WO2018135429A1 - 交差光導波路構造及び光導波路素子 - Google Patents

交差光導波路構造及び光導波路素子 Download PDF

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WO2018135429A1
WO2018135429A1 PCT/JP2018/000799 JP2018000799W WO2018135429A1 WO 2018135429 A1 WO2018135429 A1 WO 2018135429A1 JP 2018000799 W JP2018000799 W JP 2018000799W WO 2018135429 A1 WO2018135429 A1 WO 2018135429A1
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optical waveguide
taper
equal width
tapered
crossed
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PCT/JP2018/000799
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French (fr)
Inventor
泰芳 内田
長谷川　淳一
Original Assignee
古河電気工業株式会社
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/125—Bends, branchings or intersections
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/1228—Tapered waveguides, e.g. integrated spot-size transformers
    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12035—Materials
    • G02B2006/12038—Glass (SiO2 based materials)

Definitions

  • the present invention relates to a crossed optical waveguide structure and an optical waveguide device including the same.
  • Some optical devices used for optical communications use optical waveguide elements using a planar lightwave circuit (PLC) made of quartz glass.
  • PLC planar lightwave circuit
  • Some optical waveguide elements employ a crossed optical waveguide structure in which two optical waveguides intersect in the same plane (see Non-Patent Document 1).
  • a loss (hereinafter sometimes referred to as a crossing loss) occurs with respect to light propagating through the optical waveguide at the intersection of the optical waveguide.
  • an optical waveguide structure for reducing cross loss is disclosed (see Patent Documents 1 and 2).
  • the present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide a crossed optical waveguide structure with reduced crossing loss and an optical waveguide device including the same.
  • a crossed optical waveguide structure includes a first optical waveguide and a second optical waveguide positioned in the same plane as the first optical waveguide.
  • the first optical waveguide, the second optical waveguide, and the intersecting portion formed on an outer periphery of the first optical waveguide and the second optical waveguide; and an outer periphery of the first optical waveguide and the second optical waveguide.
  • the first optical waveguide includes a first equal width portion, a second equal width portion, and the first equal width portion toward the second equal width portion.
  • a second taper portion that becomes smaller, and the second optical waveguide includes a third equal width portion, a fourth equal width portion, A third tapered portion that extends from the third equal width portion toward the fourth equal width portion and decreases in width as it approaches the fourth equal width portion; and from the fourth equal width portion toward the third equal width portion.
  • a fourth taper portion that decreases in width as it approaches the third equal width portion, and the intersecting portion includes the first taper portion, the second taper portion, the third taper portion, and the A mode field diameter of a propagation mode of light input to the first equal width portion, the second equal width portion, the third equal width portion, or the fourth equal width portion. Is reduced by the first taper portion, the second taper portion, the third taper portion, or the fourth taper portion, and the first taper portion and the second taper portion are condensed so as to collect light at the intersection.
  • Each taper shape of the portion, the third taper portion, and the fourth taper portion is set. And butterflies.
  • the first tapered portion, the second tapered portion, the third tapered portion, and the like so that the mode field diameter of the propagation mode changes in a non-adiabatic manner.
  • Each tapered shape of the fourth tapered portion is set.
  • the taper angles of the first taper portion, the second taper portion, the third taper portion, and the fourth taper portion are ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3, and ⁇ 4, respectively.
  • the relative refractive index difference of the first tapered portion, the second tapered portion, the third tapered portion, the fourth tapered portion, and the intersecting portion with respect to the cladding portion is ⁇ , the following equations (1) to It is characterized in that (4) holds.
  • the crossed optical waveguide structure according to an aspect of the present invention is characterized in that the following expressions (5) to (8) are satisfied.
  • 0.8 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 1 ⁇ 1.8 ⁇ ⁇ (5) 0.8 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 2 ⁇ 1.8 ⁇ ⁇ (6) 0.8 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 3 ⁇ 1.8 ⁇ ⁇ (7) 0.8 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 4 ⁇ 1.8 ⁇ ⁇ (8)
  • the crossed optical waveguide structure according to an aspect of the present invention is characterized in that the first optical waveguide, the second optical waveguide, the intersecting portion, and the clad portion are made of silica glass.
  • the crossed optical waveguide structure according to an aspect of the present invention is characterized in that the second optical waveguide is inclined with respect to the first optical waveguide.
  • An optical waveguide device includes the crossed optical waveguide structure according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 1A is a schematic diagram of a crossed optical waveguide structure according to Embodiment 1.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 1A.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining a light propagation state in the crossed optical waveguide structure of FIG.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a known crossed optical waveguide structure.
  • FIG. 4A is a diagram illustrating a light propagation state.
  • FIG. 4B is a diagram illustrating a light propagation state.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating the relationship between the distance L and the crossing loss.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a crossed optical waveguide structure according to the second embodiment.
  • FIG. 7A is a diagram illustrating a relationship between the crossing angle ⁇ and the crossing loss.
  • FIG. 7B is a diagram illustrating a relationship between the crossing angle ⁇ and the crossing loss.
  • FIG. 8 is a schematic diagram of a crossed optical waveguide structure according to the third embodiment.
  • FIG. 9 is a schematic diagram of an optical waveguide device according to the fourth embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic diagram of an optical waveguide device according to the fourth embodiment.
  • FIG. 1A and 1B are schematic views of a crossed optical waveguide structure according to Embodiment 1.
  • FIG. 1A is a plan view
  • FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 1A.
  • the crossed optical waveguide structure 10 includes a first optical waveguide 1, a second optical waveguide 2 that is positioned in the same plane as the first optical waveguide 1, and orthogonal to the first optical waveguide 1, An intersection 3 between the first optical waveguide 1 and the second optical waveguide 2 and a clad 4 formed on the outer periphery of the first optical waveguide 1 and the second optical waveguide 2 are provided.
  • the intersecting optical waveguide structure 10 is designed so as to suitably propagate light having a wavelength of 1.55 ⁇ m in a single mode.
  • the first optical waveguide 1, the second optical waveguide 2, and the intersecting portion 3 are made of silica-based glass containing GeO 2 which is a dopant for increasing the refractive index and ZrO 2 in a fine particle state.
  • the clad portion 4 includes a lower clad layer 4a and an over clad portion 4b, and is made of silica-based glass having a refractive index smaller than that of the first optical waveguide 1, the second optical waveguide 2, and the intersecting portion 3.
  • the first optical waveguide 1, the second optical waveguide 2, and the intersecting portion 3 function as optical waveguides that confine and guide light.
  • the first optical waveguide 1, the second optical waveguide 2, and the intersecting portion 3 have a relative refractive index difference ⁇ with respect to the cladding portion 4 at a wavelength of 1.55 ⁇ m, for example, 1.5% to 10%.
  • the relative refractive index difference ⁇ at the wavelength of 1.55 ⁇ m of the first optical waveguide 1, the second optical waveguide 2, and the intersecting portion 3 is equal.
  • intersection part 3 is a square, a rectangle, or a trapezoid, for example.
  • the first optical waveguide 1 has a first equal width portion 1a, a second equal width portion 1b, a first taper portion 1c, and a second taper portion 1d.
  • the first equal width portion 1a and the second equal width portion 1b have a shape having a constant width in the longitudinal direction.
  • the width of the first equal width portion 1a and the width of the second equal width portion 1b are the same w.
  • the width w of the first equal width portion 1a and the second equal width portion 1b is set so that light having a wavelength of 1.55 ⁇ m propagates in a single mode according to the relative refractive index difference ⁇ . It is 5 ⁇ m to 5.5 ⁇ m.
  • the first taper portion 1c extends from the first equal width portion 1a toward the second equal width portion 1b, and decreases in width at a predetermined taper angle ⁇ as it approaches the second equal width portion 1b.
  • the taper angle ⁇ is an angle formed by the optical axis of the first optical waveguide 1 indicated by a broken line and the outer edge of the first taper portion 1c in the width direction.
  • the second taper portion 1d extends from the second equal width portion 1b toward the first equal width portion 1a, and has a monotonous taper shape whose width decreases at a predetermined taper angle as the first equal width portion 1a is approached.
  • the taper angle of the second taper portion 1d is the same as the taper angle of the first taper portion 1c.
  • the first taper portion 1 c and the second taper portion 1 d are connected to the intersecting portion 3.
  • the second optical waveguide 2 has a third equal width portion 2a, a fourth equal width portion 2b, a third taper portion 2c, and a fourth taper portion 2d.
  • the 3rd equal width part 2a and the 4th equal width part 2b have a shape with a fixed width
  • the width of the third equal width portion 2a and the width of the fourth equal width portion 2b are the same w as the width of the first equal width portion 1a.
  • the 3rd taper part 2c is extended toward the 4th equal width part 2b from the 3rd equal width part 2a, and as it approaches the 4th equal width part 2b, the monotonous taper shape whose width becomes small at a predetermined taper angle.
  • the fourth taper portion 2d extends from the fourth equal width portion 2b toward the third equal width portion 2a, and has a monotonous taper shape whose width decreases at a predetermined taper angle as it approaches the third equal width portion 2a.
  • the taper angles of the third taper portion 2c and the fourth taper portion 2d are the same as the taper angle of the first taper portion 1c.
  • the third taper portion 2 c and the fourth taper portion 2 d are connected to the intersecting portion 3.
  • the distance L is the intersection of the optical axis of the first optical waveguide 1 and the optical axis of the second optical waveguide 2 indicated by the broken line, and the second tapered portion 1d and the second equal width portion 1b. It is the distance in the optical axis direction of the first optical waveguide 1 with respect to the connection position.
  • the intersection of the two optical axes and The distance in the optical axis direction of the first optical waveguide 1 between the connection position of the first tapered portion 1c and the first equal width portion 1a is also L.
  • the intersection (two points) between the outer edges is the second optical waveguide 2. Located on the optical axis. The distance between the intersections of the outer edges is defined as a width W.
  • the distance in the optical axis direction is also L.
  • the 3rd taper part 2c and the 4th taper part 2d have a symmetrical shape with respect to the optical axis of the 1st optical waveguide 1 shown with a broken line, the intersection of two optical axes, 3rd
  • the distance in the optical axis direction of the 2nd optical waveguide 2 of the connection position of the taper part 2c and the 3rd equal width part 2a is also L.
  • the intersection (two points) between the outer edges is the first optical waveguide 1. Located on the optical axis.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the propagation state of light in the crossed optical waveguide structure 10.
  • the first equal width portion 1a is light as a beam having a mode field diameter based on the propagation mode according to the size and relative refractive index difference ⁇ .
  • the first tapered portion 1c propagates the light L1 so as to gradually reduce the mode field diameter, and collects the light near the center of the intersecting portion 3 (near the optical axis of the second optical waveguide 2).
  • the second tapered portion 1d propagates the light L1 so as to gradually increase the mode field diameter
  • the second uniform width portion 1b has the same mode field diameter as that of the first uniform width portion 1a. Is propagated and output.
  • the second taper portion 1d propagates the light L1 so as to gradually reduce the mode field diameter and collects the light near the center of the intersecting portion 3.
  • the first tapered portion 1c propagates the light L1 so as to gradually increase the mode field diameter.
  • the third equal width portion 2a has a mode field diameter based on the propagation mode corresponding to the size and relative refractive index difference ⁇ .
  • the light L2 is propagated as a beam.
  • the third tapered portion 2c propagates the light L2 so as to gradually reduce the mode field diameter, and collects the light near the center of the intersecting portion 3.
  • the fourth tapered portion 2d propagates the light L2 so as to gradually increase the mode field diameter, and the fourth equal width portion 2b has the same mode field diameter as that of the third equal width portion 2a. Is propagated and output.
  • the fourth taper part 2d propagates the light L2 so as to gradually reduce the mode field diameter and collects the light near the center of the intersection part 3. Thereafter, the third tapered portion 2c propagates the light L2 so as to gradually increase the mode field diameter.
  • the light L1 and the light L2 intersect at the intersecting portion 3 in a state where the mode field diameter is reduced and condensed, so that the light L1 and the light L2
  • the overlapping range of the mode field can be reduced.
  • the interference between the light L1 and the light L2 is reduced, and the crossing loss at the intersection 3 between the light L1 and the light L2 due to this interference can be reduced.
  • the effect of reducing the crossing loss at the crossing portion 3 is not limited to the case where light is input to both the first optical waveguide 1 and the second optical waveguide 2, but when light is input to either one. Is also demonstrated.
  • the width of the taper portion can be made larger than the taper portion that widens the mode field of light at the crossing portion. Therefore, the difficulty and accuracy of processing for forming the tapered portion are reduced, and the manufacturing yield is increased.
  • the mode field diameter of the light to which one of the taper portions is input is reduced.
  • the other tapered portion acts to increase the mode field diameter of the collected light.
  • recombination between the equal width part connected to one taper part and the equal width part connected to the other taper part, rather than a taper part that broadens the mode field of light at the intersection. Loss is also reduced.
  • the second optical waveguide 2 also has the third tapered portion 2c and the fourth tapered portion 2d, the recombination loss is similarly reduced.
  • the taper shapes of the first taper portion 1c, the second taper portion 1d, the third taper portion 2c, and the fourth taper portion 2d are as follows.
  • the mode field diameter of the light propagation mode input to the first equal width portion 1a, the second equal width portion 1b, the third equal width portion 2a, or the fourth equal width portion 2b is determined by the first taper portion 1c and the second taper portion.
  • the size is reduced by the portion 1d, the third taper portion 2c, or the fourth taper portion 2d, and is set so as to collect light at the intersecting portion 3.
  • the taper shape of the first taper portion 1c is set so that the mode field diameter of the propagation mode of light propagating from the first equal width portion 1a is appropriately reduced (for example, non-adiabatic change). It is preferable that As a result, the mode field diameter of the light propagation mode can be drastically reduced without making the length of the first tapered portion 1c unnecessarily longer, so that the crossed optical waveguide structure 10 can be miniaturized.
  • the taper shapes of the second taper portion 1d, the third taper portion 2c, and the fourth taper portion 2d are also set so that the mode field diameter of the propagation mode of light propagating from the corresponding equal width portion is appropriately reduced. It is preferable that
  • the taper angle ⁇ is the relative refractive index difference ⁇ Therefore, it is preferable to be within the range of 0.5 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 3 ⁇ ⁇ . Within this range, the mode field diameter of the light propagation mode can be appropriately reduced, and it is possible to suppress the occurrence of propagation loss due to the light becoming multimode propagation due to an excessively rapid change. be able to. More preferably, it is in the range of 0.7 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 1.8 ⁇ ⁇ .
  • ⁇ when ⁇ is 1.55%, it is preferably 0.8 degrees or more and 4.7 degrees or less, and more preferably 1.1 degrees or more and 2.8 degrees or less.
  • ⁇ when ⁇ is 5%, it is preferably 2.5 degrees or more and 15 degrees or less, and more preferably 3.5 degrees or more and 9 degrees or less.
  • the taper angles of the first taper portion 1c, the second taper portion 1d, the third taper portion 2c, and the fourth taper portion 2d are all ⁇ , and each taper portion and the intersecting portion 3 Although the relative refractive index differences are all ⁇ , it is preferable to set as follows when the taper angle is different for each taper portion.
  • the wavelength of light is 1.55 ⁇ m
  • the crossed optical waveguide structure 10 has a relative refractive index difference ⁇ of 5%
  • the width W was 1.2 ⁇ m
  • the distance L was 4.0 ⁇ m.
  • the relative refractive index difference between the optical waveguides 111 and 112 was set to 5%
  • the waveguide width was set to 2.6 ⁇ m.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a light propagation state.
  • FIG. 4 shows the field distribution of light, the horizontal axis indicates the propagation distance of light, and the vertical axis indicates the distance from the optical axis in the width direction of the waveguide.
  • a numerical value from 0 to 0.8 indicates the light intensity, and the higher the numerical value, the higher the light intensity.
  • FIG. 4A shows the light propagation state of the crossed optical waveguide structure 110
  • FIG. 4B shows the light propagation state of the crossed optical waveguide structure 10.
  • FIG. 4A in the crossed optical waveguide structure 110, there is light leakage that is considered to be caused by interference of the propagation mode at the crossing portion.
  • FIG. 4B in the crossed optical waveguide structure 10, light is collected at the crossing portion, no light leakage occurs, and it is considered that propagation mode interference and crossing loss due to this are reduced. confirmed.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the distance L and the crossing loss when the crossing loss is calculated in the crossing optical waveguide structure 10 by changing the distance L under the simulation calculation conditions shown in FIG. As shown in FIG. 5, it was confirmed that even if the distance L was changed 5 times from 2 ⁇ m to 10 ⁇ m, the crossing loss could be reduced to 0.1 dB or less within this range.
  • the crossing loss is minimized when the light wavelength is 1.55 ⁇ m, the relative refractive index difference ⁇ is 5% or 1.55%, and the width w is 2.6 ⁇ m.
  • the optimum taper angle ⁇ , distance L, and width W were calculated by simulation. As a result, when the relative refractive index difference ⁇ is 5%, the optimum taper angle ⁇ , distance L, and width W are 7.97 °, 5 ⁇ m, and 1.2 ⁇ m, respectively, and the value of the cross loss in this case is It was 0.03 dB. On the other hand, when the relative refractive index difference ⁇ is 1.55%, the optimum taper angle ⁇ , distance L, and width W are 1.14 °, 25 ⁇ m, and 3.8 ⁇ m, respectively. Was 0.01 dB.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a crossed optical waveguide structure according to the second embodiment.
  • the crossed optical waveguide structure 10A according to the second embodiment has a configuration in which the second optical waveguide 2 is inclined at the crossing angle ⁇ with respect to the first optical waveguide 1 in the crossed optical waveguide structure 10 according to the first embodiment.
  • the crossing angle is an angle other than 90 degrees, for example, 30 degrees to 80 degrees.
  • the widths w and W and the distance L have the same meaning as the widths w and W and the distance L in the crossed optical waveguide structure 10.
  • the present invention is not limited to the structure in which the second optical waveguide 2 is orthogonal to the first optical waveguide 1, but has a structure that is inclined with respect to the first optical waveguide 1, such as the crossed optical waveguide structure 10 ⁇ / b> A. Even if applied, the crossing loss can be reduced.
  • the first optical waveguide 1 and the second optical waveguide 2 are configured by a uniform width portion and a tapered portion whose width decreases toward the crossing portion.
  • the crossing angle ⁇ between the first optical waveguide 1 and the second optical waveguide 2 is reduced to, for example, 30 degrees without causing physical interference between the first optical waveguide 1 and the second optical waveguide 2.
  • the relative refractive index difference ⁇ is 5% or 1.55%
  • the taper angle ⁇ is 5 degrees
  • the crossing angle ⁇ , the width W, and the distance L are as shown in Table 1. Varying and calculating crossing loss.
  • the relative refractive index difference ⁇ was set to 5% or 1.55%
  • the crossing angle was changed as shown in Table 1, and the crossing loss was calculated.
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the crossing angle ⁇ and the crossing loss.
  • 7A shows a case where the relative refractive index difference ⁇ is 5%
  • FIG. 7B shows a case where the relative refractive index difference ⁇ is 1.55%.
  • the structure of Embodiment 2 has an effect of reducing the cross loss compared to the structure of the known example.
  • the greater the relative refractive index difference ⁇ and the smaller the crossing angle ⁇ the more remarkable the effect.
  • FIG. 8 is a schematic diagram of a crossed optical waveguide structure according to the third embodiment.
  • the intersecting optical waveguide structure 10B according to the third embodiment includes a first optical waveguide 1A, a second optical waveguide 2A that is positioned in the same plane as the first optical waveguide 1A, and is orthogonal to the first optical waveguide 1A, and the first optical waveguide 1A.
  • An intersection 3 between the optical waveguide 1A and the second optical waveguide 2A, and a clad 4 formed on the outer periphery of the first optical waveguide 1A and the second optical waveguide 2A are provided.
  • the first optical waveguide 1A and the second optical waveguide 2A are made of silica-based glass containing a dopant that increases the refractive index, and have a refractive index higher than that of the cladding portion 4.
  • the relative refractive index difference ⁇ at the wavelength of 1.55 ⁇ m of the first optical waveguide 1A, the second optical waveguide 2A, and the intersection 3 is equal.
  • 1A of 1st optical waveguides have 1st equal width part 1Aa, 2nd equal width part 1Ab, 1st taper part 1Ac, and 2nd taper part 1Ad.
  • 1st equal width part 1Aa and 2nd equal width part 1Ab have a shape with a constant width
  • the width of the first equal width portion 1Aa and the width of the second equal width portion 1Ab are the same and are set so that light having a wavelength of 1.55 ⁇ m propagates in a single mode.
  • the first taper portion 1Ac extends from the first equal width portion 1Aa toward the second equal width portion 1Ab, and has a taper shape that decreases in width as it approaches the second equal width portion 1Ab.
  • the first taper portion 1Ac is connected to the intersecting portion 3.
  • the first taper portion 1Ac includes a taper portion 1Aca and a taper portion 1Acb.
  • the tapered portion 1Aca is connected to the first equal width portion 1Aa, and the tapered portion 1Acb is connected to the intersecting portion 3.
  • the tapered portion 1Aca has a larger taper angle than the tapered portion 1Acb. That is, the first taper portion 1Ac has a two-step taper structure in which the taper angle changes in two steps.
  • the second taper portion 1Ad also includes a taper portion 1Ada connected to the second equal width portion 1Ab and a taper portion 1Adb connected to the intersecting portion 3.
  • the tapered portion 1Ada has a larger taper angle than the tapered portion 1Adb, and the second tapered portion 1Ad has a two-step tapered structure.
  • the 2nd optical waveguide 2A has 3rd equal width part 2Aa, 4th equal width part 2Ab, 3rd taper part 2Ac, and 4th taper part 2Ad.
  • 3rd equal width part 2Aa and 4th equal width part 2Ab have a shape with a constant width
  • the width of the third uniform width portion 2Aa and the width of the fourth uniform width portion 2Ab are the same as the width of the first uniform width portion 1Aa.
  • the third taper portion 2Ac has a taper shape that extends from the third equal width portion 2Aa toward the fourth equal width portion 2Ab and decreases in width as it approaches the fourth equal width portion 2Ab.
  • the third taper portion 2Ac is connected to the intersecting portion 3.
  • the third taper portion 2Ac also includes a taper portion 2Aca connected to the third equal width portion 2Aa and a taper portion 2Acb connected to the intersecting portion 3.
  • the tapered portion 2Aca has a larger taper angle than the tapered portion 2Acb, and the third tapered portion 2Ac has a two-step tapered structure.
  • the fourth taper portion 2Ad also includes a taper portion 2Ada connected to the fourth equal width portion 2Ab and a taper portion 2Adb connected to the intersecting portion 3.
  • the tapered portion 2Ada has a larger taper angle than the tapered portion 2Adb, and the fourth tapered portion 2Ad has a two-step tapered structure.
  • the mode field diameter of the propagation mode of the light input to the first equal width portion 1Aa, the second equal width portion 1Ab, the third equal width portion 2Aa, or the fourth equal width portion 2Ab is The first taper 1Ac, the second taper 1Ad, the second taper 1Ad, the second taper 1Ad, the second taper 1Ad, the third taper 2Ac, or the fourth taper 2Ad are reduced by the first taper 1Ac, the second taper 1Ad, the third taper 2Ac, and the fourth taper 2Ad.
  • Each taper shape of 3rd taper part 2Ac and 4th taper part 2Ad is set. Thereby, the crossing loss in the crossing part 3 is reduced as in the first and second embodiments.
  • the first taper portion 1Ac, the second taper portion 1Ad, the third taper portion 2Ac, and the fourth taper portion 2Ad have a two-step taper structure.
  • the present invention is not limited to this, and a three-step taper. You may have the multistage taper structure more than a structure.
  • FIG. 9 is a schematic diagram of an optical waveguide device according to the fourth embodiment.
  • the optical waveguide device 100 has a configuration assumed to be used as a coherent mixer used in a DP-QPSK modulation type demodulator.
  • the optical waveguide element 100 includes input optical waveguides 11 and 12, a polarization demultiplexer 21, connection optical waveguides 31, 32, 33, and 34, 90-degree hybrid elements 41 and 42, and a Y branch.
  • An optical waveguide 51, slits 61 and 62, and a half-wave plate 71 are provided.
  • the input optical waveguide 11 to which the light L1 as the signal light is input passes through an S-shaped bent portion obtained by combining bent portions having opposite curvatures, equal curvature radii, and equal arc angles. It is connected to the wave demultiplexer 21.
  • the input optical waveguide 12 to which the local oscillation light LO is input is connected to the Y branch optical waveguide 51 in a substantially straight line shape.
  • the polarization demultiplexer 21 includes a Y-branch optical waveguide, a directional coupler, and two arm optical waveguides that connect the Y-branch optical waveguide and the directional coupler, and a Mach-Zehnder Interferometer: MZI) type interferometer.
  • the connection optical waveguides 31 and 33 are optical paths that connect the optical paths of the light beams demultiplexed by the polarization demultiplexer 21 to the 90-degree hybrid elements 41 and 42, respectively.
  • the Y branch optical waveguide 51 branches the local oscillation light LO input to the input optical waveguide 12 into the connection optical waveguides 32 and 34 at a branching ratio of 1: 1.
  • the connection optical waveguides 32 and 34 are optical paths that connect the optical paths of the light beams demultiplexed by the Y branch optical waveguide 51 to the 90-degree hybrid elements 41 and 42, respectively.
  • the 90-degree hybrid elements 41 and 42 are a kind of interference circuit, and each of the input light L1 and the local oscillation light LO is bifurcated, and the bifurcated local oscillation light LO is 90 degrees as a relative phase difference of the light wave. After the phase difference is given, one of the branched light L1 and the local oscillation light LO, and the other branched light L1 and the local oscillation light LO are mixed.
  • a slit 61 is provided in the connection optical waveguide 32 from the Y-branch optical waveguide 51 to the 90-degree hybrid element 41, and a half-wave plate 71 is inserted into the slit 61.
  • the optical axis of the half-wave plate 71 is adjusted so as to form an angle of 45 degrees with the polarization axis of the connection optical waveguide 32. Accordingly, the local oscillation light LO passing through the half-wave plate 71 is input to the 90-degree hybrid element 41 with the polarization rotated by 90 degrees.
  • connection optical waveguide 34 from the Y-branch optical waveguide 51 to the 90-degree hybrid element 42 is provided with a slit 62, but no half-wave plate is inserted into the slit 62. Therefore, the local oscillation light LO is input to the 90-degree hybrid element 42 with the polarization as it is.
  • the slit 62 is provided as an element that generates a loss in order to balance the loss generated by the slit 61 and the half-wave plate 71 in the connection optical waveguide 32.
  • a crossed optical waveguide structure C1 having the same structure as the crossed optical waveguide structure 10A according to the second embodiment is provided at a location where the input optical waveguide 11 and the connecting optical waveguide 34 intersect. Thereby, the loss when the light L1 propagating through the input optical waveguide 11 and the bifurcated local oscillation light LO propagating through the connection optical waveguide 34 passes through the intersecting optical waveguide structure C1 is reduced.
  • the 90-degree hybrid elements 41 and 42 are also provided with crossed optical waveguide structures C2 and C3 having the same structure as the crossed optical waveguide structure 10A, respectively.
  • the 90-degree hybrid element 41 includes crossed optical waveguide structures C21 and C22 having the same structure as the crossed optical waveguide structure C2.
  • the 90-degree hybrid element 43 includes crossed optical waveguide structures C31 and C32 having the same structure as the crossed optical waveguide structure C3.
  • the intersecting optical waveguide structure C2 is a structure in which one optical waveguide branched from each of the two branch portions 41a and 41b of the 90-degree hybrid element 41 intersects.
  • the intersecting optical waveguide structures C21 and C22 are provided on the other optical waveguides branched from the two branch portions 41a and 41b, respectively.
  • the intersecting optical waveguide structure C3 is a structure in which one optical waveguide branched from each of the two branch portions 42a and 42b of the 90-degree hybrid element 43 intersects.
  • the intersecting optical waveguide structures C31 and C32 are provided in the other optical waveguides branched from the two branch portions 42a and 42b, respectively.
  • the intersecting optical waveguide structures C21 and C22 are provided for the following reason.
  • a phase change occurs in the crossed optical waveguide structure C2. That is, the path of the local oscillation light LO1 passing through the crossing optical waveguide structure C2 from the connection optical waveguide 32 via the two branch portions 41a and the crossing optical waveguide structure C2 from the connection optical waveguide 31 via the two branch portions 41b.
  • the phase difference from the path of the light L11 that should pass through should be 90 degrees, the phase is shifted when the light passes through the crossed optical waveguide structure C2.
  • the phase may be changed by 30 degrees and the phase difference may be 60 degrees.
  • the phase difference between the two paths is set to 90 degrees. can do.
  • the phase difference between the two paths is set to 90 degrees. can do.
  • FIG. 9 is a schematic diagram of an optical waveguide device according to the fifth embodiment.
  • the optical waveguide element 200 can be applied to a multicast switch described in Non-Patent Document 1, and includes eight 1 ⁇ 2 splitters 211, 212, 213, 214, 215, 216, 217 configured by optical waveguides. 218 includes at least a structure arranged in an array.
  • the 1 ⁇ 2 splitter 211 is a 1 ⁇ 2 optical coupler such as an MMI (Multi-Mode Interferometer) coupler, and is branched into two branched optical waveguides 211a and 211b.
  • the 1 ⁇ 2 splitter 218 is also a 1 ⁇ 2 optical coupler and branches into two branch optical waveguides 218a and 218b.
  • the other 1 ⁇ 2 splitters 212 to 216 are also branched into two branch optical waveguides.
  • Branch optical waveguides other than the branched optical waveguides 211a and 218b intersect with other branched optical waveguides.
  • the branched optical waveguides 211b and 218a intersect with the other seven branched optical waveguides.
  • a crossed optical waveguide structure having the same structure as that of the crossed optical waveguide structure 10A according to the second embodiment is provided at any location where the two branched optical waveguides intersect. Thereby, the loss when each branch optical waveguide passes through the crossed optical waveguide structure is reduced.
  • the optical waveguide element 200 is a crossed optical waveguide 221, 222, 223, 224, 225, 226, 227, 231, 232, 233, 234, 235 that intersects one of the branched waveguides of the 1 ⁇ 2 splitters 211 to 218. 236, 237.
  • the intersecting optical waveguides 221 to 227 and 231 to 237 function so that each branch optical waveguide has the same crossing point with another optical waveguide (a branched optical waveguide or a crossed optical waveguide). Specifically, for example, since the branched optical waveguide 211b intersects with the other seven branched optical waveguides, there are seven intersecting portions. On the other hand, the branched optical waveguide 211a does not intersect with the other branched optical waveguides, but by intersecting with the seven intersecting optical waveguides 221 to 227, seven portions intersecting with the other optical waveguides are formed. .
  • the phase difference of the light guided between the branch optical waveguide 211a and the branch optical waveguide 211b becomes small, the polarization dependent loss due to the phase difference of the light is reduced.
  • the crossed optical waveguides 221 to 227 and 231 to 237 are provided, so that there are seven portions intersecting with the other optical waveguides. Thereby, the phase difference of light and the polarization dependent loss resulting therefrom are reduced.
  • the crossed optical waveguide structure where the branched optical waveguides intersect and the crossed optical waveguide structure where the branched optical waveguide and the intersected optical waveguide intersect are the same structure, the phase difference of light and the cause thereof Almost no polarization dependent loss occurs.
  • the taper shapes of the first taper portion, the second taper portion, the third taper portion, and the fourth taper portion are shapes in which the outer edge of the waveguide is linear and the width is reduced.
  • the width may be reduced so that the outer edge is curved.
  • the angle between the outer edge and the optical axis is large on the equi-width part side and small on the intersection part side, that is, the outer edge is on the inner side with respect to the optical axis. It is preferable to curve so as to swell. As a result, the crossing angle can be increased without causing physical interference between the intersecting waveguides.
  • the first optical waveguide, the second optical waveguide, the intersecting portion, and the cladding portion are made of silica-based glass.
  • the present invention is not limited to this, and the first optical waveguide, the second optical waveguide, The present invention can also be applied to a crossed optical waveguide structure in which the portion and the clad portion are made of other dielectric materials or semiconductor materials.
  • cross optical waveguide structure and the optical waveguide element of the above embodiment are made of silica glass
  • the present invention can also be applied to a cross optical waveguide structure in an optical waveguide made of a silicon fine wire optical waveguide or an InP semiconductor material. .
  • the crossed optical waveguide structure and the optical waveguide device according to the present invention are suitable mainly in the field of optical communication.

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Abstract

交差損失が低減された交差光導波路構造を提供するために、交差光導波路構造は、同一面内に位置する第１光導波路と第２光導波路と交差部とを備え、第１光導波路は、第１等幅部と、第２等幅部と、第１テーパ部と、第２テーパ部と、を有し、第２光導波路は、第３等幅部と、第４等幅部と、第３テーパ部と、第４テーパ部と、を有し、交差部は、第１テーパ部、第２テーパ部、第３テーパ部及び第４テーパ部とに接続しており、第１等幅部、第２等幅部、第３等幅部、又は第４等幅部に入力された光の伝搬モードのモードフィールド径が、第１テーパ部、第２テーパ部、第３テーパ部、又は第４テーパ部によって小さくされ、交差部で集光するように各テーパ形状が設定されている。

Description

交差光導波路構造及び光導波路素子
　本発明は、交差光導波路構造及びこれを備える光導波路素子に関するものである。
　光通信等に用いられる光デバイスには、石英系ガラスからなる平面光波回路（Planar　Lightwave　Circuit：ＰＬＣ）を用いた光導波路素子が用いられているものがある。光導波路素子において、２つの光導波路が同一面内で交差する交差光導波路構造を採用しているものがある（非特許文献１参照）。
　交差光導波路構造においては、光導波路の交差部において、光導波路を伝搬する光に対して損失（以下、交差損失と記載する場合がある）が発生することが知られている。これに対して、交差損失を低減するための光導波路構造が開示されている（特許文献１、２参照）。
特開平５－６０９２９号公報 特開２０１１－０９０２２３号公報
高橋正典、山崎慎太郎、内田泰芳、長谷川淳一、「ＺｒＯ２－ＳｉＯ２系高ΔＰＬＣを用いたマルチキャストスイッチの開発」、古河電工時報、第１３５号、（平成２８年２月）、第２０－２４頁
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、交差損失が低減された交差光導波路構造及びこれを備える光導波路素子を提供することを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る交差光導波路構造は、第１光導波路と、前記第１光導波路と同一面内に位置する第２光導波路と、前記第１光導波路と前記第２光導波路との交差部と、前記第１光導波路及び前記第２光導波路の外周に形成され、前記第１光導波路、前記第２光導波路及び前記交差部よりも屈折率が小さいクラッド部と、を備え、前記第１光導波路は、第１等幅部と、第２等幅部と、前記第１等幅部から前記第２等幅部に向かって延伸し該第２等幅部に近づくにつれて幅が小さくなる第１テーパ部と、前記第２等幅部から前記第１等幅部に向かって延伸し該第１等幅部に近づくにつれて幅が小さくなる第２テーパ部と、を有し、前記第２光導波路は、第３等幅部と、第４等幅部と、前記第３等幅部から前記第４等幅部に向かって延伸し該第４等幅部に近づくにつれて幅が小さくなる第３テーパ部と、前記第４等幅部から前記第３等幅部に向かって延伸し該第３等幅部に近づくにつれて幅が小さくなる第４テーパ部と、を有し、前記交差部は、前記第１テーパ部、前記第２テーパ部、前記第３テーパ部及び前記第４テーパ部に接続しており、前記第１等幅部、前記第２等幅部、前記第３等幅部、又は前記第４等幅部に入力された光の伝搬モードのモードフィールド径が、前記第１テーパ部、前記第２テーパ部、前記第３テーパ部、又は前記第４テーパ部によって小さくされ、前記交差部で集光するように、前記第１テーパ部、前記第２テーパ部、前記第３テーパ部、及び前記第４テーパ部の各テーパ形状が設定されていることを特徴とする。
　本発明の一態様に係る交差光導波路構造は、前記伝搬モードのモードフィールド径が非断熱的に変化するように、前記第１テーパ部、前記第２テーパ部、前記第３テーパ部、及び前記第４テーパ部の各テーパ形状が設定されていることを特徴とする。
　本発明の一態様に係る交差光導波路構造は、前記第１テーパ部、前記第２テーパ部、前記第３テーパ部、及び前記第４テーパ部のテーパ角をそれぞれθ１、θ２、θ３、θ４とし、前記第１テーパ部、前記第２テーパ部、前記第３テーパ部、前記第４テーパ部、及び前記交差部の前記クラッド部に対する比屈折率差をΔとすると、以下の式（１）～（４）が成り立つことを特徴とする。
　０．５×Δ≦θ１≦３×Δ　・・・　（１）
　０．５×Δ≦θ２≦３×Δ　・・・　（２）
　０．５×Δ≦θ３≦３×Δ　・・・　（３）
　０．５×Δ≦θ４≦３×Δ　・・・　（４）
　本発明の一態様に係る交差光導波路構造は、以下の式（５）～（８）が成り立つことを特徴とする。
　０．８×Δ≦θ１≦１．８×Δ　・・・　（５）
　０．８×Δ≦θ２≦１．８×Δ　・・・　（６）
　０．８×Δ≦θ３≦１．８×Δ　・・・　（７）
　０．８×Δ≦θ４≦１．８×Δ　・・・　（８）
　本発明の一態様に係る交差光導波路構造は、前記第１光導波路、前記第２光導波路、前記交差部及び前記クラッド部は石英系ガラスからなることを特徴とする。
　本発明の一態様に係る交差光導波路構造は、前記第２光導波路は前記第１光導波路に対して傾斜していることを特徴とする。
　本発明の一態様に係る光導波路素子は、本発明の一態様に係る交差光導波路構造を備えることを特徴とする。
　本発明によれば、交差損失が低減された交差光導波路構造を実現できるという効果を奏する。
図１Ａは、実施形態１に係る交差光導波路構造の模式図である。 図１Ｂは図１ＡにおけるＡ－Ａ先断面図である。 図２は、図１の交差光導波路構造における光の伝搬状態について説明する図である。 図３は、公知の交差光導波路構造の模式図である。 図４Ａは、光の伝搬状態を説明する図である。 図４Ｂは、光の伝搬状態を説明する図である。 図５は、距離Ｌと交差損失との関係を示す図である。 図６は、実施形態２に係る交差光導波路構造の模式図である。 図７Ａは、交差角αと交差損失との関係を示す図である。 図７Ｂは、交差角αと交差損失との関係を示す図である。 図８は、実施形態３に係る交差光導波路構造の模式図である。 図９は、実施形態４に係る光導波路素子の模式図である。 図１０は、実施形態４に係る光導波路素子の模式図である。
　以下に、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一又は対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
(実施形態１)
　図１Ａ及び図１Ｂは、実施形態１に係る交差光導波路構造の模式図である。図１Ａは平面図であり、図１Ｂは図１ＡにおけるＡ－Ａ先断面図である。図１に示すように、交差光導波路構造１０は、第１光導波路１と、第１光導波路１と同一面内に位置し、第１光導波路１と直交する第２光導波路２と、第１光導波路１と第２光導波路２との交差部３と、第１光導波路１及び第２光導波路２の外周に形成されたクラッド部４と、を備えている。交差光導波路構造１０は、波長１．５５μｍ帯の光をシングルモードで好適に伝搬するように設計されている。
　第１光導波路１、第２光導波路２及び交差部３は、屈折率を高めるドーパントであるＧｅＯ２や微粒子状態のＺｒＯ２を含む石英系ガラスからなる。クラッド部４は、下側クラッド層４ａとオーバークラッド部４ｂとを備え、第１光導波路１、第２光導波路２及び交差部３よりも屈折率が小さい石英系ガラスからなる。これによって、第１光導波路１、第２光導波路２及び交差部３は、光を閉じ込めて導波する光導波路として機能する。第１光導波路１、第２光導波路２及び交差部３は、波長１．５５μｍにおけるクラッド部４に対する比屈折率差Δがたとえば１．５％～１０％である。本実施形態１では、第１光導波路１、第２光導波路２及び交差部３の、波長１．５５μｍにおける上記比屈折率差Δが等しい。また、第１光導波路１、第２光導波路２及び交差部３の断面は、たとえば、正方形、長方形や台形である。
　第１光導波路１は、第１等幅部１ａと、第２等幅部１ｂと、第１テーパ部１ｃと、第２テーパ部１ｄと、を有する。第１等幅部１ａ及び第２等幅部１ｂは、長手方向において幅が一定の形状を有する。本実施形態１では、第１等幅部１ａの幅と第２等幅部１ｂの幅とは同じｗである。第１等幅部１ａ及び第２等幅部１ｂの幅ｗは、その比屈折率差Δに応じて、波長１．５５μｍの光がシングルモードで伝搬するように設定されており、例えば１．５μｍ～５．５μｍである。
　第１テーパ部１ｃは、第１等幅部１ａから第２等幅部１ｂに向かって延伸し、第２等幅部１ｂに近づくにつれて、所定のテーパ角θで幅が小さくなる単調なテーパ形状を有する。ここで、テーパ角θとは、破線で示す第１光導波路１の光軸と、第１テーパ部１ｃの幅方向の外縁との成す角度である。第２テーパ部１ｄは、第２等幅部１ｂから第１等幅部１ａに向かって延伸し、第１等幅部１ａに近づくにつれて、所定のテーパ角で幅が小さくなる単調なテーパ形状を有する。本実施形態１では、第２テーパ部１ｄのテーパ角は第１テーパ部１ｃのテーパ角と同じθである。また、第１テーパ部１ｃ及び第２テーパ部１ｄは交差部３に接続している。
　同様に、第２光導波路２は、第３等幅部２ａと、第４等幅部２ｂと、第３テーパ部２ｃと、第４テーパ部２ｄと、を有する。第３等幅部２ａ及び第４等幅部２ｂは、長手方向において幅が一定の形状を有する。本実施形態１では、第３等幅部２ａの幅と第４等幅部２ｂの幅とは第１等幅部１ａの幅と同じｗである。
　第３テーパ部２ｃは、第３等幅部２ａから第４等幅部２ｂに向かって延伸し、第４等幅部２ｂに近づくにつれて、所定のテーパ角で幅が小さくなる単調なテーパ形状を有する。第４テーパ部２ｄは、第４等幅部２ｂから第３等幅部２ａに向かって延伸し、第３等幅部２ａに近づくにつれて、所定のテーパ角で幅が小さくなる単調なテーパ形状を有する。本実施形態１では、第３テーパ部２ｃ及び第４テーパ部２ｄのテーパ角は第１テーパ部１ｃのテーパ角と同じθである。また、第３テーパ部２ｃ及び第４テーパ部２ｄは交差部３に接続している。
　また、図１Ａにおいて、距離Ｌは、それぞれ破線で示す第１光導波路１の光軸と第２光導波路２の光軸との交差点と、第２テーパ部１ｄと第２等幅部１ｂとの接続位置と、の、第１光導波路１の光軸方向における距離である。なお、本実施形態１では、第１テーパ部１ｃと第２テーパ部１ｄとは、第２光導波路２の光軸に対して対称形状を有しているので、２つの光軸との交差点と、第１テーパ部１ｃと第１等幅部１ａとの接続位置と、の、第１光導波路１の光軸方向における距離もＬである。また、第１テーパ部１ｃの幅方向の外縁と第２テーパ部１ｄの幅方向の外縁とを交差部３の内部まで延伸した場合において、外縁同士の交差点（２点）は第２光導波路２の光軸上に位置する。なお、外縁同士の交差点間の距離を幅Ｗとする。
　同様に、第１光導波路１の光軸と第２光導波路２の光軸との交差点と、第４テーパ部２ｄと第４等幅部２ｂとの接続位置と、の、第２光導波路２の光軸方向における距離もＬである。また、第３テーパ部２ｃと第４テーパ部２ｄとは、破線で示す第１光導波路１の光軸に対して対称形状を有しているので、２つの光軸との交差点と、第３テーパ部２ｃと第３等幅部２ａとの接続位置と、の、第２光導波路２の光軸方向における距離もＬである。また、第３テーパ部２ｃの幅方向の外縁と第４テーパ部２ｄの幅方向の外縁とを交差部３の内部まで延伸した場合において、外縁同士の交差点（２点）は第１光導波路１の光軸上に位置する。
　図２は、交差光導波路構造１０における光の伝搬状態について説明する図である。第１光導波路１に第１等幅部１ａから光Ｌ１を入力した場合、まず第１等幅部１ａはそのサイズ及び比屈折率差Δに応じた伝搬モードに基づくモードフィールド径のビームとして光Ｌ１を伝搬する。その後、第１テーパ部１ｃは、モードフィールド径を徐々に小さくするように光Ｌ１を伝搬し、交差部３の中央付近（第２光導波路２の光軸付近）で集光させる。その後、第２テーパ部１ｄはモードフィールド径を徐々に大きくするように光Ｌ１を伝搬し、第２等幅部１ｂは第１等幅部１ａにおけるモードフィールド径と略同じモードフィールド径で光Ｌ１を伝搬し、出力する。
　なお、本明細書においてモードフィールド径とは、光強度分布をガウス型関数で近似した上で径方向の光強度がコアの中心部の最大値からその最大値の１／ｅ２＝０．１３５倍の値に減少した距離をいう。
　なお、第２等幅部１ｂから光Ｌ１を入力した場合、第２テーパ部１ｄが、モードフィールド径を徐々に小さくするように光Ｌ１を伝搬し、交差部３の中央付近で集光させる。その後、第１テーパ部１ｃはモードフィールド径を徐々に大きくするように光Ｌ１を伝搬する。
　同様に、第２光導波路２に第３等幅部２ａから光Ｌ２を入力した場合、まず第３等幅部２ａはそのサイズ及び比屈折率差Δに応じた伝搬モードに基づくモードフィールド径のビームとして光Ｌ２を伝搬する。その後、第３テーパ部２ｃは、モードフィールド径を徐々に小さくするように光Ｌ２を伝搬し、交差部３の中央付近で集光させる。その後、第４テーパ部２ｄはモードフィールド径を徐々に大きくするように光Ｌ２を伝搬し、第４等幅部２ｂは第３等幅部２ａにおけるモードフィールド径と略同じモードフィールド径で光Ｌ２を伝搬し、出力する。
　なお、第４等幅部２ｂから光Ｌ２を入力した場合、第４テーパ部２ｄが、モードフィールド径を徐々に小さくするように光Ｌ２を伝搬し、交差部３の中央付近で集光させる。その後、第３テーパ部２ｃはモードフィールド径を徐々に大きくするように光Ｌ２を伝搬する。
　このように、交差光導波路構造１０では、光Ｌ１と光Ｌ２は、交差部３において、いずれもモードフィールド径が小さくされて集光された状態にて交差するので、光Ｌ１と光Ｌ２とのモードフィールドの重なる範囲を小さくできる。これにより、光Ｌ１と光Ｌ２との干渉が小さくなり、この干渉に起因する、光Ｌ１と光Ｌ２との交差部３における交差損失を低減できる。なお、このことは、交差部３における第１光導波路１の伝搬モードと第２光導波路２の伝搬モードとの重なり範囲が小さくなるので、２つの伝搬モードの干渉が小さくなることを意味する。したがって、交差部３における交差損失を低減する効果は、第１光導波路１と第２光導波路２との両方に光が入力される場合に限らず、どちらか一方に光が入力される場合にも発揮される。
　また、交差光導波路構造１０では、交差部３において光を集光させるので、交差部において光のモードフィールドを広げるようなテーパ部とするよりも、テーパ部の幅を大きくすることができる。したがって、テーパ部を形成する加工の難易度や加工精度が低減されるとともに、製造歩留まりが高くなる。
　さらに、交差光導波路構造１０では、第１光導波路１が第１テーパ部１ｃと第２テーパ部１ｄとを有するので、どちらか一方のテーパ部が入力された光のモードフィールド径を小さくして集光する場合には、他方のテーパ部は集光された光のモードフィールド径を大きくするように作用する。その結果、交差部において光のモードフィールドを広げるようなテーパ部とするよりも、一方のテーパ部に接続された等幅部と他方のテーパ部に接続された等幅部との間の再結合損失も低減される。第２光導波路２についても、第３テーパ部２ｃと第４テーパ部２ｄとを有するので、同様に再結合損失が低減される。
　このような交差光導波路構造１０の交差損失低減効果を実現するために、第１テーパ部１ｃ、第２テーパ部１ｄ、第３テーパ部２ｃ、及び第４テーパ部２ｄの各テーパ形状は、第１等幅部１ａ、第２等幅部１ｂ、第３等幅部２ａ、又は第４等幅部２ｂに入力された光の伝搬モードのモードフィールド径が、第１テーパ部１ｃ、第２テーパ部１ｄ、第３テーパ部２ｃ、又は第４テーパ部２ｄによって小さくされ、交差部３で集光するように設定されている。
　また、第１テーパ部１ｃのテーパ形状は、第１等幅部１ａから伝搬してきた光の伝搬モードのモードフィールド径が適切に小さくなるように（たとえば、非断熱的に変化するように）設定されていることが好ましい。これにより、第１テーパ部１ｃの長さを必要以上に長くすることなく光の伝搬モードのモードフィールド径を急激に小さくできるので、交差光導波路構造１０を小型化できる。第２テーパ部１ｄ、第３テーパ部２ｃ、及び第４テーパ部２ｄの各テーパ形状についても、対応する等幅部から伝搬してきた光の伝搬モードのモードフィールド径が適切に小さくなるように設定されていることが好ましい。
　本実施形態１のように第１テーパ部１ｃ、第２テーパ部１ｄ、第３テーパ部２ｃ、及び第４テーパ部２ｄが単調なテーパ形状の場合、そのテーパ角θが、比屈折率差Δとの関係で、０．５×Δ≦θ≦３×Δの範囲内であることが好ましい。この範囲であれば、光の伝搬モードのモードフィールド径を適切に小さくすることができるとともに、過度に急激な変化のために光がマルチモード伝搬となって伝搬損失が発生するということを抑制することができる。なお、より好ましくは、０．７×Δ≦θ≦１．８×Δの範囲内である。したがって、Δが１．５５％の場合、好ましくは０．８度以上４．７度以下であり、より好ましくは１．１度以上２．８度以下である。また、Δが５％の場合、好ましくは２．５度以上１５度以下であり、より好ましくは３．５度以上９度以下である。
　なお、本実施形態１では、第１テーパ部１ｃ、第２テーパ部１ｄ、第３テーパ部２ｃ、及び第４テーパ部２ｄのテーパ角がいずれもθであり、各テーパ部及び交差部３の比屈折率差がいずれもΔであるが、テーパ角がテーパ部毎に異なる場合は、以下のように設定することが好ましい。
　すなわち、第１テーパ部１ｃ、第２テーパ部１ｄ、第３テーパ部２ｃ、及び第４テーパ部２ｄのテーパ角をそれぞれθ１、θ２、θ３、θ４とすると、以下の式（１）～（４）が成り立つことが好ましい。
　０．５×Δ≦θ１≦３×Δ　・・・　（１）
　０．５×Δ≦θ２≦３×Δ　・・・　（２）
　０．５×Δ≦θ３≦３×Δ　・・・　（３）
　０．５×Δ≦θ４≦３×Δ　・・・　（４）
　さらには、以下の式（５）～（８）が成り立つことがより好ましい。
　０．７×Δ≦θ１≦１．８×Δ　・・・　（５）
　０．７×Δ≦θ２≦１．８×Δ　・・・　（６）
　０．７×Δ≦θ３≦１．８×Δ　・・・　（７）
　０．７×Δ≦θ４≦１．８×Δ　・・・　（８）
　つぎに、シミュレーション計算結果により本実施形態１の効果を説明する。本実施形態１に係る交差光導波路構造１０と、図３に示すような２本の等幅の光導波路１１１と１１２とが直交した公知の交差光導波路構造１１０との光の伝搬状態を、シミュレーション計算により確認した。
　なお、シミュレーション計算において、光の波長を１．５５μｍとし、交差光導波路構造１０については、比屈折率差Δを５％とし、図１に示すテーパ角θを５度とし、幅ｗを２．６μｍとし、幅Ｗを１．２μｍとし、距離Ｌを４．０μｍとした。また、交差光導波路構造１１０については、光導波路１１１、１１２の比屈折率差を５％とし、導波路幅を２．６μｍとした。
　図４は、光の伝搬状態を説明する図である。図４は光のフィールド分布を示しており、横軸は光の伝搬距離、縦軸は導波路の幅方向における光軸からの距離を示す。０～０．８までの数値が光の強度を示しており、数値が高い部分ほど光強度が高いことを示している。
　図４Ａは交差光導波路構造１１０の光の伝搬状態を示し、図４Ｂは交差光導波路構造１０の光の伝搬状態を示す。図４Ａに示すように交差光導波路構造１１０では交差部における伝搬モードの干渉に起因すると考えられる光の漏れがある。しかし、図４Ｂに示すように交差光導波路構造１０では交差部において光が集光し、光漏れが発生しておらず、伝搬モードの干渉及びこれによる交差損失が低減されると考えられることが確認された。
　図５は、交差光導波路構造１０において、図４に示したシミュレーション計算の条件で距離Ｌを変化させて、交差損失を計算したときの、距離Ｌと交差損失との関係を示す図である。図５に示すように、距離Ｌを２μｍから１０μｍまで５倍変化させても、この範囲であれば、交差損失を０．１ｄＢ以下にできることが確認された。
　さらに、交差光導波路構造１０について、光の波長を１．５５μｍとし、比屈折率差Δを５％または１．５５％とし、幅ｗを２．６μｍとした条件で、交差損失が最小となる最適なテーパ角θ、距離Ｌ、幅Ｗをシミュレーション計算した。その結果、比屈折率差Δが５％の場合、最適なテーパ角θ、距離Ｌ、幅Ｗは、それぞれ、７．９７°、５μｍ、１．２μｍであり、この場合の交差損失の値は０．０３ｄＢとなった。一方、比屈折率差Δが１．５５％の場合、最適なテーパ角θ、距離Ｌ、幅Ｗは、それぞれ、１．１４°、２５μｍ、３．８μｍであり、この場合の交差損失の値は０．０１ｄＢとなった。
（実施形態２）
　図６は、実施形態２に係る交差光導波路構造の模式図である。本実施形態２に係る交差光導波路構造１０Ａは、実施形態１に係る交差光導波路構造１０において、第２光導波路２が第１光導波路１に対して交差角αで傾斜している構成を有する。ここで、交差角は９０度以外の角度であり、例えば３０度～８０度である。なお、幅ｗ、Ｗ及び距離Ｌは交差光導波路構造１０における幅ｗ、Ｗ及び距離Ｌと同じ意味である。
　このように、本発明は、第２光導波路２が第１光導波路１と直交する構造に限られず、交差光導波路構造１０Ａのように、第１光導波路１に対して傾斜している構造に適用しても、交差損失を低減することができる。
　また、交差光導波路構造１０Ａでは、第１光導波路１と第２光導波路２とは、等幅部と、交差部に向かって幅が小さくなるテーパ部とで構成されている。その結果、第１光導波路１と第２光導波路２とを物理的に干渉させずに、第１光導波路１と第２光導波路２との交差角αをたとえば３０度のように小さくすることができる。
　つぎに、シミュレーション計算結果により本実施形態２について説明する。本実施形態２に係る交差光導波路構造１０Ａにおいて比屈折率差Δを５％または１．５５％とし、テーパ角θを５度とし、交差角α、幅Ｗ、距離Ｌを表１のように変化させ、交差損失を計算した。同様にして、図３に示す公知例の構造において比屈折率差Δを５％または１．５５％とし、交差角を表１のように変化させ、交差損失を計算した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　図７は、交差角αと交差損失との関係を示す図である。図７Ａは比屈折率差Δが５％の場合であり、図７Ｂは比屈折率差Δが１．５５％の場合である。図７に示すように、比屈折率差Δが５％と１．５５％のいずれの場合も、実施形態２の構造は、公知例の構造に対して、交差損失を小さくできる効果があり、特に比屈折率差Δが大きい程、及び交差角αが小さい程、その効果が顕著であることが確認された。
（実施形態３）
　図８は、実施形態３に係る交差光導波路構造の模式図である。本実施形態３に係る交差光導波路構造１０Ｂは、第１光導波路１Ａと、第１光導波路１Ａと同一面内に位置し、第１光導波路１Ａと直交する第２光導波路２Ａと、第１光導波路１Ａと第２光導波路２Ａとの交差部３と、第１光導波路１Ａ及び第２光導波路２Ａの外周に形成されたクラッド部４と、を備えている。
　第１光導波路１Ａ及び第２光導波路２Ａは、屈折率を高めるドーパントを含む石英系ガラスからなり、クラッド部４より屈折率が高い。本実施形態３では、第１光導波路１Ａ、第２光導波路２Ａ及び交差部３の、波長１．５５μｍにおける上記比屈折率差Δが等しい。
　第１光導波路１Ａは、第１等幅部１Ａａと、第２等幅部１Ａｂと、第１テーパ部１Ａｃと、第２テーパ部１Ａｄと、を有する。第１等幅部１Ａａ及び第２等幅部１Ａｂは、長手方向において幅が一定の形状を有する。本実施形態３では、第１等幅部１Ａａの幅と第２等幅部１Ａｂの幅とは同じであり、波長１．５５μｍの光がシングルモードで伝搬するように設定されている。
　第１テーパ部１Ａｃは、第１等幅部１Ａａから第２等幅部１Ａｂに向かって延伸し、第２等幅部１Ａｂに近づくにつれて幅が小さくなるテーパ形状を有する。第１テーパ部１Ａｃは交差部３に接続している。ただし、この第１テーパ部１Ａｃは、実施形態１に係る交差光導波路構造１０の第１テーパ部１ｃとは異なり、テーパ部１Ａｃａとテーパ部１Ａｃｂとを備えている。テーパ部１Ａｃａは第１等幅部１Ａａに接続しており、テーパ部１Ａｃｂは交差部３に接続している。テーパ部１Ａｃａはテーパ部１Ａｃｂよりも大きいテーパ角を有する。すなわち、第１テーパ部１Ａｃは、テーパ角が２段階で変化する２段テーパ構造を有する。
　同様に、第２テーパ部１Ａｄも、第２等幅部１Ａｂに接続するテーパ部１Ａｄａと交差部３に接続するテーパ部１Ａｄｂとを備えている。テーパ部１Ａｄａはテーパ部１Ａｄｂよりも大きいテーパ角を有しており、第２テーパ部１Ａｄは２段テーパ構造を有する。
　同様に、第２光導波路２Ａは、第３等幅部２Ａａと、第４等幅部２Ａｂと、第３テーパ部２Ａｃと、第４テーパ部２Ａｄと、を有する。第３等幅部２Ａａ及び第４等幅部２Ａｂは、長手方向において幅が一定の形状を有する。本実施形態３では、第３等幅部２Ａａの幅と第４等幅部２Ａｂの幅とは第１等幅部１Ａａの幅と同じである。
　第３テーパ部２Ａｃは、第３等幅部２Ａａから第４等幅部２Ａｂに向かって延伸し、第４等幅部２Ａｂに近づくにつれて幅が小さくなるテーパ形状を有する。第３テーパ部２Ａｃは交差部３に接続している。第３テーパ部２Ａｃも、第３等幅部２Ａａに接続するテーパ部２Ａｃａと交差部３に接続するテーパ部２Ａｃｂとを備えている。テーパ部２Ａｃａはテーパ部２Ａｃｂよりも大きいテーパ角を有しており、第３テーパ部２Ａｃは２段テーパ構造を有する。
　同様に、第４テーパ部２Ａｄも、第４等幅部２Ａｂに接続するテーパ部２Ａｄａと交差部３に接続するテーパ部２Ａｄｂとを備えている。テーパ部２Ａｄａはテーパ部２Ａｄｂよりも大きいテーパ角を有しており、第４テーパ部２Ａｄは２段テーパ構造を有する。
　交差光導波路構造１０Ｂにおいても、第１等幅部１Ａａ、第２等幅部１Ａｂ、第３等幅部２Ａａ、又は第４等幅部２Ａｂに入力された光の伝搬モードのモードフィールド径が、第１テーパ部１Ａｃ、第２テーパ部１Ａｄ、第３テーパ部２Ａｃ、又は第４テーパ部２Ａｄによって小さくされ、交差部３で集光するように、第１テーパ部１Ａｃ、第２テーパ部１Ａｄ、第３テーパ部２Ａｃ、及び第４テーパ部２Ａｄの各テーパ形状が設定されている。これにより、実施形態１、２と同様に交差部３における交差損失が低減される。
　なお、本実施形態では第１テーパ部１Ａｃ、第２テーパ部１Ａｄ、第３テーパ部２Ａｃ、及び第４テーパ部２Ａｄが２段テーパ構造を有するが、本発明はこれに限らず、３段テーパ構造以上の多段テーパ構造を有していてもよい。
（実施形態４）
　本発明の実施形態に係る交差光導波路構造は、様々な光導波路素子に適用することができる。図９は、実施形態４に係る光導波路素子の模式図である。光導波路素子１００は、ＤＰ－ＱＰＳＫ変調方式の復調器に用いられるコヒーレントミキサとして使用することを想定した構成を有する。
　具体的には、光導波路素子１００は、入力光導波路１１、１２と、偏波分波器２１と、接続光導波路３１、３２、３３、３４と、９０度ハイブリッド素子４１、４２と、Ｙ分岐光導波路５１と、スリット６１、６２と、１／２波長板７１と、を備えている。
　信号光としての光Ｌ１が入力される入力光導波路１１は、曲率の正負が逆で曲率半径が等しく、かつ弧の角度が等しい屈曲部を組み合わせたＳ字形状の屈曲部を経由して、偏波分波器２１へ接続されている。一方、局所発振光ＬＯが入力される入力光導波路１２は、略直線状にＹ分岐光導波路５１へ接続されている。
　偏波分波器２１は、Ｙ分岐光導波路と方向性結合器とＹ分岐光導波路及び方向性結合器を接続する２本のアーム光導波路とを備えており、マッハツェンダー（Mach-Zehnder　Interferometer：ＭＺＩ）型干渉計の構成を有している。接続光導波路３１、３３は、それぞれ、偏波分波器２１によって分波された光線の光路を９０度ハイブリッド素子４１、４２へ接続する光路である。
　Ｙ分岐光導波路５１は、入力光導波路１２に入力された局所発振光ＬＯを、分岐比１：１で接続光導波路３２、３４に分岐する。接続光導波路３２、３４は、それぞれＹ分岐光導波路５１によって分波された光線の光路を９０度ハイブリッド素子４１、４２へ接続する光路である。
　９０度ハイブリッド素子４１、４２は、干渉回路の一種であり、入力された光Ｌ１と局所発振光ＬＯとをそれぞれ二分岐し、二分岐された局所発振光ＬＯに光波の相対位相差として９０度の位相差を与えた後、二分岐された一方の光Ｌ１と局所発振光ＬＯ、及び二分岐されたもう一方の光Ｌ１と局所発振光ＬＯをそれぞれ混合する回路である。
　Ｙ分岐光導波路５１から９０度ハイブリッド素子４１への接続光導波路３２には、スリット６１が設けられ、当該スリット６１には１／２波長板７１が挿入されている。なお、１／２波長板７１の光軸は接続光導波路３２の偏波軸と４５度の角度をなすように調整されている。したがって、１／２波長板７１を通過する局所発振光ＬＯは、偏波が９０度回転されて９０度ハイブリッド素子４１へ入力される。
　一方、Ｙ分岐光導波路５１から９０度ハイブリッド素子４２への接続光導波路３４には、スリット６２が設けられているが、当該スリット６２には１／２波長板が挿入されていない。したがって、９０度ハイブリッド素子４２へは、そのままの偏波で局所発振光ＬＯが入力される。スリット６２は、接続光導波路３２においてスリット６１と１／２波長板７１とにより発生する損失とのバランスをとるために損失を発生させる要素として設けられている。
　さらに、入力光導波路１１と接続光導波路３４の交差する箇所には実施形態２に係る交差光導波路構造１０Ａと同様の構造の交差光導波路構造Ｃ１が設けられている。これにより、入力光導波路１１を伝搬する光Ｌ１及び接続光導波路３４を伝搬する二分岐された局所発振光ＬＯが交差光導波路構造Ｃ１を通過するときの損失が低減される。
　また、９０度ハイブリッド素子４１、４２も、交差光導波路構造１０Ａと同様の構造の交差光導波路構造Ｃ２、Ｃ３をそれぞれ備えている。また、９０度ハイブリッド素子４１は、交差光導波路構造Ｃ２と同構造の交差光導波路構造Ｃ２１、Ｃ２２を備えている。同様に、９０度ハイブリッド素子４３は、交差光導波路構造Ｃ３と同構造の交差光導波路構造Ｃ３１、Ｃ３２を備えている。
　交差光導波路構造Ｃ２は、９０度ハイブリッド素子４１の２分岐部４１ａ、４１ｂのそれぞれから分岐した一方の光導波路が交差する構造である。交差光導波路構造Ｃ２１、Ｃ２２は、それぞれ、２分岐部４１ａ、４１ｂのそれぞれから分岐した他方の光導波路に設けられている。交差光導波路構造Ｃ３は、９０度ハイブリッド素子４３の２分岐部４２ａ、４２ｂのそれぞれから分岐した一方の光導波路が交差する構造である。交差光導波路構造Ｃ３１、Ｃ３２は、それぞれ、２分岐部４２ａ、４２ｂのそれぞれから分岐した他方の光導波路に設けられている。
　交差光導波路構造Ｃ２１、Ｃ２２は、以下の理由で設けられている。９０度ハイブリッド素子４１に交差光導波路構造１０Ａと同様の構造の交差光導波路構造Ｃ２を適用すると、交差光導波路構造Ｃ２において位相の変化が生じてしまう。すなわち、接続光導波路３２から２分岐部４１ａを経由して交差光導波路構造Ｃ２を通過する局所発振光ＬＯ１の経路と、接続光導波路３１から２分岐部４１ｂを経由して交差光導波路構造Ｃ２を通過する光Ｌ１１の経路との位相差は、本来９０度とすべきだが、交差光導波路構造Ｃ２を通過すると位相がずれてしまう。たとえば、交差光導波路構造Ｃ２における交差する光導波路及び交差部のクラッド部に対する比屈折率差が５％の場合、位相が３０度変化し、位相差が６０度となってしまう場合がある。
　そこで、９０度ハイブリッド素子４１において、交差光導波路構造Ｃ２とともに、交差光導波路構造Ｃ２と同構造のダミーの交差光導波路構造Ｃ２１、Ｃ２２を設けることにより、上記２つの経路の位相差を９０度とすることができる。同様に、９０度ハイブリッド素子４２において、交差光導波路構造Ｃ３とともに、交差光導波路構造Ｃ３と同構造のダミーの交差光導波路構造Ｃ３１、Ｃ３２を設けることにより、２つの経路の位相差を９０度とすることができる。
（実施形態５）
　図９は、実施形態５に係る光導波路素子の模式図である。光導波路素子２００は、非特許文献１にも記載されるマルチキャストスイッチに適用できるものであり、光導波路で構成された８つの１×２スプリッタ２１１、２１２、２１３、２１４、２１５、２１６、２１７及び２１８がアレイ状に配列された構造を少なくとも備える。
　１×２スプリッタ２１１は、ＭＭＩ（Multi-Mode　Interferometer）カプラなどの１×２光カプラであり、２つの分岐光導波路２１１ａ、２１１ｂに分岐している。１×２スプリッタ２１８も、１×２光カプラであり、２つの分岐光導波路２１８ａ、２１８ｂに分岐している。その他の１×２スプリッタ２１２～２１６も２つの分岐光導波路に分岐している。
　分岐光導波路２１１ａ、２１８ｂ以外の分岐光導波路は、他の分岐光導波路と交差している。例えば、分岐光導波路２１１ｂ、２１８ａは、他の７つの分岐光導波路と交差している。２つの分岐光導波路の交差する箇所のいずれにも、実施形態２に係る交差光導波路構造１０Ａと同様の構造の交差光導波路構造が設けられている。これにより、各分岐光導波路が交差光導波路構造を通過するときの損失が低減される。
　さらに、光導波路素子２００は、１×２スプリッタ２１１～２１８の分岐導波路のいずれかと交差する交差光導波路２２１、２２２、２２３、２２４、２２５、２２６、２２７、２３１、２３２、２３３、２３４、２３５、２３６、２３７を備えている。
　交差光導波路２２１～２２７、２３１～２３７は、各分岐光導波路が、他の光導波路（分岐光導波路又は交差光導波路）と交差する箇所が等しくなるように機能する。具体的には、例えば分岐光導波路２１１ｂは他の７つの分岐光導波路と交差しているので、交差する箇所が７つ存在する。これに対して、分岐光導波路２１１ａは他の分岐光導波路と交差していないが、７つの交差光導波路２２１～２２７と交差することにより、他の光導波路と交差する箇所が７つ形成される。これにより、分岐光導波路２１１ａと分岐光導波路２１１ｂとの間で導波する光の位相差が小さくなるので、光の位相差に起因する偏波依存損失が低減される。同様に、他の分岐光導波路のいずれについても、交差光導波路２２１～２２７、２３１～２３７が設けられていることにより、他の光導波路と交差する箇所が７つとなる。これにより、光の位相差及びそれに起因する偏波依存損失が低減される。好ましくは、分岐光導波路同士が交差する箇所の交差光導波路構造と、分岐光導波路と交差光導波路とが交差する箇所の交差光導波路構造とを同じ構造とすれば、光の位相差及びそれに起因する偏波依存損失は殆ど発生しなくなる。
　なお、上記各実施形態では、第１テーパ部、第２テーパ部、第３テーパ部、及び第４テーパ部のテーパ形状は、導波路の外縁が直線状で幅が小さくなる形状であるが、外縁がカーブするように幅が小さくなる形状でもよい。導波路の外縁がカーブしている場合には、外縁と光軸との成す角が等幅部側で大きく、交差部側で小さいようにカーブしている、すなわち光軸に対して外縁が内側に膨らむようにカーブしていることが好ましい。これにより、交差する導波路を物理的に干渉させずに、交差角を大きくすることができる。
　また、上記各実施形態では、第１光導波路、第２光導波路、交差部及びクラッド部は石英系ガラスからなるが、本発明はこれに限らず、第１光導波路、第２光導波路、交差部及びクラッド部が他の誘電体材料や半導体材料からなる交差光導波路構造にも適用できる。
　また、上記実施形態の交差光導波路構造や光導波路素子は石英系ガラスからなるものであるが、本発明はシリコン細線光導波路やＩｎＰ系半導体材料からなる光導波路における交差光導波路構造にも適用できる。
　なお、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
　以上のように、本発明に係る交差光導波路構造及び光導波路素子は、主に光通信の分野において好適なものである。
１、１Ａ　第１光導波路
１ａ、１Ａａ　第１等幅部
１ｂ、１Ａｂ　第２等幅部
１ｃ、１Ａｃ　第１テーパ部
１Ａｃａ、１Ａｃｂ、１Ａｄａ、１Ａｄｂ、２Ａｃａ、２Ａｃｂ、２Ａｄａ、２Ａｄｂ　テーパ部
１ｄ、１Ａｄ　第２テーパ部
２、２Ａ　第２光導波路
２ａ、２Ａａ　第３等幅部
２ｂ、２Ａｂ　第４等幅部
２ｃ、２Ａｃ　第３テーパ部
２ｄ、２Ａｄ　第４テーパ部
３　交差部
４　クラッド部
４ａ　下側クラッド層
４ｂ　オーバークラッド部
１０、１０Ａ、１０Ｂ、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ３１、Ｃ３２　交差光導波路構造
１１、１２　入力光導波路
２１　偏波分波器
３１、３２、３３、３４　接続光導波路
４１、４２　９０度ハイブリッド素子
５１　Ｙ分岐光導波路
６１、６２　スリット
７１　１／２波長板
１００、２００　光導波路素子
２１１、２１２、２１３、２１４、２１５、２１６、２１７、２１８　１×２スプリッタ
２１１ａ、２１１ｂ、２１８ａ、２１８ｂ　分岐光導波路
２２１、２２２、２２３、２２４、２２５、２２６、２２７、２３１、２３２、２３３、２３４、２３５、２３６、２３７　交差光導波路

Claims (7)

  1. 　第１光導波路と、
    　前記第１光導波路と同一面内に位置する第２光導波路と、
    　前記第１光導波路と前記第２光導波路との交差部と、
    　前記第１光導波路及び前記第２光導波路の外周に形成され、前記第１光導波路、前記第２光導波路及び前記交差部よりも屈折率が小さいクラッド部と、
    　を備え、
    　前記第１光導波路は、第１等幅部と、第２等幅部と、前記第１等幅部から前記第２等幅部に向かって延伸し該第２等幅部に近づくにつれて幅が小さくなる第１テーパ部と、前記第２等幅部から前記第１等幅部に向かって延伸し該第１等幅部に近づくにつれて幅が小さくなる第２テーパ部と、を有し、
    　前記第２光導波路は、第３等幅部と、第４等幅部と、前記第３等幅部から前記第４等幅部に向かって延伸し該第４等幅部に近づくにつれて幅が小さくなる第３テーパ部と、前記第４等幅部から前記第３等幅部に向かって延伸し該第３等幅部に近づくにつれて幅が小さくなる第４テーパ部と、を有し、
    　前記交差部は、前記第１テーパ部、前記第２テーパ部、前記第３テーパ部及び前記第４テーパ部に接続しており、
    　前記第１等幅部、前記第２等幅部、前記第３等幅部、又は前記第４等幅部に入力された光の伝搬モードのモードフィールド径が、前記第１テーパ部、前記第２テーパ部、前記第３テーパ部、又は前記第４テーパ部によって小さくされ、前記交差部で集光するように、前記第１テーパ部、前記第２テーパ部、前記第３テーパ部、及び前記第４テーパ部の各テーパ形状が設定されていることを特徴とする交差光導波路構造。
  2. 　前記伝搬モードのモードフィールド径が非断熱的に変化するように、前記第１テーパ部、前記第２テーパ部、前記第３テーパ部、及び前記第４テーパ部の各テーパ形状が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の交差光導波路構造。
  3. 　前記第１テーパ部、前記第２テーパ部、前記第３テーパ部、及び前記第４テーパ部のテーパ角をそれぞれθ１、θ２、θ３、θ４とし、前記第１テーパ部、前記第２テーパ部、前記第３テーパ部、前記第４テーパ部、及び前記交差部の前記クラッド部に対する比屈折率差をΔとすると、以下の式（１）～（４）が成り立つことを特徴とする請求項１又は２に記載の交差光導波路構造。
    　０．５×Δ≦θ１≦３×Δ　・・・　（１）
    　０．５×Δ≦θ２≦３×Δ　・・・　（２）
    　０．５×Δ≦θ３≦３×Δ　・・・　（３）
    　０．５×Δ≦θ４≦３×Δ　・・・　（４）
  4. 　以下の式（５）～（８）が成り立つことを特徴とする請求項３に記載の交差光導波路構造。
    　０．７×Δ≦θ１≦１．８×Δ　・・・　（５）
    　０．７×Δ≦θ２≦１．８×Δ　・・・　（６）
    　０．７×Δ≦θ３≦１．８×Δ　・・・　（７）
    　０．７×Δ≦θ４≦１．８×Δ　・・・　（８）
  5. 　前記第１光導波路、前記第２光導波路、前記交差部及び前記クラッド部は石英系ガラスからなることを特徴とする請求項１～４のいずれか一つに記載の交差光導波路構造。
  6. 　前記第２光導波路は前記第１光導波路に対して傾斜していることを特徴とする請求項１～５のいずれか一つに記載の交差光導波路構造。
  7. 　請求項１～６のいずれか一つに記載の交差光導波路構造を備えることを特徴とする光導波路素子。
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