JP7127346B2 - 多モード干渉器、マッハツェンダ変調器 - Google Patents

Description

本発明は、多モード干渉器、及びマッハツェンダ変調器に関する。

特許文献１は、光カプラを開示する。特許文献２は、多モード干渉型光導波路を開示する。

例えば下記特許文献１には、複数の入射ポート及び出射ポートを有する多モード干渉型（ＭＭＩ：Multi Mode Interference）光導波路が記載されている。この多モード干渉型光導波路は、平面形状が矩形である多モード干渉型光導波路と、２個以上の入力用光導波路と、当該入力用光導波路を挟むように設けられる２個の入力側ダミー光導波路とを備えている。また、当該多モード干渉型光導波路には、隣り合う入力用光導波路の間に第１凹溝が形成されると共に、隣り合う入力用光導波路と入力側ダミー光導波路との間に第２凹溝が形成されている。このような特許文献１においては、多モード干渉型光導波路に入力された光を設計通りの経路で伝搬させるために、第１凹溝及び第２凹溝の立体形状が同一になっている。

特開２００７－２３３２９４号公報 特許第４４９９６１１号公報

多モード干渉器は、マッハツェンダ変調器といった様々な光デバイスに利用可能である。多モード干渉器における迷光を低減することが求められる。例えば、マッハツェンダ変調器は、２つのアーム導波路の分岐及び合流に多モード干渉器を用いる。例えば、マッハツェンダ変調器の光合波器は、迷光を生じさせている可能性がある。多モード干渉器は、光の導波方向に延在する一対の側面と、該方向に配置された一端面及び他端面を有する。具体的には、多モード干渉器は、一端面において２つのアーム導波路からの光ビームを受け、これらの側面により該光ビームの多モード成分を反射させて、他端面における光モードの成分を導波路に提供する。発明者の知見によれば、この多モード干渉器は、迷光を発生させている。この迷光は、マッハツェンダ変調器の消光比といった性能を低下させる。多モード干渉器における迷光は、マッハツェンダ変調器、及び多モード干渉器を含む他の光デバイスにおいて生じる可能性がある。

具合的には、多モード干渉型光導波路が例えばマッハツェンダ変調器に用いられる場合、当該多モード干渉型光導波路は、入力された光を分岐する分岐部、または分岐された光を合流させる合波部として用いられる。例えば合波部においては、合流する２つの光が同位相である場合、互いの光が強めあって出力されるオン状態となる。また、合流する２つの光が逆位相である場合、互いの光が打ち消し合ってほぼ出力されなくなるオフ状態となる。オン状態の出力光強度とオフ状態の出力光強度との比は、消光比と呼ばれる。消光比は、光強度変調器の性能を表す重要な指標である。そして、消光比が高い、すなわちオン状態とオフ状態との出力光強度の差が大きいほど、一般に変調深さが深くなり、高品質な光伝送を実施可能である。したがって、上述したような多モード干渉型光導波路においては、消光比の向上が望まれている。

本発明の一側面は、迷光を低減可能な多モード干渉器及び該多モード干渉器を含むマッハツェンダ変調器を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係るマッハツェンダ変調器は、第１アーム導波路メサと、第２アーム導波路メサと、導波路メサと、前記導波路メサ、前記第１アーム導波路メサ及び前記第２アーム導波路メサに光学的に結合された光合波器と、を備え、前記光合波器は、第１多モード導波路メサを含み、前記第１多モード導波路メサは、第１軸の方向に延在する上面、第１側面及び第２側面と、前記第１軸の方向に配置された第１端面及び第２端面とを含み、前記第１多モード導波路メサは、前記第１端面のポートの位置で前記導波路メサに接続され、前記第１多モード導波路メサは、前記第２端面の第１ポートの位置で前記第１アーム導波路メサに接続され、前記第１多モード導波路メサは、前記第２端面の第２ポートの位置で前記第２アーム導波路メサに接続され、前記第１多モード導波路メサの前記上面及び前記第１側面は、前記第１多モード導波路メサの第１側縁を共有し、前記第１多モード導波路メサの前記上面及び前記第１端面は、前記第１多モード導波路メサの前縁を共有し、前記第１多モード導波路メサの前記第１側縁及び前記前縁は、前記第１多モード導波路メサの前記第１側縁及び前記前縁が出会う外頂点で鋭角を成す。

本発明の別の側面に係るマッハツェンダ変調器は、第１アーム導波路メサと、第２アーム導波路メサと、導波路メサと、前記導波路メサ、前記第１アーム導波路メサ及び前記第２アーム導波路メサに光学的に結合された光分波器と、を備え、前記光分波器は、第１多モード導波路メサを含み、前記第１多モード導波路メサは、第１軸の方向に延在する上面、第１側面及び第２側面と、前記第１軸の方向に配置された第１端面及び第２端面とを含み、前記第１多モード導波路メサは、前記第１端面のポートの位置で前記導波路メサに接続され、前記第１多モード導波路メサは、前記第２端面の第１ポートの位置で前記第１アーム導波路メサに接続され、前記第多モード導波路メサは、前記第２端面の第２ポートの位置で前記第２アーム導波路メサに接続され、前記第１多モード導波路メサの前記上面及び前記第１側面は、前記第１多モード導波路メサの第１側縁を共有し、前記第１多モード導波路メサの前記上面及び前記第１端面は、前記第１多モード導波路メサの後縁を共有し、前記第１多モード導波路メサの前記第１側縁及び前記後縁は、前記第１多モード導波路メサの前記第１側縁及び前記後縁が出会う外頂点で鋭角を成す。

本発明の更なる別の側面に係る多モード干渉器は、第１軸の方向に延在する上面、第１側面及び第２側面と、前記第１軸の方向に配置された第１端面及び第２端面とを含む第１多モード導波路メサと、前記第１端面のポートの位置に接続される導波路メサと、前記第２端面の第１ポートの位置に接続される第１導波路メサと、前記第２端面の第２ポートの位置に接続される第２導波路メサと、を備え、前記第１多モード導波路メサの前記上面及び前記第１側面は、前記第１多モード導波路メサの第１側縁を共有し、前記第１多モード導波路メサの前記上面及び前記第１端面は、前記第１多モード導波路メサの端縁を共有し、前記第１多モード導波路メサの前記第１側縁及び前記端縁は、前記第１多モード導波路メサの前記第１側縁及び前記端縁が出会う外頂点で鋭角を成す。

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。

以上説明したように、本発明の一側面によれば、迷光を低減可能な多モード干渉器及び該多モード干渉器を含むマッハツェンダ変調器を提供する。

図１は、本実施形態に係る光半導体素子を概略的に示す平面図である。 図２は、本実施形態に係る光半導体素子のための第１多モード干渉器を示す図面である。 図３は、本実施形態に係る光半導体素子のための第２多モード干渉器を示す図面である。 図４は、光半導体素子のための多モード干渉器を概略的に示す平面図である。 図５は、多モード干渉器の特性のシミュレーション結果を示す図面である。 図６は、多モード干渉器の特性のシミュレーション結果を示す図面である。 図７は、多モード導波路メサを伝搬する光の強度分布のシミュレーション結果を示す図面である。 図８は、本実施形態における多モード導波路メサの内頂点における角と第１端面における反射割合との関係を示す図面である。 図９は、本実施形態における多モード導波路メサの外頂点における角と第１端面における反射割合との関係を示す図面である。

いくつかの具体例を説明する。

具体例に係るマッハツェンダ変調器は、（ａ）第１アーム導波路メサと、（ｂ）第２アーム導波路メサと、（ｃ）導波路メサと、（ｄ）前記導波路メサ、前記第１アーム導波路メサ及び前記第２アーム導波路メサに光学的に結合された光合波器と、を備え、前記光合波器は、第１多モード導波路メサを含み、前記第１多モード導波路メサは、第１軸の方向に延在する上面、第１側面及び第２側面と、前記第１軸の方向に配置された第１端面及び第２端面とを含み、前記第１多モード導波路メサは、前記第１端面のポートの位置で前記導波路メサに接続され、前記第１多モード導波路メサは、前記第２端面の第１ポートの位置で前記第１アーム導波路メサに接続され、前記第１多モード導波路メサは、前記第２端面の第２ポートの位置で前記第２アーム導波路メサに接続され、前記第１多モード導波路メサの前記上面及び前記第１側面は、前記第１多モード導波路メサの第１側縁を共有し、前記第１多モード導波路メサの前記上面及び前記第１端面は、前記第１多モード導波路メサの前縁を共有し、前記第１多モード導波路メサの前記第１側縁及び前記前縁は、前記第１多モード導波路メサの前記第１側縁及び前記前縁が出会う外頂点で鋭角を成す。

マッハツェンダ変調器によれば、第１多モード導波路メサの第１側縁及び前縁が、第１多モード導波路メサの第１側縁及び前縁が出会う外頂点で鋭角を成す。第１多モード導波路メサは、多モードの光成分が伝搬することを可能にする。多モードの光成分は、第１多モード導波路メサの第１側面及び第２側面における多モードの反射により第１端面に到達する。第１端面における光成分は、第１端面のポートから導波路メサに進み、ポートから離れたところで第１端面により外向きに屈折される。この屈折により、第１多モード導波路メサにおける迷光の発生を低減できる。

具体例に係るマッハツェンダ変調器では、前記光合波器は、２×１多モード干渉器を含む。

マッハツェンダ変調器によれば、光合波器は、２×１多モード干渉器を用いてアーム導波路メサからの光を合波できる。

具体例に係るマッハツェンダ変調器では、前記導波路メサは、上面、第１側面及び第２側面を有し、前記導波路メサの前記上面及び前記第１側面は、前記導波路メサの第１側縁を共有し、前記導波路メサの前記上面及び前記第２側面は、前記導波路メサの第２側縁を共有し、前記第１多モード導波路メサの前記前縁及び前記導波路メサの前記第１側縁は、第１内頂点で出会い、前記第１多モード導波路メサの前記前縁及び前記導波路メサの前記第２側縁は、第２内頂点で出会い、前記第１多モード導波路メサの前記前縁は、前記第１内頂点及び前記第２内頂点を通過する直線に対して前記第１内頂点で鋭角を成す。

マッハツェンダ変調器によれば、第１内頂点及び第２内頂点を通過する直線と第１多モード導波路メサの前縁とは、該直線及び第１多モード導波路メサの前縁が出会う第１内頂点で鋭角を成す。第１端面に到達した光成分は、ポートの近くの第１端面により外向きに屈折される。この屈折により、第１多モード導波路メサにおける迷光の発生を低減できる。

具体例に係るマッハツェンダ変調器では、前記前縁は、第１基準線に沿って延在し、前記第２端面と前記上面は後縁を共有し、前記後縁は、第２基準線に沿って延在し、前記第１基準線と前記第２基準線との成す角度は、前記第１内頂点における前記鋭角に実質的に等しい。

マッハツェンダ変調器によれば、第１多モード導波路メサの第２側面と上面は、第２側縁を共有する。後縁は、第３外頂点で第１側縁に出会い、第４外頂点で第２側縁に出会う、後縁は、第３外頂点で第１側縁に実質的に直角を成し、第４外頂点で第２側縁に実質的に直角を成す。

具体例に係るマッハツェンダ変調器は、（ａ）第１アーム導波路メサと、（ｂ）第２アーム導波路メサと、（ｃ）導波路メサと、（ｄ）前記導波路メサ、前記第１アーム導波路メサ及び前記第２アーム導波路メサに光学的に結合された光分波器と、を備え、前記光分波器は、第１多モード導波路メサを含み、前記第１多モード導波路メサは、第１軸の方向に延在する上面、第１側面及び第２側面と、前記第１軸の方向に配置された第１端面及び第２端面とを含み、前記第１多モード導波路メサは、前記第１端面のポートの位置で前記導波路メサに接続され、前記第１多モード導波路メサは、前記第２端面の第１ポートの位置で前記第１アーム導波路メサに接続され、前記第多モード導波路メサは、前記第２端面の第２ポートの位置で前記第２アーム導波路メサに接続され、前記第１多モード導波路メサの前記上面及び前記第１側面は、前記第１多モード導波路メサの第１側縁を共有し、前記第１多モード導波路メサの前記上面及び前記第１端面は、前記第１多モード導波路メサの後縁を共有し、前記第１多モード導波路メサの前記第１側縁及び前記後縁は、前記第１多モード導波路メサの前記第１側縁及び前記後縁が出会う外頂点で鋭角を成す。

マッハツェンダ変調器によれば、アーム導波路メサに接続された第１多モード導波路メサは、アーム導波路メサからの迷光を受ける可能性がある。第１多モード導波路メサは、迷光の光成分が逆向きに伝搬することを許容する。該光成分は、第１多モード導波路メサの第１側面及び第２側面における反射により第１端面に到達する。第１多モード導波路メサの第１側縁及び前縁が、第１多モード導波路メサの第１側縁及び前縁が出会う外頂点で鋭角を成す。第１端面における光成分の一部分は、第１端面のポートから外れた第１端面により外向きに屈折される。この屈折により、第１多モード導波路メサにおける迷光を低減できる。

具体例に係るマッハツェンダ変調器では、前記光分波器は、１×２多モード干渉器を含む。

マッハツェンダ変調器によれば、光分波器は、１×２多モード干渉器を用いてアーム導波路メサへ光を分配できる。

具体例に係るマッハツェンダ変調器では、前記導波路メサは、上面、第１側面及び第２側面を有し、前記導波路メサの前記上面及び前記第１側面は、前記導波路メサの第１側縁を共有し、前記導波路メサの前記上面及び前記第２側面は、前記導波路メサの第２側縁を共有し、前記第１多モード導波路メサの前記後縁及び前記導波路メサの前記第１側縁は、第１内頂点で出会い、前記第１多モード導波路メサの前記後縁及び前記導波路メサの前記第２側縁は、第２内頂点で出会い、前記第１多モード導波路メサの前記後縁は、前記第１内頂点及び前記第２内頂点を通過する直線に対して前記第１内頂点で鋭角を成す。

マッハツェンダ変調器によれば、第１内頂点及び第２内頂点を通過する直線及び第１多モード導波路メサの前縁は、第１内頂点で鋭角を成す。第１端面に到達した光成分は、ポートから僅かに離れた第１端面により外向きに屈折される。この屈折により、第１多モード導波路メサへの迷光を低減できる。

具体例に係るマッハツェンダ変調器では、前記後縁は、第１基準線に沿って延在し、前記第２端面と前記上面は前縁を共有し、前記前縁は、第２基準線に沿って延在し、前記第１基準線と前記第２基準線との成す角度は、前記第１内頂点における前記鋭角に実質的に等しい。

マッハツェンダ変調器によれば、第１多モード導波路メサの第２側面と上面は、第２側縁を共有する。前縁は、第３外頂点で第２側縁に出会い、第４外頂点で第２側縁に出会う、前縁は、第３外頂点で第１側縁に実質的に直角を成し、第４外頂点で第２側縁に実質的に直角を成す。

具体例に係る多モード干渉器は、（ａ）第１軸の方向に延在する上面、第１側面及び第２側面と、前記第１軸の方向に配置された第１端面及び第２端面とを含む第１多モード導波路メサと、（ｂ）前記第１端面のポートの位置に接続される導波路メサと、（ｃ）前記第２端面の第１ポートの位置に接続される第１導波路メサと、（ｄ）前記第２端面の第２ポートの位置に接続される第２導波路メサと、を備え、前記第１多モード導波路メサの前記上面及び前記第１側面は、前記第１多モード導波路メサの第１側縁を共有し、前記第１多モード導波路メサの前記上面及び前記第１端面は、前記第１多モード導波路メサの端縁を共有し、前記第１多モード導波路メサの前記第１側縁及び前記端縁は、前記第１多モード導波路メサの前記第１側縁及び前記端縁が出会う外頂点で鋭角を成す。

多モード干渉器によれば、外頂点で鋭角を成す第１端面は、ポートに収束しない光成分を第１多モード導波路メサの外に向けて屈折する。

具体例に係る多モード干渉器では、前記導波路メサは、上面、第１側面及び第２側面を有し、前記導波路メサの前記上面及び前記第１側面は、前記導波路メサの第１側縁を共有し、前記導波路メサの前記上面及び前記第２側面は、前記導波路メサの第２側縁を共有し、前記第１多モード導波路メサの前記端縁及び前記導波路メサの前記第１側縁は、第１内頂点で出会い、前記第１多モード導波路メサの前記端縁及び前記導波路メサの前記第２側縁は、第２内頂点で出会い、前記第１多モード導波路メサの前記端縁は、前記第１内頂点及び前記第２内頂点を通過する直線に対して前記第１内頂点で鋭角を成す。

多モード干渉器によれば、第１内頂点で鋭角を成す第１端面は、ポートに収束しない光成分を第１多モード導波路メサの外に向けて屈折する。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、マッハツェンダ変調器、及び多モード干渉器に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

図１は、本実施形態に係る光半導体素子を概略的に示す平面図である。図１には、ＸＹ座標系が描かれている。この実施例では、光半導体素子は、マッハツェンダ変調器１を含む。マッハツェンダ変調器１は、光分波器のための第１多モード干渉器２、光合波器のための第２多モード干渉器３、入力光を受ける入力導波路メサ４、出力光を提供する出力導波路メサ５、第１アーム導波路メサ６、第２アーム導波路メサ７、第１電極８、及び第２電極９を備える。マッハツェンダ変調器１は、入力導波路メサ４から光ビームを受け、変調された光ビームを出力導波路メサ５から出力する。第１アーム導波路メサ６及び第２アーム導波路メサ７は、第１多モード干渉器２と第２多モード干渉器３とをつなぐ。

図２の（ａ）部は、本実施形態に係る光半導体素子のための第１多モード干渉器を概略的に示す図面である。図２の（ｂ）部は、図２の（ａ）部に示されたＩＩｂ－ＩＩｂ線に沿って取られた断面図である。図２の（ａ）部には、ＸＹ直交座標系が示されている。

図１及び図２を参照すると、マッハツェンダ変調器１は、入力導波路メサ４、第１アーム導波路メサ６、第２アーム導波路メサ７、及び第１多モード干渉器２（光分波器）のための多モード導波路メサ１２を備える。多モード導波路メサ１２の光分波器は、入力導波路メサ４、第１アーム導波路メサ６及び第２アーム導波路メサ７に光学的に結合される。光分波器は、本実施例では、１×２多モード干渉器を含み、マッハツェンダ変調器１は、この１×２多モード干渉器を用いてアーム導波路メサ（６、７）へ光を分配できる。多モード導波路メサ１２は、第１端面２１及び第２端面２２と、第１側面２３ａ及び第２側面２３ｂと、基準面ＲＰＬに沿って延在する実質的に平坦な上面２５とを含む。第１側面２３ａは第２側面２３ｂの反対側にある。第１側面２３ａ、第２側面２３ｂ、及び上面２５は、第１端面２１及び第２端面２２の一方から他方に向かう第１軸の方向に延在する。第１端面２１及び第２端面２２は、この第１軸の方向に配置される。第１端面２１は第２端面２２の反対側にある。

多モード導波路メサ１２は、第１端面２１のポート１１の位置で入力導波路メサ４に接続される。多モード導波路メサ１２は、第２端面２２の第１ポート１３の位置で第１アーム導波路メサ６に接続され、第２端面２２の第２ポート１４の位置で第２アーム導波路メサ７に接続される。

多モード導波路メサ１２の上面２５及び第１側面２３ａは、多モード導波路メサ１２の第１側縁２５ａを共有し、多モード導波路メサ１２の上面２５及び第１端面２１（第１部分２１ａ）は、多モード導波路メサ１２の後縁２５ｂを共有する。多モード導波路メサ１２の第１側縁２５ａ及び後縁２５ｂは、外頂点２６ａで鋭角（θ１）を成す。この鋭角は、外頂点２６ａにおける第１側縁２５ａへの接線と外頂点２６ａにおける後縁２５ｂへの接線との角度として規定される。引き続く説明に現れる「外頂点」及び「内頂点」における角度も、接線を用いて同様に規定される。

マッハツェンダ変調器１によれば、アーム導波路メサ（６、７）に接続された多モード導波路メサ１２は、アーム導波路メサ（６、７）からの迷光を受ける可能性がある。多モード導波路メサ１２は、迷光の光成分が逆向きに伝搬することを許容する。該光成分は。多モード導波路メサ１２の第１側面２３ａ及び第２側面２３ｂにおける反射により第１端面２１に到達する。多モード導波路メサ１２の第１側縁２５ａ及び後縁２５ｂが、多モード導波路メサ１２の第１側縁２５ａ及び後縁２５ｂが出会う外頂点２６ａで鋭角を成す。第１端面２１における光成分の大部分は、第１端面２１のポートから離れた第１端面２１により外向きに屈折される。この屈折により、多モード導波路メサ１２が迷光を低減することを可能にする。

マッハツェンダ変調器１では、多モード導波路メサ１２の上面２５及び第２側面２３ｂは、多モード導波路メサ１２の第２側縁２５ｃを共有し、多モード導波路メサ１２の上面２５及び第１端面２１（第２部分２１ｂ）は、多モード導波路メサ１２の後縁２５ｄを共有する。多モード導波路メサ１２の第２側縁２５ｃ及び後縁２５ｄは、多モード導波路メサ１２の第２側縁２５ｃ及び後縁２５ｄが出会う外頂点２６ｂで鋭角（θ２）を成す。

マッハツェンダ変調器１によれば、光成分は、多モード導波路メサ１２の第１側面２３ａ及び第２側面２３ｂにおける反射により第１端面２１に到達する。多モード導波路メサ１２の第２側縁２５ｃ及び後縁２５ｄが、外頂点２６ｂで鋭角を成す。第１端面２１における光成分の一部分は、第１端面２１のポートから離れた第１端面２１により外向きに屈折される。この屈折により、多モード導波路メサ１２が迷光を低減することを可能にする。

外頂点２６ｂにおける鋭角（θ２）は、製造上のばらつき範囲内において外頂点２６ａにおける鋭角（θ１）と実質的に同じであることができ、しかしながら、これら鋭角（θ１、θ２）の関係は、これに限定されるものではない。鋭角（θ１）は、例えば45～90度の角度範囲であることができる。鋭角（θ２）は、例えば45～90度の角度範囲であることができる。

マッハツェンダ変調器１では、入力導波路メサ４は、基準面ＲＰＬに沿って延在する実質的に平坦な上面１８、第１側面２３ｃ及び第２側面２３ｄを有する。上面１８は上面２５に繋がって、上面１８、２５は、基準面ＲＰＬに沿って延在する。

入力導波路メサ４の上面１８及び第１側面２３ｃは、入力導波路メサ４の第１側縁１８ａを共有し、入力導波路メサ４の上面１８及び第２側面２３ｄは、入力導波路メサ４の第２側縁１８ｂを共有する。多モード導波路メサ１２の後縁２５ｂ及び入力導波路メサ４の第１側縁１８ａは、第１内頂点２６ｃで出会い、多モード導波路メサ１２の後縁２５ｄ及び入力導波路メサ４の第２側面２３ｄは、第２内頂点２６ｄで出会う。

多モード導波路メサ１２の後縁２５ｄは、第１内頂点２６ｃ及び第２内頂点２６ｄを通過する直線ＬＮ１に対して第１内頂点２６ｃで鋭角（θ３）を成す。

マッハツェンダ変調器１によれば、多モード導波路メサ１２の第１端面２１は、第１内頂点２６ｃで鋭角（θ３）を成すように傾斜する。第１端面２１に到達した光成分は、ポート１１から僅かに離れた第１端面２１により外向きに屈折される。この屈折により、多モード導波路メサ１２が迷光を低減することを可能にする。

また、マッハツェンダ変調器１では、多モード導波路メサ１２の後縁２５ｄは、直線ＬＮ１に対して第２内頂点２６ｄで鋭角（θ４）を成す。

マッハツェンダ変調器１によれば、多モード導波路メサ１２の第１端面２１は、第２内頂点２６ｄで鋭角（θ４）を成すように傾斜する。第１端面２１に到達した光成分は、ポート１１から僅かに離れた第１端面２１により外向きに屈折される。この屈折により、多モード導波路メサ１２が迷光を低減することを可能にする。

第２内頂点２６ｄにおける鋭角（θ４）は、製造上のばらつき範囲内において第１内頂点２６ｃにおける鋭角（θ３）と実質的に同じであることができ、しかしながら、これらの角度（θ３、θ４）の関係は、これに限定されるものではない。鋭角（θ３）は、例えば０度より大きく４５度以下の角度範囲であることができ、また１５度以上４０度以下の角度範囲であることができる。鋭角（θ４）は、例えば０度より大きく４５度以下の角度範囲であることができ、また１５度以上４０度以下の角度範囲であることができる。大きすぎる鋭角（θ３、θ４）は、半導体メサをドライエッチングにより作製する際に第１内頂点２６ｃ、第２内頂点２６ｄの近傍においてエッチングガスの供給を妨げる。

多モード導波路メサ１２の第１端面２１、第２端面２２、上面２５、第１側面２３ａ及び第２側面２３ｂは、無機絶縁膜により覆われる。入力導波路メサ４の上面１８、第１側面２３ｃ及び第２側面２３ｄは、無機絶縁膜により覆われる。

マッハツェンダ変調器１では、第２端面２２及び上面２５は前縁２５ｅ、２５ｆ、２５ｇを共有する。前縁２５ｅ及び第１側縁２５ａは、外頂点２６ｅで出会う。前縁２５ｆ及び第２側縁２５ｃは、外頂点２６ｆで出会う。

マッハツェンダ変調器１では、第１アーム導波路メサ６は、上面２０、第１側面２３ｅ及び第２側面２３ｆを有する。第１アーム導波路メサ６の上面２０及び第１側面２３ｅは、第１アーム導波路メサ６の第１側縁２０ａを共有し、第１アーム導波路メサ６の上面２０及び第２側面２３ｆは、第１アーム導波路メサ６の第２側縁２０ｂを共有する。第１側縁２０ａは、内頂点２６ｇで第１側縁２０ａに出会う。第２側縁２０ｂは、内頂点２６ｈで前縁２５ｇに出会う。

第２アーム導波路メサ７は、上面２４、第１側面２３ｇ及び第２側面２３ｈを有する。第２アーム導波路メサ７の上面２４及び第１側面２３ｇは、第２アーム導波路メサ７の第１側縁２４ａを共有し、第２アーム導波路メサ７の上面２４及び第２側面２３ｈは、第１アーム導波路メサ６の第２側縁２４ｂを共有する。第１側縁２４ａは、内頂点２６ｉで前縁２５ｇに出会う。第２側縁２０ｂは、内頂点２６ｊで前縁２５ｆに出会う。

マッハツェンダ変調器１では、例えば、第１端面２１に係る後縁２５ｂは、第１基準線Ｒ１に沿って延在する。また、第２端面２２に係る前縁２５ｅ、２５ｆ、２５ｇは、第２基準線Ｒ２に沿って延在する。本実施例では、第１基準線Ｒ１は、製造上のばらつき範囲内において第２基準線Ｒ２に対して角度θ３に実質的に等しい角度で傾斜するようにしてもよい。マッハツェンダ変調器によれば、前縁２５ｆは、外頂点２６ｆで第２側縁２５ｃに出会う、前縁２５ｅは、製造上のばらつき範囲内において外頂点２６ｅで第１側縁２５ａに実質的に直角を成す。前縁２５ｈは、製造上のばらつき範囲内において外頂点２６ｆで第２側縁２５ｃに実質的に直角を成す。

本実施例では、第１側面２３ａの第１側縁２５ａ及び第２側面２３ｂの第２側縁２５ｃは、それぞれ、点２６ｋ、２６ｍで直線ＬＮ１に交差する。第１端面２１の第１部分２１ａは、角度θ１と角度θ３との和が直角になるように向き付けされることができ、或いは角度θ１と角度θ３との和が直角未満になるように向き付けされることができる。また、第１端面２１の第２部分２１ｂは、角度θ２と角度θ４との和が直角になるように向き付けされることができ、或いは角度θ２と角度θ４との和が直角未満になるように形作られることができる。

図２の（ｂ）部に示されるように、具体的には、多モード導波路メサ１２は、半導体基板Ｓ上に設けられた半導体積層体３１を有しており、半導体積層体３１は、下クラッド層３２、上クラッド層３３、及びコア層３４を含む。下クラッド層３２及び上クラッド層３３は、半導体基板Ｓ上に設けられ、コア層３４は、下クラッド層３２と上クラッド層３３との間に設けられる。多モード導波路メサ１２に加えて、入力導波路メサ４、第１アーム導波路メサ６及び第２アーム導波路メサ７も、半導体積層体３１を含む。

半導体積層体３１の上面及び側面は、無機絶縁膜で覆われている。具体的には、半導体積層体３１の上面及び側面は、無機絶縁膜３５で覆われている。半導体積層体３１及び無機絶縁膜３５は、平坦化膜３６で埋め込まれる。半導体積層体３１、無機絶縁膜３５及び平坦化膜３６は、無機絶縁膜３７で覆われる。無機絶縁膜３７は、平坦化膜３８で覆われており、平坦化膜３８は、無機絶縁膜３９で覆われる。

多モード導波路メサ１２の例示。
第２端面２２の全幅：１３．６マイクロメートル。
第２端面２２と直線ＬＮとの間隔：１９４マイクロメートル。
下クラッド層３２の厚さ３２ａ：約１．５マイクロメートル。
上クラッド層３３の厚さ：約１．４マイクロメートル。
コア層３４の厚さ：約０．５マイクロメートル。
下クラッド層３２及び上クラッド層３３の屈折率：約３．１。
コア層３４の屈折率：約３．４。
埋込構造。
無機絶縁膜３９：シリコン系無機絶縁体、例えばシリコン酸化物（ＳｉＯ_２）。
無機絶縁膜３５，３７：シリコン系無機絶縁体、例えば酸化窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）。
無機絶縁膜３５，３７の厚さ：例えば約３００ｎｍ。
無機絶縁膜３５，３７の屈折率：例えば約１．７。
平坦化膜３６、３８：樹脂体、例えばベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）。

半導体積層体３１は、例えば以下のように作製される。半導体基板Ｓ上に半導体層をエピタキシャルに成長してエピ基板を得る。エピ基板をフォトリソグラフィおよびエッチングにより加工して半導体積層体３１を得る。半導体積層体３１上に上記の埋込構造を形成する。

第２端面２２から第１端面２１への方向に向かう光は、第１端面２１の第１部分２１ａ及び第２部分２１ｂによって外向きに反射される。鋭角（θ３、θ４）は、１５度以上４０度以下の角度範囲であることができる。多モード導波路メサ１２の外側における媒質の屈折率及び多モード導波路メサ１２の半導体の屈折率の観点では、鋭角（θ３、θ４）は、ブリュースター角又はその近傍の角度であることができる。本実施形態では、このような角度は、例えば２５度～３５度の角度範囲である。

具体的に、本実施形態に係る光半導体素子の構成について説明する。図１に示されるように、マッハツェンダ変調器１は、半導体基板Ｓ（後述する図２の（ｂ）部を参照）の上に形成されたマッハツェンダ変調器の一部であり、第１多モード干渉器２（第１多モード干渉型光導波路）と、第２多モード干渉器３と、入力導波路メサ４と、出力導波路メサ５と、第１アーム導波路メサ６と、第２アーム導波路メサ７と、第１電極８と、第２電極９とを備える。第１多モード干渉器２と、第２多モード干渉器３とは、所定の方向に沿って並んでいる。この所定の方向は、マッハツェンダ変調器１内を通る光の進行方向である。以下では、所定の方向を「第１方向Ｘ」と定義し、図１に示す。また、図１において第１方向Ｘに直交する方向を「第２方向Ｙ」と定義する。

図２の（ａ）日に示される第１多モード干渉器２は、光カプラを構成する素子であり、ポート１１（入射ポート）と、ポート１１に隣接する多モード導波路メサ１２と、多モード導波路メサ１２を挟んでポート１１の反対側に位置する第１ポート１３（出射ポート），第２ポート１４（出射ポート）とを備える。

ポート１１（入射ポート）は、図１に示される入力導波路メサ４の一部であり、第１多モード干渉器２における入射部として機能する光導波路である。ポート１１は、多モード導波路メサ１２と同一の半導体積層体３１（図２の（ｂ）部を参照）から形成されており、多モード導波路メサ１２に光学的に結合されている。平面視において、ポート１１は、第１方向Ｘに沿って延在すると共に、先細りとなるテーパ形状を呈している。具体的には、ポート１１の幅が多モード導波路メサ１２から離れるにつれて狭くなっている。ポート１１の傾斜角は、例えば約０．０１度である。ポート１１の幅は、第２方向Ｙに沿ったポート１１の長さである。ポート１１の傾斜角は、平面視にて第１方向Ｘと、ポート１１の幅を画定する面とがなす角度である。

多モード導波路メサ１２は、ポート１１から入射された光が分岐する領域であり、ポート１１と、第１ポート１３及び第２ポート１４との間に位置する光導波路である。多モード導波路メサ１２の幅（以下、単に「ＭＭＩ幅」とする）は、ポート１１の幅よりも大きく、例えば１３．５マイクロメートルである。また、多モード導波路メサ１２の第１方向Ｘに沿った長さ（以下、単に「ＭＭＩ長さ」とする）は、例えば１９５マイクロメートルである。多モード導波路メサ１２の第１方向Ｘに沿った長さは、第１方向Ｘに沿ったポート１１と第１ポート１３（もしくは第２ポート１４）との間隔に相当する。多モード導波路メサ１２は、ポート１１につながる第１端面２１と、第１端面２１に対向する第２端面２２と、平面視にて第１方向Ｘに沿って延在すると共に第１端面２１及び第２端面２２をつなぐ一対の第１側面２３ａ及び第２側面２３ｂとを有する。第２端面２２は、平面視にて第２方向Ｙに沿って延在している。側面（２３ａ，２３ｂ）は、平行又は略平行に延在している。

第１端面２１は、多モード導波路メサ１２において入力側に位置する面であり、その中央部にてポート１１とつながっている。第１端面２１は、第１側面２３ａからポート１１まで延びると共に第１ポート１３に対向する面状の第１部分２１ａと、第２側面２３ｂからポート１１まで延びると共に第２ポート１４に対向する面状の第２部分２１ｂとを有している。第１部分２１ａと第１側面２３ａとがなす角度θ１（第１角度）は、鋭角になっている。このため、第１部分２１ａは、第１側面２３ａからポート１１に近づくにつれて、出力側に向かうように傾斜する傾斜面をなしている。同様に、第２部分２１ｂと第２側面２３ｂとがなす角度θ２（第２角度）は、鋭角になっている。このため、第２部分２１ｂは、第２側面２３ｂからポート１１に近づくにつれて、出力側に向かうように傾斜する傾斜面をなしている。換言すると、第１部分２１ａと第２部分２１ｂとのそれぞれは、第１端面２１の中心に近づくにつれて出力側に向かうように傾斜する傾斜面をなしている。図２の（ａ）部においては、第１部分２１ａは、第１ポート１３を通過する光の軸（光軸）に対し、上述した傾斜面をなしており、第２部分２１ｂもまた、第２ポート１４を通過する光の軸（光軸）に対し、上述した傾斜面をなしている。角度θ１，θ２は、互いに同一又は略同一であるが、互いに異なってもよい。

図２の（ｂ）部に示されるように、多モード導波路メサ１２は、半導体基板Ｓ上に設けられた下クラッド層３２、下クラッド層３２上に設けられた上クラッド層３３、及び下クラッド層３２と上クラッド層３３との間に設けられたコア層３４を含む半導体積層体３１を有している。下クラッド層３２は、コア層３４が設けられる突出部（３２ａ）を有する。下クラッド層３２における突出部（３２ａ）の厚さは、例えば約１．５マイクロメートルである。上クラッド層３３の厚さは、例えば約１．４マイクロメートルである。コア層３４の厚さは、例えば約０．５マイクロメートルである。下クラッド層３２及び上クラッド層３３の屈折率は、例えば約３．１であり、コア層３４の屈折率は、例えば約３．４である。半導体積層体３１は、例えば半導体基板Ｓ上にエピタキシャル成長した半導体層に対して、フォトレジストをマスクとしたエッチングを実施することによって形成される。

半導体積層体３１の側面は、無機絶縁膜３５に覆われている。平面視にて半導体積層体３１の周囲であって無機絶縁膜３５上には、例えばＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）を含む平坦化膜３６が設けられている。半導体積層体３１の上面及び平坦化膜３６の上面は、無機絶縁膜３７に覆われている。無機絶縁膜３７上には、例えばＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）を含む平坦化膜３８が設けられている。平坦化膜３８上には、例えばＳｉＯ_２（二酸化ケイ素）を含む無機絶縁膜３９が設けられている。半導体積層体３１を覆う無機絶縁膜３５，３７は、例えばＳｉＯＮ（酸化窒化ケイ素）を含む膜である。無機絶縁膜３５，３７の厚さは、例えば約３００ｎｍであり、無機絶縁膜３５，３７の屈折率は、例えば約１．７である。

図２の（ａ）部に戻って、第１ポート１３は、図１に示される第１アーム導波路メサ６の一部であり、第１多モード干渉器２における出射部として機能する光導波路である。第１ポート１３には、多モード導波路メサ１２にて分岐した光の一部が入射される。また、第１ポート１３には、第２多モード干渉器３側から入力導波路メサ４に向かって伝搬された光が入射する。このため、第１ポート１３は、第２多モード干渉器３側から入力導波路メサ４に向かって伝搬された光を多モード導波路メサ１２に入射させるための入射部としても機能する。第１ポート１３は、多モード導波路メサ１２と同一の半導体積層体３１から形成されており、多モード導波路メサ１２（具体的には第２端面２２）に光学的に結合されている。平面視において、第１ポート１３は、第１方向Ｘに沿って延在すると共に、先細りとなるテーパ形状を呈している。具体的には、第１ポート１３の幅が多モード導波路メサ１２から離れるにつれて狭くなっている。第１ポート１３の傾斜角は、例えば約０．０１度である。

第２ポート１４（出射ポート）は、図１に示される第２アーム導波路メサ７の一部であり、第１多モード干渉器２における出射部として機能する光導波路である。第２ポート１４には、多モード導波路メサ１２にて分岐した光の一部が入射される。また、第２ポート１４には、第２多モード干渉器３側から入力導波路メサ４に向かって伝搬された光が入射する。このため、第２ポート１４は、第１ポート１３と同様に、入射部としても機能する。第２ポート１４は、第１ポート１３と同様に、多モード導波路メサ１２と同一の半導体積層体３１から形成されており、多モード導波路メサ１２（具体的には第２端面２２）に光学的に結合されている。平面視において、第２ポート１４は、第１方向Ｘに沿って延在すると共に、先細りとなるテーパ形状を呈している。具体的には、第２ポート１４の幅が多モード導波路メサ１２から離れるにつれて狭くなっている。第２ポート１４の傾斜角は、例えば約０．０１度である。

第１ポート１３及び第２ポート１４は、第２方向Ｙに沿って互いに離間している。第２端面２２の中心と第１ポート１３との第２方向Ｙに沿った間隔は、第２端面２２の中心と第２ポート１４との第２方向Ｙに沿った間隔と略同一である。これにより、多モード導波路メサ１２から第１ポート１３に入射する光の割合と、多モード導波路メサ１２から第２ポート１４に入射する光の割合とが同程度になる。

第１ポート１３から多モード導波路メサ１２に入射し、第１部分２１ａによって反射した光が第１ポート１３に帰還することを抑制する観点から、平面視において第１部分２１ａと第２方向Ｙとがなす角度θ３（第３角度）は、例えば０度より大きく４５度以下である。第１部分２１ａとポート１１とによってなされる角及びその周辺におけるエッチング残渣を抑制する観点から、角度θ３は、４５度以下であってもよい。第１ポート１３から多モード導波路メサ１２に入射し、第１部分２１ａによって反射した光が第１ポート１３に帰還することを良好に抑制する観点から、角度θ３は、１５度以上４０度以下であってもよい。多モード導波路メサ１２内部の屈折率と多モード導波路メサ１２外部の屈折率との観点から、角度θ３は、ブリュースター角でもよい。本実施形態では、ブリュースター角は、例えば２５度～３５度である。

同様に、第２ポート１４から多モード導波路メサ１２に入射し、第２部分２１ｂによって反射した光が第２ポート１４に帰還することを抑制する観点から、平面視において第２部分２１ｂと第２方向Ｙとがなす角度θ４（第４角度）は、例えば０度より大きく４５度以下である。第２部分２１ｂとポート１１とによってなされる角及びその周辺におけるエッチング残渣を抑制する観点から、角度θ４は、４５度以下であってもよい。第２ポート１４から多モード導波路メサ１２に入射し、第２部分２１ｂによって反射した光が第２ポート１４に帰還することを良好に抑制する観点から、角度θ４は、１５度以上４０度以下であってもよい。多モード導波路メサ１２内部の屈折率と多モード導波路メサ１２外部の屈折率との観点から、角度θ４は、ブリュースター角及びその近傍でもよい。なお、角度θ３，θ４は、互いに同一又は略同一であるが、互いに異なってもよい。

上述したように、第１多モード干渉器２は、ポート１１と、第１ポート１３及び第２ポート１４とを備えている。このため、第１多モード干渉器２は、１つの入射ポートと２つの出射ポートを備える多モード干渉型光導波路（１×２ＭＭＩ光導波路）とも呼称される。

図３の（ａ）部は、本実施形態に係る光半導体素子のための第２多モード干渉器を概略的に示す図面である。図３の（ｂ）部は、図３の（ａ）部に示されたＩＩＩｂ－ＩＩＩｂ線に沿って取られた断面図である。図３の（ａ）部には、ＸＹ直交座標系が示されている。

マッハツェンダ変調器１は、出力導波路メサ５、第１アーム導波路メサ６、第２アーム導波路メサ７、及び第２多モード干渉器３（光合波器）のための多モード導波路メサ４３を備える。多モード導波路メサ４３の光合波器は、出力導波路メサ５、第１アーム導波路メサ６及び第２アーム導波路メサ７に光学的に結合される。光合波器は、本実施例では、２×１多モード干渉器を含み、マッハツェンダ変調器１は、この２×１多モード干渉器を用いてアーム導波路メサ（６、７）からの光を合波できる。多モード導波路メサ４３は、第１端面５２及び第２端面５１と、第１側面５３ａ及び第２側面５３ｂと、基準面ＲＰＬに沿って延在する実質的に平坦な上面５５とを含む。第１側面５３ａは第２側面５３ｂの反対側にある。第１側面５３ａ、第２側面５３ｂ、及び上面５５は、第１端面５２及び第２端面５１の一方から他方に向かう第２軸の方向に延在する。第１端面５２及び第２端面５１は、この第２軸の方向に配置される。第１端面５２は第２端面５１の反対側にある。

多モード導波路メサ４３は、第１端面５２のポート４４の位置で出力導波路メサ５に接続される。多モード導波路メサ４３は、第２端面５１の第１ポート４１の位置で第１アーム導波路メサ６に接続され、第２端面５１の第２ポート４２の位置で第２アーム導波路メサ７に接続される。

多モード導波路メサ４３の上面５５及び第１側面５３ａは、多モード導波路メサ１２の第１側縁５５ａを共有し、多モード導波路メサ４３の上面５５及び第１端面５２（第１部分５２ａ）は、多モード導波路メサ１２の前縁５５ｂを共有する。多モード導波路メサ４３の第１側縁５５ａ及び前縁５５ｂは、多モード導波路メサ４３の第１側縁５５ａ及び前縁５５ｂが出会う外頂点５６ａで鋭角（θ５）を成す。

マッハツェンダ変調器１によれば、多モード導波路メサ４３の第１側縁５５ａ及び前縁５５ｂが、外頂点５６ａで鋭角（θ５）を成す。多モード導波路メサ４３は、多モードの光成分が伝搬することを可能にする。多モードの光成分は、多モード導波路メサ４３の第１側面５３ａ及び第２側面５３ｂにおける多モードの反射により第１端面５２に到達する。第１端面５２における光成分は、第１端面５２のポートから出力導波路メサ５に進み、ポート４４から離れた第１端面５２により外向きに屈折される。この屈折により、多モード導波路メサ４３が迷光の発生を低減することを可能にする。

マッハツェンダ変調器１では、多モード導波路メサ４３の上面５５及び第２側面５３ｂは、多モード導波路メサ１２の第２側縁５５ｃを共有し、多モード導波路メサ４３の上面５５及び第１端面５２（第２部分５２ｂ）は、多モード導波路メサ１２の前縁５５ｄを共有する。多モード導波路メサ４３の第２側縁５５ｃ及び前縁５５ｄは、多モード導波路メサ４３の第２側縁５５ｃ及び前縁５５ｄが出会う外頂点５６ｂで鋭角（θ６）を成す。

マッハツェンダ変調器１によれば、光成分は、多モード導波路メサ４３の第１側面５３ａ及び第２側面５３ｂにおける反射により第１端面５２に到達する。多モード導波路メサ４３の第２側縁５５ｃ及び前縁５５ｄが、外頂点５６ｂで鋭角を成す。第１端面５２における光成分の大部分は、第１端面５２のポートから外れた第１端面５２により外向きに屈折される。この屈折により、多モード導波路メサ４３が迷光の発生を低減することを可能にする。

外頂点５６ｂにおける鋭角（θ６）は、製造上のばらつき範囲内において外頂点５６ａにおける鋭角（θ５）と実質的に同じであることができ、しかしながら、これらの角度（θ５、θ６）の関係は、これに限定されるものではない。鋭角（θ５）は、例えば45～90度の角度範囲であることができる。鋭角（θ６）は、例えば45～90度の角度範囲であることができる。

マッハツェンダ変調器１では、出力導波路メサ５は、基準面ＲＰＬに沿って延在する実質的に平坦な上面４８、第１側面５３ｃ及び第２側面５３ｄを有する。上面４８は上面５５に繋がり、上面４８、５０は、基準面ＲＰＬに沿って延在する。

出力導波路メサ５の上面４８及び第１側面５３ｃは、出力導波路メサ５の第１側縁４８ａを共有し、出力導波路メサ５の上面４８及び第２側面５３ｄは、出力導波路メサ５の第２側縁４８ｂを共有する。多モード導波路メサ４３の前縁５５ｂ及び出力導波路メサ５の第１側縁４８ａは、第１内頂点５６ｃで出会い、多モード導波路メサ４３の前縁５５ｄ及び出力導波路メサ５の第２側縁４８ｂは、第２内頂点５６ｄで出会う。

多モード導波路メサ４３の前縁５５ｄは、第１内頂点５６ｃ及び第２内頂点５６ｄを通過する直線ＬＮ２に対して第１内頂点５６ｃで鋭角（θ７）を成す。

マッハツェンダ変調器１によれば、多モード導波路メサ４３の第１端面５２は、第１内頂点５６ｃで鋭角（θ７）を成すように傾斜する。第１端面５２に到達した光成分は、ポート４４から僅かに離れた第１端面５２により外向きに屈折される。この屈折により、多モード導波路メサ４３が迷光の発生を低減することを可能にする。

マッハツェンダ変調器１では、多モード導波路メサ４３の前縁５５ｄは、直線ＬＮ２に対して第２内頂点５６ｄで鋭角（θ８）を成す。

マッハツェンダ変調器１によれば、多モード導波路メサ４３の第１端面５２は、第２内頂点５６ｄにおいて鋭角（θ８）で傾斜する。第１端面５２に到達した光成分は、ポート４４から僅かに離れた第１端面５２により外向きに屈折される。この屈折により、多モード導波路メサ４３が迷光の発生を低減することを可能にする。

第２内頂点５６ｄの鋭角（θ８）は、製造上のばらつき範囲内において第１内頂点５６ｃの鋭角（θ７）と実質的に同じであることができ、しかしながら、鋭角（θ８）及び鋭角（θ７）の角度関係は、これに限定されるものではない。鋭角（θ７）は、例えば０度より大きく４５度以下の角度範囲であることができ、また１５度以上４０度以下の角度範囲であることができる。鋭角（θ８）は、例えば０度より大きく４５度以下の角度範囲であることができ、また１５度以上４０度以下の角度範囲であることができる。大きすぎる鋭角（θ７、θ８）は、半導体メサをドライエッチングにより作製する際に第１内頂点５６ｃ及び第２内頂点５６ｄの近傍にエッチングガスの供給を妨げる可能性がある。

マッハツェンダ変調器１では、第２端面５１及び上面５５は後縁５５ｅ、５５ｆ、５５ｇを共有する。後縁５５ｅ及び第１側縁５５ａは、外頂点５６ｅで出会う。後縁５５ｆ及び第２側縁５５ｃは、外頂点５６ｆで出会う。

マッハツェンダ変調器１では、第１アーム導波路メサ６は、基準面ＲＰＬに沿って延在する実質的に平坦な上面５０、第１側面５３ｅ及び第２側面５３ｆを有する。第１アーム導波路メサ６の上面５０及び第１側面５３ｅは、第１アーム導波路メサ６の第１側縁５０ａを共有し、第１アーム導波路メサ６の上面５０及び第２側面５３ｆは、第１アーム導波路メサ６の第２側縁５０ｂを共有する。第１側縁５０ａは、内頂点５６ｇで後縁５５ｅに出会う。第２側縁５０ｂは、内頂点５６ｉで後縁５５ｇに出会う。

第２アーム導波路メサ７は、基準面ＲＰＬに沿って延在する実質的に平坦な上面５４、第１側面５３ｇ及び第２側面５３ｈを有する。第２アーム導波路メサ７の上面５４及び第１側面５３ｇは、第２アーム導波路メサ７の第１側縁５４ａを共有し、第２アーム導波路メサ７の上面５４及び第２側面５３ｈは、第１アーム導波路メサ６の第２側縁５４ｂを共有する。第１側縁５４ａは、内頂点５６ｈで後縁５５ｇに出会う。第２側縁５４ｂは、内頂点５６ｊで後縁５５ｆに出会う。

マッハツェンダ変調器１では、例えば、第１端面５２に係る前縁５５ｂは、第１基準線Ｒ３に沿って延在する。また、第２端面５１に係る後縁５５ｅ、５５ｆ、５５ｇは、第２基準線Ｒ４に沿って延在する。本実施例では、第１基準線Ｒ３は、製造上のばらつき範囲内において第２基準線Ｒ４に対して角度θ７に実質的に等しい角度で傾斜するようにしてもよい。

マッハツェンダ変調器によれば、後縁５５ｅは、外頂点５６ｅで第１側縁５５ａに出会う。後縁５５ｅは、製造上のばらつき範囲内において外頂点５６ｅで第１側縁２５ａに実質的に直角を成す。後縁５５ｆは、外頂点５６ｆで第２側縁５５ｃに出会う。後縁５５ｆは、製造上のばらつき範囲内において外頂点５６ｆで第２側縁５５ｃに実質的に直角を成す。

本実施例では、第１側面５３ａ及び第２側面５３ｂは、交点５６ｋ、５６ｍにおいて直線ＬＮ２に交差する。具体的には、第１端面５２の第１部分５２ａ（第２部分５２ｂ）に関して、前縁５５ｂと直線ＬＮ２との間隔は、交点５６ｋ（又は外頂点５６ａ）から第１内頂点５６ｃへの方向に、交点５６ｋと外頂点５６ａとの間隔から単調に減少する。

第１端面５２の第１部分５２ａは、角度θ５と角度θ７との和が直角になるように向き付けされることができ、或いは角度θ５と角度θ７との和が直角未満になるように形作られることができる。また、第１端面５２の第２部分５２ｂは、角度θ６と角度θ８との和が直角になるように向き付けされることができ、或いは角度θ６と角度θ８との和が直角未満になるように形作られることができる。

多モード導波路メサ４３の上面５５、第１側面５３ａ及び第２側面５３ｂは、無機絶縁膜により覆われる。出力導波路メサ５の上面４８、第１側面５３ｃ及び第２側面５３ｄは、無機絶縁膜により覆われる。

図３の（ｂ）部に示されるように、具体的には、多モード導波路メサ４３は、半導体積層体３１を有しており、半導体積層体３１は、下クラッド層３２、上クラッド層３３、及びコア層３４を含む。下クラッド層３２及び上クラッド層３３は、半導体基板Ｓ上に設けられ、コア層３４は、下クラッド層３２と上クラッド層３３との間に設けられる。多モード導波路メサ４３、出力導波路メサ５、第１アーム導波路メサ６及び第２アーム導波路メサ７は、半導体積層体３１を含む。

第２端面５１から第１端面５２への方向に向かう光は、第１端面５２の第１部分５２ａ及び第２部分５２ｂによって外向きに反射される。鋭角（θ７、θ８）は、１５度以上４０度以下の角度範囲であることができる。多モード導波路メサ４３の外側における媒質の屈折率及び多モード導波路メサ４３の半導体の屈折率の観点では、鋭角（θ７、θ８）は、ブリュースター角又はその近傍の角度であることができる。本実施形態では、このような角度は、例えば25度～35度の角度範囲である。

具体的には、第２多モード干渉器３は、第１ポート４１及び第２ポート４２と、多モード導波路メサ４３と、ポート４４（出射ポート）とを備える。

第１ポート４１（入射ポート）は、図１に示される第１アーム導波路メサ６の一部であり、第２ポート４２（入射ポート）は、図１に示される第２アーム導波路メサ７の一部である。第１ポート４１及び第２ポート４２は、多モード導波路メサ４３に光学的に結合されている。平面視において、第１ポート４１及び第２ポート４２のそれぞれは、第１方向Ｘに沿って延在すると共に、先細りとなるテーパ形状を呈している。具体的には、第１ポート４１及び第２ポート４２の幅が多モード導波路メサ４３から離れるにつれて狭くなっている。第１ポート４１及び第２ポート４２の傾斜角は、例えば約０．０１度である。これに対してポート４４は、図１に示される出力導波路メサ５の一部であり、多モード導波路メサ４３にて合波した光が入力される光導波路である。ポート４４は、多モード導波路メサ４３に光学的に結合されている。平面視において、ポート４４は、第１方向Ｘに沿って延在すると共に、先細りとなるテーパ形状を呈している。具体的には、ポート４４の幅が多モード導波路メサ４３から離れるにつれて狭くなっている。ポート４４の傾斜角は、例えば約０．０１度である。

多モード導波路メサ４３は、第１ポート４１及び第２ポート４２から入射された光が合流する領域であり、第１方向Ｘにおいて第１ポート４１及び第２ポート４２とポート４４との間に位置する光導波路である。図３の（ｂ）部に示されるように、多モード導波路メサ４３は、半導体積層体３１を有しており、且つ、無機絶縁膜３５，３７によって覆われている。このため、多モード導波路メサ４３は、多モード導波路メサ１２と同一の半導体積層体をエッチングすることによって設けられる。

多モード導波路メサ４３は、第１ポート４１及び第２ポート４２につながる第２端面５１と、第２端面５１に対向すると共にポート４４につながる第２端面５１と、平面視にて第１方向Ｘに沿って延在すると共に第２端面５１及び第１端面５２をつなぐ一対の第１側面５３ａ及び第２側面５３ｂとを有する。第２端面５１は、第１側面５３ａからポート４４まで延びると共に第１ポート４１に対向する面状の第１部分５２ａと、第２側面５３ｂからポート４４まで延びる共に第２ポート４２に対向する面状の第２部分５２ｂとを有している。第１部分５２ａと第１側面５３ａとがなす角度θ５と、第２部分５２ｂと第２側面５３ｂとがなす角度θ６とのそれぞれは、鋭角になっている。したがって、第１部分５２ａと第２部分５２ｂとのそれぞれは、第２端面５１の中心に近づくにつれて入力側に向かうように傾斜する傾斜面をなしている。図３の（ａ）部においては、第１部分５２ａは、第１ポート４１を通過する光の軸（光軸）に対し、上述した傾斜面をなしており、第２部分５２ｂもまた、第２ポート４２を通過する光の軸（光軸）に対し、上述した傾斜面をなしている。

第１ポート４１から多モード導波路メサ４３に入射し、第１部分５２ａによって反射した光が第１ポート４１に帰還することを抑制する観点から、平面視において第１部分５２ａと第２方向Ｙとがなす角度θ７は、例えば０度より大きく４５度以下である。第１部分５２ａとポート４４（出射ポート）とによってなされる角及びその周辺におけるエッチング残渣を抑制する観点から、角度θ７は、４５度以下であってもよい。第１ポート４１から多モード導波路メサ４３に入射し、第１部分５２ａによって反射した光が第１ポート４１に帰還することを良好に抑制する観点から、角度θ７は、１５度以上４０度以下であってもよい。多モード導波路メサ４３内部の屈折率と多モード導波路メサ４３外部の屈折率との観点から、角度θ７は、ブリュースター角及びその近傍でもよい。

第２ポート４２から多モード導波路メサ４３に入射し、第２部分５２ｂによって反射した光が第１ポート４１に帰還することを抑制する観点から、平面視において第２部分５２ｂと第２方向Ｙとがなす角度θ８は、例えば０度より大きく４５度以下である。第２部分５２ｂとポート４４とによってなされる角及びその周辺におけるエッチング残渣を抑制する観点から、角度θ８は、４５度以下であってもよい。第２ポート４２から多モード導波路メサ４３に入射し、第２部分５２ｂによって反射した光が第２ポート４２に帰還することを良好に抑制する観点から、角度θ８は、１５度以上４０度以下であってもよい。多モード導波路メサ４３内部の屈折率と多モード導波路メサ４３外部の屈折率との観点から、角度θ８は、ブリュースター角及びその近傍でもよい。

再び図１を参照すると、マッハツェンダ変調器１は、第１電極８及び第２電極９を用いて、第１アーム導波路メサ６及び第２アーム導波路メサ７を伝搬する光ビームの位相を変更する。具体的には、第１電極８は、第１アーム導波路メサ６上に設けられており、配線金属層を介して駆動信号を第１アーム導波路メサ６に印加する。第２電極９は、第２アーム導波路メサ７上に設けられており、配線金属層を介して与えられた駆動信号を第２アーム導波路メサ７に印加する。第１電極８上の電圧に応答して、第１アーム導波路メサ６を導波する光の位相が変更される。同様に、第２電極９上の電圧に応答して、第２アーム導波路メサ７を導波する光の位相が変更される。これらの光ビームは、光合波器において合波されて、単一の光ビームに変わる。

第２多モード干渉器３は、同位相の２つの光ビームの入射に応答して、大きな振幅の光ビームを生成し、引き続く説明において、これを「オン状態」と呼ぶ。第２多モード干渉器３は、逆位相の２つの光ビームの入射に応答して、非常に小さい振幅、実質的にゼロ振幅の光ビームを生成し、引き続く説明において、これを「オフ状態」と呼ぶ。マッハツェンダ変調器１における消光比は、オン状態の出力光強度ＩＯＮとオフ状態の出力光強度ＩＯＦＦの比（ＩＯＮ／ＩＯＦＦ）によって規定される。本実施形態に係る第２多モード干渉器３は、マッハツェンダ変調器１の消光比を改善できる。また、本実施形態に係る第１多モード干渉器２及び第２多モード干渉器３は、マッハツェンダ変調器１における迷光を低減できる。

以上に説明した本実施形態に係るマッハツェンダ変調器１に含まれる第２多モード干渉器３では、ポート４４につながる第２端面５１は、第１部分５２ａと第２部分５２ｂとを有し、第１部分５２ａと第１側面５３ａとがなす角度θ５、及び第２部分５２ｂと第２側面５３ｂとがなす角度θ６のそれぞれは、鋭角である。このため、第１方向Ｘに沿って第１ポート４１から多モード導波路メサ４３に入射され、且つ、第１部分５２ａに到達した光は、多モード導波路メサ４３の外側に向かって放射または反射する。同様に、第１方向Ｘに沿って第２ポート４２から多モード導波路メサ４３に入射され、且つ、第２部分５２ｂに到達した光は、多モード導波路メサ４３の外側に向かって放射または反射する。これにより、第１ポート４１及び第２ポート４２から多モード導波路メサ４３に入射した光が、第１ポート４１及び第２ポート４２に帰還する割合を低減できる。したがって、オフ状態の出力光強度を良好に抑制できるので、第２多モード干渉器３の消光比向上が可能になる。

また、第１多モード干渉器２においてポート１１につながる第１端面２１は、第１部分２１ａと第２部分２１ｂとを有し、第１部分２１ａと第１側面２３ａとがなす角度θ１、及び第２部分２１ｂと第２側面２３ｂとがなす角度θ２のそれぞれは、鋭角である。このため上記第２多モード干渉器３と同様に、第１ポート１３及び第２ポート１４から多モード導波路メサ１２に入射した光が、第１ポート１３及び第２ポート１４に帰還する割合を低減できる。したがって、第１多モード干渉器２は、第２多モード干渉器３と同様の作用効果を奏することができる。

第２多モード干渉器３では、平面視において、第１部分５２ａと第２方向Ｙとがなす角度θ７、及び第２部分５２ｂと第２方向Ｙとがなす角度θ８のそれぞれは、１５度以上４０度以下であってもよい。この場合、第１ポート４１及び第２ポート４２から多モード導波路メサ４３に入射した光が、第１ポート４１及び第２ポート４２に帰還する割合を良好に低減できる。同様に、第１多モード干渉器２では、平面視において、第１部分２１ａと第２方向Ｙとがなす角度θ３、及び第２部分２１ｂと第２方向Ｙとがなす角度θ４のそれぞれは、１５度以上４０度以下であってもよい。この場合、第１ポート１３及び第２ポート１４から多モード導波路メサ１２に入射した光が、第１ポート１３及び第２ポート１４に帰還する割合を良好に低減できる。

上記の説明から理解されるように、第１多モード干渉器２及び第２多モード干渉器３の少なくとも一方を備えるマッハツェンダ変調器１は、高品質な光変調を可能にする。具体的には、マッハツェンダ変調器１は、第１多モード干渉器２及び第２多モード干渉器３の両方を備えることができ、或いは、第１多モード干渉器２及び第２多モード干渉器３のいずれか一方を備えることができる。

必要な場合には、マッハツェンダ変調器１は、光合波器のための第２多モード干渉器３を備えると共に、光分波器のために、第１多モード干渉器２と異なる構造の多モード干渉器を備えることができる。或いは、マッハツェンダ変調器１は、第１多モード干渉器２を備えると共に、光合波器のために、第２多モード干渉器３と異なる構造の多モード干渉器を備えることができる。マッハツェンダ変調器１は、高品質な光伝送を実施可能である。

図４の（ａ）部及び（ｂ）部は、第１多モード干渉器２及び第２多モード干渉器３と異なる構造を有する多モード干渉器を示す図面である。図４の（ａ）部及び（ｂ）部には、ＸＹ座標系が描かれている。

多モード干渉器１００は、多モード導波路メサ１４３を含み、多モード導波路メサ１４３は、実質的に平行な第１側面１５３ａ及び第２側面１５３ｂと、製造上のばらつき範囲内において実質的に平行な第１端面１５１及び第２端面１５２を含む。２つの導波路メサが、第１端面１５１上のポート１４１、１４２（例えば入力ポート）に接続され、単一の導波路メサが、第２端面１５２上のポート１４４（例えば出力ポート）に接続される。第１側面１５３ａと第２端面１５２に係る外頂点１５６ａにおける角度（θ１１）は、製造上のばらつき範囲内において直角である。第２側面１５３ｂと第２端面１５２に係る外頂点１５６ｂにおける角度（θ１２）は、製造上のばらつき範囲内において直角である。また、第１側面１５３ａと第１端面１５１に係る外頂点１５６ｃにおける角度も、製造上のばらつき範囲内において直角である。第２側面１５３ｂと第１端面１５１に係る外頂点１５６ｄにおける角度も、製造上のばらつき範囲内において直角である。

多モード干渉器２００は、多モード導波路メサ２４３を含み、多モード導波路メサ２４３は、互いに平行な第１側面２５３ａ及び第２側面２５３ｂと、第１端面２５１及び第２端面２５２を含む。第２端面２５２の第１部分２５２ａ及び第２部分２５２ｂは、第２端面２５２の第１部分２５２ａと第２部分２５２ｂとの間隔が第１端面２５１から第２端面２５２への方向に小さくなるように、第１端面２５１に対して傾斜している。２つの導波路メサが、第１端面２５１上のポート２４１、２４２（例えば入力ポート）に接続され、単一の導波路メサが、第２端面２５２上のポート２４４（例えば出力ポート）に接続される。第１側面２５３ａと第２端面２５２に係る外頂点２５６ａにおける角度（θ２１）は、鈍角、例えば１１２度である。第２側面２５３ｂと第２端面２５２に係る外頂点２５６ｂにおける角度（θ２２）は、鈍角、例えば１１２度である。また、第１側面２５３ａと第１端面２５１に係る外頂点２５６ｃにおける角度は、製造上のばらつき範囲内において直角である。第２側面２５３ｂと第１端面２５１に係る外頂点２５６ｄにおける角度も、製造上のばらつき範囲内において直角である。

多モード干渉器１００、多モード干渉器２００及び第２多モード干渉器３は、２つのポートに逆位相の光ビームを受ける。

具体的には、図４の（ａ）部及び図４の（ｂ）部を参照しながら、本実施形態に係るマッハツェンダ変調器１に含まれるＭＭＩ光導波路の作用効果についてさらに説明する。引き続く説明、図４の（ａ）部に示される多モード干渉器１００、図４の（ａ）部に示される多モード干渉器１００、及び第２多モード干渉器３を参照する。

下記においては、特に指定されない限り、第２多モード干渉器３における多モード導波路メサ４３の角度θ７，θ８は、２２度とする。また、２つの入射ポートには、互いに逆位相となる光が入射されるものとする。

図４の（ａ）部に示される多モード干渉器１００の多モード導波路メサ１４３は、平面視にて略矩形状を呈している。このため第１比較例においては、ポート１４４（出射ポート）につながる多モード導波路メサ１４３の第２端面１５２は、傾斜面を有しておらず、平面視にて第２方向Ｙに沿って延在している。よって、多モード導波路メサ１４３において第１方向Ｘに沿って延在する第１側面１５３ａと第２端面１５２とがなす角度θ１１、及び、多モード導波路メサ１４３において第１方向Ｘに沿って延在する第２側面１５３ｂと第２端面１５２とがなす角度θ１２は、それぞれ直角になっている。一方、図４の（ｂ）部に示される多モード干渉器２００の多モード導波路メサ２４３において、ポート２４４（出射ポート）につながる第２端面２５２は、傾斜面である第１部分２５２ａ及び第２部分２５２ｂを有している。第１部分２５２ａと第２部分２５２ｂとのそれぞれは、第２端面２５２の中心に近づくにつれて出力側に向かうように傾斜している。よって、多モード導波路メサ２４３において第１方向Ｘに沿って延在する第１側面２５３ａと第１部分２５２ａとがなす角度θ２１、及び、多モード導波路メサ２４３において第１方向Ｘに沿って延在する第２側面２５３ｂと第２部分２５２ｂとがなす角度θ２２は、それぞれ鈍角になっている。角度θ２１，θ２２のそれぞれは、１１２度に設定されている。

図５の（ａ）部～（ｃ）部は、多モード導波路メサの導波路長（「ＭＭＩ長」として参照する）と多モード干渉器の特性との関係を示す。多モード干渉器の特性は、固有モード展開法（ＥＭＥ法）を用いたシミュレーションにより計算される。ＭＭＩ長は、２つの入力ポートを受ける端面と出力ポートとの距離として規定される。図５の（ａ）部～（ｃ）部の横軸は導波路長を示す。図５の（ａ）部の縦軸はオフ状態における出力量を示し、出力量は、多モード干渉器に入力する光パワー（ＬＩＮ）と多モード干渉器から出力する光パワー（ＬＯＵＴ）の比率（ＬＯＵＴ／ＬＩＮ）を示す。図５の（ｂ）部の縦軸はオフ状態における反射率（戻り比率）を示し、反射率は、（Ｉ２／Ｉ１）^０．５によって表され、ここで、「Ｉ１」は、入射ポートから多モード導波路メサに入力された光パワーを表し、「Ｉ２」は、当該入射ポートに帰還する光パワーを表す。図５の（ｃ）部の縦軸は消光比を示す。図５の（ａ）部～（ｃ）部における値６１～６３は、第２多モード干渉器３のシミュレーション結果を示している。図５の（ａ）部～（ｃ）部における値６４～６６は、多モード干渉器１００のシミュレーション結果を示している。図５の（ａ）部～（ｃ）部における値６７～６９は、多モード干渉器２００のシミュレーション結果を示している。

図５の（ａ）部に示されるように、第２多モード干渉器３及び多モード干渉器２００の出力量（６１、６７）は、横軸（多モード導波路の長さ）上の値の範囲においてほぼ一定である。多モード干渉器１００の出力量（６４）は、多モード導波路の設計長において極小を示す。第２多モード干渉器３の出力量（６１）は、多モード干渉器１００及び多モード干渉器２００の出力量（６４、６７）に比べて４～７桁程度で小さい。

図５の（ｂ）部に示されるように、第２多モード干渉器３の反射率（６２）は、多モード干渉器１００の反射率（６５）よりも数桁小さく、多モード干渉器２００の反射率（６８）より１桁程度大きい。

図５の（ｃ）部に示されるように、第２多モード干渉器３の最高消光比は約７０ｄＢであり、多モード干渉器１００の最高消光比は約４２ｄＢであり、多モード干渉器２００の最高消光光比は約７．６ｄＢである。

また、第２多モード干渉器３及び多モード干渉器２００では、横軸（多モード導波路メサの長さ）の値の範囲において消光比の変動は殆どない。多モード干渉器１００においては、消光比がＭＭＩ長に依存して変化する。多モード干渉器１００の当該変動は、オフ状態の出力量の変動と関連付けられる。第２多モード干渉器３は、これらのうちで最も良い最大消光比を示しており、これは、オフ状態において、第２多モード干渉器３の出力量が多モード干渉器１００及び多モード干渉器２００に比べて極めて小さいことに由来する。多モード導波路メサにおいて出射ポートにつながる端面全体の傾斜（本実施例における第１部分５２ａ及び第２部分５２ｂの傾斜）が、消光比がＭＭＩ長の変化に依存することを低くしている。この低い依存性は、入射ポートから多モード導波路メサに入射された光が、端面全体の傾斜面によって多モード導波路メサの外向きに放射又は反射されることに起因する。加えて、傾斜する端面に出射ポートを有する多モード導波路メサは、消光比がＭＭＩ長の変化に対して小さい依存性を示している。

多モード干渉器２００の最高消光比は、第２多モード干渉器３及び多モード干渉器１００より小さい。以下の理由は、このシミュレーション結果を説明できる：多モード干渉器２００は、多モード導波路メサ２４３の中心に位置する出射ポートに向けて狭まる幅の第１部分２５２ａ及び第２部分２５２ｂを有しており、第１部分２５２ａ及び第２部分２５２ｂは内側に向けて光を反射する。この反射光は、ポート２４４（出射ポート）に向かって進み、その一部はポート２４４に入射する可能性を残す。

図６の（ａ）部～（ｃ）部は、多モード導波路メサの導波路幅（「ＭＭＩ幅」として参照する）と多モード干渉器の特性との関係を示す。多モード干渉器の特性は、固有モード展開法（ＥＭＥ法）を用いたシミュレーションにより計算される。ＭＭＩ幅は、多モード導波路メサの導波路軸の方向に延在する第１側面及び第２側面の間隔として規定される。図６の（ａ）部～（ｃ）部の横軸は、ＭＭＩ幅を示す。図６の（ａ）部の縦軸はオフ状態における出力量を示し、図６の（ｂ）部の縦軸はオフ状態における反射率を示し、図６の（ｃ）部の縦軸は消光比を示す。図６の（ａ）部～（ｃ）部における値７１～７３は、第２多モード干渉器３のシミュレーション結果を示している。図６の（ａ）部～（ｃ）部における値７４～７６は、多モード干渉器１００のシミュレーション結果を示している。

図６の（ａ）部に示されるように、第２多モード干渉器３の出力量は、横軸に示されルＭＭＩ幅の範囲においてほぼ一定である。多モード干渉器１００の出力量は、設計値のＭＭＩ幅において最も小さい。また、第２多モード干渉器３の出力量は、多モード干渉器１００に比べて４桁程度小さい。

図６の（ｂ）部に示されるように、第２多モード干渉器３の反射率は、多モード干渉器２００よりも数桁小さい。

図６の（ｃ）部に示されるように、第２多モード干渉器３の最高消光比は約７０ｄＢである。多モード干渉器１００の最高消光比は約４０ｄＢである。第２多モード干渉器３は、ＭＭＩ幅の変化にほとんど依存しない。しかしながら、多モード干渉器１００の消光比は、横軸に示されたＭＭＩ幅の範囲において、ＭＭＩ幅に依存する。これらの結果は、出射ポートに繋がる端面の全体に傾斜面（端面の第１部分及び第２部分）を備える多モード導波路メサが高い最大消光比を有すること、及び多モード導波路メサの消光比がＭＭＩ幅の変化にあまり依存しないことを示す。

図７の（ａ）部は、本実施形態に係る第２多モード干渉器のための多モード導波路メサにおける光分布を示す図面であり、図７の（ｂ）部は、多モード干渉器１００のための多モード導波路メサにおける光分布を示す図面である。図７の（ａ）部～（ｂ）部に示されるシミュレーション結果は、ビーム伝搬法（ＢＰＭ法）によって計算される。ＢＰＭ法においては、ＭＭＩ光導波路内にて反射した光は原理上計算できない。また、各シミュレーションにおいて、ＭＭＩ光導波路に入射した光は、出射ポートに入射せず、多モード導波路メサにおける出射ポートにつながる端面にて単に放射するものとする。図７の（ａ）部～（ｂ）部において、Ｘ軸は、多モード導波路メサ４３の第２端面５１から第１端面５２への方向に向く。Ｙ軸は、多モード導波路メサ４３のポート４４（出力ポート）上に位置する。

図７の（ａ）部に示されるように、第１ポート４１及び第２ポート４２からそれぞれ入射される光Ｌ１、Ｌ２の大部分は、ポート４４（出射ポート）の両側の傾斜面（第１端面５２：第１部分５２ａ及び第２部分５２ｂ）において屈折する、又は放射される。第１端面５２によって反射された戻り光は非常に僅かである。

図７の（ｂ）部に示されるように、ポート１４１、１４２からそれぞれ入射された光Ｌ１１、Ｌ１２は、ポート１４４（出射ポート）の両側の第２端面１５２において屈折せずに、多モード導波路メサ１４３内に反射される。

図８及び図９は、本実施形態に係る多モード干渉器の反射率と多モード導波路メサにおける第２端面の傾斜角との関係を示す図面である。具体的には、図８は、第２端面の傾斜角（θ３、θ４、θ７、θ８）に対する反射率の依存性を示す。図８において、横軸は第２多モード干渉器３における角度θ７を示し、縦軸は反射率を示す。図９は、第２端面の傾斜角（θ１、θ２、θ５、θ６）に対する反射率の依存性を示す。図９において、横軸は第２多モード干渉器３における角度θ５を示し、縦軸は反射率を示す。図８及び図９の結果は、ＦＤＴＤ法（Finite-Difference Time-Domain法）によって計算される。

図８を参照すると、反射率が約３０度の角度θ７で最も低い。２５％以下の反射率は、例えば１５度以上４２度以下の角度θ７の角度範囲において得られる。図８に示される結果から理解されるように、消光比は、第２端面の傾斜により向上される。また、消光比は、上記の角度範囲において良好な値を示す。

図９を参照すると、反射率が約６０度の角度θ５で最も低い。２５％以下の反射率は、例えば48度以上75度以下の角度θ７の角度範囲において得られる。図９に示される結果から理解されるように、消光比は、第２端面の傾斜により向上される。また、消光比は、上記の角度範囲において良好な値を示す。

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

図５の（ａ）部～（ｃ）部、図６の（ａ）部～（ｃ）部及び図７の（ａ）部～（ｂ）部を参照しながら、シミュレーション結果を更に説明する。引き続く説明において、多モード干渉器１００を第１比較例として参照する。多モード干渉器２００を第２比較例として参照する。

図５の（ａ）部に示されるように、本実施形態及び第２比較例の出力量は、ＭＭＩ長の変化にかかわらずほぼ一定である。一方、第１比較例の出力量は、ＭＭＩ長が設計値のとき最も小さくなっている。また、本実施形態の出力量は、第１及び第２比較例に比べて極めて小さくなっている（４～７桁程度小さくなっている）。

図５の（ｂ）部に示されるように、本実施形態の反射率は、第１比較例よりも数桁小さくなっているが、第２比較例よりも約１桁大きくなっている。

図５の（ｃ）部に示されるように、本実施形態の最大消光比は約７０ｄＢである。一方、第１比較例の最大消光比は約４２ｄＢであり、第２比較例の最大消光比は約７．６ｄＢである。また、本実施形態及び第２比較例では、ＭＭＩ長が変化しても消光比の変動は殆どない。一方で第１比較例においては、ＭＭＩ長が変化すると、消光比が変動する傾向にある。第１比較例の当該変動は、オフ状態の出力量の変動と連動している。これらの結果より、本実施形態の最大消光比が最も高いことがわかる。これは、本実施形態のオフ状態における出力量が第１及び第２比較例に比べて極めて小さいことに起因すると考えられる。また、多モード導波路メサにおいて出射ポートにつながる面に傾斜面（すなわち、第１部分及び第２部分）が設けられることによって、ＭＭＩ長が変化しても消光比が変化しにくいことがわかる。これは、入射ポートから多モード導波路メサに入射された光が、傾斜面にて多モード導波路メサの外側に向かって放射または反射したためと推察される。加えて、多モード導波路メサにおいて出射ポートにつながる面に傾斜面が設けられることによって、ＭＭＩ長が変化しても消光比が変化しにくいことがわかる。

第２比較例の最大消光比は、本実施形態及び第１比較例よりも大幅に小さくなっている。このシミュレーション結果は、少なくとも以下の２つの理由によるものと推察される。１つ目の理由は、多モード導波路メサ２４３の第１部分２５２ａ及び第２部分２５２ｂにて放射した光は、ポート２４４に向かい、ポート２４４に放射光の一部が入射してしまうことである。２つ目の理由は、多モード導波路メサ２４３の第１部分２５２ａ及び第２部分２５２ｂにて反射した光は、多モード導波路メサ２４３の内側に向かい、ポート２４４に反射光の一部が入射してしまうことである。

図６の（ａ）部に示されるように、本実施形態の出力量は、ＭＭＩ幅の変化にかかわらずほぼ一定である。一方、第１比較例の出力量は、ＭＭＩ幅が設計値のとき最も小さくなっている。また、本実施形態の出力量は、第１に比べて極めて小さくなっている（７桁程度小さくなっている）。

図６の（ｂ）部に示されるように、本実施形態の反射率は、第１比較例よりも数桁小さくなっている。

図６の（ｃ）部に示されるように、本実施形態の最大消光比は約７０ｄＢである。一方、第１比較例の最大消光比は約４０ｄＢである。また、本実施形態では、ＭＭＩ幅が変化しても消光比の変動は殆どない。しかしながら第１比較例においては、ＭＭＩ幅が変化すると、消光比が変動する傾向にある。これらの結果からも、多モード導波路メサにおいて出射ポートにつながる面に傾斜面（すなわち、第１部分及び第２部分）が設けられる場合、最大消光比が高くなる傾向にあることがわかる。加えて、多モード導波路メサにおいて出射ポートにつながる面に傾斜面が設けられることによって、ＭＭＩ幅が変化しても消光比が変化しにくいことがわかる。

図７の（ａ）部は、本実施形態におけるＭＭＩ光導波路内を伝搬する光の挙動のシミュレーション結果を示す図であり、図７の（ｂ）部は、第１比較例におけるＭＭＩ光導波路内を伝搬する光の挙動のシミュレーション結果を示す図である。図７の（ａ）部～（ｂ）部に示されるシミュレーション結果は、ビーム伝搬法（ＢＰＭ法）によって得られたものである。ＢＰＭ法においては、ＭＭＩ光導波路内にて反射した光は原理上計算できないので、当該反射光は考慮しないものとする。また、各シミュレーションにおいて、ＭＭＩ光導波路に入射した光は、出射ポートに入射せず、多モード導波路メサにおける出射ポートにつながる端面にて単に放射するものとする。図７の（ａ）部～（ｂ）部において、横軸は第２方向Ｙを示し、縦軸は第１方向Ｘを示す。

図７の（ａ）部に示されるように、第１ポート４１から入射された光Ｌ１と、第２ポート４２から入射された光Ｌ２とのそれぞれは、ポート４４につながる第２端面５１にて多モード導波路メサ４３から放射される。具体的には、光Ｌ１は第１部分５２ａにて屈折して放射され、光Ｌ２は第２部分５２ｂにて屈折して放射される。実際には、光Ｌ１，Ｌ２の一部は、第２端面５１にて反射して多モード導波路メサ４３内に戻る。この場合、反射した光は、多モード導波路メサ４３の外側に向かい、第１ポート４１及び第２ポート４２に帰還しにくくなると推察される。

これに対して図７の（ｂ）部に示されるように、ポート１４１（入射ポート）から入射された光Ｌ１１と、ポート１４２（入射ポート）から入射された光Ｌ１２とのそれぞれは、ポート１４４（出射ポート）につながる第２端面１５２にて、ほぼ屈折せずに放射されることがわかる。実際には、光Ｌ１１，Ｌ１２の一部は、第２端面１５２にて反射して多モード導波路メサ１４３内に戻る。この場合、反射した光は、ポート１４１，１４２に向かい、ポート１４１，１４２に帰還しやすくなると推察される。この帰還した光が多モード導波路メサ１４３内にて干渉してアーム導波路メサにて結像し、反射光となる。したがって、第１比較例は、本実施形態よりも反射率が高い傾向にあると推察される。

本発明による光半導体素子に含まれる多モード干渉型光導波路は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。

本実施形態によれば、消光比を向上可能な多モード干渉器及びそれを備えるマッハツェンダ変調器を提供できる。

１…マッハツェンダ変調器、２…第１多モード干渉器、３…第２多モード干渉器、４…入力導波路メサ、５…出力導波路メサ、６…第１アーム導波路メサ、７…第２アーム導波路メサ、８…第１電極、９…第２電極、１１…ポート、１２…多モード導波路メサ、１３…第１ポート、１４…第２ポート、２１…第１端面、２１ａ…第１部分、２１ｂ…第２部分、２２…第２端面、２３ａ…第１側面，２３ｂ…第２側面、４１…第１ポート、４２…第２ポート、４３…多モード導波路メサ、４４…ポート、５２ａ…第１部分、５２ｂ…第２部分、θ１…角度（第１角度）、θ２…角度（第２角度）、θ３…角度（第３角度）、θ４…角度（第４角度）、θ５～θ８…角度。

Claims (7)

1. マッハツェンダ変調器であって、
   第１アーム導波路メサと、
   第２アーム導波路メサと、
   導波路メサと、
   前記導波路メサ、前記第１アーム導波路メサ及び前記第２アーム導波路メサに光学的に結合された光合波器と、
   を備え、
   前記光合波器は、第１多モード導波路メサを含み、
   前記第１多モード導波路メサは、第１軸の方向に延在する上面、第１側面及び第２側面と、前記第１軸の方向と交わるように配置された第１端面及び第２端面とを含み、
   前記第１多モード導波路メサは、前記第１端面のポートの位置で前記導波路メサに接続され、
   前記第１多モード導波路メサは、前記第２端面の第１ポートの位置で前記第１アーム導波路メサに接続され、
   前記第１多モード導波路メサは、前記第２端面の第２ポートの位置で前記第２アーム導波路メサに接続され、
   前記第１多モード導波路メサの前記上面及び前記第１側面は、前記第１多モード導波路メサの第１側縁を共有し、
   前記第１多モード導波路メサの前記上面及び前記第１端面は、前記第１多モード導波路メサの前縁を共有し、
   前記第１多モード導波路メサの前記第１側縁及び前記前縁は、前記第１多モード導波路メサの前記第１側縁及び前記前縁が出会う外頂点で第１鋭角を成し、
   前記導波路メサは、上面、第１側面及び第２側面を有し、
   前記導波路メサの前記上面及び前記第１側面は、前記導波路メサの第１側縁を共有し、
   前記導波路メサの前記上面及び前記第２側面は、前記導波路メサの第２側縁を共有し、
   前記第１多モード導波路メサの前記前縁及び前記導波路メサの前記第１側縁は、第１内頂点で出会い、
   前記第１多モード導波路メサの前記前縁及び前記導波路メサの前記第２側縁は、第２内頂点で出会い、
   前記第１多モード導波路メサの前記前縁は、前記第１内頂点及び前記第２内頂点を通過する直線に対して前記第１内頂点で第２鋭角を成し、前記直線は、光の進行方向に対して垂直であり、
   前記第１端面は、光の進行方向に対して垂直な面に対し、前記第１多モード導波路メサの外側における媒質の屈折率及び前記第１多モード導波路メサの半導体の屈折率の関係におけるブリュースター角と等しい又はその近傍の角度をなす、マッハツェンダ変調器。
2. 前記光合波器は、２×１多モード干渉器を含む、請求項１に記載されたマッハツェンダ変調器。
3. 前記前縁は、第１基準線に沿って延在し、前記第１基準線は、前記前縁に沿って延在する直線であり、前記第２端面と前記上面は後縁を共有し、前記後縁は、第２基準線に沿って延在し、前記第２基準線は、前記後縁に沿って延在する直線であり、前記第１基準線と前記第２基準線との成す角度は、前記第１内頂点における前記第２鋭角に実質的に等しい、請求項１又は請求項２に記載されたマッハツェンダ変調器。
4. マッハツェンダ変調器であって、
   第１アーム導波路メサと、
   第２アーム導波路メサと、
   導波路メサと、
   前記導波路メサ、前記第１アーム導波路メサ及び前記第２アーム導波路メサに光学的に結合された光分波器と、
   を備え、
   前記光分波器は、第１多モード導波路メサを含み、
   前記第１多モード導波路メサは、第１軸の方向に延在する上面、第１側面及び第２側面と、前記第１軸の方向と交わるように配置された第１端面及び第２端面とを含み、
   前記第１多モード導波路メサは、前記第１端面のポートの位置で前記導波路メサに接続され、
   前記第１多モード導波路メサは、前記第２端面の第１ポートの位置で前記第１アーム導波路メサに接続され、
   前記第１多モード導波路メサは、前記第２端面の第２ポートの位置で前記第２アーム導波路メサに接続され、
   前記第１多モード導波路メサの前記上面及び前記第１側面は、前記第１多モード導波路メサの第１側縁を共有し、
   前記第１多モード導波路メサの前記上面及び前記第１端面は、前記第１多モード導波路メサの後縁を共有し、
   前記第１多モード導波路メサの前記第１側縁及び前記後縁は、前記第１多モード導波路メサの前記第１側縁及び前記後縁が出会う外頂点で第１鋭角を成し、
   前記導波路メサは、上面、第１側面及び第２側面を有し、
   前記導波路メサの前記上面及び前記第１側面は、前記導波路メサの第１側縁を共有し、
   前記導波路メサの前記上面及び前記第２側面は、前記導波路メサの第２側縁を共有し、
   前記第１多モード導波路メサの前記後縁及び前記導波路メサの前記第１側縁は、第１内頂点で出会い、
   前記第１多モード導波路メサの前記後縁及び前記導波路メサの前記第２側縁は、第２内頂点で出会い、
   前記第１多モード導波路メサの前記後縁は、前記第１内頂点及び前記第２内頂点を通過する直線に対して前記第１内頂点で第２鋭角を成し、前記直線は、光の進行方向に対して垂直であり、
   前記第１端面は、光の進行方向に対して垂直な面に対し、前記第１多モード導波路メサの外側における媒質の屈折率及び前記第１多モード導波路メサの半導体の屈折率の関係におけるブリュースター角と等しい又はその近傍の角度をなす、マッハツェンダ変調器。
5. 前記光分波器は、１×２多モード干渉器を含む、請求項４に記載されたマッハツェンダ変調器。
6. 前記後縁は、第１基準線に沿って延在し、前記第１基準線は、前記後縁に沿って延在する直線であり、前記第２端面と前記上面は前縁を共有し、前記前縁は、第２基準線に沿って延在し、前記第２基準線は、前記前縁に沿って延在する直線であり、前記第１基準線と前記第２基準線との成す角度は、前記第１内頂点における前記第２鋭角に実質的に等しい、請求項４又は請求項５に記載されたマッハツェンダ変調器。
7. 多モード干渉器であって、
   第１軸の方向に延在する上面、第１側面及び第２側面と、前記第１軸の方向と交わるように配置された第１端面及び第２端面とを含む第１多モード導波路メサと、
   前記第１端面のポートの位置に接続される導波路メサと、
   前記第２端面の第１ポートの位置に接続される第１導波路メサと、
   前記第２端面の第２ポートの位置に接続される第２導波路メサと、
   を備え、
   前記第１多モード導波路メサの前記上面及び前記第１側面は、前記第１多モード導波路メサの第１側縁を共有し、
   前記第１多モード導波路メサの前記上面及び前記第１端面は、前記第１多モード導波路メサの端縁を共有し、
   前記第１多モード導波路メサの前記第１側縁及び前記端縁は、前記第１多モード導波路メサの前記第１側縁及び前記端縁が出会う外頂点で第１鋭角を成し、
   前記導波路メサは、上面、第１側面及び第２側面を有し、
   前記導波路メサの前記上面及び前記第１側面は、前記導波路メサの第１側縁を共有し、
   前記導波路メサの前記上面及び前記第２側面は、前記導波路メサの第２側縁を共有し、
   前記第１多モード導波路メサの前記端縁及び前記導波路メサの前記第１側縁は、第１内頂点で出会い、
   前記第１多モード導波路メサの前記端縁及び前記導波路メサの前記第２側縁は、第２内頂点で出会い、
   前記第１多モード導波路メサの前記端縁は、前記第１内頂点及び前記第２内頂点を通過する直線に対して前記第１内頂点で第２鋭角を成し、前記直線は、光の進行方向に対して垂直であり、
   前記第１端面は、光の進行方向に対して垂直な面に対し、前記第１多モード導波路メサの外側における媒質の屈折率及び前記第１多モード導波路メサの半導体の屈折率の関係におけるブリュースター角と等しい又はその近傍の角度をなす、多モード干渉器。

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