JP2015191029A

JP2015191029A - spot size converter

Info

Publication number: JP2015191029A
Application number: JP2014066412A
Authority: JP
Inventors: 陽介太縄; Yosuke Onawa
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2014-03-27
Filing date: 2014-03-27
Publication date: 2015-11-02

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spot size converter that is usable with polarization independence and is easily manufacturable.SOLUTION: A spot size converter comprises: a first optical waveguide core 30; and a second optical waveguide core 40 having a smaller refractive index than the first optical waveguide core 30. The first optical waveguide core 30 includes a thin-wire waveguide part 31, a first MFD (Mode Field Diameter) conversion part 36 an a second MFD conversion part 37, and the first MFD conversion part consists of a first area 32 connected to the thin-wire waveguide part and a second area 34 connected to the second MFD conversion part. The thin-wire waveguide part 31 and the first area 32 respectively have first thickness, and the second area 34 and the second MFD conversion part 37 respectively have second thickness less than the first thickness. Width of a boundary between the first area 32 and the second area is more than the width of the thin-wire waveguide part 31. The second MFD conversion part 37 has the width reducing in a direction from one end connected to the first MFD conversion part 36 toward the other end.

Description

この発明は、光デバイスと光ファイバ等の外部素子との間の接続に用いられるスポットサイズ変換器に関する。 The present invention relates to a spot size converter used for connection between an optical device and an external element such as an optical fiber.

情報伝達量の増大に伴い、光配線技術が注目されている。光配線技術では、光ファイバや光導波路素子を伝送媒体とした光デバイスを用いて、情報処理機器内の素子間、ボード間又はチップ間等の情報伝達を光信号で行う。その結果、高速信号処理を要する情報処理機器においてボトルネックとなっている、電気配線の帯域制限を改善することができる。 As the amount of information transmitted increases, optical wiring technology has attracted attention. In the optical wiring technology, using an optical device using an optical fiber or an optical waveguide element as a transmission medium, information transmission between elements in information processing equipment, between boards, or between chips is performed by an optical signal. As a result, it is possible to improve the band limitation of electrical wiring, which is a bottleneck in information processing equipment that requires high-speed signal processing.

このような光配線技術で用いられる光導波路素子として、リブ型導波路やシリコン（Ｓｉ）細線導波路の構造を用いたものがある。Ｓｉ細線導波路では、実質的に光の伝送路となる光導波路コアを、Ｓｉを材料として形成する。Ｓｉを材料とした光導波路コアは、例えば石英（すなわち酸化シリコン（ＳｉＯ_２））クラッドとの屈折率差が極めて大きいため、光導波路コア内に光を強く閉じ込めることができる。その結果、曲げ半径を例えば数μｍ程度まで小さくした、小型の曲線導波路を実現することができるため、光デバイス全体の小型化に有利である。 As an optical waveguide element used in such an optical wiring technology, there is one using a structure of a rib-type waveguide or a silicon (Si) thin wire waveguide. In the Si thin wire waveguide, an optical waveguide core that substantially becomes a light transmission path is formed using Si as a material. Since the optical waveguide core made of Si has a very large refractive index difference from, for example, quartz (ie, silicon oxide (SiO ₂ )) cladding, light can be strongly confined in the optical waveguide core. As a result, a small curved waveguide having a bending radius reduced to, for example, about several μm can be realized, which is advantageous for downsizing the entire optical device.

また、Ｓｉを用いる光導波路素子では、ＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の半導体装置の製造過程を流用することが可能とされる。そのため、チップ上に電子機能回路と光機能回路とを一括形成する光電融合（シリコンフォトニクス）の実現が期待されている。 In addition, in the optical waveguide element using Si, it is possible to divert the manufacturing process of a semiconductor device such as a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Therefore, realization of photoelectric fusion (silicon photonics) in which electronic functional circuits and optical functional circuits are collectively formed on a chip is expected.

一方で、Ｓｉ細線導波路では、シングルモード条件を達成するために、光導波路コアの幅及び厚さがそれぞれ例えば数１００ｎｍ程度に設定される。これに対して、光ファイバでは、シングルモード条件を達成するために、直径が例えば１０μｍ程度に設定される。そのため、光デバイスの光導波路コアと例えば光ファイバ等の外部素子とを光学的に接続するために、これらの間においてモードフィールド径（ＭＦＤ：ＭｏｄｅＦｉｅｌｄＤｉａｍｅｔｅｒ）を変換する必要がある。 On the other hand, in the Si wire waveguide, in order to achieve the single mode condition, the width and thickness of the optical waveguide core are each set to about several hundred nm, for example. On the other hand, in the optical fiber, in order to achieve the single mode condition, the diameter is set to about 10 μm, for example. Therefore, in order to optically connect the optical waveguide core of the optical device and an external element such as an optical fiber, it is necessary to convert a mode field diameter (MFD) between them.

ＭＦＤを変換する素子として、例えばスポットサイズ変換器がある。スポットサイズ変換器を外部素子と光デバイスの光導波路コアとの間に設置することによって、外部素子と光導波路コアとの間で入出力される光のＭＦＤを縮小又は拡大することができる。 As an element for converting MFD, for example, there is a spot size converter. By installing the spot size converter between the external element and the optical waveguide core of the optical device, the MFD of light input / output between the external element and the optical waveguide core can be reduced or enlarged.

スポットサイズ変換器として、互いに屈折率の異なる第１光導波路コアと第２光導波路コアとを備える構造がある（例えば特許文献１参照）。特許文献１のスポットサイズ変換器では、第１光導波路コアは、例えばＳｉを材料として形成されている。また、第２光導波路コアは、Ｓｉよりも屈折率の小さい物質を材料として形成されている。そして、第２光導波路コアは、第１光導波路コアの一端側から、第１光導波路コアを部分的に被覆して形成されている。第２光導波路コアによって第１光導波路コアが被覆された領域が、第２光導波路コア及び第１光導波路コアのＭＦＤ変換領域として機能する。そして、ＭＦＤ変換領域において、第１光導波路コアは、第２光導波路コアに被覆されている一端に向かって幅が連続的に縮小するテーパ形状となっている。第１光導波路コアは、ＭＦＤ変換領域において幅が狭くなるに従って、幅方向の光の閉じ込め効果が小さくなる。 As a spot size converter, there is a structure including a first optical waveguide core and a second optical waveguide core having different refractive indexes (see, for example, Patent Document 1). In the spot size converter disclosed in Patent Document 1, the first optical waveguide core is formed of, for example, Si. The second optical waveguide core is formed using a material having a refractive index smaller than that of Si. The second optical waveguide core is formed by partially covering the first optical waveguide core from one end side of the first optical waveguide core. A region where the first optical waveguide core is covered with the second optical waveguide core functions as an MFD conversion region of the second optical waveguide core and the first optical waveguide core. In the MFD conversion region, the first optical waveguide core has a tapered shape in which the width continuously decreases toward one end covered with the second optical waveguide core. As the first optical waveguide core becomes narrower in the MFD conversion region, the light confinement effect in the width direction becomes smaller.

このような構造により、第１光導波路コアを、幅が縮小された一端の方向へ伝播する光は、徐々に第２光導波路コアに移行する。第２光導波路コアは、第１光導波路コアよりも屈折率が小さいため、第１光導波路コアから第２光導波路コアへ移行する光のＭＦＤが拡大する。 With such a structure, light propagating through the first optical waveguide core toward the one end whose width is reduced gradually moves to the second optical waveguide core. Since the refractive index of the second optical waveguide core is smaller than that of the first optical waveguide core, the MFD of light transferred from the first optical waveguide core to the second optical waveguide core is expanded.

ここで、特許文献１のスポットサイズ変換器では、第１光導波路コアの幅方向のみがテーパ形状となっている。そのため、第１光導波路コアは、第２光導波路コアに被覆されている一端付近において、幅よりも厚さが大きくなる部分を含む。その結果、第１光導波路コアの一端付近では、幅方向の光の閉じ込め効果が小さくなるのに対し、厚さ方向の光の閉じ込め効果が依然大きいままとなる。そのため、第１光導波路コアから第２光導波路コアへ伝播する光のエネルギー変換効率に偏波依存性が生じる。その結果、例えば第１光導波路コアから第２光導波路コアへ移行する光について、第１光導波路コアに被覆されている一端付近では、ＴＭ（ＴｒａｎｓｖｅｒｓｅＭａｇｎｅｔｉｃ）偏波のＭＦＤが十分に広がらない。 Here, in the spot size converter of Patent Document 1, only the width direction of the first optical waveguide core is tapered. Therefore, the first optical waveguide core includes a portion whose thickness is larger than the width in the vicinity of one end covered with the second optical waveguide core. As a result, the light confinement effect in the width direction becomes small near one end of the first optical waveguide core, while the light confinement effect in the thickness direction remains large. Therefore, polarization dependence occurs in the energy conversion efficiency of light propagating from the first optical waveguide core to the second optical waveguide core. As a result, TM (Transverse Magnetic) polarized MFD does not sufficiently spread near one end covered with the first optical waveguide core, for example, for light that moves from the first optical waveguide core to the second optical waveguide core.

このような偏波依存性を解消する構造として、平面的なテーパすなわち幅方向のテーパに加えて、厚さ方向の断面形状をテーパ形状とした光導波路コアを備えるスポットサイズ変換器がある（例えば特許文献２参照）。特許文献２のスポットサイズ変換器では、光導波路コアの幅及び厚さが、入出力端に向かって連続的に縮小する。その結果、光導波路コアは、入出力端に向かうに従って、幅方向及び厚さ方向の光の閉じ込め効果が小さくなる。その結果、光導波路コアを入出力端に向かって伝播するＴＭ偏波及びＴＥ（ＴｒａｎｓｖｅｒｓｅＥｌｅｃｔｒｉｃ）偏波の双方について、ＭＦＤを拡大することができる。従って、特許文献２のスポットサイズ変換器は、偏波無依存のスポットサイズ変換器として使用することができる。 As a structure that eliminates such polarization dependence, there is a spot size converter including an optical waveguide core having a tapered cross section in the thickness direction in addition to a flat taper, that is, a taper in the width direction (for example, Patent Document 2). In the spot size converter of Patent Document 2, the width and thickness of the optical waveguide core are continuously reduced toward the input / output end. As a result, in the optical waveguide core, the light confinement effect in the width direction and the thickness direction becomes smaller toward the input / output end. As a result, the MFD can be expanded for both TM polarization and TE (Transverse Electric) polarization propagating through the optical waveguide core toward the input / output end. Therefore, the spot size converter of Patent Document 2 can be used as a polarization independent spot size converter.

なお、特許文献２のスポットサイズ変換器では、光導波路コアに複数の段差が形成されている。この段差によって段階的に光導波路コアの厚さを小さくすることによって、光導波路コアの厚さ方向の断面形状をテーパ形状としている。 In the spot size converter of Patent Document 2, a plurality of steps are formed in the optical waveguide core. By reducing the thickness of the optical waveguide core stepwise by this step, the cross-sectional shape in the thickness direction of the optical waveguide core is tapered.

特開２００４−１３３４４６号公報JP 2004-133446 A 特表２００８−５０９４５０号公報Special table 2008-509450 gazette

しかしながら、光導波路コアに複数の段差を形成するためには、複数回のフォトリソグラフィ工程及びエッチング工程が必要となる。そのため、光導波路コアの厚さ方向の断面形状をテーパ形状とする構造には、製造プロセスの複雑化、及びこれに伴う製造コストの増加といった問題がある。 However, in order to form a plurality of steps in the optical waveguide core, a plurality of photolithography processes and etching processes are required. Therefore, the structure in which the cross-sectional shape in the thickness direction of the optical waveguide core has a tapered shape has a problem that the manufacturing process is complicated and the manufacturing cost is increased accordingly.

そこで、この発明の目的は、偏波無依存で使用可能であり、かつ簡易に製造可能なスポットサイズ変換器を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a spot size converter that can be used independently of polarization and can be easily manufactured.

上述した課題を解決するために、この発明によるスポットサイズ変換器は、以下の特徴を備えている。 In order to solve the above-described problems, a spot size converter according to the present invention has the following features.

この発明のスポットサイズ変換器は、クラッド層と、クラッド層上に形成された第１光導波路コアと、第１光導波路コアを被覆して形成された、第１光導波路コアよりも屈折率の小さい第２光導波路コアとを備える。第１光導波路コアは、細線導波路部、第１モードフィールド径（ＭＦＤ）変換部及び第２モードフィールド径（ＭＦＤ）変換部が、光の伝播方向に沿ってこの順に接続されて構成されている。第１ＭＦＤ変換部は、細線導波路部と接続された第１領域、及び第２ＭＦＤ変換部と接続された第２領域とが、光の伝播方向に沿ってこの順に接続されて構成されている。細線導波路部及び第１領域は第１の厚さで形成され、第２領域及び第２ＭＦＤ変換部は、第１の厚さよりも小さい第２の厚さで形成されている。第１領域と第２領域との境界の幅は、細線導波路部の幅よりも大きく設定されている。第２ＭＦＤ変換部は、第１ＭＦＤ変換部と接続された一端から他端の方向に向かって幅が連続的に縮小するように形成されている。 The spot size converter according to the present invention has a refractive index higher than that of the first optical waveguide core formed by covering the cladding layer, the first optical waveguide core formed on the cladding layer, and the first optical waveguide core. A small second optical waveguide core. The first optical waveguide core is configured by connecting a thin-line waveguide section, a first mode field diameter (MFD) conversion section, and a second mode field diameter (MFD) conversion section in this order along the light propagation direction. Yes. The first MFD conversion unit is configured by connecting a first region connected to the thin-line waveguide unit and a second region connected to the second MFD conversion unit in this order along the light propagation direction. The thin-line waveguide portion and the first region are formed with a first thickness, and the second region and the second MFD conversion portion are formed with a second thickness smaller than the first thickness. The width of the boundary between the first region and the second region is set to be larger than the width of the thin-line waveguide portion. The second MFD converter is formed so that the width continuously decreases from one end connected to the first MFD converter toward the other end.

この発明のスポットサイズ変換器では、光は、実質的な伝送路として機能する第１光導波路コアを伝播する。第１光導波路コアの厚さは、第１ＭＦＤ変換部の第１領域と第２領域との境界において、第１の厚さからより厚さの小さい第２の厚さに切り替わる。すなわち第１領域と第２領域との境界が段差となっている。第１光導波路コアの厚さが第２の厚さとなる領域では、厚さ方向の光の閉じ込め効果が小さくなる。従って、例えば細線導波路部側から入力される光が、第１領域と第２領域との境界を経て伝播することによって、ＴＭ偏波のＭＦＤが拡大される。なお、光導波路コアに段差を設ける場合には、この段差における光の散乱損失が問題となる。これに対し、この発明のスポットサイズ変換器では、段差となる第１領域と第２領域との境界の幅を、細線導波路部よりも拡大することによって、幅方向からの光の閉じ込め効果を大きく設定する。その結果、段差による光の散乱損失を抑制することができる。 In the spot size converter of the present invention, light propagates through the first optical waveguide core that functions as a substantial transmission line. The thickness of the first optical waveguide core is switched from the first thickness to the second thickness having a smaller thickness at the boundary between the first region and the second region of the first MFD conversion unit. That is, the boundary between the first region and the second region is a step. In the region where the thickness of the first optical waveguide core is the second thickness, the light confinement effect in the thickness direction is reduced. Therefore, for example, light input from the thin-line waveguide portion side propagates through the boundary between the first region and the second region, so that the MFD of TM polarization is expanded. When a step is provided in the optical waveguide core, light scattering loss at this step becomes a problem. On the other hand, in the spot size converter according to the present invention, the width of the boundary between the first region and the second region, which is a step, is increased as compared with the thin waveguide portion, thereby confining light in the width direction. Set larger. As a result, light scattering loss due to a step can be suppressed.

また、この発明のスポットサイズ変換器では、第２ＭＦＤ変換部が、一端から他端の方向に向かって、幅が連続的に狭まるように設定されている。第２ＭＦＤ変換部では、幅が狭まるに従って幅方向の光の閉じ込め効果（すなわちＴＥ偏波に対する閉じ込め効果）が小さくなる。そして、第２ＭＦＤ変換部を他端の方向へ伝播する光が、徐々に第２光導波路コアに移行する。第２光導波路コアは、第２ＭＦＤ変換部よりも屈折率が小さいため、第１光導波路コアから第２光導波路コアへ移行する光に含まれるＴＥ偏波のＭＦＤが拡大される。 In the spot size converter of the present invention, the second MFD converter is set so that the width is continuously reduced from one end to the other end. In the second MFD conversion unit, the light confinement effect in the width direction (that is, the confinement effect on the TE polarized wave) is reduced as the width is reduced. Then, the light propagating through the second MFD conversion unit toward the other end gradually shifts to the second optical waveguide core. Since the second optical waveguide core has a refractive index smaller than that of the second MFD conversion unit, the TE-polarized MFD contained in the light moving from the first optical waveguide core to the second optical waveguide core is expanded.

このように、この発明のスポットサイズ変換器では、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の双方のＭＦＤを拡大することができる。そのため、偏波無依存のスポットサイズ変換器として使用可能である。 Thus, in the spot size converter of the present invention, it is possible to expand both the MFD of the TE polarized wave and the TM polarized wave. Therefore, it can be used as a polarization independent spot size converter.

また、この発明のスポットサイズ変換器では、ＴＭ偏波のＭＦＤの拡大を、１つの段差を設けて第１光導波路コアの厚さを切り替えることによって達成することができる。従って、例えば特許文献１に記載された従来のスポットサイズ変換器に対して、第２の厚さを形成するための厚さ低減加工を追加するのみで製造することができる。そのため、この発明のスポットサイズ変換器は、複雑な製造プロセスを行うことなく製造することができる。 In the spot size converter of the present invention, the expansion of the TM polarized MFD can be achieved by providing one step and switching the thickness of the first optical waveguide core. Therefore, for example, the conventional spot size converter described in Patent Document 1 can be manufactured only by adding a thickness reduction process for forming the second thickness. Therefore, the spot size converter of the present invention can be manufactured without performing a complicated manufacturing process.

この発明のスポットサイズ変換器を示す概略的斜視図である。It is a schematic perspective view which shows the spot size converter of this invention. （Ａ）は、この発明のスポットサイズ変換器を示す概略的平面図である。（Ｂ）は、この発明のスポットサイズ変換器を示す概略的端面図である。(A) is a schematic plan view showing a spot size converter of the present invention. (B) is a schematic end view showing a spot size converter of the present invention. （Ａ）は、波長１５５０ｎｍの光を用いる場合における、光導波路コアの厚さとモード変換損失との関係を示す図である。（Ｂ）は、波長１５５０ｎｍの光を用いる場合における、段差を有する光導波路コアの幅と散乱損失との関係を示す図である。(A) is a figure which shows the relationship between the thickness of an optical waveguide core, and mode conversion loss in the case of using the light of wavelength 1550nm. (B) is a figure which shows the relationship between the width | variety of the optical waveguide core which has a level | step difference, and a scattering loss in the case of using the light of wavelength 1550nm. （Ａ）は、波長１３１０ｎｍの光を用いる場合における、光導波路コアの厚さとモード変換損失との関係を示す図である。（Ｂ）は、波長１３１０ｎｍの光を用いる場合における、段差を有する光導波路コアの幅と散乱損失との関係を示す図である。(A) is a figure which shows the relationship between the thickness of an optical waveguide core, and mode conversion loss in the case of using the light of wavelength 1310nm. (B) is a figure which shows the relationship between the width | variety of the optical waveguide core which has a level | step difference, and a scattering loss in the case of using the light of wavelength 1310nm.

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the shape, size, and arrangement relationship of each component are merely schematically shown to the extent that the present invention can be understood. In the following, a preferred configuration example of the present invention will be described. However, the material and numerical conditions of each component are merely preferred examples. Therefore, the present invention is not limited to the following embodiments, and many changes or modifications that can achieve the effects of the present invention can be made without departing from the scope of the configuration of the present invention.

（構成）
図１及び図２を参照して、この発明の実施の形態によるスポットサイズ変換器について説明する。図１は、スポットサイズ変換器を示す概略的斜視図である。図２（Ａ）は、スポットサイズ変換器を示す概略的平面図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示すスポットサイズ変換器をＩ−Ｉ線で切り取った概略的端面図である。なお、図１及び図２（Ａ）では、後述する第２光導波路コアを透明として示してある。 (Constitution)
A spot size converter according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic perspective view showing a spot size converter. FIG. 2A is a schematic plan view showing a spot size converter. FIG. 2B is a schematic end view of the spot size converter shown in FIG. In FIGS. 1 and 2A, the second optical waveguide core described later is shown as transparent.

スポットサイズ変換器１００は、例えば半導体レーザや光ファイバ等の外部素子と光デバイスの光導波路コアとの間において、ＭＦＤを変換する素子として使用される。ここでは、スポットサイズ変換器１００を利用して、光デバイスから外部素子へ送られる光のＭＦＤを変換する場合の例について説明する。スポットサイズ変換器１００は、一方の入出力端１００ａにおいて光デバイスの光導波路コアと光学的に接続される。また、他方の入出力端１００ｂにおいて外部素子と光学的に接続される。そして、光デバイスから送られる光は、入出力端１００ａから第１のスポットサイズ変換器１００へ入力され、光導波路コア３０を経てＭＦＤが変換された後、入出力端１００ｂから外部素子へ送られる。 The spot size converter 100 is used as an element that converts MFD between an external element such as a semiconductor laser or an optical fiber and the optical waveguide core of the optical device. Here, an example will be described in which the spot size converter 100 is used to convert the MFD of light transmitted from an optical device to an external element. The spot size converter 100 is optically connected to the optical waveguide core of the optical device at one input / output end 100a. The other input / output terminal 100b is optically connected to an external element. The light transmitted from the optical device is input to the first spot size converter 100 from the input / output end 100a, and after the MFD is converted through the optical waveguide core 30, it is transmitted from the input / output end 100b to the external element. .

スポットサイズ変換器１００は、順次に積層された、支持基板１０と、クラッド層２０と、第１光導波路コア３０と、第２光導波路コア４０とを備えて構成されている。なお、以下の説明では、支持基板１０の厚さに沿った方向を厚さ方向とする。また、光の伝播方向に沿った方向を長さ方向とする。また、長さ方向及び厚さ方向に直交する方向を幅方向とする。 The spot size converter 100 includes a support substrate 10, a cladding layer 20, a first optical waveguide core 30, and a second optical waveguide core 40 that are sequentially stacked. In the following description, the direction along the thickness of the support substrate 10 is the thickness direction. The direction along the light propagation direction is the length direction. Moreover, let the direction orthogonal to a length direction and a thickness direction be a width direction.

支持基板１０は、例えば単結晶Ｓｉを材料とした平板状体で構成されている。 The support substrate 10 is composed of a flat plate made of, for example, single crystal Si.

クラッド層２０は、支持基板１０上に、支持基板１０の上面１０ａを被覆して形成されている。クラッド層２０は、例えばＳｉＯ_２を材料として形成されている。また、クラッド層２０は、支持基板１０への光の放射を防ぐために、３μｍ以上の厚さであるのが好ましい。 The clad layer 20 is formed on the support substrate 10 so as to cover the upper surface 10 a of the support substrate 10. The clad layer 20 is formed using, for example, SiO ₂ as a material. In addition, the cladding layer 20 is preferably 3 μm or thicker in order to prevent light emission to the support substrate 10.

第１光導波路コア３０は、クラッド層２０の上面２０ａに、クラッド層２０よりも大きい屈折率を有する例えばＳｉを材料として形成されている。 The first optical waveguide core 30 is formed on the upper surface 20a of the cladding layer 20 using, for example, Si having a refractive index higher than that of the cladding layer 20 as a material.

第１光導波路コア３０は、細線導波路部３１と第１ＭＦＤ変換部３６と第２ＭＦＤ変換部３７とが、光の伝播方向、すなわちスポットサイズ変換器１００の一方の入出力端１００ａから他方の入出力端１００ｂの方向にこの順に接続されて一体的に構成されている。 The first optical waveguide core 30 includes a thin-line waveguide unit 31, a first MFD conversion unit 36, and a second MFD conversion unit 37, in which the light is propagated, that is, from the input / output end 100a of the spot size converter 100 to the other input. They are connected integrally in this order in the direction of the output end 100b.

第２光導波路コア４０は、第１光導波路コア３０を被覆して形成されている。第２光導波路コア４０は、クラッド層２０の屈折率よりも大きく、かつ第１光導波路コア３０の屈折率よりも小さい屈折率を有する例えばＳｉＯ_ｘ（ｘは０＜ｘ＜２を満たす実数）、ＳｉＮ又はＳｉＯＮ等を材料として形成されている。 The second optical waveguide core 40 is formed so as to cover the first optical waveguide core 30. The second optical waveguide core 40 has a refractive index larger than the refractive index of the cladding layer 20 and smaller than the refractive index of the first optical waveguide core 30, for example, SiO _x (x is a real number satisfying 0 <x <2). , SiN, SiON or the like.

細線導波路部３１は、スポットサイズ変換器１００の入出力端１００ａ側の一端３１ａにおいて、光デバイスの光導波路コアと接続される。従って、細線導波路部３１の幅及び厚さは、光デバイスの光導波路コアと一致させて、例えばシングルモード条件を満たすように設定される。 The thin-line waveguide unit 31 is connected to the optical waveguide core of the optical device at one end 31a on the input / output end 100a side of the spot size converter 100. Accordingly, the width and thickness of the thin-line waveguide portion 31 are set so as to satisfy the single mode condition, for example, in accordance with the optical waveguide core of the optical device.

第１ＭＦＤ変換部３６は、第１領域である第１テーパ部３２と第１幅広部３３と、第２領域である第２幅広部３４と第２テーパ部３５とが、光の伝播方向に沿ってこの順に接続されて一体的に構成されている。 The first MFD conversion unit 36 includes a first tapered portion 32 and a first wide portion 33 that are first regions, and a second wide portion 34 and a second tapered portion 35 that are second regions along a light propagation direction. They are connected in this order and are configured integrally.

第１テーパ部３２は、細線導波路部３１の他端３１ｂの幅から、第１幅広部３３の一端３３ａの幅へ、幅が連続的に拡大するように設定されている。第１テーパ部３２を設けることによって、細線導波路部３１から第１幅広部３３へ伝播する光の反射を緩和することができる。 The first taper portion 32 is set so that the width continuously increases from the width of the other end 31 b of the thin wire waveguide portion 31 to the width of the one end 33 a of the first wide portion 33. By providing the first taper portion 32, reflection of light propagating from the thin wire waveguide portion 31 to the first wide portion 33 can be reduced.

第１幅広部３３及び第２幅広部３４は、共通する一定の幅で形成されている。第１幅広部３３及び第２幅広部３４の幅は、細線導波路部３１よりも大きく設定されている。これら第１幅広部３３及び第２幅広部３４は、境界３９において、幅を一致させて接続されている。 The first wide portion 33 and the second wide portion 34 are formed with a common constant width. The widths of the first wide portion 33 and the second wide portion 34 are set to be larger than that of the thin wire waveguide portion 31. The first wide portion 33 and the second wide portion 34 are connected at the boundary 39 with the same width.

第２テーパ部３５は、第２幅広部３４の一端３４ａの幅から、第２ＭＦＤ変換部３７の一端３７ａの幅へ、幅が連続的に縮小するように設定されている。第２テーパ部３５を設けることによって、第２幅広部３４から第２ＭＦＤ変換部３７へ伝播する光の反射を緩和することができる。 The second taper part 35 is set so that the width continuously decreases from the width of the one end 34 a of the second wide part 34 to the width of the one end 37 a of the second MFD conversion part 37. By providing the second taper part 35, reflection of light propagating from the second wide part 34 to the second MFD conversion part 37 can be reduced.

第２ＭＦＤ変換部３７は、一端３７ａ側で第２テーパ部３５と接続されている。第２ＭＦＤ変換部３７の一端３７ａの幅は、第１幅広部３３及び第２幅広部３４の幅よりも小さく設定されている。そして、第２ＭＦＤ変換部３７は、一端３７ａから他端３７ｂへの方向（スポットサイズ変換器１００の入出力端１００ｂに向かう方向）に沿って、幅が連続的に縮小するように設定されている。 The second MFD conversion part 37 is connected to the second taper part 35 on the one end 37a side. The width of the one end 37 a of the second MFD conversion unit 37 is set to be smaller than the widths of the first wide portion 33 and the second wide portion 34. The second MFD converter 37 is set so that the width continuously decreases along the direction from the one end 37a to the other end 37b (the direction toward the input / output end 100b of the spot size converter 100). .

ここで、細線導波路部３１、第１テーパ部３２及び第１幅広部３３は、一定の厚さ（第１の厚さ）Ｔ１で形成されている。また、第２幅広部３４、第２テーパ部３５及び第２ＭＦＤ変換部３７は、第１の厚さＴ１よりも小さい一定の厚さ（第２の厚さ）Ｔ２で形成されている。そして、第１幅広部３３と第２幅広部３４との境界３９は段差とされている。従って、第１光導波路コア３０は、第１の厚さＴ１と第２の厚さＴ２との２つの厚さが、境界３９において切り替わる構造とされている。 Here, the thin-line waveguide portion 31, the first taper portion 32, and the first wide portion 33 are formed with a constant thickness (first thickness) T1. The second wide portion 34, the second taper portion 35, and the second MFD conversion portion 37 are formed with a constant thickness (second thickness) T2 that is smaller than the first thickness T1. A boundary 39 between the first wide portion 33 and the second wide portion 34 is a step. Therefore, the first optical waveguide core 30 has a structure in which the two thicknesses of the first thickness T1 and the second thickness T2 are switched at the boundary 39.

スポットサイズ変換器１００では、入出力端１００ａから入力された光が、実質的な伝送路として機能する第１光導波路コア３０を伝播する。上述したように、第１幅広部３３と第２幅広部３４との境界３９における段差において、第１光導波路コア３０の厚さが、第１の厚さＴ１からより厚さの小さい第２の厚さＴ２に切り替わる。第１光導波路コア３０の厚さが第２の厚さＴ２となる領域では、厚さ方向の光の閉じ込め効果が小さくなる。従って、第１幅広部３３と第２幅広部３４との境界３９を経ることによって、光に含まれるＴＭ偏波のＭＦＤが拡大される。 In the spot size converter 100, light input from the input / output end 100a propagates through the first optical waveguide core 30 that functions as a substantial transmission path. As described above, at the step at the boundary 39 between the first wide portion 33 and the second wide portion 34, the thickness of the first optical waveguide core 30 is smaller than the first thickness T1. Switch to thickness T2. In the region where the thickness of the first optical waveguide core 30 is the second thickness T2, the light confinement effect in the thickness direction is reduced. Therefore, the TM-polarized MFD included in the light is expanded by passing through the boundary 39 between the first wide portion 33 and the second wide portion 34.

ここで、第１光導波路コア３０に段差を設ける場合には、この段差における光の散乱損失が問題となる。これに対し、スポットサイズ変換器１００では、段差を設ける第１幅広部３３及び第２幅広部３４の幅Ｗ１を、細線導波路部３１よりも拡大する。すなわち、段差となる第１幅広部３３及び第２幅広部３４の幅を拡大する。これによって、幅方向からの光の閉じ込め効果を大きく設定する。その結果、段差における光の散乱損失を抑制することができる。 Here, when a step is provided in the first optical waveguide core 30, light scattering loss at this step becomes a problem. On the other hand, in the spot size converter 100, the width W1 of the first wide portion 33 and the second wide portion 34 where the step is provided is larger than that of the thin-line waveguide portion 31. That is, the widths of the first wide portion 33 and the second wide portion 34 that are steps are increased. This greatly sets the light confinement effect from the width direction. As a result, light scattering loss at the step can be suppressed.

また、スポットサイズ変換器１００では、第２ＭＦＤ変換部３７が、一端３７ａから他端３７ｂの方向に沿って、幅が連続的に狭まるように設定されている。第２ＭＦＤ変換部３７では、幅が狭まるに従って幅方向の光の閉じ込め効果（すなわちＴＥ偏波に対する閉じ込め効果）が小さくなる。第２光導波路コア４０は、第２ＭＦＤ変換部３７を被覆する部分において、周囲の空気及びクラッド層２０と相まって、コアとして機能する。そして、第２ＭＦＤ変換部３７を他端３７ｂの方向へ伝播する光が、徐々に第２光導波路コア４０に移行する。第２光導波路コア４０は、第２ＭＦＤ変換部３７よりも屈折率が小さいため、第１光導波路コアから第２光導波路コア４０へ移行する光に含まれるＴＥ偏波のＭＦＤが拡大される。 Further, in the spot size converter 100, the second MFD converter 37 is set so that the width continuously decreases along the direction from the one end 37a to the other end 37b. In the second MFD conversion unit 37, the light confinement effect in the width direction (that is, the confinement effect on the TE polarization) becomes smaller as the width is reduced. The second optical waveguide core 40 functions as a core in combination with the surrounding air and the clad layer 20 in a portion covering the second MFD conversion unit 37. Then, the light propagating through the second MFD conversion unit 37 in the direction of the other end 37 b gradually moves to the second optical waveguide core 40. Since the second optical waveguide core 40 has a refractive index smaller than that of the second MFD converter 37, the TE-polarized MFD contained in the light that moves from the first optical waveguide core to the second optical waveguide core 40 is expanded.

このように、スポットサイズ変換器１００では、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の双方のＭＦＤを拡大することができる。そのため、偏波無依存のスポットサイズ変換器として使用可能である。 As described above, the spot size converter 100 can expand the MFD of both the TE polarized wave and the TM polarized wave. Therefore, it can be used as a polarization independent spot size converter.

なお、図１及び図２に示す構成例では、第２光導波路コア４０が第１光導波路コア３０の全体を被覆しているが、第２光導波路コア４０は、少なくとも第１光導波路コア３０の第２ＭＦＤ変換部３７を被覆していれば良い。また、スポットサイズ変換器１００の他方の入出力端１００ｂにおける、第２光導波路コア４０の長さ方向に直交する断面寸法は、接続される外部素子のＭＦＤに応じて適宜設定することができる。 In the configuration example shown in FIGS. 1 and 2, the second optical waveguide core 40 covers the entire first optical waveguide core 30, but the second optical waveguide core 40 is at least the first optical waveguide core 30. The second MFD conversion unit 37 may be covered. Further, the cross-sectional dimension orthogonal to the length direction of the second optical waveguide core 40 at the other input / output end 100b of the spot size converter 100 can be appropriately set according to the MFD of the external element to be connected.

また、この実施の形態では、第１ＭＦＤ変換部３６が、第１領域である第１テーパ部３２と第１幅広部３３と、第２領域である第２幅広部３４と第２テーパ部３５とを含む構成例について説明したが、第１幅広部３３及び第２幅広部３４を省略することもできる。その場合には、第１テーパ部３２と第２テーパ部３５とを、互いの最大幅を一致させて直接接続する。そして、これら第１テーパ部３２（第１領域）と第２テーパ部３５（第２領域）との境界を段差とすることができる。 In this embodiment, the first MFD conversion unit 36 includes a first tapered portion 32 and a first wide portion 33 that are first regions, and a second wide portion 34 and a second tapered portion 35 that are second regions. However, the first wide portion 33 and the second wide portion 34 may be omitted. In that case, the first taper portion 32 and the second taper portion 35 are directly connected with their maximum widths matched. The boundary between the first tapered portion 32 (first region) and the second tapered portion 35 (second region) can be a step.

また、この実施の形態では、第２テーパ部３５及び第２ＭＦＤ変換部３７の幅の変化量を一致させることによって、これら第２テーパ部３５及び第２ＭＦＤ変換部３７を一つの構成要素として形成することもできる。 In this embodiment, the second taper portion 35 and the second MFD conversion portion 37 are formed as one component by matching the amount of change in the width of the second taper portion 35 and the second MFD conversion portion 37. You can also.

また、この実施の形態では、第２光導波路コア４０を含むスポットサイズ変換器１００全体を被覆する上部クラッド層を設けることもできる。その場合には、上部クラッド層を、第２光導波路コア４０よりも小さい屈折率を有する例えばＳｉＯ_２等を材料として形成する。上部クラッド層を形成することによって、第２光導波路コア４０を保護することができる。 In this embodiment, an upper cladding layer that covers the entire spot size converter 100 including the second optical waveguide core 40 can also be provided. In that case, the upper clad layer is formed using, for example, SiO ₂ having a refractive index smaller than that of the second optical waveguide core 40 as a material. By forming the upper cladding layer, the second optical waveguide core 40 can be protected.

（製造方法）
この実施の形態のスポットサイズ変換器１００は、ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を利用することによって、容易に製造することができる。 (Production method)
The spot size converter 100 of this embodiment can be easily manufactured by using an SOI (Silicon On Insulator) substrate.

すなわち、まず、支持基板層、ＳｉＯ_２層、及びＳｉ層が順次積層されて構成されたＳＯＩ基板を用意する。 That is, first, an SOI substrate is prepared in which a support substrate layer, a SiO ₂ layer, and a Si layer are sequentially stacked.

次に、例えばフォトリソ技術及びエッチング技術を用い、Ｓｉ層を第１光導波路コア３０の平面形状に合わせてパターニングする。このとき、パターニング後のＳｉ層が、第１の厚さＴ１となるように設定する。 Next, the Si layer is patterned in accordance with the planar shape of the first optical waveguide core 30 using, for example, a photolithography technique and an etching technique. At this time, the Si layer after patterning is set to have the first thickness T1.

次に、再び例えばフォトリソ技術及びエッチング技術を用いて、Ｓｉ層の、第２幅広部３４、第２テーパ部３５及び第２ＭＦＤ変換部３７の形成予定領域の厚さを、第２の厚さＴ２となるように低減加工する。これによって、Ｓｉ層から、第１の厚さＴ１を有する細線導波路部３１、第１テーパ部３２及び第１幅広部３３、並びに第２の厚さＴ２を有する第２幅広部３４、第２テーパ部３５及び第２ＭＦＤ変換部３７を含む第１光導波路コア３０が形成される。その結果、支持基板１０としての支持基板層上にクラッド層２０としてのＳｉＯ_２層が積層され、さらにクラッド層２０上に第１光導波路コア３０が形成された構造体を得ることができる。 Next, again using, for example, a photolithographic technique and an etching technique, the thicknesses of the regions where the second wide portion 34, the second tapered portion 35, and the second MFD conversion portion 37 of the Si layer are to be formed are changed to the second thickness T2. Reduce so that Thus, the thin-line waveguide portion 31 having the first thickness T1, the first taper portion 32 and the first wide portion 33, the second wide portion 34 having the second thickness T2, and the second are formed from the Si layer. The first optical waveguide core 30 including the tapered portion 35 and the second MFD conversion portion 37 is formed. As a result, it is possible to obtain a structure in which the SiO ₂ layer as the clad layer 20 is laminated on the support substrate layer as the support substrate 10 and the first optical waveguide core 30 is formed on the clad layer 20.

次に、例えばＣＶＤ法を用いて、クラッド層２０上に、例えばＳｉＯ_ｘ（ｘは０＜ｘ＜２）、ＳｉＮ又はＳｉＯＮを材料とした材料層を形成する。そして、平坦化を行った後、例えばフォトリソ技術及びエッチング技術を用いて、材料層をパターニングする。このパターニングによって、第２光導波路コア４０が形成される。 Next, a material layer made of, for example, SiO _x (x is 0 <x <2), SiN, or SiON is formed on the cladding layer 20 by using, for example, a CVD method. Then, after planarization, the material layer is patterned using, for example, a photolithography technique and an etching technique. By this patterning, the second optical waveguide core 40 is formed.

このように、スポットサイズ変換器１００は、ＳＯＩ基板に対して、Ｓｉ層のパターニング工程及び第２光導波路コア４０の形成工程の組合せによって簡易に製造することができる。また、例えば特許文献１に記載された従来のスポットサイズ変換器に対して、第２の厚さＴ２を形成するための厚さ低減加工を追加するのみで製造することができる。従って、この実施の形態では、複雑な製造プロセスを行うことなく、偏波無依存で使用可能なスポットサイズ変換器１００を製造することができる。 As described above, the spot size converter 100 can be easily manufactured with respect to the SOI substrate by a combination of the Si layer patterning step and the second optical waveguide core 40 forming step. Further, for example, the conventional spot size converter described in Patent Document 1 can be manufactured only by adding a thickness reduction process for forming the second thickness T2. Therefore, in this embodiment, the spot size converter 100 that can be used without depending on the polarization can be manufactured without performing a complicated manufacturing process.

（パラメータ設計）
発明者は、スポットサイズ変換器１００の幾何学的なパラメータを設計するためのシミュレーションを行った。 (Parameter design)
The inventor performed a simulation for designing the geometric parameters of the spot size converter 100.

まず、発明者は、第１光導波路コア３０における第２ＭＦＤ変換部３７から第２導波路コア４０へのＭＦＤの変換に好適な第２の厚さＴ２を決定するため、光導波路コアの厚さとＭＦＤの変換損失（モード変換損失）との関係を、セミベクトルＢＰＭ（ＢｅａｍＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄ）を用いて確認した。 First, in order to determine the second thickness T2 suitable for MFD conversion from the second MFD conversion unit 37 to the second waveguide core 40 in the first optical waveguide core 30, the inventor determines the thickness of the optical waveguide core. The relationship with MFD conversion loss (mode conversion loss) was confirmed using a semi-vector BPM (Beam Propagation Method).

ここでは、上述したスポットサイズ変換器１００から、第１ＭＦＤ変換部３６を除き、細線導波路部３１と第２ＭＦＤ変換部３７とを直接接続する構造を想定した。なお、この構造では、段差を設けず、細線導波路部３１及び第２ＭＦＤ変換部３７の厚さを一致させた。また、第２光導波路コア４０の材料を、屈折率が１．５１であるＳｉＯ_ｘ（ｘは０＜ｘ＜２を満たす実数）とした。また、スポットサイズ変換器１００の入出力端１００ｂにおける、第２光導波路コア４０の厚さ及び幅をともに３μｍとした。また、第２ＭＦＤ変換部３７の最小幅（すなわち他端３７ｂの幅）を８０ｎｍとし、長さを５００ｎｍとした。 Here, a structure is assumed in which the first MFD conversion unit 36 is excluded from the spot size converter 100 described above, and the thin-line waveguide unit 31 and the second MFD conversion unit 37 are directly connected. In this structure, no step is provided, and the thicknesses of the thin-line waveguide portion 31 and the second MFD conversion portion 37 are matched. The material of the second optical waveguide core 40 was SiO _x (x is a real number satisfying 0 <x <2) having a refractive index of 1.51. In addition, the thickness and width of the second optical waveguide core 40 at the input / output end 100b of the spot size converter 100 are both 3 μm. The minimum width of the second MFD conversion unit 37 (that is, the width of the other end 37b) was set to 80 nm, and the length was set to 500 nm.

このような段差を設けないスポットサイズ変換器に対して、入出力端１００ａから波長１５５０ｎｍの光を入力した。そして、細線導波路部３１及び第２ＭＦＤ変換部３７を含む第１光導波路コア３０の厚さ全体を変化させつつ、入出力端１００ｂから出力されるＴＥ偏波及びＴＭ偏波それぞれのモード変換損失を確認した。 Light having a wavelength of 1550 nm was input from the input / output end 100a to a spot size converter without such a step. Then, while changing the entire thickness of the first optical waveguide core 30 including the thin-line waveguide unit 31 and the second MFD conversion unit 37, the mode conversion loss of each of the TE polarization and TM polarization output from the input / output end 100b It was confirmed.

このシミュレーションの結果を、図３（Ａ）に示す。図３（Ａ）は、波長１５５０ｎｍの光を用いる場合における、光導波路コアの厚さとモード変換損失との関係を示す図である。図３（Ａ）では、縦軸にモード変換損失をｄＢ目盛で、また、横軸に細線導波路部３１及び第２ＭＦＤ変換部３７からなる第１光導波路コア３０の厚さをｎｍ単位でとって示してある。なお、図３（Ａ）において、◆はＴＥ偏波の結果を、また、■はＴＭ偏波の結果をそれぞれ示してある。 The result of this simulation is shown in FIG. FIG. 3A is a diagram showing the relationship between the thickness of the optical waveguide core and the mode conversion loss when light having a wavelength of 1550 nm is used. In FIG. 3A, the vertical axis represents the mode conversion loss in dB scale, and the horizontal axis represents the thickness of the first optical waveguide core 30 composed of the thin wire waveguide section 31 and the second MFD conversion section 37 in nm units. It is shown. In FIG. 3A, ◆ indicates the result of TE polarization, and ■ indicates the result of TM polarization.

図３（Ａ）に示されるように、第１光導波路コア３０の厚さが１３０〜２００ｎｍ程度の範囲内であるときに、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波のモード変換損失がともに小さくなることが確認できる。特に第１光導波路コア３０の厚さが１８０ｎｍ程度である場合には、ＴＭ偏波のモード変換損失が極めて小さくなる。従って、第１光導波路コア３０の厚さを、１３０〜２００ｎｍ程度の範囲内、好ましくは１８０ｎｍ程度に設定することによって、スポットサイズ変換器を偏波無依存で使用することができる。 As shown in FIG. 3A, when the thickness of the first optical waveguide core 30 is in the range of about 130 to 200 nm, both the mode conversion loss of TE polarization and TM polarization may be reduced. I can confirm. In particular, when the thickness of the first optical waveguide core 30 is about 180 nm, the mode conversion loss of the TM polarization becomes extremely small. Therefore, by setting the thickness of the first optical waveguide core 30 within the range of about 130 to 200 nm, preferably about 180 nm, the spot size converter can be used without depending on the polarization.

ここで、スポットサイズ変換器と接続される光デバイスの光導波路に、曲げ導波路等が含まれることを想定する。その場合には、光デバイスの光導波路コアの厚さが少なくとも２２０ｎｍ程度となる。そして、スポットサイズ変換器の細線導波路部３１の厚さは、光デバイスの光導波路コアと一致させる必要がある。しかし、図３（Ａ）を参照すると、第１光導波路コア３０の厚さが２２０ｎｍ以上となる場合、ＴＭ偏波のモード変換損失が著しく大きくなることがわかる。従って、第１光導波路コア３０全体の厚さを２２０ｎｍ以上に設定すると、段差を設けないスポットサイズ変換器は、偏波無依存で使用することが困難となる。 Here, it is assumed that a bent waveguide or the like is included in the optical waveguide of the optical device connected to the spot size converter. In that case, the thickness of the optical waveguide core of the optical device is at least about 220 nm. And it is necessary to make the thickness of the thin wire | line waveguide part 31 of a spot size converter correspond with the optical waveguide core of an optical device. However, referring to FIG. 3A, it can be seen that when the thickness of the first optical waveguide core 30 is 220 nm or more, the mode conversion loss of the TM polarization is remarkably increased. Therefore, if the thickness of the entire first optical waveguide core 30 is set to 220 nm or more, it becomes difficult to use a spot size converter that does not provide a step without depending on polarization.

これに対し、この実施の形態のスポットサイズ変換器１００では、段差が設けられることによって、第１光導波路コア３０の厚さを切り替えることができる。そして、細線導波路部３１の厚さを含む、第１光導波路コア３０の第１の厚さＴ１を、光デバイスと接続するのに好適な２２０ｎｍに設定する。そして、外部素子と接続される第２ＭＦＤ変換部３７の厚さを含む第２の厚さＴ２を、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波のモード変換損失がともに小さくなる１８０ｎｍに設定する。その結果、損失を抑制しつつ、光デバイス及び外部素子の双方と偏波無依存で接続することができる。 On the other hand, in the spot size converter 100 of this embodiment, the thickness of the first optical waveguide core 30 can be switched by providing a step. Then, the first thickness T1 of the first optical waveguide core 30 including the thickness of the thin-line waveguide portion 31 is set to 220 nm suitable for connection with the optical device. And 2nd thickness T2 including the thickness of the 2nd MFD conversion part 37 connected with an external element is set to 180 nm in which the mode conversion loss of both TE polarization and TM polarization becomes small. As a result, it is possible to connect to both the optical device and the external element independent of polarization while suppressing loss.

次に、発明者は、第１幅広部３３及び第２幅広部３４の幅Ｗ１を決定するために、光導波路コアの幅と散乱損失との関係を、ＦＤＴＤ（ＦｉｎｉｔｅＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＴｉｍｅＤｏｍａｉｎ）法を用いて確認した。 Next, in order to determine the width W1 of the first wide portion 33 and the second wide portion 34, the inventor uses the FDTD (Finite Differential Time Domain) method to determine the relationship between the width of the optical waveguide core and the scattering loss. Confirmed.

ここでは、図１及び図２に示すスポットサイズ変換器１００において、第２の厚さＴ２を１８０ｎｍに設定する場合を想定した。そして、様々な第１の厚さＴ１について、第１幅広部３３及び第２幅広部３４の幅Ｗ１を変化させつつ、第１幅広部３３及び第２幅広部３４間の段差における光の散乱損失を確認した。なお、用いた光の波長は１５５０ｎｍとした。 Here, in the spot size converter 100 shown in FIGS. 1 and 2, it is assumed that the second thickness T2 is set to 180 nm. Then, for various first thicknesses T1, the light scattering loss at the step between the first wide portion 33 and the second wide portion 34 while changing the width W1 of the first wide portion 33 and the second wide portion 34. It was confirmed. The wavelength of light used was 1550 nm.

このシミュレーションの結果を、図３（Ｂ）に示す。図３（Ｂ）は、波長１５５０ｎｍの光を用いる場合における、段差を有する光導波路コアの幅と散乱損失との関係を示す図である。図３（Ｂ）では、縦軸に散乱損失をｄＢ目盛で、また、横軸に第１幅広部３３及び第２幅広部３４の幅をμｍ単位でとって示してある。なお、図３（Ｂ）において、◆は第１の厚さＴ１を２２０ｎｍとした場合の結果を、■は第１の厚さＴ１を２４０ｎｍとした場合の結果を、▲は第１の厚さＴ１を２６０ｎｍとした場合の結果を、×は第１の厚さＴ１を２８０ｎｍとした場合の結果を、＊は第１の厚さＴ１を３００ｎｍとした場合の結果をそれぞれ示してある。 The result of this simulation is shown in FIG. FIG. 3B is a diagram showing the relationship between the width of the optical waveguide core having a step and the scattering loss when light having a wavelength of 1550 nm is used. In FIG. 3B, the vertical axis indicates the scattering loss in dB scale, and the horizontal axis indicates the width of the first wide portion 33 and the second wide portion 34 in units of μm. In FIG. 3B, ◆ indicates the result when the first thickness T1 is 220 nm, ■ indicates the result when the first thickness T1 is 240 nm, and ▲ indicates the first thickness. The result when T1 is 260 nm, x is the result when the first thickness T1 is 280 nm, and * is the result when the first thickness T1 is 300 nm.

図３（Ｂ）に示されるように、第１の厚さＴ１が大きくなり、その結果、第１の厚さＴ１と第２の厚さＴ２との比が大きくなるほど、段差における散乱損失が大きくなる。そして、第１の厚さＴ１と第２の厚さＴ２との比が大きい場合においても、第１幅広部３３及び第２幅広部３４の幅Ｗ１を大きく設定することによって、散乱損失が抑制されることが確認された。 As shown in FIG. 3B, the first thickness T1 increases, and as a result, the scattering loss at the step increases as the ratio between the first thickness T1 and the second thickness T2 increases. Become. Even when the ratio between the first thickness T1 and the second thickness T2 is large, the scattering loss is suppressed by setting the width W1 of the first wide portion 33 and the second wide portion 34 large. It was confirmed that

発明者は、図３（Ａ）及び（Ｂ）の結果に基づき、波長１５５０ｎｍの光を利用する場合における、スポットサイズ変換器１００の幾何学的なパラメータの好適例を決定した。すなわち、図３（Ａ）に基づき、第１光導波路コア３０の第１の厚さＴ１を２２０ｎｍ、及び第２の厚さＴ２を１８０ｎｍとした。そして、これら第１の厚さＴ１及び第２の厚さＴ２を、第１幅広部３３及び第２幅広部３４間の段差で切り替える場合に、散乱損失を抑制可能な第１幅広部３３及び第２幅広部３４の幅を、図３（Ｂ）に基づき設定した。ここでは、第１幅広部３３及び第２幅広部３４の幅を３μｍとした。また、第２光導波路４０の材料を、屈折率が１．５１であるＳｉＯ_ｘ（ｘは０＜ｘ＜２を満たす実数）とした。また、入出力端１００ｂにおける、第２光導波路コア４０の厚さ及び幅をともに３μｍとした。また、第２ＭＦＤ変換部３７の最小幅（すなわち他端３７ｂの幅）を８０ｎｍとし、長さを５００ｎｍとした。また、第１テーパ部３２及び第２テーパ部３５の長さをそれぞれ５００ｎｍとした。このような設計条件において、セミベクトルＢＰＭとＦＤＴＤ法を用いて、入出力端１００ｂから出力されるＴＥ偏波及びＴＭ偏波それぞれのモード変換損失を確認した。その結果、ＴＥ偏波のモード変換損失は−０．４４ｄＢとなった。また、ＴＭ偏波のモード変換損失は−１．１２ｄＢとなった。 Based on the results of FIGS. 3A and 3B, the inventor has determined a preferred example of geometric parameters of the spot size converter 100 when using light having a wavelength of 1550 nm. That is, based on FIG. 3A, the first thickness T1 of the first optical waveguide core 30 is 220 nm, and the second thickness T2 is 180 nm. And when switching these 1st thickness T1 and 2nd thickness T2 by the level | step difference between the 1st wide part 33 and the 2nd wide part 34, the 1st wide part 33 and the 1st wide part which can suppress scattering loss The width of the two wide portions 34 was set based on FIG. Here, the width of the first wide portion 33 and the second wide portion 34 is 3 μm. The material of the second optical waveguide 40 is SiO _x (x is a real number satisfying 0 <x <2) having a refractive index of 1.51. In addition, the thickness and width of the second optical waveguide core 40 at the input / output end 100b are both 3 μm. The minimum width of the second MFD conversion unit 37 (that is, the width of the other end 37b) was set to 80 nm, and the length was set to 500 nm. Further, the lengths of the first taper portion 32 and the second taper portion 35 were set to 500 nm, respectively. Under such design conditions, the semi-vector BPM and the FDTD method were used to confirm the mode conversion loss of each of the TE polarization and TM polarization output from the input / output terminal 100b. As a result, the mode conversion loss of TE polarization was −0.44 dB. Further, the mode conversion loss of TM polarization was −1.12 dB.

ここで、図３（Ａ）を参照すると、第１光導波路コア３０全体の厚さを２２０ｎｍに設定する場合には、ＴＭ偏波のモード変換損失は−２．０ｄＢ程度である。従って、第１光導波路コア３０に段差を設けたこの実施の形態のスポットサイズ変換器１００では、ＴＭ偏波のモード変換損失を０．９ｄＢ程度改善できることが確認された。 Here, referring to FIG. 3A, when the thickness of the entire first optical waveguide core 30 is set to 220 nm, the mode conversion loss of the TM polarization is about −2.0 dB. Therefore, it was confirmed that the mode conversion loss of the TM polarization can be improved by about 0.9 dB in the spot size converter 100 of this embodiment in which the first optical waveguide core 30 is provided with a step.

次に、発明者は、スポットサイズ変換器に入力する光の波長を１３１０ｎｍとした場合について、上述した光導波路コアの厚さとモード変換損失との関係（図３（Ａ）参照）及び段差を有する光導波路コアの幅と散乱損失との関係（図３（Ｂ）参照）を確認した。ここでは、スポットサイズ変換器の各パラメータを、図３（Ａ）及び（Ｂ）を得たシミュレーションと同様の条件とし、使用する波長を１５５０ｎｍから１３１０ｎｍに変更した。この結果を図４（Ａ）及び（Ｂ）に示す。 Next, the inventor has the above-described relationship between the thickness of the optical waveguide core and the mode conversion loss (see FIG. 3A) and a step when the wavelength of light input to the spot size converter is 1310 nm. The relationship between the width of the optical waveguide core and the scattering loss (see FIG. 3B) was confirmed. Here, the parameters of the spot size converter were set to the same conditions as in the simulation obtained in FIGS. 3A and 3B, and the wavelength used was changed from 1550 nm to 1310 nm. The results are shown in FIGS. 4 (A) and 4 (B).

図４（Ａ）は、波長１３１０ｎｍの光を用いる場合における、光導波路コアの厚さとモード変換損失との関係を示す図である。図４（Ａ）では、縦軸にモード変換損失をｄＢ目盛で、また、横軸に細線導波路部３１及び第２ＭＦＤ変換部３７からなる第１光導波路コア３０の厚さをｎｍ単位でとって示してある。なお、図４（Ａ）において、◆はＴＥ偏波の結果を、また、■はＴＭ偏波の結果をそれぞれ示してある。 FIG. 4A is a diagram showing the relationship between the thickness of the optical waveguide core and the mode conversion loss when light having a wavelength of 1310 nm is used. In FIG. 4A, the vertical axis represents the mode conversion loss in dB scale, and the horizontal axis represents the thickness of the first optical waveguide core 30 composed of the thin wire waveguide section 31 and the second MFD conversion section 37 in nm units. It is shown. In FIG. 4A, ◆ indicates the result of TE polarization, and ■ indicates the result of TM polarization.

図４（Ａ）に示されるように、波長１３１０ｎｍの光を用いる場合には、第１光導波路コア３０の厚さがおよそ１６０ｎｍ以下であるときに、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波のモード変換損失がともに小さくなることが確認できる。例えば第１光導波路コア３０の厚さが１４０ｎｍ程度である場合には、ＴＭ偏波のモード変換損失が極めて小さくなる。従って、第１光導波路コア３０の厚さを、およそ１６０ｎｍ以下の範囲内、好ましくは１４０ｎｍ程度に設定することによって、スポットサイズ変換器を偏波無依存で使用することができる。 As shown in FIG. 4A, when light having a wavelength of 1310 nm is used, the mode conversion loss of the TE polarization and the TM polarization when the thickness of the first optical waveguide core 30 is approximately 160 nm or less. It can be confirmed that both become smaller. For example, when the thickness of the first optical waveguide core 30 is about 140 nm, the mode conversion loss of TM polarization is extremely small. Therefore, by setting the thickness of the first optical waveguide core 30 within the range of about 160 nm or less, preferably about 140 nm, the spot size converter can be used without depending on the polarization.

また、図４（Ｂ）は、波長１３１０ｎｍの光を用いる場合における、段差を有する光導波路コアの幅と散乱損失との関係を示す図である。なお、ここでは、上述した波長１５５０ｎｍの光を利用する場合と条件を合わせて、第２の厚さＴ２を１８０ｎｍに設定する場合を想定した。図４（Ｂ）では、縦軸に散乱損失をｄＢ目盛で、また、横軸に第１幅広部３３及び第２幅広部３４の幅をμｍ単位でとって示してある。なお、図４（Ｂ）において、◆は第１の厚さＴ１を２２０ｎｍとした場合の結果を、■は第１の厚さＴ１を２４０ｎｍとした場合の結果を、▲は第１の厚さＴ１を２６０ｎｍとした場合の結果を、×は第１の厚さＴ１を２８０ｎｍとした場合の結果を、＊は第１の厚さＴ１を３００ｎｍとした場合の結果をそれぞれ示してある。 FIG. 4B is a diagram showing the relationship between the width of the optical waveguide core having a step and the scattering loss when light having a wavelength of 1310 nm is used. Here, it is assumed that the second thickness T2 is set to 180 nm in combination with the above-described case of using light having a wavelength of 1550 nm. In FIG. 4B, the vertical axis indicates the scattering loss in dB scale, and the horizontal axis indicates the width of the first wide portion 33 and the second wide portion 34 in units of μm. In FIG. 4B, ◆ indicates the result when the first thickness T1 is 220 nm, ■ indicates the result when the first thickness T1 is 240 nm, and ▲ indicates the first thickness. The result when T1 is 260 nm, x is the result when the first thickness T1 is 280 nm, and * is the result when the first thickness T1 is 300 nm.

図４（Ｂ）に示されるように、波長１３１０ｎｍの光を用いる場合においても、第１の厚さＴ１が大きくなり、その結果、第１の厚さＴ１と第２の厚さＴ２との比が大きくなるほど、段差における散乱損失が大きくなる。そして、第１の厚さＴ１と第２の厚さＴ２との比が大きい場合においても、第１幅広部３３及び第２幅広部３４の幅Ｗ１を大きく設定することによって、散乱損失が抑制されることが確認された。 As shown in FIG. 4B, even when light having a wavelength of 1310 nm is used, the first thickness T1 is increased, and as a result, the ratio between the first thickness T1 and the second thickness T2 is increased. The larger the is, the greater the scattering loss at the step. Even when the ratio between the first thickness T1 and the second thickness T2 is large, the scattering loss is suppressed by setting the width W1 of the first wide portion 33 and the second wide portion 34 large. It was confirmed that

図３（Ａ）及び（Ｂ）並びに図４（Ａ）及び（Ｂ）の結果から、例えば波長１３１０〜１５５０ｎｍの光に対して、スポットサイズ変換器１００を利用する場合には、第２の厚さＴ２を例えば１３０〜１６０ｎｍ程度の範囲内に設定することによって、偏波無依存に使用することができる。そして、第１光導波路コア３０の第１の厚さＴ１と第２の厚さＴ２との比に応じて、第１幅広部３３及び第２幅広部３４の幅Ｗ１を設定することによって、段差における散乱損失を抑制できる。 From the results of FIGS. 3 (A) and 3 (B) and FIGS. 4 (A) and 4 (B), for example, when the spot size converter 100 is used for light having a wavelength of 1310 to 1550 nm, the second thickness is used. By setting the length T2 within a range of, for example, about 130 to 160 nm, it can be used without depending on the polarization. Then, by setting the width W1 of the first wide portion 33 and the second wide portion 34 in accordance with the ratio of the first thickness T1 and the second thickness T2 of the first optical waveguide core 30, a level difference is obtained. The scattering loss in can be suppressed.

１０：支持基板
２０：クラッド層
３０：第１光導波路コア
３１：細線導波路部
３２：第１テーパ部
３３：第１幅広部
３４：第２幅広部
３５：第２テーパ部
３６：第１ＭＦＤ変換部
３７：第２ＭＦＤ変換部
３９：境界
４０：第２光導波路コア
１００：スポットサイズ変換器 10: support substrate 20: clad layer 30: first optical waveguide core 31: thin wire waveguide section 32: first taper section 33: first wide section 34: second wide section 35: second taper section 36: first MFD conversion Unit 37: second MFD conversion unit 39: boundary 40: second optical waveguide core 100: spot size converter

Claims

クラッド層と、該クラッド層上に形成された第１光導波路コアと、該第１光導波路コアを被覆して形成された、前記第１光導波路コアよりも屈折率の小さい第２光導波路コアと
を備え、
前記第１光導波路コアは、細線導波路部、第１モードフィールド径変換部及び第２モードフィールド径変換部が、光の伝播方向に沿ってこの順に接続されて構成されており、
前記第１モードフィールド径変換部は、前記細線導波路部と接続された第１領域、及び前記第２モードフィールド径変換部と接続された第２領域とが、光の伝播方向に沿ってこの順に接続されて構成されており、
前記細線導波路部及び前記第１領域は第１の厚さで形成され、前記第２領域及び前記第２モードフィールド径変換部は、前記第１の厚さよりも小さい第２の厚さで形成され、
前記第１領域と前記第２領域との境界の幅は、前記細線導波路部の幅よりも大きく設定されており、
前記第２モードフィールド径変換部は、前記第１モードフィールド径変換部と接続された一端から他端の方向に向かって幅が連続的に縮小するように形成されている
ことを特徴とするスポットサイズ変換器。 A clad layer, a first optical waveguide core formed on the clad layer, and a second optical waveguide core formed by covering the first optical waveguide core and having a refractive index smaller than that of the first optical waveguide core And
The first optical waveguide core is configured by connecting a thin wire waveguide portion, a first mode field diameter conversion portion, and a second mode field diameter conversion portion in this order along the light propagation direction,
The first mode field diameter conversion unit includes a first region connected to the thin wire waveguide unit and a second region connected to the second mode field diameter conversion unit along the light propagation direction. Connected in order,
The thin-line waveguide portion and the first region are formed with a first thickness, and the second region and the second mode field diameter conversion portion are formed with a second thickness smaller than the first thickness. And
The width of the boundary between the first region and the second region is set to be larger than the width of the thin-line waveguide portion,
The spot of the second mode field diameter converter is formed so that the width is continuously reduced from one end connected to the first mode field diameter converter toward the other end. Size converter.

前記第１領域と前記第２領域との境界の幅は、該境界を経て伝播する光の散乱損失を抑制可能な幅に設定されている
ことを特徴とする請求項１に記載のスポットサイズ変換器。 2. The spot size conversion according to claim 1, wherein a width of a boundary between the first region and the second region is set to a width capable of suppressing a scattering loss of light propagating through the boundary. vessel.

前記第１領域は、第１テーパ部及び第１幅広部を含み、
前記第２領域は、第２幅広部及び第２テーパ部を含み、
前記第１幅広部及び前記第２幅広部は、一定の幅で形成され、かつ前記境界において幅を一致させて接続されており、
前記第１テーパ部は、前記細線導波路部と前記第１幅広部との間に形成され、かつ前記細線導波路部の幅から前記第１幅広部の幅へ、幅が連続的に拡大するように設定されており、
前記第２テーパ部は、前記第２幅広部と前記第２モードフィールド径変換部の間に形成され、かつ前記第２幅広部の幅から前記第２モードフィールド径変換部の一端の幅へ、幅が連続的に縮小するように設定されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のスポットサイズ変換器。 The first region includes a first tapered portion and a first wide portion,
The second region includes a second wide part and a second taper part,
The first wide part and the second wide part are formed with a constant width, and are connected with the same width at the boundary,
The first taper portion is formed between the narrow wire waveguide portion and the first wide portion, and the width continuously increases from the width of the narrow wire waveguide portion to the width of the first wide portion. Is set to
The second tapered portion is formed between the second wide portion and the second mode field diameter converting portion, and from the width of the second wide portion to the width of one end of the second mode field diameter converting portion. 3. The spot size converter according to claim 1, wherein the width is set so as to be continuously reduced.