スポットサイズ変換導波路
【課題】平面状の簡易な製造工程で形成可能であり、低コスト化を実現することができるスポットサイズ変換導波路を得る。
【解決手段】この発明に係るスポットサイズ変換導波路は、導波路構造の途中においてコア上部の一定厚み層を平面テーパ状に狭めていく構造、または導波路構造の途中においてコア上部に一定厚み層を積み増し、その積み増し開始位置より段階的に平面テーパ状に前記の層の幅を広げていく構造を有する。この発明によれば、導波路を平面製造プロセスのみで実現でき、工程が簡易化されるため低コスト化が可能である。
【解決手段】この発明に係るスポットサイズ変換導波路は、導波路構造の途中においてコア上部の一定厚み層を平面テーパ状に狭めていく構造、または導波路構造の途中においてコア上部に一定厚み層を積み増し、その積み増し開始位置より段階的に平面テーパ状に前記の層の幅を広げていく構造を有する。この発明によれば、導波路を平面製造プロセスのみで実現でき、工程が簡易化されるため低コスト化が可能である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光導波路の外部光との高効率結合のためのスポットサイズ変換導波路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、光導波路の外部光との高効率結合のための光スポットサイズ変換器において、導波路厚み方向のサイズ変換のために、大きなスポットサイズを有する導波路基板上に小さなスポットサイズを有する別導波路を形成し、スポットサイズ変換部を介して接続する構成が用いられていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
あるいは、導波路厚みをテーパ状に変化させる立体的な構造が提示されている。しかしながら、製造工程は複雑化していた（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−４３５５６号公報
【特許文献２】特開平５−２４９３３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、従来、導波路厚み方向のサイズ変換のためのスポットサイズ変換器の構造を実現するためには、製造工程が複雑化し、高コスト化していた。
【０００６】
この発明は上述した点に鑑みてなされたもので、平面状の簡易な製造工程で形成可能であり、低コスト化を実現することができるスポットサイズ変換導波路を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係るスポットサイズ変換導波路は、導波路構造の途中においてコア上部の一定厚み層を平面テーパ状に狭めていく構造、または導波路構造の途中においてコア上部に一定厚み層を積み増し、その積み増し開始位置より段階的に平面テーパ状に前記の層の幅を広げていく構造を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、導波路を平面製造プロセスのみで実現でき、工程が簡易化されるため低コスト化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態１に係るスポットサイズ変換導波路の構造を示す図である。
【図２】図１のスポットサイズ変換導波路部１１における電磁界の伝搬シミュレーションの様子の導波路断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るスポットサイズ変換導波路の構造を示す図である。図１において、スポットサイズ変換導波路部１１は、下部クラッド層１、リブ構造の導波路コア層２、コア層２の上に形成された上部コア層３により構成される。上部コア層３は、Ｚ軸方向に進むに従い幅がテーパ状に狭まる。また、上部コア層３の手前には上部コア層４が連続的に形成されており、Ｚ軸方向に沿って一定の幅を有している。周囲は空気またはその他の導波路コア層２、上部コア層３より低屈折率の媒質で覆われている（図示せず）。
【００１１】
次に動作について説明する。２１は位置１２の端面に結合する外部からの入射光を表しており、入射光２１は、結合後に上部コア層４が形成された導波路部１３を伝搬した後にスポットサイズ変換導波路部１１へと結合する。スポットサイズ変換導波路部１１において、上部コア層３の幅が狭まるにつれて上部コア層３内への光のモードの存在割合が小さくなり、徐々に矢印２２に示す方向に光が導波路コア層２へと移行していく。上部コア層３は最終的に消失し、導波路コア層２のみを光が伝搬することとなるため、厚み方向のスポットサイズが小さく変換されることになる。
【００１２】
ここで、上部コア層３の先端幅は完全に０とする必要はなく、光のモードの上部コア層３内の存在割合が目標とするスポットサイズ変換損失以下となるように小さく設計すれば良く、製造ルールを不必要に微細化することによる製造コスト増加を避けることができる。
【００１３】
図２は、上部コア層３、導波路コア層２の材料をシリコン（屈折率３．５）、下部クラッド層１の材料を酸化シリコン（屈折率１．４５）、上部コア層３の厚みを１μｍ、そのテーパ開始時点での元々の導波路幅を３μｍ、テーパ距離を５０μｍ、テーパ先端の導波路幅を１μｍ、リブ構造の導波路コア層２の厚みを１．５μｍ、リブ高さ５を０．６μｍ、周囲媒質を空気（屈折率１）としたスポットサイズ変換導波路部１１における電磁界の伝搬シミュレーションの様子の導波路断面を示している。入射光２１が伝搬にするにつれ、徐々に矢印２２に示す方向に上部コア層３から導波路コア層２に光が移行している様子が示されており、テーパ先端の導波路幅が１μｍと比較的大きい設計においてもほとんどの電磁界が導波路コア層２に集中することがわかる。シミュレーションでのスポットサイズ変換損失は０．１ｄＢ程度と小さい。
【００１４】
この構成では、平面状のテーパ構造のみを必要とするため、すなわち、導波路構造の途中において導波路コア層２上部の一定厚みを有する上部コア層３を平面テーパ状に狭めていく構造とするため、平面製造プロセスのみで実現でき、工程が簡易化されるため低コスト化が可能である。
【００１５】
また、平面テーパの形成方法としては、例えばシリコンエピタキシャル成長により上部コア層３を堆積する、またはシリコンエッチングにより上部コア層３をテーパ形状に残す、という方法が有効である。前者は、導波路の厚みが一般的に入手可能なウエハの厚みにより制約されるのに対して、さらに厚く積み増すことが可能となる効果がある。後者は、導波路形成で通常必ず用いられる平面エッチング工程のみで厚み方向スポットサイズ変換を実現できる、という効果がある。すなわち、前者は、平面テーパ形状を膜堆積によりボトムアップで形成することができ、後者は、平面テーパ形状をエッチング技術によりトップダウンで形成することができる。
【００１６】
実施の形態２．
実施の形態１において、上部コア層３、導波路コア層２の材料をシリコン（屈折率３．５）、下部クラッド層１の材料を酸化シリコン（屈折率１．４５）としたが、導波路を構成する材料はこれらに限定するものではなく、上部コア層３および下部クラッド層１の屈折率を導波路コア層２の屈折率以下とし導波路コア層２に光が主に閉じ込められる構成とすれば良い。周囲は導波路コア層２、上部コア層３より低屈折率の媒質とする。
【００１７】
実施の形態３．
実施の形態１では、図１に示す位置１２の端面を外部光の入射端面と記載したが、逆に位置１２を出射端面とし、厚み方向のスポットサイズが大きくなるように変換するためのスポットサイズ変換器としてスポットサイズ変換導波路部１１を使用しても良い。すなわち、導波路構造の途中において導波路コア層２の上部に一定厚みの上部コア層３を積み増し、その積み増し開始位置より位置１２の出射端面に向けて、段階的に平面テーパ状に上部コア層３の幅を広げていく構造として使用しても良い。
【符号の説明】
【００１８】
１ 下部クラッド層、２ リブ構造の導波路コア層、３ 上部コア層、４ 上部コア層、５ リブ高さ、１１ スポットサイズ変換導波路部、１２ 位置、１３ 導波路部、２１ 入射光、２２ 矢印。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光導波路の外部光との高効率結合のためのスポットサイズ変換導波路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、光導波路の外部光との高効率結合のための光スポットサイズ変換器において、導波路厚み方向のサイズ変換のために、大きなスポットサイズを有する導波路基板上に小さなスポットサイズを有する別導波路を形成し、スポットサイズ変換部を介して接続する構成が用いられていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
あるいは、導波路厚みをテーパ状に変化させる立体的な構造が提示されている。しかしながら、製造工程は複雑化していた（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−４３５５６号公報
【特許文献２】特開平５−２４９３３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、従来、導波路厚み方向のサイズ変換のためのスポットサイズ変換器の構造を実現するためには、製造工程が複雑化し、高コスト化していた。
【０００６】
この発明は上述した点に鑑みてなされたもので、平面状の簡易な製造工程で形成可能であり、低コスト化を実現することができるスポットサイズ変換導波路を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係るスポットサイズ変換導波路は、導波路構造の途中においてコア上部の一定厚み層を平面テーパ状に狭めていく構造、または導波路構造の途中においてコア上部に一定厚み層を積み増し、その積み増し開始位置より段階的に平面テーパ状に前記の層の幅を広げていく構造を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、導波路を平面製造プロセスのみで実現でき、工程が簡易化されるため低コスト化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態１に係るスポットサイズ変換導波路の構造を示す図である。
【図２】図１のスポットサイズ変換導波路部１１における電磁界の伝搬シミュレーションの様子の導波路断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るスポットサイズ変換導波路の構造を示す図である。図１において、スポットサイズ変換導波路部１１は、下部クラッド層１、リブ構造の導波路コア層２、コア層２の上に形成された上部コア層３により構成される。上部コア層３は、Ｚ軸方向に進むに従い幅がテーパ状に狭まる。また、上部コア層３の手前には上部コア層４が連続的に形成されており、Ｚ軸方向に沿って一定の幅を有している。周囲は空気またはその他の導波路コア層２、上部コア層３より低屈折率の媒質で覆われている（図示せず）。
【００１１】
次に動作について説明する。２１は位置１２の端面に結合する外部からの入射光を表しており、入射光２１は、結合後に上部コア層４が形成された導波路部１３を伝搬した後にスポットサイズ変換導波路部１１へと結合する。スポットサイズ変換導波路部１１において、上部コア層３の幅が狭まるにつれて上部コア層３内への光のモードの存在割合が小さくなり、徐々に矢印２２に示す方向に光が導波路コア層２へと移行していく。上部コア層３は最終的に消失し、導波路コア層２のみを光が伝搬することとなるため、厚み方向のスポットサイズが小さく変換されることになる。
【００１２】
ここで、上部コア層３の先端幅は完全に０とする必要はなく、光のモードの上部コア層３内の存在割合が目標とするスポットサイズ変換損失以下となるように小さく設計すれば良く、製造ルールを不必要に微細化することによる製造コスト増加を避けることができる。
【００１３】
図２は、上部コア層３、導波路コア層２の材料をシリコン（屈折率３．５）、下部クラッド層１の材料を酸化シリコン（屈折率１．４５）、上部コア層３の厚みを１μｍ、そのテーパ開始時点での元々の導波路幅を３μｍ、テーパ距離を５０μｍ、テーパ先端の導波路幅を１μｍ、リブ構造の導波路コア層２の厚みを１．５μｍ、リブ高さ５を０．６μｍ、周囲媒質を空気（屈折率１）としたスポットサイズ変換導波路部１１における電磁界の伝搬シミュレーションの様子の導波路断面を示している。入射光２１が伝搬にするにつれ、徐々に矢印２２に示す方向に上部コア層３から導波路コア層２に光が移行している様子が示されており、テーパ先端の導波路幅が１μｍと比較的大きい設計においてもほとんどの電磁界が導波路コア層２に集中することがわかる。シミュレーションでのスポットサイズ変換損失は０．１ｄＢ程度と小さい。
【００１４】
この構成では、平面状のテーパ構造のみを必要とするため、すなわち、導波路構造の途中において導波路コア層２上部の一定厚みを有する上部コア層３を平面テーパ状に狭めていく構造とするため、平面製造プロセスのみで実現でき、工程が簡易化されるため低コスト化が可能である。
【００１５】
また、平面テーパの形成方法としては、例えばシリコンエピタキシャル成長により上部コア層３を堆積する、またはシリコンエッチングにより上部コア層３をテーパ形状に残す、という方法が有効である。前者は、導波路の厚みが一般的に入手可能なウエハの厚みにより制約されるのに対して、さらに厚く積み増すことが可能となる効果がある。後者は、導波路形成で通常必ず用いられる平面エッチング工程のみで厚み方向スポットサイズ変換を実現できる、という効果がある。すなわち、前者は、平面テーパ形状を膜堆積によりボトムアップで形成することができ、後者は、平面テーパ形状をエッチング技術によりトップダウンで形成することができる。
【００１６】
実施の形態２．
実施の形態１において、上部コア層３、導波路コア層２の材料をシリコン（屈折率３．５）、下部クラッド層１の材料を酸化シリコン（屈折率１．４５）としたが、導波路を構成する材料はこれらに限定するものではなく、上部コア層３および下部クラッド層１の屈折率を導波路コア層２の屈折率以下とし導波路コア層２に光が主に閉じ込められる構成とすれば良い。周囲は導波路コア層２、上部コア層３より低屈折率の媒質とする。
【００１７】
実施の形態３．
実施の形態１では、図１に示す位置１２の端面を外部光の入射端面と記載したが、逆に位置１２を出射端面とし、厚み方向のスポットサイズが大きくなるように変換するためのスポットサイズ変換器としてスポットサイズ変換導波路部１１を使用しても良い。すなわち、導波路構造の途中において導波路コア層２の上部に一定厚みの上部コア層３を積み増し、その積み増し開始位置より位置１２の出射端面に向けて、段階的に平面テーパ状に上部コア層３の幅を広げていく構造として使用しても良い。
【符号の説明】
【００１８】
１ 下部クラッド層、２ リブ構造の導波路コア層、３ 上部コア層、４ 上部コア層、５ リブ高さ、１１ スポットサイズ変換導波路部、１２ 位置、１３ 導波路部、２１ 入射光、２２ 矢印。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波路構造の途中においてコア上部の一定厚み層を平面テーパ状に狭めていく構造を有する
ことを特徴とするスポットサイズ変換導波路。
【請求項２】
導波路構造の途中においてコア上部に一定厚み層を積み増し、その積み増し開始位置より段階的に平面テーパ状に前記の層の幅を広げていく構造を有する
ことを特徴とするスポットサイズ変換導波路。
【請求項３】
請求項１または２に記載のスポットサイズ変換導波路において、
前記コア上部の一定厚み層の屈折率をその下部層の屈折率以下とする
ことを特徴とするスポットサイズ変換導波路。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか１項に記載のスポットサイズ変換導波路において、
前記平面テーパ形状を膜堆積によりボトムアップで形成する
ことを特徴とするスポットサイズ変換導波路。
【請求項５】
請求項１から３までのいずれか１項に記載のスポットサイズ変換導波路において、
前記平面テーパ形状をエッチング技術によりトップダウンで形成する
ことを特徴とするスポットサイズ変換導波路。
【請求項１】
導波路構造の途中においてコア上部の一定厚み層を平面テーパ状に狭めていく構造を有する
ことを特徴とするスポットサイズ変換導波路。
【請求項２】
導波路構造の途中においてコア上部に一定厚み層を積み増し、その積み増し開始位置より段階的に平面テーパ状に前記の層の幅を広げていく構造を有する
ことを特徴とするスポットサイズ変換導波路。
【請求項３】
請求項１または２に記載のスポットサイズ変換導波路において、
前記コア上部の一定厚み層の屈折率をその下部層の屈折率以下とする
ことを特徴とするスポットサイズ変換導波路。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか１項に記載のスポットサイズ変換導波路において、
前記平面テーパ形状を膜堆積によりボトムアップで形成する
ことを特徴とするスポットサイズ変換導波路。
【請求項５】
請求項１から３までのいずれか１項に記載のスポットサイズ変換導波路において、
前記平面テーパ形状をエッチング技術によりトップダウンで形成する
ことを特徴とするスポットサイズ変換導波路。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１１−１６４３７６（Ｐ２０１１−１６４３７６Ａ）
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７３４７（Ｐ２０１０−２７３４７）
【出願日】平成２２年２月１０日（２０１０．２．１０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度、総務省、「超高速光伝送システム技術の研究開発（イーサネット向け超高速省電力光伝送技術）」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月１０日（２０１０．２．１０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度、総務省、「超高速光伝送システム技術の研究開発（イーサネット向け超高速省電力光伝送技術）」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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