特開 2022-101906 光導波路素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022101906

(43)【公開日】2022-07-07

(54)【発明の名称】光導波路素子

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/126 20060101AFI20220630BHJP

   G02B 6/122 20060101ALI20220630BHJP

【ＦＩ】

G02B6/126

G02B6/122 311

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020216281

(22)【出願日】2020-12-25

(71)【出願人】

【識別番号】309015134

【氏名又は名称】富士通オプティカルコンポーネンツ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100121083

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 宏義

(74)【代理人】

【識別番号】100138391

【弁理士】

【氏名又は名称】天田 昌行

(74)【代理人】

【識別番号】100074099

【弁理士】

【氏名又は名称】大菅 義之

(72)【発明者】

【氏名】岡 徹

【テーマコード（参考）】

2H147

【Ｆターム（参考）】

2H147AB04

2H147AB21

2H147BA02

2H147BA05

2H147BB02

2H147BB07

2H147BB09

2H147BD01

2H147BE18

2H147BE19

2H147BE20

2H147CA18

2H147CD02

2H147EA12A

2H147EA12B

2H147EA13A

2H147EA14A

2H147EA14B

(57)【要約】      （修正有）

【課題】モード変換を行う光導波路素子の特性を広い波長帯域にわたって安定させる。
【解決手段】光導波路素子１は、第１および第２の導波路ＷＧ１、ＷＧ２を備える。第１の導波路ＷＧ１は、リブ部１１および導波路ＷＧ１と導波路ＷＧ２との間の領域に形成されるスラブ部１２を備える。第２の導波路ＷＧ２は、リブ部２１およびリブ部２１の両側に形成されるスラブ部２２、２３を備える。スラブ部１２、２２は一体的に形成される。リブ部１１またはリブ部２１の少なくとも一方は、光導波路素子１の入力端と出力端との間の領域において、断面の形状が連続的に変化する。光導波路素子１の一方の端部では、第１の導波路ＷＧ１におけるＴＥｉモードの実効屈折率を表す第１の実効屈折率が第２の導波路ＷＧ２におけるＴＥｊモードの実効屈折率を表す第２の実効屈折率より大きい。光導波路素子１の他方の端部では、第１の実効屈折率が第２の実効屈折率より小さい。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

互いに平行に形成された第１の導波路および第２の導波路を備える光導波路素子であって、
前記第１の導波路は、第１のリブ部および前記第１の導波路と前記第２の導波路との間の領域に形成される第１のスラブ部を備え、
前記第２の導波路は、第２のリブ部および前記第２のリブ部の両側に形成される第２のスラブ部および第３のスラブ部を備え、
前記第１のスラブ部および前記第２のスラブ部は一体的に形成され、
前記第１のリブ部または前記第２のリブ部の少なくとも一方は、前記光導波路素子の入力端と出力端との間の領域において、断面の形状が連続的に変化し、
前記光導波路素子の一方の端部では、前記第１の導波路におけるＴＥｉモードの実効屈折率を表す第１の実効屈折率と前記第２の導波路におけるＴＥｊモードの実効屈折率を表す第２の実効屈折率とが互いに異なり（ｉおよびｊは、互いに異なるゼロ以上の整数）、
前記光導波路素子の一方の端部において前記第１の実効屈折率が前記第２の実効屈折率より大きいときは、前記光導波路素子の他方の端部において前記第１の実効屈折率が前記第２の実効屈折率より小さく、前記一方の端部において前記第１の実効屈折率が前記第２の実効屈折率より小さいときは、前記他方の端部において前記第１の実効屈折率が前記第２の実効屈折率より大きい
ことを特徴とする光導波路素子。

【請求項2】

前記光導波路素子の入力端から出力端に向って、前記第１のリブ部の幅はテーパ状に連続的に狭くなり、前記第２のリブ部の幅はテーパ状に連続的に広くなる
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】

前記光導波路素子の入力端において、前記第１の導波路におけるＴＥ０モードの実効屈折率を表す第１の実効屈折率が前記第２の導波路におけるＴＥ１モードの実効屈折率を表す第２の実効屈折率より大きく、
前記光導波路素子の出力端において、前記第１の実効屈折率が前記第２の実効屈折率より小さい
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4】

前記第１の導波路の出力端に結合する第３の導波路および前記第２の導波路の出力端に結合する第４の導波路を含む離間部をさらに備え、
前記第３の導波路と前記第４の導波路との間の間隔は、前記第１の導波路および前記第２の導波路の出力端から離れるにつれて広がっていく
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5】

前記第１の導波路の入力端に結合する第５の導波路および前記第２の導波路の入力端に結合する第６の導波路を含む接近部をさらに備え、
前記第５の導波路と前記第６の導波路との間の間隔は、前記第１の導波路および前記第２の導波路の入力端から離れるにつれて広がっていく
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6】

前記第１の導波路の入力端に結合する第７の光導波路を含む接続部をさらに備え、
前記第７の光導波路は、前記第１のリブ部に結合する第１の接続リブ部および前記第１のスラブ部に結合する第１の接続スラブ部を備え、
前記第１の接続リブ部または前記第１の接続スラブ部のうちの少なくとも一方の幅は、光の伝搬方向に対して連続的にテーパ状に変化する
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7】

前記第２の導波路の出力端に結合する第８の光導波路を含む接続部をさらに備え、
前記第８の光導波路は、前記第２のリブ部に結合する第２の接続リブ部、前記第２のスラブ部に結合する第２の接続スラブ部、および前記第３のスラブ部に結合する第３の接続スラブ部を備え、
前記第２の接続リブ部、前記第２の接続スラブ部、または前記第３の接続スラブ部のうちの少なくとも１つの幅は、光の伝搬方向に対して連続的にテーパ状に変化する
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8】

前記ＴＥｉはＴＥ０であり、
前記ＴＥｊはＴＥ１であり、
前記第２の導波路の出力側にＴＥ１とＴＭ０との間の変換を行うモード変換器をさらに備える
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9】

前記第１の導波路の出力端または前記第２の導波路の入力端の少なくとも一方に光終端器を備える
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】

本発明は、モード変換機能を有する光導波路素子に係わる。

【背景技術】

【0002】

近年、光通信システムの容量を増加させるために、偏波多重方式が普及してきている。偏波多重方式においては、互いに直交する１組の偏波成分を用いて独立した情報が伝送される。

【0003】

他方、シリコンフォトニクス技術により、小型化および／または高密度集積が可能な光集積素子の開発が進められている。シリコンフォトニクス技術においては、例えば、ＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）ウエハの表面領域に光導波路が形成される。この場合、コアは、例えばＳｉで形成され、クラッドは、例えばＳｉＯ２等で形成される。

【0004】

ここで、Ｓｉの屈折率とＳｉＯ２の屈折率との差は大きいので、光導波路を伝搬する光はコア内に強く閉じ込められる。よって、光導波路素子の小型化が実現される。ただし、コアとクラッドとの間の屈折率差が大きいと、損失やコアへの電界の閉じ込めに関する偏波依存性が大きくなる。このため、光導波路素子は、一方の偏波成分の特性が最適化されるように設計される。そして、必要に応じて、その偏波成分を他方の偏波成分に変換する偏波変換素子が光回路内に実装される。なお、偏波変換素子は、例えば、非特許文献１に記載されている。

【0005】

偏波変換素子（例えば、非特許文献１に記載されている偏波分離回転器）は、図１に示すように、ＴＭ０モードをＴＥ１モードに変換し、その後、ＴＥ１モードをＴＥ０モードに変換する。ＴＭ（Transverse Magnetic）モードは、光の進行方向に垂直な断面における電界の主成分が基板に垂直方向である導波モードであり、ＴＭ０は、ＴＭモードのなかで、実効屈折率が最も大きい導波モードを表す。ＴＥ（Transverse Electric）モードは、光の進行方向に垂直な断面における電界の主成分が基板に水平方向である導波モードであり、ＴＥ０およびＴＥ１は、それぞれ、ＴＥモードのなかで、実効屈折率が最も大きい導波モード（ＴＥ０）および２番目に大きい導波モード（ＴＥ１）を表す。

【0006】

ＴＥ０とＴＥ１との間のモード変換は、例えば、特許文献１～２に記載されている。また、特許文献３～４にも関連技術が記載されている。

【0007】

モード変換器（例えば、特許文献１に記載の光導波路素子）は、図２に示すように、互いに近接し且つ互いに平行に形成された２本の導波路ＷＧ１、ＷＧ２を備える。そして、一方の導波路ＷＧ１の入力ポートを介してＴＥ０モード光を入力すると、他方の導波路ＷＧ２の出力ポートを介してＴＥ１モード光が出力される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】米国特許９９７７１８７

【特許文献2】特許第５６９７７７８号

【特許文献3】特開２０１５－１９７６６４号公報

【特許文献4】米国公開２０１８／０２３１７１３

【非特許文献】

【0009】

【非特許文献1】Daoxin Dai et al., “Novel concept for ultracompact polarization splitter-rotator based on silicon nanowires,” Optics express, Vol.19, No.11, pp10940 (2011)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

図２に示す構成においてモード変換を実現するためには、ＴＥ０とＴＥ１との間で相互作用を発生させる必要がある。この相互作用は、導波路ＷＧ１におけるＴＥ０の実効屈折率と導波路ＷＧ２におけるＴＥ１の実効屈折率とが互いに一致する領域で発生する。そして、この相互作用が発生する領域は、光導波路素子の入力端と出力端との中間点の近傍であることが好ましい。図２に示す例では、入力ポートからＬ／２だけ離れた領域で相互作用が発生することが好ましい。

【0011】

ただし、各導波路ＷＧ１、ＷＧ２の実効屈折率は、光の波長に依存する。このため、従来技術では、波長が変わると、相互作用が発生する位置がシフトしてしまい、損失が大きくなることがある。すなわち、複数の波長チャネルを含むＷＤＭ信号が伝送されるケースでは、モード変換において、一部の波長チャネルの損失が大きくなるおそれがある。

【0012】

本発明の１つの側面に係わる目的は、モード変換を行う光導波路素子の特性を広い波長帯域にわたって安定させることである。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明の１つの態様に係わる光導波路素子は、互いに平行に形成された第１の導波路および第２の導波路を備える。前記第１の導波路は、第１のリブ部および前記第１の導波路と前記第２の導波路との間の領域に形成される第１のスラブ部を備える。前記第２の導波路は、第２のリブ部および前記第２のリブ部の両側に形成される第２のスラブ部および第３のスラブ部を備える。前記第１のスラブ部および前記第２のスラブ部は一体的に形成される。前記第１のリブ部または前記第２のリブ部の少なくとも一方は、前記光導波路素子の入力端と出力端との間の領域において、断面の形状が連続的に変化する。前記光導波路素子の一方の端部では、前記第１の導波路におけるＴＥｉモードの実効屈折率を表す第１の実効屈折率と前記第２の導波路におけるＴＥｊモードの実効屈折率を表す第２の実効屈折率とが互いに異なる（ｉおよびｊは、互いに異なるゼロ以上の整数）。前記光導波路素子の一方の端部において前記第１の実効屈折率が前記第２の実効屈折率より大きいときは、前記光導波路素子の他方の端部において前記第１の実効屈折率が前記第２の実効屈折率より小さく、前記一方の端部において前記第１の実効屈折率が前記第２の実効屈折率より小さいときは、前記他方の端部において前記第１の実効屈折率が前記第２の実効屈折率より大きい。

【発明の効果】

【0014】

上述の態様によれば、モード変換を行う光導波路素子の特性が広い波長帯域にわたって安定する。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】ＴＥ０とＴＭ０との間のモード変換の一例を示す図である。

【図2】１組の導波路を備える光導波路素子の一例を示す図である。

【図3】モード変換器として動作する光導波路素子の一例を示す図である。

【図4】図３に示す光導波路素子における実効屈折率の変化の例を示す図である。

【図5】本発明の実施形態に係わる光導波路素子の一例を示す図である。

【図6】導波路のサイズの一例を示す図である。

【図7】モード変換におけるエネルギー損失についてのシミュレーション結果を示す図である。

【図8】図５～図６に示す光導波路素子における実効屈折率の変化の例を示す図である。

【図9】光導波路素子における電界分布の計算例を示す図（その１）である。

【図10】光導波路素子における電界分布の計算例を示す図（その２）である。

【図11】ＴＥ０およびＴＥ１の多重化の一例を示す図である。

【図12】他の入力ポートを介してＴＥ０モード光を入力したときの電界分布の計算例を示す図（その１）である。

【図13】他の入力ポートを介してＴＥ０モード光を入力したときの電界分布の計算例を示す図（その２）である。

【図14】本発明の実施形態の第１のバリエーションを示す図である。

【図15】本発明の実施形態の第２のバリエーションを示す図である。

【図16】本発明の実施形態の第３のバリエーションを示す図である。

【図17】本発明の実施形態の第４のバリエーションを示す図である。

【図18】本発明の実施形態の第５のバリエーションを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

図３は、モード変換器として動作する光導波路素子の一例を示す。モード変換器として動作する光導波路素子１００は、互いに近接し且つ互いに平行に形成された２本の導波路ＷＧ１、ＷＧ２を備える。各導波路は、コアおよびクラッドから構成される。コアの屈折率は、クラッドの屈折率より大きい。コアは、例えばＳｉで形成され、クラッドは、例えばＳｉＯ２で形成される。なお、以下の記載では、導波路のコアを「導波路」と呼ぶことがある。例えば、図３（ａ）に示すＷＧ１、ＷＧ２は、各導波路のコアを示している。

【0017】

導波路ＷＧ１、ＷＧ２は、例えば、図３（ｂ）に示すように、チャネル導波路で形成される。チャネル導波路のコアの断面の形状は、この実施例では矩形である。すなわち、図３（ｂ）に示す各導波路ＷＧ１、ＷＧ２は、矩形導波路である。なお、コアは、クラッドにより囲まれている。また、「矩形」は、巨視的に矩形として見られる形状を含む。よって、「矩形」は、例えば、製造によって、角に丸みが生じる形状および台形形状も含むものとする。

【0018】

上記構成の光導波路素子１００において、ＴＥ０からＴＥ１へのモード変換を行うときは、導波路ＷＧ１の一方の端部（ポートＰ１）からＴＥ０モード光が入力される。このＴＥ０モード光は、導波路ＷＧ１を介して伝搬する。ここで、光導波路素子１００は、導波路ＷＧ１におけるＴＥ０モードと導波路ＷＧ２におけるＴＥ１モードとの間で相互作用が発生するように設計されている。よって、導波路ＷＧ２の端部（ポートＰ２）を介してＴＥ１モード光が出力される。

【0019】

ただし、図３（ｂ）に示す構成では、導波路ＷＧ１のコアと導波路ＷＧ２のコアとは、クラッドにより互いに隔てられている。このため、導波路ＷＧ１、ＷＧ２間の光結合が弱く、ＴＥ０からＴＥ１への変換効率が良くない。すなわち、ＴＥ０からＴＥ１へのモード変換において損失が大きい。

【0020】

この問題は、図３（ｃ）に示すように、各導波路ＷＧ１、ＷＧ２をリブ導波路で構成することで緩和される。リブ導波路においては、コアは、リブ部およびスラブ部から構成される。リブ部の断面の形状は、この例では、チャネル導波路と同様に矩形である。スラブ部は、リブ部と同じ材料でリブ部よりも高さが低く形成される。そして、図３（ｃ）に示す実施例では、導波路ＷＧ１と導波路ＷＧ２との間の領域において、導波路ＷＧ１のスラブ部および導波路ＷＧ２のスラブ部が互いに結合している。ここで、リブ導波路においては、リブ部を伝搬する光の電界がスラブ部にしみ出すので、導波路ＷＧ１、ＷＧ２間の光結合が強くなる。この結果、図３（ｂ）に示す構成と比較すると、ＴＥ０からＴＥ１へのモード変換における損失が小さくなる。

【0021】

ここで、一般に、並列する導波路のそれぞれを導波する２つのモード（ここでは、導波路ＷＧ１におけるＴＥ０および導波路ＷＧ２におけるＴＥ１）の実効屈折率が互いに近いと、それらの間の相互作用が強くなり、一方の導波路のモードから他方の導波路のモード（ここでは、導波路ＷＧ１におけるＴＥ０から導波路ＷＧ２におけるＴＥ１）への変換が生じやすくなる。この理由は、２つモードの位相速度（光速／実効屈折率）が互いに近いほど、隣接導波路を導波する条件が満たされるからである。よって、ＴＥ０とＴＥ１との間のモード変換を効率よく実現するためには、光導波路素子１００は、導波路ＷＧ１におけるＴＥ０の実効屈折率と導波路ＷＧ２におけるＴＥ１の実効屈折率とが互いに一致または略一致する領域を有するように設計される。

【0022】

「実効屈折率」は、孤立した導波路における値を意味する。例えば、２つの導波路ＷＧ１、ＷＧ２が並列に形成されているケースにおいて、導波路ＷＧ１におけるＴＥ０の実効屈折率は、導波路ＷＧ１のみが単独で存在する場合におけるＴＥ０の実効屈折率の値を意味する。すなわち、導波路ＷＧ１におけるＴＥ０の実効屈折率は、導波路ＷＧ２が存在しないと仮定した場合におけるＴＥ０の実効屈折率の値を意味する。導波路ＷＧ２が存在しないとは、導波路ＷＧ２のコアが存在する部分がクラッドと同じ材料になっているような状態を指す。

【0023】

なお、導波路の実効屈折率は、導波路の材料および導波路を伝搬する光のモードだけでなく、その導波路の断面の形状または面積にも依存する。具体的には、導波路の断面積が大きいと、光が強く閉じ込められ、コアの材料屈折率の影響を受けやすくなるので、実効屈折率は大きくなる。反対に、導波路の断面積が小さいと、実効屈折率は小さくなる。

【0024】

他方、光導波路素子１００の入力端／出力端（すなわち、導波路ＷＧ１、ＷＧ２の入力端／出力端）においては、孤立した導波路（すなわち、光導波路素子１００に結合される外部導波路）を介して光回路に接続される。このため、光導波路素子１００の入力端／出力端において、導波路ＷＧ１、ＷＧ２間で相互作用が発生することは好ましくない。したがって、光導波路素子１００の入力端／出力端においては、導波路ＷＧ１におけるＴＥ０の実効屈折率と導波路ＷＧ２におけるＴＥ１の実効屈折率とが互いに大きく異なることが要求される。

【0025】

図４は、図３に示す光導波路素子１００における実効屈折率の変化の例を示す。なお、図４に示すグラフは、図３において下記の条件の下で行われたシミュレーションの結果を示している。各グラフの横軸は、光導波路素子１００の入力端を「ゼロ」としたときの光の伝搬方向における位置を表す。縦軸は、実効屈折率を表す。
ｗ１：０．３μｍ
ｗ２：１．０８μｍ
ｗ３：０．５μｍ
ｗ４：０．８８μｍ
ｗ５：０．３μｍ
リブ部のコアの高さ：０．２２μｍ
スラブ部のコアの高さ：０．１０５μｍ

【0026】

図４（ａ）は、入力光の波長が１．５８μｍであるときの実効屈折率を示す。この例では、入力端において、導波路ＷＧ１におけるＴＥ０の実効屈折率（TE0@WG1）は、導波路ＷＧ２におけるＴＥ１の実効屈折率（TE1@WG2）より大きい。ここで、導波路ＷＧ１（正確には、導波路ＷＧ１のリブ部）の幅は、入力端から出力端に向って徐々に狭くなっていく。すなわち、導波路ＷＧ１の断面積は、入力端から出力端に向って徐々に小さくなっていく。このため、導波路ＷＧ１におけるＴＥ０の実効屈折率は、入力端から出力端に向って徐々に小さくなっていく。他方、導波路ＷＧ２（正確には、導波路ＷＧ２のリブ部）の幅は、入力端から出力端に向って徐々に広くなっていく。すなわち、導波路ＷＧ２の断面積は、入力端から出力端に向って徐々に大きくなっていく。このため、導波路ＷＧ２におけるＴＥ１の実効屈折率は、入力端から出力端に向って徐々に大きくなっていく。

【0027】

光導波路素子１００は、導波路ＷＧ１におけるＴＥ０の実効屈折率および導波路ＷＧ２におけるＴＥ１の実効屈折率が、入力端と出力端との間で、互いに一致するように設計される。以下の記載では、導波路ＷＧ１におけるＴＥ０の実効屈折率および導波路ＷＧ２におけるＴＥ１の実効屈折率が互いに一致する位置を「クロス点」と呼ぶことがある。

【0028】

ここで、ＴＥ０からＴＥ１へのモード変換における損失を小さくするために、光導波路素子１００は、入力端と出力端との中間点でクロス点が得られるように設計される。例えば、図３（ａ）に示すように、光導波路素子１００の入力端および出力端の位置がそれぞれ「ゼロ」及び「２０」で表されるときは、図４（ａ）に示すうように、「位置＝１０」においてクロス点が得られるように光導波路素子１００が設計される。

【0029】

ところが、導波路の実効屈折率は、光の波長に依存する。このため、波長が変わると、クロス点が得られる位置がシフトしてしまう。例えば、図４（ａ）に示すように、波長が１．５８μｍであるときに入力端と出力端との中間点でクロス点が得られるものとする。この場合、波長が１．３０μｍであるときには、図４（ｂ）に示すように、中間点から入力端側にシフトした位置でクロス点が得られる。

【0030】

そして、クロス点が得られる位置が入力端と出力端との中間点からシフトすると、ＴＥ０とＴＥ１との間のモード変換における損失が増加する。ここで、図３（ａ）に示すポートＰ１からＴＥ０モード光が入力され、ポートＰ２を介してＴＥ１モード光が出力されるときのエネルギー損失は以下の通りである。なお、光導波路素子１００の長さＬは、１２０μｍである。
波長＝１．５８μｍ：損失：０．２９ｄＢ
波長＝１．３０μｍ：損失：１．９１ｄＢ

【0031】

このように、入力光の波長が変わると、モード変換における損失も変わってしまう。このため、ある波長に対して損失が小さくなるように光導波路素子を設計すると、他の波長に対して損失が大きくなってしまう。したがって、図３（ｃ）に示す構成では、広い波長帯域にわたって損失の小さいモード変換を実現することは困難である。

【0032】

また、図３（ｃ）に示す構成においては、導波路ＷＧ１のリブ部と導波路ＷＧ２のリブ部との間にスラブ部を設けることにより、導波路ＷＧ１、ＷＧ２間の光結合が強くなり、ＴＥ０からＴＥ１へのモード変換の効率が改善する。ただし、この構成では、導波路ＷＧ１、ＷＧ２間の光結合に寄与しないスラブ部も形成されている。そして、このような不要なスラブ部から電界がしみ出してしまう。具体的には、導波路ＷＧ１にＴＥ０モード光が入力されるとき、導波路ＷＧ１の外側に形成されているスラブ部にＴＥ０モード光の電界がしみ出してしまう。

【0033】

この結果、導波路ＷＧ１、ＷＧ２間の光結合が弱くなり、ポートＰ２を介して出力されるＴＥ１モード光のパワーが低下してしまう。換言すれば、所定のパワーのＴＥ１モード光を得るためには、導波路ＷＧ１、ＷＧ２の長さＬを長くする必要がある。この場合、光導波路素子１００のサイズが大きくなってしまう。

【0034】

＜実施形態＞
図５は、本発明の実施形態に係わる光導波路素子の一例を示す。本発明の実施形態に係わる光導波路素子１は、モード変換素子として動作し得る。この実施例では、光導波路素子１は、ＴＥ０モードとＴＥ１モードとの間の変換を行う。また、光導波路素子１は、例えば、ＴＥ０とＴＭ０との間のモード変換を行う光回路の中で使用される。この場合、この光回路は、光導波路素子１およびＴＥ１－ＴＭ０変換器を備える。

【0035】

光導波路素子１は、図５（ａ）に示すように、互いに近接し且つ互いに平行に形成された２本の導波路ＷＧ１、ＷＧ２を備える。各導波路は、コアおよびクラッドから構成される。コアの屈折率は、クラッドの屈折率より大きい。コアは、例えばＳｉで形成され、クラッドは、例えばＳｉＯ２で形成される。なお、以下の記載では、導波路のコアを「導波路」と呼ぶことがある。

【0036】

導波路ＷＧ１、ＷＧ２は、図５（ｂ）に示すように、それぞれリブ導波路である。リブ導波路は、上述したように、コアがリブ部およびスラブ部から構成される。導波路ＷＧ１は、リブ部１１およびスラブ部１２を備える。また、導波路ＷＧ２は、リブ部２１およびスラブ部２２、２３を備える。リブ部の断面の形状は、この例では矩形である。スラブ部は、リブ部と同じ材料でリブ部より高さが低く形成される。なお、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す光導波路素子１のＡ－Ａ断面を示す。

【0037】

導波路ＷＧ２においては、リブ部２１の両側にスラブ部が形成される。具体的には、スラブ部２２は、リブ部２１に対して導波路ＷＧ１が設けられる側に形成され、スラブ部２３は、リブ部２１に対して導波路ＷＧ１が設けられていない側に形成される。これに対して、導波路ＷＧ１においては、リブ部１１の片側のみにスラブ部が形成される。具体的には、スラブ部１２は、リブ部１１に対して導波路ＷＧ２が設けられる側に形成される。なお、リブ部の一方の側部のみにスラブ部を備える導波路を「半リブ導波路」と呼ぶことがある。

【0038】

このように、光導波路素子１は、互いに近接し且つ互いに平行に形成された２本の導波路ＷＧ１、ＷＧ２を備える。そして、一方の導波路（ここでは、ＴＥ０モード入力が入力される導波路ＷＧ１）は半リブ導波路で構成され、他方の導波路（ここでは、導波路ＷＧ２）はリブ導波路で構成される。

【0039】

具体的には、導波路ＷＧ１のリブ部１１と導波路ＷＧ２のリブ部２１との間の領域にスラブ部１２およびスラブ部２２が形成される。尚、スラブ部１２は導波路ＷＧ１に属し、スラブ部２２は導波路ＷＧ２に属するが、スラブ部１２およびスラブ部２２は、互いに分離されているのではなく、１つのスラブ領域として一体的に形成される。したがって、以下の記載では、リブ部１１とリブ部２１との間の領域に形成されるスラブ部を「スラブ部１２、２２」と呼ぶことがある。また、導波路ＷＧ２のリブ部２１の外側にはスラブ部２３が形成されているが、導波路ＷＧ１のリブ部１１の外側にはスラブ部は形成されない。

【0040】

なお、導波路ＷＧ１のリブ部１１は、入力端から出力端に向って徐々に幅が狭くなるテーパ形状である。また、導波路ＷＧ２のリブ部２１は、入力端から出力端に向って徐々に幅が広くなるテーパ形状である。

【0041】

次に、導波路ＷＧ１、ＷＧ２の設計ポリシについて説明する。一般に、実効屈折率が同じである場合、高次のモードほど、波長の変化に対して、コアからクラッドへの光のしみ出し量の変化が大きくなる。また、コアからクラッドへの光のしみ出しが多いほど、実効屈折率は、材料屈折率の影響を受けやすくなる。ここで、クラッドの材料屈折率は、コアの材料屈折率よりも小さい。このため、コアからクラッドへの光のしみ出しが多いほど、実効屈折率は小さくなる。したがって、高次のモードほど、波長が変化したときの実効屈折率の変化が大きい。

【0042】

例えば、図４に示す例では、位置ゼロにおいて波長が１．５８μｍから１．３０μｍに変化する場合、導波路ＷＧ１におけるＴＥ０の実効屈折率の変化は約０．２４である。これに対して、導波路ＷＧ２におけるＴＥ１の実効屈折率の変化は約０．２９である。すなわち、高次のモードほど、波長の変化に対する実効屈折率の変化が大きい。

【0043】

このため、上述したように、入力端と出力端との中間点においてクロス点が得られるように光導波路素子を設計しても、波長が変化すると、クロス点が得られる位置がシフトしてしまう。図４に示す例では、波長が１．５８μｍであるときに中間点においてクロス点が得られるが、波長が１．３０μｍであるときには、クロス点は、中間点よりも入力側にシフトしている。

【0044】

他方、波長の変化に対する実効屈折率の変化の大きさは、導波路の構造に依存する。具体的には、光の閉じ込めが弱い導波路（弱導波路）においては、一般に、波長の変化に対して、その導波路を導波するモードの実効屈折率の変化は小さい。ここで、半リブ導波路は、リブ部の一方の側部のみにスラブ部が形成されている。また、リブ導波路は、リブ部の両側にスラブ部が形成されている。そして、光が導波路を伝搬するときに、スラブ部からクラッドに光がしみ出す。すなわち、半リブ導波路においては、１つのスラブ部から光がしみ出し、リブ導波路においては、２つのスラブ部から光がしみ出す。このため、半リブ導波路と比較して、リブ導波路における光の閉じ込めは弱くなる。したがって、半リブ導波路と比較して、リブ導波路において、波長の変化に対する実効屈折率の変化が小さくなる。

【0045】

まとめると、下記の作用が得られる。
（１）より高次のモードほど、波長の変化に対する実効屈折率の変化が大きい。
（２）半リブ導波路と比較して、リブ導波路において、波長の変化に対する実効屈折率の変化が小さい。

【0046】

したがって、これら２つの作用を組み合わせると、波長変化に対する実効屈折率の変化を相殺または緩和できる。具体的には、高次モードの光が伝搬する導波路は、リブ導波路で構成する。また、低次モードの光が伝搬する導波路は、半リブ導波路で構成する。

【0047】

したがって、図５に示す光導波路素子１においては、低次モード（ＴＥ０）光が伝搬する導波路ＷＧ１は半リブ導波路で構成される。また、高次モード（ＴＥ１）光が伝搬する導波路ＷＧ２はリブ導波路で構成される。この結果、波長が変化したときの低次モードと高次モードの実効屈折率の差の変化を小さくすることができるため、導波路幅をわずかに変更するだけで、実効屈折率を一致させることが可能となる。すなわち、波長の変化に対して、クロス点が得られる位置のシフト量は小さくなる。すなわち、広い波長帯域にわたって、光導波路素子１の入力端と出力端との中間点の近傍でＴＥ０とＴＥ１との間のモード変換が行われる。よって、広い波長帯域にわたって、損失の小さいモード変換が実現される。

【0048】

図６は、導波路のサイズの一例を示す。この実施例は、光導波路素子１は、下記のサイズで形成される。
ｗ１：０．３μｍ
ｗ２：０．９３μｍ
ｗ３：０．５μｍ
ｗ４：０．７３μｍ
ｗ５：０．３μｍ
ｈ１（リブ部１１、２１のコアの高さ）：０．２２μｍ
ｈ２（スラブ部１２、２２、２３のコアの高さ）：０．１０５μｍ

【0049】

図７は、モード変換におけるエネルギー損失についてのシミュレーション結果を示す。なお、図７に示すグラフは、図６に示す光導波路素子１においてＴＥ０からＴＥ１へのモード変換に対するシミュレーションの結果を示している。ＴＥ０モード光は、導波路ＷＧ１のポートＰ１に入力される。また、ＴＥ１モード光は、導波路ＷＧ２のポートＰ２を介して出力される。

【0050】

図７（ａ）の横軸は、導波路ＷＧ１、ＷＧ２の長さを表す。縦軸は、ＴＥ０からＴＥ１へのモード変換におけるエネルギー損失を表す。なお、破線のグラフは、図３（ａ）および図３（ｃ）に示す光導波路素子１００の損失を表し、実線のグラフは、本発明の実施形態に係わる光導波路素子１の損失を表す。入力光の波長は、１．５２μｍである。

【0051】

図７（ａ）に示すように、図３（ｃ）に示す構成と比較して、本発明の実施形態によれば、エネルギー損失は大きく低減される。例えば、光導波路素子１００においては、導波路ＷＧ１、ＷＧ２の長さが８０μｍであるときに、損失は約０．２９ｄＢである。一方、光導波路素子１においては、導波路ＷＧ１、ＷＧ２の長さが４０μｍであっても、損失は約０．１２ｄＢである。したがって、本発明の実施形態によれば、損失が所定値以下となるように光導波路素子を設計する場合、導波路ＷＧ１、ＷＧ２の長さを短くできる。すなわち、光導波路素子の小型化が実現される。

【0052】

本発明の実施形態において損失が小さくなる理由は、以下の通りと考えられる。すなわち、光導波路素子１においては、図５に示すように、導波路ＷＧ１のリブ部の外側にスラブ領域が形成されていない。したがって、図３（ｃ）に示す構成と比較すると、光導波路素子１においては、導波路ＷＧ１においてコアからクラッドへのＴＥ０モード光のしみ出しが少なくなる。この結果、導波路ＷＧ１、ＷＧ２間の光結合に寄与する電界成分が増加し、ＴＥ０とＴＥ１との間の相互作用が強くなるので、モード変換における損失が小さくなる。

【0053】

図７（ｂ）は、損失の波長依存性を示す。即ち、横軸は、入力光の波長を表す。なお、損失は、ＦＤＴＤで計算されている。また、導波路ＷＧ１、ＷＧ２の長さは１２０μｍである。

【0054】

このシミュレーションによれば、ＣバンドおよびＬバンドを含む広い波長範囲にわたって、損失が０．０５ｄＢ以下に抑制されている。なお、特に図示しないが、１．３０ｎｍ帯においては、損失は約０．３３ｄＢである。

【0055】

図８は、図５～図６に示す光導波路素子１における実効屈折率の変化の例を示す。各グラフの横軸は、光導波路素子１の入力端を「ゼロ」としたときの光の伝搬方向における位置を表す。縦軸は、実効屈折率を表す。

【0056】

図８（ａ）は、入力光の波長が１．５８μｍであるときの実効屈折率の変化を示す。光導波路素子１の入力端（位置＝ゼロ）においては、導波路ＷＧ１におけるＴＥ０の実効屈折率（TE0@WG1）は、導波路ＷＧ２におけるＴＥ１の実効屈折率（TE1@WG2）よりも大きい。ここで、導波路ＷＧ１（リブ部１１）の幅は、入力端から出力端に向って徐々に狭くなっていく。すなわち、導波路ＷＧ１のコア断面積は、入力端から出力端に向って徐々に小さくなっていく。このため、導波路ＷＧ１におけるＴＥ０の実効屈折率は、入力端から出力端に向って徐々に小さくなっていく。他方、導波路ＷＧ２（リブ部２１）の幅は、入力端から出力端に向って徐々に広くなっていく。すなわち、導波路ＷＧ２のコアの断面積は、入力端から出力端に向って徐々に大きくなっていく。このため、導波路ＷＧ２におけるＴＥ１の実効屈折率は、入力端から出力端に向って徐々に大きくなっていく。そして、出力端（位置＝２０）において、導波路ＷＧ１におけるＴＥ０の実効屈折率（TE0@WG1）は、導波路ＷＧ２におけるＴＥ１の実効屈折率（TE1@WG2）より大きい。この結果、入力端と出力端との間でクロス点が得られている。この実施例では、入力端と出力端との中間点（位置＝１０）においてクロス点が得られている。

【0057】

図８（ｂ）は、入力光の波長が１．３０μｍであるときの実効屈折率の変化を示す。この場合も、入力端と出力端との間でクロス点が得られている。ただし、図４に示すケースと異なり、光導波路素子１においては、波長が１．３０μｍであっても、ほぼ中間点でクロス点が得られている。具体的には、入力光の波長が１．５８μｍから１．３０μｍに変化したときに、クロス点の位置のシフト量は、光導波路素子１の長さＬに対して約１．６パーセントである。

【0058】

このように、本発明の実施形態によれば、波長の変化に対して、クロス点が得られる位置のシフトが小さい。ここで、ＴＥ０とＴＥ１との間の相互作用は、主に、クロス点の近傍で発生する。よって、本発明の実施形態によれば、波長が変化しても、ＴＥ０とＴＥ１との間のモード変換が小さい損失で安定的に実現される。すなわち、広い波長範囲にわたって、ＴＥ０とＴＥ１との間のモード変換が小さい損失で安定的に実現される。

【0059】

なお、上述した実施例では、光導波路素子１の入力端においてＴＥ０＠ＷＧ１がＴＥ１＠ＷＧ２より大きく、光導波路素子１の出力端においてＴＥ０＠ＷＧ１がＴＥ１＠ＷＧ２より小さいが、本発明はこの構成に限定されるものではない。即ち、光導波路素子１は、入力端においてＴＥ０＠ＷＧ１がＴＥ１＠ＷＧ２より小さく、光導波路素子１の出力端においてＴＥ０＠ＷＧ１がＴＥ１＠ＷＧ２より大きい構成であってもよい。換言すると、入力端におけるＴＥ０＠ＷＧ１とＴＥ１＠ＷＧ２との大小関係および出力端におけるＴＥ０＠ＷＧ１とＴＥ１＠ＷＧ２との大小関係が、互いに逆であればよい。

【0060】

図９～図１０は、光導波路素子１における電界分布の計算例を示す。なお、図９～図１０において、Ｘ軸は、基板に対して平行、且つ、光の進行方向に対して直交する方向における位置を表す。Ｙ軸は、基板に垂直な方向における位置を表す。また、白色に近いほど正の電界が強い状態を表し、黒色に近いほど負の電界が強い状態を表す。

【0061】

この実施例では、ＴＥ０モード光が導波路ＷＧ１に入力される。このため、入力端（位置＝０）においては、ＴＥ０モードの電界が導波路ＷＧ１に局在している。位置＝１０においては、導波路ＷＧ１にＴＥ０モードの電界が存在しつつ、導波路ＷＧ２にＴＥ１モードの電界が現れている。すなわち、位置＝１０の近傍領域で、ＴＥ０とＴＥ１との間の相互作用が発生している。そして、出力端（位置＝２０）においては、ＴＥ１モードの電界が導波路ＷＧ２に局在している。すなわち、光導波路素子１によりＴＥ０モード光がＴＥ１モード光に変換されている。

【0062】

図１１は、ＴＥ０およびＴＥ１の多重化の一例を示す。ここでは、図１１（ａ）に示すように、導波路ＷＧ１のポートＰ１にＴＥ０モード光（TE0_A）が入力され、導波路ＷＧ２のポートＰ３にＴＥ０モード光（TE0_B）が入力される。

【0063】

図１１（ｂ）は、ＴＥ０およびＴＥ１の実効屈折率を示す。この例では、入力光の波長は１．５８μｍである。ＴＥ０＠ＷＧ１は、導波路ＷＧ１におけるＴＥ０の実効屈折率を表し、ＴＥ１＠ＷＧ２は、導波路ＷＧ２におけるＴＥ１の実効屈折率を表す。ＴＥ０＠ＷＧ１およびＴＥ１＠ＷＧ２は、図８（ａ）に示すグラフと同じである。

【0064】

ＴＥ０＠ＷＧ２は、導波路ＷＧ２におけるＴＥ０の実効屈折率を表す。ここで、導波路ＷＧ２のコアの断面積は、導波路ＷＧ１のコアの断面積より大きい。このため、導波路ＷＧ２におけるＴＥ０の実効屈折率は、導波路ＷＧ１におけるＴＥ０の実効屈折率より大きくなる。また、一般に、高次のモードほど実効屈折率が大きくなるので、導波路ＷＧ２において、ＴＥ０の実効屈折率はＴＥ１の実効屈折率より大きくなる。したがって、導波路ＷＧ２におけるＴＥ０の実効屈折率は、入力端から出力端までの全領域において、導波路ＷＧ１におけるＴＥ０の実効屈折率および導波路ＷＧ２におけるＴＥ１の実効屈折率より大きくなる。

【0065】

このように、導波路ＷＧ２におけるＴＥ０の実効屈折率は、他のいずれの導波モードの実効屈折率とも一致することはない。すなわち、導波路ＷＧ２におけるＴＥ０と他のモードとの間の相互作用が発生することはない。このため、ポートＰ３に入力されるＴＥ０モード光（TE0_B）は、他のモードに変換されることなく導波路ＷＧ２を伝搬し、ポートＰ２に導かれる。また、ポートＰ１に入力されるＴＥ０モード光（TE0_A）は、ＴＥ１モード光（TE1_A）に変換されてポートＰ２に導かれる。この結果、ＴＥ０およびＴＥ１の多重化が実現される。

【0066】

図１２～図１３は、導波路ＷＧ２のポートＰ３にＴＥ０モード光を入力したときの電界分布の計算例を示す。このケースでは、ＴＥ０モードの電界は、入力端（位置＝０）から出力端（位置＝２０）までの全領域において導波路ＷＧ２に局在している。すなわち、ポートＰ３に入力されるＴＥ０モード光は、他のモードに変換されることなく、ポートＰ２を介して出力される。

【0067】

なお、図５～図１０に示す例では、ＴＥ０からＴＥ１へのモード変換が行われるが、光導波路素子１は、可逆動作が可能である。すなわち、ポートＰ２（即ち、導波路ＷＧ２の出力端）からＴＥ１モード光を入力すると、ＴＥ１からＴＥ０へのモード変換が行われ、ポートＰ１（導波路ＷＧ１の入力端）を介してＴＥ０モード光が出力される。

【0068】

また、上述の実施例では、ＴＥ０とＴＥ１との間のモード変換が行われるが、本発明はこの形態に限定されるものではない。すなわち、光導波路素子１は、任意のモードＴＥｉから他の任意のモードＴＥｊへの変換を行うことができる。ｉおよびｊは、互いに異なるゼロ以上の整数である。一例としては、ｊはｉより大きい整数である。ただし、導波路ＷＧ１、ＷＧ２は、変換対象の２つのモードに対して、断熱変換器の要件を満足することが要求される。具体的には、以下の要件を満足することが好ましい。
（１）入力端において、導波路ＷＧ１におけるＴＥｉの実効屈折率と導波路ＷＧ２におけるＴＥｊの実効屈折率とが互いに異なる。
（２）導波路ＷＧ１におけるＴＥｉの実効屈折率は、入力端から出力端に向って連続的に変化する（例えば、連続的に小さくなっていく、或いは、連続的に大きくなっていく）。
（３）導波路ＷＧ２におけるＴＥｊの実効屈折率は、入力端から出力端に向って連続的に変化する（例えば、連続的に大きくなっていく、或いは、連続的に小さくなっていく）。
（４）導波路ＷＧ１におけるＴＥｉの実効屈折率と導波路ＷＧ２におけるＴＥｊの実効屈折率との大小関係は、入力端と出力端とで互いに逆である。すなわち、入力端において導波路ＷＧ１におけるＴＥｉの実効屈折率が導波路ＷＧ２におけるＴＥｊの実効屈折率より大きいときは、出力端において導波路ＷＧ１におけるＴＥｉの実効屈折率が導波路ＷＧ２におけるＴＥｊの実効屈折率より小さい。また、入力端において導波路ＷＧ１におけるＴＥｉの実効屈折率が導波路ＷＧ２におけるＴＥｊの実効屈折率より小さいときは、出力端において導波路ＷＧ１におけるＴＥｉの実効屈折率が導波路ＷＧ２におけるＴＥｊの実効屈折率より大きい。

【0069】

上記（２）が満たされる場合は、導波路ＷＧ２におけるＴＥｊの実効屈折率は、入力端と出力端との間で一定であってもよい。同様に、上記（３）が満たされる場合は、導波路ＷＧ１におけるＴＥｉの実効屈折率は、入力端と出力端との間で一定であってもよい。

【0070】

なお、特許文献２（特許第５６９７７７８号）においても、１組のコアの間にスラブ部を設けた構成が開示されている。ただし、特許文献２に開示される導波路素子では、１組のコアの外側にスラブ部が形成されていない。すなわち、ＴＥ０よりコアへの光閉じ込めが弱いＴＥ１を導波する導波路の側壁部にスラブ部（図６に示すスラブ部２３に相当）が形成されていない。よって、製造時のコアの側壁の荒れによる光の散乱の影響が大きい。したがって、図６に示すように、ＴＥ１が導波する導波路ＷＧ２は、リブ部の両側にスラブ部を有する構成が好ましい。

【0071】

＜バリエーション＞
図１４は、本発明の実施形態の第１のバリエーションを示す。第１のバリエーションにおいては、光導波路素子１は、離間部３１および接近部３２を備える。なお、図１４においては、図面を見やすくするために、スラブ部は省略されている。

【0072】

離間部３１は、導波路ＷＧ１、ＷＧ２の出力側に設けられ、導波路３１Ａおよび導波路３１Ｂを備える。導波路３１Ａは、導波路ＷＧ１に結合する。また、導波路３１Ｂは、導波路ＷＧ２に結合する。そして、導波路３１Ａと導波路３１Ｂとの間の間隔は、導波路ＷＧ１、ＷＧ２の出力端から離れるにつれて徐々に広がっていく。この例では、導波路３１Ａは曲げ導波路であり、導波路３１Ｂは直線導波路である。曲げ導波路は、円弧、Ｓベンド、またはクロソイド曲線などの緩和曲線で形成される。

【0073】

上記構成において、導波路ＷＧ１から出力される光は、導波路３１Ａの先端部で反射する。このとき、雑音が発生し得る。ただし、導波路３１Ａの先端部は、ＴＥ１モード光が伝搬する導波路３１Ｂから離れている。よって、光導波路素子１から出力されるＴＥ１モード光に対する雑音の影響は緩和される。

【0074】

接近部３２は、導波路ＷＧ１、ＷＧ２の入力側に設けられ、導波路３２Ａおよび導波路３２Ｂを備える。導波路３２Ａは、導波路ＷＧ１に結合する。また、導波路３２Ｂは、導波路ＷＧ２に結合する。そして、導波路３２Ａと導波路３２Ｂとの間の間隔は、導波路ＷＧ１、ＷＧ２の入力端から離れるにつれて徐々に広がっていく。この例では、導波路３２Ａは曲げ導波路であり、導波路３２Ｂは直線導波路である。

【0075】

なお、一般に、ＴＥ１と比較して、ＴＥ０の方が導波路内に強く閉じ込められる。ここで、ＴＥ０モード光は、導波路３２Ａ、導波路ＷＧ１、導波路３１Ａを介して伝搬する。他方、直線導波路と比較して、曲げ導波路の方が光の電界成分がしみ出しやすい。すなわち、電界のしみ出しを抑制するためには、曲げ導波路を伝搬する光は、ＴＥ１モード光よりもＴＥ０モード光であることが好ましい。よって、この実施例では、ＴＥ０モード光が伝搬する導波路３２Ａ、３１Ａが曲げ導波路で形成され、ＴＥ１モード光が伝搬する導波路３２Ｂ、３２Ａが直線導波路で形成される。

【0076】

ただし、第１のバリエーションは、この構成に限定されるものではない。たとえば、光導波路素子１は、離間部３１または接近部３２のいずれか一方を備える構成であってもよい。また、導波路３１Ａおよび導波路３１Ｂの双方が曲げ導波路であってもよいし、導波路３２Ａおよび導波路３２Ｂの双方が曲げ導波路であってもよい。

【0077】

図１５は、本発明の実施形態の第２のバリエーションを示す。第２のバリエーションにおいては、光導波路素子１は、外部導波路との間に接続部を備える。外部導波路は、断面の形状が矩形のチャネル導波路である。

【0078】

接続部３３は、図１５（ａ）に示すように、外部導波路と導波路ＷＧ１のポートＰ１との間に設けられる。また、接続部３３は、リブ部３３Ａおよびスラブ部３３Ｂを備える。リブ部３３Ａの一方の端部は導波路ＷＧ１のリブ部１１に結合され、リブ部３３Ａの他方の端部は外部導波路に結合される。スラブ部３３Ｂは、導波路ＷＧ１のスラブ部１２に結合される。ここで、この実施例では、外部導波路の幅は、導波路ＷＧ１の入力端におけるリブ部１１の幅より狭い。よって、リブ部３３Ａの幅は、外部導波路の端部からポートＰ１に向って徐々に広くなっていく。また、外部導波路は、スラブを有していない。したがって、スラブ部３３Ｂの幅は、外部導波路の端部からポートＰ１に向って徐々に広くなっていく。このように、リブ部３３Ａおよびスラブ部３３Ｂの幅は、光の伝搬方向に対して連続的にテーパ状に変化する。

【0079】

接続部３４は、図１５（ｂ）に示すように、導波路ＷＧ２のポートＰ２と外部導波路との間に設けられる。また、接続部３４は、リブ部３４Ａ、スラブ部３４Ｂおよびスラブ部３４Ｃを備える。リブ部３４Ａの一方の端部は導波路ＷＧ２のリブ部２１に結合され、リブ部３４Ａの他方の端部は外部導波路に結合される。スラブ部３４Ｂおよびスラブ３４Ｃは、それぞれ、導波路ＷＧ２のスラブ部２２およびスラブ部２３に結合される。ここで、この実施例では、外部導波路の幅は、導波路ＷＧ２の出力端におけるリブ部２１の幅より狭い。よって、リブ部３４Ａの幅は、ポートＰ２から外部導波路の端部に向って徐々に狭くなっていく。また、外部導波路は、スラブを有していない。したがって、スラブ部３４Ｂ、３４Ｃの幅は、ポートＰ２から外部導波路の端部に向って徐々に狭くなっていく。このように、リブ部３４Ａ、スラブ部３４Ｂおよびスラブ部３４Ｃの幅は、光の伝搬方向に対して連続的にテーパ状に変化する。

【0080】

なお、外部導波路は、光基板上の所望の素子または回路に光を伝搬するために、光の閉じ込めが強いチャネル導波路で形成されることが多い。ここで、チャネル導波路の幅は、光導波路素子１の入力端／出力端の導波路の幅と異なることがある。この場合、接続部３３および／または接続部３４を設けることにより、導波路の不連続点を無くすことができる。この結果、外部導波路と光導波路素子１との間の接続点における反射等に起因する損失が抑制される。

【0081】

図１６は、本発明の実施形態の第３のバリエーションを示す。第２のバリエーションと同様に、第３のバリエーションにおいても、光導波路素子１は、外部導波路との間に接続部を備える。ただし、第３のバリエーションでは、外部導波路はリブ導波路である。リブ導波路においては、導波路の側面の荒れによる伝搬損失が小さい。

【0082】

接続部３５は、図１６（ａ）に示すように、外部導波路と導波路ＷＧ１のポートＰ１との間に設けられる。また、接続部３５は、リブ部３５Ａ、スラブ部３５Ｂおよびスラブ部３５Ｃを備える。リブ部３５Ａは、導波路ＷＧ１のリブ部１１および外部導波路のリブ部に結合される。スラブ部３５Ｂは、外部導波路のスラブ部に結合される。スラブ部３５Ｃは、導波路ＷＧ１のスラブ部１２および外部導波路のスラブ部に結合される。

【0083】

接続部３６は、図１６（ｂ）に示すように、導波路ＷＧ２のポートＰ２と外部導波路との間に設けられる。また、接続部３６は、リブ部３６Ａ、スラブ部３６Ｂおよびスラブ部３６Ｃを備える。リブ部３６Ａは、導波路ＷＧ２のリブ部２１および外部導波路のリブ部に結合される。スラブ部３６Ｂは、導波路ＷＧ２のスラブ部２２および外部導波路のスラブ部に結合される。スラブ部３６Ｃは、導波路ＷＧ２のスラブ部２３および外部導波路のスラブ部に結合される。

【0084】

各接続部（３５、３６）のリブ部の幅は、導波路ＷＧ１、ＷＧ２のリブ部の幅と対応する外部導波路のリブ部の幅との差分を調整するように徐々に変化する。各接続部（３５、３６）のスラブ部の幅は、導波路ＷＧ１、ＷＧ２のスラブ部の幅と対応する外部導波路のスラブ部の幅との差分を調整するように徐々に変化する。この場合、接続部３５および／または接続部３６を設けることにより、導波路の不連続点を無くすことができる。この結果、外部導波路と光導波路素子１との間の接続点における反射等に起因する損失が抑制される。

【0085】

図１７は、本発明の実施形態の第４のバリエーションを示す。第４のバリエーションにおいては、光導波路素子１は、ＴＥ１－ＴＭ０変換器３７を備え、ＴＥ０とＴＭ０との間のモード変換を行う。

【0086】

ＴＥ１－ＴＭ０変換器３７は、導波路ＷＧ２の出力端（即ち、ポートＰ２）に光学的に結合する。この実施例では、ポートＰ２とＴＥ１－ＴＭ０変換器３７との間に、図１４に示す離間部３１が設けられる。

【0087】

ＴＥ１－ＴＭ０変換器３７は、リブ導波路であり、リブ部３７Ａ、スラブ部３７Ｂおよびスラブ部３７Ｃを備える。そして、リブ部３７Ａは、離間部３１の導波路３１Ｂのリブ部を介して、導波路ＷＧ２のリブ部２１に結合される。また、スラブ部３７Ｂおよびスラブ部３７Ｃは、離間部３１の導波路３１Ｂのスラブ部を介して、それぞれ、導波路ＷＧ２のスラブ部２２およびスラブ部２３に結合される。

【0088】

ここで、この実施例では、ＴＥ１－ＴＭ０変換器３７はリブ導波路で構成される。よって、導波路の屈折率の分布は上下非対称である。即ち、導波路の屈折率の分布は、基板の平行な軸に対して対称でない。また、このリブ導波路は、テーパ状に形成されている。さらに、ＴＥ１－ＴＭ０変換器３７において、ＴＥ１の実効屈折率およびＴＭ０の実効屈折率はクロス点を有する。この構成により、ＴＥ１とＴＭ０との間でのモード変換が実現される。なお、このようなＴＥ１－ＴＭ０変換器は、例えば、特許第５７２８１４０号に記載されている。また、図１７に示す例では、ＴＥ１－ＴＭ０変換器３７の出力側にチャネル導波路が結合されるが、リブ導波路が結合されてもよい。

【0089】

上記構成の光導波路素子１において、導波路ＷＧ１のポートＰ１にＴＥ０モード光を入力すると、導波路ＷＧ１、ＷＧ２においてＴＥ１モード光が生成される。このＴＥ１モード光は、ポートＰ２を介して出力され、ＴＥ１－ＴＭ０変換器３７に導かれる。そして、ＴＥ１－ＴＭ０変換器３７は、ＴＥ１とＴＭ０との間のモード変換を行う。したがって、図１７に示す構成によれば、ＴＥ０とＴＭ０との間の偏波変換が実現される。

【0090】

また、導波路ＷＧ２のポートＰ３にＴＥ０モード光（TE0_B）を入力すると、このＴＥ０モード光は、導波路ＷＧ２を伝搬する。このとき、このＴＥ０モード光は、図１１～図１３を参照して説明したように、モード変換が生じることなくポートＰ２を介して出力される。したがって、ポートＰ１を介してＴＥ０モード光（TE0_A）を入力し、ポートＰ３を介してＴＥ０モード光（TE0_B）を入力すると、ＴＥ０とＴＭ０との偏波多重が実現される。

【0091】

さらに、導波路ＷＧ２は、ポートＰ２において、幅方向に対称な屈折率分布を持たせることが可能である。例えば、リブ部２１の断面の形状が矩形であり、リブ部２１の両側に同じ形状のスラブ部２２、２３を形成すれば、幅方向に対称な屈折率分布が実現される。ここで、ＴＥ１－ＴＭ０変換器は、幅方向に対称な屈折率分布を有すると、ＴＥ１からＴＥ０への変換が起こりにくくなる。よって、図１７に示す構成によれば、偏波消光比が高くなる。

【0092】

図１８は、本発明の実施形態の第５のバリエーションを示す。第５のバリエーションにおいては、光導波路素子１は、不要な光を除去または抑制するための光終端器４１を備える。

【0093】

光導波路素子１においては、ポートＰ１を介してＴＥ０モード光を入力すると、ポートＰ２からＴＥ１モード光が出力される。ただし、入力光成分の一部は、残留成分として導波路ＷＧ１の出力端（即ち、ポートＰ４）を介して出力される。ここで、光終端器４１を設けない構成では、この残留成分は、導波路３１Ａの端部で反射して導波路ＷＧ１に戻ってくる。そして、戻ってきた残留成分は、光導波路素子１の特性に影響を与える。

【0094】

そこで、光導波路素子１は、図１８（ａ）に示すように、導波路３１Ａの先端に光終端器４１を備えてもよい。この構成によれば、ポートＰ４を介して出力される残留成分は、光終端器４１により終端されるので、反射が抑制される。したがって、光終端器４１を設けることにより光導波路素子１の特性が改善する。なお、ポートＰ３を介して光が入力されないときは、ポートＰ３に対しても光終端器を設けることが好ましい。

【0095】

光終端器４１は、例えば、図１８（ｂ）に示すように、導波路３１Ａの先端をテーパ構造にすることで実現される。この場合、導波路３１Ａのコアの幅が徐々に狭くなるように形成される。また、光終端器４１は、図１８（ｃ）に示すように、導波路３１Ａの先端に近い部分に、光を吸収する物質を高濃度にドープすることで実現してもよい。例えば、導波路３１Ａのコアに、光を吸収する物質がドープされる。光を吸収する物質は、特に限定されるものではなく、公知の材料を採用することができる。あるいは、光終端器４１は、図１８（ｄ）に示すように、導波路３１Ａの先端にフォトダイオード等の受光器を設けることで実現してもよい。この場合、導波路３１Ａの先端に到達する光は、電流に変換されるので、反射が抑制される。

【0096】

なお、上述の実施形態では、コアがＳｉで形成され、クラッドがＳｉＯ２で形成されるが、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、コアおよびクラッドがいずれもＳｉＯ２で形成されるＰＬＣであってもよい。また、導波路ＷＧ１、ＷＧ２は、ＩｎＰ導波路であってもよいし、ＧａＡｓ導波路であってもよい。あるいは、コアがＳｉまたはＳｉＮで形成され、下部クラッドがＳｉＯ２で形成され、上部クラッドがＳｉＯ２または空気で実現される導波路であってもよい。

【0097】

ただし、Ｓｉ導波路は、コアとクラッドとの間で屈折率の差が大きく、光の閉じ込めが強いので、曲率半径の小さいパターンであっても損失が小さい。よって、光回路の小型化が要求されるケースでは、Ｓｉ導波路を使用する形態が好ましい。

【0098】

上述の実施例では、コアの幅を変えることでコアの断面積が調整されるが、コアの高さを変えることでコアの断面積を調整してもよいし、幅および高さの双方を変えることでコアの断面積を調整してもよい。ただし、リソグラフィおよびエッチングにより導波路のコアを形成する場合は、マスクの形状によりコアの幅が決定される。したがって、製造工程を複雑にしないためには、コアの幅を変えることでコアの断面積を調整する方法が好ましい。

【符号の説明】

【0099】

１ 光導波路素子
１１、２１ リブ部
１２、２２、２３ スラブ部
３１ 離間部
３２ 接近部
３３～３６ 接続部
３７ ＴＥ１－ＴＭ０変換部
４１ 光終端器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】