(57)【要約】【課題】作成容易であり偏波依存性をなくすること。【解決手段】第１波長の光のＴＥ成分である第１ＴＥ成分と、第１波長の光のＴＭ成分と、第２波長の光のＴＥ成分である第２ＴＥ成分とが混合した混合光から、第１ＴＥ成分及びＴＭ成分と、第２ＴＥ成分とを分離する光波長フィルタ１０であって、第１幅が０次モード光及び１次モード光のみを励起する大きさとされた第１多モード光導波路１６と、第１多モード光導波路１６に接続されていて、第２幅の平均値が第１幅よりも大きい第２多モード光導波路１８と、第２多モード光導波路に接続されていて第２幅よりも大きい第３幅を有する第３多モード光導波路２０とを備え、前記第１〜第３多モード光導波路の光伝播方向に沿った長さをＬ１〜Ｌ３とするときに、固有モード方程式に従って、Ｌ１〜Ｌ３を決定する。【選択図】図２
2010223991.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１波長の光のＴＥ成分である第１ＴＥ成分と、第１波長の光のＴＭ成分と、第１波長とは異なる第２波長の光のＴＥ成分である第２ＴＥ成分とが混合した混合光から、前記第１ＴＥ成分及び前記ＴＭ成分と、前記第２ＴＥ成分とを分離する光波長フィルタであって、
入力された前記混合光の光伝播方向に直交しかつ基板の第１主面に平行な方向における長さとしての第１幅が前記第１及び第２ＴＥ成分並びにＴＭ成分の０次モード光及び１次モード光のみを励起する大きさとされた第１多モード光導波路と、
該第１多モード光導波路に、光伝播方向に沿って接続されていて、前記混合光の光伝播方向に直交しかつ基板の第１主面に平行な方向における長さとしての第２幅を有していて、該第２幅の平均値が前記第１幅よりも大きい第２多モード光導波路と、
該第２多モード光導波路に、光伝播方向に沿って接続された、前記第２幅よりも大きい第３幅を有する第３多モード光導波路と、
前記第１多モード光導波路の自由端に接続されていて、前記混合光が前記第１多モード光導波路に向けて伝播される第１入出力用光導波路と、
前記第３多モード光導波路の自由端に接続された第２及び第３入出力用光導波路とを備え、
前記第１〜第３多モード光導波路の光伝播方向に沿った長さをＬ１，Ｌ２及びＬ３（ただしＬ１〜Ｌ３は正数）とし、
前記第１〜第３多モード光導波路における前記第１ＴＥ成分の０次モード光と１次モード光の間の伝播定数差をそれぞれΔβ１１，Δβ１２及びΔβ１３（ただしΔβ１１〜Δβ１３は実数）とし、
前記第１〜第３多モード光導波路における前記第２ＴＥ成分の０次モード光と１次モード光の間の伝播定数差をそれぞれΔβ２１，Δβ２２及びΔβ２３（ただしΔβ２１〜Δβ２３は実数）とし、
前記第１〜第３多モード光導波路における前記第ＴＭ成分の０次モード光と１次モード光の間の伝播定数差をそれぞれΔβ３１，Δβ３２及びΔβ３３（ただしΔβ３１〜Δβ３３は実数）とし、
前記第１及び第２ＴＥ成分並びにＴＭ成分の干渉次数をそれぞれｍ１，ｍ２及びｍ３としたときに、下記（１）式〜（３）式を満たし、かつ、下記（条件１）又は（条件２）が成り立つように、前記第１〜第３多モード光導波路の長さＬ１，Ｌ２及びＬ３を決定することにより、前記第１ＴＥ成分及びＴＭ成分を前記第２又は第３入出力用光導波路のどちらかに出力し、前記第２ＴＥ成分を、前記第３又は第２入出力用光導波路のどちらかに出力することを特徴とする光波長フィルタ。
Ｌ１Δβ１１＋Ｌ２Δβ１２＋Ｌ３Δβ１３＝ｍ１π・・・（１）
Ｌ１Δβ２１＋Ｌ２Δβ２２＋Ｌ３Δβ２３＝ｍ２π・・・（２）
Ｌ１Δβ３１＋Ｌ２Δβ３２＋Ｌ３Δβ３３＝ｍ３π・・・（３）
（条件１）：ｍ１及びｍ３の両者が偶数かつ、ｍ２が奇数
（条件２）：ｍ１及びｍ３の両者が奇数かつ、ｍ２が偶数
【請求項２】
前記第２多モード光導波路の第２幅を、前記第１幅から前記第３幅まで連続的に増加させることを特徴とする請求項１に記載の光波長フィルタ。
【請求項３】
前記第１及び第２出力用光導波路が、前記第３多モード光導波路との第１及び第２接続部を備えていて、該第１及び第２接続部は、前記第３多モード光導波路から離間するに従って、幅が連続的に狭くなる平面型導波路として形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光波長フィルタ。
【請求項４】
前記第１〜第３多モード光導波路、及び前記第１〜第３入出力用光導波路を、Ｓｉを材料として形成す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波長フィルタ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の光波長フィルタを用いた光合分波素子であって、
前記第２入出力用光導波路から前記第１ＴＥ成分及びＴＭ成分が出力された場合に、前記第３入出力用光導波路に第２ＴＥ成分が入力され、又は
前記第３入出力用光導波路から前記第１ＴＥ成分及びＴＭ成分が出力された場合に、前記第２入出力用光導波路に第２ＴＥ成分が入力されることを特徴とする光合分波素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、異なる波長の光を分離する光波長フィルタ、及びこの光波長フィルタを用いた光合分波素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光加入者系においては、加入者側から局側への光伝送（上り通信）と、局側から加入者側への光伝送（下り通信）を一本の光ファイバで行う必要があり、そのため上り通信及び下り通信を異なる波長の光で行っている。このため、局側及び加入者側の双方で、異なる波長の光を分離する光波長フィルタが必要となる。一般的に光加入者系では、この光波長フィルタと発光素子及び受光素子とを空間光学的に光軸合わせして組み立てることより、光合分波素子として用いている。加入者側で用いられる光合分波素子は加入者側終端装置（ＯＮＵ：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  Ｕｎｉｔ）と称される（例えば、特許文献１〜５）。
【０００３】
近年、光波長フィルタとして、光軸合わせを不要とする光導波路型の光波長フィルタが研究されている。この種の光波長フィルタとしては、マッハツェンダ干渉計を用いたもの、方向性結合器を用いたもの、多モード干渉光導波路を用いたもの等が知られている。
【０００４】
マッハツェンダ干渉計を用いた光波長フィルタは、回路理論を用いて波長特性を設計できる利点がある。しかし、Ｓｉ製のマッハツェンダ型光波長フィルタをＯＮＵに使用する場合には、等価屈折率や結合係数の波長依存性が大きいために設計が難しい。
【０００５】
また、方向性結合器を用いた光波長フィルタは、透過率が波長依存性を有しているために、光源から出力される光の波長のズレにより透過率が変化してしまう。
【０００６】
また、多モード干渉光導波路を用いた光波長フィルタとしては、１．３μｍの波長の光と、１．５μｍの光を分離できる素子が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第４８６０２９４号明細書
【特許文献２】米国特許第５７６４８２６号明細書
【特許文献３】米国特許第５９６０１３５号明細書
【特許文献４】米国特許第７０７２５４１号明細書
【特許文献５】特開平８−１６３０２８号
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｂａｏｊｕｎ  Ｌｉ  ｅｔ ａｌ．“１×２  ｏｐｔｉｃａｌ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｆｉｌｔｅｒｓ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  ｆｏｒ  １．３−  ａｎｄ  １．５５−μｍ  ｏｐｅｒａｔｉｏｎ”，Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｖｏｌ．４１，Ｎｏ．３，ｐｐ７２３−７２７（Ｍａｒｃｈ，２００２）
【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、非特許文献１に記載された光波長フィルタは、大きな偏波依存性があり、ＴＥ成分及びＴＭ成分のどちらか一方の偏波成分しか利用することができなかった。また、非特許文献１に記載された光波長フィルタを構成する材料は、ＳｉＧｅであるため、Ｓｉ製の素子に比べて作成が難しかった。
【００１０】
この発明は、このような問題点に鑑みなされたものである。従って、この発明の目的は、多モード干渉光導波路を用いたＳｉ製の作成容易な光波長フィルタであって、偏波依存性がない光波長フィルタ及び、この光波長フィルタを用いた光合分波素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した目的の達成を図るために、この発明の光波長フィルタは、第１波長の光のＴＥ成分である第１ＴＥ成分と、第１波長の光のＴＭ成分と、第１波長とは異なる第２波長の光のＴＥ成分である第２ＴＥ成分とが混合した混合光から、第１ＴＥ成分及びＴＭ成分と、第２ＴＥ成分とを分離する。
【００１２】
光波長フィルタは、第１〜第３多モード光導波路と、第１〜第３入出力用光導波路とを備えている。
【００１３】
第１多モード光導波路は、入力された混合光の光伝播方向に直交しかつ基板の第１主面に平行な方向における長さとしての第１幅が第１及び第２ＴＥ成分並びにＴＭ成分の０次モード光及び１次モード光のみを励起する大きさとされている。
【００１４】
第２多モード光導波路は、第１多モード光導波路に、光伝播方向に沿って接続されていて、混合光の光伝播方向に直交しかつ基板の第１主面に平行な方向における長さとしての第２幅を有していて、第２幅の平均値が第１幅よりも大きい。
【００１５】
第３多モード光導波路は、第２多モード光導波路に、光伝播方向に沿って接続された、第２幅よりも大きい第３幅を有する。
【００１６】
第１入出力用光導波路は、第１多モード光導波路の自由端に接続されていて、混合光が第１多モード光導波路に向けて伝播される。
【００１７】
第２及び第３入出力用光導波路は、第３多モード光導波路の自由端に接続されている。
【００１８】
そして、第１〜第３多モード光導波路の光伝播方向に沿った長さをＬ１，Ｌ２及びＬ３（ただしＬ１〜Ｌ３は正数）とし、
第１〜第３多モード光導波路における第１ＴＥ成分の０次モード光と１次モード光の間の伝播定数差をそれぞれΔβ１１，Δβ１２及びΔβ１３（ただしΔβ１１〜Δβ１３は実数）とし、
第１〜第３多モード光導波路における第２ＴＥ成分の０次モード光と１次モード光の間の伝播定数差をそれぞれΔβ２１，Δβ２２及びΔβ２３（ただしΔβ２１〜Δβ２３は実数）とし、
第１〜第３多モード光導波路における第ＴＭ成分の０次モード光と１次モード光の間の伝播定数差をそれぞれΔβ３１，Δβ３２及びΔβ３３（ただしΔβ３１〜Δβ３３は実数）とし、
第１及び第２ＴＥ成分並びにＴＭ成分の干渉次数をそれぞれｍ１，ｍ２及びｍ３としたときに、下記（１）式〜（３）式を満たし、かつ、下記（条件１）又は（条件２）が成り立つように、第１〜第３多モード光導波路の長さＬ１，Ｌ２及びＬ３を決定することにより、第１ＴＥ成分及びＴＭ成分を第２又は第３入出力用光導波路のどちらかに出力し、第２ＴＥ成分を、第３又は第２出力用光導波路のどちらかに出力する。
【００１９】
Ｌ１Δβ１１＋Ｌ２Δβ１２＋Ｌ３Δβ１３＝ｍ１π・・・（１）
Ｌ１Δβ２１＋Ｌ２Δβ２２＋Ｌ３Δβ２３＝ｍ２π・・・（２）
Ｌ１Δβ３１＋Ｌ２Δβ３２＋Ｌ３Δβ３３＝ｍ３π・・・（３）
（条件１）：ｍ１及びｍ３の両者が偶数かつ、ｍ２が奇数
（条件２）：ｍ１及びｍ３の両者が奇数かつ、ｍ２が偶数
【００２０】
上述した光波長フィルタの好ましい一実施態様として、第２多モード光導波路の第２幅を、第１幅から第３幅まで連続的に増加させるのがよい。
【００２１】
上述した光波長フィルタの好ましい一実施態様として、第１及び第２出力用光導波路が、第３多モード光導波路との第１及び第２接続部を備えていて、第１及び第２接続部は、第３多モード光導波路から離間するに従って、幅が連続的に狭くなる平面型導波路として形成されているのがよい。
【００２２】
上述した光波長フィルタの好ましい一実施態様として、第１〜第３多モード光導波路、入力用光導波路及び第１及び第２出力用光導波路を、Ｓｉを材料として形成するのがよい。
【００２３】
この発明の光合分波素子は、上述した光波長フィルタを用いていて、第２入出力用光導波路から第１ＴＥ成分及びＴＭ成分が出力された場合に、第３入出力用光導波路に第２ＴＥ成分が入力され、又は第３入出力用光導波路から第１ＴＥ成分及びＴＭ成分が出力された場合に、第２入出力用光導波路に第２ＴＥ成分が入力される。
【発明の効果】
【００２４】
この発明によれば、多モード干渉光導波路を用いたＳｉ製の作成容易な光波長フィルタであって、偏波依存性がない光波長フィルタ及び、この光波長フィルタを用いた光合分波素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施の形態１の光波長フィルタの構造を概略的に示す斜視図である。
【図２】実施の形態１の光波長フィルタの平面図である。
【図３】実施の形態１の多モード光導波路領域における混合光の各成分の伝播径路の一例を模式的に示した模式図である。
【図４】（Ａ）は、第１ＴＥ成分の光波長フィルタ内での伝播の様子を示す模式図であり、（Ｂ）は、第２ＴＥ成分の光波長フィルタ内での伝播の様子を示す模式図であり、（Ｃ）は、ＴＭ成分の光波長フィルタ内での伝播の様子を示す模式図である。
【図５】実施の形態２の光合分波素子の構造を概略的に示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。なお、各図は、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係について、この発明が理解できる程度に概略的に示してある。また、以下、この発明の好適な構成例について説明するが、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何ら限定されない。また、各図において、共通する構成要素には同符号を付し、その説明を省略することもある。
【００２７】
（実施の形態１）
（構造）
まず、図１及び図２を参照して、この実施の形態の光波長フィルタの構造について説明する。図１は、この実施の形態の光波長フィルタの構造を概略的に示す斜視図である。なお、図１においては、クラッド中に埋め込まれた光波長フィルタを強調して示すために、光波長フィルタを実線で示してある。図２は、光波長フィルタの平面図である。なお、図２においては、基板とクラッドの図示を省略してある。
【００２８】
図１を参照して、光波長フィルタの構造についてその概略を簡単に説明する。その後、図２を用いて、光波長フィルタの平面構造についてより詳細に説明する。
【００２９】
図１を参照すると、光波長フィルタ１０は、基板１２の第１主面１２ａ側に形成されたクラッド１４の中に埋め込まれた構造体として形成されている。ここで、基板１２は矩形状の平行平板である。基板１２は、好ましくは、例えばＳｉ基板とする。また、クラッド１４は、平面形状が基板と等しい矩形状の平行平板である。クラッド１４は、好ましくは、例えばＳｉＯ２を材料として形成する。
【００３０】
光波長フィルタ１０は、その平坦な底面が基板１２の第１主面１２ａと平行になるように、クラッド１４中に埋め込まれている。光波長フィルタ１０を構成する材料は、場所によらず同一であり、好ましくは、例えばＳｉとする。
【００３１】
光波長フィルタ１０の底面と、基板１２の第１主面１２ａとの間の距離Ｄ１は、光波長フィルタ１０中を伝播する光の基板１２への結合を防ぐために、好ましくは、例えば、約１μｍ以上の大きさとする。また、光波長フィルタ１０の第１主面１２ａに垂直に測った厚みＤ２は、場所によらず等しく、好ましくは、例えば約０．３μｍとする。
【００３２】
光波長フィルタ１０は、クラッド１４の側面１４ａ及び１４ｂに合計３つの光入出力ポートである第１〜第３ポートＰ１〜Ｐ３を備えている。より詳細には、側面１４ｂに、後述する第２及び第３入出力用光導波路２４及び２６（図２参照）にそれぞれ接続する第２及び第３ポートＰ２及びＰ３を備えている。そして、側面１４ａに後述する第１入出力用光導波路２２に接続する第１ポートＰ１を備えている。
【００３３】
詳しくは後述するが、この第１ポートＰ１には、第１波長λ１の光のＴＥ成分である第１ＴＥ成分ＴＥ１（λ１）と、第１波長λ１の光のＴＭ成分ＴＭ（λ１）と、第１波長λ１とは異なる第２波長λ２の光のＴＥ成分である第２ＴＥ成分ＴＥ２（λ２）とが混合した混合光が入力される。そして、光波長フィルタ１０により第１ＴＥ成分ＴＥ１（λ１）及びＴＭ成分ＴＭ（λ１）と、第２ＴＥ成分ＴＥ２（λ２）とを分離して、第２及び第３ポートＰ２及びＰ３からそれぞれ出力する。
【００３４】
次に、図２を参照して、光波長フィルタ１０の構造についてより詳細に説明する。
【００３５】
光波長フィルタ１０は、第１〜第３多モード光導波路１６，１８及び２０と、第１〜第３入出力用光導波路２２，２４及び２６とを備えている。なお、以降、第１〜第３多モード光導波路１６〜２０を総称するときには、多モード光導波路領域２１と称する。
【００３６】
第１多モード光導波路１６は、第１入出力用光導波路２２が自由端１６ａに接続された矩形状の多モード干渉光導波路である。ここで、自由端１６ａとは、第２多モード光導波路１８が接続されていない側の第１多モード光導波路１６の端面のことを示す。第１多モード光導波路１６の光伝播方向に沿った長さは、Ｌ１とする。なお、Ｌ１の決定法については、後述する。
【００３７】
また、第１多モード光導波路１６の光伝播方向に直交しかつ基板１２の第１主面１２ａに平行な方向における長さとしての第１幅Ｗ１は、第１及び第２ＴＥ成分ＴＥ１（λ１）及びＴＥ２（λ２）並びにＴＭ成分ＴＭ（λ１）の０次モード光及び１次モード光のみを励起する大きさとする。これは、第１多モード光導波路１６の第１幅Ｗ１を２次以上の高次モード光を励起する大きさとすると、後述する（１）式〜（３）式において、２次以上の高次モード光の干渉条件をも考慮しなければならなくなり、第１多モード光導波路１６の長さＬ１を決定することが難しくなるからである。
【００３８】
具体的なＷ１の値は、光波長フィルタ１０に入力される光の波長により変化するために、一義的には決定できない。しかし、第１ＴＥ成分ＴＥ１（λ１）及びＴＭ成分ＴＭ（λ１）の第１波長λ１を１．４９μｍとし、第２ＴＥ成分ＴＥ２（λ２）の第２波長λ２を１．３１μｍとした場合には、第１幅Ｗ１は、好ましくは、例えば約０．７５μｍとする。第１幅Ｗ１の値を約０．７５μｍとすることにより、第１多モード光導波路１６を伝播する過程で、波長が１．４９μｍの第１ＴＥ成分ＴＥ１（λ１）及びＴＭ成分ＴＭ（λ１）と、波長が１．３１μｍの第２ＴＥ成分ＴＥ２（λ２）とは、０次モード光と１次モード光のみが励起される。
【００３９】
第２多モード光導波路１８は、第１多モード光導波路１６に光伝播方向に沿って接続された多モード干渉光導波路である。第２多モード光導波路１８は、平面形状が等脚台形状であり、この等脚台形の上底側（長さが短い方の底辺側）が第１多モード光導波路１６に接続されていて、下底側（長さが長い方の底辺側）が第３多モード光導波路２０に接続されている。つまり、第２多モード光導波路１８は、第１多モード光導波路１６と第３多モード光導波路２０との間に介在している。
【００４０】
第２多モード光導波路１８の光伝播方向に沿った長さは、Ｌ２とする。なお、Ｌ２の決定法については、後述する。
【００４１】
第２多モード光導波路１８の光伝播方向に直交しかつ基板１２の第１主面１２ａに平行な方向における長さとしての第２幅Ｗ２は、第１幅Ｗ１から、第３多モード光導波路２０の第３幅Ｗ３まで直線的かつ連続的に増加している。つまり、第２多モード光導波路１８の光伝播方向に直交しかつ基板１２の第１主面１２ａに平行な方向における第２幅Ｗ２の平均値は、第１多モード光導波路１６の第１幅Ｗ１よりも大きい。
【００４２】
第３多モード光導波路２０は、第２多モード光導波路１８に光伝播方向に沿って接続された多モード干渉光導波路である。第３多モード光導波路２０は、平面形状が矩形状であり、第２多モード光導波路１８の下底側に接続されている。また、第３多モード光導波路２０の自由端２０ａには、第２及び第３入出力用光導波路２４及び２６が接続されている。ここで、自由端２０ａとは、第３多モード光導波路２０の第２多モード光導波路１８と接続していない側の端面を言う。
【００４３】
第３多モード光導波路２０の光伝播方向に沿った長さは、Ｌ３とする。なお、Ｌ３の決定法については、後述する。
【００４４】
第３多モード光導波路２０の光伝播方向に直交しかつ基板１２の第１主面１２ａに平行な方向における長さとしての第３幅Ｗ３は、第１幅Ｗ１及び第２幅Ｗ２の平均値よりも大きい。具体的なＷ３の値であるが、第１ＴＥ成分ＴＥ１（λ１）及びＴＭ成分ＴＭ（λ１）の第１波長を１．４９μｍとし、第２ＴＥ成分ＴＥ２（λ２）の第２波長を１．３１μｍとした場合には、第３幅Ｗ３は、好ましくは、例えば約１．４μｍとする。
【００４５】
なお、第３幅Ｗ３の大きさは、第１幅Ｗ１より大きく、かつ第１幅Ｗ１の３倍以内とすることが好ましい。第３幅Ｗ３をこの範囲の値とすることにより、第２多モード光導波路１８において２次モード光以上の高次モード光の励起を抑えることができ、その結果、迷光の発生を抑制し、光波長フィルタの波長選択能力を高めることができる。
【００４６】
第１入出力用光導波路２２は、第１多モード光導波路１６の自由端１６ａに接続されたチャネル型のシングルモード光導波路である。第１入出力導波路２２の光伝播方向に垂直に切断した横断面形状は矩形状である。より詳細には、第１入出力用光導波路２２は、光波長フィルタ１０の中心軸１０Ｃから第２入出力用光導波路２４側にずれた位置で、第１多モード光導波路１６に接続されている。
【００４７】
第１入出力用光導波路２２の横断面の寸法は、この実施の形態に示す例では、第１主面１２ａに垂直に測った厚みが、好ましくは、例えば約０．３μｍであり、第１主面１２ａに平行かつ光伝播方向に垂直に測った幅が、好ましくは、例えば、約０．３μｍとする。
【００４８】
第１入出力用光導波路２２の横断面の寸法をこの値とすることにより、第１入出力用光導波路２２をシングルモード光導波路とすることができる。
【００４９】
第２入出力用光導波路２４は、第３多モード光導波路２０の自由端２０ａに接続されている。第２入出力用光導波路２４は、第２テーパ部２４ａと第２導波路部２４ｂとを備えている。第２テーパ部２４ａは、自由端２０ａに接続されていて、光伝播方向に沿って幅が等脚台形状に狭くなっていく平面型光導波路である。
【００５０】
第２テーパ部２４ａの寸法は、光伝播方向に沿った長さＬ４を、好ましくは、例えば約１０μｍとする。また、第３多モード光導波路２０との接続部における幅、つまり、等脚台形の下底の長さＷ４を、好ましくは、例えば約０．５５μｍとする。
【００５１】
第２導波路部２４ｂは、第２テーパ部２４ａのテーパの先端、すなわち等脚台形の上底側に接続されているチャネル型のシングルモード光導波路である。第２導波路部２４ｂの横断面形状は、寸法も含めて第１入出力用光導波路２２と同様である。つまり、第２導波路部２４ｂは、シングルモード光導波路である。
【００５２】
第３入出力用光導波路２６は、第３多モード光導波路２０の自由端２０ａに接続されている。より詳細には、第３入出力用光導波路２６は、光波長フィルタ１０の中心軸１０Ｃを線対称軸として、第２入出力用光導波路２４と線対称の位置に設けられている。
【００５３】
第３入出力用光導波路２６は、第２テーパ部２４ａと同形状の第３テーパ部２６ａと、第２導波路部２４ｂと同形状の第３導波路部２６ｂとを備えている。
【００５４】
第２テーパ部２４ａと第３テーパ部２６ａとの間の最小間隔Ｗｍｉｎ、つまり、第３多モード光導波路２０の自由端２０ａにおける両テーパ部２４ａ及び２６ａ間の間隔は、多モード導波路領域２１を伝播する光の自由端２０ａからの漏れによる損失を少なくするために、できるだけ小さい値であることが好ましい。
【００５５】
この実施の形態のように、光波長フィルタ１０をＳｉ製とし、半導体製造プロセスを利用して第２及び第３テーパ部２４ａ及び２６ａを作成する場合には、最小間隔Ｗｍｉｎを、現段階での製造技術の限界である約０．３μｍとすることが好ましい。
【００５６】
（動作）
次に、図３を参照して光波長フィルタ１０の動作について説明する。
【００５７】
図３は、多モード光導波路領域２１における混合光の各成分の伝播径路の一例を模式的に示した模式図である。
【００５８】
第１ＴＥ成分ＴＥ１（λ１）とＴＭ成分ＴＭ（λ１）と第２ＴＥ成分ＴＥ２（λ２）とが混合した混合光は、第１ポートＰ１から第１入出力用光導波路２２に入力され、第１入出力用光導波路２２を光伝播方向に伝播して第１多モード光導波路１６に至る。
【００５９】
ところで、第１多モード光導波路１６の第１幅Ｗ１は、上述のように０次モード光と１次モード光のみを励起する大きさとされている。その結果、第１多モード光導波路１６内で、混合光の各成分において０次モード光と１次モード光とが励起される。より詳細には、第１多モード光導波路１６において、第１ＴＥ成分ＴＥ１（λ１）、ＴＭ成分ＴＭ（λ１）及び第２ＴＥ成分ＴＥ２（λ２）のそれぞれで、０次モード光と１次モード光とが励起される。
【００６０】
その結果、励起された０次モード光と１次モード光とは、混合光の成分ごとに、互いに干渉し合いながら多モード光導波路領域２１を第２及び第３入出力用光導波路２４及び２６に向けて伝播していく。図３に示すように、０次モード光と１次モード光とが干渉する結果、混合光の各成分は、多モード光導波路領域２１を蛇行するような径路で伝播することとなる。
【００６１】
図３に示す例では、第１ＴＥ成分ＴＥ１（λ１）は、多モード光導波路領域２１において、伝播方向を６回変化させて第３入出力用光導波路２６に出力されている。ＴＭ成分ＴＭ（λ１）は、伝播方向を４回変化させて第３入出力用光導波路２６に出力される。そして、第２ＴＥ成分ＴＥ２（λ２）は、伝播方向を３回変化させて第２入出力用光導波路２４に出力される。ここで、混合光の成分によって伝播方向の変化回数が異なるのは、成分ごとに多モード光導波路領域２１における干渉の様子が異なるからである。これは、混合光の成分ごとに感じる多モード光導波路領域２１の等価屈折率が異なることに由来する。なお、以降、混合光の各成分の伝播方向が多モード光導波路領域２１の側壁面において大きく変化することを「蛇行」と称する。
【００６２】
ここで、第１〜第３多モード光導波路１６〜２０のそれぞれの長さＬ１〜Ｌ３を適当に決定することにより、混合光の成分ごとの干渉条件、すなわち混合光の各成分の伝播径路を変更することができる。つまり、Ｌ１〜Ｌ３を適当に決定することにより、第１ＴＥ成分ＴＥ１（λ１）及びＴＭ成分ＴＭ（λ１）を第２入出力用光導波路２４又は第３入出力用光導波路２６に入力し、第２ＴＥ成分ＴＥ２（λ２）を第３入出力用光導波路２６又は第２入出力用光導波路２４に入力させることができる。すなわち、混合光の成分ごとの干渉条件を適切に設定することで、光波長フィルタ１０により混合光を波長分離することができる。
【００６３】
以下、この点、すなわち第１〜第３多モード光導波路１６〜２０の長さＬ１〜Ｌ３の決定方法について説明する。
【００６４】
上述したように、長さＬ１〜Ｌ３は、混合光の成分ごとの干渉条件に関係している。ところで、混合光の各成分の干渉条件は、下記（１）式〜（３）式に示した従来公知のモード伝播方程式をこの実施の形態の光波長フィルタ１０に適合させることにより、以下の  （１）式〜（３）式を得ることができる。
【００６５】
第１ＴＥ成分ＴＥ１（λ１）：Ｌ１Δβ１１＋Ｌ２Δβ１２＋Ｌ３Δβ１３＝ｍ１π・・・（１）
第２ＴＥ成分ＴＥ２（λ２）：Ｌ１Δβ２１＋Ｌ２Δβ２２＋Ｌ３Δβ２３＝ｍ２π・・・（２）
ＴＭ成分（λ１）：Ｌ１Δβ３１＋Ｌ２Δβ３２＋Ｌ３Δβ３３＝ｍ３π・・・（３）
ここで、Δβ１１，Δβ１２及びΔβ１３（ただしΔβ１１〜Δβ１３は実数）は、それぞれ第１〜第３多モード光導波路１６，１８及び２０における第１ＴＥ成分ＴＥ１（λ１）の０次モード光と１次モード光の間の伝播定数差を示す。
【００６６】
Δβ２１，Δβ２２及びΔβ２３（ただしΔβ２１〜Δβ２３は実数）は、それぞれ第１〜第３多モード光導波路１６，１８及び２０における第２ＴＥ成分ＴＥ２（λ２）の０次モード光と１次モード光の間の伝播定数差を示す。
【００６７】
Δβ３１，Δβ３２及びΔβ３３（ただしΔβ３１〜Δβ３３は実数）は、第１〜第３多モード光導波路１６，１８及び２０におけるＴＭ成分ＴＭの０次モード光と１次モード光の間の伝播定数差を示す。
【００６８】
また、ｍ１，ｍ２及びｍ３は、それぞれ第１及び第２ＴＥ成分ＴＥ１（λ１）及びＴＥ２（λ２）並びにＴＭ成分ＴＭの干渉次数であり、下記の２条件を満足する値である。
【００６９】
（条件１）：ｍ１及びｍ３の両者が偶数かつ、ｍ２が奇数
（条件２）：ｍ１及びｍ３の両者が奇数かつ、ｍ２が偶数
【００７０】
ここで、干渉次数ｍ１，ｍ２及びｍ３の物理的意味について簡単に説明する。干渉次数ｍ１，ｍ２及びｍ３は、第１ＴＥ成分ＴＥ１（λ１）、第２ＴＥ成分ＴＥ２（λ２）及びＴＭ成分ＴＭの多モード光導波路領域２１における蛇行回数をそれぞれ示すことが知られている。
【００７１】
つまり、（条件１）が成り立つ場合には、第１波長λ１の第１ＴＥ成分ＴＥ１（λ１）及びＴＭ成分ＴＭ（λ１）は、多モード光導波路領域２１においてそれぞれｍ１回及びｍ３回（偶数回）蛇行して、第３入出力用光導波路２６に出力される。また、第２波長λ２の第２ＴＥ成分ＴＥ２（λ２）は、多モード光導波路領域２１においてそれぞれｍ２回（奇数回）蛇行して、第２入出力用光導波路２４に出力される。
【００７２】
また、（条件２）が成り立つ場合には、第１波長λ１の第１ＴＥ成分ＴＥ１（λ１）及びＴＭ成分ＴＭ（λ１）は、多モード光導波路領域２１においてそれぞれｍ１回及びｍ３回（奇数回）蛇行して、第２入出力用光導波路２４に出力される。また、第２波長λ２の第２ＴＥ成分ＴＥ２（λ２）は、多モード光導波路領域２１においてそれぞれｍ２回（偶数回）蛇行して、第３入出力用光導波路２６に出力される。
【００７３】
ところで、伝播定数差Δβ１１〜Δβ３３は、計算により求められる量であるので、ｍ１〜ｍ３を適当な値に設定してやれば、（１）式〜（３）式を解いてＬ１〜Ｌ３を求めることができる。
【００７４】
有限要素法を用いて（１）式〜（３）式を解くことにより得られたＬ１〜Ｌ３の値の一例を下記表１に示す。
【００７５】
【表１】
2010223991.tif 000003
【００７６】
なお、表１を得るに当たって、Ｌ１〜Ｌ３以外の光波長フィルタ１０を構成する各要素の寸法は、既に説明したものを用いている。また、第１波長λ１は１．４９μｍとし、第２波長λ２は１．３１μｍとした。
【００７７】
また、（１）式〜（３）式において、等脚台形状の第２多モード光導波路１８に対応する項Ｌ２Δβ１２，Ｌ２Δβ２２及びＬ２Δβ３２を計算するに当たっては、混合光の各成分における局所的な伝播定数差を、各成分の伝播方向に積分した値を用いた。
【００７８】
なお、表１に示した結果は、飽くまで（１）式〜（３）式を成立させるＬ１〜Ｌ３の一例である。従って、表１以外のＬ１〜Ｌ３の組合せが存在する可能性があり、これらのＬ１〜Ｌ３の組合せも（１）式〜（３）式を満たす限り本発明の技術的範囲に含まれることは言うまでもない。
【００７９】
次に、図４を参照して、光波長フィルタ１０のシミュレーション結果について説明する。
【００８０】
図４（Ａ）は、第１ＴＥ成分ＴＥ１（λ１）の光波長フィルタ１０内での伝播の様子を示す模式図である。図４（Ｂ）は、第２ＴＥ成分ＴＥ２（λ２）の光波長フィルタ１０内での伝播の様子を示す模式図である。図４（Ｃ）は、ＴＭ成分ＴＭ（λ１）の光波長フィルタ１０内での伝播の様子を示す模式図である。なお、図４（Ａ）〜（Ｃ）においては、理解の容易さを考えて、光波長フィルタ１０の輪郭を描き加えてある。
【００８１】
なお、図４（Ａ）〜（Ｃ）は、３次元ＢＰＭ法（Ｂｅａｍ  Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  ｍｅｔｈｏｄ）による計算機シミュレーションで得られたものである。シミュレーションは、下記に列記する条件の下で実施した。
【００８２】
（１）第１多モード光導波路１６の第１幅Ｗ１を０．７５μｍとする。また、第３多モード光導波路２０の第３幅Ｗ３を１．３９μｍとする。
（２）光波長フィルタ１０の厚みＤ２を０．３μｍとする。
（３）第１多モード光導波路１６の長さＬ１を１２μｍ、第２多モード光導波路１８の長さＬ２を６μｍ、第３多モード光導波路２０の長さＬ３を０μｍとする。
（４）光波長フィルタ１０を構成するＳｉの屈折率を３．５とする。また、クラッド１４としてのＳｉＯ２の屈折率を１．４６とする。
（５）第１ＴＥ成分ＴＥ１（λ１）及びＴＭ成分（λ１）の第１波長λ１を１．４９μｍとする。また、第２ＴＥ成分ＴＥ２（λ２）の第２波長λ２を１．３１μｍとする。
【００８３】
図４（Ａ）及び（Ｃ）を参照すると明らかなように、第１ＴＥ成分ＴＥ１（λ１）及びＴＭ成分（λ１）は、多モード光導波路領域２１を蛇行しながら伝播して、第３入出力用光導波路２６に出力されていることが分かる。また、図４（Ｂ）を参照すると明らかなように、第２ＴＥ成分ＴＥ２（λ２）は、多モード光導波路領域２１を蛇行しながら伝播して、第２入出力用光導波路２４に出力されていることが分かる。
【００８４】
さらに、発明者は、３次元ＢＰＭ法を用いて、光波長フィルタ１０の寸法誤差が波長分離特性に与える影響について調査した。
【００８５】
より詳細には、多モード光導波路領域２１において第１幅Ｗ１及び第３幅Ｗ３を僅かずつ変化させてシミュレーションを行い、第２入出力用光導波路２４におけるクロストーク光の強度を調査した。ここで、「クロストーク光」とは、本来は第３入出力用光導波路２６に出力されるべき混合光の成分の中で、寸法誤差の影響により第２入出力用光導波路２４に入射した成分のことを示す。
【００８６】
その結果、クロストーク光の強度が−１３ｄＢ以下となる第１幅Ｗ１及び第３幅Ｗ３の寸法誤差の範囲は、第１波長λ１が１．４９μｍの第１ＴＥ成分ＴＥ１（λ１）については±７ｎｍであった。また、第１波長λ１が１．４９μｍのＴＭ成分ＴＭ（λ１）については±１０ｎｍであった。さらに第２波長λ２が１．３１μｍの第２ＴＥ成分ＴＥ２（λ２）については±８ｎｍであった。
【００８７】
この許容される寸法誤差の値は、同サイズの方向性結合器よりも良好な値であった。
【００８８】
（効果）
このように、この実施の形態の光波長フィルタ１０において、第１多モード光導波路１６の第１幅Ｗ１を０次モード光及び１次モード光のみを励起できる大きさとした上で、多モード光導波路領域２１を幅の異なる３領域から構成し、かつ、第１〜第３多モード光導波路１６〜２０の長さＬ１〜Ｌ３を適当に設定することにより、第１波長λ１の第１ＴＥ成分ＴＥ１（λ１）及びＴＭ成分ＴＭと、第２波長λ２の第２ＴＥ成分ＴＥ２（λ２）とを偏波無依存で波長分離することができる。
【００８９】
また、この光波長フィルタ１０は、Ｓｉを材料として形成されており、周囲のクラッド１４もＳｉＯ２であるので、従来周知の半導体製造プロセス技術を用いて容易に作成することができる。
【００９０】
（変形例、設計条件等）
（１）この実施の形態においては、上述の（１）式〜（３）式を解くに当たって、（条件１）ｍ１及びｍ３の両者が偶数かつ、ｍ２が奇数、又は（条件２）：ｍ１及びｍ３の両者が奇数かつ、ｍ２が偶数、という２条件のどちらかを満たすように干渉次数ｍ１〜ｍ３を決定することにより、波長分離を達成していた。
【００９１】
ここで、上述の２条件を変更して、（条件Ａ）ｍ１及びｍ２の両者が偶数かつ、ｍ３が奇数、又は（条件Ｂ）：ｍ１及びｍ２の両者が奇数かつ、ｍ３が偶数、と言う新たな２条件の下で（１）式〜（３）式を解くことにより、混合光の偏波分離を行うことができる。
【００９２】
すなわち、条件Ａ又は条件Ｂを満たすように長さＬ１〜Ｌ３を決定することにより、混合光のＴＥ偏波成分（第１ＴＥ成分ＴＥ１（λ１）及び第２ＴＥ成分ＴＥ２（λ２）と、ＴＭ偏波成分（ＴＭ成分ＴＭ）とを偏波分離して、第２及び第３出力用光導波路２４及び２６に出力させることができる。
【００９３】
（実施の形態２）
次に、図５を参照して、実施の形態２の光合分波素子について説明する。図５は、光合分波素子の構造を概略的に示す平面図である。
【００９４】
なお、この実施の形態の光合分波素子３０は、（１）第２ＴＥ成分ＴＥ２（λ２）の伝播方向が異なっている点、（２）受光素子及び発光素子を備える点の２点を除き実施の形態１の光波長フィルタ１０と同様である。そこで、図５においては、図２と同様の構成要素には同符号を付して、その説明を省略する。
【００９５】
（構造）
この実施の形態の光合分波素子３０は、光加入者系のＯＮＵとして好適に用いられ、光ファイバ３６で接続された局側終端装置（ＯＬＴ：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｌｉｎｅ  Ｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ）との間で光通信を行う。以降、通信方向がＯＬＴからＯＮＵに向かっている場合を「下り」と称し、逆にＯＮＵからＯＬＴに向かっている場合を「上り」と称する。
【００９６】
光合分波素子３０は、実施の形態１の光波長フィルタ１０と、光波長フィルタ１０の第２ポートＰ２に接続された発光素子３２と、光波長フィルタ１０の第３ポートＰ３に接続された受光素子３４とを備えている。
【００９７】
発光素子３２は、従来公知のＬＤ（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）であり、第２波長λ２の第２ＴＥ成分ＴＥ２（λ２）を第２入出力用光導波路２４に向けて出射する。詳しくは後述するが、第２ＴＥ成分ＴＥ２（λ２）は、実施の形態１で説明した伝播径路と逆の伝播径路で第１入出力用光導波路２２から上り信号としてＯＬＴに向かって送信される。
【００９８】
なお、この実施の形態では、第２波長λ２の光のＴＭ成分を考慮していない。これは、ＬＤから出射される光は偏光方向が一定しており、ＴＥ成分のみが出射されることが知られているからである。
【００９９】
受光素子３４は、従来公知のＰＤ（Ｐｈｏｔｏ  Ｄｉｏｄｅ）である。受光素子３４では、ＯＬＴから送信された下り信号としての第１波長λ１の第１ＴＥ成分ＴＥ１（λ１）及びＴＭ成分ＴＭ（λ１）を、実施の形態１で説明したと同様の伝播径路で受光する。
【０１００】
光合分波素子３０の第１ポートＰ１には、光ファイバ３６が接続されている。この光ファイバ３６は、光合分波素子３０と図示しないＯＬＴとを接続している。
【０１０１】
なお、この実施の形態において、第１波長λ１は、光加入者系において下り方向通信（局→加入者）に一般的に用いられる１．４９μｍとし、及び第２波長λ２は、光加入者系において上り方向通信（加入者→局）に一般的に用いられる１．３１μｍとする。
（動作）
次に図５を参照して、この光合分波素子３０の動作について説明する。なお、以下の説明においては適宜、実施の形態１の説明を援用する。
【０１０２】
（下り信号）
下り信号としての第１波長λ１の第１ＴＥ成分ＴＥ１（λ１）及びＴＭ成分ＴＭ（λ１）は、光ファイバ３６をＯＬＴから光合分波素子３０に向けて伝播し、第１ポートＰ１から第１入出力用光導波路２２に至る。第１入出力用光導波路２２を伝播する第１ＴＥ成分ＴＥ１（λ１）及びＴＭ成分ＴＭ（λ１）は、多モード光導波路領域２１において、実施の形態１で説明したように波長分離される結果、第３入出力用光導波路２６に入力される。そして、第３入出力用光導波路２６を伝播して、第３ポートＰ３から出力され受光素子３４で検出される。
【０１０３】
（上り信号）
上り信号としての第２波長λ２の第２ＴＥ成分ＴＥ２（λ２）は、発光素子３２から出力されて、第２ポートＰ２を介して第２入出力用光導波路２４に入力される。第２入出力用光導波路２４に入力された第２ＴＥ成分ＴＥ２（λ２）は、第２入出力用光導波路２４を伝播して多モード光導波路領域２１に至る。
【０１０４】
ところで、一般に、光の伝播においては、逆過程（時間反転）が成立する。つまり、その他の条件に変更がない場合、発光素子３２から出力された第２ＴＥ成分ＴＥ２（λ２）は、実施の形態１において説明した伝播径路（第１入出力用光導波路２２→多モード光導波路領域２１→第２入出力用光導波路２４）とは逆の伝播径路を辿って伝播する。
【０１０５】
つまり、発光素子３２から出力され、多モード光導波路領域２１に至った第２ＴＥ成分ＴＥ２（λ２）は、多モード光導波路領域２１における０次モード光と１次モード光の干渉の結果、第１入出力用光導波路２２に入力され、上り信号として光ファイバ３６をＯＬＴに向けて伝播する。
【０１０６】
（効果）
この実施の形態の光合分波素子３０は、実施の形態１の光波長フィルタ１０を用いているので、実施の形態１で説明したと同様の効果を奏する。
【符号の説明】
【０１０７】
１０  光波長フィルタ
１０Ｃ  中心軸
１２  基板
１２ａ  第１主面
１４  クラッド
１６  第１多モード光導波路
１６ａ，２０ａ  自由端
１８  第２多モード光導波路
２０  第３多モード光導波路
２１  多モード光導波路領域
２２  第１入出力用光導波路
２４  第２入出力用光導波路
２６  第３入出力用光導波路
３０  光合分波素子
３２  発光素子
３４  受光素子
３６  光ファイバ
【図１】
2010223991.tif 000004
【図２】
2010223991.tif 000005
【図３】
2010223991.tif 000006
【図５】
2010223991.tif 000007
【図４】
2010223991.tif 000008