JP3786648B2 - モードサイズ変換光導波路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は光通信等の分野において、例えばレーザダイオードと光ファイバとの接続を担う光導波路（光導波路基板）に関し、特にモードサイズ変換機能を有する光導波路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８は基板１１とアンダークラッド層１２とコア１３とオーバークラッド層１４とよりなり、アンダークラッド層１２及びオーバークラッド層１４の屈折率がｎ₁ とされ、コア１３の屈折率がｎ₂(ｎ₂ ＞ｎ₁）とされているモードサイズ変換機能を有する光導波路の従来構成例を示したものであり、この例ではコア１３の大きさ（幅）を変えることによってモードの大きさ（モードサイズ）を変えるものとなっている。
モードの大きさを変えるには、一般にコアの大きさを変える方法と、屈折率差を変える方法があり、例えばＴＥＣ（Thermally Expanding Core）ファイバのように、この両者をなめらかに変化させることができれば、損失なく、シングルモードを保ったまま、モードの大きさを変えることが可能となるが、基板上に形成される光導波路では屈折率差を徐々に変えるのは難しく、よってこの図８に示したようにコア１３の大きさを変える方法のみでモードサイズ変換を行うものとなっている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
コア１３は光が入射されるコア幅Ｗ₀ の第１の部分１３ａと、それに続き、テーパ形状とされてコア幅がＷ₀ からＷ₂ に漸増されている第２の部分１３ｂと、それに続くコア幅Ｗ₂ の第３の部分１３ｃとよりなる。
【０００４】
【非特許文献１】
「１９９３年電子情報通信学会春季大会 予稿集」１９９３年、Ｃ−１８０
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来のモードサイズ変換光導波路ではコアの大きさのみを変えることによりモードサイズ変換するものとなっており、よってシングルモードの条件下では、コアの大きさだけではモードの大きさをあまり変化させることはできず、それより大きくするとマルチモードとなってしまっていた。
この発明の目的はこのような状況に鑑み、入出射部でシングルモードとなるようにし、かつモードの大きさを大きく変えることができるようにしたモードサイズ変換光導波路を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明によれば、モードサイズ変換光導波路は、基板と、その基板上に形成されたアンダークラッド層と、そのアンダークラッド層上に形成され、光が入射されるコア幅Ｗ₀ の第１の部分と、その第１の部分に続き、コア幅がＷ₀ からＷ₁ に漸増されてテーパ形状をなす第２の部分と、その第２の部分に続き、Ｗ₀ ＜Ｗ₂ ＜Ｗ₁ を満たすコア幅Ｗ₂ とされた第３の部分とよりなるコアと、そのコアの第３の部分を覆うように形成されたオーバークラッド層とからなるものとされる。
【０００７】
請求項２の発明では請求項１の発明において、アンダークラッド層の屈折率がオーバークラッド層の屈折率より小とされる。
請求項３の発明では請求項１又は２の発明において、コアの第１及び第２の部分がアンダークラッド層より屈折率の小さい材料によって覆われているものとされる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１は請求項１の発明の一実施例を示したものであり、この例ではモードサイズ変換光導波路は基板２１と、その基板２１上に形成された屈折率ｎ₁ のアンダークラッド層２２と、そのアンダークラッド層２２上に形成された屈折率ｎ₂ のコア２３と、そのコア２３の一部を覆うように形成された屈折率ｎ₁ のオーバークラッド層２４とからなり、ｎ₂ ＞ｎ₁ とされている。
コア２３は光が入射されるコア幅Ｗ₀ の第１の部分２３ａと、その第１の部分２３ａに続き、コア幅がＷ₀ からＷ₁ に漸増されてテーパ形状をなす第２の部分２３ｂと、その第２の部分に続き、コア幅がＷ₂ とされた第３の部分２３ｃとよりなり、コア幅はＷ₀ ＜Ｗ₂ ＜Ｗ₁ となっている。なお、コア２３の高さは各部分２３ａ，２３ｂ，２３ｃ、同一高さとされている。
【０００９】
オーバークラッド層２４はコア２３の第３の部分２３ｃのみを覆うように形成されており、第１及び第２の部分２３ａ，２３ｂには存在せず、これらの部分２３ａ，２３ｂは屈折率が１の空気にさらされている。
上記のような構造とされたモードサイズ変換光導波路によれば、オーバークラッド層２４がない領域Ｐ₁ はオーバークラッド層２４がある領域Ｐ₂ に比べ、屈折率差が大きく、コア２３への閉じ込めが強い状態となっている。
図１（３）〜（５）は光導波路各断面と、その断面におけるモード形状（電界分布形状）を示したものであり、図１（３）〜（５）はそれぞれ図１（１）におけるＡ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃ断面を示している。
【００１０】
コア２３の第１の部分２３ａでは上述したように閉じ込めが強く、またコア幅Ｗ₀ も狭いので図１（３）に示したようにモードの大きさをかなり小さくすることができる。
次に、テーパ形状をなす第２の部分２３ｂではコア幅が徐々に広くなるため、モードの大きさがそれに従い大きくなり、よって図１（４）に示したように一時的にマルチモードとなるが、コア幅を緩やかに変化させることにより各モードの振幅は保存されるため、損失を抑えることができる。なお、この例ではコア幅が直線的に増加するリニアテーパとなっているが、例えば指数関数曲線やべき乗関数曲線などを使用してもよい。
【００１１】
その後、オーバークラッド層２４を有する第３の部分２３ｃに接続することにより、屈折率差が小さくなり、閉じ込めが弱くなるため、図１（５）に示したように高次モードは放射され、広がったモードを維持したまま、シングルモードとすることができる。ここで、Ｗ₂ ＜Ｗ₁ とすることにより、屈折率差が異なるものの、モードの大きさを極力等しくすることができる。
このように、この例によればコア２３の大きさ（幅）を変化させると共に、オーバークラッド層２４のある領域Ｐ₂ とない領域Ｐ₁ をつくることにより、屈折率差を変化させるものとなっており、これにより入出射部でシングルモードとすることができ、かつモードの大きさを大きく変えることができるものとなっている。
【００１２】
図２は請求項２の発明の実施例を示したものであり、この例では図１に示したモードサイズ変換光導波路のようにアンダークラッド層２２の屈折率とオーバークラッド層２４の屈折率とが同じではなく、屈折率ｎ₁ のアンダークラッド層２２に対し、オーバークラッド層２４′の屈折率はｎ₃ とされてアンダークラッド層２２と屈折率が異なるものとされる。なお、コア２３の屈折率はｎ₂ であり、これら屈折率の関係はｎ₁ ＜ｎ₃ ＜ｎ₂ とされている。
このような屈折率の関係に設定することにより、この例ではＡ−Ａ断面のモードを安定させることができ、より大きくモードの大きさを変えることができるものとなっている。以下、これについて説明する。
【００１３】
モードの大きさを大きく変えるには、オーバークラッド層２４′のある領域Ｐ₂ とない領域Ｐ₁ で屈折率差を大きくつけるために、空気の屈折率とｎ₃ の差をつけることが必要となるが、ｎ₁ ＝ｎ₃ の場合、Ａ−Ａ断面において上下のクラッド（上は空気）の屈折率に差がつきすぎてしまうため、図３（１）に示したように基板２１側にしみ出したモードとなってしまい、コア２３の大きさを小さくするとカットオフとなってしまうため、十分に小さくすることができないといった問題がある。また、モード形状がいびつであるため、他の部品との結合効率の面でもよくない。
【００１４】
そこで、ｎ₁ ＜ｎ₃ ＜ｎ₂ とすることにより、Ａ−Ａ断面において上下のクラッドの屈折率に差がつきすぎないようにすることができ、これにより図３（２）に示したようにＡ−Ａ断面のモードを安定させることができ、コアの大きさもより小さくすることができるため、大きくモードの大きさを変えることができるものとなる。
次に、請求項３の発明の実施例について、図４を参照して説明する。
この例では図２に示したモードサイズ変換光導波路に対し、屈折率がｎ₄ のポッティング材２５が付加されて上面が覆われたものとなっており、即ちコア２３の第１及び第２の部分２３ａ，２３ｂがポッティング材２５によって覆われたものとなっている。
【００１５】
オーバークラッド層２４′がない領域Ｐ₁ は図１や図２に示した構成のように空気としてしまうと屈折率が１で固定されるため、所望の屈折率差を実現するには、それにあった屈折率の光導波路材料を使用する必要があるが、空気の代りに屈折率を自由に選択できる材料で覆うことにより設計の自由度を上げることができる。
なお、このような光導波路とレーザダイオードとを接続結合する場合にはポッティング材で結合部を充填する場合が多く、そのポッティング材をこの図４に示したポッティング材２５として使用することもでき、そのようにポッティング材を兼用すれば効率がよいものとなる。
【００１６】
図５はこの図４に示したモードサイズ変換光導波路を、レーザダイオードと光ファイバ（シングルモードファイバ）とを光導波路で接続する構造とされた光モジュールに適用した例を示したものであり、図４と同様の光導波路が作製された基板２１の一端側にレーザダイオード３１が搭載され、他端側にシングルモードファイバ３２が搭載されている。
レーザダイオード３１は基板２１上に形成された電極３３上に実装されており、３４ははんだ層を示す。なお、電極３５はレーザダイオード３１の上面電極とワイヤボンディングによって接続されるものである（ワイヤの図示は省略している）。
【００１７】
一方、シングルモードファイバ３２は基板２１に形成されたＶ溝３６に位置決め搭載されて、そのコア３２ａ端面が光導波路のコア２３と接続されている。図５中、３７はＶ溝３６の内端位置に直交して形成されている凹溝を示す。
ポッティング材２５は図５（２）に示したように、レーザダイオード３１と光導波路との結合部に充填されると共に、コア２３の第１及び第２の部分２３ａ，２３ｂを覆うように配設される。なお、図５中、一点鎖線はレーザダイオード３１から出射されるレーザ光３８を示す。
この図５におけるモードサイズ変換光導波路の各部の屈折率及びコア各部の寸法例を下記光導波路の条件に列記する。
【００１８】
＜光導波路の条件＞
・屈折率 アンダークラッド層２２ ｎ₁ ＝１．４４
コア２３ ｎ₂ ＝１．４５
オーバークラッド層２４′ ｎ₃ ＝１．４４５
ポッティング材２５ ｎ₄ ＝１．４
・コア幅 第１の部分２３ａ Ｗ₀ ＝４μｍ
第２の部分２３ｂ Ｗ₁ ＝１０μｍ
第３の部分２３ｃ Ｗ₂ ＝６μｍ
・コア厚さ＝６μｍ
レーザダイオード３１から出射されるレーザ光３８のモードフィールドは非常に小さいため、レーザダイオード３１との結合部でモードの大きさが小さくなるよう、上記のようにＷ₀ ＝４μｍとし、屈折率差はアンダークラッド層２２との間で０．７％、ポッティング材２５との間では２．７％と大きくした。このＷ₀ ＝４μｍ（第１の部分２３ａ）のモードは図６（１）に示したように若干基板２１側に広がっているが、十分に使用できるレベルとなっている。
【００１９】
次に、テーパ形状をなす第２の部分２３ｂでＷ₁ ＝１０μｍまでコア幅を徐々に広げ、図６（２）に示すようにモードの大きさを大きくした。
その後、屈折率差０．３％のオーバークラッド層２４′のある第３の部分２３ｃに結合し、これにより図６（３）に示したようにモードの大きさを保ったまま、シングルモードとすることができた。モードフィールドもシングルモードファイバと近い、裾が広がったガウス分布となっている。
この図５に示したような構造（光モジュール構造）により、レーザダイオード３１とシングルモードファイバ３２とを直接結合させた場合に比べ、結合損失を３．１ｄＢ改善することができた。
【００２０】
図７は感光性導波路材料を使用した場合の、上記のような構造を有するモードサイズ変換光導波路の作製方法を工程順に示したものであり、以下、各工程を説明する。
（１）基板２１上にアンダークラッド層２２をスピンコートで成膜し、露光により硬化させる。
（２）アンダークラッド層２２上にコア層２３′を同様にスピンコートで成膜する。
（３）コア層２３′を同一マスクで一括露光／現像してパターニングし、３つの部分２３ａ，２３ｂ，２３ｃよりなるコア２３を作製する。
【００２１】
（４）その上にオーバークラッド層２４（２４′）をスピンコートで成膜する。
（５）オーバークラッド層２４（２４′）を露光／現像してパターニングし、オーバークラッド層２４（２４′）のない領域Ｐ₁ を作る。
以上の工程により、図１もしくは図２に示したモードサイズ変換光導波路が完成する。
なお、図４に示したモードサイズ変換光導波路では上記工程（５）の後にポッティング材２５が塗布されるが、コア２３の第１及び第２の部分２３ａ，２３ｂをポッティング材２５に替えて、屈折率ｎ₄ の第２のオーバークラッド層で覆うようにしてもよい。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によるモードサイズ変換光導波路によれば入出射部でシングルモードとすることができ、かつモードの大きさを従来よりも大きく変えることができる。
また、入出力をシングルモードとすることができるため、その後の導波路回路においてマルチモードとなることによるモード間干渉等の悪影響を防止することができる。
さらに、レーザダイオードやシングルモードファイバ等の他の部品と結合する場合には屈折率差を合わせることにより、フィールド形状を揃えることができるため、従来のコア形状のみでモードサイズ変換する場合に比べ、結合効率が良くなるという効果も得ることができる。
【００２３】
なお、この発明ではテーパ形状をなす部分を設けてコアの大きさ（幅）を変化させ、さらにオーバークラッド層のある領域とない領域をつくるという非常に簡単なプロセスで屈折率差を変化させるものとなっており、よって容易に作製できるものとなっている。
しかも、請求項２の発明ではオーバークラッド層がない部分のモードを安定させることができるため、より大きくモードの大きさを変えることが可能となり、さらに請求項３の発明ではモードサイズ変換光導波路の設計の自由度を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （１）は請求項１の発明の一実施例を示す平面図、（２）はそのＤ−Ｄ断面図、（３）〜（５）はそれぞれそのＡ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃ断面及びその断面におけるモード形状を示した図。
【図２】 （１）は請求項２の発明の一実施例を示す平面図、（２）はそのＤ−Ｄ断面図、（３）〜（５）はそれぞれそのＡ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃ断面及びその断面におけるモード形状を示した図。
【図３】 （１）は上下のクラッドの屈折率の差が大きい場合（図１のＡ−Ａ断面）のモード計算例を示す図、（２）は上下のクラッドの屈折率の差が小さい場合（図２のＡ−Ａ断面）のモード計算例を示す図。
【図４】 （１）は請求項３の発明の一実施例を示す平面図、（２）はそのＤ−Ｄ断面図、（３）〜（５）はそれぞれそのＡ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃ断面及びその断面におけるモード形状を示した図。
【図５】 （１）は図４に示したモードサイズ変換光導波路を用いて構成された光モジュールを示す一部省略した平面図、（２）はその側面図。
【図６】 図５における各部のモード計算結果を示す図。
【図７】 この発明によるモードサイズ変換光導波路の、感光性導波路材料を使用した場合の作製工程を示す図。
【図８】 （１）はモードサイズ変換光導波路の従来例を示す平面図、（２）はそのＤ−Ｄ断面図、（３），（４）はそれぞれそのＡ−Ａ，Ｃ−Ｃ断面及びその断面におけるモード形状を示した図。

Claims (3)

1. 基板と、
   その基板上に形成されたアンダークラッド層と、
   そのアンダークラッド層上に形成され、光が入射されるコア幅Ｗ₀ の第１の部分と、その第１の部分に続き、コア幅がＷ₀ からＷ₁ に漸増されてテーパ形状をなす第２の部分と、その第２の部分に続き、Ｗ₀ ＜Ｗ₂ ＜Ｗ₁ を満たすコア幅Ｗ₂ とされた第３の部分とよりなるコアと、
   そのコアの上記第３の部分を覆うように形成されたオーバークラッド層とからなることを特徴とするモードサイズ変換光導波路。
2. 請求項１記載のモードサイズ変換光導波路において、
   上記アンダークラッド層の屈折率が上記オーバークラッド層の屈折率より小とされていることを特徴とするモードサイズ変換光導波路。
3. 請求項１又は２記載のモードサイズ変換光導波路において、
   上記コアの上記第１及び第２の部分が上記アンダークラッド層より屈折率の小さい材料によって覆われていることを特徴とするモードサイズ変換光導波路。

Images