(57)【要約】      （修正有）【課題】交差損失が低減された交差光導波路構造を提供する。【解決手段】交差光導波路構造１０は、同一面内に位置する第１光導波路１と第２光導波路２と交差部３とを備え、第１光導波路は、第１等幅部１ａと、第２等幅部１ｂと、第１テーパ部１ｃと、第２テーパ部１ｄと、を有し、第２光導波路は、第３等幅部２ａと、第４等幅部２ｂと、第３テーパ部２ｃと、第４テーパ部２ｄと、を有し、交差部は、第１テーパ部、第２テーパ部、第３テーパ部及び第４テーパ部とに接続しており、第１等幅部、第２等幅部、第３等幅部、又は第４等幅部に入力された光の伝搬モードのモードフィールド径が、第１テーパ部、第２テーパ部、第３テーパ部、又は第４テーパ部によって小さくされ、交差部で集光するように各テーパ形状が設定されている。【選択図】図１
2018116115.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１光導波路と、
前記第１光導波路と同一面内に位置する第２光導波路と、
前記第１光導波路と前記第２光導波路との交差部と、
前記第１光導波路及び前記第２光導波路の外周に形成され、前記第１光導波路、前記第２光導波路及び前記交差部よりも屈折率が小さいクラッド部と、
を備え、
前記第１光導波路は、第１等幅部と、第２等幅部と、前記第１等幅部から前記第２等幅部に向かって延伸し該第２等幅部に近づくにつれて幅が小さくなる第１テーパ部と、前記第２等幅部から前記第１等幅部に向かって延伸し該第１等幅部に近づくにつれて幅が小さくなる第２テーパ部と、を有し、
前記第２光導波路は、第３等幅部と、第４等幅部と、前記第３等幅部から前記第４等幅部に向かって延伸し該第４等幅部に近づくにつれて幅が小さくなる第３テーパ部と、前記第４等幅部から前記第３等幅部に向かって延伸し該第３等幅部に近づくにつれて幅が小さくなる第４テーパ部と、を有し、
前記交差部は、前記第１テーパ部、前記第２テーパ部、前記第３テーパ部及び前記第４テーパ部に接続しており、
前記第１等幅部、前記第２等幅部、前記第３等幅部、又は前記第４等幅部に入力された光の伝搬モードのモードフィールド径が、前記第１テーパ部、前記第２テーパ部、前記第３テーパ部、又は前記第４テーパ部によって小さくされ、前記交差部で集光するように、前記第１テーパ部、前記第２テーパ部、前記第３テーパ部、及び前記第４テーパ部の各テーパ形状が設定されていることを特徴とする交差光導波路構造。
【請求項２】
前記伝搬モードのモードフィールド径が非断熱的に変化するように、前記第１テーパ部、前記第２テーパ部、前記第３テーパ部、及び前記第４テーパ部の各テーパ形状が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の交差光導波路構造。
【請求項３】
前記第１テーパ部、前記第２テーパ部、前記第３テーパ部、及び前記第４テーパ部のテーパ角をそれぞれθ１、θ２、θ３、θ４とし、前記第１テーパ部、前記第２テーパ部、前記第３テーパ部、前記第４テーパ部、及び前記交差部の前記クラッド部に対する比屈折率差をΔとすると、以下の式（１）〜（４）が成り立つことを特徴とする請求項１又は２に記載の交差光導波路構造。
０．５×Δ≦θ１≦３×Δ  ・・・  （１）
０．５×Δ≦θ２≦３×Δ  ・・・  （２）
０．５×Δ≦θ３≦３×Δ  ・・・  （３）
０．５×Δ≦θ４≦３×Δ  ・・・  （４）
【請求項４】
以下の式（５）〜（８）が成り立つことを特徴とする請求項３に記載の交差光導波路構造。
０．７×Δ≦θ１≦１．８×Δ  ・・・  （５）
０．７×Δ≦θ２≦１．８×Δ  ・・・  （６）
０．７×Δ≦θ３≦１．８×Δ  ・・・  （７）
０．７×Δ≦θ４≦１．８×Δ  ・・・  （８）
【請求項５】
前記第１光導波路、前記第２光導波路、前記交差部及び前記クラッド部は石英系ガラスからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の交差光導波路構造。
【請求項６】
前記第２光導波路は前記第１光導波路に対して傾斜していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の交差光導波路構造。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一つに記載の交差光導波路構造を備えることを特徴とする光導波路素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交差光導波路構造及びこれを備える光導波路素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信等に用いられる光デバイスには、石英系ガラスからなる平面光波回路（Planar  Lightwave  Circuit：ＰＬＣ）を用いた光導波路素子が用いられているものがある。光導波路素子において、２つの光導波路が同一面内で交差する交差光導波路構造を採用しているものがある（非特許文献１参照）。
【０００３】
交差光導波路構造においては、光導波路の交差部において、光導波路を伝搬する光に対して損失（以下、交差損失と記載する場合がある）が発生することが知られている。これに対して、交差損失を低減するための光導波路構造が開示されている（特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−６０９２９号公報
【特許文献２】特開２０１１−０９０２２３号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】高橋正典、山崎慎太郎、内田泰芳、長谷川淳一、「ＺｒＯ２−ＳｉＯ２系高ΔＰＬＣを用いたマルチキャストスイッチの開発」、古河電工時報、第１３５号、（平成２８年２月）、第２０−２４頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、交差損失が低減された交差光導波路構造及びこれを備える光導波路素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る交差光導波路構造は、第１光導波路と、前記第１光導波路と同一面内に位置する第２光導波路と、前記第１光導波路と前記第２光導波路との交差部と、前記第１光導波路及び前記第２光導波路の外周に形成され、前記第１光導波路、前記第２光導波路及び前記交差部よりも屈折率が小さいクラッド部と、を備え、前記第１光導波路は、第１等幅部と、第２等幅部と、前記第１等幅部から前記第２等幅部に向かって延伸し該第２等幅部に近づくにつれて幅が小さくなる第１テーパ部と、前記第２等幅部から前記第１等幅部に向かって延伸し該第１等幅部に近づくにつれて幅が小さくなる第２テーパ部と、を有し、前記第２光導波路は、第３等幅部と、第４等幅部と、前記第３等幅部から前記第４等幅部に向かって延伸し該第４等幅部に近づくにつれて幅が小さくなる第３テーパ部と、前記第４等幅部から前記第３等幅部に向かって延伸し該第３等幅部に近づくにつれて幅が小さくなる第４テーパ部と、を有し、前記交差部は、前記第１テーパ部、前記第２テーパ部、前記第３テーパ部及び前記第４テーパ部に接続しており、前記第１等幅部、前記第２等幅部、前記第３等幅部、又は前記第４等幅部に入力された光の伝搬モードのモードフィールド径が、前記第１テーパ部、前記第２テーパ部、前記第３テーパ部、又は前記第４テーパ部によって小さくされ、前記交差部で集光するように、前記第１テーパ部、前記第２テーパ部、前記第３テーパ部、及び前記第４テーパ部の各テーパ形状が設定されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明の一態様に係る交差光導波路構造は、前記伝搬モードのモードフィールド径が非断熱的に変化するように、前記第１テーパ部、前記第２テーパ部、前記第３テーパ部、及び前記第４テーパ部の各テーパ形状が設定されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明の一態様に係る交差光導波路構造は、前記第１テーパ部、前記第２テーパ部、前記第３テーパ部、及び前記第４テーパ部のテーパ角をそれぞれθ１、θ２、θ３、θ４とし、前記第１テーパ部、前記第２テーパ部、前記第３テーパ部、前記第４テーパ部、及び前記交差部の前記クラッド部に対する比屈折率差をΔとすると、以下の式（１）〜（４）が成り立つことを特徴とする。
０．５×Δ≦θ１≦３×Δ  ・・・  （１）
０．５×Δ≦θ２≦３×Δ  ・・・  （２）
０．５×Δ≦θ３≦３×Δ  ・・・  （３）
０．５×Δ≦θ４≦３×Δ  ・・・  （４）
【００１０】
本発明の一態様に係る交差光導波路構造は、以下の式（５）〜（８）が成り立つことを特徴とする。
０．８×Δ≦θ１≦１．８×Δ  ・・・  （５）
０．８×Δ≦θ２≦１．８×Δ  ・・・  （６）
０．８×Δ≦θ３≦１．８×Δ  ・・・  （７）
０．８×Δ≦θ４≦１．８×Δ  ・・・  （８）
【００１１】
本発明の一態様に係る交差光導波路構造は、前記第１光導波路、前記第２光導波路、前記交差部及び前記クラッド部は石英系ガラスからなることを特徴とする。
【００１２】
本発明の一態様に係る交差光導波路構造は、前記第２光導波路は前記第１光導波路に対して傾斜していることを特徴とする。
【００１３】
本発明の一態様に係る光導波路素子は、本発明の一態様に係る交差光導波路構造を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、交差損失が低減された交差光導波路構造を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、実施形態１に係る交差光導波路構造の模式図である。
【図２】図２は、図１の交差光導波路構造における光の伝搬状態について説明する図である。
【図３】図３は、公知の交差光導波路構造の模式図である。
【図４】図４は、光の伝搬状態を説明する図である。
【図５】図５は、距離Ｌと交差損失との関係を示す図である。
【図６】図６は、実施形態２に係る交差光導波路構造の模式図である。
【図７】図７は、交差角αと交差損失との関係を示す図である。
【図８】図８は、実施形態３に係る交差光導波路構造の模式図である。
【図９】図９は、実施形態４に係る光導波路素子の模式図である。
【図１０】図１０は、実施形態４に係る光導波路素子の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一又は対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
【００１７】
(実施形態１)
図１は、実施形態１に係る交差光導波路構造の模式図である。図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ先断面図である。図１に示すように、交差光導波路構造１０は、第１光導波路１と、第１光導波路１と同一面内に位置し、第１光導波路１と直交する第２光導波路２と、第１光導波路１と第２光導波路２との交差部３と、第１光導波路１及び第２光導波路２の外周に形成されたクラッド部４と、を備えている。交差光導波路構造１０は、波長１．５５μｍ帯の光をシングルモードで好適に伝搬するように設計されている。
【００１８】
第１光導波路１、第２光導波路２及び交差部３は、屈折率を高めるドーパントであるＧｅＯ２や微粒子状態のＺｒＯ２を含む石英系ガラスからなる。クラッド部４は、下側クラッド層４ａとオーバークラッド部４ｂとを備え、第１光導波路１、第２光導波路２及び交差部３よりも屈折率が小さい石英系ガラスからなる。これによって、第１光導波路１、第２光導波路２及び交差部３は、光を閉じ込めて導波する光導波路として機能する。第１光導波路１、第２光導波路２及び交差部３は、波長１．５５μｍにおけるクラッド部４に対する比屈折率差Δがたとえば１．５％〜１０％である。本実施形態１では、第１光導波路１、第２光導波路２及び交差部３の、波長１．５５μｍにおける上記比屈折率差Δが等しい。また、第１光導波路１、第２光導波路２及び交差部３の断面は、たとえば、正方形、長方形や台形である。
【００１９】
第１光導波路１は、第１等幅部１ａと、第２等幅部１ｂと、第１テーパ部１ｃと、第２テーパ部１ｄと、を有する。第１等幅部１ａ及び第２等幅部１ｂは、長手方向において幅が一定の形状を有する。本実施形態１では、第１等幅部１ａの幅と第２等幅部１ｂの幅とは同じｗである。第１等幅部１ａ及び第２等幅部１ｂの幅ｗは、その比屈折率差Δに応じて、波長１．５５μｍの光がシングルモードで伝搬するように設定されており、例えば１．５μｍ〜５．５μｍである。
【００２０】
第１テーパ部１ｃは、第１等幅部１ａから第２等幅部１ｂに向かって延伸し、第２等幅部１ｂに近づくにつれて、所定のテーパ角θで幅が小さくなる単調なテーパ形状を有する。ここで、テーパ角θとは、破線で示す第１光導波路１の光軸と、第１テーパ部１ｃの幅方向の外縁との成す角度である。第２テーパ部１ｄは、第２等幅部１ｂから第１等幅部１ａに向かって延伸し、第１等幅部１ａに近づくにつれて、所定のテーパ角で幅が小さくなる単調なテーパ形状を有する。本実施形態１では、第２テーパ部１ｄのテーパ角は第１テーパ部１ｃのテーパ角と同じθである。また、第１テーパ部１ｃ及び第２テーパ部１ｄは交差部３に接続している。
【００２１】
同様に、第２光導波路２は、第３等幅部２ａと、第４等幅部２ｂと、第３テーパ部２ｃと、第４テーパ部２ｄと、を有する。第３等幅部２ａ及び第４等幅部２ｂは、長手方向において幅が一定の形状を有する。本実施形態１では、第３等幅部２ａの幅と第４等幅部２ｂの幅とは第１等幅部１ａの幅と同じｗである。
【００２２】
第３テーパ部２ｃは、第３等幅部２ａから第４等幅部２ｂに向かって延伸し、第４等幅部２ｂに近づくにつれて、所定のテーパ角で幅が小さくなる単調なテーパ形状を有する。第４テーパ部２ｄは、第４等幅部２ｂから第３等幅部２ａに向かって延伸し、第３等幅部２ａに近づくにつれて、所定のテーパ角で幅が小さくなる単調なテーパ形状を有する。本実施形態１では、第３テーパ部２ｃ及び第４テーパ部２ｄのテーパ角は第１テーパ部１ｃのテーパ角と同じθである。また、第３テーパ部２ｃ及び第４テーパ部２ｄは交差部３に接続している。
【００２３】
また、図１（ａ）において、距離Ｌは、それぞれ破線で示す第１光導波路１の光軸と第２光導波路２の光軸との交差点と、第２テーパ部１ｄと第２等幅部１ｂとの接続位置と、の、第１光導波路１の光軸方向における距離である。なお、本実施形態１では、第１テーパ部１ｃと第２テーパ部１ｄとは、第２光導波路２の光軸に対して対称形状を有しているので、２つの光軸との交差点と、第１テーパ部１ｃと第１等幅部１ａとの接続位置と、の、第１光導波路１の光軸方向における距離もＬである。また、第１テーパ部１ｃの幅方向の外縁と第２テーパ部１ｄの幅方向の外縁とを交差部３の内部まで延伸した場合において、外縁同士の交差点（２点）は第２光導波路２の光軸上に位置する。なお、外縁同士の交差点間の距離を幅Ｗとする。
【００２４】
同様に、第１光導波路１の光軸と第２光導波路２の光軸との交差点と、第４テーパ部２ｄと第４等幅部２ｂとの接続位置と、の、第２光導波路２の光軸方向における距離もＬである。また、第３テーパ部２ｃと第４テーパ部２ｄとは、破線で示す第１光導波路１の光軸に対して対称形状を有しているので、２つの光軸との交差点と、第３テーパ部２ｃと第３等幅部２ａとの接続位置と、の、第２光導波路２の光軸方向における距離もＬである。また、第３テーパ部２ｃの幅方向の外縁と第４テーパ部２ｄの幅方向の外縁とを交差部３の内部まで延伸した場合において、外縁同士の交差点（２点）は第１光導波路１の光軸上に位置する。
【００２５】
図２は、交差光導波路構造１０における光の伝搬状態について説明する図である。第１光導波路１に第１等幅部１ａから光Ｌ１を入力した場合、まず第１等幅部１ａはそのサイズ及び比屈折率差Δに応じた伝搬モードに基づくモードフィールド径のビームとして光Ｌ１を伝搬する。その後、第１テーパ部１ｃは、モードフィールド径を徐々に小さくするように光Ｌ１を伝搬し、交差部３の中央付近（第２光導波路２の光軸付近）で集光させる。その後、第２テーパ部１ｄはモードフィールド径を徐々に大きくするように光Ｌ１を伝搬し、第２等幅部１ｂは第１等幅部１ａにおけるモードフィールド径と略同じモードフィールド径で光Ｌ１を伝搬し、出力する。
なお、本明細書においてモードフィールド径とは、光強度分布をガウス型関数で近似した上で径方向の光強度がコアの中心部の最大値からその最大値の１／ｅ２＝０．１３５倍の値に減少した距離をいう。
【００２６】
なお、第２等幅部１ｂから光Ｌ１を入力した場合、第２テーパ部１ｄが、モードフィールド径を徐々に小さくするように光Ｌ１を伝搬し、交差部３の中央付近で集光させる。その後、第１テーパ部１ｃはモードフィールド径を徐々に大きくするように光Ｌ１を伝搬する。
【００２７】
同様に、第２光導波路２に第３等幅部２ａから光Ｌ２を入力した場合、まず第３等幅部２ａはそのサイズ及び比屈折率差Δに応じた伝搬モードに基づくモードフィールド径のビームとして光Ｌ２を伝搬する。その後、第３テーパ部２ｃは、モードフィールド径を徐々に小さくするように光Ｌ２を伝搬し、交差部３の中央付近で集光させる。その後、第４テーパ部２ｄはモードフィールド径を徐々に大きくするように光Ｌ２を伝搬し、第４等幅部２ｂは第３等幅部２ａにおけるモードフィールド径と略同じモードフィールド径で光Ｌ２を伝搬し、出力する。
【００２８】
なお、第４等幅部２ｂから光Ｌ２を入力した場合、第４テーパ部２ｄが、モードフィールド径を徐々に小さくするように光Ｌ２を伝搬し、交差部３の中央付近で集光させる。その後、第３テーパ部２ｃはモードフィールド径を徐々に大きくするように光Ｌ２を伝搬する。
【００２９】
このように、交差光導波路構造１０では、光Ｌ１と光Ｌ２は、交差部３において、いずれもモードフィールド径が小さくされて集光された状態にて交差するので、光Ｌ１と光Ｌ２とのモードフィールドの重なる範囲を小さくできる。これにより、光Ｌ１と光Ｌ２との干渉が小さくなり、この干渉に起因する、光Ｌ１と光Ｌ２との交差部３における交差損失を低減できる。なお、このことは、交差部３における第１光導波路１の伝搬モードと第２光導波路２の伝搬モードとの重なり範囲が小さくなるので、２つの伝搬モードの干渉が小さくなることを意味する。したがって、交差部３における交差損失を低減する効果は、第１光導波路１と第２光導波路２との両方に光が入力される場合に限らず、どちらか一方に光が入力される場合にも発揮される。
【００３０】
また、交差光導波路構造１０では、交差部３において光を集光させるので、交差部において光のモードフィールドを広げるようなテーパ部とするよりも、テーパ部の幅を大きくすることができる。したがって、テーパ部を形成する加工の難易度や加工精度が低減されるとともに、製造歩留まりが高くなる。
【００３１】
さらに、交差光導波路構造１０では、第１光導波路１が第１テーパ部１ｃと第２テーパ部１ｄとを有するので、どちらか一方のテーパ部が入力された光のモードフィールド径を小さくして集光する場合には、他方のテーパ部は集光された光のモードフィールド径を大きくするように作用する。その結果、交差部において光のモードフィールドを広げるようなテーパ部とするよりも、一方のテーパ部に接続された等幅部と他方のテーパ部に接続された等幅部との間の再結合損失も低減される。第２光導波路２についても、第３テーパ部２ｃと第４テーパ部２ｄとを有するので、同様に再結合損失が低減される。
【００３２】
このような交差光導波路構造１０の交差損失低減効果を実現するために、第１テーパ部１ｃ、第２テーパ部１ｄ、第３テーパ部２ｃ、及び第４テーパ部２ｄの各テーパ形状は、第１等幅部１ａ、第２等幅部１ｂ、第３等幅部２ａ、又は第４等幅部２ｂに入力された光の伝搬モードのモードフィールド径が、第１テーパ部１ｃ、第２テーパ部１ｄ、第３テーパ部２ｃ、又は第４テーパ部２ｄによって小さくされ、交差部３で集光するように設定されている。
【００３３】
また、第１テーパ部１ｃのテーパ形状は、第１等幅部１ａから伝搬してきた光の伝搬モードのモードフィールド径が適切に小さくなるように（たとえば、非断熱的に変化するように）設定されていることが好ましい。これにより、第１テーパ部１ｃの長さを必要以上に長くすることなく光の伝搬モードのモードフィールド径を急激に小さくできるので、交差光導波路構造１０を小型化できる。第２テーパ部１ｄ、第３テーパ部２ｃ、及び第４テーパ部２ｄの各テーパ形状についても、対応する等幅部から伝搬してきた光の伝搬モードのモードフィールド径が適切に小さくなるように設定されていることが好ましい。
【００３４】
本実施形態１のように第１テーパ部１ｃ、第２テーパ部１ｄ、第３テーパ部２ｃ、及び第４テーパ部２ｄが単調なテーパ形状の場合、そのテーパ角θが、比屈折率差Δとの関係で、０．５×Δ≦θ≦３×Δの範囲内であることが好ましい。この範囲であれば、光の伝搬モードのモードフィールド径を適切に小さくすることができるとともに、過度に急激な変化のために光がマルチモード伝搬となって伝搬損失が発生するということを抑制することができる。なお、より好ましくは、０．７×Δ≦θ≦１．８×Δの範囲内である。したがって、Δが１．５５％の場合、好ましくは０．８度以上４．７度以下であり、より好ましくは１．１度以上２．８度以下である。また、Δが５％の場合、好ましくは２．５度以上１５度以下であり、より好ましくは３．５度以上９度以下である。
【００３５】
なお、本実施形態１では、第１テーパ部１ｃ、第２テーパ部１ｄ、第３テーパ部２ｃ、及び第４テーパ部２ｄのテーパ角がいずれもθであり、各テーパ部及び交差部３の比屈折率差がいずれもΔであるが、テーパ角がテーパ部毎に異なる場合は、以下のように設定することが好ましい。
【００３６】
すなわち、第１テーパ部１ｃ、第２テーパ部１ｄ、第３テーパ部２ｃ、及び第４テーパ部２ｄのテーパ角をそれぞれθ１、θ２、θ３、θ４とすると、以下の式（１）〜（４）が成り立つことが好ましい。
０．５×Δ≦θ１≦３×Δ  ・・・  （１）
０．５×Δ≦θ２≦３×Δ  ・・・  （２）
０．５×Δ≦θ３≦３×Δ  ・・・  （３）
０．５×Δ≦θ４≦３×Δ  ・・・  （４）
【００３７】
さらには、以下の式（５）〜（８）が成り立つことがより好ましい。
０．７×Δ≦θ１≦１．８×Δ  ・・・  （５）
０．７×Δ≦θ２≦１．８×Δ  ・・・  （６）
０．７×Δ≦θ３≦１．８×Δ  ・・・  （７）
０．７×Δ≦θ４≦１．８×Δ  ・・・  （８）
【００３８】
つぎに、シミュレーション計算結果により本実施形態１の効果を説明する。本実施形態１に係る交差光導波路構造１０と、図３に示すような２本の等幅の光導波路１１１と１１２とが直交した公知の交差光導波路構造１１０との光の伝搬状態を、シミュレーション計算により確認した。
【００３９】
なお、シミュレーション計算において、光の波長を１．５５μｍとし、交差光導波路構造１０については、比屈折率差Δを５％とし、図１に示すテーパ角θを５度とし、幅ｗを２．６μｍとし、幅Ｗを１．２μｍとし、距離Ｌを４．０μｍとした。また、交差光導波路構造１１０については、光導波路１１１、１１２の比屈折率差を５％とし、導波路幅を２．６μｍとした。
【００４０】
図４は、光の伝搬状態を説明する図である。図４は光のフィールド分布を示しており、横軸は光の伝搬距離、縦軸は導波路の幅方向における光軸からの距離を示す。０〜０．８までの数値が光の強度を示しており、数値が高い部分ほど光強度が高いことを示している。
【００４１】
図４（ａ）は交差光導波路構造１１０の光の伝搬状態を示し、図４（ｂ）は交差光導波路構造１０の光の伝搬状態を示す。図４（ａ）に示すように交差光導波路構造１１０では交差部における伝搬モードの干渉に起因すると考えられる光の漏れがある。しかし、図４（ｂ）に示すように交差光導波路構造１０では交差部において光が集光し、光漏れが発生しておらず、伝搬モードの干渉及びこれによる交差損失が低減されると考えられることが確認された。
【００４２】
図５は、交差光導波路構造１０において、図４に示したシミュレーション計算の条件で距離Ｌを変化させて、交差損失を計算したときの、距離Ｌと交差損失との関係を示す図である。図５に示すように、距離Ｌを２μｍから１０μｍまで５倍変化させても、この範囲であれば、交差損失を０．１ｄＢ以下にできることが確認された。
【００４３】
さらに、交差光導波路構造１０について、光の波長を１．５５μｍとし、比屈折率差Δを５％または１．５５％とし、幅ｗを２．６μｍとした条件で、交差損失が最小となる最適なテーパ角θ、距離Ｌ、幅Ｗをシミュレーション計算した。その結果、比屈折率差Δが５％の場合、最適なテーパ角θ、距離Ｌ、幅Ｗは、それぞれ、７．９７°、５μｍ、１．２μｍであり、この場合の交差損失の値は０．０３ｄＢとなった。一方、比屈折率差Δが１．５５％の場合、最適なテーパ角θ、距離Ｌ、幅Ｗは、それぞれ、１．１４°、２５μｍ、３．８μｍであり、この場合の交差損失の値は０．０１ｄＢとなった。
【００４４】
（実施形態２）
図６は、実施形態２に係る交差光導波路構造の模式図である。本実施形態２に係る交差光導波路構造１０Ａは、実施形態１に係る交差光導波路構造１０において、第２光導波路２が第１光導波路１に対して交差角αで傾斜している構成を有する。ここで、交差角は９０度以外の角度であり、例えば３０度〜８０度である。なお、幅ｗ、Ｗ及び距離Ｌは交差光導波路構造１０における幅ｗ、Ｗ及び距離Ｌと同じ意味である。
【００４５】
このように、本発明は、第２光導波路２が第１光導波路１と直交する構造に限られず、交差光導波路構造１０Ａのように、第１光導波路１に対して傾斜している構造に適用しても、交差損失を低減することができる。
【００４６】
また、交差光導波路構造１０Ａでは、第１光導波路１と第２光導波路２とは、等幅部と、交差部に向かって幅が小さくなるテーパ部とで構成されている。その結果、第１光導波路１と第２光導波路２とを物理的に干渉させずに、第１光導波路１と第２光導波路２との交差角αをたとえば３０度のように小さくすることができる。
【００４７】
つぎに、シミュレーション計算結果により本実施形態２について説明する。本実施形態２に係る交差光導波路構造１０Ａにおいて比屈折率差Δを５％または１．５５％とし、テーパ角θを５度とし、交差角α、幅Ｗ、距離Ｌを表１のように変化させ、交差損失を計算した。同様にして、図３に示す公知例の構造において比屈折率差Δを５％または１．５５％とし、交差角を表１のように変化させ、交差損失を計算した。
【表１】
2018116115.tif 000003
【００４８】
図７は、交差角αと交差損失との関係を示す図である。図７（ａ）が比屈折率差Δが５％の場合であり、図７（ｂ）が１．５５％の場合である。図７に示すように、比屈折率差Δが５％と１．５５％のいずれの場合も、実施形態２の構造は、公知例の構造に対して、交差損失を小さくできる効果があり、特に比屈折率差Δが大きい程、及び交差角αが小さい程、その効果が顕著であることが確認された。
【００４９】
（実施形態３）
図８は、実施形態３に係る交差光導波路構造の模式図である。本実施形態３に係る交差光導波路構造１０Ｂは、第１光導波路１Ａと、第１光導波路１Ａと同一面内に位置し、第１光導波路１Ａと直交する第２光導波路２Ａと、第１光導波路１Ａと第２光導波路２Ａとの交差部３と、第１光導波路１Ａ及び第２光導波路２Ａの外周に形成されたクラッド部４と、を備えている。
【００５０】
第１光導波路１Ａ及び第２光導波路２Ａは、屈折率を高めるドーパントを含む石英系ガラスからなり、クラッド部４より屈折率が高い。本実施形態３では、第１光導波路１Ａ、第２光導波路２Ａ及び交差部３の、波長１．５５μｍにおける上記比屈折率差Δが等しい。
【００５１】
第１光導波路１Ａは、第１等幅部１Ａａと、第２等幅部１Ａｂと、第１テーパ部１Ａｃと、第２テーパ部１Ａｄと、を有する。第１等幅部１Ａａ及び第２等幅部１Ａｂは、長手方向において幅が一定の形状を有する。本実施形態３では、第１等幅部１Ａａの幅と第２等幅部１Ａｂの幅とは同じであり、波長１．５５μｍの光がシングルモードで伝搬するように設定されている。
【００５２】
第１テーパ部１Ａｃは、第１等幅部１Ａａから第２等幅部１Ａｂに向かって延伸し、第２等幅部１Ａｂに近づくにつれて幅が小さくなるテーパ形状を有する。第１テーパ部１Ａｃは交差部３に接続している。ただし、この第１テーパ部１Ａｃは、実施形態１に係る交差光導波路構造１０の第１テーパ部１ｃとは異なり、テーパ部１Ａｃａとテーパ部１Ａｃｂとを備えている。テーパ部１Ａｃａは第１等幅部１Ａａに接続しており、テーパ部１Ａｃｂは交差部３に接続している。テーパ部１Ａｃａはテーパ部１Ａｃｂよりも大きいテーパ角を有する。すなわち、第１テーパ部１Ａｃは、テーパ角が２段階で変化する２段テーパ構造を有する。
【００５３】
同様に、第２テーパ部１Ａｄも、第２等幅部１Ａｂに接続するテーパ部１Ａｄａと交差部３に接続するテーパ部１Ａｄｂとを備えている。テーパ部１Ａｄａはテーパ部１Ａｄｂよりも大きいテーパ角を有しており、第２テーパ部１Ａｄは２段テーパ構造を有する。
【００５４】
同様に、第２光導波路２Ａは、第３等幅部２Ａａと、第４等幅部２Ａｂと、第３テーパ部２Ａｃと、第４テーパ部２Ａｄと、を有する。第３等幅部２Ａａ及び第４等幅部２Ａｂは、長手方向において幅が一定の形状を有する。本実施形態３では、第３等幅部２Ａａの幅と第４等幅部２Ａｂの幅とは第１等幅部１Ａａの幅と同じである。
【００５５】
第３テーパ部２Ａｃは、第３等幅部２Ａａから第４等幅部２Ａｂに向かって延伸し、第４等幅部２Ａｂに近づくにつれて幅が小さくなるテーパ形状を有する。第３テーパ部２Ａｃは交差部３に接続している。第３テーパ部２Ａｃも、第３等幅部２Ａａに接続するテーパ部２Ａｃａと交差部３に接続するテーパ部２Ａｃｂとを備えている。テーパ部２Ａｃａはテーパ部２Ａｃｂよりも大きいテーパ角を有しており、第３テーパ部２Ａｃは２段テーパ構造を有する。
【００５６】
同様に、第４テーパ部２Ａｄも、第４等幅部２Ａｂに接続するテーパ部２Ａｄａと交差部３に接続するテーパ部２Ａｄｂとを備えている。テーパ部２Ａｄａはテーパ部２Ａｄｂよりも大きいテーパ角を有しており、第４テーパ部２Ａｄは２段テーパ構造を有する。
【００５７】
交差光導波路構造１０Ｂにおいても、第１等幅部１Ａａ、第２等幅部１Ａｂ、第３等幅部２Ａａ、又は第４等幅部２Ａｂに入力された光の伝搬モードのモードフィールド径が、第１テーパ部１Ａｃ、第２テーパ部１Ａｄ、第３テーパ部２Ａｃ、又は第４テーパ部２Ａｄによって小さくされ、交差部３で集光するように、第１テーパ部１Ａｃ、第２テーパ部１Ａｄ、第３テーパ部２Ａｃ、及び第４テーパ部２Ａｄの各テーパ形状が設定されている。これにより、実施形態１、２と同様に交差部３における交差損失が低減される。
【００５８】
なお、本実施形態では第１テーパ部１Ａｃ、第２テーパ部１Ａｄ、第３テーパ部２Ａｃ、及び第４テーパ部２Ａｄが２段テーパ構造を有するが、本発明はこれに限らず、３段テーパ構造以上の多段テーパ構造を有していてもよい。
【００５９】
（実施形態４）
本発明の実施形態に係る交差光導波路構造は、様々な光導波路素子に適用することができる。図９は、実施形態４に係る光導波路素子の模式図である。光導波路素子１００は、ＤＰ−ＱＰＳＫ変調方式の復調器に用いられるコヒーレントミキサとして使用することを想定した構成を有する。
【００６０】
具体的には、光導波路素子１００は、入力光導波路１１、１２と、偏波分波器２１と、接続光導波路３１、３２、３３、３４と、９０度ハイブリッド素子４１、４２と、Ｙ分岐光導波路５１と、スリット６１、６２と、１／２波長板７１と、を備えている。
【００６１】
信号光としての光Ｌ１が入力される入力光導波路１１は、曲率の正負が逆で曲率半径が等しく、かつ弧の角度が等しい屈曲部を組み合わせたＳ字形状の屈曲部を経由して、偏波分波器２１へ接続されている。一方、局所発振光ＬＯが入力される入力光導波路１２は、略直線状にＹ分岐光導波路５１へ接続されている。
【００６２】
偏波分波器２１は、Ｙ分岐光導波路と方向性結合器とＹ分岐光導波路及び方向性結合器を接続する２本のアーム光導波路とを備えており、マッハツェンダー（Mach-Zehnder  Interferometer：ＭＺＩ）型干渉計の構成を有している。接続光導波路３１、３３は、それぞれ、偏波分波器２１によって分波された光線の光路を９０度ハイブリッド素子４１、４２へ接続する光路である。
【００６３】
Ｙ分岐光導波路５１は、入力光導波路１２に入力された局所発振光ＬＯを、分岐比１：１で接続光導波路３２、３４に分岐する。接続光導波路３２、３４は、それぞれＹ分岐光導波路５１によって分波された光線の光路を９０度ハイブリッド素子４１、４２へ接続する光路である。
【００６４】
９０度ハイブリッド素子４１、４２は、干渉回路の一種であり、入力された光Ｌ１と局所発振光ＬＯとをそれぞれ二分岐し、二分岐された局所発振光ＬＯに光波の相対位相差として９０度の位相差を与えた後、二分岐された一方の光Ｌ１と局所発振光ＬＯ、及び二分岐されたもう一方の光Ｌ１と局所発振光ＬＯをそれぞれ混合する回路である。
【００６５】
Ｙ分岐光導波路５１から９０度ハイブリッド素子４１への接続光導波路３２には、スリット６１が設けられ、当該スリット６１には１／２波長板７１が挿入されている。なお、１／２波長板７１の光軸は接続光導波路３２の偏波軸と４５度の角度をなすように調整されている。したがって、１／２波長板７１を通過する局所発振光ＬＯは、偏波が９０度回転されて９０度ハイブリッド素子４１へ入力される。
【００６６】
一方、Ｙ分岐光導波路５１から９０度ハイブリッド素子４２への接続光導波路３４には、スリット６２が設けられているが、当該スリット６２には１／２波長板が挿入されていない。したがって、９０度ハイブリッド素子４２へは、そのままの偏波で局所発振光ＬＯが入力される。スリット６２は、接続光導波路３２においてスリット６１と１／２波長板７１とにより発生する損失とのバランスをとるために損失を発生させる要素として設けられている。
【００６７】
さらに、入力光導波路１１と接続光導波路３４の交差する箇所には実施形態２に係る交差光導波路構造１０Ａと同様の構造の交差光導波路構造Ｃ１が設けられている。これにより、入力光導波路１１を伝搬する光Ｌ１及び接続光導波路３４を伝搬する二分岐された局所発振光ＬＯが交差光導波路構造Ｃ１を通過するときの損失が低減される。
【００６８】
また、９０度ハイブリッド素子４１、４２も、交差光導波路構造１０Ａと同様の構造の交差光導波路構造Ｃ２、Ｃ３をそれぞれ備えている。また、９０度ハイブリッド素子４１は、交差光導波路構造Ｃ２と同構造の交差光導波路構造Ｃ２１、Ｃ２２を備えている。同様に、９０度ハイブリッド素子４３は、交差光導波路構造Ｃ３と同構造の交差光導波路構造Ｃ３１、Ｃ３２を備えている。
【００６９】
交差光導波路構造Ｃ２は、９０度ハイブリッド素子４１の２分岐部４１ａ、４１ｂのそれぞれから分岐した一方の光導波路が交差する構造である。交差光導波路構造Ｃ２１、Ｃ２２は、それぞれ、２分岐部４１ａ、４１ｂのそれぞれから分岐した他方の光導波路に設けられている。交差光導波路構造Ｃ３は、９０度ハイブリッド素子４３の２分岐部４２ａ、４２ｂのそれぞれから分岐した一方の光導波路が交差する構造である。交差光導波路構造Ｃ３１、Ｃ３２は、それぞれ、２分岐部４２ａ、４２ｂのそれぞれから分岐した他方の光導波路に設けられている。
【００７０】
交差光導波路構造Ｃ２１、Ｃ２２は、以下の理由で設けられている。９０度ハイブリッド素子４１に交差光導波路構造１０Ａと同様の構造の交差光導波路構造Ｃ２を適用すると、交差光導波路構造Ｃ２において位相の変化が生じてしまう。すなわち、接続光導波路３２から２分岐部４１ａを経由して交差光導波路構造Ｃ２を通過する局所発振光ＬＯ１の経路と、接続光導波路３１から２分岐部４１ｂを経由して交差光導波路構造Ｃ２を通過する光Ｌ１１の経路との位相差は、本来９０度とすべきだが、交差光導波路構造Ｃ２を通過すると位相がずれてしまう。たとえば、交差光導波路構造Ｃ２における交差する光導波路及び交差部のクラッド部に対する比屈折率差が５％の場合、位相が３０度変化し、位相差が６０度となってしまう場合がある。
【００７１】
そこで、９０度ハイブリッド素子４１において、交差光導波路構造Ｃ２とともに、交差光導波路構造Ｃ２と同構造のダミーの交差光導波路構造Ｃ２１、Ｃ２２を設けることにより、上記２つの経路の位相差を９０度とすることができる。同様に、９０度ハイブリッド素子４２において、交差光導波路構造Ｃ３とともに、交差光導波路構造Ｃ３と同構造のダミーの交差光導波路構造Ｃ３１、Ｃ３２を設けることにより、２つの経路の位相差を９０度とすることができる。
【００７２】
（実施形態５）
図９は、実施形態５に係る光導波路素子の模式図である。光導波路素子２００は、非特許文献１にも記載されるマルチキャストスイッチに適用できるものであり、光導波路で構成された８つの１×２スプリッタ２１１、２１２、２１３、２１４、２１５、２１６、２１７及び２１８がアレイ状に配列された構造を少なくとも備える。
【００７３】
１×２スプリッタ２１１は、ＭＭＩ（Multi-Mode  Interferometer）カプラなどの１×２光カプラであり、２つの分岐光導波路２１１ａ、２１１ｂに分岐している。１×２スプリッタ２１８も、１×２光カプラであり、２つの分岐光導波路２１８ａ、２１８ｂに分岐している。その他の１×２スプリッタ２１２〜２１６も２つの分岐光導波路に分岐している。
【００７４】
分岐光導波路２１１ａ、２１８ｂ以外の分岐光導波路は、他の分岐光導波路と交差している。例えば、分岐光導波路２１１ｂ、２１８ａは、他の７つの分岐光導波路と交差している。２つの分岐光導波路の交差する箇所のいずれにも、実施形態２に係る交差光導波路構造１０Ａと同様の構造の交差光導波路構造が設けられている。これにより、各分岐光導波路が交差光導波路構造を通過するときの損失が低減される。
【００７５】
さらに、光導波路素子２００は、１×２スプリッタ２１１〜２１８の分岐導波路のいずれかと交差する交差光導波路２２１、２２２、２２３、２２４、２２５、２２６、２２７、２３１、２３２、２３３、２３４、２３５、２３６、２３７を備えている。
【００７６】
交差光導波路２２１〜２２７、２３１〜２３７は、各分岐光導波路が、他の光導波路（分岐光導波路又は交差光導波路）と交差する箇所が等しくなるように機能する。具体的には、例えば分岐光導波路２１１ｂは他の７つの分岐光導波路と交差しているので、交差する箇所が７つ存在する。これに対して、分岐光導波路２１１ａは他の分岐光導波路と交差していないが、７つの交差光導波路２２１〜２２７と交差することにより、他の光導波路と交差する箇所が７つ形成される。これにより、分岐光導波路２１１ａと分岐光導波路２１１ｂとの間で導波する光の位相差が小さくなるので、光の位相差に起因する偏波依存損失が低減される。同様に、他の分岐光導波路のいずれについても、交差光導波路２２１〜２２７、２３１〜２３７が設けられていることにより、他の光導波路と交差する箇所が７つとなる。これにより、光の位相差及びそれに起因する偏波依存損失が低減される。好ましくは、分岐光導波路同士が交差する箇所の交差光導波路構造と、分岐光導波路と交差光導波路とが交差する箇所の交差光導波路構造とを同じ構造とすれば、光の位相差及びそれに起因する偏波依存損失は殆ど発生しなくなる。
【００７７】
なお、上記各実施形態では、第１テーパ部、第２テーパ部、第３テーパ部、及び第４テーパ部のテーパ形状は、導波路の外縁が直線状で幅が小さくなる形状であるが、外縁がカーブするように幅が小さくなる形状でもよい。導波路の外縁がカーブしている場合には、外縁と光軸との成す角が等幅部側で大きく、交差部側で小さいようにカーブしている、すなわち光軸に対して外縁が内側に膨らむようにカーブしていることが好ましい。これにより、交差する導波路を物理的に干渉させずに、交差角を大きくすることができる。
【００７８】
また、上記各実施形態では、第１光導波路、第２光導波路、交差部及びクラッド部は石英系ガラスからなるが、本発明はこれに限らず、第１光導波路、第２光導波路、交差部及びクラッド部が他の誘電体材料や半導体材料からなる交差光導波路構造にも適用できる。
【００７９】
また、上記実施形態の交差光導波路構造や光導波路素子は石英系ガラスからなるものであるが、本発明はシリコン細線光導波路やＩｎＰ系半導体材料からなる光導波路における交差光導波路構造にも適用できる。
【００８０】
なお、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
【符号の説明】
【００８１】
１、１Ａ  第１光導波路
１ａ、１Ａａ  第１等幅部
１ｂ、１Ａｂ  第２等幅部
１ｃ、１Ａｃ  第１テーパ部
１Ａｃａ、１Ａｃｂ、１Ａｄａ、１Ａｄｂ、２Ａｃａ、２Ａｃｂ、２Ａｄａ、２Ａｄｂ  テーパ部
１ｄ、１Ａｄ  第２テーパ部
２、２Ａ  第２光導波路
２ａ、２Ａａ  第３等幅部
２ｂ、２Ａｂ  第４等幅部
２ｃ、２Ａｃ  第３テーパ部
２ｄ、２Ａｄ  第４テーパ部
３  交差部
４  クラッド部
４ａ  下側クラッド層
４ｂ  オーバークラッド部
１０、１０Ａ、１０Ｂ、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ３１、Ｃ３２  交差光導波路構造
１１、１２  入力光導波路
２１  偏波分波器
３１、３２、３３、３４  接続光導波路
４１、４２  ９０度ハイブリッド素子
５１  Ｙ分岐光導波路
６１、６２  スリット
７１  １／２波長板
１００、２００  光導波路素子
２１１、２１２、２１３、２１４、２１５、２１６、２１７、２１８  １×２スプリッタ
２１１ａ、２１１ｂ、２１８ａ、２１８ｂ  分岐光導波路
２２１、２２２、２２３、２２４、２２５、２２６、２２７、２３１、２３２、２３３、２３４、２３５、２３６、２３７  交差光導波路
【図１】
2018116115.tif 000004
【図２】
2018116115.tif 000005
【図３】
2018116115.tif 000006
【図４】
2018116115.tif 000007
【図５】
2018116115.tif 000008
【図６】
2018116115.tif 000009
【図７】
2018116115.tif 000010
【図８】
2018116115.tif 000011
【図９】
2018116115.tif 000012
【図１０】
2018116115.tif 000013