JP3766953B2 - 光回路 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバとの接続や互いを接続する際に生じる結合損失を低減することができる光回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今後の超高速大容量光通信システムにおける光信号のルーティングなどのような重要な機能を担う主要部品として、平面型光回路が益々多用されると予測される。特に、通信容量の増加に伴い、さらに大規模な光通信システムの構築が求められている。このような光通信システムの大規模化を実現するには、平面型光回路を小型化し、多数の平面型光回路を接続できるようにすることが必須である。
【０００３】
この従来の平面型光回路の概略構造を図３０に示す。図３０に示すように、基板１１１上には、入力導波路１１２が形成されている。この入力導波路１１２は、基板１１１に形成されたスラブ導波路１１３に接続している。スラブ導波路１１３には、基板１１１に形成された複数のアレイ導波路１１４の一端側がそれぞれ接続している。これらアレイ導波路１１４の途中には、偏光依存性を解消する 1/2波長板１１５が設けられている。これらアレイ導波路１１４の他端側は、基板１１１に形成されたスラブ導波路１１６に接続している。スラブ導波路１１６には、基板１１１に形成された複数の出力導波路１１７がそれぞれ接続している。
【０００４】
このような平面型光回路１１０においては、複数の異なる波長を有する多重化された光信号を入力導波路１１２から入射すると、当該光がスラブ導波路１１３を介してアレイ導波路１１４に入射し、 1/2波長板１１５で偏光依存性を解消されると共に、各アレイ導波路１１４の光路長の差により、スラブ導波路１１６内で各波長ごとに分波して各出力導波路１１７から出力される。
【０００５】
このような平面型光回路１１０において、小型化を実現するには、下記の式（１）で示されるように、コアの屈折率ｎcoreとクラッドの屈折率ｎcladとの差に対するコアの屈折率ｎcoreの割合である比屈折率差Δが１％以上の高い値を示す導波路（以下「ＳＨΔ導波路」という。）を適用すると極めて有効である。なぜなら、比屈折率差Δの高い導波路ほど光の閉じ込めが強く、急激に曲がるような導波路にも対応することができるからである。
【０００６】
Δ＝（ｎcore−ｎclad）／ｎcore （１）
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＳＨΔ導波路は、結合損失（接続損失ともいう）が非常に大きいことが難点となっている。ここで、結合損失について説明する。図３１に示すように、光ファイバ１２０のコア１２０ａを伝搬する光信号を平面型光回路１１０の入力導波路１１２のコア１１２ａに入力する場合、結合損失といわれる光信号の減衰を生じてしまう。結合損失は、異種の導波路を接続する場合に生じ、異種の導波路間で界分布が異なることに起因しており、接続点が増えるにしたがって増大してしまう。例えば、光通信システムに用いる波長１．５μｍでは、コア径９μｍの単一モード光ファイバと５μｍ四方のＳＨΔ導波路との間で約３．５ｄＢもの多大な結合損失を生じてしまうのである。
【０００７】
光通信システムに使用する平面型光回路１１０においては、小型化と結合損失の低減とが相反関係にある。すなわち、Δを大きくすると、回路は小型化されるが、結合損失は大きくなる。従って、実用的なシステムの構築に限界があった。すなわち、ＳＨΔ導波路の結合損失の低減を図らなければ、今後望まれる通信路の大容量化に対応することが難しくなってしまい、光通信システムの機能や規模が制約されるようになってしまうのである。
【０００８】
ＳＨΔ導波路と光ファイバとの結合損失を低減する１つの方法として、図３２に示すような基板端面近傍でコア幅を狭くしたスポットサイズ変換器を用いることが知られている（例えば、特開昭６３−２８０２０２）。
【０００９】
すなわち、コア幅をある程度以上狭くしていくと光のスポットサイズが広くなる領域があり、その広がったスポットサイズを光ファイバのスポットサイズに合わせることにより両者の結合損失を低減することが可能となる。
【００１０】
しかしながら、コア幅を低減した狭テーパスポットサイズ変換は、コア幅、Δなどの僅かな作製誤差により結合損失が大きく変化することが知られており、このため、これまで実用回路への適用がなされなかった。
【００１１】
本発明は、小型化を図りながらも結合損失を抑制することができる光回路を提供することを目的とする。特に、本発明は、作製誤差に対するトレランスを大きくした狭テーパスポットサイズ変換器を用いた光回路を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決するための、本発明による光回路は、基板と、屈折率の高いコアを屈折率の低いクラッドに埋め込んだ石英系ガラス製の導波路と、該導波路の一部として基板端面近傍に配置されたスポットサイズ変換器とから構成される光回路において、該スポットサイズ変換器は、そのコア幅が基板端面において最小となるように形成され、基板端面側のコア幅微調整部とそれに続くコア幅変換部とを有し、前記コア幅微調整部の基板端面におけるコアの幅をＷ１、前記コア幅微調整部が前記コア幅変換部と接続する側でのコアの幅をＷ２、前記コア幅微調整部の長手方向の長さをＬとして、当該コア幅微調整部の平均テーパ角度θ １ をθ １ ＝ｔａｎ −１ （（Ｗ２−Ｗ１）・（２Ｌ） −１ ）と定義し、更に、前記スポットサイズ変換器外の導波路部分のコア幅をＷ３、前記コア幅変換部の長手方向の長さをＭとして、当該コア幅変換部の平均テーパ角度θ ２ をθ ２ ＝ｔａｎ −１ （（Ｗ３−Ｗ２）・（２Ｍ） −１ ）と定義した場合において、前記コア幅微調整部の平均テーパ角度θ １ が、０°よりも大きく該コア幅変換部の平均テーパ角度θ ２ よりも小さく、端面位置の形成誤差をΔｘとした場合に、Δａ＝Δｘ・ｔａｎθ １ の値がコア幅形成誤差の許容値より小さくなるように平均テーパ角度θ １ が０．０２８５°以下に設定されており、前記コア幅微調整部が、複数のテーパ部と複数のコア幅一定の直線部とを交互に組み合わせて構成されており、該直線部の長さが２００μｍ以上であることを特徴とする。
【００４１】
【発明の実施の形態】
従来技術で説明したように、狭テーパを用いたスポットサイズ変換器は、光ファイバとの結合損失が最小となるコア幅の作製トレランスが非常に狭い。すなわちコアとクラッドとの比屈折率差Δやコア厚などの作製条件によりコア幅の最適値が変動してしまう。本発明では、コア幅を微調整することにより最適なコア幅を得ることを可能とするために、入出力導波路におけるコア幅を基板端面に近づくにつれて狭くなるようにする。その端面位置を調整することにより、最適なコア幅を再現性よく実現する光回路を提供する。以下、本発明における各実施の形態について説明するが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
【００４２】
図１に示すように、シリコン製の基板１１上には、屈折率の高いコアを屈折率の低いクラッドで包囲した石英系ガラス製の入力導波路１２が形成されており、当該入力導波路１２は、図２に示すように、コア１２ａが基板１１の縁端側に位置する入力端側において当該入力端側ほど小さいコア幅となるテーパ状となるように当該コア幅を次第に変化させたテーパ部１２ａａを有している。
【００４３】
なお、各実施の形態において、基板端面の近傍から基板端面にかけて幅の狭くなっている導波路の部分をスポットサイズ変換器という。例えば、図２におけるテーパ状となっている導波路部分はスポットサイズ変換器である。
【００４４】
図１に示すように、前記入力導波路１２は、基板１１に形成された石英系ガラス製のスラブ導波路１３に接続している。スラブ導波路１３には、基板１１に形成された石英系ガラス製のアレイ導波路１４の一端側がそれぞれ接続している。アレイ導波路１４の途中には、偏光依存性を解消する 1/2波長板１５が設けられている。アレイ導波路１４の他端側は、基板１１に形成された石英系ガラス製のスラブ導波路１６に接続している。
【００４５】
前記スラブ導波路１６には、基板１１に形成された石英系ガラス製の出力導波路１７がそれぞれ接続しており、当該出力導波路１７は、図２に示すように、そのコア１７ａが基板１１の縁端側に位置する出力端側において当該出力側ほど小さいコア幅となるテーパ状となるように当該コア幅を次第に変化させたテーパ部１７ａａを有している。
【００４６】
このような平面型光回路１０の上記導波路１２，１７は、以下のようにして形成される。
【００４７】
まず、シリコン製の基板１１上にＳｉＯ2 を主体とした下部クラッドガラススートを火炎堆積法により堆積し、続いて、ＳｉＯ2 にＧｅＯ2 を添加したコアガラススートを上記下部クラッドガラススート上に火炎堆積法により堆積した後、高温熱処理（１０００℃以上）して上記ガラススートを透明化することにより、基板１１上に下部クラッドガラス１２ｂａおよびコアガラス１２ａを形成する（図３（ａ））。このとき、下部クラッドガラス１２ｂａおよびコアガラス１２ａが目的とする厚さとなるように上記火炎堆積法による堆積時の厚さを調整する。
【００４８】
次に、フォトリソグラフィ技術により、コアガラス１２ａ上にエッチングマスク１００を基板１１の縁端側において当該縁端側ほど小さい幅のテーパ状となるように形成した後（図３（ｂ））、反応性イオンエッチングにより、コアガラス１２ａのパターン化を行い（図３（ｃ））、続いて、エッチングマスク１００を除去する（図３（ｄ））。
【００４９】
最後に、Ｂ２Ｏ３やＰ２Ｏ５などのようなドーパントを添加してガラス転移温度を下げたＳｉＯ２主体の上部クラッドガラス１２ｂｂを火炎堆積法により下部クラッドガラス１２ｂａおよびコアガラス１２ａ上に堆積して、隣り合うコアガラス１２ａの狭い間にも当該上部クラッドガラス１２ｂｂを入り込ませることにより（図３（ｅ））、基板１１上に前記導波路１２，１７を形成することができる。
【００５０】
このような平面型光回路１０においては、複数の異なる波長を有する多重化された光信号を入力導波路１２から入射すると、当該光がスラブ導波路１３を介してアレイ導波路１４に入射し、 1/2波長板１５で偏光依存性を解消されると共に、各アレイ導波路１４の行路長の差により、スラブ導波路１６内で各波長ごとに分波して各出力導波路１７から出力される。
【００５１】
ここで、図４に、コア径９μｍの単一モード光ファイバに対して、基板端面におけるコア幅と結合損失の関係を計算で求めた結果を示す。但しコア厚は５μｍ、Δを１．５％とした。図からわかるように、コア幅を５μｍから徐々に狭くしていくとそれに伴い導波路中のスポットサイズは小さくなり、一旦ファイバとの結合損失は増加する。しかし、コア幅が４μｍ以下となるとコアへの光の閉じこめが弱くなりスポットサイズは広がるため、ファイバとの結合損失は低くなる。更にコア幅を低減していくと１．２μｍ近傍で結合損失が最低になる。しかし、その後急速に結合損失が増加する。これは、コア幅が狭すぎてスポットサイズが急速に拡大するためである。
【００５２】
さて、図４に示すように、コア幅が１．２μｍであると、結合損失が約０．５ｄＢとなり、入出力の両側の合計で約１．０ｄＢ程度の結合損失に抑えることができる。一方、導波路は、シングルモード光を伝搬させるように設計するため、その材質等によってコアの幅や厚さが決まってしまう。
【００５３】
そこで、本実施の形態の第一例の平面型光回路１０においては、前記導波路１２，１７のコア１２ａ，１７ａの基板１１の縁端側に上述したようなテーパ部１２ａａ，１７ａａを形成することにより、シングルモード光の伝搬条件を満足しながらも、結合損失を低減することができるようにしたのである。
【００５４】
上記のように、コア幅１．２μｍ近傍では、コア幅が少しずれただけで、結合損失が大幅に増大してしまうため、平面型光回路１０の切り出し時の誤差によって、入力導波路１２および出力導波路１７のコア幅がずれて結合損失の増加を引き起こしてしまう可能性がある。
【００５５】
ここで、図５に示すように、コア１２ａ，１７ａのテーパ部１２ａａ，１７ａａのテーパ角をθとし、切り出し位置のずれ量をΔｘとすると、コア幅の片側のずれ量Δａを下記の式（２）で表すことができる。
【００５６】
Δａ＝Δｘ・ｔａｎθ （２）
例えば、θが１．５°とした場合にΔｘが５μｍ（切り出し誤差の通常の大きさ）となった場合、Δａは０．１３μｍとなるため、両側のずれ量２Δａは０．２６μｍとなる。よって、コア幅は１．２±０．２６μｍとなって、図４からわかるように、結合損失は約０．７ｄＢ程度となり、Δｘが０の場合と比べても約０．２ｄＢ程度しか増加しない。したがって、平面型光回路１０の切り出し時に誤差を生じても、結合損失に大きな影響を及ぼすことがなく、結合損失を低減した平面型光回路１０を定常的に製作することが容易にできる。
【００５７】
なお、前記導波路１２，１７のコア１２ａ，１７ａのテーパ部１２ａａ，１７ａａのテーパ角θは、０°よりも大きく５°以下であると好ましい。なぜなら、テーパ角θが０°であると、本発明による効果を得ることができず、テーパ角θが５°を超えると、前述した切り出し誤差によるコア幅のずれ量Δａが大きくなり過ぎてしまい、結合損失が大きくなり過ぎてしまうからである。
【００５８】
また、上述した平面型光回路１０においては、シリコン製の基板１１上に石英系の各種導波路１１〜１７を形成したが、これに限らず、ポリイミド、シリコン、半導体、ＬｉＮｂＯ３等の材料からなる前記導波路１１〜１７を各種材料の基板１１上に形成したものであってもよい。
【００５９】
＜第二例＞
図２に示すような単純なテーパを設ける代わりに、例えば、図６に示すように、基板１１の縁端側に位置する入力端側または出力端側において当該入出力端側ほど小さいコア幅となるように当該コア幅を次第に変化させる複数の段部３２ａａ，３７ａａを形成したコア３２ａ，３７ａを適用してもよい。
【００６０】
このとき、隣接する段部３２ａａ，３７ａａの差Δｂをできるだけ小さくするように当該段部３２ａａ，３７ａａの数を多くすれば、コア３２ａ，３７ａの形状が上述した場合のテーパ状に近似するようになり、結合損失の低減効果を向上させることができるため、切り出し誤差Δｘを考慮した上で、できる限り段部３２ａａ，３７ａａの数を多くした方が好ましい。
【００６１】
つまり、複数の段部３２ａａ，３７ａａにより入出力端側ほど小さいコア幅となるようにしているため、切り出した位置において低結合損失が得られなかったとしても、別の位置で再度切断して使用することができるので、最適なコア幅の正確な値が既知でなく、解析による推定値しか得られない場合であっても、切り出し位置を変えていくことにより最適なコア幅を探索することができるのである。
【００６２】
よって、上記コア３２ａ，３７ａを適用すれば、切り出し誤差Δｘを生じたとしても、目的とするコア幅を得ることが容易にできるようになる。
【００６３】
ここで、前記コア３２ａ，３７ａの隣り合う段部３２ａａ，３７ａａの差（段部の大きさ）Δｂは、０μｍよりも大きく５μｍ以下であると好ましい。なぜなら、Δｂが０μｍであると、本発明による効果を得ることができず、Δｂが５μｍを超えると、シングルモード光の伝搬条件を満たせなくなってしまうからである。
【００６４】
なお、図６に示した場合では、隣接する段部３２ａａ，３７ａａの差（段部の大きさ）Δｂおよび段部３２ａａ，３７ａａの長さをすべて一定としたが、隣接する段部３２ａａ，３７ａａの差（段部の大きさ）Δｂおよび段部３２ａａ，３７ａａの長さを異なるように設定することも可能である。
【００６５】
＜第三例＞
さらに、例えば、図７に示すように、基板１１の縁端側に位置する入力端側または出力端側において当該入出力端側ほど小さいコア幅となるテーパ状となるように当該コア幅を次第に変化させたテーパ部４２ａａ，４７ａａと、一定のコア幅となるように軸心方向に沿って形成されたストレート部４２ａｂ，４７ａｂとを交互に複数形成されたコア４２ａ，４７ａを適用することも可能である。
【００６６】
このようなコア４２ａ，４７ａを適用すれば、シングルモード光の伝搬条件を満足しながらも、結合損失を低減することができるのはもちろんのこと、ストレート部４２ａｂ，４７ａｂで切り出すことにより、切り出し誤差を緩衝することができ、目的とするコア幅を得ることが容易にできる。
【００６７】
ここで、前記コア４２ａ，４７ａの前記ストレート部４２ａｂ，４７ａｂの長さｓは、１μｍ以上であると好ましい。なぜなら、ｓが１μｍ未満であると、切り出し誤差を緩衝することが困難となってしまうからである。
【００６８】
なお、図７に示した場合では、テーパ部４２ａａ，４７ａａおよびストレート部４２ａｂ，４７ａｂの長さをすべて一定としたが、これら長さを異なるように設定することも可能である。
【００６９】
＜第四例＞
また、例えば、図８に示すように、平面型光回路１０の表面の前記導波路１２，１７の入出力端側の近傍に、これら導波路１２，１７の切断位置を示すマーカＬa1，Ｌa2を製造時に形成したり、上述したようなコア１２ａ，１７ａ，４２ａ，４７ａのコア幅の変化点位置を示すマーカＬb1，Ｌb2を製造時に形成しておけば、切断精度を容易に向上させることができる。
【００７０】
［第二番目の実施の形態］
＜第一例＞
本発明による平面型光回路の第二番目の実施の形態の第一例を図９，１０を用いて説明する。図９は、平面型光回路の概略構成図、図１０は、図９の平面型光回路の入力導波路および出力導波路のコアの抽出拡大図である。ただし、前述した第一番目の実施の形態と同様な部材については、前述した第一番目の実施の形態の説明で用いた符号と同一の符号を用いることにより、その説明を省略する。
【００７１】
本実施の形態は、平面型光回路として、光波長多重通信システムにおいて複数の異なる波長の光信号を合波および分波するアレイ導波路格子型光波長分波回路（ＡＷＧ）に本発明を適用した場合である。なお、ＡＷＧは導波路型光回路の例である。
【００７２】
図９に示すように、基板１１上には、入力導波路１２が複数形成されており、これら入力導波路１２は、図１０に示すように、コア１２ａのテーパ部１２ａａの入力端面のコア幅が各入力導波路１２ごとにそれぞれ異なっている。
【００７３】
また、基板１１には、出力導波路１７が複数形成されており、これら出力導波路１７は、図１０に示すように、コア１７ａのテーパ部１７ａａの出力端面のコア幅が各出力導波路１７ごとにそれぞれ異なっている。
【００７４】
このようなＡＷＧ５０の上記導波路１２，１７は、基本的には前述した第一番目の実施の形態の平面型光回路１０と同様にして作製することができ、例えば、図１１に示すように、基板１１の縁端側において当該縁端側ほど小さくなると共にテーパ角θがそれぞれ異なるテーパ状のエッチングマスクを形成して反応性イオンエッチングを行ったり、図１２に示すように、基板１１の縁端側において当該縁端側ほど小さくなると共にテーパ部の区間がそれぞれ異なる同一のテーパ角θのテーパ状のエッチングマスク１００を形成して反応性イオンエッチングを行い、基板１１を直線的に切り出すことにより、入力端面または出力端面のコア幅が各々異なるテーパ部１２ａａ，１７ａａを有するコア１２ａ，１７ａを容易に形成することができる。
【００７５】
このような構造をなすＡＷＧ５０においては、複数の異なる波長を有する多重化された光信号を任意の入力導波路１２から入射すると、当該光がスラブ導波路１３を介してアレイ導波路１４に入射し、 1/2波長板１５で偏光依存性を解消されると共に、各アレイ導波路１４の行路長の差により、スラブ導波路１６内で各波長ごとに分波して各出力導波路１７から出力される。
【００７６】
このようなＡＷＧ５０によれば、前記コア１２ａ，１７ａのテーパ部１２ａ，１７ａの入出力端面のコア幅がそれぞれ異なっているので、製造誤差による結合損失の増加を解消することができる。この理由を以下に説明する。
【００７７】
入力導波路１２に接続される図示しない入力ポートから入射された多重波長の信号光は、上述したようにして各波長ごとに分波されて各出力導波路１７にそれぞれ接続される図示しない出力ポートから出力される。このとき、切り出し誤差により各出力ポートのコア幅にバラツキがあるため、各出力ポートごとに結合損失がそれぞれ異なってしまう。
【００７８】
そこで、入力端面でのコア幅の異なる複数の入力導波路１２を設け、これら入力導波路１２に入力ポートを各々接続しておくことにより、結合損失を低減できる入力ポートを各出力ポートごとに選択することができるようにしたものである。また、入力ポートと出力ポートとの結合損失の和を一定にすることができるので、すべてのポートの結合損失の低減量を均等にすることができる。
【００７９】
＜第二例＞
また、例えば、前述した第一番目の実施の形態の第二例で説明したような、基板１１の縁端側に位置する入力端側または出力端側おいて当該入出力端側ほど小さいコア幅となるように当該コア幅を次第に変化させる複数の段部３２ａａ，３７ａａを形成したコア３２ａ，３７ａを適用することも可能である。
【００８０】
＜第三例＞
さらに、前述した第一番目の実施の形態の第三例で説明したような、基板１１の縁端側に位置する入力端側または出力端側において当該入出力端側ほど小さいコア幅となるテーパ状となるように当該コア幅を次第に変化させたテーパ部４２ａａ，４７ａａと、一定のコア幅となるように軸心方向に沿って形成されたストレート部４２ａｂ，４７ａｂとを交互に複数形成されたコア４２ａ，４７ａを適用することも可能である。
【００８１】
＜第四例＞
また、本実施の形態の第一例では、複数の入力導波路１２にそれぞれ接続された入力ポートのうち、結合損失が最も小さくなる入力ポートを選択して信号光を入射するようにしたが、すべての入力導波路１２を使用する必要がある場合には、例えば、図１３に示すように、前述した第一番目の実施の形態で説明したような入力導波路１２を複数備えた入力ポートｉをＡＷＧ５０の各入力導波路１２に接続すると共に、前述した第一番目の実施の形態で説明したような出力導波路１７を複数備えた出力ポートｊをＡＷＧ５０の各出力導波路１７に接続し、各入力ポートｉにおいて最適な入力導波路１２をそれぞれ選択してＡＷＧ５０の各入力導波路１２に信号光を入射すれば、ＡＷＧ５０の各出力導波路１７の出力ポートｊの出力導波路１７から信号光を出力することができるので、製造誤差にかかわらず、すべてのポートｉ，ｊにおいて結合損失を低減することができる。
【００８２】
［第三番目の実施の形態］
本発明による平面型光回路の第三番目の実施の形態を図１４を用いて説明する。図１４は、平面型光回路の概略構成図である。ただし、前述した第一，二番目の実施の形態と同様な部材については、前述した第一，二番目の実施の形態の説明で用いた符号と同一の符号を用いることにより、その説明を省略する。
【００８３】
図１４に示すように、基板１１には、第一モニター導波路６８および第二モニター導波路６９がそれぞれ複数形成されている。上記第一モニター導波路６８は、入力端６８ａが、入力導波路１２の入力端および出力導波路１７の出力端の位置する基板１１の縁端側と異なる縁端側に位置し、当該入力端６８ａ側が、当該入力端６８ａ側ほど小さいコア幅となるなるようにテーパ状に形成されると共に、入力端６８ａのコア幅が、各導波路６８ごとにそれぞれ異なる一方、出力端６８ｂが、出力導波路１７の出力端の位置する基板１１の縁端側に位置している。
【００８４】
また、上記第二モニター導波路６９は、その入力端６９ａおよび出力端６９ｂが、入力導波路１２および出力導波路１７と同一の構造をなしている。すなわち、その入力端６９ａが、入力導波路１２の入力端の位置する基板１１の縁端側に位置し、当該入力端６９ａ側が、当該入力端６９ａ側ほど小さいコア幅となるようにテーパ状に形成されると共に、入力端６９ａのコア幅が、各導波路６９ごとにそれぞれ異なる一方、出力端６９ｂが、出力導波路１７の出力端の位置する基板１１の縁端側に位置し、当該出力端６９ｂ側が、当該出力端６９ｂ側ほど小さいコア幅となるようにテーパ状に形成されると共に、出力端６９ｂのコア幅が、各導波路６９ごとにそれぞれ異なっている。
【００８５】
このようなモニター導波路６８，６９を形成されたＡＷＧ６０においては、基板１１の上記モニター導波路６８の上記入力端６８ａを切断してその結合損失を測定することを繰り返し、結合損失のコア幅依存性を調べて最適なコア幅を求めた後、当該コア幅となるように基板１１の入力導波路１２側および出力導波路１７側の縁端を切断することにより、入力導波路１２の入力端面および出力導波路１７の出力端面のコア幅を最適な大きさにそれぞれ設定することができる。
【００８６】
また、モニター導波路６９の結合損失を測定すれば、入力導波路１２および出力導波路１７の切断誤差を調べることができる。
【００８７】
このような本実施の形態のＡＷＧ６０によれば、個々の基板１１ごとに発生する切断誤差を監視することができると共に、個々の基板１１ごとに最適なコア幅とすることができる。
【００８８】
なお、前述した第二，三番目の実施の形態においては、ＡＷＧに適用した場合について説明したが、ＡＷＧに限らず、コア幅の異なる複数の入出力導波路を設けて、最適なポートを選択して使用するようにすれば、任意の平面型光回路において、製造誤差に関係なく結合損失の低減を図ることができる。
【００８９】
［第四番目の実施の形態］
次に、第四番目の実施の形態について図１５〜１７を用いて説明する。
【００９０】
図１５は、平面型光回路の入出力導波路に設けられたスポットサイズ変換器の拡大図、図１６は、テーパ角と過剰損失の関係を示す図、図１７は、本実施の形態におけるスポットサイズ変換器の適用例を示す図である。なお、前述した実施の形態と同様な部材については、前述した実施の形態の説明で用いた符号と同一の符号を用いることにより、その説明を省略する。
【００９１】
本実施の形態は、図１に示した平面型光回路の構成における入出力導波路に図１５に示す構成のスポットサイズ変換器２１を設けたものである。なお、入力導波路及び出力導波路に設けられるスポットサイズ変換器は同じであるので、以下、特に図中における符号を区別しない。
【００９２】
図１５に示すように、本実施例のスポットサイズ変換器２１は、コア幅微調整部２１とそれに続くコア幅変換部２２とから構成されている。両者の主な違いはそのテーパ角にある。ここでテーパ角とは図２中のθ１もしくはθ２で表される角度の２倍で定義する。コア幅微調整部２１のテーパ角２θ１はコア幅変換部２２のテーパ角２θ２に比べて小さく設定する。また、導波路の切断位置を示すマーカ２３を設けてもよい。マーカの詳細については後述する。
【００９３】
両者の設計パラメータについて以下に説明する。
【００９４】
本発明では、入出力導波路をテーパ形状とし、その端面位置を調整することにより、最適なコア幅を再現性よく実現する。しかし、導波路端面位置は以下に示す理由により±１００μm程度の精度しかないことから、本実施例では、最終的に得られるコア幅の精度を±０．１μmとするために、テーパ角度２θ１を０．０５７°と設定している。
【００９５】
一般的に光導波路と光ファイバは接着剤で接続固定される。この接着剤の屈折率がガラスの屈折率と微妙に異なるため、この接続面において光の反射が生じる。この反射光が光ファイバもしくは光導波路に結合することを防ぐために、両者の端面を５°〜１０°程度の斜めに研磨加工するのが一般的である。この斜め研磨加工により入出力端面を形成している現状では、入出力端面位置を高精度に出すことは困難である。実験的に得られた入出力端面位置精度は±１００μmであった。
【００９６】
このため最適コア幅を微調整するテーパの角度は非常に小さい値であることが望まれる。よって、上述に通り、本実施例では、最終的に得られるコア幅の精度を±０．１μmとするために、テーパ角度２θ１を０．０５７°と設定している。
【００９７】
この場合、単純に単一のテーパでコア幅を５μmから０．８μmまで狭くすると４．２mmのテーパ長が必要となる。本来、ＳＨΔ導波路を採用した目的が平面型光回路の小型化であることから考えると、入出力導波路が４．２mmもの長さになることは好ましくない。
【００９８】
そこで本発明では、スポットサイズ変換器２１を、損失が発生しない範囲でコア幅を急速に低減するコア幅変換部２２と、端面形成位置の誤差を考慮してテーパ角を小さく設定したコア幅微調整部２１とに分けている。
【００９９】
コア幅変換部のテーパ角２θ２は過剰損失が発生しない範囲で大きな値が好ましい。図１６に示すテーパ角と過剰損失の関係より、テーパ角が小さいほど損失が低いことがわかる。本実施例では２θ２を１°と設定し、コア幅変換部におけるコア幅を５μmから１．５μmにまで低減させるようにした。このとき、コア幅変換部の長さは約２００μmとなる。
【０１００】
コア幅微調整部に関しては、前述の通り最適コア幅の形成精度を±０．１μmとするために、テーパ角度２θ１を０．０５７°と設定し、コア幅が１．５μmから０．８μmにまで低減するテーパとした。このときのコア幅微調整部の長さは７００μmである。
【０１０１】
この結果、コア幅微調整部とコア幅変換部の長さの合計は９００μmとなり、単一のテーパで形成する場合の４．２ｍｍに比べて、約１／５の長さとなる。
【０１０２】
なお、コア幅変換部のテーパ角２θ２は０．０８°よりも大きく、１０°以下であると好ましい。なぜなら、テーパ角２θ２が０．０８°以下であるとコア幅変換部の長さが長くなり、小型化の効果が得られない。また、テーパ角２θ２が１０°よりも大きいと過剰損失が大きくなりすぎてしまう。さらにコア幅微調整部のテーパ角度２θ１は０°より大きく０．０８°以下であると好ましい。なぜなら、テーパ角度２θ１が０．０８°よりも大きいとテーパ部の長さが短くなり、研磨の誤差により充分な精度を得られなくなってしまうからである。
【０１０３】
さて、図１５に示したスポットサイズ変換器２０は、図１に示す平面型光回路の他、図１７に示すように、第二の実施の形態で説明したＡＷＧに適用することもできる。
【０１０４】
この場合に、ＡＷＧ７０の入力端に、入力端に近づくほどコア幅が狭くなる本発明のスポットサイズ変換器を備え、ＡＷＧの出力端に、出力端に近づくほどコア幅が狭くなる本発明のスポットサイズ変換器を備える。
【０１０５】
また、第二の実施の形態と同様にして、入力端面、出力端面における各スポットサイズ変換器のテーパ角度θ１を異なるようにするか、もしくは、各スポットサイズ変換器の位置を互いにずらしておき、基板を直線的に切り出すことにより、端面のコア幅がそれぞれのスポットサイズ変換器で異なるようにすることもできる。
【０１０６】
さらに、図１５及び図１７に示すマーカを用いて端面の切断位置を決めることができる。図１７に示すように、スポットサイズ変換器の上側だけにマーカを設けてもよいし、上側と下側に設けてもよい。
【０１０７】
上記の光導波路も、これまでに説明した実施の形態と同様の方法により形成することが可能である。また、これまでの実施の形態と同様に、導波路材料は石英系ガラスに限らず、ポリイミド、シリコン、半導体、ＬｉＮｂＯ３ 等であってもよい。
【０１０８】
また、本実施の形態は、図１３で説明したような入出力ポートに適用することもできる。更に、本実施の形態では、目的とする平面型光回路としてアレイ導波路型回折格子（ＡＷＧ）を取り上げたが、本発明のポイントはスポットサイズ変換器を含む入出力導波路にあるため、平面型光回路の種類には依存しない。よって、平面型光回路としてはＡＷＧに特定されるものではない。
【０１０９】
[第五番目の実施の形態]
本発明第五の実施形態のスポットサイズ変換器７５を図１８に、更に図１８のコア幅微調整部７６の拡大図を図１９、２０に示す。
【０１１０】
本実施形態は、第四の実施の形態とほぼ等しく、唯一の相違点はコア幅微調整部７６にある。図１５に示したように、第四の実施形態ではコア幅微調整部はテーパ角２θ１の単一のテーパ導波路で構成されていた。これに対し、本実施の形態では、例えば図１８に示すように単一のテーパ導波路の代わりにテーパ角度の異なる複数のテーパ導波路を組み合わせて構成する。
【０１１１】
コア幅微調整部は例えば図１９に示すように、テーパ導波路８２と直線導波路８１を交互に接続して構成してもよいし、図２０に示すように、直線導波路を階段状に接続して構成してもよい。導波路端面がテーパ部ではなく直線導波路部となることによって光ファイバとの結合損失が低減する。
【０１１２】
ここでテーパ角２θ１の平均値（平均テーパ角度という）を次式により定義する。ただしファイバと接続する側のコア幅をＷ１、コア幅変換部と接続する側でのコア幅をＷ２、コア幅微調整部の長さをＬとする（図２１）。
【０１１３】
【数１】
コア幅微調整部の具体的なパラメータは、平均テーパ角度２θ１を０．０５７°、直線導波路を２００μmとし、それを７回繰り返す構成とすると、コア幅は１．５μmから０．８μmまで低減させることができる。
【０１１４】
なお、上記の平均テーパ角度の定義は、コア幅変換部についても用いることができる。この場合、上記のＷ１としてＷ２を用い、上記のＷ２としてスポットサイズ変換器外の導波路部分のコア幅を用い、Ｌとしてコア幅変換部の長さを用いる。
【０１１５】
更に、上記の平均テーパ角度の定義は、コア幅変換部のない構成である第一の実施の形態におけるスポットサイズ変換器にも用いることができる。この場合、上記のＷ２としてスポットサイズ変換器外の導波路部分のコア幅を用い、Ｌとしてスポットサイズ変換器の長さを用いる。
【０１１６】
また、本実施の形態においても図１７、図１３に示す構成をとることが可能であり、本実施の形態も第４の実施の形態と同様に種々の光回路に適用できる。
【０１１７】
[第六番目の実施の形態]
次に、第六の実施の形態として、プロセス条件に依存して種々の条件が変化する場合において、最適なコア幅を形成することを可能とする平面型光回路について図２２〜２５を用いて説明する。なお、各図において、前述した実施の形態と同様な部材については、前述した実施の形態の説明で用いた符号と同一の符号を用いることにより、その説明を省略する。
【０１１８】
本実施の形態では、第三の実施の形態と同様に、作製を目的とする平面型光回路とは別に、当該平面型光回路と同一基板内に、本発明のスポットサイズ変換器を有するモニター導波路を配置する。
【０１１９】
図２２にモニター導波路と、図１７に示したようなＡＷＧ９０とを同一基板内に設けた例を示し、図２３にこのモニター導波路の部分を示す。図２３に示すように、本実施の形態では、モニター導波路８７は、コア幅微調整部８８とコア幅変換部８９を有するスポットサイズ変換器の位置を互いに１００μmずつずらして７つ配置している。これらのモニター導波路はその切断位置で一括して切断することにより、端面で各々異なるコア幅を有するモニター導波路となる。各モニター導波路と光ファイバとの結合損失を評価することにより、光ファイバとの結合損失が最も小さくなるコア幅を実験的に求めることが可能となる。図２４に切断後の形状を示す。
【０１２０】
図２２に示す構成では、ＡＷＧの入出力端側に備えられたスポットサイズ変換器が、モニター導波路の切断位置よりも内側にあるので、モニター導波路で最適形状を導出した後に、本回路を再度切断することができる。
【０１２１】
また、本実施の形態においても図１４に示したモニター導波路と同様の構成をとることもできる。図２５に、この場合のモニター導波路を含む部分の拡大図を示す。同図における第１モニター導波路９２における右端は直線であり、第１モニター導波路９２により最適なコア幅を明らかにし、本回路を切断する。また、第２モニター回路９３により、ＡＷＧの結合損失を見積もることができる。同図のように、第２モニター導波路９３は、両端がＡＷＧの入出力端と同一のスポットサイズ変換器、及び両端が直線の導波路の２本で構成することができる。この場合、両者の全体の過剰損失の差が、スポットサイズ変換器の過剰損失低減量となる。
【０１２２】
なお、モニター導波路を有する平面型光回路と、作製しようとしている平面型光回路とを別々に設けてもよい。
【０１２３】
[第七番目の実施の形態]
次に、端面形成位置を示すためのマーカに関する種々の実施形態について説明する。
【０１２４】
前述したように、図２２、図２５等に示したモニター導波路を用いることにより得られたコア幅を、目的とする平面型光回路の入出力導波路で実現するために、平面型光回路の入出力導波路におけるコア幅微調整部に端面形成位置が研磨過程でもわかるように例えば図１５に示したマーカが設けられる。
【０１２５】
例えば、モニター導波路及びマーカを適切に設けておくことにより、モニター導波路の測定で５番目のモニター導波路が最も損失が小さかった場合、５番目のマーカが端面となるように端面加工を行えば、目的とする平面型光回路の損失を最小することができる。
【０１２６】
マーカは種々の形で付することが可能であるが、例えば図２６〜２８に示すようなマーカを付することができる。
【０１２７】
図２６に示すマーカ（第１の例）は、定規のように等間隔に縦線９５を並べてマーカとするものである。図に示すような記号（数字）を付してもよい。切断位置は、定規のメモリを読み取ることにより決定する。
【０１２８】
図２７（ａ）〜（ｃ）に示すマーカ（第２の例）は、スポットサイズ変換器の形状が変化する部分の位置を示すものである。この場合、例えば、所定の２つのマーカの間を切断すれば最適なコア幅を得ることができる。
【０１２９】
図２８（ａ）、（ｂ）に示すマーカ（第３の例）は切断位置を示すものであり、各図上側のマーカ９６の幅を切断幅に等しくし、下側のマーカ９７は切断語の端面位置を示すものである。これにより、切断幅を考慮して切断を行うことが可能となる。
【０１３０】
図２９（ａ）、（ｂ）に示すマーカ（第４の例）は、図２８（ａ）、（ｂ）に示したマーカとほぼ同じであるが、研磨により削られる量を考慮してマーカを配置した点が異なる。
【０１３１】
本発明は、上記の実施例に限定されることなく、特許請求の範囲内で種々変更・応用が可能である。
【０１３２】
例えば、本発明のスポットサイズ変換器におけるテーパ部分の形状として、線形にコア幅が変化する直線形状だけでなく、指数関数あるいは放物線等の曲線形状を用いることができる。例えば、図１５等に示すコア幅変換部におけるテーパの形状を、文献「Soon Ryong Park and Beom-hoan O, “Novel Design Concept of Waveguide Mode Adapter for Low-Loss Mode Conversion”, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.13, NO.7, JULY 2001, pp.675-677」に示すような最適化テーパとすることにより、更に効果的に結合損失を低減させることが可能となる。もちろん、コア幅微調整部にも最適化テーパを使用することができる。
【０１３３】
また、本発明の実施の形態は平面型光回路を例として説明したが、本発明のスポットサイズ変換器は平面型光回路に限定されるものではなく、例えば、多層構造の光回路や導波路が積層された光回路等、任意の光回路に適用することができる。なお、本明細書における“光回路”の用語は、平面型光回路や導波路型光回路に限定されない広い意味での光回路をさしている。
【０１３４】
更に、本発明は光回路と光ファイバとの結合損失を低減することを主な目的としているが、半導体レーザ等の導波路型光回路より構成される光デバイスを、光ファイバや平面型光回路に結合する場合にも、最適なコア幅を用いることにより結合損失を低減できる。また、異なる光回路同士を互いに接続する際にも本発明を適用することが可能である。
【０１３５】
【発明の効果】
本発明の光回路によれば、小型化を図りながらもＳＨΔ導波路の結合損失を抑制することができる。また、基板の切断時に生じる切断誤差を解消することができ、さらに、製造誤差を生じた場合にも、最適なコア幅に製造できたポートを選択して使用することにより、低結合損失を常に実現することができる。このため、多くの光回路、特に、低損失で高集積な光回路を光通信システムに効率よく適用することができるので、需要の伸びる大容量光通信システムを構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による平面型光回路の第一番目の実施の形態の第一例の概略構成図である。
【図２】図１の平面型光回路の入力導波路および出力導波路のコアの抽出拡大図である。
【図３】図１の平面型光回路の入力導波路および出力導波路の作製手順の説明図である。
【図４】基板端面におけるコア幅と結合損失の関係を計算で求めた結果である。
【図５】切り出し誤差の説明図である。
【図６】本発明による平面型光回路の第一番目の実施の形態の第二例の入力導波路および出力導波路のコアの抽出拡大図である。
【図７】本発明による平面型光回路の第一番目の実施の形態の第三例の入力導波路および出力導波路のコアの抽出拡大図である。
【図８】本発明による平面型光回路の第一番目の実施の形態の第四例の入力導波路および出力導波路の入出力端側周辺の抽出拡大図である。
【図９】本発明による平面型光回路の第二番目の実施の形態の第一例の概略構成図である。
【図１０】図９の平面型光回路の入力導波路および出力導波路のコアの抽出拡大図である。
【図１１】図１０のコアの製作方法の説明図である。
【図１２】図１０のコアの他の製作方法の説明図である。
【図１３】本発明による平面型光回路の第二番目の実施の形態の第二例の概略構成図である。
【図１４】本発明による平面型光回路の第三番目の実施の形態の概略構成図である。
【図１５】本発明による第四番目の実施の形態の平面型光回路の入出力導波路に設けられたスポットサイズ変換器の拡大図である。
【図１６】テーパ角２θと過剰損失の関係を計算で求めた結果である。
【図１７】第四番目の実施の形態におけるスポットサイズ変換器の適用例を示す図である。
【図１８】本発明による第五番目の実施の形態の平面型光回路の入出力導波路に設けられたスポットサイズ変換器の拡大図である。
【図１９】 第五番目の実施の形態におけるコア幅微調整部の例を示す図である。
【図２０】第五番目の実施の形態におけるコア幅微調整部の例を示す図である。
【図２１】平均テーパ角度の定義を説明するための図である。
【図２２】 本発明における第六番目の実施の形態における平面型光回路の概略構成図である。
【図２３】第六番目の実施の形態におけるモニター導波路の構成図である。
【図２４】第六番目の実施の形態におけるモニター導波路の切断後の形状を示す図である。
【図２５】第六番目の実施の形態におけるモニター導波路の他の例を示す図である。
【図２６】本発明の平面型光回路におけるマーカの第１の例を示す図である。
【図２７】本発明の平面型光回路におけるマーカの第２の例を示す図である。
【図２８】本発明の平面型光回路におけるマーカの第３の例を示す図である。
【図２９】本発明の平面型光回路におけるマーカの第４の例を示す図である。
【図３０】従来の平面型光回路の一例の概略構成図である。
【図３１】従来の平面型光回路の入力導波路と光ファイバとの接続状態の説明図である。
【図３２】従来技術におけるスポットサイズ変換器の例を示す図である。
【符号の説明】
１０ 平面型光回路
１１ 基板
１２ 入力導波路
１２ａ，２２ａ，３２ａ，４２ａ コア
１２ａａ，２２ａａ，４２ａａ テーパ部
３２ａａ 段部
４２ａｂ ストレート部
１３ スラブ導波路
１４ アレイ導波路
１５ 1/2波長板
１６ スラブ導波路
１７ 出力導波路
１７ａ，２７ａ，３７ａ，４７ａ コア
１７ａａ，２７ａａ，４７ａａ テーパ部
３７ａａ 段部
４７ａｂ ストレート部
５０，６０，７０，９０ アレイ導波路格子型光波長分波回路（ＡＷＧ）
６８ 第一モニター導波路
６８ａ 入力端
６８ｂ 出力端
６９ 第二モニター導波路
６９ａ 入力端
６９ｂ 出力端
Ｌa1，Ｌa2，Ｌb1，Ｌb2，２３，７８， マーカ
２０，７５ スポットサイズ変換器
２１，７６，８０，８５，８８ コア幅微調整部
２２，７７，８９ コア幅変換部
８７ モニター導波路
８１，８６ 直線部
８２ テーパ部
９２ 第１モニター導波路
９３ 第２モニター導波路
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバとの接続や互いを接続する際に生じる結合損失を低減することができる光回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今後の超高速大容量光通信システムにおける光信号のルーティングなどのような重要な機能を担う主要部品として、平面型光回路が益々多用されると予測される。特に、通信容量の増加に伴い、さらに大規模な光通信システムの構築が求められている。このような光通信システムの大規模化を実現するには、平面型光回路を小型化し、多数の平面型光回路を接続できるようにすることが必須である。
【０００３】
この従来の平面型光回路の概略構造を図３０に示す。図３０に示すように、基板１１１上には、入力導波路１１２が形成されている。この入力導波路１１２は、基板１１１に形成されたスラブ導波路１１３に接続している。スラブ導波路１１３には、基板１１１に形成された複数のアレイ導波路１１４の一端側がそれぞれ接続している。これらアレイ導波路１１４の途中には、偏光依存性を解消する 1/2波長板１１５が設けられている。これらアレイ導波路１１４の他端側は、基板１１１に形成されたスラブ導波路１１６に接続している。スラブ導波路１１６には、基板１１１に形成された複数の出力導波路１１７がそれぞれ接続している。
【０００４】
このような平面型光回路１１０においては、複数の異なる波長を有する多重化された光信号を入力導波路１１２から入射すると、当該光がスラブ導波路１１３を介してアレイ導波路１１４に入射し、 1/2波長板１１５で偏光依存性を解消されると共に、各アレイ導波路１１４の光路長の差により、スラブ導波路１１６内で各波長ごとに分波して各出力導波路１１７から出力される。
【０００５】
このような平面型光回路１１０において、小型化を実現するには、下記の式（１）で示されるように、コアの屈折率ｎcoreとクラッドの屈折率ｎcladとの差に対するコアの屈折率ｎcoreの割合である比屈折率差Δが１％以上の高い値を示す導波路（以下「ＳＨΔ導波路」という。）を適用すると極めて有効である。なぜなら、比屈折率差Δの高い導波路ほど光の閉じ込めが強く、急激に曲がるような導波路にも対応することができるからである。
【０００６】
Δ＝（ｎcore−ｎclad）／ｎcore （１）
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＳＨΔ導波路は、結合損失（接続損失ともいう）が非常に大きいことが難点となっている。ここで、結合損失について説明する。図３１に示すように、光ファイバ１２０のコア１２０ａを伝搬する光信号を平面型光回路１１０の入力導波路１１２のコア１１２ａに入力する場合、結合損失といわれる光信号の減衰を生じてしまう。結合損失は、異種の導波路を接続する場合に生じ、異種の導波路間で界分布が異なることに起因しており、接続点が増えるにしたがって増大してしまう。例えば、光通信システムに用いる波長１．５μｍでは、コア径９μｍの単一モード光ファイバと５μｍ四方のＳＨΔ導波路との間で約３．５ｄＢもの多大な結合損失を生じてしまうのである。
【０００７】
光通信システムに使用する平面型光回路１１０においては、小型化と結合損失の低減とが相反関係にある。すなわち、Δを大きくすると、回路は小型化されるが、結合損失は大きくなる。従って、実用的なシステムの構築に限界があった。すなわち、ＳＨΔ導波路の結合損失の低減を図らなければ、今後望まれる通信路の大容量化に対応することが難しくなってしまい、光通信システムの機能や規模が制約されるようになってしまうのである。
【０００８】
ＳＨΔ導波路と光ファイバとの結合損失を低減する１つの方法として、図３２に示すような基板端面近傍でコア幅を狭くしたスポットサイズ変換器を用いることが知られている（例えば、特開昭６３−２８０２０２）。
【０００９】
すなわち、コア幅をある程度以上狭くしていくと光のスポットサイズが広くなる領域があり、その広がったスポットサイズを光ファイバのスポットサイズに合わせることにより両者の結合損失を低減することが可能となる。
【００１０】
しかしながら、コア幅を低減した狭テーパスポットサイズ変換は、コア幅、Δなどの僅かな作製誤差により結合損失が大きく変化することが知られており、このため、これまで実用回路への適用がなされなかった。
【００１１】
本発明は、小型化を図りながらも結合損失を抑制することができる光回路を提供することを目的とする。特に、本発明は、作製誤差に対するトレランスを大きくした狭テーパスポットサイズ変換器を用いた光回路を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決するための、本発明による光回路は、基板と、屈折率の高いコアを屈折率の低いクラッドに埋め込んだ石英系ガラス製の導波路と、該導波路の一部として基板端面近傍に配置されたスポットサイズ変換器とから構成される光回路において、該スポットサイズ変換器は、そのコア幅が基板端面において最小となるように形成され、基板端面側のコア幅微調整部とそれに続くコア幅変換部とを有し、前記コア幅微調整部の基板端面におけるコアの幅をＷ１、前記コア幅微調整部が前記コア幅変換部と接続する側でのコアの幅をＷ２、前記コア幅微調整部の長手方向の長さをＬとして、当該コア幅微調整部の平均テーパ角度θ １ をθ １ ＝ｔａｎ −１ （（Ｗ２−Ｗ１）・（２Ｌ） −１ ）と定義し、更に、前記スポットサイズ変換器外の導波路部分のコア幅をＷ３、前記コア幅変換部の長手方向の長さをＭとして、当該コア幅変換部の平均テーパ角度θ ２ をθ ２ ＝ｔａｎ −１ （（Ｗ３−Ｗ２）・（２Ｍ） −１ ）と定義した場合において、前記コア幅微調整部の平均テーパ角度θ １ が、０°よりも大きく該コア幅変換部の平均テーパ角度θ ２ よりも小さく、端面位置の形成誤差をΔｘとした場合に、Δａ＝Δｘ・ｔａｎθ １ の値がコア幅形成誤差の許容値より小さくなるように平均テーパ角度θ １ が０．０２８５°以下に設定されており、前記コア幅微調整部が、複数のテーパ部と複数のコア幅一定の直線部とを交互に組み合わせて構成されており、該直線部の長さが２００μｍ以上であることを特徴とする。
【００４１】
【発明の実施の形態】
従来技術で説明したように、狭テーパを用いたスポットサイズ変換器は、光ファイバとの結合損失が最小となるコア幅の作製トレランスが非常に狭い。すなわちコアとクラッドとの比屈折率差Δやコア厚などの作製条件によりコア幅の最適値が変動してしまう。本発明では、コア幅を微調整することにより最適なコア幅を得ることを可能とするために、入出力導波路におけるコア幅を基板端面に近づくにつれて狭くなるようにする。その端面位置を調整することにより、最適なコア幅を再現性よく実現する光回路を提供する。以下、本発明における各実施の形態について説明するが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
【００４２】
図１に示すように、シリコン製の基板１１上には、屈折率の高いコアを屈折率の低いクラッドで包囲した石英系ガラス製の入力導波路１２が形成されており、当該入力導波路１２は、図２に示すように、コア１２ａが基板１１の縁端側に位置する入力端側において当該入力端側ほど小さいコア幅となるテーパ状となるように当該コア幅を次第に変化させたテーパ部１２ａａを有している。
【００４３】
なお、各実施の形態において、基板端面の近傍から基板端面にかけて幅の狭くなっている導波路の部分をスポットサイズ変換器という。例えば、図２におけるテーパ状となっている導波路部分はスポットサイズ変換器である。
【００４４】
図１に示すように、前記入力導波路１２は、基板１１に形成された石英系ガラス製のスラブ導波路１３に接続している。スラブ導波路１３には、基板１１に形成された石英系ガラス製のアレイ導波路１４の一端側がそれぞれ接続している。アレイ導波路１４の途中には、偏光依存性を解消する 1/2波長板１５が設けられている。アレイ導波路１４の他端側は、基板１１に形成された石英系ガラス製のスラブ導波路１６に接続している。
【００４５】
前記スラブ導波路１６には、基板１１に形成された石英系ガラス製の出力導波路１７がそれぞれ接続しており、当該出力導波路１７は、図２に示すように、そのコア１７ａが基板１１の縁端側に位置する出力端側において当該出力側ほど小さいコア幅となるテーパ状となるように当該コア幅を次第に変化させたテーパ部１７ａａを有している。
【００４６】
このような平面型光回路１０の上記導波路１２，１７は、以下のようにして形成される。
【００４７】
まず、シリコン製の基板１１上にＳｉＯ2 を主体とした下部クラッドガラススートを火炎堆積法により堆積し、続いて、ＳｉＯ2 にＧｅＯ2 を添加したコアガラススートを上記下部クラッドガラススート上に火炎堆積法により堆積した後、高温熱処理（１０００℃以上）して上記ガラススートを透明化することにより、基板１１上に下部クラッドガラス１２ｂａおよびコアガラス１２ａを形成する（図３（ａ））。このとき、下部クラッドガラス１２ｂａおよびコアガラス１２ａが目的とする厚さとなるように上記火炎堆積法による堆積時の厚さを調整する。
【００４８】
次に、フォトリソグラフィ技術により、コアガラス１２ａ上にエッチングマスク１００を基板１１の縁端側において当該縁端側ほど小さい幅のテーパ状となるように形成した後（図３（ｂ））、反応性イオンエッチングにより、コアガラス１２ａのパターン化を行い（図３（ｃ））、続いて、エッチングマスク１００を除去する（図３（ｄ））。
【００４９】
最後に、Ｂ２Ｏ３やＰ２Ｏ５などのようなドーパントを添加してガラス転移温度を下げたＳｉＯ２主体の上部クラッドガラス１２ｂｂを火炎堆積法により下部クラッドガラス１２ｂａおよびコアガラス１２ａ上に堆積して、隣り合うコアガラス１２ａの狭い間にも当該上部クラッドガラス１２ｂｂを入り込ませることにより（図３（ｅ））、基板１１上に前記導波路１２，１７を形成することができる。
【００５０】
このような平面型光回路１０においては、複数の異なる波長を有する多重化された光信号を入力導波路１２から入射すると、当該光がスラブ導波路１３を介してアレイ導波路１４に入射し、 1/2波長板１５で偏光依存性を解消されると共に、各アレイ導波路１４の行路長の差により、スラブ導波路１６内で各波長ごとに分波して各出力導波路１７から出力される。
【００５１】
ここで、図４に、コア径９μｍの単一モード光ファイバに対して、基板端面におけるコア幅と結合損失の関係を計算で求めた結果を示す。但しコア厚は５μｍ、Δを１．５％とした。図からわかるように、コア幅を５μｍから徐々に狭くしていくとそれに伴い導波路中のスポットサイズは小さくなり、一旦ファイバとの結合損失は増加する。しかし、コア幅が４μｍ以下となるとコアへの光の閉じこめが弱くなりスポットサイズは広がるため、ファイバとの結合損失は低くなる。更にコア幅を低減していくと１．２μｍ近傍で結合損失が最低になる。しかし、その後急速に結合損失が増加する。これは、コア幅が狭すぎてスポットサイズが急速に拡大するためである。
【００５２】
さて、図４に示すように、コア幅が１．２μｍであると、結合損失が約０．５ｄＢとなり、入出力の両側の合計で約１．０ｄＢ程度の結合損失に抑えることができる。一方、導波路は、シングルモード光を伝搬させるように設計するため、その材質等によってコアの幅や厚さが決まってしまう。
【００５３】
そこで、本実施の形態の第一例の平面型光回路１０においては、前記導波路１２，１７のコア１２ａ，１７ａの基板１１の縁端側に上述したようなテーパ部１２ａａ，１７ａａを形成することにより、シングルモード光の伝搬条件を満足しながらも、結合損失を低減することができるようにしたのである。
【００５４】
上記のように、コア幅１．２μｍ近傍では、コア幅が少しずれただけで、結合損失が大幅に増大してしまうため、平面型光回路１０の切り出し時の誤差によって、入力導波路１２および出力導波路１７のコア幅がずれて結合損失の増加を引き起こしてしまう可能性がある。
【００５５】
ここで、図５に示すように、コア１２ａ，１７ａのテーパ部１２ａａ，１７ａａのテーパ角をθとし、切り出し位置のずれ量をΔｘとすると、コア幅の片側のずれ量Δａを下記の式（２）で表すことができる。
【００５６】
Δａ＝Δｘ・ｔａｎθ （２）
例えば、θが１．５°とした場合にΔｘが５μｍ（切り出し誤差の通常の大きさ）となった場合、Δａは０．１３μｍとなるため、両側のずれ量２Δａは０．２６μｍとなる。よって、コア幅は１．２±０．２６μｍとなって、図４からわかるように、結合損失は約０．７ｄＢ程度となり、Δｘが０の場合と比べても約０．２ｄＢ程度しか増加しない。したがって、平面型光回路１０の切り出し時に誤差を生じても、結合損失に大きな影響を及ぼすことがなく、結合損失を低減した平面型光回路１０を定常的に製作することが容易にできる。
【００５７】
なお、前記導波路１２，１７のコア１２ａ，１７ａのテーパ部１２ａａ，１７ａａのテーパ角θは、０°よりも大きく５°以下であると好ましい。なぜなら、テーパ角θが０°であると、本発明による効果を得ることができず、テーパ角θが５°を超えると、前述した切り出し誤差によるコア幅のずれ量Δａが大きくなり過ぎてしまい、結合損失が大きくなり過ぎてしまうからである。
【００５８】
また、上述した平面型光回路１０においては、シリコン製の基板１１上に石英系の各種導波路１１〜１７を形成したが、これに限らず、ポリイミド、シリコン、半導体、ＬｉＮｂＯ３等の材料からなる前記導波路１１〜１７を各種材料の基板１１上に形成したものであってもよい。
【００５９】
＜第二例＞
図２に示すような単純なテーパを設ける代わりに、例えば、図６に示すように、基板１１の縁端側に位置する入力端側または出力端側において当該入出力端側ほど小さいコア幅となるように当該コア幅を次第に変化させる複数の段部３２ａａ，３７ａａを形成したコア３２ａ，３７ａを適用してもよい。
【００６０】
このとき、隣接する段部３２ａａ，３７ａａの差Δｂをできるだけ小さくするように当該段部３２ａａ，３７ａａの数を多くすれば、コア３２ａ，３７ａの形状が上述した場合のテーパ状に近似するようになり、結合損失の低減効果を向上させることができるため、切り出し誤差Δｘを考慮した上で、できる限り段部３２ａａ，３７ａａの数を多くした方が好ましい。
【００６１】
つまり、複数の段部３２ａａ，３７ａａにより入出力端側ほど小さいコア幅となるようにしているため、切り出した位置において低結合損失が得られなかったとしても、別の位置で再度切断して使用することができるので、最適なコア幅の正確な値が既知でなく、解析による推定値しか得られない場合であっても、切り出し位置を変えていくことにより最適なコア幅を探索することができるのである。
【００６２】
よって、上記コア３２ａ，３７ａを適用すれば、切り出し誤差Δｘを生じたとしても、目的とするコア幅を得ることが容易にできるようになる。
【００６３】
ここで、前記コア３２ａ，３７ａの隣り合う段部３２ａａ，３７ａａの差（段部の大きさ）Δｂは、０μｍよりも大きく５μｍ以下であると好ましい。なぜなら、Δｂが０μｍであると、本発明による効果を得ることができず、Δｂが５μｍを超えると、シングルモード光の伝搬条件を満たせなくなってしまうからである。
【００６４】
なお、図６に示した場合では、隣接する段部３２ａａ，３７ａａの差（段部の大きさ）Δｂおよび段部３２ａａ，３７ａａの長さをすべて一定としたが、隣接する段部３２ａａ，３７ａａの差（段部の大きさ）Δｂおよび段部３２ａａ，３７ａａの長さを異なるように設定することも可能である。
【００６５】
＜第三例＞
さらに、例えば、図７に示すように、基板１１の縁端側に位置する入力端側または出力端側において当該入出力端側ほど小さいコア幅となるテーパ状となるように当該コア幅を次第に変化させたテーパ部４２ａａ，４７ａａと、一定のコア幅となるように軸心方向に沿って形成されたストレート部４２ａｂ，４７ａｂとを交互に複数形成されたコア４２ａ，４７ａを適用することも可能である。
【００６６】
このようなコア４２ａ，４７ａを適用すれば、シングルモード光の伝搬条件を満足しながらも、結合損失を低減することができるのはもちろんのこと、ストレート部４２ａｂ，４７ａｂで切り出すことにより、切り出し誤差を緩衝することができ、目的とするコア幅を得ることが容易にできる。
【００６７】
ここで、前記コア４２ａ，４７ａの前記ストレート部４２ａｂ，４７ａｂの長さｓは、１μｍ以上であると好ましい。なぜなら、ｓが１μｍ未満であると、切り出し誤差を緩衝することが困難となってしまうからである。
【００６８】
なお、図７に示した場合では、テーパ部４２ａａ，４７ａａおよびストレート部４２ａｂ，４７ａｂの長さをすべて一定としたが、これら長さを異なるように設定することも可能である。
【００６９】
＜第四例＞
また、例えば、図８に示すように、平面型光回路１０の表面の前記導波路１２，１７の入出力端側の近傍に、これら導波路１２，１７の切断位置を示すマーカＬa1，Ｌa2を製造時に形成したり、上述したようなコア１２ａ，１７ａ，４２ａ，４７ａのコア幅の変化点位置を示すマーカＬb1，Ｌb2を製造時に形成しておけば、切断精度を容易に向上させることができる。
【００７０】
［第二番目の実施の形態］
＜第一例＞
本発明による平面型光回路の第二番目の実施の形態の第一例を図９，１０を用いて説明する。図９は、平面型光回路の概略構成図、図１０は、図９の平面型光回路の入力導波路および出力導波路のコアの抽出拡大図である。ただし、前述した第一番目の実施の形態と同様な部材については、前述した第一番目の実施の形態の説明で用いた符号と同一の符号を用いることにより、その説明を省略する。
【００７１】
本実施の形態は、平面型光回路として、光波長多重通信システムにおいて複数の異なる波長の光信号を合波および分波するアレイ導波路格子型光波長分波回路（ＡＷＧ）に本発明を適用した場合である。なお、ＡＷＧは導波路型光回路の例である。
【００７２】
図９に示すように、基板１１上には、入力導波路１２が複数形成されており、これら入力導波路１２は、図１０に示すように、コア１２ａのテーパ部１２ａａの入力端面のコア幅が各入力導波路１２ごとにそれぞれ異なっている。
【００７３】
また、基板１１には、出力導波路１７が複数形成されており、これら出力導波路１７は、図１０に示すように、コア１７ａのテーパ部１７ａａの出力端面のコア幅が各出力導波路１７ごとにそれぞれ異なっている。
【００７４】
このようなＡＷＧ５０の上記導波路１２，１７は、基本的には前述した第一番目の実施の形態の平面型光回路１０と同様にして作製することができ、例えば、図１１に示すように、基板１１の縁端側において当該縁端側ほど小さくなると共にテーパ角θがそれぞれ異なるテーパ状のエッチングマスクを形成して反応性イオンエッチングを行ったり、図１２に示すように、基板１１の縁端側において当該縁端側ほど小さくなると共にテーパ部の区間がそれぞれ異なる同一のテーパ角θのテーパ状のエッチングマスク１００を形成して反応性イオンエッチングを行い、基板１１を直線的に切り出すことにより、入力端面または出力端面のコア幅が各々異なるテーパ部１２ａａ，１７ａａを有するコア１２ａ，１７ａを容易に形成することができる。
【００７５】
このような構造をなすＡＷＧ５０においては、複数の異なる波長を有する多重化された光信号を任意の入力導波路１２から入射すると、当該光がスラブ導波路１３を介してアレイ導波路１４に入射し、 1/2波長板１５で偏光依存性を解消されると共に、各アレイ導波路１４の行路長の差により、スラブ導波路１６内で各波長ごとに分波して各出力導波路１７から出力される。
【００７６】
このようなＡＷＧ５０によれば、前記コア１２ａ，１７ａのテーパ部１２ａ，１７ａの入出力端面のコア幅がそれぞれ異なっているので、製造誤差による結合損失の増加を解消することができる。この理由を以下に説明する。
【００７７】
入力導波路１２に接続される図示しない入力ポートから入射された多重波長の信号光は、上述したようにして各波長ごとに分波されて各出力導波路１７にそれぞれ接続される図示しない出力ポートから出力される。このとき、切り出し誤差により各出力ポートのコア幅にバラツキがあるため、各出力ポートごとに結合損失がそれぞれ異なってしまう。
【００７８】
そこで、入力端面でのコア幅の異なる複数の入力導波路１２を設け、これら入力導波路１２に入力ポートを各々接続しておくことにより、結合損失を低減できる入力ポートを各出力ポートごとに選択することができるようにしたものである。また、入力ポートと出力ポートとの結合損失の和を一定にすることができるので、すべてのポートの結合損失の低減量を均等にすることができる。
【００７９】
＜第二例＞
また、例えば、前述した第一番目の実施の形態の第二例で説明したような、基板１１の縁端側に位置する入力端側または出力端側おいて当該入出力端側ほど小さいコア幅となるように当該コア幅を次第に変化させる複数の段部３２ａａ，３７ａａを形成したコア３２ａ，３７ａを適用することも可能である。
【００８０】
＜第三例＞
さらに、前述した第一番目の実施の形態の第三例で説明したような、基板１１の縁端側に位置する入力端側または出力端側において当該入出力端側ほど小さいコア幅となるテーパ状となるように当該コア幅を次第に変化させたテーパ部４２ａａ，４７ａａと、一定のコア幅となるように軸心方向に沿って形成されたストレート部４２ａｂ，４７ａｂとを交互に複数形成されたコア４２ａ，４７ａを適用することも可能である。
【００８１】
＜第四例＞
また、本実施の形態の第一例では、複数の入力導波路１２にそれぞれ接続された入力ポートのうち、結合損失が最も小さくなる入力ポートを選択して信号光を入射するようにしたが、すべての入力導波路１２を使用する必要がある場合には、例えば、図１３に示すように、前述した第一番目の実施の形態で説明したような入力導波路１２を複数備えた入力ポートｉをＡＷＧ５０の各入力導波路１２に接続すると共に、前述した第一番目の実施の形態で説明したような出力導波路１７を複数備えた出力ポートｊをＡＷＧ５０の各出力導波路１７に接続し、各入力ポートｉにおいて最適な入力導波路１２をそれぞれ選択してＡＷＧ５０の各入力導波路１２に信号光を入射すれば、ＡＷＧ５０の各出力導波路１７の出力ポートｊの出力導波路１７から信号光を出力することができるので、製造誤差にかかわらず、すべてのポートｉ，ｊにおいて結合損失を低減することができる。
【００８２】
［第三番目の実施の形態］
本発明による平面型光回路の第三番目の実施の形態を図１４を用いて説明する。図１４は、平面型光回路の概略構成図である。ただし、前述した第一，二番目の実施の形態と同様な部材については、前述した第一，二番目の実施の形態の説明で用いた符号と同一の符号を用いることにより、その説明を省略する。
【００８３】
図１４に示すように、基板１１には、第一モニター導波路６８および第二モニター導波路６９がそれぞれ複数形成されている。上記第一モニター導波路６８は、入力端６８ａが、入力導波路１２の入力端および出力導波路１７の出力端の位置する基板１１の縁端側と異なる縁端側に位置し、当該入力端６８ａ側が、当該入力端６８ａ側ほど小さいコア幅となるなるようにテーパ状に形成されると共に、入力端６８ａのコア幅が、各導波路６８ごとにそれぞれ異なる一方、出力端６８ｂが、出力導波路１７の出力端の位置する基板１１の縁端側に位置している。
【００８４】
また、上記第二モニター導波路６９は、その入力端６９ａおよび出力端６９ｂが、入力導波路１２および出力導波路１７と同一の構造をなしている。すなわち、その入力端６９ａが、入力導波路１２の入力端の位置する基板１１の縁端側に位置し、当該入力端６９ａ側が、当該入力端６９ａ側ほど小さいコア幅となるようにテーパ状に形成されると共に、入力端６９ａのコア幅が、各導波路６９ごとにそれぞれ異なる一方、出力端６９ｂが、出力導波路１７の出力端の位置する基板１１の縁端側に位置し、当該出力端６９ｂ側が、当該出力端６９ｂ側ほど小さいコア幅となるようにテーパ状に形成されると共に、出力端６９ｂのコア幅が、各導波路６９ごとにそれぞれ異なっている。
【００８５】
このようなモニター導波路６８，６９を形成されたＡＷＧ６０においては、基板１１の上記モニター導波路６８の上記入力端６８ａを切断してその結合損失を測定することを繰り返し、結合損失のコア幅依存性を調べて最適なコア幅を求めた後、当該コア幅となるように基板１１の入力導波路１２側および出力導波路１７側の縁端を切断することにより、入力導波路１２の入力端面および出力導波路１７の出力端面のコア幅を最適な大きさにそれぞれ設定することができる。
【００８６】
また、モニター導波路６９の結合損失を測定すれば、入力導波路１２および出力導波路１７の切断誤差を調べることができる。
【００８７】
このような本実施の形態のＡＷＧ６０によれば、個々の基板１１ごとに発生する切断誤差を監視することができると共に、個々の基板１１ごとに最適なコア幅とすることができる。
【００８８】
なお、前述した第二，三番目の実施の形態においては、ＡＷＧに適用した場合について説明したが、ＡＷＧに限らず、コア幅の異なる複数の入出力導波路を設けて、最適なポートを選択して使用するようにすれば、任意の平面型光回路において、製造誤差に関係なく結合損失の低減を図ることができる。
【００８９】
［第四番目の実施の形態］
次に、第四番目の実施の形態について図１５〜１７を用いて説明する。
【００９０】
図１５は、平面型光回路の入出力導波路に設けられたスポットサイズ変換器の拡大図、図１６は、テーパ角と過剰損失の関係を示す図、図１７は、本実施の形態におけるスポットサイズ変換器の適用例を示す図である。なお、前述した実施の形態と同様な部材については、前述した実施の形態の説明で用いた符号と同一の符号を用いることにより、その説明を省略する。
【００９１】
本実施の形態は、図１に示した平面型光回路の構成における入出力導波路に図１５に示す構成のスポットサイズ変換器２１を設けたものである。なお、入力導波路及び出力導波路に設けられるスポットサイズ変換器は同じであるので、以下、特に図中における符号を区別しない。
【００９２】
図１５に示すように、本実施例のスポットサイズ変換器２１は、コア幅微調整部２１とそれに続くコア幅変換部２２とから構成されている。両者の主な違いはそのテーパ角にある。ここでテーパ角とは図２中のθ１もしくはθ２で表される角度の２倍で定義する。コア幅微調整部２１のテーパ角２θ１はコア幅変換部２２のテーパ角２θ２に比べて小さく設定する。また、導波路の切断位置を示すマーカ２３を設けてもよい。マーカの詳細については後述する。
【００９３】
両者の設計パラメータについて以下に説明する。
【００９４】
本発明では、入出力導波路をテーパ形状とし、その端面位置を調整することにより、最適なコア幅を再現性よく実現する。しかし、導波路端面位置は以下に示す理由により±１００μm程度の精度しかないことから、本実施例では、最終的に得られるコア幅の精度を±０．１μmとするために、テーパ角度２θ１を０．０５７°と設定している。
【００９５】
一般的に光導波路と光ファイバは接着剤で接続固定される。この接着剤の屈折率がガラスの屈折率と微妙に異なるため、この接続面において光の反射が生じる。この反射光が光ファイバもしくは光導波路に結合することを防ぐために、両者の端面を５°〜１０°程度の斜めに研磨加工するのが一般的である。この斜め研磨加工により入出力端面を形成している現状では、入出力端面位置を高精度に出すことは困難である。実験的に得られた入出力端面位置精度は±１００μmであった。
【００９６】
このため最適コア幅を微調整するテーパの角度は非常に小さい値であることが望まれる。よって、上述に通り、本実施例では、最終的に得られるコア幅の精度を±０．１μmとするために、テーパ角度２θ１を０．０５７°と設定している。
【００９７】
この場合、単純に単一のテーパでコア幅を５μmから０．８μmまで狭くすると４．２mmのテーパ長が必要となる。本来、ＳＨΔ導波路を採用した目的が平面型光回路の小型化であることから考えると、入出力導波路が４．２mmもの長さになることは好ましくない。
【００９８】
そこで本発明では、スポットサイズ変換器２１を、損失が発生しない範囲でコア幅を急速に低減するコア幅変換部２２と、端面形成位置の誤差を考慮してテーパ角を小さく設定したコア幅微調整部２１とに分けている。
【００９９】
コア幅変換部のテーパ角２θ２は過剰損失が発生しない範囲で大きな値が好ましい。図１６に示すテーパ角と過剰損失の関係より、テーパ角が小さいほど損失が低いことがわかる。本実施例では２θ２を１°と設定し、コア幅変換部におけるコア幅を５μmから１．５μmにまで低減させるようにした。このとき、コア幅変換部の長さは約２００μmとなる。
【０１００】
コア幅微調整部に関しては、前述の通り最適コア幅の形成精度を±０．１μmとするために、テーパ角度２θ１を０．０５７°と設定し、コア幅が１．５μmから０．８μmにまで低減するテーパとした。このときのコア幅微調整部の長さは７００μmである。
【０１０１】
この結果、コア幅微調整部とコア幅変換部の長さの合計は９００μmとなり、単一のテーパで形成する場合の４．２ｍｍに比べて、約１／５の長さとなる。
【０１０２】
なお、コア幅変換部のテーパ角２θ２は０．０８°よりも大きく、１０°以下であると好ましい。なぜなら、テーパ角２θ２が０．０８°以下であるとコア幅変換部の長さが長くなり、小型化の効果が得られない。また、テーパ角２θ２が１０°よりも大きいと過剰損失が大きくなりすぎてしまう。さらにコア幅微調整部のテーパ角度２θ１は０°より大きく０．０８°以下であると好ましい。なぜなら、テーパ角度２θ１が０．０８°よりも大きいとテーパ部の長さが短くなり、研磨の誤差により充分な精度を得られなくなってしまうからである。
【０１０３】
さて、図１５に示したスポットサイズ変換器２０は、図１に示す平面型光回路の他、図１７に示すように、第二の実施の形態で説明したＡＷＧに適用することもできる。
【０１０４】
この場合に、ＡＷＧ７０の入力端に、入力端に近づくほどコア幅が狭くなる本発明のスポットサイズ変換器を備え、ＡＷＧの出力端に、出力端に近づくほどコア幅が狭くなる本発明のスポットサイズ変換器を備える。
【０１０５】
また、第二の実施の形態と同様にして、入力端面、出力端面における各スポットサイズ変換器のテーパ角度θ１を異なるようにするか、もしくは、各スポットサイズ変換器の位置を互いにずらしておき、基板を直線的に切り出すことにより、端面のコア幅がそれぞれのスポットサイズ変換器で異なるようにすることもできる。
【０１０６】
さらに、図１５及び図１７に示すマーカを用いて端面の切断位置を決めることができる。図１７に示すように、スポットサイズ変換器の上側だけにマーカを設けてもよいし、上側と下側に設けてもよい。
【０１０７】
上記の光導波路も、これまでに説明した実施の形態と同様の方法により形成することが可能である。また、これまでの実施の形態と同様に、導波路材料は石英系ガラスに限らず、ポリイミド、シリコン、半導体、ＬｉＮｂＯ３ 等であってもよい。
【０１０８】
また、本実施の形態は、図１３で説明したような入出力ポートに適用することもできる。更に、本実施の形態では、目的とする平面型光回路としてアレイ導波路型回折格子（ＡＷＧ）を取り上げたが、本発明のポイントはスポットサイズ変換器を含む入出力導波路にあるため、平面型光回路の種類には依存しない。よって、平面型光回路としてはＡＷＧに特定されるものではない。
【０１０９】
[第五番目の実施の形態]
本発明第五の実施形態のスポットサイズ変換器７５を図１８に、更に図１８のコア幅微調整部７６の拡大図を図１９、２０に示す。
【０１１０】
本実施形態は、第四の実施の形態とほぼ等しく、唯一の相違点はコア幅微調整部７６にある。図１５に示したように、第四の実施形態ではコア幅微調整部はテーパ角２θ１の単一のテーパ導波路で構成されていた。これに対し、本実施の形態では、例えば図１８に示すように単一のテーパ導波路の代わりにテーパ角度の異なる複数のテーパ導波路を組み合わせて構成する。
【０１１１】
コア幅微調整部は例えば図１９に示すように、テーパ導波路８２と直線導波路８１を交互に接続して構成してもよいし、図２０に示すように、直線導波路を階段状に接続して構成してもよい。導波路端面がテーパ部ではなく直線導波路部となることによって光ファイバとの結合損失が低減する。
【０１１２】
ここでテーパ角２θ１の平均値（平均テーパ角度という）を次式により定義する。ただしファイバと接続する側のコア幅をＷ１、コア幅変換部と接続する側でのコア幅をＷ２、コア幅微調整部の長さをＬとする（図２１）。
【０１１３】
【数１】
【０１１４】
なお、上記の平均テーパ角度の定義は、コア幅変換部についても用いることができる。この場合、上記のＷ１としてＷ２を用い、上記のＷ２としてスポットサイズ変換器外の導波路部分のコア幅を用い、Ｌとしてコア幅変換部の長さを用いる。
【０１１５】
更に、上記の平均テーパ角度の定義は、コア幅変換部のない構成である第一の実施の形態におけるスポットサイズ変換器にも用いることができる。この場合、上記のＷ２としてスポットサイズ変換器外の導波路部分のコア幅を用い、Ｌとしてスポットサイズ変換器の長さを用いる。
【０１１６】
また、本実施の形態においても図１７、図１３に示す構成をとることが可能であり、本実施の形態も第４の実施の形態と同様に種々の光回路に適用できる。
【０１１７】
[第六番目の実施の形態]
次に、第六の実施の形態として、プロセス条件に依存して種々の条件が変化する場合において、最適なコア幅を形成することを可能とする平面型光回路について図２２〜２５を用いて説明する。なお、各図において、前述した実施の形態と同様な部材については、前述した実施の形態の説明で用いた符号と同一の符号を用いることにより、その説明を省略する。
【０１１８】
本実施の形態では、第三の実施の形態と同様に、作製を目的とする平面型光回路とは別に、当該平面型光回路と同一基板内に、本発明のスポットサイズ変換器を有するモニター導波路を配置する。
【０１１９】
図２２にモニター導波路と、図１７に示したようなＡＷＧ９０とを同一基板内に設けた例を示し、図２３にこのモニター導波路の部分を示す。図２３に示すように、本実施の形態では、モニター導波路８７は、コア幅微調整部８８とコア幅変換部８９を有するスポットサイズ変換器の位置を互いに１００μmずつずらして７つ配置している。これらのモニター導波路はその切断位置で一括して切断することにより、端面で各々異なるコア幅を有するモニター導波路となる。各モニター導波路と光ファイバとの結合損失を評価することにより、光ファイバとの結合損失が最も小さくなるコア幅を実験的に求めることが可能となる。図２４に切断後の形状を示す。
【０１２０】
図２２に示す構成では、ＡＷＧの入出力端側に備えられたスポットサイズ変換器が、モニター導波路の切断位置よりも内側にあるので、モニター導波路で最適形状を導出した後に、本回路を再度切断することができる。
【０１２１】
また、本実施の形態においても図１４に示したモニター導波路と同様の構成をとることもできる。図２５に、この場合のモニター導波路を含む部分の拡大図を示す。同図における第１モニター導波路９２における右端は直線であり、第１モニター導波路９２により最適なコア幅を明らかにし、本回路を切断する。また、第２モニター回路９３により、ＡＷＧの結合損失を見積もることができる。同図のように、第２モニター導波路９３は、両端がＡＷＧの入出力端と同一のスポットサイズ変換器、及び両端が直線の導波路の２本で構成することができる。この場合、両者の全体の過剰損失の差が、スポットサイズ変換器の過剰損失低減量となる。
【０１２２】
なお、モニター導波路を有する平面型光回路と、作製しようとしている平面型光回路とを別々に設けてもよい。
【０１２３】
[第七番目の実施の形態]
次に、端面形成位置を示すためのマーカに関する種々の実施形態について説明する。
【０１２４】
前述したように、図２２、図２５等に示したモニター導波路を用いることにより得られたコア幅を、目的とする平面型光回路の入出力導波路で実現するために、平面型光回路の入出力導波路におけるコア幅微調整部に端面形成位置が研磨過程でもわかるように例えば図１５に示したマーカが設けられる。
【０１２５】
例えば、モニター導波路及びマーカを適切に設けておくことにより、モニター導波路の測定で５番目のモニター導波路が最も損失が小さかった場合、５番目のマーカが端面となるように端面加工を行えば、目的とする平面型光回路の損失を最小することができる。
【０１２６】
マーカは種々の形で付することが可能であるが、例えば図２６〜２８に示すようなマーカを付することができる。
【０１２７】
図２６に示すマーカ（第１の例）は、定規のように等間隔に縦線９５を並べてマーカとするものである。図に示すような記号（数字）を付してもよい。切断位置は、定規のメモリを読み取ることにより決定する。
【０１２８】
図２７（ａ）〜（ｃ）に示すマーカ（第２の例）は、スポットサイズ変換器の形状が変化する部分の位置を示すものである。この場合、例えば、所定の２つのマーカの間を切断すれば最適なコア幅を得ることができる。
【０１２９】
図２８（ａ）、（ｂ）に示すマーカ（第３の例）は切断位置を示すものであり、各図上側のマーカ９６の幅を切断幅に等しくし、下側のマーカ９７は切断語の端面位置を示すものである。これにより、切断幅を考慮して切断を行うことが可能となる。
【０１３０】
図２９（ａ）、（ｂ）に示すマーカ（第４の例）は、図２８（ａ）、（ｂ）に示したマーカとほぼ同じであるが、研磨により削られる量を考慮してマーカを配置した点が異なる。
【０１３１】
本発明は、上記の実施例に限定されることなく、特許請求の範囲内で種々変更・応用が可能である。
【０１３２】
例えば、本発明のスポットサイズ変換器におけるテーパ部分の形状として、線形にコア幅が変化する直線形状だけでなく、指数関数あるいは放物線等の曲線形状を用いることができる。例えば、図１５等に示すコア幅変換部におけるテーパの形状を、文献「Soon Ryong Park and Beom-hoan O, “Novel Design Concept of Waveguide Mode Adapter for Low-Loss Mode Conversion”, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.13, NO.7, JULY 2001, pp.675-677」に示すような最適化テーパとすることにより、更に効果的に結合損失を低減させることが可能となる。もちろん、コア幅微調整部にも最適化テーパを使用することができる。
【０１３３】
また、本発明の実施の形態は平面型光回路を例として説明したが、本発明のスポットサイズ変換器は平面型光回路に限定されるものではなく、例えば、多層構造の光回路や導波路が積層された光回路等、任意の光回路に適用することができる。なお、本明細書における“光回路”の用語は、平面型光回路や導波路型光回路に限定されない広い意味での光回路をさしている。
【０１３４】
更に、本発明は光回路と光ファイバとの結合損失を低減することを主な目的としているが、半導体レーザ等の導波路型光回路より構成される光デバイスを、光ファイバや平面型光回路に結合する場合にも、最適なコア幅を用いることにより結合損失を低減できる。また、異なる光回路同士を互いに接続する際にも本発明を適用することが可能である。
【０１３５】
【発明の効果】
本発明の光回路によれば、小型化を図りながらもＳＨΔ導波路の結合損失を抑制することができる。また、基板の切断時に生じる切断誤差を解消することができ、さらに、製造誤差を生じた場合にも、最適なコア幅に製造できたポートを選択して使用することにより、低結合損失を常に実現することができる。このため、多くの光回路、特に、低損失で高集積な光回路を光通信システムに効率よく適用することができるので、需要の伸びる大容量光通信システムを構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による平面型光回路の第一番目の実施の形態の第一例の概略構成図である。
【図２】図１の平面型光回路の入力導波路および出力導波路のコアの抽出拡大図である。
【図３】図１の平面型光回路の入力導波路および出力導波路の作製手順の説明図である。
【図４】基板端面におけるコア幅と結合損失の関係を計算で求めた結果である。
【図５】切り出し誤差の説明図である。
【図６】本発明による平面型光回路の第一番目の実施の形態の第二例の入力導波路および出力導波路のコアの抽出拡大図である。
【図７】本発明による平面型光回路の第一番目の実施の形態の第三例の入力導波路および出力導波路のコアの抽出拡大図である。
【図８】本発明による平面型光回路の第一番目の実施の形態の第四例の入力導波路および出力導波路の入出力端側周辺の抽出拡大図である。
【図９】本発明による平面型光回路の第二番目の実施の形態の第一例の概略構成図である。
【図１０】図９の平面型光回路の入力導波路および出力導波路のコアの抽出拡大図である。
【図１１】図１０のコアの製作方法の説明図である。
【図１２】図１０のコアの他の製作方法の説明図である。
【図１３】本発明による平面型光回路の第二番目の実施の形態の第二例の概略構成図である。
【図１４】本発明による平面型光回路の第三番目の実施の形態の概略構成図である。
【図１５】本発明による第四番目の実施の形態の平面型光回路の入出力導波路に設けられたスポットサイズ変換器の拡大図である。
【図１６】テーパ角２θと過剰損失の関係を計算で求めた結果である。
【図１７】第四番目の実施の形態におけるスポットサイズ変換器の適用例を示す図である。
【図１８】本発明による第五番目の実施の形態の平面型光回路の入出力導波路に設けられたスポットサイズ変換器の拡大図である。
【図１９】 第五番目の実施の形態におけるコア幅微調整部の例を示す図である。
【図２０】第五番目の実施の形態におけるコア幅微調整部の例を示す図である。
【図２１】平均テーパ角度の定義を説明するための図である。
【図２２】 本発明における第六番目の実施の形態における平面型光回路の概略構成図である。
【図２３】第六番目の実施の形態におけるモニター導波路の構成図である。
【図２４】第六番目の実施の形態におけるモニター導波路の切断後の形状を示す図である。
【図２５】第六番目の実施の形態におけるモニター導波路の他の例を示す図である。
【図２６】本発明の平面型光回路におけるマーカの第１の例を示す図である。
【図２７】本発明の平面型光回路におけるマーカの第２の例を示す図である。
【図２８】本発明の平面型光回路におけるマーカの第３の例を示す図である。
【図２９】本発明の平面型光回路におけるマーカの第４の例を示す図である。
【図３０】従来の平面型光回路の一例の概略構成図である。
【図３１】従来の平面型光回路の入力導波路と光ファイバとの接続状態の説明図である。
【図３２】従来技術におけるスポットサイズ変換器の例を示す図である。
【符号の説明】
１０ 平面型光回路
１１ 基板
１２ 入力導波路
１２ａ，２２ａ，３２ａ，４２ａ コア
１２ａａ，２２ａａ，４２ａａ テーパ部
３２ａａ 段部
４２ａｂ ストレート部
１３ スラブ導波路
１４ アレイ導波路
１５ 1/2波長板
１６ スラブ導波路
１７ 出力導波路
１７ａ，２７ａ，３７ａ，４７ａ コア
１７ａａ，２７ａａ，４７ａａ テーパ部
３７ａａ 段部
４７ａｂ ストレート部
５０，６０，７０，９０ アレイ導波路格子型光波長分波回路（ＡＷＧ）
６８ 第一モニター導波路
６８ａ 入力端
６８ｂ 出力端
６９ 第二モニター導波路
６９ａ 入力端
６９ｂ 出力端
Ｌa1，Ｌa2，Ｌb1，Ｌb2，２３，７８， マーカ
２０，７５ スポットサイズ変換器
２１，７６，８０，８５，８８ コア幅微調整部
２２，７７，８９ コア幅変換部
８７ モニター導波路
８１，８６ 直線部
８２ テーパ部
９２ 第１モニター導波路
９３ 第２モニター導波路
Claims (1)
- 基板と、屈折率の高いコアを屈折率の低いクラッドに埋め込んだ石英系ガラス製の導波路と、該導波路の一部として基板端面近傍に配置されたスポットサイズ変換器とから構成される光回路において、
該スポットサイズ変換器は、そのコア幅が基板端面において最小となるように形成され、基板端面側のコア幅微調整部とそれに続くコア幅変換部とを有し、
前記コア幅微調整部の基板端面におけるコアの幅をＷ１、前記コア幅微調整部が前記コア幅変換部と接続する側でのコアの幅をＷ２、前記コア幅微調整部の長手方向の長さをＬとして、当該コア幅微調整部の平均テーパ角度θ１をθ１＝ｔａｎ−１（（Ｗ２−Ｗ１）・（２Ｌ）−１）と定義し、更に、前記スポットサイズ変換器外の導波路部分のコア幅をＷ３、前記コア幅変換部の長手方向の長さをＭとして、当該コア幅変換部の平均テーパ角度θ２をθ２＝ｔａｎ−１（（Ｗ３−Ｗ２）・（２Ｍ）−１）と定義した場合において、
前記コア幅微調整部の平均テーパ角度θ１が、０°よりも大きく該コア幅変換部の平均テーパ角度θ２よりも小さく、
端面位置の形成誤差をΔｘとした場合に、Δａ＝Δｘ・ｔａｎθ１の値がコア幅形成誤差の許容値より小さくなるように平均テーパ角度θ１が０．０２８５°以下に設定されており、
前記コア幅微調整部が、複数のテーパ部と複数のコア幅一定の直線部とを交互に組み合わせて構成されており、該直線部の長さが２００μｍ以上であることを特徴とする光回路。
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