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特開2023-110383光デバイス、基板型光導波路素子、光通信装置及び導波路間遷移方法
(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】P2023110383
(43)【公開日】2023-08-09
(54)【発明の名称】光デバイス、基板型光導波路素子、光通信装置及び導波路間遷移方法
(51)【国際特許分類】
G02B 6/12 20060101AFI20230802BHJP
【ＦＩ】
G02B6/12 321
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022011793
(22)【出願日】2022-01-28
(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】110002147
【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】岡 徹
【テーマコード（参考）】
2H147
【Ｆターム（参考）】
2H147AA01
2H147AB29
2H147BA02
2H147BA05
2H147BB02
2H147BB09
2H147EA12A
2H147EA12B
2H147EA13A
2H147EA14A
2H147EA14B
2H147EA25B
2H147GA25
(57)【要約】
【課題】異なる導波路間の間接遷移による光損失を抑制できる光デバイス等を提供する。
【解決手段】光デバイスは、第１の材料屈折率を有する第１の導波路と、第２の材料屈折率を有する第２の導波路との間で垂直モードの光が間接遷移する。光デバイスは、第１の導波路を導波する垂直モードの実効屈折率と第２の導波路を導波する垂直モードの実効屈折率との大小関係が入出力で逆転するように、第１の導波路及び第２の導波路が離間した状態で重ねて配置する遷移部を有する。遷移部は、入力では、第２の導波路を、実効屈折率が最大の垂直モードの光のみが導波するシングルモード導波路とし、出力では、第２の導波路を、最大の垂直モード及び高次モードの光が導波するマルチモード導波路とする。光デバイスは、第２の導波路を、遷移部からの垂直モードの光から高次モードを除去して最大の垂直モードの光のみが導波するシングルモード導波路とする除去部を有する。
【選択図】図１
【解決手段】光デバイスは、第１の材料屈折率を有する第１の導波路と、第２の材料屈折率を有する第２の導波路との間で垂直モードの光が間接遷移する。光デバイスは、第１の導波路を導波する垂直モードの実効屈折率と第２の導波路を導波する垂直モードの実効屈折率との大小関係が入出力で逆転するように、第１の導波路及び第２の導波路が離間した状態で重ねて配置する遷移部を有する。遷移部は、入力では、第２の導波路を、実効屈折率が最大の垂直モードの光のみが導波するシングルモード導波路とし、出力では、第２の導波路を、最大の垂直モード及び高次モードの光が導波するマルチモード導波路とする。光デバイスは、第２の導波路を、遷移部からの垂直モードの光から高次モードを除去して最大の垂直モードの光のみが導波するシングルモード導波路とする除去部を有する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の材料屈折率を有する第１の導波路と、前記第１の材料屈折率よりも低い第２の材料屈折率を有する第２の導波路との間で垂直モードの光が間接遷移する光デバイスであって、
前記第１の導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率と前記第２の導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率との大小関係が入出力で逆転するように、前記第１の導波路及び前記第２の導波路が離間した状態で重ねて配置することで、入力では、前記第２の導波路を、前記垂直モードの内、実効屈折率が最大の垂直モードの光のみが導波するシングルモード導波路とし、出力では、前記第２の導波路を、前記最大の垂直モード及び、前記垂直モードの高次モードの光が導波するマルチモード導波路とする遷移部と、
前記第２の導波路を、前記遷移部からの前記垂直モードの光から前記高次モードを除去して前記最大の垂直モードの光のみが導波する前記シングルモード導波路とする除去部と、
を有することを特徴とする光デバイス。
前記第１の導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率と前記第２の導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率との大小関係が入出力で逆転するように、前記第１の導波路及び前記第２の導波路が離間した状態で重ねて配置することで、入力では、前記第２の導波路を、前記垂直モードの内、実効屈折率が最大の垂直モードの光のみが導波するシングルモード導波路とし、出力では、前記第２の導波路を、前記最大の垂直モード及び、前記垂直モードの高次モードの光が導波するマルチモード導波路とする遷移部と、
前記第２の導波路を、前記遷移部からの前記垂直モードの光から前記高次モードを除去して前記最大の垂直モードの光のみが導波する前記シングルモード導波路とする除去部と、
を有することを特徴とする光デバイス。
【請求項2】
前記第１の導波路は、
前記光の進行方向に応じて導波路幅が徐々に狭くなる第１のテーパ導波路を有し、
前記第２の導波路は、
前記第１のテーパ導波路と間接遷移で光結合し、前記光の進行方向に応じて導波路幅が徐々に広くなる第２のテーパ導波路と、
前記第２のテーパ導波路と光結合し、前記光の進行方向に応じて導波路幅が徐々に狭くなる第３のテーパ導波路と、を有し、
前記遷移部は、
前記第１のテーパ導波路の入力部と前記第２のテーパ導波路の入力部とが離間した状態で重なると共に、前記第１のテーパ導波路の出力部と前記第２のテーパ導波路の出力部とが離間した状態で重なるように配置して、前記第１のテーパ導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率と前記第２のテーパ導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率との大小関係が前記遷移部の入出力で逆転することで、前記第２のテーパ導波路の入力部を前記シングルモード導波路とし、前記第２のテーパ導波路の出力部を前記マルチモード導波路とすると共に、
前記除去部は、
前記遷移部からの前記垂直モードの光が前記第３のテーパ導波路を導波することで、前記第３のテーパ導波路を、前記垂直モードの光から前記高次モードを除去して前記最大の垂直モードの光のみが導波する前記シングルモード導波路とすることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
前記光の進行方向に応じて導波路幅が徐々に狭くなる第１のテーパ導波路を有し、
前記第２の導波路は、
前記第１のテーパ導波路と間接遷移で光結合し、前記光の進行方向に応じて導波路幅が徐々に広くなる第２のテーパ導波路と、
前記第２のテーパ導波路と光結合し、前記光の進行方向に応じて導波路幅が徐々に狭くなる第３のテーパ導波路と、を有し、
前記遷移部は、
前記第１のテーパ導波路の入力部と前記第２のテーパ導波路の入力部とが離間した状態で重なると共に、前記第１のテーパ導波路の出力部と前記第２のテーパ導波路の出力部とが離間した状態で重なるように配置して、前記第１のテーパ導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率と前記第２のテーパ導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率との大小関係が前記遷移部の入出力で逆転することで、前記第２のテーパ導波路の入力部を前記シングルモード導波路とし、前記第２のテーパ導波路の出力部を前記マルチモード導波路とすると共に、
前記除去部は、
前記遷移部からの前記垂直モードの光が前記第３のテーパ導波路を導波することで、前記第３のテーパ導波路を、前記垂直モードの光から前記高次モードを除去して前記最大の垂直モードの光のみが導波する前記シングルモード導波路とすることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
【請求項3】
前記遷移部は、
前記第１のテーパ導波路が孤立導波路とみなした場合の前記第１のテーパ導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率と、前記第２のテーパ導波路が孤立導波路とみなした場合の前記第２のテーパ導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率との大小関係が前記遷移部の入出力で逆転することを特徴とする請求項２に記載の光デバイス。
前記第１のテーパ導波路が孤立導波路とみなした場合の前記第１のテーパ導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率と、前記第２のテーパ導波路が孤立導波路とみなした場合の前記第２のテーパ導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率との大小関係が前記遷移部の入出力で逆転することを特徴とする請求項２に記載の光デバイス。
【請求項4】
前記遷移部は、
前記遷移部の出力部にある前記第２のテーパ導波路の導波路幅を、前記遷移部の入力部にある前記第１のテーパ導波路の導波路幅に比較して広くする構造を有し、前記入力部では、前記第２のテーパ導波路を前記シングルモード導波路とし、前記出力部では、前記第２のテーパ導波路を前記マルチモード導波路とすることを特徴とする請求項２又は３に記載の光デバイス。
前記遷移部の出力部にある前記第２のテーパ導波路の導波路幅を、前記遷移部の入力部にある前記第１のテーパ導波路の導波路幅に比較して広くする構造を有し、前記入力部では、前記第２のテーパ導波路を前記シングルモード導波路とし、前記出力部では、前記第２のテーパ導波路を前記マルチモード導波路とすることを特徴とする請求項２又は３に記載の光デバイス。
【請求項5】
基板上にクラッドで被覆する前記第１の導波路は、
Ｓi（Silicon）を含む材料で形成され、
前記基板上にクラッドで被覆する前記第２の導波路は、
ＳiＮ(Silicon Nitride)を含む材料で形成され、
前記クラッドは、
ＳｉＯ２を含む材料で形成されることを特徴とする請求項１～４の何れか一つに記載の光デバイス。
Ｓi（Silicon）を含む材料で形成され、
前記基板上にクラッドで被覆する前記第２の導波路は、
ＳiＮ(Silicon Nitride)を含む材料で形成され、
前記クラッドは、
ＳｉＯ２を含む材料で形成されることを特徴とする請求項１～４の何れか一つに記載の光デバイス。
【請求項6】
前記第１の導波路及び前記第２の導波路は、
リブ導波路であることを特徴とする請求項１～５の何れか一つに記載の光デバイス。
リブ導波路であることを特徴とする請求項１～５の何れか一つに記載の光デバイス。
【請求項7】
第１の材料屈折率を有する第１の導波路と、前記第１の材料屈折率よりも低い第２の材料屈折率を有する第２の導波路との間で垂直モードの光が間接遷移する基板型光導波路素子であって、
前記第１の導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率と前記第２の導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率との大小関係が入出力で逆転するように、前記第１の導波路及び前記第２の導波路が離間した状態で重ねて配置することで、入力では、前記第２の導波路を、前記垂直モードの内、実効屈折率が最大の垂直モードの光のみが導波するシングルモード導波路とし、出力では、前記第２の導波路を、前記最大の垂直モード及び、前記垂直モードの高次モードの光が導波するマルチモード導波路とする遷移部と、
前記第２の導波路を、前記遷移部からの前記垂直モードの光から前記高次モードを除去して前記最大の垂直モードの光のみが導波する前記シングルモード導波路とする除去部と、
を有することを特徴とする基板型光導波路素子。
前記第１の導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率と前記第２の導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率との大小関係が入出力で逆転するように、前記第１の導波路及び前記第２の導波路が離間した状態で重ねて配置することで、入力では、前記第２の導波路を、前記垂直モードの内、実効屈折率が最大の垂直モードの光のみが導波するシングルモード導波路とし、出力では、前記第２の導波路を、前記最大の垂直モード及び、前記垂直モードの高次モードの光が導波するマルチモード導波路とする遷移部と、
前記第２の導波路を、前記遷移部からの前記垂直モードの光から前記高次モードを除去して前記最大の垂直モードの光のみが導波する前記シングルモード導波路とする除去部と、
を有することを特徴とする基板型光導波路素子。
【請求項8】
光源と、
送信信号を用いて光源からの光を光変調して送信光を送信する光送信器と、
前記光源からの光を用いて受信光から受信信号を受信する光受信器と、
前記光送信器及び前記光受信器内で前記光を導波路する基板型光導波路素子と、を有する光通信装置であって、
前記基板型光導波路素子は、
第１の材料屈折率を有する第１の導波路と、前記第１の材料屈折率よりも低い第２の材料屈折率を有する第２の導波路との間で垂直モードの光が間接遷移する基板型光導波路素子であって、
前記第１の導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率と前記第２の導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率との大小関係が入出力で逆転するように、前記第１の導波路及び前記第２の導波路が離間した状態で重ねて配置することで、入力では、前記第２の導波路を、前記垂直モードの内、実効屈折率が最大の垂直モードの光のみが導波するシングルモード導波路とし、出力では、前記第２の導波路を、前記最大の垂直モード及び、前記垂直モードの高次モードの光が導波するマルチモード導波路とする遷移部と、
前記第２の導波路を、前記遷移部からの前記垂直モードの光から前記高次モードを除去して前記最大の垂直モードの光のみが導波する前記シングルモード導波路とする除去部と、
を有することを特徴とする光通信装置。
送信信号を用いて光源からの光を光変調して送信光を送信する光送信器と、
前記光源からの光を用いて受信光から受信信号を受信する光受信器と、
前記光送信器及び前記光受信器内で前記光を導波路する基板型光導波路素子と、を有する光通信装置であって、
前記基板型光導波路素子は、
第１の材料屈折率を有する第１の導波路と、前記第１の材料屈折率よりも低い第２の材料屈折率を有する第２の導波路との間で垂直モードの光が間接遷移する基板型光導波路素子であって、
前記第１の導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率と前記第２の導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率との大小関係が入出力で逆転するように、前記第１の導波路及び前記第２の導波路が離間した状態で重ねて配置することで、入力では、前記第２の導波路を、前記垂直モードの内、実効屈折率が最大の垂直モードの光のみが導波するシングルモード導波路とし、出力では、前記第２の導波路を、前記最大の垂直モード及び、前記垂直モードの高次モードの光が導波するマルチモード導波路とする遷移部と、
前記第２の導波路を、前記遷移部からの前記垂直モードの光から前記高次モードを除去して前記最大の垂直モードの光のみが導波する前記シングルモード導波路とする除去部と、
を有することを特徴とする光通信装置。
【請求項9】
第１の材料屈折率を有する第１の導波路と、前記第１の材料屈折率よりも低い第２の材料屈折率を有する第２の導波路との間で垂直モードの光が間接遷移する導波路間遷移方法であって、
前記第１の導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率と前記第２の導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率との大小関係が入出力で逆転するように、前記第１の導波路及び前記第２の導波路が離間した状態で重ねて配置することで、入力では、前記第２の導波路を、前記垂直モードの内、実効屈折率が最大の垂直モードの光のみが導波するシングルモード導波路とし、出力では、前記第２の導波路を、前記最大の垂直モード及び、前記垂直モードの高次モードの光が導波するマルチモード導波路とし、
前記第２の導波路を、前記マルチモード導波路からの前記垂直モードの光から前記高次モードを除去して前記最大の垂直モードの光のみが導波するシングルモード導波路とする
処理を実行することを特徴とする導波路間遷移方法。
前記第１の導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率と前記第２の導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率との大小関係が入出力で逆転するように、前記第１の導波路及び前記第２の導波路が離間した状態で重ねて配置することで、入力では、前記第２の導波路を、前記垂直モードの内、実効屈折率が最大の垂直モードの光のみが導波するシングルモード導波路とし、出力では、前記第２の導波路を、前記最大の垂直モード及び、前記垂直モードの高次モードの光が導波するマルチモード導波路とし、
前記第２の導波路を、前記マルチモード導波路からの前記垂直モードの光から前記高次モードを除去して前記最大の垂直モードの光のみが導波するシングルモード導波路とする
処理を実行することを特徴とする導波路間遷移方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光デバイス、基板型光導波路素子、光通信装置及び導波路間遷移方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、通信容量の増加に伴って、光ファイバ通信の需要が増大しているため、電気信号を光信号に変換する小型の光デバイスが使用されている。そこで、近年、シリコンフォトニクスに代表される超小型の基板型光導波路素子(単に、光デバイスと称する)の開発が盛んに行われている。光デバイスでは、同じチップ上に異なる材料から成る２つ以上の導波路を集積することが可能である。
【0003】
光デバイスを構成する光部品は、例えば、材料屈折率によって得られる特性が異なるため、光部品毎に適切な材料の導波路を使用することで、光デバイスの特性の向上を図ることができる。そこで、異なる材料の導波路を使用する光デバイスでは、異なる導波路間で光を間接遷移する導波路間遷移構造を有する。
【0004】
また、光デバイスでは、通信容量を増加させるために、直交する２偏波成分に異なる信号を乗せて伝送する偏波伝送技術が採用されている。直交する２偏波成分には、基板に水平な電界成分が主となるＴＥ－ｌｉｋｅモード(単に、ＴＥモードと称する)及び、基板に垂直な電界成分が主となるＴＭ－ｌｉｋｅモード(単に、ＴＭモード、もしくは垂直モードと称する)を有する。
【0005】
ＴＭモードは、ＴＥモードに比較してコアへの光閉じ込めが弱いため、異なる導波路間の間接遷移で光損失が大きくなる。そこで、導波路間遷移構造では、異なる導波路間の間接遷移によるＴＭモードの光損失を抑制することが求められている。
【0006】
図９は、従来の導波路間遷移構造２００の一例を示す説明図である。図９に示す導波路間遷移構造２００では、ＳｉＯ２のクラッドで被覆された、例えば、Ｓｉの導波路（単に、Ｓｉ導波路と称する）２０１と、クラッドで被覆された、例えば、Ｓｉ３Ｎ４の導波路(単に、ＳｉＮ（Silicon Nitride）導波路と称する)２０２とを有する。導波路間遷移構造２００では、ＴＥモードの内、実効屈折率が最も大きいモードであるＴＥ０モードの光をＳｉ導波路２０１とＳｉＮ導波路２０２との間で間接遷移する。
【0007】
導波路間遷移構造２００では、Ｓｉ導波路２０１の途中から、その上方にＳｉＮ導波路２０２が配置され、光の進行方向に沿って、Ｓｉ導波路２０１の導波路幅が徐々に狭くなり、同時にＳｉＮ導波路２０２の導波路幅が徐々に広くなる。そして、導波路間遷移構造では、最後に、Ｓｉ導波路２０１は途切れてＳｉＮ導波路２０２だけとなる構造である。そして、導波路間遷移構造２００では、Ｓｉ導波路２０１とＳｉＮ導波路２０２との間でＳｉ導波路２０１に局在していた電界Ｅが断熱的にＳｉＮ導波路２０２へと徐々に遷移することになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開２０１６－１８０８６５号公報
【特許文献2】特開２０１５－１９１１１０号公報
【特許文献3】国際公開第２００８／１１４６２４号
【特許文献4】米国特許第７３９７９９５号明細書
【非特許文献】
【0009】
【非特許文献1】WESLEY D. SACHER, et al., “Monolithically Integrated Multilayer Silicon Nitride-on-Silicon Waveguide Platforms for 3-D Photonic Circuits and Devices,” PROCEEDINGS OF THE IEEE, Vol. 106, No. 12, December 2018
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
しかしながら、従来の導波路間遷移構造２００では、Ｓｉ導波路２０１上部に導波路幅の狭いＳｉＮ導波路２０２が不連続的に生じる第１の断面部分Ｘ１を有する。更に、従来の導波路間遷移構造２００では、ＳｉＮ導波路２０２の下部に導波路幅の狭いＳｉ導波路２０１が無くなる第２の断面部分Ｘ２を有する。つまり、従来の導波路間遷移構造２００では、２か所の不連続な断面部分を有する。導波路間遷移構造２００では、不連続な断面部分Ｘ１，Ｘ２によって、遷移する光が散乱して光損失が発生する。
【0011】
また、例えば、光の波長が１．５５μｍとした場合、Ｓｉの材料屈折率が約３．５、Ｓｉ３Ｎ４の材料屈折率が約２．０であるため、Ｓｉの材料屈折率の方が大きい。一般的に、材料屈折率が高いコアの方が電界をコアに閉じ込められる。従って、ＳｉＮ導波路２０２の下部にある導波路幅の狭いＳｉ導波路２０１が途切れる第２の断面部分Ｘ２では、途切れる方のＳｉ導波路２０１のコアに電界Ｅが局在する方が不連続性によるロスが増加することになる。その結果、不連続性によるロスの増加でＳｉ導波路２０１が途切れる第２の断面部分Ｘ２での光損失の影響が顕著となる。Ｓｉ導波路２０１が途切れる第２の断面部分Ｘ２での光損失の影響は、Ｓｉ導波路２０１とＳｉＮ導波路２０２との間の間接遷移の場合に限らず、材料屈折率に大小関係がある導波路を採用した導波路間遷移構造であれば同様に生じる。しかも、不連続な断面部分での光散乱による光損失の増加は、ＴＥ０モードの光に比較してＴＭ０モードの光の方が顕著となる。
【0012】
従来の導波路間遷移構造２００では、Ｓｉ導波路２０１を導波するＴＭ０モードの光が、ＳｉＮ導波路２０２を導波するＴＭ０モードの光へ、断熱的に遷移する。ＴＭ０モードの光が遷移するためには、Ｓｉ導波路２０１を導波するＴＭ０モードの実効屈折率とＳｉＮ導波路２０２を導波するＴＭ０モードの実効屈折率とが徐々に一致するようにＳｉ導波路２０１及びＳｉＮ導波路２０２を配置する必要がある。そして、Ｓｉ導波路２０１を導波するＴＭ０モードとＳｉＮ導波路２０２を導波するＴＭ０モードとが相互作用することでＴＭ０モードの電界はＳｉ導波路２０１及びＳｉＮ導波路２０２に分布することになる。
【0013】
導波路間遷移構造２００の入力部２００Ａ及び出力部２００Ｂでは、外部の孤立した導波路と効率よく接続できることが好ましい。尚、外部の孤立した導波路とは、例えば、Ｓｉ導波路２０１上にＳｉＮ導波路２０２がないＳｉ導波路２０１単体の導波路や、ＳｉＮ導波路２０２下にＳｉ導波路２０１がないＳｉＮ導波路２０２単体の導波路である。
【0014】
しかしながら、入力部２００Ａ及び出力部２００Ｂでは、Ｓｉ導波路２０１及びＳｉＮ導波路２０２の両方に電界が分布する相互作用は好ましくない。入力部２００Ａ及び出力部２００Ｂでは、両方の導波路に電界が分布した場合、外部の孤立した導波路と接続する際にモード分布のミスマッチによる光損失やモード変換、反射等が発生することになる。
【0015】
一つの側面では、異なる導波路間の間接遷移による光損失を抑制できる光デバイス等を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0016】
一つの態様の光デバイスは、第１の材料屈折率を有する第１の導波路と、第１の材料屈折率よりも低い第２の材料屈折率を有する第２の導波路との間で垂直モードの光が間接遷移する。光デバイスは、第１の導波路を導波する垂直モードの実効屈折率と第２の導波路を導波する垂直モードの実効屈折率との大小関係が入出力で逆転するように、第１の導波路及び第２の導波路が離間した状態で重ねて配置する遷移部を有する。遷移部は、入力では、第２の導波路を、垂直モードの内、実効屈折率が最大の垂直モードの光のみが導波するシングルモード導波路とし、出力では、第２の導波路を、最大の垂直モード及び、垂直モードの高次モードの光が導波するマルチモード導波路とする。光デバイスは、第２の導波路を、遷移部からの垂直モードの光から高次モードを除去して最大の垂直モードの光のみが導波するシングルモード導波路とする除去部を有する。
【発明の効果】
【0017】
一つの側面によれば、異なる導波路間の間接遷移による光損失を抑制できる光デバイス等を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【発明を実施するための形態】
【0019】
図６は、比較例の基板型光導波路素子１００の一例を示す説明図である。尚、説明の便宜上、図６では、クラッド１０３の図示は省略するものとする。図６に示す基板型光導波路素子１００は、Ｓｉ導波路１０１と、ＳｉＮ導波路１０２と、Ｓｉ導波路１０１及びＳｉＮ導波路１０２を被覆する、クラッド１０３とを有する。更に、基板型光導波路素子１００は、Ｓｉ導波路１０１とＳｉＮ導波路１０２との間を間接遷移で光結合する遷移部１０４を有する。Ｓｉ導波路１０１は、例えば、Ｓｉで形成し、光波長が１．５５μｍとした場合のＳｉの材料屈折率は３．４８である。ＳｉＮ導波路１０２は、例えば、Ｓｉ３Ｎ４（以下、単にＳｉＮと称する）で形成し、光波長が１．５５μｍとした場合のＳｉＮの材料屈折率は１．９９である。クラッド１０３は、例えば、ＳｉＯ２で形成し、光波長が１．５５μｍとした場合のＳｉＯ２の材料屈折率は１．４４である。
【0020】
Ｓｉ導波路１０１は、第１の直線導波路１１０と、第１の直線導波路１１０と光結合する第１のテーパ導波路１２０とを有する。第１のテーパ導波路１２０は、光の進行方向に応じて第１の直線導波路１１０の出力からＳｉＮ導波路１０２の入力に向けて導波路幅が徐々に狭くなるテーパ構造を有する。第１の直線導波路１１０の導波路幅は、例えば、０．４８μｍとする。また、第１のテーパ導波路１２０の入力部１２０Ａの導波路幅は、例えば、０．４８μｍ、第１のテーパ導波路１２０の出力部１２０Ｂの導波路幅は、例えば、０．０９μｍとする。第１の直線導波路１１０及び第１のテーパ導波路１２０のコアの厚みは、例えば、０．２２μｍとする。
【0021】
ＳｉＮ導波路１０２は、第２のテーパ導波路１３０と、第２のテーパ導波路１３０と光結合する第２の直線導波路１４０とを有する。第２のテーパ導波路１３０は、第１の直線導波路１１０の出力から第２の直線導波路１４０の入力に向けて導波路幅が徐々に広くなるテーパ構造を有する。第２のテーパ導波路１３０の入力部１３０Ａの導波路幅は、例えば、０．２５μｍ、第２のテーパ導波路１３０の出力部１３０Ｂの導波路幅は、例えば、ＷＳｉＮとする。第２の直線導波路１４０の導波路幅も、例えば、ＷＳｉＮとする。第２の直線導波路１４０及び第２のテーパ導波路１３０のコアの厚みは、例えば、０．３μｍとする。
【0022】
基板型光導波路素子１００は、第１のテーパ導波路１２０と第２のテーパ導波路１３０との間を離間した状態で第１のテーパ導波路１２０上に第２のテーパ導波路１３０の一部を重ねて配置することで構成する遷移部１０４を有する。尚、第１のテーパ導波路１２０と第２のテーパ導波路１３０との間の間隔は、例えば、０．３μｍとする。
【0023】
遷移部１０４は、入力部１０４Ａと、出力部１０４Ｂと、入力部１０４Ａと出力部１０４Ｂとの間である中間部１０４Ｃとを有する。図７Ａは、図６に示すＡ－Ａ線の略断面部分の一例を示す説明図である。図７Ａに示すＡ－Ａ線の略断面部分は、Ｓｉ導波路１０１内の第１の直線導波路１１０の略断面部分である。尚、第１の直線導波路１１０の導波路幅は、例えば、０．４８μｍ、コアの厚みは、例えば、０．２２μｍとする。
【0024】
図７Ｂは、図６に示すＢ－Ｂ線の略断面部分の一例を示す説明図である。図７Ｂに示すＢ－Ｂ線の略断面部分は、遷移部１０４の入力部１０４Ａの略断面部分であって、第１のテーパ導波路１２０の入力部１２０Ａの導波路幅が第２のテーパ導波路１３０の入力部１３０Ａの導波路幅に比較して広い構造である。第１のテーパ導波路１２０の入力部１２０Ａの導波路幅は、例えば、０．４８μｍ、第２のテーパ導波路１３０の入力部１３０Ａの導波路幅は、例えば、０．２５μｍとする。第１のテーパ導波路１２０のコアの厚みは、例えば、０．２２μｍ、第２のテーパ導波路１３０のコアの厚みは、例えば、０．３μｍとする。第１のテーパ導波路１２０と第２のテーパ導波路１３０との間の間隔は、例えば、０．３μｍとする。
【0025】
図７Ｃは、図６に示すＣ－Ｃ線の略断面部分の一例を示す説明図である。図７Ｃに示すＣ－Ｃ線の略断面部分は、遷移部１０４の中間部１０４Ｃの略断面であって、第１のテーパ導波路１２０の導波路幅が第２のテーパ導波路１３０の導波路幅に比較して狭くなる構造である。第１のテーパ導波路１２０のコアの厚みは、例えば、０．２２μｍ、第２のテーパ導波路１３０のコアの厚みは、例えば、０．３μｍとする。第１のテーパ導波路１２０と第２のテーパ導波路１３０との間の間隔は、例えば、０．３μｍとする。
【0026】
図７Ｄは、図６に示すＤ－Ｄ線の略断面部分の一例を示す説明図である。図７Ｄに示すＤ－Ｄ線の略断面部分は、遷移部１０４の出力部１０４Ｂの略断面部分であって、第２のテーパ導波路１３０の出力部１３０Ｂの導波路幅が第１のテーパ導波路１２０の出力部１２０Ｂの導波路幅に比較して広い構造である。第１のテーパ導波路１２０の出力部１２０Ｂの導波路幅は、例えば、０．０９μｍ、第２のテーパ導波路１３０の出力部１３０Ｂの導波路幅はＷＳｉＮとする。第１のテーパ導波路１２０のコアの厚みは、例えば、０．２２μｍ、第２のテーパ導波路１３０のコアの厚みは、例えば、０．３μｍとする。第１のテーパ導波路１２０と第２のテーパ導波路１３０との間の間隔は、例えば、０．３μｍとする。
【0027】
図７Ｅは、図６に示すＥ－Ｅ線の略断面部分の一例を示す説明図である。図７Ｅに示すＥ－Ｅ線の略断面部分は、ＳｉＮ導波路１０２内の第２の直線導波路１４０の略断面部分である。尚、第２の直線導波路１４０の導波路幅はＷＳｉＮ、コアの厚みは、例えば、０．３μｍである。
【0028】
遷移部１０４の入力部１０４Ａは、第１のテーパ導波路１２０の入力部１２０Ａと第２のテーパ導波路１３０の入力部１３０Ａとが重なる部分で第１の直線導波路１１０からの光が不連続となる第１の断面部分を有する。入力部１２０Ａの導波路幅は、入力部１３０Ａの導波路幅と異なるので、第１のテーパ導波路１２０と第２のテーパ導波路１３０との間で光の不連続箇所を構成することになる。
【0029】
遷移部１０４の出力部１０４Ｂは、第１のテーパ導波路１２０の出力部１２０Ｂと第２のテーパ導波路１３０の出力部１３０Ｂとが重なる部分で第２の直線導波路１４０への光が不連続でなくなる第２の断面部分を有する。出力部１２０Ｂの導波路幅は、出力部１３０Ｂの導波路幅と異なるので、第１のテーパ導波路１２０と第２のテーパ導波路１３０との間で光の不連続箇所を構成することになる。
【0030】
遷移部１０４の入力部１０４Ａでは、第１のテーパ導波路１２０の導波路幅が広く、第２のテーパ導波路１３０の導波路幅が狭く、出力部１０４Ｂでは、第１のテーパ導波路１２０の導波路幅が狭く、第２のテーパ導波路１３０の導波路幅が広くなる構造である。つまり、第１のテーパ導波路１２０の導波路幅が入力部１２０Ａから出力部１２０Ｂに向けて徐々に狭く、第２のテーパ導波路１３０の導波路幅が入力部１３０Ａから出力部１３０Ｂに向けて徐々に広くなる構造にした。一般的に、導波路の導波路幅が広いほど、コアへの光閉じ込めが強くなるため、コアの材料屈折率の影響を受けて実効屈折率は大きくなる。
【0031】
遷移部１０４の入力部１０４Ａ及び出力部１０４Ｂでは、第１のテーパ導波路１２０を導波するＴＭ０モードの実効屈折率と、第２のテーパ導波路１３０を導波するＴＭ０モードの実効屈折率との間に大きな差を備える構造となる。その結果、遷移部１０４の入力部１０４Ａ及び出力部１０４Ｂでは、Ｓｉ導波路１０１及びＳｉＮ導波路１０２の両方に電界が分布するような相互作用を低減できる。例えば、ＳｉＮ導波路１０２の下部にある導波路幅の狭いＳｉ導波路１０１が途切れる断面部分である遷移部１０４の出力部１０４Ｂでは、ＳｉＮ導波路１０２のコアに電界Ｅが局在することになるため、不連続性によるロスが抑制することができる。
【0032】
更に、遷移部１０４の中間部１０４Ｃでは、第１のテーパ導波路１２０を導波するＴＭ０モードの実効屈折率と、第２のテーパ導波路１３０を導波するＴＭ０モードの実効屈折率とが近付いて一致する構造となる。その結果、Ｓｉ導波路１０１及びＳｉＮ導波路１０２の両方に電界が分布する相互作用が強まることになる。
【0033】
比較例の遷移部１０４では、Ｓｉ導波路１０１を導波するＴＭ０モードの実効屈折率と、ＳｉＮ導波路１０２を導波するＴＭ０モードの実効屈折率との間に大きな差を設けることで、不連続な断面部分での光散乱による光損失を抑制できる。
【0034】
しかしながら、異なる導波路を導波するＴＭ０モードの実効屈折率に差を設けることは次の検証結果から困難である。図８は、遷移部１０４の断面位置毎に伝搬するＴＥ０モード及びＴＭ０モードの実効屈折率の計算結果の一例を示す説明図である。
【0035】
図８は、遷移部１０４のＳｉ導波路１０１及びＳｉＮ導波路１０２の断面位置毎に伝搬するＴＥ０モード及びＴＭ０モードの実効屈折率の計算結果を示すグラフ化したものである。第１の断面位置“０”は、遷移部１０４の入力部１０４Ａに相当し、図７Ｂに示すＢ－Ｂ線の断面部位である。第２の断面位置“１”は、遷移部１０４の出力部１０４Ｂに相当し、図７Ｄに示すＤ－Ｄ線の断面部位である。第３の断面位置“０．５”は、遷移部１０４の中間部１０４Ｃに相当し、図７Ｃに示すＣ－Ｃ線の断面部位である。Ｓｉ導波路１０１及びＳｉＮ導波路１０２を導波する光の波長は１．５５μｍとする。実効屈折率の計算は有限要素法を使用した。計算では、Ｓｉ導波路１０１及びＳｉＮ導波路１０２が孤立した場合の実効屈折率を計算するものとする。尚、“孤立した”とは、対象とする導波路とは異なる方の導波路を無限遠まで離間したものである。
【0036】
ＳｉＮ導波路１０２の最大の導波路幅ＷＳｉＮ＝１．０ｕｍでは、後述する図３Ｂに示す通り、シングルモード条件を満たしているものとする。すなわち、ＳｉＮ導波路１０２は、ＴＥモードの高次モードであるＴＥ１やＴＭモードの高次モードであるＴＭ１は導波しないものとする。
【0037】
Ｓｉ導波路１０１が途切れる第２の断面位置“１”では、図８に示す通り、Ｓｉ導波路１０１を導波するＴＥ０モードの実効屈折率とＳｉＮ導波路１０２を導波するＴＥ０モードの実効屈折率との差が０．１２６である。これに対して、Ｓｉ導波路１０１を導波するＴＭ０モードの実効屈折率とＳｉＮ導波路１０２を導波するＴＭ０モードの実行屈折率との差が０．０５６である。従って、ＴＭ０モードの方がＳｉ導波路１０１とＳｉＮ導波路１０２との間で実効屈折率の差をつけるのが難しいことが分かる。
【0038】
また、遷移部１０４の入力部１０４Ａ及び出力部１０４Ｂは、導波路が不連続になる影響を小さくするために、ＴＭ０モードの場合、ＴＥ０モードに比較して大きな導波路幅の差が必要となる。特に、不連続な断面部分が高屈折率のＳｉ導波路１０１の場合には、より顕著となる。そこで、Ｓｉ導波路１０１からＳｉＮ導波路１０２に光が間接遷移する際には、Ｓｉ導波路１０１の不連続な断面部分の上部にあるＳｉＮ導波路１０２の導波路幅を広げる必要がある。しかしながら、ＳｉＮ導波路１０２の導波路幅を広げ過ぎると、シングルモード導波路としての条件を満たさず、高次モードが導波されてしまう。その結果、高次モードが伝搬してしまうと、製造時に生じる導波路内の側壁荒れの影響等で高次モードが発生し、高次モードの発生によって、不要な干渉等が生じて光信号の特性劣化に繋がる。
【0039】
そこで、このような事態を解消する基板型光導波路素子１の実施の形態につき、図面を参照して詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下に示す各実施例は、矛盾を起こさない範囲で適宜組み合わせても良い。
【実施例0040】
図１は、本実施例の基板型光導波路素子１の一例を示す説明図である。図１に示す基板型光導波路素子１は、Ｓｉ（Silicon）導波路２と、ＳｉＮ(Silicon Nitride)導波路３と、Ｓｉ導波路２及びＳｉＮ導波路３を被覆するクラッド４とを有する。基板型光導波路素子１は、Ｓｉ導波路２とＳｉＮ導波路３との間を断熱的な間接遷移で光を遷移する。Ｓｉ導波路２は、例えば、Ｓｉで形成する第１の導波路である。光波長を１．５５μｍとした場合のＳｉの材料屈折率は３．４８である。Ｓｉの材料屈折率は第１の材料屈折率である。ＳｉＮ導波路３は、例えば、Ｓｉ３Ｎ４（以下、単にＳｉＮと称する）で形成する第２の導波路である。光波長を１．５５μｍとした場合のＳｉＮの材料屈折率は１．９９である。ＳｉＮの材料屈折率は、第１の材料屈折率よりも小さい第２の材料屈折率である。クラッド４は、例えば、ＳｉＯ２で形成する層である。光波長を１．５５μｍとした場合のＳｉＯ２の材料屈折率は１．４４である。
【0041】
Ｓｉ導波路２は、第１の直線導波路１０と、第１の直線導波路１０と光結合する第１のテーパ導波路２０とを有する。第１のテーパ導波路２０は、第１の直線導波路１０の出力部からＳｉＮ導波路３内の第２の直線導波路４０の入力部に向けて導波路幅が徐々に狭くなるテーパ構造を有する。第１の直線導波路１０の導波路幅は、例えば、０．４８μｍとする。また、第１のテーパ導波路２０の入力部２０Ａの導波路幅は、例えば、０．４８μｍ、第１のテーパ導波路２０の出力部２０Ｂの導波路幅は、例えば、０．０９μｍとする。第１の直線導波路１０及び第１のテーパ導波路２０のコアの厚みは、例えば、０．２２μｍとする。
【0042】
ＳｉＮ導波路３は、第２のテーパ導波路３０と、第２のテーパ導波路３０と光結合する第２の直線導波路４０と、第２の直線導波路４０と光結合する第３のテーパ導波路５０と、第３のテーパ導波路５０と光結合する第３の直線導波路６０とを有する。第２のテーパ導波路３０は、第１の直線導波路１０の出力部から第２の直線導波路４０の入力部に向けて導波路幅が徐々に広くなるテーパ構造を有する。第２のテーパ導波路３０の入力部３０Ａの導波路幅は、例えば、０．２５μｍ、第２のテーパ導波路３０の出力部３０Ｂの導波路幅は、例えば、１．８μｍとする。第２の直線導波路４０の導波路幅は、例えば、１．８μｍとする。
【0043】
第３のテーパ導波路５０は、第２の直線導波路４０の出力部から第３の直線導波路６０の入力部に向けて導波路幅が徐々に狭くなるテーパ構造を有する。第３のテーパ導波路５０の入力部５０Ａの導波路幅は、例えば、１．８μｍ、第３のテーパ導波路５０の出力部５０Ｂの導波路幅は、例えば、１μｍとする。第３の直線導波路６０の導波路幅は、例えば、１μｍとする。第２のテーパ導波路３０、第２の直線導波路４０、第３のテーパ導波路５０及び第３の直線導波路６０のコアの厚みは、例えば、０．３μｍとする。
【0044】
基板型光導波路素子１は、遷移部５と、除去部６とを有する。遷移部５は、Ｓｉ導波路２内の第１のテーパ導波路２０と、ＳｉＮ導波路３内の第２のテーパ導波路３０とを有する。遷移部５は、第１のテーパ導波路２０と第２のテーパ導波路３０とが離間した状態で第１のテーパ導波路２０上に第２のテーパ導波路３０の一部が重ねて配置することで、第１のテーパ導波路２０を導波するＴＭ０モードが、第２のテーパ導波路３０を導波するＴＭ０モードに遷移する。遷移部５の入力では、第２のテーパ導波路３０を、ＴＭモードの内、実効屈折率が最大のＴＭ０モードの光のみが導波するシングルモード導波路とする。遷移部５の出力では、第２のテーパ導波路３０を、ＴＭ０モード及び、ＴＭモードの高次モードの光が導波するマルチモード導波路とする。尚、第１のテーパ導波路２０と第２のテーパ導波路３０との間の間隔は、例えば、０．３μｍとする。
【0045】
遷移部５は、Ｓｉ導波路２の第１のテーパ導波路２０の導波路幅に比較してＳｉＮ導波路３の第２のテーパ導波路３０の導波路幅が広くなるため、ＳｉＮ導波路３の光電界が閉じ込められる領域が、相対的にＳｉ導波路２の領域に比較して大きくなる。その結果、第１のテーパ導波路２０が途切れる第２の断面部位である出力部５Ｂで不連続による光散乱の影響を低減できる。しかしながら、マルチモード導波路は、製造時の導波路の側壁荒れによるランダムな導波路の不連続性等の影響で、ＴＭ０とＴＭの高次モードとが干渉して、波長スペクトル領域でリップルが生じ、光デバイス特性が劣化することになる。そこで、除去部６でＴＭの高次モードを除去する構成にした。
【0046】
除去部６は、第３のテーパ導波路５０を、遷移部５からのＴＭ０モードの光から高次モードを除去してＴＭ０モードの光のみが導波するシングルモード導波路とする。除去部６は、第２の直線導波路４０と、第３のテーパ導波路５０とを有する。第２の直線導波路４０は、ＴＭ１モード以上の高次のＴＭモードが導波するマルチモード導波路である。第３のテーパ導波路５０は、第２の直線導波路４０からの高次のＴＭモードを除去してＴＭ０モードのみが導波するシングルモード導波路である。第３のテーパ導波路５０は、第２の直線導波路４０からのマルチモードから高次のＴＭモードを除去することで、ＴＭ０モードの光損失を抑制したまま、高次モードとの干渉を回避できる。
【0047】
遷移部５は、入力部５Ａと、出力部５Ｂと、中間部５Ｃとを有する。尚、遷移部５の入力部５Ａと出力部５Ｂとの間の導波路長は、例えば、８０μｍとする。遷移部５の入力部５Ａでは、第２のテーパ導波路３０を、ＴＭモードの内、実効屈折率が最大のＴＭ０モードの光のみが導波するシングルモード導波路とする。更に、遷移部５の出力部５Ｂでは、第２のテーパ導波路３０を、ＴＭ０モード及び、ＴＭモードの高次モードの光が導波するマルチモード導波路とする。除去部６は、入力部６Ａと、出力部６Ｂとを有する。尚、除去部６内の第２の直線導波路４０の導波路長は、例えば、２μｍとする。更に、除去部６内の第３のテーパ導波路５０の導波路長は、例えば、２０μｍとする。
【0048】
図２Ａは、図１に示すＡ－Ａ線の略断面部分の一例を示す説明図である。図２Ａに示すＡ－Ａ線の略断面部分は、Ｓｉ導波路２内の第１の直線導波路１０の断面部分である。尚、第１の直線導波路１０の導波路幅は、例えば、０．４８μｍ、コアの厚みは、例えば、０．２２μｍとする。
【0049】
図２Ｂは、図１に示すＢ－Ｂ線の略断面部分の一例を示す説明図である。図２Ｂに示すＢ－Ｂ線の略断面部分は、遷移部５の入力部５Ａの略断面部分であって、第１のテーパ導波路２０の入力部２０Ａの導波路幅が第２のテーパ導波路３０の入力部３０Ａの導波路幅に比較して広い構造である。第１のテーパ導波路２０の入力部２０Ａの導波路幅は、例えば、０．４８μｍ、第２のテーパ導波路３０の入力部３０Ａの導波路幅は、例えば、０．２５μｍとする。第１のテーパ導波路２０のコアの厚みは、例えば、０．２２μｍ、第２のテーパ導波路３０のコアの厚みは、例えば、０．３μｍとする。第１のテーパ導波路２０と第２のテーパ導波路３０との間の間隔は、例えば、０．３μｍとする。
【0050】
図２Ｃは、図１に示すＣ－Ｃ線の略断面部分の一例を示す説明図である。図２Ｃに示すＣ－Ｃ線の略断面部分は、遷移部５の中間部５Ｃの略断面部分であって、第１のテーパ導波路２０の導波路幅が第２のテーパ導波路３０の導波路幅に比較して狭くなる構造である。第１のテーパ導波路２０のコアの厚みは、例えば、０．２２μｍ、第２のテーパ導波路３０のコアの厚みは、例えば、０．３μｍとする。第１のテーパ導波路２０と第２のテーパ導波路３０との間の間隔は、例えば、０．３μｍとする。
【0051】
図２Ｄは、図１に示すＤ－Ｄ線の略断面部分の一例を示す説明図である。図２Ｄに示すＤ－Ｄ線の略断面部分は、遷移部５の出力部５Ｂの略断面部分であって、第２のテーパ導波路３０の出力部３０Ｂの導波路幅が第１のテーパ導波路２０の出力部２０Ｂの導波路幅に比較して広い構造である。第１のテーパ導波路２０の出力部２０Ｂの導波路幅は、例えば、０．０９μｍ、第２のテーパ導波路３０の出力部１３０Ｂの導波路幅は、例えば、１．８μｍとする。第１のテーパ導波路２０のコアの厚みは、例えば、０．２２μｍ、第２のテーパ導波路３０のコアの厚みは、例えば、０．３μｍとする。第１のテーパ導波路２０と第２のテーパ導波路３０との間の間隔は、例えば、０．３μｍとする。
【0052】
図２Ｅは、図１に示すＥ－Ｅ線の略断面部分の一例を示す説明図である。図２Ｅに示すＥ－Ｅ線の略断面部分は、除去部６内の第２の直線導波路４０の略断面部分である。尚、第２の直線導波路４０の導波路幅は、例えば、１．８μｍ、コアの厚みは、例えば、０．３μｍとする。
【0053】
図２Ｆは、図１に示すＦ－Ｆ線の略断面部分の一例を示す説明図である。図２Ｆに示すＦ－Ｆ線の略断面部分は、除去部６の出力部６Ｂである第３のテーパ導波路５０の略断面部分であって、第３のテーパ導波路５０の出力部５０Ｂの導波路幅が第２の直線導波路４０の導波路幅に比較して狭い構造である。第３のテーパ導波路５０の出力部５０Ｂの導波路幅は、第３の直線導波路６０の導波路幅と同一である。第３のテーパ導波路５０の出力部５０Ｂの導波路幅は、例えば、１μｍ、第３の直線導波路６０の導波路幅は、例えば、１μｍとする。第３のテーパ導波路５０及び第３の直線導波路６０のコアの厚みは、例えば、０．３μｍとする。
【0054】
遷移部５の入力部５Ａは、第１のテーパ導波路２０の入力部２０Ａと第２のテーパ導波路３０の入力部３０Ａとが重なる部分で第１の直線導波路１０からの光が不連続となる第１の断面部分を有する。入力部２０Ａの導波路幅は、入力部３０Ａの導波路幅と異なるので、第１のテーパ導波路２０と第２のテーパ導波路３０との間で信号光の不連続箇所を構成することになる。
【0055】
遷移部５の出力部５Ｂは、第１のテーパ導波路２０の出力部２０Ｂと第２のテーパ導波路３０の出力部３０Ｂとが重なる部分で第２の直線導波路４０への光が不連続でなくなる第２の断面部分を有する。出力部２０Ｂの導波路幅は、出力部３０Ｂの導波路幅と異なるので、第１のテーパ導波路２０と第２のテーパ導波路３０との間で光の不連続箇所を構成することになる。
【0056】
遷移部５の入力部５Ａでは、第１のテーパ導波路２０の導波路幅が広く、第２のテーパ導波路３０の導波路幅が狭く、出力部５Ｂでは、第１のテーパ導波路２０の導波路幅が狭く、第２のテーパ導波路３０の導波路幅が広く。つまり、第１のテーパ導波路２０の導波路幅が入力部２０Ａから出力部２０Ｂに向けて徐々に狭く、第２のテーパ導波路３０の導波路幅が入力部３０Ａから出力部３０Ｂに向けて徐々に広くなる構造にした。
【0057】
遷移部５の入力部５Ａ及び出力部５Ｂでは、第１のテーパ導波路２０を導波するＴＭ０モードの実効屈折率と、第２のテーパ導波路３０を導波するＴＭ０モードの実効屈折率との間に大きな差を備える構造となる。遷移部５の入力部５Ａでは、第１のテーパ導波路２０を導波するＴＭ０モードの実効屈折率が第２のテーパ導波路３０を導波するＴＭ０モードの実効屈折率に比較して高くなる。つまり、Ｓｉ導波路２及びＳｉＮ導波路３の両方に電界が分布するような相互作用を低減できる。更に、遷移部５の出力部５Ｂでは、第２のテーパ導波路３０を導波するＴＭ０モードの実効屈折率が第１のテーパ導波路２０を導波するＴＭ０モードの実効屈折率に比較して高くなる。つまり、Ｓｉ導波路２及びＳｉＮ導波路３の両方に電界が分布するような相互作用を低減できる。その結果、遷移部５の入力部５Ａ及び出力部５Ｂでは、Ｓｉ導波路２及びＳｉＮ導波路３の両方に電界が分布するような相互作用を低減できる。
【0058】
更に、遷移部５の中間部５Ｃでは、第１のテーパ導波路２０を導波するＴＭ０モードの実効屈折率と、第２のテーパ導波路３０を導波するＴＭ０モードの実効屈折率とが近付いて一致する構造となる。その結果、Ｓｉ導波路２及びＳｉＮ導波路３の両方に電界が分布する相互作用が強まることになる。
【0059】
入力部５Ａでは、第１のテーパ導波路２０を孤立導波路とした際の第１のテーパ導波路２０を導波するＴＭ０モードの実効屈折率が、第２のテーパ導波路３０を孤立導波路とした際の第２のテーパ導波路３０を導波するＴＭ０モードの実効屈折率よりも大きくなる。出力部５Ｂでは、第２のテーパ導波路３０を孤立導波路とした際の第２のテーパ導波路３０を導波するＴＭ０モードの実効屈折率が、第１のテーパ導波路２０を孤立導波路とした際の第１のテーパ導波路２０を導波するＴＭ０モードの実効屈折率よりも大きくなる。つまり、遷移部５の入力部５Ａ及び出力部５Ｂでは、導波するＴＭ０モードの実効屈折率の大小関係が逆転する構造、すなわち、ＴＭ０モードの実効屈折率間に大きな差を設けることで、不連続な断面部分での光散乱による光損失を抑制できる。
【0060】
遷移部５では、ＴＭ０モードに対する不連続部分による影響を極力抑制すべく、ＳｉＮ導波路３（第２のテーパ導波路３０）の導波路幅を広くする構造、例えば、１．８μｍにしたので、ＴＭ０モードに対する不連続部分による影響を抑制できる。しかしながら、遷移部５では、ＳｉＮ導波路３（第２のテーパ導波路３０）の導波路幅を広くする構造にしたので、ＴＭモードの高次モードが導波されてしまう。
【0061】
そこで、遷移部５後段の除去部６では、遷移部５からのＴＭモードから高次モードを除去してＴＭ０モードのみを導波するため、高次モードとの干渉を回避できる。
【0062】
図３Ａは、従来の導波路間遷移構造２００の出力部２００ＢでのＳｉＮ導波路２０２の導波路幅（コアの厚さ０．４μｍ）に応じた各モードの実効屈折率の関係の一例を示す説明図である。尚、実効屈折率は有限要素法で算出するものとする。
【0063】
先ず、従来の導波路間遷移構造２００では、Ｃバンド内の１．５５μｍにおけるＳｉＮ導波路２０２のコアの厚さを０．４μｍ、Ｓｉ導波路２０１が途切れるＳｉＮ導波路２０２の部分の導波路幅を０．９μｍとする。従来の導波路間遷移構造２００のＳｉＮ導波路２０２の導波路幅は０．９μｍであるため、図３Ａを参照すると、ＴＭ０モード及びＴＥ０モードが導波し、ＴＭ１、ＴＥ１以上の高次モードが導波しない導波路であることが分かる。つまり、従来の導波路間遷移構造２００内のＳｉＮ導波路２０２は、例えば、ＴＭ０モードが導波するシングルモード導波路である。
【0064】
図３Ｂは、遷移部５の出力部５ＢでのＳｉＮ導波路３の導波路幅（コアの厚さ０．３μｍ）に応じた各モードの実効屈折率の関係の一例を示す説明図である。尚、実効屈折率は有限要素法で算出するものとする。
【0065】
先ず、比較例の遷移部１０４では、Ｃバンド内の１．５５μｍにおけるＳｉＮ導波路１０２のコアの厚さを０．３μｍ、Ｓｉ導波路１０１が途切れるＳｉＮ導波路１０２の部分の導波路幅を１．０μｍとする。比較例の遷移部１０４のＳｉＮ導波路１０２の導波路幅は１．０μｍであるため、図３Ｂを参照すると、ＴＭ０モード及びＴＥ０モードが導波し、ＴＭ１、ＴＥ１以上の高次モードが導波しない導波路であることが分かる。つまり、比較例の遷移部１０４内のＳｉＮ導波路１０２は、例えば、ＴＭ０モードが導波するシングルモード導波路である。
【0066】
これに対して、本実施例の遷移部５の出力部５Ｂである第２のテーパ導波路３０の内、第１のテーパ導波路２０が途切れる第２のテーパ導波路３０の導波路幅は、例えば、１．８μｍである。従って、遷移部５の出力部５Ｂは、図３Ｂを参照すると、ＴＭ０、ＴＥ０、ＴＭ１及びＴＥ１以上の高次モードが導波するマルチモード導波路である。これに対して、従来の導波路間遷移構造２００内のＳｉＮ導波路２０２がシングルモード導波路である。従って、本実施例の遷移部５の出力部５ＢのＳｉＮ導波路３がマルチモード導波路であるため、従来のＳｉＮ導波路２０２と本実施例のＳｉＮ導波路３とは異なるものと言える。
【0067】
また、本実施例の除去部６内の第３のテーパ導波路５０の出力部５０Ｂの導波路幅が１μｍであるため、図３Ｂを参照すると、第３のテーパ導波路５０はＴＭ１の高次モードを導波しないシングルモード導波路となる。従って、第３のテーパ導波路５０は、マルチモードから高次モードを除去してＴＭ０モードを導波することになる。
【0068】
図４は、遷移部５の断面位置毎に伝搬するＴＥ０モード及びＴＭ０モードの実効屈折率の計算結果の一例を示す説明図である。第１の断面位置”０”は、遷移部５の入力部５Ａの断面部分に相当し、図２Ｂに示すＢ－Ｂ線の断面部位である。第２の断面位置”１”は、遷移部５の出力部５Ｂの断面部分に相当し、図２Ｄに示すＤ－Ｄ線の断面部位である。第３の断面位置”０．５”は、遷移部５の中間部５Ｃの断面部分に相当し、図２Ｃに示すＣ－Ｃ線の断面部位に相当する。Ｓｉ導波路２及びＳｉＮ導波路３を導波する光の波長は１．５５μｍとする。実効屈折率の計算は、有限要素法を使用した。尚、計算では、それぞれの導波路が孤立した場合の実効屈折率を計算している。
【0069】
遷移部５のＳｉ導波路２が途切れる第２の断面位置”１”である出力部５Ｂでは、図４を参照すると、Ｓｉ導波路２を導波するＴＭ０モードの実効屈折率とＳｉＮ導波路３を遷移するＴＭ０モードの実効屈折率との差が０．０８７である。尚、図８に示す通り、比較例の遷移部１０４の出力部１０４Ｂの実効屈折率差が０．０５６である。つまり、本実施例の遷移部５での出力部５Ｂの実効屈折率差は、比較例の遷移部１０４の出力部１０４Ｂでの実効屈折率差に比較して大きな差が得られる。その結果、遷移部５では、実効屈折率差を大きくすることで、不連続な断面部分での光散乱による光損失を確実に抑制できる。
【0070】
また、比較例の遷移部１０４の出力部１０４ＢでのＴＭ０モードの垂直方向の電界成分と、本実施例の遷移部５の出力部５ＢでのＴＭ０モードの垂直方向の電界成分とを比較する。垂直方向の電界成分は、有限要素法で算出する。尚、比較例の遷移部１０４内のＳｉＮ導波路１０２のコア厚を０．３μｍ、出力部１０４ＢでのＳｉＮ導波路１０２の導波路幅を１．０μｍとする。本実施例の遷移部５内のＳｉＮ導波路３のコア厚を０．３μｍ、出力部５ＢでのＳｉＮ導波路３の導波路幅を１．８μｍとする。
【0071】
比較例の遷移部１０４の出力部１０４ＢでのＳｉ導波路１０１に局在するパワーの割合は１．０％であるのに対し、本実施例の遷移部５の出力部５ＢでのＳｉ導波路２に局在するパワーの割合は０．７％である。つまり、本実施例の遷移部５の出力部５Ｂでは、比較例の遷移部１０４の出力部５Ｂに比較してＳｉＮ導波路３に多くの光パワーが局在することになる。その結果、遷移部５の出力部５Ｂでは、Ｓｉ導波路２が不連続的に無くなった場合でも、大部分のパワーがＳｉＮ導波路３に局在するため、第２の直線導波路４０との間で低ロスな接続が可能となる。
【0072】
更に、有限差分時間領域法で、比較例の基板型光導波路素子１００及び本実施例の基板型光導波路素子１にＴＭ０モードを入力した場合の遷移損失を計算した。遷移損失は、-10log10(ＴＭ０として出力されるパワー/入力したＴＭ０のパワー)で算出できる。比較例の基板型光導波路素子１００の遷移損失は、０．０５１ｄＢであるのに対し、本実施例の基板型光導波路素子１の遷移損失は、０．０１３ｄＢである。尚、基板型光導波路素子１内の遷移部５の遷移損失は０．０１２ｄＢ、除去部６の遷移損失は０．００１ｄＢである。
【0073】
その結果、遷移部５は、マルチモード導波路であるため、遷移損失が大幅に改善している。例えば、基板型光導波路素子１（１００）を内蔵する光通信装置の光回路では、基板型光導波路素子１（１００）を複数個、例えば、１０個内蔵した場合を想定する。比較例の基板型光導波路素子１００を内蔵した通信装置の遷移損失は０．５１ｄＢである。これに対して、本実施例の基板型光導波路素子１を内蔵した通信装置の遷移損失は０．１３ｄＢとなる。その結果、本実施例の基板型光導波路素子１を内蔵した通信装置では、比較例の基板型光導波路素子１００を内蔵した通信装置に比較して、遷移損失が０．３８ｄＢ分低減できることになる。
【0074】
また、基板型光導波路素子１（１００）は、ウェハ面内に均一に形成されたＳｉをリソグラフィ及びエッチングでＳｉ導波路２（１０１）を形成することになる。そして、例えば、Ｓｉ導波路２（１０１）上に離間した状態でＳｉＮ導波路３（１０２）を形成する際にマスクを用いてリソグラフィを実行することで、Ｓｉ導波路２（１０１）上にＳｉＮ導波路３（１０２）を形成することになる。しかしながら、マスクシフトによってＳｉ導波路２（１０１）とＳｉＮ導波路３（１０２）との位置関係がズレてしまう場合がある。
【0075】
Ｓｉ導波路２（１０１）とＳｉＮ導波路３（１０２）との間でマスクシフトが発生した場合、比較例の基板型光導波路素子１００の遷移部１０４の出力部１０４Ｂでの電界の分布が変動するため、遷移損失が増加することになる。これに対して、本実施例の基板型光導波路素子１の遷移部５の出力部５Ｂでは、ＳｉＮ導波路３の導波路幅（１．８μｍ）が比較例に比較して広いため、マスクシフトのズレの影響を小さくしてＳｉＮ導波路３に電界を集中できる。
【0076】
この影響を検証するため、マスクシフトの発生で、ＳｉＮ導波路３が、Ｓｉ導波路２に対して、光の進行方向とは垂直な方向に０．１２μｍだけシフトした場合を想定した。そして、有限差分時間領域法で、遷移部５の入力部５ＡにＴＭ０モードが入力した場合の遷移損失を計算した。遷移損失は、-10log10(ＴＭ０として出力されるパワー/入力したＴＭ０のパワー)で算出できる。
【0077】
比較例の基板型光導波路素子１００である遷移部１０４の遷移損失は、０．１０６ｄＢであるのに対し、本実施例の基板型光導波路素子１の遷移損失は、０．０１５ｄＢである。基板型光導波路素子１内の遷移部５の遷移損失は０．０１４ｄＢ、除去部６の遷移損失は０．００１ｄＢである。その結果、本実施例の遷移部５内のＳｉＮ導波路３は、導波路幅が広いマルチモード導波路であるため、マスクシフトが生じたとしても、比較例に比較して、遷移損失を大幅に改善できる。
【0078】
また、マスクシフトが発生した場合には、導波路に左右非対称が生じる。このとき、偏波面が傾くため、不連続部分でＴＥ０モードとＴＭ０モードとの間の偏波変換が生じる。異なる信号をＴＥ０モードとＴＭ０モードとに付与して伝送容量を増加させる場合に、偏波変換が生じると、偏波間のクロストークが生じて信号品質の劣化（ビット誤りの増加）が起こる。また、２か所に導波路遷移があると、一度偏波変換した後、再度、変換前の偏波に戻る際に、偏波変換を起こしていない電界と干渉するため波長リップルが生じることになる。
【0079】
しかしながら、本実施例の基板型光導波路素子１では、遷移部５の不連続部分の出力部５Ｂでは、ＳｉＮ導波路３に電界を局在化することが可能なため、Ｓｉ導波路２との相対位置のずれによる影響を小さくできる。この影響を検証するため、マスクシフトの発生で、ＳｉＮ導波路３が、Ｓｉ導波路２に対して、光の進行方向とは垂直な方向に０．１２ｕｍだけシフトした場合を想定する。そして、有限差分時間領域法で、遷移部５にＴＭ０モードが入力した場合のＴＥ０モードへの透過率を計算した。透過率は、10log10(ＴＥ０として出力されるパワー/入力したＴＭ０のパワー)で算出できる。
【0080】
比較例の基板型光導波路素子１００である遷移部１０４の透過率は、－１８．９３ｄＢであるのに対し、本実施例の基板型光導波路素子１の透過率は、－３９．４７ｄＢである。その結果、本実施例の基板型光導波路素子１は、比較例に比較して偏波変換の影響を大幅に抑制することができる。
【0081】
また、本実施例では、不連続部分において、ＳｉＮ導波路３に電界を局在化させることが可能なため、不連続なＳｉ部分で生じる反射も低減することができる。
【0082】
本実施例の遷移部５では、導波路幅を変えて実効屈折率の差を確保する場合を例示したが、電界の境界条件の影響で、導波路幅を変えた時の実効屈折率の変化は、ＴＥ０モードに比較してＴＭ０モードの方が小さい。ＴＥ０モードでは、Ｓｉ導波路２とクラッド４との間の境界及びＳｉＮ導波路３とクラッド４との間の境界となる導波路の側壁に電界が不連続的に溜まるため、導波路幅を変えると、不連続な電界分布の影響を強く受ける。これに対して、ＴＭ０モードでは、導波路の厚さ方向に不連続な電界分布を有するものの、導波路の幅方向は連続的な電界分布を有するため、幅方向での不連続な電界分布の影響は小さい。従って、ＴＭ０は、導波路幅を変えることで実効屈折率の差を確保することがＴＥ０よりも困難である。そのため、本実施例では、ＴＭ０でも十分な実効屈折率差を確保するために、ＴＭについてマルチモード導波路となる程度まで導波路幅を広げている。更に、除去部６の効果により、マルチモード導波路で生じるＴＭ０モードへの影響を回避できる。
【0083】
また、本実施例の基板型光導波路素子１では、ウェハ面内に均一に形成されたコア材料の膜をリソグラフィとエッチングによりＳｉ導波路２やＳｉＮ導波路３を形成するのが一般的である。従って、導波路の幅を調整することで済むため、導波路を形成する工程を簡易化できる。
【0084】
遷移部５の遷移先の第２の導波路及び遷移元の第１の導波路としては、コア、クラッド４がともにＳｉＯ２であるＰＬＣ(Planar Lightwave Circuit)や、ＩｎＰ導波路、ＧａＡｓ導波路でもよい。コアがＳｉやＳｉ３Ｎ４、下部クラッドがＳｉＯ２、上部クラッドがＳｉＯ２もしくは空気等であってもよい。尚、遷移先の導波路の材料屈折率が遷移元の導波路の材料屈折率よりも高い場合には適用可能である。例えば、ＰＬＣの場合、ガラスの導波路のドーピング量を変えることで遷移元と遷移先の材料屈折率を変えることで適用可能である。
【0085】
ＰＬＣの場合、コアへのドーピング量を変えることで、材料屈折率を変えることが可能である。ＳｉＮ導波路３、Ｓｉ導波路２の場合、比屈折率差が大きいことから、光の閉じ込めが強く、それによって小さいＲでも低損失な曲げ導波路が実現することで、基板型光導波路素子１を小型化できる。
【0086】
Ｓｉ導波路２及びＳｉＮ導波路３の構造は、リブ導波路、リッジ導波路、チャネル導波路でも良く、適宜変更可能である。Ｓｉ導波路２及びＳｉＮ導波路３の構造がリブ導波路の場合、スラブ部分にも光が染み出すため、コアの側壁荒れの影響が小さく、光損失を抑制できる。Ｓｉ導波路２及びＳｉＮ導波路３の構造がチャネル導波路の場合、光閉じ込めが強いことから、導波路の急峻な曲げが可能となり、基板型光導波路素子１の小型化を図る。クラッド４は、コアより材料屈折率が小さければ、任意の材料でも良く、適宜変更可能である。
【0087】
本実施例の基板型光導波路素子１は、Ｓｉ導波路２の材料をＳｉ、クラッド４の材料をＳｉＯ２で形成するシリコン光導波路を例示した。しかしながら、Ｓｉ導波路２及びクラッド４の材料がＳｉＯ２であるＰＬＣ、ＩｎＰ導波路、ＧａＡｓ導波路にも適用可能である。
【0088】
図５は、本実施例の基板型光導波路素子１を内蔵した光通信装置８０の一例を示す説明図である。図５に示す光通信装置８０は、出力側の光ファイバ及び入力側の光ファイバと接続する。光通信装置８０は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）８１と、光源８２と、光送信器８３と、光受信器８４とを有する。ＤＳＰ８１は、デジタル信号処理を実行する電気部品である。ＤＳＰ８１は、例えば、送信データの符号化等の処理を実行し、送信データを含む電気信号を生成し、生成した電気信号を光送信器８３に出力する。また、ＤＳＰ８１は、受信データを含む電気信号を光受信器８４から取得し、取得した電気信号の復号等の処理を実行して受信データを得る。
【0089】
光源８２は、例えば、レーザダイオード等を備え、所定の波長の光を発生させて光送信器８３及び光受信器８４へ供給する。光送信器８３は、ＤＳＰ８１から出力される電気信号によって、光源８２から供給される光を変調し、得られた送信光を光ファイバに出力する光デバイスである。光送信器８３は、光源８２から供給される光が導波路を伝搬する際に、この光を光変調器へ入力される電気信号によって変調することで、送信光を生成する。
【0090】
光受信器８４は、光ファイバから光信号を受信し、光源８２から供給される光を用いて受信光を復調する。そして、光受信器８４は、復調した受信光を電気信号に変換し、変換後の電気信号をＤＳＰ８１に出力する。光送信器８３及び光受信器８４内では、光を導波路する基板型光導波路素子１を内蔵する。
【0091】
光通信装置８０内の基板型光導波路素子１内の遷移部５では、ＳｉＮ導波路３（第２のテーパ導波路３０）の導波路幅を広くする構造、例えば、１．８μｍにしたので、ＴＭ０モードに対する不連続部分による影響を抑制できる。
【0092】
更に、光通信装置８０内の基板型光導波路素子１内の除去部６では、遷移部５からのＴＭモードから高次モードを除去してＴＭ０モードのみを導波するため、高次モードとの干渉を回避できる。
【0093】
尚、説明の便宜上、本実施例の除去部６は、第２の直線導波路３０及び第３のテーパ導波路５０を有する場合を例示した。しかしながら、除去部６は、第３のテーパ導波路５０のみでも良く、この場合、遷移部５の出力部５Ｂ内の第２のテーパ導波路３０と第３のテーパ導波路５０とが光結合しても良く、適宜変更可能である。
【符号の説明】
【0094】
１ 基板型光導波路素子
２ Ｓｉ導波路
３ ＳｉＮ導波路
４ クラッド
５ 遷移部
６ 除去部
２０ 第１のテーパ導波路
３０ 第２のテーパ導波路
５０ 第３のテーパ導波路
８０ 光通信装置
８２ 光源
８３ 光送信器
８４ 光受信器
２ Ｓｉ導波路
３ ＳｉＮ導波路
４ クラッド
５ 遷移部
６ 除去部
２０ 第１のテーパ導波路
３０ 第２のテーパ導波路
５０ 第３のテーパ導波路
８０ 光通信装置
８２ 光源
８３ 光送信器
８４ 光受信器
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図2E】
【図2F】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図7D】
【図7E】
【図8】
【図9】
【手続補正書】
【提出日】2022-12-13
【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】
第１の材料屈折率を有する第１の導波路と、前記第１の材料屈折率よりも低い第２の材料屈折率を有する第２の導波路との間で垂直モードの光が間接遷移する光デバイスであって、
前記第１の導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率と前記第２の導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率との大小関係が入出力で逆転するように、前記第１の導波路及び前記第２の導波路が離間した状態で重ねて配置することで、入力では、前記第２の導波路を、前記垂直モードの内、実効屈折率が最大の垂直モードの光が導波するシングルモード導波路とし、出力では、前記第２の導波路を、前記最大の垂直モード及び、前記垂直モードの高次モードの光が導波するマルチモード導波路とする遷移部と、
前記第２の導波路を、前記遷移部からの前記垂直モードの光から前記高次モードの光を除去して前記最大の垂直モードの光が導波する前記シングルモード導波路とする除去部と、
を有することを特徴とする光デバイス。
前記第１の導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率と前記第２の導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率との大小関係が入出力で逆転するように、前記第１の導波路及び前記第２の導波路が離間した状態で重ねて配置することで、入力では、前記第２の導波路を、前記垂直モードの内、実効屈折率が最大の垂直モードの光が導波するシングルモード導波路とし、出力では、前記第２の導波路を、前記最大の垂直モード及び、前記垂直モードの高次モードの光が導波するマルチモード導波路とする遷移部と、
前記第２の導波路を、前記遷移部からの前記垂直モードの光から前記高次モードの光を除去して前記最大の垂直モードの光が導波する前記シングルモード導波路とする除去部と、
を有することを特徴とする光デバイス。
【請求項2】
前記第１の導波路と前記第２の導波路との間で前記垂直モード及び、前記垂直モードと直交する水平モードの光が間接遷移することを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
【請求項3】
前記第１の導波路は、
前記光の進行方向に応じて導波路幅が徐々に狭くなる第１のテーパ導波路を有し、
前記第２の導波路は、
前記第１のテーパ導波路と間接遷移で光結合し、前記光の進行方向に応じて導波路幅が徐々に広くなる第２のテーパ導波路と、
前記第２のテーパ導波路と光結合し、前記光の進行方向に応じて導波路幅が徐々に狭くなる第３のテーパ導波路と、を有し、
前記遷移部は、
前記第１のテーパ導波路の入力部と前記第２のテーパ導波路の入力部とが離間した状態で重なると共に、前記第１のテーパ導波路の出力部と前記第２のテーパ導波路の出力部とが離間した状態で重なるように配置して、前記第１のテーパ導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率と前記第２のテーパ導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率との大小関係が前記遷移部の入出力で逆転することで、前記第２のテーパ導波路の入力部を前記シングルモード導波路とし、前記第２のテーパ導波路の出力部を前記マルチモード導波路とすると共に、
前記除去部は、
前記遷移部からの前記垂直モードの光が前記第３のテーパ導波路を導波することで、前記第３のテーパ導波路を、前記垂直モードの光から前記高次モードの光を除去して前記最大の垂直モードの光のみが導波する前記シングルモード導波路とすることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
前記光の進行方向に応じて導波路幅が徐々に狭くなる第１のテーパ導波路を有し、
前記第２の導波路は、
前記第１のテーパ導波路と間接遷移で光結合し、前記光の進行方向に応じて導波路幅が徐々に広くなる第２のテーパ導波路と、
前記第２のテーパ導波路と光結合し、前記光の進行方向に応じて導波路幅が徐々に狭くなる第３のテーパ導波路と、を有し、
前記遷移部は、
前記第１のテーパ導波路の入力部と前記第２のテーパ導波路の入力部とが離間した状態で重なると共に、前記第１のテーパ導波路の出力部と前記第２のテーパ導波路の出力部とが離間した状態で重なるように配置して、前記第１のテーパ導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率と前記第２のテーパ導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率との大小関係が前記遷移部の入出力で逆転することで、前記第２のテーパ導波路の入力部を前記シングルモード導波路とし、前記第２のテーパ導波路の出力部を前記マルチモード導波路とすると共に、
前記除去部は、
前記遷移部からの前記垂直モードの光が前記第３のテーパ導波路を導波することで、前記第３のテーパ導波路を、前記垂直モードの光から前記高次モードの光を除去して前記最大の垂直モードの光のみが導波する前記シングルモード導波路とすることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
【請求項4】
前記遷移部は、
前記第１のテーパ導波路が孤立導波路とみなした場合の前記第１のテーパ導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率と、前記第２のテーパ導波路が孤立導波路とみなした場合の前記第２のテーパ導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率との大小関係が前記遷移部の入出力で逆転することを特徴とする請求項３に記載の光デバイス。
前記第１のテーパ導波路が孤立導波路とみなした場合の前記第１のテーパ導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率と、前記第２のテーパ導波路が孤立導波路とみなした場合の前記第２のテーパ導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率との大小関係が前記遷移部の入出力で逆転することを特徴とする請求項３に記載の光デバイス。
【請求項5】
前記遷移部は、
前記遷移部の出力部にある前記第２のテーパ導波路の導波路幅を、前記遷移部の入力部にある前記第１のテーパ導波路の導波路幅に比較して広くする構造を有し、前記入力部では、前記第２のテーパ導波路を前記シングルモード導波路とし、前記出力部では、前記第２のテーパ導波路を前記マルチモード導波路とすることを特徴とする請求項３又は４に記載の光デバイス。
前記遷移部の出力部にある前記第２のテーパ導波路の導波路幅を、前記遷移部の入力部にある前記第１のテーパ導波路の導波路幅に比較して広くする構造を有し、前記入力部では、前記第２のテーパ導波路を前記シングルモード導波路とし、前記出力部では、前記第２のテーパ導波路を前記マルチモード導波路とすることを特徴とする請求項３又は４に記載の光デバイス。
【請求項6】
基板上にクラッドで被覆する前記第１の導波路は、
Ｓi（Silicon）を含む材料で形成され、
前記基板上にクラッドで被覆する前記第２の導波路は、
ＳiＮ(Silicon Nitride)を含む材料で形成され、
前記クラッドは、
ＳｉＯ２を含む材料で形成されることを特徴とする請求項１～５の何れか一つに記載の光デバイス。
Ｓi（Silicon）を含む材料で形成され、
前記基板上にクラッドで被覆する前記第２の導波路は、
ＳiＮ(Silicon Nitride)を含む材料で形成され、
前記クラッドは、
ＳｉＯ２を含む材料で形成されることを特徴とする請求項１～５の何れか一つに記載の光デバイス。
【請求項7】
前記第１の導波路及び前記第２の導波路は、
リブ導波路であることを特徴とする請求項１～６の何れか一つに記載の光デバイス。
リブ導波路であることを特徴とする請求項１～６の何れか一つに記載の光デバイス。
【請求項8】
第１の材料屈折率を有する第１の導波路と、前記第１の材料屈折率よりも低い第２の材料屈折率を有する第２の導波路との間で垂直モードの光が間接遷移する基板型光導波路素子であって、
前記第１の導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率と前記第２の導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率との大小関係が入出力で逆転するように、前記第１の導波路及び前記第２の導波路が離間した状態で重ねて配置することで、入力では、前記第２の導波路を、前記垂直モードの内、実効屈折率が最大の垂直モードの光が導波するシングルモード導波路とし、出力では、前記第２の導波路を、前記最大の垂直モード及び、前記垂直モードの高次モードの光が導波するマルチモード導波路とする遷移部と、
前記第２の導波路を、前記遷移部からの前記垂直モードの光から前記高次モードの光を除去して前記最大の垂直モードの光が導波する前記シングルモード導波路とする除去部と、
を有することを特徴とする基板型光導波路素子。
前記第１の導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率と前記第２の導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率との大小関係が入出力で逆転するように、前記第１の導波路及び前記第２の導波路が離間した状態で重ねて配置することで、入力では、前記第２の導波路を、前記垂直モードの内、実効屈折率が最大の垂直モードの光が導波するシングルモード導波路とし、出力では、前記第２の導波路を、前記最大の垂直モード及び、前記垂直モードの高次モードの光が導波するマルチモード導波路とする遷移部と、
前記第２の導波路を、前記遷移部からの前記垂直モードの光から前記高次モードの光を除去して前記最大の垂直モードの光が導波する前記シングルモード導波路とする除去部と、
を有することを特徴とする基板型光導波路素子。
【請求項9】
光源と、
送信信号を用いて光源からの光を光変調して送信光を送信する光送信器と、
前記光源からの光を用いて受信光から受信信号を受信する光受信器と、
前記光送信器及び前記光受信器内で前記光を導波する基板型光導波路素子と、を有する光通信装置であって、
前記基板型光導波路素子は、
第１の材料屈折率を有する第１の導波路と、前記第１の材料屈折率よりも低い第２の材料屈折率を有する第２の導波路との間で垂直モードの光が間接遷移する基板型光導波路素子であって、
前記第１の導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率と前記第２の導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率との大小関係が入出力で逆転するように、前記第１の導波路及び前記第２の導波路が離間した状態で重ねて配置することで、入力では、前記第２の導波路を、前記垂直モードの内、実効屈折率が最大の垂直モードの光が導波するシングルモード導波路とし、出力では、前記第２の導波路を、前記最大の垂直モード及び、前記垂直モードの高次モードの光が導波するマルチモード導波路とする遷移部と、
前記第２の導波路を、前記遷移部からの前記垂直モードの光から前記高次モードの光を除去して前記最大の垂直モードの光が導波する前記シングルモード導波路とする除去部と、
を有することを特徴とする光通信装置。
送信信号を用いて光源からの光を光変調して送信光を送信する光送信器と、
前記光源からの光を用いて受信光から受信信号を受信する光受信器と、
前記光送信器及び前記光受信器内で前記光を導波する基板型光導波路素子と、を有する光通信装置であって、
前記基板型光導波路素子は、
第１の材料屈折率を有する第１の導波路と、前記第１の材料屈折率よりも低い第２の材料屈折率を有する第２の導波路との間で垂直モードの光が間接遷移する基板型光導波路素子であって、
前記第１の導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率と前記第２の導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率との大小関係が入出力で逆転するように、前記第１の導波路及び前記第２の導波路が離間した状態で重ねて配置することで、入力では、前記第２の導波路を、前記垂直モードの内、実効屈折率が最大の垂直モードの光が導波するシングルモード導波路とし、出力では、前記第２の導波路を、前記最大の垂直モード及び、前記垂直モードの高次モードの光が導波するマルチモード導波路とする遷移部と、
前記第２の導波路を、前記遷移部からの前記垂直モードの光から前記高次モードの光を除去して前記最大の垂直モードの光が導波する前記シングルモード導波路とする除去部と、
を有することを特徴とする光通信装置。
【請求項10】
第１の材料屈折率を有する第１の導波路と、前記第１の材料屈折率よりも低い第２の材料屈折率を有する第２の導波路との間で垂直モードの光が間接遷移する導波路間遷移方法であって、
前記第１の導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率と前記第２の導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率との大小関係が入出力で逆転するように、前記第１の導波路及び前記第２の導波路が離間した状態で重ねて配置することで、入力では、前記第２の導波路を、前記垂直モードの内、実効屈折率が最大の垂直モードの光が導波するシングルモード導波路とし、出力では、前記第２の導波路を、前記最大の垂直モード及び、前記垂直モードの高次モードの光が導波するマルチモード導波路とし、
前記第２の導波路を、前記マルチモード導波路からの前記垂直モードの光から前記高次モードの光を除去して前記最大の垂直モードの光が導波するシングルモード導波路とする
処理を実行することを特徴とする導波路間遷移方法。
前記第１の導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率と前記第２の導波路を導波する前記垂直モードの実効屈折率との大小関係が入出力で逆転するように、前記第１の導波路及び前記第２の導波路が離間した状態で重ねて配置することで、入力では、前記第２の導波路を、前記垂直モードの内、実効屈折率が最大の垂直モードの光が導波するシングルモード導波路とし、出力では、前記第２の導波路を、前記最大の垂直モード及び、前記垂直モードの高次モードの光が導波するマルチモード導波路とし、
前記第２の導波路を、前記マルチモード導波路からの前記垂直モードの光から前記高次モードの光を除去して前記最大の垂直モードの光が導波するシングルモード導波路とする
処理を実行することを特徴とする導波路間遷移方法。