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(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】2024-04-23
(45)【発行日】2024-05-02
(54)【発明の名称】モード変換素子
(51)【国際特許分類】
G02B 6/14 20060101AFI20240424BHJP
G02B 6/122 20060101ALI20240424BHJP
G02B 6/126 20060101ALI20240424BHJP
【ＦＩ】
G02B6/14
G02B6/122 311
G02B6/126
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2020100352
(22)【出願日】2020-06-09
(65)【公開番号】P2021196393
(43)【公開日】2021-12-27
【審査請求日】2023-03-01
(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】100094525
【弁理士】
【氏名又は名称】土井 健二
(74)【代理人】
【識別番号】100094514
【弁理士】
【氏名又は名称】林 恒徳
(72)【発明者】
【氏名】馬場 威
【審査官】堀部 修平
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１４／０１３３７９６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１５－１９７６６４（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１７／０００３４５１（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１４／２０８６０１（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｂ ６／１２ － ６／１４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板と、前記基板上のクラッドと、前記クラッドにより囲われたコアとを有し、前記コアは前記クラッドより屈折率が高く、第１伝搬光を前記第１伝搬光とはモード次数が異なる第２伝搬光に変換するモード次数変換部と、前記第２伝搬光のモードを維持すると共に前記第２伝搬光を外部に出力するリブチャネル変換部とを含み、
前記モード次数変換部は、前記第１伝搬光が入力される入力側第１リブ部と、前記入力側第１リブ部に沿って延在し且つ前記入力側第１リブ部と反対側に下端から上端まで前記クラッドに接する平面状の側面を有する出力側第１リブ部と、前記入力側第１リブ部と前記出力側第１リブ部の間に配置され前記入力側第１リブ部および前記出力側第１リブ部より薄い第１スラブ部とを有し、
前記リブチャネル変換部は、前記出力側第１リブ部に接する一端と前記第２伝搬光を出力する他端とを有し前記一端から前記他端に向かう方向に沿って延在する出力側第２リブ部と、前記第１スラブ部と前記出力側第２リブ部の側面とに接し前記出力側第２リブ部より薄い第２スラブ部と、前記出力側第２リブ部の別の側面に接し前記出力側第２リブ部より薄い第３スラブ部とを有する
モード変換素子。
【請求項2】
前記第３スラブ部は、前記出力側第２リブ部の両端のうち前記出力側第１リブ部と反対側の一端に向かって幅が増加することを特徴とする請求項１に記載のモード変換素子。
【請求項3】
前記出力側第２リブ部は、前記出力側第１リブ部に接する内側領域と前記内側領域に接する外側領域とを有し、前記第２スラブ部および前記第３スラブ部は、前記内側領域に接することを
特徴とする請求項１または２に記載のモード変換素子。
【請求項4】
前記リブチャネル変換部は更に、前記第２スラブ部と前記外側領域の側面とに接し前記出力側第２リブ部より薄い第４スラブ部と、前記第３スラブ部および前記外側領域の別の側面に接し前記出力側第２リブ部より薄い第５スラブ部とを有し、前記第４スラブ部および前記第５スラブ部それぞれの幅は、前記出力側第２リブ部の両端のうち前記出力側第１リブ部と反対側の一端に向かって減少することを
特徴とする請求項３に記載のモード変換素子。
【請求項5】
前記出力側第２リブ部の中央の幅は、前記出力側第２リブ部の両端の幅より広いことを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載のモード変換素子。
【請求項6】
前記第１伝搬光は、電界方向が前記基板と平行になるように偏光し実効屈折率が基本モードより高い高次ＴＥ光であり、前記第２伝搬光は、電界方向が前記基板と平行になるように偏光し実効屈折率が前記高次ＴＥ光より低い低次ＴＥ光であり、
更に、電界方向が前記基板と直交するように偏光したＴＭ光が入力され、入力された前記ＴＭ光を前記高次ＴＥ光に変換する偏波回転部を有することを
特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載のモード変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、モード変換素子に関する。
【背景技術】
【0002】
非対称方向性結合器を用いて、ＴＥ１モードの伝搬光（以下、ＴＥ１光と呼ぶ）をＴＥ０モードの伝搬光（以下、ＴＥ０光と呼ぶ）に変換するモード変換素子が提案されている（例えば、特許文献１～４、非特許文献１～２参照）。このモード変換素子と上下非対称なテーパ導波路とにより、ＴＭ０モードの伝搬光（以下、ＴＭ０光と呼ぶ）をＴＥ０光に変換する偏波回転素子が提案されている（例えば、特許文献１～４、非特許文献１～２参照）。
【0003】
非対称方向性結合器のＴＥ１光からＴＥ０光への変換効率は、屈折率がクラッドより高い薄層（以下、スラブ層と呼ぶ）を非対称方向性結合器の光導波路の間に設けることで改善できる（例えば、特許文献１～４参照）。
【0004】
なお、導波路間に先端がＶ字型のスラブ層を設けることで、矩形導波路に入力される伝搬光の反射損失を抑制する技術が提案されている（特許文献２～５参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開２０１５－９０４４９号公報
【文献】特開２０１５－１９７６６４号公報
【文献】米国特許第９，８５１，５０４号明細書
【文献】国際公開第２０１４／２０８６０１号
【文献】特開平３－１７１１１９号公報
【非特許文献】
【0006】
【文献】Daoxin Dai and John E. Bowers, “Novel concept for ultracompact polarization splitter-rotator based on silicon nanowires,” Optics Express,Vol. 19, No. 11, pp. 10940 (2011)
【文献】Daoxin Dai, Yongbo Tang, and John E Bowers, "Mode conversion in tapered submicron silicon ridge optical waveguides," Optics Express, Vol. 20, No.12, pp. 13425-13439 (2012)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかし、非対称方向性結合器の導波路の間にスラブ層を設けると、チャネル導波路（例えば、矩形導波路）にＴＥ０光を出力する際に反射損失が発生する。そこで、本発明は、このような問題を解決することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記の問題を解決するために、モード変換素子は、基板と前記基板上のクラッドと前記クラッドにより囲われたコアとを有し、前記コアは前記クラッドより屈折率が高く、第１伝搬光を前記第１伝搬光とはモード次数が異なる第２伝搬光に変換するモード次数変換部と、前記第２伝搬光を外部に出力するリブチャネル変換部とを含み、前記モード次数変換部は、前記第１伝搬光が入力される入力側第１リブ部と、前記入力側第１リブ部に沿って延在し前記入力側第１リブ部と反対側の側面が下端から上端に亘って前記クラッドに覆われた出力側第１リブ部と、前記入力側第１リブ部と前記出力側第１リブ部の間に配置され前記入力側第１リブ部および前記出力側第１リブ部より薄い第１スラブ部とを有し、前記リブチャネル変換部は、前記出力側第１リブ部に接し前記第２伝搬光を出力する出力側第２リブ部と、前記第１スラブ部と前記出力側第２リブ部の側面とに接し前記出力側第２リブ部より薄い第２スラブ部と、前記出力側第２リブ部の別の側面に接し前記出力側第２リブ部より薄い第３スラブ部とを有する。
【発明の効果】
【0009】
一つの側面では、本発明によれば、高次モードの伝搬光（例えば、ＴＥ１光）を低次モードの伝搬光（例えば、ＴＥ０光）に変換する非対称方向性結合器等を含むモード変換素子とチャネル導波路の境界における反射損失を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。図面が異なっても同じ構造を有する部分等には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【0012】
（実施の形態１）
（１）構造
図１は、実施の形態１のモード変換素子２の一例を示す平面図である。
図２は、図１のII-II線に沿った断面図である。図３は、図１のIII-III線に沿った断面図である。図４は、図１のIV-IV線に沿った断面図である。
（１）構造
図１は、実施の形態１のモード変換素子２の一例を示す平面図である。
図２は、図１のII-II線に沿った断面図である。図３は、図１のIII-III線に沿った断面図である。図４は、図１のIV-IV線に沿った断面図である。
【0013】
図２～４に示すようにモード変換素子２は、基板１１と、基板１１上のクラッド６と、横断面がクラッド６により囲われたコア４とを有する。コア４の屈折率は、クラッド６の屈折率より高い。クラッド６は例えば、基板１１上の下部クラッド６ｌおよび下部クラッド６ｌ上の上部クラッド６ｕを有する。基板１１は例えば、Ｓｉ基板である。下部クラッド６ｌおよび上部クラッド６ｕは例えば、ＳｉＯ２層である。
【0014】
図１に示すようにコア４（図１では実線で区画された領域）は、モード次数変換部８、リブチャネル変換部１０、および偏波回転部１２を有する。図５は、モード変換素子２の機能を説明する平面図である。偏波回転部１２は、ＴＭ０モードの伝搬光３（すなわち、ＴＭ０光）が入力され、入力されたＴＭ０光をＴＥ１モードの伝搬光５（すなわち、ＴＥ１光）に変換して、モード次数変換部８に入力する。伝搬光とは、光導波路を伝搬する光のことである。モード次数変換部８は入力されたＴＥ１光５をＴＥ０モードの伝搬光７（ＴＥ０光）に変換して、伝搬光７をリブチャネル変換部１０に入力する。
【0015】
リブチャネル変換部１０は、入力されたＴＥ０光７をチャネル導波路９に出力する。この際リブチャネル変換部１０は、ＴＥ０光７の電界分布をチャネル導波路９のＴＥ０モードの電界分布に整合するように修正する。チャネル導波路９は、モード変換素子２と他の光素子を接続する矩形導波路である。
【0016】
―モード次数変換部８（図１参照）―
モード次数変換部８は、ＴＥ１光５（図５参照）が入力される入力側第１リブ部１８ａ（図１参照）、入力側第１リブ部１８ａに沿って延在する出力側第１リブ部２０ａ、および入力側第１リブ部１８ａと出力側第１リブ部２０ａとの間に配置された第１スラブ部２４ａを有する。
モード次数変換部８は、ＴＥ１光５（図５参照）が入力される入力側第１リブ部１８ａ（図１参照）、入力側第１リブ部１８ａに沿って延在する出力側第１リブ部２０ａ、および入力側第１リブ部１８ａと出力側第１リブ部２０ａとの間に配置された第１スラブ部２４ａを有する。
【0017】
出力側第１リブ部２０ａの側面のうち入力側第１リブ部１８ａとは反対側の側面は、下端ＬＥ１（図２参照）から上端ＵＥ１に亘ってクラッド６に覆われている。同様に、入力側第１リブ部１８ａの側面のうち出力側第１リブ部２０ａとは反対側の側面は、下端ＬＥ２（図２参照）から上端ＵＥ２に亘ってクラッド６に覆われている。第１スラブ部２４ａは、入力側第１リブ部１８ａおよび出力側第１リブ部２０ａより薄い層である。
【0018】
モード次数変換部８は、入力側第１リブ部１８ａの幅が出力側第１リブ部２０ａの幅より広い非対称方向性結合器である。
【0019】
―リブチャネル変換部１０（図１参照）―
リブチャネル変換部１０は、出力側第１リブ部２０ａに接する出力側第２リブ部２０ｂ、および出力側第２リブ部２０ｂに沿って延在し入力側第１リブ部１８ａに接する入力側第２リブ部１８ｂを有する。出力側第２リブ部２０ｂは例えば、コアの横断面が矩形のチャネル導波路９（図５参照）に接続される。この場合、出力側第２リブ部２０ｂは、チャネル導波路９にＴＥ０光７を出力する。出力側第２リブ部２０ｂの両端のうちチャネル導波路９に接する一端の幅は好ましくは、チャネル導波路９のコアの幅と同じである。
リブチャネル変換部１０は、出力側第１リブ部２０ａに接する出力側第２リブ部２０ｂ、および出力側第２リブ部２０ｂに沿って延在し入力側第１リブ部１８ａに接する入力側第２リブ部１８ｂを有する。出力側第２リブ部２０ｂは例えば、コアの横断面が矩形のチャネル導波路９（図５参照）に接続される。この場合、出力側第２リブ部２０ｂは、チャネル導波路９にＴＥ０光７を出力する。出力側第２リブ部２０ｂの両端のうちチャネル導波路９に接する一端の幅は好ましくは、チャネル導波路９のコアの幅と同じである。
【0020】
図６は、リブチャネル変換部１０の平面図である。図６に示すように、入力側第２リブ部１８ｂと出力側第２リブ部２０ｂの間隔Ｇは、モード次数変換部８に接する接続領域３６では、出力側第２リブ部２０ｂの両端のうち出力側第１リブ部２０ａと反対側の一端３２に向かって増加する。すなわち、接続領域３６の両端の間隔Ｇ１，Ｇ２のうち出力側第２リブ部２０ｂの先端（すなわち、一端３２）側の間隔Ｇ２は、出力側第１リブ部２０ａ側の間隔Ｇ１より広い。接続領域３６は、リブチャネル変換部１０の領域である。
【0021】
出力側第２リブ部２０ｂ（図１参照）は、出力側第１リブ部２０ａに接する内側領域２０ｉｎおよび内側領域２０ｉｎに接する外側領域２０ｏｕｔを有する。リブチャネル変換部１０は更に、第１スラブ部２４ａと（出力側第２リブ部２０ｂの）内側領域２０ｉｎの側面と入力側第２リブ部１８ｂの側面とに接する第２スラブ部２４ｂ、および内側領域２０ｉｎの別の側面に接する第３スラブ部２４ｃを有する。
【0022】
リブチャネル変換部１０は更に、第２スラブ部２４ｂと（出力側第２リブ部２０ｂの）外側領域２０ｏｕｔの側面とに接する第４スラブ部２４ｄ、および第３スラブ部２４ｃと外側領域２０ｏｕｔの別の側面とに接する第５スラブ部２４ｅを有する。第２スラブ部２４ｂ～第５スラブ部２４ｅは、入力側第２リブ部１８ｂおよび出力側第２リブ部２０ｂより薄い部材である。
【0023】
第３スラブ部２４ｃ（図６参照）の幅は、出力側第２リブ部２０ｂの先端３２に向かって幅が増加する。一方、第４スラブ部２４ｄおよび第５スラブ部２４ｅそれぞれの幅は、出力側第２リブ部２０ｂの先端３２に向かって減少する。
【0024】
図１等に示す例では第３スラブ部２４ｃは、出力側第２リブ部２０ｂの先端３２に向かって幅が増加するテーパ領域３０と幅が一定の矩形領域３１とを有する。しかし第３スラブ部２４ｃは、矩形領域３１を有さなくても良い。
【0025】
―偏波回転部１２（図１参照）―
偏波回転部１２（図１参照）は、テーパ部１４および接続部１６を有する。テーパ部１４は、モード次数変換部８に向かって幅が広がる入力側第３リブ部１８ｃ、入力側第３リブ部１８ｃの側面の一方に接する第６スラブ部２4ｆ、および入力側第３リブ部１８ｃの側面の他方に接する第７スラブ部２4ｇを有する。
偏波回転部１２（図１参照）は、テーパ部１４および接続部１６を有する。テーパ部１４は、モード次数変換部８に向かって幅が広がる入力側第３リブ部１８ｃ、入力側第３リブ部１８ｃの側面の一方に接する第６スラブ部２4ｆ、および入力側第３リブ部１８ｃの側面の他方に接する第７スラブ部２4ｇを有する。
【0026】
入力側第３リブ部１８ｃは、側面がなす角度（すなわち、テーパ角度）が異なる複数の領域を有する。図１に示す例では、入力側第３リブ部１８ｃは、接続部１６側に配置されたテーパ角度が大きい領域、および接続部１６と反対側に配置されたテーパ角度が小さい領域を有する。
【0027】
接続部１６は、一端が入力側第３リブ部１８ｃに接し他端が入力側第１リブ部１８ａに接する入力側第４リブ部１８ｄを有する。入力側第４リブ部１８ｄの幅は、入力側第３リブ部１８ｃの右端の幅Ｗ２から入力側第１リブ部１８ａの幅Ｗ３まで徐々に変化する。なお「右端」とは、入力側第３リブ部１８ｃ等の図１等における右側の端である（後述する「左端」等についても、同様）。
【0028】
接続部１６は更に、入力側第４リブ部１８ｄの側面のうち出力側第１リブ部２０ａ側の側面に接する第８スラブ部２４ｈを有する。第６～第８スラブ部２4ｆ～２４ｈは、入力側第３および第４リブ部１８ｃ，１８ｄより薄い部材である。
【0029】
図１に示す例では、入力側第３リブ部１８ｃの右端の幅Ｗ２と入力側第１リブ部１８ａの幅Ｗ３は異なっている。しかし、入力側第３リブ部１８ｃの右端の幅Ｗ２と入力側第１リブ部１８ａの幅Ｗ３は同じであっても良い。この場合には、偏波回転部１２は接続部１６を有さなくても良い。
【0030】
図１に示す例では、テーパ部１４はテーパ角度が互いに異なる複数の領域を有している。テーパ角度が互いに異なる複数の領域を有することで、偏波回転の効率が高くなる。しかし、テーパ部１４のテーパ角度は一定であっても良い。
【0031】
入力側第１～第４リブ部１８ａ～１８ｄおよび出力側第１～第２リブ部２０ａ～２０ｂそれぞれの厚さは、好ましくは互いに同じである。第１スラブ部２４ａ～第８スラブ部２４ｈそれぞれの厚さも、好ましくは互いに同じである。
【0032】
後述するようにコア４は極めて薄いので、コア４の伝搬光（ＴＭ０光、ＴＥ１光、ＴＥ０光等）の電界分布のピーク数は、基板１１に垂直な軸（例えば、図３等のｙ軸）上では一つである。
【0033】
（２）動作
（２－１）偏波回転部１２の動作
図７は、テーパ部１４を伝搬する固有モードの実効屈折率の一例を示す図である。縦軸は実効屈折率である。実効屈折率は、例えば有限要素法により算出される。横軸は、テーパ部１４の長手方向に沿った座標ｚである。
（２－１）偏波回転部１２の動作
図７は、テーパ部１４を伝搬する固有モードの実効屈折率の一例を示す図である。縦軸は実効屈折率である。実効屈折率は、例えば有限要素法により算出される。横軸は、テーパ部１４の長手方向に沿った座標ｚである。
【0034】
座標ｚの座標軸は、偏波回転部１２（図５参照）の中心を貫く軸である。しかし図５では、図面が煩雑にならないように、座標ｚの座標軸はテーパ部１４の外部に図示されている。座標ｚの原点は、伝搬光（例えば、ＴＭ０光３）が入射する端面３８上の点である。Ｌｔｐ（図５参照）は、テーパ部１４の長さである。
【0035】
図７の第１曲線４０ａは、実効屈折率が最も高い固有モードの実効屈折率を示している。第２曲線４０ｂは、実効屈折率が２番目に高い固有モードの実効屈折率を示している。第３曲線４０ｃは、実効屈折率が３番目に高い固有モードの実効屈折率を示している。図７には、第３リブ部１８ｃのテーパ角度が一定の場合が示されている。図８についても同様である。
【0036】
ところで、基板に垂直な方向のみで光を閉じ込める２次元光導波路（すなわち、スラブ導波路）の固有モードは、ＴＥ(Transverse Electric mode)モードまたはＴＭ（Transverse Magnetic mode）モードである。ＴＥモードは光の伝搬方向の電界成分Ｅｚが零の固有モードあり、スラブ導波路のＴＥモードはＨｚ、Ｈｙ、Ｅｘ以外の電磁界成分が零の固有モードである。Ｈｚは、光の伝搬方向（例えば、図５のｚ軸方向）の磁界成分である。Ｈｙは、基板１１に垂直な方向（例えば、図４のｙ軸方向）の磁界成分である。Ｅｘは、基板に垂直な方向（例えば、図４のｙ軸方向）および光の伝搬方向（例えば、図５のｚ軸方向）に垂直な方向（例えば、図４のｘ軸方向）の電界成分である。
【0037】
ＴＭモードはＨｚが零の伝搬光であり、スラブ導波路のＴＭモードは、Ｅｚ、Ｅｙ、Ｈｘ以外の電磁界成分が零の固有モードである。Ｅｚは、光の伝搬方向（例えば、図５のｚ軸方向）の電界成分である。Ｅｙは、基板１１に垂直な方向（例えば、図４のｙ軸方向）の電界成分である。Ｈｘは、基板に垂直な方向（例えば、図４のｙ軸方向）および光の伝搬方向（例えば、図５のｚ軸方向）に垂直な方向（例えば、図４のｘ軸方向）の磁界成分である。
【0038】
一方、光の伝搬方向に垂直な２方向（例えば、図４のｘ軸方向およびｙ軸方向）で光を閉じ込める３次元導波路（例えば、矩形導波路）の固有モードは、ＥｚおよびＨｚのいずれも零とならない電磁界である。
【0039】
３次元光導波路の主な固有モードは、ＴＥ-ｌｉｋｅモードおよびＴＭ-ｌｉｋｅモードである。ＴＥ-ｌｉｋｅモードは、ＥｚおよびＥｙがＥｘに比べ十分に小さい固有モードである（すなわち、Ｅｚ，Ｅｙ＜＜Ｅｘ）。すなわちＴＥ-ｌｉｋｅモードは、電界方向が基板と平行になるように偏光した固有モードである。ＴＥ-ｌｉｋｅモードは、スラブ導波路のＴＥモードで近似できる。以下の説明では慣習に従って、ＴＥ-ｌｉｋｅモードはＴＥモードと呼ばれる。
【0040】
一方、ＴＭ-ｌｉｋｅモードは、ＥｚおよびＥｘはＥｙに比べ十分に小さい固有モードである（すなわち、Ｅｚ，Ｅｘ＜＜Ｅｙ）。すなわちＴＭ-ｌｉｋｅモードは、電界の方向が基板と直交するように偏光した固有モードである。ＴＭ-ｌｉｋｅモードは、スラブ導波路のＴＭモードで近似できる。以下の説明では慣習に従って、ＴＭ-ｌｉｋｅモードはＴＭモードと呼ばれる。
【0041】
３次元光導波路のＴＥモードのうち実効屈折率が一番高いＴＥモード（すなわち、基本モード）はＴＥ０モードと呼ばれ、実効屈折率が２番目に高いＴＥモードはＴＥ１モードと呼ばれる。同様に、３次元光導波路のＴＭモードのうち実効屈折率が一番目に高いＴＭモード（すなわち、基本モード）はＴＭ０モードと呼ばれ、実効屈折率が２番目に高いＴＭモードはＴＭ１モードと呼ばれる。
【0042】
図８は、図１のテーパ部１４から第６～７スラブ部２４ｆ，２４ｇを取り除いた光導波路（以下、対称テーパ導波路と呼ぶ）を伝搬する固有モードの実効屈折率の一例を示す図である。縦軸は実効屈折率である。横軸は、テーパ部１４の長手方向に沿った座標ｚである。座標ｚの原点は、伝搬光が入射する端面３８（図５参照）上の点である。
【0043】
【0044】
第４曲線４０ｄ（図８参照）は、ＴＥ０モードの実効屈折率を示している。第５曲線４０ｅは、ＴＥ１モードの実効屈折率を示している。第６曲線４０ｆは、ＴＭ０モードの実効屈折率を示している。実効屈折率ｎｅｆｆの座標ｚに対する変化率（＝Δｎｅｆｆ／Δｚ）は、ＴＥ１モードとＴＭ０モードでは大きく異なっている（図８参照）。このため、ＴＥ１モードの実効屈折率４０ｅとＴＭ０モードの実効屈折率４０ｆは交差する。
【0045】
座標ｚは、対称テーパ導波路１１４のコア幅ｗに対応している。座標ｚが小さくコア幅ｗが狭い領域（例えば、ｚ＝０の近傍）では、ＴＥ１モードの実効屈折率４０ｅはＴＭ０モードの実効屈折率４０ｆより小さい。しかし座標ｚが大きくコア幅が広い領域（例えば、ｚ＝Ｌｔｐの近傍）では、ＴＥ１モードの実効屈折率４０ｅはＴＭ０モードの実効屈折率４０ｆより大きい。従って図８に示すように、ＴＥ１モードの実効屈折率４０ｅとＴＭ０モードの実効屈折率４０ｆはある位置４４で交差する。
【0046】
この位置４４で対称テーパ部１１４のＴＥ１モードとＴＭ０モードは混じり合わずに、縮退する（すなわち、それぞれの実効屈折率が互いに一致する）。
【0047】
実施の形態１のテーパ部１４は、スラブ部２４ｇ，２４ｆを有するので上下非対称である。上下非対称な３次元光導波路の固有モードは、コア幅が狭い領域ではＴＥモードまたはＴＭモードである。しかしコア幅がある程度広く実効屈折率が他の固有モードの実効屈折率と略同じ領域（例えば、図７の領域４６）では、上下非対称な３次元光導波路の固有モードは、ＴＥモードとＴＭモードとが混じり合ったハイブリッドモードである。コア幅が更に広い領域では、上下非対称な３次元光導波路の固有モードは再びＴＥモードまたはＴＭモードになる。但し、ＴＥモードとＴＭモードとが入れ替わる（例えば、非特許文献２参照）。
【0048】
図７に示す例では曲線４０ａが示す固有モードは、ＴＥ０モードである。曲線４０ｂが示す固有モードは、座標ｚが領域４６より小さい領域（すなわち、コア幅が狭い領域）ではＴＭ０モードであり、座標ｚが領域４６より大きい領域（すなわち、コア幅が広い領域）ではＴＥ１モードである。曲線４０ｃが示す固有モードは、座標ｚが領域４６より小さい領域ではＴＥ１であり、座標ｚが領域４６より大きい領域ではＴＭ０モードである。従って、例えばチャネル導波路１９から端面３８（図５参照）を介して入力されたＴＭ０光３は、テーパ部１４によりＴＥ１光５に断熱的に変換される。
【0049】
接続部１６はＴＥ１光５を、モード次数変換部８の入力側第１リブ部１８ａとビームサイズが一致するように修正して、入力側第１リブ部１８ａに入力する。
【0050】
（２－２）モード次数変換部８の動作
モード次数変換部８は、入力側第１リブ部１８ａに入力されたＴＥ１光５（図５参照）をＴＥ０光７に変換して、出力側第１リブ部２０ａからリブチャネル変換部１０の出力側第２リブ部２０ｂに入力する。
モード次数変換部８は、入力側第１リブ部１８ａに入力されたＴＥ１光５（図５参照）をＴＥ０光７に変換して、出力側第１リブ部２０ａからリブチャネル変換部１０の出力側第２リブ部２０ｂに入力する。
【0051】
図１０は、非対称方向性結合器４２の一例を示す平面図である。図１１は、図１０のXI-XI線に沿った断面図である。非対称方向性結合器４２は、第１コア４４ａ、第１コア４４ａより幅が狭い第２コア４４ｂ、および第１～第２コア４４ａ，４４ｂを囲むクラッド６を有する。図１０の非対称方向性結合器４２は、図１のモード次数変換部８とは、第１スラブ部２４ａを有さない点で異なる。
【0052】
図１２は、矩形導波路を伝搬する固有モードの実効屈折率の一例を示す図である。縦軸は実効屈折率ｎｅｆｆである。横軸は、矩形導波路のコア幅Ｗである。矩形導波路は、コアの横断面が矩形の光導波路である。第７曲線４０ｇは、ＴＥ０モードの実効屈折率を示している。第８曲線４０ｈは、ＴＥ１モードの実効屈折率を示している。
【0053】
非対称方向性結合器４２(図１１参照）の第１～第２コア４４ａ，４４ｂの厚さは、図１２に実効屈折率ｎｅｆｆが示された矩形導波路の厚さと同じとする。更に第１～第２コア４４ａ，４４ｂの屈折率は、図１２に実効屈折率ｎｅｆｆが示された矩形導波路のコアの屈折率と同じとする。クラッド６の屈折率についても同様である。
【0054】
図１２から明らかなように、あるコア幅Ｗｘにおける矩形導波路のＴＥ０モードの実効屈折率Ｎｅｆｆは、Ｗｘより広いコア幅Ｗｙにおける矩形導波路のＴＥ１モードの実効屈折率と同じである。従って、非対称方向性結合器４２（図１０参照）の第２コア４４ｂのコア幅がＷｘであって第１コア４４ａのコア幅がＷｙの場合、第２コア４４ｂのＴＥ０モードと第１コア４４ａのＴＥ１モードとが位相整合する。この様な非対称方向性結合器４２の第１コア４４ａにＴＥ１光５が入力されると、第２コア４４ｂからＴＥ０光７が出力される。
【0055】
ＴＥ０モード５とＴＥ１モード７とが位相整合し第１～第２コア４４ａ，４４ｂの長さが結合長と同じであれば理想的には、第２コア４４ｂから出力されるＴＥ０光７の光強度（すなわち、光パワー）は第１コア４４ａに入力されるＴＥ１光５の光強度と同じになる。すなわち、非対称方向性結合器の結合効率（一方の光導波路から他方の光導波路に移行するパワーの割合）は理想的には、第１～第２コア４４ａ，４４ｂそれぞれの幅が互いに等しい方向性結合器（すなわち、対称方向方向性結合器）と同じである。
【0056】
しかし非対称方向性結合器４２では、ＴＥ１光５の波長が最適値からずれると、ＴＥ１光５とＴＥ０光７の結合効率が低下する。その結果、ＴＥ０光７がＴＥ１光５より弱くなる。
【0057】
ＴＥ１光５の波長を最適値に一致させることは容易ではない。更にＴＥ１光５が波長多重されている場合には、複数のＴＥ１光５の波長を最適値に一致させることは困難である。従って、非対称方向性結合器４２によるモード変換では殆どの場合、光損失（以下、変換損失と呼ぶ）が発生する。この問題は第１コア４４ａと第２コア４４ｂとの間に、スラブ層（例えば、図１の第１スラブ部２４ａ参照）を設けることで抑制できる（例えば、特許文献１参照）。
【0058】
第１コア４４ａと第２コア４４ｂの間にスラブ層を設けると、第１コア４４ａと第２コア４４ｂの間へＴＥ１光５およびＴＥ０光７が大きく浸み出す。するとＴＥ１光５の電界分布とＴＥ０光７の電界分布の重なりが増加し、非対称方向性結合器の結合係数が増加する。すると、ＴＥ１光５とＴＥ０光７の結合効率が波長ずれに影響され難くなる。その結果、ＴＥ０光７が強くなる（例えば、特許文献１参照）。
【0059】
実施の形態１のモード次数変換部８の入力側第１リブ部１８ａと出力側第１リブ部２０aの間には第１スラブ部２４ａが配置されるので、実施の形態１によれば変換損失を抑制しつつ、ＴＥ１光５をＴＥ０光７に変換することができる。
【0060】
（２－３）リブチャネル変換部１０の動作
図１３は、リブチャネル変換部１０（図５参照）におけるＴＥ０光７の電界分布の推移を示す図である。図１３には、ｘ軸方向（図３参照）に沿ったＴＥ０光の電界分布４８I～４８IVが示されている。
図１３は、リブチャネル変換部１０（図５参照）におけるＴＥ０光７の電界分布の推移を示す図である。図１３には、ｘ軸方向（図３参照）に沿ったＴＥ０光の電界分布４８I～４８IVが示されている。
【0061】
モード次数変換部８では、出力側第１リブ部２０ａの両側面の一方のみにスラブ層（すなわち、第１スラブ部２４ａ）が接続されている。このため、モード次数変換部８から入力されるＴＥ０光７の電界分布４８I（図１３参照）は、左右非対称である。リブチャネル変換部１０は、この左右非対称な電界分布を対称な電界分布に修正して出力側第２リブ部２０ｂから出力する。
【0062】
ＴＥ０光７は先ず、モード次数変換部８に接する接続領域３６の出力側第２リブ部２０ｂを伝搬する。この接続領域３６では、入力側第２リブ部１８ｂと出力側第２リブ部２０ｂの間隔Ｇ（図６参照）は、モード次数変換部８から遠ざかるに従い徐々に広がる。このため、入力側第２リブ部１８ｂと出力側第２リブ部２０ｂの結合係数が徐々に減少し、接続領域３６の終端５０では無視できるまで小さくなる。従って、出力側第２リブ部２０ｂを伝搬するＴＥ０光７が、入力側第２リブ部１８ｂの伝搬光に逆戻りすることはない。
【0063】
接続領域３６では、出力側第２リブ部２０ｂの両側面の一方のみにスラブ層（すなわち、第２スラブ部２４ｂ）が接続されている。従って、接続領域３６の終端５０におけるＴＥ０光７の電界分布４８IIは左右非対称のままである。
【0064】
接続領域３６に続く領域（内側領域２０ｉｎのうち接続領域３６に含まれない部分）では、出力側第２リブ部２０ｂの両側面にスラブ層（すなわち、第２スラブ部２４ｂおよび第３スラブ部２４ｃ）が接続されている。このためＴＥ０光７の電界分布は、左右対称な電界分布４８IIIに修正される。
【0065】
出力側第２リブ部２０ｂの内側領域２０ｉｎの終端５２におけるＴＥ０光７の電界分布４８IIIは左右非対称ではあるが、スラブ層（すなわち、第２～第３スラブ部２４ｂ，２４ｃ）へ大きく浸み出している。従って電界分布４８IIIは、チャネル導波路９（すなわち、矩形導波路）における電界分布４８IVとは大きく異なっている。
【0066】
出力側第２リブ部２０ｂの外側領域２０ｏｕｔの両側面には、徐々に幅が狭まるスラブ層（すなわち、第４～第５スラブ部２４ｄ，２４ｅ）が接続されている。従って外側領域２０ｏｕｔでは、ＴＥ０光７の電界分布はチャネル導波路９に向かって徐々に狭まり、出力側第２リブ部２０ｂに集中する。最終的には、外側領域２０ｏｕｔの終端５４の電界分布４８IVは、チャネル導波路９のＴＥ０モードの電界分布と略一致する。従って、ＴＥ０光７はモード変換素子２とチャネル導波路の境界（すなわち、終端５４）では殆ど反射されずに、チャネル導波路９にそのまま入射する。
【0067】
リブチャネル変換部１０を介さずに直接、出力側第１リブ部２０ａにチャネル導波路９を接続すると、電界分布の不整合（電界分布４８Iおよび電界分布４８IV参照）によりＴＥ０光７が反射され反射損失が発生する。しかし実施の形態１のモード変換素子２は、リブチャネル変換部１０を有するので、ＴＥ０光７は殆ど反射されない。すなわち実施の形態１によれば、モード変換素子２からＴＥ０光７が出力される際の反射損失が抑制される。なお図１３等に示された例では、第３スラブ部２４ｃは接続領域３６の外側に配置されているが、第３スラブ部２４ｃの先端は接続領域３６の内部まで伸びていても良い。
【0068】
ところで、モード次数変換部８に入力されるＴＥ１光５のうちＴＥ０光７に変換されない部分(以下、非変換部分と呼ぶ）は、入力側第２リブ部１８ｂに入力される。図１に示すように入力側第２リブ部１８ｂの先端部３７は、非変換部分のビーム径を拡大するため狭窄化されている。先端部３７における非変換部分のビーム径が拡大すると、先端部３７の実効屈折率とクラッド６の屈折率の差が縮小する。すると先端部３７における非変換部分の反射率が低下し、非変換部分は殆ど反射されずにそのままクラッド６に排出される。
【0069】
（３）片側リブを用いたリブチャネル変換部
出力側第２リブ部２０ｂ（図１３参照）と第２～第３スラブ部２４ｂ，２４ｃは、スラブ層がスラブ層より厚いリブ部の両側面に接続された両側リブを形成している。この両側リブにより、入力側第２リブ部１８ｂ側に偏った電界分布４８IIの重心が出力側第２リブ部２０ｂ側に移動し、左右対称な電界分布４８IIIが形成される。
出力側第２リブ部２０ｂ（図１３参照）と第２～第３スラブ部２４ｂ，２４ｃは、スラブ層がスラブ層より厚いリブ部の両側面に接続された両側リブを形成している。この両側リブにより、入力側第２リブ部１８ｂ側に偏った電界分布４８IIの重心が出力側第２リブ部２０ｂ側に移動し、左右対称な電界分布４８IIIが形成される。
【0070】
しかし左右対称な電界分布の形成は、片側リブによっても可能である。図１４は、片側リブを用いたリブチャネル変換部１１０の一例を示す平面図である。
【0071】
図１４のリブチャネル変換部１１０は、入力側第２リブ部１１８ｂ、出力側第２リブ部２０ｂ、およびＶ字型の先端部分１２４ｅ（以下、スラブ先端部と呼ぶ）を備えたスラブ層１２４を有する。
【0072】
図１４に示すように、出力側第２リブ部２０ｂとスラブ層１２４とは、スラブ層がリブ部の片側面のみに接続された片側リブを形成している。スラブ先端部１２４ｅに達する前のＴＥ０光７の電界分布１４８I，１４８IＩ,１４８IIIは、片側リブを伝搬するので左右非対称である。
【0073】
図１４に示すように、スラブ先端部１２４ｅの右側部分Ｒの幅は、出力側第２リブ部２０ｂの先端に向かって徐々に狭くなる。このため、ＴＥ０光７のスラブ層１２４への浸み出しは徐々に縮小し、最終的にはＴＥ０光７の電界分布は左右対称になる（電界分布１４８IV参照）。しかし、片側リブを用いたリブチャネル変換部１１０には、ＴＥ０光７の散乱損失が大きいという問題がある。
【0074】
図１５は、スラブ先端部１２４ｅの右側部分Ｒと出力側第２リブ部２０ｂが形成する片側リブ２１を通過中のＴＥ０光７の電界分布１４８Vを示す図である。図１５に示すように、片側リブ２１を通過するＴＥ０光７の電界分布１４８Vは、スラブ先端部１２４ｅに浸み出している。このため、スラブ先端部１２４ｅの側面（特に、右側部分Ｒの側面）における電界強度５６は十分に減衰していない。
【0075】
このため、スラブ先端部１２４ｅの側壁荒れによってＴＥ０光７が散乱され、ＴＥ０光７に大きな散乱損失が発生する。「側壁荒れ」とは、ドライエッチングによりＳｉ層等の側面に発生する不均一な凹凸のことである。
【0076】
一方このような問題は、図１等を参照して説明した実施の形態１のリブチャネル変換部１０には生じない。図１６は、リブチャネル変換部１０の出力側第２リブ部２０ｂの先端部分（すなわち、外側領域２０ｏｕｔ）を伝搬するＴＥ０光７の電界分布４８Vを示す図である。
【0077】
図１６に示すように電界分布４８Vは左右対称であり、第４～第５スラブ部２４ｄ，２４ｅそれぞれの側面における電界強度５８,６０は十分に減衰している。このため、第４～第５スラブ部２４ｄ,２４ｅの側壁荒れによるＴＥ０光の散乱は限定的であり、出力側第２リブ部２０ｂを伝搬するＴＥ０光７に散乱損失は殆ど発生しない。
【0078】
なお、内側領域２０ｉｎにおけるＴＥ０光７は第２スラブ部２４ｂに大量に浸み出し、第３スラブ部２４ｃにはあまり浸み出さない（図１３の電界分布４８II参照）。従って、第３スラブ部２４ｃの側壁荒れによるＴＥ０光７の散乱損失は限定的である。
【0079】
（４）製造方法および寸法
モード変換素子２は例えば、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウエハから形成される。先ず、埋め込み酸化膜（Buried Oxide）上のＳｉ層の表面にフォトリソグラフィ技術により、平面視においてコア４と略同形・同サイズのフォトレジスト膜を形成する。次に、フォトレジスト膜により覆われていない領域のＳｉ層をドライエッチングにより除去しその後、フォトレジスト膜を除去する。
モード変換素子２は例えば、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウエハから形成される。先ず、埋め込み酸化膜（Buried Oxide）上のＳｉ層の表面にフォトリソグラフィ技術により、平面視においてコア４と略同形・同サイズのフォトレジスト膜を形成する。次に、フォトレジスト膜により覆われていない領域のＳｉ層をドライエッチングにより除去しその後、フォトレジスト膜を除去する。
【0080】
フォトレジスト膜の除去により露出したＳｉ層の上に再度、入力側第１～第４リブ部１８ａ～１８ｄおよび出力側第１～第２リブ部２０ａ，２０ｂと平面視において略同形・同サイズのフォトレジスト膜を再度フォトリソグラフィ技術により形成する。
【0081】
次に、再形成されたフォトレジスト膜により覆われていない領域のＳｉ層の上層部を、ドライエッチングにより除去する。このドライエッチングにより、第１～第８スラブ部２４ａ～２４ｈが形成される。更にフォトレジスト膜で覆われた領域には、入力側第１～第４リブ部１８ａ～１８ｄおよび出力側第１～第２リブ部２０ａ，２０ｂが形成される。ここまでの工程により、コア４が形成される。
【0082】
その後、埋め込み酸化膜（Buried Oxide）およびコア４の上にＳｉＯ２膜を堆積して、上部クラッド６ｕを形成する。埋め込み酸化膜（例えば、ＳｉＯ２膜）は、下部クラッド層６ｌとして利用される。
【0083】
入力側第１～第４リブ部１８ａ～１８ｄおよび出力側第１～第２リブ部２０ａ～２０ｂの厚さは好ましくは、０．１～０．５μｍ（例えば、０．２２μｍ）である。第１～第８スラブ部２４ａ～２４ｈの厚さは好ましくは、０．０５μｍ～０．２μｍ（例えば、０．１μｍ）である。
【0084】
図１７は、モード変換素子２の水平方向のサイズの一例を示すための図である。入力側第３リブ部１８ｃの左端の幅Ｗ１は好ましくは、０．２μｍ～０，８μｍ（例えば、０．４μｍ）である。入力側第３リブ部１８ｃの長さＬ１は好ましくは、３０μｍ～１２０μｍ（例えば、６０μｍ）である。
【0085】
入力側第３リブ部１８ｃは一定のテーパ角度で、幅Ｗ２まで広がる。幅Ｗ２は、好ましくは幅０．３μｍ～１．３μｍ（例えば、０．６５μｍ）である。入力側第３リブ部１８ｃは上記テーパ角度より大きいテーパ角度で、入力側第４リブ部１８ｄの左端の幅Ｗ３まで広がる。幅Ｗ３は、好ましくは幅０．８μｍ～３．２μｍ（例えば、１．６μｍ）である。
【0086】
入力側第４リブ部１８ｄの幅は、入力側第１リブ部１８ａの幅Ｗ４まで一定のテーパ角度で変化する。幅Ｗ４は好ましくは、０．５μｍ～２．３μｍ（例えば、１．１１μｍ）である。入力側第４リブ部１８ｄの長さＬ２は好ましくは、２ｍ～８μｍ（例えば、４μｍ）である。入力側第１リブ部１８ａの長さＬ３は好ましくは、４μｍ～１６μｍ（例えば、８μｍ）である。
【0087】
入力側第２リブ部１８ｂの幅は、一定のテーパ角度で入力側第１リブ部１８ａの幅Ｗ４から幅Ｗ５まで減少する。幅Ｗ５は好ましくは、０．１μｍ～０．６μｍ（例えば、０．３μｍ）である。幅Ｗ５まで減少した入力側第２リブ部１８ｂの幅は、入力側第２リブ部１８ｂの右端まで一定に保たれる。
【0088】
出力側第１リブ部２０ａの幅Ｗ６は好ましくは、０．２μｍ～１．０μｍ（例えば、０．４６μｍ）である。出力側第１リブ部２０ａの長さＬ４は好ましくは、４μｍ～１６μｍ（例えば、８μｍ）である。
【0089】
出力側第２リブ部２０ｂの幅は好ましくは、一定のテーパ角度で出力側第１リブ部２０ａの幅Ｗ６から一定の幅Ｗ７まで僅かに増加する。幅Ｗ７は好ましくは、０．２μｍ～１．０μｍ（例えば、０．４８μｍ）である。幅Ｗ７まで増加した出力側第２リブ部２０ｂの幅は、出力側第２リブ部２０ｂの右端まで一定に保たれる。幅Ｗ７は好ましくは、チャネル導波路９（図５参照）の幅である。接続領域３６（図６参照）の長さＬ５は好ましくは、２μｍ～８μｍ（例えば、４μｍ）である。
【0090】
入力側第１リブ部１８ａと出力側第１リブ部２０ａの間隔は一定であり、好ましくは、０．０８μｍ～０．３２μｍ（例えば、０．１６μｍ）である。
【0091】
第３スラブ部２４ｃの左端の幅は好ましくは、０μｍ～０．１μｍ（例えば、０．０５μｍ）である。第３スラブ部２４ｃの右端の幅Ｗ８は、好ましくは、０.１５μｍ～０．６μｍ（例えば、０．３μｍ）である。
【0092】
第５スラブ部２４ｅの左端の幅は好ましくは、０.１５μｍ～０．６μｍ（例えば、０．３μｍ）である。第５スラブ部２４ｅの右端の幅は好ましくは、０μｍ～０．１μｍ（例えば、０．０５μｍ）である。第４スラブ部２４ｄの幅は、好ましくは第５スラブ部２４ｅの幅と同じである。
【0093】
（５）応用例
図１８は、モード変換素子２を適用したデジタルコヒーレント受信機６６の一例を示すブロック図である。デジタルコヒーレント受信機６６は例えば、ＳＯＩ基板上に光素子が集積されたシリコンフォトニクスデバイスの素子間通信（すなわち、インターコネクション）に用いることができる。
図１８は、モード変換素子２を適用したデジタルコヒーレント受信機６６の一例を示すブロック図である。デジタルコヒーレント受信機６６は例えば、ＳＯＩ基板上に光素子が集積されたシリコンフォトニクスデバイスの素子間通信（すなわち、インターコネクション）に用いることができる。
【0094】
デジタルコヒーレント受信機６６は、偏波多重位相変調された信号光６７を、方向性結合器７２によりＴＭ０光３とＴＥ０６８光とに分波する。デジタルコヒーレント受信機６６は更に、半導体レーザ７６から出力されるレーザ光７７を、光スプリッタ８０により第１局発光７８ａと第２局発光７８ｂに分割する。
【0095】
方向性結合器７２により分波されたＴＥ０６８と第１局発光７８ａとは第１の９０°光ハイブリッド７４ａにより合波されて、位相が互いに１８０°異なる干渉光８２に変換される。干渉光８２はバランス検出器８４により、電気信号８６に光電変換される。非図示の集積回路により電気信号８６から、ＴＥ０光６８の変調信号が復調される。
【0096】
なお第１の９０°光ハイブリッド７４ａからは、位相が互いに１８０°異なる干渉光８２が２組出力されるが、図面を簡単にするため図１８には１組だけ示されている。第２の９０°光ハイブリッド７４ｂから出力される干渉光についても同様である。
【0097】
方向性結合器７２により分波されたＴＭ０光３は、モード変換素子２によりＴＥ０光７に変換される。ＴＥ０光７と第２局発光７８ｂとは第２の９０°光ハイブリッド７４ｂにより合波されて、位相が１８０°異なる干渉光１８２に変換される。干渉光１８２はバランス検出器１８４により、電気信号１８６に光電変換される。非図示の集積回路により電気信号１８６から、ＴＭ０光３の変調信号が復調される。デジタルコヒーレント受信機６６は以上の処理により、偏波多重位相変調された信号光６７を復調する。
【0098】
モード変換素子２は方向性結合器７２等と一緒にＳＯＩ基板上に集積化可能なので、実施の形態１のモード変換素子２によれば、シリコンフォトニクスデバイス間の素子間通信のためのデジタルコヒーレント受信機６６を実現できる。
【0099】
（６）変形例
（６－１）変形例１
図１９は変形例１のモード変換素子Ｍ１の一例を示す平面図である。モード変換素子Ｍ１の構造は、第４～第５スラブ部２４ｄ,２４ｅを有さないこと以外は図１を参照して説明したモード変換素子２と略同じである。
（６－１）変形例１
図１９は変形例１のモード変換素子Ｍ１の一例を示す平面図である。モード変換素子Ｍ１の構造は、第４～第５スラブ部２４ｄ,２４ｅを有さないこと以外は図１を参照して説明したモード変換素子２と略同じである。
【0100】
モード変換素子Ｍ１は第４～第５スラブ部２４ｄ,２４ｅを有さないので、出力側第２リブ部２０ｂを伝搬するＴＥ０光７は、第２スラブ部２４ｂの内側領域２０ｉｎから出射される際に反射される。しかし、素子構造（例えば、コア４の各領域の幅や厚さ）を最適化することで、内側領域２０ｉｎから出射されるＴＥ０光７の反射を抑制できる。例えば「（４）製造方法および寸法」で括弧内に例示した寸法（例えば、出力側第１～第２リブ部２０ａ～２０ｂの厚さ０．２２μｍ等）によれば、反射損失を-３０ｄＢに抑制できる。
【0101】
ところで、出力側第２リブ部２０ｂの外側領域２０ｏｕｔおよびチャネル導波路９（図５参照）それぞれの構造（すなわち、幅および厚さ等）が互いに一致する場合には、外側領域２０ｏｕｔ自体を設けなくても良い。この場合、変形例Ｍ１のモード変換素子とチャネル導波路９とを接続した導波路構造は、外側領域２０ｏｕｔが設けられるか否かに拘わらず実質的に同じある。従って外側領域２０ｏｕｔを設けずに、出力側第２リブ部２０ｂの内側領域２０ｉｎにチャネル導波路９を直接接続しても良い。
【0102】
変形例１によれば素子構造を単純化できるので、製造工程を簡素化できる。
【0103】
（６－２）変形例２
図１を参照して説明した第３スラブ部２４ｃの幅は、出力側第２リブ部２０ｂの先端３２に向かって徐々に増加する。しかし、第３スラブ部２４ｃの幅は徐々に増加しなくても良い。例えば第３スラブ部２４ｃの幅は、階段状に増加しても良い。或いは第３スラブ部２４ｃは、幅が一定の矩形のスラブ層であっても良い。この様な構造であっても、出力側第２リブ部２０ｂを伝搬するＴＥ０光７の電界分布を左右対称にすることは可能である。
図１を参照して説明した第３スラブ部２４ｃの幅は、出力側第２リブ部２０ｂの先端３２に向かって徐々に増加する。しかし、第３スラブ部２４ｃの幅は徐々に増加しなくても良い。例えば第３スラブ部２４ｃの幅は、階段状に増加しても良い。或いは第３スラブ部２４ｃは、幅が一定の矩形のスラブ層であっても良い。この様な構造であっても、出力側第２リブ部２０ｂを伝搬するＴＥ０光７の電界分布を左右対称にすることは可能である。
【0104】
変形例２によれば素子構造を単純化できるので、製造工程を簡素化できる。
【0105】
（６－３）変形例３
図２０は変形例３のモード変換素子Ｍ３の一例を示す平面図である。図２０に示すように、出力側第２リブ部２０ｂの外側領域２０ｏｕｔは、出力側第１リブ部２０ａより細い。この点以外は、変形例３のモード変換素子Ｍ３の構造は、図１を参照して説明したモード変換素子２の構造と略同じである。
図２０は変形例３のモード変換素子Ｍ３の一例を示す平面図である。図２０に示すように、出力側第２リブ部２０ｂの外側領域２０ｏｕｔは、出力側第１リブ部２０ａより細い。この点以外は、変形例３のモード変換素子Ｍ３の構造は、図１を参照して説明したモード変換素子２の構造と略同じである。
【0106】
出力側第２リブ部２０ｂの先端の幅は好ましくはチャネル導波路９（図５参照）の幅なので、チャネル導波路９が出力側第１リブ部２０ａより細い場合には、外側領域２０ｏｕｔは出力側第１リブ部２０ａより細くても良い。図２０に示す例では、出力側第２リブ部２０ｂの幅は、内側領域２０ｉｎでチャネル導波路９の幅まで細くなっている。
【0107】
変形例３によれば、チャネル導波路９が出力側第１リブ部２０ａより細い場合にも、モード変換素子Ｍ３とチャネル導波路の境界における反射損失を抑制できる。
【0108】
（６－４）変形例４
図２１は変形例４のモード変換素子Ｍ４の一例を示す平面図である。図１を参照して説明したモード変換素子２のモード次数変換部８は、互いに幅が異なる２つのリブ部（すなわち、入力側第１リブ部１８ａおよび出力側第１リブ部２０ａ）を有する方向性結合器である。一方、変形例４の方向性結合器では、入力側第１リブ部１１８ａの幅Ｗｉｎ（ｚ）が入力側第２リブ部１１８ｂに向かって減少し、出力側第１リブ部１２０ａの幅Ｗｏｕｔ（ｚ）が出力側第２リブ部１２０ｂに向かって増加する（相違点１）。ｚは、入力側第１リブ部１１８ａおよび出力側第１リブ部１２０ａに沿った座標である。図２２に示す例では、Ｗｉｎ（ｚ）およびＷｏｕｔ（ｚ）はｚの１次関数である。入力側第１リブ部１１８ａと出力側第１リブ部１２０ａの間隔は一定である。
図２１は変形例４のモード変換素子Ｍ４の一例を示す平面図である。図１を参照して説明したモード変換素子２のモード次数変換部８は、互いに幅が異なる２つのリブ部（すなわち、入力側第１リブ部１８ａおよび出力側第１リブ部２０ａ）を有する方向性結合器である。一方、変形例４の方向性結合器では、入力側第１リブ部１１８ａの幅Ｗｉｎ（ｚ）が入力側第２リブ部１１８ｂに向かって減少し、出力側第１リブ部１２０ａの幅Ｗｏｕｔ（ｚ）が出力側第２リブ部１２０ｂに向かって増加する（相違点１）。ｚは、入力側第１リブ部１１８ａおよび出力側第１リブ部１２０ａに沿った座標である。図２２に示す例では、Ｗｉｎ（ｚ）およびＷｏｕｔ（ｚ）はｚの１次関数である。入力側第１リブ部１１８ａと出力側第１リブ部１２０ａの間隔は一定である。
【0109】
図１を参照して説明したモード変換素子２のリブチャネル変換部１０は、入力側第２リブ部１８ｂと出力側第２リブ部２０ｂの間隔Ｇ（図６参照）が出力側第２リブ部２０ｂの先端に向かって増加する接続領域３６を有する。一方、変形例４のリブチャネル変換部１１０は、その様な領域を有さない。すなわち、入力側第２リブ部１１８ｂと出力側第２リブ部１２０ｂの間隔ＧＭ４は一定である（相違点２）。
【0110】
－動作―
図２２は、変形例４のモード次数変換部１０８の動作の一例を説明する図である。変形例４のモード次数変換部１０８は、入力側第１リブ部１１８ａを伝搬するＴＥ１光５の実効屈折率と出力側第１リブ部１２０ａを伝搬するＴＥ０光７の実効屈折率が中央で一致するように構成されている。
図２２は、変形例４のモード次数変換部１０８の動作の一例を説明する図である。変形例４のモード次数変換部１０８は、入力側第１リブ部１１８ａを伝搬するＴＥ１光５の実効屈折率と出力側第１リブ部１２０ａを伝搬するＴＥ０光７の実効屈折率が中央で一致するように構成されている。
【0111】
入力側第１リブ部１１８ａを伝搬するＴＥ１光５および出力側第１リブ部１２０ａを伝搬するＴＥ０光７それぞれの実効屈折率が互いに一致する位置（以下、整合位置と呼ぶ）の座標をｚｃとする。整合位置ｚｃおける入力側第１リブ部１１８ａの幅Ｗｉｎ（ｚｃ）は、図１２を参照して説明したＷｙである。整合位置ｚｃおける出力側第１リブ部１２０ａの幅Ｗｏｕｔ（ｚｃ）は、図１２を参照して説明したＷｘである。
【0112】
整合位置ｚｃを含む特定の領域６４（以下、整合領域と呼ぶ）では、ＴＥ１光５の実効屈折率とＴＥ０光７の実効屈折率は略一致し、ＴＥ１光５はＴＥ０光７に変換される。
【0113】
一方、整合領域６４の左側の領域では、ＴＥ１光５とＴＥ０光７の実効屈折率の差異が大きく、ＴＥ１光５はＴＥ０光７に殆ど変換されない。変型例４では、Ｗｉｎ（ｚ）の変化率（＝ｄＷｉｎ（ｚ）／ｄｚ＜０）の符号とＷｏｕｔ（ｚ）の変化率（＝ｄＷｏｕｔ（ｚ）／ｄｚ＞０）の符号が逆なので、この様な整合領域６４が形成される。
【0114】
整合領域６４の右側の領域でも、ＴＥ１光５とＴＥ０光７の実効屈折率の差異が大きいので、ＴＥ０光７が入力側第１リブ部１１８ａのＴＥ１光５に逆戻りすることはない。従ってリブチャネル変換部１１０で入力側第２リブ部１１８ｂと出力側第２リブ部１２０ｂの間隔が広がらなくても、ＴＥ０光７が出力側第２リブ部１１８ｂのＴＥ１光に逆戻りすることはない。このため変形例４では、入力側第２リブ部１１８ｂと出力側第２リブ部１２０ｂの間隔ＧＭ４は一定となっている（相違点２参照）。
【0115】
入力側第１リブ部１１８ａおよび出力側第１リブ部１２０ａの長さは、好ましくは２５μｍ～１００μｍ（例えば、５０μｍ）である。入力側第１リブ部１１８ａと出力側第１リブ部１２０ａの間隔は、好ましくは０．０８μｍ～０．３２μｍ（例えば、０．１６μｍ）である。入力側第１リブ部１１８ａの左端の幅は好ましくは、０．７μｍ～３μｍ（例えば、１．５μｍ）である。入力側第１リブ部１１８ａの右端の幅は好ましくは、０．１５μｍ～０．６μｍ（例えば、０．３μｍ）である。
【0116】
出力側第１リブ部１２０ａの左端の幅は好ましくは、０．１μｍ～０．４μｍ（例えば、０．２μｍ）である。出力側第１リブ部１２０ａの右端の幅は好ましくは、０．２μｍ～１.０μｍ（例えば、０．４８μｍ）である。
【0117】
これらのサイズを除き、変形例４のモード変換素子Ｍ４の各部分のサイズは好ましくは、図１を参照して説明したモード変換素子２の各部分のサイズと同じである。
【0118】
－モード変換効率劣化の抑制―
製造誤差δにより、入力側第１リブ部１１８ａおよび出力側第１リブ部１２０ａの幅が設計値から変化した場合を考える。ここでは説明を簡単にするために、入力側第１リブ部１１８ａの幅Ｗｉｎ（ｚ）および出力側第１リブ部１２０ａの幅Ｗｏｕｔ（ｚ）がｚの１次関数の場合を考える。
製造誤差δにより、入力側第１リブ部１１８ａおよび出力側第１リブ部１２０ａの幅が設計値から変化した場合を考える。ここでは説明を簡単にするために、入力側第１リブ部１１８ａの幅Ｗｉｎ（ｚ）および出力側第１リブ部１２０ａの幅Ｗｏｕｔ（ｚ）がｚの１次関数の場合を考える。
【0119】
製造誤差δにより変化した入力側第１リブ部１１８ａの幅をＷ’ｉｎ（ｚ）とする。同様に、製造誤差δにより変化した出力側第１リブ部１２０ａの幅をＷ’ｏｕｔ（ｚ）とする。Ｗ’ｉｎ（ｚ）および幅Ｗ’ｏｕｔ（ｚ）は、式（１）～（２）で表される。
【0120】
Ｗ’ｉｎ（ｚ）＝Ｗｉｎ（ｚ）+δ
＝Ｗｉｎ（ｚｃ）-ｋ（ｚ-ｚｃ）+δ
＝Ｗｉｎ（ｚｃ）-ｋ｛（ｚ-δ/ｋ）-ｚｃ｝
＝Ｗｉｎ（ｚ-δ/ｋ） ・・・・・ （１）
Ｗ’ｏｕｔ（ｚ）＝Ｗｏｕｔ（ｚ）+δ
＝Ｗｏｕｔ（ｚｃ）-ｋ（ｚ-ｚｃ）+δ
＝Ｗｏｕｔ（ｚｃ）-ｋ｛（ｚ-δ/ｋ）-ｚｃ｝
＝Ｗｏｕｔ（ｚ-δ/ｋ） ・・・・・ （２）
ここでｋは、正の係数である。
＝Ｗｉｎ（ｚｃ）-ｋ（ｚ-ｚｃ）+δ
＝Ｗｉｎ（ｚｃ）-ｋ｛（ｚ-δ/ｋ）-ｚｃ｝
＝Ｗｉｎ（ｚ-δ/ｋ） ・・・・・ （１）
Ｗ’ｏｕｔ（ｚ）＝Ｗｏｕｔ（ｚ）+δ
＝Ｗｏｕｔ（ｚｃ）-ｋ（ｚ-ｚｃ）+δ
＝Ｗｏｕｔ（ｚｃ）-ｋ｛（ｚ-δ/ｋ）-ｚｃ｝
＝Ｗｏｕｔ（ｚ-δ/ｋ） ・・・・・ （２）
ここでｋは、正の係数である。
【0121】
式（１）～（２）によれば、Ｗ’ｉｎ（ｚ）＝Ｗｉｎ（ｚ-δ/ｋ）およびＷ’ｏｕｔ（ｚ）＝Ｗｏｕｔ（ｚ-δ/ｋ）である。従って、入力側第１リブ部１１８ａおよび出力側第１リブ部１２０ａの幅が製造誤差δにより変化すると、整合領域６４（ＴＥ１光５とＴＥ０光７の実効屈折率は略一致する領域）がｚ軸に沿ってδ/ｋだけ平行移動する。
【0122】
整合領域６４がこの平行移動によりモード次数変換部１０８から食み出さなければ、ＴＥ１光５からＴＥ０光７へのモード変換効率は劣化しない。
【0123】
整合領域６４のモード次数変換部１０８からの食み出しは、モード次数変換部１０８を長くすることで容易に実現できる。従って変形例４によれば、製造誤差によるモード変換効率の劣化を抑制することができる。
【0124】
（６－５）変形例５
図２３は変形例５のモード変換素子Ｍ５の一例を示す平面図である。図１及び６を参照して説明したモード変換素子２のリブチャネル変換部１０は、入力側第２リブ部１８ｂと出力側第２リブ部２０ｂの間隔Ｇ（図６参照）が増加する接続領域３６を有する。一方、変形例５のモード変換素子Ｍ５は、この様な領域を有さない。
図２３は変形例５のモード変換素子Ｍ５の一例を示す平面図である。図１及び６を参照して説明したモード変換素子２のリブチャネル変換部１０は、入力側第２リブ部１８ｂと出力側第２リブ部２０ｂの間隔Ｇ（図６参照）が増加する接続領域３６を有する。一方、変形例５のモード変換素子Ｍ５は、この様な領域を有さない。
【0125】
図２３に示すように、変形例５の入力側第２リブ部４１８ｂは、上辺が傾斜し底辺が出力側第２リブ部２０ｂに平行な四角形である。このため、入力側第２リブ部４１８ｂと出力側第２リブ部２０ｂ側の間隔ＧＭ５は、略一定である。
【0126】
図２３に示すように入力側第２リブ部４１８ｂの幅は、入力側第１リブ部１８ａから遠ざかるに従い減少する。このため、入力側第２リブ部４１８ｂのＴＥ１光の実効屈折率は入力側第１リブ部１８ａから遠ざかるに従い、出力側第２リブ部２０ｂのＴＥ０光の実効屈折率から乖離する。従って、出力側第２リブ部２０ｂを伝搬するＴＥ０光７が、入力側第２リブ部４１８ｂのＴＥ０光に逆戻りすることはない。
【0127】
（６－６）変形例６
図１～２３を参照して説明した例では、モード次数変換部８は、ＴＥ１光５をＴＥ０光７に変換する。しかしモード次数変換部８は、ＴＥ１光よりモード次数が高い伝搬光をＴＥ０光７よりモード次数が高い伝搬光に変換しても良い。例えばモード次数変換部８は、ＴＥ２モードの伝搬光をＴＥ１モードの伝搬光に変換しても良い。この場合、偏波回転部１２は例えば、ＴＭ１モードの伝搬光をＴＥ２モードの伝搬光に変換する。
図１～２３を参照して説明した例では、モード次数変換部８は、ＴＥ１光５をＴＥ０光７に変換する。しかしモード次数変換部８は、ＴＥ１光よりモード次数が高い伝搬光をＴＥ０光７よりモード次数が高い伝搬光に変換しても良い。例えばモード次数変換部８は、ＴＥ２モードの伝搬光をＴＥ１モードの伝搬光に変換しても良い。この場合、偏波回転部１２は例えば、ＴＭ１モードの伝搬光をＴＥ２モードの伝搬光に変換する。
【0128】
すなわちモード次数変換部８は、電界方向が基板１１と平行になるように偏光し実効屈折率が基本モードより高い高次ＴＥ光を、電界方向が基板１１と平行になるように偏光し実効屈折率が上記高次ＴＥ光より低い低次ＴＥ光に変換して良い。実施の形態２～３についても同様である。
【0129】
この場合、高次ＴＥ光は入力側第１リブ部１８ａを伝搬する伝搬光（第１伝搬光）である。低次ＴＥ光は、出力側第１リブ部２０ａを伝搬する伝搬光（第２伝搬光）である。偏波回転部１２には、電界方向が基板１１と直交するように偏光したＴＭ光が入力され、入力されたＴＭ光を上記高次ＴＥ光に変換してモード次数変換部８に入力する。
【0130】
変形例５によれば、ＴＥ１光よりモード次数の高いＴＥ偏波をモード次数が低い別のＴＥ偏波に変換することができる。
【0131】
以上の例では、リブチャネル変換部１０，１１０，４１０は、入力側第２リブ部１８ｂ，１１８ｂ，４１８ｂを有している。しかし非変換ＴＥ１光（「（２－３）リブチャネル変換部１０の動作」参照）が十分に弱い場合には、リブチャネル変換部１０，１１０，４１０は入力側第２リブ部１８ｂ，１１８ｂ，４１８ｂを有さなくても良い。
【0132】
この場合、非変換ＴＥ１光は入力側第１リブ部１８ａの端面で部分的に反射される。しかし十分に弱い非変換ＴＥ１光が反射されても、入力側第１リブ部１８ａを逆行する反射光は更に弱いので、反射光による障害は起き難い。
【0133】
以上の例では、偏波回転部１２は第６～第７スラブ部２４ｆ，２４ｇを有する。しかし、上部クラッド６u（図４参照）および下部クラッド６ｌそれぞれの屈折率が互いに異なる場合には、偏波回転部１２は第６～第７スラブ部２４ｆ，２４ｇを有さなくても良い。クラッドの屈折率が上下非対称な場合にも、ＴＭ光はＴＥ光に変換される（例えば、非特許文献１～２参照）。
【0134】
以上の例では、入力側第２リブ部１８ｂの幅は変形例４を除き、入力側第１リブ部１８ａから遠ざかるに従って減少する。しかし、入力側第２リブ部１８ｂの幅は減少しなくても良い。例えば、入力側第２リブ部１８ｂと出力側第２リブ部２０ｂの間隔が広がるように、入力側第２リブ部１８ｂが上方に曲がる場合には、入力側第２リブ部１８ｂの幅は減少しなくても良い。この場合も、入力側第２リブ部１８ｂのＴＥ１モードと出力側第２リブ部２０ｂのＴＥ０モードの結合係数が小さくなるので、出力側第２リブ部２０ｂのＴＥ０光７が入力側第２リブ部１８ｂのＴＥ１光に逆戻りすることはない。
【0135】
実施の形態１のモード変換素子２は、偏波回転部１２を有することで光偏波回転素子として機能する。しかしモード変換素子２は、偏波回転部１２を有さなくても良い。偏波回転部１２を有さない場合、モード変換素子２は光偏波回転素子以外の光素子として用いることができる（例えば、実施の形態３参照）。
【0136】
実施の形態１によれば、出力側第１リブ部２０ａとチャネル導波路９の間に両側面にスラブ層が接する出力側第２リブ部２０ｂが設けられるので、入力側第２リブ部１８ｂ側に偏ったＴＥ０光の電界分布が左右対称に修正される。この修正により、モード変換素子２とチャネル導波路９の境界におけるＴＥ０光の電界分布の不整合が緩和され、モード変換素子２とチャネル導波路９の境界における反射損失が抑制される。
【0137】
（実施の形態２）
実施の形態２のモード変換素子は、実施の形態１のモード変換素子２に類似している。従って、実施の形態１と同じ構成等については、説明を省略または簡単にする。
実施の形態２のモード変換素子は、実施の形態１のモード変換素子２に類似している。従って、実施の形態１と同じ構成等については、説明を省略または簡単にする。
【0138】
【0139】
実施の形態１のモード変換素子２（図１参照）の出力側第２リブ部２０ｂの幅は、出力側第１リブ部２０ａに接する接続領域３６（図６参照）を除き一定である。一方、実施の形態２の出力側第２リブ部２２０ｂの中央（例えば、内側領域２２０ｉｎと外側領域２２０ｏｕｔの境界Ｂの近傍）の幅は、出力側第２リブ部２２０ｂの両端の幅より広い。
【0140】
実施の形態１及び２いずれのモード変換素子２，２０２でも、出力側第２リブ部２０ｂ，２２０ｂの先端３２，２３２の幅は好ましくは、チャネル導波路９（図５参照）の幅である。従って、実施の形態２の出力側第２リブ部２２０ｂの幅は、中央（すなわち、境界Ｂの近傍）を含む広い領域で実施の形態１の出力側第２リブ部２０ｂの幅より広い。
【0141】
このため、実施の形態２の出力側第２リブ部２２０ｂは、実施の形態１の出力側第２リブ部２０ｂより強力にＴＥ０光７を閉じ込めることができる。従って実施の形態２によれば、第３～第５スラブ部２４ｃ～２４ｅ等の側壁による散乱損失を、実施の形態１のモード変換素子２より小さくできる。
【0142】
図２４に示す例では、出力側第２リブ部２２０ｂは、出力側第１リブ部２０ａに向かって幅が減少する内側テーパ部Ｔｉｎと先端２３２に向かって幅が減少する外側テーパＴｏｕｔとを有する。内側テーパ部Ｔｉｎと外側テーパＴｏｕｔの境界ＢＴにおける出力側第２リブ部２２０ｂの幅は好ましくは、０．３μｍ～１．３μｍ（例えば、０．６５μｍ）である。なお図２４～２５には、内側テーパ部Ｔｉｎと外側テーパＴｏｕｔの境界ＢＴが出力側第２リブ部２２０ｂの内側領域２２０ｉｎと外側領域２２０ｏｕｔの境界Ｂと一致する場合が示されている。しかし、境界ＢＴと境界Ｂは一致しなくても良い。
【0143】
内側テーパ部Ｔｉｎの両端のうち境界ＢＴと反対側の一端の幅は好ましくは、０．２μｍ～１．０μｍ（例えば、０．４６μｍ）である。外側テーパ部Ｔｏｕｔの両端のうち境界ＢＴと反対側の一端（すなわち、出力側第２リブ部２２０ｂの先端２３２）の幅は好ましくは、０．２μｍ～１．０μｍ（例えば、０．４８μｍ）である。以上のサイズを除き、モード変換素子２０２の各部分のサイズは、図１７を参照して説明した実施の形態１のモード変換素子２の各部分のサイズと同じである。
【0144】
（２）変形例
図２６は、変形例のモード変換素子Ｍ２０２の一例を示す平面図である。モード変換素子Ｍ２０２の構造は、第４～第５スラブ部２４ｄ,２４ｅを有さないこと以外は図２４を参照して説明したモード変換素子２０２の構造と略同じである。
図２６は、変形例のモード変換素子Ｍ２０２の一例を示す平面図である。モード変換素子Ｍ２０２の構造は、第４～第５スラブ部２４ｄ,２４ｅを有さないこと以外は図２４を参照して説明したモード変換素子２０２の構造と略同じである。
【0145】
モード変換素子Ｍ２０２は第４～第５スラブ部２４ｄ,２４ｅを有さないので、出力側第２リブ部２２０ｂを伝搬するＴＥ０光７は、内側領域２２０ｉｎから外側領域２２０outに入射する際に反射される。しかし、素子構造（例えば、コア４の幅や厚さ）を最適化することで、この反射を抑制することは容易である（実施の形態１の「（６－１）変形例１」参照）。
【0146】
変形例によれば素子構造を単純化できるので、製造工程を簡素化できる。
【0147】
実施の形態２によれば、実施の形態１のモード変換素子２と同様チャネルリブ変換部２１０により、モード変換素子２０２とチャネル導波路９の境界における反射損失を抑制できる。更に実施の形態２によれば、幅広の出力側第２リブ部２２０ｂにＴＥ０光７を確実に閉じ込めることができるので、第３～第５スラブ部２４ｃ～２４ｄ等の側壁による散乱損失を抑制できる。
【0148】
（実施の形態３）
図２７は、実施の形態３のモード変換素子３０２の一例を示す平面図である。図２８は、実施の形態３のモード変換素子３０２の動作の一例を説明する図である。実施の形態３のモード変換素子３０２は、実施の形態１のモード変換素子２に類似している。従って、実施の形態１と同じ構成等については、説明を省略または簡単にする。
図２７は、実施の形態３のモード変換素子３０２の一例を示す平面図である。図２８は、実施の形態３のモード変換素子３０２の動作の一例を説明する図である。実施の形態３のモード変換素子３０２は、実施の形態１のモード変換素子２に類似している。従って、実施の形態１と同じ構成等については、説明を省略または簡単にする。
【0149】
（１）構造
図２７に示すように、実施の形態３のモード変換素子３０２は、偏波回転部１２を有さない。更にモード変換素子３０２のモード次数変換部３０８は、出力側第１リブ部３２０ａのＴＥ１モードの実効屈折率が、入力側第１リブ部１８ａのいずれのＴＥモード（例えば、ＴＥ１モード）の実効屈折率とも一致しないように構成されている。これらの点を除き、実施の形態３のモード変換素子３０２の構造は、実施の形態１のモード変換素子２の構造と略同じである。
図２７に示すように、実施の形態３のモード変換素子３０２は、偏波回転部１２を有さない。更にモード変換素子３０２のモード次数変換部３０８は、出力側第１リブ部３２０ａのＴＥ１モードの実効屈折率が、入力側第１リブ部１８ａのいずれのＴＥモード（例えば、ＴＥ１モード）の実効屈折率とも一致しないように構成されている。これらの点を除き、実施の形態３のモード変換素子３０２の構造は、実施の形態１のモード変換素子２の構造と略同じである。
【0150】
（２）動作
実施の形態３のモード変換素子３０２には、ＴＥ１光５（図２８参照）およびＴＥ１光５とは異なるＴＥ１光３０５が入力されて、ＴＥ１光５が変換されたＴＥ０光７とＴＥ１光３０５とが多重化される。ＴＥ１光５およびＴＥ１光３０５は、ＴＥ１モードの伝搬光である。ＴＥ０光７は、ＴＥ０モードの伝搬光である。
実施の形態３のモード変換素子３０２には、ＴＥ１光５（図２８参照）およびＴＥ１光５とは異なるＴＥ１光３０５が入力されて、ＴＥ１光５が変換されたＴＥ０光７とＴＥ１光３０５とが多重化される。ＴＥ１光５およびＴＥ１光３０５は、ＴＥ１モードの伝搬光である。ＴＥ０光７は、ＴＥ０モードの伝搬光である。
【0151】
ＴＥ１光５はチャネル導波路３０９を介して、入力側第１リブ部１８ａに入力される。実施の形態１と同様、入力側第１リブ部１８ａおけるＴＥ１光５の実効屈折率は、出力側第１リブ部２０ａにおけるＴＥ０光７の実効屈折率と略同じである。従ってＴＥ１光５は、ＴＥ０７光に変換され出力側第２リブ部２０ｂからチャネル導波路９に出力される。
【0152】
ＴＥ１光３０５はチャネル導波路４０９を介して、出力側第１スラブ部３２０ａに入力される。上述したように、出力側第１リブ部３２０ａのＴＥ１モードの実効屈折率は、入力側第１リブ部３１８ａのいずれのＴＥモードの実効屈折率とも異なる。従ってＴＥ１光３０５は、出力側第１リブ部３２０ａをそのまま通過して、出力側第２リブ部２０ｂからチャネル導波路９に出力される。
【0153】
その結果、ＴＥ１光５が変換されたＴＥ０光７とＴＥ１光３０５とが多重化され、出力側第２リブ部２０ｂから一緒に出力される。なお図２８示す例では、入力側のチャネル導波路３０９，４０９とモード次数変換部３０８との境界における反射損失を抑制するため、チャネル導波路３０９，４０９の間に先端がＶ字形のスラブ層３２４（実施の形態１参照）が設けられている。
【0154】
以上のように実施の形態３のモード変換素子３０２によれば、モード次数の異なるＴＥ偏波を多重化することができる。
【0155】
（３）応用例
図２９は、モード変換素子３０２を用いたモード多重送信機３６６の一例を示すブロック図である。モード多重送信機３６６は例えば、ＳＯＩ基板上に光素子が集積されたシリコンフォトニクスデバイスの素子間通信（すなわち、インターコネクション）に用いることができる。
図２９は、モード変換素子３０２を用いたモード多重送信機３６６の一例を示すブロック図である。モード多重送信機３６６は例えば、ＳＯＩ基板上に光素子が集積されたシリコンフォトニクスデバイスの素子間通信（すなわち、インターコネクション）に用いることができる。
【0156】
ＴＥ１光３６８（すなわち、ＴＥ１モードの光）はモード多重送信機３６６に入力されると、光スプリッタ８０によりＴＥ１光５とＴＥ１光３０５とに分割される。ＴＥ１光５およびＴＥ１光３０５はそれぞれ、光変調器３７４ａ，３７４ｂにより変調される。
【0157】
変調されたＴＥ１光５は、モード変換素子３０２の入力側第１リブ部１８ａに入力されＴＥ０光７に変換される。一方、変調されたＴＥ１光３０５は、モード変換素子３０２の出力側第１リブ部３２０ａに入力され、そのまま出力される。従ってモード変換素子３０２からは、モード多重化された信号光（すなわち、変調されたＴＥ０光７および変調されたＴＥ１光３０５）が出力される。
【0158】
モード変換素子３０２は、モード多重送信機３６６以外の装置に適用されても良い。例えばモード変換素子３０２は、ＴＥ０モードの伝搬光をＴＥ１モードの光に変換するモード次数変換素子に適用されても良い。
【0159】
実施の形態３によれば、実施の形態１のモード変換素子２と同様チャネルリブ変換部１０によりモード変換素子３０２とチャネル導波路９の境界における反射損失を抑制しつつ、伝搬光のモード次数を変換できる。
【0160】
以上、本発明の実施形態について説明したが、実施の形態１～３は、例示であって制限的なものではない。例えば、以上の例ではモード次数変換部は、高次ＴＥ光を低次ＴＥ光に変換している。しかしモード次数変換部は、低次ＴＥ光を高次ＴＥ光に変換しても良い。
【0161】
以上の例ではモード次数変換部は、ＴＥモードの伝搬光のモード次数を変換している。しかしモード次数変換部は、ＴＭモードの伝搬光のモード次数を変換しても良い。
【0162】
以上の例では、コア４の材料はＳｉである。しかしコア４の材料は、Ｓｉ以外の材料であっても良い。コア４の材料は例えば、ＩｎＧａＡｓ等の化合物半導体であってもよい。
【0163】
以上の例では、クラッド６の材料はＳｉＯ２である。しかしクラッド６の材料は、ＳｉＯ２以外の材料であっても良い。クラッド６の材料は例えば、ＩｎＰ等の化合物半導体であっても良い。
【0164】
以上の例では、基板１１の材料はＳｉである。しかし基板１１の材料は、Ｓｉ以外の材料であっても良い。基板１１の材料は例えば、ＩｎＰ等の化合物半導体であっても良い。
【0165】
以上の実施の形態１～３に関し、更に以下の付記を開示する。
【0166】
（付記１）
基板と、前記基板上のクラッドと、前記クラッドにより囲われたコアとを有し、
前記コアは前記クラッドより屈折率が高く、第１伝搬光を前記第１伝搬光とはモード次数が異なる第２伝搬光に変換するモード次数変換部と、前記第２伝搬光を外部に出力するリブチャネル変換部とを含み、
前記モード次数変換部は、前記第１伝搬光が入力される入力側第１リブ部と、前記入力側第１リブ部に沿って延在し前記入力側第１リブ部と反対側の側面が下端から上端に亘って前記クラッドに覆われた出力側第１リブ部と、前記入力側第１リブ部と前記出力側第１リブ部の間に配置され前記入力側第１リブ部および前記出力側第１リブ部より薄い第１スラブ部とを有し、
前記リブチャネル変換部は、前記出力側第１リブ部に接し前記第２伝搬光を出力する出力側第２リブ部と、前記第１スラブ部と前記出力側第２リブ部の側面とに接し前記出力側第２リブ部より薄い第２スラブ部と、前記出力側第２リブ部の別の側面に接し前記出力側第２リブ部より薄い第３スラブ部とを有する
モード変換素子。
基板と、前記基板上のクラッドと、前記クラッドにより囲われたコアとを有し、
前記コアは前記クラッドより屈折率が高く、第１伝搬光を前記第１伝搬光とはモード次数が異なる第２伝搬光に変換するモード次数変換部と、前記第２伝搬光を外部に出力するリブチャネル変換部とを含み、
前記モード次数変換部は、前記第１伝搬光が入力される入力側第１リブ部と、前記入力側第１リブ部に沿って延在し前記入力側第１リブ部と反対側の側面が下端から上端に亘って前記クラッドに覆われた出力側第１リブ部と、前記入力側第１リブ部と前記出力側第１リブ部の間に配置され前記入力側第１リブ部および前記出力側第１リブ部より薄い第１スラブ部とを有し、
前記リブチャネル変換部は、前記出力側第１リブ部に接し前記第２伝搬光を出力する出力側第２リブ部と、前記第１スラブ部と前記出力側第２リブ部の側面とに接し前記出力側第２リブ部より薄い第２スラブ部と、前記出力側第２リブ部の別の側面に接し前記出力側第２リブ部より薄い第３スラブ部とを有する
モード変換素子。
【0167】
（付記２）
前記第３スラブ部は、前記出力側第２リブ部の両端のうち前記出力側第１リブ部と反対側の一端に向かって幅が増加することを
特徴とする付記１に記載のモード変換素子。
前記第３スラブ部は、前記出力側第２リブ部の両端のうち前記出力側第１リブ部と反対側の一端に向かって幅が増加することを
特徴とする付記１に記載のモード変換素子。
【0168】
（付記３）
前記出力側第２リブ部は、前記出力側第１リブ部に接する内側領域と前記内側領域に接する外側領域とを有し、
前記第２スラブ部および前記第３スラブ部は、前記内側領域に接することを
特徴とする付記１または２に記載のモード変換素子。
前記出力側第２リブ部は、前記出力側第１リブ部に接する内側領域と前記内側領域に接する外側領域とを有し、
前記第２スラブ部および前記第３スラブ部は、前記内側領域に接することを
特徴とする付記１または２に記載のモード変換素子。
【0169】
（付記４）
前記リブチャネル変換部は更に、前記第２スラブ部と前記外側領域の側面とに接し前記出力側第２リブ部より薄い第４スラブ部と、前記第３スラブ部および前記外側領域の別の側面に接し前記出力側第２リブ部より薄い第５スラブ部とを有し、
前記第４スラブ部および前記第５スラブ部それぞれの幅は、前記出力側第２リブ部の両端のうち前記出力側第１リブ部と反対側の一端に向かって減少することを
特徴とする付記３に記載のモード変換素子。
前記リブチャネル変換部は更に、前記第２スラブ部と前記外側領域の側面とに接し前記出力側第２リブ部より薄い第４スラブ部と、前記第３スラブ部および前記外側領域の別の側面に接し前記出力側第２リブ部より薄い第５スラブ部とを有し、
前記第４スラブ部および前記第５スラブ部それぞれの幅は、前記出力側第２リブ部の両端のうち前記出力側第１リブ部と反対側の一端に向かって減少することを
特徴とする付記３に記載のモード変換素子。
【0170】
（付記５）
前記出力側第２リブ部の中央の幅は、前記出力側第２リブ部の両端の幅より広いことを
特徴とする付記１～４のいずれか１項に記載のモード変換素子。
前記出力側第２リブ部の中央の幅は、前記出力側第２リブ部の両端の幅より広いことを
特徴とする付記１～４のいずれか１項に記載のモード変換素子。
【0171】
（付記６）
前記第１伝搬光は、電界方向が前記基板と平行になるように偏光し実効屈折率が基本モードより高い高次ＴＥ光であり、
前記第２伝搬光は、電界方向が前記基板と平行になるように偏光し実効屈折率が前記高次ＴＥ光より低い低次ＴＥ光であり、
更に、電界方向が前記基板と直交するように偏光したＴＭ光が入力され、入力された前記ＴＭ光を前記高次ＴＥ光に変換する偏波回転部を有することを
特徴とする付記１～５のいずれか１項に記載のモード変換素子。
前記第１伝搬光は、電界方向が前記基板と平行になるように偏光し実効屈折率が基本モードより高い高次ＴＥ光であり、
前記第２伝搬光は、電界方向が前記基板と平行になるように偏光し実効屈折率が前記高次ＴＥ光より低い低次ＴＥ光であり、
更に、電界方向が前記基板と直交するように偏光したＴＭ光が入力され、入力された前記ＴＭ光を前記高次ＴＥ光に変換する偏波回転部を有することを
特徴とする付記１～５のいずれか１項に記載のモード変換素子。
【0172】
（付記７）
前記入力側第１リブ部は、前記第１伝搬光が入力され
前記出力側第１リブ部は、前記第２伝搬光を前記出力側第２リブ部に入力することを
特徴とする付記１～６のいずれか１項に記載のモード変換素子。
前記入力側第１リブ部は、前記第１伝搬光が入力され
前記出力側第１リブ部は、前記第２伝搬光を前記出力側第２リブ部に入力することを
特徴とする付記１～６のいずれか１項に記載のモード変換素子。
【0173】
（付記８）
前記出力側第２リブ部は、コアの横断面が矩形のチャネル導波路に接続されることを
特徴とする付記１～７のいずれか１項に記載のモード変換素子。
前記出力側第２リブ部は、コアの横断面が矩形のチャネル導波路に接続されることを
特徴とする付記１～７のいずれか１項に記載のモード変換素子。
【0174】
（付記９）
前記出力側第２リブ部に沿って延在し前記入力側第１リブ部に接する入力側第２リブ部を有し、
前記入力側第２リブ部と前記出力側第２リブ部の間隔は、前記モード次数変換部に接する領域で、前記出力側第２リブ部の両端のうち前記出力側第１リブ部と反対側の一端に向かって増加することを
特徴とする付記１～８のいずれか１項に記載のモード変換素子。
前記出力側第２リブ部に沿って延在し前記入力側第１リブ部に接する入力側第２リブ部を有し、
前記入力側第２リブ部と前記出力側第２リブ部の間隔は、前記モード次数変換部に接する領域で、前記出力側第２リブ部の両端のうち前記出力側第１リブ部と反対側の一端に向かって増加することを
特徴とする付記１～８のいずれか１項に記載のモード変換素子。
【0175】
（付記１０）
前記モード次数変換部は、前記入力側第１リブ部の幅が前記出力側第１リブ部の幅とは異なる非対称方向性結合器であることを
特徴とする付記１～９のいずれか１項に記載のモード変換素子。
前記モード次数変換部は、前記入力側第１リブ部の幅が前記出力側第１リブ部の幅とは異なる非対称方向性結合器であることを
特徴とする付記１～９のいずれか１項に記載のモード変換素子。
【0176】
（付記１１）
前記モード次数変換部は、前記入力側第１リブ部の幅が前記入力側第２リブ部に向かって減少し、前記出力側第１リブ部の幅が前記出力側第２リブ部に向かって増加する方向性結合器であることを
特徴とする付記９に記載のモード変換素子。
前記モード次数変換部は、前記入力側第１リブ部の幅が前記入力側第２リブ部に向かって減少し、前記出力側第１リブ部の幅が前記出力側第２リブ部に向かって増加する方向性結合器であることを
特徴とする付記９に記載のモード変換素子。
【符号の説明】
【0177】
２ ：モード変換素子
４ ：コア
６ ：クラッド
８ ：モード次数変換部
１０ ：リブチャネル変換部
１１ ：基板
１２ ：偏波回転部
１８ａ ：入力側第１リブ部
１８ｂ ：入力側第２リブ部
２０ａ ：出力側第１リブ部
２０ｂ ：出力側第２リブ部
２４ａ ：第１スラブ部
２４ｂ ：第２スラブ部
２４ｃ ：第３スラブ部
２４ｄ ：第４スラブ部
２４ｅ ：第５スラブ部
４ ：コア
６ ：クラッド
８ ：モード次数変換部
１０ ：リブチャネル変換部
１１ ：基板
１２ ：偏波回転部
１８ａ ：入力側第１リブ部
１８ｂ ：入力側第２リブ部
２０ａ ：出力側第１リブ部
２０ｂ ：出力側第２リブ部
２４ａ ：第１スラブ部
２４ｂ ：第２スラブ部
２４ｃ ：第３スラブ部
２４ｄ ：第４スラブ部
２４ｅ ：第５スラブ部
【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】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】