(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本導波路モードが存在する第１の伝送部材と、
前記第１の伝送部材とは異なる大きさの基本導波路モードが存在する第２の伝送部材と、
前記第１の伝送部材から前記第２の伝送部材に光を伝送するために設けられ、コア部とフォトニック結晶構造を有するクラッド部とからなる中間部材とを具備し、
かつ、前記中間部材は、線欠陥光導波路または結合欠陥光導波路からなるコアと、前記コアを挟むように配置された、円孔型三角格子からなるフォトニック結晶クラッドとを有し、光の伝播方向に沿ってモードフィールド径の大きい領域からモードフィールド径の小さな領域に行くにつれ、前記円孔型三角格子の周期をａ、円孔の半径をｒとしたとき、ｒ/ａを一定のもとで、周期ａ又は円孔の半径ｒを変えることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記線欠陥光導波路および前記フォトニック結晶クラッドの外延形状は、前記光の伝播方向に沿って四角形であることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
【請求項３】
前記中間部材の入力側および出力側に、フォトニック結晶構造を有し、前記第１の伝送部材および前記第２の伝送部材との界面での光の反射を防止する領域を設けてなることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路や微小光回路等を含む光学素子技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
二つの光導波路モードの結合効率は、各光導波路モードの進行方向に垂直な面内の電界分布（以下、モードフィールド）の重ね合わせに比例する。従って、２つの光導波路モードのモードフィールドの大きさあるいはその分布パターンが異なる場合、結合効率は小さくなる。結合効率を大きくする方法として、どちらかのモードフィールドの大きさならびにそのパターンを他方の光導波路モードのものと同じになるように変換することである。
【０００３】
この方法を用いた公知例が幾つか存在する。（１）「第４８回応用物理学関係連合講演会３０ａ−ＹＫ−１１」の文献に記載されているコア断面の大きさを逆テーパ状に変化させた低損失Si細線光導波路の外部結合導波路がある。ここで、逆テーパ状のコアの場合、光導波路のコア断面積を小さくすることによって、モードフィールドの大きさを大きくする。または、光導波路のコア断面積を大きくすることによって、モードフィールドの大きさを小さくする。（２）「特開２００１−４８８７号公報」に記載されている順テーパ状のコアを金属またはフォトニック結晶材料からなるクラッド層で構成される光導波路がある。ここで、順テーパ状のコアの場合、光導波路のコア断面積を小さくすることによって、モードフィールドの大きさを小さくする。または、光導波路のコア断面積を大きくすることによって、モードフィールドの大きさを大きくする。（３）「アイ・イー・イー・イー・フォトニックテクノロジー・レター、１３巻、５２頁（２００１）」の文献に記載されている光ファイバを用いたものとして、エアー・シリカファイバーのクラッド層とコア層を共に順テーパ状にしたモードフィールド変換素子がある。（４）「電子情報通信学会総合大会予稿集Ｃ−３５８、３５８頁（１９９５）」の文献は、モード変換器付き半導体レーザのモード変換部も、順テーパ状と逆テーパ状のコアを有する光導波路構造を示している。（５）「特開公報２００１−４８６９号公報」には、フォトニック結晶特有の波長分散特性を利用したスポットサイズを桁違いに変える光結合素子も提案されている。
【０００４】
また、「ジェー・ディー・ラブ、アイ・イー・イー・イー・プロシーディング、１３６巻、２３５頁（１９８９）」の文献には、モードフィールドの大きさを変える際、そのフィールド分布を変えないようにするための判断基準となる条件式が記載されている。このフィールド分布を変えないで、モードフィールドの大きさのみを変換することを、アディアバティックなモード変換と言う。
【０００５】
また、「マイクロウエーブ・アンド・オプティカルテクノロジー・レター、７巻、１３２頁（１９９４）」の文献には、選択的結晶成長を用いた半導体の結晶成長方向に厚みを空間的に制御する手法が記載されている。
【０００６】
次に、屈折率の異なる二つの媒質の界面に光が入射する場合、反射が生じる。この反射を低減するために、反射防止膜がある。光が屈折率ｎ0の媒質０から屈折率ｎ2の媒質２へ入射する場合、その際生じる反射を無くすためには、下記の条件を満たす屈折率ｎ1、厚さＬの媒質１を、媒質１と２の間に挿入すればよいことが知られている（「フィールド・アンド・ウェーブ・イン・コミニュケーション・エレクトロニクス」、サイモン・ラモ他、第２版、ジョン・ワイリー・ンド・アンド・サン出版、第６.８章、２９４頁を参照）。
ｎ12＝ｎ0・ｎ2           ・・・・・・・・(１)
ｋ1・Ｌ＝π/２            ・・・・・・・・(２)
ここで、ｋ1は媒質１における光の波数である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
フォトニック結晶光導波路やマイクロガイド光導波路を用いた微小光回路が注目を浴びている。
【０００８】
フォトニック結晶とは、屈折率差の大きな２種類の媒質から作られた、光の波長程度の周期を有する周期構造のことである。この周期性に欠陥を導入することによって、強い光閉じ込めが可能なフォトニック結晶導波路を作ることができる。フォトニック結晶光導波路には、欠陥が物理的に接続してできた線欠陥導波路と、欠陥が物理的には接続してないが、光学的に接続してできた結合欠陥導波路とがある。そのような光導波路では、導波路の曲がりが大きくなっても、曲がりによる光伝搬損失（曲げ損失）が非常に小さい。その結果、この光導波路を用いれば、非常に小さな光学回路ができると期待されている。
【０００９】
マイクロガイド光導波路とは、光導波路のコア部とクラッドの屈折率差が非常に大きな光導波路のことである。通常、コア部とクラッドの屈折率差は１以上であり、光の閉じ込めが強いことから、上述したフォトニック結晶光導波路と同様、曲げ損失が小さいため、小さな光学回路の光回路として期待されている。
【００１０】
上記、光閉じ込めの強い光導波路は、基本導波路モードのみが存在するシングルモード光導波路と仮定すると、そのモードフィールド径は１μｍ以下にもなる。ここで、基本モードとは電界強度のパターンが単峰性の光導波路モードのことである。また、モードフィールド径とは、モードの電界強度分布の最大値の１/ｅ2以上を含む電界領域の直径として定義されている。
【００１１】
光学回路への光の入出力にはシングルモード光ファイバが用いられる。光ファイバとは中心にコアを有し、その周囲にクラッドが形成され、さらにその周囲に保護層が設けられた同心円状の構造をした光導波路である。シングルモード光ファイバとは、基本モードの１つの光導波路モードしか存在しない光ファイバのこという。現在、光通信システムの光信号の伝送用媒体として、シングルモードファイバが用いられている。このシングルモードファイバでは、コアとクラッドの屈折率差が小さいため、光閉じ込めが弱く、その結果、存在する基本モードのモードフィールド径は１０μｍ程度となる。
【００１２】
従って、シングルモードから直接、フォトニック結晶光導波路またはマイクロガイド光導波路を有する微小光回路へ光を入力する場合、または、その微小光回路からシングルモードファイバへ直接光を出力する場合、シングルモードファイバのモードフィールド径と微小光回路のモードフィールド径に大きな差があるため、大きな結合損失が生じる。また、このモードフィールド径の大きさの違いによる結合損失の他に、光ファイバと微小光回路の媒質の違いから生じる境界での反射による結合損失も存在する。
【００１３】
モードフィールド径の違いによる結合損失を低減する方法として、先述の従来技術の（１）から（５）の方法がある。（１）から（４）は、テーパ状コア形成、埋め込み導波路形成、膜形成等複数の複雑な加工工程を含む。（２）と（３）では、順テーパ状のコアを有するため、コア径が大きくなるにつれ、複数の導波路モードが存在する。そのため、シングルモードファイバから径の大きなコアへ光を入力する場合、基本導波路モードの他に、高次の光導波路モードを励起することになり、新たな結合損失が生じる。（５）では、加工の複雑さに加えて、光学的アライメントの困難さも生じる。
【００１４】
そこで、本発明は、モードフィールド径の異なる光導波路モード間での、モードフィールド径の大きさの違いから生じる結合損失ならびに媒質の違いから生じる境界での反射による結合損失の低減する光導波路およびそれを用いた光学素子技術を提供する。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、基本モードのみが存在する第１の伝送部材から、第１の伝送部材とは異なる大きさの基本モードのみが存在する第２の伝送部材に光を伝送をするために、中間部材を設ける。この中間部材は、コア部とフォトニック結晶構造を有するクラッドからなる。クラッドでは、実効的な屈折率が空間的に変わるようフォトニック結晶構造を変化させる。その結果、コアとクラッドの屈折率差が空間的に変化し、光の閉じ込めの強さが空間的に変わるため、光導波路モードのフィールド径を空間的に変化させることができる。
【００１６】
この中間部材を用いて、第１の部材の基本モードを、第２の部材の基本モードへ変換する。また、この逆過程である、第２の部材の基本モードを、第１の部材の基本モードへ変換する。中間部材において、基本モードのみが存在するようにするために、モードフィールド径の大きな領域から小さい領域へ行くにつれ、コアとクラッドの屈折率差が大きくなるように、クラッドのフォトニック結晶構造を変化させる。
【００１７】
また、中間部材の入力および出力部には、フォトニック結晶構造を用いた界面での反射を防止する領域を設ける。
【００１８】
以下に、本発明の代表的な構成例を列挙する。
【００１９】
（１）コア部とフォトニック結晶部材を有するクラッド部とを有し、かつ、前記フォトニック結晶部材の構造を変えることにより、前記クラッド部の実効的な屈折率を空間的に変化させ、光導波路モードの進行方向に垂直な面内の電界強度分布であるモードフィールド径を空間的に変化させて構成したことを特徴とする光導波路。
【００２０】
（２）前記構成において、前記光導波路モードとして基本導波路モードが存在し、かつ、前記基本導波路モードのモードフィールド径を空間的に変化させて構成したことを特徴とする光導波路。
【００２１】
（３）前記構成において、前記フォトニック結晶構造は、１次元もしくは２次元もしくは３次元フォトニック結晶であることを特徴とする光導波路。
【００２２】
（４）前記構成において、前記コア部の断面積が前記光導波路モードの進行方向に対して順テーパ状もしくは逆テーパ状に空間的に変化するよう構成したことを特徴とする光導波路。
【００２３】
（５）前記構成において、前記光導波路の入力側および出力側に、１次元もしくは２次元もしくは３次元フォトニック結晶構造を有し、光の反射を防止する領域を設けてなることを特徴とする光導波路。
【００２４】
（６）基本導波路モードが存在する第１の伝送部材と、前記第１の伝送部材とは異なる大きさの基本導波路モードが存在する第２の伝送部材と、前記第１の伝送部材から前記第２の伝送部材に光を伝送するために設けられ、コア部とフォトニック結晶構造を有するクラッド部とからなる中間部材とを具備し、かつ、前記中間部材は、前記クラッド部の実効的な屈折率が空間的に変わるよう前記フォトニック結晶構造を変化させ、光導波路モードの進行方向に垂直な面内の電界強度分布であるモードフィールド径を空間的に変化させて構成したことを特徴とする光学素子。
【００２５】
（７）前記構成の光学素子において、前記中間部材のフォトニック結晶構造を変化させることにより、前記第１の伝送部材の基本導波路モードを前記第２の伝送部材の基本導波路モードへ、または前記第２の伝送部材の基本導波路モードを前記第１の伝送部材の基本導波路モードへ変換するよう構成したことを特徴とする光学素子。
【００２６】
（８）前記構成の光学素子において、前記中間部材にあって、前記モードフィールド径の大きな領域から小さい領域へいくにつれ、前記コア部と前記クラッド部の屈折率差が大きくなるように、前記クラッド部のフォトニック結晶構造を変化させて構成したことを特徴とする光学素子。
【００２７】
（９）前記構成の光学素子において、前記中間部材の入力側および出力側に、フォトニック結晶構造を有し、前記第１の伝送部材および前記第２の伝送部材との界面での光の反射を防止する領域を設けてなることを特徴とする光学素子。
【００２８】
（１０）前記構成の光学素子において、前記中間部材が、線欠陥導波路もしくは結合欠陥導波路を有してなることを特徴とする光学素子。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明に係わる光導波路およびそれを用いた光学素子の実施例につき、添付図面を参照しながら、以下詳細に説明する。
【００３０】
（実施例１）
フォトニック結晶構造を空間的に変化させることにより、クラッドの実効的な屈折率を空間的に変化させ、光導波路モードのフィールド径を空間的に変化させることが可能なモードフィールド径変換部と、フォトニック結晶構造からなる反射防止領域を有する、モードフィールド径変換光導波路の実施例について説明する。
【００３１】
まず、図１と図２を用いて、フォトニック結晶構造を変化することによって、フォトニック結晶の実効的屈折率を変化させることについて説明する。フォトニック結晶構造として、図１に示すような、高屈折率媒質１と円孔２からなる円孔型三角格子からなる２次元フォトニック結晶３を例にとる。ここで、円孔の半径をｒ、円孔の中心間の距離（周期）をａとする。
【００３２】
この場合の光の周波数と波数の関係を示す分散関係は、図２で示した結果となる（J. D. Joannopoulos et al., Photonic Crystals, Princeton University Press（１９９５））。縦軸は、規格化された角周波数（ωａ/２πｃ）である。ここで、ωは角周波数、ａは周期、ｃは真空中の光の速度である。横軸は、規格化された波数（ｋａ/２π）である。Γ、Ｍ、Ｋ、Ｌは、波数のベクトル方向を示す記号である。この結果は、ｒ＝０.４８ａの場合の結果に相当する。
【００３３】
この図から、例えば角周波数ω1の光が円孔型三角格子からなる２次元フォトニック結晶３に入射した際、その光に対する実効屈折率ｎは、ω1/ｃ＝ｋ1/ｎの関係を用いて与えられる。図２において、Γ点とω1ａ/２πｃと分散曲線の交点Ａを直線で結んでできた直線の傾きの逆数からｎが求められる。フォトニック結晶の分散曲線は、ａあるいはｒあるいはａとｒの比を変えることにより、変えることができる。従って、角周波数を固定した場合、その角周波数に対する実効屈折率を変えることができる。
【００３４】
図３に、クラッドのフォトニック結晶の構造を空間的に変化させたモードフィールド径変換部４と、フォトニック結晶構造からなる反射防止部５を有する、モードフィールド径変換光導波路構造を示す。図中、９は線欠陥導波路を示す。
【００３５】
GaAs基板６上にAlxGa1-xAs(ｘ＝０.３５、厚さ２μｍ)クラッド層７とAlxGa1-xAs(ｘ＝０.１２、厚さ０.５μｍ)コア層８をエピタキシャル成長させる。次に、SiO2膜のマスクを用いてドライエッチングにより周期的に並ぶ円孔１０を形成し、モードフィールド径変換部４と反射防止部５を作製する。
【００３６】
初めに、モードフィールド径変換部４について詳細を説明する。図４に、その構成図を示す。光ファイバ１１側から入力した光のモードフィールド径（光導波路モード電界強度分布）１４を、微小光回路１２側の方へ伝搬するにつれ、モードフィールド径１４を小さくし、微小光回路の光導波路モードのモードフィールド径になるように変換する。そのために、クラッドの実効的屈折率を、微小光回路１２側に近づくにつれ、減少させる。図中、１３はフォトニック結晶クラッドを示す。
【００３７】
言い換えれば、図５に示すように、微小光回路側に近づくにつれ、コアとクラッドの屈折率差が大きくなる（光の閉じ込めを強くする）ようにする。このクラッドの空間的な実効屈折率の変化は、フォトニック結晶構造の周期構造を空間的に変化させることによって実現可能である。
【００３８】
図６と図７を用いて、図５に示したような実効屈折率の空間的変化をもたらす方法について説明する。図６に示すように、光ファイバ側から微小光回路側に行くにつれ、円孔型三角格子の周期aを大きくなるようにする。即ち、ａ1＜ａ2＜ａ3となるようにする。各円孔の半径ｒに関しては、ｒ/ａ＝０.４８を満たすものとする。なお、図中、１９はフォトニック結晶クラッド、２０は円孔、２１は高屈折率媒質、２２、２３、２４は円孔型三角格子、２５は線欠陥導波路を示す。
【００３９】
この場合、円孔型三角格子２２、２３、２４において、同じ角周波数の光に対する実効屈折率は、図７より、それぞれΓ点とＡ、Ｂ、Ｃを結んでできる直線の傾きから求められる。従って、円孔型三角格子２２、２３、２４の実効屈折率をそれぞれｎ22、ｎ23、ｎ24とすると、ｎ22＜ｎ23＜ｎ24の関係が成り立つ。
【００４０】
このような周期構造の空間変化を用いれば、図５に示したような実行屈折率の変化をもたらすことができる。ここではｒ/ａを一定のもとで、周期aを変えることで実効的屈折率を空間的に変える方法について述べたが、円孔の半径ｒあるいはｒ/ａを変えても同様なことが実現できる。
【００４１】
次に、モードフィールド径変換部の前に存在する反射防止部について、図８を用いて説明する。屈折率の異なる二つの媒質の界面に光が入射する場合、反射が生じる。ここでは、光ファイバ２６から空気を通ってモードフィールド径変換部２８に光が入射される場合、空気とモードフィールド径変換部２８の光導波路モードの実効屈折率が異なるため、界面で反射が生じる。図中、２５は線欠陥導波路を示す。
【００４２】
この反射を防ぐためには、先述した式（１）と（２）を満足する、屈折率ｎ1、長さＬの反射防止部２７を空気とモードフィールド径変換部２８の間に配置することが必要である。式（１）と（２）におけるｎ0とｎ2は、それぞれ、空気とモードフィールド径変換部の入り口付近の光導波路モードの実効的屈折率である。光ファイバを、直接媒質に接触させる場合は、ｎ0は光ファイバの光導波路モードの実効的屈折率となる。
【００４３】
反射防止部２７は、フォトニック結晶構造で作製する。図において、２９はフォトニック結晶クラッドを示す。フォトニック結晶の場合、モードフィールド径変換部のフォトニック結晶クラッドの設計指針で説明したように、周期構造を変えることにより実効的屈折率を変えることができるため、反射防止部の条件である式（１）と（２）を満足する媒質を作ることが容易である。
【００４４】
本実施例では、モードフィールド径変換部のクラッドのフォトニック結晶構造として、２次元スラブ型導波路に穴を空けた円孔型三角格子に限定したが、円柱型、角柱型や３次元ウッドパイル型といった他のあらゆるフォトニック結晶構造に対しても、本実施例のような方法はそのまま適用可能である。
【００４５】
また、モードフィールド径変換部のコア部として、線欠陥導波路を例にとり実施例を説明したが、図９に示すような結合欠陥導波路３３も適用可能である。図中、３１はモードフィールド径変換部、３２はフォトニック結晶クラッド、３４は円孔、３５は高屈折率媒質を示す。
【００４６】
本実施例では、AlGaAs系半導体を用いて説明したが、他の半導体、誘電体、または半導体と誘電体の組合わせ（ＳＯＩ（Si on Insulator）ウエハなど）でも適用可能である。
【００４７】
（実施例２）
本実施例では、実施例１で説明したモードフィールド径変換構造に、テーパ形コアを導入することにより、ｙ方向のモードフィールド径変換を効率よく行い、光ファイバとの結合損失をより減少させるモードフィールド径変換構造について、図１０と図１１を用いて説明する。図１０は立体図、図１１は断面図を示す。
【００４８】
GaAs基板３８上にAlxGa1-xAs（ｘ＝０.３５、厚さ２μｍ）クラッド層３９をエピ成長させる。次に、AlxGa1-xAs（ｘ＝０.１２、厚さ０.５μｍ）テーパ状コア層４０を選択成長技術を用いてエピ成長させる。
【００４９】
次に、SiO2膜のマスクを用いてドライエッチングを行い、図１０に示すような円孔４２（深さ０.５μｍ以上）のパターンを作製する。モードフィールド径変換部３６の円孔４２のパターンは、変換に伴う損失を無くすため、常に基本モードを維持したアディアバティックなモード変換がなされるよう設計する。
【００５０】
モードフィールド径変換部３６では、円孔４２の大きさ、または円孔間の距離を変化させることによって、線欠陥導波路４１のクラッドの実効的な屈折率を減少させる。これによって、クラッドの光の閉じ込め（ｘ方向の光の閉じ込め）が強くなり、モードフィールド径４６は光の伝搬に伴い減少し、微小光回路４５のモードフィールド径の大きさに近づく。また、コア層厚が微小光回路へ近づくにつれ厚くなるため、ｙ方向の光の閉じ込めも強くなり、図１１に示すように、ｙ方向のモードフィールド径４６も減少し、微小光回路４５側のモードフィールド径に近づく。光ファイバ４４側にある反射防止部３７は、実施例１で説明したとおりの方法で作製する。
【００５１】
本実施例では、モードフィールド径変換部のクラッドのフォトニック結晶構造として、２次元スラブ型導波路に穴を空けた円孔型フォトニック結晶に限定したが、円柱型、角柱型や３次元ウッドパイル型といった他のあらゆるフォトニック結晶構造に対しても、実施例のような方法はそのまま適用可能である。また、モードフィールド径変換部のコア部として、線欠陥導波路を例にとり実施例を説明したが、結合欠陥導波路も適用可能である。
【００５２】
本実施例では、AlGaAs系半導体を用いて説明したが、他の半導体、誘電体、または半導体と誘電体の組合わせ（ＳＯＩウエハなど）などでも可能である。
【００５３】
（実施例３）
本実施例では、実施例１で説明したモードフィールド径変換構造に、ｘ方向のテーパ形コアを導入したモードフィールド径変換構造について、図１２を用いて説明する。
【００５４】
図１２は、トップビューを示す。作製するウエハ構造は、実施例１または２で説明した構造である。モードフィールド径変換部５２では、SiO2膜のマスクを用いてドライエッチングを行い、フォトニック結晶クラッド５３およびテーパ状線欠陥導波路５４を作製する。フォトニック結晶構造は、実施例１で用いたものと同じで、実効屈折率が光ファイバ５６から微小光回路５７へ行くにつれ、小さくなる。テーパ状線欠陥導波路５４は、その幅が光ファイバ５６から微小光回路５７へ行くにつれ、小さくなる。したがって、ｘ方向の光の閉じ込めも強くなり、図に示すように、ｘ方向のモードフィールド径５５も減少し、微小光回路５７側のモードフィールド径に近づく。反射防止部５１は、実施例１で説明したとおりの方法で作製する。
【００５５】
モードフィールド径変換部のクラッドのフォトニック結晶構造として、２次元スラブ型導波路に穴を空けた円孔型フォトニック結晶、あるいは円柱型、角柱型や３次元ウッドパイル型といった他のあらゆるフォトニック結晶構造に対しても適用可能である。また、モードフィールド径変換部のコア部として、線欠陥導波路を例にとり実施例を説明したが、結合欠陥導波路も適用可能である。さらに、AlGaAs系半導体を用いて説明したが、他の半導体、誘電体、または半導体と誘電体の組合わせ（ＳＯＩウエハなど）でも可能である。
【００５６】
（実施例４）
本実施例では、モードフィールド径変換光ファイバについて、図１３を用いて説明する。
【００５７】
モードフィールド径変換光ファイバ５８の基本構造は、誘電体（例えば、シリカ材料）からなるコア６７と誘電体６３と円孔６２とからなるクラッド６８からなる。クラッド６８内における円孔６２の周期あるいは大きさが光の伝搬方向に、図中の光ファイバの断面６４、６５、６６で示すように、空間的に変化しているため、コア６７とクラッド６８の屈折率差が空間的に変化する。その結果、光の伝搬方向と垂直方向における光の閉じ込めの強さが変化し、モードフィールド径の大きさを、図中の５９、６０、６１で示すように変換することができる。
【００５８】
この場合、「アイ・イー・イー・イー・フォトニックテクノロジー・レター、１３巻、５２頁（２００１）」記載のエアー・シリカファイバーのクラッド層とコア層を共に順テーパー状にしたモードフィールド径変換素子と違い、ファイバー全体で基本モードしか存在しないので、高次モード励起による損失はない。
【００５９】
次に、本発明による反射防止部付きモードフィールド径変換部を有する微小光学回路と、その入力部と出力部に光ファイバを光学的に結合させた光モジュールの一例について、図１４を用いて説明する。
【００６０】
本光モジュールは、光を入出力するために用いる光ファイバ６９、７０と、集光のためのレンズ７１、７２と、入・出力側の反射防止部付きモードフィールド径変換部７３、７４と、微小光回路７８とそれらを収納するパッケージ７９から構成される。反射防止部付きモードフィールド径変換部７３、７４には、フォトニック結晶クラッド７６、線欠陥導波路７７および反射防止部７５が含まれ、実施例１あるいは実施例２あるいは実施例３で述べた方法がそのまま適用できる。
【００６１】
ここでは、光ファイバ６９、７０と反射防止部付きモードフィールド径変換部７３、７４との光学的結合をレンズ７１、７２を用いて行うが、レンズを用いない方法として、レンズド光ファイバを用いる方法、あるいは光ファイバを直接、反射防止部付きモードフィールド径変換部７３、７４に接触させる方法がある。
【００６２】
次に、本発明による複数の反射防止部付きモードフィールド径変換部を有する微小光学回路と、その入力部と出力部に複数の光ファイバを光学的に結合させた光モジュールの他の例について、図１５を用いて説明する。
【００６３】
本光モジュールは、光を入出力するために用いる複数の光ファイバ８０と、それぞれの光ファイバからの光を集光するための複数のレンズ８１と、入出力側の複数の反射防止部付きモードフィールド径変換部８０と、微小光回路８３とそれらを収納するパッケージ８４から構成される。反射防止部付きモードフィールド径変換部８２には、フォトニック結晶クラッド、線欠陥導波路および反射防止部が含まれ、実施例１あるいは実施例２あるいは実施例３で述べた方法がそのまま適用できる。
【００６４】
ここでは、光ファイバ８０と反射防止部付きモードフィールド径変換部８２との光学的結合をレンズ８０を用いて行うが、レンズを用いない方法として、レンズド光ファイバを用いる方法、あるいは光ファイバを直接、反射防止部付きモードフィールド径変換部８２に接触させる方法がある。
【００６５】
次に、本発明による２次元アレイに複数の反射防止部付きモードフィールド径変換部を有する微小光学回路と、その入力部と出力部に複数の光ファイバを光学的に結合させた光モジュールのさらに他の例について、図１６を用いて説明する。
【００６６】
本光モジュールは、光を入出力するために用いる２次元アレイの複数の光ファイバ８５と、それぞれの光ファイバからの光を集光するための複数のレンズ８６と、入出力側の２次元アレイの複数の反射防止部付きモードフィールド径変換部８７と、微小光回路８８とそれらを収納するパッケージ８９から構成される。反射防止部付きモードフィールド径変換部８７には、フォトニック結晶クラッド、線欠陥導波路および反射防止部が含まれ、実施例１あるいは実施例２あるいは実施例３で述べた方法がそのまま適用できる。
【００６７】
ここでは、光ファイバ８５と反射防止部付きモードフィールド径変換部８７との光学的結合をレンズ８６を用いて行うが、レンズを用いない方法として、レンズド光ファイバを用いる方法、あるいは光ファイバを直接、反射防止部付きモードフィールド径変換部８７に接触させる方法がある。
【００６８】
次に、実施例４で述べたモードフィールド径変換光ファイバを用いた、光ファイバと微小光回路の光結合モジュールの例を、図１７を用いて説明する。
【００６９】
本光結合モジュールは、光を入出力するために用いる光ファイバ９０と、この光ファイバ９０に接続したモードフィールド径変換光ファイバ９１と、微小光回路９２とそれらを収納するパッケージ９３から構成される。
【００７０】
さらに、図１７で述べた光結合モジュールで、２次元アレイの入出力光ファイバを有する場合の例を、図１８を用いて説明する。
【００７１】
本光結合モジュールは、光を入出力するために用いる複数の光ファイバ９４と、これら光ファイバ９４に接続したモードフィールド径変換光ファイバ９５と、微小光回路９６とそれらを収納するパッケージ９７から構成される。
【００７２】
以上詳述したように、本発明によれば、モードフィールド径の異なる光導波路モード間での、モードフィールド径の大きさの違いから生じる結合損失ならびに媒質の違いから生じる境界での反射による結合損失の低減を、同じ加工技術を用いて実現し、また、高次の光導波路モード励起によって生じる結合損失も低減する技術を実現できる。
【００７３】
【発明の効果】
本発明は、モードフィールド径の異なる光導波路モード間での、モードフィールド径の大きさの違いから生じる結合損失ならびに媒質の違いから生じる境界での反射による結合損失の低減を可能にする光導波路およびそれを用いた光学素子技術を実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】２次元円孔型三角格子フォトニック結晶構造を示す図。
【図２】２次元円孔型三角格子フォトニック結晶の分散特性を示す図。
【図３】本発明による実施例１の構成を示す立体図。
【図４】モードフィールド径変換部のトップビューを説明する図。
【図５】モードフィールド径変換部のクラッドの屈折率の空間分布を説明する図。
【図６】モードフィールド径変換部のフォトニック結晶クラッドの構造を説明する図。
【図７】図６に示す２次元円孔型三角格子フォトニック結晶の分散特性を説明する図。
【図８】反射防止部の機能を説明する図。
【図９】結合欠陥導波路の例を示す図。
【図１０】本発明による実施例２の構成を示す立体図。
【図１１】図１０に示す実施例２の構成を示す断面図。
【図１２】本発明による実施例３の構成を説明する図。
【図１３】本発明による実施例４の構成を説明する図。
【図１４】本発明を用いた光モジュールの一例を説明する図。
【図１５】本発明を用いた光モジュールの他の例を説明する図。
【図１６】本発明を用いた光モジュールのさらに他の例を説明する図。
【図１７】本発明を用いた光結合モジュールの一例を説明する図。
【図１８】本発明を用いた光結合モジュールの他の例を説明する図。
【符号の説明】
１…高屈折率媒質、２…円孔、３…円孔型三角格子２次元フォトニック結晶、４…モードフィールド径変換部、５…反射防止部、６…GsAs基板、７…AlGaAsクラッド層、８…AlGaAsコア層、９…線欠陥導波路、１０…円孔、１１…光ファイバ、１２…微小光回路、１３…フォトニック結晶クラッド、１４…モードフィールド径、１９…フォトニック結晶クラッド、２０…円孔、２１…高屈折率媒質、２２…円孔型三角格子、２３…円孔型三角格子、２４…円孔型三角格子、２５…線欠陥導波路、２６…光ファイバ、２７…反射防止部、２８…モードフィールド径変換部、２９…フォトニック結晶クラッド、３１…モードフィールド径変換部、３２…フォトニック結晶クラッド、３３…結合欠陥導波路、３４…円孔、３５…高屈折率媒質、３６…モードフィールド径変換部、３７…反射防止部、３８…GaAs基板、３９…AlGaAsクラッド層、４０…テーパ状AlGaAsコア層、４１…線欠陥導波路、４２…円孔、４３…高屈折率媒質、４４…光ファイバ、４５…微小光回路、４６…モードフィールド径、５０…円孔、５１…反射防止部、５２…モードフィールド径変換部、５３…フォトニック結晶クラッド、５４…テーパ状線欠陥導波路、５５…モードフィールド径、５６…光ファイバ、５７…微小光回路、５８…モードフィールド径変換光ファイバ、５９、６０、６１…モードフィールド径、６２…円孔、６３…誘電体、６４、６５、６６…モードフィールド径変換光ファイバの断面、６７…コア、６８…クラッド、６９…光ファイバ、７０…光ファイバ、７１…レンズ、７２…レンズ、７３…反射防止部付きモードフィールド径変換部、７４…反射防止部付きモードフィールド径変換部、７５…反射防止部、７６…フォトニック結晶クラッド、７７…線欠陥導波路、７８…微小光回路、７９…パッケージ、８０…光ファイバ、８１…レンズ、８２…反射防止部付きモードフィールド径変換部、８３…微小光回路、８４…パッケージ、８５…光ファイバ、８６…レンズ、８７…反射防止部付きモードフィールド径変換部、８８…微小光回路、８９…パッケージ、９０…光ファイバ、９１…モードフィールド径変換光ファイバ、９２…微小光回路、９３…パッケージ、９４…光ファイバ、９５…モードフィールド径変換光ファイバ、９６…微小光回路、９７…パッケージ。
【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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