JP2010139629A - スポットサイズ変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】製造が容易でありかつ低コストで、良好な光の閉じ込め効果を有したスポットサイズ変換器を提供することにある。
【解決手段】スポットサイズ変換器１１は、基板１３上に形成されているクラッド１５と、このクラッド内に埋め込まれているコア１７とを具えている。このスポットサイズ変換器は、入出力端面２５を有している。そして、コアは、光伝播方向２７に沿って、入出力端面側に向かって先細となっている。また、クラッドには、光伝播方向に沿って、コアの両側に、基板面１３ａを露出させる溝部３１ａ及び３１ｂが、入出力端面まで延在して形成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、Ｓｉ細線導波路とレーザダイオードや光ファイバ等の外部光学系との間の光接続に用いられるスポットサイズ変換器に関する。

近年、Ｓｉを光導波路材料として用いる技術が注目を集めている。これらの技術の中で、Ｓｉをコアとして用い、かつＳｉよりも極めて屈折率が小さいＳｉＯ_２をクラッドとして用いた、特にＳｉ細線導波路と称せられる光導波路が知られている。

Ｓｉ細線導波路は、コアとクラッドとの屈折率差が極めて大きいために、光をコアに強く閉じ込めることが可能である。その結果、Ｓｉ細線導波路を用いることにより、例えば、曲げ半径を１μｍ程度まで小さくした、小型の曲線導波路の製造を実現できる等、非常に微細なサブミクロンオーダーの寸法の光学装置を作成することが可能である。

そのため、Ｓｉ細線導波路は、Ｓｉ電子デバイスと光デバイスとを同一のチップ上で融合することができる可能性を秘めた技術として注目されている。

ところで、Ｓｉ細線導波路と、例えばレーザダイオード（以下、ＬＤとも称する）や光ファイバ等の外部光素子との接続を行うためには、これらの間にスポットサイズ変換器を配置する。これは、Ｓｉ細線導波路のコアの径が、一般的なＬＤや光ファイバ等の外部光素子と比して、非常に小さいためである。そのため、スポットサイズ変換器を用いることによって、ＬＤからＳｉ細線導波路に入力される光のスポットサイズを縮小する、または、Ｓｉ細線導波路から光ファイバに出力する光のスポットサイズを拡大する必要がある。

このようなスポットサイズ変換器としては、従来から種々の提案がなされている。例えば、光導波路の幅を、入出力端面側に向かってテーパ状に小さくしていく、すなわち狭めていくスポットサイズ変換器が周知である（例えば、特許文献１〜４参照）。また、光導波路の厚みを、入出力端面側に向かってテーパ状に小さくしていく、すなわち薄くしていくスポットサイズ変換器が周知である（例えば、特許文献５または６参照）。

ここで、このようなスポットサイズ変換器では、スポットサイズ変換器の入出力端面と、この入出力端面側のコアの端部とが離間している場合に、これら入出力端面とコアの端部との間において光が広がり、コア及びクラッドが形成されている基板に光が漏れ出す恐れがある。その結果、例えば、ＬＤからＳｉ細線導波路に光を入力する際に、カップリング効率が悪化するという問題が生じる。

そこで、この問題を解消するために、従来から、光導波路を第２のコアで包含することによって光の閉じ込め効果を増強した構造、すなわち２重コア構造が周知である（例えば、特許文献７参照）。
特開２００２−１６２５２８号公報 特開２０００−２３５１２８号公報 米国特許第６６８４０１１号明細書 特開２００３−２０７６８４号公報 特開平９−１５４３５号公報 特開２００５−３２６８７６号公報 特開平７−６３９３５号公報

しかし、このような２重コア構造のスポットサイズ変換器は、製造が困難であり、かつ製造コストが増大するという問題があった。

この発明は、これらの問題点に鑑みてなされたものである。従って、この発明の目的は、製造が容易であり、かつ低コストな、良好な光の閉じ込め効果を有したスポットサイズ変換器を提供することにある。

この出願に係る発明者らは、研究を重ねた結果、コアの両側に、クラッドを部分的に除去して形成した溝部を設けることによって、効率良く光を閉じ込めることができることを見出した。

そこで、上述の目的の達成を図るため、この発明のスポットサイズ変換器は、以下の特徴を有している。

すなわち、この発明によるスポットサイズ変換器は、基板上に形成されているクラッドと、このクラッド内に埋め込まれているコアとを具えている。また、この発明によるスポットサイズ変換器は、入出力端面を有している。そして、コアは、光伝播方向に沿って、入出力端面側に向かって先細となっている。また、クラッドには、光伝播方向に沿って、コアの両側に、基板面を露出させる溝部が、入出力端面まで延在して形成されている。

このような技術的特徴を具えることによって、この発明のスポットサイズ変換器では、上述した従来技術によるスポットサイズ変換器とは異なり、２重コア構造を形成することなく、クラッドに、基板面を露出させる溝部を設けるのみで、良好な光の閉じ込め効果を得ることができる。従って、この発明では、従来技術と比して、製造が容易で、かつ低コストで、効率良く光を閉じ込めることができるスポットサイズ変換器を提供することができる。

以下、図面を参照して、この発明の実施の形態に係る画像取得装置について説明する。なお、各図は、この発明が理解できる程度に、各構成要素の形状、大きさ、及び配置関係を概略的に示してあるに過ぎない。従って、この発明の構成は、何ら図示の構成例にのみ限定されるものではない。

〈第１の実施の形態〉
第１の実施の形態では、基板上に形成されているクラッドと、このクラッド内に埋め込まれているコアとを具えるスポットサイズ変換器について説明する。

図１（Ａ）は、この発明の第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器の要部を概略的に表した平面図である。そして、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す構造体について、図１（Ａ）のＩ−Ｉ線、すなわち光伝播方向に直交する方向に沿って、基板の厚み方向に切り取った断面を示す図である。

なお、実際のスポットサイズ変換器では、図１（Ａ）に示す構造体において、コア全体がクラッド内に埋め込まれて形成されているが、この図１（Ａ）では、第１の実施の形態に係る特徴部分を明瞭に示すために、クラッドの一部を省略している。

また、第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器は、例えばＬＤや光ファイバ等の外部光素子とＳｉ細線導波路との間に配設される。そして、これら外部光素子及びＳｉ細線導波路間において、外部光素子からＳｉ細線導波路へ入力される入力光、またはＳｉ細線導波路から外部光素子へ出力される出力光のスポットサイズ変換を行う。そのため、このスポットサイズ変換器の、少なくとも入力光または出力光が伝播する領域は、これら入力光及び出力光に対して透明な領域として形成されている。

第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１は、基板１３上に形成されており、クラッド１５及びコア１７を含む光導波路部１９を具えている。

そして、この第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１では、外部光素子からＳｉ細線導波路へ入力される入力光、またはＳｉ細線導波路から外部光素子へ出力される出力光は、入出力端面２５、従って入出力ポートから入力または出力される。

なお、この第１の実施の形態では、図１に示すように、スポットサイズ変換器１１によって、外部光素子としてのＬＤ２１から出射される入力光２３を、図示しないＳｉ細線導波路のスポットサイズに対応させるために、スポットサイズ変換する構成例について説明する。Ｓｉ細線導波路は、例えば、スポットサイズ変換器１１を挟んでＬＤ２１と対向する側に配置され、上述した光導波路部１９と連続的かつ一体的に設けられている（図示せず）。

また、スポットサイズ変換器１１は、入出力端面２５が、ＬＤ２１の、出射光、すなわちスポットサイズ変換器１１への入力光２３を出射する出射端面２１ａと正対し、かつ好ましくは、例えば１〜２μｍ離間して配置されている。

基板１３は、好ましくは、例えば矩形状の平行平板とする。また、基板１３を構成する材料は、好ましくは、例えば単結晶Ｓｉとする。

クラッド１５は、基板１３の上側表面１３ａ、すなわち基板面１３ａの全面に渡って配置されている。また、クラッド１５を構成する材料は、好ましくは、例えばＳｉＯ_２とする。

コア１７は、クラッド１５内に埋め込まれて設けられており、直線的に延在して形成されている。

また、コア１７の屈折率は、クラッド１５の屈折率よりも高くなっている。より具体的には、この実施の形態では、コア１７の屈折率を例えば３．５程度に、また、クラッド１５の屈折率を例えば１．５〜１．７程度に設定するのが好ましい。この屈折率差によって、入出力端面２５から光導波路部１９に入力された入力光２３は、コア１７に閉じ込められ、その結果、コア１７内を、コア１７の延在方向に沿って伝播する。従って、この実施の形態によるスポットサイズ変換器１１では、コア１７の延在方向が、矢印で示す光伝播方向２７となる。

また、スポットサイズ変換器１１は、コア１７の厚みＴ１を、好ましくは、例えば０．３μｍとする。また、コア１７の下側、すなわちコア１７及び基板１３間のクラッド１５の厚みＴ２を、好ましくは、例えば２μｍ、また、コア１７の上側のクラッド１５の厚みＴ３を、好ましくは、例えば２μｍとする。

また、コア１７は、延在方向、すなわち光伝播方向２７に沿って、入出力端面２５側に向かって先細となっている。このような形状、すなわちテーパ形状でコア１７を形成することによって、ＬＤ２１からの入力光２３は、コア１７を伝播しながらスポットサイズ変換される。

ここで、入力光２３をスポットサイズ変換する目的で、コア１７を先細形状とする場合には、コア１７の厚みＴ１が入出力端面２５側に向かって徐々に小さくなる形状、または光伝播方向２７に直交し、かつ基板面１３ａに沿った幅、すなわち短手方向２９に沿った幅Ｗ１が入出力端面２５側に向かって徐々に小さくなる形状の、いずれの形状を採用してもよい。

そして、コア１７を、厚みＴ１が入出力端面２５側に向かって徐々に小さくなる形状とした場合には、コア１７の、入出力端面２５側の先端において、厚みＴ１が０となる。なお、この場合には、上述したコア１７の厚みＴ１の好適値は、厚みＴ１の最大値であり、入出力端面２５と対向する反対側の端部、すなわち図示しないＳｉ細線導波路との界面１７ｂにおける厚みである。

また、コア１７を、幅Ｗ１が入出力端面２５側に向かって徐々に小さくなる形状とした場合には、コア１７の、入出力端面２５側の先端において、幅Ｗ１が０となる。なお、図１（Ａ）に示す構成例では、コア１７の短手方向に沿った幅Ｗ１が、入出力端面２５側に向かって徐々に幅狭となる形状を採用した場合について示している。

また、コア１７の入出力端面２５側の先端部１７ａは、ＬＤ２１からの入力光２３を効率良くコア１７に入力するために、入出力端面２５の面位置と一致させるのが好適である。ただし、ＬＤ２１のスポットサイズ、製造の容易性、またはその他設計に応じて、先端部１７ａ及び入出力端面２５をわずかに離間させてもよい。なお、ＬＤ２１のスポットサイズとは、このＬＤ２１から出射される入力光の光強度のピークの、短手方向２９に沿った半値幅を意味する。また、図１（Ａ）では、これら先端部１７ａ及び入出力端面２５間を、離間させた構成例について示している。

また、第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１では、クラッド１５に溝部３１ａ及び３１ｂが形成されている。

溝部３１ａ及び３１ｂは、光伝播方向２７に沿って、コア１７を挟んで、コア１７の両側に設けられており、入出力端面２５まで延在して形成されている。そして、溝部３１ａ及び３１ｂは、これら３１ａ及び３１ｂ内の底面から基板面１３ａを露出さている。

このような溝部３１ａ及び３１ｂは、屈折率が大気と同様、すなわち１程度であるため、クラッド１５と比して屈折率が低くなる。そのため、溝部３１ａ及び３１ｂを形成することによって、第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１では、これら溝部３１ａ及び３１ｂ間に挟まれた部分の光導波路部１９、すなわちコア１７、及びコア１７を包含する周辺クラッド部分１５ａにおいて、入力された入力光２３を、短手方向２９に沿った両側から強く閉じ込めることができる。その結果、コア１７及び周辺クラッド部分１５ａからなる、光導波路部１９の部分、すなわち実効光導波路部１９ａに対して入力光２３を入力することによって、この実施の形態によるスポットサイズ変換器１１では、基板１３に光が漏れることなく、良好なカップリング効率でスポットサイズ変換を行うことができる。

なお、第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１では、溝部３１ａ及び３１ｂを、クラッド１５よりも屈折率の低い材料を用いて、埋め込む構成としてもよい。

ここで、溝部３１ａ及び３１ｂ間の幅、すなわち実効光導波路部１９ａの短手方向２９に沿った幅Ｗ２には、ＬＤ２１のスポットサイズに応じた好適な値が存在することが、シミュレーションにより判明した。すなわち、第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１では、溝部３１ａ及び３１ｂ間の短手方向２９に沿った幅、すなわち実効光導波路部１９ａの幅Ｗ２を、最大でもＬＤ２１のスポットサイズの７０％以下とするのが好ましい。なお、このシミュレーションについては、その詳細を後述する。

このように、第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１では、従来技術によるスポットサイズ変換器とは異なり、２重コア構造を形成することなく、クラッド１５に溝部３１ａ及び３１ｂを設けるのみで、良好な光の閉じ込め効果を得ることができる。従って、この第１の実施の形態では、従来技術と比して、製造が容易で、かつ低コストで、効率良く光を閉じ込めることができるスポットサイズ変換器を提供することができる。

また、このような第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１は、例えば周知のＳＯＩ基板を用意することによって、容易に製造することができる。

すなわち、まず、単結晶Ｓｉ層、ＳｉＯ_２膜、及びＳｉ膜がこの順に積層されて構成されたＳＯＩ基板を用意する。そして、周知のエッチング技術を用いてＳｉ膜を部分的に除去することによって、このＳｉ膜の残存部分から、上述したコア１７を形成する。しかる後、ＳＯＩ基板全面に、コア１７を埋め込んでＳｉＯ_２膜を堆積する。これによって、上述したような、単結晶Ｓｉ基板１３上に、ＳｉＯ_２で構成されたクラッド１５と、このクラッド１５内に埋め込まれて形成されたコア１７とを含む光導波路部１９が形成される。さらに、クラッド１５の、光伝播方向２７に沿った、コア１７の両側領域を、この両側領域から入出力端面２５に渡って、周知のエッチング技術を用いて、基板面１３ａが露出するまで除去することによって、この除去領域を上述した溝部３１ａ及び３１ｂとする。

ここで、この発明に係る発明者らは、この第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器の特性を評価するために、また、種々の寸法の最適値を確認するために、ＢＰＭ（Ｂｅａｍ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）を用いてシミュレーションを行った。

図２〜図８は、それぞれＢＰＭによるシミュレーションの結果を示している。以下、これらの各結果について説明する。

なお、これら図２〜図８の各結果を得た各シミュレーションは、特に断らない限りは、図１（Ａ）及び（Ｂ）に示す構成例による第１の実施の形態のスポットサイズ変換器１１について、以下の各条件を設定して行った。

すなわち、各シミュレーションでは、コア１７の下側のクラッド１５の厚みＴ２を２μｍ、及びコア１７の上側のクラッド１５の厚みＴ３を２μｍに設定した。

また、各シミュレーションでは、第１の実施の形態のスポットサイズ変換器１１を、厚みが０．３μｍであり、かつ厚み方向及び光伝播方向に直交する幅が０．３μｍのコアを有するＳｉ細線導波路と接続して使用する場合を想定して行った。そのために、スポットサイズ変換器１１のコア１７の厚みＴ１を０．３μｍに設定した。そして、テーパ形状であるコア１７の、短手方向に沿った幅Ｗ１の最大値、すなわち図示しないＳｉ細線導波路のコアとの界面１７ｂにおける幅Ｗ１を０．３μｍに設定した。

また、各シミュレーションでは、ＬＤ２１のスポットサイズを３μｍとし、このＬＤ２１から出射される波長１．３１μｍの入力光２３を、入出力端面２５から実効光導波路部１９ａに入力した場合のカップリング効率について示している。

また、各図の縦軸は、スポットサイズ変換器１１のカップリング効率を、光強度の相対値を以って示している。すなわち、ＬＤ２１から出射される入力光２３の光強度を１とし、この入力光２３の、スポットサイズ変換器１１によってスポットサイズ変換された場合における、光強度の相対値を示している。なお、各図には、この相対的な光強度値が１を超える結果を示しているものがある。これは、スポットサイズ変換されることによって、入力光２３の形状が変化したことによる誤差だと考えられる。

まず、図２は、スポットサイズ変換器１１における、光伝播方向２７に沿ったコア１７の長さＬ１、すなわちテーパ形状のテーパ長Ｌ１と、カップリング効率との関係を示す図である。図２において、横軸は、コア１７の長さＬ１をμｍ単位で目盛ってある。なお、この図２の結果を得たシミュレーションでは、溝部３１ａ及び３１ｂ間の幅、すなわち実効光導波路部１９ａの短手方向２９に沿った幅Ｗ２を２μｍとした。

また、図２における曲線Ｉは、先端部１７ａ及び入出力端面２５間の離間距離Ｌ２を０μｍ、すなわち先端部１７ａを入出力端面２５の面位置と一致させた場合の結果を示している。また、図２における曲線ＩＩは、先端部１７ａ及び入出力端面２５間の離間距離Ｌ２を１０μｍとした場合の結果を示している。また、図２における曲線ＩＩＩは、先端部１７ａ及び入出力端面２５間の離間距離Ｌ２を２０μｍとした場合の結果を示している。

図２の結果から、スポットサイズ変換器１１では、テーパ長Ｌ１が２０μｍ以上であれば、各離間距離Ｌ２において、得られるカップリング効率が大きく変化しないことが明らかである。従って、この結果から、第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１では、テーパ長Ｌ１を少なくとも２０μｍと設定するのが好ましい。

次に、図３は、スポットサイズ変換器１１における、実効光導波路部１９ａの短手方向２９に沿った幅Ｗ２と、カップリング効率との関係を示す図である。図３において、横軸は、実効光導波路部１９ａの幅Ｗ２をμｍ単位で目盛ってある。なお、この図３の結果を得たシミュレーションでは、テーパ長Ｌ１を３０μｍとした。

また、図３における曲線Ｉは、先端部１７ａ及び入出力端面２５間の離間距離Ｌ２を０μｍ、すなわち先端部１７ａを入出力端面２５の面位置と一致させた場合の結果を示している。また、図３における曲線ＩＩは、先端部１７ａ及び入出力端面２５間の離間距離Ｌ２を５μｍとした場合の結果を示している。また、図３における曲線ＩＩＩは、先端部１７ａ及び入出力端面２５間の離間距離Ｌ２を１０μｍとした場合の結果を示している。また、図３における曲線ＩＶは、先端部１７ａ及び入出力端面２５間の離間距離Ｌ２を１５μｍとした場合の結果を示している。また、図３における曲線Ｖは、先端部１７ａ及び入出力端面２５間の離間距離Ｌ２を２０μｍとした場合の結果を示している。

図３の結果から、スポットサイズ変換器１１では、ＬＤ２１のスポットサイズが３μｍである場合には、各離間距離Ｌ２において、実効光導波路部１９ａの幅Ｗ２が２μｍよりも大きくなると、得られるカップリング効率が著しく低下することが分かる。従って、この結果から、第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１では、ＬＤ２１のスポットサイズが例えば３μｍである場合には、実効光導波路部１９ａの幅Ｗ２を最大でも２μｍ以下に設定するのが好ましい。

次に、図４（Ａ）及び（Ｂ）は、第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１の溝部３１ａ及び３１ｂの効果を評価するための図である。

図４（Ａ）は、従来技術によるスポットサイズ変換器、すなわち溝部が形成されていないスポットサイズ変換器において、ＬＤを短手方向に沿って両側にずらした場合のずれ量と、カップリング効率との関係を示す図である。

また、図４（Ｂ）は、第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１において、ＬＤ２１を短手方向２９に沿って両側にずらした場合のずれ量と、カップリング効率との関係を示す図である。なお、この図４（Ｂ）の結果を得たシミュレーションでは、溝部３１ａ及び３１ｂ間の幅、すなわち実効光導波路部１９ａの幅Ｗ２を２μｍとした。なお、図４（Ｂ）の結果を得たシミュレーションでは、図１に示す構成とは異なり、コア１７の、先端部１７ａから延在し、基板面１３ａに直交する一方の側面を光伝播方向２７に沿って平行とし、この一方の側面に対して、他方の側面を傾斜面とすることによって、テーパ形状とした構成例のスポットサイズ変換器１１を想定している。

これら図４（Ａ）及び（Ｂ）の結果を得たシミュレーションにおいて、サンプルとして想定した第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１と、従来技術によるスポットサイズ変換器とが構成上相違するのは、溝部の有無のみである。なお、これら図４（Ａ）及び（Ｂ）の結果を得たシミュレーションでは、光伝播方向にそったコアの長さ、すなわちテーパ長を２０μｍとした。

また、図４（Ａ）及び（Ｂ）において、横軸は、ＬＤのスポットの光伝播方向に沿った中心軸と、スポットサイズ変換器の、コアの光伝播方向に沿った、短手方向の中心とが一致する点を０とし、この点からの短手方向に沿ったＬＤのずれ量をμｍ単位で目盛ってある。なお、この横軸では、ＬＤを上述した０の点から、短手方向に沿って一方の側にずらした場合のずれ量を正の値で、また他方の側にずらした場合のずれ量を負の値で示している。

また、図４（Ａ）における曲線Ｉは、従来技術によるスポットサイズ変換器において、コアの入出力端面側の先端部及び入出力端面間の離間距離を０μｍ、すなわち先端部を入出力端面の面位置と一致させた場合の結果を示している。また、図４（Ａ）における曲線ＩＩは、コアの先端部及び入出力端面間の離間距離を５μｍとした場合の結果を示している。また、図４（Ａ）における曲線ＩＩＩは、コアの先端部及び入出力端面間の離間距離を１０μｍとした場合の結果を示している。また、図４（Ａ）における曲線ＩＶは、コアの先端部及び入出力端面間の離間距離を１５μｍとした場合の結果を示している。また、図４（Ａ）における曲線Ｖは、コアの先端部及び入出力端面間の離間距離を２０μｍとした場合の結果を示している。

また、図４（Ｂ）における曲線Ｉ’は、第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１において、先端部１７ａ及び入出力端面２５間の離間距離Ｌ２を０μｍ、すなわち先端部１７ａを入出力端面２５の面位置と一致させた場合の結果を示している。また、図４（Ｂ）における曲線ＩＩ’は、先端部１７ａ及び入出力端面２５間の離間距離Ｌ２を５μｍとした場合の結果を示している。また、図４（Ｂ）における曲線ＩＩＩ’は、先端部１７ａ及び入出力端面２５間の離間距離Ｌ２を１０μｍとした場合の結果を示している。また、図４（Ｂ）における曲線ＩＶ’は、先端部１７ａ及び入出力端面２５間の離間距離Ｌ２を１５μｍとした場合の結果を示している。また、図４（Ｂ）における曲線Ｖ’は、先端部１７ａ及び入出力端面２５間の離間距離Ｌ２を２０μｍとした場合の結果を示している。

これら図４（Ａ）及び（Ｂ）の結果から明らかなように、それぞれのコアの先端部及び入出力端面間の離間距離において、第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１は、従来技術によるスポットサイズ変換器と比して、良好なカップリング効率を示している。従って、この結果から、溝部３１ａ及び３１ｂを設けることによって、入力光２３を効率良く実効光導波路部１９ａ内に閉じ込められることが確認された。

また、これら図４（Ａ）及び（Ｂ）の結果から、第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１及び従来技術によるスポットサイズ変換器では、ＬＤとスポットサイズ変換器との、短手方向に沿った位置ずれによる、カップリング効率への影響が同程度であることが分かる。ただし、上述したように、第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１は、それぞれのコアの先端部及び入出力端面間の離間距離において、従来技術によるスポットサイズ変換器と比して、カップリング効率が向上しているため、ＬＤが短手方向に沿ってずれた場合においても、良好なカップリング効率を得ることができる。

次に、図５は、第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１において、図４（Ｂ）と同様に、ＬＤ２１を短手方向２９に沿って両側にずらした場合のずれ量と、カップリング効率との関係を示す図である。なお、この図５の結果を得たシミュレーションでは、溝部３１ａ及び３１ｂ間の幅、すなわち実効光導波路部１９ａの幅Ｗ２を１μｍとした。また、この図５の結果を得たシミュレーションでは、テーパ長Ｌ１を２０μｍとした。

また、図５において、横軸は、ＬＤのスポットの光伝播方向に沿った中心軸と、スポットサイズ変換器の、コアの光伝播方向に沿った、短手方向の中心とが一致する点を０とし、この点からの短手方向に沿ったＬＤ２１のずれ量をμｍ単位で目盛ってある。なお、この横軸では、ＬＤ２１を上述した０の点から、短手方向２９に沿って一方の側にずらした場合のずれ量を正の値で、また他方の側にずらした場合のずれ量を負の値で示している。

また、図５における曲線Ｉは、第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１において、先端部１７ａ及び入出力端面２５間の離間距離Ｌ２を０μｍ、すなわち先端部１７ａを入出力端面２５の面位置と一致させた場合の結果を示している。また、図５における曲線ＩＩは、先端部１７ａ及び入出力端面２５間の離間距離Ｌ２を５μｍとした場合の結果を示している。また、図５における曲線ＩＩＩは、先端部１７ａ及び入出力端面２５間の離間距離Ｌ２を１０μｍとした場合の結果を示している。また、図５における曲線ＩＶは、先端部１７ａ及び入出力端面２５間の離間距離Ｌ２を１５μｍとした場合の結果を示している。また、図５における曲線Ｖは、先端部１７ａ及び入出力端面２５間の離間距離Ｌ２を２０μｍとした場合の結果を示している。

図５の結果を、既に説明した図４（Ｂ）の結果と比較すると、第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１では、実効光導波路部１９ａの幅Ｗ２を１μｍまで短縮したことによって、各離間距離Ｌ２において、得られるカップリング効率が向上していることが分かる。

また、図５の結果を得たシミュレーションでは、スポットサイズ変換器１１の実効光導波路部１９ａの幅Ｗ２を短縮したことによって、入力光２３が入射される、入出力端面２５の短手方向２９に沿った実質的な幅が短くなっている。その結果、ＬＤ２１の短手方向２９に沿ったずれが、図４（Ｂ）の結果を得たシミュレーション、すなわち実効光導波路部１９ａの幅Ｗ２を２μｍとした場合と比して、大きく影響している。しかし、図５の結果から明らかなように、幅Ｗ２が１μｍに設定されたスポットサイズ変換器１１は、ＬＤ２１のずれ量が−０．５〜０．５μｍの範囲内であれば、このずれの影響をほとんど受けず、良好なカップリング効率を示している。そして、幅Ｗ２が１μｍの実効光導波路部１９ａに対して、スポットサイズが３μｍのＬＤ２１を、−０．５〜０．５μｍの範囲内のずれ量に抑えて位置決めすることは、容易であるため、幅Ｗ２を１μｍとしたスポットサイズ変換器１１においても、良好なカップリング効率を得ることができるといえる。

次に、図６（Ａ）及び（Ｂ）は、第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１の溝部３１ａ及び３１ｂの効果を評価するための図である。

図６（Ａ）は、従来技術によるスポットサイズ変換器、すなわち溝部が形成されていないスポットサイズ変換器において、ＬＤを基板の厚み方向に沿って上下にずらした場合のずれ量と、カップリング効率との関係を示す図である。

また、図６（Ｂ）は、第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１において、ＬＤ２１を、基板１３の厚み方向に沿って上下にずらした場合のずれ量と、カップリング効率との関係を示す図である。なお、この図４（Ｂ）の結果を得たシミュレーションでは、溝部３１ａ及び３１ｂ間の幅、すなわち実効光導波路部１９ａの幅Ｗ２を２μｍとした。

これら図６（Ａ）及び（Ｂ）の結果を得たシミュレーションにおいて、サンプルとして想定した第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１と、従来技術によるスポットサイズ変換器とが構成上相違するのは、溝部の有無のみである。なお、これら図６（Ａ）及び（Ｂ）の結果を得たシミュレーションでは、光伝播方向にそったコアの長さ、すなわちテーパ長を２０μｍとした。また、既に説明したように、このシミュレーションでは、ＬＤから出射される入力光の波長を１．３１μｍとした。

また、図６（Ａ）及び（Ｂ）において、横軸は、ＬＤのスポットの光伝播方向に沿った中心軸と、スポットサイズ変換器の、コアの光伝播方向に沿った、厚み方向の中心とが一致する点を０とし、この点からの厚み方向に沿ったＬＤのずれ量をμｍ単位で目盛ってある。なお、この横軸では、ＬＤを上述した０の点から、厚み方向に沿って上側にずらした場合のずれ量を正の値で、また下側にずらした場合のずれ量を負の値で示している。

また、図６（Ａ）における曲線Ｉは、従来技術によるスポットサイズ変換器において、コアの入出力端面側の先端部及び入出力端面間の離間距離を０μｍ、すなわち先端部を入出力端面の面位置と一致させた場合の結果を示している。また、図６（Ａ）における曲線ＩＩは、コアの先端部及び入出力端面間の離間距離を５μｍとした場合の結果を示している。また、図６（Ａ）における曲線ＩＩＩは、コアの先端部及び入出力端面間の離間距離を１０μｍとした場合の結果を示している。また、図６（Ａ）における曲線ＩＶは、コアの先端部及び入出力端面間の離間距離を１５μｍとした場合の結果を示している。また、図６（Ａ）における曲線Ｖは、コアの先端部及び入出力端面間の離間距離を２０μｍとした場合の結果を示している。

また、図６（Ｂ）における曲線Ｉ’は、第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１において、先端部１７ａ及び入出力端面２５間の離間距離Ｌ２を０μｍ、すなわち先端部１７ａを入出力端面２５の面位置と一致させた場合の結果を示している。また、図６（Ｂ）における曲線ＩＩ’は、先端部１７ａ及び入出力端面２５間の離間距離Ｌ２を５μｍとした場合の結果を示している。また、図６（Ｂ）における曲線ＩＩＩ’は、先端部１７ａ及び入出力端面２５間の離間距離Ｌ２を１０μｍとした場合の結果を示している。また、図６（Ｂ）における曲線ＩＶ’は、先端部１７ａ及び入出力端面２５間の離間距離Ｌ２を１５μｍとした場合の結果を示している。また、図６（Ｂ）における曲線Ｖ’は、先端部１７ａ及び入出力端面２５間の離間距離Ｌ２を２０μｍとした場合の結果を示している。

これら図６（Ａ）及び（Ｂ）の結果から明らかなように、それぞれのコアの先端部及び入出力端面間の離間距離において、第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１は、従来技術によるスポットサイズ変換器と比して、良好なカップリング効率を示している。従って、溝部３１ａ及び３１ｂを設けることによって、入力光２３を効率良く実効光導波路部１９ａ内に閉じ込められることが確認された。

また、これら図６（Ａ）及び（Ｂ）の結果から、第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１及び従来技術によるスポットサイズ変換器では、ＬＤとスポットサイズ変換器との、厚み方向に沿った位置ずれによる、カップリング効率への影響が同程度であることが分かる。ただし、上述したように、第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１は、それぞれのコアの先端部及び入出力端面間の離間距離において、従来技術によるスポットサイズ変換器と比して、カップリング効率が向上しているため、ＬＤが厚み方向に沿ってずれた場合においても、良好なカップリング効率を得ることができる。

次に、図７（Ａ）及び（Ｂ）は、第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１の溝部３１ａ及び３１ｂの効果を評価するための図である。

これら図７（Ａ）及び（Ｂ）は、上述した図６（Ａ）及び（Ｂ）を得たシミュレーションと同様のシミュレーションを、ＬＤからの入力光の波長、及びコアの光伝播方向に沿った長さ、すなわちテーパ長を変更して行うことによって得た。すなわち、このシミュレーションでは、ＬＤからの入力光の波長を１．４９μｍとした。また、このシミュレーションでは、従来技術によるスポットサイズ変換器及び第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１のそれぞれにおいて、コアのテーパ長を１０μｍとした。なお、その他の構成は、上述した図６（Ａ）及び（Ｂ）を得たシミュレーションにおいてサンプルとした、従来技術によるスポットサイズ変換器及び第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１と同様である。

また、図７（Ａ）及び（Ｂ）において、横軸は、図６（Ａ）及び（Ｂ）と同様に、ＬＤの厚み方向に沿ったＬＤのずれ量をμｍ単位で目盛ってある。

また、図７（Ａ）における曲線Ｉは、従来技術によるスポットサイズ変換器において、コアの入出力端面側の先端部及び入出力端面間の離間距離を０μｍ、すなわち先端部を入出力端面の面位置と一致させた場合の結果を示している。また、図７（Ａ）における曲線ＩＩは、コアの先端部及び入出力端面間の離間距離を５μｍとした場合の結果を示している。また、図７（Ａ）における曲線ＩＩＩは、コアの先端部及び入出力端面間の離間距離を１０μｍとした場合の結果を示している。また、図７（Ａ）における曲線ＩＶは、コアの先端部及び入出力端面間の離間距離を１５μｍとした場合の結果を示している。

また、図７（Ｂ）における曲線Ｉ’は、第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１において、先端部１７ａ及び入出力端面２５間の離間距離Ｌ２を０μｍ、すなわち先端部１７ａを入出力端面２５の面位置と一致させた場合の結果を示している。また、図７（Ｂ）における曲線ＩＩ’は、先端部１７ａ及び入出力端面２５間の離間距離Ｌ２を５μｍとした場合の結果を示している。また、図７（Ｂ）における曲線ＩＩＩ’は、先端部１７ａ及び入出力端面２５間の離間距離Ｌ２を１０μｍとした場合の結果を示している。また、図７（Ｂ）における曲線ＩＶ’は、先端部１７ａ及び入出力端面２５間の離間距離Ｌ２を１５μｍとした場合の結果を示している。

これら図７（Ａ）及び（Ｂ）から明らかなように、入力光の波長が１．４９μｍの場合においても、それぞれのコアの先端部及び入出力端面間の離間距離において、第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１は、従来技術によるスポットサイズ変換器と比して、良好なカップリング効率を示している。従って、溝部３１ａ及び３１ｂを設けることによって、入力光２３を効率良く実効光導波路部１９ａ内に閉じ込められることが確認された。

また、これら図７（Ａ）及び（Ｂ）の結果から、第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１及び従来技術によるスポットサイズ変換器では、ＬＤとスポットサイズ変換器との、厚み方向に沿った位置ずれによる、カップリング効率への影響が同程度であることが分かる。

ここで、例えば光加入者系システム等の、一本の光ファイバを用いて光信号の送受信を行う光送受信システムでは、多くの場合、加入者側から局への上り光信号として波長１．３１μｍの光信号が、また、局から加入者側への下り光信号として波長１．４９μｍの光信号が、それぞれ用いられる。そして、上述した図６（Ａ）及び（Ｂ）と図７（Ａ）及び（Ｂ）の結果から明らかなように、第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１は、波長１．３１μｍの入力光及び波長１．４９μｍの入力光の、双方に対して良好なカップリング効率を得られることが分かった。従って、この第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１は、上述した光送受信システムにおいて、上り光信号及び下り光信号の、いずれの光信号に対しても、良好なカップリング効率でスポットサイズ変換することができる。

次に、図８（Ａ）及び（Ｂ）は、第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１における、実効光導波路部１９ａの短手方向２９に沿った幅Ｗ２と、カップリング効率との関係を示す図である。これら図８（Ａ）及び（Ｂ）において、横軸は、実効光導波路部１９ａの幅Ｗ２をμｍ単位で目盛ってある。

そして、図８（Ａ）は、第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１に対して、スポットサイズが３μｍのＬＤ２１からの入力光２３を入力した場合の結果を示している。なお、この結果を得たシミュレーションでは、コア１７の光伝播方向２７に沿った長さＬ１、すなわちテーパ長Ｌ１を３０μｍに、また、コア１７の先端部１７ａ及び入出力端面２５間の離間距離Ｌ２を５μｍに設定した。

また、図８（Ｂ）は、第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１に対して、スポットサイズが６μｍのＬＤ２１からの入力光２３を入力した場合の結果を示している。なお、この結果を得たシミュレーションでは、コア１７の光伝播方向２７に沿った長さＬ１、すなわちテーパ長Ｌ１を７０μｍに、また、コア１７の先端部１７ａ及び入出力端面２５間の離間距離Ｌ２を５μｍに設定した。

また、図８（Ａ）における曲線Ｉは、コア１７の下側のクラッド１５の厚みＴ２を１μｍ、及びコア１７の上側のクラッド１５の厚みＴ３を１μｍに設定した場合の結果を示している。また、図８（Ａ）における曲線ＩＩは、厚みＴ２を２μｍ、及び厚みＴ３を２μｍに設定した場合の結果を示している。また、図８（Ａ）における曲線ＩＩＩは、厚みＴ２を３μｍ、及び厚みＴ３を３μｍに設定した場合の結果を示している。

また、図８（Ｂ）における曲線Ｉ’は、コア１７の下側のクラッド１５の厚みＴ２を２μｍ、及びコア１７の上側のクラッド１５の厚みＴ３を２μｍに設定した場合の結果を示している。また、図８（Ａ）における曲線ＩＩ’は、厚みＴ２を３μｍ、及び厚みＴ３を３μｍに設定した場合の結果を示している。

図８（Ａ）の結果から、スポットサイズ変換器１１では、ＬＤ２１のスポットサイズが３μｍである場合には、クラッド１５の各厚みＴ２及びＴ３において、実効光導波路部１９ａの幅Ｗ２が２μｍ以内であれば、良好なカップリング効率が得られることが分かる。

また、図８（Ｂ）の結果から、スポットサイズ変換器１１では、ＬＤ２１のスポットサイズが６μｍである場合には、クラッド１５の各厚みＴ２及びＴ３において、実効光導波路部１９ａの幅Ｗ２が２〜４μｍ以内であれば、良好なカップリング効率が得られることが分かる。

従って、これら図８（Ａ）及び（Ｂ）の結果から明らかなように、第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１では、良好なカップリング効率を得るために、実効光導波路部１９ａの幅Ｗ２を、最大でもＬＤ２１のスポットサイズの７０％以下とするのが好適であるといえる。

〈第１の変形例〉
第１の変形例では、上述した第１の実施の形態において説明した溝部３１ａ及び３１ｂの構成（図１（Ｂ）参照）を、上述した構成例から変更したスポットサイズ変換器について説明する。

この第１の変形例では、上述した光の閉じ込めの効果をより効率良く得るために、上述した第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１（図１（Ａ）及び（Ｂ）参照）に、さらに追加的な構成を設ける。それ以外の構成要素及び作用効果は、第１の実施の形態と同様であるので、共通する構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。

図９は、第１の変形例を説明する概略的な断面図である。なお、この図９に示す断面は、図１（Ａ）に示すＩ−Ｉ線に沿って、基板の厚み方向に切り取った断面に相当する。

第１の変形例によるスポットサイズ変換器３５では、コア１７を包含する周辺クラッド部分１５ａに、溝部３１ａ及び３１ｂが形成されている。

横溝３７ａ及び３７ｂは、コア１７側に向かって、基板面１３ａに沿って形成されている。

このような、第１の変形例によるスポットサイズ変換器３５では、溝部３１ａ及び３１ｂによる、短手方向２９に沿った両側からの光の閉じ込め効果に加えて、さらに横溝３７ａ及び３７ｂによって、実効光導波路部分１９ａと基板１３との間において、基板１３の厚み方向に沿った、下側からの、光の閉じ込め効果を得ることができる。従って、この第１の変形例によるスポットサイズ変換器３５の構成では、上述した第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器の光の閉じ込め効果を、さらに効率良く得ることができる。

〈第２の変形例〉
第２の変形例では、上述した第１の実施の形態または第１の変形例において説明した溝部３１ａ及び３１ｂの構成（図１（Ｂ）及び図９参照）を、上述したこれらの構成例から変更したスポットサイズ変換器について説明する。

この第２の変形例では、上述した光の閉じ込めの効果をより効率良く得るために、上述した第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１（図１（Ａ）及び（Ｂ）参照）、または第１の変形例によるスポットサイズ変換器３５に、さらに追加的な構成を設ける。それ以外の構成要素及び作用効果は、第１の実施の形態と同様であるので、共通する構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。そして、ここでは、上述した第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器１１に、この第２の変形例を適用した場合の構成例について、図示するとともに説明する。

図１０は、第２の変形例を説明する概略的な断面図である。なお、この図 に示す断面は、図１（Ａ）に示すＩ−Ｉ線に沿って、基板の厚み方向に切り取った断面に相当する。

第３の変形例によるスポットサイズ変換器３９では、周辺クラッド部分１５ａの露出表面１５ｂ、すなわち実効光導波路部１９ａの露出表面１５ｂが、反射膜４１で被覆されている。

反射膜４１は、好ましくは、例えば屈折率が３．５程度の単結晶Ｓｉを材料として、例えば０．１μｍ程度の厚みで設けるのがよい。

このような、第２の変形例によるスポットサイズ変換器３９では、反射膜４１によって実効光導波路部１９ａが被覆されているため、実効光導波路部１９ａ内に入力された光は、短手方向２９に沿った両側から、及び基板１３の厚み方向に沿った上側から、この反射膜４１によって閉じ込められる。従って、この第２の変形例によるスポットサイズ変換器３９の構成では、上述した第１の実施の形態または第１の変形例によるスポットサイズ変換器の光の閉じ込め効果を、さらに効率良く得ることができる。

ここで、図１０では、反射膜４１が、周辺クラッド部分１５ａの露出表面１５ｂ、すなわち基板面１３ａに対向する上面１５ｂａ、及び溝部３１ａ及び３１ｂの内側壁面として露出した、基板面１３ａに直交しかつ光伝播方向２７に沿った両側側面１５ｂｂ及び１５ｂｃの全面を覆う構成例を示している。しかし、この第２の変形例によるスポットサイズ変換器３９では、製造の容易性、製造コスト、その他設計に応じて、反射膜４１が、周辺クラッド部分１５ａの露出表面１５ｂの一部、例えば上面１５ｂａのみを覆う構成としてもよい。この場合には、上面１５ｂａへの光の漏れは、反射膜４１による閉じ込め効果によって抑えられ、短手方向２９に沿った両側への光の漏れは、溝部３１ａ及び３１ｂによる閉じ込め効果によって抑えられる。

（Ａ）は、この発明の第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器の要部を概略的に表した平面図である。（Ｂ）は、（Ａ）に示す構造体について、Ｉ−Ｉ線に沿って切り取った断面図である。 この発明の第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器における、テーパ長Ｌ１とカップリング効率との関係を示す図である。 この発明の第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器における、実効光導波路部の幅Ｗ２とカップリング効率との関係を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器の溝部の効果を評価するための図である。 この発明の第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器の溝部の効果を評価するための図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、この発明の第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器の溝部の効果を評価するための図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、この発明の第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器の溝部の効果を評価するための図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、この発明の第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器における、実効光導波路部の幅Ｗ２とカップリング効率との関係を示す図である。 この発明の第１の変形例を説明する概略的な断面図である。 この発明の第２の変形例を説明する概略的な断面図である。

符号の説明

１１、３５、３９：スポットサイズ変換器
１３：基板
１５：クラッド
１７：コア
１９：光導波路部
１９ａ：実効光導波路部
２１：ＬＤ
２３：入力光
２５：入出力端面
２７：光伝播方向
２９：短手方向
３１ａ、３１ｂ：溝部
３７ａ、３７ｂ：横溝
４１：反射膜

Claims (3)

1. 基板上に形成されているクラッドと、該クラッド内に埋め込まれているコアとを具えているスポットサイズ変換器であって、
   当該スポットサイズ変換器は、入出力端面を有し、
   前記コアは、光伝播方向に沿って、前記入出力端面側に向かって先細となっており、
   前記クラッドには、前記光伝播方向に沿って、前記コアの両側に、基板面を露出させる溝部が、前記入出力端面まで延在して形成されている
   ことを特徴とするスポットサイズ変換器。
2. 請求項１に記載のスポットサイズ変換器であって、
   前記コアを包含する周辺クラッド部分に、前記溝部から前記コア側に向かって、前記基板面に沿った横溝が形成されている
   ことを特徴とするスポットサイズ変換器。
3. 請求項１または２に記載のスポットサイズ変換器であって、
   前記周辺クラッド部分の露出表面を、反射膜で被覆してある
   ことを特徴とするスポットサイズ変換器。