JP5659866B2

JP5659866B2 - スポットサイズ変換器

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Publication number: JP5659866B2
Application number: JP2011045279A
Authority: JP
Inventors: 裕大西
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2011-03-02
Filing date: 2011-03-02
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2031-03-02
Also published as: US9279939B2; US20120224820A1; JP2012181433A

Description

本発明は、スポットサイズ変換器に関する。

特許文献１には、スポットサイズ変換導波路が記載されている。このスポットサイズ変換導波路は、ＴＥＣファイバなどのスポットサイズ変換部材を用いること無く、高△光導波路とシングルモードファイバとの間で低損失な接続を提供できる。このスポットサイズ変換導波路のスポットサイズは、スポットサイズ変換導波路に接続されるべきシングルモードファイバのスポットサイズと異なっている。シングルモードファイバは、基板上に導波路コアを有する光導波路のコア端面に結合される。導波路コアのファイバ接続端部はリッジ部を備える。リッジ部の横断面は凸字状を成し、このリッジ部では、リッジコア幅及びリッジコア高さがファイバから導波路コアへ向かって小さくなる。

特許４５５２８２１号公報

導波路のＳｉコアでは、導波路は、Ｓｉの高屈折率コアと空気やシリコン酸化物の低屈折率クラッドとからなる。コアとクラッドとの間の屈折率差が大きくできるので、光の伝播損失を生じることなく、導波路の曲げ半径を５μｍ程度まで小さくでき、光回路の小型化が可能である。

このようなＳｉ導波路とシングルモードファイバとの直接結合では、その結合効率が非常に低く、その結合効率は例えば１０％以下である。結合効率のこの低さは、両者のスポットサイズの差が大きいことに因る。一例を示せば、Ｓｉ導波路のスポットサイズが約０．５μｍであるのに対し、シングルモードファイバのスポットサイズが約１０μｍである。このため、両者のジョイント部においてモード不整合が生じ、これが結合効率を低下させている。結合効率の低下を補うために、Ｓｉ導波路の光入出力部にスポットサイズ変換器が形成される。

特許文献１は、導波路のコアの周囲に別のコアが付着された構造を開示する。スポットサイズを断熱的に広げることを意図して、別のコアがテーパ形状を成す。この構造をＳｉ系材料で作製するとき、導波路のコアが例えばＳｉからなり、別のコアが例えばＳｉＮ又はＳｉＯＮからなることができる。

しかしながら、発明者の知見によれば、導波路のコアがＳｉからなるとき、伝搬光はこのＳｉコアに強く閉じ込められる。これ故に、Ｓｉコアの周囲をＳｉＮやＳｉＯＮからなる別のコアで覆う構造では、Ｓｉコアの光閉じ込めが強いが故に、伝搬光はほとんど拡がらない。

本発明は、このような事情を鑑みてなされたのであり、外部光導波路との結合に高い効率を提供できるスポットサイズ変換器を提供することを目的とする。

本発明に係るスポットサイズ変換器は、（ａ）絶縁体からなるクラッド領域の主面上に設けられ、第１の軸に沿って順に配置された光入出力部及び第１の遷移部を含む第１のコア層と、（ｂ）前記クラッド領域の前記主面上に設けられ、第２の軸に沿って延在する第２の遷移部と該遷移部に結合された伝搬部とを含む第２のコア層とを備える。前記光入出力部は、前記スポットサイズ変換器の端から延在すると共に前記第１の遷移部に結合され、前記第１のコア層は前記スポットサイズ変換器の端から離れた位置で終端し、前記第２のコア層は、前記スポットサイズ変換器の端から離れた位置で終端し、前記第１のコア層は前記第２のコア層の材料と異なる材料からなり、前記第２のコア層はシリコンからなり、前記第１のコア層は、前記第２のコアの屈折率と前記クラッド領域の屈折率との間の屈折率を有し、前記第１の遷移部は前記第２の遷移部から間隔をおいて設けられると共に、前記第１の遷移部は前記第２の遷移部に光学的に結合され、前記第１のコア層の厚さは前記第２のコア層の厚さより厚く、前記第１の遷移部の幅Ｗ１と前記第２の遷移部の幅Ｗ２との比（Ｗ１／Ｗ２）は、前記光入出力部から前記第１の遷移部への第１の方向に単調に小さくなり、前記光入出力部は、前記第１の遷移部から前記光入出力部への第２の方向に単調に大きくなる幅を有する。

このスポットサイズ変換器によれば、光入出力部から第１の遷移部への第１の方向にコア幅の比（Ｗ１／Ｗ２）が単調に小さくなるので、第２の遷移部と第１の遷移部との光結合の大きさが、第１の方向と逆方向の第２の方向に関して単調に変化する。これ故に、第１及び第２のコア層の一方から第１及び第２のコア層の他方に伝搬光が遷移可能である。また、光入出力部の幅が第１の遷移部から光入出力部への第２の方向に単調に大きくなると共に第１のコア層の厚さが第２のコア層の厚さより厚いので、第２のコア層の材料並びに第２のコア層の幅及び厚さとは独立してスポットサイズを変換できる。

本発明に係るスポットサイズ変換器では、前記第２の遷移部の幅Ｗ１は、前記光入出力部から前記第１の遷移部への前記第１の方向に単調に大きくなることが好ましい。

このスポットサイズ変換器によれば、第２の遷移部が第１の遷移部の屈折率より大きい屈折率を有すると共に第２の遷移部の幅Ｗ２が第１の方向に単調に大きくなるので、第２の遷移部における光のモードが第２の方向に関して拡がる。
これ故に、例えば第１のコア層から第２のコア層へ光が遷移するときは、第２のコア層における伝搬モードの広がりの影響を受けて、第１のコア層内の光が第１の方向に伝搬するにつれて第２のコア層における光振幅が大きくなる。或いは、例えば第２のコア層から第１のコア層へ光が遷移するときは、第２のコア層内の光が第２の方向に伝搬するにつれて、第２のコア層からしみ出して第１のコア層における光振幅が大きくなる。

本発明に係るスポットサイズ変換器では、前記第１の遷移部と前記第２の遷移部との間隔は１５０ｎｍ以上であり、２４０ｎｍ以下であることができる。このスポットサイズ変換器によれば、発明者の知見によれば、少なくとも上記間隔範囲において、第１及び第２のコア層の一方から他方への光の遷移が高い効率で可能である。

本発明に係るスポットサイズ変換器では、前記第１のコア層及び前記第２のコア層を覆うように前記クラッド領域の前記主面の上に設けられたオーバークラッドを更に備えることができる。前記オーバークラッドは、前記第１の遷移部と前記第２の遷移部との間に設けられていることが好ましい。このスポットサイズ変換器によれば、第１の遷移部と第２の遷移部との間に設けられるオーバークラッドの屈折率により、第１の遷移部と第２の遷移部との結合やモード広がりの程度が調整される。

本発明に係るスポットサイズ変換器では、前記第１の遷移部の幅Ｗ１は、前記光入出力部から前記第１の遷移部への前記第１の方向に単調に小さくなることが良い。このスポットサイズ変換器によれば、第１の遷移部の幅Ｗ１が第２の方向に単調に小さくなるとき、第１のコア層の第１の遷移部を伝搬する光のモードの広がりが第１の方向に沿って大きくなる。

本発明に係るスポットサイズ変換器では、前記第１の遷移部の幅Ｗ１は、前記光入出力部から前記第１の遷移部への第１の方向に沿って同一であることができる。このスポットサイズ変換器によれば、第１の遷移部の幅Ｗ１と第２の遷移部の幅Ｗ１の比（Ｗ１／Ｗ２）が第１の方向に単調に小さくなると共に第１の遷移部の幅Ｗ１が第１の方向に沿って同一であるので、第２のコア層の第２の遷移部を伝搬する光のモードの広がりが第２の方向に沿って大きくなる。第２の遷移部におけるスポットサイズが断熱的に変更される。

本発明に係るスポットサイズ変換器では、前記第１の遷移部と前記第２の遷移部との間隔は、前記光入出力部から前記第１の遷移部への前記第１の方向に単調に小さくなることが良い。このスポットサイズ変換器によれば、第１の遷移部と第２の遷移部との間隔が第２の方向に単調に小さくなるとき、第１の遷移部のモードの広がりが第２の遷移部と重なる。

本発明に係るスポットサイズ変換器では、前記第１のコア層は、前記クラッド領域の前記主面において湾曲する第１の曲げ導波路部を更に含み、前記第１の曲げ導波路部は前記第１の遷移部の一端に接続され、前記光入出力部は前記第１の遷移部の他端に接続されることができる。このスポットサイズ変換器によれば、第１の曲げ導波路部は、第１のコア層の終端における反射を低減できる。

本発明に係るスポットサイズ変換器では、前記第２のコア層は、前記クラッド領域の前記主面上において湾曲する第２の曲げ導波路部を更に含み、前記遷移部は前記第２の遷移部の一端に接続され、前記伝搬部は前記第２の遷移部の他端に接続されることができる。スポットサイズ変換器によれば、第２の曲げ導波路部は、第２のコア層の終端における反射を低減できる。

本発明に係るスポットサイズ変換器では、前記第１のコア層は、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物、チタン酸化物及びアルミニウム酸化物の少なくともいずれかを含むことができる。このスポットサイズ変換器によれば、スポットサイズ変換器の作製において、ＣＭＯＳプロセスを適用できる。

本発明に係るスポットサイズ変換器では、前記第１のコア層は少なくともポリマーを含み、前記ポリマーの屈折率は前記第２のコアの屈折率と前記クラッド領域の屈折率との間の値であることができる。

このスポットサイズ変換器によれば、スポットサイズ変換器の作製において、ポリマーを使用したＣＭＯＳプロセスを適用できる。

本発明に係るスポットサイズ変換器では、前記第１のコア層の前記第１の遷移部及び前記第２のコア層の前記第２の遷移部は、互いに光結合するように設けられる。

以上説明したように、本発明によれば、外部光導波路との結合に高い効率を提供できるスポットサイズ変換器を提供できる。

図１は、光学デバイスを概略的に示す図面である。図２は、第１の実施形態に係るスポットサイズ変換器を概略的に示す図面である。図３は、ギャップ１５０ｎｍのスポットサイズ変換器における光強度分布を示す図面である。図４は、ギャップ３００ｎｍのスポットサイズ変換器における光強度分布を示す図面である。図５は、第２の実施形態に係るスポットサイズ変換器を概略的に示す図面である。図６は、第３の実施形態に係るスポットサイズ変換器を概略的に示す図面である。図７は、比較例２のスポットサイズ変換器を概略的に示す図面である。図８は、比較例３のスポットサイズ変換器を概略的に示す図面である。図９は、比較例４のスポットサイズ変換器を概略的に示す図面である。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明のスポットサイズ変換器に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

図１は、光学デバイスを概略的に示す図面である。図１の（ａ）部を参照すると、本実施の形態に係る光学デバイス１１が概略的に示されている。光学デバイス１１は導波路端１１ａ及び導波路端１１ｂを含む。導波路端１１ａ、１１ｂには、それぞれ、光ファイバ１０ａ、１０ｂといった導波路デバイスが光学的に結合されている。光学デバイス１１は、導波路デバイスと例えば突き当て接続される。光学デバイス１１は、スポットサイズ変換器１３及び光処理部１５ａを含む。スポットサイズ変換器１３は導波路端１１ａに設けられる。光処理部１５ａは、スポットサイズ変換器１３からの導波路１４ａに光学的に結合される。また、光学デバイス１１は、光処理部１５ａからのからの導波路１４ｂに光学的に結合された別のスポットサイズ変換器１２を含むことができ、このスポットサイズ変換器１２は導波路端１１ｂに設けられる。導波路端１１ａ、１１ｂには、それぞれ、導波路１６ａ、１６ｂが到達する。光学デバイス１１には、光ファイバ１０ａ、１０ｂの一方から伝搬光を受けて、光ファイバ１０ａ、１０ｂの他方に伝搬光を提供する。光処理部１５ａは、例えば光変調器、光減衰器、波長フィルタといった光学処理デバイスを含む。

図１の（ｂ）部を参照すると、スポットサイズ変換器を含まない別の光学デバイスが概略的に示されている。光学デバイス２０は光処理部１５ｂを含み、光処理部１５ｂは導波路端２０ａから直接に延在する導波路１８ａに接続されると共に、導波路端２０ｂから直接に延在する導波路１８ｂに接続される。

まず、図１の（ａ）部を参照すると、光学デバイス１１のスポットサイズ変換器１３における断面が示されており、この断面は、I−I線に沿ってとられる。光学デバイス１１は、基板１７及びクラッド領域１９を含み、クラッド領域１９は基板１７上に設けられている。第１のコア層２３及び第２のコア層２５がクラッド領域１９の主面１９ａ上に設けられる。クラッド領域１９は例えば絶縁体からなることができる。導波路１４ａは第２のコア層２５を含み、導波路１４ｂは第２のコア層２５を含むことができる。導波路１６ａは第１のコア層２３を含み、導波路１６ｂは第１のコア層２３を含むことができる。第１のコア層２３の厚さは第２のコア層２５の厚さより大きく、これによってスポットサイズの変換が容易になる。第２のコア層２５はシリコンからなり、第１のコア層２３はシリコンと異なる材料からなる。第１のコア層２３は、第２のコア２５の屈折率とクラッド領域１９の屈折率との間の屈折率を有する。光学デバイス１１は、オーバークラッド２１を含むことができ、オーバークラッド２１は、コア層２３及びコア層２５を覆うようにクラッド領域１９上に設けられる。

（第１の実施形態）
図２は、本実施の形態に係るスポットサイズ変換器を概略的に示す図面である。スポットサイズ変換器１３ａでは、第１のコア層２３は、光入出力部２７及び第１の遷移部２９を含む。光入出力部２７及び第１の遷移部２９は、第１の軸Ａｘ１に沿って順に配置される。第２のコア層２５は、第２の遷移部３３及び伝搬部３５を含む。第２の遷移部３３は第２の軸Ａｘ２に沿って延在し、伝搬部３５は該遷移部３３に結合される。伝搬部３５はの幅Ｗ３は、ほぼ一定の値を有することができる。第１の軸Ａｘ１は第２の軸Ａｘ２に沿って延在している。好適な実施例では、第１の軸Ａｘ１は第２の軸Ａｘ２に平行である。

光入出力部２７はスポット変換器１３ａの端１１ａから延在すると共に第１の遷移部２９に光学的に結合される。第１のコア層２３は一端２３ａ及び他端２３ｂを含む。一端２３ａはスポット変換器１３ａの端１１ａから離れた位置で終端すると共に、他端２３ｂはスポット変換器１３ａの端１１ａに位置することができる。第２のコア層２５は一端２５ａ及び他端２５ｂ（他端２５ｂは図１の（ａ）部に示される）を含む。一端２５ａはスポット変換器１３ａの端１１ａから離れた位置で終端する。光入出力部２７は、第１の遷移部２９から光入出力部２７への方向ＤＩＲＣ２に単調に増大する幅Ｗ（Ｉ／Ｏ）を有する。

第１の遷移部２９は第２の遷移部３３から間隔（ギャップ）ＧＡＰをおいて設けられる一方で、第１の遷移部２９は第２の遷移部３３に光学的に結合される。
第１の遷移部２９の幅Ｗ１と第２の遷移部３３の幅Ｗ２との比（Ｗ１／Ｗ２）は、光入出力部２７から第１の遷移部２９への方向ＤＩＲＣ１にそって単調に減少する。

このスポットサイズ変換器１３ａによれば、光入出力部２７から第１の遷移部２９への方向ＤＩＲＣ１にコア幅の比（Ｗ１／Ｗ２）が単調に減少していくとき、第２の遷移部３３と第１の遷移部２９との光結合の大きさが、方向ＤＩＲＣ２に関して徐々に変化する。これ故に、第１及び第２のコア層２３、２５の一方から第１及び第２のコア層２３、２５の他方に伝搬光が遷移可能である。また、光入出力部２７の幅Ｗ（Ｉ／Ｏ）が第１の遷移部２９から光入出力部２７への第２の方向ＤＩＲＣ２に単調に大きくなると共に第１のコア層２３の厚さが第２のコア層２５の厚さより厚いので、第２のコア層２５の材料並びに第２のコア層２５の幅及び厚さとは独立してスポットサイズを変換できる。

スポットサイズ変換器１３ａでは、第１のコア層２３の第１の遷移部２９及び第２のコア層２５の第２の遷移部３３は互いに光結合するように設けられる。

図２を参照しながら、スポットサイズ変換器１３ａの一実施例を説明する。スポットサイズ変換器１３ａでは、第２の遷移部３３の幅Ｗ２は光入出力部２７から第１の遷移部２９への方向ＤＩＲＣ１に単調に大きくなることが好ましい。第１の遷移部２９は例えばほぼ一定の幅を有することができる。このスポットサイズ変換器１３ａによれば、第２の遷移部３３が第１の遷移部２９の屈折率より大きい屈折率を有すると共に第２の遷移部３３の幅Ｗ２が方向ＤＩＲＣ１に単調に大きくなるので、第２の遷移部３３における光のモードが方向ＤＩＲＣ２にそって拡がっていく。これ故に、第１のコア層２３から第２のコア層２５へ光が遷移するときは、第１のコア層２３内の光が方向ＤＩＲＣ２に伝搬するにつれて、第２のコア層２５における伝搬モードの広がりの影響を受けて第２のコア層２５における光振幅が大きくなる。また、第２のコア層２５から第１のコア層２３へ光が遷移するときは、第２のコア層２５内の光が方向ＤＩＲＣに伝搬するにつれて、第２のコア層２５からしみ出して、第１のコア層２３における光振幅が大きくなる。

第２の遷移部３３がシリコンからなるので、第２のコア層２５の伝搬光は第２の遷移部３３にしっかりと閉じ込めされて、クラッドへの広がりが小さい。第２の遷移部３３では、その幅Ｗ２が方向ＤＩＲＣ２に向けて徐々に小さくなるとき、第２の遷移部３３内の光学モードは閉じ込めよりもむしろ拡がるようになる。これ故に、第２の遷移部３３が、高い閉じ込め性を示すシリコンからなるけれども、コア幅の縮小により第２のコア層２５の伝搬光はこのコア層２５の領域外のクラッドに浸み出す。この浸み出しに起因して、第１の遷移部２９への光の遷移が可能になる。

第１のコア層２３は、反射制御部３１を更に含むことができる。反射制御部３１の幅Ｗ４は光入出力部２７から第１の遷移部２９への方向ＤＩＲＣ１に単調に小さいなることが好ましい。第２のコア層２５の一端が徐々に細くなるとき、断熱的にスポットサイズを小さくできる。反射制御部３１の先端は、フォトリソグラフィにより解像できる程度の寸法を用いることができる。

スポットサイズ変換器１３ａでは、第１の遷移部２９と第２の遷移部３３との間隔ＧＡＰは、光入出力部２７から第１の遷移部２９への第１の方向ＤＩＲＣ１に単調に減少する。第１の遷移部２９と第２の遷移部３３との間隔ＧＡＰが方向ＤＩＲＣに徐々に小さくなるとき、第１の遷移部２９における伝搬モードと第２の遷移部３３における伝搬モードとの間の光結合が方向ＤＩＲＣ１にそって徐々に大きくなる。

スポットサイズ変換器１３ａでは、オーバークラッド２１が、第１のコア層２３及び第２のコア層２５を覆うようにクラッド領域１９の主面の上に設けられている。オーバークラッド２１は、第１の遷移部２９と第２の遷移部３３との間に設けられており、第１の遷移部２９と第２の遷移部３３との間に設けられるオーバークラッドの屈折率により、第１の遷移部２９と第２の遷移部３３との結合が調整される。

また、第１の遷移部２９と第２の遷移部３３との間隔ＧＡＰは例えば１５０ｎｍ以上であり、例えば２４０ｎｍ以下であることができる。発明者の知見によれば、少なくとも上記間隔範囲において、第１及び第２のコア層２３、２５の一方から他方へのモード遷移が高い効率で可能である。

第１のコア層２３の幅は、光入出力部２７と遷移部２９との接続部において連続的に変化する。また、第１のコア層２３の幅は、遷移部２９と光反射抑制部３１との接続部において連続的に変化する。第２のコア層２５の幅は、遷移部３３と伝搬部３５との接続部において連続的に変化する。

（実施例１）
ＳＯＩ基板を用いた直線導波路を形成する。ＳＯＩ基板は、Ｓｉ基板と、Ｓｉ基板上のシリコン酸化物からなる下部クラッド層（「ＢＯＸ層」と呼ばれる）、Ｓｉコア膜、及びＳｉＮコア層を含む。下部クラッド層の厚さは例えば２μｍであり、Ｓｉコア膜の厚さは例えば２２０ｎｍである。光導波路デバイスの作製方法を説明する。ＢＯＸ層上に成長されたＳｉコア膜上にレジストを塗布した後に、フォトリソグラフィを用いて、パターン形成されたレジストマスクを形成する。このレジストマスクを用いてＳｉコア膜のドライエッチングにより、Ｓｉコア層を形成する。このＳｉコア層及びクラッド層上にＳｉＮコア膜を成長する。ＳｉＮコア膜の厚さは例えば３μｍである。ＳｉＮコア膜上にレジストを塗布した後に、フォトリソグラフィを用いて、パターン形成されたレジストマスクを形成する。このレジストマスクを用いてＳｉＮコア膜のドライエッチングにより、ＳｉＮコア層を形成する。Ｓｉコア層及びＳｉＮコア層を形成した後に、Ｓｉコア層及びＳｉＮコア層を覆うようにオーバークラッド層をクラッド層上に成長する。オーバークラッド層の厚さは例えば５μｍである。
スポットサイズ変換器１３ａの一例を示す。
第１のコア層２３：ＳｉＮ、厚さ３μｍ。
第２のコア層２５：Ｓｉ、厚さ２２０ｎｍ。
光入出力部２７の長さ：３００μｍ。
光入出力部２７の幅（端面）：３μｍ。
遷移部２９の長さ：４５０μｍ。
遷移部２９の幅：８００ｎｍ。
光反射抑制部３１の長さ：３００μｍ。
光反射抑制部３１の先端幅：２００ｎｍ。
遷移部３３の長さ：４４０μｍ。
遷移部３３の先端幅：１８０ｎｍ。
伝搬部３５の幅：４５０ｎｍ。
遷移部２９と遷移部３３との間隔（ギャップ）：１５０ｎｍ（最小）、２４０ｎｍ（最大）。
本実施例では、光入出力部２７はテーパ形状を成し、反射抑制部３１はテーパ形状を成す。また、遷移部３３はテーパ形状を成す。

反射抑制部３１におけるＳｉＮコア幅は、遷移部２９に近づくほど横方向に太くなるテーパ状を有する。ＳｉＮコア層において、導波路コアの断面形状は、幅２００ｎｍ及び高さ３μｍの四辺形から幅８００ｎｍ及び高さ３μｍの四辺形に連続的に変化する。光入出力部２７の断面がテーパ状に変化することにより、Ｓｉコアを伝播してきた光がＳｉＮコア層の端面で反射されることを低減できる。遷移部２９におけるＳｉＮコア層は幅８００ｎｍ及び高さ３μｍである。この遷移部２９の一端の部分は変化せずに一定の幅を有し、Ｓｉコア層の伝搬部３５に並行する。並行する部分の長さは例えば１０μｍ程度である。並行する部分において、ＳｉＮコア層の並行部分とＳｉコア層の伝搬部３５とのギャップは例えば１５０ｎｍであり、このギャップはＣＭＯＳプロセスで形成可能である。遷移部２９の一端の部分は反射抑制部３１に接続される。

上記の構造を有するスポットサイズ変換器における光強度分布を計算する。伝搬光の波長は、１５５０ｎｍである。図３は、ギャップ１５０ｎｍのスポットサイズ変換器における光強度分布を示す図面である。

Ｓｉコア層からの光が遷移部でＳｉＮコア層に移行して、ＳｉＮ導波路端では完全にＳｉＮをコア層とする導波モードに変換されている。このスポットサイズ変換器とシングルモード石英ファイバとの光結合効率は６９％であり、ここで、シングルモード石英ファイバのモードフィールド径は例えば１０μｍである。発明者が知る先行例に比べて、光結合効率を大幅に改善できる。また、ギャップ１５０ｎｍにおいて、遷移部の長さを２５０μｍから６００μｍまで変化させるとき、光結合効率は６５％〜６９％の範囲にある。これは、遷移部の長さに対するトレランスが非常に大きいことを示す。Ｓｉコア層の一端部が先細テーパ形状を有するとき、伝播モードが十分にクラッドに染み出しようになり、Ｓｉコア層におけるモードとＳｉＮコア層におけるモードとの結合を容易にしている。

図４は、ギャップ３００ｎｍのスポットサイズ変換器における光強度分布を示す図面である。ＳｉＮコア層の遷移部の長さは４５０ｎｍである。図３に示された結果と同様に、Ｓｉコア層からの光が遷移部においてＳｉＮコア層に移行している。ＳｉＮコア層の内部で伝搬モードが横方向に揺れている。これは、図３における伝搬に比べて高次のモードが励振されていることを示す。このとき、このスポットサイズ変換器とシングルモード石英ファイバとの光結合効率は４９％である。

スポットサイズ変換器とシングルモード石英ファイバとの光結合効率のギャップ依存性を計算する。ギャップが２４０ｎｍ以下であるとき、光結合効率を６０％以上である。図３及び図４の結果より、ギャップ幅は１５０ｎｍ以上２４０ｎｍ以下であることが望ましく、このギャップはＣＭＯＳプロセスを用いて作製可能である。図３及び図４に示されるように、光はＳｉコア層の伝搬部に強く閉じ込められる。

（第２の実施形態）
図５は、本実施の形態に係るスポットサイズ変換器を概略的に示す図面である。スポットサイズ変換器１３ｂは、スポットサイズ変換器１３ａの第１の遷移部２９に替えて第１の遷移部２９ａを含む。第１の遷移部２９ａの幅Ｗ１が方向ＤＩＲＣ１に単調に小さくなっていくとき、第１のコア層２３の第１の遷移部２９ａを伝搬する光のモードの閉じ込めが方向ＤＩＲＣ２に沿って強くなっていく。既に説明したように、第２の遷移部３３の幅Ｗ２が光入出力部２７から遷移部２９ａへの方向ＤＩＲＣ２に向けて単調に小さくなっていく。第１の遷移部２９ａの幅Ｗ１が光入出力部２７から遷移部２９ａへの方向ＤＩＲＣ１に単調に小さくなることが良い。

このスポットサイズ変換器１３ｂによれば、コア幅の比（Ｗ１／Ｗ２）が光入出力部２９から第１の遷移部２９ａへの方向ＤＩＲＣ１に徐々に小さくなるにつれて、第２の遷移部３３と第１の遷移部２９ａとの光結合の大きさが、方向ＤＩＲＣ２に関して徐々に変化する。これ故に、第１及び第２のコア層２３、２５の一方から第１及び第２のコア層２３、２５の他方に伝搬光が遷移可能である。また、光入出力部２７の幅が第１の遷移部２９ａから光入出力部２７への方向ＤＩＲＣ２に単調に大きくなっていくと共に第１のコア層２３の厚さが第２のコア層２５の厚さより厚いので、第２のコア層２５の材料並びに第２のコア層２５の幅及び厚さとは独立してスポットサイズを変換できる。

連続的に変化する幅Ｗ１を有する第１の遷移部２９ａと連続的に変化する幅Ｗ２を有する第２の遷移部３３とにより、比（Ｗ１／Ｗ２）が第２の方向ＤＩＲＣ２にそって単調に大きくなっていく。

第１の遷移部２９ａの幅Ｗ１が方向ＤＩＲＣ２に単調に大きくなるとうい変化するとき、第１のコア層２３の第１の遷移部２９ａにおいて伝搬光モードの振幅は、方向ＤＩＲＣ２に徐々に大きくなっていく。また、第２の遷移部３３の幅Ｗ２が光入出力部２７から遷移部２９ａへの方向ＤＩＲＣ２に単調に小さくなっていくとき、第２のコア層２５の第２の遷移部３３において伝搬光モードは、方向ＤＩＲＣ２にそって徐々に拡がる。スポットサイズ変換器１３ｂでは、第１の遷移部２９ａにおける伝搬光モードの振幅の増加と第２の遷移部３３において伝搬光モードの広がりとの両方により、第１の遷移部２９ａ及び第２の遷移部３３の一方から他方への遷移が促進される。

第１の遷移部２９ａの幅Ｗ１が方向ＤＩＲＣ１にそって徐々に小さくなるとき、第１の遷移部２９ａにおけるスポットサイズが断熱的に変更される。また、第２の遷移部３３の幅Ｗ２が方向ＤＩＲＣ２に徐々に小さくなるとき、第２の遷移部３３におけるスポットサイズが断熱的に変更される。本実施例では、第１の遷移部２９ａはテーパ形状を成しており、またテーパ部の細端で終端することができる。連続的に小さくなる幅を有するテーパ部により、第１の遷移部２９ａにおけるスポットサイズが断熱的に変更される。第２の遷移部３３はテーパ形状を成しており、またテーパ部の細端で終端することができる。連続的に小さくなる幅を有するテーパ部により、第２の遷移部３３におけるスポットサイズが断熱的に変更される。スポットサイズの断熱的な変更により、終端における反射が低減される。

スポットサイズ変換器１３ｂでは、第１の遷移部２９ａと第２の遷移部３３との間隔ＧＡＰは方向ＤＩＲＣ２に沿ってほぼ同じであることが好適である。この形態においても、第１の遷移部２９ａと第２の遷移部３３との間隔ＧＡＰは１５０ｎｍ以上２４０ｎｍ以下であるとき、発明者の知見によれば、少なくとも上記間隔範囲において、第１及び第２のコア層２３、２５の一方から他方へのモード遷移が高い効率で可能である。

（実施例２）
ＳｉＮコア層の遷移部２９ａの幅のテーパ状にすると共にＳｉコア層の遷移部３３の幅のテーパ状にする。この構造により、光結合損失を増加させることなく保ったまま遷移部の長さを２００μｍ程度に短くできる。

また、実施例２では双方のコア層がテーパ状であるので、ギャップを一定に例えば１５０ｎｍに保持している。この場合においても、ＳｉＮコア層とＳｉコア層との間のモード移行を促進できる。

（第３の実施形態）
図６は、本実施の形態に係るスポットサイズ変換器を概略的に示す図面である。スポットサイズ変換器１３ｃでは、第１のコア層２３は、クラッド領域２１の主面において湾曲する第１の曲げ導波路部３１ａを更に含むことができる。第１の曲げ導波路部３１ａは第１の遷移部２９ａ（或いは、反射制御部３１に替えて第１の遷移部２９）の一端に接続され、光入出力部２７は第１の遷移部２９ａの他端に接続される。このスポットサイズ変換器１３ｃによれば、第１の曲げ導波路部３１ａは、第１のコア層２３の終端における反射を低減できる。

また、第２のコア層２５は、クラッド領域２１の主面上において湾曲する第２の曲げ導波路部３７を更に含むことができる。第２の曲げ導波路部３７は第２の遷移部３３の一端に接続され、第２の曲げ導波路部３７は第２の遷移部３３の他端に接続される。スポットサイズ変換器１３ｃによれば、第２の曲げ導波路部３７は、第２のコア層２５の終端における反射を低減できる。曲げ導波路部３７、３１ａの曲率半径は例えば３μｍ以上５０μｍ以下である。

（実施例３）
遷移部２９ａの一端に曲げ導波路を設けると共に遷移部３３の一端に曲げ導波路を設けるスポットサイズ変換器では、光結合効率は７２％である。光結合効率の向上は遷移部の直前或いは直後における等価屈折率の変化が断熱的になり、光の反射が抑制されるからである。これらの曲げ導波路の曲率半径は例えば１０μｍである。

上記の実施形態において、スポットサイズ変換器１３ａ、１３ｂ、１３ｃでは、第１のコア層２３は、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物、チタン酸化物及びアルミニウム酸化物の少なくともいずれかを含むことができる。スポットサイズ変換器の作製において、ＣＭＯＳプロセスの適用が容易になる。また、スポットサイズ変換器１３ａ、１３ｂ、１３ｃでは、第１のコア層２３は少なくともポリマーを含むことができる。このポリマーの屈折率は第２のコア層２３の屈折率とクラッド１９、２１の屈折率との間の値であることができる。ポリマーとしては、クラッドより高くＳｉコア層より低い屈折率の材料、例えばＢＣＢ、ポリイミド、エポキシ等を用いることができ、このポリマーの使用は、ＣＭＯＳプロセスに整合する。これにより、経時変化において安定したコアを持つ導波路を形成できる。

発明者の検討によれば、第１のコア層（例えばＳｉＮコア層）２３の幅は、例えば４００ｎｍ以上５μｍ以下のであることができる。また第１のコア層２３の高さは４００ｎｍ以上であることが望ましい。これにより、Ｓｉコア層のスポットサイズに比べて第１のコア層２３のスポットサイズを大きくすることができる。

第１のコア層（例えばＳｉＮコア層）２３の光入出力端の断面形状は長方形であることができ、最も好ましい形状は正方形である。これによりモードを円形にでき、ファイバとの結合効率を高めることができる。結合効率をより高めるためには、光入出力端の断面形状におけるアスペクト比は、横：縦＝３：１〜１：１であることが望ましい。

Ｓｉコア層に関して、Ｓｉコア層の遷移部の幅はＳｉコア層の伝搬部の幅よりも狭いことが望ましい。これにより、Ｓｉ導波路のモードをコア層から外に広げて、第１のコア層２３の導波路への結合が容易になる。

（比較例１）
特許文献１では、スポットサイズを断熱的に広げる目的で、中心コアの周囲に外周コアをテーパ状に付着している。この構造をＳｉ導波路に適用するとき、中心コアがＳｉからなると共に外周コアがＳｉＮ又はＳｉＯＮからなる。この材料組み合わせでは、特許文献１の構造ではＳｉコアの幅と高さが均一でありかつ導波路端面まで続いているので、Ｓｉコアに強く閉じ込められた光のモードは、Ｓｉコアの外周コア（ＳｉＮ又はＳｉＯＮ）ほとんど拡がらない。これ故に、結合効率は、発明者の見積もりによれば２５％程度であり、導波路端面で、約１ｄＢの反射が発生する。したがって、非常に大きくな屈折率差を生成するＳｉ導波路に特許文献１の構造を適用しても、良い結果は得られない。

（比較例２）
図７を参照すると、スポットサイズ変換器９ａが示される。スポットサイズ変換器９ａでは、ＳｉＮコア層におけるテーパ形状の入出力部は一定幅の導波路部に接続されており、この導波路部の一端がそのまま終端されている。また、Ｓｉコア層は、一定幅の伝搬部の一部がＳｉＮコア層の導波路部と並列しており、一定幅の伝搬部の一端が終端されている。並列しているＳｉＮコア層及びＳｉコア層において、ＳｉＮコア層の幅はＳｉコア層の幅と同じであるので、ＳｉＮコア層の幅とＳｉコア層の幅との比は変化しない。Ｓｉコア層Ａの終端では、約０．４ｄＢの反射が起こる。また、ＳｉＮコア層Ｂの終端では、約０．４ｄＢの反射が起こる。

（比較例３）
図８を参照すると、スポットサイズ変換器９ｂが示される。スポットサイズ変換器９ｂでは、ＳｉＮコア層の厚さはＳｉコア層の厚さと同じであるので、ＳｉＮコア層における光閉じ込めが弱過ぎて、Ｓｉコア層及びＳｉＮコア層の一方から他方への光遷移が十分生じない。これ故に、不十分な光遷移に起因して、Ｓｉコア端から放射損失が増加する。このため、スポットサイズ変換器９ｂとファイバとの結合効率は４０％程度である。

発明者の実験によれば、ＳｉＮコア層はＳｉコア層よりも厚いことが好適である。スポットサイズ変換器１３ａ、１３ｂ、１３ｃでは、第１のコア層２３の厚さが１μｍ以上であるとき、スポットサイズ変換器とシングルモード石英ファイバとの結合効率を６０％以上であるようにすることが可能になる。

（比較例４）
図９を参照すると、スポットサイズ変換器９ｃが示される。スポットサイズ変換器９ｃでは、Ｓｉコア層とＳｉＮコア層との間隔がゼロである。この構造では、Ｓｉコア層とＳｉＮコア層が、これらのコア層より低い屈折率のクラッドで分離させることなく、結果としてコアが一体化した導波路となる。また、現時点におけるリソグラフィ技術の限界により、Ｓｉコア層の先端部が１８０ｎｍ程度にまでしか細くできない。これ故に、Ｓｉコア層の終端（図９におけるサークルＡで示す）で、約０．５ｄＢ程度の反射が起こる。

スポットサイズ変換器１３ａ、１３ｂ、１３ｃでは、Ｓｉコア層とＳｉＮコア層が互いに隔置される。Ｓｉコア層とＳｉＮコア層の光学的な分離を実現するために、Ｓｉコア層とＳｉＮコア層との間には、これらのコア層の屈折率より低いクラッドにより分離が必要である。

以上説明したように、本発明の実施形態によれば、外部光導波路との結合に高い効率を提供できるスポットサイズ変換器を提供できる。

１１…光学デバイス、１１ａ、１１ｂ…導波路端、１０ａ、１０ｂ…光ファイバ、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ…スポットサイズ変換器、１５ａ…光処理部、１４ａ、１４ｂ…導波路、１６ａ、１６ｂ…導波路、１７…基板、１９…クラッド領域、２３…第１のコア層、２５…第２のコア層、２１…オーバークラッド、２７…光入出力部、２９、２９ａ…第１の遷移部、３３…第２の遷移部、３５…伝搬部、Ａｘ１、Ａｘ２…軸。

Claims

スポットサイズ変換器であって、
絶縁体からなるクラッド領域の主面上に設けられ、第１の軸に沿って順に配置された光入出力部及び第１の遷移部を含む第１のコア層と、
前記クラッド領域の前記主面上に設けられ、第２の軸に沿って延在する第２の遷移部と該遷移部に結合された伝搬部とを含む第２のコア層と、
前記第１のコア層及び前記第２のコア層を覆うように前記クラッド領域の前記主面の上に設けられたオーバークラッドと、
を備え、
前記オーバークラッドは、前記第１の遷移部と前記第２の遷移部との間に設けられ、
前記第１のコア層及び前記第２のコア層が、前記クラッド領域の前記主面と平行で、かつ前記第１の軸及び前記第２の軸に交差する方向に離間して設けられており、
前記光入出力部は、前記スポットサイズ変換器の一端から延在すると共に前記第１の遷移部に結合され、前記第１のコア層は前記スポットサイズ変換器の前記一端から離れた位置で終端し、
前記第１のコア層は前記第２のコア層の材料と異なる材料からなり、
前記第２のコア層はシリコンからなり、
前記第１のコア層は、前記第２のコアの屈折率と前記クラッド領域の屈折率との間の屈折率を有し、
前記第１の遷移部は前記第２の遷移部から間隔をおいて設けられると共に、前記第１の遷移部は前記第２の遷移部に光学的に結合され、
前記第１のコア層の厚さは前記第２のコア層の厚さより厚く、
前記第１の遷移部の幅Ｗ１と前記第２の遷移部の幅Ｗ２との比（Ｗ１／Ｗ２）が前記光入出力部から前記第１の遷移部への第１の方向に単調に減少するように、前記第２の遷移部の幅Ｗ２は、前記第１の方向に単調に増大し、
前記第２のコア層の前記第２の遷移部及び前記伝搬部は、前記第１の方向に順に配列されて、前記第２のコア層は前記スポットサイズ変換器の前記一端と対向する他端から離れた位置で終端し、
前記光入出力部は、前記第１の遷移部から前記光入出力部への第２の方向に単調に増大する幅を有する、スポットサイズ変換器。
前記第１のコア層は、反射制御部を更に含み、前記反射制御部の幅は前記第１の方向に単調に減少し、前記反射制御部は、前記第１のコア層の前記第１の遷移部に光学的に結合される、請求項１に記載されたスポットサイズ変換器。
前記第１の遷移部と前記第２の遷移部との間隔は１５０ｎｍ以上であり、２４０ｎｍ以下である、請求項１又は請求項２に記載されたスポットサイズ変換器。
前記第１の遷移部の幅Ｗ１は、前記光入出力部から前記第１の遷移部への前記第１の方向に単調に減少する、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載されたスポットサイズ変換器。
前記第１の遷移部の幅Ｗ１は、前記光入出力部から前記第１の遷移部への前記第１の方向に沿って同一である、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載されたスポットサイズ変換器。
前記第１の遷移部と前記第２の遷移部との間隔は、前記光入出力部から前記第１の遷移部への前記第１の方向に単調に減少する、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載されたスポットサイズ変換器。
前記第１のコア層は、前記クラッド領域の前記主面の上において湾曲する第１の曲げ導波路部を更に含み、
前記第１の曲げ導波路部は前記第１の遷移部の一端に接続され、
前記光入出力部は前記第１の遷移部の他端に接続される、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載されたスポットサイズ変換器。
前記第２のコア層は、前記クラッド領域の前記主面の上において湾曲する第２の曲げ導波路部を更に含み、
前記第２の曲げ導波路部は前記第２の遷移部の一端に接続され、
前記伝搬部は前記第２の遷移部の他端に接続される、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載されたスポットサイズ変換器。
前記第１のコア層は、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物、チタン酸化物及びアルミニウム酸化物の少なくともいずれかを含む、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載されたスポットサイズ変換器。
前記第１のコア層は少なくともポリマーを含む、請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載されたスポットサイズ変換器。