JP2003207684A

JP2003207684A - 光結合器及びその製造方法

Info

Publication number: JP2003207684A
Application number: JP2002005415A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Shimoda; 毅下田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2002-01-15
Filing date: 2002-01-15
Publication date: 2003-07-25
Anticipated expiration: 2022-01-15
Also published as: US7099540B2; US20030138216A1; JP3794327B2

Abstract

(57)【要約】【課題】比屈折率差が高い光導波路に対して光ファイ
バ結合損失を小さくでき、製造トレランスが高く、高歩
留まりであり、小型で位置トレランスも大きく、基板上
の任意の位置に形成可能なスポットサイズ変換機能を有
する光結合器及びその製造方法を提供する。【解決手段】同一基板上に比屈折率差が高い第１導波
路２１及びそれより比屈折率差が段階的に小さくなる第
２導波路２２乃至第４導波路２４を順次形成する。第１
導波路２１乃至第４導波路２４は光学的に結合されてお
り、比屈折率差が導波路端面５に向かうにつれて段階的
に小さくなっている。これにより、スポットサイズが導
波路端面５に向かって大きくなるように変換される。第
２導波路２２乃至第４導波路２４を形成したことによ
り、スポットサイズは滑らかに拡大され、光ファイバ２
６との結合損失が低減される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信などに使用
され、複数個の光導波路からなるスポットサイズ変換部
を有する光結合器及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】インターネットの急激な普及にともな
い、光通信システムの商用化展開が極めて急速に進んで
いる。通常の電話回線で１２万回線以上を伝送できる１
０Gb/sシステム等が多くの地域で導入されており、情報
伝送容量の拡大にあわせて、波長多重（ＷＤＭ）方式に
よって多重数倍の大容量化を図る方式が既に実用化され
るに至っている。このような大容量通信を実現する上で
欠くことができないのがＰＬＣ(Planar Lightwave Circ
uit)と呼ばれる光導波路デバイスである。

【０００３】ＰＬＣとしては、例えば、ＷＤＭ通信での
合分波機能をもつアレイ導波路格子（ＡＷＧ）と、双方
向の通信が要求されるアクセス系システムに使用される
送受信用回路等がある。これらのＰＬＣデバイスにおい
て強く求められているのが素子の小型化である。素子の
小型化によりボード内での素子の占有面積を低減するこ
とができ、更に１ウェハ当たりの素子収量を増加でき、
素子の低コスト化が可能となる。

【０００４】合波、分波及び分岐等の機能を有する光導
波路デバイスの素子サイズは、概略、曲線導波路部分の
曲率半径によって制限される。より小さな曲率半径でも
低損失な曲線導波路を形成するには、コア層とクラッド
層との比屈折率差Δを大きく設定すればよい。例えば、
通常石英系の光導波路で採用される比屈折率差Δが０．
７％程度の光導波路の場合、曲がり損失を０．１ｄＢ／
ｃｍ以内にするには、曲率半径を６ｍｍ以上とする必要
があるが、比屈折率差Δを１．５％とすることにより、
曲率半径を２ｍｍにすることが可能となる。更には、比
屈折率差Δを４％とすることにより、曲率半径を０．５
ｍｍにまで短くすることが可能である。

【０００５】しかし、比屈折率差Δを大きくすることに
よる弊害もある。一つには、ファイバとの結合損失が増
加することである。図１７に示すように、比屈折率差Δ
を大きくすると、伝搬光のシングルモード条件を満たす
ために、コア２０２０の断面サイズを小さくする必要が
あり、それに伴い光ファイバ２６のスポットサイズとの
違いによる結合損失が増加してしまい、素子サイズの小
型化を図ることはできても、光モジュールとしての損失
増加につながってしまう。

【０００６】別の弊害としては、導波路に間隙がある場
合、回折により結合損失が増大することである。例え
ば、図２０に示すように、導波路の一部に溝を作り、そ
の溝に光素子及び薄膜部材２３５０を挿入するようなハ
イブリッド実装構造がよく用いられる。薄膜部材２３５
０としては、例えば、波長フィルタ板及び波長板等が用
いられる。薄膜を実装する以外にも、アサーマル化のた
めに、溝に屈折率温度係数が負となるようなポリマー材
を充填するような構造も使用される。スポットサイズが
小さい高比屈折率差Δの構造では間隙での回折による光
の広がりが大きくなってしまい、導波路−光素子間又は
導波路−導波路間の結合損失が増大し、この弊害が極め
て大きい。

【０００７】いずれにしても、素子の小型化を図ること
ができても、モジュール全体の損失が大きければ、現実
的な使用には適さない。従って、小型でかつ低損失な光
モジュールを作製するために、導波路の曲線領域を高比
屈折率差Δにして曲率半径を低減するとともに、光ファ
イバ結合部及び導波路間隙付近等のスポットサイズを拡
大して、光導波路−光ファイバ間、又は光導波路間隙部
での結合損失を小さくするようなスポットサイズコンバ
ータ（以下、ＳＳＣ（Spot Size Converter）と略す）
が必要である。しかも、ＳＳＣは、素子端にだけ形成す
るとは限らないので、ウェハ内の任意の位置に形成可能
であることが必要である。

【０００８】従来より、ＳＳＣとして、光伝搬方向に対
し、ファイバ結合部に近づくに従って導波路幅をテーパ
状に大きくしていく方法が知られている。以下、この方
法を先広がり型ＳＳＣと呼ぶ。この方法は導波路幅を変
えるだけであるため、通常のフォトリソグラフィを用い
て作製可能であり、ＳＳＣのない通常の導波路作製と比
較して工数の増加は全くない。従って、この方法は量産
性が優れた方法といえる。更に、ＳＳＣ長は１ｍｍ以下
にすることができるため、ＳＳＣを搭載することによる
素子面積の増加はほとんどない。従って、この方法はモ
ジュールの小型化が容易な方法である。

【０００９】しかしながら、この先広がり型ＳＳＣは、
光導波路の幅方向にしかスポットが広がらないため、１
％を超えるような高比屈折率差Δの光導波路に対して
は、実際には結合損失はあまり低減できない。例えば、
コア幅及び高さが３μｍで比屈折率差Δが１．９％の光
導波路を例にとると、シングルモードファイバとの結合
損失は２．７ｄＢ程度であるが、この方法であると、結
合損失を１．５ｄＢ程度までにしか低減できない。

【００１０】図１８は先広がり型ＳＳＣの欠点を補う方
法として、上述とは逆に、導波路幅を導波路端面５に近
づくに従ってテーパ状に小さくしていく従来例である。
以下、この方法を先すぼみ型ＳＳＣと呼ぶ。この方法は
図１７に示す従来例と全く同じ長所を有する上に、光フ
ァイバ２６との結合損失も、先広がり型ＳＳＣと比較し
て低減可能である。これは伝搬光の閉じ込めが弱まり、
スポットが高さ方向にまで広がるためである。例えば、
上述の比屈折率差Δが１．９％の光導波路とファイバと
の結合損失は０．７ｄＢ程度にまで低減可能であり、実
用上有効な方法である。

【００１１】更に、他の方法として、図１９に示すよう
に、高比屈折率差Δの導波路基板２２１０と光ファイバ
２６との間に、その中間の比屈折率差Δ値を有する入出
力用導波路基板２２１１を挿入する方法が、例えば、高
木ら（２００１年秋電子情報通信学会Ｃ−３−９０）に
よって提案されている。高比屈折率差Δの導波路基板２
２１０と入出力用導波路基板２２１１は出力光をモニタ
リングしながら位置合わせされ、接着剤により接合され
る。この方法は比屈折率差Δの変化を２段階にすること
により、直接高比屈折率差Δの導波路基板２２１０と光
ファイバ２６を結合する場合と比較してモード不整合を
低減し、結合損失の低減を図るものである。光軸ずれに
よる過剰損失を考慮すると、上記例の結合損失は０．８
ｄＢ程度に低減できる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、先すぼみ
型ＳＳＣは、先広がり型ＳＳＣに比べて、結合損失の低
減が可能であるが、この方法でも近時の低損失化の要求
を十分に満足できる程度に結合損失を低減できる訳では
ない。モジュール低損失化のためには結合損失を更に低
減する必要がある。先すぼみ型ＳＳＣは、先端の導波路
幅を小さくする程、スポットを広げることができる。と
ころが、導波路幅をある限界値よりも小さくすると、伝
搬光は放射モードとなり、結合損失は逆に増大する。従
って、結合損失の低減にも限界があるという問題があ
る。先すぼみ型ＳＳＣの別の問題点は、比屈折率差Δが
大きくなるほど高い加工精度が要求され、良品歩留まり
が低下することである。ＰＬＣ素子を更に一層小型化す
るためには、一層高い比屈折率差Δにも対応可能なＳＳ
Ｃが必要である。例えば、１．５％以上の比屈折率差Δ
に適用するには、先すぼみ型ＳＳＣを用いた場合、ＳＳ
Ｃ先端の導波路幅を１μｍ以下にまで小さくしなければ
ならない。３％以上の比屈折率差Δに対しては、先端の
導波路幅を０．５μｍ以下にする必要がある。このよう
なサブミクロンのオーダーの加工は、現行の導波路プロ
セスにおいては歩留まりよく再現することは困難であ
る。

【００１３】一方、入出力導波路基板２２１１を使用し
た方法は以下のような問題点がある。先ず、高比屈折率
差Δの導波路基板２２１０と入出力導波路基板を接続す
るのに少なからぬ工数の増大がある。高比屈折率差Δに
なるほどＰＬＣ素子接続時に位置ずれに対する許容値
（トレランス）は小さくなり、位置合わせが困難にな
る。また、入出力導波路基板２２１１の分だけ全体の素
子サイズが大型化する。更に、このような入出力導波路
基板２２１１を用いた構造は光ファイバ接続部のような
素子端部以外に使用することはできない。従って、導波
路に間隙がある場合に、回折による光の広がりを抑える
ように、基板上の任意の位置にＳＳＣを作り込むことは
不可能である。

【００１４】以上、光ファイバ等、導波路よりスポット
サイズが大きい素子との結合損失を低減するためのＳＳ
Ｃの必要性とその問題点について述べた。一方、導波路
よりもスポットサイズが小さい素子との結合を行うケー
スもある。このような場合、結合損失を低減するために
は、上述とは逆に、導波路端面近傍でのスポットサイズ
を縮小するようなＳＳＣも必要となる。このようなＳＳ
Ｃは従来あまり考えられていなかった。

【００１５】この他にも、高比屈折率差Δ化による問題
点が顕在化してきている。例えば、方向性結合器等の近
接導波路による光干渉回路においては、高比屈折率差Δ
の導波路を用いると、結合長が極めて長くなり、その結
果、素子サイズが増大してしまうという別の問題点もあ
った。高比屈折率差Δ化した場合、同じ結合長を得るた
めには、方向性結合器の導波路間ギャップを小さくしな
ければならないが、最小ギャップはパターニングの精度
によって制限されているため、結合長を増大せざるを得
ない。

【００１６】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、高比屈折率差Δの導波路に対して、従来の
先細り型ＳＳＣよりも光ファイバとの結合損失を小さく
でき、製造トレランスが高く、高歩留まりであり、入出
力導波路基板を用いた方法に比べて小型で位置トレラン
スも大きく、基板接続工程がない１素子内蔵型のＳＳＣ
を有する光結合器及びその製造方法を提供することを目
的とする。

【００１７】また、本発明の他の目的は、導波路間に間
隙があるような場合にも適用可能であり、基板上の任意
の位置に形成可能なＳＳＣを有する光結合器及びその製
造方法を提供することにある。

【００１８】更に、本発明の更に他の目的は、導波路よ
りもスポットサイズが小さい光素子との結合損失を低減
するため、スポットサイズを縮小可能なＳＳＣを有する
光結合器及びその製造方法を提供することにある。

【００１９】更にまた、本発明の更に他の目的は、更
に、高比屈折率差Δの導波路に対して、近接導波路干渉
回路の素子の増大化を抑えるためのＳＳＣを有する光導
波路を提供することを目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る光結合器
は、コア及びクラッドからなる複数個の光導波路が相互
に光学的に結合するように同一基板上に形成され、各光
導波路を伝搬する光のスポットサイズが光出射端面に向
かって順次拡大されるスポットサイズ変換部を有し、前
記各光導波路は、前記光出射端面に向かって、比屈折率
差が順次小さくなるように配列されていることを特徴と
する。

【００２１】前記光結合器において、前記複数の光導波
路は、同一のクラッド材及び異なる屈折率のコアによっ
て形成することが可能である。また、前記光結合器にお
いて、前記複数の光導波路は、同一のコア材及び異なる
屈折率のクラッドによって形成することも可能である。

【００２２】また、好適には、前記複数の光導波路のう
ち、少なくとも一つの光導波路のコアの幅が伝搬方向に
対して部分的にテーパ状に広げられているか、又は狭め
られている。

【００２３】また、本発明の他の光結合器は、コア及び
クラッドからなる複数個の光導波路が相互に光学的に結
合するように同一基板上に形成され、各光導波路を伝搬
する光のスポットサイズが光出射端面に向かって順次拡
大されるスポットサイズ変換部を有し、前記コアは、前
記光出射端面に向かって、屈折率が順次小さくなるよう
に配列されており、前記コアの幅は前記光出射端面に近
づくに従い、屈折率が高い側では部分的にテーパ状に狭
められ、屈折率が低い側では部分的にテーパ状に広げら
れていることを特徴とする。

【００２４】本発明の光結合器によれば、前記光出射端
面の近傍において、光導波路のスポットサイズよりも大
きいスポットサイズを有する光素子又は光部品と光学的
に結合しているか、又は前記端面から自由伝搬による放
射を伴う時に低損失の光結合回路を形成できる。特に、
光ファイバと前記光出射端面において光学的に結合する
ことができる。

【００２５】更に、光導波路が基板上で間隙を挟んで相
対して光学的に結合しており、前記間隙には、薄膜部材
が実装されているか、又はポリマー樹脂が充填されてい
ることを特徴とする光結合回路を形成できる。

【００２６】一方、本発明に係る更に他の光結合器は、
コア及びクラッドからなる複数個の光導波路が相互に光
学的に結合するように同一基板上に形成され、各光導波
路を伝搬する光のスポットサイズが光出射端面に向かっ
て順次縮小されるスポットサイズ変換部を有し、前記各
光導波路は、前記光出射端面に向かって、比屈折率差が
順次大きくなるように配列されていることを特徴とす
る。

【００２７】好適には、本光結合器は、前記複数の光導
波路のうち、少なくとも一つの光導波路のコアの幅が前
記端面に近づくに従い部分的にテーパ状に狭められてい
ることを特徴とする。

【００２８】この光結合器は、前記端面近傍において、
該光導波路のスポットサイズよりも小さいスポットサイ
ズを有する光素子又は光部品と光学的に結合することが
できる。

【００２９】また、本発明に係る更に他の光結合器は、
コア及びクラッドからなる複数個の光導波路が相互に光
学的に結合するよう形成され、更に並列する光導波路の
コアとの間で近接導波路干渉回路を構成する光結合器に
おいて、前記干渉回路を含む領域にて前記光学的に結合
する光導波路はそのコアの比屈折率差が相互に異なるも
のであることを特徴とする。

【００３０】好適には、前記異なる比屈折率差を有する
複数の光導波路において、比屈折率差の小さい光導波路
のコアの厚さが、比屈折率差の大きい光導波路のコアの
厚さよりも厚いことを特徴とする。

【００３１】更に好適には、前記異なる比屈折率差を有
する複数の光導波路の結合部において、少なくとも一方
のコアの結合面が基板に垂直な方向に対して斜めに形成
されていることを特徴とする。

【００３２】また、本発明に係る光結合器の製造方法
は、基板上でコア及びクラッドからなり、同一基板上で
光学的に結合された複数の段階的に異なる屈折率を有す
るコアからなり、スポットサイズ部分的に拡大されてな
るスポットサイズ変換部を有する光導波路の製造方法に
おいて、下クラッド及びコア層を成膜し、前記スポット
サイズ変換部を含む前記コア層の一部を除去する工程、
前記コア層より屈折率の低い低屈折率コア層を成膜する
工程、前記コア層上に成膜された余分な前記低屈折率コ
ア層を除去する工程を含むことを特徴とする。

【００３３】好適には、前記コア層上に成膜された前記
低屈折率コア層を除去する際に、前記コア層と前記低屈
折率コア層との境界部に０．５〜５μｍの間隙を形成す
ることを特徴とする。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本
発明の第１実施例に係る光結合器を示す上面図である。
基板（図示せず）上に、コア及びクラッドからなる複数
個（ｎ個）の第１光導波路１１、第２光導波路１２、・
・・第（ｎ−１）光導波路１３、及び第ｎ光導波路１４
が形成されており、最終光導波路１４の光出射端面が導
波路端面５（光結合器の光出射端面）となっている。

【００３５】第１光導波路１１は第１クラッド１１１と
第１コア１１２とを有し、第２光導波路１２は第２クラ
ッド１２１と第２コア１２２とを有し、第（ｎ−１）光
導波路１３は第（ｎ−１）クラッド１３１と第（ｎ−
１）コア１３２とを有し、第ｎ光導波路１４は第ｎクラ
ッド１４１と第ｎコア１４２とを有する。

【００３６】これらの光導波路１１乃至１４は、相互に
光学的に結合するように、基板上に配列されている。な
お、導波路端面５から遠いものから順に、第１、第２、
・・・第（ｎ−１）、第ｎ番目の光導波路と名付ける。
このｎ種類の光導波路は、コアとクラッドとの比屈折率
差Δが相互に異なり、夫々Δ(1)、Δ(2)、・・・、Δ(n
-1)、Δ(n)とする。図中のグラフに示すとおり、比屈折
率差Δは導波路端面５に近づくに従い、順次、段階的に
小さくなるように、即ち、Δ(1)＞Δ(2)＞、・・・、＞
Δ(n-1)＞Δ(n)となるように配列されている。

【００３７】曲がり導波路等のデバイスの主要部分は、
主に比屈折率差Δが最も高い第１光導波路１１によって
構成され、第２〜第ｎ光導波路１２乃至１４は導波路端
面５の近傍に形成される。図１中には各光導波路におい
て、光導波路中を伝搬する光のモードフィールドを表す
概略図も示してある。伝搬光のスポットサイズは高比屈
折率差Δの光導波路では小さいが、低比屈折率差Δの光
導波路側に伝搬するに従い、順次拡大される。

【００３８】このように構成された本実施例の光結合器
は、導波路端面５の付近で第１光導波路１１よりもスポ
ットサイズが大きい光部品６と光導波路を低損失で結合
する場合か、又は導波路端面５から自由伝搬ビームが放
射されるような場合に適する。

【００３９】図２は本発明の第２の実施例に係る光結合
器の上面図である。この構成は第１の実施例とは全く逆
で、比屈折率差Δは導波路端面５に近づくに従い、順
次、段階的に大きくなるように、即ち、Δ(1)＜Δ(2)
＜、・・・、＜Δ(n-1)＜Δ(n)となるように配列されて
いる。図２に示すように、第１光導波路１５（第１クラ
ッド１５１，第１コア１５２），第２光導波路１６（第
２クラッド１６１、第２コア１６２），第（ｎ−１）光
導波路１７（第（ｎ−１）クラッド１７１、第（ｎ−
１）コア１７２）及び第ｎ光導波路１８（第ｎクラッド
１８１、第ｎコア１８２）が、基板上に相互に光学的に
結合するように配置されており、最終光導波路１８の光
出射面が導波路端面５となっている。

【００４０】このように構成された第２実施例の光結合
器においては、伝搬光のスポットサイズは低比屈折率差
Δの光導波路１５では大きく、導波路端面５側の高比屈
折率差Δの光導波路１８側に伝搬するに従い、順次縮小
される。このため、本実施例の光結合器は、第１光導波
路１５よりもスポットサイズが小さい光部品１６と光導
波路を低損失で結合する場合に適する。

【００４１】以上のように、本発明は、光導波路と光部
品との結合等のように、そのスポットサイズに大きなミ
スマッチがある場合に、１つ以上の両者の中間の比屈折
率差Δを有する光導波路を、比屈折率差Δが大きい順又
は小さい順に並べ、この光導波路と同一基板上に集積し
て、低損失でスポットサイズの拡大又は縮小を行うもの
である。

【００４２】図１５は本発明による光結合器を用いて高
比屈折率差Δの光導波路とシングルモードファイバとの
結合損失をビーム伝搬法を用いてシミュレーションした
結果を示す。同図において、横軸は伝搬方向の切断位置
Ｚ、縦軸は結合損失である。この結合損失は、高比屈折
率差Δの導波路と低比屈折率差Δの導波路との結合損失
と、光ファイバとの結合損失の和である。高比屈折率差
Δの導波路のテーパの起点をｚ＝０とし、伝搬方向に進
むに従い、Ｚは増加する。第一の実施例の場合Ｚ＝２ｍ
ｍで光ファイバと結合する。Ｚ＝０、即ちＳＳＣが何も
ないときの結合損失は２．７ｄＢであるのに対し、Ｚ＝
１ｍｍの手前までに約１ｄＢにまで減少する。これは高
比屈折率差Δの導波路の先すぼみ型ＳＳＣの効果であ
る。Ｚ＝１ｍｍで低比屈折率差Δの導波路に結合し、そ
こでは結合損失は約０．５ｄＢにまで減少する。この高
比屈折率差Δの導波路とファイバの中間の比屈折率差Δ
の存在により、モードミスマッチは低減する。更に、低
比屈折率差Δの導波路の先広がり型ＳＳＣにより結合損
失は約０．３ｄＢまで減少することが分かる。以上によ
り、本発明に係るＳＳＣを用いた光導波路により、光フ
ァイバとの結合損失は２．７ｄＢから０．３ｄＢにまで
低減できることが分かった。従って、従来の先すぼみ型
ＳＳＣによる結合損失の最低値０．７ｄＢよりも大幅に
結合損失を低減できる。

【００４３】図１６は本発明によるＳＳＣを用いた光導
波路と従来の先すぼみ型ＳＳＣの光ファイバ結合損失を
比較した図である。同図に示されるように、本発明によ
るＳＳＣでは比屈折率差Δが０．６５％〜４％と極めて
大きな値にいたるまでほとんど結合損失の増加は見られ
ず、比屈折率差Δが４．０％の場合においても、０．４
ｄＢという低い値である。一方、従来の先すぼみ型ＳＳ
Ｃでは、比屈折率差Δが０．６５％の場合は、本発明に
よる光導波路とほとんど同じであるものの、比屈折率差
Δの増加に伴い、急激に増加し、比屈折率差Δが４％の
場合においては、２ｄＢを超えてしまうことが分かる。
従って、本発明に係るＳＳＣを用いた光導波路は、極め
て広い比屈折率差Δの範囲に対して、結合損失の低減に
有効である。

【００４４】次に、図１に示す第１実施例を４段の光導
波路２１，２２，２３，２４に更に具体化した第３実施
例について図３を参照して説明する。図３はこの第３の
実施例に係る光結合器を示す上面図である。基板上に第
１〜第４光導波路の４種類の光導波路を形成した。図中
のグラフに示すように導波路端面５に近づくに従い、各
光導波路の比屈折率差Δは、例えば、Δ(1)＝２％、Δ
(2)＝１．５％、Δ(3)＝１．０％、Δ(4)＝０．５％と
段階的に減少するように配列されている。

【００４５】第２乃至第４の各光導波路２１乃至２４
は、夫々、例えば、長さが500μｍ、コアは幅、厚さと
も３μｍである。基板には例えばシリコン基板を使用
し、クラッド２１１等には、上下とも、例えばＢＰＳＧ
膜（厚さ１０μｍ）を使用し、コア２１２等にはＧＰＳ
Ｇ膜を使用する。これらのクラッド及びコアの成膜には
常圧ＣＶＤ法を使用することができる。

【００４６】第１〜第４光導波路まで導波路毎に比屈折
率が異なるクラッド及びコアを用いた。波長１．５５μ
ｍでの比屈折率は例えば次のとおりである。即ち、第１
クラッド２１１から第４クラッド２４１まで順に、比屈
折率が１．４４５、１．４７２、１．４５２、１．４６
０であり、第１コア２１２から第４コア２４２まで順
に、比屈折率が１．４７４、１．４７２、１．４６７、
１．４６７である。なお、比屈折率差Δが上述のもので
あれば、特にコア及びクラッドの比屈折率自体は問わな
い。また、コアの幅も比屈折率差Δに応じて変化しても
構わない。

【００４７】上述の数値条件を有する第３実施例の光結
合器の場合、光ファイバ２６との結合損失は第１の光導
波路２１と直接結合した場合の２．７ｄＢから０．５ｄ
Ｂにまで改善される。

【００４８】図４は本発明の第４実施例に係る光結合器
を示す上面図である。この第４実施例が図３に示す第３
実施例と相違する点は、第１〜第４光導波路において、
クラッドは全て同一膜を用い、コアのみ屈折率を変えた
点である。その他の構成及び材料は第１の実施例と同じ
である。屈折率は、例えば、クラッド３１が１．４４
５、第１コア３２１が１．４７４、第２コア３２２が
１．４６７、第３コア３２３が１．４６０、第４コア３
２４が１．４５２である。

【００４９】ＣＶＤ法などではこのようにクラッド３１
を一括して成膜した方が容易である。結合損失は、大
略、比屈折率差Δのみで決定されるので、本第４実施例
の場合も、上記数値条件で、結合損失は０．５ｄＢが得
られる。

【００５０】図５は本発明の第５の実施例を示す光結合
器の上面図である。図３に示す第３の実施例との違い
は、第１〜第４光導波路において、コア４２は全て同一
膜を用い、クラッドのみ屈折率を変えた点である。即
ち、屈折率は、例えば、コア４２が１．４７５、第１ク
ラッド４１１が１．４４６、第２クラッド４１２が１．
４５３、第３クラッド４１３が１．４６０、第４クラッ
ド４１４が１．４６８である。その他の構成は上記第３
実施例と同じである。

【００５１】本第５実施例の場合、各導波路間でのコア
４２の連結部がなくなるため、それに伴う過剰損失を低
減できる。従って、上記数値条件の場合、結合損失は
０．４ｄＢが得られた。

【００５２】図６は第６の実施例を示す光結合器の上面
図である。図３に示す第３実施例との違いは、第１〜第
４各導波路のいずれか一つ以上のコアの一部又は全てに
おいて、コア幅を変化させ、コアに幅方向のテーパ形状
を与え、ＳＳＣ機能を高めた点である。テーパはスポッ
トサイズが広がる方向であれば、先すぼみ型でも先広が
り型でも構わない。

【００５３】本第６実施例において、図中に示す各導波
路の始点と終点の幅、w10,w11,w20,w21,w30,w31,w40,w4
1は、例えば、夫々３μｍ、１．６μｍ、２μｍ、４μ
ｍ、４μｍ、５μｍ、８μｍである。この数値条件にお
いて、全て直線テーパを用い、各テーパの長さを５００
μｍとし、その他の寸法は第４の実施例と同じにした場
合、結合損失は０．３ｄＢが得られた。

【００５４】図７は本発明の第７の実施例を示す光結合
器の側面断面図である。第４の実施例に加え、光伝播方
向の厚さも変化させたものである。基板５３上に下クラ
ッド５１１及び上クラッド５１２を導波路端面５側に向
けて段階的に薄くなるように形成し、第１コア５２１、
第２コア５２２、第３コア５２３及び第４コア５２４を
段階的に厚くなるように形成し、光導波路全体の厚さを
均一にしたものである。この場合に、上クラッド５１２
と下クラッド５１１の屈折率ｎ（０）は同一である。ま
た、第１乃至第４コアと、上クラッド５１２及び下クラ
ッド５１１との比屈折率差Δは、第１コア５２１の方が
第４コア５２４より大きく、逆に、第１乃至第４コアの
膜厚は、比屈折率差Δが小さいほど、厚くする。

【００５５】例えば、各コアの膜厚t1,t2,t3,t4を夫々
３μｍ、４．５μｍ、５μｍ、６μｍとする。各導波路
内での膜厚は一定である。その他の構成は、第６の実施
例と同じである。その結果、この数値条件において、結
合損失は０．２ｄＢにまで低減された。

【００５６】図８は第８の実施例を示す光結合器の側断
面図である。この第８実施例は、第７実施例に加え、各
コア連結部の少なくとも一ヶ所に間隙を与え、なおか
つ、コア連結面に基板垂直方向に対して傾斜を与えたも
のである。全連結部（３ヶ所）に対して行うことが望ま
しいが、一ヶ所でもよい。これは複数のコアを成膜及び
エッチングする際に重なった部分に発生する突起状の残
留膜を除去する効果と、傾斜によって伝搬光の反射によ
る戻りを低減する効果がある。

【００５７】例えば、３ヶ所の連結部に対して間隙ｇ１
＝ｇ２＝ｇ３＝１．５μｍとし、コア連結面の傾斜角θ
は８０度とした場合、損失は０．２ｄＢ、反射光クロス
トークが−３０ｄＢから−５０ｄＢに低減される。間隙
ｇは狭すぎると、残留膜が除去できず、広すぎると過剰
損失となる。本発明者の評価によると、間隙ｇは０．５
〜５μｍ、傾斜角は７５〜８８が適切であることが分か
った。

【００５８】図９は本発明の第９の実施例に係る光結合
器を示す図であり、（ａ）が上面図、（ｂ）が側面断面
図、（ｃ）がコアとクラッドの屈折率分布である。上述
の各実施例では、比屈折率差Δが異なる４つの導波路を
用いた例を示してきた。ここで問題となるのが、導波路
数を増やせば増やすほどモードミスマッチは低減する
が、プロセス工数が増加する点である。可能な限り少な
いステップで作製可能であることが望まれる。

【００５９】本発明者は２つ導波路（n=2）を用いた構
造で低損失化できる条件をシミュレーションと実験によ
り導出した。クラッドには上下とも屈折率１．４５０の
ＢＰＳＧを用いた。成膜には常圧ＣＶＤ法を用いた。第
１コアには屈折率１．４８０のＳｉＯＮを用いた。第２
コアには屈折率１．４６２のＳｉＯＮを用いた。比屈折
率差Δは第１及び第２導波路で夫々２％及び０．８％で
ある。第１コアは、先すぼみ型ＳＳＣを用い、厚さt1、
幅w10とも３．０μｍ、ＳＳＣの先端の幅w11は１．４μ
ｍとした。第２コアは先広がりＳＳＣを用い、厚さ５．
５μｍ、始点の幅w20が５．５μｍ、導波路端面５近傍
での幅w21は１０μｍとした。第１コアと第２コアの連
結部のギャップｇは２μｍとし、コア連結面の傾斜角θ
は両コアとも８０度とした。以上により結合損失０．２
８ｄＢが得られた。

【００６０】本実施例では、第1コアの先すぼみ型ＳＳ
Ｃ先端幅を１．４μｍとした。通常の先すぼみ型ＳＳＣ
のみ使用時では先端幅を０．９μｍにしても結合損失が
０．７ｄＢ程度までしか得られない。本発明者の評価に
よると幅１．２μｍ以上であればほとんど歩留まりは問
題なくなる。本発明による光結合器を用いることによ
り、プロセス再現上、非常に安定した領域を使用でき、
その上大幅な損失低減が実現できる。

【００６１】図１０は本発明の第１０実施例を示す光結
合回路の側面断面図である。導波路の一部にダイシング
により溝を形成し、この溝に半波長板を挿入し、接着剤
で固定する。同図に示すように、溝の前後に第９の実施
例の光結合器を形成する。半波長板内では伝搬光は閉じ
込めがない自由伝搬となる。図２０に示す従来の構成で
は、回折が大きく、間隙３０μｍに対して過剰損失が
１．５ｄＢだったのに対し、本第１０実施例の光結合器
においては、溝の前後のスポットサイズが拡大され、過
剰損失は０．３ｄＢに減少した。なお、同様の光結合回
路として、例えば、溝にポリマーを充填した構造も同様
に自由伝搬となるが、同様に低損失化可能である。

【００６２】図１１は本発明の第１１実施例を示す光結
合器の上面図である。基板上に第１〜第４光導波路の４
種類の光導波路を形成した。図中のグラフに示すように
導波路端面５に近づくに従い、各導波路のΔは、例え
ば、Δ(1)＝０．７％、Δ(2)＝１．２％、Δ(3)＝１．
７％、Δ(4)＝２．２％と段階的に増加するように構成
する。第２〜第４の各導波路は、夫々、例えば、長さは
500μｍ、コアは幅及び厚さがいずれも３μｍである。
基板にはシリコン、クラッドには上下ともＢＰＳＧ膜１
０μｍ、コアにはＧＰＳＧ膜を用いた。成膜には常圧Ｃ
ＶＤ法を用いた。第１〜第４光導波路まで同一のクラッ
ド及び導波路毎に異なる屈折率のコアを用いた。波長
１．５５μｍでの屈折率は、クラッドが１．４４５、第
１コアが１．４５５、第２コアが１．４６３、第３コア
が１．４７０、第４コアが１．４７７である。なお、比
屈折率差Δが上記のものを用いれば、特にコア及びクラ
ッドの屈折率は問わない。勿論、クラッドを導波路毎に
別々の膜にしても構わない。また、コアの幅もΔに応じ
て変化しても構わない。導波路端面５の近傍にて半導体
光素子７６と端面間距離５μｍで光学的に結合させた。
半導体光素子としては本実施例ではスポットサイズ変換
半導体光アンプ素子を用いた。素子との結合損失は第１
の導波路と直接結合した場合の３．０ｄＢから１．２ｄ
Ｂにまで改善された。

【００６３】図１２は本発明の第１２実施例を示す光結
合器の上面図である。本第１２実施例が第１１実施例と
異なるのは、第１〜第４の各導波路に端面５に向かって
狭めるような幅方向のテーパを付けていることである。
導波路端面付近では、例えば、幅が２μｍである。これ
により、結合損失は０．９ｄＢにまで改善される。

【００６４】以上、本発明による光結合器を用いれば、
スポットサイズを縮小も容易に可能であり、導波路より
スポットサイズの小さい半導体光素子との結合損失の低
減も可能である。なお、第１１及び第１２の実施例で
は、第７の実施例で示したのと同様に、比屈折率差Δに
よって膜厚を変えることにより、即ち、比屈折率差Δが
低いときは厚く、高いときは薄くすると、スポットサイ
ズ変換の効果が高い。

【００６５】図１３は本発明の第１３実施例を示す光導
波路の上面図である。クラッド１０１０内の第１コア１
０２１及び第２コア１０２２からなる光導波路により方
向性結合器が構成されている。第１コア１０２１及び第
２コア１０２２は光学的に結合され、並列する光導波路
の第２コア１０２２同士により近接導波路干渉回路が構
成されている。

【００６６】例えば、第１コア１０２１は屈折率１．４
８０、幅及び厚さが２．５μｍのＳｉＯＮを使用し、第
２コア１０２２には屈折率１．４６０、幅及び厚さが
５．５μｍのＢＰＳＧを使用する。例えば、クラッド１
０１０は上下とも１．４５０とする。従って、第１、第
２コアの比屈折率差はそれぞれ２％、０．７％である。
第１コアと第２コアの連結部は第９の実施例に示す構造
と同じにした。

【００６７】通常のフォトリソグラフィにおいては高精
度で安定して再現できる近接導波路間ギャップは２μｍ
程度である。従って、方向性結合器を作製するにはこれ
以下にギャップを低減することは避けざるを得ない。こ
のときの完全結合長は第１コアのみで構成すると５ｍｍ
もの長さになる。しかし、本第１３実施例においては、
上記数値条件で、５００μｍに低減することが可能とな
る。

【００６８】図１４（ａ）乃至（ｅ）は本発明の第１４
の実施例を示す光結合器の製造方法を工程順に示す側面
断面図である。図１４（ａ）に示すように、基板１１１
０上に、例えば、下クラッド１１２１としてＢＰＳＧを
１０μｍ及び第１コア層１１３１としてＳｉＯＮを３μ
ｍの厚さに成膜する。成膜には例えばプラズマＣＶＤ法
を使用する。この他に、ＦＨＤ法、ＣＶＤ法、スパッタ
リング法等が適用できる。

【００６９】次いで、図１４（ｂ）に示すように、第２
コア１１３４を形成する領域の余分な第１コア層１１３
１をエッチングにより除去する。エッチングの深さは例
えば４．２５μｍである。

【００７０】次いで、図１４（ｃ）に示すように、第２
コア層１１３２を例えば５．５μｍ成膜する。

【００７１】次いで、図１４（ｄ）に示すように、第１
コア層１１３１の上部に成膜された余分な第２コア層１
１３２を除去する。上記余分な第２コア層１１３２の除
去には、通常のフォトリソグラフィ及びリアクティブイ
オンエッチング（ＲＩＥ）が適用できる。余分な第２コ
ア層１１３２の除去の際には、第１コア層１１３１との
境界部分にある程度間隙を設けることで、凸状の残留膜
が残らず、良好な形状となることが分かった。但し、あ
まり空隙を広くすると、伝搬光の過剰損失が増加する。
本発明者の評価によりこの間隙は０．５〜５μｍが適切
であることが分かった。また、好適には、余分な高比屈
折率差Δの導波路のコア膜及び低比屈折率差Δの導波路
のコア膜のいずれか又は両方の除去の際には、基板垂直
方向に対して斜めにエッチングしてエッチング面を形成
するとよい。これは境界部での伝搬光の反射を低減する
ためである。以上により２つの導波路の厚さ方向は中心
位置が一致するようになる。位置精度はエッチング深さ
精度及び成膜時の膜厚精度に依存するが、両者ともに通
常±３％程度以下の精度が容易に得られるため、軸ずれ
は高々０．２μｍ程度である。

【００７２】次に、全てのコアの幅方向のパターニング
を一括してフォトリソグラフィ及びＲＩＥを用いて行
う。一括したパターニングなので２つのコアの幅方向の
軸ずれは全くない。

【００７３】最後に、図１４（ｅ）に示すように、上ク
ラッド１１２２を成膜し、第１コア１１３３及び第２コ
ア１１３４を上クラッド１１２２と下クラッド１１２１
との間に埋め込んで、光結合器が完成する。

【００７４】以上は２種類のコアを形成する場合の例を
説明したが、さらに多種類のコアを形成する場合は、コ
アの幅方向のパターニングの前に余分な膜の除去及び成
膜行程を繰り返せばよい。なお、上述の各使用材料、膜
厚、成膜方法、エッチング方法等は、全て一例であり、
本発明による製造方法を使用する限り、自由に選ぶこと
ができる。

【００７５】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明により、高
比屈折率差Δの導波路に対して従来よりも光ファイバ結
合損失を小さくでき、製造トレランスが高く、高歩留ま
りであり、小型で位置トレランスも大きく、１素子内蔵
型で、基板上の任意の位置に形成可能なスポットサイズ
拡大機能を有する光結合器とその製造方法を得ることが
できる。また、本発明による光結合器を用いれば、比屈
折率差Δを広範囲にわたって増加しても、結合損失はほ
とんど増加しない。また、本発明による光結合器を用い
れば導波路の一部に薄膜等を実装した導波路回路におい
て、回折による損失の増加をおこすことなく、高比屈折
率差Δの導波路回路を形成することが可能である。ま
た、本発明により導波路よりもスポットサイズが小さい
光素子に対して結合損失を低減できるスポットサイズ縮
小機能を有する光結合器とその製造方法を得ることがで
きる。更に、本発明による光結合を用いれば、導波路回
路の一部を低比屈折率差Δの導波路に置き換えることが
可能であり、方向性結合器等の素子サイズを低減するこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る光結合器を示す上
面図である。

【図２】本発明の第２の実施例に係る光結合器を示す上
面図である。

【図３】本発明の第３の実施例に係る光結合器を示す上
面図である。

【図４】本発明の第４の実施例に係る光結合器を示す上
面図である。

【図５】本発明の第５の実施例に係る光結合器を示す上
面図である。

【図６】本発明の第６の実施例に係る光結合器を示す上
面図である。

【図７】本発明の第７の実施例に係る光結合器を示す側
面断面図である。

【図８】本発明の第８の実施例に係る光結合器を示す側
面断面図である。

【図９】（ａ）乃至（ｃ）は夫々本発明の第９の実施例
に係る光結合器を示す上面図、側面断面図及び屈折率を
示す図である。

【図１０】本発明の第１０の実施例に係る光結合器を示
す側面断面図である。

【図１１】本発明の第１１の実施例に係る光結合器を示
す上面図である。

【図１２】本発明の第１２の実施例に係る光結合器を示
す上面図である。

【図１３】本発明の第１３の実施例に係る光導波路を示
す上面図である。

【図１４】本発明の実施例に係る光結合器の製造方法を
工程順に示す断面図である。

【図１５】本発明の光結合器による光ファイバ結合損失
を表すグラフ図である。

【図１６】本発明及び従来の光結合器の光ファイバ結合
損失を比較するグラフ図である。

【図１７】従来の光結合器を示す上面図である。

【図１８】従来の光結合器を示す上面図である。

【図１９】従来の光結合器を示す上面図である。

【図２０】従来の光結合回路を示す上面図である。

【符号の説明】

11,15,21,71,81：第１光導波路 111,151,211,411,711,811：第１クラッド 112,152,212,321,521,621,921,712,812,1021,1133,222
0,2320：第１コア 12,16,22,72,82：第２光導波路 121,161,221,412,721,821,：第２クラッド 122,162,222,322,522,622,922,722,822,1022,1134,222
1：第２コア 13,17：第（ｎ−１）光導波路 131,171：第（ｎ−１）クラッド 132,172：第（ｎ−１）コア 14,18：第ｎ光導波路 141,181：第ｎクラッド 142,182：第ｎコア 23,73,83：第３光導波路 231,413,731,831：第３クラッド 232,323,523,732,832 ：第３コア 24,84：第４光導波路 241,414,741,841：第４クラッド 242,324,524,742,842：第４コア 5,94,2340：光導波路端面 6,16：光部品 26：光ファイバ 31,51,61,1010,2010,2110：クラッド 41,621,2010,2020,2120：コア 511,611,911,1121,2310：下クラッド 512,612,912,1122,2311：上クラッド 53,93,2210, 1110,1030,2330：基板 95：薄膜部材 76：半導体光素子 1131：第１コア層 1132：第２コア層 2230,2231：SSC 2211：入出力導波路基板 96,2360：ビーム光 2350：薄膜部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コア及びクラッドからなる複数個の光導
波路が相互に光学的に結合するように同一基板上に形成
され、各光導波路を伝搬する光のスポットサイズが光出
射端面に向かって順次拡大されるスポットサイズ変換部
を有し、前記各光導波路は、前記光出射端面に向かっ
て、比屈折率差が順次小さくなるように配列されている
ことを特徴とする光結合器。
【請求項２】前記複数の光導波路は、同一のクラッド
材料及び異なる屈折率のコア材料によって形成されてい
ることを特徴とする請求項１に記載の光結合器。
【請求項３】前記複数の光導波路は、同一のコア材料
及び異なる屈折率のクラッド材料によって形成されてい
ることを特徴とする請求項１に記載の光結合器。
【請求項４】前記複数の光導波路のうち、少なくとも
１つの光導波路のコアの幅が光伝搬方向に対して部分的
にテーパ状に広げられているか、又は狭められているこ
とを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の
光結合器。
【請求項５】コア及びクラッドからなる複数個の光導
波路が相互に光学的に結合するように同一基板上に形成
され、各光導波路を伝搬する光のスポットサイズが光出
射端面に向かって順次拡大されるスポットサイズ変換部
を有し、前記コアは、前記光出射端面に向かって、屈折
率が順次小さくなるように配列されており、前記コアの
幅は前記光出射端面に近づくに従い、屈折率が高い側で
は部分的にテーパ状に狭められ、屈折率が低い側では部
分的にテーパ状に広げられていることを特徴とする光結
合器。
【請求項６】前記端面近傍において、前記光導波路の
スポットサイズよりも大きいスポットサイズを有する光
素子又は光部品と光学的に結合しているか、又は前記端
面から自由伝搬による放射を伴うことを特徴とする請求
項５に記載の光結合器。
【請求項７】前記光導波路と光ファイバとが前記端面
において光学的に結合していることを特徴とする請求項
１乃至６のいずれか１項に記載の光結合器。
【請求項８】前記光導波路が間隙を挟んで相対して前
記基板上に配置されて光学的に結合しており、前記間隙
には、薄膜部材が実装されているか、又はポリマー樹脂
が充填されていることを特徴とする請求項１乃至６のい
ずれか１項に記載の光結合器。
【請求項９】コア及びクラッドからなる複数個の光導
波路が相互に光学的に結合するように同一基板上に形成
され、各光導波路を伝搬する光のスポットサイズが光出
射端面に向かって順次縮小されるスポットサイズ変換部
を有し、前記各光導波路は、前記光出射端面に向かっ
て、比屈折率差が順次大きくなるように配列されている
ことを特徴とする光結合器。
【請求項１０】前記複数の光導波路のうち、少なくと
も１つの光導波路のコアの幅が前記端面に近づくに従い
部分的にテーパ状に狭められていることを特徴とする請
求項９に記載の光結合器。
【請求項１１】前記端面近傍において、前記光導波路
のスポットサイズよりも小さいスポットサイズを有する
光素子又は光部品と光学的に結合していることを特徴と
する請求項９又は１０に記載の光結合器。
【請求項１２】コア及びクラッドからなる複数個の光
導波路が相互に光学的に結合するよう形成され、更に並
列する光導波路のコアとの間で近接導波路干渉回路を構
成する光結合器において、前記干渉回路を含む領域にて
前記光学的に結合する光導波路はそのコアの比屈折率差
が相互に異なるものであることを特徴とする光結合器。
【請求項１３】前記異なる比屈折率差を有する複数の
光導波路において、比屈折率差の小さい光導波路のコア
の厚さが、比屈折率差の大きい光導波路のコアの厚さよ
りも厚いことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか
１項に記載の光結合器。
【請求項１４】前記異なる比屈折率差を有する複数の
光導波路の結合部において少なくとも一方のコアの結合
面が基板に垂直な方向に対して斜めに形成されているこ
とを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載
の光結合器。
【請求項１５】基板上でコア及びクラッドからなり、
同一基板上で光学的に結合された複数の段階的に異なる
屈折率を有するコアからなり、伝搬光のスポットサイズ
が部分的に拡大されてなるスポットサイズ変換部を有す
る光導波路の製造方法において、下クラッド及びコア層
を成膜し、前記スポットサイズ変換部を含む前記コア層
の一部を除去する工程と、前記コア層より屈折率の低い
低屈折率コア層を成膜する工程と、前記コア層上に成膜
された余分な前記低屈折率コア層を除去する工程とを有
することを特徴とする光結合器の製造方法。
【請求項１６】前記コア層上に成膜された前記低屈折
率コア層を除去する際に、前記コア層と前記低屈折率コ
ア層との境界部に０．５〜５μｍの間隙を形成すること
を特徴とする請求項１５に記載の光結合器の製造方法。