(57)【要約】【課題】偏波依存性の小さいスポットサイズ変換器を提供する。【解決手段】第１光導波路コア３０と第２光導波路コア４０と第３光導波路コア５０とを備える。また、第１光導波路コアを伝播する基本モードの光と、第２光導波路コアを伝播するｎ次モード（ｎは１以上の整数）の光とが結合される第１双方向結合領域、及び第２光導波路コアを伝播するｎ次モードの光と、第３光導波路コアを伝播する基本モードの光とが結合される第２双方向結合領域が設定されている。第１光導波路コアは、第２光導波路コア及び第３光導波路コアと比して、光の伝播方向に直交する断面の面積が大きい。【選択図】図１
2014063058.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クラッド層上に各々形成されている第１光導波路コアと第２光導波路コアと第３光導波路コアとを備え、
第１双方向結合領域及び第２双方向結合領域が設定されており、
前記第１双方向結合領域では、前記第１光導波路コアを伝播する基本モードの光と、前記第２光導波路コアを伝播するｎ次モード（ｎは１以上の整数）の光とが結合され、
前記第２双方向結合領域では、前記第２光導波路コアを伝播するｎ次モードの光と、前記第３光導波路コアを伝播する基本モードの光とが結合され、
前記第１光導波路コアは、前記第２光導波路コア及び前記第３光導波路コアと比して、光の伝播方向に直交する断面の面積が大きい
ことを特徴とするスポットサイズ変換器。
【請求項２】
前記第２光導波路コアは、前記第１双方向結合領域において、光の伝播方向に沿って、前記第２双方向結合領域から前記第１双方向結合領域に向かう方向に、幅が連続的に縮小する第１テーパ部を有し、
前記第３光導波路コアは、前記第２双方向結合領域において、光の伝播方向に沿って、前記第２双方向結合領域から前記第１双方向結合領域に向かう方向に、幅が連続的に縮小する第２テーパ部を有し、
前記第１テーパ部では、幅が小さい側の一端におけるｎ次モードの伝播定数が、前記第１光導波路コアの基本モードの伝播定数よりも小さく、かつ幅が大きい側の他端におけるｎ次モードの伝播定数が、前記第１光導波路コアの基本モードの伝播定数よりも大きく設定され、
前記第２テーパ部では、幅が小さい側の一端における基本モードの伝播定数が、前記第２光導波路コアのｎ次モードの伝播定数よりも小さく、かつ幅が大きい側の他端における基本モードの伝播定数が、前記第２光導波路コアのｎ次モードの伝播定数よりも大きく設定されている
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。
【請求項３】
前記ｎ次モードは、奇数次モードであり、
前記第１双方向結合領域において、前記第１光導波路コア及び前記第１テーパ部は、互いに離間し、かつ前記クラッド層の上面に沿って並列に形成されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のスポットサイズ変換器。
【請求項４】
前記ｎ次モードは、偶数次モードであり、
前記第１双方向結合領域において、前記第１光導波路コアは、前記第１テーパ部を被覆して形成されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のスポットサイズ変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、シリコン細線導波路と光ファイバ等の外部素子との間の接続に用いられるスポットサイズ変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、シリコンフォトニクスが注目を集めている。シンリコンフォトニクスでは、光デバイスにおいて光の伝送路となる光導波路コアを、電子回路の基板と同様のＳｉ（シリコン）を材料として形成する。そのため、電子回路及び光回路を集積化することができる。
【０００３】
また、Ｓｉを材料とした光導波路コアは、クラッドとの屈折率差が極めて大きいため、光導波路コア内に光を強く閉じ込めることができる。その結果、曲げ半径を例えば数μｍ程度まで小さくした、小型の曲線導波路を実現することができるため、光デバイス全体の小型化に有利である。
【０００４】
ところで、Ｓｉを材料とした光導波路コアでは、入出力端面の面積が、光ファイバ等の外部素子と比して非常に小さく設定される。すなわち、Ｓｉを材料とした光導波路コアでは、シングルモード条件を達成するために、光導波路コアの幅及び厚さが、それぞれ例えば数１００ｎｍ程度に設定されている。一方、光ファイバは、例えば１０μｍ程度の直径に設定されている。そのため、シリコンフォトニクスを利用した光デバイスの光導波路コアと例えば光ファイバ等の外部素子とを光学的に接続するために、これらの間においてＭＦＤ（Ｍｏｄｅ  Ｆｉｅｌｄ  Ｄｉａｍｅｔｅｒ：モードフィールド径）を変換する必要がある。
【０００５】
ＭＦＤを変換する素子として、例えばスポットサイズ変換器がある。スポットサイズ変換器を外部素子と光デバイスの光導波路コアとの間に設置することによって、外部素子から光導波路コアへ入力される光のＭＦＤを縮小する、又は光導波路コアから外部素子に出力される光のＭＦＤを拡大することができる。
【０００６】
従来のスポットサイズ変換器として、互いに屈折率の異なる第１光導波路コアと第２光導波路コアとを備える構造が知られている（例えば特許文献１参照）。従来のスポットサイズ変換器では、第１光導波路コアは、Ｓｉよりも屈折率の小さい物質、例えばポリマーを材料として形成されている。また、第２光導波路コアは、例えばＳｉを材料として形成されている。また、第１光導波路コアは、第２光導波路コアの一端側から、第２光導波路コアを部分的に被覆して形成されている。第１光導波路コアによって第２光導波路コアが被覆された領域が、第１光導波路コア及び第２光導波路コアの双方向結合領域として機能する。そして、双方向結合領域において、第２光導波路コアは、第１光導波路コアに被覆されている一端に向かって幅が連続的に縮小するテーパ形状となっている。その結果、第１光導波路コア及び第２光導波路コア間を伝播する光のエネルギー変換効率（以下、単に変換効率とも称する）を向上させることができる。
【０００７】
従来のスポットサイズ変換器では、第１光導波路コアは、Ｓｉよりも屈折率の小さい材料で形成されているため、シングルモードで光を伝播させるに際して、厚さ及び幅を第２光導波路コアよりも拡大することができる。そのため、第１光導波路コアでは、第２光導波路コアよりも、伝播する光のＭＦＤを拡大することができる。そして、第１光導波路コアの厚さ及び幅を、外部素子のＭＦＤに合わせて調整することによって、光の欠損を抑制しつつ外部素子と光デバイスとを接続することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１３３４４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来のスポットサイズ変換器では、上述したように、双方向結合領域において、第２光導波路コアがテーパ形状となっている。そのため、第２光導波路コアは、第１光導波路コアに被覆されている一端付近において、幅よりも厚さが大きくなる部分を含む。そのため、第１光導波路コア及び第２光導波路コア間の変換効率に偏波依存性が生じる。すなわち、例えば第２光導波路コアから第１光導波路コアへ伝播する光について、第１光導波路コアに被覆されている一端付近では、ＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ）偏波のＭＦＤが十分に広がらない。その結果、第１光導波路コア及び第２光導波路コア間の変換効率が悪化するという問題がある。
【００１０】
通常、光ファイバ等の外部素子から送られる光は、ＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）偏波とＴＭ偏波とが混在していることが多い。そのため、偏波依存性の小さいスポットサイズ変換器が求められている。
【００１１】
そこで、この発明の目的は、偏波依存性の小さいスポットサイズ変換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した課題を解決するために、この発明によるスポットサイズ変換器は、以下の特徴を備えている。
【００１３】
この発明によるスポットサイズ変換器は、クラッド層上に各々形成されている第１光導波路コアと第２光導波路コアと第３光導波路コアとを備えている。
【００１４】
また、第１双方向結合領域及び第２双方向結合領域が設定されている。第１双方向結合領域では、第１光導波路コアを伝播する基本モードの光と、第２光導波路コアを伝播するｎ次モード（ｎは１以上の整数）の光とが結合される。第２双方向結合領域では、第２光導波路コアを伝播するｎ次モードの光と、第３光導波路コアを伝播する基本モードの光とが結合される。
【００１５】
また、第１光導波路コアは、第２光導波路コア及び第３光導波路コアと比して、光の伝播方向に直交する断面の面積が大きく設定されている。
【発明の効果】
【００１６】
この発明によるスポットサイズ変換器では、上述したように、断面の面積が大きい、すなわちＭＦＤが大きい第１光導波路コアを基本モードの光が伝播する。また、第１光導波路コアと光学的に結合される第２光導波路コアを高次モードの光が伝播する。高次モードの光は、基本モードと比して、光導波路コアへの閉じ込め効果が弱いため、エバネッセント成分の広がりが大きい。従って、この発明によるスポットサイズ変換器では、第１光導波路コア及び第２光導波路コア間において、ＴＥ偏波のみでなくＴＭ偏波についても良好な変換効率で伝播させることができる。その結果、ＴＭ偏波及びＴＥ偏波の変換効率の差が小さくなる。従って、この発明によるスポットサイズ変換器は、偏波依存性の小さいスポットサイズ変換器として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１のスポットサイズ変換器を示す概略的斜視図である。
【図２】第１のスポットサイズ変換器を示す概略的平面図である。
【図３】第１のスポットサイズ変換器を示す概略的端面図である
【図４】第１のスポットサイズ変換器の特性評価に関するシミュレーション結果を示す図である。
【図５】第２のスポットサイズ変換器を示す概略的斜視図である。
【図６】第２のスポットサイズ変換器を示す概略的平面図である。
【図７】第２のスポットサイズ変換器を示す概略的端面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。
【００１９】
〈第１の実施の形態〉
図１〜図３を参照して、この発明の第１の実施の形態によるスポットサイズ変換器（以下、第１のスポットサイズ変換器とも称する）について説明する。図１は、第１のスポットサイズ変換器を示す概略的斜視図である。図２は、第１のスポットサイズ変換器を示す概略的平面図である。図３は、図２に示す構造体をＩ−Ｉ線で切り取った概略的端面図である。
【００２０】
（構成）
第１のスポットサイズ変換器１００は、支持基板１０と、クラッド層２０と、第１光導波路コア３０と、第２光導波路コア４０と、第３光導波路コア５０とを備えて構成されている。また、第１のスポットサイズ変換器１００には、第１双方向結合領域６０と第２双方向結合領域７０とが、互いに重なり合わない配置で設定されている。第１双方向結合領域６０では、第１光導波路コア３０を伝播する光と、第２光導波路コア４０を伝播する光とが結合される。第２双方向結合領域７０では、第２光導波路コア４０を伝播する光と、第３光導波路コア５０を伝播する光とが結合される。
【００２１】
第１のスポットサイズ変換器１００は、例えば光ファイバ等の外部素子と光デバイスの光導波路コアとの間において、ＭＦＤを変換する素子として使用される。ここでは、第１のスポットサイズ変換器１００を利用して、光ファイバから光デバイスへ送られる光のＭＦＤを変換する場合の例について説明する。その場合には、第１光導波路コア３０は、入出力端３０ａにおいて光ファイバと光学的に接続される。また、第３光導波路コア５０は、入出力端５０ａにおいて光デバイスの光導波路コアと光学的に接続される。
【００２２】
この例では、光ファイバから送られる光は、入出力端３０ａから第１光導波路コア３０に入力される。第１光導波路コア３０は、基本モードの光が伝播するように最適化されている。第１光導波路コア３０を伝播する光は、第１双方向結合領域６０において、第２光導波路コア４０へ送られる。第２光導波路コア４０は、ｎ次モード（ｎは１以上の整数）の光が伝播するように最適化されている。第２光導波路コア４０を伝播する光は、第２双方向結合領域７０において、第３光導波路コア５０へ送られる。第３光導波路コア５０は、基本モードの光が伝播するように最適化されている。第３光導波路コア５０を伝播する光は、入出力端５０ａから出力され、光デバイスの光導波路コアへ送られる。
【００２３】
なお、この実施の形態では、第２光導波路コア４０における光の導波モードは、奇数次の導波モードに最適化されている。以下の説明では、一例として、第２光導波路コア４０における光の導波モードが１次モードである場合について説明する。
【００２４】
また、以下の説明において、支持基板１０の厚さに沿った方向を厚さ方向とする。また、第１光導波路コア３０、第２光導波路コア４０、及び第３光導波路コア５０について、これらを伝播する光の伝播方向に沿った方向を長さ方向とする。また、長さ方向及び厚さ方向に直交する方向を幅方向とする。
【００２５】
支持基板１０は、例えば単結晶Ｓｉを材料とした平板状体として構成されている。
【００２６】
クラッド層２０は、支持基板１０上に、支持基板１０の上面１０ａを被覆して形成されている。クラッド層２０は、例えばＳｉＯ２を材料として形成されている。
【００２７】
第１光導波路コア３０は、クラッド層２０の上面２０ａ上に、所望の平面形状にパターニングされて形成されている。第１光導波路コア３０は、クラッド層２０よりも高く、かつＳｉよりも低い屈折率を有する例えばＳｉＯｘ（ｘは０＜ｘ＜２）又はＳｉＮを材料として形成されている。また、第２光導波路コア４０と第３光導波路コア５０とは、クラッド層２０の上面２０ａ上に、クラッド層２０及び第１光導波路コア３０よりも高い屈折率を有する、例えばＳｉを材料として形成されている。
【００２８】
第１光導波路コア３０は、シングルモード条件を達成する厚さ及び幅に設定されている。従って、第１光導波路コア３０は、基本モードの光を伝播させる。上述したように、第１光導波路コア３０は、Ｓｉよりも低い屈折率を有する材料で形成されている。そのため、シングルモード条件を達成する寸法で設計された場合、光デバイスの、Ｓｉで形成された光導波路コアと比して、光の伝播方向に直交する断面の面積が大きく設定される。また、第２光導波路コア４０及び第３光導波路コア５０は、第１光導波路コア３０よりも高い屈折率を有する例えばＳｉで形成されている。従って、第１光導波路コア３０は、第２光導波路コア４０及び第３光導波路コア５０と比して、光の伝播方向に直交する断面の面積が大きく設定される。
【００２９】
第２光導波路コア４０は、第１双方向結合領域６０内に配設される第１テーパ部４１と、第１双方向結合領域６０外に配設される第１延在部４３とを含んで構成されている。なお、この実施の形態では、第２光導波路コア４０は、全体的に一定の厚さで形成されている。
【００３０】
第１テーパ部４１は、光の伝播方向に沿って、第２双方向結合領域７０から第１双方向結合領域６０に向かう方向に、幅が連続的に縮小するテーパ形状にパターニングされている。
【００３１】
そして、第１テーパ部４１では、幅が小さい側の一端４１ａにおける１次モードの伝播定数が、第１光導波路コア３０の基本モードの伝播定数よりも小さく、かつ幅が大きい側の他端４１ｂにおける１次モードの伝播定数が、第１光導波路コア３０の基本モードの伝播定数よりも大きくなるように、幅が設定されている。すなわち、第１テーパ部４１の一端４１ａにおける１次モードの伝播定数をβ１ａ、他端４１ｂにおける１次モードの伝播定数をβ１ｂ、第１光導波路コア３０の基本モードの伝播定数をβ０ａとして、下式（１）を満たすように設計されている。
β１ａ＜β０ａ＜β１ｂ      ・・・（１）
【００３２】
第１延在部４３は、第１テーパ部４１と接続される側の一端４３ａの幅が、少なくとも第１テーパ部４１の他端４１ｂの幅以上の寸法に設定されている。そして、第１延在部４３は、１次モードの光を伝播させる幅で形成されている。
【００３３】
なお、図１及び図２に示す構成例では、第１テーパ部４１と第１延在部４３とが、サブテーパ部４５を介して接続されている。サブテーパ部４５は、第１双方向結合領域６０外に形成されている。また、サブテーパ部４５は、光の伝播方向に沿って、第２双方向結合領域７０から第１双方向結合領域６０に向かう方向に、幅が連続的に縮小する平面形状にパターニングされている。その結果、このサブテーパ部４５を介することによって、第１テーパ部４１の他端４１ｂにおける１次モードの伝播定数と、第１延在部４３の一端４３ａにおける１次モードの伝播定数との差を補償することができる。また、第１テーパ部４１及び第１延在部４３間を伝播する光の反射を緩和することができる。
【００３４】
第３光導波路コア５０は、第２双方向結合領域７０内に配設される第２テーパ部５１と、第２双方向結合領域７０外に配設される第２延在部５３とを含んで構成されている。なお、この実施の形態では、第３光導波路コア５０は、全体的に一定の厚さで形成されている。
【００３５】
第２テーパ部５１は、光の伝播方向に沿って、第２双方向結合領域７０から第１双方向結合領域６０に向かう方向に、幅が連続的に縮小するテーパ形状にパターニングされている。
【００３６】
そして、第２テーパ部５１では、幅が小さい側の一端５１ａにおける基本モードの伝播定数が、第２光導波路コア４０の第１延在部４３の１次モードの伝播定数よりも小さく、かつ幅が大きい側の他端５１ｂにおける基本モードの伝播定数が、第１延在部４３の１次モードの伝播定数よりも大きくなるように、幅が設定されている。すなわち、第２テーパ部５１の一端５１ａにおける基本モードの伝播定数をβ０ｂ、他端５１ｂにおける基本モードの伝播定数をβ０ｃ、第１延在部４３の１次モードの伝播定数をβ１ｃとして、下式（２）を満たすように設計されている。
β０ｂ＜β１ｃ＜β０ｃ      ・・・（２）
【００３７】
第２延在部５３は、シングルモード条件を達成する幅に設定されている。従って、第２延在部５３は、基本モードの光を伝播させる。図１及び図２では、第２テーパ部５１の他端５１ｂの幅と第２延在部５３の一端５３ａの幅とを等しい寸法とした場合の構成例を示してある。
【００３８】
なお、第２延在部５３の一端５３ａの幅と、第２テーパ部５１の他端５１ｂの幅とを異なる寸法に設定する場合には、サブテーパ部を設けるのが好ましい（図示せず）。その場合には、第２テーパ部５１と第２延在部５３とが、サブテーパ部を介して接続される。サブテーパ部は、光の伝播方向に沿って、第２延在部５３の一端５３ａから第２テーパ部５１の他端５１ｂに向かう方向に、幅が連続的に変化する平面形状にパターニングされる。その結果、このサブテーパ部を介することによって、第２テーパ部５１の他端５１ｂにおける基本モードの伝播定数と、第２延在部５３の一端５３ａにおける基本モードの伝播定数との差を補償することができる。また、第２テーパ部５１及び第２延在部５３間を伝播する光の反射を緩和することができる。
【００３９】
第１双方向結合領域６０は、第１光導波路コア３０を伝播する基本モードの光と、第２光導波路コア４０を伝播する１次モードの光とが結合される領域として設定される。
【００４０】
第１双方向結合領域６０では、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア４０の第１テーパ部４１は、互いに離間し、かつクラッド層２０の上面２０ａに沿って並列に形成されている。
【００４１】
そして、第１光導波路コア３０と第１テーパ部４１とは、これらを伝播する光のエバネッセント成分が、互いの光導波路コアに到達する範囲内の距離で離間されている。なお、図２及び図３では、第１光導波路コア３０と第１テーパ部４１との離間距離を、これら第１光導波路コア３０及び第１テーパ部４１を平面的に見た場合の中心間距離Ｄ１として示してある。既に説明したように、第１テーパ部４１は、上式（１）を満たすようなテーパ形状で形成されている。従って、第１双方向結合領域６０では、第１光導波路コア３０を伝播する基本モードの光と、第２光導波路コア４０を伝播する１次モードの光とを結合することができる。
【００４２】
ここで、第２光導波路コア４０を伝播する１次モードの光は、ＴＭ偏波の導波モードを規定する振幅分布１０１において、２つのピーク１０１ａ及び１０１ｂを対称位置に有している（図３参照）。そして、第１テーパ部４１を伝播する光における一方のピーク１０１ａが、第１光導波路コア３０に到達するように、第１光導波路コア３０及び第１テーパ部４１の中心間距離Ｄ１が設定されている。その結果、第１双方向結合領域６０では、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア４０間において、ＴＥ偏波のみでなくＴＭ偏波についても、良好な変換効率で光を伝播させることができる。
【００４３】
なお、第２光導波路コア４０を伝播する光が奇数次モードの場合には、幅方向の導波モードを規定する振幅分布は、対称位置にピークを有する分布となる。従って、第２光導波路コア４０が３次以上の奇数次モードの光を伝播させる構成例においても、導波モードに応じた中心間距離Ｄ１を設定することにより、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア４０間において、良好な変換効率で光を伝播させることができる。
【００４４】
第２双方向結合領域７０は、第２光導波路コア４０を伝播する１次モードの光と、第３光導波路コア５０を伝播する基本モードの光とが結合される領域として設定される。
【００４５】
第２双方向結合領域７０では、第２光導波路コア４０の第１延在部４３及び第３光導波路コア５０の第２テーパ部５１は、互いに離間し、かつクラッド層２０の上面２０ａに沿って並列に形成されている。
【００４６】
そして、第１延在部４３と第２テーパ部５１とは、これらを伝播する光のエバネッセント成分が、互いの光導波路コアに到達する範囲内の距離で離間されている。既に説明したように、第２テーパ部５１は、上式（２）を満たすようなテーパ形状で形成されている。従って、第２双方向結合領域７０では、第１延在部４３を伝播する１次モードの光と、第２テーパ部５１を伝播する基本モードの光とを結合することができる。
【００４７】
なお、図１及び図２に示す構成例では、第１延在部４３を、一定の幅を有する長方形状としたが、第１延在部４３を、テーパ形状とすることもできる。その場合には、第１延在部４３は、第１双方向結合領域６０から第２双方向結合領域７０に向かう方向に、幅が連続的に縮小する平面形状にパターニングされる。第１延在部４３を、テーパ形状とすることによって、第１延在部４３を伝播する光のエバネッセント成分を拡張することができる。その結果、第２光導波路コア４０及び第３光導波路コア５０間における光の変換効率を向上させることができる。
【００４８】
第１のスポットサイズ変換器１００では、断面の面積が大きい、すなわちＭＦＤが大きい第１光導波路コア３０を基本モードの光が伝播する。また、第１光導波路コア３０と光学的に結合される第２光導波路コア４０を１次モードの光が伝播する。１次モードの光は、基本モードと比して、光導波路コアへの閉じ込め効果が弱いため、エバネッセント成分の広がりが大きい。従って、第１のスポットサイズ変換器１００では、第１光導波路コア３０及び第２光導波路コア４０間において、ＴＥ偏波のみでなくＴＭ偏波についても良好な変換効率で伝播させることができる。その結果、ＴＭ偏波及びＴＥ偏波の変換効率の差が小さくなる。従って、第１のスポットサイズ変換器１００は、偏波依存性の小さいスポットサイズ変換器として使用することができる。
【００４９】
（製造方法）
第１のスポットサイズ変換器１００は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を利用することによって、容易に製造することができる。
【００５０】
すなわち、まず、支持基板層、ＳｉＯ２層、及びＳｉ層が順次積層されて構成されたＳＯＩ基板を用意する。
【００５１】
次に、例えばエッチング技術を用い、Ｓｉ層をパターニングすることによって、第２光導波路コア４０及び第３光導波路コア５０を形成する。その結果、支持基板１０としての支持基板層上にクラッド層２０としてのＳｉＯ２層が積層され、さらにクラッド層２０上に第２光導波路コア４０及び第３光導波路コア５０が形成された構造体を得ることができる。
【００５２】
次に、例えばＣＶＤ法を用いて、クラッド層２０上に、ＳｉＯｘ（ｘは０＜ｘ＜２）又はＳｉＮを材料とした材料層を形成する。そして、平坦化を行った後、エッチング技術を用いて、材料層をパターニングする。このパターニングによって、第１光導波路コア３０が形成される。
【００５３】
（特性評価）
発明者は、第１のスポットサイズ変換器１００の偏波依存性を評価するために、３次元ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ）法を用いてシミュレーションを行った。
【００５４】
このシミュレーションでは、第１光導波路コア３０の入出力端３０ａから波長１．５５μｍの基本モード光を入力した。第３光導波路コア５０の第２延在部５３における基本モードと第２延在部５３を伝搬する光との重なり積分を行い、変換効率を算出した。
【００５５】
そして、このシミュレーションでは、クラッド層２０をＳｉＯ２で形成した。また、第１光導波路コア３０を屈折率１．５１のＳｉＯｘ（ｘは０＜ｘ＜２）で形成し、幅を２μｍ、及び厚さを３μｍとした。この条件による第１光導波路コア３０の基本モードの伝播定数は、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波ともに１．４８２程度であった。また、第２光導波路コア４０をＳｉで形成し、厚さを０．３μｍとした。また、第１テーパ部４１の一端４１ａの幅を０．４μｍ、及び他端４１ｂの幅を０．４５μｍとした。また、第１テーパ部４１の長さ、すなわち第１双方向結合領域６０の長さを３００μｍとした。また、第１延在部４３の幅を０．６μｍとした。そして、第１テーパ部４１と第１延在部４３とを、長さ５０μｍのサブテーパ部４５を介して接続した。また、第３光導波路コア５０をＳｉで形成し、厚さを０．３μｍとした。また、第２テーパ部５１の一端５１ａの幅を０．１３μｍ、及び他端５１ｂの幅を０．３μｍとした。また、第２テーパ部５１の長さ、すなわち第２双方向結合領域７０の長さを５０μｍとした。また、第２延在部５３の幅を、第２テーパ部５１の他端５１ｂの幅と一致させて０．３μｍとした。この条件による第２延在部５３の基本モードの伝播定数は、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波ともに２．０６１程度であった。また、第２双方向結合領域７０における、第１延在部４３と第２テーパ部５１との離間距離を、中心間距離にして０．７５μｍとした。
【００５６】
さらに、このシミュレーションでは、第１双方向結合領域６０における、第１光導波路コア３０と第１テーパ部４１との中心間距離Ｄ１を変化させて、変換効率を算出した。
【００５７】
シミュレーションの結果を、図４に示す。図４は、第１のスポットサイズ変換器１００の偏波依存性の評価に供する図であり、縦軸に変換効率をｄＢスケールで、また、横軸に第１光導波路コア３０と第１テーパ部４１との中心間距離Ｄ１をμｍ単位でとって示してある。また、ＴＥ偏波の測定点を円形で、及びＴＭ偏波の測定点を三角形でそれぞれ示してある。
【００５８】
図４に示す結果から、第１光導波路コア３０と第１テーパ部４１との中心間距離Ｄ１を、１μｍ≦Ｄ１≦２μｍとした場合において、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の変換効率の差が１ｄＢ以内に抑えられることがわかった。特に、中心間距離Ｄ１を１．５μｍとした場合には、ＴＥ偏波の変換効率が−２．１ｄＢ、及びＴＭ偏波の変換効率が−１．１ｄＢとなり、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波ともに良好な変換効率が得られた。この結果から、第１のスポットサイズ変換器１００では、偏波依存性を、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の変換効率の差にして１ｄＢ以内に抑制できることが確認された。
【００５９】
ここで、発明者は、第１のスポットサイズ変換器１００と偏波依存性を比較するために、従来のスポットサイズ変換器についても同様のシミュレーションを行った。
【００６０】
このシミュレーションでは、従来のスポットサイズ変換器として、第１のスポットサイズ変換器１００における第２光導波路コア４０を設けない構成を想定した。すなわち、第１光導波路コア３０から第３光導波路コア５０へ、ともに基本モードで伝播する光を結合して伝播させる構成の変換効率を算出した。
【００６１】
そして、このシミュレーションでは、クラッド層２０をＳｉＯ２で形成した。また、第１光導波路コア３０を屈折率１．５１のＳｉＯｘ（ｘは０＜ｘ＜２）で形成し、幅を３μｍ、及び厚さを３μｍとした。また、第３光導波路コア５０をＳｉで形成し、厚さを０．３μｍとした。また、第２テーパ部５１の一端５１ａの幅を０．０８μｍ、及び他端５１ｂの幅を０．３μｍとした。また、第２テーパ部５１の長さを３００μｍとした。また、第２延在部５３の幅を、第２テーパ部５１の他端５１ｂの幅と一致させて０．３μｍとした。また、第２テーパ部５１を、中心線を一致させて第１光導波路コア３０で被覆した。
【００６２】
このシミュレーションの結果、従来のスポットサイズ変換器では、ＴＥ偏波の変換効率が−０．３７ｄＢ、及びＴＭ偏波の変換効率が−４．７５ｄＢとなった。従って、ＴＥ偏波の変換効率に対して、ＴＭ偏波の変換効率が低くなることがわかった。そして、第１のスポットサイズ変換器１００と比して、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の変換効率の差が大きいことが確認された。従って、第１のスポットサイズ変換器１００が、従来のスポットサイズ変換器と比して、より好適に偏波依存性を抑制できることが確認された。
【００６３】
〈第２の実施の形態〉
図５〜図７を参照して、この発明の第２の実施の形態によるスポットサイズ変換器（以下、第２のスポットサイズ変換器とも称する）について説明する。図５は、第２のスポットサイズ変換器を示す概略的斜視図である。図６は、第２のスポットサイズ変換器を示す概略的平面図である。図７は、図６に示す構造体をＩＩ−ＩＩ線で切り取った概略的端面図である。
【００６４】
なお、第２のスポットサイズ変換器と上述した第１のスポットサイズ変換器との相違点は、第２光導波路コアが、偶数次の光を伝播させる点にある。その他の構成については、第１のスポットサイズ変換器と同様であるため、共通する構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００６５】
（構成）
第２のスポットサイズ変換器２００は、支持基板１０と、クラッド層２０と、第１光導波路コア１３０と、第２光導波路コア１４０と、第３光導波路コア１５０とを備えて構成されている。また、第２のスポットサイズ変換器２００には、第１双方向結合領域１６０と第２双方向結合領域１７０とが、互いに重なり合わない配置で設定されている。第１双方向結合領域１６０では、第１光導波路コア１３０を伝播する光と、第２光導波路コア１４０を伝播する光とが結合される。第２双方向結合領域１７０では、第２光導波路コア１４０を伝播する光と、第３光導波路コア１５０を伝播する光とが結合される。
【００６６】
なお、この実施の形態では、第２光導波路コア１４０における光の導波モードは、偶数次の導波モードに最適化されている。以下の説明では、一例として、第２光導波路コア１４０における光の導波モードが２次モードである場合について説明する。
【００６７】
第１光導波路コア１３０は、クラッド層２０の上面２０ａ上に、所望の平面形状にパターニングされて形成されている。第１光導波路コア１３０は、クラッド層２０よりも高く、かつＳｉよりも低い屈折率を有する例えばＳｉＯｘ（ｘは０＜ｘ＜２）又はＳｉＮを材料として形成されている。
【００６８】
また、第１光導波路コア１３０は、シングルモード条件を達成する厚さ及び幅に設定されている。従って、第１光導波路コア１３０は、基本モードの光を伝播させる。上述したように、第１光導波路コア１３０は、Ｓｉよりも低い屈折率を有する材料で形成されている。そのため、シングルモード条件を達成する寸法で設計された場合、光デバイスの、Ｓｉで形成された光導波路コアと比して、光の伝播方向に直交する断面の面積が大きく設定される。また、後述する第２光導波路コア１４０及び第３光導波路コア１５０は、第１光導波路コア１３０よりも高い屈折率を有する例えばＳｉで形成されている。従って、第１光導波路コア１３０は、第２光導波路コア１４０及び第３光導波路コア１５０と比して、光の伝播方向に直交する断面の面積が大きく設定される。
【００６９】
また、第１光導波路コア１３０は、後述する第２光導波路コア１４０の第１テーパ部１４１を、中心線を一致させて被覆している。
【００７０】
第２光導波路コア１４０は、クラッド層２０の上面２０ａ上に、クラッド層２０及び第１光導波路コア１３０よりも高い屈折率を有する例えばＳｉを材料として形成されている。
【００７１】
また、第２光導波路コア１４０は、第１光導波路コア１３０に被覆される第１テーパ部１４１と、第１光導波路コア１３０から露出する第１延在部１４３とを含んで構成されている。なお、この実施の形態では、第２光導波路コア１４０は、全体的に一定の厚さで形成されている。
【００７２】
第１テーパ部１４１は、光の伝播方向に沿って、第２双方向結合領域１７０から第１双方向結合領域１６０に向かう方向に、幅が連続的に縮小するテーパ形状にパターニングされている。
【００７３】
そして、第１テーパ部１４１では、幅が小さい側の一端１４１ａにおける２次モードの伝播定数が、第１光導波路コア１３０の基本モードの伝播定数よりも小さく、かつ幅が大きい側の他端１４１ｂにおける２次モードの伝播定数が、第１光導波路コア１３０の基本モードの伝播定数よりも大きくなるように、幅が設定されている。すなわち、第１テーパ部１４１の一端１４１ａにおける２次モードの伝播定数をβ２ａ、他端１４１ｂにおける２次モードの伝播定数をβ２ｂ、第１光導波路コア１３０の基本モードの伝播定数をβ０ｄとして、下式（３）を満たすように設計されている。
β２ａ＜β０ｄ＜β２ｂ      ・・・（３）
【００７４】
第１延在部１４３は、第１テーパ部１４１と接続される側の一端１４３ａの幅が、少なくとも第１テーパ部１４１の他端１４１ｂの幅以上の寸法に設定されている。そして、第１延在部１４３は、２次モードの光を伝播させる幅で形成されている。図５及び図６では、第１テーパ部１４１の他端１４１ｂの幅と第１延在部１４３の一端１４３ａの幅とを等しい寸法とした場合の構成例を示してある。
【００７５】
また、図５及び図６では、第１延在部１４３を、光の伝播方向に沿って、第１双方向結合領域１６０から第２双方向結合領域１７０に向かう方向に、幅が連続的に縮小するテーパ形状とした場合の構成例を示している。第１延在部１４３を、テーパ形状とすることによって、第１延在部１４３を伝播する光のエバネッセント成分を拡張することができる。その結果、後述する第２双方向結合領域１７０において、第２光導波路コア１４０及び第３光導波路コア１５０間における光の変換効率を向上させることができる。
【００７６】
なお、第１延在部１４３の一端１４３ａの幅を、第１テーパ部１４１の他端１４１ｂの幅よりも大きい寸法に設定する場合には、サブテーパ部を設けるのが好ましい（図示せず）。その場合には、第１テーパ部１４１と第１延在部１４３とが、サブテーパ部を介して接続される。このサブテーパ部は、光の伝播方向に沿って、第２双方向結合領域１７０から第１双方向結合領域１６０に向かう方向に、幅が連続的に縮小する平面形状にパターニングされる。その結果、このサブテーパ部を介することによって、第１テーパ部１４１の他端１４１ｂにおける２次モードの伝播定数と、第１延在部１４３の一端１４３ａにおける２次モードの伝播定数との差を補償することができる。また、第１テーパ部１４１及び第１延在部１４３間を伝播する光の反射を緩和することができる。
【００７７】
第３光導波路コア１５０は、クラッド層２０の上面２０ａ上に、クラッド層２０及び第１光導波路コア３０よりも高い屈折率を有する例えばＳｉを材料として形成されている。
【００７８】
また、第３光導波路コア１５０は、第２双方向結合領域１７０内に配設される第２テーパ部１５１と、第２双方向結合領域１７０外に配設される第２延在部１５３とを含んで構成されている。なお、この実施の形態では、第３光導波路コア５０は、全体的に一定の厚さで形成されている。
【００７９】
第２テーパ部１５１は、光の伝播方向に沿って、第２双方向結合領域１７０から第１双方向結合領域１６０に向かう方向に、幅が連続的に縮小するテーパ形状にパターニングされている。
【００８０】
そして、第２テーパ部１５１では、幅が小さい側の一端１５１ａにおける基本モードの伝播定数が、第２光導波路コア１４０の第１延在部１４３の２次モードの伝播定数よりも小さく、かつ幅が大きい側の他端１５１ｂにおける基本モードの伝播定数が、第１延在部１４３の２次モードの伝播定数よりも大きくなるように、幅が設定されている。すなわち、第２テーパ部１５１の一端１５１ａにおける基本モードの伝播定数をβ０ｅ、他端１５１ｂにおける基本モードの伝播定数をβ０ｆ、第１延在部１４３の２次モードの伝播定数をβ２ｃとして、下式（４）を満たすように設計されている。
β０ｅ＜β２ｃ＜β０ｆ      ・・・（４）
【００８１】
第２延在部１５３は、シングルモード条件を達成する幅に設定されている。従って、第２延在部１５３は、基本モードの光を伝播させる。図５及び図６では、第２テーパ部１５１の他端１５１ｂの幅と第２延在部１５３の一端１５３ａの幅とを等しい寸法とした場合の構成例を示してある。
【００８２】
なお、第２延在部１５３の一端１５３ａの幅と、第２テーパ部１５１の他端１５１ｂの幅とを異なる寸法に設定する場合には、サブテーパ部を設けるのが好ましい（図示せず）。その場合には、第２テーパ部１５１と第２延在部１５３とが、サブテーパ部を介して接続される。このサブテーパ部は、光の伝播方向に沿って、第２延在部１５３の一端１５３ａから第２テーパ部１５１の他端１５１ｂに向かう方向に、幅が連続的に変化する平面形状にパターニングされる。その結果、このサブテーパ部を介することによって、第２テーパ部１５１の他端１５１ｂにおける基本モードの伝播定数と、第２延在部１５３の一端１５３ａにおける基本モードの伝播定数との差を補償することができる。また、第２テーパ部１５１及び第２延在部１５３間を伝播する光の反射を緩和することができる。
【００８３】
第１双方向結合領域１６０は、第１光導波路コア１３０を伝播する基本モードの光と、第２光導波路コア１４０を伝播する２次モードの光とが結合される領域として設定される。この第１双方向結合領域１６０は、第１光導波路コア１３０が、第１テーパ部１４１を被覆した領域として設定される。
【００８４】
既に説明したように、第１テーパ部１４１は、上式（３）を満たすようなテーパ形状で形成されている。従って、第１双方向結合領域１６０では、第１光導波路コア１３０を伝播する基本モードの光と、第２光導波路コア１４０を伝播する２次モードの光とを結合することができる。
【００８５】
ここで、第２光導波路コア１４０を伝播する２次モードの光は、ＴＭ偏波の導波モードを規定する振幅分布２０１において、最大の振幅のピーク２０１ａを中心位置に有している（図７参照）。従って、第１光導波路コア１３０が、好ましくは互いに中心線を一致させて、第１テーパ部１４１を被覆することによって、第１光導波路コア１３０及び第２光導波路コア１４０間において、ＴＥ偏波のみでなくＴＭ偏波についても、良好な変換効率で光を伝播させることができる。
【００８６】
なお、第２光導波路コア１４０を伝播する光が偶数次モードの場合には、幅方向の導波モードを規定する振幅分布は、中心位置に最大の振幅のピークを有する分布となる。従って、第２光導波路コア１４０が４次以上の偶数次モードの光を伝播させる構成例においても、第１光導波路コア１３０及び第２光導波路コア１４０間において、良好な変換効率で光を伝播させることができる。
【００８７】
第２双方向結合領域１７０は、第２光導波路コア１４０を伝播する２次モードの光と、第３光導波路コア１５０を伝播する基本モードの光とが結合される領域として設定される。
【００８８】
第２双方向結合領域１７０では、第２光導波路コア１４０の第１延在部１４３及び第３光導波路コア１５０の第２テーパ部１５１は、互いに離間し、かつクラッド層２０の上面２０ａに沿って並列に形成されている。
【００８９】
そして、第１延在部１４３と第２テーパ部１５１とは、これらを伝播する光のエバネッセント成分が、互いの光導波路コアに到達する範囲内の距離で離間されている。既に説明したように、第２テーパ部１５１は、上式（４）を満たすようなテーパ形状で形成されている。従って、第２双方向結合領域１７０では、第１延在部１４３を伝播する２次モードの光と、第２テーパ部１５１を伝播する基本モードの光とを結合することができる。
【００９０】
第２のスポットサイズ変換器２００では、断面の面積が大きい、すなわちＭＦＤが大きい第１光導波路コア１３０では、基本モードの光が伝播する。また、第１光導波路コア１３０と光学的に結合される第２光導波路コア１４０では、２次モードの光が伝播する。２次モードの光は、基本モードと比して、光導波路コアへの閉じ込め効果が弱いため、エバネッセント成分の広がりが大きい。従って、第２のスポットサイズ変換器２００では、上述した第１のスポットサイズ変換器１００と同様に、第１光導波路コア１３０及び第２光導波路コア１４０間において、ＴＥ偏波のみでなくＴＭ偏波についても良好な変換効率で伝播させることができる。その結果、ＴＭ偏波及びＴＥ偏波の変換効率の差が小さくなる。従って、第２のスポットサイズ変換器２００は、偏波依存性の小さいスポットサイズ変換器として使用することができる。
【００９１】
（製造方法）
第２のスポットサイズ変換器２００は、ＳＯＩ基板を利用することによって、容易に製造することができる。
【００９２】
すなわち、まず、支持基板層、ＳｉＯ２層、及びＳｉ層が順次積層されて構成されたＳＯＩ基板を用意する。
【００９３】
次に、例えばエッチング技術を用い、Ｓｉ層をパターニングすることによって、第２光導波路コア１４０及び第３光導波路コア１５０を形成する。その結果、支持基板１０としての支持基板層上にクラッド層２０としてのＳｉＯ２層が積層され、さらにクラッド層２０上に第２光導波路コア１４０及び第３光導波路コア１５０が形成された構造体を得ることができる。
【００９４】
次に、例えばＣＶＤ法を用いて、クラッド層２０上に、ＳｉＯｘ（ｘは０＜ｘ＜２）又はＳｉＮを材料とした材料層を形成する。そして、平坦化を行った後、エッチング技術を用いて、材料層をパターニングする。このパターニングによって、第２光導波路コア１４０を被覆する第１光導波路コア１３０が形成される。
【００９５】
（特性評価）
発明者は、第２のスポットサイズ変換器２００の偏波依存性を評価するために、３次元ＦＤＴＤ法を用いてシミュレーションを行った。
【００９６】
このシミュレーションでは、第１光導波路コア１３０の入出力端１３０ａから波長１．４９μｍの基本モード光を入力した。第２光導波路１５０の第２延在部１５３における基本モードと第２延在部１５３を伝搬する光との重なり積分を行い、変換効率を算出した。
【００９７】
そして、このシミュレーションでは、クラッド層２０をＳｉＯ２で形成した。また、第１光導波路コア１３０を屈折率１．５１のＳｉＯｘ（ｘは０＜ｘ＜２）で形成し、幅を３μｍ、及び厚さを３μｍとした。また、第２光導波路コア１４０をＳｉで形成し、厚さを０．３μｍとした。また、第１テーパ部１４１の一端１４１ａの幅を０．６μｍ、及び他端１４１ｂの幅を０．８５μｍとした。また、第１テーパ部１４１の長さ、すなわち第１双方向結合領域１６０の長さを３００μｍとした。また、第１延在部１４３の一端１４３ａを、第１テーパ部１４１の他端１４１ｂの幅と一致させて０．８５μｍとし、かつ他端１４３ｂの幅を０．７μｍとした。また、第３光導波路コア１５０をＳｉで形成し、厚さを０．３μｍとした。また、第２テーパ部１５１の一端１５１ａの幅を０．０８μｍ、及び他端１５１ｂの幅を０．３μｍとした。また、第２テーパ部１５１の長さ、すなわち第２双方向結合領域１７０の長さを３００μｍとした。また、第２延在部１５３の幅を、第２テーパ部１５１の他端１５１ｂの幅と一致させて０．３μｍとした。また、第２双方向結合領域１７０における、第１延在部１４３と第２テーパ部１５１との離間距離を、中心間距離にして１μｍとした。
【００９８】
このシミュレーションの結果、ＴＥ偏波の変換効率が１．６０ｄＢ、及びＴＭ偏波の変換効率が−０．８５ｄＢとなった。そして、上述した従来のスポットサイズ変換器に係るシミュレーションの結果と比して、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の変換効率の差が小さいことが確認された。従って、第２のスポットサイズ変換器２００が、上述した従来のスポットサイズ変換器と比して、より好適に偏波依存性を抑制できることが確認された。
【符号の説明】
【００９９】
１０：支持基板
２０：クラッド層
３０、１３０：第１光導波路コア
４０、１４０：第２光導波路コア
４１、１４１：第１テーパ部
４３、１４３：第１延在部
４５：サブテーパ部
５０、１５０：第３光導波路コア
５１、１５１：第２テーパ部
５３、１５３：第２延在部
６０、１６０：第１双方向結合領域
７０、１７０：第２双方向結合領域
１００：第１のスポットサイズ変換器
２００：第２のスポットサイズ変換器
【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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