(57)【要約】【課題】光の結合損失を低減する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は、第１クラッド層１２と、光を入出力する第１端部１０ｆから第２端部１０ｇに向かう方向に沿って第１端部１０ｆから延びるように、第１クラッド層１２上に並んで配置された第１コア層１３及び第２コア層１４と、第１コア層１３と第２コア層１４との間で第１クラッド層１２上に配置され、第１コア層１３及び第２コア層１４とは別体であり、第１端部１０ｆから第２端部１０ｇに向かう方向に沿って第２端部１０ｇまで延びる第３コア層１５と、第１コア層１３及び第２コア層１４及び第３コア層１５上に配置された第２クラッド層１６と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１クラッド層と、
光を入出力する第１端部から第２端部に向かう方向に沿って前記第１端部から延びるように、前記第１クラッド層上に並んで配置された第１コア層及び第２コア層と、
前記第１コア層と前記第２コア層との間で前記第１クラッド層上に配置され、前記第１コア層及び前記第２コア層とは別体であり、前記第１端部から前記第２端部に向かう方向に沿って前記第２端部まで延びる第３コア層と、
前記第１コア層及び前記第２コア層及び前記第３コア層上に配置された第２クラッド層と、
を備えるスポットサイズ変換器。
【請求項２】
前記第３コア層は、前記第１端部から前記第２端部に向かう方向において、断面積が増加する請求項１に記載のスポットサイズ変換器。
【請求項３】
前記第３コア層は、前記第１端部から前記第２端部に向かう方向において、前記第１コア層及び前記第２コア層の断面積が最小値を示す位置で、前記第３コア層の断面積が最大となる請求項２に記載のスポットサイズ変換器。
【請求項４】
前記第３コア層は、前記第１端部から前記第２端部に向かう方向において、前記第１コア層及び前記第２コア層の断面積が最大となる位置から前記第２端部まで延びるように配置される請求項２又は３に記載のスポットサイズ変換器。
【請求項５】
前記第１コア層及び前記第２コア層は、前記第１端部から前記第２端部に向かう方向において、断面積が一定であるか又は減少する請求項１〜３の何れか一項に記載のスポットサイズ変換器。
【請求項６】
基板と、
前記基板上に配置された第１クラッド層と、
光を入力する第１端部から第２端部に向かう方向に沿って前記第１端部から延びるように、前記第１クラッド層上に並んで配置された第１コア層及び第２コア層と、
前記第１コア層と前記第２コア層との間で前記第１クラッド層上に配置され、前記第１コア層及び前記第２コア層とは別体であり、前記第１端部から前記第２端部に向かう方向に沿って前記第２端部まで延びる第３コア層と、
前記第１コア層及び前記第２コア層及び前記第３コア層上に配置された第２クラッド層と、を有するスポットサイズ変換部と、
前記基板上に配置され、前記第１端部に光を出力する光発生部と、
を備える光送信器。
【請求項７】
基板と、
前記基板上に配置された第１クラッド層と、
光を入力する第１端部から第２端部に向かう方向に沿って前記第１端部から延びるように、前記第１クラッド層上に並んで配置された第１コア層及び第２コア層と、
前記第１コア層と前記第２コア層との間で前記第１クラッド層上に配置され、前記第１コア層及び前記第２コア層とは別体であり、前記第１端部から前記第２端部に向かう方向に沿って前記第２端部まで延びる第３コア層と、
前記第1コア層及び前記第２コア層及び前記第３コア層上に配置された第２クラッド層と、を有するスポットサイズ変換部と、
前記基板上に配置され、前記第２端部から入力され前記スポットサイズ変換器を伝搬して前記第１端部から出力された光を検出する光検出部と、
を備える光受信器。
【請求項８】
第１基板と、
前記第１基板上に配置された第１クラッド層と、
光を入力する第１端部から光を出力する第２端部に向かう方向に沿って前記第１端部から延びるように、前記第１クラッド層上に並んで配置された第１コア層及び第２コア層と、
前記第１コア層と前記第２コア層との間で前記第１クラッド層上に配置され、前記第１コア層及び前記第２コア層とは別体であり、前記第１端部から前記第２端部に向かう方向に沿って前記第２端部まで延びる第３コア層と、
前記第１コア層及び前記第２コア層及び前記第３コア層上に配置された第２クラッド層と、を有する第１のスポットサイズ変換部と、
前記第１基板上に配置され、前記第１端部に光を出力する光発生部と、
第２基板と、
前記第２基板上に配置された第３クラッド層と、
光を出力する第３端部から光を入力する第４端部に向かう方向に沿って前記第３端部から延びるように、前記第３クラッド層上に並んで配置された第４コア層及び第５コア層と、
前記第４コア層と前記第５コア層との間で前記第３クラッド層上に配置され、前記第４コア層及び前記第５コア層とは別体であり、前記第３端部から前記第４端部に向かう方向に沿って前記第４端部まで延びる第６コア層と、
前記第４コア層及び前記第５コア層及び前記第６コア層上に配置された前記第４クラッド層と、を有する第２のスポットサイズ変換部と、
前記第２基板上に配置され、前記第４端部から入力され前記第２のスポットサイズ変換部を伝搬して前記第３端部から出力された光を検出する光検出部と、
を備える光送受信器。
【請求項９】
第１クラッド層上に、第１端部から第２端部に向かう方向に沿って前記第１端部から延びるように、前記第１クラッド層上に並んで配置された第１コア層及び第２コア層を形成すると共に、前記第１コア層と前記第２コア層との間の前記第１クラッド層上に、前記第１コア層及び前記第２コア層とは別体であり、前記第１端部から前記第２端部に向かう方向に沿って前記第２端部まで延びる第３コア層を形成し、
前記第１コア層及び前記第２コア層及び前記第３コア層上に第２クラッド層を形成するスポットサイズ変換器の製造方法。
【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、光送信器、光受信器、光送受信器及びスポットサイズ変換器の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光通信分野において基板上に形成された平面光回路（ＰＬＣ）が用いられている。平面光回路は、光導波路の材料に主として石英系材料を用いて実用化されて来た。例えば、アレイ導波路型回折格子（ＡＷＧ）又はスプリッター等の平面光回路が、光通信の基幹部品として用いられている。
【０００３】
また、最近では能動光素子と受動光素子とを共通のＰＬＣ基板上に搭載して、従来よりも小型のシステムを実現しようとする試みが行われている。例えば、化合物半導体アンプ（ＳＯＡ）が、石英系ＰＬＣにハイブリット実装された波長可変光源等の新たな光素子の開発が行われている。
【０００４】
しかしながら、求められる機能がより複雑で高度になるのに伴って、光平面回路の素子寸法及びその消費電力が増大している。そのため、従来の石英系ＰＬＣを用いた光回路の機能又は性能を更に向上することは困難に成って来ている。
【０００５】
そこで、シリコン細線導波路又はフォトニック結晶(ＰＣ)といったシリコンの微細加工技術を応用して、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板上に光導波路を形成する技術の研究が進められている。小型で、低消費電力を特徴とする基幹部品の開発が、シリコンの微細加工技術を用いて検討されている。
【０００６】
シリコン細線導波路は、シリコンにより形成されるコア層と、ＳｉＯ２又はその誘電体により形成されるクラッド層とを有する。ここで、シリコンとＳｉＯ２又はその誘電体との比屈折率差が、ＰＬＣのものよりも大きいので、光導波路の幅又は光導波路の曲げ半径をＰＬＣよりも小さくすることが可能となる。従って、シリコンの微細加工技術を用いたシリコン細線導波路の寸法は、従来のＰＬＣの寸法と比較して小さくできる。このようなシリコン細線導波路を用いることにより、寸法の小さな光回路を実現することが可能となる。この理由を、更に以下に説明する。
【０００７】
従来の石英系ＰＬＣでは、コア層とクラッド層との比屈折率差は高々５％程度であり、その曲げ半径は５００μｍ程度が限界であった。一方、シリコン細線導波路では、その比屈折率差は４０％以上になり、その曲げ半径を数ミクロン程度まで小さくできる。しかしながら、比屈折率差を大きくすると、伝播光の単一モード条件を満たすために、コア層の寸法を小さくする必要が生じる。
【０００８】
そのため、光ファイバ又はその他の導波路素子と、シリコン細線導波路との間のスポットサイズに差異が生じるので、そこに光の結合損失が増大するという問題が生じる。
【０００９】
この問題を解決するために、シリコン細線導波路に入力される光のスポットサイズを縮小する方法が提案されている。例えば、入力した光をシリコン細線導波路へ導波する導波路の幅をテーパ状に小さくしていくことが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−１５１７００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、スポットサイズを１０ミクロンから数ミクロン程度に縮小する領域では、導波路のコア層の幅に対するスポットサイズの感度が高いので、適切な寸法の精度でコア層を製造することが難しいという問題があった。
【００１２】
そして、この問題を解決する為に、テーパ状に幅を狭めた導波路の第１のコア層の周囲に、ポリマにより形成される第２のコア層を被覆したスポットサイズ変換導波路が提案されている。しかしながら、この方法では、第１のコア層の周囲にポリマにより形成される第２のコア層を積層し、それを導波路状にエッチング加工する必要がある。そのため、この方法は、第２のコア層の膜厚又は膜質（屈折率）の制御、加工精度等に留意すべき点が多く、また製作工程も煩雑であるという問題を有する。
【００１３】
そこで、本明細書では、光の結合損失を低減するスポットサイズ変換器を提供することを目的とする。
【００１４】
また、本明細書では、光の結合損失を低減するスポットサイズ変換器を備えた光送信器を提供することを目的とする。
【００１５】
また、本明細書では、光の結合損失を低減するスポットサイズ変換器を備えた光受信器を提供することを目的とする。
【００１６】
また、本明細書では、光の結合損失を低減するスポットサイズ変換器を備えた光送受信器を提供することを目的とする。
【００１７】
更に、本明細書では、光の結合損失を低減するスポットサイズ変換器の製造方法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】
【００１８】
本明細書に開示するスポットサイズ変換器の一形態によれば、第１クラッド層と、光を入出力する第１端部から第２端部に向かう方向に沿って上記第１端部から延びるように、上記第１クラッド層上に並んで配置された第１コア層及び第２コア層と、上記第１コア層と上記第２コア層との間で上記第１クラッド層上に配置され、上記第１コア層及び上記第２コア層とは別体であり、上記第１端部から上記第２端部に向かう方向に沿って上記第２端部まで延びる第３コア層と、上記第１コア層及び上記第２コア層及び上記第３コア層上に配置された第２クラッド層と、を備える。
【００１９】
また、本明細書に開示する光送信器の一形態によれば、基板と、上記基板上に配置された第１クラッド層と、光を入力する第１端部から第２端部に向かう方向に沿って上記第１端部から延びるように、上記第１クラッド層上に並んで配置された第１コア層及び第２コア層と、上記第１コア層と上記第２コア層との間で上記第１クラッド層上に配置され、上記第１コア層及び上記第２コア層とは別体であり、上記第１端部から上記第２端部に向かう方向に沿って上記第２端部まで延びる第３コア層と、上記第１コア層及び上記第２コア層及び上記第３コア層上に配置された第２クラッド層と、を有するスポットサイズ変換部と、上記基板上に配置され、上記第１端部に光を出力する光発生部と、を備える。
【００２０】
また、本明細書に開示する光受信器の一形態によれば、基板と、上記基板上に配置された第１クラッド層と、光を入力する第１端部から第２端部に向かう方向に沿って上記第１端部から延びるように、上記第１クラッド層上に並んで配置された第１コア層及び第２コア層と、上記第１コア層と上記第２コア層との間で上記第１クラッド層上に配置され、上記第１コア層及び上記第２コア層とは別体であり、上記第１端部から上記第２端部に向かう方向に沿って上記第２端部まで延びる第３コア層と、上記第１コア層及び上記第２コア層及び上記第３コア層上に配置された第２クラッド層と、を有するスポットサイズ変換部と、上記基板上に配置され、上記第２端部から入力され上記スポットサイズ変換部を伝搬して上記第１端部から出力された光を検出する光検出部と、を備える。
【００２１】
また、本明細書に開示する光送受信器の一形態によれば、第１基板と、上記第１基板上に配置された第１クラッド層と、光を入力する第１端部から光を出力する第２端部に向かう方向に沿って上記第１端部から延びるように、上記第１クラッド層上に並んで配置された第１コア層及び第２コア層と、上記第１コア層と上記第２コア層との間で上記第１クラッド層上に配置され、上記第１コア層及び上記第２コア層とは別体であり、上記第１端部から上記第２端部に向かう方向に沿って上記第２端部まで延びる第３コア層と、上記第１コア層及び上記第２コア層及び上記第３コア層上に配置された第２クラッド層と、を有する第１のスポットサイズ変換部と、上記第１基板上に配置され、上記第１端部に光を出力する光発生部と、第２基板と、上記第２基板上に配置された第３クラッド層と、光を出力する第３端部から光を入力する第４端部に向かう方向に沿って上記第３端部から延びるように、上記第３クラッド層上に並んで配置された第４コア層及び第５コア層と、上記第４コア層と上記第５コア層との間で上記第３クラッド層上に配置され、上記第４コア層及び上記第５コア層とは別体であり、上記第３端部から上記第４端部に向かう方向に沿って上記第４端部まで延びる第６コア層と、上記第４コア層及び上記第５コア層及び上記第６コア層上に配置された上記第４クラッド層と、を有する第２のスポットサイズ変換部と、上記第２基板上に配置され、上記第４端部から入力され上記第２のスポットサイズ変換器を伝搬して上記第３端部から出力された光を検出する光検出部と、を備える。
【００２２】
更に、本明細書に開示するスポットサイズ変換器の製造方法の一形態によれば、第１クラッド層上に、第１端部から第２端部に向かう方向に沿って上記第１端部から延びるように、上記第１クラッド層上に並んで配置された第１コア層及び第２コア層を形成すると共に、上記第１コア層と上記第２コア層との間の上記第１クラッド層上に、上記第１コア層及び上記第２コア層とは別体であり、上記第１端部から上記第２端部に向かう方向に沿って上記第２端部まで延びる第３コア層を形成し、上記第１コア層及び上記第２コア層及び上記第３コア層上に第２クラッド層を形成する。
【発明の効果】
【００２３】
上述した本明細書に開示するスポットサイズ変換器の一形態によれば、光の結合損失を低減する。
【００２４】
また、上述した本明細書に開示する光送信器の一形態によれば、光の結合損失を低減する。
【００２５】
また、上述した本明細書に開示する光受信器の一形態によれば、光の結合損失を低減する。
【００２６】
また、上述した本明細書に開示する光送受信器の一形態によれば、光の結合損失を低減する。
【００２７】
更に、上述した本明細書に開示するスポットサイズ変換器の製造方法の一形態によれば、光の結合損失を低減するスポットサイズ変換器が得られる。
【００２８】
本発明の目的及び効果は、特に請求項において指摘される構成要素及び組み合わせを用いることによって認識され且つ得られるだろう。
【００２９】
前述の一般的な説明及び後述の詳細な説明の両方は、例示的及び説明的なものであり、特許請求の範囲に記載されている本発明を制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本明細書に開示する光素子の第１実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１に示す光素子の平面図である。
【図３】図２のＸ１−Ｘ１線断面図である。
【図４】図２のＸ２−Ｘ２線断面図である。
【図５】図２のＸ３−Ｘ３線断面図である。
【図６】図２に示す第１実施形態の光素子を伝搬するモードフィールドのプロファイルを示す図である。
【図７】図２のＸ２−Ｘ２線断面におけるモードミスマッチ損失と、第１コア層及び第２コア層の幅との関係を示す図である。
【図８】図２のＸ３−Ｘ３線断面におけるモードミスマッチ損失と、第１コア層及び第２コア層の幅との関係を示す図である。
【図９】本明細書に開示する光素子の第２実施形態を示す斜視図である。
【図１０】図９に示す光素子の平面図である。
【図１１】図９のＹ１−Ｙ１線断面図である。
【図１２】図９のＹ２−Ｙ２線断面図である。
【図１３】図９のＹ３−Ｙ３線断面図である。
【図１４】本明細書に開示する光送信器の第１実施形態を示す図である。
【図１５】本明細書に開示する光送信器の第２実施形態を示す図である。
【図１６】本明細書に開示する光送受信器の一実施形態を示す図である。
【図１７】本明細書に開示するスポットサイズ変換器の製造方法の一実施形態を示す図である。
【図１８】本明細書に開示するスポットサイズ変換器の他の実施形態を示す図である。
【図１９】本明細書に開示するスポットサイズ変換器のまた他の実施形態を示す図である。
【図２０】本明細書に開示するスポットサイズ変換器の更に他の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本明細書で開示するスポットサイズ変換部を備えた光素子の好ましい第１実施形態を、図を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。
【００３２】
図１は、本明細書に開示する光素子の第１実施形態を示す斜視図である。図２は、図１に示す光素子の平面図である。図３は、図２のＸ１−Ｘ１線断面図である。図４は、図２のＸ２−Ｘ２線断面図である。図５は、図２のＸ３−Ｘ３線断面図である。
【００３３】
本実施形態の光素子１０は、外部から光を入力し、入力した光のスポットサイズを小さく変換して、小さなスポットサイズを有する光を出力するものである。また、これとは逆に、光素子１０は、外部から光を入力し、入力した光のスポットサイズを大きく変換して、大きなスポットサイズを有する光を出力する。
【００３４】
図２に示すように、光素子１０は、光を入出力する一方の端部１０ｄ及び光を出入力する他方の端部１０ｅを有する。光素子１０では、入力した光が、一方の端部１０ｄから他方の端部１０ｅへ伝搬するか、又は、他方の端部１０ｅから一方の端部１０ｄへ伝搬する。
【００３５】
一方の端部１０ｄには、例えば、光ファイバのようなスポットサイズの大きな光を伝搬する他の光素子が光学的に結合される。また、他方の端部１０ｅには、例えば、シリコン細線導波路のようなスポットサイズの小さな光を伝搬する他の光素子が光学的に結合される。
【００３６】
光素子１０は、一方の端部１０ｄから他方の端部１０ｅに向かって順番に、第１延出部１０ａと、スポットサイズ変換部１０ｂと、第２延出部１０ｃとを備える。
【００３７】
まず、スポットサイズ変換部１０ｂについて以下に説明した後、第１延出部１０ａ及び第２延出部１０ｃについて説明する。
【００３８】
スポットサイズ変換部１０ｂは、第１延出部１０ａとの間で光の入出力を行う第１端部１０ｆと、第２延出部１０ｃとの間で光の入出力を行う第２端部１０ｇとを有する。
【００３９】
スポットサイズ変換部１０ｂは、半導体の基板１１と、基板１１上に配置された下クラッド層１２とを有する。また、スポットサイズ変換部１０ｂは、光を入出力する第１端部１０ｆから第２端部１０ｇに向かう方向に沿って第１端部１０ｆから延びるように、下クラッド層１２上に並んで配置された第１コア層１３及び第２コア層１４を有する。更に、スポットサイズ変換部１０ｂは、第１コア層１３と第２コア層１４との間で下クラッド層１２上に配置され、第１端部１０ｆから第２端部１０ｇに向かう方向に沿って第２端部１０ｇまで延びる第３コア層１５を有する。第３コア層１５は、第１コア層１３及び第２コア層１４とは別体であり、第１コア層１３及び第２コア層１４とは離間して形成される。下クラッド層１２の屈折率は、第１コア層１３及び第２コア層及び第３コア層１５の屈折率よりも小さいことが、伝搬する光を各コア層に閉じ込める観点から好ましい。本明細書では、第１端部１０ｆから第２端部１０ｇに向かう方向は、光素子１０を伝搬する光の向きと一致している。
【００４０】
また、スポットサイズ変換部１０ｂは、第１コア層１３及び第２コア層１４及び第３コア層１５上に、これらの層を埋め込むように配置された上クラッド層１６を有する。上クラッド層１６の屈折率は、第１コア層１３及び第２コア層及び第３コア層１５の屈折率よりも小さいことが、伝搬する光を各コア層に閉じ込める観点から好ましい。図１では、上クラッド層１６は、その輪郭だけを鎖線で表している。また、図２では、構造を分かり易くするために、上クラッド層１６は示されていない。
【００４１】
スポットサイズ変換部１０ｂでは、第１端部１０ｆにおいて第１延出部１０ａから入力した光は、第１コア層１３及び第２コア層１４を第２端部１０ｇに向かって同時に伝搬して行く。そして、第１コア層１３及び第２コア層１４を伝搬する光は、途中で第３コア層１５に結合して移動していく。このようにして、スポットサイズ変換部１０ｂに入力した光は、第３コア層１５を伝搬すると共に光のスポットサイズが小さく変換されていく。そして、第２端部１０ｇでは、小さいスポットサイズを有する光が第３コア層１５から第２延出部１０ｃに出力される。
【００４２】
また、スポットサイズ変換部１０ｂでは、第２端部１０ｇにおいて第２延出部１０ｃから入力した光は、第３コア層１５を第１端部１０ｆに向かって伝搬して行く。そして、第３コア層１５を伝搬する光は、途中で第１コア層１３及び第２コア層１４へ結合して移動していく。このようにして、スポットサイズ変換部１０ｂに入力した光は、第１コア層１３及び第２コア層１４を同時に伝搬すると共に光のスポットサイズが大きく変換される。そして、第１端部１０ｆでは、大きいスポットサイズを有する光が第１コア層１３及び第２コア層１４から第１延出部１０ａに出力される。
【００４３】
次に、第１コア層１３及び第２コア層１４について、以下に更に説明する。
【００４４】
第１コア層１３及び第２コア層１４は、別体であり、離間している。第１コア層１３及び第２コア層１４は、両コア層の間の中心線Ｌに対して線対称の関係にあることが、両コア層を伝搬する光のモードプロファイルを等しくする上で好ましい。本実施形態では、第１コア層１３及び第２コア層１４は、中心線Ｌに対して線対称に形成されている。
【００４５】
図３〜図５に示すように、第１コア層１３と第２コア層１４とは、水平方向に離間している。ここで、水平方向は、各層の積層方向と直交し且つ光の伝搬方向と直交する方向である。
【００４６】
また、第１コア層１３及び第２コア層１４は、第１端部１０ｆから第２端部１０ｇに向かう方向において、コア層の断面積が増加し、最大の値を示した後、減少している。第１コア層１３は、所定の長さに亘って最大の断面積の値を示す部分１３ｂを有する。同様に、第２コア層１４は、所定の長さに亘って最大の断面積を示す部分１４ｂを有する。
【００４７】
本実施形態では、第１コア層１３及び第２コア層１４の厚さは一定である。従って、第１コア層１３及び第２コア層１４は、それらの幅が、第１端部１０ｆから第２端部１０ｇに向かう方向において、増加して最大の値を示した後、減少している。第１コア層１３の最大の断面積の値を示す部分１３ｂの幅は一定であり、第２コア層１４の最大の断面積の値を示す部分１４ｂの幅も一定である。ここで、第１コア層１３及び第２コア層１４の幅は、第１端部１０ｆから第２端部１０ｇに向かう方向に対して直交する向きの寸法である。このことは、後述する第３コア層１５の幅に対しても適用される。
【００４８】
本実施形態では、第１コア層１３及び第２コア層１４の幅は、第１端部１０ｆから部分１３ｂ、１４ｂに向かう方向において漸増している。
【００４９】
また、第１コア層１３及び第２コア層１４は、第１端部１０ｆから第２端部１０ｇに向かう方向において、位置１３ｃ、１４ｃにおいて最小の断面積を示す。本実施形態では、第１コア層１３及び第２コア層１４は、位置１３ｃ、１４ｃにおいて最小の幅を有する。
【００５０】
本実施形態では、第１コア層１３及び第２コア層１４の幅は、部分１３ｂ、１４ｂから第２端部１０ｇに向かって漸減している。
【００５１】
次に、第３コア層１５について、以下に更に説明する。
【００５２】
第３コア層１５は、第１コア層１３と第２コア層１４との間の中央の位置に配置される。
【００５３】
第３コア層１５は、第１端部１０ｆから第２端部１０ｇに向かう方向において、第１コア層１３及び第２コア層１４の断面積が最大となる部分１３ｂ、１４ｂから第２端部１０ｇに向かって延びるように配置される。第３コア層１５は、所定の長さを有する部分１３ｂ、１４ｂの何れかの位置を起点としていれば良い。
【００５４】
第３コア層１５は、第１端部１０ｆから第２端部１０ｇに向かう方向において、第１コア層１３及び第２コア層１４の断面積が減少している部分で、断面積が増加していることが好ましい。本実施形態では、第３コア層１５の厚さは一定であり、第３コア層１５の幅は、第１端部１０ｆから第２端部１０ｇに向かう方向において、第１コア層１３及び第２コア層１４の幅が減少している部分で漸増し、第２端部１０ｇの付近で最大の幅を示した後、一定の幅を有する。
【００５５】
第３コア層１５は、第１端部１０ｆから第２端部１０ｇに向かう方向において、第１コア層１３及び第２コア層１４の断面積が最小値を示す位置で、第３コア層１５の断面積が最大となることが好ましい。本実施形態では、第３コア層１５の幅は、第１端部１０ｆから第２端部１０ｇに向かう方向において、第１コア層１３及び第２コア層１４の断面積が最小値を示す位置１３ｃ、１４ｃで、第３コア層１５の断面積が最大となる。
【００５６】
第３コア層１５と、第１コア層１３及び第２コア層１４との間の距離は、伝搬する光のモードフィールドが重なるように設定されることが好ましい。
【００５７】
次に、第１延出部１０ａについて、以下に説明する。
【００５８】
第１延出部１０ａは、スポットサイズ変換部１０ｂの第１端部１０ｆから、基板１１及び下クラッド層１２及び上クラッド層１６が外方に延出して、基板１１と下クラッド層１２と上クラッド層１６とが積層されて形成される。
【００５９】
第１延出部１０ａには、第１コア層１３及び第２コア層１４及び第３コア層１５は延出していない。
【００６０】
このように、第１コア層１３及び第２コア層１４及び第３コア層１５を有さない第１延出部１０ａを設けると、光素子１０を上方からドライエッチングして一方の端部１０ｄの端面を形成する際に、上及び下クラッド層１２，１６と第１〜３コア層１３，１４，１５との間のエッチング速度の違いによる形状精度への影響が生じることが防止される。
【００６１】
次に、第２延出部１０ｂについて、以下に説明する。
【００６２】
第２延出部１０ｂは、スポットサイズ変換部１０ｂの第２端部１０ｇから、基板１１及び下クラッド層１２及び上クラッド層１６が外方に延出して、基板１１と下クラッド層１２と上クラッド層１６とが積層されて形成される。
【００６３】
また、第２延出部１０ｂでは、第３コア層１５が、スポットサイズ変換部１０ｂの第２端部１０ｇから、他方の端部１０ｅまで延出して、第３コア延出部１５ａを形成する。第３コア延出部１５ａは、第２端部１０ｇにおける第３コア層１５と同じ幅で延びている。
【００６４】
また、第２延出部１０ｂでは、第１コア層１３が、他方の端部１０ｅに向かって、第３コア延出部１５ａから離れるように延出して、第１コア延出部１３ａを形成する。第１コア延出部１３ａは、第２端部１０ｇにおける第１コア層１３の幅よりも、その幅が増加しながら延びている。同様に、第２延出部１０ｂでは、第２コア層１４が延出して、第２コア延出部１４ａが形成される。
【００６５】
第１コア延出部１３ａは、光素子１０の製造時に、下クラッド層１２上に形成された第１コア層１３における第２端部１０ｇ側の部分が、下クラッド層１２から剥がれることを防止する。第２コア延出部１４ａも同様の働きを有する。なお、このような懸念がない場合には、第１コア延出部１３ａ又は第２コア延出部１４ａは形成されなくても良い。
【００６６】
次に、図６を参照して、一方の端部１０ｄに入力した光が光素子１０を伝搬する様子を以下に説明する。
【００６７】
まず、外部から大きなスポットサイズを有する光が、光素子１０の一方の端部１０ｄに入力される。一方の端部１０ｄに入力した光は、第１延出部１０ａを伝搬して、スポットサイズ変換部１０ｂの第１端部１０ｆに入力される。
【００６８】
次に、第１端部１０ｆに入力した光は、水平方向に離間した第１コア層１３及び第２コア層１４を伝搬して行く。
【００６９】
図６は、図２のＸ１−Ｘ１線断面における伝搬する光のフィールドのモードプロファイル２０を示す。また、図２のＸ１−Ｘ１線断面は、図３に示される。図６に示す伝搬する光のフィールドの各モードプロファイルは、マックスウェル方程式を、所定の境界値条件の下で有限要素法を用いて数値計算により解いた結果である。モードプロファイル２０では、一の環状の線が同じ電界強度の分布を示しており、内側の環状の線程、強い電界強度を有する。この説明は、図６の他のモードプロファイルに対しても適用される。
【００７０】
スポットサイズ変換部１０ｂの第１端部１０ｆでは、水平方向に離間した第１コア層１３及び第２コア層１４を同時に伝搬する光のフィールドのモードプロファイル２０の外形は、一つの扁平な楕円形を有している。
【００７１】
一方、第１コア層１３及び第２コア層１４を伝搬する光のフィールドは、垂直方向における拡がりが、水平方向の拡がりと比べて抑えられている。ここで、光のフィールドの垂直方向は、水平方向と直交する方向である。
【００７２】
また、第１コア層１３及び第２コア層１４それぞれの幅が狭いので、それぞれのコア層から伝搬する光のフィールドが、上及び下クラッド層１２，１６内に大きく浸みだしている。
【００７３】
水平方向に離間した第１コア層１３及び第２コア層１４の各コア層の寸法及び両層の間隔は、第１コア層１３及び第２コア層１４を伝搬する光が、光の伝搬の単一モードを形成するように設定されることが好ましい。
【００７４】
次に、第１コア層１３及び第２コア層１４を伝搬する光は、第１端部１０ｆから第２端部１０ｇに向かって進むにつれて、第１コア層１３及び第２コア層１４の断面積が増加するのと共に、各コア層に閉じ込められて分離して行く。
【００７５】
図６は、図２のＸ２−Ｘ２線断面における伝搬する光のフィールドのモードプロファイル２１を示す。図２のＸ２−Ｘ２線断面は、図４に示される。
【００７６】
第１コア層１３及び第２コア層１４における最大の断面積を示す部分１３ｂ、１４ｂでは、伝搬する光のフィールドのモードプロファイル２１が２つの部分２１ａ、２１ｂにほぼ分かれて、それぞれのコア層内に閉じ込められている。
【００７７】
この時、２つの部分２１ａ、２１ｂの間の中央部２１ｃでは、伝搬する光のフィールドの浸みだしが少なくなっている。そして、第３コア層１５の起点は、この中央部２１ｃに位置している。
【００７８】
このように、第３コア層１５の起点を中央部２１ｃに配置すると、第１コア層１３及び第２コア層１４を伝搬するそれぞれの光が、第３コア層１５の出現を感じることを抑えることができる。そのため、第３コア層１５の出現が、２つの分離した光のフィールドに与える影響を少なくできる。
【００７９】
ここで、第１コア層１３及び第２コア層１４の間隔が広い程、両コア層の間の中央部おける光のフィールドの強度を低減できる。しかし、第１端部１０ｆから第２端部１０ｇに向かう方向において、第１コア層１３及び第２コア層１４の間隔の変化が少ない方が、伝搬する光の損失を抑えて１つの光のフィールドプロファイルを２つに分離させることができる。この観点から、第１コア層１３及び第２コア層１４の間隔を広げることが制限を受ける。
【００８０】
次に、第１コア層１３及び第２コア層１４を伝搬する光は、第１端部１０ｆから第２端部１０ｇに向かう方向に沿って進むにつれて、次第に第３コア層１５に結合する割合が増加し、光のスポットサイズが縮小していく。これは、第１コア層１３及び第２コア層１４の断面積が、部分１３ａ、１４ｂから第２端部１０ｇに向かって減少していく一方で、第３コア層１５の断面積は、第１端部１０ｆから第２端部１０ｇに向かう方向において増加していくためである。第１コア層１３及び第２コア層１４を伝搬する光のフィールドは、第１コア層１３及び第２コア層１４の断面積が減少すると共に、外側に浸みだしていく。そして、外側に浸みだした光のフィールドは、断面積が増加していく第３コア層１５に結合されていく。
【００８１】
第１コア層１３及び第２コア層１４を伝搬する光が、第３コア層１５に結合することを促進する観点から、第３コア層１５の屈折率は、第１コア層１３及び第２コア層１４よりも高くすることが好ましい。また、光素子１０を製造する観点からは、第１コア層１３及び第２コア層１４及び第３コア層１５を同じ材料を用いて形成しても良い。
【００８２】
そして、第１コア層１３及び第２コア層１４を伝搬する光は、第１コア層１３及び第２コア層１４の断面積が最小となる位置１３ｃ、１４ｃにおいて、第３コア層１５にほぼ完全に移動する。第３コア層１５は、第１端部１０ｆから第２端部１０ｇに向かう方向において、位置１３ｃ、１４ｃにおいて最大の断面積を示す。なお、第３コア層１５は、第２端部１０ｇの付近では、所定の長さにわたって、最大の断面積を有している。
【００８３】
図６は、図２のＸ３−Ｘ３線断面における伝搬する光のフィールドのモードプロファイル２２を示す。図２のＸ３−Ｘ３線断面は、図５に示される。スポットサイズ変換部１０ｂを伝搬する光のフィールドは、第３コア層１５を中心に分布している。
【００８４】
このようにして、スポットサイズ変換部１０ｂの第２端部１０ｇから出力される光のスポットサイズが、第１端部１０ｆから入力された寸法よりも小さく変換される。
【００８５】
上述したスポットサイズ変換部１０ｂを伝搬する光は、第３コア層１５が出現する位置と、第１コア層１３及び第２コア層１４の断面積が最小となる位置１３ｃ、１４ｃにおいて、光学的に不連続な状態が生じる。次に、光学的に不連続な状態が生じる２カ所それぞれに対して、光学的に不連続な状態により生じ得るモードミスマッチを低減することについて、以下に説明する。
【００８６】
図７は、図２のＸ２−Ｘ２線断面におけるモードミスマッチ損失と、第１コア層及び第２コア層の幅との関係を示す図である。図２のＸ２−Ｘ２線は、第３コア層１５が出現する位置に対応する。図７は、マックスウェル方程式を、所定の境界値条件の下で有限要素法を用いて数値計算により解いた結果である。ここで、図２のＸ２−Ｘ２線における第３コア層１５の幅は、１００ｎｍとした。
【００８７】
図７の計算結果から、第１コア層１３及び第２コア層１４の幅を、第３コア層１５の幅に対して、３倍以上（ここでは、３００ｎｍ以上）、特に４倍以上（ここでは、４００ｎｍ以上）にすることが、モードミスマッチ損失による伝搬する光の過剰損失を０．０１ｄＢ以下に低減する上で好ましいことが分かる。
【００８８】
図８は、図２のＸ３−Ｘ３線断面におけるモードミスマッチ損失と、第１コア層及び第２コア層の幅との関係を示す図である。図２のＸ３−Ｘ３線は、第１コア層１３及び第２コア層１４の断面積が最小となる位置１３ｃ、１４ｃに対応する。図８は、マックスウェル方程式を、所定の境界値条件の下で有限要素法を用いて数値計算により解いた結果である。ここで、図２のＸ３−Ｘ３線における第３コア層１５の幅は、４８０ｎｍとした。
【００８９】
図８の計算結果から、第１コア層１３及び第２コア層１４の幅を、第３コア層１５の幅に対して、１／４以下（ここでは、１２０ｎｍ以下）、特に１／６以下（ここでは、８０ｎｍ以下）にすることが、モードミスマッチ損失による伝搬する光の過剰損失を０．００５ｄＢ以下に低減する上で好ましいことが分かる。
【００９０】
また、スポットサイズ変換部１０ｇにおいて、光が第２端部１０ｇから入力されて第１端部１０ｆから出力される場合には、第３コア層１５を伝搬する光が、第１コア層１３及び第２コア層１４に結合して移動することになる。この場合には、光素子１０を伝搬する光の伝搬方向が逆向きとなり、入力された光のスポットサイズが大きく変換されて出力されるが、伝搬する光のフィールドプロファイルに関する説明については、上述した図６を用いた説明が適宜適用される。
【００９１】
次に、本実施形態の光素子１０の形成材料について、以下に説明する。
【００９２】
基板１１としては、例えば、シリコン基板を用いることができる。また、下クラッド層１２としては、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）又はポリマ等の誘電体を用いることができる。第１コア層１３、第２コア層１４又は第３コア層１５としては、例えば、シリコンを用いることができる。また、上クラッド層１６としては、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）等の誘電体又はポリマ等の誘電体を用いることができる。
【００９３】
また、ＳＯＩ基板を用いれば、ＳＯＩ基板のシリコン基板を用いて基板１１を形成し、ＳＯＩ基板の絶縁層を用いて下クラッド層１２を形成し、ＳＯＩ基板のシリコン層を用いて第１コア層１３、第２コア層１４及び第３コア層１５を容易に形成することができる。また、光素子１０は、このようなシリコン半導体材料を用いれば、シリコン半導体の微細加工技術を用いて形成することができる。
【００９４】
上述した本実施形態の光素子１０によれば、光の結合損失を低減できる。光素子１０のスポットサイズ変換部１０ｂは、光の伝搬方向に沿ってそのフィールド径を断熱的（パワー損失を殆ど伴わずに）に変化させるので、第１コア層１３及び第２コア層１４と、第３コア層１５との間の光の結合損失が低減される。そこで、このような光素子１０を用いて、光のスポットサイズを変換することにより、例えば、光ファイバとシリコン細線導波路との間の光結合を効率良く行うことが可能となる。一方、従来のＹ分岐構造を有するスポットサイズ変換器では、その分岐部に起因する反射等による光の損失が生じるので、光の結合損失を低減することには限界があった。しかし、本実施形態の光素子１０によれば、この従来の限界を超えて、光の結合損失を低減できる。
【００９５】
また、本実施形態の光素子１０では、第１コア層１３及び第２コア層１４を水平方向に離間して配置するので、光のスポットサイズの水平方向の寸法と垂直方向の寸法とを、ある程度独立して制御することができる。上述した光素子１０が、例えば、光変調器又は受光素子等の他の素子と共に集積された光集積素子では、製造工程の簡便化、低コスト化等の観点から上クラッド層を可能な限り薄膜化することが求められる。この場合に、光のスポットサイズを拡大する時には、垂直方向の拡大を水平方向の拡大に対して抑制することが求められる。このようなスポットサイズの変換を、従来の１つのコア層を用いた構造で実現することは困難であった。一方、本実施形態の光素子１０は、光の結合損失を抑えると共に、このような要求を満足することができる。従って、本実施形態の光素子１０によれば、上クラッド層の膜厚に制限のある光集積素子において、結合損失の少ない入出力導波路を実現できる。
【００９６】
また、本実施形態の光素子１０は、水平方向に離間した第１コア層１３及び第２コア層１４を用いているので、第１コア層１３及び第２コア層１４それぞれの断面積（又は幅）に対する精度の製造許容範囲を拡げることができる。これは、第１コア層１３及び第２コア層１４それぞれの断面積（又は幅）の製造誤差が生じても、第１コア層１３と第２コア層１４との間の間隔に対する影響が小さいためである。従って、本実施形態の光素子１０は、製造歩留まりを向上させ、コストの低減を図ることができる。
【００９７】
次に、上述したスポットサイズ変換器の第２実施形態を、図９〜図１３を参照しながら以下に説明する。他の実施形態について特に説明しない点については、上述の第１実施形態に関して詳述した説明が適宜適用される。また、同一の構成要素には同一の符号を付してある。
【００９８】
図９は、本明細書に開示する光素子の第２実施形態を示す斜視図である。図１０は、図９に示す光素子の平面図である。図１１は、図９のＹ１−Ｙ１線断面図である。図１２は、図９のＹ２−Ｙ２線断面図である。図１３は、図９のＹ３−Ｙ３線断面図である。
【００９９】
本実施形態の光素子３０は、一方の端部３０ｄから他方の端部３０ｅに向かって順番に、第１延出部３０ａと、スポットサイズ変換部３０ｂと、第２延出部３０ｃとを備える。
【０１００】
スポットサイズ変換部３０ｂは、第１延出部３０ａとの間で光の入出力を行う第１端部３０ｆと、第２延出部３０ｃとの間で光の入出力を行う第２端部３０ｇとを有する。
【０１０１】
本実施形態の光素子３０は、上述した第１実施形態とは、第１コア層３３、第２コア層３４及び第３コア層３５の形状が異なっている。
【０１０２】
第１コア層３３及び第２コア層３４は、第１端部３０ｆから第２端部３０ｇに向かう方向において、断面積が一定であるか又は減少していることが好ましい。本実施形態では、第１コア層３３及び第２コア層３４は、第１端部３０ｆから第２端部３０ｇに向かう方向において、断面積が減少している。また、本実施形態では、第１コア層３３及び第２コア層３４の厚さは一定であり、第１コア層３３及び第２コア層３４は、第１端部３０ｆから第２端部３０ｇに向かう方向において、幅が漸減している。
【０１０３】
第３コア層１５は、第１端部３０ｆから第２端部１０ｇまで延びるように、第１コア層１３と第２コア層１４との間の中央において下クラッド層１２上に配置されている。第３コア層１５は、第１端部３０ｆから第２端部１０ｇに向かう方向において、第１コア層３３及び第２コア層３４と同じ位置から、第２端部１０ｇに向かって並んで延びている。
【０１０４】
第３コア層１５の断面積は、第１端部１０ｆから第２端部１０ｇに向かって増加し、第２端部３０ｇの付近で最大の断面積を示した後、一定の断面積を有する。本実施形態では、第３コア層１５の厚さは一定であり、第３コア層１５の幅は、第１端部１０ｆから第２端部１０ｇに向かって増加し、第２端部３０ｇの付近で最大の幅を示した後、一定の幅を有する。
【０１０５】
本実施形態では、外部から大きなスポットサイズを有する光が、光素子３０の一方の端部３０ｄに入力される。一方の端部３０ｄに入力した光は、第１延出部３０ａを伝搬して、スポットサイズ変換部３０ｂの第１端部３０ｆに入力される。次に、第１端部３０ｆに入力した光は、水平方向に離間して配置される第１コア層３３及び第２コア層３４及び第３コア層３５を伝搬して行く。
【０１０６】
第１コア層３３及び第２コア層３４を伝搬する光は、第１端部３０ｆから第２端部３０ｇに向かって進むにつれて、次第に第３コア層３５に結合する割合が増加し、光のスポットサイズが縮小していく。これは、第１コア層３３及び第２コア層３４の断面積（又は幅）が、第１端部３０ｆから第２端部３０ｇに向かって減少していく一方で、第３コア層３５の断面積（又は幅）は、第１端部３０ｆから第２端部３０ｇに向かって増加していくためである。
【０１０７】
そして、第１コア層３３及び第２コア層３４を伝搬する光は、第１コア層３３及び第２コア層３４の断面積（又は幅）が最小となる位置３３ｃ、３４ｃにおいて、第３コア層３５にほぼ完全に移動する。第３コア層３５は、第１端部３０ｆから第２端部３０ｇに向かう方向において、位置３３ｃ、３４ｃにおいて最大の断面積（又は幅）を示す。
【０１０８】
このようにして、スポットサイズ変換部３０ｂの第２端部３０ｇから出力される光のスポットサイズは、第１端部３０ｆから入力された寸法よりも小さく変換される。
【０１０９】
本実施形態の第１延出部３０ａ及び第２延出部３０ｂの構造は、上述した第１実施形態と同様である。
【０１１０】
上述した本実施形態のスポットサイズ変換器によれば、光学的に不連続な状態が生じる位置の数が、第１実施形態よりも減少しているので、光の結合損失を更に低減できる。これは、本実施形態では、光学的に不連続な状態が生じる位置が、第１コア層３３及び第２コア層３４の断面積（又は幅）が最小となる位置３３ｃ、３４ｃの一カ所になっているからである。
【０１１１】
また、本実施形態のスポットサイズ変換器によれば、上述した第１実施形態と同様の効果が得られる。
【０１１２】
次に、本明細書に開示するスポットサイズ変換部を有する光送信器について、以下に説明する。
【０１１３】
図１４は、本明細書に開示する光送信器の第１実施形態を示す図である。
【０１１４】
本実施形態の光送信器４０は、基板１１上に配置されたスポットサイズ変換部４１ａを有する光素子４１と、同じ基板１１上に配置され、光素子４１の一方の端部４１ｂに光を出力する光発生部４２と、を備える。
【０１１５】
光素子４１は、基板１１上に配置された下クラッド層１２と、下クラッド層１２上に配置された第１コア層１３と、第２コア層１４と、第３コア層１５とを有する。光素子４１の構造は、上述した光素子の第１実施形態と同様である。
【０１１６】
光発生部４２としては、例えば、半導体レーザを用いることができる。
【０１１７】
光送信器４０では、光発生部４２が出力した光が、光素子４１の一方の端部４１ｂに入力され、一方の端部４１ｂに入力した光は、スポットサイズ変換部４１ａを伝搬しながら小さなスポットサイズに変換されて、他方の端部４１ｃから外部に出力される。
【０１１８】
上述した本実施形態の光送信器によれば、光の結合損失を抑えて、光発生部４２で発生した光のスポットサイズを小さく変換して出力できる。
【０１１９】
図１５は、本明細書に開示する光送信器の第２実施形態を示す図である。
【０１２０】
本実施形態の光送信器５０は、基板１１上に並んで配置された複数の光素子５１ａ、５１ｂ、５１ｃを備えている。各光素子５１ａ、５１ｂ、５１ｃは、光の伝搬方向を一致させて、横に並べられている。各光素子５１ａ、５１ｂ、５１ｃは、スポットサイズ変換部を有しており、上述した光素子の第１実施形態と同様の構造を有する。
【０１２１】
また、光送信器５０は、各光素子５１ａ、５１ｂ、５１ｃに対応した光発生部５２ａ、５２ｂ、５２ｃを有している。各光素子５１ａ、５１ｂ、５１ｃには、対応する光発生部が出力した光が入力される。複数の光発生部５２ａ、５２ｂ、５２ｃも、基板１１上に配置されている。
【０１２２】
上述した本実施形態の光送信器によれば、光のスポットサイズを小さく変換した光信号を並列に出力することができる。
【０１２３】
次に、本明細書に開示するスポットサイズ変換部を有する光送受信器について、以下に説明する。
【０１２４】
図１６は、本明細書に開示する光送受信器の一実施形態を示す図である。
【０１２５】
本実施形態の光送受信器６０は、基板１１上に配置されたスポットサイズ変換部６１ａを有する第１光素子６１と、同じ基板１１上に配置され、第１光素子６１の一方の端部６１ｂに光を出力する光発生部６２と、を備える。第１光素子６１の構造は、上述した光素子の第１実施形態と同様である。
【０１２６】
そして、第１光素子６１によってスポットサイズが小さく変換された光は、その他方の端部６１ｃから、下クラッド層１２上に配置されたシリコン細線導波路６０ａに入力される。シリコン細線導波路６０ａに入力した光は、シリコン細線導波路６０ａを伝搬して、光変調部６３に入力する。光変調部６３としては、例えば、マッハツェンダ型の変調器を用いることができる。
【０１２７】
光変調部６３は、入力した光を変調して、下クラッド層１２上に配置されたシリコン細線導波路６０ｂに出力する。シリコン細線導波路６０ｂは、入力した光を出力部６４に伝搬する。
【０１２８】
出力部６４は、入力した光を外部に出力する。
【０１２９】
また、光送受信器６０は、外部からの光を入力する入力部６７を有する。
【０１３０】
入力部６７が入力した光は、下クラッド層１２上に配置されたシリコン細線導波路６０ｃを伝搬する。シリコン細線導波路６０ｃを伝搬した光は、後述する第２光素子６６の他方の端部６６ｃに入力する。
【０１３１】
また、光送受信器６０は、基板１１上に配置されたスポットサイズ変換部６６ａを有する第２光素子６６と、同じ基板１１上に配置され、他方の端部６６ｃから入力されスポットサイズ変換部６６ａを伝搬して、第２光素子６６の一方の端部６６ｂから出力された光を検出する光検出部６５を有する。第２光素子５６は、第１光素子５１と同じ上クラッド層１６を有する。
【０１３２】
シリコン細線導波路６０ｃを伝搬した光は、第２光素子６６のスポットサイズ変換部６６ａによって、スポットサイズが大きく変換されて、光検出部６５に入力する。
【０１３３】
上述した本実施形態の光送受信器によれば、光の結合損失を抑えて、光発生部６２で発生した光のスポットサイズを小さく変換して出力でき、且つ、光の結合損失を抑えて、入力した光のスポットサイズを大きく変換して検出することができる。
【０１３４】
次に、上述したスポットサイズ変換器の製造方法の好ましい一実施形態について、図を参照しながら、以下に説明する。
【０１３５】
本実施形態は、上述した光素子の第１実施形態におけるスポットサイズ変換部の製造方法を説明する。
【０１３６】
まず、図１７（Ａ）に示すように、コア層１７と下クラッド層１２とが積層された半導体の基板１１のコア層１７上に、シリコンの微細加工技術を用いて、マスク７０，７１，７２が形成される。本実施形態では、コア層１７と下クラッド層１２とが積層された半導体の基板１１として、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）を用いた。従って、基板１１は、シリコン基板であり、下クラッド層１２は酸化ケイ素（ＳｉＯ２）層であり、コア層１７は、単結晶シリコン層である。なお、コア層１７の形成材料は、多結晶又はアモルファスでも良い。また、下クラッド層１２の形成材料として、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）以外の材料を用いても良く、例えばポリマを用いても良い。マスク７０，７１，７２それぞれは、上述した光素子の第１実施形態における第１コア層、第２コア層、第３コア層に対応する形状を有する。マスク７０，７１，７２それぞれは、別体として形成される。なお、本実施形態では、上述した光素子の第１実施形態の第１延出部が形成されるように、マスク７０，７１，７２の端部が、下クラッド層１２の端縁よりも内側に配置されている。
【０１３７】
次に、図１７（Ｂ）に示すように、シリコンの微細加工技術を用いて、マスク７０，７１，７２をマスクとして、コア層１７がエッチングされて、下クラッド層１２の表面が露出する。そして、第１コア層１３及び第２コア層１４及び第３コア層１５が、下クラッド層１２上に形成される。第１コア層１３及び第２コア層１４及び第３コア層１５それぞれは、別体として形成される。
【０１３８】
次に、図１７（Ｃ）に示すように、マスク７０，７１，７２が第１コア層１３及び第２コア層１４及び第３コア層１５から除去される。
【０１３９】
そして、図１７（Ｄ）に示すように、シリコンの微細加工技術を用いて、第１コア層１３及び第２コア層１４及び第３コア層１５上に、これらの層を埋め込むように上クラッド層１６が形成される。本実施形態では、上クラッド層１６の形成材料として、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を用いた。また、上クラッド層１６の形成材料として、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）以外の材料を用いても良く、例えばポリマを用いても良い。
【０１４０】
上述した本実施形態の製造方法によれば、シリコンの微細加工技術を用いて、光素子を製造することができる。また、本実施形態では、光素子のコア層を一種類の材料で形成しており、従来のように酸化窒化膜又はポリマ等を用いた複合的なコア構造を形成することが不要となるので、製造工程の数を削減することができる。従って、製造工程の簡便化によるコストを低減できる。
【０１４１】
また、上述した本実施形態の製造方法では、マスクの形状を変更することにより、例えば、上述した光素子の第２実施形態のスポットサイズ変換部を製造することもできる。
【０１４２】
本発明では、上述したスポットサイズ変換器、光送信器、光受信器、光送受信器及びスポットサイズ変換器の製造方法は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。また、一の実施形態が有する構成要件は、他の実施形態にも適宜適用することができる。
【０１４３】
例えば、上述した第１実施形態の光素子では、スポットサイズ変換部と共に第１延出部及び第２延出部が配置されていたが、光素子は、図１８に示すように、第１延出部及び第２延出部が配置されていなくても良い。図１８に示す光素子１０は、上述した第１実施形態の光素子のスポットサイズ変換部１０ｂと同様の構成を有する。具体的には、図１８に示す光素子１０は、下クラッド層１２と、光を入出力する第１端部１０ｆから第２端部１０ｇに向かう方向に沿って第１端部１０ｆから延びるように、下クラッド層１２上に並んで配置された第１コア層１３及び第２コア層１４と、を備える、また、光素子１０は、第１コア層１３と第２コア層１４との間で下クラッド層１２上に配置され、第１コア層１３及び第２コア層１４とは別体であり、第１端部１０ｆから第２端部１０ｇに向かう方向に沿って第２端部１０ｇまで延びる第３コア層１５と、第１コア層１３及び第２コア層１４及び第３コア層１５上に配置された上クラッド層（図示せず）と、を備える。特に、コア層１３，１４，１５と下クラッド層又は上クラッド層のエッチング選択性が小さい場合には、第１延出部を設けなくても、エッチング速度の違いによる形状精度への影響が小さい。
【０１４４】
同様に、上述した第２実施形態の光素子は、図１９に示すように、第１延出部及び第２延出部が配置されていなくても良い。図１９に示す光素子３０は、上述した第２実施形態の光素子のスポットサイズ変換部３０ｂと同様の構成を有する。
【０１４５】
また、上述した第１実施形態では、第１コア層１３及び第２コア層１４が、第１端部１０ｆから第２端部１０ｇに亘って配置されていたが、第１コア層１３及び第２コア層１４は、第１端部１０ｆから第２端部１０ｇに向かう方向において、第２端部１０ｇの手前まで配置されていれば良い。また、上述したスポットサイズ変換器の第２実施形態では、第１コア層３３及び第２コア層３４が、光素子３０における第１端部３０ｆから第２端部３０ｇに向かう方向において、断面積又は幅が減少していた。しかし、図２０に示すように、光素子８０は、第１コア層８３及び第２コア層８４が、光素子８０における一方の端部８０ａから他方の端部８０ｂに向かう方向において、第１コア層８３及び第２コア層８４の断面積又は幅を一定にして、第１コア層８３と第３コア層８５との間の距離を増加させると共に、第２コア層８４と第３コア層８５との間の距離を増加させるようにしても良い。
【０１４６】
また、上述した光送受信器では、スポットサイズ変換部を有する光受信器が、光送信器と一体に形成されていたが、スポットサイズ変換部を有する光受信器は、独立した光素子であっても良い。更に、上述した光送受信器では、光送信器と光受信器とが同じ基板上に配置され、且つ上クラッド層及び下クラッド層が一体に形成されていたが、光送信器と光受信器とが別の基板上に配置され、上クラッド層及び下クラッド層が別体に形成されていても良い。
【０１４７】
ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、読者が、発明者によって寄与された発明及び概念を技術を深めて理解することを助けるための教育的な目的を意図する。ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、そのような具体的に述べられた例及び条件に限定されることなく解釈されるべきである。また、明細書のそのような例示の機構は、本発明の優越性及び劣等性を示すこととは関係しない。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、その様々な変更、置き換え又は修正が本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り行われ得ることが理解されるべきである。
【０１４８】
以上の上述した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【０１４９】
（付記１）
第１クラッド層と、
光を入出力する第１端部から第２端部に向かう方向に沿って前記第１端部から延びるように、前記第１クラッド層上に並んで配置された第１コア層及び第２コア層と、
前記第１コア層と前記第２コア層との間で前記第１クラッド層上に配置され、前記第１コア層及び前記第２コア層とは別体であり、前記第１端部から前記第２端部に向かう方向に沿って前記第２端部まで延びる第３コア層と、
前記第１コア層及び前記第２コア層及び前記第３コア層上に配置された第２クラッド層と、
を備えるスポットサイズ変換器。
【０１５０】
（付記２）
前記第３コア層は、前記第１コア層と前記第２コア層との間の中央に配置される付記１に記載のスポットサイズ変換器。
【０１５１】
（付記３）
前記第３コア層は、前記第１端部から前記第２端部に向かう方向において、断面積が増加する付記１又は２に記載のスポットサイズ変換器。
【０１５２】
（付記４）
前記第３コア層は、前記第１端部から前記第２端部に向かう方向において、前記第１コア層及び前記第２コア層の断面積が最小値を示す位置で、前記第３コア層の断面積が最大となる付記３に記載のスポットサイズ変換器。
【０１５３】
（付記５）
前記第３コア層は、前記第１端部から前記第２端部に向かう方向において、前記第１コア層及び前記第２コア層の断面積が最大となる位置から前記第２端部まで延びるように配置される付記３又は４に記載のスポットサイズ変換器。
【０１５４】
（付記６）
前記第１コア層及び前記第２コア層は、前記第１端部から前記第２端部に向かう方向において、断面積が一定であるか又は減少する付記１〜４の何れか一項に記載のスポットサイズ変換器。
【０１５５】
（付記７）
前記第１コア層及び前記第２コア層は、両コア層の間の中心線に対して線対称の関係にある付記１〜６の何れか一項に記載のスポットサイズ変換器。
【０１５６】
（付記８）
前記第１コア層及び前記第２コア層及び前記第３コア層の厚さは一定である付記１〜７の何れか一項に記載のスポットサイズ変換器。
【０１５７】
（付記９）
前記第１端部から、前記第１クラッド層及び前記第２クラッド層が延出しており、前記第１クラッド層と前記第２クラッド層とが積層された延出部が形成される付記１〜８の何れか一項に記載のスポットサイズ変換器。
【０１５８】
（付記１０）
基板と、
前記基板上に配置された第１クラッド層と、
光を入力する第１端部から第２端部に向かう方向に沿って前記第１端部から延びるように、前記第１クラッド層上に並んで配置された第１コア層及び第２コア層と、
前記第１コア層と前記第２コア層との間で前記第１クラッド層上に配置され、前記第１コア層及び前記第２コア層とは別体であり、前記第１端部から前記第２端部に向かう方向に沿って前記第２端部まで延びる第３コア層と、
前記第１コア層及び前記第２コア層及び前記第３コア層上に配置された第２クラッド層と、を有するスポットサイズ変換部と、
前記基板上に配置され、前記第１端部に光を出力する光発生部と、
を備える光送信器。
【０１５９】
（付記１１）
基板と、
前記基板上に配置された第１クラッド層と、
光を入力する第１端部から第２端部に向かう方向に沿って前記第１端部から延びるように、前記第１クラッド層上に並んで配置された第１コア層及び第２コア層と、
前記第１コア層と前記第２コア層との間で前記第１クラッド層上に配置され、前記第１コア層及び前記第２コア層とは別体であり、前記第１端部から前記第２端部に向かう方向に沿って前記第２端部まで延びる第３コア層と、
前記第1コア層及び前記第２コア層及び前記第３コア層上に配置された第２クラッド層と、を有するスポットサイズ変換部と、
前記基板上に配置され、前記第２端部から入力され前記スポットサイズ変換器を伝搬して前記第１端部から出力された光を検出する光検出部と、
を備える光受信器。
【０１６０】
（付記１２）
第１基板と、
前記第１基板上に配置された第１クラッド層と、
光を入力する第１端部から光を出力する第２端部に向かう方向に沿って前記第１端部から延びるように、前記第１クラッド層上に並んで配置された第１コア層及び第２コア層と、
前記第１コア層と前記第２コア層との間で前記第１クラッド層上に配置され、前記第１コア層及び前記第２コア層とは別体であり、前記第１端部から前記第２端部に向かう方向に沿って前記第２端部まで延びる第３コア層と、
前記第１コア層及び前記第２コア層及び前記第３コア層上に配置された第２クラッド層と、を有する第１のスポットサイズ変換部と、
前記第１基板上に配置され、前記第１端部に光を出力する光発生部と、
第２基板と、
前記第２基板上に配置された第３クラッド層と、
光を出力する第３端部から光を入力する第４端部に向かう方向に沿って前記第３端部から延びるように、前記第３クラッド層上に並んで配置された第４コア層及び第５コア層と、
前記第４コア層と前記第５コア層との間で前記第３クラッド層上に配置され、前記第４コア層及び前記第５コア層とは別体であり、前記第３端部から前記第４端部に向かう方向に沿って前記第４端部まで延びる第６コア層と、
前記第４コア層及び前記第５コア層及び前記第６コア層上に配置された前記第４クラッド層と、を有する第２のスポットサイズ変換部と、
前記第２基板上に配置され、前記第４端部から入力され前記第２のスポットサイズ変換器を伝搬して前記第３端部から出力された光を検出する光検出部と、
を備える光送受信器。
【０１６１】
（付記１３）
第１クラッド層上に、第１端部から第２端部に向かう方向に沿って前記第１端部から延びるように、前記第１クラッド層上に並んで配置された第１コア層及び第２コア層を形成すると共に、前記第１コア層と前記第２コア層との間の前記第１クラッド層上に、前記第１コア層及び前記第２コア層とは別体であり、前記第１端部から前記第２端部に向かう方向に沿って前記第２端部まで延びる第３コア層を形成し、
前記第１コア層及び前記第２コア層及び前記第３コア層上に第２クラッド層を形成するスポットサイズ変換器の製造方法。
【符号の説明】
【０１６２】
１０    光素子
１０ａ    第１延出部
１０ｂ    スポットサイズ変換部
１０ｃ    第２延出部
１１    基板
１２    下クラッド層  （第１クラッド層）
１３    第１コア層
１３ａ    第１コア延出部
１４    第２コア層
１４ａ    第２コア延出部
１５    第３コア層
１５ａ    第３コア延出部
１６    上クラッド層  （第２クラッド層）
２０    伝搬するフィールドのモードプロファイル
２１    伝搬するフィールドのモードプロファイル
２２    伝搬するフィールドのモードプロファイル
３０    光素子
３０ａ    第１延出部
３０ｂ    スポットサイズ変換部
３０ｃ    第２延出部
３３    第１コア層
３３ａ    第１延出部
３４    第２コア層
３４ａ    第２延出部
３５    第３コア層
４０    光送信器
４１    光素子
４１ａ    スポットサイズ変換部
４２    光発生部
５０    光送信器
５１ａ、５１ｂ、５１ｃ    光素子
５２ａ、５２ｂ、５２ｃ    光発生部
６０    光送受信器
６１    第１光素子
６１ａ    スポットサイズ変換部
６２    光発生部
６３    光変調部
６４    出力部
６５    光検出部
６６    第２光素子
６６ａ    スポットサイズ変換部
６７    入力部
７０、７１、７２    マスク
８０    スポットサイズ変換器
８３    第１コア層
８４    第２コア層
８５    第３コア層
【図１】
2013140205.tif 000003
【図２】
2013140205.tif 000004
【図３】
2013140205.tif 000005
【図４】
2013140205.tif 000006
【図５】
2013140205.tif 000007
【図６】
2013140205.tif 000008
【図７】
2013140205.tif 000009
【図８】
2013140205.tif 000010
【図９】
2013140205.tif 000011
【図１０】
2013140205.tif 000012
【図１１】
2013140205.tif 000013
【図１２】
2013140205.tif 000014
【図１３】
2013140205.tif 000015
【図１４】
2013140205.tif 000016
【図１５】
2013140205.tif 000017
【図１６】
2013140205.tif 000018
【図１７】
2013140205.tif 000019
【図１８】
2013140205.tif 000020
【図１９】
2013140205.tif 000021
【図２０】
2013140205.tif 000022