WO2014030575A1 - 光導波路素子 - Google Patents

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optical
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裕幸 日下
憲介 小川
一宏 五井
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株式会社フジクラ
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    • G02F1/212—Mach-Zehnder type

Definitions

  • the present invention relates to an optical waveguide device including a mode splitter.
  • the present invention also relates to an optical waveguide device including a Mach-Zehnder type optical modulator and a mode splitter.
  • the other modes are called n-order modes corresponding to the number of modes n.
  • modes of n ⁇ 1 are collectively referred to as higher order modes.
  • Si optical waveguides having silica (SiO 2 ) as a cladding and silicon (Si) as a core can be miniaturized using a high refractive index difference (Si / SiO 2 ), and Si -It is attracting attention and expectation because it can be manufactured relatively inexpensively using existing manufacturing equipment for LSIs (Large Scale Integrated Circuits).
  • a Mach-Zehnder (Mach-Zehnder) is used by using an optical multiplexer / demultiplexer (coupler / splitter) such as a multi-mode interference (MMI) multiplexer / demultiplexer or a Y-type multiplexer / demultiplexer.
  • MMI multi-mode interference
  • the MZ type optical modulator has a modulation electrode that is arranged along the MZ type waveguide and applies a voltage.
  • the MZ type optical modulator changes the optical phase between the branch waveguides (arms) of the MZ type waveguide by the applied voltage applied by the modulation electrode, and utilizes the interference phenomenon in the output side multiplexer to transmit the light. ON / OFF is controlled.
  • the fundamental mode light input to the multiplexer is input in the same phase, the light obtained by combining the two lights also becomes the fundamental mode, and the light is guided to the output waveguide (ON state).
  • the two lights are in opposite phases, the combined light is in a higher order mode.
  • the waveguide width is set so that only the fundamental mode is guided, so that the combined light is radiated out of the waveguide (OFF state).
  • the radiation mode generated by the multiplexer propagates through the substrate and is coupled with the waveguide mode, thereby deteriorating the extinction ratio. Therefore, a technique for separating, removing (for example, Patent Documents 1 and 2) or blocking (for example, Patent Document 3) such radiation mode light is known. Furthermore, also in the branching filter of the MZ type optical modulator, when high-order mode light is mixed, the extinction ratio deteriorates due to the deterioration of the branching ratio.
  • Patent Document 4 discloses a waveguide width for the preceding stage of the duplexer in a waveguide targeting LiNbO 3 or the like. It is disclosed that the effective refractive index is reduced by reducing the thickness to remove higher-order modes.
  • Patent Document 5 discloses that a sub-waveguide having a taper structure is arranged along a main waveguide assuming a silica-based glass waveguide, and a higher order mode is removed from the main waveguide using adiabatic transition. Has been.
  • Non-Patent Document 1 As one of the prior arts related to the Si / SiO 2 waveguide, Non-Patent Document 1 (2.2, 3.2, FIG. 1, FIG. 4, etc.) has a thickness of 200 nm, a width of 400 nm, and an interval of 480 nm.
  • Polarization mode separation (Polarization Splitter: PS) using a directional coupler (DC) consisting of two Si waveguides can be separated in a length of about 10 ⁇ m. Is disclosed.
  • Patent Documents 1 to 4 assume a waveguide using LiNbO 3 or a quartz-based waveguide, and the waveguide is designed so that only the fundamental mode propagates. In these configurations, the higher order mode is a radiation mode, so that the emitted light is separated, removed, or blocked.
  • the relative refractive index difference of the Si / SiO 2 waveguide is much larger than the relative refractive index difference of the LiNbO 3 or quartz-based waveguide. Therefore, the situation is greatly different from the case of using LiNbO 3 or quartz-based waveguides, and it is difficult to apply the techniques of Patent Documents 1 to 4 to Si / SiO 2 waveguides.
  • the core width needs to be 450 nm or less.
  • the waveguide width is about 0.16 dB / mm when the core width is 500 nm, whereas the waveguide loss is about 0.40 dB / mm when the core width is 400 nm.
  • the waveguide loss when the core width is 400 nm is about 2.5 times the waveguide loss when the core width is 500 nm. That is, the narrower the core width, the higher the waveguide loss, and the easier the waveguide characteristics to deteriorate due to the surface roughness.
  • the impurity concentration in the waveguide or the waveguide depth is changed in addition to changing the waveguide width. Etc. are considered.
  • an increase in impurity concentration causes an increase in optical loss, and it is difficult in the manufacturing process to change the waveguide depth. In this way, in the Si / SiO 2 waveguide, guiding only the fundamental mode involves a great obstacle in terms of the waveguide characteristics or the manufacturing process.
  • a gentle taper portion is required to obtain high branching characteristics in branching (demultiplexing) due to adiabatic transition.
  • the length of the branch portion necessary for the first-order mode branch by the adiabatic transition is about 1000 ⁇ with the wavelength ⁇ as a unit. If the wavelength of incident light is 1.55 ⁇ m, the length of the tapered portion is required to be about 1.5 mm. Also in Example 1 of Patent Document 5, it is disclosed that a taper length of 2 mm is necessary for a wavelength of incident light of 1.5 ⁇ m.
  • a device having a large relative refractive index difference such as a Si / SiO 2 waveguide has a great advantage in downsizing an optical device by a device of ⁇ m order using a high refractive index difference. It is not possible to incorporate a device having a size of mm. Furthermore, there are problems in the manufacture of Si / SiO 2 waveguides. In Patent Document 5, since the fundamental mode light and the primary mode light are separated by adiabatic transition, the interval between the two waveguides needs to be extremely small with respect to the waveguide width. For example, in the case of a Si / SiO 2 waveguide having a core width of 500 nm, it is very difficult to manufacture depending on the waveguide interval.
  • Non-Patent Document 1 discloses a device capable of separating polarization modes, but a device capable of separating propagation modes having different mode numbers n (for example, separation between a fundamental mode and a higher-order mode). Is not disclosed.
  • an object of the present invention is to provide an optical waveguide device including a mode splitter capable of mode separation. Also provided is an optical waveguide device including a Mach-Zehnder type optical modulator composed of a waveguide capable of guiding two or more kinds of propagation modes. The optical waveguide device includes a mode splitter capable of mode separation from the optical waveguide. Is an issue.
  • the optical waveguide device has a main waveguide capable of guiding at least two kinds of propagation modes having different propagation orders and a certain distance from the main waveguide so as to constitute a directional coupler.
  • a mode splitter having a coupling portion disposed in parallel with the main waveguide and having a sub-waveguide capable of separating at least one of the two or more types of propagation modes from the main waveguide.
  • N core / n clad which is a refractive index ratio between the core and the clad constituting the main waveguide and the sub waveguide, is within a range of 101 to 250%.
  • the difference between the width of the main waveguide and the width of the sub waveguide in the directional coupler may be within ⁇ 10%.
  • the difference between the thickness of the main waveguide and the thickness of the sub waveguide in the directional coupler may be within ⁇ 10%.
  • the sub-waveguide constituting the directional coupler further includes a starting portion that is continuous with an end portion of the previous stage of the coupling portion, and the main waveguide gently moves as the starting portion approaches the end portion of the preceding stage. You may approach.
  • the sub-waveguide may further include an end portion that is continuous with an end portion at the rear stage of the coupling portion, and may gradually move away from the main waveguide as the end portion moves away from the end portion at the rear stage.
  • the optical waveguide element includes a plurality of the mode splitters, and a difference between the width of the main waveguide and the width of the sub waveguide in each directional coupler is within ⁇ 10%, The distance between the coupling portion and the main waveguide and the length of the coupling portion of the sub waveguide may be equal among all the directional couplers.
  • the optical waveguide element includes a plurality of the mode splitters, and the difference between the width of the main waveguide and the width of the sub waveguide in each of the directional couplers is approximately the same as the main waveguide within ⁇ 10%.
  • the core material may be Si, and the clad material may be SiO 2 .
  • the sub waveguide may be configured to separate a higher order mode from the main waveguide.
  • the optical waveguide device may further include a light absorption layer provided at a tip of the end portion of the sub-waveguide and doped with impurities at a high concentration.
  • a light receiving element and an electric wiring for taking out a current of the light receiving element may be further provided at the end of the end portion of the sub waveguide.
  • the optical waveguide device includes a demultiplexing unit that demultiplexes one input light into two demultiplexed lights, and a multiplexing unit that combines the two demultiplexed lights into one output light.
  • a Mach-Zehnder type optical modulator having at least two kinds of propagation modes having different propagation orders and having a main waveguide that guides the input light, the demultiplexed light, and the output light, and a direction A coupling portion arranged in parallel to the main waveguide at a certain distance from the main waveguide so as to constitute a sexual coupler, and at least one type of propagation among the two or more types of propagation modes
  • One or more mode splitters having a sub-waveguide capable of separating a mode from the main waveguide, and a refractive index ratio between a core and a clad constituting the main waveguide and the sub-waveguide.
  • n core / n clad 1 In the range 1 and 250%.
  • a difference between the width of the main waveguide and the width of the sub waveguide in the directional coupler may be within ⁇ 10%.
  • a difference between the thickness of the main waveguide and the thickness of the sub waveguide in the directional coupler may be within ⁇ 10%.
  • the sub-waveguide may further include a start portion that is continuous with the front end portion of the coupling portion, and may gradually approach the main waveguide as the start portion approaches the front end portion.
  • the sub-waveguide may further include an end portion that is continuous with an end portion at the rear stage of the coupling portion, and may gradually move away from the main waveguide as the end portion moves away from the end portion at the rear stage.
  • the optical waveguide element may include one Mach-Zehnder interferometer including a plurality of the Mach-Zehnder optical modulators therein.
  • the optical waveguide element includes a plurality of the mode splitters, and a difference between the width of the main waveguide and the width of the sub waveguide in each directional coupler is within ⁇ 10%, The distance between the coupling portion and the main waveguide and the length of the coupling portion of the sub waveguide may be equal among all the directional couplers.
  • a difference between the width of the main waveguide and the width of the sub-waveguide in each of the directional couplers is within ⁇ 10%, and the coupling portion of the sub-waveguide and the main
  • the distance from the waveguide or the length of the coupling portion of the sub-waveguide may be different among all the directional couplers.
  • the demultiplexing unit and the multiplexing unit may be an MMI type optical multiplexer / demultiplexer.
  • the demultiplexing unit and the multiplexing unit may be a Y-type optical multiplexer / demultiplexer.
  • the core material may be Si, and the clad material may be SiO 2 .
  • the sub waveguide may be configured to separate a higher order mode from the main waveguide.
  • the optical waveguide element may further include a light absorption layer disposed at a tip of the end portion of the sub-waveguide and doped with impurities at a high concentration.
  • a light receiving element and an electric wiring for taking out a current of the light receiving element may be provided at the end of the end portion of the sub waveguide.
  • mode separation is possible by the mode splitter. Further, according to the optical waveguide device according to the aspect of the present invention, in the Mach-Zehnder type optical modulator configured with the waveguide capable of guiding at least two kinds of propagation modes having different propagation orders, the mode is changed from the optical waveguide to the mode. Mode separation is possible by a splitter.
  • FIG. 1B is a partially enlarged plan view showing the MMI type optical multiplexer / demultiplexer of FIG. 1A.
  • FIG. 1B is a partially enlarged plan view showing the mode splitter of FIG. 1A. It is sectional drawing which follows the SS line
  • the optical waveguide element 10 includes an optical waveguide (main waveguide and sub-waveguide) having a core 2 and a clad 3 on a substrate 1.
  • an optical waveguide main waveguide and sub-waveguide
  • a core 2 having a core 2 and a clad 3 on a substrate 1.
  • 1A to 1C only a portion corresponding to the core 2 is illustrated and described as an optical waveguide.
  • the optical waveguide device 10 includes a Mach-Zehnder type optical modulator 40.
  • the Mach-Zehnder optical modulator 40 includes an optical demultiplexing unit 42 that demultiplexes one input light into two output lights (demultiplexed light), and an optical combiner that multiplexes two input lights (demultiplexed light) into one output light.
  • a wave unit 46 and a light modulation unit 45 are provided.
  • One output light of the optical demultiplexing unit 42 is input to the optical multiplexing unit 46 via the waveguide 43 having the optical modulation unit 45, and the other output light of the optical demultiplexing unit 42 does not have the optical modulation unit 45.
  • the light is input to the optical multiplexing unit 46 via the waveguide 44.
  • the light injected from the optical waveguide 41 provided in the preceding stage of the optical demultiplexing unit 42 into the optical demultiplexing unit 42 is demultiplexed into two and propagates through different waveguides (arms) 43 and 44, respectively.
  • the light modulator 45 is generally a phase modulator.
  • the optical multiplexer 46 When the light propagated through the optical modulator 45 and the light propagated without going through the optical modulator 45 are injected into the optical multiplexer 46 with a predetermined phase difference, the optical multiplexer 46 combines them.
  • the waved light is modulated according to the phase difference. For example, switching between an on state and an off state of an optical signal is controlled by a phase difference between two lights injected into the optical multiplexing unit 46.
  • the combined light propagates through the optical waveguide 47 in the subsequent stage in the fundamental mode, and the optical signal is turned on.
  • the optical signal is turned off.
  • the waveguides (main waveguides) 41, 43, 44, and 47 it is preferable to use waveguides having a wide core width such as multimode waveguides, because the waveguide characteristics are hardly deteriorated due to surface roughness.
  • the optical waveguide device 10 shown in FIGS. 1A to 1D includes a mode splitter 20 provided at a subsequent stage on the output side of the optical multiplexing unit 46 of the Mach-Zehnder type optical modulator 40.
  • the output light of the optical multiplexing unit 46 is injected into the mode splitter 20 via the emission side waveguide 47.
  • the devices constituting the optical demultiplexing unit 42 and the optical multiplexing unit 46 of the Mach-Zehnder type optical modulator 40 are not particularly limited. For example, an MMI type demultiplexer or multiplexer, a Y type demultiplexer or multiplexer, and the like. Or a directional coupler.
  • each input light is guided in a multimode and interferes inside the multiplexer / demultiplexer 14, so that the light combined with each input light is output from the waveguide 13. To do.
  • the input light is guided in a multimode in the multiplexer / demultiplexer 14 to interfere with each other, thereby demultiplexing the light into a plurality of output lights from the waveguides 11 and 12. Output.
  • the waveguides 11, 12, and 13 it is preferable to use waveguides having a wide core width such as multimode waveguides, because the waveguide characteristics are hardly deteriorated due to surface roughness.
  • the mode splitter 20 includes a main waveguide 21 and a sub-waveguide 22 provided away from the main waveguide 21.
  • the main waveguide 21 is desirably a waveguide capable of guiding at least two types of propagation modes having different propagation orders.
  • a waveguide having a wide core width such as a multi-mode waveguide is used as the main waveguide 21
  • the waveguide characteristics are hardly deteriorated due to the surface roughness.
  • the sub waveguide 22 separates at least one propagation mode having different propagation orders from the main waveguide 21 among at least two propagation modes having different propagation orders that can be guided by the main waveguide 21.
  • the main waveguide 21 and the sub-waveguide 22 have coupling portions 21b and 22b that are placed in parallel to each other with a certain distance therebetween, and the directional coupler having a length L 0 by these coupling portions 21b and 22b. Is configured. Further, in the illustrated mode splitter 20, the main waveguide 21 and the sub-waveguide 22 approach each other gently at the start portions 21 a and 22 a that are continuous with the front ends of the coupling portions 21 b and 22 b constituting the directional coupler.
  • the mode splitter 20 has a structure in which the main waveguide 21 and the sub-waveguide 22 are gently separated from each other at the end portions 21c and 22c continuous to the end portions of the subsequent stages of the coupling portions 21b and 22b.
  • the sub waveguide 22 may be a waveguide capable of guiding at least two types of propagation modes having different propagation orders.
  • a directional coupler can be formed by placing the sub-waveguide in parallel at a position close to the main waveguide. Forming a directional coupler generally couples any mode of the main waveguide with the mode of the sub-waveguide.
  • the strength of coupling from the main waveguide mode to the sub-waveguide mode is represented by a coupling coefficient ⁇ 21 shown in the following equation (1).
  • C is a constant including a normalization constant
  • n core is the refractive index of the core
  • n clad is the refractive index of the cladding.
  • Subscripts 1 and 2 represent the eigenmodes (E 1 and E 2 ) of the main waveguide and the sub waveguide, respectively.
  • x and y are the width direction and thickness direction of the waveguide, and the integration range is in the core cross section of the sub-waveguide.
  • the magnitude of the coupling coefficient depends on how much the electromagnetic field distribution of the eigenmode of the main waveguide extends within the core cross section of the sub-waveguide.
  • the fundamental mode propagates in the center of the core, whereas the higher order mode propagates outside the waveguide as compared with the fundamental mode (for example, Example 1 described later). 11A and 11B). Therefore, it is expected that higher-order modes such as the first-order mode are more easily coupled to the sub-waveguide than the fundamental mode.
  • the distance between two waveguides forming the directional coupler for example, see the distance w 0 in FIG.
  • the coupling coefficient decreases in both the fundamental mode and the higher-order mode.
  • the coupling coefficient of the fundamental mode is drastically reduced as compared with the coupling coefficient of the higher-order mode such as the first-order mode (for example, see FIG. 12 of Example 1 described later). Therefore, by appropriately selecting the interval between the two waveguides forming the directional coupler, the difference in the coupling coefficient ⁇ 21 is sufficiently increased between two or more types of propagation modes that can be guided by the main waveguide. be able to.
  • the coupling coefficient ⁇ 21 is proportional to n core 2 ⁇ n clad 2 with respect to the refractive index n core of the core and the refractive index n clad of the cladding. For this reason, in order to increase the difference in coupling coefficient between modes, it is preferable to employ a waveguide structure having a large difference in refractive index.
  • n core / n clad is preferably in the range of 101 to 250%.
  • the core material is Si (refractive index of about 3.475) and the clad material is SiO 2 (refractive index of about 1.444)
  • a semiconductor material such as an SOI (Silicon On Insulator) substrate is a waveguide. Since it can be used for a material, it is preferable.
  • the core material include SiO x (refractive index: 1.47), SiON, SiN, or a non-silicon based semiconductor material (compound semiconductor).
  • the maximum power transfer rate is 100% if the two waveguide structures (material, dimensions, shape, etc.) are perfectly symmetrical. Conversely, when the two waveguide structures are different and the mode propagation constants are different, the maximum power transfer rate is less than 100%. Therefore, when efficiently transferring a higher-order mode such as the primary mode from the main waveguide to the sub-waveguide, the waveguide structures (material, dimensions, shape, etc.) of the main waveguide and the sub-waveguide should be the same as much as possible. Is desirable.
  • the main waveguide width and the sub waveguide width is preferably a substantially identical.
  • an Si optical waveguide is manufactured at a low cost
  • an old-generation exposure machine using KrF (248 nm) as a light source is also used.
  • KrF 248 nm
  • a general method for forming a waveguide core there is a possibility that an error caused by alignment accuracy of an exposure mask or etching accuracy may occur. Therefore, when there is no intentional change in the waveguide width (core width) such as a taper shape (see the prior art), for example, the difference between the main waveguide width and the sub-waveguide width is within ⁇ 10%. It is preferable. Similarly, the difference between the thickness of the main waveguide and the thickness of the sub waveguide is preferably within ⁇ 10%, for example.
  • the length of the directional coupler required until the power shift from the main waveguide to the sub waveguide is maximized is called a coupling length.
  • the bond length depends on the strength of the coupling coefficient ⁇ 21 . In general, the smaller the coupling coefficient ⁇ 21 is, the longer the coupling length is (see, for example, FIGS. 12 and 13 of Example 1 described later). For example, under the condition that the coupling length of the fundamental mode is sufficiently longer than the coupling length of the higher-order mode, the length of the directional coupler is shortened (for example, the length of the directional coupler is set as the coupling length of the higher-order mode).
  • the specific higher order mode (for example, the first mode) is sub-guided from the main waveguide.
  • a mode splitter having a structure that can be separated into waveguides can be realized.
  • the length of the directional coupler is longer than the coupling length of the higher-order mode, the higher-order mode shifts alternately between the main waveguide and the sub-waveguide. Therefore, for example, when the length of the directional coupler is set to be approximately the same as the coupling length of the fundamental mode and the ratio of the higher-order mode shifting to the secondary waveguide is reduced, the fundamental mode is changed from the primary waveguide to the secondary waveguide.
  • a mode splitter having a structure that can be separated into a waveguide is considered.
  • the mode splitter has a structure in which the sub-waveguide separates the primary mode from the main waveguide with respect to the main waveguide capable of propagating at least the fundamental mode and the primary mode
  • a directional coupler is formed by disposing a sub-waveguide having substantially the same width as the main waveguide in parallel with the main waveguide at a position near the main waveguide after the multiplexer. Further, the length of the directional coupler and the distance between the main waveguide and the sub-waveguide are appropriately set by utilizing the fact that the coupling constant is remarkably different between the fundamental mode light and the higher-order mode light.
  • a sub-waveguide having substantially the same width as the main waveguide is arranged in parallel with the main waveguide at a position close to the main waveguide connected to the duplexer.
  • a directional coupler is formed. Further, the length of the directional coupler and the distance between the main waveguide and the sub-waveguide are appropriately set by utilizing the fact that the coupling constant is remarkably different between the fundamental mode light and the higher-order mode light.
  • the sub-waveguide has a coupling portion 22b that is a portion constituting the directional coupler and an end portion 22c that extracts the light of the mode separated by the coupling portion 22b.
  • the sub-waveguide does not have the start portion (reference numeral 22a in FIG. 1C) of the structure in which the sub-waveguide approaches the main waveguide gently.
  • the main waveguide is entirely linear from the start portion 31a through the coupling portion 31b to the end portion 31c.
  • the sub-waveguide of the mode splitter 30 includes a start portion 32a having a structure in which the sub-waveguide gently approaches the main waveguide, a coupling portion 32b that constitutes a directional coupler, and a mode separated by the coupling portion 32b. And an end portion 32c for extracting light.
  • the main waveguide is entirely linear from the start portion 31a through the coupling portion 31b to the end portion 31c.
  • the sub-waveguide of the mode splitter 30A has a coupling portion 32b that is a portion constituting a directional coupler and an end portion 32c that extracts light of the mode separated by the coupling portion 32b.
  • the sub-waveguide serves as a main waveguide. It does not have a gently approaching starting portion (reference 32a in FIG. 2B). In other embodiments such as second to tenth embodiments described later, devices similar to the above-described mode splitters 20A, 30 and 30A shown in FIGS. 2A to 2C may be used as each mode splitter.
  • the main waveguide 21 is a straight line and the sub-waveguide 22 is a curve.
  • the main waveguide 21 may be a curve and the sub-waveguide 22 may be a straight line.
  • the main waveguide and the sub-waveguide have a symmetrical planar shape as shown in FIG. 1C at least at a position close to the directional coupler.
  • a finite-difference time domain (Finite-Difference Time Domain) in Example 2 described later (particularly, a comparison between FIG. 19A and FIG. 19B): Comparison studies have been made by electromagnetic field simulation by the FDTD method. 2B is obtained by bending the end portion 31c of the main waveguide of the mode splitter 30A of the optical waveguide element shown in FIG.
  • the mode splitter 20 having the symmetry shown in FIG. 1C is obtained by bending with a bending structure similar to that of 32c. In the mode splitter 20 of FIG.
  • the intermediate line of the coupling portions 21b and 22b constituting the directional coupler is set as the symmetry center line (symmetric axis), and the main waveguide start portion 21a and the sub-waveguide start portion 22a are led.
  • the coupling portion 21b of the waveguide and the coupling portion 22b of the sub waveguide, and the end portion 21c of the main waveguide and the termination portion 22c of the sub waveguide are provided so as to be symmetrical.
  • the curvature radius of the curved portion (21a, 21c) of the main waveguide is equal to the curvature radius of the curved portion (22a, 22c) of the sub-waveguide, or the curvature radius of the main waveguide is larger than the curvature radius of the sub-waveguide, Whether the radius of curvature of the curved portions (21a, 21c) of the waveguide is smaller than the radius of curvature of the curved portions (22a, 22c) of the sub waveguide can be selected as appropriate.
  • the waveguide can be extended or bent so as to have a desired arrangement on the substrate. Further, the direction and length of the waveguide can be freely set.
  • the widths of the main waveguide and the sub-waveguide can be made substantially the same as a whole as well as the position close to the directional coupler.
  • the sub-waveguide has a start portion of a structure that gently approaches the main waveguide because loss can be further reduced.
  • a comparative study is made by electromagnetic field simulation by the FDTD method (described above) in Example 2 (particularly, comparison of FIG. 19 (b) and FIG. 19 (c)).
  • Has been. 2B is obtained by bending the start portion of the sub-waveguide of the mode splitter 30A of the optical waveguide element shown in FIG. 2C with the same bending structure as the end portion 32c of the sub-waveguide. It is done.
  • a mode splitter having a gentle approach portion shown in FIG. 1A is formed by bending the start portion of the sub-waveguide of the mode splitter 20A of the optical waveguide element shown in FIG. 2A with the same bending structure as the end portion 22c of the sub-waveguide. 20 is obtained. If the sub-waveguide appears discontinuously in the vicinity of the light passing through the main waveguide, light reflection or disturbance is likely to occur, and the loss of light increases. These losses can be further reduced when the sub-waveguide approaches the main waveguide gently. Similarly, when the sub-waveguide has an end portion of a structure that is gently separated from the main waveguide, it is preferable because the loss of light can be further reduced.
  • the structure in which the main waveguide and the sub waveguide are gradually approached or separated is configured along a curve such as an arc, an elliptical arc, a parabola, or a hyperbola.
  • the curvature radius of the curve is preferably 10 ⁇ m or more, for example. Since the curvature radius of the straight line is ⁇ , there is no particular upper limit to the curvature radius for continuously connecting the straight line portion and the curved portion, but the curvature radius of the curved portion adjacent to the straight line portion is, for example, several tens to Several hundred ⁇ m can be mentioned.
  • the bisector perpendicular to the coupling portions 21b and 22b constituting the directional coupler is set as a symmetry center line (symmetric axis), and the main waveguide start portion 21a and the main waveguide end portion 21c.
  • the start portion 22a of the sub-waveguide and the end portion 22c of the sub-waveguide are provided so as to be symmetrical. It is possible to select whether the radius of curvature of the start portion is equal to the radius of curvature of the end portion, whether the radius of curvature of the start portion is larger than the radius of curvature of the end portion, or whether the radius of curvature of the start portion is smaller than the radius of curvature of the end portion It is.
  • FIG. 3 shows a second embodiment of the optical waveguide device.
  • the main waveguide 21 of the mode splitter 20 is also connected to the optical waveguide 41 in the previous stage of the optical demultiplexing unit 42 of the Mach-Zehnder optical modulator 40.
  • FIG. 4 shows a third embodiment of the optical waveguide device.
  • the main waveguide 21 of the mode splitter 20 is connected only to the optical waveguide 41 preceding the optical demultiplexing unit 42 of the Mach-Zehnder optical modulator 40.
  • FIG. 5 shows a fourth embodiment of the optical waveguide device.
  • the main waveguide 21 of the mode splitter 20 is also connected to the waveguides 43 and 44 inside the Mach-Zehnder optical modulator 40 (between the optical demultiplexing unit 42 and the optical multiplexing unit 46).
  • the optical multiplexing unit 46 By separating the primary mode light into the sub-waveguide 22 before the light is input to the optical multiplexing unit 46, it is possible to suppress the deterioration of the extinction ratio of the Mach-Zehnder optical modulator 40.
  • FIG. 6 shows a fifth embodiment of the optical waveguide device.
  • the optical waveguide device according to the present embodiment light doped with an impurity at a high concentration at the end of the end portion of the sub-waveguide 22 of the mode splitter 20 provided at the subsequent stage of the optical multiplexing unit 46 of the Mach-Zehnder optical modulator 40.
  • An absorption layer 23 is provided. By absorbing the higher order mode light in the light absorption layer 23, it is possible to prevent the higher order mode light from being recombined with the main waveguide 21.
  • the mode splitter 20 is provided in front of the optical demultiplexing unit 42 (see FIGS. 3 and 4), or in the waveguides 43 and 44 inside the Mach-Zehnder optical modulator 40 (see FIG. 5), etc.
  • the light absorption layer 23 may be provided at the end of the end portion of the sub-waveguide 22.
  • FIG. 7 shows a sixth embodiment of the optical waveguide device.
  • a light receiving element (PD: PD) is provided at the end 22d of the end portion 22c of the sub-waveguide 22 of the mode splitter 20 provided at the subsequent stage of the optical multiplexing unit 46 of the Mach-Zehnder optical modulator 40.
  • the electrical wiring 25 for taking out the electric current of Photo Detector 24 and PD24 is provided.
  • the PD 24 it is possible to monitor the light amount of the higher-order mode light branched to the sub waveguide 22. By this monitoring, it is possible to detect a shift in operation due to, for example, aged deterioration or an environmental change such as temperature during driving.
  • the mode splitter 20 When the mode splitter 20 is provided in front of the optical demultiplexing unit 42 (see FIGS. 3 and 4), or when the mode splitter 20 is provided in the waveguides 43 and 44 inside the Mach-Zehnder optical modulator 40 (see FIG. 3).
  • the PD 24 and the electrical wiring 25 may be provided at the tip of the end portion 22c of the sub-waveguide 22.
  • the control unit can adjust the operating condition (for example, applied voltage in the case of electric control) by using the result monitored using the PD 24, and can feed it back. it can. Since the PD is preferably arranged on the substrate, the PD may be mounted on the substrate.
  • the PD can be integrated as a semiconductor element on the same substrate as the optical waveguide.
  • Examples of PDs that can be integrated on a Si substrate having a Si / SiO 2 waveguide include group IV semiconductor PDs such as germanium (Ge) PD, indium phosphide (InP) -based PDs, or gallium arsenide (GaAs).
  • group IV semiconductor PDs such as germanium (Ge) PD, indium phosphide (InP) -based PDs, or gallium arsenide (GaAs).
  • Examples include III-V compound semiconductor PD.
  • two electric wirings 25 can be provided on the substrate (via an insulating layer if necessary), for example, two in parallel for each PD 24.
  • the sub-waveguide 22 and the main waveguide 21 have end portions 21c and 22c having a structure in which they are gently separated from each other. The radius of curvature of the tip 22d of the end portion 22c of the sub-waveguide
  • the bending loss of the higher-order mode light at the end portion 22c of the sub waveguide can be reduced by increasing the radius of curvature at the end portion 22c of the sub waveguide. it can.
  • the end portion 22c of the sub waveguide a straight line while leaving the curved portion of the end portion 21c of the main waveguide 21.
  • the directional coupler does not have symmetry, and the removal rate of the higher-order mode of the main waveguide 21 is reduced, but the bending loss of the separated higher-order mode light can be reduced.
  • the end portion 22c may be extended on the extension line of the coupling portion 22b while the start portion 22a of the sub waveguide is bent as shown in FIG.
  • a portion close to the coupling portion 22b is bent to some extent away from the main waveguide 21, and a portion away from the main waveguide 21 to a certain extent is a straight line to the PD 24 (as an extension of the coupling portion 22b). It is also possible to incline against).
  • the end portion of the sub-waveguide 22 is substantially the same until reaching the light absorption layer 23 or the PD 24. It is preferable that the width is formed. As a result, the light absorption layer 23 or the PD 24 can be disposed at a desired position on the substrate, and higher-order mode light branched to the sub waveguide 22 can be prevented from leaking from the sub waveguide 22 into the substrate. As shown in FIG. 3, FIG. 5, FIG. 8A, FIG. 8B, and FIG.
  • the optical waveguide device has two or more sub-waveguides 22, at the tip of the end portion of at least one or more sub-waveguides 22
  • the light absorption layer 23 or the PD 24 can be provided. It is possible to arbitrarily design, for example, by providing the light absorption layer 23 at the end of the end portion of any sub-waveguide 22 and providing the PD 24 at the end of the end portion of another sub-waveguide 22.
  • FIG. 8A shows a seventh embodiment of the optical waveguide device.
  • the optical waveguide device according to the present embodiment there are two or more sub-waveguides 22 at different positions in the longitudinal direction of the main waveguide 21 in the subsequent stage of the optical multiplexing unit 46, and the width of each sub-waveguide 22 is the main waveguide.
  • the difference with the width of 21 is within ⁇ 10%, which is substantially the same as the width of the main waveguide 21.
  • the distance between the sub waveguide 22 and the main waveguide 21 (interval w 0 in FIG. 1D) and the length of the portion where the sub waveguide 22 is placed in parallel with the main waveguide 21 (the length of the coupling portions 21b and 22b in FIG. 1C).
  • L 0 L 0
  • the removal rate of light (for example, primary mode light) to be separated into the sub-waveguide 22 can be increased.
  • FIG. 8B shows an eighth embodiment of the optical waveguide device.
  • two or more sub-waveguides 22 are provided at different positions in the longitudinal direction of the main waveguide 21 in the subsequent stage of the optical multiplexing unit 46, and the width of each sub-waveguide 22 is the main The difference from the width of the waveguide 21 is within ⁇ 10%, which is substantially the same as the width of the main waveguide 21.
  • the distance between the sub-waveguide 22 and the main waveguide 21 or the length of the portion where the sub-waveguide 22 is placed in parallel with the main waveguide 21 is different, and each sub-waveguide 22 is in a portion along the main waveguide 21.
  • Mode splitters 20 and 200 having different wavelength characteristics are formed.
  • the wavelength band from which light (for example, primary mode light) to be separated into the sub-waveguide 22 is removed can be expanded.
  • the mode splitter 200 has a larger distance between the sub waveguide 22 and the main waveguide 21 than the mode splitter 20, but the present invention is not particularly limited to this.
  • two or more sub-waveguides 22 are provided at different positions in the longitudinal direction of the main waveguide 21 in the subsequent stage of the optical multiplexing unit 46.
  • the mode splitter 20 is provided before the optical demultiplexing unit 42 (see FIGS. 3 and 4), or when the mode splitter 20 is provided in the waveguides 43 and 44 inside the Mach-Zehnder optical modulator 40 (see FIG. 5).
  • two or more sub-waveguides 22 can be provided at different positions in the longitudinal direction of the main waveguide 21. Even in this case, the width of each sub-waveguide 22 is preferably within ⁇ 10% of the width of the main waveguide 21.
  • the removal rate of light (for example, primary mode light) to be separated into the sub-waveguide 22 can be increased.
  • the wavelength band removed by the sub-waveguide 22 can be widened.
  • FIG. 9 shows a ninth embodiment of the optical waveguide device.
  • the optical waveguide device according to the present embodiment includes a plurality of Mach-Zehnder type optical modulators 40A and 40B.
  • the optical waveguide element has a plurality of Mach-Zehnder type optical modulators 40A and 40B.
  • a 1 ⁇ 2 (one input and two output) optical demultiplexing unit 48 is arranged in front of these Mach-Zehnder type optical modulators 40A and 40B, and the light injected into the optical demultiplexing unit 48 is demultiplexed into two. Are injected into separate Mach-Zehnder type optical modulators 40A and 40B, respectively.
  • a 2 ⁇ 1 (two inputs and one output) optical multiplexing unit 49 is arranged at the subsequent stage of the Mach-Zehnder optical modulators 40A and 40B, and the main powers of the respective Mach-Zehnder optical modulators 40A and 40B are combined and output. can do.
  • each of the above-described embodiments of the present invention can be applied to a configuration in which a plurality of Mach-Zehnder type optical modulators 40A and 40B are included in one Mach-Zehnder type interferometer constituted by the optical demultiplexing unit 48 and the optical multiplexing unit 49.
  • a mode splitter 20 according to the embodiment can be provided.
  • FIG. 10 shows a tenth embodiment of the optical waveguide device.
  • the optical multiplexer / demultiplexer used in the optical demultiplexing unit 42 and the optical multiplexing unit 46 of the Mach-Zehnder optical modulator 400 is the same as that of FIG.
  • the optical waveguide element 10 is configured in the same manner.
  • the Y-type multiplexer / demultiplexer 15 can be used in place of the MMI-type multiplexer / demultiplexer.
  • the cladding region was formed of SiO 2 and the core region was formed of Si.
  • the thickness of the waveguide core region (see t 0 in FIG. 1D) was 220 nm, and the width of the waveguide core region (see w 1 and w 2 in FIG. 1D) was 500 nm. Clads were provided above and below the core to prevent light from touching the substrate and air, respectively.
  • the thickness of the cladding (see t 1 and t 2 in FIG. 1D) was 2 ⁇ m above and below the core, respectively.
  • the clad was also formed on the side of the core and between the waveguides.
  • the electromagnetic field distribution in the fundamental mode and the primary mode when the above optical waveguide is arranged alone was analyzed by simulation.
  • the analysis results of the electromagnetic field distribution are shown in FIGS. 11A and 11B. It was found that the fundamental mode shown in FIG. 11A propagates in the center of the core, whereas the higher-order mode shown in FIG. 11B propagates outside the waveguide compared to the fundamental mode.
  • An MMI multiplexer / demultiplexer was used for the optical multiplexer / demultiplexer of the Mach-Zehnder optical modulator.
  • the width of the MMI multiplexer / demultiplexer (see WMMI in FIG. 1B) was 1.5 ⁇ m, and the length (see LMMI in FIG. 1B) was 1.7 to 1.9 ⁇ m.
  • one waveguide was coupled to one end of the MMI duplexer, and two waveguides were coupled to the other end.
  • a waveguide on the front stage (incident side) of the optical demultiplexing section was used as a main waveguide, and a sub-waveguide was placed in parallel with and spaced from the waveguide.
  • the waveguide width of the sub-waveguide was made the same as that of the main waveguide. If the interval between the main waveguide and the sub-waveguide (waveguide interval) is too close, the coupling of the fundamental mode from the main waveguide to the sub-waveguide becomes strong, and the loss of the fundamental mode light increases. Conversely, if the sub-waveguide is too far away from the main waveguide, the coupling of the primary mode from the main waveguide to the sub-waveguide becomes weak, and a very long sub-waveguide length is required.
  • the coupling coefficient was calculated from the result of mode analysis by the finite element method for the directional coupler in which the two optical waveguides are arranged, and the coupling length was calculated from the coupling coefficient.
  • the waveguide interval was set every 0.05 ⁇ m within the range of 0.15 to 0.85 ⁇ m. This setting was applied to all the mode analyzes shown in FIGS.
  • the result of obtaining the relationship between the coupling coefficient and the waveguide interval is shown in FIG.
  • the fundamental mode and primary mode coupling coefficients ⁇ both decrease, but the fundamental mode coupling coefficient ⁇ decreases more rapidly than the primary mode coupling coefficient ⁇ . It turns out that. Further, FIG.
  • the waveguide interval is 0.5 ⁇ m
  • the coupling length of the fundamental mode is 504 ⁇ m
  • the coupling length of the primary mode is 16 ⁇ m. Since the coupling efficiency and the coupling length of the fundamental mode and the primary mode are determined by the waveguide interval, the length of the portion where the sub waveguide is parallel along the main waveguide (sub waveguide length) is the coupling length of the primary mode. It was equal to. Assuming that the main waveguide and the sub-waveguide are symmetrical, the primary mode light can be transferred to the sub-waveguide 100% if the sub-waveguide length is equal to the coupling length of the primary mode.
  • the relationship between the intensity of the fundamental mode light and the sub waveguide length at a plurality of waveguide intervals was obtained.
  • the result is shown in FIG. In FIG. 14 and FIG. 15 described later, the numerical value displayed in the right frame indicates the waveguide interval ( ⁇ m). From this result, it was found that when the waveguide interval is 0.4 ⁇ m or less, the fundamental mode is strongly coupled to the sub-waveguide, resulting in a large waveguide loss.
  • the reason why the maximum power transfer efficiency is small when the sub-waveguide length is short is considered to be due to the influence of asymmetry at the start and end points of the sub-waveguide.
  • the coupling becomes small, and the transition to the sub-waveguide is not seen unless the sub-waveguide length is increased.
  • the waveguide interval is preferably larger than 0.4 ⁇ m. Therefore, in Example 1, the waveguide interval (see w 0 in FIG. 1D) was 0.5 ⁇ m (500 nm), and the sub-waveguide length was 16 ⁇ m.
  • the primary mode light was injected, the light remaining in the main waveguide with respect to the light transferred to the sub-waveguide was ⁇ 12.5 dB.
  • the fundamental mode light was injected, the light transferred to the sub-waveguide with respect to the light remaining in the main waveguide was ⁇ 25 dB.
  • the directional coupler is used as the preceding mode splitter, the change in characteristics due to the wavelength change was verified.
  • the incident wavelength was changed under the above-mentioned conditions (waveguide interval 0.5 ⁇ m, sub-waveguide length 16 ⁇ m), and the wavelength dependence of the power of the first-order mode light immediately before the optical demultiplexer was calculated.
  • the results are shown in FIG.
  • the loss (loss) of the fundamental mode light due to the provision of the sub waveguide in Example 1 was calculated.
  • the results (wavelength 1.53 to 1.61 ⁇ m) are shown in FIG.
  • the loss of fundamental mode light is 0.016 dB or less over the entire range of C-band and L-band, which is considered not to cause a problem in practice.
  • a bent portion that is gently separated from the main waveguide is provided at the end of the sub-waveguide so that the primary mode light transferred to the sub-waveguide does not return to the main waveguide again. If the curvature radius of the bent portion is small, the first-order mode light leaks from the sub-waveguide and may recombine with the main waveguide via the cladding. Therefore, the radius of curvature of the bent portion is set to 100 ⁇ m so that leakage of the first mode light is reduced.
  • the change of the branching ratio of the MMI type duplexer due to the removal of the primary mode was examined by electromagnetic field simulation by the FDTD method (described above).
  • the graph of FIG. 18 shows how the branching ratio changes when the fundamental mode light and the primary mode light are mixed in the MMI type duplexer at various ratios.
  • the power of the left arm is -2.77 dB with respect to the right arm from the duplexer due to mixing of only 2% primary mode light.
  • the mode splitter waveguide interval 0.5 ⁇ m, sub-waveguide length 16 ⁇ m
  • the difference in the branching ratio due to the presence or absence of the mode splitter is improved from 5.58 dB to 15.5 dB if the decrease in the extinction ratio is considered to be caused only by the non-uniform branching ratio of the MMI optical demultiplexer. Means that. Therefore, a significant improvement in the branching ratio can be expected by providing a mode splitter before the demultiplexing unit of the Mach-Zehnder optical modulator.
  • Example 2 Also in Example 2, the same optical waveguide structure as in Example 1 was adopted. Specifically, the cladding material is SiO 2 , the core material is Si, the core thickness is 220 nm, the core width (waveguide width) is 500 nm, and the cladding thickness is 2 ⁇ m above and below the core.
  • the cladding material is SiO 2
  • the core material is Si
  • the core thickness is 220 nm
  • the core width (waveguide width) is 500 nm
  • the cladding thickness is 2 ⁇ m above and below the core.
  • FIG. 19 shows how light propagates when primary mode light is injected into the mode splitter.
  • FIG. 19A shows a mode splitter having a structure in which the main waveguide (left side in the figure) is linear, the sub-waveguide (right side in the figure) is the end point side, and the sub-waveguide is gently separated from the main waveguide. Indicates.
  • FIG. 19B shows a mode splitter having a structure in which the main waveguide and the sub-waveguide are gently separated from each other at the end points.
  • 19 (c) shows a mode splitter in which the main waveguide and the sub-waveguide have a structure that gently approaches the other side on each start side and a structure that gently separates from the other side on each end side. .
  • the first-order mode light is transferred to the sub-waveguide, but as will be described in detail later, the first-order mode light remaining in the main waveguide is slightly recognized in FIG.
  • the primary mode light remaining in the main waveguide is very small
  • FIG. 19C the primary mode light remaining in the main waveguide cannot be confirmed at all.
  • FIG. 20 shows a result of examining how the branching ratio changes with respect to the length of the straight portion along which the main waveguide and the sub waveguide are parallel to each other in the structure shown in FIG. Show.
  • the branching ratio here is a value obtained by decibel (dB) display of the ratio between the power of the primary mode light that shifts to the sub-waveguide and the power of the primary mode light that remains in the main waveguide.
  • FIG. 21 shows the results of examining the relationship between the optimized branching ratio and the radius of curvature of the curved portion for the three types of structures shown in FIGS. 19 (a), 19 (b), and 19 (c).
  • the curvature radius of the curved portion 3 to 4 types were selected from 20 ⁇ m, 40 ⁇ m, 60 ⁇ m, and 100 ⁇ m.
  • the results show that the structure of (b) has a better branching ratio than the structure of (a), and the structure of (c) has a better branching ratio.
  • the “optimized branching ratio” refers to the branching ratio when the length of the straight line portion is optimized for each structure. Therefore, the branching ratio shown in FIG. 21C is the same value as the “optimized branching ratio” shown in FIG.
  • the result is shown in FIG.
  • the fundamental mode light that shifts to the sub-waveguide is completely invisible, and all the fundamental mode light propagates through the main waveguide.
  • the branching ratio (loss) was ⁇ 30.5 dB, which was very low loss.
  • the waveguide and the multiplexer / demultiplexer were configured with SiO 2 as the cladding region and Si as the core region.
  • the core thickness was 220 nm, and the core width (waveguide width) was 500 nm. Clads were provided above and below the core to prevent light from touching the substrate and air, respectively. The thickness of the clad was 2 ⁇ m above and below the core.
  • the clad was also formed on the side of the core and between the waveguides.
  • An MMI type multiplexer / demultiplexer was used for the optical multiplexer / demultiplexer of the Mach-Zehnder optical modulator.
  • the width W MMI of the multiplexer / demultiplexer was 1.5 ⁇ m and the length L MMI was 1.8 ⁇ m.
  • the interval between the parallel waveguides was set to 0.3 ⁇ m.
  • a waveguide at the rear stage (outgoing side) of the optical multiplexing portion was used as a main waveguide, and a sub-waveguide was placed in parallel with and spaced from the waveguide (see FIG. 1A).
  • the waveguide width of the sub-waveguide is set to the same width as that of the main waveguide.
  • the distance between the sub waveguide and the main waveguide was set to 0.5 ⁇ m (500 nm).
  • the approach and separation between the main waveguide and the sub-waveguide be gentle.
  • the higher-order mode coupling is performed in the approaching portion and the distant portion, although it is weak. Therefore, it is not appropriate to make the approach and separation between the main waveguide and the sub-waveguide too smooth. Therefore, based on the examination of Example 2, as shown in FIG. 19C and FIG.
  • the curvature radius of the approaching portion and the separating portion is set to 100 ⁇ m in each of the main waveguide and the sub-waveguide, and the straight portion The length was 2 ⁇ m.
  • the waveguide and the multiplexer / demultiplexer were configured with SiO 2 as the cladding region and Si as the core region.
  • the core thickness was 220 nm, and the core width (waveguide width) was 600 nm. Clads were provided above and below the core to prevent light from touching the substrate and air, respectively.
  • the thickness of the clad was 2 ⁇ m above and below the core.
  • the clad was also formed on the side of the core and between the waveguides.
  • An MMI type multiplexer / demultiplexer was used for the optical multiplexer / demultiplexer of the Mach-Zehnder optical modulator.
  • the width W MMI was 1.7 ⁇ m, and the length L MMI was 2.4 ⁇ m.
  • the interval between the parallel waveguides was set to 0.3 ⁇ m.
  • a waveguide at the rear stage (outgoing side) of the optical multiplexing portion was used as a main waveguide, and a sub-waveguide was placed in parallel with and spaced from the waveguide (see FIG. 1A).
  • the optimum waveguide interval was examined even with a waveguide width of 600 nm.
  • the interval between the sub-waveguide and the main waveguide was set to 0.5 ⁇ m (500 nm). Further, as shown in FIG. 19C and FIG.
  • the optimum length of the straight portion is obtained by simulation. It was determined to be 9 ⁇ m. As a result, the higher-order mode can be efficiently transferred from the main waveguide to the sub-waveguide, and the transition from the fundamental mode to the sub-waveguide can be almost eliminated.
  • Example 5 The same sub-waveguide as in Examples 3 and 4 is arranged in the front stage (incident side) of the optical demultiplexing section instead of being arranged in the rear stage (outgoing side) of the optical multiplexing section of the Mach-Zehnder optical modulator (see FIG. 4). ). Further, the same sub-waveguides as those in Examples 3 and 4 were arranged in both the front stage of the optical demultiplexing unit and the rear stage of the optical multiplexing unit of the Mach-Zehnder optical modulator (see FIG. 3). Further, the same sub waveguide as in Examples 3 and 4 was also arranged inside the Mach-Zehnder optical modulator (see FIG. 5).

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Abstract

　光導波路素子が、少なくとも２種類以上の伝播次数の異なる伝播モードが導波可能な主導波路と、方向性結合器を構成するように前記主導波路から一定の距離を空けて前記主導波路と平行に配置された結合部分を有してかつ、前記２種類以上の伝播モードのうち、少なくとも１種類の伝播モードを前記主導波路から分離可能な副導波路を有するモードスプリッタと、を備え、前記主導波路と前記副導波路とを構成するコアとクラッドとの屈折率比であるｎｃｏｒｅ／ｎｃｌａｄが１０１～２５０％の範囲内である。

Description

光導波路素子
　本発明は、モードスプリッタを備える光導波路素子に関する。また、本発明は、マッハツェンダ型光変調器と、モードスプリッタとを備える光導波路素子に関する。
　本願は、２０１２年８月２２日に、日本に出願された特願２０１２－１８３３０６号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　光導波路での伝播モードに関して、直交するそれぞれの偏波においてモード数ｎを実効屈折率の高い順から０，１，２，・・・とするとき、ｎ＝０の伝播モードを基本モードと呼び、その他のモードをそれぞれのモード数ｎに対応してｎ次モードと呼ぶ。
　また、ｎ≧１以上のモードを総称して高次モードと呼ぶ。
　近年、シリカ（ＳｉＯ２）をクラッドとし、シリコン（Ｓｉ）をコアとしたＳｉ光導波路は、高い屈折率差（Ｓｉ／ＳｉＯ２）を利用して光導波路の小型化が可能なこと、及びＳｉ－ＬＳＩ（大規模集積回路）用の既存の製造設備を用いて比較的安価に製造できることから、注目と期待を集めている。
　光導波路素子では、マルチモード干渉（Ｍｕｌｔｉ－Ｍｏｄｅ　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ：ＭＭＩ）型合分波器またはＹ型合分波器などの光合分波器（カプラ・スプリッタ）等を用いることで、マッハツェンダ（Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ：ＭＺ）型光変調器が構成される。ＭＺ型光変調器は、ＭＺ型導波路に沿って配置され、電圧を印加する変調電極を有する。ＭＺ型光変調器は、変調電極によって印加される印加電圧によってＭＺ型導波路の分岐導波路（アーム）間の光位相を変化させ、出射側の合波器における干渉現象を利用して光のＯＮ／ＯＦＦを制御している。合波器に入力される基本モードの光は、同位相で入力された場合、２つの光が合波された光も基本モードとなり、出力導波路に光が導波される（ＯＮ状態）。それに対し、２つの光が逆位相となった場合、合波された光は高次モードとなる。一般的なＭＺ型光変調器では、基本モードのみが導波されるように導波路幅が設定されているので、合波された光は導波路から外に放射される（ＯＦＦ状態）。
　ＭＺ型光変調器では、合波器で発生した放射モードが基板を伝播して導波モードと結合し、消光比を劣化する問題がある。そこで、このような放射モード光を分離、除去（例えば特許文献１，２）、または遮断（例えば特許文献３）する手法が知られている。
　さらに、ＭＺ型光変調器の分波器においても、高次モード光が混入すると、分岐比が劣化することにより、消光比が劣化する。この問題を解決するために、分波器への高次モードの混入を防ぐ方法として、特許文献４には、ＬｉＮｂＯ３等を対象とした導波路において、分波器の前段の導波路幅を細くすることで実効屈折率を低減させ、高次モードを除去することが開示されている。特許文献５には、石英系ガラス導波路を想定して、主導波路に沿ってテーパ構造を有する副導波路を配置し、断熱遷移を利用して高次モードを主導波路から除去することが開示されている。
　Ｓｉ／ＳｉＯ２導波路に関する従来技術の１つとして、非特許文献１（２．２項、３．２項、Ｆｉｇ．１、Ｆｉｇ．４等）には、厚さ２００ｎｍ、幅４００ｎｍ、間隔４８０ｎｍの２つのＳｉ導波路からなる方向性結合器（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　ｃｏｕｐｌｅｒ：ＤＣ）を利用した偏波モード分離器（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　Ｓｐｌｉｔｔｅｒ：ＰＳ）により、１０μｍほどの長さで偏波モードの分離が可能であることが開示されている。
日本国特開２０１１－１６４３８８号公報 日本国特開２０１１－１８６２５８号公報 日本国特開２００６－３０１６１２号公報 日本国特開２０１１－２５７６３４号公報 日本国特開２００６－２３５３８０号公報
Ｈｉｒｏｓｈｉ　Ｆｕｋｕｄａ，　Ｋｏｊｉ　Ｙａｍａｄａ，　Ｔａｉ　Ｔｓｕｃｈｉｚａｗａ，　Ｔｏｓｈｉｆｕｍｉ　Ｗａｔａｎａｂｅ，　Ｈｉｒｏｙｕｋｉ　Ｓｈｉｎｏｊｉｍａ，　ａｎｄ　Ｓｅｉ－ｉｃｈｉ　Ｉｔａｂａｓｈｉ、"Ｓｉｌｉｃｏｎ　ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｗｉｔｈｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ"、Ｏｐｔｉｃｓ　Ｅｘｐｒｅｓｓ、２００８年、第１６巻、第７号、ｐ．４８７２－４８８０ 山内潤治監修、薮哲郎著、"光導波路解析入門"、森北出版株式会社、２００７年９月、第四章
　特許文献１～４ではＬｉＮｂＯ３または石英系の導波路を用いた導波路を想定しており、導波路は基本モードのみが伝播するように設計されている。これらの構成では、高次モードは放射モードであるから、放射する光を分離、除去、又は遮断する。一方、Ｓｉ／ＳｉＯ２導波路の比屈折率差は、ＬｉＮｂＯ３または石英系の導波路の比屈折率差に比べて格段に大きい。したがって、ＬｉＮｂＯ３または石英系の導波路を用いる場合とは状況が大きく異なり、特許文献１～４の技術をＳｉ／ＳｉＯ２導波路に適用することは困難である。すなわち、Ｓｉ／ＳｉＯ２導波路において基本モードのみを導波するためには、例えばクラッドがＳｉＯ２でＳｉコアの厚さが２２０ｎｍの導波路では、コア幅を４５０ｎｍ以下にする必要がある。しかし、導波路幅を小さくすると、エネルギー密度が上昇し、表面粗さの影響が大きくなるため導波路損失が増大する。本発明者らの検討によると、例えば、コア幅が５００ｎｍのとき導波路損失は０．１６ｄＢ／ｍｍ程度であるのに対して、コア幅が４００ｎｍのとき導波路損失は０．４０ｄＢ／ｍｍ程度となり、コア幅が４００ｎｍのときの導波路損失はコア幅が５００ｎｍのときの導波路損失の約２．５倍である。つまり、コア幅が狭いほど導波路損失が上昇し、表面粗さに起因する導波路特性の劣化が起こりやすい。
　導波路内で基本モードのみが導波されるために実効屈折率を低下させるには、導波路幅を変化させることの他に、導波路中の不純物濃度、または導波路深さを変化させることなどが考えられる。しかし、不純物濃度の増加は光損失増加の原因となり、導波路深さを変化させることは製造プロセス上困難である。このように、Ｓｉ／ＳｉＯ２導波路において、基本モードのみを導波するには、導波路特性又は製造プロセス上大きな障害を伴う。
　一方、特許文献５に開示されている技術によれば、断熱遷移による分岐（分波）において高い分岐特性を得るためには、なだらかなテーパ部分が必要になる。非特許文献２の第四章のシミュレーションを参考にすると、断熱遷移による１次モード分岐に必要な分岐部の長さは、波長λを単位としておよそ１０００λである。入射光の波長を１．５５μｍとすれば、テーパ部分の長さが約１．５ｍｍ必要になる。特許文献５の実施例１でも、入射光の波長１．５μｍに対して２ｍｍのテーパ長が必要であることが開示されている。Ｓｉ／ＳｉＯ２導波路のような比屈折率差の大きいデバイスは、高い屈折率差を利用したμｍオーダーのデバイスによる光デバイスの小型化が大きな優位点であるから、特許文献５のテーパ部分のようなｍｍサイズのデバイスを組み込むことはできない。
　さらに、Ｓｉ／ＳｉＯ２導波路の製造においても問題がある。特許文献５では基本モード光と１次モード光との分離を断熱遷移で行なうため、２つの導波路間隔は導波路幅に対して極めて小さくする必要がある。例えば、コア幅５００ｎｍのＳｉ／ＳｉＯ２導波路の場合、導波路間隔によっては非常に製造が困難である。同様に、副導波路のテーパ構造をコア幅５００ｎｍのＳｉ／ＳｉＯ２導波路で形成するのは製造上困難であるため、製造コストが大幅に上昇する。
　なお、非特許文献１には、偏波モードの分離が可能なデバイスについて開示されているが、モード数ｎの異なる伝播モードの分離（例えば基本モードと高次モードとの分離）が可能なデバイスについては開示されていない。
　本発明は、上記のような問題に鑑み、モード分離が可能なモードスプリッタを備える光導波路素子を提供することを課題とする。また、２種類以上の伝播モードが導波可能な導波路から構成されたマッハツェンダ型光変調器を備える光導波路素子において、光導波路からモード分離が可能なモードスプリッタを備える光導波路素子を提供することを課題とする。
　本発明の第１態様に係る光導波路素子は、少なくとも２種類以上の伝播次数の異なる伝播モードが導波可能な主導波路と、方向性結合器を構成するように前記主導波路から一定の距離を空けて前記主導波路と平行に配置された結合部分を有してかつ、前記２種類以上の伝播モードのうち、少なくとも１種類の伝播モードを前記主導波路から分離可能な副導波路を有するモードスプリッタと、を備え、方向性結合器前記主導波路と前記副導波路とを構成する前記コアとクラッドとの屈折率比であるｎｃｏｒｅ／ｎｃｌａｄが１０１～２５０％の範囲内である。
　前記方向性結合器における前記主導波路の幅と前記副導波路の幅との差が、±１０％以内であってもよい。
　前記方向性結合器における前記主導波路の厚さと前記副導波路の厚さとの差が、±１０％以内であってもよい。
　前記方向性結合器を構成する前記副導波路が、前記結合部分の前段の端部に連続する開始部分をさらに有し、前記開始部分が前記前段の端部に近づくにつれて前記主導波路になだらかに接近してもよい。
　前記副導波路が、前記結合部分の後段の端部に連続する終了部分をさらに有し、前記終了部分が前記後段の端部から離れるにつれて前記主導波路からなだらかに離れてもよい。
　前記光導波路素子が、複数の前記モードスプリッタを備え、前記各方向性結合器における前記主導波路の幅と前記副導波路の幅との差は、±１０％以内であり、前記副導波路の前記結合部分と前記主導波路との間隔、及び前記副導波路の前記結合部分の長さがすべての前記方向性結合器間で等しくてもよい。
　前記光導波路素子が、複数の前記モードスプリッタを備え、前記各々の方向性結合器における前記主導波路の幅と前記副導波路の幅との差は、±１０％以内で前記主導波路と略同一の幅を有しあり、前記副導波路の前記結合部分と前記主導波路との間隔、又は前記副導波路が前記主導波路と平行に置かれた前記副導波路の前記結合部分の長さがすべての前記方向性結合器間で異なっていてもよい。
　前記コアの材料がＳｉであり、前記クラッドの材料がＳｉＯ２であってもよい。
　前記副導波路が、高次モードを前記主導波路から分離させるように構成されていてもよい。
　前記光導波路素子が前記副導波路の終了部分の先端に設けられ、不純物を高濃度でドープした光吸収層をさらに備えてもよい。
　前記副導波路の終了部分の先端に設けられ、受光素子及びこの前記受光素子の電流を取り出すための電気配線をさらに備えてもよい。
　また、本発明の第２態様に係る光導波路素子は、１つの入力光を２つの分波光に分波する分波部と、前記２つの分波光を１つの出力光に合波する合波部と、少なくとも２種類以上の伝播次数の異なる伝播モードが導波可能でかつ、前記入力光と前記分波光と前記出力光とを導波する主導波路と、を有するマッハツェンダ型光変調器と、方向性結合器を構成するように前記主導波路から一定の距離を空けて前記主導波路と平行に配置された結合部分を有してかつ、前記２種類以上の伝播モードのうち、少なくとも１種類の伝播モードを前記主導波路から分離可能な副導波路を有する１以上のモードスプリッタと、を備え、方向性結合器前記主導波路と前記副導波路とを構成するコアとクラッドとの屈折率比であるｎｃｏｒｅ／ｎｃｌａｄが１０１～２５０％の範囲内である。
　前記方向性結合器における前記主導波路の幅と前記副導波路の幅との差が±１０％以内であってもよい。
　前記方向性結合器における前記主導波路の厚さと前記副導波路の厚さの差が、±１０％以内であってもよい。
　前記副導波路が、前記結合部分の前段の端部に連続する開始部分をさらに有し、前記開始部分が前記前段の端部に近づくにつれて前記主導波路になだらかに接近してもよい。
　前記副導波路が、前記結合部分の後段の端部に連続する終了部分をさらに有し、前記終了部分が前記後段の端部から離れるにつれて前記主導波路からなだらかに離れてもよい。
　前記光導波路素子が、複数の前記マッハツェンダ型光変調器を内部に含む１つのマッハツェンダ型干渉計を備えてもよい。
　前記光導波路素子が、複数の前記モードスプリッタを備え、前記各方向性結合器における前記主導波路の幅と前記副導波路の幅との差は、±１０％以内であり、前記副導波路の前記結合部分と前記主導波路との間隔、及び前記副導波路の前記結合部分の長さがすべての前記方向性結合器間で等しくてもよい。
　複数の前記モードスプリッタを備え、前記各方向性結合器における前記主導波路の幅と前記副導波路の幅との差は、±１０％以内であり、前記副導波路の前記結合部分と前記主導波路との間隔、又は前記副導波路の前記結合部分の長さがすべての前記方向性結合器間で異なってもよい。
　前記分波部及び前記合波部が、ＭＭＩ型の光合分波器であってもよい。
　前記分波部及び前記合波部が、Ｙ型の光合分波器であってもよい。
　前記コアの材料がＳｉであり、前記クラッドの材料がＳｉＯ２であってもよい。
　前記副導波路が、高次モードを前記主導波路から分離させるように構成されていてもよい。
　前記光導波路素子が、前記副導波路の終了部分の先端に配置され、不純物を高濃度でドープした光吸収層をさらに備えてもよい。
　前記副導波路の終了部分の先端に配置され、受光素子及びこの前記受光素子の電流を取り出す電気配線を備えてもよい。
　上記本発明の態様に係る光導波路素子によれば、モードスプリッタにより、モード分離が可能である。
また、上記本発明の態様に係る光導波路素子によれば、少なくとも２種類以上の伝播次数の異なる伝播モードが導波可能な導波路を構成されるマッハツェンダ型光変調器において、光導波路から、モードスプリッタにより、モード分離が可能である。
光導波路素子の第１実施形態を示す平面図である。 図１ＡのＭＭＩ型の光合分波器を示す部分拡大平面図である。 図１Ａのモードスプリッタを示す部分拡大平面図である。 図１ＣのＳ－Ｓ線に沿う断面図である。 モードスプリッタの形態が異なる光導波路素子を示す平面図である。 モードスプリッタの形態が異なる光導波路素子を示す平面図である。 モードスプリッタの形態が異なる光導波路素子を示す平面図である。 光導波路素子の第２実施形態を示す平面図である。 光導波路素子の第３実施形態を示す平面図である。 光導波路素子の第４実施形態を示す平面図である。 光導波路素子の第５実施形態を示す平面図である。 光導波路素子の第６実施形態を示す平面図である。 光導波路素子の第７実施形態を示す平面図である。 光導波路素子の第８実施形態を示す平面図である。 光導波路素子の第９実施形態を示す平面図である。 光導波路素子の第１０実施形態を示す平面図である。 基本モードのＥｘ電界の空間分布の一例を示すシミュレーション結果である。 １次モードのＥｘ電界の空間分布の一例を示すシミュレーション結果である。 結合係数と導波路間隔との関係の一例を示すグラフである。 結合長と導波路間隔との関係の一例を示すグラフである。 複数の導波路間隔における基本モード光の強度と副導波路長との関係の一例を示すグラフである。 複数の導波路間隔における１次モード光の強度と副導波路長との関係の一例を示すグラフである。 光分波器の直前における１次モード光のパワーの波長依存性の一例を示すグラフである。 基本モード光の損失の波長依存性の一例を示すグラフである。 １次モードの除去による光分波器の分岐比の変化の一例を示すグラフである。 各種のモードスプリッタにおける１次モード光の伝播の様子の一例を示すシミュレーション結果である。 複数の曲率半径における分岐比と直線部との関係の一例を示すグラフである。 分岐比と曲線部の曲率半径との関係の一例を示すグラフである。 モードスプリッタにおける基本モード光の伝播の様子の一例を示すシミュレーション結果である。
　以下、好適な実施の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。図１Ａ～図１Ｄに、本発明の第１実施形態に係る光導波路素子を示す。この光導波路素子１０は、図１Ｄに示すように、基板１上にコア２及びクラッド３を有する光導波路（主導波路及び副導波路）を備える。図１Ａ～図１Ｃでは、コア２に相当する部分のみを図示し、これを光導波路として説明する。
　図１Ａに示すように、光導波路素子１０は、マッハツェンダ型光変調器４０を有する。マッハツェンダ型光変調器４０は、１つの入力光を２つの出力光（分波光）に分波する光分波部４２と、２つの入力光（分波光）を１つの出力光に合波する光合波部４６と、光変調部４５を有する。光分波部４２の１つの出力光は光変調部４５を有する導波路４３を介して光合波部４６に入力され、光分波部４２のもう１つの出力光は光変調部４５を有しない導波路４４を介して光合波部４６に入力される。
　光分波部４２の前段に設けられる光導波路４１から光分波部４２に注入された光は２つに分波され、それぞれ別の導波路（アーム）４３，４４を伝播する。光変調部４５は、一般に位相変調器である。光変調部４５を介して伝播された光と光変調部４５を介さないで伝播された光とが所定の位相差を有して光合波部４６に注入されると、光合波部４６で合波された光は位相差に応じて変調される。例えば、光合波部４６に注入する２つの光の位相差により光信号のｏｎ状態とｏｆｆ状態との切り替えを制御する。２つの光が同位相で光合波部４６に注入された場合、合波された光は後段の光導波路４７を基本モードで伝播し、光信号がｏｎ状態になる。それに対し、２つの光が逆位相で光合波部４６に注入された場合、合波された光は後段の光導波路４７に対して１次モードで伝播し、光信号がｏｆｆ状態になる。導波路（主導波路）４１，４３，４４，４７として、マルチモード導波路のようにコア幅の広い導波路を用いると、表面粗さに起因する導波路特性の劣化が起こりにくいので好ましい。
　また、図１Ａ～Ｄの光導波路素子１０は、マッハツェンダ型光変調器４０の光合波部４６の出力側である後段に設けられたモードスプリッタ２０を備える。光合波部４６の出力光は、出射側導波路４７を介して、モードスプリッタ２０に注入される。
　マッハツェンダ型光変調器４０の光分波部４２及び光合波部４６を構成する装置は、特に限定されないが、例えばＭＭＩ型の分波器もしくは合波器、Ｙ型の分波器もしくは合波器、または方向性結合器等が挙げられる。図１Ｂに示すＭＭＩ（マルチモード干渉）型合分波器１４は、所定の長さＬＭＭＩと導波路１１，１２，１３の幅よりも広い所定の幅ＷＭＭＩとを有する。
　導波路１１，１２から光を入力した場合、合分波器１４の内部で各入力光をマルチモードで導波して干渉させることにより、各入力光を合波した光を導波路１３から出力する。
　また、導波路１３から光を入力した場合、合分波器１４の内部で入力光をマルチモードで導波して干渉させることにより、複数の出力光に分波して導波路１１，１２から出力する。導波路１１，１２，１３として、マルチモード導波路のようにコア幅の広い導波路を用いると、表面粗さによる導波路特性の劣化が起こりにくいので好ましい。
　図１Ｃに示すように、モードスプリッタ２０は、主導波路２１と、主導波路２１から離れて設けられた副導波路２２とを有する。主導波路２１は、少なくとも２種類以上の伝播次数の異なる伝播モードが導波可能な導波路であることが望ましい。主導波路２１として、マルチモード導波路のようにコア幅の広い導波路を用いると、表面粗さに起因する導波路特性の劣化が起こりにくい。
　副導波路２２は、主導波路２１により導波可能な少なくとも２種類以上の伝播次数の異なる伝播モードのうち少なくとも１種類以上の伝播次数の異なる伝播モードを主導波路２１から分離させる。そのため、主導波路２１及び副導波路２２は、一定の距離を空けて互いに平行に置かれた結合部分２１ｂ，２２ｂを有し、これらの結合部分２１ｂ，２２ｂにより長さＬ０の方向性結合器が構成される。さらに、図示例のモードスプリッタ２０は、方向性結合器を構成する結合部分２１ｂ，２２ｂの前段の端部に連続する開始部分２１ａ，２２ａでは、主導波路２１及び副導波路２２が互いになだらかに接近する構造をもつ。また、モードスプリッタ２０は、結合部分２１ｂ，２２ｂの後段の端部に連続する終了部分２１ｃ，２２ｃでは、主導波路２１及び副導波路２２が互いになだらかに離れる構造をもつ。副導波路２２は、少なくとも２種類以上の伝播次数の異なる伝播モードが導波可能な導波路であってもよい。
　本発明の第１実施形態に係るモードスプリッタについて、モード結合理論に基づき、説明する。主導波路に近い位置に副導波路を平行に置くことで、方向性結合器を形成することができる。方向性結合器を形成すると、一般に主導波路のどのモードも副導波路のモードと結合する。主導波路のモードから副導波路のモードへの結合の強さは、下式（１）に示す結合係数χ２１で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  
 
　式（１）で、Ｃは規格化定数を含んだ定数であり、ｎｃｏｒｅはコアの屈折率、ｎｃｌａｄはクラッドの屈折率である。サブスクリプトの１と２とは、それぞれ主導波路及び副導波路の固有モード（Ｅ１及びＥ２）を表している。ｘ及びｙは導波路の幅方向及び厚さ方向であり、積分範囲は副導波路のコア断面内である。
　式（１）から分かるように、結合係数の大きさは、主導波路の固有モードの電磁界分布が副導波路のコア断面内にどれだけ広がっているかに依存する。一般に、基本モードと高次モードとを比較すると、基本モードはコアの中央を伝播するのに対し、高次モードは基本モードに比べて導波路の外側を伝播する（例えば、後述する実施例１の図１１Ａ及び図１１Ｂを参照）。そのため、１次モード等の高次モードは、基本モードに比べて、副導波路に結合しやすくなることが予想される。また、一般に、方向性結合器を形成する２つの導波路の間隔（例えば、図１Ｄの間隔ｗ０を参照）を広げていくと、基本モードと高次モードとは共に結合係数が小さくなるが、基本モードの結合係数は、１次モード等の高次モードの結合係数に比べて急激に減少する（例えば、後述する実施例１の図１２を参照）。
　そのため、方向性結合器を形成する２つの導波路の間隔を適切に選ぶことにより、主導波路で導波可能な２種類以上の伝播モードの間で、結合係数χ２１の違いを十分に大きくすることができる。
　上述の式（１）によれば、コアの屈折率ｎｃｏｒｅ及びクラッドの屈折率ｎｃｌａｄに対して、結合係数χ２１はｎｃｏｒｅ ２－ｎｃｌａｄ ２に比例する。このため、モード間の結合係数の差を大きくするためには、屈折率差の大きい導波路構造を採用することが好ましい。例えば、ｎｃｏｒｅ／ｎｃｌａｄが１０１～２５０％の範囲内であることが好ましい。
　例えば、コアの材料がＳｉ（屈折率３．４７５程度）であり、クラッドの材料がＳｉＯ２（屈折率１．４４４程度）の場合、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などの半導体向け材料を導波路材料に用いることができるので好ましい。
　コアの材料としては、ＳｉＯｘ（屈折率１．４７）、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、または非シリコン系の半導体材料（化合物半導体）などが挙げられる。
　方向性結合器では、２つの導波路構造（材料、寸法、及び形状等）が完全に対称的であれば、最大パワー移行率は１００％である。逆に２つの導波路構造が異なり、モードの伝播定数が異なる場合、最大パワー移行率は１００％より小さい。よって、１次モード等の高次モードを主導波路から副導波路へ効率よく移行させる場合、主導波路と副導波路との導波路構造（材料、寸法、及び形状等）をなるべく同じにすることが望ましい。例えば、主導波路の幅と副導波路の幅（例えば、図１Ｄの幅ｗ１及びｗ２を参照）が、略同一であることが好ましい。例えばＳｉ光導波路では、安価に製造するため、ＫｒＦ（２４８ｎｍ）を光源とする旧世代の露光機も用いられる。一般的な導波路コアの形成方法においては、露光マスクのアラインメント精度、またはエッチング精度等を起因とする誤差が生じるおそれがある。そこで、テーパ形状等（従来技術を参照。）の意図的な導波路幅（コア幅）の変更がない場合、例えば主導波路の幅と副導波路の幅との差が±１０％以内であることが好ましい。
　同様に、主導波路の厚さと副導波路の厚さとの差が、例えば±１０％以内であることが好ましい。
　方向性結合器において、主導波路から副導波路へのパワーの移行が最大になるまでに要する方向性結合器の長さは結合長と呼ばれる。結合長は、結合係数χ２１の強さに依存する。一般に、結合係数χ２１が小さいほど、結合長は長くなる（例えば、後述する実施例１の図１２と図１３とを参照）。
　例えば、基本モードの結合長が高次モードの結合長よりも十分長くなる条件下で、方向性結合器の長さを短くし（例えば方向性結合器の長さを高次モードの結合長と同程度又はそれ以下とする）、かつ基本モードの移行の割合が小さいまま、高次モードの移行の割合を十分に大きくすると、特定の高次モード（例えば１次モード）を主導波路から副導波路に分離させることが可能な構造のモードスプリッタを実現することができる。
　方向性結合器の長さが高次モードの結合長よりも長い場合、高次モードが主導波路と副導波路との間を交互に移行する。そこで、例えば、方向性結合器の長さを基本モードの結合長と同程度とし、かつ高次モードが副導波路に移行している割合を小さくした場合には、基本モードを主導波路から副導波路に分離させることが可能な構造のモードスプリッタとなると考えられる。
　モードスプリッタが、少なくとも基本モードと１次モードを伝播可能な主導波路に対して、副導波路が１次モードを主導波路から分離させる構造である場合、小型化も容易であり、好ましい。この場合、合波器後の主導波路に近い位置に、主導波路と平行に、主導波路と略同一の幅を有する副導波路を配置して方向性結合器を形成する。さらに、基本モード光と高次モード光との間で結合定数が著しく異なることを利用して、方向性結合器の長さ及び主導波路と副導波路との間隔を適切に設定する。それにより、基本モード光の損失を抑えたまま、高次モード光のみを主導波路から副導波路に分離させることができ、基本モード光のみを出力する合波器を構成することができる。
　また、詳しくは後述するが、図３及び図４に示すように、分波器へつながる主導波路に近い位置に、主導波路と平行に、主導波路と略同一の幅を有する副導波路を配置して方向性結合器を形成する。さらに、基本モード光と高次モード光との間で結合定数が著しく異なることを利用して、方向性結合器の長さ及び主導波路と副導波路との間隔を適切に設定する。それにより、基本モード光の損失を抑えたまま、高次モード光のみを主導波路から副導波路に分離させることができ、分波器に注入する光から、高次モード光のみを除去し、又は減少させ、分岐比の劣化を抑制することができる。
　以上、本発明を好適な実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の形態例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
　図２Ａに示す光導波路素子のモードスプリッタ２０Ａにおいて、副導波路は、方向性結合器を構成する部分である結合部分２２ｂと、結合部分２２ｂで分離したモードの光を取り出す終了部分２２ｃを有するが、副導波路が主導波路になだらかに接近する構造の開始部分（図１Ｃの符号２２ａ）を有さない。
　図２Ｂに示す光導波路素子のモードスプリッタ３０において、主導波路は、開始部分３１ａから結合部分３１ｂを経て終了部分３１ｃに至るまで全体が直線状である。
　モードスプリッタ３０の副導波路は、副導波路が主導波路になだらかに接近する構造の開始部分３２ａと、方向性結合器を構成する部分である結合部分３２ｂと、結合部分３２ｂで分離したモードの光を取り出す終了部分３２ｃとを有する。
　図２Ｃに示す光導波路素子のモードスプリッタ３０Ａにおいて、主導波路は、開始部分３１ａから結合部分３１ｂを経て終了部分３１ｃに至るまで全体が直線状である。モードスプリッタ３０Ａの副導波路は、方向性結合器を構成する部分である結合部分３２ｂと、結合部分３２ｂで分離したモードの光を取り出す終了部分３２ｃとを有するが、副導波路が主導波路になだらかに接近する構造の開始部分（図２Ｂの符号３２ａ）を有しない。
　なお、後述する第２～第１０実施形態等、他の実施形態においても、各モードスプリッタとして、図２Ａ～図２Ｃに示す上述のモードスプリッタ２０Ａ，３０，３０Ａと同様の装置を用いてよい。図２Ｂ及び図２Ｃでは、主導波路２１を直線とし、副導波路２２を曲線とした。一方、主導波路２１を曲線とし、副導波路２２を直線とすることもできる。
　主導波路と副導波路との対称性の観点から、少なくとも方向性結合器に近い位置において、図１Ｃに示すように、主導波路と副導波路とが対称的な平面形状を有することが好ましい。主導波路と副導波路との対称性の影響については、後述の実施例２（特に図１９の（ａ）及び図１９の（ｂ）の比較）において有限差分時間領域（Ｆｉｎｉｔｅ－Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　Ｔｉｍｅ　Ｄｏｍａｉｎ：ＦＤＴＤ）法による電磁界シミュレーションにより比較検討されている。図２Ｃに示す光導波路素子のモードスプリッタ３０Ａの主導波路の終了部分３１ｃを副導波路の終了部分３２ｃと同様の曲げ構造で曲げることにより図２Ａに示す対称性を有するモードスプリッタ２０Ａが得られる。同様に、図２Ｂに示す光導波路素子のモードスプリッタ３０の主導波路の開始部分３１ａを副導波路の開始部分３２ａと同様の曲げ構造で曲げ、主導波路の終了部分３１ｃを副導波路の終了部分３２ｃと同様の曲げ構造で曲げることにより図１Ｃに示す対称性を有するモードスプリッタ２０が得られる。
　図１Ｃのモードスプリッタ２０では、方向性結合器を構成する結合部分２１ｂ，２２ｂの中間線を対称中心線（対称軸）として、主導波路の開始部分２１ａ及び副導波路の開始部分２２ａと、主導波路の結合部分２１ｂ及び副導波路の結合部分２２ｂと、主導波路の終了部分２１ｃ及び副導波路の終了部分２２ｃとがそれぞれ対称になるように設けられる。主導波路の曲線部分（２１ａ，２１ｃ）の曲率半径が、副導波路の曲線部分（２２ａ，２２ｃ）の曲率半径と等しいか、主導波路の曲率半径が副導波路の曲率半径より大きいか、主導波路の曲線部分（２１ａ，２１ｃ）の曲率半径が副導波路の曲線部分（２２ａ，２２ｃ）の曲率半径より小さいかは、適宜選択可能である。
　主導波路と副導波路との間隔が十分に離れた箇所では、基板上で所望の配置をとるように導波路を延ばしたり、曲げたりすることができる。また、導波路の向き及び長さ等を自由に設定できる。主導波路及び副導波路の幅は、方向性結合器に近い位置だけでなく、全体的に略同一の幅にすることもできる。
　副導波路が主導波路の基本モードに及ぼす影響は小さいが、副導波路が主導波路になだらかに接近する構造の開始部分を有する場合、損失をさらに低減することができ、好ましい。副導波路が主導波路の基本モードに及ぼす影響については後述の実施例２（特に図１９の（ｂ）及び図１９の（ｃ）の比較）においてＦＤＴＤ法（上述）による電磁界シミュレーションにより比較検討されている。図２Ｃに示す光導波路素子のモードスプリッタ３０Ａの副導波路の開始部分を副導波路の終了部分３２ｃと同様の曲げ構造で曲げることにより図２Ｂに示すなだらかな接近部分を有するモードスプリッタ３０が得られる。同様に、図２Ａに示す光導波路素子のモードスプリッタ２０Ａの副導波路の開始部分を副導波路の終了部分２２ｃと同様の曲げ構造で曲げることにより図１Ａに示すなだらかな接近部分を有するモードスプリッタ２０が得られる。主導波路を通る光は、その近くに副導波路が不連続的に出現すると、光の反射または擾乱が発生しやすく、光の損失が増える。副導波路が主導波路になだらかに接近することで、これらの損失をさらに低下することができる。
　同様に、副導波路が主導波路からなだらかに離れる構造の終了部分を有する場合、光の損失をさらに低減することができ、好ましい。
　主導波路と副導波路とがなだらかに接近、又は離れる構造は、円弧、楕円弧、放物線、双曲線などの曲線に沿って構成されることが好ましい。曲線の曲率半径は、例えば１０μｍ以上であることが好ましい。直線の曲率半径は∞であることから、直線部と曲線部とが連続的に接続するための曲率半径に特に上限はないが、直線部に近接する曲線部の曲率半径として、例えば数十～数百μｍが挙げられる。
　図１Ｃのモードスプリッタ２０では、方向性結合器を構成する結合部分２１ｂ，２２ｂに垂直な二等分線を対称中心線（対称軸）として、主導波路の開始部分２１ａ及び主導波路の終了部分２１ｃと、副導波路の開始部分２２ａ及び副導波路の終了部分２２ｃとがそれぞれ対称となるように設けられている。開始部分の曲率半径が、終了部分の曲率半径と等しいか、開始部分の曲率半径が終了部分の曲率半径より大きいか、開始部分の曲率半径が終了部分の曲率半径より小さいかは、適宜選択可能である。
　図３に、光導波路素子の第２実施形態を示す。本実施形態に係る光導波路素子では、マッハツェンダ型光変調器４０の光分波部４２の前段の光導波路４１にもモードスプリッタ２０の主導波路２１が接続されている。光分波部４２に光が入力される前に１次モード光を副導波路２２へ分離することにより、マッハツェンダ型光変調器４０の消光比の劣化を抑制することができる。
　図４に、光導波路素子の第３実施形態を示す。本実施形態に係る光導波路素子では、マッハツェンダ型光変調器４０の光分波部４２の前段の光導波路４１のみにモードスプリッタ２０の主導波路２１が接続されている。光分波部４２に光が入力される前に１次モード光を副導波路２２へ分離することにより、マッハツェンダ型光変調器４０の消光比の劣化を抑制することができる。
　図５に、光導波路素子の第４実施形態を示す。本実施形態に係る光導波路素子では、マッハツェンダ型光変調器４０の内部（光分波部４２と光合波部４６との間）の導波路４３，４４にもモードスプリッタ２０の主導波路２１が接続されている。光合波部４６に光が入力される前に１次モード光を副導波路２２へ分離することにより、マッハツェンダ型光変調器４０の消光比の劣化を抑制することができる。
　図６に、光導波路素子の第５実施形態を示す。本実施形態に係る光導波路素子では、マッハツェンダ型光変調器４０の光合波部４６の後段に設けられたモードスプリッタ２０の副導波路２２の終了部分の先端に、不純物を高濃度でドープした光吸収層２３を備える。光吸収層２３で高次モード光を吸収することにより、高次モード光が主導波路２１に再結合することを防ぐことができる。
　モードスプリッタ２０が光分波部４２の前段に設けられた場合（図３，４参照）、またはマッハツェンダ型光変調器４０の内部の導波路４３，４４に設けられた場合（図５参照）等、他の実施形態においても、副導波路２２の終了部分の先端に、光吸収層２３を設けてもよい。
　図７に、光導波路素子の第６実施形態を示す。本実施形態に係る光導波路素子では、マッハツェンダ型光変調器４０の光合波部４６の後段に設けられたモードスプリッタ２０の副導波路２２の終了部分２２ｃの先端部２２ｄに、受光素子（ＰＤ：Ｐｈｏｔｏ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）２４及びＰＤ２４の電流を取り出すための電気配線２５を備える。ＰＤ２４の設置により、副導波路２２に分岐する高次モードの光の光量をモニタリングすることができる。このモニタリングにより、例えば経年劣化、または駆動中の温度等の環境変化による動作のずれを検出することができる。
　モードスプリッタ２０が光分波部４２の前段に設けられた場合（図３，４参照）、またはモードスプリッタ２０がマッハツェンダ型光変調器４０の内部の導波路４３，４４に設けられた場合（図５参照）等、他の実施形態においても、副導波路２２の終了部分２２ｃの先端に、ＰＤ２４及び電気配線２５を設けてもよい。マッハツェンダ型光変調器４０においては、ＰＤ２４を用いてモニタリングした結果を用いて、制御部により、光変調部４５の動作条件（例えば電気制御の場合は印加電圧など）を調整してフィードバックすることができる。
　ＰＤは、基板上に配置することが好ましいため、ＰＤを基板上に実装してもよい。半導体基板を用いた場合には、ＰＤを半導体素子として、光導波路と同一の基板上に集積することもできる。Ｓｉ／ＳｉＯ２導波路を有するＳｉ基板上に集積可能なＰＤとしては、例えばゲルマニウム（Ｇｅ）ＰＤ等のＩＶ族半導体ＰＤ、インジウムリン（ＩｎＰ）系のＰＤ等、またはガリウム砒素（ＧａＡｓ）等のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体ＰＤが挙げられる。
　電気配線２５は、例えば基板上に（必要であれば絶縁層を介して）、１つのＰＤ２４につき平行に２本設けるなど、ＰＤ２４に必要な本数設けることができる。
　図７に示す例では、副導波路２２と主導波路２１とが互いになだらかに離れる構造の終了部分２１ｃ，２２ｃを有する。副導波路の終了部分２２ｃの先端部２２ｄの曲率半径は、ＰＤ２４に向かって徐々に増大し、最終的には直線状となった導波路がＰＤ２４に接続されている。
　モニターＰＤへの導波光を増大するために、副導波路の終了部分２２ｃでの曲率半径を大きくすることで、副導波路の終了部分２２ｃでの高次モード光の曲げ損失を低減させることができる。特に曲げ損失を完全になくすためには、主導波路２１の終了部分２１ｃの曲線部を残したまま副導波路の終了部分２２ｃを直線とすることで可能となる。この場合、方向性結合器が対称性を持たなくなり主導波路２１の高次モードの除去率は下がるが、分離した高次モード光の曲げ損失を低下することが可能である。この場合、副導波路の開始部分２２ａは図７に示したように曲げたまま、終了部分２２ｃを、結合部分２２ｂの延長線上に延ばしてもよい。また、副導波路の終了部分２２ｃのうち、結合部分２２ｂに近い部分は主導波路２１からある程度離れるまで曲げ、主導波路２１からある程度離れた先はＰＤ２４まで直線とする（結合部分２２ｂの延長線に対して傾斜させる）ことも可能である。
　図６及び図７に示すように、副導波路２２の終了部分に、光吸収層２３又はＰＤ２４を設ける場合、副導波路２２の終了部分は、光吸収層２３又はＰＤ２４に至るまで、略同一の幅で形成されることが好ましい。これにより、光吸収層２３又はＰＤ２４を基板上で所望の位置に配置できる上、副導波路２２に分岐された高次モード光が、副導波路２２から基板内に漏れることを抑制できる。
　図３、図５、図８Ａ、図８Ｂ、図９に示すように、光導波路素子が２本以上の副導波路２２を有する場合、少なくとも１本以上の副導波路２２の終了部分の先端に、光吸収層２３又はＰＤ２４を設けることができる。いずれかの副導波路２２の終了部分の先端に光吸収層２３を設け、さらに別の副導波路２２の終了部分の先端にＰＤ２４を設ける等、任意に設計することが可能である。
　図８Ａに、光導波路素子の第７実施形態を示す。本実施形態に係る光導波路素子では、光合波部４６の後段において、副導波路２２が主導波路２１の長手方向の異なる位置に２本以上あり、各々の副導波路２２の幅は、主導波路２１の幅との差が±１０％以内であり、主導波路２１の幅と略同一である。副導波路２２と主導波路２１との間隔（図１Ｄの間隔ｗ０）、及び副導波路２２が主導波路２１と平行に置かれた部分の長さ（図１Ｃの結合部分２１ｂ，２２ｂの長さＬ０）が等しく、各副導波路２２が主導波路２１に沿った部分に、同等の波長特性を有するモードスプリッタ２０が構成される。これにより、副導波路２２に分離すべき光（例えば１次モード光）の除去率を高めることができる。
　図８Ｂに、光導波路素子の第８実施形態を示す。本実施形態に係る光導波路素子では、光合波部４６の後段において、副導波路２２が主導波路２１の長手方向の異なる位置に２本以上設けられ、各々の副導波路２２の幅は、主導波路２１の幅との差が±１０％以内であり、主導波路２１の幅と略同一である。副導波路２２と主導波路２１との間隔、または副導波路２２が主導波路２１と平行に置かれた部分の長さ等が異なり、各副導波路２２が主導波路２１に沿った部分に、異なる波長特性を有するモードスプリッタ２０，２００がそれぞれ形成される。これにより、副導波路２２に分離すべき光（例えば１次モード光）の除去される波長帯域を広げることができる。例えば、図８Ｂの例では、モードスプリッタ２００はモードスプリッタ２０と比べて、副導波路２２と主導波路２１との間隔を広くしているが、本発明は特にこれに限定されない。
　図８Ａ及び図８Ｂに示す例では、光合波部４６の後段において、副導波路２２が主導波路２１の長手方向の異なる位置に２本以上設けられる。しかしながら、光分波部４２の前段にモードスプリッタ２０を設ける場合（図３，４参照）、またはマッハツェンダ型光変調器４０の内部の導波路４３，４４にモードスプリッタ２０を設ける場合（図５参照）等、他の実施形態でも同様に、副導波路２２を主導波路２１の長手方向の異なる位置に２本以上設けることができる。その場合も、各々の副導波路２２の幅は、主導波路２１の幅と±１０％以内の差であることが好ましい。同等の波長特性を有する複数のモードスプリッタ２０を構成した場合、副導波路２２に分離すべき光（例えば１次モード光）の除去率を高めることができる。異なる波長特性を有する複数のモードスプリッタ２０，２００を構成した場合、副導波路２２に除去される波長帯域を広げることができる。
　図９に、光導波路素子の第９実施形態を示す。本実施形態に係る光導波路素子は、複数のマッハツェンダ型光変調器４０Ａ，４０Ｂを有する。これらのマッハツェンダ型光変調器４０Ａ，４０Ｂでは、光導波路素子は、複数のマッハツェンダ型光変調器４０Ａ，４０Ｂを有する。これらのマッハツェンダ型光変調器４０Ａ，４０Ｂの前段に１×２（１入力２出力）の光分波部４８を配置して、光分波部４８に注入された光は２つに分波され、それぞれ別のマッハツェンダ型光変調器４０Ａ，４０Ｂに注入される。さらに、マッハツェンダ型光変調器４０Ａ，４０Ｂの後段に２×１（２入力１出力）の光合波部４９を配置して、それぞれのマッハツェンダ型光変調器４０Ａ，４０Ｂの主力を合波して出力することができる。このように、光分波部４８と光合波部４９とで構成される１つのマッハツェンダ型干渉計の内部に複数のマッハツェンダ型光変調器４０Ａ，４０Ｂが含まれる構成にも、本発明の上記各実施形態に係るモードスプリッタ２０を設けることができる。
　図１０に、光導波路素子の第１０実施形態を示す。本実施形態に係る光導波路素子１００では、マッハツェンダ型光変調器４００の光分波部４２及び光合波部４６に用いる合分波器として、Ｙ型合分波器１５を有するほかは、図１Ａの光導波路素子１０と同様に構成される。また、図２Ａ～図９に示す光導波路素子等、他の実施形態においても、ＭＭＩ型合分波器１４の代わりにＹ型合分波器１５を用いることができる。
　以下、実施例を用いて本発明を具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。
＜実施例１＞
　光導波路と光分波部及び光合波部とにおいて、クラッド領域はＳｉＯ２で、コア領域はＳｉでそれぞれ形成した。
　導波路コア領域の厚さ（図１Ｄのｔ０参照）は２２０ｎｍとし、導波路コア領域の幅（図１Ｄのｗ１及びｗ２参照）は５００ｎｍとした。コアの上下には光がそれぞれ基板及び空気に触れないようにクラッドを設けた。クラッドの厚さ（図１Ｄのｔ１及びｔ２参照）はコアの上下にそれぞれ２μｍとした。クラッドは、コアの側方及び導波路間にも形成した。
　上記光導波路を１本単独に配置したときの、基本モード及び１次モードの電磁界分布をシミュレーションにより解析した。電磁界分布の解析結果を図１１Ａ及び図１１Ｂに示す。図１１Ａに示す基本モードはコアの中央を伝播するのに対し、図１１Ｂに示す高次モードは基本モードに比べて導波路の外側を伝播することが分かった。
　マッハツェンダ型光変調器の光合波部及び光分波部にはＭＭＩ合分波器を用いた。ＭＭＩ合分波器の幅（図１ＢのＷＭＭＩ参照）は１．５μｍで、長さ（図１ＢのＬＭＭＩ参照）は１．７～１．９μｍとした。また、ＭＭＩ分波器の一端には１本の導波路を結合し、他端には、２本の導波路を結合した。
　光分波部の前段（入射側）の導波路を主導波路とし、これと平行に、かつ間隔を空けて副導波路を置いた。副導波路への最大移行パワーをできる限り１００％に近づけるため、副導波路の導波路幅は主導波路と同じ幅にした。主導波路と副導波路との間隔（導波路間隔）は、近すぎると主導波路から副導波路への基本モードの結合が強くなってしまい、基本モード光の損失が増大する。逆に副導波路を主導波路から離しすぎると、主導波路から副導波路への１次モードの結合が弱くなり、非常に長い副導波路長が必要になる。
　導波路間隔を求めるため、上記光導波路を２本配置した方向性結合器について、有限要素法によるモード解析の結果から結合係数を算出し、さらに、その結合係数から結合長を計算した。導波路間隔は、０．１５～０．８５μｍの範囲内で０．０５μｍごとに設定した。なお、この設定は、図１２～１５のすべてのモード解析に適用した。
　結合係数と導波路間隔との関係を求めた結果を図１２に示す。導波路間隔を広げていくと、基本モードと１次モードの結合係数χは共に小さくなっていくが、基本モードの結合係数χの減少が、１次モードの結合係数χの減少に比べて急であることが分かった。
　また、結合長と導波路間隔との関係を求めた結果を図１３に示す。導波路間隔を０．５μｍとすると、基本モードの結合長は５０４μｍであるが、１次モードの結合長は１６μｍであった。導波路間隔によって、基本モード及び１次モードの結合効率及び結合長が決まるので、副導波路が主導波路に沿って平行となる部分の長さ（副導波路長）を１次モードの結合長と等しくした。主導波路と副導波路とが対称的であると仮定すると、副導波路長を１次モードの結合長と等しくすれば、１次モード光を１００％副導波路に移行させることができる。また、このとき基本モード光が副導波路に移行する割合は、ｓｉｎ２（π／２×１６／５０４）＝０．００２５、すなわち０．２５％の移行にとどまる。すなわち、この場合、０．０１ｄＢの基本モード光の損失で、１次モードを完全に分離することができる。
　さらに上述の副導波路長（ｂｙｐａｓｓ　ｌｅｎｇｔｈ）について検討するため、有限差分時間領域（Ｆｉｎｉｔｅ－Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　Ｔｉｍｅ　Ｄｏｍａｉｎ：ＦＤＴＤ）法による電磁界シミュレーションを行った。光の波長は、光通信で一般的に用いられる１．５５μｍとした。主導波路は直線状とし、副導波路には曲げ部を設けた。図１４～１５において、各データ系列（マーカー付き折れ線）と導波路間隔（０．１５～０．８５μｍ）との対応はグラフ右側の枠中に示す。
　ＭＭＩ型分波器の前段のモードスプリッタに基本モード光が注入される場合を想定し、複数の導波路間隔における基本モード光の強度と副導波路長との関係を求めた。その結果を図１４に示す。なお、図１４及び後述の図１５では、右の枠内に表示される数値が導波路間隔（μｍ）を示している。この結果から、導波路間隔が０．４μｍ以下では基本モードが副導波路へ強く結合し、大きな導波路損失を生じていることが分かった。
　逆に、ＭＭＩ型分波器の前段のモードスプリッタに１次モード光が注入される場合を想定し、複数の導波路間隔における１次モード光の強度と副導波路長との関係を求めた。その結果を図１５に示す。この結果から、導波路間隔が狭いと、結合係数が大きく、短い副導波路長で光の最大移行点を迎え、その後、副導波路から主導波路へ光が戻ってきていることが分かる。
図１５から確認される１次モードの結合長は、有限要素法で計算した図１３に示す結合長とほぼ一致する。
　副導波路長が短い場合に最大パワー移行効率が小さいのは、副導波路の開始点と終点での非対称性が影響しているためと考えられる。導波路間隔が広いと、結合が小さくなり、副導波路長を長くしないと副導波路への移行が見られない。
　上述したように、導波路間隔が０．４μｍ以下では基本モード光の損失が大きいので、導波路間隔は０．４μｍより大きいことが好ましいと考えられる。
　そこで、実施例１では、導波路間隔（図１Ｄのｗ０参照）を０．５μｍ（５００ｎｍ）、副導波路長を１６μｍとした。１次モード光を注入したときは、副導波路に移行した光に対して主導波路に残った光は－１２．５ｄＢであった。また、基本モード光を注入したときは、主導波路に残った光に対して副導波路に移行した光は－２５ｄＢであった。
　実施例１の光分波器では、前段のモードスプリッタとして方向性結合器を用いているため、波長変化による特性の変化を検証した。上述の条件下（導波路間隔０．５μｍ、副導波路長１６μｍ）で入射波長を変化させ、光分波器の直前における１次モード光のパワーの波長依存性を計算した。その結果（波長１．５３～１．６１μｍ）を図１６に示す。長波長側で、副導波路による１次モード光の除去率の低下が見られるが、それでも－１８ｄＢ以下になるまでで１次モード光を除去しており、Ｃ－ｂａｎｄ及びＬ－ｂａｎｄの全域で１次モード光の除去効果があることが分かった。
　さらに、実施例１で副導波路を設けたことによる基本モード光の損失（Ｌｏｓｓ）を計算した。その結果（波長１．５３～１．６１μｍ）を図１７に示す。基本モード光の損失は、Ｃ－ｂａｎｄ及びＬ－ｂａｎｄの全域で０．０１６ｄＢ以下であり、実用上問題にならないと考えられる。
　副導波路に移行した１次モード光が再度主導波路に戻らないように、副導波路の終了部分に、主導波路からなだらかに離れる曲げ部を設けた。曲げ部の曲率半径が小さいと１次モード光が副導波路から漏れてしまい、クラッドを経て主導波路と再結合する可能性がある。
　そこで、１次モード光の漏れが少なくなるように、曲げ部の曲率半径を１００μｍとした。
　１次モードの除去によるＭＭＩ型分波器の分岐比の変化を、ＦＤＴＤ法（上述）による電磁界シミュレーションによって検討した。まず、基本モード光と１次モード光を種々の比率でＭＭＩ型分波器に混入した場合の分岐比の変化の様子を図１８のグラフに示す。
　モードスプリッタがないＭＭＩ型分波器の場合、わずか２％１次モード光が混入することにより、分波器から右側のアームに対して左側のアームのパワーは－２．７７ｄＢとなった。
　一方、実施例１で最適化したモードスプリッタ（導波路間隔０．５μｍ、副導波路長１６μｍ）をもつ場合、両アームでの分岐比は０．２４ｄＢまで改善された。このようなモードスプリッタの有無による分岐比の違いは、消光比の低下をＭＭＩ光分波器の分岐比不均等だけが原因と考えれば、消光比が５．５８ｄＢから１５．５ｄＢに改善されたことを意味する。したがって、マッハツェンダ型光変調器の分波部の前段にモードスプリッタを設けることにより、分岐比の大幅な改善が期待できる。
＜実施例２＞
　実施例２においても、実施例１と同様の光導波路構造を採用した。具体的には、クラッドの材料がＳｉＯ２、コアの材料がＳｉ、コアの厚さが２２０ｎｍ、コアの幅（導波路幅）が５００ｎｍ、クラッドの厚さがコアの上下にそれぞれ２μｍである。
　モードスプリッタの平面形状について、ＦＤＴＤ法（上述）による電磁界シミュレーションによって検討した。まず、モードスプリッタに１次モード光を注入した場合の光の伝播の様子を図１９に示す。図１９の（ａ）は、主導波路（図中の左側）が直線状で、副導波路（図中の右側）がその終点側で副導波路が主導波路からなだらかに離れる構造をもつモードスプリッタを示す。図１９の（ｂ）は、主導波路及び副導波路がそれぞれの終点側で相手側からなだらかに離れる構造をもつモードスプリッタを示す。図１９の（ｃ）は、主導波路及び副導波路が、それぞれの開始側では相手側になだらかに接近する構造をもち、それぞれの終点側では相手側からなだらかに離れる構造をもつモードスプリッタを示す。
　いずれも１次モード光が副導波路に移行するが、詳しくは後述するように、図１９の（ａ）で主導波路に残る１次モード光が若干ながら認められる。図１９の（ｂ）では主導波路に残る１次モード光は僅かであり、図１９の（ｃ）では主導波路に残る１次モード光は全く確認できない。
　図２０に、図１９の（ｃ）に示される構造で、主導波路と副導波路とが平行に沿う直線部の長さに対して、分岐比がどのように変化するかを検討した結果を示す。ここでの分岐比とは、副導波路に移行する１次モード光のパワーと主導波路に残留する１次モード光のパワーとの比をデシベル（ｄＢ）表示にした値をいう。
　方向性結合器となる直線部の前後に設けられる曲げ部の曲率半径は、４０μｍ、６０μｍ、１００μｍの３種類とした。それぞれ、図２０のグラフ中では、「Ｒ＝４０」、「Ｒ＝６０」、「Ｒ＝１００」と表示する。
　その結果、曲げ部の曲率半径を大きくした場合、直線部の長さを最適化したときの分岐比（各折れ線における分岐比の最大値）が良くなる傾向が示された。なお、ここでは、具体的な結果を示していないが、本発明者らの検討によれば、図１９の（ａ）及び（ｂ）に示される構造でも、同様に、曲げ部の曲率半径を大きくした場合、直線部の長さを最適化したときの分岐比が良くなる傾向が認められた。
　図２１に、図１９の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示される３種類の構造について、最適化された分岐比と曲線部の曲率半径との関係を検討した結果を示す。曲線部の曲率半径としては、２０μｍ、４０μｍ、６０μｍ、１００μｍの中から３～４種類を選択した。（ａ）の構造に比べて（ｂ）の構造のほうが、さらに（ｃ）の構造のほうが、分岐比がより良くなる結果が示された。
　ここでの「最適化された分岐比」とは、各構造ごとに、直線部の長さを最適化したときの分岐比をいう。したがって、図２１の（ｃ）で示される分岐比は、図２０で示される「最適化された分岐比」と同一の値である。
　図１９～図２１に示す、以上の検討に基づき、図１９の（ｃ）において、直線部の長さは２μｍ、曲げ部の曲率半径は１００μｍとしたモードスプリッタにおける基本モード光の伝播の様子を検討した。その結果を図２２に示す。この結果では、副導波路に移行する基本モード光は全く見えず、基本モード光は全て主導波路を伝播した。具体的には、分岐比（損失）として－３０．５ｄＢであり、非常に低損失であった。
＜実施例３＞
　クラッド領域をＳｉＯ２、コア領域をＳｉとして導波路及び合分波器を構成した。コアの厚さは２２０ｎｍとし、コアの幅（導波路幅）は５００ｎｍとした。コアの上下には光がそれぞれ基板及び空気に触れないようにクラッドを設けた。クラッドの厚さはコアの上下にそれぞれ２μｍとした。クラッドは、コアの側方及び導波路間にも形成した。
　マッハツェンダ型光変調器の光合波部及び光分波部にはＭＭＩ型の合分波器を用いた。合分波器の幅ＷＭＭＩは１．５μｍで、長さＬＭＭＩは１．８μｍとした。合分波器の片側に２本の光導波路が結合する箇所では、並行する導波路の間隔を０．３μｍとした。
　光合波部の後段（出射側）の導波路を主導波路とし、これと平行に、かつ間隔を空けて副導波路を置いた（図１Ａ参照）。副導波路への最大移行パワーをできる限り１００％に近づけるため、副導波路の導波路幅は主導波路と同じ幅とした。実施例１，２の検討に基づき、副導波路と主導波路との間隔は０．５μｍ（５００ｎｍ）とした。
　主導波路と副導波路とが接近及び離れる際に、急激な変化があると導波光の揺動を起こし、損失低下をもたらす。従って、主導波路と副導波路との接近及び離れはなだらかであることが好ましい。しかし、接近部及び離れ部でも高次モードの結合は弱いながらも行われる。従って、主導波路と副導波路との接近及び離れをなだらかにしすぎるのも適切ではない。そこで、実施例２の検討に基づき、図１９の（ｃ）及び図２２に示すように、主導波路と副導波路とのそれぞれに、接近部及び離れ部の曲率半径を１００μｍとし、直線部の長さを２μｍとした。これにより、高次モードが効率よく主導波路から副導波路に移行し、しかも基本モードの移行をほとんどなくすことができる。
＜実施例４＞
　クラッド領域をＳｉＯ２、コア領域をＳｉとして導波路及び合分波器を構成した。コアの厚さは２２０ｎｍとし、コアの幅（導波路幅）は６００ｎｍとした。コアの上下には光がそれぞれ基板及び空気に触れないようにクラッドを設けた。クラッドの厚さはコアの上下にそれぞれ２μｍとした。クラッドは、コアの側方及び導波路間にも形成した。
　マッハツェンダ型光変調器の光合波部及び光分波部にはＭＭＩ型の合分波器を用いた。
　その幅ＷＭＭＩは１．７μｍで、長さＬＭＭＩは２．４μｍとした。合分波器の片側に２本の光導波路が結合する箇所では、並行する導波路の間隔を０．３μｍとした。
　光合波部の後段（出射側）の導波路を主導波路とし、これと平行に、かつ間隔を空けて副導波路を置いた（図１Ａ参照）。
　実施例１～３と同様に、６００ｎｍの導波路幅でも最適な導波路間隔を検討した結果、副導波路と主導波路との間隔は０．５μｍ（５００ｎｍ）とした。また、図１９の（ｃ）及び図２２に示すように、主導波路と副導波路のそれぞれに、接近部及び離れ部の曲率半径を１００μｍとしたとき、最適な直線部の長さはシミュレーションにより９μｍと求められた。
　これにより、高次モードが効率よく主導波路から副導波路に移行し、しかも基本モードの副導波路への移行をほとんどなくすことができる。
＜実施例５＞
　実施例３，４と同じ副導波路を、マッハツェンダ型光変調器の光合波部の後段（出射側）に配置する代わりに、光分波部の前段（入射側）に配置した（図４参照）。
　また、実施例３，４と同じ副導波路を、マッハツェンダ型光変調器の光分波部の前段、及び光合波部の後段の両方に配置した（図３参照）。
　また、実施例３，４と同じ副導波路を、マッハツェンダ型光変調器の内部にも配置した（図５参照）。
１…基板、２…コア、３…クラッド、１０，１００…光導波路素子、１４，１５…光合分波器、２０，２０Ａ，３０，３０Ａ，２００…モードスプリッタ、２１…主導波路、２２…副導波路、２３…光吸収層、２４…受光素子（ＰＤ）、２５…電気配線、４０，４０Ａ，４０Ｂ，４００…マッハツェンダ型光変調器、４２，４８…光分波部、４５…光変調部、４６，４９…光合波部。

Claims (25)

  1. 　光導波路素子であって、
    　少なくとも２種類以上の伝播次数の異なる伝播モードが導波可能な主導波路と、方向性結合器を構成するように前記主導波路から一定の距離を空けて前記主導波路と平行に配置された結合部分を有してかつ、前記２種類以上の伝播モードのうち、少なくとも１種類の伝播モードを前記主導波路から分離可能な副導波路を有するモードスプリッタと、
    　を備え、
    　前記主導波路と前記副導波路とを構成するコアとクラッドとの屈折率比であるｎｃｏｒｅ／ｎｃｌａｄが１０１～２５０％の範囲内であることを特徴とする光導波路素子。
  2. 　前記方向性結合器における前記主導波路の幅と前記副導波路との幅との差が、±１０％以内である請求項１に記載の光導波路素子。
  3. 　前記方向性結合器における前記主導波路の厚さと前記副導波路との厚さとの差が、±１０％以内である請求項１又は２に記載の光導波路素子。
  4. 　前記副導波路が、前記結合部分の前段の端部に連続する開始部分をさらに有し、
    　前記開始部分が前記前段の端部に近づくにつれて前記主導波路になだらかに接近する請求項１～３のいずれか１項に記載の光導波路素子。
  5. 　前記副導波路が、前記結合部分の後段の端部に連続する終了部分をさらに有し、
    　前記終了部分が前記後段の端部から離れるにつれて前記主導波路からなだらかに離れる請求項１～４のいずれか１項に記載の光導波路素子。
  6. 　複数の前記モードスプリッタを備え、
    　前記各方向性結合器における前記主導波路の幅と前記副導波路の幅との差は、±１０％以内であり、
    　前記副導波路の前記結合部分と前記主導波路との間隔、及び前記副導波路の前記結合部分の長さがすべての前記方向性結合器間で等しい請求項１～５のいずれか１項に記載の光導波路素子。
  7. 　複数の前記モードスプリッタを備え、
    　前記各方向性結合器における前記主導波路の幅と前記副導波路の幅との差は、±１０％以内であり、
    　前記副導波路の前記結合部分と前記主導波路との間隔、又は前記副導波路の前記結合部分の長さがすべての前記方向性結合器間で異なる請求項１～５のいずれか１項に記載の光導波路素子。
  8. 　前記コアの材料がＳｉであり、前記クラッドの材料がＳｉＯ２である請求項１～７のいずれか１項に記載の光導波路素子。
  9. 　前記副導波路が、高次モードを前記主導波路から分離させるように構成されている請求項１～８のいずれか１項に記載の光導波路素子。
  10. 　前記副導波路の終了部分の先端に配置され、不純物を高濃度でドープした光吸収層をさらに備える請求項９に記載の光導波路素子。
  11. 　前記副導波路の終了部分の先端に配置され、受光素子及び前記受光素子の電流を取り出す電気配線をさらに備える請求項９に記載の光導波路素子。
  12. 　光導波路素子であって、
    　１つの入力光を２つの分波光に分波する分波部と、前記２つの分波光を１つの出力光に合波する合波部と、少なくとも２種類以上の伝播次数の異なる伝播モードが導波可能でかつ、前記入力光と前記分波光と前記出力光とを導波する主導波路と、を有するマッハツェンダ型光変調器と、
    　方向性結合器を構成するように前記主導波路から一定の距離を空けて前記主導波路と平行に配置された結合部分を有してかつ、前記２種類以上の伝播モードのうち、少なくとも１種類の伝播モードを前記主導波路から分離可能な副導波路を有する１以上のモードスプリッタと、
    を備え、
    　前記主導波路と前記副導波路とを構成するコアとクラッドとの屈折率比であるｎｃｏｒｅ／ｎｃｌａｄが１０１～２５０％の範囲内であることを特徴とする光導波路素子。
  13. 　前記方向性結合器における前記主導波路の幅と前記副導波路の幅との差が±１０％以内である請求項１２に記載の光導波路素子。
  14. 　前記方向性結合器における前記主導波路の厚さと前記副導波路の厚さとの差が、±１０％以内である請求項１２又は１３に記載の光導波路素子。
  15. 　前記副導波路が、前記結合部分の前段の端部に連続する開始部分をさらに有し、
    　前記開始部分が前記前段の端部に近づくにつれて前記主導波路になだらかに接近する請求項１２～１４のいずれか１項に記載の光導波路素子。
  16. 　前記副導波路が、前記結合部分の後段の端部に連続する終了部分をさらに有し、
    　前記終了部分が前記後段の端部から離れるにつれて前記主導波路からなだらかに離れる請求項１２～１５のいずれか１項に記載の光導波路素子。
  17. 　複数の前記マッハツェンダ型光変調器を内部に含む１つのマッハツェンダ型干渉計をさらに備える請求項１２～１６のいずれか１項に記載の光導波路素子。
  18. 　複数の前記モードスプリッタを備え、
    　前記各方向性結合器における前記主導波路の幅と前記副導波路の幅との差は、±１０％以内であり、
    　前記副導波路の前記結合部分と前記主導波路との間隔、及び前記副導波路の前記結合部分の長さがすべての前記方向性結合器間で等しい請求項１２～１７のいずれか１項に記載の光導波路素子。
  19. 　複数の前記モードスプリッタを備え、
    　前記各方向性結合器における前記主導波路の幅と前記副導波路の幅との差は、±１０％以内であり、
    　前記副導波路の前記結合部分と前記主導波路との間隔、又は前記副導波路の前記結合部分の長さがすべての前記方向性結合器間で異なる請求項１２～１８のいずれか１項に記載の光導波路素子。
  20. 　前記分波部及び前記合波部が、ＭＭＩ型の光合分波器である請求項１２～１９のいずれか１項に記載の光導波路素子。
  21. 　前記分波部及び前記合波部が、Ｙ型の光合分波器である請求項１２～１９のいずれか１項に記載の光導波路素子。
  22. 　前記コアの材料がＳｉであり、前記クラッドの材料がＳｉＯ２である請求項１２～２１のいずれか１項に記載の光導波路素子。
  23. 　前記副導波路が、高次モードを前記主導波路から分離させるように構成されている請求項１２～２２のいずれか１項に記載の光導波路素子。
  24. 　前記副導波路の終了部分の先端に配置され、不純物が高濃度でドープされた光吸収層をさらに備える請求項２３に記載の光導波路素子。
  25. 　前記副導波路の終了部分の先端に配置され、受光素子及び前記受光素子の電流を取り出す電気配線をさらに備える請求項２３に記載の光導波路素子。
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