JP2016156928A - スポットサイズ変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】構造が簡便なスポットサイズ変換器を提供する。【解決手段】第１導波路コア１と第２導波路コア２を備え、第１構成領域、第２構成領域、第３構成領域が順次設定されている。第１導波路コアと第２導波路コアの導波方向（ｚ軸方向）は互いに平行になるように配置されている。第１導波路コア１は第１構成領域に形成されており、第２導波路コア２は、第１構成領域、第２構成領域、第３構成領域の全域にわたって形成されている。第１導波路コア１は、第２構成領域に向かって当該コアの幅が狭まるテーパ構造領域１‐Ｔを含んでおり、第２構成領域に含まれる第２導波路コア２‐２は、第１構成領域から離れるにしたがって当該コアの幅が狭まるテーパ構造領域２‐Ｔとされている。第１導波路コア１及び第２導波路コア２は、下部クラッド層４と上部クラッド層３に挟まれている。【選択図】図１

Description

本発明は、入力光のモードフィールド径を拡大又は縮小して出力させるスポットサイズ変換器に関する。

近年、光配線層としての機能を果たす光導波路が形成されたSOI(Silicon on Insulator)基板に、GaAsあるいはInP等の化合物半導体をハイブリッド集積し、光トランシーバ等の機能素子を実現する技術が注目されている。このような機能素子においては、当該機能素子への光入力信号あるいは当該機能素子からの光出力信号を導波する光導波路と、光ファイバ等の外部の光導波路（あるいは光学素子）を結合させるためのスポットサイズ変換器が必要とされる。

SOI基板に形成されている光導波路と半導体レーザ等の外部光学素子とを結合させるスポットサイズ変換器として、導波路幅が導波方向にテーパ状に変化させたテーパ型シリコン細線導波路から成るスポットサイズ変換器を利用するのが好適である。そして、SOI基板上に形成されている光導波路と外部素子との結合効率が高いほど望ましい。

SOI基板上に形成された光導波路と光学素子との互いの入出力光を、高効率で光結合させるために利用される好適なスポットサイズ変換器が幾つか開示されている。例えば、テーパ型シリコン細線導波路とそのテーパ部から染み出した光を捕獲する導波路コア(ポリマーコア)を備えたスポットサイズ変換器が開示されている（非特許文献１参照）。また、偏波依存性を低減するためにテーパ型シリコン細線導波路に幅方向だけでなく、縦方向(導波路の厚み方向)に対してもテーパ状に構成し、かつ、10μmまでスポットサイズを拡大するため10μm厚のリブ構造の導波路コアを用いたスポットサイズ変換器が開示されている（非特許文献２参照）。また、導波路コアを先細りテーパ構造にし、かつリブ型の導波路コアでスポットサイズを10μm程度まで拡大する構造が提案されている（特許文献１参照）。

T. Shoji, et al., "Low loss mode size converter from 0.3 μm square Si wire waveguides to single mode fibres", Electronics Letters Volume 38, Issue 25 pp. 1669〜1670 (2002). M. Tokushima, et al., "Dual-Tapered 10-μm-Spot-Size Converter with Double Core for Coupling Polarization-Independent Silicon Rib Waveguides to Single-Mode Optical Fibers", Applied Physics Express 5, pp.022202-1〜022202-3 (2012).

特開２０１３−２３１７５３号公報

しかしながら、上述の非特許文献１に記載のスポットサイズ変換器は、シリコン素材等の無機材料の他にポリマー材料という有機材料を必要とする。また、非特許文献２に記載の２重コアを用いたスポットサイズ変換器においては、そのスポットサイズは導波路コアの断面寸法で決まるため、導波路コアの断面寸法は10μm角程度とシリコン細線導波路に比べて大きく、また段差加工に対応した成膜やエッチング工程などの追加プロセスが必要となり作製プロセスが複雑になる。特許文献１に記載の３重コア(第１〜第３コア)を用いたスポットサイズ変換器においても、先細りテーパ構造の第２コア厚が3μm、リブ型の第３コア厚が4μm程度であり、比較的大きな段差が生じるため、やはり段差加工に対応したプロセスが必要となる。これらの追加プロセスは、他の集積素子へダメージを与えたり、高い段差形状が生じたりするため、他の機能素子との集積プロセスにおいて、プロセスの整合性が問題となる。

本願の発明者は、上述の非特許文献１に開示されたスポットサイズ変換器が備えるポリマー素材で形成される導波路コア、及び、特許文献１に開示されたスポットサイズ変換器が備えているリブ型の導波路コアに相当する構成要素を用いずに、また、非特許文献２に開示されたスポットサイズ変換器で必要とされる段差加工を必要としない、より簡便な構造のスポットサイズ変換器が実現されることを、シミュレーション解析によって見出した。すなわち、本願発明は、上述の先行技術文献に開示されたスポットサイズ変換器よりも構造が簡便なスポットサイズ変換器を提供することを目的とする。

この発明の要旨によれば、以下の特徴を具えている。

本願発明のスポットサイズ変換器の基本構成は、第１導波路コアと第２導波路コアを備えている。そして、第１及び第２導波路コアの導波方向に、順次第１構成領域、第２構成領域が設定されている。第１導波路コアは第１構成領域に形成されており、第２導波路コアは、第１構成領域、第２構成領域の全域にわたって形成されている。また、第１導波路コアと第２導波路コアは、これら両導波路コアの厚み方向に、第１導波路コアの対称中心と第２導波路コアの対称中心とが重なるように、かつ第１導波路コアの導波方向と第２導波路コアの導波方向は互いに平行になるように積み重ねて配置されている。第１及び第２構成領域に加えて更に第３構成領域を加えてもよい。この場合、第２導波路コアは、第１構成領域、第２構成領域、第３構成領域の全域にわたって形成される。

第１導波路コアは、第２構成領域に向かって当該コアの幅が狭まるテーパ構造領域を含んでおり、第２導波路コアの第２構成領域に含まれる部分は、第１構成領域から離れるにしたがって当該コアの幅が狭まるテーパ構造領域とされている。

第１構成領域では、第１導波路コアと第２導波路コアを含み、第１構成領域では、第１導波路コアを伝搬する伝搬光と第２導波路コアを伝搬する伝搬光とが互いのエバネッセント場を介して光結合される。第２構成領域では、入力光のモードフィールド径が第１構成領域から離れるにしたがって拡大され、第３構成領域では、第２構成領域から出力される伝搬光が外部に導かれ、あるいは外部から入力される光が第２構成領域に導かれる。

本願発明のスポットサイズ変換器は、上述の基本構成に対して、更に、下部クラッド層、及び上部クラッド層を加えた構成とすることができる。この場合、第１導波路コアの屈折率より第２導波路コアの屈折率が小さく、下部クラッド層及び上部クラッド層の屈折率は、第２導波路コアの屈折率より小さく設定する。そして、第１構成領域を、下部クラッド層、第１導波路コア、第２導波路コア、上部クラッド層の順に積層させて構成し、第２構成領域を、下部クラッド層、第２導波路コア、上部クラッド層の順に積層させて構成し、第３構成領域を、下部クラッド層、第２導波路コア、上部クラッド層の順に積層させて構成する。

また、本願発明のスポットサイズ変換器は、上述の基本構成に対して、更に、第１下部クラッド層、第２下部クラッド層、及び上部クラッド層を加えた構成とすることもできる。この場合、第１導波路コアの屈折率より第２導波路コアの屈折率が小さく、第１下部クラッド層、第２下部クラッド層、及び上部クラッド層の屈折率は、第２導波路コアの屈折率より小さく設定する。そして、第１構成領域を、第１下部クラッド層、第１導波路コア、第２下部クラッド層、第２導波路コア、上部クラッド層の順に積層させて構成し、第２構成領域を、第１下部クラッド層、第２下部クラッド層、第２導波路コア、上部クラッド層の順に積層させて構成し、第３構成領域を、第１下部クラッド層、第２下部クラッド層、第２導波路コア、上部クラッド層の順に積層させて構成する。

第２導波路コアの第３構成領域に含まれる部分は、当該コア幅が一定の均一幅導波路とすることも、あるいは周期的にセグメント化されたコアを直列に配置して形成されるセグメント導波路とすることも可能である。

この発明の要旨のスポットサイズ変換器によれば、後述するシミュレーション結果に示されるように、実用上支障のない程度に光損失を小さくすることができる。すなわち、SOI基板に形成された光トランシーバ等の機能素子へ外部から光信号を入力させる際、あるいは当該機能素子からの光出力信号を導波する光導波路と光ファイバ等の外部の光導波路を結合させる際に利用して好適なスポットサイズ変換器を提供できる。

第１のスポットサイズ変換器の概略的構成を示す図であり、(A)はx-z面を示す概略的平面図、(B)は(A)に示す一点破線(I-I)で示した位置で切断したy-z面を示す概略的断面構造図である。 第１のスポットサイズ変換器の他の形態の概略的構成を示す図である。 第２のスポットサイズ変換器の概略的構成を示す図であり、(A)はx-z面を示す平面図、(B)は第１構成領域で第１導波路コアの存在する位置でのx-y面を示す概略的断面構造図であり、(C)は(A)に示す一点破線(II-II)で示した位置で切断したy-z面を示す概略的断面構造図であり、(D)は第３構成領域でのx-y面を示す概略的断面構造図である。 第１のスポットサイズ変換器のa〜dで示す各位置における伝搬光のTE波成分及びTM波成分のビームスポットの様子を示す図である。 モードミスマッチ損失を求める方法の説明に供する図である。 第１のスポットサイズ変換器の第２導波路コアの厚みをパラメータにして、第１構造領域における第２導波路コアの幅に対するモードミスマッチ損失の関係の説明に供する図である。 第１のスポットサイズ変換器の第２導波路コアの厚みをパラメータにして、第２構成領域の第２導波路コアの導波方向の長さがモードミスマッチ損失に与える影響についての説明に供する図である。 シリコン基板への放射損失を考慮して求めた、第１のスポットサイズ変換器のa〜dで示す各位置における伝搬光のTE波成分及びTM波成分のビームスポットの様子を示す図である。 第３構成領域の第２導波路コアをセグメント導波路とした場合のシミュレーション結果の説明に供する図である。 第３構成領域の第２導波路コアをセグメント導波路とした場合の等価特性及び反射特性についての説明に供する図である。

以下、図を参照して、本願発明の実施形態につき説明する。なお、本願発明のスポットサイズ変換器の概略的構成を示す各図は、この発明の実施形態に係る一構成例を示すものであり、この発明を図示例に限定するものではない。また、以下の説明において、特定の構成素材及び設計条件等を用いることがあるが、これら構成素材及び設計条件等は好適例の一つに過ぎず、したがって、何らこれらに限定されない。また、各図において同様の構成要素については、同一の番号を付して示し、その重複する説明を省略することもある。

＜第１のスポットサイズ変換器＞
図１(A)及び(B)を参照して、第１のスポットサイズ変換器の構成について説明する。図１は、第１のスポットサイズ変換器の概略的構成を示す図である。ここで、説明の便宜上、図１に示すように、導波方向をz軸方向とし、導波路の幅方向をx軸方向、導波路の厚み方向をy軸方向と定義する。(A)はx-z面を示す概略的平面図、(B)は(A)に示す一点破線(I-I)で示した位置で切断したy-z面を示す概略的断面構造図である。

第１のスポットサイズ変換器は、シリコン基板10上に形成され、第１導波路コア1と第２導波路コア2(2-1、2-2、2-3)を備えている。ここで、図１に示すように、第１導波路コア1と第２導波路コア2の導波方向(z軸方向)に、第１構成領域、第２構成領域、第３構成領域を順次設定する。

第１導波路コア1は第１構成領域に形成されており、第２導波路コア2は、第１構成領域、第２構成領域、第３構成領域の全域にわたって形成されている。図１では、第２導波路コア2のうち第１構成領域に含まれる部分を第２導波路コア2-1と示し、第２構成領域に含まれる部分を第２導波路コア2-2と示し、第３構成領域に含まれる部分を第２導波路コア2-3と示してある。第２導波路コア2は、第１〜第３構成領域にわたって当該導波路の上面(第２導波路コア2の上部クラッド層3と接する面)は平坦に形成されている。

第１導波路コア1と第２導波路コア2は、これら両導波路コアの厚み方向に、第１導波路コア1の対称中心と第２導波路コア2の対称中心とが重なるように、かつ第１導波路コア1の導波方向と第２導波路コア2の導波方向は互いに平行になるように積み重ねて配置されている。

第１導波路コア1は、第２構成領域に向かって当該コアの幅が狭まるテーパ構造領域1-Tを含んでおり、第２構成領域に含まれる第２導波路コア2-2は、第１構成領域から離れるにしたがって当該コアの幅が狭まるテーパ構造領域2-Tとされている。第３構成領域に含まれる第２導波路コア2-3は、導波路幅が一定の均一幅導波路として形成されている。

第１構成領域は、第１導波路コア1と第２導波路コア2-1を含んでいる。第１構成領域では、第１導波路コア1を伝搬する伝搬光と第２導波路コア2-1を伝搬する伝搬光とが互いのエバネッセント場を介して光結合される。第２構成領域は第２導波路コア2-2を含んでいる。第２構成領域では、第２導波路コア2-2によって、入力光のモードフィールド径が第３構成領域に近づくにつれて拡大される。第３構成領域は、第２導波路コア2-3を含んでいる。第３構成領域では、第２導波路コア2-3によって第２構成領域から出力される伝搬光が外部に導かれ、あるいは外部から入力される光が第２構成領域に導かれる。

第１導波路コア1及び第２導波路コア2(2-1、2-2、2-3)は、下部クラッド層4と上部クラッド層3に挟まれている。このような構成とした場合、第１導波路コア1の屈折率より第２導波路コア2の屈折率が小さく、下部クラッド層4及び上部クラッド層3の屈折率は、第２導波路コア2の屈折率より小さく設定する。そして、第１構成領域は、下部クラッド層4、第１導波路コア1、第２導波路コア2-1、上部クラッド層3の順に積層させて構成されており、第２構成領域は、下部クラッド層4、第２導波路コア2-2、上部クラッド層3の順に積層させて構成されており、第３構成領域は、下部クラッド層4、第２導波路コア2-3、上部クラッド層3の順に積層させて構成されている。

第１導波路コア1はシリコン素材で形成されるシリコンコアとすることが好適である。第２導波路コア2(2-1、2-2、2-3)、下部クラッド層4、及び上部クラッド層3は、シリコンよりも屈折率の小さい酸化シリコン(SiOx)素材で形成することができ、それぞれの屈折率は、酸化シリコン材の酸素含有量(SiOx)のxの値を調整することによって、適宜設定することが可能である。このxの値の調整は、これらの部分を構成させるために利用する化学気相成長(CVD: Chemical Vapor Deposition)装置等において、酸化シリコン層の形成条件を決定するパラメータを調整することで実現される。

第１導波路コア1、第２導波路コア2(2-1、2-2、2-3)の形状及び屈折率、並びに下部クラッド層4、及び上部クラッド層3の厚み及び屈折率は、第１のスポットサイズ変換器と結合させる光ファイバを伝搬する光あるいは外部光源の出力光のモードフィールド径等から決定される。すなわち、スポットサイズの拡大あるいは縮小率の条件、及びこのスポットサイズ変換器において発生する光量損失等許容値等を勘案して決定される。

図１において、第１導波路コア1の左端を入力ポートとして、スポットサイズ被変換光を入力させると、第１導波路コア1を基本伝搬モードで伝搬する伝搬光が徐々に第２導波路コア2-1に浸み出していき、最終的に第２導波路コア2-1の基本伝搬モードに結合される。すなわち、第１構成領域において、第１導波路コア1を伝搬する伝搬光と第２導波路コア2-1を伝搬する伝搬光とが互いのエバネッセント場を介して光結合される。第２導波路コア2-2を伝搬する伝搬光は、第２構成領域に含まれるテーパ構造領域2-Tを伝搬中にスポットサイズ(モードフィールド径)が拡大される。

第２導波路コア2(2-1、2-2、2-3)は、下部クラッド層4の上面上に構成されている。そして、第２導波路コア2-3(図１では第２導波路コア2-3の左端)におけるモードフィールド径とほぼ等しいモードフィールド径の出力光が、第２導波路コア2-3の出力端(図１では第２導波路コア2-3の右端)を出力ポートとして外部に出力される。このように、モードフィールド径の小さな入力光が第１導波路コア1に入力されると、モードフィールド径が拡大されて第２導波路コア2-3の出力端(出力ポート)から出力される。この出力光は、第２導波路コア2-3の出力端の後段に配置される、光ファイバ等に光量損失をあまり発生させないで入力させることができる。

もちろん、第２導波路コア2-3の右端を入力ポートとし、第１導波路コア1の左端を出力ポートとして、モードフィールド径が大きな入力光を第２導波路コア2-3の右端から入力させ、モードフィールド径を縮小させて、第１導波路コア1の左端から出力させることも可能である。

また、図２(A)及び(B)に示すように、第３構成領域に含まれる第２導波路コア2-3を、周期的にセグメント化されたコアを直列に配置して形成されるセグメント導波路として形成することも可能である。

第３構成領域に含まれる第２導波路コア2-3をセグメント導波路とすることによって、第２導波路コア2-3を伝搬する伝搬光のモードフィールド径を大きく設定しやすい。すなわち、入力光と出力光のモードフィールド径の比率を大きくすることが容易で、モードフィールド径の拡大率・縮小率を大きくとれるというメリットがある。図２に示す第１のスポットサイズ変換器は、第２導波路コア2-3が異なるだけであり、この他の構成部分は図１と同様であるので、重複する説明を省略する。

＜第２のスポットサイズ変換器＞
図３(A)〜(D)を参照して、第２のスポットサイズ変換器の構成について説明する。図３は、第２のスポットサイズ変換器の概略的構成を示す図であり、(A)はx-z面を示す概略的平面図、(B)は第１構成領域で第１導波路コアの存在する位置でのx-y面を示す概略的断面構造図、(C)は(A)に示す一点破線(II-II)で示した位置で切断したy-z面を示す概略的断面構造図、(D)は第３構成領域でのx-y面を示す概略的断面構造図である。

第２のスポットサイズ変換器は、シリコン基板10上に形成され、第１導波路コア1と第２導波路コア2(2-1、2-2、2-3)を備え、第１導波路コア1の導波方向と第２導波路コア2の導波方向(z軸方向)は互いに平行になるように配置されている。また、ここでも第１のスポットサイズ変換器と同様に、第１導波路コア1と第２導波路コア2の導波方向(z軸方向)に、第１構成領域、第２構成領域、第３構成領域を順次設定する。

第１導波路コア1は第１構成領域に形成されており、第２導波路コア2は、第１構成領域、第２構成領域、第３構成領域の全域にわたって形成されている。ここでも、上述の第１のスポットサイズ変換器と同様に、第２導波路コア2は、第１〜第３構成領域にわたって当該導波路の上面(第２導波路コア2の上部クラッド層3と接する面)は平坦に形成されている。

第１導波路コア1は、第２構成領域に向かって当該コアの幅が狭まるテーパ構造領域1-Tを含んでおり、第２構成領域に含まれる第２導波路コア2-2は、第１構成領域から離れるにしたがって当該コアの幅が狭まるテーパ構造領域2-Tとされている。第３構成領域に含まれる第２導波路コア2-3は、導波路幅が一定の均一幅導波路として形成されている。また、上述の第１のスポットサイズ変換器の場合と同様に、第３構成領域に含まれる第２導波路コア2-3を、周期的にセグメント化されたコアを直列に配置して形成されるセグメント導波路として形成することも可能である。

第１構成領域では、第１導波路コア1と第２導波路コア2-1を含み、第１構成領域では、第１導波路コア1を伝搬する伝搬光と第２導波路コア2-1を伝搬する伝搬光とが互いのエバネッセント場を介して光結合される。第２構成領域は第２導波路コア2-2を含み、第２導波路コア2-2によって、入力光のモードフィールド径が第３構成領域に近づくにつれて拡大され、第３構成領域は、第２導波路コア2-3を含み、第２導波路コア2-3によって第２構成領域から出力される伝搬光が外部に導かれ、あるいは外部から入力される光が第２構成領域に導かれる。これらの点は、上述の第１のスポットサイズ変換器と共通する。

第１導波路コア1の屈折率より第２導波路コア2の屈折率が小さく、第１下部クラッド層4-1、第２下部クラッド層4-2、及び上部クラッド層3の屈折率は、第２導波路コア2の屈折率より小さく設定する。そして、第１構成領域を、第１下部クラッド層4-1、第１導波路コア1、第２下部クラッド層4-2、第２導波路コア2-1、上部クラッド層3の順に積層させて構成し、第２構成領域を、第１下部クラッド層4-1、第２下部クラッド層4-2、第２導波路コア2-2、上部クラッド層3の順に積層させて構成し、第３構成領域を、第１下部クラッド層4-1、第２下部クラッド層4-2、第２導波路コア2-3、上部クラッド層3の順に積層させて構成する。

第２のスポットサイズ変換器によれば、第２下部クラッド層4-2は、第１下部クラッド層4-1と合わせて第２導波路コア2に対する下部クラッド層として機能するため、モードフィールド径の拡大に伴って生じる、シリコン基板10による伝搬光の光電場の吸収損失を低減できる効果がある。

＜スポットサイズ変換器の動作シミュレーション＞
数値シミュレーションの結果を説明する。数値シミュレーションは、３次元ビーム伝搬法(3D-Beam Propagation Method：3D-BPM)、及び３次元FDTD法(3D-Finite-difference time-domain method：3D-FDTD)を組み合わせて行った。伝搬方向の屈折率変化が穏やかな領域に対しては3D-BPMを適用し、伝搬方向の屈折率変化が急峻な領域に対しては3D-FDTDを適用した。数値シミュレーションを実施するに当たっては、スポットサイズ変換の対象とする光の波長を1.55μmとした。

≪スポットサイズに関するシミュレーション≫
第１のスポットサイズ変換器に対して行った動作シミュレーション結果を説明する。シミュレーションを行うに当たって、第１導波路コア1をシリコン素材で形成し屈折率を3.48とした。また、第２導波路コア2、下部クラッド層4(及び第１下部クラッド層4-1、第２下部クラッド層4-2)、及び上部クラッド層3を酸化シリコン材で形成し、第２導波路コア2の屈折率を1.52、下部クラッド層4(及び第１下部クラッド層4-1、第２下部クラッド層4-2)、及び上部クラッド層3の屈折率を1.44として、第１のスポットサイズ変換器の各所におけるモードフィールド径をシミュレーションした。このシミュレーションでは、第１導波路コア1の厚み(y軸方向のコアの厚み)及び幅(x軸方向のコアの幅)をいずれも300 nmに設定した。第１及び第２導波路コアの詳細な寸法、及び下部クラッド層4及び上部クラッド層3の厚み等は、シミュレーションの都合を勘案して適宜設定した。ここでは、第１下部クラッド層4-1の屈折率と第２下部クラッド層4-2の屈折率を等しく設定したが、必ずしも両者の屈折率を等しく設定しなくともよい。

図４に第１のスポットサイズ変換器の各所(図４(A)に示すa〜dの位置)での伝搬光のスポット(ビームスポット)の様子を示す。図４(B)にTE波成分とTM波成分について、伝搬光のスポットを光電場の強度の大きさに応じて白黒の濃淡をつけて示してある。ビームスポットの光電場強度は中心で最大であり、周辺に行くにしたがって指数関数的に減少している。図４(A)ではa〜dとして示す各所に対応するビームスポットを図４(B)では(a)〜(d)と対応させて示してある。

第１構成領域における第１導波路コア1のaと示す位置における伝搬光のモードフィールド径と、第２構成領域と第３構成領域の境界における第２導波路コア2-3のdと示す位置における伝搬光のモードフィールド径を比較すると、後者の位置において明らかに大きくなっている。その上、両者の位置においてTE波成分とTM波成分に対して同様に、モードフィールド径が拡大あるいは縮小されることがわかる。

第１のスポットサイズ変換器によって、モードフィールド径が拡大あるいは縮小されて出力される出力光の強度は、第１のスポットサイズ変換器へ入力される被モードフィールド変換光である入力光の光強度よりも減少している。これは、第１及び第２導波路コアを伝搬中に発生する吸収損失と、モードミスマッチによる光量損失とに起因する。モードミスマッチによる光量損失(以後、モードミスマッチ損失という)は、第１導波路コア1を伝搬する伝搬光と第２導波路コア2-1を伝搬する伝搬光とが互い光結合する第１構成領域で主に発生する。

≪モードミスマッチ損失≫
図５を参照して、モードミスマッチ損失をモードフィールド径のシミュレーションによって求める方法について説明する。第１構成領域で発生するモードミスマッチ損失は、第１導波路コア1のテーパ構造領域1-Tの導波路幅のもっとも狭い部分である終端近傍の伝搬光の光電場分布と、第２導波路コア2-1を伝搬する伝搬光の光電場分布との重なり積分の値に比例するものとして算出される。

図５において(A-1)は第１導波路コア1のテーパ構造領域1-Tの導波路幅のもっとも狭い終端近傍で、導波方向に対して垂直な面で切断した断面図であり、(A-2)は、テーパ構造領域1-Tの導波路幅のもっとも狭い終端近傍の第１導波路コア1が存在しない部分で、導波方向に対して垂直な面で切断した断面図である。また、(B-1)は(A-1)に伝搬光の光電場分布を重ねて示してあり、(B-2)は(A-2)に伝搬光の光電場分布を重ねて示してある。(B-1)と(B-2)に示す双方の光電場分布の形状の差が大きいほどモードミスマッチ損失は大きくなる。

図６を参照して、第２導波路コア2の厚みHをパラメータにして、第１構造領域における第２導波路コア2-1の幅Wに対するモードミスマッチ損失の関係を説明する。厚みH及び幅Wについては図１(A)及び(B)を参照されたい。ここに示すシミュレーションは計算の都合上、第１構成領域におけるシリコン基板10は考慮せず、第２導波路コア2-1の幅Wを1〜3μmと設定した。また、図６(A)はTE波成分に対する結果を示し、(B)はTM波成分に対する結果を示している。図６の横軸は第２導波路コア2-1の幅Wをμm単位で目盛って示してあり、縦軸はモードミスマッチ損失をdB目盛で示してある。図６において、第２導波路コア2の厚みHについて、(a)はH＝0.5μm、(b)はH＝1μm、(c)はH＝2μm、(d)はH＝3μmとして求めた結果である。第２導波路コア2-1の幅Wを3μm程度の広さにすれば、第２導波路コア2の厚みHが薄くても、モードミスマッチ損失は十分に小さくできることがわかる。

次に図７を参照して、第２導波路コア2の厚みHをパラメータにして、第２構成領域の第２導波路コア2-2のテーパ構造領域2-Tの導波方向の長さLを変えた場合に、モードミスマッチ損失がどのように影響されるかをシミュレーションした結果を説明する。ここでは、第２導波路コア2のテーパ構造領域2-Tの幅が最小となる端の幅を0.5μmに設定した。図７(A)はTE波成分に対する結果を示し、(B)はTM波成分に対する結果を示している。図７の横軸は第２導波路コア2-2のテーパ構造領域2-Tの導波方向の長さLをμm単位で目盛って示してあり、縦軸はテーパ構造領域2-Tで発生するモードミスマッチ損失(光損失)をdB目盛で示してある。図７(A)及び(B)において、(a)はH＝1μm、(b)はH＝2μm、(c)はH＝3μmとして求めた結果である。

テーパ構造領域2-Tで発生する光損失は、テーパ構造領域2-Tのもっとも幅の狭い終端での伝搬光の光電場分布と、第２導波路コア2-3の第２構成領域と第３構成領域との境界近傍を基本伝搬モードで伝搬する伝搬光の光電場分布との重なり積分の値に比例するものとして算出した。第２導波路コア2-2のテーパ構造領域2-Tの導波方向の長さLが長いほど低損失であり、500μm程度の長さでテーパ構造領域2-Tで発生する光損失は十分に小さくなることがわかる。

≪シリコン基板への放射損失≫
図４、図６、図７に示した第１のスポットサイズ変換器に対するシミュレーション結果は、第１及び第２導波路コアを伝搬する光の電場成分の一部が下部クラッド層4を介してシリコン基板10に達することに起因する光電場のシリコン基板への放射損失を無視して得られたものである。しかしながら、第２導波路コア2のテーパ構造領域2-Tを含む領域等でのモードフィールド径の拡大に伴う、シリコン基板10による伝搬光の光電場の吸収損失をも無視できない。そこで、下部クラッド層4の厚みを4μmと厚く設定して、図４に示した結果と同様の結果について図８を参照して説明する。

図８(A)のa〜dの位置での伝搬光のスポット(ビームスポット)の様子を示す。図８(B)にTE波成分とTM波成分について、伝搬光のスポットを光電場の強度の大きさに応じて白黒の濃淡をつけて示してある。図４と同様に、第１構成領域における第１導波路コア1のaと示す位置における伝搬光のモードフィールド径と、第２構成領域と第３構成領域の境界における第２導波路コア2-3のdと示す位置における伝搬光のモードフィールド径を比較すると、後者の位置において明らかに大きくなっている。その上、両者の位置において、TE波成分とTM波成分に対して同様に、モードフィールド径が拡大あるいは縮小されることがわかる。

ビームスポットの形状の変化に伴いモードミスマッチ損失、及びシリコン基板による吸収損失も発生するが、本願の発明者は、光損失量が1.5dB以下であることを確かめている。すなわち、下部クラッド層4の厚みを4μm以上とすること、あるいは第１及び第２下部クラッド層を設けた構造とすることによって、実用上ほとんど問題とならない程度の光損失量に抑えられていることを確かめた。

≪セグメント導波路の効果≫
図９を参照して、第２導波路コア2-3をセグメント導波路とした場合のシミュレーション結果を説明する。図９に第１のスポットサイズ変換器において、第２導波路コア2-3をセグメント導波路とした場合の各所(a〜eの位置)での伝搬光のスポットの様子を、図４あるいは図８と同様の形式で示す。

第２導波路コア2-3としてセグメント導波路を採用しても、図１に示すようにコア幅が一定の均一幅導波路を採用した場合と同様の結果が得られる。

第２導波路コア2-3をセグメント導波路とした場合、この部分でブラッグ反射による波長選択が行われる。そこで、波長選択の効果を調べるシミュレーションを行った。各セグメントの導波方向に直交する断面(x-y面)での形状は一辺が1μmの正方形に形成し、セグメントの配置周期を0.5μmに設定した。また、第２導波路コア2-3のセグメントを構成するコアの屈折率を1.52と設定した。

図１０を参照して、第２導波路コア2-3の等価特性及び反射特性について説明する。図１０の横軸は波長をμm単位で目盛って示してあり、縦軸は透過光強度及び反射光強度を任意スケールで示してある。(a)は透過光スペクトルを示し、(b)は反射光スペクトルを示す。波長が1.45μm付近にブラッグ反射の影響が出ている。スポットサイズ変換の対象とする光の波長を1.45μmから離すことでブラッグ反射の影響を無視できる。この場合、1.3μm以下の波長、あるいは1.5μm以上の波長のビームのスポットサイズ変換を行うのであれば、ブラッグ反射の影響は無視できる。1.45μm近傍の波長のビームのスポットサイズ変換を行うのであれば、ブラッグ反射のピーク位置を1.45μmから離すべく、セグメントの配置周期を調整すればよい。

スポットサイズ変換を行うビームの波長に対して、ブラッグ反射の影響を受けないように配慮することで、如何なる波長であってもビームスポット径の変換が可能である。また、第２導波路コア2-3をセグメント導波路とすることによって、この部分を伝搬する伝搬光に対する等価屈折率を小さくできるので、第２導波路コア2-3を伝搬する伝搬光のモードフィールド径を大きく設定しやすい。それによって、入力光と出力光のモードフィールド径の比率を大きくすることが容易となるので、モードフィールド径の拡大率・縮小率を大きくとれるというメリットを享受できる。

1：第１導波路コア
1-T、2-T：テーパ構造領域
2：第２導波路コア
2-1：第１構成領域の第２導波路コア
2-2：第２構成領域の第２導波路コア
2-3：第３構成領域の第２導波路コア
3：上部クラッド層
4：下部クラッド層
4-1：第１下部クラッド層
4-2：第２下部クラッド層
10：シリコン基板

Claims (8)

1. 第１導波路コアと第２導波路コアを備えるスポットサイズ変換器であって、
   当該第１導波路コアと当該第２導波路コアの導波方向に順次設定された、第１構成領域、第２構成領域において、
   前記第１導波路コアは前記第１構成領域に形成されており、
   前記第２導波路コアは、前記第１構成領域、前記第２構成領域の全域にわたって形成されており、
   前記第１導波路コアと前記第２導波路コアは、当該両導波路コアの厚み方向に、前記第１導波路コアの対称中心と前記第２導波路コアの対称中心とが重なるように、かつ当該第１導波路コアの導波方向と当該第２導波路コアの導波方向は互いに平行になるように積み重ねて配置されており、
   前記第１導波路コアは、前記第２構成領域に向かって当該コアの幅が狭まるテーパ構造領域を含んでおり、
   前記第２導波路コアの前記第２構成領域に含まれる部分は、前記第１構成領域から離れるにしたがって当該コアの幅が狭まるテーパ構造領域とされており、
   前記第１構成領域では、前記第１導波路コアを伝搬する伝搬光と前記第２導波路コアを伝搬する伝搬光とが互いのエバネッセント場を介して光結合され、
   前記第２構成領域では、入力光のモードフィールド径が前記第１構成領域から離れるにしたがって拡大される
   ことを特徴とするスポットサイズ変換器。
2. 更に、第３構成領域を備え、
   前記第１導波路コアと当該第２導波路コアの導波方向に順次設定された、前記第１構成領域、前記第２構成領域、前記第３構成領域において、
   前記第２導波路コアは、前記第１構成領域、前記第２構成領域、前記第３構成領域の全域にわたって形成されており、
   前記第３構成領域では、前記第２構成領域から出力される伝搬光が外部に導かれ、あるいは外部から入力される光が前記第２構成領域に導かれる
   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器。
3. 更に、下部クラッド層、及び上部クラッド層を備え、
   前記第１導波路コアの屈折率より前記第２導波路コアの屈折率が小さく、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層の屈折率は、前記第２導波路コアの屈折率より小さく、
   前記第１構成領域は、前記下部クラッド層、前記第１導波路コア、前記第２導波路コア、前記上部クラッド層の順に積層されており、
   前記第２構成領域は、前記下部クラッド層、前記第２導波路コア、前記上部クラッド層の順に積層されている
   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器。
4. 更に、下部クラッド層、及び上部クラッド層を備え、
   前記第１導波路コアの屈折率より前記第２導波路コアの屈折率が小さく、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層の屈折率は、前記第２導波路コアの屈折率より小さく、
   前記第１構成領域は、前記下部クラッド層、前記第１導波路コア、前記第２導波路コア、前記上部クラッド層の順に積層されており、
   前記第２構成領域及び前記第３構成領域は、前記下部クラッド層、前記第２導波路コア、前記上部クラッド層の順に積層されている
   ことを特徴とする請求項２に記載のスポットサイズ変換器。
5. 更に、第１下部クラッド層、第２下部クラッド層、及び上部クラッド層を備え、
   前記第１導波路コアの屈折率より前記第２導波路コアの屈折率が小さく、前記第１下部クラッド層、前記第２下部クラッド層、及び前記上部クラッド層の屈折率は、前記第２導波路コアの屈折率より小さく、
   前記第１構成領域は、前記第１下部クラッド層、前記第１導波路コア、前記第２下部クラッド層、前記第２導波路コア、前記上部クラッド層の順に積層されており、
   前記第２構成領域は、前記第１下部クラッド層、前記第２下部クラッド層、前記第２導波路コア、前記上部クラッド層の順に積層されている
   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器。
6. 更に、第１下部クラッド層、第２下部クラッド層、及び上部クラッド層を備え、
   前記第１導波路コアの屈折率より前記第２導波路コアの屈折率が小さく、前記第１下部クラッド層、前記第２下部クラッド層、及び前記上部クラッド層の屈折率は、前記第２導波路コアの屈折率より小さく、
   前記第１構成領域は、前記第１下部クラッド層、前記第１導波路コア、前記第２下部クラッド層、前記第２導波路コア、前記上部クラッド層の順に積層されており、
   前記第２構成領域及び前記第３構成領域は、前記第１下部クラッド層、前記第２下部クラッド層、前記第２導波路コア、前記上部クラッド層の順に積層されている
   ことを特徴とする請求項２に記載のスポットサイズ変換器。
7. 前記第２導波路コアの前記第３構成領域に含まれる部分は、当該コア幅が一定の均一幅導波路であることを特徴とする請求項２、４、６のいずれか一項に記載のスポットサイズ変換器。
8. 前記第２導波路コアの前記第３構成領域に含まれる部分は、周期的にセグメント化されたコアを直列に配置して形成されるセグメント導波路であることを特徴とする請求項２、４、６のいずれか一項に記載のスポットサイズ変換器。
   

Images