(57)【要約】【課題】経路切換素子として使用することが可能な光導波路素子を提供する。【解決手段】下部クラッド層２０と、下部クラッド層上に形成されている第１光導波路コア３０と、下部クラッド層上に、第１光導波路コアを被覆して形成されている上部クラッド層４０と、上部クラッド層上に形成された第２光導波路コア５０とを備える。第１光導波路コアと第２光導波路コアとが互いに平行に配置された分岐領域６０において、第１光導波路コアには、グレーティングが作り込まれている。【選択図】図１
2014041177.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部クラッド層と、
前記下部クラッド層上に形成されている第１光導波路コアと、
前記下部クラッド層上に、前記第１光導波路コアを被覆して形成されている上部クラッド層と、
前記上部クラッド層上に形成されている第２光導波路コアと
を備え、
前記第１光導波路コアと前記第２光導波路コアとが互いに平行に配置された分岐領域において、前記第１光導波路コアには、グレーティングが作り込まれている
ことを特徴とする光導波路素子。
【請求項２】
前記グレーティングは、前記第１光導波路コアに、第１領域と第２領域とが、光の伝播方向に沿って交互に周期的に形成されて構成されており、
前記第２領域における前記第１光導波路コアの幅は、前記第１領域における前記第１光導波路コアの幅の１０％以下である
ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
【請求項３】
前記第２領域における前記第１光導波路コアの幅は、前記第１領域における前記第１光導波路コアの幅の０％である
ことを特徴とする請求項２に記載の光導波路素子。
【請求項４】
前記グレーティングは、前記第１光導波路コアに、第１領域と第２領域とが、光の伝播方向に沿って交互に周期的に形成されて構成されており、
前記第１領域及び前記第２領域の周期に対する、光の伝播方向に沿った前記第２領域の長さの比は、１／３以下であり、
前記第２領域における前記第１光導波路コアの幅は、前記第１領域における前記第１光導波路コアの幅の２０％以下である
ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
【請求項５】
前記第１光導波路コアと前記第２光導波路コアとが、前記分岐領域において、厚さ方向に互いに重なり合わない位置に形成されている
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光導波路素子。
【請求項６】
前記上部クラッド層と前記第２光導波路コアとが一体的に形成されている
ことを特徴とする請求項５に記載の光導波路素子。
【請求項７】
前記上部クラッド層と前記第２光導波路コアとの間に境界面を備え、
前記第１光導波路コアと前記第２光導波路コアとが、前記分岐領域において、前記上部クラッド層を介して、互いに重なり合って配置されている
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光導波路素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、波長の相違に基づき光の経路を切り換える光導波路素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、加入者系光アクセスシステムは、1つの局側装置（ＯＬＴ：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｌｉｎｅ  Ｔｅｒｍｉｎａｌ）と複数の加入者側装置（ＯＮＵ：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  Ｕｎｉｔ）を、光ファイバ及びスターカプラを介して接続して構成される、受動型光加入者ネットワーク（ＰＯＮ：Ｐａｓｓｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）が主流となっている。この通信システムでは、ＯＬＴからＯＮＵへ向けた下り光信号と、ＯＮＵからＯＬＴに向けた上り光信号とが、異なる波長に設定されている。その結果、下り光信号と上り光信号とが相互に干渉し合わないようにされている。
【０００３】
ＯＬＴ及びＯＮＵは、フォトダイオードやレーザダイオード等の光学素子を備えて構成される。これらの光学素子は、各光学素子の中心位置（受光位置あるいは発光位置）を設計位置に合せるための複雑な光軸合わせを行った上で、例えばレンズを用いて空間結合されている。
【０００４】
ここで、ＯＬＴ及びＯＮＵにおける各光学素子を結合するための手段として、レンズの代わりに光導波路素子を利用する技術がある（例えば、特許文献１〜６参照）。光導波路素子を利用する場合には、光が光導波路内に閉じ込められて伝搬するため、レンズを利用する場合と異なり、複雑な光軸合わせを必要としない。従って、ＯＬＴ及びＯＮＵの組立工程が簡易となるため、量産に適する形態として有利である。光導波路素子は、例えばシリコン（Ｓｉ）を導波路材料として、極めて小型に形成される。しかも、製造にはＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）の製造過程が流用され低コスト化が実現されている。
【０００５】
また、ＯＬＴ及びＯＮＵでは、下り光信号の経路と上り光信号の経路を切り換えるために、波長フィルタとしての機能が付与された光導波路素子を使用した構造がある。
【０００６】
波長フィルタとしての機能は、マッハ−ツェンダ干渉計、方向性結合器、あるいはグレーティング等によって実現される。グレーティングはその反射強度を十分に強くすれば透過帯域内での透過率を一定化することができる。グレーティングはマッハ−ツェンダ干渉計と比較すると、単一段で所望の波長を選択できる特徴がある。Ｓｉを主な材料とした光導波路にグレーティングを形成する構成は、例えば特許文献７及び非特許文献１に開示されている。さらに、多モード導波路におけるモード変換型グレーティングを使用する形態も提案されている（例えば、特許文献８参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第４，８６０，２９４号明細書
【特許文献２】米国特許第５，７６４，８２６号明細書
【特許文献３】米国特許第５，９６０，１３５号明細書
【特許文献４】米国特許第７，０７２，５４１号明細書
【特許文献５】特開平０８−１６３０２８号公報
【特許文献６】特開２００４−１５７１９２号公報
【特許文献７】特表２００７−５２３３８７号広報
【特許文献８】特開２００６−２３５３８０号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Hirohito Yamada et al., "Si Photonic Wire Waveguide Devices”, IEICE Trans. Electron. Vol E90-C, No. 1, pp. 59-64, January 2007.
【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、グレーティングを備える光導波路素子を経路切換素子として使用する構成では、グレーティングの作用により、光が光導波路外へ放射してしまうという現象が生じる。特に、従来のグレーティングを備える経路切換素子では、１．３μｍ以下の短波長において光の放射が生じることがある。そして、上述したＰＯＮでは、通常、上り光信号の波長として、１．２５〜１．３μｍ付近の波長光が割り当てられる。そのため、経路切換素子を経た上り光信号に、光の放射に起因して強度欠損が生じる恐れがある。従って、従来のグレーティングを備える経路切換素子では、ＯＮＵやＯＬＴにおける経路切換素子として、好適に使用することができなかった。
【００１０】
これに鑑みて、発明者は、鋭意研究した結果、光導波路素子が備える２つの光導波路コアのうちの１つにグレーティングを形成し、構造を最適化すれば、当該光導波路素子を光の放射を抑制しつつ、ＯＮＵやＯＬＴにおける経路切換素子として使用できることを見出した。
【００１１】
この発明の目的は、グレーティングを利用した、経路切換素子として使用することが可能な光導波路素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した課題を解決するために、この発明による光導波路素子は、以下の特徴を具えている。
【００１３】
この発明による光導波路素子は、下部クラッド層と、下部クラッド層上に形成されている第１光導波路コアと、下部クラッド層上に、第１光導波路コアを被覆して形成されている上部クラッド層と、上部クラッド層上に、形成された第２光導波路コアとを備える。そして、第１光導波路コアと第２光導波路コアとが互いに平行に配置された分岐領域において、第１光導波路コアには、グレーティングが作り込まれている。
【００１４】
また、この発明による光導波路素子の好適例として、グレーティングは、第１光導波路コアに、第１領域と第２領域とが、光の伝播方向に沿って交互に周期的に形成されて構成されているのが好ましい。そして、第２領域における第１光導波路コアの幅は、第１領域における第１光導波路コアの幅の１０％以下であるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
この発明による光導波路素子では、上述した構成を備えることによって、例えばＯＮＵやＯＬＴにおける経路切換素子として使用することができる。そして、上述したグレーティングの構成を適用することによって、ＰＯＮの上り光信号及び下り光信号に設定される波長帯において、光の放射を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】（Ａ）及び（Ｂ）は、第１の光導波路素子を示す概略図である。
【図２】（Ａ）及び（Ｂ）は、グレーティングの説明に供する概略図である。
【図３】（Ａ）及び（Ｂ）は、第１の光導波路素子の特性評価に関するシミュレーション結果を示す図である。
【図４】第１の光導波路素子の特性評価に関するシミュレーション結果を示す図である。
【図５】（Ａ）及び（Ｂ）は、第１の光導波路素子の特性評価に関するシミュレーション結果を示す図である。
【図６】（Ａ）及び（Ｂ）は、第２の光導波路素子を示す概略図である。
【図７】第２の光導波路素子の特性評価に関するシミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、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限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。
【００１８】
〈第１の光導波路素子〉
図１（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、この発明による第１の光導波路素子について説明する。図１（Ａ）は、第１の光導波路素子を示す概略的斜視図である。図１（Ｂ）は、第１の光導波路素子を示す概略的平面図である。
【００１９】
（構成）
第１の光導波路素子１００は、支持基板１０と、下部クラッド層２０と、第１光導波路コア３０と、上部クラッド層４０と、第２光導波路コア５０とを備えて構成されている。
【００２０】
第１の光導波路素子１００は、例えばＯＬＴやＯＮＵにおいて、下り光信号と上り光信号との経路切換素子として使用される。そこで、以下、第１の光導波路素子１００を、ＯＮＵにおける経路切換素子として使用する場合の例について説明する。
【００２１】
なお、以下の説明において、支持基板１０の厚さに沿った方向を厚さ方向とする。また、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア５０について、これらを伝播する光の伝播方向に沿った方向を長さ方向とする。また、長さ方向及び厚さ方向に直交する方向を幅方向とする。
【００２２】
第１の光導波路素子１００を、ＯＮＵにおける経路切換素子として使用する場合には、第１光導波路コア３０は、入出力端３０ａにおいて例えばフォトダイオード等の受光素子と接続される。また、第２光導波路コア５０は、一方の入出力端５０ａにおいて例えば光ファイバと光学的に接続される。また、他方の入出力端５０ｂにおいて例えばレーザダイオード等の発光素子と光学的に接続される。
【００２３】
そして、ＯＬＴから光ファイバを経て送られる下り光信号は、一方の入出力端５０ａから第２光導波路コア５０に入力される。第２光導波路コア５０を伝播する下り光信号は、後述する分岐領域６０において、グレーティングが形成された第１光導波路コア３０に経路が切り換えられる。その後、下り光信号は、グレーティグで反射され、第１光導波路コア３０を伝播し、入出力端３０ａから出力される。入出力端３０ａから出力された下り光信号は、受光素子によって受光される。
【００２４】
また、発光素子によって生成された上り光信号は、第２光導波路コア５０の他方の入出力端５０ｂから入力される。第２光導波路コア５０を伝播する上り光信号は、入出力端５０ａから出力され、光ファイバを経てＯＬＴに送られる。
【００２５】
支持基板１０は、例えば単結晶Ｓｉを材料とした平板状体として構成されている。
【００２６】
下部クラッド層２０は、支持基板１０上に、支持基板１０の上面１０ａを被覆して形成されている。下部クラッド層２０は、例えばＳｉＯ２を材料として形成されている。
【００２７】
また、下部クラッド層２０は、第１光導波路コア３０を伝播する光が、支持基板１０へ逃げるのを防止するために、例えば少なくとも１μｍの厚さで形成されているのが好ましい。
【００２８】
第１光導波路コア３０は、下部クラッド層２０の上面２０ａ上に、所望の平面形状にパターニングされて形成されている。第１光導波路コア３０は、下部クラッド層２０及び上部クラッド層４０よりも高い屈折率を有する例えばＳｉを材料として形成されている。その結果、第１光導波路コア３０は、光の伝送路として機能し、第１光導波路コア３０に入射された光が第１光導波路コア３０の平面形状に応じた伝播方向に伝播する。
【００２９】
また、第１光導波路コア３０は、シングルモード条件を達成する厚さに設定されている。第１光導波路コア３０がＳｉを材料として形成されている場合には、第１光導波路コア３０の厚さＴ１を例えば２００〜５００ｎｍの範囲内の値とするのが好ましい。
【００３０】
上部クラッド層４０は、下部クラッド層２０上に、第１光導波路コア３０を被覆して形成されている。上部クラッド層４０は、下部クラッド層２０及び空気よりも高く、かつ第１光導波路コア３０よりも低い屈折率を有する例えばＳｉＯｘ（０＜ｘ＜２）又はＳｉＮを材料として形成されている。
【００３１】
また、上部クラッド層４０は、第１光導波路コア３０を被覆することが可能な厚さで形成されている。従って、上部クラッド層４０は、例えば少なくとも５００ｎｍの厚さで形成されているのが好ましい。
【００３２】
第２光導波路コア５０は、上部クラッド層４０上に、所望の平面形状にパターニングされて形成されている。第２光導波路コア５０は、上部クラッド層４０と同じ材料で形成されている。従って、第２光導波路コア５０は、下部クラッド層２０及び空気よりも高く、かつ第１光導波路コア３０よりも低い屈折率に設定されている。その結果、第２光導波路コア５０は、光の伝送路として機能し、第２光導波路コア５０に入射された光が第２光導波路コア５０の平面形状に応じた伝播方向に伝播する。
【００３３】
また、第１の光導波路素子１００では、第２光導波路コア５０と上部クラッド層４０とを、一体的に形成しても、又は境界面を挟んだ別の構成要素として形成しても良い。なお、図１（Ａ）では、第２光導波路コア５０と上部クラッド層４０とが一体的に形成された構成例を示している。
【００３４】
また、第２光導波路コア５０は、上述したように、一方の入出力端５０ａにおいて例えば光ファイバと、また、他方の入出力端５０ａにおいて例えばレーザダイオード等の発光素子と接続される。そこで、光ファイバ及びレーザダイオードとの間において、低損失で光の入出力を行うために、第２光導波路コア５０の幅Ｗ２及び厚さＴ２をそれぞれ例えば２〜８μｍの範囲内の値とするのが好ましい。なお、第２光導波路コア５０と上部クラッド層４０とが一体的に形成される場合には、図１（Ａ）に示すように、第２光導波路コア５０厚さＴ２を、上部クラッド層４０の厚さを含む値として設定することができる。
【００３５】
また、第１の光導波路素子１００は、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア５０間において、光の経路を切り換えるための分岐領域６０を有している。
【００３６】
分岐領域６０では、第１光導波路コア３０と第２光導波路コア５０とが互いに平行に配置されている。そして、分岐領域６０では、第１光導波路コア３０と第２光導波路コア５０とが、厚さ方向で互いに重なり合わない位置に形成されている。すなわち、図１（Ｂ）に示すように、第１の光導波路素子１００では、支持基板１０の上面１０ａに投影される平面形状において、第１光導波路コア３０と第２光導波路コア５０とが互いに平行に配置されている。
【００３７】
そして、第１光導波路コア３０と第２光導波路コア５０とは、第２光導波路コア５０を伝播する光のエバネッセント成分が、第１光導波路コア３０に到達する範囲内の距離で離間されている。なお、第１光導波路コア３０と第２光導波路コア５０との離間距離は、光の伝播方向に沿った分岐領域６０の長さＬ１に応じて、光の経路切り換えが可能な値に設定されている。すなわち、分岐領域６０の長さＬ１を拡張した場合には、第１光導波路コア３０と第２光導波路コア５０との離間距離を拡張することができる。また、第１光導波路コア３０と第２光導波路コア５０との離間距離を短縮した場合には、分岐領域６０の長さＬ１を短縮することができる。なお、図１（Ｂ）では、第１光導波路コア３０と第２光導波路コア５０との離間距離を、これら第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア５０を平面的に見た場合の中心間距離Ｄ１として示してある。
【００３８】
また、分岐領域６０では、第１光導波路コア３０にグレーティングが作り込まれている。なお、図１（Ｂ）では、グレーティングが作り込まれた第１光導波路コア３０の領域を破線で囲い、７０の符号を付して示してある。
【００３９】
図２（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、グレーティングについて説明する。図２（Ａ）及び（Ｂ）は、グレーティングが作り込まれた第１光導波路コア３０の領域７０を拡大して示した概略的平面図である。そして、図２（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれグレーティングの一構成例を示している。
【００４０】
図２（Ａ）に示すように、グレーティングは、第１光導波路コア３０に、第１領域７１と第２領域７３とが、光の伝播方向に沿って交互に周期的に形成されて構成されている。
【００４１】
第２領域７３は、第１光導波路コア３０に対して、幅方向の両側から凹状の彫り込みが形成された領域である。また、第１領域７１は、第１光導波路コア３０の幅Ｗ１が維持された領域である。従って、第２領域７３における第１光導波路コア３０の幅ＷＧは、第１領域７１における第１光導波路コア３０の幅Ｗ１よりも小さくなっている。なお、以下の説明では、第１領域７１における第１光導波路コア３０の幅Ｗ１を、単に第１領域７１の幅Ｗ１とも称する。また、第２領域７３における第１光導波路コア３０の幅ＷＧを、単に第２領域７３の幅ＷＧとも称する。
【００４２】
第１領域７１及び第２領域７３の周期、すなわちグレーティングの周期Λは、反射すべき光の波長に応じて設定されている。グレーティングの周期Λは、第１光導波路コア３０の等価屈折率をＮｇ、第２光導波路コア５０の等価屈折率をＮｒ、及びグレーティングにおいて反射すべき光の波長をλとして、下式（１）
Λ＝λ／（Ｎｇ＋Ｎｒ）        ・・・（１）
で表すことができる。
【００４３】
例えば、第１の光導波路素子１００を、ＯＮＵにおける経路切換素子として使用する場合には、上式（１）を用いて、グレーティングの周期Λを、下り光信号の波長を反射することができる値に設定する。その結果、第１の光導波路素子１００では、入出力端５０ａから第２光導波路コア５０に入力され、分岐領域６０において第１光導波路コア３０へ経路が切り換えられた下り光信号が、グレーティングによって反射される。反射された下り光信号は、第１光導波路コア３０を伝播し、入出力端３０ａから出力される。
【００４４】
また、第２領域７３の幅ＷＧは、第１領域７１の幅Ｗ１の１０％以下に設定されている。すなわち、凹状の彫り込み深さは、両側を合わせて、第１領域７１の幅Ｗ１に対して９０％以上である。そして、両側の彫り込み深さを同一とするのが好ましい。第２領域７３の幅ＷＧを、第１領域７１の幅Ｗ１の１０％以下とすることによって、グレーティングにおける光の放射を抑制することができる。
【００４５】
また、グレーティングの変形例として、グレーティングの周期Λに対する第１領域７１の長さＬＧの比、すなわちデューティ比を１／３以下とすることができる。その場合には、第２領域７３の幅ＷＧを、第１領域７１の幅Ｗ１の２０％以下に設定することによって、グレーティングにおける光の放射を抑制することができる。
【００４６】
また、図２（Ｂ）に示すように、グレーティングの構成として、第２領域７３の幅ＷＧを、第１領域７１の幅Ｗ１に対して０％とすることもできる。すなわち、第１光導波路コア３０を周期的に分断した所謂セグメント構造とすることができる。
【００４７】
図２（Ｂ）の構成例によるグレーティングを用いると、図２（Ａ）の構成例によるグレーティングを用いる場合と比して、より確実に光の放射を抑制することができる。なお、図２（Ｂ）の構成例におけるグレーティングの周期Λは、図２（Ａ）の構成例と同様に、上式（１）に基づき、反射すべき光の波長に応じて設定されている。また、図１（Ａ）及び（Ｂ）では、グレーティングとして、図２（Ｂ）に係るセグメント構造を採用した場合の構成例を示している。
【００４８】
第１の光導波路素子１００では、第１の光導波路コア３０に形成したグレーティングを上述した条件で設計することによって、光の放射が抑制された経路切換素子として使用することができる。
【００４９】
（製造方法）
第１の光導波路素子１００は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を利用することによって、容易に製造することができる。
【００５０】
すなわち、まず、支持基板層、ＳｉＯ２層、及びＳｉ層が順次積層されて構成されたＳＯＩ基板を用意する。
【００５１】
次に、例えばエッチング技術を用いて、Ｓｉ層をパターニングする。このパターニングされたＳｉ層を第１光導波路コア３０とする。そして、エッチング技術を用いて、第１光導波路コア３０に、上述したグレーティングを作り込む。その結果、支持基板１０としての支持基板層上に、下部クラッド層２０としてのＳｉＯ２層、及び第１光導波路コア３０としてのＳｉ層が積層された構造体を得ることができる。
【００５２】
次に、例えばＣＶＤ法を用いて、下部クラッド層２０上に、第１光導波路コア３０を被覆するＳｉＯｘ（０＜ｘ＜２）又はＳｉＮを材料とした材料層を形成する。そして、平坦化を行った後、エッチング技術を用いて、材料層をパターニングする。このパターニングによって、上部クラッド層４０及び第２光導波路コア５０が一体的に形成される。なお、上部クラッド層４０及び第２光導波路コア５０を、境界面を挟んだ別の構成要素として形成する場合には、材料層を平坦化して上部クラッド層４０とした後に、例えばＣＶＤ法を用いて、上部クラッド層４０上に第２光導波路コア５０を形成する。
【００５３】
（特性評価）
発明者は、第１の光導波路素子１００の特性を評価するために、３次元ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ）法を用いてシミュレーションを行った。
【００５４】
このシミュレーションでは、一方の入出力端５０ａから第２光導波路コア５０にＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）光を入力した場合を想定し、第２光導波路コア５０の他方の入出力端５０ｂから出力される光の強度、及び第１光導波路コア３０の入出力端３０ａから出力される光の強度を測定した。また、第１光導波路コア３０を、Ｓｉ（屈折率：約３．５）製とした。また、上部クラッド層４０及び第２光導波路コア５０を、屈折率約１．５１のＳｉＯｘを材料として、一体的に形成した構成とした。また、上部クラッド層４０の厚さを５００ｎｍとした。また、第２光導波路コア５０の幅Ｗ２及び厚さＴ２をそれぞれ３μｍとした。なお、ここでは、第２光導波路コア５０の厚さＴ２は、上部クラッド層４０の厚さを含む。すなわち、第２光導波路コア５０が、上部クラッド層４０から２．５μｍ突出した構成とした。また、第１光導波路コア３０の、グレーティングを形成した領域の長さを１００μｍとした。また、第１光導波路コア３０の入出力端３０ａから１．６μｍ付近の波長光を出力することを想定した。そのために、グレーティングの周期Λを５１２ｎｍとした。
【００５５】
そして、グレーティングの設計条件や第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア５０の中心間距離Ｄ１を変化させてシミュレーションを行い、それぞれの結果を比較した。
【００５６】
シミュレーションの結果を、図３（Ａ）及び（Ｂ）、図４、並びに図５（Ａ）及び（Ｂ）に示す。図３（Ａ）及び（Ｂ）、図４、並びに図５（Ａ）及び（Ｂ）は、第１の光導波路素子１００の特性評価に供する図であり、それぞれ縦軸に光強度をｄＢスケールで、また、横軸に波長をμｍ単位でとって示してある。また、各図に示す曲線Ｉは、第２光導波路コア５０の入出力端５０ｂから出力される光の強度を示している。また、曲線ＩＩは、第１光導波路コア３０の入出力端３０ａから出力される光の強度を示している。
【００５７】
図３（Ａ）に係るシミュレーションでは、第１光導波路コア３０の幅Ｗ１を３７５ｎｍ、及び厚さＴ１を３００ｎｍとした。また、第１光導波路コア３０に形成したグレーティングの第２領域７３の幅ＷＧを７５ｎｍとした。すなわち、第２領域７３の幅ＷＧを、第１領域７１の幅Ｗ１の２０％とした。また、グレーティング周期Λに対する第１領域７１の長さＬＧ、すなわちデューティ比を１／２とした。また、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア５０の中心間距離Ｄ１を１７００ｎｍとした。
【００５８】
図３（Ａ）に示す結果から、第１光導波路コア３０の入出力端３０ａから、１．６μｍ付近の波長光を出力できることが確認された。また、図３（Ａ）に示す結果では、第２光導波路コア５０の入出力端５０ｂから出力される光は、１．２５μｍ付近の波長において放射に起因する強度欠損が生じている。
【００５９】
図３（Ｂ）に係るシミュレーションでは、第１光導波路コア３０の幅Ｗ１を３６６ｎｍ、及び厚さＴ１を３００ｎｍとした。また、第１光導波路コア３０に形成したグレーティングの第２領域７３の幅ＷＧを３３ｎｍとした。すなわち、第２領域７３の幅ＷＧを、第１領域７１の幅Ｗ１の約９％とした。また、デューティ比を１／２とした。また、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア５０の中心間距離Ｄ１を１７００ｎｍとした。
【００６０】
図３（Ｂ）に示す結果から、第１光導波路コア３０の入出力端３０ａから、１．６μｍ付近の波長光を出力できることが確認された。
【００６１】
また、図３（Ｂ）に示す結果では、図３（Ａ）に示す結果と比して、第２光導波路コア５０の入出力端５０ｂから出力される光の強度欠損が小さいことがわかる。そして、入出力端５０ｂから出力される光の強度欠損の波長位置は、１．１３μｍ付近となっている。すなわち、図３（Ａ）に示す結果と比して、入出力端５０ｂから出力される光の強度欠損が生じる波長位置が、短波長側へシフトしている。
【００６２】
図３（Ａ）及び（Ｂ）に示す結果から、第１光導波路コア３０に形成したグレーティングの第２領域７３の幅ＷＧを、第１領域７１の幅Ｗ１の１０％以下とすることによって、光の放射を抑制できることがわかった。さらに、第２領域７３の幅ＷＧを、第１領域７１の幅Ｗ１の１０％以下とすることによって、放射による光の強度欠損が生じる波長位置を短波長側へシフトすることができることがわかった。
【００６３】
ここで、ＰＯＮでは、通常、上り光信号の波長として、１．２５〜１．３μｍ付近の波長光が割り当てられる。そして、上述したように、第１の光導波路素子１００では、第２領域７３の幅ＷＧを第１領域の幅Ｗ１の１０％以下とすることによって、放射に起因する強度欠損が生じる波長位置を１．２５μｍよりも短波長側へシフトできることが確認された。従って、第１の光導波路素子１００は、放射による強度欠損の影響を受けることなく、ＯＬＴやＯＮＵにおける経路切換素子として使用することが可能である。
【００６４】
図４に係るシミュレーションでは、第１光導波路コア３０の幅Ｗ１を３７５ｎｍ、及び厚さＴ１を３００ｎｍとした。また、第１光導波路コア３０に形成したグレーティングの第２領域７３の幅ＷＧを７５ｎｍとした。すなわち、第２領域７３の幅ＷＧを、第１領域７１の幅Ｗ１の２０％とした。また、デューティ比を１／３とした。また、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア５０の中心間距離Ｄ１を２００ｎｍとした。
【００６５】
図４に示す結果から、第１光導波路コア３０の入出力端３０ａから、１．６μｍ付近の波長光を出力できることが確認された。
【００６６】
また、図４に示す結果では、図３（Ａ）に示す結果と比して、第２光導波路コア５０の入出力端５０ｂから出力される光の強度欠損が小さいことがわかる。そして、入出力端５０ｂから出力される光の強度欠損の波長位置は、１．１３μｍ付近となっている。すなわち、図３（Ａ）に示す結果と比して、入出力端５０ｂから出力される光の強度欠損が生じる波長位置が、短波長側へシフトしている。
【００６７】
このように、図４に示す結果から、デューティ比を小さく、好ましくは１／３以下とした場合には、第２領域７３の幅ＷＧが、第１領域７１の幅Ｗ１の２０％であっても、光の放射を抑制できることがわかった。さらに、放射による光の強度欠損が生じる波長位置を、１．２５μｍよりも短波長側へシフトすることができることが確認された。
【００６８】
また、図５（Ａ）及び（Ｂ）に係るシミュレーションでは、第１光導波路コア３０に形成したグレーティングの第２領域７３の幅ＷＧを、第１領域７１の幅Ｗ１に対して０％とした。すなわち、グレーティングを、図２（Ｂ）を参照して説明した所謂セグメント構造とした。
【００６９】
図５（Ａ）に係るシミュレーションでは、第１光導波路コア３０の幅Ｗ１及び厚さＴ１をそれぞれ３００ｎｍとした。また、グレーティングのデューティ比を１／２とした。また、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア５０の中心間距離Ｄ１を１６５０ｎｍとした。
【００７０】
図５（Ｂ）に係るシミュレーションでは、第１光導波路コア３０の幅Ｗ１及び厚さＴ１をそれぞれ４００ｎｍとした。また、グレーティングのデューティ比を１／２とした。また、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア５０の中心間距離Ｄ１を１７５０ｎｍとした。
【００７１】
図５（Ａ）及び（Ｂ）に示す結果から、第１光導波路コア３０の入出力端３０ａから、１．６μｍ付近の波長光を出力できることが確認された。また、グレーティングを、図２（Ｂ）を参照して説明した所謂セグメント構造とすることによって、放射に起因する強度欠損が防止されていることがわかる。従って、第１の光導波路素子１００において、グレーティングをセグメント構造とすることによって、図３（Ｂ）に係るグレーティングの設計と比して、より好適に放射を抑制することができることが確認された。
【００７２】
以上に説明したように、図３（Ａ）及び（Ｂ）、図４、並びに図５（Ａ）及び（Ｂ）から、第１の光導波路素子１００は、光の放射を抑制しつつ、経路切換素子として使用することが可能であることが確認された。
【００７３】
そして、１．２５〜１．３μｍ付近の波長帯に、放射に起因する強度欠損が生じないことから、第１の光導波路素子１００をＯＮＵに適用する場合には、波長の相違に基づき光信号の経路を以下のように設定するのが好適である。すなわち、第２光導波路コア５０の入出力端５０ｂから波長１．２５μｍ付近の上り光信号を入力し、入出力端５０ａから出力させる。また、第２光導波路コア５０の入出力端５０ａから波長１．６μｍ付近の下り光信号を入力し、第１光導波路コア３０の入出力端３０ａから出力させる。このように経路を設定することによって、第１の光導波路素子１００を、ＯＮＵの経路切換素子として利用することができる。
【００７４】
なお、図３（Ａ）及び（Ｂ）、図４、並びに図５（Ａ）及び（Ｂ）に係るシミュレーションでは、ＴＥ光を入力した場合を想定したが、ＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ）光を入力光とした場合についても同様のシミュレーション結果が得られることが、発明者によって確認された。
【００７５】
〈第２の光導波路素子〉
図６（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、この発明による第２の光導波路素子について説明する。図６（Ａ）は、この発明による第２の光導波路素子を示す概略的斜視図である。図６（Ｂ）は、この発明による第２の光導波路素子を示す概略的平面図である。
【００７６】
なお、第２の光導波路素子と上述した第１の光導波路素子との相違点は、分岐領域の構成にある。そこで、以下の説明では、主に分岐領域の構成について説明する。その他の構成については、第１の光導波路素子と同様であるため、共通する構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００７７】
（構成）
第２の光導波路素子２００は、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア１５０間において、光の経路を切り換えるための分岐領域１６０を有している。
【００７８】
分岐領域１６０では、第１光導波路コア３０と第２光導波路コア１５０とが互いに平行に配置されている。第２の光導波路素子２００では、厚さ方向に沿って、第１光導波路コア３０と第２光導波路コア１５０とが互いに平行に配置されている。
【００７９】
また、分岐領域１６０では、図６（Ｂ）に示すように、第１光導波路コア３０と第２光導波路コア１５０とが、上部クラッド層１４０を介して、厚さ方向に互いに重なり合う位置に形成されている。
【００８０】
そして、第１光導波路コア３０と第２光導波路コア１５０とは、第２光導波路コア１５０を伝播する光のエバネッセント成分が、第１光導波路コア３０に到達する範囲内の距離で離間されている。なお、第１光導波路コア３０と第２光導波路コア１５０との離間距離は、光の伝播方向に沿った分岐領域１６０の長さＬ２に応じて、光の経路切り換えが可能な値に設定されている。すなわち、分岐領域１６０の長さＬ２を拡張した場合には、第１光導波路コア３０と第２光導波路コア１５０との離間距離を拡張することができる。また、第１光導波路コア３０と第２光導波路コア１５０との離間距離を短縮した場合には、分岐領域１６０の長さＬ２を短縮することができる。なお、図６（Ａ）では、第１光導波路コア３０と第２光導波路コア１５０との離間距離を、これら第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア１５０の、中心間距離Ｄ２として示してある。
【００８１】
また、分岐領域１６０では、第１光導波路コア３０にグレーティングが作り込まれている。なお、図６（Ｂ）では、グレーティングが作り込まれた第１光導波路コア３０の領域を破線で囲い、７０の符号を付して示してある。グレーティングの構成については、上述した第１の光導波路素子１００と同様である（図２（Ａ）及び（Ｂ）参照）。
【００８２】
すなわち、グレーティングの周期Λは、第１の光導波路素子１００と同様に、上式（１）に基づき、反射すべき光の波長に応じて設定されている。
【００８３】
また、第２領域７３における第１光導波路コア３０の幅ＷＧは、第１領域７１における第１光導波路コア３０の幅Ｗ１の１０％以下に設定されている。すなわち、凹状の彫り込み深さは、両側を合わせて、第１領域７１の幅Ｗ１に対して９０％以上である。そして、両側の彫り込み深さを同一とするのが好ましい。第２領域７３の幅ＷＧを、第１領域７１の幅Ｗ１の１０％以下とすることによって、グレーティングにおける光の放射を抑制することができる。
【００８４】
また、グレーティングの変形例として、グレーティングの周期Λに対する第１領域７１の長さＬＧの比、すなわちデューティ比を、１／３以下とすることができる。その場合には、第１領域７１の幅ＷＧを、第１領域７１の幅Ｗ１の２０％以下に設定することによって、グレーティングにおける光の放射を抑制することができる。
【００８５】
また、第１の光導波路素子１００と同様に、グレーティングの構成として、第２領域７３の幅ＷＧを、第１領域７１の幅Ｗ１に対して０％とすることもできる（図２（Ｂ）参照）。すなわち、第１光導波路コア３０を周期的に分断した所謂セグメント構造とすることができる。
【００８６】
図２（Ｂ）の構成例によるグレーティングを用いると、図２（Ａ）の構成例によるグレーティングを用いる場合と比して、より確実に光の放射を抑制することができる。なお、図２（Ｂ）の構成例におけるグレーティングの周期Λは、図２（Ａ）の構成例と同様に、上式（１）に基づき、反射すべき光の波長に応じて設定されている。また、図６（Ａ）及び（Ｂ）では、グレーティングとして、図２（Ｂ）に係るセグメント構造を採用した場合の構成例を示している。
【００８７】
また、第２の光導波路素子２００では、上部クラッド層１４０と第２光導波路コア１５０とを別の構成要素として形成し、これらの間に境界面１５１を有した構成とするのが好ましい。境界面１５１を有することによって、第２光導波路コア１５０を伝播する光の、厚さ方向の伝播モードの境界を確定させることができる。
【００８８】
なお、上部クラッド層１４０及び第２光導波路コア１５０は、同一の又は異なる材料で形成することができる。例えば、上部クラッド層１４０は、下部クラッド層２０及び空気よりも高く、かつ第１光導波路コア３０よりも低い屈折率を有する例えばＳｉＯｘ（０＜ｘ＜２）又はＳｉＮを材料として形成されている。また、第２光導波路コア１５０を上部クラッド層１４０と異なる材料とする場合には、第２光導波路コア１５０は、上部クラッド層１４０よりも高い屈折率を有する材料で形成される。
【００８９】
第２の光導波路素子２００では、第１光導波路コア３０に形成したグレーティングを上述した条件で設計することによって、第１の光導波路素子１００と同様に、光の放射が抑制された経路切換素子として使用することができる。
【００９０】
（製造方法）
第２の光導波路素子２００は、第１の光導波路素子１００と同様に、ＳＯＩ基板を利用することによって、容易に製造することができる。
【００９１】
すなわち、まず、支持基板層、ＳｉＯ２層、及びＳｉ層が順次積層されて構成されたＳＯＩ基板を用意する。
【００９２】
次に、例えばエッチング技術を用いて、Ｓｉ層をパターニングする。このパターニングされたＳｉ層を第１光導波路コア３０とする。そして、エッチング技術を用いて、第１光導波路コア３０に、上述したグレーティングを作り込む。その結果、支持基板１０としての支持基板層上に、下部クラッド層２０としてのＳｉＯ２層、及び第１光導波路コア３０としてのＳｉ層が積層された構造体を得ることができる。
【００９３】
次に、例えばＣＶＤ法を用いて、下部クラッド層２０上に、第１光導波路コア３０を被覆するＳｉＯｘ（０＜ｘ＜２）又はＳｉＮを材料とした材料層を形成する。そして、材料層を平坦化して上部クラッド層１４０とする。その後に、例えばＣＶＤ法を用いて、上部クラッド層１４０上に第２光導波路コア１５０を形成する。
【００９４】
（特性評価）
発明者は、第２の光導波路素子２００の特性を評価するために、３次元ＦＤＴＤ法を用いてシミュレーションを行った。
【００９５】
このシミュレーションでは、一方の入出力端１５０ａから第２光導波路コア１５０にＴＥ光を入力した場合を想定し、第２光導波路コア１５０の他方の入出力端１５０ｂから出力される光の強度、及び第１光導波路コア３０の入出力端３０ａから出力される光の強度を測定した。また、第１光導波路コア３０を、Ｓｉ（屈折率：約３．５）製とし、その厚さＴ１及び幅Ｗ１をそれぞれ４００ｎｍとした。また、上部クラッド層１４０を屈折率約１．４６のＳｉＯ２製とし、その厚さを５００ｎｍとした。また、第２光導波路コア１５０を、屈折率約１．５１のＳｉＯｘ製とし、その厚さＴ３及び幅Ｗ３をそれぞれ３μｍとした。また、第１光導波路コア３０の入出力端３０ａから１．６μｍ付近の波長光を出力することを想定した。そのために、第１光導波路コア３０に形成したグレーティングの周期Λを５１２ｎｍとした。また、グレーティングの第２領域７３の幅ＷＧを、第１領域７１の幅Ｗ１に対して０％とした。すなわち、グレーティングを、図２（Ｂ）を参照して説明した所謂セグメント構造とした。また、グレーティング周期Λに対する第１領域７１の長さＬＧ、すなわちデューティ比を１／２とした。また、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア１５０の中心間距離Ｄ２を２２２０ｎｍとした。
【００９６】
シミュレーションの結果を、図７に示す。図７は、第２の光導波路素子２００の特性評価に供する図であり、縦軸に光強度をｄＢスケールで、また、横軸に波長をμｍ単位でとって示してある。また、図７に示す曲線Ｉは、第２光導波路コア１５０の入出力端１５０ｂから出力される光の強度を示している。また、曲線ＩＩは、第１光導波路コア３０の入出力端３０ａから出力される光の強度を示している。
【００９７】
図７に示す結果から、第１光導波路コア３０の入出力端３０ａから、１．６μｍ付近の波長光を出力できることが確認された。また、入出力端５０ｂから出力される光では、放射に起因する強度欠損が防止されていることがわかる。従って、第２の光導波路素子２００は、第１の光導波路素子１００と同様に、光の放射を抑制しつつ、経路切換素子として使用することが可能であることが確認された。
【符号の説明】
【００９８】
１０：支持基板
２０：下部クラッド層
３０：第１光導波路コア
４０、１４０：上部クラッド層
５０、１５０：第２光導波路コア
６０、１６０：分岐領域
７１：第１領域
７３：第２領域
１００：第１の光導波路素子
１５１：境界面
２００：第２の光導波路素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2014041177.tif 000007
【図６】
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【図７】
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