JP2016188954A - スポットサイズ変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】偏波分離機能を有するスポットサイズ変換器を提供する。
【解決手段】ＭＦＤ変換部３１と第１偏波分離部３３とを含む第１光導波路コア３０と、第２偏波分離部４１を含む第２光導波路コア４０と、第１光導波路コア及び第２光導波路コアよりも屈折率が小さい外側光導波路コア６０とを備える。外側光導波路コアはＭＦＤ変換部を被覆する。ＭＦＤ変換部は、ＭＦＤ変換部を伝播するＴＥ偏波の等価屈折率と、外側光導波路コアを伝播するＴＥ偏波の等価屈折率とが一致する幅、及びＭＦＤ変換部を伝播するＴＭ偏波の等価屈折率と、外側光導波路コアを伝播するＴＭ偏波の等価屈折率とが一致する幅を含む。第１偏波分離部と第２偏波分離部とが並んで配置された偏波分離領域８０が設定され、第１偏波分離部及び第２偏波分離部は、第１偏波分離部を伝播する一方の偏波の等価屈折率と、第２偏波分離部を伝播する一方の偏波の等価屈折率とが一致する幅を含む。
【選択図】図１

Description

この発明は、偏波分離機能を有するスポットサイズ変換器に関する。

近年、小型化や量産性に有利な光デバイスの開発に当たり、Ｓｉ（シリコン）を細線導波路の材料として用いるＳｉ細線導波路が注目を集めている。

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。そして、Ｓｉよりも屈折率の低い例えばシリカ等を材料としたクラッドで、光導波路コアの周囲を覆う。このような構成により、光導波路コアとクラッドとの屈折率差が極めて大きくなるため、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１μｍ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。そのため、電子回路と同程度の大きさの光回路を作成することが可能であり、光デバイス全体の小型化に有利である。

また、Ｓｉ細線導波路では、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の半導体装置の製造過程を流用することが可能である。そのため、チップ上に電子機能回路と光機能回路とを一括形成する光電融合（シリコンフォトニクス）の実現が期待されている。

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。このようにサイズの異なる、光導波路コアと光ファイバ等の外部素子との接続には、グレーティングカプラやスポットサイズ変換器が用いられる。

ここで、光ファイバを伝播する光には、ＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ）偏波及びＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）偏波が含まれる。これに対して、Ｓｉ細線導波路には偏波依存性がある。そのため、光ファイバから送られる光を、Ｓｉ細線導波路を用いた光デバイスで扱うに当たり、偏波依存性を解消する必要がある。偏波依存性を解消する手法として、ＴＥ偏波とＴＭ偏波とを分離する手法がある。この場合には、偏波分離した各偏波を個別に扱うことによって、光デバイスにおける処理を、各偏波に対してそれぞれ最適化することができる。

グレーティングカプラとして、ＴＥ偏波とＴＭ偏波とを分離する機能（偏波分離機能）を有するグレーティングカプラがある（例えば非特許文献１参照）。偏波分離機能を有するグレーティングカプラでは、光導波路コア及び光ファイバ間の接続と、光ファイバから送られる光の偏波分離とを、ともに達成することができる。

一方で、スポットサイズ変換器（例えば特許文献１〜特許文献７参照）については、偏波分離機能を有するものが従来提案されていなかった。

特開２０１１−１６４３７６号公報 特開２０１１−１２３０９４号公報 特開２０１１−２２３４５号公報 特開２０１０−１１７３９６号公報 特開２００７−９３７４３号公報 特開２００６−３２３２１０号公報 特開２００６−３０９１９７号公報

Technical digest of Group IV Photonics 2008, paper ThB3, 2008年9月

そこで、この発明の目的は、偏波分離機能を有する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。

スポットサイズ変換器は、クラッド層と、クラッド層上に、互いに離間しかつ並んで形成された第１光導波路コア及び第２光導波路コアと、クラッド層上に形成された、第１光導波路コア及び第２光導波路コアよりも屈折率が小さく、かつクラッド層よりも屈折率が大きい外側光導波路コアとを備える。

第１光導波路コアは、順次に接続されたモードフィールド径（ＭＦＤ：Ｍｏｄｅ Ｆｉｅｌｄ Ｄｉａｍｅｔｅｒ）変換部と第１偏波分離部とを含み、かつ第２光導波路コアよりも、等価屈折率が小さい。第２光導波路コアは、第２偏波分離部を含む。外側光導波路コアは、少なくともＭＦＤ変換部を被覆する。

ＭＦＤ変換部は、ＭＦＤ変換部を伝播するＴＥ偏波の等価屈折率と、外側光導波路コアを伝播するＴＥ偏波の等価屈折率とが一致する幅、及びＭＦＤ変換部を伝播するＴＭ偏波の等価屈折率と、外側光導波路コアを伝播するＴＭ偏波の等価屈折率とが一致する幅をそれぞれ含む。

スポットサイズ変換器には、第１偏波分離部と第２偏波分離部とが互いに離間しかつ並んで配置された、偏波分離領域が設定されている。偏波分離領域において、第１偏波分離部及び第２偏波分離部のそれぞれは、第１偏波分離部を伝播する一方の偏波の等価屈折率と、第２偏波分離部を伝播する一方の偏波の等価屈折率とが一致する幅を含む。

この発明のスポットサイズ変換器では、外側光導波路コアを伝播する光を、第１光導波路コアのＭＦＤ変換部に移行させることができる。この移行によって、外側光導波路コアを伝播する光のＭＦＤを、ＭＦＤ変換部を伝播する光のＭＦＤに変換することができる。また、偏波分離領域において、第１光導波路コアの第１偏波分離部を伝播する一方の偏波を、第２光導波路コアの第２偏波分離部に移行させることができる。この移行によって、ＴＥ偏波とＴＭ偏波とを分離して、それぞれ異なる光導波路コアを伝播させることができる。従って、この発明のスポットサイズ変換器は、ＭＦＤを変換するスポットサイズ変換器としての機能のみならず、偏波分離機能を有するスポットサイズ変換器として使用できる。

この発明の第１のスポットサイズ変換器を示す概略的平面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、この発明の第１のスポットサイズ変換器を示す概略的端面図である。 この発明の第１のスポットサイズ変換器の特性を評価する図である。 （Ａ）は、この発明の第２のスポットサイズ変換器を示す概略的平面図である。（Ｂ）は、この発明の第２のスポットサイズ変換器を示す概略的端面図である。

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のスポットサイズ変換器）
図１及び図２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（第１のスポットサイズ変換器）について説明する。図１は、第１のスポットサイズ変換器を示す概略的平面図である。なお、図１では、後述する上部クラッド層を省略して示してある。図２（Ａ）は、図１に示す第１の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２（Ｂ）は、図１に示す第１の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。

なお、以下の説明では、支持基板の厚さに沿った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。

第１のスポットサイズ変換器１００は、例えば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、光ファイバから光デバイスへ送られる光の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、一方の入出力端１００ａ側で、光ファイバと光学的に接続される。また、他方の入出力端１００ｂ側で、光デバイスの光導波路コアと光学的に接続される。

第１の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、第２光導波路コア４０及び第３光導波路コア５０と、外側光導波路コア６０と、上部クラッド層７０とを備えて構成されている。

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。

下部クラッド層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。下部クラッド層２０は、例えばＳｉＯ_２を材料として形成されている。また、第１光導波路コア３０、第２光導波路コア４０及び第３光導波路コア５０を伝播する光が、支持基板１０へ逃げるのを防ぐために、下部クラッド層２０は、例えば１μｍ以上の厚さであるのが好ましい。

第１光導波路コア３０、第２光導波路コア４０及び第３光導波路コア５０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Ｓｉを材料としてそれぞれ形成されている。

第１光導波路コア３０、第２光導波路コア４０及び第３光導波路コア５０は、それぞれ離間しかつ並んで配置されている。第２光導波路コア４０及び第３光導波路コア５０は、それぞれ第１光導波路コア３０を挟んで反対側に配置されている。

また、第１光導波路コア３０の等価屈折率は、第１光導波路コア３０と幅を等しくした場合における第２光導波路コア４０及び第３光導波路コア５０の等価屈折率よりも小さく設定されている。図２に示す構成例では、第１光導波路コア３０が、第２光導波路コア４０及び第３光導波路コア５０よりも小さい厚さで形成されている。その結果、第１光導波路コア３０の等価屈折率は、第２光導波路コア４０及び第３光導波路コア５０の等価屈折率よりも小さくなる。

第１光導波路コア３０の等価屈折率が小さく設定されることによって、第１光導波路コア３０と、第１光導波路コア３０よりも屈折率の小さい材料で形成された外側光導波路コア６０との等価屈折率が近い値となる。第１光導波路コア３０をＳｉで形成し、外側光導波路コア６０を屈折率が１．５１のＳｉＯ_ｘ（ｘは０＜ｘ＜２を満たす実数）で形成する場合には、第１光導波路コア３０の厚さを例えば３００ｎｍ以下、好ましくは２００ｎｍ以下とする。その結果、第１光導波路コア３０及び外側光導波路コア６０の等価屈折率を近い値に設定することができる。

なお、第１光導波路コア３０の等価屈折率を、第２光導波路コア４０及び第３光導波路コア５０の等価屈折率よりも小さく設定する構成は、第１光導波路コア３０を薄く形成する構成に限定されない。例えば、第１光導波路コア３０を、第２光導波路コア４０及び第３光導波路コア５０よりも屈折率の低い材料で形成することもできる。その場合には、第１光導波路コア３０、第２光導波路コア４０及び第３光導波路コア５０を共通の厚さで形成しても、第１光導波路コア３０の等価屈折率を、第２光導波路コア４０及び第３光導波路コア５０の等価屈折率よりも小さく設定することができる。

外側光導波路コア６０は、下部クラッド層２０の上面２０ａに、少なくとも、後述するＭＦＤ変換部３１を被覆して形成されている。なお、図１及び図２に示す構成例では、ＭＦＤ変換部３１のみならず、後述する第１偏波分離部３３及び第２偏波分離部４１も被覆している。

外側光導波路コア６０の屈折率は、下部クラッド層２０及び上部クラッド層７０の屈折率よりも大きく、かつ第１光導波路コア３０、第２光導波路コア４０及び第３光導波路コア５０の屈折率よりも小さい屈折率を有する例えばＳｉＯ_ｘやＳｉＯＮ等を材料として形成されている。

また、外側光導波路コア６０は、一端６０ａが第１のスポットサイズ変換器１００の一方の入出力端１００ａと一致して配置されている。外側光導波路コア６０の一端６０ａは、光ファイバから送られる光の実質的な入力端となる。従って、外側光導波路コア６０の一端６０ａにおける厚さ及び幅は、光ファイバのＭＦＤに対応して設定される。

上部クラッド層７０は、下部クラッド層２０の上面２０ａに、第１光導波路コア３０、第２光導波路コア４０、第３光導波路コア５０及び外側光導波路コア６０を被覆して形成されている。上部クラッド層７０は、外側光導波路コア６０の屈折率よりも小さい屈折率を有する、例えばＳｉＯ_２を材料として形成されている。なお、第１のスポットサイズ変換器１００では、上部クラッド層７０を省略することもできる。その場合には、周囲に存在する空気が、実質的な上部クラッド層７０として機能する。

第１光導波路コア３０は、第１の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へ向かう方向へ順次に接続された、ＭＦＤ変換部３１、第１偏波分離部３３及び第１結合部３５を含んでいる。

ＭＦＤ変換部３１は、一端３１ａが第１のスポットサイズ変換器１００の一方の入出力端１００ａから離間して配置されている。なお、誤差なく形成できる場合には、一端３１ａと入出力端１００ａとを一致させることもできる。また、ＭＦＤ変換部３１は、他端３１ｂ側で第１偏波分離部３３と接続されている。さらに、ＭＦＤ変換部３１は、一端３１ａから他端３１ｂに向かうにつれて幅が連続的に拡大するテーパ形状とされている。

上述したように、ＭＦＤ変換部３１を含む第１光導波路コア３０の等価屈折率は、外側光導波路コア６０の等価屈折率と近い値に設定されている。さらに、ＭＦＤ変換部３１をテーパ形状とすることによって、ＭＦＤ変換部３１は、ＭＦＤ変換部３１を伝播するＴＥ偏波の等価屈折率と、外側光導波路コア６０を伝播するＴＥ偏波の等価屈折率とが一致する幅、及びＭＦＤ変換部３１を伝播するＴＭ偏波の等価屈折率と、外側光導波路コア６０を伝播するＴＭ偏波の等価屈折率とが一致する幅をそれぞれ含む。その結果、光ファイバから送られた、外側光導波路コア６０を伝播するＴＥ偏波及びＴＭ偏波が、ともにＭＦＤ変換部３１へ移行する。

第１偏波分離部３３は、一端３３ａ側でＭＦＤ変換部３１と接続されている。また、第１偏波分離部３３は、他端３３ｂ側で第１結合部３５と接続されている。第１偏波分離部３３は、第１のスポットサイズ変換器１００の他方の入出力端１００ｂへ向かって、徐々に第２光導波路コア４０から離間する方向に傾いて設計される。さらに、第１偏波分離部３３は、一端３３ａから他端３３ｂに向かうにつれて幅が連続的に拡大するテーパ形状とされている。

第１結合部３５は、一端３５ａ側で第１偏波分離部３３と接続されている。第１結合部３５は、第１のスポットサイズ変換器１００の他方の入出力端１００ｂへ向かって、徐々に第３光導波路コア５０に近づく方向に傾いて設計される。さらに、第１結合部３５は、一端３５ａから他端３５ｂに向かうにつれて幅が連続的に縮小するテーパ形状である。

第２光導波路コア４０は、第１の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へ向かう方向へ順次に接続された、第２偏波分離部４１及び入出力部４３を含んでいる。

第２偏波分離部４１は、一端４１ａが第１のスポットサイズ変換器１００の一方の入出力端１００ａから離間して配置されている。第２偏波分離部４１の一端４１ａと第１のスポットサイズ変換器１００の一方の入出力端１００ａとの離間距離は、ＭＦＤ変換部３１の一端３１ａと第１のスポットサイズ変換器１００の一方の入出力端１００ａとの離間距離よりも大きく設定されている。また、第２偏波分離部４１は、他端４１ｂ側で入出力部４３と接続されている。さらに、第２偏波分離部４１は、一端４１ａから他端４１ｂに向かうにつれて幅が連続的に拡大するテーパ形状とされている。

第１のスポットサイズ変換器１００では、第１光導波路コア３０の第１偏波分離部３１と第２光導波路コア４０の第２偏波分離部４１とが互いに離間しかつ並んで配置された、偏波分離領域８０が設定されている。

偏波分離領域８０において、第１偏波分離部３３及び第２偏波分離部４１のそれぞれは、第１偏波分離部３３を伝播するＴＭ偏波の等価屈折率と、第２偏波分離部４１を伝播するＴＭ偏波の等価屈折率とが一致する幅を含む。その結果、第１偏波分離部３３を伝播するＴＭ偏波と、第２偏波分離部４１を伝播するＴＭ偏波とが結合される。

なお、偏波分離領域８０において、第１偏波分離部３３及び第２偏波分離部４１のそれぞれは、第１偏波分離部３３を伝播するＴＥ偏波の等価屈折率と、第２偏波分離部４１を伝播するＴＥ偏波の等価屈折率とが一致する幅を含まないように設計される。上述した第１偏波分離部３３及び第２偏波分離部４１の材料及び厚さの関係においては、第１偏波分離部３３と第２偏波分離部４１とでＴＥ偏波の等価屈折率が一致する幅は、第１偏波分離部３３と第２偏波分離部４１とでＴＭ偏波の等価屈折率が一致する幅よりも小さい。ここでは、第１偏波分離部３３及び第２偏波分離部４１は、共通の方向に向かって、幅が連続的に拡大するテーパ形状である。そして、テーパ形状の第１偏波分離部３３及び第２偏波分離部４１が、これら第１偏波分離部３３と第２偏波分離部４１とでＴＥ偏波の等価屈折率が一致する幅を含まないように設計する。その結果、第１偏波分離部３３を伝播するＴＥ偏波と、第２偏波分離部４１を伝播するＴＥ偏波とは結合されない。

このように第１偏波分離部３３及び第２偏波分離部４１を設計することによって、偏波分離領域８０では、第１偏波分離部３３を伝播するＴＥ偏波及びＴＭ偏波のうち、ＴＭ偏波のみが第２偏波分離部４１へ移行する。

なお、ここでは、第１偏波分離部３３をテーパ形状とする構成について説明した。しかし、偏波分離領域８０において、第１偏波分離部３３及び第２偏波分離部４１が、第１偏波分離部３３と第２偏波分離部４１とでＴＭ偏波の等価屈折率が一致する幅を含み、かつ第１偏波分離部３３と第２偏波分離部４１とでＴＥ偏波の等価屈折率が一致する幅を含まない設計であれば、第１偏波分離部３３を一定幅で形成することもできる。

入出力部４３は、一端４３ａ側で第２偏波分離部４１と接続される。また、入出力部４３は、他端４３ｂ側で光デバイスの光導波路コアと接続される。入出力部４３の幅及び厚さは、例えばシングルモード条件を満たすように設定される。

第３光導波路コア５０は、第２結合部５１を含んでいる。

第２結合部５１は、一端５１ａが第１のスポットサイズ変換器１００の一方の入出力端１００ａから離間して配置されている。第２結合部５１の一端５１ａと第１のスポットサイズ変換器１００の一方の入出力端１００ａとの離間距離は、第２偏波分離部４１の一端４１ａと第１のスポットサイズ変換器１００の一方の入出力端１００ａとの離間距離よりも大きく設定されている。

また、第２結合部５１は、他端５１ｂ側で光デバイスの光導波路コアと接続される。さらに、第２結合部５１は、一端５１ａから他端５１ｂに向かうにつれて幅が連続的に拡大するテーパ形状とされている。第２結合部５１の他端５１ｂにおける幅及び厚さは、例えばシングルモード条件を満たすように設定される。

第１のスポットサイズ変換器１００では、第１光導波路コア３０の第１結合部３５と第３光導波路コア５０の第２結合部５１とが互いに離間しかつ並んで配置された、結合領域９０が設定されている。

結合領域９０において、第１結合部３５及び第２結合部５１のそれぞれは、第１結合部３５を伝播するＴＥ偏波の等価屈折率と、第２結合部５１を伝播するＴＥ偏波の等価屈折率とが一致する幅を含む。その結果、第１結合部３５を伝播するＴＥ偏波と、第２結合部５１を伝播するＴＥ偏波とが結合される。従って、結合領域９０では、第１結合部３５を伝播するＴＥ偏波が、第２結合部５１へ移行する。

なお、ここでは、第１結合部３５をテーパ形状とする構成について説明した。しかし、結合領域９０において、第１結合部３５及び第２結合部５１が、第１結合部３５と第２結合部５１とでＴＥ偏波の等価屈折率が一致する幅を含む設計であれば、第１結合部３５を一定幅で形成することもできる。

第１のスポットサイズ変換器１００では、光ファイバから送られる、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波を含む光１０１は、まず、外側光導波路コア６０に入力される。外側光導波路コア６０を伝播する光は、第１光導波路コア３０のＭＦＤ変換部３１に移行する。この移行によって、光のＭＦＤが変換される。ＭＦＤ変換部３１を伝播する光１０３は、第１偏波分離部３３に送られる。第１偏波分離部３３を伝播する光のうちのＴＭ偏波１０５は、偏波分離領域８０において、第２光導波路コア４０の第２偏波分離部４１に移行する。第２偏波分離部４１に移行したＴＭ偏波１０５は、入出力部４３を経て光デバイスに送られる。一方、第１偏波分離部３３を伝播する光のうちのＴＥ偏波１０７は、第１結合部３５に送られる。第１結合部３５を伝播するＴＥ偏波１０９は、結合領域９０において、第３光導波路コア５０の第２結合部５１に移行する。第２結合部５１に移行したＴＥ偏波１０９は、光デバイスに送られる。

このように第１のスポットサイズ変換器１００では、光ファイバから送られる光のＭＦＤを変換し、かつその光に含まれるＴＥ偏波とＴＭ偏波とを分離して、それぞれ異なる光導波路コア（ここでは第２光導波路コア４０と第３光導波路コア５０）に送ることができる。従って、第１のスポットサイズ変換器１００は、ＭＦＤを変換する機能のみならず、偏波分離機能を有するスポットサイズ変換器として使用できる。

第１のスポットサイズ変換器１００では、スポットサイズ変換器において偏波を分離できるため、例えば、それぞれ独立した、スポットサイズ変換器と偏波分離素子とを接続する構成と比べて、素子面積を縮小することができる。

また、外側光導波路コア６０を作製するときには、ＭＦＤ変換部３１、第１偏波分離部３３及び第２偏波分離部４１をエッチングで露出した後に、外側光導波路コア６０を堆積させるが、外側光導波路コア６０の境界が第１偏波分離部３３及び第２偏波分離部４１にかかる部分での第１偏波分離部３３及び第２偏波分離部４１の幅が広いほど、この部分での光散乱ロスを低減することが可能である。なお、外側光導波路コア６０の境界は第１偏波分離部３３の一端３３aと一致させることもできる。

なお、この実施の形態では、偏波分離領域８０において、第１偏波分離部３３を伝播するＴＭ偏波を、第２偏波分離部４１に移行する構成について説明した。しかし、第１のスポットサイズ変換器１００は、偏波分離領域８０において、第１偏波分離部３３を伝播するＴＥ偏波を、第２偏波分離部４１に移行する構成とすることもできる。その場合には、第１偏波分離部３３を、一端３３ａから他端３３ｂに向かうにつれて幅が連続的に縮小するテーパ形状とするか、又は一定幅で形成する。そして、偏波分離領域８０において、第１偏波分離部３３を伝播するＴＥ偏波の等価屈折率と、第２偏波分離部４１を伝播するＴＥ偏波の等価屈折率とが一致する幅を含むように、第１偏波分離部３３及び第２偏波分離部４１のそれぞれを設計する。また、第１偏波分離部３３を伝播するＴＭ偏波の等価屈折率と、第２偏波分離部４１を伝播するＴＭ偏波の等価屈折率とが一致する幅を含まないように、第１偏波分離部３３及び第２偏波分離部４１のそれぞれを設計する。

さらに、偏波分離領域８０において、第１偏波分離部３３を伝播するＴＥ偏波を、第２偏波分離部４１に移行させる場合には、結合領域９０において、第１結合部３５を伝播するＴＭ偏波を第２結合部５１に移行させる。その場合には、第１結合部３５を、一端３５ａから他端３５ｂに向かうにつれて幅が連続的に拡大するテーパ形状とするか、又は一定幅で形成する。そして、結合領域９０において、第１結合部３５を伝播するＴＭ偏波の等価屈折率と、第２結合部５１を伝播するＴＭ偏波の等価屈折率とが一致する幅を含むように、第１結合部３５及び第２結合部５１のそれぞれを設計する。

（特性評価）
発明者は、図１及び図２に示す第１のスポットサイズ変換器１００の特性を評価するシミュレーションを行った。このシミュレーションでは、３次元ＢＰＭ（Ｂｅａｍ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）を用い、外側光導波路コア６０から入力され、第２光導波路コア４０の入出力部４３から出力されるＴＥ偏波及びＴＭ偏波、並びに外側光導波路コア６０から入力され、第３光導波路コア５０から出力されるＴＥ偏波及びＴＭ偏波の強度を確認した。

ここでは、第１のスポットサイズ変換器１００を以下の条件に設定した。

第１〜第３光導波路コア３０、４０及び５０をＳｉで、外側光導波路コア６０を屈折率が１．５１のＳｉＯ_ｘで、下部クラッド２０及び上部クラッド７０をＳｉＯ_２で、それぞれ形成する場合を想定した。また、第１光導波路コア３０の厚さを３００ｎｍに設定した。また、外側光導波路コア６０の幅及び厚さをともに３μｍに設定した。

ＭＦＤ変換部３１は、一端３１ａの幅Ｗ１を８０ｎｍ、他端３１ｂの幅Ｗ２を３００ｎｍ、及び長さＬ１を１００μｍに設定した。また、作製誤差の影響を少なくするため、ＭＦＤ変換部３１の一端３１ａと、第１のスポットサイズ変換器１００の一方の入出力端１００ａとの離間距離を０μｍとした。つまり、誤差なく作製できると仮定し、ＭＦＤ変換部３１の一端３１ａと第１のスポットサイズ変換器１００の一方の入出力端１００ａとを一致させた。

第１偏波分離部３３は、一端３３ａの幅Ｗ３を３００ｎｍ、他端３３ｂの幅Ｗ４を８００ｎｍ、及び長さＬ２を１００μｍに設定した。また、第１偏波分離部３３は、第２光導波路コア４０から離間する方向に傾けて設計し、一端３３ａ及び他端３３ｂのそれぞれの中心間の距離Ｄ１を５００ｎｍに設定した。

第１結合部３５は、一端３５ａの幅Ｗ５を８００ｎｍ、他端３５ｂの幅Ｗ６を１５０ｎｍ、及び長さＬ３を１５０μｍに設定した。また、第１結合部３５は、第３光導波路コア５０へ近づく方向に傾けて設計し、一端３５ａ及び他端３５ｂのそれぞれの中心間の距離Ｄ２を５４０ｎｍに設定した。

第２偏波分離部４１は、一端４１ａの幅Ｗ７を８０ｎｍ、他端４１ｂの幅Ｗ８を３００ｎｍ、及び長さＬ４を１００μｍに設定した。また、第２偏波分離部４１の一端４１ａの面位置は、ＭＦＤ変換部３１の一端３１ａの面位置に対して、第１のスポットサイズ変換器１００の一方の入出力端１００ａから離間する方向に８０μｍずらして配置した。また、第２偏波分離部４１の一端４１ａの中心を、ＭＦＤ変換部３１の側面から３６０ｎｍ離間させた。

第２結合部５１は、一端５１ａの幅Ｗ９を８０ｎｍ、他端５１ｂの幅Ｗ１０を３００ｎｍ、及び長さＬ５を１００μｍに設定した。また、第２結合部５１の一端５１ａの中心を、第１結合部３５の側面から４５０ｎｍ離間させた。

偏波分離領域８０の長さＬ６を８０μｍに設定した。また、結合領域９０の長さＬ７を９０μｍに設定した。

シミュレーションの結果を図３に示す。図３は、第１のスポットサイズ変換器１００の特性を評価する図である。図３では、縦軸に強度をｄＢ目盛で、また、横軸に波長をμｍ単位でとって示してある。図３において、曲線３０１は、第２光導波路コア４０の入出力部４３から出力されるＴＭ偏波の強度を示している。また、曲線３０３は、第３光導波路コア５０から出力されるＴＭ偏波の強度を示している。また、曲線３０５は、第２光導波路コア４０の入出力部４３から出力されるＴＥ偏波の強度を示している。また、曲線３０７は、第３光導波路コア５０から出力されるＴＥ偏波の強度を示している。

図３に示すように、第２光導波路コア４０の入出力部４３から出力されるＴＭ偏波の強度は、第２光導波路コア４０の入出力部４３から出力されるＴＥ偏波の強度、及び第３光導波路コア５０から出力されるＴＭ偏波の強度に対して、著しく大きくなる。一方、第３光導波路コア５０から出力されるＴＥ偏波の強度は、第３光導波路コア５０から出力されるＴＭ偏波の強度、及び第２光導波路コア４０の入出力部４３から出力されるＴＥ偏波の強度に対して、著しく大きくなる。この結果から、第１のスポットサイズ変換器１００では、ＴＥ偏波とＴＭ偏波とを分離し、分離したＴＥ偏波とＴＭ偏波とを異なる光導波路コアから出力できることが確認された。

（第２のスポットサイズ変換器）
図４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（第２のスポットサイズ変換器）について説明する。図４（Ａ）は、第２のスポットサイズ変換器を示す概略的平面図である。なお、図４では、上部クラッド層を省略して示してある。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示す第２のスポットサイズ変換器をＩＩＩ−ＩＩＩ線で切り取った概略的端面図である。

第２のスポットサイズ変換器２００は、結合領域の構成が、上述した第１のスポットサイズ変換器と異なっている。その他の構成は、第１のスポットサイズ変換器と同様であるので、共通する構成要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、ここでは、偏波分離領域においてＴＭ偏波を第２光導波路コアへ移行し、結合領域においてＴＥ偏波を第３光導波路コアに移行する構成について説明する。

第２のスポットサイズ変換器２００では、第１光導波路コア３０の第１結合部３５と、第３光導波路コア５０の第２結合部５１とを、平面的に重ねて配置する。

上述したように、第１光導波路コア３０の等価屈折率は、第２光導波路コア４０及び第３光導波路コア５０の等価屈折率よりも小さく設定される。図４では、第１光導波路コア３０、第２光導波路コア４０及び第３光導波路コア５０を共通の材料で形成し、かつ第１光導波路コア３０の厚さを、第２光導波路コア４０及び第３光導波路コア５０の下部クラッド層２０の上面２０ａからの厚さよりも小さく形成する構成例を示している。

第１光導波路コア３０及び第３光導波路コア５０を共通の材料で形成する場合には、第１結合部３５及び第２結合部５１を一体的に形成することができる。

第１結合部３５は、第１のスポットサイズ変換器１００と同様に、一端３５ａから他端３５ｂに向かうにつれて幅が連続的に縮小するテーパ形状とされている。また、第２結合部５１は、第１のスポットサイズ変換器１００と同様に、一端５１ａから他端５１ｂに向かうにつれて幅が連続的に拡大するテーパ形状とされている。

第２のスポットサイズ変換器２００では、第１結合部３５と第２結合部５１とが重なる領域として、結合領域２９０が設定されている。

結合領域２９０において、第１結合部３５及び第２結合部５１のそれぞれは、第１結合部３５を伝播するＴＥ偏波の等価屈折率と、第２結合部５１を伝播するＴＥ偏波の等価屈折率とが一致する幅を含む。その結果、第１結合部３５を伝播するＴＥ偏波と、第２結合部５１を伝播するＴＥ偏波とが結合される。従って、結合領域２９０では、第１結合部３５を伝播するＴＥ偏波が、第２結合部５１へ移行する。

なお、ここでは、第１結合部３５をテーパ形状とする構成について説明した。しかし、結合領域２９０において、第１結合部３５及び第２結合部５１が、第１結合部３５と第２結合部５１とでＴＥ偏波の等価屈折率が一致する幅を含む設計であれば、第１結合部３５を一定幅で形成することもできる。

第２のスポットサイズ変換器２００では、上述した第１のスポットサイズ変換器１００と同様に、光ファイバから送られる光のＭＦＤを変換し、かつその光に含まれるＴＥ偏波とＴＭ偏波とを分離して、それぞれ異なる光導波路コアに送ることができる。従って、第２のスポットサイズ変換器２００は、ＭＦＤを変換する機能のみならず、偏波分離機能を有するスポットサイズ変換器として使用できる。

１０：支持基板
２０：下部クラッド層
３０：第１光導波路コア
３１：ＭＦＤ変換部
３３：第１偏波分離部
３５：第１結合部
４０：第２光導波路コア
４１：第２偏波分離部
４３：入出力部
５０：第３光導波路コア
５１：第２結合部
６０：外側光導波路コア
７０：上部クラッド層
８０：偏波分離領域
９０、２９０：結合領域
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

スポットサイズ変換器は、クラッド層と、クラッド層上に、互いに離間しかつ並んで形成された第１光導波路コア及び第２光導波路コアと、クラッド層上に形成された第３光導波路コアと、クラッド層上に形成された、第１光導波路コア及び第２光導波路コアよりも屈折率が小さく、かつクラッド層よりも屈折率が大きい外側光導波路コアとを備える。

第１光導波路コアは、順次に接続されたモードフィールド径（ＭＦＤ：Ｍｏｄｅ Ｆｉｅｌｄ Ｄｉａｍｅｔｅｒ）変換部と第１偏波分離部と第１結合部とを含み、かつ第２光導波路コアよりも、等価屈折率が小さい。第１結合部は、第１偏波分離部の、ＭＦＤ変換部と接続された一端とは反対側の他端と接続されている。第２光導波路コアは、第２偏波分離部を含む。外側光導波路コアは、少なくともＭＦＤ変換部を被覆する。第３光導波路コアは、第２結合部を含み、かつ前記第１光導波路コアよりも等価屈折率が大きい。

ＭＦＤ変換部は、一端から第１偏波分離部と接続された他端に向かうにつれて幅が連続的に拡大するテーパ形状である。そして、ＭＦＤ変換部は、ＭＦＤ変換部を伝播するＴＥ偏波の等価屈折率と、外側光導波路コアを伝播するＴＥ偏波の等価屈折率とが一致する幅、及びＭＦＤ変換部を伝播するＴＭ偏波の等価屈折率と、外側光導波路コアを伝播するＴＭ偏波の等価屈折率とが一致する幅をそれぞれ含む。

スポットサイズ変換器には、第１偏波分離部と第２偏波分離部とが互いに離間しかつ並んで配置された、偏波分離領域が設定されている。偏波分離領域において、第１偏波分離部及び第２偏波分離部のそれぞれは、第１偏波分離部を伝播する一方の偏波の等価屈折率と、第２偏波分離部を伝播する一方の偏波の等価屈折率とが一致する幅を含む。
スポットサイズ変換器には、第１結合部と前記第２結合部とが互いに離間しかつ並んで配置された、結合領域が設定されている。結合領域において、第１結合部及び第２結合部のそれぞれは、第１結合部を伝播する他方の偏波の等価屈折率と、第２結合部を伝播する他方の偏波の等価屈折率とが一致する幅を含む。
第１光導波路コアは、第２光導波路コア及び第３光導波路コアよりも小さい厚さである。
なお、上述の結合領域は、第１結合部と第２結合部とが平面的に重なって配置された領域として設定することもできる。

Claims (8)

1. クラッド層と、
   前記クラッド層上に、互いに離間しかつ並んで形成された第１光導波路コア及び第２光導波路コアと、
   前記クラッド層上に形成された、前記第１光導波路コア及び前記第２光導波路コアよりも屈折率が小さく、かつ前記クラッド層よりも屈折率が大きい外側光導波路コアと
   を備え、
   前記第１光導波路コアは、順次に接続されたＭＦＤ変換部と第１偏波分離部とを含み、かつ前記第２光導波路コアよりも、等価屈折率が小さく、
   前記第２光導波路コアは、第２偏波分離部を含み、
   前記外側光導波路コアは、少なくとも前記ＭＦＤ変換部を被覆しており、
   前記ＭＦＤ変換部は、前記ＭＦＤ変換部を伝播するＴＥ偏波の等価屈折率と、前記外側光導波路コアを伝播するＴＥ偏波の等価屈折率とが一致する幅、及び前記ＭＦＤ変換部を伝播するＴＭ偏波の等価屈折率と、前記外側光導波路コアを伝播するＴＭ偏波の等価屈折率とが一致する幅をそれぞれ含み、
   前記第１偏波分離部と前記第２偏波分離部とが互いに離間しかつ並んで配置された、偏波分離領域が設定されており、
   前記偏波分離領域において、前記第１偏波分離部及び前記第２偏波分離部のそれぞれは、前記第１偏波分離部を伝播する一方の偏波の等価屈折率と、前記第２偏波分離部を伝播する一方の偏波の等価屈折率とが一致する幅を含む
   ことを特徴とするスポットサイズ変換器。
2. 前記第１光導波路コアは、前記第２光導波路コアよりも小さい厚さであり、
   前記ＭＦＤ変換部は、一端から前記第１偏波分離部と接続された他端に向かうにつれて幅が連続的に拡大するテーパ形状である
   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. 前記第１偏波分離部及び前記第２偏波分離部は、互いに共通の方向に向かうにつれて幅が連続的に拡大するテーパ形状であり、
   前記第１偏波分離部は、前記ＭＦＤ変換部と接続された一端から他端に向かうにつれて幅が連続的に拡大する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のスポットサイズ変換器。
4. 前記第１偏波分離部及び前記第２偏波分離部は、互いに反対の方向に向かうにつれて幅が連続的に拡大するテーパ形状であり、
   前記第１偏波分離部は、前記ＭＦＤ変換部と接続された一端から他端に向かうにつれて幅が連続的に縮小する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のスポットサイズ変換器。
5. 前記第１偏波分離部は、一定の幅で形成されており、
   前記第２偏波分離部は、前記ＭＦＤ変換部から離間するにつれて幅が連続的に拡大するテーパ形状である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のスポットサイズ変換器。
6. 前記クラッド層上に形成された第３光導波路コアをさらに備え、
   前記第１光導波路コアは、第１結合部をさらに含み、
   前記第１結合部は、前記第１偏波分離部の、前記ＭＦＤ変換部と接続された一端とは反対側の他端と接続されており、
   前記第３光導波路コアは、前記第２結合部を含み、かつ前記第１光導波路コアよりも等価屈折率が大きく設定され、
   前記第１結合部と前記第２結合部とが互いに離間しかつ並んで配置された、結合領域が設定されており、
   前記結合領域において、前記第１結合部及び前記第２結合部のそれぞれは、前記第１結合部を伝播する他方の偏波の等価屈折率と、前記第２結合部を伝播する他方の偏波の等価屈折率とが一致する幅を含む
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のスポットサイズ変換器。
7. 前記クラッド層上に形成された第３光導波路コアをさらに備え、
   前記第１光導波路コアは、第１結合部をさらに含み、
   前記第１結合部は、前記第１偏波分離部の、前記ＭＦＤ変換部と接続された一端とは反対側の他端と接続されており、
   前記第３光導波路コアは、前記第２結合部を含み、かつ前記第１光導波路コアよりも等価屈折率が大きく設定され、
   前記第１結合部と前記第２結合部とが平面的に重なって配置された、結合領域が設定されており、
   前記結合領域において、前記第１結合部及び前記第２結合部のそれぞれは、前記第１結合部を伝播する他方の偏波の等価屈折率と、前記第２結合部を伝播する他方の偏波の等価屈折率とが一致する幅を含む
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のスポットサイズ変換器。
8. ＭＦＤ変換部と第１偏波分離部とを含んで順次接続された第１光導波路コアと、
   第２偏波分離部を含んで形成された第２光導波路コアと、
   少なくとも前記ＭＦＤ変換部の一部を被覆して形成された外側光導波路コアと
   を備え、
   前記第１偏波分離部と前記第２偏波分離部とは互いに、離れて並んで形成され、
   前記外側光導波路コアの屈折率は、前記第１光導波路コアの屈折率よりも小さく、
   前記ＭＦＤ変換部と前記外側光導波路コアとは互いに、ＴＥ偏波の等価屈折率及びＴＭ偏波の等価屈折率のそれぞれが一致する幅を含み、
   前記第１偏波分離部と前記第２偏波分離部とは互いに、ＴＥ偏波の等価屈折率またはＴＭ偏波の等価屈折率のどちらか一方が一致する幅を含む
   ことを特徴とするスポットサイズ変換器。

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