(57)【要約】  光導波路（１）は、第１の端面（１３）と第２の端面（１４）との間にて複数の導波モードの光が伝搬するコア（１２）を含む。第１の端面から第２の端面へ向かう方向である第１の方向に垂直な第２の方向におけるコアの幅をＷ、第１の方向と第２の方向とに垂直な第３の方向におけるコアの高さをＨ、コアの屈折率をｎ、コアを伝搬する光の波数をｋ０として、第１の方向におけるコアの長さは、２ｋ０ｎＷ２／πの整数倍かつ２ｋ０ｎＨ２／πの整数倍である長さの０．９８倍から１．０２倍の範囲に含まれる。
2018235200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の端面と第２の端面との間にて複数の導波モードの光が伝搬するコアを含み、
前記第１の端面から前記第２の端面へ向かう方向である第１の方向に垂直な第２の方向における前記コアの幅をＷ、前記第１の方向と前記第２の方向とに垂直な第３の方向における前記コアの高さをＨ、前記コアの屈折率をｎ、前記コアを伝搬する光の波数をｋ０として、
前記第１の方向における前記コアの長さは、２ｋ０ｎＷ２／πの整数倍かつ２ｋ０ｎＨ２／πの整数倍である長さの０．９８倍から１．０２倍の範囲に含まれる
ことを特徴とする光導波路。
【請求項２】
前記幅と前記高さとは、前記複数の導波モードの光のエバネッセント成分が生じる範囲を含めた前記コアの幅と高さとであることを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
【請求項３】
前記幅の二乗は、前記高さの二乗の整数倍であることを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路。
【請求項４】
前記高さの二乗は、前記幅の二乗の整数倍であることを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路。
【請求項５】
第１の端面と第２の端面との間にて複数の導波モードの光が伝搬するコアを含む光導波路を有し、
前記第１の端面から前記第２の端面へ向かう方向である第１の方向に垂直な第２の方向における前記コアの幅をＷ、前記第１の方向と前記第２の方向とに垂直な第３の方向における前記コアの高さをＨ、前記コアの屈折率をｎ、前記コアを伝搬する光の波数をｋ０として、
前記第１の方向における前記コアの長さは、２ｋ０ｎＷ２／πの整数倍かつ２ｋ０ｎＨ２／πの整数倍である長さの０．９８倍から１．０２倍の範囲に含まれる
ことを特徴とする光回路。
【請求項６】
前記第１の端面へ光を入射させる第１の光学素子と、
前記第２の端面から出射された光を受ける第２の光学素子と
を備えることを特徴とする請求項５に記載の光回路。
【請求項７】
前記第１の光学素子は、発光素子を含むことを特徴とする請求項６に記載の光回路。
【請求項８】
前記第１の光学素子は、光ファイバを含むことを特徴とする請求項６または７に記載の光回路。
【請求項９】
前記第２の光学素子は、光ファイバを含むことを特徴とする請求項６から８のいずれか１つに記載の光回路。
【請求項１０】
前記第２の光学素子は、前記第２の端面と前記光ファイバとの間のレンズを含むことを特徴とする請求項９に記載の光回路。
【請求項１１】
前記第２の光学素子は、光を検出する受光素子を含むことを特徴とする請求項６から１０のいずれか１つに記載の光回路。
【請求項１２】
第１の端面と第２の端面との間にて複数の導波モードの光が伝搬するコアを含む光導波路を有し、
前記第１の端面から前記第２の端面へ向かう方向である第１の方向に垂直な第２の方向における前記コアの幅をＷ、前記第１の方向と前記第２の方向とに垂直な第３の方向における前記コアの高さをＨ、前記コアの屈折率をｎ、前記コアを伝搬する光の波数をｋ０として、
前記第１の方向における前記コアの長さは、２ｋ０ｎＷ２／πの整数倍かつ２ｋ０ｎＨ２／πの整数倍である長さの０．９８倍から１．０２倍の範囲に含まれる
ことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項１３】
前記第１の端面へ光を入射させる第１の光学素子と、
前記第２の端面へ到達した光を受ける第２の光学素子と
を備えることを特徴とする請求項１２に記載の半導体レーザ。
【請求項１４】
前記第１の光学素子は、前記第１の端面から出射した光を受けて、前記光導波路からの光を増幅させて出射する光増幅器を含み、
前記第２の光学素子は、前記第２の端面へ到達した光を反射するミラーを含む
ことを特徴とする請求項１３に記載の半導体レーザ。
【請求項１５】
前記ミラーは、前記第２の端面に設けられた高反射性材料の層であることを特徴とする請求項１４に記載の半導体レーザ。
【請求項１６】
前記ミラーは、特定の波長域の光を選択的に反射するミラーであることを特徴とする請求項１４に記載の半導体レーザ。
【請求項１７】
前記ミラーは、前記第２の端面へ到達した光のうちの一部の光を透過して、その他の光を反射するミラーであって、
前記第２の光学素子は、前記ミラーを透過した光を検出する受光素子を備えることを特徴とする請求項１４または１６に記載の半導体レーザ。
【請求項１８】
複数の導波モードの光が伝搬するコアを含み、波長域が異なる複数の光信号が伝搬する複数の第１の光導波路と、
複数の導波モードの光が伝搬するコアを含み、多重化された前記複数の光信号である多重波長信号が伝搬する第２の光導波路と、
前記複数の光信号から前記多重波長信号へ合波、あるいは前記多重波長信号から前記複数の光信号へ分波させる光合分波部と
を含み、
前記コアの幅をＷ、前記コアの高さをＨ、前記コアの屈折率をｎ、前記コアを伝搬する光の波数をｋとして、
前記複数の第１の光導波路の前記コアの長さと、前記第２の光導波路の前記コアの長さとは、２ｋ０ｎＷ２／πの整数倍である長さの０．９８倍から１．０２倍の範囲に含まれ、かつ
前記複数の第１の光導波路と、前記第２の光導波路と、前記光合分波部とにおける前記複数の光信号の伝搬経路の長さが、２ｋ０ｎＨ２／πの整数倍である長さの０．９８倍から１．０２倍の範囲に含まれる
ことを特徴とする光回路。
【請求項１９】
前記第２の光導波路の前記コアについての前記波数は、前記複数の光信号についての波数の平均であることを特徴とする請求項１８に記載の光回路。
【請求項２０】
前記複数の第１の光導波路の第１の端面に光学的に結合された第１の光学素子と、
前記第２の光導波路の第２の端面に光学的に結合された第２の光学素子と
を備えることを特徴とする請求項１８または１９に記載の光回路。
【請求項２１】
前記光合分波部は、
前記複数の第１の光導波路の第２の端面と前記第２の光導波路の第１の端面とに接続されたスラブ光導波路と、
前記スラブ光導波路に形成され、前記複数の光信号を回折により反射して前記多重波長信号を出射、あるいは前記多重波長信号を回折により反射して前記複数の光信号を出射する反射型グレーティングと
を備えることを特徴とする請求項１８から２０のいずれか１つに記載の光回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マルチモードで光を伝搬させる光導波路、光回路および半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信デバイスにおいて、半導体基板に機能部品を集積させる技術が知られている。光導波路を備える機能部品は、光導波路と、光導波路へ光を入射させる光学素子と、光導波路から出射された光を受ける光学素子との間の光結合による光強度の低下、すなわち結合効率の低下を少なくできることが望まれている。光通信デバイスの小型化あるいは集積化が推進されるほど、光導波路と光学素子とのわずかな位置ずれによる結合効率の損失が顕著となる。【０００３】
特許文献１には、マルチモードで光を伝搬させる光導波路を備える機能部品である光合分波器について、半導体基板の面に平行な方向における光導波路と光学素子との位置ずれの許容度を緩和させるための技術が提案されている。半導体基板の面に平行な方向における光導波路のコアの幅は、マルチモードで光を伝搬可能に拡大されている。光導波路への入射時における各導波モードの強度パターンが光導波路からの出射時に再現されるように、光導波路の長さが設定されている。光導波路の入射端面における光の分布に偏芯が生じた場合に、偏芯を含む分布が光導波路の出射端面にて再現される。光導波路から出射された光を受ける光学素子にて偏芯を補正することで、光合分波器は、結合効率の損失を低減できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−２４２６５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の技術において、半導体基板の面に垂直な方向における光導波路のコアの高さは、シングルモードで光を伝搬させるように設定されている。半導体基板の面に垂直な方向については、光導波路と光学素子とに許容される位置ずれがきわめて小さいことから、機能部品は、高い結合効率を得ることが困難となる。【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光導波路を含む機能部品での高い結合効率を実現可能とする光導波路を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる光導波路は、第１の端面と第２の端面とを備え、第１の端面と第２の端面との間にて複数の導波モードの光が伝搬するコアを含む。第１の端面から第２の端面へ向かう方向である第１の方向に垂直な第２の方向におけるコアの幅をＷ、第１の方向と第２の方向とに垂直な第３の方向におけるコアの高さをＨ、コアの屈折率をｎ、コアを伝搬する光の波数をｋ０として、第１の方向におけるコアの長さは、２ｋ０ｎＷ２／πの整数倍かつ２ｋ０ｎＨ２／πの整数倍である長さの０．９８倍から１．０２倍の範囲に含まれる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明にかかる光導波路は、光導波路を含む機能部品での高い結合効率を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる光回路の構成を示す図
【図２】実施の形態１にかかる光導波路についての伝搬シミュレーションによる光の電界分布の例を示す図
【図３】実施の形態１における光導波路を伝搬する光の電界と入射光の電界との重なり積分の伝搬距離依存性を示す図
【図４】図２に示す伝搬シミュレーションにて計算された各次数の導波モードの光のコアにおける有効屈折率と、有効屈折率から算出された伝搬定数との例を示す図
【図５】実施の形態１の変形例１にかかる光回路の構成を示す図
【図６】実施の形態１の変形例２にかかる光回路の構成を示す図
【図７】実施の形態１の変形例３にかかる光回路の構成を示す図
【図８】実施の形態１の変形例４にかかる光回路の構成を示す図
【図９】本発明の実施の形態２にかかる半導体レーザの構成を示す図
【図１０】実施の形態２の変形例１にかかる半導体レーザの構成を示す図
【図１１】実施の形態２の変形例２にかかる半導体レーザの構成を示す図
【図１２】本発明の実施の形態３にかかる光回路である光合分波器の構成を示す図
【図１３】図１２に示す反射型グレーティングの一部を拡大した図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明の実施の形態にかかる光導波路、光回路および半導体レーザを図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる光回路１０の構成を示す図である。光回路１０は、光導波路１と、光導波路１へ光を入射させる第１の光学素子である発光素子２と、光導波路１から出射された光を受ける第２の光学素子である集光レンズ３と光ファイバ４とを備える。光回路１０は、光導波路１を備える機能部品である。
【００１２】
光導波路１は、複数の導波モードの光を伝搬させるマルチモードの光導波路である。光導波路１は、半導体基板１１と、光が伝搬する柱状のコア１２と、コア１２の周囲に形成されたクラッドとを含む。図１では、クラッドの図示を省略する。１つの例では、コア１２の材料には、Ｓｉが使用されている。クラッドの材料には、コア１２より屈折率が低い材料であるＳｉＯ２が使用されている。コア１２へ入射された光は、コア１２とクラッドとの界面での全反射を繰り返すことにより、コア１２内を伝搬する。
【００１３】
１つの例では、光導波路１において、クラッドである半導体基板１１の面上にコア１２が配置されている。この他、光導波路１は、クラッドである下部クラッド層と上部クラッド層とを備えるものであっても良い。下部クラッド層は、半導体基板１１とコア１２との間に設けられる。上部クラッド層は、下部クラッド層の上にてコア１２を覆う。光導波路１は、平板状のコア１２を備え、下部クラッド層と上部クラッド層とでコア１２を挟み込んだものとしても良い。図１では、下部クラッド層と上部クラッド層との図示を省略する。
【００１４】
コア１２は、光導波路１における光の伝搬経路の両端である第１の端面１３と第２の端面１４とを備える。コア１２では、第１の端面１３と第２の端面１４との間にて複数の導波モードの光が伝搬する。第１の端面１３と第２の端面１４とには、反射防止膜であるＡＲ（Anti-Reflection）コーティングが施されている。図１では、ＡＲコーティングの図示を省略する。
【００１５】
発光素子２は、半導体レーザである。発光素子２は、第１の端面１３へ光１５を入射させる。集光レンズ３は、第２の端面１４からの光１６を光ファイバ４へ収束させる。光ファイバ４は、集光レンズ３から入射した光１６を伝搬させる。光ファイバ４は、シングルモードの光ファイバである。なお、光導波路１の半導体基板１１、コア１２およびクラッドの材料と形状とは、実施の形態１にて述べるものに限られず、任意であるものとする。光導波路１と、発光素子２と、集光レンズ３と、光ファイバ４との位置関係は、図１に示すものに限られず、任意であるものとする。
【００１６】
図１において、第１の端面１３から第２の端面１４へ向かう方向を、第１の方向であるｚ方向とする。ｚ方向は、半導体基板１１のうちコア１２が設けられている側の面１７に平行である。また、ｚ方向に垂直、かつ面１７に平行な方向であって図中矢印で示す方向を、第２の方向であるｘ方向とする。ｚ方向とｘ方向とに垂直な方向であって図中矢印で示す方向を、第３の方向であるｙ方向とする。ｙ方向は、面１７に垂直な方向である。
【００１７】
ｘ方向におけるコア１２の幅は、単一の導波モードの光を伝搬させるシングルモードの光導波路の場合に比べて拡張されており、面１７に平行な方向において複数の導波モードの光を伝搬可能とされている。また、ｙ方向におけるコア１２の高さは、シングルモードの光導波路の場合に比べて拡張されており、面１７に垂直な方向において複数の導波モードの光を伝搬可能とされている。
【００１８】
実施の形態１において、ｚ方向におけるコア１２の長さＬは、次の式（１）を満足する。
【００１９】
【数１】
2018235200.tif 000003
【００２０】
式（１）において、ｎは、コア１２の屈折率を示すパラメータである。ｋ０は、コア１２を伝搬する光の波数を示すパラメータである。実施の形態１では、ｋ０は、発光素子２から出射された光の真空中における波数である。真空中の波長をλ０とすると、ｋ０＝２π／λ０が成り立つ。Ｎは、任意の自然数とする。
【００２１】
ｆ（Ｗ２，Ｈ２）は、ｘとｙとを変数とするある関数ｆ（ｘ，ｙ）に、ｘ＝Ｗ２およびｙ＝Ｈ２が代入されたものとする。関数ｆ（ｘ，ｙ）は、Ｓ，Ｔを任意の自然数として、Ｓｘ＝Ｔｙを満足するときのＳｘとＴｙとの最小値を表す。ｘとｙとが整数である場合、関数ｆ（ｘ，ｙ）の値はｘとｙとの最小公倍数となる。また、例を挙げると、ｘ＝０．５およびｙ＝０，２である場合、Ｓ＝２およびＴ＝５であるときにＳｘとＴｙとは最小となり、ｆ（０．５，０．２）＝１．０となる。ｘ＝１．２かつｙ＝１．８である場合、Ｓ＝３およびＴ＝２であるときにＳｘとＴｙとは最小となり、ｆ（１．２，１．８）＝３．６となる。
【００２２】
また、式（１）において、Ｗは、ｘ方向におけるコア１２の幅を示すパラメータである。Ｈは、ｙ方向におけるコア１２の高さを示すパラメータである。幅Ｗは、コア１２を伝搬する光のエバネッセント成分が生じる範囲を含めた実効幅である。幅Ｗは、ｘ方向において複数の導波モードの光のエバネッセント成分が生じる範囲を含めた仮想的な幅の平均値とする。高さＨは、コア１２を伝搬する光のエバネッセント成分が生じる範囲を含めた実効高さである。高さＨは、ｙ方向において複数の導波モードの光のエバネッセント成分が生じる範囲を含めた仮想的な幅の平均値とする。
【００２３】
式（１）は、長さＬが、２ｋ０ｎＷ２／πの整数倍かつ２ｋ０ｎＨ２／πの整数倍の長さであることを表している。光回路１０は、式（１）を満足することにより、光導波路１と発光素子２との位置ずれによる結合効率の低下を低減可能とする。
【００２４】
次に、光導波路１により結合効率の低下を低減可能となる原理を説明する。発光素子２からの光が光導波路１の第１の端面１３へ入射すると、次の式（２）に示すように、光の電磁界分布φ（ｘ，ｙ，ｚ）は、次数ごとの導波モードへ基底展開される。
【００２５】
【数２】
2018235200.tif 000004
【００２６】
式（２）において、φｉ（ｘ，ｙ）は、次数ｉの導波モードの電磁界分布を表す。βｉは、次数ｉの導波モードのｚ方向の伝搬係数である。ａｉは、次数ｉの導波モードの振幅係数である。θｉは、次数ｉの導波モードの初期位相を示すパラメータである。ｊは、虚数単位を表す。
【００２７】
ｚ方向の伝搬係数βと、ｘ方向における波数ｋｘとの関係は、次の式（３）に示すように表される。
【００２８】
【数３】
2018235200.tif 000005
【００２９】
エバネッセント成分が生じる範囲を含めた実効幅を示す幅Ｗを用いると、次数ｉの導波モードにおいて、波数ｋｘはπ（ｉ＋１）／Ｗとなる。次数ｉの導波モードにおけるｚ方向の伝搬係数βとは、次の式（４−１）に示すように表される。式（４−２）は、テイラー展開を用いて式（４−１）を変形したものである。式（４−２）では、高次の項を省略する。
【００３０】
【数４】
2018235200.tif 000006
【００３１】
第１の端面１３から長さＬを伝搬した光の電磁界分布φ（ｘ，ｙ，Ｌ）は、上記の式（２）へ式（４−２）を代入して、次の式（５）に示すように表される。電磁界分布φ（ｘ，ｙ，Ｌ）は、長さＬだけ光導波路１を伝搬したときの光の電磁界分布を表す。
【００３２】
【数５】
2018235200.tif 000007
【００３３】
式（５）において、各導波モードの全ての位相差が２πの整数倍である場合、全ての導波モードの光の位相関係が、第１の端面１３への入射時と同じとなる。入射光と同じ光の分布が光導波路１の中に出現する。そのときの長さＬの条件は、次の式（６）に示すように表される。
【００３４】
【数６】
2018235200.tif 000008
【００３５】
式（６）において、ｉ，ｊは０以上の整数、Ｍは任意の整数である。式（６）は、入射光と同一のパターンの分布が出現する条件である。光導波路１には、入射光と対称なパターンの分布が出現しても良い。各導波モードの光の位相差が２π×Ｍではなくても良く、ｉが偶数であるときの導波モードである奇関数モードと、ｉが奇数であるときの導波モードである偶関数モード同士の位相差が全て２π×Ｍとなれば良い。したがって、奇関数モードと偶関数モードとの位相差が全て２π×Ｍ＋πとなるように、長さＬが定められれば良い。長さＬは、次の式（７）に示すように表される。
【００３６】
【数７】
2018235200.tif 000009
【００３７】
光導波路１の長さＬが式（７）を満たすとき、第２の端面１４では、第１の端面１３のｘ方向における光の分布が再現される。波動方程式は、変数分離が可能であるため、ｙ方向についてもｘ方向と同様に考えることができる。エバネッセント成分が生じる範囲を含めた実効高さである高さＨを用いると、長さＬは、次の式（８）に示すように表される。
【００３８】
【数８】
2018235200.tif 000010
【００３９】
光導波路１の長さＬが、式（７）に示される値の整数倍である場合も、第２の端面１４では、第１の端面１３のｘ方向における光の分布と同一あるいは対称なパターンが再現される。光導波路１の長さＬが、式（８）に示される値の整数倍である場合も、第２の端面１４では、第１の端面１３のｙ方向における光の分布と同一あるいは対称なパターンが再現される。したがって、式（７）に示される値の整数倍、かつ式（８）に示される値の整数倍となるように長さＬが定められる場合、すなわち長さＬが式（１）を満足する場合に、光導波路１は、ｘ方向とｙ方向とにおける光の分布と同一あるいは対称なパターンを再現できる。なお、式（１）は、長さＬが、２ｋ０ｎＷ２／πの整数倍かつ２ｋ０ｎＨ２／πの整数倍である長さであることを表している。
【００４０】
発光素子２は、単峰性を持つ分布の光を出射する。第２の端面１４では、単峰性を持つ光の分布が再現される。発光素子２と光導波路１との位置ずれに起因して、第１の端面１３における光の分布に偏芯が生じた場合に、かかる偏芯を含む光の分布が第２の端面１４に再現される。光回路１０は、集光レンズ３と光ファイバ４とのアクティブな調芯により、偏芯を補正可能とする。これにより、光回路１０は、結合効率の損失を低減できる。
【００４１】
比較例として、半導体基板に設けられたシングルモードの光導波路と発光素子とを直接光学的に結合させる場合、光導波路と発光素子との位置ずれ量が０．５μｍ程度となると、結合効率が−３ｄＢ程度より低下する。一方、マルチモードの光導波路が用いられる場合、例えば光導波路の幅が１５μｍである場合に、光導波路と発光素子との位置ずれ量が１０μｍ程度となっても、発光素子の光はおよそ無損失で光導波路へ入射させることができる。
【００４２】
実施の形態１では、光導波路１は、第２の端面１４にて、第１の端面１３における単峰性を持つ光の分布と偏芯とを再現させる。第２の端面１４から出射した光を集光レンズ３で集光させて、光ファイバ４へ光を入射させるときに、単峰性が確保できていれば、第２の端面１４における光の出射位置のずれが１０μｍ程度であっても、結合効率は−３ｄＢ程度となる。これにより、光回路１０は、第１の端面１３における光の入射位置について許容されるずれ量が１０μｍである場合と同様に、結合効率の損失を低減させる効果を得ることができる。
【００４３】
光回路１０は、光導波路１と発光素子２の位置決め精度を緩和することができる。第１の端面１３における発光素子２からの光の入射位置は、半導体基板１１の製造時における結晶成長あるいは研磨の精度に依存してばらつきが生じ得る。また、第１の端面１３における入射位置のばらつきは、光導波路１と発光素子２とを実装する際の実装位置精度にも依存して生じ得る。光導波路１と発光素子２の位置決め精度を緩和できることで、かかる半導体基板１１の精度についても緩和することができる。
【００４４】
また、実施の形態１では、シングルモードの光導波路に比べて、コア１２の幅と高さとが拡張されている。コア１２のｘｙ断面が大きくされていることで、エバネッセント成分が少なくなる。光導波路１は、シングルモードの光導波路に比べて、製造工程に起因する光導波路１の面の粗さが、光導波路１を伝搬する光へ及ぼす影響が少なくなる。これにより、光導波路１は、光導波路１を伝搬する際における光の損失を低減できる。
【００４５】
次に、長さＬが式（１）を満足するときに、第１の端面１３への入射光の分布が第２の端面１４にて再現される作用効果について計算例を説明する。図２は、実施の形態１にかかる光導波路１についての伝搬シミュレーションによる光の電界分布の例を示す図である。ここでは、光導波路１は、ＳｉおよびＳｉＯ２を材料とするＰＬＣ（Planar  Lightwave  Circuit）の光導波路である。光導波路１のコア１２の屈折率は１．４６６、クラッドの屈折率は１．４６、コア１２の幅Ｗおよび高さＨは４６．５μｍとする。図２における縦軸はｘ方向の位置、横軸はｚ方向の位置を表す。光導波路１の第１の端面１３へ入射する光は、半値全幅（Full  Width  at  Half  Maximum，ＦＷＨＭ）が１５．０μｍであるガウシアンビームとする。図２の説明にて、入射光の位置とは、ガウシアンのピークの位置を表す。電界分布のパターンを、適宜「フィールドパターン」と称することがある。
【００４６】
図２には、図中矢印で示す入射光の位置が、光導波路１のコア１２の中心位置Ｏと一致している場合、すなわち入射光と中心位置Ｏとの間のずれ量が０μｍである場合と、入射光と中心位置Ｏとのずれが５μｍ、７．５μｍ、１０μｍである場合とを示している。
【００４７】
図２によると、入射光の中心位置Ｏからのずれ量に関わらず、第１の端面１３の位置Ｐ０からｚ方向へ９．６８ｍｍ先の位置Ｐ１にて、位置Ｐ０におけるフィールドパターンに対称なフィールドパターンが出現している。また、位置Ｐ０からｚ方向へ１９．３６ｍｍ先の位置Ｐ２にて入射光と同じフィールドパターンが出現している。なお、実施の形態１では、ｘ方向とｚ方向との関係と同様に、ｙ方向とｚ方向との関係においても、入射光の中心位置Ｏからのずれ量にかかわらず、位置Ｐ０におけるフィールドパターンに対称なフィールドパターンが位置Ｐ１にて出現し、位置Ｐ０におけるフィールドパターンと同じフィールドパターンが位置Ｐ２にて出現する。
【００４８】
図３は、実施の形態１における光導波路１を伝搬する光の電界と入射光の電界との重なり積分の伝搬距離依存性を示す図である。図３における縦軸は重なり積分、横軸は第１の端面１３の位置Ｐ０からのｚ方向における伝搬距離を表す。図３では、図２と同様に、入射光と中心位置Ｏとのずれ量が０μｍ、５μｍ、７．５μｍ、１０μｍである場合を示している。０μｍ、５μｍ、７．５μｍ、１０μｍの各伝搬距離依存性において、縦軸の上端は、重なり成分が入射時の１００％であることを表す。
【００４９】
図３では、入射時におけるフィールドパターンと対称なフィールドパターンが再現される位置は明らかとなっていない。入射時におけるフィールドパターンと同じフィールドパターンが再現される位置は、０μｍ、５μｍ、７．５μｍ、１０μｍの各関係において、円で囲んで示すように、重なり積分の明確なピークとなって示されている。入射光の中心位置Ｏからのずれ量にかかわらず、位置Ｐ０からの距離が１９．３６ｍｍの位置Ｐ２で、重なり積分が入射時の９６％となり、最大となる。これは、入射時における光の９６％が出射時にて得られることを示す。また、結合効率の損失は、入射光の強度の４％（−０．１８ｄＢ）となり、最小となることを示す。
【００５０】
図４は、図２に示す伝搬シミュレーションにて計算された各次数ｉの導波モードの光のコア１２における有効屈折率と、有効屈折率から算出された伝搬定数との例を示す図である。図４に示す全ての導波モードについての有効屈折率の平均から求めた実効導波路幅である幅Ｗを上記の式（７）に代入すると、入射時におけるフィールドパターンと同じフィールドパターンが再現される長さＬは、１９．３４ｍｍとなり上述の伝搬シミュレーションの結果とよく一致することがわかる。
【００５１】
この場合において、長さＬのずれ量が±０．３７６ｍｍ程度の範囲内である場合に、図３に示す各伝搬距離依存性における重なり積分は、０．５以上となる。この場合に、光導波路１は、入射時における光の５０％が出射時にて得られることとなり、実用上は問題がない。このことは、長さＬが、上記の式（１）により得られる値から±２％の誤差を許容できることに相当する。したがって、光導波路１は、２ｋ０ｎＷ２／πの整数倍かつ２ｋ０ｎＨ２／πの整数倍の長さの０．９８倍から１．０２倍の範囲に含まれるように長さＬが設定されることで、結合効率の損失を低減でき、高い結合効率を得ることが可能となる。
【００５２】
なお、コア１２の幅Ｗおよび高さＨと、コア１２の屈折率と、クラッドの屈折率とは、上記のものには限られない。上記式（１）で求められる値、あるいは式（１）で求められる値の０．９８倍から１．０２倍の範囲内の値に長さＬを設定可能であれば、幅Ｗと、高さＨと、各屈折率とは任意に設定可能である。光導波路１は、ＰＬＣに含まれるものに限られず、ＰＬＣ以外の光回路に含まれるものであっても良い。
【００５３】
光導波路１は、第１の端面１３と第２の端面１４との間に湾曲あるいは折り曲げを含むものであっても良い。この場合、ｚ方向は、コア１２の中心位置Ｏに沿った方向とする。光導波路１は、直線形状である場合のみならず、湾曲あるいは折り曲げを含む形状である場合も、結合効率の損失を低減でき、高い結合効率を得ることができる。
【００５４】
光導波路１は、コア１２であるＳｉとクラッドであるＳｉＯ２とを含めたＰＬＣの光導波路である場合に限られない。光導波路１を構成する半導体基板１１、コア１２およびクラッドの材料は、ＳｉあるいはＳｉＯ２に限られず、半導体材料であるＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、誘電体材料であるＬｉＯ３Ｎｂ、あるいはポリマー材料であっても良い。
【００５５】
コア１２の幅Ｗと高さＨとは、Ｗ２＝ｍ１×Ｈ２、あるいはＨ２＝ｍ２×Ｗ２の関係を満足するものであっても良い。ｍ１とｍ２とは、任意の自然数とする。言い換えると、幅Ｗの二乗は、高さＨの二乗の整数倍であるか、高さＨの二乗は、幅Ｗの二乗の整数倍である。
【００５６】
例を挙げると、Ｗ２＝０．５およびＨ２＝０．２である場合、上述するようにｆ（０．５，０．２）＝１．０となる。また、Ｗ２＝０．５およびＨ２＝０．２５として、Ｗ２がＨ２の２倍である場合は、Ｓ＝１およびＴ＝２であるときにＳ×Ｗ２とＴ×Ｈ２とは最小となり、ｆ（０．５，０．２５）＝０．５となる。上記の式（１）より、ｆ（Ｗ２，Ｈ２）が小さくなることで、長さＬは小さくなる。このように、Ｗ２をＨ２の整数倍、あるいはＨ２をＷ２の整数倍とすることで、コア１２の長さＬを短く設計することができる。
【００５７】
次に、図５から図８を参照して、実施の形態１にかかる光回路１０の変形例を説明する。各変形例では、第１の光学素子と第２の光学素子との組み合わせが、図１に示す例とは異なる。図５から図８では、ｙ方向から光回路１０を見た場合における第１の光学素子と、第２の光学素子と、光導波路１のコア１２とを示し、半導体基板１１の図示を省略する。また、図１に示す構成要素と共通の構成要素についての説明は、適宜省略する。
【００５８】
図５は、実施の形態１の変形例１にかかる光回路１０の構成を示す図である。光回路１０は、第１の光学素子である光ファイバ５と、第２の光学素子である集光レンズ３と光ファイバ４とを備える。光ファイバ５を通過した光１５は、第１の端面１３へ入射する。第２の端面１４から出射した光１６は、集光レンズ３を透過して、光ファイバ４へ入射する。
【００５９】
図６は、実施の形態１の変形例２にかかる光回路１０の構成を示す図である。光回路１０は、第１の光学素子である発光素子２と、第２の光学素子である光ファイバ４とを備える。変形例２の構成は、集光レンズ３が省略されている以外は、図１に示す構成と同様である。光ファイバ４と第２の端面１４とは、直接光学的に結合されている。光導波路１からの光を直接光ファイバ４へ入射させることで、光回路１０は、部品点数を削減でき、製造の容易化とコストの低減とを図り得る。
【００６０】
図７は、実施の形態１の変形例３にかかる光回路１０の構成を示す図である。光回路１０は、第１の光学素子である光ファイバ５と、第２の光学素子である受光素子６とを備える。受光素子６は、光を検出する素子であって、１つの例はフォトダイオード（Photodiode，ＰＤ）である。光ファイバ５を通過した光１５は、第１の端面１３へ入射する。第２の端面１４から出射した光１６は、受光素子６へ入射する。
【００６１】
図８は、実施の形態１の変形例４にかかる光回路１０の構成を示す図である。光回路１０は、第１の光学素子である発光素子２と、第２の光学素子である受光素子６とを備える。第２の端面１４から出射した光１６は、受光素子６へ入射する。変形例３と変形例４では、第２の端面１４と受光素子６との間に集光レンズ３が設けられても良い。
【００６２】
このように、第１の光学素子は、発光素子２と光ファイバ５との一方を含む。第２の光学素子は、光ファイバ４と受光素子６との一方を含む。第２の光学素子は、第２の端面１４と光ファイバ４との間の集光レンズ３を含んでも良い。光ファイバ４，５は、シングルモードとマルチモードとのいずれにより光を伝搬させるものであっても良い。第１の光学素子と第２の光学素子とは、光ファイバ４，５に代えて、光ファイバ以外の光導波路を含むものであっても良い。
【００６３】
実施の形態１によると、光導波路１は、第１の方向におけるコア１２の長さＬを、２ｋ０ｎＷ２／πの整数倍かつ２ｋ０ｎＨ２／πの整数倍である長さの０．９８倍から１．０２倍の範囲に含めたことで、結合効率の損失を低減可能とする。これにより、光導波路１は、光導波路１を含む機能部品での高い結合効率を実現できるという効果を奏する。光回路１０は、光導波路１を含むことにより、高い結合効率を実現できる。
【００６４】
実施の形態２．
図９は、本発明の実施の形態２にかかる半導体レーザ２０の構成を示す図である。半導体レーザ２０は、光導波路１と、第１の端面１３へ光を入射させる第１の光学素子である光増幅器２１と、第２の端面１４へ到達した光を受ける第２の光学素子であるミラー２２とを備える。半導体レーザ２０は、光導波路１を備える機能部品である。上記の実施の形態１と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００６５】
光増幅器２１は、ある波長域の光を増幅して、増幅された光２３を第１の端面１３へ出射する。また、光増幅器２１は、第１の端面１３からの光２３を受けて、受けた光２３を増幅に利用する。光増幅器２１は、電流注入あるいは光励起により光を増幅する。光増幅器２１のうち第１の端面１３に光学的に結合された端面２５には、光導波路１からの光２３の反射を低減するＡＲコーティングが施されている。または、反射防止のための構造が端面２５に設けられていても良い。反射防止のための構造の１つの例は、光２３の主光線に対し傾けられた面を含む構造である。図９では、ＡＲコーティングと、反射防止のための構造との図示を省略する。
【００６６】
光増幅器２１は、端面２５とは逆側の端面２６に設けられた部分透過ミラーを備える。部分透過ミラーは、入射した光のうち一部の光を透過して、その他の光を反射する。光増幅器２１は、部分透過ミラーを透過した光２４を端面２６から出射する。図９では、端面２６に設けられた部分透過ミラーの図示を省略する。
【００６７】
１つの例では、ミラー２２は、高反射性材料の層であって、第２の端面１４に設けられている。ミラー２２は、広い波長域の光について高い反射率を持つ。ミラー２２の材料には、高反射性の金属材料である金、銀、あるいはアルミニウムが使用される。ミラー２２は、第２の端面１４への金属材料の蒸着により形成される。ミラー２２の材料は、金属材料以外の高反射性材料であっても良い。ミラー２２は、蒸着以外の手法により形成されたものであっても良い。なお、その他のミラー２２の例については後述する。
【００６８】
光増幅器２１の端面２５から出射した光２３は、第１の端面１３へ入射する。第１の端面１３から第２の端面１４へ向けてコア１２を伝搬した光は、第２の端面１４に到達して、ミラー２２で反射する。ミラー２２で反射した光は、第２の端面１４から第１の端面１３へ向けてコア１２を伝搬する。第１の端面１３を出射した光２３は、光増幅器２１の端面２５へ入射する。光増幅器２１の内部を伝搬した光の一部は、部分透過ミラーで反射する。ミラー２２と、光増幅器２１の部分透過ミラーとの間を往復する光は、光増幅器２１の内部で増幅される。半導体レーザ２０は、増幅された光のうち光増幅器２１の部分透過ミラーを透過した光２４を出射する。
【００６９】
実施の形態２においても、長さＬは、実施の形態１と同様に、上記の式（１）を満足するように設定されている。すなわち、長さＬは、２ｋ０ｎＷ２／πの整数倍かつ２ｋ０ｎＨ２／πの整数倍である。あるいは、長さＬは、２ｋ０ｎＷ２／πの整数倍かつ２ｋ０ｎＨ２／πの整数倍の長さの０．９８倍から１．０２倍の範囲に含まれるように設定されている。光導波路１は、結合効率の損失を低減でき、高い結合効率を得ることが可能となる。
【００７０】
実施の形態１と同様に、光導波路１の面の粗さが、光導波路１を伝搬する光へ及ぼす影響が少なくなることで、半導体レーザ２０は、往復させる光の損失を低減でき、高い効率で光を出射できる。また、半導体レーザ２０は、レーザ発振に必要な利得を少なくできることで、光増幅器２１への電流供給を低減できる。これにより、半導体レーザ２０は、消費電力を低減できる。なお、光導波路１の形状と材料とは、実施の形態１の場合と同様に、任意とする。また、実施の形態１の場合と同様に、コア１２の幅Ｗの二乗が高さＨの二乗の整数倍であるか、高さＨの二乗が幅Ｗの二乗の整数倍であるようにしても良い。
【００７１】
ミラー２２を高反射性材料の層とすることで、比較的容易かつ安価に、広い波長域の光について高い反射率を持つミラー２２を形成できる。ミラー２２は、高反射性材料の層であるものに限られない。ミラー２２は、特定の波長域の光を選択的に反射する波長選択ミラーであっても良い。ミラー２２は、特定の波長域の光以外の光を吸収あるいは透過する。波長選択ミラーには、反射型グレーティング、リング共振器、あるいはダイクロイックミラーが用いられる。波長選択ミラーであるミラー２２が設けられることで、半導体レーザ２０の発振波長を限定することができる。
【００７２】
次に、図１０と図１１とを参照して、実施の形態２にかかる半導体レーザ２０の変形例を説明する。図１０と図１１とでは、ｙ方向から半導体レーザ２０を見た場合における第１の光学素子と、第２の光学素子と、光導波路１のコア１２とを示し、半導体基板１１の図示を省略する。
【００７３】
図１０は、実施の形態２の変形例１にかかる半導体レーザ２０の構成を示す図である。変形例１において、第１の光学素子は、光増幅器２１と第１の端面１３との間に設けられた光ファイバ５を含む。光増幅器２１の端面２５から出射した光２３は、光ファイバ５へ入射する。光ファイバ５を通過した光２３は、第１の端面１３へ入射する。また、第１の端面１３から出射した光２３は、光ファイバ５を通過してから、光増幅器２１の端面２５へ入射する。
【００７４】
変形例１によると、半導体レーザ２０は、光ファイバ５が設けられたことで、光増幅器２１と光導波路１とを互いに離れた位置に設置することが可能となる。これにより、半導体レーザ２０は、光増幅器２１と光導波路１との配置の自由度を向上できる。
【００７５】
図１１は、実施の形態２の変形例２にかかる半導体レーザ２０の構成を示す図である。変形例２において、第２の光学素子は、ミラー２７と受光素子６とを含む。ミラー２７は、第２の端面１４へ到達した光のうちの一部の光を透過して、その他の光を反射する部分透過ミラーである。
【００７６】
第１の端面１３からコア１２を伝搬して、第２の端面１４へ入射した光は、ミラー２７へ入射する。ミラー２７を入射した光のうちの一部の光は、ミラー２７で反射して、第１の端面１３へ向けてコア１２を伝搬する。ミラー２７を透過した光２８は、受光素子６へ入射する。受光素子６は、光２８を検出する。半導体レーザ２０は、受光素子６で検出された光２８の強度から、光導波路１と光増幅器２１との内部を往復している光の強度をモニタすることができる。ミラー２７と受光素子６との間には、特定の波長域の光を透過する波長フィルタが設けられていても良い。これにより、半導体レーザ２０は、発振波長をモニタすることができる。なお、変形例２においても、変形例１と同様に光ファイバ５が設けられていても良い。
【００７７】
実施の形態２によると、半導体レーザ２０は、コア１２の長さを、２ｋ０ｎＷ２／πの整数倍かつ２ｋ０ｎＨ２／πの整数倍である長さの０．９８倍から１．０２倍の範囲に含めたことで、結合効率の損失を低減可能とする。これにより、半導体レーザ２０は、高い結合効率を実現できるという効果を奏する。
【００７８】
実施の形態３．
図１２は、本発明の実施の形態３にかかる光回路である光合分波器３０の構成を示す図である。光合分波器３０は、波長域が異なる複数の光信号が伝搬する複数の第１の光導波路３１と、多重波長信号が伝搬する第２の光導波路３２と、複数の光信号から多重波長信号へ合波あるいは多重波長信号から複数の光信号へ分波させる光合分波部３３とを備える。光合分波器３０は、第１の光導波路３１と、第２の光導波路３２と、光合分波部３３とを備える機能部品である。上記の実施の形態１と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００７９】
光合分波器３０は、複数の第１の光導波路３１の第１の端面１３に光学的に結合された第１の光学素子である複数の発光素子２と、第２の光導波路３２の第２の端面１４に光学的に結合された第２の光学素子である集光レンズ３および光ファイバ４とを備える。複数の第１の光導波路３１と第２の光導波路３２とは、複数の導波モードの光を伝搬させるマルチモードの光導波路である。
【００８０】
光合分波部３３は、複数の第１の光導波路３１と第２の光導波路３２との間に接続されたスラブ光導波路３５と、スラブ光導波路３５に形成され、複数の光信号を回折により反射して多重波長信号を出射、あるいは多重波長信号を回折により反射して複数の光信号を出射する反射型グレーティング３４とを備える。スラブ光導波路３５は、複数の導波モードの光を伝搬させるマルチモードの光導波路である。スラブ光導波路３５は、クラッドである上部クラッド層と下部クラッド層との間に挟み込まれた平板状のコア１２を備える。複数の第１の光導波路３１の第２の端面１４は、スラブ光導波路３５に接続されている。第２の光導波路３２の第１の端面１３は、スラブ光導波路３５に接続されている。複数の第１の光導波路３１と、第２の光導波路３２と、光合分波部３３と、複数の発光素子２とは、半導体基板１１上に設けられている。
【００８１】
図１の光導波路１と同様に、第１の光導波路３１と第２の光導波路３２とスラブ光導波路３５は、複数の導波モードの光が伝搬するコア１２とクラッドとを含む。光合分波器３０は、ＳｉおよびＳｉＯ２を材料とするＰＬＣとして構成されている。
【００８２】
光合分波器３０は、波長域の異なる複数の光信号を多重化させる光合波器、および多重化された光信号を波長域の違いにより分割する光分波器のいずれとしても機能し得る光回路である。実施の形態３では、主に、光合分波器３０が光合波器である場合を例とする。光分波器における光信号の入力および出力は、光合波器における光信号の入力および出力とは逆となる。
【００８３】
光合分波器３０が光合波器である場合、複数の第１の光導波路３１からスラブ光導波路３５へ入射した光は、スラブ光導波路３５内の複数の伝搬経路３６を伝搬する。複数の伝搬経路３６を伝搬した光は、反射型グレーティング３４で反射して、第２の光導波路３２の第１の端面１３へ入射する。一方、光合分波器３０が光分波器である場合、第２の光導波路３２からスラブ光導波路３５へ入射した光は、反射型グレーティング３４で反射して、複数の伝搬経路３６を伝搬する。複数の伝搬経路３６を伝搬した光は、複数の第１の光導波路３１の第２の端面１４へ入射する。
【００８４】
実施の形態３において、発光素子２は、波長域が互いに異なる光信号を出射する４つの発光素子２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄを含む。第１の光導波路３１は、４つの発光素子２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄからの波長域ごとの光信号が入射する４つの第１の光導波路３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，３１Ｄを含む。複数の伝搬経路３６は、４つの伝搬経路３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃ，３６Ｄを含む。第１の光導波路３１の数と発光素子２の数とは、４つである場合に限られず、２つ、３つ、あるいは５つ以上であっても良い。
【００８５】
図１３は、図１２に示す反射型グレーティング３４の一部を拡大した図である。反射型グレーティング３４は、スラブ光導波路３５の側面に形成された鋸歯形状の回折格子構造である。複数の光信号の波長域を基に溝の形状が設定されることにより、反射型グレーティング３４は、複数の伝搬経路３６からの複数の光信号を反射して、第２の光導波路３２の第１の端面１３に集光する。これにより、光合分波部３３は、複数の光信号を多重化させる。また、光分波を行う場合は、反射型グレーティング３４は、多重波長信号を反射して、複数の光信号を複数の伝搬経路３６へ振り分ける。これにより、光合分波部３３は、多重波長信号を、複数の光信号へ分割する。
【００８６】
実施の形態３では、第１の光導波路３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，３１Ｄの長さＬ１は、次の式（９）を満足する。
【００８７】
【数９】
2018235200.tif 000011
【００８８】
式（９）において、Ｗは、第１の光導波路３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，３１Ｄのコア１２の幅を示すパラメータである。ｎは、コア１２の屈折率を示すパラメータである。ｋ０は、コア１２を伝搬する光の波数を示すパラメータである。実施の形態３では、ｋ０は、発光素子２から出射された光の真空中における波数である。真空中の波長をλ０とすると、ｋ０＝２π／λ０が成り立つ。Ｍ１は、任意の自然数とする。
【００８９】
また、第２の光導波路３２の長さＬ２は、次の式（１０）を満足する。
【００９０】
【数１０】
2018235200.tif 000012
【００９１】
式（１０）において、Ｗは、第２の光導波路３２のコア１２の幅を示すパラメータである。ｎは、コア１２の屈折率を示すパラメータである。ｋａｖｅは、発光素子２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄから出射される光の真空中における波数ｋ０の平均である。Ｍ２は、任意の自然数とする。
【００９２】
式（９）および式（１０）において、幅Ｗは、コア１２を伝搬する光のエバネッセント成分が生じる範囲を含めた実効幅である。幅Ｗは、複数の導波モードの光のエバネッセント成分が生じる範囲を含めた仮想的な幅の平均値とする。
【００９３】
さらに、第１の光導波路３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，３１Ｄと、光合分波部３３と、第２の光導波路３２とにおける複数の光信号の伝搬経路の長さＬ１＋Ｌｓｌａｂ＋Ｌ２は、次の式（１１）を満足する。長さＬ１＋Ｌｓｌａｂ＋Ｌ２は、第１の光導波路３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，３１Ｄの長さＬ１と、伝搬経路３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃ，３６Ｄの長さＬｓｌａｂと、第２の光導波路３２の長さＬ２との和である。
【００９４】
【数１１】
2018235200.tif 000013
【００９５】
式（１１）において、Ｈは、第１の光導波路３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，３１Ｄと、第２の光導波路３２と、スラブ光導波路３５とにおけるコア１２の高さを示すパラメータである。ｎは、コア１２の屈折率を示すパラメータである。ｋ０は、コア１２を伝搬する光の波数を示すパラメータである。Ｍ３は、任意の自然数とする。高さＨは、コア１２を伝搬する光のエバネッセント成分が生じる範囲を含めた実効高さである。高さＨは、複数の導波モードの光のエバネッセント成分が生じる範囲を含めた仮想的な幅の平均値とする。
【００９６】
式（９）に示されるように、長さＬ１は、２ｋ０ｎＷ２／πの整数倍に設定されている。また、実施の形態１と同様に、±２％の誤差を許容しても実用上の問題がないことから、長さＬ１は、２ｋ０ｎＷ２／πの整数倍の０．９８倍から１．０２倍の範囲に含まれるように設定されていても良い。
【００９７】
式（１０）に示されるように、長さＬ２は、２ｋａｖｅｎＷ２／πの整数倍に設定されている。また、実施の形態１と同様に、±２％の誤差を許容しても実用上の問題がないことから、長さＬ２は、実施の形態１と同様に、２ｋａｖｅｎＷ２／πの整数倍の０．９８倍から１．０２倍の範囲に含まれるように設定されていても良い。
【００９８】
式（１１）に示されるように、長さＬ１＋Ｌｓｌａｂ＋Ｌ２は、２ｋ０ｎＨ２／πの整数倍に設定されている。また、実施の形態１と同様に、±２％の誤差を許容しても実用上の問題がないことから、長さＬ１＋Ｌｓｌａｂ＋Ｌ２は、実施の形態１と同様に、２ｋ０ｎＨ２／πの整数倍の長さの０．９８倍から１．０２倍の範囲に含まれるように設定されていても良い。これにより、第１の光導波路３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，３１Ｄと、第２の光導波路３２と、スラブ光導波路３５とは、結合効率の損失を低減でき、高い結合効率を得ることが可能となる。
【００９９】
複数の第１の光導波路３１と第２の光導波路３２とは、シングルモードの光導波路に比べて、コア１２の幅と高さとが拡張されている。スラブ光導波路３５は、シングルモードのスラブ光導波路に比べて、コア１２の高さが拡張されている。コア１２の幅と高さ、あるいは高さが拡張されていることで、エバネッセント成分が少なくなる。複数の第１の光導波路３１と、第２の光導波路３２と、スラブ光導波路３５との面の粗さが、伝搬する光へ及ぼす影響が少なくなることで、光合分波器３０は、合波あるいは分波させる光の損失を低減できる。
【０１００】
次に、長さＬ１，Ｌｓｌａｂ，Ｌ２が上記の式（９），（１０），（１１）を満足することによる作用効果について説明する。長さＬ１が式（９）を満足することで、面１７に平行な方向について、各第１の光導波路３１と各発光素子２との間の位置ずれにより生じた光の分布の偏芯が、各第１の光導波路３１からスラブ光導波路３５への入射位置にて再現される。単峰性を持つ光がスラブ光導波路３５へ入射されることで、スラブ光導波路３５から第２の光導波路３２へ入射する光も単峰性を持つ。第２の光導波路３２には、各発光素子２から出射した各波長域の単峰性を持つ光が、偏芯を含む分布を保存したまま入射される。
【０１０１】
長さＬ２が式（１０）を満足することで、第２の光導波路３２は、第１の光導波路３１と同様に、第１の端面１３における光の分布を第２の端面１４にて再現させる。式（１０）では、第２の光導波路３２のコア１２についての波数ｋａｖｅを、複数の光信号についての波数ｋ０の平均とすることで、第２の光導波路３２は、合波後の光について、光の分布を再現することができる。
【０１０２】
一方、面１７に垂直な方向については、式（１１）を満足することで、各第１の光導波路３１と各発光素子２との間の位置ずれにより生じた光の分布の偏芯が、第２の光導波路３２の第２の端面１４にて再現される。
【０１０３】
これにより、光合分波器３０は、面１７に平行な方向と面１７に垂直な方向とについて、各第１の光導波路３１と各発光素子２との間の位置ずれにより生じた光の分布の偏芯を、第２の光導波路３２の第２の端面１４にて再現させることができる。光合分波器３０は、集光レンズ３と光ファイバ４とのアクティブな調芯により、偏芯を補正可能とする。これにより、光合分波器３０は、結合効率の損失を低減できる。
【０１０４】
比較例として、半導体基板に設けられたシングルモードの光導波路と発光素子とを直接光学的に結合させる場合、光導波路と発光素子との位置ずれ量が０．５μｍ程度となると、結合効率が−３ｄＢ程度より低下する。一方、マルチモードの光導波路が用いられる場合、例えば光導波路の幅が１５μｍである場合に、光導波路と発光素子との位置ずれ量が１０μｍ程度となっても、発光素子の光はおよそ無損失で光導波路へ入射させることができる。
【０１０５】
実施の形態３では、光合分波器３０は、第２の光導波路３２の第２の端面１４にて、第１の光導波路３１の第１の端面１３における単峰性を持つ光の分布と偏芯とを再現させる。第２の光導波路３２の第２の端面１４から出射した光を集光レンズ３で集光させて、光ファイバ４へ光を入射させるときに、単峰性が確保できていれば、第２の端面１４における光の出射位置のずれが１０μｍ程度であっても、結合効率は−３ｄＢ程度となる。これにより、光合分波器３０は、第１の光導波路３１の第１の端面１３における光の入射位置について許容されるずれ量が１０μｍである場合と同様に、結合効率の損失を低減させる効果を得ることができる。
【０１０６】
なお、複数の第１の光導波路３１と第２の光導波路３２とは、第１の端面１３と第２の端面１４との間に湾曲あるいは折り曲げを含むものであっても良い。複数の第１の光導波路３１と第２の光導波路３２とは、直線形状である場合のみならず、湾曲あるいは折り曲げを含む形状である場合も、結合効率の損失を低減でき、高い結合効率を得ることができる。スラブ光導波路３５の形状は、図１２に示す形状以外の形状であっても良い。
【０１０７】
上記式（９），（１０），（１１）で求められる値、あるいは式（９），（１０），（１１）で求められる値の０．９８倍から１．０２倍の範囲内の値に長さＬ１，Ｌｓｌａｂ，Ｌ２を設定可能であれば、コア１２の幅Ｗおよび高さＨと、コア１２の屈折率と、クラッドの屈折率とは、任意に設定可能である。複数の第１の光導波路３１と、第２の光導波路３２と、スラブ光導波路３５とは、コア１２であるＳｉとクラッドであるＳｉＯ２とを含めたＰＬＣの光導波路である場合に限られない。複数の第１の光導波路３１と、第２の光導波路３２と、スラブ光導波路３５との材料には、半導体材料であるＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、誘電体材料であるＬｉＯ３Ｎｂ、ポリマー材料のいずれが用いられていても良い。
【０１０８】
複数の発光素子２は、半導体基板１１に個別に形成されたものに限られず、１つの基板に集積されたものであっても良い。複数の発光素子２が集積されている場合、複数の発光素子２のすべてについて、第１の光導波路３１との間に同じ量の位置ずれが生じることとなるため、複数の光信号について、第２の光導波路３２の第２の端面１４における偏芯量を揃えることが可能となる。
【０１０９】
実施の形態１の変形例と同様に、光合分波器３０は、第１の光学素子である光ファイバ５を備えても良く、集光レンズ３が省略されても良い。また、光合分波器３０は、第２の光学素子である受光素子６を備えても良い。第１の光学素子は、発光素子２と光ファイバ５との一方を含む。第２の光学素子は、光ファイバ４と受光素子６との一方を含む。光ファイバ４，５は、シングルモードとマルチモードとのいずれにより光を伝搬させるものであっても良い。第１の光学素子と第２の光学素子とは、光ファイバ４，５に代えて、光ファイバ以外の光導波路を含むものであっても良い。
【０１１０】
実施の形態３によると、光合分波器３０は、２ｋ０ｎＷ２／πの整数倍である長さの０．９８倍から１．０２倍に含まれる長さの複数の第１の光導波路３１と第２の光導波路３２とを備える。また、複数の第１の光導波路３１と、第２の光導波路３２と、光合分波部３３とにおける複数の光信号の伝搬経路の長さが、２ｋ０ｎＨ２／πの整数倍である長さの０．９８倍から１．０２倍の範囲に含まれる。このように複数の第１の光導波路３１と、第２の光導波路３２と、光合分波部３３との伝搬経路の長さが設定されたことで、光合分波器３０は、結合効率の損失を低減可能とする。これにより、光合分波器３０は、高い結合効率を実現できるという効果を奏する。
【０１１１】
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【０１１２】
１  光導波路、２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ  発光素子、３  集光レンズ、４，５  光ファイバ、６  受光素子、１０  光回路、１１  半導体基板、１２  コア、１３  第１の端面、１４  第２の端面、１５，１６，２３，２４，２８  光、１７  面、２０  半導体レーザ、２１  光増幅器、２２  ミラー、２５，２６  端面、３０  光合分波器、３１，３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，３１Ｄ  第１の光導波路、３２  第２の光導波路、３３  光合分波部、３４  反射型グレーティング、３５  スラブ光導波路、３６，３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃ，３６Ｄ  伝搬経路。
【図１】
2018235200.tif 000014
【図２】
2018235200.tif 000015
【図３】
2018235200.tif 000016
【図４】
2018235200.tif 000017
【図５】
2018235200.tif 000018
【図６】
2018235200.tif 000019
【図７】
2018235200.tif 000020
【図８】
2018235200.tif 000021
【図９】
2018235200.tif 000022
【図１０】
2018235200.tif 000023
【図１１】
2018235200.tif 000024
【図１２】
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【図１３】
2018235200.tif 000026
【手続補正書】
【提出日】平成29年12月14日(2017.12.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の端面と第２の端面との間にて複数の導波モードの光が伝搬するコアを含み、
前記第１の端面から前記第２の端面へ向かう方向である第１の方向に垂直な第２の方向における前記コアの幅をＷ、前記第１の方向と前記第２の方向とに垂直な第３の方向における前記コアの高さをＨ、前記コアの屈折率をｎ、前記コアを伝搬する光の波数をｋ０、任意の自然数をＮとし、前記幅と、前記高さと、任意の自然数であるＳおよびＴとがＳＷ２＝ＴＨ２を満足するときのＳＷ２およびＴＨ２の最小値を表す関数をｆ（Ｗ２，Ｈ２）として、
前記第１の方向における前記コアの長さであるＬは、以下の式（１）を満足することを特徴とする光導波路。
【数１】
2018235200.tif 000027
【請求項２】
前記幅と前記高さとは、前記複数の導波モードの光のエバネッセント成分が生じる範囲を含めた前記コアの幅と高さとであることを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
【請求項３】
前記幅の二乗は、前記高さの二乗の整数倍であることを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路。
【請求項４】
前記高さの二乗は、前記幅の二乗の整数倍であることを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路。
【請求項５】
第１の端面と第２の端面との間にて複数の導波モードの光が伝搬するコアを含む光導波路を有し、
前記第１の端面から前記第２の端面へ向かう方向である第１の方向に垂直な第２の方向における前記コアの幅をＷ、前記第１の方向と前記第２の方向とに垂直な第３の方向における前記コアの高さをＨ、前記コアの屈折率をｎ、前記コアを伝搬する光の波数をｋ０、任意の自然数をＮとし、前記幅と、前記高さと、任意の自然数であるＳおよびＴとがＳＷ２＝ＴＨ２を満足するときのＳＷ２およびＴＨ２の最小値を表す関数をｆ（Ｗ２，Ｈ２）として、
前記第１の方向における前記コアの長さであるＬは、以下の式（２）を満足することを特徴とする光回路。
【数２】
2018235200.tif 000028
【請求項６】
前記第１の端面へ光を入射させる第１の光学素子と、
前記第２の端面から出射された光を受ける第２の光学素子と
を備えることを特徴とする請求項５に記載の光回路。
【請求項７】
前記第１の光学素子は、発光素子を含むことを特徴とする請求項６に記載の光回路。
【請求項８】
前記第１の光学素子は、光ファイバを含むことを特徴とする請求項６または７に記載の光回路。
【請求項９】
前記第２の光学素子は、光ファイバを含むことを特徴とする請求項６から８のいずれか１つに記載の光回路。
【請求項１０】
前記第２の光学素子は、前記第２の端面と前記光ファイバとの間のレンズを含むことを特徴とする請求項９に記載の光回路。
【請求項１１】
前記第２の光学素子は、光を検出する受光素子を含むことを特徴とする請求項６から１０のいずれか１つに記載の光回路。
【請求項１２】
第１の端面と第２の端面との間にて複数の導波モードの光が伝搬するコアを含む光導波路を有し、
前記第１の端面から前記第２の端面へ向かう方向である第１の方向に垂直な第２の方向における前記コアの幅をＷ、前記第１の方向と前記第２の方向とに垂直な第３の方向における前記コアの高さをＨ、前記コアの屈折率をｎ、前記コアを伝搬する光の波数をｋ０、任意の自然数をＮとし、前記幅と、前記高さと、任意の自然数であるＳおよびＴとがＳＷ２＝ＴＨ２を満足するときのＳＷ２およびＴＨ２の最小値を表す関数をｆ（Ｗ２，Ｈ２）として、
前記第１の方向における前記コアの長さであるＬは、以下の式（３）を満足することを特徴とする半導体レーザ。
【数３】
2018235200.tif 000029
【請求項１３】
前記第１の端面へ光を入射させる第１の光学素子と、
前記第２の端面へ到達した光を受ける第２の光学素子と
を備えることを特徴とする請求項１２に記載の半導体レーザ。
【請求項１４】
前記第１の光学素子は、前記第１の端面から出射した光を受けて、前記光導波路からの光を増幅させて出射する光増幅器を含み、
前記第２の光学素子は、前記第２の端面へ到達した光を反射するミラーを含む
ことを特徴とする請求項１３に記載の半導体レーザ。
【請求項１５】
前記ミラーは、前記第２の端面に設けられた高反射性材料の層であることを特徴とする請求項１４に記載の半導体レーザ。
【請求項１６】
前記ミラーは、特定の波長域の光を選択的に反射するミラーであることを特徴とする請求項１４に記載の半導体レーザ。
【請求項１７】
前記ミラーは、前記第２の端面へ到達した光のうちの一部の光を透過して、その他の光を反射するミラーであって、
前記第２の光学素子は、前記ミラーを透過した光を検出する受光素子を備えることを特徴とする請求項１４または１６に記載の半導体レーザ。
【請求項１８】
複数の導波モードの光が伝搬するコアを含み、波長域が異なる複数の光信号が伝搬する複数の第１の光導波路と、
複数の導波モードの光が伝搬するコアを含み、多重化された前記複数の光信号である多重波長信号が伝搬する第２の光導波路と、
複数の導波モードの光が伝搬するコアを含み、前記複数の光信号から前記多重波長信号へ合波、あるいは前記多重波長信号から前記複数の光信号へ分波させる光合分波部と
を含み、
前記複数の第１の光導波路において、前記コアの幅をＷ、前記コアの屈折率をｎ、前記コアを伝搬する光の波数をｋ０、任意の自然数をＭ１として、前記複数の第１の光導波路のそれぞれの長さＬ１は、以下の式（４）を満足し、
前記第２の光導波路において、前記コアの幅をＷ、前記コアの屈折率をｎ、前記コアを伝搬する前記複数の光信号における波数の平均をｋａｖｅ、任意の自然数をＭ２として、前記第２の光導波路の長さＬ２は、以下の式（５）を満足し、
前記複数の第１の光導波路と、前記光合分波部と、前記第２の光導波路とにおいて、前記コアの高さをＨ、前記コアの屈折率をｎ、前記コアを伝搬する光の波数をｋ０、任意の自然数をＭ３として、前記複数の第１の光導波路のそれぞれの長さＬ１と、前記光合分波部の長さＬｓｌａｂと、前記第２の光導波路の長さＬ２との和は、以下の式（６）を満足することを特徴とする光回路。
【数４】
2018235200.tif 000030
【数５】
2018235200.tif 000031
【数６】
2018235200.tif 000032
【請求項１９】
前記第２の光導波路の前記コアについての前記波数は、前記複数の光信号についての波数の平均であることを特徴とする請求項１８に記載の光回路。
【請求項２０】
前記複数の第１の光導波路の第１の端面に光学的に結合された第１の光学素子と、
前記第２の光導波路の第２の端面に光学的に結合された第２の光学素子と
を備えることを特徴とする請求項１８または１９に記載の光回路。
【請求項２１】
前記光合分波部は、
前記複数の第１の光導波路の第２の端面と前記第２の光導波路の第１の端面とに接続されたスラブ光導波路と、
前記スラブ光導波路に形成され、前記複数の光信号を回折により反射して前記多重波長信号を出射、あるいは前記多重波長信号を回折により反射して前記複数の光信号を出射する反射型グレーティングと
を備えることを特徴とする請求項１８から２０のいずれか１つに記載の光回路。
【国際調査報告】
2018235200.tif 000033
2018235200.tif 000034
2018235200.tif 000035
2018235200.tif 000036
2018235200.tif 000037
2018235200.tif 000038