(57)【要約】【課題】  光集積化や低コスト化が可能な光機能素子を提供すること。【解決手段】  互いに等価屈折率が異なる２本の光導波路（１０，２０）と、２本の光導波路（１０，２０）を光軸方向（５０）に沿って連結する連結部５とを備えた、光機能素子１００である。【選択図】  図１
2004191954.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに等価屈折率が異なる２本の光導波路と、
前記２本の光導波路を光軸方向に沿って連結する連結部と
を備えた、光機能素子。
【請求項２】
第１の光導波路と、
前記第１の光導波路の等価屈折率よりも低い等価屈折率を有する第２の光導波路と
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とを光軸方向に沿って連結し、かつ、多モード干渉導波路として機能する連結部と
を備えた、光機能素子。
【請求項３】
前記連結部は、前記第２の光導波路を通過する光を多モード伝搬させて、前記第１の光導波路へと結合させる部位である、請求項２に光機能素子。
【請求項４】
前記第１の光導波路は、その中を通過する光を単一モード伝搬させる、請求項３に記載の光機能素子。
【請求項５】
前記連結部の等価屈折率は、前記光軸方向に沿って連続的または段階的に変化している、請求項１から４の何れか一つに記載の光機能素子。
【請求項６】
前記連結部の等価屈折率は、前記光軸方向と略垂直な方向に沿って連続的または段階的に変化している、請求項１から４の何れか一つに記載の光機能素子。
【請求項７】
屈折率が互いに異なる２本の光導波路と、
両者を連結する連結部と
を備え、
前記２本の光導波路のうち、屈折率の大きい光導波路からの入射光は、当該光導波路中を単一モードで伝播し、
前記２本の光導波路のうち、屈折率の小さい光導波路からの入射光は、当該光導波路および前記連結部において多モードで伝搬し、それにより、光非相反性が実現されている、光機能素子。
【請求項８】
第１の光導波路と、
前記第１の光導波路の等価屈折率よりも低い等価屈折率を有する第２の光導波路と、
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とを光軸方向に沿って連結する連結部と
を備え、
前記連結部は、前記第２の光導波路の導波路幅を選択に広くすることによって形成されている、光機能素子。
【請求項９】
前記第１の光導波路および前記第２の光導波路は、それぞれ、平面光導波路であり、
前記第１の光導波路および前記第２の光導波路は、水平方向に配置されている、請求項８に記載の光機能素子。
【請求項１０】
前記第１の光導波路および前記第２の光導波路は、それぞれ、平面光導波路であり、
前記第１の光導波路が下層に位置し、その上層に前記第２の光導波路が位置している、あるいは、前記第２の光導波路が下層に位置し、その上層に前記第１の光導波路が位置している、請求項８に記載の光機能素子。
【請求項１１】
前記第１の光導波路および前記第２の光導波路は、それぞれ、コアおよびクラッドから構成されており、
前記第１の光導波路の等価屈折率と前記第２の光導波路の等価屈折率との差違は、前記クラッドによって決定されている、請求項８に記載の光機能素子。
【請求項１２】
前記第１の光導波路のクラッドおよび前記第２の光導波路のクラッドは、同一材料から構成されており、
前記第１の光導波路のクラッドの厚さと、前記第２の光導波路のクラッドの厚さとの差違によって、前記等価屈折率の差違が決定されている、請求項１１に記載の光機能素子。
【請求項１３】
光アイソレータ、光サーキュレータおよびモード変換器のうちの少なくとも１つの機能を有する、請求項１から１２の何れか一つに記載の光機能素子。
【請求項１４】
光アイソレータおよび光サーキュレータの少なくとも一方として機能する光機能素子と、レーザ素子と、受光素子とを含む光モジュールであって、
前記光機能素子は、請求項１から１２の何れか一つに記載の光機能素子である、光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光機能素子および光モジュールに関する。特に、光伝搬を制御する光機能素子（例えば、光アイソレータ、光サーキュレータ）、およびそれを含む光モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
高速光通信システムでは、光部品や光機能素子等の端面から反射戻り光が生じることがある。この反射戻り光は、半導体レーザ等の光源の発振を不安定にして、特性悪化を招くので好ましくない。したがって、戻り光を遮断する光アイソレータは、半導体レーザや光増幅器等の光機能素子を用いるときには、欠かせない重要な素子となっている。
【０００３】
また、光の伝搬方向によって光を分離し取り出すことができる光サーキュレータも、双方向光通信等の光通信処理システムの構築には不可欠な素子である。光アイソレータ及び光サーキュレータは、光の伝搬方向で出力強度特性が異なるといった光非相反性を有する素子であり、様々な分野で使用されるため、重要な光機能素子であるといえる。
【０００４】
光アイソレータ及び光サーキュレータの機能の概略を、それぞれ、図９（ａ）および（ｂ）に示す。図９（ａ）に示すように、光アイソレータは、一方向からの光は透過させるが、その逆方向からの光は遮断する機能を有している。そして、図９（ｂ）に示すように、光サーキュレータは、一方向からの光は通過させるが、その逆方向からの光は遮断し、別の方向へ分離させる機能を有している。
【０００５】
図９（ａ）で示した機能を有するバルク型光アイソレータの構成を、図１０に示す。
【０００６】
光非相反素子として一般的なバルク型光アイソレータは、磁化された磁性結晶２５によるファラデー効果を利用しており、磁性結晶２５と偏光素子２６とを組み合わせた構成によって、一方向の光（＋Ｚ方向の光）を通過させて逆方向の光（−Ｚ方向の光）を遮断することができる。つまり、磁性結晶２５（ファラデー回転子）に入射した光の偏波方向が、磁化方向により４５度回転するため、光入射方向によって出力特性が異なる光非相反性を示す。導波路型光アイソレータについても、同様な原理に基づいており、磁気光学効果を利用した磁性体材料と偏光子との組み合わせによって構成されている。
【０００７】
次に、一心双方向光モジュールの構成を図１１に示す。図１１に示した光モジュールは、光ファイバ３６と、シリコン基板３７およびガラス基板３８とから構成されており、シリコン基板３７上にモニタ用フォトダイオード３２および半導体レーザ３３が載置され、ガラス基板３８上に受信用フォトダイオード３５が載置されてるとともに、ガラス基板３８に波長分離フィルタ３４が挿入されている。
【０００８】
この光通信用光モジュールにおいて、光出力強度は通信品質に関わるので重要である。したがって、構成部品数が少なく簡素な構成にして結合損失を小さくできるのであれば、その方が好ましい。さらに、構成素子数を減らし簡素な構成にすることができれば、光モジュールの低コスト化を実現することができる。
【０００９】
なお、後述するが、関連する出願として、特許文献１がある。
【特許文献１】特開平７−２８３４８５号（第３図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したように、光アイソレータ等の光非相反素子では、磁気光学効果を用いて光非相反性を実現している。この磁気光学効果に基づくバルク型光非相反素子には、ファラデー回転子や偏光を制御する素子等が必要なため、素子サイズが大きくなる問題や各素子間光結合の位置合わせが困難であるといった問題が生じる。
【００１１】
また、光非相反素子は半導体レーザ等の導波路型光機能素子との組み合わせとして用いられるところ、光モジュールにおいて、バルク型では光結合のためにレンズ等が必要であり、それゆえ、集積化が困難であるという問題もある。さらに、この磁性体材料を半導体基板上に成長させることは困難であるので、半導体レーザ等の半導体光機能素子と光非相反素子とをモノリッシク・光集積化することによって、簡易的構造かつコンパクトなサイズの光モジュールを作成することも出来ない。
【００１２】
したがって、偏光子や磁性材料を用いることなく、半導体レーザ等と集積可能なコンパクトで偏光無依存な光導波路型光非相反素子を実現できれば、非常にメリットが大きい。なお、光機能素子にレンズフリーで結合でき、集積化に適した光導波路型光アイソレータも提案されているが、この光導波路型光アイソレータも、バルク型のものと同様な原理に基づいており、素子構成が複雑なため、素子サイズもコンパクト化が図れないといった問題がある。
【００１３】
磁気光学効果を用いない導波路型光アイソレータが例えば特許文献１に提案されている。その光アイソレータを図１２に示す。
【００１４】
図１２に示した光アイソレータは、等価屈折率が小さいクラッド領域３０，３１と、等価屈折率が大きく光を導波する導波路２７，２８と、導波してきた光を吸収して光強度を減少させる吸収層２９とから構成されている。ここで、クラッド領域３０、３１の等価屈折率は同じである。
【００１５】
光導波路２７に入射された光は吸収層２９に吸収されるので、導波路２７から出力されない。一方、導波路２８に入射された光は、導波路２７から出力される。この光アイソレータは、導波路２８から導波路２７のみへ光が伝搬し、そして、導波路２７からは吸収層２９と導波路２８とに光が分配されて分岐するため、非相反性を有する。
【００１６】
しかしながら、この光アイソレータには、素子特性が良くない、素子サイズが大きい、導波路入射角があり接続が困難であるなどの種々の問題点がある。素子特性が良くないことについて、より詳述すると、図１２に示した構成は、Ｙ字分岐型導波路と光吸収部とが結合された構造をしているので、導波路２７へ入射した光は吸収層２９だけでなく、細い導波路２８にも光が伝播するので、結果として戻り光が大きくなる。つまり、光アイソレーション比として評価できる光を遮断する効率が悪く、素子特性が良くないということになる。
【００１７】
また、図１１に示した一芯双方向広帯域光通信用光モジュールに、図１２に示した光アイソレータを用いる場合、送信用信号光の戻り光のみならず、受信用信号光も遮断してしまうため、受信光抽出のための波長分離フィルタ３４と信号用半導体レーザ３３との間に光アイソレータを挿入する構成に限られてしまう。このような構成では素子数が多く、それぞれの素子間で光結合における光損失や結合の困難さ、光モジュールのサイズが大きくなる、コストが高くなるといった問題が生じてしまうことになる。
【００１８】
本発明はかかる諸点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、光集積化や低コスト化が可能な光機能素子および光モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明による第１の光機能素子は、互いに等価屈折率が異なる２本の光導波路と、前記２本の光導波路を光軸方向に沿って連結する連結部とを備える。
【００２０】
本発明による第２の光機能素子は、第１の光導波路と、前記第１の光導波路の等価屈折率よりも低い等価屈折率を有する第２の光導波路と前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とを光軸方向に沿って連結し、かつ、多モード干渉導波路として機能する連結部とを備える。
【００２１】
ある好適な実施形態において、前記連結部は、前記第２の光導波路を通過する光を多モード伝搬させて、前記第１の光導波路へと結合させる部位である。
【００２２】
ある好適な実施形態において、前記第１の光導波路は、その中を通過する光を単一モード伝搬させる。
【００２３】
ある好適な実施形態において、前記連結部の等価屈折率は、前記光軸方向に沿って連続的または段階的に変化している。
【００２４】
ある好適な実施形態において、前記連結部の等価屈折率は、前記光軸方向と略垂直な方向に沿って連続的または段階的に変化している。
【００２５】
本発明による第３の光機能素子は、屈折率が互いに異なる２本の光導波路と、両者を連結する連結部とを備え、前記２本の光導波路のうち、屈折率の大きい光導波路からの入射光は、当該光導波路中を単一モードで伝播し、前記２本の光導波路のうち、屈折率の小さい光導波路からの入射光は、当該光導波路および前記連結部において多モードで伝搬し、それにより、光非相反性が実現されている。
【００２６】
本発明による第４の光機能素子は、第１の光導波路と、前記第１の光導波路の等価屈折率よりも低い等価屈折率を有する第２の光導波路と、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路とを光軸方向に沿って連結する連結部とを備え、前記連結部は、前記第２の光導波路の導波路幅を選択に広くすることによって形成されている。
【００２７】
ある好適な実施形態において、前記第１の光導波路および前記第２の光導波路は、それぞれ、平面光導波路であり、前記第１の光導波路および前記第２の光導波路は、水平方向に配置されている。
【００２８】
ある好適な実施形態において、前記第１の光導波路および前記第２の光導波路は、それぞれ、平面光導波路であり、前記第１の光導波路が下層に位置し、その上層に前記第２の光導波路が位置している、あるいは、前記第２の光導波路が下層に位置し、その上層に前記第１の光導波路が位置している。
【００２９】
ある好適な実施形態において、前記第１の光導波路および前記第２の光導波路は、それぞれ、コアおよびクラッドから構成されており、前記第１の光導波路の等価屈折率と前記第２の光導波路の等価屈折率との差違は、前記クラッドによって決定されている。
【００３０】
ある好適な実施形態において、前記第１の光導波路のクラッドおよび前記第２の光導波路のクラッドは、同一材料から構成されており、前記第１の光導波路のクラッドの厚さと、前記第２の光導波路のクラッドの厚さとの差違によって、前記等価屈折率の差違が決定されている。
【００３１】
ある好適な実施形態において、光アイソレータ、光サーキュレータおよびモード変換器のうちの少なくとも１つの機能を有する。
【００３２】
本発明による光モジュールは、光アイソレータおよび光サーキュレータの少なくとも一方として機能する光機能素子と、レーザ素子と、受光素子とを含む光モジュールであって、前記光機能素子は、上記光機能素子である。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の光機能素子によれば、互いに等価屈折率が異なる２本の光導波路と、当該２本の光導波路を光軸方向に沿って連結する連結部とを備えていることによって、光非相反性が実現されており、その結果、光集積化や低コスト化が可能な光機能素子および光モジュールを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
本願発明者は、半導体光機能素子等と集積が可能で、素子サイズが小さく、導波路型光サーキュレータとして利用できる光機能素子を開発することを目標として、鋭意研究した結果、光磁気効果を用いることなく、等価屈折率分布によって光の非相反性を持つ光機能素子を実現することに成功し、本発明に至った。また、この光機能素子を光通信用光モジュールに使用すれば、モジュールの簡素化、低価格化、サイズのコンパクト化も図ることができる。
【００３５】
以下、図面を参照しながら、本発明による実施の形態を説明する。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。
（実施形態１）
図１（ａ）および（ｂ）を参照しながら、本発明の実施形態１にかかる光機能素子を説明する。図１（ａ）は、本実施形態の光機能素子１００の構成を模式的に示す斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）中のＩＢ−ＩＢ’線に沿った断面図である。
【００３６】
図１に示した光機能素子１００は、互いに等価屈折率が異なる２本の光導波路（１０，２０）と、２本の光導波路（１０，２０）を光軸方向５０に沿って連結する連結部５とを備えている。２本の光導波路は、第１の光導波路１０および第２の光導波路２０であり、第１の光導波路１０の等価屈折率よりも、第２の光導波路２０の等価屈折率の方が低くされている。なお、第１の光導波路１０の入出力端子（入出力導波路）を符号１、３として示し、第２の光導波路２０の入出力端子を符号２、４として示している。
【００３７】
第１の光導波路１０と第２の光導波路２０とを光軸方向に沿って連結する連結部５は、第２の光導波路２０の幅を広くすることによって形成されており、多モード干渉導波路として機能する。この連結部５によって、第２の光導波路２０を通過する光を多モード伝搬させて、第１の光導波路１０へと結合させることができる。なお、第１の光導波路１０を通過する光は、そのまま第１の光導波路１０を伝搬させて、第２の光導波路２０へとは結合しないようにすることができる。つまり、端子１からの光は、端子３へと出力するが、端子４へとは出力しない。一方、端子４からの光は、連結部５を介して、端子１へと出力させることができ、端子２には出力させないことができる。
【００３８】
したがって、本実施形態の光機能素子１００では、光非相反性が実現されており、それゆえ、光機能素子１００は、光アイソレータ、光サーキュレータ、モード変換器として利用することができる。
【００３９】
以下、本実施形態の構成をさらに詳述する。図１に示した光機能素子１００は、基板６上に、下層クラッド層７、コア層（導波路層）８、上層クラッド層９が下層から順に積層された構造を有しており、いわゆるリッジ導波路構造となっている。なお、クラッド層７および９に挟まれた領域以外のコア層８を除去したハイメサ構造にしても良い。本実施形態では、基板６は、ＩｎＰからなる基板であり、コア層８は、ＩｎＧａＡｓＰから構成されており、クラッド層７，９は、ＩｎＰから構成されている。第１の光導波路１０および第２の光導波路２０は、それぞれ、基板６上に形成された平面光導波路（ＰＬＣ）であり、両者とも、下層クラッド層７、コア層８および上層クラッド層９から構成されている。第１の光導波路１０および第２の光導波路２０は、基板６の主面と平行に配置されており、言い換えると、水平方向に配置されている。
【００４０】
図１（ａ）および（ｂ）に示すように、第１の光導波路１０と第２の光導波路２０とにおいて、コア層８の上層に位置する上層クラッド層９の厚さはそれぞれ異なる。この上層クラッド層９の厚さの違いによって、両者（すなわち、第１および第２の光導波路１０、２０）の等価屈折率を互いに異なるようにすることができ、したがって、光伝搬方向５０に対し左右で非対称な等価屈折率分布を達成することができる。
【００４１】
図１に示したような半導体多層構造は、有機金属気相成長（ＭＯ−ＣＶＤ）法、分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）法や液相エピタキシャル成長（ＬＰＥ）法等で作製することができる。また、等価屈折率差は、層厚の差、組成、材料、ドーパント及びキャリア濃度の差、吸収係数の差、光閉じ込め係数の差、光偏波・波長依存性差などによって実現することが可能である。なお、等価屈折率とは、光導波路内を伝播する光の伝搬定数と波数との関係を規格化して表した数値であり、実効屈折率とも呼ばれるものである。
【００４２】
図２（ａ）は、本実施形態の等価屈折率分布を示す平面図であり、図２（ｂ）は、端子１から光を入射した場合の伝搬状態を示すシミュレーション結果であり、そして、図２（ｃ）は、端子４から光を入射した場合の伝搬状態を示すシミュレーション結果である。
【００４３】
図２（ａ）中のｎ１、ｎ２、ｎ３は、各領域の等価屈折率を示している。ここでは、ｎ1＞ｎ2＞ｎ3の関係が成り立つ。連結器５となる多モード干渉領域は、第２の光導波路２０の幅を水平方向（光軸方向５０に略直角な方向）に延ばしたものであるので、多モード干渉領域５の等価屈折率は、第２の光導波路２０の等価屈折率と同じｎ2となる。
【００４４】
図２（ａ）におけるクラッドの等価屈折率ｎ3は、３．０６４であり、２つの導波路（導波路幅；２μｍ）の等価屈折率ｎ1およびｎ2は、それぞれ、３．２２６、３．１８９である。ここで、入射光は、波長１．５５μｍのＴＥ波とし、連結部５（２つの導波路の接続部）の全長および全幅は、それぞれ１００μｍ、８μｍである。図２（ａ）に示した等価屈折率分布を持つ素子構造を、広角有限差分ビーム伝搬法によって素子特性を解析した結果が図２（ｂ）および（ｃ）である。
【００４５】
以下、図２を参照しながら、本実施形態の光機能素子１００が光非相反性を有する原理について説明する。
【００４６】
図２（ｂ）に示すように、入出力端子１から入力した光は、そのまま単一モード伝搬して、入出力端子３へと出力する。これは、入出力端子１から伝搬してきた光が、多モード干渉領域５に入射しようとしても、光が伝搬している領域は他の領域よりも等価屈折率が大きいからである。つまり、入出力端子１から入力した光は、他領域に洩れることなく、単一モード伝搬として全反射で入出力端子３へ伝搬していく。
【００４７】
一方、図２（ｃ）に示すように、入出力端子４から入力した光は、入出力端子３へと出力する。これは、入出力端子４から入力した光が多モード干渉領域５に入射すると、この領域５の等価屈折率が他方の導波路の等価屈折率より低いため、他方の等価屈折率が高い導波路領域内を含めた領域で光が多モード干渉伝搬をして、入出力端子１から出力されるからである。このように、多モード干渉伝搬を利用することによって、効率良く光を入出力端子１から取り出すことができる。
【００４８】
したがって、入出力端子１と入出力端子４とをで比べてみれば、光伝搬方向で光出力が異なる光相反性が実現でき、光アイソレータとして利用することが可能である。また、入出力端子１から入射された場合、遮断される光は入出力端子３から取り出すことができ、光伝搬方向別に光を分離する導波路型光サーキュレータとして機能させることも可能である。
【００４９】
図２（ｂ）および（ｃ）の例をもう一度繰り返して説明する。図２（ｂ）のように、入出力端子１から光が入射した場合、光は等価屈折率の大きい等価屈折率ｎ1領域のみに閉じ込められ、入出力端子３から出力された。一方、図２（ｃ）のように、入出力端子４から光が入射した場合、等価屈折率ｎ1及びｎ2領域内を多モード干渉伝搬して、ほとんど入出力端子１へ出力された。光伝搬方向に対し左右の等価屈折率が非対称であるため、入力位置によって光出力強度分布が対称ではなくなり、入力方向と出力方向で非対称性が現れた。図２（ｂ）および（ｃ）に示した通り、端子１から端子４への光伝搬は、１７ｄＢ程度減衰されて出力されたが、他方、その反対方向伝搬である端子４から端子１への光伝搬は、３ｄＢ程度の減衰となっており、本実施形態における素子構造で、光非相反性を実現できることが確認された。
【００５０】
入出力端子１から入出力端子４への出力特性は入力光波長依存性を持っており、この波長依存性を有効に利用することが可能である。また、入出力端子４から０次モードで入射した光は、入出力端子１から１次モードとして出力し、モード変換機能を有する。したがって、本実施形態の導波路構造によって、様々なモード変換が可能である。
【００５１】
また、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、基本モード以外のモードを遮断する入出力導波路構造を採用すれば、０次モードを出力することも可能である。図３に示した構成では、連結部５に段差を設けている。より具体的には、第２の光導波路２０の一部の幅を広げるとともに、第１の光導波路１０の一部の幅も広げて、それにより、連結部５を作製した構成となっている。このような構成にすれば、第１の光導波路１の幅では高次モード（すなわち、０次以外）が存在できず、０次モードを出力することができる。さらに、端子４から１次モードとして入力すれば、モード変換されるため、端子１から０次モードとして出力させることができる。このことは、シュミュレーションによって確認している。
【００５２】
本実施形態の光機能素子は、非対称構造または非対称屈折率導波路の接続による光非相反性に基づいた光機能素子であり、上述したように、光アイソレータ以外の他の光機能素子としても利用することが可能である。つまり、本実施形態の光機能素子１００は、２×２、１×２または複数入力×複数出力構造光導波路の等価屈折率や構造の非対称性を利用した光機能素子であり、光非相反性を有する光機能素子である。
【００５３】
本実施形態では、光導波路の接続方法として多モード干渉導波路を例に説明したが、それ以外の接続方法（例えば、方向性結合器や、フォトニクス結晶を使った光結合器など）も適用できる。また、入出力端子の幅や構造、入射角度等を調整した形態を適用できる。なお、等価屈折率や導波路幅が異なる構造においても同様な効果が得られる。
【００５４】
本実施形態の光機能素子によれば、互いに等価屈折率が異なる２本の光導波路１０，２０と連結部５とを備えているので、光集積化や低コスト化を図ることができる。すなわち、本実施形態の構成によると、偏光子や磁性材料を用いることなく、半導体レーザ等と集積可能でコンパクトな光導波路型光非相反素子が実現されるので、集積化に適しており、さらには、偏光子や磁性材料の部品も不要であるので、コスト低減を図ることができる。また、素子構成が簡単であるので、小型化にも適している。
【００５５】
なお、本実施形態では、導波路を水平方向に配列した構成について説明したが、導波路を垂直方向に積層した構成でも、光非相反性を有する光機能素子を構築することができる。そのような積層した構成（積載構造）を図４に示す。
【００５６】
図４に示した光機能素子では、第２の光導波路２０が下層に位置し、その上層に第１の光導波路１０が位置しており、第２の光導波路２０と第１の光導波路１０とは連結部５を介して互いに接続されている。もちろん、第１の光導波路２０と第２の光導波路１０との上下関係を反転させて、第１の光導波路２０が下層に位置し、その上層に第２の光導波路２０が位置するようにしてもよい。
【００５７】
また、導波路を水平方向に配列した場合でも垂直方向に配列した場合でも、連結部５の等価屈折率は、連続的または段階的に変化させることができる。図５（ｂ）は、連結部の等価屈折率を光軸方向５０に沿って連続的に変化させた構成を示しており、そして、図５（ｃ）〜（ｅ）は、光軸方向５０と直角な方向（水平方向）に沿って、連結部の等価屈折率を連続的または段階的に変化させた構成を示している。
【００５８】
つまり、図５は、様々な形態の多モード干渉導波路型光機能素子の屈折率分布を示している。連結部の等価屈折率を連続的または段階的に変化させた場合、境界をぼかして、光伝搬を損失なくスムーズに変化させることができる。図５（ｂ）は、図５（ａ）中のＢ−Ｂ’線に沿った断面図であり、図５（ｃ）〜（ｅ）は、図５（ａ）中のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。ここで、符号１２、１３は、入出力導波路であり、符号１４は、接合部であり、そして、符号１５は、クラッド領域である。
【００５９】
図５（ｂ）は、上述したように、接合部１４において光伝搬方向（５０）に等価屈折率が連続的に変化した構造を示している。図５（ｃ）は、接合部１４において導波路の横にある左右のクラッド領域で等価屈折率が異なる構造（均一屈折率の導波型光サーキュレータ）である。図５（ｃ）のように、導波路１２、１３の屈折率が均等であっても、導波路左右のクラッド領域の屈折率が異なれば、導波路部の等価的屈折率が左右で非対称になるため、光非相反性を有する光機能素子を構築することができる。図５（ｄ）は、接合部１４の等価屈折率を連続的に変化した構造を示しており、図５（ｅ）は、接合部１４の等価屈折率を段階的に変化した構造を示している。
（実施形態２）
次に、図６および図７を参照しながら、本発明の実施形態に係る光機能素子の製造方法の一例を説明する。本実施形態の製造方法では、基板の上に半導体積層構造を形成した後、その半導体積層構造をエッチングすることによって、本発明の実施形態に係る光機能素子を得る。
【００６０】
まず、図６（ａ）に示すように、ＩｎＰ基板１０１の上に、ＩｎＧａＡｓＰ導波路層１０２、ＩｎＰクラッド層１０３、ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１０５、ＳｉＯ2層１１０を下層から積層する。ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１０５は、ＩｎＰエッチングストップ層１０６を含んでおり、当該ＩｎＰエッチングストップ層１０６と、上層および下層のＩｎＧａＡｓＰ層の３層構造となっている。
【００６１】
次に、図６（ｂ）に示すように、ＳｉＯ2層１１０の上に、レジストを塗布した後、所定の形状にパターニングして、レジストパターン１２０を形成する。レジストパターン１２０は、第１の光導波路、第２の光導波路および連結部を規定する形状を有しており、ここでは、「Ｈ」の形状をしている。
【００６２】
次に、図６（ｃ）に示すように、レジストパターン１２０をマスクとして、エッチングを行うことによって、ＳｉＯ2層１１０、ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１０５（上層）、ＩｎＰエッチングストップ層１０６、ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１０５（下層）を選択的に除去し、その後、レジストパターン１２０を除去する。
【００６３】
次に、図６（ｄ）に示すように、レジストを塗布し、次いで、一方の光導波路を覆い、他方の光導波路及び連結部を露出するようにパターニングすることによって、レジストパターン１２１を形成する。
【００６４】
最後に、図６（ｅ）に示すように、レジストパターン１２１をマスクとして、露出している方の光導波路および連結部におけるＩｎＧａＡｓＰキャップ層１０５（上層）を、エッチングストップ層１０６を利用して、エッチングすることによって選択除去し、その後、レジストパターン１２１を除去すると、本発明の実施形態に係る光機能素子が得られる。
【００６５】
この製造方法によって得られる光機能素子（図６（ｅ））では、ＩｎＰ基板６が下層クラッドとして機能し、そして、ＩｎＰクラッド層１０３およびＩｎＧａＡｓＰキャップ層１０５が等価屈折率の差違を設けるための上層クラッドとして機能する。  図６（ａ）〜（ｅ）に示した製造方法を言い換えると、下層クラッド層、コア層（導波路層）、エッチングストップ層を含む上層クラッド層から構成された半導体積層構造を用意した後、この半導体積層構造の表面（上面）に、第１の光導波路、第２の光導波路および連結部を規定する形状を有するレジストパターンを形成し、次に、このレジストパターンをマクスとして、２本の光導波路および連結部をエッチングにより作製し、その後、一方の光導波路および連結部（あるいは、一方の光導波路だけ）をエッチングすることにより、互いに等価屈折率が異なる光導波路と、両者を連結する連結部とを有する光機能素子を得る手法である。
【００６６】
次に、図７（ａ）〜（ｅ）を参照しながら、本発明の実施形態に係る光機能素子の製造方法の他の例を説明する。
【００６７】
まず、図７（ａ）に示すように、ＩｎＰ基板１０１の上に、ＩｎＧａＡｓＰ導波路層１０２、ＩｎＰクラッド層１０３、ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１０５、ＳｉＯ2層１１０を下層から積層した半導体積層構造を用意する。図６（ａ）に示したものと異なるのは、ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１０５にエッチングストップ層が含まれていない点である。
【００６８】
次に、図７（ｂ）に示すように、ＳｉＯ2層１１０の上の所定の箇所に、レジストパターン１２２を形成して、レジストパターン１２２で覆われていないＳｉＯ2層１１０をエッチングする。レジストパターン１２２は、半導体積層構造の上面にレジストを塗布した後、パターニングすることによって形成される。ここで、レジストパターン１２２の一つの端面１２２ａは、２本の光導波路のうちの一方の光導波路の長手方向に延びる端面（より詳細には、他方の光導波路の端面と対向する端面）を規定している。
【００６９】
次に、図７（ｃ）に示すように、ＳｉＯ2層１１０をエッチングし、ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１０５を一部エッチングする。すると、レジストパターン１２２ａの端面１２２ａによって規定された段差を有するＩｎＧａＡｓＰキャップ層１０５が得られる。その後、レジストパターン１２２及びＳｉＯ2層１１０を除去する。
【００７０】
次に、図７（ｄ）に示すように、ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１０５上に、レジストパターン１２３を形成する。レジストパターン１２３は、第１の光導波路、第２の光導波路および連結部を規定する形状を有しており、ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１０５上にレジストを塗布した後、パターニングすることにより形成される。
【００７１】
最後に、図７（ｅ）に示すように、レジストパターン１２３をマスクとして、ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１０５をエッチングして除去すると、互いに等価屈折率が異なる光導波路と、両者を連結する連結部とを有する光機能素子が得られる。
（他の実施形態）
上述した実施形態では、光導波路としてＰＬＣの形態のものを示したが、光ファイバを用いても同様な効果は得ることができる。ただし、光集積化や小型化の観点からは、ＰＬＣの形態のものの方が好ましいと言える。上述したように、光導波路構造もリッジ構造、ハイメサ構造のあらゆる光導波路構造において適用可能である。
【００７２】
さらに、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ材料の光導波路を例として説明したが、材料としてＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＧａＮ等の他の半導体やニオブ酸チリウムや有機材料やガラス等の誘電体及びそれぞれ異なった材料の組み合わせを用いても良い。
【００７３】
なお、上述の実施形態では、専ら受動素子について説明したが、等価屈折率を変調し非対称性を変化させることや、光増幅・減衰機構を導入することで、光サーキュレータの機能を有するする光変調器や波長可変フィルタ、光スイッチの光能動素子としても利用することも可能である。それは、例えば、電流注入等によって利得や等価屈折率を制御する構造により実現することが可能である。また、光導波路の接続部またはそれ以外において部分的に光を減衰・増幅させたり、光の位相を制御する構造を採用することにより、より有効に光を分離したり、出力特性を制御したりすることが可能である。
【００７４】
本発明の実施形態で示した導波路型光サーキュレータ１００を用いた光モジュール２００の構成を図８（ａ）および図８（ｂ）に示す。なお、図８（ｂ）は、図８（ａ）に示した構成を、一心双方向光モジュールの概念として示した図である。別の言い方をすると、図８（ａ）は、導波路型光サーキュレータを用いた集積光モジュールを示しており、図８（ｂ）は、 光サーキュレータを用いた送受信光モジュールの構成を示している。なお、図８中の「ＬＤ」および「ＰＤ」は、レーザ素子（例えば、半導体レーザ）および受光素子（例えば、フォトダイオード）を示している。また、図８（ａ）において符号４０は、入出力導波路を示しており、半導体レーザおよび受光素子は入出力導波路４０に直接結合されている。
【００７５】
図８に示した構成にすることにより、送信光源である半導体レーザ（ＬＤ）２３の特性を悪化させる反射戻り光を遮断できるとともに、受信光信号を取りだす波長分離フィルタ（図１２中の符号３４参照）の機能も兼ねることができる。その結果、コンパクトで安価な光モジュールを実現することができる。
【００７６】
ここでは、導波路型光サーキュレータ１００を用いた一心双方向光モジュール２００について説明したが、導波路型以外でも同様に簡素な構成で一心双方向光モジュールを構成することができる。図８（ｂ）に示した観念図において、それぞれの素子間は、光ファイバまたは光導波路または均一媒体（例えば、空気または空間）によって光結合することができ、導波路型以外の光サーキュレータを用いた光モジュールでも、機能の効率化が図ることが可能である。
【００７７】
また、全ての素子を半導体材料で作製することによって、導波路型光サーキュレータ１００、半導体レーザ２２、半導体フォトダイオード２３を集積化でき、さらに簡易的かつコンパクトで安価な光モジュールを作成することができる。
【００７８】
なお、上記構成において、導波路型光アイソレータまたは導波路型光サーキュレータの接続部において、導波路左右のクラッド領域の等価屈折率が異なる非対称構造（図１１における３０と３１のクラッド領域を異なった等価屈折率する）にしてもよい。これは、クラッドの屈折率が異なると等価的な屈折率を異なるようにすることができるからである。
【００７９】
本発明の光機能素子の原理は、光が伝搬する光導波路または光ファイバにおいて、等価屈折率の大きい領域から等価屈折率の小さい領域への光伝搬及び反射特性と、等価屈折率の小さい領域から等価屈折率の大きい領域への光伝搬及び反射特性とが異なることに基づいている。
【００８０】
この原理を用い、磁性体材料や光偏光子を用いることなく、等価屈折率差または等価屈折率分布のみで光非相反性またはモード変換機能を有する導波路型光機能素子を実現することが可能である。他の均一屈折率導波路型光サーキュレータにおいても、異なった等価屈折率導波路の接合にすること、または両側のクラッド領域の屈折率を非対称にすることにより、所望の導波路への光閉じ込めを強くすることができるので、素子特性の向上が期待できる。
【００８１】
光非相反及びモード変換素子構造としては、等価屈折率または導波路幅が異なる少なくとも２つ以上の光ファイバまたは光導波路が接続部で接続または分岐された構造を挙げることができる。あるいは、その接続部において導波路左右のクラッド領域の等価屈折率が異なる構造、またはその接続部が多モード干渉導波路構造のものを挙げることができる。この構造では、少なくとも２つ以上の入出力光導波路を持っており、複数の固有横モードを導波可能である多モード干渉光導波路において、構造または等価屈折率が光伝搬方向に対し左右で非対称である構造となっている。さらに、これらの導波路間接続部の等価屈折率が光伝搬方向または光伝搬左右方向に対し、連続的または段階的に変化する構造や、部分的に光の減衰・増幅を与えたり、光位相を変化させたりする機能を導入した構造にしてもよい。
【００８２】
本実施形態における光機能素子の素子構造は、入力導波路を１つ以上かつ出力導波路を１つ以上を有しており、等価屈折率分布または構造が、光伝搬左右方向に非対称であることを特徴としている。したがって、本実施形態の光機能素子は、入出力端子間での光の移行を利用した光非相反光機能素子である。複数の固有モードを伝搬する多モード干渉領域を用いて、等価屈折率または構造の異なる２つ以上の光導波路を接続する非対称構造によって、反射率の差のみで光非相反性を有する導波路型光機能素子を実現することを可能としている。
【００８３】
本実施形態の構成によれば、磁性体を用いることなく、２つ以上の光導波路が接続または接合する導波路型光アイソレータまたは導波路型光サーキュレータの導波路接続部において、等価屈折率を左右非対称にすることにより、光分布の偏りを助長して所望の導波路への出力を強くして、素子特性を向上させる。導波路型光アイソレータまたは導波路型光サーキュレータの接続部において、導波路左右のクラッド領域の等価屈折率が異なる非対称構造にすることによっても、素子特性を同様に向上させることができる。
【００８４】
そして、少なくとも半導体レーザ２３と受信用フォトダイオード２２とによって構成される光通信用光モジュールに、光サーキュレータ１００を用いることにより、戻り光を遮断するだけでなく、受信信号光を取り出す波長分離フィルタ３４を不要とすることができ、光モジュールの簡素化、コンパクト化を図ることができる。さらには、磁気光学効果に基づかない導波路型光サーキュレータ１００を用いることにより、それぞれの光部品（光機能素子）をレンズフリーで結合でき、コンパクトにすることができる。また、これらの光機能素子をすべて半導体材料で作製することにより、モノリシック集積が可能となり、更なるコンパクト化が可能となる。
【００８５】
上述したように、本発明の光機能素子は、これまでの光磁気効果に基づいた光非相反原理ではなく、非対称構造の等価屈折率分布によるまったく新しい原理に基づいている。このため、他の光機能素子との結合が良い光導波路構造でかつ、ファラデー回転子２５や偏光子２６等が不要な単純構造の光非相反素子の実現が可能である。また、原理が等価屈折率分布のみに基づいているため材料選択が不必要であり、低コスト化が可能な半導体レーザ２３や受光素子２４と、モノリシック・光集積化を実現することができる。本発明の光機能素子は、出力導波路を複数持つ構造をしているので、接続部での反射光を低減でき、または取り出するために利用することができる。また、分離される光は単一モード伝搬するので、これまでにない導波路型光サーキュレータとして、効率よく光を分離すことができる。例えば、多モード干渉導波路構造５を用いた場合、素子サイズがコンパクトで、偏光依存度、波長依存度も小さくすることが可能である。
【００８６】
つまり、本発明の光機能素子は、互いに等価屈折率が異なる２本の光ファイバと、前記２本の光ファイバを光軸方向に沿って連結する連結部とを有するものであり、この構成では、導波路間で等価屈折率差があるため、従来の導波路型光アイソレータに比べ高い遮断効果を持たせることが可能となる。また、２つの導波路を平行とすることができ、他の素子との接合を簡便にする構造を構築しやすく、サイズのコンパクト化も図ることができる。さらに、結合長が短く結合効率が良いためにコンパクトで良好な特性を有する光機能素子を実現することができる。加えて、導波路接合面において、多モード干渉による光入射角度が素子特性向上を可能とする。
【００８７】
また、本発明の光機能素子は、多くの固有モードが存在できる導波路幅を有する多モード干渉導波路５を備えており、この光機能素子は、偏光無依存であるため、偏光無依存の光アイソレータまたは光サーキュレータを実現することができる。本実施形態の多モード干渉導波路５の導波路幅は一定であるが、異なるようにしてもよい。２本の光導波路を挟むクラッド領域の屈折率を非対称にすることによって、等価屈折率を左右非対称にすることもでき、そのようにして、光分布の偏りを助長して所望の導波路への出力を強くし、素子特性の向上を図ることができる。
【００８８】
そして、光サーキュレータまたは光サーキュレータ１００を光モジュールに使用することによって、送信光源である半導体レーザ２３の特性を悪化させる反射戻り光を遮断できるとともに、受信光信号を取りだす波長分離フィルタ３４の機能も兼ねることができ、簡素化とコンパクト化が図れる。また磁性体材料が不要なのでモノリシック光集積化が図れ、低価格で可能となる。
【００８９】
以上、本発明の好ましい例について説明したが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明の光機能素子は、各種光通信処理システムに必要な素子例えば光アイソレータ，光サーキュレータ，モード変換器として、あるいはそれにレーザ素子，受光素子などを組み込んでなる光モジュールとして利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】（ａ）は、本発明の実施形態にかかる光機能素子の構成を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）中のＩＢ−ＩＢ’線に沿った断面図である。
【図２】（ａ）は、本発明の実施形態の等価屈折率分布を示す平面図であり、（ｂ）は、端子１から光を入射した場合の伝搬状態を示すシミュレーション結果の図であり、そして、そして、（ｃ）は、端子４から光を入射した場合の伝搬状態を示すシミュレーション結果の図である。
【図３】（ａ）は、０次モード出力にするための、多モード干渉導波路型の光機能素子を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）中のIIIＢ−IIIＢ’線に沿った断面図である。
【図４】（ａ）は、本発明の実施形態にかかる積載構造タイプの多モード干渉導波路型の光機能素子の構成を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）中のIVＢ−IVＢ’線に沿った断面図である。
【図５】（ａ）は、本発明の実施形態にかかる非対称導波路型の光機能素子の構成を模式的に示す上面図であり、（ｂ）は、（ａ）中のＢ−Ｂ’線に沿った、等価屈折率分布を示す断面図であり、そして、（ｃ）〜（ｅ）は、（ａ）中のＡ−Ａ’線に沿った、等価屈折率分布を示す断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｅ）は、本実施形態の製造方法の一例を説明するための斜視図である。
【図７】（ａ）〜（ｅ）は、本実施形態の製造方法の他の例を説明するための斜視図である。
【図８】（ａ）は、本発明の実施形態にかかる導波路型光サーキュレータを用いた光モジュールの構成を模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示した構成を一心双方向光モジュールの概念として示した図である。
【図９】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、光アイソレータ及び光サーキュレータの機能の概略を示す図である。
【図１０】従来のバルク型光アイソレータの構成を示す図である。
【図１１】従来の一心双方向光モジュールの構成を示す斜視図である。
【図１２】従来の導波路型光アイソレータの構成を示す平面図である。
【符号の説明】
【００９２】
１    入出力端子１（入出力導波路１）
２    入出力端子２（入出力導波路２）
３    入出力端子３（入出力導波路３）
４    入出力端子４（入出力導波路４）
５    連結部（多モード干渉領域または導波路接続領域）
６    基板（ＩｎＰ基板）
７    クラッド層（ＩｎＰクラッド層）
８    コア層（ＩｎＧａＡｓＰ導波路層）
９    クラッド層（ＩｎＰクラッド層）
１０  第１の光導波路（ＩｎＧａＡｓＰ導波路層；等価屈折率大きい）
１２  入出力導波路
１３  入出力導波路
１４  導波路接合部（連結部）
１５  クラッド領域
２０  第２の光導波路（ＩｎＧａＡｓＰ導波路層；等価屈折率小さい）
２２  受光素子（受信用フォトダイオード）
２３  半導体レーザ（送信用半導体レーザ）
２５  磁性体
２６  偏光子
２７  入出力導波路
２８  入出力導波路
２９  光吸収領域
３０  クラッド領域
３１  クラッド領域
３２  モニタ用フォトダイオード
３３  半導体レーザ
３４  波長分離フィルタ
３５  受信用フォトダイオード
３６  光ファイバ
３７  Ｖ溝Ｓｉプラットホーム
３８  ガラス基板
４０  入出力導波路
５０  光軸方向（光伝搬方向）
１００  光機能素子（光アイソレータ、光サーキュレータなど）
２００  光モジュール
【図１】
2004191954.tif 000003
【図２】
2004191954.tif 000004
【図３】
2004191954.tif 000005
【図４】
2004191954.tif 000006
【図５】
2004191954.tif 000007
【図６】
2004191954.tif 000008
【図７】
2004191954.tif 000009
【図８】
2004191954.tif 000010
【図９】
2004191954.tif 000011
【図１０】
2004191954.tif 000012
【図１１】
2004191954.tif 000013
【図１２】
2004191954.tif 000014