特許 6428776 グレーティングカプラ及び光導波路装置

(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】6428776

(24)【登録日】2018年11月9日

(45)【発行日】2018年11月28日

(54)【発明の名称】グレーティングカプラ及び光導波路装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/124 20060101AFI20181119BHJP

   G02B 6/30 20060101ALI20181119BHJP

【ＦＩ】

   G02B6/124

   G02B6/30

【請求項の数】9

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2016-532818(P2016-532818)

(86)(22)【出願日】2014年7月8日

(86)【国際出願番号】JP2014068188

(87)【国際公開番号】WO2016006037

(87)【国際公開日】20160114

【審査請求日】2017年1月17日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005223

【氏名又は名称】富士通株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100094525

【弁理士】

【氏名又は名称】土井 健二

(74)【代理人】

【識別番号】100094514

【弁理士】

【氏名又は名称】林 恒徳

(74)【代理人】

【識別番号】100105337

【弁理士】

【氏名又は名称】眞鍋 潔

(72)【発明者】

【氏名】菅間 明夫

【審査官】 奥村 政人

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０６−０８２６５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２０３６０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００７−５２５６９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−２２１３４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−２９６１０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１０１９９５６０９（ＣＮ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０１３６３９６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００３−２４８１２８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ６／１２− ６／１４

Ｇ０２Ｂ ６／２６− ６／２７

Ｇ０２Ｂ ６／３０− ６／３４

Ｇ０２Ｂ ６／４２− ６／４３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板上に設けられた第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層上に設けられたコア層と、
前記コア層上に設けられた第２のクラッド層と
前記コア層と前記第１のクラッド層或いは第２のクラッド層のいずれかとの間に設けられ、屈折率が前記コア層と異なる材料で形成されたストライプ状部材が複数の区画に区分されて配置されたグレーティングと、
を有し、
前記各区画内に配置されたストライプ状部材は同じ本数の複数本であり、
前記ストライプ状部材の前記コア層に対向する面の反対側の面と前記コア層との間隔が、グレーティングカプラの端部に向かって前記区画毎に順次減少し、
且つ、前記各区画内において前記ストライプ状部材の光の導波方向の寸法が前記端部に向かって順次増大していることを特徴とするグレーティングカプラ。

【請求項2】

前記コア層と前記ストライプ状部材の間に、前記コア層より屈折率の低い低屈折率層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のグレーティングカプラ。

【請求項3】

前記低屈折率層が前記第１のクラッド層及び前記第２のクラッド層と同じ素材からなることを特徴とする請求項２に記載のグレーティングカプラ。

【請求項4】

前記コア層の前記ストライプ状部材に対向する面が、面一の平坦面であることを特徴とする請求項３に記載のグレーティングカプラ。

【請求項5】

前記グレーティングが、前記コア層と前記第２のクラッド層との間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のグレーティングカプラ。

【請求項6】

前記コア層の前記ストライプ状部材に対向する面が、前記各区画毎に前記コア層の厚さの異なる段差面であることを特徴とする請求項１に記載のグレーティングカプラ。

【請求項7】

基板と、
前記基板上に設けられた第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層上に設けられたコア層と、
前記コア層上に設けられた第２のクラッド層と
前記コア層と前記第１のクラッド層或いは第２のクラッド層のいずれかとの間に設けられ、屈折率が前記コア層と異なる材料で形成されたストライプ状部材が複数の区画に区分されて配置されたグレーティングと、
を有し、前記各区画内に配置されたストライプ状部材は同じ本数の複数本であり、
前記ストライプ状部材の前記コア層に対向する面の反対側の面と前記コア層との間隔が、グレーティングカプラの端部に向かって前記区画毎に順次増大し、
前記各区画内において前記ストライプ状部材の光の導波方向の寸法及び前記ストライプ状部材の光の導波方向の厚さが前記端部に向かって順次増大していることを特徴とするグレーティングカプラ。

【請求項8】

前記ストライプ状部材が配置された区画数が２乃至４であることを特徴とする請求項１に記載のグレーティングカプラ。

【請求項9】

請求項１または請求項７に記載のグレーティングカプラと、
前記グレーティングカプラの端部において前記グレーティングと光結合する光ファイバと
前記グレーティングカプラの前記端部と反対方向に延在する光導波路と
を有することを特徴とする光導波路装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、グレーティングカプラ及び光導波路装置に関するものであり、例えば、高速、大容量の信号伝送を必要とする情報通信系の装置に用いられる光ファイバと接続するグレーティングカプラに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、情報通信系の装置において、光ファイバを伝搬してきた信号光を光導波路に入力して導波させる際に、光導波路に設けたグレーティングカプラを用いている。ここで、図１９を参照して従来のグレーティングカプラを用いた光結合構造を説明する。

【0003】

図１９は、従来の光ファイバとグレーティングカプラの結合状態の説明図であり、図１９（ａ）は透視斜視図であり、図１９（ｂ）は図１９（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。グレーティングカプラは、光導波路９１を伝搬中の光をグレーティングカプラ部９４に設けたグレーティング（回折格子）９５により上方もしくは下方に放射し、外部の光ファイバ９６などと結合させる構造である。逆に、反対方向の光ファイバから光導波路への結合にも用いられる。平面構造であることから、フォトリソグラフィー技術で容易に形成可能であり、特に、シリコンフォトニクスにおける光ファイバ・インターフェースの主流となっている。なお、図１９における符号９２，９３，９７，９８は、夫々、下部クラッド層、上部クラッド層、コア及びクラッドである。

【0004】

しかし、このような基本構造のままのグレーティングカプラでは原理的に１００％の結合効率を期待できない。それには、いくつかの理由があるが、大きな原因の一つにビーム形状の不整合がある。図２０は、グレーティングカプラからの放射ビーム形状の説明図であり、図に示すように、光ファイバは、ガウスビーム様のプロファイルを有する。一方、グレーティングカプラからの放射ビーム形状は、光が次第に減衰していく指数関数形のプロファイルを有する。

【0005】

このミスマッチにより、ベストな状態でも約１ｄＢの損失が発生する。また、製造公差により最適状態からずれると、さらに大きな損失が発生する。この課題は古くから知られており、根本的な解決はグレーティングカプラからガウスビームを放射させることである。

【0006】

指数関数ビームをガウスビーム化するためには、グレーティングと光導波路の結合を、グレーティングカプラの終端に向かって次第に強くしていけば良い。例えば、グレーティングの線幅を変化させることで、ガウスビームを放射させることが提案されている（例えば、特許文献１或いは非特許文献１参照）。しかし、図２０から容易に類推できるように、最も光強度の強い部分を最も弱くさせなければ、ガウスビーム化できない。これは非常に細い線幅を要求することを意味する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開平０１−１０７２１４号公報

【非特許文献】

【0008】

【非特許文献1】Ｄ. Ｔａｉｌｌａｅｒｔ, ｅｔ．ａｌ．, Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ, Ｖｏｌ．２９, ｐ．２７４９ （２００４）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

上述の特許文献１或いは特許文献２の提案は、原理的には正しい方法ではあるが、実際に形成可能な線幅には限りがあるため、中途半端なガウスビーム化しかできないという問題がある。

【0010】

したがって、グレーティングカプラ及び光導波路装置において、実現が容易なストライプ幅でガウスビームにより近いビーム形状で光の授受を行うことを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

開示する一観点からは、基板と、前記基板上に設けられた第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層上に設けられたコア層と、前記コア層上に設けられた第２のクラッド層と前記コア層と前記第１のクラッド層或いは第２のクラッド層のいずれかとの間に設けられ、屈折率が前記コア層と異なる材料で形成されたストライプ状部材が複数の区画に区分されて配置されたグレーティングと、を有し、前記各区画内に配置されたストライプ状部材は同じ本数の複数本であり、前記ストライプ状部材の前記コア層に対向する面の反対側の面と前記コア層との間隔が、グレーティングカプラの端部に向かって前記区画毎に順次減少し、且つ、前記各区画内において前記ストライプ状部材の光の導波方向の寸法が前記端部に向かって順次増大していることを特徴とするグレーティングカプラが提供される。

【0012】

また、開示する別の観点からは、上述のグレーティングカプラと、前記グレーティングカプラの端部において前記グレーティングと光結合する光ファイバと前記グレーティングカプラの前記端部と反対方向に延在する光導波路とを有することを特徴とする光導波路装置が提供される。

【発明の効果】

【0013】

開示のグレーティングカプラ及び光導波路装置によれば、実現が容易なストライプ幅でガウスビームにより近いビーム形状で光の授受を行うことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の実施の形態のグレーティングカプラの説明図である。

【図2】本発明の実施の形態のグレーティングカプラの放射ビーム形状のシミュレーション結果の説明図である。

【図3】本発明の実施例１のグレーティングカプラの説明図である。

【図4】本発明の実施例１のグレーティングカプラと光ファイバの結合状態の説明図である。

【図5】本発明の実施例１のグレーティングカプラの製造工程の途中までの説明図である。

【図6】本発明の実施例１のグレーティングカプラの製造工程の図５以降の途中までの説明図である。

【図7】本発明の実施例１のグレーティングカプラの製造工程の図６以降の途中までの説明図である。

【図8】本発明の実施例１のグレーティングカプラの製造工程の図７以降の説明図である。

【図9】本発明の実施例２のグレーティングカプラの説明図である。

【図10】本発明の実施例２のグレーティングカプラと光ファイバの結合状態の説明図である。

【図11】本発明の実施例２のグレーティングカプラの製造工程の途中までの説明図である。

【図12】本発明の実施例２のグレーティングカプラの製造工程の図１１以降の途中までの説明図である。

【図13】本発明の実施例２のグレーティングカプラの製造工程の図１２以降の途中までの説明図である。

【図14】本発明の実施例２のグレーティングカプラの製造工程の図１３以降の説明図である。

【図15】本発明の実施例３のグレーティングカプラの説明図である。

【図16】本発明の実施例４のグレーティングカプラの説明図である。

【図17】本発明の実施例５のグレーティングカプラの説明図である。

【図18】本発明の実施例６のグレーティングカプラの説明図である。

【図19】従来の光ファイバとグレーティングカプラの結合状態の説明図である。

【図20】グレーティングカプラからの放射ビーム形状の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

ここで、図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態のグレーティングカプラを説明する。図１は、本発明の実施の形態のグレーティングカプラの説明図であり、図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。グレーティングカプラは、基板１１と、基板１１上に設けられた第１のクラッド層１２と、第１のクラッド層１２上に設けられたコア層１５と、コア層１５上に設けられた第２のクラッド層１６を備えている。

【0016】

また、コア層１５と第１のクラッド層１２或いは第２のクラッド層１６のいずれかとの間には、屈折率がコア層１５と異なる材料で形成された複数のストライプ状部材からなるグレーティング１３_１〜１３_３が設けられている。

【0017】

また、ストライプ状部材は複数の区画に区分されて配置されており、ストライプ状部材のコア層１５に対向する面の反対側の面とコア層１５との間隔ｈが区画毎に異なっている。また、コア層１５とストライプ状部材の間に、コア層１５より屈折率の低い低屈折率層１４が設けられている。この低屈折率層１４は、クラッド層（１２，１６）と同じ素材であっても良い。

【0018】

具体的には、各区画内に配置されたストライプ状部材を同じ本数の複数本とし、ストライプ状部材のコア層１５に対向する面と反対側の面とコア層１５との間隔ｈが、グレーティングカプラの端部に向かって区画毎に順次減少するようにしても良い。この場合は、各区画内においてストライプ状部材の光の導波方向の寸法ｗをグレーティングカプラの端部に向かって順次増大するようにする。

【0019】

このような関係に設定するためには、コア層１５のストライプ状部材に対向する面を、面一の平坦面にして、各区画毎に設けるストライプ状部材を異なった層準に設けても良い。或いは、コア層１５のストライプ状部材に対向する面を、各区画毎にコア層１５の厚さが異なる段差面として、全てのストライプ状部材を同じ層準に設けるようにしても良い。いずれの場合にも、製造工程の容易性の観点から、グレーティング１３_１〜１３_３はコア層１５と第１のクラッド層１２との間に設けることが通常であるが、コア層１５と第２のクラッド層１６との間に設けても良い。

【0020】

或いは、各区画内に配置されたストライプ状部材を同じ本数の複数本とし、ストライプ状部材のコア層１５に対向する面の反対側の面とコア層との間隔ｈが、グレーティングカプラの端部に向かって区画毎に順次増大するようにしても良い。この場合には、各区画内においてストライプ状部材の光の導波方向の寸法ｗ及びストライプ状部材の厚さｄをグレーティングカプラの端部に向かって次増大するようにすれば良い。

【0021】

なお、ストライプ状部材が配置された区画数は２乃至４が典型的な値である。但し、各区画に配置されたストライプ状部材を１本とし、全てのストライプ状部材の厚さｄと光の導波方向の寸法ｗを同じにしても良い。但し、この場合には、特性の設計が容易であるが、成膜工程が大幅に増加する。

【0022】

グレーティング１３_１〜１３_３に用いる材料は、Ｓｉ、Ｓｉ_３Ｎ_４、石英ガラス、光学ガラス、樹脂、半導体などを用いることができる。それぞれの材料を用いた場合の寸法はＦＤＴＤ法（Ｆｉｎｉｔｅ−ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄ）などを用いて求めることができる。また、低屈折率層としてはＳｉＯ_２やＳｉＯＮを用いる。また、基板１１としてはガラス基板でも良いが、シリコンフォトニクス技術との整合性の観点からはＳＯＩ基板を用いることが望ましい。

【0023】

一例を挙げれば、伝搬光の波長を１．５５μｍとし、クラッド層として屈折率が１．４４のＳｉＯ_２を用い、厚さが１μｍのコア層として、屈折率が１．４８のＳｉＯＮを用い、グレーティングとして、屈折率が２．００のＳｉ_３Ｎ_４を用いる。区画数を３とし、各区画内のストライプ状部材の本数を７本（なお、図においては、図示の都合で５本にしている）とし、ストライプ状部材のピッチを０．９０９μｍとして、全体の長さを約２０μｍにする。ストライプ状部材の幅はピッチの４０％〜６０％とし、ストライプ状部材の厚さを０．２５μｍとする。また、ストライプ状部材の頂面とコア層１５の底面との間隔は、１．０５μｍ、０．９０μｍ、０．８５μｍとする。

【0024】

このグレーティングカプラの端部においてグレーティングと光結合するように光ファイバを設け、グレーティングカプラの端部と反対方向に延在するように光導波路を設けることによって光導波路装置が得られる。

【0025】

図２は、本発明の実施の形態のグレーティングカプラの放射ビーム形状のシミュレーション結果の説明図である。ここでは、ストライプ幅を４５０ｎｍとした従来の均等グレーティングカプラと、特許文献１或いは非特許文献１で提案されているストライプ幅を２００ｎｍから順次増大させたグレーティングカプラの放射ビーム形状を併せて示している。なお、本発明のグレーティングカプラとしては、区画を３区画とし、最小ストライプ幅を３６０ｎｍとしてシミュレーションを行った。

【0026】

ストライプ幅を４５０ｎｍとした従来の均等グレーティングカプラからの放射ビーム形状は指数関数的であるが、本発明のグレーティングカプラの放射ビーム形状はガウスビーム形状に近くなっている。また、最小ストライプ幅が２００ｎｍの特許文献１或いは非特許文献１で提案されているグレーティングカプラとの比較では、最小ストライプ幅が３６０ｎｍであるにも拘わらず、ほぼ理想的なガウスビームが得られている。この３６０ｎｍはｉ線ステッパ露光装置で実現できる寸法であり、露光装置を選ばずに理想的なグレーティングカプラを実現することができる。

【0027】

本発明によれば、グレーティングとコアとの間の距離を変えることで、グレーティングとコアの結合を調節しているので、現実的に形成可能な線幅を用いながらも、ガウスビーム放射するグレーティングカプラを得ることができる。さらに、区画内でグレーティングのストライプの幅を変化させることを併用すると、さらに効率が向上する。

【実施例1】

【0028】

次に、図３乃至図８を参照して、本発明の実施例１のグレーティングカプラを説明する。図３は、本発明の実施例１のグレーティングカプラの説明図であり、単結晶Ｓｉ基板２１上に下部クラッド層となるＢＯＸ層２２を介して３区画に分けて単結晶Ｓｉ層からなるグレーティング２５_１〜２５_３を設ける。これらのグレーティング２５_１〜２５_３を覆うように、ＳｉＯ_２膜からなる低屈折率層２６を設け、グレーティング２５_１〜２５_３の区画毎に被覆する厚さを変えてグレーティングカプラの終端に向かって次第に回折強度を大きくする。この低屈折率層２６上にＳｉＯＮ膜からなるコア層２９を設け、その表面を平坦化したのち所定形状にパターニングし、ＳｉＯ_２膜からなる上部クラッド層３１で被覆する。

【0029】

図４は、本発明の実施例１のグレーティングカプラと光ファイバの結合状態の説明図であり、図４（ａ）は透視斜視図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。グレーティングカプラは、光導波路を伝搬中の光をグレーティング２５_１〜２５_３により上方に放射して、外部の光ファイバ９６に光を導出する。

【0030】

次に、図５乃至図８を参照して、本発明の実施例１のグレーティングカプラの製造工程を説明する。まず、図５（ａ）に示すように、単結晶Ｓｉ基板２１上に下部クラッド層となるＢＯＸ層２２を介して厚さが０．１μｍ〜０．５μｍの単結晶Ｓｉ層２３を設けたＳＯＩ基板２０を準備する。この単結晶Ｓｉ層２３上に７本で１セットになった端部に向かって順次幅が広くなるストライプ状のレジストパターン２４を区画に対応するように３セット設ける。なお、図示の関係で図では５本で１セットにしている。

【0031】

次いで、図５（ｂ）に示すように、レジストパターン２４をマスクとしてドライエッチングにより単結晶Ｓｉ層２３をエッチングしてグレーティング２５_１〜２５_３を形成する。次いで、図５（ｃ）に示すように、レジストパターン２４を除去したのち、グレーティング２５_１〜２５_３を覆うように、ＳｉＯ_２膜からなる低屈折率層２６を設ける。なお、この時、ＣＭＰ（化学機械研磨）法を用いて、グレーティング２５_１〜２５_３上の膜厚が０．５μｍ〜２μｍになるように平坦化する。

【0032】

次いで、図６（ｄ）に示すようにグレーティング２５_１を覆うようにレジストパターン２７を設ける。次いで、図６（ｅ）に示すように、低屈折率層２６の厚さが約１／２になるようにドライエッチングする。

【0033】

次いで、図６（ｆ）に示すように、レジストパターン２７を除去したのち、グレーティング２５_１，２５_２を覆うようにレジストパターン２８を設ける。次いで、図７（ｇ）に示すように、低屈折率層２６をドライエッチングする。図ではグレーティング２５_３を露出させているが、低屈折率層２６を残しても良い。次いで、図７（ｈ）に示すようにレジストパターン２８を除去することによって、低屈折率層２６によって階段状に覆われたグレーティング２５_１〜２５_３が得られる。

【0034】

次いで、図７（ｉ）に示すように、コア材料のＳｉＯＮ膜を堆積させたのち、グレーティング２５_１上の厚さが１μｍになるようにＣＭＰ法で研磨して平坦化してコア層２９を形成する。次いで、図８（ｊ）に示すように、コア形状のレジストパターン３０を形成する。

【0035】

次いで、図８（ｋ）に示すように、レジストパターン３０をマスクとしてコア層２９を所定形状にパターニングする。次いで、図８（ｌ）に示すように、レジストパターン３０を除去したのち、全面にＳｉＯ_２膜を堆積させたのち、平坦化研磨を行うことによって、上部クラッド層３１とすることによって、本発明の実施例１のグレーティングカプラの基本構造が完成する。

【0036】

本発明を用いることで、ガウスビームを出射するグレーティングカプラを容易に実現することができる。特に、汎用の解像度の露光精度を用いても、高精度のガウスビームを得ることができる。これにより、光ファイバとの高効率な結合を期待でき、高性能な光導波路装置を実現することができる。また、グレーティング層はＳＯＩ基板の単結晶Ｓｉ層を用いているため、グレーティング層の成膜工程が不要であり、また、低屈折率層の成膜工程も一度で済むので製造工程が簡素になる。

【実施例2】

【0037】

次に、図９乃至図１４を参照して、本発明の実施例２のグレーティングカプラを説明する。図９は、本発明の実施例２のグレーティングカプラの説明図であり、単結晶Ｓｉ基板４１上に下部クラッド層となるＢＯＸ層４２を介して３区画に分けて単結晶Ｓｉ層或いは多結晶Ｓｉ層或いはＳｉ_３Ｎ_４層からなるグレーティング４５_１〜４５_３を設ける。これらのグレーティング４５_１〜４５_３は、ＳｉＯ_２膜からなる低屈折率層４６_１〜４６_３により各区画毎に３段階に分かれて、グレーティング４５_１〜４５_３の底面とコア層４８との間隔をグレーティングカプラの終端に向かって次第に狭くして回折強度を大きくする。この低屈折率層４６_３上にＳｉＯＮ膜からなるコア層４８を設け、その表面を平坦化したのち、所定形状にパターニングし、ＳｉＯ_２膜からなる上部クラッド層５０で被覆する。

【0038】

図１０は、本発明の実施例２のグレーティングカプラと光ファイバの結合状態の説明図であり、図１０（ａ）は透視斜視図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。グレーティングカプラは、光導波路を伝搬中の光を３段階に区画されたグレーティング４５_１〜４５_３により上方に放射して、外部の光ファイバ９６に光を導出する。

【0039】

次に、図１１乃至図１４を参照して、本発明の実施例２のグレーティングカプラの製造工程を説明する。まず、図１１（ａ）に示すように、単結晶Ｓｉ基板４１上に下部クラッド層となるＢＯＸ層４２を介して厚さが０．１μｍ〜０．５μｍの単結晶Ｓｉ層４３を設けたＳＯＩ基板４０を準備する。この単結晶Ｓｉ層４３上に７本で１セットになった端部に向かって順次幅が広くなるストライプ状のレジストパターン４４_１を第１の区画に対応するように設ける。なお、図示の関係で図では５本で１セットにしている。

【0040】

次いで、図１１（ｂ）に示すように、レジストパターン４４_１をマスクとしてドライエッチングにより単結晶Ｓｉ層４３をエッチングして第１の区画のグレーティング４５_１を形成する。次いで、図１１（ｃ）に示すように、レジストパターン４４_１を除去したのち、グレーティング４５_１を覆うように、ＳｉＯ_２膜からなる低屈折率層４６_１を設ける。次いで、ＣＭＰ法を用いて、平坦化する。図では、グレーティング４５_１の頂面が露出しているが、低屈折率層４６_１を残しても良い。

【0041】

次いで、図１２（ｄ）に示すようにグレーティング４５_１を覆うように厚さが０．１μｍ〜０．５μｍの多結晶Ｓｉ層４７_１を堆積させたのち、第２の区画に対応する１セットのレジストパターン４４_２を設ける。なお、このレジストパターン４４_２は配置場所が異なるだけで、レジストパターン４４_１と同じパターンである。次いで、図１２（ｅ）に示すように、レジストパターン４４_２をマスクとしてドライエッチングを行うことによってグレーティング４５_２を形成する。

【0042】

次いで、図１２（ｆ）に示すように、レジストパターン４４_２を除去したのち、グレーティング４５_２を覆うように、ＳｉＯ_２膜からなる低屈折率層４６_２を設ける。次いで、ＣＭＰ法を用いて、平坦化する。図では、グレーティング４５_２の頂面が露出しているが、低屈折率層４６_２を残しても良い。

【0043】

次いで、図１３（ｇ）に示すようにグレーティング４５_２を覆うように厚さが０．１μｍ〜０．５μｍの多結晶Ｓｉ層４７_２を堆積させたのち、第３の区画に対応する１セットのレジストパターン４４_３を設ける。なお、このレジストパターン４４_３は配置場所が異なるだけで、レジストパターン４４_１と同じパターンである。次いで、図１３（ｈ）に示すように、レジストパターン４４_３をマスクとしてドライエッチングを行うことによってグレーティング４５_３を形成する。

【0044】

次いで、図１３（ｉ）に示すように、レジストパターン４４_３を除去したのち、グレーティング４５_３を覆うように、ＳｉＯ_２膜からなる低屈折率層４６_３を設ける。次いで、ＣＭＰ法を用いて、平坦化する。図では、グレーティング４５_３の頂面が露出しているが、低屈折率層４６_３を残しても良い。次いで、図１４（ｊ）に示すように、全面にＳｉＯＮ膜を成膜したのち、ＣＭＰ法により厚さが１μｍになるように平坦化研磨を行って、コア層４８を形成する。

【0045】

次いで、図１４（ｋ）に示すように、コア形状のレジストパターン４９を形成し、このレジストパターン４９をマスクとしてコア層４８を所定形状にパターニングする。次いで、図１４（ｌ）に示すように、レジストパターン４９を除去したのち、全面にＳｉＯ_２膜を堆積させ、次いで、平坦化研磨を行うことによって、上部クラッド層５０とすることによって、本発明の実施例２のグレーティングカプラの基本構造が完成する。

【0046】

本発明の実施例２を用いることで、実施例１の場合と同様に、ガウスビームを出射するグレーティングカプラを容易に実現することができる。特に、汎用の解像度の露光精度を用いても、高精度のガウスビームを得ることができる。これにより、光ファイバとの高効率な結合を期待でき、高性能な光導波路装置を実現することができる。また、コア層は均一な厚さであるので、光学的特性の設計が容易になる。

【実施例3】

【0047】

次に、図１５を参照して本発明の実施例３のグレーティングカプラを説明する。図１５は本発明の実施例３のグレーティングカプラの説明図であり、図１５（ａ）はグレーティングカプラの断面図であり、図１５（ｂ）乃至図１５（ｄ）は製造工程の一部の説明図である。なお、グレーティング形成後の工程は上記の実施例１或いは実施例２と同様である。

【0048】

図１５（ａ）に示すように、単結晶Ｓｉ基板６１上にＳｉＯ_２膜からなる下部クラッド層６２を介して３区画に分けて多結晶Ｓｉ層或いはＳｉ_３Ｎ_４層からなるグレーティング６５_１〜６５_３を設ける。これらのグレーティング６５_１〜６５_３は、ＳｉＯ_２膜からなる低屈折率層４６_１〜４６_３により各区画毎に厚さが異なり、グレーティング６５_１〜６５_３の底面とコア層６６との間隔をグレーティングカプラの終端に向かって次第に大きくして回折強度を大きくする。このグレーティング６５_１〜６５_３に接するようにＳｉＯＮ膜からなるコア層６６を設け、その表面を平坦化した後、ＳｉＯ_２膜からなる上部クラッド層６７で被覆する。

【0049】

このような構造を形成するためには、まず、図１５（ｂ）に示すように、下部クラッド層６２上にＳｉＯ_２膜からなる低屈折率層６３_１を設けたのち、実施例１と同様に３区画に応じて３段階のエッチングを行う。次いで、図１５（ｃ）に示すように、多結晶Ｓｉ層６４を堆積したのち、平坦化研磨を行う。次いで、図１５（ｄ）に示すように、多結晶Ｓｉ層６４をエッチングすることによって、各区画毎に厚さの異なるグレーティング６５_１〜６５_３を形成する。

【0050】

以降は、図示を省略するが、全面にＳｉＯ_２膜からなる低屈折率層６３_２を堆積したのち、グレーティング６５_１〜６５_３の頂面が露出するように平坦化研磨する。以降は実施例２と同様に、ＳｉＯＮ膜からなるコア層６６を形成したのち、所定の形状にパターニングし、ＳｉＯ_２膜からなる上部クラッド層６７を設けることによって、本発明の実施例３のグレーティングカプラの基本構造が完成する。

【0051】

本発明の実施例３においては、グレーティングのストライプ状部材の厚さを変化させて回折強度を調整しているので、簡単な製造工程で且つ均一な厚さのコア層を有するグレーティングカプラを実現することができる。なお、その他の作用効果は、上記の実施例１と同様である。

【実施例4】

【0052】

次に、図１６を参照して本発明の実施例４のグレーティングカプラを説明する。図１６は本発明の実施例４のグレーティングカプラの説明図であり、図１６（ａ）はグレーティングカプラの断面図であり、図１６（ｂ）乃至図１６（ｄ）は製造工程の一部の説明図である。なお、基本的な製造工程は、上記の実施例３と同様である。

【0053】

図１６（ａ）に示すように、単結晶Ｓｉ基板６１上にＳｉＯ_２膜からなる下部クラッド層６２を介して３区画に分けて多結晶Ｓｉ層或いはＳｉ_３Ｎ_４層からなるグレーティング６５_１〜６５_３を設ける。これらのグレーティング６５_１〜６５_３は、ＳｉＯ_２膜からなる低屈折率層４６_１〜４６_３により各区画毎に厚さが異なり、グレーティング６５_１〜６５_３の底面とコア層６６との間隔をグレーティングカプラの終端に向かって次第に大きくして回折強度を大きくする。このグレーティング６５_１〜６５_３に接するようにＳｉＯＮ膜からなるコア層６６を設け、その表面を平坦化したのち所定形状にパターングし、ＳｉＯ_２膜からなる上部クラッド層６７で被覆する。但し、この実施例４においては、グレーティング６５_１〜６５_３の頂面とコア層６６との間に薄い低屈折率層６３_２を介在させる。

【0054】

このような構造を形成するためには、実施例３と同様に、まず、図１６（ｂ）に示すように、下部クラッド層６２上にＳｉＯ_２膜からなる低屈折率層６３_１を設けたのち、実施例１と同様に３区画に応じて３段階のエッチングを行う。次いで、図１６（ｃ）に示すように、多結晶Ｓｉ層６４を堆積したのち、平坦化研磨を行う。次いで、多結晶Ｓｉ層６４をエッチングすることによって、各区画毎に厚さの異なるグレーティング６５_１〜６５_３を形成する。

【0055】

次いで、図１６（ｄ）に示すように、全面にＳｉＯ_２膜からなる低屈折率層６３_２を堆積したのち、グレーティング６５_１〜６５_３の頂面が露出しない程度に平坦化研磨する。以降は実施例２と同様に、ＳｉＯＮ膜からなるコア層６６を形成したのち所定形状にパターングし、ＳｉＯ_２膜からなる上部クラッド層６７を設けることによって、本発明の実施例４のグレーティングカプラの基本構造が完成する。

【0056】

本発明の実施例４においても、グレーティングのストライプ状部材の厚さを変化させて回折強度を調整しているので、簡単な製造工程で且つ均一な厚さのコア層を有するグレーティングカプラを実現することができる。この構造は実施例３のグレーティングの作用が強すぎる場合に有効である。なお、その他の作用効果は、上記の実施例１と同様である。

【実施例5】

【0057】

次に、図１７を参照して本発明の実施例５のグレーティングカプラを説明する。図１７は本発明の実施例５のグレーティングカプラの説明図であり、図１７（ａ）はグレーティングカプラの断面図であり、図１７（ｂ）乃至図１７（ｄ）は製造工程の一部の説明図である。なお、この実施例５のグレーティングカプラは、実施例２のグレーティングを上部クラッド層側に設けたものに相当する。

【0058】

図１７（ａ）に示すように、単結晶Ｓｉ基板７１上にＳｉＯ_２膜からなる下部クラッド層７２を介してＳｉＯＮ膜からコア層７３を設ける。このコア層７３上に３区画に分けて多結晶Ｓｉ層或いはＳｉ_３Ｎ_４層からなるグレーティング７５_１〜７５_３を設ける。これらのグレーティング７５_１〜７５_３は、ＳｉＯ_２膜からなる低屈折率層７４_１〜７４_３により各区画毎にグレーティング７５_１〜７５_３の頂面とコア層７３との間隔をグレーティングカプラの終端に向かって次第に狭くして回折強度を大きくする。このグレーティング７５_１〜７５_３に接するようにＳｉＯ_２膜からなる上部クラッド層７６で被覆する。

【0059】

このような構造を形成するためには、まず、図１７（ｂ）に示すように、下部クラッド層７２上にＳｉＯＮ膜からなるコア層７３を設け、その上に、ＳｉＯ_２膜からなる低屈折率層７４_１を介して多結晶Ｓｉ層を設ける。次いで、多結晶Ｓｉ層をエッチングすることによって第３の区画に対応するグレーティング７５_３を形成する。

【0060】

次いで、図１７（ｃ）に示ように、ＳｉＯ_２膜からなる低屈折率層７４_２及び多結晶Ｓｉ層を堆積したのち、多結晶Ｓｉ層をエッチングすることによって第２の区画に対応するグレーティング７５_２を形成する。次いで、図１７（ｄ）に示ように、ＳｉＯ_２膜からなる低屈折率層７４_３及び多結晶Ｓｉ層を堆積したのち、多結晶Ｓｉ層をエッチングすることによって第１の区画に対応するグレーティング７５_１を形成する。

【0061】

以降は図示を省略するが、ＳｉＯ_２膜からなる低屈折率層７４_４を設けたのち、グレーティング７５_１〜７５_３を含めてコア層７３を所定形状にパターンングする。次いで、ＳｉＯ_２膜からなる上部クラッド層７６を設けることによって、本発明の実施例５のグレーティングカプラの基本構造が完成する。

【0062】

本発明の実施例５においては、グレーティングを上部クラッド層側に設けているだけで、上記実施例２と同様の作用効果が得られる。

【実施例6】

【0063】

次に、図１８を参照して本発明の実施例６のグレーティングカプラを説明する。図１８は本発明の実施例６のグレーティングカプラの説明図であり、区画を細分化して１区画１ストライプと、各グレーティングとなるストライプを同じ幅且つ同じ厚さにしたものである。

【0064】

図１８に示すように、単結晶Ｓｉ基板８１上にＳｉＯ_２膜からなる下部クラッド層８２を介して低屈折率層８３に埋め込まれたストライプからなるグレーティング８４を形成する。このグレーティング８４を含む低屈折率層８４上にＳｉＯＮ膜からなるコア層８５を設け、所定形状にパターンングし、次いで、ＳｉＯ_２膜からなる上部クラッド層８６で被覆する。

【0065】

このような構造を形成するためには、破線で引き出した円内に示すように、上記の実施例５と同様の手法で、１本のストライプ毎に成膜工程及びエッチング工程を繰り返す。即ち、まず、下部クラッド層８２上にＳｉＯ_２膜からなる薄い低屈折率層８３_１を介して多結晶Ｓｉ層を設ける。次いで、多結晶Ｓｉ層をエッチングすることによって１本のストライプからなる第１のグレーティング８４_１を形成する。

【0066】

次いで、ＳｉＯ_２膜からなる薄い低屈折率層８３_２及び多結晶Ｓｉ層を堆積したのち、多結晶Ｓｉ層をエッチングすることによって１本のストライプからなる第２のグレーティング８４₂を形成する。この工程をストライプの数だけ繰り返すことによって、グレーティング８４_１，８４_２上には薄い低屈折率層８３_３，８３_４，８３_５・・・が順次積層される。

【0067】

本発明の実施例６においては、同じ幅で同じ膜厚のストライプによって段階的に変化するグレーティングを設けているので、光学的設計が容易になる。その他の作用効果は上記の実施例１と同様である。

【符号の説明】

【0068】

１１ 基板
１２ 第１のクラッド層
１３_１〜１３_３ グレーティング
１４ 低屈折率層
１５ コア層
１６ 第２のクラッド層
２０，４０ ＳＯＩ基板
２１，４１，６１，７１，８１ 単結晶Ｓｉ基板
２２，４２ ＢＯＸ層
２３，４３ 単結晶Ｓｉ層
２４，２７，２８，３０，４４_１〜４４_３，４９ レジストパターン
２５_１〜２５_３，４５_１〜４５_３，６５_１〜６５_３、７５_１〜７５_３，８４，８４_１，８４_２ グレーティング
２６，４６_１〜４６_３，６３_１，６３_２，７４_１〜７４_４，８３，８３_１〜８３_５ 低屈折率層
２９，４８，６６，７３，８５ コア層
３１，５０，６７，７６，８６ 上部クラッド層
４７_１，４７_２，６４ 多結晶Ｓｉ層
６２，７２，８２ 下部クラッド
９１ 光導波路
９２ 下部クラッド層
９３ 上部クラッド層
９４ グレーティングカプラ部
９５ グレーティング
９６ 光ファイバ
９７ コア
９８ クラッド

【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】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】