JP6300437B2

JP6300437B2 - 光導波路素子

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Publication number: JP6300437B2
Application number: JP2012212673A
Authority: JP
Inventors: 陽介太縄
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2012-09-26
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2018-03-28
Anticipated expiration: 2032-09-26
Also published as: JP2014066905A

Description

この発明は、波長の相違に基づき光の経路を切り換える光導波路素子に関する。

近年、加入者系光アクセスシステムは、1つの局側装置（ＯＬＴ：ＯｐｔｉｃａｌＬｉｎｅＴｅｒｍｉｎａｌ）と複数の加入者側装置（ＯＮＵ：ＯｐｔｉｃａｌＮｅｔｗｏｒｋＵｎｉｔ）を、光ファイバ及びスターカプラを介して接続して構成される、受動型光加入者ネットワーク（ＰＯＮ：ＰａｓｓｉｖｅＯｐｔｉｃａｌＮｅｔｗｏｒｋ）が主流となっている。この通信システムでは、ＯＬＴからＯＮＵへ向けた下り光信号と、ＯＮＵからＯＬＴに向けた上り光信号とが、異なる波長に設定されている。その結果、下り光信号と上り光信号とが相互に干渉し合わないようにされている。

ＯＬＴ及びＯＮＵは、フォトダイオードやレーザダイオード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空間結合されている。

ここで、ＯＬＴ及びＯＮＵにおける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、非特許文献１及び２参照）。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、ＯＬＴ及びＯＮＵ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（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）の製造過程が流用され低コスト化が実現されている。

また、ＯＬＴ及びＯＮＵでは、下り光信号の経路と上り光信号の経路を切り換えるために、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）。

波長フィルタとしての機能は、例えばグレーティング等によって実現される。グレーティングはその反射強度を十分に強くすれば透過帯域内での透過率を一定化することができる。グレーティングは、例えばマッハ−ツェンダ干渉計と比較すると、単一段で所望の波長を選択できる特徴がある。Ｓｉを主な材料とした光導波路にグレーティングを形成する構成は、例えば非特許文献３に開示されている。

特開２０１１−７７１３３号公報

IEEE Journal of selected topics quantum electronics, vol.11, p232-240, 2005 IEEE Journal of selected topics quantum electronics, vol.12, No.6, November/December 2006 p.1371-1379 IEICE Transactions of Electrons vol. E-90-C, No.1, p.59, January 2007

従来の、グレーティングを利用した光導波路素子では、グレーティングにおいて、入射光とブラッグ反射される反射光とを、同次数のモードで結合する。

ここで、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_ｅｉ及びＮ_ｅｊ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_ｅｉ及びＮ_ｅｊにおけるｉ及びｊは、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_ｅｉ＋Ｎ_ｅｊ）Λ＝λ ・・・（１）
等価屈折率Ｎ_ｅｉ及びＮ_ｅｊ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。

しかしながら、光導波路素子がＳｉを材料として形成されている場合、同一波長において、同次数のモードの、ＴＥ（ＴｒａｎｓｖｅｒｓｅＥｌｅｃｔｒｉｃ）偏波の等価屈折率とＴＭ（ＴｒａｎｓｖｅｒｓｅＭａｇｎｅｔｉｃ）偏波の等価屈折率とを一致させることが難しく、構造が限定されてしまう。従って、同次数のモードの入射光と反射光とを結合させる場合（すなわちｉ＝ｊである場合）には、同一波長でのブラッグ反射条件を偏波に対して無依存に成立させることが困難である。従って、従来のグレーティングを利用した光導波路素子には、偏波依存性があった。

通常、ＰＯＮにおいて光信号として使用される光は、ＴＥ偏波とＴＭ偏波とが混在していることが多い。従って、例えばＯＬＴ及びＯＮＵにおける経路切換素子として使用するに際して、偏波依存性の小さい光導波路素子が求められている。

この発明の目的は、グレーティングを利用した、経路切換素子として使用することが可能な光導波路素子であって、偏波無依存で使用できる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いる。第１光導波路コアは、ｉ次モード（ｉは０以上の整数）の光とｊ次モード（ｊはｉとは異なる０以上の整数）の光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、特定の同一波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波について、ｉ次モードとｊ次モードとを変換してブラッグ反射するグレーティングが形成されている。

多モード導波路部と結合部とが、互いに離間しかつ平行に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ｊ次モードのＴＥ偏波と、結合部を伝播するｋ次モード（ｋは０以上の整数）のＴＥ偏波とが結合され、かつ多モード導波路部を伝播するｊ次モードのＴＭ偏波と、結合部を伝播するｋ次モードのＴＭ偏波とが結合される。
グレーティングは、ＴＥ偏波のｉ次モードの等価屈折率Ｎ _ｅｉＴＥ、ＴＥ偏波のｊ次モードの等価屈折率Ｎ _ｅｊＴＥ、ＴＭ偏波のｉ次モードの等価屈折率Ｎ _ｅｉＴＭ、及びＴＭ偏波のｊ次モードの等価屈折率Ｎ _ｅｊＴＭについて、特定の同一波長において、Ｎ _ｅｉＴＥ＋Ｎ _ｅｊＴＥ＝Ｎ _ｅｉＴＭ＋Ｎ _ｅｊＴＭが成立するように形成されている。
結合部は、光の伝播方向に沿って連続的に幅が変化するテーパ形状である。

この発明による光導波路素子では、ブラッグ反射部に形成されたグレーティングにおいて、入射光とブラッグ反射される反射光とを、異なる次数のモードで結合する。そのため、ｉ次モードの等価屈折率及びｊ次モードの等価屈折率の和が、特定の同一波長におけるＴＥ偏波とＴＭ偏波とで等しくなるようにグレーティングを形成することによって、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波ともに同一波長でのブラッグ反射条件を成立させることができる。

また、上述したように、双方向結合領域において、多モード導波路部を伝播するｊ次モードのＴＥ偏波と、結合部を伝播するｋ次モードのＴＥ偏波とを、また、多モード導波路部を伝播するｊ次モードのＴＭ偏波と、結合部を伝播するｋ次モードのＴＭ偏波とを、それぞれ結合する。

従って、この発明による光導波路素子では、第１光導波路コア及び第２光導波路コアにおいて、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波を、波長に応じた同じ経路で伝播させることができる。そのため、この発明による光導波路素子は、偏波無依存の経路切換素子として使用することができる。

光導波路素子を示す概略的平面図である。光導波路素子を示す概略的端面図である。双方向結合領域の変形例を示す概略的平面図である。グレーティングの設計と、基本モードの等価屈折率及び１次モードの等価屈折率の和との関係を示す図である。第１結合部におけるＴＥ偏波の基本モードの等価屈折率、及び第２結合部におけるＴＭ偏波の基本モードの等価屈折率と、それぞれの幅との関係を示す図である。光導波路素子の偏波依存性の評価に供する図である。

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及び図２を参照して、この発明による光導波路素子について説明する。図１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２は、図１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、ブラッグ反射部３３、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とが互いに平行に配置された双方向結合領域６０が設定されている。

光導波路素子１００は、例えばＯＬＴやＯＮＵにおいて、下り光信号と上り光信号との経路切換素子として使用される。そこで、以下に、光導波路素子１００を、ＯＮＵにおける経路切換素子として使用する場合の構成例について説明する。

光導波路素子１００を、ＯＮＵにおける経路切換素子として使用する場合には、第１光導波路コア３０の第１ポート３５が、例えば光ファイバと接続される。この光ファイバは、ＯＬＴと接続されている。また、第１光導波路コア３０の第２ポート３７が、例えばフォトダイオード等の受光素子と接続される。また、第２光導波路コア５０の第３ポート５７が、例えばレーザダイオード等の発光素子と接続される。

この例では、発光素子によって生成された基本モードの上り光信号は、第２光導波路コア５０の第３ポート５７に入力され、双方向結合領域６０において、第２光導波路コア５０の結合部５１から、多モード導波路部３１へ送られる。双方向結合領域６０では、多モード導波路部３１及び結合部５１間において、１次モードの光と基本モードの光とを結合するように最適化されている。従って、上り光信号は、１次モードで多モード導波路部３１を伝搬する。さらに、上り光信号は、多モード導波路部３１からブラッグ反射部３３に送られる。そして、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、上り光信号は、１次モードから基本モードに変換されて反射される。反射された上り光信号は、再び多モード導波路部３１に送られる。双方向結合領域６０では、多モード導波路部３１及び結合部５１の基本モード同士は結合しないように設定されているため、反射された上り光信号は、多モード導波路部３１を伝播し、第１ポート３５へ送られる。第１ポートから出力された上り光信号は、光ファイバを経てＯＬＴへ送られる。

また、ＯＬＴから光ファイバを経て送られる基本モードの下り光信号は、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へ送られる。さらに多モード導波路部３１を伝播する下り光信号は、ブラッグ反射部３３を透過して第２ポート３７へ送られる。第２ポート３７から出力された下り光信号は、受光素子によって受光される。

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。

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。そして、第１ポート３５は、第１テーパ部３９ａを介して多モード導波路部３１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、第１ポート３５の一端３５ａの幅から多モード導波路部３１の一端３１ａ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、第１ポート３５及び多モード導波路部３１間を伝播する光の反射を緩和することができる。

多モード導波路部３１は、基本モードの光と１次モードの光を伝播させる幅及び厚さで形成されている。そして、多モード導波路部３１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の幅は、光の伝播方向に沿って、多モード導波路部３１の他端３１ｂ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２テーパ部３９ｂ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。

この発明では、グレーティング４０は、特定の同一波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波について、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。

グレーティング４０は、ブラッグ反射部３３に、第１領域４１と第２領域４３とが、光の伝播方向に沿って交互に周期的に形成されて構成されている。第１領域４１は、ブラッグ反射部３３の、伝播方向に沿った一方の側面３３ｃから凹状の彫り込みが形成された領域である。また、第２領域４３は、ブラッグ反射部３３の、伝播方向に沿った他方の側面３３ｄから凹状の彫り込みが形成された領域である。そして、第１領域４１及び第２領域４３に形成されている凹状の彫り込みは、互いに等しい彫り込み深さｄに設定されている。

さらに、特定の同一波長におけるＴＥ偏波とＴＭ偏波とで、上式（１）におけるＮ_ｅｉ＋Ｎ_ｅｊが一致するようにブラッグ反射部３３の幅Ｗ２、及びグレーティング４０の彫り込み深さｄが設定されている。ここでは、グレーティング４０は、ＴＥ偏波の基本モードの等価屈折率Ｎ_ｅ０ＴＥ、ＴＥ偏波の１次モードの等価屈折率Ｎ_ｅ１ＴＥ、ＴＭ偏波の基本モードの等価屈折率Ｎ_ｅ０ＴＭ、及びＴＭ偏波の１次モードの等価屈折率Ｎ_ｅ１ＴＭについて、特定の同一波長において、Ｎ_ｅ０ＴＥ＋Ｎ_ｅ１ＴＥ＝Ｎ_ｅ０ＴＭ＋Ｎ_ｅ１ＴＭが成立するように形成されている。その結果、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の双方に対して、同一の波長λで上式（１）を成立させることができる。すなわち、偏波無依存とすることができる。

従って、多モード導波路部３１からブラッグ反射部３３へ送られる、ブラッグ波長と一致する波長の１次モードの光は、グレーティング４０において、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波ともに基本モードの光に変換されてブラッグ反射される。そして、ブラッグ反射された基本モードの光が、多モード導波路部３１へ送られる。また、ブラッグ反射部３３に送られるブラッグ波長から外れる波長の光は、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波ともに、グレーティング４０を経て第２ポート３７へ送られる。なお、Ｎ_ｅ０ＴＥ＋Ｎ_ｅ１ＴＥ＝Ｎ_ｅ０ＴＭ＋Ｎ_ｅ１ＴＭを成立させるためのグレーティング４０の具体的な設計の好適例については後述する。

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。そして、第２ポート３７は、第３テーパ部３９ｃを介してブラッグ反射部３３と接続されている。第３テーパ部３９ｃ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３テーパ部３９ｃ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。

第２光導波路コア５０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。

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、かつ平行に配置されている。

なお、図１に示す構成例では、結合部５１は、第１結合部５３、及び第１結合部５３と接続された第２結合部５５を含んで構成されている。第１結合部５３及び第２結合部５５は、互いに異なる幅を有し、それぞれ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１結合部５３及び第２結合部５５は、基本モードの光を伝播させる。

また、結合部５１の一端５１ａは、第３ポート５７と接続されている。図１に示す構成例では、第１結合部５３側の一端において、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、互いに離間しかつ平行に配置された双方向結合領域６０が設定されている。

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次モードの光と、結合部５１を伝播する基本モードの光とが結合される。

なお、図１に示す構成例では、双方向結合領域６０は、多モード導波路部３１と第１結合部５３とが、互いに離間しかつ平行に配置された第１双方向結合領域６１、及び多モード導波路部３１と第２結合部５５とが、互いに離間しかつ平行に配置された第２双方向結合領域６３を含んでいる。そして、第１双方向結合領域６１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、第１結合部５３を伝播する基本モードのＴＥ偏波とが結合される。また、第２双方向結合領域６３では、多モード導波路部３１を伝播する１次モードのＴＭ偏波と、第２結合部５５を伝播する基本モードのＴＭ偏波とが結合される。

ここで、２つの光導波路コア間におけるモード間結合について説明する。例えば、互いに離間しかつ平行に配置された２つの光導波路コアＡ及びＢ間におけるモード間結合について、下式（２）及び（３）が成立する。なお、κは、光導波路コアＡ及びＢ間のモード結合定数を示す。

上式（２）において、Ａ（０）及びＡ（ｚ）は、一方の光導波路コアＡを伝播する光の振幅を、位置座標で示す関数である。上式（２）は、光導波路コアＡの位置座標０から位置座標ｚへ伝播する光について、位置座標０におけるエネルギーと位置座標ｚにおけるエネルギーとの比を表している。また、Ｂ（ｚ）は、他方の光導波路コアＢを伝播する光の振幅を、位置座標で示す関数である。上式（３）は、光導波路コアＡの位置座標０から光導波路コアＢへ移行して伝播する光について、光導波路コアＡの位置座標０におけるエネルギーと、光導波路コアＢの位置座標ｚにおけるエネルギーとの比を表している。従って、光導波路コアＡ及び光導波路コアＢの結合長をｚとして、上式（２）の右辺が０、及び上式（３）の右辺が１となる条件において、一方の光導波路コアＡから他方の光導波路コアＢへ光が完全に移行する。

また、上式（２）及び（３）におけるδβは、下式（４）で表すことができる。なお、β_ａは光導波路コアＡの伝播定数を、また、β_ｂは光導波路コアＢの伝播定数を、それぞれ示す。

さらに、β_ａ及びβ_ｂは、下式（５）及び（６）で表すことができる。なお、Ｎ_ｅａは光導波路コアＡの等価屈折率を、また、Ｎ_ｅｂは光導波路コアＢの等価屈折率を、λは波長を、それぞれ示す。

上式（２）〜（６）から、Ｎ_ｅａ＝Ｎ_ｅｂの場合に、光導波路コアＡから光導波路コアＢへ光が完全に移行する。

そこで、光導波路素子１００では、多モード導波路部３１を伝播するＴＥ偏波の１次モードの等価屈折率と、第１結合部５３を伝播するＴＥ偏波の基本モードの等価屈折率とが等しく、かつ多モード導波路部３１を伝播するＴＭ偏波の１次モードの等価屈折率と、第２結合部５５を伝播するＴＭ偏波の基本モードの等価屈折率とが等しくなるように、多モード導波路部３１の幅Ｗ１、第１結合部５３の幅Ｗ３、及び第２結合部５５の幅Ｗ４が設定される。その結果、第１双方向結合領域６１において、多モード導波路部３１を伝播する１次モードのＴＥ偏波と、第１結合部５３を伝播する基本モードのＴＥ偏波とを確実に結合することができる。また、第２双方向結合領域６３において、多モード導波路部３１を伝播する１次モードのＴＭ偏波と、第２結合部５５を伝播する基本モードのＴＭ偏波とを確実に結合することができる。従って、双方向結合領域６０において、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の双方を、多モード導波路部３１と結合部５１との間で結合することができる。

なお、多モード導波路部３１における基本モードの等価屈折率は、１次モードの等価屈折率と異なる。そこで、多モード導波路部３１におけるＴＥ偏波の基本モードの等価屈折率と、第１結合部５３におけるＴＥ偏波の基本モードの等価屈折率との差を大きく設定する。また、多モード導波路部３１におけるＴＭ偏波の基本モードの等価屈折率と、第２結合部５５におけるＴＭ偏波の基本モードの等価屈折率との差を大きく設定する。その結果、多モード導波路部３１と結合部５１との間での、基本モード同士の結合を抑制することができる。多モード導波路部３１の幅Ｗ１、第１結合部５３の幅Ｗ３、及び第２結合部５５の幅Ｗ４の具体的な好適例については後述する。

ここで、図３は、双方向結合領域６０の変形例を示す概略的平面図であり、図１に破線で囲って示した双方向結合領域６０に対応する領域を拡大した図である。

図３に示すように、この変形例では、結合部１５１を、光の伝播方向に沿って連続的に幅が変化するテーパ形状とすることもできる。その場合には、結合部１５１を伝播するＴＥ偏波の基本モードの等価屈折率が、多モード導波路部３１を伝播するＴＥ偏波の１次モードの等価屈折率と等しくなる幅Ｗ３と、結合部１５１を伝播するＴＭ偏波の基本モードの等価屈折率が、多モード導波路部３１を伝播するＴＭ偏波の１次モードの等価屈折率と等しくなる幅Ｗ４とを、当該結合部１５１が含むように設計する。その結果、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の双方を、多モード導波路部３１と結合部１５１との間で結合することができる。

以上に説明したように、この発明による光導波路素子１００では、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、入射光とブラッグ反射される反射光とを、異なる次数のモード間で結合する。そして、グレーティング４０を、基本モードの等価屈折率及び１次モードの等価屈折率の和が、特定の同一波長におけるＴＥ偏波とＴＭ偏波とで等しくなるように形成することによって、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波ともに同一波長でのブラッグ反射条件を成立させることができる。

また、双方向結合領域６０において、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、また、多モード導波路部３１を伝播する１次モードのＴＭ偏波と、結合部５１を伝播する基本モードのＴＭ偏波とを、それぞれ結合することができる。

従って、この発明による光導波路素子１００では、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア５０において、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波を、波長に応じた同じ経路で伝播させることができる。そのため、この発明による光導波路素子１００は、偏波無依存の経路切換素子として使用することができる。

なお、ここでは、グレーティング４０が、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。ブラッグ反射部３３の幅Ｗ２、及びグレーティング４０の彫り込み深さｄを適宜設定することによって、特定の同一波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波について、ｉ次モード（ｉは０以上の整数）とｊ次モード（ｊはｉとは異なる０以上の整数）とを変換してブラッグ反射する構成とすることもできる。その場合には、多モード導波路部３１を、少なくともｉ次モードの光とｊ次モードの光を伝播させるように形成する。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、基本モードと１次モードとに限定されない。多モード導波路部３１の幅Ｗ１、並びに結合部５１の幅Ｗ３及びＷ４を、適宜設定することによって、双方向結合領域６０において、多モード導波路部３１を伝播するｊ次モードのＴＥ偏波と、結合部５１を伝播するｋ次モード（ｋは０以上の整数）のＴＥ偏波とを結合し、かつ多モード導波路部３１を伝播するｊ次モードのＴＭ偏波と、結合部５１を伝播するｋ次モードのＴＭ偏波とを結合することができる。

（製造方法）
この発明による光導波路素子１００は、ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を利用することによって、容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、好適な設計例を模索するためにシミュレーションを行った。

まず、ＦＥＭ（ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄ）を用い、ＴＥ偏波の基本モードの等価屈折率Ｎ_ｅ０ＴＥ、ＴＥ偏波の１次モードの等価屈折率Ｎ_ｅ１ＴＥ、ＴＭ偏波の基本モードの等価屈折率Ｎ_ｅ０ＴＭ、及びＴＭ偏波の１次モードの等価屈折率Ｎ_ｅ１ＴＭについて、Ｎ_ｅ０ＴＥ＋Ｎ_ｅ１ＴＥ＝Ｎ_ｅ０ＴＭ＋Ｎ_ｅ１ＴＭが成立するグレーティング４０の設計の好適例を見出した。

このシミュレーションでは、第１光導波路コア３０をＳｉで形成し、厚さを３００ｎｍとした。また、クラッド層２０をＳｉＯ_２で形成した。また、上式（１）におけるブラッグ波長λを１２７７ｎｍとした。そして、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波のそれぞれについて、ブラッグ反射部３３の幅Ｗ２及びグレーティング４０の彫り込み深さｄと、基本モードの等価屈折率Ｎ_ｅ０及びＴＭ偏波の１次モードの等価屈折率Ｎ_ｅ１の和（Ｎ_ｅ０＋Ｎ_ｅ１）との関係を確認した。

シミュレーションの結果を、図４に示す。図４は、グレーティング４０の設計と、Ｎ_ｅ０＋Ｎ_ｅ１との関係を示す図である。図４では、縦軸にＮ_ｅ０＋Ｎ_ｅ１を任意の目盛で、また、横軸にブラッグ反射部３３の幅Ｗ２をｎｍ単位でとって示してある。

図４の結果から、ブラッグ反射部３３の幅Ｗ２が３３０〜３４０ｎｍの範囲内であり、彫り込み深さｄが５０ｎｍである場合に、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波のＮ_ｅ０＋Ｎ_ｅ１が一致する、すなわちＮ_ｅ０ＴＥ＋Ｎ_ｅ１ＴＥ＝Ｎ_ｅ０ＴＭ＋Ｎ_ｅ１ＴＭが成立することが確認された。例えば、ブラッグ反射部３３の幅Ｗ２を３４０ｎｍ、及び彫り込み深さｄを５０ｎｍとした場合には、図４から、Ｎ_ｅ０ＴＥ＋Ｎ_ｅ１ＴＥ及びＮ_ｅ０ＴＭ＋Ｎ_ｅ１ＴＭが約４である。従って、その場合には、上式（１）から、グレーティング４０の周期Λを３１９ｎｍとするのが好適である。

次に、ＦＥＭ法を用い、双方向結合領域６０における、第１光導波路コア３０の多モード導波路部３１の幅Ｗ１、並びに第２光導波路コア５０の第１結合部５３の幅Ｗ３及び第２結合部５５の幅Ｗ４の好適な組み合わせを見出した。

このシミュレーションでは、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア５０をＳｉで形成し、厚さを３００ｎｍとした。また、クラッド層２０をＳｉＯ_２で形成した。また、双方向結合領域６０において結合される光の波長を１２７７ｎｍに設定した。また、多モード導波路部３１の幅Ｗ１を４５０ｎｍとした。この幅Ｗ１での多モード導波路部３１において、ＴＥ偏波の１次モードの等価屈折率Ｎ_{ｅｍ１ＴＥ}は１．８９０であり、ＴＭ偏波の１次モードの等価屈折率Ｎ_{ｅｍ１ＴＭ}は２．０６３であった。そこで、第１結合部５３におけるＴＥ偏波の基本モードの等価屈折率Ｎ_{ｅｓ０ＴＥ}が、上述した等価屈折率Ｎ_{ｅｍ１ＴＥ}と一致する幅Ｗ３を確認した。また、第２結合部５５におけるＴＭ偏波の基本モードの等価屈折率Ｎ_{ｅｓ０ＴＭ}が、上述した等価屈折率Ｎ_{ｅｍ１ＴＭ}と一致する幅Ｗ４を確認した。

シミュレーションの結果を、図５に示す。図５は、第１結合部５３の等価屈折率Ｎ_{ｅｓ０ＴＥ}及び第２結合部５５の等価屈折率Ｎ_{ｅｓ０ＴＭ}と、それぞれの幅Ｗ３及びＷ４との関係を示す図である。図５では、縦軸に等価屈折率を任意の目盛で、また、横軸に第１結合部５３及び第２結合部５５の幅Ｗ３及びＷ４をｎｍ単位でとって示してある。

図５の結果から、幅Ｗ３が２１０ｎｍのとき、第１結合部５３におけるＴＥ偏波の基本モードの等価屈折率Ｎ_{ｅｓ０ＴＥ}が、多モード導波路部３１の等価屈折率Ｎ_{ｅｍ１ＴＥ}と一致することが確認された。また、幅Ｗ４が１６５ｎｍのとき、第２結合部５５におけるＴＭ偏波の基本モードの等価屈折率Ｎ_{ｅｓ０ＴＭ}が、多モード導波路部３１の等価屈折率Ｎ_{ｅｍ１ＴＭ}と一致することが確認された。

従って、多モード導波路部３１の幅Ｗ１を４５０ｎｍ、第１結合部５３の幅Ｗ３を２１０ｎｍ、及び第２結合部５５の幅Ｗ４を１６５ｎｍとすることによって、双方向結合領域６０において、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の双方を、多モード導波路部３１と結合部５１との間で結合することができる。なお、これら幅Ｗ１、Ｗ３、及びＷ４の組み合わせでは、多モード導波路部３１におけるＴＥ偏波の基本モードの等価屈折率と、第１結合部５３の等価屈折率Ｎ_{ｅｓ０ＴＥ}との差が大きくなる。また、多モード導波路部３１におけるＴＭ偏波の基本モードの等価屈折率と、第２結合部５５の等価屈折率Ｎ_{ｅｓ０ＴＭ}との差が大きくなる。そのため、多モード導波路部３１と結合部５１との間での、基本モード同士の結合を抑制することができる。

さらに、ＢＰＭ（ＢｅａｍＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄ）を用いて、多モード導波路部３１を伝播する１次モードのＴＥ偏波と、第１結合部５３を伝播する基本モードのＴＥ偏波とを結合する最適な結合長Ｌ１を決定した。また、多モード導波路部３１を伝播する１次モードのＴＭ偏波と、第２結合部５５を伝播する基本モードのＴＭ偏波とを結合する最適な結合長Ｌ２を決定した。なお、多モード導波路部３１と第１結合部５３との中心間距離Ｄ１、及び多モード導波路部３１と第２結合部５５との中心間距離Ｄ２がともに０．７μｍである場合を想定した（図１参照）。

その結果、図５から見出した幅Ｗ１、Ｗ３、及びＷ４の各寸法において、多モード導波路部３１及び第１結合部５３の結合長Ｌ１、すなわち第１双方向結合領域６１の長さＬ１は、１３μｍとなった。また、多モード導波路部３１及び第２結合部５５の結合長Ｌ２、すなわち第２双方向結合領域６３の長さＬ２は、２５μｍとなった。

（特性評価）
発明者は、光導波路素子１００の偏波依存性を評価するために、３次元ＦＤＴＤ（ＦｉｎｉｔｅＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅＴｉｍｅＤｏｍａｉｎ）法を用いてシミュレーションを行った。

このシミュレーションでは、第１ポート３５からＴＥ偏波及びＴＭ偏波をそれぞれ入力した。そして、グレーティング４０においてブラッグ反射され、双方向結合領域６０を経て、第３ポート５７から出力される各偏波の強度を算出した。また、グレーティング４０を透過して、第２ポート３７から出力される各偏波の強度を算出した。

また、このシミュレーションでは、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア５０をＳｉで形成し、ともに厚さを３００ｎｍとした。また、クラッド層２０をＳｉＯ_２で形成した。また、グレーティング４０におけるブラッグ波長を１２７７ｎｍに設定した。そして、上述した図４に係るシミュレーションの結果に基づき、ブラッグ反射部３３の幅Ｗ２を３４０ｎｍ、グレーティング４０の彫り込み深さｄを５０ｎｍ、及びグレーティング４０の周期Λを３１９ｎｍとした。また、上述した図５に係るシミュレーションの結果に基づき、多モード導波路部３１の幅Ｗ１を４５０ｎｍ、第１結合部５３の幅Ｗ３を２１０ｎｍ、及び第２結合部５５の幅Ｗ４を１６５ｎｍとした。また、第１双方向結合領域６１の長さＬ１を１３μｍ、第２双方向結合領域６３の長さＬ２を２５μｍとし、多モード導波路部３１と第１結合部５３との中心間距離Ｄ１、及び多モード導波路部３１と第２結合部５５との中心間距離Ｄ２をともに０．７μｍとした。

シミュレーションの結果を、図６に示す。図６は、光導波路素子１００の偏波依存性の評価に供する図であり、縦軸に光強度をｄＢ目盛で、また、横軸に波長をｎｍ単位でとって示してある。なお、図６に示す曲線Ｉは、第３ポート５７から出力されるＴＥ偏波の強度を示している。また、曲線ＩＩは、第２ポート３７から出力されるＴＥ偏波の強度を示している。また、曲線ＩＩＩは、第３ポート５７から出力されるＴＭ偏波の強度を示している。また、曲線ＩＶは、第２ポート３７から出力されるＴＭ偏波の強度を示している。

図６の結果から、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波ともに、１２７７ｎｍ付近の波長帯域において、第３ポート５７から出力される光強度にピークが存在する。また、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波ともに、１２７７ｎｍ付近の波長帯域において、第２ポート３７から出力される光強度に欠損が生じている。この結果から、光導波路素子１００では、グレーティング４０において、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波ともに同一のブラッグ波長で反射される点、及び双方向結合領域６０において、多モード導波路部３１と結合部５１との間でＴＥ偏波及びＴＭ偏波がそれぞれ結合される点が確認された。従って、光導波路素子１００では、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア５０において、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波を、波長に応じた同じ経路で伝播させることができ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、１５１：結合部
５３：第１結合部
５５：第２結合部
５７：第３ポート
６０：双方向結合領域
６１：第１双方向結合領域
６３：第２双方向結合領域
１００：光導波路素子

Claims

ｉ次モード（ｉは０以上の整数）の光とｊ次モード（ｊはｉとは異なる０以上の整数）の光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、特定の同一波長のＴＥ偏波及びＴＭ偏波について、ｉ次モードとｊ次モードとを変換してブラッグ反射す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、互いに離間しかつ平行に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ｊ次モードのＴＥ偏波と、前記結合部を伝播するｋ次モード（ｋは０以上の整数）のＴＥ偏波とが結合され、かつ前記多モード導波路部を伝播するｊ次モードのＴＭ偏波と、前記結合部を伝播するｋ次モードのＴＭ偏波とが結合され、
前記グレーティングは、
ＴＥ偏波のｉ次モードの等価屈折率Ｎ _ｅｉＴＥ、ＴＥ偏波のｊ次モードの等価屈折率Ｎ _ｅｊＴＥ、ＴＭ偏波のｉ次モードの等価屈折率Ｎ _ｅｉＴＭ、及びＴＭ偏波のｊ次モードの等価屈折率Ｎ _ｅｊＴＭについて、特定の同一波長において、Ｎ _ｅｉＴＥ＋Ｎ _ｅｊＴＥ＝Ｎ _ｅｉＴＭ＋Ｎ _ｅｊＴＭが成立するように形成されており、
前記結合部は、光の伝播方向に沿って連続的に幅が変化するテーパ形状である
ことを特徴とする光導波路素子。
前記結合部は、当該結合部を伝播するＴＥ偏波のｋ次モードの等価屈折率が、前記多モード導波路部を伝播するＴＥ偏波のｊ次モードの等価屈折率と等しくなる第１の幅と、当該結合部を伝播するＴＭ偏波のｋ次モードの等価屈折率が、前記多モード導波路部を伝播するＴＭ偏波のｊ次モードの等価屈折率と等しくなる第２の幅とを含む
ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。