(57)【要約】【課題】スポットサイズ変換導波路と細線導波路との幅および高さをより一致させて連結することにより、素子内の光の伝播損失を低減することができる、平面導波路素子を提供する。【解決手段】基板と、基板上に積層された第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４とを備えている。第２積層部４は、光が入射する入射側端面１２Ａ，１２Ｂおよび出射する出射側端面１４Ａ，１４Ｂを有する、略平行に並ぶように形成された複数の細線導波路５、および、１本以上の細線導波路５の入射側端面１２Ａに連結された出射側端面１１を有するスポットサイズ変換導波路６を含む。スポットサイズ変換導波路６と連結されている細線導波路５の入射側端面１２Ａの位置が、スポットサイズ変換導波路６と連結されていない細線導波路５の入射側端面１２Ｂの位置に対して、細線導波路５の中央部側に形成されている。【選択図】図１
2010266820.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に積層された第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、光が入射する入射側端面および出射する出射側端面を有する、略平行に並ぶように形成された複数の細線導波路、および、１本以上の該細線導波路の前記入射側端面に連結された出射側端面を有するスポットサイズ変換導波路を含み、
前記細線導波路は、前記細線導波路の配列方向において、等価屈折率分布に勾配が形成され、
前記スポットサイズ変換導波路と連結されていない前記細線導波路の前記入射側端面の位置は、前記細線導波路の配列方向において、直線上に形成され、
前記細線導波路の延在する方向において、前記スポットサイズ変換導波路と連結されている前記細線導波路の前記入射側端面の位置が、前記スポットサイズ変換導波路と連結されていない前記細線導波路の前記入射側端面の位置に対して、前記スポットサイズ変換導波路と連結されていない前記細線導波路の中央部側に形成されている、平面導波路素子。
【請求項２】
前記スポットサイズ変換導波路に連結されていない前記細線導波路において、前記細線導波路の延在する方向の前記入射側端面側に位置する作製誤差のある領域を第１誤差領域、および、中央部側に位置する作製誤差のない領域を正領域とした場合に、
前記細線導波路の延在する方向において、前記スポットサイズ変換導波路と連結されている前記細線導波路の前記入射側端面の位置が、前記正領域と前記第１誤差領域との境界位置に対して、前記スポットサイズ変換導波路と連結されていない前記細線導波路の中央部側に形成されている、請求項１に記載の平面導波路素子。
【請求項３】
前記スポットサイズ変換導波路は、前記基板の主面に直交する方向から見て、前記入射側端面と前記出射側端面とが平行な台形形状を有し、
前記細線導波路が延在する方向において、前記細線導波路の入射側端面から出射側端面への方向を＋Ｙ軸方向とし、＋Ｙ軸方向とは逆方向を−Ｙ軸方向とし、前記細線導波路の配列方向において、一方の方向を＋Ｘ軸方向とし、＋Ｘ軸方向とは逆方向を−Ｘ軸方向とした場合に、
前記スポットサイズ変換導波路の前記出射側端面のＹ座標をＵ１、前記スポットサイズ変換導波路と連結されていない前記細線導波路の前記入射側端面のＹ座標をＵ２、前記スポットサイズ変換導波路の前記出射側端面のＸ軸方向の座標において最も＋Ｘ軸方向にあるＸ座標をＶ１、最も＋Ｘ軸方向の位置で前記スポットサイズ変換導波路と連結されている前記細線導波路に隣接する、前記スポットサイズ変換導波路と連結されていない前記細線導波路の−Ｘ軸方向側の側面のＸ座標をＶ２と定義した場合に、
前記スポットサイズ変換導波路の＋Ｘ軸方向側の側面とＹ軸とのなす角θ１が、Ｖ２−Ｖ１＞(Ｕ１−Ｕ２)ｔａｎθ１を満たす、請求項１または２に記載の平面導波路素子。
【請求項４】
前記スポットサイズ変換導波路は、前記基板の主面に直交する方向から見て、前記入射側端面と前記出射側端面とが平行な台形形状を有し、
前記細線導波路が延在する方向において、前記細線導波路の入射側端面から出射側端面への方向を＋Ｙ軸方向とし、＋Ｙ軸方向とは逆方向を−Ｙ軸方向とし、前記細線導波路の配列方向において、一方の方向を＋Ｘ軸方向とし、＋Ｘ軸方向とは逆方向を−Ｘ軸方向とした場合に、
前記スポットサイズ変換導波路の前記出射側端面のＹ座標をＵ１、前記スポットサイズ変換導波路と連結されていない前記細線導波路の前記入射側端面のＹ座標をＵ２、前記スポットサイズ変換導波路の前記出射側端面のＸ軸方向の座標において最も−Ｘ軸方向にあるＸ座標をＶ３、最も−Ｘ軸方向の位置で前記スポットサイズ変換導波路と連結されている前記細線導波路に隣接する、前記スポットサイズ変換導波路と連結されていない前記細線導波路の＋Ｘ軸方向側の側面のＸ座標をＶ４と定義した場合に、
前記スポットサイズ変換導波路の−Ｘ軸方向側の側面とＹ軸とのなす角θ２が、Ｖ３−Ｖ４＞(Ｕ１−Ｕ２)ｔａｎθ２を満たす、請求項１から３のいずれかに記載の平面導波路素子。
【請求項５】
基板と、
前記基板上に積層された第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、光が入射する入射側端面および出射する出射側端面を有する、略平行に並ぶように形成された複数の細線導波路、および、１本以上の該細線導波路の前記入射側端面に連結された出射側端面を有するスポットサイズ変換導波路を含み、
前記細線導波路は、前記細線導波路の配列方向において、等価屈折率分布に勾配が形成され、
前記スポットサイズ変換導波路に連結されていない前記細線導波路において、前記細線導波路の延在する方向の前記入射側端面側に位置する作製誤差のある領域を第１誤差領域、および、中央部側に位置する作製誤差のない領域を正領域とした場合に、
前記細線導波路の延在する方向において、前記スポットサイズ変換導波路と連結されている前記細線導波路の前記入射側端面の位置が、前記正領域と前記第１誤差領域との境界位置に対して、前記スポットサイズ変換導波路と連結されていない前記細線導波路の中央部側に形成されている、平面導波路素子。
【請求項６】
前記スポットサイズ変換導波路は、前記基板の主面に直交する方向から見て、前記入射側端面と前記出射側端面とが平行な台形形状を有し、
前記細線導波路が延在する方向において、前記細線導波路の入射側端面から出射側端面への方向を＋Ｙ軸方向とし、＋Ｙ軸方向とは逆方向を−Ｙ軸方向とし、前記細線導波路の配列方向において、一方の方向を＋Ｘ軸方向とし、＋Ｘ軸方向とは逆方向を−Ｘ軸方向とした場合に、
前記細線導波路は、前記スポットサイズ変換導波路の側面と連結されず、かつ、前記スポットサイズ変換導波路の側面に隣接する前記細線導波路の最も−Ｙ軸方向側の端部のＸ座標をＡ、Ｙ座標をＷ１、および、Ｘ＝Ａ上の前記スポットサイズ変換導波路の側面のＹ座標をＷ２とした場合、Ｗ１−Ｗ２＞０を満たす、請求項５に記載の平面導波路素子。
【請求項７】
前記正領域は、前記スポットサイズ変換導波路と連結されていない前記細線導波路における高さおよび幅が最大である位置の高さまたは幅に対して、３％以内の差を有する領域であり、前記第１誤差領域は、３％より大きい差を有する領域である、請求項２から６のいずれかに記載の平面導波路素子。
【請求項８】
前記細線導波路の配列方向において、前記スポットサイズ変換導波路の前記出射側端面の少なくとも一方の端部の位置と、前記スポットサイズ変換導波路と連結された前記細線導波路の少なくとも一つの側面の位置とが一致している、請求項１から７のいずれかに記載の平面導波路素子。
【請求項９】
１本以上の前記細線導波路の前記出射側端面に連結された入射側端面を有する出力用導波路をさらに備え、
前記出力用導波路と連結されていない前記細線導波路の前記出射側端面の位置は、前記細線導波路の配列方向において、直線上に形成され、
前記細線導波路の延在する方向において、前記出力用導波路と連結されている前記細線導波路の前記出射側端面の位置が、前記出力用導波路と連結されていない前記細線導波路の前記出射側端面の位置に対して、前記出力用導波路と連結されていない前記細線導波路の中央部側に形成されている、請求項１から８のいずれかに記載の平面導波路素子。
【請求項１０】
前記出力用導波路に連結されていない前記細線導波路において、前記細線導波路の延在する方向の前記出射側端面側に位置する作製誤差のある領域を第２誤差領域、および、中央部側に位置する作製誤差のない領域を前記正領域とした場合に、
前記細線導波路の延在する方向において、前記出力用導波路と連結されている前記細線導波路の前記出射側端面の位置が、前記正領域と前記第２誤差領域との境界位置に対して、前記出力用導波路と連結されていない前記細線導波路の中央部側に形成されている、請求項９に記載の平面導波路素子。
【請求項１１】
前記正領域は、前記出力用導波路と連結されていない前記細線導波路における高さおよび幅が最大である位置の高さまたは幅に対して、３％以内の差を有する領域であり、前記第２誤差領域は、３％より大きい差を有する領域である、請求項１０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素子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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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線矢印方向から見た断面図である。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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を伝搬する光の伝播経路１１９が描かれている。
【００１４】
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。
【００１５】
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。光の強度分布１２０のピーク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、光の伝播経路１１９に示されるように分波される。
【００１６】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００７−９３７４３号公報
【特許文献２】特開２００７−４１１４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
上記の平面導波路素子の作製過程において、細線導波路の延在する方向における細線導波路の両端部では、作製誤差が発生する。たとえば、導波路コア膜上にレジストパターンを形成する際のフォトリソグラフィの分解能の限界によって、レジストパターンの角部が丸みを帯びてしまう。そのため、このレジストをマスクにエッチングを行なって形成した細線導波路の角部も丸みを帯びた形状になってしまう。
【００１９】
また、エッチングの際のマイクロローディング効果によって、細線導波路が周囲に一様に形成されている、細線導波路の延在する方向における細線導波路の中央部と比較して、細線導波路の両端部では、エッチングレートが大きくなる。そのため、細線導波路の両端部の高さは、細線導波路の両端部以外の高さより低くなってしまう。
【００２０】
よって、スポットサイズ変換導波路と細線導波路とが連結されたＯＢＯ平面導波路素子を形成した場合には、その連結部周辺に存在する上記のような作製誤差により、連結部におけるスポットサイズ変換導波路と細線導波路との幅と高さが一致しない。その結果、スポットサイズ変換導波路から細線導波路に光が伝播する際に、連結部から光が外部に漏れ出してしまい、ＯＢＯ平面導波路素子の内部において伝搬損失が生じてしまう。また、細線導波路の幅および高さがばらつくことにより、所望のＯＢＯの特性が得られなくなるという問題も生じる。
【００２１】
本発明は上記の問題点に鑑みなされたものであって、スポットサイズ変換導波路と細線導波路との幅および高さをより一致させて連結することにより、素子内の光の伝播損失を低減することができる、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】
【００２２】
本発明の第１の局面における平面導波路素子は、基板と、基板上に積層された第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積層部とを備えている。第２積層部は、光が入射する入射側端面および出射する出射側端面を有する、略平行に並ぶように形成された複数の細線導波路、および、１本以上の細線導波路の入射側端面に連結された出射側端面を有するスポットサイズ変換導波路を含む。
【００２３】
細線導波路は、細線導波路の配列方向において、等価屈折率分布に勾配が形成されている。スポットサイズ変換導波路と連結されていない細線導波路の入射側端面の位置は、細線導波路の配列方向において、直線上に形成されている。平面導波路素子は、細線導波路の延在する方向において、スポットサイズ変換導波路と連結されている細線導波路の入射側端面の位置が、スポットサイズ変換導波路と連結されていない細線導波路の入射側端面の位置に対して、スポットサイズ変換導波路と連結されていない細線導波路の中央部側に形成されている。
【００２４】
このような構成にすることにより、スポットサイズ変換導波路の出射側端面と連結される細線導波路の入射側端面を細線導波路の延在する方向において、細線導波路が周囲に一様に形成されている、細線導波路の中央部側に位置させることができる。よって、平面導波路素子の作成過程において、幅および高さに誤差が生じやすい細線導波路の両端部側から離れた、より誤差の生じにくい中央部側でスポットサイズ変換導波路と細線導波路とを連結することができる。その結果、スポットサイズ変換導波路の出射側端面と細線導波路の入射側端面との幅および高さをより一致させることができるため、光がスポットサイズ変換導波路から細線導波路に伝播する際に、外部に漏れる光の量を低減することができる。
【００２５】
本発明に係る平面導波路素子のスポットサイズ変換導波路に連結されていない細線導波路において、細線導波路の延在する方向の入射端面側に位置する作製誤差のある領域を第１誤差領域、および、中央部側に位置する作製誤差のない領域を正領域とする。この場合、細線導波路の延在する方向において、スポットサイズ変換導波路と連結されている細線導波路の入射側端面の位置が、正領域と第１誤差領域との境界位置に対して、スポットサイズ変換導波路と連結されていない細線導波路の中央部側に形成されるようにしてもよい。
【００２６】
このような構成にすることにより、スポットサイズ変換導波路と細線導波路との連結部を作成誤差のない正領域に位置させることができる。そのため、スポットサイズ変換導波路の出射側端面と細線導波路の入射側端面との幅および高さをより一致させることができ、光がスポットサイズ変換導波路から細線導波路に伝播する際に、外部に漏れる光の量を低減することができる。
【００２７】
本発明に係る平面導波路素子において、スポットサイズ変換導波路が、基板の主面に直交する方向から見て、入射側端面と出射側端面とが平行な台形形状を有し、細線導波路が延在する方向において、細線導波路の入射側端面から出射側端面への方向を＋Ｙ軸方向とし、＋Ｙ軸方向とは逆方向を−Ｙ軸方向とし、細線導波路の配列方向において、一方の方向を＋Ｘ軸方向とし、＋Ｘ軸方向とは逆方向を−Ｘ軸方向とする。
【００２８】
また、スポットサイズ変換導波路の出射側端面のＹ座標をＵ１、スポットサイズ変換導波路と連結されていない細線導波路の入射側端面のＹ座標をＵ２、スポットサイズ変換導波路の出射側端面のＸ軸方向の座標において最も＋Ｘ軸方向にあるＸ座標をＶ１、最も＋Ｘ軸方向の位置でスポットサイズ変換導波路と連結されている細線導波路に隣接する、スポットサイズ変換導波路と連結されていない細線導波路の−Ｘ軸方向側の側面のＸ座標をＶ２と定義する。
【００２９】
この場合、スポットサイズ変換導波路の＋Ｘ軸方向側の側面とＹ軸とのなす角θ１が、Ｖ２−Ｖ１＞(Ｕ１−Ｕ２)ｔａｎθ１を満たすようにしてもよい。
【００３０】
このような構成にすることにより、スポットサイズ変換導波路の一方の側面と細線導波路とが連結しないようにすることができるため、スポットサイズ変換導波路の側面から光が漏れだすことを防ぐことができる。
【００３１】
本発明に係る平面導波路素子において、スポットサイズ変換導波路が、基板の主面に直交する方向から見て、入射側端面と出射側端面とが平行な台形形状を有し、細線導波路が延在する方向において、細線導波路の入射側端面から出射側端面への方向を＋Ｙ軸方向とし、＋Ｙ軸方向とは逆方向を−Ｙ軸方向とし、細線導波路の配列方向において、一方の方向を＋Ｘ軸方向とし、＋Ｘ軸方向とは逆方向を−Ｘ軸方向とする。
【００３２】
また、スポットサイズ変換導波路の出射側端面のＹ座標をＵ１、スポットサイズ変換導波路と連結されていない細線導波路の入射側端面のＹ座標をＵ２、スポットサイズ変換導波路の出射側端面のＸ軸方向の座標において最も−Ｘ軸方向にあるＸ座標をＶ３、最も−Ｘ軸方向の位置でスポットサイズ変換導波路と連結されている細線導波路に隣接する、スポットサイズ変換導波路と連結されていない細線導波路の＋Ｘ軸方向側の側面のＸ座標をＶ４と定義する。
【００３３】
この場合、スポットサイズ変換導波路の−Ｘ軸方向側の側面とＹ軸とのなす角θ２が、Ｖ３−Ｖ４＞(Ｕ１−Ｕ２)ｔａｎθ２を満たすようにしてもよい。
【００３４】
このような構成にすることにより、スポットサイズ変換導波路の他方の側面と細線導波路とが連結しないようにすることができるため、スポットサイズ変換導波路の側面から光が漏れだすことを防ぐことができる。
【００３５】
本発明の第２の局面における平面導波路素子は、基板と、基板上に積層された第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積層部とを備えている。第２積層部は、光が入射する入射側端面および出射する出射側端面を有する、略平行に並ぶように形成された複数の細線導波路、および、１本以上の細線導波路の入射側端面に連結された出射側端面を有するスポットサイズ変換導波路を含む。
【００３６】
細線導波路は、細線導波路の配列方向において、等価屈折率分布に勾配が形成されている。スポットサイズ変換導波路に連結されていない細線導波路において、細線導波路の延在する方向の入射側端面側に位置する作製誤差のある領域を第１誤差領域、および、中央部側に位置する作製誤差のない領域を正領域とする。
【００３７】
平面導波路素子は、細線導波路の延在する方向において、スポットサイズ変換導波路と連結されている細線導波路の入射側端面の位置が、正領域と第１誤差領域との境界位置に対して、スポットサイズ変換導波路と連結されていない細線導波路の中央部側に形成されている。
【００３８】
このような構成にすることにより、スポットサイズ変換導波路の出射側端面と連結される細線導波路の入射側端面を細線導波路の延在する方向において、細線導波路が周囲に一様に形成されている、細線導波路の中央部側に位置させることができる。よって、平面導波路素子の作成過程において、幅および高さに誤差が生じやすい細線導波路の両端部側から離れた、より誤差の生じにくい中央部側でスポットサイズ変換導波路と細線導波路とを連結することができる。その結果、スポットサイズ変換導波路の出射側端面と細線導波路の入射側端面との幅および高さをより一致させることができるため、光がスポットサイズ変換導波路から細線導波路に伝播する際に、外部に漏れる光の量を低減することができる。
【００３９】
本発明の平面導波路素子において、スポットサイズ変換導波路は、基板の主面に直交する方向から見て、入射側端面と出射側端面とが平行な台形形状を有している。細線導波路が延在する方向において、細線導波路の入射側端面から出射側端面への方向を＋Ｙ軸方向とし、＋Ｙ軸方向とは逆方向を−Ｙ軸方向とし、細線導波路の配列方向において、一方の方向を＋Ｘ軸方向とし、＋Ｘ軸方向とは逆方向を−Ｘ軸方向とする。
【００４０】
細線導波路は、スポットサイズ変換導波路の側面と連結されず、かつ、スポットサイズ変換導波路の側面に隣接する細線導波路の最も−Ｙ軸方向側の端部のＸ座標をＡ、Ｙ座標をＷ１、および、Ｘ＝Ａ上のスポットサイズ変換導波路の側面のＹ座標をＷ２とした場合、Ｗ１−Ｗ２＞０を満たすようにしてもよい。
【００４１】
本発明に係る平面導波路素子の上記正領域は、スポットサイズ変換導波路と連結されていない細線導波路における高さおよび幅が最大である位置の高さまたは幅に対して、３％以内の差を有する領域であり、上記第１誤差領域は、３％より大きい差を有する領域であるようにしてもよい。
【００４２】
本発明に係る平面導波路素子の細線導波路の配列方向において、スポットサイズ変換導波路の出射側端面の少なくとも一方の端部の位置と、スポットサイズ変換導波路と連結された細線導波路の少なくとも一つの側面の位置とが一致しているようにしてもよい。
【００４３】
このような構成にすることにより、スポットサイズ変換導波路の出射側端面において、細線導波路の入射側端面に連結されていない部分の割合を低減することができる。よって、光がスポットサイズ変換導波路から細線導波路に伝播する際に、外部に漏れる光の量を低減することができる。
【００４４】
本発明に係る平面導波路素子では、１本以上の細線導波路の出射側端面に連結された入射側端面を有する出力用導波路をさらに備えるようにしてもよい。この場合、出力用導波路と連結されていない細線導波路の出射側端面の位置は、細線導波路の配列方向において、直線上に形成されている。また、細線導波路の延在する方向において、出力用導波路と連結されている細線導波路の出射側端面の位置が、出力用導波路と連結されていない細線導波路の出射側端面の位置に対して、出力用導波路と連結されていない細線導波路の中央部側に形成されるようにしてもよい。
【００４５】
このような構成にすることにより、出力用導波路の入射側端面と連結される細線導波路の出射側端面を細線導波路の延在する方向において、細線導波路が周囲に一様に形成されている、細線導波路の中央部側に位置させることができる。よって、平面導波路素子の作成過程において、幅および高さに誤差が生じやすい細線導波路の両端部側から離れた、より誤差の生じにくい中央部側で出力用導波路と細線導波路とを連結することができる。その結果、出力用導波路の入射側端面と細線導波路の出射側端面との幅および高さをより一致させることができるため、光が細線導波路から出力用導波路に伝播する際に、外部に漏れる光の量を低減することができる。
【００４６】
本発明に係る平面導波路素子の出力用導波路に連結されていない細線導波路において、細線導波路の延在する方向の出射側端面側に位置する作製誤差のある領域を第２誤差領域、および、中央部側に位置する作製誤差のない領域を正領域とする。この場合、細線導波路の延在する方向において、出力用導波路と連結されている細線導波路の出射側端面の位置が、正領域と第２誤差領域との境界位置に対して、出力用導波路と連結されていない細線導波路の中央部側に形成されるようにしてもよい。
【００４７】
このような構成にすることにより、出力用導波路と細線導波路との連結部を作成誤差のない正領域に位置させることができる。そのため、出力用導波路の入射側端面と細線導波路の出射側端面との幅および高さをより一致させることができ、光が細線導波路から出力用導波路に伝播する際に、外部に漏れる光の量を低減することができる。
【００４８】
本発明に係る平面導波路素子の上記正領域は、出力用導波路と連結されていない細線導波路における高さおよび幅が最大である位置の高さまたは幅に対して、３％以内の差を有する領域であり、上記第２誤差領域は、３％より大きい差を有する領域であるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００４９】
本発明によれば、スポットサイズ変換導波路の出射側端面と連結される細線導波路の入射側端面を細線導波路の延在する方向において、細線導波路が周囲に一様に形成されている、細線導波路の中央部側に位置させることができる。よって、平面導波路素子の作成過程において、幅および高さに誤差が生じやすい細線導波路の両端部側から離れた、より誤差の生じにくい中央部側でスポットサイズ変換導波路と細線導波路とを連結することができる。その結果、スポットサイズ変換導波路の出射側端面と細線導波路の入射側端面との幅および高さをより一致させることができるため、素子内の光の伝播損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る平面導波路素子を示す平面図である。
【図２】図１のII−II線矢印方向から見た断面図である。
【図３】同実施の形態に係る平面導波路素子のスポットサイズ変換導波路と細線導波路との連結部を拡大して示す平面図である。
【図４】同実施の形態に係る平面導波路素子の出力用導波路と細線導波路との連結部を拡大して示す平面図である。
【図５】ＳＯＩ基板の上面にレジストパターンを形成した状態を示す平面図である。
【図６】ＳＯＩ基板の上面にレジストパターンを形成した状態を示す断面図である。
【図７】レジストパターンをマスクとしてエッチングをした状態を示す断面図である。
【図８】作成誤差が発生していない細線導波路を模式的に示す一部平面図である。
【図９】作成誤差が発生した細線導波路を模式的に示す一部平面図である。
【図１０】同実施の形態に係る平面導波路素子において、細線導波路の入射側端面側の誤差領域を拡大して示す平面拡大図である。
【図１１】同実施の形態に係る平面導波路素子において、細線導波路の出射側端面側の誤差領域を拡大して示す平面拡大図である。
【図１２】本発明の実施の形態２に係る平面導波路素子を示す平面図である。
【図１３】同実施の形態に係る平面導波路素子のスポットサイズ変換導波路と細線導波路との連結部を拡大して示す平面図である。
【図１４】ＳＯＩ基板の上面にレジストパターンを形成した状態を示す平面図である。
【図１５】本発明の実施の形態３に係る平面導波路素子を示す平面図である。
【図１６】スポットサイズ変換導波路と隣接する細線導波路を拡大して示す平面図である。
【図１７】ＳＯＩ基板の上面にレジストパターンを形成した状態を示す平面図である。
【図１８】細線導波路の幅を順次連続的に変化させた平面導波路素子を示す断面図である。
【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線矢印方向から見た断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
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。
【００５２】
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を示す平面図である。図２は、図１のII−II線矢印方向から見た断面図である。本実施の形態に係る平面導波路素子１は、シリコン(Ｓｉ)基板上に酸化珪素（ＳｉＯ2）と、Ｓｉ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。
【００５３】
図１および図２に示すように、平面導波路素子１では、Ｓｉ基板２と、Ｓｉ基板２上に積層された第１積層部となる、低屈折率を有し厚さが約１μｍのＳｉＯ2層３と、ＳｉＯ2層３上に積層された第２積層部となる、ＳｉＯ2層３より高屈折率を有し厚さが約２００ｎｍのＳｉ層４が形成されている。
【００５４】
本実施形態では、第１積層部として、ＳｉＯ2層３を用いたが、Ａｌ2Ｏ3,ＩｎＰ，ＡｌＧａＡｓなどで構成される層を用いてもよい。第２積層部として、Ｓｉ層４を用いたが、第１積層部よりも高い屈折率を有し、光が伝播可能である、ＩｎＧａＡｓＰ，ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＰなどで構成される層を用いてもよい。
【００５５】
Ｓｉ層４には、略平行に並ぶように複数の細線導波路５が形成されている。全ての細線導波路５には、光が入射する入射側端面１２Ａ，１２Ｂおよび光が出射する出射側端面１４Ａ，１４Ｂが形成されている。光を細線導波路５の入射側端面１２Ａに入射させるための入力用導波路として、スポットサイズ変換導波路６が設けられている。スポットサイズ変換導波路６の出射側端面１１は、５本の細線導波路５の入射側端面１２Ａに連結されている。本実施形態では、スポットサイズ変換導波路６の出射側端面１１は、５本の細線導波路５と連結されているが、１本以上の細線導波路５に連結されていればよい。
【００５６】
また、６本の細線導波路５の出射側端面１４Ａに、細線導波路５から出射される光を取り出すための出力用導波路７が設けられている。本実施形態では、１本の出力用導波路７に、２本の細線導波路５を連結しているため、３本の出力用導波路７が設けられている。ただし、出力用導波路７には、１本以上の細線導波路５が連結されていればよく、また、出力用導波路７を設けずに、細線導波路５の出射側端面１４Ｂから光を取り出すようにしてもよい。
【００５７】
ＳＯＩ基板の一方の端面には、ＳＯＩ基板の温度勾配を制御するためのヒータ８が設けられ、ＳＯＩ基板の他方の端面には、ヒートシンク９が設けられている。本実施の形態では、ＳＯＩ基板の側面にヒータ８およびヒートシンク９を設けたが、Ｓｉ基板２の側面のみにヒータ８およびヒートシンク９を設けるようにしてもよい。また、後述するように、細線導波路５の幅を細線導波路５の配列方向において、単調に増加または減少させることにより等価屈折率分布に勾配を形成する場合には、ヒータ８およびヒートシンク９を設ける必要はない。
【００５８】
図１および図２に示すように、細線導波路５の配列方向をＸ軸方向として、ヒートシンク９からヒータ８への方向を＋Ｘ軸方向とし、＋Ｘ軸方向とは逆方向を−Ｘ軸方向とする。また、細線導波路５の延在する方向をＹ軸方向として、細線導波路５の入射側端面１２Ａ，１２Ｂから出射側端面１４Ａ，１４Ｂへの方向を＋Ｙ軸方向とし、＋Ｙ軸方向とは逆方向を−Ｙ軸方向とする。さらに、Ｘ軸方向とＹ軸方向のそれぞれに垂直な方向をＺ軸方向とする。
【００５９】
光をスポットサイズ変換導波路６の入射側端面１０から入射させるために、レンズ６１の光軸およびファイバ６２の中心軸をＹ軸方向の直線上に配置する。レンズ６１は、光を集光するためのレンズであり、ファイバ６２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よりも大きい。入射光のスポット直径は、ファイバ６２とレンズ６１の焦点距離などの光学特性との関係により決まる。
【００６０】
図３は、本実施の形態に係る平面導波路素子のスポットサイズ変換導波路と細線導波路との連結部を拡大して示す平面図である。図３に示すように、本実施形態のスポットサイズ変換導波路６は、Ｓｉ基板２の主面に直交する方向から見て，入射側端面１０と出射側端面１１とが平行な台形形状を有し、Ｙ軸方向において幅が線形的に変化している。ただし、スポットサイズ変換導波路６の幅は一定でもよく、この場合、スポットサイズ変換導波路６は矩形状となる。
【００６１】
スポットサイズ変換導波路６の−Ｙ軸方向側の端面が入射側端面１０となり、入射側端面１０の幅は、入射する光のスポットサイズと略同等となるようにした。さらに、スポットサイズ変換導波路６の＋Ｙ軸方向側の出射側端面１１の高さは、連結される細線導波路５の高さと一致するようにした。
【００６２】
本実施の形態では、入射光のスポットサイズ径を９μｍとし、スポットサイズ変換導波路６の入射側端面１０の幅が１０μｍとなるようにした。また、細線導波路５の高さを０．２５μｍとし、スポットサイズ変換導波路６の出射側端面１１の高さが０．２５μｍとなるようにした。細線導波路５の幅は０．５μｍで一定とし、隣り合う細線導波路５同士のピッチが１μｍとなるようにした。
【００６３】
スポットサイズ変換導波路６の出射側端面１１の幅は４．５μｍとし、スポットサイズ変換導波路６のＹ軸方向の長さは５００μｍとなるようにした。なお、平面導波路素子１においてＯＢＯが得られるのであれば、スポットサイズ変換導波路６の出射側端面１１の幅およびＹ軸方向の長さは、上記の値に限定されない。
【００６４】
図３に示すように、スポットサイズ変換導波路６の出射側端面１１と細線導波路５の入射側端面１２Ａとの連結部のＹ座標をＳ１とする。スポットサイズ変換導波路６と連結されていない細線導波路５の入射側端面１２Ｂの位置は、細線導波路５の配列方向において、直線上に形成されている。スポットサイズ変換導波路６と連結されていない細線導波路５の入射側端面１２ＢのＹ座標をＳ２とする。
【００６５】
本実施形態の平面導波路素子１では、Ｓ１−Ｓ２＞０の関係が必ず満たされており、具体的には、Ｓ１−Ｓ２＝１００μｍとした。よって、細線導波路５の延在する方向において、スポットサイズ変換導波路６と連結されている細線導波路５の入射側端面１２Ａの位置が、スポットサイズ変換導波路６と連結されていない細線導波路５の入射側端面１２Ｂの位置に対して、スポットサイズ変換導波路６と連結されていない細線導波路５の中央部側に形成されている。
【００６６】
また、スポットサイズ変換導波路６の出射側端面１１で最も＋Ｘ軸方向にあるＸ座標が、スポットサイズ変換導波路６に連結された細線導波路５の中で、最も＋Ｘ軸方向側に位置する細線導波路５の＋Ｘ軸方向側の側面のＸ座標と一致している。さらに、スポットサイズ変換導波路６の出射側端面１１で最も−Ｘ軸方向にあるＸ座標が、スポットサイズ変換導波路６に連結された細線導波路５の中で、最も−Ｘ軸方向側に位置する細線導波路５の−Ｘ軸方向側の側面のＸ座標と一致している。
【００６７】
上記のように本実施形態では、細線導波路５の配列方向において、スポットサイズ変換導波路６の出射側端面１１の両方の端部の位置と、細線導波路５の側面の位置とが一致しているが、一方の端部の位置にのみ一致していてもよいし、両方の端部の位置と一致していなくてもよい。
【００６８】
スポットサイズ変換導波路６の両方の端部の位置と細線導波路５の側面の位置とが一致している場合には、スポットサイズ変換導波路６の出射側端面１１と細線導波路５の入射側端面１２Ａとの連結している面積が最も大きくなる。よって、平面導波路素子１に入射した光が、スポットサイズ変換導波路６から細線導波路５に伝播する際に、細線導波路５に入射せずに外部に漏れだす光の量を低減することができる。
【００６９】
スポットサイズ変換導波路６の少なくとも一方の端部の位置と細線導波路５の側面の位置とが一致している場合には、両方の端部と一致していない場合に比べて、スポットサイズ変換導波路６の出射側端面１１と細線導波路５の入射側端面１２Ａとの連結している面積が大きくなる。よって、平面導波路素子１に入射した光が、スポットサイズ変換導波路６から細線導波路５に伝播する際に、細線導波路５に入射せずに外部に漏れだす光の量を低減することができる。
【００７０】
図４は、本実施の形態に係る平面導波路素子の出力用導波路と細線導波路との連結部を拡大して示す平面図である。図４に示すように、細線導波路５に連結された出力用導波路７は、細線導波路５とほぼ平行に配置されている。出力用導波路７の高さは、連結される細線導波路５の高さと一致するようにした。本実施の形態では、出力用導波路７の高さを０．２５μｍとなるようにした。また、出力用導波路７の幅は、１．５μｍで一定となるようにした。ただし、光が伝搬できる構造であれば、出力用導波路７の幅は一定でなくてもよい。
【００７１】
図４に示すように、出力用導波路７の入射側端面１６と細線導波路５の出射側端面１４Ａとの連結部のＹ座標をＳ３とする。出力用導波路７と連結されていない細線導波路５の出射側端面１４Ｂの位置は、細線導波路５の配列方向において、直線上に形成されている。出力用導波路７と連結されていない細線導波路５の出射側端面１４ＢのＹ座標をＳ４とする。
【００７２】
本実施形態の平面導波路素子１では、Ｓ４−Ｓ３＞０の関係が必ず満たされており、具体的には、Ｓ４−Ｓ３＝１００μｍとした。よって、細線導波路５の延在する方向において、出力用導波路７と連結されている細線導波路５の出射側端面１４Ａの位置が、出力用導波路７と連結されていない細線導波路５の出射側端面１４Ｂの位置に対して、出力用導波路７と連結されていない細線導波路５の中央部側に形成されている。
【００７３】
以下、細線導波路５、スポットサイズ変換導波路６および出力用導波路７の作製方法について、図５から図７を用いて説明する。図５は、ＳＯＩ基板の上面にレジストパターンを形成した状態を示す平面図である。図６は、ＳＯＩ基板の上面にレジストパターンを形成した状態を示す断面図である。図７は、レジストパターンをマスクとしてエッチングをした状態を示す断面図である。
【００７４】
図５および図６に示すように、まず、ＳＯＩ基板のＳｉ層４上にレジスト膜を塗布する。次に、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ってレジスト膜を加工して、所望の細線導波路５、スポットサイズ変換導波路６および出力用導波路７の形状に対応したレジストパターン１９を形成する。
【００７５】
本実施の形態においては、電子線直接描画法では、電子線の照射電流を０．１ｎＡとして、１ドット当りの電子線のドーズ時間を４μｓｅｃとした。また、フォトリソグラフィ法では、転写時間を３００ｍｓｅｃ程度とした。
【００７６】
その後、レジストパターン１９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、または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、図７に示すように、Ｓｉ層４の途中までエッチングする。そして、レジストを剥離すると、細線導波路５、スポットサイズ変換導波路６および出力用導波路７が得られる。
【００７７】
本実施の形態においては、エッチングガスとして塩素ガス２５ｓｃｃｍと窒素ガス１０ｓｃｃｍとの混合ガスを用いた。また、エッチング圧力を０．１Ｐａ、ＲＦ（Radio Frequency）パワーが２００Ｗの条件で行なわれる反応性イオンエッチングを用いた。
【００７８】
最後に、Ｓｉ基板２の＋Ｘ軸方向側の端面に、スパッタリング法または蒸着法を用いてヒータ８となる窒化タンタル膜を形成する。また、Ｓｉ基板２の−Ｘ軸方向側の端面に、スパッタリング法または蒸着法を用いてヒートシンク９となる窒化アルミ膜を形成する。
【００７９】
以下、スポットサイズ変換導波路６から細線導波路５に入射した光のＯＢＯについて、図１及び図２を用いて説明する。
【００８０】
平面導波路素子１では、ヒータ８によって、＋Ｘ軸方向へ向かって高温となるように、Ｓｉ基板２上の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においては、高温のＳｉ基板２の上方に位置する細線導波路５の等価屈折率が、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くなる。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。
【００８１】
次に、図１に示すように、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１０の中心付近に位置するように、平面導波路素子１に光が照射される。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、出射側端面１１から細線導波路５に進入する。進入した光は、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。このとき、光は、Ｘ軸方向において、細線導波路５の側面でブラッグ反射を起こす。その結果、伝搬経路１８で示すように、光は、細線導波路５を＋Ｙ軸方向に進行しながら、Ｘ軸方向に振動する。この振動現象が、ＯＢＯと呼ばれる。
【００８２】
なお、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、入射側端面１０へ入射する光の波長が異なると、ＯＢＯの振幅が異なる。それに伴って、細線導波路５での伝搬経路１８が異なり、光が波長別にそれぞれ異なる出力用導波路７へ進入する。よって、平面導波路素子１に波長多重光が入射した場合、平面導波路素子１は分光器として機能する。
【００８３】
以下、本実施の形態のスポットサイズ変換導波路６および出力用導波路７によって得られる機能を説明する。平面導波路素子１の作製プロセスにおいて、細線導波路５の延在する方向において、細線導波路５の両端部では作製誤差が発生する。
【００８４】
たとえば、図５に示すように、フォトリソグラフィの分解能の限界によって、レジストパターン１９の端部が丸みを帯びてしまう。そのため、図３，４に示すように、レジストパターン１９をマスクとしてエッチングにより形成される細線導波路５の端部１３，１５も丸みを帯びる。また、エッチングの際のマイクロローディング効果によって、細線導波路５のＹ軸方向端部１３，１５の高さが、細線導波路５の中央部の高さより低くなる。
【００８５】
図８は、作成誤差が発生していない細線導波路を模式的に示す一部平面図である。図９は、作成誤差が発生した細線導波路を模式的に示す一部平面図である。図８に示すように、作成誤差の発生していない細線導波路５Ａでは、端部の角が丸みを帯びておらず、また、側面が図１で示すＸ軸方向と直交し、側面の高さも一定である。一方、図９に示すように、作成誤差が発生した細線導波路５Ｂでは、端部の角が丸みを帯び、側面が図１で示すＸ軸方向と直交しなくなり、また、側面の高さも設計値より低くなってしまう。
【００８６】
図８に示すように、細線導波路５Ａに入射した光は、複数の細線導波路５Ａの側面でブラッグ反射しながら、図１で示すＹ軸方向に伝播する。図９に示すように、細線導波路５Ｂの端部では、側面が図１で示すＸ軸方向と直交しておらず、また、側面の高さも低くなっているため、側面に入射した光が乱反射する。そのため細線導波路５Ｂでは、ブラッグ反射が乱され光が外部に散逸してしまうため、平面導波路素子１における光の伝搬損失が増加してしまう。
【００８７】
本実施形態の平面導波路素子１では、図３に示すように、光がＹ座標Ｓ１から細線導波路に入射して＋Ｙ軸方向へ伝搬していくため、Ｙ座標Ｓ１からＳ２までの細線導波路５の作製誤差は、光の伝播経路に影響しない。よって、細線導波路５の作成誤差の影響を低減して、平面導波路素子１の伝搬損失を抑制することができる。
【００８８】
また、図４に示すように、光がＹ座標Ｓ３から出力用導波路７に入射して＋Ｙ軸方向へ伝搬していくため、Ｙ座標Ｓ３からＳ４までの細線導波路５の作製誤差は、光の伝播経路に影響しない。よって、細線導波路５の作成誤差の影響を低減して、平面導波路素子１の伝搬損失を抑制することができる。
【００８９】
さらに、細線導波路５の作製誤差により幅または高さが変化すると、細線導波路５の等価屈折率勾配の傾斜量が変化してしまう。ＯＢＯの振幅は、光の波長および細線導波路５の等価屈折率勾配の傾斜量で変化するため、細線導波路５の作成誤差により光の伝播経路が変化する。
【００９０】
よって、ある波長の光の伝播経路が所望の経路よりずれてしまい、望まない出力用導波路７から光が取り出される。たとえば、λ１の波長を有する光が、λ２の波長を有する光の伝播経路を進行して、λ２の波長を有する光を取り出すための出力用導波路７から出力されてしまう。本実施形態の平面導波路素子１では、このような平面導波路素子１の分波特性のゆらぎも抑制することができる。
【００９１】
図１０は、本実施の形態に係る平面導波路素子において、細線導波路の入射側端面側の誤差領域を拡大して示す平面拡大図である。図１０に示すように、細線導波路５の−Ｙ軸方向側の端部に位置する、作製誤差がある領域を第１誤差領域２２、および、中央部側に位置する作成誤差のない領域を正領域とする。第１誤差領域２２の細線導波路５は、上述のように正領域に比べて、幅が狭く高さが低くなっている。第１誤差領域２２と正領域との境界位置のＹ座標をＴ１とする。
【００９２】
本実施形態の平面導波路素子１では、Ｓ１−Ｔ１＞０の関係をみたすように、スポットサイズ変換導波路６の出射側端面１１と細線導波路５の入射側端面１２Ａとの連結部の位置を設定することがより好ましい。言い換えると、細線導波路５の延在する方向において、スポットサイズ変換導波路６と連結されている細線導波路５の入射側端面１２Ａの位置Ｓ１が、正領域と第１誤差領域２２との境界位置Ｔ１に対して、スポットサイズ変換導波路６と連結されていない細線導波路５の中央部側に形成されることが好ましい。
【００９３】
上記のようにすることにより、スポットサイズ変換導波路６と細線導波路５との連結部において、スポットサイズ変換導波路６の出射側端面１１の高さと細線導波路５の入射側端面１２Ａの高さとをより一致させることができる。また、細線導波路５の入射側端面１２Ａの幅を設計値に、より近くすることができる。よって、スポットサイズ変換導波路６から細線導波路５に光が伝播する際に、細線導波路５の外部に漏れ出す光を低減して、光の伝播損失を抑制することができる。
【００９４】
本実施形態では、正領域は、スポットサイズ変換導波路６と連結されていない細線導波路５における高さおよび幅が最大である位置の高さまたは幅に対して、３％以内の差を有する領域とした。第１誤差領域２２は、スポットサイズ変換導波路６と連結されていない細線導波路５における高さおよび幅が最大である位置の高さまたは幅に対して、３％より大きい差を有する領域とした。
【００９５】
正領域と第１誤差領域２２との境界位置Ｔ１は、予め作製した細線導波路５を観察することで確認した。細線導波路５の幅は、電子顕微鏡を用いて細線導波路５を上面観察することにより確認した。細線導波路５の高さは、電子顕微鏡を用いて細線導波路５を断面観察することにより確認した。また、細線導波路５の高さの変化は、段差計を用いることによっても確認することができる。
【００９６】
光をスポットサイズ変換導波路６から上記の正領域に位置する細線導波路５に進入させることにより、所望のＯＢＯを発現させて、光は正規の伝播経路１８を伝播する。よって、細線導波路５の作製誤差の光の伝播経路１８に及ぼす影響を低減することができる。
【００９７】
図１１は、本実施の形態に係る平面導波路素子において、細線導波路の出射側端面側の誤差領域を拡大して示す平面拡大図である。図１１に示すように、細線導波路５の＋Ｙ軸方向側の端部に位置する、作製誤差がある領域を第２誤差領域２３、および、中央部側に位置する作成誤差のない領域を正領域とする。第２誤差領域２３の細線導波路５は、上述のように正領域に比べて、幅が狭く高さが低くなっている。第２誤差領域２３と正領域との境界位置のＹ座標をＴ２とする。
【００９８】
本実施形態の平面導波路素子１では、Ｔ２−Ｓ３＞０の関係をみたすように、出力用導波路７の入射側端面１６と細線導波路５の出射側端面１４Ａとの連結部の位置を設定することがより好ましい。言い換えると、細線導波路５の延在する方向において、出力用導波路７と連結されている細線導波路５の出射側端面１４Ａの位置Ｓ３が、正領域と第２誤差領域２３との境界位置Ｔ２に対して、出力用導波路７と連結されていない細線導波路５の中央部側に形成されることが好ましい。
【００９９】
上記のようにすることにより、出力用導波路７と細線導波路５との連結部において、出力用導波路７の入射側端面１６の高さと細線導波路５の出射側端面１４Ａの高さとをより一致させることができる。また、細線導波路５の出射側端面１４Ａの幅を設計値に、より近くすることができる。よって、細線導波路５から出力用導波路７に光が伝播する際に、出力用導波路７の外部に漏れ出す光を低減して、光の伝播損失を抑制することができる。
【０１００】
本実施形態では、第２誤差領域２３は、出力用導波路７と連結されていない細線導波路５における高さおよび幅が最大である位置の高さまたは幅に対して、３％より大きい差を有する領域とした。正領域と第２誤差領域２３との境界位置Ｔ２は、予め作製した細線導波路５を観察することで確認した。
【０１０１】
光を上記の正領域に位置する細線導波路５から出力用導波路７に進入させることにより、所望のＯＢＯを発現させて、光は所望の伝播経路１８を伝播する。よって、細線導波路５の作製誤差の光の伝播経路１８に及ぼす影響を低減することができる。
【０１０２】
本実施形態の平面導波路素子１では、スポットサイズ変換導波路６の出射側端面１１と連結される細線導波路５の入射側端面１２Ａを細線導波路５の延在する方向において、細線導波路５が周囲に一様に形成されている、細線導波路５の中央部側に位置させることができる。よって、平面導波路素子１の作成過程において、幅および高さに誤差が生じやすい細線導波路５の両端部側から離れた、より誤差の生じにくい中央部側でスポットサイズ変換導波路６と細線導波路５とを連結することができる。その結果、スポットサイズ変換導波路６の出射側端面１１と細線導波路５の入射側端面１２Ａとの幅および高さをより一致させることができるため、素子内の光の伝播損失を低減することができる。
【０１０３】
実施の形態２
図１２は、本発明の実施の形態２に係る平面導波路素子を示す平面図である。図１２に示すように、実施の形態２に係る平面導波路素子２１は、実施の形態１に係る平面導波路素子１とはスポットサイズ変換導波路２６の構造が異なる。その他の構成については、実施の形態１と同様であるため、説明を繰り返さない。
【０１０４】
図１３は、本実施の形態に係る平面導波路素子のスポットサイズ変換導波路と細線導波路との連結部を拡大して示す平面図である。図１３に示すように、スポットサイズ変換導波路２６の出射側端面３１のＹ座標をＵ１、スポットサイズ変換導波路２６と連結されていない細線導波路２５の入射側端面３２ＢのＹ座標をＵ２とする。この場合に、Ｕ１−Ｕ２＞０の関係を満たすようにした。
【０１０５】
また、スポットサイズ変換導波路２６の出射側端面３１のＸ軸方向の座標において最も＋Ｘ軸方向にあるＸ座標をＶ１とする。さらに、最も＋Ｘ軸方向の位置でスポットサイズ変換導波路２６と連結されている細線導波路２５に隣接する、スポットサイズ変換導波路２６と連結されていない細線導波路２５の−Ｘ軸方向側の側面のＸ座標をＶ２と定義する。この場合に、スポットサイズ変換導波路２６の＋Ｘ軸方向側の側面とＹ軸とのなす角θ１が、Ｖ２−Ｖ１＞(Ｕ１−Ｕ２)ｔａｎθ１を満たすようにした。
【０１０６】
スポットサイズ変換導波路２６の側面に細線導波路２５が連結されている場合には、その連結部から光が漏れだしてしまう。漏れ出した光は、所定の光の伝播経路３８とは異なる経路を伝播するため、平面導波路素子２１の分波特性上好ましくない。そこで、上記のような構造にすることにより、スポットサイズ変換導波路２６の＋Ｘ軸方向側の側面と細線導波路２５の−Ｙ軸方向側の端部３３とが連結しないようにすることができる。よって、スポットサイズ変換導波路２６に入射した光が、スポットサイズ変換導波路２６の出射側端面３１以外から漏れ出すことを抑制することができる。
【０１０７】
また、スポットサイズ変換導波路２６の出射側端面３１のＸ軸方向の座標において最も−Ｘ軸方向にあるＸ座標をＶ３とする。さらに、最も−Ｘ軸方向の位置でスポットサイズ変換導波路２６と連結されている細線導波路２５に隣接する、スポットサイズ変換導波路２６と連結されていない細線導波路２５の＋Ｘ軸方向側の側面のＸ座標をＶ４と定義する。この場合に、スポットサイズ変換導波路２６の−Ｘ軸方向側の側面とＹ軸とのなす角θ２が、Ｖ３−Ｖ４＞(Ｕ１−Ｕ２)ｔａｎθ２を満たすようにした。
【０１０８】
このような構造にすることにより、スポットサイズ変換導波路２６の−Ｘ軸方向側の側面と細線導波路２５の−Ｙ軸方向側の端部３３とが連結しないようにすることができる。よって、スポットサイズ変換導波路２６に入射した光が、スポットサイズ変換導波路２６の出射側端面３１以外から漏れ出すことを抑制することができる。
【０１０９】
本実施の形態では、Ｕ１−Ｕ２＝１０μｍ、Ｖ２−Ｖ１＝０．５μｍ、θ１＝２°となるようにした。また、Ｖ３−Ｖ４＝０．５μｍ、θ２＝２°となるようにした。ただし、平面導波路素子２１においてＯＢＯが発現し、スポットサイズ変換導波路２６の側面とスポットサイズ変換導波路２６に隣接する細線導波路２５とが連結しないような構造であればよく、上記の数値には限定されない。
【０１１０】
次に、上述の細線導波路２５とスポットサイズ変換導波路２６と出力用導波路２７との作製方法について、図１４を用いて説明する。図１４は、ＳＯＩ基板の上面にレジストパターンを形成した状態を示す平面図である。本実施の形態に係る平面導波路素子２１の作製方法は、実施の形態１の平面導波路素子１の作製方法と比較すると、スポットサイズ変換導波路２６に対応するレジストパターンの形状が異なる。
【０１１１】
図１４に示すように、電子線直接描画法またはフォトリソグラフィ法などを用いて、スポットサイズ変換導波路２６に対応したレジストパターン３９を形成した。その後、レジストパターン３９をマスクとして、ＩＣＰエッチング、反応性イオンエッチング、または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エッチングする。そして、レジストを剥離すると、細線導波路２５、スポットサイズ変換導波路２６および出力用導波路２７が得られる。
【０１１２】
上記のように、スポットサイズ変換導波路２６の側面は、スポットサイズ変換導波路２６に隣接する細線導波路２５と連結されないため、スポットサイズ変換導波路２６を伝搬する光が、隣接する細線導波路２５へ漏れだす恐れがない。このため、本実施の形態によれば、平面導波路素子２１において、スポットサイズ変換導波路２６における光の伝搬損失を低減することができる。
【０１１３】
実施の形態３
図１５は、本発明の実施の形態３に係る平面導波路素子を示す平面図である。本実施の形態に係る平面導波路素子４１は、実施の形態１の平面導波路素子１と比較すると、細線導波路４５の構造が異なる。他の構成については実施の形態１と同様であるため、説明を繰り返さない。
【０１１４】
図１６は、スポットサイズ変換導波路と隣接する細線導波路を拡大して示す平面図である。図１６に示すように、スポットサイズ変換導波路４６の出射側端面５１に連結されていない全ての細線導波路４５の−Ｙ軸方向側の端部５３の位置が、スポットサイズ変換導波路４６の側面に連結されないようにする。よって、実施の形態１の細線導波路５と異なり、スポットサイズ変換導波路４６と連結されていない細線導波路４５の入射側端面５２Ｂの位置は、細線導波路４５の配列方向において、必ずしも直線上にはない。このように細線導波路４５を形成することにより、スポットサイズ変換導波路４６の側面から細線導波路４５に光が漏れだすことを抑制することができる。
【０１１５】
また、実施の形態１と同様に、スポットサイズ変換導波路４６の出射側端面５１と連結される細線導波路４５の入射側端面５２Ａの位置が、正領域と第１誤差領域との境界位置に対して、スポットサイズ変換導波路４６と連結されていない細線導波路４５の中央部側に形成されている。よって、細線導波路４５の作成誤差の影響を低減して、平面導波路素子４１の伝搬損失を抑制することができる。
【０１１６】
本実施の平面導波路素子４１のスポットサイズ変換導波路４６は、基板の主面に直交する方向から見て、入射側端面５０と出射側端面５１とが平行な台形形状を有している。細線導波路４５が延在する方向において、細線導波路４５の入射側端面から出射側端面への方向を＋Ｙ軸方向とし、＋Ｙ軸方向とは逆方向を−Ｙ軸方向とし、細線導波路４５の配列方向において、一方の方向を＋Ｘ軸方向とし、＋Ｘ軸方向とは逆方向を−Ｘ軸方向とする。
【０１１７】
また、細線導波路４５は、スポットサイズ変換導波路４６の側面と連結されず、かつ、スポットサイズ変換導波路４６の側面に隣接する細線導波路４５の最も−Ｙ軸方向側の端部に位置する入射側端面５２ＢのＸ座標をＡ、Ｙ座標をＷ１、および、Ｘ＝Ａ上のスポットサイズ変換導波路４６の側面のＹ座標をＷ２とする。この場合に、Ｗ１−Ｗ２＞０を満たすようにした。なお、本実施の形態では、Ｗ１−Ｗ２＝１μｍとなっている。
【０１１８】
次に、上述の細線導波路４５とスポットサイズ変換導波路４６と出力用導波路４７との作製方法について、図１７を用いて説明する。図１７は、ＳＯＩ基板の上面にレジストパターンを形成した状態を示す平面図である。本実施の形態に係る平面導波路素子４１の作製方法は、実施の形態１の平面導波路素子１の作製方法と比較すると、細線導波路４５に対応するレジストパターンの形状が異なる。
【０１１９】
図１７に示すように、電子線直接描画法またはフォトリソグラフィ法などを用いて、細線導波路４５に対応したレジストパターン５９を形成した。その後、レジストパターン５９をマスクとして、ＩＣＰエッチング、反応性イオンエッチング、または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エッチングする。そして、レジストを剥離すると、細線導波路４５、スポットサイズ変換導波路４６および出力用導波路４７が得られる。
【０１２０】
上記のように、スポットサイズ変換導波路４６の側面は、スポットサイズ変換導波路４６に隣接する細線導波路４５と連結されないため、スポットサイズ変換導波路４６を伝搬する光が、隣接する細線導波路４５へ漏れだす恐れがない。このため、本実施の形態によれば、平面導波路素子４１において、スポットサイズ変換導波路４６における光の伝搬損失を低減することができる。
【０１２１】
また、本実施によれば、細線導波路４５の−Ｙ軸方向側の端部の入射側端面５２ＢのＸ座標を調整することによって、スポットサイズ変換導波路４６の側面から光が漏れだすことを抑制することができる。そのため、スポットサイズ変換導波路４６の形状および出射側端面５１の位置に関して設計上の制約がなくなるため、平面導波路素子４１における設計自由度が高くなる。
【０１２２】
図１８は、細線導波路の幅を順次連続的に変化させた平面導波路素子を示す断面図である。図１８に示すように、隣り合う細線導波路７５同士のピッチＰは一定にして、細線導波路７５の幅をＬ１，Ｌ２，Ｌ３と順番に広くすることにより、細線導波路７５の等価屈折率分に勾配を形成することができる。
【０１２３】
たとえば、ピッチＰを１μｍで固定し、細線導波路７５の幅が０．４μｍから０．６μｍまで０．０１μｍずつ増加するように細線導波路７５を形成する。この場合、平面導波路素子でＯＢＯを発現させるために、細線導波路７５の高さを０．１μｍとした。このような平面導波路素子は、細線導波路７５に対応するレジストパターンを形成してエッチングを行なうことにより作成することができる。
【０１２４】
上記のように、細線導波路７５の幅を変化させて細線導波路７５の等価屈折率分布に勾配を形成した場合には、上記の実施形態１から３において作製したヒータ８およびヒートシンク９を設ける必要がなくなる。
【０１２５】
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。
【符号の説明】
【０１２６】
１，２１，４１，７５，１１１  平面導波路素子、２，７２，１０２，１１２  基板、３，７３，１１３  ＳｉＯ2層、４，２４，４４，７４  Ｓｉ層、５，５Ａ，５Ｂ，２５，４５，７５，１０５，１１４  細線導波路、６，２６，４６，１０１  スポットサイズ変換導波路、７，２７，４７  出力用導波路、８，１１７  ヒータ、９，１１８  ヒートシンク、１０，３０，５０，１０６  入射側端面、１１，３１，５１，１０７  出射側端面、１２Ａ，１２Ｂ，３２Ａ，３２Ｂ，５２Ａ，５２Ｂ  入射側端面、１３，１５，３３，５３  端部、１４Ａ，１４Ｂ  出射側端面、１６  入射側端面、１７，３７，１２０  光の強度分布、１８，３８，１１９  光の伝搬経路、１９，３９、５９  レジストパターン、２２，２３  誤差領域、６１  レンズ、６２  ファイバ、１０３  導波路コア、１０４  リッジ部、１１５  入射ポート、１１６  出射ポート。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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