(57)【要約】      （修正有）【課題】直線光導波路と曲線光導波路の接続部における損失を低減する光導波路を提供する。【解決手段】曲線光導波路コア１２Ｂの曲線のパターンは、曲率半径ｒの半円弧であり、その両端で直線光導波路コア１２Ａに接続されている。曲線光導波路コア１２Ｂの幅Ｗｂは、Ｗａ＋ΔＷであり、直線光導波路コア１２Ａの幅ＷａよりもΔＷ広くなっている。直線光導波路コア１２Ａと曲線光導波路コア１２Ｂとの接続部３において、直線光導波路コア１２Ａの外側側面は、曲線光導波路コア１２Ｂの外側側面と段差なく連続している。一方、直線光導波路コア１２Ａの内側側面は、曲線光導波路コア１２Ｂの内側側面と不連続であり、ΔＷの段差１４を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直線光導波路コアと曲線光導波路コアが接続された設計波長λの光を伝搬させる平面型の光導波路において、
前記曲線光導波路コアは、動径方向の次数が１のウィスパリングギャラリーモードで伝搬させる曲線形状であり、
前記曲線光導波路コアの幅を、前記直線光導波路コアの幅よりもΔＷ広くし、
前記直線光導波路コアと前記曲線光導波路コアとの接続部において、前記曲線光導波路コアの外側側面は、前記直線光導波路コアの外側側面と連続にし、前記曲線光導波路コアの内側側面は、段差を設けて前記直線光導波路コアの内側側面と不連続にした、
ことを特徴とする光導波路。
【請求項２】
前記曲線光導波路コアを、その幅を変えずに軸を内側にずらして直線光導波路コアと接続する場合に、前記光導波路の透過率が最大となるときのオフセット量をΔＷ’として、ΔＷはΔＷ’の１〜３倍である、ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
【請求項３】
前記曲線光導波路コアのパターンは、円弧であることを特徴とする請求項１または請求項２項に記載の光導波路。
【請求項４】
前記設計波長λは、８００〜２０００ｎｍである、ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の光導波路。
【請求項５】
前記光導波路は、
Ｓｉからなる基板と、
前記基板上に位置するＳｉＯ2 からなる第１クラッド層と、
第１クラッド層上の所定領域に形成された前記直線光導波路コアおよび前記曲線光導波路コアであるＳｉからなるコア層と、
前記第１クラッド層上および前記コア層上に形成されたＳｉＯ2 からなる第２クラッド層と、
を有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の光導波路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信などに用いる光導波路に関する。特に、直線光導波路と曲線光導波路の接続部の構造に特徴を有する。
【背景技術】
【０００２】
光導波路では、光を導く方向を変化させるために、直線光導波路（光導波路コアを直線状とした構造）と曲線光導波路（光導波路コアを曲線状とした構造）とを接続させた構造が必要となる。そのような構造の光導波路では、曲線光導波路の曲線形状などに起因する光損失と、直線光導波路と曲線光導波路での電磁界分布の違いに起因する光損失が発生してしまう。
【０００３】
そのような光損失を低減する方法として、特許文献１〜１０に記載の方法がある。
【０００４】
特許文献１では、直線光導波路コアと曲線光導波路コアを同一の幅とし、直線光導波路と曲線光導波路の接続部において、曲線光導波路の軸を直線光導波路の軸よりも内側に所定量ずらす（以下、このような構造をオフセット構造と呼ぶことにする）方法が記載されている。このように軸をずらすことで、直線光導波路での電磁界分布の中心と、曲線光導波路での電磁界分布の中心とを一致させ、接続部での反射損失を低減している。
【０００５】
また、特許文献２では、直線光導波路と軸を内側にずらした曲線光導波路との間に、直線光導波路の軸および曲線光導波路の軸と一致する軸を有した斜めの直線光導波路を設けた光導波路が記載されている。
【０００６】
また、特許文献３には、曲線光導波路コアの屈折率分布を調整することにより、直線光導波路での電磁界分布の中心と、曲線光導波路での電磁界分布の中心とを一致させることが記載されている。
【０００７】
また、特許文献４には、曲線光導波路コアの側面を傾斜させて歪みを生じさせることにより、曲線光導波路コアに屈折率分布を生じさせ、直線光導波路での電磁界分布の中心と、曲線光導波路での電磁界分布の中心とを一致させることが記載されている。
【０００８】
また、特許文献５には、曲線光導波路の幅を直線光導波路の幅よりも一定値以上大きくすることで、曲線光導波路において光がウィスパリングギャラリーモード（Whispering Gallery Mode （ＷＧＭ）；ささやきの回廊モード）で伝搬して損失を低減できるとともに、曲線光導波路の軸が直線光導波路の軸からずれることにより損失を低減できる旨が記載されている。ウィスパリングギャラリーモードは、球、円盤状、リング状、円柱、などの形状の光導波路の外周を反射しながら光が伝搬するモードである。直線光導波路コアと曲線光導波路コアの接続部では、内側側面と外側側面の両方に段差が生じていて、外側側面は連続的にはなっていない。
【０００９】
また、特許文献６〜８には、曲線光導波路の曲線の曲率半径を、直線光導波路と曲線光導波路との接続部から離れるにしたがって徐々に小さくなるような曲線とすることが記載されている。このような曲線パターンとすることで、接続部における曲率半径の不連続に起因する損失を低減している。
【００１０】
また、特許文献９には、曲線光導波路におけるコアとクラッドの屈折率差を、直線光導波路におけるコアとクラッドの屈折率差よりも大きくすることで、曲線光導波路における光の閉じ込めを強くし、損失を低減する旨が記載されている。また、特許文献１０には、曲線光導波路をリッジ構造とすることで光閉じ込めを強くすることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平１１−１０９１６０号公報
【特許文献２】特開２００７−１６３６５８号公報
【特許文献３】特開２００９−２４４７１４号公報
【特許文献４】特開２０１３−４４８０４号公報
【特許文献５】特開平８−３６１１４号公報
【特許文献６】特開２００６−７８５７０号公報
【特許文献７】特開平１１−６４６５４号公報
【特許文献８】特開２００５−７０４６９号公報
【特許文献９】特開平１１−２７１５５０号公報
【特許文献１０】特開２００４−２８７０９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
直線光導波路と曲線光導波路では伝搬モードが異なる、つまりモード径が異なる。そのため、特許文献１、２のようなオフセットだけでは十分に損失を低減することができない。特に、曲線光導波路の曲率半径が小さい場合にその傾向が顕著となる。
【００１３】
また、特許文献３〜５、９、１０に記載された方法は、いずれも設計・作製が容易でなく、高コストである。また、これらの光導波路は作製が容易でないことから製造誤差なども大きく、ロバスト性が低い問題がある。
【００１４】
また、特許文献５〜８のような光導波路では、その曲線光導波路のパターンゆえに曲率半径を小さくすることが困難であり、光導波路の小型化が難しい。
【００１５】
そこで本発明の目的は、直線光導波路と曲線光導波路とが接続された光導波路において、光損失を低減して小型化を実現すること、かつロバスト性の高い構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、直線光導波路コアと曲線光導波路コアが接続された設計波長λの光を伝搬させる平面型の光導波路において、曲線光導波路コアは、動径方向の次数が１のウィスパリングギャラリーモードで伝搬させる曲線形状であり、曲線光導波路コアの幅を、直線光導波路コアの幅よりもΔＷ広くし、直線光導波路コアと曲線光導波路コアとの接続部において、曲線光導波路コアの外側側面は、直線光導波路コアの外側側面と連続にし、曲線光導波路コアの内側側面は、段差を設けて直線光導波路コアの内側側面と不連続にした、ことを特徴とする光導波路である。
【００１７】
ΔＷは、次のような範囲とすることが望ましい。曲線光導波路コアを、その幅を変えずに軸を内側にずらして直線光導波路コアと接続する場合に、光導波路の透過率が最大となるときのオフセット量をΔＷ’として、ΔＷをΔＷ’の１〜３倍の範囲とする。このような範囲とすることで光損失を低減することができる。より損失を低減するためには、ΔＷはΔＷ’の１．５〜２．５倍とするのがよく、さらに望ましくは１．８〜２．２倍である。
【００１８】
曲線光導波路コアのパターンは、動径方向の次数が１のウィスパリングギャラリーモードで伝搬させるパターンであれば任意のパターンでよいが、設計、製造の容易さなどの点から曲率半径が一定の円弧であることが望ましい。特に半円弧や１／４円弧である。
【００１９】
設計波長λは任意の波長でよいが、８００〜２０００ｎｍの近赤外線の範囲で選択するのが望ましい。
【００２０】
コアおよびクラッドの材料、光導波路の構造は、従来知られている任意のものを採用することができる。特に、ＳＯＩ基板を用いた埋め込み型の構造がよい。つまり、Ｓｉからなる基板と、基板上に位置するＳｉＯ2 からなる第１クラッド層と、第１クラッド層上の所定領域に形成された直線光導波路コアおよび曲線光導波路コアであるＳｉからなるコア層と、第１クラッド層上およびコア層上に形成されたＳｉＯ2 からなる第２クラッド層と、によって構成された光導波路である。このような光導波路は、シリコンフォトニクスによって容易に作製することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の光導波路によれば、曲線光導波路において動径方向の次数が１のウィスパリングギャラリーモードで設計波長λの光を低損失に伝搬させることができる。
【００２２】
また、本発明の光導波路の構造では、曲線光導波路の軸が直線光導波路の軸よりも内側にずれるため、従来のオフセット構造の光導波路と同様に、直線光導波路コアと曲線光導波路コアとの接続部での反射損失を低減することができる。
【００２３】
その結果、本発明の光導波路は光損失が小さく、曲線光導波路の曲率半径を小さくして光導波路の小型化を図ることができる。
【００２４】
また、本発明の光導波路は、ΔＷの変化に対して透過率の変化が鈍感である。さらに、接続部において、直線光導波路と曲線光導波路の外側の側面は同一面としていて、段差部分は内側部分のみであるため、製造が容易であり製造誤差も小さい。したがって、本発明の光導波路はロバスト性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施例１の光導波路の構成を示した図。
【図２】実施例１の光導波路の断面構造を示した図。
【図３】直線光導波路１と曲線光導波路２との接続部３を拡大して示した図。
【図４】曲率半径とオフセット量との関係を示したグラフ。
【図５】オフセット量と透過率との関係を示したグラフ。
【図６】曲率半径と透過率との関係を示したグラフ。
【図７】曲率半径と透過率との関係を示したグラフ。
【図８】円盤における電界強度分布を示した図。
【図９】リングにおける電界強度分布を示した図。
【図１０】リングにおける電界強度分布を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２７】
図１は、実施例１の平面型の光導波路の構成を示した図である。図１のように、実施例１の光導波路は、直線光導波路１と、直線光導波路１に接続された曲線光導波路２と、により構成されている。実施例１の光導波路は、設計波長λ（＝１．５５μｍ）の光を伝搬させる埋め込み型の光導波路である。
【００２８】
図２は、実施例１の光導波路の断面を示した図である。図２（ａ）は図１中のＡ−Ａでの断面図、図２（ｂ）はＢ−Ｂでの断面図である。図２のように、Ｓｉからなる基板１０と、基板１０上に位置する第１クラッド層１１と、第１クラッド層１１に位置するコア層１２と、コア層１２を埋め込むようにして、コア層１２および第１クラッド層１１上に位置する第２クラッド層１３と、によって構成されている。つまり、コア層１２が第１クラッド層１１、第２クラッド層１３によって囲まれた構造となっている。第１クラッド層１１、第２クラッド層１３は同一材料であって屈折率１．４５のＳｉＯ2 からなり、コア層１２は屈折率３．５のＳｉからなる。
【００２９】
コア層１２は、図１に示すように配線状のパターンに形成されており、直線状のパターンと曲線状のパターンが接続された構成である。以下、コア層１２のうち、直線状パターンの領域を直線光導波路コア１２Ａとし、曲線状パターンの領域を曲線光導波路コア１２Ｂとする。
【００３０】
直線光導波路１は、実施例１の光導波路のうち、直線光導波路コア１２Ａが第１クラッド層１１および第２クラッド層１３によって囲まれた領域である。直線光導波路コア１２Ａの断面形状は、図２（ａ）のように長方形であり、高さＨａ（基板１０に垂直な方向での直線光導波路コア１２Ａの長さ）は２１０ｎｍ、幅Ｗａ（基板１０に平行で直線光導波路コア１２Ａの軸方向に垂直な方向での長さ）は４００ｎｍである。なお、高さＨａ、幅Ｗａはこれらの値に限るものではなく、設計波長λの光を低損失で伝搬可能な範囲の値でよい。特に、シングルモードで伝搬可能な値とするのがよい。
【００３１】
曲線光導波路２は、実施例１の光導波路のうち、曲線光導波路コア１２Ｂが第１クラッド層１１および第２クラッド層１３によって囲まれた領域である。曲線光導波路コア１２Ｂの曲線のパターン（軸の曲線パターン）は、曲率半径ｒの半円弧であり、その両端で直線光導波路コア１２Ａに接続されている。また、曲線光導波路コア１２Ｂの断面形状は、図２（ｂ）のように長方形である。曲線光導波路コア１２Ｂの高さＨｂは２１０ｎｍであり、直線光導波路コア１２Ａの高さＨａと同一である。したがって、直線光導波路コア１２Ａの底面（基板１０主面と平行で、基板１０と接する側の面）と曲線光導波路コア１２Ｂの底面は段差なく連続し、直線光導波路コア１２Ａの上面（基板１０と平行で、基板１０とは接しない側の面）と曲線光導波路コア１２Ｂの上面も段差なく連続している。また、曲線光導波路コア１２Ｂの幅Ｗｂは、Ｗａ＋ΔＷである。つまり、曲線光導波路コア１２Ｂの幅Ｗｂは、直線光導波路コア１２Ａの幅ＷａよりもΔＷ広くなっているということであり、曲線光導波路コア１２Ｂの幅Ｗｂと直線光導波路コア１２Ａの幅Ｗａとの差がΔＷということもできる。以下、このΔＷをオフセット量と呼ぶことにする。
【００３２】
なお、コア層１２の幅（直線光導波路コア１２Ａおよび曲線光導波路コア１２Ｂの幅）は、軸方向に垂直で主面に平行な方向におけるコア層１２の幅とする。曲線光導波路コア１２Ｂの幅においては、曲線の曲率半径方向の幅である。
【００３３】
ここで、ΔＷは、曲線光導波路コア１２Ｂの軸を内側にずらして直線光導波路コア１２Ａと接続する従来のオフセット構造の光導波路とする場合における最適なオフセット量をΔＷ’として、ΔＷ’の１〜３倍の範囲の値とする。最適なオフセット量とは、光導波路の透過率が最大となる（すなわち、光損失が最小となる）ときのオフセット量である。ΔＷをこのような範囲とすれば、実施例１の光導波路は、オフセット量をΔＷ’とした従来のオフセット構造の光導波路に比べて、光損失を低減することができる。
【００３４】
より望ましいΔＷの範囲は、ΔＷ’の１．５〜２．５倍の範囲である。さらに望ましいのは、ΔＷ’の１．８〜２．２倍の範囲である。実施例１の光導波路において最適なオフセット量ΔＷ（以下ΔＷ０とする）は、ΔＷ’のおよそ２倍であるためである。ΔＷ’は、設計波長λや曲線光導波路コア１２Ｂのパターン、コアとクラッドの屈折率差などによって決定される。具体的には、時間領域差分法（ＦＤＴＤ法）や有限要素法（ＦＥＭ）などの電磁界解析によってΔＷ’を算出する。あるいは、最適なオフセット量ΔＷ０を電磁界解析によって直接算出する。
【００３５】
次に、直線光導波路１と曲線光導波路２の接続部３の構成を説明する。図３は、直線光導波路１と曲線光導波路２との接続部３を拡大して示した図である。以下の説明において、内側、外側とは、曲線光導波路コア１２Ｂのパターンである半円弧の中心方向を基準として、中心に近い側を内側、遠い側を外側とする。
【００３６】
接続部３において、直線光導波路コア１２Ａの外側側面１２０は、曲線光導波路コア１２Ｂの外側側面１２１と段差なく連続している。つまり、接続部３において、直線光導波路コア１２Ａの外側の側面１２０と曲線光導波路コア１２Ｂの外側側面１２１は同一面となっている。一方、直線光導波路コア１２Ａの内側側面１２２は、曲線光導波路コア１２Ｂの内側側面１２３と不連続であり、オフセット量ΔＷの段差１４を有している。直線光導波路コア１２Ａに対して、曲線光導波路コア１２Ｂの幅を内側方向にΔＷ広げて接続した構造とも言える。その段差１４により、直線光導波路コア１２Ａの内側側面１２２に直交して接続した側面１２４が生じている。
【００３７】
なお、段差１４部分の側面１２４は、直線光導波路コア１２Ａの内側側面１２２に垂直である必要はない。たとえば、コア層１２の幅が直線側から曲線側に向かって徐々に広くなるように、直線光導波路コア１２Ａの内側側面１２２および曲線光導波路コア１２Ｂの内側側面１２３に対して側面１２４が角度を成すようにしてもよい。ただし、実施例１のように内側側面１２２に対して側面１２４を垂直とする方が光損失を低減でき、曲線光導波路コア１２Ｂの曲率半径を小さくできて望ましい。また、内側側面１２３と側面１２４とのなす角度も垂直である必要はないが、同様の理由から垂直が望ましい。また、接続部３の段差１４の角部は丸められていてもよい。
【００３８】
実施例１の光導波路は、ＳＯＩ基板を利用して容易に作製することができる。ＳＯＩ基板は、Ｓｉ基板１０上にＳｉＯ2 層（実施例１の第１クラッド層１１に相当）、Ｓｉ層が積層された基板である。ＳＯＩ基板のＳｉ層をエッチングして所定領域以外のＳｉ層を除去することでコア層１２を形成し、その後ＳｉＯ2 からなる第２クラッド層１３で覆うことにより、実施例１の光導波路を作製することができる。
【００３９】
以上のように、実施例１の光導波路では、曲線光導波路コア１２Ｂの幅Ｗｂを直線光導波路コア１２Ａの幅ＷａよりもΔＷ広くし、直線光導波路１と曲線光導波路２との接続部３を、直線光導波路コア１２Ａの外側側面１２０と曲線光導波路コア１２Ｂの外側側面１２１とを同一面として連続させ、直線光導波路コア１２Ａの内側側面１２２と曲線光導波路コア１２Ｂの内側側面１２３に段差を設けた構造としている。そのため、曲線光導波路コア１２Ｂは、設計波長λの光をウィスパリングギャラリーモードで低損失に伝搬させることができる。
【００４０】
また、実施例１の光導波路では、曲線光導波路コア１２Ｂの軸Ｌ２が直線光導波路コア１２Ａの軸Ｌ１に対して内側にΔＷ／２ずれた構造となっており、従来のオフセット構造の光導波路と同様に、直線光導波路コア１２Ａでの電磁界分布の中心と曲線光導波路コア１２Ｂでの電磁界分布の中心とを一致させることができ、接続部３での反射損失を低減することができる。
【００４１】
これらにより、実施例１の光導波路は光損失を低減することができるため、曲線光導波路コア１２Ｂの曲率半径を小さくでき、小型化を図ることができる。
【００４２】
また、実施例１の光導波路は、曲線光導波路コア１２Ｂの曲率半径の変化に対して透過率の変化が鈍感であるため、製造誤差や環境変化などによって光導波路の形状に多少のずれがあっても透過率に変化は少ない。また、直線光導波路コア１２Ａの外側側面１２０と曲線光導波路コア１２Ｂの外側側面１２１とは同一面であり、段差１４があるのは直線光導波路コア１２Ａ、曲線光導波路コア１２Ｂの内側のみである。そのため、製造が容易であり、製造誤差も小さくなる。したがって、実施例１の光導波路はロバスト性が高い。
【００４３】
次に、実施例１の光導波路の構造を着想するに至った経緯を説明する。
【００４４】
発明者らは、光が曲線光導波路２をウィスパリングギャラリーモードで伝搬すれば、損失が低減されると考え、円盤状の光導波路の外周に沿ってウィスパリングギャラリーモードで波長１．５５μｍの光が伝搬する場合をシミュレーションにより考察した。図８は、円盤の主面垂直方向（図において紙面垂直方向）の電界強度分布を示した図である。円盤は屈折率３．５のＳｉとし、その厚さは２１０ｎｍ、半径は１６００ｎｍとした。また、円盤は屈折率１．４５のＳｉＯ2 からなる半径が２０００ｎｍの円柱に埋め込まれ、その円柱の外側はＰＭＬ（完全整合層）とする構造とした。
【００４５】
ウィスパリングギャラリーモードの次数は、設計波長λ、屈折率、曲線の曲率半径で決まり、図８の場合、ｌ＝１、ｍ＝１４であった。ｌは動径方向の次数、ｍは周方向の次数である。
【００４６】
図８には、動径方向における外周から電界強度のピーク位置までの距離のラインと、その２倍の距離のラインを示している。図８を見ると、電界強度の強い領域が、その２倍の距離のラインよりも内側（円盤の中心側）にはみ出して存在していることがわかる。一方、円盤の外周よりも外側には電界強度の高い領域は存在していないことがわかる。また、直線光導波路コア１２Ａの場合、電界強度ピーク位置は中心、つまり軸に一致している。したがって、曲線光導波路コア１２Ｂを直線光導波路コア１２Ａに接続する際、電界強度のピーク位置を変えずに連続的になるように接続するためには、曲線光導波路コア１２Ｂの外側側面１２１は直線光導波路コア１２Ａの外側側面１２０と連続させ、曲線光導波路コア１２Ｂの内側側面１２３は直線光導波路コア１２Ａの内側側面１２２よりも内側に拡張させるとよいのではないかと推測できる。
【００４７】
また、リング状の光導波路の外周に沿ってウィスパリングギャラリーモードで波長１．５５μｍの光が伝搬する場合をシミュレーションにより考察した。図９、１０は、光導波路の主面垂直方向の電界強度分布を示した図である。リングの外周の半径は１６００ｎｍであり、リングの幅（内周から外周までの距離）は、図９の場合が４００ｎｍ、図１０の場合が４８０ｎｍである。他の条件は図８の場合と同様である。
【００４８】
図９、１０のように、ウィスパリングギャラリーモードの次数はｌ＝１、ｍ＝１３であった。また、Ｑ値は図９の場合およそ４０６、図１０の場合およそ８５１であった。この結果、リングの幅を内側に拡張した方が、リングからの光の漏れが少なく、損失が低いことがわかった。
【００４９】
以上の考察から、発明者らは曲線光導波路コア１２Ｂの幅を内側へ拡張した実施例１の光導波路の構造を着想するに至った。そこで、この実施例１の光導波路の構造について、以下のようにより詳細な解析を行った。
【００５０】
図４は、実施例１の光導波路における曲線光導波路２の曲率半径を変化させたときの、最適なオフセット量ΔＷ０を示したグラフである。また、比較のため、従来のオフセット構造の光導波路（以下、比較例１とする）についても、同様に最適なオフセット量ΔＷ’を求めて図４に示した。なお、比較例１の光導波路は、直線光導波路コアと曲線光導波路コアとの接続部、および曲線光導波路コアの幅以外は実施例１の光導波路コアと同様の構造である。
【００５１】
図４のように、曲率半径が８００〜３０００ｎｍの範囲において、実施例１の最適なオフセット量ΔＷ０は、曲率半径ｒが増加するにしたがって単調に減少していく特性であった。比較例１の最適なオフセット量ΔＷ’についても同様であった。また、実施例１の最適なオフセット量ΔＷ０は、比較例１の最適なオフセット量ΔＷ’のおよそ２倍であった。この結果は、製造誤差などに対するオフセット量の誤差に対して、実施例１の光導波路は比較例１の光導波路の約２倍のロバスト性を有していることを示すものである。
【００５２】
図５は、実施例１の光導波路について、オフセット量ΔＷを変化させたときの透過率の変化を示したグラフである。曲線光導波路２の曲率半径は１６００ｎｍとした。また、比較例１の光導波路についても同様に、オフセット量を変化させて透過率を求め、図５に示した。比較例１においても曲線光導波路の曲率半径は１６００ｎｍとした。
【００５３】
図５のように、実施例１も比較例１もオフセット量が０ｎｍ、つまり、コアの幅を変えず、軸もずらさずにそのまま接続した構造のときには透過率が０．９５であった。また、比較例１の光導波路では、オフセット量が４０ｎｍまではゆるやかに透過率が上昇していき、オフセット量が４０ｎｍを超えると、透過率は２次関数的に減少していく特性であった。透過率のピークはオフセット量が４０ｎｍの時で０．９７であった。つまり最適なオフセット量ΔＷ’は４０ｎｍであった。
【００５４】
一方、実施例１の光導波路では、オフセット量ΔＷが８０ｎｍまではゆるやかに透過率が上昇していき、オフセット量ΔＷが８０ｎｍを超えるとゆるやかに透過率が減少していく特性であった。透過率のピークはオフセット量ΔＷが８０ｎｍのときであり０．９８５であった。
【００５５】
このように、比較例１の光導波路の透過率は、オフセット量の変化に対して比較的鋭敏に変化するのに対して、実施例１の光導波路の透過率は、オフセット量ΔＷの変化に対してゆるやかに変化する。そのため、実施例１の光導波路は、製造誤差や環境変化などによってオフセット量ΔＷが変化したとしても透過率はさほど変化せず、ロバスト性が高いと言える。
【００５６】
また、実施例１の光導波路は、オフセット量ΔＷが４０〜１２０ｎｍの範囲において、透過率が比較例１の光導波路の透過率ピークよりも高かった。このことから、実施例１のオフセット量ΔＷが、比較例１の最適なオフセット量ΔＷ’の１〜３倍の範囲であれば、実施例１の光導波路は比較例１の光導波路よりも常に透過率が高くなることがわかった。また、実施例１の最適なオフセット量ΔＷ０は、ΔＷ’のおよそ２倍であることがわかった。したがって、ΔＷはΔＷ’の２倍に近いほど望ましく、ΔＷ’の１．５〜２．５倍とするとよりよい。さらに望ましいのはΔＷ’の１．８〜２．２倍である。
【００５７】
図６、７は、実施例１の光導波路について、最適なオフセット量ΔＷ０における曲率半径の変化に対する透過率の変化を示したグラフである。図７は、図６において透過率が０．９以上となる部分を拡大して示したグラフである。比較例１、２の光導波路についても、比較のため図６、７に示した。比較例２は、幅の等しい曲線光導波路コアと直線光導波路コアを、軸をずらさずに単純に接続した構造の光導波路である。その幅は比較例１と同様である。
【００５８】
図６、７のように、実施例１の光導波路は、比較例１、２の光導波路よりも透過率が高い構造であることがわかった。また、同じ透過率で比較すると、実施例１の光導波路が最も曲率半径を小さくすることができることがわかった。たとえば、透過率が０．９５のラインで比較すると、比較例１の光導波路では、曲線光導波路コアの曲率半径を１３００ｎｍ、比較例２では１７００ｎｍとする必要がある。一方、実施例１の光導波路では、１１００ｎｍで済む。したがって、透過率０．９５の光導波路を実現するために必要な曲率半径が最も小さいのは実施例１であり、最も小型とすることができる。
【００５９】
以上の図４〜７の解析結果をまとめると、実施例１の光導波路は、比較例１、２の光導波路よりも透過率が高く、特に実施例１のオフセット量ΔＷを、比較例１の最適なオフセット量ΔＷ’の１〜３倍の範囲とすれば、比較例１の光導波路よりも透過率を高くすることができることがわかった。その結果、実施例１の光導波路は小型化を図ることができることがわかった。また、実施例１の光導波路は、比較例１に対しておよそ２倍のロバスト性を有していることがわかった。
【００６０】
［変形例］
実施例１の光導波路はコアをクラッドで囲んで閉じ込めた埋め込み型だが、本発明はこれに限るものではない。従来知られている任意の平面型光導波路構造に本発明を適用することができ、たとえばリッジ型、メサ型、スロット導波路などの構造の光導波路にも適用することができる。また、ＳｉＯ2 やＳｉなどの基板の所定位置に不純物をドーピングしてコアを形成する構造の光導波路であってもよい。このような構造の光導波路は、コアとクラッドの屈折率差を大きくできないため、従来は曲率半径が大きかったが、本発明を採用すれば曲率半径を大幅に小さくすることができる。
【００６１】
また、実施例１では、コア層１２の材料をＳｉ、第１クラッド層１１、第２クラッド層１３の材料をＳｉＯ2 としているが、コア層１２の屈折率が第１クラッド層１１および第２クラッド層１３の屈折率よりも大きく、コア層１２の材料が設計波長λの光に対して透過率の高いものであれば任意の材料を選択することができ、無機材料だけでなく有機材料を用いることも可能である。ただし、光導波路の小型化を考えた場合には、コア層１２と第１クラッド層１１および第２クラッド層１３との屈折率差がなるべく大きくなるように材料を選択することが望ましい。特に屈折率差を１以上とすることが望ましい。また、第１クラッド層１１と第２クラッド層１３は同一材料とするのが好ましい。作製が容易であり、コストを低減できるためである。
【００６２】
また、コア層１２と第１クラッド層１１および第２クラッド層１３を同一材料とし、不純物のドーピングや結晶性などによってコア層１２と第１クラッド層１１および第２クラッド層１３の屈折率差を設けるようにしてもよい。
【００６３】
また、実施例１ではコア層１２の軸方向断面を長方形としている。つまり、側面は主面に垂直、底面および上面は主面に水平としている。しかし、本発明は軸方向断面を長方形とするものに限るものではなく、設計波長λの光を低損失に伝搬可能な任意の形状でよい。そのような長方形以外の形状の場合には、コア層１２の幅は各高さでの幅の平均で定義すればよい。ただし、作製の容易さの観点からは、コア層１２の軸方向断面の形状は、長方形あるいは台形とすることが望ましい。
【００６４】
また、実施例１では、曲線光導波路の平面パターンを半円弧としたが、本発明はこれに限るものではない。設計波長λの光をｌ＝１のウィスパリングギャラリーモードで伝搬可能な任意の曲線形状に対して本発明は適用することができる。ｌ＝２以上のウィスパリングギャラリーモードでは、光損失が大きく望ましくない。たとえば、任意の値の中心角の円弧でよく、１／４円弧や３／４円弧などでもよい。さらに、曲率半径の異なる円弧を接続した曲線や、２つの円弧を曲率反転させて接続した曲線（たとえばＳ字カーブ状の曲線）などの曲線あるいはそれらを組み合わせて接続した曲線などでもよい。曲線光導波路のパターンとしてそれらの曲線を採用する場合、曲率半径が変化する部分をオフセット構造とすることが望ましい。より光損失を低減することができる。曲率半径の異なる円弧を接続した曲線の場合には、接続部において曲率半径の大きい方を直線と近似して本発明の接続構造を採用することも可能である。楕円、双曲線、放物線、螺旋など、曲率半径が連続的に変化する曲線にも本発明は適用可能である。この場合、曲線を微小部分に分割して、各微小部分の接続ごとに本発明を適用すればよい。さらに、その微少部分を０とする極限をとって曲線光導波路コアの幅が連続的に変化する構造としてもよい。ただし、設計、製造の容易さなどの点からは、曲線光導波路コアは円弧とすることがよい。
【００６５】
また、実施例１〜５の光導波路は、設計波長λを１．５５μｍとしているが、任意の波長の光に対して適用することができる。特に設計波長λが赤外線帯域（８００〜２０００ｎｍ）である場合に有効である。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明の光導波路は、小型で低コストな光集積回路の実現などに応用することができる。
【符号の説明】
【００６７】
１：直線光導波路
２：曲線光導波路
３：接続部
１０：基板
１１：第１クラッド層
１２：コア層
１２Ａ：直線光導波路コア
１２Ｂ：曲線光導波路コア
１３：第２クラッド層
１４：段差
１２０、１２１：外側側面
１２２、１２３：内側側面
【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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