(57)【要約】【課題】光結合効率の低下を抑制可能なスポットサイズ変換器を提供する。【解決手段】スポットサイズ変換器１Ｂは、半導体基板３ｂと、半導体基板３ｂ上に形成されたスポットサイズ変換部６と、を備える。スポットサイズ変換部６は、半導体基板３ｂ上に形成された酸化シリコン層Ｓ１と、酸化シリコン層Ｓ１上に形成されたシリコン導波路Ｗ１と、シリコン導波路Ｗ１上に形成された部分、及び、酸化シリコン層Ｓ１上に形成された部分を有する酸化シリコン層Ｓ２と、酸化シリコン層Ｓ１上に形成されたシリコン導波路Ｗ２と、シリコン導波路Ｗ２上に形成された部分、及び、酸化シリコン層Ｓ２上に形成された部分を有する酸化シリコン層Ｓ３と、を含む。第４の領域上には、酸化シリコン層Ｓ１〜Ｓ３を含む拡大領域Ｒ１０が構成されている。拡大領域Ｒ１０は、シリコン導波路Ｗ２に光学的に結合されている。【選択図】図３
2014132314.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の方向に順に配列された第１の領域、第２の領域、第３の領域及び第４の領域を含む半導体基板と、
前記半導体基板上に形成されたスポットサイズ変換部と、
を備え、
前記スポットサイズ変換部は、
前記第１の領域、前記第２の領域、前記第３の領域、前記第４の領域及び前記半導体基板上に形成された第１の酸化シリコン層と、
前記第１の領域、前記第２の領域及び前記第１の酸化シリコン層上に形成された第１のシリコン導波路と、
前記第１の領域、前記第２の領域、及び前記第１のシリコン導波路上に形成された部分、並びに、前記第３の領域、前記第４の領域、及び前記第１の酸化シリコン層上に形成された部分を有する第２の酸化シリコン層と、
前記第２の領域、前記第３の領域、及び前記第２の酸化シリコン層上に形成された第２のシリコン導波路と、
前記第２の領域、前記第３の領域、及び前記第２のシリコン導波路上に形成された部分、並びに、前記第１の領域、前記第４の領域、及び前記第２の酸化シリコン層上に形成された部分を有する第３の酸化シリコン層と、
を有し、
前記第４の領域上には、前記第１の酸化シリコン層、前記第２の酸化シリコン層及び前記第３のシリコン層を含む酸化シリコン導波路が構成され、
前記酸化シリコン導波路は、前記第２のシリコン導波路に光学的に結合されている、
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１のシリコン導波路は、前記第２の領域上において、前記所定の方向に向かって幅が減少する第１のテーパ部を有し、
前記第２のシリコン導波路は、前記第２の領域上において、前記所定の方向に向かって幅が増大する第２のテーパ部を有する、
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】
前記所定の方向に交差する方向における前記第１のテーパ部と前記第２のテーパ部との重複部分の前記所定の方向についての長さは、前記第１のテーパ部及び前記第２のテーパ部の前記所定の方向についての長さ以下である、
ことを特徴とする請求項２に記載のスポットサイズ変換器。
【請求項４】
前記第２のシリコン導波路の光軸は、前記所定の方向に交差する方向についての前記酸化シリコン導波路の略中心に位置している、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のスポットサイズ変換器。
【請求項５】
前記スポットサイズ変換部の外周には、空隙が形成されている、
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項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】
本発明は、スポットサイズ変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、モードサイズコンバータが記載されている。このモードサイズコンバータは、シリコン基板と、シリコン基板上に形成された酸化シリコン層と、酸化シリコン層上に形成されたシリコンワイヤコアと、シリコンワイヤコアの先端を覆うように酸化シリコン層上に形成されたポリマーコアとを備えている。シリコンワイヤコアは０．３μｍ程度の寸法を有している。ポリマーコアは３μｍ程度の寸法を有している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】T. Shoji, T. Tsuchizawa, T.Watanabe, K. Yamada and H. Morita, "Low loss mode size converter from 0.3 mmsquare Si wire waveguides to single mode fibers", Electronics Letters, 24no. 25. vol. 38, pp. 1669-1670, 2002。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非特許文献１のモードサイズコンバータにおいては、シリコンワイヤコアからの光のモード径（スポットサイズ）をポリマーコアにより拡大することによって、モード径が４．３μｍのシングルモードファイバへの光結合を図っている。
【０００５】
ところで、例えば、モード径が１０μｍ程度の光ファイバへの光結合が要求される場合には、上述したモードサイズコンバータのポリマーコアの寸法をより大きくすることが考えられる。しかしながら、非特許文献１のモードサイズコンバータにおいては、シリコンワイヤコアとポリマーコアとが同一の酸化シリコン層上に形成されている。このため、上述したようにポリマーコアの寸法を大きくすると、シリコンワイヤコアの光軸とポリマーコアの光軸とのずれが大きくなる。そのような状況においては、シリコンワイヤコアからポリマーコアに光が進行すると、光の進行方向に交差する方向について、光の揺らぎが発生する場合がある。光の揺らぎが生じた場合には、光ファイバとモードサイズコンバータとの間の光結合効率が低下する虞がある。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、光結合効率の低下を抑制可能なスポットサイズ変換器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】
【０００７】
本発明に係るスポットサイズ変換器は、所定の方向に順に配列された第１の領域、第２の領域、第３の領域及び第４の領域を含む半導体基板と、半導体基板上に形成されたスポットサイズ変換部と、を備え、スポットサイズ変換部は、第１の領域、第２の領域、第３の領域、第４の領域及び半導体基板上に形成された第１の酸化シリコン層と、第１の領域、第２の領域及び第１の酸化シリコン層上に形成された第１のシリコン導波路と、第１の領域、第２の領域、及び第１のシリコン導波路上に形成された部分、並びに、第３の領域、第４の領域、及び第１の酸化シリコン層上に形成された部分を有する第２の酸化シリコン層と、第２の領域、第３の領域、及び第２の酸化シリコン層上に形成された第２のシリコン導波路と、第２の領域、第３の領域、及び第２のシリコン導波路上に形成された部分、並びに、第１の領域、第４の領域、及び第２の酸化シリコン層上に形成された部分を有する第３の酸化シリコン層と、を有し、第４の領域上には、第１の酸化シリコン層、第２の酸化シリコン層及び第３のシリコン層を含む酸化シリコン導波路が構成され、酸化シリコン導波路は、第２のシリコン導波路に光学的に結合されている。
【０００８】
このスポットサイズ変換器では、第１のシリコン導波路を所定の方向に進行した光が、第２の酸化シリコン層を介して、第２のシリコン導波路に遷移する。第２のシリコン導波路に遷移した光は、第２のシリコン導波路を進行して、第２のシリコン導波路に光結合された酸化シリコン導波路に伝播される。酸化シリコン導波路に伝播された光は、スポットサイズが拡大しつつ、所定の方向に進行する。このように、このスポットサイズ変換器においては、第１のシリコン導波路から第２のシリコン導波路に光を遷移させることにより、その光軸を移動させつつスポットサイズを変換する。従って、このスポットサイズ変換器によれば、光軸のずれに起因する光の揺らぎを抑制しつつ、スポットサイズを変換することができる。
【０００９】
本発明に係るスポットサイズ変換器において、第１のシリコン導波路は、第２の領域上において、所定の方向に向かって幅が減少する第１のテーパ部を有し、第２のシリコン導波路は、第２の領域上において、所定の方向に向かって幅が増大する第２のテーパ部を有していてもよい。この構成によれば、第１のシリコン導波路から第２のシリコン導波路へ光を効率よく遷移させることができる。
【００１０】
本発明に係るスポットサイズ変換器において、所定の方向に交差する方向における第１のテーパ部と第２のテーパ部との重複部分の所定方向についての長さは、第１のテーパ部及び第２のテーパ部の所定方向についての長さ以下であってもよい。このような構成によれば、第１のシリコン導波路から第２のシリコン導波路へ光をさらに効率よく遷移させることができるので、光損失を抑制することができる。
【００１１】
本発明に係るスポットサイズ変換器において、第２のシリコン導波路の光軸は、所定方向に交差する方向についての酸化シリコン導波路の略中心に位置していてもよい。このような構成によれば、酸化シリコン導波路を進行する光の揺らぎをさらに抑制することができる。
【００１２】
本発明に係るスポットサイズ変換器において、スポットサイズ変換部の外周には、空隙が形成されていてもよい。このような構成によれば、空隙の部分がクラッドとして作用するので、光を好適に閉じ込めることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、光結合効率の低下を抑制可能なスポットサイズ変換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本実施形態に係る光学装置を示す図である。
【図２】図２は、図１におけるII−II線に沿った断面を示す図である。
【図３】図３は、図１に示されたスポットサイズ変換器の構成を示す図である。
【図４】図４は、図１に示されたスポットサイズ変換器の断面を示す図である。
【図５】図５は、図１に示されたスポットサイズ変換器の断面を示す図である。
【図６】図６は、図１に示されたスポットサイズ変換部の構成を示す図である。
【図７】図７は、スポットサイズ変換器の主要な製造工程を示す図である。
【図８】図８は、スポットサイズ変換器の主要な製造工程を示す図である。
【図９】図９は、スポットサイズ変換器の主要な製造工程を示す図である。
【図１０】図１０は、スポットサイズ変換器１Ｂの主要な製造工程における断面を示す図である。
【図１１】図１１は、計算結果を説明するための図である。
【図１２】図１２は、計算結果を説明するための図である。
【図１３】図１３は、比較例に係るスポットサイズ変換器を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１６】
図１は、本実施形態に係る光学装置を示す図である。図２は、図１におけるII−II線に沿った断面を示す図である。以下の図面には、直交座標系Ｍが示されている。図１，２に示される光学装置８０は、所定の方向（直交座標系Ｍにおける方向Ｄ：後述する光ファイバ８１から光ファイバ８２に向かう方向）に順に配列された、スポットサイズ変換器１Ａ、光学機能部２、及びスポットサイズ変換器１Ｂを備えている。スポットサイズ変換器１Ａ，１Ｂ及び光学機能部２は、互いに一体として形成されている。
【００１７】
また、光学装置８０は、光ファイバ８１と光ファイバ８２との間に配置されている。光学装置８０は、光ファイバ８１と光結合された端面８０ａと、光ファイバ８２と光結合された端面８０ｂとを有している。光学装置８０は、例えば、光ファイバ８１から端面８０ａを介して入力された光を導波し、端面８０ｂを介して光ファイバ８２に出力する。その際に、光学装置８０は、光学機能部２によって、例えば光変調といった所定の処理を行う。
【００１８】
光ファイバ８１，８２は、一例として、石英製のシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）であり、一例として波長が１．５５μｍである光を伝播する。また、光ファイバ８１，８２は、例えば、モード径（スポットサイズ）が１０μｍである。
【００１９】
スポットサイズ変換器１Ａは、端面８０ａを含む。スポットサイズ変換器１Ａは、例えば、光ファイバ８１から入力された光を、そのスポットサイズを変換しつつ導波して光学機能部２に出力する。スポットサイズ変換器１Ｂは、端面８０ｂを含む。スポットサイズ変換器１Ｂは、例えば、光学機能部２から入力された光を、そのスポットサイズを変換しながら導波して光ファイバ８２に出力する。
【００２０】
光学機能部２は、光学装置８０に入力された光に対して所定の処理を行う光回路を有する。光学機能部２は、スポットサイズ変換器１Ａと、スポットサイズ変換器１Ｂとの間に形成されている。光学機能部２は、半導体基板３ａと、光回路を有する本体部２ａとを有している。本体部２ａは、半導体基板３ａ上に形成されて半導体基板３ａに接合されている。また、本体部２ａは、導波路２ｂを有している。導波路２ｂは、スポットサイズ変換器１Ａとスポットサイズ変換器１Ｂとを互いに光学的に結合する。
【００２１】
このような光学装置８０によれば、例えば、光ファイバ８１から出射された波長が１．５５μｍである光が、光学装置８０の端面８０ａに入射される。端面８０ａに入射した光は、スポットサイズ変換器１Ａを導波することにより、光学機能部２に伝播される。光学機能部２に伝播された光は、導波路２ｂを介して、スポットサイズ変換器１Ｂに伝播される。スポットサイズ変換器１Ｂに伝播された光は、スポットサイズ変換器１Ｂを導波する間に、光ファイバ８２の光軸位置及びスポットサイズに適合するように変換され、端面８０ｂから出射される。端面８０ｂから出射された光は、光ファイバ８２に入射される。
【００２２】
引き続いて、スポットサイズ変換器１Ａ，１Ｂについて詳細に説明する。なお、スポットサイズ変換器１Ａとスポットサイズ変換器１Ｂとは、互いに同様の構成であるので、以下の説明においては、スポットサイズ変換器１Ｂについて主に説明する。
【００２３】
図３は、図１に示されたスポットサイズ変換器の構成を示す図である。特に、図３の（ａ）は、スポットサイズ変換器の平面図であり、図３の（ｂ）は図３の（ａ）のIII−III線に沿った断面を示す図である。図３に示されるように、スポットサイズ変換器１Ｂは、半導体基板３ｂと、半導体基板３ｂ上に形成された本体部４とを備えている。
【００２４】
半導体基板３ｂは、例えば、シリコンからなる半導体基板である。ここで、スポットサイズ変換器１Ｂ（及びスポットサイズ変換器１Ａ）が備える半導体基板３ｂと、光学機能部２が備える半導体基板３ａとは一体に形成されている。半導体基板３ｂは、方向Ｄに順に配列された領域Ｒ１〜Ｒ８を含んでいる。領域Ｒ１は、光学機能部２の半導体基板３ａと連続している。半導体基板３ｂの領域Ｒ１上では、半導体基板３ｂと本体部４とは互いに接合されている。一方、半導体基板３ｂの領域Ｒ２〜Ｒ８上では、半導体基板３ｂと本体部４とは所定の距離Ｌ１だけ離間している。すなわち、半導体基板３ｂと本体部４との間には、距離Ｌ１の空隙Ｇ１が形成されている。
【００２５】
本体部４は、スポットサイズ変換部６と、テラス７ａ，７ｂとを有している。スポットサイズ変換部６は、テラス７ａとテラス７ｂとの間に形成されている。スポットサイズ変換部６とテラス７ａとの間には、空隙Ｇ２ａが形成されている。スポットサイズ変換部６とテラス７ｂと間には、空隙Ｇ２ｂが形成されている。空隙Ｇ２ａ，Ｇ２ｂの幅Ｌ２は、一例として２μｍである。
【００２６】
スポットサイズ変換部６について説明をする。スポットサイズ変換部６は、半導体基板３ｂ上に形成されている。スポットサイズ変換部６は、酸化シリコン層Ｓ１〜Ｓ４と、シリコン導波路Ｗ１〜Ｗ３とを有している。酸化シリコン層Ｓ１〜Ｓ４は、例えばＳｉＯ２からなる。シリコン導波路Ｗ１〜Ｗ３は、例えばＳｉからなる。酸化シリコン層Ｓ１〜Ｓ４は、方向Ｄと直交する方向Ｚに、酸化シリコン層Ｓ１、酸化シリコン層Ｓ２、酸化シリコン層Ｓ３及び酸化シリコン層Ｓ４の順に積層されている。酸化シリコン層Ｓ１と酸化シリコン層Ｓ２との間には、シリコン導波路Ｗ１が挟まれている。酸化シリコン層Ｓ２と酸化シリコン層Ｓ３との間には、シリコン導波路Ｗ２が挟まれている。酸化シリコン層Ｓ３と酸化シリコン層Ｓ４との間には、シリコン導波路Ｗ３が挟まれている。
【００２７】
シリコン導波路Ｗ１は、光軸Ａ１を有している。シリコン導波路Ｗ２は、光軸Ａ２を有している。シリコン導波路Ｗ３は、光軸Ａ３を有している。光軸Ａ１〜Ａ３は、シリコン導波路Ｗ１〜Ｗ３が積層された方向（Ｚ方向）に互いに離間している。一方、光軸Ａ１〜Ａ３は、方向Ｚから平面視すると同一線上で重なっている。シリコン導波路Ｗ２〜Ｗ３は、一例として、単結晶シリコン又は多結晶シリコンからなる導波路である。
【００２８】
酸化シリコン層Ｓ１は、領域Ｒ１〜Ｒ８上及び半導体基板３ｂ上に形成されている。酸化シリコン層Ｓ１は、半導体基板３ｂの領域Ｒ１上において、半導体基板３ｂに接合されている。酸化シリコン層Ｓ１は、半導体基板３ｂの領域Ｒ２〜Ｒ８において、半導体基板３ｂから方向Ｚに離間している。酸化シリコン層Ｓ１は、一例として２μｍの厚さを有している。なお、酸化シリコン層Ｓ１は、第１の酸化シリコン層に相当する。
【００２９】
図３及び図４に示されるように、シリコン導波路Ｗ１は、領域Ｒ１〜Ｒ４上及び酸化シリコン層Ｓ１上に形成されている。シリコン導波路Ｗ１は、一体に形成された導波路部Ｗ１ａと導波路部Ｗ１ｂとを有している。なお、領域Ｒ１〜Ｒ３は、第１の領域に相当する。また、シリコン導波路Ｗ１は、第１のシリコン導波路に相当する。なお、図４は、図１に示されたスポットサイズ変換器の断面を示す図である。特に、図４の（ａ）は、図１におけるIVa−IVa線に沿った断面図であり、図４の（ｂ）は、図１におけるIVb−IVb線に沿った断面図であり、図４の（ｃ）は、図１におけるIVc−IVc線に沿った断面図であり、図４の（ｄ）は、図１におけるIVd−IVd線に沿った断面図である。
【００３０】
導波路部Ｗ１ａは、領域Ｒ１，Ｒ２上及び酸化シリコン層Ｓ１上に形成されている。導波路部Ｗ１ａは、一例として厚さが０．２２μｍであり、幅が０．５μｍである。導波路部Ｗ１ａの一端側は、光学機能部２の導波路２ｂと連続している。導波路部Ｗ１ａの他端側には、テーパ部Ｔ１が形成されている。テーパ部Ｔ１は、方向Ｄに向かって幅が減少している。テーパ部Ｔ１の方向Ｄに沿った長さＬ３は、一例として１５０μｍである。
【００３１】
導波路部Ｗ１ｂは、領域Ｒ３，Ｒ４上及び酸化シリコン層Ｓ１上に形成されている。導波路部Ｗ１ｂは、一例として、厚さが０．１１μｍであり、幅が０．５μｍである。導波路部Ｗ１ｂの一端側は導波路部Ｗ１ａと連続している。導波路部Ｗ１ｂの他端には、テーパ部Ｔ２が形成されている。テーパ部Ｔ２は、導波路部Ｗ１ａのテーパ部Ｔ１と同様の構成を有している。すなわち、テーパ部Ｔ２は、方向Ｄに向かって幅が減少している。テーパ部Ｔ２の方向Ｄに沿った長さは、一例として１５０μｍである。なお、領域Ｒ４は、第２の領域に相当する。
【００３２】
酸化シリコン層Ｓ２は、領域Ｒ１，Ｒ２上及びシリコン導波路Ｗ１の導波路部Ｗ１ａ上に形成された部分と、領域Ｒ３，Ｒ４上及びシリコン導波路Ｗ１の導波路部Ｗ１ｂ上に形成された部分と、領域Ｒ５〜Ｒ８上及び酸化シリコン層Ｓ１上に形成された部分とを有している。酸化シリコン層Ｓ２は、領域Ｒ１，Ｒ２上において、一例として１．２８μｍの厚さを有している。酸化シリコン層Ｓ２は、領域Ｒ３，Ｒ４上において、一例として１．３９μｍの厚さを有している。酸化シリコン層Ｓ２は、領域Ｒ５〜Ｒ８上において、一例として１．５μｍの厚さを有している。また、酸化シリコン層Ｓ１は、シリコン導波路Ｗ１の側面上にも形成されている。すなわち、酸化シリコン層Ｓ１は、シリコン導波路Ｗ１を埋め込んでいる。従って、酸化シリコン層Ｓ１，Ｓ２は、シリコン導波路Ｗ１のクラッドとして機能する。なお、酸化シリコン層Ｓ２は、第２の酸化シリコン層に相当する。
【００３３】
図３〜図５に示されるように、シリコン導波路Ｗ２は、領域Ｒ４〜Ｒ６上及び酸化シリコン層Ｓ２上に形成されている。シリコン導波路Ｗ２は、一例として厚さが０．１１μｍであり、幅が０．５μｍである。シリコン導波路Ｗ２は、領域Ｒ４上における一端に形成されたテーパ部Ｔ３と、領域Ｒ６上における他端に形成されたテーパ部Ｔ４とを有している。方向Ｄに沿ったテーパ部Ｔ３とテーパ部Ｔ４との間には、導波路部Ｗ２ａが形成されている。なお、シリコン導波路Ｗ２は、第２のシリコン導波路に相当する。なお、図５は、図１に示されたスポットサイズ変換器の断面を示す図である。特に、図５の（ａ）は、図１におけるVa−Va線に沿った断面図であり、図５の（ｂ）は、図１におけるVb−Vb線に沿った断面図であり、図５の（ｃ）は、図１におけるVc−Vc線に沿った断面図であり、図５の（ｄ）は、図１におけるVd−Vd線に沿った断面図である。
【００３４】
領域Ｒ４上のテーパ部Ｔ３は、先鋭化された一端から方向Ｄに向かって幅が増加し、他端が導波路部Ｗ２ａと同じ幅とされている。テーパ部Ｔ３の方向Ｄの長さは、一例として１５０μｍである。領域Ｒ６上のテーパ部Ｔ４は、導波路部Ｗ２ａと同じ幅とされた一端部から方向Ｄに向かって幅が減少し、他端の先端において先鋭化されている。テーパ部Ｔ４の方向Ｄの長さは、一例として１５０μｍである。導波路部Ｗ２ａの幅は、一例として０．５μｍであり、方向Ｄに沿った長さが５０μｍである。従って、シリコン導波路Ｗ２の方向Ｄの長さは、一例として３５０μｍである。なお、領域Ｒ５及び領域Ｒ６は、第３の領域に相当する。
【００３５】
酸化シリコン層Ｓ３は、領域Ｒ１〜Ｒ３上及び酸化シリコン層Ｓ２上に形成された部分と、領域Ｒ４〜Ｒ６上及びシリコン導波路Ｗ２上に形成された部分と、領域Ｒ７〜Ｒ８上及び酸化シリコン層Ｓ２上に形成された部分とを有している。酸化シリコン層Ｓ２は、領域Ｒ１〜Ｒ３上において、一例として１．５μｍの厚さを有している。酸化シリコン層Ｓ２は、領域Ｒ７〜Ｒ８上において、一例として１．５μｍの厚さを有している。酸化シリコン層Ｓ２は、領域Ｒ４〜Ｒ６上において、一例として１．３９μｍの厚さを有している。また、酸化シリコン層Ｓ３は、シリコン導波路Ｗ２の側面上にも形成されている。すなわち、酸化シリコン層Ｓ３は、シリコン導波路Ｗ２を埋め込んでいる。従って、酸化シリコン層Ｓ２，Ｓ３は、シリコン導波路Ｗ２のクラッドとして機能する。なお、酸化シリコン層Ｓ３は、第３の酸化シリコン層に相当する。また、領域Ｒ８は、第４の領域に相当する。
【００３６】
シリコン導波路Ｗ３は、領域Ｒ６，Ｒ７上及び酸化シリコン層Ｓ３上に形成されている。シリコン導波路Ｗ３は、一例として厚さが０．１１μｍであり、幅が０．５μｍである。シリコン導波路Ｗ３は、領域Ｒ６上における一端に形成されたテーパ部Ｔ６と、領域Ｓ７上における他端に形成されたテーパ部Ｔ７とを有している。テーパ部Ｔ６とテーパ部Ｔ７との間には、導波路部Ｗ３ａが形成されている。シリコン導波路Ｗ３の方向Ｄの長さは、一例として３５０μｍである。テーパ部Ｔ６は、シリコン導波路Ｗ２のテーパ部Ｔ３と同様の構成を有している。また、テーパ部Ｔ７は、シリコン導波路Ｗ２のテーパ部Ｔ４と同様の構成を有している。
【００３７】
酸化シリコン層Ｓ４は、領域Ｒ１〜Ｒ５上及び酸化シリコン層Ｓ３上に形成された部分と、領域Ｒ６，Ｒ７上及びシリコン導波路Ｗ３上に形成された部分と、領域Ｒ８上及び酸化シリコン層Ｓ３上に形成された部分とを有している。酸化シリコン層Ｓ３は、領域Ｒ１〜Ｒ５上において、一例として５μｍの厚さを有している。酸化シリコン層Ｓ３は、領域Ｒ８上において、一例として５μｍの厚さを有している。酸化シリコン層Ｓ３は、領域Ｒ６，Ｒ７上において、一例として４．８９μｍの厚さを有している。また、酸化シリコン層Ｓ４は、シリコン導波路Ｗ３の側面上にも形成されている。すなわち、酸化シリコン層Ｓ４は、シリコン導波路Ｗ３を埋め込んでいる。従って、酸化シリコン層Ｓ３，Ｓ４は、シリコン導波路Ｗ３のクラッドとして機能する。
【００３８】
以上のように構成されるスポットサイズ変換部６においては、領域Ｒ３〜Ｒ７上には、シリコン導波路Ｗ１からシリコン導波路Ｗ３まで光を遷移させる遷移領域Ｒ９が形成されている。遷移領域Ｒ９は、酸化シリコン層Ｓ１〜Ｓ４、及びシリコン導波路Ｗ１〜Ｗ３により構成されている。遷移領域Ｒ９は、方向Ｄに延在する略直方体状の形状を有している。酸化シリコン層Ｓ１〜Ｓ４により構成された遷移領域Ｒ９のクラッド部は、方向Ｚを長手方向とする矩形断面を有している（図４の（ｃ）等参照）。クラッド部の断面は、幅が３．５μｍであり、方向Ｚの高さが１０μｍである。このように、方向Ｚを長手方向とする断面形状を有するクラッド部によれば、シリコン導波路Ｗ１〜Ｗ３の周囲に広がったモード形状を縦長にすることができ、方向Ｚに効率的に光を遷移させることができる。
【００３９】
スポットサイズ変換部６の外周に含まれる遷移領域Ｒ９の側面Ｒ９ａと、テラス７ａ，７ｂとの間には空隙Ｇ２ａ，Ｇ２ｂが形成されている。また、スポットサイズ変換部６の外周に含まれる遷移領域Ｒ９の下面Ｒ９ｂと半導体基板３ｂとの間には、空隙Ｇ１が形成されている。従って、遷移領域Ｒ９の外周は、空気と接している。従って、遷移領域Ｒ９では、コアがシリコン導波路Ｗ１〜Ｗ３であり、第１のクラッドが酸化シリコン層Ｓ１〜Ｓ４であり、第２のクラッドが空気である。なお、空隙Ｇ１，Ｇ２ａ，Ｇ２ｂには、酸化シリコンと所定の屈折率差を形成可能な材料が充填されていてもよい。
【００４０】
このような遷移領域Ｒ９においては、シリコン導波路Ｗ１のテーパ部Ｔ２と、シリコン導波路Ｗ２のテーパ部Ｔ３と、テーパ部Ｔ２及びテーパ部Ｔ３に挟まれた酸化シリコン層Ｓ２とによって、遷移部Ｃ１が構成されている。領域Ｒ４上では、シリコン導波路Ｗ１とシリコン導波路Ｗ２とが方向Ｚについて酸化シリコン層Ｓ２を挟んで重なっている。シリコン導波路Ｗ１とシリコン導波路Ｗ２とが重なっていることにより、シリコン導波路Ｗ１の一端から光が広角度で放射されることが抑制される。従って、光の遷移効率の低下を抑制できる。
【００４１】
図６は、図１に示されたスポットサイズ変換部の構成を示す図である。特に、図６の（ａ）は、スポットサイズ変換部の平面図であり、図６の（ｂ）は図６の（ａ）のVI−VI線に沿った断面を示す図である。図６に示されるように、方向Ｚにおける、テーパ部Ｔ２とテーパ部Ｔ３との重複部分の方向Ｄについての長さＬ４は、テーパ部Ｔ２，Ｔ３の方向Ｄについての長さＬ５以下である。すなわち、テーパ部Ｔ２，Ｔ３の長さＬ５に対するテーパ部Ｔ２，Ｔ３の重複部分の長さＬ４の割合は、５％以上である。また、テーパ部Ｔ２，Ｔ３の長さＬ５に対するテーパ部Ｔ２，Ｔ３の重複部分の長さＬ４の割合は、１００％以下である。
【００４２】
テーパ部Ｔ２，Ｔ３の方向Ｄの長さＬ５は、５０μｍ〜５００μｍであり、一例として５０μｍである。また、テーパ部Ｔ２，Ｔ３の重複部分の長さＬ４は、５０μｍ以下である。また、一例として、テーパ部Ｔ２，Ｔ３同士の重複部分の長さＬ４をテーパ部Ｔ２，Ｔ３の長さＬ５の５０％に設定すると、テーパ部Ｔ２，Ｔ３の重複部分の長さＬ４は２５μｍである。また、テーパ部Ｔ２，Ｔ３の方向Ｚにおける間隔は、テーパ部Ｔ２，Ｔ３に挟まれた酸化シリコン層Ｓ２の厚さにより規定される。本実施形態では、テーパ部Ｔ２，Ｔ３の間隔は、一例として、１．３９μｍである。
【００４３】
また、遷移領域Ｒ９においては、シリコン導波路Ｗ２のテーパ部Ｔ４と、シリコン導波路Ｗ３のテーパ部Ｔ６とによって遷移部Ｃ２が構成されている。領域Ｒ６では、シリコン導波路Ｗ２とシリコン導波路Ｗ３とが方向Ｚについて酸化シリコン層Ｓ３を挟んで重なっている。遷移部Ｃ２は、遷移部Ｃ１と同様の構成を有しているので、詳細な説明は省略する。
【００４４】
一方、図３に示されるように、領域Ｒ８上には、シリコン導波路Ｗ３のテーパ部Ｔ７から出射された光を拡大する拡大領域Ｒ１０が形成されている。この拡大領域Ｒ１０は、シリコン導波路Ｗ３を介して、シリコン導波路Ｗ２と光学的に結合されている。拡大領域Ｒ１０は、一端が遷移領域Ｒ９と連続している。また、拡大領域Ｒ１０は、他端が端面８０ａに含まれている。拡大領域Ｒ１０は、酸化シリコン層Ｓ１〜Ｓ４により構成された酸化シリコン導波路である。拡大領域Ｒ１０は、方向Ｄに沿って断面積が拡大する部分を有している。
【００４５】
拡大領域Ｒ１０における遷移領域Ｒ９と連続する一端は、遷移領域Ｒ９と同じ断面形状を有している（図５の（ｃ）参照）。すなわち、拡大領域Ｒ１０の一端の幅は、例えば３．５μｍであり、高さは例えば１０μｍである。一方、拡大領域Ｒ１０における端面８０ａを含む他端は、一端よりも幅が拡大している。すなわち、拡大領域Ｒ１０の他端の幅は、例えば１０μｍであり、高さは例えば１０μｍである正方形状の断面形状を有している（図５の（ｄ）参照）。拡大領域Ｒ９では、空隙Ｇ２ａと空隙Ｇ２ｂとの間隔が拡大されることにより、空隙Ｇ２ａ，Ｇ２ｂに挟まれた拡大領域Ｒ１０の断面積が拡大している。従って、拡大領域Ｒ１０を伝播して端面８０ａから出射される光のモード径は、光ファイバ８１のモード径に近いため、スポットサイズ変換器１Ｂと光ファイバ８１との光結合効率を高めることができる。
【００４６】
上述したように、拡大領域Ｒ１０の側面Ｒ１０ａとテラス７ａとの間には空隙Ｇ２ａが形成され、拡大領域Ｒ１０の側面Ｒ１０ａとテラス７ｂとの間には空隙Ｇ２ｂが形成されている。さらに、拡大領域Ｒ１０の底面Ｒ１０ｂ（図４の（ｃ）等参照）と半導体基板３ｂとの間には、空隙Ｇ１が形成されている。従って、拡大領域Ｒ１０をコアとし、空隙における空気をクラッドとした導波路が形成される。
【００４７】
ここで、シリコン導波路Ｗ３の光軸Ａ３は、方向Ｚについての拡大領域Ｒ１０の略中心に位置している。具体的には、拡大領域Ｒ１０の高さは、例えば１０μｍである。そして、シリコン導波路Ｗ３は、酸化シリコン層Ｓ１〜Ｓ３からなる例えば厚さ５μｍのクラッドと、酸化シリコン層Ｓ４からなる例えば厚さ４．８９μｍのクラッドとに挟まれている。さらに、シリコン導波路Ｗ３の光軸Ａ３は、方向Ｄ及び方向Ｚに直交する方向Ｈについての、拡大領域Ｒ１０の略中心に位置している（図３の（ａ）参照）。従って、シリコン導波路Ｗ３の光軸Ａ３は、方向Ｄと交差する断面において、拡大領域Ｒ１０の方向Ｚ及び方向Ｈのそれぞれの略中心に配置されている。
【００４８】
次に、本実施形態に係るスポットサイズ変換器１Ｂの製造方法について説明する。図７は、スポットサイズ変換器の主要な製造工程を示す図である。図７の（ａ）は、ＳＯＩ基板の断面を示す図である。図７の（ｂ）は、ＳＯＩ基板を示す平面図である。図７の（ｃ）は、シリコン導波路を形成する工程における断面を示す図である。図７の（ｄ）は、シリコン導波路を形成する工程における平面図である。図７の（ｅ）は、酸化シリコン層を形成する工程における断面を示す図である。図７の（ｆ）は、酸化シリコン層を形成する工程における平面図である。なお、以下の製造方法における各部の材料及び寸法は一例である。
【００４９】
図７の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、ＳＯＩ基板１０を準備する。スポットサイズ変換器１Ｂを含む光学装置８０は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板１０を用いて作製される。ＳＯＩ基板１０はＣＭＯＳプロセスに一般に使用されるものである。また、スポットサイズ変換器１Ｂの製造方法には、ＣＭＯＳプロセスが適用される。ＳＯＩ基板１０は、シリコン基板１１、ＢＯＸ（Buried Oxide）層１２、及びデバイス層１３が積層された構造を有している。シリコン基板１１は、単結晶シリコンからなり、２μｍの厚さを有している。ＢＯＸ層１２は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなり、０．２２μｍの厚さを有している。デバイス層１３は、単結晶シリコンからなり、２μｍの厚さを有している。ここで、シリコン基板１１は、スポットサイズ変換器１Ｂの半導体基板３ｂとして用いられる。ＢＯＸ層１２は、スポットサイズ変換器１Ｂの酸化シリコン層Ｓ１として用いられる。デバイス層１３は、スポットサイズ変換器１Ｂのシリコン導波路Ｗ１として用いられる。
【００５０】
図７の（ｃ）及び（ｄ）に示されるように、デバイス層１３をエッチングしてシリコン導波路Ｗ１を形成する。より詳細に説明すると、まず、デバイス層１３上に導波路部Ｗ１ａのためのマスクを形成する。そして、そのマスクを用いてデバイス層１３をエッチングする。このときのエッチング深さは０．１１μｍである。エッチング深さは、エッチング時間に基づいて制御される。この工程により、幅が０．５μｍであり、テーパ部Ｔ１の先端幅が０．１μｍである導波路部Ｗ１ａが形成される。続いて、デバイス層１３上に導波路部Ｗ１ｂのためのマスクを形成する。そして、そのマスクを用いてデバイス層１３を更にエッチングする。このときのエッチング深さは０．１１μｍであり、ＢＯＸ層１２が露出するまでエッチングを行う。この工程により、幅が０．５μｍであり、テーパ部Ｔ２の先端幅が０．１μｍである導波路部Ｗ１ｂが形成される。
【００５１】
図７の（ｅ）及び（ｆ）に示されるように、酸化シリコン層Ｓ１上及びシリコン導波路Ｗ１上に酸化シリコン層Ｓ２を形成する。より詳細に説明すると、ＰＥＣＶＤ（plasma-enhanced chemical vapor deposition）法を用いて、酸化シリコン層Ｓ１上及びシリコン導波路Ｗ１上に酸化シリコン層を成長させる。このとき酸化シリコン層の厚さが２μｍとなるように成長させる。酸化シリコン層を成長させた後に、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法を用いて酸化シリコン層を研磨する。この研磨により酸化シリコン層を表面から０．５μｍだけ除去する。以上の工程により、厚さが１．５μｍである酸化シリコン層Ｓ２が形成される。また、酸化シリコン層Ｓ２の表面は、ＣＭＰ法により形成されているので、表面のラフネス（表面粗さ）が低減している。酸化シリコン層Ｓ２の表面のラフネスが低減することにより、導波路の伝播損失を低減することができる。
【００５２】
図８は、スポットサイズ変換器の主要な製造工程を示す図である。図８の（ａ）及び（ｃ）は、シリコン導波路を形成する工程における断面を示す図である。図８の（ｂ）及び（ｄ）は、シリコン導波路を形成する工程における平面図である。図８の（ｅ）は、酸化シリコン層を形成する工程における断面を示す図である。図８の（ｆ）は、酸化シリコン層を形成する工程における平面図である。
【００５３】
図８の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、酸化シリコン層Ｓ２上に、アモルファスシリコン層ＡＳを成長する。アモルファスシリコン層ＡＳは、ＬＰＣＶＤ法により成長され、０．２μｍの厚さを有している。次に、アモルファスシリコン層ＡＳに対してＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）法による熱処理を実施する。この熱処理により、アモルファスシリコン層ＡＳがポリシリコン層ＰＳに転換されるので、シリコン導波路Ｗ２における吸収損失を低減させることができる。そして、ＣＭＰ法を用いてポリシリコン層ＰＳを研磨する。この研磨によりポリシリコン層ＰＳを０．０９μｍだけ除去する。以上の工程により、厚さが０．１１μｍであるポリシリコン層ＰＳが形成される。
【００５４】
図８の（ｃ）及び（ｄ）に示されるように、ポリシリコン層ＰＳをエッチングしてシリコン導波路Ｗ２を形成する。より詳細に説明すると、シリコン導波路Ｗ２のためのマスクをポリシリコン層ＰＳ上に形成する。そして、そのマスクを用いてポリシリコン層ＰＳをエッチングする。このときのエッチング深さは０．１１μｍである。エッチング深さは、エッチング時間に基づいて制御される。このエッチングにより、シリコン導波路Ｗ２が形成される。シリコン導波路Ｗ２は、導波路部Ｗ２ａの幅が０．５μｍであり、テーパ部Ｔ３，Ｔ４の先端幅が０．１μｍである。さらに、シリコン導波路Ｗ２は、先に形成したシリコン導波路Ｗ１の一部と方向Ｚから見て重複する部分を有する。また、シリコン導波路Ｗ２の表面は、ＣＭＰ法により形成されているので、表面のラフネスが低減している。シリコン導波路Ｗ２の表面のラフネスが低減することにより、導波路の伝播損失を低減させることができる。
【００５５】
図８の（ｅ）及び（ｆ）に示されるように、酸化シリコン層Ｓ２上及びシリコン導波路Ｗ２上に酸化シリコン層Ｓ３を形成する。この酸化シリコン層Ｓ３は、酸化シリコン層Ｓ２と同様の工程により形成される。すなわち、ＰＥＣＶＤ法により、酸化シリコン層Ｓ１上及びシリコン導波路Ｗ１上に厚さが２μｍである酸化シリコン層を成長させる。酸化シリコン層を成長させた後に、ＣＭＰ法を用いて酸化シリコン層を研磨する。この研磨により、厚さが１．５μｍである酸化シリコン層Ｓ３が形成される。また、酸化シリコン層Ｓ３の表面は、ＣＭＰ法により形成されているので、表面のラフネスが低減している。酸化シリコン層Ｓ３の表面のラフネスが低減することにより、導波路の伝播損失を低減させることができる。
【００５６】
図９は、スポットサイズ変換器の主要な製造工程を示す図である。図９の（ａ）及び（ｃ）は、シリコン導波路を形成する工程における断面を示す図である。図９の（ｂ）及び（ｄ）は、シリコン導波路を形成する工程における平面図である。図９の（ｅ）は、酸化シリコン層を形成する工程における断面を示す図である。図９の（ｆ）は、酸化シリコン層を形成する工程における平面図である。
【００５７】
次に、シリコン導波路Ｗ３を形成する工程を実施する。シリコン導波路Ｗ３を形成する工程は、シリコン導波路Ｗ３を形成する位置がシリコン導波路Ｗ２と異なる他は、シリコン導波路Ｗ２を形成する方法と同様の工程が実施される。
【００５８】
図９の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、酸化シリコン層Ｓ３上に、ＬＰＣＶＤ法により成長された０．２μｍの厚さのアモルファスシリコン層ＡＳを成長する。次に、アモルファスシリコン層ＡＳに対して熱処理を実施して、ポリシリコン層ＰＳに転換する。そして、ＣＭＰ法を用いてポリシリコン層ＰＳを研磨して、厚さが０．１１μｍであるポリシリコン層ＰＳを形成する。
【００５９】
図９の（ｃ）及び（ｄ）に示されるように、ポリシリコン層ＰＳをエッチングしてシリコン導波路Ｗ３を形成する。より詳細には、シリコン導波路Ｗ３のためのマスクを形成した後に、そのマスクを用いてポリシリコン層ＰＳをエッチングする。これらの工程により形成されたシリコン導波路Ｗ３は、導波路部Ｗ３ａの幅が０．５μｍであり、テーパ部Ｔ６，Ｔ７の先端幅が０．１μｍであり、先に形成したシリコン導波路Ｗ２の一部と方向Ｚから見て重複する部分を有する。
【００６０】
図９の（ｅ）及び（ｆ）に示されるように、酸化シリコン層Ｓ４上及びシリコン導波路Ｗ３上に、酸化シリコン層Ｓ４を成長する。より詳細に説明すると、ＰＥＣＶＤ法により、酸化シリコン層Ｓ３上に厚さが５．５μｍである酸化シリコン層を成長させた後に、ＣＭＰ法を用いてその酸化シリコン層を研磨する。この研磨により厚さが５μｍである酸化シリコン層Ｓ４が形成される。また、酸化シリコン層Ｓ４の表面は、ＣＭＰ法により形成されているので、表面のラフネスが低減している。酸化シリコン層Ｓ４の表面のラフネスが低減することにより、導波路の伝播損失を低減させることができる。
【００６１】
図１０は、スポットサイズ変換器１Ｂの主要な製造工程における断面を示す図である。図１０の（ａ）は、空隙を形成する工程における、端面８０ａを示す図である。図１０の（ｂ）は、空隙を形成する工程における、図１のVc―Vc線に沿った断面を示す図である。図１０の（ｃ）は、空隙を形成する工程における、図１のVd―Vd線に沿った断面を示す図である。
【００６２】
図１０の（ａ）〜（ｃ）に示されるように、まず、酸化シリコン層Ｓ１〜Ｓ４をエッチングして幅が２μｍである空隙Ｇ２ａ，Ｇ２ｂを形成する。これにより、テラス７ａ，７ｂ及び酸化シリコン層Ｓ１〜Ｓ４が形成されると共に、方向Ｈにおいて空隙Ｇ２ａ，Ｇ２ｂの空気をクラッドとする閉じ込め構造が形成される。次に、シリコン基板１１をエッチングして、凹部１１ａを形成する。この工程により、空隙Ｇ１が形成される。これにより、半導体基板３ｂ及びスポットサイズ変換部６が形成される。このとき、スポットサイズ変換部６は、片持ち梁構造となる。このような片持ち梁構造によれば、方向Ｚにおいて空気をクラッドとする閉じ込め構造が形成される。
【００６３】
以上説明したように、本実施形態に係るスポットサイズ変換器１Ｂでは、シリコン導波路Ｗ１を方向Ｄに進行した光が、酸化シリコン層Ｓ２を介して、シリコン導波路Ｗ２に遷移される。シリコン導波路Ｗ２に遷移した光は、シリコン導波路Ｗ２を導波して、シリコン導波路Ｗ２にシリコン導波路Ｗ３を介して光結合された拡大領域Ｒ１０に伝播される。拡大領域Ｒ１０に伝播された光は、スポットサイズが拡大しつつ方向Ｄに進行する。このように、スポットサイズ変換器１Ｂにおいては、シリコン導波路Ｗ１からシリコン導波路Ｗ２及びシリコン導波路Ｗ３に光を遷移させることにより、その光軸Ａ１〜Ａ３を移動させつつスポットサイズを変換する。従って、このスポットサイズ変換器１Ｂによれば、光軸のずれに起因する光の揺らぎを抑制しつつ、スポットサイズを変換することができる。
【００６４】
また、本実施形態に係るスポットサイズ変換器１Ｂでは、シリコン導波路Ｗ１が領域Ｒ４において方向Ｄに向かって幅が減少するテーパ部Ｔ２を有し、シリコン導波路Ｗ２が領域Ｒ４において方向Ｄに向かって幅が増大するテーパ部Ｔ３を有している。この構成によれば、シリコン導波路Ｗ１を進行してきた光は、テーパ部Ｔ２において光のモードが拡大され、酸化シリコン層Ｓ２を介して、シリコン導波路Ｗ２のテーパ部Ｔ３に効率よく光結合される。従って、シリコン導波路Ｗ１からシリコン導波路Ｗ２へ光を効率よく遷移させることができる。
【００６５】
また、本実施形態に係るスポットサイズ変換器１Ｂにおいて、方向Ｄに直交する方向Ｚにおけるテーパ部Ｔ２とテーパ部Ｔ３との重複部分の方向Ｄについての長さＬ４は、テーパ部Ｔ２及びテーパ部Ｔ３の方向Ｄついての長さＬ５以下とされている。このような構成によれば、シリコン導波路Ｗ１からシリコン導波路Ｗ２へ光をさらに効率よく遷移させることができるので、光損失を抑制して、シリコン導波路Ｗ１からシリコン導波路Ｗ２へ光をさらに効率よく遷移させることができる。
【００６６】
また、本実施形態に係るスポットサイズ変換器１Ｂにおいて、シリコン導波路Ｗ３の光軸Ａ３は、方向Ｄに直交する方向Ｚについての拡大領域Ｒ１０の中心に位置している。さらに、シリコン導波路Ｗ３の光軸Ａ３は、方向Ｄ及び方向Ｚに直交する方向Ｈについての拡大領域Ｒ１０の中心に位置している。このような構成によれば、シリコン導波路Ｗ３から出射された光が、拡大領域Ｒ１０において方向Ｄに進行しつつ、方向Ｚ及び方向Ｈを含む方向に拡大するとき、光が出射された位置から、拡大領域Ｒ１０の各側面、上面及び下面までの距離が略同じとなるので光強度のゆらぎが抑制される。
【００６７】
また、本実施形態に係るスポットサイズ変換器１Ｂにおいて、スポットサイズ変換部６の外周には、空隙Ｇ１、Ｇ２ａ及びＧ２ｂが形成されているので、良好な光閉じ込め構造を形成することができる。
【００６８】
また、本実施形態に係るスポットサイズ変換器１Ｂでは、導波路が単結晶又は多結晶のシリコンからなる。このように、シリコンからなる導波路同士を光学的に結合させた光遷移構造によれば、シリコンからなる導波路が光を強く閉じ込める作用を有しているので、導波路間における遷移効率を高めることができる。
【００６９】
また、本実施形態に係るスポットサイズ変換器１Ｂでは、拡大領域Ｒ１０の端面８０ａから出射される光のモード径を、例えば約１０μｍといった光ファイバのモード径に近づけることができる。このような構成によれば、スポットサイズ変換器１Ｂと光ファイバとの間の結合効率の低下を抑制できる。
【００７０】
本発明に係るスポットサイズ変換器１Ｂは、本実施形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。上記実施形態では、スポットサイズ変換器１Ｂが、３つのシリコン導波路Ｗ１〜Ｗ３を備え、シリコン導波路Ｗ２がシリコン導波路Ｗ３を介して拡大領域Ｒ１０と光学的に結合されている例を説明したが、この形態に限定されることはない。スポットサイズ変換器１Ｂが備えるシリコン導波路の数は、２つであってもよい。すなわち、シリコン導波路Ｗ２が直接に拡大領域Ｒ１０と光学的に結合されていてもよい。また、スポットサイズ変換器１Ｂが備えるシリコン導波路の数は、３つ以上であってもよい。このように、シリコン導波路の数及びシリコン導波路同士の間隔とを適宜選択することにより、拡大領域Ｒ１０に光学的に結合されるシリコン導波路を所望の位置に配置することができる。
【実施例】
【００７１】
本実施形態に係るスポットサイズ変換器１Ｂにおいて、シリコン導波路Ｗ１〜Ｗ３の間で光が遷移する様子を計算により確認した。この計算には、３次元ビ―ム伝搬法（３Ｄ−ＢＰＭ法）を用いた。図１１及び図１２は、計算結果を説明するための図である。特に、図１１の（ａ）は、スポットサイズ変換器部６の断面を示す図であり、図１１の（ｂ）は、ＤＺ平面における計算結果を示す図である。また、図１２の（ａ）は、ＤＺ平面における計算結果を示す図であり、図１２の（ｂ）は図１２のXIIa-XIIa線に沿った断面における計算結果を示す図であり、図１２の（ｃ）は図１２のXIIb-XIIb線に沿った断面における計算結果を示す図であり、図１２の（ｄ）は図１２のXIIc-XIIc線に沿った断面における計算結果を示す図であり、図１２の（ｅ）は図１２のXIId-XIId線に沿った断面における計算結果を示す図であり、図１２の（ｆ）は図１２のXIIe-XIIe線に沿った断面における計算結果を示す図である。
【００７２】
この計算には、以下の数値を用いた。また、この計算では、端面８０ａから光をスポットサイズ変換器１Ｂに入射し、光がシリコン導波路Ｗ３から、シリコン導波路Ｗ２を介してシリコン導波路Ｗ１へ遷移する様子を確認した。
入射される光の波長                      １．５５μｍ。
シリコン導波路Ｗ１〜Ｗ３の幅            ０．５μｍ。
シリコン導波路Ｗ１〜Ｗ３の長さ          ３５０μｍ。
シリコン導波路Ｗ１〜Ｗ３の厚さ          ０．１１μｍ。
酸化シリコン層Ｓ１の厚さ                ２μｍ。
酸化シリコン層Ｓ２の厚さ                １．５μｍ。
酸化シリコン層Ｓ３の厚さ                １．５μｍ。
酸化シリコン層Ｓ４の厚さ                ５μｍ。
テーパ部Ｔ１〜Ｔ６の長さ                １５０μｍ。
テーパ部Ｔ２，Ｔ３との間隔              １．３９μｍ。
テーパ部Ｔ４，Ｔ６との間隔              １．３９μｍ。
拡大領域Ｒ１０の高さ                    １０μｍ。
拡大領域Ｒ１０の幅                      １０μｍ。
【００７３】
図１１の（ｂ）に示されるように、端面８０ａから入射した光が、まずシリコン導波路Ｗ３に結合している。続いて、シリコン導波路Ｗ３を導波した光がシリコン導波路Ｗ２に遷移している。そして、シリコン導波路Ｗ２を導波した光がシリコン導波路Ｗ１に遷移していることがわかる。
【００７４】
図１２の（ｂ）〜（ｆ）に示されるように、端面８０ａに入射された光は、拡大領域Ｒ１０において、酸化シリコン層Ｓ１〜Ｓ４をコアとし、空気をクラッドとする導波路に閉じ込められる（図１２の（ｂ）参照）。そして、拡大領域Ｒ１０の幅が狭くなり断面形状が縦長となることにより、導波する光のモードが縦長に変化する（図１２の（ｃ）参照）。続いて、シリコン導波路Ｗ３からシリコン導波路Ｗ２に遷移し、シリコン導波路Ｗ２からシリコン導波路Ｗ１に遷移する間に、光は各シリコン導波路に閉じ込められ、光軸の位置が変化している。
【００７５】
［実施例１]
本実施形態に係るスポットサイズ変換器１Ｂに相当するスポットサイズ変換器を実施例１として作製した。実施例１に係るスポットサイズ変換器は、上述したような数値を有する。そして、そのスポットサイズ変換器と、端面が平坦であるシングルモード光ファイバとの結合損失を評価した。この評価では、ＴＥモードにおける結合損失を評価した。その結果、スポットサイズ変換器と、シングルモード光ファイバとの間の結合損失が０．８ｄＢであることがわかった。従って、このスポットサイズ変換器によれば、後述する比較例のスポットサイズ変換器（結合損失：２．３ｄＢ）と比較して、結合損失を抑制できていることがわかった。
【００７６】
実施例１に係るスポットサイズ変換器と光ファイバとの間の位置ずれ量と、結合効率との関係について確認した。まず、実施例１に係るスポットサイズ変換器に対する光ファイバの位置を調整して、結合効率が最大となる位置にスポットサイズ変換器と光ファイバとを配置した。そして、光ファイバの位置を方向Ｚ又は方向Ｈにずらし、結合効率が最大値から−１ｄＢとなる光ファイバのずれ位置を確認した。その結果、方向Ｚ及び方向Ｈについて、光ファイバを２．４μｍだけ移動させたときに結合効率が最大値から−１ｄＢとなることがわかった。
【００７７】
［実施例２]
本実施形態に係るスポットサイズ変換器１Ｂに相当するスポットサイズ変換器を実施例２として作製した。実施例２に係るスポットサイズ変換器は、上述したような数値を有する。ただし、実施例２に係るスポットサイズ変換器は、ポリシリコンからなるシリコン導波路Ｗ２，Ｗ３に代えて、アモルファスシリコンからなるシリコン導波路を有している。結合損失の評価は、上述した方法と同様の方法により評価した。その結果、アモルファスシリコンからなるシリコン導波路を備えたスポットサイズ変換器では、結合損失が１．４ｄＢであることがわかった。シリコン導波路を形成する工程において、ＲＴＡ法による熱処理を施して、アモルファスシリコンをポリシリコンに転換することにより、シリコン導波路における吸収損失を低減させることができることがわかった。従って、ポリシリコンからなるシリコン導波路を備えたスポットサイズ変換器は、アモルファスシリコンからなるシリコン導波路を備えたスポットサイズ変換器よりも結合損失を抑制できることがわかった。
【００７８】
［比較例１］
比較例に係るスポットサイズ変換器１００を作製した。図１３は、比較例に係るスポットサイズ変換器を説明するための図である。特に図１３の（ａ）は、比較例に係るスポットサイズ変換器の断面を示す図である。このスポットサイズ変換器１００は、導波路としてシリコン導波路Ｗ１のみを備えている。すなわち、スポットサイズ変換器１００は、シリコン導波路Ｗ２，Ｗ３は備えていない。そして、実施例２と同様の方法を用いて、光ファイバとの間の結合損失を確認した。その結果、スポットサイズ変換器１００と光ファイバとの間の結合損失は２．３ｄＢであった。
【００７９】
さらに、比較例１に係るスポットサイズ変換器１００において、方向Ｄに直交する断面における光の分布を計算により確認した。計算には、上述した各数値を用いた。図１３の（ｂ）は、XIII―XIII線に沿った断面における光の強度分布を示す図である。シリコン導波路Ｗ１の下側に位置する酸化シリコン層Ｓ１の厚さが２μｍであり、シリコン導波路Ｗ１の上側に位置する酸化シリコン層Ｓ２〜Ｓ４の厚さが７μｍである。このため、光のモードが円になっておらず、扁平な形状を有している。このようなモードは、光ファイバのモード形状と大きく異なるため結合損失が増加することがわかった。
【符号の説明】
【００８０】
１Ａ，１Ｂ…スポットサイズ変換器、２…光学機能部、３…基部、４…本体部、６…スポットサイズ変換部、７ａ，７ｂ…テラス、１０…半導体基板、８０…光学装置、８１，８２…光ファイバ、Ａ１〜Ａ３…光軸、ＡＳ…アモルファスシリコン層、Ｃ１，Ｃ２…遷移部、Ｄ…所定方向、Ｇ１，Ｇ１，Ｇ２ａ…空隙、Ｍ…直交座標系、Ｒ１〜Ｒ８…領域、Ｒ９…遷移領域、Ｒ１０…拡大領域（酸化シリコン導波路）、Ｓ１〜Ｓ４…酸化シリコン層、Ｔ１〜Ｔ６…テーパ部、Ｗ１〜Ｗ３…シリコン導波路。
【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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