(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
クラッド層中に屈折率１．５〜１．６の透明誘電材料によって断面が幅Ｗ、厚さＨの直方体のコア層を形成してスポットサイズ変換部とすると共に、前記コア層の光の入射端面とは離れた部分に前記コア層の長手方向に沿って延びる深さＤ、幅Ｗ1、およびコア層側壁からの距離がｔの溝を形成し、ここで、
ｔ＋Ｗ1／２＜Ｗ／２の関係が成り立つように上記各値Ｗ、Ｗ1、Ｄおよびｔを決定し、更に、
前記コア幅Ｗ、コア厚Ｈ、溝深さＤ、距離ｔ、溝幅Ｗ1は、任意の波長のレーザ光に対して、
導波路幅Ｗ＝０．９４×レーザ光の中心波長
導波路厚Ｈ＝０．７９×レーザ光の中心波長
溝深さＤ＝０．４７×レーザ光の中心波長
溝位置ｔ＝（０．０７９〜０．２４）×レーザ光の中心波長
溝幅Ｗ1＝（０．２４〜０．３２）×レーザ光の中心波長
の範囲の値に設定される、ＴＥ−ＴＭモード変換器。
【請求項２】
請求項１に記載のＴＥ−ＴＭモード変換器において、前記クラッド層はＳｉＯ2で形成され、前記コア層はＳｉＯＮで形成される、ＴＥ−ＴＭモード変換器。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のＴＥ−ＴＭモード変換器において、前記コア層と前記溝は、反応性イオンエッチングにより一回のエッチング工程で形成される、ＴＥ−ＴＭモード変換器。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１項に記載のＴＥ−ＴＭモード変換器において、前記コア層の光出射端面にはシリコン細線による光回路が接続されている、ＴＥ−ＴＭモード変換器。
【請求項５】
請求項４に記載のＴＥ−ＴＭモード変換器において、前記シリコン細線の前記コア層への接続部はテーパ形状とされている、ＴＥ−ＴＭモード変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光集積回路等を構成する光デバイス間の偏波整合を取るＴＥ−ＴＭモード変換器に関し、さらに、スポットサイズ変換機能を備えたＴＥ−ＴＭモード変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光集積回路等で用いられる導波路型光デバイスでは、デバイスに入射する偏波（通常、ＴＥモード、ＴＭモードで区別される）が異なると、所期のデバイス特性が得られないことがある。すなわち、デバイスの特性が偏波によって変化することが多く、これをデバイス特性の偏波依存性という。偏波依存性を解消するために、入射する任意の偏波をＴＥモードとＴＭモードに分離し、デバイスが初期の特性で動作しない偏波（例えばＴＥモード）に対しては、これを他方の偏波（例えばＴＭモード）に変換した後にデバイスに入射させて偏波依存性を解消する方法を取ることがある（偏波ダイバーシティ）。このような場合、偏波変換（前述の例では、ＴＥモードをＴＭモードに変換）を行うデバイス、即ちＴＥ−ＴＭモード変換器が必要である。
【０００３】
図１の（ａ）〜（ｄ）は、従来のモード変換器の構造と製造方法をまとめたものである。基本的に、ＴＥ−ＴＭモード変換器は、導波路の断面形状を非対称形にすることで実現される。図１の（ａ）と（ｂ）は、導波路の一方の側壁を垂直に、他方の側面を傾斜させた構造を有している。図１の（ｃ）に示すモード変換器は、導波路断面内に斜めに溝を形成させた構造を有している。さらに、図１の（ｄ）に示すモード変換器は、導波路の断面内の非対称な位置に複数の溝を形成した構造を有している。
【０００４】
図１の（ａ）〜（ｃ）に示す構造は、導波路を形成するために少なくとも２回のエッチング工程が必要であり、製作誤差が発生する機会が増える。一方、図１の（ｄ）に示す構造は、１回のエッチング工程で導波路の側面と複数の溝を形成することができるため、製作プロセスの簡単化において利点がある。しかし、複数の溝は、幅と深さを設計値どおりに製作しないと、所望のＴＥ−ＴＭモード変換特性が得られないため、製作誤差によって幅や深さが変化すると、特性が設計値から変化してしまうという欠点を有する。
【０００５】
本発明者等は、図１に示した従来のＴＥ−ＴＭモード変換器に対して、ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰで構成した単一溝導波路型ＴＥ−ＴＭモード変換器を提案している（非特許文献１、２参照）。このＴＥ−ＴＭモード変換器では、ＧａＩｎＡｓＰ導波路の非対称位置に単一溝を形成してその断面構造に非対称性を与え、ＴＥ−ＴＭモード変換器を実現している。このようなモード変換器では、１回のエッチング工程で導波路と溝を形成することができるため、工程上で製作誤差の発生する機会が少なくなり、また、溝が一個であるために製作誤差の発生する箇所が少ない、と言う利点を有している。
【０００６】
一方、レーザダイオード等の通常光学系から出力される光のスポットサイズは、例えば、シリコン細線等で構成される光回路のスポットサイズと比べて非常に大きい。したがって、レーザダイオードからの出力光をそのまま光回路に結合すると、光の結合効率が大きく低下するという問題が発生する。同様の問題は、光ファイバと微細な光回路とを結合する場合にも発生する。このような問題を解決するために、通常、スポットサイズの異なる光デバイス間にスポットサイズ変換器を設けて、両者を高効率で結合することが行われている（特許文献１、非特許文献３参照）。
【０００７】
従って、実際の光集積回路では、ＴＥ−ＴＭモード変換器はスポットサイズ変換器と組み合わせて設けられることが多い。この場合、ＴＥ−ＴＭモード変換器とスポットサイズ変換器とを一体に構成した一個の光デバイスを提供することができれば、より小型で安価な光集積回路を提供することができる。
【０００８】
ところが、上記本発明者等が提案した単一溝構造のＴＥ−ＴＭモード変換器は、スポットサイズ変換機能を有しておらず、従って、半導体レーザ素子の出力光を高い効率で光回路に結合するためには、ＴＥ−ＴＭモード変換器に加えてスポットサイズ変換器を別個に設ける必要がある。
【０００９】
さらに、多くの応用を考えた場合、ＴＥ−ＴＭモード変換器のモード変換率の最大値は１００％であることが望ましいため、モード変換器の設計では最大の変換効率が１００％になる様にデバイス設計を行う。しかし、デバイスを製作する際に、様々な要因によって設計値とは異なるデバイス構造となってしまう（製作誤差という）。製作誤差の要因は、例えば、導波路コアおよびクラッドの屈折率の変化（材料の形成プロセスに依存する）、デバイス構造の寸法変化（パターニングやエッチングプロセスに依存する）等がある。製作誤差よってデバイス構造が設計値から変化すると、得られるモード変換率は、１００％より低下する。デバイス設計においては、製作誤差によって生ずるモード変換率の低下ができるだけ小さくなるようにデバイスの構造を設計することが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−３２３２６０号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Ｓａｎｇ−Ｈｕｎ  Ｋｉｍ等「Ｐａｓｓｉｖｅ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ」１３ｔｈ  Ｍｉｃｒｏｏｐｔｉｃｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（ＭＯＣ’０７）２００７年１０月２８−３１日
【非特許文献２】Ｓａｎｇ−Ｈｕｍ  Ｋｉｍ等「Ｓｉｎｇｌｅ−ｔｒｅｎｃｈ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ＴＥ−ＴＭ  ｍｏｄｅ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ」ＯＰＴＩＣＳ  ＥＸＰＲＥＳＳ１１２６７  Ｖｏｌ．１７，Ｎｏ．１４  ２００９年７月６日
【非特許文献３】Ｋｏｊｉ  ＹＡＭＡＤＡ等「Ｍｉｃｒｏｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  Ｂａｓｅｄ  ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｗｉｒｅ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ」ＩＥＩＣＥ  ＴＲＡＮＳ．  ＥＬＥＣＴＲＯＮ．，Ｖｌｏ．Ｅ８７−Ｃ，Ｎｏ．３，２００４年３月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、従来のＴＥ−ＴＭモード変換器の上記のような問題点を解決するためになされたもので、ＴＥ−ＴＭモード変換機能と共にスポットサイズ変換機能を備え、且つ、デバイスの製造時に生じる製作誤差によってＴＥ−ＴＭモード変換率が低下しない、新規な構造のＴＥ−ＴＭモード変換器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上記課題を解決するために、クラッド層中に屈折率１．５〜１．６の透明誘電材料によって断面が幅Ｗ、厚さＨの直方体のコア層を形成してスポットサイズ変換部とすると共に、このコア層の光の入射端面から離れた部分にコア層の長手方向に沿って延びる深さＤ、幅Ｗ1、およびコア層側壁からの距離がｔである溝を形成し、ここで、
ｔ＋Ｗ1／２＜Ｗ／２
の関係が成り立つように上記各値Ｗ、Ｗ1、Ｄおよびｔを決定することを特徴とする、ＴＥ−ＴＭモード変換器を提供する。
【００１４】
上記のＴＥ−ＴＭモード変換器において、クラッド層をＳｉＯ2で形成し、コア層をＳｉＯＮで形成しても良い。また、コア層の各値Ｗ、Ｈ、Ｗ1およびｔは、溝深さＤを６００ｎｍとした場合に最大のＴＥ−ＴＭモード変換率が１００％となる様に決定しても良い。
【００１５】
また、コア層と溝を、反応性イオンエッチングにより一回のエッチング工程で形成するようにしても良い。
【００１６】
また、コア層の各値、Ｗ、Ｈ、Ｄ、ｔおよび溝幅Ｗ1は、任意の波長を有するレーザ光に対して、Ｗ＝０．９４×レーザ光の中心波長、Ｈ＝０．７９×レーザ光の中心波長、溝深さＤR＝０．４７×レーザ光の中心波長、溝位置ｔ＝（０．０７９〜０．２４）×レーザ光の中心波長、溝幅Ｗ1＝（０．２４〜０．３２）×レーザ光の中心波長、の範囲の値に設定しても良い。
【００１７】
また、コア層に１２７０ｎｍのレーザ光が入射する場合、コア幅Ｗを１．２μｍ、コア厚さＨを１．０μｍ、溝深さＤを６００ｎｍ、距離ｔを０．１μｍ〜０．３μｍとし、さらに、溝幅Ｗ1を３００ｎｍ〜４００ｎｍの範囲の値に設定するようにしても良い。
【００１８】
さらに、上記のＴＥ−ＴＭモード変換器において、コア層の光出射端面にシリコン細線による光回路を接続するようにしても良い。あるいは、シリコン細線のコア層への接続部をテーパ形状としても良い。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のＴＥ−ＴＭモード変換器では、コア層を屈折率が１．５〜１．６の透明誘電材料で形成し、このコア層に単一溝導波路型のモード変換器を構成することによって、スポットサイズ変換機能とＴＥ−ＴＭモード変換機能を同時に実現することができる。また、モード変換機能はコア層で形成される導波路上に単一溝を設けたものにより実現されるので、製造工程上で製作誤差の発生する機会が低下し且つ製造誤差の発生する箇所も少なくなる。そのため、このモード変換器を製造する際のプロセス条件の変動に起因するモード変換率の変動が抑えられ、結果としてデバイス製造の歩留まりが向上し、製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】従来のＴＥ−ＴＭモード変換器の構造および製造方法を示す図。
【図２】本発明の一実施形態に係るＴＥ−ＴＭモード変換器の概略構成を示す図。
【図３】図２に示すＴＥ−ＴＭモード変換器の一部分の詳細を示す図。
【図４】図３のＡ−Ａ線上断面図。
【図５】従来のスポットサイズ変換器の概略構成を示す図。
【図６】図４のスポットサイズ変換器におけるコア幅と結合効率との関係を示す図。
【図７】本発明の一実施形態に係るＴＥ−ＴＭモード変換器の溝幅変化によるＲパラメータの変化を示す図。
【図８】本発明の他の実施形態に係るＴＥ−ＴＭモード変換器の溝幅変化による最大モード変換率の関係を示す図。
【図９】本発明のさらに他の実施形態に係るＴＥ−ＴＭモード変換器の溝幅変化による最大モード変換率の関係を示す図。
【図１０】本発明のさらに他の実施形態に係るＴＥ−ＴＭモード変換器の溝幅変化による最大モード変換率の関係を示す図。
【図１１】本発明のさらに他の実施形態に係るＴＥ−ＴＭモード変換器の溝幅変化による最大モード変換率の関係を示す図。
【図１２】本発明の一実施形態に係るＴＥ−ＴＭモード変換器において、１００％のＴＥ−ＴＭモード変換を発生させるための溝幅とＴＥ−ＴＭモード変換部の長さとの関係を示す図。
【図１３】本発明の一実施形態に係るＴＥ−ＴＭモード変換器におけるモード変換率の入射レーザ光波長に対する依存性を示す図。
【図１４】反応性イオンエッチングによるエッチング工程の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、以下の各図面において、同一の符号は同一あるいは同様の構成要素を示すので、重複した説明はしない。
【００２２】
図２は、本発明の一実施形態に係るＴＥ−ＴＭモード変換器１の概略構造を示す図である。本実施形態のＴＥ−ＴＭモード変換器１は、半導体レーザ素子２から発振されるスポットサイズの大きなレーザ光を微細なシリコン光回路３に高い効率で結合するためのスポットサイズ変換器を一体に有している。
【００２３】
図２において、４は、上部クラッド層５、下部クラッド層６中に埋め込まれたコア層を示す。コア層４は、上下クラッド層５、６よりも高い屈折率を有する透明誘電材料で構成され、スポットサイズ変換器およびＴＥ−ＴＭモード変換器の導波路を構成する。上下クラッド層５、６がＳｉＯ2で形成されている場合、コア層４は、ＳｉＯ2よりも高い屈折率を持たせることが可能なＳｉＯＮ等によって形成することができる。なお、ＳｉＯＮは、酸素と窒素の割合を変化させることによって、屈折率を１．４５（ＳｉＯ2）から２．０（ＳｉＮ）の範囲で変えることができる。７は、コア層４に設けられた単一溝であって、コア層４において偏波のモード変換機能を実現するためのものである。
【００２４】
図３は、図２のコア層４の構造を詳細に説明するための図であって、上部クラッド層５を取り除いた状態を示している。また、図４に、図３のＡ−Ａ線上断面図を示す。コア層４は全体でスポットサイズ変換のための導波路を形成するが、ＴＥ−ＴＭモード変換機能を実現する溝７は、導波路の半導体レーザ素子２との結合部とは反対側の部分４ａに形成される。従って今、仮に部分４ａを偏波のモード変換部、部分４ｂをスポットサイズ変換部と呼ぶ。
【００２５】
図２乃至４に示す本発明の一実施形態に係るＴＥ−ＴＭモード変換器の構成を説明する前に、単独で構成される一般のスポットサイズ変換器について説明する。
【００２６】
図５は、半導体レーザ素子と例えばＳｉ導波路（図示せず）間に設けた、一般のスポットサイズ変換器１０を示す図である。このスポットサイズ変換器１０は円形スポットのレーザ光に対応するもので、且つ、ＴＥ−ＴＭモード変換機能を有さない通常のものである。スポットサイズ変換器１０は、例えばＳｉＯ2を材料とする上下クラッド層１１、１２中に埋め込まれた高屈折率材料のコア層１３を備える。コア層１３は、円形スポットに対応して幅Ｗおよび厚さ（高さ）Ｈが等しい直方体の形状を有し、周囲のクラッド層材料よりも大きい屈折率の材料で形成されている。
【００２７】
このようなスポットサイズ変換器１０では、コア層１３の幅Ｗ（＝厚さＨ）と屈折率ｎを適宜選択することによって、半導体レーザ素子２からの出力光を、例えばＳｉ導波路のような微細な光回路に高い効率で結合することができる。一般に、スポットサイズ変換器の効率は結合効率で示され、ここで、結合効率はレーザダイオード２の光出力に対するコア層１３の導波光出力の割合として求められる。即ち、結合効率は、
結合効率＝コア層１３からの導波光出力／半導体レーザ素子光出力
として算出される。
【００２８】
図６は、屈折率ｎが１．５、１．６、１．７、１．８および２．０の場合の４種類の材料を用いてコア層１３を形成した場合の、コア幅Ｗと結合効率の関係を示すグラフである。計算に用いた半導体レーザ光の波長λは１２７０ｎｍである。図６から明らかなように、屈折率ｎが高い値をとる場合、即ちｎ＝１．７〜２．０程度の場合、コア幅Ｗのある一点では高い結合効率を得ることができるが、その点を過ぎると結合効率は急速に低下する。ところが、屈折率ｎが比較的低い材料の場合、即ちｎ＝１．５〜１．６では、比較的広い範囲（図のＲで示す範囲）のコア幅Ｗに対して高い結合効率を維持する。
【００２９】
従って、屈折率ｎ＝１．５〜１．６の材料でスポットサイズ変換器１０のコアを形成することによって、コア幅Ｗの選択範囲が広がり、また、コア幅Ｗが製造誤差によって設計値からずれた場合であっても、高い結合効率を維持することができる。本発明では、スポットサイズ変換器のこのような特性を利用し、コア層４を屈折率ｎ＝１．５〜１．６の材料で形成するようにしている。その結果、高いＴＥ−ＴＭモード変換機能を実現するためのコア層４の幅および厚さの選択範囲が広くなる。
【００３０】
即ち、スポットサイズ変換器１０の以上のような特性から、図２乃至４に示す本発明の一実施形態に係るＴＥ−ＴＭモード変換器１では、ＳｉＯ2のクラッド層５、６に対して屈折率ｎ＝１．５〜１．６のＳｉＯＮでコア層４を形成する。また、コア層４の幅Ｗを、図６を参照して例えば１．２μｍに設定する。これによって、コア層４の部分４ｂは半導体レーザ素子出力光を高効率でＳｉ光回路３に結合するスポットサイズ変換器として動作するようになる。なお、コア層４におけるスポットサイズ変換部４ｂの長さＬｂは１００μｍ程度が適切である。長さＬｂがあまり短いと、後段の素子、本発明ではＴＥ−ＴＭモード変換器、がサイズ変換途中の不安定なモードの影響を受けるので好ましくない。原理的にはＬｂが長い分には変換特性は一定で変化しない。従って、Ｌｂ＝１５０μｍであっても良いが、不必要に長くすると光損失が増加するため好ましくない。
【００３１】
コア層４の幅Ｗは、コア層４の出力側に接続される例えばＳｉ細線導波路のような光デバイス３（図２参照）の導波路構造に合わせて設計する必要があるが、両者の幅が異なる場合、光デバイス３の先端部分３ａを幅が緩やかに減少するテーパ状に形成することにより、両者を効率よく結合することができる。
【００３２】
次に、図３および４を再び参照して、導波路部分４ａに設けた溝７による、ＴＥ−ＴＭモード変換機能について説明する。背景技術の項で述べたように、ＴＥ−ＴＭモード変換器は導波路の断面形状を非対称形にすることで実現される。モード変換率は、変換器の断面形状によって実現可能な最大値が決まり、変換器の長さを変化させることによって、０から最大値の間で調節することができる。多くの応用を考えた場合、ＴＥ−ＴＭモード変換率の最大値は１００％であることが望ましいので、モード変換器の設計では最大の変換効率が１００％になる様にデバイス設計を行う。しかしながら、デバイスを製作する際に、様々な要因による製作誤差のために、設計値とは異なるデバイス構造となってしまう。例えば、製作誤差の要因は、導波路コアおよびクラッドの屈折率変化（材料の形成プロセスに依存）、デバイス構造の寸法変化（パターニングやエッチングプロセスに依存）等である。これによって、得られるモード変換率が１００％より低下する。従って、デバイス設計においては、製作誤差によって生ずるモード変換率の低下ができるだけ小さくなるデバイス構造を探求する必要がある。
【００３３】
本発明は、このようなデバイス製作時の製作誤差による最大モード変換率の低下ができるだけ小さくなるデバイス構造を提案している。その構造を以下に説明する。
【００３４】
ＴＥ−ＴＭモード変換器では、この変換器中に依存する固有の光波電磁界に対して、次の式で定義される回転パラメータＲが定義できる。
【数１】
0005477789.tif 000002
【００３５】
ここで、ｎ（ｘ、ｙ）はデバイス断面の屈折率分布を表し、Ｅｘ、Ｅｙは横方向および縦方向の光波電界成分の断面内分布を表す。
【００３６】
回転パラメータは、変換器の最大モード変換率に対応しており、Ｒ＝１の固有電磁界をもつ変換器にＴＥモード（若しくはＴＭモード）が入射すると、変換器の中をある距離伝搬した後にＴＭモード（若しくはＴＥモード）に完全に変換される。すなわち、最大モード変換率が１００％となる。したがって、モード変換器の構造パラメータが変化しても、回転パラメータがＲ＝１から変化しない構造を見出すことが、製作誤差に対する特性変化が小さいモード変換器を設計することになる。
【００３７】
ＴＥ−ＴＭモード変換器の導波路厚Ｈ（図４参照）は、モード変換器の前後に接続するデバイスの導波路厚に合わせて設計することが望ましい。前後に接続するデバイスの導波路厚とモード変換器の導波路厚Ｈが異なる場合には、その間に、伝搬方向に沿って導波路厚が緩やかに変化するデーパ状導波路を挿入してモード変換器と前後のデバイスを接続することもできる。本発明では、半導体レーザの出力光をシリコン細線導波路に高い効率で接続するためのスポットサイズ変換器とモード変換器を一体に構成する目的から、モード変換器の導波路厚Ｈは、当該スポットサイズ変換器の導波路厚と同じ値をとるものと仮定し、従って、導波路厚Ｈ＝０．６〜１．２μｍの範囲内で考える。
【００３８】
次に、ＴＥ−ＴＭモード変換器の導波路の幅Ｗ（図４参照）についても、導波路厚Ｈと同様に前後に接続するデバイスの導波路構造に合わせて設計することが望ましいため、スポットサイズ変換部４ｂの導波路幅に合わせて、Ｗ＝１．２μｍに固定した設計を示す。なお、導波路厚Ｈに比べて、導波路幅Ｗの変化は導波路形成パターンによって容易に実現することができるため、幅Ｗを固定して設計することが可能である。しかしながら、本発明は、導波路の幅Ｗ＝１．２μｍに限定されるものではなく、他の導波路幅に対しても、同様の手順でモード変換器を設計することができる。
【００３９】
溝の位置ｔ（導波路４ａの側壁からの距離）は、ある程度自由に設定することが可能である。ｔがあまり小さいと、幅ｔで導波路コアを残しつつ、溝を形成する必要があるため製作が困難になる。また、溝が導波路の幅方向の対称位置に形成されると導波路の横方向の非対称性が無くなり、ＴＥ−ＴＭモード変換器として機能しない。したがって、非対称性を得るためには、次の条件が必要になる。
ｔ＋Ｗ1／２＜Ｗ／２
なお、溝の位置は、導波路の中心に対して左側でも右側でも効果は同様である。
【００４０】
本発明者等は、図３および４に示すＴＥ−ＴＭモード変換器において、最も製造誤差の影響を受けやすい構造のパラメータが特に溝幅Ｗ1であると考えた。溝の幅Ｗ1の精度は、コア層４および溝７を形成するためのエッチングマスクの精度に依存するためである。従って、溝幅Ｗ1の製造誤差によってどの程度Ｒパラメータ値が変化するかを見出すために、図４に示す構造のパラメータＨとｔとを固定し、一方で溝幅Ｗ1を変化させてＲパラメータ値を計算した。なお、以下の計算では、デバイスに入射する光の波長を１２７０ｎｍ、コア層４の屈折率を１．６に固定し、また、コア層４の導波路幅Ｗをスポットサイズ変換部４ｂの導波路幅に合わせて１．２μｍとしている。
【００４１】
図７の（ａ）〜（ｃ）に、溝幅Ｗ1を１００ｎｍから８００ｎｍに変化させた場合のＲパラメータの変化の一例を示す。図７（ａ）は、導波路厚Ｈを０．８μｍに、溝位置ｔを０．２μｍに固定して、Ｄ＝４００ｎｍ、５００ｎｍ、６００ｎｍ、７００ｎｍの４種類の溝深さについてそれぞれの溝幅Ｗ1に対するＲパラメータの計算結果を示す。図７（ｂ）では、導波路厚Ｈを１．０μｍに、溝位置ｔを０．２μｍに固定し、Ｄ＝２００ｎｍ、４００ｎｍ、６００ｎｍおよび８００ｎｍの４種類の溝深さについてそれぞれの溝幅Ｗ1に対するＲパラメータの計算結果を示す。図７（ｃ）では導波路厚Ｈを１．２μｍに、溝位置ｔを０．２μｍに固定して、Ｄ＝４００ｎｍ、６００ｎｍ、８００ｎｍの３種類の溝深さについてそれぞれの溝幅Ｗ1に対するＲパラメータの計算結果を示す。
【００４２】
図７（ａ）に示す構造パラメータの組合せに対して、溝深さＤ＝４００ｎｍおよび５００ｎｍの場合には、溝幅Ｗ1をどのような値にしてもＲパラメータは１（１０0）に達しない。溝深さＤ＝６００ｎｍおよび７００ｎｍの場合に、溝幅Ｗ1のある値に対してＲパラメータが１となる。なお、図７の（ａ）〜（ｃ）では、モード変換率が９０％以上である範囲を点線で示している。図７（ａ）の場合、溝深さＤ＝６００ｎｍの場合に、溝幅Ｗ1が３９０ｎｍ〜４５０ｎｍ程度でモード変換率が９０％以上となっている。
【００４３】
一方、図７（ｂ）に示す構造パラメータの組合せに対して、溝深さＤ＝６００ｎｍの場合に、溝幅Ｗ1が３００ｎｍ〜４００ｎｍの範囲でＲはほぼ１を維持し、１００％近いモード変換を実現できることが分かる。モード変換率が９０％以上の範囲はさらに大きくなる。ところが、図７（ｃ）に示す構造パラメータの組合せでは、溝深さＤ＝４００ｎｍ、６００ｎｍ、８００ｎｍの何れの場合も、溝幅Ｗ1の狭い範囲においてモード変換率が９０％を超えるのみである。
【００４４】
通常、３００ｎｍ〜４００ｎｍの溝幅Ｗ1を形成する場合、溝幅Ｗ1の製造誤差は少なくとも±２０ｎｍ、通常、±５０ｎｍ程度である。従って、図７（ｂ）から、ＴＥ−ＴＭモード変換器１において導波路厚Ｈ＝１．０μｍ、溝位置ｔ＝０．２μｍ、溝深さＤ＝６００ｎｍとし、さらに溝幅Ｗ1を３００ｎｍ〜４００ｎｍの範囲で設計する場合、形成された溝幅が製造誤差によって、設計値から、例えば±５０ｎｍ程度ずれた場合であっても、１００％近いモード変換率を達成することが分かる。即ち、図７（ｂ）の場合のデバイス構造は、製造誤差に対する許容範囲が広い構造であるといえる。
【００４５】
モード変換器の設計においては、上述したように、デバイスの構造に対して光波の電磁界分布を計算で求め、これによって決まるＲパラメータのデバイス構造に対する変化を調べる方法が見通しがよい。しかしながら、得られるモード変換率を分かり易くするために、以下の説明では、Ｒパラメータの代わりに、最大モード変換率（％）を縦軸にとって説明する。
【００４６】
図８は、導波路厚Ｈ＝０．６μｍとする以外の条件を図７の場合と同一にして、溝幅Ｗ1と最大モード変換率との関係を求めたものである。図８から明らかなように、溝の深さＤが４００ｎｍでは、溝幅Ｗ1が６００ｎｍから６５０ｎｍの範囲内でほぼ１００％の最大モード変換率を達成することができるが、その範囲（許容誤差範囲）は、図７（ｂ）の溝深さＤ＝６００ｎｍの場合に比べると遥かに狭い。さらに、溝深さＤが、４００ｎｍから４５０ｎｍ、４９０ｎｍ、５００ｎｍに変化すると、最大モード変換率は大幅に低下する。導波路４と溝７とを同時に反応性イオンエッチングによって形成する場合、エッチングマスクの開口幅、即ち溝幅Ｗ1によってエッチング速度が異なるため、溝幅Ｗ1に製作誤差が生じた場合溝深さＤにも製作誤差が発生しうる。図８の構造では図７の構造に比べて溝深さＤの小さい変化による最大モード変換率の低下が大きいため、モード変換器としては図７の構造の方が望ましいと考えられる。
【００４７】
図７では溝位置ｔを０．２μｍに固定して計算を行っているが、図９から図１１では、溝位置ｔを変化させた場合に、溝幅Ｗ1の変化に対し最大モード変換率がどのように変化するか示している。
【００４８】
図９では、導波路厚Ｈ＝０．８μｍとし、溝位置ｔをｔ＝０．１μｍ〜０．３μｍに変化させた場合の、溝幅Ｗ1に対する最大モード変換率の変化を示す。図９（ａ）に示すように、溝位置ｔ＝０．１μｍの場合、溝深さＤ＝６００ｎｍの構造において、溝幅Ｗ1が、４５０ｎｍ≦Ｗ1≦７００ｎｍの範囲内でほぼ９０％以上の最大モード変換率を達成している。溝位置ｔ＝０．２μｍの場合は、図（ｂ）に示すように、溝深さＤ＝６００ｎｍの構造において、溝幅Ｗ1が、４００ｎｍ≦Ｗ1≦７００ｎｍの範囲内でほぼ９０％以上の最大モード変換率を達成している。ところが、溝位置ｔ＝０．３μｍとした場合、図（ｃ）に示すように、溝幅Ｗ1が３００ｎｍでほぼ１００％の最大モード変換率を達成することができるが、その前後で最大モード変換率が大きく低下する。従って、導波路厚Ｈが０．８μｍの場合は、溝位置ｔ＝０．１μｍ〜０．２μｍの範囲内で、溝幅Ｗ1の変化に対してモード変換率は高い値を維持することがわかる。
【００４９】
図１０の（ａ）〜（ｃ）に、導波路厚Ｈ＝１．０μｍとし、溝位置ｔをｔ＝０．１μｍ〜０．３μｍに変化させた場合の、溝幅Ｗ1に対する最大モード変換率の変化を示す。図１０の構造では、溝位置ｔ＝０．１μｍ、０．２μｍおよび０．３μｍの何れに対しても、溝深さＤ＝６００ｎｍとすることによって、溝幅Ｗ1の広い範囲の変化に対してモード変換率はほぼ１００％に近い値を維持している。即ち、導波路厚Ｈ＝１．０μｍとし、溝深さＤ＝６００ｎｍとした構造では、モード変換率の溝位置依存性は、ｔ＝０．１μｍ〜０．３μｍの範囲内で低いことが分かる。
【００５０】
図１１の（ａ）〜（ｃ）に、導波路厚Ｈ＝１．２μｍとし、溝位置ｔをｔ＝０．１μｍ〜０．３μｍに変化させた構造に対して、溝幅Ｗ1に対する最大モード変換率の変化を示す。この構造では、溝位置ｔ＝０．１μｍ〜０．２μｍの範囲で、溝深さＤ＝４００ｎｍの場合に、最大モード変換率がほぼ１００％をとるようになるが、その場合の溝幅Ｗ1の許容誤差範囲は図９、図１０のデバイス構造よりも狭い。また、溝位置ｔ＝０．３μｍの場合は、溝深さＤ＝２００ｎｍ、４００ｎｍ、６００ｎｍの何れの場合も、溝幅の極めて狭い範囲のみで最大モード変換率が１００％になるのみである。従って、導波路厚Ｈ＝１．２μｍとした場合は、最大モード変換率の溝位置依存性は高いということができる。
【００５１】
以上のことから、図４に示すデバイス構造を設計する場合、屈折率ｎ＝１．６の材料で、導波路幅Ｗ＝１．２μｍ、導波路厚Ｈ＝１．０μｍのコア層４を設け、溝深さＤ＝６００ｎｍとした場合に、溝幅Ｗ1を３００ｎｍ〜４００ｎｍの範囲で設定すれば、溝幅および溝位置の製造誤差にかかわらず高いモード変換率を有するデバイス構造を提供できる。
【００５２】
なお、本実施形態では、高いＴＥ−ＴＭモード変換率を得るために導波路厚Ｈを１．０μｍとしたため、図３のスポットサイズ変換部４ｂの導波路厚Ｈを１．０μｍ、導波路幅Ｗを１．２μｍとして設計する必要が生じる。本実施形態では、レーザ光が縦と横のスポット径が等しい円形スポットの形状でデバイスに入射する場合を想定しているので、導波路厚Ｈを導波路幅Ｗよりも少し小さくすることによって（１．２μｍ→１．０μｍ）レーザ光の結合効率は減少する。しかしながら、これによる結合効率の減少は１０％以下であると考えられるため、ＴＥ−ＴＭモード変換率を重視する観点から、最適導波路厚Ｈを１．０μｍとしている。
【００５３】
図１２は、図４のデバイス構造において、屈折率ｎ＝１．６の材料で、導波路幅Ｗ＝１．２μｍ、導波路厚Ｈ＝１．０μｍのコア層４を設け、溝深さＤ＝６００ｎｍとした場合に、１００％のＴＥ−ＴＭモード変換を発生させるために必要なモード変換部４ａの長さ長Ｌａ（図３参照）を、溝幅Ｗ1の変化に対して計算によって求めた図である。図１２において、横軸は溝幅Ｗ1をｎｍ単位で示し、縦軸は１００％モード変換に必要な変換器長Ｌπをμｍ単位で示している。この図から明らかなように、溝幅Ｗ1が３００ｎｍの場合、１００％のモード変換を発生させるためにはモード変換部４ａの長さＬａは７０２μｍであり、溝幅Ｗ1が４００ｎｍの場合、長さＬａは６１５μｍとなる。
【００５４】
なお、図１２では、２００ｎｍから８００ｎｍの溝幅Ｗ１に対して、１００％のＴＥ−ＴＭモード変換を発生させるために必要な変換器長（Ｌπとする）を示しているが、モード変換器の長さ（即ち、デバイスの長手方向に沿った溝部の長さ）をＬとした場合、ＴＥ−ＴＭモード変換率は次の式に従って変化させることができる。
ＴＥ−ＴＭモード変換率＝ｓｉｎ2（π・Ｌ／２Ｌπ）
【００５５】
次に、上記実施形態で最適化されたデバイス構造を、レーザ光の波長に対して規格化することを考える。スポットサイズ変換器、ＴＥ−ＴＭモード変換器共に、その導波路構造を形成する材料の屈折率が波長によって変化しないと仮定した場合、導波路構造を決定する全ての構造パラメータを波長で規格化し、規格化した構造パラメータが等しければ等しい特性を示すものと考えても良い。上記実施形態では使用するレーザ光の中心波長λ（ｎｍ）を１２７０ｎｍとしているので、上記各構造のパラメータは任意の波長のレーザ光に対して以下の様に規格化できる。なお、ＷR、ＨR、ＤR、ｔR、Ｗ1Rはそれぞれのパラメータの規格化された値を示す。
導波路幅ＷR＝（１．２μｍ／１．２７μｍ）×レーザ光の波長＝０．９４×レーザ光の中心波長
導波路厚ＨR＝０．７９×レーザ光の中心波長
溝深さＤR＝０．４７×レーザ光の中心波長
溝位置ｔR＝（０．０７９〜０．２４）×レーザ光の中心波長
溝幅Ｗ1R＝（０．２４〜０．３２）×レーザ光の中心波長
【００５６】
図１３は、波長１２７０ｎｍのレーザ光に対する上記の最適構造（Ｈ＝１．０μｍ、Ｗ＝１．２μｍ、ｔ＝０．２μｍ、Ｄ＝０．６μｍ、Ｗ1＝０．４μｍ）において、波長が設計波長１２７０ｎｍから変化した場合の最大モード変換率の計算結果を示す。図示するように、波長が１２７０ｎｍ±６０ｎｍの範囲で９８％以上のモード変換率を得ることができるので、この範囲で構造パラメータの波長依存性は小さいと考えられる。
【００５７】
図１４は、所望の溝幅Ｗ1を有する溝７を備えたコア層４を形成するためのエッチング方法を示すイメージ図である。本実施形態では、一回のエッチング工程でコア層４を形成するためのエッチングと溝７を形成するために、反応性イオンエッチングを採用している。反応性イオンエッチングでは、エッチングマスク２０の開口が大きい程（開口２１）多くのガスが開口中に侵入し、その結果エッチング速度が速くなる。一方、開口が小さい場合（開口２２）、開口中に侵入するエッチングガス量が少ないのでエッチング速度は遅くなる。この性質を利用することによって、深さの違う溝７と溝２３とを、一回のエッチングによって同時に形成することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１    ＴＥ−ＴＭモード変換器
２    半導体レーザ素子
３    光回路
４    コア層
４ａ    ＴＥ−ＴＭモード変換部
４ｂ    スポットサイズ変換部
５    上部クラッド層
６    下部クラッド層
７    溝
【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１】
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