JP5173925B2

JP5173925B2 - 光学素子

Info

Publication number: JP5173925B2
Application number: JP2009115743A
Authority: JP
Inventors: 一宏五井; 健佐久間; 憲介小川
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2009-05-12
Filing date: 2009-05-12
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2029-05-12
Also published as: JP2010266541A

Description

本発明は、光通信などに使用され、スポットサイズ変換光導波路部を有する光学素子に関する。

近年、光通信においてコンテンツの伝送量の増加に伴う情報処理速度の上昇は、光情報処理技術の高速化の必要性を一層高めており、これにともない、高速に応答する光素子が必要とされている。ところで、光素子中の光導波路が複数の横モードを持つ場合、モードごとの伝搬速度の違いによって、光導波路中を進行する光パルスの時間幅が広がってしまう。これにより、前後の光パルスが時間軸上で重なってしまい、クロストークを生じてしまう。
従って、高速光通信で使用される光素子は、横モードが１つのみの単一モード光導波路を備えるように構成される。

ところで、光素子内では、シリコンをはじめ屈折率の高い材料が用いられることが多く、光素子が有する単一モード光導波路のモードフィールドは、概して非常に小さい。例えば、特許文献１に記載の波長分散補正素子の場合、光導波路の断面積は０．５μｍ×１．０μｍ程度である。一方、単一モード光ファイバーにおいて、コアの断面積は、６４μｍ^２（＝４．５×４．５×π）程度である。
つまり、光素子の有する単一モード光導波路のモードフィールドは、光ファイバーのコアの断面積に対して、およそ１２８分の１の大きさである。このため、光ファイバーと光素子の有する単一モード光導波路とを、ただ単に結合させた場合、光エネルギーは、結合部分において大きく減衰する。従って、光ファイバーと光素子の有する単一モード光導波路との光結合の効率を上げることは、複数の光素子が含まれる光通信システム全体の低損失化につながり、重要な課題となっている。

このような問題に対し、例えば特許文献２には、先端部分が逆テーパー形状になったＳｉＮからなる高屈折率光伝送部と、当該高屈折率光伝送部を取り囲むＳｉＯＮからなる低屈折率光伝送部を有するカップリング部によって、光ファイバーからの光を有効に取り込む光伝送路に関する技術が開示されている。
このような構造によって、光ファイバー等から取り込んだ光を、伝播方向に沿って、光ファイバー内の大きなモードフィールドから、高い屈折率をもつＳｉＮからなる導波路内の小さなモードフィールドヘと変換することができ、光素子の有する単一モード光導波路と、光ファイバーとの光結合を低損失にすることができる。

更に、特許文献３には、素子先端に向かって、コアの幅を細く、かつ厚みを薄くして途中で打ち切り、クラッドは素子先端に向かって幅を広げていく構造が開示されている。
また、特許文献４には、第１の光導波路とモードフィールドサイズ変換部と第２の光導波路から構成され、第１の光導波路のオーバークラッド層とモードフィールドサイズ変換部及び第２の光導波路のコアとを同時に作成し、オーバークラッド層とコアとを同時に作製し、コアの作製時にコアの光の進行方向に対して左右対称な２つの領域をエッチング領域としてコアの材料を除去し、それ以外の領域はコアの材料を削らずに残すようにした構造が開示されている。

特許第３９１７１７０号公報特開２００７−０４７６９４号公報特開平６−６７０４３号公報特開２００４−１８４９８６号公報

スポットサイズ変換光導波路部を有する光学素子は、その製造過程において、適当な位置にて切断し、その切断面を端面として、外部の光学素子と接続して使用される。この時に光学素子を切断する位置は、切断する機器の精度により製造上のばらつきが必然的に生じる。その結果、以下に示すそれぞれの理由により、この切断位置のばらつきが原因となり、外部の光学素子との結合効率にばらつきを生じる問題がある。

特許文献２に記載されている構造にあっては、製造時に端面を切断する際、逆テーパー部より素子内部側を切断すると、切断位置により断面の構造が異なることになる。逆テーパー部のクラッド材質からなる低屈折率導波路が続くという構造を考えても、この境界において高次のモードが励起され、その干渉により光の伝搬方向に対してモードフィールドが変化する。従って、いずれの場合においても、切断する位置のばらつきにより、結合効率のばらつきが発生する。
特許文献３に記載されている構造にあっては、素子先端に向かって連続的に構造が変化しているため、切断する位置により断面構造が変化し、結合効率の変化が起こる。
特許文献４に記載されている構造にあっては、逆テーパーの先端に高精度の加工が要求され、製造時のばらつきにより、逆テーパー構造(素子の領域)と第一の領域の境界において、高次のモードが励起され、その干渉により光の伝搬方向に対してモードフィールド形状の変化が大きくなる。従って、特許文献４に記載の構造においても切断する位置のばらつきにより、結合効率のばらつきが発生する。

本発明は、上述の問題に鑑みなされたもので、光学素子の切断位置にばらつきが生じた場合であっても、外部の光学素子との結合効率のばらつきの発生を低減することができ、安定的な結合効率を有する光学素子の提供を目的とする。

本発明の光学素子は、基板上方にスポットサイズ変換光導波路部を有する光学素子であって、前記スポットサイズ変換光導波路部が、互いに隣接する第一の領域と第二の領域を少なくとも有し、前記基板は、前記第一の領域と第二の領域において、底面側にトレンチ溝が形成され、前記第一の領域は、光の伝搬方向において素子内部側に位置して、第一のコア、クラッド、及び低屈折率光伝送部を有し、前記低屈折率光伝送部は、前記第一のコアよりも屈折率が低くて、前記クラッドよりも屈折率が高く、前記トレンチ溝を埋めるように、前記クラッド及び低屈折率光伝送部がこの順に積層形成され、前記第二の領域は、光の伝搬方向において素子先端側に位置して、第二のコア及びクラッドを有し、前記トレンチ溝を埋めるように、前記クラッドが形成され、前記第一のコアは、前記第二の領域に向けて、前記基板の底面に対して略平行な方向の幅が減少する逆テーパー状であり、前記第二のコアが、第一の領域と第二の領域との接続面において、前記基板の底面に対して略垂直な方向に、第一の領域の第一のコア及びクラッドの合計の高さよりも低い高さを有し、前記第二の領域において、前記トレンチ溝を埋めるように形成された前記クラッドが、前記第一の領域において、前記トレンチ溝を埋めるように形成された前記低屈折率光伝送部よりも、光の伝搬方向に対して略垂直な方向の断面において、幅が広いことを特徴とする。
本発明の光学素子は、前記第二の領域において、前記トレンチ溝から上方に突出して形成された前記クラッドが、前記第一の領域において、前記トレンチ溝から上方に突出して形成された前記低屈折率光伝送部よりも、光の伝搬方向に対して略垂直な方向の断面において、幅が広いことが好ましい。
本発明の光学素子は、前記第二のコアについて、前記基板の底面に対して略垂直な方向の高さ、及び略平行な方向の幅の、少なくとも一方の値が、前記低屈折率光伝送部よりも小さいことが好ましい。
本発明の光学素子は、前記第二のコアが、前記第一の領域のクラッドと材質が同一であることが好ましい。
本発明の光学素子は、前記第二のコアが、前記第一の領域の第一のコア及びクラッドと材質が異なることが好ましい。
本発明の光学素子は、前記第二のコアが、前記基板の底面に略平行な方向の幅が、素子先端に向かって広がるように形成された部位を有することが好ましい。
本発明の光学素子は、前記第一の領域が、さらに第三のコア及び第四のコアを有し、前記第三のコアは、前記第一のコアより高い屈折率を有する材質からなり、光の伝搬方向に対して略垂直な方向の断面積が、素子先端方向に向けて連続的に減少するよう形成され、前記第四のコアは、光の伝搬方向に対して略垂直な方向の断面積が一定となるように、前記第一のコアと連続して形成され、前記第一のコア又は第四のコアが、前記第三のコアよりも、前記基板に対して上方に積層されていることが好ましい。

本発明によれば、第二の領域において光は、光の進行方向に対して変化の少ないモードフィールドを有して伝播するので、第二の領域の外部に光の伝搬方向に対して接続される光学素子との結合効率のばらつきの発生を低減することができ、安定的な結合効率を有する光学素子を提供することができる。
また、第二の領域において光は、光の進行方向に対して変化の少ないモードフィールドを有して伝播するので、仮に、光学素子の製造時に第二の領域が切断されて使用される領域であって、切断位置が光の伝搬方向前後にばらついた場合であっても、接続される光学素子との結合効率のばらつきの発生を低減することができ、安定的な結合効率を有する光学素子を提供することができる。

本発明において、第二のコアの材質が第一の領域のクラッドと同一であるか、あるいは、第二のコアの材質が、前記第一の領域の第一のコア及びクラッドと異なるようにすることで、より高効率に外部の光学素子に結合する光学素子を提供することができる。
本発明において、第二のコアが、前記基板の底面に略平行な方向の幅が、素子先端に向かって広がるように形成された部位を有することにより、外部の光学素子のスポットサイズと本発明の光学素子のスポットサイズを合わせることができるようになり、その場合により高効率に、外部の光学素子に結合する光学素子を提供することができる。

本発明において、前記第一の領域が、さらに第三のコア及び第四のコアを有することで、素子先端方向に向かって、第二のコアの垂直方向の高さと、第三のコアと第四のコアから構成されるコアの垂直方向の高さを個々に変化させることができるようになり、各コアにおける有効屈折率の変化を緩やかにして、より高効率に、外部の光学素子に結合することができるようになる。また、第三のコアと第四のコア、及び第二のコアに異なる材料を用いることで、さらにこれらのコア間での有効屈折率の変化を緩やかにして、より高効率に、外部の光学素子に結合することができる光学素子を提供することができる。

本発明に係る光学素子の第一実施形態を示す説明図である。同実施形態の光学素子における素子の領域の単一モード導波路部分の断面図である。同実施形態の光学素子の部分拡大図であり、図３（Ａ）は図１に示す光学素子の、素子の領域及び第一の領域のｘｙ面の断面図、図３（Ｂ）は図１に示す光学素子の高屈折率光伝送部の中央部における素子の領域及び第一の領域のｚｙ面の断面図である。図３のビーム集束部Ｄとビーム集束部Ｅの境界面における断面図である。図３の単一モード導波路部における断面図である。同実施形態の光学素子のリッジ部とスラブ部とトレンチ部を含めて示す断面図である。同実施形態の光学素子の第二の領域における断面図である。同実施形態の光学素子の構造に基づく切断位置のばらつきによる結合効率の計算結果を示す図である。従来構造の光学素子の構造に基づく切断位置のばらつきによる結合効率の計算結果を示す図である。図９に示す計算結果を求めた光学素子の構造を示す断面図である。本発明に係る第二の実施形態の光学素子におけるコア構造を示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
以下に説明する実施形態は、フォトニック結晶層を含む光学素子に対して本願のスポットサイズ変換光導波路部を有する光学素子を適用した場合の実施形態である。
図１は、本実施形態に係る光学素子の説明図であって、図１に示す実施形態の光学素子１は、単一モード導波路部から外部の光学素子に光を伝搬させる際のインターフェースとして高効率な光結合を提供するものである。
図１に示すように、本実施形態における光学素子１は、素子の領域Ａ、第一の領域Ｂ及び第二の領域Ｃを主体として構成されている。素子の領域Ａは、光の伝搬方向において素子内部に位置する、シングルモード導波路部である。第一の領域Ｂは、光の伝搬方向において素子内部側に位置し、第二の領域に向かって幅が漸次減少する逆テーパー状のコアを有する。第二の領域Ｃは、光の伝搬方向において素子最先端部に位置し、素子を製造する際にこの位置で切断され、シングルモードであることを特徴とする。素子の領域Ａ、第一の領域Ｂ及び第二の領域Ｃは、いずれも基板２を最下層として構成されている。

次に、各領域Ａ、Ｂ、Ｃについて、それらの概要を説明し、その後、本実施形態の詳細を図面に基づいて説明する。
素子の領域Ａは、素子内にて他の機能を有する部分から素子先端へ光を導波する役割を果たす。
他の機能とは、受発光器、干渉計等、光を用い、外部との接続を有する機能のことである。また、他の機能がこの素子の領域に含まれている場合も考えられる。本実施形態においては、他の機能として、分散補償機能が素子の領域に含まれている場合もある。また、特に本発明における素子の領域Ａの導波路は低屈折率比である必要はなく、シリコンをはじめとする、高屈折率比の導波路においても、効果を発揮するものである。

第一の領域Ｂは、光の伝搬方向において、素子先端に向かって漸次幅が狭くなる逆テーパー状のコアを有し、素子先端に向かってスポットサイズを漸次拡大する効果がある。逆テーパー構造は必ずしも一段である必要はなく、本実施形態においては、二段の逆テーパー構造とされている。

第二の領域Ｃは、本発明の光学素子の製造過程においてこの領域の途中で切断される部分であり、シングルモード導波路より構成される。第二の領域Ｃの構造は、隣接する第一の領域Ｂの構造により特に制限される必要はなく、コア及びクラッドの材質、高さ、幅を適宜選択することで、光の進行方向に対して、モードフィールドの変化の少ない構造とすることができる。ここでモードフィールドとは、光を伝搬させた場合の断面における電磁界の強度分布を指す。また、本明細書において高さとは、特に断りの無い限り、基板２のクラッド積層面（底面）に対して略垂直な方向の高さを指す。さらに、幅とは、基板２のクラッド積層面（底面）に対して略平行な方向の幅を指す。

本実施形態においては、第二の領域Ｃの第二のクラッド２２は、第一の領域のクラッド３と異なる断面形状を有する。更に、第二の領域Ｃの第二のクラッド２２は、第一の領域のオーバークラッドと称することができる低屈折率光伝送部５と異なる断面形状を有する。
また、クラッド２２の、光の伝搬方向に対して略垂直な方向の断面積を、適度に広くとることにより、高次モードの影響を低減し、外部の光学素子との結合効率の変化を低減させる効果を有する。
例えば、本実施形態において、後述するように、図６に示す第一の領域のクラッド３Ａ、３Ｂの各サイズ（図６に数値で示す寸法）に対し、図７に示す如く、例えば、クラッド２２のトレンチ部２２ｃの断面を幅２８μｍとし、トレンチ部２２ｃを含めたクラッド２２の全体の高さを３６．９５μｍ（２１．２５μｍ＋１５．７μｍ）とする設計例を示すことができるが、当該設計例に限られるものではなく、接続する外部の光学素子の構造や、各構成部材に用いる材料が有する屈折率に応じて最適な大きさに設定することができる。

以降、本発明に係る光学素子の一実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。
図２は、本発明の素子の領域Ａにおける単一モード導波路部の断面図である。
基板２は、例えば、屈折率が約３．４のシリコン等によって形成される。クラッド３（３Ａ）は、本発明における第一の領域Ｂのクラッドと第２の領域Ｃのクラッドとして機能し、低屈折率光伝送部５より低い屈折率を有する材料、例えば、酸化シリコン（屈折率が約１．４５）によって、基板２上に積層されて形成されている。

図３は、光学素子の部分拡大図であり、図３（Ａ）は、図１における光学素子１の素子の領域Ａおよび第一の領域Ｂのｘｙ面の断画図であって、後述する低屈折率光伝送部５のリッジ部５ａ及びスラブ部５ｂを省略して図示するものである。また、図３（Ｂ）は、図１における光学素子１の高屈折率光伝送部６の中央部における素子の領域Ａおよび第一の領域Ｂのｚｙ面の断面図であり、図３（Ａ）における一点鎖線で図示するＦ−Ｆ部における断面図である。なお、図３（Ｂ）においては、上記クラッド３のうち、本発明における第一のクラッドとして機能するクラッドをクラッド３Ａとして図示し、本発明における第二のクラッドとして機能するクラッドをクラッド３Ｂとして図示することとする。

図３に示すように、基板２の底面側において、第一の領域Ｂの素子先端側の部分にはトレンチ溝２ａが形成され、このトレンチ溝２ａを埋めるようにして後述するクラッド３Ｂと低屈折率光伝送部５のトレンチ部５ｃが第二の領域Ｃの直前部分まで設けられている。
シリコン層４は、シリコン層４ａ及び４ｂとから成り、上記フォトニック結晶層７の母材であり、ＳｉＮなどからなる高屈折率光伝送部６より高い屈折率を有する材料、例えば、屈折率が約３．４のシリコン等によって形成される薄膜である。

次に、図３を参照しながら、フォトニック結晶層７についてより具体的に説明する。
図３（Ｂ）に示す如く、フォトニック結晶層７は、本発明における第一のクラッドとしてのクラッド３Ａ上に積層されている。フォトニック結晶層７は、第二の物質としてのシリコンによって形成された母材に面状に複数の孔を形成し、当該孔に母材の屈折率（誘電率）と異なる屈折率（誘電率）を有する第一の物質としてのシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）等を充填することによって、シリコン酸化膜を所定のサイズと所定の配置間隔でシリコン中において面状に配して形成したものである。そして、当該シリコンによる母材が、上記シリコン層４ａ及び４ｂと連続してクラッド３Ａ上に形成されている。なお、上記面状とは、フォトニック結晶層７内に二次元方向に配列されている平面状等の形状を意味し、光パルスに対して波長分散変動を付与するフォトニック結晶としての効果を発揮させる場合には、フォトニック結晶層７が製造工程において曲面や平面と曲面とが組み合わされた形状となった場合に当該形状に沿った配列も含むものとする。なお、シリコンを母材とするフォトニック結晶層にかかる分散補償素子に関して特許出願（特願２００４−３１５１６７号：特許第３９１７１７０号公報）において公開されている。

このようなフォトニック結晶層７の母材であるシリコンによって成形されたシリコン層４ｂは、光の伝搬方向に対して略垂直な方向の断面積（図１におけるｘｚ平面）が、光の伝搬方向（素子先端方向、図１における−ｙ方向）に向けて連続的に緩やかに減少していく逆テーパー状に（換言すれば、カップリング部のビーム集束部Ｄに突出して）形成されており、第一の領域Ｂにおける逆テーパー構造の一部として機能する。この逆テーパー構造のシリコン層４ｂを第三のコアと称することができる。

より具体的に説明すると、シリコン層４ｂは、図３に示すビーム収束部Ｄとビーム集束部Ｅの境界面における断面図である図４に記載の如く、断面積が小さいが、図１及び３（Ａ）に記載の如く、素子の領域Ａ側に向けて徐々に断面積が広くなり、最終的には、図３に示すカップリング部のビーム集束部Ｄと単一モード導波路部Ｇの境界面における断面図である図５に記載の如く、単一モード導波路部Ｇのフォトニック結晶層７に一体化されている。

また、高屈折率光伝送部６は、フォトニック結晶層７の上からシリコン層４ｂを介してシリコン層４ｂの素子先端側部分まで延在されて、その幅を均等にした基部コア（第四のコアと称する）６Ａと、基部コア６Ａの先端部から先窄まり状とされたテーパー部（第一のコアと称する）６Ｂとを具備して構成されている。高屈折率光伝送部６の周囲には、以下に説明するリッジ部５ａ、スラブ部５ｂ及びトレンチ部５ｃを有する低屈折率光伝送部５が形成されている。高屈折率光伝送部６は、例えば、屈折率２．０の窒化シリコン（ＳｉＮ）など、後述の低屈折率光伝送部５よりも高屈折率の材質からなる。なお、シリコン層４ｂは、第一のコアより高い屈折率を有する材質からなるものが好ましい。

低屈折率光伝送部５は、高屈折率光伝送部６と共に本発明における光伝送部として機能し、上記高屈折率光伝送部６より低い屈折率を有する材質、例えば、屈折率が約１．５に調整された酸窒化シリコンによって形成される。そして、カップリング部のビーム集束部Ｅにおいて高屈折率光伝送部６の周囲に配され、且つ図６に示す如く、高屈折率光伝送部６に対して水平方向（図１におけるｘ方向）及び垂直方向（図１におけるｚ方向〉に突出するリッジ部５ａ及びスラブ部５ｂを有し、さらにトレンチ部５ｃを有するように形成されている。トレンチ部５ｃは、第二のクラッドとして機能するクラッド３（図３（Ｂ）においてクラッド３Ｂとして図示する。）上に積層されている。即ち、先に説明した基板２のトレンチ溝２ａを埋めるようにクラッド３Ｂとトレンチ部５ｃとが積層形成されている。
また、高屈折率光伝送部６に対して垂直２方向（図１における±ｚ方向）に突出する部分であるリッジ部５ａ及びトレンチ部５ｃは、それぞれ所定の幅を有して設けられており、これらが光の閉じ込めを行なうための光の閉じ込め部として機能するよう構成されている。

図７は、第二の領域Ｃにおける、光の伝搬方向に対して略垂直な方向の断面図を表す。
第二の領域Ｃの切断位置部クラッド２２は、素子の領域Ａ及び第一の領域Ｂと共通の基板２の上に形成され、例えば、酸化シリコンからなる。切断位置部クラッド２２は、第二の領域Ｃにおける基板２Ａの底面側に形成されたトレンチ溝２ｂを埋めるとともに、基板２Ａの上方側に、先の第一の領域Ｂにおける低屈折率光伝送部５のリッジ部５ａと同じ高さまで積層形成されている。本実施形態では、基板２Ａのトレンチ溝２ｂは、前記断面においてその深さ及び幅が、ともに第一の領域Ｂにおける低屈折率光伝送部５のスラブ部５ｂよりも大きくなるように形成されている。従って、トレンチ溝２ｂに形成されたトレンチ部２２ｃは、第一の領域Ｂにおけるトレンチ部５ｃよりも、前記断面において幅が大きくなるように形成されている。また、トレンチ溝２ｂから上方に突出しているトレンチ部２２ｃの幅も、前記断面において、第一の領域Ｂにおける低屈折率光伝送部５のスラブ部５ｂよりも大きくなるように形成されている。

切断位置部クラッド２２の前記断面における略中央部には、直方体ブロック状の切断位置部コア２１が、第一の領域Ｂにおける高屈折率光伝送部６の先端部と接触するように、位置合わせされて設けられている。より具体的には、切断位置部コア２１の第一の領域Ｂ側の端面における略中央部に、高屈折率光伝送部６の先端部が位置合わせされている。
第二の領域Ｃの切断位置部コア２１は、例えば、第一の領域Ｂの低屈折率光伝送部５に使用される酸窒化シリコンからなる。なお、切断位置部コア２１の材質は、クラッド３と同一でも良いし、異なっていても良く、高屈折率光伝送部６と同一でも良いし、異なっていても良い。ただし、本発明においては、切断位置部コア２１の材質は、クラッド３と同一であるか、クラッド３及び高屈折率光伝送部６と異なることが好ましい。このようにすることで、本発明の光学素子をより高効率に外部の光学素子と結合させることができる。
切断位置部コア２１と切断位置部クラッド２２は、シングルモード条件を満たすよう構成されている。そして、切断位置部コア２１は、第二のコアと称することができる。

第二の領域Ｃにおいて、切断位置部クラッド２２の、光の伝搬方向に対して略垂直な方向の断面形状は、素子の領域Ａ、第一の領域Ｂに縛られることなく決定される。例えば、図６に示すように、第一の領域Ｂにおいて、トレンチ部５ｃの深さが４．２μｍであるのに対し、図７に示すように、第二の領域Ｃにおいて、トレンチ部の深さは１５．７μｍである。このような形状及びサイズの関係は、以下に述べる効果を生む。

本実施形態の光学素子１から、外部の光学素子に対して伝搬する光は、第一の領域Ｂから第二の領域Ｃに伝搬するに際して、大部分は第二の領域Ｃの唯一の伝搬モードに結合し、また残りは第二の領域Ｃの前記切断位置部クラッド２２へ侵入し、さらに残りは第一の領域Ｂへ反射する。このとき、本実施形態の構造をとることにより、唯一の伝搬モードに結合した光は、安定的に伝搬する。また、第二の領域Ｃの切断位置部クラッド２２へ侵入した光は、図１のｘｚ面における外側へ広がるので、第二の領域Ｃの伝搬モードヘの干渉が低減される。従って、第二の領域Ｃに侵入した光は、ｙ方向に安定したモードフィールドを有する。また、逆に外部の光学素子より本実施形態の光学素子１へ入射する光も、同様に、ｙ方向に安定したモードフィールドを有する。

この効果を奏するために、本実施形態の光学素子１にあっては、図１、３、６及び７等に示す如く、第一の領域Ｂと第二の領域Ｃとの接続面において、第二の領域Ｃの切断位置部コア（第二のコア）２１が、基板２の底面に対して略垂直な方向（図１におけるｚ方向）に、第一の領域Ｂの第一のコア６Ｂ及びクラッド３Ｂの合計の高さよりも低い高さを有している。そして、前記接続面において、基板２の底面に対して略垂直な方向（図１におけるｚ方向）の切断位置部コア（第二のコア）２１の高さは、図６及び７に示す如く、同方向のクラッド３Ｂの高さよりも低くても良いし、反対に高くても良い。

なお、ここでは図示を省略するが、前記接続面において、切断位置部コア（第二のコア）２１が、基板２の底面に対して略垂直な方向（図１におけるｚ方向）に、第一のコア６Ｂ及びクラッド３Ｂの合計の高さと同じ高さを有していても、同様の効果を奏する。この場合も、前記接続面において、切断位置部コア（第二のコア）２１の高さは、クラッド３Ｂの高さよりも低くても良いし、高くても良い。なお、この場合、切断位置部コア（第二のコア）２１の、基板２の底面に対して略平行な方向（図１におけるｘ方向）の幅は、図１、３、６及び７等に示す如く、第一のコア６Ｂ及びクラッド３Ｂの合計の幅よりも小さくても良いし、反対に大きくても良い。
また、シングルモード導波路では、基本モードのモードフィールドの広がりは、光の伝搬方向に対して略垂直な方向のコアの断面積が大きい方が大きくなるが、その一方で、同方向のコアの断面積を漸次狭めることによって、その断面に対して大きくすることもできる。そこで、第二の領域Ｃの切断位置部コア（第二のコア）２１について、基板２の底面に対して略垂直な方向（図１におけるｚ方向）の高さ、及び略平行な方向（図１におけるｘ方向）の幅の、少なくとも一方の値を、第一の領域Ｂの低屈折率光伝送部５よりも小さくすることでも、上記と同様の効果を奏する。

本発明の光学素子は、製造時に特定の位置を切断し、そこを端面として外部の光学素子と接続する。このとき、切断する位置には製造上のばらつきが必然的に生じる。本発明の光学素子１は、第二の領域Ｃにおいて切断されるが、上記説明のように、光学素子１は、光の伝搬方向とその逆方向（図１における±ｙ方向）において、モードフィールドの変化が少なく、切断位置がばらついても安定した結合効率を発揮することが可能となる。
なお、図６及び７中に、外部に接続する光学素子としてコア径８μｍ、クラッド径１２５μｍ、比屈折率差０．３４％のシングルモードファイバーを想定した場合の、高効率での光結合を可能とする各構成部材の設計例（寸法例）を示す。しかし、本発明における各構成部材のサイズ及び各構成部材間のサイズ比等は当該設計例に限られるものではなく、接続する外部の光学素子の構造や、各構成部材に用いる材料が有する屈折率に応じて最適な種類、大きさに設定することができるのは勿論である。

「本実施形態における計算例」
本発明によれば、切断位置の変化に対して、他の光学素子との結合効率の変化を低減させることができる。上記で説明した本発明の光学素子と、従来技術の光学素子における、切断位置のばらつきによる結合効率の変化の計算例を図８及び９に示す。
ここで従来技術の光学素子とは、本発明における素子の領域Ａ及び、第一の領域Ｂと同じ領域を有し、更に第二の領域Ｃに代わり、図１０に例示する断面（光の伝搬方向に対して略垂直な方向の断面）を有する第二の領域を有して構成された光学素子である。図１０に示す断面は、図６に示す第一の領域Ｂの一部から、高屈折率光伝送部６を削除し、その部分に低屈折光伝送部５と同じ材質を満たした構造を有している。

また、切断位置のばらつきによる結合効率の変化の計算とは、上記２つの光学素子それぞれと、コア径８μｍ、クラッド径１２５μｍ、比屈折率差０．３４％のシングルモードファイバーとの結合効率を、第二の領域の、図１におけるｙ方向の長さに対して階段接続法に基づきシミュレーション計算したものである。

また、図８及び９に示す切断位置とは、それぞれの光学素子が製造時に切断される位置を示し、第一の領域Ｂとの境界から素子端面までの距離、すなわち上述のそれぞれの光学素子の第二の領域Ｃ（第二の領域）の図１におけるｙ方向の長さに対応して示している。

図８及び９に示す結果の比較より、切断位置の０〜１００μｍの範囲における結合効率の変化率を比較すると、従来技術の光学素子が１４．６％であるのに対し、本発明に係る光学素子によれば３．７％であり、結合効率の変化率に改善が見られることがわかる。
即ち、本発明に係る光学素子の構造を採用すると、第二の領域Ｃにおける切断位置が仮にばらついたとしても、従来技術の光学素子と比較して、結合効率の変化率を低減できることが明かである。

「第二の実施形態」
第一の実施形態に係る光学素子１では、第二の領域Ｃにおいて、断面形状が光の伝搬方向に沿って一定となるように形成したが、本発明はこれに限定されず、第二の領域Ｃにおいて、シングルモード条件を満たすように断面形状を変化させても良い。
より具体的には、図１１に示すように、第二の領域Ｃにおいて、切断位置部コア２１Ａが、基板の底面に略平行な方向の幅が、素子先端に向かって連続的に広がるように形成された切断位置部テーパーコア２１ａと、続いて素子先端に向かって、光の伝搬方向に対して略垂直な方向の断面形状が一定となるように形成された切断位置部定常コア２１ｂとを有するように形成しても良い。その他の構造については、図１〜５に示した実施形態の構造と同じである。
ただし、第二の実施形態においては、切断位置部定常コア２１ｂが存在する部位を切断位置とする。

第二の実施形態によれば、第一の領域Ｂと第二の領域Ｃの境界におけるスポットサイズを、第二の領域Ｃにおいてさらに拡大することができ、切断位置部による結合効率の変化を少なく保ったまま、より結合効率を高めることができる。

Ａ…素子の領域（単一モード導波路部）、Ｂ…第一の領域、Ｃ…第二の領域、Ｄ、Ｅ…ビーム集束部、１…光学素子、２…基板、３…クラッド、３Ａ…第一のクラッド、３Ｂ…第二のクラッド、４…シリコン層、４ａ…シリコン層、４ｂ…シリコン層（第三のコア）、５…低屈折率光伝送部、５ａ…リッジ部、５ｂ…スラブ部、５ｃ…トレンチ部、６…高屈折率光伝送部（第一のコア）、６Ａ…基部コア（第四のコア）、７…フォトニック結晶層、２１…切断位置部コア（第二のコア）、２１ａ…切断位置部テーパーコア、２１ｂ…切断位置部定常コア、２２…切断位置部クラッド。

Claims

基板上方にスポットサイズ変換光導波路部を有する光学素子であって、
前記スポットサイズ変換光導波路部が、互いに隣接する第一の領域と第二の領域を少なくとも有し、
前記基板は、前記第一の領域と第二の領域において、底面側にトレンチ溝が形成され、
前記第一の領域は、光の伝搬方向において素子内部側に位置して、第一のコア、クラッド、及び低屈折率光伝送部を有し、前記低屈折率光伝送部は、前記第一のコアよりも屈折率が低くて、前記クラッドよりも屈折率が高く、前記トレンチ溝を埋めるように、前記クラッド及び低屈折率光伝送部がこの順に積層形成され、
前記第二の領域は、光の伝搬方向において素子先端側に位置して、第二のコア及びクラッドを有し、前記トレンチ溝を埋めるように、前記クラッドが形成され、
前記第一のコアは、前記第二の領域に向けて、前記基板の底面に対して略平行な方向の幅が減少する逆テーパー状であり、
前記第二のコアが、第一の領域と第二の領域との接続面において、前記基板の底面に対して略垂直な方向に、第一の領域の第一のコア及びクラッドの合計の高さよりも低い高さを有し、
前記第二の領域において、前記トレンチ溝を埋めるように形成された前記クラッドが、前記第一の領域において、前記トレンチ溝を埋めるように形成された前記低屈折率光伝送部よりも、光の伝搬方向に対して略垂直な方向の断面において、幅が広いことを特徴とする光学素子。
前記第二の領域において、前記トレンチ溝から上方に突出して形成された前記クラッドが、前記第一の領域において、前記トレンチ溝から上方に突出して形成された前記低屈折率光伝送部よりも、光の伝搬方向に対して略垂直な方向の断面において、幅が広いことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
前記第二のコアについて、前記基板の底面に対して略垂直な方向の高さ、及び略平行な方向の幅の、少なくとも一方の値が、前記低屈折率光伝送部よりも小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
前記第二のコアが、前記第一の領域のクラッドと材質が同一であ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学素子。
前記第二のコアが、前記第一の領域の第一のコア及びクラッドと材質が異な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学素子。
前記第二のコアが、前記基板の底面に略平行な方向の幅が、素子先端に向かって広がるように形成された部位を有す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学素子。
前記第一の領域が、さらに第三のコア及び第四のコアを有し、
前記第三のコアは、前記第一のコアより高い屈折率を有する材質からなり、光の伝搬方向に対して略垂直な方向の断面積が、素子先端方向に向けて連続的に減少するよう形成され、
前記第四のコアは、光の伝搬方向に対して略垂直な方向の断面積が一定となるように、前記第一のコアと連続して形成され、
前記第一のコア又は第四のコアが、前記第三のコアよりも、前記基板に対して上方に積層されたことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。