光学素子
【課題】電圧を印加することにより屈折率が可変な半導体コア領域と屈折率が可変ではないコア領域との接続部において、屈折率が可変な半導体コア領域から屈折率が可変ではないコア領域を経由した不要なリーク電流を低減することが可能な光学素子を提供する。
【解決手段】光学素子ＷＧ１のコア１は、第１導電型の第１半導体コア領域３２と、第１半導体コア領域３２とギャップ部４０を挟んで対向配置された第２導電型の第２半導体コア領域３３と、第１半導体コア領域３２と光の導波方向において隣接する第２導電型又は無極性の第３半導体コア領域２２と、第２半導体コア領域３３と光の導波方向において隣接し、第３半導体コア領域２２とギャップ部４０を挟んで対向配置された第１導電型又は無極性の第４半導体コア領域２３と、を部分領域として含み、第１半導体コア領域３２と第２半導体コア領域３３とに電極が接続されている。
【解決手段】光学素子ＷＧ１のコア１は、第１導電型の第１半導体コア領域３２と、第１半導体コア領域３２とギャップ部４０を挟んで対向配置された第２導電型の第２半導体コア領域３３と、第１半導体コア領域３２と光の導波方向において隣接する第２導電型又は無極性の第３半導体コア領域２２と、第２半導体コア領域３３と光の導波方向において隣接し、第３半導体コア領域２２とギャップ部４０を挟んで対向配置された第１導電型又は無極性の第４半導体コア領域２３と、を部分領域として含み、第１半導体コア領域３２と第２半導体コア領域３３とに電極が接続されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体をコアとして用いた光導波路を有する光学素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信で伝送される情報量は増加の一途をたどっている。これに対しては、（Ｉ）信号の伝送速度を増す、（ＩＩ）波長多重通信のチャンネル数を増す、といった対策が進められている。
【０００３】
光通信では光パルスを用いて光信号が伝送される。そこで、上記（Ｉ）に関しては、光パルス間の間隔が狭まるため、光パルスの時間波形を制御することが重要となる。伝送路である光ファイバ中では、光の波長によって伝搬速度が異なるという波長分散のため、光ファイバを伝搬するに伴い光パルスの時間幅が拡がってしまう。このため、光ファイバとは逆の符号の波長分散を持つ光学素子を光ファイバ伝送路中に設けて、伝送路を伝搬した後の光パルスの波長分散を除去するという波長分散補償技術が必要になる。
【０００４】
一方、（ＩＩ）の対策を進めると、光部品の数が増すとともに伝送経路も複雑になるため、光通信設備の大型化、複雑化、高額化につながるという問題が生じる。
【０００５】
光通信設備の大型化・複雑化を避けるには、設備を構成する装置の部品や回路など、構成要素の小型化、さらには小型化した構成要素を集積化して部品点数の増大を避けることが必要である。光部品の小型化を遂行するには、光部品を構成する基本要素である光学素子を小型化することが必須である。光通信用の光学素子は光導波路を用いて構成されることが多い。このため、光導波路を小型化することが、光部品の小型化を進める上で重要である。光導波路を小型化するには、シリコン（Ｓｉ）などの屈折率の高い材料を用いることが必須である。これは、媒質中の光の波長はその媒質の屈折率に反比例するため、屈折率が高いほど光導波路のコア幅などの寸法が小さくなるからである。Ｓｉの屈折率は約３．５で、シリカ（ＳｉＯ２）の屈折率（約１．５）に比べて２．３倍以上である。Ｓｉなどの高屈折率材料は、平板の基板上に形成されるため、複数の光導波路を結合することが容易で、複数の光部品を集積化する目的に適している。
【０００６】
光部品の高額化を避けるには、光学素子の製造コストを低減することが重要である。光導波路が小型化されると、光学素子一個あたりに占める原材料コストが減少し、単価を削減することができる。Ｓｉなどの高屈折率材料は、平板の基板上に形成されるため、大面積基板を用いて多数の光学素子を一つの基板上に製造することができ、製造コストをさらに削減することが可能になる。
【０００７】
このような中、特許文献１で示されるような、シリコン光導波路を用いた光学素子が提案されている。また、非特許文献１には、シリコン光導波路に電圧を加えて光学特性を電気的に制御することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】再公表ＷＯ２００７−９１４６５号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Richard A. Soref et. al. “Electrooptical Effects in Silicon”, IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. QE-23, No. 1, January 1987
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
単一材料のコアからなるシングルモード光導波路において、その一部に、特許文献１に開示されているような、光導波路に電圧を加えることにより屈折率を変化させるなどの可変機構を備えた、光学特性が可変なデバイスが実現されている。この場合、電圧を印加することにより屈折率が可変な半導体コア領域と、それ以外の屈折率が可変ではないコア領域（同一集積回路上の他の機能部への伝送路や、素子外部の光学系へと接続するためのスポットサイズコンバータ部などを含む）との接続部において、屈折率が可変ではないコア領域を経由したリーク電流が発生してしまう。
【００１１】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、電圧を印加することにより屈折率が可変な半導体コア領域と屈折率が可変ではないコア領域との接続部において、屈折率が可変ではないコア領域を経由したリーク電流を低減することが可能な光学素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するため、本発明の光学素子は、光を導波する半導体のコアを有する光学素子であって、前記コアの幅方向中央部に、光の導波方向に沿って延びる絶縁性のギャップ部を有し、前記コアは、前記ギャップ部によって光の導波方向と直交する方向に電気的に分離された分離領域を部分領域として含み、前記分離領域には、第１導電型の第１半導体コア領域と、前記第１半導体コア領域と前記ギャップ部を挟んで対向配置された第２導電型の第２半導体コア領域と、前記第１半導体コア領域と光の導波方向において隣接する第２導電型又は無極性の第３半導体コア領域と、前記第２半導体コア領域と光の導波方向において隣接し、前記第３半導体コア領域と前記ギャップ部を挟んで対向配置された第１導電型又は無極性の第４半導体コア領域と、が部分領域として含まれ、前記第１半導体コア領域と前記第２半導体コア領域とに電圧印加用の電極が接続されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明の光学素子は、光を導波する半導体のコアを有する光学素子であって、前記コアの幅方向中央部に、光の導波方向に沿って延びる絶縁性のギャップ部を有し、前記コアは、前記ギャップ部によって光の導波方向と直交する方向に電気的に分離された分離領域を部分領域として含み、前記分離領域は、光を導波する第１〜第４半導体領域を部分領域として含み、前記第１半導体領域が、第１導電型であり、前記第２半導体領域が、第１導電型と逆極性の第２導電型であり、前記第１半導体領域と前記ギャップ部を挟んで対向配置され、前記第３半導体領域が、第２導電型又は無極性であり、前記第１半導体領域と光の導波方向において隣接し、前記第４半導体領域が、第１導電型又は無極性であり、前記第２半導体領域と光の導波方向において隣接し、かつ前記第３半導体領域と前記ギャップ部を挟んで対向配置され、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間に電圧印加可能である構成とすることもできる。
【００１４】
本発明の光学素子においては、前記コアは、前記分離領域と光導波方向において隣接する位置に、光の導波方向と直交する断面内に前記ギャップ部を含まない非分離領域を有することが望ましい。
【００１５】
本発明の光学素子においては、前記コアは、第１導電型と第２導電型とが前記ギャップ部の外周に沿って交互に切り替わるように配置された複数の半導体コア領域からなる極性反転領域を部分領域として含むことが望ましい。
【００１６】
本発明の光学素子においては、前記極性反転領域は、前記ギャップ部の光の導波方向と平行な第１辺から前記ギャップ部の先端部を迂回して前記第１辺と対向する第２辺に至る前記ギャップ部の端部領域に設けられていることが望ましい。
【００１７】
本発明の光学素子においては、前記極性反転領域は、前記第１半導体コア領域から前記ギャップ部の端部領域を介して前記第２半導体コア領域に至る前記ギャップ部の外周領域全体に設けられていることが望ましい。
【００１８】
本発明の光学素子においては、前記コアは、前記極性反転領域と、前記極性反転領域と前記ギャップ部の外周に沿って隣接する無極性の半導体コア領域と、を部分領域として含むことが望ましい。
【００１９】
本発明の光学素子においては、前記コアは、前記ギャップ部の光の導波方向と平行な第１辺から前記ギャップ部の先端部を迂回して前記第１辺と対向する第２辺に至る前記ギャップ部の端部領域に、無極性の半導体コア領域を部分領域として含むことが望ましい。
【００２０】
本発明の光学素子においては、前記非分離領域は、光の導波方向と直交する方向に隣接した互いに逆極性の一対の半導体コア領域を部分領域として含むことが望ましい。
【００２１】
本発明の光学素子においては、前記非分離領域は、無極性の半導体コア領域を有することが望ましい。
【００２２】
本発明の光学素子においては、前記分離領域には、前記ギャップ部を挟んで対向配置された互いに逆極性の一対の半導体コア領域からなる導電性ブロックが、その導電性ブロックの半導体コア領域の極性が光の導波方向に沿って交互に切り替わるように、光の導波方向に沿って複数設けられていることが望ましい。
【００２３】
本発明の光学素子においては、前記ギャップ部の前記第１半導体コア領域と前記第２半導体コア領域とを隔てる部分は、前記第１半導体コア領域と前記第２半導体コア領域とのいずれよりも屈折率が小さい材料で構成され、前記ギャップ部の前記第３半導体コア領域と前記第４半導体コア領域とを隔てる部分は、前記第３半導体コア領域と前記第４半導体コア領域とのいずれよりも屈折率が小さい材料で構成されていることが望ましい。
【００２４】
本発明の光学素子においては、前記第１半導体コア領域と前記第２半導体コア領域とは、それぞれ前記ギャップ部と接する部分の厚みが他の部分よりも厚く形成されたリブ型形状を有し、前記第１半導体コア領域と前記第２半導体コア領域の前記厚みの薄い部分に前記電極が接続されていることが望ましい。
【００２５】
本発明の光学素子においては、前記ギャップ部は、絶縁体又は無極性の半導体によって構成されていることが望ましい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の光学素子によれば、第１半導体コア領域と第２半導体コア領域との間には絶縁性のギャップ部が設けられている。ギャップ部は、屈折率が可変な第１半導体コア領域と第２半導体コア領域とが対向する部分よりも長く形成され、その一部が、屈折率が可変ではない第３半導体コア領域及び第４半導体コア領域の側に突出している。そのため、第１半導体コア領域と第２半導体コア領域との間に電圧を印加した場合に、ギャップ部を迂回して、すなわち第３半導体コア領域及び第４半導体コア領域を経由して第１半導体コア領域と第２半導体コア領域との間に発生するリーク電流を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１実施形態の光学素子の説明図である。
【図２】複合コア光導波路を光の導波方向に垂直な平面で切った断面図である。
【図３】第３コア内の光強度の分布を示すシミュレーション結果である。
【図４】中間光導波路を基板と平行な面で切った断面図である。
【図５】単一コア光導波路を光の導波方向に垂直な平面で切った断面図である。
【図６】本発明の実施例と比較例のリーク特性を示す図である。
【図７】光学素子をマッハツェンダー干渉計に適用した例を示す図である。
【図８】第２実施形態の光学素子の説明図である。
【図９】第３実施形態の光学素子の説明図である。
【図１０】第４実施形態の光学素子の説明図である。
【図１１】第５実施形態の光学素子の説明図である。
【図１２】グレーティング構造を採用した光学素子を光の導波方向に垂直な平面で切った断面図である。
【図１３】中間光導波路を基板と平行な面で切った断面図である。
【図１４】グレーティング構造を採用したコアを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は部分斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施形態は、シリコン（Ｓｉ）をコア材料とした光導波路に対して本願の光学素子を適用した場合の実施形態である。
【００２９】
なお、以下の図面においては、ＸＹＺ直交座標系を設定し、ＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明する場合がある。この場合においては、光の導波方向をＹ方向、該導波方向と直交する光導波路の幅方向をＸ方向、Ｘ方向及びＹ方向と直交する高さ方向をＺ方向と称する。なお、光導波路は基板上に形成されるため、Ｘ方向とＹ方向は基板と平行な方向であり、Ｚ方向は基板と垂直な方向である。なお、以下の実施形態では、光導波路をコアがＹ方向に延びる直線光導波路としているが、コアが湾曲した曲がり光導波路であっても良い。
【００３０】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１実施形態にかかる光学素子ＷＧ１の説明図である。光学素子ＷＧ１は、単一材料からなるコアを有するシングルモード光導波路である単一コア光導波路１０と、ギャップ構造を有する複合コア光導波路３０と、両者の中間に光学的に接続されて位置する中間光導波路２０と、を備えている。
【００３１】
光導波路１０，２０，３０のコア１１，４１，４２は、それぞれ下部クラッド６上に形成されたコア１のＹ方向に連続した３つの部分領域を構成する。コア１は、Ｙ方向に長手方向を有する帯状の半導体層として構成されており、その長手方向の一端面が第１の光入出射端面、他端面が第２の光入出射端面とされている。コア１の長手方向（光の導波方向；Ｙ方向）の一端側には、コア１の幅方向（光の導波方向と直交する方向；Ｘ方向）の中央部に、コア１の長手方向に沿って延びる絶縁性のギャップ部４０が設けられており、そのギャップ部４０によってコア１の一端側の領域が長手方向と直交する方向に２分割されている。コア１には、このようにギャップ部４０によって光の導波方向と直交する方向に２分割された分離領域が部分領域として含まれており、この分離領域のうちコア１の長手方向の一端面（第１の光入出射端面）を含む一部の領域がコア４２となっており、２分割された残りの領域を含む領域がコア４１となっている。コア１の他端側はギャップ部４０が設けられない非分離領域となっており、この非分離領域のうち、コア１の長手方向他端面（第２の光入出射端面）を含む一部の領域がコア１１となっている。
【００３２】
なお、「光入出射端面」とは、光入射端面又は光出射端面を意味する。光が単一コア光導波路１０側から複合コア光導波路３０側に導波される場合には、単一コア光導波路１０側の光入出射端面は光入射端面であり、複合コア光導波路３０側の光入出射端面は光出射端面である。光が複合コア光導波路３０側から単一コア光導波路１０側に導波される場合には、単一コア光導波路１０側の光入出射端面は光出射端面であり、複合コア光導波路３０側の光入出射端面は光入射端面である。本実施形態では、単一コア光導波路１０側から複合コア光導波路３０側に光が導波されるものとするが、この方向は逆でも良い。
【００３３】
本実施形態では、単一コア光導波路１０と複合コア光導波路３０とのインターフェースとして中間光導波路２０を有し、複合コア光導波路３０の第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３との間に電圧を印加した際に、第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３とが光の導波方向と直交する方向において対向する面から第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３との間に流れる第１のリーク電流、及び、第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３とに隣接する中間光導波路２０のコア４１を経由して第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３との間に流れる第２のリーク電流を低減した光導波路を提供するものである。
【００３４】
ここでは、中間光導波路２０の第１中間コア導電性部２２及び第２中間コア導電性部２３として、複合コア光導波路３０の第１複合コア導電性部３２及び第２複合コア導電性部３３とは逆の極性を有する半導体材料により構成されたものを例示するが、これは一例であり、本発明では、後に他の実施形態として示すような高抵抗体として真性半導体を利用するものや、３つ以上に分割された領域から構成されたものを用いることも可能である。
【００３５】
次に、各領域について概要を説明する。
【００３６】
単一コア光導波路１０は、単一材料によるコアからなる光導波路である。単一コア光導波路１０は、他の機能を有する部分から本発明のギャップ構造を有する複合コア光導波路３０へ光を導波する役割を果たす。他の機能とは、受発光器、干渉計等、光を用いた機能であり、使用に当たって機能素子外へ光を入力又は出力することが必須となる機能のことである。また、ここには、モードフィールドコンバータ（ＭＦＣ）（スポットサイズコンバータ）など、光学素子外部の光部品との接続に要する機能も挙げられる。構造としては、一般に知られているシリコン細線光導波路や、リブ型光導波路などが挙げられる。
【００３７】
ここで、「単一」とは、高屈折率な材料からなるコアと低屈折率な材料からなるクラッドにより構成される構造を示す。「複合コア光導波路」の「複合」と区別するために用いており、低屈折率材料によりコアが分離しない構造である。例えば、シリコンをコア材料とした構造では、矩形のシリコンがシリカの中に埋め込まれる構造や、シリコンをリブ構造とし、下部にシリカ、上部が空気又はシリカからなる構造が知られている。また、第１のコアの周囲に第１のコアよりも低い屈折率を有する第２のコアを有する構造も、また、コアが分離しないという点で、ここで言う「単一コア」に含めるものとする。
【００３８】
単一コアは一般的な構造の光導波路で多様な場所で使用されている。本発明の中間光導波路は、この単一コア光導波路と、ギャップ構造を有する複合コア光導波路とを接続する役割を有するものであり、両端がその接続対象の光導波路の形状となる。これにより、ギャップ構造を有する複合コア光導波路構造とギャップ構造を有しない単一コア光導波路構造とを融合したデバイスを実現することが可能となる。
【００３９】
複合コア光導波路３０は、第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３とが、それらの中央に位置する複合コアギャップ部３１により分離され、これらの領域にまたがって光が伝播する、複合コア構造を有する光導波路である。コア４２は、複合コアギャップ部３１を挟んで分離された第１複合コア導電性部（第１半導体コア領域）（第１半導体領域）３２と第２複合コア導電性部（第２半導体コア領域）（第２半導体領域）３３とを部分領域として含む。複合コア光導波路３０は、単一のモードが前記２つの部分領域にまたがって伝搬されるシングルモード光導波路となっている。
【００４０】
複合コアギャップ部３１は、絶縁体やドーピングされていない無極性の半導体などの、第１複合コア導電性部３２及び第２複合コア導電性部３３よりも電気伝導率の低い絶縁性の材料から構成されている。第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３とは、高抵抗の複合コアギャップ部３１によって電気的に分離されており、第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３との間に流れる第１のリーク電流が複合コアギャップ部３１により低減されることにより、第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３との間に高い電圧をかけることが可能となっている。
【００４１】
例えば、本実施形態では第１複合コア導電性部３２及び第２複合コア導電性部３３としてＰ型およびＮ型のシリコンを用い、両者の間に電圧を加えることで、キャリアプラズマ効果による屈折率変化を利用して光学特性を可変に制御するデバイスを実現している。このとき、第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３との間が電気伝導率の低い複合コアギャップ部３１によって隔てられているので、第１のリーク電流の低減により、発熱増加による影響の減少や消費電力そのものの低減という効果が得られる。なお、キャリア密度変化による屈折率の変化については、非特許文献１に記載されている。
【００４２】
また、複合コアギャップ部３１が第１複合コア導電性部３２及び第２複合コア導電性部３３よりも屈折率の低い材料から構成されている場合には、複合コアギャップ部３１のない単一材料からなるコアの光導波路と比較して製造トレランスを広げる効果も得られる。
【００４３】
中間光導波路２０は、単一コア光導波路１０と複合コア光導波路３０との間に位置し、低損失で単一コア光導波路１０と複合コア光導波路３０とを接続するとともに、複合コア光導波路３０の第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３との間に電圧を印加した際に、単一コア光導波路１０又は中間光導波路２０内に生じる第２のリーク電流を低減することを目的として形成される。
【００４４】
図２は、複合コア光導波路３０のＸＺ平面による断面図である。本実施形態では、ＳＯＩ基板を元に加工して作製した光導波路を示す。基板５は、光学素子ＷＧ１を作製する元になる基板である。本実施形態においては、シリコン（Ｓｉ）からなる。
【００４５】
基板５の上部に位置する下部クラッド６は、第１複合コア導電性部３２及び第２複合コア導電性部３３よりも低い屈折率を有する材料であり、例えば、本実施形態においてはＳＯＩ基板の有する熱酸化膜（ＳｉＯ２）をそのまま利用している。上部クラッド７についても下部クラッド６と同様の条件を持つ。本実施形態においては、上部クラッド７にもＳｉＯ２を使用している。下部クラッド６及び上部クラッド７の材料としては、窒酸化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ）あるいは窒化シリコン（ＳｉｘＮｙ）などを適用することも可能であり、例えば、窒酸化シリコンＳｉＯｘＮｙでは、組成比ｘ：ｙを制御することで、製造段階において屈折率を制御することが可能である。
【００４６】
第１複合コア導電性部３２及び第２複合コア導電性部３３には、Ｓｉなどの半導体材料に適宜不純物を添加することにより、それぞれＰ型またはＮ型の導電性を付与したものとすることができる。例えば、第１複合コア導電性部３２をＰ型領域として、第２複合コア導電性部３３をＮ型領域としても良く、第１複合コア導電性部３２をＮ型領域として、第２複合コア導電性部３３をＰ型領域としても良い。Ｐ型とＮ型とのうちのいずれか一方を第１導電型、いずれか他方を第２導電型としたときに、第１複合コア導電性部３２を第１導電型とし、第２複合コア導電性部３３を第２導電型とすれば良い。
【００４７】
半導体からなる第１複合コア導電性部３２及び第２複合コア導電性部３３に導電性を付与する不純物（ドーパント）は、母体媒質に応じて適宜選択して用いることができる。例えば、母体媒質がシリコン等のＩＶ族半導体である場合には、Ｐ型極性を与える添加物としてホウ素（Ｂ）等のＩＩＩ族元素が、また、Ｎ型極性を与える添加物としてリン（Ｐ）やヒ素（Ａｓ）等のＶ族元素が挙げられる。
【００４８】
複合コア光導波路３０のコア４２は、中央部の厚みの厚い部分と、その両側の厚みの薄い部分とを有するリブ型形状である。図２の例では、コア４２は、第１のリブである第１複合コア導電性部３２と、第２のリブである第２複合コア導電性部３３と、の２つのリブを部分領域として含む。第１複合コア導電性部３２及び第２複合コア導電性部３３は複合コアギャップ部３１よりも高屈折率の材料からなる。
【００４９】
第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３とは、それぞれ同一形状で且つ互いに水平方向に反転した形状を有する。具体的には、第１複合コア導電性部３２は、厚みの薄い平板部（薄板部）３２ｂと、平板部３２ｂの複合コアギャップ３１側の縁の上に位置し、平板部３２ｂから上部クラッド７側に突出する厚みの厚い凸状部（厚板部）３２ａとから構成される。第２複合コア導電性部３３は、厚みの薄い平板部（薄板部）３３ｂと、平板部３３ｂの複合コアギャップ３１側の縁の上に位置し、平板部３３ｂから上部クラッド７側に突出する厚みの厚い凸状部（厚板部）３３ａとから構成される。凸状部３２ａと凸状部３３ａは、複合コアギャップ部３１の両側を挟んで対向配置され、複合コアギャップ部３１の側面に接している。凸状部３２ａ，３３ａを構成する材料と平板部３２ｂ、３３ｂを構成する材料は同じである。
【００５０】
リブ型光導波路は、中央の厚みのある凸状部３２ａ，３３ａよりも十分離れた領域においては、その構造は光の伝播特性に影響はなく、適宜その形状を加工することが可能である。例えば、本実施形態においては、この厚みの薄い平板部３２ｂ、３３ｂを介して図示略の電極パッド（電極）を備え、電圧を印加するものとしている。
なお、上記実施形態では、平板部３２ｂ，３３ｂにそれぞれ電極が接続される構成を示したが、第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３との間に電圧を印加するための構成は、これに限定されない。例えば、平板部３２ｂ，３３ｂに電気的に接続された配線等により、複合コア導電性部３２，３３間に電圧を印加する構成も可能である。
具体的には、この光学素子ＷＧ１が集積化されたときに、複合コア導電性部３２，３３の平板部３２ｂ，３３ｂに電気的に接続された他のデバイスによって複合コア導電性部３２，３３間に電圧が印加されてもよい。
【００５１】
複合コアギャップ部３１は、第１複合コア導電性部３２及び第２複合コア導電性部３３よりも電気伝導率の低い高抵抗材料から構成される。本実施形態においては、絶縁体であるＳｉＯ２を用いる。こうすることにより、第１複合コア導電性部３２及び第２複合コア導電性部３３の薄い平板部３２ｂ、３３ｂを介して離隔した電極パッドに電気的に接続し、電極パッドに電圧を印加することによって複合コアギャップ部３１を挟んだ第１複合コア導電性部３２及び第２複合コア導電性部３３の両側領域に電荷を蓄え、キャリア密度変化により屈折率の変化を誘起し、光学素子ＷＧ１の光学特性を変化させることが可能となる。複合コアギャップ部３１の材料については、前述した窒酸化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ）あるいは窒化シリコン（ＳｉｘＮｙ）、または無極性のＳｉも適用可能である。
【００５２】
このように構成された複合コア光導波路３０が光の導波方向（Ｙ方向）に一様に続くとした場合について、モードソルバーにより計算したシミュレーション結果を図３に示す。図３は、上部クラッド７、下部クラッド６、及び、複合コアギャップ部３１を屈折率１．４５のＳｉＯ２、第１複合コア導電性部３２及び第２複合コア導電性部３３を屈折率３．４８のＳｉ、図２の各部の寸法をｔ１＝２５０ｎｍ、ｔ２＝５０ｎｍ、Ｗ１＝２８０ｎｍ、Ｗ２＝１６０ｎｍとしたときの基本伝搬モードのシミュレーション結果の光強度分布を等高線図で表したものである。なお、参考のため各材料の界面を同時に記載した。このとき、基本伝搬モードの実効屈折率は２．１６４０であった。
【００５３】
図３に示したように、複合コア光導波路を伝播する光は、主に複合コア導電性部の凸状部に閉じ込められている。光の一部が平板部や複合コアギャップ部にしみ出しているが、大部分は厚みの厚い凸状部に閉じ込められており、コアの幅方向（Ｘ方向）において十分な閉じ込めが行われることがわかる。そのため、電圧印加時にキャリア密度の変化する凸状部が、伝搬モードにおいて光強度の強い部分となり、凸状部の屈折率変動に対する伝搬モードの実効屈折率変化が増大される。また、複合コアギャップ部を挟んで対向する一対の複合コア導電性部の構造が、誘電体を導電性の平板で挟んだキャパシタ状の構造となることで、電圧印加によるキャリア密度の増加が図られる。
【００５４】
図３に示されるように、各複合コア導電性部（半導体コア領域）において、光が導波する範囲は各複合コア導電性部の全体でなくてもよい。すなわち、光が導波する範囲は、複合コア導電性部の全体であってもよいし、一部であってもよい。
複合コア導電性部（半導体コア領域）は、光の導波が少ない部分を含んでいてもよいのであるから、一般的に「全域にわたり光が伝播する領域」と認識される「コア」という語を含んでいるものの、この一般的な概念に限定して解釈するべきものではない。
すなわち、「コア領域」は「光を導波する部分を含む領域」であるから、「半導体コア領域」は、光を導波する部分を含む「半導体領域」と言うこともできる。
【００５５】
図４は、中間光導波路２０の構成を説明する説明図である。図４（ａ）は、中間光導波路２０のＸＹ平面による断面図であり、図４（ｂ）は、中間光導波路２０の複合コア光導波路３０側の領域２０ａをＸＺ平面で切った断面であり、図４（ｃ）は、中間光導波路２０の単一コア光導波路１０側の領域２０ｂをＸＺ平面で切った断面である。
【００５６】
図４（ａ）に示すように、中間光導波路２０には、複合コアギャップ部３１と連続する中間コアギャップ部２１が設けられている。中間コアギャップ部２１は、複合コアギャップ部３１と共に、光学素子ＷＧ１の第１コア４２及び第２コア４１の一部若しくは全部を光の導波方向と直交する方向（Ｘ方向）に分離するギャップ部４０を構成する。
【００５７】
本実施形態の中間コアギャップ部２１は、コア４１の複合コア光導波路３０側の領域２０ａのみに存在する。中間コアギャップ部２１の光の導波方向において対向する一対の端面を第１端面２１ａ及び第２端面２１ｂとすると、複合コア光導波路３０側の第２端面２１ｂは、中間光導波路２０と複合コア光導波路３０との接続界面に配置され、単一コア光導波路１０側の第１端面２１ａは、中間光導波路２０と単一コア光導波路１０との接続界面よりも複合コア光導波路３０側に配置されている。
【００５８】
図４（ｂ）に示すように、中間光導波路２０の複合コア光導波路３０側の領域２０ａにおいては、複合コア光導波路３０と同様に、中間光導波路２０は中間コアギャップ部２１によってコア４１が２つに分離されたギャップ構造を有する。中間光導波路２０は、中間コアギャップ部２１と、その両側に位置する第１中間コア導電性部２２と、第２中間コア導電性部２３との３領域からなる構造を有する。コア４１は、中間コアギャップ部２１を挟んで分離された第１中間コア導電性部（第３半導体コア領域）（第３半導体領域）２２と第２中間コア導電性部（第４半導体コア領域）（第４半導体領域）２３とを部分領域として含む。中間光導波路２０は、単一のモードが前記２つの部分領域にまたがって伝搬されるシングルモード光導波路となっている。
【００５９】
中間光導波路２０のコア４１は、中央部の厚みの厚い部分と、その両側の厚みの薄い部分とを有するリブ型形状である。図４（ｂ）の例では、コアは、第１のリブである第１中間コア導電性部２２と、第２のリブである第２中間コア導電性部２３と、の２つのリブを部分領域として含む。第１中間コア導電性部２２及び第２中間コア導電性部２３は中間コアギャップ部２１よりも高屈折率の材料からなる。
【００６０】
第１中間コア導電性部２２と第２中間コア導電性部２３とは、それぞれ同一形状で且つ互いに水平方向に反転した形状を有する。具体的には、第１中間コア導電性部２２は、厚みの薄い平板部（薄板部）２２ｂと、平板部２２ｂの中間コアギャップ２１側の縁の上に位置し、平板部２２ｂから上部クラッド７側に突出する厚みの厚い凸状部（厚板部）２２ａとから構成される。第２中間コア導電性部２３は、厚みの薄い平板部（薄板部）２３ｂと、平板部２３ｂの中間コアギャップ２１側の縁の上に位置し、平板部２３ｂから上部クラッド７側に突出する厚みの厚い凸状部（厚板部）２３ａとから構成される。凸状部２２ａと凸状部２３ａとは、中間コアギャップ部２１の両側を挟んで対向配置され、中間コアギャップ部２１の側面に接している。凸状部２２ａ，２３ａを構成する材料と平板部２２ｂ、２３ｂを構成する材料は同じである。
【００６１】
中間コアギャップ部２１は、絶縁体やドーピングされていない無極性の半導体などの、電気伝導率の小さい高抵抗材料からなる。本実施形態の場合、複合コア光導波路３０の複合コアギャップ部３１と同じ材料からなるが、複合コアギャップ部３１と異なる材料によって構成しても良い。第１中間コア導電性部２２及び第２中間コア導電性部２３は、第１複合コア導電性部３２及び第２複合コア導電性部３３を構成するコア材料と同種の材料（本実施形態の場合はＳｉ）からなる。第１中間コア導電性部２２においては、光の導波方向において隣接する第１複合コア導電性部３２とは反対の極性の不純物がドーピングされており、第２中間コア導電性部２３においては、光の導波方向において隣接する第２複合コア導電性部３３とは反対の極性の不純物がドーピングされている。すなわち、第１複合コア導電性部３２がＰ型、第２複合コア導電性部３３がＮ型である場合は、第１中間コア導電性部２２はＮ型、第２中間コア導電性部２３はＰ型であり、第１複合コア導電性部３２がＮ型、第２複合コア導電性部３３がＰ型である場合は、第１中間コア導電性部２２はＰ型、第２中間コア導電性部２３はＮ型である。
【００６２】
図４（ｃ）に示すように、中間光導波路２０の単一コア光導波路１０側の領域２０ｂにおいては、中間コアギャップ部が設けられておらず、ギャップ構造によってコア４１が分離されない単一コア構造（非分離領域）となっている。領域２０ｂのコア４１は、第１中間コア導電性部２２と同一材料からなり第１中間コア導電性部２２と一体に形成される第３中間コア導電性部（第５半導体コア領域）（第５半導体領域）２４と、第２中間コア導電性部２３と同一材料からなり第２中間コア導電性部２３と一体に形成される第４中間コア導電性部（第６半導体コア領域）（第６半導体領域）２５とを部分領域として含み、これらがＹＺ平面と平行な接続界面を有して互いに接する構造となっている。
【００６３】
領域２０ｂのコア４１は、中央部の厚みの厚い部分と、その両側の厚みの薄い部分とを有するリブ型形状である。図４（ｃ）の例では、コアは、第１のリブである第３中間コア導電性部２４と、第２のリブである第４中間コア導電性部２５と、の２つのリブを部分領域として含む。
【００６４】
第３中間コア導電性部２４と第４中間コア導電性部２５とは、それぞれ同一形状で且つ互いに水平方向に反転した形状を有する。具体的には、第３中間コア導電性部２４は、厚みの薄い平板部（薄板部）２４ｂと、平板部２４ｂのコア中央側の縁の上に位置し、平板部２４ｂから上部クラッド７側に突出する厚みの厚い凸状部（厚板部）２４ａとから構成される。第４中間コア導電性部２５は、厚みの薄い平板部（薄板部）２５ｂと、平板部２５ｂのコア中央側の縁の上に位置し、平板部２５ｂから上部クラッド７側に突出する厚みの厚い凸状部（厚板部）２５ａとから構成される。凸状部２４ａ，２５ａを構成する材料と平板部２４ｂ、２５ｂを構成する材料は同じである。
【００６５】
第３中間コア導電性部２４及び第４中間コア導電性部２５は、第１中間コア導電性部２２及び第２中間コア導電性部２３を構成するコア材料と同種の材料（本実施形態の場合はＳｉ）からなる。第３中間コア導電性部２４においては、光の導波方向において隣接する第１中間コア導電性部２２と同じ極性の不純物がドーピングされており、第４中間コア導電性部２５においては、光の導波方向において隣接する第２中間コア導電性部２３と同じ極性の不純物がドーピングされている。すなわち、第１中間コア導電性部２２がＰ型、第２中間コア導電性部２３がＮ型である場合は、第３中間コア導電性部２４はＰ型、第４中間コア導電性部２５はＮ型であり、第１中間コア導電性部２２がＮ型、第２中間コア導電性部２３がＰ型である場合は、第３中間コア導電性部２４はＮ型、第４中間コア導電性部２５はＰ型である。
【００６６】
上記のように構成された中間光導波路２０及び複合コア光導波路３０においては、第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３との間に電圧を印加した場合に発生する第２のリーク電流の経路のうち、中間光導波路２０を経由する経路は、第１複合コア導電性部３２−第１中間コア導電性部２２−第３中間コア導電性部２４−第４中間コア導電性部２５−第２中間コア導電性部２３−第２複合コア導電性部３３、またはこの逆となる。すなわち、中間コアギャップ部２１の外周に沿って、第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３との間を反時計回り若しくは時計回りに結ぶ経路である。
【００６７】
ここで、第１中間コア導電性部２２と第１複合コア導電性部３２、及び、第２中間コア導電性部２３と第２複合コア導電性部３３とが、それぞれ同一の極性である場合には、中間光導波路２０において第３中間コア導電性部２４と第４中間コア導電性部２５とが接触している領域は、ＰＮ接合となり、順方向に第２のリーク電流が流れる。しかし、本実施形のように第１中間コア導電性部２２と第１複合コア導電性部３２、及び、第２中間コア導電性部２３と第２複合コア導電性部３３とが、それぞれ反対の極性となっている場合には、上記の経路における半導体の極性は、ＰＮＰＮまたはＮＰＮＰとなり、どちらの場合においても、第２のリーク電流の流れる経路に沿って、Ｎ型からＰ型へと極性の変化する接合を含む。Ｐ型とＮ型の接合においては、順方向に電圧を印加、すなわちＰ型側にＮ型側よりも高い電圧を印加した場合には、Ｐ型側からＮ型側へとリーク電流が流れることになるが、逆方向に電圧を印加、すなわちＮ型側にＰ型側よりも高い電圧を印加した場合には、Ｎ型側からＰ型側へのリーク電流は抑制される。このため、第２のリーク電流の流れる経路に沿ってＮ型からＰ型への変化を有する、すなわちＰ型とＮ型の接合において、Ｎ型側に、Ｐ型側に対して高い電位が印加されている状態において、Ｎ型からＰ型へ流れる第２のリーク電流は低減されることになる。
【００６８】
この場合、中間コアギャップ部２１が存在しない場合でも、原理的には同様の効果が得られる。すなわち、中間コアギャップ部２１が存在しない場合でも、第１複合コア導電性部３２と第２中間コア導電性部２３、及び、第２複合コア導電性部３３と第１中間コア導電性部２２とが、複合コアギャップ部３１で離間されるため、第２のリーク電流の経路は、第１複合コア導電性部３２−第１中間コア導電性部２２−第３中間コア導電性部２４−第４中間コア導電性部２５−第２中間コア導電性部２３−第２複合コア導電性部３３、またはこの逆となる。よって、上記の経路における半導体の極性は、ＰＮＰＮまたはＮＰＮＰとなり、どちらの場合においても、第２のリーク電流の流れる経路に沿ってＮ型からＰ型へと極性の変化する接合を含む。
【００６９】
しかし、複合コア光導波路３０における複合コアギャップ部３１の幅が小さい場合には、第１中間コア導電性部２２と第２複合コア導電性部３３、及び、第２中間コア導電性部２３と第１複合コア導電性部３２が、それぞれ接近しているために、十分な空間電荷層が存在する場合と比較して、第２のリーク電流が増大する。
【００７０】
一方、本実施形態のように中間コアギャップ２１が第１中間コア導電性部２２と第２中間コア導電性部２３との間に配置されていると、各境界間を十分に空けることができるため、複合コアギャップ部３１の幅が小さい場合でも確実に第２のリーク電流を低減することが可能となる。
【００７１】
なお、本形態例では、中間コアギャップ部２１をコア４１の長手方向（Ｙ方向）の一部に設けたが、この構成は必須ではなく、中間光導波路２０全体にわたって中間コアギャップ部２１を有する構造、すなわち、第３中間コア導電性部２４及び第４中間コア導電性部２５のない構造も可能である。
【００７２】
例えば、中間光導波路２０と接する単一コア光導波路１０のコア１１を不純物ドープの行われない無極性の半導体とすると、第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３との間に電圧を印加した場合に発生する第２のリーク電流の経路のうち、中間光導波路を経由する経路は、第１複合コア導電性部３２−第１中間コア導電性部２２−コア１１−第２中間コア導電性部２３−第２複合コア導電性部３３、またはこの逆となる。この経路においては、半導体コア領域の極性が２回変化することとなる。そのため、より第２のリーク電流を低減することができる。
【００７３】
図５は、単一コア光導波路１０のＸＺ平面による断面図である。単一コア光導波路１０のコア１１は、中央部の厚みの厚い部分と、その両側の厚みの薄い部分とを有するリブ型形状である。コア１１は、厚みの薄い平板部１１ｂと、平板部１１ｂの中央部に位置し、平板部１１ｂから上部クラッド７側に突出する凸状部１１ａとから構成される。凸状部１１ａを構成する材料と平板部１１ｂを構成する材料は同じである。コア１１においては、凸状部１１ａが低屈折率のギャップ部によって分離されておらず、単一材料によって構成された単一コア（非分離領域）となっている。
【００７４】
本実施形態においては、コア１１はシリコンからなり、複合コア光導波路３０のコア４２（第１複合コア導電性部３２、第２複合コア導電性部３２）と、中間光導波路２０のコア４１（第１中間コア導電性部２２、第２中間コア導電性部２３、第３中間コア導電性部２４、第４中間コア導電性部２５）と同一幅（Ｗ３＝２Ｗ１＋Ｗ２）及び高さ（ｔ１，ｔ２）を有して、一度に形成される。図５の単一コア光導波路１０は、図４に示した中間光導波路２０の単一コア光導波路側の領域２０ｂと比較して、コア１１が不純物のドーピングを必須としない点以外は、第３中間コア導電性部２４及び第４中間コア導電性部２５で構成された部分と同じである。
【００７５】
本実施形態の場合、コア１１は、ＳＯＩ基板の表層部のシリコン層を用いて形成される。中間光導波路及び複合コア光導波路のコアは、Ｐ型又はＮ型の不純物をドーピングされているが、コア１１の場合はこのような不純物がドーピングされておらず、無極性の半導体となっている。
【００７６】
ここで、「無極性」とは、シリコン層に外部から不純物ドーピングを行っていないということを意味し、シリコン層が真性半導体からなる場合だけでなく、ＳＯＩ基板にもともと含まれている微量な導電性不純物によってシリコン層に微量な導電性不純物が含まれている場合も含む。例えば、チョクラルスキー法等の製法で作製されたシリコン基板には、Ｐ型又はＮ型の導電性不純物が微量に含まれているのが一般的である。そのようなシリコン基板を用いてＳＯＩ基板を作製した場合には、ＳＯＩ基板の内部に存在する導電性不純物によって、得られるコア１１の内部にも微量な導電性不純物が含まれることとなる。
【００７７】
なお、コア１１の材料、形状は特にこれに限らず、上部クラッド７及び下部クラッド６が光導波路を形成するという条件のもと適宜選択することができる。また、半導体を材料として用いた場合の極性に関して、必ずしも無極性の半導体である必要はなく、中間コア導電性部において使用されているＮ型及びＰ型の極性を有する半導体材料の使用も可能である。
【００７８】
［実施例］
図６は、本発明の効果を説明するための説明図である。図６において、「実施例」とは、図１の構造、すなわち、複合コア光導波路をギャップ構造とし、且つ、複合コア光導波路と単一コア光導波路との間に中間光導波路を設けた構造であり、「比較例」とは、複合コア光導波路を単一コア構造とし、且つ、複合コア光導波路と単一コア光導波路との間に中間光導波路を設けない構造である。また、図６の横軸は第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３との間に印加する電圧であり、縦軸は第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３との間に流れる第１のリーク電流及び第２のリーク電流の合計の総リーク電流を示している。
【００７９】
図６に示すように、本実施例の光学素子では比較例の光学素子に比べて総リーク電流が少ない。比較例の光学素子では、印加電圧を大きくしていくと、複合コア導電性部間に発生する総リーク電流も大きくなる。印加電圧を１０Ｖにすると３６．２ｍＡという大きな総リーク電流が発生する。それに対して、本実施例の光学素子では、印加電圧を大きくしても総リーク電流の大きさは殆ど変化しない。１０Ｖの印加電圧をかけた場合でも１１．９μＡという極めて小さな総リーク電流しか発生しない。
【００８０】
［光学素子の利用例］
本発明の光学素子をマッハツェンダー干渉計（Mach-Zehnder Interferometer；ＭＺＩ）の一部として利用する場合について、図７を用いて説明する。図７は、マッハツェンダー干渉計を基板に水平な面（ＸＹ平面）で切断した断面を示す概略図である。
【００８１】
ＭＺＩ光導波路１０１は、本実施形態における単一コア光導波路と同一の断面構造により構成され、ＳＯＩ基板上にシリコンリブ光導波路として形成される。
位相調整部１０２は、マッハツェンダー干渉計の２本のアームの片側に設置され、本実施形態における複合コア光導波路と同一の断面構造により構成される。
位相調整部１０２の両側の第１接続部１０３及び第２接続部１０４は、本実施形態の光学素子によって構成される。
第１接続部１０３及び第２接続部１０４においては、それぞれ光学素子の複合コア光導波路が位相調整部１０２と接続され、光学素子の単一コア光導波路がＭＺＩ光導波路１０１と接続される。これにより、ＭＺＩ光導波路１０１と位相調整部１０２とが接続される。
【００８２】
具体例として、図１に示す光学素子ＷＧ１を第１接続部１０３及び第２接続部１０４に用いた場合について説明する。
第１接続部１０３においては、複合コア導電性部３２、３３の端部が位相調整部１０２の一方の端部に接続され、単一コア光導波路１０の端部がＭＺＩ光導波路１０１に接続される。第２接続部１０４においては、複合コア導電性部３２、３３の端部が位相調整部１０２の他方の端部に接続され、単一コア光導波路１０の端部がＭＺＩ光導波路１０１に接続される。
これによって、位相調整部１０２の一方の端部は第１接続部１０３を介してＭＺＩ光導波路１０１に接続され、他方の端部は第２接続部１０４を介してＭＺＩ光導波路１０１に接続される。
【００８３】
位相調整部１０２においては、外部より電極を通じて複合コア導電性部に電圧を印加することにより、複合コア導電性部に屈折率変化を誘起し、光の伝搬速度を変える。そして、位相調整部１０２の設けられていない反対側のアームを通過する光に対して位相差を発生させることにより、出力端における光の強度を制御する。
【００８４】
［第２の実施の形態］
図８は、本発明の第２実施形態にかかる光学素子ＷＧ２の説明図である。図８の光学素子ＷＧ２において、図１に示した第１実施形態の光学素子ＷＧ１と共通する構成については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００８５】
図１に示した第１実施形態の光学素子ＷＧ１では、中間光導波路２０のコアをそれぞれ逆の極性を持つ２つの半導体コア領域（中間コア導電性部２２，２４と中間コア導電性部２３，２５）によって構成した。しかし、中間光導波路２０の構造はこの例に限らない。例えば、光の導波方向に従ってＰ型とＮ型の半導体コア領域が２回以上交互に切り替わるように配置されても良い。具体例として、Ｐ型とＮ型の半導体コア領域が２回繰り返される場合を図８に示す。
【００８６】
図８の光学素子ＷＧ２において、中間コアギャップ部２０１は、その両端部が単一コア光導波路３０から複合コア光導波路３０まで達するように、中間光導波路２０のコア４５の長手方向全体に設けられている。すなわち、中間コアギャップ部２１の光の導波方向において対向する一対の端面を第１端面２０１ａ及び第２端面２０１ｂとすると、複合コア光導波路３０側の第２端面２０１ｂは、中間光導波路２０と複合コア光導波路３０との接続界面に配置され、単一コア光導波路１０側の第１端面２０１ａは、中間光導波路２０と単一コア光導波路１０との接続界面に配置されている。
【００８７】
中間光導波路２０のコア４５は、中間コアギャップ部２０１を挟んで分離された第１分離領域４５ａと第２分離領域４５ｂとを部分領域として含む。第１分離領域４５ａは、光の導波方向に沿ってＰ型とＮ型とが光の導波方向に沿って交互に切り替わるように配置された第１中間コア導電性部２０２と第３中間コア導電性部２０４とからなる第１極性反転領域２０６を部分領域として含む。第２分離領域４５ｂは、光の導波方向に沿ってＰ型とＮ型とが光の導波方向に沿って交互に切り替わるように配置された第２中間コア導電性部２０３と第４中間コア導電性部２０５とからなる第２極性反転領域２０７を部分領域として含む。第２中間コア導電性部２０３と第３中間コア導電性部２０４とは、第１複合コア導電性部３２と同一の極性を有する半導体材料から構成され、第１中間コア導電性部２０２と第４中間コア導電性部２０５とは、第２複合コア導電性部３３と同一の極性を有する半導体材料から構成されている。コア１１は、無極性の半導体からなる。
【００８８】
第１中間コア導電性部２０２、第２中間コア導電性部２０３、第３中間コア導電性部２０４、及び、第４中間コア導電性部２０５、は中間コアギャップ部２０１よりも高屈折率の材料からなる。また、中間コアギャップ部２０１は、絶縁体やドーピングされていない無極性の半導体などの、第１中間コア導電性部２０２、第２中間コア導電性部２０３、第３中間コア導電性部２０４、及び、第４中間コア導電性部２０５よりも電気伝導率の小さい高抵抗材料からなる。
【００８９】
光学素子ＷＧ２では、第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３との間に電圧を印加した場合に発生する第２のリーク電流の経路のうち、中間光導波路を経由する経路は、第１複合コア導電性部３２−第１中間コア導電性部２０２−第３中間コア導電性部２０４−コア１１−第４中間コア導電性部２０５−第２中間コア導電性部２０３−第２複合コア導電性部３３、またはこの逆となる。この経路においては、半導体コア領域の極性が４回変化することとなる。コア１１考慮しなければ、このとき、第２のリーク電流の流れる経路に沿って、Ｎ型からＰ型へと変わる極性の変化が、２回現れることになり、一定の電圧を印加した場合に、Ｎ型からＰ型への変化が１回のみの場合と比較して１箇所あたりに印加される電圧は低くなる。コア１１の材料により程度の差はあるものの、この接合において流れる第２のリーク電流をより低減することが可能となる。
【００９０】
なお、図８の例では、中間光導波路２０のコア４５には、中間コアギャップ部２０１を挟んで対向配置された一対の逆極性の中間コア導電性部からなる導電性ブロック２０８，２０９が光の導波方向に沿って２組設けられている。この数は２組に限らず、３組以上としても良い。すなわち、中間コアギャップ部２０１の外周に沿う第２のリーク電流の経路中に、Ｐ型半導体コア領域とＮ型半導体コア領域との接続界面が２回現れるが、その回数は２回に限らず、４回以上とすることも可能である。こうすることで、より第２のリーク電流を低減することが可能となる。
【００９１】
［第３の実施の形態］
図９は、本発明の第３実施形態にかかる光学素子ＷＧ３の説明図である。図９の光学素子ＷＧ３において、図８に示した第２実施形態の光学素子ＷＧ２と共通する構成については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００９２】
図８に示した第２実施形態の光学素子ＷＧ２では、中間コアギャップ部２０１が中間光導波路のコア４５の長手方向全体に及ぶ構造となっている。しかし、中間光導波路２０の構造はこの例に限らない。例えば、中間コアギャップ部２０１の単一コア光導波路１０側の端面２０１ａが中間光導波路２０と単一コア光導波路１０との接続界面よりも複合コア光導波路３０側に配置される構造とすることも可能である。具体例を図９に示す。
【００９３】
図９の光学素子ＷＧ３において、中間コアギャップ部２１１は、複合コア光導波路３０側のみに存在する。中間コアギャップ部２１１の光の導波方向において対向する一対の端面を第１端面２１１ａ及び第２端面２１１ｂとすると、複合コア光導波路３０側の第２端面２１１ｂは、中間光導波路２０と複合コア光導波路３０との接続界面に配置され、単一コア光導波路１０側の第１端面２１１ａは、中間光導波路２０と単一コア光導波路１０との接続界面よりも複合コア光導波路３０側に配置されている。
【００９４】
中間光導波路２０の複合コア光導波路３０側においては、コア４６が中間コアギャップ部２１１によって分離されたギャップ構造を有する。コア４６は、中間コアギャップ部２１１を挟んで分離された第１分離領域４６ａと第２分離領域４６ｂとを部分領域として含む。第１分離領域４６ａは、光の導波方向に沿ってＰ型とＮ型とが光の導波方向に沿って交互に切り替わるように配置された第１中間コア導電性部２１２と第３中間コア導電性部２１４とからなる第１極性反転領域２２８を部分領域として含む。第２分離領域４６ｂは、光の導波方向に沿ってＰ型とＮ型とが光の導波方向に沿って交互に切り替わるように配置された第２中間コア導電性部２１３と第４中間コア導電性部２１５とからなる第２極性反転領域２２９を部分領域として含む。第２中間コア導電性部２１３と第３中間コア導電性部２１４とは、第１複合コア導電性部３２と同一の極性を有する半導体材料から構成され、第１中間コア導電性部２１２と第４中間コア導電性部２１５とは、第２複合コア導電
性部３３と同一の極性を有する半導体材料から構成されている。コア１１は、無極性の半導体からなる。
【００９５】
中間光導波路２０の単一コア光導波路１０側においては、コア４６が中間コアギャップ部２１１によって分離されない単一コア構造（非分離領域）を有する。コア４６は、第３中間コア導電性部２１４と同一材料からなり第３中間コア導電性部２１４と一体に形成される第５中間コア導電性部（第５半導体コア領域）２１６と、第４中間コア導電性部２１５と同一材料からなり第４中間コア導電性部２１５と一体に形成される第６中間コア導電性部（第６半導体コア領域）２１７とを部分領域として含み、これらがＹＺ平面と平行な接続界面を有して互いに接触する構造となっている。
【００９６】
第１中間コア導電性部２１２、第２中間コア導電性部２１３、第３中間コア導電性部２１４、第４中間コア導電性部２１５、第５中間コア導電性部２１６、及び、第６中間コア導電性部２１７は中間コアギャップ部２１１よりも高屈折率の材料からなる。また、中間コアギャップ部２１１は、絶縁体やドーピングされていない無極性の半導体などの、第１中間コア導電性部２１２、第２中間コア導電性部２１３、第３中間コア導電性部２１４、第４中間コア導電性部２１５、第５中間コア導電性部２１６、及び、第６中間コア導電性部２１７よりも電気伝導率の小さい高抵抗材料からなる。
【００９７】
光学素子ＷＧ３では、第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３との間に電圧を印加した場合に発生する第２のリーク電流の経路のうち、中間光導波路を経由する経路は、第１複合コア導電性部３２−第１中間コア導電性部２１２−第３中間コア導電性部２１４−第５中間コア導電性部２１６−第６中間コア導電性部２１７−第４中間コア導電性部２１５−第２中間コア導電性部２１３−第２複合コア導電性部３３、またはこの逆となる。この経路においては、半導体コア領域の極性は３回変化することとなる。そのため、より第２のリーク電流を低減することができる。また、中間コアギャップ部２１１がコア１１まで達していないため、コア１１に対する第２のリーク電流の侵入を低減することができる。
【００９８】
なお、図９の例では、中間光導波路２０のコア４６には、中間コアギャップ部２１１を挟んで対向する一対の逆極性の中間コア導電性部からなる導電性ブロック２１８，２１９が光の導波方向に沿って２組設けられている。この数は２組に限らず、３組以上としても良い。３組以上とした場合において、中間コアギャップ部２１１の単一コア光導波路１０側の端面２１１ａは、コア１１とコア４６との接続界面よりも複合コア光導波路３０側に配置されていれば良い。すなわち、中間コアギャップ部２１１の外周に沿う第２のリーク電流の経路中に、Ｐ型半導体コア領域とＮ型半導体コア領域との接続界面が３回現れるが、その回数は３回に限らず、５回以上とすることも可能である。こうすることで、より第２のリーク電流を低減することが可能となる。
【００９９】
［第４の実施の形態］
図１０は、本発明の第４実施形態にかかる光学素子ＷＧ４の説明図である。図１０の光学素子ＷＧ４において、図１に示した第１実施形態の光学素子ＷＧ１と共通する構成については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【０１００】
図１に示した第１実施形態の光学素子ＷＧ１では、中間光導波路２０において、第１中間コア導電性部２２と第２中間コア導電性部２３とはそれぞれ逆の極性を持った構造となっているが、この部分に無極性の半導体を用いることも可能である。具体例を図１０に示す。
【０１０１】
図１０の光学素子ＷＧ４において、中間コアギャップ部２２１は、複合コア光導波路３０側のみに存在する。すなわち、中間コアギャップ部２２１の光の導波方向において対向する一対の端面を第１端面２２１ａ及び第２端面２２１ｂとすると、複合コア光導波路３０側の第２端面２２１ｂは、中間光導波路２０と複合コア光導波路３０との接続界面に配置され、単一コア光導波路１０側の第１端面２２１ａは、中間光導波路２０と単一コア光導波路１０との接続界面よりも複合コア光導波路３０側に配置されている。
【０１０２】
中間光導波路２０の複合コア光導波路３０側の領域においては、中間光導波路２０は、コア４７が中間コアギャップ部２２１によって分離されたギャップ構造を有する。コア４７は、中間コアギャップ部２２１を挟んで分離された第１中間コア無極性部（第３半導体コア領域）２２２と第２中間コア無極性部（第４半導体コア領域）２２３とを部分領域として含む。中間光導波路２０は、中間コアギャップ部２２１によって分離された２つの部分領域にまたがって光が伝播する複合コア構造を有する光導波路である。
【０１０３】
中間光導波路２０の単一コア光導波路１０側の領域においては、中間光導波路２０は、コア４７が中間コアギャップ部によって分離されない単一コア構造（非分離領域）を有する。コア４７は、第１中間コア無極性部２２２及び第２中間コア無極性部２２３と同一材料からなり、第１中間コア無極性部２２２及び第２中間コア無極性部２２３と一体に形成される無極性の半導体からなる第３中間コア無極性部（非分離領域）２２４を部分領域として含む。
【０１０４】
第１中間コア無極性部２２２及び第２中間コア無極性部２２３は中間コアギャップ部２２１よりも高屈折率の材料からなる。また、中間コアギャップ部２２１は、絶縁体やドーピングされていない無極性の半導体などの、第１中間コア無極性部２２２及び第２中間コア無極性部２２３よりも電気伝導率の小さい高抵抗材料からなる。
【０１０５】
この構成においては、第１複合コア導電性部３２と中間コア無極性部２２２との境界、及び、第２複合コア導電性部３３と中間コア無極性部２２３との境界に、中間コア無極性部２２２，２２３に対するキャリアの拡散が起こる。そのため、中間コアギャップ部２２１が設けられない場合には、第１複合コア導電性部３２−第１中間コア無極性部２２２−第３中間コア無極性部２２４−第２中間コア無極性部２２３−第２複合コア導電性部３３を最短で結ぶ経路については、無極性の半導体領域が短いために十分な低リーク電流とはならないことが考えられる。しかし、複合コア導電性部３２，３３からのキャリアの拡散の少ない材料により中間コア無極性部２２２，２２３，２２４を構成し、中間コアギャップ部２２１の長さ（Ｙ方向の長さ）を前記経路上の拡散領域よりも十分長くとった場合には、前記経路中に電気抵抗の高い無極性の半導体領域を含むことになり、その結果、第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３との間に電圧を印加した際に中間光導波路を通過して流れる第２のリーク電流を低減することが可能となる。
【０１０６】
［第５の実施の形態］
図１１は、本発明の第５実施形態にかかる光学素子ＷＧ５の説明図である。図１１の光学素子ＷＧ５において、図１０に示した第４実施形態の光学素子ＷＧ４と共通する構成については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【０１０７】
図１０に示した第４実施形態の光学素子ＷＧ４では、第１複合コア導電性部３２と中間コア無極性部２２２、及び、第２複合コア導電性部３３と中間コア無極性部２２３とが、直接接するような構造とした。しかし、中間光導波路２０の構造はこの例に限らない。例えば、第１複合コア導電性部３２と中間コア無極性部２２２との間、及び、第２複合コア導電性部３３と中間コア無極性部２２３との間には、それぞれＰ型とＮ型の半導体コア領域が少なくとも２回以上切り替わるように交互に配置される構造としても良い。具体例として、Ｐ型とＮ型の半導体コア領域が２回繰り返される場合を図１１に示す。
【０１０８】
図１１の光学素子ＷＧ５において、中間コアギャップ部２３１は、複合コア光導波路３０側のみに存在する。すなわち、中間コアギャップ部２３１の光の導波方向において対向する一対の端面を第１端面２３１ａ及び第２端面２３１ｂとすると、複合コア光導波路３０側の第２端面２３１ｂは、中間光導波路２０と複合コア光導波路３０との接続界面に配置され、単一コア光導波路１０側の第１端面２３１ａは、中間光導波路２０と単一コア光導波路１０との接続界面よりも複合コア光導波路３０側に配置されている。
【０１０９】
中間光導波路２０の複合コア光導波路３０側の領域においては、コア４８が中間コアギャップ部２３１によって分離されたギャップ構造を有する。コア４８は、中間コアギャップ部２３１を挟んで分離された第１分離領域４８ａと第２分離領域４８ｂとを部分領域として含む。第１分離領域４８ａは、光の導波方向に沿ってＰ型とＮ型とが光の導波方向に沿って交互に切り替わるように配置された第１中間コア導電性部２３２と第３中間コア導電性部２３４とからなる第１極性反転領域２５１と、第３中間コア導電性部２３４の単一コア光導波路１０側の光入射端面に接続された無極性の半導体からなる第１中間コア無極性部２３６と、を部分領域として含む。第２分離領域４８ｂは、光の導波方向に沿ってＰ型とＮ型とが光の導波方向に沿って交互に切り替わるように配置された第２中間コア導電性部２３３と第４中間コア導電性部２３５とからなる第２極性反転領域２５２と、第４中間コア導電性部２３５の単一コア光導波路１０側の光入射端面に接続された無極性の半導
体からなる第２中間コア無極性部２３７と、を部分領域として含む。第２中間コア導電性部２３３と第３中間コア導電性部２３４とは、第１複合コア導電性部３２と同一の極性を有する半導体材料から構成され、第１中間コア導電性部２３２と第４中間コア導電性部２３５とは、第２複合コア導電性部３３と同一の極性を有する半導体材料から構成されている。コア１１は、無極性の半導体からなる。
【０１１０】
中間光導波路２０の単一コア光導波路１０側の領域においては、コア４８が中間コアギャップ部によって分離されない単一コア構造（非分離領域）を有する。コア４８は、第１中間コア無極性部２３６及び第２中間コア無極性部２３７と同一材料からなり第１中間コア無極性部２３６及び第２中間コア無極性部２３７と一体に形成される第３中間コア無極性部２３８を部分領域として含む。
【０１１１】
第１中間コア導電性部２３２、第２中間コア導電性部２３３、第３中間コア導電性部２３４、第４中間コア導電性部２３５、第１中間コア無極性部２３６、及び、第２中間コア無極性部２３７は、中間コアギャップ部２３１よりも高屈折率の材料からなる。また、中間コアギャップ部２３１は、絶縁体やドーピングされていない無極性の半導体などの、第１中間コア導電性部２３２、第２中間コア導電性部２３３、第３中間コア導電性部２３４、第４中間コア導電性部２３５、第１中間コア無極性部２３６、第２中間コア無極性部２３７よりも電気伝導率の小さい高抵抗材料からなる。
【０１１２】
光学素子ＷＧ５では、第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３との間に電圧を印加した場合に発生する第２のリーク電流の経路のうち、中間光導波路を経由する経路は、第１複合コア導電性部３２−第１中間コア導電性部２３２−第３中間コア導電性部２３４−第１中間コア無極性部２３６−第３中間コア無極性部２３８−第２中間コア無極性部２３７−第４中間コア導電性部２３５−第２中間コア導電性部２３３−第２複合コア導電性部３３、またはこの逆となる。この経路においては、半導体コア領域の極性は５回変化することとなる。そのため、第２のリーク電流をより低減することが可能となる。
【０１１３】
なお、図１１の例では、中間光導波路２０のコア４８には、中間コアギャップ部２３１を挟んで対向する一対の逆極性の中間コア導電性部からなる導電性ブロック２４１，２４２が光の導波方向に沿って２組設けられている。この数は２組に限らず、３組以上としても良い。３組以上とした場合において、中間コアギャップ部２３１の単一コア光導波路１０側の端面２３１ａは、コア１１とコア４８との接続界面よりも複合コア光導波路３０側に配置されていれば良い。すなわち、中間コアギャップ部２３１の外周に沿う第２のリーク電流の経路中に、Ｐ型半導体コア領域とＮ型半導体コア領域との接続界面が２回現れるが、その回数は２回に限らず、４回以上とすることも可能である。こうすることで、より第２のリーク電流を低減することが可能となる。
【０１１４】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【０１１５】
例えば、上記実施形態では、Ｓｉをコア材料として用いたが、コア材料はこれに限らず、ＧｅやＳｉＧｅなどの他の半導体材料を用いても良い。
【０１１６】
また、第１、第２、第３、第５実施形態では、複合コア光導波路３０のコアの光入出射端面と接続する部分の中間光導波路２０のコアを互いに反対の極性を有する半導体コア領域とし、第４実施形態では、この部分を無極性の半導体コア領域とした。しかし、中間光導波路２０の構成はこれに限らない。例えば、第１中間コア導電性部を無極性の半導体コア領域とし、第２中間コア導電性部を第２複合コア導電性部３３と反対の極性の半導体コア領域としても良い。逆に、第２中間コア導電性部を無極性の半導体コア領域とし、第１中間コア導電性部を第１複合コア導電性部３２と反対の極性の半導体コア領域としても良い。
【０１１７】
また、第１、第２、第３、第５実施形態では、中間コアギャップ部によって光の導波方向と直交する方向に分離された一対の分離領域に、それぞれ同じ数のＰ型半導体コア領域とＮ型半導体コア領域とを設けた。しかし、中間光導波路２０の構成はこれに限らない。例えば、一方の分離領域にｉ個ずつＰ型半導体コア領域とＮ型半導体コア領域を設け、他方の分離領域にｊ（≠ｉ）個ずつＰ型半導体コア領域とＮ型半導体コア領域を設けても良い。また、いずれか一方の分離領域には、Ｐ型半導体コア領域又はＮ型半導体コア領域を設けずに、無極性の半導体コア領域のみで構成していても良い。また、Ｐ型半導体コア領域とＮ型半導体コア領域とが光の導波方向に沿って交互に配置された領域を１つの極性反転領域としたときに、複数の極性反転領域を光の導波方向に沿って配置すると共に、極性反転領域同士の間に無極性の半導体コア領域を設けても良い。
【０１１８】
すなわち、上記実施形態においては、一対の分離領域のうちの少なくとも一方は、Ｐ型とＮ型とが光の導波方向に沿って交互に切り替わるように配置された複数の半導体コア領域を部分領域として含むもの、若しくは、一対の分離領域のうちの少なくとも一方は、Ｐ型とＮ型とが光の導波方向に沿って交互に切り替わるように配置された複数の半導体コア領域からなる極性反転領域と、前記極性反転領域の光入出射端面に接続された無極性の半導体コア領域と、を部分領域として含むものであれば良い。
【０１１９】
［第６の実施の形態］
図１２〜図１４は、本発明の第５実施形態にかかる光学素子ＷＧ６の説明図であり、グレーティング構造を採用したものである。
図１４はコア５０を示すもので、ここではコア５０のみを図示するが、クラッドがコア５０の周囲を囲んでいるものとする。また、クラッドの下には基板（図示せず）が存在し、コア５０の底面５４は基板面に平行である。水平方向とは基板面に平行な方向をいい、垂直方向とは基板面に垂直な方向をいう。
【０１２０】
図１４（ａ）はコア５０の一部の平面図である。符号Ｃはコア５０の水平面内での単一の中心軸を表し、光は光導波路中を中心軸Ｃに沿って伝搬する。この光導波路は、ブラッググレーティングパターン（詳しくは後述）を有しており、この光導波路のスペクトルには少なくとも一つの反射帯が現れる。
反射帯の中心波長λ０は、ブラッググレーティングの周期をｐＧ、光導波路の実効屈折率をｎｅｆｆとするとき、λ０＝ｐＧ／ｎｅｆｆにより与えられる。ここで実効屈折率ｎｅｆｆは、光導波路のコア５０の幅を平均幅ｗ０とした場合の値である。
【０１２１】
コア５０の平均幅ｗ０は、コア５０の横幅ｗｏｕｔの一周期での平均値に等しい。
コア５０の側壁５２には、凹部５２ａと凸部５２ｂが光の導波方向に交互に形成され、横幅ｗｏｕｔが一周期ｐＧごとに増減して第１のブラッググレーティングパターンが形成される。
【０１２２】
矩形断面の光導波路では、光の直線偏光した電界が主として水平方向に沿う場合（以下ＴＥ型偏光）と、主として垂直方向に沿う場合（以下ＴＭ型偏光）に対して、それぞれ固有の導波モードが存在する。そして、おのおのの導波モードに固有の実効屈折率が存在するという偏光依存性が存在する。
【０１２３】
ＴＥ型偏光での固有モードの実効屈折率ｎｅｆｆＴＥは、ＴＭ型偏光での固有モードの実効屈折率ｎｅｆｆＴＭに比べ、光導波路の幅の変化に対して敏感に変化する。
ＴＭ型偏光での固有モードの実効屈折率ｎｅｆｆＴＭは、ＴＥ型偏光での固有モードの実効屈折率ｎｅｆｆＴＥに比べ、光導波路の高さ（すなわち厚み）の変化に対して敏感に変化する。
よってブラッググレーティングの偏光依存性を低減するには、光導波路の幅を周期的に変化させるのみならず、光導波路の高さも周期的に変化させるのが好適である。
【０１２４】
矩形光導波路（断面が略矩形状の光導波路）への適用を考慮すると、第１のブラッググレーティングパターンをコアの一方または両方の側壁に設け、第２のブラッググレーティングパターンをコアの上面と底面のうち一方または両方に設けることが好ましい。
第１のブラッググレーティングパターンと第２のブラッググレーティングパターンとの組み合わせによって、ＴＥ型偏光への作用とＴＭ型偏光への作用を等化し、偏光依存性を低減することができる。
図示例では、第１のブラッググレーティングパターンをコアの両側壁に設け、第２のブラッググレーティングパターンをコアの上面に設けている。
コア５０の形状は、中心軸Ｃを含む垂直方向の平面に対して水平方向に対称（図１４（ａ）では中心軸Ｃに対して上下に対称）となっている。
【０１２５】
図１４（ｂ）に示すように、コア５０では、コア上部に設けた溝（トレンチ）５３の幅ｗｉｎが光の導波方向に周期的に変化している。コアの高さはｔｏｕｔであり、溝５３の深さはｔｉｎである。図１４（ａ）に示すように、溝５３は中心軸Ｃに沿う方向に延在し、溝５３の幅ｗｉｎの中点の水平方向の座標は、中心軸Ｃ上に位置する。
この構造により、コア５０の高さを周期的に変化させるのと等価的に実効屈折率を変化させることができる。
溝５３の側壁には凹部５３ａと凸部５３ｂが交互に形成され、溝幅ｗｉｎは一周期ｐＧごとに増減して第２のブラッググレーティングパターンを形成する。
溝５３は、例えば光学マスクを用いた描画（リソグラフィ）とエッチングにより形成することができる。
【０１２６】
図１４（ａ）に示すように、コア５０では、光の導波方向において、側壁５２のコア幅ｗｏｕｔの広い部分（凸部５２ｂ）と溝５３内側壁の溝幅ｗｉｎの狭い部分（凸部５３ｂ）とが対応し、かつ側壁５２のコア幅ｗｏｕｔの狭い部分（凹部５２ａ）と溝５３内側壁の溝幅ｗｉｎの広い部分（凹部５３ａ）とが対応している。このように、第１のブラッググレーティングパターンの凹凸と第２のブラッググレーティングパターンの凹凸とが同期しており、それぞれの局所周期ｐＧが一致している。これにより、光導波路寸法の設計が容易になる。
【０１２７】
図１２および図１３は、前記グレーティング構造を採用した光学素子の断面図である。
以下の説明においては、既出の構成については同一符号を付してその説明を省略することがある。
本実施形態の光学素子は、内側コア６０と、外側コア６４とからなる複合コアを有する。
内側コア６０は、ギャップ部２１、３１、コア導電性部２２、３２、およびコア導電性部２３、３３を備えている。
外側コア６４は、コア導電性部２２、３２、２３、３３より低屈折率の材料からなる。外側コア６４の屈折率は、上部クラッド７の屈折率より高い。外側コア６４の厚みはｔｏｕｔで、溝６４ｃの深さはｔｉｎである。
【０１２８】
ギャップ部２１、３１を形成することによって、単一偏光状態に単一モードしか存在しないという条件を保持しながら、内側コア６０に光が閉じ込められる領域の断面積を拡大することができる。また、外側コア６４に形成されたブラッググレーティング（後述）の加工誤差による実効屈折率の精度劣化を低減することができるので、実効屈折率の偏光依存性を低減するのにも有効である。
【０１２９】
各構成の構成材料としては、例えばコア導電性部２２、３２、２３、３３がシリコン（Ｓｉ）、ギャップ部２１、３１がシリカ（ＳｉＯ２）、窒酸化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ）、または窒化シリコン（ＳｉｘＮｙ）、外側コア６４が窒酸化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ）または窒化シリコン（ＳｉｘＮｙ）、基板５がシリコン（Ｓｉ）、下部クラッド６および上部クラッド７がシリカ（ＳｉＯ２）とすることができる。
【０１３０】
コア導電性部２２、３２、２３、３３の導電型は、Ｐ型とＮ型とのうちのいずれか一方を第１導電型、他方を第２導電型としたときに、コア導電性部２２、３３を第１導電型とし、コア導電性部２３、３２を第２導電型とすることができる。
コア導電性部２２の平板部２２ｂに第１電極（図示略）を接続し、コア導電性部２３の平板部２３ｂに第２電極（図示略）を接続し、第１電極と第２電極との間に電圧を印加することにより、コア導電性部２２、２３の屈折率を可変に制御できる。
コア導電性部３２の平板部３２ｂに第１電極（図示略）を接続し、コア導電性部３３の平板部３３ｂに第２電極（図示略）を接続し、第１電極と第２電極との間に電圧を印加することにより、コア導電性部３２、３３の屈折率を可変に制御できる。
【０１３１】
外側コア６４は、コア導電性部２２、３２、２３、３３の上に設けられる。
外側コア６４の上面６４ａと側壁６４ｂには、それぞれ図１４のコア５０と同様な第１および第２のブラッググレーティングパターンが形成されている。
具体的には、外側コア６４の幅ｗｏｕｔを周期的に変化させた第１のブラッググレーティングパターンと、外側コア６４の上面６４ａに形成された溝（トレンチ）６４ｃの幅ｗｉｎを周期的に変化させた第２のブラッググレーティングパターンを備えている。
この構成の光学素子によれば、ギャップ部４０によって、コア導電性部２２、３２とコア導電性部２３、３３との間に発生する、導波方向と直交する方向の電流を低減することが可能である。また、ブラッググレーティングの採用により、光導波路の実効屈折率を変化させることができる。
【符号の説明】
【０１３２】
１…コア、１１…単一コア（非分離領域）、２２…第１中間コア導電性部（第３半導体コア領域）、２３…第２中間コア導電性部（第４半導体コア領域）、２４…第３中間コア導電性部（非分離領域）、２５…第４中間コア導電性部（非分離領域）、３２…第１複合コア導電性部（第１半導体コア領域）、３２ａ，３２ｂ…平板部（コアの厚みの薄い部分）、３３…第２複合コア導電性部（第２半導体コア領域）、４０…ギャップ部、４５ａ，４５ｂ，４６ａ，４６ｂ，４８ａ，４８ｂ…分離領域、２０２〜２０５，２１２〜２１７，２２２〜２２４，２３２〜２３８…半導体コア領域、２０８，２０９，２１８，２１９，２４１，２４２…導電性ブロック、２０６，２０７，２２８，２２９，２５１，２５２…極性反転領域、ＷＧ１，ＷＧ２，ＷＧ３，ＷＧ４，ＷＧ５…光学素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体をコアとして用いた光導波路を有する光学素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信で伝送される情報量は増加の一途をたどっている。これに対しては、（Ｉ）信号の伝送速度を増す、（ＩＩ）波長多重通信のチャンネル数を増す、といった対策が進められている。
【０００３】
光通信では光パルスを用いて光信号が伝送される。そこで、上記（Ｉ）に関しては、光パルス間の間隔が狭まるため、光パルスの時間波形を制御することが重要となる。伝送路である光ファイバ中では、光の波長によって伝搬速度が異なるという波長分散のため、光ファイバを伝搬するに伴い光パルスの時間幅が拡がってしまう。このため、光ファイバとは逆の符号の波長分散を持つ光学素子を光ファイバ伝送路中に設けて、伝送路を伝搬した後の光パルスの波長分散を除去するという波長分散補償技術が必要になる。
【０００４】
一方、（ＩＩ）の対策を進めると、光部品の数が増すとともに伝送経路も複雑になるため、光通信設備の大型化、複雑化、高額化につながるという問題が生じる。
【０００５】
光通信設備の大型化・複雑化を避けるには、設備を構成する装置の部品や回路など、構成要素の小型化、さらには小型化した構成要素を集積化して部品点数の増大を避けることが必要である。光部品の小型化を遂行するには、光部品を構成する基本要素である光学素子を小型化することが必須である。光通信用の光学素子は光導波路を用いて構成されることが多い。このため、光導波路を小型化することが、光部品の小型化を進める上で重要である。光導波路を小型化するには、シリコン（Ｓｉ）などの屈折率の高い材料を用いることが必須である。これは、媒質中の光の波長はその媒質の屈折率に反比例するため、屈折率が高いほど光導波路のコア幅などの寸法が小さくなるからである。Ｓｉの屈折率は約３．５で、シリカ（ＳｉＯ２）の屈折率（約１．５）に比べて２．３倍以上である。Ｓｉなどの高屈折率材料は、平板の基板上に形成されるため、複数の光導波路を結合することが容易で、複数の光部品を集積化する目的に適している。
【０００６】
光部品の高額化を避けるには、光学素子の製造コストを低減することが重要である。光導波路が小型化されると、光学素子一個あたりに占める原材料コストが減少し、単価を削減することができる。Ｓｉなどの高屈折率材料は、平板の基板上に形成されるため、大面積基板を用いて多数の光学素子を一つの基板上に製造することができ、製造コストをさらに削減することが可能になる。
【０００７】
このような中、特許文献１で示されるような、シリコン光導波路を用いた光学素子が提案されている。また、非特許文献１には、シリコン光導波路に電圧を加えて光学特性を電気的に制御することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】再公表ＷＯ２００７−９１４６５号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Richard A. Soref et. al. “Electrooptical Effects in Silicon”, IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. QE-23, No. 1, January 1987
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
単一材料のコアからなるシングルモード光導波路において、その一部に、特許文献１に開示されているような、光導波路に電圧を加えることにより屈折率を変化させるなどの可変機構を備えた、光学特性が可変なデバイスが実現されている。この場合、電圧を印加することにより屈折率が可変な半導体コア領域と、それ以外の屈折率が可変ではないコア領域（同一集積回路上の他の機能部への伝送路や、素子外部の光学系へと接続するためのスポットサイズコンバータ部などを含む）との接続部において、屈折率が可変ではないコア領域を経由したリーク電流が発生してしまう。
【００１１】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、電圧を印加することにより屈折率が可変な半導体コア領域と屈折率が可変ではないコア領域との接続部において、屈折率が可変ではないコア領域を経由したリーク電流を低減することが可能な光学素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するため、本発明の光学素子は、光を導波する半導体のコアを有する光学素子であって、前記コアの幅方向中央部に、光の導波方向に沿って延びる絶縁性のギャップ部を有し、前記コアは、前記ギャップ部によって光の導波方向と直交する方向に電気的に分離された分離領域を部分領域として含み、前記分離領域には、第１導電型の第１半導体コア領域と、前記第１半導体コア領域と前記ギャップ部を挟んで対向配置された第２導電型の第２半導体コア領域と、前記第１半導体コア領域と光の導波方向において隣接する第２導電型又は無極性の第３半導体コア領域と、前記第２半導体コア領域と光の導波方向において隣接し、前記第３半導体コア領域と前記ギャップ部を挟んで対向配置された第１導電型又は無極性の第４半導体コア領域と、が部分領域として含まれ、前記第１半導体コア領域と前記第２半導体コア領域とに電圧印加用の電極が接続されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明の光学素子は、光を導波する半導体のコアを有する光学素子であって、前記コアの幅方向中央部に、光の導波方向に沿って延びる絶縁性のギャップ部を有し、前記コアは、前記ギャップ部によって光の導波方向と直交する方向に電気的に分離された分離領域を部分領域として含み、前記分離領域は、光を導波する第１〜第４半導体領域を部分領域として含み、前記第１半導体領域が、第１導電型であり、前記第２半導体領域が、第１導電型と逆極性の第２導電型であり、前記第１半導体領域と前記ギャップ部を挟んで対向配置され、前記第３半導体領域が、第２導電型又は無極性であり、前記第１半導体領域と光の導波方向において隣接し、前記第４半導体領域が、第１導電型又は無極性であり、前記第２半導体領域と光の導波方向において隣接し、かつ前記第３半導体領域と前記ギャップ部を挟んで対向配置され、前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間に電圧印加可能である構成とすることもできる。
【００１４】
本発明の光学素子においては、前記コアは、前記分離領域と光導波方向において隣接する位置に、光の導波方向と直交する断面内に前記ギャップ部を含まない非分離領域を有することが望ましい。
【００１５】
本発明の光学素子においては、前記コアは、第１導電型と第２導電型とが前記ギャップ部の外周に沿って交互に切り替わるように配置された複数の半導体コア領域からなる極性反転領域を部分領域として含むことが望ましい。
【００１６】
本発明の光学素子においては、前記極性反転領域は、前記ギャップ部の光の導波方向と平行な第１辺から前記ギャップ部の先端部を迂回して前記第１辺と対向する第２辺に至る前記ギャップ部の端部領域に設けられていることが望ましい。
【００１７】
本発明の光学素子においては、前記極性反転領域は、前記第１半導体コア領域から前記ギャップ部の端部領域を介して前記第２半導体コア領域に至る前記ギャップ部の外周領域全体に設けられていることが望ましい。
【００１８】
本発明の光学素子においては、前記コアは、前記極性反転領域と、前記極性反転領域と前記ギャップ部の外周に沿って隣接する無極性の半導体コア領域と、を部分領域として含むことが望ましい。
【００１９】
本発明の光学素子においては、前記コアは、前記ギャップ部の光の導波方向と平行な第１辺から前記ギャップ部の先端部を迂回して前記第１辺と対向する第２辺に至る前記ギャップ部の端部領域に、無極性の半導体コア領域を部分領域として含むことが望ましい。
【００２０】
本発明の光学素子においては、前記非分離領域は、光の導波方向と直交する方向に隣接した互いに逆極性の一対の半導体コア領域を部分領域として含むことが望ましい。
【００２１】
本発明の光学素子においては、前記非分離領域は、無極性の半導体コア領域を有することが望ましい。
【００２２】
本発明の光学素子においては、前記分離領域には、前記ギャップ部を挟んで対向配置された互いに逆極性の一対の半導体コア領域からなる導電性ブロックが、その導電性ブロックの半導体コア領域の極性が光の導波方向に沿って交互に切り替わるように、光の導波方向に沿って複数設けられていることが望ましい。
【００２３】
本発明の光学素子においては、前記ギャップ部の前記第１半導体コア領域と前記第２半導体コア領域とを隔てる部分は、前記第１半導体コア領域と前記第２半導体コア領域とのいずれよりも屈折率が小さい材料で構成され、前記ギャップ部の前記第３半導体コア領域と前記第４半導体コア領域とを隔てる部分は、前記第３半導体コア領域と前記第４半導体コア領域とのいずれよりも屈折率が小さい材料で構成されていることが望ましい。
【００２４】
本発明の光学素子においては、前記第１半導体コア領域と前記第２半導体コア領域とは、それぞれ前記ギャップ部と接する部分の厚みが他の部分よりも厚く形成されたリブ型形状を有し、前記第１半導体コア領域と前記第２半導体コア領域の前記厚みの薄い部分に前記電極が接続されていることが望ましい。
【００２５】
本発明の光学素子においては、前記ギャップ部は、絶縁体又は無極性の半導体によって構成されていることが望ましい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の光学素子によれば、第１半導体コア領域と第２半導体コア領域との間には絶縁性のギャップ部が設けられている。ギャップ部は、屈折率が可変な第１半導体コア領域と第２半導体コア領域とが対向する部分よりも長く形成され、その一部が、屈折率が可変ではない第３半導体コア領域及び第４半導体コア領域の側に突出している。そのため、第１半導体コア領域と第２半導体コア領域との間に電圧を印加した場合に、ギャップ部を迂回して、すなわち第３半導体コア領域及び第４半導体コア領域を経由して第１半導体コア領域と第２半導体コア領域との間に発生するリーク電流を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１実施形態の光学素子の説明図である。
【図２】複合コア光導波路を光の導波方向に垂直な平面で切った断面図である。
【図３】第３コア内の光強度の分布を示すシミュレーション結果である。
【図４】中間光導波路を基板と平行な面で切った断面図である。
【図５】単一コア光導波路を光の導波方向に垂直な平面で切った断面図である。
【図６】本発明の実施例と比較例のリーク特性を示す図である。
【図７】光学素子をマッハツェンダー干渉計に適用した例を示す図である。
【図８】第２実施形態の光学素子の説明図である。
【図９】第３実施形態の光学素子の説明図である。
【図１０】第４実施形態の光学素子の説明図である。
【図１１】第５実施形態の光学素子の説明図である。
【図１２】グレーティング構造を採用した光学素子を光の導波方向に垂直な平面で切った断面図である。
【図１３】中間光導波路を基板と平行な面で切った断面図である。
【図１４】グレーティング構造を採用したコアを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は部分斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施形態は、シリコン（Ｓｉ）をコア材料とした光導波路に対して本願の光学素子を適用した場合の実施形態である。
【００２９】
なお、以下の図面においては、ＸＹＺ直交座標系を設定し、ＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明する場合がある。この場合においては、光の導波方向をＹ方向、該導波方向と直交する光導波路の幅方向をＸ方向、Ｘ方向及びＹ方向と直交する高さ方向をＺ方向と称する。なお、光導波路は基板上に形成されるため、Ｘ方向とＹ方向は基板と平行な方向であり、Ｚ方向は基板と垂直な方向である。なお、以下の実施形態では、光導波路をコアがＹ方向に延びる直線光導波路としているが、コアが湾曲した曲がり光導波路であっても良い。
【００３０】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１実施形態にかかる光学素子ＷＧ１の説明図である。光学素子ＷＧ１は、単一材料からなるコアを有するシングルモード光導波路である単一コア光導波路１０と、ギャップ構造を有する複合コア光導波路３０と、両者の中間に光学的に接続されて位置する中間光導波路２０と、を備えている。
【００３１】
光導波路１０，２０，３０のコア１１，４１，４２は、それぞれ下部クラッド６上に形成されたコア１のＹ方向に連続した３つの部分領域を構成する。コア１は、Ｙ方向に長手方向を有する帯状の半導体層として構成されており、その長手方向の一端面が第１の光入出射端面、他端面が第２の光入出射端面とされている。コア１の長手方向（光の導波方向；Ｙ方向）の一端側には、コア１の幅方向（光の導波方向と直交する方向；Ｘ方向）の中央部に、コア１の長手方向に沿って延びる絶縁性のギャップ部４０が設けられており、そのギャップ部４０によってコア１の一端側の領域が長手方向と直交する方向に２分割されている。コア１には、このようにギャップ部４０によって光の導波方向と直交する方向に２分割された分離領域が部分領域として含まれており、この分離領域のうちコア１の長手方向の一端面（第１の光入出射端面）を含む一部の領域がコア４２となっており、２分割された残りの領域を含む領域がコア４１となっている。コア１の他端側はギャップ部４０が設けられない非分離領域となっており、この非分離領域のうち、コア１の長手方向他端面（第２の光入出射端面）を含む一部の領域がコア１１となっている。
【００３２】
なお、「光入出射端面」とは、光入射端面又は光出射端面を意味する。光が単一コア光導波路１０側から複合コア光導波路３０側に導波される場合には、単一コア光導波路１０側の光入出射端面は光入射端面であり、複合コア光導波路３０側の光入出射端面は光出射端面である。光が複合コア光導波路３０側から単一コア光導波路１０側に導波される場合には、単一コア光導波路１０側の光入出射端面は光出射端面であり、複合コア光導波路３０側の光入出射端面は光入射端面である。本実施形態では、単一コア光導波路１０側から複合コア光導波路３０側に光が導波されるものとするが、この方向は逆でも良い。
【００３３】
本実施形態では、単一コア光導波路１０と複合コア光導波路３０とのインターフェースとして中間光導波路２０を有し、複合コア光導波路３０の第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３との間に電圧を印加した際に、第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３とが光の導波方向と直交する方向において対向する面から第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３との間に流れる第１のリーク電流、及び、第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３とに隣接する中間光導波路２０のコア４１を経由して第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３との間に流れる第２のリーク電流を低減した光導波路を提供するものである。
【００３４】
ここでは、中間光導波路２０の第１中間コア導電性部２２及び第２中間コア導電性部２３として、複合コア光導波路３０の第１複合コア導電性部３２及び第２複合コア導電性部３３とは逆の極性を有する半導体材料により構成されたものを例示するが、これは一例であり、本発明では、後に他の実施形態として示すような高抵抗体として真性半導体を利用するものや、３つ以上に分割された領域から構成されたものを用いることも可能である。
【００３５】
次に、各領域について概要を説明する。
【００３６】
単一コア光導波路１０は、単一材料によるコアからなる光導波路である。単一コア光導波路１０は、他の機能を有する部分から本発明のギャップ構造を有する複合コア光導波路３０へ光を導波する役割を果たす。他の機能とは、受発光器、干渉計等、光を用いた機能であり、使用に当たって機能素子外へ光を入力又は出力することが必須となる機能のことである。また、ここには、モードフィールドコンバータ（ＭＦＣ）（スポットサイズコンバータ）など、光学素子外部の光部品との接続に要する機能も挙げられる。構造としては、一般に知られているシリコン細線光導波路や、リブ型光導波路などが挙げられる。
【００３７】
ここで、「単一」とは、高屈折率な材料からなるコアと低屈折率な材料からなるクラッドにより構成される構造を示す。「複合コア光導波路」の「複合」と区別するために用いており、低屈折率材料によりコアが分離しない構造である。例えば、シリコンをコア材料とした構造では、矩形のシリコンがシリカの中に埋め込まれる構造や、シリコンをリブ構造とし、下部にシリカ、上部が空気又はシリカからなる構造が知られている。また、第１のコアの周囲に第１のコアよりも低い屈折率を有する第２のコアを有する構造も、また、コアが分離しないという点で、ここで言う「単一コア」に含めるものとする。
【００３８】
単一コアは一般的な構造の光導波路で多様な場所で使用されている。本発明の中間光導波路は、この単一コア光導波路と、ギャップ構造を有する複合コア光導波路とを接続する役割を有するものであり、両端がその接続対象の光導波路の形状となる。これにより、ギャップ構造を有する複合コア光導波路構造とギャップ構造を有しない単一コア光導波路構造とを融合したデバイスを実現することが可能となる。
【００３９】
複合コア光導波路３０は、第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３とが、それらの中央に位置する複合コアギャップ部３１により分離され、これらの領域にまたがって光が伝播する、複合コア構造を有する光導波路である。コア４２は、複合コアギャップ部３１を挟んで分離された第１複合コア導電性部（第１半導体コア領域）（第１半導体領域）３２と第２複合コア導電性部（第２半導体コア領域）（第２半導体領域）３３とを部分領域として含む。複合コア光導波路３０は、単一のモードが前記２つの部分領域にまたがって伝搬されるシングルモード光導波路となっている。
【００４０】
複合コアギャップ部３１は、絶縁体やドーピングされていない無極性の半導体などの、第１複合コア導電性部３２及び第２複合コア導電性部３３よりも電気伝導率の低い絶縁性の材料から構成されている。第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３とは、高抵抗の複合コアギャップ部３１によって電気的に分離されており、第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３との間に流れる第１のリーク電流が複合コアギャップ部３１により低減されることにより、第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３との間に高い電圧をかけることが可能となっている。
【００４１】
例えば、本実施形態では第１複合コア導電性部３２及び第２複合コア導電性部３３としてＰ型およびＮ型のシリコンを用い、両者の間に電圧を加えることで、キャリアプラズマ効果による屈折率変化を利用して光学特性を可変に制御するデバイスを実現している。このとき、第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３との間が電気伝導率の低い複合コアギャップ部３１によって隔てられているので、第１のリーク電流の低減により、発熱増加による影響の減少や消費電力そのものの低減という効果が得られる。なお、キャリア密度変化による屈折率の変化については、非特許文献１に記載されている。
【００４２】
また、複合コアギャップ部３１が第１複合コア導電性部３２及び第２複合コア導電性部３３よりも屈折率の低い材料から構成されている場合には、複合コアギャップ部３１のない単一材料からなるコアの光導波路と比較して製造トレランスを広げる効果も得られる。
【００４３】
中間光導波路２０は、単一コア光導波路１０と複合コア光導波路３０との間に位置し、低損失で単一コア光導波路１０と複合コア光導波路３０とを接続するとともに、複合コア光導波路３０の第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３との間に電圧を印加した際に、単一コア光導波路１０又は中間光導波路２０内に生じる第２のリーク電流を低減することを目的として形成される。
【００４４】
図２は、複合コア光導波路３０のＸＺ平面による断面図である。本実施形態では、ＳＯＩ基板を元に加工して作製した光導波路を示す。基板５は、光学素子ＷＧ１を作製する元になる基板である。本実施形態においては、シリコン（Ｓｉ）からなる。
【００４５】
基板５の上部に位置する下部クラッド６は、第１複合コア導電性部３２及び第２複合コア導電性部３３よりも低い屈折率を有する材料であり、例えば、本実施形態においてはＳＯＩ基板の有する熱酸化膜（ＳｉＯ２）をそのまま利用している。上部クラッド７についても下部クラッド６と同様の条件を持つ。本実施形態においては、上部クラッド７にもＳｉＯ２を使用している。下部クラッド６及び上部クラッド７の材料としては、窒酸化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ）あるいは窒化シリコン（ＳｉｘＮｙ）などを適用することも可能であり、例えば、窒酸化シリコンＳｉＯｘＮｙでは、組成比ｘ：ｙを制御することで、製造段階において屈折率を制御することが可能である。
【００４６】
第１複合コア導電性部３２及び第２複合コア導電性部３３には、Ｓｉなどの半導体材料に適宜不純物を添加することにより、それぞれＰ型またはＮ型の導電性を付与したものとすることができる。例えば、第１複合コア導電性部３２をＰ型領域として、第２複合コア導電性部３３をＮ型領域としても良く、第１複合コア導電性部３２をＮ型領域として、第２複合コア導電性部３３をＰ型領域としても良い。Ｐ型とＮ型とのうちのいずれか一方を第１導電型、いずれか他方を第２導電型としたときに、第１複合コア導電性部３２を第１導電型とし、第２複合コア導電性部３３を第２導電型とすれば良い。
【００４７】
半導体からなる第１複合コア導電性部３２及び第２複合コア導電性部３３に導電性を付与する不純物（ドーパント）は、母体媒質に応じて適宜選択して用いることができる。例えば、母体媒質がシリコン等のＩＶ族半導体である場合には、Ｐ型極性を与える添加物としてホウ素（Ｂ）等のＩＩＩ族元素が、また、Ｎ型極性を与える添加物としてリン（Ｐ）やヒ素（Ａｓ）等のＶ族元素が挙げられる。
【００４８】
複合コア光導波路３０のコア４２は、中央部の厚みの厚い部分と、その両側の厚みの薄い部分とを有するリブ型形状である。図２の例では、コア４２は、第１のリブである第１複合コア導電性部３２と、第２のリブである第２複合コア導電性部３３と、の２つのリブを部分領域として含む。第１複合コア導電性部３２及び第２複合コア導電性部３３は複合コアギャップ部３１よりも高屈折率の材料からなる。
【００４９】
第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３とは、それぞれ同一形状で且つ互いに水平方向に反転した形状を有する。具体的には、第１複合コア導電性部３２は、厚みの薄い平板部（薄板部）３２ｂと、平板部３２ｂの複合コアギャップ３１側の縁の上に位置し、平板部３２ｂから上部クラッド７側に突出する厚みの厚い凸状部（厚板部）３２ａとから構成される。第２複合コア導電性部３３は、厚みの薄い平板部（薄板部）３３ｂと、平板部３３ｂの複合コアギャップ３１側の縁の上に位置し、平板部３３ｂから上部クラッド７側に突出する厚みの厚い凸状部（厚板部）３３ａとから構成される。凸状部３２ａと凸状部３３ａは、複合コアギャップ部３１の両側を挟んで対向配置され、複合コアギャップ部３１の側面に接している。凸状部３２ａ，３３ａを構成する材料と平板部３２ｂ、３３ｂを構成する材料は同じである。
【００５０】
リブ型光導波路は、中央の厚みのある凸状部３２ａ，３３ａよりも十分離れた領域においては、その構造は光の伝播特性に影響はなく、適宜その形状を加工することが可能である。例えば、本実施形態においては、この厚みの薄い平板部３２ｂ、３３ｂを介して図示略の電極パッド（電極）を備え、電圧を印加するものとしている。
なお、上記実施形態では、平板部３２ｂ，３３ｂにそれぞれ電極が接続される構成を示したが、第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３との間に電圧を印加するための構成は、これに限定されない。例えば、平板部３２ｂ，３３ｂに電気的に接続された配線等により、複合コア導電性部３２，３３間に電圧を印加する構成も可能である。
具体的には、この光学素子ＷＧ１が集積化されたときに、複合コア導電性部３２，３３の平板部３２ｂ，３３ｂに電気的に接続された他のデバイスによって複合コア導電性部３２，３３間に電圧が印加されてもよい。
【００５１】
複合コアギャップ部３１は、第１複合コア導電性部３２及び第２複合コア導電性部３３よりも電気伝導率の低い高抵抗材料から構成される。本実施形態においては、絶縁体であるＳｉＯ２を用いる。こうすることにより、第１複合コア導電性部３２及び第２複合コア導電性部３３の薄い平板部３２ｂ、３３ｂを介して離隔した電極パッドに電気的に接続し、電極パッドに電圧を印加することによって複合コアギャップ部３１を挟んだ第１複合コア導電性部３２及び第２複合コア導電性部３３の両側領域に電荷を蓄え、キャリア密度変化により屈折率の変化を誘起し、光学素子ＷＧ１の光学特性を変化させることが可能となる。複合コアギャップ部３１の材料については、前述した窒酸化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ）あるいは窒化シリコン（ＳｉｘＮｙ）、または無極性のＳｉも適用可能である。
【００５２】
このように構成された複合コア光導波路３０が光の導波方向（Ｙ方向）に一様に続くとした場合について、モードソルバーにより計算したシミュレーション結果を図３に示す。図３は、上部クラッド７、下部クラッド６、及び、複合コアギャップ部３１を屈折率１．４５のＳｉＯ２、第１複合コア導電性部３２及び第２複合コア導電性部３３を屈折率３．４８のＳｉ、図２の各部の寸法をｔ１＝２５０ｎｍ、ｔ２＝５０ｎｍ、Ｗ１＝２８０ｎｍ、Ｗ２＝１６０ｎｍとしたときの基本伝搬モードのシミュレーション結果の光強度分布を等高線図で表したものである。なお、参考のため各材料の界面を同時に記載した。このとき、基本伝搬モードの実効屈折率は２．１６４０であった。
【００５３】
図３に示したように、複合コア光導波路を伝播する光は、主に複合コア導電性部の凸状部に閉じ込められている。光の一部が平板部や複合コアギャップ部にしみ出しているが、大部分は厚みの厚い凸状部に閉じ込められており、コアの幅方向（Ｘ方向）において十分な閉じ込めが行われることがわかる。そのため、電圧印加時にキャリア密度の変化する凸状部が、伝搬モードにおいて光強度の強い部分となり、凸状部の屈折率変動に対する伝搬モードの実効屈折率変化が増大される。また、複合コアギャップ部を挟んで対向する一対の複合コア導電性部の構造が、誘電体を導電性の平板で挟んだキャパシタ状の構造となることで、電圧印加によるキャリア密度の増加が図られる。
【００５４】
図３に示されるように、各複合コア導電性部（半導体コア領域）において、光が導波する範囲は各複合コア導電性部の全体でなくてもよい。すなわち、光が導波する範囲は、複合コア導電性部の全体であってもよいし、一部であってもよい。
複合コア導電性部（半導体コア領域）は、光の導波が少ない部分を含んでいてもよいのであるから、一般的に「全域にわたり光が伝播する領域」と認識される「コア」という語を含んでいるものの、この一般的な概念に限定して解釈するべきものではない。
すなわち、「コア領域」は「光を導波する部分を含む領域」であるから、「半導体コア領域」は、光を導波する部分を含む「半導体領域」と言うこともできる。
【００５５】
図４は、中間光導波路２０の構成を説明する説明図である。図４（ａ）は、中間光導波路２０のＸＹ平面による断面図であり、図４（ｂ）は、中間光導波路２０の複合コア光導波路３０側の領域２０ａをＸＺ平面で切った断面であり、図４（ｃ）は、中間光導波路２０の単一コア光導波路１０側の領域２０ｂをＸＺ平面で切った断面である。
【００５６】
図４（ａ）に示すように、中間光導波路２０には、複合コアギャップ部３１と連続する中間コアギャップ部２１が設けられている。中間コアギャップ部２１は、複合コアギャップ部３１と共に、光学素子ＷＧ１の第１コア４２及び第２コア４１の一部若しくは全部を光の導波方向と直交する方向（Ｘ方向）に分離するギャップ部４０を構成する。
【００５７】
本実施形態の中間コアギャップ部２１は、コア４１の複合コア光導波路３０側の領域２０ａのみに存在する。中間コアギャップ部２１の光の導波方向において対向する一対の端面を第１端面２１ａ及び第２端面２１ｂとすると、複合コア光導波路３０側の第２端面２１ｂは、中間光導波路２０と複合コア光導波路３０との接続界面に配置され、単一コア光導波路１０側の第１端面２１ａは、中間光導波路２０と単一コア光導波路１０との接続界面よりも複合コア光導波路３０側に配置されている。
【００５８】
図４（ｂ）に示すように、中間光導波路２０の複合コア光導波路３０側の領域２０ａにおいては、複合コア光導波路３０と同様に、中間光導波路２０は中間コアギャップ部２１によってコア４１が２つに分離されたギャップ構造を有する。中間光導波路２０は、中間コアギャップ部２１と、その両側に位置する第１中間コア導電性部２２と、第２中間コア導電性部２３との３領域からなる構造を有する。コア４１は、中間コアギャップ部２１を挟んで分離された第１中間コア導電性部（第３半導体コア領域）（第３半導体領域）２２と第２中間コア導電性部（第４半導体コア領域）（第４半導体領域）２３とを部分領域として含む。中間光導波路２０は、単一のモードが前記２つの部分領域にまたがって伝搬されるシングルモード光導波路となっている。
【００５９】
中間光導波路２０のコア４１は、中央部の厚みの厚い部分と、その両側の厚みの薄い部分とを有するリブ型形状である。図４（ｂ）の例では、コアは、第１のリブである第１中間コア導電性部２２と、第２のリブである第２中間コア導電性部２３と、の２つのリブを部分領域として含む。第１中間コア導電性部２２及び第２中間コア導電性部２３は中間コアギャップ部２１よりも高屈折率の材料からなる。
【００６０】
第１中間コア導電性部２２と第２中間コア導電性部２３とは、それぞれ同一形状で且つ互いに水平方向に反転した形状を有する。具体的には、第１中間コア導電性部２２は、厚みの薄い平板部（薄板部）２２ｂと、平板部２２ｂの中間コアギャップ２１側の縁の上に位置し、平板部２２ｂから上部クラッド７側に突出する厚みの厚い凸状部（厚板部）２２ａとから構成される。第２中間コア導電性部２３は、厚みの薄い平板部（薄板部）２３ｂと、平板部２３ｂの中間コアギャップ２１側の縁の上に位置し、平板部２３ｂから上部クラッド７側に突出する厚みの厚い凸状部（厚板部）２３ａとから構成される。凸状部２２ａと凸状部２３ａとは、中間コアギャップ部２１の両側を挟んで対向配置され、中間コアギャップ部２１の側面に接している。凸状部２２ａ，２３ａを構成する材料と平板部２２ｂ、２３ｂを構成する材料は同じである。
【００６１】
中間コアギャップ部２１は、絶縁体やドーピングされていない無極性の半導体などの、電気伝導率の小さい高抵抗材料からなる。本実施形態の場合、複合コア光導波路３０の複合コアギャップ部３１と同じ材料からなるが、複合コアギャップ部３１と異なる材料によって構成しても良い。第１中間コア導電性部２２及び第２中間コア導電性部２３は、第１複合コア導電性部３２及び第２複合コア導電性部３３を構成するコア材料と同種の材料（本実施形態の場合はＳｉ）からなる。第１中間コア導電性部２２においては、光の導波方向において隣接する第１複合コア導電性部３２とは反対の極性の不純物がドーピングされており、第２中間コア導電性部２３においては、光の導波方向において隣接する第２複合コア導電性部３３とは反対の極性の不純物がドーピングされている。すなわち、第１複合コア導電性部３２がＰ型、第２複合コア導電性部３３がＮ型である場合は、第１中間コア導電性部２２はＮ型、第２中間コア導電性部２３はＰ型であり、第１複合コア導電性部３２がＮ型、第２複合コア導電性部３３がＰ型である場合は、第１中間コア導電性部２２はＰ型、第２中間コア導電性部２３はＮ型である。
【００６２】
図４（ｃ）に示すように、中間光導波路２０の単一コア光導波路１０側の領域２０ｂにおいては、中間コアギャップ部が設けられておらず、ギャップ構造によってコア４１が分離されない単一コア構造（非分離領域）となっている。領域２０ｂのコア４１は、第１中間コア導電性部２２と同一材料からなり第１中間コア導電性部２２と一体に形成される第３中間コア導電性部（第５半導体コア領域）（第５半導体領域）２４と、第２中間コア導電性部２３と同一材料からなり第２中間コア導電性部２３と一体に形成される第４中間コア導電性部（第６半導体コア領域）（第６半導体領域）２５とを部分領域として含み、これらがＹＺ平面と平行な接続界面を有して互いに接する構造となっている。
【００６３】
領域２０ｂのコア４１は、中央部の厚みの厚い部分と、その両側の厚みの薄い部分とを有するリブ型形状である。図４（ｃ）の例では、コアは、第１のリブである第３中間コア導電性部２４と、第２のリブである第４中間コア導電性部２５と、の２つのリブを部分領域として含む。
【００６４】
第３中間コア導電性部２４と第４中間コア導電性部２５とは、それぞれ同一形状で且つ互いに水平方向に反転した形状を有する。具体的には、第３中間コア導電性部２４は、厚みの薄い平板部（薄板部）２４ｂと、平板部２４ｂのコア中央側の縁の上に位置し、平板部２４ｂから上部クラッド７側に突出する厚みの厚い凸状部（厚板部）２４ａとから構成される。第４中間コア導電性部２５は、厚みの薄い平板部（薄板部）２５ｂと、平板部２５ｂのコア中央側の縁の上に位置し、平板部２５ｂから上部クラッド７側に突出する厚みの厚い凸状部（厚板部）２５ａとから構成される。凸状部２４ａ，２５ａを構成する材料と平板部２４ｂ、２５ｂを構成する材料は同じである。
【００６５】
第３中間コア導電性部２４及び第４中間コア導電性部２５は、第１中間コア導電性部２２及び第２中間コア導電性部２３を構成するコア材料と同種の材料（本実施形態の場合はＳｉ）からなる。第３中間コア導電性部２４においては、光の導波方向において隣接する第１中間コア導電性部２２と同じ極性の不純物がドーピングされており、第４中間コア導電性部２５においては、光の導波方向において隣接する第２中間コア導電性部２３と同じ極性の不純物がドーピングされている。すなわち、第１中間コア導電性部２２がＰ型、第２中間コア導電性部２３がＮ型である場合は、第３中間コア導電性部２４はＰ型、第４中間コア導電性部２５はＮ型であり、第１中間コア導電性部２２がＮ型、第２中間コア導電性部２３がＰ型である場合は、第３中間コア導電性部２４はＮ型、第４中間コア導電性部２５はＰ型である。
【００６６】
上記のように構成された中間光導波路２０及び複合コア光導波路３０においては、第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３との間に電圧を印加した場合に発生する第２のリーク電流の経路のうち、中間光導波路２０を経由する経路は、第１複合コア導電性部３２−第１中間コア導電性部２２−第３中間コア導電性部２４−第４中間コア導電性部２５−第２中間コア導電性部２３−第２複合コア導電性部３３、またはこの逆となる。すなわち、中間コアギャップ部２１の外周に沿って、第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３との間を反時計回り若しくは時計回りに結ぶ経路である。
【００６７】
ここで、第１中間コア導電性部２２と第１複合コア導電性部３２、及び、第２中間コア導電性部２３と第２複合コア導電性部３３とが、それぞれ同一の極性である場合には、中間光導波路２０において第３中間コア導電性部２４と第４中間コア導電性部２５とが接触している領域は、ＰＮ接合となり、順方向に第２のリーク電流が流れる。しかし、本実施形のように第１中間コア導電性部２２と第１複合コア導電性部３２、及び、第２中間コア導電性部２３と第２複合コア導電性部３３とが、それぞれ反対の極性となっている場合には、上記の経路における半導体の極性は、ＰＮＰＮまたはＮＰＮＰとなり、どちらの場合においても、第２のリーク電流の流れる経路に沿って、Ｎ型からＰ型へと極性の変化する接合を含む。Ｐ型とＮ型の接合においては、順方向に電圧を印加、すなわちＰ型側にＮ型側よりも高い電圧を印加した場合には、Ｐ型側からＮ型側へとリーク電流が流れることになるが、逆方向に電圧を印加、すなわちＮ型側にＰ型側よりも高い電圧を印加した場合には、Ｎ型側からＰ型側へのリーク電流は抑制される。このため、第２のリーク電流の流れる経路に沿ってＮ型からＰ型への変化を有する、すなわちＰ型とＮ型の接合において、Ｎ型側に、Ｐ型側に対して高い電位が印加されている状態において、Ｎ型からＰ型へ流れる第２のリーク電流は低減されることになる。
【００６８】
この場合、中間コアギャップ部２１が存在しない場合でも、原理的には同様の効果が得られる。すなわち、中間コアギャップ部２１が存在しない場合でも、第１複合コア導電性部３２と第２中間コア導電性部２３、及び、第２複合コア導電性部３３と第１中間コア導電性部２２とが、複合コアギャップ部３１で離間されるため、第２のリーク電流の経路は、第１複合コア導電性部３２−第１中間コア導電性部２２−第３中間コア導電性部２４−第４中間コア導電性部２５−第２中間コア導電性部２３−第２複合コア導電性部３３、またはこの逆となる。よって、上記の経路における半導体の極性は、ＰＮＰＮまたはＮＰＮＰとなり、どちらの場合においても、第２のリーク電流の流れる経路に沿ってＮ型からＰ型へと極性の変化する接合を含む。
【００６９】
しかし、複合コア光導波路３０における複合コアギャップ部３１の幅が小さい場合には、第１中間コア導電性部２２と第２複合コア導電性部３３、及び、第２中間コア導電性部２３と第１複合コア導電性部３２が、それぞれ接近しているために、十分な空間電荷層が存在する場合と比較して、第２のリーク電流が増大する。
【００７０】
一方、本実施形態のように中間コアギャップ２１が第１中間コア導電性部２２と第２中間コア導電性部２３との間に配置されていると、各境界間を十分に空けることができるため、複合コアギャップ部３１の幅が小さい場合でも確実に第２のリーク電流を低減することが可能となる。
【００７１】
なお、本形態例では、中間コアギャップ部２１をコア４１の長手方向（Ｙ方向）の一部に設けたが、この構成は必須ではなく、中間光導波路２０全体にわたって中間コアギャップ部２１を有する構造、すなわち、第３中間コア導電性部２４及び第４中間コア導電性部２５のない構造も可能である。
【００７２】
例えば、中間光導波路２０と接する単一コア光導波路１０のコア１１を不純物ドープの行われない無極性の半導体とすると、第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３との間に電圧を印加した場合に発生する第２のリーク電流の経路のうち、中間光導波路を経由する経路は、第１複合コア導電性部３２−第１中間コア導電性部２２−コア１１−第２中間コア導電性部２３−第２複合コア導電性部３３、またはこの逆となる。この経路においては、半導体コア領域の極性が２回変化することとなる。そのため、より第２のリーク電流を低減することができる。
【００７３】
図５は、単一コア光導波路１０のＸＺ平面による断面図である。単一コア光導波路１０のコア１１は、中央部の厚みの厚い部分と、その両側の厚みの薄い部分とを有するリブ型形状である。コア１１は、厚みの薄い平板部１１ｂと、平板部１１ｂの中央部に位置し、平板部１１ｂから上部クラッド７側に突出する凸状部１１ａとから構成される。凸状部１１ａを構成する材料と平板部１１ｂを構成する材料は同じである。コア１１においては、凸状部１１ａが低屈折率のギャップ部によって分離されておらず、単一材料によって構成された単一コア（非分離領域）となっている。
【００７４】
本実施形態においては、コア１１はシリコンからなり、複合コア光導波路３０のコア４２（第１複合コア導電性部３２、第２複合コア導電性部３２）と、中間光導波路２０のコア４１（第１中間コア導電性部２２、第２中間コア導電性部２３、第３中間コア導電性部２４、第４中間コア導電性部２５）と同一幅（Ｗ３＝２Ｗ１＋Ｗ２）及び高さ（ｔ１，ｔ２）を有して、一度に形成される。図５の単一コア光導波路１０は、図４に示した中間光導波路２０の単一コア光導波路側の領域２０ｂと比較して、コア１１が不純物のドーピングを必須としない点以外は、第３中間コア導電性部２４及び第４中間コア導電性部２５で構成された部分と同じである。
【００７５】
本実施形態の場合、コア１１は、ＳＯＩ基板の表層部のシリコン層を用いて形成される。中間光導波路及び複合コア光導波路のコアは、Ｐ型又はＮ型の不純物をドーピングされているが、コア１１の場合はこのような不純物がドーピングされておらず、無極性の半導体となっている。
【００７６】
ここで、「無極性」とは、シリコン層に外部から不純物ドーピングを行っていないということを意味し、シリコン層が真性半導体からなる場合だけでなく、ＳＯＩ基板にもともと含まれている微量な導電性不純物によってシリコン層に微量な導電性不純物が含まれている場合も含む。例えば、チョクラルスキー法等の製法で作製されたシリコン基板には、Ｐ型又はＮ型の導電性不純物が微量に含まれているのが一般的である。そのようなシリコン基板を用いてＳＯＩ基板を作製した場合には、ＳＯＩ基板の内部に存在する導電性不純物によって、得られるコア１１の内部にも微量な導電性不純物が含まれることとなる。
【００７７】
なお、コア１１の材料、形状は特にこれに限らず、上部クラッド７及び下部クラッド６が光導波路を形成するという条件のもと適宜選択することができる。また、半導体を材料として用いた場合の極性に関して、必ずしも無極性の半導体である必要はなく、中間コア導電性部において使用されているＮ型及びＰ型の極性を有する半導体材料の使用も可能である。
【００７８】
［実施例］
図６は、本発明の効果を説明するための説明図である。図６において、「実施例」とは、図１の構造、すなわち、複合コア光導波路をギャップ構造とし、且つ、複合コア光導波路と単一コア光導波路との間に中間光導波路を設けた構造であり、「比較例」とは、複合コア光導波路を単一コア構造とし、且つ、複合コア光導波路と単一コア光導波路との間に中間光導波路を設けない構造である。また、図６の横軸は第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３との間に印加する電圧であり、縦軸は第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３との間に流れる第１のリーク電流及び第２のリーク電流の合計の総リーク電流を示している。
【００７９】
図６に示すように、本実施例の光学素子では比較例の光学素子に比べて総リーク電流が少ない。比較例の光学素子では、印加電圧を大きくしていくと、複合コア導電性部間に発生する総リーク電流も大きくなる。印加電圧を１０Ｖにすると３６．２ｍＡという大きな総リーク電流が発生する。それに対して、本実施例の光学素子では、印加電圧を大きくしても総リーク電流の大きさは殆ど変化しない。１０Ｖの印加電圧をかけた場合でも１１．９μＡという極めて小さな総リーク電流しか発生しない。
【００８０】
［光学素子の利用例］
本発明の光学素子をマッハツェンダー干渉計（Mach-Zehnder Interferometer；ＭＺＩ）の一部として利用する場合について、図７を用いて説明する。図７は、マッハツェンダー干渉計を基板に水平な面（ＸＹ平面）で切断した断面を示す概略図である。
【００８１】
ＭＺＩ光導波路１０１は、本実施形態における単一コア光導波路と同一の断面構造により構成され、ＳＯＩ基板上にシリコンリブ光導波路として形成される。
位相調整部１０２は、マッハツェンダー干渉計の２本のアームの片側に設置され、本実施形態における複合コア光導波路と同一の断面構造により構成される。
位相調整部１０２の両側の第１接続部１０３及び第２接続部１０４は、本実施形態の光学素子によって構成される。
第１接続部１０３及び第２接続部１０４においては、それぞれ光学素子の複合コア光導波路が位相調整部１０２と接続され、光学素子の単一コア光導波路がＭＺＩ光導波路１０１と接続される。これにより、ＭＺＩ光導波路１０１と位相調整部１０２とが接続される。
【００８２】
具体例として、図１に示す光学素子ＷＧ１を第１接続部１０３及び第２接続部１０４に用いた場合について説明する。
第１接続部１０３においては、複合コア導電性部３２、３３の端部が位相調整部１０２の一方の端部に接続され、単一コア光導波路１０の端部がＭＺＩ光導波路１０１に接続される。第２接続部１０４においては、複合コア導電性部３２、３３の端部が位相調整部１０２の他方の端部に接続され、単一コア光導波路１０の端部がＭＺＩ光導波路１０１に接続される。
これによって、位相調整部１０２の一方の端部は第１接続部１０３を介してＭＺＩ光導波路１０１に接続され、他方の端部は第２接続部１０４を介してＭＺＩ光導波路１０１に接続される。
【００８３】
位相調整部１０２においては、外部より電極を通じて複合コア導電性部に電圧を印加することにより、複合コア導電性部に屈折率変化を誘起し、光の伝搬速度を変える。そして、位相調整部１０２の設けられていない反対側のアームを通過する光に対して位相差を発生させることにより、出力端における光の強度を制御する。
【００８４】
［第２の実施の形態］
図８は、本発明の第２実施形態にかかる光学素子ＷＧ２の説明図である。図８の光学素子ＷＧ２において、図１に示した第１実施形態の光学素子ＷＧ１と共通する構成については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００８５】
図１に示した第１実施形態の光学素子ＷＧ１では、中間光導波路２０のコアをそれぞれ逆の極性を持つ２つの半導体コア領域（中間コア導電性部２２，２４と中間コア導電性部２３，２５）によって構成した。しかし、中間光導波路２０の構造はこの例に限らない。例えば、光の導波方向に従ってＰ型とＮ型の半導体コア領域が２回以上交互に切り替わるように配置されても良い。具体例として、Ｐ型とＮ型の半導体コア領域が２回繰り返される場合を図８に示す。
【００８６】
図８の光学素子ＷＧ２において、中間コアギャップ部２０１は、その両端部が単一コア光導波路３０から複合コア光導波路３０まで達するように、中間光導波路２０のコア４５の長手方向全体に設けられている。すなわち、中間コアギャップ部２１の光の導波方向において対向する一対の端面を第１端面２０１ａ及び第２端面２０１ｂとすると、複合コア光導波路３０側の第２端面２０１ｂは、中間光導波路２０と複合コア光導波路３０との接続界面に配置され、単一コア光導波路１０側の第１端面２０１ａは、中間光導波路２０と単一コア光導波路１０との接続界面に配置されている。
【００８７】
中間光導波路２０のコア４５は、中間コアギャップ部２０１を挟んで分離された第１分離領域４５ａと第２分離領域４５ｂとを部分領域として含む。第１分離領域４５ａは、光の導波方向に沿ってＰ型とＮ型とが光の導波方向に沿って交互に切り替わるように配置された第１中間コア導電性部２０２と第３中間コア導電性部２０４とからなる第１極性反転領域２０６を部分領域として含む。第２分離領域４５ｂは、光の導波方向に沿ってＰ型とＮ型とが光の導波方向に沿って交互に切り替わるように配置された第２中間コア導電性部２０３と第４中間コア導電性部２０５とからなる第２極性反転領域２０７を部分領域として含む。第２中間コア導電性部２０３と第３中間コア導電性部２０４とは、第１複合コア導電性部３２と同一の極性を有する半導体材料から構成され、第１中間コア導電性部２０２と第４中間コア導電性部２０５とは、第２複合コア導電性部３３と同一の極性を有する半導体材料から構成されている。コア１１は、無極性の半導体からなる。
【００８８】
第１中間コア導電性部２０２、第２中間コア導電性部２０３、第３中間コア導電性部２０４、及び、第４中間コア導電性部２０５、は中間コアギャップ部２０１よりも高屈折率の材料からなる。また、中間コアギャップ部２０１は、絶縁体やドーピングされていない無極性の半導体などの、第１中間コア導電性部２０２、第２中間コア導電性部２０３、第３中間コア導電性部２０４、及び、第４中間コア導電性部２０５よりも電気伝導率の小さい高抵抗材料からなる。
【００８９】
光学素子ＷＧ２では、第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３との間に電圧を印加した場合に発生する第２のリーク電流の経路のうち、中間光導波路を経由する経路は、第１複合コア導電性部３２−第１中間コア導電性部２０２−第３中間コア導電性部２０４−コア１１−第４中間コア導電性部２０５−第２中間コア導電性部２０３−第２複合コア導電性部３３、またはこの逆となる。この経路においては、半導体コア領域の極性が４回変化することとなる。コア１１考慮しなければ、このとき、第２のリーク電流の流れる経路に沿って、Ｎ型からＰ型へと変わる極性の変化が、２回現れることになり、一定の電圧を印加した場合に、Ｎ型からＰ型への変化が１回のみの場合と比較して１箇所あたりに印加される電圧は低くなる。コア１１の材料により程度の差はあるものの、この接合において流れる第２のリーク電流をより低減することが可能となる。
【００９０】
なお、図８の例では、中間光導波路２０のコア４５には、中間コアギャップ部２０１を挟んで対向配置された一対の逆極性の中間コア導電性部からなる導電性ブロック２０８，２０９が光の導波方向に沿って２組設けられている。この数は２組に限らず、３組以上としても良い。すなわち、中間コアギャップ部２０１の外周に沿う第２のリーク電流の経路中に、Ｐ型半導体コア領域とＮ型半導体コア領域との接続界面が２回現れるが、その回数は２回に限らず、４回以上とすることも可能である。こうすることで、より第２のリーク電流を低減することが可能となる。
【００９１】
［第３の実施の形態］
図９は、本発明の第３実施形態にかかる光学素子ＷＧ３の説明図である。図９の光学素子ＷＧ３において、図８に示した第２実施形態の光学素子ＷＧ２と共通する構成については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００９２】
図８に示した第２実施形態の光学素子ＷＧ２では、中間コアギャップ部２０１が中間光導波路のコア４５の長手方向全体に及ぶ構造となっている。しかし、中間光導波路２０の構造はこの例に限らない。例えば、中間コアギャップ部２０１の単一コア光導波路１０側の端面２０１ａが中間光導波路２０と単一コア光導波路１０との接続界面よりも複合コア光導波路３０側に配置される構造とすることも可能である。具体例を図９に示す。
【００９３】
図９の光学素子ＷＧ３において、中間コアギャップ部２１１は、複合コア光導波路３０側のみに存在する。中間コアギャップ部２１１の光の導波方向において対向する一対の端面を第１端面２１１ａ及び第２端面２１１ｂとすると、複合コア光導波路３０側の第２端面２１１ｂは、中間光導波路２０と複合コア光導波路３０との接続界面に配置され、単一コア光導波路１０側の第１端面２１１ａは、中間光導波路２０と単一コア光導波路１０との接続界面よりも複合コア光導波路３０側に配置されている。
【００９４】
中間光導波路２０の複合コア光導波路３０側においては、コア４６が中間コアギャップ部２１１によって分離されたギャップ構造を有する。コア４６は、中間コアギャップ部２１１を挟んで分離された第１分離領域４６ａと第２分離領域４６ｂとを部分領域として含む。第１分離領域４６ａは、光の導波方向に沿ってＰ型とＮ型とが光の導波方向に沿って交互に切り替わるように配置された第１中間コア導電性部２１２と第３中間コア導電性部２１４とからなる第１極性反転領域２２８を部分領域として含む。第２分離領域４６ｂは、光の導波方向に沿ってＰ型とＮ型とが光の導波方向に沿って交互に切り替わるように配置された第２中間コア導電性部２１３と第４中間コア導電性部２１５とからなる第２極性反転領域２２９を部分領域として含む。第２中間コア導電性部２１３と第３中間コア導電性部２１４とは、第１複合コア導電性部３２と同一の極性を有する半導体材料から構成され、第１中間コア導電性部２１２と第４中間コア導電性部２１５とは、第２複合コア導電
性部３３と同一の極性を有する半導体材料から構成されている。コア１１は、無極性の半導体からなる。
【００９５】
中間光導波路２０の単一コア光導波路１０側においては、コア４６が中間コアギャップ部２１１によって分離されない単一コア構造（非分離領域）を有する。コア４６は、第３中間コア導電性部２１４と同一材料からなり第３中間コア導電性部２１４と一体に形成される第５中間コア導電性部（第５半導体コア領域）２１６と、第４中間コア導電性部２１５と同一材料からなり第４中間コア導電性部２１５と一体に形成される第６中間コア導電性部（第６半導体コア領域）２１７とを部分領域として含み、これらがＹＺ平面と平行な接続界面を有して互いに接触する構造となっている。
【００９６】
第１中間コア導電性部２１２、第２中間コア導電性部２１３、第３中間コア導電性部２１４、第４中間コア導電性部２１５、第５中間コア導電性部２１６、及び、第６中間コア導電性部２１７は中間コアギャップ部２１１よりも高屈折率の材料からなる。また、中間コアギャップ部２１１は、絶縁体やドーピングされていない無極性の半導体などの、第１中間コア導電性部２１２、第２中間コア導電性部２１３、第３中間コア導電性部２１４、第４中間コア導電性部２１５、第５中間コア導電性部２１６、及び、第６中間コア導電性部２１７よりも電気伝導率の小さい高抵抗材料からなる。
【００９７】
光学素子ＷＧ３では、第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３との間に電圧を印加した場合に発生する第２のリーク電流の経路のうち、中間光導波路を経由する経路は、第１複合コア導電性部３２−第１中間コア導電性部２１２−第３中間コア導電性部２１４−第５中間コア導電性部２１６−第６中間コア導電性部２１７−第４中間コア導電性部２１５−第２中間コア導電性部２１３−第２複合コア導電性部３３、またはこの逆となる。この経路においては、半導体コア領域の極性は３回変化することとなる。そのため、より第２のリーク電流を低減することができる。また、中間コアギャップ部２１１がコア１１まで達していないため、コア１１に対する第２のリーク電流の侵入を低減することができる。
【００９８】
なお、図９の例では、中間光導波路２０のコア４６には、中間コアギャップ部２１１を挟んで対向する一対の逆極性の中間コア導電性部からなる導電性ブロック２１８，２１９が光の導波方向に沿って２組設けられている。この数は２組に限らず、３組以上としても良い。３組以上とした場合において、中間コアギャップ部２１１の単一コア光導波路１０側の端面２１１ａは、コア１１とコア４６との接続界面よりも複合コア光導波路３０側に配置されていれば良い。すなわち、中間コアギャップ部２１１の外周に沿う第２のリーク電流の経路中に、Ｐ型半導体コア領域とＮ型半導体コア領域との接続界面が３回現れるが、その回数は３回に限らず、５回以上とすることも可能である。こうすることで、より第２のリーク電流を低減することが可能となる。
【００９９】
［第４の実施の形態］
図１０は、本発明の第４実施形態にかかる光学素子ＷＧ４の説明図である。図１０の光学素子ＷＧ４において、図１に示した第１実施形態の光学素子ＷＧ１と共通する構成については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【０１００】
図１に示した第１実施形態の光学素子ＷＧ１では、中間光導波路２０において、第１中間コア導電性部２２と第２中間コア導電性部２３とはそれぞれ逆の極性を持った構造となっているが、この部分に無極性の半導体を用いることも可能である。具体例を図１０に示す。
【０１０１】
図１０の光学素子ＷＧ４において、中間コアギャップ部２２１は、複合コア光導波路３０側のみに存在する。すなわち、中間コアギャップ部２２１の光の導波方向において対向する一対の端面を第１端面２２１ａ及び第２端面２２１ｂとすると、複合コア光導波路３０側の第２端面２２１ｂは、中間光導波路２０と複合コア光導波路３０との接続界面に配置され、単一コア光導波路１０側の第１端面２２１ａは、中間光導波路２０と単一コア光導波路１０との接続界面よりも複合コア光導波路３０側に配置されている。
【０１０２】
中間光導波路２０の複合コア光導波路３０側の領域においては、中間光導波路２０は、コア４７が中間コアギャップ部２２１によって分離されたギャップ構造を有する。コア４７は、中間コアギャップ部２２１を挟んで分離された第１中間コア無極性部（第３半導体コア領域）２２２と第２中間コア無極性部（第４半導体コア領域）２２３とを部分領域として含む。中間光導波路２０は、中間コアギャップ部２２１によって分離された２つの部分領域にまたがって光が伝播する複合コア構造を有する光導波路である。
【０１０３】
中間光導波路２０の単一コア光導波路１０側の領域においては、中間光導波路２０は、コア４７が中間コアギャップ部によって分離されない単一コア構造（非分離領域）を有する。コア４７は、第１中間コア無極性部２２２及び第２中間コア無極性部２２３と同一材料からなり、第１中間コア無極性部２２２及び第２中間コア無極性部２２３と一体に形成される無極性の半導体からなる第３中間コア無極性部（非分離領域）２２４を部分領域として含む。
【０１０４】
第１中間コア無極性部２２２及び第２中間コア無極性部２２３は中間コアギャップ部２２１よりも高屈折率の材料からなる。また、中間コアギャップ部２２１は、絶縁体やドーピングされていない無極性の半導体などの、第１中間コア無極性部２２２及び第２中間コア無極性部２２３よりも電気伝導率の小さい高抵抗材料からなる。
【０１０５】
この構成においては、第１複合コア導電性部３２と中間コア無極性部２２２との境界、及び、第２複合コア導電性部３３と中間コア無極性部２２３との境界に、中間コア無極性部２２２，２２３に対するキャリアの拡散が起こる。そのため、中間コアギャップ部２２１が設けられない場合には、第１複合コア導電性部３２−第１中間コア無極性部２２２−第３中間コア無極性部２２４−第２中間コア無極性部２２３−第２複合コア導電性部３３を最短で結ぶ経路については、無極性の半導体領域が短いために十分な低リーク電流とはならないことが考えられる。しかし、複合コア導電性部３２，３３からのキャリアの拡散の少ない材料により中間コア無極性部２２２，２２３，２２４を構成し、中間コアギャップ部２２１の長さ（Ｙ方向の長さ）を前記経路上の拡散領域よりも十分長くとった場合には、前記経路中に電気抵抗の高い無極性の半導体領域を含むことになり、その結果、第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３との間に電圧を印加した際に中間光導波路を通過して流れる第２のリーク電流を低減することが可能となる。
【０１０６】
［第５の実施の形態］
図１１は、本発明の第５実施形態にかかる光学素子ＷＧ５の説明図である。図１１の光学素子ＷＧ５において、図１０に示した第４実施形態の光学素子ＷＧ４と共通する構成については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【０１０７】
図１０に示した第４実施形態の光学素子ＷＧ４では、第１複合コア導電性部３２と中間コア無極性部２２２、及び、第２複合コア導電性部３３と中間コア無極性部２２３とが、直接接するような構造とした。しかし、中間光導波路２０の構造はこの例に限らない。例えば、第１複合コア導電性部３２と中間コア無極性部２２２との間、及び、第２複合コア導電性部３３と中間コア無極性部２２３との間には、それぞれＰ型とＮ型の半導体コア領域が少なくとも２回以上切り替わるように交互に配置される構造としても良い。具体例として、Ｐ型とＮ型の半導体コア領域が２回繰り返される場合を図１１に示す。
【０１０８】
図１１の光学素子ＷＧ５において、中間コアギャップ部２３１は、複合コア光導波路３０側のみに存在する。すなわち、中間コアギャップ部２３１の光の導波方向において対向する一対の端面を第１端面２３１ａ及び第２端面２３１ｂとすると、複合コア光導波路３０側の第２端面２３１ｂは、中間光導波路２０と複合コア光導波路３０との接続界面に配置され、単一コア光導波路１０側の第１端面２３１ａは、中間光導波路２０と単一コア光導波路１０との接続界面よりも複合コア光導波路３０側に配置されている。
【０１０９】
中間光導波路２０の複合コア光導波路３０側の領域においては、コア４８が中間コアギャップ部２３１によって分離されたギャップ構造を有する。コア４８は、中間コアギャップ部２３１を挟んで分離された第１分離領域４８ａと第２分離領域４８ｂとを部分領域として含む。第１分離領域４８ａは、光の導波方向に沿ってＰ型とＮ型とが光の導波方向に沿って交互に切り替わるように配置された第１中間コア導電性部２３２と第３中間コア導電性部２３４とからなる第１極性反転領域２５１と、第３中間コア導電性部２３４の単一コア光導波路１０側の光入射端面に接続された無極性の半導体からなる第１中間コア無極性部２３６と、を部分領域として含む。第２分離領域４８ｂは、光の導波方向に沿ってＰ型とＮ型とが光の導波方向に沿って交互に切り替わるように配置された第２中間コア導電性部２３３と第４中間コア導電性部２３５とからなる第２極性反転領域２５２と、第４中間コア導電性部２３５の単一コア光導波路１０側の光入射端面に接続された無極性の半導
体からなる第２中間コア無極性部２３７と、を部分領域として含む。第２中間コア導電性部２３３と第３中間コア導電性部２３４とは、第１複合コア導電性部３２と同一の極性を有する半導体材料から構成され、第１中間コア導電性部２３２と第４中間コア導電性部２３５とは、第２複合コア導電性部３３と同一の極性を有する半導体材料から構成されている。コア１１は、無極性の半導体からなる。
【０１１０】
中間光導波路２０の単一コア光導波路１０側の領域においては、コア４８が中間コアギャップ部によって分離されない単一コア構造（非分離領域）を有する。コア４８は、第１中間コア無極性部２３６及び第２中間コア無極性部２３７と同一材料からなり第１中間コア無極性部２３６及び第２中間コア無極性部２３７と一体に形成される第３中間コア無極性部２３８を部分領域として含む。
【０１１１】
第１中間コア導電性部２３２、第２中間コア導電性部２３３、第３中間コア導電性部２３４、第４中間コア導電性部２３５、第１中間コア無極性部２３６、及び、第２中間コア無極性部２３７は、中間コアギャップ部２３１よりも高屈折率の材料からなる。また、中間コアギャップ部２３１は、絶縁体やドーピングされていない無極性の半導体などの、第１中間コア導電性部２３２、第２中間コア導電性部２３３、第３中間コア導電性部２３４、第４中間コア導電性部２３５、第１中間コア無極性部２３６、第２中間コア無極性部２３７よりも電気伝導率の小さい高抵抗材料からなる。
【０１１２】
光学素子ＷＧ５では、第１複合コア導電性部３２と第２複合コア導電性部３３との間に電圧を印加した場合に発生する第２のリーク電流の経路のうち、中間光導波路を経由する経路は、第１複合コア導電性部３２−第１中間コア導電性部２３２−第３中間コア導電性部２３４−第１中間コア無極性部２３６−第３中間コア無極性部２３８−第２中間コア無極性部２３７−第４中間コア導電性部２３５−第２中間コア導電性部２３３−第２複合コア導電性部３３、またはこの逆となる。この経路においては、半導体コア領域の極性は５回変化することとなる。そのため、第２のリーク電流をより低減することが可能となる。
【０１１３】
なお、図１１の例では、中間光導波路２０のコア４８には、中間コアギャップ部２３１を挟んで対向する一対の逆極性の中間コア導電性部からなる導電性ブロック２４１，２４２が光の導波方向に沿って２組設けられている。この数は２組に限らず、３組以上としても良い。３組以上とした場合において、中間コアギャップ部２３１の単一コア光導波路１０側の端面２３１ａは、コア１１とコア４８との接続界面よりも複合コア光導波路３０側に配置されていれば良い。すなわち、中間コアギャップ部２３１の外周に沿う第２のリーク電流の経路中に、Ｐ型半導体コア領域とＮ型半導体コア領域との接続界面が２回現れるが、その回数は２回に限らず、４回以上とすることも可能である。こうすることで、より第２のリーク電流を低減することが可能となる。
【０１１４】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【０１１５】
例えば、上記実施形態では、Ｓｉをコア材料として用いたが、コア材料はこれに限らず、ＧｅやＳｉＧｅなどの他の半導体材料を用いても良い。
【０１１６】
また、第１、第２、第３、第５実施形態では、複合コア光導波路３０のコアの光入出射端面と接続する部分の中間光導波路２０のコアを互いに反対の極性を有する半導体コア領域とし、第４実施形態では、この部分を無極性の半導体コア領域とした。しかし、中間光導波路２０の構成はこれに限らない。例えば、第１中間コア導電性部を無極性の半導体コア領域とし、第２中間コア導電性部を第２複合コア導電性部３３と反対の極性の半導体コア領域としても良い。逆に、第２中間コア導電性部を無極性の半導体コア領域とし、第１中間コア導電性部を第１複合コア導電性部３２と反対の極性の半導体コア領域としても良い。
【０１１７】
また、第１、第２、第３、第５実施形態では、中間コアギャップ部によって光の導波方向と直交する方向に分離された一対の分離領域に、それぞれ同じ数のＰ型半導体コア領域とＮ型半導体コア領域とを設けた。しかし、中間光導波路２０の構成はこれに限らない。例えば、一方の分離領域にｉ個ずつＰ型半導体コア領域とＮ型半導体コア領域を設け、他方の分離領域にｊ（≠ｉ）個ずつＰ型半導体コア領域とＮ型半導体コア領域を設けても良い。また、いずれか一方の分離領域には、Ｐ型半導体コア領域又はＮ型半導体コア領域を設けずに、無極性の半導体コア領域のみで構成していても良い。また、Ｐ型半導体コア領域とＮ型半導体コア領域とが光の導波方向に沿って交互に配置された領域を１つの極性反転領域としたときに、複数の極性反転領域を光の導波方向に沿って配置すると共に、極性反転領域同士の間に無極性の半導体コア領域を設けても良い。
【０１１８】
すなわち、上記実施形態においては、一対の分離領域のうちの少なくとも一方は、Ｐ型とＮ型とが光の導波方向に沿って交互に切り替わるように配置された複数の半導体コア領域を部分領域として含むもの、若しくは、一対の分離領域のうちの少なくとも一方は、Ｐ型とＮ型とが光の導波方向に沿って交互に切り替わるように配置された複数の半導体コア領域からなる極性反転領域と、前記極性反転領域の光入出射端面に接続された無極性の半導体コア領域と、を部分領域として含むものであれば良い。
【０１１９】
［第６の実施の形態］
図１２〜図１４は、本発明の第５実施形態にかかる光学素子ＷＧ６の説明図であり、グレーティング構造を採用したものである。
図１４はコア５０を示すもので、ここではコア５０のみを図示するが、クラッドがコア５０の周囲を囲んでいるものとする。また、クラッドの下には基板（図示せず）が存在し、コア５０の底面５４は基板面に平行である。水平方向とは基板面に平行な方向をいい、垂直方向とは基板面に垂直な方向をいう。
【０１２０】
図１４（ａ）はコア５０の一部の平面図である。符号Ｃはコア５０の水平面内での単一の中心軸を表し、光は光導波路中を中心軸Ｃに沿って伝搬する。この光導波路は、ブラッググレーティングパターン（詳しくは後述）を有しており、この光導波路のスペクトルには少なくとも一つの反射帯が現れる。
反射帯の中心波長λ０は、ブラッググレーティングの周期をｐＧ、光導波路の実効屈折率をｎｅｆｆとするとき、λ０＝ｐＧ／ｎｅｆｆにより与えられる。ここで実効屈折率ｎｅｆｆは、光導波路のコア５０の幅を平均幅ｗ０とした場合の値である。
【０１２１】
コア５０の平均幅ｗ０は、コア５０の横幅ｗｏｕｔの一周期での平均値に等しい。
コア５０の側壁５２には、凹部５２ａと凸部５２ｂが光の導波方向に交互に形成され、横幅ｗｏｕｔが一周期ｐＧごとに増減して第１のブラッググレーティングパターンが形成される。
【０１２２】
矩形断面の光導波路では、光の直線偏光した電界が主として水平方向に沿う場合（以下ＴＥ型偏光）と、主として垂直方向に沿う場合（以下ＴＭ型偏光）に対して、それぞれ固有の導波モードが存在する。そして、おのおのの導波モードに固有の実効屈折率が存在するという偏光依存性が存在する。
【０１２３】
ＴＥ型偏光での固有モードの実効屈折率ｎｅｆｆＴＥは、ＴＭ型偏光での固有モードの実効屈折率ｎｅｆｆＴＭに比べ、光導波路の幅の変化に対して敏感に変化する。
ＴＭ型偏光での固有モードの実効屈折率ｎｅｆｆＴＭは、ＴＥ型偏光での固有モードの実効屈折率ｎｅｆｆＴＥに比べ、光導波路の高さ（すなわち厚み）の変化に対して敏感に変化する。
よってブラッググレーティングの偏光依存性を低減するには、光導波路の幅を周期的に変化させるのみならず、光導波路の高さも周期的に変化させるのが好適である。
【０１２４】
矩形光導波路（断面が略矩形状の光導波路）への適用を考慮すると、第１のブラッググレーティングパターンをコアの一方または両方の側壁に設け、第２のブラッググレーティングパターンをコアの上面と底面のうち一方または両方に設けることが好ましい。
第１のブラッググレーティングパターンと第２のブラッググレーティングパターンとの組み合わせによって、ＴＥ型偏光への作用とＴＭ型偏光への作用を等化し、偏光依存性を低減することができる。
図示例では、第１のブラッググレーティングパターンをコアの両側壁に設け、第２のブラッググレーティングパターンをコアの上面に設けている。
コア５０の形状は、中心軸Ｃを含む垂直方向の平面に対して水平方向に対称（図１４（ａ）では中心軸Ｃに対して上下に対称）となっている。
【０１２５】
図１４（ｂ）に示すように、コア５０では、コア上部に設けた溝（トレンチ）５３の幅ｗｉｎが光の導波方向に周期的に変化している。コアの高さはｔｏｕｔであり、溝５３の深さはｔｉｎである。図１４（ａ）に示すように、溝５３は中心軸Ｃに沿う方向に延在し、溝５３の幅ｗｉｎの中点の水平方向の座標は、中心軸Ｃ上に位置する。
この構造により、コア５０の高さを周期的に変化させるのと等価的に実効屈折率を変化させることができる。
溝５３の側壁には凹部５３ａと凸部５３ｂが交互に形成され、溝幅ｗｉｎは一周期ｐＧごとに増減して第２のブラッググレーティングパターンを形成する。
溝５３は、例えば光学マスクを用いた描画（リソグラフィ）とエッチングにより形成することができる。
【０１２６】
図１４（ａ）に示すように、コア５０では、光の導波方向において、側壁５２のコア幅ｗｏｕｔの広い部分（凸部５２ｂ）と溝５３内側壁の溝幅ｗｉｎの狭い部分（凸部５３ｂ）とが対応し、かつ側壁５２のコア幅ｗｏｕｔの狭い部分（凹部５２ａ）と溝５３内側壁の溝幅ｗｉｎの広い部分（凹部５３ａ）とが対応している。このように、第１のブラッググレーティングパターンの凹凸と第２のブラッググレーティングパターンの凹凸とが同期しており、それぞれの局所周期ｐＧが一致している。これにより、光導波路寸法の設計が容易になる。
【０１２７】
図１２および図１３は、前記グレーティング構造を採用した光学素子の断面図である。
以下の説明においては、既出の構成については同一符号を付してその説明を省略することがある。
本実施形態の光学素子は、内側コア６０と、外側コア６４とからなる複合コアを有する。
内側コア６０は、ギャップ部２１、３１、コア導電性部２２、３２、およびコア導電性部２３、３３を備えている。
外側コア６４は、コア導電性部２２、３２、２３、３３より低屈折率の材料からなる。外側コア６４の屈折率は、上部クラッド７の屈折率より高い。外側コア６４の厚みはｔｏｕｔで、溝６４ｃの深さはｔｉｎである。
【０１２８】
ギャップ部２１、３１を形成することによって、単一偏光状態に単一モードしか存在しないという条件を保持しながら、内側コア６０に光が閉じ込められる領域の断面積を拡大することができる。また、外側コア６４に形成されたブラッググレーティング（後述）の加工誤差による実効屈折率の精度劣化を低減することができるので、実効屈折率の偏光依存性を低減するのにも有効である。
【０１２９】
各構成の構成材料としては、例えばコア導電性部２２、３２、２３、３３がシリコン（Ｓｉ）、ギャップ部２１、３１がシリカ（ＳｉＯ２）、窒酸化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ）、または窒化シリコン（ＳｉｘＮｙ）、外側コア６４が窒酸化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ）または窒化シリコン（ＳｉｘＮｙ）、基板５がシリコン（Ｓｉ）、下部クラッド６および上部クラッド７がシリカ（ＳｉＯ２）とすることができる。
【０１３０】
コア導電性部２２、３２、２３、３３の導電型は、Ｐ型とＮ型とのうちのいずれか一方を第１導電型、他方を第２導電型としたときに、コア導電性部２２、３３を第１導電型とし、コア導電性部２３、３２を第２導電型とすることができる。
コア導電性部２２の平板部２２ｂに第１電極（図示略）を接続し、コア導電性部２３の平板部２３ｂに第２電極（図示略）を接続し、第１電極と第２電極との間に電圧を印加することにより、コア導電性部２２、２３の屈折率を可変に制御できる。
コア導電性部３２の平板部３２ｂに第１電極（図示略）を接続し、コア導電性部３３の平板部３３ｂに第２電極（図示略）を接続し、第１電極と第２電極との間に電圧を印加することにより、コア導電性部３２、３３の屈折率を可変に制御できる。
【０１３１】
外側コア６４は、コア導電性部２２、３２、２３、３３の上に設けられる。
外側コア６４の上面６４ａと側壁６４ｂには、それぞれ図１４のコア５０と同様な第１および第２のブラッググレーティングパターンが形成されている。
具体的には、外側コア６４の幅ｗｏｕｔを周期的に変化させた第１のブラッググレーティングパターンと、外側コア６４の上面６４ａに形成された溝（トレンチ）６４ｃの幅ｗｉｎを周期的に変化させた第２のブラッググレーティングパターンを備えている。
この構成の光学素子によれば、ギャップ部４０によって、コア導電性部２２、３２とコア導電性部２３、３３との間に発生する、導波方向と直交する方向の電流を低減することが可能である。また、ブラッググレーティングの採用により、光導波路の実効屈折率を変化させることができる。
【符号の説明】
【０１３２】
１…コア、１１…単一コア（非分離領域）、２２…第１中間コア導電性部（第３半導体コア領域）、２３…第２中間コア導電性部（第４半導体コア領域）、２４…第３中間コア導電性部（非分離領域）、２５…第４中間コア導電性部（非分離領域）、３２…第１複合コア導電性部（第１半導体コア領域）、３２ａ，３２ｂ…平板部（コアの厚みの薄い部分）、３３…第２複合コア導電性部（第２半導体コア領域）、４０…ギャップ部、４５ａ，４５ｂ，４６ａ，４６ｂ，４８ａ，４８ｂ…分離領域、２０２〜２０５，２１２〜２１７，２２２〜２２４，２３２〜２３８…半導体コア領域、２０８，２０９，２１８，２１９，２４１，２４２…導電性ブロック、２０６，２０７，２２８，２２９，２５１，２５２…極性反転領域、ＷＧ１，ＷＧ２，ＷＧ３，ＷＧ４，ＷＧ５…光学素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を導波する半導体のコア（１）を有する光学素子であって、
前記コアの幅方向中央部に、光の導波方向に沿って延びる絶縁性のギャップ部（４０）を有し、
前記コアは、前記ギャップ部によって光の導波方向と直交する方向に電気的に分離された分離領域を部分領域として含み、
前記分離領域には、第１導電型の第１半導体コア領域（３２）と、前記第１半導体コア領域と前記ギャップ部を挟んで対向配置された第２導電型の第２半導体コア領域（３３）と、前記第１半導体コア領域と光の導波方向において隣接する第２導電型又は無極性の第３半導体コア領域（２２）と、前記第２半導体コア領域と光の導波方向において隣接し、前記第３半導体コア領域と前記ギャップ部を挟んで対向配置された第１導電型又は無極性の第４半導体コア領域（２３）と、が部分領域として含まれ、
前記第１半導体コア領域と前記第２半導体コア領域とに電圧印加用の電極が接続されていることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
光を導波する半導体のコア（１）を有する光学素子であって、
前記コアの幅方向中央部に、光の導波方向に沿って延びる絶縁性のギャップ部（４０）を有し、
前記コアは、前記ギャップ部によって光の導波方向と直交する方向に電気的に分離された分離領域を部分領域として含み、
前記分離領域は、光を導波する第１〜第４半導体領域（３２，３３，２２，２３）を部分領域として含み、
前記第１半導体領域（３２）が、第１導電型であり、
前記第２半導体領域（３３）が、第１導電型と逆極性の第２導電型であり、前記第１半導体領域と前記ギャップ部を挟んで対向配置され、
前記第３半導体領域（２２）が、第２導電型又は無極性であり、前記第１半導体領域と光の導波方向において隣接し、
前記第４半導体領域（２３）が、第１導電型又は無極性であり、前記第２半導体領域と光の導波方向において隣接し、かつ前記第３半導体領域と前記ギャップ部を挟んで対向配置され、
前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間に電圧印加可能であることを特徴とする光学素子。
【請求項３】
前記コアは、前記分離領域と光導波方向において隣接する位置に、光の導波方向と直交する断面内に前記ギャップ部を含まない非分離領域（１１）を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記コアは、第１導電型と第２導電型とが前記ギャップ部の外周に沿って交互に切り替わるように配置された複数の半導体コア領域からなる極性反転領域（２０６）を部分領域として含むことを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
【請求項５】
前記極性反転領域は、前記ギャップ部の光の導波方向と平行な第１辺から前記ギャップ部の先端部を迂回して前記第１辺と対向する第２辺に至る前記ギャップ部の端部領域に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
【請求項６】
前記極性反転領域は、前記第１半導体コア領域から前記ギャップ部の端部領域を介して前記第２半導体コア領域に至る前記ギャップ部の外周領域全体に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の光学素子。
【請求項７】
前記コアは、前記極性反転領域と、前記極性反転領域と前記ギャップ部の外周に沿って隣接する無極性の半導体コア領域と、を部分領域として含むことを請求項４又は５に記載の光学素子。
【請求項８】
前記コアは、前記ギャップ部の光の導波方向と平行な第１辺から前記ギャップ部の先端部を迂回して前記第１辺と対向する第２辺に至る前記ギャップ部の端部領域に、無極性の半導体コア領域を部分領域として含むことを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
【請求項９】
前記非分離領域は、光の導波方向と直交する方向に隣接した互いに逆極性の一対の半導体コア領域を部分領域として含むことを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
【請求項１０】
前記非分離領域は、無極性の半導体コア領域を有することを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
【請求項１１】
前記分離領域には、前記ギャップ部を挟んで対向配置された互いに逆極性の一対の半導体コア領域からなる導電性ブロックが、その導電性ブロックの半導体コア領域の極性が光の導波方向に沿って交互に切り替わるように、光の導波方向に沿って複数設けられていることを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
【請求項１２】
前記ギャップ部の前記第１半導体コア領域と前記第２半導体コア領域とを隔てる部分は、前記第１半導体コア領域と前記第２半導体コア領域とのいずれよりも屈折率が小さい材料で構成され、前記ギャップ部の前記第３半導体コア領域と前記第４半導体コア領域とを隔てる部分は、前記第３半導体コア領域と前記第４半導体コア領域とのいずれよりも屈折率が小さい材料で構成されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１３】
前記第１半導体コア領域と前記第２半導体コア領域とは、それぞれ前記ギャップ部と接する部分の厚みが他の部分よりも厚く形成されたリブ型形状を有し、前記第１半導体コア領域と前記第２半導体コア領域の前記厚みの薄い部分に前記電極が接続されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１４】
前記ギャップ部は、絶縁体又は無極性の半導体によって構成されていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１】
光を導波する半導体のコア（１）を有する光学素子であって、
前記コアの幅方向中央部に、光の導波方向に沿って延びる絶縁性のギャップ部（４０）を有し、
前記コアは、前記ギャップ部によって光の導波方向と直交する方向に電気的に分離された分離領域を部分領域として含み、
前記分離領域には、第１導電型の第１半導体コア領域（３２）と、前記第１半導体コア領域と前記ギャップ部を挟んで対向配置された第２導電型の第２半導体コア領域（３３）と、前記第１半導体コア領域と光の導波方向において隣接する第２導電型又は無極性の第３半導体コア領域（２２）と、前記第２半導体コア領域と光の導波方向において隣接し、前記第３半導体コア領域と前記ギャップ部を挟んで対向配置された第１導電型又は無極性の第４半導体コア領域（２３）と、が部分領域として含まれ、
前記第１半導体コア領域と前記第２半導体コア領域とに電圧印加用の電極が接続されていることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
光を導波する半導体のコア（１）を有する光学素子であって、
前記コアの幅方向中央部に、光の導波方向に沿って延びる絶縁性のギャップ部（４０）を有し、
前記コアは、前記ギャップ部によって光の導波方向と直交する方向に電気的に分離された分離領域を部分領域として含み、
前記分離領域は、光を導波する第１〜第４半導体領域（３２，３３，２２，２３）を部分領域として含み、
前記第１半導体領域（３２）が、第１導電型であり、
前記第２半導体領域（３３）が、第１導電型と逆極性の第２導電型であり、前記第１半導体領域と前記ギャップ部を挟んで対向配置され、
前記第３半導体領域（２２）が、第２導電型又は無極性であり、前記第１半導体領域と光の導波方向において隣接し、
前記第４半導体領域（２３）が、第１導電型又は無極性であり、前記第２半導体領域と光の導波方向において隣接し、かつ前記第３半導体領域と前記ギャップ部を挟んで対向配置され、
前記第１半導体領域と前記第２半導体領域との間に電圧印加可能であることを特徴とする光学素子。
【請求項３】
前記コアは、前記分離領域と光導波方向において隣接する位置に、光の導波方向と直交する断面内に前記ギャップ部を含まない非分離領域（１１）を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記コアは、第１導電型と第２導電型とが前記ギャップ部の外周に沿って交互に切り替わるように配置された複数の半導体コア領域からなる極性反転領域（２０６）を部分領域として含むことを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
【請求項５】
前記極性反転領域は、前記ギャップ部の光の導波方向と平行な第１辺から前記ギャップ部の先端部を迂回して前記第１辺と対向する第２辺に至る前記ギャップ部の端部領域に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
【請求項６】
前記極性反転領域は、前記第１半導体コア領域から前記ギャップ部の端部領域を介して前記第２半導体コア領域に至る前記ギャップ部の外周領域全体に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の光学素子。
【請求項７】
前記コアは、前記極性反転領域と、前記極性反転領域と前記ギャップ部の外周に沿って隣接する無極性の半導体コア領域と、を部分領域として含むことを請求項４又は５に記載の光学素子。
【請求項８】
前記コアは、前記ギャップ部の光の導波方向と平行な第１辺から前記ギャップ部の先端部を迂回して前記第１辺と対向する第２辺に至る前記ギャップ部の端部領域に、無極性の半導体コア領域を部分領域として含むことを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
【請求項９】
前記非分離領域は、光の導波方向と直交する方向に隣接した互いに逆極性の一対の半導体コア領域を部分領域として含むことを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
【請求項１０】
前記非分離領域は、無極性の半導体コア領域を有することを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
【請求項１１】
前記分離領域には、前記ギャップ部を挟んで対向配置された互いに逆極性の一対の半導体コア領域からなる導電性ブロックが、その導電性ブロックの半導体コア領域の極性が光の導波方向に沿って交互に切り替わるように、光の導波方向に沿って複数設けられていることを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
【請求項１２】
前記ギャップ部の前記第１半導体コア領域と前記第２半導体コア領域とを隔てる部分は、前記第１半導体コア領域と前記第２半導体コア領域とのいずれよりも屈折率が小さい材料で構成され、前記ギャップ部の前記第３半導体コア領域と前記第４半導体コア領域とを隔てる部分は、前記第３半導体コア領域と前記第４半導体コア領域とのいずれよりも屈折率が小さい材料で構成されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１３】
前記第１半導体コア領域と前記第２半導体コア領域とは、それぞれ前記ギャップ部と接する部分の厚みが他の部分よりも厚く形成されたリブ型形状を有し、前記第１半導体コア領域と前記第２半導体コア領域の前記厚みの薄い部分に前記電極が接続されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１４】
前記ギャップ部は、絶縁体又は無極性の半導体によって構成されていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の光学素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１１−７６０５４（Ｐ２０１１−７６０５４Ａ）
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５６２１８（Ｐ２０１０−５６２１８）
【出願日】平成２２年３月１２日（２０１０．３．１２）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１２日（２０１０．３．１２）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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