JP2004151689A - スポットサイズ変換素子及びこれを用いた導波路埋め込み型光回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 導波路埋め込み型光回路における光導波路のスポットサイズを低損失にて変換可能なスポットサイズ変換素子を提供する。
【解決手段】 基板１０１上に設けられた下部クラッド１０２と、下部クラッド１０２上に設けられ先端が徐々に細くなる形状を有するコア領域１０４と、下部クラッド１０２及びコア領域１０４を覆う上部クラッド１０３と、上部クラッド１０３を覆う光学樹脂層１０５とを備える。コア領域１０４は第１のコアとして機能し、下部クラッド１０２及び上部クラッド１０３からなる積層体は第１のクラッドとして機能する。さらに、上記積層体は第２のコアとしても機能し、光学樹脂層１０５は第２のクラッドとして機能する。そして、コア領域１０４が徐々に細くなる部分は、遷移導波路として機能する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スポットサイズ変換素子及びこれを用いた導波路埋め込み型光回路に関し、特に、低損失なスポットサイズ変換素子及びこれを用いた導波路埋め込み型光回路に関するものである。

近年、情報伝送の高速化・大容量化を達成すべく光通信が幅広く利用されている。光通信においては、目的とする波長の光を抽出したり複数の異なる波長の光を合波する必要があるため、光導波路の所定の部分には波長選択性を持った光フィルタが適宜挿入される。

図２０は、光導波路の一種である光ファイバを接続するフェルールを示す図であり、（ａ）は略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すＤ−Ｄ線に沿った断面図である。図２０（ａ），（ｂ）に示すように、フェルール１０は２本の光ファイバ１１，１２を接続するために用いられ、その接続部分には溝１０ａが設けられている。また、光ファイバ１１は、コア１１ａとこれを覆うクラッド１１ｂからなるファイバ素線１１ｃとこれを覆うファイバ被覆１１ｄからなり、同様に、光ファイバ１２は、コア１２ａとこれを覆うクラッド１２ｂからなるファイバ素線１２ｃとこれを覆うファイバ被覆１２ｄからなる。光ファイバ１１，１２は、フェルール１０の内部においてそれぞれファイバ被覆１１ｄ，１２ｄが除去されてファイバ素線１１ｃ，１２ｃが露出した状態とされており、ファイバ素線１１ｃは溝１０ａの一方の側壁部分において終端し、ファイバ素線１２ｃは溝１０ａの他方の側壁部分において終端している。つまり、ファイバ素線１１ｃの終端面とファイバ素線１２ｃの終端面は、フェルール１０に設けられた溝１０ａを介して対向した状態となっている。

図２１は、図２０に示すフェルール１０に光フィルタを装着した状態を示す図であり、（ａ）は略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すＥ−Ｅ線に沿った断面図である。図２１（ａ），（ｂ）に示すように、フェルール１０に設けられた溝１０ａに光フィルタ３０を挿入すると、光ファイバ１１，１２の一方より伝搬した光は、光フィルタ３０の特性に応じてフィルタリングされ、光ファイバ１１，１２の他方へ伝搬する。これにより、目的とする波長の光を抽出することが可能となる。

図２２は、光導波路の一種である導波路埋め込み型光回路を示す図であり、（ａ）は略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すＦ−Ｆ線に沿った断面図である。図２２（ａ），（ｂ）に示すように、導波路埋め込み型光回路２０は、基板２１と、基板２１上に設けられたクラッド層２２と、クラッド層２２の内部に設けられたコア領域２３とを備えており、クラッド層２２及びコア領域２３は、溝２４によってクラッド層２２ａ及びコア領域２３ａからなる部分とクラッド層２２ｂ及びコア領域２３ｂからなる部分に分断されている。したがって、コア領域２３ａは溝２４の一方の側壁部分において終端し、コア領域２３ｂは溝２４の他方の側壁部分において終端している。つまり、コア領域２３ａの終端面とコア領域２３ｂの終端面は溝２４を介して対向した状態となっている。

図２３は、図２２に示す導波路埋め込み型光回路２０に光フィルタを挿入した状態を示す図であり、（ａ）は略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すＧ−Ｇ線に沿った断面図である。図２３（ａ），（ｂ）に示すように、クラッド層２２に設けられた溝２４に光フィルタ３０を挿入すると、コア領域２３ａ，２３ｂの一方より伝搬した光は、光フィルタ３０の特性に応じてフィルタリングされ、コア領域２３ａ，２３ｂの他方へ伝搬する。これにより、目的とする波長の光を抽出することが可能となる。

分断された光導波路を光が伝搬する場合、分断された部分において主に回折現象に起因する損失が発生する。図２４はこれを説明するための図であり、コア４１ａ及びクラッド４１ｂからなる光導波路４１からコア４２ａ及びクラッド４２ｂからなる光導波路４２へギャップを介して光４０が伝搬する様子を、コア径が小さい場合（ａ）とコア径が大きい場合（ｂ）とに分けて模式的に示している。図２４（ａ），（ｂ）に示すように、光導波路４１より出射する光は回折現象によって広がるため、ギャップ幅ｄが大きいほど回折損失は増大する。一方、図２４（ａ）と図２４（ｂ）とを対比すれば明らかなように、回折現象はビームスポット径が小さいほど顕著となるため、回折損失を低減するためには、ギャップ幅ｄを狭くするとともにビームスポット径を大きくすればよい。

このため、フェルールを用いて２本の光ファイバを接続する場合、終端部においてコア径が局所的に拡大されたＴＥＣ（Thermally Expanded Core）ファイバを用いることによってスポットサイズを変換すれば、回折現象に起因する損失を低減することができる。ＴＥＣファイバにおけるコアの拡大は、広く知られているようにマイクロバーナやヒータ等による加熱によって行われる。
特許２６９３６４９号公報

しかしながら、図２２及び図２３に示したような導波路埋め込み型光回路は、光ファイバに比べて熱容量が非常に大きいことから、ＴＥＣファイバのように、加熱によってコア径を局所的に拡大することは困難である。このため、この種の光導波路においては、光フィルタが挿入される溝部において回折現象に起因する損失が大きいという問題があった。

したがって、本発明の目的は、溝によって分断された光導波路のスポットサイズを変換可能なスポットサイズ変換素子及びこれを用いた導波路埋め込み型光回路を提供することである。

また、本発明の他の目的は、導波路埋め込み型光回路における光導波路のスポットサイズを低損失にて変換可能なスポットサイズ変換素子及びこれを用いた導波路埋め込み型光回路を提供することである。

本発明によるスポットサイズ変換素子は、第１のコア及び前記第１のコアの全面を実質的に覆う第１のクラッドからなる第１の光導波路と、前記第１のクラッドの延長部分である第２のコア及び第２のクラッドからなる第２の光導波路と、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との間に設けられた遷移導波路を備え、前記遷移導波路は、前記第２の光導波路に向かうにつれて前記第１のコアの幅が徐々に細くなることを特徴とする。

本発明によれば、遷移導波路により、第１の光導波路に属する第１のクラッドが第２の光導波路に属する第２のコアとして用いられることから、第１の光導波路から第２の光導波路へ伝搬する光のビームスポットを拡大することができる。さらに、第１のクラッドが第１のコアの実質的に全面を覆っていることから、第１の光導波路を伝搬する光のビームスポットの中心と第２の光導波路を伝搬する光のビームスポットの中心とが大きくずれることがなく、これにより、低損失でビームスポット変換を行うことが可能となる。

また、前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路は、チャネル型であることが好ましい。

また、前記第１のコアの中心と前記第２のコアの中心とがほぼ同一軸上に位置することが好ましい。これによれば、第１の光導波路を伝搬する光のビームスポットの中心と第２の光導波路を伝搬する光のビームスポットの中心とがほぼ一致することから、より効率よくビームスポット変換を行うことが可能となる。

さらに、前記第１のクラッドは、少なくとも、前記第１のコアから見て下方に位置する下部クラッドと前記第１のコアから見て上方に位置する上部クラッドからなることが好ましく、前記第１のコアの底面は前記下部クラッドと接しており、前記第１のコアの上面及び両側面は前記上部クラッドと接していることがより好ましい。

さらに、前記第２のコアの端面が略矩形形状であることが好ましく、前記第１のクラッド及びその延長部である第２のコアからなる部分は、外形が略直方体形状であることがより好ましい。

さらに、前記第１のコアが徐々に細くなる部分の先端部がカットされた形状を有していることが好ましい。これによれば、製造条件による特性のばらつきを低減することが可能となる。

さらに、前記第２のクラッドが、石英系ガラスまたはラダーシリコーンによって形成されていることが好ましい。これによれば、前記第１のクラッドと第２のクラッドの熱膨張率の差により生ずる歪みを防ぐことができる。また、温度変化により生ずる前記第１のクラッドと第２のクラッドの屈折率の差の変化を防ぐことができる。

さらに、前記第２のクラッドが、ＣＶＤ法、スパッタリング、真空蒸着法、ＦＨＤ法およびゾルゲル法のいずれかの成膜プロセスを用いて、形成されていることが好ましい。

また、本発明による導波路埋め込み型光回路は、いずれも、第１のコア及び第１のクラッドからなる第１の光導波路と前記第１のクラッドの延長部分である第２のコア及び第２のクラッドからなる第２の光導波路とを少なくとも備える第１及び第２のスポットサイズ変換素子を備え、前記第１のスポットサイズ変換素子の第２の光導波路と前記第２のスポットサイズ変換素子の第２の光導波路とが溝を介して対向していることを特徴とする。

本発明によれば、第１のスポットサイズ変換素子の第１の光導波路へ入射する光は、そのビームスポットが拡大されて第２の光導波路を伝搬した後、溝を介して対向する第２のスポットサイズ変換素子の第２の光導波路へ入射し、そのビームスポットが再び縮小されて第１の光導波路を伝搬する。このように、溝を介して伝搬する光のビームスポットが拡大されていることから、回折現象に基づく損失を大幅に低減することが可能となる。

また、溝に挿入された光学素子をさらに備えることが好ましい。これによれば、低損失にて所望の波長の光を抽出することが可能となる。

さらに、前記第１及び第２のスポットサイズ変換素子は、いずれも、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との間に設けられ前記第２の光導波路に向かうにつれて前記第１のコアが徐々に細くなる遷移導波路をさらに備えていることが好ましい。また、前記第１のクラッドが前記第１のコアの実質的に全面を覆っていることが好ましい。また、前記第１のコアの中心と前記第２のコアの中心とがほぼ同一軸上に位置することが好ましい。

本発明では、チャネル型光導波路のビームスポットの中心を実質的にずらすことなくそのサイズを変換していることから、低損失にてスポットサイズ変換を行うことが可能となる。また、本発明では、遷移導波路を用いることによって第１のクラッドを徐々に第２のコアに変化させていることから、比較的簡単な製造工程によってスポットサイズ変換素子を作製することが可能となる。さらに、本発明では、２つのスポットサイズ変換素子が溝を介して対向しており、溝部分においてスポットサイズが拡大されていることから、信号光が溝を経由することによって生じる回折損失を大幅に低減することが可能となる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施態様について詳細に説明する。

図１は本発明の好ましい実施態様にかかる導波路埋め込み型光回路１００を一方向から見た略斜視図であり、図２は導波路埋め込み型光回路１００を逆方向から見た略斜視図である。

図１及び図２に示すように、本実施態様にかかる導波路埋め込み型光回路１００は、基板１０１と、下部クラッド層１０２−１〜１０２−６（これらをまとめて下部クラッド層１０２と呼ぶことがある）と、上部クラッド層１０３−１〜１０３−６（これらをまとめて上部クラッド層１０３と呼ぶことがある）と、コア領域１０４−１及び１０４−２（これらをまとめてコア領域１０４と呼ぶことがある）と、光学樹脂層１０５−１及び１０５−２（これらをまとめて光学樹脂層１０５と呼ぶことがある）とを備えており、下部クラッド層１０２−１〜１０２−３、上部クラッド層１０３−１〜１０３−３、コア領域１０４−１及び光学樹脂層１０５−１からなる部分と、下部クラッド層１０２−４〜１０２−６、上部クラッド層１０３−４〜１０３−６、コア領域１０４−２及び光学樹脂層１０５−２からなる部分とは、溝１０６によって分断されている。

溝１０６は、基板１０１の上面より、下方に堀り込まれており、これにより、後述するフィルタの差込を十分に確保でき、また、コア領域１０４、上部クラッド層１０３及び下部クラッド層１０２の断面全体をフィルタで覆うことができる。

基板１０１は、導波路埋め込み型光回路１００の機械的強度を確保する役割を果たし、その材料としては、導波路埋め込み型光回路１００の機械的強度を確保可能である限り特に限定されないが、シリコンやガラスを用いることが好ましい。

下部クラッド層１０２−２，１０２−５及び上部クラッド層１０３−２，１０３−５は、以下に詳述する「第１のクラッド」としての役割を果たすとともに「第２のコア」としての役割を果たし、その材料としては、基板１０１及びコア領域１０４と異なる屈折率を有している限り特に限定されないが、いずれも石英系ガラスやポリマーを用いることが好ましい。下部クラッド層１０２のその他の部分（下部クラッド層１０２−１，１０２−３，１０２−４，１０２−６）及び上部クラッド層１０３のその他の部分（及び上部クラッド層１０３−１，１０３−３，１０３−４，１０３−６）は、下部クラッド層１０２−２，１０２−５及び上部クラッド層１０３−２，１０３−５と同じ材料によって構成される。

コア領域１０４は、以下に詳述する「第１のコア」としての役割を果たし、その材料としては、下部クラッド層１０２及び上部クラッド層１０３と異なる屈折率を有している限り特に限定されないが、石英系ガラスやポリマーを用いることが好ましい。コア領域１０４のうち、コア領域１０４−１は下部クラッド層１０２−２上の一部に設けられ、上部クラッド層１０３−２によってその表面が覆われている。同様に、コア領域１０４のうち、コア領域１０４−２は下部クラッド層１０２−５上の一部に設けられ、上部クラッド層１０３−５によってその表面が覆われている。

光学樹脂層１０５は、以下に詳述する「第２のクラッド」としての役割を果たし、その材料としては、下部クラッド層１０２及び上部クラッド層１０３と異なる屈折率を有している限り特に限定されないが、本実施態様においては、紫外線硬化樹脂が用いられる。

図３は図１に示すＡ−Ａ線に沿った断面図、図４は図１に示すＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図３及び図４に示すように、コア領域１０４−１，１０４−２は、端面から一定の距離においてその幅（図３における上下方向の長さ）が実質的に一定に設定され、その後、溝１０６に向かうにつれて先端部分が徐々に細くなるテーパ形状を有している。このため、溝１０６の近傍部分においては下部クラッド層１０２−２，１０２−５と上部クラッド層１０３−２，１０３−５との間にはコア領域１０４−１，１０４−２は存在せず、両者は直接積層された状態となっている。

本明細書においては、コア領域１０４−１，１０４−２の幅が実質的に一定に設定されている区間における光導波路を「第１の光導波路」、コア領域１０４−１，１０４−２が設けられていない区間における光導波路を「第２の光導波路」、溝１０６に向かうにつれてコア領域１０４−１，１０４−２の幅が徐々に細くなる区間における光導波路を「遷移導波路」と呼ぶ。また、本明細書においては、第１の光導波路、遷移導波路及び第２の光導波路を合わせて「スポットサイズ変換素子」と呼ぶ。したがって、本実施態様にかかる導波路埋め込み型光回路１００は、２つのスポットサイズ変換素子が溝１０６を介して向かい合う構造を有しており、いずれのスポットサイズ変換素子とも、第２の光導波路が溝１０６側に位置し、第１の光導波路が溝１０６とは反対側（導波路埋め込み型光回路１００の端面側）に位置している。

第１の光導波路は第１のコア及び第１のクラッドによって構成されるチャネル型の光導波路であり、第２の光導波路は第２のコア及び第２のクラッドによって構成されるチャネル型の光導波路である。上述のとおり、第１のクラッド及び第２のコアは、いずれも下部クラッド層１０２−２及び上部クラッド層１０３−２からなる積層体又は下部クラッド層１０２−５及び上部クラッド層１０３−５からなる積層体によって構成される。また、遷移導波路は、コアとなる部分が第１のコアから第２のコアへ遷移するとともに、クラッドとなる部分が第１のクラッドから第２のクラッドへ遷移する領域である。この領域においては、伝搬する光のスポットサイズは第１の光導波路における相対的に小さいスポットサイズから第２の光導波路における相対的に大きいスポットサイズへ（或いは、第２の光導波路における相対的に大きいスポットサイズから第１の光導波路における相対的に小さいスポットサイズへ）と変化する。つまり、実際のスポットサイズ変換は、遷移導波路において行われることになる。

コア領域１０４−１，１０４−２のテーパ部分の先端については、より鋭利である方が原理的に過剰損失が抑制されるため好ましいが、実際の製造ばらつきを考慮すれば、図５に示すように先端部をカットした形状とすることが好ましい。この場合、先端部の幅ｘ_１は製造条件によって大幅にばらつかない範囲において小さく設定することが好ましく、具体的には、１μｍ以下とすることが好ましく、０．６μｍ以下とすることがより好ましい。先端部の幅ｘ_１を１μｍ以下に設定すれば、多くの場合において過剰損失を約０．８ｄＢ以下に抑えることが可能となり、先端部の幅ｘ_１を０．６μｍ以下に設定すれば、多くの場合において過剰損失を約０．４ｄＢ以下に抑えることが可能となる。また、テーパ形状となっている部分の長さｘ_２については、特に限定されるものではないが、コア領域１０４−１，１０４−２のうちテーパ形状ではない部分（第１の光導波路に対応する部分）の幅ａ_２の１００〜２００倍程度に設定することが好ましい。このように設定すれば、導波路埋め込み型光回路１００全体の大型化を抑制しつつ、遷移導波路において発生する過剰損失を効果的に抑制することが可能となる。

また、図３及び図４に示すように、下部クラッド層１０２−２及び上部クラッド層１０３−２からなる積層体、すなわち第１のクラッドであり且つ第２のコアである部分は、導波路埋め込み型光回路１００の端面から溝１０６までの全領域においてその幅（図３における上下方向の長さ）及び高さ（図４における上下方向の長さ）が実質的に一定に設定されている。これは、下部クラッド層１０２−５及び上部クラッド層１０３−５からなる積層体についても同様である。

図６は、導波路埋め込み型光回路１００の端面部分における下部クラッド１０２−２，１０２−５及び上部クラッド１０３−２，１０３−５とコア領域１０４−１，１０４−２との位置関係を詳細に示す図である。

図６に示すように、コア領域１０４−１，１０４−２の高さをａ_１とし、下部クラッド層１０２−２及び上部クラッド層１０３−２からなる積層体並びに下部クラッド層１０２−５及び上部クラッド層１０３−５からなる積層体の高さをｂ_１とした場合、コア領域１０４−１，１０４−２を高さ方向にａ_１／２に分割する線と、上記積層体を高さ方向にｂ_１／２に分割する線とは、ほぼ一致させることが好ましい。つまり、コア領域１０４−１，１０４−２の高さ方向における中心線と上記積層体の高さ方向における中心線とは、ほぼ一致している。同様に、コア領域１０４−１，１０４−２の幅をａ_２とし、上記積層体の幅をｂ_２とした場合、コア領域１０４−１，１０４−２を幅方向にａ_２／２に分割する線と上記積層体を幅方向にｂ_２／２に分割する線とは、ほぼ一致させることが好ましい。つまり、コア領域１０４−１，１０４−２の幅方向における中心線と上記積層体の幅方向における中心線とは、ほぼ一致している。このことは、コア領域１０４−１，１０４−２の中心点が上記積層体の中心点とほぼほぼ一致させることが好ましい旨を意味する。

特に限定されるものではないが、コア領域１０４−１，１０４−２の高さａ_１及び幅ａ_２としては、一般的な光ファイバのコア径とほぼ同じサイズ（７μｍ程度）に設定することが好ましい。このように設定すれば、第１の光導波路と光ファイバとをＶ溝等により直接接続することが可能となる。

以上のような構成を有する導波路埋め込み型光回路１００において第１の光導波路に入射する光は、第１のコアを溝１０６に向かって伝搬した後、第１のコアが徐々に細くなる遷移導波路において第１のクラッドへ徐々に滲みだす。このため、遷移導波路では、第１のクラッドは溝１０６に向かうにつれて徐々に第２のコアとしての機能へと変化し、第２の光導波路に至ると、ほぼ完全に第２のコアとして機能する。したがって、溝１０６より出射する光のビームスポットは、第１の光導波路に入射する光のビームスポットよりも拡大されている。また、第２の光導波路に入射する光は、第２のコアを溝１０６とは反対方向へ伝搬した後、第１のコアが現れ徐々に太くなる遷移導波路において第１のコアへ徐々に滲み込む。このため、遷移導波路では、第２のコアは溝１０６とは反対方向に向かうにつれて徐々に第１のクラッドとしての機能へと変化し、第１の光導波路に至ると、ほぼ完全に第１のクラッドとして機能する。したがって、第１の光導波路より出射する光のビームスポットは、溝１０６に入射する光のビームスポットよりも縮小されている。

以上のような構成を有する導波路埋め込み型光回路１００に対しては、溝１０６に光フィルタを挿入することができる。

図７は、導波路埋め込み型光回路１００に光フィルタ１１０を装着した状態を示す略斜視図であり、図８は、図７に示すＣ−Ｃ線に沿った断面図である。図７及び図８に示すように、溝１０６に光フィルタ１１０を挿入すると、第１のコアであるコア領域１０４−１，１０４−２の一方より伝搬した光は、光フィルタ１１０の特性に応じてフィルタリングされ、第１のコアであるコア領域１０４−１，１０４−２の他方へ伝搬する。これにより、目的とする波長の光を抽出することが可能となる。

ここで、本実施態様にかかる導波路埋め込み型光回路１００においては、溝１０６により分断されている部分は、第１の光導波路よりもコア径が大きい第２の光導波路であることから、溝１０６を介して伝搬する光のビームスポットは第１の光導波路を伝搬する光のビームスポットよりも拡大されている。これにより、溝１０６において生じる回折損失が大幅に削減される。したがって、図２２及び図２３に示した従来の導波路埋め込み型光回路に比べて、低損失にて所望のフィルタリングを行うことが可能となる。しかも、本実施態様にかかる導波路埋め込み型光回路１００においては、図６を用いて説明したように、第１のコアの中心であるコア領域１０４−１，１０４−２の中心部分と、第２のコア（第１のクラッド）の中心である積層体の中心部分とをほぼ一致させれば、遷移導波路においてビームスポットの中心がほとんどずれず、このため、遷移導波路において生じる損失も最小限に抑えられる。

次に、本実施態様にかかる導波路埋め込み型光回路１００の製造工程について図面を参照しながら説明する。

まず、所定の面積を有する基板１０１を用意し（図９）、その全面に下部クラッド１０２及びコア領域１０４をこの順に成膜する（図１０）。下部クラッド１０２及びコア領域１０４の成膜方法としては特に限定されるものではないが、下部クラッド１０２及びコア領域１０４の構成元素を含む化学種を用いた気相成長法、例えば、ＣＶＤ法、スパッタリング法、真空蒸着法、ＦＨＤ（Flame Hydrosis Deposition）法や塗布法等を用いることが好ましく、下部クラッド１０２及びコア領域１０４の材料として石英系ガラスを用いる場合には、生産性・膜質の観点からＣＶＤ法又はＦＨＤ法を用いることが特に好ましく、下部クラッド１０２及びコア領域１０４の材料としてポリマーを用いる場合には、成形の容易性の観点から塗布法を用いることが特に好ましい。

次に、コア領域１０４をパターニングして、コア領域１０４−１，１０４−２を形成する（図１１）。コア領域１０４−１，１０４−２の形状については上述のとおりであり、幅が一定である部分と幅が徐々に細くなるテーパ部分とを備えた形状にパターニングされる。コア領域１０４のパターニング方法としては特に限定されるものではないが、コア領域１０４の全面にメタルマスク層を形成し、メタルマスク層にフォトレジストを塗布し、コア領域１０４−１，１０４−２が残るようにエッチングマスクを形成した後、このエッチングマスクを用いてコア領域１０４の不要部分を除去すればよい。コア領域１０４の不要部分の除去は、ドライエッチングにより行うことが好ましい。

次に、上部クラッド１０３を下部クラッド１０２の全面に成膜する（図１２）。上部クラッド１０３の成膜方法としては特に限定されるものではないが、下部クラッド１０２及びコア領域１０４と同様、上部クラッド１０３の構成元素を含む化学種を用いた気相成長法又は塗布法等を用いることが好ましく、上部クラッド１０３の材料として石英系ガラスを用いる場合には、上述のとおりＣＶＤ法又はＦＨＤ法を用いることが特に好ましく、上部クラッド１０３の材料としてポリマーを用いる場合には、上述のとおり塗布法を用いることが特に好ましい。

次に、下部クラッド１０２及び上部クラッド１０３の積層体（一部にコア領域１０４を含む）をパターニングして、平行な３本の棒状体を形成する（図１３）。ここで、中央の棒状体については、第１の光導波路として用いられるとともに第２の光導波路のコア（第２のコア）として用いられることから、そのサイズについては正確に制御する必要がある。一方、両側の２本の棒状体については、以下の工程において充填される光学樹脂層１０５の外枠として用いられるため、そのサイズについては中央の棒状体ほど正確に制御する必要はない。下部クラッド１０２及び上部クラッド１０３の積層体のパターニング方法としては特に限定されるものではないが、コア領域１０４のパターニングと同様、上部クラッド１０３の全面にメタルマスク層を形成し、メタルマスク層にフォトレジストを塗布し、３本の棒状体のみが残るようにエッチングマスクを形成した後、このエッチングマスクを用いて下部クラッド１０２及び上部クラッド１０３の積層体の不要部分を除去すればよい。下部クラッド１０２及び上部クラッド１０３の積層体の不要部分の除去は、ドライエッチングにより行うことが好ましい。

そして、中央の棒状体を覆うように両側の棒状体間に光学樹脂層１０５を充填し（図１４）、これを硬化させた後、溝１０６を形成する（図１、図２）。溝１０６の形成方法としては特に限定されるものではないが、ダイシングソーを用いたダイシングにより形成することが好ましい。

導波路埋め込み型光回路１００において第１の光導波路に入射する光は、第１のコアを溝１０６に向かって伝搬した後、遷移導波路および第２の光導波路を経て、溝１０６より出射し、第２の光導波路に入射する。第２の光導波路に入射した光の有するエネルギーは、第２のコア（第１のクラッド）の表面から１０μｍの領域に集中しているので、第２のクラッドとしての光学樹脂層１０７−１，１０７−２，１０８−１，１０８−２の厚さは、１０μｍ以上であることが好ましい。

次に、本発明の好ましい他の実施態様について説明する。

図１５は、本発明の好ましい他の実施態様かかる導波路埋め込み型光回路１００Ａの略斜視図である。

図１５に示すように、導波路埋め込み型光回路１００Ａは、光学樹脂層１０７−１，１０７−２にラダーシリコーンが用いられている点で、図１に示された導波路埋め込み型光回路１００と異なっている。その他の構成については、図１に示された導波路埋め込み型光回路１００と同様である。

一般にシリコーンに含まれるシロキサン骨格を有する官能基では、振動モードの振動数に応じた光の吸収が行われ、導波路の光学特性を劣化させるというが問題がある。しかし、本実施態様において、ラダーシリコーンに含まれるシロキサン骨格を有する官能基は、ラダーシリコーンのペーストを加熱する際に生じる縮合により除去される。したがって、光の吸収による導波路の光学特性の劣化を防ぐことができる。

また、ラダーシリコーンと石英系ガラスは、主としてシロキサン骨格を有するために、ラダーシリコーンと石英系ガラスの熱膨張率及びラダーシリコーンと石英系ガラスの屈折率の温度依存性は、ほぼ等しい。したがって、下部クラッド１０２及び上部クラッド１０３が石英系ガラスを用いて形成されている場合には、中央の棒状体と光学樹脂層１０７−１，１０７−２の熱膨張率および屈折率の温度依存性がほぼ等しくなる。その結果、中央の棒状体と光学樹脂層１０７−１，１０７−２の接触面における熱膨張率の差により生ずる歪みを防ぐことができる。また、温度変化により生ずる光学樹脂層１０７−１，１０７−２の屈折率の差の変化を防ぐことができる。

図１５に示すように、導波路埋め込み型光回路１００Ａは、図１３に示された平行な３本の棒状体のうち、中央の棒状体の表面にラダーシリコーンのペーストを塗布し、加熱して、ラダーシリコーンを硬化させ、溝１０６を形成することにより製造される。

次に、本発明のさらに好ましい他の実施態様について説明する。

図１６は、本発明のさらに好ましい他の実施態様かかる導波路埋め込み型光回路１００Ｂの略斜視図である。

図１６に示すように、導波路埋め込み型光回路１００Ｂは、光学樹脂層１０５に石英系ガラスが用いられている点で、図１に示された導波路埋め込み型光回路１００と異なっている。その他の構成については、図１に示された導波路埋め込み型光回路１００と同様である。

中央の棒状体と光学樹脂層１０８−１，１０８−２は、材料として同じ石英系ガラスを用いて形成されている。したがって、中央の棒状体と光学樹脂層１０８−１，１０８−２の接触面における熱膨張率の差により生ずる歪みを防ぐことができる。また、温度変化により生ずる光学樹脂層１０８−１，１０８−２の屈折率の差の変化を防ぐことができる。

図１６に示すように、導波路埋め込み型光回路１００Ｂは、図１３に示された平行な３本の棒状体のうち、中央の棒状体の表面に光学樹脂層１０８−１，１０８−２として石英系ガラス膜を形成することにより製造される。

石英系ガラス膜の形成は、ＣＶＤ法、スパッタリング、真空蒸着法、ＦＨＤ法やゾルゲル法を用いて行われる。

ＣＶＤ法を用いて、石英系ガラス膜を形成する場合に、中央の棒状体の全表面に確実に石英系ガラス膜を形成するためには、中央の棒状体の表面の温度を上昇させることにより、石英系ガラス膜の形成を促進させることが好ましい。

また、スパッタリングまたは真空蒸着法を用いて、石英系ガラス膜を形成する場合に、中央の棒状体の全表面に均一に石英系ガラス膜を形成するためには、自転機構及び公転機構を有する装置を用いることが好ましい。中央の棒状体が形成されている基板１０１を、自転機構及び公転機構を有する装置に設置し、基板１０１を自転及び公転させながら、石英系ガラスの蒸着粒子を中央の棒状体の表面に付着させることにより、中央の棒状体の全表面に均一に石英系ガラス膜を形成することができる。

さらに、ゾルゲル法を用いて、石英系ガラス膜を形成する場合には、液相析出法などを用いて、中央の棒状体の表面に予め、非晶質シリカ膜を形成しておくことが好ましい。非晶質シリカ膜を形成することにより、ゾルゲル法で石英系ガラス膜を形成する際に生じる体積収縮に伴う、石英系ガラス膜へのクラックの発生を防ぐことができる。

次に、本発明のさらに好ましい他の実施態様について説明する。

図１７は、本発明のさらに好ましい他の実施態様かかる導波路埋め込み型光回路１００Ｃの略斜視図である。

図１７に示すように、本発明のさらに好ましい他の実施態様かかる導波路埋め込み型光回路１００Ｃは、基板１０１と、下部クラッド層１０２−２及び１０２−５（図示なし）と、上部クラッド層１０３−２及び１０３−５（図示なし）と、コア領域１０４−１及び１０４−２（図示なし）と、光学樹脂層１０９−１〜１０９−４とを備えており、下部クラッド層１０２−２、上部クラッド層１０３−２、コア領域１０４−１、光学樹脂層１０９−１及び１０９−２からなる部分と、下部クラッド層１０２−５、上部クラッド層１０３−５、コア領域１０４−２、光学樹脂層１０９−３及び１０９−４からなる部分とは、溝１０６−１によって分断されている。

導波路埋め込み型光回路１００Ｃの製造は、まず、基板１０１を用意し、その全面に下部クラッド１０２及びコア領域１０４をこの順に成膜する。次に、コア領域１０４をパターニングして、コア領域１０４−１，１０４−２を形成し、さらに、上部クラッド１０３を下部クラッド１０２及びコア領域１０４の表面に成膜する。次に、下部クラッド１０２及び上部クラッド１０３の積層体（一部にコア領域１０４を含む）をパターニングして、１本の棒状体を形成する。次に、棒状体を覆うように、光学樹脂層１０９−１〜１０９−４を形成する。

光学樹脂層１０９−１及び１０９−３の形成方法としては特に限定されるものではないが、石英ガラスを用いてＣＶＤ法によって形成することが好ましい。また、光学樹脂層１０９−２及び１０９−４の形成方法としては特に限定されるものではないが、ラダーシリコーンを用いて形成することが好ましい。光学樹脂層１０９−１及び１０９−３を石英ガラスで形成することにより、良質な光学樹脂層を得ることができる。また、光学樹脂層１０９−２及び１０９−４をラダーシリコーンで形成することにより、光学樹脂層１０９−１〜１０９−４を石英ガラスで形成する場合に比べて、製造時間を短縮することができる。また、溝１０６−１は、基板１０１の上面より、下方に斜めに掘られ形成されている。

以上により、本実施態様にかかる導波路埋め込み型光回路１００が完成する。尚、本実施態様にかかる導波路埋め込み型光回路１００の製造方法がこれに限定されるものではなく、他の方法を用いて製造しても構わない。

本発明は、以上の実施態様に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施態様においては、第１の光導波路に対応する部分にも光学樹脂層１０５が設けられているが、光学樹脂層１０５は第２の光導波路のクラッド（第２のクラッド）として機能することから、第１の光導波路に対応する部分においては光学樹脂層１０５を省略しても構わない。また、第２のクラッドとしても光学樹脂層１０５を用いる必要はなく、下部クラッド１０２及び上部クラッド１０３と屈折率が異なっている限り、他の材料を用いても構わない。

また、上記実施態様においては、導波路埋め込み型光回路１００に設けられた溝１０６に光フィルタ１１０を挿入しているが、溝１０６に挿入可能な光学素子としてはこれに限定されず、他の光学素子、例えばファラデー回転子を含む光学素子であっても構わない。

さらに、上記実施態様においては、基板１０１として石英系ガラスを用いたが、下部クラッド１０２に有効に光を閉じこめることができれば、基板１０１としてはこれに限定されず、シリコン基板上に石英系ガラスの層を形成したものであっても構わない。

また、上記実施態様においては、溝１０６の形成方法としてダイシングソーを用いてダイシングにより形成しているが、上部クラッド１０３及び光学樹脂層１０５の全面にメタルマスク層を形成し、メタルマスク層にフォトレジストを塗布し、溝１０６以外の部分が残るようにエッチングマスクを形成した後、このエッチングマスクを用いて、光学樹脂層１０５、上部クラッド１０３、下部クラッド１０２及び基板１０１の一部をドライエッチングにより除去することにより形成してもよい。

上記実施態様にかかる導波路埋め込み型光回路１００の溝１０６から見て一方のスポットサイズ変換素子からなる部分、すなわち、基板１０１、下部クラッド層１０２−１〜１０２−３、上部クラッド層１０３−１〜１０３−３、コア領域１０４−１及び光学樹脂層１０５−１のみからなるスポットサイズ変換素子を作製した。

コア領域１０４−１（第１のコア）の材料としてはゲルマニウムを添加したシリカガラス（屈折率：ｎｉｃ＝１．４５５８）を用い、下部クラッド層１０２−２及び上部クラッド層１０３−２（第１のクラッド＝第２のコア）の材料としてはＢＰＳＧ（ボロンとリンを添加したシリカガラス、屈折率：ｎｉｃ＝１．４５０１）を用い（下部クラッド層１０２−１，１０２−３及び上部クラッド層１０３−１，１０３−３についても同様）、光学樹脂層１０５−１（第２のクラッド）の材料としては光学接着剤（屈折率：ｎｉｃ＝１．４４７３）を用いた。

また、コア領域１０４−１（第１のコア）のサイズとしては、第１の光導波路に対応する部分の長さを２００μｍ、第１の光導波路に対応する部分における高さ及び幅をいずれも７μｍに設定し、遷移導波路に対応するテーパ部分の長さｘ_２を１０００μｍに設定し、テーパ部分の先端の幅ｘ_１を０．４μｍに設定した。

また、下部クラッド層１０２−２及び上部クラッド層１０３−２からなる積層体（第１のクラッド＝第２のコア）については、長さを２４００μｍ、高さを３５μｍ、幅を３４μｍに設定した。このうち、第１のコアであるコア領域１０４−１の高さ及び幅が一定に設定されている２００μｍの区間（第１の光導波路に対応する部分）については第１のクラッドとして機能し、コア領域１０４−１が存在しない１２００μｍの区間（第２の光導波路に対応する部分）については第２のコアとして機能する。また、コア領域１０４−１がテーパ形状となっている１０００μｍの区間（遷移導波路に対応する部分）については、第１のクラッドとしての機能から第２のコアとしての機能へと徐々に変化する。

このような構造を有するスポットサイズ変換素子に対し、第１の光導波路側から図１８に示す光電界モード分布（スポットサイズ＝約１０μｍ）を有する光を入射し、第２の光導波路側から出射する光の光電界モード分布を測定した。その結果、第２の光導波路側から出射する光の光電界モード分布は、図１９に示すとおりとなった。図１９に示すように、第２の光導波路側から出射する光のスポットサイズは約２８μｍであり、２．８倍に拡大されていることが確認された。

上記実施態様と同じ構造を有する実施例２の導波路埋め込み型光回路を作製した。実施例２の導波路埋め込み型光回路に含まれる２つのスポットサイズ変換素子は、実施例１のそれと全く同じ材料・サイズからなる。２つのスポットサイズ変換素子を分断する溝については、幅を４００μｍに設定した。

また、比較のため、コア領域１０４−１にテーパ部分を設けることなく、端面から溝までの全区間において高さ及び幅をいずれも７μｍに固定した比較例の導波路埋め込み型光回路を作製した。比較例の導波路埋め込み型光回路においてはスポットサイズ変換は行われず、全領域が第１の光導波路に相当することから、光学樹脂層１０５は省略した。つまり、比較例の導波路埋め込み型光回路は、図２２に示す従来の導波路埋め込み型光回路に相当する。比較例の導波路埋め込み型光回路についても、２つの光導波路を分断する溝については幅を４００μｍに設定した。

これら実施例２及び比較例の導波路埋め込み型光回路に対し、溝を介して伝搬する光の過剰損失を測定した。その結果、実施例２の導波路埋め込み型光回路においては過剰損失が０．３３ｄＢであったのに対し、比較例の導波路埋め込み型光回路においては過剰損失が８．１ｄＢであり、スポットサイズ変換による回折損失が大幅に低減されていることが確認された。

本発明の好ましい実施態様にかかる導波路埋め込み型光回路１００を一方向から見た略斜視図である。 図１に示す導波路埋め込み型光回路１００を逆方向から見た略斜視図である。 図１に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図１に示すＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 コア領域１０４−１，１０４−２の先端部を拡大して示す略平面図である。 導波路埋め込み型光回路１００の端面部分における下部クラッド層１０２−２，１０２−５及び上部クラッド層１０３−２，１０３−５とコア領域１０４−１，１０４−２との位置関係を詳細に示す図である。 導波路埋め込み型光回路１００に光フィルタを装着した状態を示す略斜視図である。 図７に示すＣ−Ｃ線に沿った断面図である。 導波路埋め込み型光回路１００の製造過程における一状態を示す斜視図である。 導波路埋め込み型光回路１００の製造過程における一状態を示す斜視図である。 導波路埋め込み型光回路１００の製造過程における一状態を示す斜視図である。 導波路埋め込み型光回路１００の製造過程における一状態を示す斜視図である。 導波路埋め込み型光回路１００の製造過程における一状態を示す斜視図である。 導波路埋め込み型光回路１００の製造過程における一状態を示す斜視図である。 本発明の他の好ましい実施態様にかかる導波路埋め込み型光回路１００の略斜視図である。 本発明のさらに好ましい他の実施態様にかかる導波路埋め込み型光回路１００の略斜視図である。 本発明のさらに好ましい他の実施態様にかかる導波路埋め込み型光回路１００の略斜視図である。 実施例１において第１の光導波路側へ入射する光の光電界モード分布を示すグラフである。 実施例１において第２の光導波路側から出射する光の光電界モード分布を示すグラフである。 光ファイバを接続するフェルールを示す図であり、（ａ）は略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すＤ−Ｄ線に沿った断面図である。 図２０に示すフェルール１０に光フィルタを装着した状態を示す図であり、（ａ）は略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すＥ−Ｅ線に沿った断面図である。 従来の導波路埋め込み型光回路を示す図であり、（ａ）は略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すＦ−Ｆ線に沿った断面図である。 図２２に示す導波路埋め込み型光回路２０に光フィルタを挿入した状態を示す図であり、（ａ）は略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すＧ−Ｇ線に沿った断面図である。 回折現象に起因する損失発生のメカニズムを説明するための図であり、（ａ）はコア径が小さい場合、（ｂ）とコア径が大きい場合を示している。

符号の説明

１００ 導波路埋め込み型光回路
１０１ 基板
１０２ 下部クラッド層
１０３ 上部クラッド層
１０４ コア領域
１０５ 光学樹脂層
１０６ 溝
１０７ 光学樹脂層
１０８ 光学樹脂層
１０９ 光学樹脂層
１１０ 光フィルタ

Claims (19)

1. 第１のコア及び前記第１のコアの全面を実質的に覆う第１のクラッドからなる第１の光導波路と、前記第１のクラッドの延長部分である第２のコア及び第２のクラッドからなる第２の光導波路と、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との間に設けられた遷移導波路を備え、前記遷移導波路は、前記第２の光導波路に向かうにつれて前記第１のコアの幅が徐々に細くなることを特徴とするスポットサイズ変換素子。
2. 前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路は、チャネル型であることを特徴とする請求項１に記載のスポットサイズ変換素子。
3. 前記第１のコアの中心と前記第２のコアの中心とがほぼ同一軸上に位置することを特徴とする請求項１又は２に記載のスポットサイズ変換素子。
4. 前記第１のクラッドは、少なくとも、前記第１のコアから見て下方に位置する下部クラッドと前記第１のコアから見て上方に位置する上部クラッドからなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスポットサイズ変換素子。
5. 前記第１のコアの底面は前記下部クラッドと接しており、前記第１のコアの上面及び両側面は前記上部クラッドと接していることを特徴とする請求項４に記載のスポットサイズ変換素子。
6. 前記第２のコアの端面が略矩形形状であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のスポットサイズ変換素子。
7. 前記第１のクラッド及びその延長部である第２のコアからなる部分は、外形が略直方体形状であることを特徴とする請求項６に記載のスポットサイズ変換素子
8. 前記第１のコアが徐々に細くなる部分の先端部がカットされた形状を有していることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のスポットサイズ変換素子。
9. 前記第２のクラッドが、ラダーシリコーンによって形成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のスポットサイズ変換素子。
10. 前記第２のクラッドが、石英系ガラスによって形成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のスポットサイズ変換素子。
11. 前記第２のクラッドが、ＣＶＤ法、スパッタリング、真空蒸着法、ＦＨＤ法およびゾルゲル法のいずれかの成膜プロセスを用いて、形成されていることを特徴とする請求項１０に記載のスポットサイズ変換素子。
12. いずれも、第１のコア及び第１のクラッドからなる第１の光導波路と前記第１のクラッドの延長部分である第２のコア及び第２のクラッドからなる第２の光導波路とを少なくとも備える第１及び第２のスポットサイズ変換素子を備え、前記第１のスポットサイズ変換素子の第２の光導波路と前記第２のスポットサイズ変換素子の第２の光導波路とが溝を介して対向していることを特徴とする導波路埋め込み型光回路。
13. 前記溝に挿入された光学素子をさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載の導波路埋め込み型光回路。
14. 前記第１及び第２のスポットサイズ変換素子は、いずれも、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路との間に設けられ前記第２の光導波路に向かうにつれて前記第１のコアが徐々に細くなる遷移導波路をさらに備えていることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の導波路埋め込み型光回路。
15. 前記第１のクラッドが前記第１のコアの実質的に全面を覆っていることを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれか１項に記載の導波路埋め込み型光回路。
16. 前記第１のコアの中心と前記第２のコアの中心とがほぼ同一軸上に位置することを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれか１項に記載の導波路埋め込み型光回路。
17. 前記第２のクラッドが、ラダーシリコーンによって形成されていることを特徴とする請求項１２乃至１６のいずれか１項に記載の導波路埋め込み型光回路。
18. 前記第２のクラッドが、石英系ガラスによって形成されていることを特徴とする請求項１２乃至１６のいずれか１項に記載の導波路埋め込み型光回路。
19. 前記第２のクラッドが、ＣＶＤ法、スパッタリング、真空蒸着法、ＦＨＤ法およびゾルゲル法のいずれかの成膜プロセスを用いて、形成されていることを特徴とする請求項１８に記載の導波路埋め込み型光回路。

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