JP6003069B2 - グレーティング素子及び光素子 - Google Patents

Description

この発明は、偏波無依存で偏波変換を行うグレーティング素子及び該素子を用いた光素子に関する。

加入者側から局側への光伝送（上り通信）と、局側から加入者側への光伝送（下り通信）とを１本の光ファイバで行う光加入者系の通信システムにおいては、上り通信及び下り通信を異なる波長の光で行うことがある。この場合、局側及び加入者側の双方で、異なる波長の光を合分波する光素子（以下、光合分波素子とも称する。）が必要となる。

光合分波素子は発光素子及び受光素子と空間光学的に光軸合わせされて、光加入者系の通信システム、例えばＰＯＮ（Ｐａｓｓｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ）の加入者側終端装置（ＯＮＵ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｕｎｉｔ）や、局側終端装置（ＯＬＴ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｉｎｅ Ｔｅｒｍｉｎａｌ）に用いられる。しかし、近年、光軸合わせの手間を軽減するために、光導波路により構成された光合分波素子が開発されている（例えば、特許文献１〜５参照）。この光導波路を用いた光合分波素子（以下、導波路型光素子とも称する。）では、光の伝搬経路を、予め作りこまれた光導波路内に限定するので、従来の光合分波素子におけるレンズやミラー等の光軸合わせが不要となる。さらに、導波路型光素子では、発光素子及び受光素子を、予め光合分波素子に作成されたマークを基準にして、光導波路の入出射端に位置合わせすればよい。そのため、発光素子及び受光素子に入出射される光ビームの厳密な光軸合わせの手間が大幅に省かれる。

近年、Ｓｉを材料とするコアと、Ｓｉとの屈折率差が大きなＳｉＯ_２を材料とするクラッドとで光導波路（以下、Ｓｉ光導波路とも称する。）を構成した導波路型光素子が報告されている（例えば、非特許文献１〜３参照）。

Ｓｉ光導波路は、コアの屈折率がクラッドよりも非常に大きく光の閉じ込めが強いために、光を１μｍ程度の小さい曲率半径で曲げる曲線状光導波路を実現することができる。また、製造時に、Ｓｉ電子デバイスでの加工技術が利用できるために、きわめて微細なサブミクロンの断面構造を実現できる。これらのことから、Ｓｉ光導波路を用いることで導波路型光素子を小型化することができる。

Ｓｉ光導波路により光の合分波を行う導波路型光素子として、マッハツェンダ干渉計を利用したもの、方向性結合器を利用したもの、及びグレーティングを利用したものなどが知られている。

方向性結合器を利用した導波路型光素子は、光の透過率が波長に依存するので、光源で生じる波長ずれが透過率変動、すなわち透過光の強度変動を引き起こす。これにより、方向性結合器を光合分波素子に用いた場合、透過出力の強度変動が生じる。また、必要な合分波能力を得るための素子長が数百ミクロンに及び、小型化が困難である。マッハツェンダ干渉計を利用した導波路型光素子は、光の透過率が一定な透過帯域を得るために、多数の素子を直列接続する必要があり、素子が長大化してしまう。

これに対し、グレーティングを利用した導波路型光素子（以下、グレーティング素子とも称する。）では、Ｂｒａｇｇ波長の反射光強度を高めることで、グレーティング内部への所定波長帯域の光の侵入を防止できる。その結果、この波長帯域で光の透過率を一定にすることができる。また、目的波長の半分以下の周期で格子溝を設けることで、１個の素子で、目的波長の光を十分な波長分解能で選択することができる（例えば、非特許文献４参照）。

Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．１８，ｐ．２３９２，２００６年１１月 Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．２０，ｐ．１９６８，２００８年１２月 ＯｐｔｉｃｓＥｘｐｒｅｓｓ ｖｏｌ．１８，ｐ．２３８９１，２０１０年１０月 ＩＥＩＣＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ ｖｏｌ．Ｅ−９０−Ｃ， Ｎｏ．１， ｐ．５９，Ｊａｎ ２００７

米国特許４８６０２９４号明細書 米国特許５７６４８２６号明細書 米国特許５９６０１３５号明細書 米国特許７０７２５４１号明細書 特開平８−１６３０２８号公報 特開平１０−１１５７２３号公報 特開平９−１８４９３３号公報

しかしながら、非特許文献４に記載されたＳｉを用いたグレーティング素子は、偏波依存性があるため、ＴＥ波とＴＭ波とでＢｒａｇｇ波長に差が生じる問題があった。この問題に関して、ＩｎＰコアを用いるグレーティング素子では、ＴＥ波とＴＭ波との偏波変換を利用して、偏波無依存を達成している（例えば、特許文献６及び７参照）。しかし、これらの技術では、偏波無依存化のための構造が複雑であった。すなわち、特許文献６では、電子線で描画した格子溝を市松模様状にコア上面に配置している。また、特許文献７では、コア上のクラッドの厚みを市松模様状に変化させている。

この発明は、このような問題に鑑みなされた。従って、この発明の目的は、従来よりも構造が簡単なＳｉを用いたグレーティングを利用した偏波無依存の導波路型光素子（グレーティング素子）を得ることにある。また、この発明の更なる目的は、このグレーティング素子を利用した光素子を得ることにある。

発明者は鋭意検討の結果、屈折率分布に反対称性を有する（屈折率差がある）第１及び第２クラッドで挟まれたＳｉを材料とするコアに、適切な周期の凹凸を形成したグレーティング素子で偏波無依存化が可能であることに想到した。従って、この発明のグレーティング素子は、基板の主面側に設けられたクラッドと、クラッド中に設けられたコアとで構成される光導波路を備えている。この光導波路は、コアに形成された規則的な凹凸の周期Λに応じた波長λの光を偏波変換して反射する。

上述のクラッドは、基板の主面上にこの順序で設けられた第１及び第２クラッドを備える。第２クラッドの屈折率は、第１クラッドの屈折率よりも小さい。そして、第１及び第２クラッドの間にコアが設けられている。

コアを構成する材料は、第１クラッドを構成する材料よりも４０％以上大きな屈折率を有しており、コアの両側面に上述の凹凸が設けられている。

ここで、波長λのＴＥ波の等価屈折率をｎＴＥとし、及び波長λのＴＭ波の等価屈折率をｎＴＭとする。このとき、このグレーティング素子では、上述の周期Λを下記式（１）に従う値に設定する。

Λ＝λ／（ｎＴＥ＋ｎＴＭ）・・・（１）
両側面の一方の側面の凹凸において、周期Λに対する凸部の長さの割合をＭｒＲ（ただし、０＜ＭｒＲ＜１）とし、他方の側面の凹凸において、周期Λに対する凸部の長さの割合をＭｒＬ（ただし、０＜ＭｒＬ＜１）とするとき、ＭｒＲ＝ＭｒＬ＝０．５とし、コアの一端部に最も近い凹部から凸部への境界の当該一端部からの距離の両側面での差をΔΛとするとき、ΔΛ＝Λ／２とする。
あるいは、一方の側面におけるコアの一端部に最も近い凹部から凸部への境界の当該一端部からの距離がＥＲ、他方の側面におけるコアの一端部に最も近い凹部から凸部への境界の当該一端部からの距離がＥＬ、及び、ΔΛが｜ＥＬ−ＥＲ｜であるとき、ＥＲ＜ＥＬかつΔΛ＝ＭｒＲ×Λ、又は、ＥＲ＞ＥＬかつΔΛ＝ＭｒＬ×Λである。
コアは、第１クラッド上に、光伝搬方向に垂直な横断面形状が矩形状に設けられており、コアの主面に垂直な両側面に凹凸が形成されていても良い。あるいは、コアが、第１クラッドの上面を覆って、第１クラッドとは反対側に突出部を有し、突出部の両側面に凹凸が形成されていても良い。

この発明のＳｉを用いたグレーティング素子は上述のように構成されている。従って、従来よりも簡単な構造で偏波無依存化を達成できる。また、この素子を利用した光素子が得られる。

実施形態のグレーティング素子の構造を概略的に示す斜視図である。 （Ａ）は実施形態のグレーティング素子を一端部側から見た場合の概略的な構造を示す側面図であり、（Ｂ）は図１の概略的な平面図である。 （Ａ）がＴＥ基本モード波の水平方向（Ｘ方向）成分を示す模式図であり、（Ｂ）がＴＭ基本モード波の垂直方向（Ｙ方向）成分を示す模式図であり、（Ｃ）がＴＥ基本モード波の光伝搬方向の成分を示す模式図であり、（Ｄ）がＴＭ基本モード波の光伝搬方向の成分を示す模式図である。 （Ａ）は、実施形態のコアのブロックを示す概略的な平面図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は、各ブロックにおける屈折率差の幅方向分布を示す模式図である。 実施形態のグレーティング素子と同様に機能する光素子の構成を概略的に示す断面図である。 実施形態のグレーティング素子の動作特性を説明するための特性図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、実施形態のグレーティング素子のコアの変形例を示す模式図である。 実施形態のグレーティング素子のコアの別の変形例を示す模式図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、左右の凸部のデューティー比と、コアの凹凸形状との関係を説明するための模式図である。 実施形態の光素子の概略的な構成を示す平面図である。

以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。なお、各図において各構成要素の形状、大きさ及び配置関係について、この発明が理解できる程度に概略的に示してある。また、以下、この発明の好適な構成例について説明するが、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、以下の実施形態に何ら限定されない。また、各図において、共通する構成要素には同符号を付し、その説明を省略することもある。

（グレーティング素子の実施形態）
以下、図面を参照して、実施形態のグレーティング素子について説明する。図１は、グレーティング素子の構造を概略的に示す斜視図である。図２（Ａ）は、グレーティング素子を一端部側（図１中１６Ｉで示す）から見た概略的な構造を示す側面図であり、図２（Ｂ）は、図１に示すグレーティング素子の概略的な平面図である。なお、図２（Ｂ）においては、第１クラッド１４ａと基板８の図示を省略している。

ここで、図１を参照して、以下の説明で用いる方向及び寸法を定義する。光伝搬方向（図中矢印Ｐ）に垂直かつ基板８の主面８ａに平行な方向を幅方向と称し、幅方向に沿って測った幾何学的長さを「幅」と称する。また、主面８ａに垂直な方向を厚み方向と称し、厚み方向に沿って測った幾何学的長さを「厚み」と称する。同様に、光伝搬方向に平行な方向を長さ方向と称し、長さ方向に沿って測った幾何学的長さを「長さ」と称する。また、所定の構造体の光伝搬方向に垂直な断面のことを「横断面」と称する。

（構造）
図１及び図２を参照して、グレーティング素子１０の構造について説明する。グレーティング素子１０は光導波路１２を備える。光導波路１２は、基板８の主面８ａ側に設けられたクラッド１４と、クラッド１４中に設けられたＳｉコア１６とを備える。

クラッド１４は、第１クラッド１４ａと第２クラッド１４ｂとを備える。第１及び第２クラッド１４ａ及び１４ｂは、主面８ａ上にこの順序で設けられる。

第１クラッド１４ａは、平坦面である主面８ａ上に形成された厚みが均一な膜体である。この例では、第１クラッド１４ａを構成する材料は、屈折率ｎａが約１．４５のＳｉＯ_２とする。第１クラッド１４ａの上面上にコア１６が設けられる。光導波路１２を伝搬する光の基板８への不所望な結合を防ぐために、第１クラッド１４ａの厚みは１μｍ以上であることが好ましく、この例では、約２μｍとする。

第２クラッド１４ｂは第１クラッド１４ａ上に設けられる。この例では、屈折率ｎｂが約１の大気（空気）を第２クラッド１４ｂとしている。第１及び第２クラッド１４ａ及び１４ｂの屈折率の大小関係は「ｎａ＞ｎｂ」とする。第１及び第２クラッド１４ａ及び１４ｂに有限の屈折率差（ｎａ−ｎｂ≠０）を設けることで、コア１６が位置する第１及び第２クラッド１４ａ及び１４ｂの境界面に関して、屈折率分布を反対称にしている。なお、「屈折率分布の反対称性」については、原理の項で後述する。

両クラッド１４ａ及び１４ｂの屈折率差（ｎａ−ｎｂ）が僅かでも偏波変換は生じるが、実用的には、両クラッド１４ａ及び１４ｂの屈折率差は大きくすることが好ましい。屈折率差を大きくすれば、それに応じて偏波変換に要するグレーティング素子１０の全長を実用上十分に短くすることができる。また、この例では、第２クラッド１４ｂとして気体（空気）を用いたが、第２クラッド１４ｂとしては、コア１６の上面１６Ｕと、両側面１６Ｌ及び１６Ｒとを囲むように設けられた固体を用いてもよい。

コア１６は、第１及び第２クラッド１４ａ及び１４ｂ間に介在する。コア１６には一定周期Λで規則的な凹凸Ｃが形成されている。このコア１６を備える光導波路１２は、凹凸Ｃの周期Λに応じた波長λの光を偏波変換して反射する。この光を、以下、反射光ＲＦとも称する。光導波路１２は、言わば光導波路グレーティングとして機能する。反射光ＲＦの波長λのＴＥ波の光導波路１２に関する等価屈折率をｎＴＥとし、波長λのＴＭ波の光導波路１２に関する等価屈折率をｎＴＭとするとき、凹凸Ｃの周期Λは下記式（１）で与えられる。

Λ＝λ／（ｎＴＥ＋ｎＴＭ）・・・（１）
すなわち、式（１）は、凹凸Ｃの周期Λを、波長λのＴＥ波及びＴＭ波のそれぞれの等価屈折率ｎＴＥ及びｎＴＭの平均値を用いて決めることを意味している。なお、ＴＥ波とは、光伝搬方向に伝搬するとともに、電場が主面８ａに平行な面内で幅方向に振動する偏波を示す。また、ＴＭ波とは、光伝搬方向に伝搬するとともに、電場が主面８ａに垂直な面内で厚み方向に振動する偏波を示す。

主に、図２（Ａ）を参照すると、コア１６は横断面が矩形状であり、下面１６Ｄと第１クラッド１４ａの上面とが接している。また、コア１６の両側面１６Ｒ及び１６Ｌ並びに上面１６Ｕと第２クラッド１４ｂとが接している。つまり、コア１６の上下面１６Ｕ及び１６Ｄは、ＴＥ波の電場の振動面に平行に配置されている。なお、以降、入射光の光伝搬方向Ｐに対して、コア１６の右側の側面を右側面１６Ｒと、及び左側の側面を左側面１６Ｌとそれぞれ称することもある。

コア１６の厚みＨは均一であり、この例では約３００ｎｍとする。コア１６の厚みＨは、２００〜５００ｎｍの範囲の中から設計に応じて好適な値を選択できる。厚みＨをこの範囲の値とすることで、光導波路１２を厚み方向にシングルモード導波路とすることができる。

主に、図２（Ｂ）を参照すると、両側面１６Ｌ及び１６Ｒに凹凸Ｃが設けられているものの、コア１６は、光の伝搬に関する限り、平均幅Ｗａｖのコア１６’と同様に機能する。ここで、平均幅Ｗａｖとは、コア１６の幅を、コア１６の全長に渡って平均したものである。また、コア１６’とは、両側面１６Ｌ及び１６Ｒの凹凸Ｃ１６Ｌ及びＣ１６Ｒをそれぞれ平均して得られる、平坦面１６’Ｌ及び１６’Ｒを備える仮想的なコアを示す。以降、特に断らない限り「コア１６の幅」とは平均幅Ｗａｖを示す。

コア１６の幅Ｗａｖは、この例では約６００ｎｍとする。コア１６の幅Ｗａｖは、５００ｎｍ以上の範囲から設計に応じて好適な値を選択できる。幅Ｗａｖをこの範囲の値とすることで、光導波路１２は、コア１６の幅方向の寸法誤差（以下、幅誤差とも称する。）の影響を受けにくくなり、反射光ＲＦの波長揺らぎが抑制される。この例のようにコア１６の幅Ｗａｖを５００ｎｍ以上とすれば、光導波路１２の等価屈折率の幅誤差による変動率（ｄｎ／ｄＷａｖ）を１０^−３／ｎｍ未満に抑えることができる。これは、コア１６の幅Ｗａｖを大きくして、幅方向での伝搬光の閉じ込めを十分強くすれば、コア１６の幅Ｗａｖが多少変化しても、伝搬光の閉じ込め性には殆ど影響しないことによる。

コア１６を構成する材料には、第１クラッド１４ａを構成する材料よりも４０％以上屈折率が大きな物質を用いる。コア１６の屈折率をこの範囲とすることで、クラッド１４の屈折率分布の反対称性と、後述するコア１６の屈折率分布の反対称性とで、グレーティングの対称性評価面ＡＳ（図５）を主面８ａに対して傾け、偏波変換を可能にする。なお、この例では、コア１６の構成材料は屈折率が約３．４７のＳｉとする。

凹凸Ｃはコア１６の側面に設けられている。この例では、凹凸Ｃは、コア１６の右側面１６Ｒに設けられる右凹凸Ｃ１６Ｒと、コア１６の左側面１６Ｌに設けられる左凹凸Ｃ１６Ｌとを備える。なお、コア１６の側面、すなわち左右の凹凸Ｃ１６Ｌ及びＣ１６Ｒが含む全ての側面は、主面８ａに対して垂直に延在する。

右凹凸Ｃ１６Ｒと左凹凸Ｃ１６Ｌとは、個々の凹部及び凸部の形状が等しいので、以下、右凹凸Ｃ１６Ｒを例にとり説明する。右凹凸Ｃ１６Ｒは、光伝搬方向に沿ってこの順で直列に接続された凹部１０１Ｒと凸部１００Ｒとを備える。凹凸の全長、すなわちグレーティングの周期をΛとする。周期Λは、全ての凹凸で等しい値とし、この例では、約３５０ｎｍとする。両側面１６Ｌ及び１６Ｒにはそれぞれ１００周期の凹凸Ｃ１６Ｌ及びＣ１６Ｒが設けられる。凹凸の周期数は、グレーティング素子１０の反射効率に関係し、周期数を大きくすれば、反射効率が上がり反射光ＲＦの強度が増加する。周期数は、所望の反射効率に応じて任意好適な値を選択できるが、実用上許容できる程度の反射効率を得るためには、１０周期以上とすることが好ましい。

周期Λは、凸部１００Ｒの長さＭＲと、凹部１０１Ｒの長さＷＲの和で与えられる。従って、周期Λに対する凸部１００Ｒの長さの比率であるデューティー比ＭｒＲは、ＭＲ／Λで与えられる。同様に、周期Λに対する凹部１０１Ｒの長さの比率であるデューティー比ＷｒＲは、ＷＲ／Λで与えられる。凹部及び凸部のデューティー比ＷｒＲ及びＭｒＲには、下記式（２）の関係がある。

ＷｒＲ＝１−ＭｒＲ・・・（２）
なお、この例では、ＭｒＲ＝ＷｒＲ＝ＭｒＬ＝ＷｒＬ＝０．５とする。つまり、右凹凸Ｃ１６Ｒの凸部１００Ｒのデューティー比ＭｒＲと、左凹凸Ｃ１６Ｌの凸部１００Ｌのデューティー比ＭｒＬは、互いに等しく０．５である。

また、凹凸の上段面（凸部１００Ｒの頂部に対応する側面１６Ｒｔ）と凹凸の下段面（凹部１０１Ｒの底部に対応する側面１６Ｒｂ）との幅方向の距離は、全ての凹凸で等しくＤとする。以降、この距離Ｄを単に凹凸高さとも称する。この例では、凹凸高さＤを約１００ｎｍとする。凹凸高さＤは、グレーティング素子１０の（１）反射光ＲＦの反射効率、（２）反射光ＲＦの波長半値幅、及び（３）反射光ＲＦの偏波変換能力に関係している。凹凸高さＤを大きくすれば、反射効率及び偏波変換能力は増加するが、反射光ＲＦの波長半値幅が広がる。逆に、凹凸高さＤを小さくすれば、反射効率及び偏波変換能力は減少するが、波長半値幅が狭まる。よって、凹凸高さＤは、グレーティング素子１０の用途に応じて適切な値を選択すればよい。

主に図２（Ｂ）を参照して、左右の凹凸Ｃ１６Ｌ及びＣ１６Ｒの凹凸の位置関係について説明する。ここで、左側面１６Ｌ側において、コア１６の一端部１６Ｉに最も近い凹部から凸部への境界の一端部１６Ｉからの距離をＥＬとする。また、右側面１６Ｒにおいて、コア１６の一端部１６Ｉに最も近い凹部から凸部への境界の一端部１６Ｉからの距離をＥＲとする。そして、左右の凹凸のずれ量であるΔΛを、｜ＥＬ−ＥＲ｜と定義する。このとき、グレーティング素子１０では、ΔΛ＝Λ／２である。つまり、左右の凹凸は互いに半周期ずれて配置されている。なお、定義から明らかなように、ΔΛは、０≦ΔΛ＜Λの範囲の値である。

このように、左右の凹凸のずれ量ΔΛをΛ／２とすることにより、コア１６の左右側面１６Ｌ及び１６Ｒの凹凸を互い違いに設けることができる。その結果、後述のように、コア１６に屈折率分布の反対称性が付与される。

なお、この例では、グレーティング素子１０は、Ｓｉ基板上にＳｉＯ_２層とＳｉ層とがこの順序で積層されたＳＯＩ基板を利用して作成される。すなわち、最上層のＳｉ層を従来公知のドライエッチング法等でパターニングして、凹凸Ｃと同時並行的にコア１６を作成することでグレーティング素子１０を形成する。

（原理）
続いて、図３〜図５を参照して、グレーティング素子１０の偏波変換原理について説明する。

図３（Ａ）〜（Ｄ）は、光導波路１２におけるＴＭ及びＴＥ基本モード波の光電界分布を示す模式図であり、（Ａ）がＴＥ基本モード波の水平方向（Ｘ方向）成分を示し、（Ｂ）がＴＭ基本モード波の垂直方向（Ｙ方向）成分を示し、（Ｃ）がＴＥ基本モード波の光伝搬方向の成分を示し、及び（Ｄ）がＴＭ基本モード波の光伝搬方向の成分を示す。図４（Ａ）は、コア１６のブロックを示す概略的な平面図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は、それぞれブロックＢ１及びＢ２における屈折率差Δｎの幅方向分布を示す模式図である。なお、図４（Ａ）においては、基板８及びクラッド１４の図示を省略している。図５は、グレーティング素子１０と同様に機能する光素子の構成を概略的に示す断面図である。

図３（Ａ）を参照すると、光導波路１２を伝搬するＴＥ基本モード波の水平方向成分は、Ｘ＝０すなわち幅方向に関して対称に分布している。同様に、図３（Ｂ）を参照すると、光導波路１２を伝搬するＴＭ基本モード波の垂直方向成分は、Ｙ＝０すなわち厚み方向に関して対称に分布している。

図３（Ｃ）を参照すると、ＴＥ基本モード波の光伝搬方向の成分（以下、Ｚ成分とも称する。）は、光電界が水平方向に関して反対称に分布している。グレースケールの図３（Ｃ）では明確でないが、Ｘ＝０を対称軸として左右に分布している光電界成分は、正負が逆転している。

図３（Ｄ）を参照すると、ＴＭ基本モード波のＺ成分は、光電界が垂直方向に関して反対称に分布している。上述と同じ理由により、Ｙ＝０を対称軸として上下に分布している光電界成分は、正負が逆転している。

基本モード波の場合に限らず、ＴＥ波（ＴＭ波）からＴＭ波（ＴＥ波）への変換は、反射波長λの両偏波光の伝搬モードのＺ成分の対称性と、グレーティング素子１０の屈折率分布の対称性との関係で決定される。

特に、Ｚ成分が反対称な基本モード波におけるＴＥ波の、ＴＭ波への変換は、言わばＺ成分を図３（Ｃ）から図３（Ｄ）へと回転させることに相当する。このような回転を、グレーティングで行うためには、グレーティングにも屈折率分布の反対称性が求められる。より詳細には、基本モード波でＴＥ／ＴＭ変換を最も効率よく行うには、図５に示すように、グレーティングに４５度方向（図３（Ｃ）でのＸ＝Ｙ又はＸ＝−Ｙに沿う方向）に延在する対称性評価面ＡＳに対する屈折率分布の反対称性が求められる。

屈折率分布を４５度方向に延びる面に対して反対称にするために、グレーティング素子１０は、クラッド１４による厚み方向の屈折率分布の反対称性と、コア１６による幅方向での屈折率分布の反対称性を利用する。

まず、クラッド１４の屈折率分布の反対称性について説明する。まず、第１及び第２クラッド１４ａ及び１４ｂの単純平均屈折率を考える。そして、この平均屈折率と第１及び第２クラッド１４ａ及び１４ｂの屈折率の差をそれぞれΔｎａ及びΔｎｂとする。この時、｜Δｎａ｜＝｜Δｎｂ｜であり、Δｎａ＞０及びΔｎｂ＜０である。つまり、Δｎａ及びΔｎｂの空間分布を考えると、両者は、第１及び第２クラッド１４ａ及び１４ｂの境界面の上下で、大きさが等しく符号が異なる。これを、屈折率分布の反対称性と称する。

次に、図４及び図５を参照して、コア１６の屈折率分布の反対称性について説明する。図４（Ａ）を参照すると、コア１６は、光伝搬方向に沿って、屈折率の空間分布が異なる２種類のブロックＢ１及びＢ２に分けることができる。ここで、ブロックＢ１とは、左側面１６Ｌの凸部１００Ｌと、右側面１６Ｒの凹部１０１Ｒとを含む領域である。なお、ここで、「凹部１０１Ｒを含む」とは、凹部１０１Ｒ内に延在する第２クラッド１４ｂをも含む概念とする。

同様に、ブロックＢ２とは、左側面１６Ｌの凹部１０１Ｌと、右側面１６Ｒの凸部１００Ｒとを含む領域である。凹部１０１Ｒと同様に、凹部１０１Ｌは内部の第２クラッド１４ｂを含む。

また、コア１６の中心軸Ｏを含み、コア１６の上面１６Ｕに垂直に延在する平面を対称性評価面ＡＳとする。

ここで、各ブロックＢ１及びＢ２内における、コア１６及び第２クラッド１４ｂの両者を含めた平均屈折率ｎａｖを考える。なお、どちらの側面が凸であるか以外は同様に構成された両ブロックＢ１及びＢ２の平均屈折率ｎａｖは互いに等しい。

ここで、両ブロックＢ１及びＢ２内の任意の点における屈折率ｎＢと、平均屈折率ｎａｖとの差Δｎを考える。そして、図４（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、各ブロックＢ１及びＢ２において幅方向に沿ったΔｎの分布を考える。なお、図４（Ｂ）及び（Ｃ）に共通して横軸は、対称性評価面ＡＳの位置を原点とした場合の、各ブロックＢ１及びＢ２における幅方向に沿った位置を示し、縦軸は任意単位のΔｎを示す。

図４（Ｂ）を参照すると、ブロックＢ１において、Δｎは対称性評価面ＡＳ付近を境にして、正負が逆転している。すなわち、左側面１６Ｌ側ではΔｎ＞０であり、右側面１６Ｒ側では、Δｎ＜０である。左右側面１６Ｌ及び１６Ｒ側での正負が逆転している点を除いて、図４（Ｃ）に示したブロックＢ２も同様である。

このように、これらのブロックＢ１及びＢ２は、対称性評価面ＡＳを挟んだ左右で屈折率差Δｎの正負が逆転している。つまり、ブロックＢ１及びＢ２は、幅方向に関して屈折率分布が反対称である。よって、ブロックＢ１及びＢ２で構成されるコア１６も屈折率分布が反対称である。このように、任意のグレーティングにおいて、所定の対称性評価面ＡＳの左右での屈折率に差があることを「屈折率分布の反対称性」と称する。

このように、グレーティング素子１０は、異なる２方向で屈折率分布の反対称性を有している。すなわち、幅方向におけるコア１６の屈折率分布の反対称性と、厚み方向における第１及び第２クラッド１４ａ及び１４ｂの間の屈折率分布の反対称性である。これら２種の屈折率分布の反対称性を合成することで、この例のグレーティング素子１０は、効率的な偏波変換に好ましい、主面８ａから４５°傾いた対称性評価面ＡＳに対する屈折率分布の反対称性の摂動成分を獲得する。

これは、図５に示すように、擬似的に、屈折率分布の反対称性を有さない均質なクラッド１４’中で、コア１６を、主面８ａ、詳細にはＴＥ波の電場の振動面に対して４５°傾けることに相当する。このように、屈折率分布が反対称なコア１６を、ＴＥ及びＴＭ波の電場の振動面に対して斜めに傾けることにより、ＴＥ波のＺ成分（図３（Ｃ））と、ＴＭ波のＺ成分（図３（Ｄ））が相互に回転する。その結果、ＴＥ基本モード波とＴＭ基本モード波との間で偏波無依存な偏波変換が達成される。

（動作）
続いて、主に図１及び図６を参照して、グレーティング素子１０の動作について説明する。

まず、コア１６の一端部１６Ｉからの入力光ＩＮを、ＴＭ基本モード波とした場合を考える。この場合、一端部１６Ｉから、Ｂｒａｇｇ波長λ（式（１））の反射光ＲＦとしてＴＥ基本モード波が出力される。また、Ｂｒａｇｇ波長λ以外の入力光ＩＮは、光導波路１２を、偏波が保たれた状態で伝搬して、ＴＭ基本モード波の透過光ＴＲとしてコア１６の他端部１６Ｏから出力される。つまり、グレーティング素子１０は、Ｂｒａｇｇ波長λのＴＭ基本モード波を、偏波変換してＴＥ基本モード波の反射光ＲＦとして出力する波長変換素子として機能する。

入力光ＩＮがＴＥ基本モード波の場合も同様であり、一端部１６Ｉから偏波変換された波長λのＴＭ基本モード波が反射光ＲＦとして出力される。また、他端部１６Ｏから波長λ以外のＴＥ基本モード波が偏波を保ったまま透過光ＴＲとして出力される。

ここで、ＴＭ及びＴＥ基本モード波の含有比率（以下、偏波比率とも称する。）が、ＴＭ：ＴＥ＝３：７の入力光ＩＮがグレーティング素子１０に入力された場合を考える。この場合、一端部１６Ｉから出力される波長λの反射光ＲＦの偏波比率は、偏波変換の結果逆転してＴＭ：ＴＥ＝７：３となる。なお、透過光ＴＲでは偏波比率は変化せず、ＴＭ：ＴＥ＝３：７のままである。

続いて、図６のシミュレーション結果を参照して、グレーティング素子１０の動作特性を説明する。図６は、縦軸が、一端部１６Ｉ及び他端部１６Ｏから出力される出力光の、入力光ＩＮに対する強度比率（ｄＢ）を示し、横軸が、光の波長（μｍ）を示す。

図６は、入力光ＩＮを、横軸の波長範囲のＴＭ基本モード波とした場合の、出力光の強度比率を計算したものである。なお、計算では、グレーティング素子１０に、上述した寸法及び材質を条件として与えた。また、計算には、３次元ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）法を用いた。図６中の曲線ｒｆが、一端部１６Ｉから反射出力されるＴＥ基本モード波の強度比率である。また、曲線ｔｒが、他端部１６Ｏから透過出力されるＴＭ基本モード波の強度比率である。

曲線ｒｆに注目すると、約１．６１μｍの波長に−３ｄＢ程度の大きなピークが存在する。このピーク波長は、式（１）で与えられるグレーティング素子１０のＢｒａｇｇ波長λに対応する。つまり、このピークは、上述の偏波変換された反射光ＲＦに対応する。反射光ＲＦのピーク値が０ｄＢとならないのは、ガウス分布を仮定した入力光ＩＮの光導波路１２との結合損失と、クラッド１４への光の放射による損失とによる。

曲線ｔｒに注目すると、約１．４３μｍの波長及びＢｒａｇｇ波長以外の波長範囲では、約−６ｄＢの一定値をとる。つまり、このグレーティング素子１０では、反射効率を高めて十分に強度の強い反射光ＲＦを得ることにより、反射光ＲＦの波長以外における透過光ＴＲの透過率を一定に保っている。

曲線ｔｒに存在する波長が約１．４３μｍのボトムは、この波長における入力光ＩＮの高次モード波への変換に由来する。この高次モード波への変換はグレーティング素子１０に不可避の現象であるが、コア１６の寸法を適切に設計することにより、このボトムの波長をグレーティング素子１０の使用波長範囲からずらすことができる。

なお、図示はしていないが、入力光ＩＮをＴＥ基本モード波とした場合には、グレーティング素子１０は、一端部１６Ｉ及び他端部１６Ｏからの出力光がそれぞれＴＭ及びＴＥ基本モード波となる以外は、図６と同様の特性を示す。

図６から明らかなようにグレーティング素子１０は、ＴＭ及びＴＥ基本モード波の両者に対して等しい動作特性を示す。つまり、グレーティング素子１０は、Ｂｒａｇｇ波長λにおいて、ＴＭ及びＴＥ基本モード波を相互に変換する偏波無依存な波長変換素子として動作する。

このように、この実施形態のグレーティング素子１０は、両側面１６Ｌ及び１６Ｒに凹凸Ｃを設けることでコア１６の厚みが均一に保たれており、厚みに段差を設ける従来技術よりも構造が簡単である。また、凹凸Ｃは、コアの側面に設けられた単なる段差であり、電子線描画等の特殊技術で形成された格子溝よりも、より構造が簡単である。

次に、グレーティング素子１０の変形例について説明する。

この実施形態では、グレーティング素子１０において、対称性評価面ＡＳを４５°傾けた理想的な場合について説明した。しかし、対称性評価面ＡＳを傾ける角度は４５°には限定されない。４５°未満であっても、対称性評価面ＡＳの傾き角に応じて、ＴＥ波（ＴＭ波）の偏波面を回転させることができる。ただ、この場合には、ＴＥ波（ＴＭ波）からＴＭ波（ＴＥ波）へと偏波面を９０°回転させるには、複数のグレーティング素子を直列する必要がある。

この実施形態では、ＴＥ基本モード波及びＴＭ基本モード波間の偏波変換について説明した。Ｚ成分が反対称な基本モード波に関しては、屈折率分布が反対称である上述のコア１６で偏波変換を行うことができる。しかし、屈折率分布が反対称なコア１６では、Ｚ成分が対称である高次モードのＴＥ波及びＴＭ波の偏波変換を行うことができない。

高次モードのＴＥ波及びＴＭ波間で偏波変換を行うためには、コア１６の屈折率分布にも対称性が求められる。すなわち、図７（Ａ）に示すような、中心軸Ｏの回りに対称的な屈折率分布を持つコア１６−０を用いることにより、高次モードにおいてＴＥ波とＴＭ波との変換が可能になる。ただし、この場合も、クラッド１４の屈折率分布の反対称性は必要である。なお、コア１６−０が対称的な屈折率分布を有することは、図４（Ｂ）のようなΔｎ分布を考えると明らかである。

また、この実施形態では、コア１６の両側面１６Ｌ及び１６Ｒに、それぞれ凹凸Ｃ１６Ｌ及びＣ１６Ｒを設ける場合について説明した。しかし、図７（Ｂ）に示した右側面１６Ｒのみに凹凸Ｃ１６Ｒを備えるコア１６−１でもＴＥ波とＴＭ波との間で偏波を変換できる。これは、上述のように、一方の側面のみに凹凸が設けられたコア１６−１も、基本モード波の偏波変換に必要な屈折率分布の反対称性を備えていることによる。ただし、このコア１６−１の屈折率分布の反対称性の程度は低く、コア１６−１には屈折率分布の対称性も含まれる。この屈折率分布の対称性に由来して、コア１６−１では、余計な高次モードでの偏波変換も生じる恐れがある。

また、この実施形態では、コア１６のデューティー比ＭｒＬ、ＭｒＲ、ＷｒＬ及びＷｒＬが全て０．５であり、及び左右の凹凸のずれ量ΔΛがΛ／２の場合について説明した。しかし、凹凸のデューティー比及びΔΛは、これらの値には限定されない。例えば、図８に示すような、より一般的なコア１６−２であっても、コア１６−２が備える屈折率分布の反対称性及び対称性の程度に応じてＴＥ波とＴＭ波との間で偏波を変換できる。なお、コア１６−２の対称性及び反対称性の程度は、図４（Ｂ）のようなΔｎ分布により求めることができる。

ここで、図９（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、左右の凸部１００Ｌ及び１００Ｒのデューティー比ＭｒＬ及びＭｒＲと、コアの凹凸形状との関係について説明する。図９（Ａ）には、左右の凸部１００Ｌ及び１００Ｒのデューティー比ＭｒＬ及びＭｒＲが等しい（ＭｒＬ＝ＭｒＲ）コア１６−３を示した。コア１６−３は、左右の凹凸Ｃ１６Ｌ及びＣ１６Ｒの凹凸高さＤが等しければ、左右の凸部１００Ｌ及び１００Ｒ同士、並びに、左右の凹部１０１Ｌ及び１０１Ｒ同士は、形状が等しくなる。

ＭｒＬ＝ＭｒＲが成り立つコア１６−３は、位置ずれΔΛ（＝｜ＥＬ−ＥＲ｜）が０の、図９（Ａ）のような場合には、屈折率分布は対称的となる。よってΔΛ＝０のコア１６−３は、基本モード波での偏波変換はできないが、高次モード波において偏波を変換することができる。なお、コア１６−３においても、ΔΛ≠０の場合には、屈折率分布に反対称性が生じるので、この反対称性の程度に応じて、基本モード波における偏波変換が可能となる。

また、図９（Ｂ）には、左右の凸部１００Ｌ及び１００Ｒのデューティー比ＭｒＬ及びＭｒＲに、下記式（３）が成り立つ場合を示した。
ＭｒＲ＝１−ＭｒＬ・・・（３）
式（３）に式（２）を適用すると、ＭｒＲ＝ＷｒＬとなる。つまり、式（３）は、左右の凹凸Ｃ１６Ｌ及びＣ１６Ｒの凹凸高さＤが等しければ、右側面１６Ｒの凸部１００Ｒと、左側面１６Ｌの凹部１０１Ｌの形状が等しいことを示す。これは、図９（Ｂ）に示すように、右凹凸Ｃ１６Ｒと、左凹凸Ｃ１６Ｌの形状が、言わばポジネガの反転関係にあることを示す。

式（３）が成り立つコア１６−４は、位置ずれΔΛが０の場合には、屈折率分布が反対称的となる。よって、ΔΛ＝０のコア１６−４は、基本モード波における偏波変換が可能である。なお、コア１６−４において、ΔΛ≠０の場合には、屈折率分布に対称性が生じるので、この対称性の程度に応じて、高次モード波における偏波変換が可能となる。

次に、図８、図９（Ａ）及び（Ｂ）において、左右側面１６Ｌ及び１６Ｒの凸部のデューティー比ＭｒＬ、ＭｒＲがともに０．５である場合について説明する。式（２）から、ＭｒＬ＝ＭｒＲ＝０．５の場合には、左右の凹部のデューティー比ＷｒＬ及びＷｒＲも共に０．５となる。以降、ＭｒＬ＝ＭｒＲ＝ＷｒＬ＝ＷｒＲ＝０．５であるコアを等凹凸コアとも称する。

等凹凸コアは、図１に示した本実施形態のコア１６や、図７（Ａ）に示したコア１６−０に対応する。すなわち、コア１６では、言わば両側面１６Ｌ及び１６Ｒに半周期位相をずらして凹凸が設けられている。以降、この配置を反対称配置とも称する。反対称配置では、長さ方向に沿った任意の位置において、左右の側面１６Ｒ及び１６Ｌには、一方に凸部１００が設けられ、他方に凹部１０１が設けられる。

一方、コア１６−０では、言わば両側面１６Ｌ及び１６Ｒに位相を揃えて凹凸が設けられている。以降、この配置を対称配置とも称する。対称配置では、長さ方向に沿った任意の位置において、左右の側面１６Ｒ及び１６Ｌの両者には、凹部１０１か凸部１００のどちらか一方が設けられる。

コア１６のような等凹凸コアを反対称配置とするためには、左右側面１６Ｌ及び１６Ｒのずれ量ΔΛをΛ／２とすればよい。同様に、コア１６−０のような等凹凸コアを対称配置とするためには、左右側面１６Ｌ及び１６Ｒのずれ量ΔΛを０とすればよい。

この実施形態では、コア１６の横断面が矩形状である場合について説明した。しかし、コアの横断面形状は矩形状には限定されない。基本モード波の偏波変換なのか、高次モード波の偏波変換なのかに応じて適切な屈折率分布を有すれば、突出部の両側面に凹凸が形成された横断面が凸型のリッジ型光導波路をコアとして用いても良い。

（光素子の実施形態）
続いて、図１０を参照して、この実施形態の光素子について説明する。図１０は光素子５０の概略的な構造を示す平面図である。光素子５０は、実施形態のグレーティング素子１０を構成要素として備えている。従って、図１０において図１及び図２と同様の構成要素には、同符号を付し、重複した説明を省略する。また、図１０において図１及び２との対応関係が明らかな構成要素については、符号を省略することもある。また、図１０において、基板８と、第１及び第２クラッド１４ａ及び１４ｂの図示を省略している。

光素子５０は、実施形態のグレーティング素子１０を２個備えている。これらのグレーティング素子を、それぞれ第１グレーティング素子１０−１及び第２グレーティング素子１０−２と称する。さらに、光素子５０は、偏波無依存で動作する２入力２出力型の第１及び第２光カプラＣ１及びＣ２を備える。

概略的には、光素子５０は、第１及び第２光カプラＣ１及びＣ２の間に、第１及び第２グレーティング素子１０−１及び１０−２が並列されている。そして、第１光カプラＣ１の２個の出力が、第１及び第２グレーティング素子１０−１及び１０−２の各入力に接続され、第１及び第２グレーティング素子１０−１及び１０−２の出力が、第２光カプラＣ２の２個の入力に接続される。

より詳細には、第１光カプラＣ１の一方の入力端ＩＮ１−１には、光導波路ＷＧ１が接続されている。第１光カプラＣ１の他方の入力端ＩＮ１−２には、光導波路ＷＧ２が接続されている。第１光カプラＣ１の一方の出力端ＯＵＴ１−１には、光導波路ＷＧ３が接続されている。第１光カプラＣ１の他方の出力端ＯＵＴ１−２には、光導波路ＷＧ４が接続されている。

第１グレーティング素子１０−１の入力端には、テーパ形光導波路Ｌ１が接続され、該テーパ形光導波路Ｌ１の入力端は光導波路ＷＧ３に接続されている。第１グレーティング素子１０−１の出力端には、テーパ形光導波路Ｒ１が接続され、該テーパ形光導波路Ｒ１の出力端は光導波路ＷＧ５に接続されている。

第２グレーティング素子１０−２の入力端には、テーパ形光導波路Ｌ２が接続され、該テーパ形光導波路Ｌ２の入力端は光導波路ＷＧ４に接続されている。第２グレーティング素子１０−２の出力端には、テーパ形光導波路Ｒ２が接続され、該テーパ形光導波路Ｒ２の出力端は光導波路ＷＧ６に接続されている。

第２光カプラＣ２の一方の入力端ＩＮ２−１には、光導波路ＷＧ５が接続されている。第２光カプラＣ２の他方の入力端ＩＮ２−２には、光導波路ＷＧ６が接続されている。第２光カプラＣ２の一方の出力端ＯＵＴ２−１には、光導波路ＷＧ７が接続されている。第２光カプラＣ２の他方の出力端ＯＵＴ２−２には、光導波路ＷＧ８が接続されている。この例では、例えば、光導波路ＷＧ１〜ＷＧ８の幅及び厚みを、約３００ｎｍとする。これにより、光導波路ＷＧ１〜ＷＧ８はシングルモードで動作する。

なお、光素子５０の各構成要素を接続する光導波路ＷＧ１〜ＷＧ８には、特に偏波無依存性は求められない。これは、光素子５０の中心線を軸にして、構造が等しい光導波路ＷＧ１〜ＷＧ８を対称的に配置することにより、素子全体として偏波ごとに位相差を相殺できるからである。

第１及び第２光カプラＣ１及びＣ２には、偏波無依存性が求められる。この例では、素子寸法の調整により偏波無依存を達成した、ＭＭＩ（ＭｕｌｔｉＭｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）導波路製の２×２光カプラを用いる。より詳細には、第１及び第２光カプラＣ１及びＣ２の幅を約１６００ｎｍとし、厚みを約３００ｎｍとすることで、波長が１．５５μｍ付近で偏波無依存を達成している。

なお、この例では、平面形状が矩形状のＭＭＩ導波路製光カプラを用いているが、偏波無依存性を有していれば、第１及び第２光カプラＣ１及びＣ２は、ＭＭＩ導波路製光カプラに限定されない。例えば、方向性結合器を利用したカプラや、２×２の分岐素子を用いても良い。

また、テーパ形光導波路Ｌ１、Ｒ１、Ｌ２及びＲ２も、光素子５０の中心軸を軸として、対称に配置されているので、上述した理由により、偏波無依存性は求められない。

次に、図１０を参照して、光素子５０を、光加入者系通信システム（以下、光加入者系とも称する。）におけるＯＮＵとして用いる場合の動作について説明する。

ここで、光導波路ＷＧ１が、上り光信号ＵＰの光源である図示しないＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）に接続されている。上り光信号ＵＰに用いられる光の波長λ１は、光加入者系で一般的に用いられる約１．３１μｍとする。ＬＤの出力特性により、上り光信号ＵＰは基本モードのＴＥ波としてＬＤから出力される。

また、光導波路ＷＧ７が、受光器である図示しないＰＤ（ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ）に接続されている。ＰＤには、局側から送信された下り光信号ＤＮが入力される。下り光信号ＤＮに用いられる光の波長λ２は、光加入者系で一般的に用いられる約１．４９μｍとする。局と加入者との間の光ファイバを伝搬する過程で偏波面が回転される結果、全方向の偏波面を平均して含む下り光信号ＤＮが光素子５０に到達する。

また、光導波路ＷＧ２の内部を、局側に向かって上り光信号ＵＰが伝搬し、光素子５０側に向かって下り光信号ＤＮが伝搬する。ここで、第１及び第２グレーティング素子１０−１及び１０−２は、上り光信号ＵＰの波長λ１がＢｒａｇｇ波長λとなるように周期が最適化されているとする。

まず、下り光信号ＤＮに関する光素子５０の動作について説明する。光導波路ＷＧ２を、光素子５０側に向かって伝搬する波長λ２の下り光信号ＤＮは、他方の入力端ＩＮ１−２から第１光カプラＣ１へと入力される。第１光カプラＣ１内で、複数のモードが励起された下り光信号ＤＮは、互いに干渉しあいながら伝搬し、一方及び他方の出力端ＯＵＴ１−１及びＯＵＴ１−２から等しいパワーで出力される。

出力端ＯＵＴ１−１から出力された下り光信号ＤＮは、光導波路ＷＧ３及びテーパ形光導波路Ｌ１を介して第１グレーティング素子１０−１へと入力される。同様に、出力端ＯＵＴ１−２から出力された下り光信号ＤＮは、光導波路ＷＧ４及びテーパ形光導波路Ｌ２を介して第２グレーティング素子１０−２へと入力される。ここで、光導波路ＷＧ３及びＷＧ４と、テーパ形光導波路Ｌ１及びＬ２は、互いに同形でありかつ配置が対称なので、偏波ごとに位相差が相殺され、全体として偏波無依存となる。

第１及び第２グレーティング素子１０−１及び１０−２のＢｒａｇｇ波長はλ１であるので、波長λ２の下り光信号ＤＮは、反射されずに透過して、偏波を保ったまま第２光カプラＣ２へと入力される。ここで、光導波路ＷＧ５及びＷＧ６と、テーパ形光導波路Ｒ１及びＲ２は、互いに同形でありかつ配置が対称なので、偏波ごとに位相差が相殺され、全体として偏波無依存となる。

ここで、一方の入力端ＩＮ２−１から第２光カプラＣ２に入力された下り光信号ＤＮを第１下り成分ＤＮ１と称する。同様に、他方の入力端ＩＮ２−２から第２光カプラＣ２に入力された下り光信号ＤＮを第２下り成分ＤＮ２と称する。第２光カプラＣ２に入力された第１及び第２下り成分ＤＮ１及びＤＮ２は、それぞれ複数のモードを励起し、これらの複数のモード間、及び下り成分ＤＮ１及びＤＮ２間で干渉しながら伝搬する。第１及び第２光カプラＣ２での干渉の結果、πの位相差を得た下り光信号ＤＮは第２光カプラＣ２の一方の出力端ＯＵＴ２−１のみから出力され、光導波路ＷＧ７を介してＰＤに出力される。

続いて、上り光信号ＵＰに関する光素子５０の動作について説明する。ＬＤから出力された波長λ１の上り光信号ＵＰは、光導波路ＷＧ１を介して、一方の入力端ＩＮ１−１から、第１光カプラＣ１へと入力される。第１光カプラ内で、複数のモードが励起された上り光信号ＵＰは、互いに干渉しあいながら伝搬し、一方及び他方の出力端ＯＵＴ１−１及びＯＵＴ１−２から等しいパワーで出力される。

出力端ＯＵＴ１−１から出力された上り光信号ＵＰは、光導波路ＷＧ３及びテーパ形光導波路Ｌ１を介して第１グレーティング素子１０−１へと入力される。同様に、出力端ＯＵＴ１−２から出力された上り光信号ＵＰは、光導波路ＷＧ４及びテーパ形光導波路Ｌ２を介して第２グレーティング素子１０−２へと入力される。上述した理由により、光導波路ＷＧ３及びＷＧ４と、テーパ形光導波路Ｌ１及びＬ２とは、構造全体として偏波無依存となる。なお、第１及び第２グレーティング素子１０−１及び１０−２に入力された上り光信号ＵＰはＴＥ波を保っている。

第１及び第２グレーティング素子１０−１及び１０−２のＢｒａｇｇ波長に等しい波長λ１の上り光信号ＵＰは、実施形態で述べたように偏波変換された上で反射される。その結果、上り光信号ＵＰは、基本モードのＴＭ波へと偏波変換されて、第１光カプラＣ１の一方及び他方の出力端ＯＵＴ１−１及びＯＵＴ１−２から、再び、第１光カプラＣ１に入力される。

ここで、一方の出力端ＯＵＴ１−１から第１光カプラＣ１に入力された上り光信号ＵＰを第１上り成分ＵＰ１と称する。同様に、他方の出力端ＯＵＴ１−２から第１光カプラＣ１に入力された上り光信号ＵＰを第２上り成分ＵＰ２と称する。第１光カプラＣ１に入力された第１及び第２上り成分ＵＰ１及びＵＰ２は、それぞれ複数のモードを励起し、複数のモード間、及び上り成分ＵＰ１及びＵＰ２間で干渉しながら伝搬する。第１光カプラＣ１を往復する過程で、πの位相差を得た上り光信号ＵＰは第１光カプラＣ１の他方の入力端ＩＮ１−２のみから出力され、光導波路ＷＧ２を介して局側に送信される。

このように、当初ＴＥ波だった上り光信号ＵＰは、第１及び第２グレーティング素子１０−１及び１０−２による偏波変換の結果、ＴＭ波に変換された状態で局側に送信される。しかし、この偏波変換による不都合は生じない。それは、当初の偏波方向に関わらず、上り信号ＵＰは光ファイバを伝搬する過程で偏波面がランダムに回転し、結局は、全方向の偏波面を平均して含む光として局に到達するからである。

このように、実施形態のグレーティング素子を用いた光素子５０は、偏波無依存に波長の異なる光を合分波することができる。

このように、グレーティング素子１０を備えるこの実施形態の光素子５０は、上述の実施形態と同様の効果を奏する。

８ 基板
８ａ 主面
１０ グレーティング素子
１０−１ 第１グレーティング素子
１０−２ 第２グレーティング素子
１２ 光導波路
１４，１４’ クラッド
１４ａ 第１クラッド
１４ｂ 第２クラッド
１６，１６’，１６−０，１６−１，１６−２，１６−３，１６−４ コア
１６Ｕ 上面
１６Ｄ 下面
１６Ｌ 左側面（側面）
１６Ｒ 右側面（側面）
１６’Ｌ，１６’Ｒ 平坦面
Ｃ 凹凸
Ｃ１６Ｌ 左凹凸
Ｃ１６Ｒ 右凹凸
５０ 光素子
１００Ｌ，１００Ｒ 凸部
１０１Ｌ，１０１Ｒ 凹部
Ｃ１ 第１光カプラ
Ｃ２ 第２光カプラ
ＩＮ１−１，ＩＮ２−１ 一方の入力端
ＩＮ１−２，ＩＮ２−２ 他方の入力端
ＯＵＴ１−１，ＯＵＴ２−１ 一方の出力端
ＯＵＴ１−２，ＯＵＴ２−２ 他方の出力端
ＷＧ１，ＷＧ２，ＷＧ３，ＷＧ４，ＷＧ５，ＷＧ６，ＷＧ７，ＷＧ８ 光導波路
Ｌ１，Ｒ１，Ｌ２，Ｒ２ テーパ形光導波路

Claims (6)

1. 基板の主面側に設けられたクラッドと、該クラッド中に設けられたコアとで構成され、該コアに形成された規則的な凹凸の周期Λに応じた波長λの光を偏波変換して反射する光導波路を備えており、
   前記クラッドが、前記主面上にこの順で設けられた第１クラッドと、該第１クラッドよりも屈折率の小さい第２クラッドとを備え、該第１及び第２クラッドの間に前記コアが設けられ、
   前記コアを構成する材料は、前記第１クラッドを構成する材料よりも４０％以上大きな屈折率を有しており、前記コアの両側面に前記凹凸が設けられており、
   前記波長λのＴＥ波の等価屈折率をｎＴＥとし、及び前記波長λのＴＭ波の等価屈折率をｎＴＭとするとき、前記周期Λを下記式（１）に従う値とし、
   前記両側面の一方の側面の前記凹凸において、前記周期Λに対する凸部の長さの割合をＭｒＲ（ただし、０＜ＭｒＲ＜１）とし、他方の側面の前記凹凸において、前記周期Λに対する凸部の長さの割合をＭｒＬ（ただし、０＜ＭｒＬ＜１）とするとき、ＭｒＲ＝ＭｒＬ＝０．５とし、
   前記コアの一端部に最も近い凹部から凸部への境界の当該一端部からの距離の前記両側面での差をΔΛとするとき、ΔΛ＝Λ／２とし、
   前記主面上に設けられた前記第１クラッド上に、光伝搬方向に垂直な横断面形状が矩形状の前記コアが設けられており、
   該コアの前記主面に垂直な前記両側面に前記凹凸が形成されている
   ことを特徴とするグレーティング素子。
   Λ＝λ／（ｎＴＥ＋ｎＴＭ）・・・（１）
2. 基板の主面側に設けられたクラッドと、該クラッド中に設けられたコアとで構成され、該コアに形成された規則的な凹凸の周期Λに応じた波長λの光を偏波変換して反射する光導波路を備えており、
   前記クラッドが、前記主面上にこの順で設けられた第１クラッドと、該第１クラッドよりも屈折率の小さい第２クラッドとを備え、該第１及び第２クラッドの間に前記コアが設けられ、
   前記コアを構成する材料は、前記第１クラッドを構成する材料よりも４０％以上大きな屈折率を有しており、前記コアの両側面に前記凹凸が設けられており、
   前記波長λのＴＥ波の等価屈折率をｎＴＥとし、及び前記波長λのＴＭ波の等価屈折率をｎＴＭとするとき、前記周期Λを下記式（１）に従う値とし、
   前記両側面の一方の側面の前記凹凸において、前記周期Λに対する凸部の長さの割合をＭｒＲ（ただし、０＜ＭｒＲ＜１）とし、他方の側面の前記凹凸において、前記周期Λに対する凸部の長さの割合をＭｒＬ（ただし、０＜ＭｒＬ＜１）とするとき、ＭｒＲ＝ＭｒＬ＝０．５とし、
   前記コアの一端部に最も近い凹部から凸部への境界の当該一端部からの距離の前記両側面での差をΔΛとするとき、ΔΛ＝Λ／２とし、
   前記主面上に設けられた前記第１クラッドの上面を覆って、該第１クラッドとは反対側に突出部を有する前記コアが設けられており、
   前記突出部の両側面に凹凸が形成されている
   ことを特徴とするグレーティング素子。
   Λ＝λ／（ｎＴＥ＋ｎＴＭ）・・・（１）
3. 基板の主面側に設けられたクラッドと、該クラッド中に設けられたコアとで構成され、該コアに形成された規則的な凹凸の周期Λに応じた波長λの光を偏波変換して反射する光導波路を備えており、
   前記クラッドが、前記主面上にこの順で設けられた第１クラッドと、該第１クラッドよりも屈折率の小さい第２クラッドとを備え、該第１及び第２クラッドの間に前記コアが設けられ、
   前記コアを構成する材料は、前記第１クラッドを構成する材料よりも４０％以上大きな屈折率を有しており、前記コアの両側面に前記凹凸が設けられており、
   前記波長λのＴＥ波の等価屈折率をｎＴＥとし、及び前記波長λのＴＭ波の等価屈折率をｎＴＭとするとき、前記周期Λを下記式（１）に従う値とし、
   前記両側面の一方の側面の前記凹凸において、前記周期Λに対する凸部の長さの割合をＭｒＲ（ただし、０＜ＭｒＲ＜１）とし、他方の側面の前記凹凸において、前記周期Λに対する凸部の長さの割合をＭｒＬ（ただし、０＜ＭｒＬ＜１）とするとき、ＭｒＲ＝（１−ＭｒＬ）とし、
   前記一方の側面における前記コアの一端部に最も近い凹部から凸部への境界の当該一端部からの距離がＥＲ、前記他方の側面における前記コアの一端部に最も近い凹部から凸部への境界の当該一端部からの距離がＥＬ、及び、ΔΛが｜ＥＬ−ＥＲ｜であるとき、ＥＲ＜ＥＬかつΔΛ＝ＭｒＲ×Λ、又は、ＥＲ＞ＥＬかつΔΛ＝ＭｒＬ×Λであり、
   前記主面上に設けられた前記第１クラッド上に、光伝搬方向に垂直な横断面形状が矩形状の前記コアが設けられており、
   該コアの前記主面に垂直な前記両側面に前記凹凸が形成されている
   ことを特徴とするグレーティング素子。
   Λ＝λ／（ｎＴＥ＋ｎＴＭ）・・・（１）
4. 基板の主面側に設けられたクラッドと、該クラッド中に設けられたコアとで構成され、該コアに形成された規則的な凹凸の周期Λに応じた波長λの光を偏波変換して反射する光導波路を備えており、
   前記クラッドが、前記主面上にこの順で設けられた第１クラッドと、該第１クラッドよりも屈折率の小さい第２クラッドとを備え、該第１及び第２クラッドの間に前記コアが設けられ、
   前記コアを構成する材料は、前記第１クラッドを構成する材料よりも４０％以上大きな屈折率を有しており、前記コアの両側面に前記凹凸が設けられており、
   前記波長λのＴＥ波の等価屈折率をｎＴＥとし、及び前記波長λのＴＭ波の等価屈折率をｎＴＭとするとき、前記周期Λを下記式（１）に従う値とし、
   前記両側面の一方の側面の前記凹凸において、前記周期Λに対する凸部の長さの割合をＭｒＲ（ただし、０＜ＭｒＲ＜１）とし、他方の側面の前記凹凸において、前記周期Λに対する凸部の長さの割合をＭｒＬ（ただし、０＜ＭｒＬ＜１）とするとき、ＭｒＲ＝（１−ＭｒＬ）とし、
   前記一方の側面における前記コアの一端部に最も近い凹部から凸部への境界の当該一端部からの距離がＥＲ、前記他方の側面における前記コアの一端部に最も近い凹部から凸部への境界の当該一端部からの距離がＥＬ、及び、ΔΛが｜ＥＬ−ＥＲ｜であるとき、ＥＲ＜ＥＬかつΔΛ＝ＭｒＲ×Λ、又は、ＥＲ＞ＥＬかつΔΛ＝ＭｒＬ×Λであり、
   前記主面上に設けられた前記第１クラッドの上面を覆って、該第１クラッドとは反対側に突出部を有する前記コアが設けられており、
   前記突出部の両側面に凹凸が形成されている
   ことを特徴とするグレーティング素子。
   Λ＝λ／（ｎＴＥ＋ｎＴＭ）・・・（１）
5. 前記コアを構成する材料をＳｉとし、前記第１クラッドを構成する材料をＳｉＯ_２とし、前記第２クラッドを構成する材料を空気とする
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のグレーティング素子。
6. 請求項１〜５の何れか一項に記載のグレーティング素子を２個と、
   偏波無依存で動作する２入力２出力型の第１及び第２光カプラとを備え、
   第１光カプラの２つの出力が、前記２個のグレーティング素子の一端にそれぞれ接続され、第２光カプラの２つの入力が、前記２個のグレーティング素子の他端にそれぞれ接続されていることを特徴とする光素子。