(57)【要約】【課題】製造工程において発生する寸法誤差に起因する動作特性に与える効果が小さく、かつ全長が短いとともに、出力光の蛇行を防止できる。【解決手段】第１入出力光導波路部２００及び第２入出力光導波路部２５０、第１マルチモード光導波路部２１０、第２マルチモード光導波路部２２０、第４マルチモード光導波路部２３０及び第３マルチモード光導波路部２４０を具える。第２マルチモード光導波路部は、幅が境界Ｂ２から境界Ｂ３に向かって連続的に広がっている。第３マルチモード光導波路部は、第１サブマルチモード光導波路２４２及び第２サブマルチモード光導波路２４４で以って構成される。これらは、幅が境界Ｂ３から境界Ｂ４に向かって連続的に狭まっている。第１入出力光導波路部は、第１サブ光導波路２０２及び第２サブ光導波路２０４で以って構成される。これらの中心軸は、第１マルチモード光導波路部の中心軸からずれた位置に設定される。【選択図】図４
2008065104.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１入出力光導波路部及び第２入出力光導波路部と、該第１入出力光導波路部の最外側端間の距離よりも幅の広い、マルチモード導波光を伝播させる第１、第２、第３及び第４マルチモード光導波路部とを具える構造体として形成され、
前記第１入出力光導波路部、前記第１マルチモード光導波路部、前記第２マルチモード光導波路部、前記第４マルチモード光導波路部、前記第３マルチモード光導波路部、及び前記第２入出力光導波路部は、この順序で連続的につながっており、
前記第１入出力光導波路部は、導波方向に平行な対称軸に対して、互いに線対称にかつ離間して、配置された第１及び第２サブ光導波路で以って構成されており、
前記第２マルチモード光導波路部は、前記対称軸に対して線対称形であって、当該第２マルチモード光導波路部の幅が、前記第１マルチモード光導波路部との境界から前記第４マルチモード光導波路部との境界に向かって、連続的に広がった第１形状の平面形状を有し、
前記第３マルチモード光導波路部は、前記対称軸に対して線対称に、かつ離間して配置された第１及び第２サブマルチモード光導波路で以って構成されており、
該第１及び第２サブマルチモード光導波路は、前記第４マルチモード光導波路部との境界から前記第２入出力光導波路部との境界に向かって、連続的に狭まった第２形状の平面形状を有し、
前記第２入出力光導波路部は、前記対称軸に対して、互いに線対称にかつ離間して、配置された第３及び第４サブ光導波路で以って構成されており、
前記第１及び第２サブ光導波路と、前記第１マルチモード光導波路部とは、前記第１及び第２サブ光導波路のそれぞれの中心軸が、前記第１マルチモード光導波路部の中心軸から、該第１マルチモード光導波路部の幅の６分の１の距離だけずれた位置を中点とし、該中点から、前記第１マルチモード光導波路部の幅方向の両側に、それぞれ前記第１及び第２サブ光導波路の幅の４分の１の距離だけずれた位置間の、範囲内においてつながっており、
前記第１及び第２サブマルチモード光導波路と、前記第４マルチモード光導波路部とは、前記第３及び第４サブ光導波路のそれぞれの中心軸の延長線であって、前記第１及び第２サブマルチモード光導波路のそれぞれの中心軸が、前記第４マルチモード光導波路部の中心軸から、該第４マルチモード光導波路部の幅に対する、該第１及び第２サブマルチモード光導波路のそれぞれの中心軸と、該第４マルチモード光導波路部の中心軸との距離の割合が、前記第１マルチモード光導波路部の幅に対する、前記第１及び第２サブ光導波路のそれぞれの中心軸と、前記第１マルチモード光導波路部の中心軸との距離の割合と等しくなる距離だけずれた位置においてつながっている
ことを特徴とするマルチモード干渉光カプラ。
【請求項２】
請求項１に記載のマルチモード干渉光カプラであって、
前記第１及び第２サブ光導波路と、前記第１マルチモード光導波路部とは、前記第１及び第２サブ光導波路のそれぞれの中心軸が、前記第１マルチモード光導波路部の中心軸から、該第１マルチモード光導波路部の幅の６分の１の距離だけずれた位置においてつながっており、
前記第１及び第２サブマルチモード光導波路と、前記第４マルチモード光導波路部とは、前記第３及び第４サブ光導波路のそれぞれの中心軸の延長線であって、前記第１及び第２サブマルチモード光導波路のそれぞれの中心軸が、前記第４マルチモード光導波路部の中心軸から、該第４マルチモード光導波路部の幅の６分の１の距離だけずれた位置においてつながっている
ことを特徴とするマルチモード干渉光カプラ。
【請求項３】
請求項１または２に記載のマルチモード干渉光カプラであって、
前記第１入出力光導波路部及び前記第１マルチモード光導波路部間に第５マルチモード光導波路部を具えており、
該第５マルチモード光導波路部は、前記対称軸に対して線対称形であって、当該第５マルチモード光導波路部の幅が、前記第１入出力光導波路部との境界から前記第１マルチモード光導波路部との境界に向かって、連続的に広がった第３形状の平面形状を有する
ことを特徴とするマルチモード干渉光カプラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、１つの入力光を２以上に分岐し、または２以上の入力光を１つに合波させる機能を有する光導波路カプラに関し、特に光導波路型のマッハツェンダ型光変調器に用いて好適なマルチモード干渉光カプラに関する。
【背景技術】
【０００２】
平面光導波路を基本構成要素とする光素子は、フォトリソグラフィー技術、エッチング技術等の微細加工技術を利用して製造される。これらの製造技術は、寸法誤差が光の波長以下の精度で、再現性よく一括して大量生産できるという優れた特長を持っているため、平面光導波路を基本構成要素とする光素子の製造に非常に適している。そして、光通信の進展に伴い、平面光導波路を基本構成要素とする光素子の需要が増している。
【０００３】
このような光素子として、例えば、光変調器があり、一部は現実の光通信システムに導入され始めている。光通信システムに導入される光変調器は、製造上の寸法誤差がその特性に及ぼす効果の小さいこと、及び波長依存性が小さく素子そのものの大きさが小型であるが望まれる。
【０００４】
光変調器としては、マッハツェンダ干渉計を応用して構成される、マッハツェンダ型光変調器が注目されている。以後の説明において、マッハツェンダ型光変調器といった場合には、特に断らない限り、平面光導波路を基本構成要素とするマッハツェンダ型光変調器を指すものとする。
【０００５】
マッハツェンダ型光変調器は、後述するように、その構成を工夫することで波長チャープ効果の少ない変調光を出力するという特性を持たせることができるために、光通信システムに利用して好適である。すなわち、波長チャープ効果が少ない光変調器を利用すれば、この光変調器に入力される信号光パルスを、その時間波形がほとんど変化されることなく、出力させることができる。
【０００６】
マッハツェンダ型光変調器は、その構成素材として光透過率の高い誘電体結晶が使われる。しかし最近では、半導体レーザとの集積化が容易である点で、化合物半導体をその構成素材とするマッハツェンダ型光変調器の研究が注目されている。
【０００７】
マッハツェンダ型光変調器の構成として次の第１及び第２の構成が知られている。図１（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、これら２通りの構成について説明する。図１（Ａ）及び（Ｂ）のそれぞれは、第１の構成及び第２の構成のマッハツェンダ型光変調器の概略的な構成を示す模式図である。
【０００８】
図１（Ａ）に示す第１の構成のマッハツェンダ型光変調器は、１つの入力光を２つの光に分岐するＹ分岐が入力側に設けられ、出力側には、２つの光を１つの光に合波するＹ分岐が設けられ、これら２つのＹ分岐の間を２本の光導波路で接続されて構成される。以後簡単のために、１つの入力光を２つの光に分岐するＹ分岐を１×２光カプラといい、２つの光を１つの光に合波するＹ分岐を２×１光カプラということもある。
【０００９】
図１（Ａ）において、入力側に設けられるＹ分岐が１×２光カプラ１０であり、出力側に設けられるＹ分岐が２×１光カプラ２０である。図１（Ａ）では、これらＹ分岐の位置を破線の四角で囲って示し、その具体的な構成については省略してある。また、２つのＹ分岐の間を接続する２本の光導波路は、シングルモード光導波路１４及び１６である。
【００１０】
入力光Ｐｉは、シングルモード光導波路１２を伝播して１×２光カプラ１０に入力される。１×２光カプラ１０に入力された入力光Ｐｉは、シングルモード光導波路１４を伝播する光と、シングルモード光導波路１６を伝播する光とに分岐される。シングルモード光導波路１４及び１６を伝播した光は、再び２×１光カプラ２０に入力されて合波される。合波された光はシングルモード光導波路２６を伝播して、マッハツェンダ型光変調器の出力光Ｐｏとして出力される。
【００１１】
２つのＹ分岐１０及び２０の間を接続するシングルモード光導波路１４及び１６には、それぞれ金属膜電極１８及び２２が設けられている。金属膜電極１８及び２２に対して、図１（Ａ）に示すように、それぞれ電圧を印加するための電極パッド２４及び２５が設けられている。マッハツェンダ型光変調器が形成されている基板とこれらの電極パッド２４及び２５との間に電圧を印加することによってシングルモード光導波路１４及び１６の等価屈折率をそれぞれ変化させることができる。シングルモード光導波路１４及び１６の等価屈折率を変化させることで、これらの光導波路を伝播する光の位相を変調することができる。これによってシングルモード光導波路１４及び１６を伝播した光同士が２×１光カプラ２０に入力されて干渉する際、両者の光の位相差を変調することができる。２×１光カプラ２０において両者の光は干渉し、位相差が変調されることによって、光強度が強められたり弱められたりする。この干渉効果を利用して光変調を実現する（特許文献１〜３参照）。
【００１２】
図１（Ｂ）に示す第２の構成のマッハツェンダ型光変調器は、２入力２出力の光カプラが入力側と出力側とに設けられて、入力側に設けられた２入力２出力の光カプラの出力側の２本の出力ポ−トと、出力側に設けられた２入力２出力の光カプラの入力側の２本の入力ポ−トとが、２本の光導波路で接続されて構成される。以後簡単のために、２入力２出力の光カプラを２×２光カプラということもある。第２の構成のマッハツェンダ型光変調器も、２本の光導波路には電極が設けられて、電圧が印加されることによって光導波路の等価屈折率が変化させられる。このことと干渉効果とを利用して光変調を実現する。
【００１３】
図１（Ｂ）を参照して、第２の構成のマッハツェンダ型光変調器を説明する。図１（Ｂ）において、入力側に２×２光カプラ３０が設けられ、出力側に２×２光カプラ４０が設けられている。２つの２×２光カプラ３０及び４０の間は、２本のシングルモード光導波路３６及び３８によって接続されている。ここでも２×２光カプラ３０及び４０の具体的構造は省略して、両者の設定位置を破線の四角で囲って示してある。
【００１４】
入力光Ｐｉは、２×２光カプラ３０の入力ポ−トであるシングルモード光導波路３２あるいは３４のいずれか一方に入力される。いずれに入力させるかは任意であり、光変調器が利用される状況に応じて適宜決定される事項である。ここでは、シングルモード光導波路３２に入力されるものとする。シングルモード光導波路３２から、２×２光カプラ３０に入力された入力光Ｐｉは、シングルモード光導波路３６を伝播する光と、シングルモード光導波路３８を伝播する光とに分岐される。シングルモード光導波路３６及び３８を伝播した光は、再び２×２光カプラ４０に入力されて合波される。合波された光はシングルモード光導波路４６または４８を伝播して、マッハツェンダ型光変調器の出力光Ｐｏとして出力される。
【００１５】
２つの２×２光カプラ３０及び４０の間を接続するシングルモード光導波路３６及び３８には、それぞれ金属膜電極４２及び４４が設けられている。金属膜電極４２及び４４に対して、図１（Ｂ）に示すように、それぞれ電圧を印加するための電極パッド５０及び５１が設けられている。マッハツェンダ型光変調器が形成されている基板とこれらの電極パッド５０及び５１との間に電圧を印加することによってシングルモード光導波路３６及び３８の等価屈折率をそれぞれ変化させることができる。このことと、シングルモード光導波路３６及び３８を伝播した光同士が２×２光カプラ４０に入力されて干渉する効果を利用して光変調を実現する。
【００１６】
上述の第１と第２として示したマッハツェンダ型光変調器の構成の相違によって、次のような光変調器としての機能上の相違が発生する。すなわち、電極が設けられている光導波路に電圧を印加していない場合（電界無印加時）に、マッハツェンダ型光変調器から光が出力されるか、されないかの相違である。第２のマッハツェンダ型光変調器によれば、出力側に２つの出力ポ−トであるシングルモード光導波路４６及び４８があるので、出力ポ−トとしてどちらを選ぶかによって電界無印加時に変調器から光が出力しないようにすることができる。一方、第１の構成によれば、電界無印加時に変調器から光が出力される。
【００１７】
化合物半導体を構成素材として形成される平面光導波路に電場を印加すると、その等価屈折率が大きくなる。このことによって、上述の第２の構成のマッハツェンダ型光変調器のように、電場を印加した場合に出力光Ｐｏが出力される構成の光変調器においては、出力光の強度が強いと出力光の波長がブルーシフトする。逆に出力光の強度が弱いと出力光の波長がレッドシフトする。このような波長チャープ現象は、光通信において、伝送される光パルス信号のパルス幅を圧縮する効果を生じさせる。このため、光通信に第２の構成のマッハツェンダ型光変調器を利用することが好適であるといえる。
【００１８】
一方、上述の第１の構成のマッハツェンダ型光変調器のように、電場を印加した場合に出力光Ｐｏが出力されない構成の光変調器においては、第２の構成のマッハツェンダ型光変調器とは逆の波長チャープが生ずることとなる。そのため、伝送される光パルス信号のパルス幅を拡大させる効果が生じることとなり、光通信に利用するには不都合である。
【００１９】
もちろん、第１の構成のマッハツェンダ型光変調器においても、シングルモード光導波路１４と１６との長さの差を、光の位相差にしてπとなるように設定しておけば、第２の構成のマッハツェンダ型光変調器と同様に、伝送される光パルス信号のパルス幅を圧縮する効果を生じさせることも可能である。しかし、この場合には、シングルモード光導波路１４又は１６のどちらかの長さを長く設定しなければならず、素子を小型化することが困難となる。また、１×２光カプラ及び２×１光カプラは、その寸法精度及び入力位置が光強度の分岐比に大きく影響を与えるので、製造において、高い寸法精度を要求されることが、素子製造上の難点である。
【００２０】
以上説明したように、化合物半導体を構成素材として形成されるマッハツェンダ型光変調器を、光通信システムに利用する場合には、第２の構成のマッハツェンダ型光変調器を採用することが望ましいことが分かる。
【００２１】
第２の構成のマッハツェンダ型光変調器を構成するために利用される、光導波路カプラである２×２光カプラとしては、方向性光結合器あるいはマルチモード干渉（ＭＭＩ：Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）光カプラを利用できる。方向性光結合器は、２本の光導波路を近接させて平行に配置することで構成される。また、ＭＭＩ光カプラは、多数の固有モードで光が伝播することが可能である一定の長さを持つマルチモード光導波路の始端および終端に、それぞれ２本の入出力用の光導波路を設けて構成される。
【００２２】
方向性光結合器は、波長、光導波路の幅、光導波路の等価屈折率、２本の光導波路間の構造上の寸法などの微小な変化に対して、入力光に対する出力光の強度分岐比が大きく影響される。そのため、化合物半導体を素材として構成されるマッハツェンダ型光変調器に
はほとんど利用されない。
【００２３】
これに対してＭＭＩ光カプラは、その構成要素であるマルチモード光導波路の幅に対する寸法誤差に対しては、入力光に対する出力光の強度分岐比に大きく影響が現れるが、波長、光導波路の等価屈折率の変化に対しては、その影響は小さい。この理由は、マルチモード光導波路を伝播する光の高次の固有モードに対する伝播定数が、波長、光導波路の等価屈折率の変化に対してはほとんど変化しないためである。また、マルチモード光導波路への入力光の入射位置ずれが生じても、マルチモード光導波路を伝播する光の伝播固有モードの伝播方向に対する対称性がほとんど変化しないので、出力光の強度分岐比にほとんど影響を与えない。これらの点は、素子を製造する上で大変好都合な特性である。このため、ＭＭＩ光カプラは、化合物半導体を素材として構成されるマッハツェンダ型光変調器に頻繁に利用されている。
【００２４】
そこで、図２（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）を参照して、従来の代表的なＭＭＩ光カプラの概略的形状とその機能について説明する。図２（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、ＭＭＩ光カプラが構成されている基板面に垂直な方向から見た、光が導波される部分、すなわちＭＭＩ光カプラを構成する光導波路の輪郭の概略的形状を示している。
【００２５】
図２（Ａ）に示すＭＭＩ光カプラは、マルチモード光導波路部１００の両端に入力光導波路部１１０及び出力光導波路部１２０が連続的につながって構成される。マルチモード光導波路部１００は、伝播する光の伝播モードが複数存在できるように、その幅、すなわち、光の伝播方向に直交する方向に測った幅Ｗがシングルモード光導波路に比べて広く設計されている。入力光導波路部１１０は、第１入力光導波路１１２及び第２入力光導波路１１４を具えており、これら２つの光導波路は、マルチモード光導波路部１００のマルチモード光導波路入力側側面１０６にそれぞれつながっている。第１入力光導波路１１２及び第２入力光導波路１１４はシングルモード光導波路である。
【００２６】
出力光導波路部１２０は、第１出力光導波路１２２及び第２出力光導波路１２４を具えており、これら２つの光導波路は、マルチモード光導波路部１００のマルチモード光導波路出力側側面１０８にそれぞれつながっている。第１出力光導波路１２２及び第２出力光導波路１２４もシングルモード光導波路である。図２（Ｂ）及び（Ｃ）に示すＭＭＩ光カプラにおいても、第１及び第２入力光導波路と、第１及び第２出力光導波路とは、それぞれ同様にシングルモード光導波路である。
【００２７】
ここで、第１入力光導波路１１２、第２入力光導波路１１４、第１出力光導波路１２２及び第２出力光導波路１２４の幅をＷｇで示す。この幅は、光の伝播方向に直交する方向に測った距離である。また、マルチモード光導波路部１００の幅をＷで示し、長さをＶで示す。この長さは、光の伝播方向に沿った方向に測った距離である。第１入力光導波路１１２と第２入力光導波路１１４との中心間距離、及び第１出力光導波路１２２と第２出力光導波路１２４との中心間距離は等しい。そして、第１入力光導波路１１２と第２入力光導波路１１４との間隔、及び第１出力光導波路１２２と第２出力光導波路１２４との間隔をＳで示す。
【００２８】
また、第１入力光導波路１１２及び第２入力光導波路１１４のそれぞれの中心位置が、マルチモード光導波路入力側側面１０６の幅の３等分された位置に来るようにマルチモード光導波路入力側側面１０６にそれぞれつながっている。同様に、第１出力光導波路１２２及び第２出力光導波路１２４のそれぞれの中心位置が、マルチモード光導波路出力側側面１０８の幅の３等分された位置に来るようにマルチモード光導波路出力側側面１０８にそれぞれつながっている。
【００２９】
すなわち、マルチモード光導波路第１側面１０２から、第１入力光導波路１１２及び第１出力光導波路１２２の中心位置までの距離は、Ｗ／３であり、マルチモード光導波路第２側面１０４から、第２入力光導波路１１４及び第２出力光導波路１２４の中心位置までの距離は、Ｗ／３である。
【００３０】
第１入力光導波路１１２をシングルモードで伝播して、マルチモード光導波路入力側側面１０６からマルチモード光導波路部１００に入力された入力光は、マルチモード光導波路部１００において複数の伝播モードにそのエネルギ−が分配されて導波され、マルチモード光導波路出力側側面１０８に到達する。以後、マルチモード光導波路部に入力された入力光が、マルチモード光導波路部において複数の伝播モードにそのエネルギ−が分配されて導波されることを、マルチモード光導波路部において複数の伝播モードが励起されるということもある。
【００３１】
マルチモード光導波路出力側側面１０８では、マルチモード光導波路部１００における導波モードごとに対応する、光強度の強い部分が局所的に形成される。このマルチモード光導波路出力側側面１０８において、光強度の強い部分が形成されている箇所に第１出力光導波路１２２及び第２出力光導波路１２４がつながっていれば、入力光はその強度が２分岐されて第１出力光導波路１２２及び第２出力光導波路１２４に導波される。
【００３２】
一般に、ＭＭＩ光カプラの出力分岐比は、マルチモード導波路部において励起される固有伝播モードの励起割合と、この固有伝播モードのマルチモード光導波路出力側側面での位相差によって決まる。ここで、ＭＭＩ光カプラの出力分岐比とは、ＭＭＩ光カプラに入力された光のエネルギ−が、ＭＭＩ光カプラから分岐して出力される際のそのエネルギ−分配比を言う。固有伝播モードの励起割合とは、マルチモード光導波路部において励起される複数の固有伝播モードのそれぞれに対して、入力光のエネルギ−が分配される割合を言う。
【００３３】
図２（Ｂ）に示すＭＭＩ光カプラは、マルチモード光導波路部１３０の両端に入力光導波路部１４０及び出力光導波路部１５０が接続されて構成される。入力光導波路部１４０は、第１入力光導波路１４２及び第２入力光導波路１４４を具えており、これら２つの光導波路は、マルチモード光導波路部１３０のマルチモード光導波路入力側側面１３６にそれぞれつながっている。出力光導波路部１５０は、第１出力光導波路１５２及び第２出力光導波路１５４を具えており、これら２つの光導波路は、マルチモード光導波路部１３０のマルチモード光導波路出力側側面１３８にそれぞれつながっている。
【００３４】
ここで、第１入力光導波路１４２、第２入力光導波路１４４、第１出力光導波路１５２及び第２出力光導波路１５４の幅をＷｇ’で示す。また、マルチモード光導波路部１３０の幅をＷ’で示し、長さをＶ’で示す。第１入力光導波路１４２と第２入力光導波路１４４との中心間距離、及び第１出力光導波路１５２と第２出力光導波路１５４との中心間距離は等しい。そして、第１入力光導波路１４２と第２入力光導波路１４４との間隔、及び第１出力光導波路１５２と第２出力光導波路１５４との間隔をＳ’で示す。
【００３５】
また、第１入力光導波路１４２及び第１出力光導波路１５２は、それぞれの一方の側面がマルチモード光導波路第１側面１３２と同一直線上に並ぶように、マルチモード光導波路入力側側面１３６及びマルチモード光導波路出力側側面１３８にそれぞれつながっている。同様に、第２入力光導波路１４４及び第２出力光導波路１５４は、それぞれの一方の側面がマルチモード光導波路第２側面１３４と同一直線上に並ぶように、マルチモード光導波路入力側側面１３６及びマルチモード光導波路出力側側面１３８にそれぞれつながっている。
【００３６】
第１入力光導波路１４２をシングルモードで伝播して、マルチモード光導波路入力側側面１３６からマルチモード光導波路部１３０に入力された入力光は、マルチモード光導波路部１３０において複数の伝播モードにそのエネルギ−が分配されて導波され、マルチモード光導波路出力側側面１３８に到達する。マルチモード光導波路出力側側面１３８では、マルチモード光導波路部１３０における導波モードごとに対応する、光強度の強い部分が局所的に形成される。このマルチモード光導波路出力側側面１３８において、光強度の強い部分が形成されている箇所に第１出力光導波路１５２及び第２出力光導波路１５４がつながっていれば、入力光はその強度が２分岐されて第１出力光導波路１５２及び第２出力光導波路１５４に導波される。
【００３７】
マッハツェンダ型光変調器に利用されるＭＭＩ光カプラは、マルチモード光導波路部の幅Ｗの寸法誤差に対する、入力光に対する出力光の強度分岐比の変化が小さいことが望ましい。そのため、マッハツェンダ型光変調器に利用されるＭＭＩ光カプラとしては、図２（Ａ）に示す形状のＭＭＩ光カプラが採用される。
【００３８】
図２（Ａ）に示すＭＭＩ光カプラにおいて、マルチモード光導波路部１００の幅Ｗは、入力光導波路部１１０及び出力光導波路部１２０を構成しているシングルモード光導波路の幅Ｗｇ及びこれらシングルモード光導波路間の間隔Ｓとの間に、次式（１）で与えられる関係がある。
【００３９】
Ｗ＝３（Ｗｇ＋Ｓ）              （１）
また、マルチモード光導波路部１００の長さＶは、次式（２）で与えられることが知られている（例えば非特許文献２及び３参照）。
【００４０】
Ｖ＝２ｎＷ２／（３λ）              （２）
ここで、ｎはマルチモード光導波路部１００の等価屈折率、λはマルチモード光導波路部１００に入力される光の波長である。
【００４１】
式（２）から明らかなように、マルチモード光導波路部１００の長さＶは、マルチモード光導波路部１００の幅Ｗの二乗に比例することが分かる。すなわち、マルチモード光導波路部１００の幅Ｗの変化に対してマルチモード光導波路部１００の長さＶは非常に大きく変化することを示している。
【００４２】
化合物半導体（例えばＩｎＰ）を構成素材として形成されるＭＭＩ光カプラにおいて、光通信に利用される波長が１．５μｍ帯の光に対しては、シングルモード光導波路の幅Ｗｇを２μｍ程度に設定する必要がある。また、詳細は後述するが、マルチモード光導波路部１００、第１及び第２入力光導波路１１２、１１４及び第１及び第２出力光導波路１２２、１２４は、リッジ型の光導波路として形成される。このリッジ型の光導波路を形成する技術上の要請から、シングルモード光導波路間の間隔Ｓは少なくとも２μｍ必要である。
【００４３】
マルチモード光導波路部１００の等価屈折率ｎを３（ＩｎＰの波長１．５μｍの光に対する屈折率はほぼ３である。）として、式（１）及び（２）から、マルチモード光導波路部１００の長さＶを計算すると次のようになる。すなわち、
Ｖ＝２ｎ×［３（Ｗｇ ＋ Ｓ）］２／（３λ）
＝２×３×［３×（２＋２）］２／（３×１．５）
＝１９２
となるので、マルチモード光導波路部１００の長さは２００μｍ程度必要であることになる。
【００４４】
また、マルチモード光導波路部１００の幅Ｗに寸法誤差ΔＷがあれば、この寸法誤差に応じてＭＭＩ光カプラの出力光強度が小さくなる。厳密には、幅Ｗに関する誤差とは、誤差幅（寸法誤差）をΔＷとした時、いわゆる相対誤差ΔＷ／Ｗをいう。この相対誤差ΔＷ／Ｗを、以後幅誤差ということもある。
【００４５】
この幅Ｗに寸法誤差ΔＷが生じる要因は、製作工程であるフォトリソグラフィー、ドライエッチング等の工程にある。この寸法誤差は現状の技術では±０．３μｍ程度である。製作工程において生じる寸法誤差ΔＷに起因するＭＭＩ光カプラの出力光強度の低下を小さくするためには、幅誤差ΔＷ／Ｗを小さくする必要があり、このためには、幅Ｗを広く設計しておく必要がある。寸法誤差ΔＷが上述のように現状の技術水準から±０．３μｍ程度であり、この値そのものを小さくすることは困難である。従って幅誤差ΔＷ／Ｗを小さくするには、幅Ｗを広く設計しておくことが必要となる。
【００４６】
マルチモード光導波路部１００の長さＶは、上式（２）から明らかなように、幅Ｗの二乗に比例して長く設定することが必要となり、結果として長さＶを３５０μｍ程度に設計しなければならなくなる。
【００４７】
一方、図２（Ｂ）に示すＭＭＩ光カプラにおいては、マルチモード光導波路部１３０の幅Ｗ’は、入力光導波路部１４０及び出力光導波路部１５０を構成しているシングルモード光導波路の幅Ｗｇ’及びこれらシングルモード光導波路間の間隔Ｓ’との間に、次式（３）で与えられる関係がある。
【００４８】
Ｗ’＝２Ｗｇ’＋Ｓ’              （３）
また、マルチモード光導波路部１３０の長さＶ’は、次式（４）で与えられることが知られている（例えば非特許文献２及び３参照）。
【００４９】
Ｖ’＝２ｎＷ’２／λ              （４）
ここで、ｎはマルチモード光導波路部１３０の等価屈折率、λはマルチモード光導波路部１３０に入力される光の波長である。
【００５０】
式（２）から明らかなように、この場合も、マルチモード光導波路部１３０の長さＶ’は、マルチモード光導波路部１３０の幅Ｗ’の二乗に比例する。またこの場合も、シングルモード光導波路の幅Ｗｇ’を２μｍ程度に設定する必要があり、シングルモード光導波路間の間隔Ｓ’も少なくとも２μｍ必要である
上述と同様に、式（３）及び（４）から、マルチモード光導波路部１３０の長さＶ’を計算すると次のようになる。すなわち、
Ｖ’＝２ｎ×［２Ｗｇ’＋ Ｓ’］２／λ
＝２×３×［（２×２）＋２）］２／（１．５）
＝１４４
となるので、マルチモード光導波路部１３０の長さは１４４μｍ程度必要であることになり、上述の図２（Ａ）に示すＭＭＩ光カプラよりも短くて済むことがわかる。しかしながら、図２（Ｂ）に示すＭＭＩ光カプラのマルチモード光導波路部１３０の幅Ｗ’は６μｍ（Ｗ’＝２Ｗｇ’＋ Ｓ’＝（２×２）＋２）＝６）と、図２（Ａ）に示すＭＭＩ光カプラの幅Ｗが１２μｍ（Ｗ＝３（Ｗｇ ＋ Ｓ）＝３×（２＋２）＝１２）であるのと比較して狭い。このことから、マルチモード光導波路部の幅の寸法誤差に対する出力光の強度分岐比の変化、すなわち、動作特性に与える効果が大きいという欠点がある。
【００５１】
そこで、マルチモード光導波路部の長さも短くするための工夫が検討されている。その一例が、図２（Ｃ）に示すＭＭＩ光カプラである（例えば、特許文献４参照）。図２（Ｃ）に示すＭＭＩ光カプラも、入力光導波路部１６２、マルチモード光導波路部１７０、出力光導波路部１６４を具えて構成されることは、上述の図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すＭＭＩ光カプラと同様である。異なる点は、マルチモード光導波路部１７０の中間部分の幅を狭くした括れ部分１６６が形成されている点である。
【００５２】
このように括れ部分１６６を形成することによってマルチモード光導波路部の長さを短くできるが、寸法誤差による入力光に対する出力光の強度分岐比の変化が大きいことが指摘されている（例えば、非特許文献１及び特許文献５参照）。また、ＭＭＩ光カプラとして光損失が大きい点も問題点として指摘されている（例えば、特許文献４参照）。また、２入力２出力ＭＭＩ光カプラであって、入力及び出力光導波路の幅を、ＭＭＩ光導波路との接続部分において広げた構造の光カプラも知られている（例えば、特許文献６参照）。しかしこの光カプラでも、全長を短く形成することは難しい。
【００５３】
このようなことから、図２（Ｃ）に示すＭＭＩ光カプラによっても、マルチモード光導波路部の幅の寸法誤差に対する入力光に対する出力光の強度分岐比の変化が小さく、かつマルチモード光導波路部の長さも短いＭＭＩ光カプラは、いまだに実現していない。
【特許文献１】米国特許第６，２３６，７８４号明細書
【特許文献２】米国特許第５，７９９，１１９号明細書
【特許文献３】特開平９−２１１２４４号公報
【特許文献４】米国特許第６，７９２，１７２号明細書
【特許文献５】米国特許第５，６８９，５９７号明細書
【特許文献６】特開２０００−１６２４５４号公報
【非特許文献１】Ｅｕｒｏｐｅａｎ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  （ＥＣＯＣ）  １９９４年９月予稿集ＰＰ．  ６６９〜６７２
【非特許文献２】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔ  ｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｖｏｌ．  １２  （Ｊｕｎｅ，  １９９４  ｐｐ．１００４−１００７．）
【非特許文献３】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔ  ｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｖｏｌ．  １３  （Ａｐｒｉｌ，  １９９５  ｐｐ．６１５−６２７．）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００５４】
そこで、この発明の目的は、製造工程において発生する寸法誤差に起因する出力光の強度分配比の変動等の、動作特性に与える効果が小さいという特長をもち、かつ全長が短いＭＭＩ光カプラを提供することにある。
【００５５】
また、従来から、マルチモード光導波路部によって分岐された光が、出力光導波路から出力される際に、マルチモード光導波路部の軸方向からずれた方向に伝播する、すなわち、出力光が、出力光導波路内において蛇行するという問題がある。ここで、例えば、ＭＭＩ光カプラが、例えばマッハツェンダ型変調器等の外部機器と接続されて使用される際には、周知の通り、出力光導波路と外部機器の光ファイバ等とが接続される。そして、出力光導波路から出力された光は、光ファイバに入力される。このとき、上述のように、出力光が出力光導波路内において蛇行している場合、光ファイバに入力される光の中心軸が一定せず、いわゆる出力光の揺らぎという問題が発生する。
【００５６】
この発明のＭＭＩ光カプラでは、上述した、動作特性に与える効果が小さいという特長をもち、かつ全長が短いＭＭＩ光カプラを提供するという課題の達成に加えて、出力光の出力光導波路内における蛇行についても防止する。
【課題を解決するための手段】
【００５７】
そこで、上述の目的の達成を図るため、この発明の要旨によれば、以下のような特徴を有しているＭＭＩ光カプラが提供される。
【００５８】
すなわち、この発明のＭＭＩ光カプラは、第１及び第２入出力光導波路部と、第１入出力光導波路部の最外側端間の距離よりも幅の広い、マルチモード導波光を伝播させる第１、第２、第３及び第４マルチモード光導波路部とを具える構造体として形成される。そして、第１入出力光導波路部、第１マルチモード光導波路部、第２マルチモード光導波路部、第４マルチモード光導波路部、第３マルチモード光導波路部、及び第２入出力光導波路部は、この順序で連続的につながっている。
【００５９】
第１入出力光導波路部は、導波方向に平行な対称軸に対して、互いに線対称にかつ離間して、配置された第１及び第２サブ光導波路で以って構成されている。第２マルチモード光導波路部は、上記の対称軸に対して線対称形であって、この第２マルチモード光導波路部の幅が、第１マルチモード光導波路部との境界から第４マルチモード光導波路部との境界に向かって、連続的に広がった第１形状の平面形状を有している。第３マルチモード光導波路部は、上記対称軸に対して、互いに線対称にかつ離間して、配置された第１及び第２サブマルチモード光導波路で以って構成されている。第１及び第２サブマルチモード光導波路は、第４マルチモード光導波路部との境界から第２入出力光導波路部との境界に向かって、連続的に狭まった第２形状の平面形状を有している。第２入出力光導波路部は、上記対称軸に対して、互いに線対称にかつ離間して、配置された第３及び第4サブ光導波路を以って構成されている。
【００６０】
第１及び第２サブ光導波路と、第１マルチモード光導波路部とは、第１及び第２サブ光導波路のそれぞれの中心軸が、第１マルチモード光導波路部の中心軸からずれた位置においてつながっている。すなわち、第１及び第２サブ光導波路のそれぞれの中心軸は、第１マルチモード光導波路部の中心軸から、第１マルチモード光導波路部の幅の６分の１の距離だけずれた位置を中点とし、この中点から、第１マルチモード光導波路部の幅方向の両側に、この第１マルチモード光導波路部の中心軸から、それぞれ第１及び第２サブ光導波路の幅の４分の１の距離だけずれた位置間の、範囲内に存在する。
【００６１】
第１及び第２サブマルチモード光導波路と、第４マルチモード光導波路部とは、第３及び第４サブ光導波路のそれぞれの中心軸の延長線であって、第１及び第２サブマルチモード光導波路のそれぞれの中心軸が、第４マルチモード光導波路部の中心軸からずれた位置においてつながっている。すなわち、第１及び第２サブマルチモード光導波路のそれぞれの中心軸は、第４マルチモード光導波路部の幅に対する、第１及び第２サブマルチモード光導波路のそれぞれの中心軸と、第４マルチモード光導波路部の中心軸との距離の割合が、第１マルチモード光導波路部の幅に対する、第１及び第２サブ光導波路のそれぞれの中心軸と、第１マルチモード光導波路部の中心軸との距離の割合と等しくなる距離だけ、第４マルチモード光導波路部の中心軸からずれた位置に存在する。
【発明の効果】
【００６２】
この発明によれば、ＭＭＩ光カプラは、第１及び第２入出力光導波路部を具えており、それぞれが、２本のサブ光導波路を有している。すなわち、この発明のＭＭＩ光カプラは、２入力２出力の光カプラ（２×２光カプラ）であるから、図１（Ｂ）を参照して説明した第２の構成のマッハツェンダ型光変調器を構成するのに好適な光カプラである。第２の構成のマッハツェンダ型光変調器は、上述したように、波長チャープ効果の少ない変調光を出力するという特徴があり、光通信システムに利用して好適である。
【００６３】
第１マルチモード光導波路部には、第１入出力光導波路部の第１あるいは第２サブ光導波路から入力光が入力される。そして、第１マルチモード光導波路部への入力端において、複数の伝播モードが励起される。すなわち、入力光は、第１マルチモード光導波路部に入力されるとマルチモード干渉効果によって、第１マルチモード光導波路部を伝播する間に、その強度が２分配される。この分岐比率は、第１マルチモード光導波路部の伝播方向の長さによって決定される。
【００６４】
分岐比をほぼ１対１に設定するために必要とされる第１マルチモード光導波路部の伝播方向の長さは、従来のＭＭＩ光カプラと同様に、第１マルチモード光導波路部の幅の２乗に比例する。従って、第１マルチモード光導波路部の幅はできるだけ狭くすることが好ましい。また、第１マルチモード光導波路部の伝播方向の長さは、入力光の強度がほぼ１対１に２分配されるために必要とされる長さよりも短めに設定することができる。これは、第１マルチモード光導波路部に引き続いて第２あるいは第４マルチモード光導波路部が設けられるので、入力光の強度がほぼ１対１に２分配されるための必要な調整が、この部分で更に行なえるためである。そして、この発明のＭＭＩ光カプラは、第２マルチモード光導波路部の長さを調整することによって、出力光の分岐比を調整できることがシミュレーションによって確かめられた。このシミュレーションについては、後述する第１の実施の形態において詳細に説明する。
【００６５】
また、従来のＭＭＩ光カプラでは、第１マルチモード光導波路部の終端部、すなわち第１マルチモード光導波路部と第２マルチモード光導波路部との境界において、光電場強度の強い部分（光電場強度が極大値を取る部分）が２箇所に形成されている。この２箇所の光電場強度の強い部分に、光導波路を設ければ、入力される入力光は、これらの光導波路に、２分岐されて入力される。従来のＭＭＩ光カプラは、このように第１マルチモード光導波路部の終端部に直接分岐された出力光を取り出すための光導波路が設けられている。しかしながら、この発明のＭＭＩ光カプラは、第１マルチモード光導波路部の終端部に、この終端部から第４マルチモード光導波路部との境界に向かって、連続的に広がった第１形状の平面形状を有する第２マルチモード光導波路部が設けられる。
【００６６】
この発明のＭＭＩ光カプラでは、第２マルチモード光導波路部において、第１マルチモード光導波路部の終端部に形成された光電場強度の分布が、伝播方向に垂直な方向に沿って広げられている。すなわち、この発明のＭＭＩ光カプラでは、第１マルチモード光導波路部の終端部に形成される光電場強度の極大値を取る位置の間隔が、伝播方向に垂直な方向に沿って広げられる。従って、第２マルチモード光導波路部の終端部、すなわち、第２マルチモード光導波路部と第４マルチモード光導波路部との境界において、入力光の光電場が２分岐されて形成された２箇所の光電場強度の極大部分の間隔が、第１マルチモード光導波路部の終端部における場合と比べて広がっている。
【００６７】
このように、第２マルチモード光導波路部の役割は、上述したように、第１マルチモード光導波路部の終端部に形成される光電場強度の分布を伝播方向に垂直な方向に沿って広げることにある。これによって、２分岐された出力光を空間的に十分に離して出力させることが可能となる。
【００６８】
また、第３マルチモード光導波路部を構成する、第１及び第２サブマルチモード光導波路は、第４マルチモード光導波路部との境界から第２入出力光導波路部との境界に向かって連続的に狭まった第２形状の平面形状を有している。第３マルチモード光導波路部がこのような第２形状をしているため、この発明のＭＭＩ光カプラでは、第１及び第２サブマルチモード光導波路の入力端が、第２マルチモード光導波路部の終端部において形成される、２箇所の光電場強度の極大部分に相当する、第４マルチモード光導波路部の部分に、それぞれ合致するように形成構成できる。
【００６９】
また、第１及び第２サブマルチモード光導波路は、第４マルチモード光導波路部との境界においてはその幅が広い。従って、第２マルチモード光導波路部の終端部において形成される、２箇所の光電場強度の極大部分を十分に覆うように、第４マルチモード光導波路部と第１及び第２サブマルチモード光導波路とをつなげることができる。第４マルチモード光導波路部との境界において、第１及び第２サブマルチモード光導波路のつながる位置が多少ずれても、第２マルチモード光導波路部から、第４マルチモード光導波路部を経て第１及び第２サブマルチモード光導波路へ入力される光の強度はほとんど減少しない。従って、この発明のＭＭＩ光カプラは、製造における寸法誤差の許容範囲が、従来のＭＭＩ光カプラに比べて広いという利点を有する。
【００７０】
また、第１及び第２サブマルチモード光導波路は、第４マルチモード光導波路部との境界から第２入出力光導波路部との境界に向かって、連続的に狭まった第２形状の平面形状を有しているので、第３及び第４サブ光導波路との境界において、両者の導波路の幅を等しくできる。従って、第１及び第２サブマルチモード光導波路と第３及び第４サブ光導波路とは、それぞれの幅方向の側端を一致させてつなげることができる。これによって、２分岐された光の強度を損失することなく、第３マルチモード光導波路部からの出力を第３及び第４サブ光導波路に入力することができる。
【００７１】
また、この発明のＭＭＩ光カプラは、第２マルチモード光導波路部と第３マルチモード光導波路部との間に、第４マルチモード光導波路部が設けられている。この発明のＭＭＩ光カプラは、第４マルチモード光導波路部を具えることで、上述した第２マルチモード光導波路部及び第３マルチモード光導波路部により低減できる、寸法誤差に起因する特性への影響を、更に低減できる。第４マルチモード光導波路部の伝播方向の長さは、長すぎれば素子の全長が長くなり、また短すぎれば上記影響の低減の度合いが減少するので、その最適値が存在する。従って、第４マルチモード光導波路部の伝播方向の長さは、利用目的に応じて、素子の全長と寸法誤差に起因する特性への影響の度合いとを勘案して決定される設計的事項である。
【００７２】
また、２×２光カプラでは、出力光導波路内の出力光を、伝播方向と平行に伝播させるために、２つの入力光導波路と、マルチモード光導波路部の入力端とを、入力光導波路のそれぞれの中心軸と、第１マルチモード光導波路部の中心軸とをずれた位置につなげる構成が有効であることが、経験的に周知である。このとき、２つの出力光導波路のそれぞれの中心軸は、マルチモード光導波路部の出力端の幅に対する、出力光導波路のそれぞれの中心軸と、マルチモード光導波路部の中心軸との距離の割合が、マルチモード光導波路部の入力端の幅に対する、入力光導波路のそれぞれの中心軸と、第１マルチモード光導波路部の中心軸との距離の割合と等しくなる距離だけずれた位置において、つながる構成とする必要がある。この発明のＭＭＩ光カプラでは、第１及び第２サブ光導波路のそれぞれの中心軸は、第１マルチモード光導波路部の中心軸から、第１マルチモード光導波路部の幅の６分の１の距離だけずれた位置を中点とし、この中点から、第１マルチモード光導波路部の幅方向の両側に、それぞれ第１及び第２サブ光導波路の幅の４分の１の距離だけずれた位置間の、範囲内に存在する。また、第３及び第４サブ光導波路のそれぞれの中心軸の延長線であって、第１及び第２サブマルチモード光導波路のそれぞれの中心軸は、第４マルチモード光導波路部の幅に対する、第１及び第２サブマルチモード光導波路のそれぞれの中心軸と、第４マルチモード光導波路部の中心軸との距離の割合が、第１マルチモード光導波路部の幅に対する、第１及び第２サブ光導波路のそれぞれの中心軸と、第１マルチモード光導波路部の中心軸との距離の割合と等しくなる距離だけ、第４マルチモード光導波路部の中心軸からずれた位置に存在する。
【００７３】
これは、第４マルチモード光導波路部から出力され、第１及び第２サブマルチモード光導波路を経た出力光を、第３及び第４サブ光導波路内で蛇行することなく、伝播方向と平行に伝播させるためである。そして、この発明のＭＭＩ光カプラは、第１及び第２サブ光導波路のそれぞれの中心軸と、第１マルチモード光導波路部の中心軸との距離を調整することによって、出力光の蛇行を防止できるこの距離の最適値、及び範囲がシミュレーションによって確かめられた。このシミュレーションについては、後述する第１の実施の形態において詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７４】
以下、図を参照して、この発明に係るＭＭＩ光カプラについて説明する。なお、各図は、この発明に係る一構成例を図示するものであり、この発明が理解できる程度に各構成要素の形状、大きさ、及び配置関係等を概略的に示してあるに過ぎない。従って、この発明の構成は、何ら図示の構成例のみに限定されるものではない。また、以下の説明において、特定の材料および条件等を用いることがあるが、これら材料および条件は好適例の一つに過ぎず、したがって、何らこれらに限定されない。また、各図において同様の構成要素については、同一の番号を付して示し、その重複する説明を省略することもある。
【００７５】
まず、この発明の光導波路カプラの基本構造及びその機能の基礎的事項の理解に資するために、図３（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）を参照して、化合物半導体を素材として構成されたマッハツェンダ型光変調器の一例を説明する。図３（Ａ）は、マッハツェンダ型光変調器の概略的構造を示す斜視図である。図３（Ａ）においては、以下の説明において必要とされる限度で、２×２光カプラ等の構造の細部は省略し、長方形によってその配置される位置を示してある。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）においてＰ−Ｑで示す切断面で切断した断面構造図である。また、図３（Ｃ）は、図３（Ａ）においてＲ−Ｓで示す切断面で切断した断面構造図である。
【００７６】
光通信システムに利用する光変調器であることを前提にして、ここではマッハツェンダ型光変調器を形成する基板としてｐ型ＩｎＰ（以後、ｐ型ＩｎＰを単にｐ−ＩｎＰと表記することもある。）単結晶板８０を用いる。これは、光通信システムで使われる光は、その波長帯域が１．５μｍ帯であることから、この波長の光に対して透明である光導波路を形成できなければならないからである。ＩｎＰ単結晶板を用いれば、光導波路の導波部分（光導波路のコア及びクラッド）をエピタキシャル成長法によってＩｎＧａＡｓＰ単結晶で形成できる。光導波路のコアを構成するＩｎＧａＡｓＰ単結晶、及び光導波路のクラッドを構成するＩｎＰ単結晶は、いずれも波長が１．５μｍ帯である光に対しては透明である。
【００７７】
まず、図３（Ａ）を参照して、マッハツェンダ型光変調器の概略的構成について説明する。図３（Ａ）に示すマッハツェンダ型光変調器は、上述の第２の構成のマッハツェンダ型光変調器である。すなわち、入力側に２×２光カプラ６０が設けられ、出力側に２×２光カプラ７０が設けられている。２×２光カプラ６０及び７０は、２入力２出力のＭＭＩ光カプラである。以後、２入力２出力のＭＭＩ光カプラを、２×２−ＭＭＩ光カプラと表記することもある。
【００７８】
２×２光カプラ６０は、マルチモード光導波路５６の２つの入力ポートにシングルモード光導波路５２及び５４が接合されており、２つの出力ポートにシングルモード光導波路６２及び６４が接合されて形成されている。
【００７９】
ここで、２×２−ＭＭＩ光カプラの構造とその機能について、２×２光カプラ６０を例にとって説明する。２×２−ＭＭＩ光カプラは、マルチモード光導波路の入力端面に入力ポートを具え、出力端面に出力ポートを具えて構成される。２×２光カプラ６０では、マルチモード光導波路５６の入力端面５６ｉに入力ポートを具えており、この入力ポートにシングルモード光導波路５２及び５４が配置されている。また、マルチモード光導波路５６の出力端面５６ｊに出力ポートを具えており、この出力ポートにシングルモード光導波路６２及び６４が配置されている。
【００８０】
マルチモード光導波路５６の入力及び出力ポートの位置は、マルチモード光導波路５６を伝播する光の伝播モードによって一義的に決まる。すなわち、入力ポートをマルチモード光導波路５６の入力端面５６ｉのどの位置に設定するかによってマルチモード光導波路５６を伝播する光の伝播モードが確定し、それによって、マルチモード光導波路５６の出力端面５６ｊにおいて、光強度の強い部分と弱い部分とが複数箇所に形成される。
【００８１】
マルチモード光導波路５６の出力端面５６ｊの複数箇所に形成される光強度の強い部分となる位置に出力ポートを設定すれば、入力光の光強度を均等に分割した出力光が得られる。すなわち、マルチモード光導波路５６の入力ポートに入力された入力光は、出力端面５６ｊの複数箇所にその光強度が分割されて集まるので、この光強度の強い部分に出力ポートを設置すれば、出力端面５６ｊに形成される光強度の強い部分の数と等しい数に分岐された出力光を得ることができる。
【００８２】
上述したように、入力光Ｐｉをシングルモード光導波路５２あるいは５４のどちらから入力させても良いので、図３（Ａ）に示すマッハツェンダ型光変調器においては、入力光Ｐｉをシングルモード光導波路５２から入力させるものとして説明する。
【００８３】
シングルモード光導波路５２から、２×２光カプラ６０に入力された入力光Ｐｉは、シングルモード光導波路６２を伝播する光と、シングルモード光導波路６４を伝播する光とに分岐される。シングルモード光導波路６２及び６４には、図３（Ａ）に示すように、それぞれ電極を形成するための金属膜電極６６及び６８が設けられている。シングルモード光導波路６２及び６４を伝播した光は、再び２×２光カプラ７０に入力されて合波される。合波された光はシングルモード光導波路７６または７８を伝播して、マッハツェンダ型光変調器の出力光Ｐｏとして出力される。
【００８４】
２つの２×２光カプラ６０及び７０の間を接続する２本の光導波路である、シングルモード光導波路６２及び６４には、それぞれ金属膜電極６６及び６８が設けられている。金属膜電極６６及び６８に対して、図１（Ｂ）を参照して説明したように、電圧が印加され光変調が実現される。金属膜電極６６及び６８に電圧を印加するための電極及び電源等は、図３（Ａ）では、その図示を省略してある。
【００８５】
ここで、２×２−ＭＭＩ光カプラの構造について説明する。２×２光カプラ６０及び７０はいずれも同一の２×２−ＭＭＩ光カプラであるから、ここでは、２×２光カプラ６０のマルチモード光導波路５６の導波方向に対して垂直な面で切断した切り口を示す図を参照して２×２−ＭＭＩ光カプラの構造を説明する。図３（Ｂ）は、マルチモード光導波路５６の導波方向に対して垂直な面、すなわち、図３（Ａ）においてＰ−Ｑで示す切断面での切り口を示す図である。
【００８６】
基板であるｐ−ＩｎＰ単結晶板８０に、ｐ−ＩｎＰクラッド層８２、半絶縁性のＩｎＧａＡｓＰ導波層８４及びｎ型ＩｎＰクラッド層８６からなるリッジ形のマルチモード光導波路９０が形成されている。このリッジ形のマルチモード光導波路９０の両側面に接してポリイミド層８８ａ及び８８ｂが形成されている。以後、ｎ型ＩｎＰを単にｎ−ＩｎＰと表記し、半絶縁性のＩｎＧａＡｓＰを単にｉ−ＩｎＧａＡｓＰと表記することもある。
【００８７】
このように、マルチモード光導波路５６は、リッジ形のマルチモード光導波路９０として形成されている。リッジ形のマルチモード光導波路９０がマルチモード光導波路となる理由は、導波路の幅、すなわち、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ導波層８４の幅Ｗが広いために、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ導波層８４を伝播する光の伝播モードが複数存在することによる。言い換えると、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ導波層８４の幅Ｗは、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ導波層８４を伝播する光の伝播モードが複数存在するように設定される。
【００８８】
次に、図３（Ａ）に示すマッハツェンダ型光変調器の構成要素であるシングルモード光導波路の構造について説明する。シングルモード光導波路５２、５４、６２、６４、７６及び７８は、シングルモード光導波路６２及び６４の一部に電極を形成するための金属膜が形成されていることを除き、全て同一の構造である。そこで、図３（Ｃ）を参照して、シングルモード光導波路を説明する。図３（Ｃ）は、シングルモード光導波路６２及び６４の導波方向に対して垂直な面、すなわち、図３（Ａ）においてＲ−Ｓで示す切断面で切断した切り口を示す図である。
【００８９】
基板であるｐ−ＩｎＰ単結晶板８０に、ｐ−ＩｎＰクラッド層８３、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ導波層８５及びｎ−ＩｎＰクラッド層８７からなるリッジ形のシングルモード光導波路９４が形成されている。この点は、上述のリッジ形のマルチモード光導波路９０と同一の構造である。異なるのは、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ導波層８５の幅Ｗ’が狭いために、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ導波層８５を伝播する光の伝播モードが１つしか存在しないことである。言い換えると、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ導波層８５の幅Ｗ’は、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ導波層８５を伝播する光の伝播モードが１つだけ存在するように設定される。
【００９０】
また、このリッジ形のシングルモード光導波路９４の両側面に接してポリイミド層８８ａ、８８ｂ及び８８ｃが形成されている。ポリイミド層８８ａ及び８８ｂは、上述のリッジ形のマルチモード光導波路９０の両側面に接して形成されているポリイミド層８８ａ及び８８ｂと、それぞれ一続きに繋がっている。ポリイミド層８８ｃは、図３（Ａ）に示すマルチモード光導波路５６及び７２と、シングルモード光導波路６２及び６４とで囲まれた領域に形成されている。
【００９１】
シングルモード光導波路５２、５４、６２、６４、７６及び７８と、マルチモード光導波路５６及び７２とは、ｐ−ＩｎＰ単結晶板に、ｐ−ＩｎＰ層、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ層及びｎ−ＩｎＰ層がエピタキシャル成長された基板からフォトリソグラフィー及びエッチング工程を経て構成される。従って、図３（Ｂ）に示すｐ−ＩｎＰクラッド層８２、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ導波層８４及びｎ−ＩｎＰクラッド層８６と、それぞれに対応する図３（Ｃ）に示すｐ−ＩｎＰクラッド層８３、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ導波層８５及びｎ−ＩｎＰクラッド層８７とは、互いに同一の条件で形成され、同一組成かつ同一膜厚を有するエピタキシャル成長層である。
【００９２】
図３（Ｃ）に示すシングルモード光導波路には、電極を形成するための金属膜電極６６及び６８が設けられている。また、ｐ−ＩｎＰ単結晶板８０にも図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）に示すように、ｐ−ＩｎＰ単結晶板８０の下面（シングルモード及びマルチモード光導波路が形成されている面とは反対側の面）をアース電位に保つための金属膜電極９２が設けられている。金属膜電極９２にアース電極（図示せず。）が設けられる。
【００９３】
金属膜電極６６、６８及び９２は、Ａｕ薄膜、Ｐｔ薄膜及びＴｉ薄膜を真空蒸着法あるいはスパッタリング法等で積層して形成し、数百℃の温度でシンターするという、周知のオーミックコンタクトの形成方法によって形成される。また、金属膜電極６６、６８及び９２のそれぞれの部分には、周知の方法で電極を形成できるので、その説明は省略する。
【００９４】
金属膜電極９２の電位に対して、金属膜電極６６の電位が高くなるように電圧を印加すると、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ導波層８５に電場が発生し、この電場によって発現する電気光学効果によって、リッジ形のシングルモード光導波路９４の実効屈折率が変化する。
【００９５】
シングルモード光導波路５２、５４、６２、６４、７６及び７８と、マルチモード光導波路５６及び７２とのコア層として機能する、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ導波層８４及び８５の厚みは０．４μｍに設定される。また、基本導波モードのみが伝播できるシングルモード光導波路とするために、導波路５２、５４、６２、６４、７６及び７８の幅は２μｍに設定される。また、金属膜電極６６、６８及び９２による光吸収を防止するため、及びリッジ形のマルチモード光導波路９０及びリッジ形のシングルモード光導波路９４のリッジの高さＨがそれぞれの光導波路の実効屈折率に影響を与えないために、ｎ−ＩｎＰクラッド層８６及び８７の厚みは２μｍに設定される。
【００９６】
また、ｐ型ＩｎＰクラッド層８２及び８３の厚みも、光導波路の実効屈折率に影響を与えない目的で０．４μｍ以上に設定される。また、シングルモード光導波路６２及び６４の金属膜電極が設けられている領域における両者の間隔Ｌは、金属膜電極６６と６８との間の絶縁を保つため及び、シングルモード光導波路６２及び６４を伝播するそれぞれの光の電場が互いに干渉しないようにするために、１０μｍ以上離して設定される。
【００９７】
マルチモード光導波路５６の出力端面５６ｊの２つの出力ポートの間隔は２μｍ程度である。２本のシングルモード光導波路６２及び６４は、それぞれの入力端がマルチモード光導波路５６に接続されて、それぞれ金属膜電極６６と６８とが設けられて１０μｍ以上離して設定されている部分に繋がっている。２本のシングルモード光導波路６２及び６４は、このそれぞれの入力端から、それぞれ金属膜電極６６と６８とが設けられた部分に繋がる部分に至るまでの間は、その間隔が徐々に広げられて行く構造となっている。
【００９８】
すなわち、２本のシングルモード光導波路６２及び６４の両者の間隔を急激に広げようとすると、それぞれのシングルモード光導波路６２及び６４の曲率半径を小さくしなければならない。こうすると、シングルモード光導波路６２及び６４を伝播する光が放射損失によってその強度が低下する。一方、２本のシングルモード光導波路６２及び６４の両者の間隔を緩やかに広げようとすると、それぞれの入力端から、それぞれ金属膜電極６６と６８とが設けられた部分に繋がる部分に至るまでの長さが長くなって、光変調器としての全長が長くなりすぎてしまう。すなわち、シングルモード光導波路６２及び６４を伝播する光の放射損失の大きさと光変調器としての全長とを、総合的に勘案して、それぞれの入力端から、それぞれ金属膜電極６６と６８とが設けられた部分につながる部分の寸法が設定される。
【００９９】
＜第１の実施の形態＞
図４は、この発明のＭＭＩ光カプラの第１の実施の形態について説明する概略図である。
【０１００】
図４に示す第１の実施の形態のＭＭＩ光カプラは、シングルモード導波光を伝播させる第１入出力光導波路部２００及び第２入出力光導波路部２５０を具え、更にマルチモード導波光を伝播させる、第１マルチモード光導波路部２１０、第２マルチモード光導波路部２２０、第３マルチモード光導波路部２４０、及び第４マルチモード光導波路部２３０を具える構造体として形成される。そして、第１入出力光導波路部２００、第１マルチモード光導波路部２１０、第２マルチモード光導波路部２２０、第４マルチモード光導波路部２３０、第３マルチモード光導波路部２４０、及び第２入出力光導波路部２５０は、この順序で連続的につながっている。
【０１０１】
ここで、第１入出力光導波路部２００、第１マルチモード光導波路部２１０、第２マルチモード光導波路部２２０、第４マルチモード光導波路部２３０、第３マルチモード光導波路部２４０、及び第２入出力光導波路部２５０のそれぞれの、光の伝播方向に沿って測った長さは、Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３、Ｙ４、Ｙ５、及びＹ６である。従来のＭＭＩ光カプラと対等に比較をするためには、第１の実施の形態のＭＭＩ光カプラの全長は、Ｙ２＋Ｙ３＋Ｙ４と定義するのが合理的である。第１の実施の形態のＭＭＩ光カプラをマッハツェンダ型光変調器に利用する場合を想定すると、長さＹ５である第３マルチモード光導波路部２４０は、マッハツェンダ型光変調器の分岐部と合波部とを繋ぐ第１及び第２光導波路部分に含まれると解釈することが合理的であるからである。すなわち、マッハツェンダ型光変調器の分岐部あるいは合波部は、実質的に第１マルチモード光導波路部２１０と第２マルチモード光導波路部２２０とで構成されると解釈するのが合理的である。
【０１０２】
第１入出力光導波路部２００は、導波方向に平行な対称軸２６０に対して、互いに線対称にかつ離間して、配置された第１サブ光導波路２０２及び第２サブ光導波路２０４を以って構成されている。
【０１０３】
第１マルチモード光導波路部２１０は、対称軸２６０に対して対称な長方形の平面形状を有するマルチモード光導波路２２１が設置されている。なお、第１マルチモード光導波路部２１０は、マルチモード光導波路２２１のみで形成されるので、以後、第１マルチモード光導波路部２１０といえば、マルチモード光導波路２２１を指すものとする。
【０１０４】
第２マルチモード光導波路部２２０は、対称軸２６０に対して線対称形であって、この第２マルチモード光導波路部２２０の幅が、第１マルチモード光導波路部２１０との境界Ｂ２から第４マルチモード光導波路部２３０との境界Ｂ３−１に向かって、連続的に広がった第１形状の平面形状を有するマルチモード光導波路２２２が設置されている。すなわち、第２マルチモード光導波路部２２０の側端２２４−１及び２２４−２が、境界Ｂ２から境界Ｂ３−２に向かって連続的に広がっている。図４では、側端２２４−１及び２２４−２は直線形状であるが、後述するように必ずしも直線形状である必要はない。第２マルチモード光導波路部２２０は、マルチモード光導波路２２２のみで形成されるので、以後、第２マルチモード光導波路部２２０といえば、マルチモード光導波路２２２を指すものとする。
【０１０５】
第４マルチモード光導波路部２３０は、対称軸２６０に対して対称な長方形の平面形状を有するマルチモード光導波路２３２が設置されている。なお、第４マルチモード光導波路部２３０は、マルチモード光導波路２３２のみで形成されるので、以後、第４マルチモード光導波路部２３０といえば、マルチモード光導波路２３２を指すものとする。
【０１０６】
第３マルチモード光導波路部２４０は、上記対称軸２６０に対して、互いに線対称にかつ離間して、配置された第１サブマルチモード光導波路２４２及び第２サブマルチモード光導波路２４４で以って構成されている。第１サブマルチモード光導波路２４２及び第２サブマルチモード光導波路２４４は、第４マルチモード光導波路部２３０との境界Ｂ３−２から第２入出力光導波路部２５０との境界Ｂ４に向かって、連続的に狭まった第２形状の平面形状を有している。
【０１０７】
第１サブマルチモード光導波路２４２と第２サブマルチモード光導波路２４４とは合同であるので、第１サブマルチモード光導波路２４２の形状の特徴について説明する。第１サブマルチモード光導波路２４２は、第１サブマルチモード光導波路２４２の側端２４６−１及び２４６−２が、境界Ｂ３−２から境界Ｂ４に向かって連続的に狭まっている。図４では、側端２４６−１及び２４６−２は直線形状であるが、後述するように必ずしも直線形状である必要はない。
【０１０８】
第４マルチモード光導波路部２３０の境界Ｂ３−２における幅は、第１サブマルチモード光導波路２４２及び第２サブマルチモード光導波路２４４の境界Ｂ３−２におけるそれぞれの幅を加えた値とほぼ等しくすることが好ましい。これは、境界Ｂ３−２における光損失を小さくするためである。
【０１０９】
第３マルチモード光導波路部２４０の導波方向に沿った長さＹ５は、ＭＭＩ光カプラの全長を短くするという点からは、短いほど好ましい。しかし短くすればするほど、第１サブマルチモード光導波路２４２の側端２４６−１及び２４６−２から、導波光の一部が放射モードとして散逸するために、光強度の損失が生じる。第２サブマルチモード光導波路２４４においても同様である。従って、Ｙ５の値は、素子全長と光損失の大きさとを勘案して決定される。
【０１１０】
第２入出力光導波路部２５０は、対称軸２６０に対して、互いに線対称にかつ離間して、配置された第３サブ光導波路２５２及び第４サブ光導波路２５４を以って構成されている。第３サブ光導波路２５２及び第４サブ光導波路２５４の長さはＹ６であり、幅はＷ２である。
【０１１１】
第１マルチモード光導波路部２１０と、第２マルチモード光導波路部２２０とは、それぞれの幅方向の側端を一致させてつながっている。すなわち、境界Ｂ２において、側端２１２−１と側端２２４−１とが一致し、かつ側端２１２−２と側端２２４−２とが一致するようにつながっている。
【０１１２】
このように、最外側端が一致してつながった構成とすることによって、光の損失を小さくできる。しかし、出力光の分岐比を調整するために、側端２１２−２と側端２２４−２とをずらせる必要が発生する場合もある。この場合には、最外側端が一致してつながった構成とすることができないこともある。この場合にも、最外側端のずれはできるだけ小さくすることが、光の損失を小さくするために望ましい。
【０１１３】
第２マルチモード光導波路部２２０と第４マルチモード光導波路部２３０とは、境界Ｂ３−１において、それぞれの幅方向の側端を一致させてつながっている。すなわち、境界Ｂ３−１において、側端２２４−１と側端２３２−１とが一致し、かつ側端２２４−２と側端２３２−２とが一致してつながっている。この場合も、上記と同様に、側端２１２−２と側端２２４−２とが段差が存在する形でつなげざるを得ない場合もある。
【０１１４】
第１サブマルチモード光導波路２４２及び第２サブマルチモード光導波路２４４と、第３サブ光導波路２５２及び第４サブ光導波路２５４とは、それぞれの幅方向の側端を一致させてつながっている。すなわち、境界Ｂ４において、側端２４６−１と側端２５６−１とが一致し、側端２４６−２と側端２５６−２とがそれぞれ一致するようにつながっている。
【０１１５】
第１及び第２サブ光導波路２０２及び２０４のそれぞれの中心軸２０８−１及び２０８−２は、第１マルチモード光導波路部２１０の中心軸、すなわち対称軸２６０から、第１マルチモード光導波路部２１０の幅の６分の１の距離だけずれた位置を中点２１３とし、この中点２１３から、第１マルチモード光導波路部２１０の幅方向の両側に、それぞれ第１及び第２サブ光導波路２０２及び２０４の幅の４分の１の距離だけずれた位置間の、範囲Ｗ３内に存在する。
【０１１６】
また、第３及び第４サブ光導波路２５２及び２５４のそれぞれの中心軸２０９−１及び２０９−２の延長線であって、第１及び第２サブマルチモード光導波路２４２及び２４４のそれぞれの中心軸は、第４マルチモード光導波路部２３０の幅に対する、第１及び第２サブマルチモード光導波路２４２及び２４４のそれぞれの中心軸と、第４マルチモード光導波路部２３０の中心軸との距離の割合が、第１マルチモード光導波路部２１０の幅に対する、第１及び第２サブ光導波路２０２及び２０４のそれぞれの中心軸２０８−１及び２０８−２と、第１マルチモード光導波路部２１０の中心軸との距離の割合と等しくなる距離だけ第４マルチモード光導波路２３０の中心軸からずれた位置に存在する。
【０１１７】
これは、第４マルチモード光導波路部２３０から出力され、第１及び第２サブマルチモード光導波路２４２及び２４４を経た出力光を、第３及び第４サブ光導波路内で蛇行することなく、伝播方向と平行に伝播させるためである。そして、この実施の形態のＭＭＩ光カプラでは、第１及び第２サブ光導波路２０２及び２０４のそれぞれの中心軸２０８−１及び２０８−２を範囲Ｗ３内に設置し、かつ第３及び第４サブ光導波路のそれぞれの中心軸２０９−１及び２０９−２を、上述したように第１及び第２サブ光導波路２０２及び２０４に対応させた位置に設置することによって、出力光の蛇行を防止できることが実験により確かめられた。これに関しては、図９及び図１０を参照して、詳細に後述する。特に、第１及び第２サブ光導波路２０２及び２０４のそれぞれの中心軸２０８−１及び２０８−２を、第１マルチモード光導波路部２１０の中心軸から、第１マルチモード光導波路部２１０の幅の６分の１の距離だけずれた位置に設置するのが、蛇行を防止するために最適であることが、実験により確かめられた。この場合には、第３及び第４サブ光導波路のそれぞれの中心軸２０９−１及び２０９−２の延長線、すなわち第１及び第２サブマルチモード光導波路２４２及び２４４のそれぞれの中心軸は、第４マルチモード光導波路部２３０の中心軸から、第４マルチモード光導波路部２３０の幅の６分の１の距離だけずれた位置に設置される。
【０１１８】
境界Ｂ１における第１マルチモード光導波路部２１０の幅（＝２Ｗ１＋Ｓ１＋２Ｓ２）に対する第１あるいは第２サブ光導波路の幅Ｗ１の比（＝（２Ｗ１＋Ｓ１＋２Ｓ２）：Ｗ１）と、境界Ｂ３−２における第４マルチモード光導波路部２３０の幅（＝Ｗ０）に対する第１あるいは第２サブマルチモード光導波路の幅（＝（Ｗ０／２）−Ｘ２−Ｓ３）の比（＝Ｗ０：（（Ｗ０／２）−Ｘ２−Ｓ３））とは等しい値に近いほど好ましい。ここで、Ｓ１は、第１サブ光導波路と第２サブ光導波路との間隔である。また、Ｓ２は、第１サブ光導波路あるいは第２サブ光導波路と、第１マルチモード光導波路部２１０の側端２１２−１あるいは２１２−２との間隔である。
【０１１９】
これは、境界Ｂ１における光電場の強度分布が拡大されて境界Ｂ３−１に形成されるためである。すなわち、境界Ｂ３−１に形成される光電場の強度分布が極大値を２箇所に持つ分布となっており、第１入出力光導波路部２００から入力された光がそれぞれの光電場の極大位置に分岐されている。そして、分岐された光電場成分が、第４マルチモード光導波路部２３０を経て、第３マルチモード光導波路部２４０と最もよく結合されるためには、両者の比が等しいことが必要となる。
【０１２０】
なお、第１の実施の形態のＭＭＩ光カプラは、図５に示すように、第２マルチモード光導波路部２２０の最外側端を導波路の内部の方向に向かって凹んだ形状の曲線として形成しても良い。このように、第２及び第３マルチモード光導波路部の形状を画する側端の形状を、直線に限定せず曲線も含めて自由度を持たせることで、設計パラメータを増やすことができる。このことによって、素子長を更に短くし、寸法誤差に対する特性に与える効果をより低減できる余地を広げられる。
【０１２１】
また、例えば、図６に示すように、第２マルチモード光導波路部２２０の最外側端を導波路の外部の方向に向かって凸形状の曲線として形成しても良い。なお、その場合には、第２マルチモード光導波路部２２０の側端２２４−１及び２２４−２と、第４マルチモード光導波路部２３０の側端２３２−１及び２３２−２とを連続的な曲線として形成するのが好ましい。このように、側端２２４−１及び２２４−２と側端２３２−１及び２３２−２とを連続的な曲線として形成することによって、第２マルチモード光導波路部２２０と第４マルチモード光導波路部２３０とは、一体的に形成される。
【０１２２】
第１の実施の形態のＭＭＩ光カプラと従来のＭＭＩ光カプラとの特性を比較するために、ビーム伝播法（ＢＰＭ：Ｂｅａｍ  Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  Ｍｅｔｈｏｄ）を用いたシミュレーションによる評価を行った。ＢＰＭとは、光の伝播方向に向かって、微小区間に分け、この各微小区間の光の伝播方向に垂直な方向の屈折率分布構造によって光が屈折及び回折される様子を、逐次計算で求める方法である。光導波路の構造が与えられている場合に、この光導波路を伝播する光の電場分布をシュミレーションするために広く利用されている方法である。
【０１２３】
まず、図７（Ａ）から（Ｄ）を参照して、従来のＭＭＩ光カプラの特性を評価した結果を説明する。図７（Ａ）及び（Ｂ）は、図２（Ａ）を参照して説明した従来のＭＭＩ光カプラの特性を示す図であり、図７（Ｃ）及び（Ｄ）は、図２（Ｂ）を参照して説明した従来のＭＭＩ光カプラの特性を示す図である。図７（Ａ）から（Ｄ）において、横軸はマルチモード光導波路部、第１入力光導波路、第１出力光導波路及び第２出力光導波路における幅の寸法誤差をμｍ単位で目盛ってある。光導波路の形状を確定する主たる作業工程はフォトリソグラフィー及びエッチング工程である。光導波路の幾何的な形状の寸法誤差は、フォトリソグラフィー及びエッチング工程で決まり、光導波路の場所には依らない。従って、例えば、幅Ｗに関する寸法誤差をΔＷとした時、寸法誤差ΔＷが同一でも、幅Ｗが大きければ相対誤差ΔＷ／Ｗは小さくなり、幅Ｗが小さければ相対誤差ΔＷ／Ｗは大きくなる。
【０１２４】
また、縦軸は出力強度を任意スケールで目盛ってある。入力光が光損失なく１対１に分岐されて出力される場合は０．５を示し、０．５と異なる場合は、光損失があるかまたは、入力光が１対１に正確に分岐されていないことを意味する。
【０１２５】
図７（Ａ）から（Ｄ）において、実線で示す曲線Ｉは、第１入力ポートである第１入力光導波路から入力光が入力され、第２出力ポートである第２出力光導波路から出力光が出力される場合を示している。また、破線で示す曲線ＩＩは、第１入力ポートである第１入力光導波路から入力光が入力され、第１出力ポートである第１出力光導波路から出力光が出力される場合を示している。
【０１２６】
図７（Ａ）は、マルチモード光導波路部１００の幅Ｗが１２μｍ、マルチモード光導波路部１００の長さＶが２１０μｍ、第１入力光導波路、第１及び第２出力光導波路の幅が２μｍ、第１出力光導波路と第２出力光導波路との間隔Ｓを２μｍに設定してシミュレーションした結果を示している。
【０１２７】
図７（Ｂ）は、マルチモード光導波路部１００の幅Ｗが１６μｍ、マルチモード光導波路部１００の長さＶが３６５μｍ、第１入力光導波路、第１及び第２出力光導波路の幅が３μｍ、第１出力光導波路と第２出力光導波路との間隔Ｓを２μｍに設定してシミュレーションした結果を示している。
【０１２８】
図７（Ｃ）は、マルチモード光導波路部１３０の幅Ｗ’が６μｍ、マルチモード光導波路部１３０の長さＶ’が１６０μｍ、第１入力光導波路、第１及び第２出力光導波路の幅が２μｍ、第１出力光導波路と第２出力光導波路との間隔Ｓ’を２μｍに設定してシミュレーションした結果を示している。
【０１２９】
図７（Ｄ）は、マルチモード光導波路部１３０の幅Ｗ’が８μｍ、マルチモード光導波路部１３０の長さＶ’が２８０μｍ、第１入力光導波路、第１及び第２出力光導波路の幅が３μｍ、第１出力光導波路と第２出力光導波路との間隔Ｓ’を２μｍに設定してシミュレーションした結果を示している。
【０１３０】
これらのシミュレーションの結果から、マルチモード光導波路部の長さが、図２（Ｂ）示す従来のＭＭＩ光カプラは、図２（Ａ）に示す従来のＭＭＩ光カプラの半分でほぼ同等の特性が得られることが分かる。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）のいずれに示す従来のＭＭＩ光カプラにおいても、マルチモード光導波路部の幅が広いほど、出力光の強度に対する寸法誤差の影響が小さい。すなわち、寸法誤差に対する、出力光強度を示す曲線が、図７（Ｂ）及び（Ｄ）に示すマルチモード光導波路部の幅が広い場合よりも、図７（Ａ）及び（Ｃ）に示すマルチモード光導波路部の幅が狭い場合の方が大きく曲がっていることから明らかである。
【０１３１】
また、図７（Ｃ）において、実線で示す曲線Ｉと破線で示す曲線ＩＩとが、他の図面と比較して大きくずれていることから、マルチモード光導波路部の幅が狭い場合には、図２（Ｂ）に示す従来のＭＭＩ光カプラにおいては、出力光の光強度の分岐比も、寸法誤差の影響を強く受けることが分かる。
【０１３２】
以上のシミュレーションの結果から、マルチモード光導波路部の幅を広くして、第１入力光導波路、第１及び第２出力光導波路の幅を広くし、第１出力光導波路と第２出力光導波路との間隔を広くすることによって、出力光の光損失を小さくでき、分岐比も寸法誤差の影響を受けにくくなることが確かめられた。
【０１３３】
次に、図８（Ａ）から（Ｃ）を参照して、第１の実施の形態のＭＭＩ光カプラの特性を評価した結果を説明する。図８（Ａ）から（Ｃ）においても上記の図７（Ａ）から（Ｄ）と同様に、横軸は寸法誤差をμｍ単位で目盛ってある。また、縦軸は出力強度を任意スケールで目盛ってある。図８（Ａ）から（Ｃ）に関する説明において、寸法誤差という場合、第１及び第２入出力光導波路部と、第１から第４マルチモード光導波路部との全ての導波路部における幅についての寸法誤差を意味するものとする。
【０１３４】
また、図８（Ａ）から（Ｃ）において、実線で示す曲線Ｉは、第１入力ポートである第１サブ光導波路から入力光が入力され、第４出力ポートである第４サブ光導波路から出力光が出力される場合を示している。また、破線で示す曲線ＩＩは、第１入力ポートである第１サブ光導波路から入力光が入力され、第３出力ポートである第３サブ光導波路から出力光が出力される場合を示している。
【０１３５】
図８（Ａ）は、第１の実施の形態のＭＭＩ光カプラについてのシミュレーション結果を示す。第１から第４サブ光導波路の幅を２μｍ、すなわち、Ｗ１＝Ｗ２＝２μｍである。
【０１３６】
また、ＭＭＩ光カプラは、第１マルチモード光導波路部２１０の長さＹ２を１４０μｍ、第１マルチモード光導波路部２１０の幅（２Ｗ１＋Ｓ１＋２Ｓ２）を６μｍ、境界Ｂ３−１における第２マルチモード光導波路の幅及び第４マルチモード光導波路部２３０の幅Ｗ０を８μｍ、第４マルチモード光導波路部２３０の長さＹ４を１０μｍ、第２マルチモード光導波路部の長さＹ３を１０μｍに設定されている。また、境界Ｂ３−２と境界Ｂ４とにおける第１及び第２サブマルチモード光導波路２４２及び２４４の幅は、それぞれ３μｍ及び２μｍである。ここで、第１の実施の形態のＭＭＩ光カプラとしての全長を、図４に示す境界Ｂ１から境界Ｂ３−２までの間隔であると定義し、その長さを１６０μｍと設定した。
【０１３７】
第１の実施の形態のＭＭＩ光カプラは、その全長が図７（Ｃ）に示す従来のＭＭＩ光カプラと同程度であるにもかかわらず、出力光の強度を示す曲線がなだらかであることが明確に判読できる。すなわち、図８（Ａ）と図７（Ｃ）に示す出力光の強度を示す曲線を両者比較すると、明らかに図７（Ｃ）に示す出力光の強度を示す曲線の方が大きく曲がっている。そして、図７（Ｂ）に示す素子長が３６５μｍと２倍以上の長さの従来のＭＭＩ光カプラとその特性がほぼ等しい。このことから、第１の実施の形態のＭＭＩ光カプラは、従来のＭＭＩ光カプラの半分の長さで、同程度の特性が実現できることが分かる。
【０１３８】
図８（Ｂ）は、第３マルチモード光導波路部２４０を設けずに、第３及び第４サブ光導波路が、第２入出力光導波路部２５０から第４マルチモード光導波路部２３０まで延長されている形状として構成された場合についてのシミュレーション結果を示す。従って、境界Ｂ３−２において、第４マルチモード光導波路部２３０の側端と、第３及び第４サブ光導波路の、最外側端とは一致せず段差が形成されている。
【０１３９】
また、ここでは第３サブ光導波路と第４サブ光導波路との間隔Ｓを３．４μｍに設定したが、この値は、第３及び第４サブ光導波路の幅を２μｍとした時に最も強い出力光が得られえるように、シミュレーションして決定した値である。図８（Ｂ）に示すように、この場合には、寸法誤差が±０．１５μｍ程度となると、出力光強度に大きな影響が出ることが分かる。すなわち、寸法誤差に対する出力光強度への影響を小さくするためには、第３マルチモード光導波路部２４０を設けることが必要であることが分かる。
【０１４０】
また図８（Ｂ）に示すように、縦軸に示す出力強度が寸法誤差０．３μｍとなると、０．４以下まで低下している。これは光損失が大きいことが原因である。この光損失の主要因は、境界Ｂ３−２における、第４マルチモード光導波路部２３０の側端と、第３及び第４サブ光導波路の最外側端との段差構造にあると考えられる。このことから、境界Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３（Ｂ３−１、Ｂ３−２）及びＢ４において、導波路の側端同士が段差を持たないように一致させて構成することが、光損失を小さくすることに有効であることが分かる。
【０１４１】
図８（Ｃ）は、第２マルチモード光導波路部の長さＹ３を、図８（Ａ）及び（Ｂ）に示すＭＭＩ光カプラに比べて長く設定した場合についてのシミュレーション結果を示す。これは、出力光強度の分配比を調整するために第２マルチモード光導波路部の長さＹ３を２０μｍと長く変えてシミュレーションしたものである。第４マルチモード光導波路部２３０の長さＹ４は１０μｍと同一とし、ＭＭＩ光カプラとしての全長である、図４（Ｂ）に示す境界Ｂ１から境界Ｂ３−２までの間隔を１７０μｍと設定した。
【０１４２】
図８（Ｃ）では、実線で示された曲線Ｉと破線ＩＩで示された曲線とが大きく離れている。これは出力分岐比が１対１からずれていることを示している。第２マルチモード光導波路部の長さＹ３を調整することで、出力光強度比を変化させることができることが確かめられた。
【０１４３】
マッハツェンダ型光変調器において、チャープ特性を調整する手段として、出力光強度比を変化させることが行われる。このような用途で、第１の実施の形態のＭＭＩ光カプラを利用する場合、第２マルチモード光導波路部の長さＹ３を調整することで出力光強度比を変化させることができることが確かめられた意義は大きいといえる。
【０１４４】
第１から第４サブ光導波路は、通常はシングルモード光導波路として設計される。しかしながら、第１から第４サブ光導波路の長さを短く設計すると、たとえ導波路幅を、シングルモード導波条件を満たす幅として設定しても、不可避的にマルチモードで伝播する光が導波される場合もある。ただし第１から第４サブ光導波路は、マルチモード導波光が伝播しにくいようにシングルモード導波路として設計することが望ましい。
【０１４５】
次に、第１の実施の形態のＭＭＩ光カプラについて、図９及び１０を参照して、第３及び第４サブ光導波路内における出力光の蛇行の防止という特性を説明する。
【０１４６】
既に説明したように、２×２光カプラでは、出力光導波路内の出力光を、伝播方向と平行に伝播させるために、２つの入力光導波路と、マルチモード光導波路部の入力端とを、入力光導波路のそれぞれの中心軸と、第１マルチモード光導波路部２１０の中心軸とをずれた位置につなげる構成が有効であることが、経験的に周知である。そして、上述したように、第１の実施の形態のＭＭＩ光カプラは、第１及び第２サブ光導波路２０２及び２０４のそれぞれの中心軸２０８−１及び２０８−２が、対称軸２６０から、第１マルチモード光導波路部２１０の幅の６分の１の距離だけずれた位置を中点２１３とし、この中点２１３から、第１マルチモード光導波路部２１０の幅方向の両側に、それぞれ第１及び第２サブ光導波路２０２及び２０４の幅の４分の１の距離だけずれた位置間の、範囲Ｗ３内に存在する。
【０１４７】
また、第１の実施の形態のＭＭＩ光カプラにおいて、第３及び第４サブ光導波路２５２及び２５４のそれぞれの中心軸２０９−１及び２０９−２の延長線であって、第１及び第２サブマルチモード光導波路２４２及び２４４のそれぞれの中心軸が、第４マルチモード光導波路部２３０の幅に対する、第１及び第２サブマルチモード光導波路２４２及び２４４のそれぞれの中心軸と、第４マルチモード光導波路部２３０の中心軸との距離の割合が、第１マルチモード光導波路部２１０の幅に対する、第１及び第２サブ光導波路２０２及び２０４のそれぞれの中心軸２０８−１及び２０８−２と、第１マルチモード光導波路部２１０の中心軸との距離の割合と等しくなる距離だけずれた位置に存在する。
【０１４８】
このように、第１から第４サブ光導波路がそれぞれ位置決めされることによる、第１の実施の形態のＭＭＩ光カプラの、出力光の蛇行防止という特性を確認するために、この発明の発明者は、ＢＰＭを用いたシミュレーションによる評価を行った。
【０１４９】
図９（Ａ）及び（Ｂ）と、図１０（Ａ）〜（Ｃ）とは、それぞれＭＭＩ光カプラの第１入力ポートである第１入力光導波路２０２から入力光が入力され、第４出力ポートである第４出力光導波路２５４、及び第３出力ポートである第３出力光導波路２５２から出力光が出力される様子を示している。
【０１５０】
このシミュレーションに用いたＭＭＩ光カプラは、第１から第４サブ光導波路の幅が２μｍ、すなわち、Ｗ１＝Ｗ２＝２μｍである。また、ＭＭＩカプラは、第１マルチモード光導波路部２１０の長さＹ２が１４０μｍ、第１マルチモード光導波路部２１０の幅（２Ｗ１＋Ｓ１＋２Ｓ２）が１１μｍ、境界Ｂ３−１における第２マルチモード光導波路の幅及び第４マルチモード光導波路部２３０の幅Ｗ０が１５μｍ、第４マルチモード光導波路部２３０の長さＹ４が３０μｍ、第２マルチモード光導波路部２２０の長さＹ３が４０μｍに設定されている。また、境界Ｂ３−２と境界Ｂ４とにおける第１及び第２サブマルチモード光導波路２４２及び２４４の幅は、それぞれ３μｍ及び２μｍである。ここで、ＭＭＩ光カプラとしての全長を、図４に示す境界Ｂ１から境界Ｂ３−２までの間隔であると定義し、その長さを２１０μｍと設定した。
【０１５１】
ここで、図９（Ａ）及び（Ｂ）は、第１及び第２サブ光導波路２０２及び２０４のそれぞれの中心軸２０８−１及び２０８−２が、境界Ｂ１において、上述した範囲Ｗ３の外側に設定されたＭＭＩ光カプラについてシミュレーションを行った結果を示す。なお、縦軸は、ＭＭＩ光カプラの長さ方向、すなわち光の伝播方向における距離をμｍ単位で目盛ってある。横軸は、ＭＭＩ光カプラの幅方向における距離をμｍ単位で目盛ってある。
【０１５２】
また、図１０（Ａ）〜（Ｃ）は、第１及び第２サブ光導波路２０２及び２０４のそれぞれの中心軸２０８−１及び２０８−２が、境界Ｂ１において、範囲Ｗ３の内側に設定されたＭＭＩ光カプラ、すなわち第１の実施の形態のＭＭＩ光カプラについてシミュレーションを行った結果を示す。なお、縦軸は、ＭＭＩ光カプラの長さ方向、すなわち光の伝播方向における距離をμｍ単位で目盛ってある。横軸は、ＭＭＩ光カプラの幅方向における距離をμｍ単位で目盛ってある。
【０１５３】
これらのＭＭＩ光カプラは、各第３及び第４サブ光導波路２５２及び２５４のそれぞれの中心軸２０９−１及び２０９−２の延長線であって、各第１及び第２サブマルチモード光導波路２４２及び２４４のそれぞれの中心軸が、第４マルチモード光導波路部２３０の幅に対する、第１及び第２サブマルチモード光導波路２４２及び２４４のそれぞれの中心軸と、第４マルチモード光導波路部２３０の中心軸との距離の割合が、第１マルチモード光導波路部２１０の幅に対する、各第１及び第２サブ光導波路２０２及び２０４のそれぞれの中心軸２０８−１及び２０８−２と、第１マルチモード光導波路部２１０の中心軸との距離の割合と等しくなる距離だけずれた位置に存在する。
【０１５４】
まず、図９（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、第１サブ光導波路のそれぞれの中心軸２０８−１が、境界Ｂ１において、範囲Ｗ３の外側に設定されたＭＭＩ光カプラの特性を評価した結果を説明する。
【０１５５】
図９（Ａ）は、以下のように設定されたＭＭＩ光カプラについて、シミュレーションした結果を示している。このＭＭＩ光カプラは、第１サブ光導波路２０２の中心軸２０８−１が、第１マルチモード光導波路部２１０の中心軸から、第１マルチモード光導波路部２１０の幅の６分の１の距離、すなわち１．８３μｍだけずれた位置を中点とし、この中点から、第１マルチモード光導波路部２１０の幅方向の対称軸２６０側に、第１サブ光導波路２０２の幅の２分の１の距離、すなわち１μｍだけずれた位置に設定されている。
【０１５６】
また、図９（Ｂ）は、以下のように設定されたＭＭＩ光カプラについて、シミュレーションした結果を示している。このＭＭＩ光カプラは、第１サブ光導波路の中心軸２０８−１が、第１マルチモード光導波路部２１０の中心軸から、第１マルチモード光導波路部２１０の幅の６分の１の距離、すなわち１．８３μｍだけずれた位置を中点とし、この中点から、第１マルチモード光導波路部２１０の幅方向の側端２１２−１側に、第１サブ光導波路の幅の２分の１の距離、すなわち１μｍだけずれた位置に設定されている。
【０１５７】
これらのシミュレーションの結果から、第１サブ光導波路の中心軸２０８−１が、範囲Ｗ３から対称軸２６０側に外れて設定されたＭＭＩ光カプラでは、第１及び第２サブマルチモード光導波路２４２及び２４４内と、第３及び第４サブ光導波路２５２及び２５４内とにおいて、出力光３０１が蛇行することが確認される（図９（Ａ）参照）。
【０１５８】
また、第１サブ光導波路の中心軸２０８−１が、範囲Ｗ３から側端２１２−１側に外れて設定されたＭＭＩ光カプラについても、第１及び第２サブマルチモード光導波路２４２及び２４４内と、第３及び第４サブ光導波路２５２及び２５４内とにおいて、出力光３０３が蛇行することが確認される（図９（Ｂ）参照）。
【０１５９】
これら図９（Ａ）及び（Ｂ）に示したように、第４出力光導波路２５４及び第３出力光導波路２５２内において、出力光３０１及び３０３が蛇行すると、例えばマッハツェンダ型変調器等の外部機器と接続された際に、外部機器の光ファイバに入力される光の中心軸が一定しない。この結果、外部機器に入力される光量が一定せず、いわゆる出力光の揺らぎという問題が生じる。従って、出力光の蛇行防止という問題を抑制するためには、第１サブ光導波路の中心軸２０８−１を、範囲Ｗ３から外れた位置に設定することは、不適であるといえる。
【０１６０】
次に、図１０（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、第１サブ光導波路２０２のそれぞれの中心軸２０８−１が、境界Ｂ１において、範囲Ｗ３の内側に設定されたＭＭＩ光カプラ、すなわち第１の実施の形態のＭＭＩ光カプラの特性を評価した結果を説明する。
【０１６１】
図１０（Ａ）は、以下のように設定された第１の実施の形態のＭＭＩ光カプラについて、シミュレーションした結果を示している。このＭＭＩ光カプラは、第１サブ光導波路２０２の中心軸２０８−１が、第１マルチモード光導波路部２１０の中心軸から、第１マルチモード光導波路部２１０の幅の６分の１の距離、すなわち１．８３μｍだけずれた位置を中点とし、この中点から、第１マルチモード光導波路部２１０の幅方向の対称軸２６０側に、第１サブ光導波路の幅の４分の１の距離、すなわち０．５μｍだけずれた位置に設定されている。
【０１６２】
また、図１０（Ｂ）は、以下のように設定された第１の実施の形態のＭＭＩ光カプラについて、シミュレーションした結果を示している。このＭＭＩ光カプラは、第１サブ光導波路２０２の中心軸２０８−１が、第１マルチモード光導波路部２１０の中心軸から、第１マルチモード光導波路部２１０の幅の６分の１の距離、すなわち１．８３μｍだけずれた位置に設定されている。
【０１６３】
また、図１０（Ｃ）は、以下のように設定された第１の実施の形態のＭＭＩ光カプラについて、シミュレーションした結果を示している。このＭＭＩ光カプラは、第１サブ光導波路２０２の中心軸２０８−１が、第１マルチモード光導波路部２１０の中心軸から、第１マルチモード光導波路部２１０の幅の６分の１の距離、すなわち１．８３μｍだけずれた位置を中点とし、この中点から、第１マルチモード光導波路部２１０の幅方向の側端２１２−１側に、第１サブ光導波路の幅の４分の１の距離、すなわち０．５μｍだけずれた位置に設定されている。
【０１６４】
これらのシミュレーションの結果から、第１サブ光導波路２０２の中心軸２０８−１が、範囲Ｗ３内に設定されたＭＭＩ光カプラでは、第１及び第２サブマルチモード光導波路２４２及び２４４内と、第３及び第４サブ光導波路２５２及び２５４内とにおいて、出力光の蛇行が抑制されているのが確認される。
【０１６５】
すなわち、第１サブ光導波路の中心軸２０８−１が、範囲Ｗ３の各臨界点に設定された図１０（Ａ）及び（Ｃ）に示すＭＭＩ光カプラからの出力光３０５及び３０９と、図９（Ａ）及び（Ｂ）に示すＭＭＩ光カプラからの出力光３０１及び３０３を比較すると、明らかに出力光３０５及び３０９の方が、伝播方向に直進していると判断できる。
【０１６６】
また、第１サブ光導波路の中心軸２０８−１が、第１マルチモード光導波路部２１０の中心軸から、第１マルチモード光導波路部２１０の幅の６分の１の距離だけずれた位置に設定された図１０（Ｂ）に示すＭＭＩ光カプラからの出力光３０７は、蛇行することなく伝播方向に直進していることが判断できる。この出力光３０７は、図１０（Ａ）及び（Ｃ）に示す出力光３０５及び３０９と比して、より蛇行が抑制されていることが明確にわかる。
【０１６７】
従って、第１の実施の形態のＭＭＩ光カプラでは、第１サブ光導波路の中心軸２０８−１が、第１マルチモード光導波路部２１０の中心軸から、第１マルチモード光導波路部２１０の幅の６分の１の距離だけずれた位置を中点とし、この中点から、第１マルチモード光導波路部２１０の幅方向の両側に、それぞれ第１サブ光導波路の幅の４分の１の距離だけずれた位置間に設定されているのが好ましい。特に、第１サブ光導波路の中心軸２０８−１が、第１マルチモード光導波路部２１０の中心軸から、第１マルチモード光導波路部２１０の幅の６分の１の距離だけずれた位置に設定された場合に、最も出力光の蛇行が抑制されることが確認された。
【０１６８】
〈第１の変形例〉
図１１は、第１の変形例を説明する概略図である。第１の変形例では、上述の第１の実施の形態のＭＭＩ光カプラにおいて、第１入出力光導波路部２００と第１マルチモード光導波路部２１０との間に、第５マルチモード光導波路部２９０を設けた構成について説明する。なお、この第１の変形例によるＭＭＩ光カプラが第１の実施の形態によるＭＭＩ光カプラと構成上相違するのは、第５マルチモード光導波路部２９０を有する点である。その他の構成要素及び作用効果は、同様であるので、共通する構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。
【０１６９】
第１の変形例のＭＭＩ光カプラは、第１入出力光導波路部及び第２入出力光導波路部と、第１入出力光導波路部の最外側端間の距離よりも幅の広いマルチモード導波光を伝播させる、第１、第２、第３、第４、及び第５マルチモード光導波路部とを具える構造体として形成される。そして、これら第１入出力光導波路部２００、第５マルチモード光導波路部２９０、第１マルチモード光導波路部２１０、第２マルチモード光導波路部２２０、第４マルチモード光導波路部２３０、３マルチモード光導波路部２４０、及び第２入出力光導波路部２５０は、この順序で連続的につながっている。
【０１７０】
第５マルチモード光導波路部２９０は、対称軸２６０に対して線対称形であって、この第５マルチモード光導波路部２９０の幅が、第１入出力光導波路部２００との境界Ｂ５から第１マルチモード光導波路部２１０との境界Ｂ６に向かって、連続的に広がった第３形状の平面形状を有するマルチモード光導波路２９２が設置されている。すなわち、第５マルチモード光導波路部２９０の側端２９２−１及び２９２−２が、境界Ｂ５から境界Ｂ６に向かって連続的に広がっている。なお、第５マルチモード光導波路部２９０は、対称軸２６０に対して線対称形であって、図１１では、側端２９４−１及び２９４−２が直線形状であるが、上述した第２及び第３マルチモード光導波路部２２０及び２４０と同様の理由により、必ずしも直線形状である必要はない。
【０１７１】
第５マルチモード光導波路部２９０を設ける場合には、第１マルチモード光導波路部２１０と第５マルチモード光導波路部２９０とは、境界Ｂ６において、それぞれの幅方向の側端を一致させてつながっている。すなわち、側端２１２−１と側端２９４−１とを一致させ、かつ側端２１２−２と側端２９４−２とを一致させてつながっている。また、第１入出力光導波路部２００と第５マルチモード光導波路部２９０とは、以下のような位置関係において繋がっている。すなわち、第１及び第２サブ光導波路２０２及び２０４のそれぞれの中心軸２０８−１及び２０８−２が、境界Ｂ５上において、第１マルチモード光導波路部２１０の中心軸、すなわち対称軸２６０から、第１マルチモード光導波路部２１０の幅の６分の１の距離だけずれた位置を中点２１３とし、この中点２１３から、第１マルチモード光導波路部２１０の幅方向の両側に、それぞれ第１及び第２サブ光導波路２０２及び２０４の幅の４分の１の距離だけずれた位置間の、範囲Ｗ３内に相当する位置においてつながっている。
【０１７２】
これは、第１の実施の形態で既に説明したように、出力光を第３及び第４サブ光導波路２５２及び２５４内で蛇行することなく、伝播方向と平行に伝播させるためである。そして、この第１の変形例のＭＭＩ光カプラについても、第１の実施の形態と同様に、第１及び第２サブ光導波路２０２及び２０４のそれぞれの中心軸２０８−１及び２０８−２を、境界Ｂ５上において、第１マルチモード光導波路部２１０の中心軸から、第１マルチモード光導波路部２１０の幅の６分の１の距離だけずれた位置に相当する位置に設置するのが、蛇行を防止するために最適である。
【０１７３】
第１の変形例のＭＭＩ光カプラでは、第１の実施の形態のＭＭＩ光カプラの構成に加えて、第５マルチモード光導波路２９０が設けられている。これによって、第１の変形例のＭＭＩ光カプラでは、第１入出力光導波路部２００から入力された光は、第５マルチモード光導波路２９０を経ることによって、励起率が増加する。この結果、素子長を短くした場合において、寸法誤差に対する特性がより良好となる。
【０１７４】
第１の変形例のＭＭＩ光カプラと第１の実施の形態のＭＭＩ光カプラとの特性を比較するために、ＢＰＭを用いたシミュレーションによる評価を行った。
【０１７５】
図１２は、図４を参照して説明した第１の実施の形態のＭＭＩ光カプラの特性を示す図である。図１２において、横軸はマルチモード光導波路部、第１入力光導波路、第３サブ光導波路及び第４サブ光導波路における幅の寸法誤差をμｍ単位で目盛ってある。光導波路の形状を確定する主たる作業工程はフォトリソグラフィー及びエッチング工程である。光導波路の幾何的な形状の寸法誤差は、フォトリソグラフィー及びエッチング工程で決まり、光導波路の場所には依らない。従って、例えば、幅Ｗに関する寸法誤差をΔＷとした時、寸法誤差ΔＷが同一でも、幅Ｗが大きければ相対誤差ΔＷ／Ｗは小さくなり、幅Ｗが小さければ相対誤差ΔＷ／Ｗは大きくなる。
【０１７６】
図１２において、実線で示す曲線Ｉは、第１入力ポートである第１サブ光導波路２０２から入力光が入力され、第２出力ポートである第４サブ光導波路２５４から出力光が出力される場合を示している。また、破線で示す曲線ＩＩは、第１入力ポートである第１サブ光導波路２０２から入力光が入力され、第１出力ポートである第３サブ光導波路２５２から出力光が出力される場合を示している。
【０１７７】
図１２は、以下のように設定された第１の実施の形態のＭＭＩ光カプラについてのシミュレーション結果である。
【０１７８】
このＭＭＩ光カプラは、第１及び第２サブ光導波路２０２及び２０４の幅が２．３μｍ、すなわちＷ１＝２．３μｍである。また、第３及び第４サブ光導波路の幅は、２μｍ、すなわちＷ２＝２μｍである。また、ＭＭＩ光カプラは、第１マルチモード光導波路部２１０の長さＹ２を１５０μｍ、第１マルチモード光導波路部２１０の幅（２Ｗ１＋Ｓ１＋２Ｓ２）を１１μｍ、境界Ｂ３−１における第２マルチモード光導波路の幅及び第４マルチモード光導波路部２３０の幅Ｗ０を１５μｍ、第４マルチモード光導波路部２３０の長さＹ４を１０μｍ、第２マルチモード光導波路部の長さＹ３を３０μｍに設定されている。また、境界Ｂ３−２と境界Ｂ４とにおける第１及び第２サブマルチモード光導波路２４２及び２４４の幅は、それぞれ３．２μｍ及び２μｍである。ここで、第１の実施の形態のＭＭＩ光カプラとしての全長を、図４に示す境界Ｂ１から境界Ｂ３−２までの間隔であると定義し、その長さを１９０μｍと設定した。
【０１７９】
また、図１３は、図１１を参照して説明した第１の変形例のＭＭＩ光カプラの特性を示す図である。図１２と同様に、図１３において、横軸はマルチモード光導波路部、第１入力光導波路、第３サブ光導波路２５２及び第４サブ光導波路２５４における幅の寸法誤差をμｍ単位で目盛ってある。光導波路の形状を確定する主たる作業工程はフォトリソグラフィー及びエッチング工程である。光導波路の幾何的な形状の寸法誤差は、フォトリソグラフィー及びエッチング工程で決まり、光導波路の場所には依らない。従って、例えば、幅Ｗに関する寸法誤差をΔＷとした時、寸法誤差ΔＷが同一でも、幅Ｗが大きければ相対誤差ΔＷ／Ｗは小さくなり、幅Ｗが小さければ相対誤差ΔＷ／Ｗは大きくなる。
【０１８０】
図１３において、実線で示す曲線Ｉは、第１入力ポートである第１サブ光導波路２０２から入力光が入力され、第２出力ポートである第４サブ光導波路２５４から出力光が出力される場合を示している。また、破線で示す曲線ＩＩは、第１入力ポートである第１サブ光導波路２０２から入力光が入力され、第１出力ポートである第３サブ光導波路２５２から出力光が出力される場合を示している。
【０１８１】
図１３は、以下のように設定された第１の変形例のＭＭＩ光カプラについてのシミュレーション結果である。
【０１８２】
このＭＭＩ光カプラは、第１及び第２サブ光導波路２０２及び２０４の幅が２．３μｍ、すなわちＷ１＝２．３μｍである。また、第３及び第４サブ光導波路２５２及び２５４の幅は、２μｍ、すなわちＷ２＝２μｍである。また、ＭＭＩ光カプラは、第５マルチモード光導波路部の長さＹ７を３０μｍ、第１マルチモード光導波路部２１０の長さＹ２を１０５μｍ、第１マルチモード光導波路部２１０の幅（２Ｗ１＋Ｓ１＋２Ｓ２）を１１μｍ、境界Ｂ３−１における第２マルチモード光導波路の幅及び第４マルチモード光導波路部２３０の幅Ｗ０を１５μｍ、第４マルチモード光導波路部２３０の長さＹ４を１０μｍ、第２マルチモード光導波路部２２０の長さＹ３を４０μｍに設定されている。また、境界Ｂ５とＢ６とにおける第５マルチモード光導波路部２９０の幅は、それぞれ８μｍ及び１１μｍである。境界Ｂ３−２と境界Ｂ４とにおける第１及び第２サブマルチモード光導波路２４２及び２４４の幅は、それぞれ３．２μｍ及び２μｍである。ここで、第１の変形例のＭＭＩ光カプラとしての全長を、図１１に示す境界Ｂ５から境界Ｂ３−２までの間隔であると定義し、その長さを１８５μｍと設定した。
【０１８３】
このシミュレーションに用いた第１の変形例のＭＭＩ光カプラは、第１の実施の形態のＭＭＩ光カプラとその全長が同程度であるにもかかわらず、図１３に示す出力光の強度を示す曲線がなだらかであることが明確に判読できる。すなわち、図１２と図１３とに示す出力光の強度を示す曲線を両者比較すると、明らかに図１２に示す出力光の強度を示す曲線の方が大きく曲がっていることが理解できる。
【０１８４】
また、図１３では、実線で示された曲線と破線で示された曲線とがほぼ一致している。これは、第１の変形例のＭＭＩ光カプラでは、出力分岐比が１対１に近い値であることを示している。そして、これに対して、図１２では、実線で示された曲線と破線で示された曲線とが離れている。これは、第１の実施の形態のＭＭＩ光では、出力分岐比が１対１からずれていることを示している。
【０１８５】
以上の結果から、第１の変形例のＭＭＩ光カプラは、第１の実施の形態のＭＭＩ光カプラと比して、より寸法誤差に対する特性が良好であることが確認できた。すなわち、寸法誤差に起因する出力光強度、及び出力分岐比への影響を小さくするために、第５マルチモード光導波路部２９０を設けることが有効であることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【０１８６】
【図１】第１及び第２のマッハツェンダ型光変調器の概略的構成図である。
【図２】従来のＭＭＩ光カプラの概略的形状を示す模式図である。
【図３】化合物半導体を素材として構成されたマッハツェンダ型光変調器の概略的構成図である。
【図４】第１の実施の形態のＭＭＩ光カプラの概略的形状を示す模式図である。
【図５】第１の実施の形態のＭＭＩ光カプラの概略的形状を示す模式図である。
【図６】第１の実施の形態のＭＭＩ光カプラの概略的形状を示す模式図である。
【図７】従来のＭＭＩ光カプラのマルチモード光導波路部の寸法誤差が出力光強度に与える効果を示す図である。
【図８】第１の実施の形態のＭＭＩ光カプラのマルチモード光導波路部の寸法誤差が出力光強度に与える効果を示す図である。
【図９】第１サブ光導波路の中心軸が範囲Ｗ３から外れたＭＭＩ光カプラから、出力光が出力される様子を示す図である
【図１０】第１の実施の形態のＭＭＩ光カプラから、出力光が出力される様子を示す図である。
【図１１】第１の変形例のＭＭＩ光カプラの概略的形状を示す模式図である。
【図１２】第１の実施の形態のＭＭＩ光カプラのマルチモード光導波路部の寸法誤差が出力光強度に与える効果を示す図である。
【図１３】第１の変形例のＭＭＩ光カプラのマルチモード光導波路部の寸法誤差が出力光強度に与える効果を示す図である。
【符号の説明】
【０１８７】
１０：１×２光カプラ
１２、１４、１６、２６、３２、３４、３６、３８、４６、４８、５２、５４、６２、６４、７６、７８：シングルモード光導波路
１８、２２、４２、４４、６６、６８、９２：金属膜電極
２０：２×１光カプラ
２４、２５、５０、５１：電極パッド
３０、４０、６０、７０：２×２光カプラ
５６、７２：マルチモード光導波路
８０：ｐ−ＩｎＰ単結晶板
８２、８３：ｐ−ＩｎＰクラッド層
８４、８５：ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ導波層
８６、８７：ｎ−ＩｎＰクラッド層
８８ａ、８８ｂ、８８ｃ：ポリイミド層
９０：リッジ形のマルチモード光導波路
９４：リッジ形のシングルモード光導波路
１００、１３０、１７０：マルチモード光導波路部
１０２、１３２：マルチモード光導波路第１側面
１０４、１３４：マルチモード光導波路第２側面
１０６、１３６：マルチモード光導波路入力側側面
１０８、１３８：マルチモード光導波路出力側側面
１１０、１４０、１６２：入力光導波路部
１１２、１４２：第１入力光導波路
１１４、１４４：第２入力光導波路
１２０、１５０、１６４：出力光導波路部
１２２、１５２：第１出力光導波路
１２４、１５４：第２出力光導波路
１６６：括れ部分
２００：第１入出力光導波路部
２０２：第１サブ光導波路
２０４：第２サブ光導波路
２１０：第１マルチモード光導波路部
２２０：第２マルチモード光導波路部
２２１、２２２、２３２、２９２：マルチモード光導波路
２３０：第４マルチモード光導波路部
２４０：第３マルチモード光導波路部
２４２：第１サブマルチモード光導波路
２４４：第２サブマルチモード光導波路
２５０：第２入出力光導波路部
２５２：第３サブ光導波路
２５４：第４サブ光導波路
２６０：導波方向に平行な対称軸
２９０：第５マルチモード光導波路部
３０１、３０３、３０５、３０７、３０９：出力光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図９】
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【図１０】
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