特許 6402519 光導波路素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6402519

(24)【登録日】2018年9月21日

(45)【発行日】2018年10月10日

(54)【発明の名称】光導波路素子

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/12 20060101AFI20181001BHJP

   G02B 6/14 20060101ALI20181001BHJP

【ＦＩ】

   G02B6/12

   G02B6/14

【請求項の数】6

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2014-147599(P2014-147599)

(22)【出願日】2014年7月18日

(65)【公開番号】特開2016-24298(P2016-24298A)

(43)【公開日】2016年2月8日

【審査請求日】2017年5月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000295

【氏名又は名称】沖電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100141955

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 宏之

(74)【代理人】

【識別番号】100085419

【弁理士】

【氏名又は名称】大垣 孝

(72)【発明者】

【氏名】太縄 陽介

【審査官】 岸 智史

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−０６６９０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２０５７４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−１６８０４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２３２９４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１５７１９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０３８９１３０２（ＵＳ，Ａ）

【文献】 DAI,D. et al.，Novel concept for ultracompact polarization splitter-rotator based on silicon nanowires，Optics Express，米国，OSA，２０１１年 ５月２０日，Vol.19, No.11，pp.10940-10949

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ６／１２−６／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１光導波路コアと第２光導波路コアとを備え、
前記第１光導波路コアは、ｋ次モード（ｋ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、ｈ次モード（ｈはｋとは異なる０以上の整数）の他方の偏波、並びにｐ次モード（ｐは０以上の整数）の他方の偏波を伝播させる多モード導波路部と、該多モード導波路部と接続されたブラッグ反射部とを有し、
前記第２光導波路コアは結合部を有し、
前記ブラッグ反射部には、入力されるｋ次モードの一方の偏波をｈ次モードの他方の偏波に変換してブラッグ反射し、かつ入力されるｐ次モードの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、
少なくとも前記ブラッグ反射部の前記グレーティングが形成された領域では、前記第１光導波路コアを伝播する光に対する屈折率が、前記第１光導波路コアの中心に対して上下で異なり、
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ｈ次モードの他方の偏波と、前記結合部を伝播するｍ次モード（ｍはｈとは異なる０以上の整数）の他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。

【請求項2】

前記グレーティングは、
ブラッグ波長λ_０、グレーティング周期Λ、ＴＥ偏波のｋ次モードの等価屈折率Ｎ_ＴＥｋ、ＴＭ偏波のｈ次モードの等価屈折率Ｎ_ＴＭｈ、ＴＭ偏波のｐ次モードの等価屈折率Ｎ_ＴＭｐ、ＴＭ偏波のｉ次モード（ｉは０以上の整数）の等価屈折率Ｎ_ＴＭｉ、及びＴＥ偏波のｊ次モード（ｊは０以上の整数）の等価屈折率Ｎ_ＴＥｊについて、（Ｎ_ＴＥｋ＋Ｎ_ＴＭｈ）Λ＝λ_０、（Ｎ_ＴＭｐ＋Ｎ_ＴＭｉ）Λ≠λ_０、及び（Ｎ_ＴＭｐ＋Ｎ_ＴＥｊ）Λ≠λ_０を全て満足する設計、又は
ブラッグ波長λ_０、グレーティング周期Λ、ＴＭ偏波のｋ次モードの等価屈折率Ｎ_ＴＭｋ、ＴＥ偏波のｈ次モードの等価屈折率Ｎ_ＴＥｈ、ＴＥ偏波のｐ次モードの等価屈折率Ｎ_ＴＥｐ、ＴＭ偏波のｉ次モードの等価屈折率Ｎ_ＴＭｉ、及びＴＥ偏波のｊ次モードの等価屈折率Ｎ_ＴＥｊについて、（Ｎ_ＴＭｋ＋Ｎ_ＴＥｈ）Λ＝λ_０、（Ｎ_ＴＥｐ＋Ｎ_ＴＭｉ）Λ≠λ_０、及び（Ｎ_ＴＥｐ＋Ｎ_ＴＥｊ）Λ≠λ_０を全て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。

【請求項3】

少なくとも前記ブラッグ反射部の前記グレーティングが形成された領域において、前記第１光導波路コアは、下面を下部クラッド層によって、及び上面及び側面を上部クラッド層によって被覆されており、
前記下部クラッド層と前記上部クラッド層とは異なる屈折率を有する材料で形成されている
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。

【請求項4】

少なくとも前記ブラッグ反射部の前記グレーティングが形成された領域において、前記第１光導波路コアは、下面と上面とが異なる寸法に設定されて形成されている
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光導波路素子。

【請求項5】

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１〜４のいずれか一項に記載の光導波路素子。

【請求項6】

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複数形成されている突出部とを含んで構成され、
光の伝播方向に沿って隣り合う前記突出部間の離間距離は、光の伝播方向に沿って一定の変化量で変化する
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光導波路素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、入力される光信号の偏波を、ＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）偏波及びＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ）偏波のいずれか一方に揃えて出力する光導波路素子に関する。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【0004】

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、光デバイスは、その組立工程が簡易となるため、量産に適している。

【0005】

特に、電子機能回路の基板と同様の材料であるシリコン（Ｓｉ）を導波路材料とした光導波路素子では、電子機能回路及び光機能回路とを一括形成する光電融合（シリコンフォトニクス）の実現が期待されている（例えば、非特許文献１又は非特許文献２参照）。シリコンフォトニクスでは、製造に際して、技術成熟した半導体製造技術を流用することができる。

【0006】

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酸化シリコン（例えばＳｉＯ_２）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。

【0007】

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）。

【0008】

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細線導波路を用いる波長フィルタには、偏波依存性が生じるという欠点がある。偏波依存性を解消する方法としては、光導波路コアの断面形状を正方形とすることが考えられる。しかしながら、Ｓｉ細線導波路では、シングルモード条件を満たすために、光導波路コアの断面寸法を、厚さ及び幅方向で数百ｎｍと微細に設定する必要がある。そのため、高精度の加工技術が要求され、形成が困難である。

【0009】

そこで、偏波依存性を解消する他の方法として、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）。

【0010】

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偏波とに分離する。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。

【0011】

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。

【0012】

また、偏波回転素子としては、屈折率の異なる２つの光導波路コアを重ねる、所謂偏芯二重コア構造がある（例えば、特許文献３参照）。この構造では、下部光導波路コアが、下部光導波路コアよりも屈折率の小さい上部光導波路コアで被覆される。さらに、上部光導波路コアは、上部光導波路コアよりも屈折率の小さいクラッドで被覆される。その結果、下部光導波路コアに対する光の伝播中心と上部光導波路コアに対する光の伝播中心とが一致しない光導波路素子が構成される。このような偏芯二重コア構造の偏波回転素子では、一定距離伝播する光に対して、任意の回転量を与えることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0013】

【特許文献1】特開２０１１−７７１３３号公報

【特許文献2】特開２００９−２４４３２６号公報

【特許文献3】特開２００６−３３０１０９号公報

【非特許文献】

【0014】

【非特許文献1】IEEE Journal of selected topics quantum electronics, vol.11, 2005 p.232-240

【非特許文献2】IEEE Journal of selected topics quantum electronics, vol.12, No.6, November/December 2006 p.1371-1379

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0015】

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。

【0016】

また、偏芯二重コア構造の偏波回転素子では、２つの光導波路コアを形成する必要がある。従って、製造に際して、少なくとも２回の光導波路コア形成プロセスを行う必要がある。さらに、設計した回転量を光に与えるために、下部光導波路コアと上部光導波路コアとの偏芯量を高精度に加工調整する必要がある。

【0017】

この発明の目的は、偏波依存性を解消する光導波路素子として、偏波分離機能及び偏波回転機能を有し、かつ１回の光導波路コア形成プロセスを行うのみで、容易に製造可能な光導波路素子を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0018】

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。

【0019】

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、ｋ次モード（ｋ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、ｈ次モード（ｈはｋとは異なる０以上の整数）の他方の偏波、並びにｐ次モード（ｐは０以上の整数）の他方の偏波を伝播させる多モード導波路部と、多モード導波路部と接続されたブラッグ反射部とを有している。また、第２光導波路コアは結合部を有している。

【0020】

ブラッグ反射部には、入力されるｋ次モードの一方の偏波をｈ次モードの他方の偏波に変換してブラッグ反射し、かつ入力されるｐ次モードの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。そして、少なくともブラッグ反射部のグレーティングが形成された領域では、第１光導波路コアを伝播する光に対する屈折率が、第１光導波路コアの中心に対して上下で異なる。

【0021】

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ｈ次モードの他方の偏波と、結合部を伝播するｍ次モード（ｍはｈとは異なる０以上の整数）の他方の偏波とが結合される。

【発明の効果】

【0022】

この発明の光導波路素子では、上側又は下側に電磁界分布が偏芯した状態で、光が第１光導波路コアを伝播する。これによって、第１光導波路コアのブラッグ反射部に形成されたグレーティングにおいて、入力される一方の偏波を他方の偏波に変換してブラッグ反射し、かつ入力される他方の偏波を透過させることができる。従って、出力される光をＴＥ偏波又はＴＭ偏波のいずれかに揃えることができる。そのため、従来の偏波分離素子及び偏波回転素子に代えて使用することが可能である。

【0023】

また、実質的に偏波分離機能及び偏波回転機能を有するグレーティングを含む、光導波路素子の各構成要素は、簡易な導波路作成プロセスで作成可能である。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】（Ａ）及び（Ｂ）は、第１の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。

【図2】グレーティングを説明するための模式図である。

【図3】グレーティングを説明するための模式図である。

【図4】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。

【図5】グレーティングを説明するための模式図である。

【図6】双方向結合領域を説明するための模式図である。

【図7】グレーティングの特性を評価するための図である。

【図8】第２の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。

【発明を実施するための形態】

【0025】

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。

【0026】

〈第１の実施の形態〉
（構成）
図１（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、この発明の第１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（Ａ）では、後述する上部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。

【0027】

光導波路素子１００は、支持基板１０と、下部クラッド層２０と、第１光導波路コア３０と、第２光導波路コア５０と、上部クラッド層７０とを備えて構成されている。第１光導波路コア３０は、第１ポート３５、第１テーパ部３９ａ、多モード導波路部３１、第２テーパ部３９ｂ、ブラッグ反射部３３、第３テーパ部３９ｃ及び第２ポート３７を有している。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。第２光導波路コア５０は、結合部５１、第４テーパ部３９ｄ及び第３ポート５７を有している。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。

【0028】

なお、以下の説明において、支持基板１０の上面１０ａに直交する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。

【0029】

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。

【0030】

下部クラッド層２０は、支持基板１０上に、支持基板１０の上面１０ａを被覆して形成されている。下部クラッド層２０は、例えばＳｉＯ_２を材料として形成することができる。下部クラッド層２０上には、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア５０が形成されている。

【0031】

上部クラッド層７０は、下部クラッド層２０の上面２０ａ及び第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア５０を被覆して形成されている。上部クラッド層７０は、下部クラッド層２０とは異なる屈折率を有する材料で形成されている。下部クラッド層２０が例えばＳｉＯ_２である場合には、上部クラッド層７０は、例えばＳｉＯ_２以外の酸化シリコン（ＳｉＯ_ｘ（ｘは２以外の正の実数））、窒化シリコン（ＳｉＮ）、又は酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）を材料として形成することができる。あるいは、上部クラッド層７０を空気とする、すなわち上部クラッド層７０を設けない構成とすることもできる。

【0032】

第１光導波路コア３０は、下部クラッド層２０及び上部クラッド層７０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、下部クラッド層２０及び上部クラッド層７０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。

【0033】

第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア５０は、下側から下面を下部クラッド層２０によって、及び上側から上面及び側面を上部クラッド層７０によって被覆されている。下部クラッド層２０及び上部クラッド層７０の屈折率が異なるため、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア５０を伝播する光に対する屈折率が、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア５０の中心に対して上下で異なる。その結果、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア５０では、伝播する光の厚さ方向の電磁界分布が、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア５０の中心に対して対称でなくなる。すなわち、光の電磁界分布は、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア５０の中心から下部クラッド層２０側（下側）又は上部クラッド層７０側（上側）に偏芯する。このような状態で、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア５０を光が伝播する。

【0034】

なお、この実施の形態では、光導波路素子１００全体において、光の電磁界分布を上側又は下側に偏芯させる構成を示している。しかし、光の電磁界分布を偏芯させる構成は、少なくともブラッグ反射部３３のグレーティング４０が形成される領域に形成されていればよい。従って、グレーティング４０が形成される領域のみを、下側から下部クラッド層２０によって及び上側から上部クラッド層７０によって、第１光導波路コア３０が被覆される構成とすることもできる。

【0035】

光導波路素子１００は、例えば、入力される光信号を、ＴＥ偏波又はＴＭ偏波の一方に揃えて出力する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ＴＥ偏波及びＴＭ偏波を含む基本モード（０次モード）の光信号を入力し、基本モードのＴＭ偏波については偏波を変換せずに第２ポート３７から出力し、かつ基本モードのＴＥ偏波を基本モードのＴＭ偏波に変換して第３ポート５７から出力する構成例について説明する。

【0036】

この例では、基本モードのＴＥ偏波又はＴＭ偏波を含む光信号Ｓ１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Ｓ１に含まれる基本モードのＴＥ偏波Ｓ２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次モードのＴＭ偏波Ｓ３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。また、多モード導波路部３１から送られる、光信号に含まれる基本モードのＴＭ偏波Ｓ４は、モード変換及び偏波変換されずに、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ＴＭ偏波Ｓ３は、双方向結合領域６０において、基本モードのＴＭ偏波Ｓ５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。結合部５１へ送られた基本モードのＴＭ偏波Ｓ５は、第３ポート５７から出力される。

【0037】

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。

【0038】

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ＴＭ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。

【0039】

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、下部クラッド層及び上部クラッド層を省略して示してある。

【0040】

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

【0041】

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モード次数を示す。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。

【0042】

（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。

【0043】

上式（１）に基づき、設計波長λ_０のＴＥ偏波について、基本モードと１次モードとを変換し、かつＴＭ偏波に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_ＴＭ１はＴＭ偏波の１次モードの等価屈折率を、それぞれ示す。

【0044】

（Ｎ_ＴＥ０＋Ｎ_ＴＭ１）Λ＝λ_０ ・・・（２）
波長λ_０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、並びに基本モード及び他の次数モードのＴＥ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）及び（４）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_ＴＭｉはＴＭ偏波のｉ次モード（ｉは０以上の整数）の等価屈折率を、Ｎ_ＴＥｊはＴＥ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。

【0045】

（Ｎ_ＴＭ０＋Ｎ_ＴＭｉ）Λ≠λ_０ ・・・（３）
（Ｎ_ＴＭ０＋Ｎ_ＴＥｊ）Λ≠λ_０ ・・・（４）
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は、基部４１の一方の側面に、周期的に複数形成されている。突出部４３ｂは、基部４１の他方の側面に、突出部４３ａと同じ周期で複数形成されている。これら突出部４３ａ及び４３ｂは、基部４１を挟んで対称となる位置に形成されている。基部４１の幅Ｗ１、突出部４３ａ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）〜（４）が全て成立するように設計される。

【0046】

ここで、上述したように、グレーティング４０を含む第１光導波路コア３０では、電磁界分布が上側又は下側に偏芯した状態で光は伝播する。このような光導波路コアにおいて、上式（２）〜（４）が全て成立することによって、入力される波長λ_０の基本モードのＴＥ偏波は、グレーティング４０において、１次モードのＴＭ偏波に変換されて反射される。下部クラッド層２０と上部クラッド層７０との屈折率差が大きいほど、電磁界分布の偏芯量が大きくなるため、グレーティング４０における偏波変換の効率が向上すると考えられる。ブラッグ反射された１次モードのＴＭ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、偏波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３テーパ部３９ｃを経て第２ポート３７へ送られる。

【0047】

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、下部クラッド層及び上部クラッド層を省略して示してある。

【0048】

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ｎ周期では、突出部４３ａ及び４３ｂの突出幅ＤがＤ_０＋ΔＤ（ｎ−１）となる。

【0049】

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）〜（４）を満足するブラッグ波長λ_０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。

【0050】

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ｎ−１周期におけるブラッグ波長をλ_ｎ−１、第ｎ周期におけるブラッグ波長をλ_ｎ、及び第ｎ＋１周期におけるブラッグ波長をλ_ｎ＋１とする。

【0051】

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。

【0052】

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（５）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、基本モードのＴＥ偏波を１次モードのＴＭ偏波に変換して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ＴＭ偏波の１次モードの等価屈折率に、それぞれ対応する。

【0053】

【数1】

【0054】

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ｎ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×ｎ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。

【0055】

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（すなわち光の伝播方向に沿って隣り合う突出部間４３ａ同士及び４３ｂ同士の離間距離が、光の伝播方向に沿って一定の変化量で変化する）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５では、支持基板、下部クラッド層及び上部クラッド層を省略して示してある。

【0056】

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ｎ周期では、周期ΛがΛ_０＋ΔΛ（ｎ−１）となる。

【0057】

周期Λが変化することによって、上式（２）〜（４）を満足するブラッグ波長λ_０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（６）で表すことができる。

【0058】

【数2】

【0059】

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ｎ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×ｎ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。

【0060】

なお、図２、図３及び図５の各構成例では、基部４１を挟んで対称となる位置に、突出部４３ａ及び４３ｂが形成されるグレーティング４０を示した。これらは、グレーティング４０が、入力される基本モードのＴＥ偏波を１次モードのＴＭ偏波に変換してブラッグ反射し、かつ入力される基本モードのＴＭ偏波を透過する場合に対応する構成例である。グレーティング４０において、偶数次モード（基本モードを含む）と奇数次モードとのモード変換をしつつ偏波変換を行う場合には、図２、図３及び図５の各構成例に示すように、基部４１を挟んで対称となる位置に、突出部４３ａ及び４３ｂを形成する。一方、グレーティング４０において、偶数次モードと偶数次モードと又は奇数次モードと奇数次モードとのモード変換をしつつ偏波変換を行う場合には、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とを、半周期（すなわちΛ／２）ずらして配置する構成とすることができる。

【0061】

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。

【0062】

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。結合部５１は、第４テーパ部３９ｄを介して第３ポート５７と接続されている。第４テーパ部３９ｄは、結合部５１の一端５１ａの幅から第３ポート５７の一端５７ａの幅へ、連続的に変化するように設定されている。第４テーパ部３９ｄを設けることによって、結合部５１及び第３ポート５７間を伝播する光の反射を緩和することができる。

【0063】

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、下部クラッド層及び上部クラッド層を省略して示してある。

【0064】

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ＴＭ偏波と、結合部５１を伝播する基本モードのＴＭ偏波とが結合される。

【0065】

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、この実施の形態では、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。

【0066】

多モード導波路部３１の幅Ｗ２は、基本モード及び１次モードのＴＭ偏波、並びに基本モードの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。

【0067】

また、結合部５１は、他端５１ｂから一端５１ａ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Ｗ３及び他端５１ｂの幅Ｗ４は、それぞれ基本モードの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。

【0068】

そして、下式（７）及び（８）に示す等価屈折率の関係を満たすように、多モード導波路部３１の幅Ｗ２、並びに結合部５１の一端５１ａの幅Ｗ３及び他端５１ｂの幅Ｗ４が設定される。

【0069】

Ｎ_{Ｗ４ＴＭ０}＜Ｎ_{Ｗ２ＴＭ１}＜Ｎ_{Ｗ３ＴＭ０}＜Ｎ_{Ｗ２ＴＭ０} ・・・（７）
Ｎ_{Ｗ４ＴＥ０}＜Ｎ_{Ｗ２ＴＥ１}＜Ｎ_{Ｗ３ＴＥ０}＜Ｎ_{Ｗ２ＴＥ０} ・・・（８）
なお、Ｎ_{Ｗ２ＴＭ０}は多モード導波路部３１における基本モードのＴＭ偏波の等価屈折率を、Ｎ_{Ｗ２ＴＭ１}は多モード導波路部３１における１次モードのＴＭ偏波の等価屈折率を、Ｎ_{Ｗ３ＴＭ０}は結合部５１の一端５１ａにおける基本モードのＴＭ偏波の等価屈折率を、及びＮ_{Ｗ４ＴＭ０}は結合部５１の他端５１ｂにおける基本モードのＴＭ偏波の等価屈折率を、それぞれ示す。また、Ｎ_{Ｗ２ＴＥ０}は多モード導波路部３１における基本モードのＴＥ偏波の等価屈折率を、Ｎ_{Ｗ２ＴＥ１}は多モード導波路部３１における１次モードのＴＥ偏波の等価屈折率を、Ｎ_{Ｗ３ＴＥ０}は結合部５１の一端５１ａにおける基本モードのＴＥ偏波の等価屈折率を、及びＮ_{Ｗ４ＴＥ０}は結合部５１の他端５１ｂにおける基本モードのＴＥ偏波の等価屈折率を、それぞれ示す。

【0070】

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ＴＭ偏波の伝播定数と、結合部５１の基本モードのＴＭ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ＴＭ偏波と、結合部５１を伝播する基本モードのＴＭ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、他端３１ｂ側から多モード導波路部３１に入力される１次モードのＴＭ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、多モード導波路部３１における基本モードのＴＥ偏波及びＴＭ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偏波及びＴＭ偏波の伝播定数よりも大きく設定されている。そのため、一端３１ａ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偏波及びＴＭ偏波が、結合部５１に移行する恐れはないと考えられる。

【0071】

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、入力されるＴＥ偏波をＴＭ偏波に変換して反射し、かつ入力されるＴＭ偏波を透過させることができる。従って、第２ポート３７及び第３ポート５７から出力される光を、ともにＴＭ偏波に揃えることができる。従って、従来の偏波分離素子及び偏波回転素子に代えて使用することが可能である。

【0072】

また、実質的に偏波分離機能及び偏波回転機能を有するグレーティング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。さらに、各構成要素間を、テーパ部を介して接続することによって、製造トレランスを大きくとることができる。

【0073】

なお、ここでは、グレーティング４０が、基本モードのＴＥ偏波を１次モードのＴＭ偏波に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。

【0074】

下式（９）〜（１１）が全て成立するように設計することによって、入力される波長λ_０のｋ次モード（ｋは０以上の整数）のＴＥ偏波をｈ次モード（ｈはｋとは異なる０以上の整数）のＴＭ偏波に変換してブラッグ反射し、かつ入力される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_ＴＥｋはＴＥ偏波のｋ次モードの等価屈折率を、Ｎ_ＴＭｈはＴＭ偏波のｈ次モードの等価屈折率を、Ｎ_ＴＭｐはＴＭ偏波のｐ次モード（ｐは０以上の整数）の等価屈折率を、Ｎ_ＴＭｉはＴＭ偏波のｉ次モード（ｉは０以上の整数）の等価屈折率を、Ｎ_ＴＥｊはＴＥ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。

【0075】

（Ｎ_ＴＥｋ＋Ｎ_ＴＭｈ）Λ＝λ_０ ・・・（９）
（Ｎ_ＴＭｐ＋Ｎ_ＴＭｉ）Λ≠λ_０ ・・・（１０）
（Ｎ_ＴＭｐ＋Ｎ_ＴＥｊ）Λ≠λ_０ ・・・（１１）
あるいは、下式（１２）〜（１４）が全て成立するように設計することによって、入力される波長λ_０のｋ次モードのＴＭ偏波をｈ次モードのＴＥ偏波に変換してブラッグ反射し、かつ入力される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。なお、Ｎ_ＴＥｐはＴＥ偏波のｐ次モードの等価屈折率を、Ｎ_ＴＥｈはＴＥ偏波のｈ次モードの等価屈折率、それぞれ示す。

【0076】

（Ｎ_ＴＭｋ＋Ｎ_ＴＥｈ）Λ＝λ_０ ・・・（１２）
（Ｎ_ＴＥｐ＋Ｎ_ＴＭｉ）Λ≠λ_０ ・・・（１３）
（Ｎ_ＴＥｐ＋Ｎ_ＴＥｊ）Λ≠λ_０ ・・・（１４）
また、双方向結合領域６０についても、基本モードのＴＭ偏波と１次モードのＴＭ偏波とを結合する構成に限定されない。多モード導波路部３１の幅Ｗ２、並びに結合部５１の一端５１ａの幅Ｗ３及び他端５１ｂの幅Ｗ４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ｈ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ｈ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。

【0077】

（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。

【0078】

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。

【0079】

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下部クラッド層２０としてのＳｉＯ_２層が積層され、さらに下部クラッド層２０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。

【0080】

次に、例えばＣＶＤ法を用いて、下部クラッド層２０上に、下部クラッド層２０とは異なる屈折率を有する上部クラッド層７０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、下側から下部クラッド層２０によって及び上側から上部クラッド層７０によって、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア５０が被覆される。なお、上部クラッド層７０を空気とする場合には、上部クラッド層７０の形成工程を省略することができる。

【0081】

（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１．５５μｍである場合を想定している。そして、グレーティング４０は、基本モードのＴＥ偏波を１次モードのＴＭ偏波に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、１次モードのＴＭ偏波と基本モードのＴＭ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０．３μｍのＳｉ製とし、下部クラッド層２０をＳｉＯ_２製とし、及び上部クラッド層７０を空気とした。

【0082】

まず、上式（２）〜（４）を用いてグレーティング４０の設計を決定した。ここでは、図２に示すように突出部４３ａ及び４３ｂの突出幅Ｄおよび周期Λが一定の構成例を想定した。グレーティング４０の基部４１の幅Ｗ１を０．４２μｍとし、突出部４３ａ及び４３ｂの突出幅Ｄを０．２μｍとした。この条件において、ＦＥＭ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ）を用いて、設計波長λ_０＝１．５５μｍにおけるＴＥ偏波の基本モードの等価屈折率Ｎ_ＴＥ０、ＴＥ偏波の１次モードの等価屈折率Ｎ_ＴＥ１、ＴＭ偏波の基本モードの等価屈折率Ｎ_ＴＭ０、及びＴＭ偏波の１次モードの等価屈折率Ｎ_ＴＭ１を確認した。そして、これらの等価屈折率を用いて、上式（２）からグレーティング４０の周期Λ＝０．３６８μｍを算出した。また、Λ＝０．３６８μｍのとき、上式（３）及び（４）において、右辺と左辺とが一致しないことを確認した。

【0083】

このように設計したグレーティング４０について、３次元ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）法を用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、モード変換及び偏波変換されずにグレーティング４０を透過する基本モードのＴＥ偏波及びＴＭ偏波の各強度を観測した。また、グレーティング４０において、基本モードのＴＥ偏波からモード変換及び偏波変換されて反射される、１次モードのＴＭ偏波の各強度を観測した。

【0084】

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におけるモード変換及び偏波変換の特性評価の結果を示す図である。図７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。なお、曲線７０１は、モード変換及び偏波変換されずにグレーティング４０を透過する基本モードのＴＥ偏波の強度を示す。また、曲線７０３は、グレーティング４０において、基本モードのＴＥ偏波からモード変換及び偏波変換されて反射される、１次モードのＴＭ偏波の強度を示す。また、曲線７０５は、モード変換及び偏波変換されずにグレーティング４０を透過する基本モードのＴＭ偏波の強度を示す。

【0085】

図７に示すように、曲線７０１と曲線７０３とを比較すると、波長１．５５μｍ付近の帯域において、入力される基本モードのＴＥ偏波が１次モードのＴＭ偏波に変換されて反射されることがわかる。また、曲線７０５から、入力される基本モードのＴＭ偏波は、モード変換及び偏波変換されずにグレーティング４０を透過することがわかる。この結果から、グレーティング４０が、偏波分離機能及び偏波回転機能を有することが確認された。

【0086】

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。

【0087】

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、幅Ｗ２を、基本モード及び１次モードのＴＭ偏波、並びに基本モードのＴＥ偏波を伝播可能な伝播定数に対応して設定する。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Ｗ３及び他端５１ｂの幅Ｗ４を、それぞれ基本モードのＴＭ偏波を伝播可能な伝播定数に対応して設定する。そして、上式（７）及び（８）に示す等価屈折率の関係を満たすように、多モード導波路部３１の幅Ｗ２、並びに結合部５１の一端５１ａの幅Ｗ３及び他端５１ｂの幅Ｗ４の幅を設定する。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。

【0088】

まず、基本モード及び１次モードのＴＭ偏波、並びに基本モードのＴＥ偏波が伝播可能な多モード導波路部３１として、幅Ｗ２を０．６μｍに決定した。

【0089】

このような設計の多モード導波路部３１に対し、上式（７）及び（８）を満たす結合部５１として、一端５１ａの幅Ｗ３を０．３２μｍ及び他端５１ｂの幅Ｗ４を０．１μｍに決定した。また、結合部５１の長さ（すなわち多モード導波路部３１と結合部５１との結合長）Ｌ１を１２０μｍとした。

【0090】

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ＴＭ偏波と結合部５１を伝播する基本モードのＴＭ偏波との結合効率は、−０．３ｄＢ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にほぼ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。

【0091】

〈第２の実施の形態〉
図８を参照して、この発明の第２の実施の形態による光導波路素子について説明する。図８（Ａ）は、第２の実施の形態による光導波路素子の第１の構成例を、光の伝播方向に直交する面で切り取った切り口を示す端面図である。図８（Ｂ）は、第２の実施の形態による光導波路素子の第２の構成例を、光の伝播方向に直交する面で切り取った切り口を示す端面図である。なお、これら図８（Ａ）及び（Ｂ）は、上述した第１の実施の形態における図１（Ｂ）に対応する端面を示している。

【0092】

第２の実施の形態と上述した第１の実施の形態とは、第１光導波路コアの、光の伝播方向に直交する断面形状が相違する。その他の構成については、第１の実施の形態と同様であるため、共通する構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

【0093】

まず、図８（Ａ）を参照して、第１の構成例について説明する。

【0094】

第１の構成例では、第１光導波路コア３０の下面３０ａの幅と上面３０ｂの幅とが異なる寸法に設定される。図８（Ａ）では、下面３０ａの幅が上面３０ｂの幅よりも大きく設定された第１光導波路コア３０を示している。そして、第１の構成例では、第１光導波路コア３０の、光の伝播方向に直交する断面形状を、下面３０ａを下底とし及び上面３０ｂを上底とした台形状としている。

【0095】

その結果、第１光導波路コア３０の上部と下部とで屈折率が異なる。そのため、第１光導波路コア３０では、伝播する光の厚さ方向の電磁界分布が、第１光導波路コア３０の中心に対して対称でなくなる。すなわち、光の電磁界分布は、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア５０の中心から下側又は上側に偏芯する。このような状態で、第１光導波路コア３０を光が伝播する。

【0096】

次に、図８（Ｂ）を参照して、第２の構成例について説明する。

【0097】

第２の構成例では、第１光導波路コア３０が、互いに幅の異なる、下部第１光導波路コア１３０と、下部第１光導波路コア１３０上に形成された上部第１光導波路コア２３０とを含む。図８（Ｂ）では、下部第１光導波路コア１３０の幅が上部第１光導波路コア２３０の幅よりも大きく設定された第１光導波路コア３０を示している。従って、第１光導波路コア３０の下面３０ａの幅と上面３０ｂの幅とが異なる寸法に設定される。

【0098】

その結果、第１光導波路コア３０の上部と下部とで屈折率が異なる。そのため、第１光導波路コア３０では、伝播する光の厚さ方向の電磁界分布が、第１光導波路コア３０の中心に対して対称でなくなる。すなわち、光の電磁界分布は、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア５０の中心から下側又は上側に偏芯する。このような状態で、第１光導波路コア３０を光が伝播する。

【0099】

図８（Ａ）又は（Ｂ）に示すような第１光導波路コア３０では、上式（９）〜（１１）が全て成立する、又は上式（１２）〜（１４）が全て成立するグレーティング４０において、入力されるｋ次モードの一方の偏波をｈ次モードの他方の偏波に変換してブラッグ反射し、かつ入力される他方の偏波を透過させることができる。

【0100】

なお、この実施の形態では、第１光導波路コア３０全体において、下面３０ａの幅と上面３０ｂの幅とを異なる寸法に設定する構成を示している。しかし、光の電磁界分布を偏芯させる構成は、少なくともブラッグ反射部３３のグレーティング４０が形成される領域に形成されていればよい。従って、グレーティング４０が形成される領域のみで、図８（Ａ）又は（Ｂ）に示すように、第１光導波路コア３０の下面３０ａの幅と上面３０ｂの幅とを異なる寸法に設定する構成とすることもできる。

【0101】

また、第２の実施の形態では、第１光導波路コア３０の断面形状によって光を偏芯させるため、下部クラッド層２０及び上部クラッド層７０を同じ材料で構成することができる。さらに、第２の実施の形態及び第１の実施の形態を組み合わせ、第１光導波路コア３０の下面３０ａの幅と上面３０ｂの幅とを異なる寸法に設定し、かつ下部クラッド層２０と上部クラッド層７０とを異なる屈折率を有する材料で形成することもできる。

【符号の説明】

【0102】

１０：支持基板
２０：下部クラッド層
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
７０：上部クラッド層
１００：光導波路素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】