JP2004246282A - レンズ列スポットサイズ変換型光回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】光ファイバと光導波路とが低損失で接続され、かつ小型化、低コスト化を実現できるレンズ列スポットサイズ変換型光回路を提供する。
【解決手段】光導波路５のコア層３の光軸と光ファイバ６のコア７の光軸とが一致するように光導波路５と光ファイバ６とが接続された光回路において、光導波路５の光ファイバ６との接続部側のコア層３の端面がクラッド層２ｕで覆われており、このコア層３の端面を覆う部分のクラッド層２ｕ内のコア層３の光軸上及び光ファイバ６の接続部近傍のコア７内に、光導波路５から光ファイバ６に向かって屈折率を徐々に変化させた複数の略球状レンズ媒質５ａ，５ｂ，９ａ，９ｂを形成する。これにより、異なるスポットサイズの光導波路５と光ファイバ６とを低損失で接続可能になる。
【選択図】 図１
【解決手段】光導波路５のコア層３の光軸と光ファイバ６のコア７の光軸とが一致するように光導波路５と光ファイバ６とが接続された光回路において、光導波路５の光ファイバ６との接続部側のコア層３の端面がクラッド層２ｕで覆われており、このコア層３の端面を覆う部分のクラッド層２ｕ内のコア層３の光軸上及び光ファイバ６の接続部近傍のコア７内に、光導波路５から光ファイバ６に向かって屈折率を徐々に変化させた複数の略球状レンズ媒質５ａ，５ｂ，９ａ，９ｂを形成する。これにより、異なるスポットサイズの光導波路５と光ファイバ６とを低損失で接続可能になる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路のコア層と光ファイバのコアとが光軸が一致するように接続された光回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＡＷＧ（Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）フィルタ、スプリッタ、光スイッチなどの光回路を有するガラス導波路型光部品は、半導体プロセスを利用することにより量産し易いことから、既に多くのものが実用化されているが、更なる小型化、低コスト化のための研究開発が進められている。
【０００３】
その例として、ガラス導波路型光部品の高比屈折率差（高Δ）化による小型化、低コスト化が検討されており、具体例として、比屈折率差Δが１．５％以上、２．５％程度の光部品が検討されている。
【０００４】
ここで、比屈折率差Δは、コア層の最大屈折率をｎ１ 、クラッド層の屈折率をｎ２ としたとき、次の数１式で表される。
【０００５】
【数１】Δ（％）＝｛（ｎ１ −ｎ２ ）／ｎ１ ｝×１００（％）
ところが、ガラス導波路からなる光回路本体は高Δ化されているのに対して、それに接続されている光ファイバは通常のシングルモード光ファイバであり、Δは０．３％から１％の範囲内の低Δのものが用いられる。そのため、光回路本体と光ファイバとの間にモードミスマッチングが生じるという問題がある。
【０００６】
これを解決するために、従来は図５、図６に示すような２つの手段が用いられていた。
【０００７】
図５、図６は従来のモード変換方式を説明するための説明図である。
【０００８】
第１の手段は、図５に示すように、高屈折率のコア層５３を低屈折率のクラッド層５４で覆った光回路本体５０に、光ファイバと接続する側（図では左側）にはヒータ５２を配置し、その反対側（この場合右側）には内部に冷却水ｗを循環させる保持部材５５を取り付け、モード変換部５１を形成する方法である（例えば、特許文献１参照。）。
【０００９】
具体的には、光回路本体５０の端面側をヒータ５２で長時間にわたり高温（１３００℃）に加熱することにより、光回路本体５０のコア層５３内の屈折率制御用ドーパント（ＧｅＯ２ ）を、コア層５３を覆っているクラッド層５４側に拡散させ、モード変換部５１を形成する。
【００１０】
第２の方法は、図６に示すように、高Δのシングルモード光ファイバ５６−１（５６−２）の一端を高Δの光回路本体６０に接続し、その光ファイバ５６−１（５６−２）の他端に低Δのシングルモード光ファイバ５７−１（５７−２）をＴＥＣ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｘｐａｎｄ Ｃｏｒｅ）技術を用いて加熱・融着接続し、そのＴＥＣ接続部５８でモード変換を実現する方法である（例えば、特許文献２参照。）。
【００１１】
【特許文献１】
特開平６−４３３３０号公報
【特許文献２】
特開平５−２５７０３２号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のモード変換方式には以下に示すような課題が存在している。
【００１３】
図５に示したヒータ５２により加熱してモード変換部５１を形成する方式は、光回路のサイズが非常に大きくなり、低コスト化が難しいという問題がある。さらに、ヒータ５２ではコア層５３の微細加工が困難であるため、光回路の損失が大きくなり、実用的でない。
【００１４】
また、図６に示したＴＥＣ接続部５８でモード変換を実現する方式は、低損失で実現できるというメリットがあるが、高Δの光ファイバ５６−１（５６−２）を別途作製しなければならないために、コスト高になる。さらに、実装コストが高くなり、低コスト化が難しい。さらにそれぞれの光ファイバ長を少なくとも数十ｃｍは長くして接続しなければならないため、小型化にも制約を受ける。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、上述した従来技術の課題を解決し、光ファイバと光導波路とが低損失で接続され、かつ小型化、低コスト化を実現できるレンズ列スポットサイズ変換型光回路を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１の発明は、光導波路のコア層の光軸と光ファイバのコアの光軸とが一致するように光導波路と光ファイバとが接続された光回路において、光導波路の光ファイバとの接続部側のコア層の端面がクラッド層で覆われており、このコア層の端面を覆う部分のクラッド層内のコア層の光軸上に、光導波路から光ファイバに向かって屈折率を徐々に変化させた複数の略球状レンズ媒質を有するスポットサイズ変換部が形成されていると共に、光ファイバの接続部近傍のコア内に、光ファイバから光導波路に向かって屈折率を徐々に変化させた複数の略球状レンズ媒質を有する他のスポットサイズ変換部が形成されているものである。
【００１７】
請求項２の発明は、請求項１に記載の構成に加え、光導波路のコア層とクラッド層との比屈折率差は２．０％から４．０％の範囲内にあり、かつ光ファイバのコアとクラッドとの比屈折率差は０．３％から１．５％の範囲内にあると共に、光導波路内に形成されたスポットサイズ変換部は光ファイバと接続される端面方向に向かって略球状のレンズ媒質の屈折率が徐々に低くなり、かつ光ファイバ内に形成された他のスポットサイズ変換部は光導波路と接続される端面方向に向かって略球状のレンズ媒質の屈折率が徐々に高くなることが好ましい。
【００１８】
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の構成に加え、光導波路内に形成されたスポットサイズ変換部は、光ファイバと接続される端面方向に向かって略球状のレンズ媒質を複数個、所望間隔、所望径、所望屈折率を持つように形成してなることが好ましい。
【００１９】
請求項４の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の構成に加え、光導波路と光ファイバとの接続部を少なくとも１つ以上有すると共に、各接続部近傍にスポットサイズ変換部がそれぞれ形成されていることが好ましい。
【００２０】
請求項５の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の構成に加え、光導波路のコア層と光ファイバのコアとの接続面は、光軸の垂線に対して斜めに加工されていることが好ましい。
【００２１】
請求項６の発明は、請求項１から５のいずれかに記載の構成に加え、レンズ媒質は、パルス幅が３０ｆｓから２００ｆｓの範囲内でありかつパルス繰り返し周波数が１ｋＨｚから２５０ｋＨｚの範囲内である超短パルスレーザービームのビームスポットサイズ及び照射エネルギーを変えて集光、照射されることによって形成されたものであることが好ましい。
【００２２】
上記請求項１の構成によれば、複数のレンズ媒質により光導波路から光ファイバに向かって徐々にスポットサイズが変化するので、Δｈが２％以上４％程度以下の超高Δの光導波路と、Δｌが０．３％から１．５％の範囲内の光ファイバとをモードフィールド整合をとって接続することが可能になる。
【００２３】
上記請求項２の構成によれば、従来の低Δ（Δ：約０．７５％）の光導波路に比して１／２０から１／４０に超小型化した超高Δの光導波路が実現可能になる。
【００２４】
上記請求項３の構成によれば、スポットサイズ変換部が急激にスポットサイズを変換していないので、屈折率及びコアの断面積も急激に変化せず、非常に低損失な接続を実現することができる。
【００２５】
上記請求項４の構成によれば、ＡＷＧフィルタやスプリッタのような多入力・多出力ポートを有する光導波路の入出力端に光ファイバの端面を接続した小型のレンズ列スポットサイズ変換型光回路が実現可能になる。
【００２６】
上記請求項５の構成によれば、光導波路と光ファイバとの接続面が斜めに加工されて接続されていることにより、それぞれの端面からの信号光の反射の影響を取り除くことができ、他の端面への反射の影響を抑圧することが可能になり、低クロストーク、低反射の光回路が実現可能になる。
【００２７】
上記請求項６の構成によれば、光回路の更なる低損失化を実現できると共に、最終実装や組み立て段階で加工することができるようになる。すなわち、光学特性をモニタしながら光回路を加工することが可能になり、超高Δの光回路を製造する際の歩留まりの向上が期待できる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２９】
図１（ａ）は本発明の一実施の形態を示すレンズ列スポットサイズ変換型光回路の正面断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線断面図であり、図１（ｃ）は図１（ｂ）のＩｃ−Ｉｃ線の屈折率分布を示す図である。図１（ｃ）において縦軸は屈折率を示し、横軸は光回路内の位置を示している。
【００３０】
図１（ａ）に示すように、レンズ列スポットサイズ変換型光回路は、比屈折率差Δが高い（Δｈ：２％から４％の範囲内、スポットサイズ：約４μｍから約２μｍの範囲内）ガラス導波路からなる光回路本体５と、光回路本体５と光学的に接続され、比屈折率差Δが低い（Δｌ：０．３％、スポットサイズ：約１０μｍ）光ファイバ６とで構成されている。
【００３１】
光回路本体５は、基板（例えば無水石英ガラス基板）１上に、低屈折率ｎｕの下部クラッド層（例えばＳｉＯ２ ガラス層）２ｄを有し、その下部クラッド層２ｄ上に、高屈折率ｎｗのほぼ矩形断面形状のコア層（例えばＳｉＯ２ −ＧｅＯ２ −Ｐ２ Ｏ５ ガラス層）３のパターンが形成され、そのコア層３及び下部クラッド層２ｄを覆うように、低屈折率ｎｕの上部クラッド層（例えばＳｉＯ２ にＧｅＯ２ とＢ２ Ｏ３ とを添加したガラス膜）２ｕが形成された構造を有する。
【００３２】
光回路本体５は、説明を簡単にするためにコア層３が直線パターンで示されているが、実際には曲線パターンを含む光信号処理回路からなり、例えば導波路格子グレーティング、方向性結合器、カプラ、フィルタ、リング共振器、Ｙ分岐器などを有しても良い。
【００３３】
また、コア層３は、光ファイバ６との接続端面１１Ａに向かって屈折率が徐々に光ファイバ６のコア７の屈折率とほぼ等しい値まで低くなるように、そのコア層３の屈折率ｎｗよりも低くかつ異なる屈折率及び直径を有するほぼ球状のレンズ媒質５ａ，５ｂが所定の間隔を隔てて２個（少なくとも１個以上であれば２個に限定されず、また接続端面１１Ａに位置していても良い。）形成されてなると共にスポットサイズを中間的な値Ｄｇｍ（４μｍから６μｍ）まで徐々に大きく変換するスポットサイズ変換部４が形成されている（図１（ｃ）参照。）。
【００３４】
具体的には、図１（ｂ）に示すように、光ファイバ６との接続端面１１Ａの近傍に、コア層３の端部からｆｇｂ離れたクラッド層２ｕ中に直径Ｒｇｂ、屈折率ｎｇｂのレンズ媒質５ｂが形成され、さらにそのレンズ媒質５ｂからｆｇａ＋ｆｇｂ、接続端面１１Ａからｆｇａ離れたクラッド層２ｕ中に直径Ｒｇａ、屈折率ｎｇａの他のレンズ媒質５ａが形成されている。
【００３５】
また、光ファイバ６は、屈折率ｎｃのコア７の外周に、このコア７よりも低い屈折率ｎｃｌのクラッド８が形成された構造を有する。
【００３６】
この光ファイバ６のコア７内には、光回路本体５の接続端面１１Ａの近傍に、屈折率が徐々に光回路本体５のコア層３の屈折率とほぼ等しい値まで高くなるように、そのコア７の屈折率ｎｃよりも高くかつ異なる屈折率及び直径を有するほぼ球状のレンズ媒質９ａ，９ｂが所定の間隔を隔てて２個（少なくとも１個以上であれば２個に限定されない。）形成されてなると共にスポットサイズを中間的な値Ｄｍ（４μｍから６μｍ）まで徐々に小さく変換するスポットサイズ変換部９が形成されている（図１（ｃ）参照。）。
【００３７】
具体的には、図１（ｂ）に示すように、光ファイバ６の接続端面の近傍に、その接続端面からｆｂ離れたコア７内に直径Ｒｂ、屈折率ｎｂのレンズ媒質９ｂが形成され、さらにそのレンズ媒質９ｂからｆａ＋ｆｂ離れたコア７内に直径Ｒａ、屈折率ｎａの他のレンズ媒質９ａが形成されている。
【００３８】
すなわち、スポットサイズ変換部１００は、光回路本体５側のガラス導波路型スポットサイズ変換部４と、光ファイバ６側の光ファイバスポットサイズ変換部９とで構成されている。
【００３９】
まず、この光ファイバ６側のスポットサイズ変換部９の近似計算による具体的な設計例について述べる。
【００４０】
光ファイバ６として、例えば、直径１０μｍ、屈折率ｎ２＝１．４６１９のコア７と、直径１２５μｍ、屈折率ｎ１＝１．４５７５のクラッド８とがステップ型屈折率分布（Δｌ＝０．３％）を有するものを用いた場合について説明する。
【００４１】
この構造でコア７内を伝搬しているビームのスポットサイズ（約１０μｍ）が出射端（光ファイバの接続端面）で小さなビームスポットサイズＤｍに変換できる条件を次の数２式から数４式の近似式を用いて算出する。
【００４２】
尚、レンズ媒質９ａからｆａ離れた位置のコア７内のスポットサイズをｗｉと仮定して計算する。
【００４３】
【数２】Ｄｍ＝ｆｂ・ｗｉ／ｆａ
【数３】ｆａ＝ｎａ・Ｒａ／［２（ｎａ−ｎ２）］
【数４】ｆｂ＝ｎｂ・Ｒｂ／［２（ｎｂ−ｎ２）］
ここで、ｗｉ＝１０μｍ、ｎａ＝１．４７２２、Ｒａ＝４μｍ、ｎｂ＝１．４７９７、Ｒｂ＝２μｍとすると、Ｄｍを３．３μｍに絞り込むことができる。
【００４４】
また、他の例としてｗｉ＝１０μｍ、ｎａ＝１．４７２２、Ｒａ＝４μｍ、ｎｂ＝１．４７９７、Ｒｂ＝１．２５μｍとすると、Ｄｍを２．０μｍに絞り込むことができる。
【００４５】
しかし、光ファイバ６側のスポットサイズ変換部９だけでΔｈが４％の超高Δの光回路本体（コア層３の屈折率：１．５１８２、コア層３の厚み及び幅：１．５μｍ）５のスポットサイズ（約１．３μｍ）にまでは近づけることが難しい。そこで、本実施の形態のように光回路本体５側にもスポットサイズ変換部４を形成する。このスポットサイズ変換部４の実現方法を以下に示す。
【００４６】
まず、光回路本体５側の入力端（接続端面１１Ａ）近傍のコア層３の一部を切断除去し、その切断除去した部分及びコア層３全体をクラッド層２ｕで埋め込み、そのカットされたコア層３の端部の延長線上のクラッド層２ｕの領域内に超短パルスレーザービームを集光、照射して、そのコア層３の端部からｆｇｂ離れたクラッド層２ｕ中に直径Ｒｇｂ、屈折率ｎｇｂのレンズ媒質５ｂを形成し、そのレンズ媒質５ｂからｆｇａ＋ｆｇｂ離れていると共に端面１１Ａからｆｇａ離れたクラッド層２ｕ中に直径Ｒｇａ、屈折率ｎｇａの他のレンズ媒質５ａを形成する。
【００４７】
このような構造を有する光回路本体５のコア層３内を伝搬するビームのスポットサイズｗｇｉ（約１．３μｍ）が出射端（接続端面１１Ａ）で大きなビームスポットサイズＤｇｍに変換できる条件を次の数５式から数７式の近似式を用いて算出する。
【００４８】
【数５】Ｄｇｍ＝ｆｇａ・ｗｇｉ／ｆｇｂ
【数６】ｆｇａ＝ｎｇａ・Ｒｇａ／［２（ｎｇａ−ｎｕ）］
【数７】ｆｇｂ＝ｎｇｂ・Ｒｇｂ／［２（ｎｇｂ−ｎｕ）］
ここで、ｗｇｉ＝１．３μｍ、ｎｇａ＝１．４７２２、Ｒｇａ＝４．４μｍ、ｎｇｂ＝１．４７９７、Ｒｇｂ＝２μｍとすると、Ｄｇｍを３．３μｍにまで大きくすることができ、光ファイバ６側のスポットサイズ変換部９のビームスポットサイズＤｍと等しくすることができる。
【００４９】
すなわち、この光ファイバ６と光回路本体５とをモードフィールド整合をとって接続することができる。
【００５０】
この方法は、今まで全く実現されていなかった、Δが４％までの超高Δ光回路用のビームスポット変換を実現するものである。
【００５１】
次に、図１（ａ）の超高Δ光回路の製造方法を図２（ａ）から図２（ｊ）を用いて作用と共に説明する。
【００５２】
図２（ａ）から図２（ｅ）はレンズ列スポットサイズ変換型光回路の製造方法を説明するための中間体の正面断面図であり、図２（ｆ）から図２（ｊ）は図２（ａ）から図２（ｅ）の右側面図である。
【００５３】
超高Δ光回路を製造するに際しては、まず、図２（ａ）、図２（ｆ）に示すように、アルコキシド系の原料ソースを用いたプラズマＣＶＤ法により、低温（例えば４００℃）で、例えば直径約１０．１６ｃｍ（４インチ）の無水石英ガラス基板１上に下部クラッド層（ＳｉＯ２ ガラス層）２ｄを例えば厚さ２０μｍ形成し、その下部クラッド層２ｄ上にコア層（ＳｉＯ２ −ＧｅＯ２ −Ｐ２ Ｏ５ ガラス層）３ａを例えば厚さ１．５μｍ形成し、コア層３ａと下部クラッド層２ｄとの比屈折率差Δが約４％の光導波路を作製する。
【００５４】
次に、図示されていないが、スパッタリング法により、コア層３ａの上にＷＳｉ膜を厚さ約０．５μｍ形成し、そのＷＳｉ膜上にフォトレジストを塗布した後、フォトマスクを用いてフォトリソグラフィ工程により、フォトレジストパターンを形成し、ついでそのフォトレジストパターンをマスクにしてドライエッチング工程により、ＷＳｉ膜をパターニングする。
【００５５】
その後、図２（ｂ）、図２（ｇ）に示すように、図示されていないＷＳｉ膜パターンをマスクにして、ほぼ矩形断面形状のコアパターン（光信号処理回路）に加工したコア層３を形成する。また、下部クラッド層２ｄの端面近傍をエッチングにより除去し、段差部１１を形成する。
【００５６】
そして、図２（ｃ）、図２（ｈ）に示すように、コア層３を覆うように、下部クラッド層２ｄ上に上部クラッド層２ｕを形成する。この上部クラッド層２ｕにはＳｉＯ２ にＧｅＯ２ とＢ２ Ｏ３ とを添加したガラス膜を用い、屈折率がＳｉＯ２ のガラス膜と同程度の値になるようにＧｅＯ２ とＢ２ Ｏ３ の添加量を制御する。
【００５７】
さらに、図２（ｄ）、図２（ｉ）に示すように、コア層３の端部の位置１２Ａからｆｇｂ離れた位置に、波長８００ｎｍの超短パルスレーザービーム１４（パルス幅：１５０ｆｓ、パルス繰り返し周波数２００ｋＨｚ、平均出力６００ｍＷ）をクラッド層２ｕ内にレンズ１５で集光、照射し、コア層３の端部の位置１２Ａから所定距離ｆｇｂ離れた位置に、屈折率ｎｇｂ、レンズ径Ｒｇａのレンズ５ｂを形成し、ついで集光、照射位置をコア層３の端部の位置１２Ａから光回路本体５の端面の位置１２Ｂの方向に矢印１３のごとく所定距離ｆｇａ＋ｆｇｂずらして、屈折率ｎｇａ、レンズ径Ｒｇａのレンズ媒質５ａを形成する。
【００５８】
そして、図２（ｅ）、図２（ｊ）に示すように、今度は光ファイバ６のコア７内の所定の位置に、波長８００ｎｍの超短パルスレーザービーム１４（パルス幅：１５０ｆｓ、パルス繰り返し周波数２００ｋＨｚ、平均出力６００ｍＷ）を集光、照射し、コア７内の屈折率を高めて屈折率ｎａ、レンズ径Ｒａのレンズ媒質９ａを形成する。ついで、光回路本体５の端面方向に矢印１６のごとく所定距離ｆａ＋ｆｂずらして、同様にコア７内に集光、照射して屈折率を高めて屈折率ｎｂ、レンズ径Ｒｂのレンズ媒質９ｂを形成し、レンズ列スポットサイズ変換型光回路が製造される。
【００５９】
なお、レンズ媒質９ａ，９ｂの屈折率及び直径はレーザービーム１４のパワー、スポット径、照射時間等を変えることにより制御する。具体的には、レンズ媒質９ａ，９ｂの直径はレーザービーム１４のスポット径に依存しており、そのスポット径で調整することができる。また、レンズ媒質９ａ，９ｂの屈折率はレーザービーム１４の照射エネルギー（照射時間、照射パワー、パルス幅、パルス繰り返し周波数）に依存しており、そのエネルギーが大きいほど屈折率を大きくできるが、あまりエネルギーを大きくすると飽和傾向になり、さらに大きくしていくとコア７内に空孔が発生してしまう。従って、レーザービーム１４の照射で実現できる最大屈折率は１．４８５程度であり、数３式、数４式、数６式及び数７式に用いた屈折率を十分に達成することができる。
【００６０】
また、超短パルスレーザービーム１４は、波長は４００ｎｍから９８０ｎｍの範囲内、パルス幅は３０ｆｓから２５０ｆｓの範囲内、パルス繰り返し周波数は１ｋＨｚから２５０ｋＨｚの範囲内、平均出力は２００ｍＷから８００ｍＷの範囲内が好ましい。
【００６１】
このようにしてスポットサイズ変換部を形成することにより、光学特性をモニタしながら加工することが可能になり、光回路の更なる低損失化を実現できると共に、最終実装や組み立て段階で加工することができるようになる。すなわち、超高Δ光回路を製造する際の歩留まりの向上が期待できる。
【００６２】
また、本実施の形態の光回路は、光ファイバ６内を伝搬する信号光のスポットサイズがコア径とほぼ等しい１０μｍ程度の大きなスポットサイズから端面に向かって中間的な値Ｄｍのスポットサイズになるように変換され、また光回路本体５内のコア層３のスポットサイズも端面１１Ａに向かって中間的な値Ｄｇｍになるように変換されているので、光回路本体５と光ファイバ６とが低損失で接続されていることになる。
【００６３】
さらに、両スポットサイズ変換部４，９として、２つ以上の異なる直径のレンズ媒質５ａ，５ｂ，９ａ，９ｂを用いているため、スポットサイズ変換部４，９の光軸方向の長さを短くすることができると共に、それぞれのスポットサイズ変換部４，９が急激にスポットサイズを変換していないので、これらのスポットサイズ変換部４，９の屈折率及びコアの断面積も急激に変化せず、非常に低損失な接続を実現することができる。
【００６４】
また、Δｈが２％以上４％程度以下の超高Δの光回路本体５と、Δｌが０．３％から１．５％の範囲内の光ファイバ６とをモードフィールド整合をとって接続することが可能になるので、従来の低Δ（Δ：約０．７５％）の光回路に比して１／２０から１／４０に超小型化した超高Δの光回路が実現可能になる。これにより、光回路の生産量が従来の２０倍以上に増大し、光回路生産に必要な電力費用も１／２０以下になり、光回路のコストを１／１５以下にすることが可能になる。
【００６５】
次に、本発明の他の実施の形態について詳述する。
【００６６】
図３は本発明の他の実施の形態を示すレンズ列スポットサイズ変換型光回路の正面断面図である。
【００６７】
図３に示すように、このレンズ列スポットサイズ変換型光回路は、光回路本体２５のコア層２３の両端部２３ａ，２３ｂが異なる端面２１Ａ，２１Ｂの近傍に形成されており、それぞれスポットサイズ変換部２４ａ，２４ｂが形成されている。さらに、それらのスポットサイズ変換部２４ａ，２４ｂの両端面２１Ａ，２１Ｂに、それぞれスポットサイズ変換部２９，２９を有する光ファイバ２６，２６が接続されて構成されている。
【００６８】
光回路本体２５は、図１（ａ）に示した光回路本体と同様に、基板２１上に、低屈折率ｎｕの下部クラッド層２２ｄを有し、その下部クラッド層２２ｄ上に、高屈折率ｎｗのほぼ矩形断面状のコア層２３のパターンが形成され、そのコア層２３及び下部クラッド層２２ｄを覆うように、低屈折率ｎｕの上部クラッド層２２ｕが形成された構造を有する。また、光ファイバ２６は、図１（ａ）に示した光ファイバと同様に、屈折率ｎｃのコア２７の外周に、このコア２７よりも低い屈折率ｎｃｌのクラッド２８が形成された構造を有する。
【００６９】
光回路本体２５のスポットサイズ変換部２４ａ，２４ｂのレンズ媒質２５ａ，２５ｂは、同様に、それぞれ光ファイバ２６，２６との接続端面２１Ａ，２１Ｂに向かってコア層２３の屈折率が変化するように配置されている。
【００７０】
このように構成することにより、例えば、ＡＷＧフィルタ、スプリッタ、光スイッチなどの多ポート入出力を有する光回路等に適用することができる。
【００７１】
この場合、適用する光回路の入出力の数に合わせて、光回路本体２５の両端面２１Ａ，２１Ｂ側にはスポットサイズ変換部をＮ及びＭ個（Ｎ，Ｍ：≧１）設ければ良い。
【００７２】
また、図４は本発明の他の実施の形態を示すレンズ列スポットサイズ変換型光回路の正面断面図である。
【００７３】
図４に示すように、このレンズ列スポットサイズ変換型光回路は、基本的な構成は図１（ａ）に示した光回路と同様であるが、光回路本体３５と光ファイバ３６との接続端面３５Ａ，３６Ａがそれぞれ光軸の垂線に対して斜めに加工されている点で異なるものである。
【００７４】
具体的には、光回路本体３５と光ファイバ３６とにわたって伝搬する信号光の光軸の垂線に対する傾斜角をθとすると、θは２°から８°の範囲内が好ましい。
【００７５】
そして、光回路本体３５と光ファイバ３６とを接続することにより、それぞれの接続端面３５Ａ，３６Ａからの信号光の不要な反射の影響を取り除くことができ、他の端面への反射の影響を抑圧することができ、低クロストーク、低反射の光回路を得ることができる。
【００７６】
また、接続部の間隔は透過損失を低減するため１０μｍ以下が好ましい。
【００７７】
尚、本発明は、上述した実施の形態に限定されない。
【００７８】
まず、比屈折率差Δの低い（Δｌ）光ファイバ６，２６，３６のΔｌは、０．３％から１．５％の範囲内から選ぶことができるので、種々の光ファイバを用いて超高Δ光回路を実現することができる。このΔｌが大きいほど、そのコア７，２７，３７内に形成されるレンズ媒質９ａ，９ｂ，２５ａ，２５ｂの屈折率を大きくすることができるので、数３式及び数４式から分かるように、直径Ｒａ，Ｒｂを小さくしてビームスポットサイズＤｍを小さくすることができる。さらに、光回路本体５，２５，３５側のスポットサイズ変換部４，２４ａ，２４ｂ，３４のＤｇｍも小さい値で良いために、非常に低損失のスポットサイズ変換部４，２４ａ，２４ｂ，３４を構成することができる。
【００７９】
また、本発明に用いられる光ファイバ６，２６，３６としては、光ファイバ６，２６，３６の外周部に被覆材料が形成されていても良い。例えば、プリコーティング材料、２次被覆材料の高分子材料が被覆されていても良い。また、光ファイバ６，２６，３６のコア径も１０μｍ以外に、数μｍから１０μｍの範囲内のものを用いることができる。また数２式から数７式においてｆａ，ｆｂ，ｎａ，ｎｂ，Ｒａ，Ｒｂ，ｆｇａ，ｆｇｂ，ｎｇａ，ｎｇｂ，Ｒｇａ，Ｒｇｂ等の値は広い範囲から選ぶことができる。例えば、Ｒａ及びＲｂは１μｍから１０μｍの範囲内から、ｎａ及びｎｂは１．４５８から１．４９０の範囲内から選んでそれぞれ加工することができる。
【００８０】
さらに、本実施の形態にあっては、スポットサイズ変換部４，９，２４ａ，２４ｂ，２９，３４，３９が２個或いは３個のレンズ媒質で構成されているが、１個以上であれば良い。また、光ファイバ６，２６，３６はその先端部に向けて先細りするようにテーパ構造に加工されていても良い。また、光ファイバ６，２６は先端部が球状に加工されていても良い。
【００８１】
また、光回路本体５，２５，３５の基板１，２１として、ガラス基板以外に、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板等の半導体基板、ＬｉＮｂＯ３ 、ＬｉＴａＯ５ 等の強誘電体基板、セラミックス基板、或いはプラスチックス基板などを用いても良い。
【００８２】
さらに、光回路本体５，２５，３５のΔｈは１．５％から４．０％の範囲内のものを用いることができるが、光ファイバ６，２６，３６のΔｌに高いものを用いれば、さらに高いΔｈのものに適用することもできる。
【００８３】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、光ファイバと光導波路とが低損失で接続され、かつ小型化、低コスト化を実現できるレンズ列スポットサイズ変換型光回路を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の一実施の形態を示すレンズ列スポットサイズ変換型光回路の正面断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線断面図であり、（ｃ）は（ｂ）のＩｃ−Ｉｃ線の屈折率分布を示す図である。
【図２】（ａ）から（ｅ）はレンズ列スポットサイズ変換型光回路の中間体の正面断面図であり、（ｆ）から（ｊ）は（ａ）から（ｅ）の右側面図である。
【図３】本発明の他の実施の形態を示すレンズ列スポットサイズ変換型光回路の正面断面図である。
【図４】本発明の他の実施の形態を示すレンズ列スポットサイズ変換型光回路の正面断面図である。
【図５】従来のモード変換方式を説明するための説明図である。
【図６】従来のモード変換方式を説明するための説明図である。
【符号の説明】
２ｕ，２ｄ クラッド層
３ コア層
４ スポットサイズ変換部
５ 光回路本体
５ａ，５ｂ レンズ媒質
６ 光ファイバ
７ コア
９ スポットサイズ変換部
９ａ，９ｂ レンズ媒質
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路のコア層と光ファイバのコアとが光軸が一致するように接続された光回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＡＷＧ（Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）フィルタ、スプリッタ、光スイッチなどの光回路を有するガラス導波路型光部品は、半導体プロセスを利用することにより量産し易いことから、既に多くのものが実用化されているが、更なる小型化、低コスト化のための研究開発が進められている。
【０００３】
その例として、ガラス導波路型光部品の高比屈折率差（高Δ）化による小型化、低コスト化が検討されており、具体例として、比屈折率差Δが１．５％以上、２．５％程度の光部品が検討されている。
【０００４】
ここで、比屈折率差Δは、コア層の最大屈折率をｎ１ 、クラッド層の屈折率をｎ２ としたとき、次の数１式で表される。
【０００５】
【数１】Δ（％）＝｛（ｎ１ −ｎ２ ）／ｎ１ ｝×１００（％）
ところが、ガラス導波路からなる光回路本体は高Δ化されているのに対して、それに接続されている光ファイバは通常のシングルモード光ファイバであり、Δは０．３％から１％の範囲内の低Δのものが用いられる。そのため、光回路本体と光ファイバとの間にモードミスマッチングが生じるという問題がある。
【０００６】
これを解決するために、従来は図５、図６に示すような２つの手段が用いられていた。
【０００７】
図５、図６は従来のモード変換方式を説明するための説明図である。
【０００８】
第１の手段は、図５に示すように、高屈折率のコア層５３を低屈折率のクラッド層５４で覆った光回路本体５０に、光ファイバと接続する側（図では左側）にはヒータ５２を配置し、その反対側（この場合右側）には内部に冷却水ｗを循環させる保持部材５５を取り付け、モード変換部５１を形成する方法である（例えば、特許文献１参照。）。
【０００９】
具体的には、光回路本体５０の端面側をヒータ５２で長時間にわたり高温（１３００℃）に加熱することにより、光回路本体５０のコア層５３内の屈折率制御用ドーパント（ＧｅＯ２ ）を、コア層５３を覆っているクラッド層５４側に拡散させ、モード変換部５１を形成する。
【００１０】
第２の方法は、図６に示すように、高Δのシングルモード光ファイバ５６−１（５６−２）の一端を高Δの光回路本体６０に接続し、その光ファイバ５６−１（５６−２）の他端に低Δのシングルモード光ファイバ５７−１（５７−２）をＴＥＣ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｘｐａｎｄ Ｃｏｒｅ）技術を用いて加熱・融着接続し、そのＴＥＣ接続部５８でモード変換を実現する方法である（例えば、特許文献２参照。）。
【００１１】
【特許文献１】
特開平６−４３３３０号公報
【特許文献２】
特開平５−２５７０３２号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のモード変換方式には以下に示すような課題が存在している。
【００１３】
図５に示したヒータ５２により加熱してモード変換部５１を形成する方式は、光回路のサイズが非常に大きくなり、低コスト化が難しいという問題がある。さらに、ヒータ５２ではコア層５３の微細加工が困難であるため、光回路の損失が大きくなり、実用的でない。
【００１４】
また、図６に示したＴＥＣ接続部５８でモード変換を実現する方式は、低損失で実現できるというメリットがあるが、高Δの光ファイバ５６−１（５６−２）を別途作製しなければならないために、コスト高になる。さらに、実装コストが高くなり、低コスト化が難しい。さらにそれぞれの光ファイバ長を少なくとも数十ｃｍは長くして接続しなければならないため、小型化にも制約を受ける。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、上述した従来技術の課題を解決し、光ファイバと光導波路とが低損失で接続され、かつ小型化、低コスト化を実現できるレンズ列スポットサイズ変換型光回路を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１の発明は、光導波路のコア層の光軸と光ファイバのコアの光軸とが一致するように光導波路と光ファイバとが接続された光回路において、光導波路の光ファイバとの接続部側のコア層の端面がクラッド層で覆われており、このコア層の端面を覆う部分のクラッド層内のコア層の光軸上に、光導波路から光ファイバに向かって屈折率を徐々に変化させた複数の略球状レンズ媒質を有するスポットサイズ変換部が形成されていると共に、光ファイバの接続部近傍のコア内に、光ファイバから光導波路に向かって屈折率を徐々に変化させた複数の略球状レンズ媒質を有する他のスポットサイズ変換部が形成されているものである。
【００１７】
請求項２の発明は、請求項１に記載の構成に加え、光導波路のコア層とクラッド層との比屈折率差は２．０％から４．０％の範囲内にあり、かつ光ファイバのコアとクラッドとの比屈折率差は０．３％から１．５％の範囲内にあると共に、光導波路内に形成されたスポットサイズ変換部は光ファイバと接続される端面方向に向かって略球状のレンズ媒質の屈折率が徐々に低くなり、かつ光ファイバ内に形成された他のスポットサイズ変換部は光導波路と接続される端面方向に向かって略球状のレンズ媒質の屈折率が徐々に高くなることが好ましい。
【００１８】
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の構成に加え、光導波路内に形成されたスポットサイズ変換部は、光ファイバと接続される端面方向に向かって略球状のレンズ媒質を複数個、所望間隔、所望径、所望屈折率を持つように形成してなることが好ましい。
【００１９】
請求項４の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の構成に加え、光導波路と光ファイバとの接続部を少なくとも１つ以上有すると共に、各接続部近傍にスポットサイズ変換部がそれぞれ形成されていることが好ましい。
【００２０】
請求項５の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の構成に加え、光導波路のコア層と光ファイバのコアとの接続面は、光軸の垂線に対して斜めに加工されていることが好ましい。
【００２１】
請求項６の発明は、請求項１から５のいずれかに記載の構成に加え、レンズ媒質は、パルス幅が３０ｆｓから２００ｆｓの範囲内でありかつパルス繰り返し周波数が１ｋＨｚから２５０ｋＨｚの範囲内である超短パルスレーザービームのビームスポットサイズ及び照射エネルギーを変えて集光、照射されることによって形成されたものであることが好ましい。
【００２２】
上記請求項１の構成によれば、複数のレンズ媒質により光導波路から光ファイバに向かって徐々にスポットサイズが変化するので、Δｈが２％以上４％程度以下の超高Δの光導波路と、Δｌが０．３％から１．５％の範囲内の光ファイバとをモードフィールド整合をとって接続することが可能になる。
【００２３】
上記請求項２の構成によれば、従来の低Δ（Δ：約０．７５％）の光導波路に比して１／２０から１／４０に超小型化した超高Δの光導波路が実現可能になる。
【００２４】
上記請求項３の構成によれば、スポットサイズ変換部が急激にスポットサイズを変換していないので、屈折率及びコアの断面積も急激に変化せず、非常に低損失な接続を実現することができる。
【００２５】
上記請求項４の構成によれば、ＡＷＧフィルタやスプリッタのような多入力・多出力ポートを有する光導波路の入出力端に光ファイバの端面を接続した小型のレンズ列スポットサイズ変換型光回路が実現可能になる。
【００２６】
上記請求項５の構成によれば、光導波路と光ファイバとの接続面が斜めに加工されて接続されていることにより、それぞれの端面からの信号光の反射の影響を取り除くことができ、他の端面への反射の影響を抑圧することが可能になり、低クロストーク、低反射の光回路が実現可能になる。
【００２７】
上記請求項６の構成によれば、光回路の更なる低損失化を実現できると共に、最終実装や組み立て段階で加工することができるようになる。すなわち、光学特性をモニタしながら光回路を加工することが可能になり、超高Δの光回路を製造する際の歩留まりの向上が期待できる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２９】
図１（ａ）は本発明の一実施の形態を示すレンズ列スポットサイズ変換型光回路の正面断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線断面図であり、図１（ｃ）は図１（ｂ）のＩｃ−Ｉｃ線の屈折率分布を示す図である。図１（ｃ）において縦軸は屈折率を示し、横軸は光回路内の位置を示している。
【００３０】
図１（ａ）に示すように、レンズ列スポットサイズ変換型光回路は、比屈折率差Δが高い（Δｈ：２％から４％の範囲内、スポットサイズ：約４μｍから約２μｍの範囲内）ガラス導波路からなる光回路本体５と、光回路本体５と光学的に接続され、比屈折率差Δが低い（Δｌ：０．３％、スポットサイズ：約１０μｍ）光ファイバ６とで構成されている。
【００３１】
光回路本体５は、基板（例えば無水石英ガラス基板）１上に、低屈折率ｎｕの下部クラッド層（例えばＳｉＯ２ ガラス層）２ｄを有し、その下部クラッド層２ｄ上に、高屈折率ｎｗのほぼ矩形断面形状のコア層（例えばＳｉＯ２ −ＧｅＯ２ −Ｐ２ Ｏ５ ガラス層）３のパターンが形成され、そのコア層３及び下部クラッド層２ｄを覆うように、低屈折率ｎｕの上部クラッド層（例えばＳｉＯ２ にＧｅＯ２ とＢ２ Ｏ３ とを添加したガラス膜）２ｕが形成された構造を有する。
【００３２】
光回路本体５は、説明を簡単にするためにコア層３が直線パターンで示されているが、実際には曲線パターンを含む光信号処理回路からなり、例えば導波路格子グレーティング、方向性結合器、カプラ、フィルタ、リング共振器、Ｙ分岐器などを有しても良い。
【００３３】
また、コア層３は、光ファイバ６との接続端面１１Ａに向かって屈折率が徐々に光ファイバ６のコア７の屈折率とほぼ等しい値まで低くなるように、そのコア層３の屈折率ｎｗよりも低くかつ異なる屈折率及び直径を有するほぼ球状のレンズ媒質５ａ，５ｂが所定の間隔を隔てて２個（少なくとも１個以上であれば２個に限定されず、また接続端面１１Ａに位置していても良い。）形成されてなると共にスポットサイズを中間的な値Ｄｇｍ（４μｍから６μｍ）まで徐々に大きく変換するスポットサイズ変換部４が形成されている（図１（ｃ）参照。）。
【００３４】
具体的には、図１（ｂ）に示すように、光ファイバ６との接続端面１１Ａの近傍に、コア層３の端部からｆｇｂ離れたクラッド層２ｕ中に直径Ｒｇｂ、屈折率ｎｇｂのレンズ媒質５ｂが形成され、さらにそのレンズ媒質５ｂからｆｇａ＋ｆｇｂ、接続端面１１Ａからｆｇａ離れたクラッド層２ｕ中に直径Ｒｇａ、屈折率ｎｇａの他のレンズ媒質５ａが形成されている。
【００３５】
また、光ファイバ６は、屈折率ｎｃのコア７の外周に、このコア７よりも低い屈折率ｎｃｌのクラッド８が形成された構造を有する。
【００３６】
この光ファイバ６のコア７内には、光回路本体５の接続端面１１Ａの近傍に、屈折率が徐々に光回路本体５のコア層３の屈折率とほぼ等しい値まで高くなるように、そのコア７の屈折率ｎｃよりも高くかつ異なる屈折率及び直径を有するほぼ球状のレンズ媒質９ａ，９ｂが所定の間隔を隔てて２個（少なくとも１個以上であれば２個に限定されない。）形成されてなると共にスポットサイズを中間的な値Ｄｍ（４μｍから６μｍ）まで徐々に小さく変換するスポットサイズ変換部９が形成されている（図１（ｃ）参照。）。
【００３７】
具体的には、図１（ｂ）に示すように、光ファイバ６の接続端面の近傍に、その接続端面からｆｂ離れたコア７内に直径Ｒｂ、屈折率ｎｂのレンズ媒質９ｂが形成され、さらにそのレンズ媒質９ｂからｆａ＋ｆｂ離れたコア７内に直径Ｒａ、屈折率ｎａの他のレンズ媒質９ａが形成されている。
【００３８】
すなわち、スポットサイズ変換部１００は、光回路本体５側のガラス導波路型スポットサイズ変換部４と、光ファイバ６側の光ファイバスポットサイズ変換部９とで構成されている。
【００３９】
まず、この光ファイバ６側のスポットサイズ変換部９の近似計算による具体的な設計例について述べる。
【００４０】
光ファイバ６として、例えば、直径１０μｍ、屈折率ｎ２＝１．４６１９のコア７と、直径１２５μｍ、屈折率ｎ１＝１．４５７５のクラッド８とがステップ型屈折率分布（Δｌ＝０．３％）を有するものを用いた場合について説明する。
【００４１】
この構造でコア７内を伝搬しているビームのスポットサイズ（約１０μｍ）が出射端（光ファイバの接続端面）で小さなビームスポットサイズＤｍに変換できる条件を次の数２式から数４式の近似式を用いて算出する。
【００４２】
尚、レンズ媒質９ａからｆａ離れた位置のコア７内のスポットサイズをｗｉと仮定して計算する。
【００４３】
【数２】Ｄｍ＝ｆｂ・ｗｉ／ｆａ
【数３】ｆａ＝ｎａ・Ｒａ／［２（ｎａ−ｎ２）］
【数４】ｆｂ＝ｎｂ・Ｒｂ／［２（ｎｂ−ｎ２）］
ここで、ｗｉ＝１０μｍ、ｎａ＝１．４７２２、Ｒａ＝４μｍ、ｎｂ＝１．４７９７、Ｒｂ＝２μｍとすると、Ｄｍを３．３μｍに絞り込むことができる。
【００４４】
また、他の例としてｗｉ＝１０μｍ、ｎａ＝１．４７２２、Ｒａ＝４μｍ、ｎｂ＝１．４７９７、Ｒｂ＝１．２５μｍとすると、Ｄｍを２．０μｍに絞り込むことができる。
【００４５】
しかし、光ファイバ６側のスポットサイズ変換部９だけでΔｈが４％の超高Δの光回路本体（コア層３の屈折率：１．５１８２、コア層３の厚み及び幅：１．５μｍ）５のスポットサイズ（約１．３μｍ）にまでは近づけることが難しい。そこで、本実施の形態のように光回路本体５側にもスポットサイズ変換部４を形成する。このスポットサイズ変換部４の実現方法を以下に示す。
【００４６】
まず、光回路本体５側の入力端（接続端面１１Ａ）近傍のコア層３の一部を切断除去し、その切断除去した部分及びコア層３全体をクラッド層２ｕで埋め込み、そのカットされたコア層３の端部の延長線上のクラッド層２ｕの領域内に超短パルスレーザービームを集光、照射して、そのコア層３の端部からｆｇｂ離れたクラッド層２ｕ中に直径Ｒｇｂ、屈折率ｎｇｂのレンズ媒質５ｂを形成し、そのレンズ媒質５ｂからｆｇａ＋ｆｇｂ離れていると共に端面１１Ａからｆｇａ離れたクラッド層２ｕ中に直径Ｒｇａ、屈折率ｎｇａの他のレンズ媒質５ａを形成する。
【００４７】
このような構造を有する光回路本体５のコア層３内を伝搬するビームのスポットサイズｗｇｉ（約１．３μｍ）が出射端（接続端面１１Ａ）で大きなビームスポットサイズＤｇｍに変換できる条件を次の数５式から数７式の近似式を用いて算出する。
【００４８】
【数５】Ｄｇｍ＝ｆｇａ・ｗｇｉ／ｆｇｂ
【数６】ｆｇａ＝ｎｇａ・Ｒｇａ／［２（ｎｇａ−ｎｕ）］
【数７】ｆｇｂ＝ｎｇｂ・Ｒｇｂ／［２（ｎｇｂ−ｎｕ）］
ここで、ｗｇｉ＝１．３μｍ、ｎｇａ＝１．４７２２、Ｒｇａ＝４．４μｍ、ｎｇｂ＝１．４７９７、Ｒｇｂ＝２μｍとすると、Ｄｇｍを３．３μｍにまで大きくすることができ、光ファイバ６側のスポットサイズ変換部９のビームスポットサイズＤｍと等しくすることができる。
【００４９】
すなわち、この光ファイバ６と光回路本体５とをモードフィールド整合をとって接続することができる。
【００５０】
この方法は、今まで全く実現されていなかった、Δが４％までの超高Δ光回路用のビームスポット変換を実現するものである。
【００５１】
次に、図１（ａ）の超高Δ光回路の製造方法を図２（ａ）から図２（ｊ）を用いて作用と共に説明する。
【００５２】
図２（ａ）から図２（ｅ）はレンズ列スポットサイズ変換型光回路の製造方法を説明するための中間体の正面断面図であり、図２（ｆ）から図２（ｊ）は図２（ａ）から図２（ｅ）の右側面図である。
【００５３】
超高Δ光回路を製造するに際しては、まず、図２（ａ）、図２（ｆ）に示すように、アルコキシド系の原料ソースを用いたプラズマＣＶＤ法により、低温（例えば４００℃）で、例えば直径約１０．１６ｃｍ（４インチ）の無水石英ガラス基板１上に下部クラッド層（ＳｉＯ２ ガラス層）２ｄを例えば厚さ２０μｍ形成し、その下部クラッド層２ｄ上にコア層（ＳｉＯ２ −ＧｅＯ２ −Ｐ２ Ｏ５ ガラス層）３ａを例えば厚さ１．５μｍ形成し、コア層３ａと下部クラッド層２ｄとの比屈折率差Δが約４％の光導波路を作製する。
【００５４】
次に、図示されていないが、スパッタリング法により、コア層３ａの上にＷＳｉ膜を厚さ約０．５μｍ形成し、そのＷＳｉ膜上にフォトレジストを塗布した後、フォトマスクを用いてフォトリソグラフィ工程により、フォトレジストパターンを形成し、ついでそのフォトレジストパターンをマスクにしてドライエッチング工程により、ＷＳｉ膜をパターニングする。
【００５５】
その後、図２（ｂ）、図２（ｇ）に示すように、図示されていないＷＳｉ膜パターンをマスクにして、ほぼ矩形断面形状のコアパターン（光信号処理回路）に加工したコア層３を形成する。また、下部クラッド層２ｄの端面近傍をエッチングにより除去し、段差部１１を形成する。
【００５６】
そして、図２（ｃ）、図２（ｈ）に示すように、コア層３を覆うように、下部クラッド層２ｄ上に上部クラッド層２ｕを形成する。この上部クラッド層２ｕにはＳｉＯ２ にＧｅＯ２ とＢ２ Ｏ３ とを添加したガラス膜を用い、屈折率がＳｉＯ２ のガラス膜と同程度の値になるようにＧｅＯ２ とＢ２ Ｏ３ の添加量を制御する。
【００５７】
さらに、図２（ｄ）、図２（ｉ）に示すように、コア層３の端部の位置１２Ａからｆｇｂ離れた位置に、波長８００ｎｍの超短パルスレーザービーム１４（パルス幅：１５０ｆｓ、パルス繰り返し周波数２００ｋＨｚ、平均出力６００ｍＷ）をクラッド層２ｕ内にレンズ１５で集光、照射し、コア層３の端部の位置１２Ａから所定距離ｆｇｂ離れた位置に、屈折率ｎｇｂ、レンズ径Ｒｇａのレンズ５ｂを形成し、ついで集光、照射位置をコア層３の端部の位置１２Ａから光回路本体５の端面の位置１２Ｂの方向に矢印１３のごとく所定距離ｆｇａ＋ｆｇｂずらして、屈折率ｎｇａ、レンズ径Ｒｇａのレンズ媒質５ａを形成する。
【００５８】
そして、図２（ｅ）、図２（ｊ）に示すように、今度は光ファイバ６のコア７内の所定の位置に、波長８００ｎｍの超短パルスレーザービーム１４（パルス幅：１５０ｆｓ、パルス繰り返し周波数２００ｋＨｚ、平均出力６００ｍＷ）を集光、照射し、コア７内の屈折率を高めて屈折率ｎａ、レンズ径Ｒａのレンズ媒質９ａを形成する。ついで、光回路本体５の端面方向に矢印１６のごとく所定距離ｆａ＋ｆｂずらして、同様にコア７内に集光、照射して屈折率を高めて屈折率ｎｂ、レンズ径Ｒｂのレンズ媒質９ｂを形成し、レンズ列スポットサイズ変換型光回路が製造される。
【００５９】
なお、レンズ媒質９ａ，９ｂの屈折率及び直径はレーザービーム１４のパワー、スポット径、照射時間等を変えることにより制御する。具体的には、レンズ媒質９ａ，９ｂの直径はレーザービーム１４のスポット径に依存しており、そのスポット径で調整することができる。また、レンズ媒質９ａ，９ｂの屈折率はレーザービーム１４の照射エネルギー（照射時間、照射パワー、パルス幅、パルス繰り返し周波数）に依存しており、そのエネルギーが大きいほど屈折率を大きくできるが、あまりエネルギーを大きくすると飽和傾向になり、さらに大きくしていくとコア７内に空孔が発生してしまう。従って、レーザービーム１４の照射で実現できる最大屈折率は１．４８５程度であり、数３式、数４式、数６式及び数７式に用いた屈折率を十分に達成することができる。
【００６０】
また、超短パルスレーザービーム１４は、波長は４００ｎｍから９８０ｎｍの範囲内、パルス幅は３０ｆｓから２５０ｆｓの範囲内、パルス繰り返し周波数は１ｋＨｚから２５０ｋＨｚの範囲内、平均出力は２００ｍＷから８００ｍＷの範囲内が好ましい。
【００６１】
このようにしてスポットサイズ変換部を形成することにより、光学特性をモニタしながら加工することが可能になり、光回路の更なる低損失化を実現できると共に、最終実装や組み立て段階で加工することができるようになる。すなわち、超高Δ光回路を製造する際の歩留まりの向上が期待できる。
【００６２】
また、本実施の形態の光回路は、光ファイバ６内を伝搬する信号光のスポットサイズがコア径とほぼ等しい１０μｍ程度の大きなスポットサイズから端面に向かって中間的な値Ｄｍのスポットサイズになるように変換され、また光回路本体５内のコア層３のスポットサイズも端面１１Ａに向かって中間的な値Ｄｇｍになるように変換されているので、光回路本体５と光ファイバ６とが低損失で接続されていることになる。
【００６３】
さらに、両スポットサイズ変換部４，９として、２つ以上の異なる直径のレンズ媒質５ａ，５ｂ，９ａ，９ｂを用いているため、スポットサイズ変換部４，９の光軸方向の長さを短くすることができると共に、それぞれのスポットサイズ変換部４，９が急激にスポットサイズを変換していないので、これらのスポットサイズ変換部４，９の屈折率及びコアの断面積も急激に変化せず、非常に低損失な接続を実現することができる。
【００６４】
また、Δｈが２％以上４％程度以下の超高Δの光回路本体５と、Δｌが０．３％から１．５％の範囲内の光ファイバ６とをモードフィールド整合をとって接続することが可能になるので、従来の低Δ（Δ：約０．７５％）の光回路に比して１／２０から１／４０に超小型化した超高Δの光回路が実現可能になる。これにより、光回路の生産量が従来の２０倍以上に増大し、光回路生産に必要な電力費用も１／２０以下になり、光回路のコストを１／１５以下にすることが可能になる。
【００６５】
次に、本発明の他の実施の形態について詳述する。
【００６６】
図３は本発明の他の実施の形態を示すレンズ列スポットサイズ変換型光回路の正面断面図である。
【００６７】
図３に示すように、このレンズ列スポットサイズ変換型光回路は、光回路本体２５のコア層２３の両端部２３ａ，２３ｂが異なる端面２１Ａ，２１Ｂの近傍に形成されており、それぞれスポットサイズ変換部２４ａ，２４ｂが形成されている。さらに、それらのスポットサイズ変換部２４ａ，２４ｂの両端面２１Ａ，２１Ｂに、それぞれスポットサイズ変換部２９，２９を有する光ファイバ２６，２６が接続されて構成されている。
【００６８】
光回路本体２５は、図１（ａ）に示した光回路本体と同様に、基板２１上に、低屈折率ｎｕの下部クラッド層２２ｄを有し、その下部クラッド層２２ｄ上に、高屈折率ｎｗのほぼ矩形断面状のコア層２３のパターンが形成され、そのコア層２３及び下部クラッド層２２ｄを覆うように、低屈折率ｎｕの上部クラッド層２２ｕが形成された構造を有する。また、光ファイバ２６は、図１（ａ）に示した光ファイバと同様に、屈折率ｎｃのコア２７の外周に、このコア２７よりも低い屈折率ｎｃｌのクラッド２８が形成された構造を有する。
【００６９】
光回路本体２５のスポットサイズ変換部２４ａ，２４ｂのレンズ媒質２５ａ，２５ｂは、同様に、それぞれ光ファイバ２６，２６との接続端面２１Ａ，２１Ｂに向かってコア層２３の屈折率が変化するように配置されている。
【００７０】
このように構成することにより、例えば、ＡＷＧフィルタ、スプリッタ、光スイッチなどの多ポート入出力を有する光回路等に適用することができる。
【００７１】
この場合、適用する光回路の入出力の数に合わせて、光回路本体２５の両端面２１Ａ，２１Ｂ側にはスポットサイズ変換部をＮ及びＭ個（Ｎ，Ｍ：≧１）設ければ良い。
【００７２】
また、図４は本発明の他の実施の形態を示すレンズ列スポットサイズ変換型光回路の正面断面図である。
【００７３】
図４に示すように、このレンズ列スポットサイズ変換型光回路は、基本的な構成は図１（ａ）に示した光回路と同様であるが、光回路本体３５と光ファイバ３６との接続端面３５Ａ，３６Ａがそれぞれ光軸の垂線に対して斜めに加工されている点で異なるものである。
【００７４】
具体的には、光回路本体３５と光ファイバ３６とにわたって伝搬する信号光の光軸の垂線に対する傾斜角をθとすると、θは２°から８°の範囲内が好ましい。
【００７５】
そして、光回路本体３５と光ファイバ３６とを接続することにより、それぞれの接続端面３５Ａ，３６Ａからの信号光の不要な反射の影響を取り除くことができ、他の端面への反射の影響を抑圧することができ、低クロストーク、低反射の光回路を得ることができる。
【００７６】
また、接続部の間隔は透過損失を低減するため１０μｍ以下が好ましい。
【００７７】
尚、本発明は、上述した実施の形態に限定されない。
【００７８】
まず、比屈折率差Δの低い（Δｌ）光ファイバ６，２６，３６のΔｌは、０．３％から１．５％の範囲内から選ぶことができるので、種々の光ファイバを用いて超高Δ光回路を実現することができる。このΔｌが大きいほど、そのコア７，２７，３７内に形成されるレンズ媒質９ａ，９ｂ，２５ａ，２５ｂの屈折率を大きくすることができるので、数３式及び数４式から分かるように、直径Ｒａ，Ｒｂを小さくしてビームスポットサイズＤｍを小さくすることができる。さらに、光回路本体５，２５，３５側のスポットサイズ変換部４，２４ａ，２４ｂ，３４のＤｇｍも小さい値で良いために、非常に低損失のスポットサイズ変換部４，２４ａ，２４ｂ，３４を構成することができる。
【００７９】
また、本発明に用いられる光ファイバ６，２６，３６としては、光ファイバ６，２６，３６の外周部に被覆材料が形成されていても良い。例えば、プリコーティング材料、２次被覆材料の高分子材料が被覆されていても良い。また、光ファイバ６，２６，３６のコア径も１０μｍ以外に、数μｍから１０μｍの範囲内のものを用いることができる。また数２式から数７式においてｆａ，ｆｂ，ｎａ，ｎｂ，Ｒａ，Ｒｂ，ｆｇａ，ｆｇｂ，ｎｇａ，ｎｇｂ，Ｒｇａ，Ｒｇｂ等の値は広い範囲から選ぶことができる。例えば、Ｒａ及びＲｂは１μｍから１０μｍの範囲内から、ｎａ及びｎｂは１．４５８から１．４９０の範囲内から選んでそれぞれ加工することができる。
【００８０】
さらに、本実施の形態にあっては、スポットサイズ変換部４，９，２４ａ，２４ｂ，２９，３４，３９が２個或いは３個のレンズ媒質で構成されているが、１個以上であれば良い。また、光ファイバ６，２６，３６はその先端部に向けて先細りするようにテーパ構造に加工されていても良い。また、光ファイバ６，２６は先端部が球状に加工されていても良い。
【００８１】
また、光回路本体５，２５，３５の基板１，２１として、ガラス基板以外に、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板等の半導体基板、ＬｉＮｂＯ３ 、ＬｉＴａＯ５ 等の強誘電体基板、セラミックス基板、或いはプラスチックス基板などを用いても良い。
【００８２】
さらに、光回路本体５，２５，３５のΔｈは１．５％から４．０％の範囲内のものを用いることができるが、光ファイバ６，２６，３６のΔｌに高いものを用いれば、さらに高いΔｈのものに適用することもできる。
【００８３】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、光ファイバと光導波路とが低損失で接続され、かつ小型化、低コスト化を実現できるレンズ列スポットサイズ変換型光回路を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の一実施の形態を示すレンズ列スポットサイズ変換型光回路の正面断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線断面図であり、（ｃ）は（ｂ）のＩｃ−Ｉｃ線の屈折率分布を示す図である。
【図２】（ａ）から（ｅ）はレンズ列スポットサイズ変換型光回路の中間体の正面断面図であり、（ｆ）から（ｊ）は（ａ）から（ｅ）の右側面図である。
【図３】本発明の他の実施の形態を示すレンズ列スポットサイズ変換型光回路の正面断面図である。
【図４】本発明の他の実施の形態を示すレンズ列スポットサイズ変換型光回路の正面断面図である。
【図５】従来のモード変換方式を説明するための説明図である。
【図６】従来のモード変換方式を説明するための説明図である。
【符号の説明】
２ｕ，２ｄ クラッド層
３ コア層
４ スポットサイズ変換部
５ 光回路本体
５ａ，５ｂ レンズ媒質
６ 光ファイバ
７ コア
９ スポットサイズ変換部
９ａ，９ｂ レンズ媒質
Claims (6)
- 光導波路のコア層の光軸と光ファイバのコアの光軸とが一致するように上記光導波路と上記光ファイバとが接続された光回路において、上記光導波路の上記光ファイバとの接続部側のコア層の端面がクラッド層で覆われており、該コア層の端面を覆う部分のクラッド層内のコア層の光軸上に、上記光導波路から上記光ファイバに向かって屈折率を徐々に変化させた複数の略球状レンズ媒質を有するスポットサイズ変換部が形成されていると共に、上記光ファイバの接続部近傍のコア内に、上記光ファイバから上記光導波路に向かって屈折率を徐々に変化させた複数の略球状レンズ媒質を有する他のスポットサイズ変換部が形成されていることを特徴とするレンズ列スポットサイズ変換型光回路。
- 上記光導波路のコア層とクラッド層との比屈折率差は２．０％から４．０％の範囲内にあり、かつ上記光ファイバのコアとクラッドとの比屈折率差は０．３％から１．５％の範囲内にあると共に、上記光導波路内に形成された上記スポットサイズ変換部は上記光ファイバと接続される端面方向に向かって略球状のレンズ媒質の屈折率が徐々に低くなり、かつ上記光ファイバ内に形成された上記他のスポットサイズ変換部は上記光導波路と接続される端面方向に向かって略球状のレンズ媒質の屈折率が徐々に高くなる請求項１に記載のレンズ列スポットサイズ変換型光回路。
- 上記光導波路内に形成された上記スポットサイズ変換部は、上記光ファイバと接続される端面方向に向かって略球状のレンズ媒質を複数個、所望間隔、所望径、所望屈折率を持つように形成してなる請求項１又は２に記載のレンズ列スポットサイズ変換型光回路。
- 上記光導波路と上記光ファイバとの接続部を少なくとも１つ以上有すると共に、各接続部近傍に上記スポットサイズ変換部がそれぞれ形成されている請求項１から３のいずれかに記載のレンズ列スポットサイズ変換型光回路。
- 上記光導波路のコア層と上記光ファイバのコアとの接続面は、光軸の垂線に対して斜めに加工されている請求項１から４のいずれかに記載のレンズ列スポットサイズ変換型光回路。
- 上記レンズ媒質は、パルス幅が３０ｆｓから２００ｆｓの範囲内でありかつパルス繰り返し周波数が１ｋＨｚから２５０ｋＨｚの範囲内である超短パルスレーザービームのビームスポットサイズ及び照射エネルギーを変えて集光、照射されることによって形成されたものである請求項１から５のいずれかに記載のレンズ列スポットサイズ変換型光回路。
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