(57)【要約】  光スイッチの小型化を図ることができるモード間光スイッチを提供するものである。モード間光スイッチ１００は、単一の入力ポート１と、単一の出力ポート２と、当該入力ポート１及び出力ポート２間に並設される２本の導波路１０と、導波路の屈折率を変化させる屈折率変化手段８と、を備え、屈折率変化手段８により変化させた屈折率に応じて、入力ポート１に入力された任意のモード光を出力ポート２から任意のモード光として出力する。【選択図】        図１
2014034654.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一の入力ポートと、単一の出力ポートと、当該入力ポート及び出力ポート間に配設されるモード変換手段と、を備え、
前記モード変換手段が、前記入力ポートから入力された任意のモード光を前記出力ポートから任意のモード光として出力することを特徴とするモード間光スイッチ。
【請求項２】
前記請求項１に記載のモード間光スイッチにおいて、
前記モード変換手段が、
前記入力ポートから入力されたモード光を分岐する光分岐導波路と、
前記光分岐導波路の後段に配設され、導波路の屈折率を変化させる屈折率変化手段と、
前記屈折率変化手段の後段に配設され、前記光分岐導波路で分岐されたモード光を結合して前記出力ポートから出力する光合波導波路と、
を備え、
前記屈折率変化手段により変化させた屈折率に応じて、前記入力ポートに入力された任意のモード光を前記出力ポートから任意のモード光として出力することを特徴とするモード間光スイッチ。
【請求項３】
前記請求項２に記載のモード間光スイッチにおいて、
前記モード変換手段が、前記入力ポート及び出力ポート間に並設される２本の導波路を備え、
前記光分岐導波路が、前記入力ポート及び２本の導波路間に配設されるＹ分岐導波路であり、
前記光合波導波路が、前記出力ポート及び２本の導波路間に配設される合流導波路であり、
前記屈折率変化手段が、前記２本の導波路、又は、前記合流導波路の合流する導波路に配設されることを特徴とするモード間光スイッチ。
【請求項４】
前記請求項３に記載のモード間光スイッチにおいて、
前記入力ポート及び出力ポート間に並設される２本の導波路が、直線状導波路であり、
前記Ｙ分岐導波路が、分岐する２本の導波路を平面視において導波路幅を異にする非対称の平面形状とし、
前記合流導波路が、合流する２本の導波路を平面視において対称の平面形状とし、
前記屈折率変化手段が、前記合流導波路の合流する２本の導波路に配設されることを特徴とするモード間光スイッチ。
【請求項５】
前記請求項３に記載のモード間光スイッチにおいて、
前記入力ポート及び出力ポート間に並設される２本の導波路が、直線状導波路であり、
前記Ｙ分岐導波路が、分岐する２本の導波路を平面視において対称の平面形状とし、
前記合流導波路が、合流する２本の導波路を平面視において対称の平面形状とし、
前記屈折率変化手段が、前記入力ポート及び出力ポート間に並設される２本の導波路のうち、少なくとも一方に配設されることを特徴とするモード間光スイッチ。
【請求項６】
前記請求項２に記載のモード間光スイッチにおいて、
前記モード変換手段が、前記入力ポート及び出力ポート間に並設される２本の導波路を備え、
前記光分岐導波路が、前記入力ポート及び２本の導波路間に配設される１×２型多モード光干渉導波路であり、
前記光合波導波路が、前記出力ポート及び２本の導波路間に配設される２×１型多モード光干渉導波路であり、
前記屈折率変化手段が、前記入力ポート及び出力ポート間に並設される２本の導波路のうち、少なくとも一方に配設されることを特徴とするモード間光スイッチ。
【請求項７】
前記請求項２に記載のモード間光スイッチにおいて、
前記モード変換手段が、前記入力ポート及び出力ポート間に並設される２本の導波路を備え、
前記光分岐導波路が、前記入力ポート及び２本の導波路間に配設される１×２型多モード光干渉導波路であり、
前記光合波導波路が、前記出力ポート及び２本の導波路間に配設される合流導波路であり、
前記屈折率変化手段が、前記２本の導波路、又は、前記合流導波路の合流する導波路に配設されることを特徴とするモード間光スイッチ。
【請求項８】
前記請求項１に記載のモード間光スイッチにおいて、
０次モード光乃至２ｎ−１次モード光（ｎは２以上の整数）である２ｎ種類のモード光を対象とし、
前記モード変換手段が、
前記入力ポートに接続され、モード光を２つに分岐するＹ分岐導波路が一又は複数配設される入力段領域と、
前記出力ポートに接続され、２つのモード光を結合する合流導波路が一又は複数配設される出力段領域と、
前記入力段領域及び出力段領域間に配設され、０次モード光を伝搬させる２ｎ本の導波路が並設される基準領域と、
前記基準領域の前段に配設され、前記基準領域における最外側の２本の導波路にそれぞれ接続される２本の導波路と、前記基準領域における最外側の２本の導波路を除く隣り合う２本の導波路に分岐する２ｎ−１−１本のＹ分岐導波路に接続される２ｎ−１−１本の導波路と、が並設される前段領域と、
前記前段領域の前段に配設され、前記前段領域における２ｎ−１−１本の導波路に結合する２ｎ−１−１本の合流導波路と当該２ｎ−１−１本の合流導波路の結合前の２ｎ−２本の導波路及び前記前段領域における最外側の２本の導波路にそれぞれ接続される２本の導波路のうち隣り合う２ｎ本の導波路に分岐する２ｎ−１本のＹ分岐導波路とを介して、２ｎ−１本の導波路が並設される前々段領域と、
前記基準領域の後段に配設され、前記基準領域における隣り合う２本の導波路を結合する２ｎ−１本の合流導波路に接続される２ｎ−１本の導波路が並設される後段領域と、
前記基準領域における最外側の１本の導波路を除く２ｎ−１本の導波路、前記前段領域における最外側の２本の導波路を除く２ｎ−１−１本の導波路、前記基準領域で除いた最外側の１本の導波路を経路としない前記前々段領域における最外側の１本の導波路を除く２ｎ−１−１本の導波路、及び、前記基準領域で除いた最外側の１本の導波路を経路としない前記後段領域における最外側の１本の導波路を除く２ｎ−１−１本の導波路に配設され、当該導波路の屈折率を変化させる屈折率変化手段と、
を備え、
前記屈折率変化手段により変化させた屈折率に応じて、前記入力ポートに入力された任意のモード光を前記出力ポートから任意のモード光として出力することを特徴とするモード間光スイッチ。
【請求項９】
前記請求項８に記載のモード間光スイッチにおいて、
０次モード光乃至３次モード光である４種類のモード光を対象とし、
前記モード変換手段が、
前記入力ポートから入力されるモード光を２つに分岐する第１Ｙ分岐導波路と、
前記第１Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光を２つに分岐する第２Ｙ分岐導波路と、
前記第１Ｙ分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光を２つに分岐する第３Ｙ分岐導波路と、
前記第２Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光及び前記第３Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光を結合する第１合流導波路と、
前記第１合流導波路から入力されるモード光を２つに分岐する第４Ｙ分岐導波路と、
前記第２Ｙ分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光及び前記第４Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光を結合する第２合流導波路と、
前記第３Ｙ分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光及び前記第４Ｙ分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光を結合する第３合流導波路と、
前記第２合流導波路から入力されるモード光及び前記第３合流導波路から入力されるモード光を結合して前記出力ポートから出力する第４合流導波路と、
を備え、
前記屈折率変化手段が、前記第１Ｙ分岐導波路の分岐後の他の導波路、前記第１合流導波路及び第４Ｙ分岐導波路間の導波路、前記第４Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路及び他の導波路、前記第３Ｙ分岐導波路の分岐後の他の導波路、並びに、前記第３合流導波路及び第４合流導波路間の導波路に配設されることを特徴とするモード間光スイッチ。
【請求項１０】
前記請求項８に記載のモード間光スイッチにおいて、
０次モード光乃至７次モード光である８種類のモード光を対象とし、
前記モード変換手段が、
前記入力ポートから入力されるモード光を２つに分岐する第１Ｙ分岐導波路と、
前記第１Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光を２つに分岐する第２Ｙ分岐導波路と、
前記第１Ｙ分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光を２つに分岐する第３Ｙ分岐導波路と、
前記第２Ｙ分岐導波路の分
岐後の一の導波路を伝播するモード光を２つに分岐する第４Ｙ分岐導波路と、
前記第２Ｙ分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光を２つに分岐する第５Ｙ分岐導波路と、
前記第３Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光を２つに分岐する第６Ｙ分岐導波路と、
前記第３Ｙ分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光を２つに分岐する第７Ｙ分岐導波路と、
前記第４Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光及び前記第５Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光を結合する第１合流導波路と、
前記第５Ｙ分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光及び前記第６Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光を結合する第２合流導波路と、
前記第６Ｙ分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光及び前記第７Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光を結合する第３合流導波路と、
前記第１合流導波路から入力されるモード光を２つに分岐する第８Ｙ分岐導波路と、
前記第２合流導波路から入力されるモード光を２つに分岐する第９Ｙ分岐導波路と、
前記第３合流導波路から入力されるモード光を２つに分岐する第１０Ｙ分岐導波路と、
前記第４Ｙ分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光及び前記第８Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光を結合する第４合流導波路と、
前記第８Ｙ分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光及び前記第９Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光を結合する第５合流導波路と、
前記第９Ｙ分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光及び前記第１０Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光を結合する第６合流導波路と、
前記第７Ｙ分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光及び前記第１０Ｙ分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光を結合する第７合流導波路と、
前記第４合流導波路から入力されるモード光及び前記第５合流導波路から入力されるモード光を結合する第８合流導波路と、
前記第６合流導波路から入力されるモード光及び前記第７合流導波路から入力されるモード光を結合する第９合流導波路と、
前記第８合流導波路から入力されるモード光及び前記第９合流導波路から入力されるモード光を結合して前記出力ポートから出力する第１０合流導波路と、
を備え、
前記屈折率変化手段が、前記第２Ｙ分岐導波路の分岐後の他の導波路、前記第３Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路及び他の導波路、前記第１合流導波路及び第８Ｙ分岐導波路間の導波路、前記第２合流導波路及び第９Ｙ分岐導波路間の導波路、前記第３合流導波路及び第１０Ｙ分岐導波路間の導波路、前記第８Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路及び他の導波路、前記第９Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路及び他の導波路、前記第１０Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路及び他の導波路、前記第７Ｙ分岐導波路の分岐後の他の導波路、前記第５合流導波路及び第８合流導波路間の導波路、前記第６合流導波路及び第９合流導波路間の導波路、並びに、前記第７合流導波路及び第９合流導波路間の導波路に配設されることを特徴とするモード間光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、任意のモード光を任意のモード光に変換するモード間光スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の空間光スイッチは、光信号を入力させる入力導波路と、アレイ導波路に光信号を分配するためのスラブ導波路と、屈折率を変化させるために電流注入または電圧印加を行なうための三角形状の電極を装備されたアレイ導波路と、アレイ導波路からの出力光を出力導波路に結合させるためのスラブ導波路と、光信号を出力する複数の出力導波路から構成される（例えば、特許文献１参照）。
この従来の空間光スイッチは、一つの波長の入力光信号を電極へ印加する制御信号により空間的に振り分けるための出力導波路を複数並列に配設したものであり、一つの波長の信号を異なる出力導波路へ結合させるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−７２１５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の空間光スイッチは、複数の出力導波路の各出力導波路に１本の光ファイバを光学的にそれぞれ接続するために、光ファイバの直径（隣り合う光ファイバ間のピッチ）に依存して、隣り合う出力導波路間の間隔を広げる必要があり、空間光スイッチの小型化が図れないうえに、出力導波路の数が限られ、大規模集積ができないという課題がある。【０００５】
これに対し、近年の情報通信量の増大を背景に、将来の大容量化手段の一つとして、モード多重伝送技術が注目されている。
光スイッチは、このモード多重伝送技術を利用すれば、光スイッチの前後に接続するモード変換デバイスにより空間位置情報をモード情報に変換した上で、モードを切り換えるスイッチとして機能し、１本の入力導波路及び１本の出力導波路で済むことになり、光スイッチの小型化を図ることができる。【０００６】
このように、任意のモード光を任意のモード光に変換する光スイッチ（モード間光スイッチ）は、モード多重伝送への応用が期待できると共に、モード情報と空間位置情報とを対応させることで、光スイッチ（入力導波路、出力導波路）の端部に結合すべき光学部品点数の削減等、将来の高集積空間光スイッチへの応用も期待される。
しかしながら、モード間光スイッチは、開発段階であり、製品として存在しないのが現状である。【０００７】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、光スイッチの小型化を図ることができるモード間光スイッチを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るモード間光スイッチにおいては、単一の入力ポートと、単一の出力ポートと、当該入力ポート及び出力ポート間に配設されるモード変換手段と、を備え、モード変換手段が、入力ポートから入力された任意のモード光を出力ポートから任意のモード光として出力するものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係るモード間光スイッチにおいては、光スイッチの小型化を図ると共に、任意のモード光を任意のモード光に変換することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】（ａ）は第１の実施形態に係るモード間光スイッチの概略構成の一例を示す平面図であり、（ｂ）は図１（ａ）に示す第１の分岐導波路の寸法を説明するための説明図であり、（ｃ）は図１（ａ）に示す第１の合流導波路の寸法を説明するための説明図であり、（ｄ）は図１（ａ）に示す第２の合流導波路の寸法を説明するための説明図である。
【図２】（ａ）は図１（ａ）に示す第１の合流導波路における屈折率変化手段の拡大図であり、（ｂ）は図１（ａ）に示す第２の合流導波路における屈折率変化手段の拡大図であり、（ｃ）は図２（ａ）及び図２（ｂ）に示す屈折率変化手段の矢視Ｂ−Ｂ’線の断面図であり、（ｄ）は図１（ａ）に示すモード間光スイッチの矢視Ａ−Ａ’線の断面図である。
【図３】図１に示すモード間光スイッチの製造方法を説明するための図２（ｃ）に対応する断面図である。
【図４】図３に示すモード間光スイッチの製造方法の続きを説明するための断面図である。
【図５】図４に示すモード間光スイッチの製造方法の続きを説明するための断面図である。
【図６】図１に示すモード間光スイッチの製造方法を説明するための図２（ｄ）に対応する断面図である。
【図７】図６に示すモード間光スイッチの製造方法の続きを説明するための断面図である。
【図８】図７に示すモード間光スイッチの製造方法の続きを説明するための断面図である。
【図９】図１（ａ）に示す屈折率変化領域の屈折率変化量ΔＮ１，ΔＮ２と０次モード光及び１次モード光の透過度との関係を示すグラフであり、（ａ）は０次モード光を入力した場合の屈折率変化量ΔＮ１と透過度との関係を示すグラフであり、（ｂ）は０次モード光を入力した場合の屈折率変化量ΔＮ２と透過度との関係を示すグラフであり、（ｃ）は１次モード光を入力した場合の屈折率変化量ΔＮ１と透過度との関係を示すグラフであり、（ｄ）は１次モード光を入力した場合の屈折率変化量ΔＮ２と透過度との関係を示すグラフである。
【図１０】図１に示すモード間光スイッチの動作シミュレーション図であり、（ａ）は０次モード光を入力して屈折率変化量ΔＮ１を−０．０１７とした場合の光フィールドを示す説明図であり、（ｂ）は０次モード光を入力して屈折率変化量ΔＮ２を−０．０２３とした場合の光フィールドを示す説明図であり、（ｃ）は１次モード光を入力して屈折率変化量ΔＮ１を−０．０１７とした場合の光フィールドを示す説明図であり、（ｄ）は１次モード光を入力して屈折率変化量ΔＮ２を−０．０２３とした場合の光フィールドを示す説明図である。
【図１１】（ａ）は第２の実施形態に係るモード間光スイッチの概略構成の一例を示す平面図であり、（ｂ）は図１１（ａ）に示す第１の分岐導波路の寸法を説明するための説明図であり、（ｃ）は図１１（ａ）に示す第２の直線状導波路における屈折率変化手段の拡大図である。
【図１２】図１１（ａ）に示す屈折率変化領域の屈折率変化量ΔＮと０次モード光及び１次モード光の出力との関係を示すグラフであり、（ａ）は０次モード光を入力した場合の屈折率変化量ΔＮと出力との関係を示すグラフであり、（ｂ）は１次モード光を入力した場合の屈折率変化量ΔＮと出力との関係を示すグラフである。
【図１３】図１１に示すモード間光スイッチの動作シミュレーション図であり、（ａ）は０次モード光を入力して屈折率変化量ΔＮを０とした場合の光フィールドを示す説明図であり、（ｂ）は０次モード光を入力して屈折率変化量ΔＮを−０．００３９とした場合の光フィールドを示す説明図であり、（ｃ）は１次モード光を入力して屈折率変化量ΔＮを０とした場合の光フィールドを示す説明図であり、（ｄ）は１次モード光を入力して屈折率変化量ΔＮを−０．００３９とした場合の光フィールドを示す説明図である。
【図１４】（ａ）は第３の実施形態に係るモード間光スイッチの概略構成の一例を示す平面図であり、（ｂ）は図１４（ａ）に示す第３の直線状導波路における屈折率変化手段の拡大図であり、（ｃ）は図１４（ａ）に示す２×１型ＭＭＩ導波路の矢視Ｃ−Ｃ’線の断面図である。
【図１５】（ａ）は第４の実施形態に係るモード間光スイッチの概略構成の一例を示す平面図であり、（ｂ）は図１５（ａ）に示す第２の直線状導波路における屈折率変化手段の拡大図であり、（ｃ）は図１５（ａ）に示す１×２型ＭＭＩ導波路の矢視Ｄ−Ｄ’線の断面図である。
【図１６】（ａ）は第５の実施形態に係るモード間光スイッチの概略構成の一例を示す平面図であり、（ｂ）は図１６（ａ）に示すモード間光スイッチのモードスイッチングの一例を説明するための説明図であり、（ｃ）は第５の実施形態に係るモード間光スイッチの概略構成の他の一例を示す平面図である。
【図１７】図１６（ａ）に示すモード間光スイッチにおけるビーム伝搬法シミュレーションによる０次モード光から他のモードに変換した様子（光フィールド）を示す説明図であり、（ａ）は０次モード光を入力して０次モード光を出力した場合の光フィールドを示す説明図であり、（ｂ）は０次モード光を入力して１次モード光を出力した場合の光フィールドを示す説明図であり、（ｃ）は０次モード光を入力して２次モード光を出力した場合の光フィールドを示す説明図であり、（ｄ）は０次モード光を入力して３次モード光を出力した場合の光フィールドを示す説明図である。
【図１８】（ａ）は第６の実施形態に係るモード間光スイッチの概略構成の一例を示す平面図であり、（ｂ）は第６の実施形態に係るモード間光スイッチの概略構成の他の一例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（本発明の第１の実施形態）
モード間光スイッチ１００は、単一の入力ポート１と、単一の出力ポート２と、当該入力ポート１及び出力ポート２間に配設されるモード変換手段１０１（不図示）と、を備える。
【００１２】
また、モード変換手段１０１は、入力ポート１から入力されたモード光を分岐する光分岐導波路２０ａ（不図示）と、光分岐導波路２０ａの後段に配設され、導波路の屈折率を変化させる屈折率変化手段８と、屈折率変化手段８の後段に配設され、光分岐導波路２０ａで分岐されたモード光を結合して出力ポート２から出力する光合波導波路３０ａ（不図示）と、を備える。
【００１３】
なお、以下の説明では、光分岐導波路２０ａが後段に２本の導波路を有するＹ字導波路であり、光合波導波路３０ａが前段に２本の導波路を有するＹ字導波路である場合を例に挙げて説明するが、光分岐導波路２０ａ及び光合波導波路３０ａ間の導波路は２本の導波路に限られるものではなく、光分岐導波路２０ａが後段に３本以上の導波路を有し、光合波導波路３０ａが前段に３本以上の導波路を有してもよい。
【００１４】
モード間光スイッチ１００は、単一の入力ポート１と、単一の出力ポート２と、当該入力ポート１及び出力ポート２間に並設される２本の導波路１０と、ＰＩＮ（p-intrinsic-n）ダイオード構造によるキャリア注入により導波路の屈折率を変化させる屈折率変化手段８を備え、入力ポート１に任意のモード光が入力され、出力ポート２から任意のモード光が出力されるものである。
【００１５】
なお、本実施形態に係るモード間光スイッチ１００は、図１（ａ）に示すように、入力ポート１及び２本の導波路１０間に配設され、入力ポート１から入射したモード光を２つに分岐するＹ分岐導波路２０と、出力ポート２及び２本の導波路１０間に配設され、Ｙ分岐導波路２０により分岐されたモード光を結合して出力ポート２側に出射する合流導波路３０と、をさらに備える。
【００１６】
特に、本実施形態に係る２本の導波路１０は、Ｙ分岐導波路２０の導波路幅と合流導波路３０の導波路幅との違いに伴い、導波路幅が漸次変化したテーパー状の直線状導波路（第１の直線状導波路１１、第２の直線状導波路１２）である。
具体的には、第１の直線状導波路１１は、光の導波方向に沿った導波路の長さ（以下、「導波路長」と称す）が４５０μｍであると共に、Ｙ分岐導波路２０に結合する一端の導波路幅が０．５μｍであり、合流導波路３０に結合する他端の導波路幅が０．６μｍである。
また、第２の直線状導波路１２は、導波路長が４５０μｍであると共に、Ｙ分岐導波路２０に結合する一端の導波路幅が０．７μｍであり、合流導波路３０に結合する他端の導波路幅が０．６μｍである。
【００１７】
また、本実施形態に係るＹ分岐導波路２０は、図１（ａ）に示す平面視において、分岐する２本の導波路（第１の分岐導波路２１、第２の分岐導波路２２）が非対称の平面形状（非対称なＹ字導波路）である。
具体的には、Ｙ分岐導波路２０のうち分岐する２本の導波路（第１の分岐導波路２１、第２の分岐導波路２２）を除く領域（以下、「分岐前導波路２３」と称す）は、導波路長が２００μｍであり、導波路幅が１．２μｍの直線状導波路である。
また、第１の分岐導波路２１は、図１（ｂ）に示すように、導波路幅が０．５μｍであると共に、分岐前導波路２３に結合する一端におけるコアの中心と第１の直線状導波路１１に結合する他端におけるコアの中心との幅方向の間隔が１μｍであり、曲率半径Ｒ１が５６２５．２５μｍである略Ｓ字の曲線状導波路である。
また、第２の分岐導波路２２は、導波路長が１５０μｍであり、導波路幅が０．７μｍである直線状導波路である。
【００１８】
また、本実施形態に係る合流導波路３０は、図１（ａ）に示す平面視において、合流する２本の導波路（第１の合流導波路３１、第２の合流導波路３２）が対称の平面形状（対称なＹ字導波路）である。
具体的には、合流導波路３０のうち合流する２本の導波路（第１の合流導波路３１、第２の合流導波路３２）を除く領域（以下、「合流後導波路３３」と称す）は、導波路長が２００μｍであり、導波路幅が１．２μｍの直線状導波路である。
また、第１の合流導波路３１は、図１（ｃ）に示すように、導波路幅が０．６μｍであると共に、第１の直線状導波路１１に結合する一端におけるコアの中心と合流後導波路３３に結合する他端におけるコアの中心との幅方向の間隔が０．５μｍであり、曲率半径Ｒ２が９００００．２５μｍである、内側（合流導波路３０の中心側）に湾曲する曲線状導波路である。
また、第２の合流導波路３２は、図１（ｄ）に示すように、導波路幅が０．６μｍであると共に、第２の直線状導波路１２に結合する一端におけるコアの中心と合流後導波路３３に結合する他端におけるコアの中心との幅方向の間隔が０．５μｍであり、曲率半径Ｒ３が９００００．２５μｍである、内側（合流導波路３０の中心側）に湾曲する曲線状導波路である。
【００１９】
さらに、本実施形態に係る屈折率変化手段８は、合流導波路３０の合流する２本の導波路（第１の合流導波路３１、第２の合流導波路３２）に配設される。
【００２０】
また、モード間光スイッチ１００は、図２（ｃ）及び図２（ｄ）に示すように、基板１１０（例えば、ＳＯＩ（silicon on insulator）基板のＳｉ基板）上に積層された第１のクラッド層１２０（例えば、ＳＯＩ基板のＳｉＯ２層）と、第１のクラッド層１２０上に積層され、第１のクラッド層１２０の屈折率よりも屈折率が高い真性（ｉ型）半導体領域１３１を含む半導体層１３０（例えば、ＳＯＩ基板のＳｉ層）と、半導体層１３０上に積層され、半導体層１３０の屈折率よりも屈折率が低い第２のクラッド層１４０（例えば、ＳｉＯ２層）と、を備える。
【００２１】
また、屈折率変化手段８は、図２（ａ）及び図２（ｂ）並びに図２（ｃ）に示すように、半導体層１３０の真性半導体領域１３１に不純物を添加してなるｐ型半導体領域１３２及びｎ型半導体領域１３３を真性半導体領域１３１と共に導波方向に沿って並設してｐｉｎ接合を構成する屈折率変化領域３と、屈折率変化領域３のｐ型半導体領域１３２に電圧を印加するための第１の電極４ａと、屈折率変化領域３のｎ型半導体領域１３３に電圧を印加するための第２の電極４ｂと、ｐ型半導体領域１３２及び第１の電極４ａを電気的に接続する第１の接続部５ａと、ｎ型半導体領域１３３及び第２の電極４ｂを電気的に接続する第２の接続部５ｂと、を備える。
【００２２】
屈折率変化領域３は、第１の電極４ａ及び第１の接続部５ａ並びに第２の電極４ｂ及び第２の接続部５ｂを介してｐｉｎ接合に順方向の電圧が印加されると、キャリア（電子及びホール）が真性半導体領域１３１に供給され、このキャリアのプラズマ効果により真性半導体領域１３１の屈折率が変化する。
【００２３】
なお、本実施形態に係る屈折率変化領域３の半導体層１３０は、Ｓｉを真性半導体とする真性半導体領域１３１と、真性半導体のＳｉに不純物としてボロン（Ｂ）を添加したｐ型半導体領域１３２と、真性半導体のＳｉに不純物として燐（Ｐ）を添加したｎ型半導体領域１３３とからなる。
【００２４】
また、屈折率変化領域３は、真性半導体領域１３１がｐ型半導体領域１３２及びｎ型半導体領域１３３とのそれぞれの境界において導波方向に延在する２つの溝（トレンチ３ａ）を有する構造である。
特に、屈折率変化領域３のトレンチ３ａの幅（以下、「トレンチ幅Ｗｔ」と称す）は、波長オーダー若しくはそれ以下にすること（以下、「狭窄トレンチ構造」と称す）により、狭いパターンほどエッチング深さが浅くなり、周囲に比べてエッチング量が抑制される効果（ＲＩＥラグ：reactive ion etching lag）を利用し、オーバーエッチングを抑制することができる。
【００２５】
また、屈折率変化領域３における真性半導体領域１３１は、導波路になるリブ部１３１ａと、リブ部１３１ａの膜厚（エッチングされないＳｉ層の膜厚、以下、「Ｓｉ層全厚ｄ」と称す）よりも膜厚（エッチングされたＳｉ層の膜厚、以下、「Ｓｉ層残厚ＴＳｉ」と称す）が薄く、導波方向に沿ってリブ部１３１ａの両側に並設されるスラブ部１３１ｂと、を備える。なお、本実施形態に係るリブ部１３１ａは、図１（ａ）に示す２本の導波路（第１の合流導波路３１、第２の合流導波路３２）の一部になる。
【００２６】
また、ｐ型半導体領域１３２及びｎ型半導体領域１３３全体の膜厚は、真性半導体領域１３１のスラブ部１３１ｂの膜厚（Ｓｉ層残厚ＴＳｉ）よりも厚い。
【００２７】
つぎに、モード間光スイッチ１００の製造方法について、図３乃至図８を用いて説明する。なお、２本の導波路１０（第１の直線状導波路１１、第２の直線状導波路１２）及びＹ分岐導波路２０（第１の分岐導波路２１、第１の分岐導波路２１）の製造工程を示す断面図は、２本の導波路１０（第１の直線状導波路１１、第２の直線状導波路１２）及びＹ分岐導波路２０（第１の分岐導波路２１、第２の直線状導波路１２）と、分岐前導波路２３及び合流導波路３０とが、導波路幅が異なるだけで、製造工程は同一であるので、図示を省略する。
【００２８】
まず、ＳＯＩ基板（Ｓｉ基板（基板１１０）、ＳｉＯ２層（第１のクラッド層１２０）、Ｓｉ層（半導体層１３０））の半導体層１３０上にフォトレジストを塗布し、ステッパによるフォトリソグラフィ法を用いて、図１（ａ）に示す導波領域（２本の導波路１０、Ｙ分岐導波路２０及び合流導波路３０）と図２（ａ）及び図２（ｂ）に示す屈折率変化領域３におけるスラブ部１３１ｂを除く領域（真性半導体領域１３１のリブ部１３１ａ並びにｐ型半導体領域１３２及びｎ型半導体領域１３３）との平面形状に合わせて、半導体層１３０上にエッチング用のマスク１６１を形成する（図３（ａ）、図６（ａ））。
【００２９】
このマスク１６１を用いて、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法によりドライエッチングを施して、図１（ａ）に示す非導波領域並びに図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すスラブ部１３１ｂとなる半導体層１３０における不要な部分を部分的（マスク１６１が形成されていない部分のみ）に除去し、導波領域のコア層及びトレンチ３ａを形成する（図３（ｂ）、図６（ｂ））。
この場合に、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すスラブ部１３１ｂにおけるマスク１６１の開口部分は、波長オーダー若しくはそれ以下であり、図１（ａ）に示す非導波領域におけるマスク１６１の開口部分に対して、極端に狭いため、ＲＩＥラグ効果により、非導波領域におけるドライエッチングが終了しても、スラブ部１３１ｂとして半導体層１３０が残る（オーバーエッチングを抑制する）ことになる。
その後、半導体層１３０上にあるマスク１６１を、有機溶剤及びアッシング法により除去する（図３（ｃ）、図６（ｃ））。
【００３０】
このように、マスク１６１のみを用いることにより、ｐ型半導体領域１３２及びｎ型半導体領域１３３となる半導体層１３０の膜厚は、真性半導体領域１３１のリブ部１３１ａとなる半導体層１３０の膜厚（Ｓｉ層全厚ｄ）と略同一になる。
【００３１】
なお、真性半導体領域１３１のリブ部１３１ａとなる半導体層１３０の膜厚（Ｓｉ層全厚ｄ）に対して、ｐ型半導体領域１３２及びｎ型半導体領域１３３となる半導体層１３０の膜厚を薄くする場合には、真性半導体領域１３１のスラブ部１３１ｂとなる半導体層１３０（Ｓｉ層残厚ＴＳｉ）が、少なくとも０．０１μｍ以上になるように、ｐ型半導体領域１３２及びｎ型半導体領域１３３となる半導体層１３０の膜厚を制御する必要がある。
【００３２】
そして、露出した第１のクラッド層１２０及び半導体層１３０上にフォトレジストを塗布し、ステッパによるフォトリソグラフィ法を用いて、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示す、ｐ型半導体領域１３２を除く領域の平面形状に合わせて、露出した第１のクラッド層１２０及び半導体層１３０上にドーパント用のマスク１６２を形成し、開口部分の半導体層１３０にｐ型ドーパント（例えば、ボロン）をイオン注入する（図３（ｄ）、図６（ｄ））。その後、第１のクラッド層１２０及び半導体層１３０上にあるマスク１６２を、有機溶剤及びアッシング法により除去する（図３（ｅ）、図６（ｅ））。
【００３３】
その後、露出した第１のクラッド層１２０及び半導体層１３０上にフォトレジストを塗布し、ステッパによるフォトリソグラフィ法を用いて、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示す、ｎ型半導体領域１３３を除く領域の平面形状に合わせて、露出した第１のクラッド層１２０及び半導体層１３０上にドーパント用のマスク１６３を形成し、開口部分の半導体層１３０にｎ型ドーパント（例えば、燐）をイオン注入する（図３（ｆ）、図６（ｆ））。
【００３４】
そして、第１のクラッド層１２０及び半導体層１３０上にあるマスク１６３を有機溶剤及びアッシング法により除去して、不純物を活性化する熱処理を行ない、ｐ型半導体領域１３２及びｎ型半導体領域１３３を形成する（図４（ａ）、図７（ａ））。この場合に、半導体層１３０のうちｐ型半導体領域１３２及びｎ型半導体領域１３３を除く領域が真性半導体領域１３１になり、屈折率変化領域３における真性半導体領域１３１は、リブ部１３１ａ及びスラブ部１３１ｂを備えることになる。
【００３５】
その後、露出した第１のクラッド層１２０及び半導体層１３０上に膜厚１μｍ程のフォトレジストを塗布し、ステッパによるフォトリソグラフィ法を用いて、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示す、ｐ型半導体領域１３２及びｎ型半導体領域１３３を除く領域の平面形状に合わせて、エッチング用のマスク１６４を形成する（図４（ｂ）、図７（ｂ））。
【００３６】
そして、電子ビーム蒸着法又はスパッタリングを用いて、第１の接続部５ａ及び第２の接続部５ｂの一部となる金属（Ｔｉ（チタン）／Ａｌ（アルミニウム））を、ｐ型半導体領域１３２及びｎ型半導体領域１３３並びにマスク１６４上に堆積させて、第１の金属層１５１を形成する（図４（ｃ）、図７（ｃ））。
【００３７】
その後、第１のクラッド層１２０及び真性半導体領域１３１上にあるマスク１６４を有機溶剤により除去し、ｐ型半導体領域１３２及びｎ型半導体領域１３３を除く領域にある第１の金属層１５１を除去（リフトオフ）して、膜厚５０ｎｍ程のＴｉ層及び膜厚１００ｎｍ程のＡｌ層からなる第１の接続部５ａ及び第２の接続部５ｂの一部を形成する（図４（ｄ）、図７（ｄ））。
【００３８】
その後、化学気相成長（Chemical Vapor Deposition：ＣＶＤ）法を用いて、露出した第１のクラッド層１２０及び半導体層１３０上にＳｉＯ２膜を堆積させて、第２のクラッド層１４０を形成する（図４（ｅ）、図７（ｅ））。
【００３９】
そして、第２のクラッド層１４０上にフォトレジストを塗布し、ステッパによるフォトリソグラフィ法を用いて、第１の接続部５ａ及び第２の接続部５ｂとしてのコンタクトホール５を形成するために当該コンタクトホール５を除く領域の平面形状に合わせて、第２のクラッド層１４０上にエッチング用のマスク１６５を形成する（図５（ａ）、図８（ａ））。
【００４０】
このマスク１６５を用いて、ＲＩＥ法によりドライエッチングを施して、第２のクラッド層１４０におけるコンタクトホール５となる部分を部分的に除去し、コンタクトホール５を形成する（図５（ｂ）、図８（ｂ））。その後、第２のクラッド層１４０上にあるマスク１６５を、有機溶剤及びアッシング法により除去する（図５（ｃ）、図８（ｃ））。
【００４１】
そして、電子ビーム蒸着法を用いて、第１の接続部５ａ及び第２の接続部５ｂの一部並びに第１の電極４ａ及び第２の電極４ｂとなる金属（Ｔｉ／Ａｌ）をコンタクトホール５内及び第２のクラッド層１４０上に堆積させて、第２の金属層１５２を形成する（図５（ｄ）、図８（ｄ））。
【００４２】
その後、第２の金属層１５２上にフォトレジストを塗布し、ステッパによるフォトリソグラフィ法を用いて、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示す、第１の電極４ａ及び第２の電極４ｂの平面形状に合わせて、第２の金属層１５２上にエッチング用のマスク１６６を形成する（図５（ｅ）、図８（ｅ））。
【００４３】
このマスク１６６を用いて、イオンミリング法によりドライエッチングを施して、第１の電極４ａ及び第２の電極４ｂを除く領域にある第２の金属層１５２を除去し（図５（ｆ）、図８（ｆ））、第１の電極４ａ及び第２の電極４ｂ上にあるマスク１６６を有機溶剤及びアッシング法により除去して、第１の電極４ａ及び第２の電極４ｂを形成する（図２（ｃ）、図２（ｄ））。
【００４４】
最後に、複数のモード間光スイッチ１００素子が形成された基板１１０に対して、モード間光スイッチ１００素子間の境界に沿って劈開することで、図１及び図２に示す構造を有するモード間光スイッチ１００素子を得ることができる。なお、この劈開により、モード間光スイッチ１００素子の後方端面（入力ポート１）及び前方端面（出力ポート２）がそれぞれ形成される。
【００４５】
なお、本実施形態に係る製造方法においては、半導体層のエッチング方法としてＲＩＥ法を用いているが、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma：誘導結合プラズマ）法やウェットエッチング法であっても適用可能である。また、本実施形態に係る製造方法においては、金属層のエッチング方法としてイオンミリング法を用いているが、ウェットエッチング法であっても適用可能である。
また、本実施形態に係る製造方法においては、フォトリソグラフィ法にステッパを用いているが、必ずしもこれに限られるわけではなく、例えば、電子ビーム露光装置であっても適用可能である。
【００４６】
つぎに、モード間光スイッチ１００の動作について、図１（ａ）、図９及び図１０を用いて説明する。
モード間光スイッチ１００の入力ポート１に入射されたモード光は、Ｙ分岐導波路２０の分岐前導波路２３に入射する。
【００４７】
ここで、導波路の構造が緩やかに変化するとき、各々のモードの電力は保存され、これを断熱過程という。また、断熱過程が成立するとき、断熱条件を満たしているという。
Ｙ分岐導波路２０は、導波路構造が緩やかに変化しているので、断熱条件を満たしており、モードソーティングを行なう。
【００４８】
すなわち、入力ポート１から０次モード光を入射すると、０次モード光がＹ分岐導波路２０の太い導波路（第２の分岐導波路２２）に伝搬する。
また、入力ポート１から１次モード光を入射すると、１次モード光がＹ分岐導波路２０の細い導波路（第１の分岐導波路２１）に０次モード光に切り換わったうえで伝搬する。
【００４９】
なお、分岐前導波路２３に存在するモードと第１の分岐導波路２１及び第２の分岐導波路２２に存在するモードとは、伝搬定数（∝透過屈折率）が大きいものから順番に１対１で結合するため、モードソーティングと呼ばれる。
【００５０】
そして、モード間光スイッチ１００の入力ポート１に入射されたモード光が０次モード光である場合に、０次モード光は、Ｙ分岐導波路２０の第２の分岐導波路２２側に進み、第２の直線状導波路１２を伝搬し、合流導波路３０の第２の合流導波路３２に入射する。
【００５１】
また、モード間光スイッチ１００の入力ポート１に入射されたモード光が１次モード光である場合に、１次モード光は、第１の分岐導波路２１側に進んで０次モード光に切り換わり、第１の直線状導波路１１を伝搬し、合流導波路３０の第１の合流導波路３１に入射する。
【００５２】
この状態において、モード間光スイッチ１００の第１の電極４ａ及び第２の電極４ｂに電圧を印加すると、ｐ型半導体領域１３２、真性半導体領域１３１及びｎ型半導体領域１３３からなるｐｉｎ接合が順バイアスされる。
これにより、ｐ型半導体領域１３２及びｎ型半導体領域１３３から真性半導体領域１３１であるリブ部１３１ａにキャリアが供給され、供給されたキャリアはリブ部１３１ａに蓄積されて、キャリアのプラズマ効果により、リブ部１３１ａの屈折率を変化させることができる。
【００５３】
ここで、図１（ａ）に示すモード間光スイッチ１００においては、入力ポート１に入力されたモード光を屈折率変化手段８により他のモード光に変換する場合又は無変換とする場合に、不要なモード成分が発生する。
このため、必要なモード成分に対する不要なモード成分の比（モード間クロストーク）を抑制する必要がある。
【００５４】
そこで、図９に示す、第１の合流導波路３１に配設された屈折率変化手段８の屈折率変化領域３における屈折率の変化量ΔＮ１及び第２の合流導波路３２に配設された屈折率変化手段８の屈折率変化領域３における屈折率の変化量ΔＮ２と、０次モード光又は１次モード光の入力に対する０次モード光又は１次モード光の透過度との関係に基づき、屈折率変化手段８の屈折率変化領域３に適切な屈折率変化量ΔＮ１、ΔＮ２を与えることが考えられる。
【００５５】
すなわち、モード間光スイッチ１００は、入力ポート１に入射されたモード光が０次モード光である場合に、図９（ａ）に示すように、第１の合流導波路３１における屈折率変化手段８の屈折率変化領域３の屈折率変化量ΔＮ１を−０．０１７とし、第２の合流導波路３２における屈折率変化手段８の屈折率変化領域３の屈折率変化量ΔＮ２を０とすることにより、０次モード光のまま透過させ、図１０（ａ）に示すように、合流導波路３０の合流後導波路３３を介して出力ポート２から０次モード光を出射させることができる。この場合には、図９（ａ）に示すように、必要なモード成分（０次モード光）に対する不要なモード成分（１次モード光）の比であるモード間クロストークは、２９．２ｄＢである。
【００５６】
また、モード間光スイッチ１００は、入力ポート１に入射されたモード光が０次モード光である場合に、図９（ｂ）に示すように、第２の合流導波路３２における屈折率変化手段８の屈折率変化領域３の屈折率変化量ΔＮ２を−０．０２３とし、第１の合流導波路３１における屈折率変化手段８の屈折率変化領域３の屈折率変化量ΔＮ１を０とすることにより、１次モード光に変換して透過させ、図１０（ｂ）に示すように、合流導波路３０の合流後導波路３３を介して出力ポート２から１次モード光を出射させることができる。この場合には、図９（ｂ）に示すように、必要なモード成分（１次モード光）に対する不要なモード成分（０次モード光）の比であるモード間クロストークは、２６．２ｄＢである。
【００５７】
同様に、モード間光スイッチ１００は、入力ポート１に入射されたモード光が１次モード光である場合に、図９（ｃ）に示すように、第１の合流導波路３１における屈折率変化手段８の屈折率変化領域３の屈折率変化量ΔＮ１を−０．０１７とし、第２の合流導波路３２における屈折率変化手段８の屈折率変化領域３の屈折率変化量ΔＮ２を０とすることにより、１次モード光のまま透過させ、図１０（ｃ）に示すように、合流導波路３０の合流後導波路３３を介して出力ポート２から１次モード光を出射させることができる。この場合には、図９（ｃ）に示すように、必要なモード成分（１次モード光）に対する不要なモード成分（０次モード光）の比であるモード間クロストークは、２９．４ｄＢである。
【００５８】
また、モード間光スイッチ１００は、入力ポート１に入射されたモード光が１次モード光である場合に、図９（ｄ）に示すように、第２の合流導波路３２における屈折率変化手段８の屈折率変化領域３の屈折率変化量ΔＮ２を−０．０２３とし、第１の合流導波路３１における屈折率変化手段８の屈折率変化領域３の屈折率変化量ΔＮ１を０とすることにより、０次モード光に変換して透過させ、図１０（ｄ）に示すように、合流導波路３０の合流後導波路３３を介して出力ポート２から０次モード光を出射せることができる。この場合には、図９（ｄ）に示すように、必要なモード成分（０次モード光）に対する不要なモード成分（１次モード光）の比であるモード間クロストークは、２６．３ｄＢである。
【００５９】
以上のように、本実施形態に係るモード間光スイッチ１００は、屈折率変化手段８の屈折率変化領域３に適切な屈折率の変化量を与えることにより、モード間クロストークを抑制しつつ、０次モード光又は１次モード光を選択的に出射（スイッチング）することができ、入力ポート１に入射した任意のモード光を任意のモード光に変換して出力ポート２から出射することができる。
【００６０】
（本発明の第２の実施形態）
図１１（ａ）は第２の実施形態に係るモード間光スイッチの概略構成の一例を示す平面図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）に示す第１の分岐導波路の寸法を説明するための説明図であり、図１１（ｃ）は図１１（ａ）に示す第２の直線状導波路における屈折率変化手段の拡大図である。図１２（ａ）は０次モード光を入力した場合の屈折率変化量ΔＮと透過度との関係を示すグラフであり、図１２（ｂ）は１次モード光を入力した場合の屈折率変化量ΔＮと透過度との関係を示すグラフである。図１３（ａ）は０次モード光を入力して屈折率変化量ΔＮを０とした場合の光フィールドを示す説明図であり、図１３（ｂ）は０次モード光を入力して屈折率変化量ΔＮを−０．００３９とした場合の光フィールドを示す説明図であり、図１３（ｃ）は１次モード光を入力して屈折率変化量ΔＮを０とした場合の光フィールドを示す説明図であり、図１３（ｄ）は１次モード光を入力して屈折率変化量ΔＮを−０．００３９とした場合の光フィールドを示す説明図である。図１１において、図１乃至図８と同じ符号は、同一又は相当部分を示し、その説明を省略する。
【００６１】
本実施形態に係る２本の導波路１０は、Ｙ分岐導波路２０の導波路幅と合流導波路３０の導波路幅とが同一であるため、導波路幅が一定の直線状導波路（第１の直線状導波路１１、第２の直線状導波路１２）である。
具体的には、第１の直線状導波路１１及び第２の直線状導波路１２は、導波路長が２００μｍであると共に、Ｙ分岐導波路２０に結合する一端の導波路幅が０．６μｍであり、合流導波路３０に結合する他端の導波路幅が０．６μｍである。
【００６２】
また、本実施形態に係るＹ分岐導波路２０は、図１１（ａ）に示す平面視において、分岐する２本の導波路（第１の分岐導波路２１、第２の分岐導波路２２）が対称の平面形状（対称なＹ字導波路）である。
具体的には、Ｙ分岐導波路２０のうち分岐する２本の導波路（第１の分岐導波路２１、第２の分岐導波路２２）を除く領域（分岐前導波路２３）は、導波路長が５０μｍであり、導波路幅が１．２μｍの直線状導波路である。
また、第１の分岐導波路２１は、図１１（ｂ）に示すように、導波路幅が０．６μｍであると共に、分岐前導波路２３に結合する一端におけるコアの中心と第１の直線状導波路１１に結合する他端におけるコアの中心との幅方向の間隔が５μｍであり、曲率半径Ｒ４が１１２６．２５μｍである略Ｓ字の曲線状導波路である。
また、第２の分岐導波路２２は、図１１（ｂ）に示す第１の分岐導波路２１を上下反転した平面形状であり、導波路幅が０．６μｍであると共に、分岐前導波路２３に結合する一端におけるコアの中心と第２の直線状導波路１２に結合する他端におけるコアの中心との幅方向の間隔が５μｍであり、曲率半径Ｒ４が１１２６．２５μｍである略Ｓ字の曲線状導波路である。
【００６３】
また、本実施形態に係る合流導波路３０は、図１１（ａ）に示す平面視において、合流する２本の導波路（第１の合流導波路３１、第２の合流導波路３２）が対称の平面形状（対称なＹ字導波路）である。
具体的には、合流導波路３０のうち合流する２本の導波路（第１の合流導波路３１、第２の合流導波路３２）を除く領域（合流後導波路３３）は、導波路長が１５０μｍであり、導波路幅が１．２μｍの直線状導波路である。
また、第１の合流導波路３１は、図１１（ｂ）に示す第１の分岐導波路２１を左右反転した平面形状であり、導波路幅が０．６μｍであると共に、第１の直線状導波路１１に結合する一端におけるコアの中心と合流後導波路３３に結合する他端におけるコアの中心との幅方向の間隔が５μｍであり、曲率半径Ｒ４が１１２６．２５μｍである略Ｓ字の曲線状導波路である。
また、第２の合流導波路３２は、図１１（ｂ）に示す第１の分岐導波路２１を左右及び上下反転した平面形状であり、導波路幅が０．６μｍであると共に、第２の直線状導波路１２に結合する一端におけるコアの中心と合流後導波路３３に結合する他端におけるコアの中心との幅方向の間隔が５μｍであり、曲率半径Ｒ４が１１２６．２５μｍである略Ｓ字の曲線状導波路である。
【００６４】
さらに、本実施形態に係る屈折率変化手段８は、入力ポート１及び出力ポート２間に並設される２本の導波路１０（第１の直線状導波路１１、第２の直線状導波路１２）のうち、第２の直線状導波路１２に配設される。
【００６５】
つぎに、モード間光スイッチ１００の動作について、図１１（ａ）、図１２及び図１３を用いて説明する。
モード間光スイッチ１００の入力ポート１に入射されたモード光は、Ｙ分岐導波路２０の分岐前導波路２３に入射する。
【００６６】
そして、Ｙ分岐導波路２０の分岐前導波路２３に入射したモード光は、２つに均等分割して分岐され、均等分割後の一方のモード光は、第１の分岐導波路２１及び第１の直線状導波路１１を伝搬して合流導波路３０の第１の合流導波路３１に入射し、均等分割後の他方のモード光は、第１の分岐導波路２１及び第２の直線状導波路１２（屈折率変化手段８の屈折率変化領域３）を伝搬して合流導波路３０の第２の合流導波路３２に入射する。
【００６７】
この状態において、モード間光スイッチ１００の第１の電極４ａ及び第２の電極４ｂに電圧を印加すると、ｐ型半導体領域１３２、真性半導体領域１３１及びｎ型半導体領域１３３からなるｐｉｎ接合が順バイアスされる。
これにより、ｐ型半導体領域１３２及びｎ型半導体領域１３３から真性半導体領域１３１であるリブ部１３１ａにキャリアが供給され、供給されたキャリアはリブ部１３１ａに蓄積されて、キャリアのプラズマ効果により、一方のモード光の位相に対して他方のモード光の位相をπ［ｒａｄ］だけ位相を変化させることができる。
【００６８】
そして、合流導波路３０の合流後導波路３３は、一方のモード光の位相に対して他方のモード光の位相がπ［ｒａｄ］だけ異なる場合に、均等分割後の一方のモード光と均等分割後の他方のモード光との重ね合わせにより、入力ポート１に入力されたモード光と異なるモード光を出力ポート２から出射させる。
また、合流導波路３０の合流後導波路３３は、一方のモード光の位相と他方のモード光の位相とが一致する場合に、均等分割後の一方のモード光と均等分割後の他方のモード光との重ね合わせにより、入力ポート１に入力されたモード光と同一のモード光を出力ポート２から出射させる。
【００６９】
ここで、図１１（ａ）に示すモード間光スイッチ１００においては、入力ポート１に入力されたモード光を他のモード光に変換する場合又は無変換とする場合に、不要なモード成分が発生する。
このため、必要なモード成分に対する不要なモード成分の比（モード間クロストーク）を抑制する必要がある。
【００７０】
そこで、図１２に示す、第２の直線状導波路１２に配設された屈折率変化手段８の屈折率変化領域３における屈折率の変化量ΔＮと、０次モード光又は１次モード光の入力に対する０次モード光又は１次モード光の出力との関係に基づき、屈折率変化手段８の屈折率変化領域３に適切な屈折率変化量ΔＮを与えることが考えられる。なお、図１２においては、０次モード光を実線で示し、１次モード光を破線で示し、２次モード光を一点鎖線で示し、３次モード光を二点鎖線で示しており、２次モード光及び３次モード光は、出力が０である横軸に重なっている。
【００７１】
すなわち、モード間光スイッチ１００は、入力ポート１に入射されたモード光が０次モード光である場合に、図１２（ａ）に示すように、屈折率変化手段８の屈折率変化領域３の屈折率変化量ΔＮを０とすることにより、第１の直線状導波路１１を伝搬する均等分割後のモード光の位相と第２の直線状導波路１２を伝搬する均等分割後のモード光の位相とを一致させて重ね合わせることにより、図１３（ａ）に示すように、合流導波路３０の合流後導波路３３を介して出力ポート２から０次モード光を出射させることができる。この場合には、図１２（ａ）に示すように、必要なモード成分（０次モード光）に対する不要なモード成分（１次モード光）の比であるモード間クロストークは、１２９．５ｄＢである。
【００７２】
また、モード間光スイッチ１００は、入力ポート１に入射されたモード光が０次モード光である場合に、図１２（ａ）に示すように、屈折率変化手段８の屈折率変化領域３の屈折率変化量ΔＮを−０．００３９とすることにより、第１の直線状導波路１１を伝搬する均等分割後のモード光の位相に対して第２の直線状導波路１２を伝搬する均等分割後のモード光の位相をπ［ｒａｄ］だけ異ならせて重ね合わせることにより、図１３（ｂ）に示すように、合流導波路３０の合流後導波路３３を介して出力ポート２から１次モード光を出射させることができる。この場合には、図１２（ａ）に示すように、必要なモード成分（１次モード光）に対する不要なモード成分（０次モード光）の比であるモード間クロストークは、３６．１ｄＢである。
【００７３】
同様に、モード間光スイッチ１００は、入力ポート１に入射されたモード光が１次モード光である場合に、図１２（ｂ）に示すように、屈折率変化手段８の屈折率変化領域３の屈折率変化量ΔＮを０とすることにより、第１の直線状導波路１１を伝搬する均等分割後のモード光の位相と第２の直線状導波路１２を伝搬する均等分割後のモード光の位相とを一致させて重ね合わせることにより、図１３（ｃ）に示すように、合流導波路３０の合流後導波路３３を介して出力ポート２から１次モード光を出射させることができる。この場合には、図１２（ｂ）に示すように、必要なモード成分（１次モード光）に対する不要なモード成分（０次モード光）の比であるモード間クロストークは、１１５．２ｄＢである。
【００７４】
また、モード間光スイッチ１００は、入力ポート１に入射されたモード光が１次モード光である場合に、図１２（ｂ）に示すように、屈折率変化手段８の屈折率変化領域３の屈折率変化量ΔＮを−０．００３９とすることにより、第１の直線状導波路１１を伝搬する均等分割後のモード光の位相に対して第２の直線状導波路１２を伝搬する均等分割後のモード光の位相をπ［ｒａｄ］だけ異ならせて重ね合わせることにより、図１３（ｄ）に示すように、合流導波路３０の合流後導波路３３を介して出力ポート２から０次モード光を出射させることができる。この場合には、図１２（ｂ）に示すように、必要なモード成分（０次モード光）に対する不要なモード成分（１次モード光）の比であるモード間クロストークは、３６．１ｄＢである。
【００７５】
なお、この第２の実施形態においては、非対称なＹ分岐導波路２０によるモードソーティングを利用する代わりに、対称なＹ分岐導波路２０による光２分割を利用すると共に、屈折率変化手段８を第２の直線状導波路１２に配設するところのみが第１の実施形態と異なるところであり、対称なＹ分岐導波路２０及び屈折率変化手段８による作用効果以外は、第１の実施形態と同様の作用効果を奏する。
【００７６】
また、本実施形態に係る屈折率変化手段８は、入力ポート１及び出力ポート２間に並設される２本の導波路１０（第１の直線状導波路１１、第２の直線状導波路１２）のうち、第２の直線状導波路１２に配設される場合について説明したが、入力ポート１及び出力ポート２間に並設される２本の導波路１０のうち、少なくとも一方に配設されるのであれば、第２の直線状導波路１２ではなく、第１の直線状導波路１１に配設させてもよいし、第１の直線状導波路１１及び第２の直線状導波路１２に配設させてもよい。
【００７７】
なお、第１の直線状導波路１１及び第２の直線状導波路１２に屈折率変化手段８を配設させる場合に、入力ポート１に入射したモード光に対して異なるモード光を出力ポート２から出射させるには、第１の直線状導波路１１及び第２の直線状導波路１２のいずれか一方の屈折率変化手段８における第１の電極４ａ及び第２の電極４ｂに電圧を印加することになる。また、入力ポート１に入射したモード光に対して同一のモード光を出力ポート２から出射させるには、第１の直線状導波路１１及び第２の直線状導波路１２の両方の屈折率変化手段８における第１の電極４ａ及び第２の電極４ｂに電圧を印加しないか、又は、第１の直線状導波路１１及び第２の直線状導波路１２の両方の屈折率変化手段８における第１の電極４ａ及び第２の電極４ｂに電圧を印加することになる。
【００７８】
（本発明の第３の実施形態）
図１４（ａ）は第３の実施形態に係るモード間光スイッチの概略構成の一例を示す平面図であり、図１４（ｂ）は図１４（ａ）に示す第３の直線状導波路における屈折率変化手段の拡大図であり、図１４（ｃ）は図１４（ａ）に示すモード間光スイッチの矢視Ｃ−Ｃ’線の断面図である。図１４において、図１乃至図８及び図１１と同じ符号は、同一又は相当部分を示し、その説明を省略する。
【００７９】
本実施形態に係るモード間光スイッチ１００は、入力ポート１及び２本の導波路１０間に配設される１×２型多モード光干渉（Multimode Interference：ＭＭＩ）導波路（以下、「ＭＭＩ導波路」と称す）４０と、出力ポート２及び２本の導波路１０間に配設される２×１型ＭＭＩ導波路５０と、１×２型ＭＭＩ導波路４０の入力ポートに一端が接続され他端を入射面（入力ポート１）とする入力導波路６と、２×１型ＭＭＩ導波路５０の出力ポートに一端が接続され他端を出射面（出力ポート２）とする出力導波路７と、を備える。
【００８０】
特に、本実施形態に係る２本の導波路１０は、直線領域からなる第３の直線状導波路１３と、曲線領域からなる曲線状導波路１４とから構成され、第３の直線状導波路１３の導波路長と曲線状導波路１４の導波路長とを異ならせている。
具体的には、第３の直線状導波路１３は、導波路長が１６５μｍであり、導波路幅が４μｍである。
また、曲線状導波路１４は、導波路幅が４μｍであり、曲率半径が１００μｍである略Ｓ字の曲線領域を中央で結合した構成である。
【００８１】
また、本実施形態に係る屈折率変化手段８は、入力ポート１及び出力ポート２間に並設される２本の導波路１０（第３の直線状導波路１３、曲線状導波路１４）のうち、第３の直線状導波路１３に配設される。
【００８２】
さらに、本実施形態に係る１×２型ＭＭＩ導波路４０は、導波路長が４２０μｍ（≒３Ｌｃ／８、Ｌｃ：クラッドの導波路長）であり、導波路幅が２０μｍである、略矩形状の干渉領域を有する。
また、本実施形態に係る２×１型ＭＭＩ導波路５０は、導波路長が４１５μｍ（≒３Ｌｃ’／４、Ｌｃ’：クラッドの導波路長）であり、導波路幅が１４μｍである、略矩形状の干渉領域を有する。
【００８３】
なお、ＭＭＩ導波路は、公知の技術を用いて設計できるのであるが、例えば、ＭＭＩ理論に基づいて、１×２型ＭＭＩ導波路４０及び２×１型ＭＭＩ導波路５０を、以下のように設計することができる。
【００８４】
ＭＭＩ導波路の導波路長（Ｌπ）の式は、下記数１のように示すことができる。ただし、数１の式に示す、Ｗｅは実効導波路幅を表し、Ｗ１はＭＭＩ領域の幅を表し、Ｎｒは導波路の屈折率を表し、Ｎｃはクラッドの屈折率を表し、λ０は入射光波長を表す。また、σはＴＥモードのときσ＝０を表し、ＴＭモードのときσ＝１を表す。
【００８５】
（数１）
Ｗｅ＝Ｗ１＋（λ０／π）（Ｎｃ／Ｎｒ）２σ（Ｎｒ２−Ｎｃ２）−１／２
Ｌπ＝４ＮｒＷｅ２／３λ０
【００８６】
また、ＭＭＩ導波路は、下記数２の式で表されるとき、１×Ｎ型の導波路として動作することができる。また、ＭＭＩ導波路は、下記数３の式で表されるとき、Ｍ×Ｎ型の導波路として動作することができる。なお、Ｍ及びＮは正の整数であり、入力側のＭは１であってもよく、出力側のＮは２以上とすることができる。ただし、数２及び数３の式に示すＬは、マルチモード干渉導波路の長さを表す。
【００８７】
（数２）
Ｌ＝（３／４Ｎ）Ｌπ（Ｎは正の整数）
【００８８】
（数３）
Ｌ＝（３／Ｎ）Ｌπ（Ｎは正の整数）
【００８９】
なお、本実施の形態に係る１×２型ＭＭＩ導波路４０及び２×１型ＭＭＩ導波路５０は、入射光波長λ０を１．５５μｍとし、クラッドの屈折率Ｎｃを１．５とし、導波路の屈折率Ｎｒを３．２２として設計した。
【００９０】
また、本実施形態に係る入力導波路６は、導波路長が５０μｍであり、導波路幅が４μｍである直線状導波路であり、１×２型ＭＭＩ導波路４０の入力側の辺に対して略中央に接続されている。
また、本実施形態に係る出力導波路７は、導波路長が５０μｍであり、導波路幅が８μｍである直線状導波路であり、２×１型ＭＭＩ導波路５０の出力側の辺に対して略中央に接続されている。
【００９１】
なお、本実施形態に係る入力導波路６及び出力導波路７、１×２型ＭＭＩ導波路４０及び２×１型ＭＭＩ導波路５０、並びに、第３の直線状導波路１３（屈折率変化手段８を除く）及び曲線状導波路１４の層構造は、導波路幅（真性半導体領域１３１の幅）が異なるだけで、実施の形態１で前述した導波路１０、Ｙ分岐導波路２０及び合流導波路３０（屈折率変化手段８を除く）の層構造（図２（ｄ）参照）と同一である。
【００９２】
つぎに、モード間光スイッチ１００の動作について、図１４（ａ）を用いて説明する。
モード間光スイッチ１００の入力ポート１に入射されたモード光は、入力導波路６を伝搬して１×２型ＭＭＩ導波路４０に入射する。
【００９３】
そして、１×２型ＭＭＩ導波路４０に入射したモード光は、２つに均等分割して分岐され、均等分割後の一方のモード光は、第３の直線状導波路１３（屈折率変化手段８の屈折率変化領域３）を伝搬して２×１型ＭＭＩ導波路５０に入射し、均等分割後の他方のモード光は、曲線状導波路１４を伝搬して、均等分割後の一方のモード光に対して位相がπずれて２×１型ＭＭＩ導波路５０に入射する。
【００９４】
この状態において、モード間光スイッチ１００の第１の電極４ａ及び第２の電極４ｂに電圧を印加すると、ｐ型半導体領域１３２、真性半導体領域１３１及びｎ型半導体領域１３３からなるｐｉｎ接合が順バイアスされる。
これにより、ｐ型半導体領域１３２及びｎ型半導体領域１３３から真性半導体領域１３１であるリブ部１３１ａにキャリアが供給され、供給されたキャリアはリブ部１３１ａに蓄積されて、キャリアのプラズマ効果により、一方のモード光の位相に対して他方のモード光の位相をπ［ｒａｄ］だけ位相を変化させることができる。
すなわち、モード間光スイッチ１００は、第１の電極４ａ及び第２の電極４ｂに電圧を印加することにより、２本の導波路１０の導波路長を異ならせた構造により生じた、第３の直線状導波路１３を伝搬する均等分割後の一方のモード光と曲線状導波路１４を伝搬する均等分割後の他方のモード光との位相差πに対して、一方のモード光の位相と他方のモード光の位相とを一致させることになる。
【００９５】
そして、２×１型ＭＭＩ導波路５０は、一方のモード光の位相に対して他方のモード光の位相がπ［ｒａｄ］だけ異なる場合（第１の電極４ａ及び第２の電極４ｂに電圧を印加しない場合）に、均等分割後の一方のモード光と均等分割後の他方のモード光との重ね合わせにより、入力ポート１に入力されたモード光と異なるモード光を出力ポート２から出射させる。
また、２×１型ＭＭＩ導波路５０は、一方のモード光の位相と他方のモード光の位相とが一致する場合（第１の電極４ａ及び第２の電極４ｂに電圧を印加する場合）に、均等分割後の一方のモード光と均等分割後の他方のモード光との重ね合わせにより、入力ポート１に入力されたモード光と同一のモード光を出力ポート２から出射させる。
【００９６】
なお、この第３の実施形態においては、Ｙ分岐導波路２０及び合流導波路３０の代わりに、１×２型ＭＭＩ導波路４０（入力導波路６）及び２×１型ＭＭＩ導波路５０（出力導波路７）を備えるところのみが第１の実施形態及び第２の実施形態と異なるところであり、１×２型ＭＭＩ導波路４０及び２×１型ＭＭＩ導波路５０による作用効果以外は、第１の実施形態及び第２の実施形態と同様の作用効果を奏する。
【００９７】
また、本実施形態に係る屈折率変化手段８は、入力ポート１及び出力ポート２間に並設される２本の導波路１０（第３の直線状導波路１３、曲線状導波路１４）のうち、第３の直線状導波路１３に配設される場合について説明したが、入力ポート１及び出力ポート２間に並設される２本の導波路１０のうち、少なくとも一方に配設されるのであれば、第３の直線状導波路１３ではなく、曲線状導波路１４に配設させてもよいし、第３の直線状導波路１３及び曲線状導波路１４に配設させてもよい。
【００９８】
なお、第３の直線状導波路１３及び曲線状導波路１４に屈折率変化手段８を配設させる場合に、入力ポート１に入射したモード光に対して同一のモード光を出力ポート２から出射させるには、第３の直線状導波路１３及び曲線状導波路１４のいずれか一方の屈折率変化手段８における第１の電極４ａ及び第２の電極４ｂに電圧を印加することになる。また、入力ポート１に入射したモード光に対して異なるモード光を出力ポート２から出射させるには、第３の直線状導波路１３及び曲線状導波路１４の両方の屈折率変化手段８における第１の電極４ａ及び第２の電極４ｂに電圧を印加しないか、又は、第３の直線状導波路１３及び曲線状導波路１４の両方の屈折率変化手段８における第１の電極４ａ及び第２の電極４ｂに電圧を印加することになる。
【００９９】
また、本実施形態に係る２本の導波路１０は、２本の導波路１０の導波路長を異ならせて、第３の直線状導波路１３を伝搬する均等分割後の一方のモード光と曲線状導波路１４を伝搬する均等分割後の他方のモード光との位相差πを生じさせているが、２本の導波路１０の導波路長を異ならせることなく、例えば、曲線状導波路１４を、第３の直線状導波路１３の導波路長と同一の導波路長である直線状導波路としてもよい。
しかしながら、本実施形態に係るモード間光スイッチ１００は、入力ポート１に入射したモード光を異なるモード光として出力ポート２から出射させる（同一モード光又は異なるモード光に変換させる）ために、２本の導波路１０のうち、少なくとも一方に屈折率変化手段８を配設する必要である。
【０１００】
（本発明の第４の実施形態）
図１５（ａ）は第４の実施形態に係るモード間光スイッチの概略構成の一例を示す平面図であり、図１５（ｂ）は図１５（ａ）に示す第２の直線状導波路における屈折率変化手段の拡大図であり、図１５（ｃ）は図１５（ａ）に示す１×２型ＭＭＩ導波路の矢視Ｄ−Ｄ’線の断面図である。図１５において、図１乃至図１４と同じ符号は、同一又は相当部分を示し、その説明を省略する。
【０１０１】
本実施形態に係るモード変換手段は、入力ポート１及び出力ポート２間に並設される２本の導波路１０（第１の直線状導波路１１、第２の直線状導波路１２）を備える。
また、本実施形態に係る光分岐導波路は、入力ポート１及び２本の導波路１０（第１の直線状導波路１１、第２の直線状導波路１２）間に配設される１×２型多モード光干渉導波路４０である。
また、本実施形態に係る光合波導波路は、出力ポート２及び２本の導波路１０（第１の直線状導波路１１、第２の直線状導波路１２）間に配設される合流導波路３０である。
さらに、屈折率変化手段８は、２本の導波路１０（第１の直線状導波路１１、第２の直線状導波路１２）、又は、合流導波路３０の合流する導波路（第１の合流導波路３１、第２の合流導波路３２）に配設される。なお、本実施形態に係る屈折率変化手段８は、第２の直線状導波路１２に配設される。
【０１０２】
つぎに、モード間光スイッチ１００の動作について、図１５（ａ）を用いて説明する。
モード間光スイッチ１００の入力ポート１に入射されたモード光は、入力導波路６を伝搬して１×２型ＭＭＩ導波路４０に入射する。
【０１０３】
そして、１×２型ＭＭＩ導波路４０に入射したモード光は、２つに均等分割して分岐され、均等分割後の一方のモード光は、第１の直線状導波路１１を伝搬して合流導波路３０の第１の合流導波路３１に入射し、均等分割後の他方のモード光は、第２の直線状導波路１２（屈折率変化手段８の屈折率変化領域３）を伝搬して合流導波路３０の第２の合流導波路３２に入射する。
【０１０４】
この状態において、モード間光スイッチ１００の第１の電極４ａ及び第２の電極４ｂに電圧を印加すると、ｐ型半導体領域１３２、真性半導体領域１３１及びｎ型半導体領域１３３からなるｐｉｎ接合が順バイアスされる。
これにより、ｐ型半導体領域１３２及びｎ型半導体領域１３３から真性半導体領域１３１であるリブ部１３１ａにキャリアが供給され、供給されたキャリアはリブ部１３１ａに蓄積されて、キャリアのプラズマ効果により、一方のモード光の位相に対して他方のモード光の位相をπ［ｒａｄ］だけ位相を変化させることができる。
【０１０５】
そして、合流導波路３０の合流後導波路３３は、一方のモード光の位相に対して他方のモード光の位相がπ［ｒａｄ］だけ異なる場合（第１の電極４ａ及び第２の電極４ｂに電圧を印加する場合）に、均等分割後の一方のモード光と均等分割後の他方のモード光との重ね合わせにより、入力ポート１に入力されたモード光と異なるモード光を出力ポート２から出射させる。
また、合流導波路３０の合流後導波路３３は、一方のモード光の位相と他方のモード光の位相とが一致する場合（第１の電極４ａ及び第２の電極４ｂに電圧を印加しない場合）に、均等分割後の一方のモード光と均等分割後の他方のモード光との重ね合わせにより、入力ポート１に入力されたモード光と同一のモード光を出力ポート２から出射させる。
【０１０６】
なお、この第４の実施形態においては、Ｙ分岐導波路２０の代わりに、分岐前導波路２３の導波路幅と導波路幅が等しい入力導波路６及び１×２型ＭＭＩ導波路４０を備えるところのみが第２の実施形態と異なるところであり、１×２型ＭＭＩ導波路４０による作用効果以外は、第２の実施形態と同様の作用効果を奏する。
【０１０７】
また、本実施形態に係る屈折率変化手段８は、入力ポート１及び出力ポート２間に並設される２本の導波路１０（第１の直線状導波路１１、第２の直線状導波路１２）のうち、第２の直線状導波路１２に配設される場合について説明したが、入力ポート１及び出力ポート２間に並設される２本の導波路１０のうち、少なくとも一方に配設されるのであれば、第２の直線状導波路１２ではなく、第１の直線状導波路１１に配設させてもよいし、第１の直線状導波路１１及び第２の直線状導波路１２に配設させてもよい。
【０１０８】
また、本実施形態に係るモード間光スイッチ１００は、第２の実施形態に係るモード間光スイッチ１００において、合流導波路３０の代わりに、合流後導波路３３の導波路幅と導波路幅が等しい出力導波路７及び２×１型ＭＭＩ導波路５０を備えてもよい。
また、本実施形態に係るモード間光スイッチ１００は、第２の実施形態に係るモード間光スイッチ１００において、Ｙ分岐導波路２０の代わりに、分岐前導波路２３の導波路幅と導波路幅が等しい入力導波路６及び１×２型ＭＭＩ導波路４０を備えると共に、合流導波路３０の代わりに、合流後導波路３３の導波路幅と導波路幅が等しい出力導波路７及び２×１型ＭＭＩ導波路５０を備えてもよい。
【０１０９】
（本発明の第５の実施形態）
図１６（ａ）は第５の実施形態に係るモード間光スイッチの概略構成の一例を示す平面図であり、図１６（ｂ）は図１６（ａ）に示すモード間光スイッチのモードスイッチングの一例を説明するための説明図であり、図１６（ｃ）は第５の実施形態に係るモード間光スイッチの概略構成の他の一例を示す平面図である。図１７は図１６（ａ）に示すモード間光スイッチにおけるビーム伝搬法シミュレーションによる０次モード光から他のモードに変換した様子（光フィールド）を示す説明図であり、（ａ）は０次モード光を入力して０次モード光を出力した場合の光フィールドを示す説明図であり、（ｂ）は０次モード光を入力して１次モード光を出力した場合の光フィールドを示す説明図であり、（ｃ）は０次モード光を入力して２次モード光を出力した場合の光フィールドを示す説明図であり、（ｄ）は０次モード光を入力して３次モード光を出力した場合の光フィールドを示す説明図である。図１６及び図１７において、図１乃至図１５と同じ符号は、同一又は相当部分を示し、その説明を省略する。
【０１１０】
前述した第２の実施形態においては、０次モード光又は１次モード光を０次モード光又は１次モード光に変換する２種類のモード（０次モード、１次モード）光に対応するモード間光スイッチ１００について説明した。
これに対し、本実施形態においては、モード間光スイッチ１００の機能を拡張し、０次モード光、１次モード光、２次モード光又は３次モード光を、０次モード光、１次モード光、２次モード光又は３次モード光に変換する４種類のモード（０次モード、１次モード、２次モード、３次モード）光に対応するモード間光スイッチ１００について説明する。
【０１１１】
本実施形態に係るモード変換手段は、図１６（ａ）に示すように、入力ポート１から入力されるモード光を２つに分岐するＹ分岐導波路（以下、「第１Ｙ分岐導波路６１」と称す）と、第１Ｙ分岐導波路６１の分岐後の一の導波路６１ａを伝播するモード光を２つに分岐するＹ分岐導波路（以下、「第２Ｙ分岐導波路６２」と称す）と、第１Ｙ分岐導波路６１の分岐後の他の導波路６１ｂを伝播するモード光を２つに分岐するＹ分岐導波路（以下、「第３Ｙ分岐導波路６３」と称す）と、後述する第１合流導波路７１から入力されるモード光を２つに分岐するＹ分岐導波路（以下、「第４Ｙ分岐導波路６４」と称す）と、を備える。
【０１１２】
また、本実施形態に係るモード変換手段は、第２Ｙ分岐導波路６２の分岐後の一の導波路６２ａを伝播するモード光及び第３Ｙ分岐導波路６３の分岐後の一の導波路６３ａを伝播するモード光を結合する合流導波路（以下、「第１合流導波路７１」と称す）と、第２Ｙ分岐導波路６２の分岐後の他の導波路６２ｂを伝播するモード光及び第４Ｙ分岐導波路６４の分岐後の一の導波路６４ａを伝播するモード光を結合する合流導波路（以下、「第２合流導波路７２」と称す）と、第３Ｙ分岐導波路６３の分岐後の他の導波路６３ｂを伝播するモード光及び第４Ｙ分岐導波路６４の分岐後の他の導波路６４ｂを伝播するモード光を結合する合流導波路（以下、「第３合流導波路７３」と称す）と、第２合流導波路７２から入力されるモード光及び第３合流導波路７３から入力されるモード光を結合して出力ポートから出力する合流導波路（以下、「第４合流導波路７４」と称す）と、を備える。
【０１１３】
本実施形態に係る屈折率変化手段８は、図１６（ａ）に示すように、第１Ｙ分岐導波路６１の分岐後の他の導波路６１ｂ、第１合流導波路７１及び第４Ｙ分岐導波路６４間の導波路７１ａ、第４Ｙ分岐導波路６４の分岐後の一の導波路６４ａ及び他の導波路６４ｂ、第３Ｙ分岐導波路６３の分岐後の他の導波路６３ｂ、並びに、第３合流導波路７３及び第４合流導波路７４間の導波路７３ａに配設される。
【０１１４】
なお、本実施形態に係る屈折率変化手段８は、第１の電極４ａ及び第２の電極４ｂへの電圧の印加により、モード光の位相を反転（π「ｒａｄ」だけ変化）させる位相反転領域（π位相変化領域）である。
特に、第１Ｙ分岐導波路６１の分岐後の他の導波路６１ｂ、第１合流導波路７１及び第４Ｙ分岐導波路６４間の導波路７１ａ、並びに、第３合流導波路７３及び第４合流導波路７４間の導波路７３ａは、後述するように、１次モード以下のモード光（１次モード光、０次モード光）が伝播する導波路であり、導波路６１ｂ、導波路７１ａ及び導波路７３ａに配設される屈折率変化手段８は、１次モード位相反転領域となる。なお、ここでいう１次モード位相反転領域とは、１次モード以下のモード光が伝搬する光導波路において、０次モード光と１次モード光との間の伝搬定数が異なることを利用し、この領域に電流を注入して屈折率を変化させた場合に、１次モード光の位相を変転させる一方で、０次モード光の位相は反転させずにそのままとした状態を作り出す領域のことを意味する。
また、第４Ｙ分岐導波路６４の分岐後の一の導波路６４ａ及び他の導波路６４ｂ、並びに、第３Ｙ分岐導波路６３の分岐後の他の導波路６３ｂは、後述するように、０次モード光が伝播する導波路であり、導波路６４ａ、導波路６４ｂ及び導波路６３ｂに配設される屈折率変化手段８は、０次モード位相反転領域となる。
【０１１５】
なお、本実施形態に係るＹ分岐導波路（第１Ｙ分岐導波路６１、第２Ｙ分岐導波路６２、第３Ｙ分岐導波路６３、第４Ｙ分岐導波路６４）による分岐後の導波路幅は、分岐前の導波路幅の１／２倍の幅であり、合流導波路（第１合流導波路７１、第２合流導波路７２、第３合流導波路７３、第４合流導波路７４）による結合後の導波路幅は、結合前の導波幅の２倍の幅である。
【０１１６】
すなわち、入力ポート１及び出力ポート２の導波路幅を「Ｗ」とすると、第１Ｙ分岐導波路６１の分岐後の一の導波路６１ａ及び他の導波路６１ｂの導波路幅は「Ｗ／２」であり、第２Ｙ分岐導波路６２の分岐後の一の導波路６２ａ及び他の導波路６２ｂの導波路幅は「Ｗ／４」であり、第３Ｙ分岐導波路６３の分岐後の一の導波路６３ａ及び他の導波路６３ｂの導波路幅は「Ｗ／４」であり、第１合流導波路７１及び第４Ｙ分岐導波路６４間の導波路７１ａの導波路幅は「Ｗ／２」であり、第４Ｙ分岐導波路６４の分岐後の一の導波路６４ａ及び他の導波路６４ｂの導波路幅は「Ｗ／４」であり、第２合流導波路７２及び第４合流導波路７４間の導波路７２ａの導波路幅は「Ｗ／２」であり、第３合流導波路７３及び第４合流導波路７４間の導波路７３ａの導波路幅は「Ｗ／２」である。
【０１１７】
このように、Ｙ分岐導波路による分岐後の導波路幅を分岐前の導波路幅の１／２倍の幅とし、合流導波路による結合後の導波路幅を結合前の導波幅の２倍の幅として、屈折率変化手段８を対称的で単純な構造にすることは、Ｙ分岐導波路による分岐及び合流導波路による結合による過剰損失が生じないために好ましい。
【０１１８】
つぎに、モード間光スイッチ１００の動作について、図１６及び表１を用いて説明する。
なお、本実施形態に係るモード間光スイッチ１００は、０次モード光、１次モード光、２次モード光及び３次モード光の４種類のモード光が入力モードとして入力ポート１に入力されるため、出力モードとして出力ポート２から出力されるモード光の順番（順列）としては、４の階乗（４！）である２４通りが考えられる。
【０１１９】
また、表１において、屈折率変化手段８（π位相変化領域）は、「Ａ」が第１Ｙ分岐導波路６１の分岐後の他の導波路６１ｂに配設される屈折率変化手段８であり、「Ｂ」が第１合流導波路７１及び第４Ｙ分岐導波路６４間の導波路７１ａに配設される屈折率変化手段８であり、「Ｃ」が第３合流導波路７３及び第４合流導波路７４間の導波路７３ａに配設される屈折率変化手段８であり、「Ｄ」が第４Ｙ分岐導波路６４の分岐後の一の導波路６４ａに配設される屈折率変化手段８であり、「Ｅ」が第４Ｙ分岐導波路６４の分岐後の他の導波路６４ｂに配設される屈折率変化手段８であり、「Ｆ」が第３Ｙ分岐導波路６３の分岐後の他の導波路６３ｂに配設される屈折率変化手段８である。
また、表１において、屈折率変化手段８（π位相変化領域）の各欄における「●」は、屈折率変化手段８をオン（第１の電極４ａ及び第２の電極４ｂに電圧を印加）した状態であり、屈折率変化手段８（π位相変化領域）の各欄における「−」は、屈折率変化手段８をオフした状態である。
【０１２０】
【表１】
2014034654.tif 000003
【０１２１】
なお、表１においては、屈折率変化手段８（π位相変化領域）の「Ａ」〜「Ｆ」のオン／オフを適宜選択して、２４通りの出力モードの一例を示しているが、表１に示す屈折率変化手段８（π位相変化領域）の「Ａ」〜「Ｆ」のオン／オフの選択以外にも、２４通りの出力モードに重複するオン／オフの選択も存在する。特に、図１６（ａ）に示す屈折率変化手段８の配置であれば、６４（＝２×２×２３×２）通りのスイッチングパターンが存在する。
【０１２２】
このため、モード間光スイッチ１００の動作説明においては、スイッチングパターンの一例として、図１６（ｂ）に示すように、第４Ｙ分岐導波路６４の分岐後の一の導波路６４ａ及び他の導波路６４ｂ、並びに、第３合流導波路７３及び第４合流導波路７４間の導波路７３ａに配設される屈折率変化手段８（π位相変化領域）をオンした場合（表１に示す第８のスイッチングパターン）について説明するが、他のスイッチングパターンによるモード間光スイッチ１００の動作についても同様の考え方が成り立つ。
【０１２３】
モード間光スイッチ１００の入力ポート１に入射された０次モード光（図１６（ｂ）では破線）、１次モード光（図１６（ｂ）では一点鎖線）、２次モード光（図１６（ｂ）では点線）及び３次モード光（図１６（ｂ）では実線）は、第１Ｙ分岐導波路６１に入射する。
【０１２４】
そして、第１Ｙ分岐導波路６１に入射したモード光（０次モード光、１次モード光、２次モード光、３次モード光）は、２つに平均分割して分岐され、均等分割後の一方のモード光は、第１Ｙ分岐導波路６１の一の導波路６１ａを伝搬して第２Ｙ分岐導波路６２に入射し、均等分割後の他方のモード光は、第１Ｙ分岐導波路６１の他の導波路６１ｂ（屈折率変化手段８の屈折率変化領域３）を伝搬して第３Ｙ分岐導波路６３に入射する。
この場合に、第１Ｙ分岐導波路６１に入射した０次モード光は、第１Ｙ分岐導波路６１の一の導波路６１ａ及び他の導波路６１ｂに０次モード光としてそれぞれ伝搬する。
また、第１Ｙ分岐導波路６１に入射した１次モード光は、第１Ｙ分岐導波路６１の一の導波路６１ａに０次モード光として伝搬し、第１Ｙ分岐導波路６１の一の導波路６１ａに伝搬する０次モード光と位相がπずれた０次モード光（以下、「反転０次モード光」と称す）として第１Ｙ分岐導波路６１の他の導波路６１ｂに伝搬する。
また、第１Ｙ分岐導波路６１に入射した２次モード光は、第１Ｙ分岐導波路６１の一の導波路６１ａに１次モード光として伝搬し、第１Ｙ分岐導波路６１の一の導波路６１ａに伝搬する１次モード光と位相がπずれた１次モード光（以下、「反転１次モード光」と称す）として第１Ｙ分岐導波路６１の他の導波路６１ｂに伝搬する。
さらに、第１Ｙ分岐導波路６１に入射した３次モード光は、第１Ｙ分岐導波路６１の一の導波路６１ａ及び他の導波路６１ｂに１次モード光としてそれぞれ伝搬する。
このように、第１Ｙ分岐導波路６１の一の導波路６１ａ及び他の導波路６１ｂには、１次モード以下のモード光が伝搬する。
【０１２５】
そして、第２Ｙ分岐導波路６２に入射したモード光（０次モード光、０次モード光、１次モード光、１次モード光）は、２つに均等分割して分岐され、均等分割後の一方のモード光は、第２Ｙ分岐導波路６２の一の導波路６２ａを伝搬して第１合流導波路７１に入射し、均等分割後の他方のモード光は、第２Ｙ分岐導波路６２の他の導波路６２ｂを伝搬して第２合流導波路７２に入射する。
この場合に、第２Ｙ分岐導波路６２に入射した０次モード光は、第２Ｙ分岐導波路６２の一の導波路６２ａ及び他の導波路６２ｂに０次モード光として伝搬する。
また、第２Ｙ分岐導波路６２に入射した１次モード光は、第２Ｙ分岐導波路６２の他の導波路６２ｂに０次モード光として伝搬し、第２Ｙ分岐導波路６２の他の導波路６２ｂに伝搬する０次モード光と位相がπずれた０次モード光（反転０次モード光）として第２Ｙ分岐導波路６２の一の導波路６２ａに伝搬する。
このように、第２Ｙ分岐導波路６２の一の導波路６２ａ及び他の導波路６２ｂには、０次モード光が伝搬する。
【０１２６】
同様に、第３Ｙ分岐導波路６３に入射したモード光（０次モード光、反転０次モード光、反転１次モード光、１次モード光）は、２つに均等分割して分岐され、均等分割後の一方のモード光は、第３Ｙ分岐導波路６３の一の導波路６３ａを伝搬して第１合流導波路７１に入射し、均等分割後の他方のモード光は、第３Ｙ分岐導波路６３の他の導波路６３ｂを伝搬して第３合流導波路７３に入射する。
この場合に、第３Ｙ分岐導波路６３に入射した０次モード光は、第３Ｙ分岐導波路６３の一の導波路６３ａ及び他の導波路６３ｂに０次モード光としてそれぞれ伝搬する。
また、第３Ｙ分岐導波路６３に入射した反転０次モード光は、第３Ｙ分岐導波路６３の一の導波路６３ａ及び他の導波路６３ｂに反転０次モード光としてそれぞれ伝搬する。
また、第３Ｙ分岐導波路６３に入射した反転１次モード光は、第３Ｙ分岐導波路６３の他の導波路６３ｂに０次モード光として伝搬し、第３Ｙ分岐導波路６３の他の導波路６３ｂに伝搬する０次モード光と位相がπずれた０次モード光（反転０次モード光）として第３Ｙ分岐導波路６３の一の導波路６３ａに伝搬する。
また、第３Ｙ分岐導波路６３に入射した１次モード光は、第３Ｙ分岐導波路６３の一の導波路６３ａに０次モード光として伝搬し、第３Ｙ分岐導波路６３の一の導波路６３ａに伝搬する０次モード光と位相がπずれた０次モード光（反転０次モード光）として第３Ｙ分岐導波路６３の他の導波路６３ｂに伝搬する。
このように、第３Ｙ分岐導波路６３の一の導波路６３ａ及び他の導波路６３ｂには、０次モード光が伝搬する。
【０１２７】
そして、第２Ｙ分岐導波路６２の一の導波路６２ａから第１合流導波路７１に入射したモード光（０次モード光、０次モード光、反転０次モード光、反転０次モード光）と第３Ｙ分岐導波路６３の一の導波路６３ａから第１合流導波路７１に入射したモード光（０次モード光、反転０次モード光、反転０次モード光、０次モード光）とは、第１合流導波路７１によりそれぞれ結合された後に、第１合流導波路７１及び第４Ｙ分岐導波路６４間の導波路７１ａ（屈折率変化手段８の屈折率変化領域３）を伝搬して第４Ｙ分岐導波路６４に入射する。
この場合に、第２Ｙ分岐導波路６２の一の導波路６２ａから第１合流導波路７１に入射した０次モード光と第３Ｙ分岐導波路６３の一の導波路６３ａから第１合流導波路７１に入射した０次モード光とは、第１合流導波路７１により結合されて０次モード光として第４Ｙ分岐導波路６４に入射する。
また、第２Ｙ分岐導波路６２の一の導波路６２ａから第１合流導波路７１に入射した０次モード光と第３Ｙ分岐導波路６３の一の導波路６３ａから第１合流導波路７１に入射した反転０次モード光とは、第１合流導波路７１により結合されて１次モード光として第４Ｙ分岐導波路６４に入射する。
また、第２Ｙ分岐導波路６２の一の導波路６２ａから第１合流導波路７１に入射した反転０次モード光と第３Ｙ分岐導波路６３の一の導波路６３ａから第１合流導波路７１に入射した反転０次モード光とは、第１合流導波路７１により結合されて反転０次モード光として第４Ｙ分岐導波路６４に入射する。
また、第２Ｙ分岐導波路６２の一の導波路６２ａから第１合流導波路７１に入射した反転０次モード光と第３Ｙ分岐導波路６３の一の導波路６３ａから第１合流導波路７１に入射した０次モード光とは、第１合流導波路７１により結合されて反転１次モード光として第４Ｙ分岐導波路６４に入射する。
このように、第１合流導波路７１及び第４Ｙ分岐導波路６４間の導波路７１ａには、１次モード以下のモード光が伝搬する。
【０１２８】
そして、第４Ｙ分岐導波路６４に入射したモード光（０次モード光、１次モード光、反転０次モード光、反転１次モード光）は、２つに均等分割して分岐され、均等分割後の一方のモード光は、第４Ｙ分岐導波路６４の一の導波路６４ａ（屈折率変化手段８の屈折率変化領域３）を伝搬して第２合流導波路７２に入射し、均等分割後の他方のモード光は、第４Ｙ分岐導波路６４の他の導波路６４ｂ（屈折率変化手段８の屈折率変化領域３）を伝搬して第３合流導波路７３に入射する。
この場合に、第４Ｙ分岐導波路６４に入射した０次モード光は、第４Ｙ分岐導波路６４の一の導波路６４ａ及び他の導波路６４ｂに０次モード光としてそれぞれ伝搬する。
また、第４Ｙ分岐導波路６４に入射した１次モード光は、第４Ｙ分岐導波路６４の一の導波路６４ａに０次モード光として伝搬し、第４Ｙ分岐導波路６４の一の導波路６４ａに伝搬する０次モード光と位相がπずれた０次モード光（反転０次モード光）として第４Ｙ分岐導波路６４の他の導波路６４ｂに伝搬する。
また、第４Ｙ分岐導波路６４に入射した反転０次モード光は、第４Ｙ分岐導波路６４の一の導波路６４ａ及び他の導波路６４ｂに反転０次モード光としてそれぞれ伝搬する。
さらに、第４Ｙ分岐導波路６４に入射した反転１次モード光は、第４Ｙ分岐導波路６４の他の導波路６４ｂに０次モード光として伝搬し、第４Ｙ分岐導波路６４の他の導波路６４ｂに伝搬する０次モード光と位相がπずれた０次モード光（反転０次モード光）として第４Ｙ分岐導波路６４の一の導波路６４ａに伝搬する。
このように、第４Ｙ分岐導波路６４の一の導波路６４ａ及び他の導波路６４ｂには、０次モード光が伝搬する。
【０１２９】
この状態において、第４Ｙ分岐導波路６４の一の導波路６４ａに配設された屈折率変化手段８（π位相変化領域Ｄ）並びに第４Ｙ分岐導波路６４の他の導波路６４ｂに配設された屈折率変化手段８（π位相変化領域Ｅ）における第１の電極４ａ及び第２の電極４ｂに電圧を印加すると、ｐ型半導体領域１３２、真性半導体領域１３１及びｎ型半導体領域１３３からなるｐｉｎ接合が順バイアスされる。
これにより、ｐ型半導体領域１３２及びｎ型半導体領域１３３から真性半導体領域１３１であるリブ部１３１ａにキャリアが供給され、供給されたキャリアはリブ部１３１ａに蓄積されて、キャリアのプラズマ効果により、第４Ｙ分岐導波路６４の一の導波路６４ａ及び他の導波路６４ｂを伝搬するモード光の位相をπ［ｒａｄ］だけ変化させることができる。
すなわち、第４Ｙ分岐導波路６４の一の導波路６４ａを伝搬するモード光（０次モード光、０次モード光、反転０次モード光、反転０次モード光）は、０次モード光が反転０次モード光となり、反転０次モード光が０次モード光となり、第３合流導波路７３にモード光（反転０次モード光、反転０次モード光、０次モード光、０次モード光）として入射する。
また、第４Ｙ分岐導波路６４の他の導波路６４ｂを伝搬するモード光（０次モード光、反転０次モード光、反転０次モード光、０次モード光）は、０次モード光が反転０次モード光となり、反転０次モード光が０次モード光となり、第３合流導波路７３にモード光（反転０次モード光、０次モード光、０次モード光、反転０次モード光）として入射する。
【０１３０】
そして、第２Ｙ分岐導波路６２の他の導波路６２ｂから第２合流導波路７２に入射したモード光（０次モード光、０次モード光、０次モード光、０次モード光）と第４Ｙ分岐導波路６４の一の導波路６４ａから屈折率変化手段８（π位相変化領域Ｄ）を介して第２合流導波路７２に入射したモード光（反転０次モード光、反転０次モード光、０次モード光、０次モード光）とは、第２合流導波路７２によりそれぞれ結合された後に、第４合流導波路７４に入射する。
この場合に、第２Ｙ分岐導波路６２の他の導波路６２ｂから第２合流導波路７２に入射した０次モード光と第４Ｙ分岐導波路６４の一の導波路６４ａから屈折率変化手段８（π位相変化領域Ｄ）を介して第２合流導波路７２に入射した反転０次モード光とは、第２合流導波路７２により結合されて１次モード光として第４合流導波路７４に入射する。
また、第２Ｙ分岐導波路６２の他の導波路６２ｂから第２合流導波路７２に入射した０次モード光と第４Ｙ分岐導波路６４の一の導波路６４ａから屈折率変化手段８（π位相変化領域Ｄ）を介して第２合流導波路７２に入射した反転０次モード光とは、第２合流導波路７２により結合されて１次モード光として第４合流導波路７４に入射する。
また、第２Ｙ分岐導波路６２の他の導波路６２ｂから第２合流導波路７２に入射した０次モード光と第４Ｙ分岐導波路６４の一の導波路６４ａから屈折率変化手段８（π位相変化領域Ｄ）を介して第２合流導波路７２に入射した０次モード光とは、第２合流導波路７２により結合されて０次モード光として第４合流導波路７４に入射する。
また、第２Ｙ分岐導波路６２の他の導波路６２ｂから第２合流導波路７２に入射した０次モード光と第４Ｙ分岐導波路６４の一の導波路６４ａから屈折率変化手段８（π位相変化領域Ｄ）を介して第２合流導波路７２に入射した０次モード光とは、第２合流導波路７２により結合されて０次モード光として第４合流導波路７４に入射する。
このように、第２合流導波路７２及び第４合流導波路７４間の導波路７２ａには、１次モード以下のモード光が伝搬する。
【０１３１】
同様に、第３Ｙ分岐導波路６３の他の導波路６３ｂ（屈折率変化手段８の屈折率変化領域３）から第３合流導波路７３に入射したモード光（０次モード光、反転０次モード光、０次モード光、反転０次モード光）と第４Ｙ分岐導波路６４の他の導波路６４ｂから屈折率変化手段８（π位相変化領域Ｅ）を介して第３合流導波路７３に入射したモード光（反転０次モード光、０次モード光、０次モード光、反転０次モード光）とは、第３合流導波路７３によりそれぞれ結合された後に、第４合流導波路７４に入射する。
この場合に、第３Ｙ分岐導波路６３の他の導波路６３ｂから第３合流導波路７３に入射した０次モード光と第４Ｙ分岐導波路６４の他の導波路６４ｂから屈折率変化手段８（π位相変化領域Ｅ）を介して第３合流導波路７３に入射した反転０次モード光とは、第３合流導波路７３により結合されて反転１次モード光になる。
また、第３Ｙ分岐導波路６３の他の導波路６３ｂから第３合流導波路７３に入射した反転０次モード光と第４Ｙ分岐導波路６４の他の導波路６４ｂから屈折率変化手段８（π位相変化領域Ｅ）を介して第３合流導波路７３に入射した０次モード光とは、第３合流導波路７３により結合されて１次モード光になる。
また、第３Ｙ分岐導波路６３の他の導波路６３ｂから第３合流導波路７３に入射した０次モード光と第４Ｙ分岐導波路６４の他の導波路６４ｂから屈折率変化手段８（π位相変化領域Ｅ）を介して第３合流導波路７３に入射した０次モード光とは、第３合流導波路７３により結合されて０次モード光になる。
また、第３Ｙ分岐導波路６３の他の導波路６３ｂから第３合流導波路７３に入射した反転０次モード光と第４Ｙ分岐導波路６４の他の導波路６４ｂから屈折率変化手段８（π位相変化領域Ｅ）を介して第３合流導波路７３に入射した反転０次モード光とは、第３合流導波路７３により結合されて反転０次モード光になる。
このように、第３合流導波路７３及び第４合流導波路７４間の導波路７３ａには、１次モード以下のモード光が伝搬する。
【０１３２】
この状態において、第３合流導波路７３及び第４合流導波路７４間の導波路７３ａに配設された屈折率変化手段８（π位相変化領域Ｃ）における第１の電極４ａ及び第２の電極４ｂに電圧を印加すると、ｐ型半導体領域１３２、真性半導体領域１３１及びｎ型半導体領域１３３からなるｐｉｎ接合が順バイアスされる。
これにより、ｐ型半導体領域１３２及びｎ型半導体領域１３３から真性半導体領域１３１であるリブ部１３１ａにキャリアが供給され、供給されたキャリアはリブ部１３１ａに蓄積されて、キャリアのプラズマ効果により、第３合流導波路７３及び第４合流導波路７４間の導波路７３ａを伝搬するモード光のうち、１次モード光として伝搬している光の位相をπ［ｒａｄ］だけ変化させる一方、０次モード光の位相は反転せずにそのままとすることができる。
すなわち、第３合流導波路７３及び第４合流導波路７４間の導波路７３ａを伝搬するモード光（反転１次モード光、１次モード光、０次モード光、反転０次モード光）は、０次モード光はそのまま０次モード光となり、反転０次モード光はそのまま反転０次モード光となり、１次モード光が反転１次モード光となり、反転１次モード光が１次モード光となり、第３合流導波路７３にモード光（１次モード光、反転１次モード光、０次モード光、反転０次モード光）として入射する。
【０１３３】
そして、第２合流導波路７２から第４合流導波路７４に入射したモード光（１次モード光、１次モード光、０次モード光、０次モード光）と第３合流導波路７３から屈折率変化手段８（π位相変化領域Ｃ）を介して第４合流導波路７４に入射した（１次モード光、反転１次モード光、０次モード光、反転０次モード光）とは、第４合流導波路７４によりそれぞれ結合された後に、出力ポート２から出射する。
この場合に、第２合流導波路７２から第４合流導波路７４に入射した１次モード光と第３合流導波路７３から屈折率変化手段８（π位相変化領域Ｄ）を介して第４合流導波路７４に入射した１次モード光とは、第４合流導波路７４により結合されて３次モード光として出力ポート２から出射する。
また第２合流導波路７２から第４合流導波路７４に入射した１次モード光と第３合流導波路７３から屈折率変化手段８（π位相変化領域Ｄ）を介して第４合流導波路７４に入射した反転１次モード光とは、第４合流導波路７４により結合されて２次モード光として出力ポート２から出射する。
また、第２合流導波路７２から第４合流導波路７４に入射した０次モード光と第３合流導波路７３から屈折率変化手段８（π位相変化領域Ｄ）を介して第４合流導波路７４に入射した０次モード光とは、第４合流導波路７４により結合されて０次モード光として出力ポート２から出射する。
また、第２合流導波路７２から第４合流導波路７４に入射した１次モード光と第３合流導波路７３から屈折率変化手段８（π位相変化領域Ｄ）を介して第４合流導波路７４に入射した反転０次モード光とは、第４合流導波路７４により結合されて１次モード光として出力ポート２から出射する。
【０１３４】
このように、モード間光スイッチ１００は、表１に示す第８のスイッチングパターンにより、入力ポート１に入力された０次モード光を３次モード光に変換して出力ポート２から出力し、入力ポート１に入力された１次モード光を２次モード光に変換して出力ポート２から出力し、入力ポート１に入力された２次モード光を０次モード光に変換して出力ポート２から出力し、入力ポート１に入力された３次モード光を１次モード光に変換して出力ポート２から出力することができる。
【０１３５】
また、本実施形態に係るモード間光スイッチ１００は、入力ポート１から０次モード光を入力し、６つの屈折率変化手段８（π位相変化領域Ａ、π位相変化領域Ｂ、π位相変化領域Ｃ、π位相変化領域Ｄ、π位相変化領域Ｅ、π位相変化領域Ｆ）を適宜選択することにより、図１７（ａ）に示すように、出力ポート２から０次モード光を出力し、図１７（ｂ）に示すように、出力ポート２から１次モード光を出力し、図１７（ｃ）に示すように、出力ポート２から２次モード光を出力し、図１７（ｃ）に示すように、出力ポート２から０次モード光を出力することが、ビーム伝搬法（beam propagation method：ＢＰＭ）シミュレーションで確認することができた。
【０１３６】
モード間光スイッチでは、従来の空間型光スイッチで使用されるポート情報の代わりに、モード情報が用いられるため、ポート間のクロストークの代わりにモード間のクロストークについて議論することが必要である。
表２は、各入力モード（０次モード光、１次モード光、２次モード光、３次モード光）を各出力モード（０次モード光、１次モード光、２次モード光、３次モード光）に変換するための屈折率変化手段８における最適な屈折率変化とその時の最低のモード間クロストークの結果を示している。
【０１３７】
【表２】
2014034654.tif 000004
【０１３８】
表２に示すように、入力モードである３次モード光が出力モードである１次モード光に変換された場合に、最悪のモード間クロストークは、−１９．０ｄＢ未満であると推定される。
【０１３９】
以上のように、本実施形態に係るモード間光スイッチ１００は、０次モード光、１次モード光、２次モード光又は３次モード光を、０次モード光、１次モード光、２次モード光又は３次モード光に変換する４種類のモード（０次モード、１次モード、２次モード、３次モード）光に対応することができるという作用効果を奏する。
【０１４０】
なお、本実施形態に係るモード間光スイッチ１００は、２４通りの出力モードを作り出すことができる、屈折率変化手段８の数を最も少なくする配置としているが、第１Ｙ分岐導波路６１の分岐後の他の導波路６１ｂ、第１合流導波路７１及び第４Ｙ分岐導波路６４間の導波路７１ａ、第４Ｙ分岐導波路６４の分岐後の一の導波路６４ａ及び他の導波路６４ｂ、第３Ｙ分岐導波路６３の分岐後の他の導波路６３ｂ、並びに、第３合流導波路７３及び第４合流導波路７４間の導波路７３ａ以外に、屈折率変化手段８を配設させてもよい。
例えば、モード間光スイッチ１００は、図１６（ｃ）に示すように、第１Ｙ分岐導波路６１の分岐後の一の導波路６１ａ、第２Ｙ分岐導波路６２の分岐後の他の導波路６２ｂ、第３Ｙ分岐導波路６３の分岐後の他の導波路６３ｂ、並びに、第２合流導波路７２及び第４合流導波路７４間の導波路７２ａにも、屈折率変化手段８を配設させることが考えられる。この構成により、モード間光スイッチ１００は、複数の屈折率変化手段８のうちいずれかの屈折率変化手段８に不具合が生じた場合に、不具合が生じていない屈折率変化手段８を機能させることにより、所望の２４通りの出力モードを作り出すことができる。
なお、図１６（ｃ）に示すモード間光スイッチ１００は、屈折率変化手段８を直線状導波路に配設させているが、曲線状導波路に配設させてもよい。
【０１４１】
（本発明の第６の実施形態）
図１８（ａ）は第６の実施形態に係るモード間光スイッチの概略構成の一例を示す平面図であり、図１８（ｂ）は第６の実施形態に係るモード間光スイッチの概略構成の他の一例を示す平面図である。図１８において、図１乃至図１７と同じ符号は、同一又は相当部分を示し、その説明を省略する。
【０１４２】
前述した第５の実施形態においては、０次モード光〜３次モード光を０次モード光〜３次モード光に変換する４種類のモード（０次モード、１次モード、２次モード、３次モード）光に対応するモード間光スイッチ１００について説明した。
これに対し、本実施形態においては、モード間光スイッチ１００の機能をさらに拡張し、０次モード光〜７次モード光を０次モード光〜７次モード光に変換する８種類のモード（０次モード、１次モード、２次モード、３次モード、４次モード、５次モード、６次モード、７次モード）光に対応するモード間光スイッチ１００について説明する。
【０１４３】
本実施形態に係るモード変換手段は、図１８（ａ）に示すように、入力ポート１から入力されるモード光を２つに分岐するＹ分岐導波路（以下、「第１Ｙ分岐導波路２６１」と称す）と、第１Ｙ分岐導波路２６１の分岐後の一の導波路２６１ａを伝播するモード光を２つに分岐するＹ分岐導波路（以下、「第２Ｙ分岐導波路２６２」と称す）と、第１Ｙ分岐導波路２６１の分岐後の他の導波路２６１ｂを伝播するモード光を２つに分岐するＹ分岐導波路（以下、「第３Ｙ分岐導波路２６３」と称す）と、第２Ｙ分岐導波路２６２の分岐後の一の導波路２６２ａを伝播するモード光を２つに分岐するＹ分岐導波路（以下、「第４Ｙ分岐導波路２６４」と称す）と、第２Ｙ分岐導波路２６２の分岐後の他の導波路２６２ｂを伝播するモード光を２つに分岐するＹ分岐導波路（以下、「第５Ｙ分岐導波路２６５」と称す）と、第３Ｙ分岐導波路２６３の分岐後の一の導波路２６３ａを伝播するモード光を２つに分岐するＹ分岐導波路（以下、「第６Ｙ分岐導波路２６６」と称す）と、第３Ｙ分岐導波路２６３の分岐後の他の導波路２６３ｂを伝播するモード光を２つに分岐するＹ分岐導波路（以下、「第７Ｙ分岐導波路２６７」と称す）と、後述する第１合流導波路２７１から入力されるモード光を２つに分岐するＹ分岐導波路（以下、「第８Ｙ分岐導波路２６８」と称す）と、後述する第２合流導波路２７２から入力されるモード光を２つに分岐するＹ分岐導波路（以下、「第９Ｙ分岐導波路２６９」と称す）と、後述する第３合流導波路２７３から入力されるモード光を２つに分岐するＹ分岐導波路（以下、「第１０Ｙ分岐導波路２６０」と称す）と、を備える。
【０１４４】
また、本実施形態に係るモード変換手段は、第４Ｙ分岐導波路２６４の分岐後の一の導波路２６４ａを伝播するモード光及び第５Ｙ分岐導波路２６５の分岐後の一の導波路２６５ａを伝播するモード光を結合する合流導波路（以下、「第１合流導波路２７１」と称す）と、第５Ｙ分岐導波路２６５の分岐後の他の導波路２６５ｂを伝播するモード光及び第６Ｙ分岐導波路２６６の分岐後の一の導波路２６６ａを伝播するモード光を結合する合流導波路（以下、「第２合流導波路２７２」と称す）と、第６Ｙ分岐導波路２６６の分岐後の他の導波路２６６ｂを伝播するモード光及び第７Ｙ分岐導波路２６７の分岐後の一の導波路２６７ａを伝播するモード光を結合する合流導波路（以下、「第３合流導波路２７３」と称す）と、第４Ｙ分岐導波路２６４の分岐後の他の導波路２６４ｂを伝播するモード光及び第８Ｙ分岐導波路２６８の分岐後の一の導波路２６８ａを伝播するモード光を結合する合流導波路（以下、「第４合流導波路２７４」と称す）と、第８Ｙ分岐導波路２６８の分岐後の他の導波路２６８ｂを伝播するモード光及び第９Ｙ分岐導波路２６９の分岐後の一の導波路２６９ａを伝播するモード光を結合する合流導波路（以下、「第５合流導波路２７５」と称す）と、第９Ｙ分岐導波路２６９の分岐後の他の導波路２６９ｂを伝播するモード光及び第１０Ｙ分岐導波路２６０の分岐後の一の導波路２６０ａを伝播するモード光を結合する合流導波路（以下、「第６合流導波路２７６」と称す）と、第７Ｙ分岐導波路２６７の分岐後の他の導波路２６７ｂを伝播するモード光及び第１０Ｙ分岐導波路２６０の分岐後の他の導波路２６０ｂを伝播するモード光を結合する合流導波路（以下、「第７合流導波路２７７」と称す）と、第４合流導波路２７４から入力されるモード光及び第５合流導波路２７５から入力されるモード光を結合する合流導波路（以下、「第８合流導波路２７８」と称す）と、第６合流導波路２７６から入力されるモード光及び第７合流導波路２７７から入力されるモード光を結合する合流導波路（以下、「第９合流導波路２７９」と称す）と、第８合流導波路２７８から入力されるモード光及び第９合流導波路２７９から入力されるモード光を結合して出力ポート２から出力する合流導波路（以下、「第１０合流導波路２７０」と称す）と、を備える。
【０１４５】
本実施形態に係る屈折率変化手段８は、図１８（ａ）に示すように、第２Ｙ分岐導波路２６２の分岐後の他の導波路２６２ｂ、第３Ｙ分岐導波路２６３の分岐後の一の導波路２６３ａ及び他の導波路２６３ｂ、第１合流導波路２７１及び第８Ｙ分岐導波路２６８間の導波路２７１ａ、第２合流導波路２７２及び第９Ｙ分岐導波路２６９間の導波路２７２ａ、第３合流導波路２７３及び第１０Ｙ分岐導波路２６０間の導波路２７３ａ、第８Ｙ分岐導波路２６８の分岐後の一の導波路２６８ａ及び他の導波路２６８ｂ、第９Ｙ分岐導波路２６９の分岐後の一の導波路２６９ａ及び他の導波路２６９ｂ、第１０Ｙ分岐導波路２６０の分岐後の一の導波路２６０ａ及び他の導波路２６０ｂ、第７Ｙ分岐導波路２６７の分岐後の他の導波路２６７ｂ、第５合流導波路２７５及び第８合流導波路２７８間の導波路２７５ａ、第６合流導波路２７６及び第９合流導波路２７９間の導波路２７６ａ、並びに、第７合流導波路２７７及び第９合流導波路２７９間の導波路２７７ａに配設される。
【０１４６】
特に、本実施形態に係るモード間光スイッチ１００は、０次モード光〜７次モード光の８種類のモード光が入力モードとして入力ポート１に入力されるため、出力モードとして出力ポート２から出力されるモード光の順番（順列）としては、８の階乗（８！）である４０３２０通りが考えられる。但し、図１８（ａ）に示す屈折率変化手段８の配置であれば、６５５３６（＝２３×２３×２７×２３）通りのスイッチングパターンが存在する。
【０１４７】
なお、この第６の実施形態においては、０次モード光〜７次モード光の８種類のモード光に対応するところのみが第５の実施形態と異なるところであり、モード間光スイッチ１００の動作については、第５の実施形態に係るモード間光スイッチ１００の動作から容易に類推できるために説明を省略する。
【０１４８】
以上のように、本実施形態に係るモード間光スイッチ１００は、０次モード光〜７次モード光を、０次モード光〜７次モード光に変換する８種類のモード（０次モード、１次モード、２次モード、３次モード、４次モード、５次モード、６次モード、７次モード）光に対応することができるという作用効果を奏する。
【０１４９】
なお、本実施形態に係るモード間光スイッチ１００は、所望の４０３２０通りの出力モードを作り出すことができる、屈折率変化手段８の数を最も少なくする配置としているが、第２Ｙ分岐導波路２６２の分岐後の他の導波路２６２ｂ、第３Ｙ分岐導波路２６３の分岐後の一の導波路２６３ａ及び他の導波路２６３ｂ、第１合流導波路２７１及び第８Ｙ分岐導波路２６８間の導波路２７１ａ、第２合流導波路２７２及び第９Ｙ分岐導波路２６９間の導波路２７２ａ、第３合流導波路２７３及び第１０Ｙ分岐導波路２６０間の導波路２７３ａ、第８Ｙ分岐導波路２６８の分岐後の一の導波路２６８ａ及び他の導波路２６８ｂ、第９Ｙ分岐導波路２６９の分岐後の一の導波路２６９ａ及び他の導波路２６９ｂ、第１０Ｙ分岐導波路２６０の分岐後の一の導波路２６０ａ及び他の導波路２６０ｂ、第７Ｙ分岐導波路２６７の分岐後の他の導波路２６７ｂ、第５合流導波路２７５及び第８合流導波路２７８間の導波路２７５ａ、第６合流導波路２７６及び第９合流導波路２７９間の導波路２７６ａ、並びに、第７合流導波路２７７及び第９合流導波路２７９間の導波路２７７ａ以外に、屈折率変化手段８を配設させてもよい。
例えば、図１８（ｂ）に示すように、モード間光スイッチ１００は、第１Ｙ分岐導波路２６１の分岐後の他の導波路２６１ｂ、並びに、第９合流導波路２７９及び第１０合流導波路２７０間の導波路２７９ａにも、屈折率変化手段８を配設させることが考えられる。
また、モード間光スイッチ１００は、第１Ｙ分岐導波路２６１の分岐後の一の導波路２６１ａ及び他の導波路２６１ｂ、第２Ｙ分岐導波路２６２の分岐後の一の導波路２６２ａ、第４Ｙ分岐導波路２６４の分岐後の他の導波路２６４ｂ、第４合流導波路２７４及び第８合流導波路２７８間の導波路２７４ａ、第８合流導波路２７８及び第１０合流導波路２７０間の導波路２７８ａ、並びに、第９合流導波路２７９及び第１０合流導波路２７０間の導波路２７９ａにも、屈折率変化手段８を配設させることが考えられる。この構成により、モード間光スイッチ１００は、複数の屈折率変化手段８のうちいずれかの屈折率変化手段８に不具合が生じた場合に、不具合が生じていない屈折率変化手段８を機能させることにより、所望の４０３２０通りの出力モードを作り出すことができる。
【０１５０】
（本発明のその他の実施形態）
前述した第５の実施形態においては、０次モード光〜３次モード光を０次モード光〜３次モード光に変換する４種類のモード（０次モード、１次モード、２次モード、３次モード）光に対応するモード間光スイッチ１００について説明した。
また、前述した第６の実施形態においては、０次モード光〜７次モード光を０次モード光〜７次モード光に変換する８種類のモード（０次モード、１次モード、２次モード、３次モード、４次モード、５次モード、６次モード、７次モード）光に対応するモード間光スイッチ１００について説明した。
これに対し、本実施形態においては、モード間光スイッチ１００の導波路（Ｙ分岐導波路、合流導波路）及び屈折率変化手段８の配置を一般化し、０次モード光乃至２ｎ−１次モード光（ｎは２以上の整数）である２ｎ種類のモード光に対応するモード間光スイッチ１００について説明する。
【０１５１】
なお、以下の説明においては、第６の実施形態に係るモード間光スイッチ１００の概略構成を示す平面図（図１８（ａ））を参照して説明するが、このモード間光スイッチ１００に限られるものではない。
【０１５２】
モード変換手段は、入力ポート１に接続され、モード光を２つに分岐するＹ分岐導波路（第１Ｙ分岐導波路２６１、第２Ｙ分岐導波路２６２、第３Ｙ分岐導波路２６３）が一又は複数配設される入力段領域３１０を備える。
【０１５３】
また、モード変換手段は、出力ポート２に接続され、２つのモード光を結合する合流導波路（第１０合流導波路２７０、第８合流導波路２７８、第９合流導波路２７９）が一又は複数配設される出力段領域３２０を備える。
【０１５４】
また、モード変換手段は、入力段領域３１０及び出力段領域３２０間に配設され、０次モード光を伝搬させる２ｎ本（８本）の導波路（第４Ｙ分岐導波路２６４の分岐後の他の導波路２６４ｂ、第８Ｙ分岐導波路２６８の分岐後の一の導波路２６８ａ及び他の導波路２６８ｂ、第９Ｙ分岐導波路２６９の分岐後の一の導波路２６９ａ及び他の導波路２６９ｂ、第１０Ｙ分岐導波路２６０の分岐後の一の導波路２６０ａ及び他の導波路２６０ｂ、第７Ｙ分岐導波路２６７の分岐後の他の導波路２６７ｂ）が並設される基準領域３００を備える。
【０１５５】
さらに、モード変換手段は、基準領域３００の前段に配設され、基準領域３００における最外側の２本の導波路にそれぞれ接続される２本の導波路（第４Ｙ分岐導波路２６４の分岐後の他の導波路２６４ｂ、第７Ｙ分岐導波路２６７の分岐後の他の導波路２６７ｂ）と、基準領域３００における最外側の２本の導波路を除く隣り合う２本の導波路に分岐する２ｎ−１−１本（３本）のＹ分岐導波路（第８Ｙ分岐導波路２６８、第９Ｙ分岐導波路２６９、第１０Ｙ分岐導波路２６０）に接続される２ｎ−１−１本の導波路（第１合流導波路２７１及び第８Ｙ分岐導波路２６８間の導波路２７１ａ、第２合流導波路２７２及び第９Ｙ分岐導波路２６９間の導波路２７２ａ、第３合流導波路２７３及び第１０Ｙ分岐導波路２６０間の導波路２７３ａ）と、が並設される前段領域３０１を備える。
【０１５６】
また、モード変換手段は、前段領域３０１の前段に配設され、前段領域３０１における２ｎ−１−１本（３本）の導波路に結合する２ｎ−１−１本の合流導波路（第１合流導波路２７１、第２合流導波路２７２、第３合流導波路２７３）と当該２ｎ−１−１本（３本）の合流導波路の結合前の２ｎ−２本（６本）の導波路（第４Ｙ分岐導波路２６４の分岐後の一の導波路２６４ａ、第５Ｙ分岐導波路２６５の分岐後の一の導波路２６５ａ及び他の導波路２６５ｂ、第６Ｙ分岐導波路２６６の分岐後の一の導波路２６６ａ及び他の導波路２６６ｂ、第７Ｙ分岐導波路２６７の分岐後の一の導波路２６７ａ）及び前段領域３０１における最外側の２本の導波路にそれぞれ接続される２本の導波路（第４Ｙ分岐導波路２６４の分岐後の他の導波路２６４ｂ、第７Ｙ分岐導波路２６７の分岐後の他の導波路２６７ｂ）のうち隣り合う２ｎ本（８本）の導波路に分岐する２ｎ−１本（４本）のＹ分岐導波路（第４Ｙ分岐導波路２６４、第５Ｙ分岐導波路２６５、第６Ｙ分岐導波路２６６、第７Ｙ分岐導波路２６７）とを介して、２ｎ−１本（４本）の導波路（第２Ｙ分岐導波路２６２の分岐後の一の導波路２６２ａ及び他の導波路２６２ｂ、第３Ｙ分岐導波路２６３の分岐後の一の導波路２６３ａ及び他の導波路２６３ｂ）が並設される前々段領域３０２を備える。
【０１５７】
また、モード変換手段は、基準領域３００の後段に配設され、基準領域３００における隣り合う２本の導波路を結合する２ｎ−１本（４本）の合流導波路（第４合流導波路２７４、第５合流導波路２７５、第６合流導波路２７６、第７合流導波路２７７）に接続される２ｎ−１本（４本）の導波路（第４合流導波路２７４及び第８合流導波路２７８間の導波路２７４ａ、第５合流導波路２７５及び第８合流導波路２７８間の導波路２７５ａ、第６合流導波路２７６及び第９合流導波路２７９間の導波路２７６ａ、第７合流導波路２７７及び第９合流導波路２７９間の導波路２７７ａ）が並設される後段領域３０３を備える。
【０１５８】
本実施形態に係る屈折率変化手段８は、基準領域３００における最外側の１本の導波路（第４Ｙ分岐導波路２６４の分岐後の他の導波路２６４ｂ）を除く２ｎ−１本（７本）の導波路（第８Ｙ分岐導波路２６８の分岐後の一の導波路２６８ａ及び他の導波路２６８ｂ、第９Ｙ分岐導波路２６９の分岐後の一の導波路２６９ａ及び他の導波路２６９ｂ、第１０Ｙ分岐導波路２６０の分岐後の一の導波路２６０ａ及び他の導波路２６０ｂ、第７Ｙ分岐導波路２６７の分岐後の他の導波路２６７ｂ）、前段領域３０１における最外側の２本の導波路（第４Ｙ分岐導波路２６４の分岐後の他の導波路２６４ｂ、第７Ｙ分岐導波路２６７の分岐後の他の導波路２６７ｂ）を除く２ｎ−１−１本（３本）の導波路（第１合流導波路２７１及び第８Ｙ分岐導波路２６８間の導波路２７１ａ、第２合流導波路２７２及び第９Ｙ分岐導波路２６９間の導波路２７２ａ、第３合流導波路２７３及び第１０Ｙ分岐導波路２６０間の導波路２７３ａ）、基準領域３００で除いた最外側の１本の導波路（第４Ｙ分岐導波路２６４の分岐後の他の導波路２６４ｂ）を経路としない前々段領域３０２における最外側の１本の導波路（第２Ｙ分岐導波路２６２の分岐後の一の導波路２６２ａ）を除く２ｎ−１−１本（３本）の導波路（第２Ｙ分岐導波路２６２の分岐後の他の導波路２６２ｂ、第３Ｙ分岐導波路２６３の分岐後の一の導波路２６３ａ及び他の導波路２６３ｂ）、及び、基準領域３００で除いた最外側の１本の導波路（第４Ｙ分岐導波路２６４の分岐後の他の導波路２６４ｂ）を経路としない後段領域３０３における最外側の１本の導波路（第４合流導波路２７４及び第８合流導波路２７８間の導波路２７４ａ）を除く２ｎ−１−１本（３本）の導波路（第５合流導波路２７５及び第８合流導波路２７８間の導波路２７５ａ、第６合流導波路２７６及び第９合流導波路２７９間の導波路２７６ａ、第７合流導波路２７７及び第９合流導波路２７９間の導波路２７７ａ）に配設される。
【０１５９】
特に、本実施形態に係るモード間光スイッチ１００は、０次モード光〜２ｎ−１次モード光の２ｎ種類のモード光が入力モードとして入力ポート１に入力されるため、出力モードとして出力ポート２から出力されるモード光の順番（順列）としては、２ｎの階乗（２ｎ！）通りが考えられる。
【０１６０】
なお、本実施形態においては、モード間光スイッチ１００の導波路（Ｙ分岐導波路、合流導波路）及び屈折率変化手段８の配置を一般化したところのみが第５の実施形態及び第６の実施形態と異なるところであり、モード間光スイッチ１００の動作については、第５の実施形態に係るモード間光スイッチ１００の動作から容易に類推できるために説明を省略する。
【０１６１】
なお、本実施形態に係るモード間光スイッチ１００は、所望の２ｎの階乗（２ｎ！）通りの出力モードを作り出すことができる、屈折率変化手段８の数を最も少なくする配置としているが、これ以外の導波路に屈折率変化手段８を配設させてもよい。
例えば、モード間光スイッチ１００は、全ての直線状導波路に屈折率変化手段８を配設させることにより、モード間光スイッチ１００は、複数の屈折率変化手段８のうちいずれかの屈折率変化手段８に不具合が生じた場合に、不具合が生じていない屈折率変化手段８を機能させることにより、所望の２ｎの階乗（２ｎ！）通りの出力モードを作り出すことができる。
【符号の説明】
【０１６２】
１      入力ポート
２      出力ポート
３      屈折率変化領域
３ａ    トレンチ
４ａ    第１の電極
４ｂ    第２の電極
５      コンタクトホール
５ａ    第１の接続部
５ｂ    第２の接続部
６      入力導波路
７      出力導波路
８      屈折率変化手段
１０    導波路
１１    第１の直線状導波路
１２    第２の直線状導波路
１３    第３の直線状導波路
１４    曲線状導波路
２０    Ｙ分岐導波路
２１    第１の分岐導波路
２２    第２の分岐導波路
２３    分岐前導波路
３０    合流導波路
３１    第１の合流導波路
３２    第２の合流導波路
３３    合流後導波路
４０    １×２型ＭＭＩ導波路
５０    ２×１型ＭＭＩ導波路
６１    第１Ｙ分岐導波路
６１ａ  一の導波路
６１ｂ  他の導波路
６２    第２Ｙ分岐導波路
６２ａ  一の導波路
６２ｂ  他の導波路
６３    第３Ｙ分岐導波路
６３ａ  一の導波路
６３ｂ  他の導波路
６４    第４Ｙ分岐導波路
６４ａ  一の導波路
６４ｂ  他の導波路
７１    第１合流導波路
７１ａ  導波路
７２    第２合流導波路
７２ａ  導波路
７３    第３合流導波路
７３ａ  導波路
７４    第４合流導波路
１００  モード間光スイッチ
１１０  基板
１２０  第１のクラッド層
１３０  半導体層
１３１  真性半導体領域
１３１ａ  リブ部
１３１ｂ  スラブ部
１３２  ｐ型半導体領域
１３３  ｎ型半導体領域
１４０  第２のクラッド層
１５１  第１の金属層
１５２  第２の金属層
１６１，１６２，１６３，１６４，１６５，１６６  マスク
２６０  第１０Ｙ分岐導波路
２６０ａ  一の導波路
２６０ｂ  他の導波路
２６１  第１Ｙ分岐導波路
２６１ａ  一の導波路
２６１ｂ  他の導波路
２６２  第２Ｙ分岐導波路
２６２ａ  一の導波路
２６２ｂ  他の導波路
２６３  第３Ｙ分岐導波路
２６３ａ  一の導波路
２６３ｂ  他の導波路
２６４  第４Ｙ分岐導波路
２６４ａ  一の導波路
２６４ｂ  他の導波路
２６５  第５Ｙ分岐導波路
２６５ａ  一の導波路
２６５ｂ  他の導波路
２６６  第６Ｙ分岐導波路
２６６ａ  一の導波路
２６６ｂ  他の導波路
２６７  第７Ｙ分岐導波路
２６７ａ  一の導波路
２６７ｂ  他の導波路
２６８  第８Ｙ分岐導波路
２６８ａ  一の導波路
２６８ｂ  他の導波路
２６９  第９Ｙ分岐導波路
２６９ａ  一の導波路
２６９ｂ  他の導波路
２７０  第１０合流導波路
２７１  第１合流導波路
２７１ａ  導波路
２７２  第２合流導波路
２７２ａ  導波路
２７３  第３合流導波路
２７３ａ  導波路
２７４  第４合流導波路
２７４ａ  導波路
２７５  第５合流導波路
２７５ａ  導波路
２７６  第６合流導波路
２７６ａ  導波路
２７７  第７合流導波路
２７７ａ  導波路
２７８  第８合流導波路
２７８ａ  導波路
２７９  第９合流導波路
２７９ａ  導波路
３００  基準領域
３０１  前段領域
３０２  段領域
３０３  後段領域
３１０  入力段領域
３２０  出力段領域
【図１】
2014034654.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年6月25日(2014.6.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に配設される単一の入力ポートと、前記基板上に配設される単一の出力ポートと、当該入力ポート及び出力ポート間における前記基板上に配設され、前記入力ポートから入力された任意のモード光を前記出力ポートから任意のモード光として出力するモード変換手段と、を備えるモード間光スイッチにおいて、
前記モード変換手段が、
前記入力ポートから入力されたモード光を分岐する光分岐導波路と、
前記光分岐導波路に接続され、前記基板に対して略水平に並設される複数の導波路と、
前記光分岐導波路の後段に配設され、導波路のコアの屈折率を変化させる屈折率変化手段と、
前記屈折率変化手段の後段に配設され、前記光分岐導波路で分岐されたモード光を結合して前記出力ポートから出力する光合波導波路と、
を備え、
前記屈折率変化手段により変化させた屈折率に応じて、前記入力ポートに入力された任意のモード光を前記出力ポートから任意のモード光として出力することを特徴とするモード間光スイッチ。
【請求項２】
前記請求項１に記載のモード間光スイッチにおいて、
前記屈折率変化手段が、前記導波路のコアを挟んで、対向する位置に配設される一対の電極を備えることを特徴とするモード間光スイッチ。
【請求項３】
前記請求項１又は２に記載のモード間光スイッチにおいて、
前記基板上に積層された第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層上に積層され、前記第１のクラッド層の屈折率よりも屈折率が高い真性半導体領域を含む半導体層と、
前記半導体層上に積層され、前記半導体の屈折率よりも屈折率が低い第２のクラッド層と、
を備え、
前記屈折率変化手段は、
前記半導体層の真性半導体に不純物を添加してなるｐ型半導体領域及びｎ型半導体領域を前記真性半導体領域と共に導波方向に沿って並設してｐｉｎ接合を構成する屈折率変化領域と、
を備えることを特徴とするモード間光スイッチ。
【請求項４】
前記請求項１乃至３のいずれかに記載のモード間光スイッチにおいて、
前記モード変換手段が、前記入力ポート及び出力ポート間に並設される２本の導波路を備え、
前記光分岐導波路が、前記入力ポート及び２本の導波路間に配設されるＹ分岐導波路であり、
前記光合波導波路が、前記出力ポート及び２本の導波路間に配設される合流導波路であり、
前記屈折率変化手段が、前記２本の導波路のうち少なくとも一方、又は、前記合流導波路の合流する導波路に配設されることを特徴とするモード間光スイッチ。
【請求項５】
前記請求項４に記載のモード間光スイッチにおいて、
前記入力ポート及び出力ポート間に並設される２本の導波路が、直線状導波路であり、
前記Ｙ分岐導波路が、分岐する２本の導波路を平面視において導波路幅を異にする非対称の平面形状とし、
前記合流導波路が、合流する２本の導波路を平面視において対称の平面形状とし、
前記屈折率変化手段が、前記合流導波路の合流する２本の導波路に配設されることを特徴とするモード間光スイッチ。
【請求項６】
前記請求項４に記載のモード間光スイッチにおいて、
前記入力ポート及び出力ポート間に並設される２本の導波路が、直線状導波路であり、
前記Ｙ分岐導波路が、分岐する２本の導波路を平面視において対称の平面形状とし、
前記合流導波路が、合流する２本の導波路を平面視において対称の平面形状とし、
前記屈折率変化手段が、前記入力ポート及び出力ポート間に並設される２本の導波路のうち、少なくとも一方に配設されることを特徴とするモード間光スイッチ。
【請求項７】
前記請求項１に記載のモード間光スイッチにおいて、
前記モード変換手段が、前記入力ポート及び出力ポート間に並設される２本の導波路を備え、
前記光分岐導波路が、前記入力ポート及び２本の導波路間に配設される１×２型多モード光干渉導波路であり、
前記光合波導波路が、前記出力ポート及び２本の導波路間に配設される２×１型多モード光干渉導波路であり、
前記屈折率変化手段が、前記入力ポート及び出力ポート間に並設される２本の導波路のうち、少なくとも一方に配設されることを特徴とするモード間光スイッチ。
【請求項８】
前記請求項１に記載のモード間光スイッチにおいて、
前記モード変換手段が、前記入力ポート及び出力ポート間に並設される２本の導波路を備え、
前記光分岐導波路が、前記入力ポート及び２本の導波路間に配設される１×２型多モード光干渉導波路であり、
前記光合波導波路が、前記出力ポート及び２本の導波路間に配設される合流導波路であり、
前記屈折率変化手段が、前記２本の導波路のうち少なくとも一方、又は、前記合流導波路の合流する導波路に配設されることを特徴とするモード間光スイッチ。
【請求項９】
単一の入力ポートと、単一の出力ポートと、当該入力ポート及び出力ポート間に配設され、前記入力ポートから入力された任意のモード光を前記出力ポートから任意のモード光として出力するモード変換手段と、を備えるモード間光スイッチにおいて、
０次モード光乃至２ｎ−１次モード光（ｎは２以上の整数）である２ｎ種類のモード光を対象とし、
前記モード変換手段が、
前記入力ポートに接続され、モード光を２つに分岐するＹ分岐導波路が一又は複数配設される入力段領域と、
前記出力ポートに接続され、２つのモード光を結合する合流導波路が一又は複数配設される出力段領域と、
前記入力段領域及び出力段領域間に配設され、０次モード光を伝搬させる２ｎ本の導波路が並設される基準領域と、
前記基準領域の前段に配設され、前記基準領域における最外側の２本の導波路にそれぞれ接続される２本の導波路と、前記基準領域における最外側の２本の導波路を除く隣り合う２本の導波路に分岐する２ｎ−１−１本のＹ分岐導波路に接続される２ｎ−１−１本の導波路と、が並設される前段領域と、
前記前段領域の前段に配設され、前記前段領域における２ｎ−１−１本の導波路に結合する２ｎ−１−１本の合流導波路と当該２ｎ−１−１本の合流導波路の結合前の２ｎ−２本の導波路及び前記前段領域における最外側の２本の導波路にそれぞれ接続される２本の導波路のうち隣り合う２ｎ本の導波路に分岐する２ｎ−１本のＹ分岐導波路とを介して、２ｎ−１本の導波路が並設される前々段領域と、
前記基準領域の後段に配設され、前記基準領域における隣り合う２本の導波路を結合する２ｎ−１本の合流導波路に接続される２ｎ−１本の導波路が並設される後段領域と、
前記基準領域における最外側の１本の導波路を除く２ｎ−１本の導波路、前記前段領域における最外側の２本の導波路を除く２ｎ−１−１本の導波路、前記基準領域で除いた最外側の１本の導波路を経路としない前記前々段領域における最外側の１本の導波路を除く２ｎ−１−１本の導波路、及び、前記基準領域で除いた最外側の１本の導波路を経路としない前記後段領域における最外側の１本の導波路を除く２ｎ−１−１本の導波路に配設され、当該導波路の屈折率を変化させる屈折率変化手段と、
を備え、
前記屈折率変化手段により変化させた屈折率に応じて、前記入力ポートに入力された任意のモード光を前記出力ポートから任意のモード光として出力することを特徴とするモード間光スイッチ。
【請求項１０】
前記請求項９に記載のモード間光スイッチにおいて、
０次モード光乃至３次モード光である４種類のモード光を対象とし、
前記モード変換手段が、
前記入力ポートから入力されるモード光を２つに分岐する第１Ｙ分岐導波路と、
前記第１Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光を２つに分岐する第２Ｙ分岐導波路と、
前記第１Ｙ分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光を２つに分岐する第３Ｙ分岐導波路と、
前記第２Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光及び前記第３Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光を結合する第１合流導波路と、
前記第１合流導波路から入力されるモード光を２つに分岐する第４Ｙ分岐導波路と、
前記第２Ｙ分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光及び前記第４Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光を結合する第２合流導波路と、
前記第３Ｙ分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光及び前記第４Ｙ分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光を結合する第３合流導波路と、
前記第２合流導波路から入力されるモード光及び前記第３合流導波路から入力されるモード光を結合して前記出力ポートから出力する第４合流導波路と、
を備え、
前記屈折率変化手段が、前記第１Ｙ分岐導波路の分岐後の他の導波路、前記第１合流導波路及び第４Ｙ分岐導波路間の導波路、前記第４Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路及び他の導波路、前記第３Ｙ分岐導波路の分岐後の他の導波路、並びに、前記第３合流導波路及び第４合流導波路間の導波路に配設されることを特徴とするモード間光スイッチ。
【請求項１１】
前記請求項９に記載のモード間光スイッチにおいて、
０次モード光乃至７次モード光である８種類のモード光を対象とし、
前記モード変換手段が、
前記入力ポートから入力されるモード光を２つに分岐する第１Ｙ分岐導波路と、
前記第１Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光を２つに分岐する第２Ｙ分岐導波路と、
前記第１Ｙ分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光を２つに分岐する第３Ｙ分岐導波路と、
前記第２Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光を２つに分岐する第４Ｙ分岐導波路と、
前記第２Ｙ分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光を２つに分岐する第５Ｙ分岐導波路と、
前記第３Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光を２つに分岐する第６Ｙ分岐導波路と、
前記第３Ｙ分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光を２つに分岐する第７Ｙ分岐導波路と、
前記第４Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光及び前記第５Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光を結合する第１合流導波路と、
前記第５Ｙ分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光及び前記第６Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光を結合する第２合流導波路と、
前記第６Ｙ分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光及び前記第７Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光を結合する第３合流導波路と、
前記第１合流導波路から入力されるモード光を２つに分岐する第８Ｙ分岐導波路と、
前記第２合流導波路から入力されるモード光を２つに分岐する第９Ｙ分岐導波路と、
前記第３合流導波路から入力されるモード光を２つに分岐する第１０Ｙ分岐導波路と、
前記第４Ｙ分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光及び前記第８Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光を結合する第４合流導波路と、
前記第８Ｙ分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光及び前記第９Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光を結合する第５合流導波路と、
前記第９Ｙ分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光及び前記第１０Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路を伝播するモード光を結合する第６合流導波路と、
前記第７Ｙ分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光及び前記第１０Ｙ分岐導波路の分岐後の他の導波路を伝播するモード光を結合する第７合流導波路と、
前記第４合流導波路から入力されるモード光及び前記第５合流導波路から入力されるモード光を結合する第８合流導波路と、
前記第６合流導波路から入力されるモード光及び前記第７合流導波路から入力されるモード光を結合する第９合流導波路と、
前記第８合流導波路から入力されるモード光及び前記第９合流導波路から入力されるモード光を結合して前記出力ポートから出力する第１０合流導波路と、
を備え、
前記屈折率変化手段が、前記第２Ｙ分岐導波路の分岐後の他の導波路、前記第３Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路及び他の導波路、前記第１合流導波路及び第８Ｙ分岐導波路間の導波路、前記第２合流導波路及び第９Ｙ分岐導波路間の導波路、前記第３合流導波路及び第１０Ｙ分岐導波路間の導波路、前記第８Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路及び他の導波路、前記第９Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路及び他の導波路、前記第１０Ｙ分岐導波路の分岐後の一の導波路及び他の導波路、前記第７Ｙ分岐導波路の分岐後の他の導波路、前記第５合流導波路及び第８合流導波路間の導波路、前記第６合流導波路及び第９合流導波路間の導波路、並びに、前記第７合流導波路及び第９合流導波路間の導波路に配設されることを特徴とするモード間光スイッチ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
つとして、モード多重伝送技術が注目されている。
光スイッチは、このモード多重伝送技術を利用すれば、光スイッチの前後に接続するモード変換デバイスにより空間位置情報をモード情報に変換した上で、モードを切り換えるスイッチとして機能し、１本の入力導波路及び１本の出力導波路で済むことになり、光スイッチの小型化を図ることができる。
［０００６］
このように、任意のモード光を任意のモード光に変換する光スイッチ（モード間光スイッチ）は、モード多重伝送への応用が期待できると共に、モード情報と空間位置情報とを対応させることで、光スイッチ（入力導波路、出力導波路）の端部に結合すべき光学部品点数の削減等、将来の高集積空間光スイッチへの応用も期待される。
しかしながら、モード間光スイッチは、開発段階であり、製品として存在しないのが現状である。
［０００７］
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、光スイッチの小型化を図ることができるモード間光スイッチを提供するものである。
課題を解決するための手段
［０００８］
本発明に係るモード間光スイッチにおいては、基板上に配設される単一の入力ポートと、前記基板上に配設される単一の出力ポートと、当該入力ポート及び出力ポート間における前記基板上に配設され、前記入力ポートから入力された任意のモード光を前記出力ポートから任意のモード光として出力するモード変換手段と、を備えるモード間光スイッチにおいて、前記モード変換手段が、前記入力ポートから入力されたモード光を分岐する光分岐導波路と、前記光分岐導波路に接続され、前記基板に対して略水平に並設される複数の導波路と、前記光分岐導波路の後段に配設され、導波路のコアの屈折率を変化させる屈折率変化手段と、前記屈折率変化手段の後段に配設され、前記光分岐導波路で分岐されたモード光を結合して前記出力ポートから出力する光合波導波路と、を備え、前記屈折率変化手段により変化させた屈折率に応じて、前記入力ポートに入力された任意のモード光を前記出力ポートから任意のモード光として出力するものである。
発明の効果
［０００９］
本発明に係るモード間光スイッチにおいては、光スイッチの小型化を図ると共に、任意のモード光を任意のモード光に変換することができる。
図面の簡単な説明
［００１０］
［図１］（ａ）は第１の実施形態に係るモード間光スイッチの概略構成の一例を示す平面図であり、（ｂ）は図１（ａ）に示す第１の分岐導波路の寸法を説明するための説明図であり、（ｃ）は図１（ａ）に示す第１の合流導波路の
【国際調査報告】
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2014034654.tif 000024
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