JP2016018191A - Spot size converter and manufacturing method thereof - Google Patents

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悟史 宮村
Satoshi Miyamura
悟史 宮村
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spot size converter that can be used independent of polarization.SOLUTION: A spot size converter 100 includes: lower and upper clad layers 20, 50; a first optical waveguide core 30 having one end part serving as a tapered part 33 whose width is continuously reduced along a propagation direction of light; and a second optical waveguide core 40 that has a lower second optical waveguide core 41 which is formed on an upper surface of the lower clad layer 20, and covers a lower surface side of the first optical waveguide core 30, and an upper second optical waveguide core 43 which is formed on an upper surface of the lower second optical waveguide core 41, and covers upper surface and side surface sides of the first optical waveguide core 30. The second optical waveguide core 40 is formed of a material having a refractive index larger than those of the lower and upper clad layers 20, 50, and smaller than that of the first optical waveguide core 30.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

この発明は、光デバイスと光ファイバ等の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及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a spot size converter used for connection between an optical device and an external element such as an optical fiber, and a manufacturing method thereof.

高速信号処理を要する情報処理機器において、電気配線の帯域制限がボトルネックとなっている。このため、情報伝達量の増大に伴い、光配線技術が注目されている。光配線技術では、光ファイバや光導波路素子を伝送媒体とした光デバイスを用いて、情報処理機器内の素子間、ボード間又はチップ間等の情報伝達を光信号で行う。   In information processing equipment that requires high-speed signal processing, bandwidth limitation of electrical wiring is a bottleneck. For this reason, with the increase in the amount of information transmission, optical wiring technology has attracted attention. In the optical wiring technology, using an optical device using an optical fiber or an optical waveguide element as a transmission medium, information transmission between elements in information processing equipment, between boards, or between chips is performed by an optical signal.

このような光配線技術で用いられる光導波路素子として、リブ型導波路やシリコン（Ｓｉ）細線導波路の構造を用いたものがある。Ｓｉ細線導波路では、実質的に光の伝送路となる光導波路コアを、Ｓｉを材料として形成する。Ｓｉを材料とした光導波路コアは、例えば石英（すなわち酸化シリコン（ＳｉＯ２））クラッドとの屈折率差が極めて大きいため、光導波路コア内に光を強く閉じ込めることができる。その結果、曲げ半径を例えば数μｍ程度まで小さくした、小型の曲線導波路を実現することができるため、光デバイス全体の小型化に有利である。 As an optical waveguide element used in such an optical wiring technology, there is one using a structure of a rib-type waveguide or a silicon (Si) thin wire waveguide. In the Si thin wire waveguide, an optical waveguide core that substantially becomes a light transmission path is formed using Si as a material. Since the optical waveguide core made of Si has a very large refractive index difference from, for example, quartz (ie, silicon oxide (SiO 2 )) cladding, light can be strongly confined in the optical waveguide core. As a result, a small curved waveguide having a bending radius reduced to, for example, about several μm can be realized, which is advantageous for downsizing the entire optical device.

一方で、Ｓｉ細線導波路では、シングルモード条件を達成するために、光導波路コアの幅及び厚さがそれぞれ例えば数１００ｎｍ程度に設定される。これに対して、光ファイバでは、シングルモード条件を達成するために、直径が例えば１０μｍ程度に設定される。そのため、光デバイスの光導波路コアと例えば光ファイバ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モードフィールド径（ＭＦＤ：Ｍｏｄｅ Ｆｉｅｌｄ Ｄｉａｍｅｔｅｒ）を変換する必要がある。   On the other hand, in the Si wire waveguide, in order to achieve the single mode condition, the width and thickness of the optical waveguide core are each set to about several hundred nm, for example. On the other hand, in the optical fiber, in order to achieve the single mode condition, the diameter is set to about 10 μm, for example. Therefore, in order to optically connect the optical waveguide core of the optical device and an external element such as an optical fiber, it is necessary to convert a mode field diameter (MFD) between them.

ＭＦＤを変換する素子として、例えばスポットサイズ変換器がある。スポットサイズ変換器を外部素子と光デバイスの光導波路コアとの間に設置することによって、外部素子と光導波路コアとの間で入出力される光のＭＦＤを縮小又は拡大することができる。   As an element for converting MFD, for example, there is a spot size converter. By installing the spot size converter between the external element and the optical waveguide core of the optical device, the MFD of light input / output between the external element and the optical waveguide core can be reduced or enlarged.

スポットサイズ変換器として、互いに屈折率の異なる第１光導波路コアと第２光導波路コアとを備える構造がある（例えば特許文献１又は特許文献２参照）。このような２つの光導波路コアを有する従来のスポットサイズ変換器について、図５を参照して説明する。図５は、従来のスポットサイズ変換器を厚さ方向及び光の伝播方向に沿って切り取った端面を示す図である。   As a spot size converter, there is a structure including a first optical waveguide core and a second optical waveguide core having different refractive indexes (see, for example, Patent Document 1 or Patent Document 2). A conventional spot size converter having two optical waveguide cores will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a view showing an end surface of a conventional spot size converter cut along the thickness direction and the light propagation direction.

従来のスポットサイズ変換器５００は、支持基板５１０と、支持基板５１０上に形成された下部クラッド層５２０と、下部クラッド層５２０上に形成された第１光導波路コア５３０及び第２光導波路コア５４０と、第１光導波路コア５３０及び第２光導波路コア５４０を被覆する上部クラッド層５５０を備えている。   The conventional spot size converter 500 includes a support substrate 510, a lower clad layer 520 formed on the support substrate 510, and a first optical waveguide core 530 and a second optical waveguide core 540 formed on the lower clad layer 520. And an upper clad layer 550 that covers the first optical waveguide core 530 and the second optical waveguide core 540.

第１光導波路コア５３０は、例えばＳｉを材料として形成されている。そして、第１光導波路コア５３０の一端側は、光の伝播方向に沿って幅が連続的に縮小するテーパ部となっている。また、第２光導波路コア５４０は、Ｓｉよりも屈折率の小さい物質を材料として形成されている。そして、第２光導波路コア５４０は、第１光導波路コア５３０の上面及び側面を被覆して形成されている。   The first optical waveguide core 530 is made of, for example, Si. One end of the first optical waveguide core 530 is a tapered portion whose width is continuously reduced along the light propagation direction. The second optical waveguide core 540 is formed using a material having a refractive index smaller than that of Si. The second optical waveguide core 540 is formed so as to cover the upper surface and side surfaces of the first optical waveguide core 530.

第１光導波路コア５３０では、テーパ部において幅が狭くなるに従って、光の閉じ込め効果が小さくなる。その結果、第１光導波路コア５３０のテーパ部を、幅が縮小された一端の方向へ伝播する光は、徐々に第２光導波路コア５４０に移行する。第２光導波路コア５４０は、第１光導波路コア５３０よりも屈折率が小さい。このため、第１光導波路コア５３０から第２光導波路コア５４０へ移行する光のＭＦＤが拡大する。   In the first optical waveguide core 530, the light confinement effect becomes smaller as the width becomes narrower in the tapered portion. As a result, the light propagating through the tapered portion of the first optical waveguide core 530 toward the one end whose width is reduced gradually moves to the second optical waveguide core 540. The second optical waveguide core 540 has a refractive index smaller than that of the first optical waveguide core 530. For this reason, the MFD of the light transferred from the first optical waveguide core 530 to the second optical waveguide core 540 is expanded.

特開２００４−１８４９８６号公報JP 2004-184986 A 特許第３５４３１２１号Japanese Patent No. 3543121

しかしながら、従来のスポットサイズ変換器５００において、第１光導波路コア５３０のテーパ部は、幅方向のみがテーパ形状となっている。そのため、テーパ部は、幅よりも厚さが大きくなる部分を含む。その結果、テーパ部では、幅方向の光の閉じ込め効果が小さくなるのに対し、厚さ方向の光の閉じ込め効果が依然大きいままとなる。そのため、例えば第１光導波路コア５３０から第２光導波路コア５４０へ移行する光について、ＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）偏波のＭＦＤを十分に拡大することができても、ＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ）偏波のＭＦＤが十分に拡大できない。従って、従来のスポットサイズ変換器５００では、第１光導波路コア５３０から第２光導波路コア５４０へ伝播する光のエネルギー変換効率に偏波依存性が生じる。   However, in the conventional spot size converter 500, the taper portion of the first optical waveguide core 530 is tapered only in the width direction. Therefore, the taper portion includes a portion whose thickness is larger than the width. As a result, in the taper portion, the light confinement effect in the width direction is reduced, whereas the light confinement effect in the thickness direction remains large. Therefore, for example, with respect to the light moving from the first optical waveguide core 530 to the second optical waveguide core 540, even though the MFD of TE (Transverse Electric) polarization can be sufficiently expanded, the TM (Transverse Magnetic) polarization of MFD cannot be expanded sufficiently. Therefore, in the conventional spot size converter 500, polarization dependence occurs in the energy conversion efficiency of light propagating from the first optical waveguide core 530 to the second optical waveguide core 540.

そこで、この発明の目的は、偏波無依存で使用可能なスポットサイズ変換器及びその製造方法を提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a spot size converter that can be used without depending on polarization and a method for manufacturing the spot size converter.

上述した課題を解決するために、この発明による光導波路素子は、以下の特徴を備えている。   In order to solve the above-described problems, an optical waveguide device according to the present invention has the following features.

この発明によるスポットサイズ変換器は、クラッド層と、第１光導波路コアと、第２光導波路コアとを備えて構成される。   The spot size converter according to the present invention comprises a cladding layer, a first optical waveguide core, and a second optical waveguide core.

第１光導波路コアは、一方の端部が、光の伝播方向に沿って連続的に幅が縮小するテーパ部とされている。   One end of the first optical waveguide core is a tapered portion whose width is continuously reduced along the light propagation direction.

第２光導波路コアは、下部第２光導波路コア及び上部第２光導波路コアを含む。下部第２光導波路コアは、クラッド層の上面に形成され、第１光導波路コアの下面を被覆する。上部第２光導波路コアは、下部第２光導波路コアの上面に形成され、第１光導波路コアの上面及び側面を被覆する。また、第２光導波路コアは、クラッド層よりも屈折率が大きく、かつ第１光導波路コアよりも屈折率が小さい材料で形成されている。   The second optical waveguide core includes a lower second optical waveguide core and an upper second optical waveguide core. The lower second optical waveguide core is formed on the upper surface of the cladding layer and covers the lower surface of the first optical waveguide core. The upper second optical waveguide core is formed on the upper surface of the lower second optical waveguide core and covers the upper surface and side surfaces of the first optical waveguide core. The second optical waveguide core is made of a material having a refractive index larger than that of the cladding layer and smaller than that of the first optical waveguide core.

この発明によるスポットサイズ変換器の製造方法は、以下の各工程を含む。   The manufacturing method of the spot size converter according to the present invention includes the following steps.

まず、クラッド層、クラッド層よりも屈折率が大きい材料で形成された下部第２光導波路コア材料層、及び下部第２光導波路コア材料層よりも屈折率が大きい材料で形成された第１光導波路コア材料層が、この順に積層された積層構造体を形成する。   First, a cladding layer, a lower second optical waveguide core material layer formed of a material having a higher refractive index than the cladding layer, and a first light beam formed of a material having a higher refractive index than the lower second optical waveguide core material layer A waveguide core material layer forms a laminated structure laminated in this order.

次に、第１光導波路コア材料層をパターニングすることによって、一方の端部が光の伝播方向に沿って連続的に幅が縮小するテーパ部とされた第１光導波路コアを形成する。その後、下部第２光導波路コア材料層をパターニングすることによって下部第２光導波路コアを形成する。   Next, by patterning the first optical waveguide core material layer, a first optical waveguide core in which one end portion is a tapered portion whose width is continuously reduced along the light propagation direction is formed. Thereafter, the lower second optical waveguide core is formed by patterning the lower second optical waveguide core material layer.

次に、下部第２光導波路コアの上面に、第１光導波路コアの上面及び側面を被覆する上部第２光導波路コアを、下部第２光導波路コアと同じ材料で形成する。これによって、下部第２光導波路コア及び上部第２光導波路コアを含む第２光導波路コアを形成する。   Next, an upper second optical waveguide core that covers the upper surface and side surfaces of the first optical waveguide core is formed on the upper surface of the lower second optical waveguide core with the same material as the lower second optical waveguide core. Thus, a second optical waveguide core including the lower second optical waveguide core and the upper second optical waveguide core is formed.

この発明によるスポットサイズ変換器では、第１光導波路コアのテーパ部において、幅が狭まるに従って光の閉じ込め効果が小さくなる。その結果、第１光導波路コアを伝播する光が、徐々に第２光導波路コアに移行する。また、この発明によるスポットサイズ変換器では、第１光導波路コアの上面側及び側面側のみならず、下面側にも第２光導波路コアが形成されている。その結果、光の閉じ込め効果が小さくなるテーパ部において、第２光導波路コアへ移行する光のＭＦＤは、幅方向のみならず、第１光導波路コアに対して上下にも拡大される。そのため、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の双方のＭＦＤを拡大することができる。従って、この発明によるスポットサイズ変換器は、偏波無依存で使用可能である。   In the spot size converter according to the present invention, the light confinement effect becomes smaller as the width becomes narrower in the tapered portion of the first optical waveguide core. As a result, the light propagating through the first optical waveguide core gradually shifts to the second optical waveguide core. In the spot size converter according to the present invention, the second optical waveguide core is formed not only on the upper surface side and the side surface side of the first optical waveguide core but also on the lower surface side. As a result, in the taper portion where the light confinement effect is reduced, the MFD of the light transferred to the second optical waveguide core is expanded not only in the width direction but also vertically with respect to the first optical waveguide core. Therefore, it is possible to expand both the TE polarized wave and the TM polarized wave MFD. Therefore, the spot size converter according to the present invention can be used independently of polarization.

また、この発明のスポットサイズ変換器の製造方法では、上述したこの発明によるスポットサイズ変換器を、材料層の積層及びパターニングの組合せによって簡易に製造することができる。   Further, in the method for manufacturing a spot size converter according to the present invention, the above-described spot size converter according to the present invention can be easily manufactured by a combination of lamination of material layers and patterning.

この発明のスポットサイズ変換器を示す概略的斜視図である。It is a schematic perspective view which shows the spot size converter of this invention. この発明のスポットサイズ変換器を示す概略的平面図である。It is a schematic plan view which shows the spot size converter of this invention. （Ａ）及び（Ｂ）は、この発明のスポットサイズ変換器を示す概略的端面図である。(A) And (B) is a schematic end view which shows the spot size converter of this invention. この発明のスポットサイズ変換器を説明するための工程図である。It is process drawing for demonstrating the spot size converter of this invention. 従来のスポットサイズ変換器を示す概略的端面図である。It is a schematic end view which shows the conventional spot size converter.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the shape, size, and arrangement relationship of each component are merely schematically shown to the extent that the present invention can be understood. In the following, a preferred configuration example of the present invention will be described. However, the material and numerical conditions of each component are merely preferred examples. Therefore, the present invention is not limited to the following embodiments, and many changes or modifications that can achieve the effects of the present invention can be made without departing from the scope of the configuration of the present invention.

（構成）
図１〜３を参照して、この発明の実施の形態によるスポットサイズ変換器について説明する。図１は、スポットサイズ変換器を示す概略的斜視図である。図２は、スポットサイズ変換器を示す概略的平面図である。図２では、後述する上部クラッド層を透明として示してある。図３（Ａ）は、図２に示すスポットサイズ変換器をＩ−Ｉ線で切り取った概略的端面図である。図３（Ｂ）は、図２に示すスポットサイズ変換器をＩＩ−ＩＩ線で切り取った概略的端面図である。 (Constitution)
A spot size converter according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic perspective view showing a spot size converter. FIG. 2 is a schematic plan view showing a spot size converter. In FIG. 2, the upper clad layer described later is shown as transparent. FIG. 3A is a schematic end view of the spot size converter shown in FIG. 2 taken along line II. FIG. 3B is a schematic end view of the spot size converter shown in FIG. 2 taken along the line II-II.

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、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。   The spot size converter 100 is used as an element that converts MFD between an external element such as a semiconductor laser or an optical fiber and the optical waveguide core of the optical device. Here, an example will be described in which the spot size converter 100 is used to convert the MFD of light transmitted from an optical device to an external element.

スポットサイズ変換器１００には、一方の入出力端１００ａ及び他方の入出力端１００ｂが設定されている。スポットサイズ変換器１００は、一方の入出力端１００ａ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。また、他方の入出力端１００ｂにおいて外部素子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、一方の入出力端１００ａからスポットサイズ変換器１００へ入力され、ＭＦＤが変換された後、他方の入出力端１００ｂから外部素子へ送られる。   In the spot size converter 100, one input / output end 100a and the other input / output end 100b are set. The spot size converter 100 is optically connected to the optical waveguide core of the optical device at one input / output end 100a. The other input / output terminal 100b is optically connected to an external element. The light transmitted from the optical device is input from one input / output end 100a to the spot size converter 100, and after the MFD is converted, is transmitted from the other input / output end 100b to an external element.

スポットサイズ変換器１００は、支持基板１０と、下部クラッド層２０と、第１光導波路コア３０と、下部第２光導波路コア４１及び上部第２光導波路コア４３を含む第２光導波路コア４０と、上部クラッド層５０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の上面１０ａに直交する方向を厚さ方向とする。また、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。   The spot size converter 100 includes a support substrate 10, a lower cladding layer 20, a first optical waveguide core 30, a second optical waveguide core 40 including a lower second optical waveguide core 41 and an upper second optical waveguide core 43. The upper clad layer 50 is provided. In the following description, a direction perpendicular to the upper surface 10a of the support substrate 10 is a thickness direction. The direction along the light propagation direction is the length direction. Moreover, let the direction orthogonal to a length direction and a thickness direction be a width direction.

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。   The support substrate 10 is composed of a flat plate made of, for example, single crystal Si.

下部クラッド層２０は、支持基板１０の上面１０ａを被覆して形成されている。下部クラッド層２０は、例えばＳｉＯ２を材料として形成されている。また、下部クラッド層２０は、支持基板１０への光の放射を防ぐために、少なくとも２μｍ程度の厚さであるのが好ましい。 The lower cladding layer 20 is formed so as to cover the upper surface 10 a of the support substrate 10. The lower cladding layer 20 is formed using, for example, SiO 2 as a material. The lower clad layer 20 is preferably at least about 2 μm thick in order to prevent light emission to the support substrate 10.

下部第２光導波路コア４１は、下部クラッド層２０の上面２０ａに、下部クラッド層２０よりも大きい屈折率を有する例えばＳｉＯｘ（ｘは０＜ｘ＜２を満たす実数）、ＳｉＮ又はＳｉＯＮ等を材料として形成されている。 The lower second optical waveguide core 41 is made of, for example, SiO x (x is a real number satisfying 0 <x <2), SiN or SiON having a refractive index larger than that of the lower cladding layer 20 on the upper surface 20a of the lower cladding layer 20. It is formed as a material.

第１光導波路コア３０は、下部第２光導波路コア４１の上面４１ａに、下部第２光導波路コア４１よりも大き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。   The first optical waveguide core 30 is formed on the upper surface 41 a of the lower second optical waveguide core 41 using, for example, Si having a refractive index larger than that of the lower second optical waveguide core 41.

上部第２光導波路コア４３は、下部第２光導波路コア４１の上面４１ａに、第１光導波路コア３０を被覆して形成されている。上部第２光導波路コア４３は、下部第２光導波路コア４１と同じ材料で形成されている。   The upper second optical waveguide core 43 is formed by covering the first optical waveguide core 30 on the upper surface 41 a of the lower second optical waveguide core 41. The upper second optical waveguide core 43 is formed of the same material as the lower second optical waveguide core 41.

このように第１光導波路コア３０と、下部第２光導波路コア４１及び上部第２光導波路コア４３を含む第２光導波路コア４０とを積層することによって、第１光導波路コア３０は、下面３０ｂ側から下部第２光導波路コア４１に被覆され、及び上面３０ａ及び両側面３０ｃ側から上部第２光導波路コア４３に被覆される。   Thus, by laminating the first optical waveguide core 30 and the second optical waveguide core 40 including the lower second optical waveguide core 41 and the upper second optical waveguide core 43, the first optical waveguide core 30 has a lower surface. The lower second optical waveguide core 41 is covered from the 30b side, and the upper second optical waveguide core 43 is covered from the upper surface 30a and both side surfaces 30c side.

上部クラッド層５０は、下部クラッド層２０の上面２０ａに、第２光導波路コア４０を被覆して形成されている。上部クラッド層５０は、第２光導波路コア４０（すなわち下部第２光導波路コア４１及び上部第２光導波路コア４３）よりも小さい屈折率を有する例えばＳｉＯ２を材料として形成されている。また、上部クラッド層５０を空気とする、すなわち上部クラッド層５０を設けない構成とすることもできる。 The upper clad layer 50 is formed by covering the second optical waveguide core 40 on the upper surface 20 a of the lower clad layer 20. The upper cladding layer 50 is made of, for example, SiO 2 having a refractive index smaller than that of the second optical waveguide core 40 (that is, the lower second optical waveguide core 41 and the upper second optical waveguide core 43). Alternatively, the upper clad layer 50 may be air, that is, the upper clad layer 50 may not be provided.

第１光導波路コア３０は、スポットサイズ変換器１００の一方の入出力端１００ａから他方の入出力端１００ｂへ向かって延在して形成されている。そして、第１光導波路コア３０は、細線導波路部３１とテーパ部３３とが、スポットサイズ変換器１００の一方の入出力端１００ａから他方の入出力端１００ｂの方向にこの順に接続されて一体的に構成されている。従って、第１光導波路コア３０は、一方の端部（すなわち他方の入出力端１００ｂ側の端部）が、テーパ部３３とされている。   The first optical waveguide core 30 is formed to extend from one input / output end 100a of the spot size converter 100 toward the other input / output end 100b. The first optical waveguide core 30 is integrally formed by connecting the thin-line waveguide portion 31 and the taper portion 33 in this order from one input / output end 100a of the spot size converter 100 to the other input / output end 100b. It is structured. Accordingly, the first optical waveguide core 30 has one end portion (that is, the end portion on the other input / output end 100b side) as a tapered portion 33.

第１光導波路コア３０の細線導波路部３１は、スポットサイズ変換器１００の入出力端１００ａ側の一端３１ａにおいて、光デバイスの光導波路コアと接続される。従って、細線導波路部３１の幅及び厚さは、光デバイスの光導波路コアと一致させて、シングルモード条件を満たすように設定される。この実施の形態では、例えば、細線導波路部３１の幅及び厚さをそれぞれ０．３μｍとすることができる。   The thin waveguide section 31 of the first optical waveguide core 30 is connected to the optical waveguide core of the optical device at one end 31a on the input / output end 100a side of the spot size converter 100. Accordingly, the width and thickness of the thin-line waveguide portion 31 are set so as to match the optical waveguide core of the optical device so as to satisfy the single mode condition. In this embodiment, for example, the width and thickness of the thin wire waveguide section 31 can be set to 0.3 μm, respectively.

第１光導波路コア３０のテーパ部３３は、一端３３ａ側で細線導波路部３１の他端３１ｂと接続されている。テーパ部３３は、光の伝播方向（一端３３ａから他端３３ｂへの方向）に沿って、幅が連続的に縮小するように形成されている。   The taper portion 33 of the first optical waveguide core 30 is connected to the other end 31b of the thin wire waveguide portion 31 on the one end 33a side. The tapered portion 33 is formed so that the width continuously decreases along the light propagation direction (the direction from the one end 33a to the other end 33b).

スポットサイズ変換器１００では、入出力端１００ａから入力された光が、実質的な伝送路として機能する第１光導波路コア３０を伝播する。また、第２光導波路コア４０も、周囲を被覆する下部クラッド層２０及び上部クラッド層５０よりも屈折率が大きいため、コアとして機能する。そして、テーパ部３３では、幅が狭まるに従って光の閉じ込め効果が小さくなる。その結果、第１光導波路コア３０を他端３３ｂの方向へ伝播する光が、徐々に第２光導波路コア４０に移行する。第２光導波路コア４０は、第１光導波路コア３０よりも屈折率が小さいため、第１光導波路コア３０から第２光導波路コア４０へ移行する光に含まれるＭＦＤが拡大される。スポットサイズ変換器１００では、第１光導波路コア３０の上面３０ａ側及び両側面３０ｃ側のみならず、下面３０ｂ側にも第２光導波路コア４０が形成されている。その結果、第１光導波路コア３０から第２光導波路コア４０へ移行する光のＭＦＤは、幅方向のみならず、第１光導波路コア３０に対して上下にも拡大される。そのため、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の双方のＭＦＤを拡大することができる。従って、スポットサイズ変換器１００は、偏波無依存で使用可能である。   In the spot size converter 100, light input from the input / output end 100a propagates through the first optical waveguide core 30 that functions as a substantial transmission path. The second optical waveguide core 40 also functions as a core because it has a higher refractive index than the lower cladding layer 20 and the upper cladding layer 50 covering the periphery. And in the taper part 33, the light confinement effect becomes small as a width | variety becomes narrow. As a result, the light propagating through the first optical waveguide core 30 toward the other end 33b gradually shifts to the second optical waveguide core 40. Since the refractive index of the second optical waveguide core 40 is smaller than that of the first optical waveguide core 30, the MFD contained in the light that moves from the first optical waveguide core 30 to the second optical waveguide core 40 is expanded. In the spot size converter 100, the second optical waveguide core 40 is formed not only on the upper surface 30a side and both side surfaces 30c side of the first optical waveguide core 30, but also on the lower surface 30b side. As a result, the MFD of light moving from the first optical waveguide core 30 to the second optical waveguide core 40 is expanded not only in the width direction but also up and down with respect to the first optical waveguide core 30. Therefore, it is possible to expand both the TE polarized wave and the TM polarized wave MFD. Therefore, the spot size converter 100 can be used without depending on the polarization.

なお、テーパ部３３の他端３３ｂの幅、下部第２光導波路コア４１及び上部第２光導波路コア４３の厚さ及び幅、並びに上部クラッド層５０の厚さ及び幅を、接続先の外部素子に応じて任意に設定することで、スポットサイズ変換器１００から出力される光のＭＦＤを調整することができる。一例として、テーパ部３３の他端３３ｂの幅を０．０４μｍ、下部第２光導波路コア４１の厚さを３．５μｍ、上部第２光導波路コア４３の厚さを３．５μｍ、及び上部クラッド層５０の厚さ（下部クラッド層２０の上面２０ａから上部クラッド層５０の上面までの寸法）を１１．５μｍとすることができる。   The width of the other end 33b of the tapered portion 33, the thickness and width of the lower second optical waveguide core 41 and the upper second optical waveguide core 43, and the thickness and width of the upper clad layer 50 are determined by the external element to be connected. The MFD of the light output from the spot size converter 100 can be adjusted by arbitrarily setting it according to. As an example, the width of the other end 33b of the tapered portion 33 is 0.04 μm, the thickness of the lower second optical waveguide core 41 is 3.5 μm, the thickness of the upper second optical waveguide core 43 is 3.5 μm, and the upper cladding. The thickness of the layer 50 (the dimension from the upper surface 20a of the lower cladding layer 20 to the upper surface of the upper cladding layer 50) can be 11.5 μm.

また、図１〜３では、上部第２光導波路コア４３の幅よりも下部第２光導波路コア４１の幅を大きく設定した構成例を示している。しかし、下部第２光導波路コア４１の幅を、上部第２光導波路コア４３の幅と揃えて設定することもできる。また、下部第２光導波路コア４１の厚さ方向の中途までを（すなわち下部第２光導波路コア４１の上部を）、上部第２光導波路コア４３の幅と揃えることもできる。   1 to 3 show a configuration example in which the width of the lower second optical waveguide core 41 is set larger than the width of the upper second optical waveguide core 43. However, the width of the lower second optical waveguide core 41 can be set to be the same as the width of the upper second optical waveguide core 43. Further, the middle of the lower second optical waveguide core 41 in the thickness direction (that is, the upper portion of the lower second optical waveguide core 41) can be aligned with the width of the upper second optical waveguide core 43.

また、図１〜３では、上部クラッド層５０が、下部クラッド層２０を全面的に被覆する構成例を示している。しかし、上部クラッド層５０を、下部第２光導波路コア４１及び上部第２光導波路コア４３を被覆する部分を除いて、除去することもできる。   1 to 3 show a configuration example in which the upper cladding layer 50 covers the entire lower cladding layer 20. However, the upper clad layer 50 can be removed except for a portion covering the lower second optical waveguide core 41 and the upper second optical waveguide core 43.

（製造方法）
この実施の形態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、容易に製造することができる。 (Production method)
The spot size converter 100 of this embodiment can be easily manufactured by using an SOI (Silicon On Insulator) substrate.

図４を参照して、この発明の実施の形態によるスポットサイズ変換器の製造方法について説明する。図４（Ａ）〜（Ｄ）は、スポットサイズ変換器の製造方法を説明する工程図であり、それぞれ、各製造段階で得られた構造体の概略的端面図である。これら図４（Ａ）〜（Ｄ）に示す端面は、図３（Ａ）に示す端面に位置的に対応する。なお、ここでは、上述した第２光導波路コア４０を、ＳｉＯｘ（ｘは０＜ｘ＜２を満たす実数）を材料として形成する場合について説明する。 With reference to FIG. 4, the manufacturing method of the spot size converter by embodiment of this invention is demonstrated. 4A to 4D are process diagrams for explaining a method of manufacturing a spot size converter, and are schematic end views of structures obtained in respective manufacturing stages. These end surfaces shown in FIGS. 4A to 4D correspond in position to the end surfaces shown in FIG. Here, a case where the second optical waveguide core 40 described above is formed using SiO x (x is a real number satisfying 0 <x <2) will be described.

まず、Ｓｉ層１０及びＳｉＯ２層２０が積層された第１基板６０と、Ｓｉ層４３０及びＳｉＯｘ（ｘは０＜ｘ＜２を満たす実数）層４４１が積層された第２基板７０とを用意する（図４（Ａ））。 First, a first substrate 60 on which the Si layer 10 and the SiO 2 layer 20 are stacked, and a second substrate 70 on which the Si layer 430 and the SiO x (x is a real number satisfying 0 <x <2) layer 441 are stacked. Prepare (FIG. 4A).

第１基板６０は、例えばＳｉ基板の上部を熱酸化し、Ｓｉ基板の上部をＳｉＯ２層２０とすることによって形成することができる。同様に、第２基板７０は、例えばＳｉ基板の上部を熱酸化し、Ｓｉ基板の上部をＳｉＯｘ層４４１とすることによって形成することができる。 The first substrate 60 can be formed, for example, by thermally oxidizing the upper portion of the Si substrate and forming the upper portion of the Si substrate as the SiO 2 layer 20. Similarly, the second substrate 70 can be formed, for example, by thermally oxidizing the upper portion of the Si substrate and forming the upper portion of the Si substrate as the SiO x layer 441.

次に、第１基板６０のＳｉＯ２層２０側の表面６０ａと第２基板７０のＳｉＯｘ層４４１側の表面７０ａとを接着する（図４（Ｂ））。 Next, the surface 60a of the first substrate 60 on the SiO 2 layer 20 side and the surface 70a of the second substrate 70 on the SiO x layer 441 side are bonded (FIG. 4B).

ここでは、例えば、第１基板６０のＳｉＯ２層２０側の表面６０ａ上に、第２基板７０のＳｉＯｘ層４４１を重ね、ＳｉＯ２及びＳｉＯｘの分子間力によって、ＳｉＯ２層２０及びＳｉＯｘ層４４１を接着することができる。その結果、Ｓｉ層１０、ＳｉＯ２層２０、ＳｉＯｘ層４４１及びＳｉ層４３０が、この順に積層された積層構造体が形成される。 Here, for example, the SiO x layer 441 of the second substrate 70 is overlapped on the surface 60 a of the first substrate 60 on the SiO 2 layer 20 side, and the SiO 2 layer 20 and the SiO 2 layer are formed by the intermolecular force of SiO 2 and SiO x. The x layer 441 can be adhered. As a result, a stacked structure in which the Si layer 10, the SiO 2 layer 20, the SiO x layer 441, and the Si layer 430 are stacked in this order is formed.

次に、例えばフォトリソ技術及びエッチング技術を用い、Ｓｉ層４３０をパターニングすることによって、第１光導波路コア３０を形成する。その後、例えばフォトリソ技術及びエッチング技術を用い、ＳｉＯｘ層４４１をパターニングすることによって下部第２光導波路コア４１を形成する（図４（Ｃ））。 Next, the first optical waveguide core 30 is formed by patterning the Si layer 430 using, for example, a photolithography technique and an etching technique. Thereafter, the lower second optical waveguide core 41 is formed by patterning the SiO x layer 441 using, for example, a photolithography technique and an etching technique (FIG. 4C).

これによって、Ｓｉ層としての支持基板１０の上面１０ａを被覆する、ＳｉＯ２層としての下部クラッド層２０と、下部クラッド層２０の上面に形成された下部第２光導波路コア４１と、下部第２光導波路コア４１の上面４１ａに形成された、細線導波路部３１及びテーパ部３３を含む第１光導波路コア３０とを含む構造体が得られる。 Thus, the lower clad layer 20 as the SiO 2 layer covering the upper surface 10a of the support substrate 10 as the Si layer, the lower second optical waveguide core 41 formed on the upper surface of the lower clad layer 20, and the lower second A structure including the thin-line waveguide portion 31 and the first optical waveguide core 30 including the taper portion 33 formed on the upper surface 41a of the optical waveguide core 41 is obtained.

次に、例えばＣＶＤ法を用いて、下部クラッド層２０上に、下部第２光導波路コア４１及び第１光導波路コア３０を被覆するＳｉＯｘ層を形成する。そして、例えばフォトリソ技術及びエッチング技術を用いて、ＳｉＯｘ層をパターニングすることによって上部第２光導波路コア４３を形成する（図４（Ｄ））。 Next, a SiO x layer that covers the lower second optical waveguide core 41 and the first optical waveguide core 30 is formed on the lower cladding layer 20 by using, for example, a CVD method. Then, the upper second optical waveguide core 43 is formed by patterning the SiO x layer using, for example, a photolithography technique and an etching technique (FIG. 4D).

これによって、下部第２光導波路コア４１の上面４１ａに、第１光導波路コア３０の上面３０ａ及び側面３０ｃを被覆する上部第２光導波路コア４３が形成された構造体が得られる。   Thus, a structure in which the upper second optical waveguide core 43 covering the upper surface 30a and the side surface 30c of the first optical waveguide core 30 is formed on the upper surface 41a of the lower second optical waveguide core 41 is obtained.

次に、例えばＣＶＤ法を用いて、下部クラッド層２０上に、第２光導波路コア４０を被覆するＳｉＯ２層を形成する。そして、例えばフォトリソ技術及びエッチング技術を用いてパターニングすることによって上部クラッド層５０を形成する。これによって、図１、図２及び図３に示すスポットサイズ変換器１００が得られる。 Next, a SiO 2 layer that covers the second optical waveguide core 40 is formed on the lower cladding layer 20 by using, for example, a CVD method. Then, the upper cladding layer 50 is formed by patterning using, for example, a photolithography technique and an etching technique. As a result, the spot size converter 100 shown in FIGS. 1, 2, and 3 is obtained.

このように、スポットサイズ変換器１００は、材料層の積層及びパターニングの組合せによって簡易に製造することができる。   As described above, the spot size converter 100 can be easily manufactured by a combination of stacking of material layers and patterning.

また、従来のスポットサイズ変換器では、任意の厚さの第２光導波路コアを形成するに当たり、第２光導波路コアの材料層を１度のＣＶＤ法で形成していた。そのため、第２光導波路コアの材料層形成において、汚れが混入する等の問題が発生する可能性が高かった。   Further, in the conventional spot size converter, in forming the second optical waveguide core having an arbitrary thickness, the material layer of the second optical waveguide core is formed by one CVD method. Therefore, there is a high possibility that problems such as contamination will occur in the formation of the material layer of the second optical waveguide core.

これに対して、この実施の形態のスポットサイズ変換器１００では、下部第２光導波路コア４１と上部第２光導波路コア４３とに分けて、これらを含む第２光導波路コア４０を形成する。そのため、１度のＣＶＤ法によって形成する場合と比して、第２光導波路コア４０内に汚れが混入する等の問題を抑えることができる。   On the other hand, in the spot size converter 100 of this embodiment, the lower second optical waveguide core 41 and the upper second optical waveguide core 43 are divided into the second optical waveguide core 40 including these. Therefore, problems such as contamination in the second optical waveguide core 40 can be suppressed as compared with the case of forming by one CVD method.

なお、この実施の形態では、第１基板６０と第２基板７０とを用いて、Ｓｉ層１０、ＳｉＯ２層２０、ＳｉＯｘ層４４１及びＳｉ層４３０が、この順に積層された積層構造体を形成する例について説明した。しかし、例えばＣＶＤ法を用いて、Ｓｉ層１０上に、ＳｉＯ２層２０、ＳｉＯｘ層４４１及びＳｉ層４３０をこの順に積層形成することによって、上述の積層構造体を形成することもできる。 In this embodiment, the first substrate 60 and the second substrate 70 are used to form a stacked structure in which the Si layer 10, the SiO 2 layer 20, the SiO x layer 441, and the Si layer 430 are stacked in this order. The example to form was demonstrated. However, the above laminated structure can also be formed by stacking the SiO 2 layer 20, the SiO x layer 441, and the Si layer 430 in this order on the Si layer 10 by using, for example, the CVD method.

１０：支持基板
２０：下部クラッド層
３０：第１光導波路コア
３１：細線導波路部
３３：テーパ部
４０：第２光導波路コア
４１：下部第２光導波路コア
４３：上部第２光導波路コア
５０：上部クラッド層
１００：スポットサイズ変換器 10: support substrate 20: lower clad layer 30: first optical waveguide core 31: fine waveguide portion 33: taper portion 40: second optical waveguide core 41: lower second optical waveguide core 43: upper second optical waveguide core 50 : Upper cladding layer 100: Spot size converter

この発明によるスポットサイズ変換器は、下部クラッド層と、第１光導波路コアと、第２光導波路コアとを備えて構成される。 The spot size converter according to the present invention includes a lower cladding layer, a first optical waveguide core, and a second optical waveguide core.

第２光導波路コアは、下部第２光導波路コア及び上部第２光導波路コアを含む。下部第２光導波路コアは、下部クラッド層の上面に形成され、第１光導波路コアの下面を被覆する。上部第２光導波路コアは、下部第２光導波路コアの上面に形成され、第１光導波路コアの上面及び側面を被覆する。また、上部第２光導波路コアは、下部第２光導波路コアよりも幅が小さい。また、第２光導波路コアは、下部クラッド層よりも屈折率が大きく、かつ第１光導波路コアよりも屈折率が小さい材料で形成されている。 The second optical waveguide core includes a lower second optical waveguide core and an upper second optical waveguide core. The lower second optical waveguide core is formed on the upper surface of the lower cladding layer and covers the lower surface of the first optical waveguide core. The upper second optical waveguide core is formed on the upper surface of the lower second optical waveguide core and covers the upper surface and side surfaces of the first optical waveguide core. The upper second optical waveguide core is smaller in width than the lower second optical waveguide core. The second optical waveguide core is formed of a material having a refractive index larger than that of the lower cladding layer and smaller than that of the first optical waveguide core.

まず、下部クラッド層、下部クラッド層よりも屈折率が大きい材料で形成された下部第２光導波路コア材料層、及び下部第２光導波路コア材料層よりも屈折率が大きい材料で形成された第１光導波路コア材料層が、この順に積層された積層構造体を形成する。 First, a lower clad layer, a formed of a material the refractive index is greater than the lower cladding lower second optical waveguide core material layer formed of a material having a large refractive index than layer, and a second lower optical waveguide core material layer One optical waveguide core material layer forms a laminated structure laminated in this order.

次に、下部第２光導波路コアの上面に、第１光導波路コアの上面及び側面を被覆する、下部第２光導波路コアよりも幅が小さい上部第２光導波路コアを、下部第２光導波路コアと同じ材料で形成する。これによって、下部第２光導波路コア及び上部第２光導波路コアを含む第２光導波路コアを形成する。 Next, an upper second optical waveguide core having a width smaller than that of the lower second optical waveguide core covering the upper surface and side surfaces of the first optical waveguide core is coated on the upper surface of the lower second optical waveguide core. Made of the same material as the core. Thus, a second optical waveguide core including the lower second optical waveguide core and the upper second optical waveguide core is formed.

Claims (5)

クラッド層と、
一方の端部が、光の伝播方向に沿って連続的に幅が縮小するテーパ部とされている第１光導波路コアと、
前記クラッド層の上面に形成され、前記第１光導波路コアの下面を被覆する下部第２光導波路コア、及び該下部第２光導波路コアの上面に形成され、前記第１光導波路コアの上面及び側面を被覆する上部第２光導波路コアを含む第２光導波路コアと
を備え、
前記第２光導波路コアは、前記クラッド層よりも屈折率が大きく、かつ前記第１光導波路コアよりも屈折率が小さい材料で形成されている
ことを特徴とするスポットサイズ変換器。 A cladding layer;
A first optical waveguide core whose one end is a tapered portion whose width continuously decreases along the light propagation direction;
A lower second optical waveguide core formed on an upper surface of the cladding layer and covering a lower surface of the first optical waveguide core; and an upper surface of the first optical waveguide core formed on an upper surface of the lower second optical waveguide core; A second optical waveguide core including an upper second optical waveguide core covering the side surface,
The spot size converter, wherein the second optical waveguide core is made of a material having a refractive index larger than that of the cladding layer and smaller than that of the first optical waveguide core. 前記クラッド層はＳｉＯ２を材料として形成されており、前記第１光導波路コアはＳｉを材料として形成されており、かつ前記第２光導波路コアはＳｉＯｘ（ｘは０＜ｘ＜２を満たす実数）を材料と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。 The cladding layer is formed of SiO 2 , the first optical waveguide core is formed of Si, and the second optical waveguide core is SiO x (x satisfies 0 <x <2). 2. The spot size converter according to claim 1, wherein the spot size converter is formed of a real number. クラッド層、該クラッド層よりも屈折率が大きい材料で形成された下部第２光導波路コア材料層、及び該下部第２光導波路コア材料層よりも屈折率が大きい材料で形成された第１光導波路コア材料層が、この順に積層された積層構造体を形成する工程と、
前記第１光導波路コア材料層をパターニングすることによって、一方の端部が光の伝播方向に沿って連続的に幅が縮小するテーパ部とされた第１光導波路コアを形成し、その後、前記下部第２光導波路コア材料層をパターニングすることによって下部第２光導波路コアを形成する工程と、
前記下部第２光導波路コアの上面に、前記第１光導波路コアの上面及び側面を被覆する上部第２光導波路コアを、前記下部第２光導波路コアと同じ材料で形成することによって、前記下部第２光導波路コア及び前記上部第２光導波路コアを含む第２光導波路コアを形成する工程と
を含むことを特徴とするスポットサイズ変換器の製造方法。 A cladding layer, a lower second optical waveguide core material layer formed of a material having a higher refractive index than the cladding layer, and a first light beam formed of a material having a higher refractive index than the lower second optical waveguide core material layer Forming a laminated structure in which the waveguide core material layers are laminated in this order;
By patterning the first optical waveguide core material layer, a first optical waveguide core having one end portion that is a tapered portion whose width continuously decreases along the light propagation direction is formed. Forming a lower second optical waveguide core by patterning a lower second optical waveguide core material layer;
By forming an upper second optical waveguide core covering the upper surface and side surfaces of the first optical waveguide core on the upper surface of the lower second optical waveguide core with the same material as the lower second optical waveguide core, Forming a second optical waveguide core including a second optical waveguide core and the upper second optical waveguide core. A method for manufacturing a spot size converter, comprising: 支持基板及び前記クラッド層が積層された第１基板と、前記第１光導波路コア材料層及び前記下部第２光導波路コア材料層が積層された第２基板とを用意し、
前記第１基板の前記クラッド層側の表面と、前記第２基板の前記下部第２光導波路コア材料層側の表面とを接着することによって、前記積層構造体を形成する
ことを特徴とする請求項３に記載のスポットサイズ変換器の製造方法。 Preparing a first substrate on which a support substrate and the cladding layer are laminated, and a second substrate on which the first optical waveguide core material layer and the lower second optical waveguide core material layer are laminated,
The laminated structure is formed by bonding a surface of the first substrate on the clad layer side and a surface of the second substrate on the lower second optical waveguide core material layer side. Item 4. A method for manufacturing a spot size converter according to Item 3. 前記クラッド層、前記下部第２光導波路コア材料層及び前記第１光導波路コア材料層をこの順に積層形成することによって、前記積層構造体を形成する
ことを特徴とする請求項３に記載のスポットサイズ変換器の製造方法。 The spot according to claim 3, wherein the laminated structure is formed by laminating the clad layer, the lower second optical waveguide core material layer, and the first optical waveguide core material layer in this order. Manufacturing method of size converter.
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