(57)【要約】      （修正有）【課題】フォトニック結晶を利用し、入力された光を異なるモードに変換して反射できる光導波路素子を提供する。【解決手段】モード変換部、モード変換部の一端に隣接して形成された第１補償部、及びモード変換部の他端に隣接して形成された第２補償部を含む光導波路コアと、光導波路コアを包含するクラッドとを備える。モード変換部には、周期的に形成された複数の空孔を含む第１空孔群、及び第２空孔群を含むフォトニック結晶が形成されている。フォトニック結晶は、波長λに対し、第１空孔群及び第２空孔群の周期をΛ、基本モードに対する等価屈折率をｎ０、ｑ次モードに対する等価屈折率ｎｑとして、２π／Λ＝２π（ｎ０＋ｎｑ）／λを満たす。第１補償部及び第２補償部には、それぞれ１又は複数のサブ空孔が形成されており、第１補償部及び第２補償部は、特定の波長λの基本モードの光を基本モードのまま反射する。【選択図】図１
2019035855.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１仮想線分、及び前記第１仮想線分と平行な第２仮想線分に沿い、かつ前記第１仮想線分及び前記第２仮想線分と重なる位置に設けられた光導波路コアと、
前記光導波路コアを包含するクラッドと
を備え、
前記光導波路コアは、前記第１仮想線分及び前記第２仮想線分に沿って直列に接続された
モード変換部と、
前記モード変換部の一端に隣接して形成された第１補償部と、
前記モード変換部の他端に隣接して形成された第２補償部と
を含み、
前記モード変換部には、前記第１仮想線分と重なる位置に配列して周期的に形成された複数の空孔を含む第１空孔群、及び前記第２仮想線分と重なる位置に配列して、前記第１空孔群と同一周期で形成された複数の空孔を含む第２空孔群を含むフォトニック結晶が形成されており、
前記フォトニック結晶は、特定の波長λに対し、前記第１空孔群に含まれる空孔及び前記第２空孔群に含まれる空孔の周期をΛ、基本モードに対する等価屈折率をｎ０、ｑ（ｑはｑ＞０の整数）次モードに対する等価屈折率をｎｑとして、２π／Λ＝２π（ｎ０＋ｎｑ）／λを満たし、
前記第１補償部及び前記第２補償部には、それぞれ１又は複数のサブ空孔が形成されており、前記第１補償部及び前記第２補償部は、前記特定の波長λの基本モードの光を基本モードのまま反射する
ことを特徴とする光導波路素子。
【請求項２】
前記第１空孔群及び前記第２空孔群に含まれる空孔はそれぞれ固有の直径を持ち、該直径には、少なくとも２以上の値がある
ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
【請求項３】
前記第１空孔群に含まれる空孔及び前記第２空孔群に含まれる空孔は、前記モード変換部の上面から該モード変換部の厚さ方向の中途まで、該モード変換部を掘り込んで形成されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光導波路素子。
【請求項４】
前記クラッドを介して前記モード変換部を被覆する位置に、前記モード変換部に熱を与えるための電極が形成されている
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光導波路素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の光導波路素子と、結合部を含む出力導波路コアとを備え、
前記光導波路コアは、前記モード変換部と直列に接続され、基本モード及びｑ次モードの光を伝播させる多モード導波路部をさらに含み、
前記第１補償部は、前記多モード導波路部の一部として形成されており、
前記クラッドは、前記光導波路コア及び前記出力導波路コアを包含し、
前記多モード導波路部と前記結合部とが、互いに離間しかつ並んで配置された結合領域が設定されており、
前記結合領域では、前記多モード導波路部を伝播するｑ次モードの光と、前記結合部を伝播するｒ（ｒはｒ≧０の整数）次モードの光とが結合される
ことを特徴とする波長フィルタ。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の光導波路素子を備え、
前記光導波路コアは、前記第１仮想線分及び前記第２仮想線分に沿って直列に接続された
ｎ個（ｎは２以上の整数）の前記モード変換部並びに前記第１補償部及び前記第２補償部と、
ｎ−１個のキャビティ部と
を含み、
前記モード変換部と前記キャビティ部とは、交互に接続されており、
前記キャビティ部を挟んで隣り合う前記モード変換部間に存在する前記第１補償部及び前記第２補償部は、隣り合う前記モード変換部間に挟まれた前記キャビティ部の一部として形成されており、
前記キャビティ部は、当該キャビティ部を伝播する、特定の波長の基本モードの光の位相を整合させる
ことを特徴とする波長フィルタ。
【請求項７】
前記光導波路コアは、最端に配置された前記モード変換部の一端に隣接する前記第１補償部に、直列に接続された入力側テーパ部をさらに含み、
前記入力側テーパ部は、一端から前記第１補償部側の他端へ、連続的に幅が拡大し、
前記入力側テーパ部の一端は、基本モードに対応する幅に設定されている
ことを特徴とする請求項６に記載の波長フィルタ。
【請求項８】
結合部を含む出力導波路コアをさらに備え、
前記光導波路コアは、最端に配置された前記モード変換部に直列に接続され、基本モード及びｑ次モードの光を伝播させる多モード導波路部をさらに含み、
前記最端に配置されたモード変換部の、前記多モード導波路部側の一端に隣接して形成された第１補償部は、前記多モード導波路部の一部として形成されており、
前記クラッドは、前記光導波路コア及び前記出力導波路コアを包含し、
前記多モード導波路部と前記結合部とが、互いに離間しかつ並んで配置された結合領域が設定されており、
前記結合領域では、前記多モード導波路部を伝播するｑ次モードの光と、前記結合部を伝播するｒ（ｒはｒ≧０の整数）次モードの光とが結合される
ことを特徴とする請求項６に記載の波長フィルタ。
【請求項９】
前記クラッドを介して前記キャビティ部を被覆する位置に、前記キャビティ部に熱を与えるための電極が形成されている
ことを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載の波長フィルタ。
【請求項１０】
前記サブ空孔と最も近接する前記モード変換部の前記空孔との長さ方向に沿った中心間距離が、前記第１空孔群に含まれる空孔及び前記第２空孔群に含まれる空孔の周期の５／８周期に相当する長さである
ことを特徴とする請求項６〜９のいずれか一項に記載の波長フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、フォトニック結晶によって特定の波長の光を反射する光導波路素子及びこれを備える波長フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、小型化や量産性に有利な光デバイスの開発に当たり、Ｓｉ（シリコン）を導波路の材料として用いるＳｉ導波路が注目を集めている。
【０００３】
Ｓｉ導波路では、実質的に光の伝送路となる光導波路コアを、Ｓｉを材料として形成する。そして、Ｓｉよりも屈折率の低い例えばシリカ等を材料としたクラッドで、光導波路コアの周囲を覆う。このような構成により、光導波路コアとクラッドとの屈折率差が極めて大きくなるため、光導波路コア内に光を強く閉じ込めることができる。その結果、曲げ半径を例えば１μｍ程度まで小さくした、小型の曲線導波路を実現することができる。そのため、電子回路と同程度の大きさの光回路を作成することが可能であり、光デバイス全体の小型化に有利である。
【０００４】
また、Ｓｉ導波路では、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の半導体装置の製造過程を流用することが可能である。そのため、チップ上に電子機能回路と光機能回路とを一括形成する光電融合（シリコンフォトニクス）の実現が期待されている。
【０００５】
ところで、波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ）方式を利用した受動型光加入者ネットワーク（ＰＯＮ：Ｐａｓｓｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）では、加入者側装置（ＯＮＵ：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  Ｕｎｉｔ）毎に異なる受信波長が割り当てられる。局側装置（ＯＬＴ：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｌｉｎｅ  Ｔｅｒｍｉｎａｌ）は、各ＯＮＵへの下り光信号を、送り先の受信波長に対応した送信波長でそれぞれ生成し、これらを多重して送信する。各ＯＮＵは、複数の波長で多重された下り光信号から、自身に割り当てられた受信波長の光信号を選択的に受信する。ＯＮＵでは、各々の受信波長の下り光信号を選択的に受信するために、波長フィルタが使用される。そして、波長フィルタを、上述したＳｉ導波路によって構成する技術が実現されている。
【０００６】
Ｓｉ導波路を用いる波長フィルタとしては、例えば、マッハツェンダー干渉器を用いたものやアレイ導波路グレーティングを用いたものがある。また、Ｓｉ導波路を用いる波長フィルタとして、リング共振器（例えば特許文献１〜３参照）や、グレーティング型（例えば特許文献４参照）又は方向性結合器型（例えば特許文献５参照）の波長フィルタがある。これらの波長フィルタは、電極を設け、電圧を印可することによって、出力波長を可変にできるという利点がある。さらに、グレーティングと同様に、光を回折させることによって、特定の波長を逆方向に反射させる素子として、フォトニック結晶と呼ばれる構造がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−２１５５１５号公報
【特許文献２】特開２０１３−０９３６２７号公報
【特許文献３】特開２００６−２７８７７０号公報
【特許文献４】特開２００６−３３０１０４号公報
【特許文献５】特開２００２−３５３５５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
フォトニック結晶は高い回折効率を有するため、波長フィルタとして利用した場合、高効率に波長分離できることが期待される。しかしながら、従来のフォトニック結晶は、基本モード間の逆方向への回折を行う構造であり、機能が限られている。そして、入力された光を異なるモードに変換して反射するフォトニック結晶については知られていなかった。
【０００９】
そこで、この発明の目的は、フォトニック結晶を利用した光導波路素子であって、入力された光を異なるモードに変換して反射できる光導波路素子、及びこれを利用した波長フィルタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した目的を達成するために、この発明による光導波路素子は、第１仮想線分、及び第１仮想線分と平行な第２仮想線分に沿い、かつ第１仮想線分及び第２仮想線分と重なる位置に設けられた光導波路コアと、光導波路コアを包含するクラッドとを備える。
【００１１】
光導波路コアは、第１仮想線分及び第２仮想線分に沿って直列に接続された、モード変換部と、モード変換部の一端に隣接して形成された第１補償部と、モード変換部の他端に隣接して形成された第２補償部とを含む。モード変換部には、第１仮想線分と重なる位置に配列して周期的に形成された複数の空孔を含む第１空孔群、及び第２仮想線分と重なる位置に配列して、第１空孔群と同一周期で、かつ第１空孔群に含まれる空孔と半周期ずれた位置に形成された複数の空孔を含む第２空孔群を含むフォトニック結晶が形成されている。フォトニック結晶は、特定の波長λに対し、第１空孔群に含まれる空孔及び第２空孔群に含まれる空孔の周期をΛ、基本モードに対する等価屈折率をｎ０、ｑ（ｑはｑ＞０の整数）次モードに対する等価屈折率をｎｑとして、２π／Λ＝２π（ｎ０＋ｎｑ）／λを満たす。第１補償部及び第２補償部には、それぞれ１又は複数のサブ空孔が形成されており、第１補償部及び第２補償部は、特定の波長λの基本モードの光を基本モードのまま反射する。
【００１２】
また、この発明による第１の要旨による波長フィルタは、上述した光導波路素子と、結合部を含む出力導波路コアとを備える。光導波路コアは、モード変換部と直列に接続され、基本モード及びｑ次モードの光を伝播させる多モード導波路部をさらに含む。第１補償部は、多モード導波路部の一部として形成されている。クラッドは、光導波路コア及び出力導波路コアを包含する。多モード導波路部と結合部とが、互いに離間しかつ並んで配置された結合領域が設定されている。結合領域では、多モード導波路部を伝播するｑ次モードの光と、結合部を伝播するｒ（ｒはｒ≧０の整数）次モードの光とが結合される。
【００１３】
また、この発明による第２の要旨による波長フィルタは、上述した光導波路素子を備える。光導波路コアは、第１仮想線分及び第２仮想線分に沿って直列に接続されたｎ個（ｎは２以上の整数）のモード変換部並びに第１補償部及び第２補償部と、ｎ−１個のキャビティ部とを含む。モード変換部とキャビティ部とは、交互に接続されている。キャビティ部を挟んで隣り合うモード変換部間に存在する第１補償部及び第２補償部は、隣り合うモード変換部間に挟まれたキャビティ部の一部として形成されている。キャビティ部は、キャビティ部を伝播する、特定の波長の基本モードの光の位相を整合させる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明の光導波路素子では、モード変換部に、２列の空孔群（第１空孔群及び第２空孔群）を含むフォトニック結晶を形成することによって、特定の波長の基本モードの光を、１次モードに変換して反射することができる。
【００１５】
また、この発明の波長フィルタでは、上述した光導波路素子を用いることによって、特定の波長とその他の波長とを分離し、経路を切り替えて取り出すことができる。そして、フォトニック結晶を利用することによって、高い回折効率で特定の波長の光を反射させることができる。従って、高効率に波長分離及び経路切替を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】（Ａ）は、この発明の光導波路素子を示す概略的平面図であり、（Ｂ）は、この発明の光導波路素子を示す概略的端面図である。
【図２】フォトニック結晶の変形例を示す概略的平面図である。
【図３】（Ａ）及び（Ｂ）は、この発明の光導波路素子の特性評価に関するシミュレーションの結果を示す図である。
【図４】この発明の第１の波長フィルタを示す概略的平面図である。
【図５】（Ａ）は、この発明の第２の波長フィルタを示す概略的平面図であり、（Ｂ）は、この発明の第２の波長フィルタを示す概略的端面図である。
【図６】この発明の第２の波長フィルタの変形例を示す概略的平面図である。
【図７】この発明の第２の波長フィルタの特性評価に関するシミュレーションの結果を示す図である。
【図８】この発明の第３の波長フィルタを示す概略的平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。
【００１８】
（光導波路素子）
図１を参照して、この発明の光導波路素子について説明する。図１（Ａ）は、光導波路素子を示す概略的平面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す光導波路素子をＩ−Ｉ線で切り取った概略的端面図である。なお、図１（Ａ）では、後述する光導波路コアのみを示してあり、クラッド、支持基板及び電極を省略している。
【００１９】
なお、以下の説明では、各構成要素について、光の伝播方向に沿った方向を長さ方向とする。また、支持基板の厚さに沿った方向を厚さ方向とする。また、長さ方向及び厚さ方向に直交する方向を幅方向とする。
【００２０】
光導波路素子１００は、支持基板１０、クラッド２０、光導波路コア３０及び電極４０を備えて構成されている。
【００２１】
支持基板１０は、例えば単結晶Ｓｉを材料とした平板状体で構成されている。
【００２２】
クラッド２０は、支持基板１０上に、支持基板１０の上面１０ａを被覆し、かつ光導波路コア３０を包含して形成されている。クラッド２０は、例えばＳｉＯ２を材料として形成されている。
【００２３】
光導波路コア３０は、クラッド２０よりも高い屈折率を有する例えばＳｉを材料として形成されている。その結果、光導波路コア３０は、実質的な光の伝送路として機能し、入力された光が光導波路コア３０の平面形状に応じた伝播方向に伝播する。また、光導波路コア３０は、伝播する光が支持基板１０へ逃げるのを防止するために、支持基板１０から例えば少なくとも１μｍ以上離間して形成されているのが好ましい。
【００２４】
ここでは、光導波路コア３０は、厚さ方向でシングルモード条件を達成すべく、例えば２００〜５００ｎｍの範囲内の厚さとするのが好ましい。例えば１５５０ｎｍの波長の光を伝播させる場合には、光導波路コア３０を２００〜３００ｎｍの範囲内の厚さとするのが好ましい。
【００２５】
また、光導波路コア３０は、第１点Ｐ１と第２点Ｐ２とを結ぶ第１仮想線分Ｌ１、第３点Ｐ３と第４点Ｐ４とを結ぶ第２仮想線分Ｌ２に沿い、かつこれら第１仮想線分Ｌ１及び第２仮想線分Ｌ２と重なる位置に設けられている。なお、第２仮想線分Ｌ２は、第１仮想線分Ｌ１と平行である。
【００２６】
さらに、光導波路コア３０は、第１仮想線分Ｌ１及び第２仮想線分Ｌ２に沿って直列に接続されたモード変換部３１と１対の補償部（第１補償部１３１ａ及び第２補償部１３１ｂ）とを含む。
【００２７】
モード変換部３１にはフォトニック結晶が形成されている。フォトニック結晶は、モード変換部３１に、第１空孔群６１及び第２空孔群６２が形成されることによって構成される。
【００２８】
第１空孔群６１は、第１仮想線分Ｌ１と重なる位置に配列して周期的に形成された複数の空孔５１を含む。また、第２空孔群６２は、第２仮想線分Ｌ２と重なる位置に配列して、第１空孔群６１と同一周期で形成された複数の空孔５２を含む。そして、第１空孔群６１に含まれる空孔５１と第２空孔群６２に含まれる空孔５２とは、互いに半周期ずれた位置に形成されている。
【００２９】
空孔５１及び５２は、モード変換部３１を厚さ方向に貫通して形成される。また、ここでは、空孔５１及び５２は、厚さ方向に直交する断面形状が円形とされている。
【００３０】
フォトニック結晶は、入力される特定の波長λのＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）偏波の光を、基本モードから１次モードに変換して反射する。また、フォトニック結晶は、その他の波長の光を、基本モードのままで透過させる。
【００３１】
フォトニック結晶における位相整合条件は、空孔５１及び５２の形成周期をΛ、基本モードのＴＥ偏波に対する等価屈折率をｎ０、１次モードのＴＥ偏波に対する等価屈折率をｎ１として、下式（１）で表される。
【００３２】
２π／Λ＝２π（ｎ０＋ｎ１）／λ      ・・・（１）
フォトニック結晶では、上式（１）が成立する波長λ、すなわちブラッグ波長のＴＥ偏波がブラッグ反射される。従って、空孔５１及び５２の周期は、所望の反射すべき波長λに対して上式（１）が成立するように設計される。また、モード変換部３１の幅や空孔５１及び５２の直径等、その他の設計についても、所望の反射すべき波長λに応じて設計される。
【００３３】
ここで、フォトニック結晶の変形例として、空孔５１及び５２がそれぞれ固有の直径を持ち、直径に少なくとも２以上の値がある構成とすることができる。図２を参照して、フォトニック結晶の変形例について説明する。図２は、フォトニック結晶の変形例を説明するための概略的平面図である。なお、図２では、モード変換部のみを示し、その他の構成を省略してある。
【００３４】
図２に示す構成例では、第１周期目の空孔５１及び５２の直径に対して、周期毎に直径が増加する。空孔５１及び５２の直径は、モード変換部３１の長さ方向における中心付近の空孔５１及び５２で最大となる。そして、空孔５１及び５２の直径は、最大となる空孔５１及び５２以降減少する。
【００３５】
このように、空孔５１及び５２の直径が異なる値を持つことによって、フォトニック結晶における光の散乱を抑制することができる。なお、空孔５１及び５２の直径の変化量は、反射すべき波長λ及び回折効率に応じて設計される。
【００３６】
第１補償部１３１ａ及び第２補償部１３１ｂは、モード変換部３１を挟んでモード変換部３１の両端３１ａ及び３１ｂに隣接してそれぞれ形成されている。モード変換部３１の一端３１ａに第１補償部１３１ａが、また、モード変換部３１の他端３１ｂに第２補償部１３１ｂが形成されている。
【００３７】
第１補償部１３１ａ及び第２補償部１３１ｂには、それぞれサブ空孔９０が形成されている。サブ空孔９０は、第１補償部１３１ａ及び第２補償部１３１ｂの幅方向における中央に形成されている。また、サブ空孔９０は、第１補償部１３１ａ及び第２補償部１３１ｂを厚さ方向に貫通して形成される。ここでは、サブ空孔９０は、厚さ方向に直交する断面形状が円形とされている。
【００３８】
サブ空孔９０が形成されていることにより、第１補償部１３１ａ及び第２補償部１３１ｂは、上述した特定の波長λの基本モードの光を基本モードのまま反射する。
【００３９】
なお、第１補償部１３１ａ及び第２補償部１３１ｂには、サブ空孔９０を複数形成することもできる。この場合には、第１補償部１３１ａ及び第２補償部１３１ｂの長さ方向に沿って、複数のサブ空孔９０を配列する。
【００４０】
電極４０は、クラッド２０を介して、モード変換部３１を被覆する位置に形成される。電極４０に電流を流すことでジュール熱を発生させ、この発熱による熱光学効果によって、モード変換部３１の屈折率を変化させる。その結果、モード変換部３１による反射波長を変化させることができる。
【００４１】
以上に説明したように、光導波路素子１００では、モード変換部３１に、２列の空孔群（第１空孔群６１及び第２空孔群６２）を含むフォトニック結晶を形成することによって、特定の波長の基本モードのＴＥ偏波を、１次モードのＴＥ偏波に変換して反射することができる。
【００４２】
従って、光導波路素子１００を用いることにより、フォトニック結晶を透過する特定の波長の光を取り出す波長フィルタを構成することができる。
【００４３】
ここで、フォトニック結晶の両端部（すなわちモード変換部３１の両端部）では、基本モードと１次モードとの間の反射回折のみならず、不所望な基本モード間の反射回折が生じ、基本モードの入力光が基本モードのまま反射されてしまうことが、ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ）を用いたシミュレーションにより判明した。しかし、光導波路素子１００では、モード変換部３１の両端に第１補償部１３１ａ及び第２補償部１３１ｂが設けられている。上述したように、第１補償部１３１ａ及び第２補償部１３１ｂは、基本モードの光を基本モードのまま反射する。この結果、モード変換部３１で不所望に生じる基本モード間の反射回折を、第１補償部１３１ａ及び第２補償部１３１ｂにおける基本モード間の反射回折により打ち消すことができる。従って、光導波路素子１００では、モード変換部３１から、基本モードの反射光が逆行するのを防ぐことができる。
【００４４】
また、光導波路素子１００では、電極４０を用いてモード変換部３１に熱を与えることができる。そのため、フォトニック結晶が反射及び透過させる光の波長を変化させることができる。従って、光導波路素子１００を用いることにより、出力波長が可変な波長フィルタを構成することができる。
【００４５】
なお、この実施の形態では、モード変換部３１のフォトニック結晶において、特定の波長の光を、基本モードから１次モードに変換して反射する構成について説明した。しかし、モード変換部３１のフォトニック結晶が、基本モードの特定の波長の光を、ｑ次モード（ｑはｑ＞０）に変換して反射する構成とすることもできる。その場合には、モード変換部３１のフォトニック結晶における位相整合条件は、空孔５１及び５２の形成周期をΛ、基本モードの光に対する等価屈折率をｎ０、ｑ次モードの光に対する等価屈折率をｎｑとして、下式（２）で表される。
【００４６】
２π／Λ＝２π（ｎ１＋ｎｑ）／λ      ・・・（２）
フォトニック結晶では、上式（２）が成立する波長λ、すなわちブラッグ波長の光がブラッグ反射される。フォトニック結晶は、反射すべき波長λに対して上式（２）が成立するように設計される。
【００４７】
そして、ｑ次モードが、振幅分布が反対称である奇数次モードである場合には、空孔５１と空孔５２とが、互いに半周期ずれた位置に形成される。また、ｑ次モードが、振幅分布が対称である偶数次モードである場合には、空孔５１及び空孔５２の形成位置を、周期をずらすことなく一致させる。すなわち空孔５１と空孔５２とが互いに対称となる位置に形成される。
【００４８】
また、この実施の形態では、空孔５１及び５２がモード変換部３１を厚さ方向に貫通して形成される構成について説明した。しかし、空孔５１及び５２は、モード変換部３１の上面からこのモード変換部３１の厚さ方向の中途まで、モード変換部３１を掘り込んで（すなわちモード変換部３１を貫通させずに）形成することもできる。この場合には、出力光の波長ピークに分裂が生じるのを抑制できることが、ＦＤＴＤを用いたシミュレーションにより判明した。同様に、サブ空孔９０についても、第１補償部１３１ａ及び第２補償部１３１ｂを貫通させずに、第１補償部１３１ａ及び第２補償部１３１ｂの中途まで掘り込んで形成することができる。
【００４９】
（特性評価）
発明者は、ＦＤＴＤを用いて、光導波路素子１００の特性を評価するシミュレーションを行った。
【００５０】
まず、第１のシミュレーションとして、光導波路素子１００におけるサブ空孔９０の形成位置に関するシミュレーションを行った。
【００５１】
第１のシミュレーションでは、光導波路素子１００について、第１補償部１３１ａ側から光導波路コア３０に基本モードのＴＥ偏波を入力し、モード変換部３１において生じる基本モード間の反射回折によって、第１補償部１３１ａ側に反射される基本モードの光の強度（すなわち基本モード間の回折量）を測定した。ここでは、第１補償部１３１ａのサブ空孔９０と最も一端３１ａ側に位置する空孔５１又は５２（ここでは、図１（Ａ）において紙面の最も左端に存在する空孔５２）との長さ方向に沿った中心間距離（以下、サブ空孔９０と空孔５２との中心間距離とも称する）を変化させつつ、基本モード間の回折量を測定した。
【００５２】
第１のシミュレーションでは、モード変換部３１のフォトニック結晶において、波長１５５０ｎｍの基本モードのＴＥ偏波を１次モードに変換して反射する設計として、以下のように光導波路素子１００を設計した。すなわち、光導波路コア３０の厚さを２００ｎｍとした。また、モード変換部３１の幅を１０００ｎｍとした。また、空孔５１及び空孔５２の形成周期を３２６μｍとし、空孔５１及び空孔５２をそれぞれ２０個ずつ形成する場合を想定した。また、空孔５１及び空孔５２の直径を１００ｎｍとした。また、空孔５１及び空孔５２間の、モード変換部３１の幅方向に沿った中心間距離を５００ｎｍとした。
【００５３】
なお、この第１のシミュレーションでは、モード変換部３１には他端３１ｂが存在しないものとした。従って、第１のシミュレーションにおいては、モード変換部３１の他端３１ｂ側における基本モード間の回折は生じず、第２補償部１３１ｂについても省略した。しかし、実際の光導波路素子１００において、モード変換部３１の他端３１ｂ側で生じる基本モード間の回折は、一端３１ａ側と同様である。このため、第２補償部１３１ｂのサブ空孔９０の形成位置と基本モード間の回折量との関係についても、この第１のシミュレーションの結果を適用することができる。
【００５４】
第１のシミュレーションの結果を図３（Ａ）に示す。図３（Ａ）では、縦軸に、基本モード間の回折量をｄＢ目盛で、また、横軸にサブ空孔９０と空孔５２との中心間距離をμｍ単位でとって示してある。
【００５５】
図３（Ａ）に示すように、サブ空孔９０と空孔５２との中心間距離が０．２３μｍのとき、基本モード間の反射回折が−３０ｄＢ以下に抑えられていることがわかる。このように、設計に応じて、最適なサブ空孔９０と空孔５２との中心間距離を設定することにより、不所望な基本モード間の反射回折を抑制することができる。
【００５６】
次に、第２のシミュレーションとして、光導波路素子１００における波長特性に関するシミュレーションを行った。
【００５７】
第２のシミュレーションでは、光導波路素子１００について、第１補償部１３１ａ側から光導波路コア３０に基本モードのＴＥ偏波を入力し、モード変換部３１において生じる基本モードと１次モードとの間の反射回折によって、第１補償部１３１ａ側に反射される１次モードの光の強度（すなわち基本モードと１次モードとの間の回折量）、及びモード変換部３１において生じる基本モード間の反射回折によって、第１補償部１３１ａ側に反射される基本モードの光の強度（すなわち基本モード間の回折量）を測定した。
【００５８】
第２のシミュレーションでは、サブ空孔９０と空孔５２との中心間距離として、上述した第１のシミュレーションによって求めた最適値（０．２３μｍ）を採用した。その他の設計条件については、第１のシミュレーションと同様である。
【００５９】
第２のシミュレーションの結果を図３（Ｂ）に示す。図３（Ｂ）では、縦軸に、光強度をｄＢ目盛で、また、横軸に波長をｎｍ単位でとって示してある。図３（Ｂ）において、曲線１０１は、１次モードの反射光の強度を、また、曲線１０３は、基本モードの反射光の強度をそれぞれ示している。
【００６０】
図３（Ｂ）に示すように、設計波長である１５５０ｎｍ付近において、約１２５ｎｍの広い波長範囲で、基本モードが１次モードに変換されつつ反射されたことが確認された。
また、設計波長である１５５０ｎｍ付近において、基本モード間の反射回折が−３０ｄＢ以下に抑えられることが確認された。
【００６１】
（第１の波長フィルタ）
図４を参照して、上述した光導波路素子１００（図１参照）を利用した第１の波長フィルタについて説明する。図４は、第１の波長フィルタを示す概略的平面図である。なお、図４では、光導波路コア及び後述する出力導波路コアのみを示してあり、クラッド、支持基板及び電極を省略している。また、光導波路素子１００と共通する構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００６２】
第１の波長フィルタ２００は、上述した光導波路素子１００に、出力導波路コア７０を追加して構成されている。また、光導波路コア３０は、上述したモード変換部３１並びに第１補償部１３１ａ及び第２補償部１３１ｂに追加して、入力部３２、入力側テーパ部３３、多モード導波路部３４、出力側テーパ部３５及び出力部３６を含んでいる。入力部３２、入力側テーパ部３３、多モード導波路部３４、モード変換部３１、第２補償部１３１ｂ、出力側テーパ部３５及び出力部３６は、この順に直列に接続されている。
【００６３】
なお、第１補償部１３１ａは、多モード導波路部３４の一部として形成されている。従って、多モード導波路部３４の、モード変換部３１側の端付近には、サブ空孔９０が形成されている。そして、多モード導波路部３４のサブ空孔９０が形成された領域が、第１補償部１３１ａとして機能する。
【００６４】
入力部３２は、ＴＥ偏波の伝播光に対してシングルモード条件を達成する幅に設定されている。
【００６５】
入力側テーパ部３３は、入力部３２と接続された一端３３ａから、多モード導波路部３４と接続された他端３３ｂへ、連続的に幅が拡大する。そして、入力側テーパ部３３の一端３３ａの幅は、入力部３２の幅と等しく設定されている。従って、入力側テーパ部３３は、一端３３ａにおいて、ＴＥ偏波の伝播光に対してシングルモード条件を達成するように設定されている。
【００６６】
多モード導波路部３４は、基本モード及び１次モードのＴＥ偏波を伝播させる。
【００６７】
モード変換部３１には、特定の波長のＴＥ偏波に対して上式（１）を満たすフォトニック結晶が形成されている。フォトニック結晶は、入力される特定の波長のＴＥ偏波の光を、基本モードから１次モードに変換して反射する。また、フォトニック結晶は、その他の波長の光を、基本モードのままで透過させる。
【００６８】
出力側テーパ部３５は、第２補償部１３１ｂと接続された一端３５ａから、出力部３６と接続された他端３５ｂへ、連続的に幅が縮小する。そして、出力側テーパ部３５の他端３５ｂの幅は、ＴＥ偏波の伝播光に対してシングルモード条件を達成するように設定されている。
【００６９】
出力部３６は、ＴＥ偏波の伝播光に対してシングルモード条件を達成する幅に設定されている。
【００７０】
出力導波路コア７０は、光導波路コア３０と同様に、クラッド２０よりも高い屈折率を有する例えばＳｉを材料として形成されている。また、出力導波路コア７０は、伝播する光が支持基板１０へ逃げるのを防止するために、支持基板１０から例えば少なくとも１μｍ以上離間して形成されているのが好ましい。
【００７１】
ここでは、出力導波路コア７０の厚さは、厚さ方向でシングルモード条件を達成すべく、例えば２００〜５００ｎｍの範囲内の厚さとするのが好ましい。例えば１５５０ｎｍの波長の光を伝播させる場合には、出力導波路コア７０を２００〜３００ｎｍの範囲内の厚さとするのが好ましい。
【００７２】
また、出力導波路コア７０は、結合部７１と第２出力部７２とを含んでいる。
【００７３】
結合部７１は、光導波路コア３０の多モード導波路部３４と、互いに離間し、かつ並んで配置されている。そして、光導波路コア３０の多モード導波路部３４と、出力導波路コア７０の結合部７１とが、互いに離間しかつ並んで配置された結合領域８０として設定されている。なお、第２出力部７２は、結合領域８０を挟んで、モード変換部３１と反対側で結合部７１と接続されている。
【００７４】
結合領域８０において、多モード導波路部３４及び結合部７１は、それぞれの中心軸が平行となるように配設されている。
【００７５】
また、結合部７１は、一端７１ａから第２出力部７２と接続された他端７１ｂへ、幅が連続的に拡大するテーパ形状とされている。結合部７１の一端７１ａ及び他端７１ｂの幅は、基本モードのＴＥ偏波を伝播可能な等価屈折率に対応して設定されている。そして、結合部７１は、一端７１ａから他端７１ｂまでの間に、多モード導波路部３４を伝播する１次モードのＴＥ偏波に対する等価屈折率と、結合部７１を伝播する基本モードのＴＥ偏波に対する等価屈折率とが一致する幅を含んでいる。
【００７６】
その結果、結合領域８０では、多モード導波路部３４を伝播する１次モードのＴＥ偏波と、結合部７１を伝播する基本モードのＴＥ偏波とを結合することができる。
【００７７】
第２出力部７２は、ＴＥ偏波の伝播光に対してシングルモード条件を達成する幅に設定されている。
【００７８】
第１の波長フィルタ２００では、基本モードの光信号が、光導波路コア３０の入力部３２に入力され、入力側テーパ部３３及び多モード導波路部３４を経てモード変換部３１に送られる。モード変換部３１を伝播する特定の波長の基本モードのＴＥ偏波は、フォトニック結晶によって、１次モードに変換されて反射され、再び多モード導波路部３４に送られる。その他の光は、基本モードのまま、出力側テーパ部３５を経て出力部３６から出力される。フォトニック結晶で反射され、多モード導波路部３４を伝播する１次モードのＴＥ偏波は、結合領域８０において、基本モードに変換されつつ、出力導波路コア７０の結合部７１へ移行する。結合部７１へ移行した基本モードのＴＥ偏波は、第２出力部７２から出力される。
【００７９】
このように、第１の波長フィルタ２００は、上述した光導波路素子１００を用いることによって、特定の波長とその他の波長とを分離し、経路を切り替えて取り出す波長フィルタとして使用することができる。そして、モード変換部３１においてフォトニック結晶を利用することによって、高い回折効率で特定の波長の光を反射させることができる。従って、高効率に波長分離及び経路切替を行うことができる。
【００８０】
また、第１の波長フィルタ２００では、第１補償部１３１ａ及び第２補償部１３１ｂを含むことにより、モード変換部３１で不所望に生じる基本モード間の反射回折を、第１補償部１３１ａ及び第２補償部１３１ｂにおける基本モード間の反射回折により打ち消すことができる。その結果、モード変換部３１から、基本モードの反射光が逆行するのを防ぐことができる。
【００８１】
なお、この実施の形態では、モード変換部３１のフォトニック結晶において、特定の波長の光を、基本モードから１次モードに変換して反射する構成について説明した。しかし、上式（２）を満たすようにフォトニック結晶を形成することによって、フォトニック結晶が、基本モードの特定の波長の光を、ｑ次モードに変換して反射する構成とすることもできる。
【００８２】
さらに、この実施の形態では、結合領域８０において、多モード導波路部３４及び結合部７１間で結合する光は、基本モードと１次モードとに限定されない。結合部７１の一端７１ａ及び他端７１ｂの幅を、ｒ（ｒはｒ≧０の整数）次モードの光を伝播可能な等価屈折率に対応して設定し、結合部７１が、一端７１ａから他端７１ｂまでの間に、多モード導波路部３４を伝播するｑ次モードの光に対する等価屈折率と、結合部７１を伝播するｒ次モードの光に対する等価屈折率とが一致する幅を含むように設計することもできる。その場合には、結合領域８０において、多モード導波路部３４を伝播するｑ次モードの光と、結合部７１を伝播するｒ次モードの光とを結合することができる。
【００８３】
（第２の波長フィルタ）
図５を参照して、上述した光導波路素子１００（図１参照）を利用した第２の波長フィルタについて説明する。図５（Ａ）は、第２の波長フィルタを示す概略的平面図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す第２の波長フィルタをＩＩ−ＩＩ線で切り取った概略的端面図である。なお、図５（Ａ）では、光導波路コアのみを示してあり、クラッド、支持基板及び電極を省略している。また、光導波路素子１００と共通する構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００８４】
第２の波長フィルタ３００では、光導波路コア３０は、モード変換部３１並びに第１補償部１３１ａ及び第２補償部１３１ｂに追加して、入力部２３１、入力側テーパ部２３２、キャビティ部２３４、出力側テーパ部２３６及び出力部２３７を含んでいる。
【００８５】
また、光導波路コア３０は、２つのモード変換部３１（第１モード変換部３１−１及び第２モード変換部３１−２）、並びにこれら第１モード変換部３１−１及び第２モード変換部３１−２それぞれの両端に形成された第１補償部１３１ａ及び第２補償部１３１ｂを含んでいる。入力部２３１、入力側テーパ部２３２、第１モード変換部３１−１、キャビティ部２３４、第２モード変換部３１−２、出力側テーパ部２３６及び出力部２３７は、この順に直列に接続されている。なお、入力側テーパ部２３２及び第１モード変換部３１−１間には、第１モード変換部３１−１の一端３１ａに隣接して形成されている第１補償部１３１ａが設けられている。また、第２モード変換部３１−２及び出力側テーパ部２３６間には、第２モード変換部３１−２の他端３１ｂに隣接して形成されている第２補償部１３１ｂが設けられている。
【００８６】
なお、第１モード変換部３１−１及び第２モード変換部３１−２間に存在する第１補償部１３１ａ及び第２補償部１３１ｂ（ここでは、第１モード変換部３１−１の他端３１ｂに隣接して形成されている第２補償部１３１ｂ、及び第２モード変換部３１−２の一端３１ａに隣接して形成されている第１補償部１３１ａ）は、第１モード変換部３１−１及び第２モード変換部３１−２間に挟まれたキャビティ部２３４の一部として形成されている。従って、キャビティ部２３４の、第１モード変換部３１−１側の端付近及び第２モード変換部３１−２側の端付近には、それぞれサブ空孔９０が形成されている。そして、キャビティ部２３４のサブ空孔９０が形成された領域が、第１補償部１３１ａ及び第２補償部１３１ｂとして機能する。
【００８７】
入力部２３１は、ＴＥ偏波の伝播光に対してシングルモード条件を達成する幅に設定されている。従って、入力部２３１は、基本モードの光を伝播させる。
【００８８】
入力側テーパ部２３２は、入力部２３１と接続された一端２３２ａから、第１補償部１３１ａと接続された他端２３２ｂへ、連続的に幅が拡大する。そして、入力側テーパ部２３２の一端２３２ａの幅は、入力部２３１の幅と等しく設定されている。従って、入力側テーパ部２３２は、一端２３２ａにおいて、ＴＥ偏波の伝播光に対してシングルモード条件を達成するように設定されている。
【００８９】
キャビティ部２３４は、一定幅で形成される。キャビティ部２３４の幅は、基本モード及び１次モードのＴＥ偏波を伝播させることができるように設定される。
【００９０】
キャビティ部２３４は、このキャビティ部２３４を伝播する光のうち、特定の波長の光の位相を整合させる。キャビティ部２３４の長さは、位相整合させる波長に応じて設計される。
【００９１】
また、上述したように、キャビティ部２３４は、サブ空孔９０が形成された領域として、第１補償部１３１ａ及び第２補償部１３１ｂを含んでいる。
【００９２】
出力側テーパ部２３６は、第２補償部１３１ｂと接続された一端２３６ａから、出力部２３７と接続された他端２３６ｂへ、連続的に幅が縮小する。そして、出力側テーパ部２３６の他端２３６ｂの幅は、出力部２３７の幅と等しく設定されている。出力側テーパ部２３６は、他端２３６ｂにおいて、ＴＥ偏波の伝播光に対してシングルモード条件を達成するように設定されている。
【００９３】
出力部２３７は、ＴＥ偏波に対してシングルモード条件を達成する幅に設定されている。従って、出力部２３７は、基本モードの光を伝播させる。
【００９４】
電極４０は、クラッド２０を介して、モード変換部３１及びキャビティ部２３４の一方又は双方を被覆する位置に形成される。キャビティ部２３４上に電極４０を形成する場合には、電極４０の発熱による熱光学効果によって、キャビティ部２３４の屈折率を変化させることができる。その結果、キャビティ部２３４によって位相整合させる波長を変化させることができる。なお、モード変換部３１及びキャビティ部２３４双方の上に電極４０を設ける場合には、モード変換部３１上に設ける電極４０とキャビティ部２３４に設ける電極４０とを一体的に形成することができる。
【００９５】
第２の波長フィルタ３００では、入力部２３１から入力され、第１モード変換部３１−１を透過する基本モードのＴＥ偏波、及び第２モード変換部３１−２のフォトニック結晶でモード変換されつつ反射され、さらに第１モード変換部３１−１でモード変換されつつ反射された基本モードのＴＥ偏波のうち、キャビティ部２３４の長さに応じて位相が整合する波長の光が、出力部２３７から出力される。
【００９６】
一方、第１モード変換部３１−１及び第２モード変換部３１−２のフォトニック結晶によってモード変換されつつ反射された１次モードのＴＥ偏波のうち、キャビティ部２３４の長さに応じて位相が整合する波長の光が、入力側テーパ部２３２に入力される。反射光は、入力側テーパ部２３２を、入力部２３１に向かって伝播する。しかし、上述したように、入力側テーパ部２３２の一端２３２ａの幅は、ＴＥ偏波に対してシングルモード条件を満たすように設定されている。そのため、反射光は、入力部２３１に移行することなく放射する。
【００９７】
従って、第２の波長フィルタ３００は、キャビティ部２３４によって位相整合する、特定の波長の光を取り出す波長フィルタとして使用することができる。
【００９８】
ここで、既に説明したように、フォトニック結晶の両端部（すなわち第１モード変換部３１−１及び第２モード変換部３１−２それぞれの両端部）では、基本モードと１次モードとの間の反射回折のみならず、不所望な基本モード間の反射回折が生じ、基本モードの入力光が基本モードのまま反射されてしまう。その結果、キャビティ部２３４では、第１モード変換部３１−１からキャビティ部２３４へ入力される基本モードのＴＥ偏波のみならず、第２モード変換部３１−２からキャビティ部２３４へ入力される基本モードのＴＥ偏波が伝播する。そして、これら反対方向からの基本モードのＴＥ偏波同士が干渉することによって、出力部２３７からの波長ピークに分裂が生じることが、ＦＤＴＤを用いたシミュレーションにより判明した。
【００９９】
しかし、第２の波長フィルタ３００では、第１モード変換部３１−１及び第２モード変換部３１−２それぞれの両端に第１補償部１３１ａ及び第２補償部１３１ｂが設けられている。上述したように、第１補償部１３１ａ及び第２補償部１３１ｂは、基本モードの光を基本モードのまま反射する。この結果、第２モード変換部３１−２からキャビティ部２３４へ入力される基本モードのＴＥ偏波を第１補償部１３１ａ及び第２補償部１３１ｂにおける基本モード間の反射回折により打ち消すことができる。従って、第２の波長フィルタ３００では、キャビティ部２３４において、基本モードのＴＥ偏波同士が干渉することを防ぐことができる。その結果、出力部２３７からの波長ピークに分裂が生じるのを防ぐことができる。
【０１００】
また、キャビティ部２３４を、基本モードの光に対してπの整数倍の位相が生じる長さとすることによって、キャビティ部２３４を伝播する基本モードの光に対して、複数の波長の位相を整合させることができる。従って、第２の波長フィルタ３００は、出力光の波長ピークを多峰性とすることができる。
【０１０１】
また、第２の波長フィルタ３００では、電極４０を用いて第１モード変換部３１−１及び第２モード変換部３１−２並びにキャビティ部２３４に熱を与えることができる。そのため、第１モード変換部３１−１及び第２モード変換部３１−２による反射波長やキャビティ部２３４が位相整合させる波長を変化させることができる。従って、第２の波長フィルタ３００は、出力波長が可変である。
【０１０２】
また、第２の波長フィルタ３００は、リング共振器と等価な波長フィルタと見なすことができる。この場合、第１モード変換部３１−１及び第２モード変換部３１−２のフォトニック結晶が、リング共振器の方向性結合器部分に対応する。また、キャビティ部２３４が、リング共振器のリング導波路部分に対応する。ここで、リング共振器は、方向性結合器部分において作製誤差の影響を受けやすい。これに対し、第２の波長フィルタ３００は、方向性結合器を構成として含まない。従って、第２の波長フィルタ３００は、リング共振器と等価な機能を有しつつ、リング共振器と比べて作製誤差の影響を受けにくい。
【０１０３】
この実施の形態では、光導波路コア３０が、２つのモード変換部３１（第１モード変換部３１−１及び第２モード変換部３１−２）と１つのキャビティ部２３４を含む構成について説明した。しかし、光導波路コア３０が、ｎ個（ｎは２以上の整数）のモード変換部３１とｎ−１個のキャビティ部２３４とを含む構成とすることもできる。図６を参照して、第２の波長フィルタの変形例として、ｎ個のモード変換部３１とｎ−１個のキャビティ部２３４とを含む場合の構成について説明する。図６は、ｎ個のモード変換部３１とｎ−１個のキャビティ部２３４とを含む第２の波長フィルタの変形例（波長フィルタ３５０）の概略的平面図である。なお、図６では、クラッド、支持基板及び電極を省略して示してある。
【０１０４】
ｎ個のモード変換部３１−１〜ｎとｎ−１個のキャビティ部２３４−１〜ｎ−１とは、入力側テーパ部２３２及び出力側テーパ部２３６間で、交互に直列に接続される。キャビティ部２３４を挟んで隣り合うモード変換部３１間に存在する第１補償部１３１ａ及び第２補償部１３１ｂは、隣り合うモード変換部３１間に挟まれたキャビティ部２３４の一部として形成されている。
【０１０５】
各モード変換部３１には、上述したフォトニック結晶が全域に渡って形成されている。このフォトニック結晶により、各モード変換部３１は、入力される特定の波長の伝播光を、基本モードから１次モードに変換して反射する。また、各モード変換部３１は、その他の波長の伝播光を、基本モードのままで透過させる。各モード変換部３１のフォトニック結晶の空孔５１及び５２の周期は、共通の条件で、反射すべき波長λに対して上式（１）を満たすように設計される。
【０１０６】
各キャビティ部２３４は、これら各キャビティ部２３４を伝播するＴＥ偏波のうち、キャビティ部２３４の長さに応じた特定の波長の光の位相を整合させる。
【０１０７】
このように、モード変換部３１及びキャビティ部２３４を多段に接続することによって、出力部２３７から出力される光の波長ピークのフラットトップ特性を向上させることができる。
【０１０８】
なお、各モード変換部３１の長さ（フォトニック結晶の空孔５１及び５２の個数）は、一部又は全部が異なるように設定することができる。この場合には、透過光の波長ピークのフラットトップ特性を向上させることができる。フラットトップ特性を向上させるための、最適な各モード変換部３１の長さ（フォトニック結晶の空孔５１及び５２の個数）の関係は、例えばＦＤＴＤを用いたシミュレーションにより、モード変換部３１及びキャビティ部２３４の数に応じて適宜決定することができる。一例として、モード変換部３１及びキャビティ部２３４を多段にする場合には、キャビティ部２３４に挟まれたモード変換部３１−２〜ｎ−１の長さを、両端に配置されるモード変換部３１−１及び３１−ｎの長さの２倍程度とすることができる。
【０１０９】
（特性評価）
発明者は、ＦＤＴＤを用いて、第２の波長フィルタ３００の特性を評価するシミュレーションを行った。
【０１１０】
このシミュレーションでは、図５に示す構成例の第２の波長フィルタ３００について、第１モード変換部３１−１に基本モードのＴＥ偏波を入力し、第１モード変換部３１−１及び第２モード変換部３１−２を透過して出力される出力光（透過光）、及び第１モード変換部３１−１及び第２モード変換部３１−２で反射されて出力される出力光（反射光）の強度を解析した。
【０１１１】
また、このシミュレーションでは、第１補償部１３１ａ及び第２補償部１３１ｂを設けない（すなわちサブ空孔９０を形成しない）比較用波長フィルタについても同様の解析を行った。そして、第２の波長フィルタ３００と比較用波長フィルタとで特性を比較した。
【０１１２】
このシミュレーションでは、以下のように第２の波長フィルタを設計した。すなわち、光導波路コア３０を、全体的に厚さを２００ｎｍとした。また、第１モード変換部３１−１、キャビティ部２３４及び第２モード変換部３１−２の幅を一定の１０００ｎｍとした。また、第１モード変換部３１−１及び第２モード変換部３１−２のフォトニック結晶における空孔５１及び５２それぞれの個数を２０個、空孔５１及び５２の形成周期Λを３９４ｎｍ、空孔５１及び空孔５２間の、モード変換部３１の幅方向に沿った中心間距離を５００ｎｍ、空孔５１及び５２の直径を１００ｎｍとした。また、キャビティ部２３４の長さを９８５０ｎｍとした。なお、このシミュレーションでは、キャビティ部２３４の特性を明瞭に確認するために、第１モード変換部３１−１の一端３１ａに隣接して形成されている第１補償部１３１ａ、及び第２モード変換部３１−２の他端３１ｂに隣接して形成されている第２補償部１３１ｂ、並びにこれら領域のサブ空孔９０を省略した。
【０１１３】
なお、第１モード変換部３１−１の他端３１ｂに隣接して形成されている第２補償部１３１ｂのサブ空孔９０と、第１モード変換部３１−１の最も他端３１ｂ側に位置する空孔５１又は５２（ここでは、図５（Ａ）において、第１モード変換部３１−１内で紙面の最も右端に存在する空孔５１）との長さ方向に沿った中心間距離を、空孔５１及び５２の形成周期Λの５／８周期に相当する長さ（ここでは２４６．２５ｎｍ）とした。同様に、第２モード変換部３１−２の一端３１ａに隣接して形成されている第１補償部１３１ａのサブ空孔９０についても、サブ空孔９０と最も近接する空孔５１及び５２との長さ方向に沿った中心間距離を、空孔５１及び５２の形成周期Λの５／８周期に相当する長さとした。
【０１１４】
一方、比較用波長フィルタは、第２の波長フィルタとサブ空孔９０を形成しない点で構成が異なる以外は、上述した条件の第２の波長フィルタと共通の設計とした。
【０１１５】
このシミュレーションの結果を、図７（Ａ）及び（Ｂ）に示す。図７（Ａ）は、第２の波長フィルタの出力光の強度を示している。図７（Ｂ）は、比較用波長フィルタの出力光の強度を示している。図７（Ａ）及び（Ｂ）では、縦軸に、光の強度をｄＢ目盛で、また、横軸に波長をμｍ単位でとって示してある。図７（Ａ）における曲線２０１及び図７（Ｂ）における曲線３０１は、基本モードのＴＥ偏波の透過光の強度を示している。また、図７（Ａ）における曲線２０３及び図７（Ｂ）における曲線３０３は、基本モードのＴＥ偏波の反射光の強度を示している。また、図７（Ａ）における曲線２０５及び図７（Ｂ）における曲線３０５は、１次モードのＴＥ偏波の反射光の強度を示している。
【０１１６】
図７（Ａ）に示すように、第２の波長フィルタ３００では、基本モードのＴＥ偏波の透過光として、複数のピークが確認できる。そして、これら透過光のピークは、特に中央のピークにおいて顕著に分裂が抑えられ、シャープな形状となっていることが確認される。また、基本モードのＴＥ偏波の反射光も、十分に抑えられていることが確認できる。
【０１１７】
一方、図７（Ｂ）に示すように、比較用波長フィルタでは、基本モードのＴＥ偏波の透過光のピークに分裂が生じている。また、基本モードのＴＥ偏波の反射光の強度にも、大きなピークが確認される。
【０１１８】
この結果より、サブ空孔９０を形成することによって、出力される透過光の波長ピークの分裂が抑えられることが確認された。
【０１１９】
（第３の波長フィルタ）
図８を参照して、上述した光導波路素子１００（図１参照）を利用した第３の波長フィルタについて説明する。図８は、第３の波長フィルタを示す概略的平面図である。なお、図８では、光導波路コアのみを示してあり、クラッド、支持基板及び電極を省略している。また、光導波路素子１００、第１の波長フィルタ２００及び第２の波長フィルタ３００と共通する構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０１２０】
第３の波長フィルタ４００は、上述した第２の波長フィルタ３００に、出力導波路コア７０を追加して構成されている。また、光導波路コア３０は、第２の波長フィルタ３００の光導波路コア３０（図５参照）に追加して、入力側テーパ部２３２と最端に配置されたモード変換部３１（ここでは第１モード変換部３１−１）との間に、これら入力側テーパ部２３２及び第１モード変換部３１−１と直列に接続された多モード導波路部３４を含んでいる。なお、出力導波路コア７０及び多モード導波路部３４は、上述した第１の波長フィルタ２００と同様である。
【０１２１】
第１モード変換部３１−１の、多モード導波路部３４側の一端３１ａに隣接して形成された第１補償部１３１ａは、多モード導波路部３４の一部として形成されている。従って、多モード導波路部３４の、第１モード変換部３１−１側の端付近には、サブ空孔９０が形成されている。そして、多モード導波路部３４のサブ空孔９０が形成された領域が、第１補償部１３１ａとして機能する。
【０１２２】
第３の波長フィルタ４００では、基本モードの光信号が、光導波路コア３０の入力部２３１に入力され、入力側テーパ部２３２及び多モード導波路部３４を経て第１モード変換部３１−１に送られる。
【０１２３】
第１モード変換部３１−１を透過する基本モードのＴＥ偏波、及び第２モード変換部３１−２のフォトニック結晶で偏波変換されつつ反射され、さらに第１モード変換部３１−１で偏波変換されつつ反射される基本モードのＴＥ偏波のうち、キャビティ部２３４の長さに応じて位相が整合する波長の光が、出力部２３７から出力される。
【０１２４】
一方、第１モード変換部３１−１及び第２モード変換部３１−２のフォトニック結晶によってモード変換されつつ反射された１次モードのＴＥ偏波のうち、キャビティ部２３４の長さに応じて位相が整合する波長の光が、多モード導波路部３４に入力される。
【０１２５】
多モード導波路部３４を伝播する１次モードのＴＥ偏波は、結合領域８０において、基本モードに変換されつつ、出力導波路コア７０の結合部７１へ移行する。結合部７１へ移行した基本モードのＴＥ偏波は、第２出力部７２から出力される。
【０１２６】
このように、第３の波長フィルタ４００は、特定の波長とその他の波長とを分離し、経路を切り替えて取り出す波長フィルタとして使用することができる。そして、第１モード変換部３１−１及び第２モード変換部３１−２においてフォトニック結晶を利用することによって、高い回折効率で特定の波長の光を反射させることができる。従って、高効率に波長分離及び経路切替を行うことができる。
【０１２７】
なお、この実施の形態では、光導波路コア３０が、２つのモード変換部（第１モード変換部３１−１及び第２モード変換部３１−２）と１つのキャビティ部２３４を含む構成について説明した。しかし、第２の波長フィルタ３５０と同様に、光導波路コア３０が、ｎ個（ｎは２以上の整数）のモード変換部３１とｎ−１個のキャビティ部２３４とを含む構成とすることもできる（図６参照）。
【０１２８】
（製造方法）
上述した光導波路素子１００、第１の波長フィルタ２００、第２の波長フィルタ３００及び第３の波長フィルタ４００は、例えばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を利用することによって、簡易に製造することができる。以下、一例として光導波路素子１００の製造方法について説明する。
【０１２９】
すなわち、まず、支持基板層、ＳｉＯ２層、及びＳｉ層が順次積層されて構成されたＳＯＩ基板を用意する。次に、例えばエッチング技術を用い、Ｓｉ層をパターニングすることによって、光導波路コア３０を形成する。その結果、支持基板１０としての支持基板層上にＳｉＯ２層が積層され、さらにＳｉＯ２層上に光導波路コア３０が形成された構造体を得ることができる。次に、例えば化学気相成長（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）法を用いて、ＳｉＯ２層上に、ＳｉＯ２を、光導波路コア３０を被覆して形成する。その結果、ＳｉＯ２のクラッド２０によって光導波路コア３０が包含される。次に、クラッド２０上に電極４０を形成して、光導波路素子１００を製造することができる。なお、第１の波長フィルタ２００及び第３の波長フィルタ４００を製造する場合には、Ｓｉ層をパターニングして光導波路コア３０を形成する工程において、同時に出力導波路コア７０を形成することができる。
【符号の説明】
【０１３０】
１０：支持基板
２０：クラッド
３０：光導波路コア
３１：モード変換部
３２、２３１：入力部
３３、２３２：入力側テーパ部
３４：多モード導波路部
３５、２３６：出力側テーパ部
３６、２３７：出力部
４０：電極
５１、５２：空孔
６１：第１空孔群
６２：第２空孔群
７０：出力導波路コア
７１：結合部
７２：第２出力部
８０：結合領域
９０：サブ空孔
１００：光導波路素子
１３１ａ：第１補償部
１３１ｂ：第２補償部
２００：第１の波長フィルタ
２３４：キャビティ部
３００：第２の波長フィルタ
３５０：変形例に係る第２の波長フィルタ
４００：第３の波長フィルタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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