JP2015215477A - スポットサイズ変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のスポットサイズ変換器よりも小さなサイズでセカンドコアとシングルモード光ファイバ間を低損失に結合するスポットサイズ変換器を提供する。【解決手段】スポットサイズ変換器は、テーパ型スポットサイズ変換領域４と、多層導波路型多モード干渉領域５とを備える。テーパ型スポットサイズ変換領域４は、シリコン導波路２と接続するようにアンダークラッド１上に形成されたテーパ形状のテーパシリコン導波路２ａと、テーパシリコン導波路２ａを覆うようにアンダークラッド１上に形成され、断面寸法がシングルモード光ファイバ７のモードフィールド径よりも小さいセカンドコア３とからなる。多層導波路型多モード干渉領域５は、セカンドコア３と接続するようにアンダークラッド１上に形成された下層コア５ａと、下層コア５ａから離間して形成された上層コア５ｂとからなる。【選択図】図１

Description

本発明は、シリコン細線導波路をコア径の大きいシングルモード光ファイバに結合するためのスポットサイズ変換器に関するものである。

シリコン（Ｓｉ）は３．４７８という高い屈折率と１．５５ｍｍ帯の光を透過する材料物性を有しており、Ｓｉにより形成される光導波路（Ｓｉ細線導波路）は小さなコア径と曲げ半径を有している。そのため、Ｓｉ細線導波路は光通信デバイス用導波路デバイスの小型化、高集積化を実現する技術として期待されている。一方、Ｓｉ細線導波路を通信応用する上で課題となる点が、シングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）との低損失結合である。Ｓｉ細線導波路とＳＭＦのモードフィールド径は１００倍程度異なるため、光結合効率は著しく低く、低損失化が要求される通信用デバイスにおいては大きな課題となる。

通信デバイス用の低損失ＳＭＦ結合器として、スポットサイズ変換器が報告されている。スポットサイズ変換器は断熱的にＳｉ細線導波路幅を細めることでモードフィールドを拡大し、ＳＭＦと導波路を端面結合させる技術である（非特許文献１）。応用技術として、図９（Ａ）〜図９（Ｃ）に示す２段テーパ形状のスポットサイズ変換器が報告されている（特許文献１）。図９（Ａ）はスポットサイズ変換器の平面図、図９（Ｂ）は図９（Ａ）のスポットサイズ変換器のＡ−Ａ’線断面図、図９（Ｃ）は図９（Ａ）のスポットサイズ変換器のＢ−Ｂ’線断面図である。なお、図９（Ａ）では、オーバークラッドの内部を透視して記載している。

従来のスポットサイズ変換器では、まず、Ｓｉ細線導波路１０１の先端をテーパ形状に加工して数μｍ程度（１０μｍ以下）のモードフィールド径を有するセカンドコア１０２に結合させ、セカンドコア１０２を更に断熱的に細めることで、モードフィールド径１０μｍ程度のサードコア１０３に結合させる。図９（Ｂ）、図９（Ｃ）における１００はアンダークラッド、１０４はオーバークラッドである。セカンドコア１０２に覆われたＳｉ細線導波路１０１のテーパ部の長さＬ１は３００μｍ程度、サードコア１０３に覆われたセカンドコア１０２のテーパ部の長さＬ２は１ｍｍ程度である。セカンドコア１０２は例えば石英やシリコン窒化膜などの、Ｓｉよりも屈折率が小さな材料により形成される。

Ｓｉ細線導波路１０１のテーパのみでモードフィールド径を１０μｍまで拡大する場合は、Ｓｉ細線導波路１０１のテーパ先端幅を極めて細くする必要があり、加工困難、大きな散乱損失といった問題が生じるが、セカンドコア１０２を介した２段テーパ形状とすることにより、Ｓｉ細線導波路１０１のテーパ部を加工が容易なテーパ幅でセカンドコア１０２と結合させることが可能であると共に、セカンドコア１０２のテーパ部を加工が容易なテーパ幅でサードコア１０３と結合させることが可能であり、かつ散乱による損失も比較的小さくすることができる。

特開２０１３−２３１７５３号公報

T.Shoji，T.Tsuchizawa，T.Watanabe，K.Yamada，H.Morita，"Low loss mode size converter from 0.3μm square Si wire waveguides to singlemode fibres"，Electronics Letters，Vol.38，No.25，pp.1669-1670，2002

従来のスポットサイズ変換器では、約１ｍｍ程度の長いセカンドコアテーパ部を要するという問題点があった。セカンドコアテーパ部が長くなる理由は、Ｓｉ細線導波路に比べて光閉じ込めの弱いセカンドコアにおいてテーパ部の断熱条件を満たすためには非常に緩やかなコア幅変化としなければならないためである。このように、従来のスポットサイズ変換器では、長いセカンドコアテーパ部を要するため、スポットサイズ変換器の小型化が困難であった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、従来のスポットサイズ変換器よりも小さなサイズでセカンドコアとシングルモード光ファイバ間を低損失に結合することができるスポットサイズ変換器を提供することを目的とする。

本発明は、シリコン導波路とシングルモード光ファイバとを光学的に接続するスポットサイズ変換器において、シリコン導波路と接続されるテーパ型スポットサイズ変換領域と、このテーパ型スポットサイズ変換領域とシングルモード光ファイバとの間に設けられる多層導波路型多モード干渉領域とを備え、前記テーパ型スポットサイズ変換領域は、前記シリコン導波路と接続するようにアンダークラッド上に形成され、光の伝搬方向に沿って前記シングルモード光ファイバに向かうに従い断面寸法が連続的に小さくなるテーパ形状のテーパシリコン導波路と、このテーパシリコン導波路を覆うように前記アンダークラッド上に形成され、その断面寸法が前記シングルモード光ファイバのモードフィールド径よりも小さいセカンドコアとからなり、前記多層導波路型多モード干渉領域は、前記セカンドコアと接続するように前記アンダークラッド上に形成された１つ乃至は複数の下層コアと、前記下層コアから前記アンダークラッドと離間する方向に間隙を設けて形成された１つ乃至は複数の上層コアとからなり、前記多層導波路型多モード干渉領域の長さは、前記セカンドコアと前記シングルモード光ファイバ間の結合効率が所望の値となる長さに設定されることを特徴とするものである。

また、本発明のスポットサイズ変換器の１構成例は、前記セカンドコアの高さと前記多層導波路型多モード干渉領域の下層コアの高さとが略等しいことを特徴とするものである。
また、本発明のスポットサイズ変換器の１構成例において、前記多層導波路型多モード干渉領域の下層コアは、その高さよりも幅が広い１つのコアであり、前記多層導波路型多モード干渉領域の上層コアは、同一層内で離間した同寸法の２つのコアであり、前記セカンドコアは、前記下層コアのセカンドコア側の端面の中心部と接続していることを特徴とするものである。
また、本発明のスポットサイズ変換器の１構成例は、さらに、前記多層導波路型多モード干渉領域と前記シングルモード光ファイバとの間に設けられ、前記多層導波路型多モード干渉領域から出力される単一の固有モードを保持して伝搬させることが可能なダイシングマージン領域を備えることを特徴とするものである。
また、本発明のスポットサイズ変換器の１構成例において、前記ダイシングマージン領域は、前記多層導波路型多モード干渉領域の下層コアと接続するように前記アンダークラッド上に形成された、同一層内で離間した同寸法の２つの第１の導波路コアと、前記多層導波路型多モード干渉領域の上層コアと接続するように前記第１の導波路コアと離間して形成された、同一層内で離間した同寸法の２つの第２の導波路コアとからなることを特徴とするものである。

本発明によれば、テーパ型スポットサイズ変換領域と多層導波路型多モード干渉領域とを設け、テーパ型スポットサイズ変換領域をテーパシリコン導波路とセカンドコアとから構成し、多層導波路型多モード干渉領域を下層コアと上層コアとから構成し、多層導波路型多モード干渉領域の長さを、セカンドコアとシングルモード光ファイバ間の結合効率が所望の値となる長さに設定することにより、多層導波路型多モード干渉領域内の多モード干渉によりシングルモード光ファイバと結合可能なモードフィールドを形成することができるので、従来のスポットサイズ変換器よりも小さなサイズのスポットサイズ変換器でセカンドコアとシングルモード光ファイバ間を低損失に結合することができる。

また、本発明では、ダイシングマージン領域を設けることにより、シングルモード光ファイバとの接続端面を形成する際のダイシングプロセスによる結合損失の増大を回避することができる。

本発明の実施の形態に係るスポットサイズ変換器の構成を示す平面図および断面図である。 本発明の実施の形態に係るスポットサイズ変換器のシングルモード光ファイバとの接続面におけるモードプロファイル、およびシングルモード光ファイバの断面におけるモードプロファイルを示す図である。 本発明の実施の形態に係るスポットサイズ変換器の他の構成を示す平面図および断面図である。 本発明の実施の形態に係るスポットサイズ変換器の寸法を説明する断面図である。 本発明の実施の形態における多層導波路型多モード干渉領域の長さと、セカンドコアとシングルモード光ファイバ間の結合効率との関係を示す図である。 本発明の実施の形態に係るスポットサイズ変換器における光伝搬のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の実施の形態に係るスポットサイズ変換器と従来のスポットサイズ変換器のサイズを比較した平面図である。 本発明の実施の形態におけるダイシングマージン領域の長さと、セカンドコアとシングルモード光ファイバ間の結合効率との関係を示す図である。 従来のスポットサイズ変換器の平面図および断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１（Ａ）〜図１（Ｅ）は本発明の実施の形態に係るスポットサイズ変換器の構成を示す平面図および断面図であり、図１（Ａ）はスポットサイズ変換器の平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のスポットサイズ変換器のＥ−Ｅ’線断面図、図１（Ｃ）は図１（Ａ）のスポットサイズ変換器のＡ−Ａ’線断面図、図１（Ｄ）は図１（Ａ）のスポットサイズ変換器のＢ−Ｂ’線断面図、図１（Ｅ）は図１（Ａ）のスポットサイズ変換器のＣ−Ｃ’線断面図である。なお、図１（Ａ）では、構造を見易くするために、オーバークラッドの内部を透視して記載している。図２（Ａ）は本実施の形態のスポットサイズ変換器のシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）７との接続面（Ｃ−Ｃ’の位置の断面）におけるモードプロファイルを示し、図２（Ｂ）はＳＭＦ７の断面（Ｆ−Ｆ’の位置の断面）におけるモードプロファイルを示している。

本実施の形態のスポットサイズ変換器は、図１（Ａ）〜図１（Ｅ）に示したように、シリコン（Ｓｉ）導波路２とＳＭＦ７とを光学的に接続するものであり、シリコン導波路２側に形成されたテーパ型スポットサイズ変換領域４と、このテーパ型スポットサイズ変換領域４のＳＭＦ７側に接して配置された多層導波路型多モード干渉領域５とから構成される。

テーパ型スポットサイズ変換領域４は、図１（Ｃ）に示したように、アンダークラッド１と、このアンダークラッド１上に形成され、シリコン導波路２と接続する端面での断面形状が該シリコン導波路２のそれと略同一であり、光の伝搬方向（図１（Ａ）の左から右への方向）に沿ってＳＭＦ７に向かうに従い断面サイズが断熱的に小さくなるようなテーパ形状のテーパシリコン導波路２ａと、このテーパシリコン導波路２ａを覆うようにしてアンダークラッド１上に形成され、その断面寸法がＳＭＦ７のモードフィールド径よりも小さいセカンドコア３と、このセカンドコア３を覆うようにしてアンダークラッド１上に形成されたオーバークラッド６とから構成される。シリコン導波路２およびテーパシリコン導波路２ａの高さは一定である。

セカンドコア３の屈折率は、シリコンの屈折率よりも小さいものであればよい。例えば、セカンドコア３の材料として、石英（ＳｉＯ₂）や窒化シリコンなどを用いればよい。また、アンダークラッド１およびオーバークラッド６は、いずれもセカンドコア３の屈折率よりも小さい屈折率の材料で形成されていればよい。テーパ型スポットサイズ変換領域４では、光はシングルモードで導波される。

多層導波路型多モード干渉領域５は、図１（Ｅ）に示したように、アンダークラッド１と、このアンダークラッド１上にセカンドコア３と略同じ高さで形成された、セカンドコア３と同じ材料からなる１つ乃至は複数の下層コア５ａと、下層コア５ａからアンダークラッド１と離間する方向に間隙を設けて形成された、セカンドコア３と同じ材料からなる１つ乃至は複数の上層コア５ｂと、下層コア５ａおよび上層コア５ｂを覆うようにしてアンダークラッド１上に形成されたオーバークラッド６とから構成される。セカンドコア３と下層コア５ａとは、図１（Ｅ）の破線で示す８の部分で結合している。なお、上層コア５ｂのセカンドコア側の端面は他のコアと接続されずにオーバークラッド６中に置かれた状態となっている。

下層コア５ａと上層コア５ｂとは、各導波路が光学的に結合した複数のスーパーモードを形成するマルチモード導波路構造とされる。この条件を満たす限り、上層コア５ｂおよび下層コア５ａは、マルチモード導波路コアであっても、シングルモード導波路コアであってもよい。

本実施の形態のスポットサイズ変換器の特徴は、セカンドコア３を伝搬した光のモードフィールド径をＳＭＦ７のそれと同程度の径に変換するために、従来の２段テーパ構造を用いるのではなく、多層導波路型多モード干渉領域５を用いる点にある。以下、多層導波路型多モード干渉領域５での動作を詳細に説明する。

テーパ型スポットサイズ変換領域４におけるセカンドコア３を伝搬した光により、多層導波路型多モード干渉領域５内には複数の伝搬モードが励振され、それら複数のモードが干渉しながら伝搬する。多層導波路型多モード干渉領域５内では、複数のモードの干渉により、光の進行方向に沿って周期的にモードプロファイルが変化する。具体的には、モードフィールド径の拡大・縮小を繰り返しながら光は伝搬する。

そこで、多層導波路型多モード干渉領域５のＳＭＦ７との接続端におけるモードフィールド径が、ＳＭＦ７のモードフィールド径と略同一となるような長さ（図１（Ａ）中のＬ_MC）の多層導波路型多モード干渉領域５とすることにより、セカンドコア３とＳＭＦ７間を低損失に結合することが可能となる。図２（Ａ）にＳＭＦ７と近似的にマッチングする多層導波路型多モード干渉領域５のＳＭＦ７との接続端でのモードプロファイルの一例を示す。図２（Ｂ）はＳＭＦ７でのモードプロファイルを示している。

一般的な半導体微細加工の工程では、基板上の同一層内の導波路コアは、膜堆積とエッチング工程により一括で形成されるため、異なるコア厚さの導波路を一緒の基板上で作製することは困難である。そのため、多層導波路型多モード干渉領域５として、セカンドコア３よりも大きな１つのマルチモード導波路構造を作製することは望ましくない。したがって、そのため、図１（Ｄ）および図１（Ｅ）に示すように、セカンドコア３と下層コア５ａの導波路コア厚さを揃えた積層導波路構造とする方が作製上望ましい。

つまり、下層コア５ａとしては、図１（Ｅ）に示すように、その高さがセカンドコア３と略同一であり、高さよりも幅の広い１つの導波路コアであればよい。また、多層導波路型多モード干渉領域５に複数のモードを励振させ、かつ複数のモードが干渉した結果としてＳＭＦ７のモードプロファイルに近いスーパーモードを形成させるためには、セカンドコア３を、下層コア５ａのセカンドコア側の端面の中心部（図１（Ｅ）の８の部分）に接続するように形成することが望ましい。

スポットサイズ変換器におけるＳＭＦ７との接続端面は、例えばダイシングプロセスにより形成される。その際、ダイシングブレードのアライメント誤差が多層導波路型多モード干渉領域５の長さＬ_MCの誤差となってしまう。この誤差は、スポットサイズ変換器とＳＭＦ７との光の結合損失を増大させてしまう。そこで、スポットサイズ変換器のＳＭＦ７との接続端には、図３（Ａ）〜図３（Ｅ）に示すようなダイシングマージン領域９を設けることが望ましい。

図３（Ａ）〜図３（Ｅ）は本実施の形態のスポットサイズ変換器の他の構成を示す平面図および断面図であり、図３（Ａ）はスポットサイズ変換器の平面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のスポットサイズ変換器のＡ−Ａ’線断面図、図３（Ｃ）は図３（Ａ）のスポットサイズ変換器のＢ−Ｂ’線断面図、図３（Ｄ）は図３（Ａ）のスポットサイズ変換器のＣ−Ｃ’線断面図、図３（Ｅ）は図３（Ａ）のスポットサイズ変換器のＤ−Ｄ’線断面図である。図１（Ａ）〜図１（Ｅ）に示したスポットサイズ変換器と図３（Ａ）〜図３（Ｅ）のスポットサイズ変換器との違いは、このダイシングマージン領域９を設けている点にある。

ダイシングマージン領域９の下層の導波路コア９ａは、多層導波路型多モード干渉領域５の下層コア５ａと接続するようにアンダークラッド１上に形成された、同一層内で離間した同寸法の２つのコアであり、ダイシングマージン領域９の上層の導波路コア９ｂは、多層導波路型多モード干渉領域５の上層コア５ｂと接続するように導波路コア９ａと離間して形成された、同一層内で離間した同寸法の２つのコアである。この導波路コア９ａ，９ｂは、セカンドコア３と同じ材料からなる。

このように、ダイシングマージン領域９は、複数の導波路コア９ａ，９ｂが光学的に結合してなり、多層導波路型多モード干渉領域５のＳＭＦ７側端面（Ｃ−Ｃ’線の位置の断面）のモードプロファイルと結合する固有モードを有することを特徴とする。すなわち、ダイシングマージン領域９では、単一の固有モードが保持されて伝搬する。そのため、ダイシングマージン領域９においては、多層導波路型多モード干渉領域５のＳＭＦ７側端面のモードプロファイルが保持されて伝搬するため、ダイシングマージン領域９のどの箇所をダイシングしても、ほぼ同じ結合損失でＳＭＦ７とモードマッチングするプロファイルを得ることができる。図３（Ｅ）における１０はＳＭＦ７のコア径を示している。

以下では、スポットサイズ変換器の実際の設計例を示す。図４（Ａ）〜図４（Ｃ）は本実施の形態のスポットサイズ変換器の寸法を説明する断面図であり、図４（Ａ）はセカンドコア３の断面（図１、図３のＢ−Ｂ’線の位置の断面）を示す図、図４（Ｂ）は多層導波路型多モード干渉領域５の断面（図１、図３のＣ−Ｃ’線の位置の断面）を示す図、図４（Ｃ）はダイシングマージン領域９の断面（図３のＤ−Ｄ’線の位置の断面）を示す図である。シリコン導波路２とセカンドコア３間の逆テーパ型スポットサイズ変換器の結合は従来どおりであるため割愛する。

セカンドコア３の領域については、セカンドコア３の屈折率が１．５０５、オーバークラッド６の屈折率が１．４６、アンダークラッド１の屈折率が１．４４である。セカンドコア３は、高さＨ１が３．０μｍで一定であり、幅Ｗ１が３．０μｍで一定の矩形断面形状のコアである。

多層導波路型多モード干渉領域５の下層コア５ａは高さＨ２が３．０μｍで一定であり、幅Ｗ２が７．０μｍで一定の矩形断面形状のマルチモード導波路、上層コア５ｂは高さＨ３が３．０μｍで一定であり、幅Ｗ３が３．２μｍで一定の矩形断面形状の２個のシングルモード導波路である。下層コア５ａおよび上層コア５ｂの屈折率は１．５０５である。２個の上層コア５ｂの間隔Ｇ１（上層コア５ｂ間のオーバークラッド６の幅）は０．６μｍ、下層コア５ａと上層コア５ｂとの間の層間オーバークラッド膜厚Ｇ２は１．０μｍである。また、多層導波路型多モード干渉領域５におけるオーバークラッド６の屈折率は１．４６、アンダークラッド１の屈折率は１．４４である。

ダイシングマージン領域９の下層の２個の導波路コア９ａは高さＨ４が３．０μｍで一定であり、幅Ｗ４が３．２μｍで一定の矩形断面形状のコア、上層の２個の導波路コア９ｂも高さＨ５が３．０μｍで一定であり、幅Ｗ５が３．２μｍで一定の矩形断面形状のコアである。導波路コア９ａ，９ｂの屈折率は１．５０５である。２個の導波路コア９ａの間隔Ｇ３（導波路コア９ａ間のオーバークラッド６の幅）および２個の導波路コア９ｂの間隔Ｇ４（導波路コア９ｂ間のオーバークラッド６の幅）は共に０．６μｍ、導波路コア９ａと導波路コア９ｂとの間の層間オーバークラッド膜厚Ｇ５は１．０μｍである。また、ダイシングマージン領域９におけるオーバークラッド６の屈折率は１．４６、アンダークラッド１の屈折率は１．４４である。

なお、本実施の形態では、セカンドコア３は多層導波路型多モード干渉領域５の下層コア５ａの中心部と結合するように配置される。この配置は、セカンドコア３の伝搬光によって多層導波路型多モード干渉領域５の複数のモードが励振される条件を満たせば、上記に限るものではない。

多層導波路型多モード干渉領域５の長さＬ_MCと、セカンドコア３とＳＭＦ７間の結合効率との関係を図５に示す。図５におけるＴ１は多層導波路型多モード干渉領域５の下層コア５ａと上層コア５ｂ間、すなわち層間の光結像位置遷移の周期、Ｔ２は多層導波路型多モード干渉領域５の下層コア５ａ内および２つの上層コア５ｂ間、すなわち層内の光結像位置遷移の周期である。図５の５０は周期Ｔ１，Ｔ２が強め合う現象が起きている位置であり、５１は周期Ｔ１，Ｔ２が強め合う現象が起きていない位置である。セカンドコア３とＳＭＦ７間の結合効率は、多層導波路型多モード干渉領域５の長さＬ_MC＝１７６μｍにおいて最大値となり、その際の結合損失は約１．８ｄＢである。

また、多層導波路型多モード干渉領域５の長さＬ_MC＝１７６μｍの場合における光伝搬のシミュレーション結果を図６（Ａ）〜図６（Ｃ）に示す。図６（Ａ）は多層導波路型多モード干渉領域５の上層コア５ｂおよびダイシングマージン領域９の上層の導波路コア９ｂを上面から見た場合の光伝搬の計算結果、図６（Ｂ）は多層導波路型多モード干渉領域５の下層コア５ａおよびダイシングマージン領域９の下層の導波路コア９ａを上面から見た場合の光伝搬の計算結果、図６（Ｃ）は多層導波路型多モード干渉領域５およびダイシングマージン領域９を側面から見た場合の光伝搬の計算結果を示している。図６（Ａ）〜図６（Ｃ）から明らかなように、左から右への方向が光の伝搬方向である。図６（Ａ）〜図６（Ｃ）の６０ａは下層コア５ａにおける光伝搬、６０ｂは上層コア５ｂにおける光伝搬、６１ａは導波路コア９ａにおける光伝搬、６１ｂは導波路コア９ｂにおける光伝搬を示している。

図６（Ａ）〜図６（Ｃ）によると、多層導波路型多モード干渉領域５では複数の固有モードが互いに干渉しながら伝搬するが、ダイシングマージン領域９では単一の固有モードが保持されて伝搬する様子が分かる。ダイシングマージン領域９を伝搬するモードプロファイルは図２（Ａ）に示したモードプロファイルと同様である。

図５中のＴ１＝約３５０μｍ周期の大きな振幅変化は、図６（Ｃ）に見られる多層導波路型多モード干渉領域５内の下層コア５ａと上層コア５ｂ間の光結像位置遷移によるものである。図５中のＴ２＝約８０μｍ周期の小さな振幅変化は、図６（Ａ）、図６（Ｂ）に見られる多層導波路型多モード干渉領域５内の下層コア５ａ内および２つの上層コア５ｂ間の光結像位置遷移によるものである。

本実施の形態では、図５中の２つの周期Ｔ１，Ｔ２が互いに強め合う多層導波路型多モード干渉領域５の長さＬ_MCにおいてセカンドコア３とＳＭＦ７間の結合効率が最大となり、より短い長さＬ_MCで２つの周期Ｔ１，Ｔ２が重なるように設計すればよい。

図７（Ａ）、図７（Ｂ）に本実施の形態のスポットサイズ変換器と図９（Ａ）〜図９（Ｃ）に示した従来のスポットサイズ変換器のサイズを比較した平面図を示す。図７（Ａ）に示す従来のスポットサイズ変換器においても、長さＬ_couplが２００μｍ以上のダイシングマージン領域９を設けている。従来のようにセカンドコア１０２で断熱テーパを形成する場合、一般にテーパ部の長さＬ２は１ｍｍ程度以上必要となるが、本実施の形態においては多層導波路型多モード干渉領域５の長さＬ_MCを２００μｍ以下に抑えることが可能となる。

本実施の形態のスポットサイズ変換器のダイシングマージン領域９の長さＬ_couplと、セカンドコア３とＳＭＦ７間の結合効率との関係を図８に示す。図８の８０はダイシングマージン領域９の長さＬ_couplと、セカンドコア３とＳＭＦ７間の結合効率との関係をＴＥモードの場合について示し、８１は同様の関係をＴＭモードの場合について示している。

図８によると、セカンドコア３とＳＭＦ７間の結合効率は、ダイシングマージン領域９の長さＬ_couplに対してほぼ依存性はないことが確認できる。図８の関係を求めるために用いた本実施の形態のスポットサイズ変換器はＴＥモードに対して最適化したものであり、ＴＭモードについては若干のモード干渉が見られるが、設計最適化により偏波無依存化も可能である。図８に示した特性は、ダイシングマージン領域９のどの位置をＳＭＦ７との結合端面としても、セカンドコア３とＳＭＦ７間の結合効率はほぼ変化しないことを意味しており、チップ化におけるプロセスマージンを確保できることを意味している。

本発明は、シリコン細線導波路をコア径の大きいシングルモード光ファイバに結合する技術に適用することができる。

１…アンダークラッド、２…シリコン導波路、２ａ…テーパシリコン導波路、３…セカンドコア、４…テーパ型スポットサイズ変換領域、５…多層導波路型多モード干渉領域、５ａ…下層コア、５ｂ…上層コア、６…オーバークラッド、７…シングルモード光ファイバ、９…ダイシングマージン領域、９ａ，９ｂ…導波路コア。

Claims (5)

1. シリコン導波路とシングルモード光ファイバとを光学的に接続するスポットサイズ変換器において、
   シリコン導波路と接続されるテーパ型スポットサイズ変換領域と、
   このテーパ型スポットサイズ変換領域とシングルモード光ファイバとの間に設けられる多層導波路型多モード干渉領域とを備え、
   前記テーパ型スポットサイズ変換領域は、
   前記シリコン導波路と接続するようにアンダークラッド上に形成され、光の伝搬方向に沿って前記シングルモード光ファイバに向かうに従い断面寸法が連続的に小さくなるテーパ形状のテーパシリコン導波路と、
   このテーパシリコン導波路を覆うように前記アンダークラッド上に形成され、その断面寸法が前記シングルモード光ファイバのモードフィールド径よりも小さいセカンドコアとからなり、
   前記多層導波路型多モード干渉領域は、前記セカンドコアと接続するように前記アンダークラッド上に形成された１つ乃至は複数の下層コアと、
   前記下層コアから前記アンダークラッドと離間する方向に間隙を設けて形成された１つ乃至は複数の上層コアとからなり、
   前記多層導波路型多モード干渉領域の長さは、前記セカンドコアと前記シングルモード光ファイバ間の結合効率が所望の値となる長さに設定されることを特徴とするスポットサイズ変換器。
2. 請求項１記載のスポットサイズ変換器において、
   前記セカンドコアの高さと前記多層導波路型多モード干渉領域の下層コアの高さとが略等しい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記載のスポットサイズ変換器において、
   前記多層導波路型多モード干渉領域の下層コアは、その高さよりも幅が広い１つのコアであり、
   前記多層導波路型多モード干渉領域の上層コアは、同一層内で離間した同寸法の２つのコアであり、
   前記セカンドコアは、前記下層コアのセカンドコア側の端面の中心部と接続していることを特徴とするスポットサイズ変換器。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスポットサイズ変換器において、
   さらに、前記多層導波路型多モード干渉領域と前記シングルモード光ファイバとの間に設けられ、前記多層導波路型多モード干渉領域から出力される単一の固有モードを保持して伝搬させることが可能なダイシングマージン領域を備えることを特徴とするスポットサイズ変換器。
5. 請求項４記載のスポットサイズ変換器において、
   前記ダイシングマージン領域は、
   前記多層導波路型多モード干渉領域の下層コアと接続するように前記アンダークラッド上に形成された、同一層内で離間した同寸法の２つの第１の導波路コアと、
   前記多層導波路型多モード干渉領域の上層コアと接続するように前記第１の導波路コアと離間して形成された、同一層内で離間した同寸法の２つの第２の導波路コアとからなることを特徴とするスポットサイズ変換器。