(57)【要約】      （修正有）【課題】簡易的な工程で製造することができ、かつ、精度が高く、垂直テーパ導波路と同等の機能を有する光導波路と光導波路を利用したスポットサイズ変換器、偏光フィルタ、光結合器、光検出器、光合分波器、および、レーザ素子を提供する。【解決手段】入射された光を閉じ込めて導波する厚さが略一様なコア領域１と、コア領域１を前記厚さ方向の両面から挟み込むクラッド領域２と、を備え、コア領域１は、コア領域１の導波方向に沿って、実効屈折率が連続的に変化しており、コア領域１の実効屈折率は、少なくとも、クラッド領域２の屈折率より高い光導波路１０であって、コア領域１は、第１領域１ａと、第１領域１ａより屈折率の低い第２領域１ｂと、を備え、第１領域１ａと第２領域１ｂとが、入射された光の波長と同程度の周期、または、小さい周期を有するように配置されている。【選択図】図１
2015175902.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射された光を閉じ込めて導波する厚さが略一様なコア領域と、
前記コア領域を前記厚さ方向の両面から挟み込むクラッド領域と、を備え、
前記コア領域は、前記コア領域の導波方向に沿って、実効屈折率が連続的に変化しており、
前記コア領域の前記実効屈折率は、少なくとも、前記クラッド領域の屈折率より高いことを特徴とする光導波路。
【請求項２】
前記コア領域は、少なくとも、第１領域と、前記第１領域より屈折率の低い第２領域と、を備え、
前記第１領域と前記第２領域とが、前記入射された光の波長と同程度の周期、または、前記入射された光の波長より小さい周期を有するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
【請求項３】
前記コア領域は、第１領域と、前記第１領域より屈折率の低い第２領域と、を備え、
前記第１領域の屈折率をｎａ、前記第２領域の屈折率をｎｂ、前記第１領域を伝搬する光の波数をｋａ、前記第２領域を伝搬する光の波数をｋｂ、入射された光の波数のうち前記コア領域の導波方向および前記厚さ方向と直交する方向の成分をｋｘ、前記第１領域の幅をｗａ、前記第２領域の幅をｗｂ、周期をΛ、入射された光の波長をλ、伝搬定数をβとすると、前記コア領域は、式（Ａ）と（Ｃ）、または、式（Ｂ）と（Ｃ）の少なくとも一方について２つの式を満たすｋａおよびｋｂの組み合わせを１つまたは２つ有するように、ｎａ、ｎｂ、ｗａ、ｗｂが設定されていることを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
【数１】
2015175902.tif 000012
【数２】
2015175902.tif 000013
【数３】
2015175902.tif 000014
【請求項４】
前記コア領域の前記実効屈折率は、前記導波方向に沿って、線形に高くなる、または、線形に低くなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の光導波路。
【請求項５】
前記第１領域は、前記導波方向に沿って、前記厚さ方向に垂直な幅方向の幅が大きくなるテーパ形状を有し、
前記第２領域は、前記導波方向に沿って、前記幅方向の幅が小さくなるテーパ形状を有することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１つに記載の光導波路。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つに記載の光導波路と、
光を入力される光入力部と、
光を出力する光出力部と、を備え、
前記光導波路は、前記光入力部から入力された光のスポットサイズを変換し、前記光出力部から出力することを特徴とするスポットサイズ変換器。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか１つに記載の光導波路と、
前記光導波路に入射された光のうち、前記厚さ方向に平行な偏光であるＴＭモードの光の少なくとも一部を吸収する光吸収部と、を備え、
前記光導波路は、前記入射された光の前記ＴＭモードに直交するＴＥモードの光を前記ＴＭモードの光より、前記厚さ方向の光の電界分布の広がりが小さくなるように導波し、
前記クラッド領域は、前記光吸収部側の前記クラッド領域の厚さが、前記入射された光のＴＭモードの光の少なくとも一部と前記光吸収部とが重なる厚さであり、
前記光吸収部は、前記ＴＭモードの光を前記ＴＥモードの光より多く吸収することを特徴とする偏光フィルタ。
【請求項８】
請求項１〜３のいずれか１つに記載の光導波路と、
前記光導波路の片面に形成され、入射された光を閉じ込めて導波する、厚さが略一様であり、前記クラッド層より屈折率が高い第２コア領域と、
前記第２コア領域の前記光導波路と対向する面とは反対側の面に形成され、前記第２コア領域より屈折率が低い第２クラッド領域と、
を備えることを特徴とする光結合器。
【請求項９】
請求項１〜３のいずれか１つに記載の光導波路と、
前記光導波路の光強度を検出する光検出手段と、を備え、
前記コア領域は、前記導波方向において前記実効屈折率が極小となる検出部を有し、
前記光検出手段は、前記検出部に近接して配置されることを特徴とする光検出器。
【請求項１０】
入射された光を閉じ込めて導波する厚さが略一様なコア領域と、
前記コア領域を前記厚さ方向の両面から挟み込み光共振器を形成する第１反射鏡および第２反射鏡と、を備え、
前記コア領域は、前記コア領域の導波方向に沿って、実効屈折率が連続的に変化していることを特徴とする光合分波器。
【請求項１１】
光共振器を構成する第１反射鏡および第２反射鏡と、前記第１反射鏡と前記第２反射鏡との間に配置された活性層と、前記活性層に電流を注入する電極と、を備え、前記第１反射鏡側から光を出力する面発光レーザと、
該面発光レーザの前記第１反射鏡側に形成された光導波層と、を備え、
前記光導波層は、第３反射鏡と、前記第１反射鏡と前記第３反射鏡との間に形成され、前記面発光レーザから出力された光を閉じ込めて導波する厚さが略一様なコア領域とを備え、
前記コア領域は、前記面発光レーザの出力方向と直交する面に平行な導波方向に沿って、実効屈折率が連続的に変化していることを特徴とするレーザ素子。
【請求項１２】
前記コア領域の前記面発光レーザの直下領域における実効的な厚さが、当該レーザ素子のレーザ発振波長をλ、前記コア領域の実効屈折率をｎｅｆｆとして、λ／２ｎｅｆｆであることを特徴とする請求項１１に記載のレーザ素子。
【請求項１３】
前記コア領域の前記実効屈折率は、前記導波方向に沿って、線形に高くなる、または、線形に低くなることを特徴とする請求項１１または１２に記載のレーザ素子。
【請求項１４】
前記コア領域は、第１領域と、前記第１領域より屈折率の低い第２領域と、を備え、
前記第１領域と前記第２領域とが、前記面発光レーザから出力され前記コア領域に入射された光の波長と同程度の周期、または、前記面発光レーザから出力され前記コア領域に入射された光の波長より小さい周期を有するように配置されていることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか１つに記載のレーザ素子。
【請求項１５】
前記第１領域は、前記導波方向に沿って、前記厚さ方向に垂直な幅方向の幅が大きくなるテーパ形状を有し、
前記第２領域は、前記導波方向に沿って、前記幅方向の幅が小さくなるテーパ形状を有することを特徴とする請求項１４に記載のレーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路、スポットサイズ変換器、偏光フィルタ、光結合器、光検出器、光合分波器、および、レーザ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、主に光通信の分野において、石英系ガラスを材料とする様々な機能を備えた光導波路が提案されている。このような光導波路は、屈折率が高く厚さが一様な平板上のコア領域を、コア領域より屈折率の低いクラッド領域でコア領域の両面から挟みこむことにより、コア領域に光を閉じ込め、低い伝搬損失を実現している。
【０００３】
ここで、垂直方向に対してテーパ構造を有する垂直テーパ導波路が開示されている。垂直テーパ導波路は、入射された光が導波する方向に沿って、コア部の厚さが徐々に薄く、または、徐々に厚くされたテーパ構造を有する。このような垂直テーパ導波路は、たとえば光ファイバの光をＳｉ（シリコン）細線導波路に低損失で結合するためのスポットサイズ変換器等に利用して好適なものである（たとえば非特許文献１）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｒ．Ｓ．Ｂａｌｍｅｒ  ｅｔ  ａｌ．  “Ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ  Ｔａｐｅｒｅｄ  Ｅｐｉｌａｙｅｒｓ  ｆｏｒ  Ｌｏｗ−Ｌｏｓｓ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ−Ｆｉｂｅｒ  Ｃｏｕｐｌｉｎｇ  Ａｃｈｉｅｖｅｄ  ｉｎ  ａ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ  Ｒｕｎ”，  ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＬＩＧＨＴＷＡＶＥ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ，  ＶＯＬ．  ２１，  ＮＯ．  １，  ＪＡＮＵＡＲＹ  ２００３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような垂直テーパ導波路は、垂直方向のテーパ構造をエッチングや蒸着によって形成するため、工程が複雑であり、かつ、精度の高いテーパ構造を作製するのが困難であるという課題がある。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易的な工程で製造することができ、かつ、精度が高く、垂直テーパ導波路と同等の機能を有する光導波路と該光導波路を用いたスポットサイズ変換器、偏光フィルタ、光結合器、光検出器、光合分波器、および、レーザ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】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光導波路は、入射された光を閉じ込めて導波する厚さが略一様なコア領域と、前記コア領域を前記厚さ方向の両面から挟み込むクラッド領域と、を備え、前記コア領域は、前記コア領域の導波方向に沿って、実効屈折率が連続的に変化しており、前記コア領域の前記実効屈折率は、少なくとも、前記クラッド領域の屈折率より高いことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る光導波路は、上記発明において、前記コア領域は、少なくとも、第１領域と、前記第１領域より屈折率の低い第２領域と、を備え、前記第１領域と前記第２領域とが、前記入射された光の波長と同程度の周期、または、前記入射された光の波長より小さい周期を有するように配置されていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る光導波路は、上記発明において、前記コア領域は、第１領域と、前記第１領域より屈折率の低い第２領域と、を備え、前記第１領域の屈折率をｎａ、前記第２領域の屈折率をｎｂ、前記第１領域を伝搬する光の波数をｋａ、前記第２領域を伝搬する光の波数をｋｂ、入射された光の波数のうち前記コア領域の導波方向および前記厚さ方向と直交する方向の成分をｋｘ、前記第１領域の幅をｗａ、前記第２領域の幅をｗｂ、周期をΛ、入射された光の波長をλ、伝搬定数をβとすると、前記コア領域は、式（Ａ）と（Ｃ）、または、式（Ｂ）と（Ｃ）の少なくとも一方について２つの式を満たすｋａおよびｋｂの組み合わせを１つまたは２つ有するように、ｎａ、ｎｂ、ｗａ、ｗｂが設定されていることを特徴とする。
【数１】
2015175902.tif 000003
【数２】
2015175902.tif 000004
【数３】
2015175902.tif 000005
【００１０】
また、本発明に係る光導波路は、上記発明において、前記コア領域の前記実効屈折率は、前記導波方向に沿って、線形に高くなる、または、線形に低くなることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る光導波路は、上記発明において、前記第１領域は、前記導波方向に沿って、前記厚さ方向に垂直な幅方向の幅が大きくなるテーパ形状を有し、前記第２領域は、前記導波方向に沿って、前記幅方向の幅が小さくなるテーパ形状を有することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係るスポットサイズ変換器は、上記発明の光導波路と、光を入力される光入力部と、光を出力する光出力部と、を備え、前記光導波路は、前記光入力部から入力された光のスポットサイズを変換し、前記光出力部から出力することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る偏光フィルタは、上記発明の光導波路と、前記光導波路に入射された光のうち、前記厚さ方向に平行な偏光であるＴＭモードの光の少なくとも一部を吸収する光吸収部と、を備え、前記光導波路は、前記入射された光の前記ＴＭモードに直交するＴＥモードの光を前記ＴＭモードの光より、前記厚さ方向の光の電界分布の広がりが小さくなるように導波し、前記クラッド領域は、前記光吸収部側の前記クラッド領域の厚さが、前記入射された光のＴＭモードの光の少なくとも一部と前記光吸収部とが重なる厚さであり、前記光吸収部は、前記ＴＭモードの光を前記ＴＥモードの光より多く吸収することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る光結合器は、上記発明の光導波路と、前記光導波路の片面に形成され、入射された光を閉じ込めて導波する、厚さが略一様であり、前記クラッド層より屈折率が高い第２コア領域と、前記第２コア領域の前記光導波路と対向する面とは反対側の面に形成され、前記第２コア領域より屈折率が低い第２クラッド領域と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る光検出器は、上記発明の光導波路と、前記光導波路の光強度を検出する光検出手段と、を備え、前記コア領域は、前記導波方向において前記実効屈折率が極小となる検出部を有し、前記光検出手段は、前記検出部に近接して配置されることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係る光合分波器は、入射された光を閉じ込めて導波する厚さが略一様なコア領域と、前記コア領域を前記厚さ方向の両面から挟み込み光共振器を形成する第１反射鏡および第２反射鏡と、を備え、前記コア領域は、前記コア領域の導波方向に沿って、実効屈折率が連続的に変化していることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係るレーザ素子は、光共振器を構成する第１反射鏡および第２反射鏡と、前記第１反射鏡と前記第２反射鏡との間に配置された活性層と、前記活性層に電流を注入する電極と、を備え、前記第１反射鏡側から光を出力する面発光レーザと、該面発光レーザの前記第１反射鏡側に形成された光導波層と、を備え、前記光導波層は、第３反射鏡と、前記第１反射鏡と前記第３反射鏡との間に形成され、前記面発光レーザから出力された光を閉じ込めて導波する厚さが略一様なコア領域とを備え、前記コア領域は、前記面発光レーザの出力方向と直交する面に平行な導波方向に沿って、実効屈折率が連続的に変化していることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明に係るレーザ素子は、上記発明において、前記コア領域の前記面発光レーザの直下領域における実効的な厚さが、当該レーザ素子のレーザ発振波長をλ、前記コア領域の実効屈折率をｎｅｆｆとして、λ／２ｎｅｆｆであることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明に係るレーザ素子は、上記発明において、前記コア領域の前記実効屈折率は、前記導波方向に沿って、線形に高くなる、または、線形に低くなることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明に係るレーザ素子は、上記発明において、前記コア領域は、第１領域と、前記第１領域より屈折率の低い第２領域と、を備え、前記第１領域と前記第２領域とが、前記面発光レーザから出力され前記コア領域に入射された光の波長と同程度の周期、または、前記面発光レーザから出力され前記コア領域に入射された光の波長より小さい周期を有するように配置されていることを特徴とする。
【００２１】
また、本発明に係るレーザ素子は、上記発明において、前記第１領域は、前記導波方向に沿って、前記厚さ方向に垂直な幅方向の幅が大きくなるテーパ形状を有し、前記第２領域は、前記導波方向に沿って、前記幅方向の幅が小さくなるテーパ形状を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、簡易的な工程で製造することができ、かつ、精度が高く、垂直テーパ導波路と同等の機能を有する光導波路と該光導波路を利用したスポットサイズ変換器、偏光フィルタ、光結合器、光検出器、光合分波器、および、レーザ素子を提供できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、実施の形態１に係る光導波路の模式的な斜視図である。
【図２】図２は、図１に示す光導波路のｙ−ｚ面の模式的な側面図である。
【図３】図３は、図１に示す光導波路のコア領域の模式的な断面図である。
【図４】図４は、式のパラメータを説明するための図である。
【図５】図５は、実施の形態１に係る光導波路を用いたスポットサイズ変換器の模式的な斜視図である。
【図６】図６は、図５に示すスポットサイズ変換器を光が導波する様子を説明するための図である。
【図７】図７は、実施の形態１の変形例１に係る光導波路のコア領域の模式的な断面図である。
【図８】図８は、実施の形態１の変形例２に係る光導波路のコア領域の模式的な断面図である。
【図９】図９は、実施の形態２に係る偏光フィルタのｙ−ｚ面の模式的な側面図である。
【図１０】図１０は、図９に示す偏光フィルタをＴＥモードおよびＴＭモードの光が導波する様子を説明するための図である。
【図１１】図１１は、実施の形態３に係る光結合器のｙ−ｚ面の模式的な側面図である。
【図１２】図１２は、図１１に示す光結合器の第１コア領域の模式的な断面図である。
【図１３】図１３は、実施の形態４に係る光検出器のｙ−ｚ面の模式的な側面図である。
【図１４】図１４は、図１３に示す光検出器のコア領域の模式的な断面図である。
【図１５】図１５は、実施の形態５に係る光合分波器の模式的な斜視図である。
【図１６】図１６は、図１５に示す光合分波器のｙ−ｚ面の模式的な側面図である。
【図１７】図１７は、図１５に示す光合分波器のコア領域の模式的な断面図である。
【図１８】図１８は、実施の形態６に係るレーザ素子の模式的な斜視図である。
【図１９】図１９は、図１８に示すレーザ素子の模式的なｙ−ｚ断面図である。
【図２０】図２０は、図１８に示すレーザ素子の光導波層を光が導波する様子を説明するための図である。
【図２１】図２１は、図１８に示すレーザ素子の製造方法を説明するための図である。
【図２２】図２２は、実施の形態７に係るレーザ素子の模式的な斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、図面を参照して本発明に係る光導波路、スポットサイズ変換器、偏光フィルタ、光結合器、光検出器、光合分波器、および、レーザ素子の実施の形態を説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
【００２５】
（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１に係る光導波路について説明する。図１は、実施の形態１に係る光導波路の模式的な斜視図である。図１に示すように、光導波路１０は、コア領域１と、クラッド領域２とを備える。ここで、説明のために以下の各図において、入射された光が導波する方向をｚ軸、コア領域１の厚さ方向をｙ軸、ｙ軸に垂直なコア領域１の幅方向をｘ軸、とする。
【００２６】
つぎに、本発明の実施の形態１に係る光導波路１０の構造について説明する。図２は、図１に示す光導波路のｙ−ｚ面の模式的な側面図である。さらに、図３は、図１に示す光導波路のコア領域の模式的な断面図である。
【００２７】
まず、図２に示すように、光導波路１０のコア領域１は、厚さが略一様に形成され、入射された光を閉じ込めて導波する。ただし、厚さが略一様とは、たとえばθを導波方向におけるコア領域１の下面と上面との間の角度として、ｔａｎθ＜１．０×１０−３となる厚さである。さらに、図３に示すように、コア領域１は、第１領域１ａと、第１領域１ａより屈折率の低い第２領域１ｂとを備える。コア領域１のうち、第１領域１ａは、導波方向であるｚ軸に沿って、幅方向であるｘ軸方向の幅が大きくなるテーパ形状を有する。他方、第２領域１ｂは、導波方向であるｚ軸に沿って、幅方向であるｘ軸方向の幅が小さくなるテーパ形状を有する。そして、第１領域１ａと第２領域１ｂとは、導波方向に垂直なｘ軸方向に沿って交互に並んで配置されている。この第１領域１ａと第２領域１ｂとが形成するパターンの周期は、たとえば第１領域１ａのｘ軸方向の中心間距離であって、図３における長さＬ１である。このとき、長さＬ１は、入射された光の波長と同程度の周期、または、前記入射された光の波長より小さい周期を有するように配置されている。
【００２８】
コア領域１のうち、第１領域１ａは、たとえばガリウム砒素（ＧａＡｓ）やシリコン（Ｓｉ）等の各種半導体や石英系の材料等からなる。他方、第２領域１ｂは、たとえば第１領域１ａより屈折率の低い材料であって、たとえば空気層であってよいが、石英系の材料、各種半導体等であってもよく、各種の媒質が充填されていてもよい。
【００２９】
つぎに、図２に示すように、クラッド領域２は、コア領域１を厚さ方向であるｙ軸方向の両面から挟み込むように配置されている。クラッド領域２は、たとえば石英系の材料や各種半導体等からなり、後述するコア領域１の実効屈折率より屈折率が低い。
【００３０】
ここで、有効媒質理論により光導波路１０のコア領域１のｘ−ｚ平面における実効屈折率は、磁場がｘ軸に平行なＴＭモードに対して、近似的に以下の式（１）で算出することができる。
【数４】
2015175902.tif 000006
【００３１】
また、有効媒質理論により光導波路１０のコア領域１のｘ−ｚ平面における実効屈折率は、電場がｘ軸に平行なＴＥモード対して、近似的に以下の式（２）で算出することができる。
【数５】
2015175902.tif 000007
【００３２】
式（１）および式（２）において、ｎｅｆｆは実効屈折率、ｎａはコア領域１の第１領域１ａの材料の屈折率、ｎｂはコア領域１の第２領域１ｂの材料の屈折率である。そして、ηはコア領域１の単位領域における第１領域１ａの第２領域１ｂに対する割合であるデューティ比である。ここで、単位領域とは、入射光の波長と同程度のサブ波長の領域である。
【００３３】
光導波路１０は、第１領域１ａと第２領域１ｂとが、入射された光の波長と同程度の周期、または、前記入射された光の波長より小さい周期を有するように配置されている。すなわち、たとえば入射される光の波長が１．０μｍ〜１．１μｍ（１．０μｍ帯とする）であるとすると、第１領域１ａと第２領域１ｂとが形成する周期である長さＬ１は、１．１μｍ以下とされている。そして、光導波路１０のコア領域１は、サブ波長の単位領域のデューティ比が、導波方向であるｚ軸に沿って、連続的に大きくなる。つまり、式（１）および式（２）より、コア領域１の実効屈折率は、導波方向であるｚ軸に沿って、連続的に高くなる。
【００３４】
つぎに、本実施の形態１に係る光導波路１０の動作について説明する。たとえばコア領域１の実効屈折率が導波方向であるｚ軸に沿って、連続的に高くなると、入射された光はｚ軸方向に導波しながら、より強くコア領域１に閉じ込められることとなる。
【００３５】
ここで、垂直テーパ導波路は、上述のとおり、スポットサイズ変換器に用いて好適であるが、これは、たとえば垂直テーパ導波路がｚ軸方向に沿って厚くなっている場合に、入射された光はｚ軸方向に導波しながら、より強くコア領域に閉じ込められるためである。このような垂直テーパ導波路内の光の伝搬と、光導波路１０内における光の伝搬は略等しいものとみなすことができる。したがって、本実施の形態１に係る光導波路１０は、垂直テーパ導波路と同等の機能を有する光導波路である。
【００３６】
ところで、たとえば第１領域１ａと第２領域１ｂとの屈折率差が大きい場合、有効媒質理論により算出した実効屈折率から実際の実効屈折率がずれる場合がある。このような場合には、電場および磁場の境界条件から実効屈折率ｎｅｆｆを算出することができる。ここで、図４は、式のパラメータを説明するための図である。図４に示すように、第１領域１ａと第２領域１ｂとが交互に並んでいるものとする。このとき、下記の式（３）および式（４）において、ｎａは第１領域１ａの材料の屈折率、ｎｂは第２領域１ｂの材料の屈折率、ｋａは第１領域１ａを伝搬する光の波数、ｋｂは第２領域１ｂを伝搬する光の波数、ｋｘは入射された光の波数のうちｘ軸方向の成分、ｗａは第１領域１ａの幅、ｗｂは第２領域１ｂの幅、Λは周期（すなわち、ｗａ＋ｗｂ）、λは入射された光の波長、βは伝搬定数である。
【００３７】
そして、ｘ＝０とｘ＝ｗｂとにおける電場と磁場の境界条件から、電場がｘ軸に平行なＴＥモードに対して以下の式（３）が、磁場がｘ軸に平行なＴＭモードに対して以下の式（４）が導かれる。
【数６】
2015175902.tif 000008
【数７】
2015175902.tif 000009
【００３８】
さらに、ｚ軸方向の伝搬定数の境界条件から、式（５）が導かれる。
【数８】
2015175902.tif 000010
【００３９】
そして、コア領域１は、入射光がＴＥモードである場合には、式（３）、（５）、入射光がＴＭモードである場合には、式（４）、（５）を満たすｋａおよびｋｂの組み合わせを２つ、より好ましくは１つ有するように、ｎａ、ｎｂ、ｗａ、ｗｂが設定されている。すなわち、コア領域１は、式（３）と（５）、または、式（４）と（５）の少なくとも一方について２つの式を満たすｋａおよびｋｂの組み合わせを２つ、より好ましくは１つ有するように、ｎａ、ｎｂ、ｗａ、ｗｂが設定されている。このとき、実効屈折率ｎｅｆｆは、以下の式（６）で表される。
【数９】
2015175902.tif 000011
【００４０】
このように、電場および磁場の境界条件からコア領域１内の伝搬モードが１つになるようにすることにより、コア領域１は一様な媒質とみなすことができ、入射された光はコア領域１を一様な媒質中と同様に伝搬する。また、基本偶モードと基本奇モードとの２つのモードの場合、２つのモードの結合係数は十分小さいため、基本偶モードの伝搬定数のみを考慮すればよく、コア領域１は一様な媒質とみなすことができ、入射された光はコア領域１を一様な媒質中と同様に伝搬する。なお、コア領域１の面方向に対する入射光の入射角が平行からずれていくと、基本偶モードと基本奇モードとの２つのモード間の結合が大きくなるため、コア領域１は一様な媒質とみなすことができなくなることに留意すべきである。したがって、入射光はコア領域１の面方向に平行に入射することが好ましい。以上のように、コア領域１の各パラメータを設定し、所望の屈折率分布を有する光導波路１０を実現することができる。
【００４１】
つぎに、本実施の形態１に係る光導波路１０の製造方法について説明する。まず、不図示の基板上に、クラッド領域２の片側となる材料を、たとえばＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって積層させる。さらに、その上に、コア領域１ａとなる材料を積層させる。
【００４２】
つぎに、フォトリソグラフィと反応性イオンエッチングにより、コア領域１の第１領域１ａを形成する。これは、フォトリソグラフィにおけるフォトレジストを、コア領域１の第１領域１ａと同一の形状に形成することで実現する極めて簡単な工程である。さらに、フォトリソグラフィの加工精度は、数１０ｎｍ〜数１００ｎｍの精度であり、光通信で用いる光の波長の１μｍ程度の長さより１桁以上小さい。したがって、フォトリソグラフィにより、精度よく第１領域１ａと第２領域１ｂとの周期を形成することができる。
【００４３】
ここで、コア領域１の第２領域１ｂは、たとえば空気層であるとする。このとき、コア領域１のクラッド領域２と接していない面に、不図示の基板上に積層されたクラッド領域２の片側となる材料を貼り合わせることにより、図１に示す光導波路１０の構造が形成される。これによって、本実施の形態１に係る光導波路１０が製造され、簡易的な工程で製造することができ、かつ、精度が高く、垂直テーパ導波路と同等の機能を有する光導波路が実現される。
【００４４】
以上のように、本実施の形態１に係る光導波路１０は、簡易的な工程で製造することができ、かつ、精度が高く、垂直テーパ導波路と同等の機能を有する光導波路である。
【００４５】
つぎに、本実施の形態１に係る光導波路１０を用いたスポットサイズ変換器について説明する。図５は、実施の形態１に係る光導波路を用いたスポットサイズ変換器の模式的な斜視図である。図５に示すように、スポットサイズ変換器１００は、光導波路１０と、光導波路１０の光入力部１０ａに接続された光ファイバ２０と、光導波路１０の光出力部１０ｂに接続された光導波路３０と、光導波路３０に接続された光導波路４０とを備える。
【００４６】
光導波路１０は、光ファイバ２０と接続され、光ファイバ２０から光を入力される光入力部１０ａと、光導波路３０と接続され、光導波路３０へ光を出力する光出力部１０ｂとを備えているが、それ以外は図１の光導波路１０と同一の構成であってよい。
【００４７】
光ファイバ２０は、シングルモードファイバであってよいが、マルチモードファイバであってもよい。
【００４８】
光導波路３０は、導波方向であるｚ軸に沿って、幅方向であるｘ軸方向の幅が小さくなるコア領域３１と、コア領域３１の周囲に形成されたクラッド領域３２とを備える。コア領域３１とクラッド領域３２とは、それぞれ光導波路１０の第１領域１ａとクラッド領域２と同一の材料であってよい。
【００４９】
光導波路４０は、コア領域４１と、クラッド領域４２とを備える。光導波路４０は、たとえばＳｉ細線導波路であってよいが、石英系の材料や各種半導体等からなる光導波路であってもよい。また、図５において、光導波路４０を埋め込み型の導波路として図示したが、リッジ型の導波路等、埋め込み型以外の導波路であってもよい。
【００５０】
つぎに、本実施の形態１に係る光導波路１０を用いたスポットサイズ変換器の動作について説明する。図６は、図５に示すスポットサイズ変換器を光が導波する様子を説明するための図である。図６における曲線は、導波する光のｙ軸方向の電界分布を表している。ここでは、一例として、光ファイバ２０は、モードフィールド径が９μｍのシングルモードファイバであり、光導波路４０は、１辺が１μｍのＳｉ細線導波路であるものとする。
【００５１】
まず、光ファイバ２０から光導波路１０へ光ｌ２０が入射する。ここで、光ｌ２０は、光ファイバ２０のモードフィールド径から、９μｍ程度の電界分布の広がりを有する。したがって、光導波路１０の光入力部１０ａから入射した光ｌ１０ａも同程度の電界分布の広がりを有する。ここで、光導波路１０のコア領域１は、導波方向に沿って実効屈折率が連続的に高くなる。したがって、入射された光は、導波しながらコア領域１内により強く閉じ込められる。つまり、導波する光のｙ軸方向における電界分布の広がりが小さくなる。そして、光導波路１０の光出力部１０ｂから出力する光ｌ１０ｂは、図６のように、ｙ軸方向における電界分布の広がりの小さい光ｌ３０として、光導波路３０に入力される。さらに、図５に示すようなｘ軸方向の光の電界分布を小さくするテーパ導波路である光導波路３０を経由することで、１辺が１μｍのＳｉ細線導波路である光導波路４０に低損失で結合することができる。このように、本実施の形態１に係る光導波路１０は、スポットサイズ変換器１００に適用して好適である。
【００５２】
なお、本実施の形態１に係る光導波路１０は、ｘ軸方向の両側面において、空気層がクラッド層として機能し、ｘ軸方向の光の閉じ込めを実現している。しかしながら、ｘ軸方向の両側面に、たとえばクラッド領域２と同一の材料からなるクラッド層を、さらに形成した構成であってもよい。
【００５３】
以上説明したように、本実施の形態１に係る光導波路１０およびスポットサイズ変換器１００は、簡易的な工程で製造することができ、かつ、精度が高く、垂直テーパ導波路と同等の機能を有する光導波路およびその光導波路を用いたスポットサイズ変換器である。
【００５４】
（変形例１）
つぎに、実施の形態１の変形例１に係る光導波路について説明する。実施の形態１の変形例１に係る光導波路のコア領域以外の構成は、実施の形態１に係る光導波路１０と同一の構成であってよい。図７は、実施の形態１の変形例１に係る光導波路のコア領域の模式的な断面図である。図７に示すように、変形例１に係る光導波路のコア領域１Ａのうち、第１領域１Ａａは、導波方向であるｚ軸に沿って、１辺の長さＬ１Ａａが大きくなる方形の領域からなる。そして、その方形の領域は、長さＬ１Ａで間隔に配置されている。他方、第１領域１Ａａ以外の領域が第２領域１Ａｂであり、第２領域１Ａｂは第１領域１Ａａより屈折率が小さいものとする。第１領域１Ａａにおける方形の領域の間隔である長さＬ１Ａは、入射された光の波長と同程度、または、入射された光の波長より小さいものとする。これによって、式（１）および式（２）、または、式（３）〜式（６）から、コア領域１Ａの実効屈折率を求めることができる。このとき、コア領域１Ａの実効屈折率は、導波方向であるｚ軸に沿って、連続的に高くなる。このように、実施の形態１に係る光導波路は、第１領域１Ａａと第２領域１Ａｂとが形成する周期が、入射された光の波長と同程度、または、入射された光の波長より小さく、導波方向に沿って実効屈折率が変化していれば、第１領域１Ａａと第２領域１Ａｂとのパターンを任意に設定することができる。
【００５５】
このような、第１領域１Ａａと第２領域１Ａｂとのパターンを有する光導波路は、実施の形態１の製造方法と同様の方法を用いて、フォトレジストのパターンのみを変えることにより簡単に製造することができる。
【００５６】
このように、実施の形態１の変形例１に係る光導波路は、第１領域１Ａａと第２領域１Ａｂとが、入射された光の波長と同程度の周期、または、入射された光の波長より小さい周期を有するように配置されている。これにより、コア領域１Ａの導波方向であるｚ軸に沿って、実効屈折率が変化している。したがって、実施の形態１と同様に、実施の形態１の変形例１に係る光導波路は、簡易的な工程で製造することができ、かつ、精度が高く、垂直テーパ導波路と同等の機能を有する光導波路である。
【００５７】
（変形例２）
つぎに、実施の形態１の変形例２に係る光導波路について説明する。実施の形態１の変形例２に係る光導波路のコア領域以外の構成は、実施の形態１に係る光導波路１０と同一の構成であってよい。図８は、実施の形態１の変形例２に係る光導波路のコア領域の模式的な断面図である。図８に示すように、変形例２に係る光導波路のコア領域１Ｂのうち、第１領域は、第１領域１Ｂａａと第１領域１Ｂａｂとを備え、それぞれ導波方向であるｚ軸に沿って、幅方向であるｘ軸方向の幅が大きくなるテーパ形状を有する。他方、第２領域１Ｂｂは、導波方向であるｚ軸に沿って、幅方向であるｘ軸方向の幅が小さくなるテーパ形状を有する。第１領域１Ｂａａ、第１領域１Ｂａｂ、第２領域１Ｂｂとが形成する周期である長さＬ１Ｂは、入射された光の波長と同程度、または、入射された光の波長より小さいものとする。
【００５８】
ここで、第１領域１Ｂａａと第１領域１Ｂａｂとは互いに屈折率が異なり、第２領域１Ｂｂの屈折率は第１領域１Ｂａａおよび第１領域１Ｂａｂの屈折率より小さい。これによって、コア領域１Ｂの実効屈折率は、導波方向であるｚ軸に沿って、連続的に高くなる。このように、実施の形態１に係る光導波路は、導波方向に沿って実効屈折率が変化していれば、第１領域が、２つ以上の屈折率の異なる領域からなる構成であってもよい。なお、実施の形態１に係る光導波路は、第２領域１Ｂｂが、２つ以上の屈折率の異なる領域からなる構成であってもよい。
【００５９】
このような、第１領域である第１領域１Ｂａａおよび第１領域１Ｂａｂと第２領域１Ｂｂとのパターンを有する光導波路は、実施の形態１の製造方法と同様の方法を用いて、フォトレジストのパターンのみを変えることにより簡単に製造することができる。
【００６０】
このように、実施の形態１の変形例２に係る光導波路は、第１領域と第２領域１ｂとが、入射された光の波長と同程度の周期、または、入射された光の波長より小さい周期を有するように配置されている。これにより、コア領域１Ｂの導波方向であるｚ軸に沿って、実効屈折率が変化している。したがって、実施の形態１と同様に、実施の形態１の変形例１に係る光導波路は、簡易的な工程で製造することができ、かつ、精度が高く、垂直テーパ導波路と同等の機能を有する光導波路である。
【００６１】
（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２に係る偏光フィルタについて説明する。図９は、実施の形態２に係る偏光フィルタのｙ−ｚ面の模式的な側面図である。図９に示すとおり、本実施の形態２に係る偏光フィルタ２００は、コア領域２０１と、クラッド領域２０２と、光吸収部２０３とを備える。コア領域２０１と、クラッド領域２０２とは、実施の形態１と同一の構成であってよく、コア領域２０１は、図３と同様にテーパ状の第１領域と第２領域とを備え、コア領域２０１の実効屈折率は、ｚ軸方向に沿って、連続的に高くなっている。ここで、偏光フィルタ２００に入射された光の幅方向であるｘ軸に平行な偏光をＴＥモード、偏光フィルタ２００に入射された光の厚さ方向であるｙ軸に平行な偏光をＴＭモードとする。このとき、コア領域２０１とクラッド領域２０２とからなる光導波路は、ＴＥモードの光をＴＭモードの光より、ｙ軸方向の光の電界分布の広がりが小さくなるように導波する。また、クラッド領域２０２は、光吸収部２０３側のクラッド領域２０２の厚さが、入射された光のＴＭモードの光の少なくとも一部と光吸収部２０３とが重なる厚さとされている。
【００６２】
光吸収部２０３は、コア領域２０１とクラッド領域２０２とからなる光導波路に入射された光のうち、ＴＭモードの光の少なくとも一部を吸収する。光吸収部２０３は、たとえば各種半導体や炭素等の材料からなる。それ以外にも、光を吸収する材料であれば、どのような材料でも適用することができる。
【００６３】
つぎに、本発明の実施の形態２に係る偏光フィルタの動作について説明する。図１０は、図９に示す偏光フィルタをＴＥモードおよびＴＭモードの光が導波する様子を説明するための図である。図１０に示すように、入射された光のＴＥモードの光ｌ２０１ａａのｙ軸方向の電界分布の広がりは、入射された光のＴＭモードの光ｌ２０１ｂａのｙ軸方向の電界分布の広がりより小さい。したがって、光ｌ２０１ａａは、光吸収部２０３と重ならない、または、重なりが小さいが、光ｌ２０１ｂａは、光吸収部２０３と十分に重なっている。
【００６４】
まず、図１０（ａ）に示すように、ＴＥモードの光について、光ｌ２０１ａａは、コア領域２０１とクラッド領域２０２とからなる光導波路を導波しながら、ｚ軸方向に進むにつれて、コア領域２０１の実効屈折率が高くなることにより、コア領域２０１により強く閉じ込められるので、光ｌ２０１ａａより光ｌ２０１ａｂは、ｙ軸方向の電界分布の広がりが小さくなる。したがって、入射された光のうち、ＴＥモードの光は、光導波路を導波する間に、光吸収部２０３と重なりがほとんど生じず、ほとんど吸収されない。
【００６５】
一方で、図１０（ｂ）に示すように、ＴＭモードの光について、光ｌ２０１ｂａは、コア領域２０１とクラッド領域２０２とからなる光導波路を導波しながら、ｚ軸方向に進むにつれて、コア領域２０１の実効屈折率が高くなることにより、コア領域２０１により強く閉じ込められるので、光ｌ２０１ｂａより光ｌ２０１ｂｂは、ｙ軸方向の電界分布の広がりが小さくなる。しかしながら、光ｌ２０１ｂａが光吸収部２０３と重なっているため、少なくとも光が光導波路を導波しながら、ｙ軸方向の電界分布の広がりが十分小さくなるまでは、光吸収部２０３に吸収され続ける。このとき、吸収が十分大きいと、ＴＭモードの光は全て吸収され、偏光フィルタ２００から出射される光はＴＥモードのみとなる。このように光吸収部２０３は、ＴＭモードの光をＴＥモードの光より多く吸収する。したがって、偏光フィルタ２００は、偏光フィルタとして機能していることがわかる。
【００６６】
なお、光吸収部２０３側のクラッド領域２０２の厚さや、光吸収部２０３の吸収率、偏光フィルタ２００の長さ等を調整することにより、光導波路から出射される光にどれだけＴＭモードの光を残留させるかを調整することが可能である。
【００６７】
また、本実施の形態２においては、コア領域２０１に平行に光吸収部２０３を配置したが、コア領域２０１と直交するｙ軸方向に平行に光吸収部２０３を配置してもよい。この場合、入射した光のうち、ＴＭモード光は光吸収部２０３にほとんど吸収されず、ＴＥモードの光が光吸収部２０３に吸収される。ただし、ＴＥモードの光が光吸収部２０３に吸収されすぎないよう、コア領域２０１と光吸収部２０３との間であるコア領域２０１の側面には、クラッド領域２０２が配置されていることが好ましい。
【００６８】
このような、偏光フィルタ２００は、コア領域２０１とクラッド領域２０２とからなる光導波路を、実施の形態１の製造方法と同様の方法を用いて製造し、光吸収部２０３を貼り合わせることで極めて容易に製造することができる。したがって、本実施の形態２に係る偏光フィルタ２００は、簡易的な工程で製造することができ、かつ、精度が高く、垂直テーパ導波路と同等の機能を有する光導波路を用いた偏光フィルタである。
【００６９】
（実施の形態３）
つぎに、本発明の実施の形態３に係る光結合器について説明する。図１１は、実施の形態３に係る光結合器のｙ−ｚ面の模式的な側面図である。図１１に示すとおり、本実施の形態３に係る光結合器３００は、第１コア領域３０１と、第１コア領域を厚さ方向の両面から挟み込むクラッド層である第１クラッド領域３０２と、第１クラッド領域３０２の片面に形成された第２コア領域３０３と、第２コア領域３０３の第１コア領域３０１と対向する面とは反対側の面に形成された第２クラッド領域３０４とを備える。
【００７０】
第１コア領域３０１および第１クラッド領域３０２が形成する光導波路は、実施の形態１の光導波路１０と同一の構成であってよいが、後述する第１コア領域３０１の実効屈折率の分布が異なる。第２コア領域３０３は、入射された光を閉じ込めて導波する厚さが略一様な層である。また、第２コア領域３０３は、第１クラッド領域３０２より屈折率が高く一様な屈折率を有する。第２クラッド領域３０４は、第２コア領域３０３よりも屈折率が低い。
【００７１】
図１２は、図１１に示す光結合器の第１コア領域の模式的な断面図である。図１２に示すように、第１コア領域３０１は、第１領域３０１ａと、第１領域３０１ａより屈折率の低い第２領域３０１ｂとを備える。第１領域３０１ａは、図１２の紙面左側からｚ軸正方向に沿って中央部Ｓに向かって、幅方向であるｘ軸方向の幅が小さくなるテーパ形状を有し、さらに、ｚ軸正方向に沿って中央部Ｓから離れるほど、ｘ軸方向の幅が大きくなるテーパ形状を有する。第２領域３０１ｂは、第１領域３０１ａのテーパ形状の間に配置されている。つまり、第１コア領域３０１は、中央部Ｓにおいて、最も実効屈折率が低くなるように形成されている。
【００７２】
つぎに、本実施の形態３に係る光結合器３００の動作について説明する。まず、第１コア領域３０１に、図１１の紙面左方向から光が入射したとする。入射した光は、ｚ軸方向に沿って第１コア領域３０１を伝搬する。このとき、伝搬する光の電界分布の広がりは中央部Ｓに近づくほど大きくなる。電界分布の広がりが大きくなると、電界分布の広がりが第２コア領域３０３と重なり、入射光は第２コア領域３０３に結合する。その後、第１コア領域３０１を伝搬する光は、再度電界分布の広がりが小さくなり、第１コア領域３０１から出力される。一方、第２コア領域３０３に結合した光は第２コア領域３０３から出力される。一方、第２コア領域３０３に入射された光も、第１コア領域３０１と第２コア領域３０３とに分岐して出力される。このように、光結合器３００は、１×２の光結合器として機能する。なお、第１コア領域３０１と第２コア領域３０３との光の分岐比は、第１コア領域３０１と第２コア領域３０３と間のクラッド領域３０２の厚さや、各層の屈折率、第１コア領域３０１の屈折率分布等を調整することにより所望の値とすることができる。
【００７３】
このような、第１領域３０１ａと第２領域３０１ｂとのパターンを有する光結合器３００は、実施の形態１の製造方法と同様の方法を用いて、フォトレジストのパターンを変えることにより簡単に製造することができる。したがって、実施の形態１と同様に、実施の形態３に係る光結合器３００は、簡易的な工程で製造することができ、かつ、精度が高く、垂直テーパ導波路と同等の機能を有する光導波路を用いた光結合器である。
【００７４】
（実施の形態４）
つぎに、本発明の実施の形態４に係る光検出器について説明する。図１３は、実施の形態４に係る光検出器のｙ−ｚ面の模式的な側面図である。図１３に示すとおり、本実施の形態４に係る光検出器４００は、コア領域４０１およびクラッド領域４０２が形成する光導波路と、光導波路の光強度を検出する光検出手段としてのディテクタＤと、モニタＭとを備える。コア領域４０１およびクラッド領域４０２が形成する光導波路は、実施の形態１の光導波路１０と同一の構成であってよく、クラッド領域４０２は、コア領域４０１より屈折率が低い。また、コア領域４０１は、導波方向において実効屈折率が極小となる検出部を有する。コア領域４０１の検出部は中央部Ｓである。そして、ディテクタＤは、検出部である中央部Ｓに近接して配置される。モニタＭは、ディテクタＤに接続される。
【００７５】
図１４は、図１３に示す光検出器のコア領域の模式的な断面図である。図１４に示すように、コア領域４０１は、第１領域４０１ａと、第１領域４０１ａより屈折率の低い第２領域４０１ｂとを備える。そして、第１コア領域４０１は、実施の形態３の第１コア領域３０１と同様に、中央部Ｓにおいて実効屈折率が最も低くなるようなテーパ形状を有する。
【００７６】
ディテクタＤは、入力された光の強度に応じた電気信号を出力する機能を備えれば特に限定されないが、たとえばフォトダイオードを備えるものであってよい。モニタＭは、ディテクタＤから電気信号を入力され、その電気信号を処理してその電気信号に応じた光強度を表示することができるように構成されている。
【００７７】
つぎに、本実施の形態４に係る光検出器４００の動作について説明する。まず、コア領域４０１に、図１３の紙面左方向から光が入射したとする。入射した光は、ｚ軸方向に沿ってコア領域４０１を伝搬する。このとき、伝搬する光の電界分布の広がりは中央部Ｓにおいて最大となる。そして、中央部Ｓに近接して配置されたディテクタＤは伝搬する光の一部を受光し、受光した光の強度に応じた電気信号を出力する。続いて、モニタＭに、電気信号が入力されて、これに基づいて光検出器４００に入力された光の強度を算出し、表示する。その後、光検出器４００は、伝搬する光の電界分布の広がりを小さくし、コア領域４０１の図１３の紙面右方向から光を出力する。なお、伝搬する光のうち、どれだけの光がディテクタＤに入力されるかは、クラッド領域４０２の厚さや、各層の屈折率、コア領域４０１の屈折率分布等を調整することにより所望の値とすることができる。
【００７８】
このように、光検出器４００は、電界分布の広がりが最大となる中央部Ｓにおいて光検出を行う。その結果、光検出器４００は、伝搬する光の一部を精度よくディテクタＤに入射させることができる。さらに、ディテクタＤに入射した光以外の光は、再度コア領域４０１に強く閉じ込められて導波する。そのため、光検出器４００は、低損失な光検出を実現できる。
【００７９】
このような、第１領域４０１ａと第２領域４０１ｂとのパターンを有する光検出器４００は、実施の形態１の製造方法と同様の方法を用いて、フォトレジストのパターンのみを変えることにより簡単に製造することができる。したがって、実施の形態１と同様に、実施の形態４に係る光検出器４００は、簡易的な工程で製造することができ、かつ、精度が高く、垂直テーパ導波路と同等の機能を有する光導波路を用いた光検出器である。
【００８０】
（実施の形態５）
つぎに、本発明の実施の形態５に係る光合分波器について説明する。図１５は、実施の形態５に係る光合分波器の模式的な斜視図である。図１５に示すとおり、本実施の形態５に係る光合分波器５００は、第１領域５０１ａおよび第２領域１ｂを有するコア領域５０１と、コア領域５０１を厚さ方向の両面から挟み込み光共振器を形成する第１反射鏡としてのＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）ミラー５０２と、第２反射鏡としてのＤＢＲミラー５０３とを備える。そして、コア領域５０１の一端に光入力用の光ファイバ５２０が接続されている。図１６は、図１５に示す光合分波器のｙ−ｚ面の模式的な側面図である。図１７は、図１５に示す光合分波器のコア領域の模式的な断面図である。図１５〜図１７に示すように、コア領域５０１は、実施の形態１と同一の構成であってよいが、コア領域５０１は紙面左側ほど実効屈折率が高くされている。
【００８１】
ＤＢＲミラー５０２は、ｎ型ＧａＡｓからなる不図示の基板上に積層された低屈折率層として機能するＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層と、高屈折率層として機能するＧａＡｓ層とを１ペアとする複合半導体層がたとえば数十ペア積層された、周期構造を有する半導体多層膜ミラーとして形成されている。ＤＢＲミラー５０２の複合半導体層を構成する各層の層厚は、λ／４ｎ（λ：入射する光の波長、ｎ：屈折率）の奇数倍である。たとえば、λが１０６０ｎｍの場合、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の層厚は約８８ｎｍであり、ＧａＡｓ層の層厚は約７６ｎｍである。
【００８２】
ＤＢＲミラー５０３は、低屈折率層として機能するＳｉＯ２層と、高屈折率層として機能するＳｉＮｘ層とを１ペアとする複合誘電体層がたとえば数ペア積層された、周期構造を有する誘電体多層膜ミラーとして形成されており、ＤＢＲミラー５０２と同様に各層の層厚がλ／４ｎの奇数倍とされている。
【００８３】
そして、ＤＢＲミラー５０２およびＤＢＲミラー５０３の反射率は、コア領域５０１の実効屈折率の導波方向に沿った変化率に応じて定められる。例えば、コア領域５０１の第１領域５０１ａおよび第２領域５０１ｂのテーパ角が緩やかな場合は、伝搬中のロスを小さくするため、テーパ角がきつい場合に比べて反射率を高く設計するのが好ましい。
【００８４】
ここで、垂直テーパ導波路は、光合分波器として利用できることが知られている。ＤＢＲミラーに挟まれた垂直テーパ導波路のコアが厚い方から薄い方へ向かって光を入射すると、波長に応じてコアの厚さがλ／２ｎｅｆｆとなる位置から光の入射方向と垂直な方向に出力される。ただし、λは入射する光の波長、ｎｅｆｆはコアの実効屈折率である。
【００８５】
これに対し、本実施の形態５に係る光合分波器５００は、垂直テーパ導波路と同様の機能を有する。すなわち、光合分波器５００は、実効屈折率をｎｅｆｆとすると、光ファイバ５２０から入力された光を、波長に応じてコア領域５０１の実効的な厚さがλ／２ｎｅｆｆとなる位置から光の入射方向と垂直な方向に出力する。なお、出力される方向は、ＤＢＲミラー５０２に対してＤＢＲミラー５０３の屈折率を低くしているため図１５における紙面上方となる。
【００８６】
このような、第１領域５０１ａと第２領域５０１ｂとのパターンを有する光合分波器５００は、実施の形態１の製造方法と同様の方法を用いて、フォトレジストのパターンのみを変えることにより簡単に製造することができる。したがって、実施の形態１と同様に、実施の形態５に係る光光合分波器５００は、簡易的な工程で製造することができ、かつ、精度が高く、垂直テーパ導波路と同等の機能を有する光導波路を用いた光合分波器であり、特に波長多重合分波器として使用できるものである。
【００８７】
なお、光合分波器５００の分波器としての動作を説明したが、光合分波器５００は、合波器として動作させることもできる。すなわち、光合分波器５００のコア領域５０１の実効的な厚さがλ／２ｎｅｆｆとなる位置に、図１５の紙面上方から対応する波長を有する光を入力すると、合波された光が図１５の紙面左側から出力される。
【００８８】
（実施の形態６）
つぎに本発明の実施の形態６に係るレーザ素子について説明する。図１８は、実施の形態６に係るレーザ素子の模式的な斜視図である。また、図１９は、図１８に示すレーザ素子の模式的なｙ−ｚ断面図である。図１８、１９に示すとおり、本実施の形態６に係るレーザ素子６００は、面発光レーザ６００ａと、面発光レーザ６００ａの基板側の面に形成された光導波層６００ｂとからなる。面発光レーザ６００ａは、光共振器を構成する第１反射鏡６０２および第２反射鏡６１２と、第１反射鏡６０２と第２反射鏡６１２との間に配置された活性層６０６と、活性層６０６に電流を注入する電極であるｎ側電極６０４およびｐ側電極６１１とを備え、第１反射鏡６０２側から光を出力する。また、光導波層６００ｂは、面発光レーザ６００ａの第１反射鏡６０２側に形成され、第３反射鏡６１３と、第１反射鏡６０２と第３反射鏡６１３との間に形成され、面発光レーザ６００ａの出力方向と直交する面に平行な導波方向であるｚ軸に沿って、実効屈折率が変化しているコア領域６１４とを備える。
【００８９】
つぎに、図１９に示すように、面発光レーザ６００ａは、面方位（００１）のｎ型ＧａＡｓからなる基板６０１上に積層された、下部多層膜反射鏡として機能するアンドープの下部ＤＢＲミラーである第１反射鏡６０２、ｎ型コンタクト層６０３、ｎ側電極６０４、ｎ型クラッド層６０５、活性層６０６、ｐ型クラッド層６０７、電流狭窄層６０８、ｐ型スペーサ層６０９、ｐ型コンタクト層６１０、ｐ側電極６１１、および上部反射鏡として機能する上部誘電体ＤＢＲミラーである第２反射鏡６１２を備える。
【００９０】
ｐ型コンタクト層６１０およびｎ型コンタクト層６０３は、第１反射鏡６０２と第２反射鏡６１２との間に配置されている。活性層６０６は、第１反射鏡６０２と第２反射鏡６１２との間に配置されている。電流狭窄層６０８は、ｐ型コンタクト層６１０と活性層６０６との間に配置されている。ｐ型スペーサ層６０９は、電流狭窄層６０８とｐ型コンタクト層６１０との間に介挿されている。ｐ側電極６１１はｐ型コンタクト層６１０上に形成され、ｎ側電極６０４はｎ型コンタクト層６０３上に形成されている。
【００９１】
ｎ型クラッド層６０５からｐ型コンタクト層６１０までの積層構造は、エッチング処理等によって柱状に成形されたメサポストとして形成されている。メサポスト径はたとえば直径３０μｍである。また、ｎ型コンタクト層６０３はメサポストの外周側に延設している。また、第１反射鏡６０２と第２反射鏡６１２とは光共振器を構成している。
【００９２】
第１反射鏡６０２は、ｎ型ＧａＡｓからなる基板６０１上に積層されたアンドープＧａＡｓバッファ層（不図示）上に形成される。第１反射鏡６０２は、低屈折率層として機能するＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層と、高屈折率層として機能するＧａＡｓ層とを１ペアとする複合半導体層がたとえば４０．５ペア積層された、周期構造を有する半導体多層膜ミラーとして形成されている。第１反射鏡６０２の複合半導体層を構成する各層の層厚は、λ／４ｎ（λ：レーザ発振波長、ｎ：屈折率）である。たとえば、λが１．０６μｍの場合、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の層厚は約８８ｎｍであり、ＧａＡｓ層の層厚は約７６ｎｍである。
【００９３】
ｎ型コンタクト層６０３およびｎ型クラッド層６０５は、ｎ型ＧａＡｓを材料として形成される。
【００９４】
ｐ型クラッド層６０７は、ｐ型ＡｌＧａＡｓを材料として形成される（たとえば、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓが望ましい）。ｐ型スペーサ層６０９は、ｐ型ＡｌＧａＡｓを材料として形成される。ｐ型コンタクト層６１０は、ｐ型ＧａＡｓを材料として形成される。
【００９５】
ｎ型クラッド層６０５、ｐ型クラッド層６０７、ｐ型スペーサ層６０９には、キャリア濃度がたとえば１×１０１８ｃｍ−３程度となるようにｐ型またはｎ型ドーパントが添加されており、確実にｐ型またはｎ型の導電型とされている。また、ｎ型コンタクト層６０３、ｐ型コンタクト層６１０のキャリア濃度はたとえばそれぞれ２×１０１８ｃｍ−３、３×１０１９ｃｍ−３程度である。
【００９６】
電流狭窄層６０８は、電流注入部としての開口部６０８ａと電流狭窄部としての選択酸化層６０８ｂとから構成されている。開口部６０８ａはＡｌ１−ｘＧａｘＡｓ（０≦ｘ＜０．２）からなり、選択酸化層６０８ｂは（Ａｌ１−ｘＧａｘ）２Ｏ３からなる。なお、ｘはたとえば０．０２である。
【００９７】
電流狭窄層６０８は、Ａｌ１−ｘＧａｘＡｓからなるＡｌ含有半導体層を選択酸化熱処理することによって形成される。すなわち、選択酸化層６０８ｂは、このＡｌ含有半導体層がメサポストの外周部から積層面に沿って所定範囲だけ酸化されることで、開口部６０８ａの外周にリング状に形成されている。選択酸化層６０８ｂは、絶縁性を有し、ｐ側電極６１１から注入される電流を狭窄して開口部６０８ａ内に集中させることで、開口部６０８ａの直下における活性層６０６に注入される電流密度を高める機能を有する。開口部６０８ａの開口径はたとえば６μｍ〜７μｍである。電流狭窄層６０８の厚さはたとえば２０ｎｍ〜３０ｎｍである。これによって、面発光レーザ６００ａはレーザ光を発振する。
【００９８】
活性層６０６は、井戸層と障壁層とが交互に積層した多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）層の両側を分離閉じ込め（ＳＨＣ：Ｓｅｐａｒａｔｅ  Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ  Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層で挟んだＭＱＷ−ＳＣＨ構造を有する。なお、井戸層は所望の波長の光を放出するように選択される材料からなり、たとえばＧａＩｎＡｓ系の半導体材料からなる。障壁層はたとえばＧａＡｓからなる。この活性層６０６は、ｐ側電極６１１から注入されて電流狭窄層６０８によって狭窄された電流により、たとえば１．０μｍ帯の波長の光を含む自然放出光を発するようにその半導体材料の組成および層厚が設定されている。
【００９９】
第２反射鏡６１２は、低屈折率層として機能するＳｉＯ２層と、高屈折率層として機能するＳｉＮｘ層とを１ペアとする複合誘電体層がたとえば９ペア積層された、周期構造を有する誘電体多層膜ミラーとして形成されており、第１反射鏡６０２と同様に各層の層厚がλ／４ｎとされている。
【０１００】
ｐ側電極６１１は、ｐ型コンタクト層６１０の外延に沿ってリング状に形成されている。一方、ｎ側電極６０４は、メサポストの外周側に延設したｎ型コンタクト層６０３の延設部分の表面に形成され、メサポストの周囲を取り囲むようにＣ字状に形成されている。
【０１０１】
光導波層６００ｂは、第３反射鏡６１３と、第１反射鏡６０２と第３反射鏡６１３との間に形成され、面発光レーザ６００ａの出力方向であるｙ軸と直交する面に平行な導波方向であるｚ軸に沿って、実効屈折率が変化しているコア領域６１４とを備える。
【０１０２】
第３反射鏡６１３は、第１反射鏡６０２と略同一の構成であってよく、ｎ型ＧａＡｓからなる基板（不図示）上に積層されたアンドープＧａＡｓバッファ層（不図示）上に形成される。そして、第３反射鏡６１３は、第１反射鏡６０２と同様に、低屈折率層として機能するＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層と、高屈折率層として機能するＧａＡｓ層とを１ペアとする複合半導体層がたとえば４０．５ペア積層された、周期構造を有する半導体多層膜ミラーとして形成されている。第３反射鏡６１３の複合半導体層を構成する各層の層厚は、λ／４ｎである。
【０１０３】
コア領域６１４は、実施の形態１と同一の構成であってよく、図３と同様にテーパ状の第１領域と第２領域とからなり、コア領域６１４の実効屈折率は、ｚ軸方向に沿って、連続的に高くなっている。ただし、コア領域６１４は、後述する理由によって、面発光レーザ６００ａの直下領域において、実効的な厚さがλ／２ｎｅｆｆとなるように設定されている。ただし、λは面発光レーザ６００ａの出力するレーザ光の発振波長、ｎｅｆｆはコア領域６１４の実効屈折率である。
【０１０４】
つぎに、この面発光レーザ６００ａの動作について説明する。はじめに、面発光レーザ６００ａの外部の制御器が、ｐ側電極６１１とｎ側電極６０４との間にバイアス電圧および変調電圧信号を印加し電流を注入する。ｐ側のキャリア（ホール）は、ｐ型コンタクト層６１０では層内を紙面横方向に流れ、その後ｐ型スペーサ層６０９を通過し、電流狭窄層６０８の開口部６０８ａ内に集中して密度が高められた状態で、活性層６０６に注入される。一方、ｎ側のキャリア（電子）については、ｎ側電極６０４からｎ型コンタクト層６０３、ｎ型クラッド層６０５を通過して、活性層６０６に注入される。
【０１０５】
このように、面発光レーザ６００ａは、ｐ側のキャリアおよびｎ側のキャリアのいずれもが、ＤＢＲミラーを経由しないで活性層に注入される、いわゆるダブルイントラキャビティ構造を有する。
【０１０６】
キャリアが注入された活性層６０６は、自然放出光を発生する。発生した自然放出光は、活性層６０６の光増幅作用と光共振器の作用とによって、１．０μｍ波長帯のいずれかの波長においてレーザ発振する。その結果、この面発光レーザ６００ａは、第１反射鏡６０２から変調信号を含むレーザ信号光を出力する。
【０１０７】
ここで、上述したように垂直テーパ導波路は、光合分波器として利用できることが知られているが、本実施の形態６に係るレーザ素子６００は、この垂直テーパ導波路を光合波器（ただし入力光は１つ）として利用している。つまり、面発光レーザ６００ａの出力するレーザ光の波長をλ、コアの実効屈折率をｎｅｆｆとすると、面発光レーザ６００ａの出力位置において実効的な厚さがλ／２ｎｅｆｆとなるようにコア領域６１４を形成する。このとき、面発光レーザ６００ａの出力光を極めて少ない損失で、かつ、小型な構成によって、ｚ軸方向に出力することができる。この出力光は、レーザ素子６００に光ファイバを接合することで、極めて少ない損失で、かつ、小型な構成によって、光ファイバに結合することができる。
【０１０８】
さらに、垂直テーパ導波路を用いると、工程が複雑であり、かつ、精度の高いテーパ構造を作製するのが困難であるため、本実施の形態６に係るレーザ素子６００のコア領域６１４は、実施の形態１の製造方法と同様の方法を用いた、光導波層６００ｂを用いている。これによって、本実施の形態６に係るレーザ素子６００は、簡易的な工程で製造することができ、かつ、精度が高く、垂直テーパ導波路と同等の機能を有する光導波路を用いたレーザ素子である。
【０１０９】
また、光導波層６００ｂは、コア領域６１４内の実効屈折率ｎｅｆｆの分布を比較的任意に制御することができる。すなわち、面発光レーザ６００ａのレーザ光出力位置に合わせて適切に実効屈折率ｎｅｆｆを調整することや、面発光レーザ６００ａの位置で面発光レーザ６００ａが出力するレーザ光と光導波層６００ｂとの結合係数が高くなるように、第１領域および第２領域のテーパ角などを調整することができるため、垂直テーパ導波路を用いる場合に比べて制御性が高い。
【０１１０】
図２０は、図１８に示すレーザ素子の光導波層を光が導波する様子を説明するための図である。面発光レーザ６００ａが出力した光ｌは、第１反射鏡６０２を通過してコア領域６１４に入力される。コア領域６１４は、図２０の紙面左から右に向けて、実効屈折率が連続的に高くなっている。このとき、図２０に示すように、光ｌは実効屈折率の差によって徐々に屈折され、コア領域６１４の右端から出力される。このとき、出力端に光ファイバを接合することにより、面発光レーザ６００ａの出力光を極めて少ない損失で、かつ、小型な構成によって、光ファイバに結合することができる。
【０１１１】
つぎに、本発明の実施の形態６に係るレーザ素子６００の製造方法について説明する。図２１は、図１８に示すレーザ素子の製造方法を説明するための図である。面発光レーザ６００ａは公知の面発光レーザの製造方法を用いてよい。ただし、面発光レーザ６００ａは、第１反射鏡６０２から出力するものとする。光導波層６００ｂは、不図示の基板およびバッファ層上に第３反射鏡６１３を積層させ、さらに実施の形態１と同様の工程によりコア領域６１４を形成することにより製造することができる。そして、面発光レーザ６００ａの基板６０１側に光導波層６００ｂを貼り合わせることによって、レーザ素子６００が製造される。
【０１１２】
したがって、本実施の形態６に係るレーザ素子６００は、簡易的な工程で製造することができ、かつ、精度が高く、垂直テーパ導波路と同等の機能を有する光導波路を用いたレーザ素子であって、面発光レーザの出力光を極めて少ない損失で、かつ、小型な構成によって、光ファイバに結合することができる。
【０１１３】
（実施の形態７）
つぎに本発明の実施の形態７に係るレーザ素子について説明する。図２２は、実施の形態７に係るレーザ素子の模式的な斜視図である。図２２に示すとおり、本実施の形態７に係るレーザ素子７００は、面発光レーザ７００ａと、面発光レーザ７００ａの基板側の面に形成された光導波層７００ｂとからなる。さらに、面発光レーザ７００ａは、面発光レーザ７００ａ１と面発光レーザ７００ａ２とからなる。
【０１１４】
ここで、面発光レーザ７００ａ１と面発光レーザ７００ａ２とは、それぞれ、互いに異なる波長であるλ１とλ２とでレーザ発振するものとする。このとき、面発光レーザ７００ａ１の直下のコア領域の実効屈折率をｎｅｆｆ１、面発光レーザ７００ａ２の直下のコア領域の実効屈折率をｎｅｆｆ２とすると、面発光レーザ７００ａ１の直下のコア領域の実効的な厚さがλ１／２ｎｅｆｆ１、面発光レーザ７００ａ２の直下のコア領域の実効的な厚さがλ２／２ｎｅｆｆ２である。このとき、実施の形態３と同様に、出力端に光ファイバを接合することにより、面発光レーザ７００ａの出力光を極めて少ない損失で、かつ、小型な構成によって、光ファイバに結合することができる。
【０１１５】
このように、本実施の形態７の光導波路を用いて、複数の互いに異なる波長を有する面発光レーザを集積化し、各面発光レーザの発振するレーザ光を波長多重化することができる。なお、多重化する波長の差が小さい場合、面発光レーザを導波方向であるｚ軸方向に並べて配置することが困難な場合がある。このような場合には、面発光レーザを幅方向であるｘ軸方向に並べて集積化し、各面発光レーザの出力光を光ファイバに結合した後、カプラ等で合波する、または、各面発光レーザの出力光を光導波路に結合し、Ｙ字状光導波路、または、方向性結合器等で合波することで、波長多重化をすることができる。
【０１１６】
したがって、本実施の形態７に係るレーザ素子７００は、簡易的な工程で製造することができ、かつ、精度が高く、垂直テーパ導波路と同等の機能を有する光導波路を用いたレーザ素子であって、複数の面発光レーザの出力光を極めて少ない損失で、かつ、小型な構成によって、光ファイバに結合することができる。
【０１１７】
以上、説明したように、本実施の形態によれば、簡易的な工程で製造することができ、かつ、精度が高く、垂直テーパ導波路と同等の機能を有すると該光導波路を用いたスポットサイズ変換器、偏光フィルタ、光結合器、光検出器、光合分波器、および、レーザ素子を提供することができる。
【０１１８】
なお、上記実施の形態では、コア領域において第１領域と第２領域とが形成するパターンとして、サブ波長の周期を有する例を示したが、本発明はこれに限定されない。たとえば、コア領域において第１領域と第２領域との配置および形状が、ランダムであってよい。このとき、第１領域と第２領域とが形成するパターンによって、コア領域の単位領域のデューティ比が、導波方向であるｚ軸に沿って、連続的に高くなっていればよい。すると、式（１）および式（２）または式（３）〜式（６）により、コア領域１の実効屈折率は、導波方向であるｚ軸に沿って、連続的に高くなり、本発明の効果を得ることができる。
【０１１９】
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。たとえば、変形例１、または、変形例２のコア領域を、他の実施の形態に適用してもよい。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
【符号の説明】
【０１２０】
１、１Ａ、１Ｂ、３１、４１、２０１、４０１、５０１、６１４  コア領域
１ａ、１Ａａ、１Ｂａａ、１Ｂａｂ、１Ｂａ、３０１ａ、４０１ａ、５０１ａ  第１領域
１ｂ、１Ａｂ、１Ｂｂ、３０１ｂ、４０１ｂ、５０１ｂ  第２領域
２、３２、４２、２０２、３０３、４０２  クラッド領域
１０、３０、４０  光導波路
１０ａ  光入力部
１０ｂ  光出力部
２０、５２０  光ファイバ
１００  スポットサイズ変換器
２００  偏光フィルタ
２０３  光吸収部
３００  光結合器
３０１  第１コア領域
３０２  第１クラッド領域
３０３  第２コア領域
３０４  第２クラッド領域
４００  光検出器
５００  光合分波器
５０２、５０３  ＤＢＲミラー
６００、７００  レーザ素子
６００ａ、７００ａ、７００ａ１、７００ａ２  面発光レーザ
６００ｂ、７００ｂ  光導波層
６０１  基板
６０２  第１反射鏡
６０３  ｎ型コンタクト層
６０４  ｎ側電極
６０５  ｎ型クラッド層
６０６  活性層
６０７  ｐ型クラッド層
６０８  電流狭窄層
６０８ａ  開口部
６０８ｂ  選択酸化層
６０９  ｐ型スペーサ層
６１０  ｐ型コンタクト層
６１１  ｐ側電極
６１２  第２反射鏡
６１３  第３反射鏡
Ｄ  ディテクタ
Ｌ１、Ｌ１Ａ、Ｌ１Ａａ、Ｌ１Ｂ  長さ
ｌ、ｌ１０ａ、ｌ１０ｂ、ｌ２０、ｌ３０、ｌ２０１ａａ、ｌ２０１ａｂ、ｌ２０１ｂａ、ｌ２０１ｂｂ  光
Ｍ  モニタ
Ｓ  中央部
【図１】
2015175902.tif 000015
【図２】
2015175902.tif 000016
【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】
2015175902.tif 000021
【図８】
2015175902.tif 000022
【図９】
2015175902.tif 000023
【図１０】
2015175902.tif 000024
【図１１】
2015175902.tif 000025
【図１２】
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【図１３】
2015175902.tif 000027
【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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【図２２】
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