特許 6476265 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(B1)

(11)【特許番号】6476265

(24)【登録日】2019年2月8日

(45)【発行日】2019年2月27日

(54)【発明の名称】光導波路素子

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/124 20060101AFI20190218BHJP

   G02B 6/126 20060101ALI20190218BHJP

   G02B 6/14 20060101ALI20190218BHJP

【ＦＩ】

   G02B6/124

   G02B6/126

   G02B6/14

【請求項の数】2

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2017-214785(P2017-214785)

(22)【出願日】2017年11月7日

【審査請求日】2017年11月7日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２５年度国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「超低消費電力型光エレクトロニクス実装システム技術開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願）

(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

(73)【特許権者】

【識別番号】513065077

【氏名又は名称】技術研究組合光電子融合基盤技術研究所

(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】岡山 秀彰

【審査官】 奥村 政人

(56)【参考文献】

【文献】 中国特許出願公開第１０４９５０３９３（ＣＮ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−０４４７８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１５６５１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１７００５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０２４２９８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ６／１２− ６／１４

Ｇ０２Ｂ ６／２７− ６／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

支持基板と、
シリコンを材料として形成された光導波路コアと、
前記支持基板上に設けられ、前記光導波路コアを包含するクラッドと
を備え、
前記光導波路コアは、
グレーティングが形成されたリブ導波路部と、
前記リブ導波路部よりも小さい厚さで、かつ、前記リブ導波路部の光伝播方向に沿った両側面に、それぞれ前記リブ導波路部と一体に形成されたテラス導波路部と
を備え、
前記リブ導波路の、当該リブ導波路部の下側に設けられた前記クラッドとの接触面から、当該リブ導波路部の上側に設けられた前記クラッドとの接触面までの距離である、当該リブ導波路部の厚さは２００ｎｍより大きく３００ｎｍより小さく、
（ａ）
前記グレーティングは、ｋ次モード（ｋは０以上の整数）のＴＥ偏波とｈ次モードのＴＭ偏波との回折波長をλ_０、回折波長λ_０でのｋ次モードのＴＥ偏波の等価屈折率をＮ_ＴＥｋ（λ_０）、回折波長λ_０でのｈ次モード（ｈは０以上の整数）のＴＭ偏波の等価屈折率をＮ_ＴＭｈ（λ_０）、グレーティング周期をΛとしたとき、（Ｎ_ＴＥｋ（λ_０）＋Ｎ_ＴＭｈ（λ_０））Λ＝λ_０を満足する設計で形成されて、ｋ次モードのＴＥ偏波を、ｈ次モードのＴＭ偏波に変換してブラッグ反射させ、かつ、ｐ次モード（ｐはｈとは異なる０以上の整数）のＴＭ偏波を透過させ、
前記リブ導波路部の厚さ及び幅は、前記ｋ次モードのＴＥ偏波の、前記ｈ次モードのＴＭ偏波への回折波長λ_０が、前記ｈ次モードのＴＭ偏波の前記ｐ次モードのＴＭ偏波への回折波長λ_１よりも長波長となる設計で形成され、
又は、
（ｂ）
前記グレーティングは、ｋ次モードのＴＭ偏波とｈ次モードのＴＥ偏波との回折波長をλ_０、回折波長λ_０でのｋ次モードのＴＭ偏波の等価屈折率をＮ_ＴＭｋ（λ_０）、回折波長λ_０でのｈ次モードのＴＥ偏波の等価屈折率をＮ_ＴＥｈ（λ_０）、グレーティング周期をΛとしたとき、（Ｎ_ＴＭｋ（λ_０）＋Ｎ_ＴＥｈ（λ_０））Λ＝λ_０を満足する設計で形成されて、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させ、かつ、ｐ次モードのＴＥ偏波を透過させ、
前記リブ導波路部の厚さ及び幅は、前記ｋ次モードのＴＭ偏波の、前記ｈ次モードのＴＥ偏波への回折波長λ_０が、前記ｈ次モードのＴＥ偏波の前記ｐ次モードのＴＥ偏波への回折波長λ_１よりも長波長となる設計で形成されていることを特徴とする光導波路素子。

【請求項2】

前記（ａ）の場合は、回折波長λ_１でのｐ次モードのＴＭ偏波の等価屈折率をＮ_ＴＭｐ（λ_１）として、Ｎ_ＴＥｋ（λ_０）＞Ｎ_ＴＭｐ（λ_１）を満足する設計で形成され、
前記（ｂ）の場合は、回折波長λ_１でのｐ次モードのＴＥ偏波の等価屈折率をＮ_ＴＥｐ（λ_１）として、Ｎ_ＴＭｋ（λ_０）＞Ｎ_ＴＥｐ（λ_１）を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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、光導波路素子、例えば、偏波無依存性が要求される波長多重又は波長分離に用いられる光導波路素子に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、加入者系光アクセスシステムとして、受動光ネットワーク（ＰＯＮ：Ｐａｓｓｉｖｅ Ｏｐｔｃｉａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ）が主流となっている。ＰＯＮでは、１つの局側装置（ＯＬＴ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｉｎｅ Ｔｅｒｍｉｎａｌ）と複数の加入者側装置（ＯＮＵ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｕｎｉｔ）が、光ファイバ及びスターカプラを介して接続されていて、１つのＯＬＴを複数のＯＮＵが共有する。ＰＯＮでは、ＯＬＴからＯＮＵへ向けた下り通信とＯＮＵからＯＬＴに向けた上り通信とが相互に干渉し合わないように、下り通信に使われる光信号波長と上り通信に使われる光信号波長とを違えている。

【0003】

従って、下り通信と上り通信のそれぞれに使われる互いに波長の異なる光信号を分波し、かつ合波するために合分波素子が必要である。一般に、ＯＬＴやＯＮＵは、波長の異なる光信号を送受信する機能を実現させるために、合分波素子としての光波長フィルタ、フォトダイオード（ＰＤ：Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）、レーザーダイオード（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）を空間結合して構成される。

【0004】

空間結合させるためには、光波長フィルタ、ＰＤ、ＬＤ間で光軸を合わせるためのアライメント作業が必要となる。これに対し、この光軸合わせのための作業を不要とするため、導波路を利用して構成される光波長フィルタが開発されている。また、この光波長フィルタを形成するに当たり、小型化と量産性に優れることから、シリコン系素材を導波路材料として用いるシリコン（Ｓｉ）導波路が注目されている(例えば、特許文献１〜５参照)。

【0005】

Ｓｉ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１μｍ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。

【0006】

また、Ｓｉ導波路では、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の半導体装置の製造過程を流用することが可能である。そのため、チップ上に電子機能回路と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。

【0007】

ところで、波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ）方式を利用したＰＯＮでは、ＯＮＵごとに異なる受信波長が割り当てられる。ＯＬＴは、各ＯＮＵへの下り光信号を、送り先の受信波長に対応した送信波長でそれぞれ生成し、これらを多重して送信する。各ＯＮＵは、複数の波長で多重された下り光信号から、自身に割り当てられた受信波長の光信号を選択的に受信する。ＯＮＵでは、各々の受信波長の下り光信号を選択的に受信するために、波長フィルタが使用される。そして、波長フィルタを、上述したＳｉ導波路によって構成する技術が実現されている。

【0008】

Ｓｉ導波路を用いる波長フィルタとしては、例えば、マッハツェンダー干渉器を用いたものやアレイ導波路グレーティングを用いたものがある。また、Ｓｉ導波路を用いる波長フィルタとして、リング共振器（例えば特許文献６〜８参照）や、グレーティング型（例えば特許文献９参照）又は方向性結合器型（例えば特許文献１０参照）の波長フィルタがある。これらの波長フィルタは、出力波長を可変にでき、素子構造が簡単であるため使いやすいという利点がある。

【0009】

この中で、リング共振器は、シャープな複数の、いわゆる他峰性の波長ピークが得られるので、この種の素子の中で多く使用されている。グレーティング型や方向性結合器型の素子は、単一波長の、いわゆる単峰性の波長ピークが得られる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】米国特許第４，８６０，２９４号明細書

【特許文献2】米国特許第５，７６４，８２６号明細書

【特許文献3】米国特許第５，９６０，１３５号明細書

【特許文献4】米国特許第７，０７２，５４１号明細書

【特許文献5】特開平０８−１６３０２８号公報

【特許文献6】特開２００３−２１５５１５号公報

【特許文献7】特開２０１３−０９３６２７号公報

【特許文献8】特開２００６−２７８７７０号公報

【特許文献9】特開２００６−３３０１０４号公報

【特許文献10】特開２００２−３５３５５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

光通信では、信号光が光ファイバ中の長距離を伝播するために、偏波状態が不特定になる。このため、光通信で使用する、波長多重又は波長分離を行う波長フィルタには偏波無依存性が要求される。

【0012】

上述した波長フィルタの中で、偏波変換を行うグレーティング型の素子を用いると、偏波無依存性が実現される。

【0013】

しかしながら、グレーティング型の素子における、偏波変換の効率は一般には低い。

【0014】

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、偏波変換効率が高い、グレーティング型の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】

【0015】

上述した目的を達成するために、この発明の光導波路素子は、支持基板と、光導波路コアと、クラッドとを備えて構成される。光導波路コアは、シリコンを材料として形成されている。クラッドは、支持基板上に設けられ、光導波路コアを包含する。

【0016】

光導波路コアは、リブ導波路部と、テラス導波路部とを備えている。リブ導波路部には、グレーティングが形成されている。また、テラス導波路部は、リブ導波路部よりも小さい厚さで、かつ、リブ導波路部の光伝播方向に沿った両側面に、それぞれリブ導波路部と一体に形成されている。ここで、リブ導波路の、当該リブ導波路部の下側に設けられたクラッドとの接触面から、当該リブ導波路部の上側に設けられたクラッドとの接触面までの距離である、リブ導波路部の厚さは２００ｎｍより大きく３００ｎｍより小さい。

【0017】

この光導波路素子は、ｋ次モード（ｋは０以上の整数）の、ＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｏｒｉｃ）偏波及びＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇａｎｅｔｉｃ）偏波のいずれか一方の偏波を、ｈ次モード（ｈは０以上の整数）の他方の偏波に変換してブラッグ反射させ、かつ、ｐ次モード（ｐはｈとは異なる０以上の整数）の他方の偏波を透過させる。

【0018】

上述した光導波路素子の実施にあたり、好ましくは、グレーティングが、ｋ次モードのＴＥ偏波とｈ次モードのＴＭ偏波との回折波長をλ_０、回折波長λ_０でのｋ次モードのＴＥ偏波の等価屈折率をＮ_ＴＥｋ（λ_０）、回折波長λ_０でのｈ次モードのＴＭ偏波の等価屈折率をＮ_ＴＭｈ（λ_０）、グレーティング周期をΛとしたとき、（Ｎ_ＴＥｋ（λ_０）＋Ｎ_ＴＭｈ（λ_０））Λ＝λ_０を満足する設計で形成されて、ｋ次モードのＴＥ偏波を、ｈ次モードのＴＭ偏波に変換してブラッグ反射させ、かつ、ｐ次モードのＴＭ偏波を透過させる。また、リブ導波路部の厚さ及び幅は、ｋ次モードのＴＥ偏波の、ｈ次モードのＴＭ偏波への回折波長λ_０が、ｈ次モードのＴＭ偏波のｐ次モードのＴＭ偏波への回折波長λ_１よりも長波長となる設計で形成される。

【0019】

また、他の好適例によれば、グレーティングが、ｋ次モードのＴＭ偏波とｈ次モードのＴＥ偏波との回折波長をλ_０、回折波長λ_０でのｋ次モードのＴＭ偏波の等価屈折率をＮ_ＴＭｋ（λ_０）、回折波長λ_０でのｈ次モードのＴＥ偏波の等価屈折率をＮ_ＴＥｈ（λ_０）、グレーティング周期をΛとしたとき、（Ｎ_ＴＭｋ（λ_０）＋Ｎ_ＴＥｈ（λ_０））Λ＝λ_０を満足する設計で形成されて、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させ、かつ、ｐ次モードのＴＥ偏波を透過させる。また、リブ導波路部の厚さ及び幅は、ｋ次モードのＴＭ偏波の、ｈ次モードのＴＥ偏波への回折波長λ_０が、ｈ次モードのＴＥ偏波のｐ次モードのＴＥ偏波への回折波長λ_１よりも長波長となる設計で形成される。

【発明の効果】

【0020】

この発明の光導波路素子によれば、光導波路コアがリブ導波路部並びにテラス導波路部を含むことによって、光導波路コアを伝播する光の電界分布は厚さ方向で偏心し、上下で非対称となる。この結果、光導波路コア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。

【0021】

また、後述するように、光導波路コアの厚さを２００ｎｍより大きく３００ｎｍより小さくすることで、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波間の結合係数を高くし、偏波変換効率を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】光導波路素子を説明するための模式図である。

【図2】光導波路素子に、基本モードのＴＥ偏波を入力した場合における、透過光及び反射光の光強度を示す図である。

【図3】結合係数（１／μｍ）及び所望の回折波長と不要の回折波長との波長差（μｍ）と、導波路厚（ｎｍ）との関係を示す図（１）である。

【図4】結合係数（１／μｍ）及び所望の回折波長と不要の回折波長との波長差（μｍ）と、導波路厚（ｎｍ）との関係を示す図（２）である。

【図5】結合係数（１／μｍ）及び所望の回折波長と不要の回折波長との波長差（μｍ）と、テラス全幅（ｎｍ）との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

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。

【0024】

（構成）
図１を参照して、この発明の光導波路素子の実施形態を説明する。図１は、光導波路素子を説明するための模式図である。図１（Ａ）は、光導波路素子を示す概略平面図である。また、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す構造体をＩ−Ｉ線で切り取った概略的端面図である。なお、図１（Ａ）では、後述する支持基板及びクラッドを省略して示してある。

【0025】

なお、以下の説明では、各構成要素について、光伝播方向に沿った方向を長さ方向とする。また、支持基板の厚さに沿った方向を厚さ方向とする。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。

【0026】

光導波路素子は、支持基板１０とクラッド２０と光導波路コア３０とを備えて構成されている。

【0027】

支持基板１０は、例えば単結晶Ｓｉを材料とした平板状体で構成されている。

【0028】

クラッド２０は、支持基板１０上に設けられている。クラッド２０は、支持基板１０の上面を被覆し、かつ、光導波路コア３０を包含して形成されている。クラッド２０は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を材料として形成されている。

【0029】

光導波路コア３０は、クラッド２０よりも高い屈折率を有する例えばシリコン（Ｓｉ）を材料として形成されている。その結果、光導波路コア３０は、光の伝送路として機能し、光導波路コア３０に入力された光は、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。

【0030】

ここで、光導波路コア３０を伝播する光が支持基板１０へ逃げるのを防止するために、光導波路コア３０は、支持基板１０から少なくとも１μｍ以上離間して形成されているのが好ましい。

【0031】

光導波路コア３０は、リブ導波路部３２と、テラス導波路部３８とを備えている。

【0032】

リブ導波路部３２には、グレーティングが形成されている。リブ導波路部３２は、基部３４と突出部３６ａ及び３６ｂとを一体的に含んで構成されている。基部３４は、一定の幅で、光の伝播方向に沿って延在して形成されていて、いわゆるグレーティングを構成する。突出部３６ａ及び３６ｂは、基部３４の両側面に、同じ周期Λで、周期的に複数形成されている。

【0033】

基部３４の一方の側面に形成された突出部３６ａと、他方の側面に形成された突出部３６ｂとが、半周期（すなわちΛ／２）ずらして配置されている。すなわち、長手方向のある位置について、一方の側面に突出部３６ａが配置されているとき、他方の側面に突出部３６ｂが配置されておらず、一方の側面に突出部３６ａが配置されていないとき、他方の側面に突出部３６ｂが配置されている。

【0034】

この場合には、光導波路コアを伝播する光の電界分布が幅方向で偏心する。この結果、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の間でモード変換及び偏波変換が可能となる。グレーティングによる位相整合条件は、ブラッグ波長をλ_０、グレーティング周期をΛ、ＴＥ偏波のｋ次モード（ｋは０以上の整数）の等価屈折率をＮ_ＴＥｋ、ＴＭ偏波のｈ次モード（ｈは０以上の整数）の等価屈折率をＮ_ＴＭｈ、ＴＭ偏波のｋ次モードの等価屈折率をＮ_ＴＭｋ、ＴＥ偏波のｈ次モードの等価屈折率をＮ_ＴＥｈとして、以下の式（１）又は式（２）で表すことができる。

【0035】

（Ｎ_ＴＥｋ＋Ｎ_ＴＭｈ）Λ＝λ_０ （１）
（Ｎ_ＴＭｋ＋Ｎ_ＴＥｈ）Λ＝λ_０ （２）
上記式（１）又は式（２）を満足する設計にすれば、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を、ｈ次モード（ｈは０以上の整数）の他方の偏波に変換してブラッグ反射させることができる。

【0036】

例えば、ｋ＝０及びｈ＝０、すなわち、基本モードのＴＭ偏波と、基本モードのＴＥ偏波の間で偏波変換が行われる場合、ｐ次モード（ｐはｈとは異なる０以上の整数）の他方の偏波、例えば、１次モードのＴＥ偏波は、この光導波路素子を透過する。

【0037】

この光導波路素子では、リブ導波路部３２の、基部３４と、突出部３６ａ及び３６ｂとは、同じ厚さで形成されている。光の伝播方向に隣り合う突出部の間のグレーティング溝４０の底部には、Ｓｉの部分がある。リブ導波路部３２の基部３４と突出部３６ａ及び３６ｂは、同じ厚さのＳｉで形成され、グレーティング溝４０の部分は、リブ導波路部３２の基部３４と突出部３６ａ及び３６ｂより小さい厚さのＳｉで形成されている。

【0038】

この結果、光導波路コアを伝播する光の電界分布は厚さ方向で偏心し、上下で非対称となる。これにより、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の間での偏波変換が効率良く達成される。

【0039】

この光導波路素子では、さらに、リブ導波路部３２の光伝播方向に沿った両側面に、テラス導波路部３８が設けられている。テラス導波路部３８は、グレーティング溝４０のＳｉと同じ厚さで、グレーティング溝４０のＳｉの部分を幅方向に延長して設けられている。すなわち、テラス導波路部３８は、リブ導波路部３２よりも小さい厚さで、かつ、リブ導波路部３２の光伝播方向に沿った両側面に、それぞれリブ導波路部３２と一体に形成されている。

【0040】

後述するように、リブ導波路部３２の基部３４と突出部３６ａ及び３６ｂの厚さ（導波路厚）を２００ｎｍより大きく３００ｎｍより小さくし、さらにテラス導波路部３８を設けることにより、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波間の結合係数を高くし、偏波変換効率を高めることができる。

【0041】

（製造方法）
この光導波路素子は、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。以下、光導波路素子の製造方法の一例を説明する。

【0042】

先ず、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、例えばドライエッチングを２段階で行い、Ｓｉ層をパターニングすることによって、厚みの大きいリブ導波路部の基部及び突出部と、厚みの小さいグレーティング溝の部分及びテラス導波路部を形成する。この結果、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層上に光導波路コア３０が形成された構造体を得ることができる。

【0043】

次に、例えばＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて、ＳｉＯ_２層上に、ＳｉＯ_２を、光導波路コア３０を被覆して形成する。その結果、クラッド２０によって光導波路コア３０が包含され、光導波路素子が得られる。

【0044】

（特性評価）
図２〜図５を参照して、ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）を用いて行った、光導波路素子の特性を評価するシミュレーションを説明する。

【0045】

図２は、光導波路素子に、基本モードのＴＥ偏波を入力した場合における、透過光及び反射光の光強度を示す図である。図２では、横軸に波長(ｎｍ)を取って示し、縦軸に光強度（ｄＢ）を取って示している。図２中、曲線Ｉは、透過光を示し、曲線ＩＩは反射光を示している。

【0046】

ここで用いた光導波路素子は、リブ導波路部の基部及び突出部の厚さ（導波路厚）が３００ｎｍ、リブ導波路部の基部の幅（以下、導波路幅）が５５０ｎｍである。突出部の長さは１２５ｎｍであり、グレーティング溝は、光導波路コアの上面から８０ｎｍ彫り込んで形成している。すなわち、グレーティング溝の部分のＳｉの厚さは２２０ｎｍである。グレーティング周期Λは３００ｎｍとし、光導波路素子の長さは１００μｍとしている。なお、このシミュレーションで用いた光導波路素子はテラス導波路部を備えていない。

【0047】

図２中、波長１５００ｎｍ付近の反射ピーク及び透過ディップが、基本モードのＴＥ偏波と基本モードのＴＭ偏波の間の回折に対応する。この所望の回折の他に、波長１４００ｎｍ付近に、不要な、波長ピーク及び透過ディップがみられる。これは、ＴＥ偏波の、基本モードと１次モードの間の回折に対応する。実用上は、所望の回折波長と、不要な回折波長とができるだけ離れていることが必要である。互いに影響を与えないためには、回折波長が５０ｎｍ以上離れていることが好ましい。

【0048】

基本モードのＴＥ偏波と、基本モードのＴＭ偏波との回折波長λ_０は、以下の式（３）で与えられる。

【0049】

２π／Λ＝２π［Ｎ_ＴＥ０（λ_０）＋Ｎ_ＴＭ０（λ_０）］／λ_０ （３）
一方、ＴＥ偏波の基本モードと１次モードの回折波長λ_１は、以下の式（４）で与えられる。

【0050】

２π／Λ＝２π［Ｎ_ＴＥ０（λ_１）＋Ｎ_ＴＥ１（λ_１）］／λ_１ （４）
上記式（３）及び式（４）より、以下の式（５）が得られる。

【0051】

λ_０−λ_１＝［Ｎ_ＴＭ０（λ_０）−Ｎ_ＴＥ１（λ_１）］（１−ｄＮ_ＴＥ０（λ_０）／ｄλ） （５）
上記式（５）によれば、Ｎ_ＴＭ０（λ_０）−Ｎ_ＴＥ１（λ_１）の符号により、不要な回折波長λ_１が所望の回折波長λ_０の短波長側にあるか長波長側にあるかが決定される。

【0052】

導波路幅が広いほど、ＴＥ偏波に対する屈折率Ｎ_ＴＥ１（λ_１）が大きくなる。これに対し、ＴＭ偏波に対する屈折率Ｎ_ＴＭ０（λ_０）は、導波路幅による変化は小さい。従って、導波路幅が広くなるにつれて、不要な回折波長λ_１が長くなり、所望の回折波長λ_０に近づく。

【0053】

一方、導波路の厚さが厚いほどＴＭ偏波に対する屈折率Ｎ_ＴＭ０（λ_０）が大きくなる。これに対し、ＴＥ偏波に対する屈折率Ｎ_ＴＥ１（λ_１）は、導波路の厚さによる変化は小さい。従って、導波路の厚さが大きくなるにつれて、所望の回折波長λ_０が長くなり、不要な回折波長λ_１から離れる。

【0054】

図３及び図４は、結合係数（１／μｍ）及び所望の回折波長と不要の回折波長との波長差（μｍ）と、導波路厚（ｎｍ）との関係を示す図である。

【0055】

図３及び図４では、横軸に導波路の厚さ（ｎｍ）を取って示し、縦軸に結合係数(１／μｍ)及び所望の回折波長と不要の回折波長との波長差（μｍ）を取って示している。

【0056】

図３では、曲線Ｉ、ＩＩ及びＩＩＩは、それぞれ、テラス幅（図１（Ａ）参照）が０ｎｍ、２５ｎｍ及び７５ｎｍのときの結合係数を示している。また、曲線ＩＶ、Ｖ及びＶＩは、それぞれ、テラス幅が０ｎｍ、２５ｎｍ及び７５ｎｍのときの波長差を示している。ここでは、テラス全幅（図１（Ａ）参照）を６００ｎｍとしている。従って、テラス幅が０ｎｍ、２５ｎｍ及び７５ｎｍのときの導波路幅は、それぞれ、６００ｎｍ、５５０ｎｍ及び４５０ｎｍになる。

【0057】

図３の曲線Ｉ、ＩＩ及びＩＩＩに示されるように、テラス幅が広いほど結合係数が大きくなる。テラス幅７５ｎｍのときの結合係数の最大値は、導波路の厚さが２５０ｎｍ程度のところに存在している。

【0058】

また、図３の曲線ＩＶ、Ｖ及びＶＩに示されるように、導波路の厚さが大きくなるにつれて、所望の回折波長と不要の回折波長との波長差が大きくなる。

【0059】

図４では、曲線Ｉ及びＩＩは、それぞれ、テラス幅が０ｎｍ及び２５ｎｍのときの結合係数を示している。また、曲線ＩＩＩ及びＩＶは、それぞれ、テラス幅が０ｎｍ及び２５ｎｍのときの波長差を示している。ここでは、テラス全幅を４５０ｎｍとしている。従って、テラス幅が０ｎｍ及び２５ｎｍのときの導波路幅は、それぞれ、４５０ｎｍ及び４００ｎｍになる。

【0060】

図４においても、曲線Ｉ及びＩＩに示されるように、テラス導波路部を有する方が結合係数が大きくなる。テラス幅２５ｎｍのときの結合係数の最大値は、導波路の厚さが２５０ｎｍ程度のところに存在している。

【0061】

また、曲線ＩＩＩ及びＩＶに示されるように、導波路の厚さが大きくなるにつれて、所望の回折波長と不要の回折波長との波長差が大きくなる。

【0062】

図５は、結合係数（１／μｍ）及び所望の回折波長と不要の回折波長との波長差（μｍ）と、テラス全幅との関係を示す図である。図５では、横軸にテラス全幅（ｎｍ）を取って示し、縦軸に結合係数(１／μｍ)及び所望の回折波長と不要の回折波長との波長差（μｍ）を取って示している。

【0063】

図５では、曲線Ｉ及びＩＩは、それぞれ、結合係数及び波長差を示している。ここでは、導波路の厚さを３００ｎｍとし、導波路幅を５５０ｎｍとしている。

【0064】

テラス幅を大きくすると、結合係数は大きくなり、波長差は小さくなる。テラス全幅９００ｎｍ（テラス幅１７５ｎｍ）のとき、結合係数は最大となるが、このときの波長差は０である。すなわち、所望の回折波長と不要な回折波長とが重なってしまう。さらに、テラス幅を広げると、結合係数は急激に低下する。

【0065】

図３〜図５に示されるように、導波路の厚さが、シングルモード条件を満たす、すなわち、２００ｎｍより大きく３００ｎｍより小さいとき、テラス導波路部を設けることで、結合係数が増大することが理解される。

【0066】

導波路幅は、少なくとも４５０ｎｍ及び５５０ｎｍで有効なことが確かめられているが、作成誤差を考慮すると５５０ｎｍの方が有利である。また、導波路幅４５０ｎｍの場合、導波路厚が２５０ｎｍのとき結合係数が最大となる。

【0067】

図３及び図４に示す条件では、主要な回折波長が、不要な回折波長よりも長波長になっている。このため、導波路厚が２５０ｎｍより小さくなると、波長差が小さくなり、また、導波路厚が２５０ｎｍより大きくなると、波長差が大きくなる。また、結合係数は、導波路厚が２５０ｎｍより大きくなると、減少傾向になる。従って、導波路厚は２５０ｎｍを含む範囲、例えば、２２０ｎｍ〜２６０ｎｍであるのがより好適である。

【0068】

この発明の光導波路素子によれば、光導波路コアがリブ導波路部並びにテラス導波路部を含むことによって、光導波路コアを伝播する光の電界分布は厚さ方向で偏心し、上下で非対称となる。この結果、光導波路コア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。

【0069】

また、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波間の結合係数を高くし、偏波変換効率を高めることができる。

【符号の説明】

【0070】

１０ 支持基板
２０ クラッド
３０ 光導波路コア
３２ リブ導波路部
３４ 基部
３６ａ、３６ｂ 突出部
３８ テラス導波路部
４０ グレーティング溝

【要約】

【課題】偏波変換効率が高い、グレーティング型の光導波路素子を提供する。
【解決手段】支持基板と、光導波路コアと、クラッドとを備えて構成される。光導波路コアは、シリコンを材料として形成されていて、厚さが２００ｎｍより大きく３００ｎｍより小さい。クラッドは、支持基板上に設けられ、光導波路コアを包含する。光導波路コアは、リブ導波路部と、テラス導波路部とを備えている。リブ導波路部には、グレーティングが形成されている。また、テラス導波路部は、リブ導波路部よりも小さい厚さで、かつ、リブ導波路部の光伝播方向に沿った両側面に、それぞれリブ導波路部と一体に形成されている。この光導波路素子は、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を、ｈ次モード（ｈは０以上の整数）の他方の偏波に変換してブラッグ反射させ、かつ、ｐ次モード（ｐはｈとは異なる０以上の整数）の他方の偏波を透過させる。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】