知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(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】P2022082851
(43)【公開日】2022-06-03
(54)【発明の名称】グレーティング素子及び光デバイス
(51)【国際特許分類】
G02B 6/12 20060101AFI20220527BHJP
G02B 6/126 20060101ALI20220527BHJP
【ＦＩ】
G02B6/12 341
G02B6/12 311
G02B6/126
【審査請求】有
【請求項の数】2
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2020193988
(22)【出願日】2020-11-24
【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３０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１７条の適用を受ける特許出願）
(71)【出願人】
【識別番号】000000295
【氏名又は名称】沖電気工業株式会社
(71)【出願人】
【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】太縄 陽介
【テーマコード（参考）】
2H147
【Ｆターム（参考）】
2H147AB16
2H147AB21
2H147AB28
2H147BC13
2H147CA22
2H147CA23
2H147EA13A
2H147EA13C
2H147EA14B
2H147FC01
(57)【要約】
【課題】不要モード成分を除去し、光デバイスの性能向上を可能とするグレーティング素子、及び、このグレーティング素子を備える光デバイスを提供する
【解決手段】グレーティング素子は、光の伝搬方向である光の伝送軸に沿って、第１部分及び第２部分を周期的に繰り返し備え、第１部分と第２部分の伝送軸に沿った長さが互いに等しく、第１部分と第２部分の伝送軸に直交する方向の幅が、互いに等しく、かつ、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の少なくとも一方の偏波に対してマルチモードの伝送が可能な幅であり、第１部分の光の伝搬方向である中心軸が、伝送軸に対して、＋Δｘ／２だけずれて配置され、第２部分の光の伝搬方向である中心軸が、伝送軸に対して、－Δｘ／２だけずれて配置されているグレーティング領域を有する。
【選択図】図１
【解決手段】グレーティング素子は、光の伝搬方向である光の伝送軸に沿って、第１部分及び第２部分を周期的に繰り返し備え、第１部分と第２部分の伝送軸に沿った長さが互いに等しく、第１部分と第２部分の伝送軸に直交する方向の幅が、互いに等しく、かつ、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の少なくとも一方の偏波に対してマルチモードの伝送が可能な幅であり、第１部分の光の伝搬方向である中心軸が、伝送軸に対して、＋Δｘ／２だけずれて配置され、第２部分の光の伝搬方向である中心軸が、伝送軸に対して、－Δｘ／２だけずれて配置されているグレーティング領域を有する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
支持基板と、
前記支持基板上に形成されるクラッドと、
前記クラッド中に埋設され、前記支持基板の上面に平行に設けられる、光導波路コアとを備え、
前記光導波路コアと、該光導波路コアの周囲の前記クラッドから光導波路を構成する
光導波路素子であって、
光の伝搬方向である光の伝送軸に沿って、第１部分及び第２部分を周期的に繰り返し備え、
前記第１部分と前記第２部分の前記伝送軸に沿った長さが互いに等しく、
前記第１部分と前記第２部分の前記伝送軸に直交する方向の幅が互いに等しく、かつ、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の少なくとも一方の偏波に対してマルチモードの伝送が可能な幅であり、
前記第１部分の光の伝搬方向である中心軸が、前記伝送軸に対して、＋Δｘ／２だけずれて配置され、
前記第２部分の光の伝搬方向である中心軸が、前記伝送軸に対して、－Δｘ／２だけずれて配置されている
グレーティング領域を有することを特徴とするグレーティング素子。
前記支持基板上に形成されるクラッドと、
前記クラッド中に埋設され、前記支持基板の上面に平行に設けられる、光導波路コアとを備え、
前記光導波路コアと、該光導波路コアの周囲の前記クラッドから光導波路を構成する
光導波路素子であって、
光の伝搬方向である光の伝送軸に沿って、第１部分及び第２部分を周期的に繰り返し備え、
前記第１部分と前記第２部分の前記伝送軸に沿った長さが互いに等しく、
前記第１部分と前記第２部分の前記伝送軸に直交する方向の幅が互いに等しく、かつ、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の少なくとも一方の偏波に対してマルチモードの伝送が可能な幅であり、
前記第１部分の光の伝搬方向である中心軸が、前記伝送軸に対して、＋Δｘ／２だけずれて配置され、
前記第２部分の光の伝搬方向である中心軸が、前記伝送軸に対して、－Δｘ／２だけずれて配置されている
グレーティング領域を有することを特徴とするグレーティング素子。
【請求項2】
前記グレーティング領域において、
基本モードのＴＥ偏波と１次モードのＴＥ偏波の間の結合波長をλＴＥ０ＴＥ１、基本モードのＴＥ偏波の放射モードへの結合波長をλＴＥ０ｒａｄ、１次モードのＴＥ偏波の放射モードへの結合波長をλＴＥ１ｒａｄ、基本モードのＴＭ偏波の放射モードへの結合波長をλＴＭ０ｒａｄとし、使用波長域をλａ～λｂ（λａ＜λｂ）としたとき、
λｂ＜λＴＥ０ＴＥ１
λｂ＜λＴＥ０ｒａｄ
λａ＞λＴＥ１ｒａｄ
λａ＞λＴＭ０ｒａｄ
の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載のグレーティング素子。
基本モードのＴＥ偏波と１次モードのＴＥ偏波の間の結合波長をλＴＥ０ＴＥ１、基本モードのＴＥ偏波の放射モードへの結合波長をλＴＥ０ｒａｄ、１次モードのＴＥ偏波の放射モードへの結合波長をλＴＥ１ｒａｄ、基本モードのＴＭ偏波の放射モードへの結合波長をλＴＭ０ｒａｄとし、使用波長域をλａ～λｂ（λａ＜λｂ）としたとき、
λｂ＜λＴＥ０ＴＥ１
λｂ＜λＴＥ０ｒａｄ
λａ＞λＴＥ１ｒａｄ
λａ＞λＴＭ０ｒａｄ
の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載のグレーティング素子。
【請求項3】
請求項１又は２に記載のグレーティング素子と、
基本モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波の、少なくとも一方の偏波を、高次モードに変換するモードコンバータと
を備えることを特徴とする光デバイス。
基本モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波の、少なくとも一方の偏波を、高次モードに変換するモードコンバータと
を備えることを特徴とする光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、グレーティング素子と、このグレーティング素子を有する光デバイスに関する。
【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、情報処理装置内のラック間、ボード間又はチップ間等の情報伝達を光信号で行う。光配線技術を用いることにより、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、電気配線を用いることによる帯域制限を改善することができる。
【0003】
光の伝送媒体としてのシリコン（Ｓｉ）は、通信波長域において透明で、かつ導波路コアとして屈折率が高い、という特徴がある。Ｓｉを材料とする光導波路素子（Ｓｉ導波路素子）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（ＳｉＯ２）等を材料としたクラッドで、光導波路コアの周囲を覆う。
【0004】
Ｓｉの光導波路コアの周囲をＳｉＯ２のクラッドで覆うことにより構成されるＳｉ導波路では、光導波路コアとクラッドとの比屈折率差が非常に大きく確保される。このため、Ｓｉ導波路の伝搬モードの等価屈折率はクラッドの屈折率から離れた値をとる。この結果、Ｓｉの光導波路コア内部に光を強く閉じ込めることができる。このように、強い閉じ込めができることにより、曲げ導波路の曲率半径、及び、並走する導波路間の最小配線ピッチを数μｍ程度まで抑えることができる。このため、光配線のレイアウトサイズを小さくできる。
【0005】
また、半導体製造装置を用いた高精度なフォトリソグラフィやエッチング技術によるＳｉ導波路の微細加工が可能である。さらに、イオンドーピングで形成したＰＮ－Ｓｉ領域への電圧印加によるキャリア増幅に伴う屈折率変化（プラズマキャリア効果）を応用した変調器、及び、Ｓｉよりもバンドギャップの狭いゲルマニウム（Ｇｅ）をＳｉ上に選択成長させた受光素子（ＰＤ：Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）など、多様な機能デバイスを同一基板上にモノリシック的に集積形成でき、大量生産も容易である。このため、Ｓｉ導波路は光モジュールを小型・低コストで実現するためのプラットフォームとして有望視されており、これに関する様々な研究がなされている（例えば特許文献１参照)。
【0006】
一方で、Ｓｉ導波路のようにコアとクラッドとの比屈折率差Δが大きな導波路では２つの直交する偏波成分すなわち、Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ（ＴＥ）偏波光とＴｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ（ＴＭ）偏波光との間で、伝送モードの等価屈折率Ｎｅｆｆ及び群屈折率Ｎｇの差が大きくなりやすい、という問題が挙げられる。これは導波路を伝送する光の実効的な屈折率である等価屈折率Ｎｅｆｆは原理的にクラッドの屈折率Ｎｃｌａｄ及びコアの屈折率Ｎｃｏｒｅに対して、Ｎｃｌａｄ＜Ｎｅｆｆ＜Ｎｃｏｒｅの関係となり、Ｓｉ導波路のような高Δ導波路ではＮｅｆｆが広い範囲の値をとり得ることによる。このため、光の位相干渉を利用する波長フィルタにおいて直交偏波間での光学位相の差が生じ、同一波長における波長応答特性の乖離が偏波間で大きくなりやすく、チャネル間クロストークの原因となる。この問題は、特にファイバ伝送システムにおける受信側デバイスで顕在化する。
【0007】
この問題を解消するため、偏波分離機能素子を光回路中に導入する方式も提案されてい
る（例えば、特許文献２参照）。この方式では、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波に対してそれぞれ専用設計された２つの光機能素子が必要となるので、回路構成としては煩雑となりがちで、光回路サイズもその分大きくなってしまう。このため、Ｓｉ導波路のような高Δ導波路特有の偏波依存性に対する本質的な解決手段としては、波長フィルタそのものの波長応答特性の偏波間の乖離を最小に抑えることが望ましい。
る（例えば、特許文献２参照）。この方式では、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波に対してそれぞれ専用設計された２つの光機能素子が必要となるので、回路構成としては煩雑となりがちで、光回路サイズもその分大きくなってしまう。このため、Ｓｉ導波路のような高Δ導波路特有の偏波依存性に対する本質的な解決手段としては、波長フィルタそのものの波長応答特性の偏波間の乖離を最小に抑えることが望ましい。
【0008】
図２を参照して、Ｓｉ導波路における、導波路幅Ｗと、各伝送モードの等価屈折率Ｎｅｆｆの関係を説明する。図２は、導波路幅Ｗと、各伝送モードの等価屈折率Ｎｅｆｆの関係を示す図である。ここでは、Ｓｉ導波路をＳｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ＳＯＩ）基板として一般に商用流通しているＳＯＩ層の厚みに基づき、Ｓｉコアの厚みを２２０ｎｍとしている。また、波長を１，５５０ｎｍとしている。図２では、基本モードのＴＥ偏波（ＴＥ０）、１次モードのＴＥ偏波（ＴＥ１）、及び、基本モードのＴＭ偏波（ＴＭ０）を、それぞれ、曲線Ｉ、ＩＩ及びＩＩＩで表している。
【0009】
図２に示されるように、偏波無依存条件となるＴＥ０とＴＭ０の交点は、導波路幅Ｗが２２０ｎｍ、すなわち導波路断面の縦横比が１となる時である。しかし、この条件では断面サイズが小さいため光の閉じ込めが弱いモードカットオフ条件に近い。従って、埋め込み酸化（ＢＯＸ）層を挟んでＳｉコアから数μｍ離れた直下に存在する支持基板への損失が生じる。さらに、デバイスとして用いる場合、曲率半径を大きくせざるを得なくなり光回路を小型に出来るというＳｉ導波路のメリットを活かすことが出来なくなってしまう。
【0010】
一方、導波路幅Ｗを大きくしていくと、モード次数は異なるがＴＥ１とＴＭ０とのＮｅｆｆの交点が導波路幅６６０ｎｍ付近に存在することが分かる。この条件でのＮｅｆｆはモードカットオフ条件よりも十分大きくデバイス実用に耐えうるレベルである。これは、高次モードを積極的に利用することにより設計の自由度が広がることを意味する。発明者はこの点に注目し、現在までＴＥ１及びＴＭ０を利用した波長フィルタデバイスを検討してきた（例えば、特許文献３、４及び５参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0011】
【特許文献1】特開２０１１－７７１３３号公報
【特許文献2】特開平６－２０１９６２号公報
【特許文献3】特開２０１６－２４３７５号公報
【特許文献4】特開２０１８－１５５８６３号公報
【特許文献5】特開２０２０－４２２２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
このようなデバイスにおいては、光回路の配線部となるシングルモード導波路からＴＥ１及びＴＭ０を効率的に励振するためのモードコンバータが重要な役割を担う。特許文献５に記載されるモードコンバータでは、ＴＥ０からＴＥ１への変換損失は０．５ｄＢ以下に抑えられており、ノイズ成分となり得るＴＥ０に対して１００ｎｍ以上の波長域にわたり１５ｄＢ以上の消光比が確保されている。モードコンバータを通過した後のＴＥ１及びＴＭ０は、ＴＥ１及びＴＭ０に対して偏波無依存となるように専用設計された光デバイスに送られる。
【0013】
これら光デバイスの特性はＴＥ１に対するＴＥ０の消光比に大きく依存し、必ずしも特許文献５で開示される１５ｄＢで十分とは限らない。また、光デバイスを伝送中に、例えば曲がり導波路においてＴＥ１は微弱ながらＴＥ０へと再変換されてしまう。この再変換を曲がり導波路部で繰り返すことにより、基本モードと１次モード間で干渉計のように振
る舞うと、これがノイズ成分となり、デバイス特性の劣化の原因となる。
る舞うと、これがノイズ成分となり、デバイス特性の劣化の原因となる。
【0014】
この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものである。この発明の目的は、このような多モードが伝送する光デバイスにおいて、不要モード成分を除去し、光デバイスの性能向上を可能とするグレーティング素子、及び、このグレーティング素子を備える光デバイス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、この発明のグレーティング素子は、支持基板と、支持基板上に形成されるクラッドと、クラッド中に埋設され、支持基板の上面に平行に設けられる、光導波路コアとを備え、光導波路コアと、光導波路コアの周囲のクラッドから光導波路を構成する光導波路素子である。グレーティング素子は、光の伝搬方向である光の伝送軸に沿って、第１部分及び第２部分を周期的に繰り返し備え、第１部分と第２部分の伝送軸に沿った長さが互いに等しく、第１部分と第２部分の伝送軸に直交する方向の幅が、互いに等しく、かつ、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の少なくとも一方の偏波に対してマルチモードの伝送が可能な幅であり、第１部分の光の伝搬方向である中心軸が、伝送軸に対して、＋Δｘ／２だけずれて配置され、第２部分の光の伝搬方向である中心軸が、伝送軸に対して、－Δｘ／２だけずれて配置されているグレーティング領域を有する。ここで、Δｘは伝送軸中心に対する幅方向への任意のオフセット値である。
【0016】
また、この発明のグレーティング素子の好適実施形態によれば、基本モードのＴＥ偏波と１次モードのＴＥ偏波の間の結合波長をλＴＥ０ＴＥ１、基本モードのＴＥ偏波の放射モードへの結合波長をλＴＥ０ｒａｄ、１次モードのＴＥ偏波の放射モードへの結合波長をλＴＥ１ｒａｄ、基本モードのＴＭ偏波の放射モードへの結合波長をλＴＭ０ｒａｄとし、使用波長域をλａ～λｂ（λａ＜λｂ）としたとき、
λｂ＜λＴＥ０ＴＥ１
λｂ＜λＴＥ０ｒａｄ
λａ＞λＴＥ１ｒａｄ
λａ＞λＴＭ０ｒａｄ
の関係を満たす。
λｂ＜λＴＥ０ＴＥ１
λｂ＜λＴＥ０ｒａｄ
λａ＞λＴＥ１ｒａｄ
λａ＞λＴＭ０ｒａｄ
の関係を満たす。
【0017】
また、この発明の光デバイスは、上述のグレーティング素子と、基本モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波の、少なくとも一方の偏波を、高次モードに変換するモードコンバータとを備える。
【発明の効果】
【0018】
この発明とするグレーティング素子、及び、このグレーティング素子を備える光デバイスによれば、多モードが伝送する光デバイスにおいて、不要モード成分を除去し、光デバイスの性能向上を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】この発明のグレーティング素子の一構成例を示す模式図である。
【図2】導波路幅Ｗと、各伝送モードの等価屈折率Ｎｅｆｆの関係を示す図である。
【図3】光デバイスを説明するための模式図である。
【図4】グレーティング導波路幅Ｗと、屈折率変調周期Λ及び結合波長の関係を示す図である。
【図5】ＦＤＴＤ法を用いた伝送シミュレーションの結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
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。
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。
【0021】
図１を参照して、この発明のグレーティング素子について説明する。図１は、この発明のグレーティング素子の一構成例を示す模式図である。図１（Ａ）は、後述する支持基板及びクラッドを省略し、光導波路コアのみを示す概略的平面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示すグレーティング素子の概略的断面図である。
【0022】
グレーティング素子は、支持基板１０、クラッド２０、及び、光導波路コア３０を備える光導波路を基本構造として有している。
【0023】
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。
【0024】
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（ＳｉＯ２）を材料として形成されている。
【0025】
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と周囲のクラッド２０は、光の伝送路（光導波路）として機能し、光導波路コア３０に入力された光が光導波路コア３０の平面形状に応じた伝播方向に伝播する。
【0026】
グレーティング素子では、光導波路に周期的に屈折率が変調されたグレーティング領域が形成されている。最も単純な構成は、光導波路コア３０の幅方向中心軸１１２が光の伝送軸１０２に対して＋Δｘ／２だけずれた第１部分１１０と、導波路コアの幅方向中心軸１２２が光の伝送軸１０２に対して－Δｘ／２だけずれた第２部分１２０が、光の伝送方向に沿って屈折率変調（グレーティング）周期Λの半分（Λ／２）ごとに交互に入れ替わる構成である。一組の第１部分１１０と第２部分１２０とで一周期となる。この周期構造は光導波路形成時にフォトリソグラフィとエッチング工程のみで容易に実現することができ、またＳｉ導波路のような高Δ導波路では高い回折効率が得られるため、素子長を短くするにも有効である。
【0027】
グレーティングの回折条件は、以下の式（１）で与えられる。
【0028】
【数1】
【0029】
ここでＮａ及びＮｂは、それぞれモードＡ及びモードＢの等価屈折率を表し、λｂｒａｇｇはＢｒａｇｇ波長を表している。また、モードＡとモードＢとの間のモード結合係数は、以下の式（２）で与えられる。
【0030】
【数2】
【0031】
ω及びε０は、それぞれ角周波数と真空中の誘電率を表す。Ｅａ及びＥｂは、それぞれモードＡ及びモードＢの電界分布を表す。また、δεは誘電率(すなわち屈折率)の変動項を表している。このグレーティング素子では、屈折率変調構造の周期構造を構成する第１部分１１０及び第２部分１２０が、光の伝送軸１０２に対して非対称になっている。また、第１部分１１０と第２部分１２０の中心軸１１２及び１２２が、伝送軸１０２に対して、互いに異なる側に配置される。このため、上記式(２)において、屈折率の変動項δεは伝送軸を中心（ｘ＝０）として正負記号が反転する。したがって、同一モード間では積分項が常に０となり反射結合しないことを意味する。
【0032】
ところで、グレーティング領域ではＴＥ偏波及びＴＭ偏波の少なくとも一方の偏波に対してマルチモードの伝送が可能である。そして、マルチモードの伝送が可能な偏波においては、異なる次数のモード間で結合が生じる。また、ある伝送モードに対する結合変換先は必ずしも伝送モードとは限らず、無数に存在する放射モードにも結合し得ることが分かっている。放射モードは、クラッドの屈折率よりも低い等価屈折率をもち、伝送するに従って徐々にコアから離れていくモードである。ある伝送モードから放射モードへの結合は、伝送モード間結合のＢｒａｇｇ波長よりも短波長側でその傾向が強くみられる。これは、放射モードの等価屈折率が伝送モードよりも小さいためである。
【0033】
図２を改めてみると、モードカットオフ条件に近い条件を使わない限り、一番大きな等価屈折率を有する伝送モードはＴＥ０（Ｉ）であり、その変換先の伝送モードとしてはＴＥ１が候補になる。ＴＥ０（Ｉ）とＴＥ１（ＩＩ）とのＢｒａｇｇ波長をλＴＥ０ＴＥ１とするための屈折率変調周期ΛＴＥ０ＴＥ１は上記式(１)よりΛＴＥ０ＴＥ１＝λＴＥ０ＴＥ１／（ＮＴＥ０＋ＮＴＥ１）で一意に決まる。
【0034】
屈折率変調周期ΛＴＥ０ＴＥ１が決定されると次に考えるべきは各伝送モードから放射モード（ｒａｄ）への結合波長（ブラッグ波長）である。放射モードの等価屈折率はクラッドの屈折率よりも低いため、各伝送モードから放射モードへの結合波長の閾値は上記式（１）にクラッドの屈折率Ｎｃｌａｄと、先に求めた屈折率変調周期ΛＴＥ０ＴＥ１を用いて下記式(３)～(５)で算出することができる。
【0035】
【数3】
【0036】
これらの結合波長の閾値よりも短波長側は放射損失成分となる。
【0037】
ここでＮＴＥ０、ＮＴＥ１及びＮＴＭ０は、波長依存性を含む。上式（３）～（５）は伝送モードの等価屈折率が大きいほど放射モードへの結合波長の閾値は長波側となり、伝送しにくくなることを意味する。この性質を利用すると、特定の波長域において最も高い等価屈折率を有するＴＥ０のみを選択的に放射損失成分として抑圧し、かつ、他の伝送モードを透過させることが可能となる。
【0038】
【0039】
ＴＥ１及びＴＥ０に対して設計された偏波無依存デバイス５００に対して、グレーティング素子１００は、モードコンバータ３００と一緒に組み込まれて、光デバイスを構成する。
【0040】
モードコンバータ３００は、光回路を伝搬するＴＥ０及びＴＭ０から、ＴＥ１及びＴＭ０をそれぞれ励振する。モードコンバータ３００としては、例えば特許文献５に開示される構造など、任意好適な従来公知の構造を用いることができる。モードコンバータ３００の性能の１つとして変換先のＴＥ１に対するＴＥ０の消光比が重要となる。偏波無依存デバイス５００にとってＴＥ０は不要成分であり、消光比が不十分であるとデバイス回路を伝送中にＴＥ０からＴＥ１への変換や、その逆の変換が不慮に起こり、モード間で干渉しあいデバイス特性劣化の要因となる。
【0041】
そこで、グレーティング素子１００において、ＴＥ０とＴＥ１の間の結合波長λＴＥ０ＴＥ１及びＴＥ０から放射モードへの結合波長λＴＥ０ｒａｄを、後段に接続される偏波無依存光デバイス５００の動作波長域λａ～λｂ（λａ＜λｂ）における最長波端λｂよりもさらに長波側に設定し、かつ、ＴＥ１から放射モードへの結合波長λＴＥ１ｒａｄ及びＴＭ０から放射モードへの結合波長λＴＭ０ｒａｄを光デバイス５００の動作波長域における最短波端λａよりもさらに短波側に設定すれば、ＴＥ０はデバイスの動作波長域λａ～λｂにおいて放射モードと結合し損失となる。この結果、本来使いたいＴＥ１及びＴＭ０はデバイス動作波長域λａ～λｂにおいて透過し、ＴＥ０のみを選択的に除去することが可能となる。
【0042】
波長の大小関係は、以下の式(６)及び(７)で与えられる。
【0043】
【数4】
【0044】
このように、この発明のグレーティング素子をモードコンバータと組み合わせて用いるとモードコンバータの性能指数であるＴＥ１／ＴＥ０の消光比が底上げされ、デバイス全体として特性の向上が期待される。
【0045】
なお、偏波無依存光デバイス５００は、スポットサイズコンバータや導波路型変調器など、基本モードで動作することが前提となる他のデバイスと集積されることが想定される
。このため、偏波無依存デバイス５００を通過後は、ＴＥ１及びＴＭ０を、再びＴＥ０及びＴＭ０にそれぞれ再変換する必要がある。従って、入力側のグレーティング素子１００とモードコンバータ３００の一連の構造が、出力側にも入力に対向するかたちで設置されるのがよい。
。このため、偏波無依存デバイス５００を通過後は、ＴＥ１及びＴＭ０を、再びＴＥ０及びＴＭ０にそれぞれ再変換する必要がある。従って、入力側のグレーティング素子１００とモードコンバータ３００の一連の構造が、出力側にも入力に対向するかたちで設置されるのがよい。
【0046】
本発明では、光導波路を伝送するモードのうち最も大きな等価屈折率を有するモードのみを選択的に除去することで、後段に接続される光デバイスの特性を向上させることが可能となる。
【0047】
（発明を実施するための形態例）
このグレーティング素子を設計するための要素として、光導波路の寸法と屈折率変調周期、そして伝送モードのうちどのモードが選択的に除去されるかを検討する必要がある。
このグレーティング素子を設計するための要素として、光導波路の寸法と屈折率変調周期、そして伝送モードのうちどのモードが選択的に除去されるかを検討する必要がある。
【0048】
ここでは一例として、グレーティング素子１００はＴＥ０、ＴＥ１及びＴＭ０が伝送可能であるとする。これらの伝送モードのうち、最も高い等価屈折率を有するのはＴＥ０であるため、ＴＥ０のみを選択的に除去する設計について説明する。また、本グレーティング素子と組み合わせて使用する偏波無依存光デバイス５００の動作波長域λａ～λｂとして通信波長域であるＣバンド帯をカバーできるよう１，５００～１，６００ｎｍ（λａ＝1，５００ｎｍ、λｂ＝１,６００ｎｍ）を想定した。
【0049】
このグレーティング素子は、屈折率変調構造を構成する第１部分及び第２部分が光の伝送中心軸に沿って変調周期の半分非対称になっているため、伝送モード間での結合はＴＥ０とＴＥ１の間の結合のみに限られる。ＴＥ０とＴＥ１の間の結合波長λＴＥ０ＴＥ１及びＴＥ０から放射モードへの結合波長λＴＥ０ｒａｄが上記式(６)を満たすように設定し、残りの伝送モードであるＴＥ１から放射モードへの結合波長λＴＥ１ｒａｄ及びＴＭ０から放射モードへの結合波長λＴＭ０ｒａｄが上記式(７)を満たすように設定する。
【0050】
これらの波長λＴＥ０ＴＥ１、λＴＥ０ｒａｄ、λＴＥ１ｒａｄ及びλＴＭ０ｒａｄのうち最も長波長にあるのはλＴＥ０ＴＥ１であるので、これを最初に決める。ここではλＴＥ０ＴＥ１がλｂから十分離れて長波になるように考慮し、λＴＥ０ＴＥ１＝１，７３０ｎｍとした。
【0051】
図４は横軸にパラメータとしてのグレーティング導波路幅Ｗを取って示し、左縦軸に上記式（１）からΛＴＥ０ＴＥ１＝λＴＥ０ＴＥ１／（ＮＴＥ０＋ＮＴＥ１）を用いて求めた屈折率変調周期Λを取って示している。また、図４は右縦軸に、上記式(３)～(５)を用いて求めた、結合波長（ブラッグ波長）を取って示している。
【0052】
図４に示されるように、導波路幅Ｗが大きくなるにつれて、屈折率変調周期Λが小さくなる。これは、周期Λが結合モードの等価屈折率Ｎｅｆｆの和に反比例し、等価屈折率は導波路幅Ｗに従って大きくなるためである。
【0053】
また、最も等価屈折率の大きなＴＥ０が最長波長で放射モードと結合し、ＴＥ１とＴＭ０はそれよりも短波側で放射モードと結合し始めることが分かる。ここでは偏波無依存光デバイス５００の動作波長域を１，５００～１，６００ｎｍ（λａ＝1，５００ｎｍ、λｂ＝１,６００ｎｍ）としている。このため、この１，５００～１，６００ｎｍに結合波長が無ければデバイスとして利用可能であることを意味する。そのため、導波路幅Ｗを８００ｎｍとした。このときの屈折率変調周期ΛＴＥ０ＴＥ１は、３９３ｎｍであり、これに対応する結合波長は、λＴＥ０ｒａｄ＝１,６１０ｎｍ、λＴＥ１ｒａｄ＝１,４７０ｎｍ、及び、λＴＭ０ｒａｄ＝１,４１０ｎｍとなり、全て上記式(６)、(７)を満足する。
【0054】
次に上記のように設計したグレーティング素子の透過スペクトルの特性をＦｉｎｉｔｅ
Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉ（ＦＤＴＤ）法を用いた伝送シミュレーションにより確認した。なお屈折率変調周期の繰り返し数Ｎは計算に必要なメモリを低減するためＮ＝２００と制限しており、素子長はＮ×Λ＝８０μｍ弱となる。
Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉ（ＦＤＴＤ）法を用いた伝送シミュレーションにより確認した。なお屈折率変調周期の繰り返し数Ｎは計算に必要なメモリを低減するためＮ＝２００と制限しており、素子長はＮ×Λ＝８０μｍ弱となる。
【0055】
図５は、ＦＤＴＤ法を用いた伝送シミュレーションの結果を示す図である。図５では、横軸に波長（ｎｍ）を取って示し、縦軸に、グレーティング素子の透過率（ｄＢ）を取って示している。図５では、ＴＥ０、ＴＥ１及びＴＭ０を、それぞれ、曲線Ｉ、ＩＩ及びＩＩＩで表している。
【0056】
図５に示されるように、ＴＥ０では、透過損失が生じるのに対し、ＴＥ１及びＴＭ０はほぼ損失無で透過している様子が確認できる。すなわち、ＴＥ０成分のみを選択的に除去する動作が得られた。より大きくＴＥ０を除去したければ繰り返し数Ｎを増やせばよい。
【符号の説明】
【0057】
１０ 支持基板
２０ クラッド
３０ 光導波路コア
１００ グレーティング素子
１１０ 第１部分
１２０ 第２部分
３００ モードコンバータ
５００ 偏波無依存光デバイス
２０ クラッド
３０ 光導波路コア
１００ グレーティング素子
１１０ 第１部分
１２０ 第２部分
３００ モードコンバータ
５００ 偏波無依存光デバイス
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【手続補正書】
【提出日】2022-02-08
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
支持基板と、
前記支持基板上に形成されるクラッドと、
前記クラッド中に埋設され、前記支持基板の上面に平行に設けられる、光導波路コアとを備え、
前記光導波路コアと、該光導波路コアの周囲の前記クラッドから光導波路を構成する
光導波路素子であって、
光の伝搬方向である光の伝送軸に沿って、第１部分及び第２部分を周期的に繰り返し備え、
前記第１部分と前記第２部分の前記伝送軸に沿った長さが互いに等しく、
前記第１部分と前記第２部分の前記伝送軸に直交する方向の幅が互いに等しく、かつ、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の少なくとも一方の偏波に対してマルチモードの伝送が可能な幅であり、
前記第１部分の光の伝搬方向である中心軸が、前記伝送軸に対して、＋Δｘ／２だけずれて配置され、
前記第２部分の光の伝搬方向である中心軸が、前記伝送軸に対して、－Δｘ／２だけずれて配置されている
グレーティング領域を有し、
前記グレーティング領域において、
基本モードのＴＥ偏波と１次モードのＴＥ偏波の間の結合波長をλＴＥ０ＴＥ１、基本モードのＴＥ偏波の放射モードへの結合波長をλＴＥ０ｒａｄ、１次モードのＴＥ偏波の放射モードへの結合波長をλＴＥ１ｒａｄ、基本モードのＴＭ偏波の放射モードへの結合波長をλＴＭ０ｒａｄとし、使用波長域をλａ～λｂ（λａ＜λｂ）としたとき、
λｂ＜λＴＥ０ＴＥ１
λｂ＜λＴＥ０ｒａｄ
λａ＞λＴＥ１ｒａｄ
λａ＞λＴＭ０ｒａｄ
の関係を満たすことを特徴とするグレーティング素子。
前記支持基板上に形成されるクラッドと、
前記クラッド中に埋設され、前記支持基板の上面に平行に設けられる、光導波路コアとを備え、
前記光導波路コアと、該光導波路コアの周囲の前記クラッドから光導波路を構成する
光導波路素子であって、
光の伝搬方向である光の伝送軸に沿って、第１部分及び第２部分を周期的に繰り返し備え、
前記第１部分と前記第２部分の前記伝送軸に沿った長さが互いに等しく、
前記第１部分と前記第２部分の前記伝送軸に直交する方向の幅が互いに等しく、かつ、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の少なくとも一方の偏波に対してマルチモードの伝送が可能な幅であり、
前記第１部分の光の伝搬方向である中心軸が、前記伝送軸に対して、＋Δｘ／２だけずれて配置され、
前記第２部分の光の伝搬方向である中心軸が、前記伝送軸に対して、－Δｘ／２だけずれて配置されている
グレーティング領域を有し、
前記グレーティング領域において、
基本モードのＴＥ偏波と１次モードのＴＥ偏波の間の結合波長をλＴＥ０ＴＥ１、基本モードのＴＥ偏波の放射モードへの結合波長をλＴＥ０ｒａｄ、１次モードのＴＥ偏波の放射モードへの結合波長をλＴＥ１ｒａｄ、基本モードのＴＭ偏波の放射モードへの結合波長をλＴＭ０ｒａｄとし、使用波長域をλａ～λｂ（λａ＜λｂ）としたとき、
λｂ＜λＴＥ０ＴＥ１
λｂ＜λＴＥ０ｒａｄ
λａ＞λＴＥ１ｒａｄ
λａ＞λＴＭ０ｒａｄ
の関係を満たすことを特徴とするグレーティング素子。
【請求項2】
請求項１に記載のグレーティング素子と、
基本モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波の、少なくとも一方の偏波を、高次モードに変換するモードコンバータと
を備えることを特徴とする光デバイス。
基本モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波の、少なくとも一方の偏波を、高次モードに変換するモードコンバータと
を備えることを特徴とする光デバイス。