(57)【要約】  本発明は、光のスポットサイズを変換することが可能な光導波路構造であって、同じ導波路長で比較したときの変換損失が低減され、小型で高効率な光変換が可能な光導波路構造を提供する。光導波路構造（１００）は、一側から他側に向けて連続的に幅が狭くなるテーパ部（１１１）と、テーパ部（１１１）の幅狭側に連設され他側に向けて延びる幅狭部（１１２）とを含むベース導波路（１１０）を備えている。光導波路構造（１００）においては、ベース導波路（１１０）のテーパ部（１１１）上に、各々が、テーパ部（１１１）より平面形状が小さく、かつ少なくとも先端側に一側から他側に向けて連続的に幅が狭くなる平面視略楔型部を有する３層以上の上部導波路（１２１〜１２３）が、ベース導波路（１１０）側から順次平面形状が小さくなるよう積層されている。
2012042795.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一側から他側に向けて連続的に幅が狭くなるテーパ部と、当該テーパ部の幅狭側に連設され前記他側に向けて延びる幅狭部とを含むベース導波路を備え、
前記ベース導波路の前記テーパ部上に、各々が、前記テーパ部より平面形状が小さく、かつ少なくとも先端側に前記一側から前記他側に向けて連続的に幅が狭くなる平面視略楔型部を有する３層以上の上部導波路が、前記ベース導波路側から順次平面形状が小さくなるよう積層された光導波路構造。
【請求項２】
前記ベース導波路と前記３層以上の上部導波路の幅広側の端面が面一である請求項１に記載の光導波路構造。
【請求項３】
前記３層以上の上部導波路は、前記ベース導波路側から順次導波路長が短くなるよう積層された請求項２に記載の光導波路構造。
【請求項４】
側面視において、前記ベース導波路の上面を基準面としたとき、
前記３層以上の上部導波路の先端尖点同士をすべて結ぶ仮想線が、前記３層以上の上部導波路のうち最下の上部導波路の先端尖点と最上の上部導波路の先端尖点とを直線的に結ぶ仮想線より上に凸である請求項２又は３に記載の光導波路構造。
【請求項５】
側面視において、前記ベース導波路の上面を基準面としたとき、
前記３層以上の上部導波路の先端尖点同士をなだらかにすべて結ぶ前記仮想線が、前記最下の上部導波路の先端尖点と前記最上の上部導波路の先端尖点とを直線的に結ぶ前記仮想線より上に凸な放物線である請求項４に記載の光導波路構造。
【請求項６】
前記ベース導波路の前記テーパ部の導波路長が２ｍｍ以下である請求項１〜５のいずれかに記載の光導波路構造。
【請求項７】
前記３層以上の上部導波路において最上の上部導波路を除く任意の１層の上部導波路に着目したとき、当該上部導波路の直上の上部導波路を伝搬する光のスポットサイズより小さいスポットサイズで光が伝搬する請求項１〜６のいずれかに記載の光導波路構造。
【請求項８】
前記上部導波路の屈折率の値が、前記ベース導波路の屈折率の値以上である請求項１〜７のいずれかに記載の光導波路構造。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の光導波路構造を備えた光導波路デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路構造及び光導波路デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
インターネットに代表される情報通信ネットワークは、人々の生活に欠くことのできないインフラとして世界中に張り巡らされている。このインターネットのトラフィックを支えている技術として光ファイバを用いた光通信技術がある。光ファイバ通信波長帯の中でも１.３μｍ帯および１.５５μｍ帯等が利用可能なシリコンプラットフォームを用いた光通信デバイスは、ＣＭＯＳ作製技術により安価で高密度な光集積回路を実現するものとして期待されている。【０００３】
しかしながら、光ファイバあるいは空間中を伝播する光をシリコンプラットフォームを用いた光導波路デバイスへ結合させることは難しいとされている。これは、従来一般的な光導波路デバイス中の導波路はコアとクラッドとの屈折率差が大きいために、そのサイズは１μｍ角程度の大きさであり、通常のシングルモード光ファイバから出る光のスポットサイズ約９μｍよりずっと小さいからである。このため、光導波路デバイスとシングルモード光ファイバとを充分小さなデバイスサイズで光学結合可能とするモード変換器の実現は、シリコンフォトニクスにおいて極めて重要である。【０００４】
これまでに提案されてきたモード変換器は大きく分けて、光のモード断面積を断熱的に変化させるテーパ構造を設けたデバイス（１）と、光のモード断面積を断熱的に変化させる逆テーパ構造を設け、この上に光閉じ込めのためのクラッドをつけたデバイス（２）の２種類に分類できる。【０００５】
後者のデバイス（２）は逆テーパ部のテーパ長と上部クラッド部の長さを数百μｍ以上と長くする必要があり、小型化が難しい。【０００６】
前者のデバイス（１）として、中心軸方向が互いに直交する関係にある横テーパ部と縦テーパ部とを３次元的に組み合わせた構造が提案されているが、加工が複雑で作製が困難である。
前者のデバイス（１）として、平面形状の異なるテーパ部を有する複数の導波路を段構造に重ねて作製プロセスを簡略化した構造が提案されている（特許文献１〜５）。【０００７】
特許文献１の図４には、相対的に幅広で幅が均一な幅広部と相対的に幅狭で幅が均一な幅狭部とを有し、これらがテーパ部を介して繋がった形状の第１層（１０２）と、第１層（１０２）の幅広部の上にこれより小さい形状で形成され、第１層（１０２）の幅広部と同じ幅の幅広部とこれに繋がる楔型部とからなる第２層（１０３）との２段構造を有する光導波路構造が記載されている。【０００８】
特許文献２の図１及び図６には、相対的に幅広な幅広部（２１）と相対的に幅狭な幅狭部（４０）とを有し、これらがテーパ部（２２）を介して繋がった形状の第１層（２０、４０）と、第１層（２０、４０）の幅広部とテーパ部の上にこれらより小さい形状で形成され、一端から他端に向けて連続的に幅が狭くなる第１のテーパ部（３１）と、第１のテーパ部（３１）の他端に連設され、幅が均一な接続部（３２）と、接続部（３２）に連設され、接続部（３２）側の一端から他端に向けて連続的に幅が狭くなる第２のテーパ部（３３）とからなる第２層（３０）との２段構造を有する光導波路構造が記載されている。【０００９】
特許文献３のＦｉｇ．１には、一端から他端に向けて連続的に幅が狭くなるテーパ部と、このテーパ部の他端に連設され、幅が均一な幅狭部とからなる第１層（４）と、第１層（４）のテーパ部の上にこれより小さい形状で形成された楔型部からなる第２層（５）との２段構造を有する光導波路構造が記載されている。【００１０】
特許文献４のＦｉｇ．１（ｂ）には、幅が均一な幅広部（１０１の下部）と、この幅広部に連設され、一端から他端に向けて連続的に幅が狭くなるテーパ部（１０６）とからなる第１層と、第１層の幅広部上に同じ形状で形成された幅広部（１０１の上部）と、この幅広部に連設された楔型部（１０５）からなる第２層との２段構造を有する光導波路構造が記載されている。特許文献４では、第１層の幅広部と第２層の幅広部とは一体形成されている。【００１１】
特許文献５のＦｉｇ．１には、一端から他端に向けて連続的に幅が狭くなるテーパ部（１１０）と、このテーパ部（１１０）の他端に連設され、幅が均一な幅狭部（１１６）とからなる第１層と、第１層のテーパ部（１１０）上にこれより小さい形状で形成された楔型部（１１２）からなる第２層との２段構造を有する光導波路構造が記載されている。
特許文献５のＦｉｇ．３には、一端から他端に向けて連続的に幅が狭くなるテーパ部（３１０）と、このテーパ部（３１０）の他端に連設され、幅が均一な幅狭部（３１６）とからなる第１層と、第１層のテーパ部（３１０）上にこれより小さい形状で形成された楔型部（３１２）からなる第２層と、第２層上にこれより小さい形状で形成された楔型部（３１３）からなる第３層との３段構造を有する光導波路構造が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開2001-033642号公報
【特許文献２】特開2010-54929号公報
【特許文献３】米国特許第6108478号明細書
【特許文献４】国際公開第2003/050580号
【特許文献５】米国特許7088890号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１〜４及び特許文献５のＦｉｇ．１に記載の光導波路構造では、第２層から第１層に、あるいは第１層から第２層に光が移る際に光のスポットサイズが変換される。しかしながら、これらの光導波路構造は光導波路が２段構造であり、層を移る際の光のスポットサイズ変換が１回しか起こらない。そのため、モード変換の損失が大きく、また小型で所望の変換効率を得ることも難しい。
なお、特許文献２に記載の光導波路構造では、第２層（３０）にテーパ角の異なる２つのテーパ部（３１、３２）を設けて、テーパ角を一端側で大きく他端側で小さくすることにより、高圧縮率で高効率のモード変換ができると共に、全長を短くできることが記載されている（段落０００８）。しかしながら、特許文献２には、シングルモードファイバとの結合については具体的に記載がなく、どれぐらいの全長でモード変換できるか不明である。第２層（３０）の形状を工夫しても、２段構造の特許文献２に記載の光導波路構造では小型化と効率向上に限界があると考えられる。
特許文献５のＦｉｇ．３に記載の光導波路構造では、光導波路が３段構造であり、層を移る際の光のスポットサイズ変換が２回起こる。そのため、上記の光導波路構造よりも同じ導波路長で比較したときの変換損失が低減され、高効率化を図ることができる。しかしながら、光通信技術の発達に伴い、今後は、同じ導波路長で比較したときの変換損失がより低減され、より小型で高効率な光変換が可能な光導波路構造が求められるようになると思われる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、光のスポットサイズを変換することが可能な光導波路構造であって、同じ導波路長で比較したときの変換損失が低減され、小型で高効率な光変換が可能な光導波路構造を提供することを目的とするものである。【００１５】
本発明の光導波路構造は、
一側から他側に向けて連続的に幅が狭くなるテーパ部と、当該テーパ部の幅狭側に連設され前記他側に向けて延びる幅狭部とを含むベース導波路を備え、
前記ベース導波路の前記テーパ部上に、各々が、前記テーパ部より平面形状が小さく、かつ少なくとも先端側に前記一側から前記他側に向けて連続的に幅が狭くなる平面視略楔型部を有する３層以上の上部導波路が、前記ベース導波路側から順次平面形状が小さくなるよう積層されたものである。【００１６】
本明細書において、特に明記しない限り、「平面形状」は光導波路構造が形成された基板の基板面に対して平行な面形状を指す。
本明細書において、「略楔型形状」には、先端が尖った完全楔型形状、及びそれに近い形状、例えば先端が丸まった楔型形状などが含まれる。加工精度による形状のばらつきも含まれる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、光のスポットサイズを変換することが可能な光導波路構造であって、同じ導波路長で比較したときの変換損失が低減され、小型で高効率な光変換が可能な光導波路構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１Ａ】本発明に係る一実施形態の光導波路デバイスの要部斜視図である。
【図１Ｂ】本発明に係る一実施形態の光導波路デバイスの要部上面図である。
【図１Ｃ】本発明に係る一実施形態の光導波路デバイスの要部側面図である。
【図１Ｄ】光のスポットサイズのシミュレーション例である。
【図２Ａ】実施例１の設計を示す要部断面図である。
【図２Ｂ】実施例１の結果を示すグラフである。
【図３Ａ】比較例１の設計を示す要部断面図である。
【図３Ｂ】比較例１の結果を示すグラフである。
【図４Ａ】実施例２−１の設計を示す要部断面図である。
【図４Ｂ】実施例２−１の結果を示すグラフである。
【図５Ａ】実施例２−２の設計を示す要部断面図である。
【図５Ｂ】実施例２−２の結果を示すグラフである。
【図６Ａ】実施例２−３の設計を示す要部断面図である。
【図６Ｂ】実施例２−３の結果を示すグラフである。
【図７】実施例３−１の結果を示すグラフである。
【図８】実施例３−２の結果を示すグラフである。
【図９】実施例３−３の結果を示すグラフである。
【図１０】実施例４の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
「第１実施形態」
図面を参照して、本発明に係る一実施形態の光導波路構造及びこれを備えた光導波路デバイスの構成について説明する。
図１Ａは本実施形態の光導波路デバイスの要部斜視図であり、図１Ｂは要部上面図であり、図１Ｃは要部側面図である。視認しやすくするため、図面上は各構成要素の縮尺や位置を実際のものとは適宜異ならせ、一部の構成要素の図示を省略してある。断面図においては、適宜ハッチングを省略してある。
【００２０】
本実施形態の光導波路デバイス１は、ＳＯＩ(Silicon on Insulator)基板２００に光導波路構造１００が形成されたものである。
ＳＯＩ基板２００に関して、図１Ａではその表面側の要部のみを図示してある。図中、符号２０１はＳＯＩ基板２００の最上層をなす単結晶シリコン膜からなるデバイス層であり、符号２０２はデバイス層の下層である熱酸化膜（酸化シリコン膜）からなるＢＯＸ層である。
【００２１】
光導波路構造１００は、一側から他側に向けて連続的に幅が狭くなるテーパ部１１１と、このテーパ部１１１の幅狭側に連設され、他側に向けて延びる幅狭部１１２とを含むベース導波路１１０を備えている。本実施形態において、幅狭部１１２は全体的に均一な幅を有して導波方向に延びている。
本実施形態において、ベース導波路１１０は、ＳＯＩ基板２００の最上層をなすデバイス層２０１を面全体に残しつつ、その表層部をパターニングして形成されたものである。
図１Ａにおいて、「一側」は図示左手前側、「他側」は図示右奥側である。図１Ｂにおいて、「一側」は図示左側、「他側」は図示右側である。
【００２２】
光導波路構造１００においては、上記のベース導波路１１０のテーパ部１１１上に、各々が、テーパ部１１１より平面形状が小さく、かつ一側から他側に向けて連続的に幅が狭くなる平面視略楔型部からなる３層の上部導波路１２１〜１２３が、ベース導波路１１０側から順次平面形状が小さくなるよう積層されている。
本実施形態において平面視略楔型部からなる上部導波路は３層であるが、それ以上設けることもできる。
「略楔型形状」には、先端が尖った完全楔型形状、及びそれに近い形状、例えば先端が丸まった楔型形状などが含まれる。加工精度による形状のばらつきも含まれる。
【００２３】
本実施形態において、平面視略楔型部からなる３層の上部導波路１２１〜１２３は、ＳＯＩ基板２００上に成膜されたシリコン膜をパターニングして、形成されたものである。
シリコン膜の結晶性は制限されず、単結晶、多結晶、微結晶、あるいはアモルファスのいずれでもよい。
【００２４】
本実施形態において、ベース導波路１１０のテーパ部１１１の幅広側の端面１１１Ａと、３層の上部導波路１２１〜１２３の幅広側の端面１２１Ａ〜１２３Ａが面一になっている。これら幅広側の端面１１１Ａ、１２１Ａ〜１２３Ａは、光ファイバあるいは空間等から伝搬してくる光が入射可能な面積で形成されている。これらの端面は光入射側とすることもできるし、光出射側とすることもできる。
ベース導波路１１０の幅狭部１１２の他側の端面１１２Ｂも同様に、光ファイバあるいは空間等から伝搬してくる光が入射可能な面積で形成されている。こちらの端面についても、光入射側とすることもできるし、光出射側とすることもできる。
【００２５】
図１Ｂに示すように、本実施形態において、ベース導波路１１０と３層の上部導波路１２１〜１２３とはいずれも平面視、導波方向を中心軸として左右対称な形状で形成されている。本実施形態では、ベース導波路１１０と３層の上部導波路１２１〜１２３とは、幅広側の端面１１１Ａ、１２１Ａ〜１２３Ａに対して垂直方向が対称軸となっている。
ただし、ベース導波路１１０及び３層の上部導波路１２１〜１２３は、平面視非対称構造でもよく、導波方向は幅広側の端面１１１Ａ、１２１Ａ〜１２３Ａに対して斜め方向でも構わない。
【００２６】
図１Ｂにおいて、ベース導波路１１０のテーパ部１１１と３層の上部導波路１２１〜１２３の最大幅（幅広側の端面の幅）と導波路長に、各々以下の符号を付してある。
ベース導波路１１０のテーパ部１１１：最大幅Ｗ０、導波路長Ｌ０；
最下の上部導波路１２１：最大幅Ｗ１、導波路長Ｌ１；
中間の上部導波路１２２：最大幅Ｗ２、導波路長Ｌ２；
最上の上部導波路１２３：最大幅Ｗ３、導波路長Ｌ３。
本実施形態において、Ｗ０≧Ｗ１≧Ｗ２≧Ｗ３であり、Ｌ０＞Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３である。
【００２７】
ベース導波路１１０のテーパ部１１１と３層の上部導波路１２１〜１２３の平面形状のサイズの関係は上記に限定されるものではなく、３層の上部導波路１２１〜１２３がベース導波路１１０側から順次平面形状が小さくなっていればよい。
例えば、ベース導波路１１０のテーパ部１１１と３層の上部導波路１２１〜１２３のうち、隣接する層の最大幅あるいは導波路長を同一としてもよい。
ただし、同じ導波路長Ｌ０で比較した場合により低損失でモード変換がスムーズに進むことから、上部導波路１２１〜１２３は、ベース導波路１１０側から順次導波路長が短くなるよう積層されていることが好ましい。すなわち、Ｌ０＞Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３であることが好ましい。
図示する例では、Ｗ０＞Ｗ１＞Ｗ２＞Ｗ３、Ｌ０＞Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３である。
【００２８】
本実施形態において、３層の上部導波路１２１〜１２３のうち最上の上部導波路１２３の幅広側の端面１２３Ａから光が入射すると、上部導波路１２３中を伝搬する光は、上部導波路１２３の楔型形状によってビーム形状が横方向に細くなりながら進み、直下の上部導波路１２２へと移っていく。光が直下の上部導波路１２２に移る際に、上部導波路１２３の楔型の先端形状によって光は縦方向に圧縮される。
【００２９】
同様に、３層の上部導波路１２１〜１２３のうち中間の上部導波路１２２中を伝搬する光は、上部導波路１２２の楔型形状によってビーム形状が横方向に細くなりながら進み、直下の上部導波路１２１へと移っていく。光が直下の上部導波路１２１に移る際に、上部導波路１２２の楔型の先端形状によって、光は縦方向に圧縮される。
【００３０】
同様に、３層の上部導波路１２１〜１２３のうち最下の上部導波路１２１中を伝搬する光は、上部導波路１２１の楔型形状によってビーム形状が横方向に細くなりながら進み、直下のベース導波路１１０のテーパ部１１１へと移っていく。光が直下のベース導波路１１０のテーパ部１１１に移る際に、上部導波路１２１の楔型の先端形状によって、光は縦方向に圧縮される。
ベース導波路１１０のテーパ部１１１に入射した光は、その後ほとんど損失なしに幅狭部１１２へ進んでいく。
【００３１】
本実施形態では上記のように、ベース導波路１１０のテーパ部１１１及び上部導波路１２１〜１２３において最上の上部導波路１２３を除く任意の１層の導波路に着目したとき、この導波路の直上の導波路を伝搬する光のスポットサイズより小さいスポットサイズで光が伝搬する。
したがって、本実施形態では、上記の一連の過程で光導波路構造１００の幅広側の端面１１１Ａ、１２１Ａ〜１２３Ａから入射した光は、ビーム形状が横方向に細められ、これによって入射時点において相対的にスポットサイズの大きい光が相対的にスポットサイズの小さい光に変換されて、ベース導波路１１０の幅狭部１１２の端面１１２Ｂから出射される。
【００３２】
上部導波路１２１〜１２３の先端及びその近傍において光が下層に移る際に損失が生じやすい。
上部導波路１２１〜１２３においては、互いに上下に隣接する上部導波路の先端尖点同士の平面視間隔が上に向かう程広くなっていることが好ましい。換言すれば、上部導波路１２１〜１２３の先端尖点同士の平面視間隔は、上の方が相対的に広く、下の方が相対的に狭くなっていることが好ましい。
以降、特に明記しない限り、「先端尖点同士の間隔」は「先端尖点同士の平面視間隔」を意味するものとする。
【００３３】
具体的には図１Ｃに側面図を示すように、最下の上部導波路１２１の先端尖点１２１Ｘと中間の上部導波路１２２の先端尖点１２２Ｘとの間隔をＣ１、中間の上部導波路１２２の先端尖点１２２Ｘと最上の上部導波路１２３の先端尖点１２３Ｘとの間隔をＣ２としたとき、Ｃ２＞Ｃ１であることが好ましい。
上記構成では、上層から下層に向けて光が移る過程で、最初は上部導波路の先端尖点同士の間隔が相対的に広いため、比較的ゆっくりとモードを変換させることができ、損失を低減することができる。ある程度モードが変換した後の下層側では、上部導波路の先端尖点同士の間隔が相対的に狭くても、大きな損失は生じない。
【００３４】
同じ導波路長Ｌ０で比較した場合により低損失でモード変換がスムーズに進むことから、
図１Ｃに示すように、
ベース導波路１１０のテーパ部１１１の上面１１１Ｓを基準面としたとき、
側面視において、上部導波路１２１〜１２３の先端尖点１２１Ｘ〜１２３Ｘ同士をすべて結ぶ仮想線ｍｘが、最下の上部導波路１２１の先端尖点１２１Ｘと最上の上部導波路１２３の先端尖点１２３Ｘとを直線的に結ぶ仮想線ｍ０より上に凸であることが好ましい。
【００３５】
図１Ｃに示すように、
同じ導波路長Ｌ０で比較した場合により低損失でモード変換がスムーズに進むことから、
側面視において、ベース導波路１１０のテーパ部１１１の上面１１１Ｓを基準面としたとき、
上部導波路１２１〜１２３の先端尖点１２１Ｘ〜１２３Ｘ同士をなだらかにすべて結ぶ仮想線ｍｘが、最下の上部導波路１２１の先端尖点１２１Ｘと最上の上部導波路１２３の先端尖点１２３Ｘとを直線的に結ぶ仮想線ｍ０より上に凸な放物線であることが好ましい。
【００３６】
本明細書において、「上部導波路１２１〜１２３の先端尖点１２１Ｘ〜１２３Ｘ同士をなだらかにすべて結ぶ仮想線ｍｘ」は、通常のグラフ描画ソフトを用い、スムージングをかけて得られる曲線である。
【００３７】
側面視において、ベース導波路１１０のテーパ部１１１の上面１１１Ｓを基準面としたとき、上部導波路１２１〜１２３の先端尖点１２１Ｘ〜１２３Ｘ同士をなだらかにすべて結ぶ仮想線ｍｘが、最下の上部導波路１２１の先端尖点１２１Ｘと最上の上部導波路１２３の先端尖点１２３Ｘとを直線的に結ぶ仮想線もより上に凸な放物線であるときの各上部導波路１２１〜１２３の導波方向の中央部付近と各先端尖点１２１Ｘ〜１２３Ｘにおける光のスポットサイズのシミュレーション例を図１Ｄに示す。
【００３８】
図１Ｄの下段の図はベース導波路１１０のテーパ部１１１と上部導波路１２１〜１２３の側面図であり、図１Ｄの中段の図は上部導波路１２１〜１２３の各位置における光のスポットサイズのシミュレーション結果を示すものである。図１Ｄの上段の図は各シミュレーション位置において、上部導波路１２１〜１２３の先端側から見たときの各層を導波する光量を模式的に示すものであり、各層の形状が計算に用いた有効面積を模式的に示している。
【００３９】
図１Ｄには、上部導波路１２１〜１２３の先端尖点１２１Ｘ〜１２３Ｘにおいて、光が下方向へ移行して、スポットサイズが小さくなることが示されている。
上部導波路１２１〜１２３の先端尖点１２１Ｘ〜１２３Ｘにおいては、スポットサイズが小さい程、より高密度に下層への光の移行が起こる。そのため、上部導波路１２１〜１２３において、互いに上下に隣接する上部導波路の先端尖点同士の平面視間隔は、上の方が相対的に広く、下の方が相対的に狭くなっていることが好ましい。
具体的には、上記したように、
側面視において、ベース導波路１１０のテーパ部１１１の上面１１１Ｓを基準面としたとき、
上部導波路１２１〜１２３の先端尖点１２１Ｘ〜１２３Ｘ同士をすべて結ぶ仮想線ｍｘが、最下の上部導波路１２１の先端尖点１２１Ｘと最上の上部導波路１２３の先端尖点１２３Ｘとを結ぶ仮想線ｍ０より上に凸であることが好ましく、仮想線ｍｘが仮想線ｍ０より上に凸な放物線であることがより好ましい。
【００４０】
上記のように、仮想線ｍｘが仮想線ｍ０より上に凸であることが特に好ましいが、仮想線ｍｘは仮想線ｍ０と一致した直線状でもよいし、仮想線ｍ０より下に凸であっても構わない。
本実施形態では、仮想線ｍｘの形状によらず、３層以上の上部導波路を設けることで、同じ導波路長Ｌ０で比較した場合、ベース導波路と１層の上部導波路との２段又は３段構造である特許文献１〜５に記載の光導波路構造に対して、より低損失でモード変換を実現することができる。
【００４１】
以上、３層の上部導波路１２１〜１２３の幅広側の端面１２１Ａ〜１２３Ａから光が入射する場合について説明した。
ベース導波路１１０の幅狭部１１２の他側の端面１１２Ｂから光が入射しても構わない。この場合には、上記と逆の過程を辿って光のスポットサイズが段階的に大きくなり、入射時よりも相対的に大きなスポットサイズの光が３層の上部導波路１２１〜１２３の幅広側の端面１２１Ａ〜１２３Ａから出射される。
【００４２】
本実施形態の光導波路デバイス１は、モード変換器等として好ましく利用できる。
本実施形態の光導波路デバイス１は必要に応じて、モード変換器等として必要な他の構成要素、例えばクラッド層（図示略）等を備えている。
【００４３】
本実施形態によれば、光のスポットサイズを変換することが可能な光導波路構造であって、同じ導波路長Ｌ０で比較したときの変換損失が低減され、小型で高効率な光変換が可能な光導波路構造１００及び光導波路デバイス１を提供することができる。
本実施形態により小型で高効率な光変換が実現されることは、後記[実施例]の項においてデータを示す。
本実施形態では、ベース導波路１１０のテーパ部１１１の導波路長Ｌ０は特に制限されず、２ｍｍ以下において低損失を実現することができる。
【００４４】
（設計変更）
上記実施形態では、平面視略楔型部からなる３層の上部導波路１２１〜１２３を備えた態様について説明した。
上部導波路は、少なくとも先端側に平面視略楔型部を有していれば本発明の効果が得られる。したがって、各上部導波路は平面視、略楔型部と他の形状部とを組み合わせたものでもよい。各上部導波路は例えば、平面視略楔型部の幅広側に幅が均一な幅広部を有するものであってもよい。
【００４５】
平面視略楔型部を有する上部導波路は３層以上とすることができる。平面視略楔型部を有する上部導波路の数が多くなる程、同じ導波路長Ｌ０に対して低損失化を図ることができ、好ましい（後記実施例３−１〜３−３を参照）。
【００４６】
平面視略楔型部を有する上部導波路は３層以上とする場合も、上記実施形態と同様の設計で、複数の上部導波路を積層していけばよい。
具体的には、以下の通りである。
ベース導波路と３層以上の上部導波路の幅広側の端面が面一であることが好ましい。
３層以上の上部導波路は、ベース導波路側から順次導波路長が短くなるよう積層されたことが好ましい。
側面視において、ベース導波路の上面を基準面としたとき、
３層以上の上部導波路の先端尖点同士をすべて結ぶ仮想線ｍｘが、３層以上の上部導波路のうち最下の上部導波路の先端尖点と最上の上部導波路の先端尖点とを直線的に結ぶ仮想線ｍ０より上に凸であることが好ましい。
側面視において、ベース導波路の上面を基準面としたとき、
３層以上の上部導波路の先端尖点同士をなだらかにすべて結ぶ仮想線ｍｘが、最下の上部導波路の先端尖点と最上の上部導波路の先端尖点とを直線的に結ぶ仮想線ｍ０より上に凸な放物線であることがより好ましい。
３層以上の上部導波路においても、ベース導波路のテーパ部及び３層以上の上部導波路において、最上の上部導波路を除く任意の１層の導波路に着目したとき、この導波路の直上の導波路を伝搬する光ビームのスポットサイズより小さいスポットサイズで光が伝搬する。
【実施例】
【００４７】
本発明に係る実施例及び比較例について説明する。【００４８】
（実施例１）
図１Ａ〜図１Ｃに示したような、ベース導波路１１０とその上に積層された３層の楔型状の上部導波路１２１〜１２３を有する光導波路デバイスについて、光損失の計算を実施した。この光導波路デバイスにおいては、Ｗ０＞Ｗ１＞Ｗ２＞Ｗ３、かつ、Ｌ０＞Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３とした。
（ここで、
ベース導波路１１０のテーパ部１１１：最大幅Ｗ０、導波路長Ｌ０；
上部導波路１２１：最大幅Ｗ１、導波路長Ｌ１；
上部導波路１２２：最大幅Ｗ２、導波路長Ｌ２；
上部導波路１２３：最大幅Ｗ３、導波路長Ｌ３。）
図２Ａに示すように、側面視において、ベース導波路１１０のテーパ部１１１の上面１１１Ｓを基準面としたとき、上部導波路１２１〜１２３の先端尖点１２１Ｘ〜１２３Ｘ同士が直線状に繋がるようにした。
最下の上部導波路１２１の先端尖点１２１Ｘと中間の上部導波路１２２の先端尖点１２２Ｘとの間隔Ｃ１＝１５０μｍ、中間の上部導波路１２２の先端尖点１２２Ｘと最上の上部導波路１２３の先端尖点１２３Ｘとの間隔Ｃ２＝１５０μｍとした。
ベース導波路１１０のテーパ部１１１の導波路長Ｌ０を変えて、ベース導波路１１０のテーパ部１１１及び上部導波路１２１〜１２３における光変換損失をビーム伝搬法で計算した。結果を図２Ｂに示す。【００４９】
（比較例１）
図３Ａに示すように、ベース導波路１１０上に２層の楔型状の上部導波路１２１、１２２を形成するようにした以外は、実施例１と同様に計算を実施した。このデバイスは、「背景技術」の項に挙げた特許文献５のＦｉｇ．３に記載の設計に準拠している。【００５０】
（実施例１と比較例１との比較）
図２Ｂと図３Ｂとの比較から明らかなように、ベース導波路上に形成する楔型状の上部導波路を３層とした実施例１は、楔型状の上部導波路を２層とした比較例１に記載のデバイスよりも、より短い導波路長Ｌ０で低損失が実現されている。
例えば、−０．５ｄＢの低損失は、比較例１では導波路長Ｌ０＝９５０μｍ程度が必要であるのに対して、実施例１では導波路長Ｌ０＝約５００μｍ程度で実現できている。【００５１】
（実施例２−１〜２−３）
実施例２−１〜２−３においては、上部導波路１２１〜１２３の先端尖点１２１Ｘ〜１２３Ｘの位置を変更する以外は、実施例１と同様に計算を実施した。【００５２】
＜実施例２−１＞
図４Ａに示すように、側面視において、ベース導波路１１０のテーパ部１１１の上面１１１Ｓを基準面としたとき、上部導波路１２１〜１２３の先端尖点１２１Ｘ〜１２３Ｘ同士をなだらかにすべて結ぶ仮想線ｍｘが、最下の上部導波路１２１の先端尖点１２１Ｘと最上の上部導波路１２３の先端尖点１２３Ｘとを直線的結ぶ仮想線ｍ０より上に凸な放物線とした。
最下の上部導波路１２１の先端尖点１２１Ｘと中間の上部導波路１２２の先端尖点１２２Ｘとの間隔Ｃ１＝１００μｍ、中間の上部導波路１２２の先端尖点１２２Ｘと最上の上部導波路１２３の先端尖点１２３Ｘとの間隔Ｃ２＝１５０μｍとした。【００５３】
＜実施例２−２＞
図５Ａに示すように、側面視において、ベース導波路１１０のテーパ部１１１の上面１１１Ｓを基準面としたとき、上部導波路１２１〜１２３の先端尖点１２１Ｘ〜１２３Ｘ同士が直線状に繋がるようにした。
最下の上部導波路１２１の先端尖点１２１Ｘと中間の上部導波路１２２の先端尖点１２２Ｘとの間隔Ｃ１＝１００μｍ、中間の上部導波路１２２の先端尖点１２２Ｘと最上の上部導波路１２３の先端尖点１２３Ｘとの間隔Ｃ２＝１００μｍとした。【００５４】
＜実施例２−３＞
図６Ａに示すように、側面視において、ベース導波路１１０のテーパ部１１１の上面１１１Ｓを基準面としたとき、上部導波路１２１〜１２３の先端尖点１２１Ｘ〜１２３Ｘ同士をなだらかにすべて結ぶ仮想線ｍｘが、最下の上部導波路１２１の先端尖点１２１Ｘと最上の上部導波路１２３の先端尖点１２３Ｘとを直線的に結ぶ仮想線もより下に凸な放物線とした。
最下の上部導波路１２１の先端尖点１２１Ｘと中間の上部導波路１２２の先端尖点１２２Ｘとの間隔Ｃ１＝１５０μｍ、中間の上部導波路１２２の先端尖点１２２Ｘと最上の上部導波路１２３の先端尖点１２３Ｘとの間隔Ｃ２＝１００μｍとした。【００５５】
＜実施例２−１〜２−３の結果＞
実施例２−１〜２−３の計算結果をそれぞれ図４Ｂ、図５Ｂ、及び図６Ｂに示す。これらの図には、同じ導波路長Ｌ０で比較したとき、上部導波路１２１〜１２３の先端尖点１２１Ｘ〜１２３Ｘをなだらかに結ぶ仮想線ｍｘを仮想線ｍ０よりも上に凸とした実施例２−１において最も低損失が得られることが示されている。【００５６】
（実施例３−１〜３−３）
実施例３−１〜３−３においては、楔型状の上部導波路を１０段とした以外は、実施例２−１〜２−３と同様に計算を実施した。仮想線ｍｘの形状に関して、実施例３−１は実施例２−１に対応し（仮想線ｍｘは仮想線ｍ０より上に凸な放物線）、実施例３−２は実施例２−２に対応し（仮想線ｍｘは仮想線ｍ０に一致）、実施例３−３は実施例２−３に対応している（仮想線ｍｘは仮想線ｍ０より下に凸な放物線）。
計算結果をそれぞれ図７〜図９に示す。各図においては、ＴＭ偏光及びＴＥ偏光の両方の損失が概ね１ｄＢ以下となる領域を○で囲んである。
これらの図には、同じ導波路長Ｌ０で比較したとき、上部導波路の先端尖点をなだらかに結ぶ仮想線ｍｘを仮想線ｍ０よりも上に凸とした実施例３−１において最も低損失が得られることが示されている。
また、図４Ｂと図７の比較等から、楔型状の上部導波路の積層数が増える程、同じ導波路長Ｌ０に対してより低損失が実現できることが示されている。楔型状の上部導波路の積層数が増える程、互いに上下に隣接する楔型状の上部導波路間の光の移行がスムーズに進み、より低損失なデバイスが得られる。【００５７】
（実施例４）
実施例４においては、上部導波路１２１〜１２３の屈折率を変化させ、それに合わせて上部導波路１２１〜１２３の高さを最適化する以外は、実施例１と同様に計算を実施した。この場合の上部導波路の高さの最適値は、以下の通りであった。
上部導波路１２１：１μｍ、上部導波路１２２：３μｍ、上部導波路１２３：３．５μｍ。
図１０は、ベース導波路１１０の屈折率を３．４５に固定したまま上部導波路１２１〜１２３の屈折率（横軸）を変化させたときの変換損失を示している。図１０には、上部導波路１２１〜１２３の屈折率がベース導波路１１０の屈折率以上である場合に変換損失が小さくなることが示されている。このことから、上部導波路１２１〜１２３の屈折率はベース導波路の屈折率よりも大きい方が好ましいことが分かった。【００５８】
（設計変更）
以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。【００５９】
この出願は、２０１０年９月２８日に出願された日本出願特願２０１０−２１７４６８号、及び２０１１年６月２０日に出願されたＰＣＴ出願ＰＣＴ／ＪＰ２０１１／００３５０４号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明の光導波路構造及び光導波路デバイスは、モード変換器等に好ましく適用可能である。
【符号の説明】
【００６１】
１  光導波路デバイス
１００  光導波路構造
１１０  ベース導波路
１１１  テーパ部
１１１Ａ  テーパ部の幅広側の端面
１１１Ｓ  テーパ部の上面
１１２  幅狭部
１１２Ｂ  幅狭部の端面
１２１〜１２３  上部導波路
１２１Ａ〜１２３Ａ  上部導波路の幅広側の端面
１２１Ｘ〜１２３Ｘ  上部導波路の先端尖点
２００  ＳＯＩ基板
２０１  デバイス層
２０２  ＢＯＸ層
Ｃ１  先端尖点の間隔
Ｃ２  先端尖点の間隔
Ｌ０〜Ｌ３  導波路長
Ｗ０〜Ｗ３  最大幅
ｍｘ、ｍ０  仮想線
【図１Ａ】
2012042795.tif 000003
【図１Ｂ】
2012042795.tif 000004
【図１Ｃ】
2012042795.tif 000005
【図１Ｄ】
2012042795.tif 000006
【図２Ａ】
2012042795.tif 000007
【図２Ｂ】
2012042795.tif 000008
【図３Ａ】
2012042795.tif 000009
【図３Ｂ】
2012042795.tif 000010
【図４Ａ】
2012042795.tif 000011
【図４Ｂ】
2012042795.tif 000012
【図５Ａ】
2012042795.tif 000013
【図５Ｂ】
2012042795.tif 000014
【図６Ａ】
2012042795.tif 000015
【図６Ｂ】
2012042795.tif 000016
【図７】
2012042795.tif 000017
【図８】
2012042795.tif 000018
【図９】
2012042795.tif 000019
【図１０】
2012042795.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成25年3月13日(2013.3.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一側から他側に向けて連続的に幅が狭くなるテーパ部と、当該テーパ部の幅狭側に連設され前記他側に向けて延びる幅狭部とを含むベース導波路を備え、
前記ベース導波路の前記テーパ部上に、各々が、前記テーパ部より平面形状が小さく、かつ少なくとも先端側に前記一側から前記他側に向けて連続的に幅が狭くなる平面視略楔型部を有する３層以上の上部導波路が、前記ベース導波路側から順次平面形状が小さくなるよう積層され、
前記３層以上の上部導波路のうち最上層の最大幅が前記ベース導波路の最大幅より小さい光導波路構造。
【請求項２】
前記３層以上の上部導波路は、前記ベース導波路側から順次最大幅が小さくなるよう積層された請求項１に記載の光導波路構造。
【請求項３】
前記ベース導波路と前記３層以上の上部導波路の幅広側の端面が面一である請求項１又は２に記載の光導波路構造。
【請求項４】
前記３層以上の上部導波路は、前記ベース導波路側から順次導波路長が短くなるよう積層された請求項３に記載の光導波路構造。
【請求項５】
側面視において、前記ベース導波路の上面を基準面としたとき、
前記３層以上の上部導波路の先端尖点同士をすべて結ぶ仮想線が、前記３層以上の上部導波路のうち最下の上部導波路の先端尖点と最上の上部導波路の先端尖点とを直線的に結ぶ仮想線より上に凸である請求項３又は４に記載の光導波路構造。
【請求項６】
側面視において、前記ベース導波路の上面を基準面としたとき、
前記３層以上の上部導波路の先端尖点同士をなだらかにすべて結ぶ前記仮想線が、前記最下の上部導波路の先端尖点と前記最上の上部導波路の先端尖点とを直線的に結ぶ前記仮想線より上に凸な放物線である請求項５に記載の光導波路構造。
【請求項７】
前記ベース導波路の前記テーパ部の導波路長が２ｍｍ以下である請求項１〜６のいずれかに記載の光導波路構造。
【請求項８】
前記３層以上の上部導波路において最上の上部導波路を除く任意の１層の上部導波路に着目したとき、当該上部導波路の直上の上部導波路を伝搬する光のスポットサイズより小さいスポットサイズで光が伝搬する請求項１〜７のいずれかに記載の光導波路構造。
【請求項９】
前記上部導波路の屈折率の値が、前記ベース導波路の屈折率の値以上である請求項１〜８のいずれかに記載の光導波路構造。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の光導波路構造を備えた光導波路デバイス。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３７】
側面視において、ベース導波路１１０のテーパ部１１１の上面１１１Ｓを基準面としたとき、上部導波路１２１〜１２３の先端尖点１２１Ｘ〜１２３Ｘ同士をなだらかにすべて結ぶ仮想線ｍｘが、最下の上部導波路１２１の先端尖点１２１Ｘと最上の上部導波路１２３の先端尖点１２３Ｘとを直線的に結ぶ仮想線ｍ０より上に凸な放物線であるときの各上部導波路１２１〜１２３の導波方向の中央部付近と各先端尖点１２１Ｘ〜１２３Ｘにおける光のスポットサイズのシミュレーション例を図１Ｄに示す。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５４】
＜実施例２−３＞
図６Ａに示すように、側面視において、ベース導波路１１０のテーパ部１１１の上面１１１Ｓを基準面としたとき、上部導波路１２１〜１２３の先端尖点１２１Ｘ〜１２３Ｘ同士をなだらかにすべて結ぶ仮想線ｍｘが、最下の上部導波路１２１の先端尖点１２１Ｘと最上の上部導波路１２３の先端尖点１２３Ｘとを直線的に結ぶ仮想線ｍ０より下に凸な放物線とした。
最下の上部導波路１２１の先端尖点１２１Ｘと中間の上部導波路１２２の先端尖点１２２Ｘとの間隔Ｃ１＝１５０μｍ、中間の上部導波路１２２の先端尖点１２２Ｘと最上の上部導波路１２３の先端尖点１２３Ｘとの間隔Ｃ２＝１００μｍとした。
【国際調査報告】
2012042795.tif 000021
2012042795.tif 000022