(57)【要約】【課題】光導波路素子において、コンパクトな素子サイズで多チャンネル化を可能とし、低波長依存性や低偏光依存性を実現しながら、チャネル間アンバランスを抑制し、作製トレランスを大きくする。【解決手段】光導波路素子であって、単一モードの一の第１導波路１と、複数の第２導波路２と、一端が第１導波路１に接続され、他端が第２導波路２に接続され、一端から他端へ向けて幅が広くなるテーパ状導波路３とを備え、テーパ状導波路３の一端の幅は、単一モード条件を満たすように設定されている。【選択図】図１
2009222790.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一モードの一の第１導波路と、
複数の第２導波路と、
一端が前記第１導波路に接続され、他端が前記第２導波路に接続され、前記一端から前記他端へ向けて幅が広くなるテーパ状導波路とを備え、
前記テーパ状導波路の前記一端の幅は、単一モード条件を満たすように設定されていることを特徴とする光導波路素子。
【請求項２】
前記テーパ状導波路の前記他端は、前記複数の第２導波路が接続されている領域の両外側へ突出する領域を有することを特徴とする、請求項１記載の光導波路素子。
【請求項３】
前記テーパ状導波路の前記一端の幅は、前記第１導波路の幅と等しいことを特徴とする、請求項１又は２記載の光導波路素子。
【請求項４】
前記テーパ状導波路は、線形的に幅が広くなるテーパ状導波路であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光導波路素子。
【請求項５】
前記テーパ状導波路は、指数関数的に幅が広くなるテーパ状導波路であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光導波路素子。
【請求項６】
前記複数の第２導波路は、互いに等しい透過特性を有するようにそれぞれの幅が設定されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光導波路素子。
【請求項７】
前記複数の第２導波路のうち最外側に位置する第２導波路は、前記テーパ状導波路の前記他端に向けて幅が広くなるテーパ部を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の光導波路素子。
【請求項８】
前記テーパ部は、高次モードを単一モードに変換しうる大きさのテーパ角度を有することを特徴とする、請求項７記載の光導波路素子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の光導波路素子と、
前記光導波路素子が形成されている半導体基板上に集積された光機能素子とを備えることを特徴とする光集積素子。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の光導波路素子を備えることを特徴とする、光伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば光通信システムで用いられる光導波路素子、光集積素子及び光伝送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、波長多重信号処理方式が導入され、光通信システムにおける伝送容量が飛躍的に増大している。
光通信システムでは、様々な光信号処理を行なうために、光信号を分岐したり、結合したりする光カプラが必要となる。
このような光通信システムで用いられる光カプラ（光分岐・合波素子）に求められる条件としては、動作波長の広帯域性（低波長依存性）、偏光無依存性（低偏光依存性）、大きな作製トレランス、コンパクトさ、モノリシック集積性などを挙げることができる。
【０００３】
例えば、モノリシック集積化に適した光カプラとして、Ｙ分岐結合器［例えば図２０（ａ）参照］、方向性結合器［例えば図２０（ｂ）参照］、スターカプラ（例えば図２１参照）、多モード干渉（ＭＭＩ：multimode interference）結合器（例えば図２２参照）、モード変換型結合器などがある。
【特許文献１】特開平３−１３８６０６号公報
【特許文献２】特開平４−３０１０８号公報
【特許文献３】特開２００２−２４３９６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、例えば図２０（ａ），（ｂ）に示すように、Ｙ分岐結合器や方向性結合器は、多チャネル化に伴ってチャネル数が増加すると、素子サイズが大幅に増大してしまう。
スターカプラは、カプラ領域で光強度分布がガウス関数型になるため、出力側でチャネル間アンバランスが生じることが懸念される。
【０００５】
ＭＭＩ結合器は、素子長がＭＭＩ領域の幅の２乗に比例するため、多チャネル化に伴ってチャネル数が増加すると、素子が大型化するとともに、波長依存性や偏光依存性も顕著になる。
これに対し、テーパ状導波路を用いるモード変換型結合器は、例えばＭＭＩ結合器と比較してチャネル数の増加に応じた素子サイズの増大が小さく、コンパクトな素子サイズで多チャネル化が可能である。また、波長依存性や偏光依存性も小さい。
【０００６】
しかしながら、テーパ状導波路の幅広端に複数の出力導波路が接続されるモード変換型結合器では、中央から両端へ向かうにつれて透過率が低下する傾向があり、出力側でチャネル間アンバランスが生じることが懸念される。
また、本発明者が鋭意検討した結果、モード変換型結合器に用いられるテーパ状導波路の幅広端における光強度分布を平坦にするには、テーパ状導波路の長さを精度良く制御することが必要であり、作製トレランスが小さいことがわかった。
【０００７】
そこで、コンパクトな素子サイズで多チャンネル化を可能とし、低波長依存性や低偏光依存性を実現しながら、チャネル間アンバランスを抑制し、作製トレランスを大きくしたい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このため、本光導波路素子は、単一モードの一の第１導波路と、複数の第２導波路と、一端が第１導波路に接続され、他端が第２導波路に接続され、一端から他端へ向けて幅が広くなるテーパ状導波路とを備え、テーパ状導波路の一端の幅は、単一モード条件を満たすように設定されていることを要件とする。
本光集積素子は、上記の光導波路素子と、上記の光導波路素子が形成されている半導体基板上に集積された光機能素子とを備えることを要件とする。
【０００９】
本光伝送装置は、上記の光導波路素子を備えることを要件とする。
【発明の効果】
【００１０】
したがって、本光導波路素子、光集積素子及び光伝送装置によれば、コンパクトな素子サイズで多チャンネル化を可能とし、低波長依存性や低偏光依存性を実現しながら、チャネル間アンバランスを抑制し、作製トレランスを大きくすることができるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面により、本実施形態にかかる光導波路素子、光集積素子及び光伝送装置について、図１〜図１９を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる光導波路素子は、図１に示すように、テーパ状導波路を用いて光信号を合分岐するモード変換型光カプラ２０（光合分岐器素子；光分岐・合波素子；光分岐結合器）であって、単一モードの一の入力導波路（第１導波路）１と、複数（ここでは８つ）の出力導波路（第２導波路）２と、一端が入力導波路１に接続され、他端が出力導波路２に接続され、一端（入力側の端部；入力端）から他端（出力側の端部；出力端）へ向けて幅が徐々に広くなるテーパ状導波路３とを備える。
【００１２】
なお、このような光カプラ２０は、例えば光通信システム内で、光信号を分岐したり、結合（合波）したりする素子として単体で用いられるほか、高機能化のために複数の能動素子や受動素子を集積させた光集積素子において、これらの素子を接続するのに幅広く使用される。また、ここでは、入力導波路１、出力導波路２、テーパ状導波路３を含む全体をモード変換型光カプラとしているが、テーパ状導波路３をモード変換型光カプラと見て、これに入力導波路１及び出力導波路２が接続されていると見ることもできる。
【００１３】
特に、本実施形態では、図１に示すように、テーパ状導波路３は、入力導波路１側から出力導波路２側へ向けて線形的に（非断熱的に）幅が広くなるテーパ状導波路である。このテーパ状導波路３は、その出力端（最広端）における光強度分布が平坦になるように、数値解析的手法によって最適化されたテーパ形状になっている。つまり、テーパ状導波路３の形状によって、高次モードの励振が制御され、モード変換が行なわれるようになっている。このため、テーパ状導波路３をモード変換導波路ともいう。
【００１４】
このテーパ状導波路３の入力端の幅（最狭端幅；Ｖａｒ）は、図１に示すように、入力導波路１の幅（Ｗｉｎ）と等しくなっている（Ｖａｒ＝Ｗｉｎ）。なお、テーパ状導波路３の入力端の幅は、入力導波路１の幅と等しくなくても良く、単一モード条件を満たすように設定されていれば良い。
このため、入力導波路１を伝播してきた入力光は、テーパ状導波路３に単一モード入力されることになる。つまり、入力光がテーパ状導波路３に入射する際に、高次モードは励振されない。この場合、テーパ状導波路３に入射した単一モード入力光は、テーパ状導波路３内を伝搬する間に、自己結像現象（自己結像効果）を起こさないで、順次励振する高次モードと結合し、モード変換を受けることになる。
【００１５】
また、本実施形態では、図１に示すように、テーパ状導波路３の出力端は、複数の出力導波路２が接続されている領域Ｘの両外側へ突出した各領域Ｙ（各領域Ｙの長さをＤｗとする）を有する。このテーパ状導波路３の出力端の幅（最広端幅）は、この出力端における光強度分布に応じて設定されている。つまり、テーパ状導波路３の出力端における光強度分布は放物線形状になるが（例えば図５参照）、テーパ状導波路３の出力端の複数の出力導波路２が接続されている領域Ｘにおいて、光強度分布（光強度特性）が平坦になり、この領域Ｘの両外側へ突出した各領域Ｙにおいて、光強度分布が大きく変化するようにしている。
【００１６】
このため、テーパ状導波路３の最広端幅は、各出力導波路２の幅及び各出力導波路２間の間隔を足し合わせた合計よりも所定値以上広くなっている。つまり、図１に示すＤｗの値（Ｄｗ幅）の２倍が、テーパ状導波路３の最広端幅と各出力導波路２の幅及び各出力導波路２間の間隔を足し合わせた合計との差分になっている。
さらに、本実施形態では、複数の出力導波路２は、互いに等しい透過特性を有するようにそれぞれの幅（Ｗｏｕｔ）が設定されている。ここでは、各出力導波路２の幅は数値解析的手法によって最適化されている。なお、図１中、４つの出力導波路に付されている番号１〜４は、図２のPort1-4に対応している。
【００１７】
特に、複数の出力導波路２のうち最外側に位置する出力導波路（テーパ状導波路３の出力端の両側に最も近い位置に設けられる出力導波路）２Ａ，２Ｂは、図１に示すように、テーパ状導波路３の出力端に向けて幅が徐々に広くなるテーパ部２ＡＸ，２ＢＸを有する。これらのテーパ部２ＡＸ，２ＢＸは、高次モードを単一モードに変換しうる大きさのテーパ角度を有する。これにより、これらのテーパ部２ＡＸ，２ＢＸを光が伝播する間に高次モードが単一モードに変換されることになる。
【００１８】
ところで、本実施形態では、上述のように、テーパ状導波路３の入力端の幅（Ｖａｒ）を、単一モード条件を満たすように設定しているため、基本モードと２次の高次モードとの干渉を避けることができ、これにより、作製トレランスを大幅に増大させることができる。これについて、以下、より詳細に説明する。
ここで、図２は、本モード変換型光カプラの透過特性（Power ratio）及び光強度分布を示している。
【００１９】
ここでは、入力側に１つのポート（入力ポート；入力導波路）を有し、出力側に８つのポート（出力ポート；出力導波路）を有する１×８モード変換型光カプラ２０とし、入力導波路１及び出力導波路２の幅をいずれも１．６μｍとし、テーパ状導波路３の最狭端幅、最広端幅をそれぞれ１．６μｍ、６２μｍとし、各出力導波路２間の間隔を３．５μｍとし、最外側の出力導波路２Ａ，２Ｂのテーパ部２ＡＸ，２ＢＸの最広端幅、最狭端幅、長さをそれぞれ４．０μｍ、１．６μｍ、１００μｍ（１００μｍ長の幅テーパ導波路部）としている（図１参照）。
【００２０】
これに対し、図３は、本モード変換型光カプラの比較例の構成を示す模式図であり、図４は、この比較例のモード変換型光カプラの透過特性（Power ratio）及び光強度分布を示している。なお、図３中、４つの出力導波路に付されている番号１〜４は、図４のPort1-4に対応している。
本モード変換型光カプラ２０の構成に対して、比較例の構成は、図３に示すように、テーパ状導波路の最狭端幅（Ｖａｒ）が異なっている。つまり、比較例の構成では、テーパ状領域の最狭端幅（Ｖａｒ）が入力導波路の幅（Ｗｉｎ）よりも広くなっており、その幅が高次モードを励振させるのに十分な幅となっている。この比較例の構成では、テーパ状導波路の最狭端幅、最広端幅をそれぞれ３．０μｍ、６０μｍとしており、その他の寸法は上述の実施形態のものと同一にしている。
【００２１】
なお、図２、図４では、４チャネルの透過特性［１つの入力ポートから入力された光のパワーに対する４つの出力ポート（Port1-4）のそれぞれから出力された光のパワーの割合；光透過率］のみ示しているが、中心軸に対して左右対称構造になっているため、残りの４チャネルの透過特性はこれらの透過特性と同一になる。
まず、比較例の構造（図３参照）では、図４に示すように、テーパ状導波路の長さ（Ｌ）を最適な長さ（ここでは２３０μｍ近傍）に設定し、入力光がテーパ状導波路に入射する際に、意図的に単一モード以外の高次モードを励振させることで、各チャネルの透過特性のばらつき（透過特性のチャネル間アンバランス；チャネル間偏差）を抑え、テーパ状導波路の出射端における光強度分布が平坦になるようにしている。
【００２２】
しかしながら、図４に示すように、テーパ状導波路の長さが最適な長さよりも少し短くなったり（ここでは２００μｍ近傍）、あるいは、少し長くなったり（ここでは２６０μｍ近傍）すると、各チャネルの透過特性のばらつきが大きくなり、テーパ状導波路の出力端における光強度分布の平坦性が崩れてしまう。
このため、各チャネルの透過特性のばらつきを小さくし、テーパ状導波路の出射端における光強度分布を平坦にするために、テーパ状導波路の長さを精度良く制御することが必要になる。つまり、図３に示す比較例の構成は、作製トレランスが小さい。
【００２３】
ここで、図６は、比較例のテーパ状導波路の出力端（最広端）における光強度分布（相対的光強度分布）を示している。なお、図６では、テーパ状導波路の長さ（テーパ長）を２１０μｍ，２４０μｍ，２７０μｍとした場合の光強度分布の特性をそれぞれ示している。
図６に示すように、比較例の構成（図３参照）では、テーパ状導波路の長さが、長くなったり、短くなったりして、最適値（ここでは２４０μｍ）から３０μｍ程度ずれると、平坦な光強度分布が崩れてしまうことがわかる。つまり、比較例の構成では、入力光がテーパ状導波路に入射する際に、意図的に単一モード以外の高次モードを励振させるようになっているため、テーパ状導波路の長さが少しずれると、テーパ状導波路の出力端において基本モードと２次高次モードとの間の干渉の影響が出てしまい、テーパ状導波路の出力端における光強度分布の平坦性が崩れてしまう。
【００２４】
このため、作製誤差などによってテーパ状導波路の長さがずれてしまうと、テーパ状導波路の出力端における光強度分布が平坦にならないため、作製歩留まりが良くない。
これに対し、本モード変換型光カプラ２０では、図２に示すように、各チャネルの透過特性のばらつきが小さい領域が比較例の場合よりも広くなっており、テーパ状導波路３の長さ（Ｌ）が変化しても、テーパ状導波路３の出力端における平坦な光強度分布が維持されていることがわかる。
【００２５】
例えば、各チャネルの透過特性のばらつきの許容範囲を０．５ｄＢとすると、図４に示すように、上記比較例の構成における素子長マージンは９μｍ程度であるのに対し、図２に示すように、本モード変換型光カプラ２０における素子長マージンは５５μｍ程度となる。つまり、本モード変換型光カプラ２０は、比較例のものに対して、素子長マージンが６倍以上になっており、作製トレランスが大幅に増大することがわかる。
【００２６】
ここで、図５は、本モード変換型光カプラ２０のテーパ状導波路の出力端（最広端）における光強度分布（相対的光強度分布）を示している。なお、図５では、テーパ状導波路の長さ（テーパ長）を２５０μｍ，２８０μｍ，３１０μｍとした場合の光強度分布の特性をそれぞれ示している。
図５に示すように、本モード変換型光カプラ２０の構造（図１参照）では、テーパ状導波路３の長さが、長くなったり、短くなったりして、最適値（ここでは２８０μｍ）から３０μｍ程度ずれても（ここでは２５０μｍ〜３１０μｍの範囲内で）、平坦な光強度分布が維持されていることがわかる。つまり、本モード変換型光カプラ２０の構造では、テーパ状導波路３に単一モード入力されるため、入力光がテーパ状導波路３に入射する際に、高次モードは励振されない。このため、基本モードと２次高次モードとの間の干渉によって、テーパ状導波路３の出力端における光強度分布の平坦性が崩れてしまうことはない。
【００２７】
したがって、作製誤差などによってテーパ状導波路３の長さがずれてしまっても、テーパ状導波路３の出力端における光強度分布の平坦性は維持されるため、各チャネルの透過特性のばらつきを抑えたモード変換型光カプラ２０を高歩留まりで作製できることになる。
ところで、テーパ状導波路３の出力端における光強度分布は、放物線形状になり、両側で光の強度が急激に変化することになる（例えば図５参照）。この場合、テーパ状導波路３の出力端の複数の出力導波路２が接続されている領域Ｘ（例えば図１参照）内で光の強度が急激に変化してしまうと、大きなチャネル間アンバランスが生じてしまうことになる。
【００２８】
そこで、本実施形態では、図１に示すように、テーパ状導波路３の出力端を、複数の出力導波路２が接続されている領域Ｘの両外側へ突出した各領域Ｙを有するものとし、これらの領域Ｙの幅Ｄｗをテーパ状導波路３の出力端における光強度分布に応じて適性値に設定している。
これにより、テーパ状導波路３の出力端の複数の出力導波路２が接続されている領域Ｘにおいて光強度分布が平坦な形状になるようにしている。つまり、テーパ状導波路３の出力端に接続される複数の出力導波路２のそれぞれに伝播される光の強度（各チャネルの光透過率）をほぼ同等にすることができ、チャネル間アンバランスを抑えることができる。
【００２９】
ここで、図７は、本モード変換型光カプラ２０のテーパ状導波路３の複数の出力導波路２が接続されている領域Ｘの両外側へ突出した各領域Ｙの長さ（Ｄｗ値）に対するチャネル間アンバランスを表す値（ｄＢ）を示している。なお、この数値シミュレーションにおける各パラメータは、図２の場合と同様である。
なお、ここでは、チャネル間アンバランスを表す値は、各出力ポートの透過率の中の最大透過率と最小透過率との差分である。また、テーパ状導波路３の長さはそれぞれのＤｗ値に対する最適値としている。
【００３０】
テーパ状導波路３の出力端における光強度分布は放物線形状になるため（図５参照）、図７に示すように、Ｄｗ値が０に近づくほど、チャネル間アンバランスが大きくなる一方、Ｄｗ値が増大するにつれて、チャネル間アンバランスが低減することがわかる。
例えば、Ｄｗ値が１０μｍの場合（２×Ｄｗ値＝２０μｍ）、チャネル間アンバランスは０．１１ｄＢまで減少する。そして、Ｄｗ値が１０μｍ（合計２０μｍ）以上であれば、チャネル間アンバランスは０．５ｄＢ以下に保たれることがわかる。このように、Ｄｗ値というパラメータは、チャネル間アンバランスを解消するために非常に重要な値である。
【００３１】
ここで、図８は、本モード変換型光カプラの透過特性（transmittance；Power ratio）とＤｗ値との関係を示している。
なお、図８では、４チャネルの透過特性［１つの入力ポートから入力された光のパワーに対する４つの出力ポート（Port1-4）のそれぞれから出力された光のパワーの割合；光透過率］のみ示しているが、中心軸に対して左右対称構造になっているため、残りの４チャネルの透過特性はこれらの透過特性と同一になる。
【００３２】
図８に示すように、Ｄｗ値が１０μｍ（合計２０μｍ）以上であれば、各チャネルの透過特性のばらつきが抑えられ、チャネル間アンバランスが０．５ｄＢ以下になることがわかる。
次に、本実施形態にかかる光導波路素子（モード変換型光カプラ）の製造方法（半導体光導波路作製プロセス）について、図９を参照しながら説明する。
【００３３】
まず、ｎ型ＩｎＰ基板１０上（あるいはアンドープＩｎＰ基板）上に、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）によって、アンドープＧａＩｎＡｓＰコア層１１（発光波長１．３０μｍ，層厚０．２μｍ）、アンドープ（あるいはｐ型ドープ）ＩｎＰ層１２（層厚２．０μｍ）を順にエピタキシャル成長させる（図９参照）。
次に、上述のようにしてエピタキシャル成長を行なったウェハの表面上に、例えばＳｉＯ２膜を例えば蒸着装置などによって成膜し、例えば光露光プロセスによって、モード変換型光カプラ２０を形成するための導波路パターンをパターニングする。
【００３４】
次いで、このようにしてパターニングされたＳｉＯ２膜をマスクとして、例えば誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ；Inductive Coupled Plasma-Reactive Ion Etching）などの方法でドライエッチングを行ない、例えば高さ３μｍ程度のハイメサ導波路ストライプ構造１３を形成する（図９参照）。
次に、例えばＭＯＶＰＥ法によって、半絶縁性ＩｎＰ埋込層１４によってハイメサ導波路ストライプ構造１３が埋め込まれるように埋込結晶成長を行なって、高抵抗埋込導波路構造を形成する（図９参照）。
【００３５】
このような作製プロセスを経て、本モード変換型光カプラ２０が完成する（図９参照）。
ここで、図１０（ａ），（ｂ）は、このような作製プロセスを経て作製されたモード変換型光カプラの入出力透過特性（規格化透過率）を示している。つまり、図１０（ａ）は、テーパ状導波路３の長さが２５０μｍの場合のＴＥモード入力光における入出力透過特性（規格化透過率）を示しており、図１０（ｂ）は、テーパ状導波路３の長さが３００μｍの場合のＴＥモード入力光における入出力透過特性（規格化透過率）を示している。
【００３６】
なお、ここでは、素子パラメータとして、Ｄｗ値を１３μｍとし、テーパ状導波路３の最広端幅を６８．１μｍとしている。その他のパラメータ（入力導波路１及び出力導波路２の幅、テーパ状導波路３の最狭端幅、各出力導波路２間の間隔、最外側の出力導波路２Ａ，２Ｂのテーパ部２ＡＸ，２ＢＸの最広端幅、最狭端幅、長さ）については、図２の場合と同様である。
【００３７】
本モード変換型光カプラ２０は大きな作製トレランスを有するため、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、素子長が５０μｍ又はそれ以上変化しても、各出力ポート（各出力導波路２）の透過率はほぼ一定に保たれていることがわかる。また、素子長が変化しても、ＳバンドからＣバンドに至る波長範囲でほぼ平坦な透過特性になっており、低波長依存性を有することがわかる。
【００３８】
なお、ここでは、ＴＭモード入力光における入出力透過特性を示していないが、ＴＭモード入力光における入出力透過特性も、ＴＥモード入力光における入出力透過特性と同様に低波長依存性を有することが実験的に確認できた。
ここで、図１１（ａ），（ｂ）は、本モード変換型光カプラにおけるチャネル間アンバランスを表す特性を示している。つまり、図１１（ａ）は、入力光波長（λ）が１．５３μｍの場合のＴＥモード入力光及びＴＭモード入力光の各チャネル（各出力ポート）の透過率（Transmittance；透過特性）を示しており、図１１（ｂ）は、入力光波長が１．５５μｍの場合のＴＥモード入力光及びＴＭモード入力光の各チャネル（各出力ポート）の透過率（Transmittance；透過特性）を示している。なお、素子パラメータは、図１０（ａ）の場合と同様である。
【００３９】
図１１（ａ），（ｂ）に示すように、入力光波長によらず、チャネル間アンバランスは１．５ｄＢ以下に抑えられていることがわかる。また、偏光依存性も１ｄＢ以下に抑えられており、低偏光依存性を有することがわかる。
これに対し、図１２（ａ），（ｂ）は、上述の比較例の場合（図３参照）のチャネル間アンバランスを表す特性を示している。つまり、図１２（ａ）は、入力光波長が１．５３μｍの場合のＴＥモード入力光及びＴＭモード入力光の各チャネル（各出力ポート）の透過率（Transmittance；透過特性）を示しており、図１２（ｂ）は、入力光波長が１．５５μｍの場合のＴＥモード入力光及びＴＭモード入力光の各チャネル（各出力ポート）の透過率（Transmittance；透過特性）を示している。なお、素子パラメータは、図３の場合と同様である。
【００４０】
上述の比較例の場合、図１２（ａ），（ｂ）に示すように、本モード変換型光カプラの場合（図１１参照）と比較して、チャネル間アンバランスが４ｄＢ程度、偏光依存性が２ｄＢ程度となっており、チャネル間アンバランスが顕著に大きくなっていることがわかる。また、テーパ状導波路の長さに対する特性変化が大きく、作製トレランスが小さいことが実験的に確認されている。
【００４１】
このような結果から、本モード変換型光カプラ２０の構成は、チャネル間バランス及び作製トレランスの点で非常に有効であることが確認されている。
したがって、本実施形態にかかる光導波路素子（モード変換型光カプラ）によれば、コンパクトな素子サイズで多チャンネル化を可能とし、低波長依存性や低偏光依存性を実現しながら、チャネル間アンバランスを抑制し、作製トレランスを大きくすることができるという利点がある。
【００４２】
つまり、本光導波路素子（モード変換型光カプラ）の構成によれば、テーパ状導波路３の出力端における光強度分布の平坦性が、素子長が変化しても（例えば５０μｍ以上変化しても）ほぼ一定に維持され、高作製トレランスを実現することができるため、チャネル間バランスに優れた特性（高チャネル間バランス特性）を有する高性能な光導波路素子（モード変換型光カプラ）２０を、安価な光露光装置を用いても、高い歩留まりで作製できることになる。
【００４３】
なお、上述の実施形態では、テーパ状導波路３が、線形的に幅が広くなるテーパ状導波路（側面が平面になっているテーパ状導波路；直線的に変化するテーパを有する直線テーパ状導波路）である場合を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、テーパ状導波路の形状は、テーパ状導波路内で自己結像現象を起こさない範囲で種々変形することができる。
【００４４】
例えば、図１３に示すように、テーパ状導波路は、指数関数的に幅が広くなるテーパ状導波路３Ａ（側面が曲面になっているテーパ状導波路；曲線的に変化するテーパを有する曲線テーパ状導波路）であっても良い。なお、図１３中、４つの出力導波路に付されている番号１〜４は、図１４のPort1-4に対応している。また、このようなテーパ状導波路３Ａを有するモード変換型光カプラ２０も、上述の実施形態と同様の作製プロセスで作製することができる。
【００４５】
ここで、図１４は、指数関数的に幅が広くなるテーパ状導波路３Ａを有するモード変換型光カプラ２０の透過特性（Power ratio）を示している。
なお、図１４では、４チャネルの透過特性［１つの入力ポートから入力された光のパワーに対する４つの出力ポート（Port1-4）のそれぞれから出力された光のパワーの割合；光透過率］のみ示しているが、中心軸に対して左右対称構造になっているため、残りの４チャネルの透過特性はこれらの透過特性と同一になる。
【００４６】
また、ここでは、素子パラメータとして、テーパ状導波路３Ａの最広端幅を１０８μｍとしている。その他のパラメータ（入力導波路１及び出力導波路２の幅、テーパ状導波路３Ａの最狭端幅、各出力導波路２間の間隔、最外側の出力導波路２Ａ，２Ｂのテーパ部２ＡＸ，２ＢＸの最広端幅、最狭端幅、長さ）については、図２の場合と同様である。
上述の実施形態の場合と同様に、指数関数的に幅が広くなるテーパ状導波路３Ａを有する構造を採用した場合も、図１４に示すように、テーパ状導波路３Ａの長さ（Ｌ）が変化しても、各出力ポート（各チャネル）の透過特性のばらつきが小さい状態が維持されていることがわかる。このため、テーパ状導波路３Ａの長さが変化しても、テーパ状導波路３Ａの出力端における平坦な光強度分布が維持されることになる。
【００４７】
例えば、各チャネルの透過特性のばらつきの許容範囲を０．５ｄＢとすると、図１４に示すように、本モード変換型光カプラ２０における素子長マージンは４５μｍ程度となり、上述の実施形態の場合と同様に、作製トレランスが大幅に増大することがわかる。
また、上述の実施形態では、１×８モード変換型光カプラを例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、本発明はこれ以外のポート数を有するものに対しても適用可能であることは言うまでもない。
【００４８】
また、上述の実施形態では、１×８モード変換型光カプラを光分岐器として用いる場合の素子特性を示して説明しているが、入出力を逆にして光結合器（光合波器）として用いる場合にも上述の実施形態の場合と同様の効果が得られる。
この場合、モード変換型光カプラは、単一モードの一の出力導波路（第１導波路）と、複数の入力導波路（第２導波路）と、一端が出力導波路に接続され、他端が入力導波路に接続され、一端（出力側の端部；出力端）から他端（入力側の端部；入力端）へ向けて幅が徐々に広くなるテーパ状導波路とを備えるものとし、テーパ状導波路の一端の幅を、単一モード条件を満たすように設定すれば良く、その他の構成、製造方法等も、入出力を逆にして上述の第１実施形態の場合と同様にすれば良い。
【００４９】
また、上述の実施形態では、半導体基板上にモード変換型光カプラ２０のみを備える光導波路素子を例に挙げて説明しているが、例えば、このような光導波路素子（モード変換型光カプラ）２０が形成されている半導体基板上に、半導体光増幅器、半導体レーザ（レーザ光源）、光変調器、位相変調器、光フィルタなどの他の光機能素子及び光導波路を集積させることによって高機能な光集積素子を構成することもできる。
【００５０】
例えば図１５に示すように、単一の半導体基板（同一半導体基板）２１上に、上述の実施形態にかかる光導波路素子（モード変換型光カプラ）２０と、半導体光増幅器（ＳＯＡ）２２Ａ，２２Ｂと、光導波路２３Ａ，２３Ｂとをモノリシックに集積させて、光集積素子としての光ゲートスイッチ２４を構成することができる。ここでは、モード変換型光カプラ２０の入力側に複数の曲げ導波路（入力導波路）２３Ａを介して複数のＳＯＡ２２Ａ（ＳＯＡゲートアレイ）を接続し、モード変換型光カプラ２０の出力側に１つの光導波路（出力導波路）２３Ｂを介して１つのＳＯＡ２２Ｂを接続している。
【００５１】
このように構成される光ゲートスイッチ２４では、入力側に位置する複数のＳＯＡ２２Ａの電流制御によって、任意のチャネルの光信号を取り出すことができる。この際に、上述の実施形態にかかるモード変換型光カプラ２０による低波長依存性、低偏光依存性及び高チャネル間バランス特性によって波長多重された光信号や偏光制御されていない光信号に対して光強度が一定に保たれ、高品質な光信号処理が可能となる。
【００５２】
また、例えば図１６に示すように、単一の半導体基板（同一半導体基板）３１上に、上述の実施形態にかかる光導波路素子（モード変換型光カプラ）２０と、半導体レーザ（ＬＤ；レーザダイオード）３２と、半導体光増幅器（ＳＯＡ）３３と、光導波路３４Ａ，３４Ｂとをモノリシックに集積させて、光集積素子としての波長可変レーザ（波長可変光源）３５を構成することもできる。ここでは、モード変換型光カプラ２０の入力側に複数の曲げ導波路（入力導波路）３４Ａを介して複数の半導体レーザ３２を接続し、モード変換型光カプラ２０の出力側に１つの光導波路（出力導波路）３４Ｂを介してＳＯＡ３３を接続している。
【００５３】
なお、半導体レーザ３２としては、例えば温度調整可能な分布帰還型（ＤＦＢ：distributed feedback）レーザや電流注入制御型ＴＤＡ（tunable distributed amplification）−ＤＦＢレーザなどを用いることができる。この場合、各半導体レーザ３２が数ｎｍ程度の波長範囲にわたって波長を変化させることができるため、上述の実施形態にかかるモード変換型光カプラ２０を用いて波長可変レーザを構成すれば、Ｃバンド及びＬバンド全体にわたる広帯域波長可変動作が可能となる。また、上述の実施形態にかかるモード変換型光カプラによる低波長依存性及び高チャネル間バランス特性によって全てのチャネルにわたってレーザ出力パワーを一定に保つことも可能になる。
【００５４】
また、例えば図１７に示すように、単一の半導体基板（同一半導体基板）４１上に、上述の実施形態にかかる光導波路素子（モード変換型光カプラ）２０と、半導体レーザ（ＬＤ；レーザダイオード）４２と、半導体光増幅器（ＳＯＡ）４３と、光変調器（ＭＯＤ）４４と、光導波路４５Ａ，４５Ｂをモノリシックに集積させて、光集積素子としての外部変調器集積型波長可変レーザ（外部変調器集積型波長可変光源）４６を構成することもできる。ここでは、モード変換型光カプラ２０の入力側に複数の曲げ導波路（入力導波路）４５Ａを介して複数の半導体レーザ４２を接続し、モード変換型光カプラ２０の出力側に１つの光導波路（出力導波路）４５Ｂを介してＳＯＡ４３及びＭＯＤ４４を接続している。
【００５５】
また、例えば図１８に示すように、単一の半導体基板（同一半導体基板）５１上に、上述の実施形態にかかる光導波路素子（モード変換型光カプラ）２０と、半導体レーザ（ＬＤ；レーザダイオード）５２と、光変調器（ＭＯＤ）５３と、半導体光増幅器（ＳＯＡ）５４と、光導波路５５Ａ，５５Ｂをモノリシックに集積させて、光集積素子５６を構成することもできる。ここでは、モード変換型光カプラ２０の入力側に複数の曲げ導波路（入力導波路）５５Ａを介して複数の半導体レーザ５２及び複数のＭＯＤ５３を接続し、モード変換型光カプラ２０の出力側に１つの光導波路（出力導波路）５５Ｂを介してＳＯＡ５４を接続している。
【００５６】
また、例えば図１９に示すように、単一の半導体基板（同一半導体基板）６１上に、上述の実施形態にかかる光導波路素子（モード変換型光カプラ）２０と、半導体レーザ（ＬＤ；レーザダイオード）［又は半導体光増幅器（ＳＯＡ）］６２と、半導体光増幅器（ＳＯＡ）６３と、光フィルタ（ＯＦ）６４と、光導波路６５Ａ，６５Ｂとをモノリシックに集積させて、光集積素子６６を構成することもできる。ここでは、モード変換型光カプラ２０の入力側に複数の曲げ導波路（入力導波路）６５Ａを介して複数の半導体レーザ（又はＳＯＡ）６２を接続し、モード変換型光カプラ２０の出力側に１つの光導波路（出力導波路）６５Ｂを介してＳＯＡ６３及びＯＦ６４を接続している。この構成により、ＳＯＡの自然放出光成分を除去することができる。また、波長多重信号列が入力された場合、任意の波長成分のみを取り出すことも可能になる。
【００５７】
このような光集積素子（上述の光導波路素子を含む）によって高機能な光信号処理が可能となるため、このような高機能な光集積素子（上述の光導波路素子を含む）を備えるものとして送信装置又は受信装置を構成することで、送信装置又は受信装置の高性能化を図ることができ、さらには、この送信装置又は受信装置を、光伝送路を介して接続して光伝送装置を構成することで、光伝送装置の高性能化を図ることができる。
【００５８】
また、本発明は、上述した実施形態及びその変形例に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
以下、上述の実施形態及び変形例に関し、更に、付記を開示する。
（付記１）
単一モードの一の第１導波路と、
複数の第２導波路と、
一端が前記第１導波路に接続され、他端が前記第２導波路に接続され、前記一端から前記他端へ向けて幅が広くなるテーパ状導波路とを備え、
前記テーパ状導波路の前記一端の幅は、単一モード条件を満たすように設定されていることを特徴とする光導波路素子。
【００５９】
（付記２）
前記テーパ状導波路の前記他端は、前記複数の第２導波路が接続されている領域の両外側へ突出する領域を有することを特徴とする、付記１記載の光導波路素子。
（付記３）
前記各領域の長さが、１０μｍ以上であることを特徴とする、付記２記載の光導波路素子。
【００６０】
（付記４）
前記テーパ状導波路の前記他端の幅は、前記他端における光強度分布に応じて設定されていることを特徴とする、付記１〜３のいずれか１項に記載の光導波路素子。
（付記５）
前記テーパ状導波路の前記一端の幅は、前記第１導波路の幅と等しいことを特徴とする、付記１〜４のいずれか１項に記載の光導波路素子。
【００６１】
（付記６）
前記テーパ状導波路は、線形的に幅が広くなるテーパ状導波路であることを特徴とする、付記１〜５のいずれか１項に記載の光導波路素子。
（付記７）
前記テーパ状導波路は、指数関数的に幅が広くなるテーパ状導波路であることを特徴とする、付記１〜５のいずれか１項に記載の光導波路素子。
【００６２】
（付記８）
前記複数の第２導波路は、互いに等しい透過特性を有するようにそれぞれの幅が設定されていることを特徴とする、付記１〜７のいずれか１項に記載の光導波路素子。
（付記９）
前記複数の第２導波路のうち最外側に位置する第２導波路は、前記テーパ状導波路の前記他端に向けて幅が広くなるテーパ部を有することを特徴とする、付記１〜８のいずれか１項に記載の光導波路素子。
【００６３】
（付記１０）
前記テーパ部は、高次モードを単一モードに変換しうる大きさのテーパ角度を有することを特徴とする、付記９記載の光導波路素子。
（付記１１）
前記テーパ状導波路の長さが、２５０μｍ〜３１０μｍの範囲内であることを特徴とする、付記１〜１０のいずれか１項に記載の光導波路素子。
【００６４】
（付記１２）
付記１〜１１のいずれか１項に記載の光導波路素子と、
前記光導波路素子が形成されている半導体基板上に集積された光機能素子とを備えることを特徴とする光集積素子。
（付記１３）
前記光機能素子として、前記光導波路素子の前記第１導波路に接続された光増幅器と、前記光導波路素子の前記第２導波路に接続された光増幅器とを備えることを特徴とする、付記１２記載の光集積素子。
【００６５】
（付記１４）
前記光機能素子として、前記光導波路素子の前記第２導波路に接続されたレーザと、前記光導波路素子の前記第１導波路に接続された光増幅器とを備えることを特徴とする、付記１２記載の光集積素子。
（付記１５）
前記光機能素子として、前記光導波路素子の前記第２導波路に接続されたレーザと、前記光導波路素子の前記第１導波路に接続された光増幅器及び光変調器とを備えることを特徴とする、付記１２記載の光集積素子。
【００６６】
（付記１６）
前記光機能素子として、前記光導波路素子の前記第２導波路に接続されたレーザ及び光変調器と、前記光導波路素子の前記第１導波路に接続された光増幅器とを備えることを特徴とする、付記１２記載の光集積素子。
（付記１７）
前記光機能素子として、前記光導波路素子の前記第２導波路に接続されたレーザ又は光増幅器と、前記光導波路素子の前記第１導波路に接続された光増幅器及び光フィルタとを備えることを特徴とする、付記１２記載の光集積素子。
【００６７】
（付記１８）
付記１〜１１のいずれか１項に記載の光導波路素子を備えることを特徴とする、光伝送装置。
（付記１９）
付記１２〜１７のいずれか１項に記載の光集積素子を備えることを特徴とする、光伝送装置。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の一実施形態にかかる光導波路素子（モード変換型光カプラ）の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる光導波路素子（モード変換型光カプラ）の透過特性及び光強度分布を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態の比較例にかかる光導波路素子（モード変換型光カプラ）の構成を示す模式図である。
【図４】本発明の一実施形態の比較例にかかる光導波路素子（モード変換型光カプラ）の透過特性及び光強度分布を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態にかかる光導波路素子（モード変換型光カプラ）のテーパ状導波路の最広端における光強度分布を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態の比較例にかかる光導波路素子（モード変換型光カプラ）のテーパ状導波路の最広端における光強度分布を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態にかかる光導波路素子（モード変換型光カプラ）におけるＤｗ値とチャネル間アンバランスを表す値との関係を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態にかかる光導波路素子（モード変換型光カプラ）の透過特性とＤｗ値との関係を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態にかかる光導波路素子（モード変換型光カプラ）の構成を示す模式的断面図である。
【図１０】（ａ），（ｂ）は、本発明の一実施形態にかかる光導波路素子（モード変換型光カプラ）の入出力透過特性（規格化透過率）を示す図である。
【図１１】（ａ），（ｂ）は、本発明の一実施形態にかかる光導波路素子（モード変換型光カプラ）のチャネル間アンバランスを表す特性を示す図である。
【図１２】（ａ），（ｂ）は、本発明の一実施形態の比較例にかかる光導波路素子（モード変換型光カプラ）のチャネル間アンバランスを表す特性を示す図である。
【図１３】本発明の一実施形態の変形例にかかる光導波路素子（モード変換型光カプラ）の構成を示す模式図である。
【図１４】本発明の一実施形態の変形例にかかる光導波路素子（モード変換型光カプラ）の透過特性を示す図である。
【図１５】本発明の一実施形態にかかる光集積素子の構成例を示す模式図である。
【図１６】本発明の一実施形態にかかる光集積素子の他の構成例を示す模式図である。
【図１７】本発明の一実施形態にかかる光集積素子の他の構成例を示す模式図である。
【図１８】本発明の一実施形態にかかる光集積素子の他の構成例を示す模式図である。
【図１９】本発明の一実施形態にかかる光集積素子の他の構成例を示す模式図である。
【図２０】（ａ）はＹ分岐結合器を示す模式図であり、（ｂ）は方向性結合器を示す模式図である。
【図２１】スターカプラを示す模式図である。
【図２２】多モード干渉（ＭＭＩ）結合器を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６９】
１  入力導波路（第１導波路）
２  出力導波路（第２導波路）
２Ａ，２Ｂ  最外側に位置する出力導波路
２ＡＸ，２ＢＸ  テーパ部
３  テーパ状導波路
１０  ｎ型ＩｎＰ基板
１１  ＧａＩｎＡｓＰコア層
１２  ＩｎＰ層
１３  ハイメサ導波路ストライプ構造
１４  半絶縁性ＩｎＰ埋込層
２０  モード変換型光カプラ（光導波路素子）
２１，３１，４１，５１，６１  半導体基板
２２Ａ，２２Ｂ  半導体光増幅器
２３Ａ，２３Ｂ  光導波路
２４  光ゲートスイッチ（光集積素子）
３２  半導体レーザ
３３半導体光増幅器
３４Ａ，３４Ｂ  光導波路
３５  波長可変レーザ
４２  半導体レーザ
４３  半導体光増幅器
４４  光変調器
４５Ａ，４５Ｂ  光導波路
４６  外部変調器集積型波長可変レーザ
５２  半導体レーザ
５３  光変調器
５４  半導体光増幅器
５５Ａ，５５Ｂ  光導波路
５６  光集積素子
６２  半導体レーザ又は半導体光増幅器
６３  半導体光増幅器
６４  光フィルタ
６５Ａ，６５Ｂ  光導波路
６６  光集積素子
Ｘ  複数の出力導波路が接続されている領域
Ｙ  領域Ｘの両外側へ突出した各領域
【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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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