(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光伝送方向の両端に第一の端部と第二の端部とを有する幅Ｗの多モード干渉デバイスであって、
前記第一の端部の幅方向中央に設けられた第一ポートと、前記第一の端部の幅方向の両端の何れか一方からＷ／４だけ内側に設けられた第二ポートと、前記第二の端部の幅方向の両端からぞれぞれＷ／４だけ内側に設けられた第三ポート及び第四ポートとを備え、ＴＥ偏波光を前記第一ポートから入力したときに該ＴＥ偏波光を前記第三ポート及び前記第四ポートに均等に分配し且つＴＭ偏波光を前記第二ポートから入力したときに該ＴＭ偏波光を前記第三ポート及び前記第四ポートに均等に分配するように前記光伝送方向の前記多モード干渉デバイスの長さＬを定めたことを特徴とする多モード干渉デバイス。
【請求項２】
ＴＥ偏波光に対する前記多モード干渉デバイスの結合長を表す幅Ｗの関数をＬcTE（Ｗ）、ＴＭ偏波光に対する前記多モード干渉デバイスの結合長を表す幅Ｗの関数をＬcTM（Ｗ）としたときに、以下の連立方程式を満たすＬ及びＷをそれぞれ前記多モード干渉デバイスの長さ及び幅とした、請求項１に記載の多モード干渉デバイス。ただし、Ｌcは結合長であって、β0をゼロ次モードの伝播定数、β1を１次モードの伝播係数としたときに多モード干渉部の厚さ、幅Ｗ及び偏波の種類（ＴＥ偏波、ＴＭ偏波）に依存して数式（８）により定まる定数とする。
【数７】
0005777095.tif 000008
【数８】
0005777095.tif 000009
【請求項３】
入力ポートとＴＥ偏波出力ポートとＴＭ偏波出力ポートとを有し入力ポートに光を入力すると前記ＴＥ偏波出力ポートからＴＥ偏波光を出力すると共に前記ＴＭ偏波出力ポートからＴＭ偏波光を出力する偏波分離素子と、請求項１又は請求項２に記載の多モード干渉デバイスとを備え、前記偏波分離素子の前記ＴＥ偏波出力ポートを前記第一ポートに接続すると共に、前記偏波分離素子の前記ＴＭ偏波出力ポートを前記第二ポートに接続して、偏波無依存化したことを特徴とする１×２光分配器。
【請求項４】
二つの請求項１又は請求項２に記載の多モード干渉デバイスを第二の端部同士が対向するように配置して、一方の多モード干渉デバイスの第三ポートと他方の多モード干渉デバイスの第四ポートとを接続すると共に、前記一方の多モード干渉デバイスの第四ポートを前記他方の多モード干渉デバイスの第三ポートとを接続し、前記一方の多モード干渉デバイスの第一ポートに入力されたＴＥ偏波光が前記他方の多モード干渉デバイスの第一ポートから出力され、前記一方の多モード干渉デバイスの第二ポートに入力されたＴＭ偏波光が前記他方の多モード干渉デバイスの第二ポートから出力されるようにしたことを特徴とする異偏波間交差素子。
【請求項５】
前記二つの多モード干渉デバイスを、前記一方の多モード干渉デバイスの第三ポートと前記他方の多モード干渉デバイスの第四ポート、前記一方の多モード干渉デバイスの第四ポートと前記他方の多モード干渉デバイスの第三ポートが対向するように前記第二の端部同士で接続したかのように一体的に形成し、幅がＷ、長さが２Ｌとなるようにした、請求項４に記載の異偏波間交差素子。
【請求項６】
各々が入力ポートとＴＥ偏波出力ポートとＴＭ偏波出力ポートとを有する第一の偏波分離素子及び第二の偏波分離素子と、入力側第一ポート及び入力側第二ポートと出力側第一ポート及び出力側第二ポートとを有する請求項４又は請求項５に記載の第一の異偏波間交差素子と、各々が二つの入力ポートと二つの出力ポートを有するＴＥ偏波用の２×２光分配器及びＴＭ偏波用の２×２光分配器と、入力側第一ポート及び入力側第二ポートと出力側第一ポート及び出力側第二ポートとを有する請求項４又は請求項５に記載の第二の異偏波間交差素子と、各々がＴＥ偏波入力ポートとＴＭ偏波入力ポートと出力ポートとを有する第一の偏波合成素子及び第二の偏波合成素子とを順に備え、
前記第一の偏波分離素子のＴＥ偏波出力ポートを前記第一の異偏波間交差素子の前記入力側第一ポートに接続すると共に前記第二の偏波分離素子のＴＭ偏波出力ポートを前記第一の異偏波間交差素子の前記入力側第二ポートに接続し、
前記第一の偏波分離素子のＴＭ偏波出力ポートと前記第一の異偏波間交差素子の出力側第二ポートとを前記ＴＭ偏波用の２×２光分配器の前記二つの入力ポートに接続すると共に、前記第二の偏波分離素子のＴＥ偏波出力ポートと前記第一の異偏波交差素子の出力側第一ポートとを前記ＴＥ偏波用の２×２光分配器の前記二つの入力ポートに接続し、
前記ＴＭ偏波用の２×２光分配器の前記二つの出力ポートの一方を前記第二の異偏波間交差素子の前記入力側第二ポートに接続すると共に、前記ＴＥ偏波用の２×２光分配器の前記二つの出力ポートの一方を前記第二の異偏波間交差素子の前記入力側第一ポートに接続し、
前記ＴＭ偏波用の２×２光分配器の前記二つ出力ポートの他方と前記第二の異偏波間交差素子の前記出力側第一ポートとを前記第一の偏波合成素子の前記二つの入力ポートに接続すると共に、前記ＴＥ偏波用の２×２光分配器の前記二つの出力ポートの他方と前記第二の異偏波間交差素子の前記出力側第二ポートとを前記第二の偏波合成素子の前記二つの入力ポートに接続して、偏波無依存化したことを特徴とする２×２光分配器。
【請求項７】
各々が入力ポートとＴＥ偏波出力ポートとＴＭ偏波出力ポートとを有する第一の偏波分離素子及び第二の偏波分離素子と、入力側第一ポート及び入力側第二ポートと出力側第一ポート及び出力側第二ポートとを有する請求項４又は請求項５に記載の第一の異偏波間交差素子と、各々が二つの入力ポートと二つの出力ポートを有するＴＥ偏波用の２×２光スイッチ及びＴＭ偏波用の２×２光スイッチと、入力側第一ポート及び入力側第二ポートと出力側第一ポート及び出力側第二ポートとを有する請求項４又は請求項５に記載の第二の異偏波間交差素子と、各々がＴＥ偏波入力ポートとＴＭ偏波入力ポートと出力ポートとを有する第一の偏波合成素子及び第二の偏波合成素子とを順に備え、
前記第一の偏波分離素子のＴＥ偏波出力ポートを前記第一の異偏波間交差素子の前記入力側第一ポートに接続すると共に前記第二の偏波分離素子のＴＭ偏波出力ポートを前記第一の異偏波間交差素子の前記入力側第二ポートに接続し、
前記第一の偏波分離素子のＴＭ偏波出力ポートと前記第一の異偏波間交差素子の出力側第二ポートとを前記ＴＭ偏波用の２×２光スイッチの前記二つの入力ポートに接続すると共に、前記第二の偏波分離素子のＴＥ偏波出力ポートと前記第一の異偏波交差素子の出力側第一ポートとを前記ＴＥ偏波用の２×２光スイッチの前記二つの入力ポートに接続し、
前記ＴＭ偏波用の２×２光スイッチの前記二つの出力ポートの一方を前記第二の異偏波間交差素子の前記入力側第二ポートに接続すると共に、前記ＴＥ偏波用の２×２光スイッチの前記二つの出力ポートの一方を前記第二の異偏波間交差素子の前記入力側第一ポートに接続し、
前記ＴＭ偏波用の２×２光スイッチの前記二つの出力ポートの他方と前記第二の異偏波間交差素子の前記出力側第一ポートとを前記第一の偏波合成素子の前記二つの入力ポートに接続すると共に、前記ＴＥ偏波用の２×２光スイッチの前記二つの出力ポートの他方と前記第二の異偏波間交差素子の前記出力側第二ポートとを前記第二の偏波合成素子の前記二つの入力ポートに接続して、偏波無依存化したことを特徴とする２×２光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、新規構造を持つ多モード干渉デバイスと、これを利用して、ＴＥ偏波光及びＴＭ偏波光に依らずに使用できるように偏波無依存化した、１×２光分配器、異偏波間交差素子、２×２光分配器及び２×２光スイッチとに関する。
【背景技術】
【０００２】
多モード干渉デバイスは、非特許文献１などに開示されているように、公知の技術であり、例えば、半導体光導波路に基づく１入力Ｎ出力の１×Ｎ光分配器又はＮ入力Ｎ出力のＮ×Ｎ光分配器や、Ｎ×Ｎスイッチなどを作製するときに用いられる。
【０００３】
多モード干渉デバイスによって構成した標準的な１×２光分配器（１入力２出力の光分配器）及び２×２光分配器（２入力２出力の光分配器）がそれぞれ図９及び図１０に示されている。図９に示されているように、１×２光分配器では、その幅をＷとしたとき、入力ポートが入力側端部の中央（すなわち、Ｗ／２の位置）に設けられ、二つの出力ポートが出力側端部の両側端からそれぞれＷ／４だけ内側（中央に近づく側）の位置に設けられる。また、図１０に示されているように、２×２光分配器では、その幅をＷとしたとき、二つの入力ポートが入力側端部の両側端からそれぞれＷ／４だけ内側の位置に設けられ、二つの出力ポートが出力側端部の両側端からそれぞれＷ／４だけ内側の位置に設けられる。このような多モード干渉デバイスによって構成された２出力の光分配器は、多モード干渉部の長さＬ（すなわち、入力側端部と出力側端部との距離）を適切に選ぶことによって、二つの出力ポートに光が等分配される３ｄＢ光分配器となり、多モード干渉部の長さＬは、近似的に、以下の式で与えられることが一般的に知られている。
【数１】
0005777095.tif 000002
【０００４】
ここで、ｋは非負の整数である。また、Ｌcは結合長と呼ばれ、β0をゼロ次モードの伝播定数、β１を１次モードの伝播係数としたときに、以下の式で定義される。
【数２】
0005777095.tif 000003
なお、β0、β1は何れも多モード干渉部の厚さ、幅Ｗ及び偏波の種類（ＴＥ偏波、ＴＭ偏波）に依存する定数である。すなわち、多モード干渉部の長さＬは、多モード干渉部の厚さ、幅Ｗ及び偏波の種類に依存して変化する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】L.B. Soldano, E.C.M. Pennings, "Optical Multi-Mode InterferenceDevices Based on Self-Imaging: Principles and Applications", J. LightwaveTechnology, vol.13, no.4, pp.615-627(1995)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
シリコン細線光導波路を用いた光回路は、大規模集積に向けた展望に明るいが、導波路コア断面の縦横比に由来して複屈折をもつことが多く、光回路の特性が偏波依存性を有する。すなわち、光回路の特性が、光回路を伝送される光がＴＥ偏波であるかＴＭ偏波であるかに依存する。しかしながら、光回路は、偏波の種類に依らずに用いることができるようにすることが望まれる。
【０００７】
例えば、従来の多モード干渉デバイスや、これを用いて構成された光分配器や光スイッチは、上述したように、多モード干渉部の長さＬの選定に用いられる結合長Ｌcが偏波の種類に依存して変化するので、偏波依存性を有する。このため、多モード干渉デバイスや、多モード干渉デバイスを用いて構成された従来の光分配器や光スイッチは、ＴＥ偏波光専用又はＴＭ偏波光専用に設計されており、ＴＥ偏波光にもＴＭ偏波光にも利用できるようにすることが望まれる。しかしながら、従来の多モード干渉デバイスやこれを用いて構成された従来の光分配器又は光スイッチには、ＴＥ偏波光及びＴＭ偏波光の両方に利用できるように偏波無依存化されたものは存在しなかった。
【０００８】
よって、本発明の目的は、従来技術に存する問題を解決して、光分配器、異偏波間交差素子及び光スイッチを偏波無依存化することができる多モード干渉デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的に鑑み、本発明は、光伝送方向の両端に第一の端部と第二の端部とを有する幅Ｗの多モード干渉デバイスであって、前記第一の端部の幅方向中央に設けられた第一ポートと、前記第一の端部の幅方向の両端の何れか一方からＷ／４だけ内側に設けられた第二ポートと、前記第二の端部の幅方向の両端からぞれぞれＷ／４だけ内側に設けられた第三ポート及び第四ポートとを備え、ＴＥ偏波光を前記第一ポートから入力したときに該ＴＥ偏波光を前記第三ポート及び前記第四ポートに均等に分配し且つＴＭ偏波光を前記第二ポートから入力したときに該ＴＭ偏波光を前記第三ポート及び前記第四ポートに均等に分配するように前記光伝送方向の前記多モード干渉デバイスの長さＬを定めた多モード干渉デバイスを提供する。
【００１０】
上記多モード干渉デバイスでは、ＴＥ偏波光を第一ポートに、ＴＭ偏波光を第二ポートに入力することによって、ＴＥ偏波光とＴＭ偏波光の何れの場合でも、入力光を第三ポート及び第四ポートに均等に分配して出力することができる。
【００１１】
上記多モード干渉デバイスでは、ＴＥ偏波光に対する前記多モード干渉デバイスの結合長を表す幅Ｗの関数をＬcTE（Ｗ）、ＴＭ偏波光に対する前記多モード干渉デバイスの結合長を表す幅Ｗの関数をＬcTM（Ｗ）としたときに、以下の連立方程式を満たすＬ及びＷをそれぞれ前記多モード干渉デバイスの長さ及び幅とすることが好ましい。ただし、Ｌcは数式（２）により定める定数とする。
【数３】
0005777095.tif 000004
【００１２】
また、本発明は、入力ポートとＴＥ偏波出力ポートとＴＭ偏波出力ポートとを有し前記入力ポートに光を入力すると前記ＴＥ偏波出力ポートからＴＥ偏波光を出力すると共に前記ＴＭ偏波出力ポートからＴＭ偏波光を出力する偏波分離素子と、上記のような多モード干渉デバイスとを備え、前記偏波分離素子の前記ＴＥ偏波出力ポートを前記第一ポートに接続すると共に、前記偏波分離素子の前記ＴＭ偏波出力ポートを前記第二ポートに接続して、偏波無依存化した１×２光分配器を提供する。上記１×２光分配器では、偏波の種類に依らずに入力光が均等に配分されるので、偏波の種類に依存せずに使用することができる。
【００１３】
さらに、本発明は、上記のような多モード干渉デバイスを第二の端部同士が対向するように配置して、一方の多モード干渉デバイスの第三ポートと他方の多モード干渉デバイスの第四ポートとを接続すると共に、前記一方の多モード干渉デバイスの第四ポートを前記他方の多モード干渉デバイスの第三ポートとを接続し、前記一方の多モード干渉デバイスの第一ポートに入力されたＴＥ偏波光が前記他方の多モード干渉デバイスの第一ポートから出力され、前記一方の多モード干渉デバイスの第二ポートに入力されたＴＭ偏波光が前記他方の多モード干渉デバイスの第二ポートから出力されるようにした異偏波間交差素子を提供する。上記異偏波間交差素子では、第二の端部側が互いに対向して配置され、一方の多モード干渉デバイスの第三ポート及び第四ポートがそれぞれ他方の多モード干渉デバイスの第四ポート及び第三ポートに接続されているので、一方の多モード干渉デバイスの第二ポートと他方の多モード干渉デバイスの第二ポートの位置が第一ポートを挟んで反対側に配置される。したがって、第一ポートに入力されるＴＥ偏波光と第二ポートに入力されるＴＭ偏波光とが出力されるときに互いに対する相対位置が反転することになり、ＴＥ偏波光とＴＭ偏波光を交差させる機能を奏する。
【００１４】
上記異偏波交差素子では、二つの多モード干渉デバイスを、前記一方の多モード干渉デバイスの第三ポートと前記他方の多モード干渉デバイスの第四ポート、前記一方の多モード干渉デバイスの第四ポートと前記他方の多モード干渉デバイスの第三ポートが対向するように前記第二の端部同士で接続したかのように一体的に形成し、幅がＷ、長さが２Ｌとなるようにしてもよい。
【００１５】
また、本発明は、各々が入力ポートとＴＥ偏波出力ポートとＴＭ偏波出力ポートとを有する第一の偏波分離素子及び第二の偏波分離素子と、入力側第一ポート及び入力側第二ポートと出力側第一ポート及び出力側第二ポートとを有する上記の異偏波間交差素子のような第一の異偏波間交差素子と、各々が二つの入力ポートと二つの出力ポートを有するＴＥ偏波用の２×２光分配器及びＴＭ偏波用の２×２光分配器と、入力側第一ポート及び入力側第二ポートと出力側第一ポート及び出力側第二ポートとを有する上記の異偏波間交差素子のような第二の異偏波間交差素子と、各々がＴＥ偏波入力ポートとＴＭ偏波入力ポートと出力ポートとを有する第一の偏波合成素子及び第二の偏波合成素子とを順に備え、前記第一の偏波分離素子のＴＥ偏波出力ポートを前記第一の異偏波間交差素子の前記入力側第一ポートに接続すると共に前記第二の偏波分離素子のＴＭ偏波出力ポートを前記第一の異偏波間交差素子の前記入力側第二ポートに接続し、前記第一の偏波分離素子のＴＭ偏波出力ポートと前記第一の異偏波間交差素子の出力側第二ポートとを前記ＴＭ偏波用の２×２光分配器の前記二つの入力ポートに接続すると共に、前記第二の偏波分離素子のＴＥ偏波出力ポートと前記第一の異偏波交差素子の出力側第一ポートとを前記ＴＥ偏波用の２×２光分配器の前記二つの入力ポートに接続し、前記ＴＭ偏波用の２×２光分配器の前記二つの出力ポートの一方を前記第二の異偏波間交差素子の前記入力側第二ポートに接続すると共に、前記ＴＥ偏波用の２×２光分配器の前記二つの出力ポートの一方を前記第二の異偏波間交差素子の前記入力側第一ポートに接続し、前記ＴＭ偏波用の２×２光分配器の前記二つ出力ポートの他方と前記第二の異偏波間交差素子の前記出力側第一ポートとを前記第一の偏波合成素子の前記二つの入力ポートに接続すると共に、前記ＴＥ偏波用の２×２光分配器の前記二つの出力ポートの他方と前記第二の異偏波間交差素子の前記出力側第二ポートとを前記第二の偏波合成素子の前記二つの入力ポートに接続して、偏波無依存化した２×２光分配器を提供する。
【００１６】
また、本発明は、各々が入力ポートとＴＥ偏波出力ポートとＴＭ偏波出力ポートとを有する第一の偏波分離素子及び第二の偏波分離素子と、入力側第一ポート及び入力側第二ポートと出力側第一ポート及び出力側第二ポートとを有する上記の異偏波交差素子のような第一の異偏波間交差素子と、各々が二つの入力ポートと二つの出力ポートを有するＴＥ偏波用の２×２光スイッチ及びＴＭ偏波用の２×２光スイッチと、入力側第一ポート及び入力側第二ポートと出力側第一ポート及び出力側第二ポートとを有する上記の異偏波交差素子のような第二の異偏波間交差素子と、各々がＴＥ偏波入力ポートとＴＭ偏波入力ポートと出力ポートとを有する第一の偏波合成素子及び第二の偏波合成素子とを順に備え、前記第一の偏波分離素子のＴＥ偏波出力ポートを前記第一の異偏波間交差素子の前記入力側第一ポートに接続すると共に前記第二の偏波分離素子のＴＭ偏波出力ポートを前記第一の異偏波間交差素子の前記入力側第二ポートに接続し、前記第一の偏波分離素子のＴＭ偏波出力ポートと前記第一の異偏波間交差素子の出力側第二ポートとを前記ＴＭ偏波用の２×２光スイッチの前記二つの入力ポートに接続すると共に、前記第二の偏波分離素子のＴＥ偏波出力ポートと前記第一の異偏波交差素子の出力側第一ポートとを前記ＴＥ偏波用の２×２光スイッチの前記二つの入力ポートに接続し、前記ＴＭ偏波用の２×２光スイッチの前記二つの出力ポートの一方を前記第二の異偏波間交差素子の前記入力側第二ポートに接続すると共に、前記ＴＥ偏波用の２×２光スイッチの前記二つの出力ポートの一方を前記第二の異偏波間交差素子の前記入力側第一ポートに接続し、前記ＴＭ偏波用の２×２光スイッチの前記二つの出力ポートの他方と前記第二の異偏波間交差素子の前記出力側第一ポートとを前記第一の偏波合成素子の前記二つの入力ポートに接続すると共に、前記ＴＥ偏波用の２×２光スイッチの前記二つの出力ポートの他方と前記第二の異偏波間交差素子の前記出力側第二ポートとを前記第二の偏波合成素子の前記二つの入力ポートに接続して、偏波無依存化した２×２光スイッチを提供する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の多モード干渉デバイスによれば、ＴＥ偏波光専用の入力ポート及びＴＭ偏波光専用の入力ポートが設けられ、入力光がＴＥ偏波光の場合でも、ＴＭ偏波光の場合でも入力光を二つのポートに均等に配分することができるようになる。また、上記多モード干渉デバイスを用いれば、１×２光分配器を偏波無依存化することができる。さらに、上記多モード干渉デバイスを用いればＴＥ偏波光とＴＭ偏波光とを交差させる機能を果たす異偏波間交差素子を提供することができ、これを用いることによって偏波無依存化された２×２光分配器及び２×２光スイッチが提供される。このような偏波無依存化された１×２光分配器、２×２光分配器及び２×２光スイッチは、光クロスコネクトなど光ノード装置に要素素子として組み込まれる素子として特に有用となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明による多モード干渉デバイスの全体構成を示す平面図である。
【図２】入力側の中央の第一ポートから入力されたＴＥ偏波が出力側の第三ポート及び第四ポートに分配されるために満たされるべき多モード干渉部の長さＬと幅Ｗとの関係を表す曲線と、第一ポートから偏倚した位置に設けられた入力側の第二ポートから入力されたＴＭ偏波が出力側の第三ポート及び第四ポートに分配されるために満たされるべき多モード干渉部の長さＬと幅Ｗとの関係を表す曲線とを示すグラフである。
【図３】有限差分時間領域法を用いて行った、入力側の第一ポートから入力されたＴＥ偏波と入力側の第二ポートから入力されたＴＭ偏波が多モード干渉部を伝播する様子の演算の結果を示している。
【図４】図１に示されている多モード干渉デバイスを用いて偏波無依存化した１×２光分配器の全体構成を示す平面図である。
【図５】図１に示されている多モード干渉デバイスを用いて偏波無依存化した異偏波間交差素子の全体構成を示す平面図である。
【図６】図５に示される異偏波間交差素子の変形例を示す平面図である。
【図７】図６に示されている異偏波間交差素子を用いて偏波無依存化した２×２光分配器の全体構成を示す平面図である。
【図８】図６に示されている異偏波間交差素子を用いて偏波無依存化した２×２光スイッチの全体構成を示す平面図である。
【図９】多モード干渉デバイスを用いて構成された従来の１×２光分配器の全体構成をを示す平面図である。
【図１０】多モード干渉デバイスを用いて構成された従来の２×２光分配器の全体構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明による多モード干渉デバイスの実施の形態を説明する。
【００２０】
最初に、図１を参照して、本発明による多モード干渉デバイス１０の全体構成を説明する。多モード干渉デバイス１０は、シリコン薄板によって形成された多モード干渉部１２と、多モード干渉部１２の長さ方向の一端部（第一の端部１２ａ）に形成された第一ポート１４及び第二ポート１６と、多モード干渉部１２の長さ方向の他端部（第二の端部１２ｂ）に形成された第三ポート１８及び第四ポート２０とを備え、各ポート１４，１６，１８，２０には、例えばＳｉＯ2（二酸化ケイ素）で周囲を囲まれた入出力導波路（図示せず）が接続される。以下では、多モード干渉部１２の第一の端部１２ａと第二の端部１２ｂの間の距離を長さＬ、長さＬと垂直な方向を幅Ｗ、長さ方向と幅方向に垂直な方向を厚さＤと記載する。
【００２１】
第一ポート１４は、第一の端部１２ａの幅方向の中央、すなわち第一の端部１２ａの側端から幅方向中央へ向かってＷ／２だけ内側の位置に設けられ、第二ポート１６は、第一の端部１２ａの側端の両側端の何れか一方から幅方向中央へ向かってＷ／４だけ内側の位置に中心が設けられる。図１では、第二ポート１６は、第一の端部１２ａの右側端から幅方向中央へ向かってＷ／４だけ内側の位置に中心が設けられているが、図１に破線で描かれているように、第一の端部１２ａの左側端から幅方向中央へ向かってＷ／４だけ内側の位置に中心が設けられていてもよい。
【００２２】
第一ポート１４にはＴＥ偏波光が入力され、第一ポート１４に入力されたＴＥ偏波光は、３ｄＢの損失で第三ポート１８及び第四ポート２０に均等に配分されて出力されるようになっている。また、第二ポート１６にはＴＭ偏波光が入力され、第二ポート１６に入力されたＴＭ偏波光は、３ｄＢの損失で第三ポート１８及び第四ポート２０に均等に配分されて出力されるようになっている。
【００２３】
多モード干渉デバイス１０では、第一ポート１４に入力されたＴＥ偏波光及び第二ポート１６に入力されたＴＭ偏波光が共に第三ポート１８及び第四ポート２０に出力されるようにするために、多モード干渉部の幅Ｗ及び長さＬが以下の連立方程式（１）を満たすように定められる。
【数４】
0005777095.tif 000005
ここで、ＬcTE（Ｗ）はＴＥ偏波光に対する多モード干渉デバイスの結合長を表す幅Ｗの関数、ＬcTM（Ｗ）はＴＭ偏波光に対する多モード干渉デバイスの結合長を表す幅Ｗの関数である。
【００２４】
上記式は以下のようにして求められる。
第一ポート１４に入力された光が第三ポート１８及び第四ポート２０に分配されて出力されるためには、結合長を表す関数をＬc（Ｗ）としたとき、１×２分配器の場合と同様に、多モード干渉部１２の幅Ｗ及び長さＬは以下の式を満たさなくてはならない。
【数５】
0005777095.tif 000006
【００２５】
また、第二ポート１６に入力された光が第三ポート１８及び第四ポート２０に分配されて出力されるためには、結合長を表す関数をＬc（Ｗ）としたとき、２×２分配器の場合と同様に、多モード干渉部１２の幅Ｗ及び長さＬは以下の式を満たさなくてはならない。
【数６】
0005777095.tif 000007
【００２６】
よって、式（２）によって表される曲線と式（３）によって表される曲線の交点に対応する幅Ｗ及び長さＬをそれぞれ多モード干渉部の寸法とすれば、第一ポート１４から入力されるＴＥ偏波光に対しても、第二ポート１６から入力されるＴＭ偏波光に対しても、第三ポート１８及び第四ポート２０から２分岐出力が得られるようになる。
【００２７】
本願発明者は、第一ポート１４にＴＥ偏波光を入力すると共に第二ポート１６にＴＭ偏波光を入力し、式（２）においてｋ＝１、式（３）においてｋ＝０としたときに、図４に示すように、式（２）を満たすＬとＷの関係を表す曲線２２と式（３）を満たすＬとＷの関係を表す曲線２４とが交点を生じ、式（２）及び式（３）を同時に満たすＬ及びＷが存在することを見出し、これに基づいて、式（１）を得た。
【００２８】
実例として、図３は、厚さＤが２２０ｎｍ、入出力導波路のコアの幅が４５０ｎｍ、幅Ｗが７．４μｍとしたときのＴＥ偏波光（図３（ａ））及びＴＭ偏波光（図３（ｂ））の伝播状態を有限差分時間領域法によって２次元演算したときのシミュレーション結果を示している。同条件で連立方程式（１）を解くと、多モード干渉部１２の長さＬは１５３μｍとなる。シミュレーション結果からも、入力側端部（図１における第一の端部１２ａ）から１５３μｍだけ離れた位置において、ＴＥ偏波光及びＴＭ偏波光が二つの共通する箇所に伝播していることが確認できる。したがって、これら二つの共通する箇所に第三ポート１８及び第四ポート２０を設ければ、第一ポート１４に入力されたＴＥ偏波光及び第二ポート１６に入力されたＴＭ偏波光の両方が第三ポート１８及び第四ポート２０から２分岐されて均等に出力されるようになることが分かる。
【００２９】
このように、本発明の多モード干渉デバイス１０では、ＴＥ偏波光を第一ポート１４に入力し、ＴＭ偏波光を第二ポート１６に入力すれば、ＴＥ偏波光に対しても、ＴＭ偏波光に対しても、第三ポート１８及び第四ポート２０から３ｄＢの損失で２分岐出力が得られる。
【００３０】
このような本発明による多モード干渉デバイス１０を用いることにより、偏波無依存化された様々な要素素子を構成することができる。以下に、図４から図８を参照して、本発明による多モード干渉デバイス１０を用いて構成される様々な偏波無依存の要素素子を説明する。
【００３１】
図４は、図１に示されている多モード干渉デバイス１０を用いて構成された偏波無依存の１×２光分配器２６を示している。図４に示されている１×２光分配器２６は、図１に示されている多モード干渉デバイス１０と、多モード干渉デバイス１０の前段に設けられた偏波分離素子２８とを備える。偏波分離素子２８は、入力ポート３０と、ＴＥ偏波出力ポート３２と、ＴＭ偏波出力ポート３４とを有し、偏波分離素子２８のＴＥ偏波出力ポート３２は光導波路により多モード干渉デバイス１０の第一ポート１４に接続され、偏波分離素子２８のＴＭ偏波出力ポート３４は光導波路により多モード干渉デバイス１０の第二ポート１６に接続されている。偏波分離素子２８としては、例えば方向性結合器を用いることができる。このような構成の１×２光分配器２６によれば、一つの入力光がＴＥ偏波光かＴＭ偏波光かに依らずに二つに均等に分配されるようになり、偏波無依存化される。
【００３２】
図５は、図１に示されているような多モード干渉デバイス４２，４４を二つ用いて構成された要素素子４０である。図５に示されている要素素子４０は、図１に示されている多モード干渉デバイス１０と同様の構成を有し縦列に配置された第一の多モード干渉デバイス４２及び第二の多モード干渉デバイス４４を備える。第一の多モード干渉デバイス４２は第一の端部に設けられた第一ポート４６及び第二ポート４８と第二の端部に設けられた第三ポート５０及び第四ポート５２とを有し、同様に、第二の多モード干渉デバイス４４も第一の端部に設けた第一ポート５４及び第二ポート５６と第二の端部に設けられた第三ポート５８及び第四ポート５９とを有する。第一の多モード干渉デバイス４２と第二の多モード干渉デバイス４４とは、第二の端部側（第三ポート５０，５８及び第四ポート５２，５９が設けられている側）を互いに対向させて配置され、第一の多モード干渉デバイス４２の第三ポート５０を第二の多モード干渉デバイス４４の第四ポート５９に接続し且つ第一の多モード干渉デバイス４２の第四ポート５２を第二の多モード干渉デバイス４４の第三ポート５８に接続するように、光導波路によって接続されている。
【００３３】
このように構成された要素素子４０では、第一の多モード干渉デバイス４２の第一ポート４６（図５における下方左側のポート）から入力されたＴＥ偏波光は多モード干渉デバイス４４の第一ポート５４（図５における上方右側のポート）から出力され、第一の多モード干渉デバイス４２の第二ポート４８（図５における下方右側のポート）から入力されたＴＭ偏波光は第二の多モード干渉デバイス４４の第二ポート５６（図５における上方左側のポート）から出力される。すなわち、図５に示されている要素素子は、幅方向におけるＴＥ偏波光とＴＭ偏波光の並び順を入れ替えて出力し、ＴＥ偏波光とＴＭ偏波光とを交差させる異偏波間交差素子４０として機能する。
【００３４】
図５に示されている異偏波間交差素子４０の交差機能は、図６に示されている変形形態の異偏波交差素子４０´のように、光導波路を用いずに、第一の多モード干渉デバイス４２と第二の多モード干渉デバイス４４との間を接続し、一体的に形成しても、維持することができる。したがって、図１に示されている多モード干渉デバイス１０の長さＬを２倍にし、第三ポート１８を第一の端部１２ａの第二ポート１６に近い側端と反対側の第二の端部１２ｂの側端（例えば図１では、多モード干渉デバイス１０の第二ポート１６が第一の端部の右側端に近い側に設けられているので、第二の端部の左側端）からＷ／４だけ第二の端部の中央側に設け、第四ポート２０を第二の端部の中央に設ければ、図６に示されている異偏波間交差素子４０´となる。
【００３５】
また、図５又は図６に示されている異偏波間交差素子４０又は４０´のＴＥ偏波光とＴＭ偏波光とを交差させる機能を利用すれば、２×２光分配器や２×２光スイッチの偏波無依存化を図ることが可能となる。
【００３６】
図７は、図５又は図６に示されている異偏波間交差素子４０´を用いて偏波無依存化した２×２光分配器（２入力２出力の光分配器）６０を示す。図７に示されている実施形態では、図６に示されている異偏波間交差素子４０´が使用されているが、異偏波間交差素子４０´に代えて、異偏波間交差素子４０を使用してもよいことはもちろんである。
【００３７】
図７に示されている２×２光分配器６０は、第一の偏波分離素子６２及第二の偏波分離素子６４と、第一の異偏波間交差素子６６と、ＴＥ偏波用の２×２光分配器６８及びＴＭ偏波用の２×２光分配器７０と、第二の異偏波間交差素子７２と、第一の偏波合成素子７４及び第二の偏波合成素子７６とを順に備える。
【００３８】
第一の偏波分離素子６２は、入力ポート６２ａとＴＥ偏波出力ポート６２ｂとＴＭ偏波出力ポート６２ｃとを有する。同様に、第二の偏波分離素子６４は、入力ポート６４ａとＴＥ偏波出力ポート６４ｂとＴＭ偏波出力ポート６４ｃとを有する。第一の偏波分離素子６２及び第二の偏波分離素子６４としては、入力光をＴＥ偏波光とＴＭ偏波光とに分離できるものであれば任意の種類の偏波分離素子を使用することができる。
【００３９】
第一の偏波合成素子７４は、ＴＥ偏波入力ポート７４ａとＴＭ偏波入力ポート７４ｂと出力ポート７４ｃとを有する。同様に、第二の偏波合成素子７６は、ＴＥ偏波入力ポート７６ａとＴＭ偏波入力ポート７６ｂと出力ポート７６ｃとを有する。第一の偏波合成素子７４及び第二の偏波合成素子７６としては、ＴＥ偏波光とＴＭ偏波光とを合成して出力することができるものであれば、任意の種類の偏波合成素子を使用することができる。
【００４０】
ＴＥ偏波用の２×２光分配器６８はＴＥ偏波専用の二つの入力ポート６８ａ，６８ｂと二つの出力ポート６８ｃ，６８ｄとを有し、ＴＭ偏波用の２×２光分配器７０も同様にＴＭ偏波専用の二つの入力ポート７０ａ，７０ｂと二つの出力ポート７０ｃ，７０ｄとを有する。ＴＥ偏波用の２×２光分配器６８及びＴＭ偏波用２×２光分配器７０としては、二つの入力ポートと二つの出力ポートとを有し且つＴＥ偏波光又はＴＭ偏波光の何れか一方のみについて二つの入力ポートに入力された光を二つの出力ポートに均等に分配できれば任意の種類の２×２光分配器を使用することができる。例えば、ＴＥ偏波用の２×２光分配器６８及びＴＭ偏波用の２×２光分配器７０として、ＴＥ偏波専用又はＴＭ偏波専用の２×２ＭＭＩ（多モード干渉光導波路）を使用することができる。
【００４１】
第一の異偏波間交差素子６６は入力側第一ポート６６ａ及び入力側第二ポート６６ｂと出力側第一ポート６６ｃ及び出力側第二ポート６６ｄとを有し、同様に、第二の異偏波間交差素子７２は入力側第一ポート７２ａ及び入力側第二ポート７２ｂと出力側第一ポート７２ｃ及び出力側第二ポート７２ｄとを有する。第一の異偏波間交差素子６６及び第二の異偏波間交差素子７２としては、図５又は図６に示されているような異偏波間交差素子４０，４０´が使用される。
【００４２】
第一の偏波分離素子６２のＴＥ偏波出力ポート６２ｂは、光導波路によって、第一の異偏波間交差素子６６の入力側第一ポート６６ａに接続され、第一の偏波分離素子６２のＴＭ偏波出力ポート６２ｃは、光導波路によって、ＴＭ偏波用の２×２光分配器７０の二つの入力ポート７０ａ，７０ｂの一方７０ｂに接続される。また、第二の偏波分離素子６４のＴＥ偏波出力ポート６４ｂは、光導波路によって、第一の異偏波間交差素子６６の入力側第二ポート６６ｂに接続され、第二の偏波分離素子６４のＴＭ偏波出力ポート６４ｃは、光導波路によって、ＴＥ偏波用の２×２光分配器６８の二つの入力ポート６８ａ，６８ｂの一方６８ｂに接続される。さらに、第一の異偏波間交差素子６６の出力側第一ポート６６ｃは、光導波路によって、ＴＥ偏波用の２×２光分配器６８の二つの入力ポート６８ａ，６８ｂの他方６８ａに接続され、第一の異偏波間交差素子６６の出力側第二ポート６６ｄは、光導波路によって、ＴＭ偏波用の２×２光分配器７０の二つの入力ポート７０ａ，７０ｂの他方７０ａに接続される。
【００４３】
ＴＥ偏波用の２×２光分配器６８の二つの出力ポート６８ｃ，６８ｄの一方６８ｃは、光導波路によって、第二の異偏波間交差素子７２の入力側第一ポート７２ａに接続され、ＴＥ偏波用の２×２光分配器６８の二つの出力ポート６８ｃ，６８ｄの他方６８ｄは、光導波路によって、第二の偏波合成素子７６のＴＥ偏波入力ポート７６ａに接続される。また、ＴＭ偏波用の２×２光分配器７０の二つの出力ポート７０ｃ，７０ｄの一方７０ｃは、光導波路によって、第二の異偏波間交差素子７２の入力側第二ポート７２ｂに接続され、ＴＭ偏波用の２×２光分配器７０の二つの出力ポート７０ｃ，７０ｄの他方７０ｄは、光導波路によって、第一の偏波合成素子７４のＴＭ偏波入力ポート７４ｂに接続される。さらに、第二の異偏波間交差素子７２の出力側第一ポート７２ｃは、光導波路によって、第一の偏波合成素子のＴＥ偏波入力ポート７４ａに接続され、第二の異偏波間交差素子７２の出力側第二ポート７２ｄは、光導波路によって、第二の偏波合成素子７６のＴＭ偏波入力ポート７６ｂに接続される。
【００４４】
このような構成にすることにより、二つの入力光が第一の偏波分離素子６２及び第二の偏波分離素子６４によってＴＥ偏波光とＴＭ偏波光とに分離されて第一の異偏波間交差素子６６によって位置を入れ替えられた後、偏波光ごとの２入力がそれぞれの偏波光専用に設計された２×２光分配器６８，７０に接続されて、２×２光分配器６８，７０の出力が第二の異偏波間交差素子７２によって再び位置を入れ替えられ、さらに、第一の偏波合成素子７４及び第二の偏波合成素子７６によってＴＥ偏波とＴＭ偏波が合成して二つの出力とされるようになる。したがって、偏波光の種類に依存せずに機能する偏波無依存の２×２光分配器６０が実現される。
【００４５】
同様に、図８に示されているように、図７のＴＥ偏波専用の２×２光分配器６８とＴＭ偏波専用の２×２光分配器７０とに代えて、それぞれ、二つの入力ポート７８ａ，７８ｂと二つの出力ポート７８ｃ，７８ｄとを有するＴＥ偏波専用の２×２光スイッチ７８と、二つの入力ポート８０ａ，８０ｂと二つの出力ポート８０ｃ，８０ｄとを有するＴＭ偏波専用の２×２光スイッチ８０とを用いることによって、偏波の種類に依存せずに機能する偏波無依存の２×２光スイッチ６０´が実現される。その動作は、２×２光分配器６０と同様であるので、ここでは詳しく説明しない。なお、ＴＥ偏波専用又はＴＭ偏波専用の２×２光スイッチ７８，８０は、例えば二つの一般的な２×２光分配器と位相シフタによって構成することができることは公知である。
【００４６】
このように本発明による多モード干渉デバイス１０を用いれば、１×２光分配器２６、異偏波間交差素子４０，４０´、２×２光分配器６０、２×２光スイッチ６０´などを偏波無依存化することができる。このような偏波無依存化された素子は、光クロスコネクトなど光ノード装置に要素素子として組み込むことができる。
【００４７】
以上、図示される実施形態を参照して、本発明による多モード干渉デバイス１０及びこれを用いた各種デバイス又は素子２６，４０，４０´，６０，６０´を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、図１に示されている多モード干渉デバイス１０では、第二ポート１６が第一ポート１４に対して図中右側に設けられているが、第一ポート１４に対して図中左側に設けられてもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１０    多モード干渉デバイス
１２    多モード干渉部
１２ａ    第一の端部
１２ｂ    第二の端部
１４    第一ポート
１６    第二ポート
１８    第三ポート
２０    第四ポート
２６    １×２光分配器
２８    偏波分離素子
３０    入力ポート
３２    ＴＥ偏波出力ポート
３４    ＴＭ偏波出力ポート
４０    異偏波間交差素子
４０´    異偏波間交差素子
４２    第一の多モード干渉デバイス
４４    第二の多モード干渉デバイス
４６    第一ポート
４８    第二ポート
５０    第三ポート
５２    第四ポート
５４    第一ポート
５６    第二ポート
５８    第三ポート
５９    第四ポート
６０    ２×２光分配器
６２    第一の偏波分離素子
６２ａ    入力ポート
６２ｂ    ＴＥ偏波出力ポート
６２ｃ    ＴＭ偏波出力ポート
６４    第二の偏波分離素子
６４ａ    入力ポート
６４ｂ    ＴＥ偏波出力ポート
６４ｃ    ＴＭ偏波出力ポート
６６    第一の異偏波間交差素子
６６ａ    入力側第一ポート
６６ｂ    入力側第二ポート
６６ｃ    出力側第一ポート
６６ｄ    出力側第二ポート
６８    ２×２光分配器
６８ａ，６８ｂ    入力ポート
６８ｃ，６８ｄ    出力ポート
７０    ２×２光分配器
７０ａ，７０ｂ    入力ポート
７０ｃ，７０ｄ    出力ポート
７２    第二の異偏波間交差素子
７２ａ    入力側第一ポート
７２ｂ    入力側第二ポート
７２ｃ    出力側第一ポート
７２ｄ    出力側第二ポート
７４    第一の偏波合成素子
７４ａ    ＴＥ偏波入力ポート
７４ｂ    ＴＭ偏波入力ポート
７４ｃ    出力ポート
７６    第二の偏波合成素子
７６ａ    ＴＥ偏波入力ポート
７６ｂ    ＴＭ偏波入力ポート
７６ｃ    出力ポート
７８    ２×２光スイッチ
７８ａ，７８ｂ    入力ポート
７８ｃ，７８ｄ    出力ポート
８０    ２×２光スイッチ
８０ａ，８０ｂ    入力ポート
８０ｃ，８０ｄ    出力ポート
【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】
0005777095.tif 000014
【図６】
0005777095.tif 000015
【図７】
0005777095.tif 000016
【図８】
0005777095.tif 000017
【図９】
0005777095.tif 000018
【図１０】
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