JP7379962B2 - 光導波路終端素子およびそれを用いた光フィルタ - Google Patents

Description

本発明は、光導波路における不要な光の反射を抑制することができる光導波路終端素子およびそれを用いた光フィルタに関するものである。

従来より、半導体基板に形成された波長可変の光フィルタやそれを有するレーザ光源として、様々なものがある。例えば、２つのリング共振器を備えた光フィルタを有するレーザ光源は、半導体光増幅器（以下、ＳＯＡという）からの出射光が導波路を通じて伝えられると、２つのリング共振器に入力される。そして、終端のループミラー等の反射部で反射されてＳＯＡに戻されるという構成とされる。このように、ＳＯＡの出射光を２つのリング共振器を通してループミラー等の反射部で反射させてＳＯＡに戻すことで、バーニア効果を利用してＳＯＡの端面反射鏡とループミラーとの間において強い共振状態を作り出している。そして、強い共振が生じる波長において、レーザ発振した強い光をＳＯＡの端面反射鏡から出力させることで、レーザ光源として機能する。以下、ＳＯＡからの導波路側への出射光を内出射光、ＳＯＡから外部に出力する光を外出射光という。

このような光フィルタを有するレーザ光源においては、各リング共振器に光を導く光導波路の端部での不要な光の反射を抑制するために、光導波路の端部に光導波路終端素子となるターミネータが備えられる。このターミネータにより、端部から周囲のクラッド層に不要な光が放出されるようにしている。

例えば、特許文献１では、ターミネータとして、光導波路の先端部をそれよりも内側の部分に対して斜め傾斜させると共に、先端部において光導波路の幅を徐々に狭くした先細テーパ状端部とした構造が提案されている。このように、光導波路の先端部を斜め傾斜させることで先端部における反射戻り光が低減でき、さらに先細テーパ状端部とすることで光閉じ込めが弱い状態を形成し、最先端位置より光を放出させ、不要な光の反射を抑制することができる。

また、他のターミネータとして、光導波路の先端部を渦巻き形状とするものも提案されている。このターミネータは、渦巻き形状とした先端部の曲率を曲げ損失を生じさせる曲率とすることで、先端部に入力された入力光を減衰させ、不要な光の反射を抑制できるようにしている。

特許第３０７００１６号公報

しかしながら、特許文献１のように、先細テーパ状端部を構成した場合でも、最先端位置での導波路線幅（以下、最小線幅という）が半導体プロセスの制約によって決まってしまう。このため、最先端幅を十分に細くすることが出来ず、光閉じ込めを十分弱い状態と出来ないため、そこで僅かに光が反射する。レーザ光源などのレーザ共振器のターミネータでは、この僅かな光の反射が無視できないものとなり、意図しない発振を引き起こす原因となる。

一方、光導波路の先端部を渦巻き形状とするものでは、損失のない曲げ半径から徐々に曲げ半径を小さくし、曲げ損失を増加させるという終端構造であるため、ターミネータの占有面積が大きくなる。特に、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）のような、クラッドとの屈折率差が比較的低い材料で光導波路を構成する場合、損失のない光導波路の曲げ半径が３０～１００μｍとなり、無視できない占有面積が必要になる。これにより、光フィルタなどの光集積回路が形成された半導体基板の大型化を招く。

本発明は上記点に鑑みて、より光の反射を抑制でき、かつ、小型化が可能な光導波路終端素子およびそれを用いた光フィルタを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、半導体基板（１０）上に形成されると共にクラッド層（３２、３４）によって囲まれた光導波路（１２、１４、１６）の先端に備えられる光導波路終端素子であって、光導波路の先端に行くほど光の閉じ込め状態を強い状態からそれよりも弱い状態に変換する変換部（１２ａａ）と、半導体基板の表面と平行な平面上において変換部の先端から円弧状に折り曲げられた曲げ構造部（１２ａｂ）と、を有している。そして、変換部と曲げ構造部との間には、曲げ構造部よりも曲率が小さくされていて変換部から伝わる光の向きを変える延長部（１２ａｃ）が備えられ、曲げ構造部は、延長部を介して変換部の先端に繋げられている。

このように、光導波路終端素子を変換部と曲げ構造部とを有した構造とすることで、変換部の先端で光が放射されやすくなり、さらに曲げ構造部においても連続的に光が放射されるようにできる。したがって、狭い占有面積で光を放射させつつ光の反射をほぼ無くすことが可能となる。よって、より光の反射を抑制でき、かつ、小型化が可能な光導波路終端素子にできる。また、変換部と曲げ構造部との間に延長部を備えているため、変換部から伝わる光の向きを変えてから曲げ構造部に伝え、それから曲げ構造部で光を放出させることができる。

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態にかかるレーザ光源の概略構成を示す図である。 第１リング共振器の一部を示した断面図である。 ターミネータの上面形状を示した図である。 曲げ構造部の詳細を示した図である。 第１幅Ｗ１となる位置での第１導波路やターミネータなどの詳細を示した断面図である。 第２幅Ｗ２となる位置でのターミネータなどの詳細を示した断面図である。 ターミネータを単なるテーパ部のみで構成する場合の光の閉じ込めの状態と光の様子を示した図である。 ターミネータを第１実施形態の構造とする場合の光の閉じ込めの状態と光の様子を示した図である。 図５Ａの構造での光の様子をＦＤＴＤ法（Finite-difference time-domain method；時間領域差分法）で解析した結果を模擬した図である。 図５Ｂの構造での光の様子をＦＤＴＤ法で解析した結果を模擬した図である。 曲げ構造部の曲率半径を変化させて反射率を調べた結果を示した図である。 比較例として導波路の直線状部と渦巻き形状の部分を同じ幅とする場合の上面形状を示した図である。 図８Ａの構造での光の様子をＦＤＴＤ法で解析した結果を模擬した図である。 各種ターミネータを備えた場合とターミネータを備えていない場合それぞれの反射率について調べた結果を示す図である。 ターミネータを各導波路に対して折り曲げた構造とした場合の放出光と反射光の進み方を示した図である。 テーパ部と曲げ構造部との間に延長部を備えた構造とした場合のターミネータの上面図である。 ターミネータに加えて回折格子を備えた場合の上面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
第１実施形態ついて、図１～図９を参照して説明する。本実施形態では、光導波路終端素子としてターミネータが備えられる光フィルタを用いたレーザ光源について説明する。

図１に示すように、レーザ光源は、光フィルタ１とＳＯＡ２とを有して構成されている。このレーザ光源は、ＳＯＡ２から内出射光を光フィルタ１に出射し、光フィルタ１およびＳＯＡ２において共振状態とした強い光として取り出し、ＳＯＡ２から外出射光として外部に出力するものである。

光フィルタ１は、例えば半導体基板１０を用いて半導体プロセスを施すことによって形成されている。具体的には、光フィルタ１を構成する半導体基板１０には、ＳＳＣ１１、第１導波路１２、第１リング共振器１３、第２導波路１４、第２リング共振器１５、第３導波路１６、変調器１７、ループミラー１８などが備えられている。

ＳＳＣ１１は、光スポットサイズ変換器である。ＳＳＣ１１は、ＳＯＡ２と第１導波路１２や第２導波路１４とのモード径を合わせるためのものであり、一端が、半導体基板１０の端面１０ａから露出させられており、他端が第１導波路１２に接続されている。例えば、ＳＳＣ１１は、テーパ状に形成され、第１導波路１２からＳＯＡ２に向けて徐々にモード径が拡径されている。また、ＳＳＣ１１のうちの第１導波路１２側となる他端側は、反射を防止するため、第１導波路１２の長手方向に対して所定角度だけ傾けられている。

第１導波路１２、第２導波路１４および第３導波路１６は、ＳＳＣ１１から伝えられたＳＯＡ２の内出射光を伝搬する光導波路の役割を果たすものであり、一方向を長手方向としたライン状で構成され、互いに平行に並べられている。第１導波路１２、第２導波路１４および第３導波路１６のうち先端部以外の内側部は、幅および厚みが等しくされ、一定の断面積とされている。第１導波路１２は、内出射光を第１リング共振器１３に伝搬したり、第１リング共振器１３から戻ってくる内出射光をＳＯＡ２側に伝搬したりする。第２導波路１４は、第１リング共振器１３から伝搬された内出射光を第２リング共振器１５に伝搬したり、第２リング共振器１５から戻ってくる内出射光を第１リング共振器１３側に伝搬したりする。第３導波路１６は、第２リング共振器１５から伝搬された内出射光がループミラー１８を介して戻されるため、これを再び第２リング共振器１５に伝搬する。

第１導波路１２のうちのＳＳＣ１１と反対側の端部、第２導波路１４の両端部、および、第３導波路１６のうちのループミラー１８と反対側の端部には、それぞれ、ターミネータ１２ａ、１４ａ、１４ｂ、１６ａが備えられている。これらターミネータ１２ａ、１４ａ、１４ｂ、１６ａにより、各導波路から伝搬されてきた不要な光が各導波路の外部に放出させられる。各ターミネータ１２ａ、１４ａ、１４ｂ、１６ａは、不要な光が反射して再び導波路に伝搬されることが抑制されるように、各導波路の長手方向に対して所定の角度傾斜した方向に延設され、先細りテーパ形状とされている。そして、各ターミネータ１２ａ、１４ａ、１４ｂ、１６ａは、後述する図３Ａに示すように先端位置が折り曲げられており、先端位置に導かれた光を周囲のクラッド層に放出して不要な光の反射を抑制できる構造とされている。これら各ターミネータ１２ａ、１４ａ、１４ｂ、１６ａの詳細構造については後述する。なお、各導波路は、ターミネータ１２ａ、１４ａ、１４ｂ、１６ａよりも内側の部分において折り曲げられることで、ターミネータ１２ａ、１４ａ、１４ｂ、１６ａが各導波路に対して傾斜した状態となっている。この折り曲げられた部分は、同じ幅のまま所定の曲率半径で折り曲げられているため、ターミネータ１２ａ、１４ａ、１４ｂ、１６ａは各導波路のうちの内側の部分の幅から徐々に線幅が狭められた構成となる。

また、第１導波路１２のうちのＳＳＣ１１と接続される側の端部も、第１導波路１２の長手方向に対して所定の角度傾斜した方向に延設されている。そして、この端部は、先細り形状の導波路１２ｂを含むＳＳＣ１１に接続されることで、反射が抑制されて効率よく光がＳＳＣ１１側に伝搬される構造とされている。

第１リング共振器１３と第２リング共振器１５は、内出射光が入力されることにより、それぞれが所定の自由スペクトル間隔 (以下、ＦＳＲという)を有する透過スペクトルを生成する共振器である。第１リング共振器１３と第２リング共振器１５は、互いに異なる周囲長で構成されており、それぞれで異なるＦＳＲを有する透過スペクトルを生成する。

これら第１リング共振器１３と第２リング共振器１５それぞれで生成された透過スペクトルが重なった波長が、これらの合成スペクトルとなるダブルリングの透過スペクトルが最も高い１番目のピークとなる。この１番目のピークによって、反射鏡２１とループミラー１８の間で形成されるファブリペロー共振器の縦モードが選択され、レーザ発振が起こり強い光となるため、この強い光が外出射光としてＳＯＡ２から外へ出力されるようになっている。

第１リング共振器１３は、第１導波路１２および第２導波路１４の間に配置され、これらから所定距離離れた位置に配置されているが、これらに対して光結合されている。このため、第１導波路１２から内出射光が伝搬されてくると、第１リング共振器１３にその内出射光が伝搬され、第１リング共振器１３内に伝搬された光が第２導波路１４に伝搬される。

また、第２リング共振器１５は、第２導波路１４および第３導波路１６の間に配置され、これらから所定距離離れた位置に配置されているが、これらに対して光結合されている。このため、第２導波路１４から内出射光が伝搬されてくると、第２リング共振器１５にその内出射光が伝搬され、第２リング共振器１５内に伝搬された光が第３導波路１６に伝搬される。

なお、第１リング共振器１３や第２リング共振器１５には、それぞれ、後述する図２に示されるようなヒータ３５が備えられている。このヒータ３５によって加熱されることで、意図的に、透過スペクトルのＦＳＲを変化させられるようになっている。

第１導波路１２、第２導波路１４および第３導波路１６は、共に幅が同じに設定されている。また、第１リング共振器１３や第２リング共振器１５は、長方形状の四隅を四分円としたもので構成され、幅を各導波路の幅と同じとしてある。第１リング共振器１３のうち第１導波路１２、第２導波路１４と対向する直線部分や第２リング共振器１５のうち第２導波路１４、第３導波路１６と対向する直線部分によって光結合され、結合効率を考慮してその長さが設定されている。また、第１リング共振器１３と第１導波路１２または第２導波路１４との間隔である導波路間ギャップについても結合効率を考慮して設定されている。

図２は、第１リング共振器１３の断面構造を示している。第１リング共振器１３は、支持基板３１、アンダークラッド層３２、コア層３３、オーバークラッド層３４、ヒータ３５を積層することで構成されている。

支持基板３１は、シリコン基板などによって構成されており、例えば７２５μｍの厚みとされている。アンダークラッド層３２は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）などの絶縁膜によって構成され、支持基板３１の上に例えば２μｍの厚みで成膜されている。コア層３３は、第１リング共振器１３の導波路を構成する部分であり、シリコンなどによって構成されていて、上面形状が第１リング共振器１３の形状となるようにパターニングされている。コア層３３の幅が第１リング共振器１３の幅に相当し、例えば０．４０μｍとされ、厚みが例えば０．２２μｍとされている。オーバークラッド層３４は、ＳｉＯ_２などの絶縁膜によって構成され、コア層３３を覆うように例えば３μｍの厚みで形成されている。ヒータ３５は、オーバークラッド層３４上において、コア層３３と対応する位置に形成されており、０．１２μｍの厚みで形成されている。ヒータ３５は、例えばＴａ、ＴｉＮ、ＴａＮなどのように、通電によってコア層３３を加熱できる発熱材料で構成されている。

なお、ここでは第１リング共振器１３の断面構造として説明したが、第２リング共振器１５も同様の構造とされている。また、第１～第３導波路１２、１４、１６も、基本的には図２の断面構成とされ、ここからヒータ３５を無くした構成とされている。また、支持基板３１、アンダークラッド層３２およびコア層３３として、ＳＯＩ（Silicon On Insulatorの略）基板が用いられ、ＳＯＩ基板における活性層をパターニングしてコア層３３を形成している。

変調器１７は、第３導波路１６を通過する内出射光の位相を変調するものである。変調器１７としては、例えば熱光学効果やキャリアプラズマ効果や電気光学効果などを利用した位相変調器が用いられる。なお、変調器１７については、第３導波路１６に限らず、第１導波路１２や第２導波路１４に備えられていても良い。

ループミラー１８は、第３導波路１６から伝搬されてきた内出射光をループ状に伝搬させて、再び第３導波路１６に伝搬させる役割を果たす。

一方、ＳＯＡ２は、例えば、III－Ｖ族半導体構造などによって構成され、光を増幅して出力する光源となるものである。ＳＯＡ２は、一面２ａが半導体基板１０の端面１０ａに貼り付けられることで光フィルタ１に接続されて一体となっている。この一面２ａにおいて、第１導波路１２と光結合されるように、図示しないマッチングオイルや紫外線硬化樹脂などを介して、ＳＯＡ２が端面１０ａに接続されている。

ＳＯＡ２の他面２ｂは、外出射光の出射面となる面である。この他面２ｂには、反射鏡２１が備えられており、ＳＯＡ２から外部に外出射光を取り出しつつも、内出射光を反射して光フィルタ１側に戻す役割を果たす。本実施形態のように、反射鏡２１にて内出射光を反射しつつ、外部に外出射光を取り出す形態とする場合、一般的には、反射鏡２１の反射率は１～１０％程度とされる。なお、ＳＯＡ２には、図示しない電極などが備えられており、電極から注入する電流に基づいて、外出射光の光出力を可変させられるようになっている。

このようにして、光フィルタ１およびそれにＳＯＡ２を組み合わせることで構成されたレーザ光源が構成されている。このようなレーザ光源は、反射鏡２１とループミラー１８とによって内出射光が反射させられるファブリペロー共振器を構成し、反射鏡２１とループミラー１８との間において縦モードとなる共振状態を作り出す。そして、第１リング共振器１３と第２リング共振器１５の強い共振状態によって、これら縦モードのうち一つ以上が選択され、強い共振状態が生じる波長においてレーザ発振し、強い光が反射鏡２１から誘導放出されて外出射光として出力されるようになっている。

このような光フィルタを有するレーザ光源においては、第１リング共振器１３および第２リング共振器１５に光を導く第１導波路１２、第２導波路１４および第３導波路１６の端部での不要な光の反射を抑制することが重要である。このため、第１導波路１２のうちのＳＳＣ１１と反対側の端部、第２導波路１４の両端部、および、第３導波路１６のうちのループミラー１８と反対側の端部に、それぞれ、ターミネータ１２ａ、１４ａ、１４ｂ、１６ａを備えている。これらターミネータ１２ａ、１４ａ、１４ｂ、１６ａにより、第１導波路１２、第２導波路１４および第３導波路１６端部から周囲のクラッド層、つまりアンダークラッド層３２やオーバークラッド層３４に光が放出されるようにしている。

以下、ターミネータ１２ａ、１４ａ、１４ｂ、１６ａの詳細について説明する。ここでは、ターミネータ１２ａを例に挙げて説明するが、その他のターミネータ１４ａ、１４ｂ、１６ａも同様の構造とされている。

ターミネータ１２ａは、第１導波路１２の先端部に備えられている。ターミネータ１２ａは、第１導波路１２のうちのターミネータ１２ａよりも内側の部分から幅が徐々に狭められて先細りテーパ形状とされ、先端位置が半導体基板１０の表面と平行な平面上において円弧状に折り曲げられた構造とされている。以下、図３Ａに示すように、先細りテーパ形状の部分をテーパ部１２ａａ、先端位置の折り曲げられた部分を曲げ構造部１２ａｂという。ターミネータ１２ａは、テーパ部１２ａａにおいて第１導波路１２のうち一定幅の第１幅Ｗ１とされた内側部から徐々に導波路線幅が狭められ、先端位置において第１幅Ｗ１よりも小さな第２幅Ｗ２とされている。ここでは、例えば第２幅Ｗ２を半導体プロセスの制約で決まる最小線幅としており、曲げ構造部１２ａｂの幅については第２幅Ｗ２で一定としている。

なお、ここではテーパ部１２ａａの先端位置および曲げ構造部１２ａｂでの幅を共に第２幅Ｗ２とし、第２幅Ｗ２を半導体プロセスの制約で決まる最小線幅としているが、必ずしも最小線幅である必要は無い。すなわち、テーパ部１２ａａにおいて先端位置に向かって徐々に幅が狭くなって第２幅Ｗ２となるようにしつつも、第２幅Ｗ２が半導体プロセスの制約で決まる最小線幅よりも広い幅となるようにしても良い。その場合に、曲げ構造部１２ａｂの幅については、第２幅Ｗ２のまま一定とされていても良い。また、曲げ構造部１２ａｂの先端、つまりテーパ部１２ａａと連結される方と反対側の端部において、例えば最小線幅となるように曲げ構造部１２ａｂでも徐々に幅が狭められる構造としても良い。

第１導波路１２のうちの内側の部分、テーパ部１２ａａおよび曲げ構造部１２ａｂの幅や厚みは、第１導波路１２の材料（以下、導波路材料という）やその周囲のアンダークラッド層３２やオーバークラッド層３４の材料（以下、クラッド材料という）に応じて設定される。

例えば、導波路材料をＳｉＮ、クラッド材料をＳｉＯ_２とする場合、図３Ａに示す各部の寸法について、以下のように設定している。具体的には、第１導波路１２およびテーパ部１２ａａのうちの最も幅広とされた部分の第１幅Ｗ１を１．０μｍとし、テーパ部１２ａａの先端位置および曲げ構造部１２ａｂの第２幅Ｗ２を０．３μｍとしている。テーパ部１２ａａの長さＬについては３００．０μｍとしている。そして、図３Ｂに示す曲げ構造部１２ａｂの曲率半径Ｒを３．０μｍ、曲げ構造部１２ａｂの角度範囲θを１２０°としている。また、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、ターミネータ１２ａを含めて第１導波路１２の厚みＴについては０．４μｍとしている。

ＳｉＮの屈折率ｎは１．９６７、ＳｉＯ_２の屈折率ｎは１．４４４である。ＳｉＮで構成された第１導波路１２とＳｉＯ_２で構成されたアンダークラッド層３２およびオーバークラッド層３４の実効屈折率は、ＳｉＮの断面積によって変化する。図４Ａに示すように、第１幅Ｗ１が１．０μｍ、厚みＴが０．４μｍである場合には、実効屈折率は１．６１６８４となり、図４Ｂに示すように、第２幅Ｗ２が０．３μｍ、厚みＴが０．４μｍである場合には、実効屈折率は１．４５１６３となる。

実効屈折率は、光の閉じ込めの強さを示す指標となる。実効屈折率が高く、クラッド材料との屈折率差が大きくなると光の閉じ込めが強い状態で、この状態では光が導波路からクラッド層に放出されにくい。実効屈折率が低く、クラッド材料に近い値になると光の閉じ込めが弱い状態で、この状態だと光が導波路からクラッド層に放出され易くなる。このため、テーパ部１２ａａを設けることで、テーパ部１２ａａの先端において実効屈折率をクラッド材料に近づけることが可能となり、光の閉じ込めが弱い状態を作り出せて、光がクラッド層に放出され易くなるようにできる。

しかしながら、単にテーパ部１２ａａのみを備えた構造だと、半導体プロセスの制約によって最小線幅が決まってしまうため、最先端位置で僅かな光の反射が生じる。レーザ光源などのレーザ共振器のターミネータでは、この僅かな光の反射が無視できないものとなり、意図しない発振を引き起こす原因となる。これに対して、本実施形態のターミネータ１２ａは、テーパ部１２ａａに加えて曲げ構造部１２ａｂを備えるようにしている。このため、曲げ構造部１２ａｂにおいて不要な反射が生じることなく光を放出することが可能となる。このような効果が得られるメカニズムについて、図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、図６Ｂおよび図７を参照して説明する。

図５Ａに示す構造、つまり特許文献１に示される従来構造のように、単にターミネータ１２ａをテーパ部１２ａａのみで構成した場合、テーパ部１２ａａのうち第１幅Ｗ１から第２幅Ｗ２へと、導波路幅が大きい状態から小さい状態に変化する。このため、導波路幅が大きい光の閉じ込めが強い状態から導波路幅が小さい光の閉じ込めが弱い状態に変化し、テーパ部１２ａａの先端付近において光が放出されることになる。ところが、テーパ部１２ａａの先端位置において最小線幅となって平坦な部分が存在するために、この部分において実効屈折率が不連続に変化する構造となり、僅かに光が反射してしまう。

図６Ａは、図５Ａの構造での光の様子をＦＤＴＤ法で解析した結果を模式的に示した図である。この図に示されるように、テーパ部１２ａａの先端のみで光が放射されている。また、光の入射位置よりもテーパ部１２ａａの先端から離れた位置に戻ってきた反射光の強度を測定し、入射光の強度に対する反射光の強度の比として反射率を求めたところ、１．７×１０^－４となった。レーザ共振器内で発生する反射の反射率は５×１０^－５以下になることが望ましい。これと比較すると、図５Ａの構造では反射率が５×１０^－５より大きくなっており、光の反射が無視できないものとなって、意図しない発振を引き起こす原因になり得る。

一方、図５Ｂに示す本実施形態の構造では、ターミネータ１２ａにテーパ部１２ａａと曲げ構造部１２ａｂとを備えている。このため、テーパ部１２ａａの先端位置で実効屈折率が不連続になってしまわず、テーパ部１２ａａの先端位置に備えられた曲げ構造部１２ａｂによって実効屈折率を連続的に変化させられる。これにより、光の反射を抑制することが可能となる。そして、曲げ構造部１２ａｂによって直線状に伸びるテーパ部１２ａａから急峻に曲がった構造になるため、曲がり始めの位置で大量に光が放出され、放射されずに残った光も曲げ構造部１２ａｂで徐々に放射されていく。したがって、曲げ構造部１２ａｂの先端位置には殆ど光が届かず、その途中で殆どの光が放出されるため、曲げ構造部１２ａｂの先端位置での光の反射もほぼ生じない。

図６Ｂは、図５Ｂの構造での光の様子をＦＤＴＤ法にて解析した結果を模式的に示した図である。この図に示されるように、テーパ部１２ａａの先端で光が放射され、さらに曲げ構造部１２ａｂにおいても連続的に光が放射されている。また、図６Ａと同様の手法によって反射光の強度を測定して反射率を求めたところ、７．４×１０^－６となった。つまり、図５Ｂの構造では反射率が５×１０^－５より十分に小さくなっており、無視できる程度まで光の反射を抑制できていた。このため、反射した光によって意図しない発振を引き起こさないようにできる。

また、ここでは曲率半径Ｒを３．０μｍとしたが、曲率半径Ｒについては任意である。図７は、曲率半径Ｒを変化させて反射率を調べた結果を示した図であり、参考として図５Ａの従来構造の反射率についても図中に示してある。この図に示されるように、少なくとも曲率半径Ｒが３．０μｍ以上であれば反射率を５×１０^－５より小さくでき、シミュレーションを行った曲率半径Ｒが３．０μｍ～２０μｍの範囲の全域で反射率を５×１０^－５より小さくできていた。なお、曲率半径Ｒが３．０μｍ未満であっても構わないが、あまり小さいと円弧を描けないため、曲率半径Ｒが３．０μｍ以上の場合のみシミュレーションを行っている。

このように、ターミネータ１２ａをテーパ部１２ａａと曲げ構造部１２ａｂとを有した構造とすることで、テーパ部１２ａａの先端で光が放射され、さらに曲げ構造部１２ａｂにおいても連続的に光が放射されるようにできる。このため、光の反射をほぼ無くすことが可能となり、反射した光によって意図しない発振を引き起こさないようにできる。そして、テーパ部１２ａａの先端に曲げ構造部１２ａｂを備えただけで不要な反射を抑制できることから、ターミネータ１２ａやそれが備えられる光フィルタおよびレーザ光源の小型化も可能となる。

ここで、従来構造の１つとして光導波路が一定幅のまま先端部を渦巻き形状とすることで光の放出を行う構造とした場合と本実施形態のようにターミネータ１２ａをテーパ部１２ａａと曲げ構造部１２ａｂとを有した構造とについて比較してみる。

従来構造の渦巻き形状については、光導波路の幅を一定としたまま直線状部の先端に同じ幅の渦巻き形状の部分を備えたものである。このような構造において、光がどの程度放出されるかをシミュレーションした。ここでは比較しやすいように、図８Ａに示すように、一定幅とされた光導波路Ｊ１の直線状部Ｊ１ａの先端に、渦巻き形状の部分の一部として、本実施形態のような曲げ構造部１２ａｂと同様の曲げ構造部Ｊ１ｂを備えた場合についてシミュレーションを行った。図８Ａに示すように、光導波路Ｊ１の幅Ｗａについては本実施形態の第１導波路１２の第１幅Ｗ１と等しく１．０μｍとし、曲率半径Ｒａも３．０μｍとし、曲げ構造部Ｊ１ｂとした角度範囲θａも１２０°とした。

図８Ｂは、図８Ａの構造での光の様子をＦＤＴＤ法にて解析した結果を模式的に示した図である。この図に示されるように、直線状部Ｊ１ａの先端においては殆ど光の放出が確認できず、曲げ構造部Ｊ１ｂにおいても少しずつしか光の放出が確認できなかった。これは、直線状部Ｊ１ａでは光の閉じ込めの強さが一定のままのためである。そして、曲げ構造部Ｊ１ｂの先端まで光が届いていた。このため、曲げ構造部Ｊ１ｂの先端において光の反射が生じていると考えられる。図６Ａと同様の手法によって反射光の強度を測定して反射率を求めたところ、８．９×１０^－５となった。つまり、図８Ａの構造では反射率が５×１０^－５より大きくなっており、光の反射を十分には抑制できていなかった。このため、渦巻き状の部分を備えることで光の反射を抑制できるようにするためには、より広い範囲で渦巻き状の部分を形成する必要がある。これにより、ターミネータの占有面積が大きくなり、光フィルタやレーザ光源の大型化を招くことになる。

したがって、本実施形態のように、テーパ部１２ａａを備えるようにして光の閉じ込めが弱くなる状態を形成しつつ、さらにテーパ部１２ａａの先端に曲げ構造部１２ａｂを備えるようにすることで、小さな占有面積でも光の反射を抑制することが可能となる。

参考として、図８Ａの構造において曲率半径Ｒａを変化させて反射率をシミュレーションした。また、本実施形態の構造についても、テーパ部１２ａａの先端や曲げ構造部１２ａｂの第２幅Ｗ２を０．３μｍ、０．４５μｍとして、曲率半径Ｒを変化させて反射率をシミュレーションした。第２幅Ｗ２が０．３μｍの場合には実効屈折率が約１．４５、第２幅Ｗ２が０．４５μｍの場合には実効屈折率が約１．４９となる。ターミネータを備えていない構造とテーパ部１２ａａのみを備えた構造についても、反射率をシミュレーションした。その結果、図９に示す関係が得られた。

この図に示されるように、本実施形態の構造については、第２幅Ｗ２を０．３μｍとした場合、０．４５μｍとした場合、いずれの場合においても反射率を５×１０^－５より小さくできた。一方、図８Ａの構造では、曲率半径Ｒａにかかわらず反射率が５×１０^－５より大きくなっていた。また、ターミネータを備えていない構造とテーパ部のみを備えた構造、いずれの場合も反射率が５×１０^－５より大きかった。この結果からも、本実施形態のようなテーパ部１２ａａの先端に曲げ構造部１２ａｂを備えた構造とすることで、低い反射率が得られることが判る。

以上説明したように、本実施形態では、ターミネータ１２ａをテーパ部１２ａａと曲げ構造部１２ａｂとを有した構造としている。これにより、テーパ部１２ａａと曲げ構造部１２ａｂとの境界位置で大部分の光が放出されるようにでき、さらに曲げ構造部１２ａｂにおいて連続的に光が放射されるようにできる。したがって、ターミネータ１２ａによって不要な反射光をほぼ発生させないようにでき、反射した光によって意図しない発振を引き起こさないようにできる。そして、このような構造がテーパ部１２ａａの先端に曲げ構造部１２ａｂを備えることで実現できることから、ターミネータ１２ａやそれを備えた光フィルタおよびレーザ光源の小型化を図ることも可能となる。

なお、このようなレーザ光源については、車両用のレーザレーダ装置のようなレーザ光源を備える光送受信装置に適用することができる。すなわち、レーザ光源より、特定波長の外出射光を出力し、それが障害物に衝突して反射して戻ってきたときに、その反射光を図示しない受信機で受信することで障害物までの距離を測定するような光送受信装置に適用できる。

また、本実施形態では、各ターミネータ１２ａ、１４ａ、１４ｂ、１６ａを各導波路に対して折り曲げた構造としており、光フィルタ１を構成する半導体基板１０の端面に対して傾斜した状態となっている。このため、図１０に示すように、各ターミネータ１２ａ、１４ａ、１４ｂ、１６ａから出射された光が半導体基板１０の端面で反射しても、その反射光が各ターミネータ１２ａ、１４ａ、１４ｂ、１６ａの方に戻らない。このため、無用な光が再び導波路に入り込むことが抑制でき、反射光が戻ることによって動作に悪影響を与えることを抑制することが可能となる。

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、上記実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。

例えば、光フィルタやレーザ光源の構造については一例を示したに過ぎず、光導波路終端素子となるターミネータが備えられるものについて、上記実施形態と同様の構造を適用できる。

また、第１リング共振器１３と第２リング共振器１５や第１～第３導波路１２、１４、１６の形状などについて、上記に限るものではないし、各部の材料や幅などの寸法についても、上記に限るものではない。例えば、第１幅Ｗ１および第２幅Ｗ２について任意に設定できる。第２幅Ｗ２については光の閉じ込めが弱い状態として低い反射率が得られるようにできれば良い。上記したように０．４５μｍの場合において反射率を十分に小さくできていたことから、少なくとも第２幅Ｗ２を０．４５μｍ以下とすることで同じ効果が見込める。実効屈折率で言うのであれば、クラッド材料との実効屈折率が０．０５以下であれば、低い反射率が得られるような光の閉じ込めが弱い状態を作り出せる。同様に、曲げ構造部１２ａｂの角度範囲θについても１２０°に限るものではなく、任意の角度に設定できる。

さらに、光導波路終端素子を構成するターミネータ１２ａとして、テーパ部１２ａａと曲げ構造部１２ａｂとを備えた構造とした。しかしながら、これも一例を示したに過ぎず、テーパ部１２ａａについては光の閉じ込め状態が強い状態からそれよりも弱い状態に変換できる変換部として機能すれば良い。すなわち、光導波路の先端に行くほど実効屈折率が徐々に低下するように変換部が構成されていれば良い。また、ターミネータを光導波路のうちターミネータよりも内側の部分に対して傾斜させた構造としたが、傾斜させなくても良い。

また、ターミネータ１２ａにおけるテーパ部１２ａａから連続して曲げ構造部１２ａｂを備えた構造としたが、必ずしも連続して形成されている必要は無い。すなわち、図１１に示すように、テーパ部１２ａａの先端に、テーパ部１２ａａの先端と同じ幅の延長部１２ａｃを備え、延長部１２ａｃを挟んでテーパ部１２ａａの先端に曲げ構造部１２ａｂを接続した構造とされていても良い。ここでは、延長部１２ａｃで光の向きを変えられるように延長部１２ａｃを緩やかに曲げており、その先端に繋がる曲げ構造部１２ａｂで光を放出させられるようにしている。

また、回折格子に本発明であるターミネータを備えることもできる。このように回折格子にターミネータを備えるようにすると、回折格子によって外部に放射しきれなかった光を、回折格子に戻すことなく導波路外部に放出することが出来る。図１２は、ターミネータ１４ｂと共に回折格子１４ｃを備えるようにした場合を例として示している。この図に示されるように、回折格子１４ｃを備える場合にも、ターミネータ１４ｂを第２導波路１４に対して傾斜させた構造とすると好ましい。ターミネータ１４ｂからの放出光の反射光が戻ってきた場合に動作に与える悪影響は、特に回折格子１４ｃを備える構造において懸念される。このため、回折格子１４ｃを備える構造においても、ターミネータ１４ｂが第２導波路１４に対して傾斜させるようにすると、反射光が戻ってくることを抑制できるため、動作に与える悪影響を抑制することが可能となる。なお、ここではターミネータ１４ｂと共に回折格子１４ｃを備える場合を例に挙げているが、他のターミネータ１２ａ、１４ａ、１６ａについても同様である。

１ 光フィルタ
１０ 半導体基板
１２ 第１導波路
１３ 第１リング共振器
１４ 第２導波路
１５ 第２リング共振器
１６ 第３導波路
１２ａ、１４ａ、１４ｂ、１６ａ ターミネータ
１２ａａ テーパ部
１２ａｂ 曲げ構造部

Claims (8)

1. 半導体基板（１０）上に形成されると共にクラッド層（３２、３４）によって囲まれた光導波路（１２、１４、１６）の先端に備えられる光導波路終端素子であって、
   前記光導波路の先端に行くほど光の閉じ込め状態を強い状態からそれよりも弱い状態に変換する変換部（１２ａａ）と、
   前記半導体基板の表面と平行な平面上において前記変換部の先端に繋げられ円弧状に折り曲げられた曲げ構造部（１２ａｂ）と、を有し、
   前記変換部と前記曲げ構造部との間には、前記曲げ構造部よりも曲率が小さくされていて前記変換部から伝わる光の向きを変える延長部（１２ａｃ）が備えられ、
   前記曲げ構造部は、前記延長部を介して前記変換部の先端に繋げられている、光導波路終端素子。
2. 前記変換部は、前記光導波路の先端おいて、第１幅（Ｗ１）から該第１幅よりも小さな第２幅（Ｗ２）に先細りとされたテーパ部（１２ａａ）である、請求項１に記載の光導波路終端素子。
3. 前記第２幅が０．４５μｍ以下である、請求項２に記載の光導波路終端素子。
4. 前記変換部は、前記クラッド層と前記光導波路とによる実効屈折率が前記光導波路の先端に行くほど小さくなって前記クラッド層の屈折率に近づく、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の光導波路終端素子。
5. 前記光導波路がシリコン窒化膜によって構成されていると共に、前記クラッド層がシリコン酸化膜によって構成されており、
   前記光の閉じ込め状態が弱い状態は、前記クラッド層と前記光導波路とによる実効屈折率が１．４９以下となっている、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の光導波路終端素子。
6. 前記変換部は、前記半導体基板の端面に対して傾斜させられている、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の光導波路終端素子。
7. 前記曲げ構造部は幅が一定とされている、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の光導波路終端素子。
8. 異なる周囲長を有する第１リング共振器（１３）および第２リング共振器（１５）と、
   前記第１リング共振器に光結合され、該第１リング共振器に対して光を伝搬する前記光導波路（１２）と、を含み、
   前記光導波路に入射された光が前記第１リング共振器を通じて前記第２リング共振器に伝搬される光フィルタであって、
   請求項１ないし７のいずれか１つに記載の光導波路終端素子が前記光導波路の先端部に、ターミネータとして備えられている、光フィルタ。

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