(57)【要約】【課題】入射光の入射位置を調整することができ、分波特性のばらつきを抑制することができる、平面導波路素子を提供する。【解決手段】矩形状の基板と、基板上に積層される第１積層部と、第１積層部上に積層され、第１積層部より高い屈折率を有する第２積層部とを備える。この第２積層部は、複数の細線導波路５、スポットサイズ変換導波路６および反射部７，８を備える。さらに、基板の一方の側面にヒータ１１を、他方の側面にヒートシンク１２を備える。【選択図】図１
2010127999.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
矩形状の基板と、
前記基板上に積層される第１積層部と、
前記第１積層部上に積層され、前記第１積層部より高い屈折率を有する第２積層部と、
前記第２積層部は、略平行に並ぶように形成される複数の細線導波路と、少なくとも１本以上の該細線導波路の一方の端面に入射ポートが設けられ、該入射ポートに連結されるスポットサイズ変換導波路とを含み、
前記細線導波路と平行な、前記基板の一方の側面に設けられるヒータと、
前記基板の他方の側面に設けられるヒートシンクと
を備え、
前記スポットサイズ変換導波路の幅は、入射側端面においては入射光のスポットサイズと同等であり、出射側端面においては前記細線導波路の前記入射ポートの幅と一致するように、光の伝搬方向へ向かって小さくなり、
前記スポットサイズ変換導波路の高さは、出射側端面において前記細線導波路の前記入射ポートの高さと一致し、
前記第２積層部は、前記スポットサイズ変換導波路の幅方向の両側に、前記スポットサイズ変換導波路に非接触な状態で設けられ、前記入射光の入射方向に対向する面に反射領域を有する反射部を含む、平面導波路素子。
【請求項２】
前記反射部は、前記入射光のうち、前記スポットサイズ変換導波路の入射側端面以外の領域に照射される光を前記細線導波路に入射しないように反射する、請求項１に記載の平面導波路素子。
【請求項３】
前記細線導波路の延在する方向において、前記反射部が前記スポットサイズ変換導波路の前記入射側端面と前記出射側端面との間に形成され、
前記細線導波路と平行な、前記ヒートシンクから前記ヒータへの方向を＋Ｘ軸方向、＋Ｘ軸方向とは逆方向を−Ｘ軸方向とし、前記スポットサイズ変換導波路の入射側端面におけるＸ軸方向の座標において最も−Ｘ軸方向にあるＸ座標をＳ１、最も＋Ｘ軸方向にあるＸ座標をＳ２、前記スポットサイズ変換導波路の−Ｘ軸方向側に設けられる前記反射部の前記反射領域におけるＸ軸方向の座標において最も＋Ｘ軸方向にあるＸ座標をＭ１、前記スポットサイズ変換導波路の＋Ｘ軸方向側に設けられる前記反射部の前記反射領域におけるＸ軸方向の座標において最も−Ｘ軸方向にあるＸ座標をＭ２と定義した場合に、
Ｓ１≦Ｍ１、かつ、Ｍ２≦Ｓ２であり、
前記スポットサイズ変換導波路の−Ｘ軸方向側に設けられる前記反射部の前記反射領域のＸ軸方向の長さをＬ１、前記スポットサイズ変換導波路の＋Ｘ軸方向側に設けられる前記反射部の前記反射領域のＸ軸方向の長さをＬ２、前記スポットサイズ変換導波路に入射する光が前記スポットサイズ変換導波路の入射側端面を通過する際のスポット直径をＱとすると、
Ｌ１−(Ｍ１−Ｓ１)≧Ｑ、かつ、Ｌ２−(Ｓ２−Ｍ２)≧Ｑである、
請求項１または２に記載の平面導波路素子。
【請求項４】
前記反射部が鏡を含む、請求項１に記載の平面導波路素子。
【請求項５】
前記反射部がフォトニック結晶を含む、請求項１に記載の平面導波路素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的ブロッホ振動を利用して、多重化された信号波を分波し、分波された信号波のそれぞれを所望のポートから出力する平面導波路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
フォトニックネットワークでは、シングルモードファイバから光信号を細線導波路へ送り、その光を光制御デバイスで制御する方法がある。しかしこの方法には、シングルモードファイバから細線導波路への光の入射において、入射損失が発生するという問題があった。シングルモードファイバから伝送される光は、レンズによって細線導波路の入射面へ集光される。その集光された光のスポット直径は５μｍ以上である。これに対し、細線導波路の幅は、一般的に５μｍ未満で形成される。このため、シングルモードファイバから伝送される光の一部は、細線導波路の入射面から外れ、出射面から有効に取出されない。このような入射損失を低減するスポットサイズ変換導波路を開示した先行文献として、特許文献１がある。
【０００３】
図１９は、特許文献１に記載されているスポットサイズ変換導波路の斜視図である。図１９に示すように、スポットサイズ変換導波路１０１は、基板１０２の上面に断面が矩形状の導波路コア１０３が形成され、導波路コア１０３の周囲を取囲むように横断面が凸字状のリッジ部１０４が形成されている。入射側端面１０６にシングルモードファイバが接続され、出射側端面１０７に細線導波路１０５が接続されている。導波路コア１０３、リッジ部１０４および基板１０２が、図示しない上部クラッドで覆われ、スポットサイズ変換導波路１０１として機能する。スポットサイズ変換導波路１０１は、高Δの導波路である。Δは、導波路コア１０３と上部クラッドとの比屈折率差であり、導波路コア１０３の屈折率をｎCR，上部クラッドの屈折率をｎCLとすると、（ｎCR−ｎCL）／ｎCRで表される。
【０００４】
スポットサイズ変換導波路１０１の作製方法を説明する。基板上に形成された導波路コア膜上にフォトリソグラフィなどによって、レジストパターンを形成する。レジストパターンが形成された基板に反応性イオンエッチングなどによって、エッチング処理を施す。エッチング処理により導波路コア１０３に対応するパターンが形成された後、レジストパターンを除去する。導波路コア１０３が形成された基板の上方に、基板と所定の間隔を開けた状態でマスクを配置する。マスクは、入射側端面から所定の長さにわたって基板１０２及び導波路コア１０３が露出するように配置される。このマスクを介して、ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法などによってガラスを堆積させることにより成膜を行なう。この方法によると、導波路コア１０３の周囲に形成されるガラスの膜厚を、光の伝搬方向にわたって連続的に変化させることが可能である。そのため、光の伝搬方向にわたって連続的に高さおよび幅が変化するリッジ部１０４を形成することができる。
【０００５】
スポットサイズ変換導波路１０１は、次のように作用する。図１９に示すように、スポットサイズ変換導波路１０１の高さおよび幅は、入射側端面１０６から出射側端面１０７へ向かうに従って、小さくなるように形成されている。スポットサイズ変換導波路１０１の入射側端面１０６の高さおよび幅は、シングルモードファイバと同等であり、出射側端面１０７の高さおよび幅は、細線導波路１０５と一致している。このような構造にすることにより、シングルモードファイバから伝送される光が、スポットサイズ変換導波路１０１の入射側端面１０６から外れることなく細線導波路１０５へ伝送されるため、入射損失の低減が図れる。
【０００６】
フォトニックネットワークでの光制御デバイスにおいて、波長多重光の分光器またはスイッチング素子として、光学的ブロッホ振動（Optical Bloch Oscillations：以下、「ＯＢＯ」という。)を利用する平面導波路素子（以下、「ＯＢＯ平面導波路素子」という。）を開示した先行文献として、特許文献２がある。図２０は、特許文献２に記載されているＯＢＯ平面導波路素子の平面図であり、図２１は、図２０のＸＸＩ−ＸＸＩ断面図である。
【０００７】
図２０，２１に示すように、ＯＢＯ平面導波路素子１１１は、厚さ１００μｍ程度のシリコン(Ｓｉ)基板１１２上に厚さ１μｍ程度の酸化珪素（ＳｉＯ2）層１１３とＳｉ層とが順に積層される、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて形成されている。ＳＯＩ基板の最上層のＳｉ層に、光が伝搬するための平行に並ぶ複数の細線導波路１１４が形成されている。細線導波路１１４には、一方の端面に入射ポート１１５が、他方の端面に出射ポート１１６が設けられている。細線導波路１１４が並ぶ方向における、Ｓｉ基板１１２上の温度分布の勾配を制御するため、Ｓｉ基板１１２の一方の端面にヒータ１１７が、他方の端面にヒートシンク１１８が備えられている。
【０００８】
図２０，２１に示すように、細線導波路１１４が並ぶ方向をＸ軸方向、各細線導波路１１４が延在する方向をＹ軸方向、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の両方向に垂直な方向をＺ軸方向とする。図２０には、ＯＢＯによりＸ軸方向に振動しながら細線導波路１１４を伝搬する光の道筋１１９が描かれている。ＯＢＯ平面導波路素子１１１では、ヒータ１１７によって、Ｓｉ基板１１２上のＸ軸方向の温度分布に勾配（単位長さあたりの温度差）が形成される。Ｓｉ材料で構成される細線導波路１１４を有するＯＢＯ平面導波路素子１１１においては、高温側のＳｉ基板１１２上の細線導波路１１４の等価屈折率は、低温側のＳｉ基板１１２上の細線導波路１１４の等価屈折率よりも高くなる。このためＸ軸方向において、細線導波路１１４の単位長さあたりの等価屈折率に、基板温度分布の勾配に応じた差が形成される。
【０００９】
以下、ＯＢＯ平面導波路素子およびスポットサイズ変換導波路の作用について説明する。光の強度ピーク１２０が所定の入射ポート１１５に位置するように、ＯＢＯ平面導波路素子１１１中へ光が照射される。照射された光は、進行する細線導波路１１４から漏れ出し、隣接する細線導波路１１４に結合する。その結果、光はＹ軸方向へ進行しながら、Ｘ軸方向に振動する。この振動現象をＯＢＯと呼ぶ。このように光は、ＯＢＯを発現することにより、ＯＢＯ平面導波路素子１１１上において、光の道筋１１９に示されるように分波される。
【００１０】
ＯＢＯ平面導波路素子１１１において、入射ポート１１５を形成する細線導波路１１４の幅は０．５μｍ程度である。このため、ＯＢＯ平面導波路素子１１１の入射ポート１１５にスポットサイズ変換導波路を連結することにより、細線導波路１１４に入射する光のスポットサイズを細線導波路１１４と一致させている。このような構成にすることにより、ＯＢＯ平面導波路素子１１１のような光制御デバイスにおいて、入射損失の低減を図りつつ、多重化された信号波を分波することができる。
【特許文献１】特開２００７−９３７４３号公報
【特許文献２】特開２００７−４１１４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献２に記載されたＯＢＯ平面導波路素子は、細線導波路の入射面における光の入射位置や入射角度が異なる場合、細線導波路を進行する光の挙動が変化する。このため、ＯＢＯ平面導波路素子の入射ポートにスポットサイズ変換導波路を連結した場合、スポットサイズ変換導波路の入射面へ入射する光の入射位置が一定でなければ、ＯＢＯ平面導波路素子の分波特性にばらつきが生じる。
【００１２】
具体的には、光の入射位置がスポットサイズ変換導波路の入射面から一部が外れている場合、その外れている光は入射ポート以外の細線導波路の端面から入射し、細線導波路を進行して、本来の出射ポートとは異なる出射ポートから不要光として出射される。この不要光により、平面導波路素子の分波特性にばらつきが生じる。
【００１３】
上記のように、光の入射位置がスポットサイズ変換導波路の入射面に位置している場合も位置していない場合もともに、出射ポートから光が検出される。光の検出は、出射ポートから出射された光をレンズによりフォトダイオードに集光して行なうため、不要光も検出してしまう。そのため、検出される光強度を確認するだけでは、光の入射位置がスポットサイズ変換導波路の入射面から外れているか否かの判断をくだすことができなかった。光の入射位置が把握できなければ、入射位置の調整を図ることもできない。特許文献１に記載されたスポットサイズ変換導波路にも、入射光の入射位置を調整するための構造は備えられていない。
【００１４】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、入射光の入射位置を調整することができ、分波特性のばらつきを抑制することができる、平面導波路素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る平面導波路素子は、矩形状の基板と、基板上に積層される第１積層部と、第１積層部上に積層され、第１積層部より高い屈折率を有する第２積層部とを備える。第２積層部は、略平行に並ぶように形成される複数の細線導波路と、少なくとも１本以上の細線導波路の一方の端面に入射ポートが設けられ、この入射ポートに連結されるスポットサイズ変換導波路とを含む。さらに、平面導波路素子は、細線導波路と平行な、基板の一方の側面に設けられるヒータと、基板の他方の側面に設けられるヒートシンクとを備える。スポットサイズ変換導波路の幅は、入射側端面においては入射光のスポットサイズと同等であり、出射側端面においては細線導波路の入射ポートの幅と一致するように、光の伝搬方向へ向かって小さくなり、スポットサイズ変換導波路の高さは、出射側端面において細線導波路の入射ポートの高さと一致する。また、第２積層部は、スポットサイズ変換導波路の幅方向の両側に、スポットサイズ変換導波路に非接触な状態で設けられ、入射光の入射方向に対向する面に反射領域を有する反射部を含む。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、スポットサイズ変換導波路の幅方向の両側に反射部を設けることにより、入射位置がスポットサイズ変換導波路の入射側端面から外れている光は反射されて、細線導波路の出射ポートから出射されないようにすることができる。このようにすることによって、光の入射位置が把握でき、スポットサイズ変換導波路の入射側端面に対する光の入射位置を調整して、平面導波路素子の分波特性のばらつきを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、この発明に基づいた実施の形態における平面導波路素子について、図を参照しながら説明する。
【００１８】
実施の形態１
図１は、本発明の実施の形態１に係る平面導波路素子の平面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。図１，２に示すように、平面導波路素子１においては、矩形状のＳｉ基板２の上面に、Ｓｉより低い屈折率を有するＳｉＯ2層から構成される、厚さが約１μｍの第１積層部３が形成されている。第１積層部３の上面に、第１積層部３より高い屈折率を有するＳｉ層を含む、厚さが約２００ｎｍの第２積層部４が形成されている。
【００１９】
このように本実施の形態に係る平面導波路素子１は、Ｓｉ基板上にＳｉＯ2層とＳｉ層とが順に積層されるＳＯＩ基板を用いて構成されている。なお、第１積層部３としてＡｌ2Ｏ3，ＩｎＰ，ＡｌＧａＡｓなどを用いてもよい。第２積層部４のＳｉ層の代わりに、第１積層部３よりも高い屈折率を有し、光が伝播可能である、ＩｎＧａＡｓＰ，ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＰなどを用いてもよい。
【００２０】
第２積層部４は、細線導波路５、スポットサイズ変換導波路６および反射部７，８を含む。複数の細線導波路５は、略平行に並ぶように形成されている。少なくとも１本以上の細線導波路５の一方の端面に、光が入射する入射ポート９が設けられている。全ての細線導波路５の他方の端面に、光が出射する出射ポート１０が設けられている。この入射ポート９に連結される出射側端面１４を有するスポットサイズ変換導波路６が、第２積層部４に形成されている。
【００２１】
スポットサイズ変換導波路６の幅は、入射側端面１３においては入射光のスポットサイズと同等であり、出射側端面１４においては細線導波路５の入射ポート９の幅と一致するように、光の伝播方向へ向かって小さくなっている。スポットサイズ変換導波路６の高さは、出射側端面１４において細線導波路５の入射ポート９の高さと一致している。
【００２２】
本実施の形態においては、たとえば、入射光のスポットサイズを５μｍ、スポットサイズ変換導波路６の入射側端面１３の幅を６μｍとした。また、細線導波路５の幅を０．５μｍ、ＳｉＯ2層の上面からの高さを０．２５μｍ、スポットサイズ変換導波路６の出射側端面１４の幅を０．５μｍ、ＳｉＯ2層の上面からの高さを０．２５μｍとした。スポットサイズ変換導波路６の長さは、７００μｍとした。スポットサイズ変換導波路６の幅は、光の伝播方向へ向かって線形的に変化するようにしてもよい。
【００２３】
スポットサイズ変換導波路６の幅方向の両側に、スポットサイズ変換導波路６に非接触な状態で反射部７，８が設けられている。スポットサイズ変換導波路６と反射部７，８とを非接触にすることで、スポットサイズ変換導波路６に入射した光が反射部７，８に漏れることを防ぐことができる。
【００２４】
反射部７，８は、入射光の入射方向に対向する面に反射領域を有している。本実施の形態においては、反射部７，８の反射領域に鏡を設けた。細線導波路５と平行な、ＳＯＩ基板の一方の側面に、基板の温度勾配を制御するヒータ１１が設けられている。また、ＳＯＩ基板の他方の側面にヒートシンク１２が設けられている。本実施の形態においては、ＳＯＩ基板の側面にヒータ１１およびヒートシンク１２を設けたが、Ｓｉ基板２の側面のみにヒータ１１およびヒートシンク１２を設けるようにしてもよい。
【００２５】
本発明の実施の形態に係る平面導波路素子１の製造方法について、図３〜６を用いて説明する。図３は、導波路を形成する前のＳＯＩ基板の上面にレジストを塗布した状態を示す平面図である。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ断面図である。図５は、導波路を形成した後のＳＯＩ基板の上面にレジストを塗布した状態を示す平面図である。図６は、図５のＶＩ−ＶＩ断面図である。
【００２６】
まず、ＳＯＩ基板上に導波路を形成するために、図３，４に示すように、Ｓｉ層で構成される第２積層部４の上面にレジスト膜を塗布する。そのレジスト膜を電子線直接描画法またはフォトリソグラフィ法などによりパターニングし、所望の細線導波路５およびスポットサイズ変換導波路６の形状に対応したレジストパターン１５を形成する。たとえば、電子線直接描画法では、電子線の照射電流が０．１ｎＡ、１ドット当りの電子線のドーズ時間が４μｓｅｃである照射条件によりパターニングを行なってもよい。フォトリソグラフィ法では、３００ｍｓｅｃ程度の転写時間により、レジストパターン１５を形成してもよい。
【００２７】
次に、レジストパターン１５をマスクとして、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）エッチング、反応性イオンエッチングおよび反応性イオンビームエッチングなどのエッチング方法を用いてＳＯＩ基板をエッチングする。第２積層部４の表面側の一部をエッチングした後、レジストパターン１５を剥離する。このようにして、基板上に細線導波路５およびスポットサイズ変換導波路６を形成することができる。本実施の形態においては、たとえば、エッチングガスとして塩素ガス２５ｓｃｃｍと窒素ガス１０ｓｃｃｍとの混合ガスを使用し、エッチング圧力が０．１Ｐａ、ＲＦ（Radio Frequency）パワーが２００Ｗで行なわれる反応性イオンエッチングを用いてもよい。
【００２８】
導波路が形成されたＳＯＩ基板に反射部の入射面に鏡を形成するために、図５，６に示すように、細線導波路５およびスポットサイズ変換導波路６が形成された第２積層部４の上面にレジスト膜を塗布する。そのレジスト膜を電子線直接描画法またはフォトリソグラフィ法などによりパターニングし、所望の反射部７，８の形状および配置に対応した開口７ａ，８ａを有するレジストパターン１６を形成する。図５においては、レジストパターン１６に覆われた細線導波路５およびスポットサイズ変換導波路６を破線で示している。
【００２９】
レジストパターン１６の上面から、スパッタリング法または蒸着法などにより、反射部７，８を構成する材料を蒸着する。その後、レジストパターン１６を基板上から剥離することにより、反射部７，８が形成される。なお、反射部７，８を構成する材料は、入射する光を反射する材料であればよい。たとえば、波長１．５５μｍの光が入射する場合には、Ａｌ，Ｚｎ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｒｈなどの材料を用いてもよい。
【００３０】
また、反射部７，８の別の形成方法として、第２積層部のＳｉ層を形成する際に、反射領域以外の反射部７，８をＳｉ層に形成する。その後、反射領域にスパッタリング法または蒸着法などにより、上記材料を蒸着するようにしてもよい。次に、ＳＯＩ基板の細線導波路５と平行な一方の側面に、スパッタリング法または蒸着法などを用いて、ヒータ１１となる窒化タンタル膜を形成する。さらに、Ｓｉ基板２の他方の側面に、スパッタリング法または蒸着法などを用いて、ヒートシンク１２となる窒化アルミ膜を形成する。
【００３１】
本実施の形態に係る平面導波路素子１において、スポットサイズ変換導波路６を伝播して細線導波路５を進行する光のＯＢＯについて、図１及び図２を用いて説明する。なお、図１，２に示すように、細線導波路５が並ぶ方向をＸ軸方向として、ヒートシンク１２からヒータ１１への方向を＋Ｘ軸方向、＋Ｘ軸方向とは逆方向を−Ｘ軸方向とする。細線導波路５の延在する方向をＹ軸方向とし、入射ポート９から出射ポート１０への方向を＋Ｙ軸方向、＋Ｙ軸方向とは逆方向を−Ｙ軸方向とする。さらに、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の両方に垂直な方向をＺ軸方向とする。
【００３２】
平面導波路素子１においては、ヒータ１１により、＋Ｘ軸方向へ向かうにしたがって高温になるように、Ｓｉ基板２における温度分布に勾配が形成される。Ｓｉ材料で構成される細線導波路５を有する平面導波路素子１において、高温のＳｉ基板２の上方に位置する細線導波路５の等価屈折率は、低温のＳｉ基板２の上方に位置する細線導波路５の等価屈折率よりも高い。このため、Ｘ軸方向において、Ｓｉ基板２の温度分布に応じた、細線導波路５の等価屈折率分布が生じる。
【００３３】
次に、光の強度分布１７のピークがスポットサイズ変換導波路６の入射側端面１３に位置するように、平面導波路素子１へ光が照射される。照射された光は、スポットサイズ変換導波路６を伝播して入射ポート９へ進行し、進行する細線導波路５から漏れ出し、隣接する細線導波路５に結合する。その結果、光は細線導波路５中を＋Ｙ軸方向に進行しながら、Ｘ軸方向に振動する。このように光は、ＯＢＯを発現することにより、平面導波路素子１上において、光の道筋１８に示されるように分波される。
【００３４】
ＯＢＯは、光の波長が長くなるにつれて、振動する振幅が大きくなる。したがって、入射光の波長が異なるとＯＢＯの振幅が異なるため、光は波長ごとに異なる細線導波路５に結合して光の道筋１８に示されるように分波される。分波された光は、それぞれ異なる出射ポート１０から出射する。よって、平面導波路素子１に複数の波長の光で構成される波長多重光が入射する場合、平面導波路素子１は分光器としての機能を有する。
【００３５】
本発明の実施の形態に係る平面導波路素子における反射部の機能について、図１および図７〜１０を用いて説明する。図７は、本実施の形態に係る平面導波路素子における反射部近傍の拡大図を示したものである。図７に示すように、スポットサイズ変換導波路６の−Ｘ軸方向側の近傍に入射光を反射する反射部７が設けられ、＋Ｘ軸方向側の近傍に入射光を反射する反射部８が設けられている。反射部７，８とスポットサイズ変換導波路６とは、非接触な状態で配置されている。
【００３６】
本実施の形態においては、反射部７，８の材料としてＡｌが用いられ、Ｙ軸方向において反射部７，８の反射領域が、スポットサイズ変換導波路６の入射側端面１３と出射側端面１４との間に形成されているが、本発明の実施の形態はこのような構成に限られない。たとえば、Ｙ軸方向において、スポットサイズ変換導波路６の入射側端面１３と同列または−Ｙ軸方向側に反射部７，８の反射領域を形成してもよい。この場合にも、平面導波路素子１に照射される光のうち、スポットサイズ変換導波路６の入射側端面１３以外の領域に照射される光を細線導波路５に入射しないように反射することができる。
【００３７】
以下、機能を良好に発揮することができる、反射部７，８について説明する。スポットサイズ変換導波路６の入射側端面１３における、最も−Ｘ軸方向にあるＸ座標をＳ１、最も＋Ｘ軸方向にあるＸ座標をＳ２と定義する。スポットサイズ変換導波路６の−Ｘ軸方向側に設けられる反射部７の反射領域における、最も＋Ｘ軸方向にあるＸ座標をＭ１と定義する。スポットサイズ変換導波路６の＋Ｘ軸方向側に設けられる反射部８の反射領域における、最も−Ｘ軸方向にあるＸ座標をＭ２と定義する。この場合に、Ｓ１≦Ｍ１、かつ、Ｍ２≦Ｓ２が満たされるように、反射部７，８の反射領域を配置する。
【００３８】
さらに、反射部７の反射領域のＸ軸方向の長さをＬ１、反射部８の反射領域の長さをＬ２、スポットサイズ変換導波路６に入射する光がスポットサイズ変換導波路６の入射側端面１３を通過する際のスポット直径をＱとする。この場合、Ｌ１−(Ｍ１−Ｓ１)≧Ｑ、かつ、Ｌ２−(Ｓ２−Ｍ２)≧Ｑを満たす、反射部７，８の反射領域を設ける。本実施の形態においては、反射部７，８の反射領域の長さＬ１，Ｌ２は１５μｍとした。反射部７，８の反射領域で光は全反射されるため、スポットサイズ変換導波路６に入射する光がスポットサイズ変換導波路６の入射側端面１３の領域から外れている場合には、入射光は反射部７，８の反射領域によって反射される。
【００３９】
図１に示すように、光をスポットサイズ変換導波路６の入射側端面１３から入射させるために、レンズ１９の光軸およびファイバ２０の中心軸をＹ軸方向の直線上に配置する。レンズ１９は、光を集光するためのレンズであり、ファイバ２０から照射された光のスポット直径は、平面導波路素子１に入射する光のスポット直径Ｑよりも大きい。入射光のスポット直径Ｑは、ファイバ２０とレンズ１９の焦点距離などの光学特性との関係により決まる。
【００４０】
スポットサイズ変換導波路６を伝播した光は、細線導波路５に入射し、Ｘ軸方向のＯＢＯを生じながら＋Ｙ軸方向へ進行する。細線導波路５を進行した光は、出射ポート１０から出射される。したがって、入射光がスポットサイズ変換導波路６の入射側端面１３から入射される場合、出射ポート１０から光が出射される。出射された光の検出は、図示しないレンズおよびフォトダイオードで構成された検出装置により行なう。
【００４１】
図８，９は、本実施の形態に係る平面導波路素子に対し、光の照射位置を相対的にずらした状態を示す平面図である。図８に示すように、レンズ１９およびファイバ２０の位置をスポットサイズ変換導波路６の入射側端面１３に対して−Ｘ軸方向へ移動させる。このときの光の強度分布１７のピークの位置のＸ座標をＦ１とすると、Ｆ１＝Ｓ１を境にＦ１＜Ｓ１となると、スポットサイズ変換導波路６に入射する光の光強度は減少する。この場合、スポットサイズ変換導波路６の入射側端面１３の領域から外れて入射する光は、反射部７の反射領域により反射される。さらにＦ１＜Ｓ１となると、細線導波路５に光が入射せず、細線導波路５の出射ポート１０から光は検出されなくなる。
【００４２】
また、図９に示すように、レンズ１９およびファイバ２０の位置をスポットサイズ変換導波路６の入射側端面１３に対して＋Ｘ軸方向へ移動させる。このときの光の強度分布１７のピークの位置のＸ座標をＦ２とすると、Ｆ２＝Ｓ２を境にＦ２＞Ｓ２となると、スポットサイズ変換導波路６に入射する光の光強度は減少する。この場合、スポットサイズ変換導波路６の入射側端面１３の領域から外れて入射する光は、反射部８の反射領域により反射される。さらにＦ２＞Ｓ２となると、細線導波路５に光が入射しないため、細線導波路５の出射ポート１０から光は検出されなくなる。
【００４３】
このように、反射部７，８の反射領域を設けて、入射光の入射位置を−Ｘ軸方向から＋Ｘ軸方向へ連続的に移動させることにより、細線導波路５の出射ポート１０から検出される光強度が０となる照射位置が確認できる。それにより、所定の出射ポート１０以外から出射される不要光の影響を排除して、光強度が最大となり、かつ、スポットサイズ変換導波路６のＸ軸方向の中心となる照射位置を確認することができる。
【００４４】
図１０は、光の強度分布のピークが入射する位置と細線導波路の出射ポートで検出される光強度との関係を示した図である。図１０では、細線導波路５の出射ポート１０で検出される光強度が、検出された光強度の最大値の１／ｅ2倍となる入射位置をＳ３，Ｓ４として示した。この入射位置Ｓ３，Ｓ４のＸ座標を把握することにより、その中間点となるＸ座標が（Ｓ３＋Ｓ４）/２において、光強度が最大となり、かつ、スポットサイズ変換導波路６の中心となることを確認することができる。
【００４５】
このように確認した光強度が最大となる照射位置に光が照射されるように、レンズ１９およびファイバ２０が配置されるように調整することにより、平面導波路素子１の分波特性のばらつきを抑制することが可能となる。また、光の入射位置をスポットサイズ変換導波路６のＸ軸方向の中心にすることにより、スポットサイズ変換導波路６の側壁での反射が抑制され、スポットサイズ変換導波路６から細線導波路５への光の進入が円滑になり、細線導波路５の入射ポート９において反射して逆行する戻り光が低減される。
【００４６】
なお、反射部７，８は、上記の構成に限られるものではなく、入射光のうち、スポットサイズ変換導波路６の入射側端面１３以外の領域に照射される光が、細線導波路５に入射しないように反射されるものであればよい。反射部７，８を設けることにより、入射位置がスポットサイズ変換導波路６の入射側端面１３から外れている光は反射されて、出射ポート１０から出射されないようにすることができる。このようにすることによって、光の入射位置を把握でき、スポットサイズ変換導波路６の入射側端面１３に対する入射位置を調整して、平面導波路素子１の分波特性のばらつきを抑制することができる。
【００４７】
実施の形態２
本発明の実施の形態２に係る平面導波路素子について、図を用いて説明する。図１１は、本発明の実施の形態２に係る平面導波路素子の平面図である。図１２は、図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ断面図である。図１１，１２に示すように、本実施の形態に係る平面導波路素子２１の反射部２７，２８は、第２積層部２４を構成するＳｉ層に、Ｓｉ層と空気層とがＹ軸方向に順番に並べられた多層膜で形成されたフォトニック結晶で構成されている。
【００４８】
スポットサイズ変換導波路２６の−Ｘ軸方向側の近傍に入射光を反射する反射部２７が設けられ、＋Ｘ軸方向側の近傍に入射光を反射する反射部２８が設けられている。反射部２７，２８とスポットサイズ変換導波路２６とは、非接触な状態で配置されている。反射部２７，２８を構成するフォトニック結晶は、フォトニックバンドギャップの中に入射光の波長が位置するように設計されている。
【００４９】
本実施の形態においては、入射光の波長は１．５５μｍとし、フォトニック結晶は、０．３μｍの厚さのＳｉ層と、０．４μｍの厚さの空気層とを、０．７μｍピッチで３０層並べた多層膜で形成した。また、反射部２７，２８は、Ｙ軸方向において、スポットサイズ変換導波路６の入射側端面１３と出射側端面１４との間に形成されているが、この構成に限られるものではない。反射部２７，２８以外の構成については、実施の形態１と同様であるため説明を省略する。
【００５０】
本実施の形態に係る平面導波路素子２１の製造方法について説明する。図１３は、導波路を形成する前のＳＯＩ基板の上面にレジストを塗布した状態を示す平面図である。図１４は、図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ断面図である。図１５は、エッチングにより導波路を形成したＳＯＩ基板の断面図である。
【００５１】
まず、ＳＯＩ基板上に導波路を形成するために、図１３，１４に示すように、Ｓｉ層で構成される第２積層部２４の上面にレジスト膜を塗布する。そのレジスト膜を電子線直接描画法またはフォトリソグラフィ法などによりパターニングし、所望の細線導波路２５、スポットサイズ変換導波路２６および反射部２７，２８の形状に対応したレジストパターン３５を形成する。
【００５２】
たとえば、電子線直接描画法では、電子線の照射電流が０．１ｎＡ、１ドット当りの電子線のドーズ時間が４μｓｅｃである照射条件によりパターニングを行なってもよい。フォトリソグラフィ法では、３００ｍｓｅｃ程度の転写時間により、レジストパターン１５を形成してもよい。
【００５３】
このレジストパターン３５をマスクとして、ＩＣＰエッチング、反応性イオンエッチングおよび反応性イオンビームエッチングなどのエッチング方法を用いてＳＯＩ基板をエッチングする。第２積層部２４の表面側の一部をエッチングした後、レジストパターン３５を剥離する。このようにして、基板上に細線導波路２５、スポットサイズ変換導波路２６および反射部２７，２８を形成することができる。本実施の形態においては、たとえば、エッチングガスとして塩素ガス２５ｓｃｃｍと窒素ガス１０ｓｃｃｍとの混合ガスを使用し、エッチング圧力が０．１Ｐａ、ＲＦパワーが２００Ｗで行なわれる反応性イオンエッチングを用いてもよい。
【００５４】
次に、ＳＯＩ基板の細線導波路２５と平行な一方の側面に、スパッタリング法または蒸着法などを用いて、ヒータ３１となる窒化タンタル膜を形成する。さらに、Ｓｉ基板２２の他方の側面に、スパッタリング法または蒸着法などを用いて、ヒートシンク３２となる窒化アルミ膜を形成する。本実施の形態においては、実施の形態１と異なり、１回の露光とエッチングにより第２積層部２４のパターンを形成することができる。そのため、実施の形態１に比べて、短い製造時間で平面導波路素子２１を製造することができる。
【００５５】
本発明の実施の形態に係る平面導波路素子における反射部の機能について、図１１および図１６〜１８を用いて説明する。図１６は、本実施の形態に係る平面導波路素子における反射部近傍の拡大図を示したものである。
【００５６】
図１６に示すように、スポットサイズ変換導波路２６の−Ｘ軸方向側の近傍に入射光を反射する反射部２７が設けられ、＋Ｘ軸方向側の近傍に入射光を反射する反射部２８が設けられている。反射部２７，２８とスポットサイズ変換導波路２６とは、非接触な状態で配置されている。
【００５７】
本実施の形態においては、反射部２７，２８の反射領域は、Ｙ軸方向において、スポットサイズ変換導波路２６の入射側端面３３と出射側端面３４との間に形成されているが、本発明はこのような構成に限られない。たとえば、Ｙ軸方向において、スポットサイズ変換導波路２６の入射側端面３３と同列または−Ｙ軸方向側に反射部２７，２８の反射領域を形成してもよい。この場合にも、平面導波路素子２１に照射される光のうち、スポットサイズ変換導波路２６の入射側端面３３以外の領域に照射される光を細線導波路２５に入射しないように反射することができる。
【００５８】
以下、機能を良好に発揮することができる、反射部２７，２８について説明する。スポットサイズ変換導波路２６の入射側端面３３におけるＸ軸方向の座標において、最も−Ｘ軸方向にあるＸ座標をＳ１、最も＋Ｘ軸方向にあるＸ座標をＳ２と定義する。スポットサイズ変換導波路６の−Ｘ軸方向側に設けられる反射部２７の反射領域におけるＸ軸方向の座標において、最も＋Ｘ軸方向にあるＸ座標をＮ１と定義する。スポットサイズ変換導波路２６の＋Ｘ軸方向側に設けられる反射部２８の反射領域におけるＸ軸方向の座標において、最も−Ｘ軸方向にあるＸ座標をＮ２と定義する。この場合に、Ｓ１≦Ｎ１、かつ、Ｎ２≦Ｓ２が満たされるように、反射部２７，２８の反射領域を配置する。
【００５９】
さらに、反射部２７の反射領域のＸ軸方向の長さをＰ１、反射部２８の反射領域の長さをＰ２、スポットサイズ変換導波路２６に入射する光がスポットサイズ変換導波路２６の入射側端面３３を通過する際のスポット直径をＱとする。この場合、Ｐ１−(Ｎ１−Ｓ１)≧Ｑ、かつ、Ｐ２−(Ｓ２−Ｎ２)≧Ｑを満たす、反射部２７，２８の反射領域を設ける。本実施の形態においては、反射部２７，２８の反射領域の長さＰ１，Ｐ２は２０μｍとした。
【００６０】
図１１に示すように、光をスポットサイズ変換導波路２６の入射側端面３３から入射させるために、レンズ３８の光軸およびファイバ３９の中心軸をＹ軸方向の直線上に配置する。レンズ３８は、光を集光するためのレンズであり、ファイバ３９から照射された光のスポット直径は、平面導波路素子２１に入射する光のスポット直径Ｑよりも大きい。入射光のスポット直径Ｑは、ファイバ３９とレンズ３８の焦点距離などの光学特性との関係により決まる。
【００６１】
スポットサイズ変換導波路２６を伝播した光は、細線導波路２５に入射し、Ｘ軸方向のＯＢＯを生じながら＋Ｙ軸方向へ進行する。細線導波路５を進行した光は、出射ポート３０から出射される。したがって、入射光がスポットサイズ変換導波路２６の入射側端面３３から入射される場合、出射ポート３０から光が出射される。出射された光の検出は、図示しないレンズおよびフォトダイオードで構成された検出装置により行なう。
【００６２】
図１７，１８は、本実施の形態に係る平面導波路素子に対し、光の照射位置を相対的にずらした状態を示す平面図である。図１７に示すように、レンズ３８およびファイバ３９の位置をスポットサイズ変換導波路２６の入射側端面３３に対して−Ｘ軸方向へ移動させる。このときの光の強度のピーク３６の位置のＸ座標をＦ３とすると、Ｆ３＝Ｓ１を境にＦ３＜Ｓ１となると、スポットサイズ変換導波路２６に入射する光の光強度は減少する。この場合、スポットサイズ変換導波路２６の入射側端面３３の領域から外れて入射する光は、反射部２７の反射領域により反射される。さらにＦ３＜Ｓ１となると、細線導波路２５に光が入射せず、細線導波路２５の出射ポート３０から光は検出されなくなる。
【００６３】
また、図１８に示すように、レンズ３８およびファイバ３９の位置をスポットサイズ変換導波路２６の入射側端面３３に対して＋Ｘ軸方向へ移動させる。このときの光の強度のピーク３６の位置のＸ座標をＦ４とすると、Ｆ４＝Ｓ２を境にＦ４＞Ｓ２となると、スポットサイズ変換導波路２６に入射する光の光強度は減少する。この場合、スポットサイズ変換導波路２６の入射側端面３３の領域から外れて入射する光は、反射部２８の反射領域により反射される。さらにＦ４＞Ｓ２となると、細線導波路２５に光が入射しないため、細線導波路２５の出射ポート３０から光は検出されなくなる。
【００６４】
このように、反射部２７，２８の反射領域を設けて、入射光の入射位置を−Ｘ軸方向から＋Ｘ軸方向へ連続的に移動させることにより、細線導波路２５の出射ポート３０から検出される光強度が０となる照射位置が確認できる。それにより、所定の出射ポート３０以外から検出される不要光の影響を排除して、光強度が最大となり、かつ、スポットサイズ変換導波路２６のＸ軸方向の中心となる照射位置を確認することができる。
【００６５】
このように確認した光強度が最大となる照射位置に光が照射されるように、レンズ３８およびファイバ３９が配置されるように調整することにより、平面導波路素子２１の分波特性のばらつきを抑制することが可能となる。また、光の入射位置をスポットサイズ変換導波路２６のＸ軸方向の中心にすることにより、スポットサイズ変換導波路２６の側壁での反射が抑制され、スポットサイズ変換導波路２６から細線導波路２５への光の進入が円滑になり、細線導波路２５の入射ポート２９において反射して逆行する戻り光が低減される。
【００６６】
なお、反射部２７，２８は、上記の構成に限られるものではなく、入射光のうち、スポットサイズ変換導波路２６の入射側端面３３以外の領域に照射される光が細線導波路２５に入射しないように反射されるものであればよい。反射部２７，２８を設けることにより、入射位置がスポットサイズ変換導波路２６の入射側端面３３から外れている光は反射されて、出射ポート３０から出射されないようにすることができる。このようにすることによって、光の入射位置が把握でき、スポットサイズ変換導波路２６の入射側端面３３に対する入射位置を調整して、平面導波路素子２１の分波特性のばらつきを抑制することができる。
【００６７】
なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施の形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る平面導波路素子の平面図である。
【図２】図２は、図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図３】導波路を形成する前のＳＯＩ基板の上面にレジストを塗布した状態を示す平面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ断面図である。
【図５】導波路を形成した後のＳＯＩ基板の上面にレジストを塗布した状態を示す平面図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ断面図である。
【図７】同実施の形態に係る平面導波路素子における反射部近傍の拡大図を示したものである。
【図８】同実施の形態に係る平面導波路素子に対し、光の照射位置を相対的にずらした状態を示す平面図である。
【図９】同実施の形態に係る平面導波路素子に対し、光の照射位置を相対的にずらした状態を示す平面図である。
【図１０】光の入射位置と細線導波路の出射ポートで検出される光強度との関係を示した図である。
【図１１】本発明の実施の形態２に係る平面導波路素子の平面図である。
【図１２】図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ断面図である。
【図１３】導波路を形成する前のＳＯＩ基板の上面にレジストを塗布した状態を示す平面図である。
【図１４】図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ断面図である。
【図１５】エッチングにより導波路を形成したＳＯＩ基板の断面図である。
【図１６】同実施の形態に係る平面導波路素子における反射部近傍の拡大図を示したものである。
【図１７】同実施の形態に係る平面導波路素子に対し、光の照射位置を相対的にずらした状態を示す平面図である。
【図１８】同実施の形態に係る平面導波路素子に対し、光の照射位置を相対的にずらした状態を示す平面図である。
【図１９】特許文献１に記載されているスポットサイズ変換導波路の斜視図である。
【図２０】特許文献２に記載されているＯＢＯ平面導波路素子の平面図である。
【図２１】図２０のＸＸＩ−ＸＸＩ断面図である。
【符号の説明】
【００６９】
１，２１，１１１  平面導波路素子、２，２２，１０２，１１２  基板、３，２３，１１３  第１積層部、４，２４  第２積層部、５，２５，１０５，１１４  細線導波路、６，２６，１０１  スポットサイズ変換導波路、７，８，２７，２８  反射部、９，２９，１１５  入射ポート、１０，３０，１１６  出射ポート、１１，３１，１１７  ヒータ、１２，３２，１１８  ヒートシンク、１３，３３，１０６  入射側端面、１４，３４，１０７  出射側端面、１５，１６，３５  レジストパターン、１７，３６，１２０  光の強度ピーク、１８，１１９  光の道筋、１９，３８  レンズ、２０，３９  ファイバ、１０３  導波路コア、１０４  リッジ部、７ａ，８ａ  開口。
【図１】
2010127999.tif 000003
【図２】
2010127999.tif 000004
【図３】
2010127999.tif 000005
【図４】
2010127999.tif 000006
【図５】
2010127999.tif 000007
【図６】
2010127999.tif 000008
【図７】
2010127999.tif 000009
【図８】
2010127999.tif 000010
【図９】
2010127999.tif 000011
【図１０】
2010127999.tif 000012
【図１１】
2010127999.tif 000013
【図１２】
2010127999.tif 000014
【図１３】
2010127999.tif 000015
【図１４】
2010127999.tif 000016
【図１５】
2010127999.tif 000017
【図１６】
2010127999.tif 000018
【図１７】
2010127999.tif 000019
【図１８】
2010127999.tif 000020
【図１９】
2010127999.tif 000021
【図２０】
2010127999.tif 000022
【図２１】
2010127999.tif 000023
【手続補正書】
【提出日】平成21年6月12日(2009.6.12)
【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】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
平面導波路素子であって、
矩形状の基板と、
前記基板上に積層される第１積層部と、
前記第１積層部上に積層され、前記第１積層部より高い屈折率を有する第２積層部とを備え、
前記第２積層部は、略平行に並ぶように形成される複数の細線導波路と、少なくとも１本以上の該細線導波路の一方の端面に入射ポートが設けられ、該入射ポートに連結されるスポットサイズ変換導波路とを含み、
前記平面導波路素子はさらに、
前記細線導波路と平行な、前記基板の一方の側面に設けられるヒータと、
前記基板の他方の側面に設けられるヒートシンクと
を備え、
前記スポットサイズ変換導波路の幅は、入射側端面においては入射光のスポットサイズと同等であり、出射側端面においては前記細線導波路の前記入射ポートの幅と一致するように、光の伝搬方向へ向かって小さくなり、
前記スポットサイズ変換導波路の高さは、出射側端面において前記細線導波路の前記入射ポートの高さと一致し、
前記第２積層部は、前記スポットサイズ変換導波路の幅方向の両側に、前記スポットサイズ変換導波路に非接触な状態で設けられ、前記入射光の入射方向に対向する面に反射領域を有する反射部を含む、平面導波路素子。