JP5702757B2 - 光導波路素子 - Google Patents

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Description

本発明は、光分波器と、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、モードスプリッタを備える光導波路素子に関する。
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実効屈折率の高い順からモード数ｎを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次モードと呼ぶことにする。また、ｎ≧１以上のモードを総称して高次モードと呼ぶことにする。
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、Ｓｉ／ＳｉＯ２の高い屈折率差の利用により光導波路の小型化が可能なことや、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）型分波器やＹ型分波器などの光分波器（スプリッタ）を組み込むことが多い。通常、光分波器は、基本モード光を所望の分岐比に分けるために用いられる。この際、高次モード光が光分波器に混入すると、分岐比が所望の値から異なってくることが知られている（例えば特許文献１，２参照）。光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１では、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２では、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もつ副導波路を置き、断熱遷移によっ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。
特開２０１１−２５７６３４号公報 特開２００６−２３５３８０号公報
Hiroshi Fukuda, Koji Yamada, Tai Tsuchizawa, Toshifumi Watanabe, Hiroyuki Shinojima, and Sei-ichi Itabashi、"Silicon photonic circuit with polarization 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
しかしながら、Ｓｉ／ＳｉＯ２導波路の比屈折率差は、ＬｉＮｂＯ３や石英系の導波路の比屈折率差に比べて格段に大きい。
特許文献１のように分波器の前段で実効屈折率を低減して高次モードを除去するため、ＬｉＮｂＯ３や石英系の導波路と同等に基本モードのみが伝播されるようにするためには、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。このような微細領域に光を閉じ込めると、エネルギー密度が上昇し、表面ラフネスの影響が大きくなることで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、後者は前者の約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、表面ラフネスによる導波路特性の劣化が起こりやすい。
さらに特許文献１には、実効屈折率を低減する手段として、導波路幅の変化だけではなく、導波路中の不純物濃度や、導波路深さを変化することなどが開示されている。しかし、不純物濃度の増加は光損失増加の原因となり、導波路深さの変化は製造プロセス上困難を伴う。このように、特許文献１に開示されている手法は、基本モードの損失増大を伴うか、製造上の困難を伴う。
一方、特許文献２に記載されたテーパ構造の使用は、Ｓｉ／ＳｉＯ２導波路において導波路損失を避けるため、あえて１次モード光の導波が可能な導波路幅を選択した際には、事実上不可能である。
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２の実施例１でも、入射光の波長１．５μｍに対してテーパ長は２ｍｍとされている。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特徴であるから、特許文献２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、製造上も問題がある。特許文献２では基本モード光と１次モード光の分離を断熱遷移で行なっているため、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困難を伴う。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り、大幅な製造コストの上昇を招く。
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が光分波器の前段に接続された光導波路素子において、光分波器の前段の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。
前記課題を解決するため、本発明は、基板上にコア及びクラッドを有する光導波路を備える光導波路素子であって、前記光導波路素子は、１つの入力光を複数の出力光に分波する光分波器と、前記光分波器の入力側である前段、又は出力側である後段から選択される１箇所以上に設けられたモードスプリッタとを備え、前記コアの屈折率ｎcoreと前記クラッドの屈折率ｎcladとの比であるｎcore／ｎcladが１０１〜２５０％の範囲内であり、前記モードスプリッタは、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、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置かれた方向性結合器を構成する部分をもち、前記少なくとも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前記主導波路から分離させる副導波路とを備えることを特徴とする光導波路素子を提供する。
前記主導波路と前記副導波路が、±１０％以内で略同一の幅を有することが好ましい。
前記主導波路と前記副導波路が、±１０％以内で略同一の厚さを有することが好ましい。
前記方向性結合器を構成する部分の開始部分で、前記副導波路が前記主導波路になだらかに接近する構造をもつことが好ましい。
前記方向性結合器を構成する部分の終了部分で、前記副導波路が前記主導波路からなだらかに離れる構造をもつことが好ましい。
前記モードスプリッタが、前記光分波器の入力側である前段に設けられることが好ましい。
前記光分波器と、前記光分波器の前段に設けられたモードスプリッタとの組が、カスケード型に連続して設けられてもよい。
前記光分波器は、１つの入力光を２つの出力光に分波するものであり、前記光分波器の出力側である後段に、光変調部と、２つの入力光を１つの出力光に合波する光合波器とを備え、前記光分波器の１つの出力光が前記光変調部を介して前記光合波器に入力され、前記光分波器のもう１つの出力光が前記光変調部を介さないで前記光合波器に入力されてもよい。
前記副導波路が前記主導波路の長手方向の異なる位置に２本以上あり、各々の前記副導波路の幅は、±１０％以内で前記主導波路と略同一の幅を有し、前記副導波路と前記主導波路との間隔、及び前記副導波路が前記主導波路と平行に置かれた部分の長さが等しくてもよい。
前記副導波路が前記主導波路の長手方向の異なる位置に２本以上あり、各々の前記副導波路の幅は、±１０％以内で前記主導波路と略同一の幅を有し、前記副導波路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部分の長さが異なってもよい。
前記光分波器がＭＭＩ型の光分波器であってもよい。
前記光分波器がＹ型の光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。
前記副導波路は、高次モードを前記主導波路から分離させるものでもよい。
前記高次モードの光が前記主導波路に再結合することを防ぐため、前記副導波路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を備えてもよい。
前記高次モードの光の光量をモニタリングするため、前記副導波路の終了部分の先端に、受光素子及びこの受光素子の電流を取り出すための電気配線を備えてもよい。
また、本発明は、基板上にコア及びクラッドを有する光導波路を備える光導波路素子であって、前記光導波路素子は、モードスプリッタを備え、前記コアの屈折率ｎcoreと前記クラッドの屈折率ｎcladとの比であるｎcore／ｎcladが１０１〜２５０％の範囲内であり、前記モードスプリッタは、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、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置かれた方向性結合器を構成する部分をもち、前記少なくとも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前記主導波路から分離させる副導波路とを備えることを特徴とする光導波路素子を提供する。
前記主導波路と前記副導波路が、±１０％以内で略同一の幅を有することが好ましい。
前記主導波路と前記副導波路が、±１０％以内で略同一の厚さを有することが好ましい。
前記方向性結合器を構成する部分の開始部分で、前記副導波路が前記主導波路になだらかに接近する構造をもつことが好ましい。
前記方向性結合器を構成する部分の終了部分で、前記副導波路が前記主導波路からなだらかに離れる構造をもつことが好ましい。
前記副導波路が前記主導波路の長手方向の異なる位置に２本以上あり、各々の前記副導波路の幅は、±１０％以内で前記主導波路と略同一の幅を有し、前記副導波路と前記主導波路との間隔、及び前記副導波路が前記主導波路と平行に置かれた部分の長さが等しくてもよい。
前記副導波路が前記主導波路の長手方向の異なる位置に２本以上あり、各々の前記副導波路の幅は、±１０％以内で前記主導波路と略同一の幅を有し、前記副導波路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部分の長さが異なってもよい。
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。
前記副導波路は、高次モードを前記主導波路から分離させるものでもよい。
前記高次モードの光が前記主導波路に再結合することを防ぐため、前記副導波路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を備えてもよい。
前記高次モードの光の光量をモニタリングするため、前記副導波路の終了部分の先端に、受光素子及びこの受光素子の電流を取り出すための電気配線を備えてもよい。
本発明の光導波路素子によれば、モードスプリッタにより、モード分離が可能になる。また、２種類以上の伝播モードが導波可能な導波路が光分波器の前段に接続された光導波路素子において、光分波器の前段の光導波路から、モードスプリッタにより、モード分離が可能になる。
（ａ）は光導波路素子の第１実施形態を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＭＭＩ型の光分波器を示す部分拡大平面図、（ｃ）は（ａ）のモードスプリッタを示す部分拡大平面図、（ｄ）は（ｃ）のＳ−Ｓ線に沿う断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は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。 （ａ）は光導波路素子の第６実施形態を示す平面図、（ｂ）は光導波路素子の第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。 （ａ）は光導波路素子の第９実施形態を示す平面図、（ｂ）は光導波路素子の第１０実施形態を示す平面図、（ｃ）は光導波路素子の第１１実施形態を示す平面図である。 （ａ）基本モードと（ｂ）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。 （ａ）モードスプリッタがない場合と、（ｂ）モードスプリッタをもつ場合の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。 （ａ）〜（ｃ）は、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１に、本発明の光導波路素子の第１実施形態を示す。この光導波路素子１０は、図１（ｄ）に示すように、基板１上にコア２及びクラッド３を有する光導波路を備える。図１（ａ）〜（ｃ）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１（ａ）に示すように、光導波路素子１０は、１つの入力光を複数の出力光に分波する光分波器１４と、この光分波器１４の入力側である前段に設けられたモードスプリッタ２０を備える。モードスプリッタ２０の出力光は、入射側導波路１１を介して、光分波器１４に注入される。また、光分波器１４により分波された複数の出力光は、それぞれ複数の出射側導波路１２，１３に注入される。光分波器（スプリッタ）としては、特に限定されないが、例えばＭＭＩ型分波器、Ｙ型分波器、方向性結合器等が挙げられる。図１（ｂ）に示すＭＭＩ（マルチモード干渉）型分波器１４は、導波路１１，１２，１３よりも幅の広い所定の幅ＷＭＭＩと所定の長さＬＭＭＩを有し、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出射側導波路１２，１３から出力する。
光分波器１４に接続される導波路１１，１２，１３は、光をマルチモードで導波するマルチモード導波路である。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、表面ラフネス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１（ｃ）に示すように、モードスプリッタ２０は、光分波器１４の入射側導波路１１に接続される主導波路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、表面ラフネスによ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の前にある開始部分２１ａ，２２ａで、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の後にある終了部分２１ｃ，２２ｃで、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。主導波路の近傍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。
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１０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１（ｄ）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は共に結合係数が小さくなっていくが、基本モードの結合係数の減少が、１次モード等の高次モードの結合係数の減少に比べて急である（例えば、後述する実施例１の図１１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や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、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れば、最大パワー移行率は１００％にならない。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ことを考える場合、主導波路と副導波路との導波路構造（材料、寸法、形状等）をなるべく同じよう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１（ｄ）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、安価な製造を実現するため、ＫｒＦ（２４８ｎｍ）を光源とする旧世代の露光機も用いられることがある。一般的な導波路コアの形成方法において露光マスクのアラインメントやエッチング等に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）の変更がない導波路として、例えば±１０％以内で略同一の幅を有することが好ましい。
同様に、主導波路と副導波路とが、例えば±１０％以内で略同一の厚さを有することが好ましい。
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の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１１と図１２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する（例えば高次モードの結合長と同程度又はそれ以下とする）と、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、基本モードの移行が小さく、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たときに、高次モードが副導波路に移行している割合が小さい構造とした場合には、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モードスプリッタとなることも考えられる。
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ものである場合、小型化も容易であり、好ましい。分波器へつながる主導波路の近傍に、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置いて方向性結合器を形成し、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や主導波路と副導波路との間隔を適切に選ぶことにより、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により、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２（ａ）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２２Ａ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を有するものの、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１（ｃ）の符号２２ａ）を有しない。
図２（ｂ）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３１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３２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を有する。
図２（ｃ）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３１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３２Ａ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を有するものの、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２（ｂ）の符号３２ａ）を有しない。
なお、後述する第２〜第１１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を図２（ａ）〜（ｃ）に示す上述のモードスプリッタ２０Ａ，３０，３０Ａと同様のものを用いてよい。図２（ｂ）及び図２（ｃ）では、主導波路２１を直線とし、副導波路２２を曲線としたが、その反対に、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は、少なくとも方向性結合器の部分の近傍において、図１（ｃ）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。この検討については後述の実施例２（特に図１８（ａ）及び図１８（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２（ｃ）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モードスプリッタ３０Ａに対称性を持たせたものが、モードスプリッタ２０Ａを持つ図２（ａ）に示す光導波路素子である。同様に、図２（ｂ）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モードスプリッタ３０に対称性を持たせたものが、図１（ｃ）のモードスプリッタ２０を持つ図１（ａ）に示す光導波路素子である。
図１（ｃ）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と副導波路の開始部分２２ａとが対称とされ、主導波路の結合部分２１ｂと副導波路の結合部分２２ｂとが対称とされ、主導波路の終了部分２１ｃと副導波路の終了部分２２ｃとが対称とされている。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、前者が後者より大きいか、前者が後者より小さいかは、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、また、導波路の向きや長さ等を自由に設定できることはいうまでもない。主導波路や副導波路の幅は、方向性結合器の部分の近傍のみならず、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。この検討については後述の実施例２（特に図１８（ｂ）及び図１８（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２（ｃ）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モードスプリッタ３０Ａになだらかな接近部分を持たせたものが、モードスプリッタ３０を持つ図２（ｂ）に示す光導波路素子である。同様に、図２（ａ）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モードスプリッタ２０Ａになだらかな接近部分を持たせたものが、図１（ｃ）のモードスプリッタ２０を持つ図１（ａ）に示す光導波路素子である。主導波路を通る光は、近くに副導波路が不連続的に出現すると、光の反射や擾乱を受けやすい。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、損失をさらに低減することができ、好ましい。
導波路におけるなだらかに接近、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。その曲率半径は、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１（ｃ）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と主導波路の終了部分２１ｃとが対称とされ、副導波路の開始部分２２ａと副導波路の終了部分２２ｃとが対称とされている。開始部分の曲率半径が、終了部分の曲率半径と等しいか、前者が後者より大きいか、前者が後者より小さいかは、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。この光導波路素子は、図１（ａ）と同様な光分波器１４とモードスプリッタ２０との組からなる光導波路素子１０を、カスケード型に連続して多段に設けたものである。光導波路素子１０が１×２分波器（１入力２出力）であるのに対し、図３の光導波路素子は、１×４分波器となる。同様に、複数段重ねることで、１×８分波器、１×１６分波器、１×３２分波器等の１×Ｎ分波器を構成することが可能である。各光導波路素子１０の副導波路２２は外側へ向け、主導波路２１からの距離を十分離したところで、副導波路２２に移行、分離した伝播モード（例えば高次モード）を放射または吸収させることにより、主導波路２１への再結合を抑制することができる。分離した伝播モードを基板内で吸収させる構造としては、例えば、後述する光吸収層２３（図５参照）が挙げられる。分離した伝播モードを放射させる場合は、副導波路２２の終了部分を基板の周縁部まで延ばして基板外に向けて放射させることも可能である。
図４に、光導波路素子の第３実施形態を示す。この光導波路素子の場合、１つの入力光を２つの出力光に分波する光分波器４２の出力側である後段に、光変調部４５と、２つの入力光を１つの出力光に合波する光合波器４６が設けられ、これらによりマッハツェンダ型光変調器４０が構成されている。光分波器４２の１つの出力光は光変調部４５を有する導波路４３を介して光合波器４６に入力され、光分波器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を介して光合波器４６に入力される。
光分波器４２の前段の光導波路４１から光分波器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器４６に注入されると、光合波器４６で合波された光は位相差に応じて変調される。例えば、光合波器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状態の切り替えを制御する。２つの光が同位相で光合波器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器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。
マッハツェンダ型光変調器４０の光分波器４２の前段の光導波路４１をモードスプリッタ２０の主導波路２１に接続し、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。光分波器４２としては、例えばＭＭＩ型分波器１４を用いてもよい。ＭＭＩ型分波器１４とモードスプリッタ２０との関係は、図１（ａ）の光導波路素子１０と同様に構成することができる。
マッハツェンダ型光変調器４０の光分波器４２及び光合波器４６としては、特に限定されないが、例えばＭＭＩ型の分波器又は合波器、Ｙ型の分波器又は合波器、方向性結合器等が挙げられる。
マッハツェンダ型光変調器４０にモードスプリッタ２０を設ける場合、光分波器４２の入力側である前段（導波路４１）、光合波器４６の出力側である後段（導波路４７）、又は光分波器４２と光合波器４６との間である内部（導波路４３，４４）から選択される１箇所以上に設けることができる。
図５に、光導波路素子の第４実施形態を示す。この光導波路素子の場合、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。
光分波器１４がマッハツェンダ型光変調器４０に組み込まれている場合（図４参照）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６に、光導波路素子の第５実施形態を示す。この光導波路素子の場合、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及びこの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、例えば経年劣化や、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。
光分波器１４がマッハツェンダ型光変調器４０に組み込まれている場合（図４参照）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と組み合わせた場合には、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く、該部品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やインジウムリン（ＩｎＰ）系のＰＤ等やガリウム砒素（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本設けたり、その他ＰＤ２４に必要な本数設けることができる。
図６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を有し、副導波路の終了部分２２ｃの先端部２２ｄは、ＰＤ２４に向かって徐々に曲率半径を増大させ、最終的には直線状の導波路となって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。この場合は、方向性結合器の対称性がなくなり主導波路２１からの高次モードの除去率は下がるものの、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５や図６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、略同一の幅で延ばすことが好ましい。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７、図８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、全部またはいずれか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７（ａ）に、光導波路素子の第６実施形態を示す。この光導波路素子は、光分波器１４の前段において、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、±１０％以内で主導波路２１と略同一の幅を有する。副導波路２２と主導波路２１との間隔（図１（ｄ）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１（ｃ）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７（ｂ）に、光導波路素子の第７実施形態を示す。この光導波路素子は、光分波器１４の前段において、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、±１０％以内で主導波路２１と略同一の幅を有する。副導波路２２と主導波路２１との間隔や、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）の除去される波長帯域を広げることができる。例えば、図７（ｂ）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、特にこれに限定されない。
図７（ａ）や図７（ｂ）に示す例は、１×２の光分波器１４の前段において、副導波路２２が主導波路２１の長手方向の異なる位置に２本以上設けられた構成であるが、１×Ｎの光分波器の前段にモードスプリッタ２０を設ける場合（図３や後述する図９（ａ）、図９（ｂ）参照）や、マッハツェンダ型光変調器４０の光分波器４２の前段にモードスプリッタ２０を設ける場合（図４参照）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、±１０％以内で主導波路２１と略同一の幅を有することが好ましい。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。これにより、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８に、光導波路素子の第８実施形態を示す。この光導波路素子は、光分波器１４の後段のそれぞれの光導波路１２，１３にもモードスプリッタ２０を有するほかは、図１（ａ）の光導波路素子１０と同様に構成されている。この場合、光分波器１４の前段及び後段の各光導波路１１，１２，１３を主導波路２１として、各光導波路１１，１２，１３にモードスプリッタ２０を有する。
本発明のモードスプリッタ２０は、図１（ａ）に示すように光分波器１４の前段の光導波路１１に設ける場合に限られるものではなく、光分波器１４の後段の各光導波路１２，１３のみに設けることもできる。また、光分波器１４の後段の各光導波路１２，１３の両方に設ける場合に限られるものではなく、光分波器１４の後段の各光導波路１２，１３の一方のみに設けることもできる。
図９（ａ）に、光導波路素子の第９実施形態を示す。この光導波路素子は、光分波器として、Ｙ型分波器１５を有するほかは、図１（ａ）の光導波路素子１０と同様に構成されている。図２〜図８に示す光導波路素子等、他の実施形態においても、ＭＭＩ型分波器１４の代わりにＹ型分波器１５を用いることができることは言うまでもない。図４に示すマッハツェンダ型光変調器４０の光分波器４２及び光合波器４６としても、Ｙ型の分波器及び合波器を用いることができる。
図９（ｂ）に、光導波路素子の第１０実施形態を示す。この光導波路素子は、光分波器として、１×３のＭＭＩ型分波器１６を有するほかは、図１（ａ）の光導波路素子１０と同様に構成されている。図２、図３、図５〜図８に示す光導波路素子等、他の実施形態においても、１×２のＭＭＩ型分波器１４の代わりに、１×３のＭＭＩ型分波器１６を用いることができることは言うまでもない。
図９（ｃ）に、光導波路素子の第１１実施形態を示す。この光導波路素子は、光分波器として、１×ＮのＭＭＩ型分波器１７（ここで、Ｎ≧４）を有するほかは、図１（ａ）の光導波路素子１０と同様に構成されている。図２、図３、図５〜図８に示す光導波路素子等、他の実施形態においても、１×２のＭＭＩ型分波器１４の代わりに、１×ＮのＭＭＩ型分波器１７を用いることができることは言うまでもない。
以下、実施例をもっ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＞
光導波路及び光分波器は、クラッド領域をＳｉＯ２、コア領域をＳｉとして構成した。導波路コア領域の厚さ（図１（ｄ）のｔ０参照）は２２０ｎｍとし、導波路コア領域の幅（図１（ｄ）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１（ｄ）のｔ１及びｔ２参照）は上下のそれぞれに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１０に示す。（ａ）の基本モードはコアの中央を伝播するのに対し、（ｂ）の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。
光分波器にはＭＭＩ分波器を用いた。その幅（図１（ｂ）のＷＭＭＩ参照）は１．５μｍで、長さ（図１（ｂ）のＬＭＭＩ参照）は１．７〜１．９μｍとした。ＭＭＩ分波器の入射側には１本の導波路を結合し、入射側に対向する出射側には、２本の導波路を結合した。
光分波器の前段（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とした。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（図１１〜１４で同じ。）は、０．１５〜０．８５μｍの範囲内で０．０５μｍごとに設定した。
結合係数と導波路間隔との関係を求めた結果を図１１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１２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、基本モード光の損失は０．０１ｄＢであり、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１３〜１４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１３に示す。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てしまい、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１４に示す。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１４から把握される１次モードの結合長は、有限要素法で計算した図１２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１（ｄ）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１５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で副導波路を沿え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１６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、副導波路の最後に、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、基本モード光にその２％のパワーをもつ１次モード光を混入した場合の光の伝播の様子を図１７に示す。（ａ）はモードスプリッタがない場合、（ｂ）はモードスプリッタをもつ場合である。
モードスプリッタがない場合、わずか２％の１次モード光の混入により、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。
モードスプリッタをもつ場合、両アームでのパワー比が０．４２ｄＢとなり、ほぼ均一になっていることが確認された。ここで、副導波路をつけることによる光の損失は、１次モード光の除去による損失も含めて０．１１ｄＢであり、十分に低損失であることが分かった。
＜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のそれぞれに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１８に示す。図１８（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）がその終点側に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１８（ｂ）は、主導波路及び副導波路がそれぞれの終点側に、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１８（ｃ）は、主導波路及び副導波路が、それぞれの開始側に、相手側になだらかに接近する構造をもち、それぞれの終点側に、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１８（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１８（ｂ）では主導波路に残る１次モード光は僅かであり、図１８（ｃ）では主導波路に残る１次モード光は全く見えない。
図１９に、図１８（ｃ）の構造で、主導波路と副導波路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）表示にしたものをいう。
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１９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ほうが、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１８（ａ）や図１８（ｂ）の構造でも、同様に、曲げ部の曲率半径を大きくしたほうが、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２０に、図１８の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の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）に比べて（ｂ）とすることにより、さらに（ｃ）とすることにより、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２０の（ｃ）に挙げる分岐比は、図１９から示される「最適化された分岐比」と同一の値である。
図１８〜図２０に示す、以上の検討に基づき、図１８（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２１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として導波路及び光分波器を構成した。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。クラッドの厚さは上下のそれぞれに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。
光分波器にはＭＭＩ型分波器を用いた。その幅ＷＭＭＩは１．５μｍで、長さＬＭＭＩは１．８μｍとした。光分波器の片側に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。
光分波器の前段（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（図１（ａ）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ため、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ため、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１８（ｃ）や図２１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、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として導波路及び光分波器を構成した。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。クラッドの厚さは上下のそれぞれに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。
光分波器にはＭＭＩ型分波器を用いた。その幅ＷＭＭＩは１．７μｍで、長さＬＭＭＩは２．４μｍとした。光分波器の片側に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。
光分波器の前段（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（図１（ａ）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１８（ｃ）や図２１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をシミュレーションにより９μｍと求めた。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。
１…基板、２…コア、３…クラッド、１０…光導波路素子、１１…入射側導波路、１２，１３…出射側導波路、１４，１５，１６，１７，４２…光分波器、２０，２０Ａ，３０，３０Ａ，２００…モードスプリッタ、２１，３１…主導波路、２２，２２Ａ，３２，３２Ａ…副導波路、２３…光吸収層、２４…受光素子（ＰＤ）、２５…電気配線、４０…マッハツェンダ型光変調器、４５…光変調部、４６…光合波器。

Claims (17)

  1. 基板上にコア及びクラッドを有する光導波路を備える光導波路素子であって、
    前記光導波路素子は、
    １つの入力光を複数の出力光に分波する光分波器と、
    前記光分波器の入力側である前段に設けられたモードスプリッタと
    を備え、
    前記コアの屈折率ｎcoreと前記クラッドの屈折率ｎcladとの比であるｎcore／ｎcladが１０１〜２５０％の範囲内であり、
    前記モードスプリッタは、
    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、
    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置かれた方向性結合器を構成する部分をもち、前記少なくとも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前記主導波路から分離させる副導波路と
    を備え、
    前記光分波器は、１つの入力光を２つの出力光に分波するものであり、
    前記モードスプリッタの前記主導波路から前記光分波器の入力側に接続される導波路は、光をマルチモードで導波するマルチモード導波路であり、
    前記モードスプリッタは、高次モードを前記主導波路から前記副導波路に分離させることを特徴とする光導波路素子。
  2. 前記主導波路と前記副導波路が、±１０％以内で略同一の幅を有する請求項１に記載の光導波路素子。
  3. 前記主導波路と前記副導波路が、±１０％以内で略同一の厚さを有する請求項１又は２に記載の光導波路素子。
  4. 前記方向性結合器を構成する部分の開始部分で、前記副導波路が前記主導波路になだらかに接近する構造をもつ請求項１〜３のいずれか１項に記載の光導波路素子。
  5. 前記方向性結合器を構成する部分の終了部分で、前記副導波路が前記主導波路からなだらかに離れる構造をもつ請求項１〜４のいずれか１項に記載の光導波路素子。
  6. 前記光分波器に接続される１つの入力側導波路及び２つの出力側導波路は、光をマルチモードで導波するマルチモード導波路である請求項１〜５のいずれか１項に記載の光導波路素子。
  7. 前記光分波器と、前記光分波器の前段に設けられたモードスプリッタとの組が、カスケード型に連続して設けられた請求項１〜６のいずれか１項に記載の光導波路素子。
  8. 前記光導波路素子は、前記光分波器が組み込まれたマッハツェンダ型光変調器を備え、
    前記マッハツェンダ型光変調器において、前記モードスプリッタが、前記光分波器の入力側である前段に設けられる請求項１〜７のいずれか１項に記載の光導波路素子。
  9. 前記光分波器の出力側である後段に、光変調部と、２つの入力光を１つの出力光に合波する光合波器とを備え、
    前記光分波器の１つの出力光が前記光変調部を介して前記光合波器に入力され、前記光分波器のもう１つの出力光が前記光変調部を介さないで前記光合波器に入力される請求項１〜８のいずれか１項に記載の光導波路素子。
  10. 前記副導波路が前記主導波路の長手方向の異なる位置に２本以上あり、
    各々の前記副導波路の幅は、±１０％以内で前記主導波路と略同一の幅を有し、
    前記副導波路と前記主導波路との間隔、及び前記副導波路が前記主導波路と平行に置かれた部分の長さが等しい請求項１〜９のいずれか１項に記載の光導波路素子。
  11. 前記副導波路が前記主導波路の長手方向の異なる位置に２本以上あり、
    各々の前記副導波路の幅は、±１０％以内で前記主導波路と略同一の幅を有し、
    前記副導波路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部分の長さが異なる請求項１〜９のいずれか１項に記載の光導波路素子。
  12. 前記光分波器がＭＭＩ型の光分波器である請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光導波路素子。
  13. 前記光分波器がＹ型の光分波器である請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光導波路素子。
  14. 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１〜１３のいずれか１項に記載の光導波路素子。
  15. 前記高次モードの光が前記主導波路に再結合することを防ぐため、前記副導波路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を備える請求項１〜１４のいずれか１項に記載の光導波路素子。
  16. 前記高次モードの光の光量をモニタリングするため、前記副導波路の終了部分の先端に、受光素子及びこの受光素子の電流を取り出すための電気配線を備える請求項１〜１４のいずれか１項に記載の光導波路素子。
  17. 前記主導波路が曲げ部を有し、前記副導波路が直線状である請求項１〜１６のいずれか１項に記載の光導波路素子。
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