JP7160153B1 - 光波長フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】単一のＭＭＩをモード次数又は偏波によらず動作させる。【解決手段】ｑ（ｑは２以上の整数）個の光分離部と、ＭＭＩカプラを備える。光分離部は、各々１の入力ポートとＭ（Ｍは２以上の整数）の出力ポートを有し、入力ポートに入力されたＭのモードを含む入力光を各モードの光に分離して、それぞれ、第１～第Ｍ出力ポートから出力する。ＭＭＩカプラは、一端側に、第１の間隔で配置されたｐ×Ｍの入力部と、他端側に、第１の間隔で配置されたｐ×Ｍの出力部を有する。ここで、第ｕ（ｕは１以上ｐ×Ｍ以下の整数）入力部と、第ｕ出力部が対向する位置に配置されている。また、第ｓ光分離部の第ｔ出力ポートは、ＭＭＩカプラの第ｕ入力部に接続され、以下の式（１）を満たす。ｕ＝（ｓ－１）×ｐ×Ｍ／ｑ＋ｔ （１）【選択図】図１

Description

この発明は、光導波路素子に関し、例えば、光コヒーレント通信、ホモダイン検波若しくはヘテロダイン検波を行う光センサ、又は、光スイッチングに用いて好適な、光導波路素子に関する。

近年、小型化と量産性に優れることから、シリコン系素材を導波路材料として用いるシリコン（Ｓｉ）導波路が注目されている。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シリカ等を材料としたクラッドで、光導波路コアの周囲を覆う。このような構成により、光導波路コアとクラッドとの屈折率差が極めて大きくなるため、光導波路コア内に光を強く閉じ込めることができる。その結果、曲げ半径を例えば１μｍ程度まで小さくした、小型の曲線導波路を実現することができる。そのため、電子回路と同程度の大きさの光回路を作成することが可能であり、光デバイス全体の小型化に有利である。

また、Ｓｉ導波路では、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の半導体装置の製造過程を流用することが可能である。そのため、チップ上に電子機能回路と光機能回路とを一括形成する光電融合（シリコンフォトニクス）の実現が期待されている。

このＳｉ導波路を光コヒーレント検波に用いる際に有用な回路が光ハイブリッド回路である。図１０を参照して、光ハイブリッド回路の従来例を説明する。図１０は、光ハイブリッド回路の従来例を説明するための模式図である。

光ハイブリッド回路は、第１及び第２入力分岐素子５０２及び５０４と、それぞれ長手方向に延在する第１～第４光導波路５１２、５１４、５１６及び５１８と、位相回転素子５２０と、第１及び第２方向性結合器５３２及び５３４とを備えて構成される。第１入力分岐素子５０２に、第１及び第２光導波路５１２及び５１４が接続されており、第２入力分岐素子５０４に、第３及び第４光導波路５１６及び５１８が接続されている。第２光導波路５１４と第３光導波路５１６とは交差し、第１及び第３光導波路５１２及び５１６が第１方向性結合器５３２に接続され、第２及び第４光導波路５１４及び５１８が第２方向性結合器５３４に接続されている。また、第４光導波路５１８には、位相回転素子５２０が設けられている。位相回転素子５２０は、第４光導波路２１８を伝播する光に９０度（π／２）の位相回転を施す。

この光ハイブリッド回路には、これまで多くの改良が加えられている。先ず、構成要素を少なくするために、２×４型の多モード干渉（ＭＭＩ：Ｍｕｌｉ－Ｍｏｄｅ－Ｉｎｔｅｆｅｒｅｎｃｅ）カプラを使用することが考えられた（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に開示されている光ハイブリッド回路は、１つのＭＭＩカプラで実現される。

しかも、入力分岐素子と方向性結合器の間をつなぎ、９０度の位相回転を発生させるためのシングルモード導波路が存在しない。このため、シングルモード導波路で生じがちな位相誤差を回避できる。

しかし、必要な位相関係を得るためには、４本の光導波路のうち３本を交差配置する必
要がある。光導波路の交差には、ある程度の角度の保持が必要になるなど、回路の小型化が難しかったり、設計が面倒であったりする。

この特許文献１の課題を解決するために、２×４ＭＭＩカプラの４つの出力ポートのうち、２つの出力ポートに２×２ＭＭＩカプラを接続し、さらに、ＭＭＩカプラとして幅テーパＭＭＩカプラを用いる技術がある（例えば、特許文献２参照）。

また、９０度の位相回転をシングルモード導波路で生じさせるのではなく、入力分岐素子として１×２ＭＭＩカプラと２×２ＭＭＩカプラを使用する技術がある（例えば、特許文献３参照）。特許文献３の光ハイブリッド回路では、位相回転をシングルモード導波路で生じさせないことから、幅誤差に強くなる。

これらの素子は、従来、単一の偏波又は単一のモードで動作する。入力光の直交した２つの偏波に対して動作させるために、通常、入力光を偏波分離し、偏波変換により偏波を揃えて素子に入力させる（例えば、特許文献４又は５参照）。複数のモードで動作させる場合は、通常、モード分離して、それぞれのモードに対応する素子を用意する。

また、モード無依存で動作させるため、素子のポートに多モード光を入力光として入力し、素子のポートから多モード光を出力光として出力させる技術もある（例えば、非特許文献１参照）。

特表２０１２－５１８２０２号公報 特許第５２８７５２７号 特許第５２４３６０７号 特開２０１８－１４６６１４号公報 特許第５９２０４６７号

Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．３２， ｐ．８８３， ２０２０年７月１４日

上述したように、従来の９０度光ハイブリッドを、偏波無依存で使用するためには、例えば偏波分離素子及び偏波回転素子を用いて、偏波を揃える必要がある。また、非特許文献１のように多モード光を用いる場合は、設計が難しく、特性も十分ではない。

この発明は、上述の従来技術が有する問題点に鑑みてなされたものである。この発明の目的は、単一のＭＭＩをモード次数又は偏波によらず動作させる光導波路素子を提供することにある。

上述した目的を達成するために、この発明の光導波路素子は、ｑ（ｑは２以上の整数）個の光分離部と、ＭＭＩカプラを備える。光分離部は、各々１の入力ポートとＭ（Ｍは２以上の整数）の出力ポートを有し、入力ポートに入力されたＭのモードを含む入力光を各モードの光に分離して、それぞれ、第１～第Ｍ出力ポートから出力する。ＭＭＩカプラは、一端側に、第１の間隔で配置されたｐ×Ｍの入力部と、他端側に、第１の間隔で配置されたｐ×Ｍの出力部を有する。ここで、第ｕ（ｕは１以上ｐ×Ｍ以下の整数）入力部と、
第ｕ出力部が対向する位置に配置されている。また、第ｓ光分離部の第ｔ出力ポートは、ＭＭＩカプラの第ｕ入力部に接続され、以下の式（１）を満たす。

ｕ＝（ｓ－１）×ｐ×Ｍ／ｑ＋ｔ （１）
この発明の光導波路素子の好適実施形態によれば、さらに、ｐ個の光合波部を備えるのが良い。光合波部は、各々Ｍの入力ポートと１の出力ポートを有し、第１～第Ｍ入力ポートに入力された光を合波して、Ｍのモードを含む多モード光を出力ポートから出力する。このとき、ＭＭＩカプラの第ｕ´出力部は、第ｓ´光合波部の第ｔ´入力ポートに接続され、以下の式（１´）を満たす。

ｕ´＝（ｓ´－１）×Ｍ＋ｔ´ （１´）
また、この発明の光導波路素子の好適実施形態によれば、ｐが４であり、ｑが２であり、ＭＭＩカプラが、９０°光ハイブリッドとして機能する。また、この発明の光導波路素子の他の好適実施形態によれば、ｐ、ｑ及びＭが２であり、入力光を第１及び第２入力光に２等分する入力光分岐部と、第１入力光に含まれる基本モードのＴＥ波をそのまま通過させ、第１入力光に含まれるＴＭ波を１次モードのＴＥ波に変換する第１偏波変換部と、第２入力光に含まれる基本モードのＴＥ波をそのまま通過させ、第２入力光に含まれるＴＭ波を１次モードのＴＥ波に変換する第２偏波変換部と、第１偏波変換部から出力される第１入力光と、第２偏波変換部から出力される第２入力光とに所望の位相差を与える移相部とをさらに備え、移相部から出力される第１入力光及び第２入力光が、それぞれ、第１光分離部及び第２光分離部に入力され、ＭＭＩカプラが、光スイッチとして機能する。

この発明の光導波路素子によれば、９０度光ハイブリッドや光スイッチとして機能し、単一のＭＭＩをモード次数又は偏波によらず動作させることができる。

第１素子を説明するための模式図である。 第２素子を説明するための模式図である。 第３素子を説明するための模式図である。 光分離部の第１構成例を示す模式図である。 光分離部の第２構成例を示す模式図である。 第４素子を説明するための模式図である。 光波長フィルタの特性を評価するシミュレーション結果を示す図である。 光波長フィルタの特性を評価するシミュレーション結果を示す図である。 光波長フィルタの特性を評価するシミュレーション結果を示す図である。 光ハイブリッド回路の従来例を説明するための模式図である。

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

（第１素子）
図１を参照して、この発明の第１実施形態に係る光導波路素子（以下、第１素子とも称する。）を説明する。図１は、第１素子を説明するための模式図である。図１（Ａ）は、第１素子を示す概略平面図である。なお、図１（Ａ）では、光導波路コアのみを示してあ
り、後述する支持基板及びクラッドなど他の構成要素を省略して示してある。また、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す第１素子の概略的端面図である。

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、支持基板の上面に直交する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。

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

支持基板１０は、例えば単結晶Ｓｉを材料とした平板状体で構成されている。

クラッド２０は、支持基板１０上に、支持基板１０の上面を被覆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_２）を材料として形成されている。

光導波路コア３０は、支持基板１０の上面に平行に、クラッド２０中に埋設されている。光導波路コア３０は、ＳｉＯ_２のクラッド２０の屈折率（１．４５）よりも高い屈折率（３．５）を有する、例えばシリコン（Ｓｉ）を材料として形成されている。その結果、光導波路コア３０は、光の伝送路として機能し、光導波路コア３０に入力された光は、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。

光導波路コア３０の厚みは、深さ方向でシングルモード条件を達成できる値である、２００～４００ｎｍであることが望ましい。例えば、１５５０ｎｍの波長帯域で使用する場合は、光導波路コア３０の厚みを２００ｎｍにすることができる。

ここで、光導波路コア３０を伝播する光が支持基板１０へ逃げるのを防止するために、光導波路コア３０は、支持基板１０から少なくとも１μｍ以上離間して形成されているのが好ましい。

この第１素子は、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、図１に示す光導波路素子の製造方法の一例を説明する。

先ず、支持基板層、ＳｉＯ_２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、例えばドライエッチングを行い、Ｓｉ層をパターニングする。この結果、支持基板１０としての支持基板層上にＳｉＯ_２層が積層され、さらにＳｉＯ_２層上に光導波路コア３０が形成された構造体を得ることができる。その後、光導波路コア３０が形成された構造体上に、ＳｉＯ_２層を形成することで、光導波路コア３０がクラッド２０中に埋設された光導波路素子が得られる。

なお、ここでは、光導波路コア３０の厚みが均一である場合を説明したが、リブ構造の導波路など、厚みが均一でない場合は、ドライエッチングを複数回行えばよい。

また、ここでは、Ｓｉ導波路の例を説明したが、化合物半導体を用いても実現可能である。

第１素子は、光導波路コアの平面形状に応じて形成された、多モード干渉（ＭＭＩ：Ｍｕｌｔｉ Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）カプラ２００を備えて構成される。ここでは、第１素子が、光導波路素子の一例として、多モード光に対する９０度光ハイブリッドであるものとする。

ＭＭＩカプラ２００は、１の端面である一端側にこの順に並列に配置された第１～第Ｊ（Ｊは２以上の整数）入力部２１０－１～Ｊと、１の端面に対向する端面である他端側にこの順に並列に配置された第１～第Ｊ出力部２２０－１～Ｊを含んで構成される。各入力部２１０には、必要に応じて、それぞれ入力ポート２３０が設けられる。また、各出力部２２０には、必要に応じて、出力ポート２４０が設けられる。

ＭＭＩカプラ２００の一端において、各入力部２１０は、互いに等しい間隔（第１の間隔）で、配置されている。ＭＭＩカプラ２００の他端において、各出力部２２０は、入力部２１０と同様に、第１の間隔で配置されている。ここで、第ｕ入力部２１０－ｕと第ｕ出力部２２０－ｕとが対向する位置に配置されている。

ＭＭＩカプラの長さＬは、幅をＷ、等価屈折率をｎ、及び波長をλとして、下式（２）で表すことができる。

Ｌ＝４ｎＷ^２／（Ｎλ） （２）
上式（２）において、Ｎは、像形成のパラメータである。ＭＭＩカプラ２００において、入力光を４等分する場合にはＮ＝４である。ＭＭＩカプラ２００が４×４型のカプラである場合、ＭＭＩカプラ２００の幅をＷとすると、上式（２）より、ＭＭＩカプラ２００の長さＬは、Ｌ＝ｎＷ^２／λとなる。

Ｎ＝４のとき、ＭＭＩカプラ２００では入力光は４等分され、このＭＭＩカプラ２００を含む光導波路素子は９０度光ハイブリッドとして動作する。

ここで、複数のモードを含む入力光の数をｑ（ｑは２以上の整数）とし、複数のモードを含む出力光の数をｐ（ｐは２以上の整数）とする。９０度光ハイブリッドの場合、ｑは２であり、ｐは４となる。また、各入力光に含まれるモード数をＭ（Ｍは２以上の整数）とする。

ＭＭＩカプラ２００が有する入力部２１０及び出力部２２０の数Ｊは、出力光の数ｐと入力光の数ｑのいずれか大きい方を用いて定めればよい。ここでは、ｐ≧ｑの関係があるものとして説明する。この場合、ＭＭＩカプラ２００が有する入力部２１０及び出力部２２０の数Ｊは、ｐ×Ｍとなる。したがって、ＭＭＩカプラ２００として、Ｊ×Ｊ型、すなわち、（ｐ×Ｍ）×（ｐ×Ｍ）型のＭＭＩカプラが用いられる。なお、ｐ＜ｑの場合は、ｐとｑを入れ替えればよい。

第１素子は、ｑ個の光分離部１００を備える。各光分離部１００は、１の入力ポート１３０と、Ｍの出力ポート１４０を有する。

光分離部１００は、入力ポート１３０と第１出力ポート１４０－１とを接続する主導波路１１０を有する。主導波路１１０には、（Ｍ－１）の接続用導波路１１２が直列に設けられている。入力ポート１３０側の接続用導波路が、第（Ｍ－１）接続用導波路１１２－（Ｍ－１）であり、第１出力ポート１４０－１側の接続用導波路は、第１接続用導波路１１２－１である。第（Ｍ－１）接続用導波路１１２－（Ｍ－１）は、（Ｍ－１）次モード以下の光が伝播する幅で構成される。隣接する接続用導波路１１２の間、又は、接続導波路１１２と第１出力ポート１４０－１の間は、必要に応じて、テーパ導波路１１４が設けられる。

光分離部１００は、さらに、（Ｍ－１）のプローブ導波路１２２を有する。第ａ（ａは１以上（Ｍ－１）以下の整数）プローブ導波路１２２－ａは、第ａ接続用導波路１１２－
ａと近接配置されている。また、第ａプローブ導波路１２２－ａは、任意好適な曲線導波路１２４等を介して第ａ＋１出力ポート１４０－ａに接続されている。第ａプローブ導波路１２２－ａは、第ａ接続用導波路を伝播するａ次モードの光を基本モードの光に変換して、第ａ＋１出力ポート１４０－ａから出力させる。

光分離部１００の出力ポート１４０は、ＭＭＩカプラ２００の入力部２１０に接続される。ここで、第ｓ光分離部１００－ｓの第ｔ出力ポート１４０－ｔは、ＭＭＩカプラ２００の第ｕ入力部２１０－ｕに入力ポート２３０を介して接続される。ここで、上記式（１）が満たされる。

図１に示す例では、第１素子が、９０度光ハイブリッドである。この場合は、ＭＭＩカプラ２００への入力光の数ｑは２であり、ＭＭＩカプラ２００からの出力光の数ｐは４である。また、モード数Ｍを３とする。したがって、ＭＭＩカプラ２００が有する出力部の数Ｊ（＝ｐ×Ｍ）は、１２（＝４×３）となり、ＭＭＩカプラ２００として、１２×１２型のＭＭＩカプラが用いられる。

光分離部１００の入力ポート１３０に基本モード、１次モード、２次モードの３つのモードの光が入力された場合、先ず、第２接続用導波路１１２－２を伝播する２次モードの光が、第２プローブ導波路１２２－２を経て第３出力ポート１４０－３から基本モードの光として取り出される。第２接続用導波路１１２－２を伝播する、基本モード及び１次モードの光は、第１接続用導波路１１２－１に送られる。

続いて、第１接続用導波路１１２－１を伝播する１次モードの光が、第１プローブ導波路１２２－１を経て、第２出力ポート１４０－２から基本モードの光として取り出される。第１接続用導波路１１２－１を伝播する、基本モードの光は、第１出力ポート１４０－１から取り出される。

上記式（１）で与えられるように、第１光分離部１００－１の第１～３出力ポート１４０－１～３は、それぞれ、ＭＭＩカプラ２００の第１～３入力部２１０－１～３に接続され、第２光分離部１００－２の第１～３出力ポート１４０－１～３は、それぞれ、ＭＭＩカプラ２００の第７～９入力部２１０－７～９に接続される。

第１及び第２光分離部１００－１及び２の第１出力ポート１４０－１から出力されてＭＭＩカプラ２００の第１及び第７入力部２１０－１及び７に入力された光は、ＭＭＩカプラ２００で干渉して、ＭＭＩカプラ２００の第１、第６、第７及び第１２出力部２２０－１、６、７及び１２から出力ポート２４０を経て出力される。

第１及び第２光分離部１００－１及び２の第２出力ポート１４０－２から出力されてＭＭＩカプラ２００の第２及び第８入力部２１０－２及び８に入力された光は、ＭＭＩカプラ２００で干渉して、ＭＭＩカプラ２００の第２、第５、第８及び第１１出力部２２０－２、５、８及び１１から出力ポート２４０を経て出力される。

第１及び第２光分離部１００－１及び２の第３出力ポート１４０－３から出力されてＭＭＩカプラ２００の第３及び第９入力部２１０－３及び９に入力された光は、ＭＭＩカプラ２００で干渉して、ＭＭＩカプラ２００の第３、第４、第９及び第１０出力部２２０－３、４、９及び１０から出力ポート２４０を経て出力される。

以上説明したように、この第１素子によれば、簡単な構成で、多モード光の入力に対して、９０度光ハイブリッドとして動作する。

（第２素子）
図２を参照して、この発明の第２実施形態に係る光導波路素子（以下、第２素子とも称する。）を説明する。図２は、第２素子を説明するための模式図である。

図１を参照して説明した第１素子は、ＭＭＩカプラ２００の出力部２２０にそれぞれ出力ポート２４０が設けられ、各出力部２２０からの出力光がそのまま出力される。このように、第１素子では、ｑの出力光のモードごとの光が、そのまま第１素子から出力される。

これに対し、第２素子では、多モード光であるｐの出力光が取り出される。このため、第２素子では、ｐの光合波部３００を備えて構成される。第２素子は、光合波部３００を備える点を除いて第１素子と同様なので重複する説明を省略する。

各光合波部３００は、Ｍの入力ポート３３０と、１の出力ポート３４０を有する。光合波部３００は、光分離部１００と同様の構成であり、光の伝播方向に沿って逆に配置されている。光合波部３００は、第１入力ポート３３０－１と出力ポート３４０とを接続する主導波路３１０を有する。主導波路３１０には、（Ｍ－１）の接続用導波路３１２が順に直列に設けられている。第１入力ポート３３０－１側の接続用導波路が、第１接続用導波路３１２－１であり、出力ポート３４０側の接続用導波路は、第Ｍ－１接続用導波路３１２－（Ｍ－１）である。隣接する接続用導波路３１２の間、又は、接続導波路３１２と出力ポート３４０の間は、必要に応じて、テーパ導波路３１４が設けられる。

光合波部３００は、さらに、（Ｍ－１）のプローブ導波路３２２を有する。第ａプローブ導波路３２２－ａは、第ａ接続用導波路３１２－ａと近接配置されている。また、第ａプローブ導波路３２２－ａは、任意好適な曲線導波路３２４等を介して第ａ＋１入力ポート３３０－（ａ＋１）に接続されている。第ａプローブ導波路３２２－ａを伝播する基本モードの光は、第ａ接続用導波路３１２－ａを伝播するａ次モードの光に変換されて、出力ポート３４０から出力される。

図２に示す例では、図１に示す例と同様に、ＭＭＩカプラ２００への入力光の数ｑは２であり、ＭＭＩカプラ２００からの出力光の数ｐは４である。また、モード数Ｍを３とする。この場合、ＭＭＩカプラ２００が有する出力部の数Ｊ（＝ｐ×Ｍ）は、１２（＝４×３）となる。したがって、ＭＭＩカプラ２００として、１２×１２型のＭＭＩカプラが用いられる。

第ｓ´光合波部３００－ｓ´の第ｔ´入力ポート３３０－ｔ´は、ＭＭＩカプラ２００の出力部２１０に接続される。ここで、第ｓ´光合波部３００－ｓ´の第ｔ´入力ポート３４０－ｔ´は、ＭＭＩカプラ２００の第ｕ´出力部２２０－ｕ´に出力ポート２４０を介して接続される。ここで、例えば、上記式（１´）が満たされる。

光合波部３００の第１～第３入力ポート３３０－１～３に３つの基本モードの光が入力された場合、第１入力ポート３３０－１に入力された基本モードの光は、そのまま、基本モードの光として、主導波路３１０を伝播して出力ポート３４０から出力される。

第２入力ポート３３０－２に入力された基本モードの光は、第１プローブ導波路３２２－１を伝播し、第１接続用導波路３１２－１を伝播する１次モードの光に変換されて、１次モードの光として、主導波路３１０を伝播して出力ポート３４０から出力される。

第３入力ポート３３０－３に入力された基本モードの光は、第２プローブ導波路３２２－２を伝播し、第２接続用導波路３１２－２を伝播する２次モードの光に変換されて、２
次モードの光として、主導波路３１０を伝播して出力ポート３４０から出力される。

このように、光合波部３００は、光分離部１００と逆の過程で、基本モードの光から多モード光を生成し、出力ポートから出力する。

以上説明したように、この第２素子によれば、簡単な構成で、多モード光の入力に対して、９０度光ハイブリッドとして動作して、多モード光を出力する。

（第３素子）
図３を参照して、この発明の第３実施形態に係る光導波路素子（以下、第３素子とも称する。）を説明する。図３は、第３素子を説明するための模式図であり、第３素子を示す概略平面図である。なお、図３では、光導波路コアのみを示してあり、支持基板及びクラッドなど他の構成要素を省略して示してある。また、第１素子及び第２素子と重複する説明については、省略する場合がある。

第３素子は、光導波路素子の一例として、偏波無依存の９０度光ハイブリッドである。第３素子は、第１素子と同様に、９０度光ハイブリッドであるので、入力光の数ｑは２であり、出力光の数ｐは４である。また、第２素子は、偏波無依存の９０度光ハイブリッドであり、光分離部は、入力された入力光から、ＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）波の成分を基本モードのＴＥ波として出力し、ＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ）波の成分を１次モードのＴＥ波として出力する。したがって、モード数Ｍは２である。この場合、ＭＭＩカプラ２０１が有する出力部の数Ｊ（＝ｐ×Ｍ）は、８（＝４×２）となる。したがって、ＭＭＩカプラ２０１として、８×８型のＭＭＩカプラが用いられる。

第３素子では、光分離部１０１は、入力光からＴＥ波とＴＭ波を分離して出力する偏波分離素子である。光分離部１０１は、１の入力ポート１３１と、２の出力ポート１４１を有する。入力ポート１３１から入力された入力光のうち、入力光に含まれるＴＥ波が、第１出力ポート１４１－１あるいは第１出力ポート１４１－１と第２出力ポート１４１－２から出力され、入力光に含まれるＴＭ波が、ＴＥ波に変換された後、第２出力ポート１４１－２あるいは第１出力ポート１４１－１と第２出力ポート１４１－２から出力される。

第ｓ光分離部１０１－ｓの第ｔ出力ポート１４１－ｔは、ＭＭＩカプラ２０１の第ｕ入力部２１０－ｕに入力ポート２３０を介して接続される。ここで、上記の式（１）を満たす。

したがって、第１光分離部１０１－１の第１及び第２出力ポート１４１－１及び２は、それぞれ、ＭＭＩカプラ２０１の第１及び第２の入力部２１０－１及び２に接続され、第２光分離部１０１－２の第１及び第２出力ポート１３１－１及び２は、それぞれ、ＭＭＩカプラ２０１の第５及び第６入力部２１０－５及び６に接続される。

第１及び第２光分離部１０１－１及び２の第１出力ポート１４１－１から出力されてＭＭＩカプラ２０１に入力された光は、ＭＭＩカプラ２０１で干渉して、ＭＭＩカプラ２０１の第１、第４、第５及び第８出力部２２０－１、４、５及び８から出力ポート２４０を経て出力される。

第１及び第２光分離部１０１－１及び２の第２出力ポート１３１－２から出力されてＭＭＩカプラ２０１に入力された光は、ＭＭＩカプラ２０１で干渉して、ＭＭＩカプラ２－１の第２、第３、第６及び第７出力部２２０－２、３、６及び７から出力ポート２４０を経て出力される。

第３素子は、ｑ個、この例では４個の光合波部３０１を備えて構成される。

各光合波部３０１は、２の入力ポート３３１と、１の出力ポート３４１を有する。光合波部３０１は、光分離部１０１と同様に構成され、光の伝播方向に沿って逆に配置されている。

光合波部３０１の第１及び第２入力ポート３３１－１及び２にＴＥ波が入力された場合、第１入力ポート３３１－１、あるいは第１入力ポート３３１－１と第２入力ポート３３１－２に入力されたＴＥ波は、そのまま、出力ポート３４１から出力される。第２入力ポート３３１－２あるいは第１入力ポート３３１－１と第２入力ポート３３１－２に入力されたＴＥ波は、ＴＭ波に変換された後、出力ポート３４１から出力される。

この第３素子によれば、簡単な構成で、偏波無依存の９０度光ハイブリッドとして動作できる。

なお、偏波ごとに検出したい場合は、光合波部を設けずに、第１～第８出力部２２０に設けられる出力ポート２４０から、出力光を得ても良い。

図４を参照して、第３素子の光分離部の第１構成例を説明する。図４は、光分離部の第１構成例を示す模式図である。図４（Ａ）は、概略平面図である。なお、図４（Ａ）では、光導波路コアのみを示してあり、後述する支持基板及びクラッドを省略して示してある。また、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）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。

光分離部は、偏波変換部１６０と、モード分離部１８０とを備えて構成される。

偏波変換部１６０は、入力ポート側から順に直列に接続された、第１接続部１６２、主要部１６４、及び第２接続部１６６を備えて構成される。

第１接続部１６２及び第２接続部１６６は、それぞれ一定の幅の直線導波路として構成されている。

第１接続部１６２は、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波に対してシングルモード条件を達成する幅に設定されている。第２接続部１６６は、基本モード及び１次モードのＴＥ波が伝播可能な幅に設定されている。

主要部１６４は、第１接続部１６２と接続された一端から第２接続部１６６と接続された他端に向かって、連続的に幅が変化する（ここでは拡大する）テーパ形状で形成されている。

主要部１６４の一端は、第１接続部１６２と共通の幅で形成されている。従って、主要部１６４の一端は、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波に対してシングルモード条件を達成する幅に設定されている。主要部１６４の他端は、１次モードまでのＴＥ偏波が伝播可能な幅に設定されている。そして、主要部１６４は、一端から他端までの間に、基本モードのＴＭ偏波に対する等価屈折率と、１次モードのＴＥ偏波に対する等価屈折率とが一致する幅を含んでいる。

スラブ導波路１６８は、主要部１６４よりも小さい厚さで、かつ主要部１６４の光伝播方向に沿った両側面に、それぞれ主要部１６４と一体的に形成されている。このように、
主要部１６４は、スラブ導波路１６８を備えるリブ構造となっている。したがって、主要部１６４は、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、厚さ方向において偏芯する。

なお、主要部１６４では、光の電磁界分布を、厚さ方向において偏芯させる構成として、スラブ導波路１６８を設ける構成とは別の構成を用いることもできる。例えば、光導波路コア３０の長さ方向に直交する断面形状を、上底と下底とで異なる幅を有する台形状とすることでも、光の電磁界分布を、厚さ方向において偏芯させることができる。

このスラブ導波路１６８は、主要部１６４から、第１接続部１６２及び第２接続部１６６の中途に渡って形成されている。

スラブ導波路１６８は、主要部１６２から第１接続部１６２へ向かう方向に沿って、連続的に幅が縮小するように形成されている。スラブ導波路１６８は、第１接続部１６２の中途において幅が０となる。また、スラブ導波路１６８は、主要部１６４から第２接続部１６６へ向かう方向に沿って、連続的に幅が縮小するように形成されている。スラブ導波路１６８は、第２接続部１６６の中途において幅が０となる。

この構成により、リブ構造である部分と、リブ構造でない部分とが段差がなく滑らかに接続される。この結果、このリブ構造である部分と、リブ構造でない部分との境界での損失が低減される。

このように設計された主要部１６４では、第１接続部１６２から第２接続部１６６へ向かう基本モードのＴＭ偏波が、１次モードのＴＥ偏波に変換される。一方、第１接続部１６２から第２接続部１６６へ向かう基本モードのＴＥ偏波は、モード変換及び偏波変換されずに、基本モードのＴＥ偏波のまま伝播する。

偏波変換部１６０で得られる基本モードのＴＥ波と１次モードのＴＥ波は、モード分離部１８０に送られる。

モード分離部１８０は、偏波変換部１６０からＭＭＩカプラ２０１に向けて、幅が縮小する入力側テーパ部１８２と、入力側テーパ部１８２の両側に設けられ、偏波変換部１６０からＭＭＩカプラ２０１に向けて、幅が拡大する第１及び第２出力側テーパ部１８４－１及び２が設けられている。モード分離部１８０に送られた基本モードのＴＥ波と、１次モードのＴＥ波の一方、例えば、基本モードのＴＥ波が第１出力側テーパ部１８４－１と第２出力側テーパ部１８４－２に送られ、他方、例えば、１次モードのＴＥ波は基本モードのＴＥ波に変換されて第１出力側テーパ部１８４－１と第２出力側テーパ部１８４－２に送られる。

第１及び第２出力側テーパ部１８４－１及び２を伝播する光は、必要に応じて設けられる曲線導波路１８８を経て、第１及第２出力ポート１４１－１及び２からＭＭＩカプラ２０１に送られる。また、偏波変換部１６０と入力側テーパ部１８２の幅が異なる場合など、必要に応じて、テーパ導波路１８６が設けられる。

このように、光分離部では、モード分離部１８０が基本モードのＴＥ波と１次モードのＴＥ波を分割して出力する。一方、光合波部では、光分割部の逆過程が行われるので、モード分離部と同じ構成の部分は、モード合成部として機能する。モード合成部として機能する場合、第１入力ポートから入力した基本モードのＴＥ波と、第２入力ポートから入力した基本モードのＴＥ波が多モード光に合成される。

図５を参照して、第３素子の光分離部の第２構成例を説明する。図５は、光分離部の第２構成例を示す概略平面図である。

光分離部の第２構成例は、モード分離部１８１の構成が第１構成例と異なっている。第２構成例のモード分離部１８１は、偏波変換部１６０と第１出力ポート１４１－１とを接続する主導波路１９０を有する。主導波路１９０には、接続用導波路１９２が設けられている。接続用導波路１９２と偏波変換部１６０の間、及び、接続用導波路１９２と第１出力ポート１４１－２の間は、必要に応じて、テーパ導波路１９８で接続される。

モード分離部１８１は、さらに、プローブ導波路１９４を有する。プローブ導波路１９４は、接続用導波路１９２と近接配置されており、必要に応じて曲線導波路１９９を経て第２出力ポート１４１－２に接続されている。モード分離部１８１では、接続用導波路１９２を伝播する１次モードの光が、プローブ導波路１９４を伝播する基本モードの光に変換されて、第２出力ポート１４１－２から出力される。

このように、光分離部では、モード分離部１８１が基本モードのＴＥ波と１次モードのＴＥ波を分離して出力する。一方、光合波部では、光分離部の逆過程が行われるので、モード分離部と同じ構成の部分は、モード合成部として機能する。モード合成部として機能する場合、第１入力ポートから入力した基本モードのＴＥ波と、第２入力ポートから入力した１次モードのＴＥ波が多モード光に合成される。

（第４素子）
図６を参照して、この発明の第４実施形態に係る光導波路素子（以下、第４素子とも称する。）を説明する。図６は、第４素子を説明するための模式図であり、第４素子を示す概略平面図である。なお、図６では、光導波路コアのみを示してあり、支持基板及びクラッドなど他の構成要素を省略して示してある。また、第１～第３素子と重複する説明については、省略する場合がある。

第４素子は、光導波路素子の一例として、偏波無依存の光スイッチである。ここでは、１×２型光スイッチの例を説明する。入力導波路を経て第４素子に入力された光は、第１出力導波路及び第２出力導波路のいずれか一方の選択された導波路から出力される。入力導波路を経て入力された入力光は、２分岐されてＭＭＩカプラに送られるので、入力光の数ｑを２、出力光の数ｐを２として考える。

第４素子は、入力光分岐部４１０、第１及び第２偏波変換部４２０－１及び２、移相部４３０、第１及び第２光分離部１０２－１及び２、ＭＭＩカプラ２０２、並びに、第１及び第２光合波部３０２－１及び２を備えて構成される。

第４素子に入力された入力光は、入力光分岐部４１０で第１入力光及び第２入力光に２等分される。２等分された一方の第１入力光は、第１偏波変換部４２０－１に送られ、他方の第２入力光は、第２偏波変換部４２０－２に送られる。第１及び第２偏波変換部４２０－１及び２は、図４を参照して説明した、第３素子の光分離部が有する偏波変換部１６０と同様に構成することができる。したがって、第１及び第２偏波変換部４２０－１及び２の構成の説明を省略する。

第１偏波変換部４２０－１は、第１入力光に含まれる基本モードのＴＥ波をそのまま通過させ、第１入力光に含まれるＴＭ波を１次モードのＴＥ波に変換する。第１偏波変換部４２０－１で偏波変換された第１入力光は、移相部４３０に送られる。第２偏波変換部４２０－２は、第２入力光に含まれる基本モードのＴＥ波をそのまま通過させ、第２入力光に含まれるＴＭ波を１次モードのＴＥ波に変換する。第２偏波変換部４２０－２で偏波変
換された第２入力光は、移相部４３０に送られる。

移相部４３０は、例えば、第１及び第２移相導波路４３２－１及び２を備える。第１入力光は、第１移相導波路４３２－１を経て、第１光分離部１０２－１に送られる。第２入力光は、第２移相導波路４３２－２を経て、第２光分離部１０２－２に送られる。

第１及び第２移相導波路４３２－１及び２は、例えば、光導波路コア又はクラッドをヒータで加熱するなどして等価屈折率を変化させることにより、それぞれ、第１及び第２移相導波路４３２－１及び２を伝播する第１入力光と第２入力光の間に所望の位相差を与える。なお、第１及び第２移相導波路４３２－１及び２における、基本モードのＴＥ波及び１次モードのＴＥ波の両者の位相変化を同じにするために、第１及び第２移相導波路４３２－１及び２の幅は十分広い必要がある。例えば、１５５０ｎｍの波長帯で使用する場合、第１及び第２移相導波路４３２－１及び２の幅は、１．５μｍ以上であるのがよい。

移相部４３０で所望の位相差が与えられた、第１及び第２入力光は、それぞれ、第１及び第２光分離部１０２－１及び２に送られる。第１及び第２光分離部１０２－１及び２は、第１素子と同様にモード分離機能を有する構成にしてもよいし、単に、２分岐するものであってもよい。第１及び第２光分離部１０２－１及び２の出力は、４×４のＭＭＩカプラ２０２に送られる。

ＭＭＩカプラ２０２は、第１及び第２光分離部１０２－１及び２の出力光を干渉させて、第１～第４出力部２２０－１～４を経て出力する。第１～第４出力部２２０－１～４から出力された光は、第１及び第２光合波部３０２－１及び２で合成された後、出力される。光合波部３０２は、光分離部１０２と同様に構成され、光の伝播方向に沿って逆に配置されている。

なお、各構成要素の間を接続する、直線導波路、曲線導波路、テーパ導波路などの導波路については、説明を省略する。

この第４素子によれば、簡単な構成で、偏波無依存の光スイッチとして動作する。

（特性評価）
図７～図９を参照して、３次元ＢＰＭ（Ｂｅａｍ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）を用いて行った、シミュレーションを説明する。

図７（Ａ）～（Ｄ）は、図２を参照して説明した第２素子でのシミュレーション結果を示す図である。図７（Ａ）～（Ｄ）は、それぞれ、第１、第２、第５及び第６の入力部に光を入力した場合を示している。 光導波路コアを２２０ｎｍ厚のＳｉ、クラッドをＳｉＯ２、波長を１５５０ｎｍとしている。また、ＭＭＩカプラは、幅１６μｍ、長さ４１２μｍとしている。図７では、幅方向をＸ軸、長さ方向をＺ軸として示し、Ｚ＝０μｍが、入力側の面、Ｚ＝４１２μｍが出力側の面としている。

第１及び第２光分離部の第１出力ポートから出力されて、ＭＭＩカプラの第１及び第５入力部に入力された光は、ＭＭＩカプラの第１、第４、第５及び第８の出力部から出力ポートを経て出力され、第１及び第２光分離部の第２出力ポートから出力されて、ＭＭＩカプラの第２及び第６入力部に入力された光は、ＭＭＩカプラの第２、第３、第６及び第７の出力部から出力ポートを経て出力されることが、図７から示される。

図８（Ａ）～（Ｄ）は、図２を参照して説明した第２素子での、第１入力光と第２入力光間の位相差を変化させた場合の、出力強度を示す図である。図８（Ａ）～（Ｄ）は、横
軸に、第１及び第２入力光の位相差（度）を示し、縦軸は、それぞれ、第１、第２、第３及び第４光合波部からの出力強度（ａ．ｕ．）を示している。図８（Ａ）～（Ｄ）では、Ａ＝０のＴＥ波から、Ａ＝１のＴＭ波まで、偏波状態の異なる入力光の状態が示されている。これら図８（Ａ）～（Ｄ）から、第３素子が光ハイブリッドとして動作することが確かめられている。

図９（Ａ）～（Ｃ）は、図６を参照して説明した第４素子でのシミュレーション結果を示す図である。

図９（Ａ）～（Ｂ）は、それぞれ、第３及び第１入力部に光を入力した場合を示している。図９（Ａ）及び（Ｂ）から、４×４ＭＭＩカプラでは、内側の第２及び第３入力部に入力された光は、内側の第２及び第３出力部に出力され、外側の第１及び第４入力部に入力された光は、外側の第１及び第４出力部に出力されることがわかる。

図９（Ｃ）は、図６を参照して説明した第４素子での、移相部４３０で与えられる位相差を変化させた場合の、出力強度を示す図である。図９（Ｃ）は、横軸に、移相部４３０で与えられる位相差（度）を示し、縦軸は、それぞれ、第１及び第２光合波部からの出力強度（ａ．ｕ．）を示している。ここでは、Ａ＝０のＴＥ波から、Ａ＝１のＴＭ波まで、偏波状態の異なる入力光の状態が示されている。図９（Ｃ）から、第４素子が、偏波無依存の光スイッチとして動作することが示されている。

１０ 支持基板
２０ クラッド
３０ 光導波路コア
１００、１０１、１０２ 光分離部
１１０、１９０、３１０ 主導波路
１１２、１９２、３１２ 接続用導波路
１１４、１８６、１９８、３１４ テーパ導波路
１２０ 偏波変換部
１２２、１９４、３２２ プローブ導波路
１２４、１８８、１９９、３２４ 曲線導波路
１３０、１３１、２３０、３３０、３３１ 入力ポート
１４０、１４１、２４０、３４０、３４１ 出力ポート
１６０ 偏波変換部
１６２ 第１接続部
１６４ 主要部
１６６ 第２接続部
１６８ スラブ導波路
１８０、１８１ モード分離部
１８２ 入力側テーパ部
１８４ 出力側テーパ部
２００、２０１、２０２ ＭＭＩカプラ
２１０ 入力部
２２０ 出力部
３００、３０１、３０２ 光合波部
４１０ 入力光分岐部
４２０ 偏波変換部
４３０ 移相部
４３２ 移相導波路

Claims (10)

1. 各々１の入力ポートとＭ（Ｍは２以上の整数）の出力ポートを有し、
   入力ポートに入力されたＭのモードを含む入力光を各モードの光に分離して、それぞれ、第１～第Ｍ出力ポートから出力する
   ｑ（ｑは２以上の整数）個の光分離部と、
   一端側に、第１の間隔で配置されたｐ（ｐは２以上の整数）×Ｍの入力部と、他端側に、前記第１の間隔で配置されたｐ×Ｍの出力部を有し、
   第ｕ（ｕは１以上ｐ×Ｍ以下の整数）入力部と、第ｕ出力部が対向する位置に配置された
   ＭＭＩカプラと
   を備え、
   第ｓ光分離部の第ｔ出力ポートは、前記ＭＭＩカプラの第ｕ入力部に接続され、
   以下の式（１）を満たす
   ｕ＝（ｓ－１）×ｐ×Ｍ／ｑ＋ｔ （１）
   光導波路素子。
2. さらに、
   各々Ｍの入力ポートと１の出力ポートを有し、
   第１～第Ｍ入力ポートに入力された光を合波して、Ｍのモードを含む多モード光を出力ポートから出力する
   ｐ個の光合波部を備え、
   前記ＭＭＩカプラの第ｕ´出力部は、第ｓ´光合波部の第ｔ´入力ポートに接続され、
   以下の式（１´）を満たす
   ｕ´＝（ｓ´－１）×Ｍ＋ｔ´ （１´）
   請求項１に記載の光導波路素子。
3. 第ｓ光分離部は、
   （Ｍ－１）の接続用導波路を直列に有する主導波路と、
   第ａ（ａは１以上（Ｍ－１）以下の整数）接続用導波路と近接配置された第ａプローブ導波路と
   を備え、
   前記主導波路は、第１出力ポートに接続され、
   前記第ａプローブ導波路は、第ａ＋１出力ポートに接続される
   請求項１に記載の光導波路素子。
4. 第ｓ光分離部は、
   （Ｍ－１）の接続用導波路を直列に有する主導波路と、
   第ａ（ａは１以上（Ｍ－１）以下の整数）接続用導波路に近接配置された第ａプローブ導波路と
   を備え、
   主導波路は、第１出力ポートに接続され、
   第ａプローブ導波路は、第ａ＋１出力ポートに接続されて構成され、
   第ｓ光合波部は、
   （Ｍ－１）の接続用導波路を直列に有する主導波路と、
   第ａ接続用導波路に近接配置された第ａプローブ導波路と
   を備え、
   主導波路は、第１入力ポートに接続され、
   第ａプローブ導波路は、第ａ＋１入力ポートに接続されて構成される
   請求項２に記載の光導波路素子。
5. Ｍが２であり、
   前記光分離部は、１入力２出力のＹ分岐構造である
   請求項１に記載の光導波路素子。
6. Ｍが２であり、
   前記光分離部は、１入力２出力のＹ分岐構造である
   前記光合波部は、２入力１出力のＹ分岐構造である
   請求項２に記載の光導波路素子。
7. 前記光分離部は、
   基本モードのＴＥ波をそのまま通過させ、ＴＭ波を１次モードのＴＥ波に変換する偏波変換部と、
   基本モードのＴＥ波を第１出力ポートから出力させ、１次モードのＴＥ波を第２出力ポートから出力させるモード分離部と
   を備える請求項５に記載の光導波路素子。
8. 前記光分離部は、
   基本モードのＴＥ波をそのまま通過させ、ＴＭ波を１次モードのＴＥ波に変換する偏波変換部と、
   基本モードのＴＥ波を第１出力ポートから出力させ、１次モードのＴＥ波を第２出力ポートから出力させるモード分離部と
   を備え、
   前記光光合波部は、
   第１入力ポートから入力した基本モードのＴＥ波と、第２入力ポートから入力した１次モードのＴＥ波を合成するモード合成部と、
   基本モードのＴＥ波をそのまま通過させ、１次モードのＴＥ波をＴＭ波に変換して出力ポートから出力させるする偏波変換部と、
   を備える請求項６に記載の光導波路素子。
9. ｐが４であり、ｑが２であり、前記ＭＭＩカプラが、９０°光ハイブリッドとして機能する
   請求項１～８のいずれか一項に記載の光導波路素子。
10. ｐ、ｑ及びＭが２であり、
    入力光を第１及び第２入力光に２等分する入力光分岐部と、
    第１入力光に含まれる基本モードのＴＥ波をそのまま通過させ、第１入力光に含まれるＴＭ波を１次モードのＴＥ波に変換する第１偏波変換部と、
    第２入力光に含まれる基本モードのＴＥ波をそのまま通過させ、第２入力光に含まれるＴＭ波を１次モードのＴＥ波に変換する第２偏波変換部と、
    第１偏波変換部から出力される第１入力光と、第２偏波変換部から出力される第２入力光とに所望の位相差を与える移相部と
    をさらに備え、
    移相部から出力される第１入力光及び第２入力光が、それぞれ、第１光分離部及び第２光分離部に入力され、
    前記ＭＭＩカプラが、光スイッチとして機能する
    請求項１～８のいずれか一項に記載の光導波路素子。

Images