(57)【要約】低損失な光学接続が可能で、且つ、実装時の位置ずれに対する過剰損失も小さくすることが可能な、スポットサイズ変換器及びその製造方法を提供するため、本発明のスポットサイズ変換器は、第一コアを有する光導波路が積層され、切り欠き部を有する基板と、第一コアの断面積が、第一コアの光導波方向の終端部に向かって漸次減少するように形成されたコア縮小部と、縮小部の周囲を取り囲み、第一コアよりも屈折率が小さい材料からなる第二コアと、第二コアを取り囲み、第二コアよりも屈折率が小さい材料からなる周囲クラッドと、を備え、周囲クラッドのうち、第二コアの下部に形成される下部クラッドは、切り欠き部に形成される。
2012114866.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一コアを有する光導波路が積層され、切り欠き部を有する基板と、
前記第一コアの断面積が、前記第一コアの光導波方向の終端部に向かって漸次減少するように形成されたコア縮小部と、
前記縮小部の周囲を取り囲み、前記第一コアよりも屈折率が小さい材料からなる第二コアと、
前記第二コアを取り囲み、前記第二コアよりも屈折率が小さい材料からなる周囲クラッドと、を備え、
前記周囲クラッドのうち、前記第二コアの下部に形成される下部クラッドは、前記切り欠き部に形成されることを特徴とする、スポットサイズ変換器。
【請求項２】
請求項１に記載したスポットサイズ変換器において、
前記下部クラッドは、前記切り欠き部に、前記第二コアよりも屈折率が小さい材料からなる層が複数積層することで形成されることを特徴とするスポットサイズ変換器。
【請求項３】
請求項１または２に記載したスポットサイズ変換器において、
前記基板は、前記第二コアの直下領域において、前記基板の裏面から表面まで貫通するように切り欠かれていることを特徴とするスポットサイズ変換器。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載したスポットサイズ変換器において、
前記第二コアのうち、前記第一コアの下部に形成される第二下部コア層の一部は、前記切り欠き部に形成されることを特徴とするスポットサイズ変換器。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載したスポットサイズ変換器において、
前記基板はシリコン基板であり、
前記シリコン基板上にはシリコン酸化膜層が形成され、
前記第一コアは、前記シリコン酸化膜層上に形成されたシリコンコアであり、
前記第二コアのうち、前記第一コアの下部に形成される第二下部コア層は、少なくとも前記シリコン酸化膜層を含むことを特徴とするスポットサイズ変換器。
【請求項６】
請求項１から４のいずれか一項に記載したスポットサイズ変換器において、
前記第二コアのうち、前記第一コアの下部に形成される第二下部コア層は、前記基板の一部から構成されることを特徴とするスポットサイズ変換器。
【請求項７】
請求項６に記載したスポットサイズ変換器において、
前記基板は石英基板であり、
前記第一コアはシリコンコアであることを特徴とするスポットサイズ変換器。
【請求項８】
光導波方向の終端部に向かって断面積が漸次減少する縮小部を有する第一コアと、前記縮小部の周囲を取り囲み、前記第一コアよりも屈折率の小さい材料からなる第二コアと、を有する光導波路を積層する積層工程と、
前記第二コアの両端に側部クラッドを形成する側部クラッド形成工程と、
前記第二コアの上部に上部クラッドを形成する上部クラッド形成工程と、
前記第二コアの下部に下部クラッドを形成する下部クラッド形成工程と、を備え、
前記下部クラッド形成工程は、前記第二コアの直下領域に位置する基板を切除することで切り欠き部を形成する基板切除工程を含むことを特徴とする、スポットサイズ変換器の製造方法。
【請求項９】
請求項８に記載したスポットサイズ変換器の製造方法において、
前記側部クラッド形成工程は、前記第二コアの両端にトレンチを形成するトレンチ形成工程を含み、
前記基板切除工程は、前記トレンチにエッチング材料を導入して、前記第二コアの直下領域に位置する基板を切除する工程を含むことを特徴とするスポットサイズ変換器の製造方法。
【請求項１０】
請求項８に記載したスポットサイズ変換器の製造方法において、
前記下部クラッド形成工程は、実装部材を実装する実装工程を含み、
前記実装部材は、台座と、前記台座上に形成され、前記第二コアよりも屈折率の低い材料からなる下部クラッドと、を備え、
前記実装工程は、前記切り欠き部に、前記下部クラッドを勘合させる工程を含むことを特徴とするスポットサイズ変換器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路を光学的に接続する、スポットサイズ変換器及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に用いられる光回路チップとして、光導波路に含まれるコアとクラッド双方に石英系材料を用いる石英系光導波路を備える光回路チップが挙げられる。石英系光導波路は、コアとクラッドの比屈折率差が０．３％程度と小さい。そのため、導波路サイズが大きくても単一モード条件を容易に満たし、一般的にそのモードフィールド径は５〜１０μｍ程度である。
ところで、光回路チップを別の光部品と接続する際は、多くの場合、汎用性を高めるために光ファイバーを間に介した形態が取られる。一般的なシングルモード光ファイバーのモードフィールド径は、波長域１．３μｍ帯や１．５５μｍ帯においておよそ９〜１０μｍであり、石英系光導波路のモードフィールド径と近い。そのため、石英系光導波路を備える光回路チップとシングルモード光ファイバーの間では、低損失の光結合を得ることができる。
一方で近年、シリコンやガリウムインジウム砒素燐などの高屈折率半導体をコアに用い、コアとクラッドの比屈折率差を石英系光導波路よりも大幅に高めた高屈折率差光導波路の研究が活発である。高屈折率差光導波路の曲げ半径は、一般的に１００μｍ以下であり、石英系導波路に比べて一桁以上小さい。そのため、高屈折率差光導波路を用いた場合、回路チップのサイズが劇的に小さくなり、大幅な高集積化が可能となる。特に、基板上にシリコン酸化膜層とシリコン層を備えたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いた光回路チップにおいては、低屈折率のシリコン酸化膜層をクラッドとして利用可能であり、高屈折率のシリコン層をコアとして利用可能である。そのため、ＳＯＩ基板を備える光回路チップの製造には、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ  Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）の製造等で使用されている、シリコンの微細加工技術と生産設備を転用できるので、商業化に大きな期待が寄せられている。
このような高屈折率差光導波路を備えた光回路チップにおいても、別の光部品との接続方法として最も汎用性が高いのは、光ファイバーを介した接続である。しかし、一般的なシングルモード光ファイバーのモードフィールド径が９〜１０μｍであるのに対して、高屈折率差光導波路のモードフィールド径は多くが数百ｎｍ程度である。そのため、高屈折率差光導波路を備えた光回路チップと光ファイバーとを直接接続すると、両者のモードフィールド径が大きく異なるため、大きな光損失が発生する。両者のモードフィールド径を整合させて、低損失な光結合を得る方法として、光回路チップもしくは光ファイバーのうち少なくとも一方に、モードフィールド径を変更するためのスポットサイズ変換器を作製する方法が挙げられる。この場合、光回路チップにはモードフィールド径を拡大するためのスポットサイズ変換器が必要となる。一方、光ファイバーにはモードフィールド径を縮小するためのスポットサイズ変換器が必要となる。
光ファイバーに設けられるスポットサイズ変換器は、接続端に向かって光ファイバーのコアサイズを徐々に縮小し、モードフィールド径を縮小するものが一般的である。
一方、光回路チップに設けられるスポットサイズ変換器は、大きく分けると次の２種類に分類される。１種類目は、光回路チップの接続端に向かって、光導波路のコアサイズを徐々に拡大することで、モードフィールド径を拡大するものである。２種類目は、光導波路のコアサイズを接続端に向かって徐々に縮小させ、光回路チップの端面よりも手前でコアを終端させる。そして、光エネルギーをコア周囲に形成した２つ目のコアに移行させることによって、モードフィールド径を拡大するものである。
光回路チップに設けられるスポットサイズ変換器のうち、上述した１種類目のスポットサイズ変換器が、例えば非特許文献１に記載されている。ここでは、ＳＯＩ基板上に、およそ１０μｍの厚さのシリコン層を追加形成し、さらにその厚いシリコン層を複雑に加工することによってコアサイズを拡大している。このように、コアサイズを拡大する場合、コアとなる高屈折率半導体を厚く形成しなければならない。そのため、製造コストが高くなってしまうという問題がある。
光回路チップに設けられるスポットサイズ変換器のうち、上述した２種類目のスポットサイズ変換器が、例えば、非特許文献２に記載されている。図１に、非特許文献２に記載されたスポットサイズ変換器１００の概略図を示す。図１Ａは、スポットサイズ変換器１００の上面図である。図１Ｂは、図１Ａ中に示された線ａにおける断面図である。図１Ｃは、図１Ａの右側面図である。なお、図１Ａにおいて点線で示したシリコンコア１０３と、コア縮小部１０４とは、図１Ｂに示すように実際には上面には露出していないが、位置を分かりやすくするために示したものである。図１Ｃにおいて点線で示したコア縮小部１０４についても同様である。
図１に示すスポットサイズ変換器１００においては、ＳＯＩ基板上の厚さ２００ｎｍのシリコンコア１０３をテーパー形状に加工する。すなわち、シリコンコア１０３の光導波方向の終端部のコア幅が８０ｎｍ程度になるよう、コア幅を縮小させる。ここで、シリコンコア１０３がテーパー状となっているコア縮小部１０４の上側には、高さ３μｍ幅３μｍの断面を持つ第二コア１０５が形成されている。第二コア１０５は、シリコンコア１０３よりも屈折率が小さく、且つ、埋め込み酸化膜層１０２よりも屈折率が大きい材料、例えば石英系材料によって形成されている。この場合、シリコンコア１０３を伝搬する光の光エネルギーは、コア縮小部１０４を伝播する間に、第二コア１０５の導波モードへと結合し移行する。そして、第二コア１０５に形成される基本モードに結合した光エネルギーが、シングルモード光ファイバーに結合する。
なお、図１に示すスポットサイズ変換器１００は、石英系光導波路の製造技術を転用することで、比較的簡便に作製することが可能である。
【非特許文献１】Ａｓｓｉａ  Ｂａｒｋａｉ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｄｏｕｂｌｅ−Ｓｔａｇｅ  Ｔａｐｅｒ  ｆｏｒ  Ｃｏｕｐｌｉｎｇ  Ｂｅｔｗｅｅｎ  ＳＯＩ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ  ａｎｄ  Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ  Ｆｉｂｅｒ”，ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＬＩＧＨＴＷＡＶＥ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ，ＶＯＬ．２６，ＮＯ．２４，ＤＥＣＥＭＢＥＲ  １５，２００８，ｐｐ．３８６０−３８６５
【非特許文献２】Ｔａｉ  Ｔｓｕｃｈｉｚａｗａ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｍｉｃｒｏｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  Ｂａｓｅｄ  ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”，ＩＥＥＥ  ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＳＥＬＥＣＴＥＤ  ＴＯＰＩＣＳ  ＩＮ  ＱＵＡＮＴＵＭ  ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ，ＶＯＬ．１１，ＮＯ．１，ＪＡＮＵＡＲＹ／ＦＥＢＲＵＡＲＹ  ２００５，ｐｐ．２３２−２４０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、非特許文献２における第二コア１０５のモードフィールド径は４μｍ程度である。そのため、低損失な光結合を実現するためには、接続先の光ファイバーのモードフィールド径を、接続端で４μｍ程度にする必要がある。非特許文献２には、実際に作製されたスポットサイズ変換器１００と光ファイバーとの接続における光損失が記載されている。これによると、スポットサイズ変換器１００をモードフィールド径４μｍの光ファイバーに接続した場合の光損失は０．５ｄＢであるのに対し、モードフィールド径９μｍの一般的な光ファイバーに接続した場合の光損失は２．５ｄＢと非常に大きくなる。
一方で、光回路チップ上のスポットサイズ変換器と光ファイバーとを実装によって接続する場合、光ファイバーの位置が理想位置からずれると、過剰損失が発生する。そして、この位置ずれによる過剰損失は、スポットサイズ変換器と光ファイバーとの接続端におけるモードフィールド径が小さい程大きくなる。すなわち、スポットサイズ変換器と光ファイバーとの接続端におけるモードフィールド径が小さい程、許容できる位置ずれ量は極めて小さくなる。
図２に、接続端における両者のモード形状をガウス関数型として、光ファイバーの位置ずれ量に対応する過剰光学損失を計算した結果を示す。図２より、両者のモードフィールド径が９μｍの場合、１μｍの位置ずれに対応する過剰損失は０．２ｄＢであることが分かる。一方で、両者のモードフィールド径が４μｍの場合では、１μｍの位置ずれに対応する過剰損失は１．１ｄＢと大きくなってしまうことが分かる。そのため、位置ずれによる過剰損失の観点からすると、接続端におけるスポットサイズ変換器のモードフィールド径は４μｍ程度よりも９μｍ程度の方が望ましい。
以上のように、非特許文献２に記載のスポットサイズ変換器においては、第二コアのモードフィールド径が４μｍ程度であるため、モードフィールド径が９μｍ程度の光ファイバーに接続すると高損失となってしまう。一方で、モードフィールド径が４μｍ程度の光ファイバーに接続すると、実装時の位置ずれに対する過剰損失が大きくなってしまう。
本発明は、このような問題に鑑みて、低損失な光学接続が可能で、且つ、実装時の位置ずれに対する過剰損失も小さくすることが可能な、スポットサイズ変換器及びその製造方法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】
【０００４】
本発明のスポットサイズ変換器は、第一コアを有する光導波路が積層され、切り欠き部を有する基板と、第一コアの断面積が、第一コアの光導波方向の終端部に向かって漸次減少するように形成されたコア縮小部と、縮小部の周囲を取り囲み、第一コアよりも屈折率が小さい材料からなる第二コアと、第二コアを取り囲み、第二コアよりも屈折率が小さい材料からなる周囲クラッドと、を備え、周囲クラッドのうち、第二コアの下部に形成される下部クラッドは、切り欠き部に形成される。
本発明のスポットサイズ変換器の製造方法は、光導波方向の終端部に向かって断面積が漸次減少する縮小部を有する第一コアと、縮小部の周囲を取り囲み、第一コアよりも屈折率の小さい材料からなる第二コアと、を有する光導波路を積層する積層工程と、第二コアの両端に側部クラッドを形成する側部クラッド形成工程と、第二コアの上部に上部クラッドを形成する上部クラッド形成工程と、第二コアの下部に下部クラッドを形成する下部クラッド形成工程と、を備え、下部クラッド形成工程は、第二コアの直下領域に位置する基板を切除することで切り欠き部を形成する基板切除工程を含む。
【発明の効果】
【０００５】
本発明におけるスポットサイズ変換器及びその製造方法により、低損失な光学接続が可能で、且つ、実装時の位置ずれに対する過剰損失も小さくすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
図１Ａは本発明に関連するスポットサイズ変換器の構成概略を示す上面図である。
図１Ｂは本発明に関連するスポットサイズ変換器の構成概略を示す図であり、図１Ａ中に示された線ａにおける断面図である。
図１Ｃは本発明に関連するスポットサイズ変換器の構成概略を示す図であり、図１Ａの右側面図である。
図２はスポットサイズ変換器と接続先光導波路との間に位置ずれが生じた際の過剰光学損失の計算結果を示す。
図３Ａは第二コアに形成されるモードの電界振幅プロファイルを示す図であり、第二コアのＥ１１モード（基本モード）の電界振幅プロファイルを示す。
図３Ｂは第二コアに形成されるモードの電界振幅プロファイルを示す図であり、第二コアのＥ１２モードの電界振幅プロファイルを示す。
図４Ａは本発明の第１の実施形態におけるスポットサイズ変換器の構成概略を示す上面図である。
図４Ｂは本発明の第１の実施形態におけるスポットサイズ変換器の構成概略を示す図であり、図４Ａ中に示された線ｂにおける断面図である。
図４Ｃは本発明の第１の実施形態におけるスポットサイズ変換器の構成概略を示す図であり、図４Ａの右側面図である。
図５Ａは本発明の第２の実施形態におけるスポットサイズ変換器の構成概略を示す上面図である。
図５Ｂは本発明の第２の実施形態におけるスポットサイズ変換器の構成概略を示す図であり、図５Ａ中に示された線ｃにおける断面図である。
図５Ｃは本発明の第２の実施形態におけるスポットサイズ変換器の構成概略を示す図であり、図５Ａの右側面図である。
図６Ａ−１は本発明の第２の実施形態におけるスポットサイズ変換器の製造方法を説明するための図であり、スポットサイズ変換器の右側面図である。
図６Ａ−２は本発明の第２の実施形態におけるスポットサイズ変換器の製造方法を説明するための図であり、スポットサイズ変換器の上面図である。
図６Ｂ−１は本発明の第２の実施形態におけるスポットサイズ変換器の製造方法を説明するための図であり、スポットサイズ変換器の右側面図である。
図６Ｂ−２は本発明の第２の実施形態におけるスポットサイズ変換器の製造方法を説明するための図であり、図６Ｂ−１に示す線ｄにおける断面図である。
図６Ｃは本発明の第２の実施形態におけるスポットサイズ変換器の製造方法を説明するための図であり、スポットサイズ変換器の右側面図である。
図７Ａは本発明の第２の実施形態におけるスポットサイズ変換器の他の製造方法を示す断面図である。
図７Ｂは本発明の第２の実施形態におけるスポットサイズ変換器の他の製造方法を示す断面図である。
図８Ａは本発明の第３の実施形態におけるスポットサイズ変換器の構成概略を示す上面図である。
図８Ｂは本発明の第３の実施形態におけるスポットサイズ変換器の構成概略を示す図であり、図８Ａ中に示された線ｅにおける断面図である。
図８Ｃは本発明の第３の実施形態におけるスポットサイズ変換器の構成概略を示す図であり、図８Ａの右側面図である。
図９は本発明の第３の実施形態におけるスポットサイズ変換器の製造方法の一例を示す断面図である。
図１０は本発明の第３の実施形態におけるスポットサイズ変換器の変形例の構成概略を示す断面図である。
図１１Ａは本発明の第４の実施形態におけるスポットサイズ変換器の構成概略を示す上面図である。
図１１Ｂは本発明の第４の実施形態におけるスポットサイズ変換器の構成概略を示す図であり、図１１Ａ中に示された線ｆにおける断面図である。
図１１Ｃは本発明の第４の実施形態におけるスポットサイズ変換器の構成概略を示す図であり、図１１Ａの右側面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図１に示されたスポットサイズ変換器１００において、低損失な光学接続を可能とし、且つ、実装時における位置ずれによる過剰損失を抑えるためには、シリコンコア１０３の光導波方向の終端部のコア幅を更に縮小し、第二コア１０５のサイズを９μｍ程度にまで大きくすれば足りるようにも思える。
しかしながら、このようなスポットサイズ変換器においては、光学損失が極端に大きいことが、発明者らによる数値計算を用いた伝播解析によって明らかになった。発明者らによる解析結果、及び、そのような結果となった原因として発明者らが考えるものについて、次に述べる。
発明者らは、図１に示すスポットサイズ変換器１００の寸法を変更したスポットサイズ変換器について、数値計算による解析を行った。解析の対象としたスポットサイズ変換器においては、埋め込み酸化膜層１０２の厚さは３μｍとし、シリコンコア１０３の厚さを１００ｎｍとした。コア縮小部１０４においては、シリコンコア１０３のコア幅を、１２００μｍかけて、４００ｎｍから２０ｎｍにまでテーパー状に縮小させた。また、第二コア１０５の断面サイズを高さ９μｍ幅９μｍに設定した。このスポットサイズ変換器について、数値計算による伝播解析を行った。その結果、電界の向きがＸ方向（導波路幅方向）であるＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）モードにおいて、全体の７７％もの光エネルギーが損失することが判明した。ここでの数値計算は、セミベクトル差分ビーム伝播法により行った。なお、シリコンの屈折率は３．４６とし、周囲クラッド１０７の屈折率は１．４６とした。なお、周囲クラッド１０７とは、第二コア１０５のクラッドとして機能し、第二上部クラッド１０６と、第二下部クラッドとしての埋め込み酸化膜層１０２と、からなる。また、第二コア１０５の屈折率は１．５０とし、第二コア１０５と周囲クラッド１０７の比屈折率差は、非特許文献２と同じく約３％としている。
光損失が大きくなる主な原因として、コア縮小部１０４を伝播する光エネルギーの多くが、第二コア１０５内に形成された高次導波モード（以下、高次モードとする）に結合することが考えられる。図３に、第二コア１０５におけるＥ１１モード（基本モード）と、光損失の主な原因となるＥ１２モード（高次モード）との、電界振幅プロファイルを示す。ここで、Ｅの１番目の添え字はＸ方向（導波路幅方向）の電界振幅プロファイルの腹の数、２番目の添え字はＹ方向（導波路高さ方向）の電界振幅プロファイルの腹の数を示している。
第二コア１０５のＥ１１モードへ結合した光エネルギーが、最終的に光ファイバー等の接続先導波路の導波モードへと結合することになる。ここで、第二コア１０５のサイズを、高さ９μｍ幅９μｍと大きくした場合、コア縮小部１０４を伝播する光のモードとＥ１１モードの重なり積分は小さくなる。そのため、図３Ａに示すＥ１１モードへ結合する光エネルギーは、２３％と小さくなる。一方、コアサイズが大きくなった第二コア１０５には１０種類以上の高次モードが発生し、例えば図３Ｂに示すＥ１２モードには、全体の４６％もの光エネルギーが結合する。
なお、重なり積分とは、電界の重なり積分のことを示す。例えば、モード１の電界をＥ１、モード２の電界をＥ２とすると、重なり積分は、伝播方向に垂直な断面（ＸＹ平面）において以下に示す式（１）の積分によって得られる。そして、重なり積分は、モード１とモード２の結合の強さを測る指標となる。
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このように、図１に示すスポットサイズ変換器において、コア収縮部１０４の終端部のコア幅を更に縮小し、第二コア１０５のコアサイズを大きくしただけでは、基本モードへの結合が減り、高次モードへの結合が増える。そのため、低損失なスポットサイズ変換器を形成することはできない。
この問題を解決する手段として、第二コア１０５と周囲クラッド１０７の比屈折率差を下げ、第二コア１０５における高次モードの発生を避けるという方法が考えられる。しかしながら、比屈折率差を下げると、第二コア１０５の基本モードの電界が、第二下部クラッド、すなわち埋め込み酸化膜層１０２へ大きく染み出す。そのため、埋め込み酸化膜層１０２の下に、シリコン等の高屈折材料からなる基板が存在する場合には、該基板への光エネルギーの漏洩を避けるため、埋め込み酸化膜層１０２を厚くすることが望ましい。あるいは、基板１０１を、第二コア１０５より低屈折率の材料から形成することが望ましい。
そこで、第二コア１０５と周囲クラッド１０７の比屈折率差を０．３％にまで落とし、さらに基板１０１の屈折率を周囲クラッド１０７と同じ１．４６に設定し、他は上記と同様の条件として、数値計算を行った。しかしながら、この場合においても、５１％の光エネルギーの損失が発生することがわかった。これは、たとえ比屈折率差が０．３％であってもＥ１２モードが発生し、全体の３４％の光エネルギーがＥ１２モードへと結合するためであると考えられる。一方、比屈折率差を０．３％よりさらに小さくすると、光を閉じ込める能力が弱くなり、比屈折率差のわずかな変化で基本モードのモードフィールド径が大きく変化してしまう。そのため、比屈折率差を０．３％より小さくするのは望ましくない。また、比屈折率差を小さくしただけでは、コア縮小部１０４を伝播する光のモードとＥ１１モードの重なり積分は依然として小さいままである。そのため、光エネルギーを効率的に基本モードへ結合させることはできない。
従って、第二コア１０５のコアサイズが大きくても低損失なスポットサイズ変換器を実現するには、コア縮小部１０４を伝播する光のモードと、第二コア１０５の基本モードとの重なり積分を大きくすることが根本的に必要であることが分かった。
これらの解析結果に基づき、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。しかしながら、係る形態は本発明の技術的範囲を限定するものではない。
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態におけるスポットサイズ変換器２００について、図４を用いて説明する。図４Ａは、スポットサイズ変換器２００の上面図である。図４Ｂは、図４Ａ中に示された線ｂにおける断面図である。図４Ｃは、図４Ａの右側面図である。なお、図４Ａにおいて点線で示した第一コア２０２と、コア縮小部２０３とは、図４Ｂに示すように実際には上面には露出していないが、位置を分かりやすくするために示したものである。図４Ｃにおいて点線で示したコア縮小部２０３についても同様である。
スポットサイズ変換器２００は、基板２０１と、第一コア２０２と、コア縮小部２０３と、第二コア２０４と、周囲クラッド２０５と、を有する。また、周囲クラッド２０５のうち、第二コア２０４の下部に形成される下部クラッド２０６は、基板２０１の一部が切り欠かれた領域（以下、切り欠き部２０７とする）に形成される。
基板２０１には、第一コア２０２を有する光導波路２０８が積層される。コア縮小部２０３は、第一コア２０２の断面積が、第一コア２０２の光導波方向の終端部に向かって漸次減少するように形成された部分である。ここで、断面積とは、第一コア２０２を、光導波方向に対して垂直となる方向に切断した際に露出する面積をいう。なお、このコア縮小部２０３は、スポットサイズ変換器２００の端面よりも手前で終端する。すなわち、コア縮小部２０３は、光導波方向における第二コア２０４の終端面よりも手前で終端する。第二コア２０４は、コア縮小部２０３の周囲を取り囲み、第一コア２０２よりも屈折率が小さい材料からなる。周囲クラッド２０５は、第二コア２０４を取り囲み、第二コア２０４よりも屈折率が小さい材料からなる。
次に、スポットサイズ変換器２００の作用について説明する。
第一コア２０２を伝搬する光の電界は、コア縮小部２０３の終端、すなわち第一コア２０２の終端部に近づくに従って、第一コア２０２から第二コア２０４へと大きく染み出していく。そして、光導波路２０８を伝搬する光の光エネルギーは、第二コア２０４と周囲クラッド２０５によって形成される導波モードに、次第に結合する。
ここで、本実施形態においては、第二コア２０４の下部に形成される下部クラッド２０６が、切り欠き部２０７に形成されている。すなわち、切り欠き部２０７を形成することによって、コア縮小部２０３の上方だけでなく、下方にも、第二コア２０４と周囲クラッド２０５とを形成した。そのため、図１に示すスポットサイズ変換器１００と比較して、第二コアの基本モード中心とコア縮小部とを近づけた構成とすることができる。その結果、コア縮小部２０３を伝搬する光のモードと、Ｅ１１モード（基本モード）との重なり積分は大きくなる。一方で、Ｅ１２モード（高次モード）は、Ｙ方向に腹が２つ存在する反対称モードである。そのため、コア縮小部２０３を伝搬する光のモードと、Ｅ１２モード（高次モード）との重なり積分は小さくなる。従って、第一コア２０２を伝搬する光の光エネルギーのほとんどは、第二コア２０４のＥ１１モードに結合するようになる。すなわち、スポットサイズ変換器２００を用いた場合、第二コアの基本モードへの光結合が増え、高次モードへの光結合は起こりにくい。
従って、スポットサイズ変換器２００においては、第二コアのモードフィールド径、すなわち接続端のモードフィールド径を大きくしても、光学損失を小さくすることができる。また、接続端のモードフィールド径を大きくすることが出来るので、光ファイバーなどの他の光部品に実装する場合における、実装時の位置ずれに対する過剰損失も小さくすることが可能となる。
以上のように、本実施形態におけるスポットサイズ変換器２００は、低損失な光学接続を可能とし、且つ、実装時の位置ずれに対する過剰損失も小さくすることが可能となる。
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態におけるスポットサイズ変換器３００について、図５を用いて説明する。図５Ａは、スポットサイズ変換器３００の上面図である。図５Ｂは、図５Ａ中に示された線ｃにおける断面図である。図５Ｃは、図５Ａの右側面図である。なお、図５Ａにおいて点線で示したシリコンコア３０３と、コア縮小部３０４と、第二側部クラッド３１１はいずれも、図５Ｂに示されるように実際には上面に露出していないが、位置を分かりやすくするために示したものである。図５Ｃにおいて点線で示すコア縮小部３０４についても同様である。
スポットサイズ変換器３００は、ＳＯＩ基板を備える。本実施形態におけるＳＯＩ基板は、シリコン基板３０１と、埋め込み酸化膜層（ＢＯＸ層）３０２と、シリコンコア３０３と、を有する。
シリコン基板３０１は、屈折率３．４６のシリコンから形成される。埋め込み酸化膜層３０２は、厚さ３μｍで、屈折率が１．４６４４のＳｉＯ２から形成される。シリコンコア３０３は、厚さ１００ｎｍで、屈折率が３．４６のシリコンから形成される。シリコンコア３０３は、埋め込み酸化膜層（ＢＯＸ層）３０２上のシリコン層を加工して、コア縮小部３０４を有するシリコン細線導波路とすることで形成される。コア縮小部３０４においては、シリコンコア３０３の断面積が、光導波方向の終端部に向かって漸次的に縮小している。本実施形態のコア縮小部３０４においては、１２００μｍかけて、シリコンコア３０３のコア幅を４００ｎｍから８０ｎｍにまでテーパー状に縮小している。
また、シリコンコア３０３の上部には、屈折率１．４６４４の石英系材料からなる、厚さ６μｍの第一上部クラッド３０５が形成されている。第一上部クラッド３０５は、コア縮小部３０４の周囲以外の領域では、シリコンコア３０３のオーバークラッドとして作用する。一方、光エネルギーが第二コア３０６へ移行する領域、すなわちコア縮小部３０４近傍においては、第一上部クラッド３０５と埋め込み酸化膜層３０２とによって、高さ９μｍ幅９μｍの第二コア３０６を構成する。さらに、第二コア３０６の直下となる領域には、シリコン基板３０１の一部が除去された領域である、切り欠き部３０７が形成される。また、第二コア３０６の両脇にはトレンチ３０８が形成される。そして、第一上部クラッド３０５上、切り欠き部３０７、トレンチ３０８にはそれぞれ、屈折率１．４６００の石英系材料が挿入される。これにより、第一上部クラッド３０５上には第二上部クラッド３０９が形成される。また、切り欠き部３０７には、第二下部クラッド３１０が形成される。トレンチ３０８には、第二側部クラッド３１１が形成される。そして、第二上部クラッド３０９と、第二下部クラッド３１０と、第二側部クラッド３１１とによって、第二コア３０６の周囲クラッド３１２が構成される。
ここで、第二コア３０６と周囲クラッド３１２との比屈折率差は０．３％となっている。なお、周囲クラッド３１２の厚さｄは、第二コア３０６に形成される基本モードの電界のほとんどが、第二コア３０６と周囲クラッド３１２に存在する状態になるために十分な厚さがあれば良い。
次に、本実施形態におけるスポットサイズ変換器３００の製造方法を、図６を用いて説明する。
初めに、シリコン基板３０１上に厚さ３μｍの埋め込み酸化膜層３０２と厚さ１００ｎｍのシリコン層を備えたＳＯＩ基板を用意する。そして、一般的なリソグラフィーによるマスク形成とエッチングによってシリコン層を加工し、コア縮小部３０４を有するシリコン細線導波路である、シリコンコア３０３を形成する。
次にＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等の堆積手法を用いて石英系材料を堆積させ、厚さ６μｍの第一上部クラッド３０５を形成する。そして、図６Ａ−１、図６Ａ−２に示すように、一般的なリソグラフィーによるマスク形成とエッチングによって、トレンチ３０８を形成する。なお、図６Ａ−２はスポットサイズ変換器３００の上面図であり、図６Ａ−１は右側面図である。
そして、トレンチ３０８からシリコン基板３０１のエッチング液もしくはエッチングガスを導入する。これにより、図６Ｂ−１、図６Ｂ−２に示すように、第二コア３０６の直下の位置にあるシリコン基板３０１をアンダーカットし、切り欠き部３０７を形成する。図６Ｂ−１は、スポットサイズ変換器３００の右側面図であり、図６Ｂ−２は図６Ｂ−１に示す線ｄにおける断面図である。ここで用いるエッチング液やエッチングガスは、第二コア３０６はほとんどエッチングせず、シリコン基板３０１のみを選択的にエッチングできるものを用いることが望ましい。
次に、トレンチ３０８に液状のＳＯＧ（Ｓｐｉｎ  ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）をスピンコートした後、ＳＯＧを固化させる。これにより、図６Ｃに示すように、切り欠き部３０７及びトレンチ３０８に石英系材料が挿入され、第二下部クラッド３１０と、第二側部クラッド３１１とが形成される。なお、ＳＯＧのスピンコートによって第二上部クラッド３０９も形成される。ここで、上部クラッド３０９の厚さが十分でない場合には、ＣＶＤ法やＳＯＧを用い石英系材料を更に堆積させて、上部クラッド３０９を厚くしてもよい。なお、切り欠き部３０７及びトレンチ３０８に石英系材料を挿入する方法としては、ＳＯＧのスピンコートの他、ディップコートなどの手法を用いることも可能である。
以上のようにして、本実施形態におけるスポットサイズ変換器３００が製造される。
次に、本実施形態において、切り欠き部３０７を形成し、該切り欠き部３０７に第二下部クラッド３１０を挿入することとした理由について述べる。
コア縮小部３０４を伝播する光のモードと、第二コア３０６の基本モードとの重なり積分を大きくする方法としては、次の方法が考えられる。すなわち、コア縮小部３０４の上方だけでなく、下方にも第二コアとなる層（以下、第二下部コア層とする）を形成し、第二コアの基本モード中心とコア縮小部とを近づける方法が考えられる。ここで、第二コアの断面（第二コアの光導波方向に垂直な断面）における屈折率分布が上下あるいは左右に非対称である場合、第二コアの基本モード中心と第二コアの断面中心とには多少のズレが生じる。但し、本実施形態においては、第二コアの基本モード中心と、第二コアの断面中心はほぼ一致するものとして説明する。そのため、第二コア３０６の基本モード中心とコア縮小部３０４の位置とを近づけるためには、第二コア３０６の高さを９μｍとした場合、厚さ約４．５μｍの第二下部コア層と、さらにその下部に形成される第二下部クラッドを形成すれば良い。しかしながら、基板上に形成される第二下部コア層や第二下部クラッドを厚くすると、製造コストが上昇するだけでなく、材料の熱膨張係数の違いから生じる応力や基板の反りが顕著になる。そのため、作製歩留りや光学特性に悪影響を及ぼす場合がある。また、一般的なＳＯＩ基板では、埋め込み酸化膜層の下はシリコン基板が形成されるが、シリコン基板の屈折率は、埋め込み酸化膜層よりも大きい。そのため、第二下部コア層を埋め込み酸化膜層とし、第二下部クラッドをシリコン基板とした場合、大きな光学損失が発生してしまう。そのため、ＳＯＩ基板をそのまま用いたスポットサイズ変換器において、コア縮小部を伝播する光のモードと、第二コアの基本モードとの重なり積分を大きくすることは難しい。
そこで、本実施形態におけるスポットサイズ変換器３００においては、切り欠き部３０７を形成した。そして、該切り欠き部３０７に、第二コア３０６よりも屈折率が低い材料からなる第二下部クラッド３１０を形成した。すなわち、本実施形態においては、シリコン基板を有するＳＯＩ基板を用いたスポットサイズ変換器であっても、コア縮小部３０４の下部に、第二下部コア層３１３と、第二下部コア層３１３よりも屈折率の低い材料からなる第二下部クラッド３１０とを、簡便に形成することができる。そのため、コア縮小部３０４を伝播する光のモードと、第二コア３０６の基本モードとの重なり積分を大きくすることが可能となる。また、切り欠き部３０７は、少なくともコア縮小部３０４の近傍に形成すれば良い。そのため、材料の熱膨張係数の違いから発生する応力や、基板の反りの発生を、最小限に抑えることができる。
以上のような理由から、本実施形態においては、切り欠き部３０７を形成し、該切り欠き部３０７に第二下部クラッド３１０を形成することとしたのである。
次に、本実施形態におけるスポットサイズ変換器３００の作用について説明する。シリコンコア３０３を伝播する光は、コア縮小部３０４の終端に近づくに従って、シリコンコア３０３から第二コア３０６への電界の染み出しが大きくなる。そして、シリコンコア３０３を伝播する光の光エネルギーは、第二コア３０６と周囲クラッド３１２とによって形成される導波モードへと次第に結合する。
本実施形態におけるスポットサイズ変換器３００では、切り欠き部３０７を設けることによって、コア縮小部３０４の上方だけでなく下方にも、第二コアと周囲クラッドとを厚く形成することが可能となる。そのため、図１に記載した関連するスポットサイズ変換器１００と比較して、第二コアの基本モード中心をコア縮小部に近づけることができる。その結果、コア縮小部３０４を伝播する光のモードと、第二コア３０６のＥ１１モード（第二コアの基本モード）との重なり積分は大きくなる。一方で、コア縮小部３０４を伝播する光のモードと第二コア３０６のＥ１２モード（高次モード）との重なり積分は小さくなる。従って、シリコンコア３０３を伝搬する光の光エネルギーのほとんどはＥ１１モードへ結合するようになる。これにより、接続端におけるモードフィールド径が大きくても、低損失なスポットサイズ変換器を実現することができる。
発明者らは、セミベクトル差分ビーム伝播法により、実際にスポットサイズ変換器３００の数値計算による伝播解析を行った。その結果、ＴＥモードにおいて、８９％の光エネルギーがＥ１１モードに結合し、光エネルギーの損失はわずか０．５ｄＢであることが分かった。
以上のように、本実施形態のスポットサイズ変換器３００を用いることで、低損失な光学接続が可能となる。また、第二コアのモードフィールド径を例えば９〜１０μｍまで大きくすることもできるので、実装時の位置ずれに対する過剰損失も小さくすることが可能となる。
さらに、切り欠き部３０７は、少なくとも第二コア３０６の直下となる領域に形成すれば良い。すなわち、基板全体にわたって、厚い下部クラッド層を形成する必要がない。そのため、本実施形態においては、材料の熱膨張係数の違いから発生する応力や、基板の反りの発生を、最小限に抑えることができる。
また、図６Ｂ−２に示す、切り欠き部３０７の厚さｅを十分確保することで、第二コア３０６に移行した光がシリコン基板３０１に漏洩することを防止することができる。
さらに、本実施形態においては、第二上部クラッド３０９と、第二下部クラッド３１０と、第二側部クラッド３１１とを、ＳＯＧのスピンコートや、ディップコートなどの手法によって、同じ材料で形成した。そのため、それぞれを異なる材料で形成する場合と比較して、製造工程を簡易にすることができる。
なお、本実施形態におけるスポットサイズ変換器３００の構成は、シリコン基板を有するＳＯＩ基板を用いることとしたが、これに限らない。すなわち、屈折率の大小関係が本実施形態と同様であれば、その材料の種類は問わない。例えば、シリコン基板を有するＳＯＩ基板の代わりに、石英系基板を有するＳＯＩ基板を用いても良い。また、シリコン基板３０１や石英系基板ではなく、ＩＩＩ−Ｖ族材料などからなる、化合物基板を用いることとしても良い。また、光導波路構造についても、材料については適宜変更可能である。例えば、シリコンコア３０３の代わりに、ガリウムインジウム砒素燐からなるコアを用いても良い。また、埋め込み酸化膜層３０２の代わりに、シリコンコア３０３よりも屈折率の低い他の材料からなる層を用いることとしても良い。
また、本実施形態においては、図５に示すように、第二上部クラッド３０９は、スポットサイズ変換器３００の上面全体に形成されることとしたが、これに限らない。例えば、図４に示すスポットサイズ変換器２００のように、第二コアの直上となる範囲にのみ、第二上部クラッド３０９を形成することとしても良い。
なお、スポットサイズ変換器３００を光ファイバーに接続する場合、第二コア３０６の屈折率と、光ファイバーのコアの屈折率とを同じにしておけば、両者の接続端での光の反射も抑制することが可能となる。
更に、本実施形態においては、シリコン基板３０１をエッチングによって切除することにより、切り欠き部３０７を形成することとしたが、これに限らない。例えば、シリコン基板３０１を、２段階に分けて製造することで、切り欠き部３０７を形成することとしても良い。具体的には、図７Ａに示すように、第一シリコン基板３１４上に、石英形材料を、マスク３１５として堆積する。そして、図７Ｂに示すように、第二シリコン基板３１６を成長させる。これにより、第一シリコン基板３１４と第二シリコン基板３１６を合わせたシリコン基板３０１は全体として、マスク３１５が堆積する領域に切り欠き部３０７を備えることができる。なお、マスク３１５は、第二下部クラッド３１０として機能させるために、埋め込み酸化膜層３０２よりも屈折率の小さい材料とする必要がある。
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態におけるスポットサイズ変換器４００について、図８を用いて説明する。図８Ａは、スポットサイズ変換器４００の上面図である。図８Ｂは、図８Ａ中に示された線ｅにおける断面図である。図８Ｃは、図８Ａの右側面図である。なお、図８Ａにおいて点線で示したシリコンコア４０３と、コア縮小部４０４と、第二側部クラッド４１１はいずれも、図８Ｂに示されるように実際には上面に露出していないが、位置を分かりやすくするために示したものである。図８Ｃにおいて点線で示すコア縮小部４０４についても同様である。
スポットサイズ変換器４００は、シリコン基板４０１と、厚さ３μｍの埋め込み酸化膜層（ＢＯＸ層）４０２と、シリコンコア４０３と、を有するＳＯＩ基板を備える。
また、シリコンコア４０３の光導波方向の終端部は、コア幅がテーパー状に縮小するコア縮小部４０４によって終端されている。
また、シリコンコア４０３の上部には、屈折率１．４６４４の石英系材料からなる、厚さ６μｍの第一上部クラッド４０５が形成されている。第一上部クラッド４０５は、コア縮小部４０４の周囲以外の領域では、シリコンコア４０３のオーバークラッドとして作用する。一方、光エネルギーが第二コア４０６へ移行する領域、すなわちコア縮小部４０４近傍においては、第一上部クラッド４０５と埋め込み酸化膜層４０２とによって、第二コア４０６を構成する。
第二コア４０６の直下となる領域には、シリコン基板４０１の一部が除去された領域である、切り欠き部４０７が形成される。また、第二コア４０６の両脇には、トレンチ４０８が形成される。そして、第一上部クラッド層４０５上、切り欠き部４０７、トレンチ４０８にはそれぞれ、第二コア４０６よりも屈折率の低い材料が挿入される。これにより、第一上部クラッド４０５上には、第二上部クラッド層４０９が形成される。また、切り欠き部４０７には、第二下部クラッド層４１０が形成される。また、トレンチ４０８には、第二側部クラッド層４１１が形成される。そして、第二上部クラッド層４０９と、第二下部クラッド層４１０と、第二側部クラッド層４１１とによって、第二コア４０６の周囲クラッド４１２が構成される。
ここで、本実施形態における切り欠き部４０７は、シリコン基板４０１が、上面（光導波路が積層される面）から裏面まで貫通して切除されている領域である。そのため、シリコン基板の裏面側からの堆積法により、第二下部クラッド４１０を形成することができる。これにより、第二下部クラッド４１０の材料の種類の選択肢が増えるという利点がある。また、切り欠き部４０７に、互いに屈折率の異なる複数の層を形成することも可能となる。更に、第二上部クラッド４０９及び第二側部クラッド４１１と、第二下部クラッド４１０とは、異なる材料で形成することが可能となる。すなわち、屈折率を独立に設定することができる。例えば、第二下部クラッド４１０の屈折率を、第二上部クラッド４０９の屈折率より大きくすれば、第二コア４０６中に形成される基本モードの中心を、シリコン基板４０１側へ偏らせることができる。そのため、埋め込み酸化膜層４０２の厚さが、第一上部クラッド層４０５の厚さよりも小さい場合であっても、第二コア４０６の基本モード中心を、コア縮小部４０４に近づけることができる。
次に、本実施形態におけるスポットサイズ変換器４００の製造手順を説明する。初めに、ＳＯＩ基板の埋め込み酸化膜層４０２上に形成された厚さ１００ｎｍのシリコン層を、一般的なリソグラフィーによるマスク形成とエッチングによって加工する。これにより、コア縮小部４０４を有するシリコン細線導波路からなる、シリコンコア４０３を形成する。
次に、ＣＶＤ法等の堆積手法により、埋め込み酸化膜層４０２及びシリコンコア４０３上に、シリコンコア４０３よりも屈折率の低い石英系材料からなる、厚さ６μｍの第一上部クラッド４０５を形成する。ここで、コア縮小部４０４の近傍に形成される埋め込み酸化膜層４０２及び第一上部クラッド４０５は、第二コア４０６を形成する。シリコンコア４０３を伝播する光の光エネルギーは、コア縮小部４０４近傍において、該第二コア４０６に移行する。
そして、一般的なリソグラフィーによるマスク形成とエッチングによって、第二コア４０６の両脇にトレンチ４０８を形成する。次に、第二コア４０６の上部及びトレンチ４０８に、ＣＶＤ法等の堆積手法を用いて石英系材料を堆積させる。これにより、第二上部クラッド４０９と、第二側部クラッド４１１とが形成される。
次に、一般的なリソグラフィーによるマスク形成とエッチングによって、シリコン基板４０１の裏面から、第二コア４０６の直下にあるシリコン基板４０１を切除し、切り欠き部４０７を形成する。その後、ＣＶＤ法等の堆積手法を用いて、シリコン基板４０１の裏面側から、切り欠き部４０７に石英系材料を堆積させ、第二下部クラッド４１０を形成する。
なお、石英系材料とシリコン基板４０１の熱膨張係数の差は大きい。そのため、切り欠き部４０７への堆積工程は、複数回に分けて、複数の材料を切り欠き部４０７に挿入する工程としてもよい。すなわち、切り欠き部４０７に挿入する石英系材料層は、第二下部クラッド４１０を形成するのに必要最小限の厚さにとどめ、残りはシリコン基板４０１との熱膨張係数の差が小さい材料を挿入する、あるいは空気層としても良い。
なお、シリコン基板４０１を裏面からエッチングした後に第二下部クラッド４１０を堆積する工程は、他の工程と前後しても構わない。
以上のようにして、スポットサイズ変換器４００が製造される。
なお、スポットサイズ変換器４００の製造方法は、上述した方法に限られず、例えば次に述べる方法によって製造することもできる。スポットサイズ変換器４００の製造方法の他の例を、図９を用いて説明する。図９を用いて説明する製造方法においては、上述した製造方法と比較して、切り欠き部４０７への第二下部クラッドの挿入の仕方を変更している。すなわち、切り欠き部４０７に第二下部クラッドを堆積する工程の代わりに、実装部材４１３を実装することで、第二下部クラッドを形成する。実装部材４１３は、光ファイバー等を固定する台座４１４と、台座４１４上に形成された第二下部クラッド４１５とを有する。第二下部クラッド４１５は、第二コア４０６よりも屈折率が小さい材料、例えば石英系材料からなる。なお、石英系材料の屈折率は、例えば、ＳｉＯ２に添加する添加物の量を制御することで調整する。屈折率の調整に使われる添加物としては、例えば、Ｂ、Ｐ、Ｇｅなどである。そして、この実装部材４１３を実装することによって、切り欠き部４０７に第二下部クラッド４１５が勘合される。
ここで、第二下部クラッド４１５と埋め込み酸化膜層４０２との間に空隙４１６が残る場合は、ここに屈折率を整合させるためのマッチングオイル等の材料をさらに追加しても良い。
なお、台座４１４に、光ファイバーや光回路チップを固定するための溝をあらかじめ設けておけば、これらを実装して、スポットサイズ変換器４００に接続する際の位置合わせを簡便に行うことができる。以上のようにして、スポットサイズ変換器４００を製造することも可能である。
次に、本実施形態におけるスポットサイズ変換器４００の作用について説明する。シリコンコア４０３を伝播する光の光エネルギーは、第二コア４０６と周囲クラッド４１２とによって形成される導波モードへと次第に結合する。
ここで、スポットサイズ変換器４００においては、切り欠き部４０７を設けることによって、コア縮小部４０４の上方だけでなく下方にも、第二コアと周囲クラッドを形成している。そのため、図１に記載した関連するスポットサイズ変換器１００と比較して、第二コアの基本モード中心をコア縮小部に近づけることができる。その結果、コア縮小部を伝播する光のモードと、第二コアのＥ１１モード（基本モード）との重なり積分は大きくなる。一方で、コア縮小部を伝播する光のモードと、第二コアのＥ１２モード（高次モード）との重なり積分は小さくなる。従って、シリコンコア４０３を伝搬する光の光エネルギーのほとんどはＥ１１モードへ結合するようになる。これにより、スポットサイズ変換器４００においては、スポットサイズ変換器３００と同様に、接続端におけるモードフィールド径が大きくても、低損失とすることができる。また、第二コアのモードフィールド径を例えば９〜１０μｍまで大きくすることもできるので、実装時の位置ずれに対する過剰損失も小さくすることが可能となる。
また、本実施形態においては、切り欠き部４０７を、シリコン基板４０１を裏面から上面まで貫通して切除ことで形成している。そのため、切り欠き部４０７を、シリコン基板４０１の裏面からのエッチング等によって形成することができるので、製造方法が簡易である。また、上述したように、切り欠き部４０７に形成する層の材料や、層数を適宜設定することができ、設計の自由度が上がる。すなわち、切り欠き部４０７に挿入する材料の屈折率の微調整が可能となるため、第二コアの基本モードの中心を微調整することができる。
更に、本実施形態においては、切り欠き部４０７に、第二下部クラッド層４１０のみを形成することとしたが、これに限らない。例えば、図１０に示すように、切り欠き部４０７に、第二下部クラッド層４１０と、第二下部コア層４１７の一部を形成することとしても良い。第二下部コア層４１７とは、第二コア４０６のうち、シリコンコア４０３の下部に形成される層を示し、埋め込み酸化膜層４０２が含まれる。ここで、埋め込み酸化膜層４０２は通常、３μｍよりも大きくすることは難しい。これは、埋め込み酸化膜層４０２を３μｍよりも厚く形成した場合、製造コストが上がるだけでなく、基板の反りが発生し易くなってしまうためである。そのため、埋め込み酸化膜層４０２は、第一上部クラッド層４０５の厚さよりも小さくなる場合がある。そこで、切り欠き部４０７に、埋め込み酸化膜層４０２と連続するように、第二下部コア層４１７の一部となる層を形成することで、第二下部コア層４１７の全体としての厚みを、第一上部クラッド層４０５の厚みと揃えることが可能となる。これにより、第二コア４０６の基本モード中心を、コア縮小部４０４に更に近づけることができる。
［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態におけるスポットサイズ変換器５００について、図１１を用いて説明する。図１１Ａは、スポットサイズ変換器５００の上面図である。図１１Ｂは、図１１Ａ中に示された線ｆにおける断面図である。図１１Ｃは、図１１Ａの右側面図である。なお、図１１Ａにおいて点線で示したシリコンコア５０２と、コア縮小部５０３と、第二側部クラッド５０６はいずれも、図１１Ｂに示されるように実際には上面に露出していないが、位置を分かりやすくするために示したものである。図１１Ｃにおいて点線で示すコア縮小部５０３についても同様である。
本実施形態におけるスポットサイズ変換器５００は、石英系基板５０１と、シリコンコア５０２と、を有するＳＯＩ基板を備える。
コア収縮部５０３、第一上部クラッド５０４、第二上部クラッド５０５、第二側部クラッド５０６については、それぞれ、第３の実施形態のスポットサイズ変換器４００において対応する部分と同様の構造であるので、説明は省略する。
スポットサイズ変換器５００は、石英系基板５０１が一部切除された、切り欠き部５０７を有する。この切り欠き部５０７の上部には、切除されずに残った石英系基板の一部（以下、基板残留部５０８とする）が存在する。すなわち、スポットサイズ変換器５００においては、スポットサイズ変換器４００のように、基板を裏面から上面まで貫通させて切除するのではなく、基板の上面側の一部を残した状態としている。そして、コア縮小部５０３近傍における、基板残留部５０８と、第一上部クラッド５０４とが、第二コア５０９を形成する。更に、切り欠き部５０７には、石英系基板５０１よりも屈折率の小さい材料からなる、第二下部クラッド５１０を形成する。そして、第二上部クラッド５０５と、第二側部クラッド５０６と、第二下部クラッド５１０とで、周囲クラッド５１１を形成する。
次に、スポットサイズ変換器５００の製造手順を説明する。初めに、石英系基板５０１上に形成された１００ｎｍのシリコン層を、一般的なリソグラフィーによるマスク形成とエッチングによって、加工する。これにより、コア縮小部５０３を有するシリコン細線導波路からなる、シリコンコア５０２を形成する。
次に、ＣＶＤ法等の堆積手法を用いて、石英系基板５０１及びシリコンコア５０２上に石英系材料を堆積させ、厚さ６μｍの第一上部クラッド５０４を形成する。そして、一般的なリソグラフィーによるマスク形成とエッチングによって、トレンチ５１２を形成する。
次にＣＶＤ法等の堆積手法を用いて、第一上部クラッド５０４の上部に石英系材料を堆積させることで、第二上部クラッド５０５を形成する。また、トレンチ５１２にも石英系材料を堆積させることで、第二側部クラッド層５０６を形成する。
次に、一般的なリソグラフィーによるマスク形成とエッチングによって、石英系基板５０１の裏面から、第二コア５０９の直下に位置する石英系基板５０１を切除する。これにより、切り欠き部５０７を形成する。なお、石英系基板５０１の裏面からエッチングを開始するが、上面に達するまでエッチングはせずに、厚さ３μｍの基板残留部５０８を残す。
その後、石英系基板５０１の裏面から、ＣＶＤ法等の堆積手法を用いて、切り欠き部５０７に、石英系基板５０１よりも屈折率の低い材料を堆積させる。これにより、第二下部クラッド５１０を形成する。例えば、石英系基板５０１を構成する石英系材料よりも屈折率の低い石英系材料を堆積させることで、第二下部クラッド５１０を形成する。ここで、第３の実施形態と同様に、基板裏面からの堆積工程は、複数回に分けて、複数の材料を切り欠き部５０７に挿入する工程としてもよい。
なお、石英系基板５０１の裏面からのエッチングと、第二下部クラッド５１０を形成する工程は、他の工程と前後しても構わない。
以上のようにして、スポットサイズ変換器５００は製造される。
なお、本実施形態と、第２の実施形態と、第３の実施形態とではそれぞれ、切り欠き部の形成方法が異なるが、いずれの方法も、現在の半導体微細加工技術を用いて実現可能な方法である。
次に、本実施形態におけるスポットサイズ変換器５００の作用について説明する。シリコンコア５０２を伝播する光の光エネルギーは、第二コア５０９と周囲クラッド５１１とによって形成される導波モードへと次第に結合する。
ここで、スポットサイズ変換器５００においては、切り欠き部５０７を設けることによって、コア縮小部５０３の上方だけでなく下方にも、第二コア５０９と第二下部クラッド層５１０を形成した。そのため、石英系基板を用いたスポットサイズ変換器５００においても、シリコン基板を用いたスポットサイズ変換器３００、４００と同様に、低損失な光学接続が可能で、且つ、実装時の位置ずれに対する過剰損失も小さくすることが可能となる。
以上、図面を参照しながら本発明に係る実施形態について説明したが、本発明は係る実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、第２乃至第４の実施形態におけるコア縮小部は、コア幅が徐々に縮小する形態としたが、これに限らない。すなわち、コア高さを縮小する形態や、コア幅とコア高さの両方を縮小する形態を採用しても良い。
また、コア縮小部と第二コアの基本モード中心は近い方が、コア縮小部を伝播する光のモードと、第二コアの基本モードとの重なり積分は大きくなり、光学損失も低減される。ここで、一般的にＳＯＩ基板の埋め込み酸化層の厚さは、製造コストや基板の反りの観点から、３μｍ以下に設計される。そのため、第２乃至第４の実施形態においては、コア縮小部は、第二コア断面中心よりも少し基板側寄りとなっている。しかしながら、このようにコア縮小部と第二コア断面中心が多少離れていたとしても、コア縮小部を伝播する光のモードと、第二コアの基本モードとの重なり積分を十分に大きくすることが出来るので、光学損失は十分に低減できる。コア縮小部と第二コアの断面中心をどこまで近づければよいかは、達成したい光学損失目標と、第二コアと周囲クラッドの比屈折率差に応じて適宜決めればよい。なお、第二コアの形成によって、スポットサイズ変換器を含む光回路チップの表面上に大きな段差が生じるのを避けたい場合は、コア縮小部を、第二コアの断面中心よりも光動波路の上面側へ寄せた構成としてもよい。
また、第２の実施形態において、第二コア３０６を構成する埋め込み酸化膜層３０２と第一上部クラッド３０５の屈折率は同じものとしたが、これに限らない。すなわち、埋め込み酸化膜層３０２と第一上部クラッド層３０５とが、第二コア３０６として機能すれば、両者の屈折率に多少の差があってもよい。第３及び第４の実施形態においても同様である。
また、第２乃至第４の実施形態の切り欠き部には、石英系材料が挿入されているが、これに限らない。すなわち、切り欠き部に挿入する材料は、第二コアの周囲クラッドの一部として機能すればよいので、第二コアよりも屈折率の小さい材料であれ良い。例えばポリマー材料であってもよいし、空気であってもよい。
更に、第２乃至第４の実施形態では、第一コアとして、シリコンコアを備えたＳＯＩ基板を用いたが、これに限らない。例えば、ＩＩＩ−Ｖ族材料からなる化合物や石英系材料からなるコア層を用いてもよい。また、基板においても、シリコン基板や石英系基板に限らず、ＩＩＩ−Ｖ族材料からなる化合物を用いてもよい。このように、本発明においては、第１の実施形態に示す、屈折率の大小関係が適切に形成されていれば、各構成要素の材料の種類は問わない。
また、第二コアの周囲クラッドは、少なくとも第二コア近傍に存在すればよい。従って、第二上部クラッド層は、スポットサイズ変換を有する光回路チップの全面にわたって形成されていても良いし、第二コア近傍のみに形成されていても良い。同様に、切り欠き部も、第二コア近傍にのみ形成されていても良いし、第二コア近傍よりも広い領域にわたって形成されていてもよい。
また、第２乃至第４の実施形態においては、スポットサイズ変換器を、モードフィールド径が９〜１０μｍ程度の一般的なシングルモード光ファイバーに接続することを想定し、第二コアの幅及び高さを９μｍとしたが、これに限らない。すなわち、スポットサイズ変換器の接続先の光導波路は、モードフィールド径がより大きい光ファイバーであっても良い。この場合、接続先の光ファイバーのモードフィールド径に応じて、第二コアの幅や高さを適宜変更する。また、スポットサイズ変換器の接続先の光導波路は、光ファイバーの光導波路に限られず、別の光回路チップ上に作製された光導波路でもよい。
更に、第２乃至第４の実施形態においては、切り欠き部の形成方法を３通り示した。すなわち、第２の実施形態においては、切り欠き部が基板の上面側にのみ形成され、第３の実施形態においては、切り欠き部が基板の裏面から上面まで貫通して形成され、第４の実施形態においては、切り欠き部が基板の裏面側にのみ形成されている。これらいずれの形成方法を採用するかについては、用いる材料やスポットサイズ変換器の使用態様に応じて、適宜設定可能である。
上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１）第一コアを有する光導波路が積層され、切り欠き部を有する基板と、前記第一コアの断面積が、前記第一コアの光導波方向の終端部に向かって漸次減少するように形成されたコア縮小部と、前記縮小部の周囲を取り囲み、前記第一コアよりも屈折率が小さい材料からなる第二コアと、前記第二コアを取り囲み、前記第二コアよりも屈折率が小さい材料からなる周囲クラッドと、を備え、前記周囲クラッドのうち、前記第二コアの下部に形成される下部クラッドは、前記切り欠き部に形成されることを特徴とする、スポットサイズ変換器。
（付記２）前記下部クラッドは、前記切り欠き部に、前記第二コアよりも屈折率が小さい材料からなる層が複数積層することで形成されることを特徴とする、付記１に記載のスポットサイズ変換器。
（付記３）前記周囲クラッドは、前記下部クラッドと、前記第二コアの上部に形成される上部クラッドと、前記第二コアの両側部に形成される側部クラッドと、を有し、前記下部クラッドと、前記上部クラッドと、前記側部クラッドとは、同じ材料で形成されることを特徴とする、付記１または２に記載のスポットサイズ変換器。
（付記４）前記基板は、前記第二コアの直下領域において、前記基板の裏面から表面まで貫通するように切り欠かれていることを特徴とする、付記１乃至３のいずれか一つに記載のスポットサイズ変換器。
（付記５）前記第二コアのうち、前記第一コアの下部に形成される第二下部コア層の一部は、前記切り欠き部に形成されることを特徴とする、付記１乃至４のいずれか一つに記載のスポットサイズ変換器。
（付記６）前記基板はシリコン基板であり、前記シリコン基板上にはシリコン酸化膜層が形成され、前記第一コアは、前記シリコン酸化膜層上に形成されたシリコンコアであり、前記第二コアのうち、前記第一コアの下部に形成される第二下部コア層は、少なくとも前記シリコン酸化膜層を含むことを特徴とする、付記１乃至５のいずれか一つに記載のスポットサイズ変換器。
（付記７）前記第二コアのうち、前記第一コアの下部に形成される第二下部コア層は、前記基板の一部から構成されることを特徴とする、付記１乃至５のいずれか一つに記載のスポットサイズ変換器。
（付記８）前記基板は石英基板であり、前記第一コアはシリコンコアであることを特徴とする、付記７に記載のスポットサイズ変換器。
（付記９）前記コア縮小部は、光導波方向における前記第二コアの終端面よりも手前で終端することを特徴とする、付記１乃至８のいずれか一つに記載のスポットサイズ変換器。
（付記１０）光導波方向の終端部に向かって断面積が漸次減少する縮小部を有する第一コアと、前記縮小部の周囲を取り囲み、前記第一コアよりも屈折率の小さい材料からなる第二コアと、を有する光導波路を積層する積層工程と、前記第二コアの両端に側部クラッドを形成する側部クラッド形成工程と、前記第二コアの上部に上部クラッドを形成する上部クラッド形成工程と、前記第二コアの下部に下部クラッドを形成する下部クラッド形成工程と、を備え、前記下部クラッド形成工程は、前記第二コアの直下領域に位置する基板を切除することで切り欠き部を形成する基板切除工程を含むことを特徴とする、スポットサイズ変換器の製造方法。
（付記１１）前記下部クラッド形成工程は、前記切り欠き部に、前記第二コアよりも屈折率の低い材料からなる層を複数積層する工程を含むことを特徴とする、付記１０に記載のスポットサイズ変換器の製造方法。
（付記１２）前記側部クラッド形成工程は、前記第二コアの両端にトレンチを形成するトレンチ形成工程を含み、前記基板切除工程は、前記トレンチにエッチング材料を導入して、前記第二コアの直下領域に位置する基板を切除する工程を含むことを特徴とする、付記１０または１１に記載のスポットサイズ変換器の製造方法。
（付記１３）前記基板切除工程は、前記基板を、前記光導波路が形成されていない裏面からエッチングする工程を含むことを特徴とする、付記１２に記載のスポットサイズ変換器の製造方法。
（付記１４）前記下部クラッド形成工程は、実装部材を実装する実装工程を含み、前記実装部材は、台座と、前記台座上に形成され、前記第二コアよりも屈折率の低い材料からなる下部クラッドと、を備え、前記実装工程は、前記切り欠き部に、前記下部クラッドを勘合させる工程を含むことを特徴とする、付記１０に記載のスポットサイズ変換器の製造方法。
この出願は、２０１１年２月２１日に出願された日本出願特願２０１１−０３４７８４を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【符号の説明】
【０００８】
１００    関連するスポットサイズ変換器
２００、３００、４００、５００    スポットサイズ変換器
１０１、２０１    基板
３０１、４０１    シリコン基板
１０２、３０２、４０２    埋め込み酸化膜層
１０３、３０３、４０３、５０２    シリコンコア
１０４、２０３、３０４、４０４、５０３    コア縮小部
１０５、２０４、３０６、４０６、５０９    第二コア
１０６、３０９、４０９、５０５    第二上部クラッド
１０７、２０５、３１２、４１２    周囲クラッド
２０２    第一コア
２０６    下部クラッド
３１０、４１０、４１５、５１０    第二下部クラッド
２０７、３０７、４０７、５０７    切り欠き部
２０８    光導波路
３０５、４０５、５０４    第一上部クラッド
３０８、４０８、５１２    トレンチ
３１１、４１１、５０６    第二側部クラッド
３１３、４１７    第二下部コア層
３１４    第一シリコン基板
３１５    マスク
３１６    第二シリコン基板
４１３    実装部材
４１４    台座
５０１    石英系基板
５０８    基板残留部
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ−１】
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【図６Ａ−２】
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【図６Ｂ−１】
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【図６Ｂ−２】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【国際調査報告】
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