JP6233083B2 - 光素子 - Google Patents

Description

この発明は、例えば、波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ）通信において用いられる、波長の異なる成分光の合分波に用いる多モード干渉（以下、ＭＭＩ（Ｍｕｌｔｉ Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）とも称する）光導波路型の光素子に関する。

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）とを１本の光ファイバで行う光加入者系通信システムにおいては、上り通信及び下り通信に異なる波長の光を用いることがある。光加入者系システムで現在主流となっているのが、双方向で１Ｇｂｐｓ以上の速度で通信可能なＧＥ−ＰＯＮ（Ｇｉｇａｂｉｔ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）−Ｐａｓｓｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ）である。近年、ＧＥ−ＰＯＮに代わる次世代の技術として、通信に用いる波長の多重度を上げたＷＤＭ−ＰＯＮが検討されている。ＷＤＭ−ＰＯＮでは、原理的には、双方向で１０Ｇｂｐｓを超える通信速度が得られる。

ＷＤＭ−ＰＯＮでは、通信に用いる光ファイバの局側及び加入者側の端部にそれぞれ局側終端装置（ＯＬＴ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｉｎｅ Ｔｅｒｍｉｎａｌ）と、加入者側終端装置（ＯＮＵ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｕｎｉｔ）とが設けられる。これらの終端装置には、発光素子、受光素子及び複数波長の光を合分波する波長合分波素子が備えられる。

一般に、発光素子、受光素子、及び波長合分波素子は、光導波路を備えた共通基板に集積される（例えば、非特許文献１及び特許文献１〜６参照）。

近年、これらの素子間接続には、シリコン（Ｓｉ）を材料とするコアと、Ｓｉとの屈折率差が大きな酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を材料とするクラッドとを用いたＳｉ光導波路が用いられる。Ｓｉ光導波路は、コアの屈折率がクラッドの屈折率よりも非常に大きいので、光の閉じ込めが強く、光を１μｍ程度の小さい曲率半径で曲げる湾曲光導波路を形成できる。また、Ｓｉ電子デバイスの加工技術を利用して製造できるために、きわめて微細なサブミクロンの断面構造を実現できる。これらのことから、Ｓｉ光導波路を用いることで素子サイズを小型化することができる。

Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｄｉｇｅｓｔ ＯＦＣ／ＮＦＯＥＣ ２０１０，ｐａｐｅｒ ＯＷＪ３， ２０１０年３月

特開２００９−１９８９１４号公報 米国特許第４８６０２９４号明細書 米国特許第５７６４８２６号明細書 米国特許第５９６０１３５号明細書 米国特許第７０７２５４１号明細書 特開平８−１６３０２８号公報

Ｓｉ光導波路を用いた波長合分波素子には、マッハツェンダ干渉器型、方向性結合器型、グレーティング型、及びＭＭＩ光導波路型等が存在する。

しかし、マッハツェンダ干渉器型は、結合係数や等価屈折率等に大きな波長依存性があるため、ＯＮＵで求められる波長分離特性を得ることが困難である。

また、方向性結合器型は、透過率の波長依存性が大きいため、光源等の波長ずれに弱い傾向がある。

また、ＭＭＩ光導波路型では、不要な高次モードとの干渉により、ＭＭＩ光導波路内での周期関数的な伝搬状態を得ることが難しく、良好な波長分離特性が得られにくい。さらに、構造由来の光のロスが大きい傾向がある（例えば、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｎｇｎｅｅｒｉｎｇ ｖｏｌ．４１，ｐｐ．７２３−７２７，２００２年３月参照）。

また、上述した全形式の波長合分波素子では、Ｓｉ光導波路における大きな偏波依存性が問題となっている。

この発明は、このような技術的背景でなされた。従って、この発明の目的は、偏波無依存で動作するとともに、光のロスを抑えつつ周期関数的な出力特性を持ち、ＭＭＩ光導波路型の波長合分波素子として用いることができる光素子を得ることにある。

発明者は、鋭意検討の結果、光入出力用のテーパ状の幅テーパ光導波路と、光の電場分布を合成するＭＭＩ光導波路とを、波長分離用のＭＭＩ光導波路に接続することにより、上述の課題を解決できることに想到した。

従って、本発明の光素子は、共通平面の上側に、コアと、コアの周囲に設けられたクラッドとを備える光導波路を有しており、入力された波長の異なるｉ個（ｉは２以上の整数）の光を偏波無依存で合分波する光素子である。

この光素子は、光伝搬方向に沿って、第１幅テーパ光導波路と、第１多モード干渉光導波路と、第２多モード干渉光導波路とを備える。

そして、第１幅テーパ光導波路は、光入出力用のテーパ状の光導波路であって、第１多モード干渉光導波路の一端面に接続され、第１幅テーパ光導波路の第１多モード干渉光導波路とは反対側の端面に第１光入出力ポートを備える。

また、第１多モード干渉光導波路は、波長分離用のＭＭＩ光導波路であって、第１多モード干渉光導波路に入力される光の、少なくとも０次モード光及び１次モード光を励起できる幅を有する。

さらに、第２多モード干渉光導波路は、光の電場分布を合成するＭＭＩ光導波路であって、第２多モード干渉光導波路に入力される光の、少なくとも０次モード光、１次モード光及び２次モード光を励起できる幅を有し、第１多モード干渉光導波路とは反対側の端面に第２及び第３光入出力ポートとを備える。

そして、第１幅テーパ光導波路は、第１多モード干渉光導波路に向かうにつれて幅が拡大し、第１多モード干渉光導波路側の端面において第１多モード干渉光導波路の幅の１／２以上の幅を有し、第１多モード干渉光導波路の中心軸からずれた位置に設けられており、第１多モード干渉光導波路において、０次モード光及び１次モード光のみを励起させる。

この発明の光素子では、第１幅テーパ光導波路が第１多モード干渉光導波路で励起するモードを０次及び１次に限定することで、偏波無依存な波長分離を行う。さらに、第２多モード干渉光導波路が、出力光の電場を所望な分布に合成することにより、クラッドへの放射によるロスを低減することができる。

第１光素子を簡略化して示す模式図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、第１及び第２光の集光スポットにおける電場分布であり、（Ｃ）及び（Ｄ）は、それぞれ、第１及び第２光の第２及び第３光入出力ポートにおける電場分布である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、第１幅テーパ光導波路の有無により、第１ＭＭＩ光導波路における光の伝搬状態を、シミュレーションに用いた光素子と共に示す模式図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示した光素子の波長分離特性を示す特性図である。 第２光素子の斜視図である。 第２光素子の要部拡大平面図である。 第２光素子において、第２及び第３ＭＭＩ光導波路と、第２幅テーパ光導波路の寸法を変化させたときの入力光の透過率を示すシミュレーション結果を示す特性図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、第２光素子の波長分離特性を示す特性図である。

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、各図では構成要素の形状、大きさ及び配置関係を、この発明が理解できる程度に概略的に示している。また、以下の各実施形態は、この発明の一好適例であり、各構成要素の材質や数値的条件なども、好適な場合の例示に過ぎない。従って、この発明は、以下の各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。

（発明の概要）
図１を参照して、この発明の概要について説明する。図１は、本発明の実施形態である第１光素子を簡略化して示す模式図である。図１では第１光素子のコアのみを示し、クラッドの図示を省略する。

第１光素子１０は、図が描かれた紙面に平行な共通平面の上側に設けられており、光伝搬方向Ｒに沿って、互いに接続された第１幅テーパ光導波路１２、第１ＭＭＩ光導波路１４、及び第２ＭＭＩ光導波路１６を備える。

第１ＭＭＩ光導波路１４の一端面Ｓ１には、第１幅テーパ光導波路１２が接続されており、第１幅テーパ光導波路１２の、第１ＭＭＩ光導波路１４とは反対側の端面には、第１光入出力ポートＰ１が設けられている。第１ＭＭＩ光導波路１４の一端面Ｓ１とは反対側の他端面Ｓ２には、第２ＭＭＩ光導波路１６が接続されている。また第２ＭＭＩ光導波路１６の第１ＭＭＩ光導波路１４とは反対側の端面Ｓ３には、第２及び第３光入出力ポートＰ２及びＰ３がそれぞれ設けられている。ここで、第２及び第３光入出力ポートＰ２及びＰ３の間の端面Ｓ３の領域を間隙Ｇと称する。そして、第１〜第３光入出力ポートＰ１〜Ｐ３には、それぞれ、光入出力用のチャネル型光導波路５１，５２及び５３が接続されている。

この例では、第１光素子１０には、チャネル型光導波路５１から、波長の異なる第１及び第２光Ｌ１及びＬ２が入力される。そして、これらの光を偏波無依存で波長分離して、第１及び第２光Ｌ１及びＬ２を、それぞれ第２及び第３チャネル型光導波路５２及び５３から出力する。

概略的に、第１幅テーパ光導波路１２は、両光Ｌ１及びＬ２に関して、第１ＭＭＩ光導波路１４中で励起される伝搬モードを０次及び１次モード光に限定する機能を有する。第１ＭＭＩ光導波路１４は、波長の異なる第１及び第２光Ｌ１及びＬ２を偏波無依存で波長分離し、それぞれ、他端面Ｓ２の集光スポットＦ１及びＦ２に集光する。第２ＭＭＩ光導波路１６は、両光Ｌ１及びＬ２に関して、主に０〜２次モード光を励起する。そして、これらのモード間干渉を利用して、両光Ｌ１及びＬ２の電場分布を合成することにより、間隙Ｇからクラッドへ漏れ出す光のロスを抑える。その結果、チャネル型光導波路５２及び５３から、より強度の強い第１及び第２光Ｌ１及びＬ２をそれぞれ出力する。

（第１光素子の構造）
続いて、図１を参照して、第１光素子１０の構造をより詳細に説明する。

なお、図１において矢印Ｒは、光伝搬方向を便宜的に示している。また、以下の説明において、光伝搬方向Ｒに沿った幾何学的長さを「長さ」とも称し、紙面に直角な方向に沿った幾何学的長さを「高さ」又は「厚み」とも称し、高さ方向と長さ方向の両者に直角な方向に沿った幾何学的長さを「幅」とも称する。また、光は逆過程が成り立つので、第１及び第２光Ｌ１及びＬ２の伝搬方向は、光伝搬方向Ｒには限定されない。

第１幅テーパ光導波路１２は、第１ＭＭＩ光導波路１４で励起される第１及び第２光Ｌ１及びＬ２の伝搬モードを、０次モード光及び１次モード光に限定する機能を有する。これにより、第１ＭＭＩ光導波路１４中でのモード間干渉を単純化して、第１及び第２ＭＭＩ光導波路１４及び１６での波長分離能力を高める。

第１幅テーパ光導波路１２は、第１ＭＭＩ光導波路１４に向かうにつれて等脚台形状に幅が広くなる平面形状を持つ。また、第１幅テーパ光導波路１２は、第１ＭＭＩ光導波路１４の中心軸Ｃ２とは、ずれた位置に設けられている。すなわち、第１幅テーパ光導波路１２の中心軸Ｃ１と第１ＭＭＩ光導波路１４の中心軸Ｃ２とは一致しない。そして、第１ＭＭＩ光導波路１４の一端面Ｓ１において、第１幅テーパ光導波路１２は、第１ＭＭＩ光導波路１４の幅の１／２以上の幅であることが好ましく、より詳細には、第１ＭＭＩ光導波路１４の幅の５０〜８０％の大きさが好適であり、さらに、７０％がより一層好適である。なお、第１幅テーパ光導波路１２の幅等の寸法の好適値は、シミュレーションにより求めたものである。

第１ＭＭＩ光導波路１４は、長さが幅よりも長い矩形状の平面形状を持つ。そして、第１ＭＭＩ光導波路１４は、第１及び第２光Ｌ１及びＬ２を偏波無依存で波長分離して、それぞれ、他端面Ｓ２の集光スポットＦ１及びＦ２に集光する。集光スポットＦ１は、第１光Ｌ１を出力する第２光入出力ポートＰ２側に存在し、集光スポットＦ２は、第２光Ｌ２を出力する第３光入出力ポートＰ３側に存在する。

第１ＭＭＩ光導波路１４には、以下に説明する波長分離能力と偏波無依存性とが同時に求められる。

先ず、波長分離能力について説明する。第１光Ｌ１と第２光Ｌ２を波長分離するために、第１ＭＭＩ光導波路１４は、第１光Ｌ１と第２光Ｌ２とで、干渉次数の偶奇性が異なるように幅と長さとが設計されている。ここで、干渉次数とは、言わば、図１に示した第１及び第２光Ｌ１及びＬ２の第１ＭＭＩ光導波路１４中での蛇行回数（幅方向について進行方向が反転する回数）に対応する。つまり、図１の例では、第１ＭＭＩ光導波路１４中で３回（干渉次数が奇数）蛇行する第１光Ｌ１は、集光スポットＦ１に集光し、４回（干渉次数が偶数）蛇行する第２光Ｌ２は、集光スポットＦ２に集光する。ここで、第１及び第２光Ｌ１及びＬ２の干渉次数の偶奇性を逆にすれば、第１及び第２光Ｌ１及びＬ２がそれぞれ集光スポットＦ２及びＦ１に集光される。

なお、この例では、分離すべき波長数ｉが２の場合について説明した。しかし、第１光素子１０は、波長数ｉが３以上の場合、例えば、波長の異なる第１〜第３光Ｌ１〜Ｌ３についても波長分離が可能である。例えば、第１及び第２光Ｌ１及びＬ２と、第３光Ｌ３とで干渉次数の偶奇性を異ならせれば、第１及び第２光Ｌ１及びＬ２と、第３光Ｌ３とを波長分離して、第２及び第３光入出力ポートＰ２及びＰ３から、それぞれ出力させることができる。

続いて、偏波無依存性について説明する。第１ＭＭＩ光導波路１４は、偏波無依存な多モード干渉を行うように幅と長さとが設計されている。具体的には、第１光Ｌ１について、ＴＥ波の０次及び１次モード光の間の伝搬定数差と、ＴＭ波の０次及び１次モード光の間の伝搬定数差とを等しくしている。第２光Ｌ２も同様に、両偏波で０次及び１次モード光間の伝搬定数差を等しくしている。これにより、第１ＭＭＩ光導波路１４では、偏波に依存しない波長分離が可能となる。

次に、図２（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、第１ＭＭＩ光導波路１４を伝搬して集光スポットＦ１及びＦ２に至った第１及び第２光Ｌ１及びＬ２の電場分布を説明する。なお、図２（Ａ）及び（Ｂ）とも一端面Ｓ１側から他端面Ｓ２を見た場合の電場分布である。図中の軸は幅方向の位置を任意単位で表す。また、軸の上下がそれぞれ、電場の正負に対応する。また、第１ＭＭＩ光導波路１４は偏波無依存なので、両偏波とも図面と同様の電場分布を示す。

図２（Ａ）は、波長がλ１である第１光Ｌ１の他端面Ｓ２での電場分布を示す。１個の大きなピークが０次モード光の電場分布であり、サインカーブ的な曲線が１次モード光の電場分布である。点線が、０次及び１次モードの合成電場分布を示す。

合成電場分布は、第１光Ｌ１を出力する第２光入出力ポートＰ２（集光スポットＦ１）側に大きな正のピークを持ち、集光スポットＦ２、すなわち間隙Ｇ側に長く裾を曳いている。

図２（Ｂ）は、波長がλ２である第２光Ｌ２の他端面Ｓ２での電場分布を示す。第２光Ｌ２の電場分布は、１次モード光の電場の正負が逆転している以外は、第１光Ｌ１と同様である。１次モード光でのこの違いは、第２光Ｌ２と第１光Ｌ１とで干渉次数の偶奇性が異なることに由来する。その結果、第２光Ｌ２の合成電場分布は、第２光Ｌ２を出力する第３出力ポートＰ３（集光スポットＦ２）側に大きな正のピークを持ち、集光スポットＦ１、すなわち間隙Ｇ側に長く裾を曳いている。

第２ＭＭＩ光導波路１６は、第１ＭＭＩ光導波路１４よりも幅が広く、長さが短い矩形状の平面形状を持つ。第２ＭＭＩ光導波路１６は、端面Ｓ３に、第２及び第３光入出力ポートＰ２及びＰ３を備える。第２及び第３光入出力ポートＰ２及びＰ３は、第１ＭＭＩ光導波路１４の中心軸Ｃ２に対して対称に設けられており、両光入出力ポートＰ２及びＰ３の間の端面Ｓ３に、上述の間隙Ｇが存在する。

第２ＭＭＩ光導波路１６の幅は、両光Ｌ１及びＬ２の少なくとも０次〜２次モード光を励起できる大きさに設計される。ただ、第２ＭＭＩ光導波路１６で必要なモードは、２次モード光までであるので、３次以上の高次モード光の励起が抑制されるように幅を選択することが好ましい。

また、第２ＭＭＩ光導波路１６の長さは、両光Ｌ１及びＬ２で、０次モード光と２次モード光との間の位相差がπとなるように設計される。

さらに、この長さは、両光Ｌ１及びＬ２の０次及び１次モード光のビート長の１／４以下、好ましくは１／８以下となるように設計される。ビート長が１／４以下の場合は、両偏波の０次及び１次モード光の位相関係が図２（Ａ）及び（Ｂ）の状態を保つとみなすことができる。その結果、第２ＭＭＩ光導波路１６を実用上十分に偏波無依存として取り扱うことができる。ここで、ビート長とは、第２ＭＭＩ光導波路１６を伝搬する光の両偏波間の位相差が２πとなる長さである。

第２ＭＭＩ光導波路１６を上述のように設計することで、間隙Ｇからクラッドに放射される光のロスを低減できる。以下、この点について、図２（Ｃ）及び（Ｄ）を参照して説明する。図２（Ｃ）及び（Ｄ）は、端面Ｓ３における第１及び第２光Ｌ１及びＬ２の電場分布を示す。なお、電場分布を見る方向、及び図中の軸の意味は図２（Ａ）及び（Ｂ）と同様である。なお、図２（Ｃ）及び（Ｄ）には、第２ＭＭＩ光導波路１６で励起される２次モード光の電場分布も示している。

図２（Ｃ）及び（Ｄ）に示す第１及び第２光Ｌ１及びＬ２の電場分布は、１次モード光の電場の正負が逆転している以外は同様であるので、第１光Ｌ１を例にして説明する。

第２ＭＭＩ光導波路１６の長さは、上述のように０次モード光と２次モード光の位相差がπとなるように設定されているので、図２（Ｃ）に示すように、図の左側では、０〜２次モード光の電場が正となり、それ以外の部分では、各モードの電場の正負が拮抗する分布となる。

その結果、点線で示す第１光Ｌ１の合成電場分布は、第２光入出力ポートＰ２（図の左側）で０〜２次モード光の電場の正の部分が重複した大きなピークができ、それ以外の部分では０〜２次モードの電場が相殺して電場強度が０となる。つまり、間隙Ｇ方向（図の右側）での電場が０となるため、間隙Ｇからの放射による光のロスが抑制され、第１光Ｌ１の殆どを第２光入出力ポートＰ２から出力することができる。

図２（Ｄ）を参照すると、第２光Ｌ２でも同様であり、間隙Ｇ方向での電場が０になり、第３光入出力ポートＰ３側のみに合成電場のピークが存在するために、間隙Ｇからのロスを抑制することができる。

（第１幅テーパ光導波路について）
次に、第１幅テーパ光導波路１２の作用について、図３〜図４を参照して、より詳細に説明する。

図３（Ａ）及び（Ｂ）は第１幅テーパ光導波路１２の有無による第１ＭＭＩ光導波路１４における光の伝搬状態を、シミュレーションに用いた光素子と共に示す模式図である。なお、このシミュレーションの光素子１０Ａ及び１０Ｂでは、第１ＭＭＩ光導波路１４中での伝搬状態を強調するために、第２ＭＭＩ光導波路１６を省略している。詳細には、第２ＭＭＩ光導波路１６が接続されるべき他端面Ｓ２に、テーパ形の出力用導波路５４を介して、チャネル型光導波路５２及び５３が接続されている。また、光素子１０Ａ及び１０Ｂへの入力光の波長を１５３０．５ｎｍの一波長に限定した。

図３（Ａ）は、第１幅テーパ光導波路１２を持たず、チャネル型光導波路５１が直接、一端面Ｓ１に接続された光素子１０Ａでの伝搬状態を示す。図３（Ｂ）は、第１幅テーパ光導波路１２を備えた光素子１０Ｂでの伝搬状態を示す。図３（Ａ）及び（Ｂ）の分布図では、横軸が、幅方向の長さ（μｍ）を示し、縦軸が、光伝搬方向Ｒの長さ（μｍ）を示す。また、伝搬光の強度を白黒の濃淡で表しており、色が白いほど光強度が大きいことを示す。

図４（Ａ）及び（Ｂ）は、光素子１０Ａ及び１０Ｂのそれぞれに、チャネル型光導波路５１から、波長の異なる第１及び第２光Ｌ１及びＬ２を入力した場合の波長分離特性を示す特性図である。なお、図３及び４のシミュレーションは、ＢＰＭ法（beam propagation method）により以下の条件で行った。
１）チャネル型光導波路５１〜５３の横断面を、一辺が３００ｎｍの正方形状とした。
２）第１ＭＭＩ光導波路１４の幅を１．６１μｍとし、長さを１５０μｍとし、厚みを３００ｎｍとした。
３）光素子１０Ｂにおいて、第１幅テーパ光導波路１２のテーパの長さを４μｍとし、幅を３００ｎｍから１．１３μｍまで増加させた。

図３（Ａ）を参照すると、第１ＭＭＩ光導波路１４中で、０次モード光から２次以上の高次モード光までが励起されるため、これらの多数のモードが干渉し、複雑な伝搬状態が生じている。一方、図３（Ｂ）では、第１幅テーパ光導波路１２の作用により、第１ＭＭＩ光導波路１４で、０次及び１次モード光のみが励起されるため、周期的な伝搬状態が生じている。

図４（Ａ）及び（Ｂ）は、光素子１０Ａ及び１０Ｂに、波長１．５２μｍの第１光Ｌ１と、波長１．５９μｍの第２光Ｌ２をチャネル型光導波路５１から入力したときの波長分離特性を示している。具体的には、出力側のチャネル型光導波路５２及び５３から出力される光強度を示している。なお、図４（Ａ）及び（Ｂ）において、縦軸は任意単位の光強度であり、横軸はμｍ単位の波長である。

図４（Ａ）及び（Ｂ）を比較すると、第１幅テーパ光導波路１２を持つ図４（Ｂ）の方が、第１及び第２光Ｌ１及びＬ２に関して優れた波長分離特性を示している。具体的には、第１及び第２光Ｌ１及びＬ２の波長分離曲線がそれぞれ左右対称であるとともに、第１及び第２光Ｌ１及びＬ２のピーク波長で良好な消光比を示している。ここで、消光比とは、所定のピーク波長における、一方の光のピーク強度に対する他方の光の強度比である。

ただ、光素子１０Ｂは、波長が１．５２μｍの第１光Ｌ１のピーク強度が、光素子１０Ａよりも小さくなっている。具体的には、第１光Ｌ１の出力に約２ｄＢのロスが生じている。これは、図３（Ｂ）より分かるように、光素子１０Ｂでは、光強度の強い領域（図中、白色領域）が、第１ＭＭＩ光導波路１４の幅方向の中央に存在するので、他端面Ｓ２において、チャネル型光導波路５２及び５３の中間の間隙Ｇから光がクラッドに放射されてしまうためである。

（第２光素子）
続いて、図５〜図８を参照して、本発明の別の実施形態の第２光素子について説明する。図５は、第２光素子の斜視図である。図５においては、光導波路を構成するコアは、クラッドに覆われており直接目視できないが、強調のために実線で示している。

第２光素子３０は、第３ＭＭＩ光導波路１８及び第２幅テーパ光導波路２０を備える以外は、第１光素子１０と同様に構成されている。よって、以下、この相違点を中心に説明する。

図５を参照すると、第３ＭＭＩ光導波路１８は、第１及び第２ＭＭＩ光導波路１４及び１６の間に設けられている。

第３ＭＭＩ光導波路１８は、光伝搬方向Ｒに沿って幅が拡大する等脚台形状の平面形状を持つ。具体的には、第３ＭＭＩ光導波路１８の幅は、第１ＭＭＩ光導波路１４の幅から、第２ＭＭＩ光導波路１６の幅まで増加する。つまり、第３ＭＭＩ光導波路１８は、第１ＭＭＩ光導波路１４から、第２ＭＭＩ光導波路１６との間の幅の変化を緩やかにしている。これにより、第３ＭＭＩ光導波路１８中では、両光Ｌ１及びＬ２の０次〜２次モード光が主に励起され、３次以上の不要な高次モード光の励起が抑制される。このように不要な高次モード光の励起が抑制されるので、第３ＭＭＩ光導波路１８を設けることで、第２及び第３光入出力ポートＰ２及びＰ３（図６参照）における電場分布を、容易に、波長分離に適した状態とすることができる。

なお、第３ＭＭＩ光導波路１８を設ける場合、第２ＭＭＩ光導波路１６と共にシミュレーション等で設計することが好ましい。

(第１及び第２光素子に共通した構造）
主に図５を参照して、第１及び第２光素子１０及び３０に共通した構造について説明する。第１及び第２光素子１０及び３０は、共通平面８ａの上側に設けられたコア７と、コア７の周囲に設けられたクラッド９とを備える光導波路で構成されている。

ここで、共通平面８ａを、ＳＯＩ（silicon on insulator）基板６に設けられる下層Ｓｉ層８の主面とする。

コア７とは、第１及び第２幅テーパ光導波路１２及び２０と、第１〜第３ＭＭＩ光導波路１４，１８及び１６を示す。クラッド９は、コア７の全周囲を覆っている。この例では、第１及び第２光素子１０及び３０は、コア７の屈折率が約３．４７のＳｉ製であり、クラッド９の屈折率が約１．４６のＳｉＯ_２製のＳｉ光導波路で構成されている。このように、コア７の屈折率に対して７１．４％以下の屈折率を持つクラッド９を用いることで、第１及び第２光素子１０及び３０のサイズを小さくすることができる。

一般に、Ｓｉ光導波路を用いた光素子では、コアの厚みは０．５μｍ以下、より好ましくは０．３μｍ以下とすることが好ましい。コアの厚みをこの範囲に設定することにより、第１及び第２光素子１０及び３０を、厚み方向に関して単一モード光導波路とすることができる。この例では、コア７の厚さを３００ｎｍとしている。

また、コア７の下側に設けられるクラッド９の厚みｔを１μｍ以上とすることが好ましい。これにより、コア７から下層Ｓｉ層８への光の放射を抑制することができる。この例では、ｔを約１．５μｍとしている。

また、第１及び第２光素子１０及び３０は、偏波無依存で動作するので、波長を合分波した光を伝搬するチャネル型光導波路５１〜５３も偏波無依存であるのが好ましい。そのため、チャネル型光導波路５１〜５３の横断面を、１辺が約３００ｎｍの正方形状としている。

第１及び第２光素子１０及び３０の作成には、ＳＯＩ基板を用いるのが好ましい。ＳＯＩ基板では、単結晶である下層Ｓｉ層８と、ＳｉＯ_２製のＢＯＸ（Buried Oxide）層と、単結晶Ｓｉの薄膜であるＳＯＩ層がこの順序で積層されている。そして、ＳＯＩ層で所望の形状にコア７を形成し、その後、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等で、コア７を埋め込んでクラッド９となるＳｉＯ_２を形成すれば、第１及び第２光素子１０及び３０が得られる。

なお、第１及び第２光素子１０及び３０は、Ｓｉ光導波路製に限定されず、石英系導波路、化合物半導体系導波路等、光導波路として公知の種々の材料で形成できる。

（第２幅テーパ光導波路）
続いて、図５及び図６を参照して、第２幅テーパ光導波路２０について説明する。図６は、第２光素子３０の要部拡大平面図であり、クラッド９の図示を省略している。

第２幅テーパ光導波路２０は、第１及び第２サブ幅テーパ光導波路２０ａ及び２０ｂを備える。第１及び第２サブ幅テーパ光導波路２０ａ及び２０ｂは、第２ＭＭＩ光導波路１６の第２及び第３出力ポートＰ２及びＰ３にそれぞれ設けられている。

この例では、第１及び第２サブ幅テーパ光導波路２０ａ及び２０ｂは、第２光素子３０の中心軸Ｃ２に対して対称な形状及び配置を持つ。

図６を参照すると、第１サブ幅テーパ光導波路２０ａは、台形状の平面形状を持ち、その中心軸Ｃ２０ａが、第２光素子３０の中心軸Ｃ２から角度θ１だけ傾いている。そして、端面Ｓ３上において、チャネル型光導波路５２側の底辺の中点から降ろした垂線の足と、中心軸Ｃ２０ａとの距離はＳｂ１である。

なお、第１サブ幅テーパ光導波路２０ａの中心軸Ｃ２０ａとは、端面Ｓ３に接続された台形の一方の底辺の中点と、チャネル型光導波路５２に接続された他方の底辺の中点とを結んだ直線である。第２サブ幅テーパ光導波路２０ｂでも同様に中心軸Ｃ２０ｂ、角度θ２及び距離Ｓｂ２が定義される。この例ではθ１＝θ２（Ｓｂ１＝Ｓｂ２）である。以下、θ１及びθ２を「傾斜角」とも称する。また、Ｓｂ１及びＳｂ２を「変位」とも称する。また、第１及び第２サブ幅テーパ光導波路２０ａ及び２０ｂの端面Ｓ３における幅をそれぞれＷ１及びＷ２とする。この例では、この幅は等しく、Ｗ１＝Ｗ２である。

第１サブ幅テーパ光導波路２０ａの中心軸Ｃ２０ａは、第１サブ幅テーパ光導波路２０ａを伝搬する第１光Ｌ１の波面の進行方向に平行になるように設定される。中心軸Ｃ２０ａを、このように設定することで、第１光Ｌ１の進行方向と、第１サブ幅テーパ光導波路２０ａの延在方向とが一致し、第１サブ幅テーパ光導波路２０ａからの光の放射によるロスを抑制できる。第２サブ幅テーパ光導波路２０ｂについても同様である。

ただ、第２光素子３０で分離すべき波長差が、１μｍ以上の場合には、第１及び第２サブ幅テーパ光導波路２０ａ及び２０ｂ中で、第１及び第２光Ｌ１及びＬ２の波面の方向が異なる場合もあり得る。この場合には、傾斜角θ１及びθ２を異なる大きさに設定してもよい。

（偏波無依存性とロスの低減）
次に、主に図６及び図７を参照して、第２光素子３０が実質的に偏波無依存で、且つ光のロスが抑制されることについて説明する。

図７は、第３及び第２ＭＭＩ光導波路１８及び１６と第２幅テーパ光導波路２０の寸法を変化させたときの、第２光素子３０の入力光の透過率を示すシミュレーション結果である。

図７において、横軸は、図６に示した変位Ｓｂ１（＝Ｓｂ２）の大きさ（μｍ）を示す。縦軸は、入力光に対する出力光の強度の比率である透過率（ｄＢ）を示す。

図７には、ＴＥ波及びＴＭ波のそれぞれに関して、Ｗ１（＝Ｗ２）の長さを０．８μｍ、１μｍ、及び１．２μｍと変化させた６本の曲線が描かれている。すなわち、曲線ＴＥ（０．８），ＴＥ（１）及びＴＥ（１．２）は、それぞれ、Ｗ１が０．８μｍ，１μｍ及び１．２μｍのＴＥ波の透過率を示す。同様に、曲線ＴＭ（０．８），ＴＭ（１）及びＴＭ（１．２）は、Ｗ１が０．８μｍ，１μｍ及び１．２μｍのＴＭ波の透過率を示す。

なお、シミュレーションは以下に列記する条件で、ＦＤＴＤ（Finite-difference time-domain）法で行った。
１）コア７の厚さを３００ｎｍとした。
２）第１幅テーパ光導波路１２の一端面Ｓ１での幅を１２０２．５ｎｍとした。これは、第１ＭＭＩ光導波路１４の幅の約７４．７％である。
３）第１ＭＭＩ光導波路１４の長さを１５μｍとし、幅を１６１０ｎｍとした。
４）変位Ｓｂ１の長さを−０．０２μｍ〜＋０．０２μｍまで変化させた。なお、変位Ｓｂ１の長さが負の場合は、光伝搬方向Ｒに沿って第１及び第２サブ幅テーパ光導波路２０ａ及び２０ｂの中心軸Ｃ２０ａとＣ２０ｂとが接近することを示し、正の場合は、光伝搬方向Ｒに沿って第１及び第２サブ幅テーパ光導波路２０ａ及び２０ｂの中心軸Ｃ２０ａとＣ２０ｂとが離間することを示す。
５）第２光素子３０への入力光を、第１ＭＭＩ光導波路１４で偏波無依存性が達成される１５３０．５ｎｍとした。
６）第３ＭＭＩ光導波路１８の長さＤ１８は、μｍ単位で、式（４×（Ｗ１−０．８）／０．６＋１）より求めた。
７）第２ＭＭＩ光導波路１６の長さＤ１６は、μｍ単位で、式（４×（Ｗ１−０．８）／０．６＋２）より求めた。
８）第２ＭＭＩ光導波路１６の幅を、Ｇの幅（３００ｎｍ）＋２×Ｗ１とした。これは、第２ＭＭＩ光導波路１６の幅を１．７μｍ〜２．９μｍにすることに相当する。
９）第２幅テーパ光導波路２０の長さＤ２０は、４μｍとした。
１０）間隙Ｇの幅を、３００ｎｍとした。

図７を参照すると、例えば、曲線ＴＥ（０．８），ＴＥ（１）及びＴＥ（１．２）に示されるように、第１及び第２サブ幅テーパ光導波路２０ａ及び２０ｂの幅Ｗ１及びＷ２が大きくなるほど光のロスが少なくなることが分かる。これは、光のロスを生じる間隙Ｇの幅（３００ｎｍ）に対して、光を出力するＷ１及びＷ２の幅の比率が大きくなるためと思われる。しかし、図示はしていないが、Ｗ１が１．５μｍを超えると、逆に、透過率のロスが大きくなる傾向が見られた。

特に、Ｗ１が、１．２μｍである曲線ＴＭ（１．２）では、変位Ｓｂ１が、−０．０２μｍである場合に、入力光のロスが約０．８ｄＢまで抑制されている。また、同じＳｂ１（＝−０．０２μｍ）において、偏波が異なるＴＥ（１．２）では、入力光のロスが約１．１５ｄＢまで抑制されている。

図４（Ｂ）で示した、第２及び第３ＭＭＩ光導波路１６及び１８と、第１幅テーパ光導波路１２を持たない光素子１０Ｂでの入力光のロスは、約２ｄＢであるので、第２光素子３０では、第２及び第３ＭＭＩ光導波路１６及び１８と、第２幅テーパ光導波路２０を備え、さらに、シミュレーションで最適化を行うことにより、入力光のロスをより減少させることができる。

また、第２光素子３０を実用的に偏波無依存で動作させるためには、両偏波間の透過率の差が０．５ｄＢ以内に収まることが要求される。この意味で、変位Ｓｂ１＝−０．０２μｍにおける曲線ＴＥ（１．２）とＴＭ（１．２）との透過率の差は、約０．３ｄＢであり、第２光素子３０は、上述の条件を満たしている。

（ＯＮＵ及びＯＬＴへの応用）
続いて、図８（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、加入者系システムで用いられる波長が１．３μｍ及び１．４９μｍの光の波長分離に最適化した第２光素子３０の波長分離特性について説明する。

図８（Ａ）では、コア７の厚みを３００ｎｍとする条件の下で、ＦＤＴＤ法により、実用上十分な特性が得られるまでシミュレーション繰り返し、以下の１）〜６）の条件を決定した。なお、シミュレーションに当たって、第２光素子３０には、全ての波長を含む白色光を入力した。
１）上述の２波長で偏波無依存な波長分離を達成するために、第１ＭＭＩ光導波路１４の幅を１８５０ｎｍとし、長さを５０．５μｍとした。
２）第１幅テーパ光導波路１２の一端面Ｓ１における幅を１３６５ｎｍとした。この幅は、第２ＭＭＩ光導波路１６の幅の約６５％である。また、第１幅テーパ光導波路１２のテーパの長さを２μｍとした。
３）第２ＭＭＩ光導波路１６の幅を２１００ｎｍとし、長さを２μｍとした。
４）第３ＭＭＩ光導波路１８の長さを４μｍとした。
５）第１及び第２サブ幅テーパ光導波路２０ａ及び２０ｂの幅Ｗ１及びＷ２をそれぞれ９００ｎｍとし、変位Ｓｂ１を−１００ｎｍとした。つまり、第１及び第２サブ幅テーパ光導波路２０ａ及び２０ｂは、中心軸Ｃ２方向に傾いて設けられている。
６）間隙Ｇの幅を２２０ｎｍとした。

図８（Ａ）には、４本の曲線が示されている。曲線Ｌ１（ＴＥ）及びＬ１（ＴＭ）は、目的波長が約１．４９μｍに設定された第１光Ｌ１のＴＥ波及びＴＭ波の波長分離特性を示す。同様に、曲線Ｌ２（ＴＥ）及びＬ２（ＴＭ）は、目的波長が約１．３μｍに設定された第２光Ｌ２のＴＥ波及びＴＭ波の波長分離特性を示す。

図８（Ａ）を参照すると、第２光素子３０では、周期関数的な波長分離特性が得られている。また、目的波長である１．３μｍ及び１．４９μｍ付近では、ＴＥ波とＴＭ波とも透過率のロスが０．７ｄＢ以内に抑えられている。

さらに、目的波長付近で、ＴＥ波とＴＭ波の曲線は略一致しており、実用上十分に偏波無依存性が達成されている。

図８（Ｂ）では、コア７の厚みを２２０ｎｍとする条件の下で、ＦＤＴＤ法により、実用上十分な特性が得られるまでシミュレーション繰り返し、以下の１）〜６）の条件を決定した。なお、第２光素子３０には、全ての波長を含む白色光を入力した。
１）第１幅テーパ光導波路１２の一端面Ｓ１における幅を４３７ｎｍとした。この幅は、第２ＭＭＩ光導波路１６の幅の約４６％である。
２）上述の２波長で偏波無依存な波長分離を達成するために、第１ＭＭＩ光導波路１４の幅を９５０ｎｍとし、長さを１２μｍとした。
３）第２ＭＭＩ光導波路１６の幅を１７００ｎｍとし、長さを２μｍとした。
４）第３ＭＭＩ光導波路１８の長さを１．３μｍとした。
５）第１及び第２サブ幅テーパ光導波路２０ａ及び２０ｂの幅Ｗ１及びＷ２をそれぞれ７００ｎｍとし、変位Ｓｂ１を−２０ｎｍとした。つまり、第１及び第２サブ幅テーパ光導波路２０ａ及び２０ｂは、中心軸Ｃ２方向に傾いて設けられている。
６）間隙Ｇの幅を２５０ｎｍとした。

図８（Ｂ）を参照すると、第２光素子３０では、周期関数的な波長分離特性が得られている。また、目的波長である１．３μｍ及び１．４９μｍ付近では、ＴＥ波とＴＭ波とも透過率のロスは、１ｄＢより小さく、実用上十分に偏波無依存性が達成されていることが分かる。

さらに、目的波長付近で、ＴＥ波とＴＭ波の曲線の一致度が図８（Ａ）よりも若干劣っている。

これは、コア７の厚みが２２０ｎｍの場合には、第１ＭＭＩ光導波路１４の幅が、目的波長の１．５μｍの１次モード光のカットオフに近づくために、第１幅テーパ光導波路１２の一端面Ｓ１における幅を狭くしなければならない等、寸法的な制約が大きくなるためと思われる。

７ コア
８ Ｓｉ基板
８ａ 共通平面（Ｓｉ基板８の主面）
９ クラッド
１０ 第１光素子
１２ 第１幅テーパ光導波路
１４ 第１多モード干渉光導波路
１６ 第２多モード干渉光導波路
１８ 第３多モード干渉光導波路
２０ 第２幅テーパ光導波路
２０ａ 第１サブ幅テーパ光導波路
２０ｂ 第２サブ幅テーパ光導波路
３０ 第２光素子
５１，５２，５３ チャネル型光導波路
５４ 出力用導波路

Claims (9)

1. 共通平面の上側に、コアと、該コアの周囲に設けられたクラッドとを備える光導波路を有し、入力された波長の異なるｉ個（ｉは２以上の整数）の光を偏波無依存で合分波する光素子であって、
   光伝搬方向に直角、且つ、前記共通平面に平行な長さを幅とするとき、
   前記光素子が、
   光伝搬方向に沿って、第１幅テーパ光導波路と、第１多モード干渉光導波路と、第２多モード干渉光導波路とを備え、
   前記第１幅テーパ光導波路は、前記第１多モード干渉光導波路の一端面に接続され、前記第１多モード干渉光導波路とは反対側の端面に第１光入出力ポートを備え、
   前記第１多モード干渉光導波路は、該第１多モード干渉光導波路に入力される光の、少なくとも０次モード光及び１次モード光を励起できる幅を有し、
   前記第２多モード干渉光導波路は、該第２多モード干渉光導波路に入力される光の、少なくとも０次モード光、１次モード光及び２次モード光を励起できる幅を有し、前記第１多モード干渉光導波路とは反対側の端面に第２及び第３光入出力ポートを備え、
   前記第１幅テーパ光導波路は、前記第１多モード干渉光導波路に向かうにつれて幅が拡大し、前記第１多モード干渉光導波路側の端面において前記第１多モード干渉光導波路の幅の１／２以上の幅を有し、前記第１多モード干渉光導波路の中心軸からずれた位置に設けられており、
   前記第１多モード干渉光導波路において、前記０次モード光及び１次モード光のみを励起させることを特徴とする光素子。
2. 前記第１幅テーパ光導波路の、前記第１多モード干渉光導波路側の端面における幅が、前記第１多モード干渉光導波路の幅の５０〜８０％の範囲の値であることを特徴とする請求項１に記載の光素子。
3. 前記第１多モード干渉光導波路は、入力されたｉ個の前記光のそれぞれについて、ＴＥ波の０次モード光及び１次モード光の伝搬定数差と、ＴＭ波の０次モード光及び１次モード光の伝搬定数差とが等しくなるような幅を有し、
   入力されたｉ個の前記光のそれぞれに対し、偶数又は奇数の干渉次数を付与し、偶数の干渉次数を有する光が、前記第２光入出力ポートから出力されるとき、奇数の干渉次数を有する光は、前記第３光入出力ポートから出力され、偶数の干渉次数を有する光が、前記第３光入出力ポートから出力されるとき、奇数の干渉次数を有する光は、前記第２光入出力ポートから出力されることを特徴とする請求項１又は２に記載の光素子。
4. 前記第１及び第２多モード干渉光導波路の間に第３多モード干渉光導波路が設けられており、
   前記第３多モード干渉光導波路は、前記第１多モード干渉光導波路から、前記第２多モード干渉光導波路に向かうにつれて幅が拡大し、
   前記第３多モード干渉光導波路は、該第３多モード干渉光導波路に入力されるｉ個の前記光の、０次モード光、１次モード及び２次モード光を少なくとも励起できる幅を有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素子。
5. 前記第２及び第３多モード干渉光導波路の光伝搬方向に沿った長さの和は、該第２及び第３多モード干渉光導波路に入力されたｉ個の前記光の０次モード光と１次モード光のビート長の１／４以下であり、且つ、前記０次モード光と２次モード光との間の位相差がπとなるように設定されることを特徴とする請求項４に記載の光素子。
6. 前記第２及び第３光入出力ポートに、第１及び第２サブ幅テーパ光導波路を備えた第２幅テーパ光導波路が接続されており、
   前記第１及び第２サブ幅テーパ光導波路は、前記第２多モード干渉光導波路から離間するにつれて幅が縮小するとともに、
   それぞれの中心軸が、前記第１及び第２サブ幅テーパ光導波路を伝搬する光の波面の方向と一致するように設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の光素子。
7. 前記第１多モード干渉光導波路が、前記一端面と前記他端面との間を接続する第１及び第２側面を備え、
   前記一端面における前記第１幅テーパ光導波路の端部と、前記第１及び第２側面の何れかとの距離が０（ゼロ）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素子。
8. 前記コアがＳｉであり、前記クラッドが、前記コアの屈折率の７１．４％未満の屈折率を有する材料で構成されていることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の光素子。
9. 前記ｉが２であることを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の光素子。

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