JP2015191029A - スポットサイズ変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】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。【解決手段】第１光導波路コア３０と、第１光導波路コア３０よりも屈折率の小さい第２光導波路コア４０とを備える。第１光導波路コア３０は、細線導波路部３１、第１ＭＦＤ径変換部３６及び第２ＭＦＤ径変換部３７を有し、第１ＭＦＤ径変換部は、細線導波路部と接続された第１領域３２、及び第２ＭＦＤ径変換部と接続された第２領域３４とで構成される。細線導波路部３１及び第１領域３２は第１の厚さとされ、第２領域３４及び第２ＭＦＤ径変換部３７は、第１の厚さよりも小さい第２の厚さとされている。第1領域３２と第２領域との境界の幅は、細線導波路部３１の幅よりも大きい。第２DＭＦＤ径変換部３７は、第１ＭＦＤ径変換部３６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。【選択図】図１

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。

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。

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。

また、Ｓｉを用いる光導波路素子では、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）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。

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：Ｍｏｄｅ Ｆｉｅｌｄ Ｄｉａｍｅｔｅｒ）を変換する必要がある。

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。

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。

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。

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（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ）偏波のＭＦＤが十分に広がらない。

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（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）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。

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。

特開２００４−１３３４４６号公報 特表２００８−５０９４５０号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 （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）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）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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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（Ｂｅａｍ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）を用いて確認した。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ）法を用いて確認した。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (3)

1. 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。
2. 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。
3. 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。

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