特開 2024-163467 光デバイス及び光受信器

(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】P2024163467

(43)【公開日】2024-11-22

(54)【発明の名称】光デバイス及び光受信器

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/12 20060101AFI20241115BHJP

   G02B 6/122 20060101ALI20241115BHJP

   G02B 6/42 20060101ALI20241115BHJP

【ＦＩ】

G02B6/12 351

G02B6/122 311

G02B6/42

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023079086

(22)【出願日】2023-05-12

(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）】

2H137

2H147

【Ｆターム（参考）】

2H137AB05

2H137AB06

2H137BA52

2H137BA53

2H137BB12

2H137DA39

2H137HA10

2H147AB29

2H147BA05

2H147BB02

2H147EA12A

2H147EA13A

2H147EA14B

2H147EA25B

2H147GA22

(57)【要約】

【課題】広い波長帯域で安定した光減衰量を確保できる光デバイス等を提供する。
【解決手段】光デバイスは、基板上に形成されたクラッドとコアからなる光導波路を有する。前記光導波路は、入力導波路と、前記入力導波路と接続する減衰部と、前記減衰部と接続する除去部と、前記除去部と接続する出力導波路と、を有する。前記減衰部は、前記入力導波路との接続部に比較して、前記除去部との接続部における光の進行方向に垂直な断面を導波する導波モードの数が多くなる構成にする。前記除去部は、前記減衰部との接続部に比較して、前記出力導波路との接続部における光の進行方向に垂直な断面を導波する導波モードの数が少なくなる構成にする。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板上に形成されたクラッドとコアからなる光導波路を有し、
前記光導波路は、
入力導波路と、
前記入力導波路と接続する減衰部と、
前記減衰部と接続する除去部と、
前記除去部と接続する出力導波路と、を有し、
前記減衰部は、
前記入力導波路との接続部に比較して、前記除去部との接続部における光の進行方向に垂直な断面を導波する導波モードの数が多くなる構成にし、
前記除去部は、
前記減衰部との接続部に比較して、前記出力導波路との接続部における光の進行方向に垂直な断面を導波する導波モードの数が少なくなる構成にする
ことを特徴とする光デバイス。

【請求項2】

前記減衰部は、
前記入力導波路から前記除去部に向けてコア幅が広がる第１のテーパ導波路を有し、
前記除去部は、
前記減衰部から前記出力導波路に向けてコア幅が狭くなる第２のテーパ導波路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。

【請求項3】

前記除去部は、
前記第１のテーパ導波路と接続する直線導波路と、
前記直線導波路と接続する前記第２のテーパ導波路と、
を有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】

前記コアは、
シリコンを含む材料で構成し、
前記クラッドは、
ＳｉＯ_２を含む材料で構成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5】

前記出力導波路と接続する受光素子をさらに有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6】

前記光導波路は、
前記入力導波路、前記減衰部、前記除去部及び前記出力導波路のコアの厚みが同一の導波路で構成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7】

前記光導波路は、
リブ型導波路で構成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8】

光を発生させる光源と、
前記光源からの光を用いて受信光を復調する光復調器と、
前記光復調器にて復調された受信光を減衰する光減衰器と、
前記光減衰器にて減衰された前記受信光を電気変換する受光素子と、
を有する光受信器であって、
前記光減衰器は、
基板上に形成されたクラッドとコアからなる光導波路を有し、
前記光導波路は、
入力導波路と、
前記入力導波路と接続する減衰部と、
前記減衰部と接続する除去部と、
前記除去部と接続する出力導波路と、を有し、
前記減衰部は、
前記入力導波路との接続部に比較して、前記除去部との接続部における光の進行方向に垂直な断面を導波する導波モードの数が多くなる構成にし、
前記除去部は、
前記減衰部との接続部に比較して、前記出力導波路との接続部における光の進行方向に垂直な断面を導波する導波モードの数が少なくなる構成にする
ことを特徴とする光受信器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光デバイス及び光受信器に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、コヒーレント光通信技術を用いることで、光ファイバ通信網における高速大容量の通信を可能にしている。コヒーレント光通信技術の光受信器では、長距離の伝送で光パワーが低下した受信光と、光受信器内部で発生させる局発光とをミキシングさせた後、ミキシング後の受信光をＰＤ（Photo Detector)で光電流に変換する。その結果、光受信器では、ＰＤ以降で発生する熱雑音の影響を低減することで高感度の受信を可能にしている。

【0003】

しかしながら、光受信器では、局発光の光パワーが大きくなるに連れて受信感度が上昇するものの、ＰＤに大きな光パワーが入力されると、空間電荷効果(space-charge effect)によって、ＰＤの応答速度が制限されてしまうため、高速通信が困難となる。

【0004】

空間電荷効果では、ＰＤ内に入力された光が電子・ホール対を生成した際に、これらのキャリヤによってＰＤ内で発生させる電界が、ＰＤへの印加バイアスを打ち消す方向に働くことで印加バイアスが小さくなり、ＰＤ内のキャリヤをＰＤ外に運ぶ力が弱まる。その結果、ＰＤの応答速度が低下してしまう。

【0005】

また、空間電荷効果では、ＰＤ内で生成される電子・ホール対の数が多い場合、言い換えると、入力パワーが大きい場合に顕著となる。従って、空間電荷効果は、入力パワーを小さくすることで緩和できる。

【0006】

そこで、空間電荷効果を緩和すべく、入力パワーを低減する方法として、例えば、光減衰器を用いる方法が知られている。光減衰器は、入力された光のパワーを一部減衰させることで、入力パワーに比較して出力パワーを小さくできる。

【0007】

また、コヒーレント光通信技術では、例えば、波長多重通信を行うため、光減衰器は、導波する信号光が広い波長範囲にわたって光減衰量を安定することが望ましい。

【0008】

また、コヒーレント光通信に使用する光トランシーバ内で使用する光減衰器は小型であることが好ましい。そこで、小型化を実現する光減衰器は、例えば、ＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）ウエハの基板と、基板上のＳｉＯ_２のＢＯＸ（Buried Oxide）層で形成される下部クラッドと、を有する。更に、光減衰器は、ＳＯＩウエハのＳｉをエッチングして形成された任意の形状のコアで形成する光導波路と、光導波路上にＳｉＯ_２を積層することで形成された上部クラッドと、を有する。このような光導波路を形成する際には、シリコンフォトニクス技術が採用されている。

【0009】

従って、小型の光トランシーバでは、例えば、光耐性のあるＰＤを実現する上で、基板型光導波路による光減衰器の作り込みが必要となる。そこで、このような光減衰器としては、例えば、方向性結合器（ＤＣ：Directional Coupler)が知られている（例えば、非特許文献２）。

【0010】

図１２は、従来の方向性結合器１００の一例を示す平面模式図、図１３は、図１２に示すＡ－Ａ線の略断面模式図である。図１２に示す方向性結合器１００は、並列に配置された２本の導波路を使用して、第１の導波路１０１と、第１の導波路１０１と並列に配置された第２の導波路１０２とを有する。図１３に示す方向性結合器１００は、図示せぬＳＯＩ基板と、ＳＯＩ基板上に積層されたＢＯＸ層の下部クラッド１０３Ａと、下部クラッド１０３Ａ上に形成されたＳｉの第１の導波路１０１及び第２の導波路１０２と、を有する。更に、方向性結合器１００は、下部クラッド１０３Ａ、第１の導波路１０１及び第２の導波路１０２上に積層された上部クラッド１０３Ｂを有する。

【0011】

方向性結合器１００は、第１の導波路１０１に入力した光が進行方向に沿って隣り合う第２の導波路１０２に光パワーが徐々に遷移する。つまり、方向性結合器１００は、所望の光パワーの遷移後に第１の導波路１０１と第２の導波路１０２との並列区間を終了するように設計することで、所望の光パワーを減衰することができる。

【0012】

方向性結合器１００では、第１の導波路１０１と第２の導波路１０２との並列区間が長くなるに連れて第１の導波路１０１と第２の導波路１０２との間の光パワーの遷移が大きく、遷移した後は逆に光パワーが戻ってくる。従って、所望の光減衰量が得られるように並列区間の長さを調整する必要がある。

【0013】

しかしながら、方向性結合器１００では、所定波長の光で所望の光減衰量が得られるように設計したとしても、導波路を導波する光の波長が異なる場合には光減衰量が変化してしまう。

【0014】

また、方向性結合器１００では、コアから染み出すエバネッセント波が隣接する導波路に結合して光遷移を生じさせることになるが、信号光の波長が長くなるに連れてエバネッセント波の浸み出しが大きくなり、隣接する導波路への光結合が強くなる。すなわち、信号光の波長が長くなるに連れて減衰量が増加する。また、隣接する導波路への光結合が強くなると、光パワーが所望のパワーだけ遷移するのに必要な並列区間の長さを短くできる。

【0015】

図１４は、方向性結合器１００を導波する光の波長と光減衰量の計算結果との対応関係の一例を示す説明図である。計算結果の光減衰量は、方向性結合器１００に入力した光パワーに対する、方向性結合器１００から出力される光パワーの損失である。尚、光減衰量の計算に使用する方向性結合器１００は、導波する信号光の波長が１．５５ｕｍの場合に２．０ｄＢの目標減衰量が得られるように設計したものとする。そして、方向性結合器１００の第１の導波路１０１のコア幅を０．５ｕｍ、コア厚を０．２２ｕｍ、第２の導波路１０２のコア幅を０．５ｕｍ、コア厚を０．２２ｕｍ、第１の導波路１０１と第２の導波路１０２との間の間隔を０．２ｕｍとする。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0016】

【特許文献1】特開２０１２－１９９３７３号公報

【特許文献2】特開２０１０－１５１９７３号公報

【特許文献3】特開２０１４－３９０２１号公報

【特許文献4】米国特許出願公開第２０１４／００２３３１４号明細書

【特許文献5】米国特許出願公開第２０１３／００５１７２７号明細書

【非特許文献】

【0017】

【非特許文献1】A. Beling, X. Xie and J. C. Campbell, "High-power high-linearity photodiodes", Optica, vol. 3, no. 3, pp. 328-338, 2016.

【非特許文献2】H. Yamada, T. Chu, S. Ishida, and Y. Arakawa, “Optical directional coupler based on Si-wire waveguides,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 17, no. 3, pp. 585-587, Mar. 2005.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0018】

しかし、方向性結合器１００は、図１４に示すように、導波する信号光の波長が変わると、光減衰量が大幅に変化することになるため、波長依存性が大きいことが分かる。つまり、波長依存性が大きい場合、波長多重通信で使用する信号光の波長毎に所望の光減衰量が得られず、過剰な損失や、減衰不足が発生する。従って、波長依存性の小さい光減衰器が求められているのが実情である。

【0019】

一つの側面では、広い波長帯域で安定した光減衰量を確保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】

【0020】

一つの態様の光デバイスは、基板上に形成されたクラッドとコアからなる光導波路を有する。前記光導波路は、入力導波路と、前記入力導波路と接続する減衰部と、前記減衰部と接続する除去部と、前記除去部と接続する出力導波路と、を有する。前記減衰部は、前記入力導波路との接続部に比較して、前記除去部との接続部における光の進行方向に垂直な断面を導波する導波モードの数が多くなる構成にする。前記除去部は、前記減衰部との接続部に比較して、前記出力導波路との接続部における光の進行方向に垂直な断面を導波する導波モードの数が少なくなる構成にする。

【発明の効果】

【0021】

一つの側面によれば、広い波長帯域で安定した光減衰量を確保できる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】図１は、本実施例の光受信器の一例を示すブロック図である。

【図2】図２は、実施例１の光減衰器の一例を示すブロック図である。

【図3】図３は、光減衰器内の減衰部に使用するテーパ導波路及び、モデル化のテーパ導波路のコアの一例を示す断面模式図である。

【図4】図４は、実施例２の光減衰器の一例を示す平面模式図である。

【図5】図５は、光減衰器の一例を示す略断面模式図である。

【図6】図６は、減衰部の減衰量の計算結果と第２の接続部のコア幅との対応関係の一例を示す説明図である。

【図7】図７は、減衰部の減衰量と、減衰部を導波する光の波長との対応関係の一例を示す説明図である。

【図8】図８は、減衰部の第２の接続部で生じるＴＥ０以外の高次モードであるＴＥ２への変換効率と、減衰部の第２の接続部のコア幅との対応関係の一例を示す説明図である。

【図9】図９は、光減衰器のコア幅と、コアを導波する光の各導波モードの実効屈折率の計算結果との対応関係の一例を示す説明図である。

【図10】図１０は、第２の接続部のコア幅と、反射損失の計算結果との対応関係の一例を示す説明図である。

【図11】図１１は、対称型のテーパ導波路及び非対称型のテーパ導波路の一例を示す説明図である。

【図12】図１２は、従来の方向性結合器の一例を示す平面模式図である。

【図13】図１３は、図１２に示すＡ－Ａ線の略断面模式図である。

【図14】図１４は、方向性結合器を導波する光の波長と光減衰量の計算結果との対応関係の一例を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、図面に基づいて、本願の開示する光デバイス等の実施例を詳細に説明する。尚、本実施例により、開示技術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0024】

図１は、本実施例の光受信器１の一例を示すブロック図である。図１に示す光受信器１は、光源２と、光ハイブリッド回路３と、光減衰器４と、ＰＤ（Photo Detector）５と、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）６とを有する。光源２は、局発光を発光する、例えば、ＬＤ（Laser Diode）である。光ハイブリッド回路３は、光ファイバから受光する受信光に光源２からの局発光を干渉させて各偏波の受信光を得る光復調器である。光減衰器４は、光ハイブリッド回路３からの受信光の光パワーを光減衰する。ＰＤ５は、光減衰後の受信光を受信信号に電気変換する。ＤＳＰ６は、電気変換後の受信信号に対して信号処理を実行する。

【0025】

図２は、光減衰器４の一例を示すブロック図である。図２に示す光減衰器４は、減衰部４Ａと、除去部４Ｂとを有する光デバイスである。減衰部４Ａは、光の進行方向に垂直な断面を導波する信号光の導波モードの数が多くなるテーパ導波路である。除去部４Ｂは、減衰部４Ａと接続し、減衰部４Ａからの信号光の進行方向に垂直な断面を導波する信号光の導波モードの数を少なくなるテーパ導波路である。

【0026】

減衰部４Ａは、入力部４Ａ１と、出力部４Ａ２と、入力部４Ａ１と出力部４Ａ２との間のテーパ導波路４Ａ３とを有し、テーパ導波路４Ａ３のコア幅が光の進行方向に沿って連続的に変化するテーパ導波路構造である。入力部４Ａ１は、光ハイブリッド回路３と接続する。出力部４Ａ２は、除去部４Ｂと接続する。尚、テーパ導波路構造は、コア幅が変化しない部分を含んでも良く、適宜変更可能である。減衰部４Ａの出力部４Ａ２での光の進行方向に垂直な断面を導波する導波モードの数は、入力部４Ａ１での光の進行方向に垂直な断面を導波する導波モードの数に比較して多くなる。

【0027】

除去部４Ｂは、入力部４Ｂ１と、出力部４Ｂ２と、入力部４Ｂ１と出力部４Ｂ２との間の導波路４Ｂ３とを有し、光の進行方向に沿って連続的にコア幅が変化するテーパ導波路構造である。尚、テーパ導波路構造は、コア幅が変化しない部分を含んでも良く、適宜変更可能である。入力部４Ｂ１は、減衰部４Ａと接続する。出力部４Ｂ２は、ＰＤ５と接続する。除去部４Ｂの出力部４Ｂ２での光の進行方向に垂直な断面を導波する導波モードの数は、入力部４Ｂ１での光の進行方向に垂直な断面を導波する断面における導波モードの数に比較して少なくなる。

【0028】

テーパ導波路構造では、ある断面を導波する導波モードの数がコアのサイズが大きくなるに連れて増える。つまり、減衰部４Ａでは、入力部４Ａ１の断面での信号光の導波モード数に比較して出力部４Ａ２の断面での信号光の導波モード数を増やすべく、入力部４Ａ１のコアサイズに比較して出力部４Ａ２のコアサイズが大きくするテーパ構造となっている。

【0029】

また、テーパ導波路構造では、出力部４Ａ２のコアサイズが大きくなるに連れて、入力したモードと異なるモードに光パワーが遷移する割合が増える。この割合が増加した場合、入力するモードは、光パワーが遷移する割合に応じて減衰する。つまり、減衰部４Ａでは、入力部４Ａ１に比較して出力部４Ａ２での導波モード数が増えることから、他のモードへの遷移を効率的に行うことができる。

【0030】

更に、テーパ導波路での異なるモードへの光パワーの遷移は波長依存性が少ない。図３は、減衰部４Ａに使用するテーパ導波路４Ａ３と、モデル化のテーパ導波路４Ａ４とのコアの一例を示す断面模式図である。テーパ導波路４Ａ３は、図３に示すように階段状にコア幅の不連続な導波路を接続することで階段状のテーパ導波路４Ａ４にモデル化できる。

【0031】

尚、図３に示す階段状のテーパ導波路４Ａ４内の各段の長さを十分に小さくした場合、各段の断面を導波するモードの電界が、次の段の断面を導波するモードの電界と重なり積分することで、不連続な各段の導波路を遷移する効率を計算できる。つまり、全体の効率は、各段の断面の積分値を基にして得られる。

【0032】

この際、テーパ導波路内を導波する信号光の波長が大きくなった場合を考える。各段の断面を導波するモードの電界分布は、導波する信号光の波長が大きい場合、クラッドに染み出すように広がるが、各段の断面で同様に変化するため、不連続の各段の断面間の重なり積分の値は大きな変化は生じない。尚、導波する信号光の波長が短くなる場合でも、同様に不連続断面間の重なり積分の値は大きな変化が生じない。従って、テーパ導波路構造を採用した減衰部４Ａでは、広い波長帯域で安定した光減衰量を確保できる。

【0033】

尚、減衰部４Ａでは、減衰した光パワーが異なるモードに遷移することになる。しかしながら、光パワーが異なるモードに遷移したまま、導波して他のデバイスに入力されると、減衰部４Ａに入力されたモードと同じモードに変換してしまうことも考えられる。その結果、元のモードと干渉すると、波長によって光パワーが変動するので不安定となってしまう。

【0034】

そこで、除去部４Ｂでは、減衰部４Ａで生じた異なる不要のモードを除去することで、元のモードへの干渉の影響を低減している。また、除去部４Ｂでは、入力部４Ｂ１の断面の導波モード数に比較して出力部４Ｂ２の断面の導波モード数を少なくできる。つまり、除去部４Ｂでは、入力部４Ｂ１に比較して出力部４Ｂ２のコアのサイズを小さくすることで、減衰で遷移した不要モードのコアへの光閉じ込めを弱くして不要モードを除去する。

【0035】

このように光減衰器４では、減衰部４Ａと除去部４Ｂとを有するため、広い波長帯域で安定した光減衰量を確保できる。

【実施例0036】

図４は、実施例２の光減衰器４の一例を示す平面模式図である。尚、説明の便宜上、図４に示す光減衰器４は、リブ型の光導波路５１で構成するが、コア５１Ａのみを図示し、スラブ５１Ｂの図示を省略する。光減衰器４は、基板上に形成されたクラッド５２及びコア５１Ａからなるリブ型の光導波路５１を有する。リブ型の光導波路５１は、入力導波路１１と、入力導波路１１と接続される減衰部２０（４Ａ）と、減衰部２０と接続する除去部３０（４Ｂ）と、除去部３０と接続する出力導波路１２とを有する。

【0037】

入力導波路１１は、光ハイブリッド回路３と接続する導波路である。減衰部２０は、入力導波路１１と接続すると共に、除去部３０と接続するテーパ導波路である。除去部３０は、減衰部２０と接続すると共に、出力導波路１２と接続するテーパ導波路である。出力導波路１２は、ＰＤ５と接続する導波路である。

【0038】

入力導波路１１、減衰部２０、除去部３０及び出力導波路１２は、同一厚みのリブ型の光導波路５１で形成する。図５は、光減衰器４の一例を示す断面模式図である。図５に示す光減衰器４は、図示せぬ基板と、基板上に積層されたＳｉＯ_２のＢＯＸ層の下部クラッド５２Ａと、下部クラッド５２Ａ上に積層されたリブ型の光導波路５１と、リブ型の光導波路５１上に積層された上部クラッド５２Ｂとを有する。リブ型の光導波路５１は、コア５１Ａと、コア５１Ａの両側に形成されたスラブ５１Ｂとを有する。尚、説明の便宜上、コア５１Ａの幅はｗ、コア５１Ａの厚みは０．２２ｕｍ、スラブ５１Ｂの厚みは０．０９ｕｍとする。

【0039】

入力導波路１１は、例えば、コア幅がＷ１の直線導波路である。減衰部２０は、入力導波路１１と接続する第１の接続部２１Ａと、除去部３０と接続する第２の接続部２１Ｂと、第１の接続部２１Ａと第２の接続部２１Ｂとの間を接続する第１のテーパ導波路２１Ｃとを有する。第１のテーパ導波路２１Ｃは、第１の接続部２１Ａのコア幅をＷ１、第２の接続部２１Ｂのコア幅をＷ２とし、第１の接続部２１Ａから第２の接続部２１Ｂに向けて徐々にコア幅が大きくなるテーパ構造を有する。減衰部２０の第１のテーパ導波路２１Ｃの長さはＬ１とする。減衰部２０は、入力導波路１１と接続する第１の接続部２１Ａに比較して、除去部３０と接続する第２の接続部２１Ｂでの光の進行方向に垂直な断面を導波する導波モードの数が多くなる。

【0040】

除去部３０は、減衰部２０と接続する直線導波路３１と、出力導波路１２と接続するテーパ導波路３２とを有する。直線導波路３１は、減衰部２０の第２の接続部２１Ｂと接続する第３の接続部３１Ａと、テーパ導波路３２と接続する第４の接続部３１Ｂと、第３の接続部３１Ａと第４の接続部３１Ｂとを接続する導波路３１Ｃと、を有し、導波路３１Ｃのコア幅をＷ２とする。直線導波路３１の長さはＬ２とする。

【0041】

テーパ導波路３２は、直線導波路３１の第４の接続部３１Ｂと接続する第５の接続部３２Ａと、出力導波路１２と接続する第６の接続部３２Ｂと、第５の接続部３２Ａと第６の接続部３２Ｂとを接続する第２のテーパ導波路３２Ｃとを有する。第２のテーパ導波路３２Ｃは、第５の接続部３２Ａのコア幅をＷ２、第６の接続部３２Ｂのコア幅をＷ３とし、第５の接続部３２Ａから第６の接続部３２Ｂに向けて徐々にコア幅が狭くなるテーパ構造である。テーパ導波路３２の長さはＬ３とする。そして、除去部３０の長さは、Ｌ２＋Ｌ３である。除去部３０は、減衰部２０と接続する第３の接続部３１Ａに比較して、出力導波路１２と接続する第６の接続部３２Ｂでの光の進行方向に垂直な断面を導波する導波モードの数が少なくなる。

【0042】

光減衰器４では、入力導波路１１からＴＥ０を入力した場合を想定する。尚、ＴＥ０は、基板に水平方向の電界が主成分の導波モード（ＴＥモード）の内、実効屈折率が最大のものとする。減衰部２０のテーパ角θと減衰部２０の長さＬ１との関係は、Ｌ１＝（Ｗ１－Ｗ２）／（２tanθ）の関係である。

【0043】

次に減衰部２０の効果について説明する。図６は、減衰部２０の減衰量の計算結果と第２の接続部２１Ｂのコア幅Ｗ２との対応関係の一例を示す説明図である。尚、説明の便宜上、第１の接続部２１Ａのコア幅Ｗ１＝１．２ｕｍ、減衰部２０の長さＬ１＝７ｕｍ、テーパ角θ＝７０度、減衰部２０を導波する光の波長は１．５５ｕｍとする。そして、図６は、第２の接続部２１Ｂのコア幅Ｗ２を変化させた場合の減衰部２０のＴＥ０の減衰量をＦＤＴＤ(有限差分時間領域法)で計算した結果を示している。減衰量は、入力されたＴＥ０の光強度に対して、出力されるＴＥ０の光強度の比をｄＢにして、マイナスをつけたものである。その結果、減衰部２０の第２の接続部２１Ｂのコア幅Ｗ２を変えることで、所望の減衰量を調整できることが分かる。

【0044】

急なコア幅の変化、例えば、テーパ角θが大きい場合、ＴＥ０の一部のパワーが他の導波モードや放射モードに変換するため、減衰が生じている。さらに、減衰部２０は、テーパのコア幅の変化が大きくなると、第１の接続部２１Ａの断面のＴＥ０の電界分布と、第２の接続部２１Ｂの断面のＴＥ０の電界分布とのミスマッチが大きくなるため、光損失が増加する。従って、減衰部２０では、所望の減衰量を得ることができる。

【0045】

図７は、減衰部２０の減衰量と、減衰部２０を導波する光の波長との対応関係の一例を示す説明図である。尚、説明の便宜上、減衰部２０の目標減衰量は２ｄＢ、減衰部２０の第２の接続部２１Ｂでのコア幅Ｗ２＝３．２ｕｍとする。この設定環境で波長毎の減衰量を計算している。図７を参照した場合、１．５２－１．５８ｕｍの広い波長範囲にわたって、減衰量は１．９８～２．０１ｄＢの範囲に収まるため、減衰部２０の波長依存性は非常に小さいことが分かる。尚、図１２に示す方向性結合器１００では、１．５３～１．５７ｕｍの波長範囲で、減衰量は１．６５～２．４０ｄＢの範囲で大きく変化してしまう。

【0046】

図８は、減衰部２０の第２の接続部２１Ｂで生じるＴＥ０以外の高次モードであるＴＥ２への変換効率と、減衰部２０の第２の接続部２１Ｂのコア幅Ｗ２との対応関係の一例を示す説明図である。尚、ＴＥ２は、ＴＥモードの内、３番目に大きな実効屈折率を有する導波モードである。

【0047】

図８を参照すると、減衰部２０は、第２の接続部２１Ｂのコア幅Ｗ２が広くして減衰量が増えるに連れてＴＥ２への変換効率が上昇していることが分かる。この現象は、ＴＥ０から失われた光パワーの一部がＴＥ２に遷移しているためである。こういった入力で使用していない導波モードである不要モードは、光減衰器４以降で入力と同じ元のモードに再度変換されると、入力の不要モードと同じ元のモードとが干渉して、パワーが不安定となる。

【0048】

そこで、除去部３０は、減衰部２０で発生した不要な導波モードが導波しない導波路構造であり、これにより不要モードを除去できる。不要モードは、入力モードよりも次数の高いモードが不要モードになりえるので、除去部３０の第６の接続部３２Ｂの導波モード数では、その第３の接続部３１Ａ（減衰部２０の第２の接続部２１Ｂと同じ）の導波モード数に比較して少なくできる。

【0049】

尚、説明の便宜上、光減衰器４の目標減衰量を２ｄＢ、減衰部２０の第２の接続部２１Ｂのコア幅Ｗ２＝３．２ｕｍ、除去部３０の直線導波路３１の第３の接続部３１Ａのコア幅Ｗ２＝３．２ｕｍとする。除去部３０内のテーパ導波路３２の第６の接続部３２Ｂのコア幅Ｗ３＝０．５ｕｍ、直線導波路３１の長さＬ２＝１ｕｍ、テーパ導波路３２の長さＬ３＝７７．３４ｕｍ（テーパ角θとしては、例えば、１．０度に相当)とする。

【0050】

除去部３０内のテーパ導波路３２は、テーパ角θを緩やかにした場合、導波モードの損失が無視できる。光減衰器４の本構造では、例えば、１．５２～１．５８ｕｍの波長範囲において、０．０１ｄＢ以下の損失であり、無視できるほど小さい。

【0051】

除去部３０の不要な導波モードとしてＴＥ２に着目して説明する。導波モード数は、コア幅が狭くなるに連れて少なくなる。図９は、光減衰器４のコア幅と、コア５１Ａを導波する光の各導波モードの実効屈折率の計算結果との対応関係の一例を示す説明図である。尚、スラブ５１Ｂの厚みは０．０９ｕｍ、コア５１Ａの厚みは０．２２ｕｍ、コア５１Ａを導波する光の波長は１．５５ｕｍとする。

【0052】

光減衰器４は、光進行方向に沿ってコア幅が変化することになるが、図９を参照すると、コア幅ｗが狭くなるに連れてコア５１Ａを導波する導波モード数を少なくなることが分かる。

【0053】

例えば、第２の接続部２１Ｂ（第３の接続部３１Ａ）のコア幅Ｗ２＝３．２ｕｍの場合、ＴＥ２は導波するが、第６の接続部３２Ｂのコア幅Ｗ３＝０．５ｕｍの場合、ＴＥ２は導波しないことが分かる。その結果、除去部３０の第６の接続部３２Ｂの断面では、ＴＥ２等の不要モードを除去できることが分かる。尚、説明の便宜上、ＴＥ２を導波しない条件を選択したが、導波モード数が減るだけでも、コア５１Ａの側壁荒れ等によるロスが増加するため、実質的にＴＥ２の除去が可能となる。

【0054】

尚、本実施例の光減衰器４では、大きなテーパ角θを有しているので、光反射の影響が生じる可能性がある。そこで、光反射の反射損を計算した。反射損は、入力される光強度に対する、入力側から反対方向に出力される光強度の比を、ｄＢにしてマイナスをつけたものである。図１０は、第２の接続部２１Ｂのコア幅と、反射損失の計算結果との対応関係の一例を示す説明図である。図１０を参照すると、第２の接続部２１Ｂのコア幅を変化させた場合でも、５０ｄＢ以上の反射損となり、非常に小さい反射しか起きないことが分かる。尚、反射損が小さくなる理由は、テーパ導波路によって光減衰を起こしているためである。

【0055】

光減衰器４の減衰部２０は、入力導波路１１との第１の接続部２１Ａに比較して、除去部３０との第２の接続部２１Ｂにおける光の進行方向に垂直な断面を導波する導波モードの数が多くなる構成にした。更に、除去部３０は、減衰部２０との第３の接続部３１Ａに比較して、出力導波路１２との第６の接続部３２Ｂにおける光の進行方向に垂直な断面を導波する導波モードの数が少なくなる構成にした。その結果、減衰部２０を使用して、広い波長帯域で安定した光減衰量を確保できる。更に、除去部３０を使用して減衰部２０で発生する不要モードを除去できる。

【0056】

減衰部２０は、入力導波路１１から除去部３０に向けてコア幅が広がる第１のテーパ導波路２１Ｃを有し、除去部３０は、減衰部２０から出力導波路１２に向けてコア幅が狭くなる第２のテーパ導波路３２Ｃを有する。その結果、減衰部２０を使用して、広い波長帯域で安定した光減衰量を確保できる。更に、除去部３０を使用して減衰部２０で発生する不要モードを除去できる。

【0057】

除去部３０は、第１のテーパ導波路２１Ｃと接続する直線導波路３１と、直線導波路３１と接続する第２のテーパ導波路３２Ｃとを有する。その結果、減衰部２０の第１のテーパ導波路３１を通過することで導波モードの数が増え、各モードを直線導波路３１で一度安定させてから、除去部３０の第２のテーパ導波路３２Ｃに入力させることで、動作の安定化を図ることができる。また、第１のテーパ導波路２１Ｃにおいて、放射モードへ変換した光を、当該直線導波路３１において放射させることができる。その結果、当該放射モードが第２のテーパ導波路３２Ｃにおける導波モードへの結合を低減でき、信号光との干渉などによる光信号パワーの変動を低減でき、安定化を図ることができる。尚、直線導波路３１の長さは、１波長以上であることが好ましい。

【0058】

光受信器１は、光減衰器４内の出力導波路１２と接続すＰＤ５をさらに有する。その結果、空間電荷効果を緩和して高速通信を実現できる。

【0059】

光減衰器４内の入力導波路１１、減衰部２０、除去部３０及び出力導波路１２のコアの厚みが同一の導波路で構成する。その結果、光減衰器４の製造が容易となる。

【0060】

尚、本実施例の光減衰器４はリブ型の光導波路５１で形成する場合を例示したが、これに限定されるものではなく、リブ型の光導波路５１に代えて、矩形導波路、ハイメサ導波路、リッジ導波路にしても良く、適宜変更可能である。尚、リブ型の光導波路５１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を受けづらく、低損失な伝搬が可能である。また、矩形導波路は、光閉じ込めが強いことから、曲げ半径Ｒを小さくしても損失が小さくできる。

【0061】

尚、光減衰器４の導波路は、コア５１Ａ、クラッド５２がともにＳｉＯ_２のあるＰＬＣや、ＩｎＰ導波路、ＧａＡｓ導波路でもよい。コアがＳｉ、下部クラッド５２ＡがＳｉＯ_２、上部クラッド５２ＢがＳｉＯ_２、空気若しくはＳｉＮ等であるＳｉ導波路でもよい。導波路がＳｉ導波路の場合、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曲げ半径Ｒでも低損失な曲げ導波路が実現できる、すなわち、光デバイスの小型化が可能なため好ましい。

【0062】

図１１は、対称型のテーパ導波路及び非対称型のテーパ導波路の一例を示す説明図である。実施例１の減衰部２０や除去部３０に使用するテーパ導波路は、光の進行方向に沿った断面に対して対称な構造を示し、光の進行方向に沿った任意の軸が対称軸となる。そして、テーパ導波路のコアは、対称軸に沿って対称である対称型のテーパ導波路である。これに対して、テーパ導波路構造は、光の進行方向に沿った断面に対して非対称な構造とし、光進行方向に沿った任意の軸が非対称となる非対称型のテーパ導波路としても良い。光受信器１は、光減衰器４内の除去部３０の後段にＰＤ５を接続する構造にしたので、空間電荷効果の影響を低減して広帯域なＰＤ５による高速通信が可能となる。