偏波選択性多モード干渉導波路デバイス
【課題】偏波選択機能を有する多モード干渉導波路デバイスを得る。
【解決手段】偏波選択性多モード干渉導波路デバイス（１０）は、多モード干渉導波路部（３）と、多モード干渉導波路部（３）の一端の中心に接続される第１の導波路（１）と、多モード干渉導波路部（３）の一端に対向する他端の中心に接続される第２の導波路（２）とを備え、第１の導波路（１）から入射し多モード干渉導波路部（３）を伝搬して第２の導波路（２）に出射する光波のＴＭモードとＴＥモードの透過率の比が、当該デバイスの使用目的によって決まる要求仕様を満たすように、多モード干渉導波路部（３）の幅及び長さが決定されている。
【解決手段】偏波選択性多モード干渉導波路デバイス（１０）は、多モード干渉導波路部（３）と、多モード干渉導波路部（３）の一端の中心に接続される第１の導波路（１）と、多モード干渉導波路部（３）の一端に対向する他端の中心に接続される第２の導波路（２）とを備え、第１の導波路（１）から入射し多モード干渉導波路部（３）を伝搬して第２の導波路（２）に出射する光波のＴＭモードとＴＥモードの透過率の比が、当該デバイスの使用目的によって決まる要求仕様を満たすように、多モード干渉導波路部（３）の幅及び長さが決定されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏波の選択性を有する多モード干渉導波路デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
光集積回路等で用いられる導波路形光デバイスでは、デバイスに入射する偏波（通常、ＴＥモード、ＴＭモードで区別される）が異なると、所望の機能を発現しないものがある。即ち、一方の偏波のみに対して所望の機能を発現するデバイスが多く、これをデバイス特性の偏波依存性という。
【０００３】
一方、通常の光ファイバでは、光波の偏波面を一定に保つ作用がなく、光ファイバに加わる温度や圧力の変化によって、偏波面が回転する。このような光ファイバを通して、偏波依存性を有する光導波路形デバイスに光を入射すると、ファイバから互いに直交したＴＥ偏波（導波路中ではＴＥモードと呼ばれる）とＴＭ偏波（導波路中ではＴＭモードと呼ばれる）がそのまま光導波路形デバイスに入射され、その結果、光導波路形デバイスは所期の機能を発現しない。
【０００４】
例えば、干渉導波路形光アイソレータ（特許文献１参照）では、順方向にＴＭモードの光波を低損失で透過させ、逆方向にＴＭモードの光波の伝搬を阻止する機能を備えている（光アイソレータ機能）。しかしながら、ＴＥモードに対しては、非相反効果がないため、順方向、逆方向ともに伝搬を阻止する作用をもたず、光アイソレータとして機能しない。従って、このような干渉導波路形光アイソレータに、光ファイバを介して光波を入射させた場合、デバイスは光アイソレータとして正常に機能しない。
【０００５】
従って、偏波依存性を有する導波路形光デバイスを、例えば光ファイバと接続して正常に動作させるためには、光ファイバを介して入射される光波からデバイスを正常に機能させない偏波を取り除き、このデバイスに所望の偏波のみを入射させる必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−３０２６０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、従って、所定の偏波のみを選択して透過させる機能を備えた、偏波選択性多モード干渉導波路デバイスを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様では、多モード干渉導波路部と、前記多モード干渉導波路部の一端の中心に接続される第１の導波路と、前記多モード干渉導波路部の前記一端に対向する他端の中心に接続される第２の導波路と、を備える、多モード干渉導波路導波路デバイスにおいて、前記第１の導波路から入射し前記多モード干渉導波路部を伝搬して前記第２の導波路に出射する光波のＴＭモードとＴＥモードの透過率の比が、前記多モード干渉導波路部と前記第２の導波路との接続部において当該デバイスの使用目的によって決まる要求仕様を満たすように、前記多モード干渉導波路部の幅及び長さが決定されていることを特徴とする、偏波選択性多モード干渉導波路デバイスを提供する。
【０００９】
上記第１の態様において、上記要求仕様を少なくとも２０ｄＢとしても良い。また、前記ＴＥモードの透過率に対する前記ＴＭモードの透過率の比を２０ｄＢ以上（ＴＭモード透過率／ＴＥモード透過率≧１００（２０ｄＢ））とすることによって、当該デバイスをＴＭモード選択性デバイスとして機能させるようにしても良い。
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の第２の態様では、多モード干渉導波路部と、前記多モード干渉導波路部の一端の中心に接続される第１の導波路と、前記多モード干渉導波路部の前記一端に対向する他端の中心から一定の距離に、互いに対称となるように配置された第２及び第３の導波路と、を備える、多モード干渉導波路導波路デバイスにおいて、前記第１の導波路から入射し前記多モード干渉導波路部を伝搬して前記第２の導波路と第３の導波路に出射する光波のＴＭモードとＴＥモードの透過率の比が、前記多モード干渉導波路部と前記第２及び第３の導波路との接続部において当該デバイスの使用目的によって決まる要求仕様を満たすように、前記多モード干渉導波路部の幅及び長さ、さらに前記一定の距離が決定されていることを特徴とする、偏波選択性多モード干渉導波路デバイスを提供する。
【００１１】
上記態様において、前記要求仕様は、少なくとも２０ｄＢ以上としても良い。また、前記第１の導波路をＴＭモード及びＴＥモードを含む光波の入力導波路とすることによって、当該デバイスを偏波選択性のＭＭＩ分岐器として機能させるようにしても良い。
【００１２】
また、前記ＴＥモードの透過率に対する前記ＴＭモードの透過率の比を２０ｄＢ以上（ＴＭモード透過率／ＴＥモード透過率≧１００（２０ｄＢ））とすることによって、当該デバイスをＴＭモード選択性デバイスとして機能させるようにしても良い。
【００１３】
また、上記第２の態様の偏波選択性多モード干渉導波路デバイスを、ＭＭＩ結合器として用いて、多モード干渉導波路形光アイソレータを構成しても良い。
【発明の効果】
【００１４】
多モード干渉導波路を伝搬する光波では、偏波に依存して多モード干渉が現れる周期が変化する。具体的には、ＴＭモードとＴＥモードで多モード干渉の周期が異なる。この周期の違いを利用し、多モード干渉導波路を、その出射端でＴＭモードの出力が大きく、ＴＥモードの出力が殆ど無いような構造とすることによって、ＴＭ偏波のみを選択して出力することが可能な、偏波選択性多モード干渉導波路デバイスを作成することが出来る。反対に、多モード干渉導波路の出射端でＴＥモードの出力が大きく、ＴＭモードの出力が殆ど無いような構造とすることによって、ＴＥ偏波のみを選択して出力することが可能な、偏波選択性多モード干渉導波路デバイスを作成することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る、１入力１出力導波路形のデバイスの概略構成を示す斜視図。
【図２】図１に示すデバイスの上面図。
【図３】図１及び２に示すデバイスの多モード干渉導波路部における光波伝搬にともなう光パワー分布を示す図。
【図４】図（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係るデバイスの構成原理を説明するための図。
【図５】図（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係るデバイスの構成原理を説明するための図。
【図６】本発明の第１の実施形態に係るデバイスの、多モード干渉導波路部の長さに対する出力導波路への透過率変化を示す図。
【図７】本発明の第１の実施形態に係るデバイスの透過率の偏波選択性を示す図。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る、１入力２出力デバイスの概略構造を示す斜視図。
【図９】図８に示すデバイスの上面図。
【図１０】図８及び９に示すデバイスの多モード干渉導波路部における光波伝搬にともなう光パワー分布を示す図。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係るデバイスの構成原理を説明するための図。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係るデバイスの構成原理を説明するための図。
【図１３】図（ａ）及び（ｂ）は、第２の実施形態に係るデバイスの動作原理を説明するための図。
【図１４】本発明の第２の実施形態に係るデバイスの、多モード干渉導波路部の長さに対する出力導波路への透過率変化を示す図。
【図１５】本発明の第２の実施形態に係るデバイスの透過率の偏波選択性を示す図。
【図１６】本発明の第２の実施形態に係るデバイスによって構成したＭＭＩ結合器を用いた、干渉導波路形光アイソレータの概略構造を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明の種々の実施形態を、図面を参照して説明するが、これらの実施形態は単に一例であって本発明を限定するものでは無い。また、全図面を通して、同じ符号は同一又は類似の構成要素を示すので、重複した説明は行わない。更に、各図は本発明の実施形態の説明のみを目的としており、従って各部分の図面上の大きさが実際の縮尺に対応するものではない。
【００１７】
＜第１の実施形態：１入力１出力導波路デバイス＞
以下に、本発明の第１の実施形態に係る、１入力１出力導波路形の偏波選択性多モード干渉導波路デバイスについて説明する。
【００１８】
図１及び図２は、本発明の他の実施形態に係る多モード干渉デバイス１０の概略構造を示す斜視図である。このデバイス１０は、１入力導波路１出力導波路型のデバイスであり、後述するように、偏波選択デバイスとして機能する。偏波選択性多モード干渉導波路デバイス１０は、ＳＩＯ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェーハのシリコン層に形成される多モード干渉導波路部３とシングルモードの入力導波路１、出力導波路２とで構成されている。４はシリコン基板、５はＳｉＯ2クラッド層を示す。図示はしていないが、多モード干渉導波路デバイス１０を構成する多モード干渉導波路部３と入力導波路１、出力導波路２はＳｉＯ2のクラッド層５によって埋設されている。
【００１９】
図２に、デバイス１０の構造を定義するためのパラメータを示す。多モード干渉導波路部３の幅方向の端部に沿ってｘ軸を設定し、長さ方向にｚ軸を設定している。これによって、入力導波路１、出力導波路２は、ｘ軸に対称な位置（ｘ＝０）に配置される。入出力導波路１、２の断面の幅をＷで示し、多モード干渉導波路部３の幅をＷMMI、長さをＬMMI、厚さをＷTで示す。入出力導波路１、２及び多モード干渉導波路部３の厚さＷTは、通常、同じとされている。
【００２０】
図３は、図１及び図２に示す構造の偏波選択性多モード干渉導波路デバイス１０において、導波路１から光波を入力した場合の、多モード干渉導波路部３における光波分布のシミュレーション結果を示す。このシミュレーション結果は、ＴＭモードの偏波に対するものである。また、シミュレーションはモード整合法を用いて行っている。図３において、３ａで示した部分は光強度が高い部分、３ｂで示した部分は光強度が最も高い部分であり、３ｃで示す部分は光強度が最も低い部分を示す。図示するように、光波の伝搬にともなって、ｘ方向の光強度分布が周期性を持って変化する様子が理解される。
【００２１】
多モード干渉導波路部を伝搬する光波分布は、ＴＭモードとＴＥモードで相違している。また、光強度分布の周期もＴＭモードとＴＥモードで相違している。本発明者等は、ＴＭモードとＴＥモードにおけるこのような周期の違いを利用することによって、一方の偏波を通過させ、他方の偏波を遮断する、偏波選択性デバイスを構成できると考えた。
【００２２】
即ち、適当な位置で多モード干渉導波路部３を切断し、出力導波路２を接続する。例えば、図３の伝搬距離ｚ＝ｚ1では、大部分の光波パワーがｘ＝０の位置に集中している。多モード干渉導波路部３をこの位置で切断して、横方向に対称な位置（ｘ＝０）に出力導波路２を接続すると、図４（ａ）に示すように、多モード干渉導波路部３の大部分の光パワーが出力導波路２に出力される（状態Ａ）。即ち、高い透過率（＝出力光パワー／入力光パワー）が得られる。
【００２３】
一方、図３において、伝搬距離ｚ＝ｚ2の位置で多モード干渉導波路部３を切断した場合、ｘ＝０の位置では光波パワーはほとんど存在しない。即ち、ｘ＝０に出力導波路２を設置しても出力導波路２からは光波が出力されない（図４（ｂ）、状態Ｂ））。この場合、多モード干渉導波路部３中を伝搬する光波は、一部は反射して多モード干渉導波路部３中を逆方向に伝搬して入力導波路１から出力され、残りは多モード干渉導波路部３の外部に放射される。
【００２４】
以上のことから、多モード干渉導波路部３における干渉の結果、出力導波路２との接続部において光波が集中するように設定することができれば、入力導波路１から出力導波路２への透過率が大きくなる（状態Ａ）。逆に、多モード干渉導波路部３と出力導波路２との接続部において、光波のパワーが打ち消されるような状態になれば、入力導波路１から出力導波路２への透過率は小さくなる（状態Ｂ）。
【００２５】
状態Ａ及び状態Ｂとなる条件は、デバイスの構造が同じであっても偏波により異なるため、一方の偏波（例えばＴＭモード）で状態Ａとなり、他方の偏波（例えばＴＥモード）で状態Ｂとなるようにデバイス構造を設定すれば、偏波選択性多モード干渉導波路デバイスを構成することができる。
【００２６】
即ち、一方の偏波（例えばＴＭモード）に対しては状態Ａになり、他方の偏波（例えばＴＥモード）に対して状態Ｂになるようなデバイス構造を探索し、その特性をシミュレーションによって求めることにより、図１の構造の多モード干渉デバイス１０を偏波選択性デバイスとして機能させることが出来る。具体的には、干渉導波路部の幅ＷMMIを与え、長さＬMMIを適当に選ぶと、ＴＭモードに対しては状態Ａ、ＴＥモードに対しては状態Ｂとなる、偏波選択性多モード干渉デバイス１０を設計することが出来る。
【００２７】
図５は、このようにして構成された、ＴＥモード遮断多モード干渉導波路デバイスの一例を示す。図５（ａ）に示すように、このデバイスではＴＭモードを透過するが、図（ｂ）に示すように、ＴＥモードを透過しないため、ＴＭモード選択デバイスとして機能する。
【００２８】
以下に、図５に示すＴＭモード選択デバイスの設計方法について説明する。
【００２９】
図６は、出力導波路２をｘ＝０に配置し、多モード干渉導波路部３の厚さＷTと幅ＷMMIを固定し、多モード干渉導波路部３の長さＬMMIを変化させた場合の、出力される光波の透過率（出力光パワーと入力光パワーの比）をシミュレーションによって求めた結果を示す。ここで、シミュレーションはモード整合法を用いて行っている。図６に示すシミュレーションでは、多モード干渉導波路部３の厚さＷTを３００ｎｍ、幅ＷMMIを１μｍとし、さらに、入力光の波長を１．２７μｍとして行った。入力及び出力導波路１、２は、断面の幅Ｗ及び高さを３００ｎｍとし、その長さは任意である。
【００３０】
図６において、縦軸はＴＭモード及びＴＥモードの透過率を［ｄＢ］で示し、横軸は多モード干渉導波路部３の長さＬMMIを［μｍ］で示している。この図から、多モード干渉導波路長ＬMMIに対して、ＴＭモード、ＴＥモードの透過率が周期的に変化する様子がわかる。さらに、透過率の周期は、ＴＭモードとＴＥモードで異なる。したがって、例えばＬMMI＝１０．８μｍとすると、ＴＭモードの透過率が高く、ＴＥモードはほとんど出力導波路２に透過されない多モード干渉導波路部３の構造を得ることが出来る。
【００３１】
なお、このような構造は一意に定まらない。即ち、同じ構造において、ＬMMIが１０．８μｍの奇数倍でも、ＴＭモードの透過率が高く、ＴＥモードの出力導波路への透過が阻止される。一般に、多モード干渉導波路部の長さＬMMIが大きくなると、光波の損失が大きくなり、実際にデバイスとして用いるのは適当ではない。したがって、できるだけ短い多モード干渉導波路部３でＴＭモードの透過率が高く、ＴＥモードの出力導波路への透過が阻止できる構造を選ぶことが適当である（以下、これを最適多モード干渉導波路長ＬMMIOとよぶ）。最適多モード干渉導波路長ＬMMIOは、多モード導波路部３の幅ＷMMIによって変化する。
【００３２】
図７は、多モード干渉導波路幅ＷMMIに対してＴＥモードとＴＭモードの透過率を計算した結果を示す。ここで、入力及び出力導波路は、いずれも多モード干渉導波路部３の幅方向に対称な位置（横方向の中心、即ち、ｘ＝０）に接続している。また、光波の波長は１．２７μｍである。さらに、シリコンによって形成される入力及び出力導波路１、２の幅Ｗと高さを何れも３００ｎｍとし、多モード干渉導波路３、入出力導波路１、２を取り囲むクラッド層５をＳｉＯ2で構成している。図７の結果から、多モード干渉導波路部３の幅ＷMMI＝１．６μｍ、多モード干渉導波路部３の長さ（多モード干渉導波路長）ＬMMI＝９１．５μｍの場合に、ＴＭモードとＴＥモードの透過率比２０ｄＢ以上のＴＭモード選択性（ＴＥモード遮断）デバイスが実現可能であることがわかる。
【００３３】
以下の表１に、以上を考慮して設計した、ＴＭモード選択性（ＴＥモード遮断）１入力１出力導波路デバイスの一例を示す。
【表１】
【００３４】
＜第２の実施形態：１入力２出力デバイス＞
図８は、本発明の第１の実施形態に係る偏波選択性多モード干渉結合器２０の概略構造を示す斜視図であり、図９は結合器２０の各部のパラメータを示す上面図である。本実施形態の偏波選択性多モード干渉結合器２０は、光導波路形デバイスにおいて分岐・結合素子として汎用的に用いられる多モード干渉結合器（ＭＭＩ結合器：Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｃｏｕｐｌｅｒ）において、本発明に従って、入射した偏波のうち一方の偏波のみを選択的に分岐・透過させる機能を持たせるようにしたものである。この偏波選択性ＭＭＩ結合器２０を、後述する図１６に示すように、一偏波動作の干渉型アイソレータ（特許文献１参照）に組み込むことによって、光ファイバからのＴＭモード及びＴＥモードを含む入射光に対して、このアイソレータを所期の目的で動作させることが可能となる。
【００３５】
図８及び９に示すＭＭＩ結合器２０は、シングルモードの導波路２１、２２、２３と多モード干渉導波路部２４とを備えており、これらは、シリコン基板２５上に形成したＳｉＯ2クラッド層２６中に埋め込まれている。なお、図８及び９では、導波路２１、２２、２３及び多モード干渉導波路部２４を被覆するクラッド層を省略して示している。このＭＭＩ結合器２０は、導波路２１から入力し、導波路２２及び２３に出力する分岐動作、逆に、導波路２２及び２３から入力し、導波路２１に出力する結合動作を行う。光波伝搬の相反性から、分岐動作と結合動作は同じように動作するので、以下においては分岐動作のみについてその構成を説明する。
【００３６】
一般に、ＭＭＩ結合器は、多モード干渉導波路部を伝搬する多くのモードの重ね合わせ（干渉）によって分岐特性（及び結合特性）が決まる。多モード干渉導波路部を伝搬するモードは、ＴＥモードとＴＭモードで異なる伝搬特性（伝搬定数）をもつ。したがって、ＭＭＩ結合器にＴＥモードが入力した場合とＴＭモードが入力した場合で、モードの干渉の仕方は異なり、分岐特性がモードに依存して変化する。一方のモード（例えばＴＭモード）が低損失な分岐特性を示す場合に、他方のモード（ＴＥモード）が分岐導波路に出力されないように多モード干渉導波路部の構造及び分岐（出力）導波路の位置を調整することで、ＴＭモードを透過し、ＴＥモードを遮断するＭＭＩ結合器を構成することができる。
【００３７】
以下に、図８、９に示すＭＭＩ結合器２０をＴＥモード遮断導波路デバイスとして機能させる構成について説明する。
【００３８】
図１０は、図８及び９の構成を有するＭＭＩ結合器２０において、導波路２１から光波を入力した場合の、多モード干渉導波路部２４における光波分布のシミュレーション結果を示す。シミュレーションはモード整合法を用いて行った。光波の伝搬にともなって、ｘ方向の光強度分布が周期的に変化する様子が図から読み取れる。
【００３９】
ここで、適当な位置で多モード干渉導波路を切断し、２本の出力導波路（導波路２２及び２３）を接続する。例えば、図１０の伝搬距離ｚ＝ｚ1で多モード干渉導波路部２４を切断して、Ｐx＝±ｘ1の位置に出力導波路２２及び２３を接続すると、図１１に示すように、多モード干渉導波路部２４中の大部分の光パワーが出力導波路２２及び２３に出力される。ここで、多モード干渉導波路部２４はｘ方向に対称な構造となっているため、出力導波路２２及び２３は多モード干渉導波路部２４の軸に対して、対称な位置に配置することで、等分配の分岐特性を示す。また、ＭＭＩ結合器としての挿入損失が最も小さくなるように、多モード干渉導波路部２４の長さＬMMI、出力導波路２２、２３の位置Ｐxを選択する。
【００４０】
一方、図１０において、伝搬距離ｚ＝ｚ2の位置で多モード干渉導波路部２４を切断した場合、ほとんどの光波パワーがｘ＝０の位置に集中している。即ち、図１１と同じ±ｘ1の位置に出力導波路２２及び２３を設置しても、出力導波路２２、２３からは光波が出力されない（図１２）。この場合、多モード干渉導波路部２４中を伝搬する光波は、一部は反射して多モード干渉導波路部２４中を伝搬して入力導波路２１から出力され、残りは多モード干渉導波路部２４の外部に放射される。
【００４１】
したがって、一方の偏波（例えばＴＭモード）に対しては図１１のように挿入損失が小さい良好な分岐特性を示し、他方の偏波（ＴＥモード）に対しては図１２のように出力導波路２２、２３からの出力が無いように、多モード干渉導波路長ＬMMIと出力導波路位置Ｐxを設定すれば、一方の偏波のみを透過する所望のＭＭＩ結合器２０を設計することができる。実際、干渉導波路部の幅ＷMMI、長さＬMMIを適切に設計すると、図１３に示すように、ＴＭモードに対しては位置ｘ＝±Ｐx（図９参照）に配置された出力導波路２２，２３に光波が出力され（図１３の（ａ））、ＴＥモードはほとんどｘ＝０に光波が集中する（図１３の（ｂ））デバイス、即ち、偏波選択性ＭＭＩ結合器２０を構成することができる。
【００４２】
ＴＭモードに対して良好な出力があり、ＴＥモードに対して殆ど出力の無いＭＭＩ結合器２０を設計するために、多モード干渉導波路部２４の構造（多モード干渉導波路部２４の厚さＷT、幅ＷMMI、長さＬMMI）と出力導波路２２及び導波路２３の位置±Ｐxを明らかにする必要がある。ここで、多モード干渉導波路部２４の構造対称性から、入力導波路２１を多モード干渉導波路部２４のｘ方向の中心に配置し、出力導波路２２及び導波路２３をｘ方向に対称な位置に配置するという条件で設計する。
【００４３】
多モード干渉導波路部２４の厚さと幅を与えることによって、良好な分岐特性を得ることが可能な出力導波路２２、２３の位置、±ＰXを得ることが出来る。
【００４４】
図１４は、出力導波路２２及び２３をＰｘ及び−Ｐｘに配置し、多モード干渉導波路部２４の厚さと幅ＷMMIを固定し、多モード干渉導波路部２４の長さＬMMIを変化させた場合の、出力される光波の透過率（出力光パワーと入力光パワーの比）をシミュレーションによって求めた結果を示す。ここで、シミュレーションはモード整合法を用いて行っている。図１４に示すシミュレーションでは、多モード干渉導波路部２４の厚さＷTを３００ｎｍ、幅ＷMMIを１μｍ、出力導波路位置ＰXを０．３μｍとし、さらに、入力光の波長を１．２７μｍとして行った。入力及び出力導波路２１、２２、２３は、断面の幅Ｗ及び高さを３００ｎｍとし、その長さは任意である。
【００４５】
図１４において、縦軸はＴＭモード及びＴＥモードの透過率を［ｄＢ］で示し、横軸は多モード干渉導波路部２４の長さＬMMIを［μｍ］で示している。この図から、多モード干渉導波路長ＬMMIに対して、ＴＭモード、ＴＥモードの透過率が周期的に変化する様子がわかる。さらに、透過率の周期は、ＴＭモードとＴＥモードで異なる。したがって、例えばＬMMI＝９．５μｍとすると、ＴＭモードの透過率が高く、ＴＥモードはほとんど出力導波路２２、２３に透過されない多モード干渉導波路部４の構造を得ることが出来る。
【００４６】
なお、このような構造は一意に定まらない。即ち、同じ構造において、ＬMMIが９．５μｍの奇数倍のＭＭＩ結合器でも、ＴＭモードの透過率が高く、ＴＥモードの出力導波路への透過が阻止される。一般に、多モード干渉導波路部の長さＬMMIが大きくなると、光波の損失が大きくなり、実際にデバイスとして用いるのは適当ではない。したがって、できるだけ短い多モード干渉導波路部２４でＴＭモードの透過率が高く、ＴＥモードの出力導波路への透過が阻止できる構造を選ぶことが適当である（以下、これを最適多モード干渉導波路長ＬMMIOとよぶ）。最適多モード干渉導波路長ＬMMIOは、多モード導波路部２４の幅ＷMMIによって変化する。
【００４７】
図１５は、いくつかの多モード導波路部幅ＷMMI（１．０μｍ〜１．８μｍ）について最適多モード干渉導波路長ＬMMIOを計算で求めた結果を示す。また、それぞれの多モード導波路幅ＷMMIに対する最適多モード干渉導波路長ＬMMIOにおいて、ＴＭモードとＴＥモードの透過率を計算した結果も示している。図示するように、最適多モード干渉導波路長ＬMMIOが長くなると、ＴＥモードの透過率が小さくなる（遮断特性が大きくなる）。しかし、最適多モード干渉導波路長ＬMMIOが長くなると、ＴＭモードの透過率も減少する。実際のデバイス使用状況を考えると、透過を望むモードの透過率はできるだけ高い方が望ましい。したがって、目的に応じてＴＭモードの透過率を確保しつつ、適当な長さの多モード干渉導波路を用いることになる。
【００４８】
以下の表２に、以上を考慮して設計したＭＭＩ結合器２０の一例を示す。
【表２】
【００４９】
なお、上記の表１及び表２において、既定値とは、一実施形態に係る多モード干渉導波路部４の構造、特に、多モード導波路幅ＷMMIと最適多モード干渉導波路長ＬMMIOを特定するための計算において、予め設定した値を意味する。多モード導波路幅ＷMMIと最適多モード干渉導波路長ＬMMIOは、入力光の波長、入出力導波路の幅Ｗによっても変化するため、これらの値をシミュレーション等により予め決定して、最適値の計算を行う様にしている。また、出力導波路位置±ＰXは、多モード干渉導波路部４の最適構造を決定した後、シミュレーションによって多モード干渉導波路部中の光波のパワー分布を求め、この分布に基づいて最適位置を決定する。
【００５０】
上述の設計は、シリコンを導波層として用い、その周りをＳｉＯ2クラッドで囲んだ導波路構造において、導波層厚３００ｎｍの導波路部構造で、ＴＭモードを透過し、ＴＥモードを遮断するＭＭＩ結合器に対する設計手法であるが、ＴＥモードを透過し、ＴＭモードを遮断するＭＭＩ結合器に対しても、この設計手法を同様に適用することができる。また、他の導波路厚、多モード干渉導波路幅に対しても、この設計手法を同様に適用することができる。さらに、シリコンを導波層として用い、その周りをＳｉＯ2クラッドで囲んだ導波路構造以外の任意の導波路部構造に対しても、この設計手法を同様に適用することができる。
【００５１】
＜第３の実施形態：偏波選択性ＭＭＩ結合器を用いた多モード干渉導波路形光アイソレータ＞
図１６は、本発明の第３の実施形態に係る多モード干渉導波路型アイソレータ３０の構造を示す斜視図であり、このアイソレータ３０では、図８及び９に示す構造のＭＭＩ結合器２０、２０’を偏波選択性デバイスとして用いている。図１６において、３１はシリコン基板、３２はＳｉＯ2クラッド層、３３は非相反位相器、３４はＳｉ導波路で形成される相反位相器、３５は外部磁界の印加方向を示す。なお、図面では示していないが、ＭＭＩ結合器２０、２０’、非相反位相器３３、相反位相器３４はＳｉＯ2のクラッド層３２中に埋め込まれている。
【００５２】
従来の干渉導波路形光アイソレータは、順方向にＴＭモードの光波を低損失で透過させ、逆方向にＴＭモードの光波の伝搬を阻止する機能がある（光アイソレータ機能）。しかし、ＴＥモードに対しては、非相反効果がないため、順方向、逆方向ともに伝搬を阻止する作用をもたない。即ち、光アイソレータとして機能しない。
【００５３】
一方、図１６の光アイソレータ３０において、本発明の第２の実施形態に係るＭＭＩ結合器２０を用いて干渉導波路形光アイソレータ３０を形成することによって、ＴＥモードの伝搬を阻止することができる。その結果、アイソレータ３０は、順方向に伝搬する光波の偏波がＴＭモードであることが保障されていて（例えば一定の偏波を出射する発光素子を順方向に接続する）、逆方向には任意の偏波の光が入射する（例えば光ファイバを通して光波が逆方向に入射する）場合に、逆方向に光波が伝搬することを阻止することができる（ＴＭモードに対しては光アイソレータ機能による、ＴＥモードに対してはＭＭＩ結合器の機能による）。
【００５４】
なお、光アイソレータの詳細な構造及び動作については、上記特許文献１に詳細に記載されている。
【符号の説明】
【００５５】
１ 入力導波路
２ 出力導波路
３ 多モード干渉導波路部
４ シリコン基板
５ ＳｉＯ2クラッド層
１０ １入力１出力導波路デバイス
２０ １入力２出力導波路デバイス
２１ 入力導波路
２２、２３ 出力導波路
２４ 多モード干渉導波路部
２５ シリコン基板
２６ ＳｉＯ2クラッド層
３０ 光アイソレータ
３１ シリコン基板
３２ ＳｉＯ2クラッド層
３３ 非相反位相器
３４ 相反位相器
３５ 外部磁界印加方向
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏波の選択性を有する多モード干渉導波路デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
光集積回路等で用いられる導波路形光デバイスでは、デバイスに入射する偏波（通常、ＴＥモード、ＴＭモードで区別される）が異なると、所望の機能を発現しないものがある。即ち、一方の偏波のみに対して所望の機能を発現するデバイスが多く、これをデバイス特性の偏波依存性という。
【０００３】
一方、通常の光ファイバでは、光波の偏波面を一定に保つ作用がなく、光ファイバに加わる温度や圧力の変化によって、偏波面が回転する。このような光ファイバを通して、偏波依存性を有する光導波路形デバイスに光を入射すると、ファイバから互いに直交したＴＥ偏波（導波路中ではＴＥモードと呼ばれる）とＴＭ偏波（導波路中ではＴＭモードと呼ばれる）がそのまま光導波路形デバイスに入射され、その結果、光導波路形デバイスは所期の機能を発現しない。
【０００４】
例えば、干渉導波路形光アイソレータ（特許文献１参照）では、順方向にＴＭモードの光波を低損失で透過させ、逆方向にＴＭモードの光波の伝搬を阻止する機能を備えている（光アイソレータ機能）。しかしながら、ＴＥモードに対しては、非相反効果がないため、順方向、逆方向ともに伝搬を阻止する作用をもたず、光アイソレータとして機能しない。従って、このような干渉導波路形光アイソレータに、光ファイバを介して光波を入射させた場合、デバイスは光アイソレータとして正常に機能しない。
【０００５】
従って、偏波依存性を有する導波路形光デバイスを、例えば光ファイバと接続して正常に動作させるためには、光ファイバを介して入射される光波からデバイスを正常に機能させない偏波を取り除き、このデバイスに所望の偏波のみを入射させる必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−３０２６０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、従って、所定の偏波のみを選択して透過させる機能を備えた、偏波選択性多モード干渉導波路デバイスを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様では、多モード干渉導波路部と、前記多モード干渉導波路部の一端の中心に接続される第１の導波路と、前記多モード干渉導波路部の前記一端に対向する他端の中心に接続される第２の導波路と、を備える、多モード干渉導波路導波路デバイスにおいて、前記第１の導波路から入射し前記多モード干渉導波路部を伝搬して前記第２の導波路に出射する光波のＴＭモードとＴＥモードの透過率の比が、前記多モード干渉導波路部と前記第２の導波路との接続部において当該デバイスの使用目的によって決まる要求仕様を満たすように、前記多モード干渉導波路部の幅及び長さが決定されていることを特徴とする、偏波選択性多モード干渉導波路デバイスを提供する。
【０００９】
上記第１の態様において、上記要求仕様を少なくとも２０ｄＢとしても良い。また、前記ＴＥモードの透過率に対する前記ＴＭモードの透過率の比を２０ｄＢ以上（ＴＭモード透過率／ＴＥモード透過率≧１００（２０ｄＢ））とすることによって、当該デバイスをＴＭモード選択性デバイスとして機能させるようにしても良い。
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の第２の態様では、多モード干渉導波路部と、前記多モード干渉導波路部の一端の中心に接続される第１の導波路と、前記多モード干渉導波路部の前記一端に対向する他端の中心から一定の距離に、互いに対称となるように配置された第２及び第３の導波路と、を備える、多モード干渉導波路導波路デバイスにおいて、前記第１の導波路から入射し前記多モード干渉導波路部を伝搬して前記第２の導波路と第３の導波路に出射する光波のＴＭモードとＴＥモードの透過率の比が、前記多モード干渉導波路部と前記第２及び第３の導波路との接続部において当該デバイスの使用目的によって決まる要求仕様を満たすように、前記多モード干渉導波路部の幅及び長さ、さらに前記一定の距離が決定されていることを特徴とする、偏波選択性多モード干渉導波路デバイスを提供する。
【００１１】
上記態様において、前記要求仕様は、少なくとも２０ｄＢ以上としても良い。また、前記第１の導波路をＴＭモード及びＴＥモードを含む光波の入力導波路とすることによって、当該デバイスを偏波選択性のＭＭＩ分岐器として機能させるようにしても良い。
【００１２】
また、前記ＴＥモードの透過率に対する前記ＴＭモードの透過率の比を２０ｄＢ以上（ＴＭモード透過率／ＴＥモード透過率≧１００（２０ｄＢ））とすることによって、当該デバイスをＴＭモード選択性デバイスとして機能させるようにしても良い。
【００１３】
また、上記第２の態様の偏波選択性多モード干渉導波路デバイスを、ＭＭＩ結合器として用いて、多モード干渉導波路形光アイソレータを構成しても良い。
【発明の効果】
【００１４】
多モード干渉導波路を伝搬する光波では、偏波に依存して多モード干渉が現れる周期が変化する。具体的には、ＴＭモードとＴＥモードで多モード干渉の周期が異なる。この周期の違いを利用し、多モード干渉導波路を、その出射端でＴＭモードの出力が大きく、ＴＥモードの出力が殆ど無いような構造とすることによって、ＴＭ偏波のみを選択して出力することが可能な、偏波選択性多モード干渉導波路デバイスを作成することが出来る。反対に、多モード干渉導波路の出射端でＴＥモードの出力が大きく、ＴＭモードの出力が殆ど無いような構造とすることによって、ＴＥ偏波のみを選択して出力することが可能な、偏波選択性多モード干渉導波路デバイスを作成することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る、１入力１出力導波路形のデバイスの概略構成を示す斜視図。
【図２】図１に示すデバイスの上面図。
【図３】図１及び２に示すデバイスの多モード干渉導波路部における光波伝搬にともなう光パワー分布を示す図。
【図４】図（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係るデバイスの構成原理を説明するための図。
【図５】図（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係るデバイスの構成原理を説明するための図。
【図６】本発明の第１の実施形態に係るデバイスの、多モード干渉導波路部の長さに対する出力導波路への透過率変化を示す図。
【図７】本発明の第１の実施形態に係るデバイスの透過率の偏波選択性を示す図。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る、１入力２出力デバイスの概略構造を示す斜視図。
【図９】図８に示すデバイスの上面図。
【図１０】図８及び９に示すデバイスの多モード干渉導波路部における光波伝搬にともなう光パワー分布を示す図。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係るデバイスの構成原理を説明するための図。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係るデバイスの構成原理を説明するための図。
【図１３】図（ａ）及び（ｂ）は、第２の実施形態に係るデバイスの動作原理を説明するための図。
【図１４】本発明の第２の実施形態に係るデバイスの、多モード干渉導波路部の長さに対する出力導波路への透過率変化を示す図。
【図１５】本発明の第２の実施形態に係るデバイスの透過率の偏波選択性を示す図。
【図１６】本発明の第２の実施形態に係るデバイスによって構成したＭＭＩ結合器を用いた、干渉導波路形光アイソレータの概略構造を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明の種々の実施形態を、図面を参照して説明するが、これらの実施形態は単に一例であって本発明を限定するものでは無い。また、全図面を通して、同じ符号は同一又は類似の構成要素を示すので、重複した説明は行わない。更に、各図は本発明の実施形態の説明のみを目的としており、従って各部分の図面上の大きさが実際の縮尺に対応するものではない。
【００１７】
＜第１の実施形態：１入力１出力導波路デバイス＞
以下に、本発明の第１の実施形態に係る、１入力１出力導波路形の偏波選択性多モード干渉導波路デバイスについて説明する。
【００１８】
図１及び図２は、本発明の他の実施形態に係る多モード干渉デバイス１０の概略構造を示す斜視図である。このデバイス１０は、１入力導波路１出力導波路型のデバイスであり、後述するように、偏波選択デバイスとして機能する。偏波選択性多モード干渉導波路デバイス１０は、ＳＩＯ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェーハのシリコン層に形成される多モード干渉導波路部３とシングルモードの入力導波路１、出力導波路２とで構成されている。４はシリコン基板、５はＳｉＯ2クラッド層を示す。図示はしていないが、多モード干渉導波路デバイス１０を構成する多モード干渉導波路部３と入力導波路１、出力導波路２はＳｉＯ2のクラッド層５によって埋設されている。
【００１９】
図２に、デバイス１０の構造を定義するためのパラメータを示す。多モード干渉導波路部３の幅方向の端部に沿ってｘ軸を設定し、長さ方向にｚ軸を設定している。これによって、入力導波路１、出力導波路２は、ｘ軸に対称な位置（ｘ＝０）に配置される。入出力導波路１、２の断面の幅をＷで示し、多モード干渉導波路部３の幅をＷMMI、長さをＬMMI、厚さをＷTで示す。入出力導波路１、２及び多モード干渉導波路部３の厚さＷTは、通常、同じとされている。
【００２０】
図３は、図１及び図２に示す構造の偏波選択性多モード干渉導波路デバイス１０において、導波路１から光波を入力した場合の、多モード干渉導波路部３における光波分布のシミュレーション結果を示す。このシミュレーション結果は、ＴＭモードの偏波に対するものである。また、シミュレーションはモード整合法を用いて行っている。図３において、３ａで示した部分は光強度が高い部分、３ｂで示した部分は光強度が最も高い部分であり、３ｃで示す部分は光強度が最も低い部分を示す。図示するように、光波の伝搬にともなって、ｘ方向の光強度分布が周期性を持って変化する様子が理解される。
【００２１】
多モード干渉導波路部を伝搬する光波分布は、ＴＭモードとＴＥモードで相違している。また、光強度分布の周期もＴＭモードとＴＥモードで相違している。本発明者等は、ＴＭモードとＴＥモードにおけるこのような周期の違いを利用することによって、一方の偏波を通過させ、他方の偏波を遮断する、偏波選択性デバイスを構成できると考えた。
【００２２】
即ち、適当な位置で多モード干渉導波路部３を切断し、出力導波路２を接続する。例えば、図３の伝搬距離ｚ＝ｚ1では、大部分の光波パワーがｘ＝０の位置に集中している。多モード干渉導波路部３をこの位置で切断して、横方向に対称な位置（ｘ＝０）に出力導波路２を接続すると、図４（ａ）に示すように、多モード干渉導波路部３の大部分の光パワーが出力導波路２に出力される（状態Ａ）。即ち、高い透過率（＝出力光パワー／入力光パワー）が得られる。
【００２３】
一方、図３において、伝搬距離ｚ＝ｚ2の位置で多モード干渉導波路部３を切断した場合、ｘ＝０の位置では光波パワーはほとんど存在しない。即ち、ｘ＝０に出力導波路２を設置しても出力導波路２からは光波が出力されない（図４（ｂ）、状態Ｂ））。この場合、多モード干渉導波路部３中を伝搬する光波は、一部は反射して多モード干渉導波路部３中を逆方向に伝搬して入力導波路１から出力され、残りは多モード干渉導波路部３の外部に放射される。
【００２４】
以上のことから、多モード干渉導波路部３における干渉の結果、出力導波路２との接続部において光波が集中するように設定することができれば、入力導波路１から出力導波路２への透過率が大きくなる（状態Ａ）。逆に、多モード干渉導波路部３と出力導波路２との接続部において、光波のパワーが打ち消されるような状態になれば、入力導波路１から出力導波路２への透過率は小さくなる（状態Ｂ）。
【００２５】
状態Ａ及び状態Ｂとなる条件は、デバイスの構造が同じであっても偏波により異なるため、一方の偏波（例えばＴＭモード）で状態Ａとなり、他方の偏波（例えばＴＥモード）で状態Ｂとなるようにデバイス構造を設定すれば、偏波選択性多モード干渉導波路デバイスを構成することができる。
【００２６】
即ち、一方の偏波（例えばＴＭモード）に対しては状態Ａになり、他方の偏波（例えばＴＥモード）に対して状態Ｂになるようなデバイス構造を探索し、その特性をシミュレーションによって求めることにより、図１の構造の多モード干渉デバイス１０を偏波選択性デバイスとして機能させることが出来る。具体的には、干渉導波路部の幅ＷMMIを与え、長さＬMMIを適当に選ぶと、ＴＭモードに対しては状態Ａ、ＴＥモードに対しては状態Ｂとなる、偏波選択性多モード干渉デバイス１０を設計することが出来る。
【００２７】
図５は、このようにして構成された、ＴＥモード遮断多モード干渉導波路デバイスの一例を示す。図５（ａ）に示すように、このデバイスではＴＭモードを透過するが、図（ｂ）に示すように、ＴＥモードを透過しないため、ＴＭモード選択デバイスとして機能する。
【００２８】
以下に、図５に示すＴＭモード選択デバイスの設計方法について説明する。
【００２９】
図６は、出力導波路２をｘ＝０に配置し、多モード干渉導波路部３の厚さＷTと幅ＷMMIを固定し、多モード干渉導波路部３の長さＬMMIを変化させた場合の、出力される光波の透過率（出力光パワーと入力光パワーの比）をシミュレーションによって求めた結果を示す。ここで、シミュレーションはモード整合法を用いて行っている。図６に示すシミュレーションでは、多モード干渉導波路部３の厚さＷTを３００ｎｍ、幅ＷMMIを１μｍとし、さらに、入力光の波長を１．２７μｍとして行った。入力及び出力導波路１、２は、断面の幅Ｗ及び高さを３００ｎｍとし、その長さは任意である。
【００３０】
図６において、縦軸はＴＭモード及びＴＥモードの透過率を［ｄＢ］で示し、横軸は多モード干渉導波路部３の長さＬMMIを［μｍ］で示している。この図から、多モード干渉導波路長ＬMMIに対して、ＴＭモード、ＴＥモードの透過率が周期的に変化する様子がわかる。さらに、透過率の周期は、ＴＭモードとＴＥモードで異なる。したがって、例えばＬMMI＝１０．８μｍとすると、ＴＭモードの透過率が高く、ＴＥモードはほとんど出力導波路２に透過されない多モード干渉導波路部３の構造を得ることが出来る。
【００３１】
なお、このような構造は一意に定まらない。即ち、同じ構造において、ＬMMIが１０．８μｍの奇数倍でも、ＴＭモードの透過率が高く、ＴＥモードの出力導波路への透過が阻止される。一般に、多モード干渉導波路部の長さＬMMIが大きくなると、光波の損失が大きくなり、実際にデバイスとして用いるのは適当ではない。したがって、できるだけ短い多モード干渉導波路部３でＴＭモードの透過率が高く、ＴＥモードの出力導波路への透過が阻止できる構造を選ぶことが適当である（以下、これを最適多モード干渉導波路長ＬMMIOとよぶ）。最適多モード干渉導波路長ＬMMIOは、多モード導波路部３の幅ＷMMIによって変化する。
【００３２】
図７は、多モード干渉導波路幅ＷMMIに対してＴＥモードとＴＭモードの透過率を計算した結果を示す。ここで、入力及び出力導波路は、いずれも多モード干渉導波路部３の幅方向に対称な位置（横方向の中心、即ち、ｘ＝０）に接続している。また、光波の波長は１．２７μｍである。さらに、シリコンによって形成される入力及び出力導波路１、２の幅Ｗと高さを何れも３００ｎｍとし、多モード干渉導波路３、入出力導波路１、２を取り囲むクラッド層５をＳｉＯ2で構成している。図７の結果から、多モード干渉導波路部３の幅ＷMMI＝１．６μｍ、多モード干渉導波路部３の長さ（多モード干渉導波路長）ＬMMI＝９１．５μｍの場合に、ＴＭモードとＴＥモードの透過率比２０ｄＢ以上のＴＭモード選択性（ＴＥモード遮断）デバイスが実現可能であることがわかる。
【００３３】
以下の表１に、以上を考慮して設計した、ＴＭモード選択性（ＴＥモード遮断）１入力１出力導波路デバイスの一例を示す。
【表１】
【００３４】
＜第２の実施形態：１入力２出力デバイス＞
図８は、本発明の第１の実施形態に係る偏波選択性多モード干渉結合器２０の概略構造を示す斜視図であり、図９は結合器２０の各部のパラメータを示す上面図である。本実施形態の偏波選択性多モード干渉結合器２０は、光導波路形デバイスにおいて分岐・結合素子として汎用的に用いられる多モード干渉結合器（ＭＭＩ結合器：Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｃｏｕｐｌｅｒ）において、本発明に従って、入射した偏波のうち一方の偏波のみを選択的に分岐・透過させる機能を持たせるようにしたものである。この偏波選択性ＭＭＩ結合器２０を、後述する図１６に示すように、一偏波動作の干渉型アイソレータ（特許文献１参照）に組み込むことによって、光ファイバからのＴＭモード及びＴＥモードを含む入射光に対して、このアイソレータを所期の目的で動作させることが可能となる。
【００３５】
図８及び９に示すＭＭＩ結合器２０は、シングルモードの導波路２１、２２、２３と多モード干渉導波路部２４とを備えており、これらは、シリコン基板２５上に形成したＳｉＯ2クラッド層２６中に埋め込まれている。なお、図８及び９では、導波路２１、２２、２３及び多モード干渉導波路部２４を被覆するクラッド層を省略して示している。このＭＭＩ結合器２０は、導波路２１から入力し、導波路２２及び２３に出力する分岐動作、逆に、導波路２２及び２３から入力し、導波路２１に出力する結合動作を行う。光波伝搬の相反性から、分岐動作と結合動作は同じように動作するので、以下においては分岐動作のみについてその構成を説明する。
【００３６】
一般に、ＭＭＩ結合器は、多モード干渉導波路部を伝搬する多くのモードの重ね合わせ（干渉）によって分岐特性（及び結合特性）が決まる。多モード干渉導波路部を伝搬するモードは、ＴＥモードとＴＭモードで異なる伝搬特性（伝搬定数）をもつ。したがって、ＭＭＩ結合器にＴＥモードが入力した場合とＴＭモードが入力した場合で、モードの干渉の仕方は異なり、分岐特性がモードに依存して変化する。一方のモード（例えばＴＭモード）が低損失な分岐特性を示す場合に、他方のモード（ＴＥモード）が分岐導波路に出力されないように多モード干渉導波路部の構造及び分岐（出力）導波路の位置を調整することで、ＴＭモードを透過し、ＴＥモードを遮断するＭＭＩ結合器を構成することができる。
【００３７】
以下に、図８、９に示すＭＭＩ結合器２０をＴＥモード遮断導波路デバイスとして機能させる構成について説明する。
【００３８】
図１０は、図８及び９の構成を有するＭＭＩ結合器２０において、導波路２１から光波を入力した場合の、多モード干渉導波路部２４における光波分布のシミュレーション結果を示す。シミュレーションはモード整合法を用いて行った。光波の伝搬にともなって、ｘ方向の光強度分布が周期的に変化する様子が図から読み取れる。
【００３９】
ここで、適当な位置で多モード干渉導波路を切断し、２本の出力導波路（導波路２２及び２３）を接続する。例えば、図１０の伝搬距離ｚ＝ｚ1で多モード干渉導波路部２４を切断して、Ｐx＝±ｘ1の位置に出力導波路２２及び２３を接続すると、図１１に示すように、多モード干渉導波路部２４中の大部分の光パワーが出力導波路２２及び２３に出力される。ここで、多モード干渉導波路部２４はｘ方向に対称な構造となっているため、出力導波路２２及び２３は多モード干渉導波路部２４の軸に対して、対称な位置に配置することで、等分配の分岐特性を示す。また、ＭＭＩ結合器としての挿入損失が最も小さくなるように、多モード干渉導波路部２４の長さＬMMI、出力導波路２２、２３の位置Ｐxを選択する。
【００４０】
一方、図１０において、伝搬距離ｚ＝ｚ2の位置で多モード干渉導波路部２４を切断した場合、ほとんどの光波パワーがｘ＝０の位置に集中している。即ち、図１１と同じ±ｘ1の位置に出力導波路２２及び２３を設置しても、出力導波路２２、２３からは光波が出力されない（図１２）。この場合、多モード干渉導波路部２４中を伝搬する光波は、一部は反射して多モード干渉導波路部２４中を伝搬して入力導波路２１から出力され、残りは多モード干渉導波路部２４の外部に放射される。
【００４１】
したがって、一方の偏波（例えばＴＭモード）に対しては図１１のように挿入損失が小さい良好な分岐特性を示し、他方の偏波（ＴＥモード）に対しては図１２のように出力導波路２２、２３からの出力が無いように、多モード干渉導波路長ＬMMIと出力導波路位置Ｐxを設定すれば、一方の偏波のみを透過する所望のＭＭＩ結合器２０を設計することができる。実際、干渉導波路部の幅ＷMMI、長さＬMMIを適切に設計すると、図１３に示すように、ＴＭモードに対しては位置ｘ＝±Ｐx（図９参照）に配置された出力導波路２２，２３に光波が出力され（図１３の（ａ））、ＴＥモードはほとんどｘ＝０に光波が集中する（図１３の（ｂ））デバイス、即ち、偏波選択性ＭＭＩ結合器２０を構成することができる。
【００４２】
ＴＭモードに対して良好な出力があり、ＴＥモードに対して殆ど出力の無いＭＭＩ結合器２０を設計するために、多モード干渉導波路部２４の構造（多モード干渉導波路部２４の厚さＷT、幅ＷMMI、長さＬMMI）と出力導波路２２及び導波路２３の位置±Ｐxを明らかにする必要がある。ここで、多モード干渉導波路部２４の構造対称性から、入力導波路２１を多モード干渉導波路部２４のｘ方向の中心に配置し、出力導波路２２及び導波路２３をｘ方向に対称な位置に配置するという条件で設計する。
【００４３】
多モード干渉導波路部２４の厚さと幅を与えることによって、良好な分岐特性を得ることが可能な出力導波路２２、２３の位置、±ＰXを得ることが出来る。
【００４４】
図１４は、出力導波路２２及び２３をＰｘ及び−Ｐｘに配置し、多モード干渉導波路部２４の厚さと幅ＷMMIを固定し、多モード干渉導波路部２４の長さＬMMIを変化させた場合の、出力される光波の透過率（出力光パワーと入力光パワーの比）をシミュレーションによって求めた結果を示す。ここで、シミュレーションはモード整合法を用いて行っている。図１４に示すシミュレーションでは、多モード干渉導波路部２４の厚さＷTを３００ｎｍ、幅ＷMMIを１μｍ、出力導波路位置ＰXを０．３μｍとし、さらに、入力光の波長を１．２７μｍとして行った。入力及び出力導波路２１、２２、２３は、断面の幅Ｗ及び高さを３００ｎｍとし、その長さは任意である。
【００４５】
図１４において、縦軸はＴＭモード及びＴＥモードの透過率を［ｄＢ］で示し、横軸は多モード干渉導波路部２４の長さＬMMIを［μｍ］で示している。この図から、多モード干渉導波路長ＬMMIに対して、ＴＭモード、ＴＥモードの透過率が周期的に変化する様子がわかる。さらに、透過率の周期は、ＴＭモードとＴＥモードで異なる。したがって、例えばＬMMI＝９．５μｍとすると、ＴＭモードの透過率が高く、ＴＥモードはほとんど出力導波路２２、２３に透過されない多モード干渉導波路部４の構造を得ることが出来る。
【００４６】
なお、このような構造は一意に定まらない。即ち、同じ構造において、ＬMMIが９．５μｍの奇数倍のＭＭＩ結合器でも、ＴＭモードの透過率が高く、ＴＥモードの出力導波路への透過が阻止される。一般に、多モード干渉導波路部の長さＬMMIが大きくなると、光波の損失が大きくなり、実際にデバイスとして用いるのは適当ではない。したがって、できるだけ短い多モード干渉導波路部２４でＴＭモードの透過率が高く、ＴＥモードの出力導波路への透過が阻止できる構造を選ぶことが適当である（以下、これを最適多モード干渉導波路長ＬMMIOとよぶ）。最適多モード干渉導波路長ＬMMIOは、多モード導波路部２４の幅ＷMMIによって変化する。
【００４７】
図１５は、いくつかの多モード導波路部幅ＷMMI（１．０μｍ〜１．８μｍ）について最適多モード干渉導波路長ＬMMIOを計算で求めた結果を示す。また、それぞれの多モード導波路幅ＷMMIに対する最適多モード干渉導波路長ＬMMIOにおいて、ＴＭモードとＴＥモードの透過率を計算した結果も示している。図示するように、最適多モード干渉導波路長ＬMMIOが長くなると、ＴＥモードの透過率が小さくなる（遮断特性が大きくなる）。しかし、最適多モード干渉導波路長ＬMMIOが長くなると、ＴＭモードの透過率も減少する。実際のデバイス使用状況を考えると、透過を望むモードの透過率はできるだけ高い方が望ましい。したがって、目的に応じてＴＭモードの透過率を確保しつつ、適当な長さの多モード干渉導波路を用いることになる。
【００４８】
以下の表２に、以上を考慮して設計したＭＭＩ結合器２０の一例を示す。
【表２】
【００４９】
なお、上記の表１及び表２において、既定値とは、一実施形態に係る多モード干渉導波路部４の構造、特に、多モード導波路幅ＷMMIと最適多モード干渉導波路長ＬMMIOを特定するための計算において、予め設定した値を意味する。多モード導波路幅ＷMMIと最適多モード干渉導波路長ＬMMIOは、入力光の波長、入出力導波路の幅Ｗによっても変化するため、これらの値をシミュレーション等により予め決定して、最適値の計算を行う様にしている。また、出力導波路位置±ＰXは、多モード干渉導波路部４の最適構造を決定した後、シミュレーションによって多モード干渉導波路部中の光波のパワー分布を求め、この分布に基づいて最適位置を決定する。
【００５０】
上述の設計は、シリコンを導波層として用い、その周りをＳｉＯ2クラッドで囲んだ導波路構造において、導波層厚３００ｎｍの導波路部構造で、ＴＭモードを透過し、ＴＥモードを遮断するＭＭＩ結合器に対する設計手法であるが、ＴＥモードを透過し、ＴＭモードを遮断するＭＭＩ結合器に対しても、この設計手法を同様に適用することができる。また、他の導波路厚、多モード干渉導波路幅に対しても、この設計手法を同様に適用することができる。さらに、シリコンを導波層として用い、その周りをＳｉＯ2クラッドで囲んだ導波路構造以外の任意の導波路部構造に対しても、この設計手法を同様に適用することができる。
【００５１】
＜第３の実施形態：偏波選択性ＭＭＩ結合器を用いた多モード干渉導波路形光アイソレータ＞
図１６は、本発明の第３の実施形態に係る多モード干渉導波路型アイソレータ３０の構造を示す斜視図であり、このアイソレータ３０では、図８及び９に示す構造のＭＭＩ結合器２０、２０’を偏波選択性デバイスとして用いている。図１６において、３１はシリコン基板、３２はＳｉＯ2クラッド層、３３は非相反位相器、３４はＳｉ導波路で形成される相反位相器、３５は外部磁界の印加方向を示す。なお、図面では示していないが、ＭＭＩ結合器２０、２０’、非相反位相器３３、相反位相器３４はＳｉＯ2のクラッド層３２中に埋め込まれている。
【００５２】
従来の干渉導波路形光アイソレータは、順方向にＴＭモードの光波を低損失で透過させ、逆方向にＴＭモードの光波の伝搬を阻止する機能がある（光アイソレータ機能）。しかし、ＴＥモードに対しては、非相反効果がないため、順方向、逆方向ともに伝搬を阻止する作用をもたない。即ち、光アイソレータとして機能しない。
【００５３】
一方、図１６の光アイソレータ３０において、本発明の第２の実施形態に係るＭＭＩ結合器２０を用いて干渉導波路形光アイソレータ３０を形成することによって、ＴＥモードの伝搬を阻止することができる。その結果、アイソレータ３０は、順方向に伝搬する光波の偏波がＴＭモードであることが保障されていて（例えば一定の偏波を出射する発光素子を順方向に接続する）、逆方向には任意の偏波の光が入射する（例えば光ファイバを通して光波が逆方向に入射する）場合に、逆方向に光波が伝搬することを阻止することができる（ＴＭモードに対しては光アイソレータ機能による、ＴＥモードに対してはＭＭＩ結合器の機能による）。
【００５４】
なお、光アイソレータの詳細な構造及び動作については、上記特許文献１に詳細に記載されている。
【符号の説明】
【００５５】
１ 入力導波路
２ 出力導波路
３ 多モード干渉導波路部
４ シリコン基板
５ ＳｉＯ2クラッド層
１０ １入力１出力導波路デバイス
２０ １入力２出力導波路デバイス
２１ 入力導波路
２２、２３ 出力導波路
２４ 多モード干渉導波路部
２５ シリコン基板
２６ ＳｉＯ2クラッド層
３０ 光アイソレータ
３１ シリコン基板
３２ ＳｉＯ2クラッド層
３３ 非相反位相器
３４ 相反位相器
３５ 外部磁界印加方向
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多モード干渉導波路部と、
前記多モード干渉導波路部の一端の中心に接続される第１の導波路と、
前記多モード干渉導波路部の前記一端に対向する他端の中心に接続される第２の導波路と、を備える、多モード干渉導波路デバイスにおいて、
前記第１の導波路から入射し前記多モード干渉導波路部を伝搬して前記第２の導波路に出射する光波のＴＭモードとＴＥモードの透過率の比が、前記多モード干渉導波路部と前記第２の導波路との接続部において当該デバイスの使用目的によって決まる要求仕様を満たすように、前記多モード干渉導波路部の幅及び長さが決定されていることを特徴とする、偏波選択性多モード干渉導波路デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のデバイスにおいて、前記要求仕様が少なくとも２０ｄＢである、偏波選択性多モード干渉導波路デバイス。
【請求項３】
請求項１に記載のデバイスにおいて、前記ＴＥモードの透過率に対する前記ＴＭモードの透過率の比を２０ｄＢ以上とすることによって、当該デバイスをＴＭモード選択性デバイスとして機能させることを特徴とする、偏波選択性多モード干渉導波路デバイス。
【請求項４】
多モード干渉導波路部と、
前記多モード干渉導波路部の一端の中心に接続される第１の導波路と、
前記多モード干渉導波路部の前記一端に対向する他端の中心から一定の距離に、互いに対称となるように配置された第２及び第３の導波路と、を備える、多モード干渉導波路導波路デバイスにおいて、
前記第１の導波路から入射し前記多モード干渉導波路部を伝搬して前記第２の導波路と第３の導波路に出射する光波のＴＭモードとＴＥモードの透過率の比が、前記多モード干渉導波路部と前記第２及び第３の導波路との接続部において当該デバイスの使用目的によって決まる要求仕様を満たすように、前記多モード干渉導波路部の幅及び長さ、さらに前記一定の距離が決定されていることを特徴とする、偏波選択性多モード干渉導波路デバイス。
【請求項５】
請求項４に記載のデバイスにおいて、前記第１の導波路をＴＭモード及びＴＥモードを含む光波の入力導波路とすることによって、当該デバイスを偏波選択性のＭＭＩ分岐器として機能させることを特徴とする、偏波選択性多モード干渉導波路デバイス。
【請求項６】
前記４又は５に記載のデバイスにおいて、前記要求仕様は少なくとも２０ｄＢである、偏波選択性多モード干渉導波路デバイス。
【請求項７】
請求項４に記載のデバイスにおいて、前記ＴＥモードの透過率に対する前記ＴＭモードの透過率の比を２０ｄＢ以上とすることによって、当該デバイスをＴＭモード選択性デバイスとして機能させることを特徴とする、偏波選択性多モード干渉導波路デバイス。
【請求項８】
請求項４乃至７の何れか１項に記載の偏波選択性多モード干渉導波路デバイスを、ＭＭＩ結合器として用いたことを特徴とする、多モード干渉導波路形光アイソレータ。
【請求項１】
多モード干渉導波路部と、
前記多モード干渉導波路部の一端の中心に接続される第１の導波路と、
前記多モード干渉導波路部の前記一端に対向する他端の中心に接続される第２の導波路と、を備える、多モード干渉導波路デバイスにおいて、
前記第１の導波路から入射し前記多モード干渉導波路部を伝搬して前記第２の導波路に出射する光波のＴＭモードとＴＥモードの透過率の比が、前記多モード干渉導波路部と前記第２の導波路との接続部において当該デバイスの使用目的によって決まる要求仕様を満たすように、前記多モード干渉導波路部の幅及び長さが決定されていることを特徴とする、偏波選択性多モード干渉導波路デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のデバイスにおいて、前記要求仕様が少なくとも２０ｄＢである、偏波選択性多モード干渉導波路デバイス。
【請求項３】
請求項１に記載のデバイスにおいて、前記ＴＥモードの透過率に対する前記ＴＭモードの透過率の比を２０ｄＢ以上とすることによって、当該デバイスをＴＭモード選択性デバイスとして機能させることを特徴とする、偏波選択性多モード干渉導波路デバイス。
【請求項４】
多モード干渉導波路部と、
前記多モード干渉導波路部の一端の中心に接続される第１の導波路と、
前記多モード干渉導波路部の前記一端に対向する他端の中心から一定の距離に、互いに対称となるように配置された第２及び第３の導波路と、を備える、多モード干渉導波路導波路デバイスにおいて、
前記第１の導波路から入射し前記多モード干渉導波路部を伝搬して前記第２の導波路と第３の導波路に出射する光波のＴＭモードとＴＥモードの透過率の比が、前記多モード干渉導波路部と前記第２及び第３の導波路との接続部において当該デバイスの使用目的によって決まる要求仕様を満たすように、前記多モード干渉導波路部の幅及び長さ、さらに前記一定の距離が決定されていることを特徴とする、偏波選択性多モード干渉導波路デバイス。
【請求項５】
請求項４に記載のデバイスにおいて、前記第１の導波路をＴＭモード及びＴＥモードを含む光波の入力導波路とすることによって、当該デバイスを偏波選択性のＭＭＩ分岐器として機能させることを特徴とする、偏波選択性多モード干渉導波路デバイス。
【請求項６】
前記４又は５に記載のデバイスにおいて、前記要求仕様は少なくとも２０ｄＢである、偏波選択性多モード干渉導波路デバイス。
【請求項７】
請求項４に記載のデバイスにおいて、前記ＴＥモードの透過率に対する前記ＴＭモードの透過率の比を２０ｄＢ以上とすることによって、当該デバイスをＴＭモード選択性デバイスとして機能させることを特徴とする、偏波選択性多モード干渉導波路デバイス。
【請求項８】
請求項４乃至７の何れか１項に記載の偏波選択性多モード干渉導波路デバイスを、ＭＭＩ結合器として用いたことを特徴とする、多モード干渉導波路形光アイソレータ。
【図１】
【図２】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図３】
【図４】
【図５】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図３】
【図４】
【図５】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−２５５９８７（Ｐ２０１２−２５５９８７Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３００９３（Ｐ２０１１−１３００９３）
【出願日】平成２３年６月１０日（２０１１．６．１０）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１０日（２０１１．６．１０）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
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