JP2019138954A - 光導波路素子及び反射率取得方法 - Google Patents

Abstract

【課題】出力端におけるフレネル反射の反射率を定量的に取得可能な光導波路素子、及びこれを利用する反射率取得方法を提供する。【解決手段】光導波路素子１００は、この順に接続された入出力ポート３１、接続導波路部３２及び反射部３３を含む光導波路コア３０と、光導波路コアを包含するクラッドとを備える。入出力ポートには、外部の光学素子からの光が入力され、及び入出力ポートは、接続導波路部から送られる光を前記外部の光学素子に出力する。接続導波路部は、入出力ポートから送られる光を反射部に送り、及び反射部から送られる光を入出力ポートに送る。反射部は、接続導波路部から送られる光を反射してこの接続導波路部に送る。【選択図】図１

Description

この発明は、出力端におけるフレネル反射の反射率を定量的に取得するための光導波路素子、及びこれを利用する反射率取得方法に関する。

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を伝送媒体とした光送受モジュール（以下、単に光モジュールとも称する）を用いて、情報処理機器内の装置間、ボード間又はチップ間等の情報伝達を光信号で行う。その結果、高速信号処理を要する情報処理機器においてボトルネックとなっている、電気配線の帯域制限を改善することができる。

光モジュールは、光送信器や光受信器等の光学素子を備えて構成される。これらの光学素子は、各光学素子の中心位置（受光位置あるいは発光位置）を設計位置に合せるための複雑な光軸合わせを行った上で、例えばレンズを用いて互いに空間結合することができる。

各光学素子を結合するための手段として、レンズの代わりに光導波路を利用する技術がある。光導波路を利用する場合には、光が光導波路内に閉じ込められて伝搬するため、レンズを利用する場合と異なり、複雑な光軸合わせを必要としない。従って、光モジュールの組立工程が簡易となるため、量産に適する形態として有利である。

ここで、光導波路は、例えばシリコン（Ｓｉ）を導波路材料とすることができる。Ｓｉを材料とする光導波路（Ｓｉ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酸化シリコン（ＳｉＯ_２）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。また、並走する導波路間の配線ピッチを数μｍ程度まで小さくすることもできる。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、光モジュール全体の小型化に有利である。

しかも、Ｓｉ導波路を利用する場合には、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）の製造過程を流用することによって、多様な機能を有する素子を同一基板上にモノシリック集積した光モジュールを、大量生産することが可能である。

従って、Ｓｉ導波路を利用する光モジュールは、小型化及び低コスト化に有利である（例えば、特許文献１〜４並びに非特許文献１及び２参照）。

ここで、光モジュールと光ファイバ等の外部の光学系との接続には、端面接続型のスポットサイズ変換器（例えば、特許文献５参照）や、平面結合型のグレーティングカプラが用いられる。特にスポットサイズ変換器は、動作波長が広帯域である点、偏波に対する依存性が小さい点、及び高い結合効率が得られる点等において有利である。

光モジュールと外部の光学系（ここでは例えば光ファイバ）との接続部では、光モジュールの出力ポートの出力端が存在するチップ端面と光ファイバの端面とが確実に接触していることが理想である。

しかし、実際には、光ファイバの実装誤差や光モジュールのチップ端面及び光ファイバの端面が完全に平坦でないこと等に起因して、光モジュールの出力ポートの出力端と光ファイバとの間に空隙が生じる。この空隙により、光モジュールからの送信光に対する実効的な屈折率が、出力ポートの出力端において急激に変化する。このため、出力ポートの出力端において、送信光のフレネル反射が生じる。フレネル反射が大きいと、光回路への送信光の戻り光強度が大きくなり、強い光が発光素子へと逆行する。この場合には、光源の不安定動作を引き起こす原因となる。このため、発光素子へ光が逆行するのを防ぐアイソレータを設置する等の処置が必要となる。

また、受動型光加入者ネットワーク（ＰＯＮ：Ｐａｓｓｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ）では、加入者側の光モジュール（すなわち加入者側装置（ＯＮＵ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｕｎｉｔ））から局側の光モジュール（すなわち局側装置（ＯＬＴ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｉｎｅ Ｔｅｒｍｉｎａｌ））へ送られる上り信号と、ＯＬＴからＯＮＵへ送られる下り信号とで、それぞれ異なる波長が割り当てられる。そして、ＯＬＴ及びＯＮＵの各光モジュールには、送信光と受信光とを、低損失で別の経路に送ること、及び各光モジュール内において送信光が受光素子へ送られることを防止するために、ＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ）フィルタが設けられる。

ＷＤＭフィルタの性能指数として要求される送受波長間アイソレーションは、外部から光モジュールへの有意な受信光の強度と、上述した出力端における送信光のフレネル反射等によって送信光が反射された、ノイズとしての戻り光の強度との信号雑音比（ＳＮＲ：Ｓｉｇｎａｌ−Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）で決まる。

ＰＯＮにおいて送受信される上り信号及び下り信号は、スターカプラによりネットワーク上で多分岐される。このため、光モジュールにおいて、送信光の強度は大きく設定される。一方、ネットワーク上で送信光が減衰されるため、光モジュールにおける受信光の強度は微弱となる。従って、出力端におけるフレネル反射によって、逆行する送信光の戻り光は、上述したＳＮＲの観点においても大きく影響する。

これらのことから、出力端における送信光のフレネル反射による反射率は、光モジュールの信頼性において重要な指標である。

特開２０１１−７７１３３号公報 特開２０１３−５７８４７号公報 特開平６−２０１９４２号公報 特開２００９−２４４３２６号公報 特開２００４−１３３４４６号公報

IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, vol.11, No.1, January/February 2005 p.232-240 IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, vol.12, No.6, November/December 2006 p.1371-1379

ここで、出力端における送信光のフレネル反射による反射率を評価するに際して、光リフレクトメータを用いることが考えられる。光リフレクトメータは、伝送システムにおける反射点を解析するための装置である。光リフレクトメータでは、評価対象の光素子に、検査光を入力し、この検査光が反射された反射光を受光することによって、反射点の位置座標及び反射光の強度に関する情報を得ることができる。

しかしながら、光モジュールにおける光回路は、上述したスポットサイズ変換器やＷＤＭフィルタ等の各種機能素子の組み合わせで構成される。このため、光モジュール内を伝播する光には、複雑な損失や多重干渉が生じる。従って、光モジュールに組み込まれた状態の光回路では、光リフレクトメータを用いても、上述した出力端における送信光のフレネル反射による反射率を定量的に取得することが困難である。

そこで、この発明の目的は、Ｓｉ導波路を利用する光モジュールにおいて、出力端におけるフレネル反射の反射率を評価するために、参照用の反射率を定量的に取得可能な光導波路素子、及びこれを利用する反射率取得方法を提供することにある。

上述した目的を達成するために、この発明による光導波路素子は、この順に接続された入出力ポート、接続導波路部及び反射部を含む光導波路コアと、光導波路コアを包含するクラッドとを備える。入出力ポートには、外部の光学素子からの光が入力される。また、入出力ポートは、接続導波路部から送られる光を外部の光学素子に出力する。接続導波路部は、入出力ポートから送られる光を反射部に送り、及び反射部から送られる光を入出力ポートに送る。反射部は、接続導波路部から送られる光を反射して該接続導波路部に送る。

また、この発明による反射率取得方法は、以下の過程を含む。すなわち、第１過程では、上述した光導波路素子の入出力ポートに光信号を入力する。第２過程では、光信号が、往路としての接続導波路部、反射部及び復路としての接続導波路部を順次に経る経路を、ｎ−１回（ｎは２以上の整数）経て入出力ポートの入出力端に到達した第ｎ−１波のうち、入出力ポートから出力される光信号の強度を取得する。第３過程では、光信号が、往路としての接続導波路部、反射部及び復路としての接続導波路部を順次に経る経路を、ｎ回経て入出力端に到達した第ｎ波のうち、入出力ポートから出力される光信号の強度を取得する。第４過程では、第２過程で取得した強度と第３過程で取得した強度との強度比を算出する。第５過程では、上述した強度比から、光導波路コアにおける往復分の伝播損失を減算することによって、入出力端におけるフレネル反射による反射率を決定する。

この発明による光導波路素子及びこれを利用する反射率取得方法では、入出力ポートに検査用の光信号を入力し、その後、入出力ポートから出力される光信号の強度を取得することによって、この取得した強度に基づいて、入出力ポートの入出力端における、出力光に対するフレネル反射による反射率を、定量的に取得することができる。そして、取得された反射率を参照することにより、例えば、光モジュールの、出力端における送信光に対するフレネル反射の反射率を評価することができる。

この発明の光導波路素子を示す概略的平面図である。 この発明の光導波路素子を示す概略的端面図である。 結合領域における光の伝播定数と伝播軸座標との関係を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、入出力ポートの変形例を示す図である。 反射部の変形例を示す図である。 この発明の反射率取得方法を説明するための図である。 光リフレクトメータによって取得される光信号の強度の情報を示す図である。 実験において、光リフレクトメータによって取得された光信号の強度の情報を示す図である。

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

（光導波路素子）
図１及び図２を参照して、この発明の光導波路素子について説明する。図１は、光導波路素子を示す概略的平面図である。図２は、図１に示す光導波路素子をＩ−Ｉ線で切り取った概略的端面図である。なお、図１では、後述するクラッドを省略している。また、図２では、ハッチングを省略している。

なお、以下の説明では、各構成要素について、光の伝播方向に沿った方向を長さ方向とする。また、支持基板の厚さに沿った方向を厚さ方向とする。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。

光導波路素子１００は、支持基板１０、クラッド２０及び光導波路コア３０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。

クラッド２０は、支持基板１０上に、支持基板１０の上面１０ａを被覆し、かつ光導波路コア３０を包含して形成されている。クラッド２０は、例えばＳｉＯ_２を材料として形成されている。

光導波路コア３０は、クラッド２０よりも高い屈折率を有する例えばＳｉを材料として形成されている。その結果、光導波路コア３０は、実質的な光の伝送路として機能し、入力された光が光導波路コア３０の平面形状に応じた伝播方向に伝播する。また、光導波路コア３０は、伝播する光が支持基板１０へ逃げるのを防止するために、支持基板１０から例えば少なくとも１μｍ以上離間して形成されているのが好ましい。

光導波路コア３０は、この順に直列に接続された入出力ポート３１、接続導波路部３２及び反射部３３を含んで構成されている。

入出力ポート３１は、例えば図１の構成例では、スポットサイズ変換器として構成されている。

入出力ポート３１は、接続導波路部３２と接続された他端３１ｂから一端（入出力端）３１ａへ向かって（すなわち接続導波路部３２から離間する方向へ向かって）、連続的に幅が縮小するテーパ形状とされている。入出力ポート３１の入出力端３１ａは、光導波路素子１００の一端面１００ａと、面位置が一致している。入出力ポート３１では、幅が狭い入出力端３１ａ側に向かうにつれて光の閉じ込め効果が弱まり、幅が広い他端３１ｂ側に向かうにつれて光の閉じ込め効果が強くなる。従って、入出力ポート３１を伝播する光のＭＦＤ（Ｍｏｄｅ Ｆｉｅｌｄ Ｄｉａｍｅｔｅｒ：モードフィールド径）は、入出力端３１ａへ向かうほど拡大される。これによって、入出力ポート３１と、例えば光ファイバ等のサイズの異なる外部の光学素子との間において、ＭＦＤを合わせて光を入出力することができる。

接続導波路部３２は、シングルモード条件を達成する幅に設定されている。従って、接続導波路部３２は、基本モードの光を伝播させる。

反射部３３は、例えば図１の構成例では、分岐カプラ３４及びループ導波路部３８を含んで構成されている。

分岐カプラ３４は、接続導波路部３２から送られる光を１：１の強度比で２分岐する（すなわち等分岐する）分波器である。ここでは、分岐カプラ３４は、１つの主導波路部３５並びに、これを１８０°反転させた形状を有する２つの副導波路部３６及び３７を含む方向性結合器として構成されている。方向性結合器としての分岐カプラ３４では、主導波路部３５並びに副導波路部３６及び３７が互いに離間しかつ並んで配置された結合領域４０が設定されている。

主導波路部３５は、一端３５ａ側で接続導波路部３２と接続されている。結合領域４０において、主導波路部３５は、一端３５ａ側から他端３５ｂ側へ向かって、連続的に幅が縮小するテーパ形状とされている。

また、結合領域４０において、副導波路部３６及び３７は、主導波路部３５を挟んで対称となる配置及び形状で、それぞれ主導波路部３５と平行に形成されている。結合領域４０において、副導波路部３６は、接続導波路部３２側の一端３６ａ側からループ導波路部３８側の他端３６ｂ側へ向かって、連続的に幅が拡大するテーパ形状とされている。副導波路部３６の他端３６ｂは、ループ導波路部３８と接続されている。

同様に、結合領域４０において、副導波路部３７も、接続導波路部３２側の一端３７ａ側からループ導波路部３８側の他端３７ｂ側へ向かって、連続的に幅が拡大するテーパ形状とされている。副導波路部３７の他端３７ｂは、ループ導波路部３８と接続されている。

ここで、図３を参照して、分岐カプラ３４の結合領域４０の設計について説明する。図３は、主導波路部３５を伝播する光の伝播定数、並びに副導波路部３６及び３７を伝播する光の伝播定数と、伝播軸座標（結合領域４０の光伝播方向に沿った座標）との関係を示す図である。図３では、縦軸に伝播定数を、及び横軸に伝播軸座標をそれぞれ任意単位でとって示している。ここでは、主導波路部３５の一端３５ａ並びに副導波路部３６及び３７の一端３６ａ及び３７ａ側の、結合領域４０の一端４０ａを伝播軸座標の０としている。なお、図３において、曲線βｍは主導波路部３５を伝播する光の伝播定数を示している。また、曲線βｓは副導波路部３６及び３７を伝播する光の伝播定数を示している。

図３に示すように、主導波路部３５では、結合領域４０の一端４０ａから他端４０ｂに向かって幅が狭まるに従い、光の伝播定数が小さくなる。一方、副導波路部３６及び３７では、結合領域４０の一端４０ａから他端４０ｂに向かって幅が拡がるに従い、光の伝播定数が大きくなる。そのため、結合領域４０の一端４０ａから他端４０ｂの間において、主導波路部３５並びに副導波路部３６及び３７には、主導波路部３５を伝播する光の伝播定数と、副導波路部３６及び３７を伝播する光の伝播定数とが一致する点９０が含まれる。この伝播定数が一致する点９０に対応する幅を、主導波路部３５並びに副導波路部３６及び３７が含むことによって、主導波路部３５を伝播する光と、副導波路部３６及び３７を伝播する光とが結合される。

上述したように、副導波路部３６及び３７は、主導波路部３５に対して対称的に形成されているため、接続導波路部３２から主導波路部３５へ送られる光は、等分岐されて副導波路部３６及び３７へ移行する。そして、等分岐された光は、それぞれループ導波路部３８へ送られる。

ループ導波路部３８は、副導波路部３６の他端３６ｂと副導波路部３７の他端３７ｂとの間を接続する。ループ導波路部３８は、分岐カプラ３４で等分岐された光を、互いに対向する方向に伝播させて分岐カプラへ送る。ここでは、ループ導波路部３８は、副導波路部３６から送られる光を副導波路部３７へ、及び副導波路部３７から送られる光を副導波路部３６へ、互いに同強度及び同位相でそれぞれ送る。これによって、ループ導波路部３８は、実質的なミラーとして機能する。従って、分岐カプラ３４の副導波路部３６及び３７から送られる光は、再び分岐カプラ３４の副導波路部３６及び３７へ送られる。ループ導波路部３８から副導波路部３６及び３７へ送られるそれぞれの光は、結合領域４０において、主導波路部３５へ移行し合波される。合波された光は、接続導波路部３２に送られる。

なお、ここでは、反射部３３の分岐カプラ３４が方向性結合器である構成例について説明したが、分岐カプラ３４は方向性結合器に限定されない。分岐カプラ３４としては、方向性結合器に代えて、例えば、マルチモード干渉（ＭＭＩ：Ｍｕｌｔｉ Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）カプラやＹ字状の分岐（Ｙ分岐）導波路等を、設計に応じて適宜用いることができる。

光導波路素子１００は、例えば、当該光導波路素子１００からの出力光について、出力端（ここでは入出力ポート３１の一端３１ａ）におけるフレネル反射による反射率を定量的に取得する評価用素子として使用される。

ここでは、一端（入出力端）３１ａから入出力ポート３１に検査用の光信号が入力される。入力された光信号は、入出力ポート３１から、接続導波路部３２に送られる。接続導波路部３２は、光信号を反射部３３に送る。反射部３３は、接続導波路部３２から送られる光信号を反射し、再び接続導波路部３２に送る。接続導波路部３２は、光信号を入出力ポート３１に送る。入出力ポート３１に送られた光信号は、入出力ポート３１の入出力端３１ａから、当該光導波路素子１００の外部へ出力される。光導波路素子１００では、入出力端３１ａから出力される光信号（出力光）の強度を測定し解析することによって、入出力端３１ａにおける、出力光に対するフレネル反射による反射率を、定量的に取得することができる。そして、光導波路素子１００によって取得された反射率を参照することにより、例えば、光モジュールの、出力端における送信光のフレネル反射による反射率を評価することができる。

なお、光導波路素子１００は、光モジュールと共通の支持基板１０を用いて作成することができる。この場合には、光モジュールと共通の支持基板１０上において、光モジュールが備える光回路が形成された領域以外の余剰の領域に、光導波路素子１００が形成される。そして、光導波路素子１００の入出力ポート３１と、光モジュールが備える出力ポートとを、共通の設計で形成する。また、光導波路素子１００の入出力ポート３１の入出力端３１ａと、光モジュールの出力ポートの出力端とを、共通のダイシング等により端面を揃えて形成する。これにより、光導波路素子１００の入出力ポート３１の入出力端３１ａと、光モジュールの出力ポートの出力端とを、物理的状態を共通させて形成することができる。従って、光導波路素子１００を用いて決定した反射率に基づき、光モジュールの出力端におけるフレネル反射に関する特性を、正確に評価することができる。

ここで、図４を参照して、入出力ポート３１として用いるスポットサイズ変換器の変形例について説明する。図４（Ａ）は、入出力ポート３１の変形例を示す概略的平面図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示す光導波路素子をＩＩ−ＩＩ線で切り取った概略的端面図である。なお、図４（Ａ）では、クラッドを省略している。また、図４（Ｂ）では、ハッチングを省略している。

図４に示す変形例では、スポットサイズ変換器として構成された入出力ポート３１は、第１光導波路コア５１及び第２光導波路コア５２を含んで構成されている。

第１光導波路コア５１は、光導波路コア３０の一部として例えばＳｉを材料として形成されている。第１光導波路コア５１は、接続導波路部３２と接続された他端５１ｂから一端５１ａへ向かって（すなわち接続導波路部３２から離間する方向へ向かって）、連続的に幅が縮小するテーパ形状とされている。なお、第１光導波路コア５１の一端５１ａは、光導波路素子１００の一端面１００ａから離間して配置される。

第２光導波路コア５２は、第１光導波路コア５１の上面及び側面を被覆して構成されている。第２光導波路コア５２は、第１光導波路コア５１よりも（すなわち光導波路コア３０よりも）低い屈折率で、かつクラッド２０よりも高い屈折率を有する例えば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。第２光導波路コア５２の一端５２ａ（すなわち入出力端３１ａ）は、光導波路素子１００の一端面１００ａ１００ａと、面位置が一致している。

なお、クラッド２０は、第２光導波路コア５２を包含して形成されている。

変形例によるスポットサイズ変換器では、第１光導波路コア５１を伝播する光は、他端５１ｂから一端５１ａへ向かうにつれて光の閉じ込め効果が弱まるため、徐々に第２光導波路コア５２に移行する。第２光導波路コア５２は、第１光導波路コア５１よりも屈折率が低く、かつ第１光導波路コア５１よりも断面の面積が大きいため、第１光導波路コア５１から第２光導波路コア５２へ移行する光のＭＦＤが拡大される。これによって、入出力ポート３１と、例えば光ファイバ等のサイズの異なる外部の光学素子との間において、ＭＦＤを合わせて光を入出力することができる。

なお、この実施の形態では、図１又は図４に示すように、入出力ポート３１をスポットサイズ変換器とする構成例について説明したが、入出力ポート３１はスポットサイズ変換器に限定されない。入出力ポート３１としては、スポットサイズ変換器に代えて、例えばグレーティングカプラ等を、設計に応じて適宜用いることができる。上述したように、光導波路素子１００によって取得する反射率の情報は、光モジュールの出力端におけるフレネル反射の情報として参照される。そして、光導波路素子１００では、想定する光モジュールの出力ポートの構成に応じて、入出力ポート３１を形成することができる。

次に、図５を参照して、反射部３３の変形例について説明する。図５は、反射部３３の変形例を示す概略的平面図である。なお、図５では、光導波路コアのみを示してあり、クラッド及び支持基板を省略している。

図５に示す変形例では、上述した分岐カプラ３４及びループ導波路部３８（図１参照）に代えて、光導波路コア３０にグレーティング６０を形成することによって反射部３３を構成している。

グレーティング６０は、基部６１と突出部６３ａ及び６３ｂとを一体的に含んで構成されている。基部６１は、一定の幅で、光の伝播方向に沿って延在して形成されている。突出部６３ａは、基部６１の一方の側面に、周期的に複数形成されている。突出部６３ｂは、基部６１の他方の側面に、突出部６３ａと共通の周期で複数形成されている。これら突出部６３ａ及び６３ｂは、基部６１を挟んで対称となる位置に形成されている。

グレーティング６０は、入力される特定の波長の光をブラッグ反射する。グレーティング６０におけるブラッグ反射条件は、ブラッグ反射波長をλ_ｂ、グレーティング周期（突出部６３ａ及び６３ｂの形成周期）をΛ、入力される光に対する等価屈折率をＮ_ｅｆｆとして、下式（１）で表される。

２ΛＮ_ｅｆｆ＝λ_ｂ ・・・（１）
グレーティング６０では、上式（１）が成立する波長、すなわちブラッグ波長λ_ｂの光がブラッグ反射される。従って、グレーティング６０は、検査用に用いる光信号の波長に応じて、上式（１）が成立するように設計される。その結果、反射部３３としてのグレーティング６０は、接続導波路部３２から送られる光信号を反射し、再び接続導波路部３２に送ることができる。

（製造方法）
上述した光導波路素子１００は、例えばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を利用することによって、簡易に製造することができる。

すなわち、まず、支持基板層、ＳｉＯ_２層、及びＳｉ層が順次積層されて構成されたＳＯＩ基板を用意する。次に、例えばエッチング技術を用い、Ｓｉ層をパターニングすることによって、光導波路コア３０を形成する。その結果、支持基板１０としての支持基板層上にＳｉＯ_２層が積層され、さらにＳｉＯ_２層上に光導波路コア３０が形成された構造体を得ることができる。次に、例えばＣＶＤ法を用いて、ＳｉＯ_２層上に、ＳｉＯ_２を、光導波路コア３０を被覆して堆積させる。その結果、ＳｉＯ_２のクラッド２０によって光導波路コア３０が包含され、光導波路素子１００を製造することができる。

なお、入出力ポート３１として、図４に示す変形例のスポットサイズ変換器を採用する場合には、クラッド２０を形成する前に、例えばＣＶＤ法を用いて、ＳｉＯ_２層上に、ＳｉＯ_ｘ（ｘは０＜ｘ＜２を満たす実数）を、光導波路コア３０を被覆して堆積させる。そして、ＳｉＯ_ｘをパターニングすることによって、光導波路コア３０の一部として形成された第１光導波路コア５１が、ＳｉＯ_ｘの第２光導波路コア５２で被覆された構造体を得る。その後、クラッド２０を形成することによって、図４に示す変形例のスポットサイズ変換器を含む光導波路素子１００を製造することができる。

（反射率取得方法）
図６を参照して、上述した光導波路素子１００を用いて、入出力端３１ａにおける、出力光に対するフレネル反射による反射率を、定量的に取得する方法（反射率取得方法）について説明する。図６は、この実施の形態の反射率取得方法を説明するための概略図である。なお、図６に示す光導波路素子１００はクラッドを省略している。

反射率を取得するに際して、光導波路素子１００、光リフレクトメータ２００、及びこれらを接続する光ファイバ３００を用意する。

光リフレクトメータ２００としては、例えばＨｅｗｌｅｔｔ Ｐａｃｋａｒｄ製のＰｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｍｅｔｅｒ（型番：８５０４Ｂ）を使用することができる。

光リフレクトメータ２００は、発光素子を備えており、検査用の光信号を出力することができる。また、光リフレクトメータ２００は、受光素子を備えており、光信号が反射されて当該光リフレクトメータ２００に戻る場合、この光信号を受光することができる。そして、光リフレクトメータ２００では、光信号の出力から反射された光信号の受光までの時間に基づき、反射点の位置座標及び反射光の強度に関する情報を得ることができる。

光ファイバ３００は、光導波路素子１００及び光リフレクトメータ２００の間を接続する。光ファイバ３００は、光リフレクトメータ２００が出力する光信号を光導波路素子１００に送り、及び光導波路素子１００が出力する、反射光としての光信号を光リフレクトメータ２００に送る。

光ファイバ３００の、光導波路素子１００側の入出力端３００ａは、光導波路素子１００の入出力ポート３１の入出力端３１ａと接続される。

光ファイバ３００としては、入出力ポート３１の入出力端３１ａにおける光のＭＦＤに応じて、当該光ファイバ３００の入出力端３００ａにおける端面のサイズが設計された所謂テーパードファイバを用いることができる。また、光ファイバ３００として、高ＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）の細径ファイバを用いることもできる。さらに、光ファイバ３００の入出力端３００ａにおけるフレネル反射を抑えるべく、入出力端３００ａにＡＲ（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）処理を施すこともできる。

この実施の形態の反射率取得方法では、光リフレクトメータ２００が出力する光信号を、光ファイバ３００を経て、入出力端３１ａから光導波路素子１００の入出力ポート３１に入力する。ここで、入出力ポート３１に入力された光信号の強度をＡ［ｄＢｍ］とする。

既に説明したように、光信号は、接続導波路部３２を経て反射部３３に送られ、反射部３３において反射される。反射光としての光信号は、再び接続導波路部３２を経て入出力ポート３１に送られる。ここで、光信号が接続導波路部３２を伝播することによる片道分の伝播損失をＢ［ｄＢ］とする。また、入出力ポート３１の入出力端３１ａに、反射光として到達する光信号（第１波と称する）の強度をＥ［ｄＢｍ］とする。なお、入出力ポート３１及び反射部３３における過剰損失については、接続導波路部３２における伝播損失に対して十分小さいため、光導波路コア３０全体としての伝播損失をＢ［ｄＢ］と見なすことができる。第１波としての光信号の強度Ｅ［ｄＢｍ］は、強度Ａ［ｄＢｍ］で入出力ポート３１に入力された光信号に対し、光導波路コア３０における往復分の伝播損失２Ｂ［ｄＢ］を差し引いて、Ｅ＝Ａ−２Ｂ［ｄＢｍ］と表すことができる。

第１波としての光信号は、入出力端３１ａから出力され、光ファイバ３００に入力される。ここで、入出力ポート３１から光ファイバ３００への光信号の結合損失（入出力ポート３１の入出力端３１ａにおけるフレネル反射による損失を含む）をＣ［ｄＢ］とする。また、入出力端３１ａにおける、出力光としての光信号に対するフレネル反射による反射率をＤ［ｄＢ］とする。

光ファイバ３００に入力された光信号は、光ファイバ３００を経て、光リフレクトメータ２００に送られる。ここで、第１波のうち、光リフレクトメータ２００に送られる光信号の強度をＦ［ｄＢｍ］とする。光リフレクトメータ２００では、光ファイバ３００から送られる光信号を受光することによって、この強度Ｆ［ｄＢｍ］が取得される。光リフレクトメータ２００に送られる光信号の強度Ｆ［ｄＢｍ］は、第１波の強度Ｅ［ｄＢｍ］から、入出力ポート３１及び光ファイバ３００間の結合損失Ｃ［ｄＢ］を差し引いて、Ｆ＝Ｅ−Ｃ＝Ａ−２Ｂ−Ｃ［ｄＢｍ］と表すことができる。

一方、第１波のうち、入出力端３１ａにおいてフレネル反射された光信号は、戻り光として再び接続導波路部３２に送られる。ここで、第１波のうち、戻り光として接続導波路部３２に送られる光信号の強度をＧ［ｄＢｍ］とする。戻り光の強度Ｇ［ｄＢｍ］は、第１波の強度Ｅ［ｄＢｍ］と、フレネル反射による反射率Ｄ［ｄＢ］を用いて、Ｇ＝Ｅ−Ｄ＝Ａ−２Ｂ−Ｄ［ｄＢｍ］と表すことができる。

第１波の戻り光は、上述した経路と同様に、往路としての接続導波路部３２、反射部３３及び復路としての接続導波路部３２を順次に経て、再び入出力ポート３１の入出力端３１ａに到達する（この入出力端３１ａに到達する光信号を第２波と称する）。ここで、第２波として入出力端３１ａに到達する光信号の強度をＨ［ｄＢｍ］とする。第２波としての光信号の強度Ｈ［ｄＢｍ］は、戻り光の強度Ｇ［ｄＢｍ］から、光導波路コア３０における往復分の伝播損失２Ｂ［ｄＢ］を差し引いて、Ｈ＝Ｇ−２Ｂ＝Ａ−４Ｂ−Ｄ［ｄＢｍ］と表すことができる。

第２波としての光信号は、入出力端３１ａから出力され、光ファイバ３００に入力される。光ファイバ３００に入力された光信号は、光ファイバ３００を経て、光リフレクトメータ２００に送られる。ここで、第２波のうち、光リフレクトメータ２００に送られる光信号の強度をＩ［ｄＢｍ］とする。光リフレクトメータ２００では、光ファイバ３００から送られる光信号を受光することによって、この強度Ｉ［ｄＢｍ］が取得される。光リフレクトメータ２００に送られる光信号の強度Ｉ［ｄＢｍ］は、第２波の強度Ｈ［ｄＢｍ］から、入出力ポート３１及び光ファイバ３００間の結合損失Ｃ［ｄＢ］を差し引いて、Ｉ＝Ｈ−Ｃ＝Ａ−４Ｂ−Ｄ−Ｃ［ｄＢｍ］と表すことができる。

一方、第２波のうち、入出力端３１ａにおいてフレネル反射された光信号は、戻り光として再び接続導波路部３２に送られる。ここで、第２波のうち、戻り光として接続導波路部３２に送られる光信号の強度をＪ［ｄＢｍ］とする。戻り光の強度Ｊ［ｄＢｍ］は、第２波の強度Ｈ［ｄＢｍ］と、フレネル反射による反射率Ｄ［ｄＢ］を用いて、Ｊ＝Ｈ−Ｄ＝Ａ−４Ｂ−２Ｄ［ｄＢｍ］と表すことができる。

この実施の形態の反射率取得方法では、第１波から第ｎ波（ｎは２以上の整数）について、光リフレクトメータ２００に順次送られる光信号の強度を取得する。なお、第ｎ波は、往路としての接続導波路部３２、反射部３３及び復路としての接続導波路部３２を順次に経る経路を、ｎ回経て入出力ポート３１の入出力端３１ａに到達する光信号である。

ここで、光リフレクトメータ２００によって取得される光信号の強度の情報を図７に示す。図７では、縦軸に、光リフレクトメータ２００によって取得される光信号の強度をｄＢｍ目盛で、及び横軸に、光導波路素子１００における位置座標を任意単位でとって示している。なお、ここでは、第１波から第４波までに基づく光信号の各強度を示している。

図７に示す、位置座標において最初に取得される光信号の強度（図７における最も左側のピーク６０）は、光リフレクトメータ２００が出力した光信号が、光ファイバ３００の入出力端３００ａにおいてフレネル反射されたことによる、反射光の強度である。そして、光導波路素子１００から光リフレクトメータ２００に順次に送られる、第１波から第４波に基づく光信号の強度のピーク６１〜６４が、等間隔で現れる。各ピーク６１〜６４間の距離は、光導波路コア３０の片道分の長さに相当する。なお、光導波路コア３０を伝播する光信号は、反射部３３において反射されるため、実際には光導波路コア３０を往復して伝播するが、光リフレクトメータ２００の特性上、片道分の位置座標として観測される。

光導波路コア３０における伝播損失をＢ［ｄＢ］、入出力ポート３１及び光ファイバ３００間の結合損失Ｃ［ｄＢ］、及び入出力端３１ａにおけるフレネル反射による反射率Ｄ［ｄＢ］は一定であるから、隣り合うピーク６１〜６４間の強度比Ｘ［ｄＢ］は一定となる。

ここで、隣り合うピークとして、第１波に基づくピーク６１と第２波に基づくピーク６２との強度比Ｘ［ｄＢ］は、Ｆ＝Ａ−２Ｂ−Ｃ［ｄＢｍ］及びＩ＝Ａ−４Ｂ−Ｄ−Ｃ［ｄＢｍ］から、Ｘ＝Ｆ−Ｉ＝２Ｂ＋Ｄ［ｄＢ］となる。従って、隣り合うピーク６１〜６４間の強度比Ｘ［ｄＢ］には、光導波路コア３０における伝播損失をＢ［ｄＢ］、及び入出力端３１ａにおけるフレネル反射による反射率Ｄ［ｄＢ］が含まれる。ここで、光導波路コア３０における伝播損失をＢ［ｄＢ］は、カットバックパターンによって、見積もることが可能である。このため、光リフレクトメータ２００によって取得される光信号の強度から、隣り合うピーク６１〜６４間の強度比Ｘ［ｄＢ］を算出し、既知である光導波路コア３０における伝播損失をＢ［ｄＢ］を用いることによって、Ｘ＝２Ｂ＋Ｄ［ｄＢ］の関係から、入出力端３１ａにおけるフレネル反射による反射率Ｄ［ｄＢ］を定量的に取得することができる。

このように、この実施の形態の反射率取得方法では、第ｎ−１波に基づいて取得された強度と、第ｎ波に基づいて取得された強度との強度比Ｘ［ｄＢ］を算出する。そして、この強度比Ｘ［ｄＢ］から、光導波路コア３０における往復分の伝播損失２Ｂ［ｄＢ］を減算することによって、入出力端３１ａにおけるフレネル反射による反射率Ｄ［ｄＢ］を決定することができる。

（実験）
発明者は、上述した反射率取得方法を用いて、入出力端３１ａにおけるフレネル反射による反射率Ｄ［ｄＢ］を定量的に取得する実験を行った。

この実験では、光導波路素子１００を以下のような設計で作成した。

光導波路コア３０は、全体的に厚さを２００ｎｍとした。

入出力ポート３１は、図１に示す構成例のスポットサイズ変換器とした。入出力ポート３１は、一端（入出力端）３１ａの幅を２２０ｎｍ、他端３１ｂの幅を接続導波路部３２と対応させて４８０ｎｍ、及び入出力端３１ａから他端３１ｂまでの長さを３００μｍとした。

接続導波路部３２は、幅を４８０ｎｍ、及び長さを５ｍｍとした。なお、この設計における接続導波路部３２の往復分の伝播損失をカットバックパターンにより見積もったところ、０．７ｄＢとなった。

反射部３３は、図１に示す、主導波路部３５並びに副導波路部３６及び３７を含む分岐カプラ３４とループ導波路部３８とを備える構成とした。

主導波路部３５は、一端３５ａの幅を接続導波路部３２と対応させて４８０ｎｍ、及び他端３５ｂの幅を１２０ｎｍとした。副導波路部３６及び３７は、一端３６ａ及び３７ａの幅を各１２０ｎｍ、並びに他端３６ｂ及び３７ｂの幅を各４８０ｎｍとした。主導波路部３５の一端３５ａ並びに副導波路部３６及び３７の一端３６ａ及び３７ａの面位置を一致させた。また、主導波路部３５の他端３５ｂ並びに副導波路部３６及び３７の他端３６ｂ及び３７ｂの面位置を一致させた。そして、主導波路部３５並びに副導波路部３６及び３７は、長さを共通の各３０μｍとした。従って、結合領域４０の長さも３０μｍである。また、主導波路部３５と副導波路部３６及び３７との各離間距離（中心間距離）を、それぞれ５５０ｎｍとした。

ループ導波路部３８は、幅を副導波路部３６及び３７の他端３６ｂ及び３７ｂと対応させて４８０ｎｍ、及び環状部分の曲線曲率を１０μｍとした。

また、光ファイバ３００は、上述したテーパードファイバを用い、入出力端３００ａにおける光のＭＦＤが３μｍ程度となるように設計した。

また、光リフレクトメータ２００は、上述したＨｅｗｌｅｔｔ Ｐａｃｋａｒｄ製のＰｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｍｅｔｅｒ（型番：８５０４Ｂ）を使用した。光リフレクトメータ２００が出力する光信号の波長は、１５５０ｎｍに設定した。

このような条件において、光リフレクトメータ２００によって取得された光信号の強度の情報を図８に示す。図８では、縦軸に、光リフレクトメータ２００によって取得される光信号の強度をｄＢｍ目盛で、及び横軸に、光導波路素子１００における位置座標をｍｍ単位でとって示している。なお、ここでは、第１波から第４波までに基づく光信号の各強度を示している。

図８に示すように、光導波路素子１００から光リフレクトメータ２００に順次に送られる、第１波から第４波に基づく光信号の強度のピーク７１〜７４が、等間隔で観測される。なお、位置座標において最初に取得された光信号の強度（図８における最も左側のピーク７０）は、光リフレクトメータ２００が出力した光信号が、光ファイバ３００の入出力端３００ａにおいてフレネル反射されたことによる、反射光の強度である。

取得された各ピーク７１〜７４の強度から、隣り合うピークの強度比Ｘ［ｄＢ］を算出したところ、Ｘ＝１９．７ｄＢであった。上述したように、接続導波路部３２の往復分の伝播損失は２Ｂ＝０．７ｄＢである。既に説明したように、入出力ポート３１及び反射部３３における過剰損失については、接続導波路部３２における伝播損失に対して十分小さいため、光導波路コア３０全体としての往復分の伝播損失を２Ｂ＝０．７ｄＢと見なすことができる。従って、Ｘ＝２Ｂ＋Ｄ［ｄＢ］の関係から、入出力端３１ａにおけるフレネル反射による反射率をＤ＝１９．０［ｄＢ］と決定した。

このように、上述した反射率取得方法を用いることによって、入出力端３１ａにおけるフレネル反射による反射率を、定量的に取得することができた。

なお、この実験では、光信号のＴＥ偏波成分に対して、入出力端３１ａにおけるフレネル反射による反射率を決定した。従って、光リフレクトメータ２００によって取得した光信号の強度について、ＴＥ偏波成分のピークを利用して、強度比の算出及び反射率の決定を行った。また、予め見積もった、接続導波路部３２における伝播損失についても、ＴＥ偏波に対して決定した。さらに、入出力ポート３１、接続導波路部３２及び反射部３３の設計についても、ＴＥ偏波に最適化させた。しかし、これらの設計をＴＭ偏波に最適化することにより、光信号のＴＭ偏波成分に対して、入出力端３１ａにおけるフレネル反射による反射率を決定することもできる。

１０：支持基板
２０：クラッド
３０：光導波路コア
３１：入出力ポート
３２：接続導波路部
３３：反射部
３４：分岐カプラ
３５：主導波路部
３６、３７：副導波路部
３８：ループ導波路部
４０：結合領域
５１：第１光導波路コア
５２：第２光導波路コア
６０：グレーティング
１００：光導波路素子
２００：光リフレクトメータ
３００：光ファイバ

上述した目的を達成するために、この発明による光導波路素子は、この順に接続された入出力ポート、接続導波路部及び反射部を含む光導波路コアと、光導波路コアを包含するクラッドとを備える。入出力ポートには、外部の光学素子からの光が入力される。また、入出力ポートは、接続導波路部から送られる光を外部の光学素子に出力する。接続導波路部は、入出力ポートから送られる光を反射部に送り、及び反射部から送られる光を入出力ポートに送る。反射部は、接続導波路部から送られる光を反射して該接続導波路部に送る。また、この発明による光導波路素子は、光モジュールと共通の支持基板上の、該光モジュールが備える光回路が形成された領域以外の領域に形成される。入出力ポートは、光モジュールが備える出力ポートと共通の設計で形成される。

Claims (7)

1. この順に接続された入出力ポート、接続導波路部及び反射部を含む光導波路コアと、
   前記光導波路コアを包含するクラッドと
   を備え、
   前記入出力ポートには、外部の光学素子からの光が入力され、及び前記入出力ポートは、前記接続導波路部から送られる光を前記外部の光学素子に出力する
   前記接続導波路部は、前記入出力ポートから送られる光を前記反射部に送り、及び前記反射部から送られる光を前記入出力ポートに送り、
   前記反射部は、前記接続導波路部から送られる光を反射して該接続導波路部に送る
   ことを特徴とする光導波路素子。
2. 前記入出力ポートは、前記接続導波路部から離間する方向へ向かって、連続的に幅が縮小するテーパ形状で形成されたスポットサイズ変換器である
   ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
3. 前記入出力ポートは、
   前記光導波路コアの一部として形成され、前記接続導波路部から離間する方向へ向かって連続的に幅が縮小するテーパ形状である第１光導波路コアと、
   前記第１光導波路コアを被覆し、前記第１光導波路コアよりも低い屈折率で、かつ前記クラッドよりも高い屈折率を有する第２光導波路コアと
   を含むスポットサイズ変換器である
   ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
4. 前記反射部は、分岐カプラ及びループ導波路部を含み、
   前記分岐カプラは、前記接続導波路部から送られる光を１：１の強度比で２分岐して前記ループ導波路部に送り、及び前記ループ導波路部からそれぞれ送られる前記２分岐された光を合波して前記接続導波路部に送り、
   前記ループ導波路部は、前記２分岐された光を、互いに対向する方向に伝播させて前記分岐カプラへ送る
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光導波路素子。
5. 前記反射部は、前記光導波路コアにグレーティングが形成されることによって構成されており、
   グレーティングは、ブラッグ波長をλ_ｂ、グレーティング周期をΛ、入力される光に対する等価屈折率をＮ_ｅｆｆとして、２ΛＮ_ｅｆｆ＝λ_ｂを満足する設計で形成される
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光導波路素子。
6. 当該光導波路素子は、光モジュールと共通の支持基板上の、該光モジュールが備える光回路が形成された領域以外の領域に形成され、
   前記入出力ポートは、前記光モジュールが備える出力ポートと共通の設計で形成される
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光導波路素子。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の光導波路素子の前記入出力ポートに光信号を入力する第１過程と、
   光信号が、往路としての前記接続導波路部、前記反射部及び復路としての前記接続導波路部を順次に経る経路を、ｎ−１回（ｎは２以上の整数）経て前記入出力ポートの入出力端に到達した第ｎ−１波のうち、前記入出力ポートから出力される光信号の強度を取得する第２過程と、
   光信号が、往路としての前記接続導波路部、前記反射部及び復路としての前記接続導波路部を順次に経る経路を、ｎ回経て前記入出力端に到達した第ｎ波のうち、前記入出力ポートから出力される光信号の強度を取得する第３過程と、
   前記第２過程で取得した強度と前記第３過程で取得した強度との強度比を算出する第４過程と、
   前記強度比から、前記光導波路コアにおける往復分の伝播損失を減算することによって、前記入出力端におけるフレネル反射による反射率を決定する第５過程と
   を含むことを特徴とする反射率取得方法。

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