(57)【要約】【課題】偏波無依存でスポットサイズ変換を行う。【解決手段】シリコン基板10、下部クラッド層12、上部クラッド層14、第1導波路コア16、第2導波路コア18、第3導波路コア20を備えている。第1導波路コア及び第2導波路コアは、下部クラッド層上に並列して配置され、下部クラッド層と上部クラッド層とで囲まれて形成されている。第3導波路コアは、第1導波路コア及び第2導波路コアの上に、上部クラッド層を挟んで形成されている。第1導波路コアと第2導波路コアは、近接させて並置されており、第1導波路コアの幅は、第2導波路コアの幅よりも狭く、第1導波路コアと第2導波路コアの中心間距離は、入力側から出力側に向けて広がっている。また、第1導波路コアの幅は、Aと示されてある位置を起点にして出力側に向けて広がっている。【選択図】図１
2015064509.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第1導波路コア、第2導波路コア、及び第3導波路コアを備え、
前記第3導波路コアの幅及び厚みは光ファイバから出力される光を入力するに十分であり、前記第2導波路コアの出力端での幅及び厚みは、シリコン光導波路素子の光導波路に入力させる光のスポットサイズとするに十分であり、
前記第1導波路コアと前記第2導波路コアは、近接させて並置され、
前記第1導波路コアの幅は、第2導波路コアの幅よりも狭く、
前記第1導波路コアと前記第2導波路コアの中心間距離は、入力側から出力側に向けて広がっており、
前記第1導波路コアの幅は、入力側から離れたいずれかの位置を起点にして出力側に向けて広がっており、
前記第3導波路コアへの入力光のTMモード(Transverse Magnetic mode)成分は、前記第1導波路コアと前記第2導波路コアの中心間距離が、前記第1導波路コアと前記第2導波路コアで形成される複合導波路の反対称伝搬モードと位相整合する条件を満たす位置で、前記第3導波路コアから前記第1導波路コアへ移行し、
前記第3導波路コアへの入力光のTEモード(Transverse Electric mode)成分は、前記TMモード成分が前記第1導波路コアへ移行する位置より出力側に近い、前記第1導波路コアの幅が当該第1導波路コアの対称伝搬モードと位相整合する条件を満たす位置で、前記第3導波路コアから前記第1導波路コアへ移行する
ことを特徴とするスポットサイズ変換器。
【請求項２】
更に、下部クラッド層、上部クラッド層を備え、
前記第1導波路コア及び前記第2導波路コアは、前記下部クラッド層上に並列して配置され、前記下部クラッド層と前記上部クラッド層とで囲まれて形成されており、
前記第3導波路コアは、記第1導波路コア及び前記第2導波路コアの上に、前記上部クラッド層を挟んで形成されている
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】
更に、下部クラッド層を備え、
前記第1導波路コア及び前記第2導波路コアは、前記下部クラッド層上に並置され、
前記第3導波路コアは、前記第1導波路コア及び前記第2導波路コア上に、前記第1導波路コア及び前記第2導波路コアと接して形成されている
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４】
更に、下部クラッド層を備え、
前記第3導波路コアは、前記下部クラッド層上に設けられ、
前記第1導波路コア及び前記第2導波路コアは、前記第3導波路コアの下方部分に含まれている
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５】
前記第1導波路コア及び前記第2導波路コアの厚みは、前記入力光が厚み方向に対して基本伝搬モードで伝搬する条件を満たす厚みに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1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】
この発明は、偏波無依存で入力光のスポットサイズ変換を行う、スポットサイズ変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、小型化と量産性の観点から、光導波路のコアの素材にシリコンを利用した光導波路素子が注目されている。シリコンを光導波路のコア素材とすると、小型の光導波路素子を形成しやすく、しかもその製造に当たってはCMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)の製造プロセスを流用できるため、生産コストを低く抑えることが可能であるからである。
【０００３】
シリコン光導波路素子は、その用途の多くが光ファイバと接続されて利用される。しかしながら、光ファイバのコアの寸法は、シリコン光導波路素子のコアの寸法より大きいので、光ファイバとシリコン光導波路素子との接続を行うに当たっては、ビームのスポットサイズ変換器を利用するか、あるいはグレーティングカプラを利用する必要がある。
【０００４】
スポットサイズ変換器は幾つか開示されている（例えば、特許文献1〜7参照）。スポットサイズ変換器は構造が単純であり、波長依存性も小さい。
【０００５】
一般に、光ファイバを伝搬した光はその偏光状態が確定していない。従って、スポットサイズ変換器をシリコン光導波路素子で実現させるには偏波無依存を実現する必要があり、この偏波無依存性は、導波路コアの断面形状を正方形に形成すれば実現される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−１６４３７６号公報
【特許文献２】特開２０１１−１２３０９４号公報
【特許文献３】特開２０１１−２２３４５号公報
【特許文献４】特開２０１０−１１７３９６号公報
【特許文献５】特開２００７−９３７４３号公報
【特許文献６】特開２００６−３２３２１０号公報
【特許文献７】特開２００６−３０９１９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
シリコン光導波路素子で実現されるスポットサイズ変換器は、上述したように、偏波無依存動作をさせるために入力端のシリコン導波路コアの断面形状を正方形とする必要がある。そして、スポットサイズを変換するため、導波路コアの幅が光の伝搬方向に沿って徐々に狭くなる形状とする必要がある。従って、出力端では幅が狭くなっているので導波路コアの幅が厚みよりも狭くなる。このような幅が狭くかつ厚みが厚い断面形状の導波路コアでは、TM(Transverse Magnetic mode)波の等価屈折率はTE波よりも大きくなっている。従って、TM波に対してスポットサイズ変換器として機能しなくなる。そこで、シリコン光導波路素子で、TM波に対しても動作するスポットサイズ変換器、すなわち、偏波無依存で入力光のスポットサイズ変換を行うスポットサイズ変換器が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の発明者は、光ファイバから出力される光を入力するのに十分な大きさの導波路コアから入力させ、この導波路コアを伝搬する間に、シリコン光導波路素子への入力に好適なスポットサイズの光を出力する導波路コアに導波光を、偏波無依存で移動させるスポットサイズ変換器を検討した。
【０００９】
2本の導波路コアを近接配置させると、TMモード成分に対して、反対称伝搬モードに対する等価屈折率(Effective guide index)が低下し、光ファイバから出力される光を入力する十分な大きさの導波路コアを基本伝搬モード(対称伝搬モード)で伝搬する導波光が、この2本の導波路コアから成る複合導波路を反対称伝搬モードで伝搬する導波光と位相整合可能となることに注目した。また、反対称伝搬モードは、2本の導波路コアのうちの幅の狭い導波路コア(出力光を導波して出力させる導波路コア)にそのエネルギーを集中するように、この2本の導波路コアから成る複合導波路を伝搬する現象を利用することに思い至った。
【００１０】
一方、TEモード(Transverse Electric mode)成分に対しては、出力光を導波して出力させる導波路コアの幅を徐々に広げて、導波路コアの幅が十分広い位置で、光ファイバから出力される光を入力する十分な大きさの導波路コアの対称伝搬モードと位相整合させることによって、出力光を導波して出力させることに思い至った。
【００１１】
そして、これらの現象を利用して光ファイバから出力される光を入力する十分な大きさの導波路コアから、出力光を導波して出力させる導波路コアに、偏波無依存で伝搬光のエネルギーを移行させることが可能であるスポットサイズ変換器を見出した。
【００１２】
すなわち、この発明は、偏波無依存でスポットサイズ変換を行うスポットサイズ変換器を提供することを目的とする。
【００１３】
この発明の要旨によれば、上述の目的を達成するため、スポットサイズ変換器は、以下の特徴を具えている。
【００１４】
この発明のスポットサイズ変換器は、第1導波路コア、第2導波路コア、第3導波路コアを備えている。第3導波路コアの幅及び厚みは光ファイバから出力される光を入力するに十分であり、第2導波路コアの出力端での幅及び厚みは、シリコン光導波路素子の光導波路に入力させる入力光のスポットサイズとするに十分である。
【００１５】
第1導波路コアと第2導波路コアは、近接させて並置され、第1導波路コアの幅は第2導波路コアの幅よりも狭い。また、第1導波路コアと第2導波路コアの中心間距離は、入力側から出力側に向けて広がるように構成されており、第1導波路コアの幅は、入力側から離れたいずれかの位置を起点にして出力側に向けて広がるように構成されている。
【００１６】
そして、第3導波路コアへの入力光のTMモード成分は、第1導波路コアと第2導波路コアの中心間距離が、第1導波路コアと第2導波路コアで形成される複合導波路の反対称伝搬モードと位相整合する条件を満たす位置で、第3導波路コアから第1導波路コアへ移行する。
【００１７】
また、第3導波路コアへの入力光のTEモード成分は、TMモード成分が第1導波路コアへ移行する位置より出力側に近い、第1導波路コアの幅がこの第1導波路コアの対称伝搬モードと位相整合する条件を満たす位置で、第3導波路コアから第1導波路コアへ移行する。
【発明の効果】
【００１８】
この発明の要旨のスポットサイズ変換器は、第1導波路コアと第2導波路コアが近接させて並置されているので、第1導波路コア及び第2導波路コアから形成される複合導波路を反対称伝搬モードで伝搬するTMモード成分の等価屈折率を効果的に低下させることができる。このことによって、第3導波路コアを基本伝搬モードで伝搬するTMモード成分と、複合導波路を反対称伝搬モードで伝搬するTMモード成分との位相整合条件を満足させることが可能となる。
【００１９】
また、その上、第1導波路コアの幅が、第2導波路コアの幅よりも狭いので、TMモード成分の反対称伝搬モードは、第1導波路コアに集中するように複合導波路を伝搬する。従って、反対称伝搬モードのTMモード成分は、入力端の近傍で第1導波路コアに移行される。
【００２０】
一方、第1導波路コアの幅が、入力端から離れたいずれかの位置を起点にして出力側に向けて広がるように構成されているので、第3導波路コアを対称伝搬モードで伝搬するTEモード成分と第1導波路コアを対称伝搬モードで伝搬するTEモード成分とが位相整合する条件を満たす幅を有する位置に到達する。すなわち、第1導波路コアの入力端から離れたいずれかの位置を起点にして出力側に向けて広げることにより、対称伝搬モードに対する等価屈折率は反対称伝搬モードに対する等価屈折率より低くなり、第3導波路コアと第1導波路コアをそれぞれ伝搬するTEモード成分に対する位相整合が実現され、第3導波路コアを対称伝搬モードで伝搬するTEモード成分が第1導波路コアを対称伝搬モードで伝搬するTEモード成分に移行する。
【００２１】
以上説明したように、この発明のスポットサイズ変換器によれば、光ファイバから出力されて第3導波路コアから入力される光は、TMモード成分及びTEモード成分のいずれも、第1導波路コアの出力端から出力される。そして、第3導波路コアの入力端での寸法(幅と厚み)が光ファイバから出力される光を入力するに十分であるように設定しておけば、光ファイバから出力される光をこの光導波路素子に低損失で入力させることができる。また、第1導波路コアの出力端の寸法（幅及び厚み）をシリコン光導波路素子の光導波路に入力させる光のスポットサイズとするに十分であるように設定しておけば、第1導波路コアから出力される直交偏波成分（TMモード成分とTEモード成分）は、シリコン光導波路素子へ低損失で入力させることが可能となる。
【００２２】
この発明のスポットサイズ変換器によれば第1光導波路コア及び第2光導波路コアの厚みを、入力端から出力端に至るまで等しく設定することが可能である。従って、シリコン光導波路素子としてスポットサイズ変換器を製造するに当たっては、SOI(Silicon on Insulator)基板を利用して、CMOSの製造プロセスを利用して製造可能となり、生産コストを低く抑えることができる。
【００２３】
すなわち、この発明のスポットサイズ変換器によれば、偏波無依存で光ファイバからから出力される光のスポットサイズを、シリコン光導波路素子の光導波路に入力させる光のスポットサイズに変換できる上、低いコストで量産可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】この発明の実施形態のスポットサイズ変換器の構成を示す概略的斜視図である。
【図２】この発明の実施形態のスポットサイズ変換器の第1〜第3導波路コアを上面から見た概略的平面図である。
【図３】入力端における第1導波路コア及び第2導波路コアと、第3導波路コアとの配置の関係の説明に供する図であり、導波の方向に垂直に切断した断面図である。
【図４】この発明の実施形態のスポットサイズ変換器の第1及び第2導波路コアを伝搬する光電場の強度分布を示す図であり、(A)はTEモード、(B)はTMモードに対するシミュレーション結果を示す図である。
【図５】第1導波路コアが単独で存在した場合の、第3導波路コアから入力された入力光の強度に対する第1導波路コアからの出力強度を、TMモード及びTEモードについて示すグラフである。
【図６】第2導波路コアを第1導波路コアに並置したこの発明のスポットサイズ変換器における、第3導波路コアから入力された入力光の強度に対する第1導波路コアからの出力強度を、TMモード及びTEモードについて示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図を参照して、この発明の実施形態につき説明する。なお、図1及び図2は、この発明の実施形態に係る一構成例を示すものであり、この発明を図示例に限定するものではない。また、以下の説明において、特定の構成素材及び設計条件等を用いることがあるが、これら構成素材及び設計条件等は好適例の一つに過ぎず、したがって、何らこれらに限定されない。また、図1及び図2において同様の構成要素については、同一の符号を付して示し、その重複する説明を省略することもある。
【００２６】
＜スポットサイズ変換器の構成＞
図1及び図2を参照して、この発明の実施形態のスポットサイズ変換器の構成について説明する。図2は、第1〜第3導波路コアを上面から見た概略的平面図である。また、図2では、第3導波路コア20の下に第1導波路コア16と第2導波路コア18が配置されている部分であっても、第1導波路コア16と第2導波路コア18を見やすくするため破線ではなく実線で示してある。
【００２７】
図1及び図2に示すように、この実施形態のスポットサイズ変換器は、次のように構成されている。
【００２８】
この実施形態のスポットサイズ変換器は、シリコン基板10、下部クラッド層12、上部クラッド層14、第1導波路コア16、第2導波路コア18、及び第3導波路コア20を備えている。第1導波路コア16及び第2導波路コア18は、下部クラッド層12上に並列して配置され、下部クラッド層12と上部クラッド層14とで囲まれて形成されている。第3導波路コア20は、第1導波路コア16及び第2導波路コア18の上に、上部クラッド層14を挟んで形成されている。
【００２９】
第1導波路コア16と第2導波路コア18を伝搬する導波光がシリコン基板10へ漏れ出ることを防ぐために、シリコン基板10の上面から第1導波路コア16及び第2導波路コア18の底面までの距離を1μｍ以上にすることが望ましい。
【００３０】
第1導波路コア16と第2導波路コア18は、伝搬光が厚み方向に対して基本伝搬モードで伝搬されるようにその厚みHを200nm〜500nmとするのが好ましい。これは、厚み方向の境界条件で確定する伝搬モードが基本伝搬モード以外でも可能である状態にしておくと、この厚み方向の境界条件で確定する伝搬モードによって、動作の安定性が損なわれる可能性があるからである。
【００３１】
仮に、1.5μm帯域での使用を前提として、第1導波路コア16だけで偏波無依存のスポットサイズ変換器を構成するとすれば導波路コアの断面形状は正方形に近いのが好ましいので、第1導波路コア16の厚みも100nm以下とする必要がある。この発明のスポットサイズ変換器では、第1導波路コア16と第2導波路コア18は、入力端近傍では近接させて並置されているため、第1導波路コア16と第2導波路コア18の厚みを100nm以下とする必要がない。
【００３２】
このスポットサイズ変換器では、第1導波路コア16と第2導波路コア18は、入力端近傍では近接させて並置されており、第1導波路コア16の幅は、第2導波路コア18の幅よりも狭く、第1導波路コア16と第2導波路コア18の中心間距離は、入力側から出力側に向けて広がっている。また、第1導波路コア16の幅は、入力側から離れたいずれかの位置（図1及び図2でAと示されてある位置）を起点にして出力側に向けて広がっている。
【００３３】
第3導波路コア20は、光ファイバから出力される光が低損失で入力されるように、その幅20r及びその厚み20sを2〜8μｍとするのが好ましい。また、上部クラッド層14上に第3導波路コア20を包み込むように、SiO2クラッド層を形成しても良い。いずれにしても、第3導波路コア20の寸法(幅20r、厚み20s)は、光ファイバ(図示を省略してある)から出力される光を入力するに十分であり、第1導波路コア16と第2導波路コア18の寸法(幅及び厚み)は、シリコンスポットサイズ変換器の光導波路に入力させる光のスポットサイズとするに十分であるように設定する。
【００３４】
なお、第1導波路コア16及び第2導波路コア18の入力端は、図1及び図2に示すように、この発明のスポットサイズ変換器を上から見て、第3導波路コア20の底面で覆われる範囲からはみ出ていてもよい。以後このような場合であっても、説明の便宜上、第3導波路コア20へ入力された入力光Pが、第1導波路コア16及び第2導波路コア18で構成される複合導波路に移行を開始する位置を第1導波路コア16及び第2導波路コア18の入力端というものとする。
【００３５】
図1に示す実施の形態では、入力端の第1導波路コア16及び第2導波路コア18と、第3導波路コア20との配置関係は、図３(A)に示すように、第1導波路コア16及び第2導波路コア18が、第3導波路コア20とは上部クラッド層14を介して隔離されているが、この関係に限定されるものではない。図3(B)に示すように、第1導波路コア16及び第2導波路コア18の上面と第3導波路コア20が接していてもよく、図3(C)に示すように、第1導波路コア16及び第2導波路コア18が第3導波路コア20の下方部分に含まれていてもよい。
【００３６】
＜スポットサイズ変換器の動作＞
図2を参照して、この発明の実施形態のスポットサイズ変換器の動作を説明する。図2では、伝搬モードを示すためにその光電場の振幅分布を模式的に示してあるが、あくまで模式的に示すものであり、実際の光電場の振幅分布を正確に反映させたものではない。
【００３７】
第3導波路コア20の入力端20aに入力される入力光Pは、第3導波路コア20に基本伝搬モード21を励起する。第1導波路コア16と第2導波路コア18が近接している入力端近傍では、入力端近傍から離れた場所と比較して、第1導波路コア16と第2導波路コア18で構成される複合導波路の、TMモード成分の反対称伝搬モードに対する等価屈折率が低い。そして、第3導波路コア20は、第1導波路コア16及び第2導波路コア18の上に、上部クラッド層14を挟んで形成されている。あるいは、第1導波路コア16及び第2導波路コア18の上面と第3導波路コア20が接して構成されているか、または、第1導波路コア16及び第2導波路コア18が第3導波路コア20の下方部分に含まれて構成されている。そのため、第3導波路コア20の基本伝搬モード21と複合導波路のTMモード成分の反対称伝搬モード22との位相整合が実現し、基本伝搬モード21から反対称伝搬モード22にその光エネルギーが移行する。
【００３８】
また、第1導波路コア16の幅が第2導波路コア18の幅より狭いと、反対称伝搬モード22の光エネルギーは第1導波路コア16に集まっていくことが知られている。入力端近傍から図1及び図2でAと示されてある位置までの範囲では、第1導波路コア16の幅は、第2導波路コア18の幅よりも狭くなっている。そのため、反対称伝搬モード22の光エネルギーは、複合導波路を伝搬中に徐々に第1導波路コア16へ移行され出力端から対称伝搬モード24の出力光Qが出力される。
【００３９】
一方、TEモード成分に対しては、第1導波路コア16の幅が、入力側から離れたいずれかの位置（図1及び図2でAと示されてある位置）から出力側に向けて広がっているので、Aで示す位置より出力端に近い位置で第3導波路コア20の基本伝搬モード21と複合導波路の対称伝搬モード23との位相整合が実現する。そのため、この位置から出力端までの間で、第1導波路コア16へ移行され、出力端から対称伝搬モード25の出力光Qが出力される。
【００４０】
第1導波路コア16と第2光導波路コア18の間隔も、第1導波路コア16のAと示されている位置から出力端までの間は十分に広く形成されている。すなわち、第1導波路コア16のAと示されている位置から出力端までの間は、第1導波路コア16と第2光導波路コア18の間隔が、第1導波路コア16が単独で存在するとみなせる程度に確保されている。この結果、TEモード成分が第2光導波路コア18へ移動することがほとんど無視できる程度にすることが可能となる。
【００４１】
＜スポットサイズ変換器の動作の検証＞
シミュレーションによってこの発明のスポットサイズ変換器の動作を検証したので、その結果について説明する。シミュレーションは、ビーム伝搬法(BPM: Beam Propagation Method)によって行った。
【００４２】
シミュレーションでは、入力光Pの波長を1550nmとし、第1導波路コア16と第2導波路コア18の厚みを300nmとした。上部クラッド層14はSiO2で形成されたものとし、第3導波路コア20の屈折率を1.51とした。また、第3導波路コア20の断面形状は、一辺が3μｍの正方形(20r＝20s＝3μｍ)とした。入力端から第1導波路コア16のAと示した位置までの第1導波路コア16と第2導波路コア18とが並置されている場所での、第1導波路コア16の幅を80nmとし、第2導波路コア18の幅を120nmとした。第1導波路コア16と第2導波路コア18の間隔は、入力端で500nm、出力端で800nmとなるように徐々に広げてあるものとした。
【００４３】
第1導波路コア16の幅は、Aと示した位置から出力端までの間は、80nmを超えて徐々に広がっており、第3導波路コア20の基本伝搬モード21と複合導波路の対称伝搬モード23との位相整合が実現するように設定した。
【００４４】
そして、スポットサイズ変換器の全長を200μｍとした。シミュレーションでは、入力光Pを第3導波路コア20の入力端Pに入力した後の、第1導波路コア16と第2導波路コア18における光電場強度を求めた。また、第3導波路コア20への入力光Pの強度に対して第1導波路コア16から出力される出力光Qの強度を波長の関数として求めた。
【００４５】
図4に、第1導波路コア16と第2導波路コア18からなる複合導波路を伝搬する光電場強度分布を示す。光電場強度の強弱を濃淡に反映させている。図4で横軸(x軸)を光の伝搬方向に直交する方向にとってあり、光の伝搬方向を縦軸(ｚ軸)にとってある。すなわち、x軸は図2の横方向に、z軸は図2の縦方向に対応する。図4(A)はTEモード成分、図4(B)はTMモード成分に対するシミュレーション結果を示す図である。
【００４６】
図4(A)及び図4(B)において、ｚ＝-100μm〜0μmまでの間は、第1導波路コア16と第2導波路コア18が第3導波路コア20の底面下に引き込まれている部分であるので、入力光Pの入力端は、ｚ＝0μmの位置であると理解されたい。
【００４７】
図4(A)及び図4(B)に示すように、TEモード成分及びTMモード成分のいずれもが、入力端近傍で第2導波路コア18に移行しているが、出力端(ｚ＝700μm)に近づくにつれて第1導波路コア16に移行されていることが読み取れる。TEモード成分が第1導波路コア16に移行する位置が、TMモード成分よりも出力端に近い位置になっているのは、TEモード成分が第1導波路コア16に移行する位置は、上述したように、第1導波路コア16のAと示されている位置より出力端側に設定されているためである。
【００４８】
いずれにしても、入力光Pは、TEモード成分もTMモード成分も、そのほとんどが第1導波路コア16に移行する。このことから、第3導波路コア20に入力された入力光Pは、TEモード成分とTMモード成分がともに第1導波路コア16の出力端から出力光Qが出力されることが分かる。
【００４９】
仮に、第2導波路コア18が設けられずに、第1導波路コア16が単独で存在する場合は、入力端で第1導波路コア16の幅が厚みよりも狭くなっており、TEモードに対する等価屈折率がTMモードに対する等価屈折率より低くなっている。例えば、第1導波路コア16の幅が80nmで、厚みが200nm以上である場合には、TMモードに対して、第3導波路コア20を伝搬する伝搬モードと、第1導波路コア16の伝搬モードとの位相整合が実現されない。第3導波路コア20の屈折率が1.6以上であれば、位相整合が実現できるが、この条件では一般に第3導波路コア20の伝搬モードが多モードとなり、実用に供せない。また、第1導波路コア16の幅が80nmで、厚みが200nm以下である場合は、光の閉じ込めが弱く実用に供せない。従って、第2導波路コア18を設けず、第1導波路コア16と第3導波路コア20を備え、第1導波路コア16の厚みを一定とし、その幅を導波の方向に沿って徐々に変化させてスポットサイズ変換器を実現しようとしても、第3導波路コア20を伝搬するTMモードを第1導波路コア16に移行させることは困難であった。
【００５０】
この発明では、新たに第2導波路コア18を備え、第1導波路コア16と第2導波路コア18を近接させて並置する構成とすることによって、複合導波路のTMモード成分の反対称伝搬モードに対する等価屈折率が低くなるという特徴を生かして、第3導波路コア20の基本伝搬モード(対称伝播モード)と、複合導波路の伝搬モードとの位相整合を実現している。そして、TEモード成分に対しては、入力側から離れたいずれかの位置(図1及び2でAと示されている位置)から出力端までの間で第1導波路コア16の幅を広げることによって、第3導波路コア20から第1導波路コア16へ移行させている。
【００５１】
図5を参照して、第1導波路コアが単独で存在した場合の、第3導波路コア20への入力光Pの強度に対する第1導波路コア16から出力される出力光Qの強度を波長の関数として求めた結果を説明する。図5の横軸は入力光Pの波長をμm単位で目盛って示してあり、縦軸は第3導波路コア20への入力光Pの強度に対する第1導波路コア16の出力端から出力される出力光Qの強度をdB目盛りで示してある。図5に示すように、TEモード成分は第1導波路コア16に効率よく移行するが、TMモード成分は移行の割合が、−4dB以下と小さいことが分かる。すなわち、偏波無依存が達成されない。
【００５２】
次に、図6を参照して、この第1導波路コア16と第2導波路コア18とが両方設けられたこの発明のスポットサイズ変換器について、第3導波路コア20への入力光Pの強度に対する第1導波路コア16から出力される出力光Qの強度を波長の関数として求めた結果を説明する。図6の横軸は入力光Pの波長をμm単位で目盛って示してあり、縦軸は第3導波路コア20への入力光Pの強度に対する第1導波路コア16の出力端から出力される出力光Qの強度をdB目盛りで示してある。図6に示すように、TEモード成分及びTMモード成分の両方とも効率よく第1導波路コア16の出力端から出力光Qが出力されることが分かる。
【００５３】
＜スポットサイズ変換器の製造方法＞
スポットサイズ変換器を構成する光導波路パターン構造体は、例えば、SOI基板を入手して、以下の工程によって形成できる。SOI基板は、広く市販品として入手可能であり、シリコン基板に酸化シリコン層、及びこの酸化シリコン層上に光導波路の厚みに等しい厚みHのシリコン層が形成されている。まず、このSOI基板を用意するステップを実行する。
【００５４】
SOI基板の酸化シリコン層上に形成されているシリコン層に対して、上述の第1導波路コア16及び第2導波路コア18を構成する光導波路パターンを残してドライエッチング等を行い、他の部分のシリコン層を取り除く。
【００５５】
第1導波路コア16及び第2導波路コア18を形成するステップに続き、エッチング処理で残された光導波路パターンを導波構造のコアとして取り囲む酸化シリコン層（上部クラッド層14となる）を化学気相成長(CVD: Chemical Vapor Deposition)法等によって形成する。
【００５６】
図1、及び図2に示す、第1導波路コア16及び第2導波路コア18が、第3導波路コア20とは上部クラッド層14を介して隔離されている構成（図3(A)参照）とするには、上部クラッド層14となる酸化シリコン層を形成したあと、酸化シリコン層の上面が平坦になるように研磨し、この酸化シリコン層を上部クラッド層14として形成する。
【００５７】
図3(B)を参照して説明した形状に形成するのであれば、このステップで、第1導波路コア16及び第2導波路コア18の厚みHと、上部クラッド層14の厚みが等しくなるように研磨する。図3(C)を参照して説明した形状に形成するのであれば、上部クラッド層14を形成するステップを省略してもよい。このステップを省略すると図3(C)に示す形態となる。
【００５８】
上部クラッド層14を形成する場合であっても上部クラッド層14の上面が第1導波路コア16及び第2導波路コア18の上面を上回らないように形成する。このように上部クラッド層14を形成すると、図3(B)を参照して説明した形状と多少異なり上部クラッド層14が存在する形態となる。この場合であっても、第1導波路コア16及び第2導波路コア18が第3導波路コア20の下方部分に含まれた構成となるがスポットサイズ変換器としての動作に基本的な変更は生じない。
【００５９】
続いて、第3導波路コア２０を形成するため、上部クラッド層14より屈折率が高くしかも第1導波路コア16及び第2導波路コア18を構成するシリコンよりも屈折率が低い材料、例えばSiOx（0＜x＜2）あるいはSiN膜をCVD法等によって成膜する。酸素の組成比xが大きくなるに従って屈折率は低くなる。従って、第3導波路コア20の屈折率を上部クラッド層14の屈折率より高くするために、SiOxのxの値を、第3導波路コア20では上部クラッド層14より小さく設定する。
【００６０】
その後、第3導波路コア20の部分を残してエッチング処理して第3導波路コア20を形成する。第3導波路コア20を形成した後、上部クラッド層14上に第3導波路コア20を包み込むように、CVD法等によってSiO2クラッド層を形成しても良い。
【００６１】
このように、この発明のスポットサイズ変換器を構成する光導波路パターン構造体は、SOI基板を用いて周知のエッチング処理、CVD法等によって形成することが可能であるので、量産性に優れ低コストで簡便に形成することが可能である。
【符号の説明】
【００６２】
10：シリコン基板
12：下部クラッド層
14：上部クラッド層
16：第1導波路コア
18：第2導波路コア
20：第3導波路コア
【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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