JPWO2018078992A1 - 光合波器 - Google Patents

Abstract

２つの入力導波路（２１，２２）は半導体材料で作製されている。１つの出力導波路（３１）は半導体材料で作製されている。多モード干渉部（１０）は半導体材料で作製されている。多モード干渉部（１０）は、入力導波路（２１，２２）が接続された入射端面（１０ａ）と、入射端面（１０ａ）に対向し出力導波路（３１）が接続された出射端面（１０ｂ）とを有している。多モード干渉部（１０）は、入力導波路（２１，２２）および出力導波路（３１）の導波路幅に比して広い導波路幅を有している。２つの不要光導波路（４１，４２）は半導体材料で作製されている。不要光導波路（４１，４２）は、出力導波路（３１）を挟むように多モード干渉部（１０）の出射端面（１０ｂ）に接続されている。不要光導波路（４１，４２）の各々はシングルモード条件を満たしている。

Description

本発明は、光合波器に関するものであり、特に、多モード干渉型光合波器に関するものである。

光集積回路における光合波器として多モード干渉型光合波器が利用されている。複数光源の集積化が進む中、光合波器の低損失化および低反射化が求められている。

例えば特開２０１０−２３７３７６号公報（特許文献１）によれば、誘電体基板の表面にマッハツェンダー型導波路が形成された光変調器が開示されている。誘電体としては、例えば、ニオブ酸リチウムが用いられる。マッハツェンダー型導波路の出射側のＹ合波部の合波後の導波路はマルチモード導波路である。マルチモード導波路が出力主導波路に変更される箇所に、出力副導波路が接続されている。出力副導波路は、放射モード光を導出する高次モード用導波路である。

特開２０１０−２３７３７６号公報

上記公報に記載の技術においては、強誘電体材料であるニオブ酸リチウム等から導波路が形成される。もし同様の機能を有する導波路が半導体材料によって形成されるとすると、その設計寸法は１／１０以下となる。このため、出力主導波路と、高次モード用導波路である出力副導波路との間の間隔が狭くなる。よって、これら導波路を形成するための、エッチングによる微細加工が難しくなる。よって、導波路の形状が設計からずれたものとなりやすい。その結果、望ましくない、光の反射が増加し得る。

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、光の反射を低減することができる光合波器を提供することである。

本発明の光合波器は、２つの入力導波路と、１つの出力導波路と、多モード干渉部と、２つの不要光導波路とを有している。入力導波路は半導体材料で作製されている。出力導波路は半導体材料で作製されている。多モード干渉部は半導体材料で作製されている。多モード干渉部は、入力導波路が接続された入射端面と、入射端面に対向し出力導波路が接続された出射端面とを有している。多モード干渉部は、入力導波路および出力導波路の導波路幅に比して広い導波路幅を有している。不要光導波路は半導体材料で作製されている。不要光導波路は、出力導波路を挟むように多モード干渉部の出射端面に接続されている。不要光導波路の各々はシングルモード条件を満たしている。

本発明によれば、不要光導波路はシングルモード条件を満たす。これにより、不要光導波路がシングルモード条件を満たさない場合に比して、不要光導波路の導波路幅が小さくなる。よって、不要光導波路の各々と、出力導波路との間の間隔が広くなる。よって、これら導波路を形成するための、エッチングによる微細加工が容易となる。よって導波路の形状を、精度よく設計に従ったものとすることができる。その結果、加工誤差に起因しての光の反射の増加が抑制される。すなわち、光の反射を低減することができる。これにより光波形が改善される。

この発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

本発明の実施の形態１に係る光合波器の構成を概略的に示す平面図である。 本発明の実施の形態１に係る光合波器の構成を概略的に示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る光合波器における透過光の光強度分布の計算結果の例を示す平面図である。 出力導波路と不要光導波路との間の角度と、反射率との関係の計算結果の例を示すグラフ図である。 比較例における光合波器の構成を示す平面図である。 比較例における光合波器の構成を示す平面図である。 本発明の実施の形態２に係る光合波器の構成を概略的に示す平面図である。 本発明の実施の形態３に係る光合波器の構成を概略的に示す平面図である。 本発明の実施の形態４に係る光合波器の構成を概略的に示す平面図である。 本発明の実施の形態５に係る光合波器の構成を概略的に示す平面図である。 本発明の実施の形態６に係る光合波器の構成を概略的に示す平面図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る光合波器１００の構成を概略的に示す平面図である。図２は、その斜視図である。光合波器１００は、基板５０と、コア層５１と、クラッド層５２，５３とを有している。コア層５１は厚み方向においてクラッド層５２および５３の間に配置されている。コア層５１、クラッド層５２および５３は積層体を構成しており、当該積層体が基板５０に支持されている。光合波器１００は、多モード干渉（ＭＭＩ：Ｍｕｌｔｉ Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）型の光合波器である。具体的には、光合波器１００は、２つの入力導波路２１，２２と、１つの出力導波路３１と、多モード干渉部１０と、２つの不要光導波路４１，４２とを有しており、これら部材の各々は上記積層体によって構成されている。

入力導波路２１，２２は半導体材料で作製されている。出力導波路３１は半導体材料で作製されている。多モード干渉部１０は半導体材料で作製されている。不要光導波路４１，４２は半導体材料で作製されている。これらの半導体材料は、同じものであってもよい。半導体材料を用いることによって、誘電体材料であるニオブ酸リチウム（ＬＮ）を用いたときに比べて、光合波器のサイズを１／１０以下にすることができる。半導体材料としては、例えば、インジウム−リン（ＩｎＰ）、インジウム−ガリウム−ヒ素−リン（ＩｎＧａＡｓＰ）、アルミニウム−ガリウム−インジウム−ヒ素（ＡｌＧａＩｎＡｓ）、インジウム−ガリウム−ヒ素（ＩｎＧａＡｓ）等を用い得る。

多モード干渉部１０は、入射端面１０ａと、入射端面１０ａに対向する出射端面１０ｂとを有している。入射端面１０ａは、多モード干渉部１０への光の入射がなされる面である。入射される光はシングルモード光およびマルチモード光のいずれであってもよい。出射端面１０ｂは、多モード干渉部１０からの光の出射がなされる面である。出射される光はシングルモード光およびマルチモード光のいずれであってもよい。また多モード干渉部１０は、端面１０ｃと、端面１０ｃに対向する１０ｄとを有している。平面視において、入射端面の中央と、出射端面の中央とを通る直線を、中央線ＣＬと定義する。図１の平面視においては、入射端面１０ａの中央と、出射端面１０ｂの中央とを通る直線が、中央線ＣＬである。入射端面１０ａと、出射端面１０ｂと、端面１０ｃと、端面１０ｄとは、図１において、略長方形の形状をなしている。言い換えれば、多モード干渉部１０は平面視において略長方形の形状を有している。よって本実施の形態においては、入射端面１０ａの寸法（図１における縦方向の寸法）と、出射端面１０ｂの寸法（図１における縦方向の寸法）とは、ほぼ同じである。

入力導波路２１，２２は入射端面１０ａに接続されている。言い換えれば、入射端面１０ａには、入力導波路２１および２２のそれぞれが接続される入力ポートＰ２１およびＰ２２が設けられている。入力ポートＰ２１およびＰ２２は、入射端面１０ａにおいて中央線ＣＬに対して、おおよそ線対称の位置に配置されていることが好ましい。

多モード干渉部１０は、入力導波路２１の導波路幅Ｗ０ａ、入力導波路２２の導波路幅Ｗ０ｂ、および出力導波路３１の導波路幅Ｗ０ｃに比して、より広い導波路幅Ｗ２を有している。導波路幅Ｗ２は、上述した入射端面１０ａの寸法に対応している。

多モード干渉部１０は、出射端面１０ｂの１ヶ所で収束光を得られるように構成されている。出力導波路３１は出射端面１０ｂに接続されている。言い換えれば、出射端面１０ｂには、出力導波路３１が接続される出力ポートＰ３１が設けられている。出力ポートＰ３１は、上記の収束光を多モード干渉部１０から出力させる（取り出す）ためのものである。出力ポートＰ３１は、出射端面１０ｂの中央に配置されることが好ましい。言い換えれば、図１において、距離Ｘ３は導波路幅Ｗ２の約１／２である。ここで、距離Ｘ３は、入射端面１０ａにおいて、図１における上端から（すなわち端面１０ｃから）、出力ポートＰ３１の幅方向（図１における縦方向）の中心までの距離である。

入力ポートＰ２１，Ｐ２２は、上記の収束光が出射端面１０ｂの中央付近に位置するように配置されている。具体的には、入力ポートＰ２１は、入射端面１０ａにおいて、図１における上端から（すなわち端面１０ｃから）、入射端面１０ａの寸法（図１における縦方向の寸法）の約１／４離れて配置されており、また入力ポートＰ２２は、入射端面１０ａにおいて、図１における上端から入射端面１０ａの寸法の約３／４離れて配置されている。言い換えれば、入力ポートＰ２１は、入射端面１０ａにおいて、図１における下端から（すなわち端面１０ｄから）、入射端面１０ａの寸法の約３／４離れて配置されており、また入力ポートＰ２２は、入射端面１０ａにおいて、図１における下端から入射端面１０ａの寸法の約１／４離れて配置されている。

言い換えれば、図１において、距離Ｘ１およびＸ２の各々は導波路幅Ｗ２の約１／４である。ここで、距離Ｘ１は、入射端面１０ａにおいて、図１における上端から（すなわち端面１０ｃから）、入力ポートＰ２１の幅方向（図１における縦方向）の中心までの距離である。また距離Ｘ２は、入射端面１０ａにおいて、図１における下端から（すなわち端面１０ｄから）、入力ポートＰ２２の幅方向（図１における縦方向）の中心までの距離である。

不要光導波路４１，４２は多モード干渉部１０の出射端面１０ｂに接続されている。言い換えれば、出射端面１０ｂには、不要光導波路４１および４２のそれぞれが接続される不要光ポートＰ４１およびＰ４２が設けられている。不要光導波路４１，４２は、出力導波路３１を挟むように出射端面１０ｂに接続されている。言い換えれば、不要光導波路４１および４２のそれぞれは出射端面１０ｂ上において出力導波路３１の両側に接続されている。さらに言い換えれば、出力導波路３１は出射端面１０ｂに不要光導波路４１および４２の間で接続されている。不要光ポートＰ４１およびＰ４２は、出射端面１０ｂにおいて中央線ＣＬに対して、おおよそ線対称の位置に配置されていることが好ましい。

不要光導波路４１および４２のそれぞれは、多モード干渉部１０の導波路幅Ｗ２に比して、より狭い導波路幅Ｗ１ａおよびＷ１ｂを有している。不要光導波路４１および４２の各々はシングルモード条件を満たしている。よって、不要光導波路４１，４２に入った光は不要光導波路４１，４２中を、高次モードではなく基本モードで伝搬する。好ましくは、不要光導波路４１および４２のそれぞれは、出力導波路３１に対して、０度より大きく８５度より小さい角度θａおよびθｂで延びている。なお、以下において、角度θａおよびθｂを総称して角度θということがある。

シングルモード条件について一例を示す。屈折率ｎ_１のコア層５１と、屈折率ｎ_２のクラッド層５２と、屈折率ｎ_３のクラッド層５３とを有するスラブ導波路を考える。コア層５１の厚さをｄ、真空中での光の波長をλ_０とする。また
ａ ＝ （ｎ_３ ^２−ｎ_１ ^２）／（ｎ_２ ^２−ｎ_３ ^２）
Ｖ ＝ （２π／λ_０）・ｄ・（ｎ_２ ^２−ｎ_３ ^２）^１／２
とおく。この場合、
Ｖ ＜ （π／２）＋（１／２）・ａｒｃｔａｎ（ａ^１／２）
であれば、当該導波路はシングルモード条件を満たす。シングルモード条件を満たす導波路中では、光は基本モードで伝搬する。

不要光導波路４１および４２が設けられることによって、出射端面１０ｂのうち出力ポートＰ３１が設けられていない部分での光の反射が抑制される。言い換えれば、仮に不要光導波路４１および４２がなければ反射されてしまう光が、不要光ポートＰ４１またはＰ４２を介して不要光導波路４１または４２によって多モード干渉部１０の外部へ取り出される。

図３は、光合波器１００（図１）の入力ポートＰ２１から波長１．２９５μｍのＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ）偏光が入射される場合における、透過光の光強度分布の計算結果の例を示す平面図である。本計算における「透過光」は、光合波器１００において、入力ポートＰ２１から出力ポートＰ３１に向かう光である。図中、より明るい箇所ほど光の強度がより強いことを示す。なお、白線は光合波器１００の輪郭を示しており、その長方形の部分は多モード干渉部１０に対応している。ここで、「計算」は、コンピュータ等が行う計算を意味するものであり、以下においても同様である。

計算結果（図３）によれば、不要光は、出射端面１０ｂにおいて、入射端面１０ａにおける入力ポートＰ２１およびＰ２２に対応した位置で、高い強度を有している。言い換えれば、不要光は、出射端面１０ｂにおいて、図３における上端から（すなわち図１における端面１０ｃから）、入射端面１０ａの寸法（図３における縦方向の寸法）の約１／４離れた位置および約３／４離れた位置で、高い強度を有している。この結果から、不要光ポートＰ４１は、出射端面１０ｂにおいて、図３における上端から（すなわち図１における端面１０ｃから）、出射端面１０ｂの寸法（図１における縦方向の寸法）の約１／４離れて配置され、また不要光ポートＰ４２は、出射端面１０ｂにおいて、図３における上端から出射端面１０ｂの寸法の約３／４離れて配置されることが好ましいことがわかる。言い換えれば、不要光ポートＰ４１は、出射端面１０ｂにおいて、図３における下端から（すなわち図１における端面１０ｄから）、出射端面１０ｂの寸法の約３／４離れて配置され、また不要光ポートＰ４２は、出射端面１０ｂにおいて、図３における下端から出射端面１０ｂの寸法の約１／４離れて配置されることが好ましいことがわかる。言い換えれば、図１において、距離Ｘ４およびＸ５の各々は、導波路幅Ｗ２の約１／４であることが好ましいことがわかる。ここで、距離Ｘ４は、出射端面１０ｂにおいて、図１における上端から（すなわち図１における端面１０ｃから）、不要光ポートＰ４１の幅方向（図１における縦方向）の中心までの距離である。また距離Ｘ５は、出射端面１０ｂにおいて、図１における下端から（すなわち図１における端面１０ｄから）、不要光ポートＰ４２の幅方向（図１における縦方向）の中心までの距離である。

次に、上記計算に用いられる寸法条件の詳細について説明する。入力導波路２１の導波路幅Ｗ０ａ、入力導波路２２の導波路幅Ｗ０ｂ、および出力導波路３１の導波路幅Ｗ０ｃは、１．４μｍである。不要光導波路４１の導波路幅Ｗ１ａ、および不要光導波路４２の導波路幅Ｗ１ｂは、２．１μｍである。多モード干渉部１０の導波路幅Ｗ２は１２．０μｍである。距離Ｘ１およびＸ２の各々は３．０μｍである。距離Ｘ３は６．０μｍである。距離Ｘ４およびＸ５の各々は３．０μｍである。端面１０ｃおよび１０ｄの各々の長さＬは、１７９μｍである。

不要光導波路４１および４２の各々と出力導波路３１との間の角度θａ，θｂは、０度より大きく８５度より小さい角度であって、かつ、光合波器１００が作製される際にエッチングが十分な精度で行える角度である。ここで角度θの符号は、図１における矢印に示されているように、出射端面１０ｂから離れるにつれて不要光導波路４１，４２の各々と出力導波路３１との間隔が離れていく場合を正とする。上記計算においては、角度θａと角度θｂとが等しいものとされている。

また上記計算においては、入力ポートＰ２１およびＰ２２は、入射端面１０ａにおいて中央線ＣＬに対しておおよそ線対称に配置される。また出力ポートＰ３１は出射端面１０ｂにおいて中央線ＣＬ上に配置される。また不要光ポートＰ４１およびＰ４２は、出射端面１０ｂにおいて中央線ＣＬに対して、おおよそ線対称に配置される。なお、例えば上述した具体的寸法値と同程度の寸法値が用いられる場合、各ポートの位置に関して、０．２μｍ程度の誤差は、大きな悪影響を及ぼさないものと考えられる。他の実施の形態においても、この程度の誤差は許容されると考えられる。

図４は、０度≦θ≦８５度の範囲での角度θ（図１における角度θａおよびθｂ）と、反射率との関係の計算結果の例を示すグラフ図である。ここで、反射率は、出力端面１０ｂで反射し入力導波路２１に結合する反射光（反射戻り光）の強度の、入射光強度に対する比率である。図５は、不要光導波路４１および４２を有しない比較例の光合波器１００Ａの構成を示す平面図である。比較例の光合波器１００Ａの反射率は、図４の実線に示されているように、−１２．７１ｄＢと計算される。一方、実施例の、不要光導波路４１および４２が設けられる光合波器１００では、特に角度θが８５度よりも小さい場合、図４のプロットに示されているように、光合波器１００Ａの反射率−１２．７１ｄＢに比して、反射率が顕著に低いことがわかる。

また図６は、角度θ＝０度の場合に対応する比較例の光合波器１００Ｂの構成を示す平面図である。光合波器１００Ｂの反射率は、図４におけるθ＝０度に対応し、−５６．６５ｄＢと計算される。よって光合波器１００Ｂは、十分に低い反射率を有している。しかしながら、角度θが０度であることに起因して、出力導波路３１と不要光導波路４１および４２とを形成するための、エッチングによる微細加工が難しくなる。このことについて、以下に説明する。なお以下において、入射端面１０ａから出射端面１０ｂ側に向かう方向（図１における右方向）を光伝搬方向ともいう。

出射端面１０ｂから光伝搬方向へ距離Ｚ（図１）離れた位置における不要光導波路４１と出力導波路３１との間隔Ｄａは、
Ｄａ＝｛Ｗ２／４−Ｗ１ａ／（２・ｃｏｓθａ）−Ｗ０／２｝＋Ｚ・ｔａｎθａ
となる。同様に、出射端面１０ｂから光伝搬方向へ距離Ｚ離れた位置における不要光導波路４２と出力導波路３１との間隔Ｄｂは、
Ｄｂ＝｛Ｗ２／４−Ｗ１ｂ／（２・ｃｏｓθｂ）−Ｗ０／２｝＋Ｚ・ｔａｎθｂ
となる。角度θａ，θｂが０度より小さい場合は、距離Ｚが増えるにつれて間隔Ｄａ，Ｄｂが小さくなる。言い換えれば、出射端面１０ｂから離れるにつれて、不要光導波路４１および４２の各々と出力導波路３１との間の間隔が狭くなる。このため、出力導波路３１と不要光導波路４１および４２とを形成するための、エッチングによる微細加工が非常に難しくなる。また、角度θａ，θｂが０度の場合は、図６に示されているように、不要光導波路４１および４２の各々と出力導波路３１とが出射方向へ、最小の間隔Ｄａ，Ｄｂを保って延びる。この場合も出力導波路３１と不要光導波路４１および４２とを形成するための微細加工が難しくなる。また設計上の角度θａ，θｂが０度であっても実際の角度θａ，θｂは製造誤差によって０度よりも小さくなり得る。よって、角度θａ，θｂは、図１に示されているように、０度よりも大きいことが好ましい。

なお、図１の光合波器１００の構成は一例である。例えば、多モード干渉部、入力導波路、出力導波路、および不要光導波路のサイズ、ポートの位置等は、任意に変更されてよい。

本実施の形態によれば、不要光導波路４１，４２はシングルモード条件を満たしている。これにより、不要光導波路４１，４２がシングルモード条件を満たさない場合に比して、不要光導波路４１，４２の導波路幅Ｗ１ａ，Ｗ１ｂが小さくなる。よって、不要光導波路４１，４２の各々と、出力導波路３１との間の間隔が広くなる。よって、これら導波路を形成するための、エッチングによる微細加工が容易となる。一例を挙げれば、マスクマージンが１０％改善する実験結果が得られた。よって導波路の形状を、精度よく設計に従ったものとすることができる。その結果、加工誤差に起因しての光の反射の増加が抑制される。すなわち、光の反射を低減することができる。これにより光波形が改善される。

好ましくは、不要光導波路４１，４２の各々は、出力導波路３１に対して、０度より大きく８５度より小さい角度θで延びている。角度θが０度より大きいことによって、不要光導波路４１，４２の各々と出力導波路３１との間の間隔は、出射端面１０ｂから離れるにつれて大きくなる。この場合、出射端面１０ｂから離れた箇所における不要光導波路４１，４２の各々と出力導波路３１との間の間隔は、出射端面１０ｂ上での不要光導波路４１，４２の各々と出力導波路３１との間の間隔よりも大きい。これにより、導波路を形成するための微細加工が、出射端面１０ｂ上の箇所だけでなく出射端面１０ｂから離れた箇所においても容易となる。よって導波路の形状を、より精度よく設計に従ったものとすることができる。その結果、加工誤差に起因しての光の反射の増加がより抑制される。すなわち、光の反射をより低減することができる。また、角度θが８５度よりも小さいことによって、図４に示すように、光の反射をより低減することができる。

＜実施の形態２＞
図７は、本発明の実施の形態２に係る光合波器１０１の構成を概略的に示す平面図である。はじめに、光合波器１０１の構成の概要について説明する。

光合波器１０１は、多モード干渉部１０（図１）に代わり、多モード干渉部１１を有している。多モード干渉部１１の材料は、多モード干渉部１０（図１：実施の形態１）のものと同様の半導体材料である。多モード干渉部１１には、入射端面１１ａと出射端面１１ｂと端面１１ｃと端面１１ｄとが設けられており、それぞれ多モード干渉部１０の入射端面１０ａと出射端面１０ｂと端面１０ｃと端面１０ｄとに対応している。図７の平面視においては、入射端面１１ａの中央と、出射端面１１ｂの中央とを通る直線が、中央線ＣＬである。

多モード干渉部１１は、多モード干渉部１０（図１）と同様に略長方形の形状を有する長方形部１１ｎと、略台形形状を有するテーパ部ＴＰ１とを含む。テーパ部ＴＰ１は、具体的には、出射端面１１ｂへのテーパ形状を有している。ここで、「出射端面１１ｂへのテーパ形状」とは、出射端面１１ｂに向かって（図７における右方向に向かって）、幅寸法（図７における縦方向の寸法）が小さくなる形状のことである。

長方形部１１ｎは、２つの入力導波路２１，２２が接続される入射端面１１ａを有している。言い換えれば、入射端面１１ａには入力ポートＰ２１，Ｐ２２が設けられている。入力ポートＰ２１およびＰ２２は、入射端面１１ａにおいて中央線ＣＬに対して、おおよそ線対称の位置に配置されていることが好ましい。長方形部１１ｎの、入射端面１１ａと反対側は、テーパ部ＴＰ１につながっている。入射端面１１ａの両端には、互いに対向する端面１１ｃおよび１１ｄがつながっている。

テーパ部ＴＰ１は、出力導波路３１と２つの不要光導波路４１，４２とが接続される出射端面１１ｂを有している。言い換えれば、出射端面１１ｂには、出力ポートＰ３１と、不要光ポートＰ４１，Ｐ４２とが設けられている。テーパ部ＴＰ１の、出射端面１１ｂと反対側は、長方形部１１ｎにつながっている。出射端面１１ｂの両端には、互いに対向する端面１１ｃおよび１１ｄがつながっている。

端面１１ｃおよび１１ｄは、長方形部１１ｎにおいては互いに略平行であり、テーパ部ＴＰ１においては出射端面１１ｂに向かって互いの間隔が小さくなっている。よって、入射端面１１ａの寸法（図７における縦方向の寸法）に比して、出射端面１１ｂの寸法（図７における縦方向の寸法）の方が小さい。

上記以外の構成については、上述した実施の形態１の構成とおおよそ同様ではあるが、以下に詳しく説明する。

多モード干渉部１１は、入力導波路２１の導波路幅Ｗ０ａ、入力導波路２２の導波路幅Ｗ０ｂ、および出力導波路３１の導波路幅Ｗ０ｃに比して、より広い導波路幅Ｗ２を有している。導波路幅Ｗ２は、上述した入射端面１１ａの寸法に対応しており、本実施の形態においては多モード干渉部１１の長方形部１１ｎの導波路寸法である。

多モード干渉部１１は、出射端面１１ｂの１ヶ所で収束光を得られるように構成されている。出力ポートＰ３１は、この収束光を多モード干渉部１１から出力させる（取り出す）ためのものである。出力ポートＰ３１は、出射端面１１ｂの中央に配置されることが好ましい。言い換えれば、図７において、距離Ｘ３は導波路幅Ｗ２の約１／２である。ここで、距離Ｘ３は、入射端面１１ａにおいて、図７における上端から（すなわち端面１１ｃから）、出力ポートＰ３１の幅方向（図７における縦方向）の中心までの距離である。

入力ポートＰ２１，Ｐ２２は、上記の収束光が出射端面１１ｂの中央付近に位置するように配置されている。具体的には、入力ポートＰ２１は、入射端面１１ａにおいて、図７における上端から（すなわち端面１１ｃから）、入射端面１１ａの寸法（図７における縦方向の寸法）の約１／４離れて配置されており、また入力ポートＰ２２は、入射端面１１ａにおいて、図７における上端から入射端面１１ａの寸法の約３／４離れて配置されている。言い換えれば、入力ポートＰ２１は、入射端面１１ａにおいて、図７における下端から（すなわち端面１１ｄから）、入射端面１１ａの寸法の約３／４離れて配置されており、また入力ポートＰ２２は、入射端面１１ａにおいて、図７における下端から入射端面１１ａの寸法の約１／４離れて配置されている。言い換えれば、図７において、距離Ｘ１およびＸ２の各々は、導波路幅Ｗ２の約１／４である。ここで、距離Ｘ１は、入射端面１１ａにおいて、図７における上端から（すなわち端面１１ｃから）、入力ポートＰ２１の幅方向（図７における縦方向）の中心までの距離である。また距離Ｘ２は、入射端面１１ａにおいて、図７における下端から（すなわち端面１１ｄから）、入力ポートＰ２２の幅方向（図７における縦方向）の中心までの距離である。

不要光導波路４１，４２は、出力導波路３１を挟むように出射端面１１ｂに接続されている。言い換えれば、不要光導波路４１および４２のそれぞれは出射端面１１ｂ上において出力導波路３１の両側に接続されている。さらに言い換えれば、出力導波路３１は出射端面１１ｂに不要光導波路４１および４２の間で接続されている。不要光ポートＰ４１およびＰ４２は、出射端面１１ｂにおいて中央線ＣＬに対して、おおよそ線対称の位置に配置されていることが好ましい。

不要光導波路４１，４２は、多モード干渉部１１の導波路幅Ｗ２に比して、より狭い導波路幅Ｗ１ａ，Ｗ１ｂを有している。不要光導波路４１および４２の各々はシングルモード条件を満たしている。よって、不要光導波路４１，４２に入った光は不要光導波路４１，４２中を、高次モードではなく基本モードで伝搬する。好ましくは、不要光導波路４１，４２の各々は、出力導波路３１に対して、０度より大きく８５度より小さい角度θａ，θｂで延びている。

実施の形態１の場合と同様の理由で、不要光ポートＰ４１は、出射端面１１ｂにおいて、点Ｐ（図７）から導波路幅Ｗ２の約１／４離れて配置され、また不要光ポートＰ４２は、出射端面１１ｂにおいて、点Ｐから導波路幅Ｗ２の約３／４離れて配置されることが好ましい。ここで点Ｐは、長方形部１１ｎにおける端面１１ｃを延長した線である延長線１１ｃ’と、出射端面１１ｂを延長した線である延長線１１ｂ’との交点である。言い換えれば、図７において、距離Ｘ４およびＸ５の各々は、導波路幅Ｗ２の約１／４であることが好ましいことがわかる。ここで、距離Ｘ４は、長方形部１１ｎにおける端面１１ｃから、不要光ポートＰ４１の幅方向（図７における縦方向）の中心までの距離である。また距離Ｘ５は、長方形部１１ｎにおける端面１１ｄから、不要光ポートＰ４２の幅方向（図７における縦方向）の中心までの距離である。

上述した配置が用いられる場合、出射端面１１ｂの幅は入射端面１１ａの幅よりも、｛Ｗ２／２−Ｗ１ａ／（２・ｃｏｓθａ）−Ｗ１ｂ／（２・ｃｏｓθｂ）｝小さい。これにより不要光ポートＰ４１，Ｐ４２は、本実施の形態においては、出射端面１１ｂの両端に配置されている。

光合波器１０１についても、光合波器１００（図１）の場合と同様、例えば、導波路幅Ｗ０ａ＝１．４μｍ、導波路幅Ｗ０ｂ＝１．４μｍ、導波路幅Ｗ０ｃ＝１．４μｍ、導波路幅Ｗ１ａ＝２．１μｍ、導波路幅Ｗ１ｂ＝２．１μｍ、導波路幅Ｗ２＝１２．０μｍ、距離Ｘ１＝Ｘ２＝３．０μｍ、距離Ｘ３＝６．０μｍ、距離Ｘ４＝Ｘ５＝３．０μｍ、長さＬ＝１７９μｍとされ得る。ここで長さＬは、中央線ＣＬに沿った方向における寸法である。またこの長さＬに含まれるテーパ部ＴＰ１の長さは２０μｍとされ得る。

なお、図７の光合波器１０１の構成は一例である。例えば、多モード干渉部、入力導波路、出力導波路、および不要光導波路のサイズ、ポートの位置等は、任意に変更されてよい。

本実施の形態によれば、多モード干渉部１１は、出射端面１１ｂに向かうテーパ形状を有するテーパ部ＴＰ１を含む。これにより、出射端面１１ｂのうち導波路が接続されていない部分のサイズが小さくなる。よって出射端面１１ｂにおける光の反射を低減することができる。

＜実施の形態３＞
図８は、本発明の実施の形態３に係る光合波器１０２の構成を概略的に示す平面図である。不要光導波路４１，４２の各々は、多モード干渉部１０の出射端面１０ｂに接続された一方端（図中、左端）と、一方端と反対の他方端（図中、右端）とを有している。光合波器１０２は、不要光導波路４１，４２の各々の他方端に接続されかつ不要光導波路４１，４２の各々からの光を吸収する吸収層６１，６２を有している。光合波器１０２とレーザとが集積化された装置が製造される場合、吸収層６１，６２は、例えば、レーザの活性層を残すことによって形成され得る。

なお、上記以外の構成については、上述した光合波器１００（図１：実施の形態１）の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。また上述した吸収層６１，６２は、光合波器１０１（図７：実施の形態２）に対して適用されてもよい。

本実施の形態によれば、不要光導波路４１，４２の他方端に吸収層６１，６２が設けられる。これにより、不要光導波路４１，４２へ入った光が他方端で反射されることによって他モード干渉部に戻ることが抑制される。

＜実施の形態４＞
図９は、本発明の実施の形態４に係る光合波器１０３の構成を概略的に示す平面図である。光合波器１０３は、入力導波路２１および２２に代わり、入力導波路２１Ａおよび２２Ａを有している。また光合波器１０３は、出力導波路３１に代わり、出力導波路３１Ａを有している。入力導波路２１Ａおよび２２Ａの材料は、入力導波路２１および２２（図１：実施の形態１）のものと同様の半導体材料である。また出力導波路３１Ａの材料は、出力導波路３１（図１：実施の形態１）のものと同様の半導体材料である。

入力導波路２１Ａは、導波路部２１ｎと、テーパ部ＴＰ２とを有している。テーパ部ＴＰ２は、入射端面１０ａからのテーパ形状を有している。ここで、「入射端面１０ａからのテーパ形状」とは、入射端面１０ａから遠ざかるにつれて幅寸法（図９における縦方向の寸法）が小さくなる形状のことである。テーパ部ＴＰ２は、入射端面１０ａの入力ポートＰ２１から延び、導波路部２１ｎに接続されている。よって導波路部２１ｎは、テーパ部ＴＰ２の、最も小さい幅を有する端部に接続されている。導波路部２１ｎは一定の幅Ｗ０ａを有している。

同様に、入力導波路２２Ａは、導波路部２２ｎと、テーパ部ＴＰ３とを有している。テーパ部ＴＰ３は、入射端面１０ａからのテーパ形状を有している。テーパ部ＴＰ３は、入射端面１０ａの入力ポートＰ２２から延び、導波路部２２ｎに接続されている。よって導波路部２２ｎは、テーパ部ＴＰ３の、最も小さい幅を有する端部に接続されている。導波路部２２ｎは一定の幅Ｗ０ｂを有している。

出力導波路３１Ａは、導波路部３１ｎと、テーパ部ＴＰ４とを有している。テーパ部ＴＰ４は、出射端面１０ｂからのテーパ形状を有している。ここで、「出射端面１０ｂからのテーパ形状」とは、出射端面１０ｂから遠ざかるにつれて幅寸法（図９における縦方向の寸法）が小さくなる形状のことである。テーパ部ＴＰ４は、出射端面１０ｂの出力ポートＰ３１から延び、導波路部３１ｎに接続されている。よって導波路部３１ｎは、テーパ部ＴＰ４の、最も小さい幅を有する端部に接続されている。導波路部３１ｎは一定の幅Ｗ０ｃを有している。

次に入力導波路２１Ａ，２２Ａの詳細な構成の例について説明する。例えば、導波路部２１ｎ，２２ｎの導波路幅Ｗ０ａ，Ｗ０ｂは、１．４μｍである。また、テーパ部ＴＰ２，ＴＰ３の各々の長さは、光伝搬方向に沿って２０μｍである。テーパ部ＴＰ２，ＴＰ３の形状は台形である。テーパ部ＴＰ２，ＴＰ３の各々の入射端面１０ａにおける幅は、３．０μｍである。テーパ部ＴＰ２，ＴＰ３の各々の幅は、対応する入力ポートＰ２１，Ｐ２２から遠ざかるにつれて、３．０μｍから、最小値１．４μｍまで小さくなる。なお、テーパ部ＴＰ２，ＴＰ３の各々の形状は、斜辺が直線である台形に限定されない。例えば、斜辺の部分が、直線ではなく曲線であってもよい。この場合、テーパ部ＴＰ２，ＴＰ３の各々の、幅が最小の部分は、当該曲線によって導波路部２１ｎ，２２ｎと滑らかに接続され得る。

次に出力導波路３１Ａの詳細な構成の例について説明する。例えば、導波路部３１ｎの導波路幅Ｗ０ｃは１．４μｍである。また、テーパ部ＴＰ４の長さは、光伝搬方向に沿って２０μｍである。テーパ部ＴＰ４の形状は台形である。テーパ部ＴＰ４の出射端面１０ｂにおける幅は、３．０μｍである。テーパ部ＴＰ４の幅は、出力ポートＰ３１から遠ざかるにつれて、３．０μｍから、最小値１．４μｍまで小さくなる。なお、テーパ部ＴＰ４の形状は、斜辺が直線である台形に限定されない。例えば、斜辺の部分が、直線ではなく曲線であってもよい。この場合、テーパ部ＴＰ４の、幅が最小の部分は、当該曲線によって導波路部３１ｎと滑らかに接続され得る。

なお、図９の光合波器１０３の構成は一例である。例えば、多モード干渉部、入力導波路、出力導波路、および不要光導波路のサイズ、ポートの位置等は、任意に変更されてよい。また上記以外の構成については、上述した光合波器１００（図１：実施の形態１）の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。また、上述した入力導波路２１Ａ，２２Ａ、および出力導波路３１Ａは、光合波器１０１（図７：実施の形態２）または光合波器１０２（図８：実施の形態３）に対して適用されてもよい。

本実施の形態によれば、光合波器１０３の形状が、加工誤差に起因して設計から若干相違しても、損失および反射の大きな増加を避けることができる。

＜実施の形態５＞
図１０は、本発明の実施の形態５に係る光合波器１０４の構成を概略的に示す平面図である。光合波器１０４は、不要光導波路４１および４２に代わり、不要光導波路４１Ａおよび４２Ａを有している。不要光導波路４１Ａおよび４２Ａの材料は、不要光導波路４１および４２（図１：実施の形態１）のものと同様の半導体材料である。

不要光導波路４１Ａは、導波路部４１ｎと、テーパ部ＴＰ５とを有している。テーパ部ＴＰ５は、出射端面１０ｂからのテーパ形状を有している。ここで、「出射端面１０ｂからのテーパ形状」とは、出射端面１０ｂから遠ざかるにつれて幅寸法（図１０における縦方向の寸法）が小さくなる形状のことである。テーパ部ＴＰ５は、出射端面１０ｂの不要光ポートＰ４１から延び、導波路部４１ｎに接続されている。よって導波路部４１ｎは、テーパ部ＴＰ５の、最も小さい幅を有する端部に接続されている。導波路部４１ｎは一定の幅Ｗ１ａを有している。

同様に、不要光導波路４２Ａは、導波路部４２ｎと、テーパ部ＴＰ６とを有している。テーパ部ＴＰ６は、出射端面１０ｂからのテーパ形状を有している。テーパ部ＴＰ６は、出射端面１０ｂの不要光ポートＰ４２から延び、導波路部４２ｎに接続されている。よって導波路部４２ｎは、テーパ部ＴＰ６の、最も小さい幅を有する端部に接続されている。導波路部４２ｎは一定の幅Ｗ１ｂを有している。

次に不要光導波路４１Ａ，４２Ａの詳細な構成の例について説明する。例えば、導波路部４１ｎ，４２ｎの導波路幅Ｗ１ａ，Ｗ１ｂは、２．１μｍである。また、テーパ部ＴＰ５，ＴＰ６の各々の長さは、光伝搬方向に沿って２０μｍである。テーパ部ＴＰ５，ＴＰ６の形状は台形である。テーパ部ＴＰ５，ＴＰ６の各々の出射端面１０ｂにおける幅は、３．０μｍである。テーパ部ＴＰ５，ＴＰ６の各々の幅は、対応する不要光ポートＰ４１，Ｐ４２から遠ざかるにつれて、３．０μｍから、最小値２．１μｍまで小さくなる。なお、テーパ部ＴＰ５，ＴＰ６の各々の形状は、斜辺が直線である台形に限定されない。例えば、斜辺の部分が、直線ではなく曲線であってもよい。この場合、テーパ部ＴＰ５，ＴＰ６の各々の、幅が最小の部分は、当該曲線によって導波路部４１ｎ，４２ｎと滑らかに接続され得る。

なお、図１０の光合波器１０４の構成は一例である。例えば、多モード干渉部、入力導波路、出力導波路、および不要光導波路のサイズ、ポートの位置等は、任意に変更されてよい。また上記以外の構成については、上述した光合波器１００（図１：実施の形態１）の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。また、上述した不要光導波路４１Ａ，４２Ａは、光合波器１０１（図７：実施の形態２）、光合波器１０２（図８：実施の形態３）、または光合波器１０３（図９：実施の形態４）に対して適用されてもよい。

本実施の形態によれば、多モード干渉部１０の不要光を不要光導波路４１，４２に効率よく結合することができる。

＜実施の形態６＞
図１１は、本発明の実施の形態６に係る光合波器１０５の構成を概略的に示す平面図である。不要光導波路４１は、多モード干渉部１０の出射端面１０ｂに接続された一方端（図中、左端）と、当該一方端と反対の他方端（図中、右端）とを有しており、当該他方端は平坦な終端面Ｅ４１を含む。同様に、不要光導波路４２は、多モード干渉部１０の出射端面１０ｂに接続された一方端（図中、左端）と、当該一方端と反対の他方端（図中、右端）とを有しており、当該他方端は平坦な終端面Ｅ４２を含む。終端面Ｅ４１および終端面Ｅ４２のそれぞれは、出力導波路３１に対して角度φａおよび角度φｂをなしている。終端面Ｅ４１およびＥ４２は媒質７０に面しており、終端面Ｅ４１およびＥ４２から媒質７０へ光が放射される。真空中での光の波長をλ_０、媒質７０の屈折率をｎとすると、角度φａおよび角度φｂは、ラジアン単位を用いて、
φａ ＞ λ_０／（π・Ｗ１ａ・ｎ）＋π／２
φｂ ＞ λ_０／（π・Ｗ１ｂ・ｎ）＋π／２
を満たしている。

なお、上記以外の構成については、上述した光合波器１００（図１：実施の形態１）の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。また終端面Ｅ４１，Ｅ４２は、光合波器１０１（図７：実施の形態２）、光合波器１０２（図８：実施の形態３）、光合波器１０３（図９：実施の形態４）、または光合波器１０４（図１０：実施の形態５）に対して適用されてもよい。

本実施の形態によれば、不要光導波路４１，４２の他方端から放射された光が、出力導波路３１を伝搬する光と結合しない。これにより、出射端面１０ｂからの出射ビーム形状の乱れが抑制される。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。

Ｐ２１，Ｐ２２ 入力ポート、Ｐ３１ 出力ポート、Ｐ４１，Ｐ４２ 不要光ポート、ＣＬ 中央線、ＴＰ１〜ＴＰ６ テーパ部、１０，１１ 多モード干渉部、１０ａ，１１ａ 入射端面、１０ｂ，１１ｂ 出射端面、１０ｃ，１０ｄ，１１ｃ，１１ｄ 端面、１１ｎ 長方形部、２１，２１Ａ，２２，２２Ａ 入力導波路、２１ｎ，２２ｎ，３１ｎ，４１ｎ，４２ｎ 導波路部、３１，３１Ａ 出力導波路、４１，４１Ａ，４２，４２Ａ 不要光導波路、５０ 基板、５１ コア層、５２，５３ クラッド層、６１，６２ 吸収層、１００〜１０４ 光合波器。

本発明の一の局面に従う光合波器は、第１および第２の入力導波路と、１つの出力導波路と、多モード干渉部と、第１および第２の不要光導波路とを有している。入力導波路は半導体材料で作製されている。出力導波路は半導体材料で作製されている。多モード干渉部は半導体材料で作製されている。多モード干渉部は、第１および第２の入力導波路のそれぞれが接続された第１および第２の入力ポートが設けられた入射端面と、入射端面に対向し出力導波路が接続された出力ポートが設けられた出射端面とを有している。多モード干渉部は、第１および第２の入力導波路および出力導波路の導波路幅に比して広い導波路幅を有している。第１および第２の不要光導波路は半導体材料で作製されている。第１および第２の不要光導波路は、出力導波路を挟むように多モード干渉部の出射端面に設けられた第１および第２の不要光ポートのそれぞれに接続されている。入射端面の一方端から第１の入力ポートの中心までの距離と、入射端面の他方端から第２の入力ポートの中心までの距離と、出射端面の一方端から第１の不要光ポートの中心までの距離と、出射端面の他方端から第２の不要光ポートの中心までの距離とが等しい。第１および第２の不要光導波路の各々はシングルモード条件を満たしている。第１および第２の不要光導波路の各々は、前記出力導波路に対して、０度より大きく８５度より小さい角度で延びている。
本発明の他の局面に従う光合波器は、第１および第２の入力導波路と、１つの出力導波路と、多モード干渉部と、第１および第２の不要光導波路とを有している。入力導波路は半導体材料で作製されている。出力導波路は半導体材料で作製されている。多モード干渉部は半導体材料で作製されている。多モード干渉部は、第１および第２の入力導波路のそれぞれが接続された第１および第２の入力ポートが設けられた入射端面を有する長方形部と、入射端面に対向し出力導波路が接続された出力ポートが設けられた出射端面を有するテーパ部とを含む。多モード干渉部は、第１および第２の入力導波路および出力導波路の導波路幅に比して広い導波路幅を有している。第１および第２の不要光導波路は半導体材料で作製されている。第１および第２の不要光導波路は、出力導波路を挟むように多モード干渉部の出射端面に設けられた第１および第２の不要光ポートのそれぞれに接続されている。テーパ部は出射端面へのテーパ形状を有している。長方形部には、入射端面の両端につながり互いに対向する第１および第２の端面が設けられている。第１の端面の延長線と出射端面の延長線との交点を第１の点と定義し、第２の端面の延長線と出射端面の延長線との交点を第２の点と定義する。入射端面の一方端から第１の入力ポートの中心までの距離と、入射端面の他方端から第２の入力ポートの中心までの距離と、第１の点から第１の不要光ポートの中心までの距離と、第２の点から第２の不要光ポートの中心までの距離とが等しい。第１および第２の不要光導波路の各々はシングルモード条件を満たしている。第１および第２の不要光導波路の各々は、前記出力導波路に対して、０度より大きく８５度より小さい角度で延びている。

Claims (8)

1. 半導体材料で作製された２つの入力導波路（２１，２２；２１Ａ，２２Ａ）と、
   半導体材料で作製された１つの出力導波路（３１；３１Ａ）と、
   半導体材料で作製され、前記入力導波路が接続された入射端面（１０ａ；１１ａ）と、前記入射端面に対向し前記出力導波路が接続された出射端面（１０ｂ；１１ｂ）とを有し、前記入力導波路（２１，２２；２１Ａ，２２Ａ）および前記出力導波路（３１；３１Ａ）の導波路幅に比して広い導波路幅を有する多モード干渉部（１０；１１）と、
   半導体材料で作製され、前記出力導波路（３１；３１Ａ）を挟むように前記多モード干渉部（１０；１１）の前記出射端面（１０ｂ；１１ｂ）に接続された２つの不要光導波路（４１，４２；４１Ａ，４２Ａ）と、
   を備え、前記不要光導波路（４１，４２；４１Ａ，４２Ａ）の各々はシングルモード条件を満たす、光合波器（１００〜１０５）。
2. 前記不要光導波路（４１，４２；４１Ａ，４２Ａ）の各々は、前記出力導波路（３１；３１Ａ）に対して、０度より大きく８５度より小さい角度で延びている、請求項１に記載の光合波器（１００〜１０５）。
3. 前記多モード干渉部（１１）は、前記出射端面（１１ｂ）へのテーパ形状を有するテーパ部（ＴＰ１）を含む、請求項１または２に記載の光合波器（１０１）。
4. 前記不要光導波路（４１，４２）の各々は、前記多モード干渉部（１０）の前記出射端面（１０ｂ）に接続された一方端と、前記一方端と反対の他方端とを有しており、
   前記光合波器（１０２）は、前記不要光導波路（４１，４２）の各々の前記他方端に接続されかつ前記不要光導波路（４１，４２）の各々からの光を吸収する吸収層（６１，６２）をさらに備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の光合波器（１０２）。
5. 前記出力導波路（３１Ａ）は、前記出射端面（１０ｂ）からのテーパ形状を有するテーパ部（ＴＰ４）を含む、請求項１から４のいずれか１項に記載の光合波器（１０３）。
6. 前記入力導波路（２１Ａ，２２Ａ）の各々は、前記入射端面（１０ａ）からのテーパ形状を有するテーパ部（ＴＰ２，ＴＰ３）を含む、請求項１から５のいずれか１項に記載の光合波器（１０３）。
7. 前記不要光導波路（４１Ａ，４２Ａ）の各々は、前記出射端面（１０ｂ）からのテーパ形状を有するテーパ部（ＴＰ５，ＴＰ６）を含む、請求項１から６のいずれか１項に記載の光合波器（１０４）。
8. 前記２つの不要光導波路（４１，４２）は、導波路幅Ｗ１ａを有する第１の不要光導波路（４１）と、導波路幅Ｗ１ｂを有する第２の不要光導波路（４２）とによって構成されており、前記第１の不要光導波路（４１）および前記第２の不要光導波路（４２）のそれぞれは、屈折率ｎの媒質に面する第１の終端面（Ｅ４１）および第２の終端面（Ｅ４２）を有しており、前記第１の終端面（Ｅ４１）および前記第２の終端面（Ｅ４２）のそれぞれは前記出力導波路（３１）に対して角度φａおよび角度φｂをなしており、真空中での光の波長をλ_０として、
   φａ ＞ λ_０／（π・Ｗ１ａ・ｎ）＋π／２
   かつ
   φｂ ＞ λ_０／（π・Ｗ１ｂ・ｎ）＋π／２
   が満たされている、請求項１から７のいずれか１項に記載の光合波器（１０５）。

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