｍｍ、Ｌ_２は１．７ｍｍであった。

本実施形態では、ＬＰ_２１モードまでで設計を行ったが、本発明はこれに限定されることはなく、ＬＰ_１１モードとＬＰ_０２モードを利用するなど、所望の伝搬モードの合分波器を実現することが可能である。

光導波路間隔ｇ_１、ｇ_２を４．０μｍ、光導波路幅ｗ_１を７．１７μｍ、光導波路幅ｗ_２を４．３５μｍ、光導波路幅ｗ_３を１３．７μｍ、各光導波路の比屈折率差Δを０．４％、各光導波路の曲げ半径Ｒを５０ｍｍ、相互作用長Ｌ_１を１．６ｍｍ、相互作用長Ｌ_２を１．７ｍｍとした場合に得られる第１高次モードの結合効率の波長依存性を図５に示し、第２高次モードの結合効率の波長依存性を図６に示す。図５は、光導波路１１１に基本モードであるＬＰ_０１モードの光を入射した場合に光導波路１１３に第１高次モードであるＬＰ_１１モードとして出力される結合効率（実線）と光導波路１１１に基本モードであるＬＰ_０１モードとして出力される結合効率（破線）を示している。図６は、光導波路１１２に基本モードであるＬＰ_０１モードの光を入射した場合に光導波路１１３に第２高次モードであるＬＰ_２１モードとして出力される結合効率（実線）と光導波路１１２にそのまま基本モードであるＬＰ_０１モードとして出力される結合効率（破線）を示している。

図５及び図６より、波長１５３０ｎｍから１５６５ｎｍの波長帯において９５％以上の結合効率を有する非常に高効率な３モード合分波器を実現できることがわかる。ここで、３モード以上を伝搬可能な光ファイバとしてコア直径１８μｍ、コアの比屈折率差Δを０．４％としたファイバを過程すると、光ファイバのＬＰ_０１モードのモードフィールド径（ＭＦＤ）は１５．３μｍで上記記載の光導波路１１３のＭＦＤは１３．７μｍでＭＦＤ不整合損失を下記記載の近似式（２）を用いて見積もると、およそ０．１５ｄＢ程度であった。このことから、本発明の非対称平行光導波路と伝送用ファイバとの接続損失は非常に小さいと予想され、伝送用ファイバと光導波路のＭＦＤが極端に異なる場合には、光導波路とファイバとの接続部においてどちらか一方もしくは両者をテーパ状に加工するなどしてＭＦＤの不整合を小さくすることで接続損失の低減を図ることも可能である。前記記載のＭＦＤはファイバ、光導波路ともにＬＰ_０１モードのフィールドをガウシアン近似して算出している。

ここで、Ｗ_１，Ｗ_２はそれぞれ光ファイバのＭＦＤ、光導波路のＭＦＤとし、ηは結合損失を示す。

実施形態１は光導波路のΔが等しく、光導波路間隔が等しい条件下で設計を行ったが、本発明はこれに制限されることはなく、３つの光導波路それぞれのΔが異なっていても良く、また光導波路間隔ｇ_１とｇ_２が異なっていても良い。

次に、本発明のモード合分波器の設計方法について説明する。図７に、本実施形態に係る光導波路の設計方法の手順について示したフロー図を示す。
はじめに、使用する波長帯を決定する（Ｓ１０１）。
次に、使用する波長帯の下限波長において３モード動作以上となるように、比屈折率差Δと光導波路幅ｗ_３を決定する（Ｓ１０２、Ｓ１０３）。Δとｗ_３の決定には、例えば、有限要素法などの光導波路解析を用いて遮断波長を求めることで決定する。以下のステップでは、使用波長帯の中心波長を用いて光導波路解析を行い、光導波路のパラメータを決定する。
次に、光導波路１１１のＬＰ_０１モードと光導波路１１３のＬＰ_１１モードの実効屈折率が等しくなるような光導波路幅ｗ_１を決定する（Ｓ１０４、Ｓ１０５）。ｗ_１の決定においても、有限要素法などの光導波路解析を用いて実効屈折率を算出する。
次に、光導波路１１３のＬＰ_２１モードの実効屈折率と光導波路１１２のＬＰ_０１モードの実効屈折率が等しくような光導波路幅ｗ_２を決定する（Ｓ１０６、Ｓ１０７）。
次に、光導波路間隔ｇ_１、ｇ_２を決定し（Ｓ１０８）、決定した光導波路間隔ｇ_１、ｇ_２を用いて相互作用長Ｌ_１、Ｌ_２を決定する（Ｓ１０９）。相互作用長Ｌ_１、Ｌ_２の算出にはビーム伝搬法などの伝搬解析を行い相互作用長を算出する。
相互作用長Ｌ_１、Ｌ_２を算出したら、所望の結合効率を有するか否かを判定し（Ｓ１１０）、所望の結合効率を有さない場合はステップＳ１０８へ移行する。例えば使用波長帯において８０％以上の結合効率を所望しており、それに満たない結合効率が得られた場合には、光導波路間隔ｇ_１、ｇ_２を再設定し（Ｓ１０８）、相互作用長Ｌ_１、Ｌ_２の算出を行う（Ｓ１０９）。所望の結合効率が得られたところで（Ｓ１１０においてＹｅｓ）、モード変換特性又は分波特性を抽出する（Ｓ１１１）。所望のモード変換特性又は分波特性が得られていれば、これまで決定した各パラメータの確定となる。

以上説明したように、本実施形態のモード合分波器は、Ｃバンド（１５３０ｎｍから１５６５ｎｍ）の波長帯域において、基本モードと２つの高次モードの分波効率も９５％以上を実現することが可能であることから、２以上の任意の数の伝搬モードを利用したモード多重伝送の高速・長距離化が可能になる。

また、モード合波の前段、モード分波の後段、つまり伝送路以外の区間では、基本モードで伝搬されるため、ファイバデバイスについては基本モードで動作させることができることから、既存のファイバデバイスを利用して２以上の任意のモード数のモード多重伝送を実現することが可能になる。このため、簡易な構成で波長多重など既存の多重技術と併用した２以上の任意のモード数のモード多重伝送を実現することも可能になる。

（実施形態２）
図８は、本実施形態の平面光導波路の製造方法で製造されたモード合分波器を説明する図である。このモード合分波器は図１で説明したコアと形状が異なるコアの光導波路を有する。

（光導波路の構成）
図８は、本実施形態のＬＰ２１モードまでを合分波するためのモード合分波器の構成を説明する図である。第１の平行光導波路部２１０は、光導波路２１１、光導波路２１２及び光導波路２１３を備える。光導波路２１１はＬＰ０１モード光を伝搬し、光導波路２１２はＬＰ１１ｂモード光を伝搬し、光導波路２１３はＬＰ２１以上を伝搬する。第１の平行光導波路部２１０は、相互作用長Ｌ１を有する光導波路２１１と光導波路２１３との結合部Ｃ１と、相互作用長Ｌ２を有する光導波路２１２と光導波路２１３との結合部Ｃ２とを有する。

第２の平行光導波路部２２０は、光導波路２１４及び光導波路２１５を備える。光導波路２１４はＬＰ０１モード光を伝搬し、光導波路２１５はＬＰ１１ａモード光を伝搬する。第２の平行光導波路部２２０は、相互作用長Ｌ３を有する光導波路２１４と光導波路２１５との結合部Ｃ３を有する。

モード回転子２３０は、光導波路の幅ｗ８、高さｈを有する光導波路２１６であり、断面の少なくとも一部に溝を設けたトレンチ層を備える。トレンチ層は、幅ｗ８においてそれぞれ光導波路の幅ｗ８１とｗ８２の間に、幅ｓ、深さｄの溝を備える。溝は、断面における幅ｗ８上の中央に対して非対称に設けられ、ｗ８１とｗ８２は異なる。溝は、図８に示すように光導波路の下面に設けられていてもよいが、上面に設けられてもよい。溝の形状は任意であり、図８に示すような矩形であってもよいし、三角形であってもよい。

光導波路２１２と光導波路２１５がモード回転子２３０により接続される。ＬＰ０１モード光が光導波路２１４に入力され、ＬＰ１１ａモード光が光導波路２１５から出力される。モード回転子２３０は、光導波路２１５から出力されるＬＰ１１ａモード光を９０度回転する機能を有している。このため、光導波路２１２にはＬＰ１１ｂモード光が入力される。

結合部Ｃ１及びＣ２は、光導波路２１３の長手方向に縦続に配列される。結合部Ｃ１では、非対称平行光導波路を用いて、光導波路２１１のＬＰ０１モードと光導波路２１３のＬＰ１１ａモードを位相整合させる。結合部Ｃ２では、非対称平行光導波路を用いて、光導波路２１２のＬＰ１１ｂモードと光導波路２１３のＬＰ２１モードを位相整合させる。これにより、本実施形態のモード合分波器は、モード変換を行うモード合波器として機能するとともに、モード分波を行うモード分波器として機能する。非対称平行光導波路は、光導波路の大きさが異なるようにすれば、比屈折率差Δを等しくしてもよい。また、光導波路の大きさが異なるだけではなく、光導波路の比屈折率差が異なる場合も含む。

光導波路２１１は、使用波長域において少なくともＬＰ０１モードを伝搬する光導波路の幅ｗ１を有し、光導波路２１２は使用波長域において少なくともＬＰ１１ｂモードを伝搬する光導波路の幅ｗ２を有する。ここで遮断波長は、光導波路の高さｈと比屈折率差Δを決定し、光導波路幅ｗと使用波長帯を決定し、例えば有限要素法などを用いて光導波路解析を行うことで遮断波長を求める。本実施形態では光導波路の高さｈは中央の光導波路２１３の幅と等しく設定した。

（光導波路の作製方法）
本実施形態の平面光導波路の製造方法は、実施形態１で説明した製造方法において、前記コア層エッチング工程終了後に、１の断面に現れる、前記光導波路パターンの前記コア層が前記ベースパターンの前記下部クラッド層の周囲を覆う形状になることを特徴とする。

図８のようなモード合分波器は、本製造方法で製造できる。図９は、本製造方法をより詳しく説明する図である。図９の作製例にあっては、第１の平行光導波路部２１０と第２の平行光導波路部２２０と高さが同一である第３の光導波路部２３０のコア形状を異なるものを作製する場合について述べるが、光導波路の間隔、形状、幅、高さ、配置、個数等についてはさまざまに設定して製造する場合も含む。また、光導波路の加工法をエッチングとするが、エッチングの方法は様々な方法があり、加工精度に合わせて任意の方法を利用することができる。

図９は第３の光導波路部２３０の作製工程を概念的に示している。本実施例では、光導波路を作製する基板とクラッドの屈折率は一致しているもので説明を行うが、本発明はこれに制限されるものではなく、基板とクラッドの屈折率が異なっていても良く、作製する光導波路特性に合わせて屈折率は調整すればよい。図９（ａ）は、光導波路を作製する基板２４１上に下部クラッド２４２となるＳｉＯ_２の層を積層する下部クラッド層堆積工程を概念的に示す断面図、図９（ｂ）は、下部クラッド２４２の形状をエッチングする下部クラッド層エッチング工程を概念的に示す断面図、図９（ｃ）は、コア２４３となるＳｉＯ_２＋ＧｅＯ_２を積層するコア層堆積工程を概念的に示す断面図、図９（ｄ）は、光導波路２１６を作製するためのエッチングを行うコア層エッチング工程を概念的に示す断面図、図９（ｅ）は、上部クラッド２４４を積層する上部クラッド層堆積工程を概念的に示す図である。

光導波路２３０の作製にあたっては、まず図９（ａ）に示すように、光導波路の形状を変えるための下部クラッド層２４２を積層する。下部クラッド２４２の積層する厚さは光導波路２１６の形状を変化させるのに必要な厚さを積層する。光導波路２１６を均一な矩形形状とは異なるものとするために、図９（ｂ）に示すように下部クラッド層２４２の１部だけを残すようにエッチングを行う。

次に図９（ｃ）に示すように、コア部２４３となるＳｉＯ_２＋ＧｅＯ_２を積層する。このコア部を積層する厚さは基板２４１からの高さが、第１の平行光導波路部２１０と第２の平行光導波路部２２０の高さに等しくなるように積層する。コア部２４３を積層した後に図９（ｄ）に示すように、光導波路２１６を作製するためのエッチングを行う。光導波路２１６を形成後に図９（ｅ）に示すように、上部クラッド２４４を積層する。

以上の作製工程により同一平面内にコア形状の異なる光導波路２１６が作製可能となる。第１の平行光導波路部２１０と第２の平行光導波路部２２０は、光導波路の高さが等しい平行光導波路であるため、従来の方法で作製可能である。図８のモード回転子２３０を作製する場合には、基板上２４１において、光導波路２１６を作製する部分にのみ上記記載の下部クラッド層２４２の加工を行った後に、従来の光導波路の作製方法を用いることで同一平面内の１部のコア形状が異なる光導波路を作製することが可能となる。

本実施例では、下部クラッド層２４２を残す範囲は光導波路２１６の１部としたが、これに制限されるものではなく、光導波路２１６の複数個所に合わせても良い。

また、本実施例においては、基板上２４１に下部クラッド層２４２を積層してエッチング加工を行い、下部クラッド層２４２の形状を変化させているが、使用する基板そのものに下部クラッドのエッチング加工を施して、上記の作製方法を実施しても良い。

光導波路２１３は少なくともＬＰ２１モード以上の伝搬モードが伝搬可能であり、光導波路２１３の光導波路の幅ｗ３は光導波路２１３のＬＰ１１ａモードと光導波路２１１のＬＰ０１モードの実効屈折率が等しく設計し、かつ光導波路２１３のＬＰ２１モードと光導波路２１２のＬＰ１１ｂモードの実効屈折率が等しくなるように設計する。以下に光導波路２１１と光導波路２１２と光導波路２１３の設計方法を具体的に説明する。

例として、各光導波路の比屈折率差Δを０．４％にした場合の光導波路の幅ｗに対する波長１５５０ｎｍのＬＰ０１モードからＬＰ２１モードまでの実効屈折率の変化を図１１に示す。図１１は光導波路の幅ｗ（光導波路の高さｈは１３．７μｍで一定）を横軸として、光導波路の伝搬モードの実効屈折率を縦軸に示している。図１１から、比屈折率差Δが０．４％では光導波路幅ｗを１１．０μｍ以上に設定することでＬＰ２１モード伝搬を実現できることがわかる。

図１２に第１の平行光導波路部２１０の光導波路２１１と光導波路２１２と光導波路２１３の幅を決定する図を示す。ここでは、光導波路２１３の幅ｗ３はＬＰ２１モード以上が伝搬可能な１３．７μｍとする。この時、光導波路２１１の幅ｗ１は光導波路２１３のＬＰ１１ａモードの実効屈折率と等しい幅に設定すれば良いので、ｗ１は４．７９μｍとなる。また、光導波路２１２の幅ｗ２は光導波路２１３のＬＰ２１モードの実効屈折率と光導波路２１２のＬＰ１１ｂモードの実効屈折率が等しくなれば良いので、ｗ２は４．６２μｍとなる。

図１２に示した光導波路幅ｗ１と光導波路幅ｗ２と光導波路幅ｗ３を用いた場合に、ＬＰ０１モードをＬＰ１１ａモードに変換するために必要な相互作用長Ｌ１とＬＰ１１ｂモードをＬＰ２１モードに変換するために必要な相互作用長Ｌ２を例えばビーム伝搬法などにより計算し、光導波路２１１のＬＰ０１モードが光導波路２１３のＬＰ１１ａモードへの結合効率と光導波路２１２のＬＰ１１ｂモードが光導波路２１３のＬＰ２１モードへの結合効率が最大となるように適切な相互作用長を設計する。ここで、光導波路２１１と光導波路２１３の光導波路間隔ｇ１と光導波路２１２と光導波路２１３の光導波路間隔ｇ２を５．０μｍと等しい場合にビーム伝搬法によりＬＰ１１ａモード、ＬＰ２１モードそれぞれの結合効率が最大となる相互作用長を求めるとＬ１は１．５ｍｍ、Ｌ２は１．０ｍｍであった。

本実施形態では、第１の平行光導波路部２１０においてＬＰ２１モードを励振するために、光導波路２１２のＬＰ１１ｂを利用している。ＬＰ１１ｂの励振には、図８に示したモード回転子２３０を用いる。第２の平行光導波路部２２０はＬＰ０１モードが伝搬可能な光導波路２１４とＬＰ１１ａモード以上が伝搬可能な光導波路２１５で構成される。ＬＰ１１ａを励振するための光導波路２１４と光導波路２１５の光導波路パラメータは、第１の平行光導波路部２１０の光導波路２１１と光導波路２１３の結合部のパラメータを用いればよい。すなわち、光導波路幅ｗ４は光導波路幅ｗ１と等しく、光導波路幅ｗ５は光導波路幅ｗ３と等しく、結合部Ｃ３の光導波路間隔ｇ３は光導波路間隔ｇ１と等しく、相互作用長Ｌ３は相互作用長Ｌ１と等しい。

モード回転子２３０は光導波路の高さｈと比屈折率差Δを平行光導波路部２１０と平行光導波路部２２０と等しくそれぞれ１３．７μｍ、０．４％とした。今回は以下のパラメータでモード回転子２３０を構成した。本実施形態では、光導波路部２３０の幅ｗ８を１４．０μｍ、光導波路部２３０の幅ｗ８２を３．０μｍ、トレンチ層の幅ｓを１．０μｍ、深さｄを６．８μｍ、相互作用長Ｌ４を２．５７ｍｍとした。本パラメータで算出したＬＰ１１ａモードからＬＰ１１ｂモードへの結合効率の波長依存性を図１３に示す。図１３は、光導波路２１６にＬＰ１１ａモードが入力された場合に、フィールド分布が回転してＬＰ１１ｂモードへ結合する効率（実線）と回転しきれずにＬＰ１１ａモードとして出力される効率（破線）を示している。モード回転子２３０のパラメータはこれに制限されるものではなく、以下で示す光導波路部２３０の設計にしたがって構成することで所望のモードの回転が実現できれば良い。

本発明においては、第１の平行光導波路部２１０と第２の平行光導波路部２２０を図８に示すように、第２の平行光導波路部２２０の光導波路２１５と第１の平行光導波路部２１０の光導波路２１２との間にモード回転子２３０を接続することで光導波路２１２のＬＰ１１ｂモードを励振してＬＰ２１モードの合分波を行う。従って、光導波路２１１、光導波路２１３、光導波路２１４を入出力ポートとして利用し、モード合波器の入力部およびモード分波器の出力部では基本モードであるＬＰ０１モードのみでＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１の３モードの合分波が可能になる。

光導波路間隔ｇ１、ｇ２を５．０μｍ、光導波路２１１の光導波路の幅ｗ１を４．７９μｍ、光導波路２１２の光導波路の幅ｗ２を４．６２μｍ、光導波路２１３の幅ｗ３を１３．７μｍ、光導波路の高さｈを１３．７μｍ、比屈折率差Δを０．４％、光導波路の曲げ半径Ｒを５０ｍｍ、相互作用長Ｌ１を１．５ｍｍ、相互作用長Ｌ２を１．０ｍｍとした場合に得られるＬＰ１１ａモードの結合効率の波長依存性を図１４に示し、ＬＰ２１モードの結合効率の波長依存性を図１５に示す。

図１４は、光導波路２１１にＬＰ０１モードの光を入射した場合に光導波路２１３にＬＰ１１ａモードとして出力される結合効率（実線）と光導波路２１１にＬＰ０１モードとして出力される結合効率（破線）を示している。図１５は、光導波路２１２にＬＰ１１ｂモードの光を入射した場合に光導波路２１３にＬＰ２１モードとして出力される結合効率（実線）と光導波路２１２にそのままＬＰ１１ｂモードとして出力される結合効率（破線）を示している。

図１３から図１５より、波長１５３０ｎｍから１５６５ｎｍの波長帯において９８％以上の結合効率を有する非常に高効率な３モード合分波器を実現できることがわかる。

第２の実施形態は光導波路の比屈折率差Δが等しく、光導波路の間隔が等しい条件下で設計を行ったが、本発明はこれに制限されることはなく、３つの光導波路それぞれの比屈折率差Δが異なっていても良く、また光導波路間隔ｇ１とｇ２が異なっていても良い。また、第２の平行光導波路部２２０は第１の平行光導波路部２１０のパラメータを用いずに改めてＬＰ０１モードとＬＰ１１ａモードの合分波が可能な光導波路パラメータを設計しても良い。

次に、本発明のモード合分波器の設計方法について説明する。図１６、図１７及び図１８に光導波路の設計方法の手順について示したフロー図を示す。設計手順は第１の平行光導波路部設計手順と、第２の平行光導波路部設計手順と、モード回転子設計手順と、を有する。

図１６に示す第１の平行光導波路部設計手順では、第１の平行光導波路部２１０の設計を行う。
はじめに、モード合分波器で使用する波長帯を決定する（Ｓ１０１）。
次に、使用する波長帯においてＬＰ２１モード以上が伝搬可能となるように、比屈折率差Δと光導波路幅ｗ３を決定する（Ｓ１０２、Ｓ１０３）。比屈折率差Δと光導波路幅ｗ３の決定には、例えば、有限要素法などの光導波路解析を用いて遮断波長を求めることで決定する。
次に、光導波路２１１のＬＰ０１モードと光導波路２１３のＬＰ１１ａモードの実効屈折率が等しくなるような光導波路幅ｗ１を決定する（Ｓ１０４、Ｓ１０５）。光導波路幅ｗ１の決定においても、有限要素法などの光導波路解析を用いて実効屈折率を算出する。
次に、光導波路２１３のＬＰ２１モードの実効屈折率（Ｓ１０８）と光導波路２１２のＬＰ１１ｂモードの実効屈折率が等しくような光導波路幅ｗ２を決定する（Ｓ１０６、Ｓ１０７）。
次に、光導波路間隔ｇ１、ｇ２を決定し（Ｓ１０８）、決定した光導波路間隔ｇ１、ｇ２を用いて相互作用長Ｌ１、Ｌ２を決定する（Ｓ１０９）。相互作用長Ｌ１、Ｌ２の算出にはビーム伝搬法などの伝搬解析を行い相互作用長を算出する。
相互作用長Ｌ１、Ｌ２を算出したら、所望の結合効率を有するか否かを判定し（Ｓ１１０）、所望の結合効率を有さない場合はステップＳ１０８へ移行する。例えば使用波長帯において８０％以上の結合効率を所望しており、それに満たない結合効率が得られた場合には、光導波路間隔ｇ１、ｇ２を再設定し（Ｓ１０８）、相互作用長Ｌ１、Ｌ２の算出を行い（Ｓ１０９）、所望の特性が得られたところで（Ｓ１１０においてＹｅｓ）、これまで決定した各パラメータの確定となる。

図１７に示す第２の平行光導波路部設計手順では、第２の平行光導波路部２２０の設計を行う。
本手順では、第１の平行光導波路部２１０で用いた使用波長帯で設計を進める（Ｓ２０１）。使用する波長帯においてＬＰ１１ａモード以上が伝搬可能となるように（Ｓ２０３においてＹｅｓ）、比屈折率差Δと光導波路幅ｗ５を決定する（Ｓ２０２）。比屈折率差Δと光導波路幅ｗ５の決定には、第１の平行光導波路部２１０と同様に有限要素法などの光導波路解析を用いて遮断波長を求めることで決定する。
次に光導波路２１４のＬＰ０１モードと光導波路２１５のＬＰ１１ａモードの実効屈折率が等しくなるような光導波路幅ｗ４を決定する（Ｓ２０４、Ｓ２０５）。光導波路幅ｗ４の決定においても光導波路解析を用いて実効屈折率を算出する。
次に、光導波路間隔ｇ３を決定し（Ｓ２０６）、相互作用長Ｌ３を決定する（Ｓ２０７）。Ｌ３の算出には伝搬解析を行い相互作用長を算出する。
相互作用長Ｌ３を算出したら、所望の結合効率を有するか否かを判定し（Ｓ２０８）、所望の結合効率を有さない場合はステップＳ２０６へ移行する。例えば使用波長帯において８０％以上の結合効率を所望しており、それに満たない結合効率が得られた場合には、光導波路間隔ｇ３を再設定し（Ｓ２０６）、相互作用長Ｌ３の算出を行い（Ｓ２０７）、所望の特性が得られたところで（Ｓ２０８においてＹｅｓ）、これまで決定した各パラメータの確定となる。

図１８に示すモード回転子設計手順では、モード回転子２３０の設計を行う。
本手順では、第１の平行光導波路部２１０及び第２の平行光導波路部２２０で用いた波長帯で設計を進める（Ｓ３０１）。使用する波長帯においてＬＰ１１ａモード及びＬＰ１１ｂモードの両縮退モードが伝搬可能となるように（Ｓ３０３においてＹｅｓ）、光導波路の高さｈ、比屈折率差Δと光導波路幅ｗ８を決定する（Ｓ３０２）。光導波路の高さｈ、比屈折率差Δと光導波路幅ｗ８の決定には、第１の平行光導波路部２１０及び第２の平行光導波路部２２０と同様に有限要素法などの光導波路解析を用いて遮断波長を求めることで決定する。
次に光導波路にトレンチ層を設けるための手順を実施する。トレンチ層の位置を決定するために光導波路の端からの幅ｗ８２を決定する（Ｓ３０４）。ｗ８２はある程度任意に決定し、以下の手順を実施する。ｗ８２を決定後にトレンチ層の幅ｓと深さｄを決定し（Ｓ３０５、Ｓ３０６）、ＬＰ１１ａモードがＬＰ１１ｂモードに回転するように相互作用長Ｌ４を決定する（Ｓ３０７）。Ｌ４の決定にはビーム伝搬法などの光導波路解析を用いて算出を行う。Ｓ３０５からＳ３０７までのパラメータの微調整を行い、ＬＰ１１ａモードからＬＰ１１ｂモードへの所望の結合効率が得られたところで（ステップＳ３０８においてＹｅｓ）、これまで決定した各パラメータの確定となる。Ｓ３０５からＳ３０７のパラメータの調整で所望の特性が得られない場合には（ステップＳ３０８においてＮｏ）、ステップＳ３０４においてｗ８２を決定した際に想定した結合効率であるか否かを判定し（Ｓ３０９）、想定した結合効率である場合にはステップＳ３０５へ移行し、想定した結合効率でない場合にはステップＳ３０４へ移行する。そして再度、Ｓ３０５からＳ３０７の手順を実施し、所望の特性が得られるまでＳ３０４からＳ３０７の手順を繰り返すことで、各パラメータが確定となる。

本実施形態は、３モード多重に限定して記載したが、本発明によれば、実施形態２で説明したように２以上のモードの合分波が可能なモード合分波器を構成できるので、３モード多重に限定されず、２以上のモード数のモード多重伝送が可能になる。

（他の実施形態）
図２と図９に示した下部クラッド層の加工については、可能な限り組み合わせることが可能である。図１０は、図２と図９に示した下部クラッド層の加工を組み合わせて平面光導波路を製造する方法を説明する図である。図１０の平面光導波路は、断面内で中央の光導波路と左側の光導波路とが光導波路高さを違え、かつ断面内で中央の光導波路と右側の光導波路とが光導波路高さを等しくするがコア形状を違えるものである。さらに、光導波路の高さと形状を異なるものとすることも可能である。
また、実施形態１、２では、クラッドをＳｉＯ_２、コアをＳｉＯ_２＋ＧｅＯ_２として説明したが、本発明は、材料をこれらに制限されることはない。

［付記］
本発明は、光導波路の作製方法に係り、特に、大きさの異なるコア及び形状の異なるコアを同一面上に混在させた光導波路の作製方法に関する。

（課題）
光導波路型モード合分波器の作製において、同一平面内でコア径あるいはコア形状の異なる光導波路を簡易に作製し、２以上の伝搬モードの合分波を高効率に実現することを目的とする。

ここで、
本発明のモード合分波器は、
光導波路の大きさが異なる複数の単一モード光導波路と、
前記単一モード光導波路の本数よりも多いモード数の多モード光を伝搬し、各単一モード光導波路との結合部が長手方向に配列された１本のマルチモード光導波路と、を備え、
各単一モード光導波路は、基本モードの実効屈折率が前記マルチモード光導波路の伝搬する高次モードの１つの実効屈折率と等しくなるような光導波路の大きさを有し、
使用波長帯における各単一モード光導波路と前記マルチモード光導波路との結合効率が所望の値以上になるような前記結合部の相互作用長を有する。

本発明のモード合分波器の設計方法は、
光導波路幅が異なる複数の単一モード光導波路と、
前記単一モード光導波路の本数よりも多いモード数の多モード光を伝搬し、各単一モード光導波路との結合部が長手方向に配列された１本のマルチモード光導波路と、を備えるモード合分波器の設計方法であって、
使用波長帯において前記単一モード光導波路の本数よりも多いモード数を伝搬するように、マルチモード光導波路の光導波路幅を決定するステップと、
基本モードの実効屈折率が前記マルチモード光導波路を伝搬する高次モードの１つの実効屈折率と等しくなるように、各単一モード光導波路の光導波路幅を決定するステップと、
使用波長帯における結合効率が所望の値以上になるように、前記結合部の相互作用長を決定するステップと、
を有する。

単一モード光導波路における基本モードの実効屈折率をマルチモード光導波路における高次モードのどの実効屈折率と等しく設計するかに応じて、任意の高次モードの合分波を行うことができる。また、使用波長帯における各単一モード光導波路とマルチモード光導波路との結合効率が所望の値以上になるような相互作用長を有するため、伝搬モードの合分波を高効率で行うことができる。したがって、本発明は、２以上の任意の数の伝搬モードの合分波を高効率で行うことができる。

このようなモード合分波器は、次の製造方法で製造することができる。
（１）：
下部クラッドと上部クラッドとその間にコア層を有する複数の層を堆積させる構造の光導波路の作製方法において、下部クラッド層の形状を加工し所望の形状に変化させた後にコア層を堆積させてコアの形状や高さを同一平面内で変化させることを特徴とする光導波路の作製方法。

（２）：
上記（１）に記載の光導波路の作製方法において、下部クラッド層とコア層との材質あるいは材料を異なるものを用いることにより、エッチングを受ける領域を切り分けることを特徴とし、同一平面内でコアの形状やコアの高さが異なる光導波路の作製方法。

（３）：
上記（１）または（２）に記載の光導波路の作製方法において、同一平面内で光導波路の高さを異なるものとするために、光導波路の高さを低くする光導波路部の下部クラッドの高さを他の光導波路の下部クラッドに対して高くするように加工を行った工程の後にコア層を堆積させて光導波路の作製工程を進めることを特徴とする光導波路の作製方法。

（４）：
上記（１）から（３）のいずれかに記載の光導波路の作製方法において、同一平面内で光導波路の形状を異なるものとするために、形状を変化させる光導波路の下部クラッドの一部の形状を加工した後に、コア層を堆積させて光導波路の作製工程を進めることを特徴とする光導波路の作製方法。

また、本作製方法では、次のモード合分波器も製造できる。
（５）：
上記（１）から（４）のいずれかに記載の光導波路の作製方法により作製される、同一平面内で光導波路の高さが異なることを特徴とするモード合分波器及び、同一平面内で光導波路の形状を異なるものとし、伝搬モードが回転するモード回転子を備えたモード合分波器及び、同一平面内で光導波路の高さと形状が異なる平行光導波路により構成されるモード合分波器。

本発明は情報通信産業に適用することができる。

１１０、１１１、１１２、１１３、１１４、２１１、２１２、２１３、２１４、
２１５、２１６：光導波路
１４１、２４１：基板
１４２、２４２：下部クラッド、下部クラッド層
１４３、２４３：コア層
１４４、２４４：上部クラッド、上部クラッド層
２１０、２２０：平行導波路部
２３０：モード回転子

Claims (6)

1. 互いのコア径又はコア形状が異なる非対称平行光導波路を含む平面光導波路を製造する平面光導波路の製造方法であって、
   下部クラッド層となる基板又は基板上にクラッド材を一様に堆積した下部クラッド層を深さ方向にエッチングして所望のベースパターンを形成する下部クラッド層エッチング工程と、
   前記下部クラッド層を覆うようにコア材を一様に堆積してコア層を形成するコア層堆積工程と、
   前記コア層を深さ方向にエッチングして光導波路パターンを形成するコア層エッチング工程と、
   前記コア層及び前記下部クラッド層を覆うように前記クラッド材を一様に堆積して上部クラッド層を形成する上部クラッド層堆積工程と、
   を順に行い、
   前記下部クラッド層エッチング工程で形成する前記ベースパターンの前記下部クラッド層の厚みと前記コア層エッチング工程で形成する前記光導波路パターンの幅を、平行する光導波路ごとに違えることで前記非対称平行光導波路を形成することを特徴とする平面光導波路の製造方法。
2. 前記クラッド材と前記コア材とは、前記コア層エッチング工程での前記下部クラッド層と前記コア層とのエッチングレートが異なる材質であることを特徴とする請求項１に記載の平面光導波路の製造方法。
3. １の断面に現れる、前記コア層エッチング工程で形成される前記光導波路パターンのコア層の、前記クラッド材と前記コア材の堆積方向における位置を、前記下部クラッド層エッチング工程で形成する前記ベースパターンの前記下部クラッド層で決定することを特徴とする請求項１又は２に記載の平面光導波路の製造方法。
4. 前記コア層エッチング工程終了後に、１の断面に現れる、前記光導波路パターンの前記コア層が前記ベースパターンの前記下部クラッド層の周囲を覆う形状のモード回転子が形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の平面光導波路の製造方法。
5. 基板上に形成された、互いのコア径が異なる非対称平行光導波路を含むモード合分波器であって、
   前記基板に堆積するクラッド材とコア材の堆積方向において、前記非対称平行光導波路を構成する各光導波路の、前記基板から最も離れている上面は、前記基板からの高さがいずれも等しいことを特徴とするモード合分波器。
6. 基板上に形成されたモード回転子を含むモード合分波器であって、
   前記モード回転子は、断面において前記光導波路のコア層が前記光導波路の前記基板側に形成されたクラッド層のパターンの周囲を覆う形状であることを特徴とするモード合分波器。

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