(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の主面上にこの順で設けられた、ＳｉＯ2を材料とする第１クラッドと、該第１クラッドよりも屈折率の大きい、ＳｉＯxＮy（ただし、ｘ及びｙは、（ｘ＝２かつｙ＝０）を除く（２≧ｘ≧０かつ４／３≧ｙ≧０）である。）を材料とする第２クラッドとを備えるクラッドと、該第１及び第２クラッドの間に設けられた、Ｓｉを材料とするコアとで構成され、波長λの光を反射する光導波路を備え、
前記コアの両側面に周期Λの規則的な突出部を備え、前記コアは、前記主面に垂直な方向の長さである厚みが、光伝搬方向に垂直かつ前記主面に平行な方向の長さである幅以上の大きさであり、前記突出部が前記光導波路の中心軸に対して線対称に配置されており、該コアの構成材料の屈折率が前記第１クラッドの構成材料よりも４０％以上大きく、
前記光導波路に関するＴＥ波及びＴＭ波の等価屈折率ｎＴＥ及びｎＴＭが、所定の許容範囲で一致し、
前記周期Λを、Λ＝λ／（２×ｎＴＥ）の関係に従うように設定し、
ｎａｖ＝（ｎＴＥ＋ｎＴＭ）／２とし、前記光導波路で反射された前記波長λの光の全半値幅をΔλとするとき、前記許容範囲を、ｎａｖ×Δλ／λよりも小さい値とする
することを特徴とするグレーティング素子。
【請求項２】
前記突出部が前記両側面に１０周期以上設けられていることを特徴とする請求項１に記載のグレーティング素子。
【請求項３】
前記突出部の、前記コアの側面から測った突出量が１０〜４０ｎｍの範囲の値であることを特徴とする請求項１又は２に記載のグレーティング素子。
【請求項４】
前記ｘを（１．４／１．６）とし、前記ｙを（１．１／１．６）とすることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のグレーティング素子。
【請求項５】
前記第２クラッドの屈折率を１．４６以上かつ２以下の値とすることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のグレーティング素子。
【請求項６】
前記幅を、前記厚みの９０％以上の大きさとすることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載のグレーティング素子。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか一項に記載のグレーティング素子を２個と、
偏波無依存で動作する２入力２出力型の第１及び第２光カプラとを備え、
第１光カプラの２つの出力が、前記２個のグレーティング素子の一端にそれぞれ接続され、第２光カプラの２つの入力が、前記２個のグレーティング素子の他端にそれぞれ接続されていることを特徴とする光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、偏波無依存で動作するグレーティング素子及び該素子を用いた光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
加入者側から局側への光伝送（上り通信）と、局側から加入者側への光伝送（下り通信）とを１本の光ファイバで行う光加入者系通信システムにおいては、上り通信及び下り通信を異なる波長の光で行うことがある。この場合、局側及び加入者側の双方で、異なる波長の光を合分波する光素子（以下、光合分波素子とも称する。）が必要となる。
【０００３】
光合分波素子は発光素子及び受光素子と空間光学的に光軸合わせされて、光加入者系の通信システム、例えばＰＯＮ（Ｐａｓｓｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）の加入者側終端装置（ＯＮＵ：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  Ｕｎｉｔ）や、局側終端装置（ＯＬＴ：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｌｉｎｅ  Ｔｅｒｍｉｎａｌ）に用いられる。しかし、近年、光軸合わせの手間を軽減するために、光導波路により構成された光合分波素子が開発されている（例えば、特許文献１〜５参照）。この光導波路を用いた光合分波素子（以下、導波路型光素子とも称する。）では、光の伝搬経路を、予め作りこまれた光導波路内に限定するので、従来の光合分波素子におけるレンズやミラー等の光軸合わせが不要となる。さらに、導波路型光素子では、発光素子及び受光素子を、予め光合分波素子に作成されたマークを基準にして、光導波路の入出射端に位置合わせすればよい。そのため、発光素子及び受光素子に入出射される光ビームの厳密な光軸合わせの手間が大幅に省かれる。
【０００４】
近年、Ｓｉを材料とするコアと、Ｓｉとの屈折率差が大きなＳｉＯ2を材料とするクラッドとで光導波路（以下、Ｓｉ光導波路とも称する。）を構成した導波路型光素子が報告されている（例えば、非特許文献１〜３参照）。
【０００５】
Ｓｉ光導波路は、コアの屈折率がクラッドよりも非常に大きく光の閉じ込めが強いために、光を１μｍ程度の小さい曲率半径で曲げる曲線状光導波路を実現することができる。また、製造時に、Ｓｉ電子デバイスでの加工技術が利用できるために、きわめて微細なサブミクロンの断面構造を実現できる。これらのことから、Ｓｉ光導波路を用いることで導波路型光素子を小型化することができる。
【０００６】
Ｓｉ光導波路により光の合分波を行う導波路型光素子として、マッハツェンダ干渉計を利用したもの、方向性結合器を利用したもの、及びグレーティングを利用したものなどが知られている。
【０００７】
方向性結合器を利用した導波路型光素子は、光の透過率が波長に依存するので、光源で生じる波長ずれが透過率変動、すなわち透過光の強度変動を引き起こす。これにより、方向性結合器を光合分波素子に用いた場合、透過出力の強度変動が生じる。また、必要な合分波能力を得るための素子長が数百ミクロンに及び、小型化が困難である。マッハツェンダ干渉計を利用した導波路型光素子は、光の透過率が一定な透過帯域を得るために、多数の素子を直列接続する必要があり、素子が長大化してしまう。
【０００８】
これに対し、グレーティングを利用した導波路型光素子（以下、グレーティング素子とも称する。）では、Ｂｒａｇｇ波長の反射光強度を高めることで、グレーティング内部への所定波長帯域の光の侵入を防止できる。その結果、この波長帯域で光の透過率を一定にすることができる。また、目的波長の半分以下の周期で格子溝を設けることで、１個の素子で、目的波長の光を十分な波長分解能で選択することができる（例えば、非特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ｖｏｌ．１８，ｐ．２３９２，２００６年１１月
【非特許文献２】Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ｖｏｌ．２０，ｐ．１９６８，２００８年１２月
【非特許文献３】ＯｐｔｉｃｓＥｘｐｒｅｓｓ  ｖｏｌ．１８，ｐ．２３８９１，２０１０年１０月
【非特許文献４】ＩＥＩＣＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ  ｖｏｌ．Ｅ−９０−Ｃ，  Ｎｏ．１，  ｐ．５９，Ｊａｎ  ２００７
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許４８６０２９４号明細書
【特許文献２】米国特許５７６４８２６号明細書
【特許文献３】米国特許５９６０１３５号明細書
【特許文献４】米国特許７０７２５４１号明細書
【特許文献５】特開平８−１６３０２８号公報
【特許文献６】特開２０００−２３５１２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、非特許文献４に記載されたＳｉをコアとするグレーティング素子は、偏波依存性があるため、ＴＥ波とＴＭ波とでＢｒａｇｇ波長に差が生じる問題があった。この問題に関して、ＩｎＰを用いた光素子では、偏波無依存なグレーティング素子が提案されている（例えば、特許文献６参照）。特許文献６では、素子に低屈折率領域と高屈折率領域とを設け、各領域でＴＥ波とＴＭ波の等価屈折率を等しくすることで偏波無依存化を達成している。すなわち、特許文献６では、ＩｎＧａＡｓＰコアを上下のＩｎＰクラッドで挟んだ３層構造体で素子を構成している。しかし、この３層構造体を、Ｓｉを用いる光素子に応用することは困難であった。それは、コアであるＳｉとクラッドであるＳｉＯ2の屈折率が大幅に異なるために、光導波路の等価屈折率をこのような層構造では精度よく制御できないからである。
【００１２】
本発明は、このような技術的背景の下でなされた。従って、本発明の目的は、今までに提案が無く、従来技術の単純適用では得られない、Ｓｉを用いたグレーティングを含む偏波無依存の導波路型光素子（グレーティング素子）と該素子を含む光素子を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
発明者は鋭意検討の結果、ＴＥ波及びＴＭ波の等価屈折率が一致するように、Ｓｉコアの寸法及び該コアを挟む第１及び第２クラッドの屈折率を最適化することにより、偏波無依存化が可能であることに想到した。従って、この発明のグレーティング素子は、クラッドとコアとで構成され、波長λの光を反射する光導波路を備える。
【００１４】
クラッドは、基板の主面上にこの順で設けられた、ＳｉＯ2を材料とする第１クラッドと、第１クラッドよりも屈折率の大きい、ＳｉＯxＮy（ただし、ｘ及びｙは、（ｘ＝２かつｙ＝０）を除く（２≧ｘ≧０かつ４／３≧ｙ≧０）である。）を材料とする第２クラッドと、第１及び第２クラッドの間に設けられた、Ｓｉを材料とするコアとを備える。
【００１５】
コアの両側面には周期Λの規則的な突出部が設けられている。そして、コアは、主面に垂直な方向の長さである厚みが、光伝搬方向に垂直かつ主面に平行な方向の長さである幅以上の大きさとされている。また、突出部が光導波路の中心軸に対して線対称に配置されており、コアの構成材料の屈折率が第１クラッドの構成材料よりも４０％以上大きい。
【００１６】
そして、光導波路に関するＴＥ波及びＴＭ波の等価屈折率ｎＴＥ及びｎＴＭが、所定の許容範囲で一致する。また、周期Λを、Λ＝λ／（２×ｎＴＥ）の関係に従うように設定する。また、ｎａｖ＝（ｎＴＥ＋ｎＴＭ）／２とし、光導波路で反射された波長λの光の全半値幅をΔλとするとき、許容範囲を、ｎａｖ×Δλ／λよりも小さい値とする。
【発明の効果】
【００１７】
この発明は上述のように構成されている。従って、Ｓｉを用いたグレーティングを含む偏波無依存のグレーティング素子及び光素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】グレーティング素子の構造を概略的に示す斜視図である。
【図２】（Ａ）はグレーティング素子を一端部側から見た場合の概略的な構造を示す側面図であり、（Ｂ）は図１の概略的な平面図である。
【図３】グレーティング素子に用いる光導波路の設計法の一例を説明するための特性図である。
【図４】（Ａ）及び（Ｂ）は、グレーティング素子の動作特性を示す特性図である。
【図５】光素子の概略的な構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。なお、各図において各構成要素の形状、大きさ及び配置関係について、この発明が理解できる程度に概略的に示してある。また、以下、この発明の好適な構成例について説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は、以下の実施形態に何ら限定されない。また、各図において、共通する構成要素には同符号を付し、その説明を省略することもある。
【００２０】
（グレーティング素子）
以下、図面を参照して、グレーティング素子の実施形態について説明する。図１は、グレーティング素子の構造を概略的に示す斜視図である。図２（Ａ）は、グレーティング素子を一端部側（図１中１６Ｉで示す）から見た概略的な構造を示す側面図であり、図２（Ｂ）は、図１に示すグレーティング素子の概略的な平面図である。図２（Ｂ）においては、クラッド１４と基板８の図示を省略している。
【００２１】
ここで、図１を参照して、以下の説明で用いる方向及び寸法を定義する。入力光ＩＮの光伝搬方向（図中矢印Ｐ）に垂直かつ基板８の主面８ａに平行な方向を幅方向と称し、幅方向に沿って測った幾何学的長さを「幅」と称する。また、主面８ａに垂直な方向を厚み方向と称し、厚み方向に沿って測った幾何学的長さを「厚み」と称する。同様に、光伝搬方向に平行な方向を長さ方向と称し、長さ方向に沿って測った幾何学的長さを「長さ」と称する。また、所定の構造体の光伝搬方向に垂直な断面のことを「横断面」と称する。
【００２２】
（構造）
図１及び図２を参照して、グレーティング素子１０の構造について説明する。グレーティング素子１０は光導波路１２を備える。光導波路１２は、基板８の主面８ａ側に設けられたクラッド１４と、クラッド１４中に設けられたコア１６とを備える。
【００２３】
クラッド１４は、第１クラッド１４ａと第２クラッド１４ｂとを備える。第１及び第２クラッド１４ａ及び１４ｂは、主面８ａ上にこの順序で設けられる。
【００２４】
第１クラッド１４ａは、平坦面である主面８ａ上に形成された厚みが均一な膜体である。この例では、第１クラッド１４ａを構成する材料は、屈折率ｎａが約１．４５のＳｉＯ2とする。光導波路１２を伝搬する光の基板８への不所望な結合を防ぐために、第１クラッド１４ａの厚みは１μｍ以上であることが好ましく、この例では、約２μｍとする。
【００２５】
この例では、第１クラッド１４ａとしてＳｉＯ2を用いている。しかし、第１クラッド１４ａの構成材料は、コアの屈折率ｎｃとの間で、ｎａ≦（１／１．４）ｎｃ（≒０．７１４ｎｃ）を満たす屈折率ｎａを有していれば、特に制限は無い。設計に応じて好適な材料を第１クラッド１４ａとして選択することができる。
【００２６】
第２クラッド１４ｂは第１クラッド１４ａ上に設けられる。この例では、第２クラッド１４ｂとして、屈折率ｎｂが約１．６３のＳｉ1.6Ｏ1.4Ｎ1.1（＝ＳｉＯ(1.4/1.6)Ｎ(1.1/1.6)）を用いている。第１及び第２クラッド１４ａ及び１４ｂの屈折率の大小関係は「ｎａ＜ｎｂ」とする。第２クラッド１４ｂの構成材料は、第１クラッド１４ａよりも大きく、コア１６よりも小さい屈折率を有する物質から、設計に応じて好適に選択できる。
【００２７】
なお、コア１６がＳｉで、第１クラッド１４ａがＳｉＯ2の条件（以下、例示条件とも称する。）では、第２クラッド１４ｂとして、屈折率ｎｂが１．４６≦ｎｂ≦２の範囲の値の材料を選択することが好ましい。屈折率ｎｂをこの範囲とすれば、例示条件下で、コア１６の寸法の最適化でグレーティング素子１０を偏波無依存とすることができる。
【００２８】
また、第２クラッド１４ｂとして、この例のように組成がＳｉＯxＮyで表されるＳｉ酸窒化物を選択する場合には、酸素と窒素の組成比ｘ及びｙを、「２≧ｘ≧０、かつ、４／３≧ｙ≧０（ただし、ｘ＝２かつｙ＝０の場合を除く）」の範囲とすることが好ましい。ｘ及びｙをこの範囲の値とすることにより、第２クラッド１４ｂの屈折率ｎｂを上述の好適範囲内に調整可能である。
【００２９】
なお、Ｓｉ酸窒化物ＳｉＯxＮyの屈折率は、化合物中の窒素に対する酸素の含有比ｘ／ｙを変化させることで調整することができる。すなわち、ｘ／ｙを小さくして酸素の含有比を下げると屈折率が減少し、ｘ／ｙを大きくして酸素の含有比を上げると屈折率が増加する。
【００３０】
このような組成のＳｉ酸窒化物は、熱酸窒化法、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、及び反応性スパッタリング法等の任意好適な方法で作成することができる。特に、特開２０１１−１１４０４５号公報では、Ｎ2比率を変えたＯ2＋Ｎ2混合ガスでＳｉターゲットを反応性スパッタリングして、組成比ｘ及びｙを制御して、所望の屈折率のＳｉ酸窒化物を得ている。
【００３１】
第２クラッド１４ｂの厚みは、グレーティング１０の設計に応じて選択される任意好適な値とすることができるが、コア１６に対するクラッドとしての機能を実用上許容できる程度に果たすためには、１〜３μｍの範囲の厚みとすることが好ましい。
【００３２】
コア１６は、第１及び第２クラッド１４ａ及び１４ｂの間に設けられる。コア１６の両側面１６Ｌ及び１６Ｒには一定周期Λの規則的な突出部１００Ｒ及び１００Ｌが形成されている。なお、突出部１００Ｒ及び１００Ｌを総称して、突出部１００とも称する。
【００３３】
このコア１６を備える光導波路１２は、周期Λに応じた波長λの光を偏波無依存で反射する。以下、光導波路１２で反射された光を反射光ＲＦとも称する。また、波長λ以外の光を透過光ＴＲとして偏波無依存で透過する。光導波路１２は言わば光導波路グレーティングとして機能する。光導波路１２では、所定の許容範囲ΔｎでｎＴＥ及びｎＴＭが一致するように、コア１６の寸法や第１及び第２クラッド１４ａ及び１４ｂの屈折率等が最適化されている。ここで、ｎＴＥ及びｎＴＭは、それぞれ、光導波路１２に関するＴＥ波及びＴＭ波の等価屈折率である。
【００３４】
なお、ＴＥ波とは、光伝搬方向に伝搬するとともに、電場が主面８ａに平行な面内で幅方向に振動する偏波を示す。また、ＴＭ波とは、光伝搬方向に伝搬するとともに、電場が主面８ａに垂直な面内で厚み方向に振動する偏波を示す。また、ＴＥ波とＴＭ波の両者を総称して、両偏波とも称する。
【００３５】
光導波路１２において、周期Λは下記式（１）を満たす値とすることが好ましい。
Λ＝λ／（２×ｎＴＥ）＝λ／（２×ｎＴＭ）・・・（１）
周期Λを、このように設定することで、光導波路１２は所望の波長λの反射光ＲＦを偏波無依存で出力する。以下、この波長λをＢｒａｇｇ波長とも称する。この例では、周期Λを約３７７ｎｍとする。これは、Ｂｒａｇｇ波長λが、約１．５９μｍの場合に相当する。
【００３６】
また、上述の「所定の許容範囲ΔｎでｎＴＥ及びｎＴＭが一致する」とは、光導波路１２が、下記式（２）の関係を満たすことを意味する。
【００３７】
ｎＴＥ＝ｎＴＭ±Δｎ・・・（２）
なお、Δｎは下記式（３）を満たす大きさであることが好ましい。
【００３８】
Δｎ＜ｎａｖ×Δλ／λ・・・（３）
ここで、ｎａｖは（ｎＴＥ＋ｎＴＭ）／２である。また、Δλは、光導波路１２から波長λの反射光ＲＦが出力される場合の、この反射光ＲＦの全半値幅である。
【００３９】
式（３）を変形したΔｎ／ｎａｖ＜Δλ／λにおいて、右辺のΔλ／λは、言わば、光導波路１２が、ＴＥ波とＴＭ波とを波長の異なる別の反射光として出力するための波長分解能に相当する。つまり、波長差がΔλ／λ以上の２つの光が光導波路１２に入力された場合、これらの２つの光は、波長分離されて別々の反射光として光導波路１２から出力される。
【００４０】
一方、左辺の分子であるΔｎは、式（１）を考慮すると、ＴＥ波及びＴＭ波に由来する反射光ＲＦの波長差｜λＴＥ−λＴＭ｜に対応する。ここで、λＴＥはＴＥ波を入力光ＩＮとしたときの反射光ＲＦの波長とし、λＴＭはＴＭ波を入力光ＩＮとしたときの反射光ＲＦの波長とする。同様に、分母であるｎａｖは、反射光ＲＦの両偏波の平均波長（（λＴＥ＋λＴＭ）／２）に対応する。
【００４１】
これらより、式（３）は、ＴＥ波由来の反射光と、ＴＭ波由来の反射光とが波長分離されずに、単一波長λの反射光ＲＦとして光導波路１２から出力されるための条件に対応する。
【００４２】
コア１６は横断面が矩形状であり、下面が第１クラッド１４ａの上面に接して設けられている。そして、両側面１６Ｌ及び１６Ｒはコア１６の下面に対して垂直に延在する。コア１６の上下面１６Ｕ及び１６Ｄは、ＴＥ波の電場の振動面に平行に配置されている。
【００４３】
コア１６の厚みＨは幅Ｗａｖ以上の大きさとする。ここで、幅Ｗａｖとは、図２（Ｂ）に仮想線で示すように、突出部１００を含むコア１６の幅をコア１６の全長に渡って平均したものとする。この仮想線で示すコアを仮想コア１６’と称する。コア１６の幅Ｗａｖ及び厚みＨは、２００〜５００ｎｍの範囲で、式（１）を満足する値とする。コア１６の厚みＨと幅Ｗａｖをこの範囲から選択すれば、光導波路１２を幅及び厚みの両方向にシングルモード導波路とすることができる。この例では、コア１６は、厚みＨを約３００ｎｍとし、幅Ｗａｖを約３００ｎｍとする。
【００４４】
さらに、上述した例示条件の場合、幅Ｗａｖを厚みＨの９０％以上、かつ、１００％未満の大きさとすることが好ましい。幅Ｗａｖをこの範囲にすることで、偏波無依存化に求められる第２クラッド１４の屈折率ｎｂの条件を緩和できる。つまり、より広範囲のｎｂで、光導波路１２を偏波無依存とすることができる。
【００４５】
コア１６に設けられる左右の突出部１００Ｌ及び１００Ｒは、光導波路１２の中心軸Ｏに対して線対称に配置される。つまり、図２（Ｂ）に示すように、コア１６の一端部１６Ｉに最も近い突出部１００Ｒ及び１００Ｌまでの、該一端部１６Ｉからの距離ＥＲ及びＥＬが互いに等しい。
【００４６】
また、側面１６Ｌ及び１６Ｒに設ける突出部１００の個数すなわち周期数は、光導波路１２の反射効率、すなわち反射光ＲＦの強度を勘案して、任意好適な数を選択することができる。この例では、突出部１００の周期数を８０とする。なお、実用上許容できる反射効率を得るためには、突出部１００の周期数は、１０周期以上とすることが好ましい。
【００４７】
また、突出部１００の、コア１６の側面１６Ｌ又は１６Ｒから測った突出量Ｄは、１０〜１００ｎｍの範囲の値とすることが好ましい。ここで、突出量Ｄとは、幅方向に最も外側に張り出した突出部１００の点と、コア１６の側面１６Ｌ又は１６Ｒとの距離である。この例では、突出量Ｄは、側面１６Ｒと、突出部１００Ｒの、光伝搬方向に平行に延在する面との距離である。突出量Ｄは、光導波路１２において、反射光ＲＦの反射効率及び波長半値幅に関係している。突出量Ｄを大きくすれば、反射光ＲＦの反射効率は増加するが、波長半値幅が広がる。逆に、突出量Ｄを小さくすれば、反射効率は減少するが、波長半値幅が狭まる。よって、突出量Ｄは、光導波路１２の用途に応じて適切な値を選択すればよい。この例では、突出量Ｄは約４０ｎｍとする。
【００４８】
また、突出部１００の光伝搬方向に沿って計った長さをＭＬとしたとき、周期Λに対するＭＬの比率を０．５とする。以降、この比率（ＭＬ／Λ）をデューティー比とも称する。デューティー比を０．５とすることにより、反射光ＲＦの強度を高めることができる。
【００４９】
上述のようにコア１６は屈折率ｎｃが３．４７のＳｉを構成材料とする。コア１６の屈折率ｎｃは、第１クラッド１４ａよりも４０％以上大きい。なお、コア１６の構成材料はＳｉに限定されることなく、任意好適なものを選択できる。
【００５０】
次に、光導波路１２を偏波無依存とするメカニズムについて説明する。グレーティング素子１０は、コア１６の構造と、第１及び第２クラッドの屈折率ｎａ及びｎｂの最適化で、光導波路１２に関する両偏波の等価屈折率を等しくし、偏波無依存化を達成している。この最適化により、両側面１６Ｌ及び１６Ｒからコア１６の外側に染み出すエバネッセント波の両偏波での違いを小さくしている。つまり、エバネッセント波の偏波間での差を小さくすれば、このエバネッセント波と突出部１００との相互作用の偏波間での差も小さくなり、結果として偏波無依存が達成される。
【００５１】
次に、図３を参照して、光導波路１２の設計法の一例について説明する。光導波路１２において、コア１６の寸法と第１及び第２クラッドの屈折率ｎａ及びｎｂとの間で、偏波無依存を達成するための定式化された条件は求められていない。よって、現状では、コア１６の寸法と第１及び第２クラッドの屈折率ｎａ及びｎｂとをそれぞれ変化させたシミュレーションから、これらの値を決定する。
【００５２】
図３は、このシミュレーションの一例を示しており、コア１６及び第１クラッド１４ａを上述した寸法及び材質とした場合に、光導波路１２を偏波無依存とする第２クラッド１４ｂの屈折率ｎｂの決定法を示している。
【００５３】
より詳細には、図３は、第２クラッド１４ｂの屈折率ｎｂと、各偏波に由来する反射光ＲＦの反射率との関係を示す特性図である。縦軸は各偏波に由来する反射光ＲＦの反射率（無次元）を示し、横軸は第２クラッド１４ｂの屈折率ｎｂ（無次元）を示す。なお、反射率とは、入力光ＩＮに対する反射光ＲＦの強度比とする。
【００５４】
計算は、３次元ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ）法で行った。なお、図３中の曲線ＴＥがＴＥ波由来の反射光ＲＦの反射率であり、曲線ＴＭがＴＭ波由来の反射光ＲＦの反射率である。
【００５５】
図３を参照すると、ｎｂ＝１の場合、すなわち第２クラッド１４ｂが空気の場合には、光導波路１２はＴＥ波しか反射しないことがわかる。そして、ｎｂの増大につれてＴＭ波由来の反射が増加し、ｎｂ＝１．４５、つまり、第１及び第２クラッド１４ａ及び１４ｂの屈折率が等しいときに、ＴＭ波の反射率は約０．５となる。この反射率（＝０．５）は、ＴＥ波のおよそ半分である。そして、ｎｂが約１．６３において、両偏波の反射率が約０．６で一致する。つまり、ｎｂ＝１．６３において、光導波路１２は偏波無依存に動作する。このように、光導波路１２に関する両偏波の等価屈折率ｎＴＥ及びｎＴＭを実質的に等しくし、さらに、両偏波の反射率を等しくすることにより、光導波路１２は偏波無依存となる。
【００５６】
なお、第２クラッド１４ｂの材料を上述のＳｉ酸窒化物ＳｉＯxＮyとする場合、ｎｂが決まれば、組成比ｘ及びｙをｎｂから求めることができる。このようにして、この例では、ｘ＝１．４／１．６、及びｙ＝１．１／１．６と決定した。なお、図３では、偏波無依存条件で、両偏波の反射率は約０．６に止まるが、上述のように、突出部１００を８０周期より増やすことで反射率を０．６以上に増加させることができる。
【００５７】
続いて、図４（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、このようにして決定されたｎｂの第２クラッド１４ｂを用いたグレーティング素子１０が偏波無依存で動作することを示す。図４（Ａ）及び（Ｂ）は、グレーティング素子１０の動作特性を示す特性図である。両図とも縦軸が、一端部１６Ｉ及び他端部１６Ｏから出力される出力光の、入力光ＩＮに対する強度比率（ｄＢ）を示し、横軸が、光の波長（μｍ）を示す。
【００５８】
図４（Ａ）は、入力光ＩＮを横軸の波長範囲のＴＥ波とした場合の、透過光ＴＲ（曲線ｔｒＴＥ）と、反射光ＲＦ（曲線ｒｆＴＥ）のそれぞれの強度比率を示す。図４（Ｂ）は、入力光ＩＮを横軸の波長範囲のＴＭ波とした場合の、透過光ＴＲ（曲線ｔｒＴＭ）と、反射光ＲＦ（曲線ｒｆＴＭ）のそれぞれの強度比率を示す。なお、計算では、光導波路１２に、上述した寸法及び材質を条件として与えた。また、計算には、３次元ＦＤＴＤ法を用いた。また、反射光ＲＦ及び透過光ＴＲは、入力光ＩＮと等しい偏波を保ったまま光導波路１２から出力される。
【００５９】
曲線ｒｆＴＥ及びｒｆＴＭを参照すると、設計通りに、両偏波とも、Ｂｒａｇｇ波長である約１．５９μｍの波長に反射光ＲＦのピークが存在する。両偏波ともピークにおける強度比率は、約−８ｄＢで等しい。このことより、光導波路１２から得られる反射光ＲＦの強度は偏波に依存しないことがわかる。
【００６０】
曲線ｔｒＴＥ及びｔｒＴＭを参照すると、Ｂｒａｇｇ波長λでボトムをとる。これは、上述のように、この波長で、両偏波が反射光ＲＦとして出力されることによる。曲線ｔｒＴＭによれば、ＴＭ波の透過光ＴＲの強度比率は、Ｂｒａｇｇ波長λ以外の波長でほぼ一定値をとる。それに対して、曲線ｔｒＴＥによれば、ＴＥ波の透過光ＴＲの強度比率は、波長約１．３μｍ付近で大きなボトムをとる。これは、このボトムの波長帯域（１．２〜１．４５μｍ）において、ＴＥ波がクラッド１４に放射されることによる。曲線ｔｒＴＥ及びｔｒＴＭを参照すると、ボトムの波長帯域以外の波長、すなわち１．４５μｍを超える波長では、両偏波の透過光ＴＲの強度比率はほぼ等しく偏波無依存が達せられている。なお、曲線ｔｒＴＥのこのボトムは実用的には殆ど問題とならない。それは、光導波路１２の設計条件を変えることで、このボトムの波長帯域を変更できるからである。
【００６１】
図４（Ａ）及び（Ｂ）から明らかなように、図３により決定されたｎｂを有する第２クラッド１４ｂを用いた光導波路１２は、偏波無依存で動作する。
【００６２】
このように、この実施形態によれば、今までに提案の無かった、Ｓｉを用いた偏波無依存な光導波路１２を備えたグレーティング素子１０が得られる。
【００６３】
以下、グレーティング素子１０の変形例について説明する。
【００６４】
この実施形態では、突出部１００のデューティー比（ＭＬ／Λ）を０．５とした場合について説明したが、デューティー比は、０＜ＭＬ／Λ＜１の範囲内で好適な値を選択できる。
【００６５】
また、この実施形態では、突出部１００は、側面１６Ｌ及び１６Ｒから幅方向に突出する直方体としている。しかし、突出部１００の形状は直方体には限定されない。例えば、平面形状が半円状、台形状、又は三角形状であってもよい。また、隣り合う２個の突出部１００及び１００の間の側面がコア１６の内側に凹んでいてもよい。
【００６６】
（光素子）
続いて、図５を参照して、光素子の実施形態について説明する。図５は光素子５０の概略的な構造を示す平面図である。光素子５０は、グレーティング素子を構成要素として備えている。従って、図５において図１及び２と同様の構成要素には、同符号を付し、重複した説明を省略する。また、図５において図１及び２との対応関係が明らかな構成要素については、符号を省略することもある。また、図５において、基板８と、第１及び第２クラッド１４ａ及び１４ｂの図示を省略している。
【００６７】
光素子５０は、グレーティング素子１０とほぼ同構成の第１及び第２グレーティング素子１０−１及び１０−２を備えている。第１及び第２グレーティング素子１０−１及び１０−２は、Ｂｒａｇｇ波長λを約１．３１μｍに設定した以外はグレーティング素子１０と同様に構成されている。さらに、光素子５０は、偏波無依存で動作する２入力２出力型の第１及び第２光カプラＣ１及びＣ２を備える。
【００６８】
概略的には、光素子５０は、第１及び第２光カプラＣ１及びＣ２の間に、第１及び第２グレーティング素子１０−１及び１０−２が並列されている。そして、第１光カプラＣ１の２個の出力が、第１及び第２グレーティング素子１０−１及び１０−２の各入力に接続され、第１及び第２グレーティング素子１０−１及び１０−２の出力が、第２光カプラＣ２の２個の入力に接続される。
【００６９】
より詳細には、第１光カプラＣ１の一方の入力端ＩＮ１−１には、光導波路ＷＧ１が接続されている。第１光カプラＣ１の他方の入力端ＩＮ１−２には、光導波路ＷＧ２が接続されている。第１光カプラＣ１の一方の出力端ＯＵＴ１−１には、光導波路ＷＧ３が接続されている。第１光カプラＣ１の他方の出力端ＯＵＴ１−２には、光導波路ＷＧ４が接続されている。
【００７０】
第１グレーティング素子１０−１の入力端には、テーパ形光導波路Ｌ１が接続され、該テーパ形光導波路Ｌ１の入力端は光導波路ＷＧ３に接続されている。第１グレーティング素子１０−１の出力端には、テーパ形光導波路Ｒ１が接続され、該テーパ形光導波路Ｒ１の出力端は光導波路ＷＧ５に接続されている。
【００７１】
第２グレーティング素子１０−２の入力端には、テーパ形光導波路Ｌ２が接続され、該テーパ形光導波路Ｌ２の入力端は光導波路ＷＧ４に接続されている。第２グレーティング素子１０−２の出力端には、テーパ形光導波路Ｒ２が接続され、該テーパ形光導波路Ｒ２の出力端は光導波路ＷＧ６に接続されている。
【００７２】
第２光カプラＣ２の一方の入力端ＩＮ２−１には、光導波路ＷＧ５が接続されている。第２光カプラＣ２の他方の入力端ＩＮ２−２には、光導波路ＷＧ６が接続されている。第２光カプラＣ２の一方の出力端ＯＵＴ２−１には、光導波路ＷＧ７が接続されている。第２光カプラＣ２の他方の出力端ＯＵＴ２−２には、光導波路ＷＧ８が接続されている。この例では、例えば、光導波路ＷＧ１〜ＷＧ８の幅及び厚みを、約３００ｎｍとする。これにより、光導波路ＷＧ１〜ＷＧ８はシングルモードで動作する。
【００７３】
なお、光素子５０の各構成要素を接続する光導波路ＷＧ１〜ＷＧ８には、特に偏波無依存性は求められない。これは、光素子５０の中心線を軸にして、構造が等しい光導波路ＷＧ１〜ＷＧ８を対称的に配置することにより、素子全体として偏波ごとに位相差を相殺できるからである。
【００７４】
第１及び第２光カプラＣ１及びＣ２には、偏波無依存性が求められる。この例では、素子寸法の調整により偏波無依存化を達成した、ＭＭＩ（ＭｕｌｔｉＭｏｄｅ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）導波路製の２×２光カプラを用いる。より詳細には、第１及び第２光カプラＣ１及びＣ２の幅を約１６００ｎｍとし、厚みを約３００ｎｍとすることで、波長が１．５５μｍ付近で偏波無依存を達成している。
【００７５】
なお、この例では、平面形状が矩形状のＭＭＩ導波路製光カプラを用いているが、偏波無依存性を有していれば、第１及び第２光カプラＣ１及びＣ２は、ＭＭＩ導波路製光カプラに限定されない。例えば、方向性結合器を利用した光カプラや、その他の２×２分岐素子を用いても良い。
【００７６】
また、テーパ形光導波路Ｌ１、Ｒ１、Ｌ２及びＲ２も、光素子５０の中心軸を軸として、対称に配置されているので、上述した理由により、偏波無依存性は求められない。
【００７７】
次に、図５を参照して、光素子５０を、光加入者系通信システム（以下、光加入者系とも称する。）におけるＯＮＵとして用いた際の動作について説明する。
【００７８】
ここで、光導波路ＷＧ１が、上り光信号ＵＰを発光する発光素子であるＬＤ（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）に接続されている。上り光信号ＵＰに用いられる光の波長λ１は、光加入者系で一般的に用いられる約１．３１μｍとする。概略的に、上り光信号ＵＰは、ＬＤから光導波路ＷＧ１及び第１光カプラＣ１を経て第１及び第２グレーティング素子１０−１及び１０−２に入力される。そして、第１及び第２グレーティング素子１０−１及び１０−２で反射されて、再度第１光カプラＣ１に戻り、光導波路ＷＧ２から出力され局側に送信される。なお、ＬＤの出力特性により、上り光信号ＵＰはＴＥ波としてＬＤから出力される。
【００７９】
また、光導波路ＷＧ７が、受光素子であるＰＤ（ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ）に接続されている。ＰＤには、局側から送信された下り光信号ＤＮが入力される。下り光信号ＤＮに用いられる光の波長λ２は、光加入者系で一般的に用いられる約１．４９μｍとする。概略的に、下り光信号ＤＮは、局から光導波路ＷＧ２及び第１光カプラＣ１を経て第１及び第２グレーティング素子１０−１及び１０−２に入力される。そして、第１及び第２グレーティング素子１０−１及び１０−２を透過して第２光カプラＣ２に入力され、光導波路ＷＧ７から出力されてＰＤで受光される。なお、局と加入者との間の光ファイバを伝搬する過程で偏波面が回転される結果、全方向の偏波面を平均して含む下り光信号ＤＮが光素子５０に到達する。
【００８０】
また、光導波路ＷＧ２の内部を、局側に向かって上り光信号ＵＰが伝搬し、光素子５０側に向かって下り光信号ＤＮが伝搬する。ここで、第１及び第２グレーティング素子１０−１及び１０−２は、上り光信号ＵＰの波長λ１がＢｒａｇｇ波長λとなるように周期が最適化されているとする。
【００８１】
まず、下り光信号ＤＮに関する光素子５０の動作について説明する。光導波路ＷＧ２を、光素子５０側に向かって伝搬する波長λ２の下り光信号ＤＮは、他方の入力端ＩＮ１−２から第１光カプラＣ１へと入力される。第１光カプラＣ１内で、複数のモードが励起された下り光信号ＤＮは、互いに干渉しあいながら伝搬し、一方及び他方の出力端ＯＵＴ１−１及びＯＵＴ１−２から等しいパワーで出力される。
【００８２】
出力端ＯＵＴ１−１から出力された下り光信号ＤＮは、光導波路ＷＧ３及びテーパ形光導波路Ｌ１を介して第１グレーティング素子１０−１へと入力される。同様に、出力端ＯＵＴ１−２から出力された下り光信号ＤＮは、光導波路ＷＧ４及びテーパ形光導波路Ｌ２を介して第２グレーティング素子１０−２へと入力される。ここで、光導波路ＷＧ３及びＷＧ４と、テーパ形光導波路Ｌ１及びＬ２は、互いに同形でありかつ配置が対称なので、偏波ごとに位相差が相殺され、全体として偏波無依存となる。
【００８３】
第１及び第２グレーティング素子１０−１及び１０−２のＢｒａｇｇ波長はλ１であるので、波長λ２の下り光信号ＤＮは、反射されずに透過して、偏波を保ったまま第２光カプラＣ２へと入力される。ここで、光導波路ＷＧ５及びＷＧ６と、テーパ形光導波路Ｒ１及びＲ２は、互いに同形でありかつ配置が対称なので、偏波ごとに位相差が相殺され、全体として偏波無依存となる。
【００８４】
ここで、一方の入力端ＩＮ２−１から第２光カプラＣ２に入力された下り光信号ＤＮを第１下り成分ＤＮ１と称する。同様に、他方の入力端ＩＮ２−２から第２光カプラＣ２に入力された下り光信号ＤＮを第２下り成分ＤＮ２と称する。第２光カプラＣ２に入力された第１及び第２下り成分ＤＮ１及びＤＮ２は、それぞれ複数のモードを励起し、これらの複数のモード間、及び下り成分ＤＮ１及びＤＮ２間で干渉しながら伝搬する。第１及び第２光カプラＣ２での干渉の結果、πの位相差を得た下り光信号ＤＮは第２光カプラＣ２の一方の出力端ＯＵＴ２−１のみから出力され、光導波路ＷＧ７を介してＰＤに出力される。
【００８５】
続いて、上り光信号ＵＰに関する光素子５０の動作について説明する。ＬＤから出力された波長λ１の上り光信号ＵＰは、光導波路ＷＧ１を介して、一方の入力端ＩＮ１−１から、第１光カプラＣ１へと入力される。第１光カプラＣ１内で、複数のモードが励起された上り光信号ＵＰは、互いに干渉しあいながら伝搬し、一方及び他方の出力端ＯＵＴ１−１及びＯＵＴ１−２から等しいパワーで出力される。
【００８６】
出力端ＯＵＴ１−１から出力された上り光信号ＵＰは、光導波路ＷＧ３及びテーパ形光導波路Ｌ１を介して第１グレーティング素子１０−１へと入力される。同様に、出力端ＯＵＴ１−２から出力された上り光信号ＵＰは、光導波路ＷＧ４及びテーパ形光導波路Ｌ２を介して第２グレーティング素子１０−２へと入力される。上述した理由により、光導波路ＷＧ３及びＷＧ４と、テーパ形光導波路Ｌ１及びＬ２とは、構造全体として偏波無依存となる。
【００８７】
第１及び第２グレーティング素子１０−１及び１０−２のＢｒａｇｇ波長に等しい波長λ１の上り光信号ＵＰは、実施形態で述べたように反射される。その結果、上り光信号ＵＰは、第１光カプラＣ１の一方及び他方の出力端ＯＵＴ１−１及びＯＵＴ１−２から、再び、第１光カプラＣ１に入力される。
【００８８】
ここで、一方の出力端ＯＵＴ１−１から第１光カプラＣ１に入力された上り光信号ＵＰを第１上り成分ＵＰ１と称する。同様に、他方の出力端ＯＵＴ１−２から第１光カプラＣ１に入力された上り光信号ＵＰを第２上り成分ＵＰ２と称する。第１光カプラＣ１に入力された第１及び第２上り成分ＵＰ１及びＵＰ２は、それぞれ複数のモードを励起し、複数のモード間、及び上り成分ＵＰ１及びＵＰ２間で干渉しながら伝搬する。第１光カプラＣ１を往復する過程で、πの位相差を得た上り光信号ＵＰは第１光カプラＣ１の他方の入力端ＩＮ１−２のみから出力され、光導波路ＷＧ２を介して局側に送信される。
【００８９】
このように、第１及び第２グレーティング素子１０−１及び１０−２を用いた光素子５０は、偏波無依存に波長の異なる光を合分波することができる。
【符号の説明】
【００９０】
８  基板
８ａ  主面
１０  グレーティング素子
１０−１  第１グレーティング素子
１０−２  第２グレーティング素子
１２  光導波路
１４  クラッド
１４ａ  第１クラッド
１４ｂ  第２クラッド
１６  コア
１６' 仮想コア
１６Ｕ  上面
１６Ｄ  下面
１６Ｌ  左側面（側面）
１６Ｒ  右側面（側面）
５０  光素子
１００，１００Ｌ，１００Ｒ  突出部
Ｃ１  第１光カプラ
Ｃ２  第２光カプラ
ＩＮ１−１，ＩＮ２−１  一方の入力端
ＩＮ１−２，ＩＮ２−２  他方の入力端
ＯＵＴ１−１，ＯＵＴ２−１  一方の出力端
ＯＵＴ１−２，ＯＵＴ２−２  他方の出力端
ＷＧ１，ＷＧ２，ＷＧ３，ＷＧ４，ＷＧ５，ＷＧ６，ＷＧ７，ＷＧ８  光導波路
Ｌ１，Ｒ１，Ｌ２，Ｒ２  テーパ形光導波路
【図１】
0005880087.tif 000002
【図２】
0005880087.tif 000003
【図３】
0005880087.tif 000004
【図４】
0005880087.tif 000005
【図５】
0005880087.tif 000006