特開 2024-98873 光デバイス、光送信装置及び光受信装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024098873

(43)【公開日】2024-07-24

(54)【発明の名称】光デバイス、光送信装置及び光受信装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/122 20060101AFI20240717BHJP

   G02B 6/42 20060101ALI20240717BHJP

【ＦＩ】

G02B6/122 311

G02B6/42

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023002656

(22)【出願日】2023-01-11

(71)【出願人】

【識別番号】309015134

【氏名又は名称】富士通オプティカルコンポーネンツ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 達也

(72)【発明者】

【氏名】岡 徹

【テーマコード（参考）】

2H137

2H147

【Ｆターム（参考）】

2H137AB06

2H137AB08

2H137AB11

2H137BA01

2H137BA36

2H137BA52

2H137BA53

2H137BB02

2H137BB12

2H137EA02

2H137EA04

2H137EA05

2H137EA11

2H147AB02

2H147AB04

2H147AB05

2H147BA05

2H147BA06

2H147BA17

2H147BB02

2H147BB04

2H147BD10

2H147CB01

2H147CB02

2H147CD02

2H147EA13A

2H147EA13C

2H147EA14A

2H147EA14B

2H147EA14D

2H147FA05

2H147FC03

2H147FC08

(57)【要約】

【課題】光損失の低減を図りながら長期信頼性を確保できる光デバイス等を提供する。
【解決手段】光デバイスは、基板上に形成されたコアと、前記コアを覆うクラッド層と、前記クラッド層上に形成されたパッシベーション層とを有する。光デバイスは、前記コア内を導波する光のスポットサイズを前記基板の端部に向けて大きくするスポットサイズ変換器を備えている。前記パッシベーション層は、前記クラッド層よりも材料屈折率が高く、かつ、当該スポットサイズ変換器の少なくとも上部を除く領域に形成されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板上に形成されたコアと、前記コアを覆うクラッド層と、前記クラッド層上に形成されたパッシベーション層とを有する光デバイスであって、
前記コア内を導波する光のスポットサイズを前記基板の端部に向けて大きくするスポットサイズ変換器を備え、
前記パッシベーション層は、
前記クラッド層よりも材料屈折率が高く、かつ、当該スポットサイズ変換器の少なくとも上部を除く領域に形成されていることを特徴とする光デバイス。

【請求項2】

前記スポットサイズ変換器は、
前記光のスポットサイズが前記基板の端部に向けて大きくなるように前記コアの幅を前記基板の端部に向けて小さくなっていることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。

【請求項3】

前記クラッド層の上部に、前記クラッド層よりも材料屈折率が小さい材料の膜を設けることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。

【請求項4】

前記コアの材料は、
Ｓｉ、ＳｉＮ、ＳｉＯＮの内、少なくとも何れか一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。

【請求項5】

前記コアにある前記スポットサイズ変換器と前記基板の端部とのなす角が垂直以外であることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。

【請求項6】

前記コアにある前記スポットサイズ変換器の先端がダイシングラインを隔てて対になる２個の前記スポットサイズ変換器が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。

【請求項7】

前記スポットサイズ変換器が複数配列して構成することを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。

【請求項8】

前記スポットサイズ変換器は、
半導体若しくは誘電体を光導波部とし、その周囲が前記光導波部より屈折率の小さいカバー層で覆われている光導波路を備え、比屈折率差の大きな光導波路から比屈折率差の小さな光導波路に光を導波して光のスポットサイズを大きくし、
前記パッシベーション層は、
前記比屈折率差の小さな光導波路の少なくとも一部の上部を除く領域に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。

【請求項9】

前記光導波路を構成する半導体若しくは誘電体の材料は、Ｓｉ、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮの内、少なくとも何れか一つを含むことを特徴とする請求項８に記載の光デバイス。

【請求項10】

前記カバー層が空気層であることを特徴とする請求項８に記載の光デバイス。

【請求項11】

電気信号に対する信号処理を実行するプロセッサと、
光を発生させる光源と、
前記プロセッサから出力される電気信号を用いて、前記光源から発生する光を変調する光送信器と、を有する光送信装置であって、
前記光送信器内の光デバイスは、
基板上に形成されたコアと、前記コアを覆うクラッド層と、前記クラッド層上に形成されたパッシベーション層とを有し、
前記コア内を導波する光のスポットサイズを前記基板の端部に向けて大きくするスポットサイズ変換器を備え、
前記パッシベーション層は、
前記クラッド層よりも材料屈折率が高く、かつ、当該スポットサイズ変換器の少なくとも上部を除く領域に形成されていることを特徴とする光送信装置。

【請求項12】

光を発生させる光源と、
前記光源からの光を用いて受信光を復調する光受信器と、を有する光受信装置であって、
前記光受信器内の光デバイスは、
基板上に形成されたコアと、前記コアを覆うクラッド層と、前記クラッド層上に形成されたパッシベーション層とを有し、
前記コア内を導波する光のスポットサイズを前記基板の端部に向けて大きくするスポットサイズ変換器を備え、
前記パッシベーション層は、
前記クラッド層よりも材料屈折率が高く、かつ、当該スポットサイズ変換器の少なくとも上部を除く領域に形成されていることを特徴とする光受信装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光デバイス、光送信装置及び光受信装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、通信容量の増加に伴って、光ファイバ通信の需要が増大している。光ファイバ通信では、例えば、コンピュータで用いられる電気信号を光ファイバに通すための光信号に変換する光デバイスが必要となる。光デバイスは市場の要求に合わせて小型かつ低電力で大容量なものが求められており、それを実現するためにＳｉ基板上に導波路や電極基板を集積させたＳｉＰｈ（Silicon-Photonics）素子が非常に高い注目を集め、日々活発に研究・開発が行われている。ＳｉＰｈの大きな利点は、ＣＭＯＳ製造に用いられる高精細プロセス技術を生かして、多数の要素デバイスから構成される大規模な光集積回路を容易に製造できる点にある。

【0003】

こうした光集積素子（Photonics Integrated Circuit: PIC）を光通信用のモジュールとして実装するには、光集積素子のＳｉ導波路をチップ端面まで引き回し、Ｓｉ導波路と光ファイバとを光学的に接続して光の入出力を行う必要がある。従って、Ｓｉ導波路と光ファイバとの間の接続には低い結合損失と長期的信頼性とが要求されている。

【0004】

ＳｉＰｈ－ＰＩＣでは酸化ケイ素中のＳｉやＳｉ_３Ｎ_４を光導波路として用いるが、ＳｉＯ_２の比屈折率差が大きいために導波する光のスポットサイズ（モード径）が小さくなる。そして、そのまま光導波路を光ファイバに接合した場合、光ファイバを導波する光のスポットサイズのミスマッチにより大きな光損失が発生する。しかしながら、エネルギー効率の観点から光損失は小さい方が好ましいため、光のスポットサイズの変換構造を用いて光結合を行っている。光結合としては、例えば、レンズを介して光カプラと光ファイバとを繋ぐレンズ結合と、光カプラと光ファイバとを直接突き合わせて繋ぐＢＪ（But Joint)結合とが知られている。

【0005】

レンズ結合を用いる場合、ＰＩＣの光カプラ自体の光のスポットサイズが小さい場合でも、レンズを使用して光導波路を導波する光のスポットサイズを光ファイバ、例えば、ＳＭＦ（Single Mode Fiber）のスポットサイズまで拡大することができる。しかしながら、光カプラの出力光モードは一般的に偏光依存性があり、レンズ等の空間結合系を用いた場合には結合効率の偏波依存性が大きくなる。また、チップと光ファイバとの間にレンズを挟んだ光学系を構築する上ではデバイス面積が増加し、小型モジュールへの実装が困難になる。更に、光軸調整のためにデバイス製造に要する工数が増え、又は、特殊な調整装置が必要になる等、コスト面でも課題がある。

【0006】

これに対して、ＢＪ結合では、レンズ結合の課題を解決できるが、レンズを用いずに通常径のＳＭＦの光のスポットサイズと同程度までＰＩＣの出力光のスポットサイズを大きくするのは困難である。

【0007】

そこで、ＢＪ結合でよく用いられる構造の一つとして逆テーパＳＳＣ（Spot Size Converter）構造がある。図２８は、逆テーパＳＳＣ構造を備えた基板型光導波路素子２００の平面模式図である。図２８に示す基板型光導波路素子２００は、光導波路２０１と、光導波路２０１と光結合する導波路が基板端面Ｅに向かって徐々に狭くなる逆テーパ型のＳＳＣ２０２と、光導波路２０１及びＳＳＣ２０２を覆うクラッド層２０３とを有する。ＳＳＣ２０２では、導波路のサイズをテーパ状に徐々に狭くすることで、導波路のコアからの光の浸み出しであるエバネッセント波を増加させ、クラッド層２０３にまたがって広く光を分布させる。その結果、ＳＳＣ２０２は、基板端面Ｅの接続先にある光ファイバに向かって光のスポットサイズを広げることができる。つまり、基板型光導波路素子２００と光ファイバとの間の異なる光導波路のスポットサイズのミスマッチが低減され、低損失な接続が可能となる。

【0008】

しかしながら、基板型光導波路素子２００と光ファイバとの間を低損失に接続するためには、基板型光導波路素子２００内でスポットサイズを広げる際の光損失を抑える必要がある。そのためには、基板型光導波路素子２００内でクラッド層２０３へ広がった光に対して、余計な光損失を生じさせないようにする必要がある。

【0009】

また、従来の基板型光導波路素子２００では、例えば、変調器、受光器、ＶＯＡ（Variable Optical Attenuator)等の複数の半導体光素子が基板上に配置されている。そして、基板型光導波路素子２００では、これらの半導体光素子に効率よく電気を伝えるためにアルミニウム、タングステン、チタン、ゲルマニウム等の金属が使われている。しかしながら、これらの金属は、水分により腐食して、酸化による高抵抗化で光素子の特性が劣化するために長期信頼性を確保する必要がある。従って、長期的信頼性の観点から基板型光導波路素子２００の上部にパッシベーション層を設けて、吸湿等による材料特性の変動等を抑えて長期信頼性を確保することが一般的である。

【0010】

図２９は、従来の基板型光導波路素子２１０の一例を示す略断面模式図である。図２９に示す基板型光導波路素子２１０は、Ｓｉ基板２１１と、Ｓｉ基板２１１上に積層されたＢＯＸ（Buried Oxide）層２１２と、ＢＯＸ層２１２に積層されたクラッド層２１３と、を有する。更に、基板型光導波路素子２１０は、クラッド層２１３内に配置された光導波路２１４と、クラッド層２１３上に積層されたパッシベーション層２１５とを有する。ＢＯＸ層２１２は、例えば、ＳｉＯ_２等で形成する下部クラッドである。クラッド層２１３は、例えば、ＳｉＯ_２等で形成する上部クラッドである。光導波路２１４は、例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４で形成する光導波路である。ＢＯＸ層２１２上に積層されたＳｉＯ_２層の一部と、ＳｉＯ_２層上に積層されたＳｉ_３Ｎ_４層の一部とをエッチングすることで、Ｓｉ_３Ｎ_４のコアを形成する。更に、コアが剥き出しにならないようにＳｉＯ_２層及びエッチング後のＳｉ_３Ｎ_４層上にＳｉＯ_２を堆積させることで、クラッド層２１３内に光導波路２１４を形成する。

【0011】

光導波路２１４は、直線導波路２２１と、基板型光導波路素子２１０の基板端面Ｅに向かってテーパ状に徐々に狭くなるＳＳＣ２２２とを有する。更に、パッシベーション層２１５は、クラッド層２１３上に、例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４膜を堆積させることで形成する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【特許文献1】特開２００３－２０２５３３号公報

【特許文献2】特開２０１６－０９０７１１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

しかしながら、パッシベーション層２１５のＳｉ_３Ｎ_４の材料屈折率は、クラッド層２１３のＳｉＯ_２よりも材料屈折率が高い。例えば、導波する光の波長が１．５５μｍとした場合、Ｓｉ_３Ｎ_４の材料屈折率が約２．０に対して、ＳｉＯ_２の材料屈折率が約１．４４である。従って、ＳＳＣ２２２で広がった光がパッシベーション層２１５に分布した場合、全反射による光閉じ込めが成立せずに、パッシベーション層２１５に光が遷移してしまい、ＳＳＣ２２２における光損失の増加につながることが検証で判明した。

【0014】

図３０は、検証対象の基板型光導波路素子２１０の一例を示す略断面模式図、図３１は、検証対象の基板型光導波路素子２１０内のＳＳＣ２２２の一例を示す平面模式図である。図３０に示す基板型光導波路素子２１０では、ＢＯＸ層２１２の厚さは３．０μｍ、クラッド層２１３の厚さは２．８９μｍ、パッシベーション層２１５の厚さは０．３μｍとする。更に、クラッド層２１３の生成の過程でＢＯＸ層２１２から０．４９μｍの高さにＳｉ_３Ｎ_４の光導波路２１４のコアを厚さ０．３μｍで形成する断面構造とした。図３１に示すＳｉ_３Ｎ_４のＳＳＣ２２２は、先端部分の横幅Ｗsinを０．３４μｍとして１．０μｍまで導波路を拡大して、そのテーパの全長は２００μｍである逆テーパ形状のＳＳＣとする。また、ＳＳＣ２２２は、スポットサイズ径が４μｍの光ファイバと接続するＳＳＣとする。尚、スポットサイズ径は、コア中心から電界の大きさがピークの１／ｅとなる位置までの距離を半径とした場合の直径を表す。

【0015】

そこで、基板型光導波路素子２１０内のＳＳＣ２２２にＴＥ０及びＴＭ０の光を入力し、出力されるＴＥ０及びＴＭ０の光のパワーを測定し、入力パワーに対する出力パワーの比から光損失をそれぞれ測定した。尚、ＴＥ０は、基板に水平な成分が主となるＴＥモードの内、実効屈折率が最も大きい導波モードであり、ＴＭ０は、基板に垂直な成分が主となるＴＭモードの内、実効屈折率が最も大きい導波モードである。

【0016】

図３２は、図３１に示すＳＳＣ２２２のＴＥ０及びＴＭ０の入力波長毎の光損失の測定結果の一例を示す説明図である。図３２の測定結果を検証すると、ＴＥ０の場合、入力波長毎の光損失は小さいが、ＴＭ０の場合、入力波長毎の光損失は大きいことが解る。

【0017】

図３３は、図３１に示すＳＳＣ２２２のＴＭ０の電界分布の一例を示す説明図である。光損失の原因を確認するため、ＳＳＣ２２２の断面を導波するＴＭ０の光電界分布を有限要素法により計算した。図３３に示す通り、ＳＳＣ２２２のコアに電界が集中しているが、導波路幅が狭いためクラッド層２１３に電界が染み出してスポットサイズが広がっていることが確認できる。更に、広がった電界がパッシベーション層２１５に達するため、パッシベーション層２１５にも電界が分布していることがわかる。その結果、本来はコアの中心から広がるはずの光が、パッシベーション層２１５に遷移されることで光損失が増加することが解る。

【0018】

従って、図３１に示す基板型光導波路素子２１０では、長期信頼性の確保とスポットサイズ変換時の損失低減を同時に両立させるのは困難である。尚、クラッド層２１３のＳｉＯ_２層を厚くすることでパッシベーション層２１５をＳＳＣ２２２のコアから遠ざけることも可能である。しかしながら、クラッド層２１３が厚くなるほど応力が強まり、基板型光導波路素子２１０を含む光集積回路ウエハが歪む等の製造上の問題が生じ得るため、クラッド層２１３の厚さを厚くするには限度があるのが実情である。

【0019】

一つの側面では、光損失の低減を図りながら長期信頼性を確保できる光デバイス等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】

【0020】

一つの態様の光デバイスは、基板上に形成されたコアと、前記コアを覆うクラッド層と、前記クラッド層上に形成されたパッシベーション層とを有する。光デバイスは、前記コア内を導波する光のスポットサイズを前記基板の端部に向けて大きくするスポットサイズ変換器を備えている。前記パッシベーション層は、前記クラッド層よりも材料屈折率が高く、かつ、当該スポットサイズ変換器の少なくとも上部を除く領域に形成されている。

【発明の効果】

【0021】

一つの側面によれば、光損失の低減を図りながら長期信頼性を確保できる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】図１は、実施例１の基板型光導波路素子の一例を示す略断面模式図である。

【図2】図２は、基板型光導波路素子の一例を示す略平面模式図である。

【図3】図３は、接着剤塗布後の基板型光導波路素子の一例を示す略断面模式図である。

【図4】図４は、検証対象の基板型光導波路素子の一例を示す略断面模式図である。

【図5】図５は、図４に示すＳＳＣのＴＭ０の電界分布の一例を示す説明図である。

【図6】図６は、図４に示すＳＳＣのＴＥ０及びＴＭ０の入力波長毎の光損失の測定結果の一例を示す説明図である。

【図7】図７は、基板型光導波路素子のクラッド層の屈折率変化に伴う透過率の影響の一例を示す説明図である。

【図8A】図８Ａは、基板型光導波路素子に使用するＳＯＩ基板の一例を示す説明図である。

【図8B】図８Ｂは、Ｓｉ層除去後のＳＯＩ基板の一例を示す説明図である。

【図9A】図９Ａは、成膜工程後のＳＯＩ基板の一例を示す説明図である。

【図9B】図９Ｂは、光導波路のマスク工程の一例を示す説明図である。

【図10A】図１０Ａは、光導波路の形成工程の一例を示す説明図である。

【図10B】図１０Ｂは、光導波路の形成工程後のＳＯＩ基板の一例を示す略平面模式図である。

【図11A】図１１Ａは、クラッド層の形成工程の一例を示す説明図である。

【図11B】図１１Ｂは、パッシベーション層の形成工程の一例を示す説明図である。

【図12A】図１２Ａは、パッシベーション層のマスク工程の一例を示す説明図である。

【図12B】図１２Ｂは、開口部の形成工程の一例を示す説明図である。

【図13A】図１３Ａは、ＳＳＣと光ファイバとを接合した状態での接着剤塗布工程の基板型光導波路素子の一例を示す説明図である。

【図13B】図１３Ｂは、接着剤塗布工程後の基板型光導波路素子の一例を示す略平面模式図である。

【図14】図１４は、実施例２の基板型光導波路素子の一例を示す略断面模式図である。

【図15】図１５は、実施例３の基板型光導波路素子の一例を示す略平面模式図である。

【図16A】図１６Ａは、光導波路のマスク工程の一例を示す説明図である。

【図16B】図１６Ｂは、成膜工程の一例を示す説明図である。

【図17】図１７は、パッシベーション層のマスク工程の一例を示す説明図である。

【図18】図１８は、実施例４の光集積回路ウエハの一例を示す平面模式図である。

【図19】図１９は、パッシベーション層のマスク工程の光集積回路ウエハの一例を示す説明図である。

【図20】図２０は、実施例５の光集積回路ウエハの一例を示す平面模式図である。

【図21】図２１は、パッシベーション層のマスク工程の光集積回路ウエハの一例を示す説明図である。

【図22】図２２は、実施例６の基板型光導波路素子の一例を示す略断面模式図である。

【図23】図２３は、実施例６の基板型光導波路素子の一例を示す平面模式図である。

【図24A】図２４Ａは、ＳＳＣ内の第１のテーパ導波路をＳｉＯ_２層上に形成する工程の一例を示す説明図である。

【図24B】図２４Ｂは、マスク工程の一例を示す説明図である。

【図25】図２５は、中空構造のＳＳＣの形成工程の一例を示す説明図である。

【図26】図２６は、接着剤塗布工程後の基板型光導波路素子の一例を示す略断面模式図である。

【図27】図２７は、本実施例の基板型光導波路素子を内蔵した光通信装置の一例を示す説明図である。

【図28】図２８は、逆テーパＳＳＣ構造を備えた基板型光導波路素子の平面模式図である。

【図29】図２９は、従来の基板型光導波路素子の一例を示す略断面模式図である。

【図30】図３０は、検証対象の基板型光導波路素子の一例を示す略断面模式図である。

【図31】図３１は、検証対象の基板型光導波路素子内のＳＳＣの一例を示す平面模式図である。

【図32】図３２は、図３１に示すＳＳＣのＴＥ０及びＴＭ０の入力波長毎の光損失の測定結果の一例を示す説明図である。

【図33】図３３は、図３１に示すＳＳＣのＴＭ０の電界分布の一例を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、図面に基づいて、本願の開示する光デバイス等の実施例を詳細に説明する。尚、本実施例により、開示技術が限定されるものではない。また、以下に示す各実施例は、矛盾を起こさない範囲で適宜組み合わせても良い。

【実施例0024】

図１は、実施例１の基板型光導波路素子１の一例を示す略断面模式図、図２は、基板型光導波路素子１の一例を示す略平面模式図である。図１に示す基板型光導波路素子１は、Ｓｉ基板１１と、Ｓｉ基板１１上に積層されたＢＯＸ（Buried Oxide）層１２と、ＢＯＸ層１２に積層されたクラッド層１３と、クラッド層１３内に配置された光導波路１４と、を有する。更に、基板型光導波路素子１は、クラッド層１３上に積層されたパッシベーション層１５を有する。ＢＯＸ層１２は、例えば、ＳｉＯ_２層で形成する下部クラッドである。クラッド層１３は、例えば、ＳｉＯ_２層で形成する上部クラッドである。光導波路１４は、例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４層で形成するコアを有する導波路である。ＢＯＸ層１２上に積層されたＳｉＯ_２層の一部と、ＳｉＯ_２層上に積層されたＳｉ_３Ｎ_４層の一部とをエッチングすることで、Ｓｉ_３Ｎ_４層のコアを形成する。コアが剥き出しにならないようにＳｉＯ_２層及びエッチング後のＳｉ_３Ｎ_４層上にＳｉＯ_２を堆積させることで、クラッド層１３内に光導波路１４を形成する。図２に示す光導波路１４は、直線導波路２１と、光ファイバと光結合する、基板型光導波路素子１の基板端面Ｅに向かってテーパ状に徐々に狭くなるＳＳＣ２２とを有する。

【0025】

直線導波路２１は、例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４層で形成するコアを有する光導波路である。ＳＳＣ２２は、直線導波路２１と基板端面Ｅとの間に配置され、基板端面Ｅに向かって徐々にコア幅がテーパ状に徐々に狭く、コア内を導波する光のスポットサイズが基板端面Ｅに向かって徐々に大きくなる逆テーパ構造のＳＳＣである。

【0026】

更に、パッシベーション層１５は、クラッド層１３上に、例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４膜を堆積させることで形成する。パッシベーション層１５は、Ｓｉ_３Ｎ_４層で形成するため、クラッド層１３よりも材料屈折率が高い。更に、パッシベーション層１５は、ＳＳＣ２２の少なくとも上部を除く領域に形成されることで、ＳＳＣ２２の上部にあるクラッド層１３を露出する開口部１５Ａが形成されている。

【0027】

図３は、接着剤塗布後の基板型光導波路素子１の一例を示す略断面模式図である。図３に示すパッシベーション層１５内の開口部１５Ａから露出するクラッド層１３には、クラッド層１３よりも材料屈折率が小さい材料の接着剤１６を塗布し、当該接着剤１６を用いて、基板端面ＥにあるＳＳＣ２２のコアと光ファイバのコアとを光結合する。

【0028】

次に実施例１の基板型光導波路素子１の性能について検証する。図４は、検証対象の基板型光導波路素子１の一例を示す略断面模式図である。図４に示す基板型光導波路素子１では、ＢＯＸ層１２の厚さを例えば３．０μｍ、クラッド層１３の厚さを例えば２．８９μｍ、パッシベーション層１５の厚さを例えば０．３μｍとする。更に、クラッド層１３の生成の過程でＢＯＸ層１２から例えば０．４９μｍの高さの位置に厚さ０．３μｍのＳｉ_３Ｎ_４の光導波路１４を形成している。光導波路１４内のＳＳＣ２２は、先端部分の横幅Ｗ_SINを０．３４μｍとして１．０μｍまで導波路幅を徐々に広くし、そのテーパの全長を２００μｍとする逆テーパ型のＳＳＣとする。尚、ＳＳＣ２２は、スポットサイズ径が４μｍの光ファイバと接続するＳＳＣとする。また、パッシベーション層１５の開口部１５Ａの幅は、例えば、２０μｍとする。尚、ＳＳＣ２２上のパッシベーション層１５の開口部１５Ａは、パッシベーション層１５のＳｉ_３Ｎ_４膜を堆積後に、例えば、リソグラフィ及びエッチングを実行することで形成する。

【0029】

図５は、図４に示すＳＳＣ２２のＴＭ０の電界分布の一例を示す説明図である。ＳＳＣ２２上のパッシベーション層１５を除去した場合のＳＳＣ２２の断面を導波するＴＭ０の光電界分布を有限要素法により計算した。基板に対してＴＭ０の電界成分は、コアを中心に広がり、図３３に比較して、パッシベーション層２１５があった付近に広がるＴＭ０の電界成分が図５では消失していることが解る。つまり、ＳＳＣ２２上のパッシベーション層１５を除去することで、ＳＳＣ２２のコアからパッシベーション層１５への光遷移による光損失を軽減できる。

【0030】

図６は、図４に示すＳＳＣ２２のＴＥ０及びＴＭ０の入力波長毎の光損失の測定結果の一例を示す説明図である。図６に示す測定結果を検証すると、ＳＳＣ２２の上部のパッシベーション層１５を除去することで、ＴＥ０の場合、入力波長毎の光損失は小さいことは勿論のこと、ＴＭ０の場合でも、入力波長毎の光損失が小さくなったことが解る。

【0031】

次に、ＳＳＣ２２上のパッシベーション層１５の除去、すなわち開口部１５Ａによる長期的信頼性への影響について検証する。ＳｉＯ_２のクラッド層１３の形成は、例えば、プラズマＣＶＤによる膜堆積方法が知られている。プラズマＣＶＤによる膜堆積方法では、有機シリコン材をプラズマでＯ－Ｈ基に分解して、ターゲットにＳｉＯ_２として堆積させていく。しかしながら、Ｏ－Ｈ基のまま膜内に取り残される場合があり、この場合、外部からの吸湿の影響で、時間経過とともに、このＯ－Ｈ基がＳｉＯ_２に変化する。このとき、光学的な特性が変化し、例えば、材料屈折率が変化してしまうことになる。

【0032】

そこで、図４に示すＳＳＣ２２において、クラッド層１３のＳｉＯ_２の材料屈折率が変化した場合の光学的な特性への影響を検討した。材料屈折率の変化は、基板型光導波路素子１のスポットサイズ径が変化してしまうことで光ファイバとの接続効率が低下することになる。ＳＳＣ２２は、クラッド層１３への光の浸み出しによりスポットサイズが広がることになるが、クラッド層１３の屈折率が変化すると、浸み出しの程度が変化して、スポットサイズ径が変化してしまう。そこで、ＳＳＣ２２の出力端である基板型光導波路素子１の基板端面Ｅにおける十分拡大した光と、光ファイバのコアの光との接続効率を計算した。

【0033】

具体的には、基板型光導波路素子１では、クラッド層１３の材料屈折率の増加率が－１％～＋１％の間で変化した場合の４μｍのスポットサイズ径をもつ光ファイバとの接続効率を有限差分領域法で計算した。尚、屈折率の変化の範囲は、－１％～＋１％の間の範囲以上に変化することはないのが一般的に知られている。また、計算に当たり、実際の実装精度を考慮して、光ファイバとＳＳＣ２２の出力端との間の距離を３μｍ離間した場合を想定し、ＳＳＣ２２のコアを導波する光の波長は１．５４７５μｍとする。図７は、基板型光導波路素子１のクラッド層１３の屈折率変化に伴う透過率の影響の一例を示す説明図である。透過率は、ＳＳＣ２２を出力した光が光ファイバに入力される効率を表す。クラッド層１３の材料屈折率の増加率が、－１％～＋１％に変化したとしても、透過率は変化前に対して、－０．０１１ｄＢ～０．００７ｄＢ、すなわち、９９．９７４％～１００．０１６％しか変化していない。その結果、ＳＳＣ２２の上部のパッシベーション層１５を除去した、すなわちパッシベーション層１５内に開口部１５Ａを形成したとしても、クラッド層１３の透過率の変化は軽微で長期的信頼性を確保できることが解る。つまり、基板型光導波路素子１では、ＳＳＣ２２の光損失の低減及び長期信頼性の確保の両立を図ることができる。

【0034】

次に実施例１の基板型光導波路素子１の製造工程について説明する。図８Ａは、基板型光導波路素子１に使用するＳＯＩ(Si on Insulator)基板の一例を示す説明図である。図８Ａに示すＳＯＩ基板は、Ｓｉ基板１１と、Ｓｉ基板１１上に積層されたＢＯＸ層１２と、ＢＯＸ層１２上に積層されたＳｉ層３１とを有する。Ｓｉ基板１１の厚さは、例えば、７５０μｍ、ＢＯＸ層１２の厚さは、例えば２．５μｍ、Ｓｉ層(ＳＯＩ層)３１の厚さは、例えば、２５０μｍとする。基板型光導波路素子１のウエハには、例えば、変調器や受光器等で本構造以外にもドーピング等の工程を必要とする構造もあるが、ここでは、そうした工程は省略するものとする。

【0035】

図８Ｂは、Ｓｉ層除去後のＳＯＩ基板の一例を示す説明図である。図８Ｂに示すＳＯＩ基板は、コアにＳｉ層３１を使用しないので、図８Ａに示すＳＯＩ基板上のＳｉ層３１をエッチングにより除去する。

【0036】

図９Ａは、成膜工程後のＳＯＩ基板の一例を示す説明図である。次に、プラズマＣＶＤ法を用いてＢＯＸ層１２上にＳｉＯ_２層３２を成膜した後、ＳｉＯ_２層３２上に光導波路１４のＳｉ_３Ｎ_４層３３を成膜する。つまり、図９Ａに示すＳＯＩ基板は、ＢＯＸ層１２上に積層されたＳｉＯ_２層３２と、ＳｉＯ_２層３２上に積層されたＳｉ_３Ｎ_４層３３とを有する。

【0037】

図９Ｂは、光導波路１４のマスク工程の一例を示す説明図である。図９Ｂに示すＳｉ_３Ｎ_４層３３上に、Ｓｉ_３Ｎ_４の光導波路１４のコアを形成する位置にフォトレジスト３４を配置する。

【0038】

図１０Ａは、光導波路１４の形成工程の一例を示す説明図、図１０Ｂは、光導波路１４の形成工程後のＳＯＩ基板の一例を示す略平面模式図である。図１０Ｂに示すＳｉＯ_２層３２上に形成された光導波路１４内の直線導波路２１は、導波路幅が、例えば、１０００ｎｍのパターンである。光導波路１４内の逆テーパのＳＳＣ２２は、導波路幅が、基板端面Ｅに向かって、例えば、１０００ｎｍから３４０ｎｍまで徐々に変化させる全長２５０μｍのパターンである。直線導波路２１及びＳＳＣ２２のパターンをマスクしてドライエッチングを実行することで、Ｓｉ_３Ｎ_４の直線導波路２１及びＳｉ_３Ｎ_４のＳＳＣ２２のパターンをＳｉＯ_２層３２上に形成する。

【0039】

図１１Ａは、クラッド層１３の形成工程の一例を示す説明図である。図１０Ａに示すＳＯＩ基板のＳｉＯ_２層３２、直線導波路２１及びＳＳＣ２２上にプラズマＣＶＤ法でＳｉＯ_２を成膜することで、ＢＯＸ層１２上にクラッド層１３を形成する。クラッド層１３は、直線導波路２１及びＳＳＣ２２を覆うことで囲むことになる。クラッド層１３の厚さは、例えば、５μｍとする。その結果、直線導波路２１及びＳＳＣ２２のＳｉ_３Ｎ_４のコアは、ＳｉＯ_２のクラッド層１３に囲まれている状態になり、Ｓｉ_３Ｎ_４とＳｉＯ_２との比屈折率差によりコア内に光が閉じ込められ光が伝搬するようになる。

【0040】

図１１Ｂは、パッシベーション層１５の形成工程の一例を示す説明図である。クラッド層１３上にプラズマＣＶＤ法でＳｉ_３Ｎ_４を成膜してクラッド層１３上にパッシベーション層１５を形成する。パッシベーション層１５の厚さは、例えば、３００ｎｍとする。

【0041】

図１２Ａは、パッシベーション層１５のマスク工程の一例を示す説明図である。ＳＳＣ２２上部にあるパッシベーション層１５を除去、すなわち開口部１５Ａを形成すべく、ＳＳＣ２２上部以外の部分のパッシベーション層１５上にフォトレジスト３５を配置する。

【0042】

図１２Ｂは、開口部１５Ａの形成工程の一例を示す説明図である。図１２Ａに示すフォトレジスト３５が配置されたパッシベーション層１５をエッチングすることで、ＳＳＣ２２上部にあるパッシベーション層１５が除去される。その結果、ＳＳＣ２２上のパッシベーション層１５内に開口部１５Ａが形成される。開口部１５Ａの幅は、例えば、２０μｍの範囲である。これらの工程を経て図４に示す基板型光導波路素子１が形成される。

【0043】

図１３Ａは、ＳＳＣ２２と光ファイバＸとを接合した状態での接着剤塗布工程の基板型光導波路素子１の一例を示す説明図、図１３Ｂは、接着剤塗布工程後の基板型光導波路素子１の一例を示す略平面模式図である。基板型光導波路素子１の基板端面ＥにあるＳＳＣ２２の先端と光ファイバＸとを接続し、パッシベーション層１５内の開口部１５Ａで露出するクラッド層１３上に接着剤１６を塗布する。尚、接着剤１６は、クラッド層１３に比較して材料屈折率が小さい材料である。クラッド層１３の屈折率は、例えば１．４４の場合、接着剤１６の屈折率は、例えば１．４１とする。ＳＳＣ２２の上部にあたるパッシベーション層１５の開口部１５Ａ内に塗布された接着剤１６を用いて光ファイバＸと基板端面ＥにあるＳＳＣ２２とが接続されている状態である。尚、光ファイバＸは、基板型光導波路素子１との接続を安定させる構造の一つとして、例えば、コアの周囲にガラス等の微小なブロックであるキャピラリが付いているキャピラリ付きファイバである。

【0044】

実施例１の基板型光導波路素子１では、Ｓｉ_３Ｎ_４のＳＳＣ２２の上部を除く領域にパッシベーション層１５を形成した。その結果、ＳＳＣ２２のコアからパッシベーション層１５への光遷移による光損失を低減できると共に、パッシベーション層１５による長期的な信頼性を確保できる。

【0045】

尚、ＳＳＣ２２のコアのサイズは、コア厚を光の進行方向に沿って変えてもよいし、コア幅を変えても良い。コア幅は、リソグラフィ及びエッチングを実行することで、容易に変更可能である。基板型光導波路素子１は、光導波路１４のコアがＳｉ_３Ｎ_４、クラッド層１３がＳｉＯ_２、パッシベーション層１５がＳｉ_３Ｎ_４の場合を例示したが、これに限定されるものではなく、適宜変更可能である。また、ＢＯＸ層１２とクラッド層１３とで異なる材料を使用しても良い。また、パッシベーション層１５がクラッド層１３よりも高い屈折率を有する基板型光導波路素子１であれば他の材料を使用しても良く、適宜変更可能である。基板型光導波路素子１の接続先は光ファイバＸを例示したが、これに限定されるものではなく、例えば、レンズ結合や他の基板型光導波路素子との突合せ結合等でも良く、適宜変更可能である。また、ＳＳＣ２２でスポットサイズを拡大する場合であれば、どのような接続先にも適用可能である。パッシベーション層１５を除去した部分のクラッド層１３に、更に、ＳｉＯ_２等の膜を堆積、又は樹脂等の材料を塗布しても良く、適宜変更可能である。この際、追加する材料はクラッド層１３の材料屈折率と同程度か、小さいものとする。これらの材料を追加すると、追加した空間の屈折率が、空気層の場合(材料屈折率＝１)に比較して、クラッド層１３の材料屈折率に近くなる。材料屈折率差が大きいほど、クラッド層１３の光の浸み出しが抑えられるため、スポットサイズの広がりが小さくなる。しかしながら、追加材料を加えることで、追加した空間への光の染み出しが大きくなり、空気層の場合よりもスポットサイズを拡大できて、スポットサイズ拡大の調整が柔軟になる。

【0046】

また、光導波路１４は、光閉じ込めが強いことから、デバイスの小型化ができるチャネル導波路を例示したが、これに限定されるものではなく、適宜変更可能である。光導波路１４は、チャネル導波路の代わりに、例えば、リブ導波路、リッジ導波路やハイメサ導波路でも良い。光導波路１４をリブ導波路に代えた場合、リブ導波路のスラブ部分にも光が染み出すため、コアの側壁荒れの影響を受けづらく、低損失な伝搬が可能となる効果が得られる。

【0047】

また、パッシベーション層１５の開口部１５Ａの範囲は、ＳＳＣ２２のコアの上部に相当するクラッド層１３の一部を含む範囲であればよい。電界は、ＳＳＣ２２のコアを中心に広がる。しかしながら、基板に垂直な方向に対して、同一の高さ、すなわち、パッシベーション層１５が配置されている高さでの電界強度を比較した場合、コア上部の電界が支配的になる。従って、その上部のパッシベーション層１５を除去することで、本願の効果を得ることができる。より広い範囲でパッシベーション層１５を除去した場合、支配的でない部分の電界のパッシベーション層１５への遷移が抑えられ、光損失の更なる低下を図ることができる。

【0048】

実施例１では、パッシベーション層１５の下部とＳＳＣ２２のコアの中心との距離でのスポットサイズをｄとした場合、１．５ｄより小さい場合であれば、本願の効果を得ることができる。一般に光導波路１４の電界分布はガウス分布に近似し、スポットサイズは電界の大きさピークから１／ｅになるような範囲と定められる。すなわち、スポットサイズをｄとした場合、光導波路１４のコアの中心から上部にかけて、電界が１／ｅとなる距離はｄ／２となる。コア中心から１．５ｄ離れた電界の大きさは、約１／ｅ＾３であり、エネルギーに比例する強度に換算すると、約１／ｅ＾６＝０．００２５となる。このとき、１．５ｄから離れたパッシベーション層１５のある位置の強度は、中心に対して、約０．２５％となり十分無視することが可能となる。従って、１．５ｄよりパッシベーション層１５が低い場合は、ＳＳＣ２２のコア上部のパッシベーション層１５を除去したことによる本願の効果が得られる。

【0049】

また、クラッド層１３上の開口部１５Ａの形成箇所にレジストを配置した後、パッシベーション層１５のＳｉ_３Ｎ_４膜を成膜した後、レジストを除去してパッシベーション層１５内に開口部１５Ａを形成しても良い。また、ＳＳＣ２２の上部にパッシベーション層１５が配置されない方法であれば、これらの方法に限定されるものではなく、適宜変更可能である。

【0050】

尚、実施例１の光導波路１４のコアの材料は、例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４で構成する場合を例示したが、コアの材料として、これに限定されるものではなく、例えば、Ｓｉ、ＳｉＮ、ＳｉＯＮの何れかを含むものであればよく、適宜変更可能である。そこで、光導波路１４のコアの材料として、例えば、Ｓｉを使用した場合の実施の形態につき、実施例２として以下に説明する。尚、実施例１の基板型光導波路素子１と同一の構成には同一符号を付すことで、その重複する構成及び動作の説明については省略する。

【実施例0051】

図１４は、実施例２の基板型光導波路素子１Ａの一例を示す略断面模式図である。実施例１の基板型光導波路素子１と実施例２の基板型光導波路素子１Ａとが異なるところは、直線導波路２１及びＳＳＣ２２のコアの材料をＳｉ_３Ｎ_４の代わりに、Ｓｉを使用した光導波路１４Ａを有する点にある。

【0052】

次に実施例２の基板型光導波路素子１Ａの製造工程について説明する。プラズマＣＶＤ法を用いてＢＯＸ層１２上にＳｉＯ_２層３２を成膜した後、ＳｉＯ_２層３２上に光導波路１４ＡのＳｉ層を成膜する。つまり、ＳＯＩ基板は、Ｓｉ基板１１と、ＢＯＸ層１２と、ＢＯＸ層１２上に積層されたＳｉＯ_２層３２と、ＳｉＯ_２層３２上に積層されたＳｉ層とを有する。Ｓｉ層上に、Ｓｉの光導波路１４Ａのコアを形成する位置にフォトレジストを配置する。フォトレジスト配置後にドライエッチングを実行することで、Ｓｉの直線導波路２１及びＳｉのＳＳＣ２２を含む光導波路１４ＡのパターンをＳｉＯ_２層３２上に形成する。

【0053】

ＳＯＩ基板のＳｉＯ_２層３２、直線導波路２１及びＳＳＣ２２上にプラズマＣＶＤ法でＳｉＯ_２を成膜することで、ＢＯＸ層１２上にクラッド層１３を形成する。クラッド層１３は、直線導波路２１及びＳＳＣ２２を含む光導波路１４Ａを覆うことで光導波路１４Ａを囲むことになる。クラッド層１３の厚さは、例えば、５μｍとする。その結果、直線導波路２１及びＳＳＣ２２のＳｉのコアは、ＳｉＯ_２のクラッド層１３に囲まれている状態になり、ＳｉとＳｉＯ_２との比屈折率差によりコア内に光が閉じ込められ光が伝搬することになる。ＳＳＣ２２は、導波路幅を、例えば、４６０ｎｍから１４０ｎｍまで変化させる全長１８０μｍの構造である。

【0054】

そして、クラッド層１３上にパッシベーション層１５を形成する。そして、ＳｉのＳＳＣ２２上にあるパッシベーション層１５を除去してパッシベーション層１５内に開口部１５Ａを形成することで、図１４に示す基板型光導波路素子１Ａが形成される。

【0055】

実施例２の基板型光導波路素子１Ａでは、ＳｉのＳＳＣ２２の上部を除く領域にパッシベーション層１５を形成する。その結果、ＳＳＣ２２のＳｉのコアからパッシベーション層１５への光遷移による光損失を低減できると共に、パッシベーション層１５による長期的な信頼性を確保できる。

【0056】

尚、説明の便宜上、実施例１の基板型光導波路素子１では、ＳＳＣ２２と基板端面Ｅとのなす角が垂直である構造について説明したが、ＳＳＣ２２と基板端面Ｅとのなす角が垂直でなくても良く、その実施の形態につき、実施例３として以下に説明する。図１５は、実施例３の基板型光導波路素子１Ｂの一例を示す略平面模式図である。尚、実施例１の基板型光導波路素子１と同一の構成には同一符号を付すことで、その重複する構成及び動作の説明については省略する。