JP2016161915A - 光導波路素子および光学デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】光導波路基板を別体の光伝送素子に対して光学結合するのに際して、光伝送素子の光伝送部における光のニアフィールド径を大きくし、光導波路基板の素子長を短する光導波路素子および光学デバイスを提供する。【解決手段】光導波路基板１は、支持基板１５、支持基板１５上に設けられたクラッド１４、およびクラッド１４上に設けられ、光を伝搬させるためのコア２であって、光が入射する入射部２ａおよび伝搬光を出射する出射端面２ｂを有するコア２を備える。コア２の出射端面２ｂにクラッド１４の出射側端面１４ａに対して凹んだ凹部５が形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、光導波路素子および光学デバイスに関するものである。

回折格子を、半導体とは異なる部品とし、外部で共振器を形成する、外部共振器型半導体レーザが開発されている。このタイプのレーザは、波長安定性、温度安定性、制御性がよいレーザとなる。外部共振器は、ファイバ・ブラッグ・グレーティング（FBG）（非特許文献１）や、ボリューム・ホログラム・グレーティング（VHG）（非特許文献２）がある。回折格子を、半導体レーザとは別部材で構成するので、反射率、共振器長を個別に設計できるという特徴があり、電流注入による発熱による温度上昇の影響を受けないので、波長安定性をさらに良くすることができる。また、半導体の屈折率の温度変化が異なるので、共振器長と合わせて設計することにより、温度安定性を高めることができる。

特許文献１（特開2002-134833）には、石英ガラス導波路に形成したグレーティングを利用した外部共振器型レーザが開示されている。これは温度コントローラなしで室温が大きく（例えば30℃以上）変化する環境で使える、周波数安定化レーザを提供しようとするものである。また、モードホッピングが抑圧され、かつ発振周波数の温度依存性がない温度無依存レーザを提供することが記載されている。

こうした外部共振器型の発光装置を更に光導波路素子や光ファイバアレイに結合した光学デバイスには、以下の３つの方式がある。

方式１では、半導体レーザ内蔵グレーティング素子を光導波路素子と光軸合わせし、接合する（特許文献３）。

方式２では、半導体レーザ光源と、グレーティングを内蔵した光導波路素子や光ファイバとを結合し、アライメントする（特許文献４、特許文献５）。

方式３では、半導体レーザ光源と、グレーティング素子と、光導波路素子との三つの部品を光学的に結合する（特許文献６）。

しかし、方式３では、サブミクロン精度のアライメントが必要であり、タクトがかかり、製品化が難しい。このため方式１、２のように半導体レーザ、あるいは導波路、ファイバにグレーティングを集積化する技術が提案されている。

特開2002-134833 特願２０１３−１２０９９９ 米国特許公開 ２００８／０２９１９５１Ａ１ ＷＯ ２０１３−０３４８１３ 特開２０００−０８２８６４ 特開２００２−１３４８３３ 特願２０１４−１２２１６１

電子情報通信学会論文誌 C‐II Vol.J81, No.7pp.664-665, 1998年7月 電子情報通信学会技術研究報告 LQE, 2005年 105巻 52号 pp.17-20 古河電工時報 平成12年1月 第105号 p24-29

しかし、半導体レーザをグレーティングにより波長安定化動作するためには、数１００ｎｍのグレーティングピッチで、ウエハ内に１ｎｍ以下の精度で均一に製造する必要がある。このグレーティングパターンを形成するためには、電子ビーム描画装置、ステッパ、ナノインプリント装置が利用されるが、ウエハの反り、表面凹凸の仕様が厳しい。このため半導体レーザ光源や光導波路にブラッググレーティングを内蔵する場合には、これらの素子形成による反り、凹凸により、グレーティング形成の歩留まりが悪くなる。更に、各素子の微細構造が互いに干渉しあったり、製造プロセスが干渉するために複雑なマスキングが必要になる。これらのことから、方式３のように、三つの部品を個別実装したいという要求がある。

本出願人は、特許文献７記載のように、グレーティング素子と別体の光伝送素子との間での設計を工夫することにより、実装時のトレランスの許容幅を大きくすることを提案した。

しかし、更に検討を進めると、問題点も生じてきた。すなわち、グレーティング素子の出射部と光伝送素子の入射部との間での光の結合の裕度を向上させるためには、グレーティング素子からの出射光のスポットサイズを大きくする必要がある。一方、ブラッググレーティング内での光のスポットサイズが大きすぎると、グレーティング素子に入射する光のスポットサイズと合わないので、ブラッググレーティングにおける光のスポットサイズはある程度小さくすることが必要である。

このため、特許文献７では、本発明者は、グレーティング素子内のリッジ型光導波路幅を、光の伝搬方向に向かって徐々に大きくするような拡大テーパ部分を設けることを提案した。これによって、グレーティング素子の出射部における光導波路幅を拡張するものである。

しかし、リッジ型光導波路幅を徐々に大きくするテーパ部を設けた場合、出射部で所望の光スポットサイズ（水平方向のニアフィールド径）を得るためには、実際にはかなりの素子長が必要になった。これは光導波路コア内での光の広がり方に限界があるためである。この結果、グレーティング素子の素子長が長くなるという問題があった。

本発明の課題は、光導波路基板を別体の光伝送素子に対して光学結合するのに際して、光導波路基板の素子長を短くできるようにし、光伝送素子への光挿入損失を低減することである。

本発明は、支持基板、
支持基板上に設けられたクラッド、および
このクラッド上に設けられ、光を伝搬させるためのコアであって、光が入射する入射部および伝搬光を出射する出射端面を有するコアを備えている光導波路基板であって、
コアの前記出射端面にクラッドの出射側端面に対して凹んだ凹部が形成されていることを特徴とする。

また、本発明は、前記光導波路基板と光伝送素子とを備える光学デバイスであって、
光伝送素子が、コアの出射端面からの出射光が入射する入射部を有する光伝送部を備えていることを特徴とする。

本発明者は、光導波路基板を別体の光伝送素子に対して光学結合するのに際して、光導波路基板の素子長を短くする方法を検討した。

この過程で、チャネル型光導波路のコアの出射端面と光伝送部との間の間隔を大きくすることで、コアからの出射光を横方向に拡散させ、光伝送部材に入射するときのモードフィールド径を広げることも想到した。しかし、この場合には、光伝送部材に入射するときに各部分の光の位相がズレるために、光伝送部材への光の挿入損失が大きくなる。

このため、本発明者は、チャネル型光導波路のコアの出射端面に、
クラッドの出射側端面に対して凹んだ凹部を形成することを想到した。これによって、光伝送部材に入射するときに各部分の光の位相を合わせることでき、これによって光伝送部材への光の挿入損失を低減することが可能になった。

本発明の光導波路基板１および光伝送部材６を示す模式的平面図である。 図１の光導波路基板１を模式的に示す斜視図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、光導波路基板１、１Ａ、１Ｂを模式的に示す横断面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、光導波路基板１Ｃ、１Ｄ、１Ｅを模式的に示す横断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ、光導波路基板１Ｆ、１Ｇを模式的に示す横断面図である。 光導波路基板１Ｈを模式的に示す横断面図である。 いわゆるハイメサ型の光導波路を模式的に示す横断面図である。 光源素子、グレーティング素子および光伝送部材の結合構造を模式的に示す平面図である。 光源素子、グレーティング素子および光伝送部材の結合構造を模式的に示す平面図である。 光源素子、グレーティング素子および光伝送部材の結合構造を模式的に示す平面図である。 光源素子、グレーティング素子および光伝送部材の結合構造を模式的に示す側面図である。 実施例における計算条件を示す図である。 光の広がり実験の結果を示すグラフである。

本発明の光導波路基板は、グレーティング素子の他、光フィルタ、偏光素子、光変調器、光アイソレータに好適に利用できる。

図１は、本発明の実施形態に係る光導波路基板１と光伝送部材６との結合構造を示し、図２は光導波路基板１の斜視図である。

本例の光導波路基板１においては、支持基板１５上にアンダークラッド層１４が形成されており、クラッド層１４上に光学材料層１６が形成されている。光学材料層には、一対のリッジ溝３が形成されており、リッジ溝３の間にリッジ型光導波路のコア２が形成されている。各リッジ溝３の下には肉薄部１３が形成されており、各リッジ溝３の外側にはそれぞれ延在部４が形成されている。２ａは光の入射部であり、２ｂは光の出射端面である。

一方、本例では光伝送部材６を設置し、光導波路基板１の出射端面に対して所定間隔をおいて対向させている。光伝送部材６には光伝送部７が形成されており、光伝送部７の入射部７ａがコア２の出射端面２ｂに対向している。本例では、光伝送部７が、一対のリッジ溝８によって成形されており、各リッジ溝８の外側に延在部９が形成されている。

そして、本例では、コア２の出射端面２ｂにおける幅Ｗ_ｏｕｔが光伝送部７の入射部７ａにおける幅よりも小さくなっている。この状態でコア２の出射端面２ｂから光１１を出射させると、光１１が空間伝搬しながら拡散し、光伝送部７の入射部７ａに入射する。

ここで、本例では、コア２の出射端面２ｂがクラッドの端面１４ａに比べて凹んでおり、凹部５を形成している。これによって、光１１が光伝送部７の入射部７ａに到達したときの位相のズレを低減し、光伝送部材への光挿入損失を低減することができる。矢印Ａは、光伝送部内での伝搬光の光電解分布を示す。

好適な実施形態においては、図１に示すように、凹部５の輪郭が湾曲線を形成している。この場合、支持基板と反対側の光導波路基板の主面１ａから光導波路基板を観察するものとする。これによって、光伝送部の入射部に到達するときの光の位相差を更に低減できる。

更に好適な実施形態においては、支持基板と反対側の光導波路基板の主面から光導波路基板を観察したとき、凹部５の輪郭が弧状をなしている。特に好ましくは凹部５の輪郭が円弧状をなす。

基準面であるクラッド１４の出射側端面１４ａからみた時の凹部５の深さＨは、光導波路基板と光伝送基板との間隔やモードフィールド径に依存する。しかし、Ｗ_ｏｕｔ／Ｈは、例えば1〜５０であることが好ましく、５〜３０であることが更に好ましい。

また、凹部５の輪郭の曲率半径は、Ｗ_ｏｕｔ／２〜１００×Ｗ_ｏｕｔであることが好ましく、３×Ｗ_ｏｕｔ〜１５×Ｗ_ｏｕｔであることが更に好ましい。具体的に、Ｗ_ｏｕｔが３μｍとした場合に、９〜４５μｍであることが好ましい。

以下、光導波路の断面構造について例示する。
図３（ａ）に示す光導波路基板１では、支持基板１５上にアンダークラッド層１４を介して光学材料層１６が形成されている。光学材料層１６には例えば一対のリッジ溝３が形成されており、リッジ溝３の間にリッジ型の光導波路コア２が形成されている。アンダークラッド層１４および雰囲気がクラッドとして機能する。コアの両側に肉薄部１３が形成されており、各リッジ溝の外側に延在部４が形成されている。本例ではリッジ溝がアンダークラッド層まで到達しておらず、肉薄部１３を残している。

この場合、ブラッググレーティングは光学材料層の平坦面側に形成していてもよく、リッジ溝側に形成していてもよい。ブラッググレーティングおよびリッジ溝の形状ばらつきを低減するという観点では、ブラッググレーティングを平坦面側に形成することによって、ブラッググレーティングとリッジ溝とを光学材料層の反対側に設けることが好ましい。

図３（ｂ）の光導波路基板１Ａでは、光学材料層１６上に、クラッドとして機能するオーバークラッド層２０を形成している。

また、図３（ｃ）の光導波路基板１Ｂでは、支持基板１５上にアンダークラッド層１４を介して光学材料層１６が形成されている。光学材料層１６には例えば一対のリッジ溝３が形成されており、リッジ溝の間にリッジ型の光導波路コア２が形成されている。本例ではリッジ溝がアンダークラッド層側に形成されている。そして、光学材料層１６上にオーバークラッド層２０が形成されている。
アンダークラッド層と支持基板との間には接着層を設けることができる。

リッジ型光導波路において、リッジ溝の下にある光学材料を除去してしまうことで、ストライプ状の細長いコアを形成することもできる。この場合には、リッジ型光導波路が、光学材料からなる細長いコアからなり、コアの横断面が凸図形をなしている。このコアの周りには、アンダークラッド、オーバークラッドおよび構造によっては空気層が存在している。

凸図形とは、コアの横断面の外側輪郭線の任意の二点を結ぶ線分が、コアの横断面の外側輪郭線の内側に位置することを意味する。このような図形としては、三角形、四角形、六角形、八角形などの多角形、円形、楕円形などを例示できる。四角形としては、特に、上辺と下辺と一対の側面を有する四角形が好ましく、台形が特に好ましい。

図４（ａ）の光導波路基板１Ｃでは、支持基板１５上にアンダークラッド層１４が形成されており、アンダークラッド層１４上にコア２２が形成されている。コアの横断面（光伝搬方向と垂直な方向の断面）形状は台形であり、光導波路は細長く伸びている。本例では、コア２２の上側面２２ａが下側面２２ｂよりも狭くなっている。

図４（ｂ）の光導波路基板１Ｄでは、支持基板１５上にクラッド層２３が形成されており、クラッド層２３内にコア２２が埋設されている。コア２２の横断面（光伝搬方向と垂直な方向の断面）形状は台形であり、コアは細長く伸びている。本例では、コア２２の上側面２２ａが下側面２２ｂよりも狭くなっている。クラッド層２３は、コア２２上のオーバークラッド２３ｂ、アンダークラッド２３ａおよびコア２２の側面を被覆する側面クラッド２３ｃを含む。

図４（ｃ）の光導波路基板１Ｅでは、支持基板１５上にクラッド層２３が形成されており、クラッド層２３内にコア２２Ａが埋設されている。コア２２Ａの横断面（光伝搬方向と垂直な方向の断面）形状は台形であり、コアは細長く伸びている。本例では、コア２２Ａの下側面２２ｂが上側面２２ａよりも狭くなっている。２３ｂはオーバークラッドであり、２３ａはアンダークラッドである。

図５（ａ）の光導波路基板１Ｆでは、支持基板１５上にアンダークラッド層１４が形成されており、アンダークラッド層１４上にコア２２が形成されている。そして、コア２２が、別のクラッド２４によって包含され、埋設されている。クラッド２４は、オーバークラッド２４ａおよび側面クラッド２４ｂからなる。本例では、コア２２の上側面２２ａが下側面２２ｂよりも狭くなっている。

図５（ｂ）の光導波路基板１Ｇでは、支持基板１５上にアンダークラッド層１４が形成されており、アンダークラッド層１４上にコア２２Ａが形成されている。そして、コア２２Ａが、別のクラッド層２４によって包含され、埋設されている。クラッド層２４は、オーバークラッド２４ａおよび側面クラッド２４ｂからなる。本例では、コア２４Ａの下側面２４ｂが上側面２４ａよりも狭くなっている。

更に図６に示すような形態の光導波路基板１Ｈも利用可能である。すなわち、支持基板１５上にアンダークラッド層１４が形成されており、アンダークラッド層１４上にコア２２が形成されている。そして、コア２２の両側に溝２８が形成されており、各溝２８の外側にそれぞれ延在部４が形成されている。本例では、リッジ溝がアンダークラッド層１４まで切り込まれており、溝下の肉薄部は残留していない。

光導波路の形状については、図７に示すように、ハイメサ構造といわれるものであってもよい。この構造６２は、支持基板６１の上にアンダークラッド層６３を形成し、その上にコア６４を形成し、その上にオーバークラッド層６５を形成したものである。

なお、光導波路コアの幅Ｗは、コアを伝搬方向に対して垂直な横断面で切って得られる横断面図において、幅の最小値とする。また、Ｔ_ｓは、コアの厚さとする。

コアの屈折率は１．８以上が好ましく、１．９以上が更に好ましい。またコアの材質としては、Ｔａ_２Ｏ_５、ＺｎＯ、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、ＴｉＯ_２が好ましい。

コアは、アンダークラッド上に薄膜形成法によって成膜して形成してもよい。こうした薄膜形成法としては、スパッタ、蒸着、ＣＶＤを例示できる。

アンダークラッド、オーバークラッドは、光導波路コアのクラッドとして機能する。この観点からは、アンダークラッドの屈折率は、コアの屈折率よりも低いことが好ましく、その屈折率差は０．２以上が好ましく、０．４以上が更に好ましい。

こうした観点からは、アンダークラッド、オーバークラッドの材質は、ＳｉＯ_２、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、ポリイミド、ＭｇＦを例示できる。

支持基板の具体的材質は特に限定されず，ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、石英ガラスなどのガラスや水晶、Siなどを例示することができる。

本発明の光学デバイスは、本発明の光導波路基板と光伝送素子とを備えており、光伝送素子が、コアの出射端面からの出射光が入射する入射部を有する光伝送部を備えている。

図８〜図１０は、それぞれ、本発明に係る光学デバイスに係るものである。また、図１１は、図９の光学デバイスの側面図である。

図８に模式的に示す光学デバイスは、半導体レーザ光を発振する光源３７と、グレーティング素子３１と、光伝送素子４０とを備えている。本例では、光伝送素子４０として光導波路素子を使用しているが、光伝送素子の光導波路を光ファイバに変更できる。

光源３７とグレーティング素子３１とは、図示しない共通基板上に実装されていてよい。また、グレーティング素子３１と光伝送素子４０は、図示しない共通基板上に実装されていてよい。

光源３７は、半導体レーザ光を発振する活性層３８を備えている。活性層３８の外側端面３８ａには反射膜を設けることもできる。活性層３８のグレーティング素子側の端面３８ｂには、無反射膜または反射膜を形成することもできる。

グレーティング素子３１の光学材料層４４には光導波路３５が形成されている。光導波路３５は、回折格子のない入射側伝搬部３３、ブラッググレーティングの設けられたグレーティング部３２および回折格子のない出射側伝搬部３４を備えている。出射側伝搬部３４は、グレーティング部３２に隣接する定幅部３４ａ、コア幅が徐々に拡大するテーパ部３４ｂ、および一定幅の出射部３４ｃを備えている。入射側伝搬部３３、グレーティング部３２におけるコア幅はＷ_ｉｎ、Ｗ_ｇｒであり、出射部３４ｃにおけるコア幅はＷ_ｏｕｔである。

グレーティング素子３１の出射側端面に対向するように光伝送部材４０が設置されている。光伝送部材４０には光導波路４１が形成されている。光導波路４１は、一定幅の入射部４１ａ、光導波路幅が徐々に縮小するテーパ部４１ｂおよび一定幅の出射部４１ｃを備えている。４２は入射面であり、４３は出射面である。

本例では、グレーティング素子３１のコアの出射端面３５ｂにおける幅Ｗ_ｏｕｔが、ブラッググレーティングにおける光導波路コアの幅Ｗ_ｇｒ、入射部におけるコア幅Ｗ_ｉｎよりも大きくなっている。また、グレーティング素子３１のコアの出射端面３５ｂにおけるモードフィールドパターンの水平方向のニアフィールド径Ｂ_ｏｕｔが、入射部における水平方向のニアフィールド径Ｂ_ｉｎよりも大きくなっている。

更に、本例では、光伝送部４１の出射部４１ｃにおける水平方向のニアフィールド径Ｄ_ｏｕｔが、入射部４１ａにおける水平方向のニアフィールド径Ｄ_ｉｎよりも小さくなっている。これとともに、光伝送部４１ａにおける水平方向のニアフィールド径Ｄ_ｉｎが、グレーティング素子３１の出射部３４ｃにおける水平方向のニアフィールド径Ｂ_ｏｕｔよりも大きくなっている。

図９のデバイスにおいては、光源素子３７、グレーティング素子３１Ａおよび光伝送部材４０Ａが光学的に結合されている。本例では、グレーティング素子３１Ａの光学材料層４４には光導波路３５Ａが形成されている。光導波路３５Ａは、回折格子のない入射側伝搬部３３Ａ、グレーティング部３２および回折格子のない出射側伝搬部３４Ａを備えている。入射側伝搬部３３Ａは、一定幅の入射部３３ａ、コア幅が徐々に縮小するテーパ部３３ｂおよび一定幅の定幅部３３ｃを備えている。また、出射側伝搬部３４Ａは、グレーティング部３２に隣接する定幅部３４ａおよびコア幅Ｗ_ｍが徐々に拡大するテーパ部３４ｄを備えている。入射部３３ａにおけるコア幅はＷ_ｉｎであり、グレーティング素子３２におけるコア幅はＷ_ｇｒであり、出射部３４ｄにおけるコア幅の最大値はＷ_ｏｕｔである。

光伝送部材４０Ａには光導波路４１Ａが形成されている。光導波路４１Ａは、一定幅の入射部４１ａ、光導波路幅が徐々に縮小するテーパ部４１ｂおよび一定幅の出射部４１ｃを備えている。

本例では、グレーティング素子３１Ａのコアの出射端面３５ｂにおける幅Ｗ_ｏｕｔが、ブラッググレーティングにおける光導波路コアの幅Ｗ_ｇｒよりも大きくなっている。更に、本例では、光伝送部４１Ａの出射部４１ｃにおける水方向のニアフィールド径Ｄ_ｏｕｔが、入射部４１ａにおける水平方向のニアフィールド径Ｄ_ｉｎよりも小さくなっている。これとともに、光伝送部４１ａにおける水平方向のニアフィールド径Ｄ_ｉｎが、グレーティング素子３１Ａの出射部３４ｄにおける水平方向のニアフィールド径よりも大きくなっている。

図１０のデバイスにおいては、光源素子３７、グレーティング素子３１Ｂおよび光伝送部材４０Ｂが光学的に結合されている。本例では、グレーティング素子３１Ｂの光学材料層４４には光導波路３５Ｂが形成されている。光導波路３５Ｂは、回折格子のない入射側伝搬部３３、グレーティング部３２および回折格子のない出射側伝搬部３４Ｂを備えている。出射側伝搬部３４Ｂは、グレーティング部３２に隣接する定幅部３４ａ、コア幅が徐々に縮小するテーパ部３４ｅおよび一定幅の定幅部３４ｆを備えている。入射部３３ａにおけるコア幅はＷ_ｉｎであり、グレーティング素子３２におけるコア幅はＷ_ｇｒであり、出射端面３５ｂにおけるコア幅はＷ_ｏｕｔである。

光伝送部材４０Ｂには光導波路４１Ｂが形成されている。光導波路４１Ｂは、一定幅の入射部４１ａ、光導波路幅が徐々に縮小するテーパ部４１ｂおよび一定幅の出射部４１ｃを備えている。

本例では、グレーティング素子３１Ｂのコアの出射端面３５ｂにおける幅Ｗ_ｏｕｔが、ブラッググレーティングにおける光導波路コアの幅Ｗ_ｇｒよりも小さくなっている。更に、本例では、光伝送部４１Ｂの出射部４１ｃにおける水平方向のニアフィールド径Ｄ_ｏｕｔが、入射部４１ａにおける水平方向のニアフィールド径Ｄ_ｉｎよりも小さくなっている。これとともに、光伝送部４１ａにおける水平方向のニアフィールド径Ｄ_ｉｎが、グレーティング素子３１Ｂの出射部３４ｄにおける水平方向のニアフィールド径Ｂ_ｏｕｔよりも大きくなっている。

ブラッググレーティングにおける光導波路コアの幅は、半導体レーザ光源との結合効率を高めるために、レーザのニアフィールドパターンと同等になるように設定する。半導体レーザのニアフィールドの水平方向の大きさは、例えば２μｍから７μｍになっていることがある。この場合、光導波路コアの幅は２μｍから７μｍに設定している。

好適な実施形態においては、光伝送部の入射部における水平方向のニアフィールド径Ｄ_ｉｎが、コアの出射端面におけるコアの水平方向のニアフィールド径Ｂ_ｏｕｔよりも大きい。本発明の光導波路基板においては、光伝送部材の入射部に到達する前に出射光を十分に拡散できるので、本発明を特に有利に適用できる。

また、本発明の光導波路基板においては、光導波路の出射端面における光導波路コア幅Ｗ_ｏｕｔを相対的に大きくすることによって、出射端面における光ビームのモードフィールドのニアフィールド径（水平方向）Ｂ_ｏｕｔを大きくすることができる。この結果、グレーティング素子から出射する光ビーム密度を下げ、この出射光が光伝送素子に結合する際の水平方向の寸法の裕度を向上させることができる。これによって、グレーティング素子と光伝送素子とを光学的に組み付ける際の生産性が著しく向上する。

ただし、光伝送部の入射部におけるニアフィールド径Ｄ_ｉｎを大きくしてアライメント時の光軸ズレに対する裕度を向上させた場合、光伝送素子から外部に出射するときのニアフィールド径が大きくなりすぎることがある。この場合には、本例のように、よりニアフィールド径Ｄ_ｏｕｔの小さい出射部を設けることができる。この場合、入射部と出射部との間に、ニアフィールド径が徐々に小さくなるテーパ部を設けることが、損失低減の観点からは好ましい。

本発明の光導波路基板の出射端面におけるニアフィールド径（水平方向）Ｂ_ｏｕｔは、５μｍ以上が好ましく、７μｍ以上が更に好ましく、１０μｍ以上が最もよい。また、Ｂ_ｏｕｔは、２０μｍ以下が好ましい。

本発明の観点からは、光伝送部におけるニアフィールド径（水平方向）Ｄ_ｉｎは、５μｍ以上が好ましく、７μｍ以上が更に好ましい。
Ｄ_ｉｎ／Ｂ_ｏｕｔは、本発明の光導波路素子からの出射光を光伝送素子に結合させるという観点からは、１．１以上が好ましく、１．２以上が更に好ましい。

好適な実施形態においては、光伝送部の入射部の幅が前記コアの前記出射端面の幅Ｗ_ｏｕｔの１．２倍以上であり、１．３倍以上であることが更に好ましい。

光伝送部の入射部とコアの出射端面との距離Ｇ（図１、８、９、１０）は０．１μｍ以上、３μｍ以下であるが、これによってコアの出射端面から出射した光ビームの拡散を促進することもできる。この観点からは、光伝送部の入射部とコアの出射端面との距離を３μｍ以上とすることが更に好ましい。また、光伝送部の入射部とコアの出射端面との距離が大きすぎると、かえって光挿入損失が増加する傾向があるので、この観点からは、光伝送部の入射部とコアの出射端面との距離は２０μｍ以下であることが好ましい。

レーザ光の水平方向、垂直方向のニアフィールド径は、以下のようにして測定する。

レーザ光の光強度分布を測定して、その強度分布が最大値（通常はコアの中心部分に相当）に対して1/e²（eは自然対数の底: 2.71828）になるところの幅のことを、一般的に、ニアフィールド径と定義する。レーザ光の場合、ニアフィールドはレーザ素子の水平方向と垂直方向で大きさが異なるために、それぞれ定義する。光ファイバのように同心円である場合には直径として定義される。
光強度分布の測定は、一般的に近赤外カメラを利用したビームプロファイル測定やナイフエッジによる光強度測定によりレーザ光のスポットの光強度分布を得ることができる。

光源としては、高い信頼性を有するＧａＡｓ系やＩｎＰ系材料によるレーザが好適である。本願構造の応用として、例えば、非線形光学素子を利用して第２高調波である緑色レーザを発振させる場合は、波長１０６４ｎｍ付近で発振するＧａＡｓ系のレーザを用いることになる。ＧａＡｓ系やＩｎＰ系のレーザは信頼性が高いため、一次元状に配列したレーザアレイ等の光源も実現可能である。スーパールミネッセンスダイオードや半導体光アンプ（ＳＯＡ）であってもよい。また、活性層の材質や波長も適宜選択できる。

なお、半導体レーザとグレーティング素子との組み合わせでパワー安定化を行う方法は、下記に開示されている。
（非特許文献３： 古河電工時報 平成12年1月 第105号 p24-29）

光導波路は、例えば外周刃による切削加工やレーザアブレーション加工することによって物理的に加工し、成形することによって得られる。

ブラッググレーティングは以下のようにして物理的、あるいは化学的なエッチングにより形成することができる。
具体例として、Ｎｉ、Ｔｉなどの金属膜を高屈折率基板に成膜し、フォトリソグラフィーにより周期的に窓を形成しエッチング用マスクを形成する。その後、反応性イオンエッチングなどのドライエッチング装置で周期的なグレーティング溝を形成する。最後に金属マスクを除去することにより形成できる。

光伝送素子は、光導波路素子であってよく、光ファイバアレイであってよい。この光伝送素子は、第二高調波発生素子などの高調波発生素子であってよく、また光変調素子、偏光素子、光増幅器、光遅延素子、光メモリ、等の光制御素子であってよい。

（実施例１）
図１、図２、図３（ｂ）を参照しつつ説明した光導波路基板を作製した。
具体的には、石英からなる支持基板１５にスパッタ装置にてアンダークラッド層１４になるＳｉＯ_２層を１μｍ成膜し、その上にＴａ_２Ｏ_５を１．２μｍ成膜して、厚さＴｒが１．２μｍの光学材料層を形成した。

次に、光学材料層上にＣｒを成膜して、レジストを塗布した後にＥＢ描画装置により光導波路パターンを作製した。その後、このＣｒパターンをマスクにしてフッ素系の反応性イオンエッチングにより、幅Ｗ３μｍ、溝深さ０．６μｍのリッジ導波路を形成した。さらに、オーバークラッド層２０となるＳｉＯ_２層を０．５μｍスパッタにて形成した。

また、光導波路の出射部に凹みを形成するために、再度基板にＣｒを成膜して、レジストを塗布してＥＢ露光にて導波路幅の中心を基点にして、幅４μｍ、凹み量０．３μｍのパターンを形成した。その後、同様にフッ素系反応性イオンエッチングによりオーバークラッド層と光学材料層とをエッチングした。

最後に、ダイシング装置にて複数個の素子を横並びにしたバー状に切断し、入射側と出射側の端面を光学研磨した。このとき、出射端面にある凹み部を削り無くさないように０〜＋３μｍ手前で終端するように制御して加工した。また両端面に０．１％のARコートを形成しチップ切断を行い、図１、図２に示すような光導波路素子を作製した。素子サイズは幅1mm×長さ10mmとした。

凹部５は、導波路幅の中心線上に中心をもち、半径２０μｍの円弧形状としている。これによって、導波路の端面から０．３μｍ凹ませている。

本素子について、波長８３０ｎｍの半導体レーザを使用して光挿入損失と水平方向のスポット形状の広がりを測定した。スポット形状の水平方向の広がりは、以下のように測定した。すなわち、図１２に示すように、光導波路の出射端面から２０μｍ離れた位置に、水平方向のニアフィールドパターン１μｍ（リッジ幅1μｍ）の受光側の光導波路を設置し、この光導波路に入射した光の光強度を測定した。そして、受光側の光導波路を水平方向に０．２μｍづつシフトさせながら、各シフト位置ごとに光強度の測定を繰り返した。これによって光の拡がり特性を測定した。

ここで、光の拡がり幅は、前記拡がり特性において光強度の最大値から１／ｅ^２低下する水平方向の位置の幅と定義した。
この結果、光挿入損失は１．０ｄＢであり、広がり幅は１５．２μｍと大きかった。

（実施例２）
実施例１と同じようにして光導波路基板を作製した。
具体的には、石英からなる支持基板１５にスパッタ装置にてアンダークラッド層１４になるＳｉＯ_２層を１μｍ成膜し、その上にＴａ_２Ｏ_５を１．２μｍ成膜して光学材料層を形成した。

次に、光学材料層上にＣｒを成膜して、レジストを塗布した後にＥＢ描画装置により光導波路パターンを作製した。その後、このＣｒパターンをマスクにしてフッ素系の反応性イオンエッチングにより、幅Ｗ３μｍ、溝深さ０．６μｍのリッジ導波路を形成した。

また、光導波路の出射端面に凹みを形成するために、再度基板にＣｒを成膜して、レジストを塗布してＥＢ露光にて導波路幅の中心を基点にして幅４μｍ、凹み量０．３μｍのパターンを形成した。その後、同様にフッ素系反応性イオンエッチングにより光学材料層をエッチングした。その後で、ＳｉＯ_２からなるオーバークラッド層を光学材料層を覆うように２μｍ成膜した。

最後に、ダイシング装置にて複数個の素子を横並びにしたバー状に切断し、入射側と出射側の端面を光学研磨した。このとき、出射端面にある凹部を削り無くさないように０〜＋３μｍ手前で終端するように制御して加工した。また両端面に０．１％のARコートを形成しチップ切断を行い、光導波路基板を作製した。素子サイズは幅1mm×長さ10mmとした。

実施例１と同じようにして本例の光導波路基板の光挿入損失と水平方向のスポット形状の広がりを測定した。
この結果、光挿入損失は１．２ｄＢであり、広がり幅は１５．１μｍであった。

（実施例３）
図１、図２および図６を参照しつつ説明した光導波路基板を作製した。
具体的には、実施例１と同じように、石英からなる支持基板１５にスパッタ装置にてアンダークラッド層になるＳｉＯ_２層を１μｍ成膜し、またその上にＴａ_２Ｏ_５を１.２μｍ成膜して光学材料層を形成した。

次に、光学材料層上にＣｒを成膜して、レジストを塗布した後にＥＢ描画装置により光導波路パターンを作製した。その後、このＣｒパターンをマスクにしてフッ素系の反応性イオンエッチングにより、幅３μｍ、溝深さ１．２μｍのリッジ導波路を形成した。さらにＳｉＯ_２からなるオーバークラッド層を０．５μｍスパッタにて形成した。

また、光導波路の出射部に凹みを形成するために再度基板にＣｒを成膜して、レジストを塗布してＥＢ露光にて導波路幅の中心を基点にして幅４μｍ、凹み量０．３μｍのパターンを形成した。その後、同様にフッ素系反応性イオンエッチングによりオーバークラッド層と光学材料層をエッチングした。

最後に、ダイシング装置にて複数個の素子を横並びにしたバー状に切断し、入射側と出射側の端面を光学研磨した。このとき、出射端面にある凹み部を削り無くさないように０〜＋３μｍ手前で終端するように制御して加工した。また両端面に０．１％のARコートを形成しチップ切断を行い、光導波路素子を作製した。素子サイズは幅1mm×長さ10mmとした。

次いで、実施例１と同じようにして本光導波路基板の光挿入損失と水平方向のスポット形状の広がりを測定した。
この結果、光挿入損失は１．０ｄＢであり、広がり幅は１５．１μｍである。

（比較例１）
実施例１と同様にして光導波路基板を作製した。
ただし、本例では、光導波路コアの出射端面に凹部を形成せず、出射端面を平坦とした。

実施例１と同じようにして本光導波路基板の光挿入損失と水平方向のスポット形状の広がりを測定した。
この結果、光挿入損失は１．０ｄＢであり、広がり幅は６μｍである。

（モードプロファイルの計算結果）
図１３は、凹部の深さＨを変更したときの、コアの出射端面から２０μｍ先のモードプロファイルを計算した結果を示す。凹部の深さＨを大きくすると、水平方向のモードサイズが大きくなることがわかった。

Claims (10)

1. 支持基板、
   前記支持基板上に設けられたクラッド、および
   このクラッド上に設けられ、光を伝搬させるためのコアであって、前記光が入射する入射部および伝搬光を出射する出射端面を有するコアを備えている光導波路基板であって、
   前記コアの前記出射端面に前記クラッドの出射側端面に対して凹んだ凹部が形成されていることを特徴とする、光導波路基板。
2. 前記光導波路基板を前記支持基板と反対側の主面からみたとき、前記凹部の輪郭が湾曲線を形成していることを特徴とする、請求項１記載の光導波路基板。
3. 前記光導波路基板を前記支持基板と反対側の主面からみたとき、前記凹部の輪郭が弧状であることを特徴とする、請求項２記載の光導波路基板。
4. 前記コアが、少なくとも一対のリッジ溝によって成形されたリッジ部からなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の光導波路基板。
5. 前記コアの横断面が凸図形をなしていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の光導波路基板。
6. ブラッググレーティングを備えるグレーティング素子であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載の光導波路基板。
7. 請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載の光導波路基板と光伝送素子とを備える光学デバイスであって、
   前記光伝送素子が、前記コアの前記出射端面からの出射光が入射する入射部を有する光伝送部を備えていることを特徴とする、光学デバイス。
8. 前記光伝送部の前記入射部における水平方向のニアフィールド径が、前記コアの前記出射端面における前記コアの水平方向のニアフィールド径よりも大きいことを特徴とする、請求項７記載の光学デバイス。
9. 前記光伝送部の前記入射部と前記コアの前記出射端面との距離が３μｍ以上であることを特徴とする、請求項７または８記載の光学デバイス。
10. 前記光伝送部の前記入射部の幅が前記出射端面における前記コアの幅の１．２倍以上であることを特徴とする、請求項７〜９のいずれか一つの請求項に記載の光学デバイス。
    

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