JP2024006337A - 光デバイス及び光通信装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】光ファイバとの間の結合損失を抑制できる光デバイス等を提供する。【解決手段】光デバイスは、基板上に並列に配置された２本の第１の導波路と、第１の導波路と離間して並走した状態で基板上に配置される１本の第２の導波路とを備える。第１の導波路は、第１のテーパ導波路と、第２のテーパ導波路とを有する。第２の導波路は、第１の導波路と並走する第３のテーパ導波路と、第３の導波路とを有する。第１のテーパ導波路は、第２のテーパ導波路に向かって導波路幅が徐々に広く、第２のテーパ導波路は、第１のテーパ導波路から離れながら導波路幅が徐々に狭く、第３のテーパ導波路は、第３の導波路に向かって導波路幅が徐々に広くなる。第１の導波路は、第１のテーパ導波路の始点での２本の第１の導波路同士の第１の間隔が、第１のテーパ導波路と第２のテーパ導波路との接続部位での２本の第１の導波路同士の第２の間隔に比較して広くなる構造にした。【選択図】図１

Description

本発明は、光デバイス及び光通信装置に関する。
近年、通信容量の増加に伴って、光ファイバ通信の需要が増大しているため、電気信号を光信号に変換する小型の光デバイスが使用されている。そこで、近年、シリコンフォトニクスに代表される超小型の基板型光導波路素子(単に、光デバイスと称する)の開発が盛んに行われている。光デバイスでは、同じチップ上に異なる材料から成る２つ以上の導波路を集積することが可能である。
光デバイスを構成する光部品は、例えば、材料屈折率によって得られる特性が異なるため、光部品毎に適切な材料の導波路を使用することで、光デバイスの特性の向上を図ることができる。そこで、異なる材料の導波路を使用する光デバイスでは、異なる導波路間で光を間接遷移する構造がある。
図１４は、従来の光デバイス２００の一例を示す説明図である。図１４に示す光デバイス２００は、光ファイバのコアＦＣと光結合する基板型光導波路素子である。光デバイス２００は、ＳｉＯ２のクラッド２１１で被覆された、例えば、Ｓｉ３Ｎ４の導波路(単に、ＳｉＮ（Silicon Nitride）導波路と称する)２０１と、クラッド２１１で被覆された、例えば、Ｓｉの導波路（単に、Ｓｉ導波路と称する）２０２とを有する。光デバイス２００は、Ｓｉ導波路２０２とＳｉＮ導波路２０１との間で光が間接遷移する断熱変換部２０３を有する。
ＳｉＮ導波路２０１は、始点Ｘ２０１から終点Ｘ２０２まで導波路幅が一定の直線導波路である。ＳｉＮ導波路２０１の始点Ｘ２０１は、光ファイバのコアＦＣと光結合する光デバイス２００のチップ端面Ｄ１を起点とする。
Ｓｉ導波路２０２は、テーパ導波路２０２Ａと、直線導波路２０２Ｂとを有する。テーパ導波路２０２Ａは、導波路幅が始点Ｙ２０１から終点Ｙ２０２まで徐々に広がるテーパ構造を有する導波路である。直線導波路２０２Ｂは、始点Ｙ２０２から終点Ｙ２０３までの導波路幅が一定の導波路である。Ｓｉ導波路２０２は、テーパ導波路２０２Ａの終点Ｙ２０２と直線導波路２０２Ｂの始点Ｙ２０２とを光結合することで構成する。Ｓｉ導波路２０２の直線導波路２０２Ｂの終点Ｙ２０３は、光デバイス２００のチップ端面Ｄ１と対向するチップ端面Ｄ２を終点とする。
断熱変換部２０３は、始点において、ＳｉＮ導波路２０１の中間点Ｘ２０３とＳｉ導波路２０２内のテーパ導波路２０２Ａの始点Ｙ２０１とが離間した状態である。断熱変換部２０３は、終点において、ＳｉＮ導波路２０１の終点Ｘ２０２とＳｉ導波路２０２内のテーパ導波路２０２Ａの終点Ｙ２０２とが離間した状態である。断熱変換部２０３は、クラッド２１１を介してＳｉ導波路２０２上にＳｉＮ導波路２０１が重ねて配置された構造である。
図１５Ａは、図１４に示すＡ－Ａ線の略断面部分の一例を示す説明図である。図１５Ａに示す略断面部分は、ＳｉＮ導波路２０１が配置された光デバイス２００の断面部位である。光デバイス２００は、Ｓｉ基板２１２と、Ｓｉ基板２１２上に積層されたクラッド２１１と、クラッド２１１内に配置されたＳｉＮ導波路２０１とを有する。
図１５Ｂは、図１４に示すＢ－Ｂ線の略断面部分の一例を示す説明図である。図１５Ｂに示す略断面部分は、断熱変換部２０３が配置された光デバイス２００の断面部位である。光デバイス２００は、Ｓｉ基板２１２と、Ｓｉ基板２１２上に積層されたクラッド２１１と、クラッド２１１内に配置されたＳｉＮ導波路２０１と、ＳｉＮ導波路２０１下において、クラッド２１１内に配置されたテーパ導波路２０２Ａとを有する。
図１５Ｃは、図１４に示すＣ－Ｃ線の略断面部分の一例を示す説明図である。図１５Ｃに示す略断面部分は、Ｓｉ導波路２０２の直線導波路２０２Ｂが配置された光デバイス２００の断面部位である。光デバイス２００は、Ｓｉ基板２１２と、クラッド２１１と、クラッド２１１内に配置された直線導波路２０２Ｂとを有する。
そして、断熱変換部２０３では、Ｓｉ導波路２０２内のテーパ導波路２０２ＡとＳｉＮ導波路２０１との間で断熱的に光が徐々に遷移することになる。
従来の光デバイス２００内の断熱変換部２０３では、Ｓｉ導波路２０２の導波路幅がテーパ状に変化し、ＳｉＮ導波路２０１がＳｉ導波路２０２に比べて屈折率が低いので光ファイバのモードフィールドに近づけるように光のモードフィールドを大きくしている。その結果、光ファイバとの結合損失を小さくできる。
特開２０１４－１９１３０１号公報 米国特許出願公開第２０１９／０１５４９１９号明細書 米国特許第１０４２９５８２号明細書 特開２０１１－２２４６４号公報
しかしながら、従来の光デバイス２００では、ＳｉＮ導波路２０１のモードフィールドが光ファイバのモードフィールドに比べて小さい。従って、光デバイス２００では、ＳｉＮ導波路２０１と光ファイバとの間のモードフィールドのミスマッチにより、光ファイバとの間の結合損失が発生する。
一つの側面では、光ファイバとの間の結合損失を抑制できる光デバイス等を提供することを目的とする。
一つの態様の光デバイスは、基板上に並列に配置された２本の第１の導波路と、前記第１の導波路と離間して並走した状態で前記基板上に配置される１本の第２の導波路とを備える。前記第１の導波路は、第１のテーパ導波路と、前記第１のテーパ導波路に接続する第２のテーパ導波路とを有する。前記第２の導波路は、前記第１の導波路と並走する第３のテーパ導波路と、前記第３のテーパ導波路の前記第１のテーパ導波路が設けられている側の反対側に接続する第３の導波路とを有する。前記第１のテーパ導波路は、前記第２のテーパ導波路に向かうにつれて導波路幅が徐々に広くなる構造にした。前記第２のテーパ導波路は、前記第１のテーパ導波路から離れるにつれて導波路幅が徐々に狭くなる構造にした。前記第３のテーパ導波路は、前記第３の導波路に向かうにつれて導波路幅が徐々に広くなる構造にした。前記第１の導波路は、前記第１のテーパ導波路の始点における２本の第１の導波路同士の第１の間隔が、前記第１のテーパ導波路と前記第２のテーパ導波路との接続部位における２本の第１の導波路同士の第２の間隔に比較して広くなる構造にした。
一つの側面によれば、第１の導波路と光結合する光ファイバとの間の結合損失を抑制できる。
図１は、実施例１の光デバイスの一例を示す説明図である。 図２Ａは、図１に示すＡ－Ａ線の略断面部分の一例を示す説明図である。 図２Ｂは、図１に示すＢ－Ｂ線の略断面部分の一例を示す説明図である。 図２Ｃは、図１に示すＣ－Ｃ線の略断面部分の一例を示す説明図である。 図３は、実施例２の光デバイスの一例を示す説明図である。 図４Ａは、図３に示すＡ－Ａ線の略断面部分の一例を示す説明図である。 図４Ｂは、図３に示すＢ－Ｂ線の略断面部分の一例を示す説明図である。 図４Ｃは、図３に示すＣ－Ｃ線の略断面部分の一例を示す説明図である。 図５は、実施例３の光デバイスの一例を示す説明図である。 図６Ａは、図５に示すＡ－Ａ線の略断面部分の一例を示す説明図である。 図６Ｂは、図５に示すＢ－Ｂ線の略断面部分の一例を示す説明図である。 図６Ｃは、図５に示すＣ－Ｃ線の略断面部分の一例を示す説明図である。 図７は、光デバイスを内蔵した光通信装置の一例を示す説明図である。 図８は、比較例１の光デバイスの一例を示す説明図である。 図９Ａは、図８に示すＡ－Ａ線の略断面部分の一例を示す説明図である。 図９Ｂは、図８に示すＢ－Ｂ線の略断面部分の一例を示す説明図である。 図９Ｃは、図８に示すＣ－Ｃ線の略断面部分の一例を示す説明図である。 図１０は、比較例２の光デバイスの一例を示す説明図である。 図１１Ａは、図１０に示すＡ－Ａ線の略断面部分の一例を示す説明図である。 図１１Ｂは、図１０に示すＢ－Ｂ線の略断面部分の一例を示す説明図である。 図１１Ｃは、図１０に示すＣ－Ｃ線の略断面部分の一例を示す説明図である。 図１２は、比較例３の光デバイスの一例を示す説明図である。 図１３Ａは、図１２に示すＡ－Ａ線の略断面部分の一例を示す説明図である。 図１３Ｂは、図１２に示すＢ－Ｂ線の略断面部分の一例を示す説明図である。 図１３Ｃは、図１２に示すＣ－Ｃ線の略断面部分の一例を示す説明図である。 図１４は、従来の光デバイスの一例を示す説明図である。 図１５Ａは、図１４に示すＡ－Ａ線の略断面部分の一例を示す説明図である。 図１５Ｂは、図１４に示すＢ－Ｂ線の略断面部分の一例を示す説明図である。 図１５Ｃは、図１４に示すＣ－Ｃ線の略断面部分の一例を示す説明図である。
＜比較例１＞
図８は、比較例１の光デバイス１００の一例を示す説明図である。図８に示す光デバイス１００は、光ファイバのコアＦＣと光結合する基板型光導波路素子である。光デバイス１００は、ＳｉＮ導波路１０１と、Ｓｉ導波路１０２と、Ｓｉ導波路１０２及びＳｉＮ導波路１０１を被覆する、クラッド１１１とを有する。更に、光デバイス１００は、Ｓｉ導波路１０２とＳｉＮ導波路１０１との間を間接遷移で光結合する断熱変換部１０３を有する。ＳｉＮ導波路１０１は、例えば、Ｓｉ３Ｎ４（以下、単にＳｉＮと称する）で形成し、光波長が１．５５μｍとした場合のＳｉＮの材料屈折率は１．９９である。Ｓｉ導波路１０２は、例えば、Ｓｉで形成し、光波長が１．５５μｍとした場合のＳｉの材料屈折率は３．４８である。クラッド１１１は、例えば、ＳｉＯ２で形成し、光波長が１．５５μｍとした場合のＳｉＯ２の材料屈折率は１．４４である。
ＳｉＮ導波路１０１は、２本の第１の直線導波路１０１Ａと、２本の第１の直線導波路１０１Ａと光結合する第１のテーパ導波路１０１Ｂとを有する。第１の直線導波路１０１Ａは、始点Ｘ１０１から終点Ｘ１０２までの導波路幅が一定となる導波路である。第１のテーパ導波路１０１Ｂは、第１の直線導波路１０１Ａの終点Ｘ１０２から終点Ｘ１０３に向けて導波路幅が徐々に狭くなるテーパ構造を有する導波路である。第１のテーパ導波路１０１Ｂの始点Ｘ１０２の導波路幅は、第１のテーパ導波路１０１Ｂの終点Ｘ１０３の導波路幅に比較して広い。第１の直線導波路１０１Ａ及び第１のテーパ導波路１０１Ｂのコアの厚みは、同一とする。ＳｉＮ導波路１０１の始点Ｘ１０１は、光ファイバのコアＦＣと光結合する光デバイス１００のチップ端面Ｄ１を起点とする。
Ｓｉ導波路１０２は、第２のテーパ導波路１０２Ａと、第２のテーパ導波路１０２Ａと光結合する第２の直線導波路１０２Ｂとを有する。第２のテーパ導波路１０２Ａは、始点Ｙ１０１から終点Ｙ１０２に向けて導波路幅が徐々に広くなるテーパ構造を有する導波路である。第２の直線導波路１０２Ｂは、始点Ｙ１０２から終点Ｙ１０３に向けて導波路幅が一定の導波路である。第２の直線導波路１０２Ｂ及び第２のテーパ導波路１０２Ａのコアの厚みは、同一とする。Ｓｉ導波路１０２の第２の直線導波路１０２Ｂの終点Ｙ１０３は、光デバイス１００のチップ端面Ｄ１と対向するチップ端面Ｄ２を終点とする。
断熱変換部１０３は、第１のテーパ導波路１０１Ｂと第２のテーパ導波路１０２Ａとの間を上下方向に離間した状態で第１のテーパ導波路１０１Ｂの下に第２のテーパ導波路１０２Ａを重ねて配置することで構成する。尚、第１のテーパ導波路１０１Ｂと第２のテーパ導波路１０２Ａとの間の間隔は一定とする。
断熱変換部１０３は、始点Ｘ１０２（Ｙ１０１）と、終点Ｘ１０３（Ｙ１０２）と、始点と終点との間である中間部とを有する。図９Ａは、図８に示すＡ－Ａ線の略断面部分の一例を示す説明図である。図９Ａに示すＡ－Ａ線の略断面部分は、ＳｉＮ導波路１０１の２本の第１の直線導波路１０１Ａが配置された光デバイス１００の断面部位である。光デバイス１００は、Ｓｉ基板１１２と、Ｓｉ基板１１２上に積層されたクラッド１１１と、クラッド１１１内に配置された２本の第１の直線導波路１０１Ａとを有する。
図９Ｂは、図８に示すＢ－Ｂ線の略断面部分の一例を示す説明図である。図９Ｂに示すＢ－Ｂ線の略断面部分は、断熱変換部１０３が配置された光デバイス１００の断面部位である。光デバイス１００は、Ｓｉ基板１１２と、Ｓｉ基板１１２上に積層されたクラッド１１１と、クラッド１１１内に配置された第１のテーパ導波路１０１Ｂと、クラッド１１１内に配置された第２のテーパ導波路１０２Ａと、を有する。断熱変換部１０３の始点では、第１のテーパ導波路１０１Ｂの導波路幅が第２のテーパ導波路１０２Ａの導波路幅に比較して広い構造とする。第１のテーパ導波路１０１Ｂと第２のテーパ導波路１０２Ａとの間の間隔は同一とする。断熱変換部１０３の終点では、第１のテーパ導波路１０１Ｂの導波路幅が第２のテーパ導波路１０２Ａの導波路幅に比較して狭い構造とする。
図９Ｃは、図８に示すＣ－Ｃ線の略断面部分の一例を示す説明図である。図９Ｃに示すＣ－Ｃ線の略断面部分は、Ｓｉ導波路１０２内の第２の直線導波路１０２Ｂが配置された光デバイス１００の断面部位である。光デバイス１００は、Ｓｉ基板１１２と、Ｓｉ基板１１２上に積層されたクラッド１１１と、クラッド１１１内に配置されたＳｉ導波路１０２内の第２の直線導波路１０２Ｂとを有する。
断熱変換部１０３の始点は、第１のテーパ導波路１０１Ｂの導波路幅が広く、第２のテーパ導波路１０２Ａの導波路幅が狭く、終点では、第１のテーパ導波路１０１Ｂの導波路幅が狭く、第２のテーパ導波路１０２Ａの導波路幅が広くなる構造とする。つまり、第１のテーパ導波路１０１Ｂの導波路幅が始点Ｘ１０２から終点Ｘ１０３に向けて徐々に狭く、第２のテーパ導波路１０２Ａの導波路幅が始点Ｙ１０１から終点Ｙ１０２に向けて徐々に広くなる構造にした。一般的に、導波路の導波路幅が広いほど、コアへの光閉じ込めが強くなるため、コアの材料屈折率の影響を受けて実効屈折率は大きくなる。
比較例１の光デバイス１００では、光ファイバのコアＦＣと光結合するＳｉＮ導波路１０１が２本の第１の直線導波路１０１Ａで分かれて構成する。その結果、従来の光デバイス２００に比較して、ＳｉＮ導波路１０１のモードフィールドを光ファイバのモードフィールドに近づけることで、光ファイバとの間の結合損失を抑制できる。
しかも、光デバイス１００の断熱変換部１０３では、２本の第１の直線導波路１０１Ａを１本の第１のテーパ導波路１０１Ｂに光結合し、第１のテーパ導波路１０１ＢからＳｉ導波路の第２のテーパ導波路１０２Ａに光を断熱的に遷移することになる。
しかしながら、１本の第１のテーパ導波路１０１Ｂと２本の第１の直線導波路１０１Ａとが光結合するＳｉＮ導波路１０１内の不連続箇所で、光のモードフィールドが急激に変化するため、光の放射損失や反射損失が発生する。そこで、このような事態に対処する比較例２の光デバイス１００Ａが考えられる。
＜比較例２＞
図１０は、比較例２の光デバイス１００Ａの一例を示す説明図である。図１０に示す光デバイス１００Ａは、光ファイバのコアＦＣと光結合する基板型光導波路素子である。光デバイス１００Ａは、ＳｉＮ導波路１０１と、Ｓｉ導波路１０２と、Ｓｉ導波路１０２及びＳｉＮ導波路１０１を被覆する、クラッド１１１とを有する。更に、光デバイス１００Ａは、Ｓｉ導波路１０２とＳｉＮ導波路１０１との間を間接遷移で光結合する断熱変換部１０３Ａを有する。
ＳｉＮ導波路１０１は、始点Ｘ１０１から終点Ｘ１０２Ａまでの導波路幅が一定となる２本の直線導波路１０１Ｃを有する。ＳｉＮ導波路１０１の始点Ｘ１０１は、光ファイバのコアＦＣと光結合する光デバイス１００のチップ端面Ｄ１を起点とする。
Ｓｉ導波路１０２は、第２のテーパ導波路１０２Ａと、第２のテーパ導波路１０２Ａと光結合する第２の直線導波路１０２Ｂとを有する。第２のテーパ導波路１０２Ａは、始点Ｙ１０１から終点Ｙ１０２に向けて導波路幅が徐々に広くなるテーパ構造を有する導波路である。第２の直線導波路１０２Ｂは、始点Ｙ１０２から終点Ｙ１０３に向けて導波路幅が一定の導波路である。第２の直線導波路１０２Ｂ及び第２のテーパ導波路１０２Ａのコアの厚みは、同一とする。Ｓｉ導波路１０２の第２の直線導波路１０２Ｂの終点Ｙ１０３は、光デバイス１００のチップ端面Ｄ１と対向するチップ端面Ｄ２を終点とする。
断熱変換部１０３Ａは、２本の直線導波路１０１Ｃの間に第２のテーパ導波路１０２Ａを配置し、直線導波路１０１Ｃの一部と第２のテーパ導波路１０２Ａとの間を離間した状態で直線導波路１０１Ｃの下に第２のテーパ導波路１０２Ａを配置することで構成する。尚、直線導波路１０１Ｃと第２のテーパ導波路１０２Ａとの間の間隔は一定の間隔とする。断熱変換部１０３Ａでは、２本の直線導波路１０１Ｃを光結合することなく、２本の直線導波路１０１Ｃ間に第２のテーパ導波路１０２Ａを配置した。尚、ＳｉＮ導波路１０１は、Ｓｉ導波路１０２の真上になくても、モードフィールドは２本の直線導波路１０１Ｃを中心に跨っているため、ＳｉＮ導波路１０１からＳｉ導波路１０２に光が断熱的に遷移することになる。
断熱変換部１０３Ａは、始点Ｘ１０２（Ｙ１０１）と、終点Ｘ１０３（Ｙ１０２）と、始点と終点との間である中間部とを有する。図１１Ａは、図１０に示すＡ－Ａ線の略断面部分の一例を示す説明図である。図１１Ａに示すＡ－Ａ線の略断面部分は、ＳｉＮ導波路１０１内の２本の直線導波路１０１Ｃが配置された光デバイス１００Ａの断面部位である。光デバイス１００Ａは、Ｓｉ基板１１２と、Ｓｉ基板１１２上に積層されたクラッド１１１と、クラッド１１１内のＳｉＮ導波路１０１内に配置された２本の直線導波路１０１Ｃとを有する。
図１１Ｂは、図１０に示すＢ－Ｂ線の略断面部分の一例を示す説明図である。図１１Ｂに示すＢ－Ｂ線の略断面部分は、断熱変換部１０３Ａが配置された光デバイス１００Ａの断面部位である。光デバイス１００Ａは、Ｓｉ基板１１２と、Ｓｉ基板１１２上に積層されたクラッド１１１と、クラッド１１１内に配置された２本の直線導波路１０１Ｃと、クラッド１１１内に配置された第２のテーパ導波路１０２Ａと、を有する。断熱変換部１０３Ａは、２本の直線導波路１０１Ｃの間で第２のテーパ導波路１０２Ａが並走する構造である。直線導波路１０１Ｃと第２のテーパ導波路１０２Ａとの間の間隔は一定とする。
図１１Ｃは、図１０に示すＣ－Ｃ線の略断面部分の一例を示す説明図である。図１１Ｃに示すＣ－Ｃ線の略断面部分は、Ｓｉ導波路１０２内の第２の直線導波路１０２Ｂが配置された光デバイス１００Ａの断面部位である。光デバイス１００Ａは、Ｓｉ基板１１２と、Ｓｉ基板１１２上に積層されたクラッド１１１と、クラッド１１１内に配置された第２の直線導波路１０２Ｂとを有する。
比較例２の断熱変換部１０３Ａでは、２本の直線導波路１０１Ｃを光結合することなく、２本の直線導波路１０１Ｃ間に第２のテーパ導波路１０２Ａを配置したので、直線導波路１０１Ｃから第２のテーパ導波路１０２Ａに光を断熱的に遷移する。その結果、ＳｉＮ導波路１０１内で不連続箇所がなくなるため、光の放射損失や反射損失の発生を抑制できる。
しかしながら、断熱変換部１０３Ａでは、２本の直線導波路１０１Ｃの光の閉じ込めが弱く、Ｓｉ導波路１０２内の第２のテーパ導波路１０２Ａの始点Ｙ１０１における放射損失が大きくなる。その結果、Ｓｉ導波路１０２とＳｉＮ導波路１０１と離間した状態で並列配置される断熱変換部１０３Ａの長さをある程度確保する必要があるため、部品サイズが大きくなる。そこで、このような事態に対処すべく、比較例３の光デバイス１００Ｂが考えられる。
＜比較例３＞
図１２は、比較例３の光デバイス１００Ｂの一例を示す説明図である。図１２に示す光デバイス１００Ｂは、光ファイバのコアＦＣと光結合する基板型光導波路素子である。光デバイス１００Ｂは、ＳｉＮ導波路１０１と、Ｓｉ導波路１０２と、Ｓｉ導波路１０２及びＳｉＮ導波路１０１を被覆する、クラッド１１１とを有する。更に、光デバイス１００Ｂは、Ｓｉ導波路１０２とＳｉＮ導波路１０１との間を間接遷移で光結合する断熱変換部１０３Ｂを有する。
ＳｉＮ導波路１０１は、２本の第３のテーパ導波路１０１Ｄと、２本の第４のテーパ導波路１０１Ｅとを有する。第３のテーパ導波路１０１Ｄは、始点Ｘ１０１から終点Ｘ１０２に向けて徐々に広くなる構造を有する導波路である。第４のテーパ導波路１０１Ｅは、始点Ｘ１０２から終点Ｘ１０３に向けて徐々に狭くなる構造を有する導波路である。第３のテーパ導波路１０１Ｄの終点Ｘ１０２と第４のテーパ導波路１０１Ｅの始点Ｘ１０２とを光結合することで、第３のテーパ導波路１０１Ｄと第４のテーパ導波路１０１Ｅとの間を光結合する。第３のテーパ導波路１０１Ｄ及び第４のテーパ導波路１０１Ｅのコアの厚みは同一とする。ＳｉＮ導波路１０１の始点Ｘ１０１は、光ファイバのコアＦＣと光結合する光デバイス１００のチップ端面Ｄ１を起点とする。
Ｓｉ導波路１０２は、第２のテーパ導波路１０２Ａと、第２のテーパ導波路１０２Ａと光結合する第２の直線導波路１０２Ｂとを有する。第２のテーパ導波路１０２Ａは、始点Ｙ１０１から終点Ｙ１０２に向けて導波路幅が徐々に広くなるテーパ構造を有する導波路である。第２の直線導波路１０２Ｂは、始点Ｙ１０２から終点Ｙ１０３に向けて導波路幅が一定の導波路である。第２の直線導波路１０２Ｂ及び第２のテーパ導波路１０２Ａのコアの厚みは、同一とする。Ｓｉ導波路１０２の第２の直線導波路１０２Ｂの終点Ｙ１０３は、光デバイス１００のチップ端面Ｄ１と対向するチップ端面Ｄ２を終点とする。
断熱変換部１０３Ｂは、２本の第４のテーパ導波路１０１Ｅの間に第２のテーパ導波路１０２Ａを離間した状態で第４のテーパ導波路１０１Ｅの下に第２のテーパ導波路１０２Ａを配置することで構成する。尚、第４のテーパ導波路１０１Ｅと第２のテーパ導波路１０２Ａとの間の間隔は一定とする。断熱変換部１０３Ｂでは、２本の第４のテーパ導波路１０１Ｅ間に第２のテーパ導波路１０２Ａを配置した。尚、ＳｉＮ導波路１０１は、Ｓｉ導波路１０２の真上になくても、モードフィールドは２本の第４のテーパ導波路１０１Ｅを中心に跨っているため、ＳｉＮ導波路１０１からＳｉ導波路１０２に光が断熱的に遷移することになる。
断熱変換部１０３Ｂは、始点Ｘ１０２（Ｙ１０１）と、終点Ｘ１０３（Ｙ１０２）と、始点と終点との間である中間部とを有する。図１３Ａは、図１２に示すＡ－Ａ線の略断面部分の一例を示す説明図である。図１３Ａに示すＡ－Ａ線の略断面部分は、ＳｉＮ導波路１０１内の２本の第３のテーパ導波路１０１Ｄが配置された光デバイス１００Ｂの断面部位である。光デバイス１００Ｂは、Ｓｉ基板１１２と、Ｓｉ基板１１２上に積層されたクラッド１１１と、クラッド１１１内に配置された２本の第３のテーパ導波路１０１Ｄとを有する。
図１３Ｂは、図１２に示すＢ－Ｂ線の略断面部分の一例を示す説明図である。図１３Ｂに示すＢ－Ｂ線の略断面部分は、断熱変換部１０３Ｂが配置された光デバイス１００Ｂの断面部位である。光デバイス１００Ｂは、Ｓｉ基板１１２と、Ｓｉ基板１１２上に積層されたクラッド１１１と、クラッド１１１内に配置された第４のテーパ導波路１０１Ｅと、クラッド１１１内に配置された第２のテーパ導波路１０２Ａと、を有する。断熱変換部１０３Ｂは、２本の第４のテーパ導波路１０１Ｅの間で第２のテーパ導波路１０２Ａが並走する構造である。第４のテーパ導波路１０１Ｅと第２のテーパ導波路１０２Ａとの間の間隔は一定とする。
図１３Ｃは、図１２に示すＣ－Ｃ線の略断面部分の一例を示す説明図である。図１３Ｃに示すＣ－Ｃ線の略断面部分は、Ｓｉ導波路１０２内の第２の直線導波路１０２Ｂが配置された光デバイス１００Ｂの断面部位である。光デバイス１００Ｂは、Ｓｉ基板１１２と、Ｓｉ基板１１２上に積層されたクラッド１１１と、クラッド１１１内に配置された第２の直線導波路１０２Ｂとを有する。
比較例３の光デバイス１００Ｂでは、ＳｉＮ導波路１０１内の２本の第３のテーパ導波路１０１Ｄの導波路幅を徐々に広くしたので、光の閉じ込めを強くできる。その結果、断熱変換部４の始点でのＳｉ導波路３の先端における放射損失が小さくなるため、断熱変換部１０３Ｂの長さを小さくできる。しかしながら、ＳｉＮ導波路１０１の閉じ込めが強いままだと断熱変換部１０３Ｂの変換効率が波長や偏波により異なるので、変換効率に対する波長及び偏波の依存性が高くなる。
そこで、光デバイス１００Ｂの断熱変換部１０３Ｂでは、ＳｉＮ導波路１０１内の２本の第４のテーパ導波路１０１Ｅの導波路幅を徐々に狭くしたので、変換効率に対する波長及び偏波の依存性を小さくできる。
しかしながら、比較例３の光デバイス１００Ｂでは、ＳｉＮ導波路１０１内の２本の第３のテーパ導波路１０１Ｄの導波路幅を徐々に狭くするために、光ファイバのコアＦＣと光結合する２本の第３のテーパ導波路１０１Ｄの始点間の間隔が狭くなる構造になる。その結果、チップ端面Ｄ１での光デバイス１００Ｂのモードフィールドが小さく、光ファイバのコアＦＣのモードフィールドが大きく、光デバイス１００Ｂの光ファイバのコアＦＣとの結合効率が悪くなる。
そこで、このような事態を解消する光デバイス１の実施の形態につき、図面を参照して詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下に示す各実施例は、矛盾を起こさない範囲で適宜組み合わせても良い。
図１は、実施例１の光デバイス１の一例を示す説明図である。図１に示す光デバイス１は、光ファイバのコアＦＣと光結合する基板型光導波路素子を内蔵する光チップである。光デバイス１は、ＳｉＮ(Silicon Nitride)導波路２と、Ｓｉ（Silicon）導波路３と、Ｓｉ導波路３及びＳｉＮ導波路２を被覆するクラッド１１とを有する。光デバイス１は、Ｓｉ導波路３とＳｉＮ導波路２との間を断熱的な間接遷移で光を遷移する断熱変換部４を有する。
ＳｉＮ導波路２は、例えば、Ｓｉ３Ｎ４（以下、単にＳｉＮと称する）で形成する第１の導波路である。光波長を１．５５μｍとした場合のＳｉＮの材料屈折率は１．９９である。Ｓｉ導波路３は、例えば、Ｓｉで形成する第２の導波路である。光波長を１．５５μｍとした場合のＳｉの材料屈折率は３．４８である。Ｓｉの材料屈折率は第２の材料屈折率である。ＳｉＮの材料屈折率は、Ｓｉの材料屈折率よりも小さい。クラッド１１は、例えば、ＳｉＯ２で形成する層である。光波長を１．５５μｍとした場合のＳｉＯ２の材料屈折率は１．４４である。
ＳｉＮ導波路２は、２本の第１のテーパ導波路２Ａと、２本の第１のテーパ導波路２Ａと光結合する２本の第２のテーパ導波路２Ｂとを有する。第１のテーパ導波路２Ａは、始点Ｘ１から終点Ｘ２に向けて導波路幅が徐々に広くなるテーパ構造を有する導波路である。言い換えれば、第１のテーパ導波路２Ａは、第２のテーパ導波路に向かうにつれて導波路幅が徐々に広くなる構造である。第２のテーパ導波路２Ｂは、始点Ｘ２から終点Ｘ３に向けて導波路幅が徐々に狭くなるテーパ構造を有する導波路である。言い換えれば、第２のテーパ導波路２Ｂは、第１のテーパ導波路２Ａから離れるにつれて導波路幅が徐々に狭くなる構造である。第１のテーパ導波路２Ａの終点Ｘ２と第２のテーパ導波路２Ｂの始点Ｘ２とを光結合することで、第１のテーパ導波路２Ａと第２のテーパ導波路２Ｂとの間を光結合する。第１のテーパ導波路２Ａ及び第２のテーパ導波路２Ｂのコアの厚みは同一とする。ＳｉＮ導波路２の始点Ｘ１は、光ファイバのコアＦＣと光結合する光デバイス１のチップ端面Ｄ１を起点とする。
始点Ｘ１における第１のテーパ導波路２Ａのコア中心と終点Ｘ２における第１のテーパ導波路２Ａのコア中心とを結ぶラインを第１の中心線ＣＬ１とする。尚、第１のテーパ導波路２Ａの終点Ｘ２と第２のテーパ導波路２Ｂの始点Ｘ２とは同じである。始点Ｘ２における第２のテーパ導波路２Ｂのコア中心と終点Ｘ３における第２のテーパ導波路２Ｂのコア中心とを結ぶラインを第２の中心線ＣＬ２とする。
そして、一方の第１のテーパ導波路２Ａの始点Ｘ１のコア中心と他方の第１のテーパ導波路２Ａの始点Ｘ１のコア中心との間の距離を第１の間隔Ｌ１とする。言い換えれば、第１の間隔Ｌ１は、第１のテーパ導波路２Ａの始点Ｘ１における２本の第１の導波路２同士の間隔である。一方の第１のテーパ導波路２Ａの終点Ｘ２のコア中心と他方の第１のテーパ導波路２Ａの終点Ｘ２のコア中心との間の距離を第２の間隔Ｌ２とする。言い換えれば、の第２の間隔Ｌ２は、第１のテーパ導波路２Ａと第２のテーパ導波路２Ｂとの接続部位における２本の第１の導波路２同士の間隔である。一方の第２のテーパ導波路２Ｂの終点Ｘ３のコア中心と他方の第２のテーパ導波路２Ｂの終点Ｘ３のコア中心との間の距離を第３の間隔Ｌ３とする。そして、第１の間隔Ｌ１、第２の間隔Ｌ２及び第３の間隔Ｌ３の関係は、Ｌ１＞Ｌ２、Ｌ１＞Ｌ３及びＬ２＝Ｌ３が成立する。言い換えれば、第１の導波路２は、第１の間隔Ｌ１が第２の間隔Ｌ２に比較して広くなる構造である。
光デバイス１は、光ファイバのコアＦＣと光結合するチップ端面Ｄ１のＳｉＮ導波路２の部位を広くし、光ファイバのコアＦＣのモードフィールドに近づけるべく、２本の第１のテーパ導波路２Ａ間の距離を第１の間隔Ｌ１とした。その結果、チップ端面Ｄ１での光デバイス１のモードフィールドが光ファイバのコアＦＣのモードフィールドに近づくことで、光デバイス１の光ファイバのコアＦＣとの結合効率が良好となる。
Ｓｉ導波路３は、第３のテーパ導波路３Ａと、第３のテーパ導波路３Ａと光結合する直線導波路３Ｂとを有する。第３のテーパ導波路３Ａは、始点Ｙ１から終点Ｙ２に向けて導波路幅が徐々に広くなるテーパ構造を有する導波路である。言い換えれば、第３のテーパ導波路３Ａは、第３の導波路である直線導波路３Ｂに向かうにつれて導波路幅が徐々に広くなる構造である。直線導波路３Ｂは、始点Ｙ２から終点Ｙ３に向けて導波路幅が一定の導波路である。言い換えれば、直線導波路３Ｂは、第３のテーパ導波路３Ａの第１のテーパ導波路２Ａが設けられている側と反対側に接続する導波路である。第３のテーパ導波路３Ａ及び直線導波路３Ｂのコアの厚みは同一とする。Ｓｉ導波路３の直線導波路３Ｂの終点Ｙ３は、光デバイス１のチップ端面Ｄ１と対向するチップ端面Ｄ２を終点とする。
断熱変換部４は、ＳｉＮ導波路２内の２本の第２のテーパ導波路２Ｂと、Ｓｉ導波路３内の第３のテーパ導波路３Ａとを有する。断熱変換部４は、２本の第２のテーパ導波路２Ｂの間に第３のテーパ導波路３Ａを配置し、第２のテーパ導波路２Ｂの下に第３のテーパ導波路３Ａを離間した状態で並走して配置することで構成する。尚、第２のテーパ導波路２Ｂと第３のテーパ導波路３Ａとの間の間隔は一定とする。断熱変換部４では、２本の第２のテーパ導波路２Ｂ間に第３のテーパ導波路３Ａを配置した。尚、ＳｉＮ導波路２は、Ｓｉ導波路３の真上になくても、モードフィールドは２本の第２のテーパ導波路２Ｂを中心に跨っているため、ＳｉＮ導波路２からＳｉ導波路３に光が断熱的に遷移することになる。
断熱変換部４は、始点Ｘ２（Ｙ１）と、終点Ｘ３（Ｙ２）と、始点と終点との間である中間部とを有する。図２Ａは、図１に示すＡ－Ａ線の略断面部分の一例を示す説明図である。図２Ａに示すＡ－Ａ線の略断面部分は、ＳｉＮ導波路２内の２本の第１のテーパ導波路２Ａが配置された光デバイス１の断面部位である。光デバイス１は、Ｓｉ基板１２と、Ｓｉ基板１２上に積層されたクラッド１１と、クラッド１１内に配置された２本の第１のテーパ導波路２Ａとを有する。
図２Ｂは、図１に示すＢ－Ｂ線の略断面部分の一例を示す説明図である。図２Ｂに示すＢ－Ｂ線の略断面部分は、断熱変換部４が配置された光デバイス１の断面部位である。光デバイス１は、Ｓｉ基板１２と、Ｓｉ基板１２上に積層されたクラッド１１と、クラッド１１内に配置された２本の第２のテーパ導波路２Ｂと、クラッド１１内に配置された第３のテーパ導波路３Ａとを有する。断熱変換部４は、２本の第２のテーパ導波路２Ｂの間で下方に第３のテーパ導波路３Ａが並走する構造である。第２のテーパ導波路２Ｂと第３のテーパ導波路３Ａとの間の間隔は一定とする。
図２Ｃは、図１に示すＣ－Ｃ線の略断面部分の一例を示す説明図である。図２Ｃに示すＣ－Ｃ線の略断面部分は、Ｓｉ導波路３内の直線導波路３Ｂが配置された光デバイス１の断面部位である。光デバイス１は、Ｓｉ基板１２と、Ｓｉ基板１２上に積層されたクラッド１１と、クラッド１１内に配置された直線導波路３Ｂとを有する。
断熱変換部４の始点は、第２のテーパ導波路２Ｂの始点Ｘ２と第３のテーパ導波路３Ａの始点Ｙ１とが配置される箇所である。第２のテーパ導波路２Ｂの始点Ｘ２の導波路幅は、第３のテーパ導波路３Ａの始点Ｙ１の導波路幅に比較して広くしている。断熱変換部４は、２本の第２のテーパ導波路２Ｂの間で下方に第３のテーパ導波路３Ａが並走する構造である。
断熱変換部４の終点は、第２のテーパ導波路２Ｂの終点Ｘ３と第３のテーパ導波路３Ａの終点Ｙ２とが配置される箇所である。第２のテーパ導波路２Ｂの終点Ｘ３の導波路幅は、第３のテーパ導波路３Ａの終点Ｙ３の導波路幅に比較して狭くしている。
実施例１の光デバイス１の断熱変換部４では、２本の第２のテーパ導波路２Ｂ間に第３のテーパ導波路３Ａを配置したので、第２のテーパ導波路２Ｂと第３のテーパ導波路３Ａとの間で光を断熱的に遷移する。その結果、ＳｉＮ導波路２内で不連続箇所がなくなるため、光の放射損失や反射損失の発生を抑制できる。
光デバイス１では、ＳｉＮ導波路２内の２本の第１のテーパ導波路２Ａの導波路幅を徐々に広くしたので、光の閉じ込めを強くできる。その結果、断熱変換部４の始点でのＳｉ導波路３の先端における放射損失が小さくなるため、断熱変換部４の長さを短くできる。
更に、光デバイス１では、ＳｉＮ導波路２内の２本の第２のテーパ導波路２Ｂの導波路幅を徐々に狭くしたので、ＳｉＮ導波路２の実効屈折率が小さくなることで、変換効率に対する波長及び偏波の依存性を小さくしながら、変換効率の低下を抑制できる。
更に、光デバイス１は、２本の第１のテーパ導波路２Ａ間の間隔が始点Ｘ１から終点Ｘ２にかけて徐々に狭くなるように変化した構造にした。光デバイス１では、光ファイバのコアＦＣと光結合するチップ端面Ｄ１のＳｉＮ導波路２の部位を広くし、第１の間隔Ｌ１が第２の間隔Ｌ２よりも広くした。その結果、チップ端面Ｄ１での光デバイス１のモードフィールドが光ファイバのコアＦＣのモードフィールドに近づくことで、光デバイス１の光ファイバのコアＦＣとの結合効率が改善できる。
尚、実施例１の光デバイス１では、第２の間隔Ｌ２及び第３の間隔Ｌ３の関係がＬ２＝Ｌ３であるため、断熱変換部４のモードフィールドが広く、断熱変換部４と光結合するＳｉ導波路３内の直線導波路３Ｂのモードフィールドに近づけることができない。その結果、断熱変換部４でのＳｉ導波路３との間のモードフィールドのミスマッチにより結合損失が発生する。そこで、このような事態に対処する実施の形態につき、実施例２として以下に説明する。
図３は、実施例２の光デバイス１Ａの一例を示す説明図である。尚、実施例１の光デバイス１と同一の構成には同一符号を付すことで、その重複する構成及び動作の説明については省略する。実施例２の光デバイス１Ａと実施例１の光デバイス１とが異なるところは、断熱変換部４Ａの始点Ｘ２（Ｙ１）にある第２の間隔Ｌ２が断熱変換部４Ａの終点Ｘ３（Ｙ２）にある第３の間隔Ｌ３に比較して狭くする点にある。
ＳｉＮ導波路２は、２本の第１のテーパ導波路２Ａと、２本の第２のテーパ導波路２Ｃとを有する。第２のテーパ導波路２Ｃは、始点Ｘ２から終点Ｘ３に向けて導波路幅が徐々に狭くなるテーパ構造を有する導波路である。始点Ｘ１における第１のテーパ導波路２Ａのコア中心と終点Ｘ２における第１のテーパ導波路２Ａのコア中心とを結ぶラインを第１の中心線ＣＬ１とする。始点Ｘ２における第２のテーパ導波路２Ｃのコア中心と終点Ｘ３における第２のテーパ導波路２Ｃのコア中心とを結ぶラインを第３の中心線ＣＬ３とする。
一方の第１のテーパ導波路２Ａの終点Ｘ２のコア中心と他方の第１のテーパ導波路２Ａの終点Ｘ２のコア中心との間の距離を第２の間隔Ｌ２Ａとする。一方の第２のテーパ導波路２Ｃの終点Ｘ３のコア中心と他方の第２のテーパ導波路２Ｃの終点Ｘ３のコア中心との間の距離を第３の間隔Ｌ３Ａとする。そして、第１の間隔Ｌ１、第２の間隔Ｌ２Ａ及び第３の間隔Ｌ３Ａの関係は、Ｌ１＞Ｌ２Ａ、Ｌ１＞Ｌ３Ａ、Ｌ２Ａ＞Ｌ３Ａが成立する。
光デバイス１Ａは、光ファイバのコアＦＣと光結合するチップ端面Ｄ１のＳｉＮ導波路２の部位を広くし、光ファイバのコアＦＣのモードフィールドに近づけるべく、２本の第１のテーパ導波路２Ａ間の距離を第１の間隔Ｌ１とした。その結果、チップ端面Ｄ１での光デバイス１のモードフィールドが光ファイバのコアＦＣのモードフィールドに近づくことで、光デバイス１の光ファイバのコアＦＣとの結合効率が良好となる。
断熱変換部４Ａは、第３の間隔Ｌ３Ａが第２の間隔Ｌ２Ａに比較して狭くなるように２本の第２のテーパ導波路２Ｃを構成した。その結果、断熱変換部４ＡのモードフィールドがＳｉ導波路３内の直線導波路３Ｂのモードフィールドに近づくため、断熱変換部４ＡでのＳｉ導波路３との間の結合損失が抑制できる。
断熱変換部４Ａは、ＳｉＮ導波路２内の２本の第２のテーパ導波路２Ｃと、Ｓｉ導波路３内の第３のテーパ導波路３Ａとを有する。断熱変換部４Ａは、２本の第２のテーパ導波路２Ｃの間に第３のテーパ導波路３Ａを配置し、第２のテーパ導波路２Ｃの下に第３のテーパ導波路３Ａを離間した状態で並走して配置することで構成する。尚、第２のテーパ導波路２Ｃと第３のテーパ導波路３Ａとの間の間隔は同一とする。
断熱変換部４Ａは、始点Ｘ２（Ｙ１）と、終点Ｘ３（Ｙ２）と、始点と終点との間である中間部とを有する。図４Ａは、図３に示すＡ－Ａ線の略断面部分の一例を示す説明図である。図４Ａに示すＡ－Ａ線の略断面部分は、ＳｉＮ導波路２内の２本の第１のテーパ導波路２Ａが配置された光デバイス１Ａの断面部位である。光デバイス１Ａは、Ｓｉ基板１２と、Ｓｉ基板１２上に積層されたクラッド１１と、クラッド１１内に配置された２本の第１のテーパ導波路２Ａとを有する。
図４Ｂは、図３に示すＢ－Ｂ線の略断面部分の一例を示す説明図である。図４Ｂに示すＢ－Ｂ線の略断面部分は、断熱変換部４Ａが配置された光デバイス１Ａの断面部位である。光デバイス１Ａは、Ｓｉ基板１２と、Ｓｉ基板１２上に積層されたクラッド１１と、クラッド１１内に配置された２本の第２のテーパ導波路２Ｃと、クラッド１１内に配置された第３のテーパ導波路３Ａとを有する。断熱変換部４Ａは、２本の第２のテーパ導波路２Ｃの間で下方に第３のテーパ導波路３Ａが並走する構造である。第２のテーパ導波路２Ｃと第３のテーパ導波路３Ａとの間の間隔は一定とする。
図４Ｃは、図３に示すＣ－Ｃ線の略断面部分の一例を示す説明図である。図４Ｃに示すＣ－Ｃ線の略断面部分は、Ｓｉ導波路３内の直線導波路３Ｂが配置された光デバイス１Ａの断面部位である。光デバイス１Ａは、Ｓｉ基板１２と、Ｓｉ基板１２上に積層されたクラッド１１と、クラッド１１内に配置された直線導波路３Ｂとを有する。
断熱変換部４Ａの始点は、第２のテーパ導波路２Ｃの始点Ｘ２と第３のテーパ導波路３Ａの始点Ｙ１とが配置される箇所である。第２のテーパ導波路２Ｃの始点Ｘ２の導波路幅は、第３のテーパ導波路３Ａの始点Ｙ１の導波路幅に比較して広くしている。断熱変換部４Ａは、２本の第２のテーパ導波路２Ｃの間で下方に第３のテーパ導波路３Ａが並走する構造である。断熱変換部４Ａの終点は、第２のテーパ導波路２Ｃの終点Ｘ３と第３のテーパ導波路３Ａの終点Ｙ２とが配置される箇所である。
実施例２の光デバイス１Ａの断熱変換部４Ａは、２本の第２のテーパ導波路２Ｃ同士の終点の第３の間隔Ｌ３Ａが第２のテーパ導波路２Ｃ同士の始点の第２の間隔Ｌ２Ａに比較して狭くなるように第２のテーパ導波路２Ｃ間の間隔を徐々に狭くする構成にした。その結果、断熱変換部４Ａでの変換効率の低下を抑制しながら、断熱変換部４Ａのモードフィールドが直線導波路３Ｂのモードフィールドに近くなるため、Ｓｉ導波路３との間の結合損失を改善できる。
断熱変換部４Ａでは、ＳｉＮ導波路２をテーパ状に変化させて実効屈折率をコントロールすると共に、第２のテーパ導波路２Ｃ間の間隔を徐々に狭くしたので、ＳｉＮ導波路２を伝搬する光のモードフィールドをコントロールする。ＳｉＮ導波路２を導波する光の実効屈折率及びモードフィールドとＳｉ導波路３を伝搬する光の実効屈折率及びモードフィールドとを近付ける。その結果、ＳｉＮ導波路２とＳｉ導波路３との間の結合損失を小さくしながら、断熱変換部４Ａの長さを短くできる。
尚、実施例２の光デバイス１Ａの断熱変換部４Ａでは、ＳｉＮ導波路２内の第２のテーパ導波路２Ｃの終点Ｘ３がＳｉ導波路３に近いままの状態で終端するため、断熱変換部４Ａの終点でＳｉＮ導波路２が途切れて光の屈折率分布が急激に変化する。その結果、断熱変換部４Ａの終点での断面形状の変化で光の散乱損失が発生する。そこで、このような事態に対処すべく、その実施の形態につき、実施例３として以下に説明する。
図５は、実施例３の光デバイス１Ｂの一例を示す説明図である。尚、実施例２の光デバイス１Ａと同一の構成には同一符号を付すことで、その重複する構成及び動作の説明については省略する。実施例３の光デバイス１Ｂと実施例２の光デバイス１Ａとが異なるところは、断熱変換部４Ｂの終点Ｘ３（Ｙ２）におけるＳｉＮ導波路２内の第２のテーパ導波路２Ｄの終端がＳｉ導波路３から徐々に離れるようにした点にある。
ＳｉＮ導波路２は、２本の第１のテーパ導波路２Ａと、２本の第２のテーパ導波路２Ｄと、２本の曲がり導波路２Ｅとを有する。第２のテーパ導波路２Ｄは、始点Ｘ２から終点Ｘ３に向けて導波路幅が徐々に狭くなるテーパ構造を有する導波路である。曲がり導波路２Ｅは、Ｓｉ導波路３から徐々に離れるように、始点Ｘ３から終点Ｘ４に曲がる導波路である。
始点Ｘ１における第１のテーパ導波路２Ａのコア中心と終点Ｘ２における第１のテーパ導波路２Ａのコア中心とを結ぶラインを第１の中心線ＣＬ１とする。始点Ｘ２における第２のテーパ導波路２Ｃのコア中心と終点Ｘ３における第２のテーパ導波路２Ｃのコア中心とを結ぶラインを第３の中心線ＣＬ３とする。
一方の第１のテーパ導波路２Ａの終点Ｘ２のコア中心と他方の第１のテーパ導波路２Ａの終点Ｘ２のコア中心との間の距離を第２の間隔Ｌ２Ａとする。一方の第２のテーパ導波路２Ｃの終点Ｘ３のコア中心と他方の第２のテーパ導波路２Ｃの終点Ｘ３のコア中心との間の距離を第３の間隔Ｌ３Ａとする。そして、第１の間隔Ｌ１、第２の間隔Ｌ２Ａ及び第３の間隔Ｌ３Ａの関係は、Ｌ１＞Ｌ２Ａ、Ｌ１＞Ｌ３Ａ、Ｌ２Ａ＞Ｌ３Ａが成立する。
光デバイス１Ｂは、光ファイバのコアＦＣと光結合するチップ端面Ｄ１のＳｉＮ導波路２の部位を広くし、光ファイバのコアＦＣのモードフィールドに近づけるべく、２本の第１のテーパ導波路２Ａ間の距離を第１の間隔Ｌ１とした。その結果、チップ端面Ｄ１での光デバイス１のモードフィールドが光ファイバのコアＦＣのモードフィールドに近づくことで、光デバイス１の光ファイバのコアＦＣとの結合効率が良好となる。
断熱変換部４Ｂは、第３の間隔Ｌ３Ａが第２の間隔Ｌ２Ａに比較して狭くなるように２本の第２のテーパ導波路２Ｄを構成した。その結果、断熱変換部４ＢのモードフィールドがＳｉ導波路３内の直線導波路３Ｂのモードフィールドに近づくため、断熱変換部４ＢでのＳｉ導波路３との間の結合損失が抑制できる。
断熱変換部４Ｂは、ＳｉＮ導波路２内の２本の第２のテーパ導波路２Ｄと、Ｓｉ導波路３内の第３のテーパ導波路３Ａとを有する。断熱変換部４Ｂは、２本の第２のテーパ導波路２Ｄの間に第３のテーパ導波路３Ａを配置し、第２のテーパ導波路２Ｄの下に第３のテーパ導波路３Ａを離間した状態で並走して配置することで構成する。尚、第２のテーパ導波路２Ｄと第３のテーパ導波路３Ａとの間の間隔は同一とする。
更に、各第２のテーパ導波路２Ｄの終点Ｘ３と光結合する曲がり導波路２Ｅは、ＳｉＮ導波路２の終端をＳｉ導波路３内の直線導波路３Ｂから徐々に離れるようにしている。
断熱変換部４Ｂは、始点Ｘ２（Ｙ１）と、終点Ｘ３（Ｙ２）と、始点と終点との間である中間部とを有する。図６Ａは、図５に示すＡ－Ａ線の略断面部分の一例を示す説明図である。図６Ａに示すＡ－Ａ線の略断面部分は、ＳｉＮ導波路２内の２本の第１のテーパ導波路２Ａが配置された光デバイス１Ｂの断面部位である。光デバイス１Ｂは、Ｓｉ基板１２と、Ｓｉ基板１２上に積層されたクラッド１１と、クラッド１１内に配置された２本の第１のテーパ導波路２Ａとを有する。
図６Ｂは、図５に示すＢ－Ｂ線の略断面部分の一例を示す説明図である。図６Ｂに示すＢ－Ｂ線の略断面部分は、断熱変換部４Ｂが配置された光デバイス１Ｂの断面部位である。光デバイス１Ｂは、Ｓｉ基板１２と、Ｓｉ基板１２上に積層されたクラッド１１と、クラッド１１内に配置された２本の第２のテーパ導波路２Ｄと、クラッド１１内に配置された第３のテーパ導波路３Ａとを有する。断熱変換部４Ｂは、２本の第２のテーパ導波路２Ｄの間で下方に第３のテーパ導波路３Ａが並走する構造である。第２のテーパ導波路２Ｄと第３のテーパ導波路３Ａとの間の間隔は一定とする。
図６Ｃは、図５に示すＣ－Ｃ線の略断面部分の一例を示す説明図である。図６Ｃに示すＣ－Ｃ線の略断面部分は、Ｓｉ導波路３内の直線導波路３Ｂが配置された光デバイス１Ｂの断面部位である。光デバイス１Ｂは、Ｓｉ基板１２と、Ｓｉ基板１２上に積層されたクラッド１１と、クラッド１１内に配置された直線導波路３Ｂとを有する。
断熱変換部４Ｂの始点は、第２のテーパ導波路２Ｄの始点Ｘ２と第３のテーパ導波路３Ａの始点Ｙ１とが配置される箇所である。第２のテーパ導波路２Ｄの始点Ｘ２の導波路幅は、第３のテーパ導波路３Ａの始点Ｙ１の導波路幅に比較して広くしている。断熱変換部４Ｂは、２本の第２のテーパ導波路２Ｃの間で下方に第３のテーパ導波路３Ａが並走する構造である。断熱変換部４Ｂの終点は、第２のテーパ導波路２Ｄの終点Ｘ３と第３のテーパ導波路３Ａの終点Ｙ２とが配置される箇所である。
実施例３の光デバイス１Ｂでは、断熱変換部４Ｂ内の第２のテーパ導波路２Ｄの終点Ｘ３にＳｉ導波路３の直線導波路３Ｂから徐々に離れるように曲がり導波路２Ｅを光結合する。その結果、断熱変換部４Ｂの終点でＳｉＮ導波路２の終端がＳｉ導波路３から徐々に離れるため、光の屈折率分布が緩やかに変化するため、光の散乱損失を抑制できる。
尚、実施例では、断熱変換部４（４Ａ，４Ｂ）の第２のテーパ導波路２Ｂ及び第３のテーパ導波路３Ａとしては、コア、クラッドがともにＳｉＯ２であるＰＬＣ(Planar Lightwave Circuit)や、ＩｎＰ導波路、ＧａＡｓ導波路でもよい。コアがＳｉやＳｉ３Ｎ４、下部クラッドがＳｉＯ２、上部クラッドがＳｉＯ２もしくは空気等であってもよい。尚、遷移先の導波路の材料屈折率が遷移元の導波路の材料屈折率よりも高い場合には適用可能である。例えば、ＰＬＣの場合、ガラスの導波路のドーピング量を変えることで遷移元と遷移先の材料屈折率を変えることで適用可能である。
尚、第１の導波路としてＳｉＮ導波路２、第２の導波路としてＳｉ導波路３、クラッドとしてＳｉＯ２を例示した。しかしながら、クラッドの材料の屈折率は第１の導波路の材料の屈折率よりも小さく、第１の導波路の材料の屈折率は第２の導波路の材料の屈折率よりも小さくすれば良く、第１の導波路、第２の導波路及びクラッドの材料が適宜変更可能である。
ＰＬＣの場合、コアへのドーピング量を変えることで、材料屈折率を変えることが可能である。ＳｉＮ導波路２、Ｓｉ導波路３の場合、比屈折率差が大きいことから、光の閉じ込めが強く、それによって小さいＲでも低損失な曲げ導波路が実現することで、光デバイス１を小型化できる。
ＳｉＮ導波路２及びＳｉ導波路３の構造は、リブ導波路、リッジ導波路、チャネル導波路でも良く、適宜変更可能である。ＳｉＮ導波路２及びＳｉ導波路３の構造がリブ導波路の場合、スラブ部分にも光が染み出すため、コアの側壁荒れの影響が小さく、光損失を抑制できる。ＳｉＮ導波路２及びＳｉ導波路３の構造がチャネル導波路の場合、光閉じ込めが強いことから、導波路の急峻な曲げが可能となり、光デバイス１の小型化を図る。クラッド１１は、コアより材料屈折率が小さければ、任意の材料でも良く、適宜変更可能である。
本実施例の光デバイス１（１Ａ，１Ｂ）は、Ｓｉ導波路３の材料をＳｉ、クラッド１１の材料をＳｉＯ２で形成するシリコン光導波路を例示した。しかしながら、Ｓｉ導波路３及びクラッド１１の材料がＳｉＯ２であるＰＬＣ、ＩｎＰ導波路、ＧａＡｓ導波路にも適用可能である。
図７は、本実施例の光デバイス１（１Ａ，１Ｂ）を内蔵した光通信装置５０の一例を示す説明図である。図７に示す光通信装置５０は、出力側の光ファイバ及び入力側の光ファイバと接続する。光通信装置５０は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）５１と、光源５２と、光送信器５３と、光受信器５４とを有する。ＤＳＰ５１は、デジタル信号処理を実行する電気部品である。ＤＳＰ５１は、例えば、送信データの符号化等の処理を実行し、送信データを含む電気信号を生成し、生成した電気信号を光送信器５３に出力する。また、ＤＳＰ５１は、受信データを含む電気信号を光受信器５４から取得し、取得した電気信号の復号等の処理を実行して受信データを得る。
光源５２は、例えば、レーザダイオード等を備え、所定の波長の光を発生させて光送信器５３及び光受信器５４へ供給する。光送信器５３は、ＤＳＰ５１から出力される電気信号によって、光源５２から供給される光を変調し、得られた送信光を光ファイバに出力する。光送信器５３は、光源５２から供給される光が導波路を伝搬する際に、この光を光変調器へ入力される電気信号によって変調することで、送信光を生成する。
光受信器５４は、光ファイバから光信号を受信し、光源５２から供給される光を用いて受信光を復調する。そして、光受信器５４は、復調した受信光を電気信号に変換し、変換後の電気信号をＤＳＰ５１に出力する。光送信器５３及び光受信器５４内では、光を導波路する基板型光導波路素子の光デバイス１（１Ａ，１Ｂ）を内蔵する。
光通信装置５０内の光デバイス１（１Ａ，１Ｂ）内の断熱変換部４（４Ａ，４Ｂ）では、チップ端面Ｄ１での光デバイス１のモードフィールドが光ファイバのコアＦＣのモードフィールドに近づくことで、光デバイス１の光ファイバのコアＦＣとの結合効率が改善できる。
尚、説明の便宜上、光通信装置５０は、光送信器５３及び光受信器５４を内蔵する場合を例示したが、光通信装置５０は、光送信器５３及び光受信器５４の何れか一つを内蔵しても良い。例えば、光送信器５３を内蔵した光通信装置５０や、光受信器５４を内蔵した光通信装置５０に光デバイス１を適用しても良く、適宜変更可能である。
１、１Ａ，１Ｂ 光デバイス
２ ＳｉＮ導波路
２Ａ 第１のテーパ導波路
２Ｂ、２Ｃ，２Ｄ 第２のテーパ導波路
３ Ｓｉ導波路
３Ａ 第３のテーパ導波路
４、４Ａ，４Ｂ 断熱変換部
１１ クラッド
５０ 光通信装置
５１ ＤＳＰ
５２ 光源
５３ 光送信器
５４ 光受信器

Claims (8)

  1. 基板上に並列に配置された２本の第１の導波路と、前記第１の導波路と離間して並走した状態で前記基板上に配置される１本の第２の導波路とを備え、
    前記第１の導波路は、
    第１のテーパ導波路と、前記第１のテーパ導波路に接続する第２のテーパ導波路とを有し、
    前記第２の導波路は、
    前記第１の導波路と並走する第３のテーパ導波路と、前記第３のテーパ導波路の前記第１のテーパ導波路が設けられている側の反対側に接続する第３の導波路とを有し、
    前記第１のテーパ導波路は、
    前記第２のテーパ導波路に向かうにつれて導波路幅が徐々に広くなり、
    前記第２のテーパ導波路は、
    前記第１のテーパ導波路から離れるにつれて導波路幅が徐々に狭くなり、
    前記第３のテーパ導波路は、
    前記第３の導波路に向かうにつれて導波路幅が徐々に広くなり、
    前記第１の導波路は、
    前記第１のテーパ導波路の始点における２本の第１の導波路同士の第１の間隔が、前記第１のテーパ導波路と前記第２のテーパ導波路との接続部位における２本の第１の導波路同士の第２の間隔に比較して広くなる構造にしたことを特徴とする光デバイス。
  2. 前記第１の導波路は、
    前記第２のテーパ導波路の終点での２本の第２のテーパ導波路同士の第３の間隔が、前記第２の間隔に比較して狭くなる構造にしたことを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
  3. 前記第１の導波路は、
    前記第２のテーパ導波路の終点と光結合すると共に、前記第２の導波路内の前記第３の導波路から徐々に離間する曲がり導波路を有することを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
  4. 前記基板上にクラッドで被覆する前記第１の導波路は、
    ＳiＮ(Silicon Nitride)を含む材料で形成され、
    前記基板上にクラッドで被覆する前記第２の導波路は、
    Ｓi（Silicon）を含む材料で形成され、
    前記クラッドは、
    ＳｉＯ２を含む材料で形成されることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
  5. 前記第１の導波路及び前記第２の導波路を前記基板上にクラッドで被覆する際に、前記クラッドの材料の屈折率は前記第１の導波路の材料の屈折率よりも小さく、前記第１の導波路の材料の屈折率は前記第２の導波路の材料の屈折率よりも小さくすることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
  6. 前記第１の導波路及び前記第２の導波路は、
    リブ導波路であることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
  7. 光源と、
    送信信号を用いて前記光源からの光を光変調して送信光を送信する光送信器と、
    前記光送信器内で前記光を導波する光デバイスと、を有する光通信装置であって、
    前記光デバイスは、
    基板上に並列に配置された２本の第１の導波路と、前記第１の導波路と離間して並走した状態で前記基板上に配置される１本の第２の導波路とを備え、
    前記第１の導波路は、
    第１のテーパ導波路と、前記第１のテーパ導波路に接続する第２のテーパ導波路とを有し、
    前記第２の導波路は、
    前記第１の導波路と並走する第３のテーパ導波路と、前記第３のテーパ導波路の前記第１のテーパ導波路が設けられている側の反対側に接続する第３の導波路とを有し、
    前記第１のテーパ導波路は、
    前記第２のテーパ導波路に向かうにつれて導波路幅が徐々に広くなり、
    前記第２のテーパ導波路は、
    前記第１のテーパ導波路から離れるにつれて導波路幅が徐々に狭くなり、
    前記第３のテーパ導波路は、
    前記第３の導波路に向かうにつれて導波路幅が徐々に広くなり、
    前記第１の導波路は、
    前記第１のテーパ導波路の始点における２本の第１の導波路同士の第１の間隔が、前記第１のテーパ導波路と前記第２のテーパ導波路との接続部位における２本の第１の導波路同士の第２の間隔に比較して広くなる構造にしたことを特徴とする光通信装置。
  8. 光源と、
    前記光源からの光を用いて受信光から受信信号を受信する光受信器と、
    前記光受信器内で前記光を導波路する光デバイスと、を有する光通信装置であって、
    前記光デバイスは、
    基板上に並列に配置された２本の第１の導波路と、前記第１の導波路と離間して並走した状態で前記基板上に配置される１本の第２の導波路とを備え、
    前記第１の導波路は、
    第１のテーパ導波路と、前記第１のテーパ導波路に接続する第２のテーパ導波路とを有し、
    前記第２の導波路は、
    前記第１の導波路と並走する第３のテーパ導波路と、前記第３のテーパ導波路の前記第１のテーパ導波路が設けられている側の反対側に接続する第３の導波路とを有し、
    前記第１のテーパ導波路は、
    前記第２のテーパ導波路に向かうにつれて導波路幅が徐々に広くなり、
    前記第２のテーパ導波路は、
    前記第１のテーパ導波路から離れるにつれて導波路幅が徐々に狭くなり、
    前記第３のテーパ導波路は、
    前記第３の導波路に向かうにつれて導波路幅が徐々に広くなり、
    前記第１の導波路は、
    前記第１のテーパ導波路の始点における２本の第１の導波路同士の第１の間隔が、前記第１のテーパ導波路と前記第２のテーパ導波路との接続部位における２本の第１の導波路同士の第２の間隔に比較して広くなる構造にしたことを特徴とする光通信装置。
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