(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-12-14
(45)【発行日】2023-12-22
(54)【発明の名称】光デバイス、及びこれを用いた光源装置
(51)【国際特許分類】
G02B 6/125 20060101AFI20231215BHJP
H01S 5/0239 20210101ALI20231215BHJP
【ＦＩ】
G02B6/125
H01S5/0239
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2020030837
(22)【出願日】2020-02-26
(65)【公開番号】P2021135367
(43)【公開日】2021-09-13
【審査請求日】2022-10-28
(73)【特許権者】
【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】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(72)【発明者】
【氏名】岡 徹
【審査官】堀部 修平
(56)【参考文献】
【文献】特開平０９－２８１３５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－３１９７５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－０８７５７２（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１５／１３３３４４（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１０－０４４３５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－２７８０１５（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１５／０１３９２６４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】御手洗 拓矢 et al.，Ｓｉ光回路におけるループミラーの波長依存性低減の検討，第７９回 応用物理学会秋季学術講演会 講演予稿集，日本，公益社団法人応用物理学会，2018年，18a-212A-4
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｂ ６／１２ － ６／１４
Ｈ０１Ｓ ５／００ － ５／５０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板に形成される第１の光導波路と、前記基板の上で、前記第１の光導波路と並列に配置される第２の光導波路と、
前記基板の上で、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路を連続的に接続するループ導波路と、
を有し、
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路の少なくとも一方は、前記ループ導波路と反対側の第１位置と前記ループ導波路に接続される第２位置の間で光軸方向に連続的に幅を変化させ、
前記第１位置で前記第１の光導波路と前記第２の光導波路の断面形状は合同でなく、前記第２位置で前記第１の光導波路の断面形状と前記第２の光導波路の断面形状は合同であり、
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路のうちの一方の光導波路から入射した第１導波モードの光は、前記第２位置で分岐された分岐光となって前記ループ導波路を互いに逆方向に周回して前記一方の光導波路から出力され、前記第１導波モードと異なる第２導波モードの光は、前記ループ導波路を周回した後の戻り経路の前記第１位置で前記第１の光導波路と前記第２の光導波路のうちの他方の光導波路に局在する、
光デバイス。
【請求項2】
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路は、前記光デバイスへの入射方向で、前記第１位置の手前から前記第１位置に向かって徐々に接近する、請求項１に記載の光デバイス。
【請求項3】
前記第１の光導波路は前記一方の光導波路であり、前記第２の光導波路は前記他方の導波路であり、前記第１位置で、前記第１の光導波路は、前記第１導波モードの光を前記光デバイスに入力する直線状の光導波路に接続され、前記第１位置で、前記第２の光導波路は、前記直線状の光導波路に徐々に接近する湾曲導波路に接続される、
請求項１または２に記載の光デバイス。
【請求項4】
前記第１の光導波路は前記他方の光導波路であり、前記第２の光導波路は前記一方の導波路であり、前記第１位置で、前記第２の光導波路は、前記第２導波モードの光を前記光デバイスに入力する直線状の光導波路に接続され、前記第１位置で、前記第１の光導波路は、前記直線状の光導波路に徐々に接近する湾曲導波路に接続される、
請求項１または２に記載の光デバイス。
【請求項5】
前記第１位置で、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路の前記一方の光導波路は、光軸に沿って導波路幅が変化するテーパ導波路に接続される。請求項１に記載の光デバイス。
【請求項6】
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路の前記一方の光導波路は、前記光デバイスへ光を入出力する入出力導波路に接続され、前記他方の光導波路は終端されている、請求項１～５のいずれか１項に記載の光デバイス。
【請求項7】
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路の前記第１位置と前記第２位置の間の長さは７０μｍ以上、１２０μｍ以下である、請求項１～６のいずれか１項に記載の光デバイス。
【請求項8】
前記第１の光導波路または前記第２の光導波路は、前記第１位置で入力される光の導波モードを変えずに、前記第２位置で２分岐する、請求項１～７のいずれか１項に記載の光デバイス。
【請求項9】
増幅媒質と、前記増幅媒質に接続されるチューナブルフィルタと、
前記チューナブルフィルタに接続される請求項１～８のいずれか１項に記載の光デバイスと、
を備える光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光デバイス、及びこれを用いた光源装置に関する。
【背景技術】
【0002】
光通信では、伝送される情報量を増やすために、波長多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）方式が採用されている。ＷＤＭでは、複数の光波長に個別の情報を割り当てて、光ファイバで同時に通信する。ＷＤＭを行うために、送信側で、発振波長が制御可能なチューナブルレーザダイオード（ＴＬＤ：Tunable Laser Diode）が用いられている。
【0003】
ＴＬＤでは、小型化と低消費電力化のために、チューナブルフィルタ、反射器などの光デバイスと、増幅媒質が、基板上に集積されている。ＴＬＤは、動作波長帯域にわたって反射損失が小さく、かつ波長依存性が小さいことが望ましい。ＴＬＤで用いられる光デバイスにも、同様の性質が求められる。
【0004】
反射器の一つに、ループミラーがある。ループミラーは、一般的に、２分岐導波路と、この２分岐導波路に接続されるループ導波路とで形成される。２分岐導波路は、方向性結合器、マルチモード干渉計（ＭＭＩ：multimode interferometer）などで実現される。
【0005】
光ファイバで方向性結合器とループ導波路を形成したファイバループミラーが知られている（たとえば、非特許文献１参照）。一方、シリコンフォトニクス技術で基板に形成される基板型のループミラーで、２分岐導波路として、１×２（１入力２出力）のＭＭＩを用いる構成が知られている（たとえば、非特許文献２参照）。
【0006】
方向性結合器の平行結合領域にテーパ形状の光導波路を用いて２つのモードの干渉を使用した導波型光分岐素子が知られている（たとえば、特許文献１～３参照）。１つのモードの断熱変換を利用した３ｄＢカプラが知られている（たとえば、非特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【文献】特開平４－２１２１０８号
【文献】特開平４－２１２１０９号
【文献】米国特許第５１６５００１号
【非特許文献】
【0008】
【文献】David B. Mortimore, "Fiber Loop Reflectors," Journal of Lightwave Technology, Vol. 6, No. 7, July 1988
【文献】Qing Fang, et al., "Folded Silicon-Photonics Arrayed Waveguide Grating Integrated With Loop-Mirror Reflectors, " IEEE Photonics Journal, Vol. 10, No. 4, Aug. 2018
【文献】Luhua Xu, et al., "Compact high-performance adiabatic 3-dB coupler enabled by subwavelength grating slot in the silicon-on-insulator platform," Optics Express, Vol. 26, No.23, p.p. 29873 (2018)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
方向性結合器は、偶モードと奇モードの干渉を用いて合分波する。ＭＭＩは２つ以上の導波モードの干渉を用いて合分波する。方向性結合器やＭＭＩで２分岐するループミラーは光の干渉を利用するため、波長が変わったときに干渉が変化し、損失が大きくなる。
【0010】
本発明は、基板上に光導波路で形成された光デバイスにおいて、使用波長帯域にわたって反射損失と波長依存性を低減することのできる構成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】
【0011】
開示の一つの態様では、光デバイスは、
基板に形成される第１の光導波路と、
前記基板の上で、前記第１の光導波路と並列に配置される第２の光導波路と、
前記基板の上で、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路を連続的に接続するループ導波路と、を有し、
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路の少なくとも一方は、前記ループ導波路と反対側の第１位置と前記ループ導波路に接続される第２位置の間で光軸方向に連続的に幅を変化させ、
前記第１位置で、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路の断面形状は合同でなく、前記第２位置での前記第１の光導波路の断面形状と前記第２の光導波路の断面形状は合同である。
基板に形成される第１の光導波路と、
前記基板の上で、前記第１の光導波路と並列に配置される第２の光導波路と、
前記基板の上で、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路を連続的に接続するループ導波路と、を有し、
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路の少なくとも一方は、前記ループ導波路と反対側の第１位置と前記ループ導波路に接続される第２位置の間で光軸方向に連続的に幅を変化させ、
前記第１位置で、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路の断面形状は合同でなく、前記第２位置での前記第１の光導波路の断面形状と前記第２の光導波路の断面形状は合同である。
【発明の効果】
【0012】
基板上の光導波路で形成された光デバイスにおいて、使用波長帯域にわたって反射損失と波長依存性が低減される。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】ファイバループミラーを基板上の光導波路で再構成するときに生じる問題を説明する図である。
【図3】実施形態の光デバイスの構成例を示す図である。
【図6】ＴＥ１モードの光を扱うときの動作例である。
【図8】光デバイスで用いられる断熱結合器の好適な長さ範囲を示す図である。
【図9】実施形態の構成の効果を示す図である。
【図10】実施形態の光デバイスの変形例である。
【図12】実施形態の光デバイスのさらに別の変形例である。
【図13】実施形態の光デバイスのさらに別の変形例である。
【図15】実施形態の光デバイスを用いた光源装置の構成例である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
実施形態の光デバイスの詳細を説明する前に、公知のファイバループミラーを、基板上の光導波路で再構成するときに生じる問題を説明する。
【0015】
図１は、方向性結合器を用いたファイバループミラーを、基板上の光導波路に置き換えた構成を示す。図１の構成は、公知のファイバループミラーと同様に、方向性結合器と、方向性結合器から連続するループ導波路で形成されている。方向性結合器では、光導波路ＷＧ１とＷＧ２が、所定の長さ（Ｌ）にわたって近接して並列配置されている。ＷＧ１とＷＧ２を含む光導波路ＷＧは、一般的なファイバコアと同様に、ループミラーの全体にわたって、同じ高さ、同じ幅Ｗ０で形成されている。
【0016】
光導波路ＷＧは、シリコン（Ｓｉ）等の高屈折率材料で形成されており、周囲を屈折率の低いクラッドで囲まれている。光は、界面で全反射しながら光導波路ＷＧの内部を伝搬する。方向性結合器では、クラッドへの光の染み出しを利用したエバネッセント結合により、一方の光導波路ＷＧ１から他方の光導波路ＷＧ２へ光が結合する。光導波路ＷＧ１とＷＧ２の間の間隔Ｇは、エバネッセント結合が可能な距離に設定されている。
【0017】
方向性結合器では、入力部（図１では、方向性結合器の左端）で生じる２つのモード、すなわち偶モードと奇モードの干渉を用いて合分波を行う。偶モードと奇モードはそれぞれ異なる伝搬定数で伝搬し、伝搬につれて位相が変化する。光導波路ＷＧ１とＷＧ２の結合長Ｌは、一方の光導波路ＷＧ１から他方の光導波路ＷＧ２へ、光のパワーの５０％が移るように設計される。５０％の光は、ループ導波路を時計回りに回って、光導波路ＷＧ２に出力される。残りの５０％の光は、ループ導波路を反時計回りに回って、光導波路ＷＧ１に出力される。ＷＧ１、ＷＧ２に出力された光は、方向性結合器を入力からループ導波路へ伝搬した際とは逆の経路をたどることで、最終的にＷＧ１から出力される。
【0018】
光の波長が変わると、偶モードと奇モードが伝搬する光導波路ＷＧ１及びＷＧ２の実効光路長が変化し、ループミラー通過後の光について、入力部において一部の光パワーがＷＧ２に残存するため、損失が変化する。このため、広い波長帯域にわたって低損失、かつ低い波長依存性を持たせることが困難である。
【0019】
図２は、図１の構成における反射損失の波長依存性を示す。反射損失とは、入射光パワーに対する反射光パワーの比率（反射光パワー／入射光パワー）である。ここでは、ＳｉコアをＳｉＯ2のクラッドで取り囲んだ構成で、コア（すなわち光導波路ＷＧ）の高さを２２０ｎｍ、幅を４００ｎｍ、コア間の間隔Ｇを２００ｎｍ、方向性結合器の光軸方向の長さＬを１２．５５μｍとして計算している。横軸の波長は、基幹網のＷＤＭで使用されるＣバンドとＬバンドを含む１５２０～１６３０ｎｍの範囲をカバーする。
【0020】
波長の変化により、最大反射損失は０．６１ｄＢになる。損失の波長依存性、すなわち最大損失と最小損失の比は、０．６０ｄＢである。従来のファイバループミラーをそのまま基板上の光導波路で実現すると、反射損失と波長依存性が大きくなることがわかる。
【0021】
この反射損失と波長依存性は、多モードの干渉を利用するＭＭＩで２分岐する場合にも生じる。
【0022】
【0023】
光デバイス１００は、基板１１０の上に光導波路で形成されるループミラーである。光導波路は、クラッド１２０で囲まれたコア１３０として形成される。コア１３０とクラッド１２０を形成する材料は、使用波長の光を効率的に閉じ込めることのできる屈折率差があれば、特に限定されない。一例として、Ｓｉでコア１３０を形成し、ＳｉＯ2でクラッド１２０を形成する。この組み合わせは屈折率の差が大きく、光の閉じ込めが強いので、デバイスの小型化が可能である。
【0024】
クラッド１２０のうち、基板１１０に近い下側クラッド１２１は、ＳＯＩウェーハにあらかじめ形成されているシリコン酸化膜であってもよい。上側クラッド１２２は、ＳｉＯ2に替えて、空気層であってもよい。
【0025】
光デバイス１００は、断熱結合器１０と、この断熱結合器１０に接続されるループ２０を有する。断熱結合器１０は、従来の２つのモードの干渉を利用した方向性結合器と異なり、１つのモードの断熱変換を利用した結合器であるため、便宜上、「断熱結合器１０」と呼ぶ。断熱変換とは、後述するように、一つの導波モードのパワーまたはエネルギーを増減させずに同じ導波モードを維持して状態を遷移させることをいう。断熱結合器１０は、ループ２０と反対側で、光導波路１０１によって他の光回路デバイスと接続されていてもよい。
【0026】
断熱結合器１０は、光導波路１０２と、光導波路１０２に並列する光導波路１０５で形成されている。この例では、光導波路１０２は、光軸方向に連続的に幅が変化するテーパ型の導波路である。もう一方の光導波路１０５は、たとえば、一定の幅Ｗ３を有する光導波路である。光導波路１０２と光導波路１０５は、これらの導波路の少なくとも一方が、ループ２０に接続される位置まで幅を変化させながら連続するのであれば、任意のテーパ形状をとることができる。光導波路１０２と光導波路１０５は、間隔Ｇ１で互いに近接して配置される。
【0027】
ループ２０は、光導波路１０２と光導波路１０５を連続するループ導波路１０３で形成されている。ループ導波路１０３は、一定の幅Ｗ３を有し、所定の曲率半径Ｒで湾曲している。
【0028】
断熱結合器１０は、ループ２０に接続される断面Ｂで、入射光の導波モードのパワーがほぼ１：１に分割されるように設計されている。具体的には、光導波路１０２の幅は、光軸方向（または光の伝搬方向）に沿って連続的に緩やかに変化し、テーパ型の光導波路が形成されている。
【0029】
断熱結合器１０の入出力端の断面Ａで、光導波路１０２と光導波路１０５のコア断面形状は異なり、ループ２０に接続される断面Ｂで、２つの光導波路のコア断面形状は等しくなる。断面Ａから断面Ｂに至る途中のＩ－Ｉ'断面でも、光導波路１０２と光導波路１０５のコア形状は異なるが、断面Ａと比べて、隣接する２つの光導波路間の断面積の差は小さい。
【0030】
光デバイス１００を形成する光導波路コアの高さｈが一定であるとする。断面Ａでの光導波路１０２の幅はＷ１である。Ｉ－Ｉ'断面で、光導波路１０２の幅はＷ２である（Ｗ２＜Ｗ１）。断面Ｂで、光導波路１０２の幅はＷ３となり（Ｗ３＜Ｗ２）、光導波路１０５の幅Ｗ３と同じになる。
【0031】
断面Ａから断面Ｂまでの断熱結合器１０の物理長Ｌtpは、光デバイス１００に入力された光の導波モードが、他のモードに変換されることなく断熱的に遷移して、断面Ｂでのパワー比が１：１になるように、十分に長く設定されている。
【0032】
図３の例では、ＴＥ０モードの光がテーパ型の光導波路１０２に入力され、ＴＥ０モードを維持したまま、断面ＢでのＴＥ０の電界分布が１：１となるように状態遷移する。換言すると、光導波路１０２に入力されたＴＥ０モードのパワーの半分が、断熱結合器１０を伝搬する間に、断熱的に光導波路１０５に移る。「断熱的な遷移」とは、非常に緩やかに変化する光導波路１０２を通る光が、同一の導波モードのパワーまたはエネルギーを増減させずに、同じ導波モードを維持したまま断面Ｂでの状態へ遷移することをいう。
【0033】
断面Ｂでは、光導波路１０２のコア形状と、光導波路１０５のコア形状が等しく、かつ両導波路に現れる光のパワーが等しい。光導波路１０５に移行した光は、ループ導波路１０３を半時計回りに伝搬して断面Ｂに戻り、光導波路１０２に入射する。光導波路１０２に残る光は、ループ導波路１０３を時計回りに伝搬して断面Ｂに戻り、光導波路１０５に入射する。
【0034】
断面Ｂで５０％ずつに分岐されたＴＥ０モードの光は、同じループ導波路１０３を互いに逆方向にたどるので、周回後の断面Ｂでも同相に保たれている。また、ループ導波路１０３を周回した後の断面Ｂでの電界分布は、ループ導波路１０３に入射したときの電界分布と同じである。
【0035】
戻り経路で、断熱結合器１０を逆方向にたどるＴＥ０の光は、断熱的に断面ＡでのＴＥ０の状態に遷移する。ＴＥ０モードの光は、光デバイス１００への入射時とほぼ同じパワーで、断面Ａから光導波路１０１に出力される。これにより、光デバイス１００での反射損失は最小限となる。
【0036】
断熱結合器１０の断面Ａと断面Ｂの間の状態遷移は、異なるモードへの変換をほとんど伴わない断熱的な遷移であり、他のモードへ流出するパワーの損失を抑制することができる。また、波長が変わっても、使用するモードは１つだけであるため、非特許文献１，２のように実効光路長の変化による干渉の変化の影響は受けず、また、同じループ導波路１０３を互いに逆方向に回って断面Ｂに戻る２つの光の位相は整合するため、損失の波長依存性を抑制することができる。
【0037】
図４は、実施形態の光デバイス１００の動作原理を説明する別の図である。図４では、断熱結合器１０の位置Ｐ０（図３の断面Ａに対応）から位置Ｐ８（図３の断面Ｂに対応）まで、各モードの実効屈折率曲線を示している。実線は、ＴＥ０モードの実効屈折率曲線である。破線は、参考として、ＴＥ１モードの実効屈折率曲線を示す。
【0038】
ＴＥ０モードとＴＥ１モードは、電界の主成分が基板と水平方向（または導波路コアの幅方向）に振動する導波モードのうち、実効屈折率が最も高いモードと、２番目に高いモードである。
【0039】
断熱結合器１０の実効屈折率曲線の計算のパラメータは以下のとおりである。Ｓｉコアの光導波路の高さｈは２２０ｎｍ、位置Ｐ０での光導波路１０２の幅Ｗ１は４８０ｎｍ、位置Ｐ８での光導波路１０２の幅Ｗ３は４００ｎｍ、光導波路１０５とループ導波路１０３の幅Ｗ３は４００ｎｍである。ループ導波路１０３の曲率半径Ｒは５μｍ、光導波路１０２と１０５の間隔Ｇ１は２００ｎｍ、断熱結合器１０の光軸方向の長さは１２．５５μｍである。
【0040】
一般に、光導波路では、十分に穏やかに導波路構造が変化すると、入力された導波モードは、連続する実効屈折率曲線に沿って同一モードを維持したまま遷移する（断熱的遷移）。断熱結合器１０の位置Ｐ０で、光導波路１０１から、ＴＥ０モードの光が光導波路１０２に入射すると、光はＴＥ０モードを維持したまま、ほぼ一定かつ連続する実効屈折率曲線に沿って、位置Ｐ８でのＴＥ０に遷移可能となる。このとき、他モードへのパワーの流出はほとんどない。
【0041】
ループ導波路１０３を経た後に、再度位置Ｐ８に現れるＴＥ０モードの電界分布は、実線の実効屈折率曲線を逆にたどって、位置Ｐ０のＴＥ０の電界分布に遷移する。これにより、入力時とほぼ同じパワーのＴＥ０モードの光が、光導波路１０１に出力される。
【0042】
断熱結合器１０に入射する光にわずかにＴＥ１モードが含まれているとしても、以下の理由で無視し得る。ＴＥ１モードは、ＴＥ０よりも実効屈折率が低いため、導波路の断面サイズの小さい光導波路１０５にＴＥ１の電界が局在する。ＴＥ１モードの光がループ導波路１０３を通って断面Ｂに現れた場合でも、断面Ｂから断面Ａへの戻りパスで、ＴＥ１の電界は光導波路１０５に局在し、断面ＡのＴＥ０分布へと遷移するＴＥ０の光と抵触しない。
【0043】
図５は、断熱結合器１０における電界分布のシミュレーション結果である。シミュレーションのパラメータは、図４を参照して説明したものと同じである。図５の（Ａ）～（Ｃ）の断熱結合器１０への入射側から見た断面で、左側の矩形はテーパ型の光導波路１０２のコア断面、右側の矩形は、一定幅の光導波路１０５のコア断面である。
【0044】
図５の（Ａ）の位置Ｐ０で、光導波路１０２のコア断面の方が、光導波路１０５のコア断面よりも大きく、実効屈折率の高いＴＥ０の電界が光導波路１０２に局在する。
【0045】
図５の（Ｂ）の位置Ｐ６で、光導波路１０２の導波路幅は、徐々に光導波路１０５の導波路幅に近づき、光導波路１０２から染み出したＴＥ０のエバネッセント光が、光導波路１０５に結合する。
【0046】
図５の（Ｃ）の位置Ｐ８で、光導波路１０２と光導波路１０５のコア形状と断面サイズは同じになる。ＴＥ０の電界は光導波路１０２と光導波路１０５に均等に存在し、かつ、２つの導波路間で位相整合が成り立つ。これにより、同じ導波モード、かつ同相での２分岐が可能となる。
【0047】
一般に、損失の波長依存性が問題となる光デバイスの２分岐部に、非特許文献３に記載されるようなテーパ型の断熱性の結合器を用いることは、以下の理由で好ましくない。
【0048】
断熱性の結合器の分岐位置（本発明のループミラーの断面Ｂに対応する位置）でのＴＥ０とＴＥ１の電界ベクトルをＥＴＥ０、ＥＴＥ１とし、２つの光導波路のそれぞれに局在する電界分布をｅ０、ｅ１とする。電界ベクトルＥＴＥ０、及びＥＴＥ１は、電界分布ｅ０、ｅ１を用いて、式（１）で表される。
【0049】
【数1】
【0050】
断熱性の結合器の開始位置（本発明のループミラーの断面Ａに対応する位置）に入射したＴＥ０のパワーの一部が、伝搬中にηの割合だけＴＥ１に変換したとき、ＴＥ０とＴＥ１の位相差をθとすると、断面Ｂでの電界は、式（２）で表される。
【0051】
【数2】
【0052】
断面Ｂでは、ｅ０、ｅ１として２分岐されるので、それぞれのパワーの割合は、式（３）で表される。
【0053】
【数3】
【0054】
たとえば、ηが１％とすると、これによるＴＥ０のパワーの減少自体は０．０４４ｄＢであり、無視し得る程度に小さい。しかし、断面Ｂの２分岐部では、その分岐比が５０±１０％となり、大きな変動を生じる。これはＴＥ０とＴＥ１が干渉して、パワー比ηの平方根の変動を生じさせるためである。モード間の位相差θは波長依存性をもつため、２分岐部のパワー比は、同じく±１０％の範囲で波長に依存して変動する。
【0055】
これに対し、実施形態の光デバイス１００では、断熱結合器１０単体で考えるのではなく、ループ導波路１０３を含めた往復のパス全体で導波モードの状態を考える。
【0056】
実施形態の断熱結合器１０でＴＥ０の伝搬過程で導波路製造時に生じる導波路構造の摂動の影響や屈折率の揺らぎの影響でＴＥ１モードが発生した場合、このＴＥ１モードは図６のＴＥ１の実効屈折率曲線を断熱的にたどり、断面Ｂでループ２０に入る。ループ２０を周回したＴＥ１モードは、断面Ｂに戻って、同様に逆方向に図６のＴＥ１の実効屈折率曲線を断熱的にたどるため、p0において光導波路１０５に局在する。
【0057】
一方、ＴＥ０モードの光は、戻り経路で断熱結合器１０の実効屈折率曲線を逆にたどって、断熱的に断面ＡでのＴＥ０に遷移し、光導波路１０２に局在する。このように、製造誤差等により意図せぬＴＥ１が発生したとしても、ループ導波路経由後の断面Ａにおける状態は、ＴＥ０は導波路１０２側、ＴＥ１は導波路１０５側となり干渉することはないことがわかる。したがって、光導波路１０５に局在するＴＥ１の電界ベクトルＥＴＥ１は、ループ２０で反射された後のＴＥ０の出力に干渉しないので、一般的なテーパ型の断熱性の結合器で生じる上記の問題を回避することができる。
【0058】
このように、実施形態の光デバイス１００の動作は、非特許文献３で問題となり得る上記の問題を克服して、一つのモードでの断熱的な遷移を維持することができる。なお、実施形態の光デバイス１０の動作は、２つ以上のモードの干渉を使用する特許文献１～３の方向結合器の動作とは、根本的に異なる。
【0059】
図３～図５では、ＴＥ０モードの光の入射と反射を説明したが、他の導波モード、たとえば、ＴＥモードの高次モード、ＴＭモードの基本モード、ＴＭモードの高次モード等を光デバイス１００に入射する場合も、同様に考えることができる。
【0060】
図６は、ＴＥ１モードの光を扱うときの動作例である。同じ媒質に対する実効屈折率がＴＥ０よりも小さいＴＥ１では、入射光は、コア断面積の小さい光導波路１０５から入力される。断熱結合器１０に入力されたＴＥ１モードは、破線のＴＥ１の実効屈折率曲線に沿って、位置Ｐ０からＰ８へ遷移する。光導波路１０５と並列に配置された光導波路１０２の幅は、緩やかに光導波路１０５の幅Ｗ３に近づくため、ＴＥ１モードの一部が徐々に光導波路１０２に結合する。位置Ｐ８では、同じ断面形状の光導波路１０５と光導波路１０２に、ＴＥ１モードが同じ割合で存在する。
【0061】
ＴＥ０と異なり、ＴＥ１は導波路間の水平方向（または導波路の幅方向）に反対称な電界分布を持つので、位置Ｐ８で、光導波路１０２と１０５の電界分布の位相は、πだけシフトする。この場合、ループ導波路１０３を通った後の断面Ｂでの電界分布は、ループ２０への入射時の電界分布と反転しているが、同じ振幅でＴＥ１モードとなる。
【0062】
戻り経路で、ＴＥ１モードは断熱結合器１０を逆にたどり、位置Ｐ０で、光導波路１０５にＴＥ１の電界が局在する。したがって、光導波路１０５から入力されたＴＥ１の反射光は、同じ光導波路１０５から出力される。
【0063】
図７は、断熱結合器１０にＴＥ１モードを入力したときの電界分布のシミュレーション結果である。図７の（Ａ）～（Ｃ）の断熱結合器１０への入射側から見た断面で、左側の矩形はテーパ型の光導波路１０２のコア断面、右側の矩形は、一定幅の光導波路１０５のコア断面である。
【0064】
図７の（Ａ）の位置Ｐ０で、ＴＥ１が、コア断面形状の小さい光導波路１０５に入力される。ＴＥ１の電界は、光導波路１０５に局在する。
【0065】
図７の（Ｂ）の位置Ｐ６で、光導波路１０２の導波路幅は、徐々に光導波路１０５の導波路幅に近づき、光導波路１０５から染み出したＴＥ１のエバネッセント光が、光導波路１０２に結合する。
【0066】
図７の（Ｃ）の位置Ｐ８で、光導波路１０２と光導波路１０５のコア形状と断面サイズは同じになる。ＴＥ１の電界は、光導波路１０２と１０５に均等に存在する。ＴＥ１モードは奇モードであり、２つの導波路間で、振幅は同じであるが、光の位相はπだけシフトしている。このため、図７の（Ｃ）の光導波路１０２での電界分布がマイナス側に反転して暗く表示されている。この場合も、ループ導波路１０３を通過した後の戻り経路で、入力時の光パワーまたはエネルギーは保存されており、ＴＥ１モードは断熱結合器１０を通過して、光導波路１０５から出力される。
【0067】
図８は、光デバイス１００で用いられる断熱結合器１０の好適な長さ範囲を示す。図８の横軸は断熱結合器１０の物理長Ｌtp（μｍ）、縦軸は反射損失（ｄＢ）である。断熱結合器１０の実効的な長さは、短波長側で長くなるため、光通信帯域のうち、波長が１５２０ｎｍの光に対する反射損失を計算する。
【0068】
図２の反射損失では、波長１５２０ｎｍのときの反射損失は０．６ｄＢである。この反射損失よりも低い損失を達成するには、Ｌtpは７０μｍ以上、より好ましくは８０μｍ以上、さらに好ましくは１００μｍ以上である。Ｌtpが８０μｍの場合、光通信の使用波長の帯域にわたって、損失は０．４０ｄＢ以下になる。Ｌtpが１００μｍの場合、光通信の使用波長の帯域にわたって、損失は０．３４ｄＢ以下になり、光デバイス１００の反射損失を十分に低減することができる。
【0069】
断熱結合器１０の物理長Ｌtpが長くなりすぎると、光デバイス１００の小型化の妨げとなる。また、図８の反射損失の変化の傾向から、Ｌtpがある程度の長さになると、反射損失の低減効果は飽和すると考えられる。したがって、Ｌtpの好ましい範囲は、７０μm以上、１２０μｍ以下、より好ましくは、８０μｍ以上、１００μｍ以下である。
【0070】
図９は、実施形態の構成の効果を示す。断熱結合器１０の物理長Ｌtpを１００μｍとしたときの反跳損失の波長依存性の計算結果である。ＣバンドとＬバンドを含む１５２０ｎｍ～１６３０ｎｍの広い波長範囲において、反射損失は０．３４ｄＢ以下になり、低損失の光デバイス１００が実現される。
【0071】
【0072】
これに対し、実施形態の光デバイス１００で、Ｌtpを１００μｍにしたときの反射損失の変動幅は、０．１９ｄＢであり、損失の波長依存性が大きく改善されている。
【0073】
＜変形例＞
図１０は、光デバイス１００の変形例の光デバイス１００Ａの模式図である。光デバイス１００Ａは、ＴＥ０の光を入力し反射する構成であり、ループ２０と反対側に入出力構成１４０Ａを有する。
図１０は、光デバイス１００の変形例の光デバイス１００Ａの模式図である。光デバイス１００Ａは、ＴＥ０の光を入力し反射する構成であり、ループ２０と反対側に入出力構成１４０Ａを有する。
【0074】
入出力構成１４０Ａの光導波路１０１は、断熱結合器１０の光導波路１０２にＴＥ０モードを入力し、光導波路１０２からＴＥ０の反射光を出力する。
【0075】
入出力構成１４０Ａは、断面Ａで光導波路１０２と連続する直線状の光導波路１０１と、断面Ａで光導波路１０５と連続する湾曲導波路１０６を有する。湾曲導波路１０６の幅はＷ３である。
【0076】
光デバイス１００Ａへの光入力方向でみると、直線の光導波路１０１と、湾曲導波路１０６は、断面Ａに向かって徐々に接近する。より具体的には、湾曲導波路１０６が直線の光導波路１０１に徐々に接近するように、湾曲して配置されている。
【0077】
湾曲導波路１０６を設けることで、光の伝搬方向に対する並列導波路の断面形状の変化の不連続性が緩和され、ＴＥ１の発生確率を低減することができる。
【0078】
一般に、導波路を曲げると損失の発生原因となるが、ＴＥ０の入出力に用いられる光導波路１０１と、光導波路１０１から連続する光導波路１０２は、直線状に維持される。一方、光導波路１０５に連続する湾曲導波路１０６を湾曲させて、徐々に光導波路１０１に近づけることで、隣接する２つの光導波路の断面配置が断面Ａで途切れることを防止できる。
【0079】
図１１は、光デバイス１００の別の変形例の光デバイス１００Ｂの模式図である。光デバイス１００Ｂは、ＴＥ１の光を入力し反射する構成であり、ループ２０と反対側に、入出力構成１４０Ｂを有する。
【0080】
入出力構成１４０Ｂは、断面Ａで光導波路１０５と連続する直線状の光導波路１０５ｅｘと、断面Ａで光導波路１０２と連続する湾曲導波路１０８を有する。湾曲導波路１０６の幅は、断面Ａでの光導波路１０２の幅と等しく、Ｗ１である。
【0081】
光デバイス１００Ｂへの光入力方向でみると、直線状の光導波路１０５ｅｘと、湾曲導波路１０６は、断面Ａに向かって徐々に接近する。より具体的には、湾曲導波路１０８が直線状の光導波路１０５ｅｘに徐々に接近するように、湾曲して配置されている。
【0082】
湾曲導波路１０８を設けることで、光の伝搬方向に対する並列導波路の断面形状の変化の不連続性が緩和され、ＴＥ１の伝搬過程でＴＥ０の発生確率を低減することができる。
【0083】
図１２は、光デバイス１００の変形例の光デバイス１００Ｃの模式図である。光デバイス１００Ｃは、ＴＥ０の光を入射し反射する構成であり、ループ２０と反対側に入出力構成１４０Ｃを有する。
【0084】
入出力構成１４０Ｃは、断熱結合器１０の光導波路１０２から連続して延びるテーパ導波路１０９を含む。テーパ導波路１０９は、ＴＥ０モードの光を光導波路１０２との間で入出力する。テーパ導波路１０９の幅は、光軸方向に沿って、光導波路１０２と異なる割合で変化する。断面Ａでのテーパ導波路１０９の幅はＷ１であり、断面Ａと反対側で、テーパ導波路１０９の幅はＷ４（Ｗ４＞Ｗ１）になる。
【0085】
テーパ導波路１０９を設けることで、基板１１０上に設けられる光デバイス１００Ｃ以外の光回路素子や、基板外の光導波路と、低損失な接続が可能になる。
【0086】
図１２の構成を図１１に適用する場合は、ＴＥ１が入出力される光導波路１０５ｅｘに、テーパ導波路１０９を接続してもよい。この場合も、別の光回路素子や光導波路と光デバイス１００Ｃを、低損失で接続することができる。
【0087】
図１３は、光デバイス１００の変形例の光デバイス１００Ｄの模式図である。光デバイス１００Ｄは、ループ２０と反対側に終端構成１６０を有する。光デバイス１００Ｄは、ＴＥ０の光を入力して反射する構成であり、図１１の光デバイス１００Ａの湾曲導波路１０６に光終端１５０を接続する。
【0088】
ＴＥ０モードを入力に使用する場合、ＴＥ１が局在する光導波路１０５側に終端構成１６０を設けるのが好ましい。その理由は次のとおりである。
【0089】
製造時における導波路構造の摂動やコア・クラッドの材料屈折率のゆらぎ等で発生したＴＥ１は、断面Ａでは光導波路１０５に局在するが、この部分で光終端構造が無い場合、さらに反射して、断面Ａからテーパ光導波路に入力される。入力されたＴＥ１はループ導波路を経て、ふたたび断面Ａの光導波路１０５に戻り、結果として、反射器内部をループして残存してしまう。残存したＴＥ１は、摂動等の影響でＴＥ０に成り得るため、本来の信号と干渉し、反射損失の波長依存性が劣化する、といった反射器の性能を劣化させてしまう。そこで、光終端１５０で不要なＴＥ１を除去して、光デバイス１００Ｄの特性を維持する。
【0090】
光入出力部となる光導波路１０２への影響を低減するために、光終端１５０を光導波路１０２から離して配置するのが望ましい。そのため、湾曲導波路１０６に光終端１５０を接続する。ＴＥ１を入力し反射する構成を採用する場合は、図１１の湾曲導波路１０８に光終端を接続すればよい。
【0091】
図１４は、光終端１５０の具体例を示す。図１４の（Ａ）は、テーパ構造１５０ａで光終端を実現する。この場合、湾曲導波路１０６の先端をテーパ導波路１０７とする。テーパ導波路１０７を徐々に細くすることで、不要なＴＥ１を放射する。また、テーパ形状により好ましくない反射を抑制することができる。図１４では、図示の便宜上、湾曲導波路１０６の接続端を直線状に描いているが、実際は、図１３のように、湾曲導波路１０６は断面Ａに向かって湾曲する。
【0092】
図１４の（Ｂ）は、高ドープ領域１５０ｂで光終端を実現する。この場合、湾曲導波路
１０６の先端に、光吸収が生じる物質をドープする。光導波路１０５に局在するＴＥ１モードの光は、光終端１５０ｂで吸収される。
１０６の先端に、光吸収が生じる物質をドープする。光導波路１０５に局在するＴＥ１モードの光は、光終端１５０ｂで吸収される。
【0093】
図１４の（Ｃ）は、フォトダイオード（ＰＤ）１５０ｃで光終端を実現する。不要なＴＥ１モードの光で光電流に変換することで、ＴＥ１モードを除去する。光終端は、光パワーが反射器内部に戻らない構造であれば、上記に限定されない。
【0094】
上述した実施例及び変形例で、光導波路を形成する材料はＳｉコアとＳｉＯ2クラッドに限定されない。石英で形成されるプレーナ光波回路（ＰＬＣ：Planer Lightwave Circuit）技術で形成される光デバイスや、ＩｎＰ，ＧａＡｓ等の半導体材料で形成される光導波路の光デバイスにも適用可能である。
【0095】
光導波路の形状として、実施例のＳｉコアのような矩形導波路に限定されない。リブ導波路や、リッジ導波路等の光導波路を用いてもよい。
【0096】
図１０～図１３の変形例は、適宜組み合わせ可能である。たとえば、図１０の断面Ａで入出力用の光導波路１０１に替えて、図１２のテーパ導波路１０９を光導波路１０２に接続してもよい。図１１の断面Ａで、光導波路１０５ｅｘに替えて、図１２のテーパ導波路１０９を光導波路１０５に接続してもよい。
＜光源装置への適用例＞
図１５は、実施形態の光デバイス１００を用いた光源装置２００の構成例である。光デバイス１００に替えて変形例の光デバイス１００Ａ～１００Ｄのいずれを用いてもよい。
＜光源装置への適用例＞
図１５は、実施形態の光デバイス１００を用いた光源装置２００の構成例である。光デバイス１００に替えて変形例の光デバイス１００Ａ～１００Ｄのいずれを用いてもよい。
【0097】
光源装置２００は、チューナブルレーザダイオードであり、増幅媒質２０１と、チューナブルフィルタ２０２と、反射器２０３を有する。光デバイス１００は、反射器２０３として用いられる。
【0098】
増幅媒質２０１は、半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）、レーザ媒質など、誘導放出による反転分布を生成することのできる任意の媒質である。活性層に、化合物半導体を用いた単層または多層の量子井戸、量子ドット等を用いる場合は、シリコンフォトニクス基板やＰＬＣ基板に増幅媒質２０１を実装して、チューナブルフィルタ２０２と光学的に接続する。
【0099】
チューナブルフィルタ２０２は、一例として、基板１１０（図３参照）に形成されるＳｉ導波路で形成されてもよい。Ｓｉ導波路で形成されるリング共振器と、リング共振器の共振ピーク波長を目的の波長に制御する制御ヒータ等で形成されてもよい。
【0100】
反射器２０３は、チューナブルフィルタ２０２に接続されて、外部共振器の反射端として機能する。反射器２０３に実施形態の光デバイス１００を用いる場合、チューナブルフィルタ２０２から出力される、たとえばＴＥ０モードの光が、光デバイス１００の入力側の断面Ａで、光導波路１０２に入力される。入力されたＴＥ０モードは、断熱結合器１０を通って、断熱的に断面ＢのＴＥ０モードの状態に遷移し、ループ導波路１０３を周回して断面Ｂに戻る。その後、断熱結合器１０を逆方向にたどって、光導波路１０２からチューナブルフィルタ２０２に出力される。
【0101】
反射器２０３では、光通信で用いられる広い波長範囲にわたって反射損失と波長依存性が低減されているので、光源装置２００はエネルギー効率が高く、目的の波長で安定して発振することができる。
【0102】
本発明は上述した導波路構成に限定されるものではない。並列する２つの光導波路の少なくとも一方が、光軸方向に連続的に幅または断面形状が変化するように形成されてもよい。断熱結合器１０の位置Ｐ０で並列する２つの光導波路の断面形状が異なり（または合同でなく）、ループ導波路に接続される位置Ｐ８で２つの光導波路の断面形状が合同になるならば、必ずしもループ２０に向かって幅が細くなるテーパ形状でなくてもよい。ループ２０に向かって徐々に幅が広くなってもよいし、幅が一定程度広がったあとに、連続して幅が狭くなる形状であってもよい。
【符号の説明】
【0103】
１０ 断熱結合器
２０ ループ
１００、１００Ａ～１００Ｄ 光デバイス
１０１ 入出力用の光導波路
１０２ 光導波路（第１の光導波路）
１０３ ループ導波路
１０５ 光導波路（第２の光導波路）
１０５ｅｘ 光導波路
１０６、１０８ 湾曲導波路
１０９ テーパ導波路
１１０ 基板
１４０Ａ～１４０Ｃ 入出力構成
１５０ 光終端
１６０ 終端構成
２００ 光源装置
２０１ 増幅媒質
２０２ チューナブルフィルタ
２０３ 反射器
２０ ループ
１００、１００Ａ～１００Ｄ 光デバイス
１０１ 入出力用の光導波路
１０２ 光導波路（第１の光導波路）
１０３ ループ導波路
１０５ 光導波路（第２の光導波路）
１０５ｅｘ 光導波路
１０６、１０８ 湾曲導波路
１０９ テーパ導波路
１１０ 基板
１４０Ａ～１４０Ｃ 入出力構成
１５０ 光終端
１６０ 終端構成
２００ 光源装置
２０１ 増幅媒質
２０２ チューナブルフィルタ
２０３ 反射器
【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】