特許 7207087 光導波路素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-01-10

(45)【発行日】2023-01-18

(54)【発明の名称】光導波路素子

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/035 20060101AFI20230111BHJP

   G02B 6/12 20060101ALI20230111BHJP

   G02B 6/122 20060101ALI20230111BHJP

   G02B 6/30 20060101ALI20230111BHJP

【ＦＩ】

G02F1/035

G02B6/12 371

G02B6/122

G02B6/12 363

G02B6/30

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2019064448

(22)【出願日】2019-03-28

(65)【公開番号】P2020166054

(43)【公開日】2020-10-08

【審査請求日】2021-08-23

(73)【特許権者】

【識別番号】000183266

【氏名又は名称】住友大阪セメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003694

【氏名又は名称】弁理士法人有我国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】片岡 優

(72)【発明者】

【氏名】宮崎 徳一

【審査官】山本 貴一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－０７５９１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－２１４３４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－２８９３４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－０１５６０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－３１３８１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－３５０６５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１４０８２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０９５４７１２９（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】特開平０９－０１５４３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０９３７４３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｆ １／００－１／０６５

Ｇ０２Ｂ ６／１２，６／１２２，６／３０

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

支持基板と、前記支持基板上に積層された電気光学効果を有する材料からなる導波層とを備える光導波路素子であって、
光導波路を形成するためのリブ部が前記導波層の上面に突出して設けられており、
前記リブ部の一部の直下において、前記支持基板の上面に溝部が形成されており、
前記溝部には、前記導波層の材料と同程度の実効屈折率を有する材料が充填されており、
前記リブ部の高さ方向の寸法は、前記溝部の高さ方向の寸法の半分より大きく２倍より小さいことを特徴とする光導波路素子。

【請求項2】

支持基板と、前記支持基板上に積層された電気光学効果を有する材料からなる導波層とを備える光導波路素子であって、
光導波路を形成するためのリブ部が前記導波層の上面に突出して設けられており、
前記リブ部の一部の直下において、前記支持基板の上面に溝部が形成されており、
前記溝部には、前記導波層の材料と同程度の実効屈折率を有する材料が充填されており、
前記リブ部の幅方向の寸法は、前記リブ部の上面から前記溝部の底面までの高さ方向の寸法の半分より大きく２倍より小さいことを特徴とする光導波路素子。

【請求項3】

前記リブ部の高さ方向の寸法は、前記溝部の高さ方向の寸法の半分より大きく２倍より小さいことを特徴とする請求項２に記載の光導波路素子。

【請求項4】

前記リブ部の延在方向に沿って、前記溝部の断面積が連続的に変化することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の光導波路素子。

【請求項5】

前記光導波路を伝搬する光波の伝搬方向に対して、前記溝部の断面積が連続的に小さくなるよう変化することを特徴とする請求項４に記載の光導波路素子。

【請求項6】

前記光導波路を伝搬する光波の伝搬方向に対して、前記溝部の断面積が連続的に大きくなるよう変化することを特徴とする請求項４に記載の光導波路素子。

【請求項7】

前記光導波路を伝搬する光波の伝搬方向に対して、前記溝部の幅方向の寸法が連続的に変化することを特徴とする請求項５または６に記載の光導波路素子。

【請求項8】

前記光導波路を伝搬する光波の伝搬方向に対して、前記溝部の高さ方向の寸法が連続的に変化することを特徴とする請求項５または６に記載の光導波路素子。

【請求項9】

前記光導波路に前記光波を導入する入力側光ファイバとの結合部、および前記光導波路から前記光波を導出する出力側光ファイバとの結合部において、前記溝部の幅方向の寸法が前記リブ部の幅方向の寸法と略同一であり、前記リブ部の上面から前記溝部の底面までの高さ方向の寸法が前記リブ部の幅方向の寸法と略同一であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の光導波路素子。

【請求項10】

前記光導波路を伝搬する前記光波を変調する変調部を有し、
前記入力側光ファイバとの結合部から前記変調部までの光導波路の一部において、前記溝部の断面積が連続的に小さくなるよう変化し、
前記変調部から前記出力側光ファイバとの結合部までの光導波路において、前記溝部の断面積が連続的に大きくなるよう変化することを特徴とする請求項９に記載の光導波路素子。

【請求項11】

前記導波層の材料がニオブ酸リチウムであり、
前記溝部を占める材料が、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸リチウムと同程度の実効屈折率を有する窒化シリコン、ニオブ酸リチウムと同程度の実効屈折率に調整された樹脂のいずれかであることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１つに記載の光導波路素子。

【請求項12】

前記支持基板上に前記導波層が貼り合わされていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１つに記載の光導波路素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、支持基板上に積層された電気光学効果を有する材料からなる導波層を備えた光導波路素子に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、光通信分野や光測定分野において、電気光学効果を有する基板上に光導波路を形成した光導波路素子が用いられている。例えば下記の特許文献１には、光導波路部分を突出させ、それ以外の基板領域を薄く形成したリブ型導波路を有する光学素子が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００６－２８４９６４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

光導波路素子は、光波入力側において光導波路素子へ光波を導入する光ファイバと結合され、光波出力側において光導波路素子から光波を導出する光ファイバと結合される。光ファイバ内を伝搬する光波は、例えばシングルモードの場合には伝搬方向に垂直な断面における光強度分布が略真円となり、歪みの少ないビーム形状を有している。一方、光導波路素子に形成されたリブ型導波路を伝搬する光波は、導波層上面に突出したリブ部の断面形状に合わせて、伝搬方向に垂直な断面における光強度分布が歪んだビーム形状となる。

【0005】

このように、光ファイバと光導波路素子とは、伝搬する光波の光強度分布が異なるビーム形状を有している。このようなビーム形状の不整合により、光ファイバと光導波路素子との結合部には大きな結合損失が生じる可能性があるという問題がある。

【0006】

また、上記のように、リブ型導波路を伝搬する光波は、リブ部の断面形状に合わせたビーム形状となる。このとき、導波層およびリブ部と外気との境界部が十分に加工されていない場合（いわゆる加工荒れが生じている場合）には、リブ型導波路を伝搬する光波は該境界部にオーバラップして散乱する可能性がある。その結果、光導波路素子のリブ型導波路には大きな伝搬損失が生じる可能性があるという問題がある。

【0007】

本発明は、上記の問題を解決するため、光ファイバとの結合部における結合損失を低減させることが可能であり、光導波路における伝搬損失を低減させることが可能である光導波路素子を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記の問題を解決するため、本発明に係る光導波路素子は以下のような技術的特徴を有する。

【0009】

（１） 本発明に係る光導波路素子は、上記の目的を達成するため、支持基板と、前記支持基板上に積層された電気光学効果を有する材料からなる導波層とを備える光導波路素子であって、
光導波路を形成するためのリブ部が前記導波層の上面に突出して設けられており、
前記リブ部の一部の直下において、前記支持基板の上面に溝部が形成されており、
前記溝部には、前記導波層の材料と同程度の実効屈折率を有する材料が充填されており、
前記リブ部の高さ方向の寸法は、前記溝部の高さ方向の寸法の半分より大きく２倍より小さいことを特徴とする。
（２） 本発明に係る光導波路素子は、上記の目的を達成するため、支持基板と、前記支持基板上に積層された電気光学効果を有する材料からなる導波層とを備える光導波路素子であって、
光導波路を形成するためのリブ部が前記導波層の上面に突出して設けられており、
前記リブ部の一部の直下において、前記支持基板の上面に溝部が形成されており、
前記溝部には、前記導波層の材料と同程度の実効屈折率を有する材料が充填されており、
前記リブ部の幅方向の寸法は、前記リブ部の上面から前記溝部の底面までの高さ方向の寸法の半分より大きく２倍より小さいことを特徴とする。
（３） 上記（２）に記載の光導波路素子において、前記リブ部の幅方向の寸法は、前記リブ部の上面から前記溝部の底面までの高さ方向の寸法の半分より大きく２倍より小さいことを特徴とする。

【0010】

この構成により、光導波路を伝搬する光波が下方の溝部方向へ広がり、光導波路素子の光導波路を伝搬する光波のビーム形状を歪みの少ない形状にすることが可能となる。その結果、光導波路素子の光導波路を伝搬する光波のビーム形状を、例えば光ファイバ内を伝搬するシングルモードの光波のビーム形状に近い形状とすることが可能となり、ビーム形状の不整合を抑えて、光ファイバと光導波路素子との結合部における結合損失を低減させることが可能となる。

【0011】

また、この構成により、光導波路素子の光導波路を伝搬する光波の高さ位置を下方の溝部に近い位置に配置させることが可能となる。その結果、光導波路素子の光導波路を伝搬する光波が、導波層およびリブ部と外気との境界部にオーバラップする領域を低減させることが可能となり、該境界部による散乱を抑えて、光導波路素子の光導波路における伝搬損失を低減させることが可能となる。
また、この構成により、リブ部および溝部の寸法を適切に定めて、光導波路素子の光導波路にシングルモードの光波を適切に閉じ込めることが可能となる。

【0012】

（４） 上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の光導波路素子において、前記リブ部の延在方向に沿って、前記溝部の断面積が連続的に変化することを特徴とする。

【0013】

この構成により、光導波路素子の光導波路を伝搬する光波のビーム形状が不連続に変化した場合に生じる散乱を防ぐことが可能となる。その結果、光波のビーム形状の不連続な変化による散乱を抑えて、光導波路素子の光導波路における伝搬損失を低減させることが可能となる。

【0014】

（５） 上記（４）に記載の光導波路素子において、前記光導波路を伝搬する光波の伝搬方向に対して、前記溝部の断面積が連続的に小さくなるよう変化することを特徴とする。

【0015】

この構成により、溝部が形成された部分における光導波路を伝搬する光波のビーム形状を、溝部が形成されていない通常のリブ型導波路を伝搬する光波のビーム形状に徐々に近づくように変化させることが可能となる。その結果、光波のビーム形状の不連続な変化による散乱を抑えて、光導波路素子の光導波路における伝搬損失を低減させることが可能となり、さらに、溝部が形成された部分の光導波路から溝部が形成されていない通常のリブ型導波路へ低損失かつスムーズに変換させることが可能となる。

【0016】

（６） 上記（４）に記載の光導波路素子において、前記光導波路を伝搬する光波の伝搬方向に対して、前記溝部の断面積が連続的に大きくなるよう変化することを特徴とする。

【0017】

この構成により、溝部が形成されていない通常のリブ光導波路を伝搬する光波のビーム形状を、溝部が形成されている部分における光導波路を伝搬する光波のビーム形状に徐々に近づくように変化させることが可能となる。その結果、光波のビーム形状の不連続な変化による散乱を抑えて、光導波路素子の光導波路における伝搬損失を低減させることが可能となり、さらに、溝部が形成されていない通常のリブ型導波路から溝部が形成された部分の光導波路へ低損失かつスムーズに変換させることが可能となる。

【0018】

（７） 上記（５）または（６）に記載の光導波路素子において、前記光導波路を伝搬する光波の伝搬方向に対して、前記溝部の幅方向の寸法が連続的に変化することを特徴とする。

【0019】

この構成により、溝部の幅方向の寸法を適切に設計することで溝部の断面積を連続的に変化させることが可能となる。その結果、光波のビーム形状の不連続な変化による散乱を抑えて、光導波路素子の光導波路における伝搬損失を低減させることが可能となる。

【0020】

（８） 上記（５）または（６）に記載の光導波路素子において、前記光導波路を伝搬する光波の伝搬方向に対して、前記溝部の高さ方向の寸法が連続的に変化することを特徴とする。

【0021】

この構成により、溝部の高さ方向の寸法を適切に設計することで溝部の断面積を連続的に変化させることが可能となる。その結果、光波のビーム形状の不連続な変化による散乱を抑えて、光導波路素子の光導波路における伝搬損失を低減させることが可能となる。

【0022】

（９） 上記（１）から（８）のいずれか１つに記載の光導波路素子において、前記光導波路に前記光波を導入する入力側光ファイバとの結合部、および前記光導波路から前記光波を導出する出力側光ファイバとの結合部において、前記溝部の幅方向の寸法が前記リブ部の幅方向の寸法と略同一であり、前記リブ部の上面から前記溝部の底面までの高さ方向の寸法が前記リブ部の幅方向の寸法と略同一であることを特徴とする。

【0023】

この構成により、入力側光ファイバとの結合部および出力側光ファイバとの結合部において、光導波路素子の光導波路を伝搬する光波のビーム形状を略真円に近い形状にすることが可能となる。その結果、光ファイバと光導波路素子との結合部における光波のビーム形状の不整合を抑えて、光ファイバと光導波路素子との結合部における結合損失を低減させることが可能となる。

【0024】

（１０） 上記（９）に記載の光導波路素子において、前記光導波路を伝搬する前記光波を変調する変調部を有し、
前記入力側光ファイバとの結合部から前記変調部までの光導波路の一部において、前記溝部の断面積が連続的に小さくなるよう変化し、
前記変調部から前記出力側光ファイバとの結合部までの光導波路において、前記溝部の断面積が連続的に大きくなるよう変化することを特徴とする。

【0025】

この構成により、入力側光ファイバおよび出力側光ファイバの各々と光導波路素子との結合部における結合損失を低減させることが可能となり、入力側光ファイバとの結合部から変調部までの光導波路、および変調部から出力側光ファイバとの結合部までの光導波路における伝搬損失を低減させることが可能となる。さらに、変調部において、より光波の変調効率の高い構造を選択することが可能であり、これにより、変調部における光波の変調を効率良く行うことが可能となる。

【0030】

（１１） 上記（１）から（１０）のいずれか１つに記載の光導波路素子において、前記導波層の材料がニオブ酸リチウムであり、
前記溝部を占める材料が、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸リチウムと同程度の実効屈折率を有する窒化シリコン、ニオブ酸リチウムと同程度の実効屈折率に調整された樹脂のいずれかであることを特徴とする。

【0031】

この構成により、導波層の材料および溝部を占める材料を適切に定めて、光ファイバと光導波路素子との結合部における結合損失を低減させることが可能となるとともに、光導波路素子の光導波路における伝搬損失を低減させることが可能となる。

【0032】

（１２） 上記（１）から（１１）のいずれか１つに記載の光導波路素子において、前記支持基板上に前記導波層が貼り合わされていることを特徴とする。

【0033】

この構成により、溝部５に充填させる材料を適宜選択することが可能となるとともに、簡易な工程で光導波路素子を製造することが可能となる。

【発明の効果】

【0034】

本発明によれば、光導波路素子において、光ファイバとの結合部における結合損失を低減させることが可能となり、光導波路における伝搬損失を低減させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0035】

【図1】本発明の第１の実施の形態における光導波路素子の光導波路近傍の構造を模式的に示す斜視図である。

【図2】本発明の第１の実施の形態における光導波路素子の各部の寸法を説明するための模式的な断面図である。

【図3】図１に示す光導波路素子の光導波路近傍の構造の三面図であって、図３（ａ）は図１に示す光導波路素子の光導波路近傍の構造の平面図であり、図３（ｂ）は図１に示す光導波路素子の光導波路近傍の構造の正面図であり、図３（ｃ）は図１に示す光導波路素子の光導波路近傍の構造の側面図である。

【図4】本発明の第１の実施の形態における光導波路素子の光導波路近傍の断面構造を示す図であって、図４（ａ）は図３（ｃ）のＡ－Ａ断面図であり、図４（ｂ）は図３（ｃ）のＢ－Ｂ断面図であり、図４（ｃ）は図３（ｃ）のＣ－Ｃ断面図である。

【図5】本発明の第１の実施の形態における光導波路素子の電界強度シミュレーションの結果を示す図であって、図５（ａ）は図４（ａ）の断面構造における光強度分布を示す図であり、図５（ｂ）は図４（ｂ）の断面構造における光強度分布を示す図であり、図５（ｃ）は図４（ｃ）の断面構造における光強度分布を示す図である。

【図6】本発明の第１の実施の形態における光導波路素子を含む光変調器の第１の構成例を示す平面図である。

【図7】本発明の第１の実施の形態における光導波路素子を含む光変調器の第２の構成例を示す平面図である。

【図8】本発明の第１の実施の形態における光導波路素子の製造工程の第１の例を示す図であって、図８（ａ）は第１ステップ後の状態を示す図であり、図８（ｂ）は第２ステップ後の状態を示す図であり、図８（ｃ）は第３ステップ後の状態を示す図である。

【図9】本発明の第１の実施の形態における光導波路素子の製造工程の第２の例を示す図であって、図９（ａ）は第１ステップ後の状態を示す図であり、図９（ｂ）は第２ステップ後の状態を示す図であり、図９（ｃ）は第３ステップ後の状態を示す図であり、図９（ｄ）は第４ステップ後の状態を示す図である。

【図10】本発明の第２の実施の形態における光導波路素子の光導波路近傍を模式的に示す斜視図である。

【図11】図１０に示す光導波路素子の光導波路近傍の構造の三面図であって、図１１（ａ）は図１０に示す光導波路素子の光導波路近傍の構造の平面図であり、図１１（ｂ）は図１０に示す光導波路素子の光導波路近傍の構造の正面図であり、図１１（ｃ）は図１０に示す光導波路素子の光導波路近傍の構造の側面図である。

【図12】本発明の第２の実施の形態における光導波路素子の光導波路近傍の断面構造を示す図であって、図１２（ａ）は図１１（ｃ）のＤ－Ｄ断面図であり、図１２（ｂ）は図１１（ｃ）のＥ－Ｅ断面図であり、図１２（ｃ）は図１１（ｃ）のＦ－Ｆ断面図である。

【図13】本発明の第２の実施の形態における光導波路素子の電界強度シミュレーションの結果を示す図であって、図１３（ａ）は図１２（ａ）の断面構造における光強度分布を示す図であり、図１３（ｂ）は図１２（ｂ）の断面構造における光強度分布を示す図であり、図１３（ｃ）は図１２（ｃ）の断面構造における光強度分布を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0036】

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。

【0037】

［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態における光導波路素子について説明する。

【0038】

図１は、本発明の第１の実施の形態における光導波路素子１の光導波路近傍を模式的に示す斜視図である。なお、図面では、光導波路素子１の幅方向をＸ軸、光導波路素子１の長手方向をＹ軸、光導波路素子１の高さ方向をＺ軸と定義する。

【0039】

図１に示す光導波路素子１は、支持基板２と、支持基板２の上に積層された導波層３とを備えている。

【0040】

支持基板２は、導波層３の強度を補い、導波層３を安定して支持可能とする基板である。支持基板２の高さ方向の寸法は特に限定されるものではないが、例えば数百μｍである。支持基板２の材料は特に限定されるものではないが、例えば石英ガラス等のセラミックスである。

【0041】

導波層３は、電気光学効果を有する材料により形成されており、支持基板２の上に積層された薄板である。導波層３には、電気光学効果を有する材料として、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３：以下ＬＮと記載）を用いることが可能であるが、タンタル酸リチウムやジルコン酸チタン酸鉛ランタン（ＰＬＺＴ）、半導体等が用いられてもよい。また、導波層３に充填される材料は、伝搬損失が生じない程度の透過率を有することが好ましく、特に、光導波路を伝搬する光波の波長において高い透過率を有する材料が選択されることが好ましい。

【0042】

導波層３の上面には、導波層３と同一の材料からなるリブ部４が設けられている。リブ部４は、導波層３の上面に突出して設けられており、断面凸形状となるように形成されている。リブ部４は、光波を閉じ込める作用を有することから光導波路として利用される。光導波路の延在方向は、リブ部４の延在方向（図１のＹ軸方向）と一致する。

【0043】

なお、光導波路を伝搬する光波の伝搬方向は、Ｙ軸の正方向であってもよく負方向であってもよい。例えば図１の斜視図において、光波は、図面の手前側から奥側に向かってリブ部４により形成される光導波路を伝搬してもよく、逆に、図面の奥側から手前側に向かってリブ部４により形成される光導波路を伝搬してもよい。また後述するように、例えば図６に示す光変調器１０Ａに組み込まれた光導波路素子１では、区間Ｓ１において光波は図１に示すＹ軸の正方向に伝搬し、区間Ｓ２において光波は図１に示すＹ軸の負方向に伝搬する。

【0044】

本明細書では、導波層３の上面に対して垂直に突出しており、断面形状が矩形となるリブ部４を一例として示している。ただし、リブ部４はこの構造に限定されるものではなく、例えば断面形状が台形となるリブ部４が設けられてもよい。

【0045】

リブ部４の直下に位置する支持基板２の上面には、溝部５が設けられている。溝部５は、支持基板２の上面が掘削されて形成された掘削面によって溝を画定しており、断面凹形状となるように形成されている。図１では、溝部５の形状を図面上に表するため、支持基板２、導波層３およびリブ部４を輪郭のみ表して透明にするとともに、溝部５に充填されている材料が網掛けで示されている。

【0046】

溝部５により画定される溝の断面積は、光導波路の延在方向であるリブ部４の延在方向に沿って連続的に変化するように設定されている。なお、連続的に変化するとは、不連続に変化する位置がなく滑らかにつながって変化することを意味し、例えば一定の変化率で徐々に変化することを意味する。

【0047】

本発明の第１の実施の形態では、リブ部４の延在方向に沿って、溝部５の高さ方向の寸法は一定としたまま、溝部５の幅方向の寸法が連続的に変化することによって溝の断面積が連続的に変化するように設定されている。図１の斜視図の手前側では、溝部５の幅方向の寸法は大きく設定されており、図面の奥側に行くにつれて溝部５の幅方向の寸法は徐々に小さくなり、図面の最も奥側では、溝部５の幅方向の寸法はゼロとなるように設定されている。溝部５の幅方向の寸法がゼロであるとは、溝部５が形成されていない、あるいは、溝部５が消失していることを意味する。

【0048】

本明細書では、支持基板２の上面に対して垂直に掘削されて断面形状が矩形となる溝部５を一例として示している。ただし、溝部５はこの構造に限定されるものではなく、例えば断面形状が台形となる溝部５が設けられてもよい。また、溝部５は、リブ部４の形状を上下反転した形状にする等、リブ部４の形状に合わせて形成されてもよい。

【0049】

溝部５には、導波層３の材料と同程度の実効屈折率を有する材料が充填されることが好ましい。すなわち、導波層３の材料の屈折率をｎ_１とし、溝部５に充填される材料の屈折率ｎ_２とした場合、ｎ_１≒ｎ_２であることが好ましい。導波層３の材料と同程度の実効屈折率を有する材料は、例えばＬＮ等の導波層３を構成する材料と同一の材料であってもよく、窒化シリコン（ＳｉＮ）や樹脂等であってもよい。また、リブ部４の上方に存在する外気の屈折率をｎ_０とし、支持基板２の材料の屈折率をｎ_３とした場合、ｎ_０＜ｎ_１およびｎ_３＜ｎ_１であることが好ましい。

【0050】

図２は、本発明の第１の実施の形態における光導波路素子１の各部の寸法を説明するための模式的な断面図である。リブ部４の高さ方向の寸法（高さｈ_１）は、例えば２μｍ以下に設定される。溝部５の高さ方向の寸法（深さｈ_２）は、例えばリブ部４の高さ方向の寸法（高さｈ_１）と略同一となるように設定される。リブ部４の幅方向の寸法（幅ｗ_１）は、例えば４μｍ以下に設定される。リブ部４の上面から溝部５の底面までの高さ方向の寸法（高さｈ_３）は、例えばリブ部４の幅方向の寸法（幅ｗ_１）と略同一となるように設定される。

【0051】

溝部５の幅方向の寸法（幅ｗ_２）は、リブ部４の延在方向に応じて異なる値に設定される。溝部５の幅方向の寸法（幅ｗ_２）がゼロの場合、溝部５は形成されない。また、後述するように光ファイバとの結合部においては、溝部５の幅方向の寸法（幅ｗ_２）は、例えばリブ部４の幅方向の寸法（幅ｗ_１）と略同一となるように設定される。

【0052】

リブ部４の高さ方向の寸法（高さｈ_１）は、溝部５の高さ方向の寸法（深さｈ_２）の半分より大きく２倍より小さくなるよう設定されることが好ましい。すなわち、ｈ_２／２＜ｈ_１＜２×ｈ_２であることが好ましい。また、リブ部４の幅方向の寸法（幅ｗ_１）は、リブ部４の上面から溝部５の底面までの高さ方向の寸法（高さｈ_３）の半分より大きく２倍より小さくなるよう設定されることが好ましい。すなわち、ｈ_３／２＜ｗ_１＜２×ｈ_３であることが好ましい。このようにリブ部４および溝部５の寸法を適切に定めることにより、光導波路素子１の光導波路にシングルモードの光波を適切に閉じ込めることが可能となる。

【0053】

図３（ａ）～図３（ｃ）は、図１に示す光導波路素子１の光導波路近傍の構造の三面図である。図３（ａ）は、図１に示す光導波路素子１の光導波路近傍の構造の平面図であり、図３（ｂ）は、図１に示す光導波路素子１の光導波路近傍の構造の正面図であり、図３（ｃ）は、図１に示す光導波路素子１の光導波路近傍の構造の側面図である。なお、図３（ａ）～図３（ｃ）では、図１と同様に、溝部５の形状を図面上に表現するために、支持基板２、導波層３およびリブ部４を輪郭のみ表して透明にするとともに、溝部５に充填されている材料が網掛けで示されている。

【0054】

溝部５の幅方向の寸法がリブ部４の延在方向に沿って連続的に変化している状態は、特に図３（ａ）の平面図に明確に示されている。溝部５の幅方向の寸法は、図３（ａ）のＹ軸方向に沿って徐々に小さくなるように設定されており、溝部５は、図３（ａ）の平面図において、Ｙ軸方向に沿って先細りするテーパ形状を有している。なお、溝部５のＹ軸方向の寸法（テーパ形状の長手方向の寸法）は、ビーム形状の急激な変化に伴う伝搬損失が生じない程度の長さであることが好ましく、例えば５００μｍ以上に設定される。

【0055】

さらに、図４（ａ）～図４（ｃ）に示す断面図を参照しながら、溝部５がリブ部４の延在方向に沿ってテーパ形状を有することについて説明する。

【0056】

図４（ａ）は、図３（ｃ）の側面図におけるＡ－Ａ断面図であり、図１の斜視図において手前側の断面構造を示している。図４（ａ）のＡ－Ａ断面図において、リブ部４の上面から溝部５の底面までの高さ方向の寸法（図２の高さｈ_３）は、リブ部４の幅方向の寸法（図２の幅ｗ_１）と略同一である。また、溝部５の高さ方向の寸法（図２の深さｈ_２）は、リブ部４の高さ方向の寸法（図２の高さｈ_１）と略同一であり、溝部５の幅方向の寸法（図２の幅ｗ_２）は，リブ部４の幅方向の寸法（図２の幅ｗ_１）と略同一である。すなわち、導波層３から突出するリブ部４の断面形状と、支持基板２に掘削された溝部５の断面形状とは、導波層３に対して対称になっている。

【0057】

図４（ｂ）は、図３（ｃ）の側面図におけるＢ－Ｂ断面図であり、図１の斜視図において略中央部の断面構造を示している。図１の斜視図において、手前側から奥側へＹ軸方向に沿って進むにつれて、溝部５の幅方向の寸法は連続的に小さくなる。そして、図４（ｂ）のＢ－Ｂ断面図に示す略中央部の断面構造では、溝部５の幅方向の寸法（図２の幅ｗ_２）は、リブ部４の幅方向の寸法（図２の幅ｗ_１）の約半分となる。

【0058】

図４（ｃ）は、図３（ｃ）の側面図におけるＣ－Ｃ断面図であり、図１の斜視図において最も奥側の断面構造を示している。Ｙ軸方向に沿って進むにつれて溝部５の幅方向の寸法は更に小さくなり、図４（ｃ）のＣ－Ｃ断面図に示す最も奥側の断面構造では、溝部５の幅方向の寸法（図２の幅ｗ_２）はゼロであり、溝部５は消失している。図４（ｃ）のＣ－Ｃ断面図に示す断面構造は、通常のリブ型導波路の断面構造と同一である。

【0059】

図５（ａ）～図５（ｃ）は、本発明の第１の実施の形態における光導波路素子１の電界強度シミュレーションの結果を示す図である。図５（ａ）は、図４（ａ）の断面構造における光強度分布を示す図である。図５（ｂ）は、図４（ｂ）の断面構造における光強度分布を示す図である。図５（ｃ）は、図４（ｃ）の断面構造における光強度分布を示す図である。図５（ａ）～図５（ｃ）では、光強度分布が濃淡で表されており、濃度が濃いほど光強度が高く、濃度が薄いほど光強度が弱いことを示している。

【0060】

なお、本明細書では、伝送媒体内を光波全体が進行する方向を伝搬方向と記載し、光波の伝搬方向に垂直な断面における光強度分布が表す形状を、ビーム形状と記載する。ビーム形状は、幾何学的な形状に加えてその形状のサイズも含む。例えば、２つの光波のビーム形状が整合しているとは、一方の光波の光強度分布の幾何学的形状およびサイズと、他方の光波の光強度分布の幾何学的形状およびサイズとが一致していることを意味する。

【0061】

図４（ａ）に示す断面構造では、リブ部４の上面から溝部５の底面までの高さ方向の寸法とリブ部４の幅方向の寸法とが略同一であり、さらに、リブ部４の幅方向の寸法と溝部５の幅方向の寸法とが略同一である。すなわち、リブ部４の側面および溝部５の側面で囲まれた領域がアスペクト比１：１の略正方形になっている。これにより、光導波路を伝搬する光波のビーム形状は、図５（ａ）に示すように光ファイバ内を伝搬する光波と同じような略真円に近い形状となる。

【0062】

図４（ｂ）に示す断面構造は、図４（ａ）と比較すると、溝部５の幅方向の寸法が小さくなっている。これにより、光導波路を伝搬する光波は、溝部５に広がる領域が少なくなるとともにリブ部４に広がる領域が多くなる。光波のビーム形状は、図５（ｂ）に示すように少し歪んだ形状となる。

【0063】

図４（ｃ）に示す断面構造は、溝部５が消失しており通常のリブ型導波路と同じ形状になっている。したがって、光波のビーム形状は、図５（ｃ）に示すように、リブ部４に入り込むように歪んだ形状となる。

【0064】

図１のＹ軸の正方向に光波が伝搬する場合には、光波のビーム形状は、略真円に近い形状（図５（ａ）に示す状態）から、徐々に歪んでいき（図５（ｂ）に示す状態）、リブ型導波路と同じビーム形状（図５（ｃ）に示す状態）に連続的に変化する。溝部５の幅方向の寸法は連続的に変化するため、図５（ａ）～図５（ｃ）に示すビーム形状も連続的に変化する。

【0065】

本発明の第１の実施の形態では、光波の伝搬方向に対して溝部５の幅方向の寸法が連続的に小さくなるように溝部５を設けることで、光ファイバ内を伝搬する光波のビーム形状（略真円に近い形状）から、通常のリブ型導波路を伝搬する光波のビーム形状へ連続的に変化させることが可能となる。光波のビーム形状は連続的に変化するため、不連続かつ急激な変化に伴う損失発生を防ぐことが可能となる。

【0066】

さらに、光波のビーム形状が略真円に近い形状（図５（ａ）に示す状態）となるように形成された溝部５を、光導波路素子１に光波を導入する光ファイバとの結合部に設けることで、光ファイバから導入される光波と、光ファイバから導入されて光導波路素子１の光導波路を伝搬する光波との間におけるビーム形状の不整合を抑えることが可能となる。その結果、光ファイバと光導波路素子１との結合部における結合損失を低減させることが可能となる。

【0067】

また逆に、図１のＹ軸の負方向に光波が伝搬する場合には、光波のビーム形状は、リブ型導波路と同じビーム形状（図５（ｃ）に示す状態）から、徐々に歪みの少ない形状（図５（ｂ）に示す状態）となり、略真円に近い形状（図５（ａ）に示す状態）に連続的に変化する。溝部５の幅方向の寸法は連続的に変化することから、図５（ａ）～図５（ｃ）に示すビーム形状も連続的に変化する。

【0068】

本発明の第１の実施の形態では、光波の伝搬方向に対して溝部５の幅方向の寸法が連続的に大きくなるように溝部５を設けることで、通常のリブ型導波路を伝搬する光波のビーム形状から、光ファイバ内を伝搬する光波のビーム形状（略真円に近い形状）へ連続的に変化させることが可能となる。光波のビーム形状は連続的に変化するため、不連続かつ急激な変化に伴う損失発生を防ぐことが可能となる。

【0069】

さらに、光波のビーム形状が略真円に近い形状（図５（ａ）に示す状態）となるように形成された溝部５を、光導波路素子１から光波を導出する光ファイバとの結合部に設けることで、光ファイバから導入されて光導波路素子１の光導波路を伝搬する光波と、光ファイバから導出される光波との間におけるビーム形状の不整合を抑えることが可能となる。その結果、光ファイバと光導波路素子１との結合部における結合損失を低減させることが可能となる。

【0070】

また、溝部５を設けた場合には、光波が溝部５に入り込むように広がるため、光波の位置（例えば光強度が極大となる位置）は、リブ部４から離れて溝部５に近い位置となる。本発明の第１の実施の形態によれば、溝部５を設けることで光波の位置を溝部５側へずらすことが可能となる。その結果、光波が導波層３およびリブ部４と外気との境界部にオーバラップする領域を低減させることが可能となり、該境界部による散乱を抑えて、光導波路素子１の光導波路における伝搬損失を低減させることが可能となる。

【0071】

次に、本発明の第１の実施の形態における光導波路素子１を含む光変調器の構成例について説明する。

【0072】

図６は、本発明の第１の実施の形態における光導波路素子１を含む光変調器の第１の構成例を示す平面図である。なお、図６では、溝部５の形状を図面上に表現するために、導波層３およびリブ部４を透明とし、リブ部４の直下に形成される光導波路を線で表し、溝部５に充填されている材料を網掛けで示している。

【0073】

図６に示す光変調器１０Ａは、マッハツェンダー型光導波路を有する光変調器であり、光導波路素子１と、該光導波路素子１に接続された入力側光ファイバ２０および出力側光ファイバ３０を含んで構成されている。

【0074】

入力側光ファイバ２０は、光導波路素子１の光導波路に光波を導入するための光ファイバである。出力側光ファイバ３０は、光導波路素子１の光導波路から光波を導出するための光ファイバである。図６には、入力側光ファイバ２０および出力側光ファイバ３０における光波の伝搬方向が矢印で示されている。

【0075】

光導波路素子１は、リブ部４（図６には不図示）によりマッハツェンダー型光導波路が形成されている。光導波路素子１に形成されている光導波路は、入力導波路１１、２本の第１分岐導波路１３、２本の並行導波路１５、２本の第２分岐導波路１７、出力導波路１９により構成されている。

【0076】

入力導波路１１は、入力側端部において入力側光ファイバ２０と接続され、該入力側光ファイバ２０から光波が導入されるようになっている。入力導波路１１は、光カプラ等により構成される分岐部１２において２本の第１分岐導波路１３に分岐される。２本の第１分岐導波路１３はそれぞれ第１曲げ部１４で曲げられて、互いに並行する２本の並行導波路１５となる。２本の並行導波路１５はそれぞれ第２曲げ部１６で曲げられて、２本の第２分岐導波路１７となる。２本の第２分岐導波路１７は、光カプラ等により構成される合成部１８で再び合成されて１本の出力導波路１９となる。出力導波路１９は、出力側端部において出力側光ファイバ３０と接続され、合成部１８で合成された光波を出力側光ファイバ３０へ導出するようになっている。

【0077】

マッハツェンダー型光導波路では、通常、２本の並行導波路１５のそれぞれに変調部１５ａが設けられる。変調部１５ａは、２本の並行導波路１５のそれぞれを伝搬する光波を適宜変調することで光波の位相を調整する。なお、光波を変調するために、導波層３上には、信号電極や接地電極を含む変調電極や該変調電極に電気信号を伝送する伝送線路等が配置されているが、図６では、これらの構成要素はいずれも図示省略されている。

【0078】

図６に示す光導波路素子１には、入力導波路１１の一部（図６の区間Ｓ１）に溝部５が形成されている。溝部５が形成される区間Ｓ１は、例えば、入力側光ファイバ２０が接続される入力導波路１１の入力側端部から入力導波路１１の途中までの区間である。区間Ｓ１の寸法は、ビーム形状の急激な変化に伴う伝搬損失が生じない程度の長さであることが好ましく、導波層３やリブ部４等の寸法に依存するが、例えば約５００μｍ以上に設定される。

【0079】

また、図６に示す光導波路素子１には、出力導波路１９の一部（図６の区間Ｓ２）に溝部５が形成されている。溝部５が形成される区間Ｓ２は、例えば、出力導波路１９の途中から出力側光ファイバ３０が接続される出力導波路１９の出力側端部までの区間である。区間Ｓ２の寸法は、ビーム形状の急激な変化に伴う伝搬損失が生じない程度の長さであることが好ましく、導波層３やリブ部４等の寸法に依存するが、例えば約５００μｍ以上に設定される。

【0080】

一方、区間Ｓ１および区間Ｓ２以外の光導波路素子１の光導波路は、例えば、溝部５が形成されない通常のリブ型導波路の構造等の任意の構造を採用することが可能である。特に、変調部１５ａにおいては、より光波の変調効率の高い構造を選択することが可能であり、これにより、変調部１５ａにおける光波の変調を効率良く行うことが可能となる。

【0081】

区間Ｓ１において、入力導波路１１の入力側端部に形成される溝部５は、図４（ａ）に示す断面構造のように、リブ部４の上面から溝部５の底面までの高さ方向の寸法とリブ部４の幅方向の寸法とが略同一となるように、さらに、リブ部４の幅方向の寸法と溝部５の幅方向の寸法とが略同一となるように形成されている。このように溝部５を形成することにより、入力側光ファイバ２０から導入された光波は、略真円に近いビーム形状が保たれたまま光導波路素子１の入力導波路１１へ導入される。これにより、入力側光ファイバ２０と光導波路素子１との結合部における結合損失を低減させることが可能となる。

【0082】

また、区間Ｓ１において、溝部５は、光波の伝搬方向に沿って幅方向の寸法が連続的に小さくなるように形成されており、入力導波路１１の途中で幅方向の寸法がゼロになり、溝部５が消失するように形成されている。このように溝部５を形成することにより、入力導波路１１において、伝搬損失の発生を防ぎながら、略真円に近いビーム形状をリブ型導波路に適合したビーム形状へ変化させることが可能となり、通常のリブ型導波路へスムーズに光波を誘導することが可能となる。

【0083】

区間Ｓ２において、溝部５は、出力導波路１９の途中を溝部形成の開始位置として、この開始位置から、光波の伝搬方向に沿って幅方向の寸法が連続的に大きくなるように形成されている。このように溝部５を形成することにより、出力導波路１９において、伝搬損失の発生を防ぎながら、リブ型導波路に適合したビーム形状を略真円に近いビーム形状へ変化させることが可能となり、通常のリブ型導波路から光ファイバへスムーズに光波を誘導することが可能となる。

【0084】

また、区間Ｓ２において、出力導波路１９の出力側端部に形成される溝部５は、図４（ａ）に示す断面構造のように、リブ部４の上面から溝部５の底面までの高さ方向の寸法とリブ部４の幅方向の寸法とが略同一となるように、さらに、リブ部４の幅方向の寸法と溝部５の幅方向の寸法とが略同一となるように形成されている。このように溝部５を形成することにより、光波は、略真円に近いビーム形状となった状態で、出力導波路１９から出力側光ファイバ３０へ導出される。これにより、出力側光ファイバ３０と光導波路素子１との結合部における結合損失を低減させることが可能となる。

【0085】

図７は、本発明の第１の実施の形態における光導波路素子１を含む光変調器の第２の構成例を示す平面図である。なお、図７においても図６と同様に、溝部５の形状を図面上に表現するために、導波層３およびリブ部４を透明とし、リブ部４の直下に形成される光導波路を線で表し、溝部５に充填されている材料を網掛けで示している。

【0086】

図６に示す光変調器１０Ａと比較した場合、図７に示す光変調器１０Ｂでは、光導波路素子１に溝部５が形成されている区間が異なっている。以下、図７に示す光導波路素子１に形成されている溝部５について説明する。

【0087】

図７に示す光導波路素子１には、入力導波路１１（図７の区間Ｓ３）、第１分岐導波路１３（図７の区間Ｓ４）、並行導波路１５の一部（図７の区間Ｓ５）に溝部５が形成されている。区間Ｓ３は入力導波路１１全体を含む区間である。区間Ｓ４は第１分岐導波路１３全体を含む区間である。区間Ｓ５は、第１曲げ部１４から並行導波路１５の途中までの区間である。ただし、区間Ｓ５は変調部１５ａとオーバラップせず、区間Ｓ５の終端は第１曲げ部１４と変調部１５ａとの間に位置する。区間Ｓ５の寸法は、ビーム形状の急激な変化に伴う伝搬損失が生じない程度の長さであることが好ましく、導波層３やリブ部４等の寸法に依存するが、例えば約５００μｍ以上に設定される。溝部５を設けた区間では光波の位置を溝部５側へずらすことが可能となる。その結果、光波が導波層３およびリブ部４と外気との境界部にオーバラップする領域を低減させることが可能となり、該境界部による散乱を抑えて、光導波路素子１の光導波路における伝搬損失を低減させることが可能となる。

【0088】

また、図７に示す光導波路素子１には、並行導波路１５の一部（図７の区間Ｓ６）、第２分岐導波路１７（図７の区間Ｓ７）、出力導波路１９（図７の区間Ｓ８）に溝部５が形成されている。区間Ｓ６は、変調部１５ａの途中から第２曲げ部１６までの区間である。ただし、区間Ｓ６は変調部１５ａとオーバラップせず、区間Ｓ６の始端は変調部１５ａと第２曲げ部１６との間に位置する。区間Ｓ６の寸法は、ビーム形状の急激な変化に伴う伝搬損失が生じない程度の長さであることが好ましく、導波層３やリブ部４等の寸法に依存するが、例えば約５００μｍ以上に設定される。区間Ｓ７は第２分岐導波路１７全体を含む区間である。区間Ｓ８は出力導波路１９全体を含む区間である。溝部５を設けた区間では光波の位置を溝部５側へずらすことが可能となる。その結果、光波が導波層３およびリブ部４と外気との境界部にオーバラップする領域を低減させることが可能となり、該境界部による散乱を抑えて、光導波路素子１の光導波路における伝搬損失を低減させることが可能となる。

【0089】

一方、区間Ｓ３～Ｓ８以外の光導波路素子１の光導波路は、例えば、溝部５が形成されない通常のリブ型導波路の構造等の任意の構造を採用することが可能である。特に、変調部１５ａにおいては、より光波の変調効率の高い構造を選択することが可能であり、これにより、変調部１５ａにおける光波の変調を効率良く行うことが可能となる。

【0090】

区間Ｓ３において、入力導波路１１の入力側端部に形成される溝部５は、図４（ａ）に示す断面構造のように、リブ部４の上面から溝部５の底面までの高さ方向の寸法とリブ部４の幅方向の寸法とが略同一となるように、さらに、リブ部４の幅方向の寸法と溝部５の幅方向の寸法とが略同一となるように形成されている。このように溝部５を形成することにより、入力側光ファイバ２０から導入された光波は、略真円に近いビーム形状が保たれたまま光導波路素子１の入力導波路１１へ導入される。これにより、入力側光ファイバ２０と光導波路素子１との結合部における結合損失を低減させることが可能となる。

【0091】

また、区間Ｓ３において、溝部５は、光波の伝搬方向に沿って、入力側端部に形成される幅方向の寸法と同一の寸法を有するように形成されている。すなわち、区間Ｓ３では、溝部５の幅方向の寸法は変化せず、一定の寸法に保たれる。このように溝部５を形成することにより、入力導波路１１において、略真円に近いビーム形状を維持した状態で光波を伝搬させることが可能となり、伝搬損失の発生を防ぐことが可能となる。

【0092】

また、区間Ｓ４においても同様に、溝部５は、光波の伝搬方向に沿って幅方向の寸法が変化せず、区間Ｓ３と同一の幅方向の寸法を有するように形成されている。このように溝部５を形成することにより、第１分岐導波路１３において、略真円に近いビーム形状を維持した状態で光波を伝搬させることが可能となり、伝搬損失の発生を防ぐことが可能となる。

【0093】

区間Ｓ５において、区間Ｓ５の始端となる第１曲げ部１４に形成される溝部５は、図４（ａ）に示す断面構造のように、リブ部４の上面から溝部５の底面までの高さ方向の寸法とリブ部４の幅方向の寸法とが略同一となるように、さらに、リブ部４の幅方向の寸法と溝部５の幅方向の寸法とが略同一となるように形成されている。このように溝部５を形成することにより、第１分岐導波路１３を伝搬した光波は、略真円に近いビーム形状が保たれたまま並行導波路１５へ導入される。これにより、第１分岐導波路１３（区間Ｓ４）から並行導波路１５（区間Ｓ５）へ光波が導入される際の損失を低減させることが可能となる。

【0094】

また、区間Ｓ５において、溝部５は、光波の伝搬方向に沿って幅方向の寸法が連続的に小さくなるように形成されており、並行導波路１５の途中（変調部１５ａの前段）で幅方向の寸法がゼロになり、溝部５が消失するように形成されている。このように溝部５を形成することにより、並行導波路１５において、伝搬損失の発生を防ぎながら、略真円に近いビーム形状をリブ型導波路に適合したビーム形状へ変化させることが可能となり、通常のリブ型導波路へスムーズに光波を誘導することが可能となる。

【0095】

区間Ｓ６において、溝部５は、並行導波路１５の途中（変調部１５ａの後段）を溝部形成の開始位置として、この開始位置から、光波の伝搬方向に沿って幅方向の寸法が連続的に大きくなるように形成されている。このように溝部５を形成することにより、並行導波路１５において、伝搬損失の発生を防ぎながら、リブ型導波路に適合したビーム形状を略真円に近いビーム形状へ変化させることが可能となり、通常のリブ型導波路から光ファイバへスムーズに光波を誘導することが可能となる。

【0096】

また、区間Ｓ６において、区間Ｓ６の終端となる第２曲げ部１６に形成される溝部５は、図４（ａ）に示す断面構造のように、リブ部４の上面から溝部５の底面までの高さ方向の寸法とリブ部４の幅方向の寸法とが略同一となるように、さらに、リブ部４の幅方向の寸法と溝部５の幅方向の寸法とが略同一となるように形成されている。このように溝部５を形成することにより、並行導波路１５を伝搬した光波は、略真円に近いビーム形状が保たれたまま第２分岐導波路１７へ導入される。これにより、並行導波路１５（区間Ｓ６）から第２分岐導波路１７（区間Ｓ７）へ光波が導入される際の損失を低減させることが可能となる。

【0097】

また、区間Ｓ７において、溝部５は、光波の伝搬方向に沿って、区間Ｓ６の終端に形成される幅方向の寸法と同一の寸法を有するように形成されている。すなわち、区間Ｓ７では、溝部５の幅方向の寸法は変化せず、一定の寸法に保たれる。このように溝部５を形成することにより、第２分岐導波路１７において、略真円に近いビーム形状を維持した状態で光波を伝搬させることが可能となり、伝搬損失の発生を防ぐことが可能となる。

【0098】

また、区間Ｓ８においても同様に、溝部５は、光波の伝搬方向に沿って幅方向の寸法が変化せず、区間Ｓ７と同一の幅方向の寸法を有するように形成されている。このように溝部５を形成することにより、出力導波路１９において、略真円に近いビーム形状を維持した状態で光波を伝搬させることが可能となり、伝搬損失の発生を防ぐことが可能となる。さらに、光波は、略真円に近いビーム形状となった状態で出力導波路１９から出力側光ファイバ３０へ導出される。これにより、出力側光ファイバ３０と光導波路素子１との結合部における結合損失を低減させることが可能となる。

【0099】

なお、図６に示す光変調器１０Ａでは、入力分岐路１５に溝部５がテーパ形状となる区間Ｓ１、出力分岐路１９に溝部５が逆テーパ形状（フレア形状）となる区間Ｓ２を設けている。図７に示す光変調器１０Ｂでは、並行分岐路１５に溝部５がテーパ形状となる区間Ｓ５と、溝部５が逆テーパ形状（フレア形状）となる区間Ｓ６を設けている。しかしながら、溝部５がテーパ形状または逆テーパ形状となる区間は、変調部１５とオーバラップしない任意の位置に設けることが可能であり、例えば、第１分岐導波路１３や第２分岐導波路１７に設けてもよい。

【0100】

以下、本発明の第１の実施の形態における光導波路素子１の製造工程について説明する。

【0101】

図８（ａ）～図８（ｃ）を参照しながら、光導波路素子１の製造工程の第１の例について説明する。なお、図８（ａ）～図８（ｃ）には、溝部５の幅方向の寸法がリブ部４の幅方向の寸法と略同一である場合が一例として図示されているが、溝部５の幅方向の寸法は、光導波路において意図するビーム形状に合わせて適宜設定される。

【0102】

第１ステップにおいて、例えばドライエッチング等により支持基板２の一部を除去して溝部５を形成する。図８（ａ）に第１ステップ後の状態を示す。

【0103】

第２のステップにおいて、例えばエピタキシャル成長等により、溝部５が形成された支持基板２上に、ＬＮ等の電気光学効果を有する材料からなる導波層３を結晶成長させる。図８（ｂ）に第２ステップ後の状態を示す。

【0104】

第３のステップにおいて、例えばドライエッチング等によりリブ部４以外の部分を除去して、導波層３にリブ部４を形成する。図８（ｃ）に第３ステップ後の状態を示す。

【0105】

図８（ａ）～図８（ｃ）を参照して説明した光導波路素子１の製造工程は、溝部５に充填させる材料と導波層３の材料（例えばＬＮ等）とを同一にする場合に好適である。第２ステップにおいて溝部５への材料の充填と導波層３の成長とを同時に行うことができ、少ない工程数で、本発明の第１の実施の形態における光導波路素子１を製造することが可能となる。

【0106】

図９（ａ）～図９（ｄ）を参照しながら、光導波路素子１の製造工程の第２の例について説明する。なお、図９（ａ）～図９（ｄ）には、溝部５の幅方向の寸法がリブ部４の幅方向の寸法と略同一である場合が一例として図示されているが、溝部５の幅方向の寸法は、光導波路において意図するビーム形状に合わせて適宜設定される。

【0107】

第１のステップにおいて、例えばドライエッチング等により支持基板２の一部を除去して溝部５を形成する。図９（ａ）に第１ステップ後の状態を示す。

【0108】

第２のステップにおいて、溝部５に所望の材料を充填する。なお、溝部５に所望の材料を充填した後に支持基板２の表面を研磨して平滑にすることで、後続の第３のステップにおいて、支持基板２に導波層３の基になる基板を貼り合わせ易くしてもよい。図９（ｂ）に第２ステップ後の状態を示す。

【0109】

第３のステップにおいて、溝部５に所望の材料が埋め込まれた支持基板２に、導波層３の基になる基板を貼り合わせる。図９（ｃ）に第３ステップ後の状態を示す。

【0110】

第４のステップにおいて、例えばドライエッチング等によりリブ部４以外の部分を除去して、導波層３にリブ部４を形成する。図９（ｄ）に第４ステップ後の状態を示す。

【0111】

図９（ａ）～図９（ｄ）を参照して説明した光導波路素子１の製造工程は、溝部５に充填させる材料を適宜選択する場合に好適である。第２ステップにおいて溝部５に充填させる材料としては、例えば、導波層３と同一の材料（例えばＬＮ等）が選択されてもよく、ＳｉＮや樹脂等が選択されてもよい。また、第３ステップにおいて基板の貼り合わせによって支持基板２上に導波層３を積層させることができ、簡易な工程で、本発明の第１の実施の形態における光導波路素子１を製造することが可能となる。

【0112】

［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施の形態における光導波路素子について説明する。

【0113】

上述した本発明の第１の実施の形態における光導波路素子１では、リブ部４の延在方向に沿って、溝部５の高さ方向の寸法は一定としたまま、溝部５の幅方向の寸法を連続的に変化させることによって、溝の断面積が連続的に変化するように設定される。一方、図１０に示すように、本発明の第２の実施の形態における光導波路素子４１では、リブ部４の延在方向に沿って、溝部５の幅方向の寸法は一定としたまま、溝部５の高さ方向の寸法を連続的に変化させることによって、溝の断面積が連続的に変化するように設定される。

【0114】

なお、本発明の第２の実施の形態における光導波路素子４１は、溝部５の幅方向の寸法が一定のまま溝部５の高さ方向の寸法が連続的に変化する点を除いて、本発明の第１の実施の形態における光導波路素子１と共通する構成を有している。ここでは、当該共通する構成については説明を省略する。

【0115】

図１０は、本発明の第２の実施の形態における光導波路素子４１の光導波路近傍を模式的に示す斜視図である。なお、図面では、光導波路素子４１の幅方向をＸ軸、光導波路素子４１の長手方向をＹ軸、光導波路素子４１の高さ方向をＺ軸と定義する。また、図１と同様に、図１０においても、溝部５の形状を図面上に表現するために、支持基板２、導波層３およびリブ部４を輪郭のみ表して透明にするとともに、溝部５に充填されている材料が網掛けで示されている。

【0116】

図１０の斜視図の手前側では、溝部５の高さ方向の寸法は大きく設定されており、図面の奥側に行くにつれて溝部５の高さ方向の寸法は徐々に小さくなり、図面の最も奥側では、溝部５の高さ方向の寸法はゼロとなるように設定されている。溝部５の高さ方向の寸法がゼロであるとは、溝部５が形成されていない、あるいは、溝部５が消失していることを意味する。

【0117】

図１１（ａ）～図１１（ｃ）は、図１０に示す光導波路素子４１の光導波路近傍の構造の三面図である。図１１（ａ）は、図１０に示す光導波路素子４１の光導波路近傍の構造の平面図であり、図１１（ｂ）は、図１０に示す光導波路素子４１の光導波路近傍の構造の正面図であり、図１１（ｃ）は、図１０に示す光導波路素子４１の光導波路近傍の構造の側面図である。なお、図１１（ａ）～図１１（ｃ）では、図１０と同様に、溝部５の形状を図面上に表現するために、支持基板２、導波層３およびリブ部４を輪郭のみ表して透明にするとともに、溝部５に充填されている材料が網掛けで示されている。

【0118】

溝部５の高さ方向の寸法がリブ部４の延在方向に沿って連続的に変化している状態は、特に図１１（ｃ）の側面図に明確に示されている。溝部５の高さ方向の寸法は、図１０（ａ）のＹ軸方向に沿って徐々に小さくなるように設定されており、溝部５は、図１１（ｃ）の平面図において、Ｙ軸方向に沿って先細りするテーパ形状を有している。なお、溝部５のＹ軸方向の寸法（テーパ形状の長手方向の寸法）は、ビーム形状の急激な変化に伴う伝搬損失が生じない程度の長さであることが好ましく、例えば５００μｍ以上に設定される。

【0119】

さらに、図１２（ａ）～図１２（ｃ）に示す断面図を参照しながら、溝部５がリブ部４の延在方向に沿ってテーパ形状を有することについて説明する。

【0120】

図１２（ａ）は、図１１（ｃ）の側面図におけるＤ－Ｄ断面図であり、図１０の斜視図において手前側の断面構造を示している。図１２（ａ）のＤ－Ｄ断面図において、リブ部４の上面から溝部５の底面までの高さ方向の寸法（図２の高さｈ_３）は、リブ部４の幅方向の寸法（図２の幅ｗ_１）と略同一である。また、溝部５の高さ方向の寸法（図２の深さｈ_２）は、リブ部４の高さ方向の寸法（図２の高さｈ_１）と略同一であり、溝部５の幅方向の寸法（図２の幅ｗ_２）は、リブ部４の幅方向の寸法（図２の幅ｗ_１）と略同一である。すなわち、導波層３から突出するリブ部４の断面形状と、支持基板２に掘削された溝部５の断面形状とは、導波層３に対して対称になっている。

【0121】

図１２（ｂ）は、図１１（ｃ）の側面図におけるＥ－Ｅ断面図であり、図１０の斜視図において略中央部の断面構造を示している。図１０の斜視図において、手前側から奥側へＹ軸方向に沿って進むにつれて、溝部５の高さ方向の寸法は連続的に小さくなる。そして、図１２（ｂ）のＥ－Ｅ断面図に示す略中央部の断面構造では、溝部５の高さ方向の寸法（図２の深さｈ_２）は、リブ部４の高さ方向の寸法（図２の高さｈ_１）の約半分となる。

【0122】

図１２（ｃ）は、図１１（ｃ）の側面図におけるＦ－Ｆ断面図であり、図１０の斜視図において最も奥側の断面構造を示している。Ｙ軸方向に沿って進むにつれて溝部５の高さ方向の寸法は更に小さくなり、図１２（ｃ）のＦ－Ｆ断面図に示す最も奥側の断面構造では、溝部５の高さ方向の寸法（図２の深さｈ_２）はゼロであり、溝部５は消失している。図１２（ｃ）のＦ－Ｆ断面図に示す断面構造は、通常のリブ型導波路の断面構造と同一である。

【0123】

図１３（ａ）～図１３（ｃ）は、本発明の第２の実施の形態における光導波路素子４１の電界強度シミュレーションの結果を示す図である。図１３（ａ）は、図１２（ａ）の断面構造における光強度分布を示す図である。図１３（ｂ）は、図１２（ｂ）の断面構造における光強度分布を示す図である。図１３（ｃ）は、図１２（ｃ）の断面構造における光強度分布を示す図である。図１３（ａ）～図１３（ｃ）では、光強度分布が濃淡で表されており、濃度が濃いほど光強度が高く、濃度が薄いほど光強度が弱いことを示している。

【0124】

図１３（ａ）に示す断面構造では、リブ部４の上面から溝部５の底面までの高さ方向の寸法とリブ部４の幅方向の寸法とが略同一であり、さらに、リブ部４の幅方向の寸法と溝部５の幅方向の寸法とが略同一である。すなわち、リブ部４の側面および溝部５の側面で囲まれた領域がアスペクト比１：１の略正方形になっている。これにより、光導波路を伝搬する光波のビーム形状は、図１３（ａ）に示すように光ファイバ内を伝搬する光波と同じような略真円に近い形状となる。

【0125】

図１３（ｂ）に示す断面構造は、図１３（ａ）と比較すると、溝部５の高さ方向の寸法が小さくなっている。これにより、光導波路を伝搬する光波は、溝部５に広がる領域が少なくなるとともにリブ部４に広がる領域が多くなる。光波のビーム形状は、図１３（ｂ）に示すように少し歪んだ形状となる。

【0126】

図１３（ｃ）に示す断面構造は、溝部５が消失しており通常のリブ型導波路と同じ形状になっている。したがって、光波のビーム形状は、図１３（ｃ）に示すように、リブ部４に入り込むように歪んだ形状となる。

【0127】

図１０のＹ軸の正方向に光波が伝搬する場合には、光波のビーム形状は、略真円に近い形状（図１３（ａ）に示す状態）から、徐々に歪んでいき（図１３（ｂ）に示す状態）、リブ型導波路と同じビーム形状（図１３（ｃ）に示す状態）に連続的に変化する。溝部５の高さ方向の寸法は連続的に変化するため、図１３（ａ）～図１３（ｃ）に示すビーム形状も連続的に変化する。

【0128】

本発明の第２の実施の形態では、光波の伝搬方向に対して溝部５の高さ方向の寸法が連続的に小さくなるように溝部５を設けることで、光ファイバ内を伝搬する光波のビーム形状（略真円に近い形状）から、通常のリブ型導波路を伝搬する光波のビーム形状へ連続的に変化させることが可能となる。光波のビーム形状は連続的に変化するため、不連続かつ急激な変化に伴う損失発生を防ぐことが可能となる。

【0129】

さらに、光波のビーム形状が略真円に近い形状（図１３（ａ）に示す状態）となるように形成された溝部５を、光導波路素子４１に光波を導入する光ファイバとの結合部に設けることで、光ファイバから導入される光波と、光ファイバから導入されて光導波路素子４１の光導波路を伝搬する光波との間におけるビーム形状の不整合を抑えることが可能となる。その結果、光ファイバと光導波路素子４１との結合部における結合損失を低減させることが可能となる。

【0130】

また逆に、図１０のＹ軸の負方向に光波が伝搬する場合には、光波のビーム形状は、リブ型導波路と同じビーム形状（図１３（ｃ）に示す状態）から、徐々に歪みの少ない形状（図１３（ｂ）に示す状態）となり、略真円に近い形状（図１３（ａ）に示す状態）に連続的に変化する。溝部５の高さ方向の寸法は連続的に変化することから、図１３（ａ）～図１３（ｃ）に示すビーム形状も連続的に変化する。

【0131】

本発明の第２の実施の形態では、光波の伝搬方向に対して溝部５の高さ方向の寸法が連続的に大きくなるように溝部５を設けることで、通常のリブ型導波路を伝搬する光波のビーム形状から、光ファイバ内を伝搬する光波のビーム形状（略真円に近い形状）へ連続的に変化させることが可能となる。光波のビーム形状は連続的に変化するため、不連続かつ急激な変化に伴う損失発生を防ぐことが可能となる。

【0132】

さらに、光波のビーム形状が略真円に近い形状（図１３（ａ）に示す状態）となるように形成された溝部５を、光導波路素子４１から光波を導出する光ファイバとの結合部に設けることで、光ファイバから導入されて光導波路素子４１の光導波路を伝搬する光波と、光ファイバから導出される光波との間におけるビーム形状の不整合を抑えることが可能となる。その結果、光ファイバと光導波路素子４１との結合部における結合損失を低減させることが可能となる。

【0133】

また、溝部５を設けた場合には、光波が溝部５に入り込むように広がるため、光波の位置（例えば光強度が極大となる位置）は、リブ部４から離れて溝部５に近い位置となる。本発明の第２の実施の形態によれば、本発明の第１の実施の形態と同様に、溝部５を設けることで光波の位置を溝部５側へずらすことが可能となる。その結果、光波が導波層３およびリブ部４と外気との境界部にオーバラップする領域を低減させることが可能となり、該境界部による散乱を抑えて、光導波路素子４１の光導波路における伝搬損失を低減させることが可能となる。

【0134】

本発明の第２の実施の形態における光導波路素子４１を用いて、本発明の第１の実施の形態に係る光変調器１０Ａ（図６参照）や光変調器１０Ｂ（図７参照）と同様の光変調器を実現することが可能である。ただし、本発明の第２の実施の形態では、高さ方向の寸法が連続的に変化するように溝部５が形成される。

【0135】

本発明の第２の実施の形態に係る光変調器では、図６に示す光変調器１０Ａに含まれる光導波路の区間Ｓ１において、光波の伝搬方向に対して高さ方向の寸法が連続的に小さくなるように溝部５が形成され、区間Ｓ２において、光波の伝搬方向に対して高さ方向の寸法が連続的に大きくなるように溝部５が形成される。

【0136】

また、本発明の第２の実施の形態に係る光変調器では、図７に示す光変調器１０Ｂに含まれる光導波路の区間Ｓ５において、光波の伝搬方向に対して高さ方向の寸法が連続的に小さくなるように溝部５が形成され、区間Ｓ６において、光波の伝搬方向に対して高さ方向の寸法が連続的に大きくなるように溝部５が形成される。

【0137】

また、本発明の第２の実施の形態における光導波路素子４１は、本発明の第１の実施の形態で説明した製造工程（図８および図９参照）と同様の工程で製造することが可能である。ただし、本発明の第２の実施の形態では、溝部５の高さ方向の寸法が、光導波路において意図するビーム形状に合わせて適宜設定される。

【0138】

なお、本明細書では、本発明の第１および第２の実施の形態を個別に説明しているが、第１および第２の実施の形態を組み合わせてもよい。例えば、リブ部４の延在方向に沿って高さ方向の寸法および幅方向の寸法の両方が連続的に変化するように、溝部５が形成されてもよい。

【0139】

本発明は、上記の実施の形態や変形例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例および設計変更等をその技術的範囲に包含するものである。

【産業上の利用可能性】

【0140】

本発明は、光ファイバとの結合部における結合損失を低減させることが可能となり、光導波路における伝搬損失を低減させることが可能となる光導波路素子を提供し、光通信分野や光計測分野等に適用可能である。

【符号の説明】

【0141】

１、４１ 光導波路素子
２ 支持基板
３ 導波層
４ リブ部
５ 溝部
１０Ａ、１０Ｂ 光変調器
１１ 入力導波路
１２ 分岐部
１３ 第１分岐導波路
１４ 第１曲げ部
１５ 並行導波路
１６ 第２曲げ部
１７ 第２分岐導波路
１８ 合成部
１９ 出力導波路
２０ 入力側光ファイバ
３０ 出力側光ファイバ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】