光学変換素子
【課題】無反射コーティングを必要とせず、突き合わせ接続するだけで、シリコン導波路と一般的なシングルモード光ファイバとを高効率で光結合できる光学変換素子を提供する。
【解決手段】導波路構造を有し、導波光のモードフィールドを変換する光学変換素子であって、少なくとも２重のコアを有し、その内、最内コアは、シリコンの逆テーパ型の細線コア３であり、第１の外部コアは、酸化膜のリッジ構造であって、かつ、幅のみが変化する順テーパ型のリッジコア６であり、最内コアの狭幅側に第１の外部コアが位置していることを特徴とする光学変換素子。
【解決手段】導波路構造を有し、導波光のモードフィールドを変換する光学変換素子であって、少なくとも２重のコアを有し、その内、最内コアは、シリコンの逆テーパ型の細線コア３であり、第１の外部コアは、酸化膜のリッジ構造であって、かつ、幅のみが変化する順テーパ型のリッジコア６であり、最内コアの狭幅側に第１の外部コアが位置していることを特徴とする光学変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学変換素子に関し、特に、シリコンなどの高屈折率媒質をコアとする細線導波路と、光通信用のシングルモード光ファイバとの間の高効率な光結合を実現するための光学変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコンなどの高屈折率媒質をコアとする光導波路は、急激に曲げても光損失が発生しにくく、光回路の集積化に適している。注目されている光導波路の一つは、Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ＳＯＩ）基板を用いた、光導波路である。
【０００３】
ＳＯＩ基板は、シリコンのベース基板と、その上の埋め込み酸化膜（Ｂｕｒｉｅｄ Ｏｘｉｄｅ，ＢＯＸ）層と、そのＢＯＸ層上のシリコン層（ＳＯＩ層）とから成る。ＳＯＩ基板を用いれば、ＳＯＩ層を加工して、高屈折率のコアを形成し、ＢＯＸ層を低屈折率の下部クラッドとして使用できるため、シリコンの細線導波路（チャネル導波路）やリッジ導波路（リブ導波路）の作製が容易である。必要に応じて、上部クラッドとなる酸化膜が堆積される。
【０００４】
光回路用のシリコン細線導波路のコアは、一般的には、断面が長方形、或いは正方形であり、シングルモードとする場合には、例えば、幅４００ｎｍ程度、高さ２００ｎｍ程度のものが多く用いられる。また、シリコンリッジ導波路のコアは、シリコン細線導波路の両側に、厚さ５０〜１００ｎｍのスラブ（板状の構造）を付加した構造のものが多く用いられる。
【０００５】
このように、光回路用のシリコンの細線導波路やリッジ導波路はコアが微細であるため、それらを伝搬する光のモードフィールドも、幅や高さが１μｍ程度以下と、微細である。
微細なコアサイズやモードフィールドサイズは、光回路の集積化には有利であるが、外部光学系との光結合を行う場合には問題となる。
【０００６】
光信号を伝送する一般的なシングルモード光ファイバは、コアの直径が約８μｍであり、波長１．５５μｍでのモードフィールドサイズは、直径が約１０μｍと、細線導波路のそれよりも大きい。
【０００７】
光回路の入出力端である導波路の端面に、光ファイバの切断端面を突き合わせて接続することが安価な光結合の方法であるが、この突き合わせ接続で高い光結合効率を得るためには、スポットサイズを変換する光学変換素子を光回路の入出力端に作り込む必要がある。
【０００８】
尚、モードフィールドサイズとは、導波路の固有モードのフィールド（通常は電界）のサイズのことであり、本明細書では、特に指定しなければ、基本モードのフィールドサイズのことを指す。また、スポットサイズとは、導波路から出射された直後の光のフィールドサイズのことであり、導波路がマルチモードであれば、複数の固有モードの光が混合されていることもある。
【０００９】
但し、本明細書では、モードフィールドと言うとき、上述のように基本モードのみを想定しているため、モードフィールドサイズとスポットサイズとは同じ意味で用いる。
【００１０】
非特許文献１には、第１の従来技術によるスポットサイズ変換器（光学変換素子）が開示されている。シリコン細線による第１コアと、その第１コアよりも断面積が大きく、第１コアを覆うように配置された第２コアとの２重コア構造になっている。また、第１コアは光ファイバと接続する側に向かって徐々に幅が小さくなるテーパ構造を有する。
【００１１】
第１の従来技術によるスポットサイズ変換器の動作は次の通りである。細線導波路の側から第１コアに入射した光は、幅の広い部分では、モードフィールの大部分が第１コア内に分布している。導波光が前進し、導波路の幅が半波長よりも十分に小さくなると、モードフィールドは第１コアの外に溢れて広がり、第２コア内に充満するようになる。最終的に、モードフィールドの大きさは第２コアの大きさにまで拡大し、光ファイバとの光結合が容易になる。
【００１２】
このように、コアサイズを半波長以下のサイズに徐々に狭めることでモードフィールドを拡大するスポットサイズ変換の構造は、コアのサイズの拡大する向きとモードフィールドのサイズの拡大する向きが逆であるため、逆テーパ型と呼ばれる。
【００１３】
２つの導波路の光結合効率を高くするためには、導波光のモードフィールドの大きさや形状を一致させることが必要であるが、同時に、導波光の有効屈折率を一致させることも必要である。有効屈折率は導波光の電界と磁界の強度比に関係し、導波路の構造に依存してコアの材料の屈折率とクラッドの材料の屈折率との間の値をとる。
【００１４】
モードフィールドは通常、電界の分布のことを指すが、磁界の分布も同時に一致させなければ、高い光結合効率を得ることはできない。モードフィールドと共に有効屈折率を一致させることは、導波光の電界の分布と磁界の分布を同時に一致させることと等価である。有効屈折率が一致していない場合は、接続した２つの導波路の界面で光の反射が起こり、光結合効率が低下する。
【００１５】
第１の従来技術によるスポットサイズ変換器は、第１コアの材料と第２コアの材料の屈折率を大きく変えることができる。第１コアの材料が高屈折率の材料であっても、コアの断面積が小さくなれば、導波光の有効屈折率は第２コアの材料の屈折率に近づく。第２コアの断面積は大きいため、第２コアの材料の屈折率を光ファイバの材料の屈折率と同程度にすれば、第２コアの導波光の有効屈折率を光ファイバの導波光の有効屈折率に近づけることができる。
【００１６】
テーパ構造のスポットサイズ変換器は、モードフィールドを断熱的に変化させることによって、高い変換効率を実現する。第１の従来技術によるスポットサイズ変換器の課題は、第１コアと第２コアのサイズの差が大きくなるにつれて、モードフィールドの断熱的変化が困難になることである。理論上は、第１コアのサイズを零に近づければ、モードフィールドのサイズを無限大にまで広げることは可能である。
【００１７】
しかし、実際には、第１コアの外に広がったモードフィールドの割合が大きくなるにつれて、第１コアのサイズの変化に対するモードフィールドサイズの変化の割合が増し、モードフィールドサイズの緩やかな変化が難しくなる。
【００１８】
それでもモードフィールドサイズの変化を緩やかにしようとすれば、第１コアの逆テーパの幅の変化を益々緩やかにしなければならないが、リソグラフィの解像精度や、エッチングによる表面荒れのといった、加工精度の限界を超えることはできない。結果として、断熱的に変化できるモードフィールドの大きさが限られる。
【００１９】
このような理由により、第１の従来技術に開示されたスポットサイズ変換器では、シリコン細線導波路と突き合わせ接続で光結合できた光ファイバのモード径（直径）が、４．３μｍに留まっている。光通信で一般に使用されるシングルモード光ファイバのモード径（直径）は約１０μｍであるため、第１の従来技術に開示されたスポットサイズ変換器が使用できない。
【００２０】
シリコン導波路のスポットサイズを拡大できる光学変換素子の構造は、他にも提案されている。それらは、第１の従来技術に開示されたスポットサイズ変換器とは異なる仕組みで動作する。
【００２１】
特許文献１には、第２の従来技術が開示されている。この第２の従来技術によるスポットサイズ変換器は、第１コアである細線コアの材料とほぼ同じ屈折率の材料を、光ファイバ側の端面に向かって徐々に厚くなるように、細線コアの上に被服した構造を有する。被覆された材料と第１コアとの全体が第２コアを構成する。被覆材料と第１コアの材料とがほぼ同じなので、第１コアの断面積を単純に拡大した構造と言うこともできる。
【００２２】
第２の従来技術によるスポットサイズ変換器では、導波路のコアの断面サイズが導波光の半波長よりも大きいので、コアの断面の拡大に伴って、導波光のモードフィールドも拡大する。コアの断面サイズの変化とモードフィールドサイズの変化が同じであることから、これは順テーパ型のスポットサイズ変換器である。
【００２３】
順テーパ型のスポットサイズ変換器は、モードフィールドサイズが拡大によって大きくなればなるほど、モードフィールドとコアのサイズが近くなる。結果として、モードフィールドサイズの変化はコアサイズの変化と同程度となり、モードフィールドサイズを緩やかに変化させるためのコアの断面サイズの制御が容易である。
【００２４】
そのため、変換の前後におけるコアの断面サイズの差が大きくても、第１の従来技術のような製造上の限界は発生しない。従って、モード径（直径）が１０μｍの一般的な光ファイバとも、モードフィールドサイズを合わせることができる。
【００２５】
第２の従来技術によるスポットサイズ変換器は緩やかな縦テーパを含むが、このような縦テーパの形成技術が利用できない場合がある。そこで、縦テーパの形成を行わずに、横方向のテーパの作製だけで、厚み方向のモードフィールドサイズの拡大／縮小を行える構造が提案されている。
【００２６】
非特許文献２に第３の従来技術が開示されている。第３の従来技術によるスポットサイズ変換器も、第２の従来技術によるスポットサイズ変換器と同じく、コアの材料の屈折率はほとんど変えずに、コアサイズを拡大する。
【００２７】
第３の従来技術によるスポットサイズ変換器は、細線導波路側からコアの断面サイズを拡大する方法に工夫がなされている。横幅のみが緩やかに変化するテーパを縦に積み重ねた構造とすることによって、モードフィールドサイズの横のサイズだけでなく、縦のサイズも変化させる。
【００２８】
上側のテーパ構造が十分に細くなった部分では、導波光のモードフィールドは下側のテーパ構造内にほとんどが分布するようになるので、そこで厚み方向に急激な段差が存在しても、モードフィールドサイズの急激な変化を避けることができる。構造の急激な高さの変化が可能なため、厚み方向のテーパ構造の形成技術を必要としない。
【００２９】
しかし、第２と第３の従来技術に共通する課題を有する。それは、第１コアと第２コアの材料の屈折率がほとんど同じであるために、導波光の有効屈折率を大きく変えられないことである。例えば、第１コアがシリコンであれば、第２コアもシリコンであるといった構造になる。
【００３０】
このようにシリコンの屈折率のまま、コアサイズ拡大すると、導波光の有効屈折率も、シリコンの屈折率の３．５程度になる。一方、一般的な通信用光ファイバの導波光の有効屈折率は１．５程度であり、単純にスポットサイズ変換器とこの光ファイバを接続しただけでは、界面の反射により、光結合効率が低下する。
【００３１】
光回路の導波路の端面に無反射コーティング加工を行えば反射を抑制できるが、大量生産には不向きである。何故なら、一つ一つの光回路のチップに無反射コーティング加工しなければならず、大量生産によって生産コストが下がらないからである。光回路チップの方ではなく、光ファイバの側に無反射コーティングを行う場合も、同じ問題がある。
【００３２】
以上述べたように、従来技術によるスポットサイズ変換器を用いれば、モードフィールドを拡大できる最大サイズの制限や、無反射コーティングの必要性があるという課題を抱えてはいる。しかし、光回路の導波路と光ファイバとの光結合を、一応は、行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３３】
【特許文献１】特開２００７−９３７４３号公報
【非特許文献】
【００３４】
【非特許文献１】T. Shoji, et al., “Low loss mode size converter from 0.3 μm square Si wire waveguide to singlemode fibers", Electronics Letters, Vol. 38, No. 25, pp. 1669-1670 (2002).
【非特許文献２】D. Dai, S. He, and H.-K. Tsang, “Bilevel mode converter between a silicon nanowire waveguide and a larger waveguide",Journal of Lightwave Technology, Vol. 24, No. 6, pp. 2428-2433 (2006).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３５】
一部の条件を無視すれば、従来技術によっても、一応は、シリコン細線導波路と光ファイバとの光結合ができるが、シリコン細線導波路と、１０μｍ径の光ファイバとの高効率な光結合を、無反射コーティング無しで行える完全な光学変換素子（スポットサイズ変換器）は利用できない。
【００３６】
本発明の目的は、上記背景技術の課題に鑑み、無反射コーティングを要さず、一般的な光ファイバとの高効率光結合が可能な光学変換素子を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００３７】
本発明は上記課題を解決するために、最内コアと該最内コアの外側の第１の外部コアの両方を少なくとも備えた導波路構造を有し、導波光のモードフィールドを変換する光学変換素子であって、前記最内コアは、導波方向に沿ってモードフィールドを拡大する向きに断面積が徐々に減少する逆テーパ型であり、前記第１の外部コアは、リッジを有しかつ導波方向に沿ってモードフィールドを拡大する向きに断面積が徐々に増加する順テーパ型である、ことを特徴とする光学変換素子を提供する。
【００３８】
本発明は上記課題を解決するために、最内コアと該最内コアの外側の第１の外部コアの両方を少なくとも備えた導波路構造を有し、導波光のモードフィールドを変換する光学変換素子であって、前記導波路構造は、前記最内コアと、前記第１の外部コアと、下部クラッドと、上部クラッドとを備えており、前記最内コアは、前記下部クラッドの上に配置された細線コアからなり、前記第１の外部コアは、前記細線コアを埋設し前記下部クラッドの上に配置されるスラブ層と、前記スラブ層の上に配置され前記細線コアの上方に位置するリッジとを備えており、前記上部クラッドは、前記リッジを埋設し、前記スラブ層の上に配置されており、前記細線コアの材料の屈折率は、前記スラブ層の材料の屈折率よりも大きく、前記スラブ層の材料の屈折率は、前記リッジの材料の屈折率よりも大きいか又は等しく、前記リッジの材料の屈折率は、前記下部クラッドの材料の屈折率と前記上部クラッドの材料の屈折率よりも大きく、前記下部クラッドの上面から前記リッジの上面までの距離が、導波路の長さ方向に亘って、前記細線コアの厚みの範囲内の変動を伴って、ほぼ一定であり、導波方向に沿ってモードフィールドを拡大する向きに、前記細線コアの断面積が徐々に減少する第１のテーパ部を含み、導波方向に沿ってモードフィールドを拡大する向きに、前記リッジの上部の幅が徐々に増加する第２のテーパ部を含む、ことを特徴とする光学変換素子を提供する。
【００３９】
前記リッジの、導波方向に垂直な断面形状が、四角形である構成としてもよい。
【００４０】
前記第１のテーパ部の、前記細線コアの断面積が小さい側に、前記第２のテーパ部が配置されている構成としてもよい。
【００４１】
前記第１のテーパ部と前記第２のテーパ部が一部重なって配置されている構成としてもよい。
【００４２】
前記リッジの導波方向に垂直な断面形状が凸形である構成としてもよい。
【００４３】
前記スラブ層の導波方向に垂直な断面形状が凸形であり、前記凸形の突起部の上面の幅が前記リッジの底面の幅と同じである構成としてもよい。
【００４４】
前記第２のテーパ部の範囲において、導波方向に沿ってモードフィールドを拡大する向きに、前記細線コアの断面積が徐々に減少する構成としてもよい。
【００４５】
前記スラブ層の材料の屈折率は、前記リッジの材料の屈折率よりも大きい構成としてもよい。
【００４６】
前記スラブ層の材料の屈折率は、前記リッジの材料の屈折率よりも０〜０．３％大きい構成としてもよい。
【００４７】
前記最内コアは半導体を材料とする構成としてもよい。
【００４８】
前記半導体がシリコンである構成としてもよい。
【００４９】
前記第１の外部コアはシリコン化合物またはポリマを材料とする構成としてもよい。
【００５０】
前記シリコン化合物は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化窒化ケイ素、燐−シリカガラス、ホウ素−燐−シリカガラス、又はゲルマニウム−シリカガラスである構成としてもよい。
【００５１】
構成材料の屈折率と幅の両方が、第１の外部コアの前記リッジと同じかほぼ同じであり、かつ断面が矩形かほぼ矩形である第２の細線コアに、前記第１の外部コアが、光ファイバとの接続端側で接続されている構成としてもよい。
【発明の効果】
【００５２】
本発明によれば、基板上の光回路と光ファイバとを、高効率で光結合することができるため、光回路を含む装置やシステムの性能が向上する。また、高い光結合効率が容易に得るため、接続作業が容易となり、作業性が大きく向上する。また、チップ化した導波路端の一つ一つに無反射コーティングを行う必要が無いため、生産性が飛躍的に向上する。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる光学変換素子の斜視図である。
【図２】図１に示した光学変換素子の上面図及び横断面図である。図２（ａ）は上面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の２Ａ−２Ａ線断面図、図２（ｃ）は図２（ａ）の２Ｂ−２Ｂ線断面図、図２（ｄ）は図２（ａ）の２Ｃ−２Ｃ線断面図である。
【図３】図１に示した光学変換素子の上面図及び縦断面図である。図３（ａ）は上面図、図２（ｂ）は図３（ａ）の２Ｄ−２Ｄ線断面図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）共に、本発明の第１の実施の形態に係る光学変換素子の変形された構造の断面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係わる光学変換素子の上面図及び横断面図である。図５（ａ）は上面図、図５（ｂ）は図５（ａ）の２３Ａ−２３Ａ線断面図、図５（ｃ）は図５（ａ）の２３Ｂ−２３Ｂ線断面図、図５（ｄ）は図５（ａ）の２３Ｃ−２３Ｃ線断面図である。
【図６】本発明の実施例１に係る光学変換素子に関して、図２に示した各断面における導波光のモードフィールの等高線図（破線）を光学変換素子の断面図（実線）と重ねた模式図である。図６（ａ１）は図２（ｂ）の断面におけるＴＥモードの導波光のモードフィールド、図６（ａ２）は図２（ｂ）の断面におけるＴＭモードの導波光のモードフィールド、図６（ｂ１）は図２（ｃ）の断面におけるＴＥモードの導波光のモードフィールド、図６（ｂ２）は図２（ｃ）の断面におけるＴＭモードの導波光のモードフィールド、図６（ｃ１）は図２（ｄ）の断面におけるＴＥモードの導波光のモードフィールド、図６（ｃ２）は図２（ｄ）の断面におけるＴＭモードの導波光のモードフィールドの等高線図と光学変換素子の断面図を重ねた模式図である。
【図７】本発明の実施例１に係る細線コアの小面積部の効果を説明するためのフィールドの等高線図（破線）を光学変換素子の断面図（実線）と重ねた複数の模式図の遷移図である。図７（ａ）は、細線コアの小面積部が無い場合、図７（ｂ）は細線コアの小面積部がある場合の遷移図である。
【図８】本発明の実施例１と実施例２に係る導波光のモードフィールの等高線図（破線）を、それぞれ光学変換素子の断面図（実線）と重ねた模式図である。図８（ａ１）は実施例１に係る図６（ｂ１）と同じである。図８（ａ２）は実施例１に係る図６（ｂ２）と同じである。図８（ｂ１）は、図８（ａ１）と同じ断面の位置における実施例２に係るＴＥモードの導波光のモードフィールド、図８（ｂ２）は、図８（ａ２）と同じ断面の位置における実施例２に係るＴＭモードの導波光のモードフィールドの等高線図と光学変換素子の断面図を重ねた模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００５４】
本発明に係る光学変換素子を実施するための形態及び実施例に基づき図面を参照して、以下説明する。
【００５５】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明に係る光学変換素子の第１の実施の形態の斜視図である。図１に示した光学変換素子１は、全体として導波路構造を有し、その導波光のモードフィールドの形状、大きさ及び有効屈折率を、光学変換素子１の両端の間で変換する。
【００５６】
光学変換素子１の導波路構造はコア部を有し、このコア部は、その機能のために少なくとも２重のコア（換言すると２重以上のコア）を有するが、この第１の実施の形態における光学変換素子１は、図１に示すように、最小の２重のコアの構造を有する構成で説明する。３重以上のコアの場合は、以下に説明する２重コアの外部に、第３のコア構造を付加すればよい。
【００５７】
２重コアの内、最内コアは細線コア３である。また、第１の外部コアはリッジコア６であって、スラブ２とリッジ５とから構成される（リッジ５とリッジコア６とが異なることに注意）。細線コア３は、スラブ層４の下部に埋め込まれている。図１において、紙面奥側がモードフィールドの小さい側、紙面手前側がモードフィールドの大きい側である。
【００５８】
最内コアの細線コア３は逆テーパ型のコアであって、モードフィールドの大きい側に向かって断面積が徐々に減少する。それに対して、第１の外部コアのリッジコア６は順テーパ型のコアであって、モードフィールドの大きい側に向かってリッジ５の断面積が徐々に増加する。
【００５９】
最内コアの逆テーパ構造と第１の外部コアの順テーパ構造は、共にモードフィールドの拡大に寄与するが、更に、導波光の有効屈折率に関してそれぞれ次のような作用がある。最内コアの逆テーパ構造によって、モードフィールドを最内コアの外に広げ、導波光の有効屈折率を最内コアの材料の屈折率に近い値から、第１の外部コアの材料の屈折率に近い値に近づける。
【００６０】
また、第１の外部コアの順テーパによって、モードフィールドを第１の外部コアの内側に内包し、導波光の有効屈折率を第１の外部コアの材料の屈折率に近づける。第１の外部コアの材料の屈折率と光ファイバのコアの材料の屈折率とを合わせておけば、光学変換素子と光ファイバとの接続界面では、両者の導波光の有効屈折率がほぼ同じとなり、有効屈折率の差による界面反射が抑制される。
【００６１】
図２は、図１に示した光学変換素子の上面図及び横断面図である。図２（ａ）は上面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の２Ａ−２Ａ線断面図、図２（ｃ）は図２（ａ）の２Ｂ−２Ｂ線断面図、図２（ｄ）は図２（ａ）の２Ｃ−２Ｃ線断面図である。図２（ａ）の光学変換素子１の紙面上側が光回路側、紙面下側が光ファイバ側である。図２を参照しながら、光学変換素子１の構造をより具体的に説明する。
【００６２】
光学変換素子１は、下部クラッド２と、最内コアであって、下部クラッド２の上に配置された細線コア３と、第１の外部コアの一部であって、細線コア３を埋設し、下部クラッド２の上に配置されるスラブ層４と、第１の外部コアの一部であって、スラブ層４の上に配置され、細線コア３の上方に位置するリッジ５と、リッジ５を埋設し、スラブ層４の上に配置された上部クラッド（図示せず）と、を備えている。
【００６３】
細線コア３の材料の屈折率はスラブ層４の屈折率よりも大きく、スラブ層４の屈折率はリッジ５の材料の屈折率よりも大きいかまたは等しく、リッジ５の材料の屈折率は下部クラッド２の材料の屈折率と上部クラッドの材料の屈折率よりも大きく、下部クラッド２の上面からリッジ５の上面までの距離が、導波路の長さ方向に亘って細線コア３の厚みの範囲内でほぼ一定である。
【００６４】
導波方向に沿ってモードフィールドを拡大する向きに細線コア３の断面積が徐々に減少する第１のテーパ部１ａを含み、導波方向に沿ってモードフィールドを拡大する向きにリッジ５の上部の幅が徐々に増加する第２のテーパ部１ｂを含む。
【００６５】
下部クラッド２は、単独で存在していてもよいが、シリコン基板や石英基板など、下部クラッド２とは材料の異なる任意の基板の上に形成されていてもよい。
【００６６】
細線コア３は、四角形、三角形、半円形など、断面形状に特に制限は無いが、最も単純には長方形である。細線コア３は、第１のテーパ部１ａの範囲において、光回路の導波路と同じコアであって最も断面積の大きい大断面積部３ａと、光回路側から光ファイバ側に向かって断面積が減少するテーパ部３ｂとを含む。
【００６７】
図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）では、細線コアのテーパ部３ｂは横幅のみが変化しているが、加工が可能であれば、横幅だけでなく厚みが変化してもよい。細線コア３の第２のテーパ部１ｂの範囲にある小断面積部３ｃは、テーパ部３ｂの光ファイバ側の端のよりも断面積が小さければよい。
【００６８】
ただし、断面積は完全に零にせず、図２（ｄ）に示すように、僅かに残す。これは、後で説明するように、小断面積部３ｃがあることによって、リッジコア６の内部に広がったモードフィールドが細線コアの小断面積部３に僅かに引き寄せられる効果が生まれ、この効果によって、モードフィールドの分布を補正できるからである。
【００６９】
図２（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、下部クラッド２とスラブ層４の厚みは一様であればよく、特に変化させる必要は無い。ただし、下層の構造物の形状を反映して、多少の凹凸があってもよい。
【００７０】
リッジ５の断面形状は最も単純には長方形であるが、他の形状でもよい。例えば、台形や三角形や半円なども可能である。その断面形状は下層の構造物の形状を反映して、多少の凹凸を有する場合もある。
【００７１】
リッジ５の第１のテーパ部１ａの範囲にある狭幅部５ａは、スラブ層４の厚みと同程度（本目明細書で「同程度」とは、「同じ又はほぼ同じ」を意味する。）の幅を有する。また、第１のテーパ部１ａの中間付近の断面（図２（ｂ））と、第１のテーパ部１ａと第２のテーパ部１ｂとの境界における断面（図２（ｃ））とにおいて、それぞれのリッジ５の幅のｗ１とｗ２とは同じであってもよい。
【００７２】
リッジ５の第２のテーパ部１ｂの範囲にあるテーパ部５ｂの幅ｗ３（図２（ｄ））は、光ファイバ側の端で接続する光ファイバのコア径（直径）と同程度の幅にできる。図２（ａ）に示すように、テーパ部５ｂは、幅が一定の部分を含んでもよい。
【００７３】
リッジコア６の高さｄを、スラブ層４とリッジ５の厚みの和と定義すると、光ファイバとの接続端において、高さｄは光ファイバのコア径（直径）と同程度である。ｗ３とｄとを調節することによって、光学変換素子１の端面でのモードフィールドと、光ファイバの端面でのモードフィールドとを一致させることができる。
【００７４】
図３は、図１に示した光学変換素子の上面図及び縦断面図である。図３（ａ）は上面図、図２（ｂ）は図３（ａ）の２Ｄ−２Ｄ線断面図である。
【００７５】
リッジコア６の高さｄは、図３（ｂ）に示すように、光学変換素子１の全体を通して、一定である。ただし、スラブ層４は細線コア３を埋め込み、また、リッジ５はスラブ層４の上に形成するので、特に平坦化を行わなければ、細線コア３の厚み程度の凹凸が生じ、その結果、同程度の高さの変化があることもある。
【００７６】
好ましくは、細線コア３の厚みに対して、リッジコアの高さｄを大きくする。こうすることによって、細線コア３の存在による高さｄの揺らぎが、光学変換素子１の動作に影響を与えることが抑制される。
【００７７】
細線コア３の材料は、上部クラッドを含む光学変換素子１の全構造の中で、最も屈折率が大きい。そのため、細線コア３をコアとして含む導波路構造が構成される。
【００７８】
また、スラブ層４とリッジ５とで構成されるリッジコア６は、細線コア３を除けば、リッジコア６の材料よりも屈折率の小さい下部クラッド２と上部クラッドとに挟まれている。そのため、リッジコア６をコア、その上下の構造体をクラッドとする導波路構造が構成される。
【００７９】
光学変換素子１では、この２重のコアを有する導波路構造の間でモードフィールドの受け渡しが行われるだけでなく、それぞれが単独でもモードフィールドサイズの変換（下記の作用の説明を参照）が行われる。また、２重のコアを有する導波路構造の一部が重なっていることによって、両者の相乗効果が生じ、単独の導波路として存在している場合に比べて、モードフィールドサイズの変換が滑らかに行われる。
【００８０】
（第１の実施の形態の作用）
第１の実施の形態の光学変換素子の動作は次の通りである。第１のテーパ部１ａにおいては、主に最内コアの逆テーパ構造の効果によって導波方向に沿って（換言すると導波方向に向かって）モードフィールドが広がる。ただし、この効果によって広がるモードフィールドの最大の大きさは、コアサイズの小さい第１の外部コアによって制限される。
【００８１】
この仕組みによって、モードフィールドの断面積が、過度に急激に拡大することを避ける効果がある。そのため、モードフィールドの断熱変化が十分に生じ、透過損失が減少する。第1の外部コア内にモードフィールドが十分に拡大した後は、第２のテーパ部１ｂによって、モードフィールドが必要なサイズにまで更に拡大される。
【００８２】
尚、ここで言う「断熱変化」という用語は、次の意味で用いている。狭義には、「断熱変化」とは、断熱過程（Adiabatic process）に基づく変化のことであり、「断熱過程」とは、外部との熱エネルギーのやりとりが無い熱力学過程のことである。しかし、広義には、「熱エネルギー」をより一般的な「エネルギー」という用語に置き換えた場合の意味で、「断熱過程」あるいは「断熱変化」という用語を用いることがある。
【００８３】
本発明において、光がテーパ構造に沿って伝搬するときにモードフィールドが断熱変化するという場合、その変化は、その光のエネルギーを運搬している導波モードが、それ以外の全モード（導波モードと放射モードから成る全て）や吸収／増幅過程との間でエネルギーのやりとりが無い過程に基づく変化であることを意味している。言い換えれば、モードフィールドの断熱変化とは、そのモードフィールドが有する光エネルギーが増減すること無く、モードサイズや形状が変化することである。
【００８４】
このように、モードフィールドが断熱変化することを保障することは、本発明において低損失を実現するために重要である。それは、本発明において、第１の外部コアに沿って伝搬する光は、必ずしも単一のモードとは限らないことに関係している。具体的には次のような関係がある。第１の外部コアをコアとする導波路は、単一モード導波路とは限らず、複数の導波モードを有してもよいが、その場合でも、光ファイバとの接続端面で光ファイバに最も近いモードフィールドを有し、それによって、高効率光結合に貢献するのは、基本導波モードに限られる。（この基本モードは、単一モード導波路であっても多モード導波路であっても必ず有している。）
【００８５】
すなわち、本発明の光学変換素子では、第１の外部コアをコアとする導波路が多モード導波路である場合であっても、その基本モードのみを介してモードフィールドの拡大、或いは逆に縮小を行うことを基本動作としている。基本モードではない導波モード、すなわち、放射モードや高次の導波モードに光エネルギーが分岐してしまうと、その分岐した光エネルギーは、最終的に放射損失を生じたり、または、基本モードを経由した光エネルギーに重畳して、透過スペクトルを振動させたりする原因となる。そのため、一旦、基本導波モードに結合した光がテーパ構造を通過する過程で、放射モードや高次の導波路モードとエネルギーをやりとりしないよう、基本導波モードの断熱変化を保障する必要があるのである。
【００８６】
テーパ構造を通過する基本導波モードの光のモードフィールドが断熱変化するためには、そのテーパ構造内で光が１波長分進んだ時に、モードフィールドサイズの変化が波長に比べて無視できるほど小さく無ければならない（大体、１／１００程度以下）。そのためには、テーパ構造をできるだけ緩やかに変化させることが基本となるが、無制限に緩やかにすると、テーパ構造が長くなり過ぎ、かえって透過損失が増加する。そのため、本発明のように、ある程度テーパを短くした場合でも、モードフィールドの急激な変化を抑制できるような構造が有効なのである。
【００８７】
本発明の特徴の１つとして、第1の外部コアをリッジ型とし、最内コアの逆テーパ部では、リッジの幅を小さくしてある。リッジの幅が十分に小さいと、リッジ上部にモードフィールドがほとんど分布せず、リッジ下部の最内コアの近傍に分布するという効果が生まれる。最内コアから第１の外部コアへとモードフィールドが広がる際、この効果によって、モードフィールドの急激な拡大の危険性が更に減少する。
【００８８】
すなわち、第１の外部コアをリッジ型とすることによって、矩形断面のコアなど、他の断面構造の外部コアを用いた場合よりも、導波方向に沿ったコア幅の増加／減少の速度の制御がより大きな許容誤差で行えるようになる。その結果、光学変換素子として十分な性能を発揮するためのテーパの作製が容易になるという効果がある。
【００８９】
第１のテーパ部と前記第２のテーパ部とが一部重なって配置されていてもよい。すなわち、第１の実施の形態の場合では、細線コアのテーパ部とリッジのテーパ部とが、導波方向に一部重なって配置されていてもよい。
【００９０】
（第１の実施の形態の変形例）
第１の実施の形態から多少変形された構造でも、動作に大きな変化は無い。そのことを、図４を参照しながら説明する。図４（ａ）、（ｂ）は共に、本発明に係る光学変換素子の第１の実施の形態の変形された構造（変形例の構造）の断面図である。
【００９１】
図４（ａ）は、変形例として、第２のテーパ部１ｂ（図２参照）におけるリッジ５のテーパ部５１ｂの断面を示す。この図４（ａ）に示す変形例のように、リッジ５の断面は四角形ではなく、底部の両側に薄膜を有し、単独で凸型の断面構造をしていてもよい。上記のとおり図４（ａ）は、第２のテーパ部１ｂにおけるリッジ５のテーパ部５１ｂの断面を示しているが、第１のテーパ部１ａ（図２参照）のリッジ５の狭幅部５ａについても、同じく、凸型の断面構造をしていてもよい。
【００９２】
また、図４（ｂ）は、別の変形例として、第２のテーパ部１ｂ（図２参照）におけるリッジ５のテーパ部５２ｂの断面を示す。この図４（ｂ）に示す別の変形例のように、スラブ層４２の表面は平坦ではなく、導波方向に垂直な断面形状が凸形であり、その凸形の突起部の上面の幅がリッジのテーパ部５２ｂの底面の幅と同じであってもよい。上記のとおり図４（ｂ）は第２のテーパ部１ｂにおけるリッジ５のテーパ部５２ｂの断面を示しているが、第１のテーパ部１ａ（図２参照）のリッジ５の狭幅部５ａについても、同じく、凸型の断面構造をしていてもよい。
【００９３】
図４（ａ）、（ｂ）に示されたリッジの断面構造は、意図的に作製されることもあるが、図２（ｄ）に示した形状にリッジを加工する過程で、基板面内のばらつきが原因で現れる可能性のある構造でもある。何れにせよ、図４（ａ）、（ｂ）に示されたリッジの断面構造の場合でも、図２（ｄ）に示された断面構造の場合と同様に、光学変換素子が動作する。
【００９４】
［第２の実施の形態］
次に、本発明に係る光学変換素子の第２の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００９５】
図５は、本発明に係る光学変換素子の第２の実施の形態の上面図及び横断面図である。図５（ａ）は上面図、図５（ｂ）は図５（ａ）の２３Ａ−２３Ａ線断面図、図５（ｃ）は図５（ａ）の２３Ｂ−２３Ｂ線断面図、図５（ｄ）は図５（ａ）の２３Ｃ−２３Ｃ線断面図である。
【００９６】
第２の実施の形態の光学変換素子１３は、第１の外部コアの構造は、第１の実施の形態のそれとほぼ同じであるが、内部コアの構造が異なる。図５（ａ）に示すように、第２のテーパ部１３ｂの範囲において、導波方向に沿ってモードフィールドを拡大する向きに、細線コア３３の小断面積部３３ｃの断面積が徐々に減少する。すなわち、第１のテーパ部１３ａだけでなく、第２のテーパ部１３ｂにおいても、細線コア３３は逆テーパ構造（逆テーパ型）を有する。
【００９７】
第１の実施の形態の説明で述べた通り、第２テーパ部１３ｂに細線コア３３の小断面積部を残すことによって、第１の外部コア内に広がったモードフィールドの分布の補正が可能である。しかし、第２のテーパ部１３ｂが過度に長いと、その長さを通して、細線コア３３の小断面積部の断面積を一定に保つのが困難な場合がある。その場合、モードフィールドの分布が影響を受け、光学変換素子の光結合効率がばらつくことがある。
【００９８】
第２の実施の形態は、このような問題が発生する場合に有効である。すなわち、細線コア３３を第２のテーパ部１３ｂにおいて順テーパ構造とし、その断面積を最終的に零にすることによって、光学変換素子の光結合効率を安定させる効果がある。
【００９９】
図５（ａ）に示すように、細線コア３３の小断面積部の端は、第２のテーパ部１３ｂの途中で終了していてもよい。また、図５（ｂ）に示すように、第２テーパ部の細線コア１３ｂは厚み方向のテーパを含んでいてもよい。更に、細線コア３３の第２のテーパ部１３ｂは、第１テーパ部１３ａから連続して厚み方向のテーパを含んでいてもよい。
【実施例１】
【０１００】
次に本発明を実施例１に基づいて更に詳細に説明する。本発明の光学変換素子の具体的な構造について、モードフィールドがどのように変化するのかを計算で調べた。モードフィールドの計算は、有限要素法で行った。
【０１０１】
実施例１として、ＳＯＩ基板上の光回路に、実施の形態１に示す光学変換素子１を作り込んだ場合の構造について解析した。構造パラメータは、下部クラッド２の材料の屈折率を１．４５２、厚みを３．００μｍとし、細線コア３の材料の屈折率を３．４８０とし、スラブ層４の材料の屈折率を１．４９６、厚みを２．００μｍとし、リッジ５の材料の屈折率を１．４９６、厚みを９．５μｍとし、上部クラッドの材料の屈折率を１．４５２、厚みを３μｍとした。
【０１０２】
これらの屈折率は、下部クラッド２として、ＢＯＸ層のシリコン熱酸化膜を使い、細線コア３としてＳＯＩ層のシリコンを使い、スラブ層４とリッジ５と上部クラッドとして、屈折率調整の可能な、ゲルマニウム−シリカガラス（ＧｅＳＧ）を使ったときの値である。
【０１０３】
更に、光回路から続く細線コア３の大面積部３ａの幅を４００ｎｍ、厚みを２００ｎｍとし、光ファイバ側の小断面積部３ｃの幅を１５０ｎｍ、厚みを１００ｎｍとした。また、リッジ５ａの幅を２．０μｍとし、リッジのテーパ部５ｂの最も断面積の大きい部分の幅を１２μｍとした。
【０１０４】
図６は、本発明の実施例１に係る光学変換素子１に関して、図２に示した各断面における導波光のモードフィールの等高線図（破線）を光学変換素子の断面図（実線）と重ねた模式図である。
【０１０５】
図６（ａ１）は図２（ｂ）の断面におけるＴＥモードの導波光のモードフィールド、図６（ａ２）は図２（ｂ）の断面におけるＴＭモードの導波光のモードフィールド、図６（ｂ１）は図２（ｃ）の断面におけるＴＥモードの導波光のモードフィールド、図６（ｂ２）は図２（ｃ）の断面におけるＴＭモードの導波光のモードフィールド、図６（ｃ１）は図２（ｄ）の断面におけるＴＥモードの導波光のモードフィールド、図６（ｃ２）は図２（ｄ）の断面におけるＴＭモードの導波光のモードフィールドの等高線図と光学変換素子１の断面図を重ねた模式図である。
【０１０６】
ただし、本明細書において、ＴＥモードの導波光とは、主要な電界成分が基板に平行である導波光を指し、ＴＭモードの導波光とは、主要な電界成分が基板に垂直である導波光を指す。ここでは、図６だけでなく、図１〜３も参照して説明する。
【０１０７】
それぞれ、図６（ａ１）と（ａ２）に示すように、ＴＥモードのモードフィールド１００と、ＴＭモードのモードフィールド１０１は共に、ほとんどが細線コア３の中に留まっていた。
【０１０８】
それが、細線コア３の断面が十分に小さくなる、第１のテーパ部１ａと第２のテーパ部１ｂの境界では、図６（ｂ１）と（ｂ２）に示すように、ＴＥモードのモードフィールド１０２とＴＭモードのモードフィールド１０３は共に、リッジ５のリッジコア（図６（ｂ１）、（ｂ２）では、リッジの狭幅部とテーパ部の境界５ａ／５ｂで示す）の内部に局所的に広がった。
【０１０９】
特に注目すべきは、モードフィールドが、リッジの狭幅部とテーパ部の境界５ａ／５ｂでは、リッジ５とスラブ層４との接続部の近傍に集中し、リッジ５の上部にはほとんど分布しなかったことである。この理由は等価屈折率法（equivalent index method）の考え方に基づいて、次のように説明される。リッジの狭幅部とテーパ部の境界５ａ／５ｂにおいて、リッジ５の幅が小さくなると、リッジ５の上部では、リッジ５の周囲の上部クラッドにフィールドの多くしみ出して分布するようになる。
【０１１０】
尚、等価屈折率法とは、コアがスラブ（板）であるスラブ導波路において、スラブの厚みや屈折率が場所によって変化する場合に、スラブの或る特定の位置で透過光が感じる局所的な屈折率として、クラッドを含むその位置の厚み方向の屈折率分布と同じ屈折率分布が横に無限に広がっていると仮定して求めた有効屈折率を適用する方法である。この方法を用いれば、スラブ導波路の屈折率分布や厚み分布が場所によって変化している場合に、等価屈折率が２次元的に分布した２次元モデルとして、問題を簡略化して取り扱うことができる。
【０１１１】
その結果、リッジの狭幅部とテーパ部の境界５ａ／５ｂでは、リッジ５の上部のフィールドが感じる局所的な材料の平均的な屈折率は、上部クラッドの材料の屈折率に近づく。その局所的平均的屈折率が、リッジ５とスラブ層４との接続部の近傍のフィールドが感じる局所的な材料の平均的な屈折率に比べて小さかったために、モードフィールドは、屈折率の大きい側の接続部の近傍に集中した。この仕組みは、スラブ層４に分布するフィールドが、リッジ５の近傍に集中する仕組みと同じである。
【０１１２】
第２テーパ１ｂの光ファイバ側（図２参照）では、図６（ｃ１）と（ｃ２）に示すように、ＴＥモードのモードフィールド１０２とＴＭモードのモードフィールド１０３は、リッジのテーパ部５ｂの内部に十分に広がった。
【０１１３】
この理由は、前述のリッジの狭幅部５ａの場合と逆である。すなわち、リッジ５の幅が十分に広いことによって（リッジのテーパ部５ｂでは）、上部クラッドへのフィールドのしみ出しが小さくなり、リッジのテーパ部５ｂ内でフィールドが感じる局所的な材料の平均的な屈折率が、リッジ５の材料の屈折率に近づく。
【０１１４】
その局所的平均的な屈折率が、リッジ５とスラブ層４との接続部の近傍のフィールドが感じる局所的な材料の平均的な屈折率よりも大きかったために、モードフィールドは、局所的平均的な屈折率の大きいリッジのテーパ部５ｂを中心として分布した。
【０１１５】
次に、第２のテーパ部１ｂの範囲に残した細線コア３の小面積部によるモードフィールドの補正効果を調べた。図７は、本発明の実施例１に係る細線コア３の小面積部の効果を説明するためのフィールドの等高線図（破線）を光学変換素子の断面図（実線）と重ねた複数の模式図の遷移図である。
【０１１６】
図７（ａ）は細線コア３の小面積部を取り除いた場合、図７（ｂ）は細線コア３の小面積部がある場合の遷移図である。図７（ａ）、（ｂ）では共に、リッジ５の幅ｄを変えながら計算したモードフィールドの右半分の等高線（破線）を順に並べてあり、各モードフィールドの同じ強度比の位置を点線で結んだ。各モードフィールドは、最大強度で規格化されている。
【０１１７】
図７（ａ）と（ｂ）を比較すると、細線コア３の小面積部を取り除いた場合よりも、細線コア３の小面積部が残っている場合の方が、リッジ５の幅ｄの増大に応じたモードフィールドの拡大の速度が小さいことが確認できた。その結果から、細線コア３の小面積部を残すことによって、リッジの幅ｄに対するモードフィールドの変化をより滑らかする効果があることを確認した。
【０１１８】
有限差分時間領域計算法によって、本実施例１の光学変換素子の透過率を計算した。光学変換素子の断面構造のパラメータはモードフィールドの計算に用いたパラメータと同じである。長さについては、第１のテーパ部を０．４ｍｍ、第２のテーパ部を１．２ｍｍとした。
【０１１９】
計算の結果、波長１．５５μｍにおける透過損失は、ＴＥモードとＴＭモードで共に、０．３ｄＢであった。光学変換素子１が短すぎると、長さ方向に沿って導波モードが断熱的に変化しないが、長さが１ｍｍ以上であれば、０．３ｄＢ以下の透過損失を得ることができた。
【０１２０】
また、光学変換素子１を光ファイバと突き合わせ接続した場合の、接続界面における光学損失を調べた。この損失は、モードフィールドの形状や大きさの違いに起因する損失と、有効屈折率の違いに起因する反射失損とから成る。有限差分時間領域計算法によって、光学変換素子とモード径が１０μｍの光ファイバとの突き合わせ接続による光結合損失を計算すると、ＴＥモードとＴＭモードで共に、０．１ｄＢであった。
【０１２１】
この内、反射損失が占める値を見積った。伝搬光の有効屈折率がｎ１となる媒質とｎ２となる媒質の界面における反射率は、伝搬光が平面波である場合、｜（ｎ１−ｎ２）／（ｎ１＋ｎ２）｜の２乗で求められる。導波光のモードフィールドが平面波に近ければ、接続界面での反射も、同じ式で概算することができるので、それを行った。
【０１２２】
導波光の有効屈折率を有限要法で計算すると、光回路からの導波路では、ＴＥモードとＴＭモードの導波光の有効屈折率はそれぞれ、２．２２３と１．７０９であり、また、第１の実施の形態による光学変換素子の光ファイバ側の端面では、ＴＥモードとＴＭモード共に、１．４９１であった。光ファイバの導波光の有効屈折率は１．４５４であるから、光回路の導波路と光ファイバを直接接合した場合、界面での反射による損失は、ＴＥモードで４．４％（−１４ｄＢ）、ＴＭモードで０．５％（−２３ｄＢ）であると計算された。
【０１２３】
一方、実施例１の光学変換素子１を光回路の導波路端に作り込んだ場合は、ＴＥモードとＴＭモードで共に０．０１６％（−３８ｄＢ）であった。実用的には、反射の大きさが−３０ｄＢ以下であることが望ましいが、実施例１による光学変換素子がその条件を十分に満たしていることを確認した。
【０１２４】
結局、コア径が１０μｍの光ファイバと光結合する場合の光学変換素子の全損失は、透過損失の０．３ｄＢと界面損失の０．１ｄＢを足して０．４ｄＢとなった。この損失の大きさは、シリコンの導波路と光ファイバとの結合損失としては、十分に小さな値であった。
【０１２５】
実施例１では、スラブ層４の材料の屈折率とリッジ５のそれとを同じにした。このようにすることによって、スラブ層４とリッジ５の形成工程が簡略になる効果がある。すなわち、スラブ層４とリッジ５に共通の材料を一度に成膜し、リッジ５のパターンのレジストマスクを形成後、リッジ５の厚みの分だけエッチングすればよい。
【０１２６】
それに対して、次の実施例２では、スラブ層４とリッジ５の材料の屈折率が異なる。スラブ層４とリッジ５の材料の屈折率が異なると、スラブ層４とリッジ５の材料を別々に堆積しなければならない。しかし、別の効果として、エッチング加工の難度を低減することができる。
【実施例２】
【０１２７】
実施例２の光学変換素子の断面構造は、実施例１のそれとほぼ同じである。異なる箇所は、スラブ層４の材料の屈折率は１．４９６のままであるが、リッジ５の材料の屈折率が１．４９３と、スラブ層のそれに比べて０．２％小さいことである。
【０１２８】
こうすることによって、リッジコア６に分布するモードフィールドが僅かにスラブ層４に偏って分布する。その結果、リッジの狭幅部５ａとテーパ部５ｂの境界５ａ／５ｂの幅が実施例１の場合より大きくても、モードフィールドを、リッジの狭幅部とテーパ部の境界５ａ／５ｂと、スラブ層４との接続部の近傍に集中させることができる、という効果がある。
【０１２９】
この効果について、図８を参照しながら更に説明する。図８（ａ１）、（ａ２）は、本発明の実施例１について、導波光のモードフィールの等高線図（破線）を光学変換素子の断面図（実線）と重ねた模式図であり、図８（ｂ１）、（ｂ２）は、本発明の実施例２について、導波光のモードフィールの等高線図（破線）を光学変換素子の断面図（実線）と重ねた模式図である。
【０１３０】
図８（ａ１）は実施例１に係る図６（ｂ１）と同じである。図８（ａ２）は実施例１に係る図６（ｂ２）と同じである。図８（ｂ１）は、図８（ａ１）と同じ断面の位置における実施例２に係るＴＥモードの導波光のモードフィールド、図８（ｂ２）は、図８（ａ２）と同じ断面の位置における実施例２に係るＴＭモードの導波光のモードフィールドの等高線図と光学変換素子の断面図を重ねた模式図である。
【０１３１】
実施例１に係る図８（ａ１）、（ａ２）では、リッジの狭幅部とテーパ部の境界５ａ／５ｂの幅ｗ２ａは２．５μｍであったのに対して、実施例２に係る図８（ｂ１）、（ｂ２）では、リッジの狭幅部とテーパ部の境界５ａ／５ｂの幅ｗ２ｂは２．０μｍであり、ｗ２ａに対してｗ２ｂは０．５μｍ大きい。
【０１３２】
それにも拘わらず、リッジの幅が２．５μｍのときのモードフィー１０２（ＴＥモード）とモードフィールド１０３（ＴＭモード）は、リッジ幅が２．０μｍのときのモードフィールド１１２（ＴＥモード）とモードフィールド１１３（ＴＭモード）とそれぞれ、ほとんど同じ分布を保っている。このように、スラブ層４に対してリッジ５の材料の屈折率を僅かに小さくすることによって、リッジ５の最小幅を大きくすることができた。
【０１３３】
ｗ２ａに対してｗ２ｂは０．５μｍ大きいだけであったが、リッジ５の加工のためには、その効果は大きい。実施例１と実施例２では、リッジの厚みが共に９．５μｍと大きいため、そのエッチングのために用いるフォトレジストパターンも、できるだけ厚膜のものが望まれる。幅が２．０μｍの場合よりも２．５μｍの場合の方が、レジストパターンの倒壊の危険性が少ないため、１．２５倍だけ厚いフォトレジストを用いることができる、という効果がある。
【０１３４】
スラブ層４の材料の屈折率に対するリッジ５のそれが小さければ小さいほど、スラブ層４がモードフィールドを引き寄せる効果が強い。しかし、スラブ層４とリッジの材料の屈折率差が大きくなり過ぎると、モードフィールドのスラブ層４への偏りが大きくなり過ぎ、光ファイバのモードフィールドと大きく乖離してしまう。
【０１３５】
そこで、適切な大きさの屈折率差を調べた。屈折率差を変えて光結合効率を計算した結果、リッジの材料の屈折率が、スラブ層のそれに対して０〜０．３％の範囲で小さければ、光結合効率を悪化させずに、リッジの最狭部の幅を拡大できることを見出した。
【０１３６】
以上、本発明に係る光学変換素子を実施するための形態及び実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施するための形態及び実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的事項の範囲内でいろいろな実施するための形態及び実施例があることは言うまでもない。
【０１３７】
例えば、最内コアの材料はシリコンに限らず、高屈折率であれば他の材料でもよい。シリコン以外の半導体材料であれば、例えば、ゲルマニウムや化合部半導体を用いてもよい。
【０１３８】
第１の外部コアの材料にも制限は無い。例えば、シリコン化合物やポリマを用いてもよい。第１の外部コアの材料がシリコン化合物であれば、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化窒化ケイ素、燐−シリカガラス、あるいはホウ素−燐−シリカガラスの何れかであってもよい。
【０１３９】
また、最内コアが細線コアの場合を主に説明したが、細線コアが光回路内に向かって、更にリッジのコアや他の形状のコアに接続されていてもよい。
【０１４０】
また、本発明の光学変換素子の使用目的は、光回路からの導波路と光ファイバとの光結合のためだけに限定されない。例えば、光ファイバ以外の導波路や、他の光回路に取り付けられた光学変換素子との光結合に用いてもよい。
【０１４１】
また、本発明の光学変換素子は、導波路でも光学変換素子でない光学素子との光結合のために用いてもよい。例えば、偏光子との光結合に用いてもよい。その場合、本発明による光学変換素子を一定の間隔を開けて対向させ、それらの間に偏光子等の光学素子を挿入してもよい。
【０１４２】
このような、光学素子を本発明の光学変換素子で挟む構成は、回路の端やチップ端だけでなく、光回路内に挿入してもよい。すなわち、本発明の光学変換素子は、入出力端に取り付けるだけでなく、光回路の内部に挿入してもよい。
【０１４３】
また、第１の外部コアは、光ファイバとの接続端側で、略同じ屈折率の材料で構成される、スラブの無い細線型のコアに更に接続されていてもよい。すなわち、構成材料の屈折率と幅の両方が、第1の外部コアの前記リッジと同じかほぼ同じであり、かつ断面が矩形かほぼ矩形である第２の細線コアに、第１の外部コアが、光ファイバとの接続端側で、接続されていてもよい。このような構造にすることによって、本発明の光学変換素子の光ファイバとの接続部において、光学変換素子のモードフィールドの形状を光ファイバのそれに更に近づけることができ、結合損失が一層低減できる。
【０１４４】
その場合、テーパ構造を有し、その構造の中でスラブ層が一定の距離の間に徐々に薄くなって無くなるのが最良であるが、急激にスラブが無くなってもよい。何故なら、第１の外部コアの全体構造に対してスラブの厚みが小さいため、接続部でスラブが突然無くなっても、モードフィールドの形状に大きな影響を与えない場合もあるからである。尚、テーパ構造の中で、スラブ層の幅が一定の距離の間に徐々に狭くなって、リッジと同じかほぼ同じ幅になっても同じ効果が得られる。
【０１４５】
また、第１の外部コアは更に第２以上の外部コアに埋設されていてもよい。このように、第２以上の外部コアを用いることによって、モードフィールドのサイズを更に拡大してもよい。
【０１４６】
尚、本発明による光学変換素子は相反動作をする。すなわち、逆方向にも動作する。従って、光回路の導波路からの光を拡大するだけでなく、逆に、光ファイバなどの外部からの光を縮小して光回路に入射できることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１４７】
本発明に係る光学変換素子は、上記のような構成であるから、特に、シリコンなどの高屈折率媒質をコアとする細線導波路と、光通信用のシングルモード光ファイバとの間の高効率な光結合を実現するための光学変換素子として適用可能である。
【符号の説明】
【０１４８】
１、１３ 光学変換素子
１ａ、１３ａ 第１のテーパ部
１ｂ、１３ｂ 第２のテーパ部
２、２３ 下部クラッド
３、３３ 細線コア
３ａ、３３ａ 細線コアの大断面積部
３ｂ、３３ｂ 細線コアのテーパ部
３ｃ、３１ｃ、３２ｃ、３３ｃ 細線コアの小断面積部
３ａ／３ｂ 細線コアの大断面積部とテーパ部との境界
３ｂ／３ｃ 細線コアのテーパ部と小断面積部との境界
４、４１、４２、４３ スラブ層
５、５３ リッジ
５ａ、５３ａ リッジの狭幅部
５ｂ、５１ｂ、５２ｂ、５３ｂ リッジのテーパ部
５ａ／５ｂ リッジの狭幅部とテーパ部の境界
６ リッジコア
１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１１２、１１３ モードフィールドの等高線図
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学変換素子に関し、特に、シリコンなどの高屈折率媒質をコアとする細線導波路と、光通信用のシングルモード光ファイバとの間の高効率な光結合を実現するための光学変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコンなどの高屈折率媒質をコアとする光導波路は、急激に曲げても光損失が発生しにくく、光回路の集積化に適している。注目されている光導波路の一つは、Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ＳＯＩ）基板を用いた、光導波路である。
【０００３】
ＳＯＩ基板は、シリコンのベース基板と、その上の埋め込み酸化膜（Ｂｕｒｉｅｄ Ｏｘｉｄｅ，ＢＯＸ）層と、そのＢＯＸ層上のシリコン層（ＳＯＩ層）とから成る。ＳＯＩ基板を用いれば、ＳＯＩ層を加工して、高屈折率のコアを形成し、ＢＯＸ層を低屈折率の下部クラッドとして使用できるため、シリコンの細線導波路（チャネル導波路）やリッジ導波路（リブ導波路）の作製が容易である。必要に応じて、上部クラッドとなる酸化膜が堆積される。
【０００４】
光回路用のシリコン細線導波路のコアは、一般的には、断面が長方形、或いは正方形であり、シングルモードとする場合には、例えば、幅４００ｎｍ程度、高さ２００ｎｍ程度のものが多く用いられる。また、シリコンリッジ導波路のコアは、シリコン細線導波路の両側に、厚さ５０〜１００ｎｍのスラブ（板状の構造）を付加した構造のものが多く用いられる。
【０００５】
このように、光回路用のシリコンの細線導波路やリッジ導波路はコアが微細であるため、それらを伝搬する光のモードフィールドも、幅や高さが１μｍ程度以下と、微細である。
微細なコアサイズやモードフィールドサイズは、光回路の集積化には有利であるが、外部光学系との光結合を行う場合には問題となる。
【０００６】
光信号を伝送する一般的なシングルモード光ファイバは、コアの直径が約８μｍであり、波長１．５５μｍでのモードフィールドサイズは、直径が約１０μｍと、細線導波路のそれよりも大きい。
【０００７】
光回路の入出力端である導波路の端面に、光ファイバの切断端面を突き合わせて接続することが安価な光結合の方法であるが、この突き合わせ接続で高い光結合効率を得るためには、スポットサイズを変換する光学変換素子を光回路の入出力端に作り込む必要がある。
【０００８】
尚、モードフィールドサイズとは、導波路の固有モードのフィールド（通常は電界）のサイズのことであり、本明細書では、特に指定しなければ、基本モードのフィールドサイズのことを指す。また、スポットサイズとは、導波路から出射された直後の光のフィールドサイズのことであり、導波路がマルチモードであれば、複数の固有モードの光が混合されていることもある。
【０００９】
但し、本明細書では、モードフィールドと言うとき、上述のように基本モードのみを想定しているため、モードフィールドサイズとスポットサイズとは同じ意味で用いる。
【００１０】
非特許文献１には、第１の従来技術によるスポットサイズ変換器（光学変換素子）が開示されている。シリコン細線による第１コアと、その第１コアよりも断面積が大きく、第１コアを覆うように配置された第２コアとの２重コア構造になっている。また、第１コアは光ファイバと接続する側に向かって徐々に幅が小さくなるテーパ構造を有する。
【００１１】
第１の従来技術によるスポットサイズ変換器の動作は次の通りである。細線導波路の側から第１コアに入射した光は、幅の広い部分では、モードフィールの大部分が第１コア内に分布している。導波光が前進し、導波路の幅が半波長よりも十分に小さくなると、モードフィールドは第１コアの外に溢れて広がり、第２コア内に充満するようになる。最終的に、モードフィールドの大きさは第２コアの大きさにまで拡大し、光ファイバとの光結合が容易になる。
【００１２】
このように、コアサイズを半波長以下のサイズに徐々に狭めることでモードフィールドを拡大するスポットサイズ変換の構造は、コアのサイズの拡大する向きとモードフィールドのサイズの拡大する向きが逆であるため、逆テーパ型と呼ばれる。
【００１３】
２つの導波路の光結合効率を高くするためには、導波光のモードフィールドの大きさや形状を一致させることが必要であるが、同時に、導波光の有効屈折率を一致させることも必要である。有効屈折率は導波光の電界と磁界の強度比に関係し、導波路の構造に依存してコアの材料の屈折率とクラッドの材料の屈折率との間の値をとる。
【００１４】
モードフィールドは通常、電界の分布のことを指すが、磁界の分布も同時に一致させなければ、高い光結合効率を得ることはできない。モードフィールドと共に有効屈折率を一致させることは、導波光の電界の分布と磁界の分布を同時に一致させることと等価である。有効屈折率が一致していない場合は、接続した２つの導波路の界面で光の反射が起こり、光結合効率が低下する。
【００１５】
第１の従来技術によるスポットサイズ変換器は、第１コアの材料と第２コアの材料の屈折率を大きく変えることができる。第１コアの材料が高屈折率の材料であっても、コアの断面積が小さくなれば、導波光の有効屈折率は第２コアの材料の屈折率に近づく。第２コアの断面積は大きいため、第２コアの材料の屈折率を光ファイバの材料の屈折率と同程度にすれば、第２コアの導波光の有効屈折率を光ファイバの導波光の有効屈折率に近づけることができる。
【００１６】
テーパ構造のスポットサイズ変換器は、モードフィールドを断熱的に変化させることによって、高い変換効率を実現する。第１の従来技術によるスポットサイズ変換器の課題は、第１コアと第２コアのサイズの差が大きくなるにつれて、モードフィールドの断熱的変化が困難になることである。理論上は、第１コアのサイズを零に近づければ、モードフィールドのサイズを無限大にまで広げることは可能である。
【００１７】
しかし、実際には、第１コアの外に広がったモードフィールドの割合が大きくなるにつれて、第１コアのサイズの変化に対するモードフィールドサイズの変化の割合が増し、モードフィールドサイズの緩やかな変化が難しくなる。
【００１８】
それでもモードフィールドサイズの変化を緩やかにしようとすれば、第１コアの逆テーパの幅の変化を益々緩やかにしなければならないが、リソグラフィの解像精度や、エッチングによる表面荒れのといった、加工精度の限界を超えることはできない。結果として、断熱的に変化できるモードフィールドの大きさが限られる。
【００１９】
このような理由により、第１の従来技術に開示されたスポットサイズ変換器では、シリコン細線導波路と突き合わせ接続で光結合できた光ファイバのモード径（直径）が、４．３μｍに留まっている。光通信で一般に使用されるシングルモード光ファイバのモード径（直径）は約１０μｍであるため、第１の従来技術に開示されたスポットサイズ変換器が使用できない。
【００２０】
シリコン導波路のスポットサイズを拡大できる光学変換素子の構造は、他にも提案されている。それらは、第１の従来技術に開示されたスポットサイズ変換器とは異なる仕組みで動作する。
【００２１】
特許文献１には、第２の従来技術が開示されている。この第２の従来技術によるスポットサイズ変換器は、第１コアである細線コアの材料とほぼ同じ屈折率の材料を、光ファイバ側の端面に向かって徐々に厚くなるように、細線コアの上に被服した構造を有する。被覆された材料と第１コアとの全体が第２コアを構成する。被覆材料と第１コアの材料とがほぼ同じなので、第１コアの断面積を単純に拡大した構造と言うこともできる。
【００２２】
第２の従来技術によるスポットサイズ変換器では、導波路のコアの断面サイズが導波光の半波長よりも大きいので、コアの断面の拡大に伴って、導波光のモードフィールドも拡大する。コアの断面サイズの変化とモードフィールドサイズの変化が同じであることから、これは順テーパ型のスポットサイズ変換器である。
【００２３】
順テーパ型のスポットサイズ変換器は、モードフィールドサイズが拡大によって大きくなればなるほど、モードフィールドとコアのサイズが近くなる。結果として、モードフィールドサイズの変化はコアサイズの変化と同程度となり、モードフィールドサイズを緩やかに変化させるためのコアの断面サイズの制御が容易である。
【００２４】
そのため、変換の前後におけるコアの断面サイズの差が大きくても、第１の従来技術のような製造上の限界は発生しない。従って、モード径（直径）が１０μｍの一般的な光ファイバとも、モードフィールドサイズを合わせることができる。
【００２５】
第２の従来技術によるスポットサイズ変換器は緩やかな縦テーパを含むが、このような縦テーパの形成技術が利用できない場合がある。そこで、縦テーパの形成を行わずに、横方向のテーパの作製だけで、厚み方向のモードフィールドサイズの拡大／縮小を行える構造が提案されている。
【００２６】
非特許文献２に第３の従来技術が開示されている。第３の従来技術によるスポットサイズ変換器も、第２の従来技術によるスポットサイズ変換器と同じく、コアの材料の屈折率はほとんど変えずに、コアサイズを拡大する。
【００２７】
第３の従来技術によるスポットサイズ変換器は、細線導波路側からコアの断面サイズを拡大する方法に工夫がなされている。横幅のみが緩やかに変化するテーパを縦に積み重ねた構造とすることによって、モードフィールドサイズの横のサイズだけでなく、縦のサイズも変化させる。
【００２８】
上側のテーパ構造が十分に細くなった部分では、導波光のモードフィールドは下側のテーパ構造内にほとんどが分布するようになるので、そこで厚み方向に急激な段差が存在しても、モードフィールドサイズの急激な変化を避けることができる。構造の急激な高さの変化が可能なため、厚み方向のテーパ構造の形成技術を必要としない。
【００２９】
しかし、第２と第３の従来技術に共通する課題を有する。それは、第１コアと第２コアの材料の屈折率がほとんど同じであるために、導波光の有効屈折率を大きく変えられないことである。例えば、第１コアがシリコンであれば、第２コアもシリコンであるといった構造になる。
【００３０】
このようにシリコンの屈折率のまま、コアサイズ拡大すると、導波光の有効屈折率も、シリコンの屈折率の３．５程度になる。一方、一般的な通信用光ファイバの導波光の有効屈折率は１．５程度であり、単純にスポットサイズ変換器とこの光ファイバを接続しただけでは、界面の反射により、光結合効率が低下する。
【００３１】
光回路の導波路の端面に無反射コーティング加工を行えば反射を抑制できるが、大量生産には不向きである。何故なら、一つ一つの光回路のチップに無反射コーティング加工しなければならず、大量生産によって生産コストが下がらないからである。光回路チップの方ではなく、光ファイバの側に無反射コーティングを行う場合も、同じ問題がある。
【００３２】
以上述べたように、従来技術によるスポットサイズ変換器を用いれば、モードフィールドを拡大できる最大サイズの制限や、無反射コーティングの必要性があるという課題を抱えてはいる。しかし、光回路の導波路と光ファイバとの光結合を、一応は、行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３３】
【特許文献１】特開２００７−９３７４３号公報
【非特許文献】
【００３４】
【非特許文献１】T. Shoji, et al., “Low loss mode size converter from 0.3 μm square Si wire waveguide to singlemode fibers", Electronics Letters, Vol. 38, No. 25, pp. 1669-1670 (2002).
【非特許文献２】D. Dai, S. He, and H.-K. Tsang, “Bilevel mode converter between a silicon nanowire waveguide and a larger waveguide",Journal of Lightwave Technology, Vol. 24, No. 6, pp. 2428-2433 (2006).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３５】
一部の条件を無視すれば、従来技術によっても、一応は、シリコン細線導波路と光ファイバとの光結合ができるが、シリコン細線導波路と、１０μｍ径の光ファイバとの高効率な光結合を、無反射コーティング無しで行える完全な光学変換素子（スポットサイズ変換器）は利用できない。
【００３６】
本発明の目的は、上記背景技術の課題に鑑み、無反射コーティングを要さず、一般的な光ファイバとの高効率光結合が可能な光学変換素子を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００３７】
本発明は上記課題を解決するために、最内コアと該最内コアの外側の第１の外部コアの両方を少なくとも備えた導波路構造を有し、導波光のモードフィールドを変換する光学変換素子であって、前記最内コアは、導波方向に沿ってモードフィールドを拡大する向きに断面積が徐々に減少する逆テーパ型であり、前記第１の外部コアは、リッジを有しかつ導波方向に沿ってモードフィールドを拡大する向きに断面積が徐々に増加する順テーパ型である、ことを特徴とする光学変換素子を提供する。
【００３８】
本発明は上記課題を解決するために、最内コアと該最内コアの外側の第１の外部コアの両方を少なくとも備えた導波路構造を有し、導波光のモードフィールドを変換する光学変換素子であって、前記導波路構造は、前記最内コアと、前記第１の外部コアと、下部クラッドと、上部クラッドとを備えており、前記最内コアは、前記下部クラッドの上に配置された細線コアからなり、前記第１の外部コアは、前記細線コアを埋設し前記下部クラッドの上に配置されるスラブ層と、前記スラブ層の上に配置され前記細線コアの上方に位置するリッジとを備えており、前記上部クラッドは、前記リッジを埋設し、前記スラブ層の上に配置されており、前記細線コアの材料の屈折率は、前記スラブ層の材料の屈折率よりも大きく、前記スラブ層の材料の屈折率は、前記リッジの材料の屈折率よりも大きいか又は等しく、前記リッジの材料の屈折率は、前記下部クラッドの材料の屈折率と前記上部クラッドの材料の屈折率よりも大きく、前記下部クラッドの上面から前記リッジの上面までの距離が、導波路の長さ方向に亘って、前記細線コアの厚みの範囲内の変動を伴って、ほぼ一定であり、導波方向に沿ってモードフィールドを拡大する向きに、前記細線コアの断面積が徐々に減少する第１のテーパ部を含み、導波方向に沿ってモードフィールドを拡大する向きに、前記リッジの上部の幅が徐々に増加する第２のテーパ部を含む、ことを特徴とする光学変換素子を提供する。
【００３９】
前記リッジの、導波方向に垂直な断面形状が、四角形である構成としてもよい。
【００４０】
前記第１のテーパ部の、前記細線コアの断面積が小さい側に、前記第２のテーパ部が配置されている構成としてもよい。
【００４１】
前記第１のテーパ部と前記第２のテーパ部が一部重なって配置されている構成としてもよい。
【００４２】
前記リッジの導波方向に垂直な断面形状が凸形である構成としてもよい。
【００４３】
前記スラブ層の導波方向に垂直な断面形状が凸形であり、前記凸形の突起部の上面の幅が前記リッジの底面の幅と同じである構成としてもよい。
【００４４】
前記第２のテーパ部の範囲において、導波方向に沿ってモードフィールドを拡大する向きに、前記細線コアの断面積が徐々に減少する構成としてもよい。
【００４５】
前記スラブ層の材料の屈折率は、前記リッジの材料の屈折率よりも大きい構成としてもよい。
【００４６】
前記スラブ層の材料の屈折率は、前記リッジの材料の屈折率よりも０〜０．３％大きい構成としてもよい。
【００４７】
前記最内コアは半導体を材料とする構成としてもよい。
【００４８】
前記半導体がシリコンである構成としてもよい。
【００４９】
前記第１の外部コアはシリコン化合物またはポリマを材料とする構成としてもよい。
【００５０】
前記シリコン化合物は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化窒化ケイ素、燐−シリカガラス、ホウ素−燐−シリカガラス、又はゲルマニウム−シリカガラスである構成としてもよい。
【００５１】
構成材料の屈折率と幅の両方が、第１の外部コアの前記リッジと同じかほぼ同じであり、かつ断面が矩形かほぼ矩形である第２の細線コアに、前記第１の外部コアが、光ファイバとの接続端側で接続されている構成としてもよい。
【発明の効果】
【００５２】
本発明によれば、基板上の光回路と光ファイバとを、高効率で光結合することができるため、光回路を含む装置やシステムの性能が向上する。また、高い光結合効率が容易に得るため、接続作業が容易となり、作業性が大きく向上する。また、チップ化した導波路端の一つ一つに無反射コーティングを行う必要が無いため、生産性が飛躍的に向上する。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる光学変換素子の斜視図である。
【図２】図１に示した光学変換素子の上面図及び横断面図である。図２（ａ）は上面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の２Ａ−２Ａ線断面図、図２（ｃ）は図２（ａ）の２Ｂ−２Ｂ線断面図、図２（ｄ）は図２（ａ）の２Ｃ−２Ｃ線断面図である。
【図３】図１に示した光学変換素子の上面図及び縦断面図である。図３（ａ）は上面図、図２（ｂ）は図３（ａ）の２Ｄ−２Ｄ線断面図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）共に、本発明の第１の実施の形態に係る光学変換素子の変形された構造の断面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係わる光学変換素子の上面図及び横断面図である。図５（ａ）は上面図、図５（ｂ）は図５（ａ）の２３Ａ−２３Ａ線断面図、図５（ｃ）は図５（ａ）の２３Ｂ−２３Ｂ線断面図、図５（ｄ）は図５（ａ）の２３Ｃ−２３Ｃ線断面図である。
【図６】本発明の実施例１に係る光学変換素子に関して、図２に示した各断面における導波光のモードフィールの等高線図（破線）を光学変換素子の断面図（実線）と重ねた模式図である。図６（ａ１）は図２（ｂ）の断面におけるＴＥモードの導波光のモードフィールド、図６（ａ２）は図２（ｂ）の断面におけるＴＭモードの導波光のモードフィールド、図６（ｂ１）は図２（ｃ）の断面におけるＴＥモードの導波光のモードフィールド、図６（ｂ２）は図２（ｃ）の断面におけるＴＭモードの導波光のモードフィールド、図６（ｃ１）は図２（ｄ）の断面におけるＴＥモードの導波光のモードフィールド、図６（ｃ２）は図２（ｄ）の断面におけるＴＭモードの導波光のモードフィールドの等高線図と光学変換素子の断面図を重ねた模式図である。
【図７】本発明の実施例１に係る細線コアの小面積部の効果を説明するためのフィールドの等高線図（破線）を光学変換素子の断面図（実線）と重ねた複数の模式図の遷移図である。図７（ａ）は、細線コアの小面積部が無い場合、図７（ｂ）は細線コアの小面積部がある場合の遷移図である。
【図８】本発明の実施例１と実施例２に係る導波光のモードフィールの等高線図（破線）を、それぞれ光学変換素子の断面図（実線）と重ねた模式図である。図８（ａ１）は実施例１に係る図６（ｂ１）と同じである。図８（ａ２）は実施例１に係る図６（ｂ２）と同じである。図８（ｂ１）は、図８（ａ１）と同じ断面の位置における実施例２に係るＴＥモードの導波光のモードフィールド、図８（ｂ２）は、図８（ａ２）と同じ断面の位置における実施例２に係るＴＭモードの導波光のモードフィールドの等高線図と光学変換素子の断面図を重ねた模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００５４】
本発明に係る光学変換素子を実施するための形態及び実施例に基づき図面を参照して、以下説明する。
【００５５】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明に係る光学変換素子の第１の実施の形態の斜視図である。図１に示した光学変換素子１は、全体として導波路構造を有し、その導波光のモードフィールドの形状、大きさ及び有効屈折率を、光学変換素子１の両端の間で変換する。
【００５６】
光学変換素子１の導波路構造はコア部を有し、このコア部は、その機能のために少なくとも２重のコア（換言すると２重以上のコア）を有するが、この第１の実施の形態における光学変換素子１は、図１に示すように、最小の２重のコアの構造を有する構成で説明する。３重以上のコアの場合は、以下に説明する２重コアの外部に、第３のコア構造を付加すればよい。
【００５７】
２重コアの内、最内コアは細線コア３である。また、第１の外部コアはリッジコア６であって、スラブ２とリッジ５とから構成される（リッジ５とリッジコア６とが異なることに注意）。細線コア３は、スラブ層４の下部に埋め込まれている。図１において、紙面奥側がモードフィールドの小さい側、紙面手前側がモードフィールドの大きい側である。
【００５８】
最内コアの細線コア３は逆テーパ型のコアであって、モードフィールドの大きい側に向かって断面積が徐々に減少する。それに対して、第１の外部コアのリッジコア６は順テーパ型のコアであって、モードフィールドの大きい側に向かってリッジ５の断面積が徐々に増加する。
【００５９】
最内コアの逆テーパ構造と第１の外部コアの順テーパ構造は、共にモードフィールドの拡大に寄与するが、更に、導波光の有効屈折率に関してそれぞれ次のような作用がある。最内コアの逆テーパ構造によって、モードフィールドを最内コアの外に広げ、導波光の有効屈折率を最内コアの材料の屈折率に近い値から、第１の外部コアの材料の屈折率に近い値に近づける。
【００６０】
また、第１の外部コアの順テーパによって、モードフィールドを第１の外部コアの内側に内包し、導波光の有効屈折率を第１の外部コアの材料の屈折率に近づける。第１の外部コアの材料の屈折率と光ファイバのコアの材料の屈折率とを合わせておけば、光学変換素子と光ファイバとの接続界面では、両者の導波光の有効屈折率がほぼ同じとなり、有効屈折率の差による界面反射が抑制される。
【００６１】
図２は、図１に示した光学変換素子の上面図及び横断面図である。図２（ａ）は上面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の２Ａ−２Ａ線断面図、図２（ｃ）は図２（ａ）の２Ｂ−２Ｂ線断面図、図２（ｄ）は図２（ａ）の２Ｃ−２Ｃ線断面図である。図２（ａ）の光学変換素子１の紙面上側が光回路側、紙面下側が光ファイバ側である。図２を参照しながら、光学変換素子１の構造をより具体的に説明する。
【００６２】
光学変換素子１は、下部クラッド２と、最内コアであって、下部クラッド２の上に配置された細線コア３と、第１の外部コアの一部であって、細線コア３を埋設し、下部クラッド２の上に配置されるスラブ層４と、第１の外部コアの一部であって、スラブ層４の上に配置され、細線コア３の上方に位置するリッジ５と、リッジ５を埋設し、スラブ層４の上に配置された上部クラッド（図示せず）と、を備えている。
【００６３】
細線コア３の材料の屈折率はスラブ層４の屈折率よりも大きく、スラブ層４の屈折率はリッジ５の材料の屈折率よりも大きいかまたは等しく、リッジ５の材料の屈折率は下部クラッド２の材料の屈折率と上部クラッドの材料の屈折率よりも大きく、下部クラッド２の上面からリッジ５の上面までの距離が、導波路の長さ方向に亘って細線コア３の厚みの範囲内でほぼ一定である。
【００６４】
導波方向に沿ってモードフィールドを拡大する向きに細線コア３の断面積が徐々に減少する第１のテーパ部１ａを含み、導波方向に沿ってモードフィールドを拡大する向きにリッジ５の上部の幅が徐々に増加する第２のテーパ部１ｂを含む。
【００６５】
下部クラッド２は、単独で存在していてもよいが、シリコン基板や石英基板など、下部クラッド２とは材料の異なる任意の基板の上に形成されていてもよい。
【００６６】
細線コア３は、四角形、三角形、半円形など、断面形状に特に制限は無いが、最も単純には長方形である。細線コア３は、第１のテーパ部１ａの範囲において、光回路の導波路と同じコアであって最も断面積の大きい大断面積部３ａと、光回路側から光ファイバ側に向かって断面積が減少するテーパ部３ｂとを含む。
【００６７】
図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）では、細線コアのテーパ部３ｂは横幅のみが変化しているが、加工が可能であれば、横幅だけでなく厚みが変化してもよい。細線コア３の第２のテーパ部１ｂの範囲にある小断面積部３ｃは、テーパ部３ｂの光ファイバ側の端のよりも断面積が小さければよい。
【００６８】
ただし、断面積は完全に零にせず、図２（ｄ）に示すように、僅かに残す。これは、後で説明するように、小断面積部３ｃがあることによって、リッジコア６の内部に広がったモードフィールドが細線コアの小断面積部３に僅かに引き寄せられる効果が生まれ、この効果によって、モードフィールドの分布を補正できるからである。
【００６９】
図２（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、下部クラッド２とスラブ層４の厚みは一様であればよく、特に変化させる必要は無い。ただし、下層の構造物の形状を反映して、多少の凹凸があってもよい。
【００７０】
リッジ５の断面形状は最も単純には長方形であるが、他の形状でもよい。例えば、台形や三角形や半円なども可能である。その断面形状は下層の構造物の形状を反映して、多少の凹凸を有する場合もある。
【００７１】
リッジ５の第１のテーパ部１ａの範囲にある狭幅部５ａは、スラブ層４の厚みと同程度（本目明細書で「同程度」とは、「同じ又はほぼ同じ」を意味する。）の幅を有する。また、第１のテーパ部１ａの中間付近の断面（図２（ｂ））と、第１のテーパ部１ａと第２のテーパ部１ｂとの境界における断面（図２（ｃ））とにおいて、それぞれのリッジ５の幅のｗ１とｗ２とは同じであってもよい。
【００７２】
リッジ５の第２のテーパ部１ｂの範囲にあるテーパ部５ｂの幅ｗ３（図２（ｄ））は、光ファイバ側の端で接続する光ファイバのコア径（直径）と同程度の幅にできる。図２（ａ）に示すように、テーパ部５ｂは、幅が一定の部分を含んでもよい。
【００７３】
リッジコア６の高さｄを、スラブ層４とリッジ５の厚みの和と定義すると、光ファイバとの接続端において、高さｄは光ファイバのコア径（直径）と同程度である。ｗ３とｄとを調節することによって、光学変換素子１の端面でのモードフィールドと、光ファイバの端面でのモードフィールドとを一致させることができる。
【００７４】
図３は、図１に示した光学変換素子の上面図及び縦断面図である。図３（ａ）は上面図、図２（ｂ）は図３（ａ）の２Ｄ−２Ｄ線断面図である。
【００７５】
リッジコア６の高さｄは、図３（ｂ）に示すように、光学変換素子１の全体を通して、一定である。ただし、スラブ層４は細線コア３を埋め込み、また、リッジ５はスラブ層４の上に形成するので、特に平坦化を行わなければ、細線コア３の厚み程度の凹凸が生じ、その結果、同程度の高さの変化があることもある。
【００７６】
好ましくは、細線コア３の厚みに対して、リッジコアの高さｄを大きくする。こうすることによって、細線コア３の存在による高さｄの揺らぎが、光学変換素子１の動作に影響を与えることが抑制される。
【００７７】
細線コア３の材料は、上部クラッドを含む光学変換素子１の全構造の中で、最も屈折率が大きい。そのため、細線コア３をコアとして含む導波路構造が構成される。
【００７８】
また、スラブ層４とリッジ５とで構成されるリッジコア６は、細線コア３を除けば、リッジコア６の材料よりも屈折率の小さい下部クラッド２と上部クラッドとに挟まれている。そのため、リッジコア６をコア、その上下の構造体をクラッドとする導波路構造が構成される。
【００７９】
光学変換素子１では、この２重のコアを有する導波路構造の間でモードフィールドの受け渡しが行われるだけでなく、それぞれが単独でもモードフィールドサイズの変換（下記の作用の説明を参照）が行われる。また、２重のコアを有する導波路構造の一部が重なっていることによって、両者の相乗効果が生じ、単独の導波路として存在している場合に比べて、モードフィールドサイズの変換が滑らかに行われる。
【００８０】
（第１の実施の形態の作用）
第１の実施の形態の光学変換素子の動作は次の通りである。第１のテーパ部１ａにおいては、主に最内コアの逆テーパ構造の効果によって導波方向に沿って（換言すると導波方向に向かって）モードフィールドが広がる。ただし、この効果によって広がるモードフィールドの最大の大きさは、コアサイズの小さい第１の外部コアによって制限される。
【００８１】
この仕組みによって、モードフィールドの断面積が、過度に急激に拡大することを避ける効果がある。そのため、モードフィールドの断熱変化が十分に生じ、透過損失が減少する。第1の外部コア内にモードフィールドが十分に拡大した後は、第２のテーパ部１ｂによって、モードフィールドが必要なサイズにまで更に拡大される。
【００８２】
尚、ここで言う「断熱変化」という用語は、次の意味で用いている。狭義には、「断熱変化」とは、断熱過程（Adiabatic process）に基づく変化のことであり、「断熱過程」とは、外部との熱エネルギーのやりとりが無い熱力学過程のことである。しかし、広義には、「熱エネルギー」をより一般的な「エネルギー」という用語に置き換えた場合の意味で、「断熱過程」あるいは「断熱変化」という用語を用いることがある。
【００８３】
本発明において、光がテーパ構造に沿って伝搬するときにモードフィールドが断熱変化するという場合、その変化は、その光のエネルギーを運搬している導波モードが、それ以外の全モード（導波モードと放射モードから成る全て）や吸収／増幅過程との間でエネルギーのやりとりが無い過程に基づく変化であることを意味している。言い換えれば、モードフィールドの断熱変化とは、そのモードフィールドが有する光エネルギーが増減すること無く、モードサイズや形状が変化することである。
【００８４】
このように、モードフィールドが断熱変化することを保障することは、本発明において低損失を実現するために重要である。それは、本発明において、第１の外部コアに沿って伝搬する光は、必ずしも単一のモードとは限らないことに関係している。具体的には次のような関係がある。第１の外部コアをコアとする導波路は、単一モード導波路とは限らず、複数の導波モードを有してもよいが、その場合でも、光ファイバとの接続端面で光ファイバに最も近いモードフィールドを有し、それによって、高効率光結合に貢献するのは、基本導波モードに限られる。（この基本モードは、単一モード導波路であっても多モード導波路であっても必ず有している。）
【００８５】
すなわち、本発明の光学変換素子では、第１の外部コアをコアとする導波路が多モード導波路である場合であっても、その基本モードのみを介してモードフィールドの拡大、或いは逆に縮小を行うことを基本動作としている。基本モードではない導波モード、すなわち、放射モードや高次の導波モードに光エネルギーが分岐してしまうと、その分岐した光エネルギーは、最終的に放射損失を生じたり、または、基本モードを経由した光エネルギーに重畳して、透過スペクトルを振動させたりする原因となる。そのため、一旦、基本導波モードに結合した光がテーパ構造を通過する過程で、放射モードや高次の導波路モードとエネルギーをやりとりしないよう、基本導波モードの断熱変化を保障する必要があるのである。
【００８６】
テーパ構造を通過する基本導波モードの光のモードフィールドが断熱変化するためには、そのテーパ構造内で光が１波長分進んだ時に、モードフィールドサイズの変化が波長に比べて無視できるほど小さく無ければならない（大体、１／１００程度以下）。そのためには、テーパ構造をできるだけ緩やかに変化させることが基本となるが、無制限に緩やかにすると、テーパ構造が長くなり過ぎ、かえって透過損失が増加する。そのため、本発明のように、ある程度テーパを短くした場合でも、モードフィールドの急激な変化を抑制できるような構造が有効なのである。
【００８７】
本発明の特徴の１つとして、第1の外部コアをリッジ型とし、最内コアの逆テーパ部では、リッジの幅を小さくしてある。リッジの幅が十分に小さいと、リッジ上部にモードフィールドがほとんど分布せず、リッジ下部の最内コアの近傍に分布するという効果が生まれる。最内コアから第１の外部コアへとモードフィールドが広がる際、この効果によって、モードフィールドの急激な拡大の危険性が更に減少する。
【００８８】
すなわち、第１の外部コアをリッジ型とすることによって、矩形断面のコアなど、他の断面構造の外部コアを用いた場合よりも、導波方向に沿ったコア幅の増加／減少の速度の制御がより大きな許容誤差で行えるようになる。その結果、光学変換素子として十分な性能を発揮するためのテーパの作製が容易になるという効果がある。
【００８９】
第１のテーパ部と前記第２のテーパ部とが一部重なって配置されていてもよい。すなわち、第１の実施の形態の場合では、細線コアのテーパ部とリッジのテーパ部とが、導波方向に一部重なって配置されていてもよい。
【００９０】
（第１の実施の形態の変形例）
第１の実施の形態から多少変形された構造でも、動作に大きな変化は無い。そのことを、図４を参照しながら説明する。図４（ａ）、（ｂ）は共に、本発明に係る光学変換素子の第１の実施の形態の変形された構造（変形例の構造）の断面図である。
【００９１】
図４（ａ）は、変形例として、第２のテーパ部１ｂ（図２参照）におけるリッジ５のテーパ部５１ｂの断面を示す。この図４（ａ）に示す変形例のように、リッジ５の断面は四角形ではなく、底部の両側に薄膜を有し、単独で凸型の断面構造をしていてもよい。上記のとおり図４（ａ）は、第２のテーパ部１ｂにおけるリッジ５のテーパ部５１ｂの断面を示しているが、第１のテーパ部１ａ（図２参照）のリッジ５の狭幅部５ａについても、同じく、凸型の断面構造をしていてもよい。
【００９２】
また、図４（ｂ）は、別の変形例として、第２のテーパ部１ｂ（図２参照）におけるリッジ５のテーパ部５２ｂの断面を示す。この図４（ｂ）に示す別の変形例のように、スラブ層４２の表面は平坦ではなく、導波方向に垂直な断面形状が凸形であり、その凸形の突起部の上面の幅がリッジのテーパ部５２ｂの底面の幅と同じであってもよい。上記のとおり図４（ｂ）は第２のテーパ部１ｂにおけるリッジ５のテーパ部５２ｂの断面を示しているが、第１のテーパ部１ａ（図２参照）のリッジ５の狭幅部５ａについても、同じく、凸型の断面構造をしていてもよい。
【００９３】
図４（ａ）、（ｂ）に示されたリッジの断面構造は、意図的に作製されることもあるが、図２（ｄ）に示した形状にリッジを加工する過程で、基板面内のばらつきが原因で現れる可能性のある構造でもある。何れにせよ、図４（ａ）、（ｂ）に示されたリッジの断面構造の場合でも、図２（ｄ）に示された断面構造の場合と同様に、光学変換素子が動作する。
【００９４】
［第２の実施の形態］
次に、本発明に係る光学変換素子の第２の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００９５】
図５は、本発明に係る光学変換素子の第２の実施の形態の上面図及び横断面図である。図５（ａ）は上面図、図５（ｂ）は図５（ａ）の２３Ａ−２３Ａ線断面図、図５（ｃ）は図５（ａ）の２３Ｂ−２３Ｂ線断面図、図５（ｄ）は図５（ａ）の２３Ｃ−２３Ｃ線断面図である。
【００９６】
第２の実施の形態の光学変換素子１３は、第１の外部コアの構造は、第１の実施の形態のそれとほぼ同じであるが、内部コアの構造が異なる。図５（ａ）に示すように、第２のテーパ部１３ｂの範囲において、導波方向に沿ってモードフィールドを拡大する向きに、細線コア３３の小断面積部３３ｃの断面積が徐々に減少する。すなわち、第１のテーパ部１３ａだけでなく、第２のテーパ部１３ｂにおいても、細線コア３３は逆テーパ構造（逆テーパ型）を有する。
【００９７】
第１の実施の形態の説明で述べた通り、第２テーパ部１３ｂに細線コア３３の小断面積部を残すことによって、第１の外部コア内に広がったモードフィールドの分布の補正が可能である。しかし、第２のテーパ部１３ｂが過度に長いと、その長さを通して、細線コア３３の小断面積部の断面積を一定に保つのが困難な場合がある。その場合、モードフィールドの分布が影響を受け、光学変換素子の光結合効率がばらつくことがある。
【００９８】
第２の実施の形態は、このような問題が発生する場合に有効である。すなわち、細線コア３３を第２のテーパ部１３ｂにおいて順テーパ構造とし、その断面積を最終的に零にすることによって、光学変換素子の光結合効率を安定させる効果がある。
【００９９】
図５（ａ）に示すように、細線コア３３の小断面積部の端は、第２のテーパ部１３ｂの途中で終了していてもよい。また、図５（ｂ）に示すように、第２テーパ部の細線コア１３ｂは厚み方向のテーパを含んでいてもよい。更に、細線コア３３の第２のテーパ部１３ｂは、第１テーパ部１３ａから連続して厚み方向のテーパを含んでいてもよい。
【実施例１】
【０１００】
次に本発明を実施例１に基づいて更に詳細に説明する。本発明の光学変換素子の具体的な構造について、モードフィールドがどのように変化するのかを計算で調べた。モードフィールドの計算は、有限要素法で行った。
【０１０１】
実施例１として、ＳＯＩ基板上の光回路に、実施の形態１に示す光学変換素子１を作り込んだ場合の構造について解析した。構造パラメータは、下部クラッド２の材料の屈折率を１．４５２、厚みを３．００μｍとし、細線コア３の材料の屈折率を３．４８０とし、スラブ層４の材料の屈折率を１．４９６、厚みを２．００μｍとし、リッジ５の材料の屈折率を１．４９６、厚みを９．５μｍとし、上部クラッドの材料の屈折率を１．４５２、厚みを３μｍとした。
【０１０２】
これらの屈折率は、下部クラッド２として、ＢＯＸ層のシリコン熱酸化膜を使い、細線コア３としてＳＯＩ層のシリコンを使い、スラブ層４とリッジ５と上部クラッドとして、屈折率調整の可能な、ゲルマニウム−シリカガラス（ＧｅＳＧ）を使ったときの値である。
【０１０３】
更に、光回路から続く細線コア３の大面積部３ａの幅を４００ｎｍ、厚みを２００ｎｍとし、光ファイバ側の小断面積部３ｃの幅を１５０ｎｍ、厚みを１００ｎｍとした。また、リッジ５ａの幅を２．０μｍとし、リッジのテーパ部５ｂの最も断面積の大きい部分の幅を１２μｍとした。
【０１０４】
図６は、本発明の実施例１に係る光学変換素子１に関して、図２に示した各断面における導波光のモードフィールの等高線図（破線）を光学変換素子の断面図（実線）と重ねた模式図である。
【０１０５】
図６（ａ１）は図２（ｂ）の断面におけるＴＥモードの導波光のモードフィールド、図６（ａ２）は図２（ｂ）の断面におけるＴＭモードの導波光のモードフィールド、図６（ｂ１）は図２（ｃ）の断面におけるＴＥモードの導波光のモードフィールド、図６（ｂ２）は図２（ｃ）の断面におけるＴＭモードの導波光のモードフィールド、図６（ｃ１）は図２（ｄ）の断面におけるＴＥモードの導波光のモードフィールド、図６（ｃ２）は図２（ｄ）の断面におけるＴＭモードの導波光のモードフィールドの等高線図と光学変換素子１の断面図を重ねた模式図である。
【０１０６】
ただし、本明細書において、ＴＥモードの導波光とは、主要な電界成分が基板に平行である導波光を指し、ＴＭモードの導波光とは、主要な電界成分が基板に垂直である導波光を指す。ここでは、図６だけでなく、図１〜３も参照して説明する。
【０１０７】
それぞれ、図６（ａ１）と（ａ２）に示すように、ＴＥモードのモードフィールド１００と、ＴＭモードのモードフィールド１０１は共に、ほとんどが細線コア３の中に留まっていた。
【０１０８】
それが、細線コア３の断面が十分に小さくなる、第１のテーパ部１ａと第２のテーパ部１ｂの境界では、図６（ｂ１）と（ｂ２）に示すように、ＴＥモードのモードフィールド１０２とＴＭモードのモードフィールド１０３は共に、リッジ５のリッジコア（図６（ｂ１）、（ｂ２）では、リッジの狭幅部とテーパ部の境界５ａ／５ｂで示す）の内部に局所的に広がった。
【０１０９】
特に注目すべきは、モードフィールドが、リッジの狭幅部とテーパ部の境界５ａ／５ｂでは、リッジ５とスラブ層４との接続部の近傍に集中し、リッジ５の上部にはほとんど分布しなかったことである。この理由は等価屈折率法（equivalent index method）の考え方に基づいて、次のように説明される。リッジの狭幅部とテーパ部の境界５ａ／５ｂにおいて、リッジ５の幅が小さくなると、リッジ５の上部では、リッジ５の周囲の上部クラッドにフィールドの多くしみ出して分布するようになる。
【０１１０】
尚、等価屈折率法とは、コアがスラブ（板）であるスラブ導波路において、スラブの厚みや屈折率が場所によって変化する場合に、スラブの或る特定の位置で透過光が感じる局所的な屈折率として、クラッドを含むその位置の厚み方向の屈折率分布と同じ屈折率分布が横に無限に広がっていると仮定して求めた有効屈折率を適用する方法である。この方法を用いれば、スラブ導波路の屈折率分布や厚み分布が場所によって変化している場合に、等価屈折率が２次元的に分布した２次元モデルとして、問題を簡略化して取り扱うことができる。
【０１１１】
その結果、リッジの狭幅部とテーパ部の境界５ａ／５ｂでは、リッジ５の上部のフィールドが感じる局所的な材料の平均的な屈折率は、上部クラッドの材料の屈折率に近づく。その局所的平均的屈折率が、リッジ５とスラブ層４との接続部の近傍のフィールドが感じる局所的な材料の平均的な屈折率に比べて小さかったために、モードフィールドは、屈折率の大きい側の接続部の近傍に集中した。この仕組みは、スラブ層４に分布するフィールドが、リッジ５の近傍に集中する仕組みと同じである。
【０１１２】
第２テーパ１ｂの光ファイバ側（図２参照）では、図６（ｃ１）と（ｃ２）に示すように、ＴＥモードのモードフィールド１０２とＴＭモードのモードフィールド１０３は、リッジのテーパ部５ｂの内部に十分に広がった。
【０１１３】
この理由は、前述のリッジの狭幅部５ａの場合と逆である。すなわち、リッジ５の幅が十分に広いことによって（リッジのテーパ部５ｂでは）、上部クラッドへのフィールドのしみ出しが小さくなり、リッジのテーパ部５ｂ内でフィールドが感じる局所的な材料の平均的な屈折率が、リッジ５の材料の屈折率に近づく。
【０１１４】
その局所的平均的な屈折率が、リッジ５とスラブ層４との接続部の近傍のフィールドが感じる局所的な材料の平均的な屈折率よりも大きかったために、モードフィールドは、局所的平均的な屈折率の大きいリッジのテーパ部５ｂを中心として分布した。
【０１１５】
次に、第２のテーパ部１ｂの範囲に残した細線コア３の小面積部によるモードフィールドの補正効果を調べた。図７は、本発明の実施例１に係る細線コア３の小面積部の効果を説明するためのフィールドの等高線図（破線）を光学変換素子の断面図（実線）と重ねた複数の模式図の遷移図である。
【０１１６】
図７（ａ）は細線コア３の小面積部を取り除いた場合、図７（ｂ）は細線コア３の小面積部がある場合の遷移図である。図７（ａ）、（ｂ）では共に、リッジ５の幅ｄを変えながら計算したモードフィールドの右半分の等高線（破線）を順に並べてあり、各モードフィールドの同じ強度比の位置を点線で結んだ。各モードフィールドは、最大強度で規格化されている。
【０１１７】
図７（ａ）と（ｂ）を比較すると、細線コア３の小面積部を取り除いた場合よりも、細線コア３の小面積部が残っている場合の方が、リッジ５の幅ｄの増大に応じたモードフィールドの拡大の速度が小さいことが確認できた。その結果から、細線コア３の小面積部を残すことによって、リッジの幅ｄに対するモードフィールドの変化をより滑らかする効果があることを確認した。
【０１１８】
有限差分時間領域計算法によって、本実施例１の光学変換素子の透過率を計算した。光学変換素子の断面構造のパラメータはモードフィールドの計算に用いたパラメータと同じである。長さについては、第１のテーパ部を０．４ｍｍ、第２のテーパ部を１．２ｍｍとした。
【０１１９】
計算の結果、波長１．５５μｍにおける透過損失は、ＴＥモードとＴＭモードで共に、０．３ｄＢであった。光学変換素子１が短すぎると、長さ方向に沿って導波モードが断熱的に変化しないが、長さが１ｍｍ以上であれば、０．３ｄＢ以下の透過損失を得ることができた。
【０１２０】
また、光学変換素子１を光ファイバと突き合わせ接続した場合の、接続界面における光学損失を調べた。この損失は、モードフィールドの形状や大きさの違いに起因する損失と、有効屈折率の違いに起因する反射失損とから成る。有限差分時間領域計算法によって、光学変換素子とモード径が１０μｍの光ファイバとの突き合わせ接続による光結合損失を計算すると、ＴＥモードとＴＭモードで共に、０．１ｄＢであった。
【０１２１】
この内、反射損失が占める値を見積った。伝搬光の有効屈折率がｎ１となる媒質とｎ２となる媒質の界面における反射率は、伝搬光が平面波である場合、｜（ｎ１−ｎ２）／（ｎ１＋ｎ２）｜の２乗で求められる。導波光のモードフィールドが平面波に近ければ、接続界面での反射も、同じ式で概算することができるので、それを行った。
【０１２２】
導波光の有効屈折率を有限要法で計算すると、光回路からの導波路では、ＴＥモードとＴＭモードの導波光の有効屈折率はそれぞれ、２．２２３と１．７０９であり、また、第１の実施の形態による光学変換素子の光ファイバ側の端面では、ＴＥモードとＴＭモード共に、１．４９１であった。光ファイバの導波光の有効屈折率は１．４５４であるから、光回路の導波路と光ファイバを直接接合した場合、界面での反射による損失は、ＴＥモードで４．４％（−１４ｄＢ）、ＴＭモードで０．５％（−２３ｄＢ）であると計算された。
【０１２３】
一方、実施例１の光学変換素子１を光回路の導波路端に作り込んだ場合は、ＴＥモードとＴＭモードで共に０．０１６％（−３８ｄＢ）であった。実用的には、反射の大きさが−３０ｄＢ以下であることが望ましいが、実施例１による光学変換素子がその条件を十分に満たしていることを確認した。
【０１２４】
結局、コア径が１０μｍの光ファイバと光結合する場合の光学変換素子の全損失は、透過損失の０．３ｄＢと界面損失の０．１ｄＢを足して０．４ｄＢとなった。この損失の大きさは、シリコンの導波路と光ファイバとの結合損失としては、十分に小さな値であった。
【０１２５】
実施例１では、スラブ層４の材料の屈折率とリッジ５のそれとを同じにした。このようにすることによって、スラブ層４とリッジ５の形成工程が簡略になる効果がある。すなわち、スラブ層４とリッジ５に共通の材料を一度に成膜し、リッジ５のパターンのレジストマスクを形成後、リッジ５の厚みの分だけエッチングすればよい。
【０１２６】
それに対して、次の実施例２では、スラブ層４とリッジ５の材料の屈折率が異なる。スラブ層４とリッジ５の材料の屈折率が異なると、スラブ層４とリッジ５の材料を別々に堆積しなければならない。しかし、別の効果として、エッチング加工の難度を低減することができる。
【実施例２】
【０１２７】
実施例２の光学変換素子の断面構造は、実施例１のそれとほぼ同じである。異なる箇所は、スラブ層４の材料の屈折率は１．４９６のままであるが、リッジ５の材料の屈折率が１．４９３と、スラブ層のそれに比べて０．２％小さいことである。
【０１２８】
こうすることによって、リッジコア６に分布するモードフィールドが僅かにスラブ層４に偏って分布する。その結果、リッジの狭幅部５ａとテーパ部５ｂの境界５ａ／５ｂの幅が実施例１の場合より大きくても、モードフィールドを、リッジの狭幅部とテーパ部の境界５ａ／５ｂと、スラブ層４との接続部の近傍に集中させることができる、という効果がある。
【０１２９】
この効果について、図８を参照しながら更に説明する。図８（ａ１）、（ａ２）は、本発明の実施例１について、導波光のモードフィールの等高線図（破線）を光学変換素子の断面図（実線）と重ねた模式図であり、図８（ｂ１）、（ｂ２）は、本発明の実施例２について、導波光のモードフィールの等高線図（破線）を光学変換素子の断面図（実線）と重ねた模式図である。
【０１３０】
図８（ａ１）は実施例１に係る図６（ｂ１）と同じである。図８（ａ２）は実施例１に係る図６（ｂ２）と同じである。図８（ｂ１）は、図８（ａ１）と同じ断面の位置における実施例２に係るＴＥモードの導波光のモードフィールド、図８（ｂ２）は、図８（ａ２）と同じ断面の位置における実施例２に係るＴＭモードの導波光のモードフィールドの等高線図と光学変換素子の断面図を重ねた模式図である。
【０１３１】
実施例１に係る図８（ａ１）、（ａ２）では、リッジの狭幅部とテーパ部の境界５ａ／５ｂの幅ｗ２ａは２．５μｍであったのに対して、実施例２に係る図８（ｂ１）、（ｂ２）では、リッジの狭幅部とテーパ部の境界５ａ／５ｂの幅ｗ２ｂは２．０μｍであり、ｗ２ａに対してｗ２ｂは０．５μｍ大きい。
【０１３２】
それにも拘わらず、リッジの幅が２．５μｍのときのモードフィー１０２（ＴＥモード）とモードフィールド１０３（ＴＭモード）は、リッジ幅が２．０μｍのときのモードフィールド１１２（ＴＥモード）とモードフィールド１１３（ＴＭモード）とそれぞれ、ほとんど同じ分布を保っている。このように、スラブ層４に対してリッジ５の材料の屈折率を僅かに小さくすることによって、リッジ５の最小幅を大きくすることができた。
【０１３３】
ｗ２ａに対してｗ２ｂは０．５μｍ大きいだけであったが、リッジ５の加工のためには、その効果は大きい。実施例１と実施例２では、リッジの厚みが共に９．５μｍと大きいため、そのエッチングのために用いるフォトレジストパターンも、できるだけ厚膜のものが望まれる。幅が２．０μｍの場合よりも２．５μｍの場合の方が、レジストパターンの倒壊の危険性が少ないため、１．２５倍だけ厚いフォトレジストを用いることができる、という効果がある。
【０１３４】
スラブ層４の材料の屈折率に対するリッジ５のそれが小さければ小さいほど、スラブ層４がモードフィールドを引き寄せる効果が強い。しかし、スラブ層４とリッジの材料の屈折率差が大きくなり過ぎると、モードフィールドのスラブ層４への偏りが大きくなり過ぎ、光ファイバのモードフィールドと大きく乖離してしまう。
【０１３５】
そこで、適切な大きさの屈折率差を調べた。屈折率差を変えて光結合効率を計算した結果、リッジの材料の屈折率が、スラブ層のそれに対して０〜０．３％の範囲で小さければ、光結合効率を悪化させずに、リッジの最狭部の幅を拡大できることを見出した。
【０１３６】
以上、本発明に係る光学変換素子を実施するための形態及び実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施するための形態及び実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的事項の範囲内でいろいろな実施するための形態及び実施例があることは言うまでもない。
【０１３７】
例えば、最内コアの材料はシリコンに限らず、高屈折率であれば他の材料でもよい。シリコン以外の半導体材料であれば、例えば、ゲルマニウムや化合部半導体を用いてもよい。
【０１３８】
第１の外部コアの材料にも制限は無い。例えば、シリコン化合物やポリマを用いてもよい。第１の外部コアの材料がシリコン化合物であれば、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化窒化ケイ素、燐−シリカガラス、あるいはホウ素−燐−シリカガラスの何れかであってもよい。
【０１３９】
また、最内コアが細線コアの場合を主に説明したが、細線コアが光回路内に向かって、更にリッジのコアや他の形状のコアに接続されていてもよい。
【０１４０】
また、本発明の光学変換素子の使用目的は、光回路からの導波路と光ファイバとの光結合のためだけに限定されない。例えば、光ファイバ以外の導波路や、他の光回路に取り付けられた光学変換素子との光結合に用いてもよい。
【０１４１】
また、本発明の光学変換素子は、導波路でも光学変換素子でない光学素子との光結合のために用いてもよい。例えば、偏光子との光結合に用いてもよい。その場合、本発明による光学変換素子を一定の間隔を開けて対向させ、それらの間に偏光子等の光学素子を挿入してもよい。
【０１４２】
このような、光学素子を本発明の光学変換素子で挟む構成は、回路の端やチップ端だけでなく、光回路内に挿入してもよい。すなわち、本発明の光学変換素子は、入出力端に取り付けるだけでなく、光回路の内部に挿入してもよい。
【０１４３】
また、第１の外部コアは、光ファイバとの接続端側で、略同じ屈折率の材料で構成される、スラブの無い細線型のコアに更に接続されていてもよい。すなわち、構成材料の屈折率と幅の両方が、第1の外部コアの前記リッジと同じかほぼ同じであり、かつ断面が矩形かほぼ矩形である第２の細線コアに、第１の外部コアが、光ファイバとの接続端側で、接続されていてもよい。このような構造にすることによって、本発明の光学変換素子の光ファイバとの接続部において、光学変換素子のモードフィールドの形状を光ファイバのそれに更に近づけることができ、結合損失が一層低減できる。
【０１４４】
その場合、テーパ構造を有し、その構造の中でスラブ層が一定の距離の間に徐々に薄くなって無くなるのが最良であるが、急激にスラブが無くなってもよい。何故なら、第１の外部コアの全体構造に対してスラブの厚みが小さいため、接続部でスラブが突然無くなっても、モードフィールドの形状に大きな影響を与えない場合もあるからである。尚、テーパ構造の中で、スラブ層の幅が一定の距離の間に徐々に狭くなって、リッジと同じかほぼ同じ幅になっても同じ効果が得られる。
【０１４５】
また、第１の外部コアは更に第２以上の外部コアに埋設されていてもよい。このように、第２以上の外部コアを用いることによって、モードフィールドのサイズを更に拡大してもよい。
【０１４６】
尚、本発明による光学変換素子は相反動作をする。すなわち、逆方向にも動作する。従って、光回路の導波路からの光を拡大するだけでなく、逆に、光ファイバなどの外部からの光を縮小して光回路に入射できることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１４７】
本発明に係る光学変換素子は、上記のような構成であるから、特に、シリコンなどの高屈折率媒質をコアとする細線導波路と、光通信用のシングルモード光ファイバとの間の高効率な光結合を実現するための光学変換素子として適用可能である。
【符号の説明】
【０１４８】
１、１３ 光学変換素子
１ａ、１３ａ 第１のテーパ部
１ｂ、１３ｂ 第２のテーパ部
２、２３ 下部クラッド
３、３３ 細線コア
３ａ、３３ａ 細線コアの大断面積部
３ｂ、３３ｂ 細線コアのテーパ部
３ｃ、３１ｃ、３２ｃ、３３ｃ 細線コアの小断面積部
３ａ／３ｂ 細線コアの大断面積部とテーパ部との境界
３ｂ／３ｃ 細線コアのテーパ部と小断面積部との境界
４、４１、４２、４３ スラブ層
５、５３ リッジ
５ａ、５３ａ リッジの狭幅部
５ｂ、５１ｂ、５２ｂ、５３ｂ リッジのテーパ部
５ａ／５ｂ リッジの狭幅部とテーパ部の境界
６ リッジコア
１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１１２、１１３ モードフィールドの等高線図
【特許請求の範囲】
【請求項１】
最内コアと該最内コアの外側の第１の外部コアの両方を少なくとも備えた導波路構造を有し、導波光のモードフィールドを変換する光学変換素子であって、
前記最内コアは、導波方向に沿ってモードフィールドを拡大する向きに断面積が徐々に減少する逆テーパ型であり、前記第１の外部コアは、リッジを有しかつ導波方向に沿ってモードフィールドを拡大する向きに断面積が徐々に増加する順テーパ型である、ことを特徴とする光学変換素子。
【請求項２】
最内コアと該最内コアの外側の第１の外部コアの両方を少なくとも備えた導波路構造を有し、導波光のモードフィールドを変換する光学変換素子であって、
前記導波路構造は、前記最内コアと、前記第１の外部コアと、下部クラッドと、上部クラッドとを備えており、
前記最内コアは、前記下部クラッドの上に配置された細線コアからなり、
前記第１の外部コアは、前記細線コアを埋設し前記下部クラッドの上に配置されるスラブ層と、前記スラブ層の上に配置され前記細線コアの上方に位置するリッジとを備えており、
前記上部クラッドは、前記リッジを埋設し、前記スラブ層の上に配置されており、
前記細線コアの材料の屈折率は、前記スラブ層の材料の屈折率よりも大きく、前記スラブ層の材料の屈折率は、前記リッジの材料の屈折率よりも大きいか又は等しく、前記リッジの材料の屈折率は、前記下部クラッドの材料の屈折率と前記上部クラッドの材料の屈折率よりも大きく、
前記下部クラッドの上面から前記リッジの上面までの距離が、導波路の長さ方向に亘って、前記細線コアの厚みの範囲内の変動を伴って、ほぼ一定であり、
導波方向に沿ってモードフィールドを拡大する向きに、前記細線コアの断面積が徐々に減少する第１のテーパ部を含み、
導波方向に沿ってモードフィールドを拡大する向きに、前記リッジの上部の幅が徐々に増加する第２のテーパ部を含む、
ことを特徴とする光学変換素子。
【請求項３】
前記リッジの、導波方向に垂直な断面形状が、四角形であることを特徴とする請求項２に記載の光学変換素子。
【請求項４】
前記第１のテーパ部の、前記細線コアの断面積が小さい側に、前記第２のテーパ部が配置されていることを特徴とする請求項２に記載の光学変換素子。
【請求項５】
前記第１のテーパ部と前記第２のテーパ部が一部重なって配置されていることを特徴とする請求項２に記載の光学変換素子。
【請求項６】
前記リッジの導波方向に垂直な断面形状が凸形であることを特徴とする請求項２に記載の光学変換素子。
【請求項７】
前記スラブ層の導波方向に垂直な断面形状が凸形であり、前記凸形の突起部の上面の幅が前記リッジの底面の幅と同じであることを特徴とする請求項２に記載の光学変換素子。
【請求項８】
前記第２のテーパ部の範囲において、導波方向に沿ってモードフィールドを拡大する向きに、前記細線コアの断面積が徐々に減少することを特徴とする、請求項２に記載の光学変換素子。
【請求項９】
前記スラブ層の材料の屈折率は、前記リッジの材料の屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の光学変換素子。
【請求項１０】
前記スラブ層の材料の屈折率は、前記リッジの材料の屈折率よりも０〜０．３％大きいことを特徴とする請求項９に記載の光学変換素子。
【請求項１１】
前記最内コアは半導体を材料とすることを特徴とする請求項１に記載の光学変換素子。
【請求項１２】
前記半導体がシリコンであることを特徴とする請求項１１に記載の光学変換素子。
【請求項１３】
前記第１の外部コアはシリコン化合物またはポリマを材料とすることを特徴とする請求項１に記載の光学変換素子。
【請求項１４】
前記シリコン化合物は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化窒化ケイ素、燐−シリカガラス、ホウ素−燐−シリカガラス、又はゲルマニウム−シリカガラスであることを特徴とする、請求項１３に記載の光学変換素子。
【請求項１５】
構成材料の屈折率と幅の両方が、前記第1の外部コアの前記リッジと同じかほぼ同じであり、かつ断面が矩形かほぼ矩形である第２の細線コアに、前記第１の外部コアが、光ファイバとの接続端側で、接続されていることを特徴とする請求項２に記載の光学変換素子。
【請求項１】
最内コアと該最内コアの外側の第１の外部コアの両方を少なくとも備えた導波路構造を有し、導波光のモードフィールドを変換する光学変換素子であって、
前記最内コアは、導波方向に沿ってモードフィールドを拡大する向きに断面積が徐々に減少する逆テーパ型であり、前記第１の外部コアは、リッジを有しかつ導波方向に沿ってモードフィールドを拡大する向きに断面積が徐々に増加する順テーパ型である、ことを特徴とする光学変換素子。
【請求項２】
最内コアと該最内コアの外側の第１の外部コアの両方を少なくとも備えた導波路構造を有し、導波光のモードフィールドを変換する光学変換素子であって、
前記導波路構造は、前記最内コアと、前記第１の外部コアと、下部クラッドと、上部クラッドとを備えており、
前記最内コアは、前記下部クラッドの上に配置された細線コアからなり、
前記第１の外部コアは、前記細線コアを埋設し前記下部クラッドの上に配置されるスラブ層と、前記スラブ層の上に配置され前記細線コアの上方に位置するリッジとを備えており、
前記上部クラッドは、前記リッジを埋設し、前記スラブ層の上に配置されており、
前記細線コアの材料の屈折率は、前記スラブ層の材料の屈折率よりも大きく、前記スラブ層の材料の屈折率は、前記リッジの材料の屈折率よりも大きいか又は等しく、前記リッジの材料の屈折率は、前記下部クラッドの材料の屈折率と前記上部クラッドの材料の屈折率よりも大きく、
前記下部クラッドの上面から前記リッジの上面までの距離が、導波路の長さ方向に亘って、前記細線コアの厚みの範囲内の変動を伴って、ほぼ一定であり、
導波方向に沿ってモードフィールドを拡大する向きに、前記細線コアの断面積が徐々に減少する第１のテーパ部を含み、
導波方向に沿ってモードフィールドを拡大する向きに、前記リッジの上部の幅が徐々に増加する第２のテーパ部を含む、
ことを特徴とする光学変換素子。
【請求項３】
前記リッジの、導波方向に垂直な断面形状が、四角形であることを特徴とする請求項２に記載の光学変換素子。
【請求項４】
前記第１のテーパ部の、前記細線コアの断面積が小さい側に、前記第２のテーパ部が配置されていることを特徴とする請求項２に記載の光学変換素子。
【請求項５】
前記第１のテーパ部と前記第２のテーパ部が一部重なって配置されていることを特徴とする請求項２に記載の光学変換素子。
【請求項６】
前記リッジの導波方向に垂直な断面形状が凸形であることを特徴とする請求項２に記載の光学変換素子。
【請求項７】
前記スラブ層の導波方向に垂直な断面形状が凸形であり、前記凸形の突起部の上面の幅が前記リッジの底面の幅と同じであることを特徴とする請求項２に記載の光学変換素子。
【請求項８】
前記第２のテーパ部の範囲において、導波方向に沿ってモードフィールドを拡大する向きに、前記細線コアの断面積が徐々に減少することを特徴とする、請求項２に記載の光学変換素子。
【請求項９】
前記スラブ層の材料の屈折率は、前記リッジの材料の屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の光学変換素子。
【請求項１０】
前記スラブ層の材料の屈折率は、前記リッジの材料の屈折率よりも０〜０．３％大きいことを特徴とする請求項９に記載の光学変換素子。
【請求項１１】
前記最内コアは半導体を材料とすることを特徴とする請求項１に記載の光学変換素子。
【請求項１２】
前記半導体がシリコンであることを特徴とする請求項１１に記載の光学変換素子。
【請求項１３】
前記第１の外部コアはシリコン化合物またはポリマを材料とすることを特徴とする請求項１に記載の光学変換素子。
【請求項１４】
前記シリコン化合物は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化窒化ケイ素、燐−シリカガラス、ホウ素−燐−シリカガラス、又はゲルマニウム−シリカガラスであることを特徴とする、請求項１３に記載の光学変換素子。
【請求項１５】
構成材料の屈折率と幅の両方が、前記第1の外部コアの前記リッジと同じかほぼ同じであり、かつ断面が矩形かほぼ矩形である第２の細線コアに、前記第１の外部コアが、光ファイバとの接続端側で、接続されていることを特徴とする請求項２に記載の光学変換素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−８３４４６（Ｐ２０１２−８３４４６Ａ）
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２８０８６（Ｐ２０１０−２２８０８６）
【出願日】平成２２年１０月８日（２０１０．１０．８）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月８日（２０１０．１０．８）
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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