(57)【要約】【課題】  本発明は、同一基板上に低屈折率差導波路と高屈折率差導波路を設け、互いの導波路を光結合部にて接続することにより、高密度でかつ低損失な光集積素子及び光制御素子を提供する。【解決手段】  本発明の光集積素子は、同一基板上に接続され、コアとクラッドを含んで構成された複数の光導波路を有している。そして、本発明の光集積素子は、複数の光導波路のうちの隣接する２つの光導波路におけるコアとクラッドとの屈折率差が異なることに特徴がある。よって、同一基板上に配置された光導波路を高密度に集積し、かつ製作が容易な、低損失な光集積素子を提供できる。【選択図】        図１
2007072433.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一基板上に接続され、コアとクラッドを含んで構成された複数の光導波路を有する光集積素子において、
複数の光導波路のうちの隣接する２つの光導波路におけるコアとクラッドとの屈折率差が異なることを特徴とする光集積素子。
【請求項２】
同一基板上に接続され、コアとクラッドを含んで構成された複数の光導波路を有する光集積素子において、
複数の光導波路のうちの３つの光導波路の両端の２つの光導波路におけるコアとクラッドとの屈折率差が等しく、３つの光導波路の両端の２つの光導波路に挟まれた光導波路の屈折率差が両端の２つの光導波路の屈折率差と異なることを特徴とする光集積素子。
【請求項３】
複数の光導波路のうちの隣接する２つの光導波路のコアの屈折率が同一である請求項１又は２に記載の光集積素子。
【請求項４】
複数の光導波路のうちの隣接する２つの光導波路の比屈折率差の大きい光導波路が、比屈折率差の小さい光導波路よりも曲率半径の小さい曲がり部を有する請求項１〜３のいずれかに記載の光集積素子。
【請求項５】
比屈折率差の小さい光導波路によって構成された複数の直線状の光導波路を、比屈折率差の大きい光導波路によって構成された複数の光導波路によって結合した請求項３記載の光集積素子。
【請求項６】
比屈折率差の小さい光導波路におけるコアを挟むように設けられたクラッド間に電圧を印加し、当該光導波路を構成する材料の屈折率を制御する請求項１〜５のいずれかに記載の光集積素子。
【請求項７】
比屈折率差の大きい光導波路におけるコアを挟むように設けられたクラッド間に電圧を印加し、当該光導波路を構成する材料の屈折率を制御する請求項１〜５のいずれかに記載の光集積素子。
【請求項８】
前記光導波路が電気光学材料又は半導体材料からなる請求項１〜７のいずれかに記載の光集積素子。
【請求項９】
同一基板上に接続され、コアとクラッドを含んで構成された複数の光導波路を有する光集積素子において、
複数の光導波路のうちの隣接する２つの光導波路におけるコアとクラッドとの屈折率差が異なるとともに、隣接する比屈折率差が互いに異なる光導波路同士を結合する光結合部を備え、
該光結合部はコアとクラッドを有する光導波路によって構成されていることを特徴とする光集積素子。
【請求項１０】
前記光結合部のクラッドが少なくとも２種類のクラッド材料からなる請求項９記載の光集積素子。
【請求項１１】
前記光結合部のクラッドを構成する第１のクラッド材料が比屈折率差の大きい光導波路のクラッドを構成するクラッド材料と同じであり、かつ前記光結合部のクラッドを構成する第２のクラッド材料が比屈折率差の小さい光導波路のクラッドを構成するクラッド材料と同じである請求項１０記載の光集積素子。
【請求項１２】
前記光結合部の前記第２のクラッド材料からなるクラッド層の幅が比屈折率差の小さい光導波路から比屈折率差の大きい光導波路に向かって狭まっている請求項９〜１１のいずれかに記載の光集積素子。
【請求項１３】
隣接する比屈折率差が互いに異なる光導波路及び前記光結合部の各コアは互いに等しい屈折率を有する請求項９〜１２のいずれかに記載の光集積素子。
【請求項１４】
隣接する比屈折率差が互いに異なる光導波路及び前記光結合部の各コアの断面形状が同じである請求項９〜１３のいずれかに記載の光集積素子。
【請求項１５】
隣接する比屈折率差が互いに異なる光導波路及び前記光結合部の各コアの断面寸法が同じである請求項１４記載の光集積素子。
【請求項１６】
比屈折率差の小さい光導波路のコアの幅が比屈折率差の大きい光導波路の幅より広く、前記光結合部のコアの両端における幅が隣接する比屈折率差が互いに異なる光導波路の各コアの幅に等しく、前記光結合部のコアの幅が比屈折率差の小さい光導波路から比屈折率差の大きい光導波路に向かって狭まっている請求項９〜１３のいずれかに記載の光集積素子。
【請求項１７】
隣接する比屈折率差が互いに異なる光導波路及び前記光結合部の各コアの上部に、互いに等しい屈折率を有する第３のクラッド材料からなるクラッド層を備える請求項９〜１６のいずれかに記載の光集積素子。
【請求項１８】
前記第３のクラッド層の屈折率は前記基板の屈折率と等しい請求項９〜１７のいずれかに記載の光集積素子。
【請求項１９】
隣接する比屈折率差が互いに異なる光導波路及び前記光結合部の前記第３のクラッド層の幅は、隣接する比屈折率差が互いに異なる光導波路及び前記光結合部のコアの幅と等しい請求項１８記載の光集積素子。
【請求項２０】
隣接する比屈折率差が互いに異なる光導波路及び前記光結合部の各コアと前記基板の間に、互いに等しい屈折率を有する第４のクラッド材料からなるクラッド層を備える請求項１７〜１９のいずれかに記載の光集積素子。
【請求項２１】
前記第３のクラッド層の屈折率と前記第４のクラッド層の屈折率が等しい請求項２０記載の光集積素子。
【請求項２２】
隣接する比屈折率差が互いに異なる光導波路及び前記光結合部の前記第４のクラッド層の幅は、隣接する比屈折率差が互いに異なる光導波路及び前記光結合部のコアの幅と等しい請求項２０又は２１に記載の光集積素子。
【請求項２３】
前記基板のいずれか表面又は両表面に、誘電体薄膜及び金属薄膜、または誘電体薄膜あるいは金属薄膜からなるバッファ層を備える請求項９〜２２のいずれかに記載の光集積素子。
【請求項２４】
光入力部、光結合部、光出力部及び光分離部を含んで構成され、各部がそれぞれ請求項１〜２３のいずれかに記載の光集積素子で構成されている光制御素子において、
光入力部、光結合部及び光出力部は比屈折率差の小さい光導波路で構成し、光分離部は比屈折率差の大きい光導波路で構成することを特徴とする光制御素子。
【請求項２５】
光入力部、光結合部及び光出力部を含んで構成され、各部がそれぞれ請求項１〜２３のいずれかに記載の光集積素子で構成されている光制御素子において、
光入力部及び光出力部は比屈折率差の大きい光導波路で構成し、光結合部は比屈折率差の小さい光導波路で構成することを特徴とする光制御素子。
【請求項２６】
光入力部、光結合部及び光出力部を有する２つの直線状の光導波路と、２つのリング状の曲がり光導波路とを有し、各光導波路がそれぞれ請求項１〜２３のいずれかに記載の光集積素子で構成されている光制御素子において、
２つのリング状の曲がり光導波路によって２つの直線状の光導波路における各光結合部同士を接続し、前記光入力部、光結合部及び光出力部は比屈折率差の小さい光導波路で構成し、前記曲がり光導波路は比屈折率差の大きい光導波路で構成することを特徴とする光制御素子。
【請求項２７】
比屈折率差の大きい光導波路におけるコアの両側のクラッドが同じ材料で構成され、比屈折率差の小さい光導波路におけるコアの幅は比屈折率差の大きい光導波路におけるコアの幅より広く、光導波路同士を接続する光接続部の比屈折率差の大きい光導波路におけるコアの幅は、比屈折率差の小さい光導波路に向かって狭まくなる構造を有する請求項２４〜２６のいずれかに記載の光制御素子。
【請求項２８】
比屈折率差の大きい光導波路におけるコアの両側のクラッドが同じ材料で構成され、比屈折率差の小さい光導波路におけるコアの幅は比屈折率差の大きい光導波路におけるコアの幅より広く、光導波路同士を接続する光接続部の比屈折率差の小さい光導波路におけるコアの幅及びクラッドの幅は、比屈折率差の大きい光導波路に向かって狭まくなる構造を有する請求項２４〜２６のいずれかに記載の光制御素子。
【請求項２９】
比屈折率差の大きい光導波路におけるコアの両側のクラッドが同じ材料で構成され、比屈折率差の小さい光導波路と比屈折率差の大きい光導波路とにおける各コアの幅が等しく、光導波路同士を接続する光接続部の比屈折率差の小さい光導波路におけるクラッドの幅は、比屈折率差の大きい光導波路に向かって狭まくなる構造を有する請求項２４〜２６のいずれかに記載の光制御素子。
【請求項３０】
比屈折率差の大きい光導波路におけるコアの両側のクラッドが同じ材料で構成され、比屈折率差の小さい光導波路におけるコアの幅は、比屈折率差の大きい光導波路におけるコアの幅より広く、光導波路同士を接続する光接続部の比屈折率差の小さい光導波路におけるコアの幅及びクラッドの幅は、比屈折率差の大きい光導波路に向かって狭まくなり、かつ接続部において光の伝搬方向に対してコアが不連続となっている構造を有する請求項２４〜２６のいずれかに記載の光制御素子。
【請求項３１】
比屈折率差の大きい光導波路におけるコアの両側のクラッドが空気を含む請求項２７〜３０のいずれかに記載の光制御素子。
【請求項３２】
比屈折率差の小さい光導波路におけるコアの両側のクラッド間に電圧を印加し、当該光導波路を構成する材料の屈折率を制御する請求項２４〜３１のいずれかに記載の光制御素子。
【請求項３３】
比屈折率差の大きい光導波路におけるコアの両側のクラッド間に電圧を印加し、当該光導波路を構成する材料の屈折率を制御する請求項２４〜３１のいずれかに記載の光制御素子。
【請求項３４】
前記光導波路が、電気光学材料又は半導体材料からなる請求項２４〜３３のいずれかに記載の光制御素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光集積素子及び光制御素子に関し、詳細には屈折率差の異なる光導波路を互いに結合した光集積素子、及びこれを用いた光遅延素子、光スイッチング光、ルーティング素子、光情報処理装置、発光素子、受光素子、非線形光学素子等の光制御素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
平面光回路（Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃμｉｔ：以下ＰＬＣと略す）を基本配線要素とした光集積回路は高度な光信号制御が可能であり、光通信における主要部品となっている。この光集積回路に用いられる光回路の多くは、コアとクラッドとの屈折率差による全反射を利用して、コアに光を閉じ込める導波路構造を持っている。光制御デバイスの配線部材である平面導波路は、従来石英系の素材からなるものが用いられてきた。石英系導波路は、コアとクラッドの比屈折率差が小さいので、単一モード条件を満たすために断面寸法が５〜１０μｍと大きくなり、かつ導波路を曲げて伝搬方向を変化させる際の曲率半径が１〜２５ｍｍと大きく、これによりデバイスサイズが大きくなり、高集積化に適さなかった。
【０００３】
これに対して、光導波路のコアとして、従来の石英系材料と比べて非常に高い屈折率をもつ材料を用いた微小な光制御デバイスが研究されている。例えば屈折率が３以上を有する半導体材料、また屈折率が２程度のガラス材料をコアとし、さらにクラッドを空気とすることで、４０％程度以上の比屈折率差を実現できる。これにより一般的な石英系のＰＬＣデバイスと比較してデバイスサイズを飛躍的に微小化できる。具体的には無損失で伝搬可能な曲げ半径は数μｍとなり、これは従来の石英系導波路の約１０００分の１以下の大きさである。このように従来の全反射型光導波路と比較して比屈折率差を極めて高く、具体的には１０％以上としたような光導波路をＨｉｇｈ Ｉｎｄｅｘ Ｃｏｎｔｒａｓｔ（ＨＩＣ）光導波路と呼ぶ。
【０００４】
このような超高屈折率差導波路を用いて様々な光制御デバイスが提案されており、シリコンをコア材料に用いた例として非特許文献１では極微小な光分岐素子が、特許文献１にはブラッググレーティングを利用した波長フィルタが提案されている。この他、高屈折率材料によってフォトニック結晶導波路を形成し、これを利用した光制御デバイスも提案されている。フォトニック結晶は、波長程度の周期構造により、光子の禁制帯であるフォトニックバンドギャップを形成することや、強い分散性により特異な効果を示す点で、超微小光集積回路や新機能光素子として期待されている。例えば微小な経路変換素子及び素子材料を屈折率変調することによるスイッチング素子が提案されている。
【０００５】
以上のように、光導波路を屈折率差の大きい材料によって構成することで、個々の光素子のサイズを極微小にすることが可能であり、これにより将来的には大規模な光集積回路をコンパクトに構成することが期待できる。
【０００６】
しかし、全反射型の直線導波路は原理的に無損失にて光を伝搬させることが可能であるが、製作時に生じる導波路側面の荒れ等に起因する光散乱の影響によって、伝搬損失が生じることが避けられない。この伝搬損失は光導波路の比屈折率差を大きくするほどその影響が顕著となる。一般的には直線光導波路における伝搬損失は比屈折率差の２．５乗に比例する。従って、ＨＩＣ光導波路のみで複数の光導波路型光制御素子からなる光集積回路を構成した場合、あるいは素子構造に直線部分を含む場合には、集積回路全体の挿入損失が非常に大きくなってしまうという問題がある。
【０００７】
そこで、この問題点を解決するために、非特許文献２においては、低屈折率差導波路と高屈折率差導波路とを、垂直方向に別々の層に積層するように構成している。信号の配線は低屈折率差導波路が担い、光信号に対して経路変更などの制御を行う際に、光を高屈折率導波路によって構成された、曲がり導波路を含む層に遷移させ、極微小な領域にて光制御を行うものである。
【非特許文献１】A． Sakai, et．al．, “Low loss μltra-sｍall braｎches iｎ a silicoｎ photoｎic wire wavegμide,” IEICE Traｎs． Electroｎ．, Vol．E85-C, Ｎo．4, pp．1033-1038
【非特許文献２】國分泰雄, “マイクロリング共振器型光ルーティング素子”, 応用物理, vol．72, Ｎo．11, pp．1364-1373（2003）
【特許文献１】特開２００４−０７００１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、このような積層型の光導波路素子を実現する際には、製作プロセスが複雑になり、かつ光配線と光制御部の位置合わせが大変困難となるなどの問題があった。
【０００９】
本発明はこれらの問題点を解決するためのものであり、同一基板上に低屈折率差導波路と高屈折率差導波路を設け、互いの導波路を光結合部にて接続することにより、高密度でかつ低損失な光集積素子及び光制御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】
【００１０】
前記問題点を解決するために、本発明の光集積素子は、同一基板上に接続され、コアとクラッドを含んで構成された複数の光導波路を有している。そして、本発明の光集積素子は、複数の光導波路のうちの隣接する２つの光導波路におけるコアとクラッドとの屈折率差が異なることに特徴がある。よって、同一基板上に配置された光導波路を高密度に集積し、かつ製作が容易な、低損失な光集積素子を提供できる。
【００１１】
また、本発明の光集積素子は、複数の光導波路のうちの３つの光導波路の両端の２つの光導波路におけるコアとクラッドとの屈折率差が等しく、３つの光導波路の両端の２つの光導波路に挟まれた光導波路の屈折率差が両端の２つの光導波路の屈折率差と異なることに特徴がある。よって、同一基板上に配置された光導波路を高密度に集積し、かつ製作が容易な、低損失な光集積素子を提供できる。
【００１２】
更に、複数の光導波路のうちの隣接する２つの光導波路のコアの屈折率が同一であることが好ましい。
【００１３】
また、複数の光導波路のうちの隣接する２つの光導波路の比屈折率差の大きい光導波路が、比屈折率差の小さい光導波路よりも曲率半径の小さい曲がり部を有することにより、極めて微小でかつ低損失なリング型共振器を実現可能な光集積素子を提供できる。
【００１４】
更に、比屈折率差の小さい光導波路によって構成された複数の直線状の光導波路を、比屈折率差の大きい光導波路によって構成された複数の光導波路によって結合したことにより、低損失な光集積素子を提供できる。
【００１５】
また、比屈折率差の小さい光導波路におけるコアを挟むように設けられたクラッド間に電圧を印加し、当該光導波路を構成する材料の屈折率を制御することができる。
【００１６】
更に、比屈折率差の大きい光導波路におけるコアを挟むように設けられたクラッド間に電圧を印加し、当該光導波路を構成する材料の屈折率を制御することができる。
【００１７】
また、光導波路が電気光学材料又は半導体材料からなることにより、高速な屈折率変調が可能となり、光スイッチ素子に適用できる。
【００１８】
更に、本発明の光集積素子は、複数の光導波路のうちの隣接する２つの光導波路におけるコアとクラッドとの屈折率差が異なるとともに、隣接する比屈折率差が互いに異なる光導波路同士を結合する光結合部を備え、そして光結合部はコアとクラッドを有する光導波路によって構成されていることに特徴がある。また、この光結合部のクラッドが少なくとも２種類のクラッド材料からなり、光結合部のクラッドを構成する第１のクラッド材料が比屈折率差の大きい光導波路のクラッドを構成するクラッド材料と同じであり、かつ光結合部のクラッドを構成する第２のクラッド材料が比屈折率差の小さい光導波路のクラッドを構成するクラッド材料と同じである。更には、光結合部の第２のクラッド材料からなるクラッド層の幅が比屈折率差の小さい光導波路から比屈折率差の大きい光導波路に向かって狭まっている。よって、比屈折率差の異なる光導波路同士を低損失で結合し、かつ製作が容易な光結合部を含む光集積素子を提供できる。
【００１９】
また、隣接する比屈折率差が互いに異なる光導波路及び光結合部の各コアは互いに等しい屈折率を有することが好ましい。更に、隣接する比屈折率差が互いに異なる光導波路及び光結合部の各コアの断面形状が同じであることが好ましい。また、隣接する比屈折率差が互いに異なる光導波路及び光結合部の各コアの断面寸法が同じであることが好ましい。
【００２０】
更に、比屈折率差の小さい光導波路のコアの幅が比屈折率差の大きい光導波路の幅より広く、光結合部のコアの両端における幅が隣接する比屈折率差が互いに異なる光導波路の各コアの幅に等しく、光結合部のコアの幅が比屈折率差の小さい光導波路から比屈折率差の大きい光導波路に向かって狭まっている。よって、光結合部を光が伝搬する伝搬長を短くすることができる。
【００２１】
また、隣接する比屈折率差が互いに異なる光導波路及び光結合部の各コアの上部に、互いに等しい屈折率を有する第３のクラッド材料からなるクラッド層を備える。そして、この第３のクラッド層の屈折率は基板の屈折率と等しいことが好ましい。更には、隣接する比屈折率差が互いに異なる光導波路及び光結合部の第３のクラッド層の幅は、隣接する比屈折率差が互いに異なる光導波路及び光結合部のコアの幅と等しい。よって、比屈折率差の異なる光導波路同士を低損失で結合できる。
【００２２】
更に、隣接する比屈折率差が互いに異なる光導波路及び光結合部の各コアと基板の間に、互いに等しい屈折率を有する第４のクラッド材料からなるクラッド層を備える。また、第３のクラッド層の屈折率と第４のクラッド層の屈折率が等しいことが好ましい。更には、隣接する比屈折率差が互いに異なる光導波路及び光結合部の第４のクラッド層の幅は、隣接する比屈折率差が互いに異なる光導波路及び光結合部のコアの幅と等しい。よって、基板の種類に限定せずに、比屈折率差の異なる光導波路同士を低損失で結合し、かつ製作が容易な光結合部を含む光集積素子を提供できる。
【００２３】
また、基板のいずれか表面又は両表面に、誘電体薄膜及び金属薄膜、または誘電体薄膜あるいは金属薄膜からなるバッファ層を備えることにより、光導波路及び光結合部の光導波路材料の屈折率を変化させることができる。
【００２４】
更に、別の発明としての光制御素子は、光入力部、光結合部、光出力部及び光分離部を含んで構成され、各部がそれぞれ上記光集積素子で構成されている。そして、本発明の光制御素子は、光入力部、光結合部及び光出力部は比屈折率差の小さい光導波路で構成し、光分離部は比屈折率差の大きい光導波路で構成することに特徴がある。よって、デバイスサイズの微小化が図れる。
【００２５】
また、別の発明としての光制御素子によれば、光入力部及び光出力部は比屈折率差の大きい光導波路で構成し、光結合部は比屈折率差の小さい光導波路で構成することに特徴がある。よって、光分離部を一体化できることになり、小型化が図れる。
【００２６】
更に、別の発明としての光制御素子は、光入力部、光結合部及び光出力部を有する２つの直線状の光導波路と、２つのリング状の曲がり光導波路とを有し、各光導波路がそれぞれ上記光集積素子で構成されている。そして、本発明の光制御素子によれば、２つのリング状の曲がり光導波路によって２つの直線状の光導波路における各光結合部同士を接続し、光入力部、光結合部及び光出力部は比屈折率差の小さい光導波路で構成し、曲がり光導波路は比屈折率差の大きい光導波路で構成することに特徴がある。よって、共振器の光路長を微小化でき、かつ光損失を低減できる。
【００２７】
また、比屈折率差の大きい光導波路におけるコアの両側のクラッドが同じ材料で構成され、比屈折率差の小さい光導波路におけるコアの幅は比屈折率差の大きい光導波路におけるコアの幅より広く、光導波路同士を接続する光接続部の比屈折率差の大きい光導波路におけるコアの幅は、比屈折率差の小さい光導波路に向かって狭まくなる構造を有する。よって、光結合における低損失を実現できる。
【００２８】
更に、比屈折率差の大きい光導波路におけるコアの両側のクラッドが同じ材料で構成され、比屈折率差の小さい光導波路におけるコアの幅は比屈折率差の大きい光導波路におけるコアの幅より広く、光導波路同士を接続する光接続部の比屈折率差の小さい光導波路におけるコアの幅及びクラッドの幅は、比屈折率差の大きい光導波路に向かって狭まくなる構造を有する。よって、光結合における低損失を実現できる。
【００２９】
また、比屈折率差の大きい光導波路におけるコアの両側のクラッドが同じ材料で構成され、比屈折率差の小さい光導波路と比屈折率差の大きい光導波路とにおける各コアの幅が等しく、光導波路同士を接続する光接続部の比屈折率差の小さい光導波路におけるクラッドの幅は、比屈折率差の大きい光導波路に向かって狭まく構造を有する。よって、光結合における低損失を実現できる。
【００３０】
更に、比屈折率差の大きい光導波路におけるコアの両側のクラッドが同じ材料で構成され、比屈折率差の小さい光導波路におけるコアの幅は、比屈折率差の大きい光導波路におけるコアの幅より広く、光導波路同士を接続する光接続部の比屈折率差の小さい光導波路におけるコアの幅及びクラッドの幅は、比屈折率差の大きい光導波路に向かって狭まくなり、かつ接続部において光の伝搬方向に対してコアが不連続となっている構造を有する。よって、光結合における低損失を実現できる。
【００３１】
また、比屈折率差の大きい光導波路におけるコアの両側のクラッドが空気を含むことが好ましい。
【００３２】
更に、比屈折率差の小さい光導波路におけるコアの両側のクラッド間に電圧を印加し、当該光導波路を構成する材料の屈折率を制御することができ、共振器にて共振する波長を変化させることができる。
【００３３】
また、比屈折率差の大きい光導波路におけるコアの両側のクラッド間に電圧を印加し、当該光導波路を構成する材料の屈折率を制御することができ、共振器にて共振する波長を変化させることができる。
【００３４】
更に、光導波路が、電気光学材料又は半導体材料からなることにより、高速な屈折率変調が可能となり、光スイッチ素子に適用できる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明の光集積素子は、同一基板上に接続され、コアとクラッドを含んで構成された複数の光導波路を有し、更には複数の光導波路のうちの隣接する２つの光導波路におけるコアとクラッドとの屈折率差が異なっている。よって、同一基板上に配置された光導波路を高密度に集積し、かつ製作が容易な、低損失な光集積素子を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
図１は本発明の第１の実施の形態例に係る光集積素子の構成を示す断面図である。同図において、本実施の形態例の光集積素子１は、光を伝搬させる光導波路１０及び光導波路２０を結合して構成されている。これらの光導波路１０、２０は同一基板上に形成されている。光導波路１０はコア１１とクラッド１２を有している。コア１１の屈折率をクラッド１２の屈折率より高くすることにより、全反射を利用して光を導波路のコア内に閉じ込め、光を伝搬させる。また、光導波路２０はコア２１とクラッド２２を有している。更に、光導波路１０と同様に、光導波路２０においても光はコア２１を伝搬する。光導波路１０と光導波路２０は光結合部３０において、直列に結合されている。光導波路１０を伝搬する光は光結合部３０を介して光導波路２０に結合し、光導波路２０内を伝搬する。
【００３７】
図１において、光導波路１０と光導波路２０とで互いに比屈折率差を異ならせている。本実施の形態例では光導波路２０の比屈折率差を光導波路１０の比屈折率差より大きくしている。以後、光導波路１０のように相対的に屈折率差の小さい導波路を低屈折率差導波路、光導波路２０のように相対的に屈折率差の大きい導波路を高屈折率差導波路と呼ぶこととする。なお、比屈折率差とは光導波路におけるコアとクラッドの屈折率差を表す指標であり、コアの屈折率をｎ１、クラッドの屈折率がｎ２のとき、比屈折率差をΔとすると、Δ＝（ｎ１２−ｎ２２）／（２ｎ１２）で定義される。ＰＬＣ（Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃμｉｔ）を構成する典型的な光導波路においてはΔの値は数％程度である。屈折率差を大きくするほど、光導波路内に光を強く閉じ込めることが可能となる。よって、光導波路に曲率を持たせて光配線を構成した場合の曲率半径を小さくすることができ、高密度に光配線を集積することが可能となる。また、光を導波路中に強く閉じ込めることから、非線形効果が増大し、波長変換素子等の効率を上昇させる効果も期待できる。全反射によって光を閉じ込めた直線導波路は原理的に無損失で光を伝搬させるが、現実には製作プロセスにおける導波路コアの側壁に荒れによって伝搬損失が生じる。屈折率差を大きくすると、この影響が顕著に表れる。よって、直線や曲率半径が大きい曲がりにおいて光を伝搬させる場合は屈折率差を小さくすることが、光素子の過剰損失を低減につながる。従って、本実施の形態例によれば、高屈折率差導波路と低屈折率差導波路とを同一基板上に集積することにより、高密度な光集積回路を低損失で実現できる。
【００３８】
また、比屈折率差の異なる光導波路を集積する簡便な方法として、２種類の導波路においてコアとして同じ材料を用い、かつクラッド材料を異ならせることがあり、この集積構造について以下に説明する。図２の（ａ）は図１のＡ−Ａ’線断面図である。同図に示すように、低屈折率差導波路の光導波路１０は、コア１１と、下部クラッド１２−１及び上部クラッド１２−２を有するクラッド１２とを含んで構成されている。また、図２の（ｂ）は図１のＢ−Ｂ’線断面図である。同図に示すように、高屈折率差導波路の光導波路２０は、コア２１と、下部クラッド２２−１及び上部クラッド２２−２を有するクラッド２２とを含んで構成されている。ここで、２種類の導波路におけるコア１１とコア２１とで同じ材料を用い、かつ下部クラッド１２−１と下部クラッド２２−１を構成する材料も同じにする。更に、上部クラッド１２−２と上部クラッド２２−２とを比較して、上部クラッド１２−２を構成する材料の屈折率を、上部クラッド２２−２を構成する材料の屈折率よりも高くすることによって、異なる比屈折率差をもつ導波路を同一基板上に実現できる。また、より簡便にはコア１１とコア２１とでコアの厚さを一致させることが望ましい。更に、高屈折率差導波路である光導波路２０の上部クラッド２２−２を構成する材料として屈折率１．０を有する空気が含まれることは言うまでもない。
【００３９】
更に、屈折率差が大きくなるほど、単一モードで動作する光導波路のコア寸法は小さくなる。すなわち、比屈折率差の異なる光導波路において、コアの厚さが同じであれば低屈折率差導波路である光導波路１０の導波路幅は、高屈折率差導波路である光導波路２０の導波路幅と比べて広くなる。低屈折率差導波路である光導波路１０を伝搬する光の電磁界分布と、高屈折率差導波路である光導波路２０を伝搬する光の電磁界分布とは互いに異なるため、両導波路を突き合わせ接続した場合には光損失が生じる。従って、本実施の形態例においては適切な光接合部３０を比屈折率差の異なる導波路間に設けることにより、比屈折率差の異なる導波路間における結合を低損失で可能にする。
【００４０】
図３は本発明の第２の実施の形態例に係る光集積素子の構成を示す断面図である。同図に示す本実施の形態例の光集積素子２は、３種類の導波路を集積化した構成例を示したものである。同図において、光導波路４０、５０、６０が順に直列に接続され、これらの光導波路４０、５０、６０が光結合部７０及び光結合部８０によってそれぞれ結合されている。ここで光導波路４０と光導波路６０とで比屈折率差は互いに等しく、光導波路５０の比屈折率差とは異なっている。なお、本実施の形態例では光導波路５０を高屈折率差導波路、光導波路４０と光導波路６０を低屈折率差導波路としているが、光導波路５０を低屈折率差導波路、光導波路４０と光導波路６０を高屈折率差導波路としてもよい。
【００４１】
従来の低屈折率差導波路で導波光を伝播させる光集積素子に、図３に示すように高屈折率差導波路を複合することにより、高屈折率導波路がその高屈折率差に依存する小さな単一モードのモード径と高ＮＡ特性により小型に集積しやすいので、この複合導波路は作製しやすいと同時により小型の光集積素子を実現できるようになる。また、従来の高屈折率差導波路で導波光を伝播させる光集積素子に、図示はしていないが２つの高屈折利差導波路間に低屈折率差導波路を接続した光集積素子では、低屈折率差導波路がその低屈折率差に依存する大きな単一モードのモード径により空間的な伝播領域を増大したり、低損失化したりすることができるようになり、より高機能の光集積素子を実現できるようになる。
【００４２】
図４は本発明の第３の実施の形態例に係る光集積素子の構成を示す断面図である。同図において、図３と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。本実施の形態例の光集積素子３は、３種類の導波路を集積化しており、光導波路５０を高屈折率差導波路とし、光導波路４０と光導波路６０を低屈折率差導波路としている。更に、光導波路５０は同図に示すように曲がり部５１を有している。光導波路５０が強い光閉じ込めを有することから、曲がり部５１における曲率半径を小さくでき、これにより低屈折率差導波路における光伝搬方向を極微小な領域で変化させることができる。図４においては低屈折率差導波路である光導波路４０及び光導波路６０を直線導波路としているが、これらにより大きな曲率半径を持たせ、高屈折率差導波路である光導波路５０においてより小さな曲率半径を持たせることでも同様の効果が得られる。
【００４３】
なお、図４の高屈折率差導波路である光導波路５０の曲がり部５１の曲率は、図４に示すような９０度に対応する曲率に限定されるわけではなく、０度より大きく１８０度未満の全ての場合において同様に効果的である。また、低屈折率差導波路である光導波路４０及び光導波路６０が特定の導波路長に対して１０度相当の曲率の曲がり部を有している場合にも、高屈折率差導波路である光導波路５０に、３０度より曲率のより小さい３０度や４５度相当の曲率の曲がり部を設けることも同様に効果的である。より具体的には、低屈折率差導波路である光導波路４０及び光導波路６０と高屈折率差導波路である光導波路５０の屈折率差の比以上の小さい曲率を設けることが好ましい。また、高屈折率差導波路である光導波路５０の曲率は一定値である必要はなく、複数の曲率を有したり、徐々に曲率が変化したりすることも同様に効果的である。
【００４４】
図５は別の発明の第１の実施の形態例に係る光制御素子の構成を示す断面図である。同図に示す本実施の形態例の光制御素子４は、複数の平行に配列した低屈折率差の直線導波路を高屈折率導波路で結合した構成を有している。本実施の形態例の光制御素子４は、複数の直線導波路における伝播時間を利用して、光パルス信号に対して群遅延を与えることに用いることができる。光入力部９０と光出力部１００との間に直線導波路群１１０が挿入されている。直線導波路群１１０は光に対して群遅延を与える機能を担う。具体的には光導波路の群屈折率を３．０とした場合、その直線導波路中を１０ｃｍ伝搬させることで、１ナノ秒の信号遅延を与えることが可能である。１０ｃｍの光伝搬を直線導波路のみで実現した場合はデバイス長が長すぎ、高密度に光制御素子を集積化することが困難となる。そこで、より現実的には、数ｍｍ〜１ｃｍ程度の長さをもつ光導波路同士を曲がり導波路によって結合し、合計の伝搬距離を１０ｃｍ程度にすることが考えられる。しかしながら、従来の一般的な光導波路においては比屈折率差が１％程度であり、これを用いて曲がり導波路を実現すると、曲がり導波路における光の放射損失を無視できるほど小さくするためには、曲率半径はミリメーターのオーダーが要求される。よって、直線導波路を高密度に集積化することができず、デバイスサイズが大きくなる。
【００４５】
そこで、本実施の形態例の光制御素子４においては、直線導波路群１１０を低屈折率差導波路によって構成し、直線導波路同士を結合する曲がり導波路１２０を高屈折率差導波路によって構成している。曲がり導波路１２０を高屈折率差導波路とすることで、曲げ部分の曲率半径を微小にすることができるため、直線導波路同士の間隔を狭めることができる。より具体的には、比屈折率差を４０％程度以上にすることによって曲がり導波路１２０の曲率半径は数ミクロンで放射損失無しの曲げが実現できる。すなわち素子サイズにおいて従来と比べて５桁以上の微小化が可能となると同時に低損失化を実現できる。
【００４６】
また、図５に示す本実施の形態例の光制御素子４は、複数の低屈折率差導波路が平行に配列していることに限定されるわけではなく、三角波形状のジグザク状の配列や多角形の渦巻き状等により面積当りの導波路距離を増大できる方式であれば同様に効果的である。また、平行に配列している場合にも、完全に平行である必要はなく、また直線導波路が高屈折率差導波路よりも大きな曲率半径を有する導波路であるだけで同様に効果的である。
【００４７】
図６は別の発明の第２の実施の形態例に係る光制御素子の構成を示す断面図である。同図に示す第２の実施の形態例の光制御素子５は、光信号の経路切り替えや合分波の用途として用いられる。単一モードのみが励起される光導波路同士を光信号の波長程度に近づけることによって、近接した２本の導波路において２種類の導波モード、すなわち偶モード及び奇モードが励起される。偶モードでは２つのコアに同位相で山を持つのに対して奇モードでは逆位相で山を持つ。これらの位相関係によって重ね合わせた界分布が決定される。偶モードと奇モードのわずかな伝搬定数差によって、その位相差は伝搬軸方向に変化するので、光電力は２つのコア間で伝搬方向に対して周期的に変動する。よって、２つの導波路を接近させて適当な距離を伝搬させ、その他の領域においては光導波路同士を十分に離す構成により、光信号の経路切り替えや合分波が可能となる。このような光制御デバイスは一般に方向性結合器と呼ばれる。方向性結合器型の光制御素子は、上記の２本の導波路が接近した光結合部と、光信号を入力する光入力部と、光信号を出力する光出力部とを有し、さらに光結合部と光入力部あるいは光出力部は光分離部を介して互いに接続される。光入力部及び光出力部においては、２つの導波路において光結合が生じない程度の距離をおいて、光導波路が配置される。
【００４８】
図６における方向性結合器型の光制御素子５は、光入力部１３０と、光出力部１４０と、光結合部１５０と、光分離部１６０，１７０とを含んで構成されている。光入力部１３０、光出力部１４０及び光結合部１５０を低屈折率差導波路で構成し、光分離部１６０，１７０を高屈折率差導波路で構成している。従来の光導波路ではその曲率半径が大きいため、デバイスサイズが大きくなる。これに対して、図６に示す本実施の形態例の光制御素子のように、光分離部１６０，１７０はＳ字状の導波路から構成されることにより、光分離部を微小領域で実現できるため、デバイスサイズを微小化できる。
【００４９】
また、光入力部１３０及び光出力部１４０を、図示はしていないが高屈折率差の導波路で構成する場合には、光結合部１５０の低屈折率差導波路で方向性結合を行うことができると同時に、ほぼ同じ導波路間隔のままで光結合部１５０の低屈折率差導波路を光入力部１３０及び光出力部１４０となる高屈折率差導波路と接合することにより、光結合部１５０のような分離部を一体化することができ、より小型化することができるようになる。
【００５０】
図７は別の発明の第３の実施の形態例に係る光制御素子の構成を示す断面図である。同図において、図６と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す第３の実施の形態例の光制御素子６も方向性結合器型の光制御素子であって、光入力部１３０と、光出力部１４０と、光分離部１６０，１７０と、光結合部１８０とを含んで構成されている。光入力部１３０及び光出力部１４０を低屈折率導波路で構成し、光分離部１６０，１７０及び光結合部１８０を高屈折率差導波路で構成している。比屈折率差が１％程度の従来の光導波路では方向性結合器におけるビート長、すなわち一方の光導波路から他方の光導波路に光電力が完全に移動するのに要する伝搬距離は１ｍｍ程度となるのに対して、比屈折率差を４０％以上とした超高屈折率差導波路ではビート長は数１０μｍ程度に微小化できる。よって、本実施例の形態例によれば、光信号を制御する個所を微小化できるため素子サイズを小さくでき、またそれ以外の急激な曲げを必要としない光配線部においては低屈折率差導波路を用いることで、素子の過剰損失を低減できる。
【００５１】
図８は別の発明の第４の実施の形態例に係る光制御素子の構成を示す断面図である。同図において、本実施の形態例の光制御素子７は、特定の波長の光信号を合波あるいは分波する用途で用いられ、一般的にリング共振器型の波長合分波器と呼ばれている。本実施の形態例の光制御素子７は、光入出力用の光導波路２０１〜２０４と、光結合部２１０，２２０と、曲がり導波路２３０，２４０とを含んで構成され、光結合部２１０，２２０を構成する光導波路のうちの一方が曲がり導波路２３０，２４０と結合される。光結合部２１０，２２０と曲がり導波路２３０，２４０の結合によってリング状の導波路が形成され、このリング導波路が共振器となり波長選択要素として機能する。光導波路２０１から光信号を入力した場合、リング共振器を一周する光路長が光の波長の整数倍となったときにのみ、その波長の光が共振器内を共振し、光導波路２０３より出力される。リング共振器において共振しない波長が光導波路２０１から入力された場合は、その光信号はそのまま直進し光導波路２０２より出力される。このようにリング共振器は波長選択性の合分波器として動作するほか、共振波長を変化させることにより、特定波長におけるスイッチング素子としても使用できる。リング導波路で共振する共振波長は周期的に現れるが、隣接する共振波長の間隔を自由スペクトル領域（Ｆｒｅｅ Ｓｐｅｃｔｒμｍ Ｒａｎｇｅ：以下ＦＳＲと略す）と呼ぶこととする。特定の波長成分だけを取り出す場合には、ＦＳＲは大きいほうが望ましいが、例えば光ファイバ通信における波長多重伝送方式に適用可能なほど大きなＦＳＲを実現するためには、リング導波路の半径を数μｍ程度に微小化する必要がある。これは比屈折率差を２０％以上にした超高屈折率差導波路においてはじめて実現可能であるが、この際に素子の性能は光結合部においてリング導波路に結合する光電力の割合に強く依存する。よって、光結合部において結合する光電力の割合を容易に制御するために、光結合部のみ直線導波路とすることが考えられる。
【００５２】
以上説明したように、本実施の形態例の光制御素子によれば、曲がり導波路を高屈折率差導波路とすることで共振器の光路長を微小化し、かつ曲がり導波路以外の光入出力用の光導波路、光結合部の直線導波路を低屈折率差導波路とすることによって、側壁荒れなどによる光損失を低減することが可能である。
【００５３】
図９は低屈折率差導波路と高屈折率差導波路とを低損失で接続する第１の構成例を示す図である。同図の（ａ）は導波路の結合部を基板上面から見たものを示し、同図の（ｂ）は横方向から見たものを示している。同図の（ａ）、（ｂ）に示すように、低屈折率差導波路２５０と高屈折率差導波路２６０が光結合部２７０を介して接続されている。また、図１０の（ａ）は図９のＡ−Ａ’線断面図であり、低屈折率差導波路の断面形状を示している。図１０の（ｂ）は図９のＢ−Ｂ’線断面図であり、低屈折率差導波路と接する側の光結合部の断面形状を示している。図１０の（ｃ）は図９のＣ−Ｃ’線断面図であり、高屈折率差導波路と接する側の光結合部の断面形状を示している。また、高屈折率差導波路の断面構造は図１１の（ｂ）と同じ形状を持つ。低屈折率差導波路２５０、高屈折率差導波路２６０、光結合部２７０において、低屈折率差導波路２５０及び高屈折率差導波路２６０のコア２５１，２６１は全て同じ材料から構成され、かつ低屈折率差導波路２５０及び高屈折率差導波路２６０並びに光結合部２７０におけるコア２５１，２６１，２７１の厚さは等しい。また、低屈折率差導波路２５０及び高屈折率差導波路２６０並びに光結合部２７０における下部クラッド２５２−１、２６２−１、２７２−１は同じ材料によって構成されている。よって、低屈折率差導波路２５０及び高屈折率差導波路２６０並びに光結合部２７０は、同一基板上に形成することが可能である。低屈折率差導波路２５０における上部クラッド２５２−２の屈折率はコア材料の屈折率と比較的近い値を持ち、また高屈折率差導波路２６０及び光結合部２７０における上部クラッド２６２−２及び上部クラッド２７２−２と低屈折率差導波路２５０における上部クラッド２５２−２は同じ材料で構成されている。具体的な材料として、１．４５程度の屈折率を持つＳｉＯ２などが好ましい。また、高屈折率差導波路２６０及び光結合部２７０の側部クラッド２６２−３と側部クラッド２７２−３は同じ材料によって構成され、その屈折率は導波路コア材料より著しく低い。例えば側部クラッド材料として屈折率１．０を有する空気が好ましい。
【００５４】
図１０の（ａ）に示す低屈折率差導波路２５０におけるコア２５１の形状が幅広の構造を有する。図１０の（ｂ）に示すように、光結合部２７０の導波路のコア２７１のコア幅は急激に狭まり、図１０の（ｃ）に示すように徐々に幅が広がり、最終的に光結合部２７０の導波路のコア２７１のコア幅と高屈折率差導波路２６０のコア２６１のコア幅とが等しくなる。このとき光結合部２７０と高屈折率差導波路２６０の導波路断面構造は完全に一致する。
【００５５】
ここで、低屈折率差導波路と高屈折率差導波路とを低伝搬損失で結合する原理を以下に説明する。はじめに低屈折率差導波路においては、コアとクラッドの屈折率差が小さいため、コア部への光閉じ込めが弱く、クラッド部への光電磁界の広がりが大きい。これに対して、低屈折率差導波路側の光結合部ではコアの幅を極端に狭めてコアへの光閉じ込めを弱め、光電磁界の広がりを大きくする。低屈折率差導波路と光結合部の境界において、両フィールド形状をほぼ一致させることによって低損失な光結合を実現できる。図１０の（ｂ）に示す光結合部２７０から図１０の（ｃ）に示す高屈折率差導波路２６０までにおいては、光導波路幅を漸次広げる。導波路幅が広がると共にコアへの光閉じ込めが強くなり、図１０の（ｃ）に示す高屈折率差導波路２６０において伝搬光の光電磁界の断面分布は高屈折率差導波路の電磁界分布に完全に等しくなる。よって、低屈折率差導波路と高屈折率差導波路との光結合が低損失にて実現できる。
【００５６】
図１１は低屈折率差導波路と高屈折率差導波路とを低損失で接続する第２の構成例を示す図である。同図の（ａ）は導波路の結合部を基板上面から見たものを示し、同図の（ｂ）は横方向から見たものを示している。低屈折率差導波路２８０と高屈折率差導波路２９０が光結合部３００を介して接続されている。図１２の（ａ）は図１１のＡ−Ａ’線断面図であり、低屈折率差導波路の断面形状を示している。図１２の（ｂ）は図１１のＢ−Ｂ’線断面図であり、低屈折率差導波路と接する側の光結合部の断面形状を示している。図１２の（ｃ）は図１１のＣ−Ｃ’線断面図であり、高屈折率差導波路と接する側の光結合部の断面形状を示している。低屈折率差導波路２８０、高屈折率差導波路２９０、光結合部３００において、低屈折率差導波路２８０及び高屈折率差導波路２９０のコア２８１，２９１は同じ材料から構成され、かつ低屈折率差導波路２８０及び高屈折率差導波路２９０並びに光結合部３００におけるコア２８１，２９１，３０１の厚さは等しい。また、低屈折率差導波路２８０及び高屈折率差導波路２９０並びに光結合部３００における下部クラッド２８２−１，２９２−１，３０２−１は同じ材料によって構成されている。よって、低屈折率差導波路２８０及び高屈折率差導波路２９０並びに光結合部３００は、同一基板上に形成することが可能である。低屈折率差導波路２８０における上部クラッド２８２−２の屈折率はコア材料の屈折率と比較的近い値を持ち、また高屈折率差導波路２９０及び光結合部３００における上部クラッド２９２−２及び上部クラッド３０２−２と低屈折率差導波路２８０における上部クラッド２８２−２は同じ材料で構成されている。
【００５７】
図１２の（ａ）に示す低屈折率差導波路２８０におけるコア２８１の形状が幅広の構造を有している。図１２の（ｂ）に示すように、光結合部３００においては、コア３０１の幅が徐々に狭まり、高屈折率差導波路２９０との境界において、そのコア幅と一致する。更に、光結合部３００において設けられた側部クラッド３０２−３の幅をも狭める。高屈折率差導波路２９０との境界において、光結合部３００の側部クラッド３０２−３は完全に高屈折率差導波路の側部クラッド２９２−３の構造と等しく、このとき光結合部と高屈折率差導波路の導波路断面構造は完全に一致する。
【００５８】
このように、低屈折率差導波路において、コアからクラッドにかけて大きな広がりをもつ光の電磁界が、コアの幅を狭めることによって次第にコア内部に強く閉じ込められ、かつクラッド側部の幅をも狭めることから、低屈折率差導波路のクラッドと高屈折率差導波路のクラッドとの間で生じる全反射を利用して、光導波路中に光を強く閉じ込めることが可能になる。よって、低屈折率差導波路と高屈折率差導波路との光結合が低損失にて実現できる。
【００５９】
図１３は低屈折率差導波路と高屈折率差導波路とを低損失で接続する第３の構成例を示す図である。同図の（ａ）は導波路の結合部を基板上面から見たものを示し、同図の（ｂ）は横方向から見たものを示している。低屈折率差導波路３１０と高屈折率差導波路３２０が光結合部３３０を介して接続されている。図１４の（ａ）は図１３のＡ−Ａ’線断面図であり、低屈折率差導波路の断面形状を示している。図１４の（ｂ）は図１３のＢ−Ｂ’線断面図であり、光結合部の断面形状を示している。図１４の（ｃ）は図１３のＣ−Ｃ’線断面図であり、高屈折率差導波路の断面形状を示している。低屈折率差導波路３１０、高屈折率差導波路３２０、光結合部３３０において、低屈折率差導波路３１０及び高屈折率差導波路３２０のコア３１１，３２１は全て同じ材料から構成され、かつ低屈折率差導波路３１０、高屈折率差導波路３２０及び光結合部３３０におけるコア３１１，３２１，３３１の厚さは等しい。また、低屈折率差導波路３１０、高屈折率差導波路３２０及び光結合部３３０における下部クラッド３１２−１，３２２−１，３３２−１は同じ材料によって構成されている。したがって、低屈折率差導波路３１０、高屈折率差導波路３２０及び光結合部３３０は、同一基板上に形成することが可能である。低屈折率差導波路３１０における上部クラッド３１２−２の屈折率はコア材料の屈折率と比較的近い値を持ち、また高屈折率差導波路３２０及び光結合部３３０における上部クラッド３２２−２，３３２−２と低屈折率差導波路３１０における上部クラッド３１２−２は同じ材料で構成されている。
【００６０】
このように、低屈折率差導波路及び高屈折率差導波路において、コアの幅は互いに等しく、クラッドの屈折率を互いに異ならせることによって、比屈折率の差を生じさせている。光結合部の断面構造は、低屈折率差導波路との境界においてはその断面構造と等しく、また高屈折率差導波路との境界においてはその断面構造と等しい。光結合部において、低屈折率差導波路を構成していた側部クラッドの幅を徐々に狭める。
【００６１】
また、低屈折率差導波路から光結合部に入力された光は、側部クラッドの屈折率差を利用することによって徐々にコアへ強く閉じ込められる。よって、低屈折率差導波路と高屈折率差導波路との光結合が低損失にて実現できる。
【００６２】
図１５は低屈折率差導波路と高屈折率差導波路とを低損失で接続する第４の構成例を示す図である。同図の（ａ）は導波路の結合部を基板上面から見たものを示し、同図の（ｂ）は横方向から見たものを示している。低屈折率差導波路３４０と高屈折率差導波路３５０が光結合部３６０を介して接続されている。図１６の（ａ）は図１５のＡ−Ａ’線断面図であり、低屈折率差導波路の断面形状を示している。図１６の（ｂ）は図１５のＢ−Ｂ’線断面図であり、光結合部の断面形状を示している。図１６の（ｃ）は図１５のＣ−Ｃ’線断面図であり、高屈折率差導波路の断面形状を示している。低屈折率差導波路３４０、高屈折率差導波路３５０、光結合部３６０において、低屈折率差導波路３４０及び高屈折率差導波路３５０のコア３４１，３５１は同じ材料から構成され、かつ低屈折率差導波路３４０、高屈折率差導波路３５０及び光結合部３６０におけるコア３４１，３５１，３６１の厚さは等しい。また、低屈折率差導波路３４０、高屈折率差導波路３５０及び光結合部３６０における下部クラッド３４２−１，３５２−１，３６２−１は同じ材料によって構成される。したがって、低屈折率差導波路３４０、高屈折率差導波路３５０及び光結合部３６０は、同一基板上に形成することが可能である。低屈折率差導波路３４０における上部クラッド３４２−２の屈折率はコア材料の屈折率と比較的近い値を持ち、また高屈折率差導波路３５０及び光結合部３６０における上部クラッド３５２−２，３６２−２と低屈折率差導波路３４０における上部クラッド３４２−２は同じ材料で構成されている。
【００６３】
このように、低屈折率差導波路において、コアの形状が幅広の構造を有する。光結合部においては、コアの幅が徐々に狭まり、高屈折率差導波路との境界において、そのコア幅と一致する。さらに低屈折率差導波路において設けられた側部クラッドの幅をも狭める。高屈折率差導波路との境界において、側部クラッドは完全に高屈折率差導波路の側部クラッドの構造と等しく、このとき光結合部と高屈折率差導波路の導波路断面構造は完全に一致する。本実施の形態例ではさらに光結合部におけるコアを光伝搬方向に対して不連続とする。
【００６４】
また、幅広の低屈折率差導波路を伝搬する光は、光結合部においてコアが消失するため、大きく電磁界が広がる。ここで低屈折率差導波路の側部クラッドは屈折率が大きく、かつ高屈折率差導波路の側部クラッドは小さな屈折率を有するため、その境界おける全反射によって光は閉じ込められる。低屈折率差導波路の側部クラッド幅を徐々に狭めると、それに伴って光の電磁界も微小領域に閉じ込められ、最終的には高屈折率差導波路を伝搬する光の電磁界分布とほぼ等しくなる。本実施の形態例では、さらに低屈折率差導波路及び高屈折率差導波路のコアと同じ屈折率を有する材料を光結合部に設置しており、これがレンズ効果を発揮して、低屈折率差導波路から高屈折率差導波路の光電力の移動を補助する。よって、低屈折率差導波路と高屈折率差導波路との光結合が低損失にて実現できる。
【００６５】
図１７は本発明において低屈折率差導波路の特性を変化させるための構成を示す断面図である。同図に示す低屈折率差導波路３７０は、コア３７１と、クラッド３７２と、クラッド３７３上に設けられた電極３７３と、クラッド３７３下に設けられた電極３７４と、基板３７５とを含んで構成されている。また、図１８は本発明において高屈折率差導波路の特性を変化させるための構成を示す断面図である。同図に示す高屈折率差導波路３８０は、コア３８１と、クラッド３８２と、クラッド３８２上に設けられた電極３８３と、クラッド３８２下に設けられた電極３８４と、基板３８５とを含んで構成されている。
【００６６】
図１７及び図１８において、低屈折率差導波路３７０のコア３７１及び高屈折率差導波路３８０のコア３８１を電気光学材料によって構成した場合、低屈折率差導波路３７０に設けられた電極３７３と電極３７４との間、あるいは高屈折率差導波路３８０に設けられた電極３８３と電極３８４との間に電圧を印加することによって、各基板３７５，３８５に対して垂直方向に電界を加えることができる。この電界によって電気光学効果により各コア３７１，３８１の屈折率を変調することができる。また、低屈折率差導波路３７０のコア３７１及び高屈折率差導波路３８０のコア３８１を半導体材料によって構成した場合には、上下電極間に電圧を印加することにより、光導波路に対して電流が注入され、導波路の屈折率が変化する。また、低屈折率差導波路３７０の電極３７３あるいは高屈折率差導波路３８０の電極３８３を金属膜で形成し、電圧を印加することによって金属膜が熱を持ち、すなわちヒータとして機能する。光導波路がヒータによって熱せられることによって、光導波路を構成する材料の屈折率が変化する。この温度変化は半導体材料あるいはポリマー材料において特に顕著である。
【００６７】
また、導波路を構成する材料を屈折率変調することにより、光制御素子の特性を動的に変化させることが可能となる。例えば上述した方向性結合器において、光結合部の材料を屈折率変調することにより、光結合部を構成する導波路の光路長が変化するため、方向性結合器のビート長を変化させることが可能となる。従って、出力部を構成する２つの光導波路からの出力比を可変にすることが可能となる。また、上述したリング共振器型光制御素子において、共振器を構成する導波路の屈折率を変化させることによって、共振器にて共振する波長を変化させることができる。これによる波長可変の波長合分波器を実現できる。更に、電気光学材料や半導体材料を用いると、高速な屈折率変調が可能であることから、リング共振器を光スイッチング素子として機能させることが可能となる。また、共振スペクトルの帯域、すなわち共振ピークの鋭さは光結合部において共振器内に入力される光電力の割合に依存する。光結合部を屈折率変調することによって、この帯域幅をも可変にすることが可能となる。
【００６８】
ここで、上述したように、損失低減の効果を利用し、光集積回路全体の挿入損失を低減するためには、比屈折率差の異なる導波路同士を低損失で結合することが求められる。また、一般に低屈折率差導波路と高屈折率差導波路を伝搬する光は、その電磁界分布が大きく異なり、両導波路間を低損失にて接続するためには、スポットサイズ変換器と呼ばれる、光電磁界分布を漸次変化させる構造が必要となる。例えばシリコンをコアとし、空気をクラッドとした超高屈折率差光導波路を、大きなスポット径をもつ光ファイバと低損失にて結合させるために、図１９の（ａ）〜（ｆ）に示すように、光結合において高屈折率差導波路４０１のコア４０１−１の先端を逆テーパー形状に狭め、かつその逆テーパー形状のコアの周囲を、導波路断面積の大きな低屈折率差導波路４０２のコア４０２−１で被っている。しかし、このような構成では、逆テーパー形状のコアの長さが数１０μｍ程度から１ｍｍ程度必要になる。更に、シリコンによる導波路のコアの幅を逆テーパー形状に狭めるため、コアの先端の幅を１００μｍ程度以下に小さくする必要があり、高度な微細加工技術が求められる。
【００６９】
そこで、以下に説明する本発明の実施の形態例では、より短い遷移距離にて異なる屈折率差を有する光導波路間を低損失にて結合し、かつ製作も容易な光結合部の構成について説明する。
【００７０】
図２０は本発明の第４の実施の形態例に係る光集積素子の構成を示す図である。同図の（ａ）は本実施の形態例の光集積素子の斜視図、同図の（ｂ）は平面透視図、同図の（ｃ）は側面透視図、同図の（ｄ）は同図の（ａ）〜（ｃ）のＡ−Ａ’線断面図、同図の（ｅ）は同図の（ａ）〜（ｃ）のＢ−Ｂ’線断面図、同図の（ｆ）は同図の（ａ）〜（ｃ）のＣ−Ｃ’線断面図である。図２０に示す第４の実施の形態例の光集積素子は比屈折率差の異なる光導波路同士を結合した複合光導波路で構成されている。高屈折率差光導波路５０１と低屈折率差光導波路５０２を光結合部５０３によって互いに結合している。また、高屈折率差光導波路５０１及び低屈折率差光導波路５０２並びに光結合部５０３はすべて共通の基板５０５上に形成される。また、光結合部５０３は導波路構造を有しており、また高屈折率差導波路５０１から低屈折率差導波路５０２に遷移するにしたがって、光結合部５０３におけるクラッド５０２−１の幅がテーパー状に広がっている。また、導波路のコア５０４の断面は、いずれの光導波路においても常に一定の寸法を有する。最終的に、光結合部５０３の光導波路断面構造と低屈折率差光導波路５０２との接続部において、両光導波路の断面構造は一致する。なお、本実施の形態例では、光結合部５０３におけるクラッド５０２−１の幅の変化をテーパー状としたが、これに限定されない。
【００７１】
なお、高屈折率差光導波路５０１は１０％以上の比屈折率差を有することが望ましく、そのような比屈折率差の光導波路によって曲がり配線を構成した場合、１００μｍ以下の微小な曲率半径であってもほぼ損失無しで光路を曲げることが可能となる。このように、コアとクラッドの屈折率差が非常に大きい光導波路を実現するためには、コアの屈折率を高くする必要があるが、より具体的な材料としてシリコン等の半導体材料、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム等の光学結晶、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ等のセラミックス材料、Ｔａ２Ｏ５やＴｉＯ２を高濃度でドープしたＳｉＯ２や窒酸化シリコン（ＳｉＯＮ）等に代表される高屈折率ガラス、ポリマー材料等が好適である。以上のような材料で構成されたコアの周囲を空気やＳｉＯ２等の低屈折率材料によって覆うことによって、比屈折率差が１０％以上の高屈折率差光導波路を実現できる。
【００７２】
例えばコアを屈折率３．５のシリコンで構成し、クラッドを屈折率１．０の空気とすれば、比屈折率差は４６％まで高めることができる。また屈折率が２．０程度のガラス材料や光学結晶材料を利用した場合においても、比屈折率差を３８％程度まで高めることが可能であり、数μｍ〜数１０μｍの曲率半径で光導波路の曲げが可能である。
【００７３】
また、高屈折率差光導波路において、コアとクラッドとの屈折率差が非常に大きくなるため、光導波路が単一モードで動作するためには、コアの断面サイズは非常に小さくなる。具体的にはコアの屈折率が２．０、クラッドの屈折率が１．０のとき、波長８５０ｎｍにおいて、コア断面の寸法は４００×４００ｎｍ２程度が好適である。図２１に高屈折率差導波路内に閉じ込められる伝搬モードの計算例を示す。同図に示す例では下部クラッドとなる基板の屈折率を１．４５、コアの屈折率を２．１７、コア周囲のクラッドの屈折率を１．０とした。コア断面の寸法は４００×４００ｎｍ２であり、波長８５０ｎｍの光に対する基本モードの電界強度分布を示している。図２１からわかるように、微小なコアの近傍にのみ伝搬光が閉じ込められている。この強い光閉じ込め効果が低損失での微小曲げに寄与する。
【００７４】
一方、低屈折率差導波路としては、比屈折率差が１％程度以下の光導波路が適当である。一般に光導波路を伝搬する光の伝搬損失は比屈折率差の２．５乗に比例することが知られている。よって、例えば比屈折率差が３０％の高屈折率差光導波路で構成された直線配線を、比屈折率差が１％低屈折率差導波路で置き換えることにより、伝搬損失を１/５０００程度に抑制することができる。この損失抑制の効果を利用して、例えば光遅延線など、ｃｍオーダー以上の導波路長を必要とするような光制御素子において、素子全体の挿入損失を大幅に低減することができる。
【００７５】
従来からの石英系光導波路は通常比屈折率差が１％程度以下であり、その際のコア断面の大きさは５〜８μｍ角程度の矩形であるが、コアの断面寸法は１μｍ程度以下であっても上述のような伝搬損失を低減する効果は失われない。よって、高屈折率差光導波路と低屈折率差光導波路とでコアの断面の寸法はほぼ等しくて構わない。両導波路においてコア材料が共通であり、かつコアの厚さが互いに等しいことは製作の容易性から特に好ましい。
【００７６】
また、高屈折率差光導波路と同じコア材料によって、低屈折率差光導波路を構成するには、低屈折率差光導波路のクラッドとして、高屈折率差光導波路に使用するクラッドより高い屈折率を有する材料を用いればよい。例えばＳｉＯＮは窒素の含有量に依存して、材料の屈折率を１．５〜２．０程度まで広範囲に調整できる。また、Ｔａ２Ｏ５をドープしたＳｉＯ２材料についてもドープ量を増やすことによって屈折率を２．０以上まで高めることが可能である。このような高屈折率材料をクラッド材料として用い、コアの屈折率とクラッドの屈折率の差を小さくすることによって、低屈折率差光導波路を実現することができる。
【００７７】
ここで、図２２に低屈折率差光導波路内に閉じ込められる伝搬モードの計算例を示す。同図に示す例では下部クラッドとなる基板の屈折率を１．４５、コアの屈折率を２．１７、コア周囲のクラッドの屈折率を２．０とした。コアのサイズを高屈折率差光導波路と同じ４００×４００ｎｍ２とし、波長８５０ｎｍの光に対する基本モードの電界強度分布を示した。同図からわかるように、低屈折率差光導波路における基本伝搬モードの電界はクラッド領域まで広く分布している。この例では、低屈折率差光導波路と高屈折率差光導波路とを同一の基板上に形成することを前提としているため、基板の屈折率をともに１．４５とした。そのため低屈折率差光導波路においては、より屈折率の大きいクラッド領域の方に基本伝搬モードの電界が大きく染み出している。
【００７８】
ここで、光導波路内を伝搬する光の電磁界は、それぞれ図２０の高屈折率差導波路５０１のクラッド５０１−１内で、図２０の低屈折率差光導波路５０２のクラッド５０２−１内で十分減衰するようにクラッド領域の寸法が決定される。また、図２０の光結合部５０３内では、伝搬する光の導波路断面における電磁界分布のエバネッセント成分を、クラッド５０１−１及び５０２−１の２種類のクラッド層によって共有している。ただし、クラッド５０２−１の幅がテーパー状に広がることから、高屈折率差光導波路５０１側から低屈折率差光導波路５０２側に伝搬していくに従って、光のエバネッセント成分の多くがクラッド５０２−１の領域内で収束するようになる。そして、光結合部５０３において、クラッド５０２−１の幅をゆっくりと変化させれば、光結合部５０３を伝搬する光の電磁界強度分布が緩やかに変化し、光結合部５０３を介して伝搬モードの電磁界強度分布が異なる光導波路同士を低損失で結合することが可能となる。
【００７９】
前述したように従来では、高屈折率差光導波路とシングルモード光ファイバとを低損失で結合するために、図１９に示すような、高屈折率差光導波路のコアを低屈折率差光導波路のコア内に埋め込み、かつその中で高屈折率差光導波路のコア幅を少しずつテーパー状に狭めて消失させる構造をなしている。この構造によると、全く異なる材料からなるコアを有する光導波路同士を結合させるため、テーパー長は数１００μｍ程度以上とかなり長くなる。また、高屈折率差導波路のコア幅を最終的に１００ｎｍ以下に制御する必要があるため、高度な製作技術が要求される。
【００８０】
これに対して、本発明の比屈折率差の異なる光導波路同士の結合方法においては、コアの材料及びコア断面の寸法が基本的に等しく、光は常に同一のコア材料内を伝搬するため、テーパー長を短くできる。また、テーパー状に変化させるクラッドの幅は、最も狭い個所においても高屈折率差導波路のコア幅と等しく、したがって製作も容易である。
【００８１】
図２０に示した複合導波路中に光を伝搬させたときの損失を３次元ＦＤＴＤシミュレーションによって解析した。具体的には、高屈折率差光導波路、光結合部、低屈折率差光導波路からなる複合光導波路に光を伝搬させ、入出力における光電力を比較して、比屈折率差の異なる光導波路を結合させたときの損失を計算した。解析では光結合部におけるテーパー長に対する伝搬損失の変化を計算した。計算に使用したパラメータは以下の通りである。基板の屈折率を１．４５、コアの屈折率を２．１７、コア周囲のクラッドの屈折率を２．０と仮定し、コアの断面サイズはいずれの導波路においても４００×４００ｎｍ２とした。上記の屈折率の組み合わせにより、高屈折率差光導波路における比屈折率差は３９％、低屈折率差光導波路の比屈折率差は７．５％程度となる。また、伝搬光の波長は８５０ｎｍを仮定した。計算結果を図２３に示す。同図からテーパー長が長くなるほど損失は減少することがわかる。テーパー長が０μｍのとき、すなわち高屈折率差光導波路と低屈折率差光導波路を直接結合した場合と比べて、２０μｍのテーパー長をもつ光結合部を導波路間に挿入することで、結合損失は５ｄＢ程度低減できる。計算したプロット点よりさらにテーパー長が長くなった場合を予測すると、テーパー長を６０μｍ程度以上に長くすれば、結合損失を０．１ｄＢ以下にすることができる。
【００８２】
上述した図２０の複合光導波路においては、それぞれの光導波路においてコアの寸法を全て等しくしているが、本発明の第５の実施の形態例に係る光集積素子の構成図である図２４に示すように、低屈折率差光導波路５０２のコア幅を若干広げることも有効である。コアとクラッドとの屈折率差が小さくなった場合、単一モードで動作するためのコアの寸法を大きくできる。本実施の形態例においては全ての導波路においてコア５０４の厚さは同一であるが、低屈折率差光導波路５０２のコア幅を広くしても単一モード条件を満たすことが可能である。低屈折率差光導波路５０２のコア幅を広げることにより、コア５０４内への光閉じ込めを強くすることができ、低屈折率差光導波路５０２を伝搬する光の電界分布と高屈折率差光導波路５０１を伝搬する光の電界分布との差を小さくできる。このことにより光結合部５０３におけるテーパー長を短縮できる。
【００８３】
図２５は本発明の第６の実施の形態例に係る光集積素子の構成を示す図である。同図の（ａ）は本実施の形態例の光集積素子の斜視図、同図の（ｂ）は平面透視図、同図の（ｃ）は側面透視図、同図の（ｄ）は同図の（ａ）〜（ｃ）のＡ−Ａ’線断面図、同図の（ｅ）は同図の（ａ）〜（ｃ）のＢ−Ｂ’線断面図、同図の（ｆ）は同図の（ａ）〜（ｃ）のＣ−Ｃ’線断面図である。同図において、図２０と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態例の光集積素子は、高屈折率差光導波路５０１と低屈折率差光導波路５０２とをテーパー構造を有する光結合部５０３によって互いに結合した複合光導波路を示している。図２５の（ｄ）〜（ｆ）に示したそれぞれの光導波路において、コア５０４が基板５０５上に形成され、高屈折率差光導波路５０１においてはコア５０４の横方向の周囲をクラッド５０１−１により、また低屈折率差光導波路５０２においてはコア５０４の横方向の周囲をクラッド５０２−１によって覆われる。更に、それぞれの光導波路において、コア５０４の上部にクラッド５０１−１とは異なる材料からなる別のクラッド５０６を備える。ここでクラッド５０６の屈折率は基板５０５の屈折率とほぼ等しくする。
【００８４】
よって、図２５に示す各光導波路において、コア５０４の上下を同じ屈折率を有するクラッドで挟み込むことになり、光導波路内を伝搬する光の電磁界分布が、コア５０４を中心として上下で対称になる。具体的に伝搬光の電界強度分布を計算した例を、高屈折率差光導波路については図２６に、低屈折率差光導波路については図２７に示す。ここで、図２６及び図２７において、基板５０５の屈折率は１．４５，コア５０４の屈折率は２．１７である。また、クラッド５０６の屈折率は基板５０５と同じ１．４５である。高屈折率差光導波路５０１においてコア５０４の側面と接するクラッド５０１−１の屈折率は１．０、低屈折率差光導波路５０２においてコア５０４の側面と接するクラッド５０２−１の屈折率は２．１５とした。上記の屈折率の組み合わせにより、高屈折率差光導波路５０１における比屈折率差を３９％、低屈折率差光導波路５０２の比屈折率差を０．９％程度にできる。また、それぞれの光導波路のコアサイズはいずれも４００×４００ｎｍ２とした。このサイズは高屈折率差光導波路が単一モードで動作するための条件から決定された。従って、低屈折率差光導波路においても単一モード条件を満たすことは明らかである。図２６に示した電磁界分布を見ると、高屈折率差光導波路５０１については、コア５０４の屈折率がきわめて高いため、コア近傍にのみ光が強く閉じ込められ電磁界の分布は図２１の電磁界分布とほぼ等しい。これに対して、低屈折率差光導波路５０２はコア５０４を上下から挟む基板５０５及びクラッド５０６の屈折率に対してコア側部のクラッド５０２−１の屈折率が高いので、伝搬モードの電磁界分布は横に大きく広がった形状になる。また、電界分布形状はコア５０４を中心として上下対称となる。
【００８５】
また、図２５の低屈折率差導波路５０２において、コア５０４のサイズを４００×１４００ｎｍ２と、コア５０４の幅のみを広げたときのコア内に閉じ込められる電界強度分布を計算した例を図２８に示す。このコア幅は低屈折率差光導波路５０２が単一モードで動作するための条件から決定された。コア幅が全ての導波路で等しい場合と比べて、コア幅を広げることによって低屈折率差光導波路５０２のコア内に光が強く閉じ込められる。従って、低屈折率差光導波路を伝搬する光の電界分布と高屈折率差光導波路を伝搬する光の電界分布との差を小さくできる。このことは光結合部におけるテーパー長を短縮する際に効果的である。
【００８６】
図２６と図２７又は図２８からわかるように、本実施の形態例における複合光導波路では、全ての光導波路において伝搬モードの電界分布が上下対称であり、その分布の中央がコアの中心となる。これは、複合光導波路を光が伝搬していく際に、上下方向に軸ずれがないことに相当し、光導波路同士の結合が低損失で達成できることを意味する。また、同様の理由により光結合部におけるテーパー長も短くすることが可能である。
【００８７】
また、低屈折率差光導波路においては、コア側面と接するクラッドの屈折率が大きく、コアとクラッドとの屈折率差が非常に小さい。これに対してコアの上面及び下面と接するクラッドは比較的屈折率が小さく、コアとクラッドとの屈折率差が大きいが、このことは光導波路の伝搬損失にはほとんど影響しない。これは以下の理由による。すなわち、光導波路内を伝搬する際の伝搬損失は主にコア側面での光散乱に起因する。これは光導波路の製作プロセス上、コアの上面あるいは下面よりもコアの側面に荒れが発生しやすいからである。従って、伝搬損失を抑制するためには光導波路の横方向の屈折率差を小さくすることが効果的である。これに対して、コアの上下面には散乱損失となるような荒れが発生し難いため、上下方向にはコアとクラッドとの間に屈折率差があっても構わない。本発明では、高屈折率差光導波路と低屈折率差光導波路とで、基板及び上部のクラッドがそれぞれ同一材料で構成されるから、高屈折率差光導波路における光閉じ込めを強くするために、基板及び上部のクラッドの屈折率は小さい方が好ましい。
【００８８】
更に、本実施の形態例の効果を３次元ＦＤＴＤシミュレーションによって確認した。具体的には、高屈折率差光導波路、光結合部、低屈折率差光導波路からなる複合光導波路に光を伝搬させ、入出力における光電力を比較して、比屈折率差の異なる光導波路を結合させたときの損失を計算した。ここで、損失の値は光結合部におけるテーパー長に依存する。テーパーの変化率を小さくするほど、すなわちテーパー長を長くするほど結合による損失は低減することができるが、光集積回路の微小化のためにはテーパー長はできるだけ短いほうが好ましい。そこで、光結合部におけるテーパー長に対する損失の変化を見積もった。その計算結果を図２９及び図３０に示す。図２９に示した計算においては、以下の構造パラメータを仮定した。それぞれの光導波路コアの屈折率をともに２．１７とし、コアのサイズはいずれの導波路においても４００×４００ｎｍ２とした。また、上部クラッド及び基板の屈折率を１．４５とした。高屈折率差光導波路のクラッドの屈折率を１．０、低屈折率差光導波路のクラッドの屈折率を２．０とした。この結果、高屈折率差光導波路の比屈折率差は３９％，低屈折率差光導波路の比屈折率差は７．５％となる。図３０より、光結合部のテーパー長を１０μｍ以上にすればほぼ損失無しで、比屈折率差の異なる光導波路の結合が可能となることがわかる。単純にクラッド幅をテーパー状に変化させた場合の図２９の結果と比較すると、光導波路のコアを上下から同一の屈折率を持つ材料で挟み込むことによって、テーパー長すなわち光結合器の素子長を１／６程度に小さくすることができる。
【００８９】
図３０に示した計算においては、以下の構造パラメータを仮定した。それぞれの光導波路コアの屈折率をともに２．１７とし、上部クラッド及び基板の屈折率を１．４５とした。また、高屈折率差光導波路のクラッドの屈折率を１．０，低屈折率差光導波路のクラッドの屈折率を２．１５とした。この結果、高屈折率差光導波路の比屈折率差は３９％，低屈折率差光導波路の比屈折率差は０．９％となる。高屈折率差光導波路のコアサイズは４００×４００ｎｍ２であり、これに対して低屈折率差光導波路のコアの厚さは高屈折率差導波路と同じ４００ｎｍであるが、コア幅については１．４μｍと幅広の形状とした。図３０よりテーパー長を８０μｍ程度とすれば、ほぼ無損失で光導波路の結合が可能となることがわかる。
【００９０】
通常のスポットサイズ変換器においては、光のモード不整合を解消するために数ｍｍ程度の遷移長を必要とすることが知られており、また超高屈折率差光導波路と光ファイバとの接続のために図１９に示す従来の構造においてもテーパー長は数１００μｍから数ｍｍ程度必要となる。これに対して、クラッド幅をテーパー状に変化させる本実施の形態例によって、テーパー長を１／１０程度以下に短くできることが図２９、図３０から明らかになった。
【００９１】
図３１は本発明の第７の実施の形態例に係る光集積素子の構成を示す図である。同図の（ａ）は本実施の形態例の光集積素子の斜視図、同図の（ｂ）は平面透視図、同図の（ｃ）は側面透視図、同図の（ｄ）は同図の（ａ）〜（ｃ）のＡ−Ａ’線断面図、同図の（ｅ）は同図の（ａ）〜（ｃ）のＢ−Ｂ’線断面図、同図の（ｆ）は同図の（ａ）〜（ｃ）のＣ−Ｃ’線断面図である。同図において、図２０と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。それぞれの光導波路構造は、基板５０５上に共通のコア５０４を有する。高屈折率差光導波路５０１においてはコア５０４の上部にクラッド５０６が設けられ、コア５０４の両側面がクラッド５０１−１によって覆われるのに対し、低屈折率差光導波路５０２においてはコア５０４の両側面部がクラッド５０２−１によって覆われる。ここでクラッド５０１−１の屈折率をクラッド５０２−１の屈折率より低くすることによって、光導波路の比屈折率差を異ならせることができる。
【００９２】
ここで、上部のクラッド５０６の幅は常にコア５０４の幅と等しい。また、図３１では全ての光導波路においてコア幅を等しく描いているが、図２４に示した第５の実施の形態例のように、低屈折率差光導波路のコア幅を高屈折率差光導波路のコア幅より広げることも有効である。また、図３１の基板５０５の屈折率と上部のクラッド５０６の屈折率をほぼ等しくすることによって、コア５０４を上下から挟むクラッドの屈折率が等しくなるため、光導波路内を伝搬する光の電界分布が常にコア５０４の中央に対して上下対称となる。更に、そのエバネッセント成分の分布も高屈折率差導波路５０１と低屈折率差導波路５０２とでそれほど変わらない。したがって、光結合部５０３においては、コア５０４に対して横方向の電界分布の違いを緩和するのみでよく、よって光結合部５０３のテーパー長を短くしても低損失で光導波路の結合が可能となる。
【００９３】
図３２は本発明の第８の実施の形態例に係る光集積素子の構成を示す図である。同図の（ａ）は本実施の形態例の光集積素子の斜視図、同図の（ｂ）は平面透視図、同図の（ｃ）は側面透視図、同図の（ｄ）は同図の（ａ）〜（ｃ）のＡ−Ａ’線断面図、同図の（ｅ）は同図の（ａ）〜（ｃ）のＢ−Ｂ’線断面図、同図の（ｆ）は同図の（ａ）〜（ｃ）のＣ−Ｃ’線断面図である。同図において、図３１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。図３２に示す本実施の形態例の光集積素子においては、コア５０４と基板５０５との間に、クラッド５０７を挟んだ構造を有している。ここで、クラッド５０７の幅はコア５０４のコア幅とほぼ等しくする。なお、本実施の形態例においては、クラッド５０７を矩形で示しているが、必ずしもその必要はなく、リッジ型、すなわち凸型の形状であってもよい。
【００９４】
上述した実施の形態例では、基板の屈折率を光導波路コアと比べて極めて小さいものと仮定していたため、基板の種類が石英等の低屈折率材料に限られるが、第８の実施の形態例における基板５０５の屈折率が大きな半導体材料や光を伝搬しないような材料であっても、その基板５０５上に低屈折率を有するクラッド５０７を形成することによって基板５０５の種類は限定されなくなる。
【００９５】
また、図３１に示した第７の実施の形態例において、低屈折率差光導波路５０２の比屈折率差を小さくするためにクラッド５０２−１の屈折率を大きく場合、基板５０４とクラッド５０２−１との屈折率差が大きくなり、伝搬光のモード電界形状がクラッド５０２−１内に大きく染み出す恐れがある。この場合、コア中心に対して上下方向で電界形状が非対称となるため、低損失で光導波路を結合するために、光結合部５０３におけるテーパー長が長くなる。これに対して、第８の実施の形態例においてはクラッド５０２−１内に上下対称に伝搬モードの電界が分布するため、テーパー長を短くできる。
【００９６】
図３３は本発明の第９の実施の形態例に係る光集積素子の構成を示す図である。同図の（ａ）は本実施の形態例の光集積素子の斜視図、同図の（ｂ）は平面透視図、同図の（ｃ）は側面透視図、同図の（ｄ）は同図の（ａ）〜（ｃ）のＡ−Ａ’線断面図、同図の（ｅ）は同図の（ａ）〜（ｃ）のＢ−Ｂ’線断面図、同図の（ｆ）は同図の（ａ）〜（ｃ）のＣ−Ｃ’線断面図である。同図において、図３２と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。図３３に示す本実施の形態例の光集積素子においては、基板５０５と複合光導波路との間にバッファ層５０８を形成している。バッファ層５０８は誘電体薄膜あるいは金属薄膜からなり、それらが多層に積層されていてもよい。例えば、基板５０５と光導波路との間に金属薄膜を挟み、導波路の上部にも金属層を形成すると、光導波路を上下から金属薄膜によって挟み込む構成となる。ここで、金属膜は電極として機能し、上下の金属膜の間に電圧を印加することによって光導波路に対して垂直方向に電界が形成される。よって、光導波路のコアに電気光学効果を有する材料を用いると、金属膜への電圧印加によりコアの屈折率を変化させることができる。この屈折率変化を利用することで例えば光スイッチや光変調器、波長可変光合分波器等が可能になる。
【００９７】
また、基板５０５とコア５０４の材料またはクラッド５０１−１，５０２−１の材料との密着性がよくない場合には、両者の間に上記のバッファ層５０８を設けることによって、基板５０５の種類が限定されずに複合光導波路を形成することが可能になる。
【００９８】
本発明の光集積素子を用いて実現される複合光導波路の一例を図３４に示す。同図に示すように、複数の低屈折率差光導波路５０２を、それぞれ光結合部５０３及び湾曲した高屈折率差光導波路５０１を介して接続し、伝搬光の進行方向を変化させることができる。そして、両光導波路の間は光結合部５０３によって低損失に結合されている。
【００９９】
本発明によって実現される複合光導波路によれば、比較的大きな曲率半径を有する光線路部を低屈折率差光導波路で構成し、急激な曲がり部によって光を制御する個所を高屈折率差光導波路で構成することで、回路内を伝搬する光の伝搬損失を低減でき、かつ光回路を高密度に集積できる。詳細には、従来の光導波路は比屈折率差が１％程度以下であり、伝搬光の進行方向を変化させるためにはｍｍ程度の曲率半径で光導波路を曲げる必要がある。これに対して、本発明によれば、比屈折率差が１％程度の光導波路であっても、進行方向を変化させる際には高屈折率差導波路によって曲げるため、曲率半径を数μｍ〜数１０μｍ程度に微小化できる。
【０１００】
ここで、図３５に複合光導波路を利用した高密度光集積回路の構成例を示す。同図に示す高密度光集積回路は光バッファ機能を有する光回路であり、現在は同様の機能を実現するためにメートルオーダーの光ファイバ内に光を伝搬させる必要がある。例えば、１ｎsの光遅延を起こさせるために、必要な光配線の長さは、光導波路の実行屈折率を２．０と仮定したときに、１５ｃｍとなる。この長さの光配線を低屈折率差光導波路で実現しようとするときの損失とサイズを考える。低屈折率差光導波路の伝搬損失を０．１ｄＢ／ｃｍとすると、１５ｃｍ伝搬による損失は１．５ｄＢ以下となる。しかしながら、直線で構成すると、１５ｃｍの素子サイズが必要となり、さらに曲げ構造を導入して素子をコンパクト化しようとすると、曲率半径が１ｃｍ以上程度と大きくなるために素子面積が大きくなり、高密度な光配線を実現できない。一方、本発明のように、遅延線の曲がり部分のみを高屈折率差光導波路によって構成すれば、この導波路では、曲率半径がミクロンオーダであるので、１ｃｍ角内のチップに光導波路を収めることが可能である。１５ｃｍの光導波路を１５分割して並列に配置し、それらを数１０μｍの曲率半径を有する高屈折率差光導波路によって結合すれば、素子の占有面積は１０ｍｍ×１ｍｍ程度となり、極微小なサイズによって光バッファ機能を実現することができる。この本発明の光集積素子において、光導波路の伝搬損失は１．５ｄＢ以下となり、また高屈折率差光導波路と低屈折率差光導波路との接続損失が１点あたり０．１ｄＢであるとすると、接続損失は合計で１．５ｄＢ程度となる。したがって、全体として３ｄＢ以下の損失で高密度集積した光バッファ回路が可能となる。
【０１０１】
次に、本発明の光集積素子を製作するための製作プロセス工程の一例を図３６に示す。同図では低屈折率差光導波路を形成するプロセスを示す。先ず、同図の（ａ）に示すように、高屈折率差光導波路、光結合部、低屈折率差光導波路のコアは全て同じ厚さを有するため、基板６０１上にコア材料薄膜６０２を形成する。そして、同図の（ｂ），（ｃ）に示すように、それぞれのコアの幅のみをマスク６０３の幅で制御し、エッチングによってコア層をチャネル化する。その後、同図の（ｄ）に示すように、低屈折率差光導波路の横方向を埋めるクラッド材料６０４をコアの厚さ分だけ成膜する。次に、同図の（ｅ）に示すように、コアの上部に堆積したクラッド材料をリフトオフプロセスによって取り除き、コアの上面を平坦化する。なお、リフトオフプロセスの代わりに研磨加工を施してもよい。最後に、同図の（ｆ）に示すように、コアの上部を覆うクラッド材料６０５を成膜する。以上の製作プロセス工程により低屈折率差光導波路を形成できる。複合光導波路構造を製作するためには、更に低屈折率差光導波路上にパターニングを施し、横方向のクラッド６０４を取り除き、代わりに高屈折率差光導波路のクラッド材料で埋め込めばよい。
【０１０２】
なお、パターニングには通常の半導体プロセスで用いられるフォトリソグラフィー技術を利用でき、エッチングにおいては反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等のドライエッチングプロセスが有効である。また、パターニングに用いたマスク６０３を剥離せずにクラッド材料６０４を埋め込んだ後、コア材料薄膜６０２をウェットエッチングで剥離することによってコア上部のクラッド材料６０４を取り除き、光導波路上面を平坦化することもできる。
【０１０３】
次に、図３７は第７の実施の形態例の光集積素子の製作プロセス工程を示す工程断面図である。はじめに、同図の（ａ）に示すように、基板７０１上にコア層となるコア材料薄膜７０２を形成し、その上に上部のクラッドとなるクラッド材料７０３を形成する。その後、同図の（ｂ）に示すように、上部のクラッド材料７０３の上にパターニングのマスク７０４を施して、そして同図の（ｃ）に示すように、コア層までエッチングし、コアをチャネル化する。最後に、同図の（ｄ）に示すように、低屈折率差光導波路の側部のクラッドとなるクラッド材料７０５を成膜する。更に、図示していないが、高屈折率差光導波路を形成する場合には、リフトオフプロセスまたは研磨加工プロセスによって上面を平坦化し、パターニング及びエッチングを繰り返せばよい。このように、低屈折率差光導波路のクラッドは、その厚さがコアの厚さより厚ければよい。したがって、複合光導波路を製作する際には高精度な膜厚制御を行う必要はなく、製作が容易になる。
【０１０４】
なお、本発明は上記実施の形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内の記載であれば多種の変形や置換可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明の第１の実施の形態例に係る光集積素子の構成を示す断面図である。
【図２】図１の各線断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態例に係る光集積素子の構成を示す断面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態例に係る光集積素子の構成を示す断面図である。
【図５】別の発明の第１の実施の形態例に係る光制御素子の構成を示す断面図である。
【図６】別の発明の第２の実施の形態例に係る光制御素子の構成を示す断面図である。
【図７】別の発明の第３の実施の形態例に係る光制御素子の構成を示す断面図である。
【図８】別の発明の第４の実施の形態例に係る光制御素子の構成を示す断面図である。
【図９】低屈折率差導波路と高屈折率差導波路とを低損失で接続する第１の構成例を示す図である。
【図１０】図９の各線断面図である。
【図１１】低屈折率差導波路と高屈折率差導波路とを低損失で接続する第２の構成例を示す図である。
【図１２】図１１の各線断面図である。
【図１３】低屈折率差導波路と高屈折率差導波路とを低損失で接続する第３の構成例を示す図である。
【図１４】図１３の各線断面図である。
【図１５】低屈折率差導波路と高屈折率差導波路とを低損失で接続する第４の構成例を示す図である。
【図１６】図１５の各線断面図である。
【図１７】本発明において低屈折率差導波路の特性を変化させるための構成を示す断面図である。
【図１８】本発明において高屈折率差導波路の特性を変化させるための構成を示す断面図である。
【図１９】従来の光集積素子の光集積素子の構成を示す図である。
【図２０】本発明の第４の実施の形態例に係る光集積素子の構成を示す図である。
【図２１】高屈折率差導波路内に閉じ込められる伝搬モードの計算例と電界強度分布の様子を示す図である。
【図２２】低屈折率差光導波路内に閉じ込められる伝搬モードの計算例と電界強度分布の様子を示す図である。
【図２３】光結合部におけるテーパー長に対する伝搬損失の変化を計算した結果を示す特性図である。
【図２４】本発明の第５の実施の形態例に係る光集積素子の構成を示す図である。
【図２５】本発明の第６の実施の形態例に係る光集積素子の構成を示す図である。
【図２６】第６の実施の形態例の高屈折率差光導波路における伝搬光の電界強度分布を計算した結果と電界強度分布の様子を示す図である。
【図２７】第６の実施の形態例の低屈折率差光導波路における伝搬光の電界強度分布を計算した結果と電界強度分布の様子を示す図である。
【図２８】第５の実施の形態例の低屈折率差光導波路における伝搬光の電界強度分布を計算した結果と電界強度分布の様子を示す図である。
【図２９】光結合部におけるテーパー長に対する損失の変化を見積もった計算結果を示す特性図である。
【図３０】図２９と異なる構造パラメータでの光結合部におけるテーパー長に対する損失の変化を見積もった計算結果を示す特性図である。
【図３１】本発明の第７の実施の形態例に係る光集積素子の構成を示す図である。
【図３２】本発明の第８の実施の形態例に係る光集積素子の構成を示す図である。
【図３３】本発明の第９の実施の形態例に係る光集積素子の構成を示す図である。
【図３４】本発明の光集積素子を用いて実現される複合光導波路の一例を示す図である。
【図３５】図３４の複合光導波路を利用した高密度光集積回路の構成例を示す図である。
【図３６】本発明の光集積素子を製作するための製作プロセス工程の一例を示す工程断面図である。
【図３７】第７の実施の形態例の光集積素子の製作プロセス工程を示す工程断面図である。
【符号の説明】
【０１０６】
１〜３；光集積素子、４〜７；光制御素子、
１０，２０；光導波路、１１，２１；コア、
１２，２２；クラッド、３０、５０１；光結合部、
５０１；高屈折率差導波路、５０２；低屈折率差導波路。
【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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【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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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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