JP2007093743A - スポットサイズ変換導波路及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】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Δ光導波路とシングルモードファイバを低損失で接続できる安価なスポット変換導波路及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係るスポットサイズ変換導波路１は、基板２上に導波路コア３を有する光導波路のコア端面に、スポットサイズが異なるシングルモードファイバが接続されるものであり、
導波路コア３のファイバ接続端部に、ファイバ側のスポットサイズがシングルモードファイバと同等、導波路コア３側のスポットサイズが導波路コア３と同等であり、かつ、リッジコア幅及びリッジコア高さがファイバ側から導波路コア３側に向かって小さくなる横断面凸字状のリッジ部１０を備えるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、比屈折率差（Δ）が0.3％より大きい光導波路（以下、高Δ光導波路という）とシングルモードファイバを低損失に接続するスポットサイズ変換導波路及びその製造方法に関する。

高Δ光導波路とシングルモードファイバは、スポットサイズ（ビーム半径）が異なる。一般に高Δ光導波路のスポットサイズはΔ＝1.5％の場合で約2.5μｍ、シングルモードファイバのスポットサイズは約5μｍである。このため、高Δ光導波路とシングルモードファイバを接続するには、特別な部品を用いたり、複雑な構成の光導波路を用いたりする必要がある。

従来、比屈折率差が大きい高Δ光導波路とシングルモードファイバの接続には、TEC（コア拡大）ファイバを用いて接続していた。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。

特開平６−１６０６７５号公報 特許第３６０７１２９号

ところで、TECファイバを用いる場合、高Δ光導波路とシングルモードファイバ間にTECファイバを接続する必要があるため、接続部の数が増えてしまい、従来のファイバアレイに比べて、部品点数の増加と製作コストの上昇を招くという問題があった。

また、高Δ光導波路とシングルモードファイバを接続するため、導波路コアとシングルモードファイバの軸ずれの許容範囲が、従来の低Δ（0.3％以下）の光導波路とシングルモードファイバの場合に比べて厳しくなるという問題があった。

一方、理想的なスポット変換導波路として、コア高さ及びコア幅が光の伝搬方向にわたって徐々に変化するテーパ導波路構造が挙げられる。このテーパ導波路構造のスポット変換導波路は、光導波路素子のコア端面におけるスポットサイズを、シングルモードファイバのスポットサイズに近づけることができ、結合損失を大きく低減することができる。しかしながら、テーパ導波路構造のスポット変換導波路は、製造工程が複雑であり、製作コストの上昇を招くという問題があった。

そこで、本発明の目的は、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Δ光導波路とシングルモードファイバを低損失で接続できる安価なスポット変換導波路及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成すべく本発明に係るスポットサイズ変換導波路は、基板上にコアを有する光導波路のコア端面に、スポットサイズが異なるシングルモードファイバが接続されるスポットサイズ変換導波路において、
コアのファイバ接続端部に、ファイバ側のスポットサイズが上記シングルモードファイバと同等、コア側のスポットサイズが上記コアと同等であり、かつ、リッジコア幅及びリッジコア高さがファイバ側からコア側に向かって小さくなる横断面凸字状のリッジ部を備えるものである。

ここで、リッジ部は、コアで構成される中心部の周りを、コアの屈折率と同じ又はそれ以下の材料で構成される膜で覆設してなるものである。また、リッジ部は、横断面ほぼ凸字状のコアで構成される中心部の凸部上に、コアの屈折率と同じ又はそれ以下の材料で構成される膜を覆設してなるものである。

コア部の比屈折率差は1.5％、リッジ部の比屈折率差は1.1〜1.5％、リッジ部の高さは3〜9μｍとされる。また、リッジ部の長手方向長さは1000μｍ以上とされる。

一方、本発明に係るスポットサイズ変換導波路の製造方法は、基板上にコアを有する光導波路のコア端面に、スポットサイズが異なるシングルモードファイバが接続されるスポットサイズ変換導波路の製造方法において、
基板上に第１コア膜を形成するステップと、
第１コア膜にエッチング処理を施して第１コアを形成するステップと、
第１コアから離間させた状態で、基板及び第１コアをマスクで覆うと共に、コア端面から所定長さにわたって基板及び第１コアを露出させるステップと、
そのマスクを介して、第１コア膜と屈折率が同じ又はそれ以下の材料で構成される第２コア膜の成膜を行い、マスクから露出した部分には膜厚が一定の均等膜を形成すると共に、マスクの下側部分には膜厚が徐々に薄くなる傾斜膜を形成するステップとを備え、
第２コア膜成膜ステップにより、コアのファイバ接続端部に、ファイバ側のスポットサイズがシングルモードファイバと同等、コア側のスポットサイズがコアと同等であり、かつ、リッジコア幅及びリッジコア高さがファイバ側からコア側に向かって小さくなる横断面凸字状のリッジ部を形成するものである。

また、本発明に係るスポットサイズ変換導波路の製造方法は、基板上にコアを有する光導波路のコア端面に、スポットサイズが異なるシングルモードファイバが接続されるスポットサイズ変換導波路の製造方法において、
基板上に第１コア膜を形成するステップと、
第１コア膜から離間させた状態で、基板及び第１コア膜をマスクで覆うと共に、コア膜端面から所定長さにわたって基板及び第１コア膜を露出させるステップと、
そのマスクを介して、第１コア膜と屈折率が同じ又はそれ以下の材料で構成される第２コア膜の成膜を行い、マスクから露出した部分には膜厚が一定の均等膜を形成すると共に、マスクの下側部分には膜厚が徐々に薄くなる傾斜膜を形成するステップと、
第１コア膜及び第２コア膜にエッチング処理を施してコアを形成するステップとを備え、
コア形成ステップにより、コアのファイバ接続端部に、ファイバ側のスポットサイズがシングルモードファイバと同等、コア側のスポットサイズがコアと同等であり、かつ、リッジコア幅及びリッジコア高さがファイバ側からコア側に向かって小さくなる横断面凸字状のリッジ部を形成するものである。

ここで、第１コア形成ステップのエッチング処理の際、基板にまで達するオーバーエッチングを行い、基板の凸部の上に上記第１コアを形成してもよい。オーバーエッチングのエッチング深さは、第２コア膜の均等膜の厚さよりも大きくなるように調整することが好ましい。

コア形成ステップのエッチング処理の際、ファイバ接続端部側に拡径部を有するエッチングマスクを用いることが好ましい。

本発明によれば、部品点数を増やすこと無く、高Δ光導波路とシングルモードファイバを低損失で接続することができるという優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の好適一実施の形態に係るスポットサイズ変換導波路の構造図である。

図１に示すように、本実施の形態に係るスポットサイズ変換導波路１は、高Δの光導波路であり、石英（又はSi）製の基板２上に断面矩形状の導波路コア３を有し、その導波路コア３のファイバ接続端部（図１中では手前側の端部）に横断面凸字状のリッジ部１０を備えるものである。導波路コア３、リッジ部１０、及び基板２は上部クラッド（図示せず）で覆われる。スポットサイズ変換導波路１において、リッジ部１０を含む部分がリッジ導波路１ｆであり、残りの部分が一般のメサ形導波路１ｂとなる。

リッジ部１０は、中心部（ファイバ接続端部における導波路コア３）の周りを、疑似コアとなる膜４で覆設して構成される。膜４は、基板２上のシングルモードファイバのコアと接続する部分に形成される。膜４は、一般にCVD法で成膜して形成されるため、CVDコアとも呼ばれる。リッジ部１０の、シングルモードファイバとの接続側のスポットサイズはシングルモードファイバ（図示せず）と同等であり、メサ形導波路１ｂ側のスポットサイズは導波路コア３と同等となっている。

リッジ部１０は、リッジコアの幅及びリッジコアの高さがファイバ側（図１中では手前側）からメサ形導波路１ｂ側（図１中では奥側）に向かって小さくなる。ここで言うリッジコアの幅は、［導波路コア３の幅ｗ＋膜４の膜幅ｄ１０×２］のことであり、リッジコアの高さは、［導波路コア３の高さｈ＋膜４の膜厚ｄ］のことである。導波路コア３はその長手方向にわたって断面形状が同じであるため、実際には膜４の断面形状が光の伝搬方向にわたって変化する。具体的には、図２（ａ）〜図２（ｄ）に示すように、膜４は、シングルモードファイバ側からリッジ導波路１ｆ側に向かって膜厚がｄ１、ｄ２（＜ｄ１）と徐々に薄くなり、リッジ導波路１ｆとメサ形導波路１ｂの境界ｂ１において膜厚がゼロとなる。

ここで、メサ形導波路１ｂ（コア部）及びリッジ導波路１ｆ（リッジ部１０）の比屈折率差は、接続されるシングルモードファイバの比屈折率差より大きくされる。また、導波路コア３の屈折率は、基板２及び上部クラッドの屈折率よりも高くされ、例えば、1.0〜3.0％、好ましくは1.5〜2.5％前後とされる。膜４の屈折率は、導波路コア３の屈折率と同じか、又はそれよりもやや低くされる。基板２としては、石英基板やSi基板などが用いられる。基板としてSiを用いた場合、基板２と導波路コア３の間には下部クラッドを設ける必要がある。

導波路コア３及びリッジ部１０のリッジコアの断面形状は、矩形状に限定するものではなく、例えば、台形状、半円状、半楕円状などであってもよい。

次に、本実施の形態に係るスポットサイズ変換導波路１の製造方法を説明する。

先ず、図３（ａ）に示すように、基板２上に、CVD法、スパッタ法、FHD（火炎堆積）法などを用いて、導波路コア膜（第１コア膜）３１が成膜される（第１コア膜形成ステップ）。導波路コア膜３１を構成する材料の屈折率は、基板２を構成する材料の屈折率よりも高くされる。

次に、図３（ｂ）に示すように、導波路コア膜３１上に光回路パターン３２が形成される。その後、図３（ｃ）に示すように、光回路パターン３２をマスクとして、導波路コア膜３１にエッチング処理を施し、導波路コア（第１コア）３が形成される（第１コア形成ステップ）。エッチング処理後、光回路パターン３２は除去される。

最後に、図３（ｄ）に示すように、基板２及び導波路コア３のファイバ接続端部（図１中では手前側の端部）上に、CVD法、スパッタ法、FHD法などで膜（第２コア膜）４が成膜され（第２コア膜成膜ステップ）、図１に示したスポットサイズ変換導波路１が得られる。

ここで、膜４の成膜の際、基板２及び導波路コア３上にマスク３３を配置した状態で成膜がなされる。より詳細には、図４に示すように、導波路コア３から距離（高さ）Ｈ離した状態で、基板２及び導波路コア３上にマスク３３が配置され、コア端面３ａから所定長さＬにわたって基板２及び導波路コア３を一部露出させる（マスク配置ステップ）。このようにマスク３３を配置した状態で、マスク３３を介してガラスを堆積させ、膜４を成膜すると、基板２及び導波路コア３とマスク３３の隙間（離間部）から、ガラスがマスク３３の下方に回り込む。回り込むガラスの量は、マスク３３のコア端面（図４中では左端面）から離れるほど少なくなる。

その結果、マスク３３から露出した基板２及び導波路コア３（所定長さＬの部分）上には膜厚が一定の均等膜４１が形成される。また、マスク３３で覆われた基板２及び導波路コア３（マスク３３の下側部分）上には膜厚が徐々に薄くなる傾斜膜４２が形成される。すなわち、膜４は、均等膜４１と傾斜膜４２で構成される。傾斜膜４２の傾斜角度は、マスク３３の高さＨを調整することで自在に調整可能であり、Ｈが大きいほど傾斜角度が小さくなり、Ｈが小さいほど傾斜角度が大きくなる。

従来、リッジ部１０の高さ（厚さ）を光の伝搬方向にわたって連続的に変化させるには、平らな膜に、光の伝搬方向にわたってエッチング量の異なるエッチング処理を施す必要があった。しかし、このエッチング処理のエッチング量を調整するのは、非常に困難な作業であった。これに対し本願発明によれば、マスク３３を用いて膜４を成膜させることで、成膜する膜４の膜厚を光の伝搬方向にわたって変化させることができるため、エッチング処理なしで容易にリッジ部１０の高さを光の伝搬方向にわたって連続的に変化させることができる。また、この膜４の成膜によって、リッジ部１０の高さのみでなく、リッジ部１０の幅も連続的に変化させることができる。

リッジ部１０の幅が光の伝搬方向にわたって連続的に変化するのは、導波路コア３と膜４を合わせた総コア幅が変化するからである。例えば、リッジ形導波路１ｆ（図１参照）においては、膜４の膜厚が光の伝搬方向にわたって変化し、図２（ａ）の２Ｂ−２Ｂの断面図である図２（ｂ）に示したように、リッジコア幅は（導波路コア３の幅ｗ＋膜４の膜幅ｄ１１×２）、リッジコア高さは（導波路コア３の高さｈ＋ｄ１）となる。また、図２（ａ）の２Ｃ−２Ｃの断面図である図２（ｃ）に示したように、リッジコア幅は（ｗ＋膜４の膜幅ｄ１２×２）、リッジコア高さは（ｈ＋ｄ２）となる。一方、メサ形導波路１ｂにおいては、図２（ａ）の２Ｄ−２Ｄの断面図である図２（ｄ）に示したように、膜４の膜厚がゼロであるため、コア幅（ｗ）とコア高さ（ｈ）は一定である。

次に、本実施の形態に係るスポットサイズ変換導波路１の作用を説明する。

本実施の形態に係るスポットサイズ変換導波路１は、シングルモードファイバと接続されるファイバ接続側にリッジ部１０を有する。このリッジ部１０は、リッジ部１０のリッジコア高さ及びリッジコア幅、すなわちスポットサイズが、光の伝搬方向にわたって連続的に変化するものであり、ファイバ接続側のスポットサイズはシングルモードファイバのそれと同等である。

このため、本実施の形態に係るスポットサイズ変換導波路１は、スポットサイズの異なる高Δ光導波路とシングルモードファイバを、TECファイバなどの他の部材を用いることなく、光学的に接続することが可能である。言い換えると、シングルモードファイバと高Δ光導波路を、１箇所の接続部で低損失に接続できる。

また、膜４はリッジ形を呈しており、光を閉じ込める構造であるため、膜４のすその部分１４ｓ，１４ｓ（図１参照）が光の伝送特性に悪影響を及ぼすおそれはない。これは、膜４のすその部分１４ｓ，１４ｓと基板２及び上部クラッド（図示せず）とから構成される部分の等価屈折率より、導波路コア３及び膜４の中央に位置する凸部１４ｐ、並びに基板２及び上部クラッド（図示せず）とから構成される導波路の等価的屈折率が大きくなるからである。

次に、本発明の他の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の他の好適な一実施の形態に係るスポットサイズ変換導波路５１の構造図である。尚、図１と同様の部材には同じ符号を付しており、これらの部材については説明を省略する。

図５に示すように、本実施の形態に係るスポットサイズ変換導波路５１は、高Δ光導波路であり、石英製の基板２上に断面矩形状の導波路コア３を有し、その導波路コア３のファイバ接続端部（図５中では手前側の端部）に横断面凸字状のリッジ部５０を備えるものである。導波路コア３、リッジ部５０、及び基板２は上部クラッド（図示せず）で覆われる。スポットサイズ変換導波路５１において、リッジ部５０を含む部分がリッジ導波路５１ｆであり、残りの部分が一般のメサ形導波路５１ｂとなる。

リッジ部５０は、ほぼリッジ形の導波路コア５３の凸部５３ｐ上に、疑似コアとなる膜５４を設けてなる。導波路コア５３は、幅方向（図５中では左右方向）中央に位置する凸部５３ｐと、凸部５３ｐの幅方向両脇に位置するすそ部５３ｓ，５３ｓで構成され、凸部５３ｐとすそ部５３ｓ，５３ｓは連続一体に設けられる。また、膜５４は、一般にCVD法で成膜して形成される。リッジ部５０の、ファイバ側のスポットサイズはシングルモードファイバ（図示せず）と同等、メサ形導波路５１ｂ側のスポットサイズは導波路コア３と同等であり、このリッジ部５０のリッジコアにシングルモードファイバが接続される。

リッジ部５０は、リッジコアの幅及びリッジコアの高さがファイバ側（図５中では手前側）からメサ形導波路５１ｂ側（図５中では奥側）に向かって小さくなる。ここで言うリッジコアの幅は、［凸部５３ｐの幅ｗ］のことであり、リッジコアの高さは、［凸部５３ｐの高さｈ＋膜４の膜厚ｄ］のことである。リッジ部５０における導波路コア５３及び膜５４の断面形状は光の伝搬方向にわたって変化する。具体的には、膜５４は、ファイバ側からコア側に向かって膜厚が徐々に薄くなり、リッジ導波路５１ｆとメサ形導波路５１ｂの境界ｂ５において膜厚がゼロとなる。一方、導波路コア５３におけるすそ部５３ｓ，５３ｓはファイバ側からコア側に向かって高さが徐々に低くなり、リッジ導波路５１ｆとメサ形導波路５１ｂの境界ｂ５において高さがゼロとなる。この境界ｂ５において凸部５３ｐが完全に露出し、導波路コア３となる。また、導波路コア５３における凸部５３ｐの高さは一定、幅は後述する光回路パターン６２（図６（ｃ）参照）の平面形状に応じて決定される。

ここで、メサ形導波路５１ｂ及びリッジ導波路５１ｆ（リッジ部５０）のΔは、接続されるシングルモードファイバのΔより大きくされる。また、導波路コア３，５３の屈折率は、基板２及び上部クラッドの屈折率よりも高くされる。膜５４の屈折率は、導波路コア３，５３の屈折率と同じか、又はそれよりもやや低くされる。

次に、スポットサイズ変換導波路５１の製造方法を説明する。

先ず、図６（ａ）に示すように、基板２上に、CVD法、スパッタ法、FHD（火炎堆積）法などを用いて、導波路コア膜（第１コア膜）３１が成膜される（第１コア膜形成ステップ）。導波路コア膜３１を構成する材料の屈折率は、基板２を構成する材料の屈折率よりも高くされる。

次に、図６（ｂ）に示すように、基板２及び導波路コア膜３１のファイバ接続端部（図６（ｂ）中では手前側の端部）上に、CVD法、スパッタ法、FHD法などで膜（第２コア膜）６４が成膜される（第２コア膜成膜ステップ）。

ここで、膜６４の成膜の際、基板２及び導波路コア膜３１上にマスク３３を配置した状態で成膜がなされる。このマスク３３の配置状態は、基本的に前実施の形態に係るスポットサイズ変換導波路１の製造方法におけるマスク３３の配置状態と同じとされる。このようにマスク３３を配置した状態で、マスク３３を介してガラスを堆積させ、膜６４を成膜すると、基板２及び導波路コア膜３１とマスク３３の隙間（離間部）から、ガラスがマスク３３の下方に回り込む。回り込むガラスの量は、マスク３３の一端面３３ａから離れるほど少なくなる。

その結果、マスク３３から露出した基板２及び導波路コア膜３１上には膜厚が一定の均等膜６５が形成される。また、マスク３３で覆われた基板２及び導波路コア膜３１（マスク３３の下側部分）上には膜厚が徐々に薄くなる傾斜膜６６が形成される。すなわち、膜６４は、均等膜６５と傾斜膜６６で構成される。傾斜膜６６の傾斜角度は、マスク３３の高さを調整することで自在に調整可能であり、高さが大きいほど傾斜角度が小さくなり、高さが小さいほど傾斜角度が大きくなる。

次に、図６（ｃ）に示すように、膜６４上に光回路パターン６２が形成される。その後、光回路パターン６２をマスクとして、膜６４及び導波路コア膜３１にエッチング処理が施される。このエッチング処理は、導波路コア膜３１のファイバ接続端部（図６（ｃ）中では手前側の端部）において、導波路コア膜３１の途中までエッチングされるように、エッチング量が調整される。このエッチングによって、図６（ｄ）に示すように、凸部５３ｐとすそ部５３ｓ，５３ｓを有する導波路コア（第１コア）５３が形成される（第１コア形成ステップ）と共に、凸部５３ｐ上にくさび形の膜５４が形成される。エッチング量は、膜６４の成膜領域全面にわたって均一であるため、エッチングの結果、均等膜６５及び傾斜膜６６の表面形状が、そのまま、すそ部５３ｓ，５３ｓの表面形状（起伏パターン）として反映される。また、膜５４の膜厚は、ファイバ接続端部側が最も厚く、導波路コア３側に近付くにつれて徐々に薄くなる。この膜５４の膜厚の変化に伴って、凸部５３ｐの高さが変化する。

エッチング処理後、光回路パターン６２を除去することで、スポットサイズ変換導波路５１が得られる。

本実施の形態においては、リッジコアの幅W2は一定で、リッジコアの高さh2のみが光の伝搬方向にわたって変化する場合について説明を行ったが、これに限定するものではなく、リッジコアの幅及びリッジコアの高さを光の伝搬方向にわたって変化させることももちろん可能である。例えば、エッチング処理の際、エッチングマスクとして、ファイバ接続端部側に拡径部６８を有する光回路パターン６９（図６（ｂ）中で一点鎖線で示す）を用いることで、リッジコア幅についても光の伝搬方向にわたって変化させることができる。この拡径部６８は、ファイバ接続端部側から導波路コア３側に向かって小さくなる。

本実施の形態に係るスポットサイズ変換導波路５１においても、第１の実施の形態に係るスポットサイズ変換導波路１と同様の作用効果が得られる。

（第３の実施形態）
図７は、本発明の別の好適な一実施の形態に係るスポットサイズ変換導波路の構造図である。尚、図１と同様の部材には同じ符号を付しており、これらの部材については説明を省略する。

図７に示すように、本実施の形態に係るスポットサイズ変換導波路７１の基本的な構造は、第１の実施の形態に係るスポットサイズ変換導波路１と同じであるが、導波路コア３が***されている点で異なる。

具体的には、リッジ部１０における導波路コア３は、コアよりも低屈折率の材料で構成される凸部７２の上に設けられる。凸部７２は、基板２にエッチング加工を施すことで形成されたものである。この凸部７２を含む基板２及びリッジ部１０における導波路コア３を覆うように膜４が設けられる。

次に、本実施の形態に係るスポットサイズ変換導波路７１の製造方法を説明する。

先ず、図８（ａ）に示すように、基板２上に、CVD法、スパッタ法、FHD（火炎堆積）法などを用いて、導波路コア膜（第１コア膜）３１が成膜される（第１コア膜形成ステップ）。導波路コア膜３１を構成する材料の屈折率は、基板２を構成する材料の屈折率よりも高くされる。

次に、図８（ｂ）に示すように、導波路コア膜３１上に光回路パターン３２が形成される。その後、図８（ｃ）に示すように、光回路パターン３２をマスクとして、導波路コア膜３１にエッチング処理を施し、導波路コア（第１コア）３が形成される（第１コア形成ステップ）。この時、基板２の途中までエッチングされるように、オーバーエッチがなされる。オーバーエッチとは、図８（ｂ）に示した導波路コア膜３１にエッチング処理を施す際に、エッチング量を導波路コア膜３１の高さ分だけとせず、基板２に達するまで過剰にエッチングを行うことである。このときの過剰なエッチング深さをオーバーエッチング深さ１０１と呼ぶ。このオーバーエッチにより、導波路コア３の下部に、基板２がエッチングされてなる凸部７２が形成される。エッチング処理後、光回路パターン３２は除去される。

最後に、図８（ｄ）に示すように、基板２及び導波路コア３のファイバ接続端部（図８（ｄ）中では手前側の端部）上に、CVD法、スパッタ法、FHD法などで膜（第２コア膜）４が成膜される（第２コア膜成膜ステップ）。膜４の成膜方法は、第１の実施形態における第２コア膜成膜ステップと同じとされる。これによって、図７に示したように、スポットサイズ変換導波路７１が得られる。

次に、本実施の形態に係るスポットサイズ変換導波路７１の作用を説明する。

本実施の形態に係るスポットサイズ変換導波路７１においても、第１の実施の形態に係るスポットサイズ変換導波路１と同様の作用効果が得られる。

また、本実施の形態に係るスポットサイズ変換導波路７１においては、例えば、図９に示すように、導波路コア３が、オーバーエッチング深さがH12（≦膜４の膜厚）である凸部７２の上に設けられていることから、導波路コア３は、基板２の表面１２２から***し、浮き上がった状態となっている。このため、導波路コア３の上部が、膜４のすそ部１４ｓ，１４ｓの表面１２４よりも上方に位置するようになる。

その結果、導波路コア３を伝搬する光の横方向（図９中では左右方向）への閉じ込め効果が強くなり、第１の実施の形態に係るスポットサイズ変換導波路１と比べて、より低損失な導波路となる。この光の閉じ込め効果は、オーバーエッチング深さが深くなるほど強くなる。例えば、図１０に示すように、オーバーエッチング深さがH13（＞膜４の膜厚）である凸部７２の上に設けられた導波路コア３は、導波路コア３全体が、膜４のすそ部１４ｓ，１４ｓの表面１２４よりも上方に位置するようになる。このように、導波路コア３と膜４のすそ部１４ｓ，１４ｓの位置関係が図１０に示した状態にある時、光の閉じ込め効果が最大となる。

また、図９に示したように、オーバーエッチング深さH12が、あまり深くない（例えば、0.5〜1.0μｍ）場合、導波路コア３の両側に位置する膜４の幅W12は、ファイバ接続端部（図７参照、手前側の端部）において膜４の膜厚の約1/2となり、導波路コア３とリッジ部１０の境界部ｂ７においてゼロとなる。ところが、図１０に示したように、オーバーエッチング深さH13が深くなると、導波路コア３の両側に位置する膜４の幅W13は狭くなる。

このため、図１１に示すように、オーバーエッチング深さ１０１を深くするのに伴い、ファイバ接続端部（図１１中では手前側の端部）における導波路コア１４３の幅ｗを拡径し、拡径部１４５を有するテーパ状の導波路コア１４３を形成する必要がある。この導波路コア１４３は、導波路コア１４３と同形状の光回路パターン（図８（ｂ）参照）を用いて形成することは言うまでもない。この導波路コア１４３における拡径部１４５の幅ｗを適宜調整することで、図１２に示す様に、オーバーエッチング深さ１０１が深く、導波路コア１４３の両側に位置する膜４の幅W15が狭いスポットサイズ変換導波路７１であっても、ファイバ接続端部におけるリッジコア幅［ｗ＋２×W15］のスポットサイズを、任意のサイズに調整することができる。

以上、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。

次に、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
図１に示したスポットサイズ変換導波路１を作製した。このスポットサイズ変換導波路１は、全長を4ｍｍ、導波路コア３のコア幅ｗを4μｍ、コア高さｈを4μｍ、膜４の厚さｄを3μｍ、導波路コア３の左右に位置する膜４の各幅ｙを2ｍｍ、導波路コア３の屈折率をΔが1.5％となる様に設定した。例えば、導波路コア３を覆うクラッド（図示せず）の屈折率を1.458とした時、スポットサイズ変換導波路１のΔを1.5％とするためには、導波路コア３の屈折率は1.4602とすれば良い。なお、Δは以下の式で定義される。
Δ＝{(導波路コアの屈折率)−(クラッドの屈折率)}×100/(導波路コアの屈折率)

（比較例１）
膜４を成膜しない以外は、実施例１のスポットサイズ変換導波路と同様のサイズ、構造のメサ形導波路を作製した。

実施例１及び比較例１の各導波路のコア端面に、シングルモードファイバを接続して伝搬損失（結合損失あるいは接続損失）を測定した。

その結果、比較例１の導波路の伝搬損失が3ｄＢであったのに対して、実施例１のスポットサイズ変換導波路の伝搬損失は約1/3の1ｄＢであり、損失量が著しく低減することが確認できた。

図７に示したスポットサイズ変換導波路７１を作製した。このスポットサイズ変換導波路７１は、図１３（ａ）に示すように、加工性を考慮して研磨しろ長さｘの研磨しろ１６１を形成し、その研磨しろ１６１の一端面において、導波路コア（第１コア）３のコア幅ｗを4.3μｍ、コア高さｈを4.3μｍ、膜（第２コア）４の厚さをｄ、導波路コア３の屈折率をΔが1.5％となる様に設定し、オーバーエッチング深さｅ（凸部７２の高さ）を1μｍとした。

研磨しろ１６１の長さｘを1000μｍ、膜４のテーパ部長さ（研磨しろ１６１を除き、膜４の導波路コア３に沿う長さ）Ｔｐを500μｍとし、膜４のΔと厚さｄを様々に変え、膜４の形状をシミュレーションで検討した。膜４のテーパ終端部（膜４のテーパ部と導波路コア３の境界部ｂ７）から研磨しろ１６１のファイバ接続端部までの結合損失変動を図１３（ｂ）に示す。

図１３（ｂ）に囲み領域Ａで示すように、最適値は膜４の屈折率をΔ＝1.1〜1.5％となる様に設定し、厚さｄ＝3〜9μｍとした時であり、このとき結合損失が約0.5ｄＢ以下と非常に低損失であった。

次に、膜４の屈折率をΔ＝1.5％となる様に設定した時の膜４の厚さｄとテーパ部長さＴｐの最適値をシミュレーションで詳細に検討した。その結果を図１４（ｂ）〜図１４（ｄ）に示す。ただし、図１４（ａ）に示すように、研磨しろ長さの起点（０μｍ）は、膜４のテーパ部と研磨しろ１６１の境界部とした。

図１４（ｂ）〜図１４（ｄ）に示すように、膜４の屈折率をΔ＝1.5％となる様に設定した時の膜４の厚さｄとテーパ部長さＴｐの最適値は、膜４の厚さｄ＝4μｍ、テーパ部長さＴｐ＝1000μｍ以上であり、このとき結合損失が約0.25ｄＢと非常に低損失であった。

同様にして、膜４の屈折率をそれぞれΔ＝1.5、1.3、1.1％となる様に設定した時の膜４の厚さｄとテーパ長さＴｐの最適値をシミュレーションで検討した。その結果を図１５（ａ）〜図１５（ｃ）に示す。ここで、図１５（ａ）は図１４（ｃ）と同じ図である。

図１５（ｂ）に示すように、膜４の屈折率をΔ＝1.3％となる様に設定した時の膜４の厚さｄとテーパ部長さＴｐの最適値は、膜４の厚さｄ＝5μｍ、テーパ部長さＴｐ＝1000μｍ以上であり、このとき結合損失が約0.2ｄＢと非常に低損失であった。

また、図１５（ｃ）に示すように、膜４の屈折率をΔ＝1.1％となる様に設定した時の膜４の厚さｄとテーパ部長さＴｐの最適値は、膜４の厚さｄ＝7μｍ、テーパ部長さＴｐ＝1000μｍ以上であり、このとき結合損失が約0.2ｄＢと非常に低損失であった。

以上の結果より、膜４の屈折率をΔが1.1〜1.5％の範囲となる様に設定し、厚さｄが3〜9μｍの範囲とした時、膜４の屈折率をΔが大きくなる様に設定するほど、最適な膜４の厚さｄは小さくなり、膜４の屈折率をΔが小さくなる様に設定するほど、最適な膜４の厚さｄは大きくなる傾向にあることがわかった。つまり、膜４の屈折率をΔが1.1〜1.5％の範囲となる様に設定し、厚さｄが3〜9μｍの範囲とした時、膜４の屈折率をΔが大きくなる様に設定した場合は、膜４の厚さｄは小さい方が結合損失が低くなり、逆に、膜４の屈折率をΔが小さくなる様に設定した場合は、膜４の厚さｄは大きい方が結合損失が低くなる。また、膜４の屈折率をΔが一定となる様に設定し、厚さｄも一定とした場合、テーパ部長さＴｐが長いほど、結合損失が低くなることが確認できた。

図１２に示したスポットサイズ変換導波路７１とシングルモードファイバとの結合損失をビーム伝播法を用いたシミュレーションにより求めた。スポットサイズ変換導波路７１の構造パラメータは、導波路コア１４３（第１コア）はΔ1.5％となる屈折率とし、導波路コア１４３のコア高さｈを4.3μｍの一定とし、導波路コア１４３の幅Ｗを4.3μｍ、5.3μｍ、6.3μｍと変化させると共に、膜４（第２コア）はΔが1.5％、1.3％となる屈折率とし、膜４の膜厚（第２コア高さ）ｄを3〜7μｍとした。また、シミュレーションパラメータを簡単にするため、エッチング深さに関係なく、導波路コア３の両側に位置する膜４の幅Ｗ15は、膜４の膜厚ｄの1/2とした。

先ず、上記の条件でオーバーエッチング深さ１０１を1μｍとしてシミュレーションを行った（図１６（ａ）、図１６（ｂ）参照）。その結果、図１６（ａ）に示すように、膜４のΔが1.5％の場合、導波路コア１４３の幅Ｗを5.3μｍ、膜４の膜厚ｄを4μｍとすることで、結合損失が最小（0.22ｄＢ）となった。また、図１６（ｂ）に示すように、膜４のΔが1.3％の場合、導波路コア１４３の幅Ｗを5.3μｍ、膜４の膜厚ｄを5μｍとすることで、結合損失が最小（0.18ｄＢ）となった。

次に、オーバーエッチング深さ１０１を5μｍとしてシミュレーションを行った（図１６（ｃ）、図１６（ｄ）参照）。その結果、図１６（ｃ）に示すように、膜４のΔが1.5％の場合、導波路コア１４３の幅Ｗを6.3μｍ、膜４の膜厚ｄを5μｍとすることで、結合損失が最小（0.12ｄＢ）となった。また、図１６（ｄ）に示すように、膜４のΔが1.3％の場合、導波路コア１４３の幅Ｗを5.3μｍ、膜４の膜厚ｄを5μｍとすることで、結合損失が最小（0.12ｄＢ）となった。

以上の結果より、凸部７２の高さが高いほど（オーバーエッチング深さ１０１が深いほど）、光の閉じ込め効果が強くなり、より低損失な導波路となることが確認できた。

本発明の好適一実施の形態に係る示すスポットサイズ変換導波路の構造図である。 図１の平面図及び断面図である。図２（ａ）は図１の平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の２Ｂ−２Ｂ線断面図、図２（ｃ）は図２（ａ）の２Ｃ−２Ｃ線断面図、図２（ｄ）は図２（ａ）の２Ｄ−２Ｄ線断面図である。 図１に示したスポットサイズ変換導波路の製造方法を説明するための図である。 膜の成膜工程を説明する縦断面図である。 本発明の他の好適一実施の形態に係る示すスポットサイズ変換導波路の構造図である。 図５に示したスポットサイズ変換導波路の製造方法を説明するための図である。 本発明の別の好適一実施の形態に係る示すスポットサイズ変換導波路の構造図である。 図７に示したスポットサイズ変換導波路の製造方法を説明するための図である。 膜の成膜例を示す横断面図である。 膜の他の成膜例を示す横断面図である。 図８（ｃ）の変形例である。 図１１に示した導波路コアに膜を成膜してなるスポットサイズ変換導波路である。 ［実施例２］における膜の厚さと結合損失との関係を示す図である。図１３（ａ）はスポットサイズ変換導波路の構造図、図１３（ｂ）は膜の厚さｄと結合損失との関係を示す図である。 ［実施例２］における研磨しろ長さと結合損失との関係を示す図である。図１４（ａ）は図１３（ａ）に示したスポットサイズ変換導波路の縦断面図、図１４（ｂ）〜図１４（ｄ）は研磨しろ長さｘと結合損失との関係を示す図である。 ［実施例２］における研磨しろ長さと結合損失との関係を示す図である。図１５（ａ）〜図１５（ｃ）は研磨しろ長さｘと結合損失との関係を示す図である。 ［実施例３］におけるオーバーエッチング深さと結合損失との関係を示す図である。

符号の説明

１ スポットサイズ変換導波路
２ 基板
３ 導波路コア
１０ リッジ部

Claims (10)

1. 基板上にコアを有する光導波路のコア端面に、スポットサイズが異なるシングルモードファイバが接続されるスポットサイズ変換導波路において、
   上記コアのファイバ接続端部に、ファイバ側のスポットサイズが上記シングルモードファイバと同等、コア側のスポットサイズが上記コアと同等であり、かつ、リッジコア幅及びリッジコア高さがファイバ側からコア側に向かって小さくなる横断面凸字状のリッジ部を備えることを特徴とするスポットサイズ変換導波路。
2. 上記リッジ部が、上記コアで構成される中心部の周りを、コアの屈折率と同じ又はそれ以下の材料で構成される膜で覆設してなる請求項１記載のスポットサイズ変換導波路。
3. 上記リッジ部が、横断面ほぼ凸字状の上記コアで構成される中心部の凸部上に、コアの屈折率と同じ又はそれ以下の材料で構成される膜を覆設してなる請求項１記載のスポットサイズ変換導波路。
4. 上記コア部の比屈折率差が1.5％、上記リッジ部の比屈折率差が1.1〜1.5％、リッジ部の高さが3〜9μｍである請求項１から３いずれかに記載のスポットサイズ変換導波路。
5. 上記リッジ部の長手方向長さが1000μｍ以上である請求項１から４いずれかに記載のスポットサイズ変換導波路。
6. 基板上にコアを有する光導波路のコア端面に、スポットサイズが異なるシングルモードファイバが接続されるスポットサイズ変換導波路の製造方法において、
   上記基板上に第１コア膜を形成するステップと、
   上記第１コア膜にエッチング処理を施して第１コアを形成するステップと、
   上記第１コアから離間させた状態で、基板及び第１コアをマスクで覆うと共に、コア端面から所定長さにわたって基板及び第１コアを露出させるステップと、
   そのマスクを介して、上記第１コア膜と屈折率が同じ又はそれ以下の材料で構成される第２コア膜の成膜を行い、マスクから露出した部分には膜厚が一定の均等膜を形成すると共に、マスクの下側部分には膜厚が徐々に薄くなる傾斜膜を形成するステップとを備え、 第２コア膜成膜ステップにより、上記コアのファイバ接続端部に、ファイバ側のスポットサイズが上記シングルモードファイバと同等、コア側のスポットサイズが上記コアと同等であり、かつ、リッジコア幅及びリッジコア高さがファイバ側からコア側に向かって小さくなる横断面凸字状のリッジ部を形成することを特徴とするスポットサイズ変換導波路の製造方法。
7. 基板上にコアを有する光導波路のコア端面に、スポットサイズが異なるシングルモードファイバが接続されるスポットサイズ変換導波路の製造方法において、
   上記基板上に第１コア膜を形成するステップと、
   上記第１コア膜から離間させた状態で、基板及び第１コア膜をマスクで覆うと共に、コア膜端面から所定長さにわたって基板及び第１コア膜を露出させるステップと、
   そのマスクを介して、上記第１コア膜と屈折率が同じ又はそれ以下の材料で構成される第２コア膜の成膜を行い、マスクから露出した部分には膜厚が一定の均等膜を形成すると共に、マスクの下側部分には膜厚が徐々に薄くなる傾斜膜を形成するステップと、
   上記第１コア膜及び第２コア膜にエッチング処理を施してコアを形成するステップとを備え、
   コア形成ステップにより、上記コアのファイバ接続端部に、ファイバ側のスポットサイズが上記シングルモードファイバと同等、コア側のスポットサイズが上記コアと同等であり、かつ、リッジコア幅及びリッジコア高さがファイバ側からコア側に向かって小さくなる横断面凸字状のリッジ部を形成することを特徴とするスポットサイズ変換導波路の製造方法。
8. 上記第１コア形成ステップのエッチング処理の際、上記基板にまで達するオーバーエッチングを行い、基板の凸部の上に上記第１コアを形成する請求項６記載のスポットサイズ変換導波路の製造方法。
9. 上記オーバーエッチングのエッチング深さを、上記第２コア膜の均等膜の厚さよりも大きくなるように調整する請求項８記載のスポットサイズ変換導波路の製造方法。
10. 上記コア形成ステップのエッチング処理の際、ファイバ接続端部側に拡径部を有するエッチングマスクを用いる請求項７記載のスポットサイズ変換導波路の製造方法。
    

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