JP2015045789A - スポットサイズ変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易に製造可能であり、製造トレランスが大きいスポットサイズ変換器を提供する。
【解決手段】第１クラッド層２０の上面に形成された光導波路コア３０と、第１クラッド層２０の上面及び光導波路コア３０を被覆して形成されたスラブ層４０と、スラブ層４０の上面を被覆して形成された第２クラッド層５０とを備える。光導波路コア３０は、光導波路コア３０の一方の入出力端３０ａに向かって連続的に幅が縮小するテーパ部３１を含む。スラブ層４０の屈折率は、光導波路コア３０の屈折率よりも低く、かつ第１クラッド層２０及び第２クラッド層５０よりも高く設定されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、光デバイスと外部素子との間の接続に用いられるスポットサイズ変換器に関する。

近年、光配線層として機能する光導波路が形成されたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板に、ＧａＡｓ又はＩｎＰ等の化合物半導体素子をハイブリット集積し、光トランシーバ等の光デバイスを構成する技術が注目されている。このような光デバイスでは、当該光デバイスの光導波路と例えば光ファイバや半導体レーザ等の外部素子とを光学的に接続するために、これらの間においてＭＦＤ（Ｍｏｄｅ Ｆｉｅｌｄ Ｄｉａｍｅｔｅｒ：モードフィールド径）を変換するスポットサイズ変換器が必要とされる。

スポットサイズ変換器として、Ｓｉを材料としたテーパ形状の光導波路コアを利用する技術がある。このスポットサイズ変換器では、光導波路コアの平面形状が、入出力端に向かって幅が連続的に縮小する所謂テーパとされている。その結果、光導波路コアから外部素子に出力される光のＭＦＤの拡大、又は外部素子から光導波路コアへ入力される光のＭＦＤの縮小が可能となる。

スポットサイズ変換器の光導波路コアと外部素子との結合効率を高めるために、様々な工夫が検討されている。例えば非特許文献１には、テーパ形状で形成された第１光導波路コアを、第２光導波路コアで被覆したスポットサイズ変換器が開示されている。非特許文献１によるスポットサイズ変換器では、第２光導波路コアによって、第１光導波路コアから染み出した光を捕獲することによって結合損失を低減させ、結合効率を向上させている。

また、非特許文献２には、偏波依存性を低減するために、平面的なテーパすなわち幅方向のテーパに加えて、厚さ方向の断面形状をテーパとした光導波路コアを備えるコアスポットサイズ変換器が開示されている。非特許文献２によるスポットサイズ変換器では、光導波路コアの幅及び厚さが、入出力端に向かって連続的に縮小する。その結果、ＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ）偏波及びＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）偏波の双方に対応して結合効率を向上させることができる。

さらに、非特許文献３には、平面形状をテーパ形状とした第１光導波路コアを、平面形状及び厚さ方向の断面形状をテーパ形状とした第２光導波路コアで被覆したスポットサイズ変換器が開示されている。非特許文献３によるスポットサイズ変換器では、非特許文献１及び非特許文献２によるスポットサイズ変換器の双方の効果が得られる。

Ｔ．Ｓｈｏｊｉ，ｅｔ ａｌ．，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．ｖｏｌ，３８，Ｎｏ．２５，１６６９−１６７０（２００２） Ｒ．Ｔａｋｅｉ，ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．１０２，１０１１０８（２０１３） Ｍ．Ｔｏｋｕｓｈｉｍａ，ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｅｘｐｒｅｓｓ５，０２２２０２（２０１２）

非特許文献１によるスポットサイズ変換器は、入出力端におけるＭＦＤが、テーパ形状で形成された第１光導波路コアの、入出力端側の先端幅に大きく依存する。そのため、結合効率に対する製造トレランスが小さい。また、非特許文献１によるスポットサイズ変換器では、第１光導波路コアが平面的なテーパしか有していないため、ＴＭ偏波に対する結合効率が不十分である。

また、非特許文献２及び３によるスポットサイズ変換器では、厚さ方向のテーパ形状を有する光導波路コアを形成する必要があるため、形成するための特殊な工程が必要となる。特に非特許文献３によるスポットサイズ変換器では、ＭＦＤが第２光導波路コアの幅及び厚さに依存する。そして、第２光導波路コアの幅及び厚さが、第１光導波路コアに対して大きく設定される。そのため、第１光導波路コア及び第２光導波路コアを形成する際には、段差加工に対応した成膜工程やエッチング工程をさらに追加して行う必要がある。そのため、これらの追加工程によって、製造プロセスが複雑化する、光デバイスに集積された素子にダメージを与える、又は大きな段差形状が生じる等の問題がある。

そこで、この発明の目的は、簡易に製造可能であり、製造トレランスが大きいスポットサイズ変換器を提供することにある。

上述した課題を解決するために、この発明の第１及び第２の要旨によるスポットサイズ変換器は、以下の特徴を備えている。

この発明の第１の要旨によるスポットサイズ変換器は、第１クラッド層の上面に形成された光導波路コアと、第１クラッド層上にこの第１クラッド層の上面及び光導波路コアを被覆して形成されたスラブ層と、スラブ層上にこのスラブ層の上面を被覆して形成された第２クラッド層とを備えて構成される。光導波路コアは、この光導波路コアの一方の入出力端に向かって連続的に幅が縮小するテーパ部を含む。また、スラブ層の屈折率は、光導波路コアの屈折率よりも低く、かつ第１クラッド層及び第２クラッド層よりも高い値とされている。

また、この発明の第２の要旨によるスポットサイズ変換器は、第１クラッド層の上面に形成された光導波路コアと、第１クラッド層上にこの第１クラッド層の上面及び光導波路コアを被覆して形成されたスラブ層と、スラブ層上にこのスラブ層の上面を被覆して形成されたサブ光導波路コア層と、サブ光導波路コア層上にこのサブ光導波路コア層の上面を被覆して形成された第２クラッド層とを備えて構成されている。光導波路コアは、この光導波路コアの一方の入出力端に向かって連続的に幅が縮小するテーパ部を含む。また、テーパ部の延在方向に沿ってこのテーパ部を挟んだ両側には、少なくとも第１クラッド層と第２クラッド層との間に形成された層が除去された、１対の溝が、光導波路コアの一方の入出力端と対向する当該スポットサイズ変換器の側面に至るまで延在して形成されている。また、スラブ層の屈折率は、光導波路コアの屈折率よりも低く、かつ第１クラッド層よりも高い値とされている。また、サブ光導波路コア層の屈折率は、光導波路コアの屈折率よりも低く、かつスラブ層及び第２クラッド層よりも高い値とされている。

第１の要旨によるスポットサイズ変換器では、スラブ層を有することによって、伝播する光のＭＦＤの厚さ方向への拡大が制限される。従って、スラブ層の厚さを調整することによって、厚さ方向のＭＦＤの拡大を制限することができる。

その結果、第１の要旨によるスポットサイズ変換器では、光導波路コアの一方の入出力端における幅（すなわち先端幅）の加工ばらつきによるＭＦＤの変化を、スラブ層で厚さ方向のＭＦＤを制限することによって抑制することができる。そのため、先端幅の加工ばらつきに起因のＭＦＤの変化による、外部素子との結合損失を抑えることができる。従って、第１の要旨によるスポットサイズ変換器では、先端幅の加工ばらつきに対する製造トレランスを向上することができる。

また、第２の要旨によるスポットサイズ変換器では、光導波路コア及びサブ光導波路コア層間が光学的に結合される。光導波路コアでは、スラブ層へ染み出した伝播光がサブ光導波路コア層へ移行する。その結果、電界が幅方向に振動するＴＥ偏波のみならず、電界が厚さ方向に振動するＴＭ偏波についても、ＭＦＤを十分に拡大することができる。従って、第２の要旨によるスポットサイズ変換器は、偏波無依存のスポットサイズ変換器として使用することができる。

また、１対の溝内の空気がクラッドとして機能することによって、光導波路コアを含むスラブ層及びサブ光導波路コア層に対する、幅方向の光閉じこめ効果が得られる。そのため、幅方向のＭＦＤについても調整することができる。

従って、第２の要旨によるスポットサイズ変換器では、スラブ層の厚さ及びサブ光導波路コア層の屈折率を調整することによって、ＭＦＤを調整することができる。

さらに、第１及び第２の要旨によるスポットサイズ変換器は、厚さ方向のテーパ形状を有する構成要素を形成する必要がない。そのため、各層の積層及びパターニング工程の組合せによって簡易に製造することができる。

（Ａ）及び（Ｂ）は、第１のスポットサイズ変換器の概略図である。 第１のスポットサイズ変換器の特性評価に関するシミュレーション結果を示す図である。 第２のスポットサイズ変換器の概略図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、第３のスポットサイズ変換器の概略図である。 第３のスポットサイズ変換器の概略図である。 第３のスポットサイズ変換器の特性評価に関するシミュレーション結果を示す図である。 第４のスポットサイズ変換器の概略図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、第４のスポットサイズ変換器の特性評価に関するシミュレーション結果を示す図である。 第４のスポットサイズ変換器の特性評価に関するシミュレーション結果を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、第４のスポットサイズ変換器の特性評価に関するシミュレーション結果を示す図である。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

〈第１の実施の形態〉
図１を参照して、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（以下、第１のスポットサイズ変換器とも称する）について説明する。図１（Ａ）は、第１のスポットサイズ変換器を示す概略平面図である。なお、図１（Ａ）では、後述するスラブ層及び第２クラッド層を省略して示してある。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す構造体をＩ−Ｉ線で切り取った端面図である。

（構成）
第１のスポットサイズ変換器１００は、順次に積層された、支持基板１０と、第１クラッド層２０と、光導波路コア３０と、スラブ層４０と、第２クラッド層５０とを備えて構成されている。なお、以下の説明では、支持基板１０の厚さに沿った方向を厚さ方向とする。また、光導波路コア３０について、光導波路コア３０を伝播する光の伝播方向に沿った方向を長さ方向とする。また、長さ方向及び厚さ方向に直交する方向を幅方向とする。

第１のスポットサイズ変換器１００は、例えば半導体レーザや光ファイバ等の外部素子と光デバイスの光導波路コアとの間において、ＭＦＤを変換する素子として使用される。ここでは、第１のスポットサイズ変換器１００を利用して、光デバイスから外部素子へ送られる光のＭＦＤを変換する場合の例について説明する。第１のスポットサイズ変換器１００は、光導波路コア３０の一方の入出力端３０ａにおいて外部素子と光学的に接続される。また、光導波路コア３０の他方の入出力端３０ｂにおいて光デバイスの光導波路コアと光学的に接続される。そして、光デバイスから送られる光は、入出力端３０ｂから第１のスポットサイズ変換器１００へ入力され、光導波路コア３０を経てＭＦＤが変換された後、入出力端３０ａから外部素子へ送られる。

支持基板１０は、例えば単結晶Ｓｉを材料とした平板状体で構成されている。

第１クラッド層２０は、支持基板１０上に、支持基板１０の上面１０ａを被覆して形成されている。第１クラッド層２０は、例えばＳｉＯ_２を材料として形成されている。また、第１クラッド層２０は、支持基板１０への光の放射を防ぐために、３μｍ以上の厚さであるのが好ましい。

光導波路コア３０は、第１クラッド層２０の上面２０ａに、第１クラッド層２０よりも高い屈折率を有する例えばＳｉを材料として形成されている。

また、光導波路コア３０は、平面形状がテーパ形状であるテーパ部３１、及びこのテーパ部３１と一体的に形成された、一定の幅を有する細線導波路部３３を含んでいる。テーパ部３１は、接続端３１ａにおいて、細線導波路部３３と幅を一致させて接続されている。そして、テーパ部３１の幅は、一方の入出力端３０ａに向かって連続的に縮小する。一方の入出力端３０ａは、スラブ層４０から露出している。

スラブ層４０は、第１クラッド層２０の上面２０ａ及び光導波路コア３０を被覆して形成されている。スラブ層４０は、第１クラッド層２０の屈折率よりも高く、かつ光導波路コア３０の屈折率よりも低い屈折率を有する例えばＳｉＯｘ（ｘは０＜ｘ＜２を満たす実数）又はＳｉＯＮ等のその他の誘電体を材料として形成されている。

スラブ層４０の屈折率及び厚さは、入出力端３０ａにおいて光導波路コア３０と接続される外部素子のＭＦＤに応じて設定される。例えば、ＭＦＤが３μｍの半導体レーザと接続される場合には、スラブ層４０を、屈折率１．５２のＳｉＯｘを材料として５００ｎｍの厚さで形成するのが好適である。

第２クラッド層５０は、スラブ層４０上に、スラブ層４０の上面４０ａを被覆して形成されている。第２クラッド層５０は、スラブ層４０の屈折率よりも低い屈折率を有する例えばＳｉＯ_２を材料として形成されている。

第１のスポットサイズ変換器１００では、光デバイスから送られ、入出力端３０ｂから光導波路コア３０に入力される光は、テーパ部３１において、このテーパ部の幅に応じたＭＦＤに変換される。光導波路コア３０を伝播する光について、細線導波路部３３、テーパ部３１の中途及び入出力端３０ａの三カ所における光強度分布を、図１（Ａ）にそれぞれ符号１０１、１０３及び１０５で示す。各光強度分布１０１、１０３及び１０５は、光の伝播方向に直交する面における光強度分布を示している。光導波路コア３０は、細線導波路部３３の幅が最も大きく入出力端３０ａの幅が最も小さく設定されている。その結果、細線導波路部３３からテーパ部３１を経て入出力端３０ａへ伝播するに従って、スラブ層４０への光の染み出しが大きくなる。そのため、細線導波路部３３から入出力端３０ａへ伝播するに従って、光のＭＦＤが拡大される。

そして、第１のスポットサイズ変換器１００では、スラブ層４０の屈折率が、光導波路コア３０の屈折率よりも低く、かつ第１クラッド層２０及び第２クラッド層５０の屈折率よりも高く設定されている。そのため、スラブ層４０は、光導波路コア３０に対してはクラッドとして、第１クラッド層２０及び第２クラッド層５０に対してはコアとして機能する。その結果、スラブ層４０は、伝播する光に対して厚さ方向の光閉じこめ効果を有する。そのため、図１（Ａ）の各光強度分布１０１、１０３及び１０５に示すように、伝播する光のＭＦＤは、幅方向へは拡大するが、厚さ方向への拡大が制限される。従って、スラブ層４０の厚さを調整することによって、厚さ方向のＭＦＤの拡大を制限することができる。

従って、第１のスポットサイズ変換器１００では、テーパ部３１の入出力端３０ａにおける幅（すなわち先端幅）Ｗ１の加工ばらつきによるＭＦＤの変化を、スラブ層４０で厚さ方向のＭＦＤを制限することによって抑制することができる。そのため、先端幅Ｗ１の加工ばらつきに起因のＭＦＤの変化による、外部素子との結合損失を抑えることができる。従って、第１のスポットサイズ変換器１００では、先端幅Ｗ１の加工ばらつきに対する製造トレランスを向上することができる。

（製造方法）
第１のスポットサイズ変換器１００は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を利用することによって、簡易に製造することができる。

すなわち、まず、支持基板層、ＳｉＯ_２層、及びＳｉ層が順次積層されて構成されたＳＯＩ基板を用意する。

次に、例えば周知のフォトリソ技術及びエッチング技術を用いて、Ｓｉ層をパターニングすることによって、光導波路コア３０を形成する。その結果、支持基板１０としての支持基板層上に第１クラッド層２０としてのＳｉＯ_２層が積層され、さらに第１クラッド層２０上に光導波路コア３０としてのＳｉ層が形成された構造体を得ることができる。

次に、例えばＣＶＤ法を用いて、第１クラッド層２０上に、スラブ層４０及び第２クラッド層５０を順次に積層する。

次に、劈開や端面研磨等の技術を用いて、支持基板１０、第１クラッド層２０、スラブ層４０及び第２クラッド層５０の、光導波路コア３０の一方の入出力端３０ａと対向する側面を部分的に除去し、光導波路コア３０の一方の入出力端３０ａをスラブ層４０から露出させる。

このように、第１のスポットサイズ変換器１００は、各層の積層及びパターニング工程の組合せによって簡易に製造することができる。

（特性評価）
発明者は、第１のスポットサイズ変換器１００の特性を評価するために、ＢＰＭ（Ｂｅａｍ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）を用いてシミュレーションを行った。このシミュレーションでは、スラブ層４０の屈折率を１．４８、１．５０又は１．５２とした第１のスポットサイズ変換器１００について、光導波路コア３０の先端幅Ｗ１に対する結合損失の依存性を確認した。また、スラブ層４０を設けない比較用のスポットサイズ変換器についてもシミュレーションを行った。比較用のスポットサイズ変換器は、スラブ層４０を設けない点以外は、第１のスポットサイズ変換器１００と同様の構成とした。また、このシミュレーションでは、ＭＦＤが３μｍの半導体レーザと接続される場合を想定した。

シミュレーションの結果を図２に示す。図２は、光導波路コア３０の先端幅Ｗ１と結合損失との関係を示す図である。図２では、縦軸に結合損失をｄＢスケールで、また、横軸に光導波路コア３０の先端幅Ｗ１をμｍ単位でとって示してある。

図２に示すように、スラブ層４０を設けないスポットサイズ変換器では、先端幅Ｗ１が０．１７以下になると、結合損失が急激に増加する。一方、第１のスポットサイズ変換器１００では、スラブ層４０の屈折率を１．４８、１．５０及び１．５２のいずれに設定した場合でも、０．１〜０．２μｍの範囲内の先端幅Ｗ１において、結合損失の急激な増加が確認されなかった。この結果から、第１のスポットサイズ変換器１００では、先端幅Ｗ１の加工ばらつきによる外部素子との結合損失が抑えられることが確認された。従って、第１のスポットサイズ変換器１００では、先端幅Ｗ１の加工ばらつきに対する製造トレランスを向上することができる。

〈第２の実施の形態〉
図３を参照して、この発明の第２の実施の形態によるスポットサイズ変換器（以下、第２のスポットサイズ変換器とも称する）について説明する。図３は、第２のスポットサイズ変換器を示す概略平面図である。なお、図３では、スラブ層及び第２クラッド層を省略して示してある。

なお、第２のスポットサイズ変換器と上述した第１のスポットサイズ変換器との相違点は、窓領域を追加的に形成する点にある。その他の構成については、第１のスポットサイズ変換器と同様であるため、共通する構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

第２のスポットサイズ変換器２００には、窓領域８０が設けられている。窓領域８０は、光導波路コア３０の一方の入出力端３０ａと、入出力端３０ａと対向する第３のスポットサイズ変換器３００の側面１５ａとを離間させる領域として設定されている。

第２のスポットサイズ変換器２００では、窓領域８０を設けることによって、光導波路コア３０の一方の入出力端３０ａがスラブ層４０から露出しない。上述したように、第１クラッド層２０及び第２クラッド層５０は例えばＳｉＯ_２を材料として、また、スラブ層４０は、例えばＳｉＯｘ（ｘは０＜ｘ＜２を満たす実数）を材料としてそれぞれ形成される。従って、第２のスポットサイズ変換器２００では、光導波路コア３０の入出力端３０ａと対向する側面１５ａから、酸化膜のみを露出させることができる。そのため、製造時において、第２のスポットサイズ変換器２００の側面１５ａを端面形成する際に、光導波路コア３０を構成するＳｉと、第１クラッド層２０、スラブ層４０及び第２クラッド層５０を構成する酸化膜とを同時にエッチングする必要がない。その結果、端面形成が容易であり、さらに材料物性の差異に起因する端面の平坦性の損失を回避することができる。また、第２のスポットサイズ変換器２００の側面１５ａの端面形成時において、劈開や端面研磨する際に、窓領域８０の長さＬ１に応じた加工マージンが得られる。

〈第３の実施の形態〉
図４を参照して、この発明の第３の実施の形態によるスポットサイズ変換器（以下、第３のスポットサイズ変換器とも称する）について説明する。図４（Ａ）は、第３のスポットサイズ変換器を示す概略平面図である。なお、図４（Ａ）では、スラブ層及び第２クラッド層を省略して示してある。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示す構造体をＩＩ−ＩＩ線で切り取った端面図である。

なお、第３のスポットサイズ変換器は、上述した第１のスポットサイズ変換器又は第２のスポットサイズ変換器に溝を追加的に形成した構造である。ここでは、第２のスポットサイズ変換器の構成に追加して溝を形成する場合の構成例について説明する。第１のスポットサイズ変換器及び第２のスポットサイズ変換器と共通する構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

（構成）
第３のスポットサイズ変換器３００では、テーパ部３１の延在方向（すなわち光の伝播方向）に沿ってテーパ部３１を挟んだ両側に１対の溝７０ａ及び７０ｂが形成されている。

溝７０ａ及び７０ｂは、少なくとも第１クラッド層２０と第２クラッド層５０との間に形成された層が除去されて形成されている。なお、図４（Ａ）及び（Ｂ）では、第１クラッド層２０、スラブ層４０及び第２クラッド層５０を除去して、溝７０ａ及び７０ｂを形成した構成例を示している。従って、この構成例では、溝７０ａ及び７０ｂにおいて支持基板１０の上面１０ａが露出している。

また、図４（Ａ）に示すように、溝７０ａ及び７０ｂは、光導波路コア３０の入出力端３０ａと対向する側面１５ａに至るまで、窓領域８０に延在して形成されている。

第３のスポットサイズ変換器３００では、溝７０ａ及び７０ｂ内の空気がクラッドとして機能する。そのため、スラブ層４０による厚さ方向の光閉じこめ効果に加え、テーパ部３１において溝７０ａ及び７０ｂ内の空気による幅方向の光閉じこめ効果が得られる。その結果、テーパ部３１における光の伝播方向を確実に一定化することができる。図４（Ａ）の構成例のように、光導波路コア３０が存在しない窓領域８０を形成する場合であっても、窓領域８０に溝７０ａ及び７０ｂを延在させることによって、光を所望の方向に確実に伝播させることができる。

ここで、第３のスポットサイズ変換器３００では、溝７０ａ及び７０ｂを埋め込み部７５によって埋め込むこともできる。図５に、埋め込み部７５を形成した場合の構成例を示す。なお、図５は、図４（Ｂ）に対応する端面を示す端面図である。

埋め込み部７５は、少なくともスラブ層４０よりも低い屈折率を有している。図５の構成例では、埋め込み部７５は、第２クラッド層５０と共通の材料で一体的に形成されている。

溝７０ａ及び７０ｂを埋め込み部７５によって埋め込む場合には、埋め込み部７５がクラッドとして機能する。そのため、上述した溝７０ａ及び７０ｂ内が空気である場合と同様に、幅方向の光閉じこめ効果が得られる。その結果、テーパ部３１における光の伝播方向を確実に一定化することができる。さらに、溝７０ａ及び７０ｂ内で露出するスラブ層４０の側面が、埋め込み部７５によって被覆される。そのため、スラブ層４０、及びスラブ層４０内に形成される光導波路コア３０を保護することができる。

第３のスポットサイズ変換器３００は、上述した第１のスポットサイズ変換器１００の製造方法において、第２クラッド層５０の積層後に溝７０ａ及び７０ｂを形成する工程を追加して行うことによって製造することができる。溝７０ａ及び７０ｂの形成工程では、例えば周知のフォトリソ技術及びエッチング技術を用いて、第２クラッド層５０、スラブ層４０及び第１クラッド層２０を支持基板１０の上面１０ａが露出するまで部分的に除去することによって、溝７０ａ及び７０ｂを形成する。

なお、埋め込み部７５を形成する場合には、スラブ層４０の積層後であって第２クラッド層５０の積層前に、溝７０ａ及び７０ｂを形成する工程を行う。そして、埋め込み部７５を第２クラッド層５０と共通の材料で一体的に形成する場合には、第２クラッド層５０を積層する際に、第２クラッド層５０の材料によって溝７０ａ及び７０ｂを埋め込む。その結果、溝７０ａ及び７０ｂを埋め込む第２クラッド層５０の材料が埋め込み部７５となる。また、埋め込み部７５と第２クラッド層５０とを異なる材料で形成する場合には、第２クラッド層５０の形成前において、溝７０ａ及び７０ｂ内に埋め込み部７５を形成し、しかる後に第２クラッド層５０を形成する。

その他の製造工程については、上述した第１のスポットサイズ変換器１００の製造方法と同様であるので、説明を省略する。

なお、ここでは、窓領域８０を有する構成として、上述した第２のスポットサイズ変換器２００の構成に追加して、溝７０ａ及び７０ｂを形成する構成例について説明したが、窓領域８０のない構成として、第１のスポットサイズ変換器１００に溝７０ａ及び７０ｂを形成することもできる。

（特性評価）
発明者は、第３のスポットサイズ変換器３００の特性を評価するために、ＢＰＭを用いてシミュレーションを行った。このシミュレーションでは、第３のスポットサイズ変換器３００について、窓領域８０における伝播光の過剰損失を算出した。なお、埋め込み部７５を設けず、溝７０ａ及び７０ｂ内が空気である場合を想定した。また、ここでは、第３のスポットサイズ変換器３００と比較するために、スラブ層４０を設けずに溝７０ａ及び７０ｂを設けた構造、溝７０ａ及び７０ｂを設けずにスラブ層４０を設けた構造、及びスラブ層４０並びに溝７０ａ及び７０ｂを設けない構造についても、過剰損失を算出した。

シミュレーションの結果を図６に示す。図６は、窓領域８０の長さＬ１と伝播光の過剰損失との関係を示す図である。図６では、縦軸に過剰損失をｄＢスケールで、また、窓領域８０の長さＬ１をμｍ単位でとって示してある。

図６に示すように、スラブ層４０並びに溝７０ａ及び７０ｂを設けない構造では、窓領域８０が長くなるほど、他の構造と比して過剰損失が増加する。一方、第３のスポットサイズ変換器３００では、窓領域８０が長くなっても、他の構造と比して過剰損失が小さく、また、過剰損失をほぼ一定に抑えられる。この結果から、スラブ層４０並びに溝７０ａ及び７０ｂの双方の光閉じこめ効果によって、伝播光の拡散が抑えられることがわかる。従って、第３のスポットサイズ変換器３００では、溝７０ａ及び７０ｂを形成することによって、光の伝播方向を確実に一定化できることが確認された。そして、窓領域８０の長さＬ１を例えば３０μｍ程度と大きく設定しても過剰損失が抑えられることから、上述した劈開や端面研磨に対する加工マージンを確保できることが確認された。

〈第４の実施の形態〉
図７を参照して、この発明の第４の実施の形態によるスポットサイズ変換器（以下、第４のスポットサイズ変換器とも称する）について説明する。図７は、第４のスポットサイズ変換器を、光の伝播方向に直交する面で切り取った切り口を示す端面図である。

なお、第４のスポットサイズ変換器は、上述した第３のスポットサイズ変換器にサブ光導波路コア層を追加的に形成した構造である。ここでは、上述した溝を埋め込み部で埋め込んだ構成例の第３のスポットサイズ変換器に対して、サブ光導波路コア層を形成した構成例について説明する。第１〜第３のスポットサイズ変換器と共通する構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

（構成）
第４のスポットサイズ変換器４００は、スラブ層４０上に、スラブ層４０の上面４０ａを被覆するサブ光導波路コア層６０が積層形成されている。サブ光導波路コア層６０上には、サブ光導波路コア層６０の上面６０ａを被覆する第２クラッド層５０が積層形成されている。

サブ光導波路コア層６０は、光導波路コア３０の屈折率よりも低く、かつスラブ層４０及び第２クラッド層５０の屈折率よりも高い例えばＳｉＯｘ（ｘは０＜ｘ＜２を満たす実数）又はＳｉＯＮ等のその他の誘電体を材料として形成されている。

また、第４のスポットサイズ変換器４００では、スラブ層４０の屈折率は、光導波路コア３０の屈折率よりも低く、かつ第１クラッド層２０よりも高く設定されている。なお、第４のスポットサイズ変換器４００では、スラブ層４０の屈折率は、第２クラッド層５０の屈折率よりも高く設定しても、第２クラッド層５０の屈折率と同程度に設定しても、又は第２クラッド層５０の屈折率よりも低く設定しても良い。

また、第４のスポットサイズ変換器４００では、上述した第３のスポットサイズ変換器３００と同様に、テーパ部３１の延在方向（すなわち光の伝播方向）に沿ってテーパ部３１を挟んだ両側に１対の溝９０ａ及び９０ｂが形成されている。

溝９０ａ及び９０ｂは、少なくとも第１クラッド層２０と第２クラッド層５０との間に形成された層が除去されて形成されている。なお、図７では、スラブ層４０及びサブ光導波路コア層６０を除去した構成例を示している。従って、この構成例では、溝９０ａ及び９０ｂにおいて第１クラッド層２０の上面２０ａが露出している。なお、スラブ層４０及びサブ光導波路コア層６０のみならず第１クラッド層２０まで除去し、溝９０ａ及び９０ｂにおいて支持基板１０の上面１０ａが露出する構成とすることもできる。

溝９０ａ及び９０ｂは、スラブ層４０以下の屈折率を有する埋め込み部９５によって埋め込まれている。なお、図７の構成例では、溝９０ａ及び９０ｂは、第２クラッド層５０と共通の材料で一体的に形成された埋め込み部９５によって埋め込まれている。この構成例では、スラブ層４０の屈折率が、第２クラッド層５０の屈折率と同程度に設定されている。従って、スラブ層４０及び埋め込み部９５の屈折率が、同程度に設定されている。

なお、ここでは、溝９０ａ及び９０ｂが埋め込み部９５によって埋め込まれている構成例について説明するが、上述した第３のスポットサイズ変換器３００と同様に、埋め込み部９５を設けず、溝９０ａ及び９０ｂ内を空気とすることもできる。

第４のスポットサイズ変換器４００では、光導波路コア３０及びサブ光導波路コア層６０間が光学的に結合される。上述したように、細線導波路部３３から一方の入出力端３０ａへの伝播光は、テーパ部３１においてＭＦＤが拡大される（図１（Ａ）参照）。テーパ部３１から入出力端３０ａへ伝播するに従って、光導波路コア３０からスラブ層４０へ染み出した伝播光がサブ光導波路コア層６０へ移行する。その結果、電界が幅方向に振動するＴＥ偏波のみならず、電界が厚さ方向に振動するＴＭ偏波についても、ＭＦＤを十分に拡大することができる。従って、第４のスポットサイズ変換器４００は、偏波無依存のスポットサイズ変換器として使用することができる。

また、第４のスポットサイズ変換器４００では、スラブ層４０による厚さ方向の光閉じこめ効果に加え、溝９０ａ及び９０ｂ内を埋め込む埋め込み部９５による幅方向の光閉じこめ効果が得られる。この幅方向の光閉じこめ効果によって、ＭＦＤの拡大を調整することができる。そのため、溝９０ａ及び９０ｂ間の幅Ｗ２、スラブ層４０の厚さＨ１、及びサブ光導波路コア層６０の屈折率を調整することによって、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の双方について、幅方向及び厚さ方向のＭＦＤを調整することができる。

このように、第４のスポットサイズ変換器４００では、光導波路コア３０に厚さ方向のテーパを形成することなく、ＴＥ偏波のみならずＴＭ偏波のＭＦＤを調整することができる。従って、従来と比して簡易な製造工程によって製造が可能である。

また、第４のスポットサイズ変換器４００では、上述した第３のスポットサイズ変換器３００と同様に窓領域８０を設けることもできる。窓領域８０には光導波路コア３０が存在しないため、窓領域８０を伝播する光のＭＦＤは一定に保たれる。従って、窓領域８０を設けることによって、より確実にＭＦＤを調整することができる。

また、窓領域８０を設ける場合には、第３のスポットサイズ変換器３００と同様に、製造時における劈開や端面研磨に対する加工マージンが得られる。

第４のスポットサイズ変換器４００は、上述した第３のスポットサイズ変換器３００の製造方法において、スラブ層４０の積層後であって第２クラッド層５０の積層前に、サブ光導波路コア層６０を積層する工程を追加して行うことによって製造することができる。その他の製造工程については、上述した第３のスポットサイズ変換器３００の製造方法と同様であるので、説明を省略する。

なお、この実施の形態では、サブ光導波路コア層６０を１層のみ設ける場合について説明した。しかしながら、第４のスポットサイズ変換器４００では、互いに異なる屈折率を有する材料を用いて、サブ光導波路コア層６０を複数層から成る構成とすることもできる。その場合には、サブ光導波路コア層６０を構成する各層の屈折率に応じて、厚さ方向のＭＦＤを調整することができる。サブ光導波路コア層６０を構成する各層の屈折率は、光導波路コア３０の屈折率よりも低く、かつスラブ層４０及び第２クラッド層５０の屈折率よりも高い範囲内で設定される。

（特性評価）
発明者は、第４のスポットサイズ変換器４００の特性を評価するために、ＢＰＭを用いて３つのシミュレーションを行った。

第１のシミュレーションでは、第４のスポットサイズ変換器４００について、光導波路コア３０の一方の入出力端３０ａにおける、光の伝播方向に直交する面でのＴＥ偏波及びＴＭ偏波の光強度分布を算出した。このシミュレーションでは、第４のスポットサイズ変換器４００において、サブ光導波路コア層６０の屈折率を１．５２及び厚さを２μｍに設定した。また、光導波路コア３０の厚さを２２０ｎｍ、及び一方の入出力端３０ａの幅Ｗ１（すなわちテーパ部３１の最小幅）を８０ｎｍに設定した。また、溝９０ａ及び９０ｂ間の幅Ｗ２を３μｍとした。

なお、ここでは、第４のスポットサイズ変換器４００と比較するために、スラブ層４０、溝９０ａ及び９０ｂ並びに埋め込み部９５を設けない比較用の構造についても、同様の光強度分布を算出した。比較用の構造としては、上述した非特許文献１に開示された、第１光導波路コアを第２光導波路コアで被覆する構造を想定した。第１光導波路コアは、光導波路コア３０と同様に、厚さを２２０ｎｍ、及びテーパ部３１の最小幅を８０ｎｍとした。また、第２光導波路コアの屈折率を１．５２とし、厚さ及び幅をそれぞれ３μｍとした。

第１のシミュレーションの結果を図８に示す。図８は、光導波路コア３０の一方の入出力端３０ａにおける、光の伝播方向に直交する面でのＴＥ偏波及びＴＭ偏波の光強度分布図である。図８（Ａ）は、第４のスポットサイズ変換器４００の結果を示している。また、図８（Ｂ）は、上述した比較用の構造の結果を示している。図８（Ａ）及び（Ｂ）の各図では、縦軸に厚さ方向の幾何学的な距離をμｍ単位で、また、横軸に幅方向の幾何学的な距離をμｍ単位でとって示してある。

図８（Ａ）に示すように、第４のスポットサイズ変換器４００では、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の双方の厚さ方向及び幅方向のＭＦＤがほぼ一致している。一方、図８（Ｂ）に示すように、比較用の構造では、ＴＭ偏波の厚さ方向及び幅方向のＭＦＤが、ＴＥ偏波と比して明らかに小さい。この結果から、第４のスポットサイズ変換器４００は、スラブ層４０による厚さ方向の光閉じこめ効果、及び溝９０ａ及び９０ｂ内を埋め込む埋め込み部９５による幅方向の光閉じこめ効果によって、偏波無依存のスポットサイズ変換器として使用できることが確認された。

次に、第２のシミュレーションでは、第４のスポットサイズ変換器４００において、スラブ層４０の厚さＨ１の変化に対する、光導波路コア３０の一方の入出力端３０ａでのＴＥ偏波及びＴＭ偏波それぞれの厚さ方向及び幅方向のＭＦＤを算出した。なお、サブ光導波路コア層６０の屈折率及び厚さ、光導波路コア３０の厚さ及び一方の入出力端３０ａの幅Ｗ１（すなわちテーパ部３１の最小幅）並びに溝９０ａ及び９０ｂ間の幅Ｗ２は、第１のシミュレーションと同様である。

第２のシミュレーションの結果を図９に示す。図９は、スラブ層４０の厚さＨ１とＭＦＤとの関係を示す図である。図９では、縦軸にＭＦＤをμｍ単位で、また、横軸にスラブ層４０の厚さＨ１をμｍ単位でとって示してある。なお、ＭＦＤは、電界強度がピークの１／ｅとなる径とした。

図９に示すように、スラブ層４０の厚さが０μｍである場合、すなわちスラブ層４０を設けない場合には、ＴＥ偏波のＭＦＤが２．８×３．１μｍ程度、及びＴＭ偏波のＭＦＤが２．６×３．２μｍ程度であり、互いのＭＦＤに差があった。これに対して、スラブ層４０を設け、その厚さを増加させるに従って、ＴＥ偏波のＭＦＤとＴＭ偏波のＭＦＤとが近づくことが確認された。図９に示すように、スラブ層４０を１〜２μｍの範囲内の厚さとした場合には、ＴＥ偏波のＭＦＤとＴＭ偏波のＭＦＤとがほぼ一致する。従って、第４のスポットサイズ変換器４００では、偏波無依存のスポットサイズ変換器として使用できることが確認された。

次に、第３のシミュレーションでは、第４のスポットサイズ変換器４００について、溝９０ａ及び９０ｂ間の幅Ｗ２の変化（すなわちサブ光導波路コア層６０の幅）に対する、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波それぞれの厚さ方向及び幅方向のＭＦＤを算出した。このシミュレーションは、上述した窓領域を設けない構成例と設ける構成例のそれぞれを想定して行った。なお、算出したＭＦＤは、光導波路コア３０の一方の入出力端３０ａと対向する第３のスポットサイズ変換器３００の側面（以下、入出力面とも称する）１５ａにおける値とした。窓領域を設けない構成例では、光導波路コア３０の一方の入出力端３０ａが、入出力面１５ａと一致している。サブ光導波路コア層６０の厚さは２μｍとした。サブ光導波路コア層６０の屈折率、光導波路コア３０の厚さ及び一方の入出力端３０ａの幅Ｗ１（すなわちテーパ部３１の最小幅）は、第１のシミュレーションと同様である。

第３のシミュレーションの結果を図１０に示す。図１０は、溝９０ａ及び９０ｂ間の幅Ｗ２とＭＦＤとの関係を示す図である。図１０（Ａ）は窓領域を設けない構成例の結果を示し、図１０（Ｂ）は窓領域を設ける構成例の結果を示している。図１０（Ａ）及び（Ｂ）では、縦軸にＭＦＤをμｍ単位で、また、横軸に溝９０ａ及び９０ｂ間の幅Ｗ２をμｍ単位でとって示してある。なお、ＭＦＤは、電界強度がピークの１／ｅとなる径とした。

図１０（Ａ）に示すように、窓領域を設けない構成例では、溝９０ａ及び９０ｂ間の幅Ｗ２（すなわちサブ光導波路コア層６０の幅）が小さい場合には、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の特に厚さ方向のＭＦＤが大きくなり、結果として、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波のＭＦＤがばらついている。これは、サブ光導波路コア層６０の幅が小さい場合には、光導波路コア３０からサブ光導波路コア層６０への光の移行が不十分であり、光の強度が、光導波路コア３０及びサブ光導波路コア層６０のそれぞれで強くなるためと考えられる。これに対し、溝９０ａ及び９０ｂ間の幅Ｗ２が大きくなると、光導波路コア３０からサブ光導波路コア層６０へ光が確実に移行する。その結果、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波のＭＦＤは、ともに入出力面１５ａでのサブ光導波路コア層６０の端面積に応じたＭＤＦに調整され、各ＭＤＦが一致する。図１０（Ａ）の結果では、溝９０ａ及び９０ｂ間の幅Ｗ２を例えば３μｍのとしたとき、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波のＭＦＤがほぼ一致している。

一方、窓領域を設ける構成例では、窓領域において光導波路コア３０が存在しないため、入出力面１５ａでのＭＤＦが、サブ光導波路コア層６０の基本モードに依存する。そのため、図１０（Ｂ）に示すように、溝９０ａ及び９０ｂ間の幅Ｗ２（すなわちサブ光導波路コア層６０の幅）が変化しても、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波ともにＭＤＦの変化が小さい。そして、各値の幅Ｗ２において、ＴＥ偏波の厚さ方向及び幅方向のＭＤＦ、並びにＴＭ偏波の厚さ方向及び幅方向のＭＤＦのばらつきが小さいことが確認された。

１０：支持基板
２０：第１クラッド層
３０：光導波路コア
３１：テーパ部
３３：細線導波路部
４０：スラブ層
５０：第２クラッド層
６０：サブ光導波路コア層
７０ａ、７０ｂ、９０ａ、９０ｂ：溝
７５、９５：埋め込み部
８０：窓領域
１００：第１のスポットサイズ変換器
２００：第２のスポットサイズ変換器
３００：第３のスポットサイズ変換器
４００：第４のスポットサイズ変換器

Claims (7)

1. 第１クラッド層の上面に形成された光導波路コアと、
   前記第１クラッド層上に、該第１クラッド層の上面及び前記光導波路コアを被覆して形成されたスラブ層と、
   前記スラブ層上に、該スラブ層の上面を被覆して形成された第２クラッド層と
   を備え、
   前記光導波路コアは、該光導波路コアの一方の入出力端に向かって連続的に幅が縮小するテーパ部を含み、
   前記スラブ層の屈折率は、前記光導波路コアの屈折率よりも低く、かつ前記第１クラッド層及び前記第２クラッド層よりも高い
   ことを特徴とするスポットサイズ変換器。
2. 前記テーパ部の延在方向に沿って該テーパ部を挟んだ両側に、少なくとも前記第１クラッド層と前記第２クラッド層との間に形成された層が除去された、１対の溝が、前記光導波路コアの一方の入出力端と対向する当該スポットサイズ変換器の側面に至るまで延在して形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のスポットサイズ変換器。
3. 前記溝は、前記スラブ層よりも低い屈折率を有する埋め込み部によって埋め込まれている
   ことを特徴とする請求項２に記載のスポットサイズ変換器。
4. さらに、前記光導波路コアの一方の入出力端と、該入出力端と対向する当該スポットサイズ変換器の側面とを離間させる窓領域が設けられている
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のスポットサイズ変換器。
5. 第１クラッド層の上面に形成された光導波路コアと、
   前記第１クラッド層上に、該第１クラッド層の上面及び前記光導波路コアを被覆して形成されたスラブ層と、
   前記スラブ層上に、該スラブ層の上面を被覆して形成されたサブ光導波路コア層と、
   前記サブ光導波路コア層上に、該サブ光導波路コア層の上面を被覆して形成された第２クラッド層と、
   を備え、
   前記光導波路コアは、該光導波路コアの一方の入出力端に向かって連続的に幅が縮小するテーパ部を含み、
   前記テーパ部の延在方向に沿って該テーパ部を挟んだ両側には、少なくとも前記第１クラッド層と前記第２クラッド層との間に形成された層が除去された、１対の溝が、前記光導波路コアの一方の入出力端と対向する当該スポットサイズ変換器の側面に至るまで延在して形成されており、
   前記スラブ層の屈折率は、前記光導波路コアの屈折率よりも低く、かつ前記第１クラッド層よりも高く、
   前記サブ光導波路コア層の屈折率は、前記光導波路コアの屈折率よりも低く、かつ前記スラブ層及び前記第２クラッド層よりも高い
   ことを特徴とするスポットサイズ変換器。
6. 前記溝は、前記スラブ層以下の屈折率を有する埋め込み部によって埋め込まれている
   ことを特徴とする請求項５に記載のスポットサイズ変換器。
7. さらに、前記光導波路コアの一方の入出力端と、該入出力端と対向する当該スポットサイズ変換器の側面とを離間させる窓領域が設けられている
   ことを特徴とする請求項５又は６に記載のスポットサイズ変換器。

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