JP4549949B2

JP4549949B2 - 光学素子

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Publication number: JP4549949B2
Application number: JP2005234661A
Authority: JP
Inventors: こずえ富山; 憲介小川
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2005-08-12
Filing date: 2005-08-12
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2025-08-12
Also published as: JP2007047694A

Description

本発明は、光ファイバーや光素子等の光学部材における光伝送路に関する。

近年、光通信においてコンテンツの伝送量の増加にともなう情報処理速度の上昇は、光情報処理技術の高速化の必要性を一層高めており、これにともない、高速に応答する光素子が必要とされている。

ところで、光素子中の光導波路が複数の横モードを持つ場合、モードごとの伝搬速度の違いによって、光導波路中を進行する光パルスの時間幅が広がってしまう。これにより、前後の光パルスが時間軸上で重なってしまい、クロストークを生じてしまう。

従って、高速光通信で使用される光素子は、横モードが１つのみの単一モード光導波路を備えるように構成される。

ところで、このような単一モード光伝送路のモードフィールドは、概して非常に小さく、例えば、発明者らが出願した特願２００４−３１５１６７号（公開前の特許出願である）記載の波長分散補正素子の場合、光伝送路の断面積は０．５μｍ×１．０μｍ程度である。一方、単一モード光ファイバーにおいてコアの断面積は、６４μｍ^２（＝４．５×４．５×π）程度である。

つまり、単一モード光伝送路のモードフィールドは、光ファイバーのコアの断面積に対して、およそ１２８分の１の大きさである。このため、光ファイバーと単一モード光伝送路とを、ただ単に結合させた場合、光エネルギーは、結合部分において大きく損失される。したがって、光ファイバーと単一モード光導波路との光結合の効率を上げることは、光通信における消費電力の低減という点で重要な課題となっている。

このような問題に対し、例えば特許文献１には、先端部分が逆テーパー形状になったＳｉＮから成る高屈折率光伝送部と、当該高屈折率光伝送部を取り囲むＳｉＯＮから成る矩形形状の低屈折率光伝送部と、を有する光伝送部を取り囲む矩形形状のクラッド部を備えるカップリング部によって、光ファイバーからの光を有効に取り込む光伝送路に関する技術が開示されている。

このような構造によって、光ファイバー等から取り込んだ光を、伝播方向に沿って、光ファイバー内の大きなモードフィールドから、高い屈折率をもつＳｉＮ導波路内の小さなモードフィールドヘと変換することができる。
国際公開２００４／０３８４５９号パンフレット

ところで、高速光通信においては、上述した如く、光パルスの時間波形の拡がりを避けるため、単一モード光導波路が用いられるのであるが、このとき光ファイバーから単一モード光導波路へ効率よく光エネルギーを伝搬させるために、単一モード光導波路内で基本モードのみが存在するモード変換となるように、単一モード光導波路への入出力を設計することが重要となる。

しかし、上述した特許文献１に開示されている光伝送路では、単一モード光導波路内で基本モードにできるだけ多くの光エネルギーを伝搬させることができず、光ファイバからの光を取り入れる際（或いは光ファイバへ光を出力させる際）に、接続損失が大きい。

そこで、本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、低損失かつ高効率な光伝送路及び当該光伝送路を用いた光学素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１及び請求項２に記載の発明は、第１の特徴として、第１の光伝送媒体と、当該第１の光伝送媒体より低い屈折率を有する材料から成ると共に、当該第１の光伝送媒体の周囲に配された第２の光伝送媒体と、により構成された光を導くための光伝送部と、入射される光に対して所定の分散特性を有する波長分散変動を付与するフォトニック結晶層とを有する光学素子において、当該光学素子は、前記第１の光伝送媒体の一部が前記フォトニック結晶層上に部分的に積層された単一モード導波路部と、当該単一モード導波路部に対するカップリング部とを備え、前記カップリング部においては、前記光伝送部の前記第２の光伝送媒体が前記第１の光伝送媒体に対して水平２方向及び垂直２方向に突出し、前記第２の光伝送媒体の垂直２方向に突出する部分が、それぞれ所定の幅を有して光の閉じ込め部を形成し、さらに前記カップリング部においては、前記第１の光伝送媒体は、前記光伝送部における光の進行方向に対して垂直な面の断面積が、当該光の進行方向に連続的に増大又は減少するよう形成される第１の導波部を有することを特徴とする。

これによれば、第２の光伝送媒体によって、第１の光伝送媒体に対して垂直方向だけでなく、水平方向の光の拡散（損失）をも共に防いで、第１の光伝送媒体を軸とする光の閉じ込めを実現することができるので、簡単且つコンパクトな構造で、ガウシャンプロファイルと近似するほどに理想的なモードプロファイルを有する光を検出でき、低損失かつ高効率な光伝送路としてのカップリング部を提供することができる。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、第２の特徴として、前記カップリング部において、前記第１の伝送媒体は、前記第１の導波部と前記フォトニック結晶層上に積層された部分との間に存在して、前記第１の導波部の前記断面積が増大した側で前記第１の導波部と連続する第２の導波部を有し、当該第２の導波部は、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が一定となるよう形成されることを特徴とする。

これによれば、光の集束を第２の導波部にて安定的に集束させ、より効率よく光を伝播することができる。

上記課題を解決するため、請求項２に記載の発明は、第２の特徴として、前記カップリング部において、前記第１の伝送媒体は、前記第１の導波部と前記フォトニック結晶層上に積層された部分との間に存在して、前記第１の導波部の前記断面積が増大した側で前記第１の導波部と連続する第３の導波部を有し、前記第１の導波部が、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に増大するよう形成されている場合には、前記第３の導波部は、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に減少するよう形成され、前記第１の導波部が、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に減少するよう形成されている場合には、前記第３の導波部は、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に増大するよう形成されることを特徴とする。

これによれば、有効屈折率の変化を少なくして、より一層低損失かつ高効率に導波することができる。

上記課題を解決するため、請求項１及び請求項２に記載の発明は、第３の特徴として、前記第１の光伝送媒体の第２又は第３の導波部が、前記第１の光伝送媒体より高い屈折率を有する材料から成る第４の導波部上に積層して形成され、前記第１の導波部が、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に増大するよう形成されている場合には、前記第４の導波部は、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に増大するよう形成され、前記第１の導波部が、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に減少するよう形成されている場合には、前記第４の導波部は、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に減少するよう形成されることを特徴とする。

これによれば、有効屈折率の変化を緩やかにして、より効率よく光を光学素子内に取り入れ、或いは、光学素子外へ出射させることができる。

上記課題を解決するため、請求項１及び請求項２に記載の発明は、第４の特徴として、光学素子が、入射される光に対して所定の分散特性を有する波長分散変動を付与するフォトニック結晶層を有し、前記第１の光伝送媒体の一部が、前記フォトニック結晶層上に部分的に積層された単一モード導波路部を備え、かつ、前記フォトニック結晶層は、屈折率の異なる第１の物質及び第２の物質とからなり、前記第１の物質が所定のサイズと所定の配置間隔で前記第２の物質中において面状に配して形成され、かつ、前記第４の導波部は、前記第２の物質にて成形され、前記フォトニック結晶層から前記カップリング部に突出して形成されることを特徴とする。

これによれば、有効屈折率の変化を少なくして、より一層低損失かつ高効率にフォトニック結晶層に光を取り入れ、あるいはフォトニック結晶層から光を取り出すことができる。

上記課題を解決するため、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の光学素子において、前記第４の導波部は、前記第１の物質が所定のサイズと所定の配置間隔で前記第２の物質中において面状に配して形成されることを特徴とする。

上記課題を解決するため、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光学素子において、前記フォトニック結晶層と前記第４の導波部との境界面において、当該フォトニック結晶層の前記第１の物質と、前記第２の物質とが交互に配置され、かつ、前記第１の物質は、前記第１の光伝送媒体より低い屈折率を有する材料から成ることを特徴とする。

これによれば、フォトニック結晶層に入射しようとする光が、当該フォトニック結晶層の端面で反射することを防いで、より一層低損失かつ高効率にフォトニック結晶層に光を取り入れることができる。

上記課題を解決するため、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光学素子において、前記第２の光伝送媒体より低い屈折率を有する材料から成る第１のクラッド部及び第２のクラッド部を有し、前記第２の光伝送媒体の一方の前記光の閉じ込め部は、前記第１のクラッド部上に積層され、前記フォトニック結晶層は、前記第２のクラッド部上に積層され、前記第１のクラッド部及び前記第２のクラッド部は、基板上に積層されて形成されることを特徴とする。

これによれば、本発明の光学素子を基板上に積層して形成することができる。

上記課題を解決するため、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の光学素子において、前記第４の導波部は前記第２のクラッド部上に積層され、前記第４の導波部が、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に増大するよう形成されている場合には、前記第２のクラッド部の前記第４の導波部が積層された一部、及び当該第４の導波路を積層する前記第２のクラッド部が積層された前記基板の一部は、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に増大するよう形成され、前記第４の導波部が、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に減少するよう形成されている場合には、前記第２のクラッド部の前記第４の導波部が積層された一部、及び当該第４の導波路を積層する前記第２のクラッド部が積層された前記基板の一部は、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に減少するよう形成されることを特徴とする。

本発明によれば、低屈折率光伝送部によって、高屈折率光伝送部に対して垂直方向だけでなく、水平方向の光の拡散（損失）をも共に防いで、高屈折率光伝送部を軸とする光の閉じ込めを実現することができるので、簡単且つコンパクトな構造で低損失かつ高効率な光伝送路を提供することができる。

以下、本願の最良の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、フォトニック結晶層等からなる光学素子に対して本願の光伝送路及び当該光伝送路を有する光学素子を適用した場合の実施形態である。

＜１．光学素子の構成及び機能＞
本実施形態にかかる光学素子の構成及び機能を説明する。

図１は、本実施形態にかかる光学素子の説明図であって、同図は光ファイバーから内部に備えた単一モード導波路部に光を入力させる際の入力インターフェースとして光伝送路を有するものである。

図１に示すように、本実施形態における光学素子１は、単一モード導波路部及び光伝送路としてのビーム集束部Ａ及びビーム集束部Ｂから成るカップリング部を有して構成される。そして、光ファイバーから出力された光パルスは、先ずカップリング部に入力されてビーム集束部Ａからビーム集束部Ｂへと伝播し、光の損失を抑えつつ光が収束されて光学素子の機能を有する単一モード導波路部へと伝播（入力）されることとなる。なお、光学素子の出力側、例えば、光学素子から光ファイバへ光を出力させる際の出力インターフェースとして光伝送路を構成する場合には、上記と逆の順序で伝播する。つまり、光を単一モード導波路部から、ビーム集束部Ｂを介してビーム集束部Ａへと伝播させ、光ファイバーに入力されることとなる。

図２は、図１におけるｘｚ面であって、光学素子１の光ファイバーと接続される入力側における断面図、図３は、図１におけるｘｚ面であって、光学素子１のビーム集束部Ａとビーム集束部Ｂの境界面における断面図、そして、図４は、図１におけるｘｚ面であって、光学素子１の単一モード導波路部における断面図である。

光学素子１は、基板２と、当該基板上に配されたクラッド部３と、後述するフォトニック結晶層の母材であるＳＯＩ（Silicon On Insulator）から成るシリコン層４と、リッジ部５ａ、スラブ部５ｂ及びトレンチ部５ｃから成る低屈折率光伝送部（第２の光伝送媒体）５と、当該低屈折率光伝送部５と共に本発明における光伝送部として機能する高屈折率光伝送部（第１の光伝送媒体）６と及びフォトニック結晶層７を構成部材として有して構成される。

以下、光学素子１のカップリング部と単一モード導波路部における各構成部材の具体的な構成と機能について、詳細に説明する。

基板２は、例えば、屈折率が約３．４のシリコン等によって形成される。

クラッド部３は、本発明における第１のクラッド部と第２のクラッド部として機能し、上記低屈折率光伝送部５より低い屈折率を有する材料、例えば、酸化シリコン（屈折率が約１．４５）によって、基板２上に積層されて形成される。

シリコン層４は、シリコン層４ａ及び４ｂとから成り、上記フォトニック結晶層７の母材であり、上記高屈折率光伝送部６より高い屈折率を有する材料、例えば、屈折率が約３．４のシリコン等によって形成される薄膜である。

図５を用いてフォトニック結晶層７についてより具体的に説明する。図５（Ａ）は図１における光学素子１のｘｙ面の断面図であって、後述する低屈折率光伝送部５のリッジ部５ａ及びスラブ部５ｂを省略して図示するものである。また、図５（Ｂ）は、図１における光学素子１の高屈折率光伝送部６の中央部におけるｚｙ面の断面図であり、図５（Ａ）を用いて説明すると一点鎖線で図示するＤ―Ｄ部における断面図ある。なお、図５（Ｂ）において、上記クラッド部３のうち、本発明における第１のクラッド部として機能するクラッド部をクラッド部３Ｂとして図示し、本発明における第２のクラッド部として機能するクラッド部をクラッド部３Ａとして図示することとする。

同図に示す如く、フォトニック結晶層７は、本発明における第２のクラッド部としてのクラッド部３Ａ上に積層される。フォトニック結晶層７は、第２の物質としてのシリコンによって形成された母材に面状に複数の孔を形成し、当該孔に母材の屈折率（誘電率）と異なる屈折率（誘電率）を有する第１の物質としてのシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）等を充填することによって、シリコン酸化膜が所定のサイズと所定の配置間隔でシリコン中において面状に配して形成される。そして、当該シリコンによる母材が、上記シリコン層４ａ及び４ｂと連続して形成されている。なお、上記面状とは、フォトニック結晶層７内に二次元方向に配列されている平面状等の形状を意味し、光パルスに対して波長分散変動を付与するフォトニック結晶としての効果を発揮させる場合には、フォトニック結晶層７が製造工程において曲面や平面と曲面とが組み合わされた形状となった場合に当該形状に沿った配列も含むものとする。なお、本出願人はシリコンを母材とするフォトニック結晶層にかかる分散補償素子に関して特許出願（特願２００４‐３１５１６７号）をしていることを付記しておく。

このようなフォトニック結晶層７の母材であるシリコンによって成形されたシリコン層４ｂが、本発明における第４の導波部の一例として機能し、光を単一モード導波路内に確実に導くべく、光の進行方向に対して垂直な面の断面積（図１におけるｘｚ平面）が、光の進行方向（図１におけるｙ方向）に連続的に緩やかに増大していく逆テーパー形状に（換言すれば、カップリング部のビーム集束部Ｂに突出して）形成され、本発明における第４の導波部の一例として機能する。

図を用いて具体的に説明すると、シリコン層４ｂは、図３のビーム集束部Ａとビーム集束部Ｂの境界面における断面図に記載の如く、当該境界面ではシリコン層４ｂの断面積が小さいが、図１及び図５（Ａ）に記載の如く徐々にその断面積が広くなり、最終的には、図５のカップリング部のビーム集束部Ｂと単一モード導波路部の境界面における断面図に記載の如く、単一モード導波路部のフォトニック結晶層７に一体化することがわかる。

なお、出力側では、上記断面積が、光の進行方向に連続的に緩やかに減少していく順テーパー形状になるように上記単一モード導波路の母材であるシリコン層４ｂを形成すればよい。

低屈折率光伝送部５は、高屈折率光伝送部６と共に本発明における光伝送部として機能し、上記高屈折率光伝送部６より低い屈折率を有する材料、例えば屈折率が約１．４６に調整された窒酸化シリコンによって形成され、カップリング部のビーム集束部Ａにおいて高屈折率光伝送部６の周囲に配され、且つ当該高屈折率光伝送部６に対して図２に示す如く水平方向（図１におけるｘ方向）及び垂直方向（図１におけるｚ方向）に突出するリッジ部５ａ、スラブ部５ｂ及びトレンチ部５ｃを有するよう形成される。そして、当該トレンチ部５ｃは、本発明における第１のクラッド部としてのクラッド部３（図５（Ｂ）においてクラッド部３Ｂとして図示する。）上に積層される。

また、高屈折率光伝送部６に対して垂直２方向（図１におけるｚ方向）に突出する部分であるリッジ部５ａ及びトレンチ部５ｃが、それぞれ所定の幅を有して光の閉じ込めを行なうための光の閉じ込め部として機能するよう構成される。

すなわち、例えば、光学素子１に入力される光が、コア径８μｍ（マイクロメートル）、クラッド径１２５μｍ、比屈折率差０．３４%のシングルモードファイバーから出力された光パルスである場合には、図２に示す如く上記リッジ部５ａの幅が約６．５μｍ、トレンチ部５ｃの幅が約１２．５μｍ程度であることが好ましい。これにより、図１におけるｘ方向及びｚ方向に光を同時に閉じ込めることを可能にする。

なお、図２中に上記シングルモードファイバーから出力された光パルスを、低損失かつ高効率で単一モード導波路内に導く際における各構成部材の設計例を示したが、本発明における各構成部材のサイズ及び各構成部材間のサイズ比等は当該設計例に限られるものではなく、光パルスの入射ビーム径や、各構成部材に用いる材料が有する屈折率（より具体的には、各構成部材に用いる材料が有する屈折率の比）に応じて最適な大きさに設定することができる。

高屈折率光伝送部６は、上記低屈折率光伝送部５と共に本発明における光伝送部として機能し、例えば、屈折率が約２．０に調整された窒化シリコンからなり、カップリング部のビーム集束部Ａにおいて、光の進行方向に対して垂直な面の断面積（図１におけるｘｚ平面）が、光の進行方向（図１におけるｙ方向）に連続的に緩やかに増大していく逆テーパー形状に形成（エッチング）され、本発明における第１の導波部の一例として機能する。なお、光学素子の出力側に本発明の光伝送路を適用する場合には、上記断面積が、光の進行方向に連続的に緩やかに減少していく順テーパー形状に形成（エッチング）する。

また、高屈折率光伝送部６は、上記ビーム集束部Ａと連続するビーム集束部Ｂにおいて、光の進行方向に対して垂直な面の断面積が、光の進行方向に一定となるよう形成され、本発明における第２の導波部の一例として機能する。さらに、高屈折率光伝送部６の一部がフォトニック結晶層７上に部分的に積層される。より具体的には、図５（Ａ）に例示するように、高屈折率光伝送部６は、単一モード導波路部においてフォトニック結晶層７の中央部分に積層される。

このような構成により、光が伝播（進行）するに従って、高屈折率光伝送部６の上記断面積が大きくなり、当該高屈折率光伝送部６内に光が閉じ込められていくとともに、より屈折率の高いフォトニック結晶層７の逆テーパー形状に形成（エッチング）したシリコン層４ｂに引き寄せられる如くモードフィールドが広がる。

そして、フォトニック結晶層７の逆テーパー形状に形成したシリコン層４ｂの断面積が大きくなると共に、光ビームの中心が当該フォトニック結晶層７の逆テーパー形状に形成したシリコン層４ｂへと移っていく。つまり、低屈折率光伝送部５と、高屈折率光伝送部６と、フォトニック結晶層７のシリコン層４ｂの、各構成部材を形成する各材料の屈折率差によって、光を自在に誘導することが可能になる。

従って、高屈折率光伝送部６の逆テーパー形状に形成した部分と、フォトニック結晶層７の逆テーパー形状に形成したシリコン層４ｂとによって、当該光学素子１に入力する前、すなわち光ファイバー内においてガウシアン形状であった光ビームを、単一モード導波路部７内のモード形状へと徐々に導いていくよう構成することができる。

以上説明したように、光伝送路としてのカップリング部のビーム集束部Ａを、高屈折率光伝送部６と、当該高屈折率光伝送部６よりも低い屈折率を有する低屈折率光伝送部５によって形成し、かつ、当該高屈折率光伝送部６の周囲に低屈折率光伝送部５を配し、さらに高屈折率光伝送部６に対して垂直２方向（図１におけるｚ方向）に突出するリッジ部５ａとトレンチ部５ｃを低屈折率光伝送部５に設けたので、高屈折率光伝送部６に対して垂直方向の光の閉じ込めを行なうことができる。また、これらリッジ部５ａとトレンチ部５ｃを所定の幅で形成したので、高屈折率光伝送部６に対して水平方向（図１におけるｘ方向）の光の拡散（損失）をも共に防いで、高屈折率光伝送部６を軸とする光の閉じ込めを実現することができる。さらに、高屈折率光伝送部６を逆テーパー形状に形成したので、光を光学素子内に徐々に導くことができる。

さらに、光伝送路としてのカップリング部のビーム集束部Ａと連続するビーム集束部Ｂにおいて、高屈折率光伝送部６を、光の進行方向に対して垂直な面の断面積が一定となるよう形成したので、光を安定的に集束させ安定性高く光を伝播することができる。

なお、図６は、高屈折率光伝送部６の中央部における図１におけるｚｙ面の断面図の他の例である。このように、低屈折率光伝送部５のリッジ部５ａは、単一モード導波路部では設けなくても良い。

＜２．プロファイルの比較＞
図７に、従来技術による光学素子と本実施形態による光学素子から出力された光のモードプロファイルの比較実験例を示す。

この実験は、コア径９μｍ、クラッド径１２５μｍ、比屈折率差０．３４%のシングルモードファイバーから出力された光パルスを従来技術による光学素子と本実施形態による光学素子に夫々入出力させて検出した光のモードプロファイルであって、図１におけるｘ軸方向のモードプロファイルである。

図７中実線が本実施形態における光学素子を伝播させた光のモードプロファイルであり、破線が従来技術による矩形形状の光伝送路を用いた光学素子を伝播させた光のモードプロファイルであり、点線が上記シングルモードファイバーから出力された光のモードプロファイルである。

同図に示す如く、本実施形態の光学素子を用いれば、光強度分布の理想的なプロファイルであるガウシャンプロファイルと近似するほどに理想的なモードプロファイルを有する光を検出することができる。

以上説明したように、本実施形態による光学素子に用いた光伝送路は、高屈折率光伝送部６と、当該高屈折率光伝送部６よりも低い屈折率を有する低屈折率光伝送部５によって形成し、かつ、高屈折率光伝送部６に対して垂直方向に突出するリッジ部５ａとトレンチ部５ｃを低屈折率光伝送部５に設け、さらに当該リッジ部５ａとトレンチ部５ｃを所定の幅で形成したので、これら光伝送部を囲むためのクラッド部を光伝送路中に配することなく、光の伝播方向に沿って徐々に有効屈折率を変化させることにより、光の閉じ込めを行なうことができる。

また、高屈折率光伝送部６は、上記ビーム集束部Ａと連続するビーム集束部Ｂにおいて、光の進行方向に対して垂直な面の断面積が、光の進行方向に一定となるよう形成したので、光を安定的に集束させ安定性高く光を伝播することができる。

そして、このような光伝送路を光学素子１等の光学素子に用いた場合に、ビーム集束部Ｂにおいて、当該光学素子が有する高屈折率光伝送部６より高い屈折率を有するシリコン層４ｂ上に、当該高屈折率光伝送部６を積層して構成したので、カップリング部からの光を、低損失かつ高効率に単一モード導波路部のフォトニック結晶層７へ導波することができるので、より効率よく光を光学素子内に取り入れることができる。

また、この際シリコン層４ｂを逆テーパー形状（出力端は順テーパー形状）としたので、有効屈折率の変化を緩やかにして、カップリング部からの光をより一層低損失かつ高効率に単一モード導波路部のフォトニック結晶層７へと取り入れることができる。

そして、上述した光学素子は、高屈折率光伝送部６やシリコン層４ｂ単にテーパー形状を順／逆に形状変更するだけで、出力側の光学素子としても適用することができる。

従って、本実施形態によれば、光をその入力端及び出力端で低損失かつ高効率に素子中に入出力することができるので、簡単な構造で、困難なアライメントも必要とせずに、光ファイバ等と接続することができる最良な光学素子を提供することができる。

＜３．その他の変形形態＞
３−１．カップリング部の他の変形形態
続いて、カップリング部における高屈折率光伝送部６、シリコン層４ｂに係る他の変形形態について説明する。

変形形態１
上述した実施形態では、高屈折率光伝送部６を、ビーム集束部Ａにおいて逆テーパー形状に形成し、ビーム集束部Ｂにおいて光の進行方向に対して垂直な面の断面積が光の進行方向に一定となるよう形成したが、これに限らず、ビーム集束部Ｂにおいて高屈折率光伝送部６を順テーパー形状に形成して、本発明における第３の導波部として機能させることも可能である。

より具体的には、図８に示す如く、ビーム集束部Ｂにおいて高屈折率光伝送部６を前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に減少するよう形成する。

これによれば、ビーム集束部Ａとビーム集束部Ｂとの境界においてモードプロファイルの変化、すなわち有効屈折率の変化を小さくすることができ、カップリング部からの光を、より一層低損失かつ高効率に単一モード導波路部のフォトニック結晶層７へ導波することができるので、より効率よく光を光学素子内に取り入れることができる。また、上記構成を光学素子の出力端に用いれば、より効率よく光を光学素子外へ出射させることができる。

変形形態２
また、上述した実施形態では、フォトニック結晶層７の逆テーパー形状に形成したシリコン層４ｂは、フォトニック結晶層７の母材であるシリコンのみによって成形したが、これに限らず、シリコンにて成形した当該シリコン層４ｂに、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）等を充填した孔を所定のサイズと所定の配置間隔で面状に配して形成することも可能である。

より具体的には、図９に示す如く、シリコン層４ｂにおいても、フォトニック結晶層７のシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）等を充填した孔を形成する。

これによれば、ビーム集束部Ｂと単一モード導波路部との境界において有効屈折率の変化を小さくすることができ、カップリング部からの光を、より一層低損失かつ高効率に単一モード導波路部のフォトニック結晶層７へ導波（伝播）することができるので、より効率よく光を光学素子内に取り入れることができる。また、上記構成を出力端に用いれば、より効率よく光を光学素子外へ出射させることができる。

３−２．単一モード導波路部の他の変形形態
続いて、単一モード導波路部における他の変形形態について説明する。

変形形態３
上述した実施形態では、単一モード導波路部に単にフォトニック結晶層７をカップリング部のビーム集束部Ｂと連続するよう配す構成としたが、この際に、変形形態としてフォトニック結晶層７のカップリング部のビーム集束部Ｂとの境界面において、当該フォトニック結晶層７の母材であるシリコンと、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）とが交互に配置されるよう構成してもよい。

より具体的には、図１０に示す如く、フォトニック結晶層７に形成された孔の中心を結ぶ線上を、フォトニック結晶層７のカップリング部のビーム集束部Ｂとの境界面とすることがより好ましい。

フォトニック結晶層７に形成された孔には、高屈折率光伝送部６より低い屈折率を有するシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）が充填されているので、フォトニック結晶層７の端面で光の位相をλ／４シフトさせることができる。

これによりカップリング部のビーム集束部Ｂからフォトニック結晶層７に入射しようとする光が、当該フォトニック結晶層７の端面で反射することを防いで、より一層低損失かつ高効率に単一モード導波路部のフォトニック結晶層７へ導波（伝播）することができるので、より効率よく光を光学素子内に取り入れることができる。

変形形態４
上述した実施形態では、ビーム集束部Ｂにおいてフォトニック結晶層７のシリコン層４ｂのみを逆テーパー形状に形成したが、シリコン層４ｂが積層された第２のクラッド部としてのクラッド部３（図５（Ｂ）においてクラッド部３Ａとして図示する。）の一部、及び基板２の一部であって、このシリコン層４ｂが積層されたクラッド部３の一部が積層された基板２も、光の進行方向に対して垂直な面の断面積が、光の進行方向に連続的に増大するように、換言すれば逆テーパー形状に形成してもよい。

図１１を用いてより具体的に説明する。図１１（Ａ）は変形形態４の光学素子１の光ファイバーと接続される入力側における断面図、図１１（Ｂ）は、光学素子１のビーム集束部Ａとビーム集束部Ｂの境界面における断面図、図１１（Ｃ）は、光学素子１のビーム集束部Ｂ内における断面図、そして図１１（Ｄ）は、光学素子１の単一モード導波路部における断面図である。

上記図１１（Ａ）乃至（Ｄ）に示す如く、ビーム集束部Ｂにおいて、クラッド部３及び基板２についても、フォトニック結晶層７のシリコン層４ｂを積層する箇所は、シリコン層４ｂと同様に逆テーパー形状となるよう形成（エッチング）する。

これによれば、ビーム集束部Ａとビーム集束部Ｂとの境界においてモードプロファイルの変化、すなわち有効屈折率の変化を小さくすることができ、カップリング部からの光を、より一層低損失かつ高効率に単一モード導波路部のフォトニック結晶層７へ導波（伝播）することができるので、より効率よく光を光学素子内に取り入れることができる。また、上記構成を光学素子の出力端に用いれば、より効率よく光を光学素子外へ出射させることができる。

本実施形態にかかる光学素子の説明図である。光学素子１の光ファイバーと接続される入力側における断面図である。光学素子１のビーム集束部Ａとビーム集束部Ｂの境界面における断面図である。光学素子１の単一モード導波路部における断面図である。（Ａ）図１における光学素子１のｘｙ面の断面図である。（Ｂ）は、図１における光学素子１のｚｙ面の断面図である。他の例における図１における光学素子１のｚｙ面の断面図である。従来技術による光学素子と本実施形態による光学素子から出力された光のモードプロファイルである。変形形態１の説明図である。変形形態２の説明図である。変形形態３の説明図である。変形形態４の説明図である。（Ａ）変形形態４における光学素子１の光ファイバーと接続される入力端面における断面図である。（Ｂ）変形形態４における光学素子１のビーム集束部Ａとビーム集束部Ｂの境界面における断面図である。（Ｃ）変形形態４における光学素子１のビーム集束部Ｂ中における断面図である。（Ｄ）変形形態４における単一モード導波路部における断面図である。

符号の説明

１光学素子
２基板
３クラッド部
３Ａ第２のクラッド部
３Ｂ第１のクラッド部
４ａ、４ｂシリコン層
５低屈折率光伝送部
５ａリッジ部
５ｂスラブ部
５ｃトレンチ部
６高屈折率光伝送部
７フォトニック結晶層
Ａ、Ｂビーム集束部

Claims

第１の光伝送媒体と、当該第１の光伝送媒体より低い屈折率を有する材料から成ると共に、当該第１の光伝送媒体の周囲に配された第２の光伝送媒体と、により構成された光を導くための光伝送部と、入射される光に対して所定の分散特性を有する波長分散変動を付与するフォトニック結晶層とを有する光学素子であって、
当該光学素子は、前記第１の光伝送媒体の一部が前記フォトニック結晶層上に部分的に積層された単一モード導波路部と、当該単一モード導波路部に対するカップリング部とを備え、
前記カップリング部においては、前記光伝送部の前記第２の光伝送媒体が前記第１の光伝送媒体に対して水平２方向及び垂直２方向に突出し、前記第２の光伝送媒体の垂直２方向に突出する部分が、それぞれ所定の幅を有して光の閉じ込め部を形成し、
さらに前記カップリング部においては、前記第１の光伝送媒体は、前記光伝送部における光の進行方向に対して垂直な面の断面積が、当該光の進行方向に連続的に増大又は減少するよう形成される第１の導波部と、前記第１の導波部と前記フォトニック結晶層上に積層された部分との間に存在して、前記第１の導波部の前記断面積が増大した側で前記第１の導波部と連続する第２の導波部とを有し、
当該第２の導波部は、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が一定となるよう形成され、
前記第１の光伝送媒体の第２の導波部は、前記第１の光伝送媒体より高い屈折率を有する材料から成る第４の導波部上に積層して形成され、
前記第１の導波部が、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に増大するよう形成されている場合には、前記第４の導波部は、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に増大するよう形成され、
前記第１の導波部が、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に減少するよう形成されている場合には、前記第４の導波部は、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に減少するよう形成され、
かつ、
前記フォトニック結晶層は、屈折率の異なる第１の物質及び第２の物質とからなり、前記第１の物質が所定のサイズと所定の配置間隔で前記第２の物質中において面状に配して形成され、かつ、
前記第４の導波部は、前記第２の物質にて成形され、前記フォトニック結晶層から前記カップリング部に突出して形成されることを特徴とする光学素子。
第１の光伝送媒体と、当該第１の光伝送媒体より低い屈折率を有する材料から成ると共に、当該第１の光伝送媒体の周囲に配された第２の光伝送媒体と、により構成された光を導くための光伝送部と、入射される光に対して所定の分散特性を有する波長分散変動を付与するフォトニック結晶層とを有する光学素子であって、
当該光学素子は、前記第１の光伝送媒体の一部が前記フォトニック結晶層上に部分的に積層された単一モード導波路部と、当該単一モード導波路部に対するカップリング部とを備え、
前記カップリング部においては、前記光伝送部の前記第２の光伝送媒体が前記第１の光伝送媒体に対して水平２方向及び垂直２方向に突出し、前記第２の光伝送媒体の垂直２方向に突出する部分が、それぞれ所定の幅を有して光の閉じ込め部を形成し、
さらに前記カップリング部においては、前記第１の光伝送媒体は、前記光伝送部における光の進行方向に対して垂直な面の断面積が、当該光の進行方向に連続的に増大又は減少するよう形成される第１の導波部と、前記第１の導波部と前記フォトニック結晶層上に積層された部分との間に存在して、前記第１の導波部の前記断面積が増大した側で前記第１の導波部と連続する第３の導波部とを有し、
前記第１の導波部が、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に増大するよう形成されている場合には、前記第３の導波部は、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に減少するよう形成され、
前記第１の導波部が、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に減少するよう形成されている場合には、前記第３の導波部は、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に増大するよう形成され、
前記第１の光伝送媒体の第３の導波部は、前記第１の光伝送媒体より高い屈折率を有する材料から成る第４の導波部上に積層して形成され、
前記第１の導波部が、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に増大するよう形成されている場合には、前記第４の導波部は、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に増大するよう形成され、
前記第１の導波部が、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に減少するよう形成されている場合には、前記第４の導波部は、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に減少するよう形成され、
かつ、
前記フォトニック結晶層は、屈折率の異なる第１の物質及び第２の物質とからなり、前記第１の物質が所定のサイズと所定の配置間隔で前記第２の物質中において面状に配して形成され、かつ、
前記第４の導波部は、前記第２の物質にて成形され、前記フォトニック結晶層から前記カップリング部に突出して形成されることを特徴とする光学素子。
請求項１又は２に記載の光学素子において、
前記第４の導波部は、前記第１の物質が所定のサイズと所定の配置間隔で前記第２の物質中において面状に配して形成されることを特徴とする光学素子。
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光学素子において、
前記フォトニック結晶層と前記第４の導波部との境界面において、当該フォトニック結晶層の前記第１の物質と、前記第２の物質とが交互に配置され、かつ、
前記第１の物質は、前記第１の光伝送媒体より低い屈折率を有する材料から成ることを特徴とする光学素子。
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光学素子において、
前記第２の光伝送媒体より低い屈折率を有する材料から成る第１のクラッド部及び第２のクラッド部を有し、
前記第２の光伝送媒体の一方の前記光の閉じ込め部は、前記第１のクラッド部上に積層され、
前記フォトニック結晶層は、前記第２のクラッド部上に積層され、
前記第１のクラッド部及び前記第２のクラッド部は、基板上に積層されて形成されることを特徴とする光学素子。
請求項５に記載の光学素子において、
前記第４の導波部は前記第２のクラッド部上に積層され、
前記第４の導波部が、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に増大するよう形成されている場合には、前記第２のクラッド部の前記第４の導波部が積層された一部、及び当該第４の導波路を積層する前記第２のクラッド部が積層された前記基板の一部は、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に増大するよう形成され、
前記第４の導波部が、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に減少するよう形成されている場合には、前記第２のクラッド部の前記第４の導波部が積層された一部、及び当該第４の導波路を積層する前記第２のクラッド部が積層された前記基板の一部は、前記光の進行方向に対して垂直な面の断面積が前記光の進行方向に連続的に減少するよう形成されることを特徴とする光学素子。