(57)【要約】【解決課題】通常の光ファイバと細径導波路とを低損失で接続する偏波分離機能を持った小型集積型光結合器を提供する。【解決手段】本発明は、光平面回路に形成され１×２の接続部を備える対称形ＭＺＩを１個以上有する集積型光結合器である。ＭＺＩの本体および２ポート側の接続部は、比屈折率差０．８％以上１０％以下の導波路であり、ＭＺＩの１ポート側の接続部は、標準ＳＭＦ（シングルモード光ファイバ）ビーム径に整合する導波路である。ＭＺＩを形成する２つの干渉アームを横切るように配置された、幅２０ミクロン以下の溝を有し、この溝には、２つの干渉アームのそれぞれの光路上に、互いに遅軸（または速軸）が直交したフォトニック結晶でできた４分の１波長板が挿入される。４分の１波長板は、ＭＺＩ全体にわたって一体である。【選択図】図４
2016060263.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光平面回路に形成され、１つのポートに入力された光を２つのポートから出力するか、または２つのポートに入力された光を１つのポートから出力することのできる１×２の接続部を備えた、対称形ＭＺＩ（マッハツェンダー干渉計）を１個以上有する、集積型光結合器であって、
前記ＭＺＩの本体および２ポート側の接続部は、比屈折率差０．８％以上１０％以下の導波路であり、
前記ＭＺＩの１ポート側の接続部は、標準ＳＭＦ（シングルモード光ファイバ）ビーム径に整合する導波路であり、
前記ＭＺＩを形成する２つの干渉アームを横切るように配置された、幅２０ミクロン以下の溝を有し、
前記溝には、前記２つの干渉アームのそれぞれの光路上に、互いに遅軸（または速軸）が直交したフォトニック結晶でできた４分の１波長板が挿入され、
前記４分の１波長板は、前記ＭＺＩ全体にわたって一体である、
集積型光結合器。
【請求項２】
請求項１に記載の集積型光結合器において、
フォトニック結晶でできた前記４分の１波長板は、厚さが２０ミクロン以下であり、２つ以上の一様な領域で構成されている一体の波長板であり、隣接する導波路を横断する部分の領域の遅軸（または速軸）の角度差が９０度である、
集積型光結合器。
【請求項３】
請求項１に記載の集積型光結合器において、
前記溝の幅は、１２．５ミクロン以下であり、
フォトニック結晶でできた前記４分の１波長板は、厚さが６ミクロン以下である、
集積型光結合器。
【請求項４】
光平面回路に形成され、１つのポートに入力された光を２つのポートから出力するか、または２つのポートに入力された光を１つのポートから出力することのできる、１×２の接続部を備えた対称形ＭＺＩ（マッハツェンダー干渉計）を複数個有する、集積型光結合器であって、
前記ＭＺＩの本体および２ポート側の接続部は、比屈折率差０．８％以上１０％以下の導波路であり、
前記ＭＺＩの１ポート側の接続部は、標準ＳＭＦ（シングルモード光ファイバ）ビーム径に整合する導波路であり、
前記ＭＺＩを形成する２つの干渉アームを横切るように配置された、幅１２．５ミクロン以下の第１の溝を有し、
前記第１の溝には、前記２つの干渉アームのそれぞれの光路上に、互いに遅軸（または速軸）が直交したフォトニック結晶でできた４分の１波長板が挿入され、
前記４分の１波長板は、複数の前記ＭＺＩ全体にわたって一体であり、
さらに、前記ＭＺＩの２つの干渉アームと２ポート側の接続部を構成する２つのアームとを連結する２×２カプラを有し、
前記２×２カプラに接続された前記２つのアームの両方又は少なくとも一方には、幅１４．５ミクロン以下の第２の溝を有し、
前記第２の溝には、アームが形成されている平面の垂線に対して遅軸（または速軸）が４５度方向に回転したフォトニック結晶でできた２分の１波長板が挿入され、
前記２分の１波長板は、複数の前記ＭＺＩ全体にわたって一体であり、
フォトニック結晶でできた前記４分の１波長板および前記２分の１波長板のそれぞれは、厚さが、６ミクロン以下および１４ミクロン以下である、
集積型光結合器。
【請求項５】
上記請求項１に記載の集積型光結合器において、
前記平面回路の比屈折率差が０．３％〜０．８％である１個以上のＭＺＩを有する、
集積型光結合器。
【請求項６】
請求項１に記載の集積型光結合器において、
前記平面回路には、２個以上の前記ＭＺＩが並列方向に多連に並んで形成されており、
前記溝のそれぞれが、２個以上の前記ＭＺＩの干渉アームを横切る、
集積型光結合器。
【請求項７】
請求項１に記載の集積型光結合器において、
フォトニック結晶でできた前記４分の１波長板の遅軸（速軸）角度が、一様ではなく徐々に変化し、
前記ＭＺＩの２つの干渉アームの間隔に相当する長さで比較すると、前記４分の１波長板の角度差が９０度となっている、
集積型光結合器。
【請求項８】
２×２非対称形ＭＺＩ（マッハツェンダー干渉計）を１個以上有する、集積型光結合器であって、
前記ＭＺＩは、
光平面回路に形成され、入力側と出力側のそれぞれに２つのポートと、入力側のポートと出力側のポートを接続する２本の干渉アームとを有し、
１つのポートに入力された光を２つのポートから出力するか、または２つのポートに入力された光を１つのポートから出力することができ、
前記２本の干渉アームの一方の位相量を他方の干渉アームの位相量よりも偏波方向によらず９０度だけ進みまたは９０度だけ遅れさせるものであり、
前記ＭＺＩの本体および前記２つのポートは、比屈折率差０．８％以上１０％以下の導波路であり、
前記ＭＺＩの前記１つのポートは、標準ＳＭＦ（シングルモード光ファイバ）ビーム径に整合する導波路であり、
前記ＭＺＩを形成する２つの干渉アームを横切るように配置された、幅２０ミクロン以下の溝を有し、
前記溝には、前記２つの干渉アームのそれぞれの光路上に、互いに遅軸（または速軸）が直交したフォトニック結晶でできた４分の１波長板が挿入され、
前記４分の１波長板は、前記ＭＺＩ全体にわたって一体である、
集積型光結合器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信方式におけるデバイス技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットによる情報通信量の急速な増加を背景に、光ファイバ１本あたりの通信容量を増やすためディジタルコヒーレント通信方式が利用されている。その方式では、光ファイバ中を独立に伝播する二つの偏波成分に別々の信号を割り当てるので、受信機では二つの偏波成分を分離する機能が必要となり、送信機では二つの偏波成分を空間的に重ね合わせて１本のファイバに供給する機能が必要となる。これらの受信機と送信機が備える機能は、総称して偏波ダイバーシティとも称される。さらに、通信システムでは、局舎のスペースの有効利用のために送信機と受信機の小型化が緊急の課題となっている。【０００３】
送信機や、受信機、送受信機（トランシーバー）の内部では、光源や、受光器、変調器、電子回路などが通常一つの平面上に配置され、それらを直線あるいは曲線状に導波路で接続している。機器の小型化のためには導波路を小さい曲率半径で曲げることが必要になる。光導波路が曲げられると光本来の直進性のため光パワーの一部は放射されエネルギー損失となる。損失を小さくするためには半径をある限度以上に大きくする必要があり、その臨界値は光ビームの直径の３乗に比例する。ゆえに、送信機や、受信機内部では光ビームの直径が小さい導波路を用いることが必須となり、ＩｎＰ系の送受信機やシリコンフォトニクスによる送受信機が登場している。これらの送受信機において、光ビームの直径は１ミクロン程度である。一方、情報伝送路として世界中で敷設されている現存の光ファイバでは、伝送中の損失を小さくするなどの要因から光ビームの直径は通常１０ミクロン程度とされており、ＩｎＰ系やシリコンフォトニクスによる送受信機の光ビーム直径と比較して約１桁大きくなっている。【０００４】
光回路におけるモードフィールド径（ＭＦＤ、  ｍｏｄｅ  ｆｉｅｌｄ  ｄｉａｍｅｔｅｒ）と、導波路のコアおよびクラッド間の比屈折率差Δ（＝（コア屈折率−クラッド屈折率）／クラッド屈折率）との関係について説明する。通常、比屈折率差Δの平方根とＭＦＤとは逆比例の関係があり、光ファイバのＭＦＤ（＝約１０ミクロン）に対応する比屈折率差Δは約０．３％である。ＭＦＤを小さくするほど許容曲げ半径が小さくでき回路の小形化に有利である。平面光回路でＭＦＤと比屈折率差Δは基本的には１対１の対応があるが、回路の一部で比屈折率差Δを保ったままＭＦＤを変化させる（大きくする）ことがある。通常、そのような構造は単一モード条件を破るが、回路内でモード変換をさける配慮がなされている場合には単一モード動作が保たれる。その意味で、導波路システムを表すには、比屈折率差Δの大小で表す方がＭＦＤの大小によるよりも紛れがなく明快となる。具体例としては、波長１．５５ミクロン近傍を中心とする光通信波長帯の石英系光回路において、前述のように、ＭＦＤが１０ミクロンなら比屈折率差Δは通常０．３％となり、ＭＦＤが４から５ミクロンなら比屈折率差Δは２％程度となる。また、材料技術上実現できる比屈折率差Δの上限は、５％程度（ＭＦＤは３ミクロン程度）である。現在の平面光回路技術では、比屈折率差Δは２．５％以下が多く用いられている。【０００５】
光ファイバは二つの偏波成分を同時に伝搬できるが、送信機と受信機内部の光回路や光機能デバイスは二つの偏波成分間で特性が異なるため、通常一つの偏波状態についてだけ動作する。それゆえ、伝送路である光ファイバと送受信機内部の光回路との間には、通常以下の三つの機能をもたせる必要がある。
（１）光ビームの直径を一致させるＳＳＣ機能（スポットサイズコンバージョン）。
（２）光ファイバ側では１つの開口で二つの偏波が存在し、回路側では二つの開口にそれぞれ一つの偏波を割り振る偏波分離機能（受信の場合）、あるいはその逆方向の偏波合成機能（送信の場合）。
（３）送信機／受信機側では一つの偏波方向だけを前提に設計することが多く、偏波分離のあと偏波方向を一つに揃えたいことが多い。そのため、前記の二つの開口のうち、回路側で望まれない方の偏波を９０度回転し望ましい偏光に揃える回転する偏波回転機能。【０００６】
しかしながら、これらの（１）〜（３）の機能を効率よく満たす技術は現状では存在しない。このような現状が、送信機、受信機、および送受信機（トランシーバー）小型化の制限要因となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開番号  Ｗ０２０１２／１０２０３９
【特許文献２】国際公開番号  Ｗ０２０１２／１０２０４１
【特許文献３】国際公開番号  Ｗ０２０１０／１４０３６３
【特許文献４】特許番号  特許第４２９４２６４
【特許文献５】公開番号  特開平７−９２３９６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
先に述べたとおり、送受信機内部の光回路との間には、以下の三つの機能をもたせる必要がある。
（１）光ビームの直径を一致させるＳＳＣ機能（スポットサイズコンバージョン）。
（２）光ファイバ側では１つの開口で二つの偏波が存在し、回路側では二つの開口にそれぞれ一つの偏波を割り振る偏波分離機能、あるいはその逆方向の偏波合成機能。
（３）送信機／受信機側では一つの偏波方向だけを前提に設計することが多く、偏波分離のあと偏波方向を一つに揃えたいことが多い。そのため、前記の二つの開口のうち、回路側で望まれない方の偏波を９０度回転し望ましい偏光に揃える回転する偏波回転機能。【０００９】
しかしながら、これらの機能を効率よく満たす技術は存在せず、それが送信機、受信機、および送受信機（トランシーバー）の小型化の制限要因となっている。【００１０】
上記（１）の機能に関しては、例えば、スポットサイズ変換の手法が開発されている。標準光ファイバと平面光回路系では、平面光回路のモードフィールド径が標準光ファイバと一致するときは問題がない。平面光回路のモードフィールド径が小さい（約４ミクロン、Δ＝２．５％）ときでも０．１ｄＢ以下の低損失結合が実現されている。しかし、モードフィールド径が例えば１ミクロン級の細径導波路系と標準光ファイバとを低損失接続することは、未解決の問題である。【００１１】
また、上記（２）及び（３）の機能を実現するためには種々の方法が知られている。まず（２）の機能に関しては、（Ａ）複屈折性有機薄板波長板の挿入による方法（特許文献１）、および（Ｂ）平面導波路に複屈折性をもたせる方法（特許文献３）が利用される。（Ａ）の方法は便利であるが、ｎ個の回路にｎ個の有機薄膜波長板をｎ回実装する必要がある。（Ｂ）の方法は作成が煩わしく歩留まりの問題があり避けられる趨勢にある。次に、（３）の機能に関しては上記（Ｂ）の方法は困難であり、（Ａ）だけが用いられている。その困難性は（２）の機能におけるものと同じである。【００１２】
また、光トランシーバー等においては２個以上のＭＺＩが並列で用いられる場合があり、上に述べた「多数の素子、多数回の実装工程」という困難性はさらに増大する。【００１３】
そこで、本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、通常の光ファイバ（例：ＭＦＤが１０ｕｍ程度）と細径導波路（例：ＭＦＤが１ｕｍ程度）とを低損失で接続する偏波分離／回転機能を持った小型集積型光結合器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、１個以上の対称形ＭＺＩ（マッハツェンダー干渉計）を有する集積型光結合器に関する。対称形ＭＺＩは、光平面回路に形成され、１つのポートに入力された光を２つのポートから出力するか、または２つのポートに入力された光を１つのポートから出力することのできる１×２の接続部を備えている。なお、本願明細書及び図面において、このような１×２の接続部を備えたＭＺＩを、「１×２ＭＺＩ」などと称している。
ここで、１×２ＭＺＩの本体および２ポート側の接続部は、比屈折率差０．８％以上１０％以下の導波路として構成されている。また、１×２ＭＺＩの１ポート側の接続部は、標準ＳＭＦ（シングルモード光ファイバ）と接続される。ここで、１×２ＭＺＩの１ポート側の接続部は、モードフィールド変換部を介して、標準ＳＭＦビーム径に整合する導波路であることが、より好ましい。
また、本発明の集積型光結合器は、ＭＺＩを形成する２つの干渉アームを横切るように配置された、幅２０ミクロン以下の溝を有する。この溝には、ＭＺＩの２つの干渉アームのそれぞれの光路上に、互いに遅軸（または速軸）が直交したフォトニック結晶でできた４分の１波長板が挿入される。この４分の１波長板は、ＭＺＩ全体にわたって一体的に形成されている。溝の幅の下限は特に限定されず、４分の１波長板を挿入可能な幅であればよい。【００１５】
本発明の集積型光結合器において、フォトニック結晶でできた４分の１波長板は、厚さが２０ミクロン以下であり、２つ以上の一様な領域で構成されている一体の波長板であり、隣接する導波路を横断する部分の領域の遅軸（または速軸）の角度差が９０度であることが好ましい。４分の１波長板の厚さの下限は特に限定されないが、例えば０．５ミクロン以上又は１ミクロン以上であることが好ましい。【００１６】
本発明の集積型光結合器において、溝の幅は１２．５ミクロン以下であることが好ましい。また、フォトニック結晶でできた４分の１波長板は、厚さが６ミクロン以下であることが好ましい。【００１７】
本発明の好ましい実施形態は、複数個の対称形ＭＺＩ（マッハツェンダー干渉計）を有する集積型光結合器に関する。複数のＭＺＩのそれぞれは、光平面回路に形成され、１つのポートに入力された光を２つのポートから出力するか、または２つのポートに入力された光を１つのポートから出力することのできる、１×２の接続部を備えている。
各ＭＺＩの本体および２ポート側の接続部は、比屈折率差０．８％以上１０％以下の導波路である。また、各ＭＺＩの１ポート側の接続部は、モードフィールド変換部を介して、標準ＳＭＦ（シングルモード光ファイバ）ビーム径に整合する導波路である。
本発明の集積型光結合器は、各ＭＺＩを形成する２つの干渉アームを横切るように配置された、幅１２．５ミクロン以下の第１の溝を有する。第１の溝には、２つの干渉アームのそれぞれの光路上に、互いに遅軸（または速軸）が直交したフォトニック結晶でできた４分の１波長板が挿入される。この４分の１波長板は、複数のＭＺＩ全体にわたって一体的に形成されている。
さらに、本発明の集積型光結合器は、各ＭＺＩの２つの干渉アームと２ポート側の接続部を構成する２つのアームとを連結する２×２カプラを有する。この２×２カプラに接続された干渉アームとは逆の２つのアームの両方又は少なくとも一方には、幅１４．５ミクロン以下の第２の溝が形成されている。この第２の溝には、２つのアームが形成されている平面の垂線に対して遅軸（または速軸）が  ４５度方向に回転したフォトニック結晶でできた２分の１波長板が挿入されている。この２分の１波長板は、複数の前記ＭＺＩ全体にわたって一体的に形成されている。
さらに、フォトニック結晶でできた４分の１波長板および２分の１波長板のそれぞれは、厚さが、６ミクロン以下および１４ミクロン以下である。４分の１波長板の厚さの下限は特に限定されないが、例えば０．５ミクロン以上又は１ミクロン以上であることが好ましい。また、２分の１波長板の厚さの下限は特に限定されないが、例えば１ミクロン以上又は２ミクロン以上であることが好ましい。【００１８】
本発明の集積型光結合器は、平面回路の比屈折率差が０．３％〜０．８％である１個以上のＭＺＩを有することが好ましい。【００１９】
本発明の集積型光結合器において、平面回路には、２個以上のＭＺＩが並列方向に多連に並んで形成されており、溝（第１の溝及び第２の溝）のそれぞれが、２個以上のＭＺＩの干渉アームを横切るものであることが好ましい。【００２０】
本発明の集積型光結合器にでは、フォトニック結晶でできた４分の１波長板の遅軸（速軸）角度が、一様ではなく徐々に変化するものであってもよい。この場合に、ＭＺＩの２つの干渉アームの間隔に相当する長さで比較すると、４分の１波長板の角度差が９０度となっていることが好ましい。【００２１】
本発明の集積型光結合器では、１×２対称形ＭＺＩを、２×２非対称９０°遅延ＭＺＩ（干渉する２本のアームの一方の位相量を他方のアームの位相量よりも偏波方向によらず９０度だけ進みまたは９０度だけ遅れさせたＭＺＩ）に置き換えたものであってもよい。すなわち、本発明は、２×２非対称形ＭＺＩを１個以上有する集積型光結合器であってもよい。このＭＺＩは、光平面回路に形成され、入力側と出力側のそれぞれに２つのポートと、入力側のポートと出力側のポートを接続する２本の干渉アームとを有する。ＭＺＩは、１つのポートに入力された光を２つのポートから出力するか、または２つのポートに入力された光を１つのポートから出力することができる。このとき、ＭＺＩは、２本の干渉アームの一方の位相量を他方の干渉アームの位相量よりも偏波方向によらず９０度だけ進みまたは９０度だけ遅れさせるものである。【００２２】
本発明の集積型光結合器に関し、さらに具体的に説明すると、図４には、本発明に依る課題の解決手段の一例が示されている。
集積型光結合器２０は、標準的な光ファイバ（ＳＭＦ−２８コンパチブル）２１と細径導波路型受信機２２ａまたは送信機２２ｂとの間に設けられる。例えば、光ファイバのコアの直径（または光ファイバを伝搬する光ビームの直径）は、１０ミクロン程度であり、細径導波路のコアの幅、高さ（または伝搬する光ビームの直径）は、１ミクロン〜２ミクロン程度である。【００２３】
本発明の集積型光結合器２０では、標準光ファイバ２１と超高Δ平面光回路２５の間の整合、および超高Δ平面光回路２５と細径導波路形２２ａ、２２ｂの間の整合を利用して、標準光ファイバ２１と細径導波路２２の間のモードフィールドの違いが変換・一致される。また、偏光合分波は、超高Δ平面光回路上に設けられた溝２６にフォトニック結晶でできた複数領域をもつ波長板２３、２４を挿入することにより行う。【００２４】
フォトニック結晶波長板２３、２４は、一つの基板上に主軸方向（遅軸、速軸を含めて云う）の異なる波長板をもつように複合化し作製する。必要とあれば、さらには主軸方向も位相差も異なる波長板を多セグメント構造で作製することもできる。図４の複数のＭＺＩにおいて、１本の第１の溝２６ａをつくり、そこに一つの複合化フォトニック結晶でできた４分の１波長板２３を挿入すれば一挙動で集積できる。同様に、偏光回転の機能を実現するには、ＭＺＩに第２の溝２６ｂを作製し、そこに２分の１波長板２４を挿入することで、複合偏光回転機能を実現することができる。【００２５】
また、標準光ファイバ２１のようなモードフィールド直径（Ｍｏｄｅ  Ｆｉｅｌｄ  Ｄｉａｍｅｔｅｒ、  ＭＦＤ）が１０ミクロン程度のものと、ＩｎＰ光集積回路のような細径導波路（ＭＦＤが通常２ミクロン以下）をもつデバイスとを効率よく光結合するためには、次の構成をとることが好ましい。【００２６】
第１に、標準光ファイバ２１と超高Δ平面光回路２５をバット接続する。このとき、超高Δ平面光回路２５の主要部（本体）は、ＭＦＤが例えば５ミクロン程度の超高Δ平面光回路（スーパーハイデルタ、ＳＨＤ）からなるものであり、標準光ファイバ２１と接続されるべき端子付近にモードフィールド整合部分２７を有し、一端ではＳＨＤに整合し、他端では標準光ファイバ２１に整合する。第２に、細径デバイス系（細径導波路型受信機２２ａ、細径導波路型送信機２２ｂ）は、主要部が細径導波路からなり、ファイバ方向に接続すべき端子付近ではスポットサイズコンバータ（ＳＳＣ）２８によってビーム径をＳＨＤに近似するまで拡大する。第３に、ＳＨＤ系内部に、偏光分離／合成、偏光回転の機能を持たせる。ＳＨＤ系に用いられる波長板には、フォトニック結晶による極薄波長板２３、２４（４分の１波長板２３、２分の１波長板）を用いることが好ましい。
【発明の効果】
【００２７】
従来技術のように、細径導波路をスポットサイズコンバータ（ＳＳＣ）のみによって標準光ファイバ系にモード整合することは困難かつ低効率であった。これに対して、本発明のように、ＭＺＩの２つの干渉アームを伝搬する２つの光の偏光状態を直交させる４分の１波長板として、フォトニック結晶からなるものを用いることにより、平面光回路の主要部を、ＭＦＤが例えば５ミクロン程度の導波路（スーパーハイデルタ、ＳＨＤ）として構成することができる。このようなＳＨＤ系を用いて細径導波路を標準光ファイバ系にモード整合させることは、ＳＳＣによる整合と比較して、遙かに容易かつ高効率である。【００２８】
また、多数の方位の異なる小型有機波長板を導波路溝に一個一個集積することは手間と費用のかかる作業であるが、この波長板としてフォトニック結晶化技術によって一体化された複合波長板（有機波長板の数個分のサイズ）を用いることで、一挙動で集積することが可能になり、手数の節約や実装角度誤差の低減に有利である。さらに、ＳＨＤ系に用いられる波長板に、ａ−ＳｉとＳｉＯ２によるフォトニック結晶極薄波長板を用いることで、回折損失を極小にとどめることができ非常に優れている。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】第１の実施形態に係る集積型光結合器を示す図である。
【図２】フォトニック結晶型波長板の挿入部の断面を示す図である。
【図３】第２の実施形態に係る集積型光結合器を示す図である。
【図４】第３の実施形態に係る集積型光結合器を示す図である。
【図５】第４の実施形態に係る集積型光結合器を示す図である。
【図６】第５の実施形態に係る集積型光結合器を示す図である。
【図７】第６の実施形態に係る集積型光結合器を示す図である。
【図８】第７の実施形態に係る集積型光結合器を示す図である。
【図９】Ｎｂ２Ｏ５系波長板とａ−Ｓｉ系フォトニック結晶波長板の損失の比較図である。
【図１０】従来の９０°ハイブリッドを示す図である。
【００３０】
［１．第１の実施形態］
図１を用いて本発明に係る集積型光結合器の基本概念を説明する。説明の便宜上、２本の光ファイバ１１を通じて得られる光信号を、二つの回路を介して、二つの受信機に伝える例を挙げて説明する。この平面光回路は、比屈折率差Δ：０．８％〜１０％を有する。図１に示した上下の回路の機能は同じであるから一方について説明する。【００３１】
平面光回路の入力側において光のＭＦＤは１０ミクロン程度であって、それぞれ垂直偏波および水平偏波の二つの信号が重畳されて伝わる。まず、スポットサイズ変換回路１６（ＳＳＣ、  ｓｐｏｔ  ｓｉｚｅ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）が、ＭＦＤが１０ミクロン程度の光ファイバ１１に接続されている。スポットサイズ変換回路１６によって、ＭＦＤを１０ミクロンから約５ミクロンに変換する。ポットサイズ変換回路１６を経由した光は、１×２対称ＭＺＩ回路１４に導かれる。ＭＺＩ回路１４は、２つの干渉アーム１５ａ、１５ｂを含む。また、２つの干渉アーム１５ａ、１５ｂ上は、両者を横切るようにして溝１２が形成されている。この溝１２には、フォトニック結晶でできた主軸方位が直交する複合４分の１波長板１３が挿入されている。図２は、４分の１波長板１３の挿入部分の断面図をしている。このように、４分の１波長板１３は、２つの干渉アーム１５ａ、１５ｂそれぞれの光路上に配置されており、２つの干渉アーム１５ａ、１５ｂに対する主軸方位が互いに直交する構成となっている。そのようにすれば、図１のＭＺＩにおける２ｘ２カプラ２３を通過した光は、垂直偏波成分および水平偏波成分に分離され、垂直偏波成分と水平偏波成分が、出力側の２本の２ポート側導波路１８ａ、１８ｂにそれぞれ到達する。それぞれの導波路出力は、それぞれの偏波用の受信機２０ａ、２０ｂで検知される。垂直偏波用の受信機２０ａと水平偏波用の受信機２０ｂは、小型化に適した細径導波路系で構成されていている。細径導波路系のＭＦＤは、１〜２ミクロン程度である。細径導波路系で構成された受信機２０ａ、２０ｂは、本発明に係る集積型光結合器の出力側に対して、細径導波路１９と石英系の高Δ導波路間に位置するＳＳＣ２１を介して接続される。細径導波路側に形成されたＳＳＣ２１は、標準光ファイバ１１のＭＦＤに整合させる必要はなく、その半分程度の超高Δ平面光回路のＭＦＤに変換すればよいため、変換損失を極小化でき有利である。【００３２】
また、ＭＺＩの干渉する２つの干渉アーム１５ａ、１５ｂに波長板を挿入する際、特許文献１では、干渉アーム毎に波長板が設けられており、波長板の数（干渉アームの数）だけ挿入作業が必要であった。これに対し、本発明の集積型光結合器は、一体化された１つの複合フォトニック結晶波長板１３を、１つの溝に１回挿入することによって構成できる。これにより、本発明によれば、作業数低減、回路小型化、および機械誤差最小化にいずれも有利である。特に、図１に示すようにＭＺＩが複数設けられる場合、波長板の実装回数はＭＺＩの複数度によらず１回で済むため、極めて有利となる。【００３３】
なお、ディジタルコヒーレント通信で局部発振器（ＬＯ）出力と９０度ハイブリッドを介して周波数変換受信するとき、ＬＯ出力から垂直水平両偏波を作り出すために、図１０に示した従来技術のように、２分の１波長板３０を用いることも考えられる。これに対し、本発明のように、フォトニック結晶技術によれば、さまざまな主軸方向の２分の１波長板および４分の１波長板を一体で作製することができるため、実装上さらに有利である。【００３４】
本発明において、４分の１波長板や２分の１波長板を製造するためのフォトニック結晶技術としては、特許文献４（特許第４２９４２６４）に開示されている基礎技術を利用すればよい。すなわち、本発明における４分の１波長板や２分の１波長板は、基板と、この基板上に形成されたフォトニック結晶とを具備する光学素子である。基板は、少なくとも基板の片面が複数の領域に分割される。基板の複数の領域は、基板の片面をｘ−ｙ平面としたときに、ｘ軸方向に複数に分割された領域を有する。基板の複数の領域は、それぞれに固有の周期的なパターンを有する溝が複数個形成されており，それぞれの領域に形成される溝のパターンとして，少なくとも２種類以上のパターンがある。例えば、２種類のパターンは、それぞれ主軸方位が直交するものとすることができる。フォトニック結晶は、基板の複数の領域に対応する部分であって、基板上のそれぞれの領域の周期的なパターンを反映した周期的な構造を有するものを複数有する。さらに、フォトニック結晶は、基板の片面をｘ−ｙ平面としたとき、ｚ軸方向には、ｚ軸方向に隣接する層において屈折率が異なる誘電体により形成された周期的な層を複数層有している。フォトニック結晶としては、このような特許文献４に開示されたものを用いることが好ましい。【００３５】
［２．第２の実施形態］
続いて、本発明の効果を更に高める実施形態として、フォトニック結晶でできた波長板の特徴を一層強化するためにａＳｉ／ＳｉＯ２系の素子を用いる例について、説明する。すなわち、フォトニック結晶波長板は、元来薄型化に適しているが、その特徴を一層強化するため、新たにａＳｉ／ＳｉＯ２系の素子を用いて更なる薄型化を図る。そして、導波路の一部に（導波作用をもたない）溝を設け、この溝に極めて薄い波長板を挿入することによって、光の回折損失を一段と低減する。【００３６】
図３には、第２の実施形態に係る集積型光結合器３０が示されている。図３に示されるように、図面の中央に位置する集積型光結合器３０の構成は、基本的に、図１に示した第１の実施形態におけるものと同様である。図３に示されるように、ＭＺＩの２つの干渉アームは、２×２のカプラ３７によって結合されている。また、カプラ３７は、ＭＺＩに接続された側との反対側が、２つの２ポート側導波路３８ａ、３８ｂ（アーム）に接続されている。この２つの２ポート側導波路３８ａ、３８ｂには、それらを横切るように第２の溝３６ｂが形成されている。この第２の溝３６ｂには、一体のフォトニック結晶で形成された２分の１波長板３４が挿入されている。２分の１波長板３４は、ＭＺＩ右端の２ポート側の導波路３８ａ、３８ｂを右方に向かって伝わる光の偏波が揃えるために配置されている。図３に示されるように、２分の１波長板３４は、２つの２ポート側導波路３８ａ、３８ｂのうちの一方に対して、２ポート側導波路が形成されている平面の垂線に対して遅軸（または速軸）が４５度方向に回転された配置となっている。なお、本実施形態において、２分の１波長板３４は、２つの２ポート側導波路３８ａ、３８ｂのうちの他方に対しては、遅軸（または速軸）が回転されていない。２分の１波長板３４は、一体のフォトニック結晶で形成されることで、実装性能および機械精度を高めることができる。【００３７】
ここで、本発明の効果を一層高めるためには、発明者らが新たに開発した極薄波長板を作製し、それを用いるのが有利である。極薄波長板の一例は、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）と２酸化シリコン（ＳｉＯ２）のフォトニック結晶を用いる構成である。すなわち、基板には、一定方向に直線状に形成された溝のパターンとこれに直交する方向に直線状に形成された溝のパターンとの繰り返しが一回以上形成されており、その基板の上に、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）層と２酸化シリコン（ＳｉＯ２）層を交互に重ねてフォトニック結晶を形成する。このアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）層と２酸化シリコン（ＳｉＯ２）層を含むフォトニック結晶は、基板上の溝のパターンが反映された周期的な構造となる。【００３８】
光波長１５５０ｎｍを想定して、屈折率３．４、厚さ１２０ｎｍのアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）と、屈折率１．５、厚さ１２０ｎｍの２酸化シリコン（ＳｉＯ２）を交互に重ねて、溝傾斜４０度、面内周期０．５ミクロンの周期溝周期積層型フォトニック結晶を形成する。この周期溝周期積層型フォトニック結晶においては、ＴＥ波とＴＭ波の位相定数がそれぞれ、０．８４πラジアン／ミクロン、０．７７πラジアン／ミクロンとなるものを実現できる。平均として実効屈折率＝２．６を得る。適切な終端処理により位相の調節、平面導波路系との間の無反射処理を実行する。２分の１波長板（ＴＥ波とＴＭ波の位相差１８０度）を厚さ３．１ミクロンで実現でき、４分の１波長板（ＴＥ波とＴＭ波の位相差９０度）ならその約半分の厚さ１．６ミクロンで実現できる。これは、５酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）／酸化シリコン（ＳｉＯ２）のフォトニック結晶を用いる構成では半波長板で約１２ミクロン、４分の１波長板で約７ミクロンであることに比べ溝部での回折損失を減少させる効果が大きい。【００３９】
従来と同様な目的に多用されているポリイミド波長板（特許文献５）に比して、発明者らが従来用いているＮｂ２Ｏ５系波長板と、新開発の薄型化ａ−Ｓｉ系フォトニック結晶を比較して溝部の回折損失を図９に示す。なお、溝は挿入する素子の厚さ＋（存在するとき）基板厚さ＋接着剤厚さによって波長板の材料により定める。回折損失は、素子の屈折率、基板の屈折率（１．５とする）、接着剤の屈折率（１．５とする）を考慮している。なお、図３のように、ＭＺＩの２ポート側の２本の導波路３８ａ、３８ｂには、それらを横切るようにして溝３６ｂを形成し、その溝３６ｂの中に２分の１波長板３４を設ける構成でもよいし、この溝３６ｂや２分の１波長板３４それを含まない構成であってもよい。【００４０】
［３．第３の実施形態］
本発明の効果を更に高める第３の実施形態について、図４を参照して説明する。第３の実施形態は、主に以下の特徴を有している。
・出力の偏波方向をそろえる機能をもたせる機能
・フォトニック結晶波長板は元来薄型化に適しているが、その特徴を一層強化するため新たにａ−Ｓｉ／ＳｉＯ２系の素子を用いてごく薄型化し、導波路の一部に（導波作用をもたない）溝を設け波長板を挿入することによる光の回折損失を一段と低減する機能
・ＭＺＩを複数化することにより送信機受信機を一体化する機能【００４１】
図４において、２本の光ファイバ２１の一方（例えば上方）は、集積型光結合器２０に到達して受信機２２ａに入力されるべき光信号を伝送する伝送路であり、他方（例えば下方）は、集積型光結合器２０に接続された光デバイス（図示省略）にて信号が処理された後、送信機２２ｂの出力信号を送り出すための伝送路である。２本の光ファイバ２１のそれぞれを細径導波路型受信機２２ａと細径導波路型送信機２２ｂに結合するための集積型結合回路２０は、図１に示したものと同様である。すなわち、集積型光結合器２０は、超高Δ平面光回路２５上に２つのＭＺＩが並列的に形成されている。超高Δ平面光回路２５は、ＭＺＩの本体および２ポート側の接続部が、比屈折率差０．８％以上１０％以下の導波路となっている。また、超高Δ平面光回路２５は、ＭＺＩの１ポート側の接続部が、モードフィールド変換部を介して、標準ＳＭＦ（シングルモード光ファイバ）ビーム径に整合する導波路となっている。例えば、１ポート側の接続部に入力された光信号は、ＭＺＩの入力端において２つの干渉アームに分波され、それぞれの干渉アームを伝送した後に、ＭＺＩの出力端に配置されたカプラにおいて合波される。【００４２】
また、平面光回路２５には、各ＭＺＩを構成する２つの干渉アーム、すなわち合計４本の干渉アームを横切るように、第１の溝２６ａが形成されている。この第１の溝２６ａには、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）と２酸化シリコン（ＳｉＯ２）のフォトニック結晶によって構成された４分の１波長板２３（ＴＥ波とＴＭ波の位相差９０度）が挿入されている。第１の溝２６ａの幅は、１５ミクロン以下であればよいが、４分の１波長板２３にアモルファスシリコンを用いることで、さらに狭幅の１０ミクロン以下とすることができる。４分の１波長板２３の幅は、第１の溝２６ａ以下の幅であって、１５ミクロン以下とすることができ、１０ミクロン以下であることが特に好ましい。４分の１波長板２３の幅は、第１の溝２６ａに挿し込んで固定することができる幅であればよく、例えば、４分の１波長板２３の幅は、第１の溝２６ａの幅よりも０．５ミクロンや、１ミクロン程度狭くしたものとすればよい。４分の１波長板の厚さの下限は特に限定されないが、例えば０．５ミクロン以上又は１ミクロン以上であることが好ましい。【００４３】
４分の１波長板２３は、ＭＺＩを構成する２つの干渉アームそれぞれの光路上に配置されている。また、例えばＭＺＩが第１の干渉アームと第２の干渉アームとから構成されているとした場合に、４分の１波長板２３は、第１の干渉アームの光路上に位置する領域と第２の干渉アームの光路上に位置する領域とで、その遅軸（または速軸）が互いに直交している。図４に示した実施形態では、合計４つの干渉アームを跨ぐように、一体的なフォトニック結晶で形成された４分の１波長板２３が配置されている。この４分の１波長板２３は、例えば０°領域、９０°領域、０°領域、９０°領域のように、互いに直交する領域が交互に形成されたものとなっている。この組み合わせは４５°領域、−４５°領域、４５°領域、−４５°領域のような直交する領域を形成したものでもよい。４分の１波長板２３は、上述したとおりアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）と２酸化シリコン（ＳｉＯ２）のフォトニック結晶で形成されていることが好ましい。これにより、４分の１波長板２３を、１０ミクロン以下の極薄膜として形成することができる。【００４４】
各ＭＺＩの２つの干渉アームは、２×２カプラに結合されている。このため、本実施形態では、平面光回路２５に、２つのカプラが配置されることとなる。カプラは、各ＭＺＩの２つの干渉アームを導波した光信号を合波して２ポート側導波路２８ａ、２８ｂに出力したり、またはその逆の動作を行う。本実施形態では、２つのＭＺＩの右側に、それぞれ２ポート側導波路２８ａ、２８ｂが配置されており、この導波路２８ａ、２８ｂは合計４本形成されることとなる。そして、４本の導波路２８ａ、２８ｂを横切るように、第２の溝２６ｂが形成されている。第２の溝２６ｂには、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）と２酸化シリコン（ＳｉＯ２）のフォトニック結晶によって構成された、一体の２分の１波長板２４が挿入されている。第２の溝２６ｂの幅は、１５ミクロン以下であればよいが、２分の１波長板２４にアモルファスシリコンを用いることで、さらに狭幅の１０ミクロン以下とすることができる。２分の１波長板２４の幅は、第２の溝２６ｂ以下の幅であって、１５ミクロン以下とすることができ、１０ミクロン以下であることが特に好ましい。２分の１波長板２４の幅は、第２の溝２６ｂに挿し込んで固定することができる幅であればよく、例えば、２分の１波長板２４の幅は、第２の溝２６ｂの幅よりも０．５ミクロンや、１ミクロン程度狭くしたものとすればよい。また、２分の１波長板の厚さの下限は特に限定されないが、例えば１ミクロン以上又は２ミクロン以上であることが好ましい。【００４５】
２分の１波長板２４は、ＭＺＩを構成する２つの干渉アームそれぞれの光路上に配置されている。また、例えばＭＺＩが第１の干渉アームと第２の干渉アームとから構成されているとした場合に、２分の１波長板２４は、第１の干渉アームの光路上に位置する領域と第２の干渉アームの光路上に位置する領域の少なくとも一方の領域において、遅軸（または速軸）が挿入方向に対して４５度方向に回転したフォトニック結晶をなしている。図４に示した実施形態では、合計４つの導波路２８ａ、２８ｂを跨ぐように、一体的なフォトニック結晶で形成された２分の１波長板２４が配置されている。この２分の１波長板２４は、例えば４５°領域、無回転領域（０°領域）、４５°領域、無回転領域（０°領域）のように、遅軸（または速軸）が挿入方向に対して４５度方向に回転した領域が交互に形成されている。２分の１波長板２４は、上述したとおりアモルファスシリコン（ａＳｉ）と２酸化シリコン（ＳｉＯ２）のフォトニック結晶で形成されていることが好ましい。これにより、２分の１波長板２４を、１０ミクロン以下の極薄膜として形成することができる。【００４６】
上側の回路、すなわち細径導波路型受信機２２ａでは、ＭＺＩ右端の２ポート導波路２８ａ、２８ｂを右方に伝わる光が、２分の１波長板２４によって偏波が揃えられるように配置されている。下側の回路、すなわち径導波路型送信機２２ｂでは、右側光デバイス（図示省略）から到来する偏波の揃った独立の二つの信号を、２分の１波長板２４によって互いに直交する二つの成分に変換して、２×２カプラを通じて、ＭＺＩの２つの干渉アームを跨るように一体的に形成された４分の１波長板２３へと向かわせる。送信側および受信側の２分の１波長板２４は、一体のフォトニック結晶で形成することで、実装性能および機械精度を高めることができる。【００４７】
本発明の効果を一層高めるためには、極薄波長板を作製し、それを４分の１波長板２３および２分の１波長板２４として用いるのが有利である。極薄波長板の一例は、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）と２酸化シリコン（ＳｉＯ２）のフォトニック結晶を用いる構成である。このようにして形成された波長板は、１０ミクロン以下の溝に挿し込んで固定することのできる幅（例えば、８ミクロン以上１０ミクロン未満）の幅に成型することができる。【００４８】
［４．第４の実施形態］
図５に示した実施形態は、図１および図２に示した実施形態を簡略化したものである。図５に示した実施形態は、図１の構成における平面光回路の比屈折率差Δを０．３％〜０．８％に変更したものである。図５に示した実施形態では、標準光ファイバ５１と平面光回路の間にスポットサイズ変換器が設けられていない。【００４９】
［５．第５の実施形態］
図６は、ＭＺＩ６４が並列方向に多連（４つ以上）に並んでおり、１つの溝６２がそれぞれのＭＺＩの干渉アーム６５ａ、６５ｂをすべて横切って設けられた構成である。この１つの溝６２には、一体的なフォトニック結晶で形成された一つの４分の１波長板６３が挿入されている。このように、フォトニック結晶型の４分の１波長板６３を使うことにより、１回の挿入作業で偏波分離を持つＭＺＩを複数個同時に構成できる。また、従来技術は、一様な波長板（ポリイミドや水晶）を複数枚使うものであったため、この複数の波長板を平面光回路上に配置する際に、波長板の主軸（遅軸、速軸）の角度に誤差が生じることが懸念されていた。これに対して、本発明では、一体的なフォトニック結晶で形成された一つの４分の１波長板６３を１つの溝６２に差し込むだけの簡単な作業であるため、波長板の主軸（遅軸、速軸）の角度誤差が大幅に低減される。【００５０】
また、図６に示されるように、ＭＺＩ６４が並列方向に３つ以上の多連で並べられている場合、波長板の軸は、それぞれのＭＺＩ６４の干渉アーム６５に１つずつ割り当ててもよいし、隣り合うＭＺＩの下側の干渉アームと上側の干渉アームとが同じ軸方向となるようにペアにして割り当ててもよい。このように同じ軸方向の領域を揃えてペアで割り当てる場合、フォトニック結晶型波長板の分割パターンを減らすことができ、波長板の製造上の歩留まりが良くなる。【００５１】
［６．第６の実施形態］
図７は、フォトニック結晶型の４分の１波長板７３の主軸（遅軸、速軸）を、長手方向（溝方向）に従って徐々に変化させた構成である。このような主軸が一様ではなく徐々に変化した４分の１波長板７３を、溝７２内で溝方向に沿ってスライドさせると、ＭＺＩの干渉アーム７５ａ、７５ｂで波長板の主軸（遅軸、速軸）を回転させたのと同様の効果が得られる。その結果、溝７２の作成時にエラー（たとえば、溝の深さに傾斜がついていたなどのエラー）があった場合でも、溝７２に沿って４分の１波長板７３をスライドさせることで、この４分の１波長板７３の主軸（遅軸、速軸）の調整が可能である。そのとき、１つのＭＺＩ７４の２つの干渉アーム７５ａ、７５ｂの間隔に相当する長さで比較したときに、フォトニック結晶型の４分の１波長板７３の角度差が９０°なっていることが好ましい。これにより、４分の１波長板７３を溝７２に沿ってスライドさせることで、偏波消光比を調整でき、偏光分離機能として最大の性能を得ることができる。【００５２】
［７．第７の実施形態］
図８は、図１の１×２対称形ＭＺＩ１４を、２×２非対称９０°遅延ＭＺＩ８４に置き換えたものである。２×２非対称９０°遅延ＭＺＩ８４は、干渉する２本のアームの一方の位相量を他方のアームの位相量よりも偏波方向によらず９０度だけ進みまたは９０度だけ遅れさせたＭＺＩである。図８に示されるように、ＭＺＩ８４は、光平面回路に形成され、入力側と出力側のそれぞれに２つのポートと、入力側のポートと出力側のポートを接続する２本の干渉アームとを有している。また、２本の干渉アームは、入力側と出力側のそれぞれで、２×２カプラ８２、２４によって接続されている。ＭＺＩ８４は、１つのポートに入力された光を２つのポートから出力するか、または２つのポートに入力された光を１つのポートから出力することができる。また、ＭＺＩ８４は、２本の干渉アームの一方の位相量を他方の干渉アームの位相量よりも偏波方向によらず９０度だけ進みまたは９０度だけ遅れさせるものである。このような構成でも、図１に示した集積型光結合器とほぼ同じ動作を実現できる。
【図１】
2016060263.tif 000003
【図２】
2016060263.tif 000004
【図３】
2016060263.tif 000005
【図４】
2016060263.tif 000006
【図５】
2016060263.tif 000007
【図６】
2016060263.tif 000008
【図７】
2016060263.tif 000009
【図８】
2016060263.tif 000010
【図９】
2016060263.tif 000011
【図１０】
2016060263.tif 000012
【国際調査報告】
2016060263.tif 000013
2016060263.tif 000014
2016060263.tif 000015
2016060263.tif 000016