JP6540071B2 - 光導波路素子 - Google Patents

Description

この発明は、波長の相違に基づき光の経路を切り換える光導波路素子に関する。

近年、小型化や量産性に有利な光デバイスの開発に当たり、Ｓｉ（シリコン）を細線導波路の材料として用いるＳｉ細線導波路が注目を集めている。

Ｓｉ細線導波路では、実質的に光の伝送路となる光導波路コアを、Ｓｉを材料として形成する。そして、Ｓｉよりも屈折率の低い例えばシリカ等を材料としたクラッドで、光導波路コアの周囲を覆う。このような構成により、光導波路コアとクラッドとの屈折率差が極めて大きくなるため、光導波路コア内に光を強く閉じ込めることができる。その結果、曲げ半径を例えば１μｍ程度まで小さくした、小型の曲線導波路を実現することができる。そのため、電子回路と同程度の大きさの光回路を作成することが可能であり、光デバイス全体の小型化に有利である。

ところで、波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ）方式を利用した受動型光加入者ネットワーク（ＰＯＮ：Ｐａｓｓｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ）では、加入者側装置（ＯＮＵ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｕｎｉｔ）毎に異なる受信波長が割り当てられる。局側装置（ＯＬＴ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｉｎｅ Ｔｅｒｍｉｎａｌ）は、各ＯＮＵへの下り光信号を、送り先の受信波長に対応した送信波長でそれぞれ生成し、これらを多重して送信する。各ＯＮＵは、複数の波長で多重された下り光信号から、自身に割り当てられた受信波長の光信号を選択的に受信する。ＯＮＵでは、各々の受信波長の下り光信号を選択的に受信するために、例えば特定の波長を分離する波長フィルタとしての機能が付与された光導波路素子（以下、波長分離素子とも称する）が使用される。そして、この波長分離素子を、上述したＳｉ細線導波路によって構成する技術が実現されている。

Ｓｉ細線導波路を用いる波長分離素子としては、光の干渉現象を利用する波長分離素子がある（特許文献１及び２、非特許文献１及び２参照）。この一例として、例えば、Ｓｉ細線導波路を、多モード干渉（ＭＭＩ：Ｍｕｌｔｉ Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）光導波路として構成する波長分離素子がある。ＭＭＩ光導波路には、作製誤差の影響を受けにくいという利点がある。

ここで、Ｓｉ細線導波路を用いた波長分離素子には、偏波依存性があるという欠点がある。従って、Ｓｉ細線導波路を用いた波長分離素子において、ＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）偏波及びＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ）偏波の両偏波に対応するためには、偏波依存性を解消する設計が必要である。上述したＭＭＩ光導波路では、光導波路コアの幅を調整して、励起される各次数モード間の伝播定数差（例えば基本モードと１次モードとの伝播定数差）を、ＴＥ偏波とＴＭ偏波とで一致させる。これによって、ＭＭＩ光導波路を、偏波無依存とすることができる（非特許文献３参照）。

特開２００９−１９８９１４号公報 特開２００３−１４９４７２号公報

Technical digest OFC/NFOEC 2010, paper OWJ3, 2010年3月 Journal of Selected Areas in Quantum Electronics, vol. 16, p. 33, 2010 Optical Engineering vol.41, No.3, pp.723-727(March,2002)

Ｓｉ細線導波路は、例えばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を利用することによって製造することができる。この場合には、ＳＯＩ基板のＳｉ層がパターニングされることによって、上述した光導波路コアが形成される。そのため、光導波路コアの厚さは、ＳＯＩ基板のＳｉ層の厚さに依存する。そして、Ｓｉ層の厚さが２２０ｎｍ程度であるＳＯＩ基板が広く流通している。このＳＯＩ基板を利用する場合には、光導波路コアの厚さが２２０ｎｍに制限される。

上述したＭＭＩ光導波路を偏波無依存化するに当たり、光導波路コアの厚さが２２０ｎｍ程度である場合には、幅を１μｍ程度に設定する必要がある。光導波路コアをこのような小さい幅及び厚さで設計すると、１次モード以上のＴＭ偏波がほとんど伝播しない。そのため、光導波路コアの厚さが２２０ｎｍ程度と薄い場合には、ＭＭＩ光導波路を偏波無依存化することが困難であった。

そこで、この発明の目的は、光導波路コアが薄い場合であっても、偏波無依存の波長分離素子として使用できる光導波路素子を提供することにある。

上述した課題を解決するために、この発明による光導波路素子は、以下の特徴を備えている。

この発明による光導波路素子は、光導波路コアとして形成された、少なくとも基本モード及び１次モードの光を伝播させる多モード干渉部と、光導波路コアとして多モード干渉部と一体的に形成されたテーパ部とを備えている。多モード干渉部の一端には、多モード干渉部の中心軸からずれた位置に第１入出力ポートが設定されている。また、多モード干渉部の、一端と対向する他端には第２入出力ポート及び第３入出力ポートがそれぞれ設定されている。多モード干渉部には、第１入出力ポートから、第１波長の光及び第１波長とは異なる第２波長の光が入力される。第１入出力ポートから入力される第１波長の光は、第２入出力ポートから出力され、第１入出力ポートから入力される第２波長の光は、第３入出力ポートから出力される。多モード干渉部は、第１波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波に対して、互いに偶数（０を除く）差の干渉次数を与える。また、第２波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波に対して、互いに偶数（０を除く）差の干渉次数を与える。また、第１波長の光及び第２波長の光に対し、互いに偶奇性の異なる干渉次数を与える。また、多モード干渉部は、第１多モード干渉部と第２多モード干渉部とを含んでいる。第１多モード干渉部と第２多モード干渉部とは、一端から他端の方向へ、この順に接続されている。第１多モード干渉部は、基本モード及び１次モードの光を伝播させる。第２多モード干渉部は、基本モード、１次モード及び２次モードの光を伝播させる。第２多モード干渉部の長さは、第１波長の光及び第２波長の光の基本モードと２次モードとの間の位相差がπであり、かつ第１波長の光及び第２波長の光の基本モード及び１次モードのビート長の１／４以下となるように設定される。テーパ部は、多モード干渉部の第１入出力ポートに接続され、多モード干渉部に向かうにつれて幅が拡大し、多モード干渉部側の端において、多モード干渉部の幅の１／２以上の幅を有し、及び多モード干渉部において、基本モード及び１次モードの光のみを励起させる。

この発明の光導波路素子では、多モード干渉部において、第１波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波には、偶奇性の共通する干渉次数が与えられる。また、第２波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波には、偶奇性の共通する干渉次数が与えられる。そして、第１波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波と第２波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波とで、与えられる干渉次数の偶奇性が異なる。その結果、第１入出力ポートから入力される、第１波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波は、第２光入出力ポート及び第３入出力ポートの、共通する一方から出力される。また、第１入出力ポートから入力される、第２波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波は、第１波長が出力されるのとは異なる、第２入出力ポート及び第３入出力ポートの共通する他方から出力される。

このように多モード干渉部を設計することによって、この発明の光導波路素子では、光導波路コアの厚さが小さい場合（例えば２２０ｎｍ以下）であっても、異なる波長の光を偏波無依存で分離することができる。

（Ａ）及び（Ｂ）は、この発明の第１の光導波路素子の概略図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、ＭＭＩ部の波長分離特性及び偏波無依存性を説明する図である。 この発明の第２の光導波路素子の概略図である。 この発明の第２の光導波路素子の特性を評価する図である。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、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限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

（第１の光導波路素子）
図１を参照して、この発明の第１の実施の形態による光導波路素子（以下、第１の光導波路素子）について説明する。図１（Ａ）は、第１の光導波路素子を示す概略的平面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す第１の光導波路素子をＩ−Ｉ線で切り取った概略的端面図である。なお、図１（Ａ）では、後述するクラッド層を透明として示してある。

なお、図１（Ａ）において、光の概略的な伝搬方向を矢印Ｒで示す。光は逆過程が成り立つので、光の伝搬方向は矢印Ｒに限定されない。また、以下の説明では、支持基板１０の厚さに沿った方向を厚さ方向とする。また、光の伝播方向に沿った方向を長さ方向とする。また、長さ方向及び厚さ方向に直交する方向を幅方向とする。

第１の光導波路素子１００は、支持基板１０、クラッド層２０及び光導波路コア３０を備えて構成されている。

支持基板１０は、例えば単結晶Ｓｉを材料とした平板状体で構成されている。

クラッド層２０は、支持基板１０上に、支持基板１０の上面１０ａを被覆し、かつ光導波路コア３０を包含して形成されている。クラッド層２０は、例えばＳｉＯ_２を材料として形成されている。

光導波路コア３０は、クラッド層２０よりも高い屈折率を有する例えばＳｉを材料として形成されている。その結果、光導波路コア３０は、実質的な光の伝送路として機能し、入力された光が光導波路コアの平面形状に応じた伝播方向に伝播する。また、光導波路コア３０は、伝播する光が支持基板１０へ逃げるのを防止するために、支持基板１０から例えば少なくとも１〜３μｍ程度の範囲内の距離で離間して形成されているのが好ましい。

また、光導波路コア３０は、一体的に形成された第１入出力部４１、テーパ部５０、ＭＭＩ部６０、第２入出力部４２及び第３入出力部４３を含んでいる。

ここでは、第１入出力部４１から、第１波長の光及び第１波長とは異なる第２波長の光が入力される。そして、多モード干渉（ＭＭＩ）部６０において、これらの光を波長分離する。そして、波長分離された光は、波長毎に異なる、第２入出力部４２及び第３入出力部４３の一方の入出力部から出力される。

第１入出力部４１は、一端４１ａ側で例えば外部の素子や伝送路と接続される。また、他端４１ｂ側でテーパ部５０と接続される。第１入出力部４１の幅及び厚さは、例えばシングルモード条件を満たすように設定される。

テーパ部５０は、ＭＭＩ部６０に向かうにつれて幅が連続的に拡大するように設計されている。テーパ部５０は、一端５０ａ側で第１入出力部４１の他端４１ｂと接続される。また、他端５０ｂ側で、ＭＭＩ部６０の第１入出力ポート６１と接続される。

ここで、ＭＭＩ部６０の第１入出力ポート６１は、ＭＭＩ部６０の中心軸Ｃ６０からずれた位置に設定される。従って、テーパ部５０は、ＭＭＩ部６０の中心軸Ｃ６０からずれた位置で、ＭＭＩ部６０と接続される。そのため、テーパ部５０の中心軸Ｃ５０とＭＭＩ部６０の中心軸Ｃ６０とは一致しない。

また、ＭＭＩ部６０と接続される、テーパ部５０の他端５０ｂの幅Ｗ１は、ＭＭＩ部６０の幅Ｗ２の１／２以上の幅であることが好ましい。より詳細には、テーパ部５０の他端５０ｂの幅Ｗ１は、ＭＭＩ部６０の幅Ｗ２の５０〜８０％の範囲内の値、特に７０％の値であることが好ましい。このテーパ部５０の寸法の好適値は、シミュレーションによって求められたものである。

テーパ部５０は、第１波長の光及び第２波長の光に対して、ＭＭＩ部６０で励起される伝播モードを基本モード及び１次モードに限定する。その結果、２次以上の不要な高次モードの励起が抑制される。これよって、ＭＭＩ部６０におけるモード間干渉が単純化され、波長分離特性が向上する。

ＭＭＩ部６０は、矩形状の平面形状で形成されている。ＭＭＩ部６０は、第１波長の光及び第２波長の光に対して、少なくとも基本モード及び１次モードを伝播させる幅で設計されている。

ＭＭＩ部６０の、一方の端６０ａには、上述した第１入出力ポート６１が設定されている。また、一方の端６０ａと対向する他方の端６０ｂには第２入出力ポート６２及び第３入出力ポート６３がそれぞれ設定されている。上述したように、第１入出力ポート６１は、ＭＭＩ部６０の中心軸Ｃ６０からずれた位置に設定されている。また、第２入出力ポート６２と第３入出力ポート６３とは、ＭＭＩ部６０の中心軸Ｃ６０に対して対称となる位置に設定されている。

ＭＭＩ部６０は、第１入出力ポート６１から入力される第１波長の光及び第２波長の光を、モード間干渉を利用して波長分離する。そして、偏波無依存で、一方の波長の光を第２入出力ポート６２に、及び他方の波長の光を第３入出力ポート６３からそれぞれ出力する。従って、ＭＭＩ部６０には、波長分離特性及び偏波無依存性が求められる。この実施の形態では、ＭＭＩ部６０が、第１波長及び第２波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波に対して、それぞれ所定の干渉次数を与えることによって、偏波無依存で波長分離を行う。ここで、干渉次数は、ＭＭＩ部６０を伝播する光の蛇行回数（幅方向について進行方向が反転する回数）に対応する。

図２を参照して、ＭＭＩ部６０の波長分離特性及び偏波無依存性について説明する。図２（Ａ）〜（Ｄ）は、ＭＭＩ部６０の波長分離特性及び偏波無依存性について説明する図である。図２（Ａ）〜（Ｄ）では、第１の光導波路素子の光導波路コアのみを概略的平面図で示し、各図中において概略的な光の経路を矢印で示してある。図２（Ａ）では、第１波長のＴＥ偏波の経路を示している。また、図２（Ｂ）では、第１波長のＴＭ偏波の経路を示している。また、図２（Ｃ）では、第２波長のＴＥ偏波の経路を示している。また、図２（Ｄ）では、第２波長のＴＭ偏波の経路を示している。

ＭＭＩ部６０は、第１の波長のＴＥ偏波Ｌ１ａ及びＴＭ偏波Ｌ１ｂに対して、互いに偶数（０を除く）差の干渉次数を与える（図２（Ａ）及び（Ｂ））。従って、第１の波長のＴＥ偏波Ｌ１ａ及びＴＭ偏波Ｌ１ｂには、偶奇性の共通する干渉次数が与えられる。図２（Ａ）及び（Ｂ）の例では、第１の波長のＴＥ偏波Ｌ１ａに干渉次数３、及び第１の波長のＴＭ偏波Ｌ１ｂに干渉次数５が与えられている。その結果、第１入出力ポートから入力される第１の波長のＴＥ偏波Ｌ１ａ及びＴＭ偏波Ｌ１ｂは、ともに共通の入出力ポート（ここでは第３入出力ポート６３）から出力される。

一方、ＭＭＩ部６０は、第２の波長のＴＥ偏波Ｌ２ａ及びＴＭ偏波Ｌ２ｂに対して、第１の波長のＴＥ偏波Ｌ１ａ及びＴＭ偏波Ｌ１ｂとは偶奇性の異なる干渉次数を与える。そして、ＭＭＩ部６０は、第２の波長のＴＥ偏波Ｌ２ａ及びＴＭ偏波Ｌ２ｂに対しても、互いに偶数（０を除く）差の干渉次数を与える（図２（Ｃ）及び（Ｄ））。従って、第２の波長のＴＥ偏波Ｌ２ａ及びＴＭ偏波Ｌ２ｂには、偶奇性の共通する干渉次数が与えられる。図２（Ｃ）及び（Ｄ）の例では、第２の波長のＴＥ偏波Ｌ２ａに干渉次数４、及び第２の波長のＴＭ偏波Ｌ２ｂに干渉次数６が与えられている。その結果、第１入出力ポートから入力される第２の波長のＴＥ偏波Ｌ２ａ及びＴＭ偏波Ｌ２ｂは、ともに共通の入出力ポートであって、かつ第１の波長の光とは異なるポート（ここでは第２入出力ポート６２）から出力される。

このように、ＭＭＩ部６０が与える干渉次数を、各波長におけるＴＥ偏波とＴＭ偏波とで偶数差とし、かつ各波長で互いに異なる偶奇性とする。その結果、ＭＭＩ部６０は、偏波無依存で、第１波長及び第２波長の光を波長分離することができる。

なお、この例では、分離すべき波長数が２の場合について説明した。しかし、ＭＭＩ部６０は、分離すべき波長数が３以上の場合、例えば互いに波長の異なる第１〜第３波長の光についても、偏波無依存の波長分離が可能である。この場合には、第１〜第３波長各々において、ＴＥ偏波とＴＭ偏波とに与える干渉次数を偶数差とする。そして、例えば、第１波長及び第２波長の光と、第３波長の光とで干渉次数の偶奇性を異ならせれば、第１波長及び第２波長の光と、第３波長の光とを、異なる第２及び第３入出力ポート６２及び６３から出力できる。

第２入出力部４２は、一端４２ａ側でＭＭＩ部６０の第２入出力ポート６２と接続される。また、他端４２ｂ側で例えば外部の素子や伝送路と接続される。第３入出力部４３は、一端４３ａ側でＭＭＩ部６０の第３入出力ポート６３と接続される。また、他端４３ｂ側で例えば外部の素子や伝送路と接続される。これら第２入出力部４２及び第３入出力部４３の幅及び厚さは、例えばシングルモード条件を満たすように設定される。

（第１の光導波路素子の設計例）
第１の光導波路素子１００のＭＭＩ部６０の設計例について説明する。ここでは、ＭＭＩ部６０を含む光導波路コア３０の厚さが２２０ｎｍである場合を想定し、１４９０ｎｍの第１波長と１５５０ｎｍの第２波長とを分離する場合における、ＭＭＩ部６０の設計について説明する。また、ここでは、厚さが２２０ｎｍである場合における、ＴＭ偏波が十分に伝播する幅として、ＭＭＩ部６０の幅Ｗ２を１．７μｍに設定した。この条件において、干渉次数が、各波長におけるＴＥ偏波とＴＭ偏波とで偶数差となり、かつ各波長で互いに異なる偶奇性となる、ＭＭＩ部６０の長さＬ１を設計する。

まず、第１波長（１４９０ｎｍ）に与える干渉次数を決定する。厚さが２２０ｎｍ及び幅Ｗ２が１．７μｍのＭＭＩ部６０について、第１波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波の基本モード及び１次モードの等価屈折率、並びに基本モード及び１次モード間の位相が反転する距離（長さ）Ｌπを表１に示す。

ここで、表１の等価屈折率は、有限要素法によって求めた。また、伝搬定数差は（２π／波長）×等価屈折率差で表される。そして、Ｌπは、π／伝播定数差＝波長／（２×等価屈折率差）で導かれる。

干渉次数Ｍは、ＭＭＩ部６０の長さＬ１に対して、Ｍ＝Ｌ１／Ｌπで導かれる。上述したように、偏波無依存の条件として、第１波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波に与えられる干渉次数には、偶数差が設定される。ここでは、第１波長のＴＥ偏波に干渉次数Ｍを与え、ＴＭ偏波に干渉次数Ｍ＋２を与える設計を考える。すなわち、Ｌπ_ＴＥを、ＴＥ偏波の基本モード及び１次モード間の位相が反転する長さ、及びＬπ_ＴＭを、ＴＭ偏波の基本モード及び１次モード間の位相が反転する長さとして、下式（１）及び（２）を満たす長さＬ１を算出する。
Ｍ＝Ｌ１／Ｌπ_ＴＥ ・・・（１）
Ｍ＋２＝Ｌ１／Ｌπ_ＴＭ ・・・（２）
上式（１）及び（２）を満たす長さＬ１は、下式（３）で導かれる。
Ｌ１＝２／（１／Ｌπ_ＴＭ−１／Ｌπ_ＴＥ） ・・・（３）
表１の値を用いて、上式（３）から長さＬ１を算出すると、Ｌ１＝１０８．３μｍとなる。Ｌ１＝１０８．３μｍを用いて、上式（１）からＴＥ偏波の干渉次数を算出すると、Ｍ＝１４．５５となる。

ここで、干渉次数は、整数に近いことが好ましい。そこで、Ｍ＝１４．５５の近隣の整数として、ＴＥ偏波の干渉次数Ｍ＝１４又は１５を決定する。このとき、ＴＭ偏波の干渉次数Ｍ＋２は１６又は１７となる。そして、Ｍ＝１４又は１５に合わせて、ＭＭＩ部６０の長さＬ１を設定する。ＴＥ偏波の干渉次数をＭ＝１４とする場合には、Ｌ１＝（１４／１４．５５）×１０８．３＝１０４．２μｍとなる。また、ＴＥ偏波の干渉次数をＭ＝１５とする場合には、Ｌ１＝（１５／１４．５５）×１０８．３＝１１１．６μｍとなる。

次に、第２波長（１５５０ｎｍ）に与える干渉次数を決定する。厚さが２２０ｎｍ及び幅Ｗ２が１．７μｍのＭＭＩ部６０について、第２波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波の基本モード及び１次モードの等価屈折率、並びに基本モード及び１次モード間の位相が反転する距離（長さ）Ｌπを表２に示す。

第１波長においてＴＥ偏波の干渉次数が１４となる長さＬ１＝１０４．２μｍでは、第２波長のＴＥ偏波に与えられる干渉次数は、表２の値を用いて、Ｍ＝Ｌ１／Ｌπから１４．７となる。このとき、第２波長のＴＭ偏波に与えられる干渉次数は、表２の値を用いて、Ｍ＝Ｌ１／Ｌπから１６．７となる。従って、第２波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波に与えられる干渉次数には、偶数（ここでは約２）の差が設定される。さらに、第１波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波の干渉次数と、第２波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波の干渉次数とは、それぞれ約１の差が設定される。従って、各波長で互いに異なる偶奇性となる。

一方、第１波長においてＴＥ偏波の干渉次数が１５となる長さＬ１＝１１１．６μｍでは、第２波長のＴＥ偏波に与えられる干渉次数は、表２の値を用いて、Ｍ＝Ｌ１／Ｌπから１５．８となる。このとき、第２波長のＴＭ偏波に与えられる干渉次数は、表２の値を用いて、Ｍ＝Ｌ１／Ｌπから１７．９となる。従って、この場合にも、第２波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波に与えられる干渉次数には、偶数（ここでは約２）の差が設定される。さらに、第１波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波の干渉次数と、第２波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波の干渉次数とは、それぞれ約１の差が設定される。従って、各波長で互いに異なる偶奇性となる。

このように、厚さが２２０ｎｍ及び幅Ｗ２が１．７μｍのＭＭＩ部６０では、長さＬ１を１０４．２μｍ又は１１１．６μｍとすることによって、干渉次数を、各波長におけるＴＥ偏波とＴＭ偏波とで偶数差とし、かつ各波長で互いに異なる偶奇性とすることができる。

その結果、第１入出力ポート６１から入力される、第１波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波は、第２及び第３光入出力ポート６２及び６３の、共通する一方から出力される。また、第１入出力ポート６１から入力される、第２波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波は、第１波長が出力されるのとは異なる、第２及び第３光入出力ポート６２及び６３の他方から出力される。

このように、第１の光導波路素子１００では、光導波路コア３０の厚さが２２０ｎｍと薄い場合であっても、異なる波長の光を偏波無依存で分離することができる。従って、第１の光導波路素子１００では、光導波路コア３０の厚さに依存することなく、偏波無依存の波長分離素子として使用できる光導波路素子を提供することができる。

（第２の光導波路素子）
図３を参照して、この発明の第２の実施の形態による光導波路素子（以下、第２の光導波路素子）について説明する。図３は、第２の光導波路素子を示す概略的平面図である。なお、図３では、クラッド層を透明として示してある。なお、第２の光導波路素子は、ＭＭＩ部が第１ＭＭＩ部と第２ＭＭＩ部とを含んで構成される点において、上述した第１の光導波路素子と相違する。その他の構成については、第１の光導波路素子と同様であるため、共通する構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

第２の光導波路素子２００では、ＭＭＩ部７０が、第１ＭＭＩ部７１、第２テーパ部７３及び第２ＭＭＩ部７５を含んでいる。これら第１ＭＭＩ部７１、第２テーパ部７３及び第２ＭＭＩ部７５は、第１入出力ポート６１が設定されたＭＭＩ部７０の一端７０ａから、第２及び第３入出力ポート６２及び６３が設定された他端７０ｂの方向へ、この順に接続されている。従って、第１入出力ポート６１は、第１ＭＭＩ部７１の一端７１ａに設定されている。第１ＭＭＩ部７１は、他端７１ｂ側で、第２テーパ部７３と接続されている。第２ＭＭＩ部７５は、一端７５ａ側で第２テーパ部７３と接続されている。第２及び第３入出力ポート６２及び６３は、第２ＭＭＩ部７５の他端７５ｂに設定されている。第１入出力ポート６１は、ＭＭＩ部７０の中心軸Ｃ７０からずれた位置に設定されている。また、第２入出力ポート６２と第３入出力ポート６３は、ＭＭＩ部７０の中心軸Ｃ７０に対して対称となる位置に設定されている。

さらに、第２の光導波路素子２００では、第２入出力ポート６２に第１サブテーパ部８１が、また、第３入出力ポート６３に第２サブテーパ部８２が、それぞれ接続されている。そして、第１サブテーパ部８１が第２入出力部４２に、また、第２サブテーパ部８２が第３入出力部４３に、それぞれ接続されている。

第１ＭＭＩ部７１は、矩形状の平面形状で形成されている。第１ＭＭＩ部７１は、第１入出力ポート６１から入力される第１波長及び第２波長の光に対して、少なくとも基本モード及び１次モードを伝播させる幅で設計されている。

ここで、第１ＭＭＩ部７１は、上述した第１の光導波路素子１００のＭＭＩ部６０に対応する構成である。従って、第１の光導波路素子１００のＭＭＩ部６０と同様に、第１ＭＭＩ部７１が、第１波長及び第２波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波に対して、それぞれ所定の干渉次数を与えることによって、偏波無依存で波長分離を行う。第１ＭＭＩ部７１が与える干渉次数、及びこの干渉次数に対応する第１ＭＭＩ部７１の長さＬ２１については、第１の光導波路素子１００のＭＭＩ部６０と同様に、上記表１及び表２の値を用いて決定できる。ただし、第２の光導波路素子２００では、第１ＭＭＩ部７１の後段に第２テーパ部７３及び第２ＭＭＩ部７５が接続される。そのため、第２テーパ部７３及び第２ＭＭＩ部７５が各波長の各偏波に与える干渉次数を考慮して、第１ＭＭＩ部７１が与える干渉次数及び長さＬ２１を調整する必要がある。この具体的な設計例については後述する。

第２テーパ部７３は、第１ＭＭＩ部７１から第２ＭＭＩ部７３に向かうにつれて幅が連続的に拡大するように設計されている。第２テーパ部７３は、第１波長の光及び第２波長の光に対して、第２ＭＭＩ部７３で励起される伝播モードを基本モード〜２次モードに限定する。その結果、３次以上の不要な高次モードの励起が抑制される。これよって、第２ＭＭＩ部７５におけるモード間干渉が単純化され、波長分離特性が向上する。

第２ＭＭＩ部７５は、矩形状の平面形状で形成されている。第２ＭＭＩ部７５は、第１波長及び第２波長の光に対して、基本モード、１次モード及び２次モードを伝播させる幅で設計されている。そして、これらのモード間干渉を利用して、第１波長の光及び第２波長の光それぞれの電場分布を合成する。これによって、第１サブテーパ部８１及び第２サブテーパ部８２間の間隙Ｇからクラッドへ漏れ出す光のロスを抑える。

第２テーパ部７３の長さＬ２２と第２ＭＭＩ部７５の長さＬ２３との和Ｌ２２＋Ｌ２３は、第１波長の光及び第２波長の光それぞれに対し、基本モードと２次モードとの間の位相差がπとなるように設計される。さらに、長さＬ２２＋Ｌ２３は、第１波長の光及び第２波長の光それぞれに対し、基本モード及び１次モードのビート長の１／４以下、好ましくは１／８以下となるように設計される。ここで、ビート長とは、第２ＭＭＩ部７５を伝播する光のＴＥ偏波及びＴＭ偏波間の位相差が２πとなる長さである。

ビート長が１／４以下の場合には、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の基本モードと１次モードとの位相関係が、第１ＭＭＩ部７１からの出力時における状態に保たれる。その結果、第２ＭＭＩ部７５を偏波無依存として取り扱うことができる。

なお、第２の光導波路素子２００では、構造の簡易化の観点から、第２テーパ部７３を省略することもできる。その場合には、第２ＭＭＩ部７５の長さＬ２３のみに対して、上述した第２テーパ部７３及び第２ＭＭＩ部７５の長さの和Ｌ２２＋Ｌ２３と同様の設計を適用することができる。

第１サブテーパ部８１は、一端８１ａ側で、第２ＭＭＩ部７５に設定された第２入出力ポート６２と接続される。また、他端８１ｂ側で、第２入出力部４２と接続される。第１サブテーパ部８１は、第２ＭＭＩ部７５から第２入出力部４２に向かうにつれて幅が連続的に縮小するように設計されている。

第２サブテーパ部８２は、一端８２ａ側で、第２ＭＭＩ部７５に設定された第３入出力ポート６３と接続される。また、他端８２ｂ側で、第３入出力部４３と接続される。第２サブテーパ部８２は、第２ＭＭＩ部７５から第３入出力部４３に向かうにつれて幅が連続的に縮小するように設計されている。

第１サブテーパ部８１及び第２サブテーパ部８２間の間隙Ｇが小さいほど、間隙Ｇからクラッドへ漏れ出す光のロスが抑制される。一方、容易に作成可能な寸法として、第１サブテーパ部８１及び第２サブテーパ部８２間の間隙Ｇは、小さくとも２００ｎｍ以上、より好ましくは３００ｎｍ以上とするのが良い。従って、間隙Ｇの寸法は、光のロスの抑制及び作成の容易性の双方を考慮して設計される。また、第１サブテーパ部８１及び第２サブテーパ部８２は、第２ＭＭＩ部７５から離れるにつれて、それぞれの中心軸が互いに離間する形状、又はそれぞれの中心軸が互いに接近する形状のいずれかを採用することができる。なお、中心軸とは、第１サブテーパ部８１においては一端８１ａの中点と他端８１ｂの中点とを結ぶ軸であり、第２サブテーパ部８２においては、一端８２ａの中点と他端８２ｂの中点とを結ぶ軸である。

（第２の光導波路素子の設計例）
第２の光導波路素子２００のＭＭＩ部７０の設計例について説明する。ここでは、ＭＭＩ部７０を含む光導波路コア３０の厚さが２２０ｎｍである場合を想定し、１４９０ｎｍの第１波長と１５５０ｎｍの第２波長とを分離する場合における、ＭＭＩ部７０の設計について説明する。また、ここでは、厚さが２２０ｎｍである場合における、ＴＭ偏波が十分に伝播する幅として、第１ＭＭＩ部７１の幅Ｗ３を１．７μｍに設定した。

この条件においては、第１の光導波路素子１００の設計例で説明したように、上式（１）〜（３）から、第１ＭＭＩ部７１の長さＬ２１を、第１波長のＴＥ偏波の干渉次数が１４．５５となる長さ（１０８．３μｍ）とすることで、第１ＭＭＩ部７１が与える干渉次数を、第１波長のＴＥ偏波とＴＭ偏波とで偶数差とすることができる。第１の光導波路素子１００の設計例では、この値に基づき、第１波長のＴＥ偏波の干渉次数が１４又は１５となるように、ＭＭＩ部６０の長さを決定した。

これに対し、第２の光導波路素子２００では、上述したように、第２テーパ部７３及び第２ＭＭＩ部７５が各波長の各偏波に与える干渉次数を考慮して、第１ＭＭＩ部７１が与える干渉次数及び長さＬ２１を調整する必要がある。ここでは、一例として、第２テーパ部７３の長さＬ２２を３μｍ、並びに第２ＭＭＩ部７５の長さＬ２３を１．３μｍ及び幅Ｗ４を２．３μｍとした場合を考える。この例では、第２テーパ部７３及び第２ＭＭＩ部７５によって、各波長におけるＴＥ偏波及びＴＭ偏波に０．５の干渉次数が与えられることがシミュレーションにより確認された。

従って、第１ＭＭＩ部７１が第１波長のＴＥ偏波に与える干渉次数を例えば１３．５又は１４．５とすることによって、ＭＭＩ部７０全体で第１波長のＴＥ偏波に与えられる干渉次数が整数となる。第１ＭＭＩ部７１が第１波長のＴＥ偏波に与える干渉次数を１３．５とする場合には、Ｌ２１＝（１３．５／１４．５５）×１０８．３＝１００．５μｍとなる。また、ＴＥ偏波の干渉次数を１４．５とする場合には、Ｌ２１＝（１４．５／１４．５５）×１０８．３＝１０７．９μｍとなる。

ここでは、第１ＭＭＩ部７１の長さＬ２１を１００．５μｍに決定した。このとき、第１ＭＭＩ部７１において、第１波長のＴＭ偏波に干渉次数１５．４、第２波長のＴＥ偏波に干渉次数１４．２、及び第２波長のＴＭ偏波に干渉次数１６．１がそれぞれ与えられる。従って、ＭＭＩ部７０全体では、第１波長のＴＥ偏波に干渉次数１４、第１波長のＴＭ偏波に干渉次数１５．９、第２波長のＴＥ偏波に干渉次数１４．７、及び第２波長のＴＭ偏波に干渉次数１６．７がそれぞれ与えられる。従って、各波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波に与えられる干渉次数には、それぞれ偶数（ここでは約２）差が設定される。さらに、第１波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波の干渉次数と、第２波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波の干渉次数とは、それぞれ約１の差が設定される。従って、各波長で互いに異なる偶奇性となる。

次に、発明者は、第２の光導波路素子２００の波長分離特性及び偏波無依存性を評価するシミュレーションを行った。

このシミュレーションでは、図３に示す第２の光導波路素子２００において、第１入出力部４１から光を入力する場合の、第２入出力部４２から出力されるＴＥ偏波及びＴＭ偏波、並びに第３入出力部４３から出力されるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の強度を確認した。このシミュレーションでは、３次元ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）法を用いた。

ここでは、上述した設計例に基づき、第２の光導波路素子２００を、１４９０ｎｍの光と１５５０ｎｍの光とを分離する設計で構成した。テーパ部５０の他端５０ｂの幅Ｗ１を１μｍ、第１ＭＭＩ部７１の長さＬ２１を１００．５μｍ及び幅Ｗ３を１．７μｍ、第２テーパ部７３の長さＬ２２を３μｍ、第２ＭＭＩ部７５の長さＬ２３を１．３μｍ及び幅Ｗ４を２．３μｍ、第１サブテーパ部８１の一端８１ａの幅を１μｍ、第１サブテーパ部８１の他端８１ｂから一端８１ａへ下ろした垂線の足と一端８１ａの中点との距離を１００ｎｍ、第２サブテーパ部８２の一端８２ａの幅を１μｍ、第２サブテーパ部８２の他端８２ｂから一端８２ａへ下ろした垂線の足と一端８２ａの中点との距離を１００ｎｍ、並びに第１及び第２サブテーパ部８１及び８２間の間隙Ｇを２５０ｎｍとした。また、第１入出力部４１、テーパ部５０、第１ＭＭＩ部７１、第２テーパ部７３、第２ＭＭＩ部７５、第１サブテーパ部８１、第２サブテーパ部８２、第２入出力部４２及び第３入出力部４３を含む光導波路コア３０の厚さを２２０ｎｍとした。また、クラッド層２０をＳｉＯ_２で、及び光導波路コア３０をＳｉで構成する場合を想定した。

シミュレーションの結果を図４に示す。図４は、第２の光導波路素子２００の特性を評価する図である。図４では、縦軸に強度をｄＢ目盛で、また、横軸に波長をμｍ単位でとって示してある。図４において、曲線９１は、第２入出力部４２から出力されるＴＥ偏波の強度を示している。また、曲線９３は、第２入出力部４２から出力されるＴＭ偏波の強度を示している。また、曲線９５は、第３入出力部４３から出力されるＴＥ偏波の強度を示している。また、曲線９７は、第３入出力部４３から出力されるＴＭ偏波の強度を示している。

図４に示すように、第２入出力部４２からの出力強度は、１５５０ｎｍ付近の波長においてＴＥ偏波及びＴＭ偏波がほぼ一致し、大きくなっている。また、第３入出力部４３からの出力強度は、１４９０ｎｍ付近の波長においてＴＥ偏波及びＴＭ偏波がほぼ一致し、大きくなっている。この結果から、第２の光導波路素子２００が、偏波無依存で異なる波長の光を分離できることが確認された。

（利用形態）
第１の光導波路素子１００及び第２の光導波路素子２００は、例えばＯＮＵにおける波長分離素子として使用することができる。一例として第１の光導波路素子１００をＯＮＵの波長分離素子として使用する場合について説明する。

この場合には、第１入出力部４１が、例えば光ファイバ等の外部の伝送路と接続される。この外部の伝送路は、ＯＬＴと接続されている。また、第２入出力部４２が、例えばフォトダイオード等の受光素子と接続される。また、第３入出力部４３が、例えばレーザダイオード等の発光素子と接続される。

そして、ＯＬＴから光ファイバを経て送られる下り光信号は、第１入出力部４１に入力され、テーパ部５０及びＭＭＩ部６０を経て、第２入出力部４２から出力される。第２入出力部４２から出力された下り光信号は、受光素子によって受光される。一方、発光素子によって生成された上り光信号は、第３入出力部４３に入力され、ＭＭＩ部６０及びテーパ部５０を経て、第１入出力部４１から出力される。第１入出力部４１から出力された上り光信号は、光ファイバを経てＯＬＴに送られる。

１０：支持基板
２０：クラッド層
３０：光導波路コア
４１：第１入出力部
４２：第２入出力部
４３：第３入出力部
５０：テーパ部
６０、７０：多モード干渉（ＭＭＩ）部
６１：第１入出力ポート
６２：第２入出力ポート
６３：第３入出力ポート
７１：第１多モード干渉（ＭＭＩ）部
７３：第２テーパ部
７５：第２多モード干渉（ＭＭＩ）部
８１：第１サブテーパ部
８２：第２サブテーパ部
１００：第１の光導波路素子
２００：第２の光導波路素子

Claims (2)

1. 光導波路コアとして形成された、少なくとも基本モード及び１次モードの光を伝播させる多モード干渉部と、
   光導波路コアとして前記多モード干渉部と一体的に形成されたテーパ部と
   を備え、
   前記多モード干渉部の、一端には、前記多モード干渉部の中心軸からずれた位置に第１入出力ポートが設定され、前記一端と対向する他端には第２入出力ポート及び第３入出力ポートがそれぞれ設定され、
   前記多モード干渉部には、前記第１入出力ポートから、第１波長の光及び該第１波長とは異なる第２波長の光が入力され、
   前記第１入出力ポートから入力される前記第１波長の光は、前記第２入出力ポートから出力され、前記第１入出力ポートから入力される前記第２波長の光は、前記第３入出力ポートから出力され、
   前記多モード干渉部は、
   前記第１波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波に対して、互いに偶数（０を除く）差の干渉次数を与え、
   前記第２波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波に対して、互いに偶数（０を除く）差の干渉次数を与え、及び
   前記第１波長の光及び前記第２波長の光に対し、互いに偶奇性の異なる干渉次数を与え、
   前記多モード干渉部は、第１多モード干渉部と第２多モード干渉部とを含んでおり、
   前記第１多モード干渉部と前記第２多モード干渉部とは、前記一端から前記他端の方向へ、この順に接続され、
   前記第１多モード干渉部は、基本モード及び１次モードの光を伝播させ、
   前記第２多モード干渉部は、基本モード、１次モード及び２次モードの光を伝播させ、
   前記第２多モード干渉部の長さは、
   前記第１波長の光及び前記第２波長の光の基本モードと２次モードとの間の位相差がπであり、かつ
   前記第１波長の光及び前記第２波長の光の基本モード及び１次モードのビート長の１／４以下となるように設定され、
   前記テーパ部は、
   前記多モード干渉部の前記第１入出力ポートに接続され、
   前記多モード干渉部に向かうにつれて幅が拡大し、前記多モード干渉部側の端において、前記多モード干渉部の幅の１／２以上の幅を有し、及び
   前記多モード干渉部において、基本モード及び１次モードの光のみを励起させる
   ことを特徴とする光導波路素子。
2. 前記テーパ部の、前記多モード干渉部側の端における幅が、前記多モード干渉部の幅の５０〜８０％の範囲内の値である
   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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