(57)【要約】【課題】導波光の波長より短い微細加工を用いることなく、導波光の高次導波モードを除去することが可能な光フィルタを得ること。【解決手段】基板１０上に光導波路Ｆ１１、Ｆ１２を交互に配置し、基本導波モードとの結合効率が、高次導波モードまたは高次導波モードの線形結合との結合効率よりも高くなるように光導波路Ｆ１１、Ｆ１２を接続する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本導波モードと高次導波モードとが存在する第１光導波路と、
前記基本導波モードとの結合効率が、前記高次導波モードまたは前記高次導波モードの線形結合との結合効率よりも高くなるように前記第１光導波路に接続された第２光導波路とを備えることを特徴とする光フィルタ。
【請求項２】
前記第１光導波路と前記第２光導波路との間での前記高次導波モードの幅の差異が、前記第１光導波路と前記第２光導波路との間での前記基本導波モードの幅の差異よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の光フィルタ。
【請求項３】
前記第１光導波路と前記第２光導波路とは、テラス上にリブが配置されたマルチモード光導波路であることを特徴とする請求項１または２に記載の光フィルタ。
【請求項４】
前記第１光導波路と前記第２光導波路とは、リブ幅、リブ高さ、テラス高さがそれぞれ同じで、前記第１光導波路と前記第２光導波路のテラス幅が互いに異なることを特徴とする請求項３に記載の光フィルタ。
【請求項５】
前記第１光導波路と前記第２光導波路のテラスの接続点において、テラス幅の広いテラスは、テラス幅の狭いテラスに対して傾斜していることを特徴とする請求項４に記載の光フィルタ。
【請求項６】
前記第１光導波路と前記第２光導波路との間での前記高次導波モードの導波方向の導波位置の差異が、前記第１光導波路と前記第２光導波路との間での前記基本導波モードの導波方向の導波位置の差異よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の光フィルタ。
【請求項７】
前記第１光導波路と前記第２光導波路とは、リブ幅、リブ高さ、テラス高さが同じで、前記第１光導波路と前記第２光導波路のテラスが横方向にずらされていることを特徴とする請求項６に記載の光フィルタ。
【請求項８】
前記第１光導波路と前記第２光導波路とは、前記リブの端面が一致するように接続されていることを特徴とする請求項３、４、５、７のいずれか１項に記載の光フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光フィルタに関し、特に、導波光の高次導波モードを除去することが可能な光フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信デバイスの小型・低消費電力・低コスト化の要求を満たす技術として、半導体基板上に光デバイスを集積化させた微小光学システムが注目を集めている。この微小光学システムにおいては、一般的に半導体表面に光導波路が形成され、集積化された各機能間が光学的に結合されている。光導波路は光を微小な領域に閉じ込め、特定の方向へ導波させる働きをする。光導波路は、光閉じ込め形状（モード）によって導波速度が異なるという特徴をもつ。このため、設計者が本来予期しないような複数のモードで信号光が光導波路を導波した場合、導波速度の違いから信号光が時間的に広がり、特性が悪化することが知られている。
【０００３】
ここで、導波路幅を極めて細くしてシングルモード化することで複数のモードで信号光が導波するのを防止することができるが、サブミクロン単位の微細加工技術が必要である。一方、導波路幅が広いマルチモード導波路を用いる場合、光がマルチモード導波路に入射する位置に依存して入射光の一部成分が高次導波モードに結合する。このような高次導波モードを除去することは、良好な特性の光デバイスを実現する上で重要な課題である。高次導波モードの除去に関する代表的な従来技術として、光導波路側面に導波光の波長より短く、波長の１／２よりも長い周期性をもつ凹凸構造を設ける方法がある（特許文献１）。この方法では、凹凸光導波路が高次導波モードに対して散乱体として機能することで、高次導波モードが大幅に縮小または除去される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１３３６４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の技術によれば、高次導波モードを除去するために、導波光の波長程度の周期構造を形成する必要があり、微細な加工技術が必要になるという問題があった。例えば、光通信用デバイスへの応用する場合、光導波路側面の凹凸構造の周期は１μｍ程度となる。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、導波光の波長より短い微細加工を用いることなく、導波光の高次導波モードを除去することが可能な光フィルタを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の光フィルタは、基本導波モードと高次導波モードとが存在する第１光導波路と、前記基本導波モードとの結合効率が、前記高次導波モードまたは前記高次導波モードの線形結合との結合効率よりも高くなるように前記第１光導波路に接続された第２光導波路とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、導波光の波長より短い微細加工を用いることなく、導波光の高次導波モードを除去することが可能な光フィルタを得ることが可能という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明に係る光フィルタの実施の形態１の概略構成を示す斜視図である。
【図２】図２は、図１の光フィルタの伝播距離に対する導波光全体のパワーの変化を示す図である。
【図３】図３は、図１の光導波路Ｆ１１、Ｆ１２の導波モードの計算結果を示す断面図である。
【図４】図４は、本発明に係る光フィルタの実施の形態２の概略構成を示す斜視図である。
【図５】図５は、本発明に係る光フィルタの実施の形態３の概略構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明に係る光フィルタの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明に係る光フィルタの実施の形態１の概略構成を示す斜視図である。図１において、基板１０上には光導波路Ｆ１１、Ｆ１２が交互に配置されている。ここで、光導波路Ｆ１１、Ｆ１２には、基本導波モードと高次導波モードとが存在することができる。
【００１２】
そして、光導波路Ｆ１１、Ｆ１２は、基本導波モードの結合効率が、高次導波モードまたは高次導波モードの線形結合の結合効率よりも高くなるように接続することができる。例えば、光導波路Ｆ１１、Ｆ１２間での高次導波モードの幅の差異が、光導波路Ｆ１１、Ｆ１２間での基本導波モードの幅の差異よりも大きくなるように、光導波路Ｆ１１、Ｆ１２を構成することができる。
【００１３】
なお、基板１０の材料は、光導波路Ｆ１１、Ｆ１２の材料よりも屈折率の低い材料を選択することができ、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、空気（ブリッジ構造）を用いることができる。また、光導波路Ｆ１１、Ｆ１２の材料は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＳｉＳｎ、ＰｂＳ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰまたはＺｎＳｅなどの半導体を用いるようにしてもよいし、ＬｉＮｂＯ３などの誘電体を用いるようにしてもよい。
【００１４】
ここで、光導波路Ｆ１１、Ｆ１２として、各テラス１１、１２上にリブ１３が配置された断面が凸型であるマルチモード光導波路が用いられている。そして、光導波路Ｆ１１、Ｆ１２において、リブ１３のリブ幅Ｗｒ、リブ高さＨｒはそれぞれ同じにすることができる。また、光導波路Ｆ１１、Ｆ１２において、各テラス１１、１２のテラス高さＨｔは同じにすることができる。また、光導波路Ｆ１１のテラス幅Ｗｔ１は、光導波路Ｆ１２のテラス幅Ｗｔ２より大きくすることができる。また、光導波路Ｆ１１の長さＬ１と光導波路Ｆ１２の長さＬ２は、互いに同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。そして光導波路Ｆ１１、Ｆ１２は、リブ１３の端面が一致するように接続されている。
【００１５】
なお、光導波路Ｆ１１、Ｆ１２が交互に配置された光フィルタの端面Ｔ１は、光ファイバないしレーザダイオードと光学的に結合することができる。また、端面Ｔ１と反対側の端面Ｔ２は出力用のリブ型マルチモード導波路と接続することができる。
【００１６】
そして、基本導波モード光が光フィルタに入射すると、光導波路Ｆ１１、Ｆ１２の接続点でほとんど損失を受けることなく、光フィルタを透過する。一方、基本導波モードと高次導波モードとの混合光が光フィルタに入射すると、基本導波モード成分は、ほぼ無損失で光フィルタを透過するが、高次導波モード成分は光導波路Ｆ１１、Ｆ１２の接続点で損失を受け、光フィルタにて減衰され、基本導波モード成分のみが選択的に光フィルタを透過する。
【００１７】
これにより、マルチモード光導波路を用いた場合においても、高次導波モード成分を選択的に減衰させることができる。このため、高次導波モード成分を選択的に減衰させるために、導波路幅をシングルモード化する必要がなくなり、サブミクロン単位の微細加工技術を用いることなく、微小光学システムの特性を向上させることができる。
【００１８】
図２は、図１の光フィルタの伝播距離に対する導波光全体のパワーの変化を示す図である。図２（ａ）において、基板１０がＳｉＯ２にて構成され、光導波路Ｆ１１、Ｆ１２がＳｉにて構成されているものとする。また、Ｓｉの屈折率が３．４５、ＳｉＯ２の屈折率が１．４５、光導波路Ｆ１１の長さＬ１が７０μｍ、光導波路Ｆ１２の長さＬ２が５０μｍ、リブ幅Ｗｒが３μｍ、リブ高さＨｒが０．２μｍ、テラス幅Ｗｔ１が２０μｍ、テラス幅Ｗｔ２が６μｍ、テラス高さＨｔが１．３μｍであるものとする。
【００１９】
そして、基本導波モードを７３％、高次導波モードを２７％（全高次導波モードの和）含む光が入射したものとすると、導波光の全パワーが減少するに従って、光導波路Ｆ１１と光導波路Ｆ１２との接続点における導波光中の基本導波モード成分の割合が増加しているため、基本導波モードを選択的に透過させることができる。
【００２０】
以下、図１の光フィルタによって、基本導波モードのみ低損失で透過させ、高次導波モードのみ減衰させる原理を説明する。
【００２１】
図３は、図１の光導波路Ｆ１１、Ｆ１２の導波モードの計算結果を示す断面図である。図３において、異なる形状の光導波路Ｆ１１、Ｆ１２を光が伝播する場合、光導波路Ｆ１１、Ｆ１２の接続点では損失が生じ、その大きさは導波モードの電磁界分布を重なり積分して導出することができる。
【００２２】
ここで、光導波路Ｆ１１には、基本導波モードＭ１０、１次導波モードＭ１１、２次導波モードＭ１２が存在し、光導波路Ｆ１２は、基本導波モードＭ２０、１次導波モードＭ２１、２次導波モードＭ２２が存在しているものとする。
【００２３】
そして、基本導波モードＭ１０、Ｍ２０、１次導波モードＭ１１、Ｍ２１および２次導波モードＭ１２、Ｍ２２において電磁界分布の重なり積分を行うと、光導波路Ｆ１１、Ｆ１２の基本導波モードＭ１０、Ｍ２０同士の結合による損失は０．０６ｄＢと非常に小さくなる。これに対し、１次導波モードＭ１１、Ｍ２１同士の結合、２次導波モードＭ１２、Ｍ２２同士の結合、１次導波モードＭ１１と２次導波モードＭ２２との結合、１次導波モードＭ２１と２次導波モードＭ１２との結合、基本導波モードＭ１０と１次導波モードＭ２１との結合、基本導波モードＭ１０と２次導波モードＭ２２との結合、基本導波モードＭ２０と１次導波モードＭ１１との結合、基本導波モードＭ２０と２次導波モードＭ１２との結合では損失は１５ｄＢ以上と非常に大きくなる。
【００２４】
この原因は、光導波路Ｆ１１、Ｆ１２の基本導波モードは主にリブ幅Ｗｒ、リブ高さＨｒ、テラス高さＨｔで形状が決定されるため、光導波路Ｆ１１、Ｆ１２でほぼ同一形状になるのに対し、高次導波モードは主にテラス高さＨｔ、テラス幅Ｗｔ１、Ｗｔ２で形状が決定されるため、光導波路Ｆ１１、Ｆ１２でモードの幅が異なることにある。このため、基本導波モードはモード形状の幅がほぼ等しいため、光導波路Ｆ１１の基本導波モードは光導波路Ｆ１２の基本導波モードに約９９％結合し、高次導波モードはモード形状の幅が異なるため、特に光導波路Ｆ１１から光導波路Ｆ１２への伝播で損失が生じる。従って、光導波路Ｆ１１、Ｆ１２を交互に多段接続することで、基本導波モードのみを選択的に透過させることができる。
【００２５】
基本導波モードと多数の高次導波モードを含む光が図１の光フィルタに入射した場合を考える。このとき、導波光は以下の（１）式で表される。
【００２６】
【数１】
2010281899.tif 000003
【００２７】
ただし、φｎ（ｘ，ｙ）はｎ（ｎは正の整数）次導波モードの電磁界分布、ｋｎはｎ次導波モードの伝播定数、ａｎはｎ次導波モードの振幅係数である。（１）式の右辺第１項は基本導波モードの伝播式であり、第２項は高次導波モードの伝播式である。光導波路Ｆ１１を長さＬ１だけ伝播した時の導波光は、以下の（２）式となる。
【００２８】
【数２】
2010281899.tif 000004
【００２９】
伝播距離ｌｎが十分に長い場合（＞〜５０μｍ）、導波モードによって伝播定数ｋｎが異なるため、導波光はテラス幅全体に広がったような形状となる。次に、光は光導波路Ｆ１１から光導波路Ｆ１２へ伝播する。光導波路Ｆ１２における伝播式を式（３）に示す。
【００３０】
【数３】
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【００３１】
ただし、φｎ’（ｘ，ｙ）は光導波路Ｆ１２におけるｎ次導波モードの電磁界分布、ｋ’ｎは光導波路Ｆ１２におけるｎ次導波モードの伝播定数、ａ’ｎは光導波路Ｆ１２におけるｎ次導波モードの振幅係数である。振幅係数ａｎ、ａ’ｎの２乗は、そのモードに属する光電力の大きさである。このため、以下の（４）式を満たすならば、基本導波モードのみが選択的に透過していると言える。
【００３２】
【数４】
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【００３３】
ここで、振幅係数ａｎ、ａ’ｎの関係について考察する。光導波路Ｆ１１、Ｆ１２の各次導波モードはそれぞれ直交し、かつ光導波路Ｆ１１、Ｆ１２の基本導波モードはほぼ同一形状であるため、基本導波モードと高次導波モードを独立に考えることができる。基本導波モードでは、基本導波モード同士の結合による損失が０．０６ｄＢであるため、ａ’０＝０．９９ａ０となる。高次導波モードでは、直交基底φｎ（ｘ，ｙ）の線形結合で形成されていた光を、異なる直交基底φ’ｎ（ｘ，ｙ）に基底変換を施すことに等しい。
【００３４】
しかし、図３に示すように、光導波路Ｆ１１、Ｆ１２の導波モード幅が異なるため、光導波路Ｆ１１で広がった導波光を光導波路Ｆ１２の高次導波モードで完全に展開することは不可能である。光導波路Ｆ１２の幅よりも外側に存在する一部の光が光導波路Ｆ１２の高次導波モードに結合できないため、高次導波モードの光は減衰する。この後、光導波路Ｆ１２を長さＬ２だけ伝播し、光導波路Ｆ１２から光導波路Ｆ１１へ入射する。このときは逆に、幅が狭いモードから幅が広いモードへの変換であるため、高次導波モードの基底変換も完全に行われ、損失は生じない。
【００３５】
以上の考察より、基本導波モードを選択的に透過させる働きをするのは、光導波路Ｆ１１から光導波路Ｆ１２へ接続する部分である。
【００３６】
なお、光導波路Ｆ１１、Ｆ１２の数値や、光フィルタの端部が光導波路Ｆ１１かＦ１２であるかは図２（ａ）の例に限られるものではない。光導波路Ｆ１１かＦ１２の形状も直線ではなく、曲線状にしてもよい。また、光導波路Ｆ１１、Ｆ１２そのものを光導波路Ｆ１１、Ｆ１２よりも低屈折率の材料の中に埋め込むようにしてもよい。
【００３７】
また、上述した実施の形態では、光導波路Ｆ１１、Ｆ１２の接続点で高次導波モード成分の損失を増大させるため、テラス１１、１２のテラス幅を互いに異ならせる方法について説明したが、本発明はテラス１１、１２のテラス幅を互いに異ならせる方法に限定されることなく、例えば、テラス１１、１２のテラス幅を同じにし、リブ１３から横にはみ出した部分のテラス１１、１２のテラス高さを互いに異ならせるようにしてもよい。
【００３８】
実施の形態２．
図４は、本発明に係る光フィルタの実施の形態２の概略構成を示す斜視図である。図４において、基板２０上には光導波路Ｆ２１、Ｆ２２が交互に配置されている。ここで、光導波路Ｆ２１、Ｆ２２には、基本導波モードと高次導波モードとが存在することができる。
【００３９】
なお、光導波路Ｆ２１、Ｆ２２として、各テラス２１、２２上にリブ２３が配置されたマルチモード光導波路が用いられている。ここで、テラス２１、２２は、横方向（導波方向に直交する方向）にずらされて配置されている。そして、光導波路Ｆ２１、Ｆ２２において、リブ２３のリブ幅およびリブ高さはそれぞれ同じにすることができる。また、光導波路Ｆ２１、Ｆ２２において、各テラス２１、２２のテラス高さおよびテラス幅は同じにすることができる。また、光導波路Ｆ２１の長さと光導波路Ｆ２２の長さは、互いに同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。そして光導波路Ｆ２１、Ｆ２２は、リブ２３の端面が一致するように接続されている。
【００４０】
ここで、リブ２３の端面を一致させつつ、テラス２１、２２を横方向にずらして配置することにより、光導波路Ｆ２１、Ｆ２２での基本導波モードの導波方向の導波位置をほとんど変化させることなく、光導波路Ｆ２１、Ｆ２２での高次導波モードの導波方向の導波位置を異ならせることができる。このため、テラス２１、２２のテラス幅が同じである場合においても、光導波路Ｆ２１、Ｆ２２の接続点で基本導波モードをほとんど損失させることなく、高次導波モードの損失を大きくすることができ、高次導波モード成分を選択的に減衰させることができる。
【００４１】
実施の形態３．
図５は、本発明に係る光フィルタの実施の形態３の概略構成を示す斜視図である。図５において、基板３０上には光導波路Ｆ３１、Ｆ３２が交互に配置されている。ここで、光導波路Ｆ３１、Ｆ３２には、基本導波モードと高次導波モードとが存在することができる。そして、光導波路Ｆ３１、Ｆ３２は、基本導波モードの結合効率が、高次導波モードまたは高次導波モードの線形結合の結合効率よりも高くなるように接続されている。
【００４２】
ここで、光導波路Ｆ３１、Ｆ３２として、各テラス３１、３２上にリブ３３が配置された断面が凸型であるマルチモード光導波路が用いられている。そして、光導波路Ｆ３１、Ｆ３２において、リブ３３のリブ幅、リブ高さはそれぞれ同じにすることができる。また、光導波路Ｆ３１、Ｆ３２において、各テラス３１、３２のテラス高さは同じにすることができる。また、光導波路Ｆ３１のテラス幅は、光導波路Ｆ３２のテラス幅より大きくすることができる。また、光導波路Ｆ３１の長さと光導波路Ｆ３２の長さは、互いに同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。そして光導波路Ｆ３１、Ｆ３２は、リブ３３の端面が一致するように接続されている。また、テラス３１、３２の接続点において、テラス３１は、テラス３２に対して傾斜するように構成されている。ここで、テラス３２に対するテラス３１の傾斜角θは、例えば、１０°に設定することができる。
【００４３】
ここで、テラス３２に対して傾斜するようにテラス３１を構成することにより、光導波路Ｆ３１、Ｆ３２で高次導波モードが結合できない場合においても、高次導波モードを斜め方向に散乱させることができ、高次導波モードが光の導波方向と平行に散乱されるのを防止することが可能となることから、迷光の発生を低減することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
以上のように本発明に係る光フィルタは、基本導波モードの結合損失よりも高次導波モードの結合損失を増大させることができ、導波光の波長より短い微細加工を用いることなく、導波光の高次導波モードを除去する方法に適している。
【符号の説明】
【００４５】
Ｆ１１、Ｆ１２、Ｆ２１、Ｆ２２、Ｆ３１、Ｆ３２  光導波路
１０、２０、３０  基板
１１、１２、２１、２２、３１、３２  テラス
１３、２３、３３  リブ
Ｔ１、Ｔ２  端面
【図１】
2010281899.tif 000007
【図２】
2010281899.tif 000008
【図３】
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【図４】
2010281899.tif 000010
【図５】
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