JP2016090711A - 光導波路、スポットサイズ変換器及び光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】導波路コアの厚さが変化する段差を有する領域を、容易に作製できるようにし、低損失化、低偏光依存性を実現する光導波路、スポットサイズ変換器及び光装置を提供する。【解決手段】光導波路を、第１領域１Ａと、厚さが変化する段差を有する第２領域１Ｂと、第１領域よりも厚さが薄い第３領域１Ｃとを備える導波路コア１を備え、第２領域は、第１領域に連なって幅方向の両側に位置し、第１領域と同じ厚さで第１領域の側から第３領域の側へ向けて幅が徐々に狭くなる厚膜領域１Ｙと、厚膜領域に挟まれ、第３領域に連なり、第３領域と同じ厚さを有する薄膜領域１Ｚとを備えるものとする。【選択図】図１

Description

本発明は、光導波路、スポットサイズ変換器及び光装置に関する。

近年、高精細映像配信が普及するなど情報量が飛躍的に増大してきており、データセンターなどの情報処理能力を向上させることが求められている。そして、情報処理能力の向上を、低コストかつ低消費電力な素子で実現することが求められており、近年、シリコンフォトニクスが活発に研究されている。
例えば、異なるデバイスを低損失結合できるように、導波路コアの膜厚方向及び幅方向の両方の寸法をステップ状に変化させることが提案されている。これを第１の技術という。

また、例えば、導波路コアを、下部導波層上の幅方向中央位置に形成された上部導波層の幅が絞り込まれるようにし、上部導波層から下部導波層へ光分布が移行するようにして、低損失でスポットサイズ変換が行なわれるようにすることも提案されている。これを第２の技術という。
また、上述のようなシリコンフォトニクスで用いられるシリコン導波路コアの断面形状は、例えば幅約５００ｎｍ、高さ約２２０ｎｍ程度と非常に小さいため、光ファイバのスポットサイズ（例えば数μｍ〜１０μｍ程度）とミスマッチが生じてしまう。このため、過剰な結合損失が生じてしまう。

そこで、過剰な結合損失を抑制するために、シリコン導波路コアの幅をテーパ状に狭くし、これをセカンドコアで覆って、シリコン導波路コアからセカンドコアへ光を遷移させるようにしてスポットサイズを拡大するスポットサイズ変換器が提案されている。これをセカンドコア型スポットサイズ変換器という。

特開平８−１７１０２０号公報 特開２０１０−５４９２９号公報 特開２００２−１５６５３９号公報 特開２０１２−８３４４６号公報 特開平１０−２１４９５８号公報

Fuad E. Doany et al., "Multichannel High-Bandwidth Coupling of Ultradense Silicon Photonic Waveguide Array to Standard-Pitch Fiber Array", JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL.29, No4, pp.475-482, 2011

しかしながら、上述の第１の技術では、ステップ状に寸法が変化する段差における損失が大きい。また、ＴＥ偏光（ＴＥ偏光成分）に対してＴＭ偏光（ＴＭ偏光成分）の損失が大きく、偏光依存性が高い。また、膜厚方向の寸法をステップ状に変化させるのは、プロセス上の難易度が高く、作製が容易ではない。
また、上述の第２の技術では、下部導波層上の幅方向中央位置に形成された上部導波層の幅を絞り込むことで、上部導波層から下部導波層へ光分布が徐々に移行するようにしているため、上部導波層の厚さに相当する段差の影響を抑えることができる。このため、上述の第２の技術では、上述の第１の技術と比較して低損失化が可能である。しかしながら、ＴＥ偏光に対してＴＭ偏光の損失は依然として大きく、偏光依存性が高い。また、低損失化、低偏光依存性を実現するために、上部導波層の先端部の幅を狭くすることも考えられるが、例えば露光精度による制限を受けるなど、上部導波層の先端部の幅を狭くするのは難しく、作製が容易ではない。

そこで、導波路コアの厚さが変化する段差を有する領域を、容易に作製できるようにし、低損失化、低偏光依存性を実現したい。

本光導波路は、第１領域と、厚さが変化する段差を有する第２領域と、第１領域よりも厚さが薄い第３領域とを備える導波路コアを備え、第２領域は、第１領域に連なって幅方向の両側に位置し、第１領域と同じ厚さで第１領域の側から第３領域の側へ向けて幅が徐々に狭くなる厚膜領域と、厚膜領域に挟まれ、第３領域に連なり、第３領域と同じ厚さを有する薄膜領域とを備える。

本スポットサイズ変換器は、第１領域と、厚さが変化する段差を有する第２領域と、第１領域よりも厚さが薄い第３領域とを有し、一定の幅を有する幅一定領域と、幅一定領域に連なり、終端部へ向けて幅が狭くなる幅テーパ領域とを備える第１シリコン導波路コアと、少なくとも幅テーパ領域を覆って第１シリコン導波路コアに連なる第２導波路コアとを備え、第２領域は、第１領域に連なって幅方向の両側に位置し、第１領域と同じ厚さで第１領域の側から第３領域の側へ向けて幅が徐々に狭くなる厚膜領域と、厚膜領域に挟まれ、第３領域に連なり、第３領域と同じ厚さを有する薄膜領域とを備える。

本光装置は、上記のスポットサイズ変換器と、スポットサイズ変換器の第２導波路コア側の端面に接続された分散シフトファイバ又はシングルモードファイバとを備える。

したがって、本光導波路、スポットサイズ変換器及び光装置によれば、導波路コアの厚さが変化する段差を有する領域を、容易に作製できるようにし、低損失化、低偏光依存性を実現できるという利点がある。

第１実施形態及びその具体例にかかる光導波路の構成を示す模式図であって、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図であり、（Ｃ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図であり、（Ｄ）は（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。 第１実施形態及びその具体例にかかる光導波路における各箇所におけるモード形状を説明するための図であって、（Ａ）は光導波路の構成を示す模式的平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う箇所におけるモード形状を示す図であり、（Ｃ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う箇所におけるモード形状を示す図であり、（Ｄ）は（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿う箇所におけるモード形状を示す図であり、（Ｅ）は（Ａ）のＤ−Ｄ線に沿う箇所におけるモード形状を示す図である。 比較例１の光導波路の構成を示す模式図であって、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図であり、（Ｃ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図であり、（Ｄ）は（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。 比較例１の光導波路における損失を計算した結果を示す図である。 比較例２の光導波路の構成を示す模式図であって、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図であり、（Ｃ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図であり、（Ｄ）は（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。 比較例２の光導波路における損失を計算した結果を示す図である。 第１実施形態及びその具体例にかかる光導波路において第２領域の長さを変化させた場合の損失を計算した結果を示す図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、第１実施形態及びその具体例にかかる光導波路において段差量を変化させた場合の損失を計算した結果を示す図であって、（Ａ）は、ＴＥ偏光の損失を計算した結果を示しており、（Ｂ）は、ＴＭ偏光の損失を計算した結果を示している。 （Ａ）、（Ｂ）は、本実施形態の具体例にかかる光導波路の製造方法を説明するための模式図であって、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、本実施形態の具体例にかかる光導波路の製造方法を説明するための模式図であって、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、本実施形態の具体例にかかる光導波路の製造方法を説明するための模式図であって、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、本実施形態の具体例にかかる光導波路の製造方法を説明するための模式図であって、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、本実施形態の具体例にかかる光導波路の製造方法を説明するための模式図であって、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、本実施形態の具体例にかかる光導波路の製造方法を説明するための模式図であって、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 第１実施形態の変形例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実施形態の変形例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実施形態の変形例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実施形態及びその具体例にかかるスポットサイズ変換器の構成を示す模式図であって、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図であり、（Ｃ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図であり、（Ｄ）は（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿う断面図であり、（Ｅ）は（Ａ）のＤ−Ｄ線に沿う断面図であり、（Ｆ）は（Ａ）のＥ−Ｅ線に沿う断面図である。 第１実施形態の比較例２の導波路コアの構造を適用したスポットサイズ変換器の構成を示す模式図であって、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図であり、（Ｃ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図であり、（Ｄ）は（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿う断面図であり、（Ｅ）は（Ａ）のＤ−Ｄ線に沿う断面図であり、（Ｆ）は（Ａ）のＥ−Ｅ線に沿う断面図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、第２実施形態の具体例にかかるスポットサイズ変換器の製造方法を説明するための模式図であって、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、第２実施形態の具体例にかかるスポットサイズ変換器の製造方法を説明するための模式図であって、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、第２実施形態の具体例にかかるスポットサイズ変換器の製造方法を説明するための模式図であって、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、第２実施形態の具体例にかかるスポットサイズ変換器の製造方法を説明するための模式図であって、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、第２実施形態の具体例にかかるスポットサイズ変換器の製造方法を説明するための模式図であって、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、第２実施形態の具体例にかかるスポットサイズ変換器の製造方法を説明するための模式図であって、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、第２実施形態の具体例にかかるスポットサイズ変換器の製造方法を説明するための模式図であって、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、第２実施形態の具体例にかかるスポットサイズ変換器の製造方法を説明するための模式図であって、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、第２実施形態の具体例にかかるスポットサイズ変換器の製造方法を説明するための模式図であって、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 第２実施形態の変形例にかかるスポットサイズ変換器の構成を示す模式的平面図である。

以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる光導波路、スポットサイズ変換器及び光装置について説明する。
［第１実施形態］
まず、本実施形態にかかる光導波路について、図１〜図１７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、図１（Ａ）〜図１（Ｄ）に示すように、第１領域１Ａと、厚さが変化する段差１Ｘを有する第２領域１Ｂと、第１領域１Ａよりも厚さが薄い第３領域１Ｃとを備える導波路コア１（ここではシリコン導波路コア）を備える。ここでは、第１領域１Ａの一方の側に第２領域１Ｂが連なり、第２領域１Ｂの一方の側に第３領域１Ｃが連なっている。なお、シリコン導波路コア１を備える光導波路は、例えばシリコン基板上に形成されたシリコン光素子に備えられる。なお、シリコン光素子を光半導体素子ともいう。なお、図１（Ａ）〜図１（Ｄ）では、説明をわかり易くするために、導波路コア１の厚さが薄い領域と厚い領域とで異なる模様を付している。

そして、第２領域１Ｂは、第１領域１Ａに連なって幅方向の両側に位置し、第１領域１Ａと同じ厚さで第１領域１Ａの側から第３領域１Ｃの側へ向けて（即ち、厚い側から薄い側へ向けて）幅が徐々に狭くなる厚膜領域１Ｙと、厚膜領域１Ｙに挟まれ、第３領域１Ｃに連なり、第３領域１Ｃと同じ厚さを有する薄膜領域１Ｚとを備える。この第２領域１Ｂでは、これらの厚膜領域１Ｙと薄膜領域１Ｚとの境界に段差１Ｘがある。

ここでは、薄膜領域１Ｚは、第３領域１Ｃに連なって幅方向の中央部に位置し、第３領域１Ｃと同じ厚さで第３領域１Ｃの側から第１領域１Ａの側へ向けて（即ち、薄い側から厚い側へ向けて）幅が徐々に狭くなっている。この場合、薄膜領域１Ｚは、第１領域１Ａの側から第３領域１Ｃの側へ向けて幅が徐々に広くなっていることになる。
本実施形態では、導波路コア１は、一定の幅を有する。つまり、導波路コア１を構成する第１領域１Ａ、第２領域１Ｂ及び第３領域１Ｃは同一の幅を有する。そして、第２領域１Ｂの厚膜領域１Ｙは、第１領域１Ａの側から第３領域１Ｃの側へ向けてテーパ状（ここでは線形テーパ状）に幅が徐々に狭くなっている。このため、第２領域１Ｂの薄膜領域１Ｚは、第１領域１Ａの側から第３領域１Ｃの側へ向けてテーパ状に幅が徐々に広くなっていることになる。

また、導波路コア１は、単一モード条件を満たすように構成されている。つまり、導波路コア１の寸法、即ち、導波路コア１を構成する第１領域１Ａ、第２領域１Ｂ及び第３領域１Ｃの寸法は、コア内を伝搬する光が単一モードを形成するように設定されている。このため、この導波路コア１を備える光導波路は、単一モード光導波路となる。
また、本実施形態では、第１領域１Ａは、長さ方向及び幅方向で膜厚が同一で、第２領域１Ｂの厚膜領域１Ｙと同じ厚い膜厚を有する厚膜領域である。そして、第１領域１Ａは第２領域１Ｂの厚膜領域１Ｙに連なっている。このため、導波路コア１の厚膜領域は、第１領域１Ａから第２領域１Ｂまで延びており、第１領域１Ａで幅方向の全体に位置し、第２領域１Ｂで幅方向の両側に位置し、かつ、幅が徐々に狭くなるように延びていることになる。

また、第３領域１Ｃは、長さ方向及び幅方向で膜厚が同一で、第２領域１Ｂの薄膜領域１Ｚと同じ薄い膜厚を有する薄膜領域である。そして、第３領域１Ｃは第２領域１Ｂの薄膜領域１Ｚに連なっている。このため、導波路コア１の薄膜領域は、第３領域１Ｃから第２領域１Ｂまで延びており、第３領域１Ｃで幅方向の全体に位置し、第２領域１Ｂで幅方向の中央部に位置し、かつ、幅が徐々に狭くなうように延びていることになる。

このように、導波路コア１の厚膜領域と薄膜領域とが、第２領域１Ｂで、厚膜領域１Ｙが幅方向の両側に位置し、かつ、薄膜領域１Ｚが幅方向の中央部に位置し、それぞれの領域１Ｙ、１Ｚの幅が徐々に変化して接続されている。別の言い方をすると、導波路コア１の厚膜領域と薄膜領域との境界部分に形成される段差１Ｘ（段差構造）を、幅方向の全体に延びる垂直面とするのではなく、幅方向の両側部分で厚膜領域を幅が徐々に狭くなるように突出させて、その壁面が段差になるようにしている。

なお、シリコン導波路コア１をシリコンコアともいう。また、第１領域１Ａを第１シリコンコアともいう。また、第２領域１Ｂを第２シリコンコアともいう。また、第３領域１Ｃを第３シリコンコアともいう。ここでは、第１シリコンコア１Ａの端部に第２シリコンコア１Ｂが連結されており、第２シリコンコア１Ｂの端部に第３シリコンコア１Ｃが連結されていることになる。また、第２シリコンコア１Ｂは、中央部に膜厚の薄い薄膜領域１Ｚを有し、両側に膜厚の厚い厚膜領域１Ｙを有する。そして、膜厚が厚い第１シリコンコア１Ａの側から膜厚の薄い第３シリコンコア１Ｃの側へ向けて、第２シリコンコア１Ｂの厚膜領域１Ｙの幅は徐々に狭くなり、薄膜領域１Ｚの幅は徐々に広くなっている。

ところで、上述のように構成しているのは、以下の理由による。
つまり、例えば図３（Ａ）〜図３（Ｄ）に示すように、導波路コア１００の膜厚方向及び幅方向の両方の寸法をステップ状に変化させるようにした場合（比較例１）、導波路コア１００が延びる方向に対して直交する方向にステップ状に変化する段差ができるため、この段差における損失が大きくなる。また、ＴＥ偏光に対してＴＭ偏光の損失が大きく、偏光依存性も高くなる。例えば図３（Ａ）〜図３（Ｄ）に示すような構造のものにおいて損失を計算したところ、図４に示すように、例えば段差量を７０ｎｍとした場合、ＴＥ偏光の損失が０．３ｄＢであり、ＴＭ偏光の損失が１．６ｄＢであり、ＴＥ偏光に対してＴＭ偏光の損失が大きく、偏光依存性が高くなり、損失も大きくなった。さらに、膜厚方向の寸法をステップ状に変化させるのは、プロセス上の難易度が高く、作製が容易ではない。なお、図３（Ａ）では上部クラッド層は図示していない。

また、例えば図５（Ａ）〜図５（Ｄ）に示すように、導波路コア１０１を、下部導波層１０１Ａ上の幅方向中央位置に形成された上部導波層１０１Ｂの幅が絞り込まれるようにし、上部導波層１０１Ｂから下部導波層１０１Ａへ光分布が移行するようにした場合（比較例２）、上部導波層１０１Ｂの厚さに相当する段差の影響を抑えることができる。このため、上述のように導波路コア１０１の膜厚方向及び幅方向の両方の寸法をステップ状に変化させるようにした場合（図３参照）と比較して低損失化が可能である。しかしながら、ＴＥ偏光に対してＴＭ偏光の損失は依然として大きく、偏光依存性が高い。例えば図５（Ａ）〜図５（Ｄ）に示すような構造のものにおいて損失を計算したところ、図６に示すように、例えばＫｒＦステッパによって作製する場合の露光精度による制限を考慮して、上部導波層１０１Ｂの先端部の幅を約１８０ｎｍとし、上部導波層１０１Ｂの厚さ、即ち、段差量を７０ｎｍとした場合、ＴＥ偏光の損失が０．１ｄＢであり、ＴＭ偏光の損失が０．８ｄＢであり、低損失化を図れているものの、ＴＥ偏光に対してＴＭ偏光の損失が大きく、偏光依存性は高かった。また、低損失化、低偏光依存性を実現するために、上部導波層１０１Ｂの先端部の幅を狭くすることも考えられるが、例えば露光精度による制限を受けるなど、上部導波層１０１Ｂの先端部の幅を狭くするのは難しく、作製が容易ではない。なお、図５（Ａ）では上部クラッド層は図示していない。

そこで、本実施形態では、導波路コア１の厚さが変化する段差１Ｘを有する領域を、容易に作製できるようにし、低損失化、低偏光依存性を実現すべく、上述のような構成を採用している。
そして、上述のような構成を採用することで、低損失、低偏光依存性、かつ、作製容易な段差構造を実現することが可能となる。

ここで、上述のような構成を採用した場合、導波路コア１におけるモード形状（スポットサイズ）は、図２（Ａ）〜図２（Ｅ）に示すように変化する。つまり、導波路コア１の第１領域１Ａと第２領域１Ｂとの境界ではほとんどモード変換されず、第２領域１Ｂでモード変換され、第２領域１Ｂと第３領域１Ｃとの境界で第３領域１Ｃ（第３シリコンコア）のモード形状に近いものにモード変換される。このため、上述のような構成を有する本実施形態の光導波路はスポットサイズ変換器であるとも言える。なお、図２（Ａ）では、上部クラッド層３は図示していない。また、図２（Ａ）では、説明をわかり易くするために、導波路コア１の厚さが薄い領域と厚い領域とで異なる模様を付している。

この場合、第１領域１Ａと第２領域１Ｂとの境界ではほとんど損失は発生しないため、導波路コア１の第２領域１Ｂにおける損失は、第２領域１Ｂと第３領域１Ｃとの境界でどれだけ第３領域１Ｃのモード形状に近いものにモード変換することができるかによる。
つまり、上述のような構成を採用した場合、第２領域１Ｂの幅方向の中央部に位置する薄膜領域１Ｚの先端部が存在する第２領域１Ｂの第１領域１Ａの側では、ほとんどモード変換（スポットサイズ変換）が行なわれず、ほとんど損失が発生しない。ここで、第２領域１Ｂの幅方向の中央部に位置する薄膜領域１Ｚは、第１領域１Ａの側の先端部で最小幅となり、この部分はステッパによって作製する場合の露光精度による制限を受ける。例えばＫｒＦステッパを用いて作製する場合、露光精度の影響を受けるため、薄膜領域１Ｚの先端部の幅（最小幅）は約１８０ｎｍ程度までしか狭くすることができない。しかしながら、第２領域１Ｂの幅方向の中央部に位置する薄膜領域１Ｚの先端部が存在する第２領域１Ｂの第１領域１Ａの側では、ほとんど損失が発生しないため、低損失化、低偏光依存性を実現するのにほとんど影響がない。

一方、第２領域１Ｂの幅方向の両側に位置する厚膜領域１Ｙの先端部が存在する第２領域１Ｂの第３領域１Ｃの側では、第３領域１Ｃのモード形状に近いものにモード変換されていないと、低損失化、低偏光依存性を実現するのが難しくなる。そして、第２領域１Ｂの幅方向の両側に位置する厚膜領域１Ｙの先端部の幅（先端幅）を狭くするほど、第２領域１Ｂの第３領域１Ｃの側で、第３領域１Ｃのモード形状に近いものにモード変換されるようになり、低損失化、低偏光依存性を実現することが可能となる。ここで、第２領域１Ｂの幅方向の両側に位置する厚膜領域１Ｙは、第３領域１Ｃの側の先端部で最小幅となり、この部分をステッパによって作製する場合には後述する作製手順の図１２に示すようなレジストパターンを用いるため露光精度による制限を受けない。例えばＫｒＦステッパを用いて作製する場合でも、露光精度の影響を受けないため、厚膜領域１Ｙの先端部の幅（最小幅）を約５０ｎｍ以下まで狭くすることができる。このように、一般的に用いられるＫｒＦステッパを用いて、その露光精度の影響を受けずに、容易に、第２領域１Ｂの幅方向の両側に位置する厚膜領域１Ｙの先端幅を狭くすることができる。これにより、第２領域１Ｂの第３領域１Ｃの側で、第３領域１Ｃのモード形状に近いものにモード変換されるようになり、低損失化、低偏光依存性を実現することが可能となる。つまり、第２領域１Ｂ、即ち、厚膜領域１Ｙと薄膜領域１Ｚとの境界の段差１Ｘがある領域におけるモード変換をより円滑に実現し、低損失化、低偏光依存性を実現することが可能となる。

ここで、図７は、導波路コア１の第２領域１Ｂの厚膜領域１Ｙの最小幅を５０ｎｍとし、第２領域１Ｂの長さ、即ち、厚膜領域１Ｙの長さを変化させた場合のＴＥ偏光及びＴＭ偏光の損失を計算した結果を示している。
図７に示すように、第２領域１Ｂの長さ、即ち、厚膜領域１Ｙの長さを５μｍ以上にすると、低損失化、低偏光依存性を実現できることがわかる。

このように、第２領域１Ｂ、即ち、厚膜領域１Ｙは、５μｍ以上の長さを有するものとするのが好ましい。
また、図８（Ａ）、図８（Ｂ）は、導波路コア１の第２領域１Ｂの長さ、即ち、厚膜領域１Ｙの長さを約５０μｍとし、第２領域１Ｂの厚膜領域１Ｙの最小幅を０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍとし、段差量、即ち、第２領域１Ｂの厚膜領域１Ｙと薄膜領域１Ｚとの膜厚差（段差）を変化させた場合の損失を計算した結果を示している。

ここで、図８（Ａ）は、ＴＥ偏光の損失を計算した結果を示しており、第２領域１Ｂの厚膜領域１Ｙの最小幅が０ｎｍの場合を、三角マークをプロットして示し、５０ｎｍの場合を、丸マークをプロットして示し、１００ｎｍの場合を、四角マークをプロットして示している。また、図８（Ｂ）は、ＴＭ偏光の損失を計算した結果を示しており、第２領域１Ｂの厚膜領域１Ｙの最小幅が０ｎｍの場合を、三角マークをプロットして示し、５０ｎｍの場合を、丸マークをプロットして示し、１００ｎｍの場合を、四角マークをプロットして示している。

図８（Ａ）、図８（Ｂ）に示すように、第２領域１Ｂの厚膜領域１Ｙの最小幅を５０ｎｍ以下とし、段差量、即ち、第２領域１Ｂの厚膜領域１Ｙと薄膜領域１Ｚとの膜厚差を８０ｎｍ以下とすると、低損失化、低偏光依存性を実現できることがわかる。
このように、第２領域１Ｂの厚膜領域１Ｙは、第３領域１Ｃの側の端部（先端部；終端部）の幅（先端幅；最小幅）が５０ｎｍ以下であり、第２領域１Ｂの厚膜領域１Ｙと薄膜領域１Ｚとは、８０ｎｍ以下の膜厚差を有するのが好ましい。この場合、第１領域１Ａと第３領域１Ｃとは、８０ｎｍ以下の膜厚差を有することになる。

例えば、第２領域１Ｂの厚膜領域１Ｙの先端幅を５０ｎｍとし、段差量を７０ｎｍとした場合、ＴＥ偏光の損失は０．１ｄＢであり、ＴＭ偏光の損失は０．３ｄＢであり、上述の比較例１、２の場合と比較して、ＴＭ偏光の損失を抑制でき、この結果、低損失化、低偏光依存性を実現することができる。
以下、具体例を挙げて説明する。

本光導波路は、図１（Ａ）〜図１（Ｄ）に示すように、図示しないシリコン基板上に設けられたＳｉＯ_２下部クラッド層２と、ＳｉＯ_２下部クラッド層２上に設けられたシリコン導波路コア１と、シリコン導波路コア１を覆うＳｉＯ_２上部クラッド層３とを備える。なお、図１（Ａ）では、ＳｉＯ_２上部クラッド層３は図示していない。
そして、シリコン導波路コア１は、第１領域１Ａと、厚さが変化する段差１Ｘを有する第２領域１Ｂと、第１領域１Ａよりも厚さが薄い第３領域１Ｃとを備える。また、第２領域１Ｂは、第１領域１Ａに連なって幅方向の両側に位置し、第１領域１Ａと同じ厚さで第１領域１Ａの側から第３領域１Ｃの側へ向けて幅が徐々に狭くなる厚膜領域１Ｙと、厚膜領域１Ｙに挟まれ、第３領域１Ｃに連なり、第３領域１Ｃと同じ厚さを有する薄膜領域１Ｚとを備える。

ここで、ＳｉＯ_２下部クラッド層２の膜厚は、例えば約３μｍであり、屈折率約１．４４である。
シリコン導波路コア１は、第１領域１Ａから第３領域１Ｃまでの全てで幅が例えば約５００ｎｍであり、第１領域１Ａ及び第２領域１Ｂの厚膜領域１Ｙの膜厚が例えば約２２０ｎｍであり、第２領域１Ｂの薄膜領域１Ｚ及び第３領域１Ｃの膜厚が例えば約１５０ｎｍであり、シングルモード導波路を構成する。また、シリコン導波路コア１の第２領域１Ｂの長さ、即ち、厚膜領域１Ｙの長さは例えば約１５μｍであり、幅方向の両側に位置する各厚膜領域１Ｙの幅は、第１領域１Ａの側で例えば約１５０ｎｍであり、第３領域１Ｃの側で例えば約５０ｎｍであり、第１領域１Ａの側から第３領域１Ｃの側へ向けて徐々に狭くなるテーパ形状にしている。なお、シリコン導波路コア１の屈折率は約３．４８である。

ＳｉＯ_２上部クラッド層３の膜厚は、シリコン導波路コア１の上方で例えば約１μｍであり、それ以外の部分で例えば約２μｍであり、屈折率約１．４４である。なお、ＳｉＯ_２上部クラッド層３は設けられていなくても良い。
この具体例では、シリコン導波路コア１の段差１Ｘを有する第２領域１Ｂにおける損失は、ＴＥ偏光が約０．１ｄＢ程度、ＴＭ偏光が約０．３ｄＢ程度であった。このように、ＴＭ偏光の損失を低減でき、低損失化、低偏光依存性を実現することができた。

このような具体例の構成を備えるものは、例えばＳＯＩ（silicon on insulator）基板を用いて、例えば以下のようにして作製することができる。なお、ＳＯＩ基板をＳＯＩウェハ基板ともいう。
まず、図９（Ａ）、図９（Ｂ）に示すように、ＳＯＩ基板１０（ＳｉＯ_２層であるＢＯＸ層１１の膜厚約３μｍ、シリコン層であるＳＯＩ層１２の膜厚約２２０ｎｍ）上に、ＳｉＯ_２膜１３（例えば膜厚約５０ｎｍ）をＣＶＤ法によって堆積する。ここで、原料ガスとしてはＳｉＨ_４（２０％）／Ｈｅ及びＮ_２Ｏを用いれば良い。

次に、図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）に示すように、ＳｉＯ_２膜１３上にフォトレジストパターン１４を形成し、ＣＦ_４ガスを用いてＳｉＯ_２膜１３をＲＩＥによってエッチングして、図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）に示すように、ＳＯＩ層１２を加工してシリコン導波路コア１を形成するためのハードマスクパターン１３Ｘを形成し、フォトレジストパターン１４を除去する。

次に、ハードマスクパターン１３Ｘを用いて、ＨＢｒガスを用いてシリコン層であるＳＯＩ層１２をＲＩＥによってエッチングする。これにより、シリコン導波路コア１が形成される。そして、その両側にＢＯＸ層１１が露出して、ＳｉＯ_２下部クラッド層２となる。
次に、図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）に示すように、ハードマスクパターン１３Ｘ上にフォトレジストパターン１５を形成し、ＣＦ_４ガスを用いてハードマスクパターン１３ＸをＲＩＥによってエッチングして、図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）に示すように、ＳＯＩ層１２を加工してシリコン導波路コア１の第２領域１Ｂの薄膜領域１Ｚ及び第３領域１Ｃの厚さを薄くするためのハードマスクパターン１３Ｙを形成する。

次に、フォトレジストパターン１５を除去した後、図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）に示すように、ハードマスクパターン１３Ｙを用いて、ＨＢｒガスを用いてシリコン層であるＳＯＩ層１２を約７０ｎｍ程度エッチングして膜厚を約１５０ｎｍとすることで、シリコン導波路コア１の第２領域１Ｂの薄膜領域１Ｚ及び第３領域１Ｃを形成する。なお、図１３（Ａ）では、シリコン導波路コア１が見えるように図示している。また、図１３（Ｂ）では、図１に対応させるべく、シリコン導波路コア１の厚さが薄い領域と厚い領域とで異なる模様を付している。

そして、図１４（Ａ）、図１４（Ｂ）に示すように、シリコン導波路コア１を覆うようにＳｉＯ_２膜１６（例えば膜厚約１μｍ）をＣＶＤ法によって堆積し、ＳｉＯ_２膜１３及びＳｉＯ_２膜１６からなるＳｉＯ_２上部クラッド層３を形成して、上述の具体例の構成を備える光導波路が作製される。なお、図１４（Ａ）では、シリコン導波路コア１が見えるように図示している。また、図１４（Ｂ）では、図１に対応させるべく、導波路コア１の厚さが薄い領域と厚い領域とで異なる模様を付している。

したがって、本光導波路によれば、導波路コア１の厚さが変化する段差１Ｘを有する領域１Ｂを、容易に作製できるようにし、低損失化、低偏光依存性を実現できるという利点がある。
なお、上述の実施形態では、第２領域１Ｂの厚膜領域１Ｙが、第１領域１Ａの側から第３領域１Ｃの側へ向けてテーパ状に幅が徐々に狭くなり、第２領域１Ｂの薄膜領域１Ｚが、第１領域１Ａの側から第３領域１Ｃの側へ向けてテーパ状に幅が徐々に広くなるようにしているが、これに限られるものではない。

例えば、図１５に示すように、第２領域１Ｂの厚膜領域１Ｙは、第１領域１Ａの側から第３領域１Ｃの側へ向けて曲線状に幅が徐々に狭くなり、第２領域１Ｂの薄膜領域１Ｚが、第１領域１Ａの側から第３領域１Ｃの側へ向けて曲線状に幅が徐々に広くなるようにしても良い。なお、図１５では上部クラッド層３は図示していない。また、図１５では、導波路コア１の厚さが薄い領域と厚い領域とで異なる模様を付している。

また、例えば、図１６に示すように、第２領域１Ｂの厚膜領域１Ｙは、第１領域１Ａの側から第３領域１Ｃの側へ向けてステップ状に幅が徐々に狭くなり、第２領域１Ｂの薄膜領域１Ｚが、第１領域１Ａの側から第３領域１Ｃの側へ向けてステップ状に幅が徐々に広くなるようにしても良い。なお、図１６では上部クラッド層３は図示していない。また、図１６では、導波路コア１の厚さが薄い領域と厚い領域とで異なる模様を付している。

このように、第２領域１Ｂの厚膜領域１Ｙは、第１領域１Ａの側から第３領域１Ｃの側へ向けてテーパ状、曲線状、ステップ状又はこれらを組み合わせた形状で幅が徐々に狭くなっていれば良い。つまり、第２領域１Ｂの薄膜領域１Ｚは、第１領域１Ａの側から第３領域１Ｃの側へ向けてテーパ状、曲線状、ステップ状又はこれらを組み合わせた形状で幅が徐々に広くなっていれば良い。

また、上述の実施形態及び変形例では、導波路コア１の第２領域１Ｂの薄膜領域１Ｚの第１領域１Ａの側の端部（先端部）を、薄膜領域１Ｚが延びる方向（光伝搬方向）に直交する端面を有するものとしているが、これに限られるものではなく、例えば、図１７に示すように、薄膜領域１Ｚが延びる方向（光伝搬方向）に直交する方向に対して斜めになっている端面を有するものとしても良い。つまり、導波路コア１の第２領域１Ｂの薄膜領域１Ｚの第１領域１Ａの側の端部（先端部；終端部）は、薄膜領域１Ｚが延びる方向に直交する方向に対して斜めになっていても良い。なお、図１７では上部クラッド層３は図示していない。また、図１７では、導波路コア１の厚さが薄い領域と厚い領域とで異なる模様を付している。

また、上述の実施形態及び変形例では、導波路コア１の第２領域１Ｂの薄膜領域１Ｚの中心位置が第２領域１Ｂの中心位置と一致しているが、これに限定されるものではなく、例えば作製時のマスク合わせのずれなどによって、これらの中心位置がずれてしまっていても良く、この場合でも損失が僅かに増加するものの同様の効果が得られる。
また、上述の実施形態及び変形例では、導波路コア１をチャネル導波路形状としているが、これに限定されるものではなく、例えばリブ導波路形状としても良く、この場合も同様の効果が期待できる。
［第２実施形態］
次に、本実施形態にかかるスポットサイズ変換器及び光装置について、図１８〜図２９を参照しながら説明する。

本実施形態にかかるスポットサイズ変換器は、シリコン導波路コアの幅をテーパ状に狭くし、これをセカンドコアで覆って、シリコン導波路コアからセカンドコアへ光を遷移させるようにしてスポットサイズを拡大するセカンドコア型スポットサイズ変換器である。このようなセカンドコア型スポットサイズ変換器では、シリコン導波路コアの幅をテーパ状に狭くした領域で、シリコン導波路コアからセカンドコアへ光が徐々に遷移し、最終的にはセカンドコアへ光が完全に遷移することで、スポットサイズが拡大される。このようなスポットサイズ変換器は、例えばシリコン基板上に形成されたシリコン光素子に備えられる。

なお、スポットサイズを、スポット径、モードフィールドサイズ、モードサイズ、モードフィールド径又はモード径ともいう。また、シリコン光素子を光半導体素子ともいう。また、スポットサイズ変換器を光スポットサイズ変換器ともいう。
特に、本実施形態のスポットサイズ変換器では、シリコン導波路コアに、上述の第１実施形態及び変形例の導波路コア１の構造が適用されている。

本実施形態では、図１８（Ａ）〜図１８（Ｆ）に示すように、スポットサイズ変換器は、シリコン導波路コア１（第１シリコン導波路コア）と、セカンドコア４（第２導波路コア）とを備える。なお、図１８（Ａ）では、上部クラッド層３は図示していない。また、図１８（Ａ）では、便宜上、セカンドコア４に埋め込まれているシリコン導波路コア１が露出するように図示している。また、図１８（Ａ）〜図１８（Ｆ）では、シリコン導波路コア１の厚さが薄い領域と厚い領域とで異なる模様を付している。

ここで、シリコン導波路コア１は、第１領域１Ａと、厚さが変化する段差１Ｘを有する第２領域１Ｂと、前記第１領域１Ａよりも厚さが薄い第３領域１Ｃとを有し、一定の幅を有する幅一定領域１Ｄと、幅一定領域１Ｄに連なり、終端部（先端部）へ向けて幅が狭くなる幅テーパ領域１Ｅとを備える。ここでは、幅テーパ領域１Ｅは、スポットサイズが拡大されていく方向に向けて幅が狭くなる幅テーパ領域である。また、幅テーパ領域１Ｅは、幅テーパ構造を有する領域である。また、幅テーパ領域１Ｅは、厚さは一定である。

なお、幅テーパ領域１Ｅを第４シリコンコアともいう。この第４シリコンコア１Ｅは、第３シリコンコア１Ｃの一方の側の端部に連結されている。
そして、幅一定領域１Ｄの第２領域１Ｂは、第１領域１Ａに連なって幅方向の両側に位置し、第１領域１Ａと同じ厚さで第１領域１Ａの側から第３領域１Ｃの側へ向けて幅が徐々に狭くなる厚膜領域１Ｙと、厚膜領域１Ｙに挟まれ、第３領域１Ｃに連なり、第３領域１Ｃと同じ厚さを有する薄膜領域１Ｚとを備える。

本実施形態では、シリコン導波路コア１は、一定の幅を有する。つまり、シリコン導波路コア１を構成する第１領域１Ａ、第２領域１Ｂ及び第３領域１Ｃは同一の幅を有するものとなっている。そして、第２領域１Ｂの厚膜領域１Ｙは、第１領域１Ａの側から第３領域１Ｃの側へ向けてテーパ状に幅が徐々に狭くなっている。このため、第２領域１Ｂの薄膜領域１Ｚは、第１領域１Ａの側から第３領域１Ｃの側へ向けてテーパ状に幅が徐々に広くなっていることになる。

なお、これに限られるものではなく、第２領域１Ｂの厚膜領域１Ｙは、第１領域１Ａの側から第３領域１Ｃの側へ向けてテーパ状、曲線状、ステップ状又はこれらを組み合わせた形状で幅が徐々に狭くなっていれば良い。つまり、第２領域１Ｂの薄膜領域１Ｚは、第１領域１Ａの側から第３領域１Ｃの側へ向けてテーパ状、曲線状、ステップ状又はこれらを組み合わせた形状で幅が徐々に広くなっていれば良い。また、第２領域１Ｂの薄膜領域１Ｚの第１領域１Ａの側の端部（先端部；終端部）は、薄膜領域１Ｚが延びる方向に直交する方向に対して斜めになっていても良い。

また、シリコン導波路コア１は、単一モード条件を満たすように構成されている。つまり、シリコン導波路コア１の寸法、即ち、シリコン導波路コア１を構成する第１領域１Ａ、第２領域１Ｂ及び第３領域１Ｃの寸法は、コア内を伝搬する光が単一モードを形成するように設定されている。このため、このシリコン導波路コア１を備える光導波路は、単一モード光導波路となる。

特に、第２領域１Ｂの厚膜領域１Ｙは、５μｍ以上の長さを有するものとするのが好ましい。
また、第２領域１Ｂの厚膜領域１Ｙは、第３領域１Ｃの側の端部（先端部；終端部）の幅（先端幅）が５０ｎｍ以下であり、第２領域１Ｂの厚膜領域１Ｙと薄膜領域１Ｚとは、８０ｎｍ以下の膜厚差（段差）を有するのが好ましい。この場合、第１領域１Ａと第３領域１Ｃとは、８０ｎｍ以下の膜厚差を有することになる。

また、セカンドコア４は、少なくとも幅テーパ領域１Ｅを覆ってシリコン導波路コア１に連なる。ここでは、セカンドコア４は、幅テーパ領域１Ｅだけでなく、幅一定領域１Ｄの第２領域１Ｂ及び第３領域１Ｃも覆っている。なお、セカンドコア４が、幅一定領域１Ｄの第１領域１Ａも覆っていても良い。また、セカンドコア４は、断面サイズがその全長にわたって一定である。

上述のように、本実施形態のスポットサイズ変換器では、シリコン導波路コア１に、上述の第１実施形態及び変形例の導波路コアの構造を適用しているため、ＴＭ偏光の損失を抑制でき、この結果、低損失化、低偏光依存性を実現することができる。例えば、上述の第１実施形態の比較例２の導波路コアの構造を適用し、セカンドコア１０２を設けたスポットサイズ変換器（図１９（Ａ）〜図１９（Ｆ）参照）では、変換損失は、ＴＥ偏光が約０．９ｄＢ程度、ＴＭ偏光が約２．３ｄＢ程度である。これに対し、上述の第１実施形態及び変形例の導波路コアの構造を適用した本実施形態のスポットサイズ変換器では、変換損失は、ＴＥ偏光が約０．９ｄＢ程度、ＴＭ偏光が約１．３ｄＢ程度であり、ＴＭ偏光の損失を低減でき、低損失化（高効率化）、低偏光依存性を実現することができる。なお、図１９（Ａ）では、上部クラッド層は図示していない。また、図１９（Ａ）では、便宜上、セカンドコア１０２に埋め込まれている導波路コア１０１が露出するように図示している。

ところで、上述のように構成しているのは、以下の理由による。
まず、従来のセカンドコア型スポットサイズ変換器では、スポットサイズを十分に拡大できていない。例えば、細径コアファイバのスポットサイズ（例えば約４μｍ程度）までスポットサイズを拡大できるものの、分散シフトファイバ（Dispersion Shifted Fiber：ＤＳＦ）のスポットサイズ（例えば約８μｍ程度）やシングルモードファイバ（Single Mode Fiber：ＳＭＦ）のスポットサイズ（例えば約１０．５μｍ程度）まではスポットサイズを拡大できていない。このため、細径コアファイバとの低損失結合は実現できるものの、分散シフトファイバやシングルモードファイバとの低損失結合は実現できていない。なお、スポットサイズ変換器によってスポットサイズを十分に拡大でき、分散シフトファイバやシングルモードファイバとの低損失結合が実現できれば、細径コアファイバよりも安価な分散シフトファイバやシングルモードファイバを用いることができ、低コスト化を実現することができる。また、スポットサイズ拡大によりファイバに対する位置ずれトレランスが拡大し、ファイバとの接合が容易となる。

この場合、分散シフトファイバやシングルモードファイバとの低損失結合を実現するために、例えば、セカンドコアのサイズを大きくし、セカンドコアの屈折率を低くして、スポットサイズを拡大することが考えられる。
しかしながら、スポットサイズを拡大するために、単に、セカンドコアのサイズを大きくし、セカンドコアの屈折率を低くすると、シリコン導波路コアからセカンドコアへ光を遷移させる際の損失が大きくなってしまう。このため、分散シフトファイバやシングルモードファイバとの低損失結合を実現するのは難しい。

このように、セカンドコアのサイズを大きくし、セカンドコアの屈折率を低くした場合に、シリコン導波路コアからセカンドコアへ光を遷移させる際の損失が大きくなってしまうのは、ＴＭ偏光の損失が増加してしまうことに起因する。この場合、偏光依存性も高くなってしまう。つまり、セカンドコアのサイズを大きくし、セカンドコアの屈折率を低くした場合、ＴＭ偏光の損失の増加が顕著であり、偏光依存性が高くなってしまう。このように、ＴＭ偏光で損失の増加が顕著となるのは、シリコン導波路コアの厚さ（膜厚）が一定であるため、ＴＭ偏光がセカンドコアに遷移しにくいことに起因していると考えられる。

この場合、ＴＭ偏光のセカンドコアへの遷移を促進するために、シリコン導波路コアの幅をテーパ状に狭くするのと同様に厚さもテーパ状に薄くすること、シリコン導波路コアの終端部、即ち、幅テーパ領域の先端部の幅をできるだけ狭くすること、あるいは、これらを組み合わせることなどが考えられる。
しかしながら、シリコン導波路コアの厚さをテーパ状に薄くするのはプロセス上の難易度が高い。また、シリコン導波路コアの幅テーパ領域の先端部の幅をできるだけ狭くするとしても、これには限界があるし、精度良く作製するのは難しい。

そこで、シリコン導波路コアの幅をテーパ状に狭くし、このテーパ状に幅を狭くしていく領域で厚さをステップ状に薄くすることで、容易に作製できるようにすることが考えられる。
しかしながら、シリコン導波路コアのテーパ状に幅を狭くしていく領域で厚さをステップ状に薄くして段差を設けると、この段差で光の遷移が急激に起こって、損失が大きくなってしまう。つまり、シリコン導波路コアのテーパ状に幅を狭くしていく領域で厚さをステップ状に薄くしても、ＴＭ偏光の損失を抑制することができず、低偏光依存性を実現するのは難しいことがわかった。このように、シリコン導波路コアのテーパ状に幅を狭くしていく領域で厚さをステップ状に薄くしても、シリコン導波路コアからセカンドコアへ光を遷移させる際の損失を抑制することができず、分散シフトファイバやシングルモードファイバとの低損失結合を実現するのは難しいことがわかった。

そこで、本実施形態では、上述のように、シリコン導波路コア１に設ける段差構造として、上述の第１実施形態及び変形例の段差構造を適用している。つまり、本実施形態では、シリコン導波路コア１の幅テーパ領域１Ｅ以外の領域、即ち、幅一定領域１Ｄに、シリコン導波路コア１の厚さが変化する段差１Ｘを有する領域１Ｂ、即ち、厚膜領域１Ｙと薄膜領域１Ｚとの境界に段差１Ｘがある領域である第２領域１Ｂを設けている。そして、この第２領域１Ｂを、第１領域１Ａに連なって幅方向の両側に位置し、第１領域１Ａと同じ厚さで第１領域１Ａの側から第３領域１Ｃの側へ向けて幅が徐々に狭くなる厚膜領域１Ｙと、厚膜領域１Ｙに挟まれ、第３領域１Ｃに連なり、第３領域１Ｃと同じ厚さを有する薄膜領域１Ｚとを備えるものとしている。このようにして、シリコン導波路コア１の幅テーパ領域１Ｅに連なる幅一定領域１Ｄで厚さをステップ状に薄くすることで、幅テーパ領域１Ｅの厚さを薄くし、幅テーパ領域１Ｅの先端部の厚さを薄くするようにしている。

このように、シリコン導波路コア１とセカンドコア４との間の光の遷移がない領域又は光の遷移が小さい領域に膜厚方向の段差１Ｘを設けることで、段差箇所における光の急激な遷移を避けることができ、損失が大きくなってしまうのを抑制することができる。また、上述の第１実施形態及び変形例の段差構造を適用することで、ＴＭ偏光の損失を抑制でき、低損失化、低偏光依存性を実現することができる。これにより、低損失、かつ、低偏光依存性を有するセカンドコア型スポットサイズ変換器を実現することができる。つまり、セカンドコア型スポットサイズ変換器において、ＴＭ偏光の損失を抑制でき、低偏光依存性を実現することができる。このため、安価な分散シフトファイバやシングルモードファイバと高効率に結合可能なサイズまでスポットサイズを拡大すべく、セカンドコア４のサイズを大きくし、セカンドコア４の屈折率を低くした場合に、シリコン導波路コア１からセカンドコア４へ光を遷移させる際の損失を低く抑えることができる。この結果、分散シフトファイバやシングルモードファイバとの結合の低損失化（高効率化）、低偏光依存性を実現でき、低コスト化を実現できる。

以下、具体例を挙げて説明する。
本スポットサイズ変換器１は、図１８（Ａ）〜図１８（Ｆ）に示すように、図示しないシリコン基板上に設けられたＳｉＯ_２下部クラッド層２と、ＳｉＯ_２下部クラッド層２上に設けられたシリコン導波路コア１と、シリコン導波路コア１を部分的に覆うセカンドコア４と、シリコン導波路コア１及びセカンドコア４を覆うＳｉＯ_２上部クラッド層３とを備える。

そして、シリコン導波路コア１は、幅変化のない幅一定領域１Ｄと、幅テーパ領域１Ｅとを備える。また、幅一定領域１Ｄは、第１領域１Ａと、厚さが変化する段差１Ｘを有する第２領域１Ｂと、第１領域１Ａよりも厚さが薄い第３領域１Ｃとを有する。さらに、第２領域１Ｂは、第１領域１Ａに連なって幅方向の両側に位置し、第１領域１Ａと同じ厚さで第１領域１Ａの側から第３領域１Ｃの側へ向けて幅が徐々に狭くなる厚膜領域１Ｙと、厚膜領域１Ｙに挟まれ、第３領域１Ｃに連なり、第３領域１Ｃと同じ厚さを有する薄膜領域１Ｚとを備える。

ここでは、セカンドコア４は、幅テーパ領域１Ｅだけでなく、幅一定領域１Ｄの第２領域１Ｂ及び第３領域１Ｃも覆って、シリコン導波路コア１に連なっている。
ここで、ＳｉＯ_２下部クラッド層２の膜厚は、例えば約３μｍであり、屈折率約１．４４である。
シリコン導波路コア１は、幅一定領域１Ｄで幅が例えば約５００ｎｍであり、幅テーパ領域１Ｅで幅が例えば約５００ｎｍから約１８０ｎｍまで先端部へ向けてテーパ状に狭くなっており、シングルモード導波路を構成する。また、シリコン導波路コア１は、幅一定領域１Ｄの第１領域１Ａ及び第２領域１Ｂの厚膜領域１Ｙの膜厚が例えば約１５０ｎｍであり、第２領域１Ｂの薄膜領域１Ｚ及び第３領域１Ｃの膜厚が例えば約９０ｎｍであり、幅テーパ領域１Ｅの膜厚が例えば約９０ｎｍであり、第２領域１Ｂの厚膜領域１Ｙと薄膜領域１Ｚとの境界に約６０ｎｍ程度の段差１Ｘが設けられている。また、シリコン導波路コア１の第２領域１Ｂの長さ、即ち、厚膜領域１Ｙの長さは例えば約１５μｍであり、幅方向の両側に位置する各厚膜領域１Ｙの幅は、第１領域１Ａの側で例えば約１５０ｎｍであり、第３領域１Ｃの側で例えば約５０ｎｍであり、第１領域１Ａの側から第３領域１Ｃの側へ向けて徐々に狭くなるテーパ形状にしている。なお、シリコン導波路コア１の屈折率は約３．４８である。

セカンドコア４は、その材料にＳｉＯ_Ｘ（酸化シリコン；シリコン化合物）を用いたＳｉＯ_Ｘ導波路コア（シリコン化合物導波路コア）であり、例えば膜厚約３μｍ、幅約７μｍ、屈折率約１．４８である。このように、セカンドコア４は、シリコン導波路コア１よりも低い屈折率を有し、ＳｉＯ_２上部クラッド層３よりも高い屈折率を有し、かつ、シリコン導波路コア１よりも大きい断面サイズを有し、シングルモード導波路を構成する。

ＳｉＯ_２上部クラッド層３の膜厚は、セカンドコア４の上方で例えば約１μｍであり、それ以外の部分で例えば約２μｍであり、屈折率約１．４４である。なお、このＳｉＯ_２上部クラッド層３は設けられていなくても良い。
この具体例では、変換損失は、ＴＥ偏光が約０．９ｄＢ程度、ＴＭ偏光が約１．３ｄＢ程度であり、ＴＭ偏光の損失を低減でき、低損失化（高効率化）、低偏光依存性を実現することができた。また、シングルモード条件を満たすように、セカンドコア４のサイズを大きくすべく、セカンドコア４の膜厚（高さ）を約３μｍとし、幅を約７μｍとし、セカンドコア４の屈折率を低くすべく、セカンドコア４の屈折率を約１．４８として、分散シフトファイバやシングルモードファイバと高効率に結合可能なサイズまでスポットサイズを拡大している。そして、シリコン導波路コア１の幅一定領域１Ｄの第２領域１Ｂに約６０ｎｍ程度の段差１Ｘを設けて、シリコン導波路コア１の幅テーパ領域１Ｅの膜厚を約９０ｎｍとして、シリコン導波路コア１からセカンドコア４へ光を遷移させる際の損失を低く抑え、分散シフトファイバやシングルモードファイバとの結合の低損失化（高効率化）、低偏光依存性を実現している。また、セカンドコア４の断面サイズをその全長にわたって均一に大きくすることでスポットサイズを拡大しているため、例えば、セカンドコア４の長さを長くし、その断面サイズをステップ状又はテーパ状に大きくしてスポットサイズを拡大する場合と比較して、コンパクト化を図ることが可能である。

このような具体例の構成を備えるものは、例えばＳＯＩ（silicon on insulator）基板を用いて、例えば以下のようにして作製することができる。なお、ＳＯＩ基板をＳＯＩウェハ基板ともいう。
まず、図２０（Ａ）、図２０（Ｂ）に示すように、ＳＯＩ基板１０（ＳｉＯ_２層であるＢＯＸ層１１の膜厚約３μｍ、シリコン層であるＳＯＩ層１２の膜厚約１５０ｎｍ）上に、ＳｉＯ_２膜１３（例えば膜厚約５０ｎｍ）をＣＶＤ法によって堆積する。ここで、原料ガスとしてはＳｉＨ_４（２０％）／Ｈｅ及びＮ_２Ｏを用いれば良い。

次に、図２１（Ａ）、図２１（Ｂ）に示すように、ＳｉＯ_２膜１３上にフォトレジストパターン１４を形成し、ＣＦ_４ガスを用いてＳｉＯ_２膜１３をＲＩＥによってエッチングして、図２２（Ａ）、図２２（Ｂ）に示すように、ＳＯＩ層１２を加工してシリコン導波路コア１を形成するためのハードマスクパターン１３Ｘを形成し、フォトレジストパターン１４を除去する。

次に、ハードマスクパターン１３Ｘを用いて、ＨＢｒガスを用いてシリコン層であるＳＯＩ層１２をＲＩＥによってエッチングする。これにより、幅一定領域１Ｄ及び幅テーパ領域１Ｅを有するシリコン導波路コア１が形成される。そして、その両側にＢＯＸ層１１が露出して、ＳｉＯ_２下部クラッド層２となる。
次に、図２３（Ａ）、図２３（Ｂ）に示すように、ハードマスクパターン１３Ｙ上にフォトレジストパターン１５を形成し、ＣＦ_４ガスを用いてハードマスクパターン１３ＹをＲＩＥによってエッチングして、図２４（Ａ）、図２４（Ｂ）に示すように、ＳＯＩ層１２を加工してシリコン導波路コア１の幅一定領域１Ｄの第２領域１Ｂの薄膜領域１Ｚ及び第３領域１Ｃ、並びに、幅テーパ領域１Ｅの厚さを薄くするためのハードマスクパターン１３Ｙを形成する。なお、図２４（Ａ）では、シリコン導波路コア１が見えるように図示している。また、図２４（Ｂ）では、図１８に対応させるべく、シリコン導波路コア１の厚さが薄い領域と厚い領域とで異なる模様を付している。

次に、フォトレジストパターン１５を除去した後、図２５（Ａ）、図２５（Ｂ）に示すように、ハードマスクパターン１３Ｙを用いて、ＨＢｒガスを用いてシリコン層であるＳＯＩ層１２を約６０ｎｍ程度エッチングして膜厚を約９０ｎｍとすることで、シリコン導波路コア１の幅一定領域１Ｄの第２領域１Ｂの薄膜領域１Ｚ及び第３領域１Ｃ、並びに、幅テーパ領域１Ｅの厚さを薄くする。これにより、シリコン導波路コア１の幅一定領域１Ｄの第２領域１Ｂに、厚さ方向に約６０ｎｍ程度の段差１Ｘが形成され、幅テーパ領域１Ｅの膜厚が約９０ｎｍとなる。

次に、図２５（Ａ）、図２５（Ｂ）に示すように、ＳｉＯ_２膜１６（例えば膜厚約１μｍ）を、ＣＶＤ法によって堆積し、図２６（Ａ）、図２６（Ｂ）に示すように、セカンドコア４を形成する領域のＳｉＯ_２膜１６をエッチングによって除去する。なお、図２５（Ａ）、図２６（Ａ）では、シリコン導波路コア１が見えるように図示している。また、図２５（Ｂ）、図２６（Ｂ）では、図１８に対応させるべく、シリコン導波路コア１の厚さが薄い領域と厚い領域とで異なる模様を付している。

次に、図２７（Ａ）、図２７（Ｂ）に示すように、ＳｉＯ_Ｘ膜（例えば膜厚約３μｍ、幅約７μｍ、屈折率ｎ＝１．４８）をＣＶＤ法により堆積する。そして、不要なＳｉＯ_Ｘ膜をエッチングによって除去することで、シリコン導波路コア１の幅テーパ領域１Ｅ及び幅一定領域１Ｄの一部を覆うようにセカンドコア４を形成する。なお、図２７（Ａ）では、シリコン導波路コア１が見えるように図示している。また、図２７（Ｂ）では、図１８に対応させるべく、シリコン導波路コア１の厚さが薄い領域と厚い領域とで異なる模様を付している。

そして、図２８（Ａ）、図２８（Ｂ）に示すように、シリコン導波路コア１及びセカンドコア４を覆うようにＳｉＯ_２膜１７（例えば膜厚約１μｍ）をＣＶＤ法によって堆積し、ＳｉＯ_２膜１３、１６、１７からなるＳｉＯ_２上部クラッド層３を形成して、上述の具体例の構成を備えるスポットサイズ変換器が作製される。なお、図２８（Ａ）では、シリコン導波路コア１が見えるように図示している。また、図２８（Ｂ）では、図１８に対応させるべく、シリコン導波路コア１の厚さが薄い領域と厚い領域とで異なる模様を付している。

したがって、本実施形態にかかるスポットサイズ変換器によれば、シリコン導波路コア１の厚さが変化する段差１Ｘを有する領域１Ｂを、容易に作製できるようにし、低損失化、低偏光依存性を実現できるという利点がある。また、本実施形態にかかるスポットサイズ変換器によれば、スポットサイズを十分に拡大し、分散シフトファイバやシングルモードファイバとの結合の低損失化（高効率化）、低偏光依存性を実現できるという利点がある。つまり、分散シフトファイバやシングルモードファイバと高効率かつ低偏光依存に結合可能なスポットサイズ変換器を実現することができるという利点がある。

なお、上述の実施形態の具体例では、セカンドコア４の屈折率、即ち、セカンドコア４の材料の屈折率を約１．４８としているが、これに限られるものではない。例えば、分散シフトファイバやシングルモードファイバとの結合の低損失化（高効率化）、低偏光依存性を実現するには、セカンドコア４の屈折率は、約１．４５以上約１．４８以下とすれば良い。なお、セカンドコア４の屈折率が大きくなるほど、スポットサイズが小さくなり、分散シフトファイバやシングルモードファイバとの結合損失が増加する一方で、シリコン導波路コア１の幅テーパ領域１Ｅの先端部の幅（先端幅）の条件が緩くなり、即ち、低偏光依存性を実現しうる先端幅の範囲が広くなり、偏光依存性が高くなってしまうのを容易に抑制することが可能となる。

また、上述の実施形態の具体例では、ＳＯＩ層１２の膜厚が約１５０ｎｍのＳＯＩ基板（ＳＯＩウェハ）を用い、上述の第１実施形態の段差構造を適用してシリコン導波路コア１の幅一定領域１Ｄに約６０ｎｍの段差１Ｘに設けて、幅テーパ領域１Ｅの膜厚（特に幅テーパ領域１Ｅの先端部の膜厚）を約９０ｎｍにしているが、これに限られるものではない。例えば、ＳＯＩ層１２の膜厚が約２２０ｎｍのＳＯＩ基板を用い、上述の第１実施形態の段差構造を適用してシリコン導波路コア１の幅一定領域１Ｄに約７０ｎｍの段差１Ｘに設けて、幅テーパ領域１Ｅの膜厚（特に幅テーパ領域１Ｅの先端部の膜厚）を約１５０ｎｍにしても良い。また、ＳＯＩ層１２の膜厚が約２２０ｎｍのＳＯＩ基板を用い、例えば図２９に示すように、上述の第１実施形態の段差構造を適用してシリコン導波路コア１の幅一定領域１Ｄに約７０ｎｍの段差１ＸＡに設けて、その膜厚を約１５０ｎｍにし、さらに、上述の第１実施形態の段差構造を適用してシリコン導波路コア１の幅一定領域１Ｄに約６０ｎｍの段差１ＸＢに設けて、幅テーパ領域１Ｅの膜厚（特に幅テーパ領域１Ｅの先端部の膜厚）を約９０ｎｍにしても良い。このように、シリコン導波路コア１の幅一定領域１Ｄに段差を設けて、シリコン導波路コア１の幅テーパ領域１Ｅの膜厚（特に幅テーパ領域１Ｅの先端部の膜厚）を小さくすれば、シリコン導波路コア１からセカンドコア４へ光を遷移させる際の損失を低く抑え、分散シフトファイバやシングルモードファイバとの結合の低損失化（高効率化）、低偏光依存性を実現することができる。なお、図２９では上部クラッド層３は図示していない。また、図２９では、便宜上、セカンドコア４に埋め込まれているシリコン導波路コア１が露出するように図示している。また、図２９では、シリコン導波路コア１の厚さが異なる厚さの領域に異なる模様を付している。

また、上述の実施形態及びその具体例では、段差１Ｘを有する第２領域１Ｂを、シリコン導波路コア１の幅一定領域１Ｄのセカンドコア４で覆われている領域に設けているが、これに限られるものではなく、段差１Ｘを有する第２領域１Ｂは、シリコン導波路コア１の幅一定領域１Ｄに設けられていれば良い。例えば、段差１Ｘを有する第２領域１Ｂは、シリコン導波路コア１の幅一定領域１Ｄのセカンドコア４で覆われていない領域に設けても良い。

また、上述の実施形態及び変形例では、セカンドコア４をシリコン導波路コア１の上方に設けているが、これに限定されるものではなく、例えば、セカンドコアをシリコン導波路コアの下方又は側方に設けても良い。
また、上述の実施形態及び変形例では、セカンドコア４の材料としてＳｉＯ_Ｘを用いているが、これに限定されるものではない。例えば、セカンドコア４の材料としては、ＳｉＯＮ（酸窒化シリコン）などの他のシリコン化合物又はポリマを用いても良い。つまり、セカンドコア４は、ＳｉＯ_Ｘ、ＳｉＯＮなどのシリコン化合物を用いたシリコン化合物導波路コアであっても良いし、ポリマを用いたポリマ導波路コアであっても良い。但し、例えば、セカンドコア４の材料としてＳｉＯＮを用いる場合には、Ｎ−Ｈ基による吸収損失が生じるため、セカンドコア４の長さを極力短くするのが好ましい。

また、上述の実施形態及び変形例のスポットサイズ変換器のセカンドコア側の端面に、分散シフトファイバ又はシングルモードファイバを接続することで、光装置を構成することもできる。この場合、光装置は、上述の実施形態及び変形例のスポットサイズ変換器と、スポットサイズ変換器のセカンドコア側の端面に接続された分散シフトファイバ又はシングルモードファイバとを備えるものとなる。例えば、上述の実施形態及び変形例のスポットサイズ変換器のセカンドコア側の端面に、例えば接着剤等によって、分散シフトファイバ又はシングルモードファイバを接合することで、光装置を構成することができる。このような光装置としては、例えば光送信器、光受信器、光送受信器、光源などがある。

以下、上述の実施形態及び変形例に関し、更に、付記を開示する。
（付記１）
第１領域と、厚さが変化する段差を有する第２領域と、前記第１領域よりも厚さが薄い第３領域とを備える導波路コアを備え、
前記第２領域は、前記第１領域に連なって幅方向の両側に位置し、前記第１領域と同じ厚さで前記第１領域の側から前記第３領域の側へ向けて幅が徐々に狭くなる厚膜領域と、前記厚膜領域に挟まれ、前記第３領域に連なり、前記第３領域と同じ厚さを有する薄膜領域とを備えることを特徴とする光導波路。

（付記２）
前記厚膜領域は、５μｍ以上の長さを有することを特徴とする、付記１に記載の光導波路。
（付記３）
前記厚膜領域は、前記第３領域の側の端部の幅が５０ｎｍ以下であり、
前記厚膜領域と前記薄膜領域とは、８０ｎｍ以下の膜厚差を有することを特徴とする、付記２に記載の光導波路。

（付記４）
前記厚膜領域は、テーパ状、曲線状、ステップ状又はこれらを組み合わせた形状で幅が徐々に狭くなっていることを特徴とする、付記１〜３のいずれか１項に記載の光導波路。
（付記５）
前記薄膜領域の前記第１領域の側の端部は、前記薄膜領域が延びる方向に直交する方向に対して斜めになっていることを特徴とする、付記１〜４のいずれか１項に記載の光導波路。

（付記６）
前記導波路コアは、一定の幅を有することを特徴とする、付記１〜５のいずれか１項に記載の光導波路。
（付記７）
第１領域と、厚さが変化する段差を有する第２領域と、前記第１領域よりも厚さが薄い第３領域とを有し、一定の幅を有する幅一定領域と、前記幅一定領域に連なり、終端部へ向けて幅が狭くなる幅テーパ領域とを備える第１シリコン導波路コアと、
少なくとも前記幅テーパ領域を覆って前記第１シリコン導波路コアに連なる第２導波路コアとを備え、
前記第２領域は、前記第１領域に連なって幅方向の両側に位置し、前記第１領域と同じ厚さで前記第１領域の側から前記第３領域の側へ向けて幅が徐々に狭くなる厚膜領域と、前記厚膜領域に挟まれ、前記第３領域に連なり、前記第３領域と同じ厚さを有する薄膜領域とを備えることを特徴とするスポットサイズ変換器。

（付記８）
前記第２導波路コアは、前記第２領域、前記第３領域及び前記幅テーパ領域を覆っていることを特徴とする、付記７に記載のスポットサイズ変換器。
（付記９）
前記厚膜領域は、５μｍ以上の長さを有することを特徴とする、付記７又は８に記載のスポットサイズ変換器。

（付記１０）
前記厚膜領域は、前記第３領域の側の端部の幅が５０ｎｍ以下であり、
前記厚膜領域と前記薄膜領域とは、８０ｎｍ以下の膜厚差を有することを特徴とする、付記９に記載のスポットサイズ変換器。
（付記１１）
前記厚膜領域は、テーパ状、曲線状、ステップ状又はこれらを組み合わせた形状で幅が徐々に狭くなっていることを特徴とする、付記７〜１０のいずれか１項に記載のスポットサイズ変換器。

（付記１２）
前記薄膜領域の前記第１領域の側の端部は、前記薄膜領域が延びる方向に直交する方向に対して斜めになっていることを特徴とする、付記７〜１１のいずれか１項に記載のスポットサイズ変換器。
（付記１３）
付記７〜１２のいずれか１項に記載のスポットサイズ変換器と、
前記スポットサイズ変換器の前記第２導波路コア側の端面に接続された分散シフトファイバ又はシングルモードファイバとを備えることを特徴とする光装置。

１ 導波路コア１（シリコン導波路コア、第１シリコン導波路コア）
１Ａ 第１領域
１Ｂ 第２領域
１Ｃ 第３領域
１Ｄ 幅一定領域
１Ｅ 幅テーパ領域
１Ｘ、１ＸＡ、１ＸＢ 段差
１Ｙ 厚膜領域
１Ｚ 薄膜領域
２ ＳｉＯ_２下部クラッド層
３ ＳｉＯ_２上部クラッド層
４ セカンドコア（第２導波路コア）
１０ ＳＯＩ基板
１１ ＳｉＯ_２層（ＢＯＸ層）
１２ シリコン層（ＳＯＩ層）
１３、１６、１７ ＳｉＯ_２膜
１３Ｘ、１３Ｙ ハードマスクパターン
１４、１５ フォトレジストパターン

Claims (5)

1. 第１領域と、厚さが変化する段差を有する第２領域と、前記第１領域よりも厚さが薄い第３領域とを備える導波路コアを備え、
   前記第２領域は、前記第１領域に連なって幅方向の両側に位置し、前記第１領域と同じ厚さで前記第１領域の側から前記第３領域の側へ向けて幅が徐々に狭くなる厚膜領域と、前記厚膜領域に挟まれ、前記第３領域に連なり、前記第３領域と同じ厚さを有する薄膜領域とを備えることを特徴とする光導波路。
2. 前記厚膜領域は、５μｍ以上の長さを有することを特徴とする、請求項１に記載の光導波路。
3. 前記厚膜領域は、前記第３領域の側の端部の幅が５０ｎｍ以下であり、
   前記厚膜領域と前記薄膜領域とは、８０ｎｍ以下の膜厚差を有することを特徴とする、請求項２に記載の光導波路。
4. 第１領域と、厚さが変化する段差を有する第２領域と、前記第１領域よりも厚さが薄い第３領域とを有し、一定の幅を有する幅一定領域と、前記幅一定領域に連なり、終端部へ向けて幅が狭くなる幅テーパ領域とを備える第１シリコン導波路コアと、
   少なくとも前記幅テーパ領域を覆って前記第１シリコン導波路コアに連なる第２導波路コアとを備え、
   前記第２領域は、前記第１領域に連なって幅方向の両側に位置し、前記第１領域と同じ厚さで前記第１領域の側から前記第３領域の側へ向けて幅が徐々に狭くなる厚膜領域と、前記厚膜領域に挟まれ、前記第３領域に連なり、前記第３領域と同じ厚さを有する薄膜領域と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に記載のスポットサイズ変換器と、
   前記スポットサイズ変換器の前記第２導波路コア側の端面に接続された分散シフトファイバ又はシングルモードファイバとを備えることを特徴とする光装置。