JP2004240064A - スポットサイズ変換光導波路、光モジュールおよび導波路型光回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】製造が容易で、偏波依存性損失が小さく、変換後に所定の光のスポットサイズを得ることができ、これによって結合損失が増大することなく光学系デバイスを結合することができるスポットサイズ変換光導波路を提供する。
【解決手段】クラッド２の中に光の伝搬方向ｚに沿って分割配置される複数のコア１を、異周期構造部分６と一定周期構造部分７とに分けて配置し、異周期構造部分６で光のスポットサイズが変動しても、一定周期構造部分７で、その変動したスポットサイズを一定とする。異周期構造部分６は、セグメント長Ｓが一定で、コア長Ｌ１〜Ｌ６が徐々に光の伝搬方向ｚに沿って減少する構造を成し、シングルモード導波路を伝搬する光のスポットサイズを徐々に減少させる。一定周期構造部分７は、セグメント長Ｓ１、コア長Ｌ７、コア間のギャップ長ｄ７の何れも一定な構造を成し、異周期構造部分６からの光のスポットサイズを維持する。
【選択図】 図１
【解決手段】クラッド２の中に光の伝搬方向ｚに沿って分割配置される複数のコア１を、異周期構造部分６と一定周期構造部分７とに分けて配置し、異周期構造部分６で光のスポットサイズが変動しても、一定周期構造部分７で、その変動したスポットサイズを一定とする。異周期構造部分６は、セグメント長Ｓが一定で、コア長Ｌ１〜Ｌ６が徐々に光の伝搬方向ｚに沿って減少する構造を成し、シングルモード導波路を伝搬する光のスポットサイズを徐々に減少させる。一定周期構造部分７は、セグメント長Ｓ１、コア長Ｌ７、コア間のギャップ長ｄ７の何れも一定な構造を成し、異周期構造部分６からの光のスポットサイズを維持する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光のスポットサイズを所定のサイズに変換するスポットサイズ変換光導波路に関し、例えば、互いにモードフィールド径が異なる光導波路素子と光ファイバとの接続の際に、これらの中間に介在させる光回路素子として用いられるスポットサイズ変換光導波路、その光回路素子に光ファイバ、光導波路素子等の光学系デバイスが接続されて構成される光モジュールおよびスポットサイズ変換光導波路が組み込まれた導波路型光回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スポットサイズ変換光導波路は、基板上に光（光信号）を伝搬させるコアと、このコアを覆うクラッドとから成り、このクラッドはコアを保護すると共に光をコアに閉じ込めるためにコアよりも低い屈折率を有している。このスポットサイズ変換光導波路の主な構造として、コア幅やコア高さが光の伝搬方向に沿って徐々に変化するテーパー導波路構造、光の伝搬方向に沿ってコアの一部が複数個あるギャップをもって分割された分割導波路構造等が報告されている。
【０００３】
図１５（ａ）〜（ｃ）に、従来のテーパー導波路構造のスポットサイズ変換光導波路の構成例を示し、図１６（ａ）および（ｂ）に、従来の分割導波路構造のスポットサイズ変換光導波路の構成例を示す。但し、図１５（ａ）、（ｂ）はアップテーパー導波路構造、（ｃ）はダウンテーパー導波路構造である。また、本明細書では、図１５（ａ）並びに図１６（ｃ）などに示す座標軸上のｚ軸方向（光の伝搬方向）の寸法を長さ、ｙ軸方向の寸法を高さ、ｘ軸方向の寸法を幅と表現する。
【０００４】
図１５（ａ）に示すスポットサイズ変換光導波路は、コア１の幅および高さの両方が光の伝搬方向ｚに対して徐々に変化するテーパー導波路構造のものであり、図１５（ｂ）および（ｃ）、図１６（ａ）および（ｃ）に示す他の構造のスポットサイズ変換光導波路と比較して、スポットサイズの変換範囲が広く、変換後のスポットサイズを維持することも容易である。このスポットサイズ変換光導波路を用いて比屈折率差１．５％の石英系光導波路とシングルモードファイバの結合損失を１箇所あたり１．６ｄＢ以上低減した報告例もある（井藤他 ２００２電子情報通信学会総合大会Ｃ−３−６７）。
【０００５】
図１５（ｂ）および（ｃ）に示すスポットサイズ変換光導波路は、コア１の幅だけが光の伝搬方向ｚに沿って徐々に変化するテーパー導波路構造のものである。図１５（ｃ）の構造の場合、コア１の幅を細くすることで光の閉じ込めを弱くし、スポットサイズを拡大するもので、図１５（ｂ）の構造の場合と比較してコア１の高さ方向ｙのスポットサイズを拡大することができる（水野他 ２００１電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会Ｃ−３−９７等）。
【０００６】
図１６（ａ）および（ｂ）に示すスポットサイズ変換光導波路は、分割導波路構造の例であり、コア１の部分だけを示している。ここで、図１６（ｃ）に示すように分割されたコア１と１ａの間に形成されるギャップ３と、分割されたコア１ａとを合わせて一つのセグメント５と考え、セグメント長Ｓをギャップ長ｄとコア長Ｌとを足した合わせた長さ（ｄ＋Ｌ）で定義する。
【０００７】
この場合、図１６（ａ）に示すスポットサイズ変換光導波路は、セグメント長Ｓが一定で、コア長Ｌ１〜Ｌ４が徐々に光の伝搬方向ｚに沿って減少する構造であり、図１６（ｂ）に示すスポットサイズ変換光導波路は、ギャップ長ｄが一定でコア長Ｌ１〜Ｌ４が徐々に光の伝搬方向ｚに沿って減少し、このため、セグメント長Ｓ１〜Ｓ４が徐々に光の伝搬方向ｚに沿って減少する構造である。どちらの構造においても、コア１の幅方向ｘおよび高さ方向ｙの両方向にスポットサイズを変換することが可能である。さらに、図１５（ｂ）および（ｃ）の場合と異なり、コア１の幅および高さの寸法変化がないため、コア１の幅と高さの寸法比が１であれば偏波依存性損失が生じないという利点がある。
【０００８】
また、図１５（ｂ）および（ｃ）に示す構造、並びに図１６（ａ）および（ｂ）に示す構造では、通常の光導波路作製技術においてマスクパターンを変更するだけで作製することができる利点がある。また、それら構造のスポットサイズ変換光導波路を光回路素子として用いる場合は、変換された所定のスポットサイズに応じて、その光回路素子に、光ファイバ、光導波路素子および受発光素子等の光学系デバイスを接続する必要がある。
【０００９】
さらに、図１６（ｂ）の構造は、図１６（ａ）の構造と比較して、同じスポットサイズ変換量を得るため必要な導波路長を短縮できることが、記述されている文献がある（特許文献１参照。）。
【００１０】
【特許文献１】
特開平８−２６２２４４号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のスポットサイズ変換光導波路において、図１５（ａ）に示すテーパー導波路構造では、側面形状が曲線状を成すようにコア１の高さ寸法を変えなければならないので、製造工程が複雑化するなど容易に製造することができないという問題がある。
【００１２】
また、図１５（ｂ）のタイプの場合、コア１の高さが一定で、高さ方向ｙのスポットサイズを変換することができないため、所望のスポットサイズを得ることができず、図１５（ｃ）のタイプでは、コア１を極端に細くするため、偏波依存性損失が大きくなるという問題がある。
【００１３】
さらに、図１５（ｃ）に示す構造、並びに図１６（ａ）および（ｂ）に示す構造のスポットサイズ変換光導波路を互いにモードフィールド径が異なる光学系デバイスの中間に介在させる光回路素子として用いる際に、この光回路素子の端面近傍に所定の光スポットサイズを得る位置があるような場合に、光回路素子をウエハから切り出す際の位置ずれがあると、所定のスポットサイズを得ることができないという問題がある。このため、互いにモードフィールドが異なる光学系デバイスの中間に介在させてこれらを接続してもスポットサイズの整合がとれなくなり、その結果、結合損失が増大するという問題がある。この問題は、スポットサイズ変換導波路が組み込まれた導波路型光回路に光ファイバ等の光学系デバイスを接続する場合にも同様に生じるものである。
【００１４】
また、上記と同種の問題でもあるが、光回路素子は、ウエハから切り出された後、その端面が研磨されることになるが、この研磨工程において欠陥を生じ、再研磨を余儀なくされると、研磨量が増加するため、所定のスポットサイズを得ることができないという問題がある。このため、互いにモードフィールド径が異なる光学系デバイスの中間に介在させてこれらを接続してもスポットサイズの整合がとれなくなり、その結果、結合損失が増大してしまうという問題がある。この問題は、スポットサイズ変換導波路が組み込まれた導波路型光回路に光ファイバ等の光学系デバイスを接続する場合にも同様に生じるものである。
【００１５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、製造が容易で、偏波依存性損失が小さく、変換後に所定の光のスポットサイズを得ることができ、これによって結合損失が増大することなく光学系デバイスを結合することができるスポットサイズ変換光導波路、光モジュールおよび導波路型光回路を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のスポットサイズ変換光導波路は、光を伝搬し、この伝搬方向に沿って分割配置された複数のコアと、前記コアを覆うクラッドとを有して成るスポットサイズ変換光導波路において、前記複数のコアは、コア長とコア間隔の比が光の伝搬方向に沿って変化する部分と、一定である部分とを有することを特徴としている。
【００１７】
また、前記複数のコアは、光の伝搬方向に対して直交するコア幅および高さが一定であることを特徴としている。
【００１８】
また、前記コア長とコア間隔の比が光の伝搬方向に沿って一定である部分の各コアは、コア間隔が１０μｍ以下であり、コア長が前記コア間隔の０．４〜１．０倍であることを特徴としている。
【００１９】
また、本発明のスポットサイズ変換光導波路は、光を伝搬するコアと、前記コアを覆うクラッドとを有して成るスポットサイズ変換光導波路において、前記コアは、光の伝搬方向に沿って徐々に幅が変化するテーパー導波路構造のコアと、コア長とコア間隔の比が光の伝搬方向に沿って一定となるように分割配置されたコア群とを有して構成されることを特徴としている。
【００２０】
また、前記テーパー導波路構造のコアと、前記コア群との間に、コア長とコア間隔の比が光の伝搬方向に沿って変化するように分割配置されたコア群を介装したことを特徴としている。
【００２１】
また、本発明の光モジュールは、光を伝搬し、この伝搬方向に沿って分割配置された複数のコアと、前記コアを覆うクラッドとを有し、前記複数のコアが、コア長とコア間隔の比が光の伝搬方向に沿って変化する部分と、一定である部分とを有するスポットサイズ変換光導波路に、光学系デバイスを結合して構成されることを特徴としている。
【００２２】
また、本発明の光モジュールは、光を伝搬するコアと、前記コアを覆うクラッドとを有し、前記コアが、光の伝搬方向に沿って徐々に幅が変化するテーパー導波路構造のコアと、コア間隔の比が光の伝搬方向に沿って一定となるように分割配置されたコア群とを有するスポットサイズ変換光導波路に、光学系デバイスを結合して構成されることを特徴としている。
【００２３】
また、本発明の導波路型光回路は、基板上に形成された複数の光入出力部を有する導波路型光回路において、前記光入出力部の少なくとも１つは、光を伝搬し、この伝搬方向に沿って分割配置された複数のコアと、前記コアを覆うクラッドとを有し、前記複数のコアが、コア長とコア間隔の比が光の伝搬方向に沿って変化する部分と、一定である部分とを有するスポットサイズ変換光導波路を備えたことを特徴としている。
【００２４】
また、本発明の導波路型光回路は、基板上に形成された複数の光入出力部を有する導波路型光回路において、前記光入出力部の少なくとも１つは、光を伝搬するコアと、前記コアを覆うクラッドとを有し、前記コアが、光の伝搬方向に沿って徐々に幅が変化するテーパー導波路構造のコアと、コア長とコア間隔の比が光の伝搬方向に沿って一定となるように分割配置されたコア群とを有するスポットサイズ変換光導波路を備えたことを特徴としている。
【００２５】
また、前記デーパー導波路構造のコアと、前記コア群との間に、コア長とコア間隔の比が伝搬方向に沿って変化するように分割配置されたコア群を介装したことを特徴としている。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２７】
（第１の実施の形態）
図１に示す第１の実施の形態に係るスポットサイズ変換光導波路は、ガラス基板上に光の伝搬方向ｚに沿って分割配置された複数のコア１と、これらのコア１を覆うクラッド２とから成り、このクラッド２は、コア１を保護すると共に光をコア１に閉じ込めるためにコアよりも低い屈折率を有している。そして、このスポットサイズ変換導波路は、各コア１の長さＬ１〜Ｌ７と、各コア１の間隔ｄ１〜ｄ７との比が、光の伝搬方向ｚに沿って異なる部分（以下、異周期構造部分という）６と、一定である部分（以下、一定周期構造部分という）７とを有する分割導波路構造を成すものである。
【００２８】
つまり、異周期構造部分６は、セグメント長Ｓ（従来例で説明済み）が一定で、コア長Ｌ１〜Ｌ６が徐々に光の伝搬方向ｚに沿って減少する構造を成し、シングルモード導波路を伝搬する光のスポットサイズを徐々に拡大させる。一定周期構造部分７は、セグメント長Ｓ１、コア長Ｌ７、コア間のギャップ長ｄ７の何れも一定な構造を成し、異周期構造部分６からの光のスポットサイズを維持する。なお、コア１とクラッド２の境界面からの反射を防止するために、コア１とクラッド２の境界面を光の伝搬方向に対して斜めにするのが好ましい。このようなスポットサイズ変換光導波路を製造する場合は、通常の光導波路の作製方法を用いれば良い。但し、例えば次の二通りの方法によっても作製することができる。
【００２９】
図２（ａ）の平面図、（ｂ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）の平面図、（ｄ）のＢ−Ｂ断面図に示すように、長手方向の一端から他端まで直線状にコア１が配置されたクラッド２の表面からエッチングを施すことによって、コア１を上記のように異周期、一定周期で分断する溝８を形成する。そして、溝８にコア１よりも屈折率の低い光透過性物質を充填する。
【００３０】
図３（ａ）の平面図、（ｂ）のＣ−Ｃ断面図、（ｃ）の平面図、（ｄ）のＤ−Ｄ断面図に示すように、クラッド２の表面からコア１にレーザを照射する。この照射された部分の屈折率が高くなるので、照射は、上記のコア１となる部分に行う。照射されなかった低屈折率部分９は、上記のギャップ部分となる。次に、スポットサイズ変換光導波路の特性について説明する。
【００３１】
図４に示すように、異周期構造部分６の各コア長Ｌ１〜Ｌ６を２０．０〜７．５μｍ、ギャップ長ｄ１〜ｄ６を５．０〜１７．５μｍとし、一定周期構造部分７の各コア長Ｌ７を３．０μｍ、ギャップ長ｄ７を５．０μｍとした場合に、このスポットサイズ変換光導波路を伝搬する光のスポットサイズを伝搬方向ｚのコア位置に対して計算した。
【００３２】
図５に、その計算結果を表で示す。この計算においては、導波路の比屈折率差を１．５％、光の波長を１．５５μｍとし、スポットサイズの算出は、強度分布の２次モーメントによる下記計算式（１）により算出した。
【００３３】
【数１】
但し、上記式（１）において、Ｗはスポットサイズ、Ψ（ｘ）は伝搬光の振幅分布であるとする。
【００３４】
図５に示す計算結果表において、異周期構造部分６ではスポットサイズが拡大され、一定周期構造部分７ではスポットサイズの変化が非常に緩やかになっていることが確認できる。つまり、所定のスポットサイズを維持できることが確認できる。
【００３５】
図６（ａ）に、本スポットサイズ変換光導波路１１を導波路型光回路１０の入出力部１０ｂに組み込んだ構成例を示す。この導波路型光回路１０は、いわゆるＡＷＧ型の光合分波器を構成しており、入力導波路１２と、入力導波路１２に接続されたスラブ導波路１３と、このスラブ導波路１３に接続され、長さの異なる複数本の導波路が長さの順に配置されたアレイ導波路１４と、アレイ導波路１４に接続されたスラブ導波路１３と、このスラブ導波路１３に接続された出力導波路１５とから成る。そして、入力導波路１２及び出力導波路１５の一部がスポットサイズ変換導波路１１で構成されており、１０ａで示す導波路１１の端面が導波路型光回路１０における光の入出力端面となっている。この入出力端面１０ａには光ファイバ１６が接続され光モジュールが構成される。
【００３６】
図６（ｂ）、（ｃ）にＺ１，Ｚ２で示すように、その入出力端面１０ａは、導波路型光回路１０の切断・研磨時に、光の伝搬方向ｚにずれ、その端面１０ａの位置がＺ１，Ｚ２で示すようにばらつく。このように、ばらついた場合でも、その位置Ｚ１，Ｚ２が一定周期構造部分７であれば、図６（ｄ）に示すように、得られるスポットサイズはほとんど変化せず安定して所定のスポットサイズを得ることができる。これは、上記したスポットサイズ変換光導波路を導波路型光回路に組み込んだ場合に限らずスポットサイズ変換光導波路を独立の光回路素子と作製し、これに光学系デバイスを接続して光モジュールを構成する場合も同様である。
【００３７】
スポットサイズ変換光導波路は、比屈折率差の高い光導波路と比屈折率差の比較的低いシングルモードファイバ（以下、ＳＭＦと略す）との結合損失を低減する目的で用いられる。したがって、本スポットサイズ変換光導波路は、上記したＡＷＧ型の光合分波器を構成する導波路型光回路１０に限らず、ＳＭＦとの結合損失の低減が要求されるもの（例えば、マトリクス型の光導波路スイッチ、マッハツエンダ回路を有する光導波路型の光可変減衰器その他の導波路型光回路）にも適用可能である。この場合、スポットサイズ変換光導波路は、可能な限り低損失でスポットサイズを変換するように設計する必要がある。
【００３８】
図７に示すように、異周期構造部分６の各コア長Ｌ１〜Ｌ６を２０．０〜７．５μｍ、ギャップ長ｄ１〜ｄ６を７．５μｍとし、一定周期構造部分７のギャップ長ｄ７を、２．５μｍ、５．０μｍ、１０．０μｍと変化させた場合の、ｚ軸方向位置におけるスポットサイズ変換光導波路とＳＭＦとの結合損失を計算した。但し、スポットサイズ変換光導波路の比屈折率差を１．５％、伝搬光の波長を１．５５μｍとした。ＳＭＦの界分布は、モードフィールド径１０．４μｍのガウス分布を仮定した。また、コア長Ｌ７とギャップ長ｄ７の比が一定となるようにコア長Ｌ７を調整した。
【００３９】
図８に、上記のスポットサイズ変換光導波路とＳＭＦとの結合損失の計算結果を示す。即ち、図７にＺ＝０を基点とするＺ軸方向の位置と結合損失との関係を示す。曲線ＣＬ１は、一定周期構造部分７におけるギャップ長ｄ７＝１０．０μｍ、コア長Ｌ７＝６．０μｍの場合のＺ軸方向位置と結合損失との関係、曲線ＣＬ２は、一定周期構造部分７におけるギャップ長ｄ７＝５．０μｍ、コア長Ｌ７＝３．０μｍの場合の同関係、曲線ＣＬ３は、一定周期構造部分７におけるギャップ長ｄ７＝２．５μｍ、コア長Ｌ７＝１．５μｍの場合の同関係を示す。
【００４０】
図９に、上記の結合損失の計算を行った際のスポットサイズ変換光導波路を伝搬する光のスポットサイズとＺ軸方向の位置との関係を示す。曲線ＣＬ４は、一定周期構造部分７におけるギャップ長ｄ７＝１０．０μｍ、コア長Ｌ７＝６．０μｍの場合のＺ軸方向位置とスポットサイズとの関係、曲線ＣＬ５は、一定周期構造部分７におけるギャップ長ｄ７＝５．０μｍ、コア長Ｌ７＝３．０μｍの場合の同関係、曲線ＣＬ６は、一定周期構造部分７におけるギャップ長ｄ７＝２．５μｍ、コア長Ｌ７＝１．５μｍの場合の同関係を示す。
【００４１】
図８および図９の関係からわかるように、コア長Ｌ７とギャップ長ｄ７の比が一定になるようにコア長Ｌ７とギャップ長ｄ７を変化させると、スポットサイズに大きな変化がなく、結合損失に違いが現れてくる。このことは、ギャップ長ｄ７を大きくしたことによる放射損失の増加を意味している。よって、ギャップ長ｄの値は小さい方が望ましい。ただし、ＣＶＤ装置などの堆積装置により上部クラッド２を形成する場合、ギャップ部の埋め込みが困難となることがあるので、ギャップ長ｄ７は３〜１０μｍが好ましいことがわかる。
【００４２】
図１０は、図７のスポットサイズ変換光導波路において、一定周期構造部分７のギャップ長ｄ７を一定値（５．０μｍ）として各コア長Ｌ７を一律に変化させた場合の、ｚ軸方向位置５００μｍにおけるスポットサイズおよび上記の結合損失の計算結果を示した図である。但し、伝搬光の波長を１．５５μｍ、比屈折率差を１．５％とした。この図１０から一定周期構造部分７のコア長Ｌ７をギャップ長ｄ７に対して適切な設計値にする必要があり、コア長Ｌ７の範囲をギャップ長ｄ７の０．４〜１．０倍とするのが好ましいことがわかる。
【００４３】
このように、第１の実施の形態のスポットサイズ変換光導波路によれば、クラッド２の中に光の伝搬方向ｚに沿って分割配置される複数のコア１を、異周期構造部分６と一定周期構造部分７とに分けて配置することによって、異周期構造部分６で拡大された光のスポットサイズを、一定周期構造部分７で、一定に維持することができる。
【００４４】
また、従来のダウンテーパー導波路構造ようにコアを極端に細くせず、コア１の幅、高さともに一定なので、偏波依存性損失を小さくすることができる。つまり、偏波依存性損失が小さく、変換後に所定の光のスポットサイズを得ることができるので、結合損失が増大することなく光学系デバイスを結合して、光モジュールを構成することができる。さらに、従来のようにコアの高さを変えるタイプのものと異なり、コアの高さが一定なので、容易に製造することができる。
【００４５】
（第２の実施の形態）
図１１に示す第２の実施の形態に係るスポットサイズ変換光導波路は、光の伝搬方向ｚに沿って徐々に幅が細くなるダウンテーパー導波路構造のコア１と、このコア１の後段に光の伝搬方向ｚに沿って分割配置された複数の同形状のコア１ｃと、これらのコア１，１ａを覆うクラッド２とから成り、このクラッド２はコア１、１ａを保護すると共に光をコア１，１ａに閉じ込めるためにコア１、１ａよりも低い屈折率を有している。コア１の後段の各コア１ｃは、一定周期構造部分７である。
【００４６】
コア１は、光の入力部分の幅と高さが各々４．３μｍであり、テーパー状に細くなる位置ｚ＝０から先端までの長さが５００μｍ、先端の端面の幅が１．０μｍの寸法を有する。また、一定周期構造部分７においては、各コア１ｃの幅、高さ共に４．３μｍであり、ギャップ長が５．０μｍに設定されている。
【００４７】
図１２に、このスポットサイズ変換光導波路における光の伝搬方向であるＺ軸方向位置と、スポットサイズＣＬ７並びに結合損失ＣＬ８の関係を示す。但し、伝搬光の波長を１．５５μｍ、比屈折率差を１．５％とした。この図１２からコア１の部分において、スポットサイズが拡大すると共に結合損失が減少し、一定周期構造部分７では、拡大されたスポットサイズが低結合損失状態のまま上記第１の実施の形態と同様に安定に維持していることが分かる。従って、第１の実施の形態と同様に、変換後に所定の光のスポットサイズを得ることができ、これによって結合損失が増大することなく光学系デバイスを結合して、光モジュールを構成することができる。また、本スポットサイズ変換光導波路を上記第１の実施の形態と同様に導波路光回路の入出力部に組み込んで構成することができる。
【００４８】
（第３の実施の形態）
図１３に示す第３の実施の形態に係るスポットサイズ変換光導波路は、光の伝搬方向ｚに沿って徐々に幅が太くなるアップテーパー導波路構造のコア１と、このコア１の後段に光の伝搬方向ｚに沿って分割位置された異周期構造部分６の各コア１ｂと、一定周期構造部分７の各コア１ｃとから成る。
【００４９】
コア１は、光の入力部分の幅と高さが各々４．３μｍであり、テーパー状に太く位置ｚ＝０から先端までの長さが５００μｍ、先端の端面の幅が８．０μｍの寸法を有する。また、異周期構造部分６においては、各コア１ｂの幅、高さ共に４．３μｍであり、長さがコア１の直後の先頭のコア１ｂが２０μｍで以降２μｍづつ短く末尾のコア１ｂが１０μｍの寸法を有し、直前のコアとのギャップ長が先頭のコア１ｂで５μｍ、以降２μｍづつ長く末尾のコア１ｂで１７μｍとなっている。一定周期構造部分７においては、各コア１ｃの幅、高さ共に４．３μｍであり、ギャップ長が５μｍに設定されている。
【００５０】
図１４に、このスポットサイズ変換光導波路における光の伝搬方向あるＺ軸方向位置と、スポットサイズＣＬ９並びに結合損失ＣＬ１０の関係を示す。但し、伝搬光の波長を１．５５μｍ、比屈折率差を１．５％とした。この図１４からコア１，１ｂの部分においてスポットサイズが拡大すると共に結合損失が減少し、一定周期構造部分７では、拡大されたスポットサイズが低結合損失状態のまま上記第１の実施の形態と同様に安定に維持していることが分かる。従って、第１の実施の形態と同様に、偏波依存性損失が小さく、変換後に所定の光のスポットサイズを得ることができ、これによって結合損失が増大することなく光学系デバイスを結合して、光モジュールを構成することができる。また、本スポットサイズ変換光導波路を上記第１の実施の形態と同様に導波路型光回路の入出力部に組み込んで構成することができる
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のスポットサイズ変換光導波路によれば、クラッド中に光の伝搬方向に沿って分割配置された複数のコアに、コア長とコア間隔の比が光の伝搬方向に沿って変化する部分と、一定である部分とを有するように構成したので、拡大された光のスポットサイズを、一定部分の各コアで、安定に維持することができる。また、コアの幅、高さともに一定としたので、偏波依存性損失を小さくすることができる。つまり、偏波依存性損失が小さく、スポットサイズ変換後に所定の光のスポットサイズを得ることができるので、結合損失が増大することなく光学系デバイスを結合することができる。さらに、コアの高さが一定なので、容易に製造することができる。
【００５２】
また、本発明のスポットサイズ変換光導波路によれば、クラッド中に光の伝搬方向に沿って徐々に幅が変化するテーパー導波路構造のコアと、コア長とコアの間隔の比が光の伝搬方向に沿って一定となるように分割配置されたコア群とを有するように構成したので、拡大された光のスポットサイズを分割配置されたコア群で、安定に維持することができる。つまり、スポットサイズ変換後に所定の光のスポットサイズを得ることができるので、結合損失が増大することなく光学系デバイスを結合することができる。さらに、コアの高さが一定なので、容易に製造することができる。
【００５３】
さらに、本発明のスポットサイズ変換光導波路によれば、クラッド中に光の伝搬方向に沿って徐々に幅が変化するテーパー導波路構造のコアと、コア長とコアの間隔の比が光の伝搬方向に沿って一定となるように分割配置されたコア群との間に、コア長とコア間隔の比が光の伝搬方向に沿って変化するように分割配置されたコア群を介装したので、拡大された光のスポットサイズを、コア長とコア間隔の比が一定のコア群で、安定に維持することができる。また、コア群のコアの幅、高さともに一定としたので、偏波依存性損失を小さくすることができる。つまり、偏波依存性損失が小さく、スポットサイズ変換後に所定の光のスポットサイズを得ることができるので、結合損失が増大することなく光学系デバイスを結合することができる。さらに、コアの高さが一定なので、容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るスポットサイズ変換光導波路の構成を示す斜視図である。
【図２】（ａ）はクラッドにコアが形成された状態を示す図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）はクラッドのコアに複数の溝が形成された状態を示す図、（ｄ）はＢ−Ｂ断面図である。
【図３】（ａ）はクラッドにコアが形成された状態を示す図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図、（ｃ）はクラッドのコアに複数の低屈折率部分が形成された状態を示す図、（ｄ）はＤ−Ｄ断面図である。
【図４】第１の実施の形態のスポットサイズ変換光導波路においてコアの寸法を定めた場合の構成を示す斜視図である。
【図５】図４のスポットサイズ変換光導波路におけるＺ軸方向位置とスポットサイズとの関係図である。
【図６】（ａ）は導波路型光回路の入出力部にスポットサイズ変換光導波路を組み込んだ場合の構成を示す図、（ｂ）と（ｃ）はスポットサイズ変換光導波路が入出力部に組み込まれた導波路型光回路の入出力端面の比較図、（ｄ）はスポットサイズ変換光導波路が入出力部に組み込まれた導波路型光回路におけるＺ軸方向位置とスポットサイズとの関係図である。
【図７】第１の実施の形態のスポットサイズ変換光導波路において一定周期構造部分のコアの長さ並びにギャップ長を変える場合の構成を示す斜視図である。
【図８】図７のスポットサイズ変換光導波路におけるＺ軸方向位置と結合損失との関係図である。
【図９】図７のスポットサイズ変換光導波路におけるＺ軸方向位置と結合損失との関係図である。
【図１０】図７のスポットサイズ変換光導波路において、一定周期構造部分のギャップ長を一定値として各コア長を一律に変化させた場合のｚ軸方向位置と、スポットサイズおよび結合損失との関係図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係るスポットサイズ変換光導波路の構成を示す斜視図である。
【図１２】第２の実施の形態のスポットサイズ変換光導波路におけるｚ軸方向位置と、スポットサイズおよび結合損失との関係図である。
【図１３】本発明の第３の実施の形態に係るスポットサイズ変換光導波路の構成を示す斜視図である。
【図１４】第３の実施の形態のスポットサイズ変換光導波路におけるｚ軸方向位置と、スポットサイズおよび結合損失との関係図である。
【図１５】（ａ）、（ｂ）は従来のアップテーパー導波路構造のスポットサイズ変換光導波路の構成を示す図、（ｃ）はダウンテーパー導波路構造のスポットサイズ変換光導波路の構成を示す図である。
【図１６】（ａ）、（ｂ）は従来の分割導波路構造のスポットサイズ変換光導波路の構成を示す図、（ｃ）はコア長、ギャップ長、セグメント長の説明図である。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ コア
２ クラッド
６ 異周期構造部分
７ 一定周期構造部分
８ 溝
９ 低屈折率部分
１０ 導波路型光回路
１０ａ 入出力端面
１０ｂ 入出力部
１１ スポットサイズ変換光導波路
１２ 入力導波路
１３ スラブ導波路
１４ アレイ導波路
１５ 出力導波路
１６ 光ファイバ
ｄ ギャップ長
Ｌ コア長
Ｓ セグメント長
【発明の属する技術分野】
本発明は、光のスポットサイズを所定のサイズに変換するスポットサイズ変換光導波路に関し、例えば、互いにモードフィールド径が異なる光導波路素子と光ファイバとの接続の際に、これらの中間に介在させる光回路素子として用いられるスポットサイズ変換光導波路、その光回路素子に光ファイバ、光導波路素子等の光学系デバイスが接続されて構成される光モジュールおよびスポットサイズ変換光導波路が組み込まれた導波路型光回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スポットサイズ変換光導波路は、基板上に光（光信号）を伝搬させるコアと、このコアを覆うクラッドとから成り、このクラッドはコアを保護すると共に光をコアに閉じ込めるためにコアよりも低い屈折率を有している。このスポットサイズ変換光導波路の主な構造として、コア幅やコア高さが光の伝搬方向に沿って徐々に変化するテーパー導波路構造、光の伝搬方向に沿ってコアの一部が複数個あるギャップをもって分割された分割導波路構造等が報告されている。
【０００３】
図１５（ａ）〜（ｃ）に、従来のテーパー導波路構造のスポットサイズ変換光導波路の構成例を示し、図１６（ａ）および（ｂ）に、従来の分割導波路構造のスポットサイズ変換光導波路の構成例を示す。但し、図１５（ａ）、（ｂ）はアップテーパー導波路構造、（ｃ）はダウンテーパー導波路構造である。また、本明細書では、図１５（ａ）並びに図１６（ｃ）などに示す座標軸上のｚ軸方向（光の伝搬方向）の寸法を長さ、ｙ軸方向の寸法を高さ、ｘ軸方向の寸法を幅と表現する。
【０００４】
図１５（ａ）に示すスポットサイズ変換光導波路は、コア１の幅および高さの両方が光の伝搬方向ｚに対して徐々に変化するテーパー導波路構造のものであり、図１５（ｂ）および（ｃ）、図１６（ａ）および（ｃ）に示す他の構造のスポットサイズ変換光導波路と比較して、スポットサイズの変換範囲が広く、変換後のスポットサイズを維持することも容易である。このスポットサイズ変換光導波路を用いて比屈折率差１．５％の石英系光導波路とシングルモードファイバの結合損失を１箇所あたり１．６ｄＢ以上低減した報告例もある（井藤他 ２００２電子情報通信学会総合大会Ｃ−３−６７）。
【０００５】
図１５（ｂ）および（ｃ）に示すスポットサイズ変換光導波路は、コア１の幅だけが光の伝搬方向ｚに沿って徐々に変化するテーパー導波路構造のものである。図１５（ｃ）の構造の場合、コア１の幅を細くすることで光の閉じ込めを弱くし、スポットサイズを拡大するもので、図１５（ｂ）の構造の場合と比較してコア１の高さ方向ｙのスポットサイズを拡大することができる（水野他 ２００１電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会Ｃ−３−９７等）。
【０００６】
図１６（ａ）および（ｂ）に示すスポットサイズ変換光導波路は、分割導波路構造の例であり、コア１の部分だけを示している。ここで、図１６（ｃ）に示すように分割されたコア１と１ａの間に形成されるギャップ３と、分割されたコア１ａとを合わせて一つのセグメント５と考え、セグメント長Ｓをギャップ長ｄとコア長Ｌとを足した合わせた長さ（ｄ＋Ｌ）で定義する。
【０００７】
この場合、図１６（ａ）に示すスポットサイズ変換光導波路は、セグメント長Ｓが一定で、コア長Ｌ１〜Ｌ４が徐々に光の伝搬方向ｚに沿って減少する構造であり、図１６（ｂ）に示すスポットサイズ変換光導波路は、ギャップ長ｄが一定でコア長Ｌ１〜Ｌ４が徐々に光の伝搬方向ｚに沿って減少し、このため、セグメント長Ｓ１〜Ｓ４が徐々に光の伝搬方向ｚに沿って減少する構造である。どちらの構造においても、コア１の幅方向ｘおよび高さ方向ｙの両方向にスポットサイズを変換することが可能である。さらに、図１５（ｂ）および（ｃ）の場合と異なり、コア１の幅および高さの寸法変化がないため、コア１の幅と高さの寸法比が１であれば偏波依存性損失が生じないという利点がある。
【０００８】
また、図１５（ｂ）および（ｃ）に示す構造、並びに図１６（ａ）および（ｂ）に示す構造では、通常の光導波路作製技術においてマスクパターンを変更するだけで作製することができる利点がある。また、それら構造のスポットサイズ変換光導波路を光回路素子として用いる場合は、変換された所定のスポットサイズに応じて、その光回路素子に、光ファイバ、光導波路素子および受発光素子等の光学系デバイスを接続する必要がある。
【０００９】
さらに、図１６（ｂ）の構造は、図１６（ａ）の構造と比較して、同じスポットサイズ変換量を得るため必要な導波路長を短縮できることが、記述されている文献がある（特許文献１参照。）。
【００１０】
【特許文献１】
特開平８−２６２２４４号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のスポットサイズ変換光導波路において、図１５（ａ）に示すテーパー導波路構造では、側面形状が曲線状を成すようにコア１の高さ寸法を変えなければならないので、製造工程が複雑化するなど容易に製造することができないという問題がある。
【００１２】
また、図１５（ｂ）のタイプの場合、コア１の高さが一定で、高さ方向ｙのスポットサイズを変換することができないため、所望のスポットサイズを得ることができず、図１５（ｃ）のタイプでは、コア１を極端に細くするため、偏波依存性損失が大きくなるという問題がある。
【００１３】
さらに、図１５（ｃ）に示す構造、並びに図１６（ａ）および（ｂ）に示す構造のスポットサイズ変換光導波路を互いにモードフィールド径が異なる光学系デバイスの中間に介在させる光回路素子として用いる際に、この光回路素子の端面近傍に所定の光スポットサイズを得る位置があるような場合に、光回路素子をウエハから切り出す際の位置ずれがあると、所定のスポットサイズを得ることができないという問題がある。このため、互いにモードフィールドが異なる光学系デバイスの中間に介在させてこれらを接続してもスポットサイズの整合がとれなくなり、その結果、結合損失が増大するという問題がある。この問題は、スポットサイズ変換導波路が組み込まれた導波路型光回路に光ファイバ等の光学系デバイスを接続する場合にも同様に生じるものである。
【００１４】
また、上記と同種の問題でもあるが、光回路素子は、ウエハから切り出された後、その端面が研磨されることになるが、この研磨工程において欠陥を生じ、再研磨を余儀なくされると、研磨量が増加するため、所定のスポットサイズを得ることができないという問題がある。このため、互いにモードフィールド径が異なる光学系デバイスの中間に介在させてこれらを接続してもスポットサイズの整合がとれなくなり、その結果、結合損失が増大してしまうという問題がある。この問題は、スポットサイズ変換導波路が組み込まれた導波路型光回路に光ファイバ等の光学系デバイスを接続する場合にも同様に生じるものである。
【００１５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、製造が容易で、偏波依存性損失が小さく、変換後に所定の光のスポットサイズを得ることができ、これによって結合損失が増大することなく光学系デバイスを結合することができるスポットサイズ変換光導波路、光モジュールおよび導波路型光回路を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のスポットサイズ変換光導波路は、光を伝搬し、この伝搬方向に沿って分割配置された複数のコアと、前記コアを覆うクラッドとを有して成るスポットサイズ変換光導波路において、前記複数のコアは、コア長とコア間隔の比が光の伝搬方向に沿って変化する部分と、一定である部分とを有することを特徴としている。
【００１７】
また、前記複数のコアは、光の伝搬方向に対して直交するコア幅および高さが一定であることを特徴としている。
【００１８】
また、前記コア長とコア間隔の比が光の伝搬方向に沿って一定である部分の各コアは、コア間隔が１０μｍ以下であり、コア長が前記コア間隔の０．４〜１．０倍であることを特徴としている。
【００１９】
また、本発明のスポットサイズ変換光導波路は、光を伝搬するコアと、前記コアを覆うクラッドとを有して成るスポットサイズ変換光導波路において、前記コアは、光の伝搬方向に沿って徐々に幅が変化するテーパー導波路構造のコアと、コア長とコア間隔の比が光の伝搬方向に沿って一定となるように分割配置されたコア群とを有して構成されることを特徴としている。
【００２０】
また、前記テーパー導波路構造のコアと、前記コア群との間に、コア長とコア間隔の比が光の伝搬方向に沿って変化するように分割配置されたコア群を介装したことを特徴としている。
【００２１】
また、本発明の光モジュールは、光を伝搬し、この伝搬方向に沿って分割配置された複数のコアと、前記コアを覆うクラッドとを有し、前記複数のコアが、コア長とコア間隔の比が光の伝搬方向に沿って変化する部分と、一定である部分とを有するスポットサイズ変換光導波路に、光学系デバイスを結合して構成されることを特徴としている。
【００２２】
また、本発明の光モジュールは、光を伝搬するコアと、前記コアを覆うクラッドとを有し、前記コアが、光の伝搬方向に沿って徐々に幅が変化するテーパー導波路構造のコアと、コア間隔の比が光の伝搬方向に沿って一定となるように分割配置されたコア群とを有するスポットサイズ変換光導波路に、光学系デバイスを結合して構成されることを特徴としている。
【００２３】
また、本発明の導波路型光回路は、基板上に形成された複数の光入出力部を有する導波路型光回路において、前記光入出力部の少なくとも１つは、光を伝搬し、この伝搬方向に沿って分割配置された複数のコアと、前記コアを覆うクラッドとを有し、前記複数のコアが、コア長とコア間隔の比が光の伝搬方向に沿って変化する部分と、一定である部分とを有するスポットサイズ変換光導波路を備えたことを特徴としている。
【００２４】
また、本発明の導波路型光回路は、基板上に形成された複数の光入出力部を有する導波路型光回路において、前記光入出力部の少なくとも１つは、光を伝搬するコアと、前記コアを覆うクラッドとを有し、前記コアが、光の伝搬方向に沿って徐々に幅が変化するテーパー導波路構造のコアと、コア長とコア間隔の比が光の伝搬方向に沿って一定となるように分割配置されたコア群とを有するスポットサイズ変換光導波路を備えたことを特徴としている。
【００２５】
また、前記デーパー導波路構造のコアと、前記コア群との間に、コア長とコア間隔の比が伝搬方向に沿って変化するように分割配置されたコア群を介装したことを特徴としている。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２７】
（第１の実施の形態）
図１に示す第１の実施の形態に係るスポットサイズ変換光導波路は、ガラス基板上に光の伝搬方向ｚに沿って分割配置された複数のコア１と、これらのコア１を覆うクラッド２とから成り、このクラッド２は、コア１を保護すると共に光をコア１に閉じ込めるためにコアよりも低い屈折率を有している。そして、このスポットサイズ変換導波路は、各コア１の長さＬ１〜Ｌ７と、各コア１の間隔ｄ１〜ｄ７との比が、光の伝搬方向ｚに沿って異なる部分（以下、異周期構造部分という）６と、一定である部分（以下、一定周期構造部分という）７とを有する分割導波路構造を成すものである。
【００２８】
つまり、異周期構造部分６は、セグメント長Ｓ（従来例で説明済み）が一定で、コア長Ｌ１〜Ｌ６が徐々に光の伝搬方向ｚに沿って減少する構造を成し、シングルモード導波路を伝搬する光のスポットサイズを徐々に拡大させる。一定周期構造部分７は、セグメント長Ｓ１、コア長Ｌ７、コア間のギャップ長ｄ７の何れも一定な構造を成し、異周期構造部分６からの光のスポットサイズを維持する。なお、コア１とクラッド２の境界面からの反射を防止するために、コア１とクラッド２の境界面を光の伝搬方向に対して斜めにするのが好ましい。このようなスポットサイズ変換光導波路を製造する場合は、通常の光導波路の作製方法を用いれば良い。但し、例えば次の二通りの方法によっても作製することができる。
【００２９】
図２（ａ）の平面図、（ｂ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）の平面図、（ｄ）のＢ−Ｂ断面図に示すように、長手方向の一端から他端まで直線状にコア１が配置されたクラッド２の表面からエッチングを施すことによって、コア１を上記のように異周期、一定周期で分断する溝８を形成する。そして、溝８にコア１よりも屈折率の低い光透過性物質を充填する。
【００３０】
図３（ａ）の平面図、（ｂ）のＣ−Ｃ断面図、（ｃ）の平面図、（ｄ）のＤ−Ｄ断面図に示すように、クラッド２の表面からコア１にレーザを照射する。この照射された部分の屈折率が高くなるので、照射は、上記のコア１となる部分に行う。照射されなかった低屈折率部分９は、上記のギャップ部分となる。次に、スポットサイズ変換光導波路の特性について説明する。
【００３１】
図４に示すように、異周期構造部分６の各コア長Ｌ１〜Ｌ６を２０．０〜７．５μｍ、ギャップ長ｄ１〜ｄ６を５．０〜１７．５μｍとし、一定周期構造部分７の各コア長Ｌ７を３．０μｍ、ギャップ長ｄ７を５．０μｍとした場合に、このスポットサイズ変換光導波路を伝搬する光のスポットサイズを伝搬方向ｚのコア位置に対して計算した。
【００３２】
図５に、その計算結果を表で示す。この計算においては、導波路の比屈折率差を１．５％、光の波長を１．５５μｍとし、スポットサイズの算出は、強度分布の２次モーメントによる下記計算式（１）により算出した。
【００３３】
【数１】
【００３４】
図５に示す計算結果表において、異周期構造部分６ではスポットサイズが拡大され、一定周期構造部分７ではスポットサイズの変化が非常に緩やかになっていることが確認できる。つまり、所定のスポットサイズを維持できることが確認できる。
【００３５】
図６（ａ）に、本スポットサイズ変換光導波路１１を導波路型光回路１０の入出力部１０ｂに組み込んだ構成例を示す。この導波路型光回路１０は、いわゆるＡＷＧ型の光合分波器を構成しており、入力導波路１２と、入力導波路１２に接続されたスラブ導波路１３と、このスラブ導波路１３に接続され、長さの異なる複数本の導波路が長さの順に配置されたアレイ導波路１４と、アレイ導波路１４に接続されたスラブ導波路１３と、このスラブ導波路１３に接続された出力導波路１５とから成る。そして、入力導波路１２及び出力導波路１５の一部がスポットサイズ変換導波路１１で構成されており、１０ａで示す導波路１１の端面が導波路型光回路１０における光の入出力端面となっている。この入出力端面１０ａには光ファイバ１６が接続され光モジュールが構成される。
【００３６】
図６（ｂ）、（ｃ）にＺ１，Ｚ２で示すように、その入出力端面１０ａは、導波路型光回路１０の切断・研磨時に、光の伝搬方向ｚにずれ、その端面１０ａの位置がＺ１，Ｚ２で示すようにばらつく。このように、ばらついた場合でも、その位置Ｚ１，Ｚ２が一定周期構造部分７であれば、図６（ｄ）に示すように、得られるスポットサイズはほとんど変化せず安定して所定のスポットサイズを得ることができる。これは、上記したスポットサイズ変換光導波路を導波路型光回路に組み込んだ場合に限らずスポットサイズ変換光導波路を独立の光回路素子と作製し、これに光学系デバイスを接続して光モジュールを構成する場合も同様である。
【００３７】
スポットサイズ変換光導波路は、比屈折率差の高い光導波路と比屈折率差の比較的低いシングルモードファイバ（以下、ＳＭＦと略す）との結合損失を低減する目的で用いられる。したがって、本スポットサイズ変換光導波路は、上記したＡＷＧ型の光合分波器を構成する導波路型光回路１０に限らず、ＳＭＦとの結合損失の低減が要求されるもの（例えば、マトリクス型の光導波路スイッチ、マッハツエンダ回路を有する光導波路型の光可変減衰器その他の導波路型光回路）にも適用可能である。この場合、スポットサイズ変換光導波路は、可能な限り低損失でスポットサイズを変換するように設計する必要がある。
【００３８】
図７に示すように、異周期構造部分６の各コア長Ｌ１〜Ｌ６を２０．０〜７．５μｍ、ギャップ長ｄ１〜ｄ６を７．５μｍとし、一定周期構造部分７のギャップ長ｄ７を、２．５μｍ、５．０μｍ、１０．０μｍと変化させた場合の、ｚ軸方向位置におけるスポットサイズ変換光導波路とＳＭＦとの結合損失を計算した。但し、スポットサイズ変換光導波路の比屈折率差を１．５％、伝搬光の波長を１．５５μｍとした。ＳＭＦの界分布は、モードフィールド径１０．４μｍのガウス分布を仮定した。また、コア長Ｌ７とギャップ長ｄ７の比が一定となるようにコア長Ｌ７を調整した。
【００３９】
図８に、上記のスポットサイズ変換光導波路とＳＭＦとの結合損失の計算結果を示す。即ち、図７にＺ＝０を基点とするＺ軸方向の位置と結合損失との関係を示す。曲線ＣＬ１は、一定周期構造部分７におけるギャップ長ｄ７＝１０．０μｍ、コア長Ｌ７＝６．０μｍの場合のＺ軸方向位置と結合損失との関係、曲線ＣＬ２は、一定周期構造部分７におけるギャップ長ｄ７＝５．０μｍ、コア長Ｌ７＝３．０μｍの場合の同関係、曲線ＣＬ３は、一定周期構造部分７におけるギャップ長ｄ７＝２．５μｍ、コア長Ｌ７＝１．５μｍの場合の同関係を示す。
【００４０】
図９に、上記の結合損失の計算を行った際のスポットサイズ変換光導波路を伝搬する光のスポットサイズとＺ軸方向の位置との関係を示す。曲線ＣＬ４は、一定周期構造部分７におけるギャップ長ｄ７＝１０．０μｍ、コア長Ｌ７＝６．０μｍの場合のＺ軸方向位置とスポットサイズとの関係、曲線ＣＬ５は、一定周期構造部分７におけるギャップ長ｄ７＝５．０μｍ、コア長Ｌ７＝３．０μｍの場合の同関係、曲線ＣＬ６は、一定周期構造部分７におけるギャップ長ｄ７＝２．５μｍ、コア長Ｌ７＝１．５μｍの場合の同関係を示す。
【００４１】
図８および図９の関係からわかるように、コア長Ｌ７とギャップ長ｄ７の比が一定になるようにコア長Ｌ７とギャップ長ｄ７を変化させると、スポットサイズに大きな変化がなく、結合損失に違いが現れてくる。このことは、ギャップ長ｄ７を大きくしたことによる放射損失の増加を意味している。よって、ギャップ長ｄの値は小さい方が望ましい。ただし、ＣＶＤ装置などの堆積装置により上部クラッド２を形成する場合、ギャップ部の埋め込みが困難となることがあるので、ギャップ長ｄ７は３〜１０μｍが好ましいことがわかる。
【００４２】
図１０は、図７のスポットサイズ変換光導波路において、一定周期構造部分７のギャップ長ｄ７を一定値（５．０μｍ）として各コア長Ｌ７を一律に変化させた場合の、ｚ軸方向位置５００μｍにおけるスポットサイズおよび上記の結合損失の計算結果を示した図である。但し、伝搬光の波長を１．５５μｍ、比屈折率差を１．５％とした。この図１０から一定周期構造部分７のコア長Ｌ７をギャップ長ｄ７に対して適切な設計値にする必要があり、コア長Ｌ７の範囲をギャップ長ｄ７の０．４〜１．０倍とするのが好ましいことがわかる。
【００４３】
このように、第１の実施の形態のスポットサイズ変換光導波路によれば、クラッド２の中に光の伝搬方向ｚに沿って分割配置される複数のコア１を、異周期構造部分６と一定周期構造部分７とに分けて配置することによって、異周期構造部分６で拡大された光のスポットサイズを、一定周期構造部分７で、一定に維持することができる。
【００４４】
また、従来のダウンテーパー導波路構造ようにコアを極端に細くせず、コア１の幅、高さともに一定なので、偏波依存性損失を小さくすることができる。つまり、偏波依存性損失が小さく、変換後に所定の光のスポットサイズを得ることができるので、結合損失が増大することなく光学系デバイスを結合して、光モジュールを構成することができる。さらに、従来のようにコアの高さを変えるタイプのものと異なり、コアの高さが一定なので、容易に製造することができる。
【００４５】
（第２の実施の形態）
図１１に示す第２の実施の形態に係るスポットサイズ変換光導波路は、光の伝搬方向ｚに沿って徐々に幅が細くなるダウンテーパー導波路構造のコア１と、このコア１の後段に光の伝搬方向ｚに沿って分割配置された複数の同形状のコア１ｃと、これらのコア１，１ａを覆うクラッド２とから成り、このクラッド２はコア１、１ａを保護すると共に光をコア１，１ａに閉じ込めるためにコア１、１ａよりも低い屈折率を有している。コア１の後段の各コア１ｃは、一定周期構造部分７である。
【００４６】
コア１は、光の入力部分の幅と高さが各々４．３μｍであり、テーパー状に細くなる位置ｚ＝０から先端までの長さが５００μｍ、先端の端面の幅が１．０μｍの寸法を有する。また、一定周期構造部分７においては、各コア１ｃの幅、高さ共に４．３μｍであり、ギャップ長が５．０μｍに設定されている。
【００４７】
図１２に、このスポットサイズ変換光導波路における光の伝搬方向であるＺ軸方向位置と、スポットサイズＣＬ７並びに結合損失ＣＬ８の関係を示す。但し、伝搬光の波長を１．５５μｍ、比屈折率差を１．５％とした。この図１２からコア１の部分において、スポットサイズが拡大すると共に結合損失が減少し、一定周期構造部分７では、拡大されたスポットサイズが低結合損失状態のまま上記第１の実施の形態と同様に安定に維持していることが分かる。従って、第１の実施の形態と同様に、変換後に所定の光のスポットサイズを得ることができ、これによって結合損失が増大することなく光学系デバイスを結合して、光モジュールを構成することができる。また、本スポットサイズ変換光導波路を上記第１の実施の形態と同様に導波路光回路の入出力部に組み込んで構成することができる。
【００４８】
（第３の実施の形態）
図１３に示す第３の実施の形態に係るスポットサイズ変換光導波路は、光の伝搬方向ｚに沿って徐々に幅が太くなるアップテーパー導波路構造のコア１と、このコア１の後段に光の伝搬方向ｚに沿って分割位置された異周期構造部分６の各コア１ｂと、一定周期構造部分７の各コア１ｃとから成る。
【００４９】
コア１は、光の入力部分の幅と高さが各々４．３μｍであり、テーパー状に太く位置ｚ＝０から先端までの長さが５００μｍ、先端の端面の幅が８．０μｍの寸法を有する。また、異周期構造部分６においては、各コア１ｂの幅、高さ共に４．３μｍであり、長さがコア１の直後の先頭のコア１ｂが２０μｍで以降２μｍづつ短く末尾のコア１ｂが１０μｍの寸法を有し、直前のコアとのギャップ長が先頭のコア１ｂで５μｍ、以降２μｍづつ長く末尾のコア１ｂで１７μｍとなっている。一定周期構造部分７においては、各コア１ｃの幅、高さ共に４．３μｍであり、ギャップ長が５μｍに設定されている。
【００５０】
図１４に、このスポットサイズ変換光導波路における光の伝搬方向あるＺ軸方向位置と、スポットサイズＣＬ９並びに結合損失ＣＬ１０の関係を示す。但し、伝搬光の波長を１．５５μｍ、比屈折率差を１．５％とした。この図１４からコア１，１ｂの部分においてスポットサイズが拡大すると共に結合損失が減少し、一定周期構造部分７では、拡大されたスポットサイズが低結合損失状態のまま上記第１の実施の形態と同様に安定に維持していることが分かる。従って、第１の実施の形態と同様に、偏波依存性損失が小さく、変換後に所定の光のスポットサイズを得ることができ、これによって結合損失が増大することなく光学系デバイスを結合して、光モジュールを構成することができる。また、本スポットサイズ変換光導波路を上記第１の実施の形態と同様に導波路型光回路の入出力部に組み込んで構成することができる
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のスポットサイズ変換光導波路によれば、クラッド中に光の伝搬方向に沿って分割配置された複数のコアに、コア長とコア間隔の比が光の伝搬方向に沿って変化する部分と、一定である部分とを有するように構成したので、拡大された光のスポットサイズを、一定部分の各コアで、安定に維持することができる。また、コアの幅、高さともに一定としたので、偏波依存性損失を小さくすることができる。つまり、偏波依存性損失が小さく、スポットサイズ変換後に所定の光のスポットサイズを得ることができるので、結合損失が増大することなく光学系デバイスを結合することができる。さらに、コアの高さが一定なので、容易に製造することができる。
【００５２】
また、本発明のスポットサイズ変換光導波路によれば、クラッド中に光の伝搬方向に沿って徐々に幅が変化するテーパー導波路構造のコアと、コア長とコアの間隔の比が光の伝搬方向に沿って一定となるように分割配置されたコア群とを有するように構成したので、拡大された光のスポットサイズを分割配置されたコア群で、安定に維持することができる。つまり、スポットサイズ変換後に所定の光のスポットサイズを得ることができるので、結合損失が増大することなく光学系デバイスを結合することができる。さらに、コアの高さが一定なので、容易に製造することができる。
【００５３】
さらに、本発明のスポットサイズ変換光導波路によれば、クラッド中に光の伝搬方向に沿って徐々に幅が変化するテーパー導波路構造のコアと、コア長とコアの間隔の比が光の伝搬方向に沿って一定となるように分割配置されたコア群との間に、コア長とコア間隔の比が光の伝搬方向に沿って変化するように分割配置されたコア群を介装したので、拡大された光のスポットサイズを、コア長とコア間隔の比が一定のコア群で、安定に維持することができる。また、コア群のコアの幅、高さともに一定としたので、偏波依存性損失を小さくすることができる。つまり、偏波依存性損失が小さく、スポットサイズ変換後に所定の光のスポットサイズを得ることができるので、結合損失が増大することなく光学系デバイスを結合することができる。さらに、コアの高さが一定なので、容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るスポットサイズ変換光導波路の構成を示す斜視図である。
【図２】（ａ）はクラッドにコアが形成された状態を示す図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）はクラッドのコアに複数の溝が形成された状態を示す図、（ｄ）はＢ−Ｂ断面図である。
【図３】（ａ）はクラッドにコアが形成された状態を示す図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図、（ｃ）はクラッドのコアに複数の低屈折率部分が形成された状態を示す図、（ｄ）はＤ−Ｄ断面図である。
【図４】第１の実施の形態のスポットサイズ変換光導波路においてコアの寸法を定めた場合の構成を示す斜視図である。
【図５】図４のスポットサイズ変換光導波路におけるＺ軸方向位置とスポットサイズとの関係図である。
【図６】（ａ）は導波路型光回路の入出力部にスポットサイズ変換光導波路を組み込んだ場合の構成を示す図、（ｂ）と（ｃ）はスポットサイズ変換光導波路が入出力部に組み込まれた導波路型光回路の入出力端面の比較図、（ｄ）はスポットサイズ変換光導波路が入出力部に組み込まれた導波路型光回路におけるＺ軸方向位置とスポットサイズとの関係図である。
【図７】第１の実施の形態のスポットサイズ変換光導波路において一定周期構造部分のコアの長さ並びにギャップ長を変える場合の構成を示す斜視図である。
【図８】図７のスポットサイズ変換光導波路におけるＺ軸方向位置と結合損失との関係図である。
【図９】図７のスポットサイズ変換光導波路におけるＺ軸方向位置と結合損失との関係図である。
【図１０】図７のスポットサイズ変換光導波路において、一定周期構造部分のギャップ長を一定値として各コア長を一律に変化させた場合のｚ軸方向位置と、スポットサイズおよび結合損失との関係図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係るスポットサイズ変換光導波路の構成を示す斜視図である。
【図１２】第２の実施の形態のスポットサイズ変換光導波路におけるｚ軸方向位置と、スポットサイズおよび結合損失との関係図である。
【図１３】本発明の第３の実施の形態に係るスポットサイズ変換光導波路の構成を示す斜視図である。
【図１４】第３の実施の形態のスポットサイズ変換光導波路におけるｚ軸方向位置と、スポットサイズおよび結合損失との関係図である。
【図１５】（ａ）、（ｂ）は従来のアップテーパー導波路構造のスポットサイズ変換光導波路の構成を示す図、（ｃ）はダウンテーパー導波路構造のスポットサイズ変換光導波路の構成を示す図である。
【図１６】（ａ）、（ｂ）は従来の分割導波路構造のスポットサイズ変換光導波路の構成を示す図、（ｃ）はコア長、ギャップ長、セグメント長の説明図である。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ コア
２ クラッド
６ 異周期構造部分
７ 一定周期構造部分
８ 溝
９ 低屈折率部分
１０ 導波路型光回路
１０ａ 入出力端面
１０ｂ 入出力部
１１ スポットサイズ変換光導波路
１２ 入力導波路
１３ スラブ導波路
１４ アレイ導波路
１５ 出力導波路
１６ 光ファイバ
ｄ ギャップ長
Ｌ コア長
Ｓ セグメント長
Claims (10)
- 光を伝搬し、この伝搬方向に沿って分割配置された複数のコアと、前記コアを覆うクラッドとを有して成るスポットサイズ変換光導波路において、
前記複数のコアは、コア長とコア間隔の比が光の伝搬方向に沿って変化する部分と、一定である部分とを有する
ことを特徴とするスポットサイズ変換光導波路。 - 前記複数のコアは、光の伝搬方向に対して直交するコア幅および高さが一定である
ことを特徴とする請求項１に記載のスポットサイズ変換光導波路。 - 前記コア長とコア間隔の比が光の伝搬方向に沿って一定である部分の各コアは、コア間隔が１０μｍ以下であり、コア長が前記コア間隔の０．４〜１．０倍である
ことを特徴とする請求項１に記載のスポットサイズ変換光導波路。 - 光を伝搬するコアと、前記コアを覆うクラッドとを有して成るスポットサイズ変換光導波路において、
前記コアは、光の伝搬方向に沿って徐々に幅が変化するテーパー導波路構造のコアと、コア長とコア間隔の比が光の伝搬方向に沿って一定となるように分割配置されたコア群とを有して構成される
ことを特徴とするスポットサイズ変換光導波路。 - 前記テーパー導波路構造のコアと、前記コア群との間に、コア長とコア間隔の比が光の伝搬方向に沿って変化するように分割配置されたコア群を介装した
ことを特徴とする請求項４に記載のスポットサイズ変換光導波路。 - 光を伝搬し、この伝搬方向に沿って分割配置された複数のコアと、前記コアを覆うクラッドとを有し、前記複数のコアが、コア長とコア間隔の比が光の伝搬方向に沿って変化する部分と、一定である部分とを有するスポットサイズ変換光導波路に、光学系デバイスを結合して構成される
ことを特徴とする光モジュール。 - 光を伝搬するコアと、前記コアを覆うクラッドとを有し、前記コアが、光の伝搬方向に沿って徐々に幅が変化するテーパー導波路構造のコアと、コア間隔の比が光の伝搬方向に沿って一定となるように分割配置されたコア群とを有するスポットサイズ変換光導波路に、光学系デバイスを結合して構成される
ことを特徴とする光モジュール。 - 基板上に形成された複数の光入出力部を有する導波路型光回路において、
前記光入出力部の少なくとも１つは、光を伝搬し、この伝搬方向に沿って分割配置された複数のコアと、前記コアを覆うクラッドとを有し、前記複数のコアが、コア長とコア間隔の比が光の伝搬方向に沿って変化する部分と、一定である部分とを有するスポットサイズ変換光導波路
を備えたことを特徴とする導波路型光回路。 - 基板上に形成された複数の光入出力部を有する導波路型光回路において、
前記光入出力部の少なくとも１つは、光を伝搬するコアと、前記コアを覆うクラッドとを有し、前記コアが、光の伝搬方向に沿って徐々に幅が変化するテーパー導波路構造のコアと、コア長とコア間隔の比が光の伝搬方向に沿って一定となるように分割配置されたコア群とを有するスポットサイズ変換光導波路
を備えたことを特徴とする導波路型光回路。 - 前記テーパー導波路構造のコアと、前記コア群との間に、コア長とコア間隔の比が光の伝搬方向に沿って変化するように分割配置されたコア群を介装した
ことを特徴とする請求項９に記載の導波路型光回路。
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Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
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| JP2003027587A JP2004240064A (ja) | 2002-12-09 | 2003-02-04 | スポットサイズ変換光導波路、光モジュールおよび導波路型光回路 |
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Cited By (4)
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|---|---|---|---|---|
| JP2005202405A (ja) * | 2004-01-13 | 2005-07-28 | Lucent Technol Inc | 光ファイバとプレーナ光導波路とを高密度に結合する方法及び装置 |
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-
2003
- 2003-02-04 JP JP2003027587A patent/JP2004240064A/ja active Pending
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