JP6194789B2 - 光導波路素子 - Google Patents

Description

この発明は、ＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）偏波とＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ）偏波との経路を切り換える光導波路素子に関する。

情報伝達量の増大に伴い、光配線技術が注目されている。光配線技術では、光ファイバや光導波路を伝送媒体とした光デバイスを用いて、情報処理機器内の装置間、ボード間又はチップ間等の情報伝達を光信号で行う。その結果、高速信号処理を要する情報処理機器においてボトルネックとなっている、電気配線の帯域制限を改善することができる。

光デバイスは、光送信器や光受信器等の光学素子を備えて構成される。これらの光学素子は、各光学素子の中心位置（受光位置あるいは発光位置）を設計位置に合せるための複雑な光軸合わせを行った上で、例えばレンズを用いて互いに空間結合することができる。

ここで、各光学素子を結合するための手段として、レンズの代わりに光導波路素子を利用する技術がある（例えば、特許文献１参照）。光導波路素子を利用する場合には、光が光導波路内に閉じ込められて伝搬するため、レンズを利用する場合と異なり、複雑な光軸合わせを必要としない。従って、光デバイスの組立工程が簡易となるため、量産に適する形態として有利である。光導波路素子は、例えばシリコン（Ｓｉ）を導波路材料として、極めて小型に形成される。しかも、製造にはＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）の製造過程が流用され低コスト化が実現されている（例えば、非特許文献１参照）。

ところで、受動型光加入者ネットワーク（ＰＯＮ：Ｐａｓｓｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の波長多重技術を利用する通信システムにおいて光デバイスを用いる場合には、波長毎に光信号の経路を切り換える素子が必要となる。これを実現するために、波長フィルタとしての機能が付与された光導波路素子を使用した構造がある（例えば、特許文献１参照）。

光導波路素子の構造として、リブ型導波路やＳｉ細線導波路がある。Ｓｉ細線導波路では、実質的に光の伝送路となる光導波路コアを、Ｓｉを材料として形成する。そして、Ｓｉよりも屈折率の低い例えばシリカ等を材料としたクラッドで、光導波路コアの周囲を覆う。このような構成により、光導波路コアとクラッドとの屈折率差が極めて大きくなるため、光導波路コア内に光を強く閉じ込めることができる。その結果、曲げ半径を例えば数μｍ程度まで小さくした、小型の曲線導波路を実現することができる。そのため、電子回路と同程度の大きさの光回路を作成することが可能であり、光デバイス全体の小型化に有利である。

ここで、Ｓｉ細線導波路は、偏波によって特性が異なる。そのため、Ｓｉ細線導波路を用いた波長フィルタには、偏波依存性があるという欠点がある。そこで、偏波依存性を解消するために、波長フィルタとして機能する領域の前段に、偏波分離素子及び偏波回転素子を設ける構造がある（例えば、特許文献２参照）。

この構造では、まず、偏波分離素子によって、入力された光信号を、互いに直交するＴＥ偏波とＴＭ偏波とを分離する。次に、偏波回転素子によって、一方の偏波を９０°回転させる。その結果、波長フィルタに入力される光信号の偏波状態が、ＴＥ偏波又はＴＭ偏波のいずれかに統一される。従って、波長フィルタの設計を、ＴＥ偏波又はＴＭ偏波のいずれかに対してのみ行えばよく、偏波依存性が解消される。

偏波分離素子は、例えば、並んで配置された２つのＳｉ細線導波路を有する方向性結合器を利用して構成することができる（例えば、特許文献２参照）。方向性結合器を利用した偏波分離素子では、扁平な断面形状でＳｉ細線導波路のコアを形成する。これによって、ＴＥ偏波とＴＭ偏波とに対する、方向性結合器の結合作用長に差を生じさせる。その結果、ＴＥ偏波とＴＭ偏波とを異なる経路で出力することができる。

特開２０１１−７７１３３号公報 特開２００９−２４４３２６号公報

IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, vol.12, No.6, November/December 2006 p.1371-1379

しかしながら、方向性結合器を利用した偏波分離素子では、製造誤差の影響を受けやすい（すなわち、製造トレランスが小さい）という欠点がある。例えば、方向性結合器を構成する２つのＳｉ細線導波路の幅に誤差が生じた場合、各Ｓｉ細線導波路間における結合効率が劣化する。その結果、ＴＥ偏波とＴＭ偏波とを分離しきれず、一方の偏波を出力すべき経路に、他方の偏波が混入する恐れがある。

この発明の目的は、ＴＥ偏波とＴＭ偏波との経路を切り換える偏波分離素子として使用できる、製造トレランスが大きい光導波路素子を提供することにある。

上述した課題を解決するために、この発明による光導波路素子は、以下の特徴を備えている。

この発明による光導波路素子は、第１光導波路コアと第２光導波路コアとを備えて構成される。第１光導波路コアは、ｉ次モード（ｉは０以上の整数）の、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波のいずれか一方の偏波、並びにｌ次モード（ｌはｉとは異なる０以上の整数）のＴＥ偏波及びＴＭ偏波を伝播させる多モード導波路部、及び多モード導波路部と接続されたブラッグ反射部を有している。また、第２光導波路コアは、結合部を有している。

ブラッグ反射部には、一方の偏波のｌ次モードとｉ次モードとを変換してブラッグ反射し、他方の偏波を透過させるグレーティングが形成されている。

また、多モード導波路部と結合部とが、互いに離間しかつ並んで配置された双方向結合領域が設定されている。双方向結合領域では、多モード導波路部を伝播するｉ次モードの一方の偏波と、結合部を伝播するｍ次モード（ｍはｉとは異なる０以上の整数）の一方の偏波とが結合される。

この発明による光導波路素子では、ブラッグ反射部のグレーティングによって、ＴＥ偏波とＴＭ偏波を分離することができる。さらに、グレーティングにおいて反射される一方の偏波について、双方向結合領域において、第１光導波路コアと第２光導波路コアとの間で移行させることができる。従って、この一方の偏波を入力ポートとは別の出力ポートから出力することができる。そのため、この発明による光導波路素子は、ＴＥ偏波とＴＭ偏波との経路を切り換える偏波分離素子として使用することができる。

また、この発明による光導波路素子では、偏波の分離を行うグレーティングを含む各構成要素を、簡易な導波路作成プロセスで作成することができる。そのため、方向性結合器を利用した偏波分離素子と比して、製造トレランスを改善することができる。

（Ａ）及び（Ｂ）は、実施の形態による光導波路素子を説明するための模式図である。 グレーティングを説明するための模式図である。 グレーティングを説明するための模式図である。 ブラッグ反射帯域の拡大について説明するための図である。 グレーティングを説明するための模式図である。 双方向結合領域を説明するための模式図である。 グレーティングの設計例を決定するための図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、グレーティングの設計例を決定するための図である。 グレーティングの特性を評価するための図である。 双方向結合領域の設計例を決定するための図である。

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

（構成）
図１（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、この実施の形態による光導波路素子について説明する。図１（Ａ）は、光導波路素子を示す概略的平面図である。なお、図１では、後述するクラッド層を省略して示してある。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す光導波路素子をＩ−Ｉ線で切り取った概略的端面図である。

光導波路素子１００は、支持基板１０と、クラッド層２０と、第１ポート３５、多モード導波路部３１、第１テーパ部３９ａ、ブラッグ反射部３３、第２テーパ部３９ｂ及び第２ポート３７を有する第１光導波路コア３０と、結合部５１及び第３ポート５７を有する第２光導波路コア５０とを備えて構成されている。また、ブラッグ反射部３３には、特定の波長の光を反射するグレーティング４０が形成されている。また、多モード導波路部３１と、結合部５１とが互いに離間しかつ並んで配置された双方向結合領域６０が設定されている。

なお、以下の説明において、支持基板１０の厚さに沿った方向を厚さ方向とする。また、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア５０について、これらを伝播する光の伝播方向に沿った方向を長さ方向とする。また、長さ方向及び厚さ方向に直交する方向を幅方向とする。

支持基板１０は、例えば単結晶Ｓｉを材料とした平板状体として構成されている。

クラッド層２０は、支持基板１０上に、支持基板１０の上面１０ａを被覆し、かつ第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア５０を包含して形成されている。そして、クラッド層２０は、例えばＳｉＯ_２を材料として形成されている。

第１光導波路コア３０は、クラッド層２０よりも高い屈折率を有する例えばＳｉを材料として形成されている。その結果、第１光導波路コア３０は、光の伝送路として機能し、第１光導波路コア３０に入射された光が第１光導波路コア３０の平面形状に応じた伝播方向に伝播する。また、第２光導波路コア５０は、第１光導波路コア３０と同様に、クラッド層２０よりも高い屈折率を有する例えばＳｉを材料として形成されている。その結果、第２光導波路コア５０は、光の伝送路として機能し、第２光導波路コア５０に入射された光が第２光導波路コア５０の平面形状に応じた伝播方向に伝播する。

光導波路素子１００は、例えば、入力される光信号のＴＥ偏波とＴＭ偏波との経路を切り換える偏波分離素子として使用される。ここでは、一例として、第１ポート３５から基本モード（０次モード）の光信号を入力し、基本モードのＴＭ偏波を第２ポート３７から出力し、かつ基本モードのＴＥ偏波を第３ポート５７から出力する構成例について説明する。

この例では、基本モードの光信号は、第１光導波路コア３０の第１ポート３５に入力され、多モード導波路部３１を経てブラック反射部３３に送られる。光信号に含まれる基本モードのＴＥ偏波は、ブラッグ反射部３３に形成されたグレーティング４０において、１次モードに変換されてブラッグ反射され、再び多モード導波路部３１に送られる。基本モードのＴＭ偏波は、モード変換されずに、グレーティング４０を透過して第２ポート３７から出力される。グレーティング４０で反射され、多モード導波路部３１を伝播する１次モードのＴＥ偏波は、双方向結合領域６０において、基本モードに変換されて、第２光導波路コア５０の結合部５１へ送られる。基本モードのＴＥ偏波は、結合部５１を経て、第３ポート５７から出力される。

第１ポート３５は、シングルモード条件を達成する厚さ及び幅に設定されている。従って、基本モードの光を伝播させる。第１ポート３５の一端３５ａは、多モード導波路部３１の他端３１ｂと接続されている。

多モード導波路部３１は、基本モードのＴＥ偏波及びＴＭ偏波、並びに１次モードのＴＥ偏波を伝播させる。なお、多モード導波路部３１の幾何学的な設計については後述する。多モード導波路部３１は、第１テーパ部３９ａを介してブラッグ反射部３３と接続されている。第１テーパ部３９ａの幅は、光の伝播方向に沿って、多モード導波路部３１の一端３１ａの幅からブラッグ反射部３３の一端３３ａの幅へ、連続的に変化するように設定されている。第１テーパ部３９ａを設けることによって、多モード導波路部３１及びブラッグ反射部３３間を伝播する光の反射を緩和することができる。

ブラッグ反射部３３には、グレーティング４０が形成されている。図２を参照して、グレーティング４０について説明する。図２は、ブラッグ反射部に形成されたグレーティングを説明するための概略的平面図である。なお、図２では、支持基板及びクラッド層を省略して示してある。

この実施の形態では、グレーティング４０は、特定の波長のＴＥ偏波を、基本モードと１次モードとを変換してブラッグ反射する。また、基本モードのＴＭ偏波を透過させる。

グレーティングにおけるブラッグ反射条件は、下式（１）で表される。なお、Ｎ_ａ及びＮ_ｂは、グレーティングにおいて結合される、入射光及び反射光の等価屈折率を示す。Ｎ_ａ及びＮ_ｂにおけるａ及びｂは、０以上の整数であり、それぞれ入射光及び反射光の次数を示す。また、Λはグレーティングの周期を示す。そして、グレーティングでは、下式（１）が成立する波長λ、すなわちブラッグ波長の光がブラッグ反射される。

（Ｎ_ａ＋Ｎ_ｂ）Λ＝λ ・・・（１）

等価屈折率Ｎ_ａ及びＮ_ｂには波長依存性があるため、特定の波長λに対してのみ上式（１）が成立する。また、等価屈折率Ｎ_ａ及びＮ_ｂには偏波依存性があるため、等価屈折率Ｎ_ａ及びＮ_ｂは、ＴＥ偏波とＴＭ偏波とで異なる値となる。

上式（１）に基づき、波長λ_ＴＥのＴＥ偏波を、基本モードと１次モードとを変換してブラッグ反射する条件は、下式（２）で表される。なお、Ｎ_ＴＥ０はＴＥ偏波の基本モードの等価屈折率を、Ｎ_ＴＥ１はＴＥ偏波の１次モードの等価屈折率を、それぞれ示す。

（Ｎ_ＴＥ０＋Ｎ_ＴＥ１）Λ＝λ_ＴＥ ・・・（２）

波長λ_ＴＥで、基本モードのＴＭ偏波が、基本モード及び他の次数モードのＴＭ偏波と結合されない条件において、基本モードのＴＭ偏波はグレーティングを透過する。従って、基本モードのＴＭ偏波がグレーティングを透過する条件は、下式（３）で表される。なお、Ｎ_ＴＭ０はＴＭ偏波の基本モードの等価屈折率を、Ｎ_ＴＭｊはＴＭ偏波のｊ次モード（ｊは０以上の整数）の等価屈折率を、それぞれ示す。

（Ｎ_ＴＭ０＋Ｎ_ＴＭｊ）Λ≠λ_ＴＥ ・・・（３）

グレーティング４０は、基部４１と突出部４３ａ及び４３ｂとを一体的に含んで構成されている。基部４１は、一定の幅Ｗ１で、光の伝播方向に沿って延在して形成されている。突出部４３ａ及び４３ｂは、基部４１の両側面に、それぞれ周期的に複数形成されている。基部４１の幅Ｗ１、突出部３ａ及び４３ｂの突出幅Ｄ、及び突出部４３ａ及び４３ｂの周期Λは、上式（２）及び（３）がともに成立するように設計される。また、基部４１の一方の側面に形成された突出部４３ａと、他方の側面に形成された突出部４３ｂとは、半周期（すなわちΛ／２）ずれて配置されている。

その結果、多モード導波路部３１から送られる、波長λ_ＴＥの基本モードのＴＥ偏波は、グレーティング４０において、１次モードに変換されて反射される。ブラッグ反射された１次モードのＴＥ偏波は、再び多モード導波路部３１へ送られる。一方、基本モードのＴＭ偏波は、モード変換及びブラッグ反射されずに、グレーティング４０を透過する。グレーティング４０を透過した基本モードのＴＭ偏波は、第２テーパ部３９ｂを経て第２ポート３７へ送られる。

ここで、グレーティング４０の変形例として、周期Λを一定に設定し、突出部４３ａ及び４３ｂの突出幅Ｄが周期毎に変化する構成とすることができる。図３を参照して、グレーティング４０の変形例について説明する。図３は、グレーティングの変形例を説明するための概略的平面図である。なお、図３では、支持基板及びクラッド層を省略して示してある。

図３に示す構成例では、第１周期目の突出部４３ａ及び４３ｂの突出幅Ｄ＝Ｄ_０に対して、周期毎に突出幅Ｄが一定の変化量でΔＤずつ増加する。従って、第ｋ周期では、突出部４３ａ及び４３ｂの突出幅ＤがＤ_０＋ΔＤ（ｋ−１）となる。

突出部４３ａ及び４３ｂの突出幅Ｄが変化することによって、上式（２）及び（３）を満足するブラッグ波長λ_ＴＥが変化し、それに伴い等価屈折率が変化する。従って、突出幅Ｄを変化させることによって、グレーティング４０においてブラッグ反射される波長帯域（ブラッグ反射帯域）を拡大することができる。

図４を参照して、ブラッグ反射帯域の拡大について説明する。図４では、横軸に波長を、また、縦軸に反射強度をそれぞれ取って示している。なお、グレーティング４０の第_ｋ−１周期におけるブラッグ波長をλ_ｋ−１、第ｋ周期におけるブラッグ波長をλ_ｋ、及び第ｋ＋１周期におけるブラッグ波長をλ_ｋ＋１とする。

図４に示すように、周期毎に突出幅ＤがΔＤ増加すると、隣り合う周期のブラッグ波長の中心波長が長波長側にΔλシフトする。

周期毎のブラッグ波長のシフト量Δλは、突出幅Ｄの変化量ΔＤを用いて、近似的に下式（４）で表すことができる。なお、Ｎ_０は基本モードの等価屈折率を、Ｎ_１は１次モードの等価屈折率を、それぞれ示す。この実施の形態では、グレーティング４０がＴＥ偏波をブラッグ反射する構成例であるため、Ｎ_０はＴＥ偏波の基本モードの等価屈折率に、Ｎ_１はＴＥ偏波の１次モードの等価屈折率に、それぞれ対応する。

従って、ΔＤを調整し、各周期のブラッグ波長がオーバーラップするようにΔλを設定することによって、ブラッグ反射帯域を拡大することができる。例えばｋ周期のグレーティング４０を形成する場合には、突出幅Ｄが一定である場合と比して、ブラッグ反射帯域をΔλ×ｋ程度拡大することができる。その結果、ブラッグ反射の波長依存性を緩和することができる。

また、グレーティング４０におけるブラッグ反射帯域を拡大する、他の変形例として、突出部４３ａ及び４３ｂの突出幅Ｄ及びデューティ比を一定として、周期Λが周期毎に変化する構成とすることもできる。この変形例を図５に示す。図５に示す構成例では、第１周期目の周期Λ＝Λ_０に対して、周期毎に周期Λが一定の変化量でΔΛずつ増加する。従って、第ｋ周期では、周期ΛがΛ_０＋ΔΛ（ｋ−１）となる。

周期Λが変化することによって、上式（２）及び（３）を満足するブラッグ波長λ_ＴＥが変化し、それに伴い等価屈折率が変化する。従って、周期Λを変化させることでも、グレーティング４０においてブラッグ反射帯域を拡大することができる。周期毎のブラッグ波長のシフト量Δλは、周期Λの変化量ΔΛを用いて、近似的に下式（５）で表すことができる。

従って、ΔΛを調整し、各周期のブラッグ波長がオーバーラップするようにΔλを設定することによって、ブラッグ反射帯域を拡大することができる。突出幅Ｄを変化させる場合と同様に、例えばｋ周期のグレーティング４０を形成する場合には、周期Λが一定である場合と比して、ブラッグ反射帯域をΔλ×ｋ程度拡大することができる。その結果、ブラッグ反射の波長依存性を緩和することができる。

第２ポート３７は、シングルモード条件を達成する厚さ及び幅に設定されている。従って、基本モードの光を伝播させる。第２ポート３７は、第２テーパ部３９ｂを介してブラッグ反射部３３と接続されている。第２テーパ部３９ｂは、ブラッグ反射部３３の他端３３ｂの幅から第２ポート３７の一端３７ａの幅へ、連続的に変化するように設定されている。第２テーパ部３９ｂを設けることによって、ブラッグ反射部３３及び第２ポート３７間を伝播する光の反射を緩和することができる。

結合部５１は、第１光導波路コア３０の多モード導波路部３１と、互いに離間し、かつ並んで配置されている。結合部５１は、シングルモード条件を達成する厚さ及び幅に設定されている。従って、結合部５１は、基本モードの光を伝播させる。さらに、結合部５１の他端５１ｂは、第３ポート５７と接続されている。

第３ポート５７は、シングルモード条件を達成する厚さ及び幅に設定されている。従って、第３ポート５７は、基本モードの光を伝播させる。

また、光導波路素子１００では、第１光導波路コア３０の多モード導波路部３１と、第２光導波路コア５０の結合部５１とが、互いに離間しかつ並んで配置された双方向結合領域６０が設定されている。図６を参照して、双方向結合領域６０について説明する。図６は、双方向結合領域６０を説明するための概略的平面図である。なお、図６では、支持基板及びクラッド層を省略して示してある。

双方向結合領域６０では、多モード導波路部３１を伝播する１次モードのＴＥ偏波と、結合部５１を伝播する基本モードのＴＥ偏波とが結合される。

多モード導波路部３１及び結合部５１は、それぞれの中心軸が平行とされている。さらに、多モード導波路部３１及び結合部５１は、多モード導波路部３１の一端３１ａと結合部５１の一端５１ａとが揃って配置されている。また、多モード導波路部３１の他端３１ｂと結合部５１の他端５１ｂとが揃って配置されている。

多モード導波路部３１は、一端３１ａから他端３１ｂへ、幅が連続的に縮小するテーパ形状とされている。多モード導波路部３１の一端３１ａの幅Ｗ２は、基本モード及び１次モードのＴＥ偏波、並びに基本モードのＴＭ偏波を伝播可能な伝播定数に対応して設定されている。また、多モード導波路部３１の他端３１ｂの幅Ｗ３は、基本モードのＴＥ偏波及びＴＭ偏波を伝播可能な伝播定数に対応して設定されている。

また、結合部５１は、一端５１ａから他端５１ｂへ、幅が連続的に拡大するテーパ形状とされている。結合部５１の一端５１ａの幅Ｗ４及び他端５１ｂの幅Ｗ５は、それぞれ基本モードのＴＥ偏波を伝播可能な伝播定数に対応して設定されている。

多モード導波路部３１の一端３１ａにおける１次モードのＴＥ偏波の伝播定数は、結合部５１の一端５１ａにおける基本モードのＴＥ偏波の伝播定数よりも大きく設定されている。また、多モード導波路部３１の他端３１ｂにおける基本モードのＴＥ偏波の伝播定数は、結合部５１の他端５１ｂにおける基本モードのＴＥ偏波の伝播定数よりも大きく設定されている。

このように設計した双方向結合領域６０では、多モード導波路部３１の１次モードのＴＥ偏波の伝播定数と、結合部５１の基本モードのＴＥ偏波の伝播定数とが一致する点が存在する。その結果、多モード導波路部３１を伝播する１次モードのＴＥ偏波と、結合部５１を伝播する基本モードのＴＥ偏波とを結合することができる。従って、ブラッグ反射部３３から送られ、一端３１ａ側から多モード導波路部３１に入力される１次モードのＴＥ偏波は、基本モードに変換されて結合部５１に移行する。なお、上述したように、多モード導波路部３１の他端３１ｂにおける基本モードのＴＥ偏波の伝播定数は、結合部５１の他端５１ｂにおける基本モードのＴＥ偏波の伝播定数よりも大きく設定されている。そのため、他端３１ｂ側から多モード導波路部３１に入力される基本モードのＴＥ偏波が、結合部５１に移行する恐れはない。

以上説明したように、この実施の形態による光導波路素子１００では、ブラッグ反射部３３のグレーティング４０によって、ＴＥ偏波とＴＭ偏波を分離することができる。さらに、グレーティング４０において反射されたＴＥ偏波を、双方向結合領域６０において、第１光導波路コア３０から第２光導波路コア５０へ移行することができる。従って、ＴＥ偏波を入力ポートとは別の出力ポートから出力することができる。そのため、光導波路素子１００は、ＴＥ偏波とＴＭ偏波との経路を切り換える偏波分離素子として使用することができる。

また、実質的に偏波の分離を行うグレーティング４０を含む、光導波路素子１００の各構成要素は、簡易な導波路作成プロセスで作成可能である。そのため、方向性結合器を利用した偏波分離素子と比して、製造トレランスを改善することができる。

なお、ここでは、グレーティング４０が、ＴＥ偏波の基本モードと１次モードとを変換してブラッグ反射する構成について説明した。しかしながら、この発明による光導波路素子１００は、この構成に限定されない。

下式（６）及び（７）がともに成立するように設計することによって、波長λ_ＴＥのＴＥ偏波のｌ次モード（ｌは０以上の整数）とｉ次モード（ｉはｌとは異なる０以上の整数）とを変換してブラッグ反射し、かつＴＭ偏波を透過させるグレーティング４０を形成することができる。なお、Ｎ_ＴＥｌはＴＥ偏波のｌ次モードの等価屈折率を、Ｎ_ＴＥｉはＴＥ偏波のｉ次モードの等価屈折率を、Ｎ_ＴＭｌはＴＭ偏波のｌ次モードの等価屈折率を、Ｎ_ＴＭｊはＴＭ偏波のｊ次モード（ｊは０以上の整数）の等価屈折率を、それぞれ示す。

（Ｎ_ＴＥｌ＋Ｎ_ＴＥｉ）Λ＝λ_ＴＥ ・・・（６）

（Ｎ_ＴＭｌ＋Ｎ_ＴＭｊ）Λ≠λ_ＴＥ ・・・（７）

あるいは、下式（８）及び（９）がともに成立するように設計することによって、波長λ_ＴＭのＴＭ偏波のｌ次モードとｉ次モードとを変換してブラッグ反射し、かつＴＥ偏波を透過させるグレーティング４０を形成することもできる。

（Ｎ_ＴＭｌ＋Ｎ_ＴＭｉ）Λ＝λ_ＴＭ ・・・（８）

（Ｎ_ＴＥｌ＋Ｎ_ＴＥｊ）Λ≠λ_ＴＭ ・・・（９）

また、双方向結合領域６０において結合される光についても、基本モードのＴＥ偏波と１次モードのＴＥ偏波とに限定されない。多モード導波路部３１の一端３１ａの幅Ｗ２及び他端３１ｂの幅Ｗ３、並びに結合部５１の一端５１ａの幅Ｗ４及び他端５１ｂの幅Ｗ５を、適宜設定することによって、多モード導波路部３１を伝播するｉ次モードの一方の偏波と、結合部５１を伝播するｍ次モード（ｍはｉとは異なる０以上の整数）の一方の偏波とを結合することができる。

（製造方法）
この実施の形態による光導波路素子１００は、例えばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を利用することによって、簡易に製造することができる。

すなわち、まず、支持基板層、ＳｉＯ_２層、及びＳｉ層が順次積層されて構成されたＳＯＩ基板を用意する。

次に、例えばエッチング技術を用い、Ｓｉ層をパターニングすることによって、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア５０を形成する。その結果、支持基板１０としての支持基板層上にＳｉＯ_２層が積層され、さらにＳｉＯ_２層上に第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア５０が形成された構造体を得ることができる。

次に、例えばＣＶＤ法を用いて、ＳｉＯ_２層上に、ＳｉＯ_２を材料とした材料層を、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア５０を被覆して形成する。その結果、ＳｉＯ_２層及び材料層から、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア５０を包含するクラッド層２０が形成される。

（利用形態）
発明者は、光導波路素子１００の利用形態として、好適な設計例を決定するためにいくつかのシミュレーションを行った。なお、以下の各シミュレーションでは、光導波路素子１００に入力される光信号の波長が１．５μｍである場合を想定している。そして、グレーティング４０は、ＴＥ偏波の基本モードと１次モードとを変換してブラッグ反射する構成例を想定している。また、双方向結合領域６０は、基本モードのＴＥ偏波と１次モードのＴＥ偏波とを結合する構成例を想定している。また、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア５０を厚さ０．２２μｍのＳｉ製とし、クラッド層２０をＳｉＯ_２製とした。

まず、ＦＥＭ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ）を用い、上式（２）及び（３）がともに成立するグレーティング４０の設計の好適例について検討した。

このシミュレーションでは、グレーティング４０の基部４１の幅Ｗ１と、基本モード及び１次モードのＴＥ偏波、並びに基本モード及び１次モードのＴＭ偏波のそれぞれの等価屈折率との関係を確認した。なお、このシミュレーションでは、グレーティング４０の突出部４３ａ及び４３ｂの突出幅Ｄを０．１μｍの一定とした。

シミュレーションの結果を図７に示す。図７は、グレーティング４０の基部４１の幅Ｗ１と、各等価屈折率との関係を示す図である。図７では、縦軸に等価屈折率を任意の目盛で、また、横軸に基部４１の幅Ｗ１をμｍ単位で取って示してある。また、図７において、◆は基本モードのＴＥ偏波の結果を、▲は１次モードのＴＥ偏波の結果を、■は基本モードのＴＭ偏波の結果を、及び×は１次モードのＴＭ偏波の結果を、それぞれ示している。

図７に示すように、基部４１の幅Ｗ１を０．５２μｍよりも小さく設定する構成では、１次モードのＴＭ偏波の等価屈折率がカットオフとなる。また、基部４１の幅Ｗ１を０．３μｍよりも小さく設定する構成では、１次モードのＴＥ偏波の等価屈折率がカットオフとなる。従って、基部４１の幅Ｗ１を０．３＜Ｗ１＜〜０．５２の範囲内とすることによって、グレーティング４０において、１次モードのＴＥ偏波を伝播可能とし、かつ１次モードのＴＭ偏波を伝播不可能とすることができる。

この結果に基づき、発明者は、基部４１の幅Ｗ１を０．４μｍに決定した。図７に示すように、基部４１の幅Ｗ１が０．４μｍであるとき、基本モードのＴＥ偏波の等価屈折率は２．４８７となり、また、１次モードのＴＥ偏波の等価屈折率は１．６０２となる。このとき、ブラッグ波長をλ_ＴＥ＝１．５μｍとして、上式（２）から、グレーティング４０の周期がΛ＝０．３６７μｍに決定される。従って、基部４１の幅Ｗ１を０．４μｍ、突出部４３ａ及び４３ｂの突出幅Ｄを０．１μｍ、及び周期Λを０．３６７μｍにそれぞれ設計することによって、グレーティング４０において、波長１．５μｍの基本モードのＴＥ偏波を、１次モードに変換してブラッグ反射させることができる。

また、図７に示すように、基部４１の幅Ｗ１が０．４μｍであるとき、基本モードのＴＭ偏波の等価屈折率は１．８３９となる。このとき、ブラッグ波長をλ_ＴＥ＝１．５μｍとすると、上式（３）の右辺と左辺とが一致しない。この結果から、上述した設計において、波長１．５μｍの基本モードのＴＭ偏波が、グレーティング４０を透過することが確認された。

次に、発明者は、グレーティング４０において、ブラッグ反射帯域を拡大する設計について検討した。ここでは、周期Λを一定として、突出部４３ａ及び４３ｂの突出幅Ｄが周期毎に変化する構成（図３参照）について、突出幅Ｄの変化量ΔＤを決定した。

上式（４）を変形することによって、下式（１０）が導かれる。

このシミュレーションでは、上式（１０）に基づき、基本モードのＴＥ偏波の等価屈折率及び１次モードのＴＥ偏波の等価屈折率の和（Ｎ_ＴＥ０＋Ｎ_ＴＥ１）の、波長分散及びΔＤに係る構造分散を確認した。

シミュレーションの結果を図８（Ａ）及び（Ｂ）に示す。図８（Ａ）は、波長と等価屈折率の和（Ｎ_ＴＥ０＋Ｎ_ＴＥ１）の関係を示す図である。図８（Ａ）では、縦軸に等価屈折率の和（Ｎ_ＴＥ０＋Ｎ_ＴＥ１）を任意の目盛で、また、横軸に波長をμｍ単位で取って示してある。また、図８（Ｂ）は、突出幅Ｄの変化量ΔＤと等価屈折率の和（Ｎ_ＴＥ０＋Ｎ_ＴＥ１）の関係を示す図である。図８（Ｂ）では、縦軸に等価屈折率の和（Ｎ_ＴＥ０＋Ｎ_ＴＥ１）を任意の目盛で、また、横軸に突出幅Ｄの変化量ΔＤをμｍ単位で取って示してある。

図８（Ａ）における、波長と等価屈折率の和（Ｎ_ＴＥ０＋Ｎ_ＴＥ１）の関係を線形近似と仮定すると、傾き−１．８３が得られる。これを、等価屈折率の和（Ｎ_ＴＥ０＋Ｎ_ＴＥ１）の波長分散として、上式（１０）の｛∂（Ｎ_０＋Ｎ_１）｝／（∂λ）に代入する。また、図８（Ｂ）における、突出幅Ｄの変化量ΔＤと等価屈折率の和（Ｎ_ＴＥ０＋Ｎ_ＴＥ１）の関係を線形近似と仮定すると、傾き２．６３が得られる。これを、等価屈折率の和（Ｎ_ＴＥ０＋Ｎ_ＴＥ１）の構造分散として、上式（１０）の｛∂（Ｎ_０＋Ｎ_１）｝／（∂Ｄ_０）に代入する。さらに、図７に係るシミュレーションにおいて決定した周期Λ＝０．３６７μｍを代入して、上式（１０）からΔλ／ΔＤ＝０．５７６が得られる。

ここで、例えば、１００周期のグレーティング４０を形成し、ブラッグ波長を０．１μｍ拡大することを想定する（すなわちΔλ×１００＝０．１）。その場合には、シミュレーションによって得られたΔλ／ΔＤ＝０．５７６を用いて、ΔＤを０．００１８μｍと決定できる。

次に、発明者は、３次元ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）法を用いて、図７及び図８に係るシミュレーションから決定した設計のグレーティング４０について特性を評価した。このシミュレーションでは、基本モードのＴＥ偏波及びＴＭ偏波を含む光をグレーティング４０に入力した。そして、グレーティング４０からの反射光に含まれる各偏波、及びグレーティング４０からの透過光に含まれる各偏波の強度を観測した。なお、グレーティング４０からの反射光については、１次モードを観測した。また、グレーティング４０からの透過光については、基本モードを観測した。

シミュレーションの結果を図９に示す。図９は、特性評価の結果を示す図である。図９では、縦軸に光の強度をｄＢ目盛で、また、横軸に波長をμｍ単位で取って示してある。

図９に示すように、グレーティング４０からの反射光では、１次モードのＴＥ偏波が、１次モードのＴＭ偏波に比して大きく含まれている。図９から、反射光に含まれる１次モードのＴＥ偏波及びＴＭ偏波の偏波間消光比を、少なくとも３５ｄＢ程度確保できることが確認された。また、図９に示すように、グレーティング４０からの透過光では、基本モードのＴＭ偏波が、基本モードのＴＥ偏波に比して大きく含まれている。図９から、透過光に含まれる基本モードのＴＥ偏波及びＴＭ偏波の偏波間消光比を、少なくとも５０ｄＢ程度確保できることが確認された。図９の結果から、グレーティング４０を用いることによって、十分な偏波間消光比でＴＥ偏波とＴＭ偏波とを分離できることが確認された。

次に、発明者は、双方向結合領域６０の好適な設計例について検討した。

既に説明したように、双方向結合領域６０に含まれる多モード導波路部３１については、一端３１ａの幅Ｗ２を、基本モード及び１次モードのＴＥ偏波、並びに基本モードのＴＭ偏波を伝播可能な伝播定数に対応して設定する。また、他端３１ｂの幅Ｗ３を、基本モードのＴＥ偏波及びＴＭ偏波を伝播可能な伝播定数に対応して設定する。一方、双方向結合領域６０に含まれる結合部５１については、結合部５１の一端５１ａの幅Ｗ４及び他端５１ｂの幅Ｗ５を、それぞれ基本モードのＴＥ偏波を伝播可能な伝播定数に対応して設定する。そして、多モード導波路部３１の一端３１ａにおける１次モードのＴＥ偏波の伝播定数を、結合部５１の一端５１ａにおける基本モードのＴＥ偏波の伝播定数よりも大きく設定する。また、多モード導波路部３１の他端３１ｂにおける基本モードのＴＥ偏波の伝播定数は、結合部５１の他端５１ｂにおける基本モードのＴＥ偏波の伝播定数よりも大きく設定する。発明者は、これらの条件を満たす多モード導波路部３１及び結合部５１を、ＦＥＭを用いて決定した。

図１０は、ＦＥＭを用いて算出した、光導波路コアの幅と等価屈折率との関係を示す図である。図１０では、縦軸に等価屈折率を任意の目盛で、また、横軸に光導波路コアの幅をμｍ単位で取って示してある。なお、図１０において、◆は基本モードのＴＥ偏波の結果を、▲は１次モードのＴＥ偏波の結果を、及び■は基本モードのＴＭ偏波の結果を、それぞれ示している。

まず、多モード導波路部３１の一端３１ａの幅Ｗ２を、基本モード及び１次モードのＴＥ偏波、並びに基本モードのＴＭ偏波を伝播可能な幅として、Ｗ２＝０．６μｍに決定した。なお、Ｗ２＝０．６μｍでは、ＴＭ偏波は、基本モードのみが伝播可能である。

次に、多モード導波路部３１の他端３１ｂの幅Ｗ３として、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波が、基本モードのみ伝播可能となる条件を見出す。図１０に示すように、光導波路コアの幅が０．４μｍよりも小さくなる条件において、１次モードのＴＥ偏波の等価屈折率がカットオフとなる。従って、多モード導波路部３１の他端３１ｂの幅Ｗ３を、Ｗ３＜０．４μｍとする。ここでは、Ｗ３＝０．３５μｍに決定した。

次に、多モード導波路部３１の一端３１ａにおける１次モードのＴＥ偏波の伝播定数が、結合部５１の一端５１ａにおける基本モードのＴＥ偏波の伝播定数よりも大きくなる条件で、結合部５１の一端５１ａの幅Ｗ４を決定する。多モード導波路部３１の一端３１ａの幅Ｗ２をＷ２＝０．６μｍとする。図１０に示すように、光導波路コアの幅が０．６μｍのときの１次モードのＴＥ偏波の等価屈折率は、光導波路コアの幅が０．２８よりも小さい条件における、基本モードのＴＥ偏波の等価屈折率よりも大きくなる。従って、結合部５１の一端５１ａの幅Ｗ４をＷ４＜０．２８μｍとする。ここでは、Ｗ４＝０．１μｍに決定した。

次に、多モード導波路部３１の他端３１ｂにおける基本モードのＴＥ偏波の伝播定数が、結合部５１の他端５１ｂにおける基本モードのＴＥ偏波の伝播定数よりも大きくなる条件で、結合部５１の他端５１ｂの幅Ｗ５を決定する。この条件は、Ｗ３＞Ｗ５＞Ｗ４を満たすことで達成される。ここでは、Ｗ５＝０．２５μｍに決定した。

また、多モード導波路部３１と結合部５１との中心間距離Ｗ６、及び双方向結合領域６０の長さ（結合長）Ｌ１は、多モード導波路部３１を伝播する１次モードのＴＥ偏波と結合部５１を伝播する１次モードのＴＥ偏波とで結合が生じる寸法で設計する。ここでは、中心間距離Ｗ６＝０．７８μｍ、及び結合長Ｌ１＝１００μｍに決定した（図６参照）。

以上に説明した設計の双方向結合領域６０について、発明者は、ＢＰＭ（Ｂｅａｍ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）を用いて特性を評価した。その結果、多モード導波路部３１を伝播する１次モードのＴＥ偏波と結合部５１を伝播する基本モードのＴＥ偏波との結合効率は、−０．１５ｄＢ程度であった。また、多モード導波路部３１を伝播する基本モードのＴＥ偏波及びＴＭ偏波が、結合部５１に移行しないことが確認された。この結果から、双方向結合領域６０が、一方の偏波の特定のモードに対する変換及び分離機能を有することが確認された。

１０：支持基板
２０：クラッド層
３０：第１光導波路コア
３１：多モード導波路部
３３：ブラッグ反射部
３５：第１ポート
３７：第２ポート
４０：グレーティング
５０：第２光導波路コア
５１：結合部
５７：第３ポート
６０：双方向結合領域
１００：光導波路素子

Claims (4)

1. ｉ次モード（ｉは０以上の整数）の、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波のいずれか一方の偏波、並びにｌ次モード（ｌはｉとは異なる０以上の整数）のＴＥ偏波及びＴＭ偏波を伝播させる多モード導波路部、及び該多モード導波路部と接続されたブラッグ反射部を有する第１光導波路コアと、
   結合部を有する第２光導波路コアと
   を備え、
   前記ブラッグ反射部には、前記一方の偏波のｌ次モードとｉ次モードとを変換してブラッグ反射し、他方の偏波を透過させるグレーティングが形成されており、
   前記多モード導波路部と前記結合部とが、互いに離間しかつ並んで配置された双方向結合領域が設定されており、
   前記双方向結合領域では、前記多モード導波路部を伝播するｉ次モードの前記一方の偏波と、前記結合部を伝播するｍ次モード（ｍはｉとは異なる０以上の整数）の前記一方の偏波とが結合される
   ことを特徴とする光導波路素子。
2. 前記グレーティングは、
   ブラッグ波長λ_ＴＥ、グレーティング周期Λ、ｌ次モードのＴＥ偏波の等価屈折率Ｎ_ＴＥｌ、ｉ次モードのＴＥ偏波の等価屈折率Ｎ_ＴＥｉ、ｌ次モードのＴＭ偏波の等価屈折率Ｎ_ＴＭｌ、及びｊ次モード（ｊは０以上の整数）のＴＭ偏波の等価屈折率Ｎ_ＴＭｊについて、（Ｎ_ＴＥｌ＋Ｎ_ＴＥｉ）Λ＝λ_ＴＥ及び（Ｎ_ＴＭｌ＋Ｎ_ＴＭｊ）Λ≠λ_ＴＥをともに満足する設計、又は、
   ブラッグ波長λ_ＴＭ、グレーティング周期Λ、ｌ次モードのＴＭ偏波の等価屈折率Ｎ_ＴＭｌ、ｉ次モードのＴＭ偏波の等価屈折率Ｎ_ＴＭｉ、ｌ次モードのＴＥ偏波の等価屈折率Ｎ_ＴＥｌ、及びｊ次モードのＴＥ偏波の等価屈折率Ｎ_ＴＥｊについて、（Ｎ_ＴＭｌ＋Ｎ_ＴＭｉ）Λ＝λ_ＴＭ及び（Ｎ_ＴＥｌ＋Ｎ_ＴＥｊ）Λ≠λ_ＴＭをともに満足する設計で形成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
3. 前記グレーティングは、一定の幅で、光の伝播方向に沿って延在して形成される基部と、該基部の両側面にそれぞれ周期的に複数形成されている突出部とを含んで構成され、
   前記基部の一方の側面に形成された突出部と、前記基部の他方の側面に形成された突出部とは、半周期ずれて配置されており、
   前記突出部は、周期毎に突出幅が一定の変化量で変化する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光導波路素子。
4. 前記グレーティングは、一定の幅で、光の伝播方向に沿って延在して形成される基部と、該基部の両側面にそれぞれ周期的に複数形成されている突出部とを含んで構成され、
   前記基部の一方の側面に形成された突出部と、前記基部の他方の側面に形成された突出部とは、半周期ずれて配置されており、
   前記突出部の周期は、周期毎に一定の変化量で変化する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光導波路素子。

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