モード変換素子
【課題】単峰形状のスポットの光を効率良く結合させ、あるいは射出させることができ、形状の自由度が高く、作製が容易となるモード変換素子を提供する。
【解決手段】領域１と領域２との異なる２つの領域を光結合させる、二本以上の複数の単一モード導波路で形成されたモード変換素子であって、
光が伝搬する方向に平行な軸をｚ軸とし、前記複数の単一モード導波路を横断する方向の該ｚ軸に垂直な軸をｘ軸、該ｘ軸および該ｚ軸に垂直な軸をｙ軸とし、前記モード変換素子の中心を通る前記ｚ軸を含む面を面１としたとき、
前記モード変換素子を伝搬する光を、前記面１に対して偶モードを一つのみ有する光とするため、前記単一モード導波路を前記面１に対して鏡映対称に配置した構造を備え、
前記モード変換素子は、前記領域１から入射した光を前記偶モードに変換して伝搬させ、前記領域２と光結合させる。
【解決手段】領域１と領域２との異なる２つの領域を光結合させる、二本以上の複数の単一モード導波路で形成されたモード変換素子であって、
光が伝搬する方向に平行な軸をｚ軸とし、前記複数の単一モード導波路を横断する方向の該ｚ軸に垂直な軸をｘ軸、該ｘ軸および該ｚ軸に垂直な軸をｙ軸とし、前記モード変換素子の中心を通る前記ｚ軸を含む面を面１としたとき、
前記モード変換素子を伝搬する光を、前記面１に対して偶モードを一つのみ有する光とするため、前記単一モード導波路を前記面１に対して鏡映対称に配置した構造を備え、
前記モード変換素子は、前記領域１から入射した光を前記偶モードに変換して伝搬させ、前記領域２と光結合させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学デバイスなどに用いられるモード変換素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
導波路を有する光デバイスを用いて、伝搬する光を制御したり、光を外部へ射出したりする場合、利便性の面から光のスポットの形状は単峰形状であることが求められる。
異なる導波モードを有する２つの導波路間を光結合する場合、高効率に単峰形状を保ったまま結合することが必要となる。
しかし、導波モードが異なる２つの導波路を直接に突合せ結合をすると、結合効率が悪く、損失が大きい。
また、結合する領域では導波モードは乱れやすく、光のスポット形状は単峰形状とならない。
【０００３】
これらに対処する従来技術として、特許文献１や、特許文献２に開示されている、テーパー構造や多段導波路などのモード変換素子を用いる方法が知られている。
図１２（ａ）（ｂ）に、このような従来例におけるテーパー構造や多段導波路によるモード変換素子を示す。
図１２（ａ）にはテーパー構造のモード変換素子４００が示されており、図１２（ｂ）には多段導波路のモード変換素子４０１が示されている。
図１２に示すテーパー構造や多段導波路のモード変換素子では、コア部１０６の幅（図１２のｘ方向の長さ）を徐々に変わる構造とすることで、伝搬する光を単峰形状に保ちながら、光のスポットサイズを徐々に変えることができる。
これらより、光結合し、あるいは光を外部へ射出するようにされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特登録２８５０９９６号公報
【特許文献２】特開平８−１７１０２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記した従来例における図１２に示すテーパー構造や多段導波路としたモード変換素子４００、４０１は、伝搬特性が形状に敏感であり、作製が困難であるという課題を有している。
モード変換素子４００、４０１の幅が光の波長以上になる領域では、複数の高次の固有モードが発生しやすくなる。
そのため、コア部１０６の幅の変化が大きい領域や、作製誤差などにより形状に揺らぎがある領域では、伝搬する光のスポットの形状が乱れやすくなる。
また、導波モードの形状は伝搬するに従い変化する。
そのため、単峰形状を保ったまま光を結合、射出させるためには、モード変換素子４００、４０１のｚ方向の長さを離散的な範囲に設定しなければならず、長さの自由度が低い。
また、特にフォトニック結晶導波路を用いた場合、テーパー構造のように連続的に光導波路の幅が変化する構造を作ることが困難であり、スポット形状が乱れやすくなる、等の課題を有している。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑み、単峰形状のスポットの光を効率良く結合させ、あるいは射出させることができ、形状の自由度が高く、作製が容易となるモード変換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】
【０００７】
本発明のモード変換素子は、領域１と領域２との異なる２つの領域を光結合させる、二本以上の複数の単一モード導波路で形成されたモード変換素子であって、
光が伝搬する方向に平行な軸をｚ軸とし、前記複数の単一モード導波路を横断する方向の該ｚ軸に垂直な軸をｘ軸、該ｘ軸および該ｚ軸に垂直な軸をｙ軸とし、前記モード変換素子の中心を通る前記ｚ軸を含む面を面１としたとき、
前記モード変換素子を伝搬する光を、前記面１に対して偶モードを一つのみ有する光とするため、前記単一モード導波路を前記面１に対して鏡映対称に配置した構造を備え、
前記モード変換素子は、前記領域１から入射した光を前記偶モードに変換して伝搬させ、前記領域２と光結合させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、単峰形状のスポットの光を効率良く結合させ、あるいは射出させることができ、形状の自由度が高く、作製が容易となるモード変換素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１の領域１と領域２を結合するモード変換素子のｘｚ面を示す図。
【図２】図２（ａ）は実施例１のモード変換素子のｘｙ面の概略断面図。図２（ｂ）はモード変換素子のｘｚ面の概略断面図。
【図３】実施例１の単一モード導波路の導波モードを説明する図。
【図４】実施例１のマルチモード導波路の導波モードを説明する図。
【図５】実施例１の単一モード導波路における単体の導波モードを説明する図。
【図６】実施例１のモード変換素子の導波モードを説明する図。
【図７】図７（ａ）は実施例１の四本の単一モード導波路で形成したモード変換素子のｘｚ面を説明する図、図７（ｂ）は比較例を説明する図。
【図８】図８（ａ）は実施例１のモード変換素子のｘｚ面を示す図。図８（ｂ）は領域１と領域２を結合する導波路のｘｚ面を示す図。
【図９】実施例２の領域１と領域２を結合するモード変換素子のｘｚ面を示す図。
【図１０】実施例２のモード変換素子のｘｙ面を示す図。
【図１１】実施例２のモード変換素子のｘｚ面を示す図。
【図１２】従来例のモード変換素子のｘｚ面を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明を実施するための形態を、以下の実施例により説明する。
なお、以下における実施例を説明するための全図において、同一の機能を有するものは同一の数字を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【実施例】
【００１１】
［実施例１］
実施例１では、本発明を適用したモード変換素子の構成例について説明する。図１に示すように、本実施例のモード変換素子１００は、異なる導波モードを有する領域１と領域２の間を光結合する、二本以上の単一モード導波路１０４と１０５によって構成されている。
本実施例ではこの領域１には単一モード導波路１０１が形成され、領域２にはマルチモード導波路１０２が形成されている。
ここでは、入射光１０８は単一モード導波路１０１からマルチモード導波路１０２の方向へ伝搬され、伝搬される方向をｚ軸の方向とする。
そして、単一モード導波路１０１と、マルチモード導波路１０２の中心軸は一致するように配置されている。
また、上記二本の単一モード導波路を横断する方向のｚ軸に垂直な軸をｘ軸とし、このｘ軸および上記ｚ軸に垂直な軸をｙ軸とする。
また、モード変換素子１００の中心を通りｙｚ面に平行な面を面（面１）１０３とし、モード変換素子１００の中心を通りｘｚ面に平行な面を面１０９とする。図１は単一モード導波路１０１と、マルチモード導波路１０２と、モード変換素子１００のｘｚ断面を表しており、図２（ａ）はモード変換素子１００のｘｙ断面を表している。
また、各部位の上記ｘ軸と平行な方向の長さを「幅」、ｙ軸と平行な方向の長さを「高さ」と表現する。
モード変換素子１００は、同一の二本の単一モード導波路１０４と１０５を、面１０３に対して鏡映対称に配置することで形成されている。
また、単一モード導波路１０４と１０５の中心軸が面１０９に含まれるように配置されている。
【００１２】
単一モード導波路１０４と単一モード導波路１０５は、コア部１０６と、コア部１０６の周りのクラッド部１０７から形成されている。
コア部１０６の屈折率をｎ１、クラッド部１０７の屈折率をｎ２としたとき、ｎ１＞ｎ２となっている。
単一モード導波路１０４と単一モード導波路１０５は同一の材料で形成され、互いのコア部１０６の幅は等しく、また互いのコア部１０６の高さも等しい。
また、単一モード導波路１０１とマルチモード導波路１０２のコア部の屈折率も同じｎ１とし、クラッドの屈折率も同じｎ２とする。
【００１３】
図２（ｂ）に示すように、単一モード導波路１０４と単一モード導波路１０５のコア部１０６の幅をＷ１とし、モード変換素子１００の実効的なコア部１１０の幅をｄとする。
ここで、モード変換素子１００の実効的なコア部１１０とは、図２（ｂ）に示すように、単一モード導波路１０４における面１０３とは逆側の側面と、単一モード導波路１０５における面１０３とは逆側の側面との領域のことをいう。
ここで、図１に示す単一モード導波路１０１とマルチモード導波路１０２を伝搬する導波モードについて述べる。
導波路を伝搬する導波モードは、コア部の屈折率、クラッド部の屈折率、コア部の幅、光の波長によって一意に決まる。
以上に示した単一モード導波路１０１のｘｚ面における固有モードを、縦軸に電場振幅、横軸にｘ軸の座標として図３に示す。
また、マルチモード導波路１０２の固有モードを、縦軸に電場振幅、横軸にｘ軸の座標として図４に示す。
ここで、面１０３に対して偶関数となる０次、２次モードを偶モード、面１０３に対して奇関数となる１次、３次モードを奇モードと呼ぶ。
マルチモード導波路１０２を伝搬する導波モードは、図４で示した０次〜３次モードの合計４つの固有モードの和で表わされる。
単一モード導波路１０１を伝搬する導波モードは、０次モードしか存在しないため、面１０３に対して偶モードで単峰形状の光が伝搬する。
マルチモード導波路１０２に単峰形状の光を伝搬させるためには、０次モードを他の高次モードに比べ多く励起することが必要である。
【００１４】
つぎに、モード変換素子１００を伝搬する導波モードについて述べる。
図５（ａ）、（ｂ）には、それぞれ、単一モード導波路１０４と単一モード導波路１０５が単体の場合における、電場振幅分布を縦軸に電場振幅、横軸にｘ軸の座標として表されている。
また、図６には、単一モード導波路１０４と単一モード導波路１０５で形成したモード変換素子１００の導波モードの電場振幅分布を、縦軸に電場振幅、横軸にｘ軸の座標として表されている。
図６に示すように、モード変換素子１００を伝搬する導波モードは、単一モード導波路１０４単体の導波モードと、単一モード導波路１０５単体の導波モードを結合した形で表される。
このとき、モード変換素子１００は、面１０３に対して偶モード１つ（図６（ａ））と、奇モード１つ（図６（ｂ））の合計二つの固有モードをもつ。
上記したモード変換素子１００の場合、固有モードは二つとなり、偶モードは１つしか持たない。
このように、モード変換素子１００のような面１０３に対して鏡映対称な構造とすることで、偶モードの光を伝播させることができる。
また、二本の単一モード導波路で構成していることにより、導波モードのｘ方向への広がりは、単一モード導波路１０４単体と単一モード導波路１０５単体の場合に比べ、モード変換素子１００の方が広くなる。
【００１５】
モード変換素子１００が偶モードを一つしか持たない条件は、モード変換素子１００の規格化周波数Ｖを用いることで設定することができる。
規格化周波数Ｖは、一般的な導波路で用いられるパラメータである。
規格化周波数Ｖ＜（ｍ＋１）・π／２（ｍ：整数）のとき、固有モードの個数はｍ個以下となる。
光導波路が中心軸に対して鏡映対称な構造の場合、０次（ｍ＝０）、１次（ｍ＝１）、２次モード（ｍ＝２）はそれぞれ、偶モード、奇モード、偶モードとなる。
したがって、ｍ＝１であるＶ＜πのとき、偶モードは一つだけとなる。
【００１６】
本実施例の構造においては、規格化周波数Ｖは以下に示すように表される。
単一モード導波路１０４のコア部１０６と、単一モード導波路１０５のコア部１０６の合計の幅をＷ（＝２×Ｗ１）とする。
また、円周率をπとし、入射光１０８の真空中の伝搬定数をｋ０とする。
このとき規格化周波数Ｖは、コア部１０６の屈折率ｎ１、クラッド部の屈折率ｎ２、コア部１０６の合計の幅Ｗ、実効的なコア部１１０の幅ｄ、入射光１０８の真空中の伝搬定数をｋ０とするとき、以下に示す（式１）の条件式によって表わされる。
Ｖ＝ｋ０／２｛Ｗ・ｄ・（ｎ１＾２−ｎ２＾２）｝＾（１／２） （式１）
ここで、「＾」は冪数を表している。（式１）に示すＶが、Ｖ＜πを満たすように、モード変換素子１００のパラメータを決定する。
【００１７】
モード変換素子１００を用いて、単一モード導波路１０１からマルチモード導波路１０２へ単峰形状の光を結合する概念を説明する。
単一モード導波路１０１を伝搬する入射光１０８は、上記したように面１０３に対して偶モードの光となる。
このとき、モード変換素子１００を伝搬する光は、面１０３に対して偶モードの光となる（図６（ａ））。
ここで、モード変換素子１００の偶モードは一つのみであるため、導波モードの形状が固定された光がモード変換素子１００を伝搬する。
そのため、モード変換素子１００のｚ方向の長さによらず、マルチモード導波路１０２へ同じモード形状の光を結合することができる。
図６（ａ）に示すように、モード変換素子１００を伝搬する導波モードの電場振幅分布の符号は、全て正または負で分布している状態（以後、「同符号で分布」と呼ぶ）となっている。
また、導波路単体の場合に比べ、電場が横方向（ｘ方向）へ広がった光がマルチモード導波路へ入射される。上で示したような導波モードの光が、モード変換素子１００からマルチモード導波路１０２へ入射することで、マルチモード導波路１０２の０次モードを多く励起することができる。
【００１８】
ここで、モード変換素子１００を伝搬する光に対する、マルチモード導波路１０２の各固有モードの結合効率について説明する。
マルチモード導波路１０２の各固有モードの規格化した電場振幅分布、伝搬定数をそれぞれ、
【００１９】
とする。ｊはモードの次数を表している。
マルチモード導波路１０２を伝搬する導波モードＥ（χ，ｚ）は、各固有モードの和で表わされ、以下に示す（式２）のようになる。
【００２０】
ｃjは各モードの係数を表している。
マルチモード導波路１０２を伝搬する光のスポットを単峰形状とするためには、０次モードの係数を大きくすることが必要である。
ここで、モード変換素子１００とマルチモード導波路１０２の境界面をｚ＝ｚ０とする。
また、モード変換素子１００のｘｚ断面のｚ＝ｚ０における電場振幅分布を
【００２１】
とする。
このとき、マルチモード導波路１０２を伝搬する光の固有モードの係数は、以下に示す（式３）で得ることができる。
【００２２】
ｚ＝ｚ０における、モード変換素子１００の電場振幅分布
【００２３】
と、マルチモード導波路１０２の各固有モードの電場振幅分布
【００２４】
の重なり積分が大きいほど、励起される比率が大きくなる。
【００２５】
モード変換素子１００のｚ＝ｚ０における電場振幅分布
【００２６】
が偶モードのとき、マルチモード導波路１０２の奇モードの光、
【００２７】
は（式３）より、重なり積分がゼロになるため励起されない。
ここで、モード変換素子１００を面１０３に対して、鏡映対称でない構造とすると、モード変換素子１００を伝搬する導波モードも面１０３に対して鏡映対称ではなくなるため、マルチモード導波路１０２で奇モードが励起されることとなる。
したがって、奇モードが励起されるのを防ぐために、モード変換素子１００は、面１０３に対して鏡映対称とすることが必要である。
以上に示したように、モード変換素子１００を用いることで、スポットが単峰形状の光を効率良く、単一モード導波路１０１からマルチモード導波路１０２へ結合させることができる。
また、二本の単一モード導波路１０４、１０５の構成とすることで、設計、作製を容易にすることができる。
【００２８】
ここで、モード変換素子１００は、二本に限ったものではなく、三本以上の単一モード導波路を面１０３に対して鏡映対称となるように配置することで形成しても良い。
図７（ａ）には、例として四本の単一モード導波路１１３、１１４、１１５、１１６で形成したモード変換素子１１２を示す。
このとき、単一モード導波路１１３と単一モード導波路１１６は、同一のコア部１０６の材料、幅、高さを有しており、面１０３に対して鏡映対称な関係にある。
また、単一モード導波路１１４と単一モード導波路１１５は、同一のコア部１０６の材料、幅、高さを有しており、面１０３に対して鏡映対称な関係にある。
このとき、上記（式１）で示した規格化周波数Ｖを用いて、Ｖ＜πを満たすようにすることで、モード変換素子１１２の偶モードを一つだけとなるように設定する。
Ｖ＝ｋ０／２｛Ｗ・ｄ・（ｎ１＾２−ｎ２＾２）｝＾（１／２） （式１）
ここで、Ｗは四本の単一モード導波路１１３、１１４、１１５、１１６のコア部１０６の合計の幅を表している。
図７（ｂ）に示すように、単一モード導波路１１３と単一モード導波路１１６のコア部１０６の幅をＷ２とし、単一モード導波路１１４と単一モード導波路１１５のコア部１０６の幅をＷ３とするとき、Ｗ＝２×Ｗ２＋２×Ｗ３となる。
ｄはモード変換素子１１２の実効的なコア部１１７の幅を表している。
ここで、モード変換素子１１２の実効的なコア部とは、図７（ｂ）に示すように、単一モード導波路１１３の面１０３とは逆側の側面と、単一モード導波路１１５の面１０３とは逆側の側面の間に挟まれる領域のことをいう。
モード変換素子１００と同様な原理で、モード変換素子１１２を用いることにより、設計、作製が容易に、スポットが単峰形状の光を効率良く、単一モード導波路１０１からマルチモード導波路１０２へ結合させることができる。
また、複数単一モード導波路を配置することで、０次モードへとの重なり積分を大きくし、０次モードとの結合効率を向上させることができる。
【００２９】
ここで、領域２がマルチモード導波路１０２ではなく、自由空間の場合においても、同様の原理により、単峰形状の光を自由空間へ射出させることができる。射出口での電場振幅分布が同符号で分布し、偶モードで分布している場合、射出される光のファーフィールドパターンは単峰形状となる。
また、単一モード導波路１０１の代わりに共振器を用いてもよい。このとき、共振器が周囲に作る電場分布は、面１０３に対して鏡映対称となるように設定する。
共振器が周囲に作る電場分布と重なる位置に、モード変換素子１００を配置することで、モード変換素子１００へ偶モードの光を導波させることができる。また、単一モード導波路１０１またはマルチモード導波路１０２またはモード変換素子１００はフォトニック結晶で形成しても良い。フォトニック結晶で作製することにより、光の伝搬損失を低減することができる。
また、コア部とクラッド部の材料は本実施例で示したものに限ったものではなく、他の材料で形成しても良い。
【００３０】
また、図１、図２（ａ）に示したモード変換素子１００において、単一モード導波路１０４、１０５の配置により、マルチモード導波路１０２の２次以上の高次の偶モードの発生を抑制することができる。
図８（ａ）に示すように、マルチモード導波路１０２の２次モードのｘ方向の電場振幅がゼロとなる位置に、単一モード導波路１０４と単一モード導波路１０５端部の中心が合うようにモード変換素子１００を構成する。
これにより、高次の偶モードの発生を抑制することができる。
ここで、マルチモード導波路１０２における２次モードの電場振幅がｘ方向にゼロとなる座標をｘ１、ｘ２とする。
そして、単一モード導波路１０４と単一モード導波路１０５の端部の中心座標がｘ１、ｘ２となるように配置する。
このような構成にすることで、マルチモード導波路１０２の２次モードが励起される比率を抑えることができる。
これは、座標ｘ１、ｘ２を境に、２次モードの電場振幅は左右に正の領域と負の領域が分布しているためである。
座標ｘ１、ｘ２に単一モード導波路１０４、１０５から単一モードの光を入射させると、２次モードとの重なり積分は小さくなり、２次モードが励起される比率を抑制することができる。
また、４次モードなど、さらに高次の偶モードがマルチモード導波路１０２に存在している場合においても、座標ｘ１、ｘ２の付近に、電場振幅がゼロとなる位置が存在するため、同様の理由により高次の偶モードを抑制することができる。
【００３１】
ここで、マルチモード導波路１０２の各固有モードが励起される比率を以下に示す。
コア部１０６には例えばＩｎＧａＡｓを用いることができ、クラッド部１０７には例えばＩｎＰを用いることができる。
入射光１０８の真空中の波長がλ＝１．５５μｍの場合、コア部１０６及びクラッド部１０７の屈折率はｎ１＝３．３、ｎ２＝３．１７となる。
ここで、入射側の単一モード導波路１０１のコア部の幅を０．５μｍ、射出側のマルチモード導波路１０２のコア部の幅を５μｍとする。
また、モード変換素子１００を構成している単一モード導波路１０４、１０５のコア部１０６の幅をＷ１＝０．９μｍとし、モード変換素子１００の実効的なコア部１１０の幅をｄ＝２．５μｍとする。
また、入射光１０８の波長をλ＝１．５５μｍとする。
モード変換素子１００の規格化周波数はＶ＝０．９２πとなり、偶モードが一つだけとなる。
このとき、モード変換素子１００を伝搬した光が、マルチモード導波路１０２へ結合したとき、０次モードが全体の９６％励起され、２次モードが全体の４％励起される結果となる。
【００３２】
比較のため図８（ｂ）に示すように、モード変換素子を一様のコア部１０６をもつ１本の導波路１１１とした場合について示す。
導波路１１１は、面１０３に対して鏡映対称となるように配置している。コア部の屈折率は３．３、クラッド部の屈折率は３．１７とした。
導波路１１１の幅は、偶モードを一つだけもつ、最大の導波路の幅となるように設定している。この場合、コア部１０６の幅Ｗ１＝１．６μｍとなる。
このとき、単一モード導波路１０１から入射光１０８が入射したとき、導波路１１１は、偶モードを一つしか持たないため、モード形状が固定された偶モードの光が伝搬する。
マルチモード導波路１０２では、０次モードが全体の５５％励起され、２次モードが全体の４５％励起される結果となった。
したがって、導波路１１１に比べモード変換素子１００の方が、０次モードが多く励起されており、単峰形状の光として結合している。
これは、モード変換素子１００の方が高次モードの発生を抑制していることによる。
また、モード変換素子１００を伝搬する導波モードの方がｘ方向に電場分布が広がっているため、０次モードとの結合効率が大きくなったことが起因している。
【００３３】
ここで導波路１１１において、さらにコア部１０６の幅を広げることで、導波モードの横方向の広がりを大きくすることは可能である。
しかし、導波路１１１のコア部１０６の幅をさらに大きくすると、偶モードは２つ以上発生する。このとき、導波モードは形状を変えながら導波路１１１に伝搬することになり、導波路１１１のｚ方向の長さを精度良く設定しなければ、ｚ＝ｚ０において、０次モードが励起される比率が小さくなる。
その結果、マルチモード導波路１０２を単峰形状の光が伝搬しない。
また、導波路１１１のコア部１０６の幅を極端に狭くすることにより、導波モードの横方向の広がりを大きくすることは可能である。しかしその場合、導波モードの形状が大きく変化し、０次モードとの重なり積分が小さくなり、結合効率が悪い。
これはテーパー構造や多段導波路においても同様のことがいえる。テーパー構造や多段導波路のようなコア部の幅が大きくなる領域では、高次モードが発生するため、形状に敏感になり、作製することが困難となる。
また、極端に幅を狭くした場合においても、結合効率は悪くなる。
【００３４】
［実施例２］
実施例２として、図９、図１０を用いて、実施例１とは異なる構成のモード変換素子２００の構成例について説明する。
本実施例のモード変換素子２００では、領域１には単一モード導波路３０１が形成され、領域２にはマルチモード導波路３０２が形成されている。
入射光１０８は単一モード導波路３０１からマルチモード導波路３０２の方向へ伝搬するとし、伝搬する方向をｚ軸の方向とする。単一モード導波路３０１と、マルチモード導波路３０２の中心軸は一致するように配置する。
図９（ａ）は単一モード導波路３０１と、マルチモード導波路３０２と、モード変換素子２００のｘｚ断面を表しており、図９（ｂ）はｙｚ断面を表している。図１０はモード変換素子２００のｘｙ断面を表している。
単一モード導波路３０１、マルチモード導波路３０２は、実施例１と同じ構造であり、モード変換素子２００だけ異なっている。
実施例１と同様にモード変換素子２００の中心を通りｙｚ面に平行な面を面１０３とし、モード変換素子２００の中心を通りｘｚ面に平行な面を面１０９とする。
モード変換素子２００は四本の単一モード導波路２０１、２０２、２０３、２０４で構成され、面１０３と面１０９の２面に対して鏡映対称な構造となるように、３次元的に配置されている。
また、図１０に示すように、単一モード導波路２０１、２０２の中心軸が面１０９に含まれるように配置し、単一モード導波路２０３、２０４の中心軸が面１０３に含まれるように配置している。
【００３５】
ここで、単一モード導波路２０１、２０２、２０３、２０４のコア部１０６とクラッド部１０７はそれぞれ、単一モード導波路３０１とマルチモード導波路３０２のコア部とクラッド部と同じ材料とする。
コア部１０６の屈折率をｎ１、クラッド部１０７の屈折率をｎ２としたとき、ｎ１＞ｎ２となっている。
単一モード導波路２０１と単一モード導波路２０２のコア部１０６の幅は互いに等しく、また高さも互いに等しくなるように設定する。
単一モード導波路２０１と単一モード導波路２０２は、面１０３に対して鏡映対称の関係にある。
単一モード導波路２０３と単一モード導波路２０４のコア部１０６の幅は互いに等しく、また高さも互いに等しくなるように設定する。
単一モード導波路２０３と単一モード導波路２０４は、面１０９に対して鏡映対称の関係にある。
モード変換素子２００を、複数の面に対して鏡映対称な構造とすることで、モード変換部２００を伝播する導波モードも複数の面に対して鏡映対称な形状とすることができる。
その結果、複数の方向に対して対称である形状の整った単峰形状の光を結合することができる。
【００３６】
ここで、単一モード導波路３０１の断面における高さ（ｙ方向の長さ）と、幅（ｘ方向の長さ）は等しいとする。
また、マルチモード導波路３０２の断面の高さ（ｙ方向の長さ）と、幅（ｘ方向の長さ）は等しいとする。
ここで、コア部１０６には例えばＩｎＧａＡｓを用いることができ、クラッド部１０７には例えばＩｎＰを用いることができる。
入射光１０８の真空中の波長がλ＝１．５５μｍの場合、コア部１０６及びクラッド部１０７の屈折率はｎ１＝３．３、ｎ２＝３．１７となる。
入射側の単一モード導波路３０１のコア部の幅と高さを０．５μｍ、射出側のマルチモード導波路３０２のコア部の幅と高さを５μｍとする。
【００３７】
また、図１１（ａ）に示すｘｚ断面における、単一モード導波路２０１、２０１のｘ方向のコア部１０６の長さをそれぞれＷ１＝０．９μｍとする。また、モード変換素子２００のｘ方向の実効的なコア部２０５の長さをｄ＝２．５μｍとする。
同様に、図１１（ｂ）に示す、ｙｚ断面における、単一モード導波路２０３、２０４のｙ方向のコア部１０６の長さをそれぞれＷ１＝０．９μｍとする。また、モード変換素子２００のｙ方向の実効的なコア部２０６の長さをｄ＝２．５μｍとする。
単一モード導波路３０１から入射する入射光１０８の真空中の波長をλ＝１．５５μｍとする。このとき、モード変換素子２００のｘｚ断面（面１０９）とｙｚ断面（面１０３）のそれぞれの面において、（式１）で示されるモード変換素子２００の規格化周波数がＶ＜πとなっている。
したがって、モード変換素子２００は、ｘｚ面、ｙｚ面において、それぞれ偶モードは一つだけとなっている。
【００３８】
このとき、図１１（ａ）に示すｘｚ断面と、図１１（ａ）に示すｙｚ断面において、実施例１で示した例と同じ寸法となっている。
上記したモード変換素子２００を用いることによって、ｘｚ断面とｙｚ断面の２つの面において、実施例１と同様の原理により、単峰形状の光を、単一モード導波路３０１からマルチモード導波路３０２へ効率良く結合することができる。
ｘｚ断面とｙｚ断面の２つの面に対して、単峰形状となるため、さらに利便性が高い、形状が整ったスポットの光とするとができる。
ここで、単一モード導波路３０１とマルチモード導波路３０２のｘｙ断面の幅と高さは同じ長さでなくても良く、違う長さでも良い。
その場合、実施例１で示した原理により、モード変換素子２００を構成する単一モード導波路２０１、２０２、２０３、２０４の寸法を適切に設定することにより、効率良く、単峰形状の光を結合することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１０１：単一モード導波路
１０２：マルチモード導波路
１０３：面
１０４：単一モード導波路
１０５：単一モード導波路
１０６：コア部
１０７：クラッド部
１０８：入射光
１０９：面
１１０：実効的なコア部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学デバイスなどに用いられるモード変換素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
導波路を有する光デバイスを用いて、伝搬する光を制御したり、光を外部へ射出したりする場合、利便性の面から光のスポットの形状は単峰形状であることが求められる。
異なる導波モードを有する２つの導波路間を光結合する場合、高効率に単峰形状を保ったまま結合することが必要となる。
しかし、導波モードが異なる２つの導波路を直接に突合せ結合をすると、結合効率が悪く、損失が大きい。
また、結合する領域では導波モードは乱れやすく、光のスポット形状は単峰形状とならない。
【０００３】
これらに対処する従来技術として、特許文献１や、特許文献２に開示されている、テーパー構造や多段導波路などのモード変換素子を用いる方法が知られている。
図１２（ａ）（ｂ）に、このような従来例におけるテーパー構造や多段導波路によるモード変換素子を示す。
図１２（ａ）にはテーパー構造のモード変換素子４００が示されており、図１２（ｂ）には多段導波路のモード変換素子４０１が示されている。
図１２に示すテーパー構造や多段導波路のモード変換素子では、コア部１０６の幅（図１２のｘ方向の長さ）を徐々に変わる構造とすることで、伝搬する光を単峰形状に保ちながら、光のスポットサイズを徐々に変えることができる。
これらより、光結合し、あるいは光を外部へ射出するようにされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特登録２８５０９９６号公報
【特許文献２】特開平８−１７１０２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記した従来例における図１２に示すテーパー構造や多段導波路としたモード変換素子４００、４０１は、伝搬特性が形状に敏感であり、作製が困難であるという課題を有している。
モード変換素子４００、４０１の幅が光の波長以上になる領域では、複数の高次の固有モードが発生しやすくなる。
そのため、コア部１０６の幅の変化が大きい領域や、作製誤差などにより形状に揺らぎがある領域では、伝搬する光のスポットの形状が乱れやすくなる。
また、導波モードの形状は伝搬するに従い変化する。
そのため、単峰形状を保ったまま光を結合、射出させるためには、モード変換素子４００、４０１のｚ方向の長さを離散的な範囲に設定しなければならず、長さの自由度が低い。
また、特にフォトニック結晶導波路を用いた場合、テーパー構造のように連続的に光導波路の幅が変化する構造を作ることが困難であり、スポット形状が乱れやすくなる、等の課題を有している。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑み、単峰形状のスポットの光を効率良く結合させ、あるいは射出させることができ、形状の自由度が高く、作製が容易となるモード変換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】
【０００７】
本発明のモード変換素子は、領域１と領域２との異なる２つの領域を光結合させる、二本以上の複数の単一モード導波路で形成されたモード変換素子であって、
光が伝搬する方向に平行な軸をｚ軸とし、前記複数の単一モード導波路を横断する方向の該ｚ軸に垂直な軸をｘ軸、該ｘ軸および該ｚ軸に垂直な軸をｙ軸とし、前記モード変換素子の中心を通る前記ｚ軸を含む面を面１としたとき、
前記モード変換素子を伝搬する光を、前記面１に対して偶モードを一つのみ有する光とするため、前記単一モード導波路を前記面１に対して鏡映対称に配置した構造を備え、
前記モード変換素子は、前記領域１から入射した光を前記偶モードに変換して伝搬させ、前記領域２と光結合させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、単峰形状のスポットの光を効率良く結合させ、あるいは射出させることができ、形状の自由度が高く、作製が容易となるモード変換素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１の領域１と領域２を結合するモード変換素子のｘｚ面を示す図。
【図２】図２（ａ）は実施例１のモード変換素子のｘｙ面の概略断面図。図２（ｂ）はモード変換素子のｘｚ面の概略断面図。
【図３】実施例１の単一モード導波路の導波モードを説明する図。
【図４】実施例１のマルチモード導波路の導波モードを説明する図。
【図５】実施例１の単一モード導波路における単体の導波モードを説明する図。
【図６】実施例１のモード変換素子の導波モードを説明する図。
【図７】図７（ａ）は実施例１の四本の単一モード導波路で形成したモード変換素子のｘｚ面を説明する図、図７（ｂ）は比較例を説明する図。
【図８】図８（ａ）は実施例１のモード変換素子のｘｚ面を示す図。図８（ｂ）は領域１と領域２を結合する導波路のｘｚ面を示す図。
【図９】実施例２の領域１と領域２を結合するモード変換素子のｘｚ面を示す図。
【図１０】実施例２のモード変換素子のｘｙ面を示す図。
【図１１】実施例２のモード変換素子のｘｚ面を示す図。
【図１２】従来例のモード変換素子のｘｚ面を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明を実施するための形態を、以下の実施例により説明する。
なお、以下における実施例を説明するための全図において、同一の機能を有するものは同一の数字を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【実施例】
【００１１】
［実施例１］
実施例１では、本発明を適用したモード変換素子の構成例について説明する。図１に示すように、本実施例のモード変換素子１００は、異なる導波モードを有する領域１と領域２の間を光結合する、二本以上の単一モード導波路１０４と１０５によって構成されている。
本実施例ではこの領域１には単一モード導波路１０１が形成され、領域２にはマルチモード導波路１０２が形成されている。
ここでは、入射光１０８は単一モード導波路１０１からマルチモード導波路１０２の方向へ伝搬され、伝搬される方向をｚ軸の方向とする。
そして、単一モード導波路１０１と、マルチモード導波路１０２の中心軸は一致するように配置されている。
また、上記二本の単一モード導波路を横断する方向のｚ軸に垂直な軸をｘ軸とし、このｘ軸および上記ｚ軸に垂直な軸をｙ軸とする。
また、モード変換素子１００の中心を通りｙｚ面に平行な面を面（面１）１０３とし、モード変換素子１００の中心を通りｘｚ面に平行な面を面１０９とする。図１は単一モード導波路１０１と、マルチモード導波路１０２と、モード変換素子１００のｘｚ断面を表しており、図２（ａ）はモード変換素子１００のｘｙ断面を表している。
また、各部位の上記ｘ軸と平行な方向の長さを「幅」、ｙ軸と平行な方向の長さを「高さ」と表現する。
モード変換素子１００は、同一の二本の単一モード導波路１０４と１０５を、面１０３に対して鏡映対称に配置することで形成されている。
また、単一モード導波路１０４と１０５の中心軸が面１０９に含まれるように配置されている。
【００１２】
単一モード導波路１０４と単一モード導波路１０５は、コア部１０６と、コア部１０６の周りのクラッド部１０７から形成されている。
コア部１０６の屈折率をｎ１、クラッド部１０７の屈折率をｎ２としたとき、ｎ１＞ｎ２となっている。
単一モード導波路１０４と単一モード導波路１０５は同一の材料で形成され、互いのコア部１０６の幅は等しく、また互いのコア部１０６の高さも等しい。
また、単一モード導波路１０１とマルチモード導波路１０２のコア部の屈折率も同じｎ１とし、クラッドの屈折率も同じｎ２とする。
【００１３】
図２（ｂ）に示すように、単一モード導波路１０４と単一モード導波路１０５のコア部１０６の幅をＷ１とし、モード変換素子１００の実効的なコア部１１０の幅をｄとする。
ここで、モード変換素子１００の実効的なコア部１１０とは、図２（ｂ）に示すように、単一モード導波路１０４における面１０３とは逆側の側面と、単一モード導波路１０５における面１０３とは逆側の側面との領域のことをいう。
ここで、図１に示す単一モード導波路１０１とマルチモード導波路１０２を伝搬する導波モードについて述べる。
導波路を伝搬する導波モードは、コア部の屈折率、クラッド部の屈折率、コア部の幅、光の波長によって一意に決まる。
以上に示した単一モード導波路１０１のｘｚ面における固有モードを、縦軸に電場振幅、横軸にｘ軸の座標として図３に示す。
また、マルチモード導波路１０２の固有モードを、縦軸に電場振幅、横軸にｘ軸の座標として図４に示す。
ここで、面１０３に対して偶関数となる０次、２次モードを偶モード、面１０３に対して奇関数となる１次、３次モードを奇モードと呼ぶ。
マルチモード導波路１０２を伝搬する導波モードは、図４で示した０次〜３次モードの合計４つの固有モードの和で表わされる。
単一モード導波路１０１を伝搬する導波モードは、０次モードしか存在しないため、面１０３に対して偶モードで単峰形状の光が伝搬する。
マルチモード導波路１０２に単峰形状の光を伝搬させるためには、０次モードを他の高次モードに比べ多く励起することが必要である。
【００１４】
つぎに、モード変換素子１００を伝搬する導波モードについて述べる。
図５（ａ）、（ｂ）には、それぞれ、単一モード導波路１０４と単一モード導波路１０５が単体の場合における、電場振幅分布を縦軸に電場振幅、横軸にｘ軸の座標として表されている。
また、図６には、単一モード導波路１０４と単一モード導波路１０５で形成したモード変換素子１００の導波モードの電場振幅分布を、縦軸に電場振幅、横軸にｘ軸の座標として表されている。
図６に示すように、モード変換素子１００を伝搬する導波モードは、単一モード導波路１０４単体の導波モードと、単一モード導波路１０５単体の導波モードを結合した形で表される。
このとき、モード変換素子１００は、面１０３に対して偶モード１つ（図６（ａ））と、奇モード１つ（図６（ｂ））の合計二つの固有モードをもつ。
上記したモード変換素子１００の場合、固有モードは二つとなり、偶モードは１つしか持たない。
このように、モード変換素子１００のような面１０３に対して鏡映対称な構造とすることで、偶モードの光を伝播させることができる。
また、二本の単一モード導波路で構成していることにより、導波モードのｘ方向への広がりは、単一モード導波路１０４単体と単一モード導波路１０５単体の場合に比べ、モード変換素子１００の方が広くなる。
【００１５】
モード変換素子１００が偶モードを一つしか持たない条件は、モード変換素子１００の規格化周波数Ｖを用いることで設定することができる。
規格化周波数Ｖは、一般的な導波路で用いられるパラメータである。
規格化周波数Ｖ＜（ｍ＋１）・π／２（ｍ：整数）のとき、固有モードの個数はｍ個以下となる。
光導波路が中心軸に対して鏡映対称な構造の場合、０次（ｍ＝０）、１次（ｍ＝１）、２次モード（ｍ＝２）はそれぞれ、偶モード、奇モード、偶モードとなる。
したがって、ｍ＝１であるＶ＜πのとき、偶モードは一つだけとなる。
【００１６】
本実施例の構造においては、規格化周波数Ｖは以下に示すように表される。
単一モード導波路１０４のコア部１０６と、単一モード導波路１０５のコア部１０６の合計の幅をＷ（＝２×Ｗ１）とする。
また、円周率をπとし、入射光１０８の真空中の伝搬定数をｋ０とする。
このとき規格化周波数Ｖは、コア部１０６の屈折率ｎ１、クラッド部の屈折率ｎ２、コア部１０６の合計の幅Ｗ、実効的なコア部１１０の幅ｄ、入射光１０８の真空中の伝搬定数をｋ０とするとき、以下に示す（式１）の条件式によって表わされる。
Ｖ＝ｋ０／２｛Ｗ・ｄ・（ｎ１＾２−ｎ２＾２）｝＾（１／２） （式１）
ここで、「＾」は冪数を表している。（式１）に示すＶが、Ｖ＜πを満たすように、モード変換素子１００のパラメータを決定する。
【００１７】
モード変換素子１００を用いて、単一モード導波路１０１からマルチモード導波路１０２へ単峰形状の光を結合する概念を説明する。
単一モード導波路１０１を伝搬する入射光１０８は、上記したように面１０３に対して偶モードの光となる。
このとき、モード変換素子１００を伝搬する光は、面１０３に対して偶モードの光となる（図６（ａ））。
ここで、モード変換素子１００の偶モードは一つのみであるため、導波モードの形状が固定された光がモード変換素子１００を伝搬する。
そのため、モード変換素子１００のｚ方向の長さによらず、マルチモード導波路１０２へ同じモード形状の光を結合することができる。
図６（ａ）に示すように、モード変換素子１００を伝搬する導波モードの電場振幅分布の符号は、全て正または負で分布している状態（以後、「同符号で分布」と呼ぶ）となっている。
また、導波路単体の場合に比べ、電場が横方向（ｘ方向）へ広がった光がマルチモード導波路へ入射される。上で示したような導波モードの光が、モード変換素子１００からマルチモード導波路１０２へ入射することで、マルチモード導波路１０２の０次モードを多く励起することができる。
【００１８】
ここで、モード変換素子１００を伝搬する光に対する、マルチモード導波路１０２の各固有モードの結合効率について説明する。
マルチモード導波路１０２の各固有モードの規格化した電場振幅分布、伝搬定数をそれぞれ、
【００１９】
とする。ｊはモードの次数を表している。
マルチモード導波路１０２を伝搬する導波モードＥ（χ，ｚ）は、各固有モードの和で表わされ、以下に示す（式２）のようになる。
【００２０】
ｃjは各モードの係数を表している。
マルチモード導波路１０２を伝搬する光のスポットを単峰形状とするためには、０次モードの係数を大きくすることが必要である。
ここで、モード変換素子１００とマルチモード導波路１０２の境界面をｚ＝ｚ０とする。
また、モード変換素子１００のｘｚ断面のｚ＝ｚ０における電場振幅分布を
【００２１】
とする。
このとき、マルチモード導波路１０２を伝搬する光の固有モードの係数は、以下に示す（式３）で得ることができる。
【００２２】
ｚ＝ｚ０における、モード変換素子１００の電場振幅分布
【００２３】
と、マルチモード導波路１０２の各固有モードの電場振幅分布
【００２４】
の重なり積分が大きいほど、励起される比率が大きくなる。
【００２５】
モード変換素子１００のｚ＝ｚ０における電場振幅分布
【００２６】
が偶モードのとき、マルチモード導波路１０２の奇モードの光、
【００２７】
は（式３）より、重なり積分がゼロになるため励起されない。
ここで、モード変換素子１００を面１０３に対して、鏡映対称でない構造とすると、モード変換素子１００を伝搬する導波モードも面１０３に対して鏡映対称ではなくなるため、マルチモード導波路１０２で奇モードが励起されることとなる。
したがって、奇モードが励起されるのを防ぐために、モード変換素子１００は、面１０３に対して鏡映対称とすることが必要である。
以上に示したように、モード変換素子１００を用いることで、スポットが単峰形状の光を効率良く、単一モード導波路１０１からマルチモード導波路１０２へ結合させることができる。
また、二本の単一モード導波路１０４、１０５の構成とすることで、設計、作製を容易にすることができる。
【００２８】
ここで、モード変換素子１００は、二本に限ったものではなく、三本以上の単一モード導波路を面１０３に対して鏡映対称となるように配置することで形成しても良い。
図７（ａ）には、例として四本の単一モード導波路１１３、１１４、１１５、１１６で形成したモード変換素子１１２を示す。
このとき、単一モード導波路１１３と単一モード導波路１１６は、同一のコア部１０６の材料、幅、高さを有しており、面１０３に対して鏡映対称な関係にある。
また、単一モード導波路１１４と単一モード導波路１１５は、同一のコア部１０６の材料、幅、高さを有しており、面１０３に対して鏡映対称な関係にある。
このとき、上記（式１）で示した規格化周波数Ｖを用いて、Ｖ＜πを満たすようにすることで、モード変換素子１１２の偶モードを一つだけとなるように設定する。
Ｖ＝ｋ０／２｛Ｗ・ｄ・（ｎ１＾２−ｎ２＾２）｝＾（１／２） （式１）
ここで、Ｗは四本の単一モード導波路１１３、１１４、１１５、１１６のコア部１０６の合計の幅を表している。
図７（ｂ）に示すように、単一モード導波路１１３と単一モード導波路１１６のコア部１０６の幅をＷ２とし、単一モード導波路１１４と単一モード導波路１１５のコア部１０６の幅をＷ３とするとき、Ｗ＝２×Ｗ２＋２×Ｗ３となる。
ｄはモード変換素子１１２の実効的なコア部１１７の幅を表している。
ここで、モード変換素子１１２の実効的なコア部とは、図７（ｂ）に示すように、単一モード導波路１１３の面１０３とは逆側の側面と、単一モード導波路１１５の面１０３とは逆側の側面の間に挟まれる領域のことをいう。
モード変換素子１００と同様な原理で、モード変換素子１１２を用いることにより、設計、作製が容易に、スポットが単峰形状の光を効率良く、単一モード導波路１０１からマルチモード導波路１０２へ結合させることができる。
また、複数単一モード導波路を配置することで、０次モードへとの重なり積分を大きくし、０次モードとの結合効率を向上させることができる。
【００２９】
ここで、領域２がマルチモード導波路１０２ではなく、自由空間の場合においても、同様の原理により、単峰形状の光を自由空間へ射出させることができる。射出口での電場振幅分布が同符号で分布し、偶モードで分布している場合、射出される光のファーフィールドパターンは単峰形状となる。
また、単一モード導波路１０１の代わりに共振器を用いてもよい。このとき、共振器が周囲に作る電場分布は、面１０３に対して鏡映対称となるように設定する。
共振器が周囲に作る電場分布と重なる位置に、モード変換素子１００を配置することで、モード変換素子１００へ偶モードの光を導波させることができる。また、単一モード導波路１０１またはマルチモード導波路１０２またはモード変換素子１００はフォトニック結晶で形成しても良い。フォトニック結晶で作製することにより、光の伝搬損失を低減することができる。
また、コア部とクラッド部の材料は本実施例で示したものに限ったものではなく、他の材料で形成しても良い。
【００３０】
また、図１、図２（ａ）に示したモード変換素子１００において、単一モード導波路１０４、１０５の配置により、マルチモード導波路１０２の２次以上の高次の偶モードの発生を抑制することができる。
図８（ａ）に示すように、マルチモード導波路１０２の２次モードのｘ方向の電場振幅がゼロとなる位置に、単一モード導波路１０４と単一モード導波路１０５端部の中心が合うようにモード変換素子１００を構成する。
これにより、高次の偶モードの発生を抑制することができる。
ここで、マルチモード導波路１０２における２次モードの電場振幅がｘ方向にゼロとなる座標をｘ１、ｘ２とする。
そして、単一モード導波路１０４と単一モード導波路１０５の端部の中心座標がｘ１、ｘ２となるように配置する。
このような構成にすることで、マルチモード導波路１０２の２次モードが励起される比率を抑えることができる。
これは、座標ｘ１、ｘ２を境に、２次モードの電場振幅は左右に正の領域と負の領域が分布しているためである。
座標ｘ１、ｘ２に単一モード導波路１０４、１０５から単一モードの光を入射させると、２次モードとの重なり積分は小さくなり、２次モードが励起される比率を抑制することができる。
また、４次モードなど、さらに高次の偶モードがマルチモード導波路１０２に存在している場合においても、座標ｘ１、ｘ２の付近に、電場振幅がゼロとなる位置が存在するため、同様の理由により高次の偶モードを抑制することができる。
【００３１】
ここで、マルチモード導波路１０２の各固有モードが励起される比率を以下に示す。
コア部１０６には例えばＩｎＧａＡｓを用いることができ、クラッド部１０７には例えばＩｎＰを用いることができる。
入射光１０８の真空中の波長がλ＝１．５５μｍの場合、コア部１０６及びクラッド部１０７の屈折率はｎ１＝３．３、ｎ２＝３．１７となる。
ここで、入射側の単一モード導波路１０１のコア部の幅を０．５μｍ、射出側のマルチモード導波路１０２のコア部の幅を５μｍとする。
また、モード変換素子１００を構成している単一モード導波路１０４、１０５のコア部１０６の幅をＷ１＝０．９μｍとし、モード変換素子１００の実効的なコア部１１０の幅をｄ＝２．５μｍとする。
また、入射光１０８の波長をλ＝１．５５μｍとする。
モード変換素子１００の規格化周波数はＶ＝０．９２πとなり、偶モードが一つだけとなる。
このとき、モード変換素子１００を伝搬した光が、マルチモード導波路１０２へ結合したとき、０次モードが全体の９６％励起され、２次モードが全体の４％励起される結果となる。
【００３２】
比較のため図８（ｂ）に示すように、モード変換素子を一様のコア部１０６をもつ１本の導波路１１１とした場合について示す。
導波路１１１は、面１０３に対して鏡映対称となるように配置している。コア部の屈折率は３．３、クラッド部の屈折率は３．１７とした。
導波路１１１の幅は、偶モードを一つだけもつ、最大の導波路の幅となるように設定している。この場合、コア部１０６の幅Ｗ１＝１．６μｍとなる。
このとき、単一モード導波路１０１から入射光１０８が入射したとき、導波路１１１は、偶モードを一つしか持たないため、モード形状が固定された偶モードの光が伝搬する。
マルチモード導波路１０２では、０次モードが全体の５５％励起され、２次モードが全体の４５％励起される結果となった。
したがって、導波路１１１に比べモード変換素子１００の方が、０次モードが多く励起されており、単峰形状の光として結合している。
これは、モード変換素子１００の方が高次モードの発生を抑制していることによる。
また、モード変換素子１００を伝搬する導波モードの方がｘ方向に電場分布が広がっているため、０次モードとの結合効率が大きくなったことが起因している。
【００３３】
ここで導波路１１１において、さらにコア部１０６の幅を広げることで、導波モードの横方向の広がりを大きくすることは可能である。
しかし、導波路１１１のコア部１０６の幅をさらに大きくすると、偶モードは２つ以上発生する。このとき、導波モードは形状を変えながら導波路１１１に伝搬することになり、導波路１１１のｚ方向の長さを精度良く設定しなければ、ｚ＝ｚ０において、０次モードが励起される比率が小さくなる。
その結果、マルチモード導波路１０２を単峰形状の光が伝搬しない。
また、導波路１１１のコア部１０６の幅を極端に狭くすることにより、導波モードの横方向の広がりを大きくすることは可能である。しかしその場合、導波モードの形状が大きく変化し、０次モードとの重なり積分が小さくなり、結合効率が悪い。
これはテーパー構造や多段導波路においても同様のことがいえる。テーパー構造や多段導波路のようなコア部の幅が大きくなる領域では、高次モードが発生するため、形状に敏感になり、作製することが困難となる。
また、極端に幅を狭くした場合においても、結合効率は悪くなる。
【００３４】
［実施例２］
実施例２として、図９、図１０を用いて、実施例１とは異なる構成のモード変換素子２００の構成例について説明する。
本実施例のモード変換素子２００では、領域１には単一モード導波路３０１が形成され、領域２にはマルチモード導波路３０２が形成されている。
入射光１０８は単一モード導波路３０１からマルチモード導波路３０２の方向へ伝搬するとし、伝搬する方向をｚ軸の方向とする。単一モード導波路３０１と、マルチモード導波路３０２の中心軸は一致するように配置する。
図９（ａ）は単一モード導波路３０１と、マルチモード導波路３０２と、モード変換素子２００のｘｚ断面を表しており、図９（ｂ）はｙｚ断面を表している。図１０はモード変換素子２００のｘｙ断面を表している。
単一モード導波路３０１、マルチモード導波路３０２は、実施例１と同じ構造であり、モード変換素子２００だけ異なっている。
実施例１と同様にモード変換素子２００の中心を通りｙｚ面に平行な面を面１０３とし、モード変換素子２００の中心を通りｘｚ面に平行な面を面１０９とする。
モード変換素子２００は四本の単一モード導波路２０１、２０２、２０３、２０４で構成され、面１０３と面１０９の２面に対して鏡映対称な構造となるように、３次元的に配置されている。
また、図１０に示すように、単一モード導波路２０１、２０２の中心軸が面１０９に含まれるように配置し、単一モード導波路２０３、２０４の中心軸が面１０３に含まれるように配置している。
【００３５】
ここで、単一モード導波路２０１、２０２、２０３、２０４のコア部１０６とクラッド部１０７はそれぞれ、単一モード導波路３０１とマルチモード導波路３０２のコア部とクラッド部と同じ材料とする。
コア部１０６の屈折率をｎ１、クラッド部１０７の屈折率をｎ２としたとき、ｎ１＞ｎ２となっている。
単一モード導波路２０１と単一モード導波路２０２のコア部１０６の幅は互いに等しく、また高さも互いに等しくなるように設定する。
単一モード導波路２０１と単一モード導波路２０２は、面１０３に対して鏡映対称の関係にある。
単一モード導波路２０３と単一モード導波路２０４のコア部１０６の幅は互いに等しく、また高さも互いに等しくなるように設定する。
単一モード導波路２０３と単一モード導波路２０４は、面１０９に対して鏡映対称の関係にある。
モード変換素子２００を、複数の面に対して鏡映対称な構造とすることで、モード変換部２００を伝播する導波モードも複数の面に対して鏡映対称な形状とすることができる。
その結果、複数の方向に対して対称である形状の整った単峰形状の光を結合することができる。
【００３６】
ここで、単一モード導波路３０１の断面における高さ（ｙ方向の長さ）と、幅（ｘ方向の長さ）は等しいとする。
また、マルチモード導波路３０２の断面の高さ（ｙ方向の長さ）と、幅（ｘ方向の長さ）は等しいとする。
ここで、コア部１０６には例えばＩｎＧａＡｓを用いることができ、クラッド部１０７には例えばＩｎＰを用いることができる。
入射光１０８の真空中の波長がλ＝１．５５μｍの場合、コア部１０６及びクラッド部１０７の屈折率はｎ１＝３．３、ｎ２＝３．１７となる。
入射側の単一モード導波路３０１のコア部の幅と高さを０．５μｍ、射出側のマルチモード導波路３０２のコア部の幅と高さを５μｍとする。
【００３７】
また、図１１（ａ）に示すｘｚ断面における、単一モード導波路２０１、２０１のｘ方向のコア部１０６の長さをそれぞれＷ１＝０．９μｍとする。また、モード変換素子２００のｘ方向の実効的なコア部２０５の長さをｄ＝２．５μｍとする。
同様に、図１１（ｂ）に示す、ｙｚ断面における、単一モード導波路２０３、２０４のｙ方向のコア部１０６の長さをそれぞれＷ１＝０．９μｍとする。また、モード変換素子２００のｙ方向の実効的なコア部２０６の長さをｄ＝２．５μｍとする。
単一モード導波路３０１から入射する入射光１０８の真空中の波長をλ＝１．５５μｍとする。このとき、モード変換素子２００のｘｚ断面（面１０９）とｙｚ断面（面１０３）のそれぞれの面において、（式１）で示されるモード変換素子２００の規格化周波数がＶ＜πとなっている。
したがって、モード変換素子２００は、ｘｚ面、ｙｚ面において、それぞれ偶モードは一つだけとなっている。
【００３８】
このとき、図１１（ａ）に示すｘｚ断面と、図１１（ａ）に示すｙｚ断面において、実施例１で示した例と同じ寸法となっている。
上記したモード変換素子２００を用いることによって、ｘｚ断面とｙｚ断面の２つの面において、実施例１と同様の原理により、単峰形状の光を、単一モード導波路３０１からマルチモード導波路３０２へ効率良く結合することができる。
ｘｚ断面とｙｚ断面の２つの面に対して、単峰形状となるため、さらに利便性が高い、形状が整ったスポットの光とするとができる。
ここで、単一モード導波路３０１とマルチモード導波路３０２のｘｙ断面の幅と高さは同じ長さでなくても良く、違う長さでも良い。
その場合、実施例１で示した原理により、モード変換素子２００を構成する単一モード導波路２０１、２０２、２０３、２０４の寸法を適切に設定することにより、効率良く、単峰形状の光を結合することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１０１：単一モード導波路
１０２：マルチモード導波路
１０３：面
１０４：単一モード導波路
１０５：単一モード導波路
１０６：コア部
１０７：クラッド部
１０８：入射光
１０９：面
１１０：実効的なコア部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
領域１と領域２との異なる２つの領域を光結合させる、二本以上の複数の単一モード導波路で形成されたモード変換素子であって、
光が伝搬する方向に平行な軸をｚ軸とし、前記複数の単一モード導波路を横断する方向の該ｚ軸に垂直な軸をｘ軸、該ｘ軸および該ｚ軸に垂直な軸をｙ軸とし、前記モード変換素子の中心を通る前記ｚ軸を含む面を面１としたとき、
前記モード変換素子を伝搬する光を、前記面１に対して偶モードを一つのみ有する光とするため、前記単一モード導波路を前記面１に対して鏡映対称に配置した構造を備え、
前記モード変換素子は、前記領域１から入射した光を前記偶モードに変換して伝搬させ、前記領域２と光結合させることを特徴とするモード変換素子。
【請求項２】
前記面１が前記ｚ軸を含む複数の面からなり、前記単一モード導波路が該複数の面に対して鏡映対称に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のモード変換素子。
【請求項３】
前記単一モード導波路は、屈折率ｎ１を有するコア部と、屈折率ｎ２を有するクラッド部で形成され、つぎの条件式を満たすことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のモード変換素子。
Ｖ＝ｋ０／２｛Ｗ・ｄ・（ｎ１＾２−ｎ２＾２）｝＾（１／２）＜π
但し、
Ｖ：前記モード変換素子の規格化周波数
ｄ：複数の単一モード導波路のうちの一つ単一モード導波路における前記面１とは逆側の側面と、該単一モード導波路と隣り合う単一モード導波路における前記面１とは逆側の側面との距離
Ｗ：前記ｘ軸と平行な方向の長さを「幅」としたときにおける、前記モード変換素子に含まれるコア部の合計の幅
ｋ０：入射光の真空中の伝搬定数
π：円周率
【請求項４】
前記領域２がマルチモード導波路であり、前記マルチモード導波路のｘｚ面における導波モードにおいて、２次モードの電場振幅がｘ方向にゼロとなる座標をｘ１、ｘ２としたとき、
前記モード変換素子に含まれる二本の前記光導波路の端部の中心座標がｘ１、ｘ２となるように配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のモード変換素子。
【請求項５】
前記領域１または前記領域２または前記モード変換素子は、フォトニック結晶で形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のモード変換素子。
【請求項１】
領域１と領域２との異なる２つの領域を光結合させる、二本以上の複数の単一モード導波路で形成されたモード変換素子であって、
光が伝搬する方向に平行な軸をｚ軸とし、前記複数の単一モード導波路を横断する方向の該ｚ軸に垂直な軸をｘ軸、該ｘ軸および該ｚ軸に垂直な軸をｙ軸とし、前記モード変換素子の中心を通る前記ｚ軸を含む面を面１としたとき、
前記モード変換素子を伝搬する光を、前記面１に対して偶モードを一つのみ有する光とするため、前記単一モード導波路を前記面１に対して鏡映対称に配置した構造を備え、
前記モード変換素子は、前記領域１から入射した光を前記偶モードに変換して伝搬させ、前記領域２と光結合させることを特徴とするモード変換素子。
【請求項２】
前記面１が前記ｚ軸を含む複数の面からなり、前記単一モード導波路が該複数の面に対して鏡映対称に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のモード変換素子。
【請求項３】
前記単一モード導波路は、屈折率ｎ１を有するコア部と、屈折率ｎ２を有するクラッド部で形成され、つぎの条件式を満たすことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のモード変換素子。
Ｖ＝ｋ０／２｛Ｗ・ｄ・（ｎ１＾２−ｎ２＾２）｝＾（１／２）＜π
但し、
Ｖ：前記モード変換素子の規格化周波数
ｄ：複数の単一モード導波路のうちの一つ単一モード導波路における前記面１とは逆側の側面と、該単一モード導波路と隣り合う単一モード導波路における前記面１とは逆側の側面との距離
Ｗ：前記ｘ軸と平行な方向の長さを「幅」としたときにおける、前記モード変換素子に含まれるコア部の合計の幅
ｋ０：入射光の真空中の伝搬定数
π：円周率
【請求項４】
前記領域２がマルチモード導波路であり、前記マルチモード導波路のｘｚ面における導波モードにおいて、２次モードの電場振幅がｘ方向にゼロとなる座標をｘ１、ｘ２としたとき、
前記モード変換素子に含まれる二本の前記光導波路の端部の中心座標がｘ１、ｘ２となるように配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のモード変換素子。
【請求項５】
前記領域１または前記領域２または前記モード変換素子は、フォトニック結晶で形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のモード変換素子。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−１１８２２３（Ｐ２０１１−１１８２２３Ａ）
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７６５３２（Ｐ２００９−２７６５３２）
【出願日】平成２１年１２月４日（２００９．１２．４）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月４日（２００９．１２．４）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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