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(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】2023-12-12
(45)【発行日】2023-12-20
(54)【発明の名称】光導波路部品およびその製造方法
(51)【国際特許分類】
G02B 6/122 20060101AFI20231213BHJP
【ＦＩ】
G02B6/122 311
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2022544919
(86)(22)【出願日】2020-08-25
(86)【国際出願番号】 JP2020031935
(87)【国際公開番号】W WO2022044102
(87)【国際公開日】2022-03-03
【審査請求日】2022-11-29
(73)【特許権者】
【識別番号】000004226
【氏名又は名称】日本電信電話株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001243
【氏名又は名称】弁理士法人谷・阿部特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】倉田 優生
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 賢哉
(72)【発明者】
【氏名】森本 祥江
【審査官】山本 元彦
(56)【参考文献】
【文献】特表２００５－５３８４２６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－２５８６１０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－０３５８３３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０５－２４９３３１（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００９／０２９７０９３（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｂ ６／１２－６／１４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板の上に、異なる材料による光導波路を光接続する光導波路部品であって、前記基板の上に形成されたアンダークラッド層と、
第１の材料を第１のコアとする光導波路を有する第１の光回路と、
前記第１の材料より低い屈折率の第２の材料を第２のコアとする光導波路を有する第２の光回路と、
前記第１のコアと前記第２のコアの光接続部とを備え、
前記アンダークラッド層は、前記第１の光回路における高位面および前記第２の光回路における低位面からなる段差を有しており、
前記第２のコアは、光導波路の長さ方向に垂直な断面において、前記第１のコアの領域が、前記第２のコアの領域に内包されるよう、前記第１の光回路まで延長して構成され、
前記光接続部において、前記延長された第２のコアの高さが前記第１の光回路から前記第２の光回路に向かって低くなる縦テーパ構造を有し、前記縦テーパ構造に対応して、前記高位面から連続して形成され、前記第２の光回路に向かって徐々に断面積を減らし、幅が狭くなるテーパ構造を有する前記アンダークラッド層の突出部を有し、
前記第１のコアは、前記突出部の上面において前記突出部の途中まで延長して形成されていること特徴とする光導波路部品。
【請求項2】
前記縦テーパ構造に対応して、スポットサイズ変換器が構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光導波路部品。
【請求項3】
前記突出部の幅は、前記第１のコアの幅よりも広いことを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路部品。
【請求項4】
前記第１のコアの中心高さと、前記第２のコアの中心高さが一致していることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の光導波路部品。
【請求項5】
前記アンダークラッド層の材料はＳｉＯ2であり、前記第１の材料は、Ｓｉ、ＳｉＮまたはＳｉＯＮのいずれかであり、
前記第２の材料は、ＳｉＯ2、ＳｉＯXまたはポリマーのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の光導波路部品。
【請求項6】
前記第１の光回路まで延長して構成された前記第２のコアは、前記第１の光回路のオーバクラッドとして機能することを特徴とする請求項１に記載の光導波路部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光通信システムに応用可能な光導波路部品に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、光ファイバ伝送の普及に伴い、多数の光回路を高密度に集積する技術が求められている。そのような光回路の高密度集積技術の１つとして、シリコンフォトニクス（以下、ＳｉＰｈ）が知られている。ＳｉＰｈでは、光導波路のコア・クラッド間の比屈折率差が大きいため、曲げ半径の小さい光回路を構成可能で、非常に小型な光回路を実現することができる。伝送装置内には、光と電気の信号を変換するフォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）や、光信号の強度や位相の変調を行う光変調器などの光機能素子も必要になる。これらの光機能素子についても、Ｓｉによる半導体機能を用いることで、ＰＤや光変調器を実現し、光回路に集積することも可能である。
【0003】
上述のＳｉＰｈ回路は、通信容量の拡大に向けて、光信号処理を行う光導波路と光電変換を行うＰＤ等の光デバイスを集積した高機能な光電子集積型デバイスに好適である。ＳｉＰｈを用いて光回路機能と光機能素子を集積することで光信号の送受信機能を小型に実現可能になり、例えばＳｉＰｈを用いた小型の光送受信モジュールが開発されている（特許文献１）。
【0004】
ＳｉＰｈ回路は小型で光―電気変換や変調などの様々な光機能を実現できるメリットがある一方で、コア・クラッド間の比屈折率差が大きいため、作製誤差に起因した問題が起こり得る。具体的には、マッハツェンダ光干渉計やアレイ導波路グレーティング（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating）などの波長合分波器においては、わずかな作製誤差で大きな位相誤差を生じさせてしまい光学特性を劣化させてしまう。またＳｉＰｈ回路では、伝搬する光のモードフィールドが小さいため、モードフィールドの大きい光ファイバとの接続で損失が大きく、伝送特性を劣化させる問題もある。ＳｉＰｈは光回路機能の精度や光ファイバとの接続性の面では上述の問題があり、更に高性能な光回路が求められていた。
【0005】
上述のＳｉＰｈ回路の欠点を補う別の光回路として石英系平面光波回路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuit）が知られている。ＰＬＣは低損失、高信頼性、高い設計自由度などの優れた特徴を持つ導波路型光デバイスであり、実際に光通信伝送システムの伝送装置には合分波器、分岐・結合器等の機能を集積したＰＬＣが搭載されている。ＰＬＣでは位相誤差が小さいため、高精度で大規模な波長合分波が可能であり（特許文献１）、偏波依存性や温度依存性も小さく、ＳｉＰｈ回路には向かない光回路機能を高性能に実現できる。またＰＬＣでは光ファイバと同じ材料系で光導波路が構成されているため、伝搬損失が小さく、モードフィールドを光ファイバに近づけることで、光ファイバとの低損失結合が実現できる。上述のような高機能なＳｉＰｈ回路および高性能なＰＬＣのそれぞれの特長を活かし、これらを組み合わせ、集積することで、より小型で高機能な光デバイスが期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特許第６２９０７４２号 明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、ＳｉＰｈ回路およびＰＬＣを結合する場合のように、異種材料からなる光回路同士を結合する際の結合損失が依然として問題であった。別々に作製された光回路同士を結合するには、それぞれの入出力導波路を突合せて調心し固定する「突合せ結合」が必要である。
【0008】
図１は、ＳｉＰｈ回路とＰＬＣを突き合わせて結合する光回路の構成を示す図である。図１の（ａ）は「突合せ結合」を含む光回路の基板面（ｘ－ｙ面）を見た上面図を、（ｂ）は結合する光導波路（Ｉｂ－Ｉｂ線）を通り基板面に垂直な面（ｘ－ｚ面）で切った断面図である。図１のような異種材料からなる光回路同士を突合せ結合する形態は、「ハイブリッド集積」と呼ばれている。図１の（ａ）を参照すれば、光回路はＳｉＰｈ回路１とＰＬＣ２からなり、両者は接着剤１４を介して固定されている。ＳｉＰｈ回路１では、光導波路４は基板７の上に作成されたアンダークラッド層８と、オーバークラッド層９との間に構成されている。光回路１の光導波路は、角型の通常の光導波路４ａと、先端のスポットサイズ変換器（ＳＳＣ）としてのテーパ部４ｂからなっている。ＰＬＣ２では、光導波路５ａは、基板１０の上に作成されたアンダークラッド層１１と、オーバークラッド層１２の間に構成されている。
【0009】
図１の「突合せ結合」による光回路は、別々に作製されたＳｉＰｈ回路１とＰＬＣ２を接着剤１４により固定しているため、光導波路間の距離を完全にゼロにすることは、加工誤差や実装誤差により難しい。そのため一方の光導波路から光が空間（接着剤１４）に出射され、そのビームが対となる他方の光導波路に入射されることで光結合（光接続とも言う）が行われる。光が空間に出射する際、回折により出射ビームが拡がるため、出射ビームと入力側導波路の伝搬光のモードフィールドとの重なりが減少して損失が発生する。さらに、光導波路端面と空間との屈折率差により反射が生じて損失が発生するため、ＳｉＰｈ回路１およびＰＬＣ２の間で適切な間隔を持って高精度にコアを調心して、両者を固定することが必要になる。このように、ハイブリッド集積のアプローチでは、それぞれの基板上の光導波路を突合せ結合する必要があり、アライメントの煩雑さや結合部の接着剤厚さによる回折損失の問題があった。
【0010】
上述のハイブリッド集積に対して、共通の単一の基板上に異なる材料からなる光導波路を集積する「モノリシック集積」のアプローチが知られている。ＳｉＰｈ回路およびＰＬＣはいずれもＳｉ基板上に形成する光回路であって、基板の材料が同じであり、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板上にＳｉコアとＳｉＯ２コアを形成することで、ＳｉＰｈ回路およびＰＬＣの両方を同時に集積することができる。
【0011】
図２は、異なる光導波路の光回路をモノリシック集積する工程を概念的に説明する図である。図２では作製工程の説明に着目しているため、異なる光導波路を接続した構成は示しておらず、光導波路の長さ方向に垂直な断面のみを示している。ハイブリッド集積による光回路の作製工程では、まず第１工程でＳＯＩ基板１３を準備する。ＳＯＩ基板１３は、Ｓｉ基板７の上に埋め込み酸化膜（ＢＯＸ：Buried OXide）のＢＯＸ層８と最上層のＳｉ層４を備えている。次の第２工程で、Ｓｉ層４を加工して、ＳｉＰｈ回路１の光導波路のＳｉコア４ａを作成する。第３工程で、Ｓｉコア４ａを含むＢＯＸ層８の全面にＳｉＯ２膜５を堆積させる。次に第４工程で、ＳｉＯ２膜５を加工して、ＰＬＣ２の光導波路コアとなるＳｉＯ２コア５ａを作成する。さらに第５工程で、オーバークラッド層９を堆積させる。最後の第６工程で、配線パターンを作成するためにＳｉＰｈ回路１の必要な加工箇所に対してオーバークラッド層９を除去する。
【0012】
図２のモノリシック集積の一連の工程のフォトリソグラフィープロセスによって、Ｓｉコア４ａを含むＳｉＰｈ回路１と、ＳｉＯ２コア５ａを含むＰＬＣ２の異種材料の光導波路からなる２つの光回路を、１つのウェハ（ＳＩＯ基板）上へ集積できる。モノリシック集積では、図１に示したハイブリッド集積の「突合せ結合」による光回路における煩雑なアライメントも、接着剤による接続も不要になり、ＳｉＰｈ回路１とＰＬＣ２との間隔を開けることなく接続することができる。
【0013】
しかしながら、図２に示したモノリシック集積による光回路は、ハイブリッド集積における光回路の問題を解消するものの、依然として光接続損失の問題が残っていた。具体的には、異種材料からなる２つの光導波路間での伝搬光のモードフィールド径（ＭＦＤ：Mode Field Diameter）の不整合、および、２つの光導波路間のコア高さの不一致の問題である。
【0014】
図３は、モノリシック集積した光回路の光導波路中心ずれを説明する図である。図１と同様に図３の（ａ）はモノリシック集積された光回路の基板面（ｘ－ｙ面）を見た上面図を、（ｂ）は光導波路（IIIｂ－IIIｂ線）を通り基板面に垂直な面（ｘ－ｚ面）で切った断面図である。図３のモノリシック集積による光回路は、図２で説明した一連の工程で作製されたものであって、（ｂ）の断面図の構成は図２の工程で作製される２つの光導波路の構成に対応している。図２の作製工程からも理解できるように、基板に垂直方向（ｚ軸方向）において、Ｓｉコア４とＳｉＯ２コア５ａの中心高さはずれており、２つのコア４、５ａを伝搬する光のモードフィールド中心もずれて、光接続損失が発生する。
【0015】
図４は、モノリシック集積における光導波路の位置ずれを解消する構成を示した図である。図１および図３と同様に、図４の（ａ）はモノリシック集積された光回路の基板面（ｘ－ｙ面）を見た上面図を、（ｂ）は光導波路（IVｂ－IVｂ線）を通り基板面に垂直な面（ｘ－ｚ面）で切った断面図である。図４の構成では、ＰＬＣ２側でＢＯＸ層８のアンダークラッドの上面を削り込んで、高さを下げたアンダークラッド８－２とすることで、２つのコア４、５ａの中心高さを一致させることができる。この構成でも、Ｓｉコア４が途切れるＳｉＰｈ回路１とＰＬＣ２の境界面におけるＭＦＤの不整合は依然として残り、光接続損失となる。
【0016】
上述のように、モノリシック集積を使って、Ｓｉをコアとする光回路とＳｉＯ２をコアとする光回路との間で光信号の入出力を行う際には、光接続損失が生じる問題が残っていた。異なる材料をコアとする様々な光回路機能を共通の単一の基板上に集積する異種材料の光集積に適用可能で、低損失な光接続を簡単な構造と作製プロセスで実現することが求められている。
【0017】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、目的とするところは、低損失な光接続を簡単な構造と製法で実現する光導波路部品を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0018】
本発明の１つの実施態様は、基板の上に、異なる材料による光導波路を光接続する光導波路部品であって、第１の材料による第１のコアとする光導波路を有する第１の光回路と、前記第１の材料より低い屈折率を有する第２の材料による第２のコアとする光導波路を有する第２の光回路と、前記第１のコアと前記第２のコアの光接続部とを備え、光導波路の長さ方向に垂直な断面において、前記第２のコアは、前記第１のコアの領域が、前記第２のコアの領域に内包されるよう、前記第１の光回路まで延長して構成され、前記光接続部において、前記延長された第２のコアの高さが前記第１の光回路から前記第２の光回路に向かって低くなる縦テーパ構造を有すること特徴とする光導波路部品である。
【0019】
本発明の別の実施態様は、異なる材料による光導波路を光接続する光導波路部品の製造方法であって、アンダークラッド層を備えた基板の上に、第１の材料による第１のコアを形成するステップと、前記アンダークラッド層を加工して、第１の光回路に対応する高位面、第２の光回路に対応する低位面、および、前記高位面から前記第２の光回路に向かい前記第１のコアに沿って延びた突出部を形成するステップと、前記加工されたアンダークラッド層の上に、前記第１の材料より低い屈折率を有する第２の材料のコア層を堆積させるステップと、前記堆積したコア層を加工して、前記第１の光回路から前記第２の光回路に渡って、第２のコアを形成するステップであって、前記第２のコアは、光導波路の長さ方向に垂直な断面において、前記第１のコアの領域が前記第２のコアの領域に内包されるよう構成され、前記第２のコアの高さが前記第１の光回路から前記第２の光回路に向かって低くなる縦テーパ構造を形成する、ステップとを備える製造方法である。
【発明の効果】
【0020】
低損失な光接続を簡単な構造で実現する光導波路部品およびその製造方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】ＳｉＰｈとＰＬＣを突き合わせて結合する光回路の構成を示す図である。
【図2】異なる光回路をモノリシック集積する工程を概念的に説明する図である。
【図3】モノリシック集積した光回路の光導波路中心ずれを説明する図である。
【図4】モノリシック集積における導波路位置ずれを解消する構成の図である。
【図5】本開示の異なる光導波路を結合した光導波路部品の構成を示す図である。
【図6】本開示の光導波路部品を含む光回路の実施例１の構成を示す図である。
【図7】実施例１の光導波路部品の光接続部の上面、側面の構成を示す図である。
【図8】実施例１の光導波路部品の光接続部の各部の断面の構成を示す図である。
【図9】本開示の光導波路部品を含む光回路の実施例２の構成を示す図である。
【図10】実施例２の光導波路部品の上面、側面の構成を示す図である。
【図11】実施例２の光導波路部品の各部の断面の構成を示す図である。
【図12】実施例２の別の光回路の構成を示す図である。
【図13】本開示の光導波路部品の突出部の構造の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0022】
本開示の光導波路部品は、異なる材料で構成される２つ光導波路を低損失で光接続する構成を提供する。第１の材料によるコアを含む第１の光回路と、第２の材料によるコアを含む第２の光回路が、単一の基板上に構成される。本開示の光導波路部品は、２つの光回路の間に光接続部を備え、２つの光導波路間で、一方の光導波路のコア断面領域が他方の光導波路のコア断面領域に内包される二重構造を持っている。
【0023】
光接続部には、アンダークラッドの高位面から、低位面に向かって第１のコアに沿って延びたアンダークラッドの突出部が設けられ、突出部の幅が第２の光回路に向かって徐々に狭まる構成を持つ。光接続部は、第２の光回路から延長して形成された第２のコア領域が第１のコアを覆っており、その延長された第２のコア領域の高さが、第２の光回路に向かって徐々に低くなる縦テーパ構造を持つ。光接続部における断面では、アンダークラッドの突出部の面積が徐々に狭くなり、第２の光回路から延長された第２のコア領域が占める面積比は徐々に大きくなる。光接続部において断面構造が滑らかに変化することで、ＭＦＤの不整合、ＭＦ中心のずれが緩和される。以下、図面とともに本開示の光導波路部品の詳細な構成およびその製造方法について説明する。
【0024】
図５は、本開示の異なる光導波路を結合した光導波路部品の構成を示した図である。図５の（ａ）は光導波路部品１００の基板面（ｘ－ｙ面）を見た上面図であり、（ｂ）は２本の光導波路（Vｂ－Vｂ線）の中心を通る断面（ｘ－ｚ面）の側面図であり、（ｃ）は光導波路の各部で、長さ方向に垂直な面（ｙ－ｚ面）切った断面図である。光導波路部品１００は、共通の基板７の上にＳｉをコア４とする第１の光回路（ＳｉＰｈ回路１）とＳｉＯ２をコア５とする第２の光回路（ＰＬＣ２）が形成され、２つの光回路の間で光信号の入出力を行う。２つの光回路１、２の間には、異なる材料の光導波路のコアの高さを徐々に一致させる光接続部３を備えている。
【0025】
図１の（ａ）を参照すると、第１の光回路１の領域と、第２の光回路２の領域は、異なる高さのアンダークラッド層８－１、８－２を持っている。異なる高さのアンダークラッド層８－１、８－２は、図１の（ｂ）の側面図および図１の（ｃ）のＡ－Ａ´断面、Ｄ－Ｄ´断面からも理解できるだろう。この点では、図４に示したモノリシック集積による段差を設けたアンダークラッド層の構成と類似している。
【0026】
従来技術の光回路との相違点は、光接続部３において、第１の光回路１のアンダークラッド８－１の「高い面」から、第２の光回路２のアンダークラッド「８－２」の低い面に向かって、Ｓｉコア４ａに沿って延長して形成された突出部８－３を備えていることである。以下、アンダークラッド８－１の高い面を「高位面」、アンダークラッド８－２の低い面を「低位面」と呼ぶ。さらに、アンダークラッドの突出部８－３の幅は、第２の光回路２に向かって徐々に狭まる構成を持っている。光接続部３において、この突出部８－３の上面の途中までＳｉコア４ｂが連続して形成され、光導波路の長さ方向に垂直な断面で見て、第１の光回路１のＳｉコア４ａ、４ｂを内包するよう第２の光回路２のＳｉＯ２コア５－２が構成されている。
【0027】
さらに、光接続部３の上述のアンダークラッドの突出部８－３に対応して、突出部８－３を覆うように特徴的な縦テーパ構造５－３が形成される。ＳｉＯ２の縦テーパ構造５－３は、第２の光回路２のＳｉＯ２コア５－２から連続して、第１の光回路１のＳｉＯ２領域５－１とともに、「一体のもの」として形成される。すなわち、ＳｉＯ２領域５－１、縦テーパ構造５－３およびＳｉＯ２コア５－２は、共通のＳｉＯ２膜の堆積工程と、光導波路の作製工程によって同時に形成される。したがって、Ｓｉコア４ａ、４ｂに沿って形成された上述のＳｉＯ２膜による３つの領域５－１、５－２、５―３は、図１の（ａ）の上面図では、単一のＳｉＯ２領域５と示されている。図１の（ｃ）の各部の断面図を参照すれば、ＳｉＯ２領域５は、第１の光回路１のＡ－Ａ´断面のＳｉＯ２領域５－１から、Ｂ－Ｂ´断面、Ｃ－Ｃ´断面の縦テーパ構造５－３を経て、第２の光回路２のＤ－Ｄ´断面のＳｉＯ２コア５－２まで、徐々にその形状と高さを変化させている。同時に、ＳｉＯ２領域５全体を覆うオーバークラッド９の最上部の形状と高さが変化していることに着目されたい。
【0028】
上述の縦テーパ構造５－３は、突出部８－３が第２の光回路２に向かって徐々に幅が狭まる構造を持っている。この縦テーパ構造は、薄膜の堆積プロセス上において、狭い領域にＳｉＯ２膜を堆積させるほど、その高さが低くなるという効果を利用している。第１の光回路１の領域では、Ｓｉコア４を取り囲む様にＳｉＯ２領域５－１が形成されている。このｉＯ２領域５－１は、第２の光回路２におけるＳｉＯ２コア５－２から連続して一体に作製されたものであるが、第１の光回路１の光導波路では「クラッド」として機能する点に留意されたい。言い換えると、第２の光回路２のコアが、第１の光回路１においてはクラッドとして機能している。このことから、光導波路の長さ方向に垂直な断面で見ると、第１の光回路１の導波路コア４の断面領域は、第２の光回路２の導波路コア５－２の断面領域に内包されていることがわかる。
【0029】
図５の（ｂ）に示されたＳｉＯ２コア５－２から延長して形成された光接続部３の縦テーパ構造５－３によって、Ｓｉコア４と、ＳｉＯ２コア５－２との間でＭＦの中心を近づけるように光信号を伝搬させ、結合損失を減らすことができる。以下、様々な視点から、本開示の異なる光導波路を結合した光導波路部品１００の構成と、結合損失を低減の仕組みおよび効果を説明してゆく。
【0030】
図５で概要を説明したように、光導波路部品１００は、共通の単一の基板７の上に、第１のコア４ａ（Ｓｉ）を有する第１の光導波路と、第１のコアより屈折率の低い材料による第２の５－２コア（ＳｉＯ２）を有する第２の光導波路をモノリシック集積している。ここで視点を変えて、２つ光回路１、２の間の光接続部３の構成を、光導波路のコアの形態の遷移から見てみる。第１の光導波路と第２の光導波路とを光接続する光接続部３において、第１のコア４ａの延長上には、第２のコア５－２および第１のコア４ｂが重なる領域（重複領域：Ｂ－Ｂ´断面）と、重複領域に続けて、第１のコア４ｂが終わり第２のコア５－２のみからなる領域（非重複領域：Ｃ－Ｃ´断面）が在る。上述の縦テーパ構造５－３は、重複領域と非重複領域に渡って構成されている。縦テーパ構造５－３は、基板７の基板面に垂直方向（ｚ方向）において基板上面を基準として、光接続部３の重複領域側から非重複領域側に向かって、第２のコア５－２の高さが徐々に低くなっている。
【0031】
通常、ＳｉＰｈ回路１およびＰＬＣ２の間の光接続部３では、ＭＦＤの大きいＰＬＣ２側のＭＦＤに合わせてＳｉＰｈ回路１のＭＦＤをスポットサイズ変換器（ＳＳＣ）で拡大し整合する。ＳＳＣ構造は、一例を挙げれば、従来技術の図４でも示したように、矩形形状のＳｉコア４ａから先端に向けて幅が狭まる細テーパのＳｉコア４ｂで実現することができる。
【0032】
本開示の光導波路部品１００では、Ｓｉコアの細テーパ構造に加えて、基板７の直上にあるアンダークラッド８－１、８－２の上面に段差が設けられる。この段差を挟んで、Ｓｉコア４ａに沿ってアンダークラッドの高位面側から低位面側に向かって、高位面から延長して形成された突出部８－３が構成される。突出部８－３の幅は、ＰＬＣ２側に向かって徐々に狭まる水平方向（ｙ方向）のテーパ構造を備える。Ｓｉコアの細テーパ構造と対応した突出部８－３のテーパ構造によって、Ｓｉコアは、ＳｉＰｈ回路１からＰＬＣ２に向かって、徐々に高さを下げながらＳｉＯ２膜によって覆われる。Ｓｉコアの細テーパ構造および突出部８－３のテーパ構造によって、光接続部３の縦テーパ構造５－３が形成される。第１の光導波路のクラッドとして機能するＳｉＯ２コア５－１、光接続部３の縦テーパ構造５－３、第２の光導波路のＳｉＯ２コア５－２が連続的に一体に滑らかに構成される。
【0033】
上述の縦テーパ構造５－３は、Ｓｉコア４ｂのテーパ構造でＭＦＤが拡大された伝搬光の基板上方向への遷移を抑制しつつ、徐々にＳｉＯ２コア５－２の第２の光導波路の伝搬モードに遷移させることができる。また導波路長さ方向に垂直な断面において、Ｓｉコア４ａおよびＳｉＯ２コア５－２の領域が重なるため、モードの不整合を減らすこともできる。結果として、ＳｉＰｈ回路１およびＰＬＣ２の光接続を簡単かつ低損失に実現することができる。
【0034】
ここで図１の光導波路部品１００の作製手順を簡単に述べれば、図２で説明したモノリシック集積の光回路の作製手順と概ね同じである。一般的にＰＬＣでは、ＳｉまたはＳｉＯ２の基板上に、ＳｉＯ２薄膜が、アンダークラッドとして１０～２０μｍ、コアとして３～１０μｍ、オーバークラッドとして約１０～２０μｍ堆積されている。図５の本開示の光導波路部品１００では、基板７、アンダークラッド層８－１、８－２およびＳｉコア４のために、ＳＯＩ基板１３を利用できる。アンダークラッド層をなすＢＯＸ層のＳｉＯ２厚さは１０～２０μｍ、ＳＯＩ層であるＳｉ層の厚さはコアの光導波路の設計に応じて０．１～０．５μｍとするのが好ましい。このようなＳＯＩ基板１３を用い、図２に示した工程によって、ＳｉＰｈ回路１のＳｉコア４ａ、４ｂの加工を行う。次に、アンダークラッド層８－１、８－２の段差、および突出部８－３を形成する。その後、ＰＬＣ２のＳｉＯ２コアとなるＳｉＯ２層を堆積し、さらにＳｉＯ２コア５－２を含むＳｉＯ２領域５を加工する。最後に、オーバークラッドとなるＳｉＯ２層９を堆積することで、Ｓｉコア４による第１の光回路１と、ＳｉＯ２コア５－２による第２の光回路２をＳＯＩ基板１３のウェハ上に集積する。
【0035】
ＳｉＰｈ回路１およびＰＬＣ２の光接続部３では、ＭＦＤを整合するため、ＳｉＰｈ回路側の光の閉じ込め効果を徐々に減らしてＭＦを拡大する様々なＳＳＣ構造を利用できる。図５のようにＳｉコアの幅を細テーパ４ｂで狭める導波路の他、セグメント化したＳｉ導波路等の導波路構造が設けることもできる。同様に、アンダークラッドの突出部８－３の形状におけるテーパ構造についても、様々なバリエーションが可能である。図５の突出部８－３の例では、図５の（ｃ）の断面図から明らかなように、突出部８－３の光導波路の幅方向（ｙ軸方向）について、徐々に狭まる単純な構造としている。突出部８－３のアンダークラッドの矩形の断面積が第２の光回路２に向かって徐々に小さくなることで、ＳｉＯ２層がその高さを下げながら覆い、縦テーパ５―３が形成される。途中までＳｉコア４ｂを作製しながら、突出部８－３のアンダークラッドの実効的な断面積（密度または占有率）を第２の光回路に向かって徐々に小さくできれば、突出部８－３の構成は様々な形態を採ることができる。例えば、突出部の両脇をスロープ状にして徐々に下げたり、階段状にして下げたりできる。突出部の他の具体的な構成は、最後に図１３において変形例として簡単に説明する。
【0036】
ＰＬＣ２のＳｉＯ２コア５－２は、上述のアンダークラッドの段差および突出部を形成した後で、ＳｉＯ２層をウェハ上に堆積してエッチング等で加工することで形成される。ＳｉＰｈ回路１のＳｉコア４ａ上を覆って重なるようにＳｉＯ２堆積層を加工することで、ＳｉＯ２コア５はＳｉＰｈ回路との境界を越えて、ＳｉＰｈ回路側のＳｉコア４ａに沿って連続して構成されることになる。このとき堆積されるＳｉＯ２層は、ＰＬＣ２およびＳｉＰｈ回路で、同じ厚さになる。光接続部３では、ＳｉＯ２層は、突出部８－３のテーパ構造によりその幅が徐々に狭くなるにつれてＳｉＯ２層の高さが低くなるように堆積される。このＳｉＯ２層の高さの変化は、ＳｉＯ２を堆積する際に、大きい領域の凸部と比べて、小さい領域の凸部においては堆積高さが減少する効果が反映されているためである。
【0037】
図５の（ｃ）を参照すれば、アンダークラッド８－２の低位面の高さを基準としたＳｉＯ２コア上面の高さは、ＳｉＰｈ回路１側（断面Ａ－Ａ´）がＰＬＣ２側（断面Ｄ－Ｄ´）よりも高くなる。その中間では、突出部８－３の幅方向のテーパにより、突出部８－３の幅の広いＳｉＰｈ回路１側から幅の狭いＰＬＣ２側にかけて、堆積されたＳｉＯ２の高さ位置が徐々に低くなる（断面Ｂ－Ｂ´→ 断面Ｃ－Ｃ´）。光接続部３で、ＳｉＰｈ回路１側からＰＬＣ２側に向かってＳｉＯ２層の高さが徐々に低くなり、異なる高さのＳｉＯ２層５－１、５－２が縦テーパ構造５－３によって接続された構造となる。
【0038】
光接続部３では、Ｓｉコアの細テーパ４ｂのＳＳＣ構造により光の閉じ込め効果が徐々に弱くなり、同時に縦テーパ構造５－３において、Ｓｉコア上のＳｉＯ２コアに結合し始める。ＰＬＣ２側に近づくにつれＳｉＯ２コア高さが徐々に低くなり、アンダークラッドの突出部８－３に対してＳｉＯ２コアの占有率が増える。逆に突出部８－３は、第２の光回路（ＰＬＣ２）に向かって徐々に断面積を減らしている。Ｓｉコアの伝搬光は、Ｓｉコアの上方のＳｉＯ２コアと、突出部８－３の両側面のＳｉＯ２コアとにより形成されるモードに徐々に結合する。光接続部３は、その断面において２つの構成要素（アンダークラッド８－３とＳｉＯ２コア５－３）の比率が徐々に入れ替わり、ＭＦ中心の基板垂直方向（ｚ軸）の変化が小さくなる構造となっている。光接続部３において、モード結合しつつ遷移的に突合せ結合が行われて、ＭＦ中心のずれやＭＦの不整合による損失を減らすことができる。同時に、基板垂直方向におけるＳｉコアの中心とＳｉＯ２コアの中心を滑らかに一致させることも可能となっている。
【0039】
突出部８－３および縦テーパ構造５－３を有する副次的効果として、本開示の光導波路部品１００は、光接続損失変動についての、Ｓｉコア幅の製造誤差に対するトレランス拡大にも寄与している。光接続部３において、Ｓｉコア４ｂとＳｉＯ２コア５－２から延長したＳｉＯ２層が重複していことで、コア間のモード遷移により光接続するアディアバティック（断熱）光結合構造と比較して、Ｓｉコア幅のトレランスが大きくて済む。例としてＳｉコア幅が製造誤差によりも太く仕上がった場合、Ｓｉコアによる光の閉じ込め効果が強くなる。このため、Ｓｉコアよりも屈折率の低いＳｉＯ２コアが近接していても、両導波路間のモード遷移が起きにくくなる。そのため、アディアバティック結合の構造では設計通りにモード遷移が行われない。結果として光接続部のＭＦとＳｉＰｈまたはＰＬＣ側の光導波路とのＭＦとの間で、ＭＦ中心の不整合が生じ、光接続損失が生じてしまう。
【0040】
一方で本開示の光導波路部品１００では、Ｓｉコア４ｂは、ＰＬＣ２側に向かって突出部８－３および対応する縦テーパ構造５－３によって徐々にＳｉＯ２層に覆われる。この構造では、ＳｉコアによりなるＭＦとＳｉＯ２コアによりなるＭＦの中心が近くなっており、Ｓｉコアによる光の閉じ込めが強い場合でもＭＦ中心の不整合による光接続損失が低減される。そのため、Ｓｉコア幅の製造誤差にともなう光接続損失の変動を抑え、トレランスの拡大につながっている。
【0041】
アンダークラッド８－２の低位面からの、基板垂直方向（ｚ軸）の突出部８－３の高さは、ＳｉＯ２コア厚さの半分からＳｉコア厚さの半分を引いた値に設定することが望ましい。このように突出部８－３の高さを設定することによって、Ｓｉコア４ａ、４ｂを伝搬する光のＭＦ中心とＳｉＯ２コア５－２を伝搬するＭＦ中心が一致する。
【0042】
Ｓｉコアの細テーパ４ｂによるＳＳＣ構造の先端で突出部８－３の構造が終わると、細テーパ４ｂの先端前後でＳｉＯ２コアの高さが大きく変化してしまう。急激なＳｉＯ２コア高さの変化を避けるため、突出部８－３は、Ｓｉコアの細テーパ４ｂの先端よりもさらにＰＬＣ２側に延びた非重複領域を備え、非重複領域の幅がテーパ状に狭くなるのが望ましい。図５の（ａ）に示した突出部８－３は、重複領域および非重複領域が連続して一体となっており、全体が単純なテーパ形状となっている。重複領域および非重複領域は、Ｓｉコアの終点の前後を便宜的に区別して呼んでいるものであって、突出部８－３の導波路長さ方向の途中でＳｉコアが終わっていること意味している。
【0043】
また、突出部８－３の幅がＳｉコア４ａ、４ｂと同程度の場合、Ｓｉコアの特に側面が突出部８－３の加工時に露出して、面荒れ等の損傷が生じ伝搬特性に影響を及ぼす恐れがある。基板水平方向における突出部８－３の幅はＳｉコア４ａ、４ｂの幅より大きいことが望ましく、これにより突出部８－３の加工時のＳｉコアへの損傷を抑えられる。
【0044】
上述の説明では、第１の光回路の光導波路のＳｉコア４と、第２の光回路の光導波路のＳｉＯ２コア５－２を、共通の単一の基板上で光接続する構造を例に、光接続損失を抑える効果を述べてきた。しかしながら、本開示の光導波路部品１００の構成による効果は、特定の材料だけに限定されない。屈折率の高い第１の材料による第１のコアとしてＳｉ、ＳｉＮ、ＳｉＯＮを用い、第１の材料よりも屈折率の低い第２の材料の第２のコアとしてＳｉＯ２、ＳｉＯＸ、ポリマー等の材料を用いた場合でも、同様の光接続損失を抑える効果を実現できる。
【0045】
本発明は、異なる材料による光導波路を光接続する光導波路部品の製造方法の側面も持っている。以下の製造方法によって、第１の光回路の光導波路と第２の光回路の光導波路とを光接続する光導波路部品の構造が作製される。製造方法の概要を述べれば、以下の工程から構成される。
【0046】
第１の工程は、アンダークラッド層を備えた基板１３の上に、第１の材料による第１のコア４ａ、４ｂを形成するステップである。同時に、光接続部３における第１のコアのテーパ構造も形成される。第１のコアは、Ｓｉコアであり得る。また基板１３は、ＳＯＩ基板を使用することができる。
【0047】
第２の工程は、アンダークラッド層を加工して、第１の光回路１に対応するアンダークラッド８－１の高位面、第２の光回路２に対応するアンダークラッド８－２の低位面、および、高位面から第２の光回路に向かって第１のコア４ｂに沿って延びた突出部８－３を形成するステップである。この時、アンダークラッドの段差構造と、突出部８－３のテーパ構造が形成される。後述するようなより複雑な構造の突出部の場合は、別の工程が追加されることもある。
【0048】
第３の工程は、加工されたアンダークラッド層の上に、第１の材料より低い屈折率を有する第２の材料のコア層を堆積させるステップである。第２の材料は、例えばＳｉＯ２膜であり得る。この工程で、後に縦テーパ構造となる場所において、コア層の高さが第２の光回路に向かって徐々に低くなる構造が形成される。この構造は、第２の材料のコア層を堆積する際に、大きい領域の凸部と比べて、小さい領域の凸部においては堆積高さが減少する効果によるものである。
【0049】
第４の工程は、前記堆積したコア層を加工して、第１の光回路１から第２の光回路２に渡って、第２のコア５－１、５－３、５－２を形成するステップであって、この第２のコアは、光導波路の長さ方向に垂直な断面において、第１のコアの領域が第２のコアの領域に内包されるよう構成され、さらに第２のコアの高さが第１の光回路１から第２の光回路２に向かって低くなる縦テーパ構造５－３を形成する、ステップである。この工程で、アンダークラッドの突出部８－３に対応した第２のコアによる縦テーパ構造５－３が形成される。
【0050】
最後に、第２のコアとアンダークラッド全体を覆う、オーバークラッド層９を形成して、光接続部３を含む光導波路部品を作製される。
【0051】
上述のように、本開示の光導波路部品は、ＳＯＩ基板を用いて、ＳｉＰｈ回路１およびＰＬＣ２を１つの基板上にモノリシック集積する。Ｓｉ光導波路とＳｉＯ２光導波路の光接続部において、アンダークラッドであるＳｉＯ２からなるＢＯＸ層に、高位面および低位面を有する段差を設ける。さらに段差の高位面側からＳｉ導波路に沿って低位面側へアンダークラッドの突出部を形成し、Ｓｉ光導波路からＳｉＯ２光導波路にかけて突出部の幅方向テーパを設ける。光接続部では、突出部の幅方向のテーパに対応して、光接続部の上に堆積されるＳｉＯ２膜の基板厚さ方向の高さが徐々に低くなる縦テーパ構造がさらに形成される。
【0052】
突出部に対応した縦テーパ構造によって、ＳｉＯ２コアの重心を徐々にＳｉコアの中心に近づけることが可能となる。光接続部におけるＳｉ光導波路を伝搬する光のＭＦ中心とＳｉＯ２光導波路を伝搬する光のＭＦ中心のずれを抑え、ＭＦ中心の不整合による損失を減らすことができる。同時に、Ｓｉコアが徐々ＳｉＯ２コアに覆われることでＳｉ光導波路からＳｉＯ２光導波路へのＭＦＤ変換を低損失に実現することができる。光接続部３の構成を備えることによって、１つの基板上で、低損失で高精度な光接続を小型に実現する光導波路部品を提供できる。以下、図５の本発明の光導波路部品の構成に基づいた、さらに具体的な光部品の実施例について説明する。
【実施例1】
【0053】
図６は、本開示の光導波路部品を含む光回路の実施例１の構成を示す図である。図６の光回路２０は、Ｓｉコアからなる信号光の複数の入力用光導波路２４と、対応するＳｉＯ２コアからなる信号光の複数の出力用導波路２５、および光接続部２３で構成される。このような光回路２０を用いて、光接続部２３における光接続損失を評価し、光接続損失の低減の効果を検証した。最初に、光回路２０の各部の構造を示す。
【0054】
光回路２０となる図６のチップは、サイズが縦５ｍｍ、横１０ｍｍで、ＳｉＰｈ回路のＳｉ光導波路２４とＰＬＣのＳｉＯ２光導波路２５が集積されている。信号光の入力はチップの短辺側に設けられた入力用光導波路のＳｉ光導波路２４から行う。信号光の出力は、Ｓｉ光導波路２４に対してチップの反対の短辺側（ＰＬＣ側）に形成した出力用導波路２５で行う。４本の入力光導波路２４が２５０μｍピッチで設けられ、それぞれ光入力部から光接続部２３までをＳｉ光導波路で、光接続部２３から光出力部に至るまでをＳｉＯ２光導波路で構成する。光接続部２３から光出力部に至る間にＳ字型の導波路構造が設けられている。
【0055】
Ｓｉ光導波路２４とＳｉＯ２光導波路２５の各構成は、以下の通りである。チップを構成するＳＯＩ基板は、アンダークラッドとなるＳｉＯ２のＢＯＸ層の膜厚が１５μｍ、ＳｉコアとなるＳｉのＳＯＩ層厚さが０．２２μｍとなっている。ＳｉコアはＳｉ層を幅０．５μｍにフォトリソグラフィおよびエッチングにより加工することで形成し、ＰＬＣを形成する領域においてもＳｉ層をエッチングで除去しておく。
【0056】
次にＰＬＣのＳｉＯ２コアを形成する前段階として、ＰＬＣを形成する領域においてはアンダークラッドを２．１４μｍエッチングする。このエッチング工程において、アンダークラッドの高位面、低位面、および突出部が形成される。後に図１３で説明するような、より複雑な突出部の構成の場合には、さらにいくつかの追加の加工工程を経る場合がある。次に、基板上にＳｉＯ２コアとなるＳｉＯ２膜をＣＶＤやスパッタ等の手法により４．５μｍ堆積させる。その後、フォトリソグラフィとエッチングにより高さと幅が４．５μｍのＳｉＯ２コアが形成されている。さらに基板上にＳｉＰｈ回路とＰＬＣのオーバークラッドとなるＳｉＯ２層を１４．５μｍ堆積することで、Ｓｉ光導波路とＳｉＯ２光導波路が形成される。このときＰＬＣ側のＳｉＯ２コアにＧｅ等をドーピングすることで、コアとクラッドの屈折率差２．０％の光導波路が構成されている。
【0057】
図７は、実施例１の光回路の光接続部の構成を示す図である。図７の光導波路部品２００は、図６の光回路の光接続部２３の近傍に対応しており、図６の光回路の一部を切り出して示している点に留意されたい。図７の（ａ）は、光導波路部品２００の基板面（ｘ－ｙ面）を見た上面図であり、（ｂ）は、２本の光導波路（VIIｂ－VIIｂ線）の中心を通る断面（ｘ－ｚ面）の側面図である。
【0058】
図８は、実施例１の光導波路部品の光接続部の異なる箇所で、長さ方向に垂直な面（ｙ－ｚ面）切った断面図である。図７、図８で、第１の光回路２１（ＳｉＰｈ）と第２の光回路２２（ＰＬＣ）の間の光接続部２３が示されており、図７の５つの断面と、図８の各断面が対応している。以下、図７および図８を参照しながら、実施例１の光接続部と図５に示した基本構成の光接続部との相違点に絞って説明する。
【0059】
図５および図７の光導波路部品の構成上の相違点は、アンダークラッド２８－１、２８－２の高位面から延長して形成される突出部の構成にある。図５の突出部８－３は単純なテーパ形状であったが、本実施例の突出部は、連続した３つの部分２８－３、２８－４、２８－５から成り、図７の（ａ）の上面図で、概ねロケット様の形状をしていることである。突出部が、テーパ状の第１の部分２８－３、直線状の第２の部分２８－４、テーパ状の第３の部分２８－５を備えることで、段階的にＰＬＣ側に向かって幅を狭める構造となっている。Ｓｉコア光導波路は、テーパ状の第１の部分２８－３で細テーパ２４ｂ、直線状の第２の部分２８－４でより細い一定幅のＳｉコア２４ｃとなっている。尚、図８の突出部の構成は、図５の突出部８－３のテーパの途中に第２の部分２８－４を挿入したものと見ることもできる。
【0060】
図７の（ｂ）を参照すれば、突出部のテーパ状の第１の部分２８－３およびテーパ状の第３の部分２８－５で、それぞれＳｉＯ２層による縦テーパ構造２５－３、２５－５が形成される。突出部の全体を見ると、第１の光回路（ＳｉＰｈ回路）から第２の光回路（ＰＬＣ）に向かって、連続的に形成されたＳｉＯ２膜領域２５の高さが徐々に下がっていることがわかる。図８の（ｃ）の断面VIIIＡ－VIIIＡ´から断面VIIIＥ－VIIIＥ´を参照すれば、ＳｉＯ２膜領域２５の高さが、ＳｉＯ２領域２５－１（断面VIIIＡ－VIIIＡ´）からＳｉＯ２光導波路２５－２（断面VIIIＥ－VIIIＥ´）まで徐々に低くなっていることがわかる。光接続部２３における上述の突出部の構成の相違点を除けば、他の構成は図５の光導波路部品１００と同様である。以下、具体的な構成についてさらに説明する。
【0061】
Ｓｉ光導波路２４ｂは、光接続部の突出部の第１の部分２８－３において、テーパ状部２４ｂとして幅０．５μｍから幅０．２μｍまで３００μｍかけて幅を徐々に狭める。引き続き、突出部の第２の部分２８－４において幅０．２μｍの直線部２４ｃを３００μｍ延長してＳＳＣ構造が形成されている。このように、テーパ状部２４ｂ、直線部２４ｃと２段階でＳｉ光導波路の形状を変更する構造で、延長した導波路を伝搬させ、テーパ状部２４ｂによりＭＦが拡大した光の伝搬状態を安定化させる効果が得られる。
【0062】
上述のＳｉコアのテーパ構造に対応して、突出部の３つの部分が形成されている。突出部の第１の部分２８－３は、Ｓｉコアのテーパ部２４ｂの開始位置において幅４．５μｍとし、テーパ部の終了位置で幅１．５μｍとして、テーパ状に徐々に狭くなるように形成される。Ｓｉコアの直線部２４ｃでは、突出部の第２の部分２８－４は、Ｓｉコアの直線部２４ｃに沿って幅１．５μｍを保ったまま延長される。さらに、突出部の第３の部分２８－５のテーパは、Ｓｉコアの直線部２４ｃの終了した後も１００μｍ延長され、テーパ状に先端を狭めて終わる。
【0063】
実施例１の光接続部２３における突出部２８－３～２８－５の形成もフォトリソグラフィおよびエッチングにより行われ、Ｓｉ光導波路２４ｂ、２４ｃにエッチングによる損傷が生じないよう、Ｓｉ光導波路の幅より突出部２８－３～２８－５の幅が大きいことが望ましい。また突出部２８－３～２８－５のテーパの幅の変化に合うように、Ｓｉ光導波路２４ｂ、２４ｃのＳＳＣ構造は細テーパ形状が望ましい。
【0064】
突出部２８－３～２８－５の低位面からの高さは、Ｓｉ光導波路のコア２４ａとＳｉＯ２光導波路のコア２５－２の中心高さが一致するように形成するため、ＳｉＯ２コア２５－２の厚さの半分からＳｉコア２４の厚さの半分を引いた値とする。図７および図８の実施例１の構成例では、突出部の低位面からの高さを２．１４μｍ（４．５μｍ／２－０．２２μｍ／２）とする。このとき、突出部の上面はＳｉコア４の底面（アンダークラッド高位面）と一致し、突出部の底の高さはＳｉＯ２コアの底面（アンダークラッド低位面）に一致する。Ｓｉコア２４およびＳｉＯ２コア２４－２の中心の高さを同じとすることで、光ファイバアレイとチップ２０との接続を安定して行うことができる。例えば図６のようにＳｉコアを一方の入出力導波路とし、ＳｉＯ２コアを他方の入出力導波路として、チップのそれぞれの端面に配置する際、チップ端面とアレイファイバを偏心することなく接続し、偏心による光接続損失を減らすことができる。
【0065】
突出部が終了する第３の部分２８－５において、Ｓｉコアの直線部２４ｃの端部より延長した位置まで、徐々に幅を狭める細テーパを設けるのが好ましい。第３の部分２８－５のテーパ構造により、ＳｉＯ２コアの基板垂直方向（ｚ方向）の高さが急に変化することを避け、突出部の最終部でＳｉＯ２コア形状の急な変化による反射損失を抑制できる。ＳｉＯ２領域は、幅４．５μｍで、第１の光回路２１のＳｉコア上のＳｉＯ２領域２５－１から、第２の光回路のＳｉＯ２コア２５－２まで連続して一体に形成されている。
【0066】
ＳｉＯ２領域の高さは、突出部の低位面（アンダークラッド２８－２上面）を基準として、突出部の始まる第１の部分２８－３では６．６４μｍであった。ＳｉＯ２領域の高さは、突出部の第１の部分２８－３の幅が狭くなるにつれて徐々に低くなり（断面VIIIＢ－VIIIＢ´）、突出部の幅が１．５μｍとなる位置で高さ５．５μｍとなった（断面VIIIＣ－VIIIＣ´）。突出部の幅が再び狭まり突出部が終了する第３の部分２８－５において、ＳｉＯ２領域の高さはさらに低くなり（断面VIIIＤ－VIIIＤ´）、ＳｉＯ２コア２５－２においては４．５μｍとなった（断面VIIIＥ－VIIIＥ´）。このように、段階的にその幅を狭めるテーパ構造を含む突出部２８－３～２８－５により、突出部の開始から終了にかけてＳｉＯ２領域高さが６．６４から４．５μｍに徐々に低くなる縦テーパ構造２５－３～２５－５が形成される。図５に示した光接続部の基本構造と同様の構成が、図７および図８の光導波路部品の突出部および縦テーパ構造によって実現されていることがわかる。
【0067】
実施例１の光回路２０に、波長１．５５μｍの光を光ファイバでＳｉＰｈ側から入力し、ＰＬＣ側から出力された光を別の光ファイバへ結合した際の光強度をパワーメータでｃｈ毎に測定、挿入損失を評価した。実施例１との比較のため、光接続部の構造のみが異なる２種類の光回路を別に作製した。１つは図３に示したアンダークラッド段差を設けないモノリシック集積によるもの、もう１つは図４に示したアンダークラッド段差を設けたモノリシック集積によるものである。これらとは別に、Ｓｉ光導波路のみで構成されたテスト光回路、ＳｉＯ２光導波路のみで構成されたテスト光回路を作製した。これらから、光ファイバとの接続損失、Ｓｉ光導波路およびＳｉＯ２光導波路で伝搬損失の評価を行ってこれらの値を差し引き、光接続部のみの結合損失を算出した。
【0068】
３種類の光接続部では、図３のアンダークラッド段差を設けない光回路の構成が最も損失が大きく、５．７ｄＢであった。一方で図４のアンダークラッド段差を設けた光回路の構成の損失は０．８５ｄＢまで低減しているが、ＭＦ中心の不整合により損失が生じていたことがわかる。図７の本開示の光導波路部品を含む光回路２０では、光接続部の損失は０．７ｄＢと図４の構成よりもさらに小さいことが確認できた。従来技術の図４の構成突では、Ｓｉ光導波路の小さいＭＦＤからＳｉＯ２導波路の大きいＭＦＤへの光接続でＭＦＤの不整合により生じる損失が残っていた。図７の光回路２０では、光接続部においてＳｉＯ２コアがＳｉ光導波路を徐々に覆う構造によりＭＦＤサイズの不整合を低減している。さらに、アンダークラッドの高位面からの突出部のテーパ構造と、これを覆うＳｉＯ２膜の縦テーパ構造により、Ｓｉ光導波路を伝搬する光のＭＦ中心とＳｉＯ２導波路を伝搬する光のＭＦ中心のずれを抑制していると考えられる。本実施例の光導波路部品の光接続部の構成により、本開示の光導波路部品の低損失な光接続を簡単な構造と製造方法で実現できることを確認できた。
【実施例2】
【0069】
図９は、本開示の光導波路部品を含む光回路の実施例２の構成を示す図である。図９の光回路３０は、チップの１つの短辺に側に設けられたＳｉＯ２コアからなる信号光の入力用光導波路３５と、対応するＳｉコアからなる折り曲げ導波路３４、同じ短辺に設けられたＳｉＯ２コアからなる出用光導波路３６で構成される。２つのＳｉＯ２コアの間を、２つの光接続部３３－１、３３－２で接続している。このような光回路３０を用いて、２つの光接続部３３における光接続損失を評価し、光接続損失を減らす効果を検証した。最初に、光回路３０の各部の構造を示す。
【0070】
光回路３０となるチップは、サイズが縦５ｍｍ、横７ｍｍで、ＳｉＰｈ回路のＳｉ光導波路３４とＰＬＣのＳｉＯ２光導波路３５、３６がモノリシック集積されている。光入力はチップの短辺側に設けられたＳｉＯ２導波路３５から行い、光出力部は入力部と同じ短辺の端面に形成する。ＳｉＯ２コアの入力光導波路３５から第１の光接続部３３－１までをＳｉＯ２導波路で、入力側の第１の光接続部３３－１から曲げ導波路３４を経て出力側の第２の光接続部３３－２に至るまでをＳｉ光導波路で構成する。最後に、第２の光接続部３３－２から光出力部までを再びＳｉＯ２光導波路が構成している。
【0071】
Ｓｉ光導波路およびＳｉＯ２光導波路の各構成は、以下の通りである。チップを構成するＳＯＩ基板は、アンダークラッドとなるＳｉＯ２のＢＯＸ層の膜厚が１５μｍ、ＳｉコアとなるＳｉのＳＯＩ層が０．２２μｍとなっている。ＳｉコアはＳｉ層を幅０．５μｍにフォトリソグラフィおよびエッチングにより加工することで形成し、ＰＬＣを形成する領域においてもＳｉ層をエッチングで除去しておく。
【0072】
次にＰＬＣのＳｉＯ２コアを形成する前段階として、ＰＬＣを形成する領域においてはアンダークラッドを２．１４μｍエッチングする。このエッチング工程において、図５に示したアンダークラッドの高位面、低位面、および突出部が形成される。後に図１３で説明するような、より複雑な構成の突出部の場合には、さらにいくつかの加工工程を経る場合がある。
【0073】
次に、基板上にＳｉＯ２コアとなるＳｉＯ２膜をＣＶＤやスパッタ等の手法により４．５μｍ堆積させる。その後、フォトリソグラフィとエッチングにより高さと幅が４．５μｍのＳｉＯ２コアが形成されている。さらに基板上にＳｉＰｈ回路とＰＬＣのオーバークラッドとなるＳｉＯ２層を１４．５μｍ堆積することで、Ｓｉ光導波路２４とＳｉＯ２光導波路が形成される。このときＰＬＣ側のＳｉＯ２コアにＧｅ等をドーピングすることで、コアとクラッドの屈折率差２．０％の光導波路が構成されている。
【0074】
図１０は、実施例２の光回路における光接続部の構成を示す図である。図１０の光導波路部品３００は、図９の光回路３０の光接続部３３－１、３３－２の各構成に対応しており、光回路３０の一部を切り出して示している点に留意されたい。図１０の（ａ）は、光導波路部品３００の基板面（ｘ－ｙ面）を見た上面図であり、（ｂ）は、２本の光導波路（Xｂ－Xｂ線）の中心を通る断面（ｘ－ｚ面）の側面図である。
【0075】
図１１は、実施例２の光導波路部品の光接続部の異なる箇所で、長さ方向に垂直な面（ｙ－ｚ面）切った断面図である。図１０および図１１には、第１の光回路３１（ＳｉＰｈ）と第２の光回路３２（ＰＬＣ）の間の光接続部３３が示されており、図１０の６つの断面線と、図１１の各断面（Ａ－Ａ´～Ｆ－Ｆ´）が対応している。以下、図１０および図１１を参照しながら、実施例２の光回路３０における光接続部と、図５に示した光接続部の基本構成および図７の実施例１の光接続部との相違点に絞って説明する。
【0076】
図１０の光導波路部品と、図５および図７の光導波路部品の構成上の相違点は、アンダークラッド３８－１、３８－２の高位面から延長して形成される突出部の構成にある。本実施例の突出部は、実施例１の光接続部の構成をさらに多段階的に徐々に変化させたものである。突出部は連続した４つの部分３８－３～３８－６から成り、実施例１の突出部の構成よりも滑らかに幅が変化し、対応する縦テーパ構造の高さも２段階で低くなっている。突出部は、テーパ状の第１の部分３８－３、テーパ状の第２の部分３８－４、直線状の第３の部分３８－５、テーパ状の第４の部分３８－６を備えることで、段階的にＰＬＣ側に向かって幅を狭める構造となっている。
【0077】
光接続部３３において、第１の光回路３１から延長されるＳｉコア光導波路も、突出部の各部分の構造に対応して、以下の様に多段階に徐々に変化している。テーパ状の第１の部分３８－３では、第１の光回路のＳｉコア３４ａと同じ幅をそのまま延長したものである。テーパ状の第２の部分３８－４において、Ｓｉコアは細テーパ３４ｂとなり、続く直線状の第３の部分３８－４でより細い一定幅のＳｉコア３４ｃとなっている。最後のテーパ状の第４の部分３８－６の開始位置で、Ｓｉコア３４ｃが終了する。
【0078】
第２の光回路３３のＳｉＯ２コア３５－２は、上述の第１の光回路３１および光接続部３３のＳｉコアをすっぽりと覆うように、第２の光回路から延長して形成され、図１０の（ａ）の上面図のように一体のＳｉＯ２コア領域３５となっている。上述の突出部においてテーパ構造となっている第１の部分３８－４、第２の部分３８－４に概ね対応して縦テーパ構造３５－３が形成され、第４の部分３８－６に概ね対応して縦テーパ構造３５－５が形成される。図１０の（ｂ）では、ＳｉＯ２コア領域の縦テーパ構造が各部分の境界において、急激にその高さが変化しているように示している。しかしながら実際には、突出部の幅が狭まるのに対応して、図１１の断面Ａ－Ａ´から断面Ｆ－Ｆ´に示したように、滑らかにＳｉＯ２コア領域の高さが変化してゆくことに留意されたい。
【0079】
図１０および図１１の光導波路部品３００におけるＳｉＰｈとＰＬＣの間の光接続部３３は、具体的に次のように構成されている。Ｓｉ光導波路は、光接続部３３の第２の部分３８－４において幅０．５μｍから幅０．２μｍまで２００μｍかけてテーパ状に幅を狭める。さらに、第３の部分３８－５において幅０．２μｍを２００μｍ延長してＳＳＣ構造が形成されている。
【0080】
アンダークラッド３８－１の高位面からの突出部の幅は、３つの部分のテーパにより３段階で狭くなる構造とする。まず突出部の第１の部分３８－３においてＳｉＯ２コア３５－１の幅より広い幅から徐々に狭め、第２の部分３８－４においてさらに続けて幅を狭める。等幅の第３の部分３８－５を経て、第４の部分３８－６で再びその先端まで幅を狭めることで、突出部の全体でその幅を徐々に狭めている。突出部の各部分の具体的なサイズは、以下の通りである。突出部の第１の部分３８－３は、テーパの太い側で幅５．０μｍ、細い側で幅２．５μｍ、長さは２５０μｍとした。第２の部分３８－４は、テーパの太い側で幅２．５μｍ、細い側で幅１．２５μｍ、長さが２００μｍとした。第４の部分３８－６は、テーパの太い側で幅１．２５μｍとして先端を幅０まで狭めて終端し、長さは１００μｍとした。第３の部分３８－５は、幅１．２５μｍを等幅に保ったままで長さは２００μｍとした。
【0081】
突出部の第１の部分３８－３でテーパを設けて、ＳｉＯ２コア３５－１よりも広い幅から狭い幅へまず変化させ、断面Ａ－Ａ´からＣ－Ｃ´にかけてＳｉコア３４ａ上のＳｉＯ２コア３５－１やオーバークラッド９膜厚の急激な変化を抑える。作製誤差によりＳｉＯ２コア３５－１の幅が設計値より多少太くなっても、第２の部分３８－４～第４の部分３８－６にかけて上述の設計の長さによって縦テーパ構造をＳｉＯ２コアに設けることが可能となり、作製トレランスの向上につながる。
第２の光回路３２のＳｉＯ２コア３５－２の幅は、ＰＬＣ側においては４．５μｍであるが、光接続部３３においては３００μｍ長のテーパにより３．５μｍまで幅を狭めて第２の光回路３１（ＳｉＰｈ回路）側へ延長する。光接続部３３においてＳｉＯ２コア幅をやや狭くすることで伝搬光のＭＦＤを小さくし、Ｓｉコア３４ｂ、３４ｃの光導波路のＳＳＣ構造における伝搬光のＭＦＤとの整合を改善する。本開示の光導波路部品における突出部および対応する縦テーパ構造の効果を得るためには、突出部の第２の部分３８－４の幅がＳｉＯ２コア領域３５－１～３５－５の幅よりも狭くなっているのが好ましい。このようにすることで、光導波路の長さ方向に垂直な断面で見たときに、突出部の第２の部分３８－４から第４の部分３８－６の断面領域も、第２の光回路から延長して構成されるＳｉＯ２コアの断面領域に内包される構造となる。
第２の光回路３２のＳｉＯ２コア３５－２の幅は、ＰＬＣ側においては４．５μｍであるが、光接続部３３においては３００μｍ長のテーパにより３．５μｍまで幅を狭めて第２の光回路３１（ＳｉＰｈ回路）側へ延長する。光接続部３３においてＳｉＯ２コア幅をやや狭くすることで伝搬光のＭＦＤを小さくし、Ｓｉコア３４ｂ、３４ｃの光導波路のＳＳＣ構造における伝搬光のＭＦＤとの整合を改善する。本開示の光導波路部品における突出部および対応する縦テーパ構造の効果を得るためには、突出部の第２の部分３８－４の幅がＳｉＯ２コア領域３５－１～３５－５の幅よりも狭くなっているのが好ましい。このようにすることで、光導波路の長さ方向に垂直な断面で見たときに、突出部の第２の部分３８－４から第４の部分３８－６の断面領域も、第２の光回路から延長して構成されるＳｉＯ２コアの断面領域に内包される構造となる。
【0082】
このとき突出部の断面に着目すると、第２の光回路３２に近づくに従って突出部の幅が徐々に狭まる。また第１の光回路３１から第２の光回路３２に向かって、ＳｉＯ２コアの高さが徐々に低くなる。アンダークラッドの突出部と、これを覆うＳｉＯ２コアとの構成比（面積比）も徐々に変化する。光接続部３３において、光導波路の長さ方向に垂直な断面を見たとき、上述のように２つの光回路の間でＳｉＯ２コアとアンダークラッドの構造が徐々に変化している。本開示の光導波路部品は、上述のような第１の光回路および第２の光回路の間の光接続部におけるサイズや構成比が連続的に変化することよって、ＭＦＤの不整合と、ＭＦの中心位置ずれの緩和を実現していることが理解できる。
【0083】
アンダークラッド３８－２の低位面からの突出部の高さは、Ｓｉ光導波路４とＳｉＯ２導波路のコア３５－２の中心高さが一致するよう、ＳｉＯ２コア厚さの半分からＳｉコア厚さの半分を引いた値とする。本実施例２では、２．１４μｍ（４．５μｍ／２－０．２２μｍ／２）とした。このとき、突出部の上面（アンダークラッド３８－１高位面）はＳｉコア４の底面に一致し、突出部の底面（アンダークラッド３８－２低位面）はＳｉＯ２コア３５－２の底面に一致する。ＳｉコアとＳｉＯ２コアの中心の高さを同じとすることで、図９のように１つの短辺上でＳｉＯ２コアを入出力光導波路とし、チップ端面に２本の光ファイバを配置する際に、光導波路と光ファイバを偏心なく接続し、光接続損失を減らすことができる。
【0084】
図１２は、実施例２の光導波路部品を含む別の光回路の構成例を示す図である。図１２の（ａ）は、光回路４０の基板面（ｘ－ｙ面）を見た上面図であり、（ｂ）は、光回路４０の光導波路３４、３４ａの中心を通る断面（ｘ－ｚ面）の側面図である。図１２の光回路４０は、（ａ）の上面図において実施例２の図１０の光導波路部品３００を一点鎖線の領域に含んでおり、実施例２の構成のＳｉコア側の延長部分をさらに示している。図１２の光回路４０において、（ｂ）の断面Ｃ－Ｃ´の構造は、実施例２の図１１の断面Ａ－Ａ´と同一である。一方（ｂ）の断面Ｂ－Ｂ´では、Ｓｉコアを覆っていたＳｉＯ２コア３５－１が除去されている。さらに断面Ａ－Ａ´では、ＳｉＰｈ回路側のオーバークラッド９およびＳｉＯ２コア３５－１がいずれも除去され、Ｓｉコア３４が露出して設けられている。ＳｉＰｈ回路内にＳｉコアが露出した領域を設けることで、Ｓｉコア３４へのドーパント導入、半導体の成膜、ヒータや金属配線の形成などのプロセスを行うことができ、光回路の機能性を広げることができる。
【0085】
再び実施例２の光導波路部品に戻り、図９の光回路３０について、実施例１と同様に、波長１．５５ｕｍの光で光接続部３３の光接続損失を評価した。光接続部３３の光接続損失を算出した結果、図１０および図１１の構造を持つ実施例２の光回路３０の光接続部３３の光接続損失は０．５０ｄＢであった。図７および図８の構造を持つ実施例１の光回路２０の光接続部２３の光接続損失０．７０ｄＢよりさらに小さい値が得られた。図４の従来技術の光回路におけるアンダークラッド段差のみを設けた構成での損失０．８５ｄＢと比べれば、大きく光接続損失を改善していることがわかる。
【0086】
図１０および図１１の実施例２の光導波路部品３００でも、Ｓｉコアの断面領域がＳｉＯ２コアの断面領域に内包される二重構造により、光接続部で断面構造が徐々に変化している。光導波路の長さ方向に垂直な断面で、第１の光回路から第２の光回路に向かって、アンダークラッドの突出部に対する、ＳｉＯ２コアの面積比が増加し、ＳｉＯ２コアがＳｉコアを徐々に覆っている。アンダークラッドの突出部の幅が徐々に狭まり、同時にＳｉＯ２コアの高さが徐々に低くなる滑らかな断面構造変化により、ＭＦＤサイズの不整合を低減していると考えられる。また、アンダークラッドの高位面から延長して低位面に向かって形成された突出部の幅のテーパ構造と、対応するＳｉＯ２コアの縦テーパ構造により、Ｓｉコアの伝搬光のＭＦ中心とＳｉＯ２コアの伝搬光のＭＦ中心のずれを抑えている。本実施例においても、本開示の光導波路部品の低損失な光接続を簡単な構造と製法で実現できることが確認された。
【0087】
図１３は、本開示の光導波路部品における突出部の構成の変形例を示す図である。図１３の（ａ）は突出部をセグメント化した光導波路部品４０－１を、（ｂ）は突出部の両脇にスロープ部を設けた光導波路部品４０－２を示している。いずれも突出部のみの構造を示しており、上述の各実施例と同様に、突出部に沿ってＳｉＯ２コアが形成される。
【0088】
図１３の（ａ）の光導波路部品４０－１は、アンダークラッド層４２の高位面から低位面に向かって、異なる２つの幅のセグメントが交互に連なった構成の突出部を持っている。幅の広い３つの部分４４ａ、４４ｂ、４４ｃの間に幅の狭い部分が挟まれており、突出部の３つの部分の光導波路方向の長さは、徐々に短くなっている。Ｓｉコア４３は、アンダークラッド層４２の高位面から突出部の途中まで形成されている。このように突出部をセグメント化した構成でも、光導波路の長さ方向に垂直な断面で見れば、高位面側から低位面に向かって、アンダークラッドの突出部に対して図示しないＳｉＯ２コアの占有率が増える。逆に突出部は、高位面側から低位面に向かって徐々に断面積を減らすことになる。突出部の実効的な断面積が徐々に減ることで、突出部に対応するＳｉＯ２領域の高さが徐々に低位面に向かって低くなり、縦テーパ構造が得られる。
【0089】
図１３の（ｂ）の光導波路部品４０－２は、アンダークラッド層４２の高位面から低位面に向かって単純な直方体状の突出部４４を持っている。さらに突出部４４に沿って両脇に、高位面から徐々にその高さを下げて低位面に至るスロープ部４５ａ、４５ｂを設けている。Ｓｉコア４３は、アンダークラッド層４２の高位面から突出部４４の途中まで形成されている。このようなスロープ部を含む構成でも、光導波路の長さ方向に垂直な断面で見れば、高位面側から低位面に向かって、アンダークラッドの突出部に対してＳｉＯ２コアの占有率が増える。突出部の実効的な断面積が徐々に減ることで、ＳｉＯ２領域の高さが低位面に向かって徐々に低くなり、縦テーパ構造が得られる。図１３の（ｂ）のスロープ部を階段状にしても良い。上述のように、突出部の形状は様々に変形できる。
【0090】
以上詳細に述べたように、本開示の光接続部の構成を備えることによって、低損失な光接続を簡単な構造で実現する光導波路部品およびその製造方法を提供できる。
【産業上の利用可能性】
【0091】
本発明は、光通信を用いる装置に利用できる。
【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】