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】P2023044916
(43)【公開日】2023-04-03
(54)【発明の名称】光デバイス
(51)【国際特許分類】
G02F 1/225 20060101AFI20230327BHJP
G02B 6/14 20060101ALI20230327BHJP
G02F 1/01 20060101ALN20230327BHJP
【ＦＩ】
G02F1/225
G02B6/14
G02F1/01 C
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021153033
(22)【出願日】2021-09-21
(71)【出願人】
【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
(72)【発明者】
【氏名】岡山 秀彰
【テーマコード（参考）】
2H147
2K102
【Ｆターム（参考）】
2H147AB01
2H147AB11
2H147AB28
2H147AC05
2H147BA02
2H147BA05
2H147BB02
2H147BB07
2H147BE01
2H147BE19
2H147EA13A
2H147EA13C
2H147EA14B
2K102AA28
2K102BA00
2K102BA08
2K102BB01
2K102BB04
2K102BB07
2K102BC10
2K102BD01
2K102CA02
2K102DA04
2K102DB00
2K102DB04
2K102DC05
2K102DD03
2K102EA05
2K102EA16
2K102EB11
(57)【要約】
【課題】ＭＤＭ伝送システムの柔軟性を確保可能にするなどのために、伝送モードを任意に切り替える。
【解決手段】光分岐部と、第１～第Ｎ（Ｎは２以上の整数）のアーム導波路と、光結合部とを備えて構成される。第１～第Ｎのアーム導波路は、光分岐部と光結合部の間に、互いに並列にこの順に設けられ、それぞれ、強度／位相調整手段を備える。光結合部は、第１～第Ｎのテーパ導波路と、マルチモード導波路とを備えて構成され、Ｎが偶数の場合、テーパ導波路全てがアーム導波路から延伸され、Ｎが奇数の場合、第（Ｎ＋１）／２のアーム導波路以外のアーム導波路から延伸されて設けられ、テーパ導波路を伝送する光がマルチモード導波路へと断熱的に遷移する。
【選択図】図１
【解決手段】光分岐部と、第１～第Ｎ（Ｎは２以上の整数）のアーム導波路と、光結合部とを備えて構成される。第１～第Ｎのアーム導波路は、光分岐部と光結合部の間に、互いに並列にこの順に設けられ、それぞれ、強度／位相調整手段を備える。光結合部は、第１～第Ｎのテーパ導波路と、マルチモード導波路とを備えて構成され、Ｎが偶数の場合、テーパ導波路全てがアーム導波路から延伸され、Ｎが奇数の場合、第（Ｎ＋１）／２のアーム導波路以外のアーム導波路から延伸されて設けられ、テーパ導波路を伝送する光がマルチモード導波路へと断熱的に遷移する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
光分岐部と、
第１～第Ｎ（Ｎは２以上の整数）のアーム導波路と、
光結合部とを備え、
前記第１～第Ｎのアーム導波路は、前記光分岐部と前記光結合部の間に、互いに並列にこの順に設けられ、それぞれ、強度／位相調整手段を備え、
Ｎが偶数の場合、
前記光結合部は、第１～第Ｎのテーパ導波路と、マルチモード導波路とを備えて構成され、
第１～第Ｎのテーパ導波路は、それぞれ、前記第１～第Ｎのアーム導波路から延伸され、
前記マルチモード導波路は、第Ｎ／２のテーパ導波路と第Ｎ／２＋１のテーパ導波路の間に設けられ、及び、
前記第１～第Ｎのテーパ導波路を伝送する光が前記マルチモード導波路へと断熱的に遷移し、
Ｎが奇数の場合、
前記光結合部は、第１～第Ｎ－１のテーパ導波路と、マルチモード導波路とを備えて構成され、
第１～第Ｎ－１のテーパ導波路は、第１～第（Ｎ－１）／２のアーム導波路から延伸されて設けられ、
第（Ｎ＋１）／２～第（Ｎ－１）のテーパ導波路は、第（Ｎ＋１）／２＋１～第Ｎのアーム導波路から延伸されて設けられ、
前記マルチモード導波路は、第（Ｎ＋１）／２のアーム導波路から延伸されて設けられ、及び、
前記第１～第Ｎ－１のテーパ導波路を伝送する光が前記マルチモード導波路へと断熱的に遷移する
ことを特徴とする光デバイス。
第１～第Ｎ（Ｎは２以上の整数）のアーム導波路と、
光結合部とを備え、
前記第１～第Ｎのアーム導波路は、前記光分岐部と前記光結合部の間に、互いに並列にこの順に設けられ、それぞれ、強度／位相調整手段を備え、
Ｎが偶数の場合、
前記光結合部は、第１～第Ｎのテーパ導波路と、マルチモード導波路とを備えて構成され、
第１～第Ｎのテーパ導波路は、それぞれ、前記第１～第Ｎのアーム導波路から延伸され、
前記マルチモード導波路は、第Ｎ／２のテーパ導波路と第Ｎ／２＋１のテーパ導波路の間に設けられ、及び、
前記第１～第Ｎのテーパ導波路を伝送する光が前記マルチモード導波路へと断熱的に遷移し、
Ｎが奇数の場合、
前記光結合部は、第１～第Ｎ－１のテーパ導波路と、マルチモード導波路とを備えて構成され、
第１～第Ｎ－１のテーパ導波路は、第１～第（Ｎ－１）／２のアーム導波路から延伸されて設けられ、
第（Ｎ＋１）／２～第（Ｎ－１）のテーパ導波路は、第（Ｎ＋１）／２＋１～第Ｎのアーム導波路から延伸されて設けられ、
前記マルチモード導波路は、第（Ｎ＋１）／２のアーム導波路から延伸されて設けられ、及び、
前記第１～第Ｎ－１のテーパ導波路を伝送する光が前記マルチモード導波路へと断熱的に遷移する
ことを特徴とする光デバイス。
【請求項2】
前記強度／位相調整手段が、強度調整に用いられるマッハツェンダ干渉器を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
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】
前記強度／位相調整手段が、ヒーターを用いた熱光学効果を利用して位相調整する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光デバイス。
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光デバイス。
【請求項4】
前記マルチモード導波路の後段に、モード変換器を備える
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デバイス。
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デバイス。
【請求項5】
前記第１～第Ｎのアーム導波路の、前記強度／位相調整手段の前段及び後段に、ＴＭ偏波の基本モードとＴＥ偏波の１次モードを相互変換するリブ導波路を備える
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デバイス。
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デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、モードスイッチや光スイッチとして利用可能な、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】
通信容量を増大させるために信号キャリアの多重化が有用である。モード分割多重（ＭＤＭ：Ｍｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）は、１つの波長光源、かつ、１つの伝送路で複数の信号をモード毎に伝送することが出来る。このため、ＭＤＭは、波長毎に信号を重畳する波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）や、伝送路を空間的に分割する空間分割多重（ＳＤＭ：Ｓｐａｃｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）に比べ、コスト効率が高く、高性能ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）内でのチップ間インターコネクトの伝送方式として有望である（例えば、非特許文献１又は２参照）。
【0004】
【0005】
送信側では、１つの光源１０００で生成された光をカプラー１０１０で分岐し、それぞれの光に変調器１０２０－１～４により信号ｓｉｇ１～ｓｉｇ４を載せ光信号を生成する。各光信号は、モード変換部１０５０において、各モード次数に対応するモード変換器によりモード変換され、マルチモード導波路（ＭＭＷＧ：Ｍｕｌｔｉ Ｍｏｄｅ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）１０６０へ送信される。
【0006】
受信側では送信側と同様に各モード次数に対応するモード変換器を有するモード変換部１０７０が配置され、各モード光を選択的に取り出しフォトダイオード（ＰＤ：ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ）１０８０－１～４で受信する。ＭＭＷＧ１０６０では、各モードは互いに直交し干渉せず伝送する。このように、１つの光源、かつ、１つの伝送路を共有し複数の信号を送受できるため、ＭＤＭ伝送システムは、コスト及びスペース効率に優れる。このように、ＭＤＭ伝送システムでは伝送する光のモードを切り替えるためのモード変換器が重要なデバイスとなる。モード変換器デバイスとしては、非対称方向性結合器を用いたものが一般的である（例えば、特許文献１又は２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開２０１８－１５５８６３号公報
【特許文献2】特開２０１５－１２１６９６号公報
【非特許文献】
【0008】
【非特許文献1】CLEO 2018 OSA 2018, STh1B.5, "demonstration of 2-um on-chip two-mode division multiplexing using tapered directional coupler-based mode (de)multiplexer"
【非特許文献2】Journal of Lightwave Technology, Vol.35, Issue15, 2017 "mode-division multiplexing for silicon photonic network-on-chip”
【非特許文献3】Electronics Letters, Vol. 55, Issue 8, pp.475 - 476, 18 April 2019, ”Polarization insensitive wavelength demultiplexer using arrayed waveguide grating and polarization rotator/splitter"
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
しかしながら、従来のＭＤＭ伝送システムでは、基本的に信号の送信側と受信側との関係は非対称方向性結合器の設計により１：１で決まり、これを可変にすることは出来ない。従って、ＭＤＭ伝送システムには、ネットワークとしての柔軟性に欠けるという問題があった。ＭＤＭ伝送システム以外の、例えば、ＷＤＭ伝送システムなどでは可変波長フィルタを用いることで、任意の送り先を指定することが可能である。
【0010】
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、ＭＤＭ伝送システムの柔軟性を確保可能にするなどのために、伝送モードを任意に切り替えることができるモードスイッチとして利用可能な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】
【0011】
上述した目的を達成するために、この発明の光デバイスは、光分岐部と、第１～第Ｎ（Ｎは２以上の整数）のアーム導波路と、光結合部とを備えて構成される。第１～第Ｎのアーム導波路は、光分岐部と光結合部の間に、互いに並列にこの順に設けられ、それぞれ、強度／位相調整手段を備える。
【0012】
Ｎが偶数の場合、光結合部は、第１～第Ｎのテーパ導波路と、マルチモード導波路とを備えて構成され、第１～第Ｎのテーパ導波路は、それぞれ、第１～第Ｎのアーム導波路から延伸され、マルチモード導波路は、第Ｎ／２のテーパ導波路と第Ｎ／２＋１のテーパ導波路の間に設けられ、第１～第Ｎのテーパ導波路を伝送する光がマルチモード導波路へと断熱的に遷移する。
【0013】
Ｎが奇数の場合、光結合部は、第１～第Ｎ－１のテーパ導波路と、マルチモード導波路とを備えて構成され、第１～第（Ｎ－１）/２のテーパ導波路は、第１～第（Ｎ－１）／２のアーム導波路から延伸されて設けられ、第（Ｎ＋１）／２～第（Ｎ－１）のテーパ導波路は、第（Ｎ＋１）／２＋１～第Ｎのアーム導波路から延伸されて設けられ、マルチモード導波路は、第（Ｎ＋１）／２のアーム導波路から延伸されて設けられ、第１～第Ｎ－１のテーパ導波路を伝送する光がマルチモード導波路へと断熱的に遷移する。
【0014】
また、この発明の光デバイスの好適実施形態によれば、強度／位相調整手段が、強度調整に用いられるマッハツェンダ干渉器を有する。また、強度／位相調整手段が、ヒーターを用いた熱光学効果を利用して位相調整する。
【0015】
また、この発明の光デバイスの他の好適実施形態によれば、マルチモード導波路の後段に、モード変換器を備える。また、第１～第Ｎのアーム導波路の、強度／位相調整手段の前段及び後段に、ＴＭ偏波の基本モードとＴＥ偏波の１次モードを相互変換するリブ導波路を備えてもよい。
【発明の効果】
【0016】
この発明とする光デバイスによれば、伝送モードを任意に切り替えることができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】モードスイッチを説明するための模式図である。
【図2】断熱遷移型の分岐デバイスの概略的平面図である。
【図3】マッハツェンダ干渉器を利用する強度／位相調整手段を説明するための模式図である。
【図4】マルチモード導波路からアーム導波路へと伝送させたときの様子をＢＰＭシミュレーションで検証した結果を示す図である。
【図5】光スイッチを説明するための模式図である。
【図6】アーム導波路の幅と、各モードの位相変化量の関係を示す図である。
【図7】リブ導波路を備えるアーム導波路を説明するための模式図である。
【図8】ＦＤＴＤによる光結合部の透過スペクトルを示す図である。
【図9】ＭＤＭ伝送システム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】
【0018】
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。
【0019】
（モードスイッチ）
図１を参照して、この発明の光デバイスの一実施形態としてモードスイッチを説明する。図１は、モードスイッチを説明するための模式図である。図１（Ａ）は、Ｎが２の場合の例であり、図１（Ｂ）はＮが３の場合の例である。また、図１（Ａ）及び（Ｂ）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（Ｃ）は、第１実施形態の光デバイスの概略的断面図である。なお、他の概略的平面図においても後述する支持基板及びクラッドを省略する。
図１を参照して、この発明の光デバイスの一実施形態としてモードスイッチを説明する。図１は、モードスイッチを説明するための模式図である。図１（Ａ）は、Ｎが２の場合の例であり、図１（Ｂ）はＮが３の場合の例である。また、図１（Ａ）及び（Ｂ）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（Ｃ）は、第１実施形態の光デバイスの概略的断面図である。なお、他の概略的平面図においても後述する支持基板及びクラッドを省略する。
【0020】
モードスイッチは、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。
【0021】
支持基板１０は、例えば単結晶シリコン（Ｓｉ）を材料とした平板状体で構成されている。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
モードスイッチは、光分岐部２００と、第１～第Ｎ（Ｎは２以上の整数）のアーム導波路３００－１～３００－Ｎと、光結合部４００とを備えて構成される。第１～第Ｎのアーム導波路３００－１～３００－Ｎは、光分岐部２００と光結合部４００の間に互いに並列に、この順に設けられる。
【0025】
光分岐部２００は１本の入力導波路１０１から入力される光をＮ分岐して出力する。光分岐部２００が有するＮ個の出力ポートは、それぞれ、第１～第Ｎのアーム導波路３００－１～３００－Ｎと接続される。
【0026】
光分岐部２００は、最も単純にはＹ分岐導波路を用いることが出来るが、光損失を低減するため、断熱遷移型の分岐デバイスを用いることができる。
【0027】
【0028】
この断熱遷移型の分岐デバイスは、入力導波路１０１と接続されたテーパ導波路２１０と、テーパ導波路２１０を挟む位置に一定の間隔を空けて配置された第１及び第２の逆テーパ導波路２２０－１及び２２０－２を備えて構成される。テーパ導波路２１０は、光の伝送方向に沿って徐々に幅が縮小する。第１及び第２の逆テーパ導波路２２０－１及び２２０－２は、それぞれ、第１及び第２のアーム導波路３００－１及び３００－２と接続される。
【0029】
テーパ導波路２１０のモードは先端に近づくにつれカットオフに近づき、両脇の第１及び第２の逆テーパ導波路２２０－１及び２２０－２へと徐々に光が移行する。このような構成とすることで、光の分岐損失及び偏波依存性を低減できる。
【0030】
第１～第Ｎのアーム導波路３００－１～３００－Ｎは、それぞれ、強度／位相調整手段３１０－１～３１０－Ｎを有する。強度／位相調整手段３１０－１～３１０－Ｎは強度及び位相のいずれか一方又は双方を調整する手段である。強度／位相調整手段３１０－１～３１０－Ｎが位相を調整する場合には、例えば、第１～第Ｎのアーム導波路３００－１～３００－Ｎを構成する光導波路コアの上にヒーターを実装し、熱光学効果を利用して位相を制御することができる。また、強度を調整する場合には、強度／位相調整手段３１０－１～３１０－Ｎを構成する光導波路コアに例えば、マッハツェンダ干渉計を挿入し、光のＯＮ／ＯＦＦを切り替える構成にすることができる。
【0031】
【0032】
マッハツェンダ干渉器は、光分岐部３１１と、第１及び第２のアーム導波路３１２－１及び３１２－２と、光結合部３１３とを備えて構成される。さらに、第１及び第２のアーム導波路３１２－１及び３１２－２はそれぞれヒーター等の位相制御手段３１４－１及び３１４－２を備える。位相制御手段３１４の動作は一般的なマッハツェンダ干渉器と同様で、熱光学効果を利用して、第１及び第２のアーム導波路３１２－１及び３１２－２間の位相差に応じて光の強度を制御することができる。ここで求める機能としては、光をＯＮ／ＯＦＦする（１か０にする）ことである。図１（Ａ）に示すＮが２の場合では、強度を調整する必要はないのでこの機能を省略できる。一方、図１（Ｂ）に示すＮが３の場合のように、中央の第２のアーム導波路３００－２と両脇の第１及び第３のアーム導波路３００－１及び３００－３とで光強度の関係を調整する場合には、光をＯＮ／ＯＦＦする機能が必要となる。
【0033】
なお、位相制御手段３１４－１及び３１４－２については、上述した強度／位相調整手段３１０－１～３１０－Ｎが位相調整を行う場合と同様なので説明を省略する。
【0034】
先ず、図１（Ａ）を参照して、Ｎが偶数の場合を説明する。このとき、光分岐部２００は、入力導波路１０１を経て入力された光をＮ分岐して、それぞれ、第１～第Ｎのアーム導波路３００－１～３００－Ｎに送る。光結合部４００は、第１～第Ｎのアーム導波路３００－１～３００－Ｎから延伸された第１～第Ｎのテーパ導波路４１０－１～４１０－Ｎ
と、マルチモード導波路４２０とを備えて構成される。マルチモード導波路４２０は、例えば、第Ｎ／２のテーパ導波路４１０－Ｎ／２と第Ｎ／２＋１のテーパ導波路４１０－Ｎ／２＋１の間に設けられる。テーパ導波路４１０－１～４１０－Ｎを伝送する光がマルチモード導波路４２０へと断熱的に遷移する。
と、マルチモード導波路４２０とを備えて構成される。マルチモード導波路４２０は、例えば、第Ｎ／２のテーパ導波路４１０－Ｎ／２と第Ｎ／２＋１のテーパ導波路４１０－Ｎ／２＋１の間に設けられる。テーパ導波路４１０－１～４１０－Ｎを伝送する光がマルチモード導波路４２０へと断熱的に遷移する。
【0035】
図１（Ａ）に示す例では、Ｎが２であるので、光結合部４００は、第１及び第２アーム導波路３００－１及び３００－２から延伸された第１及び第２のテーパ導波路４１０－１及び４１０－２と、マルチモード導波路４２０とを備えて構成される。マルチモード導波路４２０は、第１のテーパ導波路４１０－１と第２のテーパ導波路４１０－２の間に設けられる。
【0036】
次に、図１（Ｂ）を参照して、Ｎが奇数の場合を説明する。このとき、光分岐部２０１は、入力導波路１０１を経て入力された光をＮ分岐して、それぞれ、第１～第Ｎのアーム導波路３００－１～３００－Ｎに送る。光結合部４０１は、第１～第Ｎ－１のテーパ導波路４１０－１～４１０－（Ｎ－１）と、マルチモード導波路４２０を備えて構成される。第１～第（Ｎ－１）／２のテーパ導波路４１０－１～４１０－（Ｎ－１）／２は、第１～第（Ｎ－１）／２のアーム導波路３００－１～３００－（Ｎ－１）／２から延伸されて設けられている。第（Ｎ＋１）／２～第（Ｎ－１）のテーパ導波路４１０－（Ｎ＋１）／２～４１０－（Ｎ－１）は、第（Ｎ＋１）／２＋１～第Ｎのアーム導波路３００－（Ｎ＋１）／２＋１～３００－Ｎから延伸されて設けられている。マルチモード導波路４２０は、第（Ｎ＋１）／２のアーム導波路３００－（Ｎ＋１）／２から延伸されて設けられている。
【0037】
図１（Ｂ）に示す例では、Ｎが３であるので、光結合部４０１は、第１及び第２のテーパ導波路４１０－１及び４１０－２と、マルチモード導波路４２０を備えて構成される。第１のテーパ導波路４１０－１は、第１のアーム導波路３００－１から延伸されて設けられている。第２のテーパ導波路４１０－２は、第３のアーム導波路３００－３から延伸されて設けられている。マルチモード導波路４２０は、第２のアーム導波路３００－２から延伸されて設けられている。
【0038】
マルチモード導波路４２０は、少なくともＭ次（Ｍは１以上の整数）のモードを伝送できる。光結合部４００では、各アーム導波路３００－１～３００－Ｎを伝送する光の強度及び位相の関係に応じて、光結合部４００で励振されるモードが変化する。光の可逆性を利用すると、光結合部４００のマルチモード導波路４２０側から各モードをアーム導波路３００側へと伝送させたときの各アーム導波路３００を伝送する光の強度および位相の関係が、マルチモード導波路４２０において所望のモードを励振するための条件となる。
【0039】
図４は、マルチモード導波路４２０側からアーム導波路３００側へと伝送させたときの様子をＢｅａｍ Pｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ（ＢＰＭ）シミュレーションで検証した結果を示す図である。
【0040】
図４（Ａ）及び（Ｂ）は、アーム導波路本数Ｎが２であり、マルチモード導波路４２０では基本モードと１次モードが伝送可能であるとする。
【0041】
図４（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、基本モード及び１次モードの光を光結合部のマルチモード導波路４２０側から、アーム導波路に向けて伝送させた場合を示している。ここで、図４（Ａ）及び（Ｂ）の下側がマルチモード導波路４２０側であり、上側がアーム導波路側である。すなわち、図４（Ａ）及び（Ｂ）では、図中、下から上に向けて光が伝送する。図４（Ａ）及び（Ｂ）に示されるように、基本モードを選択する場合（図４（Ａ））には、２本のアーム導波路３００－１及び３００－２を伝送する光の関係として等強度
であり、かつ、等位相であることが条件となる。一方、１次モードを選択する場合（図４（Ｂ））には、２本のアーム導波路３００－１及び３００－２を伝送する光の関係として等強度であり、かつ、位相がπずれていることが条件となることが分かる。
であり、かつ、等位相であることが条件となる。一方、１次モードを選択する場合（図４（Ｂ））には、２本のアーム導波路３００－１及び３００－２を伝送する光の関係として等強度であり、かつ、位相がπずれていることが条件となることが分かる。
【0042】
図４（Ｃ）～（Ｅ）は、アーム導波路本数Ｎが３であり、マルチモード導波路４２０では、基本モード、１次モード及び２次モードが伝送可能であるとする。
【0043】
図４（Ｃ）～（Ｅ）は、それぞれ、基本モード、１次モード及び２次モードの光を光結合部のマルチモード導波路４２０側からアーム導波路３００に向けて伝送させた場合を示している。図４（Ｃ）～（Ｅ）では、図４（Ａ）及び（Ｂ）と同様に、図中、下から上に向けて光が伝送する。図４（Ｃ）～（Ｅ）に示されるように、基本モードを選択する場合（図４（Ｃ））には、中央の第２のアーム導波路３００－２のみから光を入射し、１次モードを選択する場合（図４（Ｄ））には、中央以外の両脇の第１及び第３のアーム導波路３００－１及び３００－３から等強度かつ位相がπシフトしている光を入射し、２次モードを選択する場合（図４（Ｅ））には、中央以外の両脇の第１及び第３のアーム導波路３００－１及び３００－３から等強度かつ等位相の光を入射することが条件となることが分かる。
【0044】
各アーム導波路における強度／位相調整手段は、上述の通り、強度調整の場合にはマッハツェンダ干渉器を、位相調整の場合にはヒーターを用いた熱光学効果を利用して機能させることが出来る。
【0045】
例えば、図４（Ｃ）に示すように、基本モードを励振する場合、中央の第２のアーム導波路３００－２のみから光合波部４００に光を入力する必要がある。このため、両脇の第１及び第３のアーム導波路３００－１及び３００－３からの光をＯＦＦすることで、基本モードを選択できる。
【0046】
一方、図４（Ｄ）及び（Ｅ）に示すように、１次モード又は２次モードを励振する場合には、両脇の第１及び第３のアーム導波路３００－１及び３００－３から光結合部４００に光を入力する必要がある。このため、中央の第２アーム導波路３００－２からの光をＯＦＦすることで１次モード又は２次モードを選択できる。１次モードと２次モードの選択はさらに両脇の第１及び第３アーム導波路３００－１及び３００－３を伝送する光の位相によるため、ヒーターなどを用いて、第１及び第３のアーム導波路３００－１及び３００－３間の位相関係を０あるいはπに調整する。
【0047】
以上説明したように、この発明の第１実施形態の光デバイスはモードスイッチとして機能し、アーム導波路における強度、位相の関係を制御することにより、任意の次数のモードを励振することが可能となる。ＭＤＭ伝送システム上では、このモードスイッチのマルチモード導波路４２０の後段は引き回し配線用のＭＭＷＧに接続される。
【0048】
（光スイッチ）
図５を参照して、この発明の光デバイスの他の実施形態として光スイッチを説明する。図５は、光スイッチを説明するための模式図である。図５（Ａ）は、Ｎが２の場合の例であり、図５（Ｂ）はＮが３の場合の例である。また、図５（Ａ）及び（Ｂ）は、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５を参照して、この発明の光デバイスの他の実施形態として光スイッチを説明する。図５は、光スイッチを説明するための模式図である。図５（Ａ）は、Ｎが２の場合の例であり、図５（Ｂ）はＮが３の場合の例である。また、図５（Ａ）及び（Ｂ）は、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。
【0049】
光スイッチは、上述のモードスイッチが備えるマルチモード導波路４２０の後段に、各モード次数に対応するモード変換器５００－Ｋ（Ｋは１以上の整数）を備える。これにより、この光スイッチは、モード次数に応じて光の出力先を切り替えることが出来る。モード変換器５００－Ｋとしては例えば、非対称方向性結合器などが採用される。
【0050】
モード変換器は、非対称方向性結合器として実現でき、直列に接続されて設けられる。モード変換器５００－ｉ（ｉは１以上Ｍ－１以下の整数）は互いに所定の間隔を空けて並列に配置された、マルチモード伝送可能なメイン導波路５１０－ｉとシングルモード伝送のサブ導波路５２０－ｉとで形成される。
【0051】
図５（Ａ）に示す、Ｎが２の場合は、モード変換器５００－１は、基本モードと１次モードとを切り離す。モード変換器５００－１においてメイン導波路５１０－１を伝送する１次モードがサブ導波路５２０－１を伝送する基本モードに結合することが求められる。必要条件としては両者のモード等価屈折率が一致すればよい。この目的のため、メイン導波路５１０－１は伝送方向に沿って幅が縮小するようにテーパ構造になっており、一方、サブ導波路５２０－１はこれと対向するように伝送方向に沿って幅が拡大するようにテーパ構造になっている。
【0052】
なお、メイン導波路５１０－１を伝送する基本モードは、サブ導波路５２０－１を伝送するモードとは結合せずそのまま通過するため、基本モードと１次モードとで異なる経路に振り分ける光スイッチとしての動作が可能となる。
【0053】
図５（Ｂ）に示す、Ｎが３の場合は、モード変換器５０１－１は、基本モード及び１次モードと、２次モードとを切り離す。モード変換器５０１－１においてメイン導波路５１１－１を伝送する２次モードがサブ導波路５２０－１を伝送する基本モードに結合することが求められる。必要条件としては両者のモード等価屈折率が一致すればよい。
【0054】
また、モード変換器５０１－２は、基本モードと１次モードとを切り離す。モード変換器５０１－２においてメイン導波路５１１－２を伝送する１次モードがサブ導波路５２０－２を伝送する基本モードに結合することが求められる。必要条件としては両者のモード等価屈折率が一致すればよい。
【0055】
なお、メイン導波路５１１－２を伝送する基本モードは、サブ導波路５２０－２を伝送するモードとは結合せずそのまま通過する。このように、基本モード、１次モード及び２次モードとで、互いに異なる経路に振り分ける光スイッチとしての動作が可能となる。
【0056】
（設計例）
ここでは、光スイッチとしての設計例を説明する。なお、光スイッチはＭＤＭ伝送システムに限らず光通信ネットワークにおいて広く用いられる重要デバイスであり、モードスイッチとしての機能を含む。このため、以下に説明する設計指針はモードスイッチとしても適用可能である。
ここでは、光スイッチとしての設計例を説明する。なお、光スイッチはＭＤＭ伝送システムに限らず光通信ネットワークにおいて広く用いられる重要デバイスであり、モードスイッチとしての機能を含む。このため、以下に説明する設計指針はモードスイッチとしても適用可能である。
【0057】
光デバイスのプラットフォームとしてはシリコンフォトニクスの母材として採用されるＳｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ＳＯＩ）基板を選択した。すなわち、図２に示す光導波路コア３０はシリコンで、光導波路コア３０の周囲のクラッド２０はシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）、支持基板１０はシリコンで構成される。このようにコアをシリコン、クラッドをシリコン酸化膜とする光導波路は、コアとクラッドとの比屈折率差が４０％に達し、光をコア内部に強く閉じ込めることができ、光デバイスのレイアウトを小さくすることが可能となる。一方で、比屈折率差の大きな導波路は、導波路を伝送する光の電界の振動方向が、幅方向に水平なＴｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ（ＴＥ）偏波か、厚み方向に水平なＴｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ（ＴＭ）偏波かで、光の伝送特性が大きく異なる。すなわち、いわゆる偏波依存性が大きくなりやすい。
【0058】
そこで、この出願に係る発明者は、シリコン導波路のような偏波依存性が大きな導波路
においても偏波に対して依存せずＴＥ偏波とＴＭ偏波とで同様の動作をするように光スイッチの偏波無依存設計を試みた。
においても偏波に対して依存せずＴＥ偏波とＴＭ偏波とで同様の動作をするように光スイッチの偏波無依存設計を試みた。
【0059】
ＳＯＩ基板のパラメータとしては、一般的に商用流通して入手が容易な、ＳＯＩ層の厚みが２２０ｎｍ、かつ、Ｂｕｒｉｅｄ Ｏｘｉｄｅ（ＢＯＸ）層の厚み２～３μｍのＳＯＩ基板に設定した。なお、ＢＯＸ層の厚みは導波路の光閉じ込めが十分強ければ、ＢＯＸ層への光の染み出しによる伝送損失が防げるため、２μｍ以上あれば十分である。
【0060】
動作検証のため、動作波長は１５５０ｎｍ、アーム導波路の本数Ｎを２、最大モード次数Ｍを１とした。モードスイッチを構成するのは、光分岐部２００と、アーム導波路３００－１及び３００－２と、光結合部４００である。光分岐部２００として、光損失を低減するため、断熱遷移型の分岐デバイスを採用した。
【0061】
次に、第１及び第２のアーム導波路３００－１及び３００－２について説明する。Ｎ＝２の場合、アーム導波路には強度制御手段は必要なく、ヒーター等による位相制御手段があればよい。基本的には第１のアーム導波路３００－１と第２のアーム導波路３００－２とは等長配線であり、モードスイッチは、広義には対称マッハツェンダ干渉器であると言える。
【0062】
ヒーターの熱制御による位相調整では、ＴＥ偏波とＴＭ偏波とで温度特性が偏波無依存であることが求められる。より具体的に、温度変化に伴うアーム導波路の位相変化量を線形近似式で表すと以下の式（１）で表される。
【0063】
【数1】
【0064】
ここで、φはアーム導波路３００－１及び３００－２における位相、Ｔは温度、ｎｅｆｆは伝送モードの等価屈折率、及び、Ｌは温度変化のおよぶ導波路長さを表している。温度変化による位相変化量Δφは、以下の式（２）で与えられる。
【0065】
【数2】
【0066】
位相変化量Δφが偏波無依存となるための条件は、温度に対する等価屈折率の変化量を意味する∂ｎｅｆｆ／∂Ｔ項が、ＴＥ偏波とＴＭ偏波とで等しいことである。従って、∂ｎｅｆｆ／∂Ｔ項が、ＴＥ偏波とＴＭ偏波とで等しくなるようにアーム導波路の寸法を設計する。そこで、アーム導波路の幅をパラメータとし、一定の温度変化量を与えたときの各モードの位相変化量との関係を求めた。
【0067】
図６は、アーム導波路の幅と、各モードの位相変化量の関係を示す図である。図６では、横軸に導波路幅（単位：μｍ）をとって示し、縦軸に位相変化量Δφ（単位：ｒａｄ／２００μｍ×１０Ｋ）をとって示している。解析条件として、温度変化量ΔＴを１０Ｋ、
かつ、温度変化のおよぶ導波路長さＬを２００μｍとした。図６において、ＴＥ０（Ｉ）はＴＥ偏波の基本モード、ＴＥ１（ＩＩ）はＴＥ偏波の１次モード、及び、ＴＭ０（ＩＩＩ）はＴＭ偏波の基本モードをそれぞれ表わしている。
かつ、温度変化のおよぶ導波路長さＬを２００μｍとした。図６において、ＴＥ０（Ｉ）はＴＥ偏波の基本モード、ＴＥ１（ＩＩ）はＴＥ偏波の１次モード、及び、ＴＭ０（ＩＩＩ）はＴＭ偏波の基本モードをそれぞれ表わしている。
【0068】
図６より、導波路幅０．２５μｍ付近で、ＴＥ０とＴＭ０との交点を見出すことができ、この導波路幅がＴＥ０とＴＭ０との同一動作条件となる。しかしながら、このときの導波路断面サイズは幅×厚み＝２５０×２２０ｎｍ２と小さく、光の閉じ込めが弱いモードカットオフに近い寸法となり、損失が増大することが懸念される。他方、導波路幅が２μｍ付近ではＴＥ０とＴＥ１との交点を見出すことができる。この導波路幅はＴＥ０とＴＥ１との同一動作条件である。ここで偏波無依存動作のため、アーム導波路において一時的にＴＭ０をＴＥ１に変換することができればこの条件を適用することが可能となる。
【0069】
ＴＭ０をＴＥ１に変換するための構造としてはリブ導波路が知られている（例えば、非特許文献３参照）。
【0070】
図７を参照して、リブ導波路を備えるアーム導波路を説明する。図７は、リブ導波路を備えるアーム導波路を説明するための模式図である。図７（Ａ）は、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７（Ｂ）は、リブ導波路の概略的断面図である。
【0071】
図７（Ａ）に示すように、各アーム導波路の途中の、強度／位相調整手段の前後に、リブ導波路６０１－１及び６０２－１並びに６０１－２及び６０２－２が設けられる。リブ導波路は、図７（Ｂ）に示すように、導波路コア３２が膜厚の大きい中央部と、その両側に膜厚の小さいスラブを備えて構成される。リブ導波路は、ＴＭ偏波の基本モードとＴＥ偏波の１次モードを相互変換する。従って、リブ導波路は、アーム導波路の３００を伝送するＴＭ０を一時的にＴＥ１に変換し、２μｍ幅の導波路を適用することでＴＥ０とＴＥ１とで同一動作条件を得ることができる。
【0072】
光分岐部２００から送られた光はＴＥ０とＴＭ０とを含み、各アーム導波路３００－１と３００－２を伝送し、アーム導波路の経路の途中に配置されたリブ導波路６０１－１と６０１－２により、ＴＭ０はＴＥ１へと変換される。ヒーターが実装された位相制御部３１０―１及び３１０－２ではＴＥ０とＴＥ１がヒーターにより加熱され、温度変動によりＴＥ０とＴＥ１とは同一の位相変化量を受ける。さらにアーム導波路の経路に配置されたリブ導波路６０２－１及び６０２－２によりＴＥ１はＴＭ０へと再変換され、光結合部４００で各アーム導波路を伝送したＴＥ０又はＴＭ０同士が合波される。
【0073】
なお、位相制御部３１０―１及び３１０－２は各アーム導波路にそれぞれ実装されるが、熱駆動するのは一方のアーム導波路の制御部だけでよい。第１及び第２のアーム導波路３００－１及び３００－２の位相差が、０あるいはπとなるように位相制御することで、後段の光結合部４００で励振されるモードの次数を選択することが可能となる。
【0074】
次に光結合部４００について説明する。光結合部４００はアーム導波路３００－１及び３００－２から延伸されるテーパ導波路４１０－１と４１０－２およびそれらに挟まれたマルチモード導波路４２０とで構成される。テーパ導波路４１０－１と４１０－２とは光の伝送方向に沿って幅が縮小し、マルチモード導波路はそれに対向するように光の伝送方向に沿って幅が拡大する。光結合部では各々アーム導波路から送られたＴＥ０とＴＭ０がそれぞれテーパ導波路を介して断熱的にマルチモード導波路４２０へと遷移する。第１の実施形態で説明したように、マルチモード導波路ではアーム導波路から伝送される光の強度および位相の関係に応じて励振されるモードが変化する。
【0075】
マルチモード導波路４２０は最大モード次数Ｍを１として、基本モードと１次モードとが伝送可能とする。両脇の第１及び第２テーパ導波路４１０－１及び４１０－２を伝送する基本モードのＴＥ偏波又はＴＭ偏波（ＴＥ０又はＴＭ０）が、マルチモード導波路４２０を伝送する基本モードあるいは１次モードへと結合するように設計する。基本モードは電界モード分布が幅方向に対称な偶モードであり、１次モードは電界モード分布が幅方向に反対称な奇モードである。光結合部４００ではこの性質を利用し、第１及び第２テーパ導波路４１０－１及び４１０―２から送られる基本モードが同位相の場合、第１及び第２テーパ導波路４１０－１及び４１０―２を伝送する光から形成される電界モードの和分布は幅方向に対称分布となる。このため、マルチモード導波路４２０では偶モードである基本モードが励振され、反対称分布である１次モードとは直交し抑圧される。他方、第１及び第２テーパ導波路４１０－１及び４１０―２から送られる基本モードの位相がπずれた逆位相の場合、第１及び第２テーパ導波路４１０－１及び４１０―２を伝送する光から形成される電界モードの和分布は幅方向に反対称分布となるため、マルチモード導波路４２０では奇モードである１次モードが励振され、対称分布である基本モードとは直交し抑圧される。
【0076】
光結合部４００における動作を検証するため３次元ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）法による導波シミュレーションをした。マルチモード導波路４２０は光の伝送方向に沿って導波路幅が０．１μｍから０．８５μｍへ線形的に変化するテーパ構造とし、両脇の第１及び第２テーパ導波路４１０－１および４１０－２は、マルチモード導波路４２０と一定の間隔（ここでは０．５７μｍ）を空け並列に配置し光の伝送方向に沿って導波路幅が０．４４μｍから０．１μｍへと線形的に変化するテーパ構造とした。光結合部４００の伝送方向長さは５０μｍである。
【0077】
図８は、ＦＤＴＤによる光結合部の透過スペクトルを示す図である。図８（Ａ）～（Ｄ）は、それぞれ、ＴＥ０を同位相で、ＴＥ０を逆位相で、ＴＭ０を同位相で、ＴＭ０を逆位相で、２本のテーパ導波路から、伝送させたときのマルチモード導波路４２０を伝送する各モードの透過スペクトルを示す。図８は横軸に、波長（単位：μｍ）をとって示し、縦軸に、透過率（単位：ｄＢ）をとって示している。
【0078】
図８（Ａ）～（Ｄ）に示されるように、各入力条件に対し、同位相の場合には基本モードが、逆位相の場合には１次モードが、偏波状態に依らず得られることが確認できた。波長帯域は数百ｎｍの範囲におよんで１００ｄＢ近くのモード間アイソレーションが確保されている。
【0079】
これまでは最大モード次数Ｍを１として基本モードと１次モードを選択するための偏波無依存のモードスイッチの設計について説明したが、光スイッチとして使用するためのモード変換器について説明する。
【0080】
ここでは、基本モードと１次モードとを切り離すためのモード変換について説明する。メイン導波路５１０－１は伝送方向に沿って幅が縮小するようにテーパ構造になっており、一方、サブ導波路５２０－１はこれと対向するように伝送方向に沿って幅が拡大するようにテーパ構造になっている。メイン導波路は伝送方向に沿って導波路幅が０．７５μｍから０．４４μｍに線形的に縮小し、サブ導波路は伝送方向に沿って導波路幅が０．１μｍから０．３μｍへと線形的に拡大するようにし、メイン導波路とサブ導波路の配置間隔は０．７７５μｍとした。モード変換器長となるテーパ長さは１００μｍである。
【0081】
このように設計することで、メイン導波路５１０－１を伝送する基本モードは、サブ導波路を伝送するモードとは結合せずそのまま通過するため、基本モードと１次モードとで異なる経路に振り分ける光スイッチとしての動作が可能となる。
【符号の説明】
【0082】
１０ 支持基板
２０ クラッド
３０、３２ 光導波路コア
１０１ 入力導波路
２００、２０１、３１１ 光分岐部
２１０、４１０ テーパ導波路
２２０ 逆テーパ導波路
３００、３１２ アーム導波路
３１０ 強度／位相調整手段
３１３、４００、４０１ 光結合部
３１４ 位相制御手段
４２０ マルチモード導波路
５００ モード変換器
５１０ メイン導波路
５２０ サブ導波路
２０ クラッド
３０、３２ 光導波路コア
１０１ 入力導波路
２００、２０１、３１１ 光分岐部
２１０、４１０ テーパ導波路
２２０ 逆テーパ導波路
３００、３１２ アーム導波路
３１０ 強度／位相調整手段
３１３、４００、４０１ 光結合部
３１４ 位相制御手段
４２０ マルチモード導波路
５００ モード変換器
５１０ メイン導波路
５２０ サブ導波路
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
