(57)【要約】【課題】デバイス長を短くし、更なる小型化を図ることを可能とした基板型光導波路素子を提供する。【解決手段】第１の導波路３と第２の導波路４とは、それぞれの入力側と出力側との間にモード変換部１２を有している。モード変換部１２は、第１の導波路３と第２の導波路４との間でモード結合が生じる導波路構造を有し、第１の導波路３における第１の導波モードＴＥ０と、第２の導波路４における第２の導波モードＴＥ１との実効屈折率が、導波路構造における光の伝搬方向に垂直な少なくとも一断面において一致し、且つ、一断面を挟んで第１の導波モードＴＥ０の実効屈折率と、第２の導波モードＴＥ１の実効屈折率との大小関係が、それぞれの入力側と出力側との間で入れ替わる。【選択図】図１
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【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の導波路及び第２の導波路を形成するコアと、前記コアを覆うと共に前記コアよりも屈折率が小さいクラッドと、を備える基板型光導波路素子であって、
前記コアは、前記第１の導波路を形成する第１のリブ部と、前記第２の導波路を形成する第２のリブ部と、前記第１のリブ部及び前記第２のリブ部よりも小さい厚みで、前記第１のリブ部と前記第２のリブ部との間で共有されるスラブ部と、を有し、
前記第１の導波路と前記第２の導波路とは、それぞれの入力側と出力側との間に前記入力側から入力された光のモードを前記光のモードとは異なるモードに変換するモード変換部を有し、
前記モード変換部は、前記第１の導波路と前記第２の導波路との間でモード結合が生じる導波路構造を有し、
前記第１の導波路における第１の導波モードと、前記第２の導波路における第２の導波モードとの実効屈折率が、前記導波路構造における光の伝搬方向に垂直な少なくとも一断面において一致し、
且つ、前記一断面を挟んで前記第１の導波モードの実効屈折率と、前記第２の導波モードの実効屈折率との大小関係が、それぞれの入力側と出力側との間で入れ替わることを特徴とする基板型光導波路素子。
【請求項２】
電界が前記基板の面内方向となるＴＥモードのうち（ｎ，ｍは自然数を表す。但し、ｍ＞ｎである。）、前記第１の導波モードは、ｎ番目に大きい実効屈折率を有するＴＥ（ｎ−１）モードであり、前記第２の導波モードは、ｍ番目に大きい実効屈折率を有するＴＥ（ｍ−１）モード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】
ｎ＝１、ｍ＝２であることを特徴とする請求項２に記載の基板型光導波路素子。
【請求項４】
前記モード変換部において、前記第１のリブ部の幅が光の導波方向に沿って連続的に小さくなり、前記第２のリブ部の幅が光の導波方向に沿って連続的に大きくなることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の基板型光導波路素子。
【請求項５】
前記モード変換部において、前記スラブ部の幅が長さ方向において一定であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の基板型光導波路素子。
【請求項６】
前記モード変換部は、前記スラブ部の幅が最も小さくなる幅狭部と、入力側から前記幅狭部に向かって前記スラブ部の幅が連続的に小さくなる縮幅部と、前記幅狭部から出力側に向かって前記スラブ部の幅が連続的に大きくなる拡幅部とを有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基板型光導波路素子。
【請求項７】
前記スラブ部、前記第１のリブ部及び前記第２のリブ部の厚みが長さ方向において一定であることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の基板型光導波路素子。
【請求項８】
前記第１のリブ部及び前記第２のリブ部の厚みが等しいことを特徴とする請求項４〜７の何れか一項に記載の基板型光導波路素子。
【請求項９】
前記コアは、前記モード変換部の入力側と出力側との何れか一方側又は両側に曲げ導波路を有し、
前記曲げ導波路は、前記第１のリブ部と前記第２のリブ部との少なくとも一方又は両方を面内で曲げることによって、前記第１のリブ部と前記第２のリブ部との間の間隔が光の導波方向に沿って連続的に大きくなる又は小さくなる形状を有することを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の基板型光導波路素子。
【請求項１０】
前記コアは、前記モード変換部の入力側と出力側との何れか一方側又は両側にテーパ導波路を有し、
前記テーパ導波路は、前記第１のリブ部の前記第２のリブ部と対向する側の側面に連続して設けられた第１のスラブ部と、前記第２のリブ部の前記第１のリブ部と対向する側の側面に連続して設けられた第２のスラブ部とを有し、
前記第１のスラブ部と前記第２のスラブ部とは、前記スラブ部に連続して設けられ、且つ、それぞれの幅が前記スラブ部に向かって連続的に大きくなる形状を有することを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の基板型光導波路素子。
【請求項１１】
前記コアがＳｉを含み、前記クラッドがＳｉＯ２を含むことを特徴とする請求項１〜１０の何れか一項に記載の基板型光導波路素子。
【請求項１２】
前記コアは、前記モード変換部の出力側に位置して、前記第２の導波路に接続された高次偏波変換部を有し、
前記高次偏波変換部は、前記第２の導波路から出力されたＴＥ１モードで導波する光を、磁界が前記基板の面内方向となるＴＭモードのうち、１番目に大きい実効屈折率を有するＴＭ０モードで導波する光にモード変換して出力することを特徴とする請求項３〜１１の何れか一項に記載の基板型光導波路素子。
【請求項１３】
請求項１〜１２の何れか一項に記載の基板型光導波路素子を用いた偏波多重４値位相変調器。
【請求項１４】
請求項１〜１２の何れか一項に記載の基板型光導波路素子を用いたコヒーレント受信機。
【請求項１５】
請求項１〜１２の何れか一項に記載の基板型光導波路素子を用い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、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辿っている。こうした情報量の増加に対応するため、伝送速度の高速化や、波長多重通信によるチャネル数の増設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においては、電界が直交する２つの偏波モードに情報を載せる偏波多重方式が利用されている。この偏波多重方式においては、単一の偏波を利用した光伝送システムと比較して単位時間当たりの情報量を２倍にすることができる。
【０００３】
しかしながら、偏波多重方式を含む高速通信用の光変調方式においては、光変調器の構造が複雑になり、装置の大型化及び高額化といった問題が生じてしまう。こうした問題に対して、基板型光導波路素子を用いた光変調器の研究が行われている。
【０００４】
基板型光導波路素子の一例として、基板の上に、シリコン（Ｓｉ）からなるコアと、コアよりも屈折率が小さい石英（ＳｉＯ２）からなるクラッドとを有する導波路を備えたものがある。このようなＳｉを用いた基板型光導波路素子は、加工が容易で屈折率が高いＳｉを材料として用いることで、集積化による小型化や、大量生産による低コスト化等のメリットを持つ。
【０００５】
ところで、このような基板型光導波路素子を用いた偏波多重方式を含む光変調器には、次のような問題点がある。すなわち、基板型光導波路素子では、導波路を形成するコアの横断面形状が、基板に対して平行な方向（幅方向）と基板に対して垂直な方向（厚み方向）で非対称となるのが一般的である。このため、電界の主成分が基板の面内方向となる偏波モード（ＴＥモードという。）と、磁界の主成分が基板の面内方向（電界の主成分が基板の垂直方向）となる偏波モード（ＴＭモードという。）との間で、実効屈折率などの特性が異なっている。
【０００６】
これら２つの偏波モードの中で多くの場合に使用されるのは、ＴＥ０モードとＴＭ０モードである。このうち、ＴＥ０モードは、ＴＥモードの中で実効屈折率が一番大きいモードであり、ＴＭ０モードは、ＴＭモードの中で実効屈折率が一番大きいモードである。
【０００７】
しかしながら、実効屈折率などの特性が異なるこれらの偏波モードに対して光変調操作を行う場合は、単一の基板型光導波路素子を用いるだけでは困難であり、偏波モード毎に最適化された基板型光導波路素子が必要となる。したがって、基板型光導波路素子を用いた偏波多重方式には、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といった問題があった。
【０００８】
この問題を解決する方法として、ＴＥ０モードに対して設計された基板型光導波路素子への入力光としてＴＥ０モードの光を用い、その出力光をＴＭ０モードの光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モードからＴＭ０モードへの変換、若しくはＴＭ０モードからＴＥ０モードへの変換を言う。上記の光変調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。
【０００９】
このような偏波変換を基板上で行う技術として、ＴＥ０モードからＴＥ１モードへの変換と、ＴＥ１モードからＴＭ０モードへの変換とを組み合わせたものがある（非特許文献１を参照。）。なお、ＴＥ１モードは、ＴＥモードの中で実効屈折率が２番目に高いモードを表す。
【００１０】
このような偏波変換を行うためには、ＴＥ０モードからＴＥ１モードへの変換を行う変換素子と、ＴＥ１モードからＴＭ０モードへの変換を行う変換素子（以下、高次偏波変換素子という。）との２つが必要となる。
【００１１】
本発明では、このうち、上述したＴＥ０モードからＴＥ１モードへの変換に着目する。さらに、この変換に鑑みて、一般的な異なるモード間の変換（以下、モード変換と呼び、この変換を行う素子をモード変換素子と呼ぶ。）に着目する。ここで、「モード変換」とは、０以上の整数ｉ，ｊ（但し、ｉ≠ｊである。）について、ＴＥモードの中で実効屈折率が（ｉ＋１）又は（ｊ＋１）番目に大きいモードをＴＥｉモード又はＴＥｊモードとし、ＴＭモードの中で実効屈折率が（ｉ＋１）又は（ｊ＋１）番目に大きいモードをＴＭｉモード又はＴＭｊモードとしたときに、ＴＥｉモードとＴＥｊモードとの間の変換と、ＴＭｉモードとＴＭｊモードとの間の変換と、ＴＥｉモードとＴＭｉモードとの間の変換と、ＴＥｉモードとＴＭｊモードとの間の変換とのうち何れかの変換を言う。なお、上述したＴＥ０モードからＴＥ１モードへのモード変換は、ＴＥｉモードからＴＥｊモードへのモード変換のうち、ｉ＝０，ｊ＝１の場合である。以下、変換対象となる２つのモードを対象モードと呼ぶことにする。
【００１２】
モード変換に関連する従来技術として、下記非特許文献２，３に記載のモード変換素子が挙げられる。具体的に、下記非特許文献２に記載のモード変換素子について、図４４（Ａ），（Ｂ）を参照して説明する。なお、図４４（Ａ）は、下記非特許文献２に記載のモード変換素子を示す斜視図であり、図４４（Ｂ）は、図４４（Ａ）中に示す線分Ｚ３−Ｚ３によるモード変換素子の断面図である。
【００１３】
図４４（Ａ），（Ｂ）に示すモード変換素子は、２本の並列した導波路２０１，２０２を形成するコア２０３と、コア２０３を覆うクラッド２０４とを備えている。コア２０３は、Ｓｉからなる断面矩形状の導波路（いわゆる矩形導波路）２０１，２０２を形成している。クラッド２０４は、ＳｉＯ２からなる下部クラッド２０５と、空気層からなる上部クラッド２０６とから構成されている。導波路２０１，２０２は、下部クラッド２０５の面上に同じ厚み（高さ）で形成されている。上部クラッド２０６は、導波路２０１，２０２が形成された下部クラッド２０５の面上を覆っている。
【００１４】
図４４（Ａ），（Ｂ）に示すモード変換素子では、導波路２０１，２０２の幅が互いに異なっており、導波路２０２の幅が光の導波方向に沿って連続的（テーパ状）に変化している。これにより、２本の並列した導波路２０１，２０２の入力側と出力側との間で、導波路がテーパ化された方向性結合器が構成されている。なお、以下の説明において、２本の導波路のうち何れか一方又は両方がテーパ状の導波路からなる方向性結合器のことを「テーパ化方向性結合器」と呼ぶことにする。
【００１５】
図４４（Ａ），（Ｂ）に示すモード変換素子では、ＴＥ０モードで導波する光（図４４（Ａ）中の矢印ＴＥ０で表す。）が、一方の導波路２０１側から入力され、テーパ化方向性結合器でモード結合されることによって、ＴＥ１モードで導波する光（図４４（Ａ）中の矢印ＴＥ１で表す。）にモード変換されて、他方の導波路２０２側から出力される。したがって、対象モードは、一方の導波路２０１におけるＴＥ０モードと、他方の導波路２０２におけるＴＥ１モードである。
【００１６】
ここで、「モード結合」とは、一方の導波路の対象モードについて、その電界の一部が外部に浸み出し、隣接する他方の導波路に移ることを言う。モード結合を効率良く行うためには、隣接する導波路におけるそれぞれの対象のモードの実効屈折率が、同程度である必要がある（「同程度」とは、実効屈折率の差の絶対値が、後述する結合係数χを用いて、χ×波長／πよりも小さいときを言う。）。また、この条件が満たされていることを「位相整合している」と言う。
【００１７】
また、図４４（Ａ），（Ｂ）に示すモード変換素子では、ＴＥ０モードで導波する光（図４４（Ａ）中の矢印ＴＥ０’で表す。）が、他方の導波路２０２側から入力され、テーパ化方向性結合器でモード変換することなく、他方の導波路２０２側から出力される。これにより、ＴＥ０モードの光とＴＥ１モードの光とが他方の導波路２０２の出力側から同時に出力される（以下、モード多重という。）。
【００１８】
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たモード（モードＡとする。）の光と、他方の導波路に入力されたモードＡとは異なるモード（モードＢとする。）の光とが、他方の導波路から同時に出力されることを言う。他方の導波路から入力されたモードＢの光が方向性結合器においてモードＢとは異なるモードにモード変換されることなく、他方の導波路から出力されるためには、モードＢが一方の導波路のどのモードとも位相整合しないようにすればよい。
【００１９】
一方、下記非特許文献３に記載のモード変換素子（リブ導波路を用いたモード変換素子）について、図４５（Ａ），（Ｂ）を参照して説明する。なお、図４５（Ａ）は、下記非特許文献３に記載のモード変換素子を示す平面図であり、図４５（Ｂ）は、図４５（Ａ）中に示す線分Ｚ４−Ｚ４によるモード変換素子の断面図である。
【００２０】
図４５（Ａ），（Ｂ）に示すモード変換素子は、２本の並列した導波路３０１，３０２を形成するコア３０３と、コア３０３を覆うクラッド３０４とを備えている。コア３０３は、リブ部３０５，３０６と、スラブ部３０７とを有している。リブ部３０５，３０６は、Ｓｉからなり、同じ厚み（高さ）で断面矩形状に形成されている。スラブ部３０７は、Ｓｉからなり、リブ部３０５，３０６よりも低い高さで、リブ部３０５，３０６の幅方向の両側に連続して形成されている。これにより、コア３０３は、リブ部３０５，３０６の幅方向の両側にスラブ部３０７が設けられた導波路（いわゆるリブ導波路）３０１，３０２を形成している。
【００２１】
クラッド３０４は、ＳｉＯ２からなる下部クラッド３０８と、空気層からなる上部クラッド３０９とから構成されている。導波路３０１，３０２（リブ部３０５，３０６及びスラブ部３０７）は、下部クラッド３０８の面上に形成されている。上部クラッド３０９は、リブ部３０５，３０６及びスラブ部３０７を形成するコア３０３の面上を覆っている。
【００２２】
図４５（Ａ），（Ｂ）に示すモード変換素子では、導波路３０１，３０２の幅が互いに異なっており、曲線状の導波路３０１と直線状の導波路３０２との間隔及び導波路３０１，３０２の幅が光の導波方向に沿って連続的（テーパ状）に変化している。これにより、２本の並列した導波路３０１，３０２の入力側と出力側との間で、テーパ化方向性結合器が構成されている。
【００２３】
図４５（Ａ），（Ｂ）に示すモード変換素子では、ＴＥ０モード（下記非特許文献３中のthe fundamental mode of the "add" waveguide）で導波する光（図４５（Ａ）中の矢印ＴＥ０で表す。）が、一方の導波路３０１側から入力され、テーパ化方向性結合器でモード結合されることによって、ＴＥ２モード（下記非特許文献３中のthe 3rd modes of the "bus" waveguide）で導波する光（図４５（Ａ）中の矢印ＴＥ２で表す。）にモード変換されて、他方の導波路３０２側から出力される。したがって、対象モードは、導波路３０１におけるＴＥ０モードと、導波路３０２におけるＴＥ２モードである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２４】
【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, No. 11, pp. 10940-10949 (2011)
【非特許文献２】Yunhong Ding, Jing Xu, Francesco Da Ros, Bo Huang, Haiyan Ou, and  Christophe Peucheret, “On-chip two-mode division multiplexing using  tapered directional coupler-based mode  multiplexer and demultiplexer,” Optics Express, Vol. 21, No. 8, pp. 10376-10382 (2013)
【非特許文献３】Maxim Greenberg and Meir Orenstein, Francesco Da Ros, Bo Huang, Haiyan Ou, and  Christophe Peucheret, “Multimode add-drop multiplexing by adiabatic linearly tapered coupling,” Optics Express, Vol. 13, No. 23, pp. 9381-9387 (2005)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
ところで、上述したテーパ化方向性結合器では、同じモード同士の変換（例えば、ＴＥ０モードからＴＥ１モードへの変換）において同程度の変換効率を得ようとした場合、隣接する導波路における対象モード同士のモード結合の強さに依存して、デバイス長が決定される。すなわち、モード結合が強いほど、デバイス長を短くすることができる。
【００２６】
しかしながら、図４４（Ａ），（Ｂ）に示すモード変換素子では、上述した矩形導波路を利用したテーパ化方向性結合器であり、隣接する導波路２０１，２０２の間に上部クラッド２０６が配置されている。このため、一方の導波路２０１を導波する光は、外部に浸み出す光の量が少なく、大部分が内部に閉じ込められてしまう。したがって、矩形導波路を利用したテーパ化方向性結合器では、隣接する導波路２０１，２０２における対象モード同士のモード結合が弱いため、デバイス長が長くなってしまう。
【００２７】
一方、図４５（Ａ），（Ｂ）に示すモード変換素子では、上述したリブ導波路を利用したテーパ化方向性結合器であり、導波路３０１，３０２を形成するリブ部３０５，３０６の間にスラブ部３０７が配置されている。このため、一方の導波路３０１を導波する光は、リブ部３０１からスラブ部３０７へと大きく浸み出すことになる。したがって、リブ導波路を利用したテーパ化方向性結合器では、矩形導波路を利用したテーパ化方向性結合器よりも、隣接する導波路３０１，３０２における対象モード同士のモード結合が強い。
【００２８】
しかしながら、リブ導波路を利用したテーパ化方向性結合器では、リブ部３０５，３０６の幅方向の両側にスラブ部３０７が存在する。このため、一方の導波路３０１を導波する光は、この導波路３０１を基準として他方の導波路３０２側のスラブ部３０７（リブ部３０５とリブ部３０６との間のスラブ部３０７）だけではなく、この導波路３０１を基準として他方の導波路３０２側とは反対側のスラブ部３０７にも大きく浸み出す。この光はモード結合に寄与しないことから、モード結合を弱める一つの要因となる。
【００２９】
以上のように、従来のモード変換素子では、隣接する導波路間におけるモード結合が比較的弱いために、デバイス長を長くする必要があった。特に、Ｓｉをコアとした基板型光導波路素子では、Ｓｉからなるコアと、ＳｉＯ２（空気層やＳｉＮなどを含む。）からなるクラッドとの間で高い屈折率差を有する。このため、コアへの光の閉じ込めが強く、上述した問題が顕著である。
【００３０】
本発明の一つの態様は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、デバイス長を短くし、更なる小型化を図ることを可能とした基板型光導波路素子、並びにそのような基板型光導波路素子を用いた偏波多重４値位相変調器、コヒーレント受信機、及び偏波ダイバーシティを提供することを一つの目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
上記目的を達成するために、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の導波路及び第２の導波路を形成するコアと、前記コアを覆うと共に前記コアよりも屈折率が小さいクラッドと、を備える。前記コアは、前記第１の導波路を形成する第１のリブ部と、前記第２の導波路を形成する第２のリブ部と、前記第１のリブ部及び前記第２のリブ部よりも小さい厚みで、前記第１のリブ部と前記第２のリブ部との間で共有されるスラブ部と、を有している。前記第１の導波路と前記第２の導波路とは、それぞれの入力側と出力側との間に前記入力側から入力された光のモードを前記光のモードとは異なるモードに変換するモード変換部を有している。前記モード変換部は、前記第１の導波路と前記第２の導波路との間でモード結合が生じる導波路構造を有し、前記第１の導波路における第１の導波モードと、前記第２の導波路における第２の導波モードとの実効屈折率が、前記導波路構造における光の伝搬方向に垂直な少なくとも一断面において一致し、且つ、前記一断面を挟んで前記第１の導波モードの実効屈折率と、前記第２の導波モードの実効屈折率との大小関係が、それぞれの入力側と出力側との間で入れ替わる。
【００３２】
また、前記基板型光導波路素子は、電界が前記基板の面内方向となるＴＥモードのうち（ｎ，ｍは自然数を表す。但し、ｍ＞ｎである。）、前記第１の導波モードは、ｎ番目に大きい実効屈折率を有するＴＥ（ｎ−１）モードであり、前記第２の導波モードは、ｍ番目に大きい実効屈折率を有するＴＥ（ｍ−１）モードである構成であってもよい。
【００３３】
また、前記基板型光導波路素子は、ｎ＝１、ｍ＝２である構成であってもよい。
【００３４】
また、前記基板型光導波路素子は、前記モード変換部において、前記第１のリブ部の幅が光の導波方向に沿って連続的に小さくなり、前記第２のリブ部の幅が光の導波方向に沿って連続的に大きくなる構成であってもよい。
【００３５】
また、前記基板型光導波路素子は、前記モード変換部において、前記スラブ部の幅が長さ方向において一定である構成であってもよい。
【００３６】
また、前記基板型光導波路素子において、前記モード変換部は、前記スラブ部の幅が最も小さくなる幅狭部と、入力側から前記幅狭部に向かって前記スラブ部の幅が連続的に小さくなる縮幅部と、前記幅狭部から出力側に向かって前記スラブ部の幅が連続的に大きくなる拡幅部とを有する構成であってもよい。
【００３７】
また、前記基板型光導波路素子は、前記スラブ部、前記第１のリブ部及び前記第２のリブ部の厚みが長さ方向において一定である構成であってもよい。
【００３８】
また、前記基板型光導波路素子は、前記第１のリブ部及び前記第２のリブ部の厚みが等しい構成であってもよい。
【００３９】
また、前記基板型光導波路素子において、前記コアは、前記モード変換部の入力側と出力側との何れか一方側又は両側に曲げ導波路を有し、前記曲げ導波路は、前記第１のリブ部と前記第２のリブ部との少なくとも一方又は両方を面内で曲げることによって、前記第１のリブ部と前記第２のリブ部との間の間隔が光の導波方向に沿って連続的に大きくなる又は小さくなる形状を有する構成であってもよい。
【００４０】
また、前記基板型光導波路素子において、前記コアは、前記モード変換部の入力側と出力側との何れか一方側又は両側にテーパ導波路を有し、前記テーパ導波路は、前記第１のリブ部の前記第２のリブ部と対向する側の側面に連続して設けられた第１のスラブ部と、前記第２のリブ部の前記第１のリブ部と対向する側の側面に連続して設けられた第２のスラブ部とを有し、前記第１のスラブ部と前記第２のスラブ部とは、前記スラブ部に連続して設けられ、且つ、それぞれの幅が前記スラブ部に向かって連続的に大きくなる形状を有する構成であってもよい。
【００４１】
また、前記基板型光導波路素子は、前記コアがＳｉを含み、前記クラッドがＳｉＯ２を含む構成であってもよい。
【００４２】
また、前記基板型光導波路素子において、前記コアは、前記モード変換部の出力側に位置して、前記第２の導波路に接続された高次偏波変換部を有し、前記高次偏波変換部は、前記第２の導波路から出力されたＴＥ１モードで導波する光を、磁界が前記基板の面内方向となるＴＭモードのうち、１番目に大きい実効屈折率を有するＴＭ０モードで導波する光にモード変換して出力する構成であってもよい。
【００４３】
また、本発明の一つの態様に係る偏波多重４値位相変調器は、前記何れかの基板型光導波路素子を用いることを特徴とする。
【００４４】
また、本発明の一つの態様に係るコヒーレント受信機は、前記何れかの基板型光導波路素子を用いることを特徴とする。
【００４５】
また、本発明の一つの態様に係る偏波ダイバーシティは、前記何れかの基板型光導波路素子を用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【００４６】
以上のように、本発明の一つの態様によれば、デバイス長を短くし、更なる小型化を図ることを可能とした基板型光導波路素子、並びにそのような基板型光導波路素子を用いた偏波多重４値位相変調器、コヒーレント受信機、及び偏波ダイバーシティを提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施形態に係る基板型光導波路素子を示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその断面図である。
【図２】半リブ導波路を利用したテーパ化方向性結合器の各部の寸法の一例を示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその断面図である。
【図３】導波路１と導波路２がそれぞれ独立に存在するときのＷに対する実効屈折率の変化をシミュレーションにより求めたときの（Ａ）は導波路１と導波路２との各部の寸法を示す断面図、（Ｂ）はその結果を示すグラフである。
【図４】導波路１と導波路２とを隣接させたときのＷに対する実効屈折率の変化をシミュレーションにより求めたグラフである。
【図５】Ｗ＝−１００の断面位置（ａ）における♯１モードの電界分布のＥＸ成分をシミュレーションにより求めたグラフである。
【図６】Ｗ＝−５０の断面位置（ｂ）における♯１モードの電界分布のＥＸ成分をシミュレーションにより求めたグラフである。
【図７】Ｗ＝０の断面位置（ｃ）における♯１モードの電界分布のＥＸ成分をシミュレーションにより求めたグラフである。
【図８】Ｗ＝＋５０の断面位置（ｄ）における♯１モードの電界分布のＥＸ成分をシミュレーションにより求めたグラフである。
【図９】Ｗ＝＋１００の断面位置（ｅ）における♯１モードの電界分布のＥＸ成分をシミュレーションにより求めたグラフである。
【図１０】矩形導波路におけるＴＥ０モードによる電界分布のＥＸ成分をシミュレーションにより求めたグラフである。
【図１１】リブ導波路におけるＴＥ０モードによる電界分布のＥＸ成分をシミュレーションにより求めたグラフである。
【図１２】半リブ導波路におけるＴＥ０モードによる電界分布のＥＸ成分をシミュレーションにより求めたグラフである。
【図１３】矩形導波路を利用したテーパ化方向性結合器の各部の寸法の一例を示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその断面図である。
【図１４】リブ導波路を利用したテーパ化方向性結合器の各部の寸法の一例を示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその断面図である。
【図１５】図２、図１３及び図１４中に示す囲み部分Ｃの外側における導波路構造を示す平面図である。
【図１６】矩形導波路、リブ導波路、半リブ導波路について、それぞれのテーパ長と変換効率との関係を示すグラフである。
【図１７】半リブ導波路を利用したテーパ化方向性結合器について、テーパ長と変換効率との関係を示すグラフである。
【図１８】半リブ導波路を利用したテーパ化方向性結合器について、導波路１にＴＥ０モードの光を入力したときの電界分布のｙ＝０．１μｍの断面でのＥＸ成分を示すグラフである。
【図１９】半リブ導波路を利用したテーパ化方向性結合器について、波長と変換効率との関係を示すグラフである。
【図２０】半リブ導波路を利用したテーパ化方向性結合器について、導波路２にＴＥ０モードの光を入力したときの電界分布のｙ＝０．１μｍの断面でのＥＸ成分を示すグラフである。
【図２１】波長が１５２０ｎｍのときの上記図３（Ｂ）に対応する実効屈折率のグラフである。
【図２２】波長が１６４０ｎｍのときの上記図３（Ｂ）に対応する実効屈折率のグラフである。
【図２３】リブ部の幅が＋３０ｎｍ変化したときの上記図３（Ｂ）に示すグラフに対応する実効屈折率のグラフである。
【図２４】リブ部の幅が−３０ｎｍ変化したときの上記図３（Ｂ）に示すグラフに対応する実効屈折率のグラフである。
【図２５】スラブ部の高さが＋２０ｎｍ変化したときの上記図３（Ｂ）に示すグラフに対応する実効屈折率のグラフである。
【図２６】スラブ部の高さが−２０ｎｍ変化したときの上記図３（Ｂ）に示すグラフに対応する実効屈折率のグラフである。
【図２７】Ｗ＝−１００の断面位置（ａ）における♯０モードによる電界分布のＥＸ成分をシミュレーションにより求めたグラフである。
【図２８】Ｗ＝−５０の断面位置（ｂ）における♯０モードによる電界分布のＥＸ成分をシミュレーションにより求めたグラフである。
【図２９】Ｗ＝０の断面位置（ｃ）における♯０モードによる電界分布のＥＸ成分をシミュレーションにより求めたグラフである。
【図３０】Ｗ＝＋５０の断面位置（ｄ）における♯０モードによる電界分布のＥＸ成分をシミュレーションにより求めたグラフである。
【図３１】Ｗ＝＋１００の断面位置（ｅ）における♯０モードによる電界分布のＥＸ成分をシミュレーションにより求めたグラフである。
【図３２】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）はその平面図、（Ｂ）はその断面図である。
【図３３】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）はその平面図、（Ｂ）はそのテーパ導波路を示す平面図、（Ｃ）はテーパ導波路の変形例を示す平面図である。
【図３４】本発明の第３の実施形態に係る基板型光導波路素子を示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその断面図である。
【図３５】図３４に示す基板型光導波路素子について、上記図４に対応する実効屈折率のグラフである。
【図３６】図３４に示す基板型光導波路素子について、Ｗ＝−１００の断面位置における♯１モードの電界分布のＥＸ成分をシミュレーションにより求めたグラフである。
【図３７】図３４に示す基板型光導波路素子について、Ｗ＝＋１００の断面位置における♯１モードの電界分布のＥＸ成分をシミュレーションにより求めたグラフである。
【図３８】本発明の第４の実施形態に係る偏波変換素子の一例を示す模式図である。
【図３９】本発明の第５の実施形態に係る偏波変換素子の一例を示す模式図である。
【図４０】図３９に示す偏波変換素子の一例を示す平面図である。
【図４１】本発明の第６の実施形態に係るＤＰ−ＱＰＳＫ変調器の一例を示す模式図である。
【図４２】本発明の第７の実施形態に係るコヒーレント受信機の一例を示す模式図である。
【図４３】本発明の第８の実施形態に係る偏波ダイバーシティの一例を示す模式図である。
【図４４】従来の矩形導波路を用いたモード変換素子の一例を示し、（Ａ）は、その斜視図、（Ｂ）その断面図である。
【図４５】従来のリブ導波路を用いたモード変換素子の一例を示し、（Ａ）は、その平面図、（Ｂ）その断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の全ての図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【００４９】
（基板型光導波路素子）
先ず、本発明の一実施形態として、例えば図１（Ａ），（Ｂ）に示す基板型光導波路素子１について説明する。なお、図１（Ａ）は、基板型光導波路素子１を示す平面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）中に示す線分Ｚ１−Ｚ１による基板型光導波路素子１の断面図である。
【００５０】
図１（Ａ），（Ｂ）に示す基板型光導波路素子１は、基板２の上に、互いに並列した第１の導波路３及び第２の導波路４を形成するコア５と、コア５を覆うと共にコア５よりも屈折率が小さいクラッド６とを備えている。
【００５１】
基板型光導波路素子１では、例えば、Ｓｉ−ＳｉＯ２−ＳｉからなるＳＯＩ（Silicon on insulator）ウェハを用いて作製できる。具体的に、このＳＯＩウェハの最上層にあるＳｉ層を加工することで、コア５（第１の導波路３及び第２の導波路４）を形成することができる。ＳＯＩウェハを用いた場合、最下層にあるＳｉが基板２となり、中間にあるＳｉＯ２が後述する下部クラッド１０となる。
【００５２】
コア５は、第１の導波路３を形成する第１のリブ部７と、第２の導波路４を形成する第２のリブ部８と、第１のリブ部７及び第２のリブ部８よりも小さい厚み（低い高さ）で、第１のリブ部７と第２のリブ部８との間で共有されるスラブ部９とを有している。
【００５３】
コア５（第１のリブ部７、第２のリブ部８及びスラブ部９）は、クラッド６よりも屈折率が高い材料、好ましくはＳｉからなる。基板型光導波路素子１では、上述したＳＯＩウェハの最上層にあるＳｉ層を２段階でエッチングすることで、第１のリブ部７と第２のリブ部８とスラブ部９とを一体に形成することができる。
【００５４】
第１のリブ部７と第２のリブ部８とは、同じ厚み（高さ）で断面矩形状に形成されている。スラブ部９は、第１のリブ部７と第２のリブ部８との互いに対向する側面の間に亘って形成されている。これにより、第１の導波路３と第２の導波路４とは、第１のリブ部７と第２のリブ部８との幅方向の片側のみにスラブ部９が設けられた導波路（いわゆる半リブ導波路）を形成している。
【００５５】
クラッド６は、下部クラッド１０と、上部クラッド１１とを有している。第１の導波路３及び第２の導波路４（第１のリブ部７、第２のリブ部８及び第３のスラブ部９）は、下部クラッド１０の面上に形成されている。上部クラッド１１は、第１のリブ部７、第２のリブ部８及び第３のスラブ部９が形成された下部クラッド１０の面上を覆っている。
【００５６】
クラッド６は、コア５よりも屈折率が低い材料、具体的には、ＳｉＯ２やＳｉＮ、空気層（但し、空気層は上部クラッド１１のみ適用可能。）などからなる。基板型光導波路素子１では、上述したＳＯＩウェハのＳｉＯ２層が下部クラッド１０を形成し、その上の空気層が上部クラッド１１を形成している。また、上部クラッド１１は、下部クラッド１０の面上を覆うＳｉＯ２層により形成してもよい。
【００５７】
第１の導波路３と第２の導波路４とは、それぞれの入力側と出力側との間に入力側から入力された光のモードを、この光のモードとは異なるモードに変換するモード変換部（モード変換素子）１２を有している。モード変換部１２では、第１の導波路３と第２の導波路４との間でモード結合が生じる導波路構造を有している。
【００５８】
具体的に、モード結合が生じる導波路構造としては、例えば、第１のリブ部７及び第２のリブ部８の幅や厚み（高さ）、スラブ部９の厚み（高さ）などを光の導波方向Ｌに沿って連続的に変化させたものが挙げられる。実効屈折率は、光のコア５（第１の導波路３及び第２の導波路４）への閉じ込めに関係する。すなわち、第１の導波路３及び第２の導波路４においては、第１のリブ部７及び第２のリブ部８の幅や厚み（高さ）が大きくなることによって、実効屈折率が増加し、第１のリブ部７及び第２のリブ部８の幅や厚み（高さ）が小さくなることによって、実効屈折率が低下する。
【００５９】
したがって、上述した導波路構造を変化させることで、第１の導波路３及び第２の導波路４を導波する光のモードの実効屈折率を調整することができる。特に、第１のリブ部７及び第２のリブ部８とスラブ部９との厚み（高さ）を、第１の導波路３及び第２の導波路４の長さ方向において一定としたまま、第１のリブ部７及び第２のリブ部８の幅だけを変えて実効屈折率の調整を行う場合は、上述したＳＯＩウェハの加工による作製が容易となるため、効率的である。
【００６０】
モード変換部１２では、第１のリブ部７の幅が光の導波方向Ｌに沿って連続的に小さくなり、第２のリブ部８の幅が光の導波方向Ｌに沿って連続的に大きくなっている。一方、スラブ部９の幅は、第１のリブ部７及び第２のリブ部８の長さ方向において一定となっている。これにより、第１の導波路３及び第２の導波路４の入力側と出力側との間で、半リブ導波路を利用したテーパ化方向性結合器が構成されている。
【００６１】
モード変換部１２では、上述した導波路構造によって、第１の導波路３における第１の導波モードと、第２の導波路４における第２の導波モードとの実効屈折率が、導波路構造における光の伝搬方向に垂直な少なくとも一断面において一致し、且つ、この一断面を挟んで第１の導波モードの実効屈折率と、第２の導波モードの実効屈折率との大小関係が、それぞれの入力側と出力側との間で入れ替わる。
【００６２】
基板型光導波路素子１において、第１の導波路モードは、ｎ（ｎは自然数を表す。）番目に大きい実効屈折率を有するＴＥ（ｎ−１）モードである。一方、第２の導波路モードは、ｍ（ｍは自然数を表す。但し、ｍ＞ｎである。）番目に大きい実効屈折率を有するＴＥ（ｍ−１）モードである。具体的に、本実施形態における第１の導波路モードは、ＴＥ０モード（ｎ＝１）であり（図１（Ａ）中の矢印ＴＥ０で表す。）、第２の導波路モードは、ＴＥ１モード（ｍ＝２）である（図１（Ａ）中の矢印ＴＥ１で表す。）。
【００６３】
以上のように、本実施形態の基板型光導波路素子１では、上述したモード変換部１２において、半リブ導波路を利用したテーパ化方向性結合器が構成されている。この半リブ導波路を利用したテーパ化方向性結合器では、第１の導波路３を形成する第１のリブ部７と第２の導波路４を形成する第２のリブ部８との間にスラブ部９が配置されている。このため、第１の導波路３を導波する光は、第１のリブ部７からスラブ部９へと大きく浸み出すことになる。一方、スラブ部９は、第１のリブ部と第２のリブ部８との間にのみ存在する。このため、第１の導波路３を導波する光は、第１のリブ部７を基準としてスラブ部９が配置されている側とは反対側へ浸み出しづらい。したがって、第１の導波路３を導波する光のうちモード結合に寄与しない光を少なくすることができる。
【００６４】
これにより、半リブ導波路を利用したテーパ化方向性結合器では、上述したリブ導波路を利用したテーパ化方向性結合器よりもモード結合の強さが向上するため、単位長さ辺りの変換効率を高めて高効率なモード変換が可能となる。その結果、デバイス長を短くできるため、基板型光導波路素子１（モード変換部１２）の更なる小型化を図ることが可能である。
【００６５】
（半リブ導波路を利用したテーパ化方向性結合器）
次に、半リブ導波路を利用したテーパ化方向性結合器について説明する。
なお、以下の説明では、上記基板型導波路素子１と同等の部位については、必要に応じて図面等において同じ符号を付すものとする。
【００６６】
隣接する導波路が位相整合されている場合、一方の導波路から浸み出した光が他方の導波路へ移りき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。この結合係数χは、下記式（１）のように表される。
【００６７】
【数１】
2015197664.tif 000003
【００６８】
なお、式（１）中において、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。
【００６９】
上記式（１）より、隣接する２つの導波路のうち一方のコア断面において、両方のモードの電界の内積を積分するため、コアのリブ部から外部へ浸み出す光が大きいほど導波路間の結合が強くなることがわかる。後述するように、結合係数χが大きいと、短い距離で、モード結合によるモードの変換を高効率に行うことができる。
【００７０】
次に、半リブ導波路を利用したテーパ化方向性結合器によるＴＥ０モードからＴＥ１モードへのモード変換を考える。
なお、以下の説明では、結合対象のＴＥ０モードの光が導波する第１の導波路３を「導波路１」、結合対象のＴＥ１モードの光が導波する第２の導波路４を「導波路２」と呼ぶ。
【００７１】
また、半リブ導波路を利用したテーパ化方向性結合器の各部の寸法を図２（Ａ），（Ｂ）に例示する。なお、図２（Ａ）は、半リブ導波路を利用したテーパ化方向性結合器の各部の寸法の一例を示す平面図であり、図２（Ｂ）は、半リブ導波路を利用したテーパ化方向性結合器の各部の寸法の一例を示す断面図である。
【００７２】
半リブ導波路を利用したテーパ化方向性結合器については、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、コア５（リブ部７，８及びスラブ部９）をＳｉ（屈折率３．４８（波長１５８０ｎｍ時））とし、クラッド６（下部クラッド１０及び上部クラッド１１）をＳｉＯ２（屈折率１．４４（波長１５８０ｎｍ時））とし、リブ部７，８の厚み（高さ）を２２０ｎｍ、スラブ部９の厚み（高さ）を９５ｎｍとし、リブ部７，８の間隔（スラブ部９の幅）を３００ｎｍとし、長さ方向に一定としている。また、第１のリブ部７の幅を４００−Ｗ［ｎｍ］、第２のリブ部８の幅を９０８＋Ｗ［ｎｍ］とし（−１００≦Ｗ≦１００）、それぞれの始端の断面位置（ａ）（Ｗ＝−１００の位置）と終端の断面位置（ｅ）（Ｗ＝＋１００の位置）との間で、第１のリブ部７の幅が一定間隔で減少し、第２のリブ部８の幅が一定間隔で増加するように、導波路１，２を光の導波方向に沿ってテーパ化している。このテーパ化している部分の長さ（テーパ長という。）をＳμｍとしている。また、第１のリブ部７の幅と第２のリブ部８の幅は、それぞれの中間の断面位置（ｃ）（Ｗ＝０の位置）付近で位相整合するような幅としている。なお、断面位置（ｂ）は、断面位置（ａ）と断面位置（ｃ）との中間（Ｗ＝−５０の位置）に位置し、断面位置（ｄ）は、断面位置（ｃ）と断面位置（ｅ）との中間（Ｗ＝＋５０の位置）に位置している。
【００７３】
先ず、図２（Ａ），（Ｂ）に示す半リブ導波路を利用したテーパ化方向性結合器について、導波路１のＴＥ０モードと導波路２のＴＥ１モードとが位相整合するときの実効屈折率を有限要素法（ＦＥＭ：finite element method）によるシミュレーションによって求めた。計算するに当たり、導波路１と導波路２とがそれぞれ独立に存在する場合の構造を想定した。このとき用いた構造は、図３（Ａ）に示すとおりである。具体的に、本シミュレーションでは、波長を１５８０ｎｍとし、導波路１のリブ部の幅を４００ｎｍとし、導波路２のリブ部の幅を９０８ｎｍとし、スラブ部の幅を１μｍとした。（図３（Ａ）において、Ｗ＝０のときに該当する。）その計算結果を下記表１に示す。
【００７４】
【表１】
2015197664.tif 000004
【００７５】
本シミュレーションにおいて、導波路１のＴＥ０モードと導波路２のＴＥ１モードとの間の実効屈折率差は、約１．０６×１０−４となった。なお、後述する導波路１と導波路２とを３００ｎｍの幅で隣接させたときのそれぞれのモードの結合係数χは、０．１６３３５６［ｒａｄ／μｍ］であった。これは、χ×波長／π（＝０．０８２１６）＞＞実効屈折率差（≒１．０６×１０−４）であるため、上記シミュレーションにより求めたＴＥ０モードとＴＥ１モードの実効屈折率は同程度と言える。すなわち、これらのモードは位相整合している、と言える。
【００７６】
次に、上記シミュレーションにより求めた位相整合する条件を基にして、隣接する導波路１と導波路２との導波路構造（例えばリブ部の幅など。）を光の導波方向に沿って連続的に変化させる（すなわちテーパ化する）。これにより、テーパ化方向性結合器の入力側と出力側で、モード結合がほとんど行われない程度まで、位相整合する条件を故意に崩すと共に、入力側と出力側との間で位相整合する条件が満たされるようにする。
【００７７】
このとき、テーパ化の条件としては、位相整合する条件が成り立つ導波路構造の前後で、２つの結合対象のモードの実効屈折率の大きさが入れ替わるようにする。このような条件を満たすことで、入力側から出力側に向かって、光の導波方向に沿って徐々にモード結合が行われる。また、テーパの長さを十分長く取ることにより、ほぼ損失の無いモード変換が可能となる。このとき、結合係数χが大きいほど、高効率なモード変換が可能となり、デバイス長を短くすることが可能となる。
【００７８】
なお、導波路の幅を変えて実効屈折率を調整する方法では、導波路サイズが大きいほどコアへの光の閉じ込めが大きくなり、コア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った現象を利用している。
【００７９】
次に、半リブ導波路を利用したテーパ化方向性結合器について、導波路１，２をテーパ化したときに、位相整合する断面位置（ｃ）の前後で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と導波路２がそれぞれ独立に存在するときのＷに対するそれぞれの実効屈折率の変化をシミュレーションにより求めた。具体的に、本シミュレーションでは、図３（Ａ）に示すように、導波路１について第１のリブ部７の幅方向の片側にスラブ部９が設けられた半リブ導波路が単独で存在する場合と、導波路２について第２のリブ部８の幅方向の片側にスラブ部９が設けられた半リブ導波路が単独で存在する場合とに分けて、それぞれ計算を行った。また、何れの場合もスラブ部９の幅を１μｍとし、波長を１５８０ｎｍとして計算を行った。図３（Ｂ）は、その結果を示すグラフである。なお、図３（Ｂ）中のグラフにおいて、導波路１を導波する光のＴＥ０モードの実効屈折率を実線で示し、導波路２を導波する光のＴＥ０モードの実効屈折率を点線で示し、導波路２を導波する光のＴＥ１モードの実効屈折率を破線で示す。
【００８０】
図３（Ｂ）に示すグラフでは、導波路１を導波する光のＴＥ０モードの実効屈折率と、導波路２を導波する光のＴＥ１モードの実効屈折率とが、Ｗ＝０付近で同程度（一致）となっており、位相整合していることがわかる。一方、Ｗが０から離れるに従って、互いの実効屈折率に差を生じさせながら、位相整合する条件が崩れいく。
【００８１】
具体的に、Ｗ＝−１００の位置における表１に対応する実効屈折率差は、０．２２８６であるのに対し、χ×波長／π＝０．０７８４４となる。また、Ｗ＝＋１００の位置における表１に対応する実効屈折率差は、０．２４４２であるのに対し、χ×波長／π＝０．０８０６１となる。したがって、結合の強さを示す結合係数χに対し、実効屈折率差が大きいため、位相整合する条件が大きく崩れていることがわかる。
【００８２】
一般的に、実効屈折率差は、それぞれのモードの位相速度差に対応するため、実効屈折率差が大きいと、光の進行方向に対する位相のずれが大きくなり、他方の導波路とは独立した一方の導波路に局在する電界分布となる。このため、本シミュレーションでは、モード変換前後でモードの分離が可能なことがわかる。
【００８３】
次に、導波路１と導波路２とを隣接させたときのＷに対するそれぞれの実効屈折率の変化をシミュレーションにより求めたグラフを図４に示す。なお、本シミュレーションでは、波長を１５８０ｎｍとして計算を行った。また、図４中のグラフにおいて、点線で示す♯１は、導波路１と導波路２とを導波する光のモードのうち、１番目のモードの実効屈折率であり、実線で示す♯２は、導波路１と導波路２とを導波する光のモードのうち、２番目のモードの実効屈折率であり、破線で示す♯３は、導波路１と導波路２とを導波する光のモードのうち、３番目のモードの実効屈折率である。図４中のグラフにおいて、横軸には、Ｗに対する断面位置（ａ）〜（ｅ）を示している。
【００８４】
図４に示すグラフでは、上記図３（Ｂ）に示すグラフに比べて、Ｗ＝０付近で♯１と♯２とが交差せずに分離していることがわかる。これは、導波路１を導波する光のＴＥ０モードの実効屈折率と、導波路２を導波する光のＴＥ１モードの実効屈折率との位相整合が成り立つことから、モード結合によって２つのモードが相互作用するためである。このとき、互いのモードが混在する、いわゆるスーパーモード（図４中にＳＰで示す領域付近）を形成する。
【００８５】
一方、Ｗが０から離れるに従って、位相整合する条件が成立しなくなっていくため、このような相互作用は起きずに、導波路１と導波路２がそれぞれ独立に存在する場合と同様のモードの電界分布が得られる。その結果、実効屈折率も導波路１と導波路２がそれぞれ独立に存在する場合と大きく変わらなくなる。
【００８６】
なお、Ｗ＜０とＷ＞０では、導波路１を導波する光のＴＥ０モードの実効屈折率と、導波路２を導波する光のＴＥ１モードの実効屈折率との大小関係が入れ替わる。これにより、Ｗ＝０付近で強くモード結合した光は、その前後で導波路１にＴＥ０モードがあるモード分布と、導波路２にＴＥ１モードがあるモード分布につながる。
【００８７】
一方、テーパ化方向性結合器では、その導波路構造を光の導波方向に徐々に変化させていくと、１つの実効屈折率の曲線上を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。）。このため、図４に示すグラフにおいて、ＴＥ０モードで導波する光が、導波路１の始端（Ｗ＝−１００）から入力され、中間（Ｗ＝０）付近でスーパーモードによるモード結合によって、ＴＥ１モードで導波する光にモード変換されて、導波路２の終端（Ｗ＝＋１００）から出力される。
【００８８】
これを確認するため、上記♯１の電界分布のＥＸ成分をＷに対する断面位置（ａ）〜（ｅ）毎にシミュレーションにより求めたグラフを図５〜図９に示す。なお、図５〜図９に示すグラフの座標ｘ，ｙは、それぞれ幅方向，高さ方向を表す。また、シミュレーションの条件は、上記図４に示す場合と同様である。また、図５〜図９には、図２（Ｂ）中に示すコア５（リブ部７，８及びスラブ部９）の断面の輪郭線を併せて示すものとする。
【００８９】
図５に示すＷ＝−１００の断面位置（ａ）では、導波路１にＴＥ０モードで導波する光が存在している。図６に示すＷ＝−５０の断面位置（ｂ）では、導波路１のＴＥ０モードから導波路２のＴＥ１モードへと徐々にモード結合している。図７に示すＷ＝０の断面位置（ｃ）では、位相整合する条件が成り立つため、導波路１のＴＥ０モードと導波路２のＴＥ１モードとが混在したモード分布となっている。図８に示すＷ＝＋５０の断面位置（ｄ）では、導波路２を導波するＴＥ１モードの実効屈折率が、導波路１を導波するＴＥ０モードの実効屈折率よりも大きくなることから、導波路２のＴＥ１モードへと移行していく。図８に示すＷ＝＋１００の断面位置（ｅ）では、導波路２をＴＥ１モードで導波する光にモード変換されている。
【００９０】
ここで、テーパ化方向性結合器においては、導波路１，２の長さが十分に長く、且つ、互いの導波路１，２の幅を徐々に変化（テーパ化）させないと、ある実効屈折率を持つモードの一部が、その実効屈折率曲線から別の実効屈折率を持つモードや放射モードへと変換されてしまう。したがって、別のモードへの変換は、そのまま光の損失となる。このため、導波路１，２については、十分なテーパ長を取る必要がある。また、異なるモードへの変換は、実効屈折率曲線が近い場合に起こり易い。したがって、最も実効屈折率曲線が近づく部分でテーパ長を長く取る必要があり、この部分が全体のサイズを決定することになる。
【００９１】
テーパ化方向性結合器では、Ｗ＝０の断面位置（ｃ）で、導波路１，２が独立に存在した場合に、それぞれの対象とするモードの実効屈折率が一致していたものが、導波路１，２を隣接させることによるモード結合によってその一致が分離している。そのため、上記図４に示すグラフのように、この断面位置（ｃ）において実効屈折率曲線が最接近することになる。また、この部分が大きく離れているほど、所望の特性を得るためのテーパ長は短くなる。この部分の実効屈折率の分離は、一般にモード結合が大きいほど大きくなる。すなわち、結合係数χが大きいほど、実効屈折率の分離は大きくなる。そのため、隣接する導波路への光の浸み出しが大きいほど、テーパ化方向性結合器のデバイス長が短くなる。
【００９２】
（半リブ導波路と矩形導波路及びリブ導波路との比較）
次に、半リブ導波路を利用したテーパ化方向性結合器と、矩形導波路を利用したテーパ化方向性結合器及びリブ導波路を利用したテーパ化方向性結合器とを比較する。
【００９３】
矩形導波路（上記図４４（Ｂ）を参照。）は、閉じ込めの強さから通常の基板型光導波路素子で頻繁に使用されている。また、リブ導波路（上記図４５（Ｂ）を参照。）は、導波路の側壁荒れの影響を矩形導波路よりも低減することが可能であることからよく使用されている。一方、半リブ導波路（上記図１（Ｂ）を参照。）は、矩形導波路とリブ導波路を組み合わせた構造で、それぞれの効果が十分に発揮されないことから、使用されることは従来稀であった。
【００９４】
本発明では、このような半リブ導波路が異なるモード間のモード結合の観点で大きな効果を持つことを見出し、この半リブ導波路をテーパ化方向性結合器に利用することで、高効率なモード変換を可能とし、基板型光導波路素子の更なる小型化を図っている。
【００９５】
ここで、矩形導波路、リブ導波路及び半リブ導波路について、それぞれのＴＥ０モードによる電界分布のＥＸ成分をシミュレーションにより求めたグラフを図１０〜図１２に示す。なお、本シミュレーションでは、リブ部の厚み（高さ）（矩形導波路の場合はコアの厚み（高さ）。以下同様とする。）を２２０ｎｍとし、スラブ部の厚み（高さ）（矩形導波路の場合は無し。以下同様とする。）を９５ｎｍとし、リブ部の幅（矩形導波路の場合はコアの幅。以下同様とする。）を４００ｎｍとして計算を行った。また、図１０〜図１２には、矩形導波路、リブ導波路及び半リブ導波路を形成する各コアの断面の輪郭線を併せて示すものとする。
【００９６】
図１０〜図１２に示すグラフの右側（＋Ｘ方向）に、隣接する導波路が配置されたとすると、図１１に示すグラフより、リブ導波路では、隣接する導波路が存在しない方向（−Ｘ方向）にも電界の浸み出しがある。この隣接する導波路が存在しない方向に染み出した光はモード結合に寄与しないため、全体の結合係数が低下してしまう。
【００９７】
これに対して、半リブ導波路においては、図１０〜図１２に示すグラフより、他の導波路に比べて最も右側まで電界が広がっている。これは、半リブ導波路の場合、隣接する導波路側（＋Ｘ方向）にリブ部と同じ材料からなるスラブ部があるため、リブ部のスラブ部側（＋Ｘ方向）において実効的にコアとクラッドとの屈折率差が低下し、光の浸み出しが増えるためである。このリブ部のスラブ部側（＋Ｘ方向）に染み出した光は、隣接する導波路へのモード結合に大きく寄与する。したがって、半リブ導波路は、方向性結合器において非常に有利な構造である。
【００９８】
さらに詳しく見るために、矩形導波路、リブ導波路及び半リブ導波路の各々について、結合係数χを計算した。計算にあたって、ＴＥ０モードの光が導波する導波路１は、上記図１０と同じものとし、ＴＥ１モードの光が導波する導波路２の幅（リブ部の幅）を位相整合するように定め、それぞれの導波路の間隔（スラブ部の幅）を全て３００ｎｍとし、リブ部の厚み（高さ）を２２０ｎｍ、スラブ部の厚み（高さ）を９５ｎｍとした。また、波長は、１５８０ｎｍとして計算を行った。
【００９９】
導波路１の幅（リブ部の幅）を同じ値で固定して比較するのは次の点で妥当である。すなわち、導波路の幅が狭いほど光の浸み出しが大きくなるため、導波路１（とそれに応じて定まる導波路２）の幅（リブ導波路及び半リブ導波路はリブ部の幅）は狭い方が結合が大きくなる。しかしながら、実際の製造工程においては製造ばらつきを所定の範囲に抑えた場合に、正確に製造可能な導波路の幅（リブ部の幅）の最小サイズには限界がある。そのため、導波路の幅をある値以上の幅で作製する必要がある。すなわち、異なる導波路構造であっても導波路の幅（リブ導波路及び半リブ導波路はリブ部の幅）の最小サイズは同じになるため、この点に妥当性がある。なお、矩形導波路の幅とリブ部の幅は、同様のエッチングプロセスで作製するため、製造の困難性においてはほとんど差がない。
【０１００】
また、導波路の幅を３００ｎｍと固定したのも同様の理由で、隣接する導波路が接近しているほど、モード結合は大きいが、製造上ある値以下にすると、正確に作製できない。この点で、導波路の間隔（スラブ部の幅）を同じにするのは妥当である。なお、矩形導波路の間隔とスラブ部の幅も同様のエッチングプロセスで作製するため、製造の難しさは大きく違わない。
【０１０１】
以上の計算条件から、導波路２の幅を定めた結果を下記表２に示す。
【０１０２】
【表２】
2015197664.tif 000005
【０１０３】
このときの結合係数χの計算結果を下記表３に示す。
【０１０４】
【表３】
2015197664.tif 000006
【０１０５】
この計算結果から、半リブ導波路が最もモード結合が強いことがわかる。これは、隣接する導波路への光の浸み出しの強さが、半リブ導波路では最も大きいためである、
【０１０６】
次に、上記図２（Ａ），（Ｂ）に示す半リブ導波路を利用したテーパ化方向性結合器と、図１３（Ａ），（Ｂ）に示す矩形導波路を利用したテーパ化方向性結合器と、図１４（Ａ），（Ｂ）に示すリブ導波路をテーパ化方向性結合器とを比較する。なお、図１３（Ａ）は、矩形導波路を利用したテーパ化方向性結合器の各部の寸法の一例を示す平面図であり、図１３（Ｂ）は、矩形導波路を利用したテーパ化方向性結合器の各部の寸法の一例を示す断面図である。また、図１４（Ａ）は、リブ導波路を利用したテーパ化方向性結合器の各部の寸法の一例を示す平面図であり、図１４（Ｂ）は、リブ導波路を利用したテーパ化方向性結合器の各部の寸法の一例を示す断面図である。なお、図１３（Ａ），（Ｂ）に示す矩形導波路及び図１４（Ａ），（Ｂ）に示すリブ導波路では、上記図２（Ａ），（Ｂ）に示す半リブ導波路と同等の部位については、図面において同じ符号を付している。
【０１０７】
図１３（Ｂ）及び図１４（Ｂ）中に示すＷは、−１００≦Ｗ≦１００の範囲で変化させている。また、Ｗ＝０の位置において、波長１５８０ｎｍで実効屈折率が同程度となるように定めたものである。
【０１０８】
また、各モデルの性能の比較を行うため、図１５に示す導波路構造を検討した。図１５は、図２、図１３及び図１４中に示す囲み部分Ｃの外側における導波路構造を示す平面図である。図１５に示す導波路構造では、図２、図１３及び図１４中に示す囲み部分Ｃの外側において、導波路１の入力側に接続された直線導波路と、導波路２の出力側に接続された曲げ導波路と、導波路２の入力側に接続された曲げ導波路と、導波路２の出力側に接続された直線導波路とを有している。
【０１０９】
なお、図１５では、図２、図１３及び図１４中に示す囲み部分Ｃの外側にある曲げ導波路及び直線導波路の平面形状をまとめて図示しているが、図１５に示す曲げ導波路及び直線導波路は、それぞれ図２中に示す囲み部分Ｃの外側において半リブ導波路を形成し、図１３中に示す囲み部分Ｃの外側において矩形導波路を形成し、図１４中に示す囲み部分Ｃの外側においてリブ導波路を形成している。また、図１５中に示す囲み部分Ｃの外側にある曲げ導波路は、曲率４０μｍ、角度８°の曲線を２つ組み合わせてＳ字状に曲がって形成されている。
【０１１０】
以上のような導波路構造において、導波路１の入力側からＴＥ０モードの光を入力したときの導波路２の出力側より出力されるＴＥ１モードの光の変換効率［ｄＢ］を、矩形導波路、リブ導波路、半リブ導波路について、それぞれのテーパ長Ｓを変えて計算を行った。なお、波長は１５２０ｎｍとし、計算にはＦＤＴＤ（Finite-difference time-domain）法を用いた。その計算結果を図１６に示す。なお、ここで言う「変換効率」とは、入力側のＴＥ０モードの光のパワーに対する出力側のＴＥ１モードの光のパワーの比のことである。
【０１１１】
図１６に示すグラフから、テーパ長に対する変換効率は、半リブ導波路が最も高く、矩形導波路が最も低いことがわかる。一方、リブ導波路は、変換効率が矩形導波路よりも高いものの、テーパ長が短いと半リブ導波路よりも低く、テーパ長が長くなるに従って、変換効率が半リブ導波路に近づくものの、依然として半リブ導波路よりも低いことがわかる。したがって、変換効率を同じにした場合のテーパ長は、半リブ導波路が最も短くなり、デバイス長の短尺化が可能であることがわかる。これは、半リブ導波路によるテーパ化方向性結合器が最も結合が強い（結合係数が大きい）ためである。
【０１１２】
次に、図１６に示す計算結果から、更に半リブ導波路の変換効率についての検討を行った。具体的には、上記図２（Ａ），（Ｂ）に示す半リブ導波路を利用したテーパ化方向性結合器において、導波路１の入力側からＴＥ０モードの光を入力したときの導波路２の出力側より出力されるＴＥ１モードの光の変換効率［ｄＢ］を、テーパ長を変えて計算を行った。なお、波長は１５２０ｎｍとし、シミュレーションにはＦＤＴＤ法を用いた。その計算結果を図１７に示す。なお、本シミュレーションは、上記図１５に示すモデルを用いて計算を行った。
【０１１３】
図１７に示す計算結果から、半リブ導波路では、テーパ長が長いほど、変換効率は高くなることがわかる。これは、テーパ長を長くすると、導波路の幅がより徐々に変化するためである。テーパ長が１００μｍでは、−０．１０ｄＢとなり、高い変換効率が得られることがわかる。
【０１１４】
また、テーパ長が１００μｍのときのＦＤＴＤ法で計算した電界分布を図１８に示す。本シミュレーションでは、波長を１５２０ｎｍとした。また、図１８に示すグラフは、ＴＥ０モードによる電界分布のｙ＝０．１μｍの断面でのＥＸ成分を示している。なお、図１８には、半リブ導波路を形成する導波路１，２を構成するリブ部の平面の輪郭線を併せて示すものとする。
【０１１５】
図１８に示すグラフから、テーパ化方向性結合器の中央付近で、ＴＥ０モードの光が徐々にＴＥ１モードの光にモード変換されていることがわかる。テーパ化方向性結合器の中央付近でモード変換が行われているのは、このあたりで位相整合し、モード結合が強く行われているためである。
【０１１６】
また、波長依存性について、導波路１の入力側からＴＥ０モードの光を入力したときの導波路２の出力側より出力されるＴＥ１モードの光の変換効率［ｄＢ］を、波長を変えてＦＤＴＤ法を用いて計算を行った。その計算結果を図１９に示す。なお、本シミュレーションでは、テーパ長を１００μｍとした。
【０１１７】
図１９に示す計算結果から、１５２０ｎｍから１６４０ｎｍの範囲に亘って、−０．１０ｄＢ以上の高い変換効率を持つことがわかる。
【０１１８】
また、半リブ導波路を利用したテーパ化方向性結合器においては、導波路１から導波路２へのモード変換によって生じるＴＥ１モードとは異なるＴＥ０モードの光を導波路２に入力することによって、ＴＥ１モードの光とＴＥ０モードが導波路２から同時に出力されるモード多重が可能である。
【０１１９】
これを確認するため、導波路１及び導波路２の入力側からそれぞれＴＥ０モードの光を入力したときの導波路２の出力側より出力されるＴＥ０モードの光の透過率を、ＦＤＴＤ法を用いて計算を行った。なお、ここで言う「透過率」とは、導波路２に入力されるＴＥ０モードの光のパワーに対する導波路２から出力されるＴＥ１モードの光のパワーの比のことである。また、テーパ長が１００μｍのときのＦＤＴＤ法で計算した電界分布を図２０に示す。本シミュレーションでは、波長を１５２０ｎｍとした。また、図２０に示すグラフは、モード多重による電界分布のｙ＝０．１μｍの断面でのＥＸ成分を示している。なお、図２０には、半リブ導波路を形成する導波路１，２を構成するリブ部の平面の輪郭線を併せて示すものとする。
【０１２０】
このときの透過率は、−０．１１ｄＢとなり、ほとんど損失無く、ＴＥ０モードの光が透過することがわかった。以上のことからも、半リブ導波路を利用したテーパ化方向性結合器においては、モード多重が可能である。
【０１２１】
（本発明による効果）
次に、本発明による効果について説明する。
［効果１］
本発明による効果１としては、テーパ化方向性結合器において半リブ導波路を利用した場合は、デバイス長を短くし、更なる小型化が可能であることが挙げられる。上述したように、変換効率を同じにした場合のテーパ長は、半リブ導波路が最も短くなるため、デバイス長の短尺化が可能である。
【０１２２】
［効果２］
本発明による効果２としては、広い波長帯域で高効率なモード変換が可能であることが挙げられる。その理由は、次の２つの理由による。
【０１２３】
１つ目の理由は、テーパ化方向性結合器が位相整合の条件からのズレに強いという点にある。一般に方向性結合器は、導波路の幅などの導波路構造を変えることで、ある波長で位相整合するように設計されている。このため、波長が変わると異なる電界分布を持つ２つのモードの実効屈折率にズレが生じ、変換効率が低下する場合がある。しかしながら、テーパ化方向性結合器では、光の導波方向に対して、入力と出力の間でモード結合が行われるように位相整合していればよいため、波長が変わることで位相整合する範囲が設計値からずれる場合であっても、位相整合する範囲がテーパ化方向性結合器内に収まっていれば、モード変換は行われる。
【０１２４】
これを確認するため、波長が１５２０ｎｍのときと、波長が１６４０ｎｍのときの上記図３（Ｂ）に示すグラフに対応する実効屈折率のグラフを、それぞれ図２１と図２２に示す。なお、シミュレーションの条件は、上記図２に示す場合と同じである。波長のみ変えている。
【０１２５】
上記図３（Ｂ）に示すグラフにおいて、１５８０ｎｍのときにＷ＝０で実効屈折率が同等であった点（導波路１のＴＥ０モードと導波路２のＴＥ１モードとの実効屈折率の交点）が、図２１及び図２２に示すグラフにおいて、ずれていることがわかる。しかしながら、−１００＜Ｗ＜１００の範囲に交点が収まっているため、モード変換は行われることがわかる。
【０１２６】
２つ目の理由は、半リブ導波路によって結合係数χが上昇している点にある。波長が短くなると、導波路（コア）への光の閉じ込めが大きくなるため、隣接する導波路へと浸み出すだす光が少なくなり、結合係数χが減少する。結合係数χが小さいと、所望のモード同士の変換効率を得るのに必要なテーパ長が長くなる。したがって、テーパの長さが同じ場合、本発明の半リブ導波路は、従来の矩形導波路及びリブ導波路と比べて、結合係数χが大きくなるため、広い波長帯域に亘ってモード変換が可能となる。
【０１２７】
［効果３］
本発明による効果３としては、製造誤差に対しても強く、高い変換効率を維持できることが挙げられる。例えば、導波路の幅（リブ部の幅）について、実際に作製したものが、製造誤差により導波路の幅の設計値よりずれる場合がある。つまり、所定の導波路サイズにおいて結合対象の２つのモードの実効屈折率を同程度となるように設計していても、実際に製造したものはそうなっていない場合がある。
【０１２８】
しかしながら、上記効果２と同様の理由で、テーパ化方向性結合器では、光の導波方向に対して、入力と出力の間でモード結合が行われるように位相整合していればよいため、波長が変わることで位相整合する範囲が設計値からずれる場合であっても、位相整合する範囲がテーパ化方向性結合器内に収まっていれば、モード変換は可能である。このため、製造誤差に強い。なお、製造誤差については、導波路幅に対するものだけでなく、導波路の高さ（リブ部の高さ）や、スラブ部の高さ、またリブ部が完全な矩形にならず傾斜を持ち台形形状になる場合など、導波路の形状が変化する場合を含む。
【０１２９】
これを確認するため、リブ部の幅が＋３０ｎｍ変化したときと、リブ部の幅が−３０ｎｍ変化したときの上記図３（Ｂ）に示すグラフに対応する実効屈折率のグラフを、それぞれ図２３と図２４に示す。また、スラブ部の高さが＋２０ｎｍ変化したときと、スラブ部の高さが−２０ｎｍ変化したときの上記図３（Ｂ）に示すグラフに対応する実効屈折率のグラフを、それぞれ図２５と図２６に示す。なお、シミュレーションの条件は、上記図２に示す場合と同じである。波長は１５８０ｎｍとしいている。
【０１３０】
上記図３（Ｂ）に示すグラフにおいて、Ｗ＝０で実効屈折率が同等であった点（導波路１のＴＥ０モードと導波路２のＴＥ１モードとの実効屈折率の交点）が、図２３〜図２６に示すグラフにおいて、ずれていることがわかる。しかしながら、−１００＜Ｗ＜１００の範囲に交点が収まっているため、モード変換は行われることがわかる。
【０１３１】
さらに、本発明の半リブ導波路は、従来の矩形導波路及びリブ導波路と比べて、結合係数χが大きくなる。このため、隣接する導波路への光の浸み出しが小さくなるような製造誤差が生じる場合、例えば、リブ部の幅が大きくなり、光の閉じ込めが強くなる場合や、スラブ部の高さが減って浸み出しが小さくなる場合などでも、上記効果２と同様の理由で、高い結合効率を維持できる。したがって、本発明の半リブ導波路は、従来の矩形導波路及びリブ導波路と比べて、製造誤差に強い構造となっている。
【０１３２】
［効果４］
本発明による効果４としては、モード多重が可能になることが挙げられる。すなわち、導波路２の入力側から入力されたモード変換に寄与しないＴＥ０モードの光は、テーパ化方向性結合器でモード変換されずに、導波路１側に移ることなく、そのまま導波路２の出力側へと出力される。これにより、導波路１から導波路２へのモード変換によって生じたＴＥ１モードの光と、導波路２に入力されたＴＥ０モードの光とを、導波路２から同時に出力することができる。
【０１３３】
ここで、上記図２に示す半リブ導波路を利用したテーパ化方向性結合器を例にして、導波路１から導波路２へのモード変換によって生じたＴＥ１モード（モードＡ）とは異なるＴＥ０モード（モードＢ）の光を導波路２に入力することによって、モードＡの光とモードＢの光が導波路２から同時に出力されるモード多重が可能であることを説明する。
【０１３４】
上記図３（Ｂ）に示すグラフから、導波路２のＴＥ０モードの実効屈折率曲線は、導波路１のどのモードの実効屈折率曲線とも交わっていない。このため、モード結合は非常に弱く、導波路２に入力されたＴＥ０モードの光は、導波路１のどのモードにもほとんどモード変換しない。
【０１３５】
また、上記図５〜図９に示すグラフに対応して、導波路２の♯０モード（ＴＥ０モードに対応）よる電界分布のＥＸ成分をＷに対する断面位置（ａ）〜（ｅ）毎にシミュレーションにより求めたグラフを図２７〜図３１に示す。この図２７〜図３１に示すグラフからも、導波路２のＴＥ０モードの光は、導波路１のモードにモード結合していないことがわかる。
【０１３６】
以上のように、導波路２のＴＥ０モードの光は、モード変換されずに、導波路２の出力側にほぼそのまま出力される。これにより、導波路１からモード変換されて導波路２から出力されるＴＥ１モードの光とのモード多重が可能である。
【０１３７】
［効果５］
本発明による効果５としては、上述したＴＥ０モードからＴＥ１モードへのモード変換に限らず、その他の異なるモード間でのモード変換が可能なことが挙げられる。すなわち、隣接する２つの導波路の所望のモードの実効屈折率が交差するようにテーパ化することで、同様の効果が得られる。このとき、半リブ導波路を利用していることから、従来の矩形導波路やリブ導波路よりも大きな結合係数χが得られ、デバイス長を短くすることができる。
【０１３８】
なお、本発明は、特にＴＥ偏波が関係する変換に対して大きな効果を有する。これは以下の理由による。ＴＥ偏波は、一般的に幅方向の導波路構造の変化に対して、閉じ込めの程度（電界分布や実効屈折率）が大きく変化する。そのため、半リブ導波路のスラブ部への光の浸み出しは、ＴＭ偏波よりもＴＥ偏波の方が大きい。そのため、半リブ導波路を採用した際の結合係数χの増加の効果は、ＴＥ偏波の方が大きな効果が得られる。
【０１３９】
［効果６］
本発明による効果６としては、リブ型位相変調部を備えた光変調器や、その他のリブ導波路を有する光導波路素子との集積が容易な構造となっていることが挙げられる。すなわち、本発明では、リブ部とスラブ部の高さは変えずに、リブ部の幅を変えることで、テーパ化方向性結合器を作製することが可能である。このため、リブ型位相変調部のリブ導波路のスラブ部の高さとリブ部の高さに合わせて、同一のものを設計することが可能である。また、リブ型位相変調部と同一のエッチングプロセスが適用できるため、一括作製することが可能である。さらに、他のリブ導波路を有する光導波路素子との集積が容易という大きな効果がある。
【０１４０】
［効果７］
本発明による効果７としては、半リブ導波路の場合、リブ部の幅方向の片側にスラブ部があることから、リブ部のスラブ部が設けられた側の側壁部分の面積が小さくなる。このため、従来のリブ部のみからなる矩形導波路よりも製造誤差で生じる導波路の側壁の荒れによる影響（光散乱による損失増大）が小さいことが挙げられる。
【０１４１】
（第１の実施形態）
＜基板型光導波路素子＞
次に、本発明の第１の実施形態として図３２（Ａ），（Ｂ）に示す基板型光導波路素子１０１について説明する。なお、図３２（Ａ）は、基板型光導波路素子１０１を示す平面図であり、図３２（Ｂ）は、図３２（Ａ）中に破線で示す囲み部分Ｃにおける基板型光導波路素子１０１の断面図である。また、以下の説明では、上記図１（Ａ），（Ｂ）に示す基板型光導波路素子１と同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
【０１４２】
図３２（Ａ），（Ｂ）に示す基板型光導波路素子１０１は、囲み部分Ｃにおいて上記基板型光導波路素子１に対応した構成を有している。また、基板型光導波路素子１０１は、囲み部分Ｃの外側において、第１の導波路３の入力側に接続された第１の直線導波路１０２と、第１の導波路３の出力側に接続された第１の曲げ導波路１０３と、第２の導波路４の入力側に接続された第２の曲げ導波路１０４と、第２の導波路４の出力側に接続された第２の直線導波路１０５とを有している。それ以外は、上記基板型光導波路素子１と基本的に同じ構成を有している。
【０１４３】
コア５は、第１の直線導波路１０２を形成する第１のリブ部７Ａと、第２の曲げ導波路１０４を形成する第２のリブ部８Ａと、第１のリブ部７Ａ及び第２のリブ部８Ａよりも小さい厚み（低い高さ）で、第１のリブ部７Ａと第２のリブ部８Ａとの間で共有されるスラブ部９Ａとを有している。また、コア５は、第１の曲げ導波路１０３を形成する第１のリブ部７Ｂと、第２の直線導波路１０５を形成する第２のリブ部８Ｂと、第１のリブ部７Ｂ及び第２のリブ部８Ｂよりも小さい厚み（低い高さ）で、第１のリブ部７Ｂと第２のリブ部８Ｂとの間で共有されるスラブ部９Ｂとを有している。
【０１４４】
第１の直線導波路１０２及び第２の直線導波路１０５は、長さ方向において幅及び厚み（高さ）が一定となる第１のリブ部７Ａ及び第２のリブ部８Ｂにより直線状に形成されている。第１のリブ部７Ａと第２のリブ部８Ｂとは、第１のリブ部７の一端側（入力側）と、第２のリブ部８の他端側（出力側）とにそれぞれ連続して形成されている。すなわち、第１のリブ部７Ａは、第１のリブ部７の一端側（入力側）と同じ幅及び厚み（高さ）で断面矩形状に形成されている。一方、第２のリブ部８Ｂは、第２のリブ部８の他端側（出力側）と同じ幅及び厚み（高さ）で断面矩形状に形成されている。
【０１４５】
第１の曲げ導波路１０３及び第２の曲げ導波路１０４は、長さ方向において幅及び厚み（高さ）が一定となる第１のリブ部７Ｂ及び第２のリブ部８Ａにより面内で曲げるように形成されている。第１のリブ部７Ｂと第２のリブ部８Ａとは、第１のリブ部７の他端側（出力側）と、第２のリブ部８の一端側（入力側）とにそれぞれ連続して形成されている。すなわち、第１のリブ部７Ｂは、第１のリブ部７の他端側（出力側）と同じ幅及び厚み（高さ）で断面矩形状に形成されている。一方、第２のリブ部８Ａは、第２のリブ部８の一端側（入力側）と同じ幅及び厚み（高さ）で断面矩形状に形成されている。
【０１４６】
第１の曲げ導波路１０３は、第１のリブ部７Ａと第２のリブ部８Ａとの間の間隔が光の導波方向Ｌに沿って連続的に小さくなるように、所定の曲率及び角度でＳ字状に曲がって形成されている。一方、第２の曲げ導波路１０４は、第１のリブ部７Ｂと第２のリブ部８Ｂとの間の間隔が光の導波方向Ｌに沿って連続的に大きくなるように、所定の曲率及び角度でＳ字状に曲がって形成されている。なお、上記図２に示す寸法の場合、第１の曲げ導波路１０３及び第２の曲げ導波路１０４は、曲率４０μｍ、角度８°の曲線を２つ組み合わせてＳ字状に曲がって形成されている。
【０１４７】
スラブ部９Ａは、スラブ部９と同じ厚み（高さ）でスラブ部９に連続して形成されている。スラブ部９Ａは、第１のリブ部７Ａと第２のリブ部８Ａとの互いに対向する側面の間に亘って形成されている。これにより、第１の直線導波路１０２と第２の曲げ導波路１０４とは、第１のリブ部７Ａと第２のリブ部８Ａとの幅方向の片側のみにスラブ部９Ａが設けられた半リブ導波路を形成している。
【０１４８】
スラブ部９Ｂは、スラブ部９と同じ厚み（高さ）でスラブ部９に連続して形成されている。スラブ部９Ｂは、第１のリブ部７Ｂと第２のリブ部８Ｂとの互いに対向する側面の間に亘って形成されている。これにより、第１の曲げ導波路１０３と第２の直線導波路１０５とは、第１のリブ部７Ｂと第２のリブ部８Ｂとの幅方向の片側のみにスラブ部９Ｂが設けられた半リブ導波路を形成している。
【０１４９】
なお、基板型光導波路素子１０１では、上述したＳＯＩウェハの最上層にあるＳｉ層を加工することで、第１の直線導波路１０２、第１の曲げ導波路１０３、第２の曲げ導波路１０４及び第２の直線導波路１０５（第１のリブ部７Ａ，７Ｂ、第２のリブ部８Ａ，８Ｂ及びスラブ部９Ａ，９Ｂ）を形成することができる。
【０１５０】
本実施形態の基板型光導波路素子１０１では、ＴＥ０モードで導波する光（図３２（Ａ）中の矢印ＴＥ０で表す。）が、第１の直線導波路１０２側から入力され、モード変換部１２でモード結合されることによって、ＴＥ１モードで導波する光（図３２（Ａ）中の矢印ＴＥ１で表す。）にモード変換されて、第２の直線導波路１０５側から出力される。
【０１５１】
本実施形態の基板型光導波路素子１０１では、ＴＥ０モードで導波する光が入力される第１の直線導波路１０２と、ＴＥ１モードで導波する光が出力される第２の直線導波路１０５とをそれぞれ直線導波路とすることで、曲げによる損失が増加するのを防止している。
【０１５２】
また、本実施形態の基板型光導波路素子１０１では、第２の曲げ導波路１０４を隣接する第１の直線導波路１０２に対して徐々に接近させ、第１の曲げ導波路１０３を隣接する第２の直線導波路１０５に対して徐々に離間させることで、反射を低減している。また、上述した導波路のテーパ化により位相整合しない条件にする方法に加えて、入力側と出力側で、隣接する導波路を離間することで、隣接する導波路への光の浸み出しを小さくし、それによってモード結合をさらに弱めて、位相整合の条件を大きく崩すことが可能となる。位相整合の条件が大きく崩れると、モードの電界分布は、一方の導波路へ局在するので、明確なモード変換が可能となり、高効率な変換が可能となる。
【０１５３】
（第２の実施形態）
＜基板型光導波路素子＞
次に、第２の実施形態として図３３（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示す基板型光導波路素子１０１Ａについて説明する。なお、図３３（Ａ）は、基板型光導波路素子１０１Ａを示す平面図であり、図３３（Ｂ）は、基板型光導波路素子１０１Ａが備えるテーパ導波路１０６を示す平面図、図３３（Ｃ）は、テーパ導波路１０７の変形例を示す平面図である。
【０１５４】
図３３（Ａ）に示す本実施形態の基板型光導波路素子１０１Ａは、上記囲み部分Ｃの外側において、スラブ部９Ｃ〜９Ｆの形状が異なる以外は、上記基板型光導波路素子１０１と基本的に同じ構成を有している。
【０１５５】
本実施形態の基板型光導波路素子１０１Ａは、第１の直線導波路１０２、第１の曲げ導波路１０３、第２の曲げ導波路１０４及び第２の直線導波路１０５に、それぞれ図３３（Ｂ）に示すようなテーパ導波路１０６が接続された構成となっている。
【０１５６】
テーパ導波路１０６では、図３３（Ａ），（Ｂ）に示すように、半リブ導波路と矩形導波路との間で、導波路構造が光の導波方向Ｌに沿って連続的に変化している。具体的に、このテーパ導波路１０６は、第１のリブ部７Ａ，７Ｂの第２のリブ部８Ａ，８Ｂと対向する側の側面にそれぞれ連続して設けられた第１のスラブ部９Ｃ，９Ｄと、第２のリブ部８Ａ，８Ｂの第１のリブ部７Ａ，７Ｂと対向する側の側面にそれぞれ連続して設けられた第２のスラブ部９Ｅ，９Ｆとを有している。第１のスラブ部９Ｃ，９Ｄ及び第２のスラブ部９Ｅ，９Ｆは、スラブ部９に連続して設けられ、且つ、それぞれの幅がスラブ部９に向かって連続的に大きくなっている。
【０１５７】
入力側の第１のスラブ部９Ｃと第２のスラブ部９Ｅとは、第１のリブ部７Ａと第２のリブ部８Ａとの中途部から、一定のテーパ角を有して徐々に幅を拡大させながら、スラブ部９まで延長して設けられている。これにより、第１の直線導波路１０２及び第２の曲げ導波路１０４は、矩形導波路から半リブ導波路に変換される導波路構造を形成している。
【０１５８】
一方、出力側の第１のスラブ部９Ｄと第２のスラブ部９Ｆとは、第１のリブ部７Ｂと第２のリブ部８Ｂとの中途部から、一定のテーパ角を有して徐々に幅を拡大させながら、スラブ部９まで延長して設けられている。これにより、第２の曲げ導波路１０４及び第２の直線導波路１０５は、矩形導波路から半リブ導波路に変換される導波路構造を形成している。
【０１５９】
本実施形態の基板型光導波路素子１０１Ａでは、このようなテーパ導波路１０６を用いることで、矩形導波路と半リブ導波路との間でスラブ部９Ｃ，９Ｄ，９Ｅ，９Ｆの幅を連続的に変化させることができる。これにより、矩形導波路と半リブ導波路との接続が容易なものとなる。
【０１６０】
一方、図３３（Ｃ）に示すようなテーパ導波路１０７を用いた場合は、リブ導波路から半リブ導波路に変換される導波路構造、若しくは半リブ導波路からリブ導波路に変換される導波路構造が得られる。
【０１６１】
具体的に、このテーパ導波路１０７は、第１のリブ部７Ｃ及び／又は第２のリブ部８Ｃの幅方向の両側にそれぞれ連続して設けられたスラブ部９Ｇ，９Ｈを有している。このうち、一方のスラブ部９Ｇは、リブ部９Ｃの一端から、一定のテーパ角を有して徐々に幅を拡大させながら、リブ部９の他端まで延長して設けられている。他方のスラブ部９Ｇは、リブ部９Ｃの一端と他端との間に亘って所定の幅だけ延長して設けられている。なお、テーパ導波路１０７の場合、スラブ部９Ｇの幅が変化すると共に、リブ部９Ｃの幅が変化する構成としてもよい。
【０１６２】
このようなテーパ導波路１０７を用いた場合は、リブ導波路と半リブ導波路との間でスラブ部の幅９Ｇ，９Ｈを連続的に変化させることができる。これにより、リブ導波路と半リブ導波路との接続が容易なものとなる。
【０１６３】
（第３の実施形態）
＜基板型光導波路素子＞
次に、第３の実施形態として図３４（Ａ），（Ｂ）に示す基板型光導波路素子１０１Ｃについて説明する。なお、図３４（Ａ）は、基板型光導波路素子１０１Ｃを示す平面図であり、図３４（Ｂ）は、図３４（Ａ）中に示す線分Ｚ２−Ｚ２による基板型光導波路素子１０１Ｃの断面図である。また、以下の説明では、上記基板型光導波路素子１と同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
【０１６４】
上記基板型光導波路素子１では、スラブ部９の幅が第１のリブ部７及び第２のリブ部８の長さ方向において一定となる構成であるのに対して、図３４（Ａ），（Ｂ）に示す基板型光導波路素子１０１Ｃでは、スラブ部９の幅が第１のリブ部７及び第２のリブ部８の長さ方向において変化している構成である。
【０１６５】
具体的に、この基板型光導波路素子１０１Ｃは、第１の曲げ導波路１０８と第２の曲げ導波路１０９とが、それぞれの入力側と出力側との間で、異なるモードで結合されるモード変換部（モード変換素子）１２Ａを有している。
【０１６６】
モード変換部１２Ａは、スラブ部９の幅が最も小さくなる幅狭部１１０と、入力側から幅狭部１１０に向かってスラブ部９の幅が連続的に小さくなる縮幅部１１１と、幅狭部１１０から出力側に向かってスラブ部９の幅が連続的に大きくなる拡幅部１１２とを有している。
【０１６７】
第１のリブ部７と第２のリブ部８とは、このようなスラブ部９を挟んだ両側に、内側に向かって湾曲した形状を有している。また、モード変換部１２Ａでは、第１のリブ部７の幅が光の導波方向Ｌに沿って連続的に小さくなり、第２のリブ部８の幅が光の導波方向Ｌに沿って連続的に大きくなっている。
【０１６８】
本実施形態の基板型光導波路素子１０１Ｃでは、ＴＥ０モードで導波する光（図３４（Ａ）中の矢印ＴＥ０で表す。）が、第１の曲げ導波路１０８側から入力され、モード変換部１２でモード結合されることによって、ＴＥ１モードで導波する光（図３４（Ａ）中の矢印ＴＥ１で表す。）にモード変換されて、第２の曲げ導波路１０９側から出力される。
【０１６９】
本実施形態の基板型光導波路素子１０１Ｃでは、光の導波方向Ｌにおいて、第１の曲げ導波路１０８と第２の曲げ導波路１０９とを徐々に接近させた後、第１の曲げ導波路１０８と第２の曲げ導波路１０９とを徐々に離間させることで、上記基板型光導波路素子１と同様に、位相整合する条件が成り立つ前後で、２つの結合対象のモードの実効屈折率の大きさが入れ替わっている。
【０１７０】
ここで、基板型光導波路素子１０１Ｃについて、第１の曲げ導波路１０８と第２の曲げ導波路１０９とを隣接させたときのＷに対するそれぞれの実効屈折率の変化をシミュレーションにより求めたグラフを図３５に示す。なお、本シミュレーションの条件は、上記図４に示す場合と同様である。
【０１７１】
図３５に示すグラフから、ＴＥ０モードで導波する光が、第１の曲げ導波路１０８の始端（Ｗ＝−１００）から入力され、中間（Ｗ＝０）付近でスーパーモードによるモード結合によって、ＴＥ１モードで導波する光にモード変換されて、第２の曲げ導波路１０９の終端（Ｗ＝＋１００）から出力されることがわかる。
【０１７２】
これを確認するため、Ｗ＝−１００の断面位置における電界分布のＥＸ成分と、Ｗ＝＋１００の断面位置における電界分布のＥＸ成分とをシミュレーションにより求めたグラフを図３６及び図３７に示す。なお、図３６及び図３７に示すグラフの座標ｘ，ｙは、それぞれ幅方向，高さ方向を表す。また、シミュレーションの条件は、上記図３５に示す場合と同様である。
【０１７３】
一方、図３６及び図３７に示すグラフと、上記図５及び図９に示すグラフとを比較すると、導波路の幅が同じであるにも関わらず、基板型光導波路素子１０１Ｃの方が一方の導波路への光の閉じ込めが強く、結合を十分弱められていることがわかる。これは、基板型光導波路素子１０１Ｃにおいては、導波路の幅を変えることでＴＥ０モードとＴＥ１モードとの実効屈折率をずらして位相整合を成り立たせなくする効果に加えて、導波路の間隔を離すことで、隣接する導波路への結合を弱めるといった別の効果を持つためである。
【０１７４】
本発明では、位相整合が成り立つＷ＝０の付近より離れた位置では、十分に結合を弱める必要がある。仮に、この結合が弱められていない場合は、入力されたＴＥ０モードの光は、別の電界を励起し、変換効率を低下させてしまう。
【０１７５】
本発明では、半リブ導波路を用いてモード結合を強める導波路構造になっているため、導波路の幅を変えることによって結合を弱める効果に加え、導波路の間隔を離間することで結合を弱める別の効果を持つ。したがって、基板型光導波路素子１０１Ｃは、導波路の幅を変えつつ、導波路の間隔を離すことによって、より効率的にモード変換を行うことが可能であり、デバイス長を短くことが可能である。なお、導波路を離間させる方法としては、上述した基板型光導波路素子１０１Ｃの構成に限らず、導波路を連続的に離間される方法であれば、特に限定されるものではない。
【０１７６】
また、本実施形態の基板型光導波路素子１０１Ｃでは、上記基板型光導波路素子１と同様に、第１の曲げ導波路１０８から第２の曲げ導波路１０９へのモード変換によって生じるＴＥ１モードとは異なるＴＥ０モードの光を第２の曲げ導波路１０９に入力することによって、ＴＥ１モードの光とＴＥ０モードが第２の曲げ導波路１０９から同時に出力されるモード多重が可能である。
【０１７７】
（第４の実施形態）
＜偏波変換素子＞
次に、第４の実施形態として図３８に示す偏波変換素子５０について説明する。
なお、図３８は、偏波変換素子（基板型光導波路素子）５０の一例を示す模式図である。
【０１７８】
図３８に示す偏波変換素子５０は、上記基板型光導波路素子１のモード変換部１２の出力側に位置して、第２の導波路４に接続された高次偏波変換部（高次偏波変換素子）５１を有している。高次偏波変換部５１には、例えば、上記非特許文献１で開示されているような高次偏波変換素子を用いることができる。この場合、偏波変換素子５１を使用するためには、下部クラッド１０と上部クラッド１１との屈折率を変える必要がある。
【０１７９】
本実施形態の偏波変換素子５０では、上記基板型光導波路素子１のモード変換部１２の出力側において、第２の導波路４から出力されたＴＥ１モードで導波する光（図３８中の矢印ＴＥ１で表す。）が、高次偏波変換部５１に入力され、ＴＭ０モードで導波する光（図３８中の矢印ＴＭ０で表す。）にモード変換されて、高次偏波変換部５１から出力される。
【０１８０】
これにより、本実施形態の偏波変換素子５０では、ＴＥ０モードをＴＥ１モードに変換するモード変換部（モード変換素子）１２と、ＴＥ１モードをＴＭ０モードに変換する高次偏波変換部（高次偏波変換素子）５１との組み合わせによって、ＴＥ０モードをＴＭ０モードに変換することが可能である。
【０１８１】
また、本実施形態の偏波変換素子５０では、上述したモード変換部１２でのモード多重に影響を与えないことから、ＴＥ０モードの光（図３８中の矢印ＴＥ０’で表す。）とＴＭ０モードの光との偏波多重も可能である。この場合、モード変換部１２の第２の導波路４に多重対象となるＴＥ０モードの光を入力すればよい。
【０１８２】
（第５の実施形態）
＜偏波変換素子＞
次に、第５の実施形態として図３９に示す偏波変換素子について説明する。
なお、図３９は、偏波変換素子６０の一例を示す模式図である。
【０１８３】
図３９に示す偏波変換素子６０は、上記基板型光導波路素子１のモード変換部１２の出力側に位置して、第２の導波路４に接続された高次偏波変換部（高次偏波変換素子）６１を有している。高次偏波変換部６１には、例えば図４０に示すような本出願人が特願２０１３−１３５４９０で開示した高次偏波変換素子を用いることができる。なお、図４０においては、上記基板型光導波路素子１０１と同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
【０１８４】
これにより、本実施形態の偏波変換素子６０では、ＴＥ０モードをＴＥ１モードに変換するモード変換部（モード変換素子）１２と、ＴＥ１モードをＴＭ０モードに変換する高次偏波変換部（高次偏波変換素子）６１との組み合わせによって、ＴＥ０モードをＴＭ０モードに変換することが可能である。
【０１８５】
特に、この構成の場合は、上記偏波変換素子５１を使用したときのように、下部クラッド１０と上部クラッド１１との屈折率を変える必要がない。さらに、モード変換部１２の出力側の屈折率断面が上下非対称構造であるため、図４０に示すように、上記高次偏波変換素子６１を連続的に接続することも可能である。
【０１８６】
（第６の実施形態）
＜偏波多重４値位相（ＤＰ−ＱＰＳＫ：Dual Polarization-Quadrature Phase Shift Keying）変調器＞
次に、第６の実施形態として図４１に示すＤＰ−ＱＰＳＫ変調器２０について説明する。なお、図４１にＤＰ−ＱＰＳＫ変調器の一例を示す模式図である。
【０１８７】
本発明の基板型導波路素子は、例えば、参考文献［１］（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。
【０１８８】
このＤＰ−ＱＰＳＫ変調器２０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２１からＴＥ０モードで入力した光を２つの光導波路２２，２２に分岐し、ＱＰＳＫ変調器２３，２３により各々ＱＰＳＫ信号に変調した後、光導波路２４，２４の片側のＴＥ０モードを偏波変換素子２５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２６に出力する。
【０１８９】
（第７の実施形態）
＜コヒーレント受信機＞
次に、第７の実施形態として図４２に示すコヒーレント受信機３０について説明する。なお、図４２は、コヒーレント受信機３０の一例を模式図である。
本発明の基板型光導波路素子は、例えば、参考文献［２］（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。
【０１９０】
このコヒーレント受信機３０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３１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３２に接続し、光導波路３３，３３の一方にはＴＥ０の信号を、また、光導波路３３，３３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３４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。
【０１９１】
しかし、このコヒーレント受信機３０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３５を経て、結合部３６から出力される。
【０１９２】
偏波変換素子３２に光導波路型の構造を用いる場合、結合部３６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［３］（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。
【０１９３】
（第８の実施形態）
＜偏波ダイバーシティ＞
次に、第８の実施形態として図４３に示す偏波ダイバーシティについて説明する。
なお、図４３は、偏波ダイバーシティ４０の一例を模式図である。
本発明の基板型光導波路素子は、例えば、参考文献［４］（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。
【０１９４】
図４３に示す偏波ダイバーシティ４０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４１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４２に接続し、光導波路４３，４３の一方にはＴＥ０モードの信号を、また、光導波路４３，４３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４４，４４で操作されたＴＥ０の信号光は、光導波路４５，４５から偏波変換素子４６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４７に出力する。
【０１９５】
偏波変換素子４２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４６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。
【０１９６】
（その他の実施形態）
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。
例えば、上記テーパ化方向性結合器では、リブ部７，８の間隔（スラブ部９の幅）が長さ方向において一定なっているが、その途中で幅が変化していてもよい。
【０１９７】
また、上記テーパ化方向性結合器では、第１のリブ部７の幅が光の導波方向に沿って連続的に小さくなり、第２のリブ部８の幅が光の導波方向に沿って連続的に大きくなっているが、上述したテーパ化の条件を満足する範囲で任意の形状とすることができる。すなわち、位相整合する条件が成り立つ導波路構造の前後で、２つの結合対象のモードの実効屈折率の大きさが入れ替わるようにすればよい。この場合、２つの隣接する導波路の両方が光の導波方向に対してテーパ化されている導波路構造以外にも、何れか片方の導波路のみテーパ化された導波路構造としてもよい。
【０１９８】
また、テーパ化の方法としては、上述したリブ部の幅を直線状に変化させる場合に限らず、曲線状に変化させてもよい。さらに、リブ部の幅以外にも、リブ部の高さやスラブ部の高さなどが光の導波方向に変化することで、実効屈折率を調整してもよい。
【０１９９】
また、上記テーパ化方向性結合器では、上述した隣接する２つの導波路の入力側と出力側が光の導波方向に対して垂直となっているが、角度を持っていてもよい。
【符号の説明】
【０２００】
１…基板型光導波路素子  ２…基板  ３…第１の導波路  ４…第２の導波路  ５…コア  ６…クラッド  ７…第１のリブ部  ８…第２のリブ部  ９…スラブ部  ９Ｃ，９Ｄ…第１のスラブ部  ９Ｅ，９Ｆ…第２のスラブ部  １０…下部クラッド  １１…上部クラッド  １２…モード変換部（モード変換素子）
１０１，１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃ…基板型光導波路素子  １０２…第１の直線導波路  １０３…第１の曲げ導波路  １０４…第２の曲げ導波路  １０５…第２の直線導波路  １０６，１０７…テーパ導波路  １０８…第１の曲げ導波路  １０９…第２の曲げ導波路  １１０…幅狭部  １１１…縮幅部  １１２…拡幅部
５０，６０…偏波変換素子（基板型光導波路素子）  ５１，６１…高次偏波変換部（高次偏波変換素子）
２０…ＤＰ−ＱＰＳＫ変調器  ３０…コヒーレント受信機  ４０…偏波ダイバーシティ
【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１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１９】
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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３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2015197664.tif 000038
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１８】
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【図２０】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３６】
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【図３７】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年12月5日(2014.12.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に、互いに並列した第１の導波路及び第２の導波路を形成するコアと、前記コアを覆うと共に前記コアよりも屈折率が小さいクラッドと、を備える基板型光導波路素子であって、
前記コアは、前記第１の導波路を形成する第１のリブ部と、前記第２の導波路を形成する第２のリブ部と、前記第１のリブ部及び前記第２のリブ部よりも小さい厚みで前記第１のリブ部と前記第２のリブ部との幅方向の片側のみに設けられ、前記第１のリブ部と前記第２のリブ部との間で共有されるスラブ部と、を有し、
前記第１の導波路と前記第２の導波路とは、それぞれの入力側と出力側との間に前記入力側から入力された光のモードを前記光のモードとは異なるモードに変換するモード変換部を有し、
前記モード変換部は、前記第１の導波路と前記第２の導波路との間でモード結合が生じる導波路構造を有し、
前記第１の導波路における第１の導波モードと、前記第２の導波路における第２の導波モードとの実効屈折率が、前記導波路構造における光の伝搬方向に垂直な少なくとも一断面において一致し、
且つ、前記一断面を挟んで前記第１の導波モードの実効屈折率と、前記第２の導波モードの実効屈折率との大小関係が、それぞれの入力側と出力側との間で入れ替わることを特徴とする基板型光導波路素子。
【請求項２】
電界が前記基板の面内方向となるＴＥモードのうち（ｎ，ｍは自然数を表す。但し、ｍ＞ｎである。）、前記第１の導波モードは、ｎ番目に大きい実効屈折率を有するＴＥ（ｎ−１）モードであり、前記第２の導波モードは、ｍ番目に大きい実効屈折率を有するＴＥ（ｍ−１）モード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】
ｎ＝１、ｍ＝２であることを特徴とする請求項２に記載の基板型光導波路素子。
【請求項４】
前記モード変換部において、前記第１のリブ部の幅が光の導波方向に沿って連続的に小さくなり、前記第２のリブ部の幅が光の導波方向に沿って連続的に大きくなることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の基板型光導波路素子。
【請求項５】
前記モード変換部において、前記スラブ部の幅が長さ方向において一定であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の基板型光導波路素子。
【請求項６】
前記モード変換部は、前記スラブ部の幅が最も小さくなる幅狭部と、入力側から前記幅狭部に向かって前記スラブ部の幅が連続的に小さくなる縮幅部と、前記幅狭部から出力側に向かって前記スラブ部の幅が連続的に大きくなる拡幅部とを有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基板型光導波路素子。
【請求項７】
前記スラブ部、前記第１のリブ部及び前記第２のリブ部の厚みが長さ方向において一定であることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の基板型光導波路素子。
【請求項８】
前記第１のリブ部及び前記第２のリブ部の厚みが等しいことを特徴とする請求項４〜７の何れか一項に記載の基板型光導波路素子。
【請求項９】
前記コアは、前記モード変換部の入力側と出力側との何れか一方側又は両側に曲げ導波路を有し、
前記曲げ導波路は、前記第１のリブ部と前記第２のリブ部との少なくとも一方又は両方を面内で曲げることによって、前記第１のリブ部と前記第２のリブ部との間の間隔が光の導波方向に沿って連続的に大きくなる又は小さくなる形状を有することを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の基板型光導波路素子。
【請求項１０】
前記コアは、前記モード変換部の入力側と出力側との何れか一方側又は両側にテーパ導波路を有し、
前記テーパ導波路は、前記第１のリブ部の前記第２のリブ部と対向する側の側面に連続して設けられた第１のスラブ部と、前記第２のリブ部の前記第１のリブ部と対向する側の側面に連続して設けられた第２のスラブ部とを有し、
前記第１のスラブ部と前記第２のスラブ部とは、前記スラブ部に連続して設けられ、且つ、それぞれの幅が前記スラブ部に向かって連続的に大きくなる形状を有することを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の基板型光導波路素子。
【請求項１１】
前記コアがＳｉを含み、前記クラッドがＳｉＯ２を含むことを特徴とする請求項１〜１０の何れか一項に記載の基板型光導波路素子。
【請求項１２】
前記コアは、前記モード変換部の出力側に位置して、前記第２の導波路に接続された高次偏波変換部を有し、
前記高次偏波変換部は、前記第２の導波路から出力されたＴＥ１モードで導波する光を、磁界が前記基板の面内方向となるＴＭモードのうち、１番目に大きい実効屈折率を有するＴＭ０モードで導波する光にモード変換して出力することを特徴とする請求項３〜１１の何れか一項に記載の基板型光導波路素子。
【請求項１３】
請求項１〜１２の何れか一項に記載の基板型光導波路素子を用いた偏波多重４値位相変調器。
【請求項１４】
請求項１〜１２の何れか一項に記載の基板型光導波路素子を用いたコヒーレント受信機。
【請求項１５】
請求項１〜１２の何れか一項に記載の基板型光導波路素子を用いた偏波ダイバーシティ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
上記目的を達成するために、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の導波路及び第２の導波路を形成するコアと、前記コアを覆うと共に前記コアよりも屈折率が小さいクラッドと、を備える。前記コアは、前記第１の導波路を形成する第１のリブ部と、前記第２の導波路を形成する第２のリブ部と、前記第１のリブ部及び前記第２のリブ部よりも小さい厚みで前記第１のリブ部と前記第２のリブ部との幅方向の片側のみに設けられ、前記第１のリブ部と前記第２のリブ部との間で共有されるスラブ部と、を有している。前記第１の導波路と前記第２の導波路とは、それぞれの入力側と出力側との間に前記入力側から入力された光のモードを前記光のモードとは異なるモードに変換するモード変換部を有している。前記モード変換部は、前記第１の導波路と前記第２の導波路との間でモード結合が生じる導波路構造を有し、前記第１の導波路における第１の導波モードと、前記第２の導波路における第２の導波モードとの実効屈折率が、前記導波路構造における光の伝搬方向に垂直な少なくとも一断面において一致し、且つ、前記一断面を挟んで前記第１の導波モードの実効屈折率と、前記第２の導波モードの実効屈折率との大小関係が、それぞれの入力側と出力側との間で入れ替わる。