(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に、互いに並列した第１コア部および第２コア部を有するコアと、前記コアよりも屈折率が小さいクラッドとを有する光導波路を備え、
前記コアは、入力された光のモードを変換する前段モード変換部と、前記前段モード変換部を経た光のモードを変換する後段モード変換部とを有し、
前記前段モード変換部は、入力端では前記第１コア部と前記第２コア部の断面形状が互いに合同でなく、かつ、前記第１コア部と前記第２コア部のうち少なくとも一方のコア部の断面の形状もしくは大きさが、光の導波方向に沿って連続的に変化することによって、出力端では前記第１コア部と前記第２コア部の断面の形状が互いに合同となり、
前記後段モード変換部は、前記第１コア部および第２コア部の断面形状が、それぞれ全長にわたって一定であり、入力端における前記第１コア部および前記第２コア部の断面形状が、それぞれ前記前段モード変換部の出力端における前記第１コア部および前記第２コア部の断面形状と同じであり、入力端では前記第１コア部と前記第２コア部とが互いに離間し、前記第１コア部と前記第２コア部との間隔が光の導波方向に沿って連続的に小さくなり、出力端では前記第１コア部と前記第２コア部とが互いに接することを特徴とする基板型光導波路素子。
【請求項２】
前記第１コア部および前記第２コア部は、光の導波方向に垂直な断面が矩形状であることを特徴とする請求項１に記載の基板型光導波路素子。
【請求項３】
前記前段モード変換部では、前記第１コア部と前記第２コア部の高さが互いに等しく、かつ、前記第１コア部と前記第２コア部のうち前記入力端で断面が大きいコア部の幅が、光の導波方向に沿って連続的に小さくなることによって、前記出力端で前記第１コア部と前記第２コア部の断面の形状が互いに合同となることを特徴とする請求項１または２に記載の基板型光導波路素子。
【請求項４】
前記コアは、前記第１コア部および前記第２コア部の幅方向に延出したスラブ部を有し、
前記スラブ部は、高さ寸法が前記第１コア部および前記第２コア部に比べて小さく、少なくとも、前記第１コア部と前記第２コア部との間にこれらを互いに接続して形成されていることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の基板型光導波路素子。
【請求項５】
前記スラブ部は、さらに、前記第１コア部および前記第２コア部からそれぞれ幅方向の外方に延出して形成された外方延出領域を有することを特徴とする請求項４に記載の基板型光導波路素子。
【請求項６】
前記前段モード変換部は、ＴＥ０をＴＥ０のスーパーモードの奇モードに変換可能であり、
前記後段モード変換部は、前記スーパーモードの奇モードをＴＥ１に変換可能であることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１項に記載の基板型光導波路素子。
【請求項７】
前記コアは、前記前段モード変換部の入力側に、前記第１コア部と前記第２コア部の一方または両方を平面視において湾曲させて形成した曲げ導波路を有し、
前記曲げ導波路において、前記第１コア部と前記第２コア部とが、前記前段モード変換部に近づくほど互いに接近することを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか１項に記載の基板型光導波路素子。
【請求項８】
前記前段モード変換部と前記後段モード変換部との間に、これらを互いに接続する中間コア部が設けられていることを特徴とする請求項１〜７のうちいずれか１項に記載の基板型光導波路素子。
【請求項９】
前記コアがＳｉからなり、前記クラッドがＳｉＯ２からなることを特徴とする請求項１〜８のうちいずれか１項に記載の基板型光導波路素子。
【請求項１０】
前記後段モード変換部の出力側に、高次偏波変換部が接続され、
前記高次偏波変換部は、前記後段モード変換部で得られたＴＥ１をＴＭ０に変換可能であることを特徴とする請求項１〜９のうちいずれか１項に記載の基板型光導波路素子。
【請求項１１】
請求項１〜１０のうちいずれか１項に記載の基板型光導波路素子を備えた偏波多重４値位相変調器。
【請求項１２】
請求項１〜１０のうちいずれか１項に記載の基板型光導波路素子を備えたコヒーレント受信機。
【請求項１３】
請求項１〜１０のうちいずれか１項に記載の基板型光導波路素子を備えた偏波ダイバーシティ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバ通信において用いられる基板型光導波路素子に関し、特に、光のモード変換を行う基板型光導波路素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、光通信で伝送される情報量は増加の一途をたどっている。こうした情報量の増加に対応するため、信号速度の高速化、波長多重通信によるチャネル数の増加といった対策が進められている。特に、高速度の情報通信を目的とした次世代の１００Ｇｂｐｓデジタルコヒーレント伝送技術では、単位時間当たりの情報量を二倍にするために、電界が直交する２つの偏波に情報を載せる偏波多重方式が利用されている。
しかしながら、偏波多重を含む高速通信の変調方式は複雑な構成の光変調器が必要になり、装置の大型化、高額化といった課題が生じる。こうした課題に対して、加工が容易であり、集積化による小型化、大量生産による低コスト等のメリットを持つシリコンを用いた基板型光導波路による光変調器が研究されている。
【０００３】
しかしながら、このような基板型光導波路内での偏波多重には、次のような問題点がある。一般的に基板型光導波路の形状は、基板に対して平行な幅方向と基板に対して垂直な高さ方向が非対称な形状をしており、幅方向の電界成分が主となるモード（以下、ＴＥモードと呼ぶ）と高さ方向の電界成分が主となるモード（以下、ＴＭモードと呼ぶ）の２種類の偏波モードに対して、実効屈折率などの特性が異なる。これらのモードの中で多くの場合に使用されるのは、ＴＥ０とＴＭ０である。ここで、ＴＥ０はＴＥモードの中で実効屈折率が一番大きなモードを、ＴＭ０はＴＭモードの中で実効屈折率が一番大きなモードを指すとする。
特性が異なるこれらのモードに対して、光変調操作を行う場合、単一の基板型光導波路素子だけでは困難であり、モードごとに最適設計された基板型光導波路素子が必要となるが、これは基板型光導波路素子の開発の面で大きな労力が必要となる。
【０００４】
この問題を解決する方法として、ＴＥ０に対して最適設計された基板型光導波路素子への入力光としてＴＥ０を用い、その出力をＴＭ０に偏波変換する方法が挙げられる。ここで偏波変換とは、ＴＥ０からＴＭ０、もしくはＴＭ０からＴＥ０への変換を表すものとする。上記操作を行うためには、基板上で偏波変換を行う基板型光導波路素子が必要となる。
偏波変換を基板上で行う技術として、ＴＥ０とＴＥ１との変換と、ＴＥ１とＴＭ０との変換を組み合わせる手法がある。このうち、ＴＥ０とＴＥ１との変換に着目する。なお、ＴＥ１は２番目に実効屈折率の高いＴＥモードを表す。
【０００５】
ＴＥ０とＴＥ１との変換の機能を持つ光導波路素子の従来技術としては、非特許文献１に記載の光導波路素子が挙げられる。
図５５に、非特許文献１に記載の構造をモデル化した光導波路素子を示す。（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。
この光導波路素子は、コア部８１，８２およびクラッド１５を有する。クラッド１５は、下部クラッド７と上部クラッド６とを有する。
コア部８１，８２は直線導波路であり、並列されて方向性結合器を構成している。この方向性結合器では、コア部８１のＴＥ０とコア部８２のＴＥ１とを結合させ、モード変換を行う。
方向性結合器において効率的なモード変換を行うには、ＴＥ０とＴＥ１の実効屈折率を同程度とする必要がある。このため、それぞれのモードに応じて導波路構造が調整される。
この光導波路素子では、ＴＥ０とＴＥ１の実効屈折率を同程度とするため、コア部８１，８２の幅が調整されている。コア部８１，８２の幅が互いに異なることから、この方向性結合器は「非対称方向性結合器」と呼ばれる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Daoxin Dai and John E. Bowers, “Novel concept for ultracompact polarization splitter-rotator based on silicon nanowires,” Optics Express, Vol. 19, Issue 11, pp. 10940-10949 (2011)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記光導波路素子は、互いに異なるモードを結合させるものであるから、導波路構造の調整（コア部の幅の調整など）により、特定の波長について「ＴＥ０とＴＥ１の実効屈折率を同程度とする」という条件を満たしても、波長がずれたり、製造誤差により導波路構造が変わった場合、前記２つのモードの実効屈折率にずれが生じ、それによって変換効率が低下することがある。
従って、従来技術は、高効率な変換を可能にする波長帯域が狭く、また製造誤差に弱いという問題がある。
【０００８】
以下、この問題点を、図５５に示す従来技術の非対称方向性結合器を例として説明する。
この例では、コア部８１，８２はＳｉ（屈折率３．４８）からなり、上部／下部クラッド６，７はともにＳｉＯ２（屈折率１．４４）からなる。コア部８１，８２の高さは２２０ｎｍとした。コア部８１，８２の間隔は２００ｎｍとした。
モード変換対象のＴＥ０が導波する幅の狭い方のコア部８１を有する導波路を「導波路１」とし、ＴＥ１が導波する、幅広のコア部８２を有する導波路を「導波路２」とする。
コア部８１の幅を４００ｎｍとする。このとき、波長１５８０ｎｍにおいて、コア部８１のＴＥ０とコア部８２のＴＥ１の実効屈折率が同程度になるようにコア部８２の幅を８３８ｎｍと定めた。それぞれの実効屈折率の計算結果を表１に示す。計算には、有限要素法（ＦＥＭ）を用いた。
【０００９】
【表１】
0005998183.tif 000002
【００１０】
非対称方向性結合器の変換効率は以下のようになる。ここで変換効率Ｔとは、入力したＴＥ０のパワーに対する、出力するＴＥ１のパワーの比である。
【００１１】
【数１】
0005998183.tif 000003
【００１２】
ここで、Ｆ、ｑは、それぞれ以下の式で表される。
【００１３】
【数２】
0005998183.tif 000004
【００１４】
【数３】
0005998183.tif 000005
【００１５】
δは、以下の式で表される。
【００１６】
【数４】
0005998183.tif 000006
【００１７】
Ｌは非対称方向性結合器の光の伝搬方向に対する長さ、ΔＮは２つの導波路が独立に存在する場合の導波路１のＴＥ０と導波路２のＴＥ１の実効屈折率差（表１の実効屈折率の差）を表し、λは波長を表す。また、χは２つの導波路の結合の強さを表し、結合係数と呼ばれる。
非対称方向性結合器では、ある波長（この例では１５８０ｎｍ）で、コア部の幅などの導波路構造を調整することで結合対象の２つのモードの実効屈折率を合わせても、波長が変化すると、実効屈折率にずれが生じる。
この問題は、２つのコアが高さも幅も互いに等しく、かつ同じモードの結合を取り扱う、対称方向性結合器では生じない問題であり、異なるモードの結合を扱う非対称方向性結合器に特異的に生じる問題である。
【００１８】
図５６に、この例の光導波路素子における、波長とΔＮの絶対値との関係を示す。この図より、波長が１５８０ｎｍからずれるに従い、ΔＮの絶対値が大きくなることが分かる。
式（１）、（２）、（４）より、波長がずれるに従い変換効率Ｔが低下するため、広い波長帯域で高い効率の変換は望めない。
このときの波長（１５２０ｎｍ〜１６４０ｎｍ）に対する変換効率を、式（１）〜（４）を基に計算した。結果を図５７に示す。ここで、式（１）のＬは、１５２０ｎｍ〜１６４０ｎｍの波長帯域での変換効率の最小値が、最大になるような値であり、Ｌ＝１６．１μｍである。
図５７より、１５８０ｎｍ付近の波長から離れるに従い変換効率は低下し、１５２０ｎｍ〜１６４０ｎｍの波長帯域で約−０．９４ｄＢ以上となる。これは、上述のように波長に対してΔＮの絶対値が増加したためである。
【００１９】
続いて、製造誤差と変換効率の関係について述べる。導波路構造が変化すると、光の閉じ込めの程度が変化し、それに関係する実効屈折率が変化する。そのため、ある波長で結合対象の２つのモードの実効屈折率が同程度になるよう導波路構造を設計しても、製造誤差によって導波路構造が変化し、２つのモードの実効屈折率がずれてしまう。
これにより、上述の波長依存性に関する議論と同様に変換効率が低下する。
このことを確認するために、リソグラフィ／エッチングによって生じるコア部の幅の製造誤差を例にとる。
通常、製造誤差は、コア部の幅の設計値（マスクにより規定されるコア部の幅。図５８ではＷ８１、Ｗ８２）に対して、図５８に示すように、局所的には２つのコア部８１，８２に、互いに同じ量（δ）だけ生じる。この例では、各コアの両側縁の位置がそれぞれδ／２ずつ内方または外方に変化することを想定している。
【００２０】
以下、図５５の光導波路素子のコア部８１（設計値：幅４００ｎｍ）およびコア部８２（設計値：幅８３８ｎｍ）に対して、製造誤差δ（＝−３０ｎｍ）が生じた場合を考える。図５９に、波長とΔＮの絶対値との関係を示す。
この図より、コア部８１のＴＥ０とコア部８２のＴＥ１の実効屈折率が大きくずれ、ΔＮの絶対値が大きくなっていることが分かる。これを基に変換効率を計算した。Ｌには上述の値を採用した（Ｌ＝１６．１μｍ）。結果を図６０に示す。
この図より、製造誤差によってΔＮの絶対値が大きくなったため、変換効率が大きく下がっていることがわかる。具体的には、１５８０ｎｍで変換効率は約−５．１６ｄＢ、１５２０ｎｍ〜１６４０ｎｍの範囲で約−７．３２ｄＢ以上となる。このことから、非対称方向性結合器は製造誤差に弱いといえる。
このように、従来技術の非対称方向性結合器を備えた光導波路素子では、モード変換における波長帯域が狭く、製造誤差に弱いという問題点がある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、広い波長帯域で高い変換効率を確保し、かつ製造誤差により導波路構造が変化した場合でもモード変換の効率を確保できる基板型光導波路素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の一つの態様に係る基板型光導波路素子は、基板の上に、互いに並列した第１コア部および第２コア部を有するコアと、前記コアよりも屈折率が小さいクラッドとを有する光導波路を備え、前記コアは、入力された光のモードを変換する前段モード変換部と、前記前段モード変換部を経た光のモードを変換する後段モード変換部とを有し、前記前段モード変換部は、入力端では前記第１コア部と前記第２コア部の断面形状が互いに合同でなく、かつ、前記第１コア部と前記第２コア部のうち少なくとも一方のコア部の断面の形状もしくは大きさが、光の導波方向に沿って連続的に変化することによって、出力端では前記第１コア部と前記第２コア部の断面の形状が互いに合同となり、前記後段モード変換部は、入力端では前記第１コア部と前記第２コア部とが互いに離間し、前記第１コア部と前記第２コア部との間隔が光の導波方向に沿って連続的に小さくなり、出力端では前記第１コア部と前記第２コア部とが互いに接する。
前記第１コア部および前記第２コア部は、光の導波方向に垂直な断面が矩形状であることが好ましい。
前記前段モード変換部では、前記第１コア部と前記第２コア部の高さが互いに等しく、かつ、前記第１コア部と前記第２コア部のうち前記入力端で断面が大きいコア部の幅が、光の導波方向に沿って連続的に小さくなることによって、前記出力端で前記第１コア部と前記第２コア部の断面の形状が互いに合同となることが好ましい。
前記後段モード変換部は、前記第１コア部および第２コア部の断面形状が、それぞれ全長にわたって一定であり、前記後段モード変換部の入力端における前記第１コア部および前記第２コア部の断面形状は、それぞれ前記前段モード変換部の出力端における前記第１コア部および前記第２コア部の断面形状と同じであることが好ましい。
前記コアは、前記第１コア部および前記第２コア部の幅方向に延出したスラブ部を有し、前記スラブ部は、高さ寸法が前記第１コア部および前記第２コア部に比べて小さく、少なくとも、前記第１のコア部と前記第２のコア部との間にこれらを互いに接続して形成されていることが好ましい。
前記スラブ部は、さらに、前記第１のコア部および前記第２のコア部からそれぞれ幅方向の外方に延出して形成された外方延出領域を有することが好ましい。
前記前段モード変換部は、ＴＥ０をＴＥ０のスーパーモードの奇モードに変換可能であり、前記後段モード変換部は、前記スーパーモードの奇モードをＴＥ１に変換可能であることが好ましい。
前記コアは、前記前段モード変換部の入力側に、前記第１コア部と前記第２コア部の一方または両方を平面視において湾曲させて形成した曲げ導波路を有し、前記曲げ導波路において、前記第１コア部と前記第２コア部とが、前記前段モード変換部に近づくほど互いに接近することが好ましい。
前記前段モード変換部と前記後段モード変換部との間に、これらを互いに接続する中間コア部が設けられていることが好ましい。
前記コアがＳｉからなり、前記クラッドがＳｉＯ２からなることが好ましい。
前記後段モード変換部の出力側に、高次偏波変換部が接続され、前記高次偏波変換部は、前記後段モード変換部で得られたＴＥ１をＴＭ０に変換可能であることが好ましい。
本発明の一つの態様は、前記基板型光導波路素子を備えた偏波多重４値位相変調器を提供する。
本発明の一つの態様は、前記基板型光導波路素子を備えたコヒーレント受信機を提供する。
本発明の一つの態様は、前記基板型光導波路素子を備えた偏波ダイバーシティを提供する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の基板型光導波路素子は、前段モード変換部（スーパーモード生成素子）と後段モード変換部（Ｙ分岐）とを組み合わせた構成を有する。
光の導波方向に導波路構造が変化する構造（例えばテーパ導波路）を有するスーパーモード生成素子では、入力されたＴＥ０がＴＥ０のスーパーモードの奇モードに変換される。Ｙ分岐では、ＴＥ０のスーパーモードの奇モードがＴＥ１に変換される。
さらに、スーパーモード生成素子は、出力端における２つのコア部の断面の形状および大きさが互いに同じとなる（合同となる）ため、製造誤差の影響を受けにくく、波長依存性も小さい。製造誤差の影響を受けにくいこと、および波長依存性が小さいことについては、Ｙ分岐も同様である。
従って、広い波長帯域にわたり高効率の変換が可能であり、かつ、製造誤差により導波路構造が変化した場合でもモード変換の効率を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る基板型光導波路素子を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面位置（ａ）における断面図である。
【図２】光導波路素子の一例を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。
【図３】前図の光導波路素子における電界分布（ＥＸ成分）を示すシミュレーション結果［（Ａ）偶モード、（Ｂ）奇モード］と、ＥＸ成分を示すグラフ［（Ｃ）偶モード、（Ｄ）奇モード］である。
【図４】前段モード変換部の構造を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面位置（ｃ）の断面図、（Ｃ）は断面位置（ｂ）の断面図、（Ｄ）は断面位置（ａ）の断面図である。
【図５】２つの導波路がそれぞれ独立に存在する場合の実効屈折率を示す図である。
【図６】２つの導波路を互いに隣接させた場合の実効屈折率を示す図である。
【図７】（Ａ）、（Ｂ）は図４（Ａ）の断面位置（ａ）における電界分布（ＥＸ成分）を示すシミュレーション結果［（Ａ）モード＃０、（Ｂ）モード＃１］である。（Ｃ）、（Ｄ）は断面位置（ｂ）における電界分布（ＥＸ成分）を示すシミュレーション結果［（Ｃ）モード＃０、（Ｄ）モード＃１］である。（Ｅ）、（Ｆ）は断面位置（ｃ）における電界分布（ＥＸ成分）を示すシミュレーション結果［（Ｅ）モード＃０、（Ｆ）モード＃１］である。
【図８】後段モード変換部の構造を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面位置（ｅ）の断面図、（Ｃ）は断面位置（ｄ）の断面図、（Ｄ）は断面位置（ｃ）の断面図である。
【図９】コア部の間隔（ｇａｐ）と実効屈折率との関係を示すグラフである。
【図１０】（Ａ）、（Ｂ）は図８（Ａ）の断面位置（ｃ）における電界分布（ＥＸ成分）を示すシミュレーション結果［（Ａ）モード＃０、（Ｂ）モード＃１］である。（Ｃ）、（Ｄ）は断面位置（ｄ）における電界分布（ＥＸ成分）を示すシミュレーション結果［（Ｃ）モード＃０、（Ｄ）モード＃１］である。（Ｅ）、（Ｆ）は断面位置（ｅ）における電界分布（ＥＸ成分）を示すシミュレーション結果［（Ｅ）モード＃０、（Ｆ）モード＃１］である。
【図１１】曲げ導波路を有する基板型光導波路素子の例を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面位置（ａ）における断面図である。
【図１２】前段モード変換部のテーパ長と変換効率との関係を示すグラフである。
【図１３】電界分布（ＥＸ成分）を示すシミュレーション結果を示す図である。
【図１４】光の波長と変換効率との関係を示すグラフである。
【図１５】コア部の幅が変化した場合の波長と変換効率との関係を示すグラフである。
【図１６】電界分布（ＥＸ成分）を示すシミュレーション結果を示す図である。
【図１７】光の波長と変換効率との関係を示すグラフである。
【図１８】コア部の幅が変化した場合の波長と変換効率との関係を示すグラフである。
【図１９】前段モード変換部と後段モード変換部との間に中間コア部を設けた構造の基板型光導波路素子の第１の例を示す平面図である。
【図２０】前段モード変換部と後段モード変換部との間に中間コア部を設けた構造の基板型光導波路素子の第２の例を示す平面図である。
【図２１】前段モード変換部と後段モード変換部との間に中間コア部を設けた構造の基板型光導波路素子の第３の例を示す平面図である。
【図２２】高次偏波変換素子を用いた基板型光導波路素子の例を示す平面図である。
【図２３】前図の高次偏波変換素子の一例を示す模式図である。（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。
【図２４】高次偏波変換素子の他の例を示すものであって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面位置（ｈ）における断面図、（Ｃ）は断面位置（ｇ）における断面図、（Ｄ）は断面位置（ｆ）における断面図である。
【図２５】本発明の第２の実施形態に係る基板型光導波路素子を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面位置（ａ）における断面図である。
【図２６】光導波路素子の一例を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。
【図２７】前図の光導波路素子における電界分布（ＥＸ成分）を示すシミュレーション結果［（Ａ）偶モード、（Ｂ）奇モード］と、ＥＸ成分を示すグラフ［（Ｃ）偶モード、（Ｄ）奇モード］である。
【図２８】前段モード変換部の構造を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面位置（ｃ）の断面図、（Ｃ）は断面位置（ｂ）の断面図、（Ｄ）は断面位置（ａ）の断面図である。
【図２９】（Ａ）２つの導波路がそれぞれ独立に存在する場合の実効屈折率を示す図である。（Ｂ）一方の導波路の構造を示す断面図である。（Ｃ）他方の導波路の構造を示す断面図である。
【図３０】２つの導波路を互いに隣接させた場合の実効屈折率を示す図である。
【図３１】（Ａ）、（Ｂ）は図２８（Ａ）の断面位置（ａ）における電界分布（ＥＸ成分）を示すシミュレーション結果［（Ａ）モード＃０、（Ｂ）モード＃１］である。（Ｃ）、（Ｄ）は断面位置（ｂ）における電界分布（ＥＸ成分）を示すシミュレーション結果［（Ｃ）モード＃０、（Ｄ）モード＃１］である。（Ｅ）、（Ｆ）は断面位置（ｃ）における電界分布（ＥＸ成分）を示すシミュレーション結果［（Ｅ）モード＃０、（Ｆ）モード＃１］である。
【図３２】後段モード変換部の構造を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面位置（ｅ）の断面図、（Ｃ）は断面位置（ｄ）の断面図、（Ｄ）は断面位置（ｃ）の断面図である。
【図３３】コア部の間隔（ｇａｐ）と実効屈折率との関係を示すグラフである。
【図３４】（Ａ）、（Ｂ）は図３２（Ａ）の断面位置（ｃ）における電界分布（ＥＸ成分）を示すシミュレーション結果［（Ａ）モード＃０、（Ｂ）モード＃１］である。（Ｃ）、（Ｄ）は断面位置（ｄ）における電界分布（ＥＸ成分）を示すシミュレーション結果［（Ｃ）モード＃０、（Ｄ）モード＃１］である。（Ｅ）、（Ｆ）は断面位置（ｅ）における電界分布（ＥＸ成分）を示すシミュレーション結果［（Ｅ）モード＃０、（Ｆ）モード＃１］である。
【図３５】曲げ導波路を有する基板型光導波路素子の例を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面位置（ａ）の断面図である。
【図３６】前段モード変換部のテーパ長と変換効率との関係を示すグラフである。
【図３７】電界分布（ＥＸ成分）を示すシミュレーション結果である。
【図３８】光の波長と変換効率との関係を示すグラフである。
【図３９】コア部の幅が変化した場合の波長と変換効率との関係を示すグラフである。
【図４０】電界分布（ＥＸ成分）を示すシミュレーション結果である。
【図４１】光の波長と変換効率との関係を示すグラフである。
【図４２】コア部の幅が変化した場合の波長と変換効率との関係を示すグラフである。
【図４３】リブ導波路構造を採用した基板型光導波路素子の例を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面位置（ａ）の断面図である。
【図４４】テーパ導波路を有する基板型光導波路素子の例を示す平面図である。
【図４５】テーパ導波路の一例を示し、（Ａ）は一端の断面図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は他端の断面図である。
【図４６】テーパ導波路の他の例を示し、（Ａ）は一端の断面図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は他端の断面図である。
【図４７】前段モード変換部と後段モード変換部との間に中間コア部を設けた構造の基板型光導波路素子の第４の例を示す平面図である。
【図４８】前段モード変換部と後段モード変換部との間に中間コア部を設けた構造の基板型光導波路素子の第５の例を示す平面図である。
【図４９】前段モード変換部と後段モード変換部との間に中間コア部を設けた構造の基板型光導波路素子の第６の例を示す平面図である。
【図５０】高次偏波変換素子を用いた基板型光導波路素子（偏波変換素子）の一例を示す平面図である。
【図５１】高次偏波変換素子を用いた基板型光導波路素子（偏波変換素子）の他の例を示す図であって、（Ａ）は全体平面図、（Ｂ）は高次偏波変換素子の平面図、（Ｃ）は高次偏波変換素子の終了部の断面図、（Ｄ）は高次偏波変換素子の開始部の断面図である。
【図５２】ＤＰ−ＱＰＳＫ変調器の一例を示す模式図である。
【図５３】偏波ダイバーシティ・コヒーレント受信機の一例を示す模式図である。
【図５４】偏波ダイバーシティ方式の一例を示す模式図である。
【図５５】従来の基板型光導波路素子の一例を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。
【図５６】光の波長とΔＮの絶対値との関係を示すグラフである。
【図５７】光の波長と変換効率との関係を示すグラフである。
【図５８】コア部の幅の製造誤差を説明するための図である。
【図５９】コア部の幅が変化した場合の波長とΔＮの絶対値との関係を示すグラフである。
【図６０】コア部の幅が変化した場合の波長と変換効率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
＜本発明の概要＞
本発明の基板型光導波路素子は、前段モード変換部（スーパーモード生成素子）と後段モード変換部（Ｙ分岐）とを組み合わせた構成を有する。
光の導波方向に導波路構造が変化する構造（例えばテーパ導波路）を有するスーパーモード生成素子では、入力されたＴＥ０がＴＥ０のスーパーモードの奇モードに変換される。Ｙ分岐では、前記奇モードがＴＥ１に変換される。
スーパーモード生成素子は、光の導波方向に導波路構造を変化させることで、いわゆる断熱変化の現象を利用して、ＴＥ０のモードを奇モードに変えるため、前記構造の導波路（例えばテーパ導波路）を十分に長くすれば、奇モードへの変換効率を高めることができる。Ｙ分岐も、導波路（デバイス長）を十分に長くすれば、奇モードからＴＥ１への変換効率を高めることができる。
さらに、スーパーモード生成素子は、出力端における２つのコア部の断面の形状および大きさが互いに同じとなる（合同となる）ため、製造誤差の影響を受けにくく、波長依存性も小さい。製造誤差の影響を受けにくいこと、および波長依存性が小さいことについては、Ｙ分岐も同様である。
従って、本発明は、広い波長帯域にわたり高効率の変換が可能であり、かつ、製造誤差により導波路構造が変化した場合でもモード変換の効率を確保できるという特徴を持つ。
【００２５】
以下、本発明の基板型光導波路素子について、詳細に説明する。
はじめに、本発明の基板型光導波路素子の具体例を提示した後、この具体例を参照しつつ、スーパーモード生成素子によるＴＥ０と奇モードの変換原理を述べ、次いで、Ｙ分岐による奇モードとＴＥ１の変換の原理について述べ、続いて、本発明の効果を説明する。
【００２６】
＜基板型光導波路素子＞
本発明の第１の実施形態として、図１に示す基板型光導波路素子１０の構造について説明する。図１（Ａ）は、基板型光導波路素子１０を示す平面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の断面位置（ａ）における断面図であって、光の導波方向に垂直な断面を示す。この断面において、コア部１とコア部２とが向かい合う方向の寸法を幅といい、前記幅方向に垂直な方向（基板Ｓに垂直な方向）の寸法を高さという。
【００２７】
図１に示すように、基板型光導波路素子１０（モード変換素子）は、コア５およびクラッド１５を有する光導波路４を備えている。光導波路４は基板Ｓ上に形成されている。
クラッド１５は、上部クラッド６と下部クラッド７とを有する。上部クラッド６は、コア５および下部クラッド７の上に設けられている。
クラッド１５は、コア５よりも屈折率が低い材料からなる。下部クラッド７は、例えばＳｉＯ２からなる。上部クラッド６は、例えばＳｉＯ２または空気層からなる。
【００２８】
コア５は、互いに並列した一対のコア部１，２と、コア部１，２の後段（出力側）に設けられた出力部３と、を備えている。
コア部１，２および出力部３は、クラッド１５よりも屈折率が高い材料、好ましくはＳｉ（シリコン）からなる。
コア部１，２は、（後段モード変換部９の出力端１３ｂ、１４ｂを除いて）互いに別体とされている。
以下、コア部１を第１コア部１といい、コア部２を第２コア部２ということがある。
なお、本発明は、コアがＳｉからなるシリコン導波路に限らず、ＳｉＯ２からなるコアを用いた光導波路、例えばプレーナ光波回路（Planar Lightwave Circuit：ＰＬＣ）等の光導波路に適用することもできる。
【００２９】
図１（Ｂ）に示すように、コア部１，２は、断面矩形状とすることができる。なお、コア部１，２の断面形状はこれに限らず、任意の形状としてよい。
コア部１，２の高さＨ１，Ｈ２は互いに等しいことが好ましい。コア部１，２の高さが互いに等しいと、コアを形成する際のエッチング回数を最小減に抑えることができる。
【００３０】
図１（Ａ）に示すように、コア５は、コア部１，２を伝搬する光のモードを変換する前段モード変換部８（スーパーモード生成素子）と、前段モード変換部８を経た光のモードを変換する後段モード変換部９（Ｙ分岐）とを有する。
【００３１】
基板型光導波路素子１０は、ＳＯＩ基板を加工して作製することができる。例えば、リソグラフィ／エッチングプロセスにより、ＳＯＩ基板のＳｉＯ２層を下部クラッドとし、Ｓｉ層をコアとすることができる。コアの形成後、上部クラッドとしてＳｉＯ２層を設けることができる。
【００３２】
＜スーパーモード生成素子の原理＞
スーパーモード生成素子の基本原理について述べる。
スーパーモード生成素子では、隣接する２つの導波路において、一方の導波路のＴＥ０を他方の導波路のＴＥ０に徐々にモード結合させることで、ＴＥ０をＴＥ０のスーパーモードの奇モードに変換する。
以降、スーパーモード生成素子における２つの導波路をそれぞれ導波路１、２と呼ぶ。導波路１は入力端においてコア部の幅が導波路２より小さい方とする。
ここでいう導波路は、光を導波する経路であって、コアとクラッドとから形成される。図１に示す基板型光導波路素子１０の前段モード変換部８では、導波路１はコア部１１およびこれを覆うクラッド部からなる。導波路２はコア部１２およびこれを覆うクラッド部からなる。
【００３３】
モード結合とは、一方の導波路をあるモードで伝搬する光について、その伝搬するコア部から外部へ浸み出した光の一部が、他方の導波路へ移ることをいう。
モード結合を効率よく行うには、導波路における結合対象のモードの実効屈折率が、互いに同程度である必要がある。「同程度」とは、実効屈折率の差が、後述する結合係数χを用いて、χ×波長／πよりも小さいことをいう。この条件が満たされていることを「位相整合している」と呼ぶ。なお、コアの形状と大きさが同じ(合同)である場合、そこを伝搬する同じモードの光の実効屈折率は同じになるため、常に位相整合する。これは、波長が変化してもコア形状は変わらないため成り立つ。また、２つのコア部に互いに同じ変動（幅や高さの変動）が起きる場合などのように、２つのコア部に互いに同じ量の製造誤差が生じる場合でも、コアの合同の関係が崩れないため、位相整合は崩れない。
【００３４】
図２に、幅が互いに等しいコア部２１，２２を有する光導波路素子を示す。
この図に示すように、隣接する導波路間でＴＥ０をモード結合させるとき、コア部の高さが互いに等しい場合には、コア部の幅を互いに同じにすることで導波路断面構造が同じになるため位相整合する条件が成立する。これは、波長が変化しても常に成り立つ。
また、コア部の幅が互いに同じ構造では、２つのコア部に互いに同じ幅や高さの変動が起きる場合などのように、２つのコア部に互いに同じ量の製造誤差が生じる場合でも位相整合は崩れない。
【００３５】
このとき、互いに隣接する導波路の両方のＴＥ０がモード結合するため、２つのコア部を並列させた断面を導波するモードは、図３（Ａ）および図３（Ｃ）に示すような、それぞれの導波路のＴＥ０が結合し、かつ電界成分が幅方向に対称な（偶モードと呼ばれる）と、図３（Ｂ）および図３（Ｄ）に示すような、電界成分が幅方向に反対称なモード（奇モードと呼ばれる）となる。これらをまとめてＴＥ０のスーパーモード（もしくは、単にスーパーモード）と呼ぶ。  
【００３６】
隣接する導波路で結合対象となるそれぞれのモードの位相整合が成立しているとき、一方の導波路から浸み出した光が他方の導波路へ移りスーパーモードになるのに要する導波路の長さは、モード結合の強さを表す結合係数χに依存する。χは次式のようになる。
【００３７】
【数５】
0005998183.tif 000007
【００３８】
ここで、Ｅｉ（ｉ＝１，２）は２つの隣接する導波路ｉ（ｉ＝１，２）を導波する結合対象のモードの電界ベクトルを表し、Ｎは２つの導波路を隣接させたときの屈折率分布を表し、Ｎｉは、導波路ｉが単独で存在するときの屈折率分布を表し、座標ｘ，ｙはそれぞれ幅方向、高さ方向を表す。
【００３９】
上式より、導波路１もしくは導波路２においては、両方のモードの電界の内積を積分するため、コア部から外部へ浸み出す光が大きいほど結合が強くなることがわかる。結合係数χが大きいと、短い距離でスーパーモードを生成することができる。
【００４０】
＜スーパーモード生成素子の具体例＞
図１を参照しつつ、スーパーモード生成素子の具体例である前段モード変換部８を説明する。
まず、前段モード変換部８の構造について説明する。
前段モード変換部８を構成する範囲のコア部１，２を、それぞれ前段第１コア部１１および前段第２コア部１２という。
コア部１１，１２の入力端１１ａ，１２ａ（前段入力端）は、光がそれぞれコア部１１，１２に入力する端部であり、出力端１１ｂ，１２ｄ（前段入力端）は、光がコア部１１，１２から出力する端部である。
【００４１】
前段第１コア部１１は、平面視において直線状に延在し、幅および高さが長さ方向（光の導波方向）に一定であることが好ましい。図示例の前段第１コア部１１は幅および高さが長さ方向に一定であるため、断面形状（光の導波方向に垂直な断面の形状）も全長にわたって一定である。
前段第１コア部１１の内側縁１１ｃ（コア部１１の両側縁のうちコア部１２側の側縁）と外側縁１１ｄ（内側縁１１ｃとは反対側の側縁）はそれぞれ直線状に形成されている。
コア部１１，１２の断面形状は矩形が好ましい。
【００４２】
前段第２コア部１２の導波路構造は、入力端１２ａから出力端１２ｂにかけて連続的に変化している。
光の導波方向に導波路構造を変化させるには、コア部の幅を光の導波方向に沿って変化させることが好ましい。
コア部の幅は、コア部への光の閉じ込めに関係するため、幅を変化させることで、コア部を導波する光のモードの実効屈折率を任意に調整することができる。
導波路構造を変化させる手法としては、コア部の高さを変化させる手法もあるが、コア部の高さを一定としたまま、コア部の幅をコア部の長さ方向に変化させる手法は、ＳＯＩ基板の加工において、１度のエッチングでコア部を作製することができるため、好ましい。
【００４３】
前段第２コア部１２の内側縁１２ｃ（コア部１２の両側縁のうちコア部１１側の側縁）は、平面視において、前段第１コア部１１の内側縁１１ｃに平行な直線状とされている。
一方、前段第２コア部１２の外側縁１２ｄ（内側縁１２ｃとは反対の側縁）は、平面視において、入力端１２ａから出力端１２ｂにかけて徐々に内側縁１２ｃに近づくように傾斜した直線状とされている。
このため、前段第２コア部１２は、入力端１２ａから出力端１２ｂにかけて幅（図１（Ｂ）の幅Ｗ２）が徐々に狭くなるテーパ状に形成されている。
前段第２コア部１２は、幅が徐々に狭くなるため、断面の大きさが入力端１２ａから出力端１２ｂにかけて一定の割合で連続的に小さくなっている。
【００４４】
本実施形態において、入力端１１ａ、１２ａでは、第２コア部１２の幅（図１（Ｂ）の幅Ｗ２）は第１コア部１１の幅（図１（Ｂ）の幅Ｗ１）より大きくされているため、コア部１２の断面はコア部１１の断面より大きい。すなわち、コア部１２の断面積はコア部１１の断面積より大きい。
第２コア部１２のテーパ化により、出力端１１ｂ，１２ｂでは、コア部１１，１２の幅は互いに等しくなっている。このため、出力端１１ｂ，１２ｂでは、コア部１１，１２の断面の形状および大きさは互いに同じである。
コア部１１，１２は互いに離間している。コア部１１，１２の間隔（ｇａｐ）は、入力端１１ａ、１２ａから出力端１１ｂ、１２ｂにかけて一定とすることができる。
【００４５】
なお、コア部１１，１２は、入力端１１ａ，１２ａで断面形状が互いに合同でなく、かつ、少なくとも一方のコア部の断面の形状もしくは大きさが、光の導波方向に沿って連続的に変化することによって、出力端１１ｂ，１２ｂでコア部１１，１２の断面が互いに合同となっていれば、その構造は図示した例に限定されない。
例えば、入力端における断面が小さい方のコア部の大きさが、光の導波方向に沿って連続的に大きくなることによって、出力端で２つのコア部の断面が互いに合同となる構造を採用してもよい。
「連続的に変化する」とは、コア部１１，１２の構造に急峻な変化がなく、例えば、コア部の外面に段差部分が生じるほどの不連続な凹凸箇所が生じない程度にコア部１１，１２の断面が変化することをいう。
【００４６】
以下、図４を参照して、前段モード変換部８をさらに具体的に説明する。
図４は、前段モード変換部８を示す図であり、図４（Ａ）は平面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）の断面位置（ｃ）に沿う断面図、図４（Ｃ）は断面位置（ｂ）に沿う断面図、図４（Ｄ）は断面位置（ａ）に沿う断面図である。
上述の導波路１は、コア部１を有する導波路に相当し、導波路２は、コア部２を有する導波路に相当する。
【００４７】
コア部１１（コア部１）およびコア部１２（コア部２）はＳｉ（屈折率３．４８（波長１５８０ｎｍ））からなり、上部クラッド６および下部クラッド７はＳｉＯ２（屈折率１．４４（波長１５８０ｎｍ））からなる。コア部１１，１２（コア部１，２）の高さは２２０ｎｍである。コア部１１，１２（コア部１，２）の間隔は２００ｎｍである。
【００４８】
図４（Ｄ）に示すように、コア部１１（コア部１）の幅は４００［ｎｍ］とし、コア部１２（コア部２）の幅は４００−Ｘ［ｎｍ］とした（−２００≦Ｘ≦０）。Ｘは、入力端１２ａから出力端１２ｂにかけて、−２００から０まで線形に変化する。
このため、コア部１２（コア部２）は、入力端１２ａ（Ｘ＝−２００）から出力端１２ｂ（Ｘ＝０）にかけて幅が徐々に狭くなるテーパ状となっている。
なお、図４（Ｃ）は入力端１１ａ、１２ａと出力端１１ｂ、１２ｂとの中間位置（Ｘ＝−２０）における断面を示す図である。
【００４９】
スーパーモード生成素子では、上述の位相整合する条件を基に、入力端では隣接する導波路のコア形状を合同でないようにすることで、故意に、位相整合する条件を崩し、出力端では、隣接する導波路のコア形状を合同とすることで、位相整合する条件を成立させる。
さらに、コア部の形状もしくは大きさを光の導波方向に沿って連続的に変化させる（すなわちコア部をテーパ化する）ことによって、入力端から出力端にかけて、連続的に位相整合させていく。
【００５０】
図４に示す例では、入力端１１ａ、１２ａでは、コア部１２（コア部２）の幅（図４（Ｄ）の幅Ｗ１２ａ）がコア部１１（コア部１）の幅（図４（Ｄ）の幅Ｗ１１ａ）より大きいことにより、コア部１２の断面はコア部１１の断面より大きくなっている。このため、位相整合は成立せず、モード結合がほとんど行われない。
一方、出力端１１ｂ、１２ｂでは、コア部１１，１２（コア部１，２）の幅（図４（Ｂ）の幅Ｗ１１ｂ，Ｗ１２ｂ）が互いに等しいことにより、コア部１１，１２の断面の形状および大きさは互いに同じとなる。このため、位相整合が成立する。
【００５１】
コア部１２は、テーパ状に形成されているため、入力端から出力端にかけて、光の導波方向に沿って徐々に位相整合し、その結果モード結合が進行する。このため、テーパ導波路（コア部１２）の長さ（テーパ長）を十分長くとることにより、ほぼ損失無く、導波路１に入力したＴＥ０をＴＥ０のスーパーモードの奇モードへ変換することが可能となる。
上述のように、一方の導波路から浸み出した光が他方の導波路へ移りスーパーモードになるのに要する導波路の長さは結合係数χに依存するため、結合係数χが大きいほど、高効率なモード変換が、短い導波路（短いデバイス長）で可能となる。
なお、導波路の幅を変えて実効屈折率を調整する手法は、導波路サイズが大きいほどコア部への光の閉じ込めが大きくなり、コア部の屈折率の影響を強く受けるため、実効屈折率が上昇するという現象を利用している。
【００５２】
この原理を、上記具体例を参照しつつさらに詳しく説明する。
コア部の幅を光の導波方向に変化させる（すなわち導波路をテーパ化する）ことによって、入力端において位相整合する条件を崩すことができることを確認するため、導波路１，２がそれぞれ独立に存在する場合のモードの実効屈折率を計算した。結果を図５に示す。なお、波長は１５８０ｎｍとした（以降も同様とした）。
【００５３】
図５より、Ｘ＝０では、導波路１のＴＥ０と導波路２のＴＥ０の実効屈折率が一致しており、位相整合することがわかる。
Ｘが０から離れるに従って、導波路１，２のＴＥ０の実効屈折率にずれが生じ、位相整合する条件は崩れていく。
−２００≦Ｘ＜０の範囲で、導波路１のＴＥ０の実効屈折率が導波路２のＴＥ０の実効屈折率より小さくなっているのは、導波路１では、導波路２に比べてコア部の幅が小さいためである。
【００５４】
続いて、図６に、導波路１、２を互いに隣接させた場合のモードの実効屈折率を示す。＃０，＃１は、それぞれ２つの導波路の断面におけるモードのうち、実効屈折率がそれぞれ１、２番目のモードの実効屈折率を示している。
導波路が独立に存在する場合の実効屈折率を示す図５と比べると、図６では、Ｘ＝０で、＃０と＃１は一致せず、互いに離れている。
これは、導波路１のＴＥ０と導波路２のＴＥ０の間で位相整合する条件が成り立つことから、モード結合によって２つのモードは相互作用し、混在したモード（スーパーモード）を形成しているためである。
Ｘ＝０から離れると、位相整合する条件が成立しなくなっていくために、このような相互作用は起きず、導波路が独立して存在するときと同様のモード分布が得られ、その結果、実効屈折率も独立に導波路が存在する場合と大きく変わらなくなる。なお、Ｘ＝０において、モード＃０は偶モードとなり、＃１は奇モードとなる。
【００５５】
テーパ導波路のように、導波路の構造を光の導波方向に徐々に変化させる構造では、一つの実効屈折率の曲線上で推移するようにモードが変換されることが知られている（断熱変化という）。
【００５６】
そのため、図６において、Ｘ＝−２００（入力端）において導波路１へＴＥ０を入力し、導波路の長手方向に徐々にＸを−２００から０へ変化させていくことで、Ｘ＝０において、ＴＥ０を奇モードへ変換することができる。
【００５７】
これを確認するため、図７に、断面位置（ａ）〜（ｃ）（図４（Ａ）参照）におけるモード＃０、＃１の電界分布を示す。
図７（Ａ）、（Ｂ）は断面位置（ａ）における電界分布（ＥＸ成分）を示すシミュレーション結果［（Ａ）モード＃０、（Ｂ）モード＃１］である。（Ｃ）、（Ｄ）は断面位置（ｂ）における電界分布（ＥＸ成分）を示すシミュレーション結果［（Ｃ）モード＃０、（Ｄ）モード＃１］である。（Ｅ）、（Ｆ）は断面位置（ｃ）における電界分布（ＥＸ成分）を示すシミュレーション結果［（Ｅ）モード＃０、（Ｆ）モード＃１］である。
なお、ｘ，ｙはそれぞれ幅方向、高さ方向を表す。図７（Ｅ）、（Ｆ）の電界分布はそれぞれ図３（Ａ）、（Ｂ）と同じである。
【００５８】
モード＃１をみると、図７（Ｂ）に示す断面位置（ａ）（Ｘ＝−２００）では、ＴＥ０は導波路１に存在している。
図７（Ｄ）に示す断面位置（ｂ）（Ｘ＝−２０）では、導波路２のＴＥ０へモードが結合し始めていることがわかる。
図７（Ｆ）に示す断面位置（ｃ）（Ｘ＝０）では、位相整合する条件が成り立つため、導波路１のＴＥ０と導波路２のＴＥ０が混在したスーパーモードの奇モードが見られる。
このように、光の導波方向に導波路構造を徐々に変化させることで、導波路１に入力したＴＥ０をＴＥ０のスーパーモードの奇モードに変化させることが可能であることがわかる。
以上がスーパーモード生成素子の原理である。
【００５９】
なお、図示例では、前段第２コア部１２は、入力端１２ａから出力端１２ｂにかけて連続的に幅が減少しているため、全長にわたってテーパ状に形成されているが、前段第２コア部１２の形状はこれに限らず、長さ方向の一部のみがテーパ状に形成されていてもよい。
【００６０】
図４では、スーパーモード生成素子（前段モード変換部）の導波路間隔（コア部１１，１２の間隔）は一定としているが、これに限らず、導波路の長さ方向に変動してもよい。
また、互いに隣接する２つのコア部が、出力端において断面の大きさが互いに同じであり、かつそれ以外の範囲では第１コア部のＴＥ０の実効屈折率が第２コア部のＴＥ０の実効屈折率より小さくなる、という条件を満たしていれば、テーパ化するコア部は２つのコア部の一方のみでもよいし、２つのコア部の両方であってもよい。
例えば、第１コア部１１が、第２コア部１２と同様に、入力端１１ａから出力端１１ｂにかけて連続的に幅を減じるテーパ状に形成されていてもよい。
【００６１】
また、前記具体例では、コア部２は長さ方向に幅が線形に変化するテーパ導波路であるが、テーパ導波路はこれに限らず、曲線テーパ状の導波路であってもよい。
なお、導波路構造を変化させる手法としては、コア部の幅に限らず、コア部の高さを光の導波方向に沿って変化させる手法もある。コア部の高さを変化させることで、コア部を導波する光のモードの実効屈折率を任意に調整することができる。
また、前記具体例では、コア部の入力端および出力端は、光の導波方向に対して垂直に形成されているが、この垂直方向に対し傾斜していてもよい。
【００６２】
＜Ｙ分岐の原理＞
続いて、Ｙ分岐によって奇モードをＴＥ１に変換する原理について述べる。
Ｙ分岐（Ｙ分岐素子）は、一般的には光の合分波に用いられるデバイスであり、例えば、一対の分岐部を備え、これら２つの分岐部の一端が出力部に接続された構造を例示できる。２つの分岐部は、出力部に近づくほど互いに接近するように形成される。
【００６３】
Ｙ分岐の分岐部の他端（入力端）にＴＥ０を入力した場合の動作は次のとおりである。
上述のように、入力したＴＥ０は、スーパーモードである偶モードと奇モードの同じパワー比の重ね合わせとして表現される。
これらは、隣接する２つの導波路（分岐部）が互いに徐々に接近することで、偶モードはＴＥ０に、奇モードはＴＥ１に変換されて出力される。
そのため、２つの分岐部のうち一方からのみＴＥ０を入力すると、出力部で得られるＴＥ０、ＴＥ１のパワーはそれぞれ半分になる。
【００６４】
しかしながら、分岐部に奇モードのみを入力することにより、原理的には１００％の変換効率でＴＥ１を得ることができる。
本発明では、この点に注目し、Ｙ分岐の前段に前述のスーパーモード生成素子を接続することで、全体として、ＴＥ０をＴＥ１に変換することができる。
以下、Ｙ分岐によって、奇モードがＴＥ１に変換される原理を、具体例を用いて説明する。
【００６５】
＜Ｙ分岐の具体例＞
図１を参照しつつ、Ｙ分岐の具体例である後段モード変換部９を説明する。
後段モード変換部９は、前段モード変換部８の出力側に連なって形成されている。後段モード変換部９を構成する範囲のコア部１，２を、それぞれ後段第１コア部１３および後段第２コア部１４という。
コア部１３，１４の入力端１３ａ，１４ａ（後段入力端）は、光がそれぞれコア部１３，１４に入力する端部であり、出力端１３ｂ，１４ｄ（後段出力端）は、光がコア部１３，１４から出力する端部である。
後段モード変換部９は前段モード変換部８の出力側に連なって形成されているため、入力端１３ａは出力端１１ｂと同じ位置であり、入力端１４ａは出力端１２ｂと同じ位置である。
【００６６】
後段第１コア部１３は、直線状に延在し、幅および高さが長さ方向（光の導波方向）に一定であることが好ましい。後段第１コア部１３の幅は、前段第１コア部１１の幅と同じであることが好ましい。
後段第１コア部１３の内側縁１３ｃ（コア部１３の両側縁のうちコア部１４側の側縁）と外側縁１３ｄ（内側縁１３ｃとは反対側の側縁）はそれぞれ直線状に形成されている。
【００６７】
後段第２コア部１４は、直線状に延在し、幅および高さが長さ方向（光の導波方向）に一定であることが好ましい。後段第２コア部１４の幅は、前段第２コア部１２の出力端１２ｂにおける幅と同じであることが好ましい。
後段第２コア部１４の内側縁１４ｃ（コア部１４の両側縁のうちコア部１３側の側縁）と外側縁１４ｄ（内側縁１４ｃとは反対側の側縁）はそれぞれ平面視直線状に形成されている。
コア部１３，１４は、互いに同じ幅であることが望ましい。コア部１３，１４の入力端１３ａ，１４ａにおける断面形状は、それぞれコア部１１，１２の出力端１１ｂ，１２ｂにおける断面形状と同じであることが好ましい。
図示例のコア部１３，１４は断面矩形状であるが、コア部１３，１４の断面形状はこれに限らない。
【００６８】
コア部１３，１４は、入力端１３ａ、１４ａから出力端１３ｂ、１４ｂにかけて互いに近づくように傾斜して形成されている。
このため、コア部１３，１４は、入力端１３ａ、１４ａでは互いに離間しているが、出力端１３ｂ、１４ｂに近づくほど互いの間隔（ｇａｐ）が連続的に小さくなり、出力端１３ｂ、１４ｂで互いに接している。
図示例のコア部１３，１４は幅および高さが長さ方向に一定であるため、断面形状（光の導波方向に垂直な断面の形状）も全長にわたって一定である。
コア部１３，１４の出力端１３ｂ、１４ｂは、出力部３に接続されている。
【００６９】
出力部３は、断面矩形状とすることができる。
出力部３は、直線状に延在し、幅および高さが長さ方向（光の導波方向）に一定であることが好ましい。
出力部３の幅は、出力端１３ｂ、１４ｂにおけるコア部１３，１４の幅の合計と同じすることができる。
出力部３の一方の側縁３ｃは、後段第１コア部１３の外側縁１３ｄに連なって形成され、他方の側縁３ｄは、後段第２コア部１４の外側縁１４ｄに連なって形成されている。出力部３の側縁３ｃ，３ｄは、それぞれ（平面視）直線状に形成されている。
出力部３の高さは、コア部１，２の高さと等しいことが望ましい。
【００７０】
以下、図８を参照して、後段モード変換部９をさらに具体的に説明する。
図８は、後段モード変換部９を示す図であり、図８（Ａ）は平面図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）の断面位置（ｅ）に沿う断面図、図８（Ｃ）は断面位置（ｄ）に沿う断面図、図８（Ｄ）は断面位置（ｃ）に沿う断面図である。
コア部１３（コア部１）およびコア部１４（コア部２）はＳｉ（屈折率３．４８（波長１５８０ｎｍ））からなり、上部クラッド６および下部クラッド７はＳｉＯ２（屈折率１．４４（波長１５８０ｎｍ））からなる。コア部１３，１４（コア部１，２）の高さは２２０ｎｍである。
【００７１】
図８（Ｄ）に示すように、コア部１３，１４（コア部１，２）（分岐部）の幅Ｗ１３，Ｗ１４はそれぞれ４００［ｎｍ］とした。
コア部１３，１４（コア部１，２）の間隔をｇａｐ［ｎｍ］（０≦ｇａｐ≦２００）とする。ｇａｐは、入力端１３ａ、１４ａから出力端１３ｂ、１４ｂにかけて、２００ｎｍから０ｎｍへと線形に変化する。
このため、コア部１３，１４（コア部１，２）は、入力端１３ａ、１４ａ（ｇａｐ＝２００）から出力端１３ｂ、１４ｂ（ｇａｐ＝０）にかけて間隔が小さくなる。
なお、図８（Ｃ）は入力端１３ａ、１４ａと出力端１３ｂ、１４ｂとの中間位置（ｇａｐ＝１００）における断面を示す図である。
【００７２】
図９は、コア部の間隔（ｇａｐ）と実効屈折率との関係を示すグラフである。
モード＃０、＃１は、１番目、２番目の実効屈折率をそれぞれ表す。モード＃０、＃１は、ｇａｐ＝２００ｎｍ（入力端）においては、図６のＸ＝０におけるモードと一致する。
ｇａｐ＝０ｎｍ（出力端）においては、モード＃０はＴＥ０となり、モード＃１はＴＥ１となる。
そのため、コア部を互いに徐々に接近させることで、入力端における奇モードが、出力端ではＴＥ１に変換される。
【００７３】
これを確認するため、図１０に、断面位置（ｃ）〜（ｅ）（図８（Ａ）参照）におけるモード＃０、＃１の電界分布を示す。
図１０（Ａ）、（Ｂ）は図８（Ａ）の断面位置（ｃ）における電界分布（ＥＸ成分）を示すシミュレーション結果［（Ａ）モード＃０、（Ｂ）モード＃１］である。（Ｃ）、（Ｄ）は断面位置（ｄ）における電界分布（ＥＸ成分）を示すシミュレーション結果［（Ｃ）モード＃０、（Ｄ）モード＃１］である。（Ｅ）、（Ｆ）は断面位置（ｅ）における電界分布（ＥＸ成分）を示すシミュレーション結果［（Ｅ）モード＃０、（Ｆ）モード＃１］である。
この図より、奇モードは徐々にＴＥ１に変換され、偶モードは徐々にＴＥ０に変換されることが確認できる。
【００７４】
Ｙ分岐（後段モード変換部）においても、前記モード変換は、断熱変化の現象を利用してなされる。
すなわち、Ｙ分岐（後段モード変換部）は、両コア部の間隔が光の導波方向に沿って連続的に小さくなり、出力端で両コア部が互いに接する構造を有するため、光エネルギーの増減がない、断熱変化によるモード変換が可能となる。
【００７５】
図示例では、出力部３の幅は、出力端１３ｂ、１４ｂにおけるコア部１３，１４の幅の合計と同じとされているため、導波路の長手方向の連続性が失われず、Ｙ分岐（前段モード変換部）から出力部への出力の際に断熱変化が損なわれることはない。
【００７６】
スーパーモード生成素子に入力したＴＥ０は、奇モードへと変換され、その後、Ｙ分岐に入力されてＴＥ１に変換される。
【００７７】
＜本実施形態による効果＞
［効果１］
効果１として、広い波長帯域にわたって高効率な変換が可能であり、製造誤差に強いことが挙げられる。以下、その理由について述べる。
従来技術である非対称方向性結合器では、位相整合する条件を維持することが、高い変換効率を維持するのに必要であった。
しかしながら、波長が変わったり、製造誤差によって導波路構造が変化した場合、この条件が満たされず、変換効率が低下する。
これに対し、本発明で用いられるスーパーモード生成素子は、出力端でコア部の断面の形状および大きさが互いに同じであるため、波長が変わっても実効屈折率にずれが生じることはなく、位相整合が崩れることはない。
従って、広い波長帯域で高い変換効率を確保することができる。
【００７８】
また、リソグラフィ／エッチングなどによる一般的な製造誤差は、局所的には２つのコア部に同じ量だけ生じるため、コア部の幅や高さが製造誤差によって変動しても位相整合は崩れない。また、使用するウェハ（ＳＯＩ基板など）に層の高さのバラつきがある場合でも、その影響は２つのコア部に同等に及ぶため、位相整合の成立に問題はない。
従って、製造誤差により導波路構造が変化した場合でもモード変換の効率を確保できる。
【００７９】
さらに、スーパーモード生成素子とＹ分岐は、光の導波方向に徐々に導波路構造を変えることで、いわゆる断熱変化により、エネルギーの損失を十分小さくすることができる。
そのため、導波路構造が変化する部分（例えばテーパ導波路）の長さ（テーパ長）を十分長くとることにより、低損失でモード変換が可能となる。
【００８０】
続いて、本発明の進歩性について述べる。Ｙ分岐へＴＥ０の奇モードを入力することでＴＥ１が得られることは一般的に知られた事実であるが、本発明は、この奇モードを生成するのに、従来知られるテーパ化方向性結合器（参考文献［１］を参照）の原理の一部を利用した、新規なスーパーモード生成素子を用いた点に大きな進歩性があると考えられる。
参考文献［１］：MICHAEL G. F. WILSON, et. al., “Tapered Optical Directional Coupler,” IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TICCHNIQUES, VOL. MTT-23, NO. 1, JANUARY 1975
【００８１】
本発明では、異なるモードへの変換を扱うにも関わらず、少なくともスーパーモード生成素子の出射端およびＹ分岐において、対称な導波路構造を用いることができ、さらに、全過程（スーパーモード生成素子およびＹ分岐）で断熱変化の現象を利用することができる。
従って、広い波長帯域で高い変換効率を確保することができ、しかも製造誤差により導波路構造が変化した場合でもモード変換の効率を確保できる。
【００８２】
［効果２］
効果２として、ＴＥ０とＴＥ１のモード多重が可能であることが挙げられる。
本発明では、スーパーモード生成素子の導波路２にＴＥ０を入力すると、Ｙ分岐からＴＥ０のままで出力される。
これは、図６および図９の実効屈折率曲線において、導波路２に入力したＴＥ０は、スーパーモード生成素子で偶モードになり、その後、Ｙ分岐でＴＥ０となって出力されるためである（図７および図１０のモード＃０も参照）。
従って、導波路１，２にそれぞれＴＥ０を入力することで、ＴＥ０とＴＥ１が多重された光を出力することができる。
【００８３】
ここで、「モード多重」とは、一方の導波路から他方の導波路へのモード変換によって生じるモード(モードＡ)とは異なるモード（モードＢ）の光を他方の導波路に入力することによって、モードＡの光とモードＢの光が他方の導波路から同時に出力されることをいう。
【００８４】
［効果３］
効果３として、一回のリソグラフィ／エッチングプロセスで作製することができ、製造が容易であることが挙げられる。
例えば、ＳＯＩ基板のＳｉ層を、１回のリソグラフィ／エッチングプロセスで、図１等に示すコア５（コア部１，２および出力部３）とすることができる。
また、コア等の高さに関する要請は特に無く、光導波路の一般的な条件が成立していればよいことから、他の光導波路素子との集積が容易であることも利点として挙げることができる。
【００８５】
［効果４］
効果４として、製造誤差による変換効率への影響が小さいことが挙げられる。
すなわち、本発明は、いわゆる断熱変化の現象を利用してモード変換を行うため、スーパーモード生成素子とＹ分岐に対する製造誤差が導波路間で異なっていても、変換効率への影響は、従来技術の非対称方向性結合器よりも小さい。
【００８６】
本実施形態の基板型光導波路素子では、入力および出力の方向が前述の方向とは逆の方向である場合には、前述の動作とは逆の動作が可能である。例えば、図１に示す基板型光導波路素子１０では、出力部３にＴＥ１を入力すると、コア部１１の入力端１１ａからＴＥ０が出力される。一方、出力部３にＴＥ０を入力すると、コア部１２の入力端１２ａからＴＥ０が出力される。このため、基板型光導波路素子１０は、モードスプリッタに応用することもできる。
【００８７】
（実施例１）
＜基板型光導波路素子＞
図１１は、本発明の実施例１である基板型光導波路素子２０を示す図であって、図１１（Ａ）は平面図であり、図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）の断面位置（ａ）における断面図である。なお、図１に示す基板型光導波路素子１０と共通の構成については同一符号を付して説明を省略する。
基板型光導波路素子２０では、第１コア部１が直線導波路２３を有し、第２コア部２が曲げ導波路２４を有する。直線導波路２３はコア部１１の入力側に形成され、曲げ導波路２４はコア部１２の入力側に形成されている。
【００８８】
曲げ導波路２４は、平面視において湾曲して形成されている。
これによって、コア部１（直線導波路２３）とコア部２（曲げ導波路２４）とは、少なくとも出射端２３ｂ，２４ｂを含む長さ範囲で、前段モード変換部８に近づくほど互いに接近している。
曲げ導波路２４の湾曲形状は、例えば、円弧状とすることができる。曲げ導波路２４の形状はこれに限らず、任意の曲線状であってよい。例えば楕円弧状、放物線状、双曲線状などの高次曲線状（例えば二次曲線状）を採用できる。図示例の曲げ導波路２４は、２つの略円弧を組み合わせたＳ字状とされている。
【００８９】
基板型光導波路素子２０では、前段モード変換部８の入力側において、第１コア部１（直線導波路２３）と第２コア部２（曲げ導波路２４）とが、前段モード変換部８に近づくほど互いに接近して形成されているため、不要な光の反射を抑えることができる。
【００９０】
上述のように、前段モード変換部８では、コア部１２をテーパ化することで、入力側におけるモード結合を低減しているが、直線導波路２３と曲げ導波路２４とは、前段モード変換部８から離れるほど互いに離間するため、テーパ化よりも確実にモード結合を低減することができる。このため、前段モード変換部８におけるモード変換効率を高めることができる。
これは、テーパ構造に比べ、コア部が互いに離間する構造の方が、結合を弱める効果が高いからである。
【００９１】
基板型光導波路素子２０では、コア部１（コア部１１）が直線導波路２３を有し、コア部１より幅が広いコア部２（コア部１２）が曲げ導波路２４を有する。これは、幅が狭いコア部１では光の閉じ込めが弱いため、曲げた場合の損失が大きくなるからである。
基板型光導波路素子２０は、直線導波路２３および曲げ導波路２４がなくても基板型光導波路素子としての機能に支障はないが、上述のように、反射の低減やモード結合の低減などの利点があることから、これら（直線導波路２３および曲げ導波路２４）を採用するのが好ましい。
【００９２】
図１１に示す基板型光導波路素子２０では、コア部１，２のうちコア部２のみが曲げ導波路２４を有するが、コア部１，２が、曲げ導波路において、前段モード変換部８に近づくほど互いに接近する構造であれば、曲げ導波路を形成する位置は図示例に限定されない。
例えば、コア部２が直線導波路を有し、コア部１が曲げ導波路を有する構造でもよいし、コア部１，２の両方が曲げ導波路を有する構造でもよい。
【００９３】
基板型光導波路素子２０は、ＳＯＩ基板を加工して作製することができる。ＳＯＩ基板の中間のＳｉＯ２層（屈折率：１．４４）を下部クラッドとし、Ｓｉ層（屈折率：３．４７）をコアとして用いる。コアの形成後、上部クラッドとしてＳｉＯ２層を設ける。
【００９４】
この実施例によりモード変換が可能であることを示すために、コア部１にＴＥ０を入力したときに出力されるＴＥ１の変換効率（入力したＴＥ０のパワーに対する出力されるＴＥ１のパワーの比）を有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ）で計算した。
Ｙ分岐（図１１の後段モード変換部９）の長さは２０μｍとした。波長は１５８０ｎｍとした。計算結果を図１２に示す。
【００９５】
図１２は、スーパーモード生成素子のテーパ長（テーパ導波路（コア部１２）の長さ）と変換効率との関係を示している。
この図より、スーパーモード生成素子のテーパ長が長いほど、光の導波方向のコア部の幅の変化が緩やかになるため、断熱変化の条件が成立しやすくなり、変換効率が高くなることがわかる。
【００９６】
図１３は、スーパーモード生成素子（前段モード変換部８）のテーパ長（コア部１２の長さ）が１００μｍのときの電界分布を示す。図１３は、コア部１に入力端（下端）からＴＥ０を入力した場合における、ｙ＝０．１μｍのＥＸ成分を示している。波長は１５８０ｎｍとした。
【００９７】
図１３より、スーパーモード生成素子では光が結合し、出力端では、両方のコア部にＴＥ０が分布する奇モードに変換していることがわかる。また、Ｙ分岐により奇モードがＴＥ１に変化していることも確認できる。
【００９８】
図１４は、本実施例の波長依存性（波長と変換効率との関係）をＦＤＴＤによってシミュレーションした結果を示すグラフである。スーパーモード生成素子のテーパ長は１００μｍとした。
図１４より、本実施例では、１５２０ｎｍから１６４０ｎｍにわたって、−０．５５ｄＢ以上の高い変換効率を持つことが確認できる。
なお、電界分布は長波長になるにつれコア部の外に広がり、隣接する導波路への結合が大きくなるため、長波長においてスーパーモード生成素子の変換効率が高くなり、それによって全体の変換効率が向上している。
【００９９】
次に、本実施例における、製造誤差による影響を確認するため、全てのコア部の幅が−３０ｎｍだけ変化したときの、波長と変換効率との関係をＦＤＴＤによってシミュレーションした。スーパーモード生成素子のテーパ長は１００μｍとした。
計算結果を図１５に示す。
【０１００】
図１５を図１４と比較すると、コア部の幅が−３０ｎｍだけ変化した場合の変換効率の変動は、各波長において０．２４ｄＢ以内に収まっており、高い変換効率を維持している。
この図より、本構造は、製造誤差に強いことが確認できる。
なお、製造誤差がある場合（図１５）が、製造誤差がない場合（図１４）よりも変換効率が向上しているのは、次の理由による。
コア部の幅が変化すると、そのコア内への光の閉じ込めの程度が変化する。幅が小さくなった場合、閉じ込めが弱くなるため、コアからの浸み出しが増え、それによりスーパーモード生成素子の隣接導波路への結合が強くなったため、製造誤差がある場合の方が、変換効率が上昇している。
ただし、製造誤差によっては、閉じ込めが強くなる場合もあるが、変換効率の変動の幅は導波路間で同程度であるため、本発明が製造誤差に強いという事実は変わらない。
【０１０１】
次に、本実施例（図１１）で、コア部２のＴＥ０と、ＴＥ１（コア部１へ入力されたＴＥ０が変換されたもの）のモード多重が可能であることを示す。
そのために、コア部２に入力側からＴＥ０（区別のためＴＥ０’と記載）を入力した時のＹ分岐から出力されるＴＥ０’の透過率（コア部２へ入力したＴＥ０’のパワーに対する、Ｙ分岐から出力されるＴＥ０’のパワーの比）をＦＤＴＤによりシミュレーションした。
【０１０２】
図１６に、スーパーモード生成素子のテーパ長が１００μｍのときのＦＤＴＤで計算した電界分布を示す。波長は１５８０ｎｍとした。図１６は、コア部２に入力端（下端）からＴＥ０を入力した場合における、ｙ＝０．１μｍのＥＸ成分を示している。
このとき、透過率は−０．３５ｄＢとなり、多くのパワーが透過することがわかる。以上により、本実施例はモード多重が可能である。
【０１０３】
＜従来技術との比較＞
本実施例と、従来技術である非対称方向性得結合器の性能と比較する。詳しくは、実施例１と、図５５の構造を有する比較例１とを比較する。まず、比較の妥当性について次の観点から検討する。
本発明に用いられるスーパーモード生成素子と従来技術の非対称方向性結合器は、ともにモード結合の原理を利用している。
モード結合は、隣接導波路への光の浸み出しが大きいほど結合が強くなり効率が上がる。そのためには、コア部の幅を小さくし光の閉じ込めを弱くすればよい。
しかしながら、実際に作製することを考慮すると、コア部の幅が狭すぎると再現性が低下したり、リソグラフィの精度に依存しマスク設計通りの導波路が作製できなかったりといった問題があるため、コア部の幅には作製が可能な最小値がある。
そのため、最小のコア部の幅を同じ条件にすることで、実施例１と比較例１との比較が可能となる。なお、コア部の間隔を小さくすることでも結合は強くなるため、実施例１と比較例１とのコア部の間隔も同じにしている。
【０１０４】
実施例１では、モード結合の原理を利用するスーパーモード生成素子の出力端（最もコアを狭くする必要がある部分）の幅を４００ｎｍとして、それ以外のコア部の幅を決定した。
比較例１（図５５の非対称方向性結合器）は、結合対象となるＴＥ０が導波するコア部１（最もコアを狭くする必要がある部分）の幅を４００ｎｍとし、これと位相整合するようにコア部２の幅を決定した。
最小のコア部の幅を同じ条件としたため、実施例１と比較例１との比較が可能となる。
【０１０５】
図１７に、実施例１および比較例１について、波長が変換効率に与える影響を比較した結果を示す。なお、実施例１、比較例１の結果をそれぞれ実施例１−１、比較例１−１と記載した。これらの結果は、図１４および図５７に示したものと同じである。
図１７より、比較例１（比較例１−１）では、波長１５８０ｎｍ付近では実施例１よりも低損失ではあるが、波長が変化すると大きく変換効率が低下する。そのため、波長による損失変化が大きい。
【０１０６】
一方、実施例１（実施例１−１）は、１５８０ｎｍ付近では比較例１（比較例１−１）に劣るものの、１５２０〜１６４０ｎｍ（光通信におけるＣ＋Ｌバンドをカバーする波長範囲）における、波長に依存する損失変化が小さい。
また、この波長範囲の最小変換効率を比較すると、実施例１（実施例１−１）の方が高いことがわかる。
以上のように、実施例１（実施例１−１）は、比較例１（比較例１−１）よりも広い波長範囲にわたって高効率な変換が可能である。
なお、実施例１（実施例１−１）では、スーパーモード生成素子が断熱変化を利用しているため、テーパ長を長くすることで、さらなる低損失化が可能である。
一方、比較例１（比較例１−１）の非対称方向性結合器は、長さを大幅に変更するのが難しいため、変換効率に関して、これ以上の改善は見込めない。
【０１０７】
続いて、図１８に、実施例１および比較例１について、製造誤差が変換効率に与える影響を比較した結果を示す。図１８は、コア部の幅が−３０ｎｍ変化したときの変換効率を示す。なお、実施例１、比較例１の結果をそれぞれ実施例１−２、比較例１−２と記載した。これらの結果は、図１５および図６０に示したものと同じである。
図１８より、比較例１（比較例１−２）では、位相整合が成り立たず大きく変換効率を下げているのに対し、実施例１（実施例１−２）では高い変換効率を維持している。従って、実施例１（実施例１−２）は比較例１（比較例１−２）よりも製造誤差に強い。
これらの結果より、実施例１は従来技術に比べ、広い波長帯域で高い変換効率を持ち、かつ製造誤差に強いことがわかる。
【０１０８】
（実施例２）
＜基板型光導波路素子＞
図１９は、実施例２である基板型光導波路素子３０を示す平面図である。この実施例は、前段モード変換部と後段モード変換部との間に中間コア部を設けた構造の第１の例である。
基板型光導波路素子３０は、互いに並列した一対のコア部３１，３２と、コア部３１，３２の後段側（出力側）に設けられた出力部３３とを備えている。コア部３１，３２および出力部３３の高さは互いに等しいことが望ましい。
基板型光導波路素子３０は、前段モード変換部３８と後段モード変換部３９との間に、テーパ状のコア部３１Ｂ，３２Ｂを有する中間コア部３４が介在している点で、図１に示す基板型光導波路素子１０と異なる。
【０１０９】
前段モード変換部３８を構成するコア部３１Ａ，３２Ａのうち、コア部３１Ａは直線状に延在し、幅は長さ方向（光の導波方向）に一定である。
コア部３２Ａは、入力端３２Ａａから出力端３２Ａｂにかけて幅が連続的に狭くなるテーパ状に形成されている。コア部３１Ａ，３２Ａの間隔は長さ方向に一定とされている。
前段モード変換部３８は、入力端３１Ａａ、３２Ａａでは、コア部３２Ａの幅がコア部３１Ａの幅より大きいため、コア部３２Ａの断面はコア部３１Ａの断面より大きい。
出力端３１Ａｂ、３２Ａｂでは、コア部３１Ａ，３２Ａの幅が互いに等しいため、コア部３１Ａ，３２Ａの断面の形状および大きさは互いに同じである。
【０１１０】
中間コア部３４を構成するコア部３１Ｂ，３２Ｂのうち、コア部３１Ｂは、コア部３１Ａに連なって形成され、入力端３１Ｂａから出力端３１Ｂｂにかけて幅が連続的に狭くなるテーパ状に形成されている。
コア部３１Ｂの入力端３１Ｂａの幅は、コア部３１Ａの出力端３１Ａｂにおける幅と同じである。
コア部３２Ｂは、コア部３２Ａに連なって形成され、入力端３２Ｂａから出力端３２Ｂｂにかけて幅が連続的に狭くなるテーパ状に形成されている。
コア部３２Ｂの入力端３２Ｂａの幅は、コア部３２Ａの出力端３２Ａｂにおける幅と同じである。このため、入力端３１Ｂａ，３２Ｂａでのコア部３１Ｂ，３２Ｂの断面の形状および大きさは互いに同じである。
コア部３１Ｂ，３２Ｂの出力端３１Ｂｂ，３２Ｂｂでの幅は互いに等しいことが好ましい。このため、出力端３１Ｂｂ，３２Ｂｂでのコア部３１Ｂ，３２Ｂの断面の形状および大きさは互いに同じである。
コア部３１Ｂ，３２Ｂの間隔は長さ方向に一定とされている。
【０１１１】
後段モード変換部３９を構成するコア部３１Ｃ，３２Ｃのうち、コア部３１Ｃは直線状に延在し、幅は長さ方向（光の導波方向）に一定である。コア部３１Ｃの幅は、コア部３１Ｂの出力端３１Ｂｂにおける幅と同じである。
コア部３２Ｃは直線状に延在し、幅は長さ方向（光の導波方向）に一定である。コア部３２Ｃの幅は、コア部３２Ｂの出力端３２Ｂｂにおける幅と同じである。
コア部３１Ｃ，３２Ｃは、入力端３１Ｃａ、３２Ｃａから出力端３１Ｃｂ、３２Ｃｂにかけて互いに近づくように傾斜しており、入力端３１Ｃａ、３２Ｃａでは互いに離間しているが、出力端３１Ｃｂ、３２Ｃｂでは互いに接している。
コア部３１Ｃ，３２Ｃの出力端３１Ｃｂ、３２Ｃｂは、出力部３３に接続されている。
【０１１２】
基板型光導波路素子３０では、テーパ構造を有する中間コア部３４を設けることによって、前段モード変換部３８から後段モード変換部３９にかけてコア部３１の幅を緩やかに変化させることができる。
このため、コア部３１Ａとコア部３１Ｃの幅が異なるにもかかわらず、前段モード変換部３８と後段モード変換部３９とを低損失で接続できる。
【０１１３】
（実施例３）
＜基板型光導波路素子＞
図２０は、実施例３である基板型光導波路素子４０を示す平面図である。この実施例は、前段モード変換部と後段モード変換部との間に中間コア部を設けた構造の第２の例である。
基板型光導波路素子４０は、互いに並列した一対のコア部４１，４２と、コア部４１，４２の後段側（出力側）に設けられた出力部４３とを備えている。コア部４１，４２および出力部４３の高さは互いに等しいことが望ましい。
基板型光導波路素子４０は、前段モード変換部４８と後段モード変換部４９との間に、直線状のコア部４１Ｂ，４２Ｂを有する中間コア部４４が介在している点で、図１に示す基板型光導波路素子１０と異なる。
【０１１４】
前段モード変換部４８を構成するコア部４１Ａ，４２Ａのうち、コア部４１Ａは直線状に延在し、幅は長さ方向（光の導波方向）に一定である。コア部４２Ａは、入力端から出力端にかけて幅が連続的に狭くなるテーパ状に形成されている。
前段モード変換部４８は、入力端では、コア部４２Ａの幅がコア部４１Ａの幅より大きいため、コア部４２Ａの断面はコア部４１Ａの断面より大きい。
出力端では、コア部４１Ａ，４２Ａの幅が互いに等しいため、コア部４１Ａ，４２Ａの断面の形状および大きさは互いに同じである。
前段モード変換部４８は、入力端では位相整合が成立せず、出力端では位相整合が成立する。
【０１１５】
中間コア部４４を構成するコア部４１Ｂ，４２Ｂのうち、コア部４１Ｂは、コア部４１Ａに連なって形成され、幅は長さ方向（光の導波方向）に一定である。コア部４１Ｂは直線状に延在し、入力端の幅は、コア部４１Ａの出力端における幅と同じである。
コア部４２Ｂは、コア部４２Ａに連なって形成され、幅は長さ方向（光の導波方向）に一定である。コア部４２Ｂは直線状に延在し、入力端の幅は、コア部４２Ａの出力端における幅と同じである。
コア部４１Ｂ，４２Ｂの幅は互いに等しい。このため、コア部４１Ｂ，４２Ｂの断面形状は全長にわたって互いに同じである。
コア部４１Ｂ，４２Ｂの間隔は長さ方向に一定とされている。
【０１１６】
後段モード変換部４９を構成するコア部４１Ｃ，４２Ｃのうち、コア部４１Ｃは直線状に延在し、幅は長さ方向（光の導波方向）に一定である。コア部４１Ｃの幅は、コア部４１Ｂの幅と同じである。
コア部４２Ｃは直線状に延在し、幅は長さ方向（光の導波方向）に一定である。コア部４２Ｃの幅は、コア部４２Ｂの幅と同じである。
コア部４１Ｃ，４２Ｃは、入力端から出力端にかけて互いに近づくように傾斜しており、入力端では互いに離間しているが、出力端では互いに接している。
コア部４１Ｃ，４２Ｃの出力端は、出力部４３に接続されている。
【０１１７】
基板型光導波路素子４０では、前段モード変換部４８と後段モード変換部４９との間に直線状の中間コア部４４を設けたことにより、後段モード変換部４９の配置の自由度を高めることができる。
【０１１８】
（実施例４）
＜基板型光導波路素子＞
図２１は、実施例４である基板型光導波路素子５０を示す平面図である。この実施例は、前段モード変換部と後段モード変換部との間に中間コア部を設けた構造の第３の例である。
基板型光導波路素子５０は、互いに並列した一対のコア部５１，５２と、コア部５１，５２の後段側（出力側）に設けられた出力部５３とを備えている。コア部５１，５２および出力部５３の高さは互いに等しいことが望ましい。
基板型光導波路素子５０は、前段モード変換部５８と後段モード変換部５９との間に、湾曲形状のコア部５１Ｂ，５２Ｂを有する中間コア部５４が介在している点で、図１に示す基板型光導波路素子１０と異なる。
【０１１９】
前段モード変換部５８を構成するコア部５１Ａ，５２Ａのうち、コア部５１Ａは直線状に延在し、幅は長さ方向（光の導波方向）に一定である。コア部５２Ａは、入力端から出力端にかけて幅が徐々に狭くなるテーパ状に形成されている。
前段モード変換部５８は、入力端では、コア部５２Ａの幅がコア部５１Ａの幅より大きいため、コア部５２Ａの断面はコア部５１Ａの断面より大きい。
出力端では、コア部５１Ａ，５２Ａの幅が互いに等しいため、コア部５１Ａ，５２Ａの断面の形状および大きさは互いに同じである。
前段モード変換部５８は、入力端では位相整合が成立せず、出力端では位相整合が成立する。
【０１２０】
中間コア部５４を構成するコア部５１Ｂ，５２Ｂのうち、コア部５１Ｂは、コア部５１Ａに連なって形成され、幅は長さ方向（光の導波方向）に一定である。コア部５１Ｂの入力端の幅は、コア部５１Ａの出力端における幅と同じである。
コア部５２Ｂは、コア部５２Ａに連なって形成され、幅は長さ方向（光の導波方向）に一定である。コア部５２Ｂの入力端の幅は、コア部５２Ａの出力端における幅と同じである。
コア部５１Ｂ，５２Ｂの平面視形状は、円弧状が好ましいが、これに限らず、任意の曲線状であってよい。例えば楕円弧状、放物線状、双曲線状などの高次曲線状（例えば二次曲線状）を採用できる。
【０１２１】
後段モード変換部５９を構成するコア部５１Ｃ，５２Ｃのうち、コア部５１Ｃは直線状に延在し、幅は長さ方向（光の導波方向）に一定である。コア部５１Ｃの幅は、コア部５１Ｂの幅と同じである。
コア部５２Ｃは直線状に延在し、幅は長さ方向（光の導波方向）に一定である。コア部５２Ｃの幅は、コア部５２Ｂの幅と同じである。
コア部５１Ｃ，５２Ｃは、入力端から出力端にかけて互いに近づくように傾斜しており、入力端では互いに離間しているが、出力端では互いに接している。
コア部５１Ｃ，５２Ｃの出力端は、出力部５３に接続されている。
【０１２２】
基板型光導波路素子５０では、前段モード変換部５８と後段モード変換部５９との間に湾曲形状の中間コア部５４を設けたことにより、後段モード変換部５９の配置の自由度を高めることができる。
【０１２３】
（実施例５）
＜基板型光導波路素子＞
図２２は、実施例５である基板型光導波路素子６０（偏波変換素子）を示す模式図である。
基板型光導波路素子６０は、図１に示す基板型光導波路素子１０（モード変換素子）の出力側に、高次偏波変換素子１０１（高次偏波変換部）を有する。なお、高次偏波変換とは、ＴＥ１とＴＭ０との間の変換をいう。
【０１２４】
図２３は、高次偏波変換素子１０１の構造の一例を示すもので（非特許文献１を参照）、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。高次偏波変換素子１０１は、コア１０２と、屈折率がコアよりも低い下部クラッド１０３と、屈折率がコア１０２より低い上部クラッド１０４とを有する光導波路を備えている。
コア１０２は例えばＳｉからなる。下部クラッド１０３は例えばＳｉＯ２からなる。上部クラッド１０４は例えば空気からなる。
高次偏波変換を行うには、上部クラッド１０４と下部クラッド１０３が互いに異なる屈折率を持つことが必要である。
【０１２５】
図２２の基板型光導波路素子６０は、ＴＥ０を基板型光導波路素子１０によってＴＥ１に変換し、ＴＥ１を高次偏波変換素子１０１によってＴＭ０に変換することができる。
高次偏波変換素子１０１では、ＴＥ０は別のモードへの変換が行われないため、コア部２に入力され、出力部３から出力されるＴＥ０（区別のためＴＥ０’と記載）は変換されない。
このため、高次偏波変換素子１０１の出力側から、ＴＭ０とＴＥ０’とが合波した出力が得られる。よって、基板型光導波路素子６０は、偏波多重を行うための素子として用いることが可能である。
【０１２６】
（実施例６）
＜基板型光導波路素子（偏波変換素子）＞
図２２の基板型光導波路素子６０においては、高次偏波変換素子１０１に代えて、図２４に示す高次偏波変換素子６１を用いることもできる（特願２０１３−１３５４９０を参照）。
図２４（Ａ）にコア６２の平面図、図２４（Ｂ）〜図２４（Ｄ）にそれぞれコア６２の終了部、中間コア部、開始部の断面図を示す。コア６２の周囲には図示しないクラッドが設けられている。図２４（Ａ）では下部コア６４に網かけを付した。
【０１２７】
高次偏波変換素子６１では、コア６２は、断面矩形状の下部コア６４と、下部コア６４の上に形成された断面矩形状の上部コア６３とを有する。開始部６８と終了部６９では、上部コア６３の両側縁がそれぞれ下部コア６４の両側縁と重なる位置にあるため、コア６２は断面矩形状である。
開始部６８の幅Ｗ６８は終了部６９の幅Ｗ６９より大きい。開始部６８と終了部６９の高さはいずれもＨ６２であり、下部コア６４の高さＨ６４はコア高さＨ６２より低い。
【０１２８】
開始部６８から中間コア部７０までの区間Ｌ１では、下部コア６４の幅は一定である一方、上部コア１３の幅は開始部６８から中間コア部７０にかけて徐々に小さくなる。
中間コア部７０から終了部６９までの区間Ｌ２では、下部コア６４の幅は中間コア部７０から終了部６９にかけて徐々に小さくなる一方、上部コア６３の幅は一定である。
高次偏波変換素子６１では、コア６２が上下非対称の構造を有し、上部コア６３および下部コア６４の一部の幅が緩やかに変化しているため、ＴＥ１をＴＭ０に変換することができる。
【０１２９】
＜基板型光導波路素子＞
本発明の第２の実施形態として、図２５に示す基板型光導波路素子１１０の構造について説明する。図２５（Ａ）は、基板型光導波路素子１１０を示す平面図であり、図２５（Ｂ）は、図２５（Ａ）の断面位置（ａ）における断面図である。なお、図１に示す基板型光導波路素子１０と共通の構成については同一符号を付して説明を省略する。
【０１３０】
図２５に示すように、基板型光導波路素子１１０（モード変換素子）は、コア５に代えて、コア１０５を有すること以外は、図１に示す基板型光導波路素子１０と同様の構成である。図２５（Ａ）ではスラブ部１６に網かけを付した。
コア１０５は、互いに並列した一対のコア部１，２（リブ部）と、少なくともコア部１，２間に形成されたスラブ部１６と、これらの後段（出力側）に設けられた出力部３とを備えている。
スラブ部１６は、コア部１，２に比べて低く形成されている。すなわち、図２５（Ｂ）に示すように、スラブ部１６の高さＨ１６は、コア部１，２の高さＨ１，Ｈ２より低い。
【０１３１】
図２５（Ａ）に示すように、スラブ部１６は、コア部１，２の長さ方向の少なくとも一部において、コア部１，２を互いに接続して形成されている。
スラブ部１６は、コア部１，２の互いに対向する内側面の間（すなわちコア部１の内側縁１１ｃ、１３ｃの側面と、コア部２の内側縁１２ｃ、１４ｃの側面との間）に形成されている。
図示例のスラブ部１６は、コア部１，２の全長にわたって形成されている。なお、スラブ部１６は、コア部１，２の長さ方向の一部のみに形成されていてもよい。
スラブ部１６はコア部１，２と同じ材料（好ましくはＳｉ）からなり、コア部１，２と一体に形成されている。
【０１３２】
図２５（Ｂ）に示すように、スラブ部１６は、コア部１，２の内側面の下部から延出して形成されているため、スラブ部１６の下面はコア部１，２の下面と面一である。コア部１，２は、スラブ部１６の上面から上方に突出している。
コア１０５は、コア部１，２の幅方向の一方側（内方側）のみにスラブ部１６が設けられることによって、いわゆる半リブ導波路を形成している。
コア１０５（コア部１，２、スラブ部１６および出力部３）は、ＳＯＩ基板のＳｉ層を加工して形成することができる。
【０１３３】
図２５（Ａ）に示すように、コア１０５は、コア部１，２を伝搬する光のモードを変換する前段モード変換部１０８（スーパーモード生成素子）と、前段モード変換部１０８を経た光のモードを変換する後段モード変換部１０９（Ｙ分岐）とを有する。
前段モード変換部１０８は、コア部１１，１２（リブ部）と、これらの間に設けられたスラブ部１６とを有する。
後段モード変換部１０９は、コア部１３，１４（リブ部）と、これらの間に設けられたスラブ部１６とを有する。後段モード変換部１０９は、前段モード変換部１０８の後段（出力側）に連なって形成されている。
【０１３４】
基板型光導波路素子１１０は、ＳＯＩ基板を加工して作製することができる。例えば、リソグラフィ／エッチングプロセスにより、ＳＯＩ基板のＳｉＯ２層を下部クラッドとし、Ｓｉ層をコアとすることができる。
コアは、２回のリソグラフィ／エッチングプロセスで形成することができる。すなわち、まず、一定厚さのコアをリソグラフィ／エッチングプロセスで作製した後、その一部をリソグラフィ／エッチングプロセスで薄肉化してスラブ部とすることで、コア部とスラブ部とを有するコアを形成することができる。
【０１３５】
＜スーパーモード生成素子の原理＞
図２６に、幅が互いに等しいコア部２１，２２と、コア部２１，２２間に形成されたスラブ部１６とを有する光導波路素子を示す。
隣接する導波路間でＴＥ０をモード結合させるとき、モードは、図２７（Ａ）および図２７（Ｃ）に示すような、電界成分が幅方向に対称なＴＥ０が結合したモード（偶モードと呼ばれる）と、図２７（Ｂ）および図２７（Ｄ）に示すような、電界成分が幅方向に反対称なＴＥ０が結合したモード（奇モードと呼ばれる）となる。これらをまとめてＴＥ０のスーパーモード（もしくは、単にスーパーモード）と呼ぶ。
【０１３６】
上述のように、隣接する導波路間で位相整合が成立しているとき、一方の導波路から浸み出した光が他方の導波路へ移りスーパーモードになるのに要する導波路の長さは、モード結合の強さを表す結合係数χに依存する。
【０１３７】
＜スーパーモード生成素子の具体例＞
図２５および図２８を参照しつつ、スーパーモード生成素子の具体例である前段モード変換部１０８を説明する。
図２８（Ａ）は平面図、図２８（Ｂ）は図２８（Ａ）の断面位置（ｃ）に沿う断面図、図２８（Ｃ）は断面位置（ｂ）に沿う断面図、図２８（Ｄ）は断面位置（ａ）に沿う断面図である。
「導波路１」は第１コア部１を有する導波路に相当し、「導波路２」は第２コア部２を有する導波路に相当する。
【０１３８】
コア部１１（コア部１）およびコア部１２（コア部２）はＳｉ（屈折率３．４８（波長１５８０ｎｍ））からなり、上部クラッド６および下部クラッド７はＳｉＯ２（屈折率１．４４（波長１５８０ｎｍ））からなる。コア部１１，１２（コア部１，２）の高さは２２０ｎｍである。スラブ部１６の高さは９５ｎｍである。コア部１１，１２（コア部１，２）の間隔は２００ｎｍである。
【０１３９】
図２８（Ｄ）に示すように、コア部１１（コア部１）の幅は４００［ｎｍ］とし、コア部１２（コア部２）の幅は４００−Ｘ［ｎｍ］とした（−２００≦Ｘ≦０）。
Ｘは、入力端１２ａから出力端１２ｂにかけて、−２００から０まで線形に変化する。
このため、コア部１２（コア部２）は、入力端１２ａ（Ｘ＝−２００）から出力端１２ｂ（Ｘ＝０）にかけて幅が徐々に狭くなるテーパ状となっている。
なお、図２８（Ｃ）は入力端１１ａ、１２ａと出力端１１ｂ、１２ｂとの中間位置（Ｘ＝−２０）における断面を示す図である。
【０１４０】
図２８に示す例では、入力端１１ａ、１２ａでは、コア部１２（コア部２）の幅（図２８（Ｄ）の幅Ｗ１２ａ）がコア部１１（コア部１）の幅（図２８（Ｄ）の幅Ｗ１１ａ）より大きいことにより、コア部１２の断面はコア部１１の断面より大きくなっている。このため、位相整合は成立せず、モード結合がほとんど行われない。
一方、出力端１１ｂ、１２ｂでは、コア部１１，１２（コア部１，２）の幅（図２８（Ｂ）の幅Ｗ１１ｂ，Ｗ１２ｂ）が互いに等しいことにより、コア部１１，１２の断面の形状および大きさは互いに同じとなる。このため、位相整合が成立する。
【０１４１】
このようにすると、入力端から出力端にかけて、光の導波方向に沿って徐々にモード結合が進行する。このため、テーパ導波路（コア部１２）の長さ（テーパ長）を十分長くとることにより、ほぼ損失無く、導波路１に入力したＴＥ０をＴＥ０のスーパーモードの奇モードへ変換することが可能となる。
上述のように、一方の導波路から浸み出した光が他方の導波路へ移りスーパーモードになるのに要する導波路の長さは結合係数χに依存するため、結合係数χが大きいほど、高効率なモード変換が、短い導波路（短いデバイス長）で可能となる。
【０１４２】
この原理を、上記具体例を基に説明する。
導波路幅を光の導波方向に変化させる（すなわち導波路をテーパ化する）ことによって、入力端において位相整合する条件が崩れていることを確認するため、導波路１，２がそれぞれ独立に存在する場合のモードの実効屈折率を図２９（Ａ）に示す。なお、波長は１５８０ｎｍとした（以降も同様とした）。
図２９（Ｂ）は、コア部１１を有する導波路１が独立に存在する場合の導波路１の断面図である。独立化した導波路１のコアは、コア部１１と、コア部１１から幅方向に延出するスラブ部１６Ａ（高さ９５ｎｍ）とを有し、全体の幅はコア１０５の幅（４００＋２００＋（４００−Ｘ）［ｎｍ］）と同じである。
図２９（Ｃ）は、コア部１２を有する導波路２が独立に存在する場合の導波路２の断面図である。独立化した導波路２のコアは、コア部１２と、コア部１２から幅方向に延出するスラブ部１６Ｂ（高さ９５ｎｍ）とを有し、全体の幅はコア１０５の幅（４００＋２００＋（４００−Ｘ）［ｎｍ］）と同じである。
【０１４３】
図２９より、Ｘ＝０では、導波路１のＴＥ０と導波路２のＴＥ０の実効屈折率が一致しており、位相整合することがわかる。
Ｘが０から離れるに従って、導波路１，２のＴＥ０の実効屈折率にずれが生じ、位相整合する条件は崩れていく。
【０１４４】
図３０に、導波路１、２を互いに隣接させた場合のモードの実効屈折率を示す。
導波路が独立に存在する場合の実効屈折率を示す図２９と比べると、図３０では、Ｘ＝０で、＃０と＃１は一致せず、互いに離れている。
これは、導波路１のＴＥ０と導波路２のＴＥ０の間で位相整合する条件が成り立つことから、モード結合によって２つのモードは相互作用し、混在したモード（スーパーモード）を形成しているためである。
Ｘ＝０から離れると、位相整合する条件が成立しなくなっていくために、このような相互作用は起きず、導波路が独立して存在するときと同様のモード分布が得られ、その結果、実効屈折率も独立に導波路が存在する場合と大きく変わらなくなる。
【０１４５】
テーパ導波路のように、導波路の構造を光の導波方向に徐々に変化させる構造では、一つの実効屈折率の曲線上で推移するようにモードが変換されることが知られている（断熱変化という）。
そのため、図３０において、Ｘ＝−２００（入力端）において導波路１へＴＥ０を入力し、導波路の長手方向に徐々にＸを−２００から０へ変化させていくことで、Ｘ＝０において、ＴＥ０を奇モードへ変換することができる。
【０１４６】
これを確認するため、図３１に、断面位置（ａ）〜（ｃ）（図２８（Ａ）参照）におけるモード＃０、＃１の電界分布を示す。
図３１（Ａ）、（Ｂ）は断面位置（ａ）における電界分布（ＥＸ成分）を示すシミュレーション結果［（Ａ）モード＃０、（Ｂ）モード＃１］である。（Ｃ）、（Ｄ）は断面位置（ｂ）における電界分布（ＥＸ成分）を示すシミュレーション結果［（Ｃ）モード＃０、（Ｄ）モード＃１］である。（Ｅ）、（Ｆ）は断面位置（ｃ）における電界分布（ＥＸ成分）を示すシミュレーション結果［（Ｅ）モード＃０、（Ｆ）モード＃１］である。
なお、ｘ，ｙはそれぞれ幅方向、高さ方向を表す。図３１（Ｅ）、（Ｆ）の電界分布はそれぞれ図２７（Ａ）、（Ｂ）と同じである。
【０１４７】
モード＃１をみると、図３１（Ｂ）に示す断面位置（ａ）（Ｘ＝−２００）では、ＴＥ０は導波路１に存在している。
図３１（Ｄ）に示す断面位置（ｂ）（Ｘ＝−２０）では、導波路２のＴＥ０へモードが結合し始めていることがわかる。
図３１（Ｆ）に示す断面位置（ｃ）（Ｘ＝０）では、位相整合する条件が成り立つため、導波路１のＴＥ０と導波路２のＴＥ０が混在したスーパーモードの奇モードが見られる。
このように、光の導波方向に導波路構造を徐々に変化させることで、導波路１に入力したＴＥ０をＴＥ０のスーパーモードの奇モードに変化させることが可能である。
【０１４８】
＜Ｙ分岐の具体例＞
図３２を参照しつつ、Ｙ分岐の具体例である後段モード変換部１０９を説明する。
図３２は、後段モード変換部１０９を示す図であり、図３２（Ａ）は平面図、図３２（Ｂ）は図３２（Ａ）の断面位置（ｅ）に沿う断面図、図３２（Ｃ）は断面位置（ｄ）に沿う断面図、図３２（Ｄ）は断面位置（ｃ）に沿う断面図である。
コア部１３（コア部１）およびコア部１４（コア部２）はＳｉ（屈折率３．４８（波長１５８０ｎｍ））からなり、上部クラッド６および下部クラッド７はＳｉＯ２（屈折率１．４４（波長１５８０ｎｍ））からなる。コア部１３，１４（コア部１，２）の高さは２２０ｎｍである。スラブ部１６の高さは９５ｎｍである。
【０１４９】
図３２（Ｄ）に示すように、コア部１３，１４（コア部１，２）（分岐部）の幅Ｗ１３，Ｗ１４はそれぞれ４００［ｎｍ］とした。
コア部１３，１４（コア部１，２）の間隔をｇａｐ［ｎｍ］（０≦ｇａｐ≦２００）とする。ｇａｐは、入力端１３ａ、１４ａから出力端１３ｂ、１４ｂにかけて、２００ｎｍから０ｎｍへと線形に変化する。
このため、コア部１３，１４（コア部１，２）は、入力端１３ａ、１４ａ（ｇａｐ＝２００）から出力端１３ｂ、１４ｂ（ｇａｐ＝０）にかけて間隔が小さくなる。
なお、図３２（Ｃ）は入力端１３ａ、１４ａと出力端１３ｂ、１４ｂとの中間位置（ｇａｐ＝１００）における断面を示す図である。
【０１５０】
図３３は、コア部の間隔（ｇａｐ）と実効屈折率との関係を示すグラフである。
モード＃０、＃１は、１番目、２番目の実効屈折率をそれぞれ表す。モード＃０、＃１は、ｇａｐ＝２００ｎｍ（入力端）においては、図３０のＸ＝０におけるモードと一致する。
ｇａｐ＝０ｎｍ（出力端）においては、モード＃０はＴＥ０となり、モード＃１はＴＥ１となる。
そのため、導波路を互いに徐々に接近させることで、入力端における奇モードが、出力端ではＴＥ１に変換される。
【０１５１】
これを確認するため、図３４に、断面位置（ｃ）〜（ｅ）（図３２（Ａ）参照）におけるモード＃０、＃１の電界分布を示す。
図３４（Ａ）、（Ｂ）は図３２（Ａ）の断面位置（ｃ）における電界分布（ＥＸ成分）を示すシミュレーション結果［（Ａ）モード＃０、（Ｂ）モード＃１］である。（Ｃ）、（Ｄ）は断面位置（ｄ）における電界分布（ＥＸ成分）を示すシミュレーション結果［（Ｃ）モード＃０、（Ｄ）モード＃１］である。（Ｅ）、（Ｆ）は断面位置（ｅ）における電界分布（ＥＸ成分）を示すシミュレーション結果［（Ｅ）モード＃０、（Ｆ）モード＃１］である。
この図より、奇モードは徐々にＴＥ１に変換され、偶モードは徐々にＴＥ０に変換されることが確認できる。
【０１５２】
本実施形態によれば、スーパーモード生成素子（前段モード変換部）は、ＴＥ０を、第１および第２コアの出力端でＴＥ０のスーパーモードの奇モードに変換する。Ｙ分岐（後段モード変換部）は、前記奇モードを、ＴＥ１に変換する。
このため、スーパーモード生成素子に入力したＴＥ０は、奇モードへと変換され、その後、Ｙ分岐に入力されてＴＥ１に変換される。
【０１５３】
＜本実施形態による効果＞
［効果１］
効果１として、一対のコア部の間にスラブ部を形成することによって、スラブ部が無い場合に比べて、より短い距離でのスーパーモードの生成が可能となることが挙げられる。以下、その理由について述べる。
スラブ部を形成することによって、前記コア部間でのコアとクラッドの屈折率差が実質的に小さくなり、光の浸み出しが大きくなる。そのため、結合係数χが大きくなり、隣接する導波路間の光の結合が大きくなる。従って、短い距離でのスーパーモードの生成が可能となり、デバイス長を短くできる。
【０１５４】
［効果２］
効果２として、製造の容易さと集積化の容易さを挙げることができる。
コア部の間にスラブ部を形成した構造を有するため、２回のリソグラフィ／エッチングプロセスで、コア部とスラブ部とを一体に形成することができる。
すなわち、まず、一定厚さのコアをリソグラフィ／エッチングプロセスで作製した後、その一部をリソグラフィ／エッチングプロセスで薄肉化してスラブ部とすることで、コアを形成することができる。
また、コアの高さとスラブ部の高さの制限は特になく、光導波路の一般的な条件が成立していればよいことから、他のスラブ部を有する光導波路素子（リブ型位相変調部を有する光変調器など）との集積が容易である。
【０１５５】
［効果３］
効果３として、コア部の間にスラブ部を形成することによって、後段モード変換部において、奇モードからＴＥ１への変換効率が高められるだけでなく、偶モードからＴＥ０への変換効率も高められることが挙げられる。
従って、ＴＥ０とＴＥ１のモード多重を行う際に有利となる。
【０１５６】
（実施例７）
＜基板型光導波路素子＞
図３５は、本発明の実施例７である基板型光導波路素子１２０を示す図であって、図３５（Ａ）は平面図であり、図３５（Ｂ）は、図３５（Ａ）の断面位置（ａ）における断面図である。なお、図２５に示す基板型光導波路素子１１０と共通の構成については同一符号を付して説明を省略する。
基板型光導波路素子１２０では、第１コア部１が直線導波路２３を有し、第２コア部２が曲げ導波路２４を有する。直線導波路２３はコア部１１の入力側に形成され、曲げ導波路２４はコア部１２の入力側に形成されている。
【０１５７】
基板型光導波路素子１２０では、第１コア部１（直線導波路２３）と第２コア部２（曲げ導波路２４）とが、前段モード変換部１０８に近づくほど互いに接近して形成されているため、不要な光の反射を抑えることができる。
直線導波路２３と曲げ導波路２４とは、前段モード変換部１０８から離れるほど互いに離間するため、テーパ化よりも確実にモード結合を低減することができる。このため、前段モード変換部１０８におけるモード変換効率を高めることができる。
【０１５８】
この実施例によりモード変換が可能であることを示すために、コア部１にＴＥ０を入力したときに出力されるＴＥ１の変換効率（入力したＴＥ０のパワーに対する出力されるＴＥ１のパワーの比）を有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ）で計算した。
波長は１５８０ｎｍとした。Ｙ分岐（図３５の後段モード変換部１０９）の長さは１０μｍとした。計算結果を図３６に示す。
【０１５９】
図３６は、スーパーモード生成素子のテーパ長（テーパ導波路（コア部１２）の長さ）と変換効率との関係を示している。
この図より、スーパーモード生成素子のテーパ長が長いほど、光の導波方向のコア部の幅の変化が緩やかになるため、断熱変化の条件が成立しやすくなり、変換効率が高くなることがわかる。
【０１６０】
図３７は、スーパーモード生成素子（前段モード変換部１０８）のテーパ長（コア部１２の長さ）が１２μｍのときの電界分布を示す。図３７は、コア部１に入力端（下端）からＴＥ０を入力した場合における、ｙ＝０．１μｍのＥＸ成分を示している。波長は１５８０ｎｍとした。
【０１６１】
図３７より、スーパーモード生成素子では光が結合し、両方のコア部にＴＥ０が分布する奇モードに変換していることがわかる。また、Ｙ分岐により奇モードがＴＥ１に変化していることも確認できる。
【０１６２】
図３８は、本実施例の波長依存性（波長と変換効率との関係）をＦＤＴＤによってシミュレーションした結果を示すグラフである。スーパーモード生成素子のテーパ長は１２μｍとした。
図３８より、本実施例では、１５２０ｎｍから１６４０ｎｍにわたって、−０．１９ｄＢ以上の高い変換効率を持つことが確認できる。
なお、電界分布は長波長になるにつれコア部の外に広がり、隣接する導波路への結合が大きくなるため、長波長においてスーパーモード生成素子の変換効率が高くなり、それによって全体の変換効率が向上している。
【０１６３】
次に、本実施例の製造誤差による影響を確認するため、全てのコア部の幅が−３０ｎｍだけ変化したときの、波長と変換効率との関係をＦＤＴＤによってシミュレーションした。スーパーモード生成素子のテーパ長は１２μｍとした。
計算結果を図３９に示す。
【０１６４】
図３９を図３８と比較すると、全てのコア部の幅が−３０ｎｍだけ変化した場合の変換効率の変動は、各波長において０．１４ｄＢ以内に収まっており、高い変換効率を維持している。
この図より、本構造は、製造誤差に強いことが確認できる。
【０１６５】
次に、本実施例における、コア部２のＴＥ０と、ＴＥ１（コア部１へ入力されたＴＥ０が変換されたもの）のモード多重が可能であることを示す。
そのために、コア部２に入力側からＴＥ０（区別のためＴＥ０’と記載）を入力した時のＹ分岐から出力されるＴＥ０’の透過率（コア部２へ入力したＴＥ０’のパワーに対する、Ｙ分岐から出力されるＴＥ０’のパワーの比）をＦＤＴＤによりシミュレーションした。
【０１６６】
図４０に、スーパーモード生成素子のテーパ長が１２μｍのときのＦＤＴＤで計算した電界分布を示す。波長は１５８０ｎｍとした。図４０は、コア部１に入力端（下端）からＴＥ０を入力した場合における、ｙ＝０．１μｍのＥＸ成分を示している。
このとき、透過率は−０．０９ｄＢとなり、多くのパワーが透過することがわかる。以上により、本実施例はモード多重が可能である。
【０１６７】
＜従来技術との比較＞
本実施例と、従来技術である非対称方向性得結合器の性能と比較する。詳しくは、実施例７と、図５５の構造を有する比較例１とを比較する。まず、比較の妥当性について次の観点から検討する。
本発明に用いられるスーパーモード生成素子と従来技術の非対称方向性結合器は、ともにモード結合の原理を利用している。
モード結合は、隣接導波路への光の浸み出しが大きいほど結合が強くなり効率が上がる。そのためには、コア部の幅を細くし光の閉じ込めを弱くすればよい。
しかしながら、実際に作製することを考慮すると、コア部の幅が狭すぎると再現性が低下したり、リソグラフィの精度に依存しマスク設計通りの導波路が作製できなかったりといった問題があるため、コア部の幅には作製が可能な最小値がある。
そのため、最小のコア部の幅を同じ条件にすることで、実施例７と比較例１との比較が可能となる。なお、コア部の間隔を小さくすることでも結合は強くなるため、実施例７と比較例１とのコア部の間隔も同じにしている。
【０１６８】
実施例７では、モード結合の原理を利用するスーパーモード生成素子の出力端（最もコアを狭くする必要がある部分）の幅を４００ｎｍとして、それ以外のコア部の幅を決定した。
比較例１（図５５の非対称方向性結合器）は、結合対象となるＴＥ０が導波するコア部１（最もコアを狭くする必要がある部分）の幅を４００ｎｍとし、これと位相整合するようにコア部２の幅を決定した。
最小のコア部の幅を同じ条件としたため、実施例７と比較例１との比較が可能となる。
【０１６９】
図４１に、実施例７および比較例１について、波長が変換効率に与える影響を比較した結果を示す。なお、実施例７、比較例１の結果をそれぞれ実施例７−１、比較例１−１と記載した。これらの結果は、図３８および図５７に示したものと同じである。
図４１より、比較例１（比較例１−１）では、波長１５８０ｎｍ付近では実施例７よりも低損失ではあるが、波長が変化すると大きく変換効率が低下する。そのため、波長による損失変化が大きい。
【０１７０】
一方、実施例７（実施例７−１）は、１５８０ｎｍ付近では比較例１（比較例１−１）に劣るものの、１５２０〜１６４０ｎｍ（光通信におけるＣ＋Ｌバンドをカバーする波長範囲）における、波長に依存する損失変化が小さい。
また、この波長範囲の最小変換効率を比較すると、実施例７（実施例７−１）の方が高いことがわかる。
以上のように、実施例７（実施例７−１）は、比較例１（比較例１−１）よりも広い波長範囲にわたって高効率な変換が可能である。
なお、実施例７（実施例７−１）では、スーパーモード生成素子が断熱変化を利用しているため、テーパ長を長くすることで、さらなる低損失化が可能である。
一方、比較例１（比較例１−１）の非対称方向性結合器は、長さを大幅に変更するのが難しいため、変換効率に関して、これ以上の改善は見込めない。
【０１７１】
続いて、図４２に、実施例７および比較例１について、製造誤差が変換効率に与える影響を比較した結果を示す。図４２は、コア部の幅が−３０ｎｍ変化したときの変換効率を示す。なお、実施例７、比較例１の結果をそれぞれ実施例７−２、比較例１−２と記載した。これらの結果は、図３９および図６０に示したものと同じである。
図４２より、比較例１（比較例１−２）では、位相整合が成り立たず大きく変換効率を下げているのに対し、実施例７（実施例７−２）では高い変換効率を維持している。
従って、実施例７（実施例７−２）は比較例１（比較例１−２）よりも製造誤差に強い。
これらの結果より、本発明は従来技術に比べ、広い波長帯域で高い変換効率を持ち、かつ製造誤差に強いことがわかる。
【０１７２】
（実施例８）
＜基板型光導波路素子＞
図４３は、本発明の実施例８である基板型光導波路素子１７０を示す図であって、図４３（Ａ）は平面図であり、図４３（Ｂ）は、図４３（Ａ）の断面位置（ａ）における断面図である。
基板型光導波路素子１７０（モード変換素子）は、コア１０５に代えてコア１７５を有すること以外は、図３５に示す基板型光導波路素子１２０と同様の構成である。
コア１７５は、互いに並列した一対のコア部１，２と、コア部１，２間にこれらを接続して形成されたスラブ部１６（中間領域）と、コア部１，２からそれぞれ幅方向の外方に延出して形成されたスラブ部１７，１８（外方延出領域）とを備えている。図４３（Ａ）ではスラブ部１６〜１８に網かけを付した。
スラブ部１７，１８は、スラブ部１６と同様に、コア部１，２に比べて低く形成されている。
【０１７３】
スラブ部１６〜１８の下面はコア部１，２の下面と面一である。コア部１，２は、スラブ部１６〜１８の上面から上方に突出している。
コア１７５は、コア部１，２の幅方向の一方側（内方側）だけでなく他方側（外方側）にもスラブ部１７，１８が設けられることによって、いわゆるリブ導波路を形成している。
コア１７５は、前段モード変換部１７８と、後段モード変換部１７９とを有する。
【０１７４】
基板型光導波路素子１７０では、コア１７５がスラブ部１６〜１８を有するため、スラブ部が無い場合に比べて導波路間の光の結合を高め、短い距離でのスーパーモードの生成を可能とし、デバイス長を短くできる。
基板型光導波路素子１７０は、コア部１，２の外方に延出したスラブ部１７，１８を有するため、コア部１，２の外方への光の浸み出しが大きくなることから、図３５に示す基板型光導波路素子１２０に比べ、結合係数χが小さくなるが、ドライエッチングなどのプロセス上で生じる、コア部の側壁の荒れ（粗面化）による悪影響（光散乱による損失増大）を小さくできる点では有利となる。
コア部の側壁の荒れの影響を小さくできるのは、基板型光導波路素子１７０では、コア部１，２の両側方にスラブ部１６〜１８を有するため、コア部１，２の側面の面積が小さいためである。
従って、側壁荒れによる損失を低下させる観点からは、本実施例（リブ導波路）は好ましい。
【０１７５】
（実施例９）
＜基板型光導波路素子＞
図４４は、本発明の実施例９である基板型光導波路素子１８０を示す平面図である。
基板型光導波路素子１８０（モード変換素子）は、第１コア部１が片側テーパ導波路２５を有し、第２コア部２が片側テーパ導波路２６を有すること以外は、図３５に示す基板型光導波路素子１２０と同様の構成である。
片側テーパ導波路２５は直線導波路２３の入力側に設けられ、片側テーパ導波路２６は曲げ導波路２４の入力側に設けられている。
【０１７６】
図４５は片側テーパ導波路２６の一例を示す図であり、（Ａ）は入力端の断面図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は出力端の断面図である。
片側テーパ導波路２６は、リブ部１８１と、リブ部１８１の一方の側面に、リブ部１８１から延出して形成されたスラブ部１８２とを有する。
リブ部１８１は、長さ方向に幅が一定とされている。
スラブ部１８２は、リブ部１８１の長さ方向に、一端１８１ａから他端１８１ｂに向けて徐々に幅広となるテーパ状に形成されている。
スラブ部１８２は、リブ部１８１の一端１８１ａを始点として形成されているため、片側テーパ導波路２６は、入力端２６ａでは矩形導波路であり、出力端２６ｂでは半リブ導波路である。
片側テーパ導波路２５にも同様の構造を採用できる。
このため、片側テーパ導波路２５，２６を用いることによって、外部の矩形導波路１８３，１８４と、半リブ導波路（直線導波路２３および曲げ導波路２４）との接続箇所における導波路構造の長さ方向の変化を緩やかにし、低損失の接続を実現できる。
【０１７７】
図４４に示す基板型光導波路素子１８０では、片側にのみスラブ部がある半リブ導波路と、矩形導波路との接続を想定しているが、両側にスラブ部があるリブ導波路と、矩形導波路との接続の場合には、図４６に示す両側テーパ導波路２７を使用すればよい。
両側テーパ導波路２７は、リブ部１８１と、リブ部１８１の両側面にそれぞれ形成されたスラブ部１８２とを有する。
スラブ部１８２は、一端１８１ａを始点として形成されているため、両側テーパ導波路２７は、入力端では矩形導波路であり、出力端ではリブ導波路である。
このため、両側テーパ導波路２７を用いることによって、外部の矩形導波路と、両側にスラブ部があるリブ導波路との接続箇所において低損失の接続を実現できる。
【０１７８】
（実施例１０）
＜基板型光導波路素子＞
図４７は、実施例１０である基板型光導波路素子１３０を示す平面図である。この実施例は、前段モード変換部と後段モード変換部との間に中間コア部を設けた構造の第４の例である。
基板型光導波路素子１３０は、コア部３１，３２の間にスラブ部１６が形成されていること以外は図１９に示す基板型光導波路素子３０と同じ構成である。
基板型光導波路素子１３０においても、基板型光導波路素子３０と同様に、テーパ構造を有する中間コア部３４を設けることによって、前段モード変換部３８と後段モード変換部３９とを低損失で接続できる。
【０１７９】
（実施例１１）
＜基板型光導波路素子＞
図４８は、実施例１１である基板型光導波路素子１４０を示す平面図である。この実施例は、前段モード変換部と後段モード変換部との間に中間コア部を設けた構造の第５の例である。
基板型光導波路素子１４０は、コア部４１，４２の間にスラブ部１６が形成されていること以外は図２０に示す基板型光導波路素子４０と同じ構成である。
基板型光導波路素子１４０においても、基板型光導波路素子４０と同様に、直線状の中間コア部４４を設けたことにより、後段モード変換部４９の配置の自由度を高めることができる。
（実施例１２）
＜基板型光導波路素子＞
図４９は、実施例１２である基板型光導波路素子１５０を示す平面図である。この実施例は、前段モード変換部と後段モード変換部との間に中間コア部を設けた構造の第６の例である。
基板型光導波路素子１５０は、コア部５１，５２の間にスラブ部１６が形成されていること以外は図２１に示す基板型光導波路素子５０と同じ構成である。
基板型光導波路素子１５０においても、基板型光導波路素子５０と同様に、湾曲形状の中間コア部５４を設けたことにより、後段モード変換部５９の配置の自由度を高めることができる。
【０１８０】
（実施例１３）
＜基板型光導波路素子（偏波変換素子）＞
図５０は、実施例１３である基板型光導波路素子１６０（偏波変換素子）を示す模式図である。
基板型光導波路素子１６０は、図２５に示す基板型光導波路素子１１０（モード変換素子）の出力側に、高次偏波変換素子１０１（高次偏波変換部）を有する。なお、高次偏波変換とは、ＴＥ１とＴＭ０との間の変換をいう。
高次偏波変換素子１０１としては、図２３に例示したものを使用できる。高次偏波変換素子１０１に代えて、図２４に示す高次偏波変換素子６１を用いることもできる。
【０１８１】
図５０の基板型光導波路素子１６０は、ＴＥ０を基板型光導波路素子１１０によってＴＥ１に変換し、ＴＥ１を高次偏波変換素子１０１によってＴＭ０に変換することができる。
高次偏波変換素子１０１では、ＴＥ０は別のモードへの変換が行われないため、コア部２に入力され、出力部３から出力されるＴＥ０（区別のためＴＥ０’と記載）は変換されない。
このため、高次偏波変換素子１０１の出力側から、ＴＭ０とＴＥ０’とが合波した出力が得られる。よって、基板型光導波路素子１６０は、偏波多重を行うための素子として用いることが可能である。
【０１８２】
（実施例１４）
＜基板型光導波路素子（偏波変換素子）＞
図５１は、実施例１４である基板型光導波路素子１９０（偏波変換素子）を示す図であって、（Ａ）は全体平面図、（Ｂ）は高次偏波変換素子の平面図、（Ｃ）は高次偏波変換素子の終了部の断面図、（Ｄ）は高次偏波変換素子の開始部の断面図である。
基板型光導波路素子１９０は、前段モード変換部１７８と、後段モード変換部１７９と、後段モード変換部１７９の出力側に設けられた高次偏波変換素子１１１（高次偏波変換部）（特願２０１３−１３５４９０を参照）とを有する。
図５１（Ａ）に示すように、前段モード変換部１７８および後段モード変換部１７９は、図４３に示す基板型光導波路素子１７０（モード変換素子）に用いられているものと同様の構造とすることができる。
【０１８３】
図５１（Ｂ）〜（Ｄ）に示すように、高次偏波変換素子１１１は、コア１１２が、下部コア１１４と上部コア１１３からなり、上部コア１１３および下部コア１１４は、幅が光の導波方向に連続的に減少するテーパ状に形成されている。
コア１１２は、上部コア１１３の幅と下部コア１１４の幅とが異なる上下非対称な構造を有する。
下部コア１１４は、後段モード変換部１７９のスラブ部１７，１８に一体的に形成することができる。
【０１８４】
高次偏波変換素子１１１は、開始部１１８のＴＥ１と終了部１１９のＴＭ０との間で偏波変換できる。
基板型光導波路素子１９０は、ＴＥ０を前段モード変換部１７８および後段モード変換部１７９によってＴＥ１に変換し、ＴＥ１を高次偏波変換素子１１１によってＴＭ０に変換することができる。
コア部２に入力され、高次偏波変換素子１１１に入力されたＴＥ０（区別のためＴＥ０’と記載）は変換されない。
このため、高次偏波変換素子１１１の出力側から、ＴＭ０とＴＥ０’とが合波した出力が矩形導波路である出力部３に入力される。
よって、基板型光導波路素子１９０は、偏波多重を行うための素子として用いることが可能である。
基板型光導波路素子１９０は、リブ導波路構造を採用した後段モード変換部１７９を備えているため、上下非対称な構造を有する高次偏波変換素子１１１との接続が容易である。
【０１８５】
（実施例１５）
＜偏波多重４値位相（ＤＰ−ＱＰＳＫ：Dual Polarization-Quadrature Phase Shift Keying）変調器＞
本発明の基板型導波路素子は、例えば、参考文献［２］（P. Dong, C. Xie, L. Chen, L. L. Buhl, and Y.-K. Chen, "112-Gb/s Monolithic PDM-QPSK Modulator in Silicon," in European Conference and Exhibition on Optical Communication (2012), Vol. 1, p. Th.3.B.1）で開示されているようなＤＰ−ＱＰＳＫ変調器に使用することが可能である。
【０１８６】
図５２にＤＰ−ＱＰＳＫ変調器の一例を模式的に示す。
このＤＰ−ＱＰＳＫ変調器１２０は、通常の光導波路にＴＥ０モードとＴＭ０モードの２つのモードが存在できることを利用して、ＴＥ０モード／ＴＭ０モードの両モードに独立したＱＰＳＫ信号を有する、ＤＰ−ＱＰＳＫ変調を行う。
具体的には、入力部１２１からＴＥ０モードで入力した光を２つの光導波路１２２，１２２に分岐し、ＱＰＳＫ変調器１２３，１２３により各々ＱＰＳＫ信号に変調した後、光導波路１２４，１２４の片側のＴＥ０モードを偏波変換素子１２５によりＴＭ０モードに変換させて、２つのモードを偏波ビームコンバイナで同一の光導波路上に合成し、ＴＥ０モードとＴＭ０モードに独立した信号を出力部１２６に出力する。
【０１８７】
（実施例１６）
＜コヒーレント受信機＞
本発明の基板型光導波路素子は、例えば、参考文献［３］（C. Doerr, et al., "Packaged Monolithic Silicon 112-Gb/s Coherent Receiver," IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 23, p.p. 762, 2011）で開示されているような、ＴＥ０モードとＴＭ０モードを同時に伝送した偏波多重信号のＳｉ光導波路上の偏波ダイバーシティ・コヒーレント受信機に使用することが可能である。
【０１８８】
図５３に、偏波ダイバーシティ・コヒーレント受信機の一例を模式的に示す。
このコヒーレント受信機１３０は、ＴＥ０モードとＴＭ０モードを同時に伝送した偏波多重信号の光導波路１３１を、偏波変換と偏波ビームスプリッタが同時に行える偏波変換素子１３２に接続し、光導波路１３３，１３３の一方にはＴＥ０の信号を、また、光導波路１３３，１３３の他方にはＴＭ０から変換したＴＥ０モードの信号を分岐させる。局発光１３４として、一般的に用いられる半導体レーザ光源は片偏波のみ、例えばＴＥ０モード（ｌｏｃａｌ）の出力を用いる。このような光源を用いる場合、従来では局発光の偏波変換が必要となる。
【０１８９】
しかし、このコヒーレント受信機１３０では、信号光は偏波分離後にいずれもＴＥ０モードの信号（ｓｉｇｎａｌ）となるので、局発光の偏波変換が不要になる。信号光と局発光は、光合波部１３５を経て、結合部１３６から出力される。
【０１９０】
偏波変換素子１３２に光導波路型の構造を用いる場合、結合部１３６における素子外部との光の結合には、基板側方より結合する逆テーパ型のモードフィールド変換器など、偏波分離機能を持たない結合器を利用することが可能である。結合器には、例えば参考文献［４］（Qing Fang, et al., "Suspended optical fiber-to-waveguide mode size converter for Silicon photonics", OPTICS EXPRESS, Vol. 18, No. 8, 7763( 2010)）に開示されている、逆テーパ型の構造が開示できる。
【０１９１】
（実施例１６）
＜偏波ダイバーシティ＞
本発明の基板型光導波路素子は、例えば、参考文献［５］（Hiroshi Fukuda, et al.,"Silicon photonic circuit with polarization diversity," Optics Express, Vol. 16, No. 7, 2008）で開示されているような、ＴＥ０モードとＴＭ０モードが同時に伝送される偏波多重伝送や、片方の偏波がランダムに伝送されるときに、両モードに対して同様の操作を与えるための素子を利用したい場合、偏波ダイバーシティ方式を実行するために用いることができる。
【０１９２】
図５４に示す偏波ダイバーシティ１４０では、ＴＥ０モードとＴＭ０モードが同時に伝送される偏波多重信号の光導波路１４１を、偏波変換と偏波ビームスプリッタが同時に行える偏波変換素子１４２に接続し、光導波路１４３，１４３の一方にはＴＥ０モードの信号を、また、光導波路１４３，１４３の他方にはＴＭ０モードから変換したＴＥ０の信号を分岐させる。素子１４４，１４４で操作されたＴＥ０の信号光は、光導波路１４５，１４５から偏波変換素子１４６で合成して、ＴＥ０モードとＴＭ０モードが同時に伝送される偏波多重信号の光導波路１４７に出力する。
【０１９３】
偏波変換素子１４２には、偏波ダイバーシティ・コヒーレント受信機と同様に、偏波変換と偏波ビームスプリッタが同時に行える本発明の偏波変換素子を用いることができる。
偏波変換素子１４６には、ＤＰ−ＱＰＳＫ変調器と同様に、偏波変換と偏波ビームコンバイナが同時に行える本発明の偏波変換素子を用いることができる。
【０１９４】
なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
後段モード変換部（Ｙ分岐）は、図示例では両コア部が平面視において直線状に形成されているが、コア部の平面視形状はこれに限定されない。
両コア部の間隔が光の導波方向に沿って連続的に小さくなり、出力端で両コア部が互いに接する構造であれば、コア部の平面視形状は曲線状としてもよいし、傾斜角度が異なる複数の直線を組み合わせた形状としてもよい。
また、後段モード変換部（Ｙ分岐）の出力端における両コア部の幅は、互いに同じでなくてもよい。すなわち、一方のコア部が他方のコア部より幅広であってもよい。
【０１９５】
後段モード変換部（Ｙ分岐）は、出力端に近い位置では両コア部の間隔が非常に小さくなるため、この部分を精度よく形成するのが難しい。このため、両コア部の出力端よりやや手前（入力側）の位置で、両コア部が互いに接合した構造となることがある。この構造では、接合箇所で導波路の長手方向の連続性が失われ、急なモード変化により断熱変化がわずかに損なわれるおそれがあるが、本発明は、このような形状の後段モード変換部も包含する。
【符号の説明】
【０１９６】
１…第１コア部、２…第２コア部、４…光導波路、５…コア、６…上部クラッド、７…下部クラッド、
８，３８，４８，５８，１０８，１７８…前段モード変換部、９，３９，４９，５９，１０９，１７９…後段モード変換部、１０，２０，３０，４０，５０，６０，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，１６０，１７０，１８０，１９０…基板型光導波路素子、１１…前段第１コア部、１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａ…入力端、１１ｂ，１２ｂ，１３ｂ，１４ｂ…出力端、１２…前段第２コア部、１３…後段第１コア部、１４…後段第２コア部、１５…クラッド、１６，１７，１８…スラブ部、２４…曲げ導波路、６１、１０１、１１１…高次偏波変換素子（高次偏波変換部）、Ｓ…基板、Ｗ１１ａ…前段モード変換部の入力端での第１コア部の幅、Ｗ１１ｂ…前段モード変換部の出力端での第１コア部の幅、Ｗ１２ａ…前段モード変換部の入力端での第２コア部の幅、Ｗ１２ｂ…前段モード変換部の出力端での第２コア部の幅、Ｗ１３…後段モード変換部の第１コア部の幅、Ｗ１４…後段モード変換部の第２コア部の幅。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図３】
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【図７】
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【図１０】
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【図１３】
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【図１６】
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【図２７】
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【図３１】
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【図３４】
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【図３７】
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【図４０】
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