(57)【要約】  偏光依存性や波長依存性等が小さい、実用的なリブ型光導波路およびそれを用いた光合分波器を提供する。  本発明の光導波路型光合分波器は、基板、単一モードリブ型光導波路からなるＭ本の入力光導波路およびＮ本の出力光導波路、リブ型光導波路からなる多モード光干渉領域、および、入出力光導波路と多モード光干渉領域の間を滑らかに接続するＭ×Ｎ個のリブ型光導波路から成る可逆テーパ領域を備え、多モード光干渉領域の両側面はそれぞれ段差状に形成されていることを特徴とする。
2016051698.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板および該基板の上面に形成されたリブ型光導波路からなる多モード光干渉領域を備え、多モード光干渉領域の両側面はそれぞれ、段差状に形成されていることを特徴とする、リブ型光導波路。
【請求項２】
前記段差の幅は伝搬波長以下であり、前記段差の高さは伝搬波長の半分以下である、請求項１に記載のリブ型光導波路。
【請求項３】
前記基板の上面には、絶縁膜および半導体層が配置され、
前記リブ型光導波路のコアは、前記半導体層をストライプ状に加工することによって形成される、
請求項１または２に記載のリブ型光導波路。
【請求項４】
前記段差は２段以上の階段型に形成されている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のリブ型光導波路。
【請求項５】
単一モードリブ型光導波路からなるＭ本の入力光導波路およびＮ本の出力光導波路と、
入力光導波路および出力光導波路と、多モード光干渉領域と、の間を滑らかに接続するＭ×Ｎ個のリブ型光導波路から成る可逆テーパ領域と、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のリブ型光導波路と、
を備え、
前記入力光導波路、出力光導波路、多モード光干渉領域および可逆テーパ領域は、前記基板上に形成されていることを特徴とする光合分波器。
【請求項６】
前記基板の上面には、絶縁膜および半導体層が配置され、
前記入力光導波路、出力光導波路、多モード光干渉領域および可逆テーパ領域のコアは、
前記半導体層をストライプ状に加工することによって形成される、請求項５に記載の光合分波器。
【請求項７】
前記入力導波路および出力導波路は同一の断面形状を有する、請求項５または６に記載の光合分波器。
【請求項８】
Ｍ×Ｎ個の可逆テーパ領域は全て、同一長さ、同一テーパ幅を有する、請求項５乃至７のいずれか１項に記載の光合分波器。
【請求項９】
前記可逆テーパ領域の長さは伝搬波長よりも長い、請求項８に記載の光合分波器。
【請求項１０】
２本の入力光導波路、２本の出力光導波路および４個の可逆テーパ領域を備える、請求項５乃至９のいずれか１項に記載の光合分波器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リブ型光導波路およびそれを用いた光合分波器に関し、特に、半導体系光導波路を用いたリブ型光導波路およびそれを用いた光合分波器に関する。
【背景技術】
【０００２】
インターネットや映像配信等の広帯域マルチメディア通信サービスの爆発的な需要増加に伴い、幹線系やメトロ系ではより長距離かつ高信頼な高密度波長多重光ファイバ通信システムの導入が進んでいる。【０００３】
こうした大規模な通信ネットワークは、導入コストの低減だけではなく、運用コストの低減も重要である。運用コストを低減するには、需要に応じた動的な伝送容量割り当てや方路切り換え、効率的な保守、冗長構成などを最適化することが必要である。すなわち、通信ネットワークの形を柔軟に変更できることが望ましく、変更コストも小さいことが望ましい。【０００４】
ここで、通信ネットワークの形を柔軟に低コストで変更するために、光信号を電気信号へ変換することなく光のまま方路切り換えすることができる光スイッチノードを適用することができる。通信ネットワークの柔軟性は光スイッチノードにおける方路切り換えの自由度に依存することから、ポート数の大きな光スイッチの実現が望まれる。【０００５】
光スイッチにおいてはさらに、通過する際に受ける信号光損失、波長依存性および偏光依存性、非接続経路へのクロストーク等を抑制する必要がある。また、信号光経路の保持・切換に要する消費電力の抑制、光スイッチノードの小型化も重要である。これらはいずれも、光スイッチのポート数の可拡張性に直接関わる課題であり、光スイッチには、小型・低損失・低電力な特性が求められる。【０００６】
一方、通信中に回線が途切れる等の通信サービス品質に関する不具合の発生を抑制する必要があり、安定した通信状態を提供する必要がある。また、経路切り換えに伴う回線断状態をユーザに意識させないように、高速な経路切り換え特性も求められる。こうした高速な切り換えは、できるだけ小規模の回路で低電力で実行できることが望ましい。【０００７】
このような光スイッチとして、マイクロエレクトロメカニカルマシン（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）型マトリクス光スイッチ、液晶型マトリクス光スイッチ、導波路型マトリクス光スイッチ等がある。ＭＥＭＳ型マトリクス光スイッチは、シリコン基板上に形成された微小可動鏡の向きを静電的に制御することによって空間伝搬ビームの光路を切り換える光スイッチである。液晶型マトリクス光スイッチは、液晶分子の配向状態を電気的に変えることで空間伝搬ビームの透過率を制御する光スイッチである。導波路型マトリクス光スイッチは、導波路型光干渉計を成す光学材料の屈折率の温度依存性を利用してその干渉状態を変化させることで信号光出力経路を選択する光スイッチである。【０００８】
ＭＥＭＳ型マトリクス光スイッチは、挿入損失や信号光クロストークが小さいことから、入出力ポート数の可拡張性の面で有利である。しかし、ＭＥＭＳ型マトリクス光スイッチは、可動鏡の応答にミリ秒程度かかるため、無瞬断光経路切り換えや光パケット信号切り換えのような高速・高頻度の経路切り換えが必要とされる用途には適さない。また、ＭＥＭＳ型マトリクス光スイッチは、１入力多出力の接続状態を作り出す場合、光学特性を犠牲にして、信号光出力ポート間の距離に応じてビームの広がり角を調整する等が必要になる。【０００９】
液晶型マトリクス光スイッチは、ＭＥＭＳ型マトリクス光スイッチと同等の応答時定数を有する。液晶型マトリクス光スイッチは、ＭＥＭＳのような可動部が無いことから、機械的な信頼性が高い。しかしながら、液晶分子の光学特性は温度依存性が大きいことから、液晶型マトリクス光スイッチは、高温環境下では変性・劣化が懸念される。従って、液晶型マトリクス光スイッチは、実システムへの適用時に耐環境性・信頼性面を考慮する必要がある。【００１０】
導波路型マトリクス光スイッチは、基板上に多数形成された導波路型光干渉計の干渉状態を、電場印加・電流注入・温度等で変化させることにより、光信号出力の経路を選択する。導波路型マトリクス光スイッチは、上述の２種類の光スイッチ素子に比べて小型化に適している。特に、石英系材料を用いた導波路型マトリクス光スイッチは、単一モード光ファイバとの結合効率が高く、低損失化の面でも有利である。また、石英系材料を用いた導波路型マトリクス光スイッチは、量産性や信頼性も高い。【００１１】
ここで、導波路型マトリクス光スイッチは、光導波路材料の屈折率の温度依存性（熱光学効果）を応用して導波路型光干渉計の干渉条件を熱制御する光ゲートスイッチを基本構成とする。コアと、クラッドや基板と、の間の熱の移動が平衡に達するのに、ＭＥＭＳ型マトリクス光スイッチと同程度の時間（ミリ秒程度）を要する。従って、導波路型マトリクス光スイッチは、熱平衡に達するまでの時間を短くするために、光ゲートスイッチにおける加熱領域の体積（光導波路の断面積）を極力小さくすることが望ましい。【００１２】
こうした状況のもと、光導波路素子の大幅な小型化が期待できる半導体系光導波路を用いた光スイッチ素子が注目されている。半導体系光導波路を用いた光スイッチ素子に関する技術の一つにシリコンフォトニクス技術がある。シリコンフォトニクス技術においては、絶縁膜（シリコン基板表面を熱酸化して得られた膜）の上に形成されたシリコン膜（ＳＯＩ：Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）をストライプ状に加工し、光導波路コアとして機能させる。ＳＯＩ膜からなるコア層（屈折率：約３．４８＠１５５０ｎｍ）と、誘電体膜（ＳｉＯ２等）からなるクラッド層（屈折率：約１．４５＠１５５０ｎｍ）との屈折率差が大きいことから、信号光がコア層の中へ強く閉じ込められる。従って、シリコンフォトニクス技術を適用することにより、曲率半径１００μｍ以下の急峻な曲がりでも、挿入損失を実用的な範囲内に抑えることができる。また、シリコンフォトニクス技術は、先端ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）プロセス技術に裏付けられた高い精度加工や量産性を期待でき、さらに、駆動回路とのモノリシック集積化なども期待できる。【００１３】
シリコンフォトニクス技術を用いてＭ入力Ｎ出力（以下、Ｍ×Ｎ：Ｍ，Ｎは２以上の自然数）マトリクス光スイッチを実現する場合、Ｍ×Ｎの導波路型光スイッチを半導体基板上の２次元格子点上に配置し、これらを縦横に結ぶ光導波路群を同一半導体基板上に配置する。この場合、光導波路群は半導体基板上で互いに交差される。【００１４】
マトリクス光スイッチに入力された信号光は、交差領域を通過する時に散乱され、損失が生じる。散乱の度合いは、光導波路の断面のサイズと信号光の基本伝搬モードのサイズ（モード径）との比に相関がある。ここで、コア層とクラッド層の屈折率差が大きく、光閉じ込めが強いシリコンフォトニクス技術を用いた光導波路は、交差領域における信号光の散乱の影響が顕著に表れる。一方、コアとクラッドの屈折率差が小さく、光閉じ込めが弱い（弱導波：ｗｅａｋｌｙ  ｇｕｉｄｉｎｇ）石英系等の光導波路においては、信号光は平面波に近い振る舞いを示すため、交差領域を通過する時に散乱されにくい。【００１５】
そこで、交差領域における信号光の散乱の影響を低減するために、シリコンフォトニクス技術を用いたマトリクス光スイッチを、２次元の薄いスラブ光導波路の一部を厚くすることによって形成されるリブ型光導波路を用いて構成することが提案されている。【００１６】
リブ型光導波路の基本伝搬モードの電磁場は、リブ側壁とクラッド層との屈折率境界面より内側（シリコン層内側）にほぼ閉じ込められた断面分布となる。シリコン細線に比べて実効断面積を１桁程度広くできることから、リブ側壁とクラッド層との屈折率境界面を意識すること無く、リブに沿って伝搬可能である。この場合、光導波路の交差領域における信号光の散乱を小さくすることができる。シリコンフォトニクス技術を応用したリブ型光導波路ベースの光スイッチ素子は、例えば、特許文献１、２等に開示されている。また、シリコンフォトニクス技術を応用したリブ型光導波路ベースの、２入力２出力（２×２）の多モード干渉型（ＭＭＩ：Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）光合分波器を用いたマトリクス光スイッチの開発例も報告されている。さらに、光導波路に関連する技術が特許文献３に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００１−１８３７１０号公報
【特許文献２】特表２００２−５１４７８３号公報
【特許文献３】特開平４−２４７４０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
上述のように、幹線系波長多重光ファイバ通信ネットワークシステムへの適用されるマトリクス光スイッチを設計するにあたり、波長無依存化・偏光無依存化が必要である。石英系光導波路やシリコン細線では、コア層の電磁場分布を光ファイバの真円の電磁場分布に近づけて両者の結合効率を高めるために、コア層の断面形状を正方形に形成することが一般的である。正方形のコア層の場合、基板に平行なモード（ＥＸ１１モード、ＴＥ−ｌｉｋｅモード）と、垂直なモード（ＥＹ１１モード、ＴＭ−ｌｉｋｅモード）のそれぞれの固有値（実効屈折率）は縮退する。それぞれの伝搬特性が同一で見分けが付かなくなることから、偏光依存性は示さない。【００１９】
一方、光導波路の交差領域における散乱が小さいリブ型光導波路の場合、コア層の基板に垂直な面内で断面形状は非対称である。ＥＸ１１モードとＥＹ１１モードのそれぞれの伝搬特性は一般に異なり、偏光依存性を示す。偏光依存性は、断面形状を最適に設計することによって特定波長において打ち消すことはできるが、広い波長帯にわたって打ち消すことは困難である。さらに、マトリクス光スイッチの場合、光合分波器やテーパ状の光導波路入力部は、入出力光導波路とは異なる断面形状を有する。これらの偏光依存性や波長依存性は入出力光導波路のものとは異なり、最適な偏光依存性や波長依存性を与える形状パラメータを見出すことは容易では無い。さらに、最適な形状パラメータを見出せた場合でも、量産性や安定した製造歩留りが得られるとは限らない。【００２０】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、偏光依存性や波長依存性等が小さい、実用的なリブ型光導波路およびそれを用いた光合分波器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記目的を達成するために本発明に係るリブ型光導波路は、基板および該基板の上面に形成されたリブ型光導波路からなる多モード光干渉領域を備え、多モード光干渉領域の両側面はそれぞれ、段差状に形成されていることを特徴とする。【００２２】
上記目的を達成するために本発明に係る光合分波器は、単一モードリブ型光導波路からなるＭ本の入力光導波路およびＮ本の出力光導波路と、入力光導波路および出力光導波路と多モード光干渉領域との間を滑らかに接続するＭ×Ｎ個のリブ型光導波路から成る可逆テーパ領域と、上記のリブ型光導波路と、を備え、入力光導波路、出力光導波路、多モード光干渉領域および可逆テーパ領域は、基板上に形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
上述した本発明の態様によれば、偏光依存性や波長依存性等が小さい、実用的なリブ型光導波路およびそれを用いた光合分波器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１Ａ】第１の実施形態に係る２×２ＭＭＩ光合分波器１００の斜視図である。
【図１Ｂ】第１の実施形態に係る２×２ＭＭＩ光合分波器１００のＡ−Ａ’線における断面図である。
【図２Ａ】第１の実施形態に係る２×２ＭＭＩ光合分波器１００において、狭幅段差部６２０ａ、６２０ｂの断面形状を変化させた時の、Ｅｘモードの実効屈折率差の変化を示す図である。
【図２Ｂ】第１の実施形態に係る２×２ＭＭＩ光合分波器１００において、狭幅段差部６２０ａ、６２０ｂの断面形状を変化させた時の、Ｅｙモードの実効屈折率差の変化を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係る２×２ＭＭＩ光合分波器１００において、ＥｘモードとＥｙモードの実効屈折率差の比をプロットした図である。
【図４】第１の実施形態に係る２×２ＭＭＩ光合分波器１００において、テーパ型光導波路５００およびリブ型ＭＭＩ領域６００の寸法を変化させた時のＥｘモードに対する透過率の変化を示す図である。
【図５】第１の実施形態に係る２×２ＭＭＩ光合分波器１００において、テーパ型光導波路５００およびリブ型ＭＭＩ領域６００の寸法を変化させた時の偏光依存性を示す図である。
【図６Ａ】第２の実施形態に係る２×２ＭＭＩ光合分波器１００Ｂの斜視図である。
【図６Ｂ】第２の実施形態に係る２×２ＭＭＩ光合分波器１００ＢのＢ−Ｂ’線における断面図である。
【図７】リブ型光導波路１０の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
＜第１の実施形態＞
本発明に係る第１の実施形態について説明する。本実施形態においては、半導体リブ型光導波路をベースとする２×２ＭＭＩ光合分波器を適用する。本実施形態に係る２×２ＭＭＩ光合分波器の斜視図を図１Ａに、図１ＡのＡ−Ａ’線において切断した時の断面図を図１Ｂに示す。図１Ａ、図１Ｂにおいて、２×２ＭＭＩ光合分波器１００は、ＳＯＩ基板（ＳＯＩ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）２００、入力光導波路３００ａ、３００ｂ、出力光導波路４００ａ、４００ｂ、テーパ型光導波路５００ａ、５００ｂ、５００ｃ、５００ｄ、リブ型ＭＭＩ領域６００を備える。なお、特に区別する必要がない場合、入力光導波路３００ａ、３００ｂ、出力光導波路４００ａ、４００ｂ、テーパ型光導波路５００ａ、５００ｂ、５００ｃ、５００ｄを、単に、入力光導波路３００、出力光導波路４００、テーパ型光導波路５００と記載する。
【００２６】
ＳＯＩ基板２００は、半導体スラブ領域であり、基板２１０の上面に絶縁膜２２０を配置し、その表面にＳＯＩ層２３０を配置することによって形成される。そして、ＳＯＩ層２３０へ光導波路パターンを高精度露光し、ドライエッチング加工することによって、入力光導波路３００、出力光導波路４００、テーパ型光導波路５００およびリブ型ＭＭＩ領域６００が形成される。
【００２７】
入力光導波路３００ａ、３００ｂは、直線状半導体リブ領域であり、ＳＯＩ基板２００のＳＯＩ層２３０の一端側領域に形成され、一対の入力側の単一モード光導波路を成す。入力光導波路３００ａ、３００ｂに入力された光信号は、連続するテーパ型光導波路５００ａ、５００ｂを介してリブ型ＭＭＩ領域６００へ入力される。
【００２８】
出力光導波路４００ａ、４００ｂは、直線状半導体リブ領域であり、ＳＯＩ基板２００のＳＯＩ層２３０の他端側領域に形成され、一対の出力側の単一モード光導波路を成す。出力光導波路４００ａ、４００ｂは、連続するテーパ型光導波路５００ｃ、５００ｄを介してリブ型ＭＭＩ領域６００から入力された光信号を、接続された光ファイバ等へ出力する。本実施形態において、入力光導波路３００ａ、３００ｂおよび出力光導波路４００ａ、４００ｂは、同一の断面形状を有する。
【００２９】
テーパ型光導波路５００は、入力光導波路３００または出力光導波路４００と、リブ型ＭＭＩ領域６００と、を滑らかに接続する。本実施形態では、４つのテーパ型光導波路５００ａ、５００ｂ、５００ｃ、５００ｄを全て、同一長形状に形成した。図１Ａにおいて、テーパ型光導波路５００ａは入力光導波路３００ａとリブ型ＭＭＩ領域６００のＭＭＩ部６１０とを滑らかに接続し、テーパ型光導波路５００ｂは入力光導波路３００ｂとＭＭＩ部６１０とを滑らかに接続する。また、テーパ型光導波路５００ｃは出力光導波路４００ａとリブ型ＭＭＩ領域６００のＭＭＩ部６１０とを滑らかに接続し、テーパ型光導波路５００ｄは出力光導波路４００ｂとＭＭＩ部６１０とを滑らかに接続する。
【００３０】
リブ型ＭＭＩ領域６００は、半導体から成り、テーパ型光導波路５００ａを介して入力光導波路３００ａから入力された光信号と、テーパ型光導波路５００ｂを介して入力光導波路３００ｂから入力された光信号と、を干渉させる。そして、リブ型ＭＭＩ領域６００は、干渉させた光信号をテーパ型光導波路５００ｃ、５００ｄを介して出力光導波路４００ａ、４００ｂへ出力する。本実施形態に係るリブ型ＭＭＩ領域６００は、入力光導波路３００から出力光導波路４００へ向かう方向（以下、長手方向と記載する）に延びる両側壁に、有限幅の薄い段差部が形成されている。以下、この段差部を狭幅段差部６２０ａ、６２０ｂと記載し、段差部６２０ａ、６２０ｂに挟まれたリブ型干渉部をＭＭＩ部６１０と記載する。ここで、段差部６２０ａ、６２０ｂの幅ｗは伝搬波長以下に、高さｈは伝搬波長の半分以下に形成される。狭幅段差部６２０ａ、６２０ｂの幅ｗ、高さｈは、図１Ｂのように表される。
【００３１】
上記のように構成された２×２ＭＭＩ光合分波器１００において、狭幅段差部６２０ａ、６２０ｂの断面形状を変化させた時の、リブ型ＭＭＩ領域６００の基本モードの固有値（実効屈折率ｎ１１）と第１高次モードの固有値（実効屈折率ｎ１２）の差ｎ１１−ｎ１２（以下、実効屈折率差）を図２Ａ、図２Ｂに示す。実効屈折率差は、リブ型ＭＭＩ領域６００における基本モードと第１高次モードの干渉周期（ビート長）に反比例し、リブ型ＭＭＩ領域６００の最適長を決定する重要なパラメータである。なお、図２Ａ、図２Ｂにおいては、実効屈折率差ｎの添字を、電場の記号Ｅを用いて表記しているが、本明細書における表記と同じ意味である。
【００３２】
図２Ａは、主電場が基板に水平な場合（Ｅｘモード）の実効屈折率差（ｎｘ１１−ｎｘ１２）、図２Ｂは、主電場が基板に垂直な場合（Ｅｙモード）の実効屈折率差（ｎｙ１１−ｎｙ１２）である。図２Ａ、図２Ｂにおいて、横軸は狭幅段差部６２０ａ、６２０ｂの幅ｗ、縦軸は狭幅段差部６２０ａ、６２０ｂの高さｈ、狭幅段差部６２０ａ、６２０ｂの断面はともに矩形で同一形状、とする。計算にあたっては、コア層の材料にシリコン（屈折率３．４８）、クラッド層の材料にＳｉＯ２（屈折率１．４４７）を適用し、信号光波長は１５５０ｎｍとした。また、ＭＭＩ部６１０の幅を７μｍ、リブ高さを０．９μｍ、スラブ厚さを０．６μｍとした。
【００３３】
図２Ａ、図２Ｂにおいて、実効屈折率差の絶対値は、Ｅｘモード、Ｅｙモードともに約５×１０−３の量で、これは波長１５５０ｎｍの信号光に対するＭＭＩ最適長に換算すると２００μｍ強に相当する。
【００３４】
一般的な半導体リブ型光導波路ベースのＭＭＩ光合分波器は、ＭＭＩ部６１０の両脇に狭幅段差部６２０ａ、６２０ｂが配置されない。この状態は、図２Ａ、図２Ｂの左下原点（幅ｗ、高さｈが共にゼロ）に相当する。実効屈折率差が一定（つまりビート長が一定）の場合、図２Ａ、図２Ｂのプロットした範囲では、狭幅段差部６２０ａ、６２０ｂの幅ｗおよび高さｈは反比例の関係にある。この傾向は、Ｅｘモード、Ｅｙモードの双方に共通しているが、実効屈折率差の絶対値自体は両モード間で若干のずれが見られる。
【００３５】
この実効屈折率差の絶対値の偏光間のずれ、言い換えれば、リブ型ＭＭＩ領域６００における両偏光間の最適長のずれを直観的に示すために、図３に、ＥｘモードとＥｙモードの実効屈折率差の比（ｎｘ１１−ｎｘ１２）／（ｎｙ１１−ｎｙ１２）を示す。
【００３６】
図３において、実効屈折率差の偏光間の比は、狭幅段差部６２０ａ、６２０ｂの幅ｗや高さｈが増加するとともに単調減少する。この比が１であれば、リブ型ＭＭＩ領域６００における各偏光の最適長が一致する、すなわち、入出力光導波路の影響が無いと仮定すれば、２×２ＭＭＩ光合分波器の偏光無依存動作を実現できる可能性がある。
【００３７】
実効屈折率差の比は、図３の左下原点近傍で１．０２５程度である一方、高さｈが約０．５μｍ、幅ｗが約１μｍのあたりでは１になる。これは、ＭＭＩ部６１０の両脇に設ける狭幅段差部６２０ａ、６２０ｂの幅ｗおよび高さｈを調整することにより、２×２ＭＭＩ光合分波器１００の偏光依存性をある範囲内で調整できることを意味する。すなわち、ＭＭＩ部６１０におけるビート長が両偏光間で一致する場合、リブ型ＭＭＩ領域６００に絞って考えると、偏光無依存動作を実現可能な狭幅段差部６２０ａ、６２０ｂを設計できる。なお、狭幅段差部６２０ａ、６２０ｂは、マスクを１枚、リソグラフィー工程を１回、コア層のエッチング工程を１回、それぞれ追加することで形成可能であるため、量産性や製造歩留りへの影響も限られたものに留まる。
【００３８】
なお、上記の議論は、狭幅段差部６２０ａ、６２０ｂが配置されたリブ型ＭＭＩ領域６００における実効屈折率差（ビート長）だけに着目した場合である。これは、リブ型ＭＭＩ領域６００における基本モードおよび第１高次モードを、いずれも理想的な平面波で励振できた場合に相当する。しかし、リブ型ＭＭＩ領域６００と、入力光導波路３００および出力光導波路４００と、の間には可逆テーパ光導波路領域が配置されるのが一般的である。これにより、入出力両端に接続する２つの光導波路の２次元電磁場分布が連続的に変化する。信号光は、可逆テーパ光導波路領域を伝搬するに連れてビーム形状（主にビーム幅）が連続的に変化（主にビーム幅が拡大ないしは縮小）し、同時に、等位相面（波面）が平面から歪む（曲率が変化する）。なお、可逆テーパ光導波路領域を、ＳＯＩ層２３０をストライプ状に加工して形成した半導体から成るテーパ型光導波路５００ａ−５００ｄで形成する場合、可逆テーパ光導波路領域自体が偏光依存性を有する。
【００３９】
等位相面（波面）の曲率は、伝搬距離に比例する量と考えられ、テーパ型光導波路５００ａ−５００ｄの長さが波長に比べて十分長ければ、平面波に近い振る舞いになる。テーパ型光導波路５００ａ−５００ｄの長さを大きくする（テーパ幅を緩やかに変化させる）ほどモード形状変化に伴う損失（モード変換損失）が抑えられる一方、光吸収や散乱に伴う損失が大きくなる。テーパ型光導波路５００ａ−５００ｄの長さを波長に比べて十分長くできない場合、伝搬する信号光の電磁場分布の等位相面（波面）は湾曲した状態のままになる。この場合、リブ型ＭＭＩ領域６００において、信号光は、平面波で励振されるのではなく、等位相面（波面）が歪んだ状態で励振される。これは、有限の損失を招き、この損失自体にも偏光依存性が現れる。
【００４０】
以上から、ビート長に関する議論に、テーパ型光導波路５００ａ−５００ｄが示す偏光依存性の寄与分を加えたものが、実際の２×２ＭＭＩ光合分波器１００で生じる現象となる。ここで、リブ型ＭＭＩ領域６００における実効屈折率差の絶対値の偏光間の比（ｎｘ１１−ｎｘ１２）／（ｎｙ１１−ｎｙ１２）が１．０２前後の場合は、Ｅｘモードの実効屈折率差の方がＥｙモードのそれよりも約２％大きくなる断面形状の場合と等価となる。この場合、テーパ型光導波路５００ａ−５００ｄおよびリブ型ＭＭＩ領域６００を備える２×２ＭＭＩ光合分波器１００が偏光無依存動作することを、電磁場解析を通じて別途確認した。
【００４１】
なお、図３に示すように、リブ型ＭＭＩ領域６００の実効屈折率差において、狭幅段差部６２０ａ、６２０ｂの高さｈと幅ｗは反比例に近い関係にある。従って、狭幅段差部６２０ａ、６２０ｂの面積が同一であれば、光合分波特性も概ね同じ傾向を示すと考えられる。しかしながら、狭幅段差部６２０ａ、６２０ｂの幅ｗを広くするに連れて外に広がるスラブ領域への放射が助長され、挿入損失が増加する。従って、狭幅段差部６２０ａ、６２０ｂの幅ｗは、コア材質中の信号光波長と同程度に抑えることが望ましい。一方、狭幅段差部６２０ａ、６２０ｂの高さｈは、コア材質中の信号光波長の半分以下に抑えることが望ましい。
【００４２】
また、狭幅段差部６２０ａ、６２０ｂの断面積だけで偏光依存性が決まるのであれば、例えば、狭幅段差部６２０ａ、６２０ｂの断面形状を直角三角形等に形成することもできる。実際に、リブ型ＭＭＩ領域６００を形成する際の製造条件、特に、エッチング条件の選び方によっては、リブ側壁が基板に垂直な面から傾斜してしまう場合がある。しかし、リブ型ＭＭＩ領域６００のリブ側壁に傾斜を生じさせる場合、入力光導波路３００、出力光導波路４００およびテーパ型光導波路５００のリブ側壁も傾斜させることになる。この場合、入力光導波路３００および出力光導波路４００の基本モードの電磁場分布が想定した形状から外れ、偏光無依存の設計が難しくなる。従って、狭幅段差部６２０ａ、６２０ｂの断面形状は、矩形とするのが実用的である。
【００４３】
（実施例）
第１の実施形態で説明した２×２ＭＭＩ光合分波器１００の動作について説明する。基板２１０上に厚さ３μｍのＳｉＯ２膜から成る絶縁膜２２０および厚さ１．５μｍの半導体層であるＳＯＩ層２３０を配置することによってＳＯＩ基板２００を形成した。さらに、ＳＯＩ基板２００上のＳＯＩ層２３０をフォトリソグラフィ技術を用いて光導波路パターンを高精度加工することにより、第１の実施形態で説明した２×２ＭＭＩ光合分波器１００を形成する。
【００４４】
入力光導波路３００および出力光導波路４００は、Ｓｉをコア、ＳｉＯ２をクラッドとするリブ型光導波路であり、リブ幅１．４μｍ、リブ高さ０．９μｍ、スラブ厚さ０．６μｍである。また、波長１５３０〜１６１０ｎｍ帯において、Ｅｘモード、Ｅｙモードの両偏光ともに単一モード伝搬条件を満たす。リブ型ＭＭＩ領域６００のＭＭＩ部６１０は、幅７μｍ、長さ２３４μｍ、リブ高さ０．９μｍ、スラブ厚さ０．６μｍに形成した。また、狭幅段差部６２０ａ、６２０ｂは共に、高さｈ０．２μｍ、幅ｗ０．５μｍに形成した。そして、上記の入力光導波路３００および出力光導波路４００とリブ型ＭＭＩ領域６００とを、リブ高さ０．９μｍ、スラブ厚さ０．６μｍ、幅が１．４μｍから３μｍまで線形に変化する長さ５０μｍのテーパ型光導波路５００（可逆水平テーパ領域）によって滑らかに接続した。
【００４５】
これらは、光源にＡｒＦを用いた縮小投影露光装置と位相シフトマスクを用いた高精度フォトリソグラフィ、ならびに低損傷のドライエッチング技術などの最先端ＣＭＯＳプロセスを応用して、幅・厚さともに±２０ｎｍ以内の精度で高精度に加工される。また、リブ型ＭＭＩ領域６００近傍のプロセスは、ＳＯＩ基板２００の表面に設けるエッチング阻止膜として、予め段差加工されたＳｉＮ膜（製造過程で除去されるため図示せず）を設けることにより、１回のドライエッチング工程でＭＭＩ部６１０とその両脇の狭幅段差部６２０ａ、６２０ｂを一体形成する。
【００４６】
上記のようにして形成した２×２ＭＭＩ光合分波器１００のＥｘモードに対する透過率を図４に、Ｅｘモードに対する透過率とＥｙモードに対する透過率比（すなわち透過率の偏光依存性）を図５に示す。ここで、図４、図５の横軸は、テーパ型光導波路５００のテーパ端部（ＭＭＩ部６１０に接する幅広側）の幅、縦軸はリブ型ＭＭＩ領域６００の長さである。信号光波長は１５９０ｎｍである。なお、透過率は、式（１）のように定義される。
【００４７】
１０ｌｏｇ｛（Ｐｂａｒ＋Ｐｃｒｏｓｓ）／Ｐｉｎ｝  （単位：ｄＢ）・・・式（１）
式（１）において、Ｐｂａｒは入力光導波路３００の一方から入力された電力Ｐｉｎの信号光が直進した先にある出力光導波路４００のポート（バー出力ポート）へ出力される電力、ＰｃｒｏｓｓはＭＭＩ部６１０の対角線の先にある出力光導波路４００のポート（クロス出力ポート）へ出力される電力である。
【００４８】
図４から分かるように、Ｅｘモードに対する挿入損失のテーパ端部の幅およびＭＭＩ長依存性は、少しずつ大きさが異なるトラック状の等高線群を成す。透過率の最大値（挿入損失の最小値）は−０．０４〜−０．０６ｄＢ（＋０．０４〜＋０．０６ｄＢ）で、Ｓｉを光導波路コア材に用いた１．５μｍ帯向け２×２光合分波器として良好な値が実現できている。
【００４９】
図５中の白線は、ＥｘモードとＥｙモードの透過率比が１（＝０ｄＢ）、すなわち、偏光無依存となる条件である。これらから、透過率が最大（挿入損失が最小）かつ偏光無依存となる実用的な２×２ＭＭＩ光合分波器を設計する場合、図４における透過率が最大となる領域と、図５における白線とが互いに重なりあう条件（テーパ端部の幅、ＭＭＩ部の長さ）とすれば良い。具体的には、例えばＭＭＩ部６１０の長さを２３２μｍ、テーパ型光導波路５００のテーパ端部の幅を３．３μｍとすれば良い。
【００５０】
信号光波長１５７０ｎｍ〜１６１０ｎｍの場合も信号光波長１５９０ｎｍの場合と同様、Ｅｘモードに対する透過率、ならびにＥｘモードに対する透過率とＥｙモードに対する透過率比を計算した（図示せず）。そして、これらの結果から、２×２ＭＭＩ光合分波器１００のＭＭＩ部６１０の長さを２３２μｍ、テーパ端部の幅を３．３μｍとした。
【００５１】
このように設計された２×２ＭＭＩ光合分波器１００は、断面が正方形ではないＳｉコアを用いるリブ型光導波路であるにも関わらず、信号光波長１５７０〜１６１０ｎｍにおいて、マトリクス光スイッチを構成する際に実用的な信号光分岐特性を有する。具体的には、挿入損失はＥｘモードが０．０８〜０．０９ｄＢ、Ｅｙモードが０．０７〜０．０８ｄＢ、偏光依存性損失は±０．０１ｄＢ以内であった。
【００５２】
以上のように、本実施形態によれば、入出力テーパ導波路を含めた２×２ＭＭＩ光合分波器１００において、合分波特性における偏光依存性や波長依存性を広い波長域にわたって実用上支障の無いレベルまで抑えられる構造を、実用的な手段により、必要最小限の工程追加で実現できることが分かった。
【００５３】
なお、ＭＭＩ部６１０の長手方向に延びる両側壁に狭幅段差部６２０ａ、６２０ｂが配置されたリブ型ＭＭＩ領域６００は、ＭＭＩ光合分波器以外にも、ＲＯＡＤＭ（ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ａｄｄ／ｄｒｏｐ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）、９０°ハイブリッド、ＡＤＭのマトリクススイッチ等に配置することができる。
【００５４】
＜第２の実施形態＞
第２の実施形態について説明する。本実施形態に係る２×２ＭＭＩ光合分波器１００Ｂの斜視図を図６Aに、Ｂ−Ｂ’線において切断した時の断面図を図６Ｂに示す。本実施形態では、狭幅段差部６２０ａＢ、６２０ｂＢを、第１の実施形態の実施例で説明した直方体型の狭幅段差部６２０ａ、６２０ｂの面積を維持したまま、角部を直方体状に切欠くことによって階段状に形成した。
【００５５】
具体的には、本実施形態に係る狭幅段差部６２０ａＢ、６２０ｂＢは、幅０．４μｍ×高さ０．２μｍの下段部と、幅０．２μｍの高さ０．２μｍの上段部とが一体に成形されている。それ以外は、第１の実施形態の実施例で説明した２×２ＭＭＩ光合分波器１００と同様である。なお、製造方法は、上記の実施例の場合に対して、狭幅段差部６２０ａＢ、６２０ｂＢのリソグラフィ工程用に、マスク１枚、エッチング阻止膜のドライエッチング加工を１回、それぞれ追加している。
【００５６】
図６Ａ、図６Ｂの２×２ＭＭＩ光合分波器１００Ｂも、第１の実施形態の実施例で説明した図１の２×２ＭＭＩ光合分波器１００と同様に、断面が正方形ではないＳｉコアを用いるリブ型光導波路ではあるが、マトリクス光スイッチを構成する際に用いる２×２光合分波器として実用的な信号光分岐特性が得られる。具体的には、信号光波長１５７０〜１６１０ｎｍにわたって、損失はＥｘモードが０．０８〜０．０９ｄＢ、Ｅｙモードが０．０７〜０．０８ｄＢ、偏光依存性損失は±０．０１ｄＢ以内となった。
【００５７】
上記の実施形態ではいずれも、コアの材質としてＳｉを用いた例を示したが、Ｓｉ以外の誘電体をコアとして用いた場合でも同様な効果が期待できる。また、化合物半導体などの場合にはＳＯＩ基板２００を用いることが適切ではないため、積層方向（基板に垂直な方向）の光閉じ込めが小さくなる。しかし、この場合も設計思想は応用可能であり、ＭＭＩ領域の両脇に、実効屈折率差の偏光依存性を抑えるために、断面形状に適切な摂動を与える加工を施せば良い。さらに、入出力光導波路の数は２本ずつに限定されず、Ｍ入力Ｎ出力（Ｍ×Ｎ）のＭＭＩ光合分波器に適用することができる。
【００５８】
なお、上記の実施形態に係るリブ型光導波路は、図７に示す最小構成部材によって形成することができる。ずなわち、リブ型光導波路１０は、基板２０と基板２０の上面に形成されたリブ型光導波路からなる多モード光干渉領域３０によって形成することができる。ここで、多モード光干渉領域３０の両側面はそれぞれ、段差状３１、３２に形成されていることが特徴である。
【００５９】
本願発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本願発明は、Ｍ×Ｎのマトリクス光スイッチ等に用いられる、同一基板上に、入出力光導波路および多モード干渉領域が形成された、導波路型光スイッチ全般に適用することができる。【００６１】
この出願は、２０１４年１０月２日に出願された日本出願特願２０１４−２０４１２０を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【符号の説明】
【００６２】
１０    リブ型光導波路
２０    基板
３０    多モード光干渉領域
１００    ２×２ＭＭＩ光合分波器
２００    ＳＯＩ基板
２１０    基板
２２０    絶縁膜
２３０    ＳＯＩ層
３００ａ、３００ｂ    入力光導波路
４００ａ、４００ｂ    出力光導波路
５００ａ、５００ｂ、５００ｃ、５００ｄ    テーパ型光導波路
６００    リブ型ＭＭＩ領域
６１０    ＭＭＩ部
６２０ａ、６２０ｂ    狭幅段差部
【図１Ａ】
2016051698.tif 000003
【図１Ｂ】
2016051698.tif 000004
【図２Ａ】
2016051698.tif 000005
【図２Ｂ】
2016051698.tif 000006
【図３】
2016051698.tif 000007
【図４】
2016051698.tif 000008
【図５】
2016051698.tif 000009
【図６Ａ】
2016051698.tif 000010
【図６Ｂ】
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【図７】
2016051698.tif 000012
【国際調査報告】
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