JPH07168146A

JPH07168146A - スポット変換光導波路

Info

Publication number: JPH07168146A
Application number: JP6863794A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kono; 健治河野; Naoto Yoshimoto; 直人吉本; Masaki Kamitoku; 正樹神徳; Hiroaki Takeuchi; 博昭竹内
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1993-04-07
Filing date: 1994-04-06
Publication date: 1995-07-04

Abstract

(57)【要約】【目的】スポット変換光導波路の単一モード性、製作
性、スポットサイズ変換損などを改善する。【構成】伝搬用光導波路，スポット変換部および拡大
スポット光導波路を具えたスポット変換光導波路であ
る。拡大スポット光導波路を伝搬する導波光の横方向の
閉じ込めを拡大スポット光導波路のリッジにより行い、
かつこのリッジ部以外において拡大スポット導波路のコ
ア上にクラッドが存在せず、さらに拡大スポット導波路
のコアを薄くすることによってスポット径を拡大する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、小形・低損失かつ製作
性のよいスポット変換光導波路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】まず、後の説明の便宜のために、スポッ
トサイズについて定義しておく。光の界分布をガウシア
ン分布でフィッティングした場合、そのパワー分布がピ
ークの値の１／ｅ² になる幅（半幅）をスポットサイズ
とする。また、以下において、光機能部と伝搬用光導波
路部では、そのスポットサイズが１μｍ程度あるいはそ
れ以下であり、拡大スポット光導波路部ではスポットサ
イズが約４μｍと単一モード光ファイバ（以下、ＳＭＦ
と略す）の程度に大きいとする。

【０００３】まず、従来例のスポットサイズの大きなリ
ッジ光導波路について説明する。

【０００４】図４４および図４５は、それぞれリッジの
大きさが６から８μｍ程度と大きく、スポットサイズの
大きな光導波路の第１と第２の従来例（Ｒ．Ｇ．Ｗａｌ
ｋｅｒ他、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．１
９，ｎｏ．１５，ｐｐ．５９０−５９２，１９８３）の
模式的断面図（図４４（Ａ），図４５（Ａ））と、それ
ぞれの横方向座標に対する等価屈折率の分布を示す図
（図４４（Ｂ），図４５（Ｂ））である。図中、光のパ
ワー分布をＦで示す。ここで１と３はクラッド（ＡｌＧ
ａＡｓ、屈折率＝３．３４）、２はコア（ＧａＡｓ、屈
折率＝３．４１）である。クラッド１は高さ６〜８μｍ
のリッジ状である。図４４の第１の従来例ではコア１の
厚みが１．４μｍと厚い。従って、模式図に示したよう
に光はリッジ１の左右のコア内に漏れ出す。この左右に
漏れ出した光はコア２の直上の空気を感じる。従って、
リッジの左右の領域の等価屈折率は、クラッド１がある
リッジ領域よりもかなり低くなり、等価屈折率の分布に
おける横方向屈折率差Δｎは比較的大きくなる。その結
果、この文献にも述べられているように、多モード光導
波路となるという欠点があった。

【０００５】また、図４５ではコア２がリッジ状クラッ
ドの直下のみに存在するので、リッジ以外の横方向への
光のしみだしはないが、コア２の厚みが図４４の場合と
同じ１．４μｍと厚いため、等価屈折率の分布における
横方向屈折率差Δｎは極めて大きくなり、多モード光導
波路となるという欠点があった。

【０００６】次にスポット変換について述べる。

【０００７】一般に、半導体光導波路の場合、コアとク
ラッドの屈折率差が大きいため単一モードの光を伝搬す
るためには、半導体光導波路を伝搬する光のスポットサ
イズはサブミクロンオーダと小さくなる。スポットサイ
ズがｗ₁ とｗ₂ の２つのガウシアンビームが結合する場
合の結合効率ηは

【０００８】

【数１】 η＝４／（ｗ₁ ／ｗ₂ ＋ｗ₂ ／ｗ₁ ）² （１）と表される。

【０００９】さて、式（１）から、光導波路間の結合損
失を低減するためには、スポットサイズを一致させれば
よいことがわかる。受光用光導波路としてＳＭＦを用い
る場合、そのスポットサイズｗ₂ は約４μｍであり、半
導体光導波路と直接結合させたのでは結合損失が極めて
大きくなる。例えば、半導体光導波路のスポットサイズ
ｗ₁ が１μｍでＳＭＦのスポットサイズｗ₂ が４μｍの
場合、結合損失（−１０・ｌｏｇ（η））は６．５ｄＢ
となる。そこで、後述のように先端を研磨してレンズ効
果を持たせてスポットサイズを小さくする、いわゆる先
球加工単一モード光ファイバ（以下、先球ＳＭＦと略
す）が用いられる。ところが、先球ＳＭＦのスポットサ
イズをサブミクロンオーダにまで小さくすると軸ずれの
トレランスの問題が生じてくる。つまり、スポットサイ
ズｗの２個のガウシアンビームが光軸に垂直にｘだけ軸
ずれて結合する場合の結合効率ηは

【００１０】

【数２】 η＝ｅｘｐ（−ｘ² ／ｗ₂ ）（２）で与えられ、スポットサイズｗがサブミクロンと小さい
時には結合損失が大幅に増加し、軸ずれのトレランスが
極めて厳しくなる。また、実際には、先球ＳＭＦの先端
の曲率半径Ｒ1 を小さくしても研磨の際の加工精度のた
めスポットサイズを０．５μｍ程度にまで小さくするこ
とは大変難しい（以上の参考文献：河野健治著、“光デ
バイスのための光結合系の基礎と応用”（現代工学
社））。

【００１１】そこで、半導体光導波路のスポットサイズ
を大きくすることが必要となる。図４６は半導体光導波
路におけるスポットサイズ変換について従来例を説明す
る斜視図である。ここでＩは光機能部、IIは伝搬用光導
波路部、III はスポット変換部である。４および５は各
々半導体レーザなどの光機能部のクラッドとコアであ
る。６および７は伝搬用光導波路のクラッドとコア、８
はスポット変換部のコアである。図４７および図４８は
各々図４６のＡ−Ａ′とＢ−Ｂ′における断面図であ
る。

【００１２】この従来例の動作原理を説明する。スポッ
ト変換部のコア８は図４６あるいは図４７からわかるよ
うに先端の幅が徐々にテーパ状に細くなっている。従っ
て、伝搬用光導波路のコア７を伝搬してきた光がスポッ
ト変換部のコア８にさしかかると、光がクラッドへ漏れ
だす量が多くなり、光の界分布が広がることになる。そ
の結果、スポットサイズが大きくなり、式（１）に与え
た結合損失を低減することができる。

【００１３】この従来のスポット変換光導波路ではコア
をテーパ状に細くしているが、コアの幅が細くなりすぎ
ると光がクラッドに漏れ出し、スポットサイズが大きく
なりすぎるとともに光を導波させる力（導波力）が緩く
なりすぎる。従って、光ファイバとのスポットサイズ不
整合による結合損失、あるいは細い部分における導波路
揺らぎによる散乱損失や放射損失などにより光の挿入損
失が増加するなどの問題があった。

【００１４】図４９に第４の従来例の斜視図を示す（Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．２８，ｐ
ｐ．６３１−６３２，１９２２）。ここで、IIは伝搬用
光導波路部、III はスポット変換部、IVは拡大スポット
光導波路である。本例は伝搬用光導波路とスポット変換
部のコアが完全に埋め込まれた形の光導波路の場合につ
いて提案されたものである。この従来例では伝搬用光導
波路のコア９（ここではバンドギャップ波長λｇ＝１．
３μｍ）の幅を細くすることにより、伝搬用光導波路の
コア９の導波力を徐々に弱くし導波光をクラッドに漏れ
出させるとともに最終的に放射させる。それにつれて、
伝搬用光導波路のコア９の下に堆積させていた拡大スポ
ット光導波路のコア１０の幅を徐々に広げ、上下方向は
コア１０の厚みで、横方向はコア１０の幅で閉じ込めを
行う。ここで１１は上部クラッド、１２は下部クラッ
ド、１３はＩｎＰ基板である。

【００１５】この従来例では、伝搬用光導波路のコア９
は完全な埋め込み形の光導波路であるため、拡大スポッ
ト変換部のコア１０も完全に埋め込み形とし、横方向の
光の閉じ込めをコア１０の幅を規定することにより行っ
ている。従って、この従来例は埋め込み形光導波路の場
合に適しているが、光スイッチのようにリッジ構造には
形状が異なっているために適用しずらく、リッジ構造に
適用した場合、製作性やスポットサイズ変換時の変換損
が大きい、また埋め込み導波路なので伝搬損失が大きく
かつ光のパワー分布が極めて偏平となりＳＭＦとの結合
効率が悪くなるなどの欠点があった。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の目的
はこれらの問題を解決し、単一モード性、製作性、スポ
ットサイズ変換損の点などで優れたスポット変換光導波
路を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ために、本発明によるスポット変換光導波路は、小さな
スポットサイズの導波光が伝搬する第１コアを具備する
伝搬用光導波路、導波光のスポットサイズを変換する第
２コアを具備するスポット変換部、および大きなスポッ
トサイズの導波光が伝搬する第３コアを具備する拡大ス
ポット光導波路を具備するスポット変換光導波路におい
て、前記第３コアは薄膜形状であり、前記拡大スポット
光導波路は伝搬する導波光の横方向閉じ込めのためのリ
ッジ構造を有し、前記拡大スポット光導波路における光
のパワーが、深さ方向における光のパワー分布のピーク
値と前記ピーク値の半値との間の少なくとも一部におい
て前記パワー分布の深さ方向の座標による２階微分が正
である、深さ方向における前記パワー分布の半値全幅で
フィッティングしたガウス分布よりも前記パワー分布が
狭い、および前記ピーク値の１／ｅ² の値とでフィッテ
ィングしたガウス分布の半値全幅よりも前記パワー分布
の前記半値全幅が狭い、のいずれかの分布を有し、かつ
前記拡大スポット光導波路において導波光がほぼ単一モ
ード伝搬することを特徴とする。

【００１８】ここで、前記リッジ構造が前記第３コア上
に形成された上部クラッドからなってもよく、前記リッ
ジ構造が下部クラッド上に形成された第３コアと該第３
コア上に形成された上部クラッドからなってもよい。

【００１９】前記リッジ構造の側面にさらにサイドクラ
ッドを有してもよい。

【００２０】前記スポット変換部の前記第２コアの厚み
と幅の少なくとも一方が導波路先端部に向かって変化し
てもよい。

【００２１】前記第１コアおよび前記第２コアが前記第
３コアと積層されていてもよく、前記第１コアおよび第
２コアと前記第３コアの間に少なくとも一層の半導体層
が設けられていてもよい。

【００２２】前記第１コア、第２コアおよび第３コアが
共通の下部クラッドの同一平面上に形成されていてもよ
い。

【００２３】前記第２コアの底面が前記第１コアの底面
より上方に配置されていても、あるいは第２コアの厚み
方向の中心を第１コアの厚み方向の中心より上方に配置
させてもよく、少なくとも第２コアの上方に薄膜状の第
４コアを設けてもよい。

【００２４】

【作用】本発明によれば、拡大スポット光導波路の構成
として厚みの薄いコアで光を上下に閉じ込め、横方向に
はリッジ構造で閉じ込めているため、横方向への光のし
みだしが少なく、その結果、スポットサイズの大きな単
一モード光導波路を実現できる。スポット変換部のコア
の厚みを薄くした構造においては、スポットサイズの変
換時の変換損失が特に少なく、さらに拡大スポット導波
路にリッジ構造を有しているため、リッジ構造を具備す
る導波路形光デバイスに適用した場合に、製作性がよい
とともにスポットサイズ変換損を小さくできるという利
点がある。

【００２５】さらに、第２コアを伝搬する光の界分布の
中心と第１コアを伝搬する光の界分布の中心を厚み方向
において一致させることができるので、第２コア部と第
１コア部の接続部におけるコアの厚み方向における軸ず
れに起因する接続損失を低減することができ、あるい
は、第２コアを伝搬する光の界分布の中心と、第３コア
および第４コアを伝搬する光の界分布の中心を一致させ
ることができるので、第２コア部と、第３コア部および
第４コア部のコアの厚み方向における軸ずれに起因する
接続損失を低減することができるという利点がある。

【００２６】

【実施例】以下に図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００２７】まず、本発明の原理を説明するために、本
発明によるスポット変換光導波路の一例における拡大ス
ポット光導波路の断面構造と光のパワー分布（Ｆ）、お
よび横方向座標に対する等価屈折率の分布をそれぞれ図
１（Ａ），（Ｂ）に示す。図中、１４はリッジ状のＩｎ
Ｐクラッド（屈折率３．１７）、１５はＩｎＧａＡｓＰ
コア（バンドギャップ波長＝１．１μｍ、屈折率＝３．
２８）、１６はＩｎＰクラッドである。本発明の特徴の
１つは、コアの厚みを薄くすることにより、光のパワー
のコア内への閉じ込め率（Γファクタ）を小さくするこ
とである。従って、リッジの幅、即ちＩｎＰクラッド１
４の幅は１０μｍと広いが、ＩｎＧａＡｓＰコア１５の
厚みは０．０８μｍ程度と薄いので、ＩｎＰクラッド１
４が存在する領域以外のＩｎＧａＡｓＰコア１５への導
波モードのしみだしは無視できるほど小さい。その結
果、この領域の等価屈折率はほぼＩｎＰクラッド１６の
屈折率となる。一方、前述のようにＩｎＧａＡｓＰコア
１５の厚みは極めて薄く、コアへのΓファクタは小さい
ので、リッジ部の等価屈折率はやはり低い。つまり、図
１中に示したように、横方向の屈折率差Δｎは図４４と
図４５に示した従来例と比較して小さくなる。その結
果、リッジ幅が１０μｍと広い場合にも従来例では困難
であった単一モード伝搬を実現できることになる。

【００２８】なお、図２には本発明の導波光のパワー分
布（実線）、およびピーク値とその半値でフィッティン
グした従来例のガウス分布（点線）を示す。本発明では
コア１５からクラッド１４，１６への光のしみだしが多
いため、深さ方向における光のパワー分布のピーク値と
その半値との間において、パワー分布のピーク近傍以外
では、深さ方向の座標による導波光のパワー分布の２階
微分が正となっている。また導波光のパワー分布の半値
全幅でフィッティングしたガウス分布よりも導波光のパ
ワー分布が狭いことがわかる。さらに図３に示すように
導波光のピーク値の１／ｅ² の値とでフィッティングし
たガウス分布（点線）の半値全幅よりも導波光のパワー
分布（実線）の半値全幅が狭いことがわかる。このよう
な界分布の形状の違いは、ＩｎＧａＡｓＰコア１５の厚
さが０．７μｍ以下で生じ、本発明による顕著なスポッ
ト変換特性を示す。ただし、コア１５が薄すぎると光の
閉じ込め効率が小さくなり、極端な場合には導波不能と
なる。

【００２９】図１の例について説明したように、本発明
ではコア１５が薄いため、コア１５への光のΓファクタ
が小さく、図１の例ではリッジ部以外のコアへの光のし
みだしが極めて小さかった。従って、図１の例におい
て、リッジの横にあるコアをなくしてもよいことにな
る。つまり、本発明においては、リッジの横にあるコア
をエッチング除去してもよい。その場合の断面構造と横
方向座標に対する等価屈折率の分布をそれぞれ図４
（Ａ），（Ｂ）に示す。図からわかるように、横方向座
標に対する等価屈折率の分布は図１の例とほとんど同じ
であり、その結果、導波光のパワー分布も図１の例とほ
ぼ同じとなる単一モード光導波路を実現できる。

【００３０】（実施例１）ここで、光機能部が光位相変
調器を構成する場合を例にとって本発明のスポット変換
光導波路の製造手順を述べ、その説明の中で本発明の構
造について述べる。

【００３１】図５に本発明の第１の実施例の斜視図を、
図６にそのＢ−Ｂ′における断面図を示す。簡単のた
め、光機能部として光位相変調器の場合を示す。図中、
Ｉが光位相変調器部、IIは伝搬用光導波路、III はスポ
ット変換部、IVは拡大スポット光導波路である。２１は
ｐ側電極、２２はＩｎＧａＡｓキャップ層、２３はｐ−
ＩｎＰクラッド、２４はｉ−ＩｎＰサイドクラッド、２
５は例えばｉ−ＩｎＧａＡｌＡｓ（ウェル）／ＩｎＡｌ
Ａｓ（バリア）多重量子井戸（ＭｕｌｔｉｐｌｅＱｕａ
ｎｔｕｍＷｅｌｌ：ＭＱＷ）であり、ウェル厚を９ｎ
ｍ、バリア厚を５ｎｍとすると、エキシトンピーク波長
が１．４４μｍとなり、１．５５μｍでの動作に適して
いる。またＭＱＷ層２５の厚みは０．４μｍ程度であ
る。ＭＱＷ層２５はスポット変換部III ではテーパ状と
なっている。２６はスポット変換光導波路の共通コアで
あり、例えばバンドギャップ波長λｇが１．１μｍのｉ
−ＩｎＧａＡｓＰ層であり厚みは０．０８μｍである。
なお、コア２６はｎ−ＩｎＧａＡｓＰでもよく、ＭＱＷ
層２５と同組成の積層でもよく、さらに異なった材料を
積層して屈折率を調整した多層構成でもよい。２７はｎ
−ＩｎＰクラッド、２８はｎ−ＩｎＰ基板、２９はｎ側
電極、３０はスポット変換部および拡大スポット光導波
路のクラッドであり、ここではｐ−ＩｎＰを用いている
がｉ−ＩｎＰでもよい。Ｆは導波光の界分布を示す。

【００３２】図６には図５のＢ−Ｂ′における断面図を
示す。導波光の界分布、すなわちスポットサイズは光位
相変調器部Ｉおよび伝搬用光導波路部IIのＦ₁ から、ス
ポット変換部III におけるＦ₂ 、さらに拡大スポット光
導波路IVのＦ₃ へと拡大される。

【００３３】図５からわかるように、光位相変調器部Ｉ
と伝搬用光導波路部IIにおいて、光導波路は埋め込み形
ではなく、リッジ形である。図７は本発明の第１の実施
例の製造工程を説明する図である。ｎ−ＩｎＰ基板２８
の上にｎ−ＩｎＰクラッド２７，ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ共
通コア２６、ｉ−ＭＱＷコア２５を堆積する（この時、
ｉ−ＭＱＷ層２５を保護するとともに、後に述べるＩｎ
Ｐ再成長を容易にするためにｉ−ＭＱＷ層２５の上に薄
いｉ−ＩｎＰ層を堆積していてもよい）。その上にフォ
トレジスト３１を全面にスピンコートしたのち、図７の
ようにパターニングする（この時、上面から見ると図５
から容易に類推できるようにフォトレジストはスポット
変換部III においてテーパ状にパターニングされてい
る）。その後、ｉ−ＭＱＷ層２５を図５に示したような
テーパ状にドライエッチングし、フォトレジストを除去
する。図８はこの時の横断面図である。

【００３４】ここで説明している長波長系半導体の場合
には、硫酸系のエッチャントを用いることにより、ｉ−
ＩｎＧａＡｌＡｓウェルとｉ−ＩｎＡｌＡｓバリアをエ
ッチングし、ｉ−ＩｎＰでエッチングを止めることがで
きる（選択エッチング技術という）。従って、ｉ−ＭＱ
Ｗ層２５とｉ−ＩｎＧａＡｓＰ層２６の間に５ｎｍか１
０ｎｍ程度のｉ−ＩｎＰ層を入れておけば、これをエッ
チストップ層として機能させ、スポット変換部のｉ−Ｍ
ＱＷ層をテーパ状に加工できる。また、同様に、スポッ
ト変換部のコア２６もテーパ状に加工できる。

【００３５】次の製作工程を図９に示している。ここで
は特開平５ー８２９０９号公報に開示されている領域選
択成長技術を用いることとする。図９は、領域選択成長
用のＳｉＯ₂ マスク３２を図８のチップに形成した場合
の上面図である。領域選択成長においては、ＳｉＯ₂ マ
スク３２のない場所に付着した原料原子はそのまま成長
に寄与するが、ＳｉＯ₂ マスク上に来た原料原子はＳｉ
Ｏ₂ マスクの上には付着せず、ＳｉＯ₂ マスクのない場
所へと移動する。従って、図９のように、光位相変調器
部Ｉと伝搬用光導波路部IIにはＳｉＯ₂ マスクがなく、
スポット変換部III および拡大スポット光導波路IVには
ＳｉＯ₂ マスク３２を形成していると、光位相変調器部
Ｉと伝搬用光導波路部IIのＩｎＰクラッド２３の厚みよ
りも、スポット変換部III および拡大スポット光導波路
IVのＩｎＰクラッド３０の厚みを数倍厚く形成できる。
つまり、光位相変調器部Ｉと伝搬用光導波路部IIでのＩ
ｎＰクラッド２３の厚みを１．５μｍとすると、スポッ
ト変換部III および拡大スポット光導波路IVではその厚
みを４．５〜６μｍとすることができる。スポット変換
部III から拡大スポット光導波路IVにかけての素子先端
部においては、導波光のスポットサイズが約５μｍ程度
と大きいので、厚いクラッドが必要となるが、この製造
方法により形成可能である。なお、最後のリッジ加工は
ドライエッチングあるいはウエットエッチングにより行
う。

【００３６】さて、本実施例の動作について説明する。
まず、図５を用いてｉ−ＩｎＰサイドクラッド２４の役
目について簡単に説明する。導波光はＩｎＰクラッド２
３の直下のコア近傍を伝搬するが、この時導波光はコア
の上下にも漏れている。サイドクラッド２４が薄いとＩ
ｎＰクラッド２３がない場所では導波光は空気の低い屈
折率（１．０）を感じ、その場所の等価屈折率は下が
る。一方、ｐ−ＩｎＰクラッド２３がある場所ではコア
の上に漏れた光はその屈折率（３．１７）を感じるた
め、等価屈折率が高くなり、横方向の光閉じ込めが可能
となる。ここで拡大スポット光導波路IVではコアはｉ−
ＩｎＧａＡｓｐ層２６の薄い層（ここでは０．０８μｍ
としている）のみとなり、界分布は上下に大きく広が
る。この領域はＩｎＰクラッド３０の幅が広いので、単
一モード伝搬を実現するためには、横方向における屈折
率差を小さくする必要がある。そこで、図５においては
スポット変換部および拡大スポット光導波路のサイドク
ラッド２４′の厚みを例えば０．５μｍとし、領域Ｉ，
IIでのサイドクラッドの厚み（例えば０．１μｍ）より
も厚くしている。

【００３７】さて、本実施例では図６に示すように、光
機能部Ｉ，伝搬用光導波路部IIを伝搬してきた導波光Ｆ
₁ はスポット変換部III に入射する。スポット変換部II
I においてコアの幅がテーパ状に細くなっているためＦ
₂ として示すように光の閉じ込めが緩くなり、スポット
サイズが左右のみならず上下方向にも大きくなるととも
に最終的に放射される。この放射された光は共通コア２
６により上下方向に閉じ込められる。コアを薄くする
と、導波光の上下方向のコアへの閉じ込めが緩くなり、
その結果、Ｆ₃ のように拡大される。図１０に共通コア
２６の厚みとスポットサイズの厚み方向の大きさの関係
を示す。図１０に示すように導波光の上下方向のスポッ
トサイズを光位相変調器部や伝搬用光導波路部のものと
比較して大幅に拡大できる。一方、横方向のスポットサ
イズは図１１に示すように、スポット変換部および拡大
スポット光導波路におけるリッジのクラッドの幅Ｗｓを
伝搬用光導波路のクラッドの幅Ｗｐと比較して、広くす
ることにより極めて大きく拡大できる（図５ではＷｓを
１４μｍ程度とした）。なお、スポット変換部および拡
大スポット光導波路のリッジの幅は図５に示すように導
波路先端部に向かってテーパ状に広げてもよいし、一定
でもよい。

【００３８】このように、本実施例ではスポット変換部
および拡大スポット光導波路がリッジ構造であるため、
光機能部がリッジ構造を有する光デバイスと構造上同じ
であるという点で製作性がよく、また界分布の形状の類
似性から伝搬用光導波路部とスポット変換部を介して拡
大スポット光導波路と結合する際結合特性がよいという
利点を有しつつ、大きなスポットを実現できる。その結
果、単一モード光ファイバとの結合についても低損失で
あるとともに軸ずれのトレランスも大きく、接続を容易
に行うことができる。

【００３９】なお、本実施例ではスポット変換部のテー
パ部の厚みを変えずに幅のみを細くしたが、同時に厚み
を薄くしてもよい。また、厚みを薄くするとともに幅を
広げてもよい。さらに、図５ではスポット変換部のテー
パは素子端面に達する前に打ち切っているが、導波光の
スポットサイズがファイバのスポットサイズに合うよう
に設計すれば、ＭＱＷコア２５はテーパ状に細くして素
子端面に達するまで存在してもよいことは言うまでもな
い。

【００４０】さらに、上記の説明では伝搬用光導波路部
の小さなスポットを大きなスポットに変換する方法につ
いて説明したが、光の入出射を入れ換え、図５の右側か
ら大きなスポットを入射させれば、単一モード光ファイ
バの大きなスポットを小さなスポットに変換し、光スイ
ッチや光変調などの機能を行った後に再びスポットを大
きくし、単一モード光ファイバに結合させることができ
る。よって、導波路形光スイッチのように光の入出力部
を有する光デバイスの両側に本実施例のスポット変換光
導波路を形成することにより、容易に単一モード光ファ
イバを接続したモジュールを製作できることになる。

【００４１】なお、実験の結果、光の出射側については
拡大スポット光導波路が単一モードでなくても単一モー
ド光ファイバの結合効率は比較的高いことを確認してい
るので、図５においてスポット変換部および拡大スポッ
ト光導波路のサイドクラッドの厚み（上の説明では０．
５μｍとした）は光伝搬部のサイドクラッドの厚み（上
の説明では０．１μｍとした）と同じにしてもよい。

【００４２】（実施例２）図１２は本発明の第２の実施
例である。本実施例ではスポット変換部のコア２５の厚
みを単に徐々に薄くすることにより、スポットを上下に
拡大している。本実施例ではスポットの横方向の拡大を
リッジ３０の幅のみで行っているため、実施例１ほどの
効果はないが、光機能部の小さなスポットを大きなスポ
ットに変換できる。また、リッジ３０の幅はテーパ状に
広げてもよいし、一定でもよい。

【００４３】（実施例３）図１３に本発明の第３の実施
例の斜視図を、図１４にそのＢ−Ｂ′における断面図を
示す。本実施例と図５に示した第１の実施例との主要な
相違点は、スポット変換部III および拡大スポット光
導波路IVにおける共通コア２６およびクラッド３０の
形状である。第１の実施例においては共通コア２６はｎ
−ＩｎＰクラッド２７の全面に形成され、クラッド３０
はリッジ部以外においても共通コア２６上に形成されて
いた。本実施例においては共通コア２６およびクラッド
３０がリッジを形成している。使用される材料系につい
ては、実施例１で述べたとおりである。

【００４４】本実施例の製作工程は、第１の実施例につ
いて説明した方法と、図７および図９の工程までは同様
である。この場合も、図９に示すように領域選択成長技
術用のＳｉＯ₂ マスク３２を形成する。

【００４５】先に説明したように、図９のように、光位
相変調器部Ｉと伝搬用光導波路部IIにはＳｉＯ₂ マスク
がなく、スポット変換部III および拡大スポット光導波
路IVにはＳｉＯ₂ マスク３２を形成しておけば、領域選
択成長により、光位相変調器部Ｉと伝搬用光導波路部II
のＩｎＰクラッド２３の厚みよりも、スポット変換部II
I と拡大スポット光導波路IVのＩｎＰクラッド３０の厚
みを数倍厚く形成できる。つまり、伝搬用光導波路部で
のＩｎＰクラッド２３の厚みを１．５μｍとすると、ス
ポット変換部と拡大スポット光導波路では４．５〜６μ
ｍとすることができる。スポット変換部III と拡大スポ
ット光導波路IVにおいては、導波光のスポットサイズが
約５μｍ程度と大きいので、厚いクラッドが必要となる
が、この製造方法により形成可能である。なお、最後の
リッジ加工はドライエッチングあるいはウエットエッチ
ングにより行う。その後、リッジの外側のｉ−ＩｎＧａ
ＡｓＰ層２６を硫酸系のエッチャントで除去してもよい
し、あるいはＳｉＯ₂ マスク３２の下のｉ−ＩｎＧａＡ
ｓＰ層２６はマスク３２を堆積する前に除去しておけ
ば、スポット変換部についてはリッジの幅を領域選択成
長技術で形成できるため、後のｉ−ＩｎＧａＡｓＰ層２
６のエッチング工程が不要となる。

【００４６】さて、本実施例の動作について説明する。
まず、図１３を用いて光位相変調器部Ｉや伝搬用光導波
路部IIにおけるｉ−ＩｎＰサイドクラッド２４の役目に
ついて簡単に説明する。導波光はＩｎＰクラッド２３の
直下のコア近傍を伝搬するが、この時導波光はコアの上
下にも漏れている。サイドクラッド１４が薄いとＩｎＰ
クラッド２３がない場所では導波光は空気の低い屈折率
（１．０）を感じその場所の等価屈折率は下がる。一
方、ｐ−ＩｎＰクラッド１３がある場所ではコアの上に
漏れた光はその屈折率（３．１７）を感じるため、等価
屈折率が高くなり、横方向の光閉じ込めが可能となる。

【００４７】本実施例では図１４に示すように、光位相
変調器部Ｉ，伝搬用光導波路部IIを伝搬してきた導波光
（Ｆ₁ ）はスポット変換部III に入射する。スポット変
換部III においてコアの幅がテーパ状に細くなっている
ため光の閉じ込めが緩くなり、スポットサイズが左右の
みならず上下方向にも大きくなる（Ｆ₂ ）とともに最終
的に放射される。この放射された光は共通コア２６によ
り上下方向に閉じ込められる。コアを薄くすると、導波
光の上下方向のコアへの閉じ込めが緩くなり、その結
果、スポットサイズが拡大される（Ｆ₃ ）。図１５に本
実施例における拡大スポット光導波路のコアの厚みと厚
み方向のスポットサイズの関係を示す。図１５に示すよ
うに導波光の上下方向のスポットサイズを光位相変調器
部や伝搬用光導波路部（これらの部分における上下方向
のスポットサイズは約０．３μｍ程度）のものと比較し
て大幅に拡大できる。一方、横方向のスポットサイズは
図１６に示すように、スポット変換部におけるリッジの
クラッドの幅Ｗｓを伝搬用光導波路部のクラッドの幅Ｗ
ｐ（２μｍ程度）と比較して、広くすることにより極め
て大きく拡大できる（図１３ではＷｓを１０μｍとし
た）。

【００４８】このように、本実施例ではスポット変換部
および拡大スポット光導波路がリッジ構造であるため、
光機能部がリッジ構造を有する光デバイスと構造上同じ
であるという点で製作性がよく、また界分布の形状の類
似性から伝搬用光導波路部とスポット変換部および拡大
スポット光導波路との結合特性がよいという利点を有し
つつ、大きなスポットを実現できる。その結果、単一モ
ード光ファイバ（スポットサイズは約４μｍ）との結合
についても図１７に示すように低損失である。さらにス
ポットサイズが拡大されているので、軸ずれのトレラン
スも大きく、光デバイスとファイバとの接続を容易に行
うことができる。

【００４９】図１７にスポット変換光導波路の共通コア
の厚みをパラメータとして、単一モード光ファイバとの
結合に際してのリッジのクラッド幅（リッジ幅：Ｗｓ）
と結合損失との関係を示す。

【００５０】（実施例４）第３の実施例のスポット変換
部ではコアはｉ−ＩｎＧａＡｓＰ層２６の薄い層（ここ
では０．０８μｍとしている）のみとなり、界分布は上
下に大きく広がる。第３の実施例においては、リッジ３
０以外の部分のｎ−ＩｎＰクラッド２７の直上までエッ
チングしているが、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ層２６の厚みは
０．０８μｍ程度と極めて薄いので、導波モードのこの
部分への横方向のしみだしは少ない。従って、本発明の
第４の実施例である図１８のようにｉ−ＩｎＧａＡｓＰ
コア２６を残しておいてもよい。

【００５１】なお、以上の実施例ではスポット変換部に
おけるコア２５のテーパ部の厚みを変えずに幅のみを細
くしたが、同時に厚みを薄くしてもよい。また、厚みを
薄くするとともに幅を広げてもよい。さらに、図１３の
例ではスポット変換部のテーパは素子端面に達する前に
打ち切っているが、導波光のスポットサイズがファイバ
のスポットサイズに合うように設計すれば、コア２５は
テーパ状に細くして素子端面に達するまで存在してもよ
い。この場合の構造を図１９に示す。この例ではスポッ
ト変換部III と拡大スポット光導波路IVでコア２５は連
続している。

【００５２】上記の説明では伝搬用光導波路部の小さな
スポットを大きなスポットに変換する方法について説明
したが、光の入出射を入れ換え、図１３の右側から大き
なスポットを入射させれば、単一モード光ファイバの大
きなスポットを小さなスポットに変換し、光スイッチや
光変調などの機能を行った後に再びスポットを大きく
し、単一モード光ファイバに結合させることができる。
よって、導波路形光スイッチのように光の入出力部を有
する光デバイスの両側に本実施例のスポット変換光導波
路を形成することにより、容易に単一モード光ファイバ
を接続したモジュールを製作できることになる。

【００５３】（実施例５）図２０は本発明の第５の実施
例を示す斜視図である。本実施例ではスポット変換部に
おいてコア２５の厚みを単に徐々に薄くすることによ
り、スポットを上下に拡大している。本実施例ではスポ
ットの横方向の拡大をリッジ３０の幅のみで行っている
ため、実施例１ほどの効果はないが、光機能部の小さな
スポットを大きなスポットに変換できる。

【００５４】（実施例６）図２１は本発明の第６の実施
例を示す斜視図である。本実施例ではスポット変換部の
コア２５の幅をテーパ状に細くし界分布を上下・左右方
向に拡大するとともに、コア２６を導波路先端部に向か
ってテーパ状に広くすることにより、横方向のスポット
サイズを一層拡大している。

【００５５】（実施例７）図２２は本発明の第７の実施
例の斜視図であり、スポット変換部III のコア２５の厚
みを導波路先端部に向かって薄くするとともに、拡大ス
ポット光導波路IVのコア２６を導波路先端部に向かって
テーパ状に広くすることにより、横方向のスポットサイ
ズを一層拡大している。

【００５６】なお、図２１に示した実施例６と図２２に
示した実施例７においては、拡大スポット光導波路のコ
ア２６の幅を導波路先端部に向かって広くすることによ
り、スポットを横方向に拡大するとともに、コア２６の
幅が大きいため、コア２６の幅の製作のトレランスを大
きくできる構造としたが、逆に、導波路先端部に向かっ
て狭くしても導波光の界分布は左右に漏れ出すのでスポ
ットサイズは大きくできる。さらに、スポット変換部の
コア２５の幅を一定とした場合にも、そのコア２５の
幅、もしくはそのコア２５の幅とリッジ３０の幅により
規定されるスポットを実現できる。

【００５７】また、本発明の各実施例においては、スポ
ット変換部および拡大スポット光導波路のリッジ幅は一
定（Ｗｓ）として説明したが導波路先端部に向かってテ
ーパ状に広くするなど、変化させてもよい。さらに、コ
ア２５とコア２６は異なった材料として説明してきた
が、同種の材料つまりコア２５の一部をコア２６として
用いてもよいことは言うまでもない。

【００５８】なお、本発明では共通コア２６が薄いこと
が１つの特徴であるため、図２３に示すように、拡大さ
れたスポットはピーク値と１／ｅ² での値とでフィッテ
ィングしたガウス分布よりも半値付近で狭くなってい
る。さらに、本発明は半導体のみならず石英光導波路の
ような誘電体光導波路にも適用できる。

【００５９】（実施例８）図２４に本発明の第８の実施
例の斜視図を、図２５にそのＢ−Ｂ′における断面図を
示す。簡単のため、光機能部として光位相変調器の場合
を例とする。図２４からわかるように、光位相変調器部
Ｉと伝搬用光導波路部IIにおいて、ｉ−ＭＱＷコアは埋
め込み形ではなく、リッジ形である。図中、Ｉが光位相
変調器部、IIは伝搬用光導波路部、III はスポット変換
部、IVは拡大スポット光導波路部である。２１はｐ側電
極、２２はＩｎＧａＡｓキャップ層、２３はｐ−ＩｎＰ
クラッド、２４はｉ−ＩｎＰサイドクラッド、２５は例
えばｉ−ＩｎＧａＡｌＡｓ（ウェル）／ＩｎＡｌＡｓ
（バリア）多重量子井戸（ＭＱＷ）であり、ウェル厚を
９ｎｍ、バリア厚５ｎｍとすると、エキシトンピーク波
長が１．４４μｍとなり、１．５５μｍでの動作に適し
ている。またＭＱＷ２５の厚みは０．４μｍ程度であ
る。２６はスポット変換光導波路の共通コアであり、例
えばバンドギャップ波長λｇが１．１μｍのｉ−ＩｎＧ
ａＡｓＰ層であり厚みは０．０８μｍである。なお、厚
みはもう少し厚くても薄くてもよいし、ＩｎＡｌＡｓな
ど他の材料でもよい（ＩｎＧａＡｓＰとＩｎＡｌＡｓの
屈折率は異なっているため、この場合のコア２６の厚み
は当然異なってくる）。２７はｎ−ＩｎＰクラッド、２
８はｎ−ＩｎＰ基板、２９はｎ側電極である。なお、３
０は前述のように拡大スポット光導波路のクラッドであ
り、ここではｐ−ＩｎＰを用いているがｉ−ＩｎＰでも
よい。さらに、図２４および図２５からわかるように、
上述の実施例と異なり、本実施例においてはスポット変
換部III のコア２５ａの厚みＤは伝搬用光導波路部のコ
ア２５の厚みと異ならしめている。後述するように、こ
れによりスポット変換時の変換損失を低減することが可
能となる。

【００６０】図２６〜図２９は本発明の第８の実施例の
製造工程を説明する図である。図２６に示すように、ｎ
−ＩｎＰ基板２８の上にｎ−ＩｎＰクラッド２７、ｉ−
ＩｎＧａＡｓＰコア２６およびｉ−ＭＱＷコア２５を堆
積する（この時、ｉ−ＭＱＷ層２５を保護するととも
に、後に述べるＩｎＰ再成長を容易にするためにｉ−Ｍ
ＱＷ層２５の上に薄いｉ−ＩｎＰ層を堆積していてもよ
い）。それにフォトレジスト３１を全面にスピンコート
したのち、スポット変換部のコア２５ａとなる領域のｉ
−ＭＱＷ２５を厚みＤだけ残して、ドライエッチングも
しくはウェットエッチングする。次に再度レジストを全
面にスピンコートした後、図２７のようにパターニング
する（この時、上面から見ると図２４から容易に類推で
きるようにテーパ状にパターニングされている）。その
後、ｉ−ＭＱＷ層２５を図２４に示したようなテーパ状
にドライエッチングもしくはウェットエッチングする。
図２８はこの時の横断面図である。

【００６１】ここで説明している長波長系半導体の場合
には、硫酸系のエッチャントを用いることにより、ｉ−
ＩｎＧａＡｌＡｓウェルとｉ−ＩｎＡｌＡｓをエッチン
グし、ｉ−ＩｎＰでエッチングを止めることができる
（選択エッチング技術という）。従って、ｉ−ＭＱＷ層
２５の中に５ｎｍから１０ｎｍ程度の厚みのｉ−ＩｎＰ
層を入れておけば、これをエッチストップ層として機能
させ、図２７に示すように厚みＤだけ残すことができ
る。また、ｉ−ＭＱＷ層２５とｉ−ＩｎＧａＡｓＰコア
層２６の間にｉ−ＩｎＰ層を入れておけば、これをエッ
チストップ層として機能させ、スポット変換部のｉ−Ｍ
ＱＷ層をテーパ状に加工できる。あるいは、このｉ−Ｉ
ｎＰ層を０．２μｍ程度の厚みとしておけば、スポット
変換部III のｉ−ＭＱＷ層のエッチング時に拡大スポッ
ト光導波路のコア２６をエッチングすることなくテーパ
状にドライエッチング加工できる。この層を設けること
も本発明の１つの特徴である。

【００６２】次の製作工程を図２９に示している。ここ
では先に述べた領域選択成長技術を用いることとする。
図２９は、領域選択成長用のＳｉＯ₂ マスク３２を図２
３のチップに形成した場合の上面図である。従って、実
施例１で説明したと同様に、図２９のように、光位相変
調器部Ｉと伝搬用光導波路部IIにはＳｉＯ₂ マスクがな
く、スポット変換部III と拡大スポット光導波路IVには
ＳｉＯ₂ マスク３２を形成しておけば、領域選択成長に
よって、光位相変調器部Ｉと伝搬用光導波路部IIのＩｎ
Ｐクラッド２３の厚みよりも、スポット変換部III と拡
大スポット光導波路IVのＩｎＰクラッド３０の厚みを数
倍厚く形成できる。つまり、伝搬用光導波路部でのＩｎ
Ｐクラッド２３の厚みを１．５μｍとすると、スポット
変換部III と拡大スポット光導波路IVではＩｎＰクラッ
ドの厚さを４．５〜６μｍとすることができる。スポッ
トサイズ変換部III の素子先端部においては、導波光の
スポットサイズが約５μｍ程度と大きいので、厚いクラ
ッドが必要となるが、この製造方法により形成可能であ
る。なお、最後のリッジ加工はドライエッチングあるい
はウェットエッチングにより行う。

【００６３】さて、本実施例の動作について説明する。
まず、図２４を用いて光位相変調器部Ｉよび伝搬用光導
波路部IIにおけるｉ−ＩｎＰサイドクラッド２４の役目
について簡単に説明する。実施例１で説明したように、
サイドクラッド２４が薄いとＩｎＰクラッド２３がない
場所では導波光は空気の低い屈折率を感じ、その場所の
等価屈折率は下がる。一方、ｐ−ＩｎＰクラッド１９が
ある場所ではコアの上に漏れた光はその屈折率を感じる
ため、等価屈折率が高くなり、横方向の光閉じ込めが可
能となる。

【００６４】さて、本実施例では、図２５に示すよう
に、光位相変調器部Ｉ、伝搬用光導波路部IIを伝搬して
きた導波光Ｆ₁ はスポット変換部III に入射する。スポ
ット変換部III においてコアの幅がテーパ状に細くなっ
ているためＦ₂ として示すように光の閉じ込めが緩くな
り、スポットサイズが左右のみならず上下方向にも大き
くなるとともに最終的に放射される。この放射された光
は共通コア２６により上下方向に閉じ込められる。しか
しコア２６が薄いので、導波光の上下方向のコアへの閉
じ込めが緩くなり、その結果、導波光の上下方向のスポ
ットサイズをＦ₃として示すように、光位相変調器部や
伝搬用光導波路部（これらの部分における上下方向のス
ポットサイズは約０．３μｍ程度）のものと比較して大
幅に拡大できる。一方、横方向のスポットサイズは図３
０に示すように、スポット変換部におけるリッジのクラ
ッドの幅Ｗｓを伝搬用光導波路部のクラッドの幅Ｗｐ
（２μｍ程度）と比較して、広くすることにより極めて
大きく拡大できる（図２６ではＷｓを１０μｍ程度とし
た）。

【００６５】このように、本実施例では拡大スポット光
導波路がリッジ構造であるため、光機能部がリッジ構造
を有する光デバイスと構造上同じであるという点で製作
性がよく、界分布の形状の類似性から伝搬用光導波路部
とスポット変換部および拡大スポット光導波路の結合特
性もよい。また拡大スポット光導波路がリッジ構造であ
るため伝搬損失が小さいという利点を有しつつ、大きな
スポットを実現できる。その結果、単一モード光ファイ
バ（スポットサイズは約４μｍ）との結合についても図
３１に示すように低損失である。さらにスポットサイズ
が拡大されているので、軸ずれのトレランスも大きく、
光デバイスとファイバとの接続を容易に行うことができ
る。

【００６６】さて、図２４に示したスポット変換部III
におけるコア２５ａの厚みＤの影響について議論する。
一般に、小さなスポットから大きなスポットへのスポッ
ト変換損失よりも大きなスポットから小さなスポットへ
の変換損失が大きい。そこで、ここでは拡大スポット光
導波路IVの固有モードが伝搬用光導波路部IIの固有モー
ドに変換される場合のスポット変換部III におけるスポ
ット変換損失について考察する。図３２には、そのスポ
ット変換損失の計算値と実験値をスポット変換部III の
コア２５ａの厚みＤをパラメータとして示す。伝搬用光
導波路部IIのコア２５の厚みは０．４μｍなので、図中
のＤ＝０．４μｍとは、伝搬用光導波路部IIとスポット
変換部III のコアの厚みが等しい場合である。図から、
スポット変換部III のコアの厚みを０．１５μｍと伝搬
用光導波路部IIのコアの厚み（０．４μｍ）よりも薄く
することにより、スポット変換損失を大幅に低減できる
ことがわかる。以下、この結果について物理的意味を考
察する。光機能部Ｉや伝搬用光導波路部IIではリッジ構
造であるため、コア２５の厚みが０．４μｍと厚いにも
拘わらず、サイドクラッド２４の厚みを５０ｎｍ程度に
しておけば、位相変調特性を確保するためにリッジ幅Ｗ
ｐを２μｍと広くしても単一モード伝搬を実現できる。
しかしながら、スポット変換部では埋め込み導波路とな
っているため、０．４μｍの厚みで、２μｍのコア幅と
すると多モード伝搬となってしまう。これを解決するた
めに、スポット変換部におけるコアの幅を狭くして単一
モード伝搬とすると、幅が狭くなるため製作が困難にな
るとともに、スポット変換部III のスポットサイズが小
さくなり、伝搬用光導波路部IIとの結合損失が大きくな
ってしまう。従って、本実施例のように、スポット変換
部III のコア２５ａの厚みを薄くした方がよい。なお、
以上の説明ではＤ＝０．１５μｍがよいとしたが、これ
はＤ＝０．４μｍと比較した場合であり、特性は変わる
がその他の厚みでもよいし、伝搬用光導波路部IIのコア
２５の厚みと屈折率に応じて好ましいＤの値は異なって
くることは言うまでもない。またスポット変換部 III
のコア２５ａのテーパの形状は、本実施例のみならず後
述の実施例においても、直線のみならず曲線や折れ線で
もよいことは言うまでもない。

【００６７】第８の実施例の拡大スポット光導波路では
コアはｉ−ＩｎＧａＡｓＰ層２６の薄い層（ここでは
０．０８μｍとしている）のみとなり、界分布は上下に
大きく広がる。この第８の実施例においては、リッジ３
０以外の部分のＩｎＧａＡｓＰコア２６の直上までエッ
チングしているが、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰコア層２６の厚
みは０．０８μｍ程度と極めて薄いので、導波モードの
この部分への横方向のしみだしは少ない。

【００６８】（実施例９）本発明の第９の実施例である
図３３のように、スポット変換部および拡大スポット光
導波路におけるリッジ部以外のｉ−ＩｎＧａＡｓＰコア
２６を硫酸系のエッチャントで除去してもよい。あるい
はＳｉＯ₂ マスク３２（図２９参照）の下のｉ−ＩｎＧ
ａＡｓＰ層２６をＳｉＯ₂ マスク３２を堆積する前に除
去しておけば、スポット変換部についてはリッジの幅を
領域選択成長技術で形成できるため、後のｉ−ＩｎＧａ
ＡｓＰ層２６のエッチング工程が不要となる。

【００６９】（実施例１０）前述のように、スポット変
換部のコア２６への導波光のパワーのΓファクタは小さ
いので拡大スポット光導波路IVにおいて図３４に示すよ
うに、若干のサイドクラッド３０ａを設けてもよい。サ
イドクラッドの幅を変えても良く、コア２６の全面上に
サイドクラッドを設けてもよい。

【００７０】（実施例１１）図３５にはスポット変換部
III のコア２５ｂを拡大スポット導波路部IVの端面にま
で残した場合の実施例を示す。このような構造でもスポ
ットの拡大が可能である。

【００７１】（実施例１２）本実施例においては、拡大
スポット光導波路IVにおいて横方向の光の閉じ込めをリ
ッジで行い、かつ伝搬用光導波路部IIとスポット変換部
III 間の接続点でコア２５と２５ｂの厚みを変化させて
いる。図３６は図３５における共通コア２６をなくし、
拡大スポット部の端面にまで残したテーパ状のコア２５
ｂを拡大スポット光導波路のコアとしたものである。

【００７２】（実施例１３）図３７は本発明の第１３の
実施例である。本実施例ではスポット変換部においてコ
ア２５ｃの厚みを単に徐々に薄くすることにより、スポ
ットを上下に拡大している。本実施例ではスポットの横
方向の拡大をリッジ３０の幅のみで行っているため、実
施例８ほどの効果はないが、光機能部の小さなスポット
を大きなスポットに変換できる。

【００７３】（実施例１４）図３８は本発明の第１４の
実施例である。本実施例ではスポット変換部のコア２５
ａの幅をテーパ状に細くし界分布を上下・左右方向に拡
大するとともに、拡大スポット光導波路IVのコア２６ａ
を導波路先端部に向かってテーパ状に広くすることによ
り、横方向のスポットサイズを一層拡大している。

【００７４】（実施例１５）図３９は本発明の第１５の
実施例であり、スポット変換部のコア２５ｃの厚みを導
波路先端部に向かって薄くするとともに、拡大スポット
光導波路のコア２６ａを導波路先端部に向かってテーパ
状に広くすることにより、横方向のスポットサイズを一
層拡大している。

【００７５】さらに、伝搬用光導波路部のコアとスポッ
ト変換部のコアは同種の材料でもよいし異なった材料と
してもよい。以上の説明においては光機能部はリッジ導
波路であったが、半導体レーザのような埋め込み導波路
の場合にも本発明は適用可能である。また本発明は半導
体光導波路のみでなく石英系光導波路にも適用できるこ
とは言うまでもない。

【００７６】（実施例１６）さて、例えば先に述べた本
発明の第８の実施例について説明すると、図２５の断面
図からわかるように、伝搬用光導波路部IIのコア２５と
スポット変換部IIIコア２５ａの厚みは異なっており、
かつ伝搬用光導波路部のコア２５の底面とスポット変換
部のコア２５ａの底面は同一平面内にある。従って、伝
搬用光導波路部IIのコア２５の中心とスポット変換部II
I のコア２５ａの中心は厚み方向において一致しておら
ず、伝搬用光導波路部IIとスポット変換部III を伝搬す
る光は上下方向に軸ずれしている。その結果、式（２）
にしたがって、軸ずれに起因する接続損失が生じる（伝
搬用光導波路部IIのコア２５の厚みが０．４μｍ、スポ
ット変換部III のコア２５ａの厚みが０．１５μｍの場
合には約０．７ｄＢ程度の結合損失となる）。

【００７７】図４０は本発明の第１６の実施例の斜視図
であり、上記の厚み方向のコアの軸ずれを解消するため
のものである。図４０のＢ−Ｂ′線における断面図を図
４１に示す。図４０および図４１からわかるように、本
実施例では、新たにＩｎＰなどのバッファ層３３を基板
２８上に設けており、スポット変換部III でのコアの厚
みを伝搬用光導波路部II（および光位相変調器部Ｉ）で
のコアの厚みより薄くしても、伝搬用光導波路部IIとス
ポット変換部III におけるバッファ層３３の厚みを異な
らしめることによって、スポット変換部III でのコア２
５ａと伝搬用光導波路部IIでのコア２５の厚み方向にお
ける中心を一致させることができる。従って、本実施例
の構造を用いることにより、伝搬用光導波路部IIとスポ
ット変換部III おけるコアの厚みを異ならしめたことに
起因する結合損失を解消することが可能になる。なお、
バッファ層３３を設けるとともに、伝搬用光導波路部II
とスポット変換部III におけるバッファ層３３の厚みを
異ならしめるかわりに、伝搬用光導波路部IIの基板２８
をエッチングしても、同様の効果がある。

【００７８】（実施例１７）図４２は本発明の第１７の
実施例の斜視図であり、図４３はそのＢーＢ′線におけ
る断面図である。この実施例では、薄膜コア３４をスポ
ット変換部のコア２５ａの上方にも設けている。本実施
例では、拡大スポット光導波路IVにおいて、光は共通コ
ア２６と薄膜コア３４に分布するため、拡大スポット光
導波路IVとスポット変換部III においても光の界分布の
中心を厚み方向に一致させることができ、一層の低損失
化が可能である。

【００７９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、拡
大スポット光導波路部の光導波路構造として厚さの薄い
コアで光を上下に閉じ込め、横方向にはリッジ構造で閉
じ込めているため、横方向への光のしみだしが少なく、
その結果、スポットサイズの大きな単一モード光導波路
を実現できる。さらに、スポット変換部のコアの厚みを
薄くした構造においては、スポットサイズの変換時の変
換損失が特に少なく、また拡大スポット光導波路がリッ
ジ構造を具備しているため、光機能部や伝搬用光導波路
部がリッジ構造を有する導波路デバイスについて、製作
性とスポットサイズ変換特性、伝搬損失の観点から特に
優れたスポット変換光導波路を実現することができると
いう効果がある。さらに、第２コアの厚み方向の中心を
第１コアの厚み方向の中心と一致するようにに配置する
ことにより、あるいは第２コアの上方に少なくとも第４
の薄膜状のコアを設けることにより、第２コアを伝搬す
る光の界分布の厚み方向の中心と第１コアを伝搬する光
の界分布の厚み方向の中心を一致させることができ、第
２コア部と第１コア部の接続部におけるコアの厚み方向
における軸ずれに起因する接続損失を低減することがで
きる、あるいは、第２コアを伝搬する光の界分布の厚み
方向の中心と、第３コアおよび第４コアを伝搬する光の
界分布の中心を厚み方向において一致させることができ
るので、第２コア部と、第３コア部および第４コア部の
コアの厚み方向の導波光の軸ずれに起因する接続損失を
低減することができるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明するための模式的断面およ
び屈折率分布を示す図である。

【図２】本発明のスポット変換光導波路の動作を説明す
る特性図である。

【図３】本発明のスポット変換光導波路の動作を説明す
る特性図である。

【図４】本発明の原理を説明するための模式的断面およ
び屈折率分布を示す図である。

【図５】本発明の第１の実施例の斜視図である。

【図６】本発明の第１の実施例の横断面図である。

【図７】本発明の第１の実施例の製作手順を説明する断
面図である。

【図８】本発明の第１の実施例の製作手順を説明する断
面図である。

【図９】本発明の第１の実施例の製作手順を説明する上
面図である。

【図１０】共通コアの厚みと変換されたスポットサイズ
の厚み方向大きさの関係を示す特性図である。

【図１１】リッジのクラッド幅と変換されたスポットサ
イズの横方向の大きさの関係を示す特性図である。

【図１２】本発明の第２の実施例の斜視図である。

【図１３】本発明の第３の実施例の斜視図である。

【図１４】本発明の第３の実施例の横断面図である。

【図１５】スポットサイズ変換用コアの厚みと厚み方向
のスポットサイズの関係を示す特性図である。

【図１６】リッジのクラッド幅とスポットサイズの関係
を示す特性図である。

【図１７】単一モードファイバとの結合におけるリッジ
幅と結合損失との関係を示す特性図である。

【図１８】本発明の第４の実施例の斜視図である。

【図１９】本発明の第４の実施例の変形例の斜視図であ
る。

【図２０】本発明の第５の実施例の斜視図である。

【図２１】本発明の第６の実施例の斜視図である。

【図２２】本発明の第７の実施例の斜視図である。

【図２３】深さ方向における光のパワー分布を示す図で
ある。

【図２４】本発明の第８の実施例の斜視図である。

【図２５】本発明の第８の実施例の断面図である。

【図２６】本発明の第８の実施例の製作法を説明する断
面図である。

【図２７】本発明の第８の実施例の製作法を説明する断
面図である。

【図２８】本発明の第８の実施例の製作法を説明する断
面図である。

【図２９】本発明の第８の実施例の製作法を説明する断
面図である。

【図３０】本発明の第８の実施例の動作を説明する特性
図である。

【図３１】本発明の第８の実施例の動作を説明する特性
図である。

【図３２】本発明の第８の実施例の動作を説明する特性
図である。

【図３３】本発明の第９の実施例の斜視図である。

【図３４】本発明の第１０の実施例の斜視図である。

【図３５】本発明の第１１の実施例の斜視図である。

【図３６】本発明の第１２の実施例の斜視図である。

【図３７】本発明の第１３の実施例の斜視図である。

【図３８】本発明の第１４の実施例の斜視図である。

【図３９】本発明の第１５の実施例の斜視図である。

【図４０】本発明の第１６の実施例の斜視図である。

【図４１】本発明の第１６の実施例の断面図である。

【図４２】本発明の第１７の実施例の斜視図である。

【図４３】本発明の第１７の実施例の断面図である。

【図４４】第１の従来例の模式的断面および屈折率分布
を示す図である。

【図４５】第２の従来例の模式的断面および屈折率分布
を示す図である。

【図４６】第３の従来例の斜視図である。

【図４７】第３の従来例の上面図である。

【図４８】第３の従来例の断面図である。

【図４９】第４の従来例の斜視図である。

【符号の説明】

１クラッド２コア３クラッド４光機能部のクラッド５光機能部のコア６伝搬用光導波路のコア７伝搬用光導波路のクラッド８スポットサイズ変換用光導波路のコア９伝搬用光導波路のコア１０スポット変換用光導波路のコア１１上部クラッド１２下部クラッド１３ＩｎＰ基板１４上部クラッド１５薄膜コア１６下部クラッド２１ｐ側電極２２ＩｎＧａＡｓキャップ層２３ｐ−ＩｎＰクラッド２４ｉ−ＩｎＰサイドクラッド２５ｉ−ＭＱＷ２６スポット変換用共通コア２７ｎ−ＩｎＰクラッド２８ｎ−ＩｎＰ基板２９ｎ側電極３０スポット変換用光導波路部のクラッド３１フォトレジスト３２領域選択成長用ＳｉＯ₂ マスク３３バッファ層３４薄膜コア

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者竹内博昭東京都千代田区内幸町１丁目１番６号日本電信電話株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】小さなスポットサイズの導波光が伝搬す
る第１コアを具備する伝搬用光導波路、導波光のスポッ
トサイズを変換する第２コアを具備するスポット変換
部、および大きなスポットサイズの導波光が伝搬する第
３コアを具備する拡大スポット光導波路を具備するスポ
ット変換光導波路において、前記第３コアは薄膜形状で
あり、前記拡大スポット光導波路は伝搬する導波光の横
方向閉じ込めのためのリッジ構造を有し、前記拡大スポ
ット光導波路における光のパワーが、深さ方向における
光のパワー分布のピーク値と前記ピーク値の半値との間
の少なくとも一部において前記パワー分布の深さ方向の
座標による２階微分が正である、深さ方向における前記
パワー分布の半値全幅でフィッティングしたガウス分布
よりも前記パワー分布が狭い、および前記ピーク値の１
／ｅ² の値とでフィッティングしたガウス分布の半値全
幅よりも前記パワー分布の前記半値全幅が狭い、のいず
れかの分布を有し、かつ前記拡大スポット光導波路にお
いて導波光がほぼ単一モード伝搬することを特徴とする
スポット変換光導波路。
【請求項２】前記リッジ構造が前記第３コア上に形成
された上部クラッドからなることを特徴とする請求項１
に記載のスポット変換光導波路。
【請求項３】前記リッジ構造が第３コアと該第３コア
上に形成された上部クラッドからなることを特徴とする
請求項１に記載のスポット変換光導波路。
【請求項４】前記リッジ構造の側面にさらにサイドク
ラッドを有することを特徴とする請求項１または２に記
載のスポット変換光導波路。
【請求項５】前記スポット変換部の前記第２コアの厚
みと幅の少なくとも一方が導波路先端部に向かって変化
していることを特徴とする請求項１から４のいずれかに
記載のスポット変換光導波路。
【請求項６】前記第１コアおよび前記第２コアが前記
第３コアと積層されていることを特徴とする請求項１か
ら５のいずれかに記載のスポット変換光導波路。
【請求項７】前記第１コアおよび第２コアと前記第３
コアの間に少なくとも一層の半導体層が設けられている
ことを特徴とする請求項６に記載のスポット変換光導波
路。
【請求項８】前記第第２コアおよび第３コアが共通の
下部クラッドの同一平面上に形成されていることを特徴
とする請求項１から５のいずれかに記載のスポット変換
光導波路。
【請求項９】前記第２コアの底面が前記第１コアの底
面より上方に配置されていることを特徴とする請求項１
から８のいずれかに記載のスポット変換光導波路。
【請求項１０】前記第２コアの上方に薄膜状の第４コ
アが少なくとも設けられていることを特徴とする請求項
１から９のいずれかに記載のスポット変換光導波路。