JP2010277048A - 光導波路 - Google Patents

Abstract

【課題】光導波路を、容易に形成でき、例えばスポットサイズ変換の変換比が大きい場合であっても、変換効率が高く、短い距離でスポットサイズ変換を行なえる構造とする。
【解決手段】光導波路を、第１の幅を有する第１導波路コア部１と、第１の幅よりも広い第２の幅を有する第２導波路コア部２と、第１導波路コア部１と第２導波路コア部２とを接続するテーパ状導波路コア部３とを備えるものとし、テーパ状導波路コア部３を、第１導波路コア部１から第２導波路コア部２へ向けて幅が広くなるテーパ形状を有するものとし、第１導波路コア部１に接続される側の幅を第１の幅と同一にし、第２導波路コア部２に接続される側の幅を第２の幅よりも狭くする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば高速、大容量の信号伝送を必要とする情報通信系の装置内において光信号を伝達するのに用いて好適の光導波路（光配線）に関する。

光信号は高速、大容量の信号伝送に適しており、長距離の基幹通信システムでは、光信号を用いるものがすでに実用化されている。また、コンピュータなどの情報系装置も信号の高速化により、装置間ではすでに光信号を用いるものが実用化されており、装置内、ボード内においても光信号を用いることが視野に入ってきている。
通常、光導波路（光配線）は、単にデータを送るだけではなく、さまざまな機能が求められる。その一つが、コアの大きさが異なる光導波路を接続する場合のスポットサイズ変換である。

例えば光導波路が基板上に形成される場合、幅方向のスポットサイズ変換、高さ方向のスポットサイズ変換、及び、幅と高さの両方向のスポットサイズ変換を行なうことが求められる。
幅方向のスポットサイズ変換を行なうために、導波路コアの幅をテーパ状にすることが考えられる。また、高さ方向のスポットサイズ変換を行なうために、導波路コアの厚さをテーパ状にすることが考えられる。さらに、幅と高さの両方向のスポットサイズ変換を行なうために、導波路コアの幅及び厚さをテーパ状にした複合構造にすることが考えられる。

最もシンプルな変換構造は、図１９に示すように、コアの大きさが異なる２つの光導波路間を直線テーパ導波路で接続するものである。このほか、図２０に示すような放物線テーパ導波路で接続することや指数関数テーパ導波路などによって接続することも提案されている。また、変換部を細分化し、数値計算で個々の幅を最適化した構造も提案されている。

特許第２８７５２８６号公報 特開平８−１７１０２０号公報 特開平１１−６４６５３号公報

W. K. Burns et al., "Optical waveguide parabolic coupling horns", APPLIED PHYSICS LETTERS, Vol.30, No.1, pp.28-30, 1 January 1977 Osamu Mitomi et al., "Design of a Single-Mode Tapered Waveguide for Low-Loss Chip-to-Fiber Coupling", IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, Vol.30, No.8, pp.1787-1793, August 1994 Michael M. Spuhler et al., "A Very Short Planar Silica Spot-Size Converter Using a Nonperiodic Segmented Waveguide", JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol.16, No.9, pp.1680-1685, September 1998 Bert Luyssaert et al., "Efficient Nonadiabatic Planar Waveguide Tapers", JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol.23, No.8, pp.2462-2468, August 2005

しかしながら、上述の直線テーパ導波路を用いる場合、形成が容易な反面、テーパ長、即ち、直線テーパ導波路の長さを長くすることが必要である。
また、上述の放物線テーパ導波路や指数関数テーパ導波路を用いる場合、特にスポットサイズ変換の変換比が大きくなると、直線テーパ導波路を用いる場合と同様に、テーパ導波路の長さを長くすることが必要である。

また、上述の変換部を細分化し、数値計算で個々の幅を最適化した構造を用いる場合、得られる形状は複雑であるが、変換効率が高く、短い距離でもスポットサイズ変換が可能になる。しかしながら、大量の数値計算が必要になる。また、最適化に用いた波長や偏光状態からずれた場合の変換効率の低下が、直線テーパ導波路や放物線テーパ導波路等を用いる場合よりも大きい。計算上は変換部を細かく分割するほど変換効率が上がるが、実際にその形状を再現できる加工精度が得られない場合もある。

そこで、容易に形成でき、例えばスポットサイズ変換の変換比が大きい場合であっても、変換効率が高く、短い距離でスポットサイズ変換を行なえる構造を実現したい。

このため、本光導波路は、第１の幅を有する第１導波路コア部と、第１の幅よりも広い第２の幅を有する第２導波路コア部と、第１導波路コア部と第２導波路コア部とを接続するテーパ状導波路コア部とを備え、テーパ状導波路コア部は、第１導波路コア部から第２導波路コア部へ向けて幅が広くなるテーパ形状を有し、第１導波路コア部に接続される側の幅が第１の幅と同一になっており、第２導波路コア部に接続される側の幅が第２の幅よりも狭くなっていることを要件とする。

したがって、本光導波路によれば、容易に形成でき、例えばスポットサイズ変換の変換比が大きい場合であっても、変換効率が高く、短い距離でスポットサイズ変換を行なえるという利点がある。

第１実施形態にかかる光導波路の構成を示す模式的平面図である。 第１実施形態にかかる光導波路の構成を示す模式的斜視図である。 第１実施形態にかかる光導波路に含まれるテーパ状導波路コア部のテーパ形状による効果を説明するための図である。 第１実施形態にかかる光導波路に含まれるテーパ状導波路コア部のテーパ形状による効果を説明するための図である。 第１実施形態にかかる光導波路に含まれるテーパ状導波路コア部のテーパ形状による効果を説明するための図である。 第１実施形態にかかる光導波路に含まれるテーパ状導波路コア部のテーパ形状による効果を説明するための図である。 第１実施形態にかかる光導波路に含まれるテーパ状導波路コア部のテーパ形状による効果を説明するための図である。 第１実施形態にかかる光導波路に含まれるテーパ状導波路コア部のテーパ形状による効果を説明するための図である。 第１実施形態にかかる光導波路に含まれるテーパ状導波路コア部のテーパ形状による効果を説明するための図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、第１実施形態にかかる光導波路の製造方法を説明するための模式的斜視図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、第１実施形態にかかる光導波路の製造方法を説明するための模式的斜視図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は、各実施形態にかかる光導波路に含まれるテーパ状導波路コア部のテーパ形状による効果を説明するための図である。 第２実施形態にかかる光導波路の構成を示す模式的平面図である。 第２実施形態にかかる光導波路に含まれるテーパ状導波路コア部のテーパ形状による効果を説明するための図である。 第３実施形態にかかる光導波路の構成を示す模式的平面図である。 第３実施形態にかかる光導波路に含まれるテーパ状導波路コア部のテーパ形状のシミュレーションにおいて用いるパラメータを説明するための図である。 第３実施形態にかかる光導波路に含まれるテーパ状導波路コア部のテーパ形状による効果を説明するための図である。 第３実施形態にかかる光導波路に含まれるテーパ状導波路コア部のテーパ形状による効果を説明するための図である。 従来の直線テーパを用いて接続した光導波路を示す模式的平面図である。 従来の放物線テーパを用いて接続した光導波路を示す模式的平面図である。

以下、図面により、本実施形態にかかる光導波路について説明する。
［第１実施形態］
第１実施形態にかかる光導波路について、図１〜図１２を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる光導波路は、コアの大きさが幅方向で異なる２つの光導波路（細い光配線と太い光配線）を有し、幅方向のスポットサイズ変換機能（スポットサイズ変換構造；スポットサイズ変換器）を有するものである。

なお、光は可逆である（相反性を有する）ため、ここでは、幅方向のスポットサイズを拡大する方向へ光が伝搬する場合、即ち、小さいスポットサイズから大きいスポットサイズへ変換する場合を例に挙げて説明する。
本光導波路は、図１、図２に示すように、第１の幅Ｗ１を有する第１導波路コア部１と、第１の幅Ｗ１よりも広い第２の幅Ｗ２（Ｗ１＜Ｗ２）を有する第２導波路コア部２と、第１導波路コア部１と第２導波路コア部２とを接続するテーパ状導波路コア部３（スポットサイズ変換器）とを備える。

これらの第１導波路コア部１、第２導波路コア部２及びテーパ状導波路コア部３からなるコア（導波路コア）６はクラッド層５，８によって覆われており［図１１（Ｄ）参照］、光導波路を構成している。なお、第１導波路コア部１がクラッド層５，８によって覆われている部分を第１光導波路部といい、第２導波路コア部２がクラッド層５，８によって覆われている部分を第２光導波路部といい、テーパ状導波路コア部３がクラッド層５，８によって覆われている部分をテーパ状光導波路部という。

ところで、単にエネルギーを伝えたいのであれば、第１光導波路部と第２光導波路部とをそのまま接続しても、第１光導波路部から第２光導波路部へ向かう方向では十分機能する場合もある。但し、第２光導波路部から第１光導波路部へ向かう方向では損失が発生する。
一方、スポットサイズ変換を行なう場合、第１光導波路部を伝搬する光の基本モードと第２光導波路部を伝搬する光の基本モードとを高効率に変換することが必要になる。例えば、第１光導波路部がシングルモードであり、第２光導波路部がマルチモードである場合、第２光導波路部から第１光導波路部へ光が伝搬するときに、マルチモードの中に含まれる基本モードが第１光導波路部に結合するように、スポットサイズ変換を行なう必要がある。

また、スポットサイズ変換の変換比ＲをＲ＝Ｗ２／Ｗ１と定義すると、変換比Ｒが１に近い場合は、スポットサイズ変換が容易であり、あまり問題にならない。しかしながら、変換比Ｒが大きくなると、高効率に変換するのが難しく、短い距離で変換を行なうことができなくなる。
このため、幅方向のスポットサイズ変換において、変換比が大きい場合であっても、基本モード間の変換が高効率に行なわれ、短い距離で変換を行なえるようにしたい。

短い距離で変換するためには、変換初期に光の進行方向を大きい角度に広げることが有効である。一方、光は直進性が強いため、そのままでは広がる一方になってしまうため、変換後半では逆に角度を抑制することが必要である。
そこで、本実施形態では、図１、図２に示すように、テーパ状導波路コア部３を、第１導波路コア部１から第２導波路コア部２へ向けて幅が広くなるテーパ形状を有するものとし、第１導波路コア部１に接続される側の幅Ｗ３を第１導波路コア部１の幅Ｗ１と同一にし（Ｗ３＝Ｗ１）、第２導波路コア部２に接続される側の幅Ｗ４を第２導波路コア部２の幅Ｗ２よりも狭くしている（Ｗ４＜Ｗ２）。

このように、第２導波路コア部２に接続される側の幅Ｗ４を第２導波路コア部２の幅Ｗ２よりも狭くすることで、コアへ光が集中する効果により、光の広がりが抑制されるようにしている。
一方、第１導波路コア部１に接続される側の部分（前側部分）は、第１導波路コア部１と第２導波路コア部２とを直線で結んだ直線テーパ導波路（図１９参照）の広がり角よりも大きい広がり角を持つテーパ形状になっている。

本実施形態では、テーパ状導波路コア部３は、曲線テーパ形状を有する。つまり、第１導波路コア部１と第２導波路コア部２とが、曲線テーパ形状を有するテーパ状導波路コア部３によって接続されている。
具体的には、テーパ状導波路コア部３は、長さ（テーパ長）をＬとし、第１導波路コア部１に接続される側の幅をＷ３とし、第２導波路コア部２に接続される側の幅をＷ４として、長さ方向位置ｚと幅ｘとの関係が、次式（１）で定義される放物線（二次曲線）テーパ形状を有する。

特に、本実施形態では、このような放物線テーパ形状を有するテーパ状導波路コア部３は、第２導波路コア部２に接続される側の幅Ｗ４が第２の第２導波路コア部２の幅Ｗ２に対して約５０％〜約８５％の幅になっている。つまり、テーパ状導波路コア部３の第２導波路コア部２に接続される側の幅Ｗ４を、Ｗ２×約０.５０〜約０.８５とした放物線テーパ形状を有するテーパ状導波路コア部３を備える。ここで、第２導波路コア部２の幅Ｗ２に対する、テーパ状導波路コア部３の第２導波路コア部２に接続される側の幅Ｗ４の割合Ｗ４／Ｗ２を、Ｗ４の縮小率とすると、縮小率を約５０％〜約８５％の範囲としていることになる。

以下、シミュレーションの結果について、図３〜図９を参照しながら説明する。
ここでは、等価屈折率法を用いた２次元ビーム伝搬法（ＢＰＭ：Beam Propagation Method）を用いた。クラッドの屈折率は石英と同じ１.４５とし、比屈折率差Δが０.５％〜１０.０％となるようにコアの屈折率を設定した。波長は１.３１μｍである。第１導波路コア部１はシングルモードとなる正方形コアとし、第２導波路コア部２はこれの幅を拡大したものとした。シミュレーションにおける第２導波路コア部２の出力光と第２導波路コア部２の基本モードとの間の重なり積分を求め、これを変換効率とした。

まず、図３は、変換効率が０.５ｄＢ（＝８９％）となる各種テーパの長さ（各種テーパの０.５ｄＢ変換に必要な長さ）を求め、テーパ長（変換部の長さ）（μｍ）と変換比Ｗ２／Ｗ１との関係として示したものである。なお、比屈折率差Δは１．０％とした。
図３に示すように、変換効率０.５ｄＢを得るのに、従来の直線テーパと従来の放物線テーパとはほぼ同じテーパ長が必要であることが分かる。

一方、本実施形態のテーパ形状を有するテーパ状導波路コア部３は、従来の直線テーパや放物線テーパよりも短いテーパ長で変換効率０.５ｄＢが得られており、短い距離で変換できることが分かる。なお、縮小率は図５に示されているシミュレーション結果と同じである。
次に、図４〜図８は、本実施形態のテーパ状導波路コア部３を用いた場合の変換効率０.５ｄＢとなるテーパ長及び縮小率Ｗ４／Ｗ２のシミュレーション結果を示したものである。なお、図４〜図８は、比屈折率差Δを０.５％〜１０.０％の範囲で変化させた場合のシミュレーション結果をそれぞれ示している。つまり、図４は比屈折率差Δ０.５％の場合、図５は比屈折率差Δ１.０％の場合、図６は比屈折率差Δ２.０％の場合、図７は比屈折率差Δ５.０％の場合、図８は比屈折率差Δ１０．０％の場合のそれぞれのシミュレーション結果を示している。また、第２導波路コア部２の幅Ｗ２を固定し、第１導波路コア部１の幅Ｗ１を変化させた場合のシミュレーション結果を示している。

ここで、図４〜図８中、実線Ａは、直線テーパのテーパ長を１とした場合の直線テーパのテーパ長に対する本実施形態のテーパ状導波路コア部３のテーパ長の割合（本テーパ長／直線テーパ長；短縮率）を、変換比Ｗ２／Ｗ１との関係で示したものである。なお、直線テーパのテーパ長は、直線テーパを用いた場合の変換効率０.５ｄＢとなるテーパ長を用いている。

図４〜図８中、実線Ｂは、第２導波路コア部２の幅Ｗ２を１とした場合の第２導波路コア部２の幅Ｗ２に対する本実施形態のテーパ状導波路コア部３の第２導波路コア部２に接続される側の幅Ｗ４の割合（縮小率Ｗ４／Ｗ２）を、変換比Ｗ２／Ｗ１との関係で示したものである。なお、縮小率Ｗ４／Ｗ２は、同一テーパ長で最も変換効率が良くなるもの（最適値）を示している。この最適値については、光導波路の条件に依存するため、シミュレーションにて求めることが必要であるが、一般的に用いられているＢＰＭにて簡便に求めることができる。

図４〜図８に示すように、本実施形態のテーパ状導波路コア部３では、直線テーパの半分程度の長さ［本テーパ長／直線テーパ長が約０．４５〜約０．６０の範囲（約４５％〜約６０％の範囲）］で変換効率０.５ｄＢが得られ、短いテーパ長で変換が可能であることが分かる。
また、図４〜図８に示すように、それぞれの場合の縮小率Ｗ４／Ｗ２は、約０．５５〜約０．７０の範囲（約５５％〜約７０％の範囲）となっていることが分かる。

また、図４〜図８に示すように、どの比屈折率差Δでも同様の結果となっているため、広い条件で応用可能な構造であることが分かる。
次に、図９は、図４中、符号Ｘで示す範囲に含まれるデータ（シミュレーション結果）における縮小率と変換効率との関係を示したものである。
ここで、図４中、符号Ｘで示す範囲に含まれるデータは、変換効率０．５ｄＢとなるテーパ長及び縮小率のうち、縮小率（最適値）が約７２％の場合、即ち、同一変換比Ｗ２／Ｗ１、同一テーパ長で、最も変換効率が良くなる縮小率が約７２％の場合のシミュレーション結果を示している。

この場合、同一変換比Ｗ２／Ｗ１、同一テーパ長で、縮小率Ｗ４／Ｗ２（％）（ここではＷ４）を変化させると、変換効率（ｄＢ）は、図９に示すように変化する。つまり、図９に示すように、縮小率約７２％で変換効率が最も良くなり、変換効率０．５ｄＢが得られている。また、縮小率約５０％〜約８５％の範囲で、最適変換効率０．５ｄＢから０．５ｄＢの範囲内の変換効率が得られている。つまり、最適変換効率０．５ｄＢから０．５ｄＢの範囲内の変換効率、即ち、１．０ｄＢ以内の変換効率が得られるのは、縮小率約５０％〜約８５％の範囲となっている。そして、この範囲内では、変換効率が比較的フラットであるものの、この範囲から外れると、急に変換効率が低下することが分かる。なお、他の条件においても同様の範囲に含まれる。

したがって、本実施形態では、上述のように、縮小率を約５０％〜約８５％の範囲としている。つまり、第２導波路コア部２に接続される側の幅Ｗ４が第２導波路コア部２の幅Ｗ２に対して約５０％〜約８５％の幅になるようにしている。
次に、本実施形態にかかる光導波路の製造方法について、図１０を参照しながら説明する。

なお、本実施形態のテーパ状導波路コア部３を備える光導波路は、従来の直線テーパや放物線テーパを備えるものと導波路構造は同じであるため、材料や形成法はそのまま適用できる。
また、光導波路の材料は、特に制限はなく、例えば、石英、ガラス、シリコン、樹脂（例えばエポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、ポリシラン、シリコーン樹脂など）を使うことができる。ここでは、例えばポリイミド樹脂（ＯＰＩ、日立化成工業）を用いている。

まず、図１０（Ａ）に示すように、平滑な基板４（例えば石英、ガラス、シリコン、セラミックス、樹脂など）の上に、クラッド用樹脂（下部クラッド層）５（例えばＯＰＩ−Ｎ３２０５）を例えばスピンコートにて塗布し、例えば３５０℃で硬化させる。
次いで、図１０（Ｂ）に示すように、コア用樹脂（コア層）６（例えばＯＰＩ−Ｎ３３０５又はＯＰＩ−Ｎ３４０５）を同様にして塗布・硬化させる。

次に、図１０（Ｃ）に示すように、例えば金属の薄膜（金属膜）７を、例えばスパッタ、蒸着などによって形成した後、例えばレジストを塗布し、例えばフォトリソグラフィ法にて、図１０（Ｄ）に示すように、コア形状を有するレジストパターン８を形成する。
次いで、図１１（Ａ）に示すように、例えばウェットエッチングによってレジストパターン８を金属膜７に転写する。

そして、図１１（Ｂ）に示すように、金属膜７をエッチングマスクとして、例えばドライエッチングによってコア層６を加工し、第１導波路コア部１、テーパ状導波路コア部３及び第２導波路コア部２からなるコアパターンを形成する。
最後に、図１１（Ｃ）に示すように、金属膜７を除去した後、図１１（Ｄ）に示すように、コア層６の上方に、再び、クラッド用樹脂（上部クラッド層）８を塗布・硬化させて、光導波路が完成する。

したがって、本実施形態にかかる光導波路によれば、容易に形成でき、例えばスポットサイズ変換の変換比が大きい場合であっても、変換効率が高く、短い距離でスポットサイズ変換を行なえるという利点がある。
特に、本実施形態にかかる光導波路によれば、従来の直線テーパや放物線テーパを用いた場合と比較して、ほぼ半分の長さで幅の異なる光導波路を接続することができる。また、同じ長さであれば、より高品質な接続が可能となる。

ここで、図１２は、従来の直線テーパ及び放物線テーパ、及び、各実施形態におけるテーパ形状について、同じ縮尺（縦横比Ｗ：Ｈ＝８：１）で示したものである。つまり、ここでは、長さを１／８にして示している。なお、比屈折率差Δは１.０％、変換比は１４．３である。
図１２（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示すように、本実施形態における放物線テーパ形状によれば、従来の直線テーパや放物線テーパと比較して、短い距離で幅の異なる光導波路を低損失で接続することが可能であることが分かる。

これにより、光回路の小型化や高品質化（低損失化）に寄与することができる。また、設計（シミュレーション）や製造についても、従来の直線テーパや放物線テーパに関する技術で十分対応できる形状である。
なお、上述の実施形態では、テーパ状導波路コア部３を、放物線テーパ形状（曲線テーパ形状）を有するものとして説明しているが、これに限られるものではない。例えば、上述の実施形態の放物線テーパ形状に近似する形状、例えば折れ線テーパ形状を有するものとしても良く、この場合も同様の作用・効果が得られる。
［第２実施形態］
第２実施形態にかかる光導波路について、図１３、図１４を参照しながら説明する。

本実施形態では、上述の第１実施形態のものに対し、テーパ状導波路コア部のテーパ形状が異なる。
本実施形態にかかる光導波路は、図１３に示すように、第１の幅Ｗ１を有する第１導波路コア部１と、第１の幅Ｗ１よりも広い第２の幅Ｗ２（Ｗ１＜Ｗ２）を有する第２導波路コア部２と、第１導波路コア部１と第２導波路コア部２とを接続するテーパ状導波路コア部３Ａ（スポットサイズ変換器）とを備える。なお、図１３では、上述の第１実施形態のもの（図１参照）と同一のものには同一の符号を付している。

特に、テーパ状導波路コア部３Ａを、第１導波路コア部１から第２導波路コア部２へ向けて幅が広くなるテーパ形状を有するものとし、第１導波路コア部１に接続される側の幅Ｗ３を第１導波路コア部１の幅Ｗ１と同一にし（Ｗ３＝Ｗ１）、第２導波路コア部２に接続される側の幅Ｗ４を第２導波路コア部２の幅Ｗ２よりも狭くしている（Ｗ４＜Ｗ２）。
本実施形態では、テーパ状導波路コア部３Ａは、曲線テーパ形状を有する。つまり、第１導波路コア部１と第２導波路コア部２とが、曲線テーパ形状を有するテーパ状導波路コア部３Ａによって接続されている。

具体的には、テーパ状導波路コア部３Ａは、長さ（テーパ長）をＬとし、第１導波路コア部１に接続される側の幅をＷ３とし、第２導波路コア部２に接続される側の幅をＷ４として、長さ方向位置ｚと幅ｘとの関係が、次式（２）で定義され、次数αが−１〜−３の範囲の指数関数テーパ形状（曲線テーパ形状）を有する。

特に、本実施形態では、このような指数関数テーパ形状を有するテーパ状導波路コア部３Ａは、第２導波路コア部２に接続される側の幅Ｗ４が第２導波路コア部２の幅Ｗ２に対して約６０％〜約８０％の幅になっている。つまり、テーパ状導波路コア部３Ａの第２導波路コア部２に接続される側の幅Ｗ４を、Ｗ２×約０.６〜約０.８とした指数関数テーパ形状を有するテーパ状導波路コア部３Ａを備える。ここで、第２導波路コア部２の幅Ｗ２に対する、テーパ状導波路コア部３Ａの第２導波路コア部２に接続される側の幅Ｗ４の割合Ｗ４／Ｗ２を、Ｗ４の縮小率とすると、縮小率を約６０％〜約８０％の範囲としていることになる。

以下、上述の第１実施形態の場合と同様に行なったシミュレーションの結果について、図１４を参照しながら説明する。
図１４は、本実施形態のテーパ状導波路コア部３Ａを用いた場合の変換効率０.５ｄＢ（＝８９％）となるテーパ長及び縮小率Ｗ４／Ｗ２のシミュレーション結果を示したものである。なお、図１４は、比屈折率差Δ１.０％、変換比１４．３の場合のシミュレーション結果を示している。

ここで、図１４中、実線Ａは、直線テーパのテーパ長を１とした場合の直線テーパのテーパ長に対する本実施形態のテーパ状導波路コア部のテーパ長の割合（本テーパ長／直線テーパ長；短縮率）を、変換比Ｗ２／Ｗ１との関係で示したものである。なお、直線テーパのテーパ長は、直線テーパを用いた場合の変換効率０.５ｄＢとなるテーパ長を用いている。

図１４中、実線Ｂは、第２導波路コア部２の幅Ｗ２を１とした場合の第２導波路コア部２の幅Ｗ２に対する本実施形態のテーパ状導波路コア部３Ａの第２導波路コア部２に接続される側の幅Ｗ４の割合（縮小率Ｗ４／Ｗ２）を、変換比Ｗ２／Ｗ１との関係で示したものである。なお、縮小率Ｗ４／Ｗ２は、同一テーパ長で最も変換効率が良くなるもの（最適値）を示している。

図１４に示すように、本実施形態のテーパ状導波路コア部３Ａでは、直線テーパの半分程度の長さ［本テーパ長／直線テーパ長が約０．３５〜約０．５５の範囲（約３５〜約５５％の範囲）］で変換効率０.５ｄＢが得られ、短いテーパ長で変換が可能であることが分かる。
また、図１４に示すように、それぞれの場合の縮小率Ｗ４／Ｗ２は、約０．６０〜約０．８０の範囲（約６０〜約８０％の範囲）となっていることが分かる。

このように、テーパ状導波路コア部３Ａを指数関数テーパ形状を有するものとした場合、上記式（２）における次数αで形状が定義されることになるが、α＝−２を中心としたα＝−１〜−３の範囲で効果があり、上述の第１実施形態の放物線テーパ形状を有するテーパ状導波路コア部３を用いる場合よりも短いテーパ長での変換が可能となる。
なお、その他の詳細は、上述の第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

したがって、本実施形態にかかる光導波路によれば、上述の第１実施形態の場合と同様に、容易に形成でき、例えばスポットサイズ変換の変換比が大きい場合であっても、変換効率が高く、短い距離でスポットサイズ変換を行なえるという利点がある。
特に、本実施形態にかかる光導波路によれば、従来の直線テーパや放物線テーパを用いた場合と比較して、ほぼ半分の長さで幅の異なる光導波路を接続することができる。また、同じ長さであれば、より高品質な接続が可能となる。

図１２（Ａ），（Ｂ），（Ｄ）に示すように、本実施形態におけるテーパ形状によれば、従来の直線テーパや放物線テーパと比較して、短い距離で幅の異なる光導波路を低損失で接続することが可能であることが分かる。
これにより、光回路の小型化や高品質化（低損失化）に寄与することができる。また、設計（シミュレーション）や製造についても、従来の直線テーパや放物線テーパに関する技術で十分対応できる形状である。

なお、上述の実施形態では、テーパ状導波路コア部３Ａを、指数関数テーパ形状（曲線テーパ形状）を有するものとして説明しているが、これに限られるものではない。例えば、上述の実施形態の指数関数テーパ形状に近似する形状、例えば折れ線テーパ形状を有するものとしても良く、この場合も同様の作用・効果が得られる。
［第３実施形態］
第３実施形態にかかる光導波路について、図１５〜図１８を参照しながら説明する。

本実施形態では、上述の第１実施形態のものに対し、テーパ状導波路コア部のテーパ形状が異なる。
本実施形態にかかる光導波路は、図１５に示すように、第１の幅Ｗ１を有する第１導波路コア部１と、第１の幅Ｗ１よりも広い第２の幅Ｗ２（Ｗ１＜Ｗ２）を有する第２導波路コア部２と、第１導波路コア部１と第２導波路コア部２とを接続するテーパ状導波路コア部３Ｂ（スポットサイズ変換器）とを備える。なお、図１５では、上述の第１実施形態のもの（図１参照）と同一のものには同一の符号を付している。

特に、本実施形態では、テーパ状導波路コア部３Ｂは、折れ線テーパ形状を有する。つまり、第１導波路コア部１と第２導波路コア部２とが、折れ線テーパ形状を有するテーパ状導波路コア部３Ｂによって接続されている。
具体的には、テーパ状導波路コア部３Ｂは、第１導波路コア部１の側から第２導波路コア部２の側へ向けて幅が広くなる第１直線テーパ形状部３Ｂａと、第１直線テーパ形状部３Ｂａに連なり、第１導波路コア部１の側から第２導波路コア部２の側へ向けて幅が狭くなる第２直線テーパ形状部３Ｂｂとを有する。なお、第１直線テーパ形状部３Ｂａを、順テーパ形状部、あるいは、前段テーパ形状部ともいう。また、第２直線テーパ形状部３Ｂｂを、逆テーパ形状部、あるいは、後段テーパ形状部ともいう。これにより、後半の逆テーパ形状が一種のプリズム的な効果を示すことで、高効率な変換が可能となる。

そして、第１直線テーパ形状部３Ｂａは、第１導波路コア部１に接続される側の幅Ｗ３が第１導波路コア部１の幅Ｗ１と同一になっている（Ｗ３＝Ｗ１）。
また、第２直線テーパ形状部３Ｂｂは、第２導波路コア部２に接続される側の幅Ｗ４が第２導波路コア部２の幅Ｗ２よりも狭くなっている（Ｗ４＜Ｗ２）。
ここでは、第２直線テーパ形状部３Ｂｂは、第２導波路コア部２に接続される側の幅Ｗ４が第２導波路コア部２の幅Ｗ２に対して約０％〜約４０％の幅になっている。つまり、テーパ状導波路コア部３Ｂの第２導波路コア部２に接続される側の幅Ｗ４を、Ｗ２×約０〜約０.４としたテーパ形状を有する第２直線テーパ形状部３Ｂｂを備える。ここで、第２導波路コア部２の幅Ｗ２に対する、第２導波路コア部２に接続される側の幅Ｗ４の割合Ｗ４／Ｗ２を、Ｗ４の縮小率とすると、縮小率を約０％〜約４０％の範囲としていることになる。なお、縮小率０％の場合、第２直線テーパ形状部３Ｂｂの第２導波路コア部２に接続される側の幅Ｗ４がない、即ち、第２直線テーパ形状部３Ｂｂと第２導波路コア部２とが接続されていないことになる。

さらに、第１導波路コア部１の側から折れ線テーパの屈曲部（屈曲点）までの長さＬ１、即ち、第１導波路コア部１と第１直線テーパ形状部３Ｂａとの接続部（接続点）から第１直線テーパ形状部３Ｂａと第２直線テーパ形状部３Ｂｂとの接続部（接続点）までの長さＬ１は、テーパ長Ｌの約４５％〜約９０％の範囲になっている。つまり、テーパ長Ｌに対する屈曲部までの長さＬ１の割合（Ｌ１／Ｌ；屈曲部位置）が約４５％〜約９０％の範囲になっている。要するに、屈曲部までの長さＬ１を、テーパ長Ｌ×約０.４５〜約０.９とした折れ線テーパ形状（第１直線テーパ形状部３Ｂａ及び第２直線テーパ形状部３Ｂｂ）を備える。

また、折れ線テーパの屈曲部の幅Ｗ１１、即ち、第１直線テーパ形状部３Ｂａと第２直線テーパ形状部３Ｂｂとの接続部における幅Ｗ１１は、直線テーパで接続した場合の屈曲部における幅Ｗ１０に対して約５５％〜約８０％の幅になっている。つまり、屈曲部における直線テーパ幅Ｗ１０に対する、屈曲部における第１直線テーパ形状部３Ｂａ及び第２直線テーパ形状部３Ｂｂの幅Ｗ１１の割合（Ｗ１１／Ｗ１０；屈曲部の幅）が約５５％〜約８０％の範囲になっている。要するに、屈曲部における第１直線テーパ形状部３Ｂａ及び第２直線テーパ形状部３Ｂｂの幅Ｗ１１を、直線テーパ幅Ｗ１０×約０．５５〜約０．８０としたテーパ形状（第１直線テーパ形状部３Ｂａ及び第２直線テーパ形状部３Ｂｂ）を備える。

以下、上述の第１実施形態の場合と同様に行なったシミュレーションの結果について、図１６〜図１８を参照しながら説明する。
ここでは、図１６に示すように、第１直線テーパ形状部３Ｂａ及び第２直線テーパ形状部３Ｂｂを含むテーパ状導波路コア部３Ｂの長さ（テーパ長）をＬとし、第１導波路コア部１の側から折れ線テーパの屈曲部までの長さ、即ち、第１導波路コア部１と第１直線テーパ形状部３Ｂａとの接続部から第１直線テーパ形状部３Ｂａと第２直線テーパ形状部３Ｂｂとの接続部までの長さをＬ１とし、第１導波路コア部１の幅をＷ１とし、第２導波路コア部２の幅をＷ２（Ｗ１＜Ｗ２）とし、第１直線テーパ形状部３Ｂａの第１導波路コア部１に接続される側の幅をＷ３とし、第２直線テーパ形状部３Ｂｂの第２導波路コア部２に接続される側の幅をＷ４とし、屈曲部の幅、即ち、屈曲部における第１直線テーパ形状部３Ｂａ及び第２直線テーパ形状部３Ｂｂの幅をＷ１１とし、第１導波路コア部１と第２導波路コア部２とを直線テーパで接続した場合の屈曲部における幅をＷ１０としている。

ここで、図１７は、本実施形態のテーパ状導波路コア部３Ｂを用いた場合に変換効率０.５ｄＢ（＝８９％）を得るための条件のシミュレーション結果を示したものである
図１７に示すように、比屈折率差Δ０.５％の場合、変換効率０.５ｄＢを得るためには、変換比Ｗ２／Ｗ１を９．８にし、テーパ長Ｌを３５５μｍにし、屈曲部の位置、即ち、テーパ長Ｌに対する屈曲点までの長さＬ１の割合Ｌ１／Ｌを６９％にし、第２直線テーパ形状部３Ｂｂの終端幅、即ち、第２直線テーパ形状部３Ｂｂの第２導波路コア部２に接続される側の幅Ｗ４の縮小率Ｗ４／Ｗ２を１９％にし、屈曲部の幅、即ち、直線テーパで接続した場合の屈曲部における幅Ｗ１０に対する、屈曲部における第１直線テーパ形状部３Ｂａ及び第２直線テーパ形状部３Ｂｂの幅Ｗ１１の割合（屈曲部における幅Ｗ１１の縮小率）Ｗ１１／Ｗ１０を６７％にすれば良い。

また、比屈折率差Δ１.０％の場合、変換効率０.５ｄＢを得るためには、Ｗ２／Ｗ１を１４．３にし、Ｌを２８８μｍにし、Ｌ１／Ｌを７７％にし、Ｗ４／Ｗ２を２４％にし、Ｗ１１／Ｗ１０を６９％にすれば良い。
また、比屈折率差Δ２．０％の場合、変換効率０.５ｄＢを得るためには、Ｗ２／Ｗ１を２０．８にし、Ｌを２２４μｍにし、Ｌ１／Ｌを７９％にし、Ｗ４／Ｗ２を２５％にし、Ｗ１１／Ｗ１０を７１％にすれば良い。

また、比屈折率差Δ５.０％の場合、変換効率０.５ｄＢを得るためには、Ｗ２／Ｗ１を３５．７にし、Ｌを１７８μｍにし、Ｌ１／Ｌを８５％にし、Ｗ４／Ｗ２を２４％にし、Ｗ１１／Ｗ１０を７９％にすれば良い。
また、比屈折率差Δ１０.０％の場合、変換効率０.５ｄＢを得るためには、Ｗ２／Ｗ１を６２．５にし、Ｌを１８３μｍにし、Ｌ１／Ｌを９０％にし、Ｗ４／Ｗ２を２６％にし、Ｗ１１／Ｗ１０を９２％にすれば良い。

次に、図１８は、図１７に含まれる比屈折率差Δ０.５％の場合のデータ（シミュレーション結果）において、Ｌ１／Ｌ、Ｗ４／Ｗ２、Ｗ１１／Ｗ１０のいずれかを変化させた場合の縮小率と変換効率との関係を示したものである。
Ｗ２／Ｗ１、Ｌ、Ｌ１／Ｌ、Ｗ１１／Ｗ１０を同一にし、縮小率Ｗ４／Ｗ２（％）（ここではＷ４）を変化させると、変換効率（ｄＢ）は、図１８中、実線Ａで示すように変化する。つまり、図１８中、実線Ａで示すように、縮小率約１９％で変換効率が最も良くなり、変換効率０．５ｄＢが得られている。また、縮小率約０％〜約４０％の範囲で、最適変換効率０．５ｄＢから０．５ｄＢの範囲内の変換効率が得られている。つまり、最適変換効率０．５ｄＢから０．５ｄＢの範囲内の変換効率、即ち、変換効率１．０ｄＢが得られるのは、縮小率約０％〜約４０％の範囲となっている。そして、この範囲内では、変換効率が比較的フラットであるものの、この範囲から外れると、急に変換効率が低下することが分かる。なお、他の条件においても同様の範囲に含まれる。

したがって、本実施形態では、上述のように、縮小率を約０％〜約４０％の範囲としている。つまり、第２直線テーパ形状部３Ｂｂの第２導波路コア部２に接続される側の幅Ｗ４が第２導波路コア部２の幅Ｗ２に対して約０％〜約４０％の幅になるようにしている。
また、Ｗ２／Ｗ１、Ｌ、Ｗ４／Ｗ２、Ｗ１１／Ｗ１０を同一にし、Ｌ１／Ｌ（％）（ここではＬ１）を変化させると、変換効率（ｄＢ）は、図１８中、実線Ｂで示すように変化する。つまり、図１８中、実線Ｂで示すように、Ｌ１／Ｌ約６９％で変換効率が最も良くなり、変換効率０．５ｄＢが得られている。また、Ｌ１／Ｌ約４５％〜約９０％の範囲で、最適変換効率０．５ｄＢから０．５ｄＢの範囲内の変換効率が得られている。つまり、最適変換効率０．５ｄＢから０．５ｄＢの範囲内の変換効率、即ち、変換効率１．０ｄＢが得られるのは、Ｌ１／Ｌ約４５％〜約９０％の範囲となっている。そして、この範囲内では、変換効率が比較的フラットであるものの、この範囲から外れると、急に変換効率が低下することが分かる。なお、他の条件においても同様の範囲に含まれる。

したがって、本実施形態では、上述のように、Ｌ１／Ｌを約４５％〜約９０％の範囲としている。つまり、第１導波路コア部１の側から折れ線テーパの屈曲部までの長さＬ１、即ち、第１導波路コア部１と第１直線テーパ形状部３Ｂａとの接続部から第１直線テーパ形状部３Ｂａと第２直線テーパ形状部３Ｂｂとの接続部までの長さＬ１は、テーパ長Ｌの約４５％〜約９０％の範囲になっている。

さらに、Ｗ２／Ｗ１、Ｌ、Ｗ４／Ｗ２、Ｌ１／Ｌを同一にし、Ｗ１１／Ｗ１０（％）（ここではＷ１１）を変化させると、変換効率（ｄＢ）は、図１８中、実線Ｃで示すように変化する。つまり、図１８中、実線Ｃで示すように、Ｗ１１／Ｗ１０約６７％で変換効率が最も良くなり、変換効率０．５ｄＢが得られている。また、Ｗ１１／Ｗ１０約５５％〜約８０％の範囲で、最適変換効率０．５ｄＢから０．５ｄＢの範囲内の変換効率が得られている。つまり、最適変換効率０．５ｄＢから０．５ｄＢの範囲内の変換効率、即ち、変換効率１．０ｄＢが得られるのは、Ｗ１１／Ｗ１０約５５％〜約８０％の範囲となっている。そして、この範囲内では、変換効率が比較的フラットであるものの、この範囲から外れると、急に変換効率が低下することが分かる。

したがって、本実施形態では、上述のように、Ｗ１１／Ｗ１０を約５５％〜約８０％の範囲としている。つまり、直線テーパで接続した場合の屈曲部における幅Ｗ１０に対して、屈曲部における第１直線テーパ形状部３Ｂａ及び第２直線テーパ形状部３Ｂｂの幅Ｗ１１が約５５％〜約８０％の幅になるようにしている。
なお、その他の詳細は、上述の第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

したがって、本実施形態にかかる光導波路によれば、上述の第１実施形態の場合と同様に、容易に形成でき、例えばスポットサイズ変換の変換比が大きい場合であっても、変換効率が高く、短い距離でスポットサイズ変換を行なえるという利点がある。
特に、本実施形態にかかる光導波路によれば、従来の直線テーパや放物線テーパを用いた場合と比較して、ほぼ半分の長さで幅の異なる光導波路を接続することができる。また、同じ長さであれば、より高品質な接続が可能となる。

図１２（Ａ），（Ｂ），（Ｅ）に示すように、本実施形態におけるテーパ形状によれば、従来の直線テーパや放物線テーパと比較して、短い距離で幅の異なる光導波路を低損失で接続することが可能であることが分かる。
これにより、光回路の小型化や高品質化（低損失化）に寄与することができる。また、設計（シミュレーション）や製造についても、従来の直線テーパや放物線テーパに関する技術で十分対応できる形状である。
［その他］
なお、本発明は、上述した各実施形態及び変形例に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。

１ 第１導波路コア部
２ 第２導波路コア部
３，３Ａ，３Ｂ テーパ状導波路コア部
３Ｂａ 第１直線テーパ形状部
３Ｂｂ 第２直線テーパ形状部
４ 基板
５ クラッド層
６ コア層
７ 金属膜
８ クラッド層

Claims (5)

1. 第１の幅を有する第１導波路コア部と、
   前記第１の幅よりも広い第２の幅を有する第２導波路コア部と、
   前記第１導波路コア部と前記第２導波路コア部とを接続するテーパ状導波路コア部とを備え、
   前記テーパ状導波路コア部は、前記第１導波路コア部から前記第２導波路コア部へ向けて幅が広くなるテーパ形状を有し、前記第１導波路コア部に接続される側の幅が前記第１の幅と同一になっており、前記第２導波路コア部に接続される側の幅が前記第２の幅よりも狭くなっていることを特徴とする光導波路。
2. 前記テーパ状導波路コア部は、曲線テーパ形状を有することを特徴とする、請求項１記載の光導波路。
3. 前記テーパ状導波路コア部は、放物線テーパ形状、指数関数テーパ形状、又は、これらに近似する折れ線テーパ形状を有することを特徴とする、請求項１記載の光導波路。
4. 前記テーパ状導波路コア部は、前記第２導波路コア部に接続される側の幅が前記第２の幅に対して５０％〜８５％の幅になっていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光導波路。
5. 前記テーパ状導波路コア部は、前記第１導波路コア部の側から前記第２導波路コア部の側へ向けて幅が広くなる第１直線テーパ形状部と、前記第１直線テーパ形状部に連なり、前記第１導波路コア部の側から前記第２導波路コア部の側へ向けて幅が狭くなる第２直線テーパ形状部とを有し、
   前記第１直線テーパ形状部は、前記第１導波路コア部に接続される側の幅が前記第１の幅と同一になっており、
   前記第２直線テーパ形状部は、前記第２導波路コア部に接続される側の幅が前記第２の幅よりも狭くなっていることを特徴とする、請求項１記載の光導波路。

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