JP2005227731A

JP2005227731A - 光導波路

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Publication number: JP2005227731A
Application number: JP2004039090A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Sano; 彰彦佐野; Shuichi Misumi; 修一三角; Akihiko Hatamura; 章彦畑村; Naru Yasuda; 成留安田; Hayami Hosokawa; 速美細川
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2004-02-16
Filing date: 2004-02-16
Publication date: 2005-08-25
Anticipated expiration: 2024-02-16
Also published as: US20050180714A1; EP1566670A1; DE602005000641T2; KR100655026B1; CN1311260C; DE602005000641D1; ATE356362T1; CN1657987A; EP1566670B1; US7177517B2; KR20050081874A; JP4318036B2

Abstract

【課題】コア断面におけるモードプロファイルが対称でない光導波路において、そのモードプロファイルの非対称性を低減させる。
【解決手段】下クラッド層２３の上面には、底面で幅が狭く、上面で幅の広い断面台形をしたコア溝２５が形成されている。コア溝２５内にはコア２６が形成されており、コア２６の上面は上クラッド層２４によって封止されている。コア溝２５の底面には、下クラッド層２３よりも屈折率の小さな低屈折率層２７が形成されており、これによって実質的なコア２６と下クラッド層２３との屈折率の差を大きくしている。
【選択図】図６

Description

本発明は、光通信用のデバイスとして用いられる光導波路に関する。

光導波路は、光ファイバとの結合損失を低減するためにコアの断面形状が矩形状になるように作製するのが理想である。しかし、スタンパを用いて複製で作製する場合、スタンパに形成された抜きテーパ等により、コアの断面は矩形状にならずにテーパのついた形状（台形状）になってしまう（特許文献１など）。図１はテーパ状のコア断面を有する光導波路の一例を示す概略斜視図である。この光導波路１０にあっては、上下のガラス基板１１、１２の間に下クラッド層１３と上クラッド層１４を積層したものを挟み込んでいる。下クラッド層１３の上面に設けたコア溝１５内には、コア１６が充填されている。

このような光導波路１０は、例えばスタンパ法により下クラッド層１３が製作される。この方法では、ガラス基板１１の上に紫外線硬化型樹脂を滴下し、スタンパで紫外線硬化型樹脂を押さえて基板とスタンパの間に押し広げ、紫外線照射により紫外線硬化型樹脂を硬化させて下クラッド層１３を成形する。このとき下クラッド層１３の上面にはスタンパが有する凸形状によりコア溝１５が成形されるが、スタンパが離型しやすいように凸形状の両側面には離型させる方向に傾斜したテーパが付与されているので、コア溝１５の両側面にも深さ方向に沿ったテーパが形成される。ついで、下クラッド層１３の上面に形成されたコア溝１５にコア材料を充填させてコア１６を成形し、下クラッド層１３とガラス基板１２との間に上クラッド層１４を成形して下クラッド層１３と上クラッド層１４の間にコア１６を閉じ込める。よって、コア溝１５内にコア材料を充填して成形されたコア１６の断面の両側面にも深さ方向に沿ったテーパがつくことになる。

また、下クラッド層を射出成形により成形する方法でも、成形金型内で樹脂成形された下クラッド層から成形金型を容易に離型させるため、コア溝の深さ方向に沿ってテーパがつけられる。また、半導体製造プロセスを利用して下クラッド層の上にコア材料の層を堆積させた後にエッチングでコアを形成する場合でも、露光時にコア材料層の深さ方向に光が広がるので、エッチングした後のコアにはテーパがついてしまう。よって、これらの製法の場合でも、コアにテーパがついているので、コアの断面もテーパ状となる。

このようにしてコアの長さ方向に垂直な断面に深さ方向もしくは高さ方向に沿ってテーパがついていると、コアの下面からの高さによってコア断面の幅が異なる。そのため、コア断面の幅が狭い部分は、コア断面の幅が広い部分と比較して等価屈折率が小さくなる。コアの等価屈折率が小さいと、その等価屈折率と下クラッド層や上クラッド層の屈折率との差が小さくなるので、コア断面の幅が狭い部分では、コア断面の幅が広い部分よりもコア内の光の閉じ込めが弱くなる。そのため、コア断面にテーパがついていると、コア断面の幅の変化に起因して高さ方向のモードプロファイルがコア中央に対して非対称になる現象が生じる。

図２（ａ）は上面でコア幅が広く、下面でコア幅が狭いテーパ状断面を有するコア１６と上下クラッド層１３、１４を示し、図２（ｂ）はコア１６の断面の左右の中央において高さ方向に沿った屈折率の変化を示し、図２（ｃ）に実線で示す曲線は当該コア１６内を伝搬する光信号のモードプロファイルを示している。図２（ｃ）の縦軸はコア１６の断面の高さ方向の中央から測った高さを表し、横軸はコア１６内を伝搬する光信号の強度を表す。また、図２（ｃ）に破線で示す曲線は、断面が矩形状をしたコアの理想的なモードプロファイルを示す。図２（ｃ）に破線で示す理想的なモードプロファイルでは、コア断面の高さ方向の中央に関して対称な曲線を描いている。これに対し、テーパのついたコア断面の場合には、コア１６の下面において下クラッド層１３側への光の漏れが大きくなっており、そのモードプロファイルが非対称となっている。

このようにして、コア断面にテーパのついた従来の光導波路では、コアのモードプロファイルが上下方向で非対称になるので、コア内部を伝搬する光が上下方向で対称なモードプロファイルとなる光ファイバとの接続損失が大きくなるという問題があった。

特開２００３−２４０９９１号公報

本発明は上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、コア断面の形状に起因して発生する非対称なモードプロファイルを持つ光導波路においてそのモードプロファイルの非対称性を低減させることにある。

本発明にかかる第１の光導波路は、クラッド層内にコアが埋め込まれ、クラッド層の表面からの距離に応じてコアの幅が次第に増加又は減少する光導波路において、前記コアの幅の狭い側の面と前記クラッド層との境界面近傍に、前記コアより屈折率の大きな又は前記クラッド層よりも屈折率の小さな屈折率調整領域が形成されたものである。なお、ここでいうクラッド層とは、上クラッド層でも下クラッド層でもよく、単体のクラッド層でもよい。また、クラッド層の表面からの距離とは、クラッド層の表面から測ったコアの高さ方向又は深さ方向における距離である。

本発明の第１の光導波路においては、前記コアより屈折率の大きな屈折率調整領域を形成することにより、コアの幅の狭い側において、コア（屈折率調整領域）における等価屈折率とクラッド層の屈折率との屈折率差を大きくして光の閉じ込めをコアの幅の広い側と同程度に強くすることができるので、コア内を伝搬する光の強度のプロファイルを対称に近づけることができる。また、前記クラッド層より屈折率の小さな屈折率調整領域を形成することにより、コアの幅の狭い側において、コアの等価屈折率とクラッド層（屈折率調整領域）の屈折率との屈折率差を大きくして光の閉じ込めをコアの幅の広い側と同程度に強くすることができるので、コア内を伝搬する光の強度のプロファイルを対称に近づけることができる。これにより、光ファイバ等との結合効率を高めることができる。

第１の光導波路の実施態様においては、前記屈折率調整領域を、前記クラッド層又は前記コアを改質することにより形成することができる。例えば、クラッド層やコアに金属や半導体のイオンを打ち込んだり、拡散させたりすることにより任意の深さで改質することができる。

また、第１の光導波路の別な実施態様においては、前記屈折率調整領域を、前記コアと前記クラッド層との境界面にコア及びクラッド層と異なる材料を堆積させることにより形成することができる。堆積させる材料としては、金属や半導体を用いることができる。かかる方法によれば、光集積回路の製造工程において簡単に屈折率調整領域を形成することができる。

本発明にかかる第２の光導波路は、上クラッド層と下クラッド層の間にコアが埋め込まれ、クラッド層どうしの境界面からの距離に応じてコアの幅が次第に増加又は減少する光導波路において、前記コアの幅の広い側の面といずれかの前記クラッド層との境界面近傍に、前記コアよりも屈折率が小さく、且つ、前記コアの幅の狭い側の面と接するクラッド層よりも屈折率が大きな屈折率調整領域が形成されたものである。なお、クラッド層どうしの境界面からの距離とは、クラッド層どうしの境界面から測ったコアの高さ方向又は深さ方向における距離である。

本発明の第２の光導波路においては、コアの幅の広い側の面といずれかのクラッド層との境界面近傍に、コアよりも屈折率が小さく、且つ、コアの幅の狭い側の面と接するクラッド層よりも屈折率が大きな屈折率調整領域を形成することにより、コアの幅の広い側において、コアの等価屈折率と屈折率調整領域の屈折率との屈折率差を小さくして光の閉じ込めをコアの幅の狭い側と同程度に弱くすることができるので、コア内を伝搬する光の強度のプロファイルを対称に近づけることができる。これにより、光ファイバ等との結合効率を高めることができる。

第２の光導波路の実施態様においては、前記屈折率調整領域を、前記コア又はコアの幅の広い側の面と接するクラッド層を改質することにより形成することができる。例えば、クラッド層やコアに金属や半導体のイオンを打ち込んだり、拡散させたりすることにより任意の深さで改質することができる。

また、第２の光導波路の別な実施態様においては、前記屈折率調整領域を、上クラッド層と下クラッド層のうちコアの幅の広い側の面と接している側のクラッド層全体としている。

また、第２の光導波路の別な実施態様においては、前記屈折率調整領域を、前記コアといずれかの前記クラッド層との境界面に当該コア及びクラッド層と異なる材料を堆積させることにより形成することができる。堆積させる材料としては、金属や半導体を用いることができる。かかる方法によれば、光集積回路の製造工程において簡単に屈折率調整領域を形成することができる。

本発明にかかる第３の光導波路は、クラッド層内にコアが埋め込まれ、クラッド層の表面からの距離に応じてコアの幅が次第に増加又は減少する光導波路において、前記コアの幅の狭い側の面と前記クラッド層との境界面近傍に、周囲よりも引張応力の高い領域を形成したものである。なお、クラッド層の表面からの距離とは、クラッド層の表面から測ったコアの高さ方向又は深さ方向における距離である。

本発明の第３の光導波路においては、前記コアの幅の狭い側の面と前記クラッド層との境界面近傍に、周囲よりも引張応力の高い領域を形成することにより、コアの幅の狭い側において、前記クラッド層よりも屈折率の小さな領域を形成することができる。よって、コアの幅の狭い側においてコアの等価屈折率と引張応力の高い領域の屈折率との間の屈折率差を大きくして光の閉じ込めをコアの幅の広い側と同程度に強くすることができるので、コア内を伝搬する光の強度のプロファイルを対称に近づけることができる。これにより、光ファイバ等との結合効率を高めることができる。

なお、この発明の以上説明した構成要素は、可能な限り任意に組み合わせることができる。

以下本発明を実施例に従って具体的に説明する。なお、以下に説明する実施例は一例であって、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

図３は本発明の一実施例による光導波路を示す斜視図である。この光導波路２０にあっては、下面側のガラス基板２１と上面側のガラス基板２２との間で、下クラッド層２３と上クラッド層２４を積層している。下クラッド層２３の上面に形成されたコア溝２５内には、コア２６を設けている。コア２６の両側面はテーパを付与されており、コア２６の断面は下面側で幅の狭い台形となっている。また、コア２６の下面（最も幅の狭い面）と下クラッド層２３との間に低屈折率層２７を設けている。下クラッド層２３及び上クラッド層２４は透明樹脂によって形成されており、等しい屈折率を有している。好ましくは、下クラッド層２３と上クラッド層２４は同じ透明樹脂によって成形される。コア２６は、下クラッド層２３及び上クラッド層２４よりも屈折率の大きな透明樹脂によって形成されている。低屈折率層２７は、下クラッド層２３よりも小さな屈折率を有している。コア２６の高さを６μｍとすれば、低屈折率層２７の厚みは０.５〜１.０μｍ程度となっている。

なお、図３ではコア溝２５の下面の表面に低屈折率層２７を設けているが、図４に示すように、コア溝２５の下面から少し深い位置に低屈折率層２７が埋まっていてもよい。また、図示しないが、低屈折率層２７はコア２６内の下面近傍に位置していても差し支えない。ただし、その場合は、コア２６の中心が上方へ移動するので、光の強度のプロファイルの中心も上方へずれる。

図５（ａ）〜（ｄ）は、図３に示した光導波路２０の製造工程を説明する概略図である。まず、ガラス基板２１の上面に紫外線硬化型樹脂を滴下し、これをスタンパ３１で押えてスタンパ３１とガラス基板２１の間に紫外線硬化型樹脂を押し広げる。紫外線照射により紫外線硬化型樹脂を硬化させて下クラッド層２３を成形した後、スタンパ３１を下クラッド層２３から離型させる。こうして成形された下クラッド層２３には、コア溝２５が形成される（図５（ａ））。スタンパ３１には下面側で幅の狭くなった断面台形状の凸部が設けられているので、コア溝２５の断面は両側面にテーパのついた断面逆台形となる。

ついで、コア溝２５の全長にわたってその下面に真空蒸着で金属やＳｉ等の半導体を堆積させる。この金属や半導体としては、下クラッド層２３の屈折率を低下させるものや、下クラッド層２３に拡散して下クラッド層２３の屈折率を低下させる不純物となるものなどが好ましい。コア溝２５の下面に金属や半導体を堆積させると、屈折率が低下するので、コア溝２５の下面には下クラッド層２３よりも低屈折率の低屈折率層２７が形成される（図５（ｂ））。あるいは、コア溝２５の下面に金属イオンや水素イオン、ヘリウムイオン等を打ち込み、イオン注入によりコア溝２５の下面を改質して低屈折率層２７を形成しても良い。

この後、コア溝２５内にコア材料の樹脂を充填させてコア２６を形成する（図５（ｃ））。さらに、下クラッド層２３及びコア２６の上に紫外線硬化型樹脂を滴下し、これをガラス基板２２で押えてガラス基板２２と下クラッド層２３の間に押し広げる。ここに紫外線照射すると、紫外線硬化型樹脂が硬化して上クラッド層２４が成形され、光導波路２０が製作される（図５（ｄ））。

図６は、図３に示した実施例の作用を説明する図であって、図６（ａ）は光導波路２０のコア近傍を示す概略図、図６（ｂ）はコア２６の中央における高さ方向に沿った屈折率の変化を示す図、図６（ｃ）はコア内を伝搬する光信号のモードプロファイルを表わす図である。図６（ｃ）の縦軸はコア断面の高さ方向の中央から測った高さを表し、横軸はコア内を伝搬する光信号の強度を表しており、実線で表した曲線は当該コア２６内を伝搬する光信号のモードプロファイルを示し、２点鎖線で表した曲線は図２（ｃ）に実線で示した従来例のモードプロファイルである。

低屈折率層２７のない従来例の場合には、コア２６の幅が下面側で狭くなっているために、コア２６の底部で等価屈折率が小さくなり、その結果コア２６の底部の等価屈折率と下クラッド層２３の屈折率との差が小さくなるので、図６（ｃ）に２点鎖線で示すように、コア２６の下面からの光の漏れが大きくなり、モードプロファイルが非対称となる。

本実施例の場合には、コア２６の下面と下クラッド層２３との境界面近傍に低屈折率層２７が設けられており（図６（ａ））、この低屈折率層２７は下クラッド層２３よりも屈折率が小さいので、低屈折率層２７は下クラッド層２３の一部と考えることができる。よって、本実施例ではコア２６の下面と下クラッド層２３との境界面においてはコア２６の等価屈折率と低屈折率層２７の屈折率との差Δｎが、低屈折率層２７のない場合よりも大きくなる（図６（ｂ））。その結果、コア２６の下面における光の閉じ込めが強くなり、図６（ｃ）に示す実線の曲線のように、モードプロファイルの非対称の度合いが緩和される。モードプロファイルが対称に近くなることにより、台形状の断面を有するコア２６における２次元の強度分布も同心円状の分布となる。そして、モードプロファイルが対称に近くなることにより、光ファイバとの結合効率も向上する。

モードプロファイルを対称にするために、断面が台形をしたコアの屈折率を、幅の大きな側から幅の小さな側へ向けて次第に大きくすることも考えられるが、このような方法では、コアの製作に手間が掛かり、コストが上昇する。また、コア内の全体で屈折率が変化するので、コア内を伝搬する信号の波形が歪む恐れがある。これに対し、本実施例の場合には、コア２６内の全体で屈折率は均一であるので、光導波路２０の製作が容易で、また、伝搬する信号の波形が歪みにくい。

図７及び図８は光導波路２０において上記低屈折率層２７の屈折率を変化させたときのモードプロファイルの変化をシミュレーションにより描いたものである。図７はコア２６の高さ方向の中央よりも上側のモードプロファイルを表わし、図８はコア２６の高さ方向の中央よりも下側のモードプロファイルを表わし、いずれも縦軸は高さを示し、横軸は光信号の強度を示している。図７及び図８に示されているモードプロファイルのシミュレーション条件は、コア２６の中央での高さ及び幅をいずれも６μｍとし、コア２６と下クラッド層２３との屈折率の差がコア２６の屈折率の０.３７％とした。また、低屈折率層２７の厚みは１μｍとし、低屈折率層２７の幅はコア２６の下面の幅と等しいものとした。そして、下クラッド層２３の屈折率と低屈折率層２７の屈折率との差が、下クラッド層２３の屈折率より０.００％、０.０１％、０.０３％、０.０４％、０.０６％、０.０７％低い６パターンについてモードプロファイルを求めた。図７及び図８はこの結果を表したものである。

ここで、図７に示した上側のモードプロファイルにおいては、例えば強度が０.３００[a.u.]となる箇所の高さを見ると、低屈折率層２７の屈折率によらずコア２６の中央から約４.２１０μｍの高さとなっている。従って、モードプロファイルが対称であれば、コア２６の中央からの高さが−４.２１０μｍにおいても強度が０.３００[a.u.]となる筈である。そこで、図８のモードプロファイルを見ると、低屈折率層２７の屈折率を、下クラッド層２３の屈折率より０.０６％低下させた場合において、高さ約−４.２１０μｍのときに強度が０.３００[a.u.]となることが分かる。よって、低屈折率層２７の屈折率を、下クラッド層２３の屈折率より、０.０６％だけ小さくなるようにすれば、ほぼ対称なモードプロファイルが得られることが分かる。

上記実施例では、コア２６の下面と下クラッド層２３との境界面近傍に下クラッド層２３よりも屈折率の低い層を設けたが、この境界面近傍にコア２６よりも屈折率が少し大きな層を設けてもよい。図９はこのような実施例を説明する図である。図９（ａ）はこの光導波路のコア近傍を示す概略図あって、コア２６は下面側で幅が狭くなった断面台形をしており、コア２６の底部近傍にコア２６よりも屈折率のやや大きな高屈折率層２８が設けられている。図９（ｂ）はコア２６の中央における高さ方向に沿った屈折率の変化を示す図である。図９（ｃ）はコア内を伝搬する光信号のモードプロファイルを表わす図であって、実線で表した曲線は当該コア２６内を伝搬する光信号のモードプロファイルを示し、２点鎖線で表した曲線は従来例のモードプロファイルである。

なお、図９（ａ）ではコア２６の下面に高屈折率層２８を設けているが、コア２６の下面から少し上に高屈折率層２８を位置させてもよい。また、高屈折率層２８はコア溝２５内の下面近傍（下クラッド層２３）に位置していても差し支えない。

図９に示す実施例の場合には、コア２６の下面と下クラッド層２３との境界面近傍に高屈折率層２８が設けられており（図９（ａ））、この高屈折率層２８はコア２６よりも屈折率が大きいので、高屈折率層２８はコア２６の一部と考えることができる。よって、本実施例ではコア２６の下面と下クラッド層２３との境界面における高屈折率層２８の等価屈折率と下クラッド層２３の屈折率との差Δｎが、高屈折率層２８のない場合よりも大きくなる（図９（ｂ））。その結果、コア２６の下面における光の閉じ込めが強くなり、図９（ｃ）に示す実線の曲線のように、モードプロファイルの非対称の度合いが緩和される。モードプロファイルが対称に近くなることにより、台形状の断面を有するコア２６における２次元の強度分布も同心円状の分布となる。そして、モードプロファイルが対称に近くなることにより、光ファイバとの結合効率も向上する。ただし、本実施例においては、高屈折率層２８の屈折率の影響を受けて光の強度のプロファイルの中心が下方にずれるので、光ファイバの接続位置が下方へ移動する。

また、本実施例の場合も、コア２６内の全体で屈折率は均一であるので、光導波路２０の製作が容易で、また、伝搬する信号の波形が歪みにくい。

図１０（ａ）〜（ｄ）は、図９に示した光導波路の製造工程を説明する概略図である。まず、ガラス基板２１の上面に、コア溝２５を有する下クラッド層２３を成形する（図１０（ａ））。コア溝２５の断面は、両側面にテーパのついた断面逆台形となっている。

ついで、コア溝２５の全長にわたってその下面に真空蒸着で金属やＳｉ等の半導体を堆積させる。この金属や半導体としては、コア２６に不純物として拡散し、コア２６の屈折率を高くするものを用いることができる。コア溝２５の下面にこのような金属や半導体を堆積させると、コア２６の屈折率が高くなるので、コア２６の下面にはコア２６よりも高屈折率の高屈折率層２８が形成される（図１０（ｂ））。

この後、コア溝２５内にコア材料の樹脂を充填させてコア２６を作る（図１０（ｃ））。ついで、下クラッド層２３及びコア２６の上面とガラス基板２２との間に上クラッド層２４を成形して光導波路を作製する（図１０（ｄ））。

なお、この場合のモードプロファイルのシミュレーションの様子は省略するが、図７及び図８と同様な様子となる。

図１１は本発明の別な実施例であって、コア２６の上面（最も幅の広い面）と上クラッド層２４との境界面において、上クラッド層２４には上クラッド層２４よりも屈折率が高く、かつ、コア２６よりも屈折率が小さな中間屈折率層２９を形成した光導波路３０を示している。

なお、図１１では上クラッド層２４の下面に中間屈折率層２９を設けているが、上クラッド層２４の下面から少し上に中間屈折率層２９を位置させてもよい。また、中間屈折率層２９はコア２６の上面近傍に位置していても差し支えない。

図１２（ａ）〜（ｄ）は、図１１に示した光導波路３０の製造工程を説明する概略図である。まず、ガラス基板２１の上面に紫外線硬化型樹脂を滴下し、これをスタンパ３１で押えてスタンパ３１とガラス基板２１の間に紫外線硬化型樹脂を押し広げる。紫外線照射により紫外線硬化型樹脂を硬化させて下クラッド層２３を成形した後、スタンパ３１を下クラッド層２３から離型させる。こうして成形された下クラッド層２３には、コア溝２５が形成される（図１２（ａ））。コア溝２５の断面は両側面にテーパのついた断面逆台形となる。このコア溝２５にコア材料の樹脂を充填させてコア２６を形成する（図１２（ｂ））。

ついで、コア２６の上面に金属や半導体を堆積させることにより、上クラッド層２４よりも屈折率が大きく、且つ、コア２６よりも屈折率が小さい中間屈折率層２９をコア２６の上面に形成する（図１２（ｃ））。

この後、下クラッド層２３及び中間屈折率層２９の上に紫外線硬化型樹脂を滴下し、これをガラス基板２２で押えてガラス基板２２と下クラッド層２３の間に押し広げる。ここに紫外線照射すると、紫外線硬化型樹脂が硬化して上クラッド層２４が成形され、光導波路３０が製作される（図１２（ｄ））。

図１１に示す実施例ではコア２６の上面と上クラッド層２４との境界面近傍に設けられた中間屈折率層２９の屈折率はコア２６の屈折率よりもやや小さく、且つ、上クラッド層２４の屈折率よりもやや大きいので（図１３（ａ））、コア２６の上面と上クラッド層２４との境界面におけるコア２６の等価屈折率と中間屈折率層２９の屈折率との差Δｎが、中間屈折率層２９のない場合よりも小さくなる（図１３（ｂ））。その結果、コア２６の上面における光の閉じ込めが弱くなり、図１３（ｃ）に示す実線の曲線のように、モードプロファイルの非対称の度合いが緩和される。モードプロファイルが対称に近くなることにより、台形状の断面を有するコア２６における２次元の強度分布も同心円状の分布となる。そして、モードプロファイルが対称に近くなることにより、光ファイバとの結合効率も向上する。

図１４及び図１５は光導波路３０において、上記中間屈折率層２９の屈折率を変化させたときのモードプロファイルの変化をシミュレーションにより描いたものである。図１４及び図１５のシミュレーションは、図７及び図８の場合と同じ条件でシミュレーションしたものである。また、図１４及び図１５には、中間屈折率層２９の屈折率と上クラッド層２４の屈折率との差が、上クラッド層２４の屈折率より０.００％、０.０１％、０.０３％、０.０４％、０.０６％、０.０７％高い６パターンについてモードプロファイルを描いている。

ここで、図１５に示した下側のモードプロファイルにおいては、例えば強度が０.３００[a.u.]となる箇所の高さを見ると、中間屈折率層２９の屈折率によらずコア中央から約−４.４００μｍの高さとなっている。従って、モードプロファイルが対称であれば、コア２６の中央からの高さが４.４００μｍにおいても強度が０.３００[a.u.]となる筈である。そこで、図１４のモードプロファイルを見ると、中間屈折率層２９の屈折率を、上クラッド層２４の屈折率より０.１２０％高く（外挿法による）した場合において、高さ約４.４００μｍのときに強度が０.３００[a.u.]となることが分かる。よって、中間屈折率層２９の屈折率を、上クラッド層２４の屈折率より０.１２０％だけ高くなるようにすれば、ほぼ対称なモードプロファイルが得られることが分かる。

図１１の実施例では、コア２６の上に中間屈折率層２９を形成したが、これと同等な方法としては、上クラッド層２４全体の屈折率を高くしてもよい。すなわち、図１６に示す実施例では、上クラッド層２４の屈折率を下クラッド層２３の屈折率よりも高く、かつ、コア２６の屈折率よりも低くしている。

図１７（ａ）〜（ｃ）は図１６の実施例による光導波路３２の製造手順を説明する図である。まず、断面が台形のコア溝２５を有する下クラッド層２３をガラス基板２１の上に成形する（図１７（ａ））。ついで、コア溝２５内にコア材料の樹脂を充填させてコア２６を形成する（図１７（ｂ））。この後、下クラッド層２３及びコア２６の上面とガラス基板２２との間に、下クラッド層２３よりも屈折率の高い樹脂を用いて上クラッド層２４を成形する（図１７（ｃ））。

図１８は、図１６に示した実施例の作用を説明する図であって、図１８（ａ）は光導波路３２のコア近傍を示す概略図、図１８（ｂ）はコア２６の中央における高さ方向に沿った屈折率の変化を示す図、図１８（ｃ）はコア２６内を伝搬する光信号のモードプロファイルを表わす図である。図１８（ｃ）の縦軸はコア断面の高さ方向の中央から測った高さを表し、横軸はコア内を伝搬する光信号の強度を表しており、実線で表した曲線は当該コア２６内を伝搬する光信号のモードプロファイルを示し、２点鎖線で表した曲線は図２（ｃ）に実線で示した従来例のモードプロファイルである。

本実施例では、上クラッド層２４の屈折率が下クラッド層２３の屈折率よりも高くなっているので、図１８（ｂ）に示すように、コア２６の上面の等価屈折率と上クラッド層２４の屈折率との差Δｎは、コア２６の下面の等価屈折率と下クラッド層２３の屈折率との差と同等になる。そのため、図１８（ｃ）に示すように、コア２６内を伝搬する光は、コア２６の上面側からの漏れが大きくなり、モードプロファイルが対称に近くなる。よって、コア２６と光ファイバとの結合効率が向上する。

この実施例の場合についてのモードプロファイルのシミュレーション図は示さないが、その作用からも明らかなように、この実施例におけるシミュレーションも図１４及び図１５のシミュレーションと同様な傾向が示される。

なお、この実施例の変形例としては、下クラッド層２３をコア２６とほぼ同じ厚みでコア２６と同じ高さに位置する層とコア２６の下方に位置する層とに分け、コア２６の下方に位置する層の屈折率をコア２６とほぼ同じ高さに位置する層の屈折率よりも低くしてもよい（図示せず）。

図１９は、コア２６の下面及び両側面底部の近傍において、下クラッド層２３に低屈折率層２７を形成した本発明の実施例を示している。コア２６の厚みを６μｍとして、コア２６の下面から両側面にかけて低屈折率層２７を、例えば１μｍの厚みで設けている。この実施例は、図３の実施例においてコア２６の下面に設けられた低屈折率層２７をコア２６の両側面底部にまで延長した実施例に当たる。従って、図３の実施例と同様な作用により、コア２６内を伝搬する光のモードプロファイルを対称にすることができる。

図２０及び図２１は当該実施例において低屈折率層２７の屈折率を変化させたときのモードプロファイルの変化をシミュレーションにより描いたものである。図２０及び図２１のシミュレーションは、図７及び図８の場合と同じ条件でシミュレーションしたものである。また、図２０及び図２１には、低屈折率層２７の屈折率と下クラッド層２３の屈折率との差が、下クラッド層２３の屈折率より０.００％、０.０１％、０.０３％、０.０４％、０.０６％、０.０７％低い６パターンについてモードプロファイルを描いている。

ここで、図２０に示した上側のモードプロファイルにおいては、例えば強度が０.３００[a.u.]となる箇所の高さを見ると、低屈折率層２７の屈折率によらずコア２６の中央から約４.２１０μｍの高さとなっている。従って、モードプロファイルが対称であれば、コア２６の中央からの高さが−４.２１０μｍにおいても強度が０.３００[a.u.]となる筈である。そこで、図２１のモードプロファイルを見ると、低屈折率層２７の屈折率を、下クラッド層２３の屈折率より０.０７％低くした場合において、高さ約−４.２１０μｍのときに強度が０.３００[a.u.]となることが分かる。よって、低屈折率層２７の屈折率が、下クラッド層２３の屈折率より０.０７％だけ低くなるようにすれば、ほぼ対称なモードプロファイルが得られることが分かる。

なお、本発明においては、上記実施例を組み合わせて実施することも可能である。例えば、コアの上面近傍において上クラッド層に上クラッド層とコアとの中間の屈折率の中間屈折率層を設けると共に、コアの下面近傍において下クラッド層に下クラッド層よりも屈折率の低い低屈折率層（又は、コアよりも屈折率の高い高屈折率層）を設けてもよい。

図２２は本発明の別な実施例による光導波路の断面図である。この光導波路４０にあっては、コア２６の下面近傍において、下クラッド層２３に引張内部応力の高い高ストレス領域４１を形成している。

このような光導波路を製作するには、比較的硬化収縮の大きなコア、クラッド材料（樹脂）を用いてスタンパ法により下クラッド層２３に下方で狭くなった断面台形のコア溝２５を作製した後、コア材料（樹脂）をコア溝２５に注入し、上から透明な平板で押さえてコア２６を成形し、その状態でコア材料を硬化させる。この後、下クラッド層２３の上に上クラッド層２４を成形してコア２６を封止する。

このようにして光導波路を製作すると、コア２６の硬化収縮の方向と下クラッド層２３の硬化収縮の方向が異なるためにコア２６と下クラッド層２３との間に引張応力が発生し、コア２６の下面近傍において下クラッド層２３に高ストレス領域４１が発現する。比較的高い引張応力の発生している高ストレス領域４１では、引張応力のために樹脂（下クラッド層２３）の密度が低下しており、そのためコア２６の下面近傍の高ストレス領域４１では屈折率が周囲の下クラッド層２３よりも小さくなっている。例えば、１０ＭＰａの引張応力が発生していると、０.１％程度の屈折率の変化が生じると考えられる。よって、コア２６の等価屈折率と高ストレス領域４１の屈折率との差がコア２６の等価屈折率と下クラッド層２３との差よりも大きくなって、コア２６の下面側で光の閉じ込めが大きくなり、光のモードプロファイルが対称に近づく。

図２３はスタンパ法により光導波路を作製した場合にコアの周辺に発生する引張応力の分布をシミュレーションにより描いたものである。すなわち、下クラッド層２３及びコア溝２５の成形時と、コア２６の成形時と、上クラッド層２４の成形時とに分けて各段階での応力を求め、それらを重ね合わせたものである。このシミュレーション図では、コア２６の上面側では引張応力が０ＭＰａ〜７ＭＰａとなっており、コア２６内では約７ＭＰａとなっており、下クラッド層２３内の大部分の領域では５ＭＰａとなっており、コア２６の下面側では７ＭＰａ〜１０ＭＰａ以上となっている。よって、コア２６の下面近傍の屈折率が小さくなり、光がコア２６の下面から漏れ出しにくくなる。

本発明の実施例においては、コアの断面形状は台形状のものにより説明したが、これに限られることはなく、例えば半円形状などコアの深さ方向もしくは高さ方向で幅が単調に増加または減少するような断面形状のコアを持つすべての光導波路に適用可能である。

テーパ状のコア断面を有する光導波路の一例を示す概略斜視図である。（ａ）〜（ｃ）は同上の光導波路の作用説明図である。本発明の一実施例による光導波路を示す斜視図である。図３の光導波路の変形例を示す概略断面図である。（ａ）〜（ｄ）は図３に示した光導波路の製造工程を説明する概略図である。（ａ）〜（ｃ）は図３に示した実施例の作用説明図である。低屈折率層の屈折率を変化させたときの、コア上半部でのモードプロファイルの変化を示すシミュレーション図である。低屈折率層の屈折率を変化させたときの、コア下半部でのモードプロファイルの変化を示すシミュレーション図である。本発明の別な実施例を説明する図である。（ａ）〜（ｄ）は、図９に示した光導波路の製造工程を説明する概略図である。本発明のさらに別な実施例による光導波路を示す斜視図である。（ａ）〜（ｄ）は、図１１に示した光導波路の製造工程を説明する概略図である。（ａ）〜（ｃ）は図１１に示した実施例の作用説明図である。中間屈折率層の屈折率を変化させたときの、コア上半部でのモードプロファイルの変化を示すシミュレーション図である。中間屈折率層の屈折率を変化させたときの、コア下半部でのモードプロファイルの変化を示すシミュレーション図である。本発明のさらに別な実施例による光導波路を示す斜視図である。（ａ）〜（ｃ）は図１６の実施例による光導波路の製造手順を説明する概略図である。（ａ）〜（ｃ）は、図１６に示した実施例の作用説明図である。（ａ）は本発明の別な実施例による光導波路の要部を示す概略図、（ｂ）はコア内を伝搬する光のモードプロファイルを示す図である。低屈折率層の屈折率を変化させたときの、コア上半部でのモードプロファイルの変化を示すシミュレーション図である。低屈折率層の屈折率を変化させたときの、コア下半部でのモードプロファイルの変化を示すシミュレーション図である。本発明のさらに別な実施例による光導波路の断面図である。光導波路内の応力分布を表した図である。

符号の説明

２１、２２ガラス基板
２３下クラッド層
２４上クラッド層
２５コア溝
２６コア
２７低屈折率層
２８高屈折率層
２９中間屈折率層
４１高ストレス領域

Claims

クラッド層内にコアが埋め込まれ、クラッド層の表面からの距離に応じてコアの幅が次第に増加又は減少する光導波路において、
前記コアの幅の狭い側の面と前記クラッド層との境界面近傍に、前記コアより屈折率の大きな又は前記クラッド層よりも屈折率の小さな屈折率調整領域が形成されていることを特徴とする光導波路。
前記屈折率調整領域は、前記クラッド層又は前記コアを改質することにより形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の光導波路。
前記屈折率調整領域は、前記コアと前記クラッド層との境界面にコア及びクラッド層と異なる材料を堆積させることにより形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の光導波路。
上クラッド層と下クラッド層の間にコアが埋め込まれ、クラッド層どうしの境界面からの距離に応じてコアの幅が次第に増加又は減少する光導波路において、
前記コアの幅の広い側の面といずれかの前記クラッド層との境界面近傍に、前記コアよりも屈折率が小さく、且つ、前記コアの幅の狭い側の面と接するクラッド層よりも屈折率が大きな屈折率調整領域が形成されていることを特徴とする光導波路。
前記屈折率調整領域は、前記コア又はコアの幅の広い側の面と接するクラッド層を改質することにより形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の光導波路。
前記屈折率調整領域は、上クラッド層と下クラッド層のうちコアの幅の広い側の面と接している側のクラッド層全体であることを特徴とする、請求項４に記載の光導波路。
前記屈折率の小さな領域は、前記コアといずれかの前記クラッド層との境界面に当該コア及びクラッド層と異なる材料を堆積させることにより形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の光導波路。
クラッド層内にコアが埋め込まれ、クラッド層の表面からの距離に応じてコアの幅が次第に増加又は減少する光導波路において、
前記コアの幅の狭い側の面と前記クラッド層との境界面近傍に、周囲よりも引張応力の高い領域を形成したことを特徴とする光導波路。