JP6643437B1 - Optical waveguide device - Google Patents

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Abstract

【課題】所望のモード次数以外への変換を抑えつつ、基本モードの一方の偏波をモード変換せずに出力し、かつ基本モードの他方の偏波を所望のモード次数に変換して出力する光導波路素子を提供する。【解決手段】第1結合部33及び第2結合部35を含む第1光導波路コア30と、第3結合部41及び第4結合部43を含む第2光導波路コア40とを備える。第1結合部33及び第3結合部41は、幅及び厚さが共通の寸法で形成され、かつ幅と厚さとが異なる寸法で形成されている。第1結合部及び第3結合部の長さは、幅又は厚さの小さな方に、光電界の振動方向が沿った、基本モードの一方の偏波の結合長に設定されている。第2結合部35と第4結合部43とが互いに離間しかつ並んで配置された第2結合領域では、第2結合部を伝播する基本モードの他方の偏波と、第4結合部を伝播するi次モードの他方の偏波とが結合される。【選択図】図1To output one polarization of a basic mode without mode conversion and to convert the other polarization of a basic mode to a desired mode order while suppressing conversion to a mode other than a desired mode order. An optical waveguide device is provided. A first optical waveguide core including a first coupling section and a second coupling section, and a second optical waveguide core including a third coupling section and a fourth coupling section are provided. The first joint 33 and the third joint 41 have the same width and the same thickness, and have different widths and thicknesses. The lengths of the first coupling portion and the third coupling portion are set to the coupling length of one polarization of the fundamental mode in which the oscillation direction of the optical electric field is along the smaller width or thickness. In the second coupling region in which the second coupling portion 35 and the fourth coupling portion 43 are spaced apart from each other and arranged side by side, the other polarization of the fundamental mode propagating in the second coupling portion and propagating in the fourth coupling portion. And the other polarization of the i-th mode. [Selection diagram] Fig. 1

Description

この発明は、入力されるTE(Transverse Electric)偏波及びTM(Transverse Magnetic)偏波それぞれに対し、所望のモード次数を与えて出力する光導波路素子に関する。   The present invention relates to an optical waveguide element that gives a desired mode order to each of input TE (Transverse Electric) polarization and TM (Transverse Magnetic) polarization, and outputs the resulting signal.

情報伝達量の増大に伴い、光配線技術が注目されている。光配線技術では、光ファイバや光導波路を伝送媒体とした光デバイスを用いて、情報処理機器内の装置間、ボード間又はチップ間等の情報伝達を光信号で行う。その結果、高速信号処理を要する情報処理機器においてボトルネックとなっている、電気配線の帯域制限を改善することができる。   With an increase in the amount of information transmission, optical wiring technology has attracted attention. In the optical wiring technology, information transmission between devices in information processing equipment, between boards, between chips, and the like is performed by optical signals using an optical device using an optical fiber or an optical waveguide as a transmission medium. As a result, it is possible to improve the band limitation of the electric wiring, which is a bottleneck in information processing equipment requiring high-speed signal processing.

光デバイスは、光送信器や光受信器等の光学素子を備えて構成される。これらの光学素子は、各光学素子の中心位置(受光位置あるいは発光位置)を設計位置に合せるための複雑な光軸合わせを行った上で、例えばレンズを用いて互いに空間結合することができる。   The optical device includes optical elements such as an optical transmitter and an optical receiver. These optical elements can be spatially coupled to each other using, for example, a lens after performing complicated optical axis alignment for adjusting the center position (light receiving position or light emitting position) of each optical element to a design position.

各光学素子を結合するための手段として、レンズの代わりに光導波路素子を利用する技術がある。光導波路素子を利用する場合には、光が光導波路内に閉じ込められて伝搬するため、レンズを利用する場合と異なり、複雑な光軸合わせを必要としない。従って、光デバイスの組立工程が簡易となるため、量産に適する形態として有利である。   As a means for coupling each optical element, there is a technique using an optical waveguide element instead of a lens. When an optical waveguide element is used, since light is confined and propagated in the optical waveguide, complicated optical axis alignment is not required unlike the case where a lens is used. Accordingly, the assembly process of the optical device is simplified, which is advantageous as a mode suitable for mass production.

ここで、光導波路素子は、例えばシリコン(Si)を導波路材料とすることができる。Siを材料とする光導波路素子(Si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酸化シリコン(SiO)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、曲げ半径を例えば数μm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。 Here, the optical waveguide element can be made of, for example, silicon (Si) as a waveguide material. In an optical waveguide element (Si waveguide) using Si as a material, an optical waveguide core that substantially serves as a light transmission path is formed using Si as a material. Then, the periphery of the optical waveguide core is covered with a clad made of, for example, silicon oxide (SiO 2 ) having a lower refractive index than Si. With such a configuration, the refractive index difference between the optical waveguide core and the clad becomes extremely large, so that light can be strongly confined in the optical waveguide core. As a result, a small-sized curved waveguide whose bending radius is reduced to, for example, about several μm can be realized. Therefore, it is possible to create an optical circuit having a size similar to that of an electronic circuit, which is advantageous in reducing the size of the entire optical device.

しかも、Si導波路を利用する場合には、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)の製造過程を流用することによって、多様な機能を有する素子を同一基板上にモノシリック集積した光デバイスを、大量生産することが可能である。従って、Si導波路を利用する光デバイスは、小型化及び低コスト化に有利である(例えば、特許文献1並びに非特許文献1及び非特許文献2参照)。   In addition, in the case where a Si waveguide is used, mass production of optical devices in which elements having various functions are monolithically integrated on the same substrate by utilizing a manufacturing process of a complementary metal oxide semiconductor (CMOS). Is possible. Therefore, an optical device using a Si waveguide is advantageous for miniaturization and cost reduction (for example, refer to Patent Document 1 and Non-Patent Documents 1 and 2).

一方で、Si導波路では、コアとクラッドとの比屈折率差が大きいことに起因して、TE偏波とTM偏波とで導波モードの等価屈折率の差及び群屈折率の差が大きくなりやすい。そのため、Si導波路には、偏波依存性があるという欠点がある。   On the other hand, in the Si waveguide, due to the large relative refractive index difference between the core and the cladding, the difference between the equivalent refractive index of the waveguide mode and the difference between the group refractive indices between the TE polarization and the TM polarization. Easy to grow. Therefore, the Si waveguide has a drawback that it has polarization dependence.

従って、Si導波路で構成されたマッハツェンダ干渉計、グレーティング及びAWG(Arrayed Waveguide Grating)等の波長フィルタや光カプラでは、同一波長であっても両偏波間の波長応答特性の乖離が大きくなる。このような特性の乖離は、例えばファイバ伝送システムにおける受信側デバイス等において、チャネル間クロストークが発生する原因となる。   Therefore, in a wavelength filter or an optical coupler such as a Mach-Zehnder interferometer, a grating, and an AWG (Arrayed Waveguide Grating) formed of a Si waveguide, the divergence of the wavelength response characteristics between both polarizations becomes large even at the same wavelength. Such a difference in characteristics causes crosstalk between channels to occur in, for example, a receiving device or the like in a fiber transmission system.

このようなSi導波路における偏波依存性の問題を解消するために、波長フィルタや光カプラといった光導波路素子の前段に偏波分離素子を設けて、TE偏波とTM偏波とを分離する方法がある。しかし、この場合には、偏波分離素子の後段に、TE偏波に最適化した光導波路素子及びTM偏波に最適化した光導波路素子をそれぞれ形成する必要があるため、光デバイスの構成が煩雑となり、また、光デバイスのサイズが大きくなる。このため、偏波依存性に対する本質的な解決手段としては、波長フィルタ等の光導波路素子そのものの波長応答特性において、偏波間の特性の乖離を最小に抑えることが好ましい。   In order to solve the problem of the polarization dependence in the Si waveguide, a polarization separation element is provided in front of an optical waveguide element such as a wavelength filter or an optical coupler to separate TE polarization and TM polarization. There is a way. However, in this case, it is necessary to form an optical waveguide element optimized for TE polarization and an optical waveguide element optimized for TM polarization after the polarization separation element. It becomes complicated and the size of the optical device increases. For this reason, as an essential solution to the polarization dependence, it is preferable to minimize the divergence of the characteristics between the polarizations in the wavelength response characteristics of the optical waveguide element itself such as a wavelength filter.

例えばマッハツェンダ干渉計を利用する波長フィルタの場合には、構成要素となる光カプラ及びアーム導波路それぞれについて、各偏波の特性を揃えることが望まれる。具体的には、光カプラにおいては分岐特性について、また、アーム導波路においては位相特性について、各偏波で一致することが求められる。   For example, in the case of a wavelength filter using a Mach-Zehnder interferometer, it is desired that the polarization characteristics of the optical coupler and the arm waveguide, which are constituent elements, be uniform. More specifically, it is required that the polarization characteristics of the optical coupler match, and the phase characteristics of the arm waveguide match each other.

光カプラとして、低損失及び低反射の観点で有利であるため、方向性結合器が利用される。方向性結合器は、並走する一対の光導波路コアによって構成される。方向性結合器における設計パラメータには、各光導波路コアの幅及び厚さ、並びに各光導波路コア間の離間距離がある(例えば特許文献2参照)。   As an optical coupler, a directional coupler is used because it is advantageous in terms of low loss and low reflection. The directional coupler is constituted by a pair of optical waveguide cores running in parallel. The design parameters of the directional coupler include the width and thickness of each optical waveguide core and the separation distance between each optical waveguide core (for example, see Patent Document 2).

ただし、光導波路コアの厚さは、製造に用いるSOI基板のSOI層の厚さに依存する。このため、方向性結合器の偏波依存性を解消するに当たり、任意に調整可能な設計パラメータが、各光導波路コアの幅及び各光導波路コア間の離間距離のみとなる。そして、この2つのパラメータを調整するのみでは、偏波依存性を解消する条件を達成することができない場合がある。   However, the thickness of the optical waveguide core depends on the thickness of the SOI layer of the SOI substrate used for manufacturing. Therefore, in eliminating the polarization dependence of the directional coupler, the design parameters that can be arbitrarily adjusted are only the width of each optical waveguide core and the separation distance between each optical waveguide core. Then, simply adjusting these two parameters may not be able to achieve the condition for eliminating the polarization dependence.

このため、偏波依存性を確実に解消するためには、光導波路コアの厚さについても調整することが好ましい。しかしながら、上述したように、光導波路コアの厚さはSOI層の厚さに依存するため、利用可能なSOI基板が制限されてしまう。   For this reason, in order to reliably eliminate the polarization dependence, it is preferable to adjust the thickness of the optical waveguide core. However, as described above, since the thickness of the optical waveguide core depends on the thickness of the SOI layer, the available SOI substrate is limited.

一方で、光デバイスでは、波長フィルタ以外の光導波路素子(例えばスポットサイズ変換器や変調器等)を、共通のSOI基板を用いて一括形成する場合がある。これら各光導波路素子に最適な光導波路コアの厚さを決定するために、SOI層の厚さは柔軟に選択可能であることが望ましい。従って、利用可能なSOI基板が制限されることは好ましくない。   On the other hand, in an optical device, an optical waveguide element (for example, a spot size converter or a modulator) other than a wavelength filter may be formed collectively using a common SOI substrate. In order to determine the optimum thickness of the optical waveguide core for each of these optical waveguide elements, it is desirable that the thickness of the SOI layer can be flexibly selected. Therefore, it is not preferable that the available SOI substrate is limited.

このような問題を解消するため、光導波路コアの厚さに対する設計の自由度が高い方向性結合器(例えば特許文献3参照)が提案されている。   In order to solve such a problem, a directional coupler having a high degree of freedom in design with respect to the thickness of the optical waveguide core has been proposed (for example, see Patent Document 3).

特許文献3に係る方向性結合器では、各光導波路コアの幅及び厚さ、並びに各光導波路コア間の離間距離に加えて、各光導波路コア間のモード間結合に関与するモード次数を設計パラメータとしている。この結果、偏波無依存で使用するに当たり、光導波路コアの厚さに対する設計の自由度が高くなる。   In the directional coupler according to Patent Literature 3, in addition to the width and thickness of each optical waveguide core and the separation distance between each optical waveguide core, a mode order involved in mode coupling between each optical waveguide core is designed. Parameters. As a result, when used in a polarization-independent manner, the degree of freedom in designing the thickness of the optical waveguide core increases.

特開2011−77133号公報JP 2011-77133 A 特開2011−43567号公報JP 2011-43567 A 特開2016−24375号公報JP 2016-24375 A

IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, vol.11, No.1, January/February 2005 p.232-240IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, vol.11, No.1, January / February 2005 p.232-240 IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, vol.12, No.6, November/December 2006 p.1371-1379IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, vol.12, No.6, November / December 2006 p.1371-1379

特許文献3に係る方向性結合器を利用するに当たっては、設定されたモード次数のTE偏波及びTM偏波を入力する必要がある。各光導波路コア間のモード間結合に関与するモード次数が、一例として1次モードのTE偏波及び基本モードのTM偏波に設定されている場合には、1次モードのTE偏波及び基本モードのTM偏波を方向性結合器に入力する必要がある。   In using the directional coupler according to Patent Literature 3, it is necessary to input a TE polarization and a TM polarization of a set mode order. When the mode order involved in the inter-mode coupling between the respective optical waveguide cores is set to, for example, the TE polarization of the first mode and the TM polarization of the fundamental mode, the TE polarization of the first mode and the fundamental mode are set. It is necessary to input the TM polarization of the mode to the directional coupler.

このため、入力される基本モードのTE偏波を1次モードに変換して出力し、かつ入力される基本モードのTM偏波を基本モードのままで出力する光導波路素子を、方向性結合器の前段に設ける必要がある。   Therefore, an optical waveguide device that converts the input fundamental mode TE polarization into the first-order mode and outputs the same and outputs the input fundamental mode TM polarization as it is in the directional coupler is provided. Must be provided in the preceding stage.

このような光導波路素子において、所望のモード次数以外への変換は、損失となるだけでなく、方向性結合器における分岐特性の劣化に繋がる。さらに、方向性結合器における分岐特性の劣化は、当該方向性結合器を含んで構成される波長フィルタのアイソレーション特性の劣化にも繋がる。   In such an optical waveguide device, conversion into a mode other than the desired mode order not only results in loss but also leads to deterioration of branch characteristics in the directional coupler. Further, the deterioration of the branch characteristic in the directional coupler also leads to the deterioration of the isolation characteristic of the wavelength filter including the directional coupler.

そこで、この発明の目的は、所望のモード次数以外への変換を抑えつつ、基本モードの一方の偏波をモード変換せずに出力し、かつ基本モードの他方の偏波を所望のモード次数に変換して出力する光導波路素子を提供することにある。   Therefore, an object of the present invention is to output one polarization of the fundamental mode without mode conversion while suppressing conversion to a mode other than the desired mode order, and to convert the other polarization of the fundamental mode to a desired mode order. An object of the present invention is to provide an optical waveguide device that converts and outputs the converted light.

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、直列に接続された第1結合部及び第2結合部を含む第1光導波路コアと、直列に接続された第3結合部及び第4結合部を含む第2光導波路コアとを備えて構成される。この発明による光導波路素子では、第1結合部と第3結合部とが互いに離間しかつ並んで配置された、第1結合領域が設定されている。第1結合部及び第3結合部は、幅が互いに共通の寸法で、及び厚さが共通の寸法で形成され、かつ幅と厚さとが異なる寸法で形成されている。第1結合部及び第3結合部の長さは、当該第1結合部及び当該第3結合部の幅又は厚さの寸法の小さな方に、光電界の振動方向が沿った、基本モードのTE偏波又はTM偏波の一方の偏波の結合長に設定されている。第1結合領域では、第1結合部を伝播する基本モードの一方の偏波と、第3結合部を伝播する基本モードの一方の偏波とが結合される。また、この発明による光導波路素子では、第2結合部と第4結合部とが互いに離間しかつ並んで配置された、第2結合領域が設定されている。第2結合領域では、第2結合部を伝播する基本モードの他方の偏波と、第4結合部を伝播するi次モード(iは1≦iの整数)の他方の偏波とが結合される。そして、第1結合部には、基本モードのTE偏波及びTM偏波が入力され、かつ第4結合部から、第1結合領域で結合される基本モードの一方の偏波、及び第2結合領域で結合されるi次モードの他方の偏波が出力される。 In order to solve the above-described problems, an optical waveguide device according to the present invention includes a first optical waveguide core including a first coupling section and a second coupling section connected in series, a third coupling section connected in series, And a second optical waveguide core including a fourth coupling portion. In the optical waveguide device according to the present invention, the first coupling region is set in which the first coupling portion and the third coupling portion are spaced apart from each other and arranged side by side. The first coupling portion and the third coupling portion have the same width and the same thickness and the same thickness, and have different widths and thicknesses. The length of the first coupling portion and the third coupling portion is such that the width of the first coupling portion and the third coupling portion has a smaller dimension of the width or thickness, and the vibration direction of the optical electric field extends along the TE of the fundamental mode. The coupling length is set to the polarization length of one of the polarization and the TM polarization. In the first coupling region, one polarization of the fundamental mode propagating in the first coupling unit and one polarization of the fundamental mode propagating in the third coupling unit are coupled. Further, in the optical waveguide device according to the present invention, the second coupling region in which the second coupling portion and the fourth coupling portion are spaced apart from each other and arranged side by side is set. In the second coupling region, the other polarization of the fundamental mode propagating in the second coupling unit and the other polarization of the i-th mode (i is an integer of 1 ≦ i) propagating in the fourth coupling unit are coupled. You. The first and second coupling units receive the TE mode and TM polarization of the fundamental mode, and the fourth coupling unit supplies one of the polarizations of the fundamental mode coupled in the first coupling region and the second coupling mode. The other polarization of the i-th mode combined in the region is output.

この発明の光導波路素子では、第1結合領域において、基本モードの一方の偏波のみを、基本モードのままで第1結合部から第3結合部に移行させることができる。また、第2結合領域において、基本モードの他方の偏波のみを、i次モード(iは1≦iの整数)に変換しつつ第2結合部から第4結合部に移行させることができる。これによって、入力されるそれぞれ基本モードのTE偏波及びTM偏波に対して、基本モードの一方の偏波をモード変換せずに出力し、かつ基本モードの他方の偏波を、所望のi次モードに変換して出力することができる。この発明の光導波路素子では、第1結合領域及び第2結合領域において不所望な結合が生じないため、基本モード以外のモード次数の一方の偏波及びi次モード以外のモード次数の他方の偏波への変換を抑制することができる。   In the optical waveguide device according to the present invention, in the first coupling region, only one polarization of the fundamental mode can be shifted from the first coupling portion to the third coupling portion while maintaining the fundamental mode. Further, in the second coupling region, only the other polarization of the fundamental mode can be shifted from the second coupling section to the fourth coupling section while being converted into the i-th mode (i is an integer of 1 ≦ i). Thereby, with respect to the input TE polarization and TM polarization, respectively, one polarization of the fundamental mode is output without mode conversion, and the other polarization of the fundamental mode is converted to a desired i-polarization. It can be converted to the next mode and output. In the optical waveguide device of the present invention, since undesired coupling does not occur in the first coupling region and the second coupling region, one polarization of the mode order other than the fundamental mode and the other polarization of the mode order other than the i-th mode are used. Conversion to waves can be suppressed.

この発明の光導波路素子を示す概略的平面図である。FIG. 2 is a schematic plan view showing an optical waveguide device of the present invention. この発明の光導波路素子を示す概略的端面図である。FIG. 2 is a schematic end view showing the optical waveguide device of the present invention. アスペクト比と結合長との関係を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between an aspect ratio and a bond length. 第2結合部及び第4結合部を伝播する光の伝播定数と、伝播軸座標との関係を示す図である。It is a figure showing the relation between the propagation constant of light which propagates the 2nd coupling part and the 4th coupling part, and the axis of propagation. この発明の光導波路素子の特性を評価するための図である。FIG. 4 is a diagram for evaluating characteristics of the optical waveguide device of the present invention. この発明の光導波路素子の特性を評価するための図である。FIG. 4 is a diagram for evaluating characteristics of the optical waveguide device of the present invention. この発明の光カプラを示す概略的平面図である。1 is a schematic plan view showing an optical coupler of the present invention. この発明の第1の波長フィルタを示す概略的平面図である。FIG. 2 is a schematic plan view showing a first wavelength filter of the present invention. この発明の第1の波長フィルタを示す概略的端面図である。FIG. 3 is a schematic end view showing a first wavelength filter of the present invention. この発明の第2の波長フィルタを示す概略的平面図である。FIG. 4 is a schematic plan view showing a second wavelength filter according to the present invention. この発明の第2の波長フィルタを示す概略的端面図である。FIG. 4 is a schematic end view showing a second wavelength filter of the present invention. グレーティングの変形例を示す概略的平面図である。It is a schematic plan view which shows the modification of a grating. グレーティングの変形例を示す概略的平面図である。It is a schematic plan view which shows the modification of a grating.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the shapes, sizes, and arrangements of the components are only schematically shown to the extent that the present invention can be understood. Hereinafter, a preferred configuration example of the present invention will be described. However, the materials and numerical conditions of each component are merely preferred examples. Therefore, the present invention is not limited to the following embodiments, and many changes or modifications that can achieve the effects of the present invention can be made without departing from the scope of the present invention.

(光導波路素子)
図1及び図2を参照して、この発明の光導波路素子について説明する。図1は、光導波路素子を示す概略平面図である。なお、図1では、後述する支持基板及びクラッドを省略して示してある。図2は、図1に示す構造体をI−I線で切り取った概略的端面図である。なお、図2では、ハッチングを省略してある。
(Optical waveguide element)
The optical waveguide device of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic plan view showing an optical waveguide device. In FIG. 1, a support substrate and a clad, which will be described later, are omitted. FIG. 2 is a schematic end view of the structure shown in FIG. 1 taken along line II. In FIG. 2, hatching is omitted.

なお、以下の説明では、各構成要素について、光伝播方向に沿った方向を長さ方向とする。また、支持基板の厚さに沿った方向を厚さ方向とする。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。   In the following description, the direction along the light propagation direction is the length direction for each component. The direction along the thickness of the support substrate is defined as the thickness direction. The direction perpendicular to the length direction and the thickness direction is defined as the width direction.

光導波路素子100は、支持基板10とクラッド20と第1光導波路コア30と第2光導波路コア40とを備えて構成されている。第1光導波路コア30は、この順に直列に接続された第1入出力ポート31、入出力テーパ部32、第1結合部33、第1接続部34及び第2結合部35を含んでいる。第2光導波路コア40は、この順に直列に接続された第3結合部41、第2接続部42、第4結合部43及び第2入出力ポート44を含んでいる。また、第1結合部33と第3結合部41とが互いに離間しかつ並んで配置された第1結合領域50が設定されている。さらに、第2結合部35と第4結合部43とが互いに離間しかつ並んで配置された第2結合領域60が設定されている。   The optical waveguide device 100 includes a support substrate 10, a clad 20, a first optical waveguide core 30, and a second optical waveguide core 40. The first optical waveguide core 30 includes a first input / output port 31, an input / output tapered part 32, a first coupling part 33, a first coupling part 34, and a second coupling part 35 connected in series in this order. The second optical waveguide core 40 includes a third coupling section 41, a second coupling section 42, a fourth coupling section 43, and a second input / output port 44 connected in series in this order. In addition, a first coupling region 50 in which the first coupling portion 33 and the third coupling portion 41 are spaced apart from each other and arranged side by side is set. Further, a second coupling region 60 in which the second coupling portion 35 and the fourth coupling portion 43 are spaced apart from each other and arranged side by side is set.

光導波路素子100は、基本モードの一方の偏波をモード変換せずに出力し、かつ基本モードの他方の偏波を所望のモード次数に変換して出力するモードコンバータとして使用される。ここでは、一例として、光導波路素子100によって、基本モードのTM偏波についてはモード変換せず、かつ基本モードのTE偏波を1次モードに変換する構成について説明する。   The optical waveguide element 100 is used as a mode converter that outputs one polarization of the fundamental mode without mode conversion and converts the other polarization of the fundamental mode into a desired mode order and outputs the same. Here, as an example, a configuration will be described in which the optical waveguide element 100 does not perform mode conversion on the TM polarization in the fundamental mode and converts the TE polarization in the fundamental mode into the first-order mode.

この例では、それぞれ基本モードのTE偏波及びTM偏波を含む光が、第1光導波路コア30の第1入出力ポート31に入力され、入出力テーパ部32を経て、第1結合領域50の第1結合部33に送られる。入力された光のうち、基本モードのTM偏波は、第1結合領域50において、基本モードのままで、第1結合部33から第3結合部41に移行する。第3結合部41に移行した基本モードのTM偏波は、第2接続部42及び第4結合部43を経て、第2入出力ポート44から出力される。一方、基本モードのTE偏波は、第1結合領域50においては第3結合部41に移行せず、第1接続部34を経て、第2結合領域60の第2結合部35に送られる。基本モードのTE偏波は、第2結合領域60において、1次モードに変換されつつ、第2結合部35から第4結合部43に移行する。第4結合部43に移行した1次モードのTE偏波は、第2入出力ポート44から出力される。   In this example, light including TE polarization and TM polarization in the fundamental mode is input to the first input / output port 31 of the first optical waveguide core 30 and passes through the input / output taper section 32 to the first coupling region 50. To the first combining unit 33. Of the input light, the TM polarized light in the fundamental mode moves from the first coupling unit 33 to the third coupling unit 41 in the first coupling region 50 while maintaining the basic mode. The TM polarization of the fundamental mode transferred to the third coupling unit 41 is output from the second input / output port 44 via the second connection unit 42 and the fourth coupling unit 43. On the other hand, the TE-polarized light in the fundamental mode does not shift to the third coupling portion 41 in the first coupling region 50, but is sent to the second coupling portion 35 of the second coupling region 60 via the first coupling portion 34. The fundamental mode TE polarization is shifted from the second coupling unit 35 to the fourth coupling unit 43 while being converted into the first-order mode in the second coupling region 60. The TE polarization in the first mode transferred to the fourth coupling unit 43 is output from the second input / output port 44.

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。   The support substrate 10 is formed of, for example, a flat plate made of single crystal Si.

クラッド20は、支持基板10上に設けられている。クラッド20は、支持基板10の上面を被覆し、かつ、第1光導波路コア30及び第2光導波路コア40を包含して形成されている。クラッド20は、例えば酸化シリコン(SiO)を材料として形成されている。 The clad 20 is provided on the support substrate 10. The clad 20 covers the upper surface of the support substrate 10 and is formed to include the first optical waveguide core 30 and the second optical waveguide core 40. The clad 20 is formed using, for example, silicon oxide (SiO 2 ) as a material.

第1光導波路コア30は、クラッド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、第1光導波路コア30は、光の伝送路として機能し、第1光導波路コア30に入力された光が第1光導波路コア30の平面形状に応じた伝播方向に伝播する。   The first optical waveguide core 30 is formed of, for example, Si having a higher refractive index than the cladding 20. As a result, the first optical waveguide core 30 functions as a light transmission path, and the light input to the first optical waveguide core 30 propagates in a propagation direction according to the planar shape of the first optical waveguide core 30.

第2光導波路コア40は、第1光導波路コア30と同様に、クラッド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、第2光導波路コア40は、光の伝送路として機能し、第2光導波路コア40に入力された光が第2光導波路コア40の平面形状に応じた伝播方向に伝播する。   Like the first optical waveguide core 30, the second optical waveguide core 40 is formed of, for example, Si having a higher refractive index than the cladding 20. As a result, the second optical waveguide core 40 functions as a light transmission path, and the light input to the second optical waveguide core 40 propagates in a propagation direction according to the planar shape of the second optical waveguide core 40.

なお、伝播する光が支持基板10へ逃げるのを防止するために、第1光導波路コア30及び第2光導波路コア40は、支持基板10から例えば少なくとも3μm以上離間して形成されているのが好ましい。   In order to prevent the propagating light from escaping to the support substrate 10, the first optical waveguide core 30 and the second optical waveguide core 40 are preferably formed at least 3 μm or more apart from the support substrate 10. preferable.

第1入出力ポート31は、TE偏波及びTM偏波の双方に対してシングルモード条件を達成する厚さ及び幅で形成されている。従って、第1入出力ポート31は、基本モードのTE偏波及びTM偏波を伝播させる。   The first input / output port 31 is formed with a thickness and a width that achieve a single mode condition for both TE polarization and TM polarization. Accordingly, the first input / output port 31 propagates the fundamental mode TE polarization and TM polarization.

入出力テーパ部32は、第1入出力ポート31と接続された一端から第1結合部33と接続された他端に向かって、第1入出力ポート31の幅から第1結合部33の幅まで、連続的に幅が拡大するテーパ形状で形成されている。   The input / output tapered portion 32 extends from one end connected to the first input / output port 31 to the other end connected to the first coupling portion 33 from the width of the first input / output port 31 to the width of the first coupling portion 33. Up to a tapered shape whose width continuously increases.

第1結合部33は、直線導波路として形成されている。なお、第1結合部33の詳細な設計については後述する。   The first coupling section 33 is formed as a straight waveguide. The detailed design of the first coupling unit 33 will be described later.

第1接続部34は、第1結合部33と接続された一端から第2結合部35と接続された他端に向かって、第1結合部33の幅から第2結合部35の幅まで、連続的に幅が変化(ここでは縮小)するテーパ形状で形成されている。   The first connecting portion 34 extends from one end connected to the first connecting portion 33 to the other end connected to the second connecting portion 35 from the width of the first connecting portion 33 to the width of the second connecting portion 35. It is formed in a tapered shape whose width changes continuously (here, it is reduced).

第2結合部35は、第1接続部34と接続された一端35aから、一端と反対側の他端35bに向かって、連続的に幅が縮小するテーパ形状で形成されている。なお、第2結合部35の詳細な設計については後述する。   The second coupling portion 35 is formed in a tapered shape whose width continuously decreases from one end 35a connected to the first connection portion 34 to the other end 35b opposite to the one end. The detailed design of the second coupling unit 35 will be described later.

第3結合部41は、直線導波路として形成されている。なお、第3結合部41の詳細な設計については後述する。   The third coupling section 41 is formed as a straight waveguide. The detailed design of the third coupling section 41 will be described later.

第2接続部42は、第3結合部41と接続された一端から第4結合部43と接続された他端に向かって、第3結合部41の幅から第4結合部43の幅まで、連続的に幅が変化(ここでは縮小)するテーパ形状で形成されている。   The second connecting portion 42 extends from one end connected to the third connecting portion 41 to the other end connected to the fourth connecting portion 43 from the width of the third connecting portion 41 to the width of the fourth connecting portion 43. It is formed in a tapered shape whose width changes continuously (here, it is reduced).

第4結合部43は、第2接続部42と接続された一端43aから第2入出力ポート44と接続された他端43bに向かって、第2接続部42の幅から第2入出力ポート44の幅まで、連続的に幅が拡大するテーパ形状で形成されている。なお、第4結合部43の詳細な設計については後述する。   The fourth coupling portion 43 extends from the one end 43a connected to the second connection portion 42 to the other end 43b connected to the second input / output port 44 from the width of the second connection portion 42 to the second input / output port 44. Is formed in a tapered shape whose width continuously increases up to the width. The detailed design of the fourth coupling section 43 will be described later.

第2入出力ポート44は、少なくとも1次モードのTE偏波及び基本モードのTM偏波を伝播させる厚さ及び幅で形成されている。   The second input / output port 44 is formed to have a thickness and a width for transmitting at least the TE polarization in the first mode and the TM polarization in the fundamental mode.

第1結合領域50について説明する。   The first coupling region 50 will be described.

第1結合部33及び第3結合部41は、第1結合領域50に含まれる。第1入出力ポート31と第2入出力ポート44とは、この第1結合領域50を挟んで、互いに反対の側に配置されている。第1結合領域50において、第1結合部33と第3結合部41は、方向性結合器を構成している。   The first joint 33 and the third joint 41 are included in the first joint region 50. The first input / output port 31 and the second input / output port 44 are arranged on opposite sides of the first coupling region 50. In the first coupling region 50, the first coupling section 33 and the third coupling section 41 constitute a directional coupler.

第1結合部33及び第3結合部41は、幅が互いに共通の寸法で、及び厚さが互いに共通の寸法で形成される。また、第1結合部33及び第3結合部41は、幅と厚さとが異なる寸法で形成されている。この結果、第1結合領域50において、第1結合部33及び第3結合部41の幅又は厚さの寸法の小さな方に、光電界の振動方向が沿った一方の偏波の結合長は、他方の偏波の結合長よりも短くなる。従って、第1結合部33及び第3結合部41の厚さを幅に対して小さく設定した場合には、TM偏波の結合長が、TE偏波の結合長よりも短くなる。また、第1結合部33及び第3結合部41の幅を厚さに対して小さく設定した場合には、TE偏波の結合長が、TM偏波の結合長よりも短くなる。なお、結合長とは、一方の導波路(ここでは第1結合部33)から他方の導波路(ここでは第3結合部41)に電力を完全移行させるために必要な、各導波路の並走距離である。   The first coupling portion 33 and the third coupling portion 41 are formed to have a common width and a common thickness. In addition, the first joint 33 and the third joint 41 are formed with different widths and thicknesses. As a result, in the first coupling region 50, the coupling length of one polarization along the vibration direction of the optical electric field is smaller in the smaller one of the width and thickness dimensions of the first coupling portion 33 and the third coupling portion 41. It becomes shorter than the coupling length of the other polarization. Therefore, when the thicknesses of the first coupling portion 33 and the third coupling portion 41 are set to be smaller than the widths, the coupling length of the TM polarization is shorter than the coupling length of the TE polarization. Also, when the width of the first coupling portion 33 and the third coupling portion 41 is set to be smaller than the thickness, the coupling length of the TE polarization is shorter than the coupling length of the TM polarization. Note that the coupling length refers to the parallel length of each waveguide required to completely transfer power from one waveguide (here, the first coupling portion 33) to the other waveguide (here, the third coupling portion 41). The mileage.

このような、アスペクト比(光導波路コアにおける幅/厚さの比)に対する、各偏波の結合長の依存性を利用することによって、第1結合領域50において一方の偏波のみを第1結合部33から第3結合部41へ移行させる。   By utilizing the dependency of the coupling length of each polarization on the aspect ratio (width / thickness ratio in the optical waveguide core), only one polarization in the first coupling region 50 is subjected to the first coupling. The transition from the part 33 to the third coupling part 41 is performed.

この実施の形態では、第1結合領域50において、基本モードのTM偏波を、基本モードのままで第1結合部33から第3結合部41に移行させる。一方、基本モードのTE偏波については、第3結合部41に移行させない。従って、第1結合部33及び第3結合部41の厚さを、幅に対して小さく設計する。これによって、第1結合部33及び第3結合部41間におけるTM偏波の結合長が、TE偏波の結合長よりも短くなる。そして、第1結合部33及び第3結合部41の長さは、基本モードのTM偏波の結合長に設定される。この結果、基本モードのTM偏波のみが、第1結合部33から第3結合部41へ移行する。   In this embodiment, in the first coupling region 50, the TM polarization in the fundamental mode is shifted from the first coupling unit 33 to the third coupling unit 41 while maintaining the basic mode. On the other hand, the fundamental mode TE polarization is not transferred to the third coupling unit 41. Therefore, the thickness of the first joint 33 and the third joint 41 is designed to be smaller than the width. Thereby, the coupling length of the TM polarization between the first coupling unit 33 and the third coupling unit 41 is shorter than the coupling length of the TE polarization. The lengths of the first coupling unit 33 and the third coupling unit 41 are set to the coupling length of the TM-polarized light in the fundamental mode. As a result, only the TM-polarized light in the fundamental mode shifts from the first coupling unit 33 to the third coupling unit 41.

ここで、図3を参照して、アスペクト比と結合長との関係について説明する。図3は、並走する2つの光導波路コア(ここでは第1結合部33及び第3結合部41)におけるアスペクト比(幅/厚さ)に対する、基本モードのTM偏波の結合長との関係、及び基本モードのTM偏波の結合長及び基本モードのTE偏波の結合長の比(TE/TM)との関係を示す図である。図3では、横軸にアスペクト比をとって示している。また、紙面左側の縦軸に基本モードのTM偏波の結合長をμm単位でとって示している。さらに、紙面右側の縦軸に、基本モードのTM偏波の結合長に対する基本モードのTE偏波の結合長の比をとって示している。なお、図3においては、基本モードのTM偏波の結合長(Lc/TM)、並びに基本モードのTM偏波の結合長及び基本モードのTE偏波の結合長の比(LcTE/TM)をそれぞれプロットしてある。   Here, the relationship between the aspect ratio and the coupling length will be described with reference to FIG. FIG. 3 shows the relationship between the aspect ratio (width / thickness) of the two optical waveguide cores running in parallel (here, the first coupling portion 33 and the third coupling portion 41) and the coupling length of TM-polarized light in the fundamental mode. FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between a coupling length of TM polarization in the fundamental mode and a ratio (TE / TM) of coupling length of TE polarization in the fundamental mode. In FIG. 3, the aspect ratio is shown on the horizontal axis. Also, the vertical axis on the left side of the paper indicates the coupling length of TM polarization in the fundamental mode in units of μm. Further, the vertical axis on the right side of the drawing shows the ratio of the coupling length of the fundamental mode TE polarization to the coupling length of the fundamental mode TM polarization. In FIG. 3, the coupling length of the fundamental mode TM polarization (Lc / TM) and the ratio between the coupling length of the fundamental mode TM polarization and the coupling length of the fundamental mode TE polarization (LcTE / TM) are shown. Each is plotted.

図3に示すように、アスペクト比が大きくなるほど、TE偏波及びTM偏波間の結合長の比が大きくなる。従って、第1結合部33及び第3結合部41におけるTM偏波の結合効率を向上させつつ、TE偏波の結合を抑制するためには、アスペクト比(幅/厚さ)を大きく設定することが好ましい。   As shown in FIG. 3, as the aspect ratio increases, the ratio of the coupling length between the TE polarization and the TM polarization increases. Therefore, in order to suppress the coupling of the TE polarization while improving the coupling efficiency of the TM polarization in the first coupling unit 33 and the third coupling unit 41, the aspect ratio (width / thickness) is set to be large. Is preferred.

ただし、アスペクト比を大きく設定し、TM偏波の結合長を大きくとることで、第1結合部33及び第3結合部41を含む第1結合領域50の長さが大きくなり、またそれに伴い、第1結合領域の波長依存性が大きくなるので、動作波長域が狭くなる。このため、光導波路素子100の小型化および広帯域動作という観点を踏まえて、アスペクト比(幅/厚さ)を例えば2程度とすることが好ましい。   However, by setting the aspect ratio to be large and increasing the coupling length of the TM polarization, the length of the first coupling region 50 including the first coupling portion 33 and the third coupling portion 41 becomes large. Since the wavelength dependence of the first coupling region increases, the operating wavelength range narrows. Therefore, it is preferable to set the aspect ratio (width / thickness) to, for example, about 2 from the viewpoint of miniaturization and broadband operation of the optical waveguide element 100.

次に、第2結合領域60について説明する。   Next, the second coupling region 60 will be described.

第2結合部35及び第4結合部43は、第2結合領域60に含まれる。第1入出力ポート31と第2入出力ポート44とは、この第2結合領域60を挟んで、互いに反対の側に配置されている。第2結合領域60において、第2結合部35及び第4結合部43は、方向性結合器を構成している。   The second coupling portion 35 and the fourth coupling portion 43 are included in the second coupling region 60. The first input / output port 31 and the second input / output port 44 are arranged on opposite sides of the second coupling region 60. In the second coupling region 60, the second coupling section 35 and the fourth coupling section 43 constitute a directional coupler.

上述したように、第2結合部35は、一端35aから他端35bに向かって、連続的に幅が縮小するテーパ形状で形成されている。また、第4結合部43は、一端43aから他端43bに向かって、第2接続部42の幅から第2入出力ポート44の幅まで、連続的に幅が拡大するテーパ形状で形成されている。   As described above, the second coupling portion 35 is formed in a tapered shape whose width continuously decreases from one end 35a to the other end 35b. Further, the fourth coupling portion 43 is formed in a tapered shape whose width continuously increases from the width of the second connection portion 42 to the width of the second input / output port 44 from one end 43a to the other end 43b. I have.

第2結合領域60では、第2結合部35の、幅が最大となる一端35aと、第4結合部43の、幅が最小となる一端43aとが同じ側に配置される。また、第2結合部35の、幅が最小となる他端35bと、第4結合部43の、幅が最大となる他端43bとが同じ側に配置される。従って、第2結合領域60では、図1に示す光の伝播方向Rに沿って、第2結合部35の幅が連続的に縮小し、かつ第4結合部43の幅が連続的に拡大する。なお、図1の構成例では、第2結合部35の一端35a及び第4結合部43の一端43aの面位置が一致し、かつ第2結合部35の他端35b及び第4結合部43の他端43bの面位置が一致するように配置されている。   In the second coupling region 60, one end 35a of the second coupling portion 35 having the maximum width and one end 43a of the fourth coupling portion 43 having the minimum width are arranged on the same side. Further, the other end 35b of the second coupling portion 35 having the minimum width and the other end 43b of the fourth coupling portion 43 having the maximum width are arranged on the same side. Therefore, in the second coupling region 60, the width of the second coupling portion 35 continuously decreases and the width of the fourth coupling portion 43 continuously increases along the light propagation direction R shown in FIG. . In the configuration example of FIG. 1, the surface positions of the one end 35 a of the second joint 35 and the one end 43 a of the fourth joint 43 match, and the other end 35 b of the second joint 35 and the fourth joint 43 have the same surface position. The other end 43b is arranged so that the surface positions thereof match.

ここで、図4を参照して、第2結合部35及び第4結合部43の設計について説明する。図4は、第2結合部35を伝播する光の伝播定数及び第4結合部43を伝播する光の伝播定数と、伝播軸座標(第2結合領域60の光伝播方向Rにおける座標)Zとの関係を示す図である。図4では、縦軸に伝播定数を、また、横軸に伝播軸座標をそれぞれ任意単位でとって示している。ここでは、第2結合部35の一端35a及び第4結合部43の一端43a側の、第2結合領域60の一端60aを伝播軸座標のZaとしている。また、第2結合部35の他端35b及び第4結合部43の他端43bの、第2結合領域60の他端60bを伝播軸座標のZbとしている。なお、図4において、曲線βx0は第2結合部35を伝播する基本モードのTE偏波の伝播定数を示している。また、曲線βyi−1は第4結合部43を伝播するi−1次モードのTE偏波の伝播定数を示している(iは1≦iの整数)。また、曲線βyiは第4結合部43を伝播するi次モードのTE偏波の伝播定数を示している。また、曲線βyi+1は第4結合部43を伝播するi+1次モードのTE偏波の伝播定数を示している。 Here, the design of the second coupling portion 35 and the fourth coupling portion 43 will be described with reference to FIG. FIG. 4 shows the propagation constant of light propagating through the second coupling section 35, the propagation constant of light propagating through the fourth coupling section 43, the propagation axis coordinates (coordinates of the second coupling region 60 in the light propagation direction R) Z, and FIG. In FIG. 4, the vertical axis shows the propagation constant, and the horizontal axis shows the propagation axis coordinates in arbitrary units. Here, one end 60a of the second coupling region 60 on the one end 35a of the second coupling portion 35 and the one end 43a of the fourth coupling portion 43 is defined as the propagation axis coordinate Za. In addition, the other end 60b of the second coupling region 60 between the other end 35b of the second coupling portion 35 and the other end 43b of the fourth coupling portion 43 is set as the propagation axis coordinate Zb. In FIG. 4, a curve β x0 indicates a propagation constant of the TE polarization of the fundamental mode propagating through the second coupling unit 35. Further, a curve β yi-1 indicates the propagation constant of the TE polarization of the (i−1) -order mode propagating through the fourth coupling unit 43 (i is an integer of 1 ≦ i). Further, the curve β yi indicates the propagation constant of the TE-polarized light of the i-th mode propagating through the fourth coupling section 43. Further, a curve β yi + 1 indicates the propagation constant of the TE polarization of the (i + 1) th mode propagating through the fourth coupling unit 43.

第2結合部35では、第2結合領域60の一端60aから他端60bに向かって幅が狭まるに従い、光の伝播定数が小さくなる。一方、第4結合部43では、第2結合領域60の一端60aから他端60bに向かって幅が拡がるに従い、光の伝播定数が大きくなる。そして、第2結合領域60の一端60aから他端60bの間において、第2結合部35及び第4結合部43には、第2結合部35を伝播する基本モードのTE偏波の伝播定数と、第4結合部43を伝播するi次モードのTE偏波の伝播定数とが一致する点が含まれる。この伝播定数が一致する点に対応する幅を、第2結合部35及び第4結合部43が含むことによって、第2結合部35を伝播する基本モードのTE偏波と、第4結合部43を伝播するi次モードのTE偏波とが結合される。   In the second coupling section 35, the light propagation constant decreases as the width decreases from one end 60a to the other end 60b of the second coupling region 60. On the other hand, in the fourth coupling section 43, the light propagation constant increases as the width increases from one end 60a to the other end 60b of the second coupling region 60. Further, between the one end 60a and the other end 60b of the second coupling region 60, the second coupling portion 35 and the fourth coupling portion 43 have the propagation constant of the TE polarization of the fundamental mode propagating through the second coupling portion 35 and , And a point at which the propagation constant of the TE-polarization of the i-th mode propagating through the fourth coupling unit 43 matches. The second coupling portion 35 and the fourth coupling portion 43 include a width corresponding to the point where the propagation constants match, so that the TE polarization of the fundamental mode propagating through the second coupling portion 35 and the fourth coupling portion 43 And the TE-mode polarized wave propagating in the i-th mode.

従って、第2結合領域60の一端60aにおいてβyi<βx0<βyi−1、及び第2結合領域60の他端60bにおいてβyi+1<βx0<βyiを満たすように、第2結合部35の一端35a及び他端35bの幅、並びに第4結合部43の一端43a及び他端43bの幅を設定する。この結果、第2結合部35を伝播する基本モードのTE偏波と、第4結合部43を伝播するi次モードのTE偏波とを結合することができる。 Accordingly, the second coupling unit is configured such that β yix0yy-1 at one end 60a of the second coupling region 60 and β yy + 1x0yy at the other end 60b of the second coupling region 60. The width of one end 35a and the other end 35b of 35 and the width of one end 43a and the other end 43b of the fourth coupling portion 43 are set. As a result, the fundamental mode TE polarization propagating in the second coupling unit 35 and the i-th mode TE polarization propagating in the fourth coupling unit 43 can be coupled.

また、このように第2結合部35の一端35a及び他端35bの幅、並びに第4結合部43の一端43a及び他端43bの幅を設定することによって、第2結合領域60では、第2結合部35を伝播する基本モードのTE偏波の伝播定数と、第4結合部43を伝播するi次モード以外のTE偏波の伝播定数とが一致する点が含まれない。従って、第2結合部35を伝播する基本モードのTE偏波と、第4結合部43を伝播するi次モード以外のTE偏波との結合が抑制される。   Further, by setting the widths of the one end 35a and the other end 35b of the second coupling portion 35 and the width of the one end 43a and the other end 43b of the fourth coupling portion 43 in this manner, the second coupling region 60 A point where the propagation constant of the TE polarization of the fundamental mode propagating through the coupling unit 35 and the propagation constant of the TE polarization other than the i-th mode propagating through the fourth coupling unit 43 match is not included. Therefore, coupling between the fundamental mode TE polarization propagating through the second coupling unit 35 and the TE polarization other than the i-th mode propagating through the fourth coupling unit 43 is suppressed.

この実施の形態では、第2結合領域60において、基本モードのTE偏波を、1次モードに変換して、第2結合部35から第4結合部43に移行させる。そこで、伝播定数βyiにおけるiを1として、上述した条件で第2結合部35及び第4結合部43を設計する。この結果、基本モードのTE偏波が、1次モードに変換されて、第2結合部35から第4結合部43へ移行する。 In this embodiment, in the second coupling region 60, the TE polarization in the fundamental mode is converted to the first-order mode, and is shifted from the second coupling section 35 to the fourth coupling section 43. Therefore, the second coupling unit 35 and the fourth coupling unit 43 are designed under the above-described conditions, where i in the propagation constant β yi is 1. As a result, the TE polarization in the fundamental mode is converted to the first-order mode, and shifts from the second coupling unit 35 to the fourth coupling unit 43.

なお、図4に示す伝播定数の関係は、TM偏波についても成立する。そこで、TM偏波については基本モードのみが伝播可能な幅に、第2結合部35の幅を設定する。そして、第2結合部35の一端35aの幅W1と、第4結合部43の一端43aの幅W2とを、W1<W2とすることによって、第2結合部35及び第4結合部43間におけるTM偏波の結合を抑制できる。   Note that the relationship between the propagation constants shown in FIG. 4 also holds for TM polarization. Therefore, for the TM polarization, the width of the second coupling unit 35 is set to a width in which only the fundamental mode can propagate. By setting the width W1 of one end 35a of the second coupling portion 35 and the width W2 of one end 43a of the fourth coupling portion 43 to W1 <W2, the distance between the second coupling portion 35 and the fourth coupling portion 43 is set. TM polarization coupling can be suppressed.

以上に説明したように、光導波路素子100では、第1結合領域50において、基本モードのTM偏波を、基本モードのままで第1結合部33から第3結合部41に移行させることができる。また、第2結合領域60において、基本モードのTE偏波を、1次モードに変換しつつ第2結合部35から第4結合部43に移行させることができる。これによって、入力されるそれぞれ基本モードのTE偏波及びTM偏波に対して、基本モードのTM偏波をモード変換せずに出力し、かつ基本モードのTE偏波を、所望の(ここでは1次)モードに変換して出力することができる。そして、光導波路素子100では、上述したように、第1結合領域50及び第2結合領域60において不所望な結合が生じないため、1次モード以外のモード次数のTE偏波及び基本モード以外のモード次数のTM偏波への変換を抑制することができる。   As described above, in the optical waveguide element 100, in the first coupling region 50, the TM polarization of the fundamental mode can be shifted from the first coupling unit 33 to the third coupling unit 41 while maintaining the fundamental mode. . Further, in the second coupling region 60, the TE polarization in the fundamental mode can be shifted from the second coupling section 35 to the fourth coupling section 43 while being converted into the first-order mode. As a result, the fundamental mode TM polarization is output without mode conversion with respect to the input fundamental mode TE polarization and TM polarization, and the fundamental mode TE polarization is set to a desired (here, It can be converted to (primary) mode and output. In the optical waveguide element 100, as described above, since undesired coupling does not occur in the first coupling region 50 and the second coupling region 60, TE polarization of a mode order other than the first-order mode and a mode other than the fundamental mode. Conversion of the mode order to TM polarization can be suppressed.

また、光導波路素子100では、それぞれテーパ形状で形成された入出力テーパ部32、第1接続部34及び第2接続部42を設けることにより、異なる幅を持つ光導波路コア間を、低損失及び低反射で接続することができる。   Further, in the optical waveguide element 100, by providing the input / output taper portion 32, the first connection portion 34, and the second connection portion 42, each of which is formed in a tapered shape, low loss and low loss between the optical waveguide cores having different widths are provided. Can be connected with low reflection.

なお、ここでは、光導波路素子100が、入力されるそれぞれ基本モードのTE偏波及びTM偏波に対して、1次モードのTE偏波及び基本モードのTM偏波を出力する構成例について説明した。しかし、光導波路素子100は、この構成例に限られない。図4を参照して説明した伝播定数βyiにおけるiを任意に設定することにより、第2結合領域60において、第2結合部35から第4結合部43に移行させる光を、任意のi次モードに変換することができる。 Here, a configuration example will be described in which the optical waveguide element 100 outputs the primary mode TE polarization and the fundamental mode TM polarization with respect to the input fundamental mode TE polarization and TM polarization, respectively. did. However, the optical waveguide element 100 is not limited to this configuration example. By arbitrarily setting i in the propagation constant β yi described with reference to FIG. 4, in the second coupling region 60, the light that is transferred from the second coupling section 35 to the fourth coupling section 43 has an arbitrary i-th order. Mode can be converted.

また、逆に、光導波路素子100では、第1結合領域50において、基本モードのTE偏波を、基本モードのままで第1結合部33から第3結合部41に移行させ、かつ第2結合領域60において、基本モードのTM偏波を、i次モードに変換しつつ第2結合部35から第4結合部43に移行させることができる。この場合には、第1結合部33及び第3結合部41の幅を厚さに対して小さく設定することによって、TE偏波の結合長を、TM偏波の結合長よりも短くする。そして、第1結合部33及び第3結合部41の長さを、基本モードのTE偏波の結合長に設定することにより、基本モードのTE偏波のみを、第1結合部33から第3結合部41へ移行させることができる。この場合には、第1結合部33及び第3結合部41の厚さに対して幅を小さく(好ましくはアスペクト比(幅/厚さ)を例えば1/2程度に)設定する。   Conversely, in the optical waveguide element 100, in the first coupling region 50, the TE polarization of the fundamental mode is shifted from the first coupling portion 33 to the third coupling portion 41 while maintaining the fundamental mode, and In the region 60, the TM polarization of the fundamental mode can be shifted from the second coupling unit 35 to the fourth coupling unit 43 while being converted into the i-th mode. In this case, the coupling length of the TE polarization is made shorter than the coupling length of the TM polarization by setting the width of the first coupling portion 33 and the third coupling portion 41 to be smaller than the thickness. By setting the lengths of the first coupling section 33 and the third coupling section 41 to the coupling length of the fundamental mode TE polarization, only the fundamental mode TE polarization is transmitted from the first coupling section 33 to the third coupling section. It is possible to shift to the coupling section 41. In this case, the width is set to be smaller (preferably, the aspect ratio (width / thickness) is, for example, about 1 /) with respect to the thickness of the first joint 33 and the third joint 41.

また、この場合には、TM偏波の伝播定数に対して、上述した条件で、第2結合部35の一端35a及び他端35bの幅、並びに第4結合部43の一端43a及び他端43bの幅を設定する。この結果、第2結合領域60において、基本モードのTM偏波を、i次モードに変換しつつ第2結合部35から第4結合部43に移行させることができる。   In this case, the width of the one end 35a and the other end 35b of the second coupling portion 35 and the width of the one end 43a and the other end 43b of the fourth coupling portion 43 under the above-described conditions with respect to the propagation constant of the TM polarization. Set the width of As a result, in the second coupling region 60, the TM polarization in the fundamental mode can be shifted from the second coupling section 35 to the fourth coupling section 43 while being converted into the i-th mode.

(特性評価)
発明者は、FDTD(Finite Differential Time Domain)を用いて、光導波路素子100の特性を評価するシミュレーションを行った。
(Characteristic evaluation)
The inventor performed a simulation for evaluating the characteristics of the optical waveguide element 100 using FDTD (Finite Differential Time Domain).

このシミュレーションでは、第1結合領域50において、基本モードのTM偏波を、基本モードのままで第1結合部33から第3結合部41に移行させ、かつ第2結合領域60において、基本モードのTE偏波を、1次モードに変換しつつ第2結合部35から第4結合部43に移行させる構成を想定した。そして、光導波路素子100について、第1入出力ポート31からそれぞれ基本モードのTE偏波及びTM偏波を入力し、第2入出力ポート44から出力される1次モードのTE偏波、基本モードのTE偏波及び基本モードのTM偏波の強度をそれぞれ取得した。   In this simulation, in the first coupling region 50, the TM polarization of the fundamental mode is shifted from the first coupling portion 33 to the third coupling portion 41 while maintaining the basic mode, and in the second coupling region 60, It is assumed that the TE polarization is shifted from the second coupling section 35 to the fourth coupling section 43 while being converted to the first-order mode. Then, with respect to the optical waveguide element 100, the fundamental mode TE polarization and the TM polarization are input from the first input / output port 31, and the primary mode TE polarization and the basic mode output from the second input / output port 44, respectively. , And the intensity of TM polarization in the fundamental mode.

また、このシミュレーションでは、入力するTE偏波及びTM偏波の波長が1550nmである場合を想定し、以下のような設計条件を想定した。   In this simulation, it is assumed that the wavelengths of the input TE polarization and TM polarization are 1550 nm, and the following design conditions are assumed.

すなわち、第1光導波路コア30及び第2光導波路コア40の材料をSiとした。また、クラッド20の材料をSiOとした。また、第1光導波路コア30及び第2光導波路コア40の厚さを全体的に200nmとした。 That is, the material of the first optical waveguide core 30 and the second optical waveguide core 40 was Si. The material of the clad 20 was SiO 2 . The thickness of the first optical waveguide core 30 and the second optical waveguide core 40 was set to 200 nm as a whole.

また、第1結合部33及び第3結合部41の幅をそれぞれ480nmとすることで、第1結合部33及び第3結合部41のアスペクト比(幅/厚さ)を2.4とした。そして、第1結合部33及び第3結合部41の長さ(すなわち第1結合領域50の長さ)を、基本モードのTM偏波の結合長である18μmとした。なお、この場合、基本モードのTM偏波の結合長が18μmであるのに対して、基本モードのTE偏波の結合長が300μmであり、TM偏波の結合長とTE偏波の結合長とが大きく異なる。また、第1結合部33及び第3結合部41の離間距離を、長さ方向に沿った中心線間の距離にして980nmとした。   The aspect ratio (width / thickness) of the first joint 33 and the third joint 41 was set to 2.4 by setting the width of each of the first joint 33 and the third joint 41 to 480 nm. Then, the length of the first coupling portion 33 and the third coupling portion 41 (that is, the length of the first coupling region 50) is set to 18 μm, which is the coupling length of the TM polarized light in the fundamental mode. In this case, the coupling length of the fundamental mode TM polarization is 18 μm, whereas the coupling length of the fundamental mode TE polarization is 300 μm, and the coupling length of the TM polarization and the coupling length of the TE polarization are both different. Is very different. The distance between the first coupling portion 33 and the third coupling portion 41 was 980 nm as the distance between the center lines along the length direction.

また、第2結合部35の一端35aの幅を0.3μm、及び他端35bの幅を0.12μmとした。また、第4結合部43の一端43aの幅を0.5μm、及び他端43bの幅を0.6μmとした。また、第2結合部35及び第4結合部43の長さ(すなわち第2結合領域60の長さ)を100μmとした。また、第2結合部35及び第4結合部43の離間距離を、長さ方向に沿った中心線間の距離にして1.0μmとした。   The width of one end 35a of the second coupling portion 35 was 0.3 μm, and the width of the other end 35b was 0.12 μm. The width of one end 43a of the fourth coupling portion 43 was 0.5 μm, and the width of the other end 43b was 0.6 μm. In addition, the length of the second coupling portion 35 and the fourth coupling portion 43 (that is, the length of the second coupling region 60) was set to 100 μm. The distance between the second coupling portion 35 and the fourth coupling portion 43 was set to 1.0 μm as the distance between center lines along the length direction.

なお、このシミュレーションでは、従来の構造として、特許文献3に開示された、方向性結合器の前段に設けられた構造についても、同様に特性を評価した。従来の構造では、連続的に幅が縮小するテーパ形状の第1変換部と、連続的に幅が拡大するテーパ形状の第2変換部とが、互いに離間しかつ並んで配置される(特許文献3の図3及び図4参照)。ここでは、第1変換部からそれぞれ基本モードのTE偏波及びTM偏波を入力し、第2変換部から出力される1次モードのTE偏波、基本モードのTE偏波及び基本モードのTM偏波の強度をそれぞれ取得した。   In this simulation, the characteristics of a conventional structure disclosed in Patent Literature 3 and provided in a stage preceding the directional coupler were similarly evaluated. In the conventional structure, a tapered first conversion part whose width continuously decreases and a tapered second conversion part whose width continuously increases are spaced apart from each other and arranged side by side (Patent Document 1). 3 (see FIGS. 3 and 4). Here, the fundamental mode TE polarization and the TM polarization are input from the first conversion unit, respectively, and the primary mode TE polarization, the basic mode TE polarization, and the basic mode TM output from the second conversion unit. The polarization intensity was obtained respectively.

シミュレーションの結果を図5及び図6に示す。図5(A)は、光導波路素子100において、第2入出力ポート44から出力される基本モードのTM偏波の強度を示す図である。図5(A)における線分101は、基本モードのTM偏波の強度を示している。また、図5(B)は、従来の構造において、第2変換部から出力される基本モードのTM偏波の強度を示す図である。図5(B)における線分151は、基本モードのTM偏波の強度を示している。また、図6(A)は、光導波路素子100において、第2入出力ポート44から出力される1次モードのTE偏波及び基本モードのTE偏波の強度を示す図である。図6(A)における線分102は1次モードのTE偏波の強度を、また、線分103は基本モードのTE偏波の強度をそれぞれ示している。また、図6(B)は、従来の構造において、第2変換部から出力される1次モードのTE偏波及び基本モードのTE偏波の強度を示す図である。図6(B)における線分152は1次モードのTE偏波の強度を、また、線分153は基本モードのTE偏波の強度をそれぞれ示している。図5(A)及び(B)並びに図6(A)及び(B)では、横軸に波長をμm単位でとって示し、また、縦軸に出力光強度をdB目盛でとって示している。   The results of the simulation are shown in FIGS. FIG. 5A is a diagram showing the intensity of TM polarization in the fundamental mode output from the second input / output port 44 in the optical waveguide element 100. A line segment 101 in FIG. 5A indicates the intensity of TM polarization in the fundamental mode. FIG. 5B is a diagram showing the intensity of TM polarization in the fundamental mode output from the second converter in the conventional structure. A line segment 151 in FIG. 5B indicates the intensity of TM polarization in the fundamental mode. FIG. 6A is a diagram showing the intensity of the primary mode TE polarization and the fundamental mode TE polarization output from the second input / output port 44 in the optical waveguide element 100. In FIG. 6A, a line segment 102 indicates the intensity of the TE polarization in the first mode, and a line segment 103 indicates the intensity of the TE polarization in the fundamental mode. FIG. 6B is a diagram showing the intensity of the primary mode TE polarization and the fundamental mode TE polarization output from the second conversion unit in the conventional structure. A line segment 152 in FIG. 6B indicates the intensity of the TE polarization in the first mode, and a line segment 153 indicates the intensity of the TE polarization in the fundamental mode. 5 (A) and 5 (B) and FIGS. 6 (A) and 6 (B), the horizontal axis shows the wavelength in μm units, and the vertical axis shows the output light intensity in dB scale. .

図5(A)及び(B)に示すように、光導波路素子100及び従来の構造ともに、入力された基本モードのTM偏波が、モード変換されずに出力されることが確認できる。   As shown in FIGS. 5A and 5B, it can be confirmed that the input TM polarization of the fundamental mode is output without mode conversion in both the optical waveguide element 100 and the conventional structure.

また、図6(A)及び(B)に示すように、光導波路素子100及び従来の構造ともに、入力された基本モードのTE偏波が、1次モードに変換されて出力されることが確認できる。そして、図6(A)及び(B)を比較すると、光導波路素子100では、従来の構造と比べて、不所望に出力される基本モードのTE偏波が、波長1550nmにおいて7dB以上改善されていることが確認できる。   Also, as shown in FIGS. 6A and 6B, it was confirmed that the input fundamental mode TE polarization was converted into the first-order mode and output in both the optical waveguide element 100 and the conventional structure. it can. 6A and 6B, in the optical waveguide element 100, the TE polarization of the fundamental mode output undesirably is improved by 7 dB or more at the wavelength of 1550 nm, as compared with the conventional structure. Can be confirmed.

(光カプラ)
図7を参照して、上述した光導波路素子100(図1参照)を備える光カプラについて説明する。図7は、光カプラを示す概略的平面図である。なお、図7では、支持基板及びクラッドを省略して示してある。また、上述した光導波路素子100と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。
(Optical coupler)
Referring to FIG. 7, an optical coupler including the above-described optical waveguide element 100 (see FIG. 1) will be described. FIG. 7 is a schematic plan view showing the optical coupler. In FIG. 7, the support substrate and the clad are omitted. Also, the same components as those of the above-described optical waveguide element 100 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.

光カプラ200は、共通に設計された3つの光導波路素子100(第1光導波路素子100−1〜第3光導波路素子100−3)、第1接続導波路部210、第2接続導波路部220、第3接続導波路部230及び方向性結合器240を備えて構成される。方向性結合器240は、第1カプラ導波路部250と第2カプラ導波路部260とを含み、これらが互いに離間しかつ並んで配置されて構成されている。これら第1接続導波路部210、第2接続導波路部220、第3接続導波路部230、第1カプラ導波路部250及び第2カプラ導波路部260は、光導波路素子100の第1光導波路コア30及び第2光導波路コア40と共通の材料で形成され、かつ共通の支持基板10(図2参照)上に、共通のクラッド20(図2参照)に包含されて形成されている。   The optical coupler 200 includes three commonly designed optical waveguide elements 100 (first optical waveguide element 100-1 to third optical waveguide element 100-3), a first connection waveguide unit 210, and a second connection waveguide unit. 220, a third connection waveguide 230, and a directional coupler 240. The directional coupler 240 includes a first coupler waveguide section 250 and a second coupler waveguide section 260, which are separated from each other and arranged side by side. The first connection waveguide section 210, the second connection waveguide section 220, the third connection waveguide section 230, the first coupler waveguide section 250, and the second coupler waveguide section 260 form the first optical waveguide of the optical waveguide element 100. It is formed of the same material as the waveguide core 30 and the second optical waveguide core 40, and is formed on the common support substrate 10 (see FIG. 2) so as to be included in the common clad 20 (see FIG. 2).

光カプラ200は、第1光導波路素子100−1の第2入出力ポート44から、第1接続導波路部210を経て送られるTE偏波及びTM偏波のそれぞれを、方向性結合器240において2分岐する。そして、方向性結合器240においてそれぞれ2分岐したTE偏波及びTM偏波を、第2接続導波路部220を経て第2光導波路素子100−2に、及び第3接続導波路部230を経て第3光導波路素子100−3にそれぞれ送る。   The optical coupler 200 couples each of the TE polarization and the TM polarization transmitted from the second input / output port 44 of the first optical waveguide element 100-1 via the first connection waveguide section 210 to the directional coupler 240. Branch into two. Then, the TE-polarized light and the TM-polarized light, each of which has been branched into two in the directional coupler 240, are transmitted to the second optical waveguide device 100-2 via the second connection waveguide 220 and to the third connection waveguide 230. The light is sent to the third optical waveguide element 100-3.

この例では、それぞれ基本モードのTE偏波及びTM偏波を含む光が、第1光導波路素子100−1の第1光導波路コア30の第1入出力ポート31に入力される。第1光導波路素子100−1では、基本モードのTM偏波がモード変換されず、かつ基本モードのTE偏波が1次モードに変換される。   In this example, light including TE polarization and TM polarization in the fundamental mode is input to the first input / output port 31 of the first optical waveguide core 30 of the first optical waveguide element 100-1. In the first optical waveguide element 100-1, the TM polarization of the fundamental mode is not mode-converted, and the TE polarization of the fundamental mode is converted to the first-order mode.

また、第2光導波路素子100−2及び第3光導波路素子100−3のそれぞれの第2入出力ポート44には、方向性結合器240でそれぞれ2分岐された1次モードのTE偏波及び基本モードのTM偏波が入力される。第2光導波路素子100−2及び第3光導波路素子100−3では、各第2入出力ポート44から入力された1次モードのTE偏波は、第1光導波路素子100−1とは逆の経路を経ることにより、基本モードに変換されて第1入出力ポート31から出力される。また、各第2入出力ポート44から入力された基本モードのTM偏波は、第1光導波路素子100−1とは逆の経路を経ることにより、モード変換されずに第1入出力ポート31から出力される。   Further, the second input / output port 44 of each of the second optical waveguide element 100-2 and the third optical waveguide element 100-3 has the TE polarization of the primary mode branched into two by the directional coupler 240, respectively. The fundamental mode TM polarization is input. In the second optical waveguide element 100-2 and the third optical waveguide element 100-3, the TE polarization of the first mode input from each second input / output port 44 is opposite to that of the first optical waveguide element 100-1. Is converted to the basic mode and output from the first input / output port 31. In addition, the TM-polarized light of the fundamental mode input from each second input / output port 44 passes through a path opposite to that of the first optical waveguide element 100-1 so that the first input / output port 31 is not converted. Output from

第1接続導波路部210は、第1光導波路素子100−1の第2入出力ポート44と、第1カプラ導波路部250との間を接続する。第1接続導波路部210は、少なくとも1次モードのTE偏波及び基本モードのTM偏波を伝播させる厚さ及び幅で形成されている。   The first connection waveguide section 210 connects between the second input / output port 44 of the first optical waveguide element 100-1 and the first coupler waveguide section 250. The first connection waveguide section 210 is formed with a thickness and a width that allow at least the first-order mode TE polarization and the fundamental mode TM polarization to propagate.

方向性結合器240としては、特許文献3に開示された方向性結合器を用いることができる。ここでは、方向性結合器240において、第1カプラ導波路部250及び第2カプラ導波路部260間における1次モードのTE偏波の結合長と、第1カプラ導波路部250及び第2カプラ導波路部260間における基本モードのTM偏波の結合長とが一致するように、第1カプラ導波路部250及び第2カプラ導波路部260の幅、及びこれらの離間距離が設定される。この結果、1次モードのTE偏波及び基本モードのTM偏波のそれぞれを、方向性結合器240の長さに応じた共通の分岐比で2分岐することができる。   As the directional coupler 240, a directional coupler disclosed in Patent Document 3 can be used. Here, in the directional coupler 240, the coupling length of the first-order mode TE polarization between the first coupler waveguide section 250 and the second coupler waveguide section 260, the first coupler waveguide section 250 and the second coupler waveguide section. The widths of the first coupler waveguide section 250 and the second coupler waveguide section 260 and the distance between them are set so that the coupling length of the TM polarization of the fundamental mode between the waveguide sections 260 matches. As a result, each of the primary mode TE polarization and the fundamental mode TM polarization can be split into two at a common split ratio according to the length of the directional coupler 240.

第1カプラ導波路部250は、一端250a側で第1接続導波路部210に接続されており、他端250b側で第2接続導波路部220と接続されている。また、第2カプラ導波路部260は、一端260a側をここではカットオフとしてあり、他端260b側で第3接続導波路部230と接続されている。なお、図7の構成例では、第1カプラ導波路部250及び第2カプラ導波路部260は、第1カプラ導波路部250の一端250a及び第2カプラ導波路部260の一端260aの面位置が一致し、かつ第1カプラ導波路部250の他端250b及び第2カプラ導波路部260の他端260bの面位置が一致するように配置されている。   The first coupler waveguide section 250 is connected to the first connection waveguide section 210 on one end 250a side, and is connected to the second connection waveguide section 220 on the other end 250b side. In addition, the second coupler waveguide section 260 has one end 260a side as a cutoff here, and is connected to the third connection waveguide section 230 at the other end 260b side. In the configuration example of FIG. 7, the first coupler waveguide section 250 and the second coupler waveguide section 260 are located at one end 250 a of the first coupler waveguide section 250 and the surface position of one end 260 a of the second coupler waveguide section 260. And the other end 250b of the first coupler waveguide unit 250 and the other end 260b of the second coupler waveguide unit 260 are arranged so as to coincide with each other.

第2接続導波路部220は、第1カプラ導波路部250と、第2光導波路素子100−2の第2入出力ポート44との間を接続する。第2接続導波路部220は、少なくとも1次モードのTE偏波及び基本モードのTM偏波を伝播させる厚さ及び幅で形成されている。   The second connection waveguide section 220 connects between the first coupler waveguide section 250 and the second input / output port 44 of the second optical waveguide element 100-2. The second connection waveguide portion 220 is formed with a thickness and a width that allow at least the first-order mode TE polarization and the fundamental mode TM polarization to propagate.

第3接続導波路部230は、第2カプラ導波路部260と、第3光導波路素子100−3の第2入出力ポート44との間を接続する。第3接続導波路部230は、少なくとも1次モードのTE偏波及び基本モードのTM偏波を伝播させる厚さ及び幅で形成されている。   The third connection waveguide unit 230 connects between the second coupler waveguide unit 260 and the second input / output port 44 of the third optical waveguide device 100-3. The third connection waveguide portion 230 is formed with a thickness and a width that allow at least the first-order mode TE polarization and the fundamental mode TM polarization to propagate.

以上に説明したように、光カプラ200は、第1光導波路素子100と方向性結合器240を組み合わせることにより、TE偏波及びTM偏波のそれぞれを、方向性結合器240の長さに応じた共通の分岐比で2分岐することができる。従って、光カプラ200は、偏波無依存で使用することができる。   As described above, the optical coupler 200 combines the first optical waveguide element 100 and the directional coupler 240 to change each of the TE polarization and the TM polarization according to the length of the directional coupler 240. It is possible to branch into two at a common branching ratio. Therefore, the optical coupler 200 can be used independently of polarization.

なお、ここでは、1次モードのTE偏波及び基本モードのTM偏波が、第1光導波路素子100−1の第2入出力ポート44から方向性結合器240に送られる構成例について説明した。しかし、光カプラ200は、この構成例に限られない。第1光導波路素子100−1の第2入出力ポート44から方向性結合器240に、i次モードのTE偏波及び基本モードのTM偏波を送る構成、又は基本モードのTE偏波及びi次モードのTM偏波を送る構成とすることもできる。これらの場合には、方向性結合器240において、第1カプラ導波路部250及び第2カプラ導波路部260間におけるi次モードの一方の偏波の結合長と、第1カプラ導波路部250及び第2カプラ導波路部260間における基本モードの他方の偏波の結合長とが一致するように、第1カプラ導波路部250及び第2カプラ導波路部260の幅、及びこれらの離間距離を設定することができる。   Here, a configuration example has been described in which the TE polarization in the first mode and the TM polarization in the fundamental mode are sent from the second input / output port 44 of the first optical waveguide element 100-1 to the directional coupler 240. . However, the optical coupler 200 is not limited to this configuration example. A configuration for transmitting an i-th mode TE polarization and a fundamental mode TM polarization from the second input / output port 44 of the first optical waveguide element 100-1 to the directional coupler 240, or a fundamental mode TE polarization and i A configuration in which the TM polarization of the next mode is transmitted may be adopted. In these cases, in the directional coupler 240, the coupling length of one polarization of the i-th mode between the first coupler waveguide section 250 and the second coupler waveguide section 260 and the first coupler waveguide section 250 The width of the first coupler waveguide section 250 and the second coupler waveguide section 260 and the distance between them so that the coupling length of the other polarization of the fundamental mode between the second coupler waveguide section 260 and the second coupler waveguide section 260 coincides with each other. Can be set.

(第1波長フィルタ)
図8及び図9を参照して、上述した光導波路素子100(図1参照)を備える第1の波長フィルタについて説明する。図8は、第1の波長フィルタを示す概略的平面図である。なお、図8では、支持基板及びクラッドを省略して示してある。図9は、図8に示す構造体をII−II線で切り取った概略的端面図である。なお、図9では、ハッチングを省略してある。上述した光導波路素子100及び光カプラ200と共通する構成要素には、図8及び図9において同一の符号を付し、その説明を省略する。
(First wavelength filter)
A first wavelength filter including the above-described optical waveguide element 100 (see FIG. 1) will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is a schematic plan view showing the first wavelength filter. In FIG. 8, the support substrate and the clad are omitted. FIG. 9 is a schematic end view of the structure shown in FIG. 8 taken along the line II-II. In FIG. 9, hatching is omitted. Components common to the optical waveguide device 100 and the optical coupler 200 described above are denoted by the same reference numerals in FIGS. 8 and 9 and description thereof is omitted.

第1の波長フィルタ300は、共通に設計された3つの光導波路素子100(第1光導波路素子100−1〜第3光導波路素子100−3)、第1接続導波路部210、第2接続導波路部220、第3接続導波路部230、n(nは2以上の整数)個の方向性結合器240及びk(kはk=n−1の整数)個の位相調整領域350を備えて構成される。図8では、第1の波長フィルタ300が、3個の方向性結合器240−1〜240−3及び2個の位相調整領域350−1及び350−2を備える構成例を示している。   The first wavelength filter 300 includes three optical waveguide elements 100 (first optical waveguide element 100-1 to third optical waveguide element 100-3) designed in common, a first connection waveguide section 210, and a second connection. A waveguide section 220, a third connection waveguide section 230, n (n is an integer of 2 or more) directional couplers 240, and k (k is an integer of k = n−1) phase adjustment regions 350 are provided. It is composed. FIG. 8 illustrates a configuration example in which the first wavelength filter 300 includes three directional couplers 240-1 to 240-3 and two phase adjustment regions 350-1 and 350-2.

方向性結合器240−1〜240−3は、第1カプラ導波路部250と第2カプラ導波路部260とを含み、これらが互いに離間しかつ並んで配置されてそれぞれ構成されている。また、位相調整領域350−1及び350−2は、第1アーム導波路310と第2アーム導波路320とを含み、これらが互いに対向して配置されてそれぞれ構成されている。   The directional couplers 240-1 to 240-3 include a first coupler waveguide section 250 and a second coupler waveguide section 260, which are arranged separately from each other and arranged side by side. Further, the phase adjustment regions 350-1 and 350-2 include a first arm waveguide 310 and a second arm waveguide 320, which are arranged opposite to each other, respectively.

これら第1接続導波路部210、第2接続導波路部220、第3接続導波路部230、第1カプラ導波路部250、第2カプラ導波路部260、第1アーム導波路310及び第2アーム導波路320は、光導波路素子100の第1光導波路コア30及び第2光導波路コア40と共通の材料で形成され、かつ共通の支持基板10上に、共通のクラッド20に包含されて形成されている。   These first connection waveguide section 210, second connection waveguide section 220, third connection waveguide section 230, first coupler waveguide section 250, second coupler waveguide section 260, first arm waveguide 310 and second connection waveguide section The arm waveguide 320 is formed of the same material as the first optical waveguide core 30 and the second optical waveguide core 40 of the optical waveguide element 100, and is formed on the common support substrate 10 and included in the common clad 20. Have been.

第1の波長フィルタ300は、マッハツェンダ干渉器型の波長フィルタとして機能する。第1の波長フィルタ300では、第1光導波路素子100−1の第2入出力ポート44から、第1接続導波路部210を経て送られるTE偏波及びTM偏波を含む光が、方向性結合器240−1において2分岐される。そして、2分岐された光が、位相調整領域350−1の第1アーム導波路310と第2アーム導波路320を経て方向性結合器240−2に送られる。光は、方向性結合器240−2、位相調整領域350−2及び方向性結合器240−3を順次に経て、第2接続導波路部220及び第3接続導波路部230にそれぞれ送られる。第1の波長フィルタ300では、各位相調整領域350−1及び350−2の第1アーム導波路310を伝播する光と第2アーム導波路320を伝播する光とで位相差が生じる。そして、これら位相差が生じた光が方向性結合器240−2及び240−3で干渉する。この結果、第1アーム導波路310及び第2アーム導波路320間の位相差に応じた波長の光信号が、方向性結合器240−3から取り出される。   The first wavelength filter 300 functions as a Mach-Zehnder interferometer type wavelength filter. In the first wavelength filter 300, the light including the TE polarization and the TM polarization transmitted from the second input / output port 44 of the first optical waveguide element 100-1 via the first connection waveguide unit 210 is transmitted in a directional manner. The signal is branched into two in the coupler 240-1. Then, the two branched lights are sent to the directional coupler 240-2 via the first arm waveguide 310 and the second arm waveguide 320 of the phase adjustment region 350-1. The light is sent to the second connection waveguide unit 220 and the third connection waveguide unit 230 through the directional coupler 240-2, the phase adjustment region 350-2, and the directional coupler 240-3 in this order. In the first wavelength filter 300, a phase difference occurs between the light propagating through the first arm waveguide 310 and the light propagating through the second arm waveguide 320 of each of the phase adjustment regions 350-1 and 350-2. The light having the phase difference interferes with the directional couplers 240-2 and 240-3. As a result, an optical signal having a wavelength corresponding to the phase difference between the first arm waveguide 310 and the second arm waveguide 320 is extracted from the directional coupler 240-3.

ここでは、一例として、第1光導波路素子100−1の第2入出力ポート44から1次モードのTE偏波及び基本モードのTM偏波が、方向性結合器240−1に送られる構成について説明する。この例では、それぞれ基本モードのTE偏波及びTM偏波を含む光が、第1光導波路素子100−1の第1光導波路コア30の第1入出力ポート31に入力される。第1光導波路素子100−1では、基本モードのTM偏波がモード変換されず、かつ基本モードのTE偏波が1次モードに変換される。また、第2光導波路素子100−2及び第3光導波路素子100−3のそれぞれの第2入出力ポート44には、方向性結合器240−3でそれぞれ2分岐された1次モードのTE偏波及び基本モードのTM偏波が入力される。第2光導波路素子100−2及び第3光導波路素子100−3では、各第2入出力ポート44から入力された1次モードのTE偏波は、第1光導波路素子100−1とは逆の経路を経ることにより、基本モードに変換されて第1入出力ポート31から出力される。また、各第2入出力ポート44から入力された基本モードのTM偏波は、第1光導波路素子100−1とは逆の経路を経ることにより、モード変換されずに第1入出力ポート31から出力される。   Here, as an example, a configuration in which the primary mode TE polarization and the fundamental mode TM polarization are transmitted from the second input / output port 44 of the first optical waveguide element 100-1 to the directional coupler 240-1 explain. In this example, light including TE polarization and TM polarization in the fundamental mode is input to the first input / output port 31 of the first optical waveguide core 30 of the first optical waveguide element 100-1. In the first optical waveguide element 100-1, the TM polarization of the fundamental mode is not mode-converted, and the TE polarization of the fundamental mode is converted to the first-order mode. Further, the second input / output port 44 of each of the second optical waveguide element 100-2 and the third optical waveguide element 100-3 is connected to the TE polarization of the first mode branched into two by the directional coupler 240-3. Wave and fundamental mode TM polarization are input. In the second optical waveguide element 100-2 and the third optical waveguide element 100-3, the TE polarization of the first mode input from each second input / output port 44 is opposite to that of the first optical waveguide element 100-1. Is converted to the basic mode and output from the first input / output port 31. In addition, the TM-polarized light of the fundamental mode input from each second input / output port 44 passes through a path opposite to that of the first optical waveguide element 100-1 so that the first input / output port 31 is not converted. Output from

第1接続導波路部210は、第1光導波路素子100−1の第2入出力ポート44と、方向性結合器240−1の第1カプラ導波路部250との間を接続する。また、第2接続導波路部220は、第2光導波路素子100−2の第2入出力ポート44と、方向性結合器240−3の第1カプラ導波路部250との間を接続する。また、第3接続導波路部230は、第3光導波路素子100−3の第2入出力ポート44と、方向性結合器240−3の第2カプラ導波路部260との間を接続する。   The first connection waveguide section 210 connects between the second input / output port 44 of the first optical waveguide element 100-1 and the first coupler waveguide section 250 of the directional coupler 240-1. Further, the second connection waveguide section 220 connects between the second input / output port 44 of the second optical waveguide element 100-2 and the first coupler waveguide section 250 of the directional coupler 240-3. Further, the third connection waveguide section 230 connects between the second input / output port 44 of the third optical waveguide element 100-3 and the second coupler waveguide section 260 of the directional coupler 240-3.

方向性結合器240−1〜240−3は、上述した光カプラ200における方向性結合器240と同様である。各方向性結合器240において、第1カプラ導波路部250及び第2カプラ導波路部260間における1次モードのTE偏波の結合長と、第1カプラ導波路部250及び第2カプラ導波路部260間における基本モードのTM偏波の結合長とが一致するように、第1カプラ導波路部250及び第2カプラ導波路部260の幅、及びこれらの離間距離が設定される。この結果、1次モードのTE偏波及び基本モードのTM偏波のそれぞれを、各方向性結合器240−1〜240−3の長さに応じた共通の分岐比で2分岐することができる。   The directional couplers 240-1 to 240-3 are the same as the directional coupler 240 in the optical coupler 200 described above. In each of the directional couplers 240, the coupling length of the first-order mode TE polarization between the first coupler waveguide unit 250 and the second coupler waveguide unit 260, the first coupler waveguide unit 250, and the second coupler waveguide The widths of the first coupler waveguide section 250 and the second coupler waveguide section 260 and the distance between them are set so that the coupling length of the TM polarization of the fundamental mode between the sections 260 matches. As a result, each of the primary mode TE polarization and the fundamental mode TM polarization can be split into two at a common split ratio according to the length of each of the directional couplers 240-1 to 240-3. .

各位相調整領域350−1及び350−2の第1アーム導波路310は、隣り合う方向性結合器240の第1カプラ導波路部250間を接続する。また、各位相調整領域350−1及び350−2の第2アーム導波路320は、隣り合う方向性結合器240の第2カプラ導波路部260間を接続する。   The first arm waveguides 310 of the phase adjustment regions 350-1 and 350-2 connect between the first coupler waveguide units 250 of the adjacent directional couplers 240. Further, the second arm waveguides 320 of each of the phase adjustment regions 350-1 and 350-2 connect between the second coupler waveguide units 260 of the adjacent directional couplers 240.

各位相調整領域350−1及び350−2において、第1アーム導波路310及び第2アーム導波路320は、この順に直列に接続された第1引き回し部301、第1位相調整部302、第2引き回し部303、偏波変換部304、第3引き回し部305、第2位相調整部306及び第4引き回し部307をそれぞれ含んでいる。   In each of the phase adjustment regions 350-1 and 350-2, the first arm waveguide 310 and the second arm waveguide 320 are connected in series in this order to the first routing unit 301, the first phase adjustment unit 302, and the second phase adjustment unit 302. It includes a routing unit 303, a polarization conversion unit 304, a third routing unit 305, a second phase adjustment unit 306, and a fourth routing unit 307.

第1引き回し部301、第2引き回し部303、第3引き回し部305及び第4引き回し部307は、曲線導波路として形成されており、少なくとも1次モードのTE偏波及び基本モードのTM偏波を伝播させる厚さ及び幅で形成されている。また、これら第1〜第4引き回し部301、303、305及び307は、第1アーム導波路310及び第2アーム導波路320で共通の設計である。従って、第1〜第4引き回し部301、303、305及び307における光路長は、第1アーム導波路310と第2アーム導波路320とで互いに等しく設定されている。   The first routing section 301, the second routing section 303, the third routing section 305, and the fourth routing section 307 are formed as curved waveguides, and at least provide TE polarization in the first-order mode and TM polarization in the fundamental mode. It is formed with a thickness and width to propagate. The first to fourth routing sections 301, 303, 305, and 307 have a common design for the first arm waveguide 310 and the second arm waveguide 320. Therefore, the optical path lengths in the first to fourth routing sections 301, 303, 305, and 307 are set to be equal in the first arm waveguide 310 and the second arm waveguide 320.

第1位相調整部302及び第2位相調整部306は、直線導波路として形成されており、少なくとも1次モードのTE偏波及び基本モードのTM偏波を伝播させる厚さ及び幅で形成されている。   The first phase adjustment unit 302 and the second phase adjustment unit 306 are formed as linear waveguides, and are formed with a thickness and a width for transmitting at least the TE polarization in the first-order mode and the TM polarization in the fundamental mode. I have.

また、第1アーム導波路310の第1位相調整部302及び第2位相調整部306と、第2アーム導波路320の第1位相調整部302及び第2位相調整部306とは、互いに異なる長さで形成される。この結果、第1アーム導波路310と第2アーム導波路320とに光路長差が生じる。そして、この光路長差に応じて、第1アーム導波路310と第2アーム導波路320とを伝播する光に互いに位相差を与えることができる。   In addition, the first phase adjustment unit 302 and the second phase adjustment unit 306 of the first arm waveguide 310 and the first phase adjustment unit 302 and the second phase adjustment unit 306 of the second arm waveguide 320 have different lengths. Formed by As a result, an optical path length difference occurs between the first arm waveguide 310 and the second arm waveguide 320. Then, a phase difference can be given to the light propagating through the first arm waveguide 310 and the second arm waveguide 320 according to the optical path length difference.

さらに、第1アーム導波路310の第1位相調整部302及び第2位相調整部306と、第2アーム導波路320の第1位相調整部302及び第2位相調整部306とは、互いに異なる幅で形成される。第1アーム導波路310及び第2アーム導波路320における、各第1位相調整部302及び各第2位相調整部306の幅の設計については、例えば特開2013−057847号公報に記載された設計条件を採用することができる。これによって、第1アーム導波路310を伝播する1次モードのTE偏波及び第2アーム導波路320を伝播する1次モードのTE偏波間の位相差と、第1アーム導波路310を伝播する基本モードのTM偏波及び第2アーム導波路320を伝播する基本モードのTM偏波間の位相差とが一致するように、第1アーム導波路310の第1位相調整部302及び第2位相調整部306と、第2アーム導波路320の第1位相調整部302及び第2位相調整部306との光路長差を最適化する。これによって、各位相調整領域350−1及び350−2において、1次モードのTE偏波及び基本モードのTM偏波に対して、共通の位相差を与えることができる。   Further, the first phase adjustment unit 302 and the second phase adjustment unit 306 of the first arm waveguide 310 and the first phase adjustment unit 302 and the second phase adjustment unit 306 of the second arm waveguide 320 have different widths. Is formed. Regarding the design of the width of each first phase adjustment unit 302 and each second phase adjustment unit 306 in the first arm waveguide 310 and the second arm waveguide 320, for example, the design described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-057847. Conditions can be adopted. Accordingly, the phase difference between the first-order mode TE polarization propagating in the first arm waveguide 310 and the first-order mode TE polarization propagating in the second arm waveguide 320 and the first-order waveguide 310 propagate. The first phase adjuster 302 and the second phase adjuster of the first arm waveguide 310 so that the phase difference between the fundamental mode TM polarization and the fundamental mode TM polarization propagating through the second arm waveguide 320 coincides with each other. The optical path length difference between the unit 306 and the first phase adjustment unit 302 and the second phase adjustment unit 306 of the second arm waveguide 320 is optimized. Thereby, in each of the phase adjustment regions 350-1 and 350-2, a common phase difference can be given to the TE polarization in the first-order mode and the TM polarization in the fundamental mode.

偏波変換部304は、図9に示すように、互いに幅の異なる、下部光導波路コア304aと、下部光導波路コア304a上に一体的に形成された上部光導波路コア304bとを含む。図9では、下部光導波路コア304aの幅が上部光導波路コア304bの幅よりも大きく設定された構成例を示している。従って、偏波変換部304では、下面の幅と上面の幅とが異なる寸法に設定される。   As shown in FIG. 9, the polarization conversion unit 304 includes a lower optical waveguide core 304a having a different width from each other, and an upper optical waveguide core 304b integrally formed on the lower optical waveguide core 304a. FIG. 9 shows a configuration example in which the width of the lower optical waveguide core 304a is set to be larger than the width of the upper optical waveguide core 304b. Therefore, in the polarization conversion unit 304, the width of the lower surface and the width of the upper surface are set to different dimensions.

この結果、偏波変換部304では、下部光導波路コア304aと上部光導波路コア304bとで屈折率が異なるため、伝播する光の厚さ方向の電磁界分布が、コア中心に対して対称でなくなる。すなわち、光の電磁界分布が、コア中心から下側又は上側に偏芯する。そして、偏波変換部304では、長さ並びに下部光導波路コア304a及び上部光導波路コア304bの幅が、1次モードのTE偏波と基本モードのTM偏波とを変換するように設計される。従って、偏波変換部304において、1次モードのTE偏波が基本モードのTM偏波に、また、基本モードのTM偏波が1次モードのTE偏波に変換される。   As a result, in the polarization conversion unit 304, since the lower optical waveguide core 304a and the upper optical waveguide core 304b have different refractive indexes, the electromagnetic field distribution in the thickness direction of the propagating light is not symmetrical with respect to the core center. . That is, the electromagnetic field distribution of light is decentered downward or upward from the center of the core. In the polarization converter 304, the length and the width of the lower optical waveguide core 304a and the upper optical waveguide core 304b are designed so as to convert the TE polarization in the first mode and the TM polarization in the fundamental mode. . Therefore, the polarization converter 304 converts the primary mode TE polarization into the fundamental mode TM polarization, and converts the fundamental mode TM polarization into the primary mode TE polarization.

また、偏波変換部304は、第1アーム導波路310の長さ方向における中心、及び第2アーム導波路320の長さ方向における中心に、それぞれ配置される。この結果、第1アーム導波路310及び第2アーム導波路320それぞれにおいて、基本モードのTM偏波及び1次モードのTE偏波が、それぞれ等しい距離伝播する。   The polarization converter 304 is disposed at the center in the length direction of the first arm waveguide 310 and at the center in the length direction of the second arm waveguide 320, respectively. As a result, in each of the first arm waveguide 310 and the second arm waveguide 320, the TM polarization in the fundamental mode and the TE polarization in the first mode propagate the same distance.

このように、第1位相調整部302及び第2位相調整部306並びに偏波変換部304を形成することにより、各位相調整領域350において、1次モードのTE偏波及び基本モードのTM偏波に対して、偏波無依存で共通の位相差を与えることができる。   Thus, by forming the first phase adjustment unit 302, the second phase adjustment unit 306, and the polarization conversion unit 304, in each phase adjustment region 350, the TE polarization in the first mode and the TM polarization in the fundamental mode , A common phase difference can be given independent of polarization.

以上に説明したように、第1の波長フィルタ300は、光導波路素子100と方向性結合器240及び位相調整領域350を組み合わせることにより、TE偏波及びTM偏波に対して、方向性結合器240において共通の分岐比を与え、及び各位相調整領域350において共通の位相差を与えることができる。従って、第1の波長フィルタ300は、偏波無依存の波長フィルタとして使用することができる。   As described above, the first wavelength filter 300 combines the optical waveguide element 100 with the directional coupler 240 and the phase adjustment region 350 to form a directional coupler for the TE polarization and the TM polarization. A common split ratio can be provided at 240 and a common phase difference can be provided at each phase adjustment region 350. Therefore, the first wavelength filter 300 can be used as a polarization independent wavelength filter.

なお、ここでは、1次モードのTE偏波及び基本モードのTM偏波が、第1光導波路素子100−1の第2入出力ポート44から方向性結合器240−1に送られる構成例について説明した。しかし、第1の波長フィルタ300は、この構成例に限られない。第1光導波路素子100−1の第2入出力ポート44から方向性結合器240−1に、i次モードのTE偏波及び基本モードのTM偏波を送る構成、又は基本モードのTE偏波及びi次モードのTM偏波を送る構成とすることもできる。これらの場合には、上述した各方向性結合器240及び各位相調整領域350を、i次モードの一方の偏波及び基本モードの他方の偏波に応じて最適化して設計することができる。   Here, a configuration example in which the primary mode TE polarization and the fundamental mode TM polarization are sent from the second input / output port 44 of the first optical waveguide element 100-1 to the directional coupler 240-1. explained. However, the first wavelength filter 300 is not limited to this configuration example. A configuration in which the i-th mode TE polarization and the fundamental mode TM polarization are transmitted from the second input / output port 44 of the first optical waveguide element 100-1 to the directional coupler 240-1, or the fundamental mode TE polarization And the i-th mode TM polarization can be sent. In these cases, each of the above-described directional couplers 240 and each of the phase adjustment regions 350 can be designed to be optimized according to one polarization of the i-th mode and the other polarization of the fundamental mode.

(第2波長フィルタ)
図10及び図11を参照して、上述した光導波路素子100(図1参照)を備える第2の波長フィルタについて説明する。図10は、第2の波長フィルタを示す概略的平面図である。なお、図10では、支持基板及びクラッドを省略して示してある。図11は、図10に示す構造体をIII−III線で切り取った概略的端面図である。なお、図11では、ハッチングを省略してある。上述した光導波路素子100及び光カプラ200と共通する構成要素には、図10及び図11において同一の符号を付し、その説明を省略する。
(Second wavelength filter)
A second wavelength filter including the above-described optical waveguide element 100 (see FIG. 1) will be described with reference to FIGS. FIG. 10 is a schematic plan view showing the second wavelength filter. In FIG. 10, the support substrate and the clad are omitted. FIG. 11 is a schematic end view of the structure shown in FIG. 10 taken along the line III-III. In FIG. 11, hatching is omitted. Components common to the above-described optical waveguide element 100 and optical coupler 200 are denoted by the same reference numerals in FIGS. 10 and 11, and the description thereof will be omitted.

第2の波長フィルタ400は、共通に設計された2つの光導波路素子100(第1光導波路素子100−1及び第2光導波路素子100−2)、第1接続導波路部210、第2接続導波路部220、第3接続導波路部230、第4接続導波路部450、方向性結合器240、第1接続テーパ部410、第1ブラッグ反射部420、第2接続テーパ部430及び第2ブラッグ反射部440を備えて構成される。   The second wavelength filter 400 includes two optical waveguide elements 100 (a first optical waveguide element 100-1 and a second optical waveguide element 100-2) designed in common, a first connection waveguide section 210, and a second connection. Waveguide part 220, third connection waveguide part 230, fourth connection waveguide part 450, directional coupler 240, first connection taper part 410, first Bragg reflector 420, second connection taper part 430, and second It comprises a Bragg reflector 440.

方向性結合器240は、第1カプラ導波路部250と第2カプラ導波路部260とを含み、これらが互いに離間しかつ並んで配置されてそれぞれ構成されている。   The directional coupler 240 includes a first coupler waveguide section 250 and a second coupler waveguide section 260, which are separated from each other and arranged side by side.

これら第1接続導波路部210、第2接続導波路部220、第3接続導波路部230、第4接続導波路部450、第1カプラ導波路部250、第2カプラ導波路部260、第1接続テーパ部410、第1ブラッグ反射部420、第2接続テーパ部430及び第2ブラッグ反射部440は、光導波路素子100の第1光導波路コア30及び第2光導波路コア40と共通の材料で形成され、かつ共通の支持基板10上に、共通のクラッド20に包含されて形成されている。   These first connection waveguide section 210, second connection waveguide section 220, third connection waveguide section 230, fourth connection waveguide section 450, first coupler waveguide section 250, second coupler waveguide section 260, The first connection taper portion 410, the first Bragg reflection portion 420, the second connection taper portion 430, and the second Bragg reflection portion 440 are made of the same material as the first optical waveguide core 30 and the second optical waveguide core 40 of the optical waveguide device 100. And on the common support substrate 10 so as to be included in the common clad 20.

第2の波長フィルタ400では、第1光導波路素子100−1の第2入出力ポート44から、第1接続導波路部210を経て送られるTE偏波及びTM偏波を含む光が、方向性結合器240において等しい比率で2分岐される。そして、方向性結合器240において2分岐された光が、第2接続導波路部220及び第1接続テーパ部410を経て第1ブラッグ反射部420に、並びに第3接続導波路部230及び第2接続テーパ部430を経て第2ブラッグ反射部440にそれぞれ送られる。第1ブラッグ反射部420及び第2ブラッグ反射部440では、特定の波長のTE偏波がTM偏波に、及び特定の波長のTM偏波がTE偏波にそれぞれ変換されて反射される。第1ブラッグ反射部420で反射された光は、第1接続テーパ部410及び第2接続導波路部220を経て、再び方向性結合器240に送られる。また、第2ブラッグ反射部440で反射された光は、第2接続テーパ部430及び第3接続導波路部230を経て、再び方向性結合器240に送られる。方向性結合器240では、第1ブラッグ反射部420及び第2ブラッグ反射部440から送られた光が合波される。合波された光は、第4接続導波路部450を経て、第2光導波路素子100−2に送られる。   In the second wavelength filter 400, the light including the TE polarization and the TM polarization transmitted from the second input / output port 44 of the first optical waveguide element 100-1 via the first connection waveguide unit 210 is directional. In the combiner 240, two branches are performed at an equal ratio. Then, the light branched into two in the directional coupler 240 passes through the second connection waveguide portion 220 and the first connection taper portion 410 to the first Bragg reflection portion 420 and the third connection waveguide portion 230 and the second connection waveguide portion 230. The light is sent to the second Bragg reflector 440 via the connection taper 430. In the first Bragg reflector 420 and the second Bragg reflector 440, the TE polarization of a specific wavelength is converted to a TM polarization, and the TM polarization of a specific wavelength is converted to a TE polarization and reflected. The light reflected by the first Bragg reflector 420 is transmitted to the directional coupler 240 again through the first connection taper 410 and the second connection waveguide 220. The light reflected by the second Bragg reflector 440 is sent to the directional coupler 240 again via the second connection taper 430 and the third connection waveguide 230. In the directional coupler 240, the lights transmitted from the first Bragg reflector 420 and the second Bragg reflector 440 are combined. The multiplexed light is sent to the second optical waveguide element 100-2 via the fourth connection waveguide section 450.

ここでは、一例として、第1光導波路素子100−1の第2入出力ポート44から1次モードのTE偏波及び基本モードのTM偏波が、方向性結合器240に送られる構成について説明する。この例では、それぞれ基本モードのTE偏波及びTM偏波を含む光が、第1光導波路素子100−1の第1光導波路コア30の第1入出力ポート31に入力される。第1光導波路素子100−1では、基本モードのTM偏波がモード変換されず、かつ基本モードのTE偏波が1次モードに変換される。また、第2光導波路素子100−2の第2入出力ポート44には、方向性結合器240でそれぞれ合波された1次モードのTE偏波及び基本モードのTM偏波が入力される。第2光導波路素子100−2では、第2入出力ポート44から入力された1次モードのTE偏波は、第1光導波路素子100−1とは逆の経路を経ることにより、基本モードに変換されて第1入出力ポート31から出力される。また、第2入出力ポート44から入力された基本モードのTM偏波は、第1光導波路素子100−1とは逆の経路を経ることにより、モード変換されずに第1入出力ポート31から出力される。   Here, as an example, a configuration in which the TE polarization in the first mode and the TM polarization in the fundamental mode are transmitted from the second input / output port 44 of the first optical waveguide element 100-1 to the directional coupler 240 will be described. . In this example, light including TE polarization and TM polarization in the fundamental mode is input to the first input / output port 31 of the first optical waveguide core 30 of the first optical waveguide element 100-1. In the first optical waveguide element 100-1, the TM polarization of the fundamental mode is not mode-converted, and the TE polarization of the fundamental mode is converted to the first-order mode. In addition, the first-order mode TE polarization and the fundamental mode TM polarization combined by the directional coupler 240 are input to the second input / output port 44 of the second optical waveguide element 100-2. In the second optical waveguide element 100-2, the first-order mode TE polarization input from the second input / output port 44 passes through a path opposite to that of the first optical waveguide element 100-1, and becomes the fundamental mode. The data is converted and output from the first input / output port 31. In addition, the TM-polarized light of the fundamental mode input from the second input / output port 44 passes through a path opposite to that of the first optical waveguide element 100-1 and is not converted into a mode, but is transmitted from the first input / output port 31. Is output.

第1接続導波路部210は、第1光導波路素子100−1の第2入出力ポート44と、方向性結合器240の第1カプラ導波路部250との間を接続する。また、第2接続導波路部220は、方向性結合器240の第1カプラ導波路部250と、第1接続テーパ部410との間を接続する。また、第3接続導波路部230は、方向性結合器240の第2カプラ導波路部260と、第2接続テーパ部430との間を接続する。また、第4接続導波路部450は、第2光導波路素子100−2の第2入出力ポート44と、方向性結合器240の第2カプラ導波路部260との間を接続する。なお、第2接続導波路部220及び第3接続導波路部230は、等しい光路長で形成されている。また、これら第1接続導波路部210、第2接続導波路部220、第3接続導波路部230及び第4接続導波路部450は、少なくとも1次モードのTE偏波及び基本モードのTM偏波を伝播させる厚さ及び幅で形成されている。   The first connection waveguide section 210 connects between the second input / output port 44 of the first optical waveguide element 100-1 and the first coupler waveguide section 250 of the directional coupler 240. Further, the second connection waveguide section 220 connects between the first coupler waveguide section 250 of the directional coupler 240 and the first connection taper section 410. The third connection waveguide 230 connects between the second coupler waveguide 260 of the directional coupler 240 and the second connection taper 430. Further, the fourth connection waveguide section 450 connects between the second input / output port 44 of the second optical waveguide element 100-2 and the second coupler waveguide section 260 of the directional coupler 240. The second connection waveguide 220 and the third connection waveguide 230 have the same optical path length. The first connection waveguide section 210, the second connection waveguide section 220, the third connection waveguide section 230, and the fourth connection waveguide section 450 include at least TE polarization in the first mode and TM polarization in the fundamental mode. It is formed with a thickness and a width that allow waves to propagate.

方向性結合器240は、上述した光カプラ200における方向性結合器240と同様である。方向性結合器240において、第1カプラ導波路部250及び第2カプラ導波路部260間における1次モードのTE偏波の結合長と、第1カプラ導波路部250及び第2カプラ導波路部260間における基本モードのTM偏波の結合長とが一致するように、第1カプラ導波路部250及び第2カプラ導波路部260の幅、及びこれらの離間距離が設定される。この結果、1次モードのTE偏波及び基本モードのTM偏波のそれぞれを、方向性結合器240の長さに応じた共通の分岐比で2分岐することができる。ここでは、分岐比が3dBとなるように、方向性結合器240の長さ(第1カプラ導波路部250及び第2カプラ導波路部260の長さ)が設定される。   The directional coupler 240 is similar to the directional coupler 240 in the optical coupler 200 described above. In the directional coupler 240, the coupling length of the first-order mode TE polarization between the first coupler waveguide section 250 and the second coupler waveguide section 260, the first coupler waveguide section 250, and the second coupler waveguide section The width of the first coupler waveguide section 250 and the second coupler waveguide section 260 and the distance between them are set so that the coupling length of the TM polarization of the fundamental mode between the first and second couplers 260 coincides with each other. As a result, each of the primary mode TE polarization and the fundamental mode TM polarization can be split into two at a common split ratio according to the length of the directional coupler 240. Here, the length of the directional coupler 240 (the length of the first coupler waveguide unit 250 and the length of the second coupler waveguide unit 260) is set such that the branching ratio becomes 3 dB.

第1接続テーパ部410は、第2接続導波路部220及び第1ブラッグ反射部420間を接続する。第1接続テーパ部410の幅は、光の伝播方向に沿って、第2接続導波路部220の幅から第1ブラッグ反射部420におけるリブ導波路部37の幅へ、連続的に変化するように設定されている。第1接続テーパ部410を設けることによって、第2接続導波路部220及び第1ブラッグ反射部420間を伝播する光の反射を緩和することができる。   The first connection taper 410 connects between the second connection waveguide 220 and the first Bragg reflector 420. The width of the first connection taper portion 410 changes continuously along the light propagation direction from the width of the second connection waveguide portion 220 to the width of the rib waveguide portion 37 in the first Bragg reflector 420. Is set to By providing the first connection taper portion 410, reflection of light propagating between the second connection waveguide portion 220 and the first Bragg reflector 420 can be reduced.

第1ブラッグ反射部420は、リブ導波路部37並びにスラブ導波路部38a及び38bを含んでいる。   The first Bragg reflector 420 includes the rib waveguide 37 and the slab waveguides 38a and 38b.

リブ導波路部37には、グレーティングが形成されている。グレーティングは、基部51と突出部53a及び53bとを一体的に含んで構成されている。基部51は、一定の幅で、光の伝播方向に沿って延在して形成されている。突出部53aは、基部51の一方の側面に、周期的に複数形成されている。突出部53bは、基部51の他方の側面に、突出部53aと同じ周期で複数形成されている。これら突出部53a及び53bは、基部51を挟んで対称となる位置に形成されている。   A grating is formed in the rib waveguide portion 37. The grating is configured to integrally include the base 51 and the protruding portions 53a and 53b. The base 51 is formed to have a constant width and extend along the light propagation direction. A plurality of protrusions 53a are periodically formed on one side surface of the base 51. A plurality of protrusions 53b are formed on the other side surface of the base 51 at the same period as the protrusions 53a. These protruding portions 53a and 53b are formed at positions symmetrical with respect to the base 51.

この実施の形態では、グレーティングは、入力される特定の波長の基本モードのTM偏波を、1次モードのTE偏波に変換してブラッグ反射する。また、グレーティングは、入力される特定の波長の1次モードのTE偏波を、基本モードのTM偏波に変換してブラッグ反射する。   In this embodiment, the grating converts the input fundamental mode TM polarization of a specific wavelength into a first-order mode TE polarization and performs Bragg reflection. The grating converts the input first-order mode TE polarization of a specific wavelength into the fundamental mode TM polarization and performs Bragg reflection.

波長λにおいて、基本モードのTM偏波と1次モードのTE偏波とを変換してブラッグ反射する条件は、基本モードのTM偏波の等価屈折率をNTM0、1次モードのTE偏波の等価屈折率をNTE1、及びグレーティング周期(突出部53a及び53bの形成周期)をΛとして下式(1)で表される。 At the wavelength λ, the conditions for converting the TM polarization of the fundamental mode and the TE polarization of the first-order mode and performing the Bragg reflection are as follows: the equivalent refractive index of the TM polarization of the fundamental mode is N TM0 ; Is expressed by the following equation (1), where N TE1 is the equivalent refractive index of the above, and 周期 is the grating period (the formation period of the protrusions 53a and 53b).

(NTM0+NTE1)Λ=λ ・・・(1)
グレーティングでは、上式(1)が成立する波長λ、すなわちブラッグ波長の基本モードのTM偏波が1次モードのTE偏波に変換されて、及び1次モードのTE偏波が基本モードのTM偏波に変換されて、ブラッグ反射される。従って、グレーティング周期は、所望の反射すべき波長λに対して上式(1)が成立するように設計される。また、基部51の幅や突出部53a及び53bの突出量等、その他の設計についても、所望の反射すべき波長λに応じて設計される。
(N TM0 + N TE1 ) Λ = λ (1)
In the grating, the wavelength λ satisfying the above equation (1), that is, the fundamental mode TM polarization of the Bragg wavelength is converted into the primary mode TE polarization, and the primary mode TE polarization is converted to the fundamental mode TM polarization. It is converted to polarized light and is Bragg reflected. Therefore, the grating period is designed so that the above equation (1) holds for the desired wavelength λ to be reflected. Further, other designs such as the width of the base 51 and the protrusion amounts of the protrusions 53a and 53b are also designed according to a desired wavelength λ to be reflected.

ここで、グレーティングの変形例として、周期Λを一定に設定し、突出部53a及び53bの突出量Dが周期毎に変化する構成とすることができる。図12を参照して、グレーティングの変形例について説明する。図12は、グレーティングの変形例を説明するための概略的平面図である。なお、図12では、ブラッグ反射部のリブ導波路部のみを示してあり、支持基板、クラッド及びスラブ導波路部を省略して示してある。   Here, as a modification of the grating, the period で き る may be set to be constant, and the protrusion amount D of the protrusions 53a and 53b may be changed in each period. A modification of the grating will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a schematic plan view for explaining a modification of the grating. In FIG. 12, only the rib waveguide portion of the Bragg reflector is shown, and the support substrate, the clad, and the slab waveguide portion are omitted.

図12に示す構成例では、突出部53a及び53bの突出量(突出部53a及び53bの幅方向の寸法)Dがそれぞれ固有の突出量を持ち、突出量Dに少なくとも2以上の値がある。ここでは、第1周期目の突出部53a及び53bの突出量D=Dに対して、周期毎に突出量Dが一定の変化量でΔDずつ増加する。従って、第n周期(nは1以上の整数)では、突出部53a及び53bの突出量DがD+ΔD(n−1)となる。 In the configuration example shown in FIG. 12, the protruding amounts D of the protruding portions 53a and 53b (dimensions in the width direction of the protruding portions 53a and 53b) have their own protruding amounts, and the protruding amount D has at least two or more values. Here, with respect to the projecting amount D = D 0 of the first cycle of protrusions 53a and 53b, the projecting amount D in each cycle is increased by ΔD at a constant variation. Accordingly, in the n periods (n is an integer of 1 or more), the protruding amount D of the protruding portions 53a and 53b is D 0 + [Delta] D (n-1).

突出部53a及び53bの突出量Dが変化することによって、上式(1)を満足するブラッグ波長λが変化し、それに伴い等価屈折率が変化する。従って、突出量Dを変化させることによって、グレーティングにおいてブラッグ反射される波長帯域(ブラッグ反射帯域)を拡大することができる。   When the protrusion amount D of the protrusions 53a and 53b changes, the Bragg wavelength λ that satisfies the above equation (1) changes, and the equivalent refractive index changes accordingly. Therefore, by changing the protrusion amount D, the wavelength band (Bragg reflection band) that is subjected to Bragg reflection in the grating can be expanded.

周期毎のブラッグ波長のシフト量Δλは、突出量Dの変化量ΔDを用いて、近似的に下式(2)で表すことができる。なお、Nは基本モードの等価屈折率を、Nは1次モードの等価屈折率を、それぞれ示す。この実施の形態では、グレーティングが、基本モードのTM偏波と1次モードのTE偏波とを変換してブラッグ反射する構成例であるため、NはTM偏波の基本モードの等価屈折率に、NはTE偏波の1次モードの等価屈折率に、それぞれ対応する。 The shift amount Δλ of the Bragg wavelength for each period can be approximately expressed by the following equation (2) using the change amount ΔD of the protrusion amount D. Note that N 0 indicates an equivalent refractive index of the fundamental mode, and N 1 indicates an equivalent refractive index of the first-order mode. In this embodiment, since the grating is a configuration example in which the fundamental mode TM polarization and the first-order mode TE polarization are converted and Bragg reflected, N 0 is the equivalent refractive index of the TM polarized fundamental mode. N 1 corresponds to the equivalent refractive index of the first-order mode of TE polarization.

Figure 0006643437
Figure 0006643437

ΔDを調整し、各周期のブラッグ波長がオーバーラップするようにΔλを設定することによって、ブラッグ反射帯域を拡大することができる。例えばn周期のグレーティングを形成する場合には、突出量Dが一定である場合と比して、ブラッグ反射帯域をΔλ×n程度拡大することができる。その結果、ブラッグ反射の波長依存性を緩和することができる。   By adjusting ΔD and setting Δλ such that the Bragg wavelengths of each period overlap, the Bragg reflection band can be expanded. For example, when a grating having n periods is formed, the Bragg reflection band can be expanded by about Δλ × n compared to the case where the protrusion amount D is constant. As a result, the wavelength dependence of Bragg reflection can be reduced.

また、グレーティングにおけるブラッグ反射帯域を拡大する、他の変形例として、突出部53a及び53bの突出量D及びデューティ比を一定として、周期Λが周期毎に変化する(すなわち光の伝播方向に沿って隣り合う突出部間53a同士及び53b同士の離間距離が、光の伝播方向に沿って一定の変化量で変化する)構成とすることもできる。この変形例を図13に示す。図13は、グレーティングの変形例を説明するための概略的平面図である。なお、図13では、ブラッグ反射部のリブ導波路部のみを示してあり、支持基板、クラッド及びスラブ導波路部を省略して示してある。   Further, as another modified example of enlarging the Bragg reflection band in the grating, the period Λ changes every period while the protrusion amount D and the duty ratio of the protrusions 53a and 53b are constant (that is, along the light propagation direction). The distance between the adjacent protruding portions 53a and the distance between the adjacent protruding portions 53b change with a constant change amount along the light propagation direction). This modification is shown in FIG. FIG. 13 is a schematic plan view for explaining a modification of the grating. In FIG. 13, only the rib waveguide portion of the Bragg reflector is shown, and the support substrate, the clad, and the slab waveguide portion are omitted.

図13に示す構成例では、第1周期目の周期Λ=Λに対して、周期毎に周期Λが一定の変化量でΔΛずつ増加する。従って、第n周期では、周期ΛがΛ+ΔΛ(n−1)となる。 In the configuration example shown in FIG. 13, with respect to the period lambda = lambda 0 of the first period, the period lambda is increased by ΔΛ with a constant amount of change in each cycle. Therefore, in the n-th cycle, the cycle Λ becomes 0 0 + ΔΛ (n−1).

周期Λが変化することによって、上式(1)を満足するブラッグ波長λが変化し、それに伴い等価屈折率が変化する。従って、周期Λを変化させることでも、グレーティングにおいてブラッグ反射帯域を拡大することができる。周期毎のブラッグ波長のシフト量Δλは、周期Λの変化量ΔΛを用いて、近似的に下式(3)で表すことができる。   When the period Λ changes, the Bragg wavelength λ satisfying the above equation (1) changes, and the equivalent refractive index changes accordingly. Therefore, the Bragg reflection band can be expanded in the grating by changing the period 拡 大. The shift amount Δλ of the Bragg wavelength for each period can be approximately expressed by the following equation (3) using the change amount ΔΛ of the period Λ.

Figure 0006643437
Figure 0006643437

ΔΛを調整し、各周期のブラッグ波長がオーバーラップするようにΔλを設定することによって、ブラッグ反射帯域を拡大することができる。突出量Dを変化させる場合と同様に、例えばn周期のグレーティングを形成する場合には、周期Λが一定である場合と比して、ブラッグ反射帯域をΔλ×n程度拡大することができる。その結果、ブラッグ反射の波長依存性を緩和することができる。   By adjusting ΔΛ and setting Δλ such that the Bragg wavelengths of each period overlap, the Bragg reflection band can be expanded. As in the case where the protrusion amount D is changed, for example, when a grating having n periods is formed, the Bragg reflection band can be expanded by about Δλ × n compared to the case where the period Λ is constant. As a result, the wavelength dependence of Bragg reflection can be reduced.

スラブ導波路部38a及び38bは、リブ導波路部37よりも小さい厚さで、かつリブ導波路部37の光伝播方向に沿った両側面に、それぞれリブ導波路部37と一体的に形成されている。   The slab waveguide portions 38a and 38b are formed integrally with the rib waveguide portion 37 on both side surfaces of the rib waveguide portion 37 along the light propagation direction with a thickness smaller than that of the rib waveguide portion 37. ing.

第2接続テーパ部430は、第3接続導波路部230及び第2ブラッグ反射部440間を接続する。第2接続テーパ部430は、第1接続テーパ部410と共通の設計で形成される。第2接続テーパ部430を設けることによって、第3接続導波路部230及び第2ブラッグ反射部440間を伝播する光の反射を緩和することができる。   The second connection taper part 430 connects between the third connection waveguide part 230 and the second Bragg reflector 440. The second connection taper portion 430 is formed with the same design as the first connection taper portion 410. By providing the second connection taper portion 430, reflection of light propagating between the third connection waveguide portion 230 and the second Bragg reflector 440 can be reduced.

第2ブラッグ反射部440は、第1ブラッグ反射部420と共通の設計で形成される。   The second Bragg reflector 440 has the same design as the first Bragg reflector 420.

以上に説明したように、第2の波長フィルタ400は、光導波路素子100と方向性結合器240、第1ブラッグ反射部420及び第2ブラッグ反射部440を組み合わせることにより、TE偏波及びTM偏波に対して、方向性結合器240において共通の分岐比を与え、及び第1ブラッグ反射部420及び第2ブラッグ反射部440において共通の波長で反射することができる。従って、第2の波長フィルタ400は、第1ブラッグ反射部420及び第2ブラッグ反射部440の反射波長に応じた波長を取り出す、偏波無依存の波長フィルタとして使用することができる。   As described above, the second wavelength filter 400 combines the optical waveguide element 100 with the directional coupler 240, the first Bragg reflector 420, and the second Bragg reflector 440, thereby forming the TE polarization and the TM polarization. Waves can be provided with a common branching ratio at the directional coupler 240 and reflected at a common wavelength at the first Bragg reflector 420 and the second Bragg reflector 440. Therefore, the second wavelength filter 400 can be used as a polarization-independent wavelength filter that extracts a wavelength corresponding to the reflection wavelength of the first Bragg reflector 420 and the second Bragg reflector 440.

なお、ここでは、1次モードのTE偏波及び基本モードのTM偏波が、第1光導波路素子100−1の第2入出力ポート44から方向性結合器240に送られる構成例について説明した。しかし、第2の波長フィルタ400は、この構成例に限られない。第1光導波路素子100−1の第2入出力ポート44から方向性結合器240に、i次モードのTE偏波及び基本モードのTM偏波を送る構成、又は基本モードのTE偏波及びi次モードのTM偏波を送る構成とすることもできる。これらの場合には、上述した方向性結合器240並びに第1ブラッグ反射部420及び第2ブラッグ反射部440を、i次モードの一方の偏波及び基本モードの他方の偏波に応じて最適化して設計することができる。この場合には、基本モードのTM偏波の等価屈折率をNTM0、i次モードのTE偏波の等価屈折率をNTEi、i次モードのTM偏波の等価屈折率をNTMi、及び基本モードのTE偏波の等価屈折率をNTE0に対して、第1ブラッグ反射部420及び第2ブラッグ反射部440におけるブラッグ反射条件として、下式(4)又は(5)が成立するように、第1ブラッグ反射部420及び第2ブラッグ反射部440を設計することができる。 Here, a configuration example has been described in which the TE polarization in the first mode and the TM polarization in the fundamental mode are sent from the second input / output port 44 of the first optical waveguide element 100-1 to the directional coupler 240. . However, the second wavelength filter 400 is not limited to this configuration example. A configuration for transmitting the i-th mode TE polarization and the fundamental mode TM polarization from the second input / output port 44 of the first optical waveguide element 100-1 to the directional coupler 240, or the fundamental mode TE polarization and i A configuration in which the TM polarization of the next mode is transmitted may be adopted. In these cases, the above-described directional coupler 240 and the first Bragg reflector 420 and the second Bragg reflector 440 are optimized according to one polarization of the i-th mode and the other polarization of the fundamental mode. Can be designed. In this case, the equivalent refractive index of the fundamental mode TM polarization is N TM0 , the equivalent refractive index of the i-order mode TE polarization is N TEi , the equivalent refractive index of the i-th mode TM polarization is N TMi , and The following equation (4) or (5) is satisfied as the Bragg reflection condition in the first Bragg reflector 420 and the second Bragg reflector 440 with respect to the equivalent refractive index of TE polarization in the fundamental mode to N TE0 . The first Bragg reflector 420 and the second Bragg reflector 440 can be designed.

(NTM0+NTEi)Λ=λ ・・・(4)
(NTMi+NTE0)Λ=λ ・・・(5)
(製造方法)
上述した光導波路素子100、光カプラ200、第1の波長フィルタ300及び第2の波長フィルタ400は、例えばSOI(Silicon On Insulator)基板を利用することによって、簡易に製造することができる。以下、一例として光導波路素子100の製造方法について説明する。
(N TM0 + N TEi ) Λ = λ (4)
(N TMi + N TE0 ) Λ = λ (5)
(Production method)
The above-described optical waveguide element 100, optical coupler 200, first wavelength filter 300, and second wavelength filter 400 can be easily manufactured by using, for example, an SOI (Silicon On Insulator) substrate. Hereinafter, a method for manufacturing the optical waveguide device 100 will be described as an example.

すなわち、まず、支持基板層、SiO層、及びSi層が順次積層されて構成されたSOI基板を用意する。次に、例えばエッチング技術を用い、Si層をパターニングすることによって、第1光導波路コア30及び第2光導波路コア40を形成する。その結果、支持基板10としての支持基板層上にSiO層が積層され、さらにSiO層上に第1光導波路コア30及び第2光導波路コア40が形成された構造体を得ることができる。次に、例えばCVD法を用いて、SiO層上に、SiOを、第1光導波路コア30及び第2光導波路コア40を被覆して形成する。その結果、SiOのクラッド20によって第1光導波路コア30及び第2光導波路コア40が包含され、光導波路素子100を製造することができる。なお、光カプラ200、第1の波長フィルタ300及び第2の波長フィルタ400を製造する場合には、Si層をパターニングする工程において、第1光導波路コア30及び第2光導波路コア40とともに、方向性結合器等の追加的な構成要素を形成することができる。 That is, first, an SOI substrate is prepared in which a support substrate layer, a SiO 2 layer, and a Si layer are sequentially laminated. Next, the first optical waveguide core 30 and the second optical waveguide core 40 are formed by patterning the Si layer using, for example, an etching technique. As a result, it is possible to obtain a structure in which the SiO 2 layer is stacked on the support substrate layer as the support substrate 10 and the first optical waveguide core 30 and the second optical waveguide core 40 are formed on the SiO 2 layer. . Then, for example, by CVD on the SiO 2 layer, the SiO 2, is formed to cover the first optical waveguide core 30 and the second optical waveguide core 40. As a result, the first optical waveguide core 30 and the second optical waveguide core 40 are included by the cladding 20 of SiO 2 , and the optical waveguide element 100 can be manufactured. In the case where the optical coupler 200, the first wavelength filter 300, and the second wavelength filter 400 are manufactured, in the step of patterning the Si layer, together with the first optical waveguide core 30 and the second optical waveguide core 40, Additional components, such as sex couplers, can be formed.

なお、光導波路素子100、光カプラ200、第1の波長フィルタ300及び第2の波長フィルタ400は、SOI基板を利用せずに製造することもできる。この場合には、例えば、支持基板10上に、クラッド20及びSi層を順次に堆積した後、研磨等によりSi層を任意の厚さとなるまで除去する。そして、Si層をパターニングすることによって、第1光導波路コア30及び第2光導波路コア40を形成する。Si層をパターニングする工程以降は、上述したSOI基板を利用する製造方法と同様である。この製造方法では、第1光導波路コア30及び第2光導波路コア40の厚さが、SOI基板におけるSOI層としてのSi層の厚さに限定されない。このため、上述した第1結合領域50において、基本モードのTE偏波を、基本モードのままで第1結合部33から第3結合部41に移行させる構成を得る場合に、第1結合部33及び第3結合部41の厚さに対して幅を小さく設定する(すなわち幅に対して厚さを大きく設定する)際に好適である。   The optical waveguide element 100, the optical coupler 200, the first wavelength filter 300, and the second wavelength filter 400 can be manufactured without using an SOI substrate. In this case, for example, after the cladding 20 and the Si layer are sequentially deposited on the support substrate 10, the Si layer is removed by polishing or the like until the Si layer has an arbitrary thickness. Then, the first optical waveguide core 30 and the second optical waveguide core 40 are formed by patterning the Si layer. The steps after the step of patterning the Si layer are the same as the above-described manufacturing method using the SOI substrate. In this manufacturing method, the thicknesses of the first optical waveguide core 30 and the second optical waveguide core 40 are not limited to the thickness of the Si layer as the SOI layer in the SOI substrate. For this reason, in the above-described first coupling region 50, when obtaining a configuration in which the TE polarization in the fundamental mode is shifted from the first coupling unit 33 to the third coupling unit 41 while maintaining the basic mode, the first coupling unit 33 It is suitable when the width is set to be smaller than the thickness of the third coupling portion 41 (that is, the thickness is set to be larger than the width).

10:支持基板
20:クラッド
30:第1光導波路コア
31:第1入出力ポート
32:入出力テーパ部
33:第1結合部
34:第1接続部
35:第2結合部
40:第2光導波路コア
41:第3結合部
42:第2接続部
43:第4結合部
44:第2入出力ポート
50:第1結合領域
60:第2結合領域
100:光導波路素子
200:光カプラ
300:第1の波長フィルタ
400:第2の波長フィルタ
10: Support substrate 20: Cladding 30: First optical waveguide core 31: First input / output port 32: Input / output taper portion 33: First connection portion 34: First connection portion 35: Second connection portion 40: Second light guide Waveguide core 41: third coupling portion 42: second coupling portion 43: fourth coupling portion 44: second input / output port 50: first coupling region 60: second coupling region 100: optical waveguide element 200: optical coupler 300: First wavelength filter 400: Second wavelength filter

Claims (1)

直列に接続された第1結合部及び第2結合部を含む第1光導波路コアと、
直列に接続された第3結合部及び第4結合部を含む第2光導波路コアと
を備え、
前記第1結合部と前記第3結合部とが互いに離間しかつ並んで配置された、第1結合領域が設定されており、
前記第1結合部及び前記第3結合部は、幅が互いに共通の寸法で、及び厚さが互いに共通の寸法で形成され、かつ幅と厚さとが異なる寸法で形成されており、
前記第1結合部及び前記第3結合部の長さは、当該第1結合部及び当該第3結合部の幅又は厚さの寸法の小さな方に、光電界の振動方向が沿った、基本モードのTE偏波又はTM偏波の一方の偏波の結合長に設定されており、
前記第1結合領域では、前記第1結合部を伝播する基本モードの一方の偏波と、前記第3結合部を伝播する基本モードの一方の偏波とが結合され、
前記第2結合部と前記第4結合部とが互いに離間しかつ並んで配置された、第2結合領域が設定されており、
前記第2結合領域では、前記第2結合部を伝播する基本モードの他方の偏波と、前記第4結合部を伝播するi次モード(iは1≦iの整数)の他方の偏波とが結合され、
前記第1結合部には、基本モードのTE偏波及びTM偏波が入力され、かつ前記第4結合部から、前記第1結合領域で結合される基本モードの一方の偏波、及び前記第2結合領域で結合されるi次モードの他方の偏波が出力される
ことを特徴とする光導波路素子。
A first optical waveguide core including a first coupling unit and a second coupling unit connected in series;
A second optical waveguide core including a third coupling portion and a fourth coupling portion connected in series,
A first coupling region in which the first coupling portion and the third coupling portion are spaced apart from each other and arranged side by side;
The first coupling portion and the third coupling portion are formed to have a width having a common dimension and a thickness having a common dimension, and have a width and a thickness different from each other,
The length of the first coupling portion and the third coupling portion is such that the oscillation direction of the optical electric field is along the smaller of the width and thickness dimensions of the first coupling portion and the third coupling portion. It is set to the coupling length of one polarization of TE polarization or TM polarization,
In the first coupling region, one polarization of the fundamental mode propagating in the first coupling unit and one polarization of the fundamental mode propagating in the third coupling unit are coupled,
A second coupling region in which the second coupling portion and the fourth coupling portion are arranged apart from each other and arranged side by side,
In the second coupling region, the other polarization of the fundamental mode propagating in the second coupling portion and the other polarization of the i-th mode (i is an integer of 1 ≦ i) propagating in the fourth coupling portion. Are combined ,
The first coupling unit receives the fundamental mode TE polarization and the TM polarization, and receives, from the fourth coupling unit, one polarization of the fundamental mode coupled in the first coupling region; The optical waveguide device, wherein the other polarization of the i-th mode coupled by the two coupling regions is output .
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