JP2018097012A - スポットサイズ変換器、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】サイズの異なる光導波路同士を高効率、低損失で結合し、かつ高い軸ずれ耐性と設計自由度を有するスポットサイズ変換器を提供する。
【解決手段】異なるコアサイズの光配線間でビーム径を変換するスポットサイズ変換器１０において、第１のサイズの第１光配線１０１に光学的に接続される第１の面１１と、第１のサイズより大きい第２のサイズの第２光配線１０２に光学的に接続される第２の面１２と、第１の面から第２の面に向かって円錐状に径が小さくなるテーパ型のポリマー導波路と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スポットサイズ変換器とその製造方法に関し、特に、ポリマー光導波路型のスポットサイズ変換器と製造方法に関する。

近年、クラウドコンピューティングサービスの急速な進展に伴い、データセンター内のトラフィック量が上昇し、１レーンあたり４０Ｇｂｐｓ以上のデータレートが要求されつつある。このような要求に対して、光インターコネクト技術、特にＣＭＯＳプロセスを適用したシリコンフォトニクス技術を用いることで、システム全体のさらなる広帯域化、高密度化、低消費電力化が期待されている。主としてオンチップ領域での使用が想定されるシリコンフォトニクス技術では、高屈折率のシリコン（Ｓｉ）をコアに用いることで、ナノスケールの光導波路が作製可能である。一方、オフチップ領域では、既存のシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ：Single Mode Fiber）をＳｉフォトニクスチップと接続することが想定されている。Ｓｉ光導波路が３００〜５００ｎｍのコアサイズを有するのに対し、汎用ＳＭＦのコアサイズは８〜１０μｍが一般的である。両者を直接バット接続するとモードフィールド径（ＭＦＤ:Mode Field Diameter）の違いにより結合損失が生じてしまう。その解決策として、スポットサイズ変換器（ＳＳＣ：Spot Size Converter）が用いられている。ＳＳＣは、面内接続が可能であるため省スペース化に適しており、また、波長依存性が低いという利点がある。

光ファイバとＳｉ細線導波路の低コストのインタフェースとして、ポリマー導波路を用いる構成が提案されている（たとえば、非特許文献１参照）。この文献で、ポリマー導波路はフォトリソグラフィ法によりＳｉ導波路からＳＭＦに向かって徐々に導波路幅が狭くなる形状に平面加工されている。

また、Ｓｉ導波路とマルチコアファイバ（ＭＣＦ）をフォトニックワイヤボンティングで接続する構成が提案されている（たとえば、非特許文献２参照）。フォトニックワイヤボンディングはレーザ直接描画法を用いて作製され、先端部にＭＣＦのコアに向かって径が広がっていくテーパ構造を有する。

他方、未硬化のクラッドに吐出針を刺し入れて、針先端からコア材料を吐出しながらクラッド内を移動させ、コア材料を硬化させてポリマー光導波路を形成する技術が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。この方法は、「モスキート法」とも呼ばれている。

国際公開第ＷＯ２０１３／００２０１３号

Tymon Barwicz and Yoichi Taira, "Low-Cost Interfacing of Fibers to Nanophotonic Waveguides; Design for Fabrication and Assembly Tolerances", IEEE Photonics Journal, Vol. 6 No. 4, August 2014 Nicole Lindermann, et al., "Connecting Silicon Photonic Circuits to Multicore Fibers by Photonic Wire Bonding", Journal of Lightwave Technology, Vol. 33, No. 4, February 15, 2015

フォトリソグラフィ法やフォトニックワイヤボンディングを用いたＳＳＣの作製は多く報告されているが、汎用ＳＭＦと高効率、低損失で結合でき、かつ軸ずれ耐性と設計自由度の高いＳＳＣは未だに実現されていない。

本発明は、サイズの異なる光伝送路同士を高効率、低損失で結合し、かつ高い軸ずれ耐性と設計自由度を有するスポットサイズ変換器を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、径方向のサイズが光軸に対して対称に変化する円錐台または立体テーパ形状のポリマー光導波路型のＳＳＣを実現する。本発明の第１の側面では、異なるコアサイズの光配線間でビーム径を変換するスポットサイズ変換器は、
第１のサイズの第１光配線に光学的に接続される第１の面と、
前記第１のサイズより大きい第２のサイズの第２光配線に光学的に接続される第２の面と、
前記第１の面から前記第２の面に向かって円錐状に径が小さくなるテーパ型のポリマー導波路と、
を有する。

本発明の第２の側面では、スポットサイズ変換器の製造方法を提供する。この製造方法は、
第１光配線が形成された基板の上に未硬化のクラッド層を形成するステップと、
前記クラッド層に注入針を指し込み、前記注入針から前記クラッド層の中に未硬化のコア材料を注入しながら、前記注入針を所定の方向に移動速度と吐出量の少なくとも一方を変化させて移動するステップと、
所定の位置で前記クラッド層から前記注入針を抜き取った後に前記コア材料を硬化させて、一方の端部が前記第１光配線と接続されているテーパ型のポリマー導波路を形成するステップと、
前記ポリマー導波路の前記第１光配線と反対側の端部を、前記第１光配線よりもコアサイズの大きい第２光配線と光学的に接続するステップと、
を含む。

上記の構成と手法により、サイズの異なる光導波路間を高効率、低損失で結合でき、かつ高い軸ずれ耐性と設計自由度を有するスポットサイズ変換器が実現される。

実施形態のＳＳＣの概略図である。 異なるクラッド材料のコア径（ＳＳＣ径）とＬＰ₀₁モードのＭＦＤの関係を示す図である。 実施形態のポリマー光導波路型のＳＳＣを用いた光結合のシミュレーション結果を示す図である。 実施形態のポリマー光導波路型のＳＳＣの作製方法を示す模式図である。 ニードル走査速度とコア径の関係を示す図である。 実施例１のＳＳＣサンプルのサイド（ａ）とサイド（ｂ）の断面顕微鏡写真である。 実施例１のＳＳＣサンプルの両サイドでの強度プロファイルとＭＦＤを示す図である。 図７の結果を模式的に示す図である。 実施例１のＳＳＣサンプルのコア径と導波路長の関係を示す図である。 各ＳＳＣ長における規格化強度分布を示す図である。 実施例１のＳＳＣサンプルの挿入損失を比較例とともに示す図である。 実施例１のＳＳＣサンプルの軸ずれ耐性の測定結果を示す図である。 実施例２のＳＳＣサンプルの両サイドの断面顕微鏡写真と対応するＭＦＤを示す図である。 実施例２のＳＳＣサンプルの挿入損失測定結果を示す図である。 実施例２のＳＳＣサンプルの両サイドでの強度プロファイルとＮＦＰ及びＭＦＤを示す図である。 実施例２の挿入損失低減効果を示す図である。 実施形態の立体テーパ形状のＳＳＣと、比較例としてフォトリソグラフィ法による平面テーパ形状のＳＳＣの構成の相違を示す模式図である。 実施形態の立体テーパ形状のＳＳＣと、比較例の平面テーパ形状のＳＳＣの強度プロファイルと結合損失のシミュレーション結果を示す図である。

図１は、実施形態のスポットサイズ変換器（ＳＳＣ）１０の概略図である。ＳＳＣ１０は、サイズの異なる光導波路間を光接続するポリマー光導波路型のＳＳＣである。図１の例では、ＳＳＣ１０はシリコン（Ｓｉ）光導波路１０１と汎用のＳＭＦ１０２の間を結合する。本発明の特徴として、ＳＳＣ１０は、Ｓｉ光導波路１０１の出力端からＳＭＦ１０２のコアに向かって径が小さくなる円錐台またはテーパ型の形状を有する。Ｓｉ光導波路１０１のコアサイズは一般に３００〜５００ｎｍであり、汎用のＳＭＦ１０２のコア径は８〜１０μｍである。ＳＳＣ１０は、Ｓｉ光導波路１０１の出射位置での断面１１の径Ｄ１の方が、ＳＭＦ１０２との接続側の断面１２の径よりも大きい。径の小さいＳｉ光導波路１０２側でＳＳＣ１０の径が大きくなるという意味で、ＳＳＣ１０の形状を「逆テーパ」と呼んでもよい。

一例として、Ｓｉ光導波路１０１の出力端でのＳＳＣ１０の径は４〜５μｍ、ＳＭＦ１０２との接続面での径は１．５〜２．５μｍである。断面１１から断面１２までのＳＳＣ１０の長さＬは４．０ｃｍ以下、好ましくは１．０〜３．５ｃｍである。ＳＳＣ１０は、Ｓｉ光導波路１０１の端部を覆っていてもよいが、ＭＦＤの変換機能を果たすのは断面１１から断面１２までの間である。また、図１では図示の便宜上、下側のクラッド１０５のみが描かれているが、Ｓｉ光導波路１０１とＳＳＣ１０の周囲全体がクラッドで覆われていてもよい。

図１の形状のＳＳＣ１０で、伝搬光のモードフィールド径（ＭＦＤ）は、ＳＭＦ１０２との接続面１２に向かって大きく広がる。たとえば、波長が１．３μｍ〜１．５μｍの光に対して、Ｓｉ導波路１０１の出射位置でのＳＳＣ１０のＭＦＤは３．８〜３．９μｍであるのに対し、ＳＭＦ１０２との接続面でのＭＦＤは５．６〜８．０μｍにまで広がる。これは、後述するように、エバネッセント光の漏れ出しの効果によるものと考えられる。光軸に対して径が対称に変化する円錐台型のＳＳＣ１０によりＳＭＦ１０２との接続面でＭＦＤを広げているので、高い軸ずれ耐性を有する。

このようなＳＳＣ１０の特性と効果を詳細に説明する前に、ポリマー光導波路型のＳＳＣ１０の設計と作製について説明する。
＜ポリマー光導波路型ＳＳＣの設計と作製＞
両端側でＭＦＤが異なるような逆テーパ状のポリマー光導波路型ＳＳＣの作製に向けて、最適な設計を行う。ＭＦＤは、波長、コアとクラッドの屈折率差、コア径等に依存する。そこでまず、モードソルバツール（FIMMWAVE, FIMMPROP）を用いて、ポリマー光導波路型ＳＳＣの理論的設計を行う。実施に作製したＳＳＣの概念図は、図１に示すとおりである。

ＳＳＣ１０は円錐状のテーパ形状を有し、その断面はほぼ円形である。光軸方向の径の変化は、光軸に対して対称である。ＳＭＦ１０２側に向かって徐々に径を小さくすることで、高次モードの発生を抑制することができる。

ＳＳＣ１０を構成するポリマー導波路材料として、日産化学工業株式会社製の有機−無機ハイブリッド樹脂SUNCONNECT（登録商標）シリーズを使用する。この材料は耐熱性が高く、半田リフロープロセスへの適合性が高い。また、Ｓｉフォトニクス技術での使用が想定される波長１５５０ｎｍでの吸収損失が低い。具体的には、コア材料として、SUNCONNECT（登録商標）シリーズのＮＰ−００５（比屈折率ｎ_d＝１．６０）を使用する。一方、クラッド材料については、最適なクラッド材料をシミュレーションにより決定する。

図２は、コア径と、波長１５５０ｎｍでのＬＰ₀₁導波モードのＭＦＤの関係を示す。クラッド材料として、屈折率が１．５９の材料（四角でプロット）と、屈折率が１．５２の材料（丸でプロット）を比較する。屈折率１．５９のクラッド材料は、日産化学工業株式会社製のＮＰ−２１１、比屈折率１．５２のクラッド材料は、Micro Resist Technology GmbH製のORMOCLAD（登録商標）である。屈折率１．５９の材料は、コアとの屈折率差が小さいため、コア径（ＳＳＣ径）をいくら縮小してもＭＦＤを７μｍ以下にすることができない。他方、屈折率１．５２の材料は、コアとの屈折率差が確保できるため、コア径（ＳＳＣ径）を３μｍまで低減したときに、ＭＦＤが３．９μｍまで縮小する。コア径（ＳＳＣ径）をさらに小さく２μｍ前後まで縮小すると、ＭＦＤは汎用ＳＭＦと同等の７μｍまで拡大する。これは、コア径（ＳＳＣ径）の著しい縮小により、光が十分にコア（ＳＳＣ）内に閉じ込められなくなり、エバネッセント光としてクラッドまで漏れ出ているためと考えられる。

このシミュレーション結果から、Ｓｉ光導波路１０１の出力端（サイド（ａ））でのＳＳＣ１０の径を４〜５μｍ、ＳＭＦ１０２との接続端（サイド（ｂ））でのＳＳＣ１０の径を１．７５μｍとするテーパ形状とすることで、ＭＦＤを３．８μｍから８μｍに変換することができる。

図３は、実際にＳｉ光導波路１０１からＳＳＣ１０に光を結合し、さらに汎用のＳＭＦ１０２へと接続することを想定して、伝搬シミュレーションを行った結果を示す。上段は上面図、中段はＮＦＰ（Near Field Pattern：近視野像）、下段は側面図である。ＳＳＣのテーパ形状を白の破線で示す。

位置Ｐ１からＰ２にかけてＳｉ光導波路（ＷＧ）は平行に延びており、Ｓｉ光導波路に閉じ込められた光だけが観察される。位置Ｐ２からＰ３にかけて、Ｓｉ光導波路は先細りに加工されており、光のしみ出しが始まる。位置Ｐ３はＳｉ光導波路の出力端におけるＳＳＣの断面位置である。この位置をサイド（ａ）とする。サイド（ａ）でのＭＦＤは３．９μｍである。位置４はＳＭＦとの接続面におけるＳＳＣの断面位置である。この位置をサイド（ｂ）とする。サイド（ｂ）でのＭＦＤは６．２μｍである。サイド（ａ）とサイド（ｂ）において、ＬＰ₀₁モードのＭＦＤが断熱的に変化している様子が見て取れる。後述するように、ＳＳＣ１０の作製条件を調整することで、ＭＦＤをさらに拡大することが可能である。

図４は、ポリマー光導波路型のＳＳＣ１０の評価用のサンプルの作製工程を説明する模式図である。まず、図４（Ａ）に示すように、ベース４２上に取り外し可能なフレーム４３を有する支持体４１を準備し、フレーム４３内にクラッド材料４４を配置する。クラッド材料４４は、粘性を有するペースト状の樹脂前駆体を主成分とし、コア材料との屈折率差の大きい材料を適宜選択することができる。一例として、上述したMicro Resist Technology GmbH製のORMOCLAD（登録商標）を、ディスペンサ等を用いてフレーム４３内に塗布する。

次に、図４（Ｂ）に示すように、吐出装置３０のニードル３１をクラッド材料４４に差し込んで、本体３２を移動させながらニードル３１の先端からコア材料（重合前の前駆体またはモノマー）を注入して、クラッド材料４４の中にコア層４５を形成する。本体３２の移動速度を加速することで形成されるコア層４５の径を連続的に小さくすることができる。加速度を調整することで、コア層４５の径の変化の度合いを制御することができる。所望の長さと径変化を有するコア層４５が形成されたら、ニードル３１をクラッド材料４４から抜き取る。なお、ニードルの速度変化の方向と移動方向は任意であり、ニードルの移動速度を加速することによっても、減速することによってもテーパ形状を作製することができる。また、ニードルの走査方向は基板と水平な面内に限定されず、垂直方向に走査してもよい。さらに、走査速度を一定にしてコアの吐出量（または吐出圧力）を変えることによって、あるいは移動速度と吐出量の変化を組み合わせることによってテーパ形状を実現してもよい。

次に、図４（Ｃ）に示すように、コア層４５とクラッド材料４４を硬化させる。この例では、クラッド材料４４とコア材料に紫外線硬化樹脂を用いており、紫外線の照射により硬化させているが、熱硬化性樹脂を用いることも可能である。

最後に、図４（Ｄ）に示すように、フレーム４３を取り外し、ベース４２から硬化後の層を剥離することで、クラッド１０５内の円錐台または３次元的なテーパ形状のＳＳＣ１０のサンプルが得られる。実際のＳＳＣ１０の作製では支持体４１を用いる必要はなく、たとえばＳｉ光導波路が形成された光配線基板にスリットや凹部を形成して、スリット（または凹部）内にクラッド材料を塗布する。Ｓｉ光導波路の端部の近傍で重合前のクラッド材料にニードルを差し込み、コア材料を注入しながらニードルを所定の方向に加速しながら移動する。その後、ニードルを抜いてコア材料とクラッド材料を硬化させ、端面を研磨することでＳＳＣを形成することができる。

この方法では、未硬化のクラッド材料４４にコア材料が注入されると、コア材料がクラッド材料の中に等方的に拡散して、ガウス分布形状のＧＩ（Graded Index）型の屈折率分布を有するコア層４５を形成することができる。一般的なＧＩ型の屈折率分布は、屈折率がコア中心から減少してプロファイルが上に凸のままで、低屈折率で均一屈折率であるクラッドとつながる。これに対し、本発明のモスキート法による導波路の屈折率分布プロファイルは、上に凸から下に凸へと変化し（変曲点を有し）、テールを引く形でクラッドとつながるガウス分布状のプロファイルとなる。光の速度は屈折率に反比例するため、硬化したコアの外側を蛇行（屈折）しながら通る光の光路長と、コアの中心部を通る光の光路長が相殺されて入射光はほぼ同時に出射することができる。

図５は、ニードル３１の走査速度とコア径の関係を示すグラフである。図４の円錐台またはテーパ形状のＳＳＣ１０の作製に先立って、径が一定の直線状のコアを作製し、コア径制御を検討した。内径が８０μｍのニードルを使用し、コア材料の吐出圧力を５０ｋＰａに固定し、ニードル３１の走査速度を一回ごとに変えてコア径を測定した結果をプロットした。図５から、コア径はニードルの走査速度の１／２乗に反比例する傾向を有する。ニードル３１の走査速度を１００ｍｍ／ｓとしたときに、コア径を約２μｍまで低減できることが確認できる。

図２と図５の結果に基づき、１００ミリ秒（ｍｓ）の間にニードル走査速度を８ｍｍ／ｓから４０ｍｍ／ｓに加速することで、円錐台または立体テーパ形状のＳＳＣサンプルを作製した。ＳＳＣサンプルの光軸方向の長さは３．５ｃｍである。ニードル内径は８０μｍ、コア材料の吐出圧力は５０ｋＰａである。

図６は、作製したＳＳＣサンプルのサイド（ａ）とサイド（ｂ）の断面顕微鏡写真である。サイド（ａ）からサイド（ｂ）に向かって、ニードル３１の走査速度は加速されている。サイド（ａ）でのコア径（ＳＳＣ径）が４．６μｍであるのに対し、サイド（ｂ）では２．８μｍまで径が縮小されている。サイド（ａ）をＳｉ光導波路側に配置し、サイド（ｂ）をＳＭＦ側に配置することで、サイド（ｂ）に向かってＭＦＤを拡大することができる。このＳＳＣサンプルを用いて光学特性を評価する。

図７は、実施例１のＳＳＣサンプルの波長１５５０ｎｍにおける強度プロファイルとＮＦＰ及びＭＦＤを示す。図７（Ａ）の実線は、ＳＳＣサンプルのサイド（ａ）での強度プロファイルであり、対応するＮＦＰとＭＦＤをともに示す。図７（Ａ）の破線は、Ｓｉ光導波路の代替としての超高ＮＡを有するＳＭＦ（ＵＨＮＡ）の強度プロファイルであり、対応するＮＦＰとＭＦＤをともに示す。図７（Ｂ）の実線は、ＳＳＣサンプルのサイド（ｂ）での強度プロファイルであり、対応するＮＦＰとＭＦＤをともに示す。図７（Ｂ）の破線は、汎用ＳＭＦの強度プロファイルであり、対応するＮＦＰとＭＦＤをともに示す。

図７から、高次のモードが発生することなく、ＳＳＣの両端でＭＦＤが３．８μｍから５．６μｍまで大きく変化していることがわかる。図７（Ａ）において、ＳＳＣのサイド（ａ）とＵＨＮＡの強度プロファイルが非常に近接しており、ＭＦＤも近い。同様に、図７（Ｂ）において、ＳＳＣのサイド（ｂ）と汎用ＳＭＦの強度プロファイルが良く似ており、ＭＦＤも近づいている。

図８は、図７の評価結果を模式的に示す図である。立体テーパ形状のＳＳＣサンプルの大径側と小径側の双方でＭＦＤがよくマッチしており、挿入損失（結合損失と伝搬損失を含む）が低減されていることがわかる。

図９は、実施例１のＳＳＣサンプルの光軸方向に対する光伝搬特性の評価結果を示す図である。まず、３．５ｃｍの長さのＳＳＣサンプルの両端の１５５０ｎｍ波長でのＮＦＰ（Near Field Pattern）を測定し、ＭＦＤを算出する。その後、ＳＳＣサンプルを１ｃｍずつ短くしていき、サンプルの長さが３．５ｃｍ、２．５ｃｍ、１．５ｃｍ、０ｃｍの各場合でのＭＦＤを計算する。

ＳＳＣサンプルの大径側のサイド（ａ）から小径側のサイド（ｂ）に向かって、長さが１．５ｃｍ、２．５ｃｍ、３．５ｃｍと増えるにつれて、断面でのコア径は４．７μｍ、３．９μｍ、３．２μｍ、２．９μｍと減少する。これに対し、１５５０ｎｍでのＮＦＰは徐々に大きくなる。ＭＦＤも同様に３．７μｍ、４．５μｍ、５．３μｍ、５．７μｍと増大する。

これは、前述の通り、ＳＳＣ径が小さくなるにつれてＳＳＣ内に閉じ込められなくなった光がエバネッセント光としてクラッド部に漏れ出ていくためであると考えられる。このように、図４の方法で作製した実施例１のＳＳＣサンプルは、設計どおりスポットサイズ変換機能を実現できていることがわかる。

図１０は、各ＳＳＣ長における強度プロファイルを示す図である。各ＳＳＣ長さで強度プロファイルの傾向は同じであり、強度がピークからｅ^-2に落ちる位置でのＭＦＤは、ＳＳＣの長さが増すほど、大きくなっている。

図１１は、実施例１のＳＳＣサンプルを用いた損入損失特性の評価結果を示す。作製した３．５ｃｍ長のＳＳＣサンプルを用いて、波長１５５０ｎｍにおける挿入損失を測定する。ＬＤ側の励振プローブと、パワーメータ側の受光プローブの配置を２種類（コンフィギュレーション１とコンフィギュレーション２）準備する。双方の配置構成で、ＳＭＦとＳＳＣの間、及びＳＳＣとＵＨＮＡの間はバット接続をしており、マッチングオイルを使用していない。

図１１（Ａ）のコンフィギュレーション１では、励振プローブとなるＵＨＮＡを、ＭＦＤの小さいサイド（ａ）に接続し、ＭＦＤの大きいサイド（ｂ）からの光を汎用ＳＭＦで受光する。コンフィギュレーション１は、本発明の配置構成でＳｉ光導波路からＳＭＦへの信号光の伝搬を想定している。

図１１（Ｂ）のコンフィギュレーション２では、コンフィギュレーション１と接続関係を逆にして、汎用ＳＭＦをＭＦＤの小さいサイド（ａ）に接続し、ＵＨＮＡをＭＦＤの大きいサイド（ｂ）に接続してＵＨＮＡ側で受光する。コンフィギュレーション２は、異なる径の光配線間を光接続する際に一般に採用される配置構成である。

図１１（Ｃ）に示すように、コンフィギュレーション１でのＳＳＣの挿入損失は十分に低い。ＳＭ光導波路とＳＭＦの結合損失は理論的に両者の電磁界分布の重なり積分によって定まる。図７の強度プロファイルからわかるように、ＳＳＣの両端の強度プロファイルが励振プローブと受光プローブの強度プロファイルと大きく重なっているものと考えられる。実施例で用いたポリマー光導波路の材料（「ＳＵＮＣＯＮＮＥＣＴ（登録商標）」）の波長１．５５μｍでの伝搬損失が０．４５ｄＢ／ｃｍであることから、３．５ｃｍ長の光導波路の１５５０ｎｍにおける伝搬損失は１．５８ｄＢと見積もられる。ＳＳＣサンプルの両端での結合損失は、フレネル反射を含めて５．３６ｄＢであると見積もられる。

これに対して、大径のＳＭＦにＭＦＤの小さいサイド（ａ）を、小径のＵＨＮＡにＭＦＤの大きいサイド（ｂ）を接続したコンフィギュレーション２では、挿入損失が大きい。

図１２は、実施例１のＳＳＣサンプルを用いたミスアライメントトレランスの評価結果を示す。実施形態の立体テーパ形状のＳＳＣは、ＳＭＦとの接続側でＭＦＤが大きくなっているのでＳＭＦとの接続時に高い軸ずれ耐性を持つと考えられる。そこで、作製したＳＳＣサンプルを用いてＳＭＦとの軸ずれ耐性を評価する。

図１２（Ａ）と図１２（Ｂ）は、測定系の構成を示し、図１２（Ｃ）はミスアライメント測定結果を示す。光源に波長１５５０ｎｍのレーザダイオード（ＬＤ）を使用し、励振プローブと受光プローブに、それぞれ汎用ＳＭＦを使用する。図１２（Ａ）において、ＭＦＤの小さいサイド（ａ）を受光プローブのＳＭＦと接続し、受光側ＳＭＦの位置をＳＳＣの径方向に変化させたときの損失変化量を、ミスアライメントトレランスとして測定する。図１２（Ｂ）において、ＭＦＤの大きいサイド（ｂ）を受光プローブのＳＭＦと接続し、受光側ＳＭＦの位置をＳＳＣの径方向に変化させたときの損失変化量を、ミスアライメントトレランスとして測定する。

図１２（Ｃ）に示すように、サイド（ａ）での−０．５ｄＢミスアライメントトレランスは±１．３μｍであったのに対し、サイド（ｂ）では±２．１μｍという広いトレランス幅が得られる。これは、汎用ＳＭＦとＳＭ光導波路とのミスアライメントトレランスと同等の値である。このような広いトレランス幅が得荒れた要因として、立体テーパ状のＳＳＣサンプルのサイド（ｂ）でのＭＦＤを、ＳＭＦのＭＦＤに近づけることができたためと考えられる。このように、実施例１の立体テーパ状のＳＳＣサンプルは、高い軸ずれ耐性を有する。

図１３は、実施例２のＳＳＣサンプルの概略構成と断面顕微写真、及び伝搬光のＮＦＰとＭＦＤを示す。実施例２では、ニードル３１の走査速度の変化の割合を大きくすることで、ＭＦＤの最適化を行う。ニードル内径は８０μｍ、コア材料の吐出圧力を５０ｋＰａに固定して、１００ミリ秒（ｍｓ）の間にニードル走査速度を８ｍｍ／ｓから１００ｍｍ／ｓに加速して、光軸方向の長さが１．５ｃｍの円錐台または立体テーパ形状のＳＳＣサンプルを作製した。

実施例２のＳＳＣサンプルのサイド（ａ）でのコア径は４．６４μｍ、サイド（ｂ）でのコア径は２．７８μｍである。サイド（ａ）でのＭＦＤは３．８μｍ、サイド（ｂ）でのＭＦＤは７．２μｍに拡大されている。汎用ＳＭＦのＭＦＤは７．４μｍであることから、ニードル走査速度を変化させることで所望のＭＦＤを達成できることが確認された。

図１４は、実施例２のＳＳＣサンプルを用いた損入損失特性の評価結果を示す。作製した１．５ｃｍ長のＳＳＣサンプルを用いて、波長１５５０ｎｍにおける挿入損失を測定する。ＬＤ側の励振プローブと、パワーメータ側の受光プローブの配置を２種類準備する。

図１４（Ａ）のコンフィギュレーション１では、励振プローブのＵＨＮＡをＭＦＤの小さいサイド（ａ）に接続し、ＭＦＤの大きいサイド（ｂ）からの光を汎用ＳＭＦで受光する。コンフィギュレーション１は、実施形態の配置構成でＳｉ光導波路からＳＭＦへの信号光の伝搬を想定している。

図１４（Ｂ）のコンフィギュレーション２では、コンフィギュレーション１と接続関係を逆にして、汎用ＳＭＦをサイド（ａ）に接続し、ＵＨＮＡをサイド（ｂ）に接続してＵＨＮＡ側で受光する。コンフィギュレーション２は、径の異なる光配線間をＳＳＣで接続するときに一般に採用される構成である。

図１４（Ｃ）に示すように、コンフィギュレーション１でのＳＳＣの挿入損失は、実施例１よりもさらに低減されている。これに対し、大径のＳＭＦをＭＦＤの小さいサイド（ａ）に接続し、小径のＵＨＮＡをＭＦＤの大きいサイド（ｂ）に接続したコンフィギュレーション２では、挿入損失が大きい。

図１５は、実施例２のＳＳＣサンプルの両サイドでの強度プロファイルとＮＦＰ及びＭＦＤを示す。図１５（Ａ）の実線は、ＳＳＣサンプルのサイド（ａ）での強度プロファイルであり、対応するＮＦＰとＭＦＤをともに示す。図１５（Ａ）の破線は、Ｓｉ光導波路の代替としてのＵＨＮＡの強度プロファイルであり、対応するＮＦＰとＭＦＤをともに示す。図１５（Ｂ）の実線はＳＳＣサンプルのサイド（ｂ）での強度プロファイルであり、対応するＮＦＰとＭＦＤをともに示す。図１５（Ｂ）の破線は汎用ＳＭＦの強度プロファイルであり、対応するＮＦＰとＭＦＤをともに示す。

図１５から、実施例２のＳＳＣでは高次のモードが発生することなく、両端の間でＭＦＤが３．９μｍから７．２μｍまで大きく変化していることがわかる。図１５（Ａ）において、ＳＳＣのサイド（ａ）とＵＨＮＡの強度プロファイルが非常に近接しており、ＭＦＤも近い。図１５（Ｂ）において、ＳＳＣのサイド（ｂ）と汎用ＳＭＦの強度プロファイルはほとんど同じであり、ＭＦＤも非常に近似している。

図１６は、実施例２の構成の挿入損失低減効果を示す図である。図の左側のチャートは実施例１の３．５ｃｍ長のＳＳＣサンプルの挿入損失を示し、右側のチャートは実施例２の１．５ｃｍ長のＳＳＣサンプルの挿入損失を示す。挿入損失を、伝搬損失とフレネル反射損失と結合損失の和で表すと、フレネル反射損失は実施例１と２で同じである。伝搬損失はＳＳＣの光軸方向の長さを短くしたことにより約半分に低減している。

低減効果が最も大きいのが、結合損失である。実施例２では、１ｄＢ以下の結合損失を実現している。これは、サイド（ａ）とサイド（ｂ）の双方で強度プロファイルの重なり合いを最適化したことによると考えられる。

また、実施例２のＳＳＣサンプルは、実施例１と同様に光軸方向の径の変化が光軸と垂直な面内で光軸に対して対称であり、高い軸ずれ耐性を有する。また、ＳＭＦ側のサイド（ｂ）での強度プロファイルとＭＦＤの一致性により、サイド（ｂ）側で実施例１以上に広いトレランス幅が得られる。

図１７は、実施形態の立体テーパ形状のＳＳＣと、比較例としてフォトリソグラフィ法による平面テーパ形状のＳＳＣの構成の相違を示す模式図である。図１７（Ａ）に示すように、実施形態では図４の方法（モスキート法）により、ガウス型の屈折率分布を有するＳＳＣを実現している。

これに対し、図１７（Ｂ）のように一般的なフォトリソグラフィ法でテーパ形状のポリマー光導波路型のＳＳＣを作製すると、幅方向だけが縮小され、高さは一定の平面テーパ型のＳＳＣとなる。フォトリソグラフィ法では、均一屈折率のコアとなり、ガウス分布状の屈折率分布を得ることは困難である。

図１８は、実施形態の立体テーパ形状のＳＳＣと、従来法による平面テーパ形状のＳＳＣの比較結果を示す図である。図１８（Ａ）は、実施形態の方法で作製されたＳＳＣの強度プロファイルと結合損失のシミュレーション結果を示す。図１８（Ｂ）は、一般的なフォトリソグラフィ法で作製されたＳＳＣの強度プロファイルと結合損失のシミュレーション結果を示す。

図１８（Ａ）と図１８（Ｂ）で、ＭＦＤに着目すると、ＳＳＣのサイド（ｂ）とＳＭＦでＭＦＤのサイズは一致している。この結果だけをみると、ＳＳＣのサイド（ｂ）側でＭＦＤの大きをＳＭＦに揃えるという効果は同じようにもみえる。

しかし、強度プロファイルの全体を比較すると、実施形態では、強度分布の傾向がＳＳＣとＳＭＦでほぼ一致しているのに対し、従来法では、強度分布の傾向がＭＦＤを境に反転している。この違いが、結合損失の低減効果の差になって現れている。実施形態の方法ではＧＩ型の（特にガウス型の屈折率分布を持つ）ＳＳＣが得られ、光の強度分布が重なり合う面積が大きくなって結合損失を低減することができる。これに対し、従来のフォトリソグラフィ法によると、ＳＳＣの径方向に屈折率が一定なＳＩ（Step Index）型の分布になる。ＳＳＣの強度分布とＳＭＦの強度分布特性がＭＦＤを境に反転しており、光の強度分布が重なり合う部分の面積が小さくなり、結合損失が大きくなる。このように、図４のモスキート法により作製したＳＳＣの優位性が確認された。

以上、まとめると、実施形態の方法により作製した立体テーパ（または円錐台）のＳＳＣでは、両端の間でＭＦＤが断熱的に大きく変化し、特に実施例２では、ＭＦＤが３．９μｍから７．２μｍまで拡大される。未硬化のクラッド内で、所定の時間内にニードルを８ｍｍ／ｓ以下の速度から４０〜１００ｍｍ／ｓまで加速することで、所望の立体テーパ形状のポリマー導波路を形成して、エバネッセント光の漏れ出しの効果を達成することができる。

実施形態のＳＳＣと汎用ＳＭＦとのミスアライメントトレランスは±２．１μｍ以上であり、ＳＭ光導波路と汎用ＳＭＦの軸ずれ特性と同等の値が得られる。

実施形態のＳＳＣの挿入損失は十分に低く、特に実施例２では１５５０ｎｍ波長において２．３４ｄＢという低い値に抑えることができる。

実施形態のＳＳＣとその作製方法は、サイズの異なる光伝送路同士を高効率、低損失で結合することができ、かつ高い軸ずれ耐性と設計自由度を有する。このようなＳＳＣは、多チャンネルの光通信にも適用できる。たとえば、光トランシーバの送受信フロントエンドで、４チャンネル、８チャンネル等のＳｉ光導波路が形成されたシリコンチップのエッジに、実施形態のポリマー導波路で形成されたＳＳＣを各チャネルに対応して配置し、外部光配線であるＳＭＦに接続することができる。実施形態のＳＳＣは、特に光送信フロントエンドに適用されたときに非常に高効率かつ低損失の光結合を実現することができる。

１０ ＳＳＣ（スポットサイズ変換器）
１１ 断面（第１の面）
１２ 断面（第２の面）
１４ ポリマー導波路
３０ 吐出装置
３１ ニードル
４４ 未硬化のクラッド材料
４５ コア層

Claims (9)

1. 異なるコアサイズの光配線間でビーム径を変換するスポットサイズ変換器において、
   第１のサイズの第１光配線に光学的に接続される第１の面と、
   前記第１のサイズより大きい第２のサイズの第２光配線に光学的に接続される第２の面と、
   前記第１の面から前記第２の面に向かって円錐状に径が小さくなるテーパ型のポリマー導波路と、
   を有することを特徴とするスポットサイズ変換器。
2. 前記第１の面での前記ポリマー導波路の径は４〜５μｍ、前記第２の面での前記ポリマー導波路の径は１．８〜２．８μｍであることを特徴とする請求項１に記載のスポットサイズ変換器。
3. 波長１５５０ｎｍで前記第１の面でのモードフィールド径は３．８〜３．９μｍ、前記第２の面でのモードフィールド径は、５．６〜８．０μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載のスポットサイズ変換器。
4. 前記ポリマー導波路の前記第１の面はシリコン細線導波路に接続され、前記第２の面は光ファイバに接続されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のスポットサイズ変換器。
5. 前記ポリマー導波路のコア部はガウス分布形状の屈折率分布を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のスポットサイズ変換器。
6. 第１光配線が形成された基板の上に未硬化のクラッド層を形成するステップと、
   前記クラッド層に注入針を指し込み、前記注入針から前記クラッド層の中に未硬化のコア材料を注入しながら、前記注入針を所定の方向に移動速度と吐出量の少なくとも一方を変化させて移動するステップと、
   所定の位置で前記クラッド層から前記注入針を抜き取った後に前記コア材料を硬化させて、一方の端部が前記第１光配線と接続されているテーパ型のポリマー導波路を形成するステップと、
   前記ポリマー導波路の前記第１光配線と反対側の端部を、前記第１光配線よりもコアサイズの大きい第２光配線と光学的に接続するステップと、
   を含むことを特徴とするスポットサイズ変換器の製造方法。
7. 前記第２光配線との接続面における前記ポリマー導波路の径が、前記第１光配線の光出射位置での前記ポリマー導波路の径よりも小さくなるように、前記注入針の移動速度及び／または吐出量を変化させることを特徴とする請求項６に記載のスポットサイズ変換器の製造方法。
8. 前記注入針の移動速度を、所定の時間内に８ｍｍ／秒以下の速度から４０〜１００ｍｍ／秒の速度に加速することを特徴とする請求項６または７に記載のスポットサイズ変換器の製造方法。
9. 前記未硬化のクラッド層は、シリコン細線導波路が形成された基板上に形成され、
   前記ポリマー導波路の前記シリコン細線導波路と反対側の端部は、光ファイバに接続されることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載のスポットサイズ変換器の製造方法。