JP5259829B2 - 光結合装置及び光合分波装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバー或いは空間中を伝播する光信号を光導波路装置に結合させる光結合装置及び複数の光信号を１つの光信号に合波或いは１つの光信号を複数の光信号に分波する光合分波装置に関する。

従来からデジタル光伝送技術の研究開発が盛んに行われているが、幹線系、メトロ、アクセス系に至るまで光通信網の技術は急速に進展しており、ＦＴＴＨの普及もあって身近な技術ともなっている。最近は、更にコンピュータ或いはデジタル機器のボード間でも高速の信号伝達の必要が高まっており、光伝送・光配線技術の実用化が進んでいる。更には、チップ間やチップ内における配線も、集積回路の配線ボトルネックの問題を克服するために、光配線に置き換える技術が待望されており、精力的な研究開発が進められている。これは光信号伝送が電気信号伝送より伝送速度や信号間の干渉等の点で優れているからである。昨今の通信トラフィックの急速の増大や、ボード間からボード内へ、更にチップ間からチップ内へと光の高速性を活かした配線の必要性の急速な高まりを背景に、こうした光伝送・光配線用の光装置、光モジュールや光回路の小型化、低消費電力化が大きな課題となってきている。

光配線技術の分野においては、シリコンのＬＳＩにおける成熟したプロセス技術が利用できるシリコン・フォトニクスの研究の進展により、シリコンとシリコン酸化物或いは空気との間の高屈折率差を利用して極めて微細（断面５００ナノメートル角以下）で急な曲がりにおいても低損失な導波路の実現が可能となり、光通信用の送受信モジュール及びシステムの小型化、低消費電力化や、シリコンＬＳＩへの光配線の導入及び融合化が可能となりつつある。こうした光配線用の装置として、発光、光変調、受光といった能動装置とともに、光導波路を含む光装置間或いは光装置内での光結合や光分岐のための小型で高効率の光結合分波装置は、極めて重要な開発要素となっている。

特に、光結合装置においては、やはり高縮小率（１〜２桁以上）、高効率で作製も容易なスポットサイズ変換器が実用化のためのキー装置となってくる。

従来、高効率の光結合を行なうスポットサイズ変換器として、特許文献１に開示されるように、シリコン細線の逆テーパ構造と光閉じ込めのためのクラッドとを組み合わせた方法が、微細加工に適したシリコンの特徴を活かして作製も集積化も比較的容易なことから、広く用いられている。

但し、高効率結合のためには、先端幅が数十ｎｍ以下の長い（数百μｍ）テーパを作製する必要があり、このために電子ビーム（ＥＢ）リソグラフィによる微細パターニングが要求されるため、量産化には向かないという問題がある。また、断熱的なモード変換を行なうためテーパ長が極めて長くなり、高密度の集積化が困難であることも、特に小さなＬＳＩチップ上の光配線に応用する際には重大な問題となっている。

また、一方で、光を複数の導波路に効率良く分配する光合分波装置は、光変調器等で多用される光干渉計のように内部に光分岐を有する装置の高効率動作、或いは、信号処理の多重化や並列処理に必要な光合分波の高効率化のための鍵となる装置である。これを実現する装置としては、（１）連続的な分岐導波路、（２）多モード干渉を用いた光合分波装置がよく用いられる。

特開２００９−３６８７３号公報 特開２００８−２６１９５２号公報

上述したように、従来、ＬＳＩチップ上の光配線のために高縮小率或いは高拡大率で光ビームを縮小或いは拡大し、しかも、高効率で光ビームを結合する光結合装置では、量産化に向かない高度な微細加工技術が要求され、また装置長も極めて長くなるため、実用化や量産化が難しいという問題がある。

特に、ＬＳＩチップ上に光配線による回路を形成する場合、光導波路同士の交差は、避けられず、交差における損失やクロストークをいかに低減するかが課題となっている。これを解決する方法が幾つか提案されている。例えば、（１）直接交差させて交差部における伝播光のモード形状が導波路間でできるだけ重ならないように、交差部の形状を工夫する方法、（２）交差部で、一方は、導波路内を、他方は、導波路外（クラッド層）を伝播するようにする方法、（３）光配線を多層化して交差は、異なる層の間でのみ生ずるように配線する方法、などがある。これらの提案の中で光配線を多層化して直接交差を避ける方法は、交差部での損失やクロストークを完全に無くすことが可能な唯一の方法とされている。

但し、この多層化配線の構造では、異なる層間を繋ぐ導波路或いは導波路間の光結合装置が必要となる。このうち層間を繋ぐ導波路を形成するには、３次元的な曲がり導波路を形成するための高度な立体加工及び立体配線技術が要求され、実現は極めて難しいとされている。それに比べて光伝播の高さを制御する光結合装置を介して異なる層に配線されている光導波路同士を結合させる方が遥かに容易である。これを実現する方法として、異なる層に配置された２本の導波路の先端部を逆テーパ状に加工して、これらを互いに対向させて光の伝播する層を切り替える方法が特許文献２で提案されている。但し、この方法は、高性能ではあるが、逆テーパ同士の高効率の結合のために極めて長いテーパ長（数百ミクロン〜１ミリ以上）が必要となるため、チップ上での高密度の光配線に適用することは困難であるとされている。

また、光合分波装置にあっても次のような問題があることが指摘されている。

（１）の分岐導波路にあっては、特に、単一モードのシリコン細線導波路にあっては、分岐部における反射或いは散乱による損失を低減するため、形状（局率、太さ、オフセット等）の微妙な制御が必要となり、高精度の微細加工技術が要求される。また、（２）の光合分波装置にあっては、干渉を利用しているため、装置の幅や長さ及び導波路との結合部分の形状等について、やはり高精度の微細加工を行なう必要があり、作製の容易な光合分波装置を実現することは困難であるとされている。また、いずれの構造において多層に配置された光配線層の間で、光を立体的に分岐させることは、複雑で立体的な装置構造を要求されるため実現が困難であるとされている。

このように、従来、作製の容易で異なる光配線層間で立体的な分岐により光を分配したり、合波したりする光合分波装置の実現は、困難であるとされている。

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、その目的は、高縮小率或いは高拡大率で光ビームを縮小或いは縮小し、しかも、高効率で光ビームを結合することができ、小型で作製も容易で量産化にも適した光結合装置及び光合分波装置を提供するにある。

この本発明の実施の態様によれば、
第１面を有する第１のクラッド層と、
光波が射出される出射側の１端に出射ポートを有する直線状部及びこの直線状部の他端に連接し、光波の入射側に向けて次第に幅が減少されるテーパ部とから構成され、光波の導波方向に沿って延出されるように前記第１面に形成されるストリップ状主導波路と、
この主導波路の両側に並列される複数の補助導波路でであって、その夫々が前記光波の入射側及び出射側に向けて次第に幅が減少され、互い連接されている第１及び第２のテーパ部で構成される補助導波路と、及び
前記主導波路、前記補助導波路及び前記第１のクラッド層を覆う第２のクラッド層であって、前記第１のクラッド層或いは前記第２のクラッド層に導入された光波を前記補助導波路が主導波路に向けて収斂して光波を前記補助導波路に結合させる前記第１のクラッド層と、
から構成される光結合装置が提供される。

この本発明の他の実施の態様によれば、
第１面を有する第１のクラッド層と、
光波の入射側からこの光波の射出側に向ける光波の導波方向に沿って前記第１面上を延出され、第１の先端部を有する第１のテーパ部を備える第１の導波路であって、前記第１のテーパ部の横幅が前記射出側に向けて漸減する第１の導波路と、
前記光波の導波方向に沿って前記第１面上を延出され、第２及び第３の先端部を有する第２及び第３のテーパ部を備え、並列配置された第２及び第３の導波路であって、前記第２及び第３のテーパ部の横幅が前記入射側に向けて漸減し、前記第２及び第３の先端部が間隔を空けて配置され、前記第１の先端部が前記第２及び第３の先端部間に向けられている第２及び第３のテーパ部を備える第２及び第３の導波路と、
前記第１、第２及び第３の導波路及び前記第１面を覆う第２のクラッド層であって、前記入射側から前記第１の導波路に導波される光波を前記第２及び第３の導波路に結合させて前記第２及び第３の導波路に分岐させる第２のクラッド層と、
を具備することを特徴とする光合分波装置が提供される。

この本発明の更に他の実施の態様によれば、
第１面を有する第１のクラッド層と、
光波の射出からこの光波の入射側に向ける光波の導波方向に沿って前記第１面上を延出され、第１の先端部を有する第１のテーパ部を備える第１の導波路であって、前記第１のテーパ部の横幅が前記入射側に向けて漸減する第１の導波路と、
前記光波の導波方向に沿って前記第１面上を延出され、第２及び第３の先端部を有する第２及び第３のテーパ部を備え、並列配置された第２及び第３の導波路であって、前記第２及び第３のテーパ部の横幅が前記射出側に向けて漸減し、前記第２及び第３の先端部が間隔を空けて配置され、前記第１の先端部が前記第２及び第３の先端部間に向けられている第２及び第３のテーパ部を備える第２及び第３の導波路と、
前記第１、第２及び第３の導波路及び前記第１面を覆う第２のクラッド層であって、前記入射側から前記第２及び第３の導波路に導波される光波を前記第１の導波路に結合させて前記第１の導波路に合波させる第２のクラッド層と、
を具備することを特徴とする光合分波装置が提供される。

この発明の実施の形態に係る光結合装置では、一端に逆テーパを有する主導波路の両側の領域に、両端がテーパで終端する複数の補助導波路が配置されてテーパ導波路のアレイ構造が構成されている。従って、高縮小率或いは高拡大率で光ビームを縮小或いは拡大し、しかも、高効率で光ビームを結合することができ、且つ、小型に容易作成することができる。従って、細線光導波路で光密度へ光信号を収斂することができ、高集積化が可能な光装置及び光配線の実用化及び量産化を可能とする光結合装置が実現できる。

また、この発明の他の実施の形態に係る光合分波装置においては、逆テーパを有するクラッド層と、複数のクラッド層内に配置された複数の逆テーパ導波路のアレイを組み合わせて、１本の導波路の出力を複数の導波路に分岐して分配し、或いは、逆に複数の導波路の出力を１本の導波路に合波している。

この構造によって、高効率かつ小型で作製も容易で異なる光配線層間にまたがる光分配を可能とする。その結果、交差による損失やクロストークの無い光配線を可能する光合分波装置を実現することができる。

以上のように、本発明によれば、細線光導波路で光密度の増強並びに高集積化を利用した光装置及び光配線の実用化及び量産化を可能とする光結合装置並びに光合分波装置が提供される。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光結合装置の構造を透視して示す斜視図である。 図２は、図１に示される光結合装置の構造を概略的に示す平面図である。 図３Ａは、比較例に係る単一テーパ型の光結合装置を概略的に示す平面図である。 図３Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る光結合装置の構造を概略的に示す平面図である。 図３Ｃは、図１及び図２に示した光結合装置の構造を概略的に示す平面図である。 図４（ａ）及び（ｂ）は、図１及び図２に示した光結合装置における光結合及び伝播の様子をシュミュレーションで示す模式図及びグラフである。 図５は、この発明の第３の実施の形態に係る光結合装置の構造を示す平面図である。 図６は、本発明の実施の形態に係る光合分波装置の構造を示す平面図である。 図７は、図６に示す光合分波装置に伝播される分岐前の光ビーム形状を示す模式図である。 図８は、図６に示す光合分波装置において分岐途中の光ビーム形状を示す模式図である。 図９は、図６に示す光合分波装置において分岐後の光ビーム形状を示す模式図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態に係る光結合装置及び光合分波装置について詳細に説明する。

図１は、この発明の第１の実施の形態に係る光結合装置の構造を示し、図２は、この図１に示される光結合装置の平面配置を示している。この図１及び図２に示される基板１は、ＳＯＩ基板上に二酸化シリコン（ＢＯＸ層）が下部クラッド層として形成されている基板構造を有している。この基板１は、平坦な主面を有し、この平面上に主導波路２及び第１〜第４の補助導波路３、４、５、６がコア層として並列して形成されている。主導波路２は、１端に基板１の側面に揃えられ、他の光学部品、例えば、光ファイバーに光学的に連結される光射出ポート２Ａを備えている。主導波路２は、偏平なストリップ状に形成され、光結合装置の光導入領域８の側に向けて直線的に延出される直線部２−１及びこの直線部に連結され、延出方向に沿って次第に幅が減少されるテーパ部２−２を備えている。テーパ部２−２の端面２Ｂは、光導入領域８に向けられている。この第１〜第４の補助導波路３、４、５、６の最大幅は、主導波路２のテーパ部２−１の最大幅よりも小さい幅に設定されるように第１〜第４の補助導波路３、４、５、６が主導波路２よりも狭い幅を有するように形成されている。また、第１及び第２の補助導波路３、４の最大幅は、第３及び第４の補助導波路５、６の最大幅よりも大きい幅に設定される。第１〜第４の補助導波路３、４、５、６は、主導波路２から離れる方向に沿って配列され、しかも、離れるに従ってより狭い幅を有するように形成されている。

第１及び第２の補助導波路３、４は、主導波路２で区画された主面上の一方の領域に形成され、第３及び第４の補助導波路５、６は、主導波路２で区画された主面上の他方の領域に形成されている。第１〜第４の補助導波路３、４、５、６は、略等しい全長を有し、主導波路２の延出方向に沿って延出するように配置されている。また、第１〜第４の補助導波路３、４、５、６は、夫々主導波路２の直線部２−１に沿って次第に幅が減少される第１のテーパ部３―１、４―１、５―１、６―１及び主導波路２のテーパ部２−２に沿って次第に幅が減少される第２のテーパ部３―２、４―２、５―２、６―２を備えている。第１のテーパ部は、光射出ポート２Ａ側に向けられた端面を有し、また、第２のテーパ部３―２、４―２、５―２、６―２も光導入領域８側に向けられた端面を有している。ここで、第１及び第２の補助導波路３、４は、互いに同一形状に形成され、主導波路２の中心軸線に関して線対称に基板１の主面上に配置されている。第３及び第４の補助導波路５、６も互いに同一形状に形成され、主導波路２の中心軸線に関して線対称に基板１の主面上に配置されている。そして、補助導波路３、４、５、６及び主導波路２が形成されている基板１の主面は、上部クラッド層７で被覆されている。

図１及び図２に示される構造では、４つの補助導波路３、４、５、６が設けられる例を示しているが、２つの補助導波路３、４が設けられても良く、或いは、４以上の補助導波路が設けられても良い。また、図１及び図２に示される構造では、光波を装置内に封じ込める為に主導波路２の屈折率２ｎが補助導波路３、４、５、６の屈折率３ｎに略等しく、基板１の二酸化シリコン（ＢＯＸ層）で形成される下部クラッド層の屈折率１ｎが上部クラッド層７の屈折率７ｎに略等しく或いは小さく定められている。（１ｎ＝７ｎ或いは１ｎ＜７ｎ）また、主導波路２の屈折率２ｎ及び補助導波路３、４、５、６の屈折率３ｎが下部クラッド層の屈折率１ｎ及び上部クラッド層７の屈折率７ｎよりも大きく定められている。（２ｎ，３ｎ＞１ｎ，７ｎ）
図１及び図２に示される光結合装置においては、後に説明されるように光ビームの光波がテーパ部２−１の端面２Ｂに向けられるように上部クラッド層７の側面の光導入領域８側から上部クラッド層７内に入射され、その内を伝播されると、テーパ部２−２の端面２Ｂ及びテーパ部３―２、４―２、５―２、６―２の端面からテーパ部２−２及びテーパ部３―２、４―２、５―２、６―２内に侵入される。そして、光波の伝播とともにテーパ部２−２及びテーパ部３―２、４―２、５―２、６―２内での光強度分布が大きくなるようにテーパ部２−２及びテーパ部３―２、４―２、５―２、６―２内を進行し、次第に光波は、テーパ部２−１に向けてその光強度分布が大きくなるように偏在される。直線部２−２及びテーパ部２−１及び直線部２−２に光波が侵入すると、より直線部２−２に光波が偏在されるようになり、テーパ部３―２、４―２、５―２、６―２の幅の減少とともに光波は、直線部２−２に集中されて光射出ポート２Ａから射出される。

図１及び図２に示す構造は、基本的には、次のように製造される。即ち、初めに、ＳＯＩ基板上にＢＯＸ層が形成されて基板１が作成され、この基板１のＢＯＸ層上に薄いシリコン層が形成される。この薄いシリコン層は、光リソグラフィ及びドライ・エッチングにより逆テーパ付きのシリコン細線導波路のアレイが形成されて補助導波路３、４、５、６及び主導波路２が形成される。その後、シリコン細線導波路のアレイの周囲にポリイミドまたは窒素酸化シリコンからなる上部クラッド７がスピンコートまたは熱ＣＶＤにより堆積して形成され、図１及び図２に示す構造が製造される。

図３Ａには、比較例として基板１の平坦な主面上に主導波路２のみが形成された光結合装置が示されている。この光結合装置は、第１〜第４の補助導波路３、４、５、６が形成されていない点のみが異なることから、図１及び図２に付したと同様の符号を付してその説明を省略する。また、図３Ｂには、この発明の他の実施の形態に係る光結合装置が示されている。この図３Ｂに示す光結合装置は、図１及び図２に示される光結合装置異なり、主導波路２の両側に第１及び第２の補助導波路３、４が形成され、第３及び第４の補助導波路５、６が形成されていない点が異なっている。従って、図３Ｂにおいては、図１及び図２に付したと同様の符号を付してその説明を省略する。図３Ｃは、図１及び図２に示した光結合装置を示している。

図３Ａに示すような単一の逆テーパ２−２を備えた導波路２では、先端部２Ｂの幅が太いほど逆テーパ部２−２に結合させることができる光ビーム径が小さくなり、光結合効率が低下する。例えば、幅４５０ｎｍ及び高さ２５０ｎｍを有するシリコン導波路２にビーム径３ミクロンの入力光波を結合させる場合、先端幅１００ｎｍ以下では８０％以上の光結合効率が得られても、先端幅２００ｎｍ以上になると光結合効率は５０％以下に低下してしまう。従って、図３Ａに示す構造では、量産向きのステッパによる光リソグラフィでは、解像度が不十分であり、ＥＢリソグラフィのような量産化に不向きな高度な微細加工技術を必要としている。

この問題を解決するため、図３Ｂ或いは図３Ｃに示すように光配線のための主導波路２の入出力部である逆テーパ２−２の両側に光波が結合できる程度、即ち、５００ｎｍ以下の間隔が空けて短いテーパ３−２、４−２を有する補助導波路３、４が配置される。このような構造により、主導波路２に結合しなかった光波の一部は、補助導波路３、４に結合させることができる。更に、補助導波路３、４の幅を適切に設計することにより、補助導波路３、４に結合した光波の大部分を主導波路２に結合させることができる。このとき、補助導波路３，４から主導波路２へと光波を結合させて移行させるためには補助導波路３，４の太さは、少なくとも主導波路２より細くする必要があり、また補助導波路３．４の出口端側は、入力端側と同様に先端が細いテーパ状に加工する必要がある。また、図３Ｂに示すように２本（左右１本ずつ）の補助導波路３，４を有する構造から、補助導波路３，４を増やした図３Ｃに示すように４本（左右２本ずつ）の補助導波路３，４を有する構造にすることによって、結合効率を更に増大させることが可能であり、例えば、逆テーパの先端幅２００ｎｍ及びテーパ長１５０μｍのとき、単一テーパで５０％（損失３ｄＢ）の結合効率であったが、２本補助導波路３，４で７０％（損失１．５ｄＢ）、４本補助導波路３，４、５，６では、８０％（損失１ｄＢ）と改善することが可能である。また、図３Ａに示される単一テーパ型スポットサイズ変換器と同じ性能（結合効率）で比較した場合、本発明の構造では装置長を大幅に短縮することが可能である。例えば、先端幅１５０ｎｍ及びテーパ長５０μｍの４本の補助導波路３，４，５，６，で８０％以上の結合効率が得られ、同程度の性能をもつ従来の単一テーパ型スポットサイズ変換器で必要となるテーパ長（先端幅１００ｎｍ以下でも２００〜３００μｍ）に比べて大幅に短縮することができる。

この光結合装置の基本的な動作を例示するため、３次元ビーム伝播法によりシミュレーションを行なった結果が図４(ａ)及び（ｂ）に示されている。このシュミュレーションでは、逆テーパ２−２を有する導波路２のアレイ（主導波路２及び４本の補助導波路３〜６のアレイ）の先端に入射した光波（入力スポット径３μｍ）が、伝播するに従って、補助導波路から主導波路（幅４５０ｎｍ、高さ２５０ｎｍ）へ収斂して結合して行く様子が図４(ａ)に示され、その光波の光強度が伝播とともに次第に増加して略一定に収斂する様子が図４(ｂ)に示されている。尚、図４(ａ)のパターンにおいて、中心に沿って配置されている主導波路２が明るい領域となっている。また、図４(ａ)のパターンにおいて、中心に沿った明るい領域の両側に夫々２つの領域が描かれているが、この明るい領域が補助導波路３〜６に相当している。

以上により、図３Ａに示される単一テーパを用いた光結合装置よりも、図３Ｂ或いは図３Ｃに示された構造によって、高縮小率或いは高拡大率で光ビームを縮小或いは拡大し、しかも、高効率で光ビームを結合する高ことができる小型で作製も容易で量産化にも適した光結合装置を実現できることが理解される。

以下に、この発明の光結合装置の種々の実施例について説明する。

実施例１に係る光結合装置においては、ＳＯＩ基板上に二酸化シリコン（ＢＯＸ層）が形成されて基板１が用意された。また、主導波路２、第１〜第４の補助導波路３〜６は、いずれも厚さ２５０ｎｍのシリコンで形成された。上部クラッド層７は、屈折率１．５１のポリイミドで作られ、厚さは１μｍ、幅４．５μｍに形成された。主導波路２は、最大幅が４５０ｎｍに、第１及び第２の補助導波路３、４は、最大幅が２８０ｎｍに、第３及び第４の補助導波路３〜４は、最大幅が２５０ｎｍに形成された。

この第１の実施例１に係る第１の構造では、（１）テーパ長として、主導波路２が１５０μｍのテーパ長を有し、第１〜第４の補助導波路３〜６の全てが全長１５０μｍの長さを有し、また、入力側に相当する第２テーパ部３―２〜６−２が７５μｍテーパ長を有し、出力側に相当する第１テーパ部３―１〜６−１が７５μｍテーパ長を有し、そして、各テーパの間の最少スペース長は、４００ｎｍ、テーパの先端幅は、いずれも２００ｎｍに形成した。

また、この第１の実施例１に係る第２の構造では、（２）テーパ長として、主導波路２が５０μｍのテーパ長を有し、第１〜第４の補助導波路３〜６の全てが全長５０μｍの長さを有し、また、入力側に相当する第２テーパ部３―２〜６−２が２５μｍテーパ長を有し、出力側に相当する第１テーパ部３―１〜６−１が２５μｍテーパ長を有し、そして、各テーパの間の最少スペース長は、４００ｎｍ、テーパの先端幅は、いずれも１５０ｎｍに形成した。

入射光波として波長１．５５μｍのＴＥ偏光の光波が用いられ、先球テーパ・ファイバーにより光導入領域８側の入射端でスポット径３μｍの光波が入力された。その結果、第１の構造及び第２の構造いずれにおいても、直線部２−２の光射出ポート２Ａに連結された断面４５０ｎｍｘ２５０ｎｍを有するシリコンの細線導波路に８０％以上で結合損失１ｄＢ以下の高効率結合で出力された。

実施例１に係る光結合装置においては、ＳＯＩ基板上に二酸化シリコン（ＢＯＸ層）が形成されて基板１が用意された。また、主導波路２、第１〜第４の補助導波路３〜６は、いずれも厚さ２５０ｎｍのシリコンで形成された。上部クラッド層７は、屈折率１．５１のポリイミドで作られ、厚さは１μｍ、幅４．５μｍに形成された。主導波路２は最大幅が４５０ｎｍ、第１及び第２の補助導波路３、４は、最大幅が３５０ｎｍに、第３及び第４の補助導波路３〜４は、最大幅が２５０ｎｍに形成された。

テーパ長は主導波路２が１５０μｍ、４本の補助導波路３〜６は、全てが全長３００μｍの長さを有し、また、入力側に相当する第２テーパ部３―２〜６−２が１５０μｍテーパ長を有し、出力側に相当する第１テーパ部３―１〜６−１が１５０μｍテーパ長を有し、そして、各テーパの間の最少スペース長は、４００ｎｍ、テーパの先端幅は、いずれも２００ｎｍに形成した。

入射光波として波長１．５５μｍのＴＥ偏光の光波が用いられ、先球テーパ・ファイバーにより光導入領域８側の入射端でスポット径３μｍの光波が入力された。その結果、第２の実施例に係る構造においても、直線部２−２の光射出ポート２Ａに連結された断面４５０ｎｍｘ２５０ｎｍを有するシリコンの細線導波路に８０％以上で結合損失１ｄＢ以下の高効率結合で出力された。

第３の実施例に係る光結合装置においては、第１の実施例の第２の構造と同一構造の光結合装置が用意され、図５に示されるように、主導波路２のテーパー部２−２及び補助導波路３〜６の光入力側のテーパ３−２〜６−２の先端に、先端幅１５０ｎｍと同じ幅１５０ｎｍのシリコンの極細線２−３、３−３、４−３、５−３、６−３を上部クラッド層７の光入射端側８まで延出し、極細線２−３、３−３、４−３、５−３、６−３の端面を光入射端側８に露出するように形成した。

入射光として波長１．５５μｍの半導体レーザの端面からの出力光波（ＴＥ偏光で幅４μｍ、高さ０．５μｍの近視野を有する光波）を入力した。その結果、直線部２−２の光射出ポート２Ａに連結された断面４５０ｎｍｘ２５０ｎｍを有するシリコンの細線導波路に８０％以上で結合損失１ｄＢ以下の高効率結合で出力された。

図５に示される構造では、端面発光型の半導体レーザの出力のように、ビーム形状が近視野では上下方向に偏平で、かつ広がり角が大きい場合に適用することで、より高効率の光結合が可能となる。図５に示すように、光入射端面側８から逆テーパ２−２〜６−２の先端まで連続して極細線アレイ２−３〜６−３を形成すると、クラッド層７を伝播する光波の上下方向の広がりを抑制することができ、結果として、より高効率の光結合が可能となる。

なお、以上の実施例では、光入力部としての使用例について述べたが、光出力部に同じ構造を形成することにより、細線導波路からの出力を光ファイバーに結合させる場合においても、効率良く光を結合させることが可能である。

以上のように、この発明の種々の実施例によれば、高縮小率或いは高拡大率で光ビームを縮小或いは拡大し、しかも、高効率で光ビームを結合することができる小型で作製も容易であり量産化にも適した光結合装置が得られることが確認された。

次に、図６〜図９を参照して本発明の実施の形態に係る光合分波装置を説明する。

図６は、本発明の実施の形態に係る光合分波装置の構造を透視して示している。

図６に示されるように、光合分波装置は、平坦な上面１２Ａ及び下面１２Ｂを有する中間クラッド層１２を備えている。この中間クラッド層１２の下面１２Ｂには、光波入力側の領域及び光波出力側の領域に区分されている。この下面１２Ｂの光波入力側領域には、入力側導波路１４が中間クラッド層１２の長手方向に沿って延出されている。入力側導波路１４は、端面に光導入ポート１４Ａを備え、この光導入ポート１４Ａが中間クラッド層１２の側面に揃えて形成されている。入力側導波路１４は、偏平なストリップ状に形成され、光導入ポート１４Ａから直線的に延出される直線部１４−１及びこの直線部１４−１に連結され、延出方向に沿って次第に幅が減少されるテーパ部１４−２を備えている。テーパ部１４−２の先端は、平坦な光波が射出される端面に形成されている。

また、中間クラッド層１２の下面１２Ｂの光波出力側領域には、第１及び第２の出力側導波路２６、２８が中間クラッド層１２の長手方向に沿って延出されている。第１及び第２の出力側導波路２６、２８は、夫々他の光学部品、例えば、光ファイバーに光学的に連結される光射出ポート２６Ａ、２８Ａを備えている。第１及び第２の出力側導波路２６、２８も偏平なストリップ状に形成され、光射出ポート２６Ａ、２８Ａから直線的に延出される直線部２６−１、２８−１及びこの直線部２６−１、２８−１に連結され、延出方向に沿って次第に幅が減少されるテーパ部２６−２、２８−２を備えている。テーパ部２６−２、２８−２もその先端は、平坦な光波をガイドする端面に形成されている。これら入力側導波路１４、第１及び第２の出力側導波路２６、２８及びこの周囲の中間クラッド層１２の下面１２Ｂの領域は、下部クラッド層２４で覆われている。このような中間クラッド層１２の下面１２Ｂ上では、テーパ部２６−２、２８−２の先端端面間にテーパ部１４−２の先端端面が向けられ、テーパ部１４−２及びその先端から伝播される光波は、下部クラッド層２４内を進行してテーパ部２６−２、２８−２の先端端面間に到達し、次第にテーパ部２６−２、２８−２内に浸透して光射出ポート２６Ａ、２８Ａから他の光学部材、例えば、光ファイバーに導入される。

この中間クラッド層１２の上面１２Ａも、光波入力側の領域及び光波出力側の領域に区分されている。中間クラッド層１２の上面１２Ａの光波出力側の領域には、第３及び第４の出力側導波路３６、３８が中間クラッド層１２の長手方向に沿って延出されている。第３及び第４の出力側導波路３６、３８も同様に夫々他の光学部品、例えば、光ファイバーに光学的に連結される光射出ポート３６Ａ、３８Ａを備えている。第１及び第２の出力側導波路３６、３８も偏平なストリップ状に形成され、光射出ポート３６Ａ、３８Ａから直線的に延出される直線部３６−１、３８−１及びこの直線部３６−１、３８−１に連結され、延出方向に沿って次第に幅が減少されるテーパ部３６−２、３８−２を備えている。テーパ部３６−２、３８−２もその先端は、平坦な光波をガイドする端面に形成されている。これら第３及び第４の出力側導波路３６、３８及びこの周囲の中間クラッド層１２の上面１２Ａの領域は、上部クラッド層３４で覆われている。上部クラッド層３４は、直線部３６−１、３８−１及びテーパ部３６−２、３８−２を覆う矩形状の領域３４―１及びこの矩形状の領域から延出方向に向かって次第にその幅を減少させるテーパ領域３４−２を有し、このテーパ領域３４−２が入力側導波路１４のテーパ部１４−２に中間クラッド層１２を介して対向されるように延出されている。

ここで、中間クラッド層１２の屈折率ｎ１２は、下部クラッド層２４及び上部クラッド層３４の屈折率ｎ２４、ｎ３４よりも小さく定められている。（ｎ１２＜ｎ２４、ｎ３４）そして、下部クラッド層２４及び上部クラッド層３４の屈折率ｎ２４、ｎ３４は、導波路１４，２６，２８，３６，３８の屈折率ｎ１４よりも小さく定められて導波路１４，２６，２８，３６，３８中を光波がガイドされる。（ｎ２４、ｎ３４＜ｎ１４）
このような中間クラッド層１２の上面１２Ｂ上における平面的投影配置では、テーパ部３６−２、３８−２の先端端面間にテーパ部１４−２の先端端面が中間クラッド層１２を介して対向されている。換言すれば、このような中間クラッド層１２の上面１２Ｂ上にテーパ部３６−２、３８−２が投影された平面的配置では、テーパ部３６−２、３８−２の先端端面間にテーパ部１４−２の先端端面が中間クラッド層１２を介して対向されるようにテーパ部３６−２、３８−２が上面１２Ｂ上に配置され、テーパ部１４−２が下面１２Ａに配置されている。従って、テーパ部１４−２及びその先端から伝播される光波は、中間クラッド層１２内を進行してテーパ部３６−２、３８−２の先端端面間に到達し、次第にテーパ部３６−２、３８−２内に浸透して光射出ポート３６Ａ、３８Ａから他の光学部材、例えば、光ファイバーに導入される。

上述した構造によれば、１本のシリコン光導波路１４で伝送される図７に示される光波が数ミクロン幅でサブミクロン厚の薄い上部クラッド層３４及び下部クラッド層２４の夫々の層内を延出される４本の並列したシリコン光導波路２６，２８，３６，３８に分岐される。２つのグループのシリコン光導波路２６，２８及びシリコン光導波路３６，３８は、上部クラッド層３４及び下部クラッド層２４より屈折率の小さく、厚いクラッド層１２（中間クラッド層１２）で隔てられている。シリコン光導波路１４は、光分岐部において先端の細いテーパとなって終端し、これを伝播する光はテーパが細くなるにつれて次第に広がり、先端部外では、図８に示されるようにクラッド層２４の全体に渡って広く分布することになる。このクラッド層２４内において、逆テーパ２６−２，２８−２を有する２本の並列した導波路２６、２８がテーパ２６−２，２８−２を介して導波路１４に対向されている。従って、一旦クラッド層２４内に広がった図８に示される伝播光波は、図９に示すように逆テーパ２６−２，２８−２を介して２つの導波路２６及び導波路２８に分岐して結合される。この光学的結合においては、１本の導波路のみに結合される場合に比べると、２本の導波路２６及び導波路２８に光学的に結合される方がより光波を拾える範囲及び割合が増大される。その結果、２本の導波路２６及び導波路２８における結合の方が全体として、より光の結合効率が増大される。また、１本の導波路と２本の導波路とで同一の結合効率を達成しようとする場合には、２本の導波路を備える装置の方が１本の導波路を備える装置に比べて、より短いテーパ長で結合効率を実現することができる。次に、更に、同時にシリコン光導波路１４の上方に配置された導波路３６、３８に光波を分配する場合には、上側の薄い上部クラッド層３４は、先端幅が細くなった逆テーパ状に加工され、その先端部が導波路１４のテーパ１４−２の真上に前後方向に重なるように配置される。このように装置上面から透視した際には、上部クラッド層３４のテーパ状部３４−２が導波路１４のテーパ１４−２に重ねられる関係に配置される場合には、導波路１４のテーパ１４−２から漏れ出した光波の一部がクラッド層３４にテーパを介して分岐して結合される。更に、この上部クラッド層３４に覆われて並列する２本の逆テーパ付き導波路３６，３８が導波路１４に対向するように配置されると、一旦上部クラッド層３４に結合した伝播光波は、更にこれら２本の導波路３６，３８にテーパを介して分岐して結合される。これらの、テーパ付きクラッド層３４及びテーパ付き導波路３６，３８を適切に配置することにより、最終的には導波路１４の出力光を導波路２６，２８，３６，３８に等分配して分岐させることができる。

この図６に示す構造における光波の分岐方法は、導波路を直接枝分かれさせる方法或いは多モード干渉による分岐装置では、困難な立体的な分岐が可能なことと、分岐時に一旦、光ビームを上下数ミクロンの範囲に広げるため、テーパ付き導波路の配置にそれほど精密な位置合わせを要求されない利点がある。また、複数の導波路２６，２８，３６，３８のアレイに光波を結合させるため、分岐先の本数が多いほど、同じ装置長で比較すれば結合効率が向上し、同じ結合効率で比較すれば装置長を短縮し小型にできる。また、図６に示される構造の作製には大掛かりな立体構造や傾斜構造の作製は必要なく、平面的な装置の加工と積み重ねによって比較的容易に実現できるという利点がある。

以上のように、連続した光導波路の分岐構造による立体配線或いは多モード干渉装置等を利用した従来の構造に比べて、この発明の実施の形態の構造は、よりも簡易で作製が容易になり、単一の逆テーパの対により光配線層間での光路変換を行う場合に比べて大幅な小型化が可能となり、高効率かつ小型で作製も容易で光ビームの立体的な分岐や合波が可能な光合分波装置を実現することができる。

図６に示した光合分波装置の実施例について下記に説明する。

図６に示される構造において、入力側の導波路１４、出力側の導波路２６，２８，３６，３８は、いずれも幅４５０ｎｍ、高さ２５０ｎｍのシリコンから作られ、下部クラッド層２４及びテーパ付き上部クラッド層３４は、厚さ２５０ｎｍ、幅３．５μｍの窒素酸化シリコン（屈折率１．７）から作られ、中間クラッド層２は、厚さ２μｍの二酸化シリコンから形成される。上部クラッド層３４のテーパ部３４−２は、先端幅が５００ｎｍ、テーパ長が１７０μｍで形成され、テーパ部３４−２の先端の位置が導波路１４のテーパ１４−２（長さ２５０μｍ）の中間領域（先端から９０μｍ）の真上に来るように配置した。導波路２６，２８，３６，３８のテーパ（いずれも長さ１２０μｍ）の先端は、互いに光伝播方向が一致し、導波路２６，２８，３６，３８の延出方向に直交する同一の仮想面上位置するように配置され、これらの先端を結仮想面と導波路１４のテーパ１４−２の先端との間隔は８０μｍに設定した。

導波路２６，２８，３６，３８を伝播する光波は、波長１．５５μｍのＴＥ偏光の光波とした。上記の配置において導波路１のテーパの先端から出力された光波は、その４５％が上部クラッド３４の逆テーパ部３４−２を介して上段の導波路３６，３８に結合され、更に、その４５％が下部クラッド２４を介して下段の導波路２６、２８に結合された。これにより、１本の導波路１４からの出力が、４本の立体的に配置された４５０ｎｍｘ２５０ｎｍの断面を有するシリコン細線導波路２６、２８、３６，３８へ９０％の結合効率（結合損失０．５ｄＢ以下）で、光を均等に分配して４分岐させることができた。

尚、１本の入力導波路に一本の出力導波路を対向させた構造では、例えば、下段から上段への光路変換において９０％の結合効率を得るためにはテーパ長２５０μｍが必要であったが、本発明の実施例の構造では、４分岐では約半分のテーパ長で同等の高効率結合が得られ、装置の大幅な小型化が可能であった。

尚、以上の例では光分岐としての使用例のみについて述べたが、図６の構造は、光波の進路に関して可逆性を有し、光分波器及び光合波器を構成する。図６に示される構造においては、光波を逆方向に伝播させれば、４本の導波路２６、２８、３６，３８からの出力光波を１本の導波路１４に結合させる光合波においても、同様に効率良く光を結合させることが可能である。この観点からは、図６を参照した説明において、出力ポート２６Ａ、２８Ａ，３６Ａ、３８Ａは、入力ポートに読み替え、入力ポート１４Ａは、出力ポートと読み替え、入力ポート２６Ａ、２８Ａ，３６Ａ、３８Ａから光波が出力ポート１４Ａに進むように光波の伝の説明を読み替えられたい。即ち、入力ポート２６Ａ、２８Ａ，３６Ａ、３８Ａから入力側の導波路２６，２８，３６，３８に導波された光波は、テーパ部２６―２，２８―２，３６―２，３８―２で中間クラッド層１２中に浸透し、この中間クラッド層１２中を進行して出力側の導波路１４のテーパ部１４−２に向けられる。中間クラッド層１２中を進行する光波は、次第にテーパ部１４−２に侵入して導波路１４に結合される。従って、光波が出力ポート１４Ａから出力される。

以上詳述したように本発明によれば、細線光導波路による光密度の増強や高集積化を利用した光装置及び光配線の実用化及び量産化を可能とする光合分波装置が提供される。

本発明によれば、細線光導波路で光密度へ光信号を収斂することができる高集積化が可能な光装置及び光配線の実用化及び量産化を可能とする光結合装置並びに光合分波装置が提供される。

１．．．基板、２．．．主導波路、２Ａ．．．射出ポート、２−１．．．直線部、２−２．．．テーパ部、２Ｂ．．．テーパー部端面、３、４、５、６．．．補助導波路１、３―１、４―１、５―１、６―１．．．第１のテーパ部、３―２、４―２、５―２、６―２．．．第２のテーパ部、７．．．上部クラッド層、８．．．光導入領域、１２．．．中間クラッド層、１２Ａ．．．中間クラッド層上面、１２Ｂ．．．中間クラッド層下面、１４．．．入力側導波路、１４Ａ．．．入射ポート、１４−１．．．直線部、１４−２．．．テーパ部、２４．．．下部クラッド層、３４．．．上部クラッド層、２６，２８．．．第１及び第２の出力側導波路、２６Ａ、２８Ａ．．．光射出ポート、２６―１，２８―１．．．直線部、２６―２，２８―２．．．テーパ部、３６、３８．．．第３及び第４の出力側導波路、３６Ａ、３８Ａ．．．光射出ポート、３６―１，３８―１．．．直線部、３６―２，３８―２．．．テーパ部

Claims (11)

1. 第１面を有する第１のクラッド層と、
   光波が射出される出射側の１端に出射ポートを有する直線状部及びこの直線状部の他端に連接し、光波の入射側に向けて次第に幅が減少されるテーパ部とから構成され、光波の導波方向に沿って延出されるように前記第１面に形成されるストリップ状主導波路と、
   この主導波路のテーパ部の両側に光波を結合できる間隔を空けて並列される複数の補助導波路でであって、その夫々が前記主導波路の最大幅よりも狭い最大幅を有し、前記光波の入射側及び出射側に向けて次第に幅が減少され、互い連接されている第１及び第２のテーパ部で構成される補助導波路と、及び
   前記主導波路、前記補助導波路及び前記第１のクラッド層を覆う第２のクラッド層であって、前記第１のクラッド層或いは前記第２のクラッド層に導入された光波を前記補助導波路が主導波路に向けて収斂して光波を前記補助導波路に結合させる前記第１のクラッド層と、
   から構成される光結合装置。
2. 前記補助導波路は、前記主導波路の両側に５００ｎｍ以下の間隔を空けて並列されることを特徴とする請求項１に記載の光結合装置。
3. 前記補助導波路は、前記主導波路から離れる方向に沿って配列される複数の補助導波路を含み、前記補助導波路は、前記主導波路から離れるに従って狭くなる幅を有することを特徴とする請求項２に記載の光結合装置。
4. 前記第２のクラッド層の屈折率は、前記第１のクラッド層の屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の光結合装置。
5. 前記主導波路及び前記補助導波路は、前記光波の入射側のテーパ部の先端及びこの先端に連接されて前記光波の入射側に延出された一定の幅の極細線を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の光結合装置
6. 前記主光導波路及び前記補助光導波路は、シリコンで作られ、前記第１のクラッド層は、二酸化シリコンから作られ、前記第２のクラッド層は、窒素酸化シリコン或いはポリマーから作られることを特徴とする請求項１の光結合装置。
7. 第１面及びこの第１面に対向する第２の面を有する第１のクラッド層と、
   光波の入射側からこの光波の射出側に向ける光波の導波方向に沿って前記第１面上を延出され、第１の先端部を有する第１のテーパ部を備える第１の導波路であって、前記第１のテーパ部の横幅が前記射出側に向けて漸減する第１の導波路と、
   前記光波の導波方向に沿って前記第１面上を延出され、第２及び第３の先端部を有する第２及び第３のテーパ部を備え、並列配置された第２及び第３の導波路であって、前記第２及び第３のテーパ部の横幅が前記入射側に向けて漸減し、前記第２及び第３の先端部が間隔を空けて配置され、前記第１の先端部が前記第２及び第３の先端部間に向けられている第２及び第３のテーパ部を備える第２及び第３の導波路と、
   前記第１、第２及び第３の導波路及び前記第１面を覆う第２のクラッド層であって、前記入射側から前記第１の導波路に導波される光波を前記第２及び第３の導波路に結合させて前記第２及び第３の導波路に分岐させる第２のクラッド層と、
   前記光波の導波方向に沿って前記第２面上を延出され、第４及び第５の先端部を有する第４及び第５のテーパ部を備え、並列配置された第４及び第５の導波路であって、前記第４及び第５のテーパ部の横幅が前記入射側に向けて漸減し、前記第１のテーパ部及び第１の先端部から前記第１のクラッド層に伝播とともに浸透される光波が前記第４及び第５の先端部間に向けられるように前記第４及び第５のテーパ部が配置されている第４及び第５の導波路と、
   前記第４及び第５の導波路及び前記第２面を覆う第３のクラッド層であって、前記入射側から前記第１の導波路に導波される光波を前記第４及び第５の導波路に結合させて前記第４及び第５の導波路に分岐させる第３のクラッド層と、
   を具備することを特徴とする光合分波装置。
8. 前記第１のクラッド層の屈折率が前記第２及び第３クラッド層の屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項７に記載の光合分波装置。
9. 前記第１、第２及び第３の光導波路は、シリコンで作られ、前記第２及び第３のクラッド層は、窒素酸化シリコン或いはポリマーから作られ、前記第１のクラッド層は、二酸化シリコンから作られることを特徴とする請求項７に記載の光合分波装置。
10. 前記第１、第２、第３、第４及び第５の光導波路は、シリコンで作られ、前記第２及び第３のクラッド層は、窒素酸化シリコン或いはポリマーから作られ、前記第１のクラッド層は、二酸化シリコンから作られることを特徴とする請求項７に記載の光合分波装置。
11. 第１面及びこの第１面に対向する第２の面を有する第１のクラッド層と、
    光波の射出側からこの光波の入射側に向ける光波の導波方向に沿って前記第１面上を延出され、第１の先端部を有する第１のテーパ部を備える第１の導波路であって、前記第１のテーパ部の横幅が前記入射側に向けて漸減する第１の導波路と、
    前記光波の導波方向に沿って前記第１面上を延出され、第２及び第３の先端部を有する第２及び第３のテーパ部を備え、並列配置された第２及び第３の導波路であって、前記第２及び第３のテーパ部の横幅が前記射出側に向けて漸減し、前記第２及び第３の先端部が間隔を空けて配置され、前記第１の先端部が前記第２及び第３の先端部間に向けられている第２及び第３のテーパ部を備える第２及び第３の導波路と、
    前記第１、第２及び第３の導波路及び前記第１面を覆う第２のクラッド層であって、前記入射側から前記第２及び第３の導波路に導波される光波を前記第１の導波路に結合させて前記第１の導波路に合波させる第２のクラッド層と、
    前記光波の導波方向に沿って前記第２面上を延出され、第４及び第５の先端部を有する第４及び第５のテーパ部を備え、並列配置された第４及び第５の導波路であって、前記第４及び第５のテーパ部の横幅が前記射出側に向けて漸減し、前記第４及び第５のテーパ部及び第４及び第５の先端部から前記第１のクラッド層に伝播とともに浸透される光波が前記第１の先端部に向けられるように前記第４及び第５のテーパ部が配置されている第４及び第５の導波路と、
    前記第４及び第５の導波路及び前記第２面を覆う第３のクラッド層であって、前記入射側から前記第第４及び第５の導波路に導波される光波を前記第１の導波路に結合させて前記第１の導波路に合波させる第３のクラッド層と、
    を更に具備する光合分波装置。