JP2005043556A - 光スポットサイズ変換器および光導波路素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】異なる光スポットサイズの光導波路間を、高い効率で光結合させること。
【解決手段】突出部１２０ｂを有し光を伝搬させ、光の入射面１００ｅを有する導波層１２０と、突出部１２０ｂの上に形成され、テーパ形状の第１テーパ部１３０ａおよび第２テーパ部１３０ｂ（コア層）を有する第１積層テーパ部１００ａおよび第２積層テーパ部１００ｂと、突出部１２０ｂの上に形成され、第２テーパ部１３０ｂ（コア層）に接合され幅広のリブ構造の板状部１３０ｃ（二次元導波層）を有するリブ部１００ｃと、突出部１２０ｂの上に形成され、突出部１２０ｂおよびリッジ部１２０ｃに比して幅小とされ、光を伝搬させる導波路部１００ｄとを備えている。
【選択図】 図１
【解決手段】突出部１２０ｂを有し光を伝搬させ、光の入射面１００ｅを有する導波層１２０と、突出部１２０ｂの上に形成され、テーパ形状の第１テーパ部１３０ａおよび第２テーパ部１３０ｂ（コア層）を有する第１積層テーパ部１００ａおよび第２積層テーパ部１００ｂと、突出部１２０ｂの上に形成され、第２テーパ部１３０ｂ（コア層）に接合され幅広のリブ構造の板状部１３０ｃ（二次元導波層）を有するリブ部１００ｃと、突出部１２０ｂの上に形成され、突出部１２０ｂおよびリッジ部１２０ｃに比して幅小とされ、光を伝搬させる導波路部１００ｄとを備えている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムで用いられる光スポットサイズ変換器および光導波路素子に関するものであり、特に、異なる光スポットサイズの光導波路間を、高い効率で光結合させることができる光スポットサイズ変換器および光導波路素子を提供することを目的とする。
【０００２】
【従来の技術】
図３０は、従来の光導波路素子１０と光ファイバ２０および３０との光結合状態を説明する平面図である。同図において、光導波路素子１０は、光を伝搬させる光導波路１１を有する素子であり、光スイッチ、光変調器、光結合器等である。
【０００３】
なお、同図においては、光導波路素子１０の構成要素として光導波路１１のみを図示し、他の構成要素（他の光導波路や制御電極等）の図示を省略している。
【０００４】
光ファイバ２０は、光導波路素子１０の入射側に設けられている。一方、光ファイバ３０は、光導波路素子１０の出射側に設けられている。
【０００５】
上記構成において、光ファイバ２０の出射面２０ａから、光導波路１１の入射面１１ａに向けて、光が出射されと、該光は、入射面１１ａに入射した後、光導波路１１を伝搬する。
【０００６】
そして、光は、光導波路１１の出射面１１ｂから光ファイバ３０の入射面３０ａに向けて出射された後、入射面３０ａに入射され、光ファイバ３０を伝搬する。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−１９７１５３号
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図３０において、光導波路素子１０が小型化、薄型化されているため、実際には、光ファイバ２０（光ファイバ３０）での光スポットサイズよりも、光導波路素子１０の光導波路１１での光スポットサイズが小さい。従って、光ファイバ２０と光導波路１１とを単に結合しただけでは光結合損失が大きくなるという問題が発生する。
【０００９】
ここで、光スポットサイズとは、光導波路（光ファイバも含む）における光の電界分布がガウシアンであると仮定した場合、電界が最大値の１／ｅになるときの幅の１／２をいう。
【００１０】
つまり、図３０においては、異なる光スポットサイズである光ファイバ２０と光導波路１１との間（光導波路１１と光ファイバ３０との間）を高い効率で光結合させるための手段、方法が必要となる。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、異なる光スポットサイズの光導波路間を、高い効率で光結合させることができる光スポットサイズ変換器および光導波路素子を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、光スポットサイズを変換する光スポットサイズ変換器であって、突出部を有し光を伝搬させ、光の入射面または出射面を有する導波層と、前記突出部の上に形成され、テーパ形状のコア層を有するテーパ部と、前記突出部の上に形成され、前記コア層に接合され前記コア層の幅に比して幅広のリブ構造の二次元導波層を有するリブ部と、前記突出部の上に形成され、前記突出部およびリブ部に比して幅小とされ、光を伝搬させ、光の出射面または入射面を有する導波路部と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、導波層の入射面に入射された光が突出部を伝搬した後、テーパ部のコア層に移行して、さらに二次元導波層を伝搬し、幅小の導波路部で光スポットサイズを小さくすることとしたので、異なる光スポットサイズの光導波路間を、高い効率で光結合させることができる。
【００１４】
また、この発明によれば、導波路部の入射面に入射された光が二次元導波層およびテーパ部のコア層を伝搬した後、突出部に移行し、導波路部に比して幅大の突出部の出射面から出射される光スポットサイズを、導波路部での光スポットサイズよりも大きくすることとしたので、異なる光スポットサイズの光導波路間を、高い効率で光結合させることができる。
【００１５】
また、本発明は、前記請求項１〜７のいずれか一つに記載の前記光スポットサイズ変換器と同一基板上に形成され、前記光スポットサイズ変換器に対して光を入出力することを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、光導波路素子において、異なる光スポットサイズの光導波路間を、高い効率で光結合させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明にかかる光スポットサイズ変換器および光導波路素子の一実施の形態について詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明にかかる一実施の形態による光スポットサイズ変換器１００の構成を示す斜視図である。図２は、図１に示した光スポットサイズ変換器１００の構成を示す平面図である。
【００１９】
これらの図に示した光スポットサイズ変換器１００は、光ファイバ（図示略）と光導波路素子（図示略）との間に設けられ、光ファイバから出射された光の光スポットサイズ（大）を光導波路素子用の光スポットサイズ（小）に低変換損失で変換する機能を備えている。
【００２０】
図３〜図８には、図１および図２に示したＡ−Ａ’線視断面図、Ｂ−Ｂ’線視断面図、Ｃ−Ｃ’線視断面図、Ｄ−Ｄ’線視断面図、Ｅ−Ｅ’線視断面図およびＦ−Ｆ’線視断面図が図示されている。これらの図において、図１および図２の各部に対応する部分には同一の符号を付ける。
【００２１】
図１に示した光スポットサイズ変換器１００は、基板１１０、導波層１２０、コア層１３０、クラッド層１４０およびキャップ層１５０が積層されてなる。基板１１０は、例えば、インジウムリンから構成されている。導波層１２０は、基板１１０の上に形成されており、例えば、ガリウムインジウム砒素リンから構成されている。
【００２２】
この導波層１２０は、光ファイバ（図示略）から入射面１００ｅに入射された光をｚ方向へ伝搬させるための層であり、基部１２０ａおよび突出部１２０ｂを有している。基部１２０ａは、基板１１０と略同形状とされている。突出部１２０ｂは、リッジ部１２０ｃ、テーパ部１２０ｄおよび板状部１２０ｅを有している。
【００２３】
リッジ部１２０ｃは、基部１２０ａよりｙ方向に突出形成された直方体形状（図３参照）をなしており、入射面１００ｅから同図ｚ方向に延設されている。テーパ部１２０ｄは、基部１２０ａよりｙ方向にテーパ形状に突出形成されており、リッジ部１２０ｃからｚ方向に行くにしたがってｘ方向の幅が広くなるように延設されている。
【００２４】
このテーパ部１２０ｄにより、導波層１２０を伝搬する光は、ｚ方向に行くにしたがって、ｘ方向に広がりをもって伝搬する（図１１参照）。板状部１２０ｅは、ｘ方向が長辺、ｚ方向が短辺とされた直方体形状をなしており、テーパ部１２０ｄよりさらにｚ方向に設けられている。
【００２５】
導波層１２０の上には、コア層１３０、クラッド層１４０およびキャップ層１５０が積層されており、第１積層テーパ部１００ａ、第２積層テーパ部１００ｂ、リブ部１００ｃおよび導波路部１００ｄが形成されている。
【００２６】
コア層１３０は、二次元導波路であり、導波層１２０の突出部１２０ｂに接合されている。このコア層１３０は、クラッド層１４０よりも屈折率が高く、導波層１２０をｚ方向に伝搬している光を、多少ｙ方向へ移行させつつ（図１０参照）、テーパによりｘ方向に広がりをもたせて（図１１参照）、ｚ方向へ伝搬させる層である。クラッド層１４０は、コア層１３０の上に形成されている。キャップ層１５０は、クラッド層１４０の上に形成された絶縁層である。
【００２７】
第１積層テーパ部１００ａは、図４および図５に示したように、コア層１３０の第１テーパ部１３０ａ、クラッド層１４０の第１テーパ部１４０ａおよびキャップ層１５０の第１テーパ部１５０ａが積層されてなり、ｚ方向に行くにしたがって、ｘ方向の幅が広がるテーパ形状（ｘｚ平面で台形）とされている。
【００２８】
第２積層テーパ部１００ｂも、第１積層テーパ部１００ａと同様にして、図６に示したように、コア層１３０の第２テーパ部１３０ｂ、クラッド層１４０の第２テーパ部１４０ｂおよびキャップ層１５０の第２テーパ部１５０ｂが積層されてなる。この第２積層テーパ部１００ｂも、ｚ方向に行くにしたがって、ｘ方向の幅が広がるテーパ形状（ｘｚ平面で台形）とされている。
【００２９】
但し、第２積層テーパ部１００ｂの場合には、ｘ方向の広がり度合いが、第１積層テーパ部１００ａの広がり度合いよりも大きい。
【００３０】
リブ部１００ｃは、図７に示したように、コア層１３０の板状部１３０ｃ（ｘ方向の幅が十分にある二次元導波路）、クラッド層１４０の第１板状部１４０ｃおよびキャップ層１５０の第１板状部１５０ｃが積層されてなる。
【００３１】
導波路部１００ｄは、入射面１００ｅに入射され、光スポットサイズが変換された光を、光導波路素子（例えば、図９に示した光導波路素子部２００）へ出力する導波路を構成している。リブ部１００ｃから導波路部１００ｄに光が入射される際に、光スポットサイズが入射面１００ｅの光スポットサイズよりも小さく変換される。
【００３２】
この導波路部１００ｄは、図８に示したように、コア層１３０の板状部１３０ｄ、クラッド層１４０の第２板状部１４０ｄおよびキャップ層１５０の第２板状部１５０ｄから構成されている。
【００３３】
図９は、上述した図１および図２に示した光スポットサイズ変換器１００の適用例を示す平面図である。この図において、図１および図２の各部に対応する部分には同一の符号を付ける。
【００３４】
同図には、光スポットサイズ変換器１００、光導波路素子部２００および光スポットサイズ変換器３００が同一基板上に一体に形成された光導波路素子４００が図示されている。光導波路素子部２００は、光を伝搬させる光導波路２０１を有する素子であり、光スイッチ、光変調器、光結合器等である。
【００３５】
なお、同図においては、光導波路素子部２００の構成要素として光導波路２０１のみを図示し、他の構成要素（他の光導波路や制御電極等）の図示を省略している。
【００３６】
光スポットサイズ変換器１００は、光導波路素子部２００の入力側に設けられており、光ファイバ（図示略）から入射面１００ｅに入射された光を光導波路素子部２００の光導波路２０１へ向けて伝搬させる間に光スポットサイズを大から小へ変換する機能を備えている。
【００３７】
一方、光スポットサイズ変換器３００は、光スポットサイズ変換器１００と同一構成とされており、光導波路素子部２００の出力側に設けられている。この光スポットサイズ変換器３００は、光導波路素子部２００の光導波路２０１から導波路部３００ａに入射された光を出射面３００ｂへ向けて伝搬させる間に、光スポットサイズ変換器１００と逆の作用により、光スポットサイズを小から大へ変換する機能を備えている。
【００３８】
図１０は、図９（図１および図２）に示したｙｚ平面（垂直面）における光伝搬特性を表す図である。同図に示したｙｚ平面光伝搬特性図５００は、図９に示した光導波路素子４００をＧ−Ｇ’線で切った場合のｙｚ平面（断面）における光の伝搬特性を表す図である。図１１は、図９（図１および図２）に示したｘｚ平面（例えば、図１０に示したｙ＝２．０での水平面）における光伝搬特性を表す図である。
【００３９】
これらの図において、ｚ方向のスケールは、図９に示したｚ方向のスケールに対応している。ｙ方向のスケールは、図３、図１２〜図２９に示したｙ方向のスケールに対応している。ｘ方向のスケールは、図３、図９および図１２〜図２９に示したｘ方向のスケールに対応している。
【００４０】
ここで、図９に示した円Ａの光伝搬特性は、図１０に示した円Ａ’に対応している。また、図９に示した円Ｂの光伝搬特性は、図１０に示した円Ｂ’、図１１に示した円Ｂ’’に対応している。また、図９に示した円Ｃの光伝搬特性は、図１１に示した円Ｃ’に対応している。
【００４１】
図１２〜図２９は、図９〜図１１に示したｚの位置［μｍ］を０から８５０まで５０刻みで変化させた場合のｘｙ平面における光スポットサイズの変化を表す図である。例えば、図１２は、ｚ＝０における光スポットサイズを表す図である。
【００４２】
上記構成において、図９および図１に示した入射面１００ｅに、光ファイバ（図示略）からの光が入射されると、該光は、導波層１２０（リッジ部１２０ｃ）をｚ方向へ伝搬する。これにより、光スポットサイズは、ｚ＝０〜２００までの間で、図１０、図１１および図１２〜図１６に示したように、ｙ方向長さがほぼ一定（約２μｍ）で、ｘ方向長さが徐々に増加する。
【００４３】
導波層１２０を伝搬している光が第１積層テーパ部１００ａの先端位置（ｚ＝２５０）に到達すると、図１７、図１０および図１１（円Ｃ’）に示したように、光の一部が第１積層テーパ部１００ａの第１テーパ部１３０ａ（図１、図４参照）に移行する。
【００４４】
そして、光は、ｚ＝２５０〜４００までの間で、図１０、図１１および図１７〜図２０に示したように、第１テーパ部１３０ａおよび突出部１２０ｂ（リッジ部１２０ｃおよびテーパ部１２０ｄ）をｚ方向に伝搬する。この場合、光は、第１テーパ部１３０ａによりｘ方向に広がりかつｙ方向が短くなりつつ伝搬する。
【００４５】
光が第２積層テーパ部１００ｂ（ｚ＝４５０）に到達すると、図２１に示したように、第１積層テーパ部１００ａよりもテーパ角度が広くなるため、ｘ方向がさらに広がる。
【００４６】
そして、光は、ｚ＝４５０〜７００までの間で、図１０、図１１および図２１〜図２６に示したように、第２テーパ部１３０ｂおよびテーパ部１２０ｄをｚ方向に伝搬する。この場合、光は、第２テーパ部１３０ｂによりｘ方向に広がりつつ伝搬する。
【００４７】
光がリブ部１００ｃ（ｚ＝７５０、ｚ＝８００）に到達すると、図２７および図２８に示したように、ｘ方向がさらに広がる。
【００４８】
光が導波路部１００ｄ（ｚ＝８５０）に到達すると、該光の光スポットサイズは、図１０（円Ｂ’）、図１１（円Ｂ’’）および図２９に示したように、ｘ方向が短くなり、図１２に示した光スポットサイズ（ｚ＝０）に比べて、小さくなっている。ここで、図１２に示した光スポットサイズ（大）から図２９に示した光スポットサイズ（小）への変換損は、わずか１ｄＢである。
【００４９】
スポットサイズが変換された光は、図９に示した導波路部１００ｄから光導波路２０１に入力された後、導波路部３００ａへ出力される。以後、上述した光スポットサイズ変換器１００の作用と逆の作用により、光スポットサイズ変換器３００では、光スポットサイズが小から大に変換された後、出射面３００ｂから光ファイバ（図示略）へ出射される。
【００５０】
以上説明したように、一実施の形態によれば、導波層１２０の入射面１００ｅに入射された光が突出部１２０ｂを伝搬した後、第１積層テーパ部１００ａおよび第２積層テーパ部１００ｂの第１テーパ部１３０ａおよび第２テーパ部１３０ｂ（コア層）に移行して、さらに板状部１３０ｃ（二次元導波層）を伝搬し、幅小の導波路部１００ｄで光スポットサイズを小さくすることとしたので、異なる光スポットサイズの光導波路間を、高い効率で光結合させることができる。
【００５１】
また、一実施の形態によれば、導波路部１００ｄの入射面に入射された光が板状部１３０ｃ（二次元導波層）、第２積層テーパ部１００ｂの第２テーパ部１３０ｂ、第１積層テーパ部１００ａの第１テーパ部１３０ａを伝搬した後、突出部１２０ｂに移行し、導波路部１００ｄに比して幅大のリッジ部１２０ｃの出射面から出射される光スポットサイズを、導波路部１００ｄでの光スポットサイズよりも大きくすることとしたので、異なる光スポットサイズの光導波路間を、高い効率で光結合させることができる。
【００５２】
また、一実施の形態によれば、図９に示した光導波路素子４００において、異なる光スポットサイズの光導波路間を、高い効率で光結合させることができる。
【００５３】
以上本発明にかかる一実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成例はこの一実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。
【００５４】
例えば、前述した一実施の形態においては、図１に示した第１積層テーパ部１００ａの先端位置と、テーパ部１２０ｄの先端位置（リッジ部１２０ｃとテーパ部１２０ｄとの境目位置）との位置（ｚ方向）が異なる構成例について説明したが、両先端位置を同じとしてもよい。
【００５５】
また、一実施の形態においては、図１に示した第１積層テーパ部１００ａ、第２積層テーパ部１００ｂおよびテーパ部１２０ｄのそれぞれについて線形にｘ方向に広がるテーパ形状とした構成例について説明したが、非線形に広がるテーパ形状としてもよい。
【００５６】
また、一実施の形態においては、テーパ部１２０ｄをｘ方向に非線形で広がるテーパ形状とし、第１積層テーパ部１００ａおよび第２積層テーパ部１００ｂをｘ方向に線形で広がるテーパ形状としてもよい。
【００５７】
また、一実施の形態においては、テーパ部１２０ｄをｘ方向に線形で広がるテーパ形状とし、第１積層テーパ部１００ａおよび第２積層テーパ部１００ｂをｘ方向に非線形で広がるテーパ形状としてもよい。
【００５８】
また、一実施の形態においては、テーパ部１２０ｄを形成するために、導波層１２０に薄膜エッチングストッパ層を導入した構成としてもよい。
【００５９】
また、一実施の形態においては、光スポットサイズ変換器１００における導波路をＭＱＷ（多重量子井戸構造）で構成してもよい。また、一実施の形態においては、コア層１３０をバルク構造としてもよい。
【００６０】
また、一実施の形態においては、コア層１３０の厚みを入射面１００ｅに行くにしたがって薄くした構造としてもよい。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、導波層の入射面に入射された光が突出部を伝搬した後、テーパ部のコア層に移行して、さらに二次元導波層を伝搬し、幅小の導波路部で光スポットサイズを小さくすることとしたので、異なる光スポットサイズの光導波路間を、高い効率で光結合させることができるという効果を奏する。
【００６２】
また、本発明によれば、導波路部の入射面に入射された光が二次元導波層およびテーパ部のコア層を伝搬した後、突出部に移行し、導波路部に比して幅大の突出部の出射面から出射される光スポットサイズを、導波路部での光スポットサイズよりも大きくすることとしたので、異なる光スポットサイズの光導波路間を、高い効率で光結合させることができるという効果を奏する。
【００６３】
また、本発明によれば、光導波路素子において、異なる光スポットサイズの光導波路間を、高い効率で光結合させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる一実施の形態による光スポットサイズ変換器１００の構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示した光スポットサイズ変換器１００の構成を示す平面図である。
【図３】図１および図２に示したＡ−Ａ’線視断面図である。
【図４】図１および図２に示したＢ−Ｂ’線視断面図である。
【図５】図１および図２に示したＣ−Ｃ’線視断面図である。
【図６】図１および図２に示したＤ−Ｄ’線視断面図である。
【図７】図１および図２に示したＥ−Ｅ’線視断面図である。
【図８】図１および図２に示したＦ−Ｆ’線視断面図である。
【図９】図１および図２に示した光スポットサイズ変換器１００の適用例を示す平面図である。
【図１０】図９（図１および図２）に示したｙｚ平面（垂直面）における光伝搬特性を表す図である。
【図１１】図９（図１および図２）に示したｘｚ平面（水平面）における光伝搬特性を表す図である。
【図１２】ｚ＝０のｘｙ平面における光スポットサイズを表す図である。
【図１３】ｚ＝５０のｘｙ平面における光スポットサイズを表す図である。
【図１４】ｚ＝１００のｘｙ平面における光スポットサイズを表す図である。
【図１５】ｚ＝１５０のｘｙ平面における光スポットサイズを表す図である。
【図１６】ｚ＝２００のｘｙ平面における光スポットサイズを表す図である。
【図１７】ｚ＝２５０のｘｙ平面における光スポットサイズを表す図である。
【図１８】ｚ＝３００のｘｙ平面における光スポットサイズを表す図である。
【図１９】ｚ＝３５０のｘｙ平面における光スポットサイズを表す図である。
【図２０】ｚ＝４００のｘｙ平面における光スポットサイズを表す図である。
【図２１】ｚ＝４５０のｘｙ平面における光スポットサイズを表す図である。
【図２２】ｚ＝５００のｘｙ平面における光スポットサイズを表す図である。
【図２３】ｚ＝５５０のｘｙ平面における光スポットサイズを表す図である。
【図２４】ｚ＝６００のｘｙ平面における光スポットサイズを表す図である。
【図２５】ｚ＝６５０のｘｙ平面における光スポットサイズを表す図である。
【図２６】ｚ＝７００のｘｙ平面における光スポットサイズを表す図である。
【図２７】ｚ＝７５０のｘｙ平面における光スポットサイズを表す図である。
【図２８】ｚ＝８００のｘｙ平面における光スポットサイズを表す図である。
【図２９】ｚ＝８５０のｘｙ平面における光スポットサイズを表す図である。
【図３０】従来の光導波路素子１０と光ファイバ２０および３０との光結合状態を説明する平面図である。
【符号の説明】
１００ 光スポットサイズ変換器
１００ａ 第１積層テーパ部
１００ｂ 第２積層テーパ部
１００ｃ リブ部
１００ｄ 導波路部
１１０ 基板
１２０ 導波層
１３０ コア層
１４０ クラッド層
１５０ キャップ層
２００ 光導波路素子部
３００ 光スポットサイズ変換器
４００ 光導波路素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムで用いられる光スポットサイズ変換器および光導波路素子に関するものであり、特に、異なる光スポットサイズの光導波路間を、高い効率で光結合させることができる光スポットサイズ変換器および光導波路素子を提供することを目的とする。
【０００２】
【従来の技術】
図３０は、従来の光導波路素子１０と光ファイバ２０および３０との光結合状態を説明する平面図である。同図において、光導波路素子１０は、光を伝搬させる光導波路１１を有する素子であり、光スイッチ、光変調器、光結合器等である。
【０００３】
なお、同図においては、光導波路素子１０の構成要素として光導波路１１のみを図示し、他の構成要素（他の光導波路や制御電極等）の図示を省略している。
【０００４】
光ファイバ２０は、光導波路素子１０の入射側に設けられている。一方、光ファイバ３０は、光導波路素子１０の出射側に設けられている。
【０００５】
上記構成において、光ファイバ２０の出射面２０ａから、光導波路１１の入射面１１ａに向けて、光が出射されと、該光は、入射面１１ａに入射した後、光導波路１１を伝搬する。
【０００６】
そして、光は、光導波路１１の出射面１１ｂから光ファイバ３０の入射面３０ａに向けて出射された後、入射面３０ａに入射され、光ファイバ３０を伝搬する。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−１９７１５３号
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図３０において、光導波路素子１０が小型化、薄型化されているため、実際には、光ファイバ２０（光ファイバ３０）での光スポットサイズよりも、光導波路素子１０の光導波路１１での光スポットサイズが小さい。従って、光ファイバ２０と光導波路１１とを単に結合しただけでは光結合損失が大きくなるという問題が発生する。
【０００９】
ここで、光スポットサイズとは、光導波路（光ファイバも含む）における光の電界分布がガウシアンであると仮定した場合、電界が最大値の１／ｅになるときの幅の１／２をいう。
【００１０】
つまり、図３０においては、異なる光スポットサイズである光ファイバ２０と光導波路１１との間（光導波路１１と光ファイバ３０との間）を高い効率で光結合させるための手段、方法が必要となる。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、異なる光スポットサイズの光導波路間を、高い効率で光結合させることができる光スポットサイズ変換器および光導波路素子を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、光スポットサイズを変換する光スポットサイズ変換器であって、突出部を有し光を伝搬させ、光の入射面または出射面を有する導波層と、前記突出部の上に形成され、テーパ形状のコア層を有するテーパ部と、前記突出部の上に形成され、前記コア層に接合され前記コア層の幅に比して幅広のリブ構造の二次元導波層を有するリブ部と、前記突出部の上に形成され、前記突出部およびリブ部に比して幅小とされ、光を伝搬させ、光の出射面または入射面を有する導波路部と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、導波層の入射面に入射された光が突出部を伝搬した後、テーパ部のコア層に移行して、さらに二次元導波層を伝搬し、幅小の導波路部で光スポットサイズを小さくすることとしたので、異なる光スポットサイズの光導波路間を、高い効率で光結合させることができる。
【００１４】
また、この発明によれば、導波路部の入射面に入射された光が二次元導波層およびテーパ部のコア層を伝搬した後、突出部に移行し、導波路部に比して幅大の突出部の出射面から出射される光スポットサイズを、導波路部での光スポットサイズよりも大きくすることとしたので、異なる光スポットサイズの光導波路間を、高い効率で光結合させることができる。
【００１５】
また、本発明は、前記請求項１〜７のいずれか一つに記載の前記光スポットサイズ変換器と同一基板上に形成され、前記光スポットサイズ変換器に対して光を入出力することを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、光導波路素子において、異なる光スポットサイズの光導波路間を、高い効率で光結合させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明にかかる光スポットサイズ変換器および光導波路素子の一実施の形態について詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明にかかる一実施の形態による光スポットサイズ変換器１００の構成を示す斜視図である。図２は、図１に示した光スポットサイズ変換器１００の構成を示す平面図である。
【００１９】
これらの図に示した光スポットサイズ変換器１００は、光ファイバ（図示略）と光導波路素子（図示略）との間に設けられ、光ファイバから出射された光の光スポットサイズ（大）を光導波路素子用の光スポットサイズ（小）に低変換損失で変換する機能を備えている。
【００２０】
図３〜図８には、図１および図２に示したＡ−Ａ’線視断面図、Ｂ−Ｂ’線視断面図、Ｃ−Ｃ’線視断面図、Ｄ−Ｄ’線視断面図、Ｅ−Ｅ’線視断面図およびＦ−Ｆ’線視断面図が図示されている。これらの図において、図１および図２の各部に対応する部分には同一の符号を付ける。
【００２１】
図１に示した光スポットサイズ変換器１００は、基板１１０、導波層１２０、コア層１３０、クラッド層１４０およびキャップ層１５０が積層されてなる。基板１１０は、例えば、インジウムリンから構成されている。導波層１２０は、基板１１０の上に形成されており、例えば、ガリウムインジウム砒素リンから構成されている。
【００２２】
この導波層１２０は、光ファイバ（図示略）から入射面１００ｅに入射された光をｚ方向へ伝搬させるための層であり、基部１２０ａおよび突出部１２０ｂを有している。基部１２０ａは、基板１１０と略同形状とされている。突出部１２０ｂは、リッジ部１２０ｃ、テーパ部１２０ｄおよび板状部１２０ｅを有している。
【００２３】
リッジ部１２０ｃは、基部１２０ａよりｙ方向に突出形成された直方体形状（図３参照）をなしており、入射面１００ｅから同図ｚ方向に延設されている。テーパ部１２０ｄは、基部１２０ａよりｙ方向にテーパ形状に突出形成されており、リッジ部１２０ｃからｚ方向に行くにしたがってｘ方向の幅が広くなるように延設されている。
【００２４】
このテーパ部１２０ｄにより、導波層１２０を伝搬する光は、ｚ方向に行くにしたがって、ｘ方向に広がりをもって伝搬する（図１１参照）。板状部１２０ｅは、ｘ方向が長辺、ｚ方向が短辺とされた直方体形状をなしており、テーパ部１２０ｄよりさらにｚ方向に設けられている。
【００２５】
導波層１２０の上には、コア層１３０、クラッド層１４０およびキャップ層１５０が積層されており、第１積層テーパ部１００ａ、第２積層テーパ部１００ｂ、リブ部１００ｃおよび導波路部１００ｄが形成されている。
【００２６】
コア層１３０は、二次元導波路であり、導波層１２０の突出部１２０ｂに接合されている。このコア層１３０は、クラッド層１４０よりも屈折率が高く、導波層１２０をｚ方向に伝搬している光を、多少ｙ方向へ移行させつつ（図１０参照）、テーパによりｘ方向に広がりをもたせて（図１１参照）、ｚ方向へ伝搬させる層である。クラッド層１４０は、コア層１３０の上に形成されている。キャップ層１５０は、クラッド層１４０の上に形成された絶縁層である。
【００２７】
第１積層テーパ部１００ａは、図４および図５に示したように、コア層１３０の第１テーパ部１３０ａ、クラッド層１４０の第１テーパ部１４０ａおよびキャップ層１５０の第１テーパ部１５０ａが積層されてなり、ｚ方向に行くにしたがって、ｘ方向の幅が広がるテーパ形状（ｘｚ平面で台形）とされている。
【００２８】
第２積層テーパ部１００ｂも、第１積層テーパ部１００ａと同様にして、図６に示したように、コア層１３０の第２テーパ部１３０ｂ、クラッド層１４０の第２テーパ部１４０ｂおよびキャップ層１５０の第２テーパ部１５０ｂが積層されてなる。この第２積層テーパ部１００ｂも、ｚ方向に行くにしたがって、ｘ方向の幅が広がるテーパ形状（ｘｚ平面で台形）とされている。
【００２９】
但し、第２積層テーパ部１００ｂの場合には、ｘ方向の広がり度合いが、第１積層テーパ部１００ａの広がり度合いよりも大きい。
【００３０】
リブ部１００ｃは、図７に示したように、コア層１３０の板状部１３０ｃ（ｘ方向の幅が十分にある二次元導波路）、クラッド層１４０の第１板状部１４０ｃおよびキャップ層１５０の第１板状部１５０ｃが積層されてなる。
【００３１】
導波路部１００ｄは、入射面１００ｅに入射され、光スポットサイズが変換された光を、光導波路素子（例えば、図９に示した光導波路素子部２００）へ出力する導波路を構成している。リブ部１００ｃから導波路部１００ｄに光が入射される際に、光スポットサイズが入射面１００ｅの光スポットサイズよりも小さく変換される。
【００３２】
この導波路部１００ｄは、図８に示したように、コア層１３０の板状部１３０ｄ、クラッド層１４０の第２板状部１４０ｄおよびキャップ層１５０の第２板状部１５０ｄから構成されている。
【００３３】
図９は、上述した図１および図２に示した光スポットサイズ変換器１００の適用例を示す平面図である。この図において、図１および図２の各部に対応する部分には同一の符号を付ける。
【００３４】
同図には、光スポットサイズ変換器１００、光導波路素子部２００および光スポットサイズ変換器３００が同一基板上に一体に形成された光導波路素子４００が図示されている。光導波路素子部２００は、光を伝搬させる光導波路２０１を有する素子であり、光スイッチ、光変調器、光結合器等である。
【００３５】
なお、同図においては、光導波路素子部２００の構成要素として光導波路２０１のみを図示し、他の構成要素（他の光導波路や制御電極等）の図示を省略している。
【００３６】
光スポットサイズ変換器１００は、光導波路素子部２００の入力側に設けられており、光ファイバ（図示略）から入射面１００ｅに入射された光を光導波路素子部２００の光導波路２０１へ向けて伝搬させる間に光スポットサイズを大から小へ変換する機能を備えている。
【００３７】
一方、光スポットサイズ変換器３００は、光スポットサイズ変換器１００と同一構成とされており、光導波路素子部２００の出力側に設けられている。この光スポットサイズ変換器３００は、光導波路素子部２００の光導波路２０１から導波路部３００ａに入射された光を出射面３００ｂへ向けて伝搬させる間に、光スポットサイズ変換器１００と逆の作用により、光スポットサイズを小から大へ変換する機能を備えている。
【００３８】
図１０は、図９（図１および図２）に示したｙｚ平面（垂直面）における光伝搬特性を表す図である。同図に示したｙｚ平面光伝搬特性図５００は、図９に示した光導波路素子４００をＧ−Ｇ’線で切った場合のｙｚ平面（断面）における光の伝搬特性を表す図である。図１１は、図９（図１および図２）に示したｘｚ平面（例えば、図１０に示したｙ＝２．０での水平面）における光伝搬特性を表す図である。
【００３９】
これらの図において、ｚ方向のスケールは、図９に示したｚ方向のスケールに対応している。ｙ方向のスケールは、図３、図１２〜図２９に示したｙ方向のスケールに対応している。ｘ方向のスケールは、図３、図９および図１２〜図２９に示したｘ方向のスケールに対応している。
【００４０】
ここで、図９に示した円Ａの光伝搬特性は、図１０に示した円Ａ’に対応している。また、図９に示した円Ｂの光伝搬特性は、図１０に示した円Ｂ’、図１１に示した円Ｂ’’に対応している。また、図９に示した円Ｃの光伝搬特性は、図１１に示した円Ｃ’に対応している。
【００４１】
図１２〜図２９は、図９〜図１１に示したｚの位置［μｍ］を０から８５０まで５０刻みで変化させた場合のｘｙ平面における光スポットサイズの変化を表す図である。例えば、図１２は、ｚ＝０における光スポットサイズを表す図である。
【００４２】
上記構成において、図９および図１に示した入射面１００ｅに、光ファイバ（図示略）からの光が入射されると、該光は、導波層１２０（リッジ部１２０ｃ）をｚ方向へ伝搬する。これにより、光スポットサイズは、ｚ＝０〜２００までの間で、図１０、図１１および図１２〜図１６に示したように、ｙ方向長さがほぼ一定（約２μｍ）で、ｘ方向長さが徐々に増加する。
【００４３】
導波層１２０を伝搬している光が第１積層テーパ部１００ａの先端位置（ｚ＝２５０）に到達すると、図１７、図１０および図１１（円Ｃ’）に示したように、光の一部が第１積層テーパ部１００ａの第１テーパ部１３０ａ（図１、図４参照）に移行する。
【００４４】
そして、光は、ｚ＝２５０〜４００までの間で、図１０、図１１および図１７〜図２０に示したように、第１テーパ部１３０ａおよび突出部１２０ｂ（リッジ部１２０ｃおよびテーパ部１２０ｄ）をｚ方向に伝搬する。この場合、光は、第１テーパ部１３０ａによりｘ方向に広がりかつｙ方向が短くなりつつ伝搬する。
【００４５】
光が第２積層テーパ部１００ｂ（ｚ＝４５０）に到達すると、図２１に示したように、第１積層テーパ部１００ａよりもテーパ角度が広くなるため、ｘ方向がさらに広がる。
【００４６】
そして、光は、ｚ＝４５０〜７００までの間で、図１０、図１１および図２１〜図２６に示したように、第２テーパ部１３０ｂおよびテーパ部１２０ｄをｚ方向に伝搬する。この場合、光は、第２テーパ部１３０ｂによりｘ方向に広がりつつ伝搬する。
【００４７】
光がリブ部１００ｃ（ｚ＝７５０、ｚ＝８００）に到達すると、図２７および図２８に示したように、ｘ方向がさらに広がる。
【００４８】
光が導波路部１００ｄ（ｚ＝８５０）に到達すると、該光の光スポットサイズは、図１０（円Ｂ’）、図１１（円Ｂ’’）および図２９に示したように、ｘ方向が短くなり、図１２に示した光スポットサイズ（ｚ＝０）に比べて、小さくなっている。ここで、図１２に示した光スポットサイズ（大）から図２９に示した光スポットサイズ（小）への変換損は、わずか１ｄＢである。
【００４９】
スポットサイズが変換された光は、図９に示した導波路部１００ｄから光導波路２０１に入力された後、導波路部３００ａへ出力される。以後、上述した光スポットサイズ変換器１００の作用と逆の作用により、光スポットサイズ変換器３００では、光スポットサイズが小から大に変換された後、出射面３００ｂから光ファイバ（図示略）へ出射される。
【００５０】
以上説明したように、一実施の形態によれば、導波層１２０の入射面１００ｅに入射された光が突出部１２０ｂを伝搬した後、第１積層テーパ部１００ａおよび第２積層テーパ部１００ｂの第１テーパ部１３０ａおよび第２テーパ部１３０ｂ（コア層）に移行して、さらに板状部１３０ｃ（二次元導波層）を伝搬し、幅小の導波路部１００ｄで光スポットサイズを小さくすることとしたので、異なる光スポットサイズの光導波路間を、高い効率で光結合させることができる。
【００５１】
また、一実施の形態によれば、導波路部１００ｄの入射面に入射された光が板状部１３０ｃ（二次元導波層）、第２積層テーパ部１００ｂの第２テーパ部１３０ｂ、第１積層テーパ部１００ａの第１テーパ部１３０ａを伝搬した後、突出部１２０ｂに移行し、導波路部１００ｄに比して幅大のリッジ部１２０ｃの出射面から出射される光スポットサイズを、導波路部１００ｄでの光スポットサイズよりも大きくすることとしたので、異なる光スポットサイズの光導波路間を、高い効率で光結合させることができる。
【００５２】
また、一実施の形態によれば、図９に示した光導波路素子４００において、異なる光スポットサイズの光導波路間を、高い効率で光結合させることができる。
【００５３】
以上本発明にかかる一実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成例はこの一実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。
【００５４】
例えば、前述した一実施の形態においては、図１に示した第１積層テーパ部１００ａの先端位置と、テーパ部１２０ｄの先端位置（リッジ部１２０ｃとテーパ部１２０ｄとの境目位置）との位置（ｚ方向）が異なる構成例について説明したが、両先端位置を同じとしてもよい。
【００５５】
また、一実施の形態においては、図１に示した第１積層テーパ部１００ａ、第２積層テーパ部１００ｂおよびテーパ部１２０ｄのそれぞれについて線形にｘ方向に広がるテーパ形状とした構成例について説明したが、非線形に広がるテーパ形状としてもよい。
【００５６】
また、一実施の形態においては、テーパ部１２０ｄをｘ方向に非線形で広がるテーパ形状とし、第１積層テーパ部１００ａおよび第２積層テーパ部１００ｂをｘ方向に線形で広がるテーパ形状としてもよい。
【００５７】
また、一実施の形態においては、テーパ部１２０ｄをｘ方向に線形で広がるテーパ形状とし、第１積層テーパ部１００ａおよび第２積層テーパ部１００ｂをｘ方向に非線形で広がるテーパ形状としてもよい。
【００５８】
また、一実施の形態においては、テーパ部１２０ｄを形成するために、導波層１２０に薄膜エッチングストッパ層を導入した構成としてもよい。
【００５９】
また、一実施の形態においては、光スポットサイズ変換器１００における導波路をＭＱＷ（多重量子井戸構造）で構成してもよい。また、一実施の形態においては、コア層１３０をバルク構造としてもよい。
【００６０】
また、一実施の形態においては、コア層１３０の厚みを入射面１００ｅに行くにしたがって薄くした構造としてもよい。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、導波層の入射面に入射された光が突出部を伝搬した後、テーパ部のコア層に移行して、さらに二次元導波層を伝搬し、幅小の導波路部で光スポットサイズを小さくすることとしたので、異なる光スポットサイズの光導波路間を、高い効率で光結合させることができるという効果を奏する。
【００６２】
また、本発明によれば、導波路部の入射面に入射された光が二次元導波層およびテーパ部のコア層を伝搬した後、突出部に移行し、導波路部に比して幅大の突出部の出射面から出射される光スポットサイズを、導波路部での光スポットサイズよりも大きくすることとしたので、異なる光スポットサイズの光導波路間を、高い効率で光結合させることができるという効果を奏する。
【００６３】
また、本発明によれば、光導波路素子において、異なる光スポットサイズの光導波路間を、高い効率で光結合させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる一実施の形態による光スポットサイズ変換器１００の構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示した光スポットサイズ変換器１００の構成を示す平面図である。
【図３】図１および図２に示したＡ−Ａ’線視断面図である。
【図４】図１および図２に示したＢ−Ｂ’線視断面図である。
【図５】図１および図２に示したＣ−Ｃ’線視断面図である。
【図６】図１および図２に示したＤ−Ｄ’線視断面図である。
【図７】図１および図２に示したＥ−Ｅ’線視断面図である。
【図８】図１および図２に示したＦ−Ｆ’線視断面図である。
【図９】図１および図２に示した光スポットサイズ変換器１００の適用例を示す平面図である。
【図１０】図９（図１および図２）に示したｙｚ平面（垂直面）における光伝搬特性を表す図である。
【図１１】図９（図１および図２）に示したｘｚ平面（水平面）における光伝搬特性を表す図である。
【図１２】ｚ＝０のｘｙ平面における光スポットサイズを表す図である。
【図１３】ｚ＝５０のｘｙ平面における光スポットサイズを表す図である。
【図１４】ｚ＝１００のｘｙ平面における光スポットサイズを表す図である。
【図１５】ｚ＝１５０のｘｙ平面における光スポットサイズを表す図である。
【図１６】ｚ＝２００のｘｙ平面における光スポットサイズを表す図である。
【図１７】ｚ＝２５０のｘｙ平面における光スポットサイズを表す図である。
【図１８】ｚ＝３００のｘｙ平面における光スポットサイズを表す図である。
【図１９】ｚ＝３５０のｘｙ平面における光スポットサイズを表す図である。
【図２０】ｚ＝４００のｘｙ平面における光スポットサイズを表す図である。
【図２１】ｚ＝４５０のｘｙ平面における光スポットサイズを表す図である。
【図２２】ｚ＝５００のｘｙ平面における光スポットサイズを表す図である。
【図２３】ｚ＝５５０のｘｙ平面における光スポットサイズを表す図である。
【図２４】ｚ＝６００のｘｙ平面における光スポットサイズを表す図である。
【図２５】ｚ＝６５０のｘｙ平面における光スポットサイズを表す図である。
【図２６】ｚ＝７００のｘｙ平面における光スポットサイズを表す図である。
【図２７】ｚ＝７５０のｘｙ平面における光スポットサイズを表す図である。
【図２８】ｚ＝８００のｘｙ平面における光スポットサイズを表す図である。
【図２９】ｚ＝８５０のｘｙ平面における光スポットサイズを表す図である。
【図３０】従来の光導波路素子１０と光ファイバ２０および３０との光結合状態を説明する平面図である。
【符号の説明】
１００ 光スポットサイズ変換器
１００ａ 第１積層テーパ部
１００ｂ 第２積層テーパ部
１００ｃ リブ部
１００ｄ 導波路部
１１０ 基板
１２０ 導波層
１３０ コア層
１４０ クラッド層
１５０ キャップ層
２００ 光導波路素子部
３００ 光スポットサイズ変換器
４００ 光導波路素子
Claims (8)
- 光スポットサイズを変換する光スポットサイズ変換器であって、
突出部を有し光を伝搬させ、光の入射面または出射面を有する導波層と、
前記突出部の上に形成され、テーパ形状のコア層を有するテーパ部と、
前記突出部の上に形成され、前記コア層に接合され前記コア層の幅に比して幅広のリブ構造の二次元導波層を有するリブ部と、
前記突出部の上に形成され、前記突出部およびリブ部に比して幅小とされ、光を伝搬させ、光の出射面または入射面を有する導波路部と、
を備えたことを特徴とする光スポットサイズ変換器。 - 前記突出部は、一部がテーパ形状とされていることを特徴とする請求項１に記載の光スポットサイズ変換器。
- 前記突出部の一部は、線形に広がるテーパ形状とされており、前記テーパ部は、線形に広がるテーパ形状とされていることを特徴とする請求項２に記載の光スポットサイズ変換器。
- 前記突出部の一部は、非線形に広がるテーパ形状とされており、前記テーパ部は、非線形に広がるテーパ形状とされていることを特徴とする請求項２に記載の光スポットサイズ変換器。
- 前記突出部の一部は、線形に広がるテーパ形状とされており、前記テーパ部は、非線形に広がるテーパ形状とされていることを特徴とする請求項２に記載の光スポットサイズ変換器。
- 前記突出部の一部は、非線形に広がるテーパ形状とされており、前記テーパ部は、線形に広がるテーパ形状とされていることを特徴とする請求項２に記載の光スポットサイズ変換器。
- 前記コア層の厚みを変化させたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の光スポットサイズ変換器。
- 前記請求項１〜７のいずれか一つに記載の前記光スポットサイズ変換器と同一基板上に形成され、前記光スポットサイズ変換器に対して光を入出力することを特徴とする光導波路素子。
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