(57)【要約】【課題】製造プロセスが簡単で、小さなサイズで光スポットサイズを大きく拡大でき、高い結合効率を実現できる光導波路径拡大回路、製造方法、光導波路型装置を提供する。【解決手段】光導波路径拡大回路は、支持基板層１と、酸化膜層２と、単結晶シリコン膜から形成された光導波路層３ａとグレーティング３ｂと、光導波路層３ａ及びグレーティング３ｂを覆うように形成されたオーバークラッド層４と、オーバークラッド層４側を光反射面とする光反射膜５と、支持基板層１の下面における光の反射を抑制する反射防止膜６とを有し、光導波路層３ａの外向き端部が第１の入出力端７であり、反射防止膜６の下面が第１の入出力端７よりも大径の光を入出力する第２の入出力端８である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板からなる支持基板層と、
前記支持基板層の上面に直接備えられたシリコン酸化膜からなる酸化膜層と、
前記酸化膜層の上面に直接備えられた単結晶シリコン膜から形成され、光回路に光学的に接続される第１の端部と該第１の端部の反対側の第２の端部とを有する光導波路層と、
前記酸化膜層の上面に直接備えられた前記単結晶シリコン膜の格子パターンから形成され、前記光導波路層の前記第２の端部に対向配置され、前記光導波路層から離れるほど前記単結晶シリコン膜の格子パターンが幅広になり、前記単結晶シリコン膜の格子パターンの最も幅広の部分の幅は前記光導波路層の幅よりも広いグレーティングと、
前記光導波路層及び前記グレーティングを覆うように形成されたオーバークラッド層と、
前記グレーティングの上方の前記オーバークラッド層上に形成され、前記オーバークラッド層側を光反射面とする光反射膜と、
前記グレーティングの下方の前記支持基板層の下面に備えられ、前記支持基板層の前記下面における光の反射を抑制する反射防止膜と
を有し、
前記グレーティングの下方の前記反射防止膜の下面が、前記光導波路層のサイズより大径の光を入出力する入出力端となるように、前記グレーティング、前記オーバークラッド層、及び前記光反射膜を構成した
ことを特徴とする光導波路径拡大回路。
【請求項２】
前記支持基板層、前記酸化膜層、前記光導波路層、及び前記グレーティングは、前記シリコン基板と、該前記シリコン基板上の前記シリコン酸化膜と、該シリコン酸化膜上の前記単結晶シリコン膜とからなるＳＯＩ基板から形成されることを特徴とする請求項１に記載の光導波路径拡大回路。
【請求項３】
前記酸化膜層の上面の前記光導波路層の外側及び前記グレーティングの凹部は、前記オーバークラッド層で埋められることを特徴とする請求項１又は２に記載の光導波路径拡大回路。
【請求項４】
前記酸化膜層の上面の前記光導波路層の外側及び前記グレーティングの凹部には、前記光導波路層及び前記グレーティングよりも薄い前記単結晶シリコン膜から形成された層が備えられることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光導波路径拡大回路。
【請求項５】
前記光導波路層のサイズは、厚さ３００ｎｍで幅３００ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光導波路径拡大回路。
【請求項６】
前記グレーティングの最大幅は、１００μｍであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光導波路径拡大回路。
【請求項７】
前記グレーティングの長さは、１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光導波路径拡大回路。
【請求項８】
前記グレーティングのグレーティングピッチは、０．５μｍから１μｍまでの範囲内の一定のピッチであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光導波路径拡大回路。
【請求項９】
前記グレーティングのグレーティングピッチのデューティー比は５０％であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光導波路径拡大回路。
【請求項１０】
前記オーバークラッド層は、シリコン酸化膜からなることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光導波路径拡大回路。
【請求項１１】
前記オーバークラッド層の膜厚は、１μｍ以上であることを特徴とする請求項１０に記載の光導波路径拡大回路。
【請求項１２】
前記光反射膜は、金で形成された層、又は、金で形成された層と銀で形成された層の積層層であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光導波路径拡大回路。
【請求項１３】
前記反射防止膜は、屈折率が１．８の材料で形成されたことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光導波路径拡大回路。
【請求項１４】
前記反射防止膜は、酸化ハフニウム又は五酸化タンタルであることを特徴とする請求項１３に記載の光導波路径拡大回路。
【請求項１５】
シリコン基板と該シリコン基板の上面に直接備えられたシリコン酸化膜と該シリコン酸化膜の上面に直接備えられた単結晶シリコン膜とからなるＳＯＩ基板の単結晶シリコン膜を部分的にエッチングすることによって、前記単結晶シリコン膜からなり第１の端部と第２の端部を有する光導波路層と、前記光導波路層の前記第２の端部に対向配置され前記光導波路層から離れるほど幅広になり、前記単結晶シリコン膜の格子パターンの最も幅広の部分の幅が前記光導波路層の幅よりも広い前記単結晶シリコン膜からなるグレーティングとを形成するステップと、
前記光導波路層及び前記グレーティングを覆うようにオーバークラッド層を形成するステップと、
前記グレーティングの上方の前記オーバークラッド層上に、前記オーバークラッド層側を光反射面とする光反射膜を形成するステップと、
前記グレーティングの下方の前記シリコン基板の下面に備えられ、前記シリコン基板の前記下面における光の反射を抑制する反射防止膜を形成するステップと
を有し、
前記グレーティング、前記オーバークラッド層、及び前記光反射膜を形成する前記ステップにおいて、前記グレーティングの下方の前記反射防止膜の下面が、前記光導波路層のサイズより大径の光を入出力する入出力端となるように、前記グレーティング、前記オーバークラッド層、及び前記光反射膜を構成した
ことを特徴とする光導波路径拡大回路の製造方法。
【請求項１６】
請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の光導波路径拡大回路と、
前記光導波路径拡大回路の前記光導波路の前記第１の入出力端に光学的に接続された光回路と
を有することを特徴とする光導波路型装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光送受信機などに使用される光導波路型装置（光デバイス）に備えられる光導波路径拡大回路及びその製造方法、並びに、光導波路径拡大回路を含む光導波路型装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光導波路型デバイスに光ファイバを光学的に結合する方法として、光導波路型デバイスの光入出力端に光ファイバをできるだけ近づけて結合させる方法、又は、ボールレンズなどの部品を介して結合させる方法がある。通常、光導波路型デバイスの光入出力端と光ファイバとを光学的に結合するには、高精度（例えば、数十ｎｍの精度）に両者の位置合わせを行なってから光ファイバを固定する必要がある。
【０００３】
このような高精度の位置合わせを回避する技術が、例えば、特許文献１及び非特許文献１に開示されている。特許文献１には、テーパ状のコア層薄膜からなるスポットサイズ変換用の光導波路を用いて光導波路の断面積を大きくし、光ファイバとの結合を容易にする方法が示されている。また、非特許文献１には、平面形のテーパ状の光導波路とグレーティングの組み合わせによって光スポットサイズを大きくするとともに、グレーティングの上方に光を取り出して光ファイバとの結合を容易にする方法が示されている。
【０００４】
【特許文献１】特許３６０７１２９号公報（段落００１８、図１）
【非特許文献１】Ｆｒｅｄｅｒｉｋ  Ｖａｎ  Ｌａｅｒｅほか、  “Ｃｏｍｐａｃｔ  ａｎｄ  Ｈｉｇｈｌｙ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｃｏｕｐｌｅｒｓ  Ｂｅｔｗｅｅｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒ  ａｎｄ  Ｎａｎｏｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ”、  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、  Ｖｏｌ．２５、  Ｎｏ．１、  ２００７年１月、  ｐｐ．１５１−１５６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に示されるスポットサイズ変換用の光導波路の製造プロセスは複雑であり、また、スポットサイズ変換用の光導波路のサイズが大きくなるという問題がある。
【０００６】
また、非特許文献１に示される構造は、光導波路の下地層に高分子薄膜や金属反射膜などの層をあらかじめ形成しておく必要があり、製造プロセスが複雑であり、大量生産には向かないという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、上記従来技術を解決するためになされたものであり、その目的は、製造プロセスが簡単で、小さなサイズで光スポットサイズを大きく拡大でき、高い結合効率を実現できる光導波路径拡大回路、その製造方法、及び光導波路型装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の光導波路径拡大回路は、シリコン基板からなる支持基板層と、前記支持基板層の上面に直接備えられたシリコン酸化膜からなる酸化膜層と、前記酸化膜層の上面に直接備えられた単結晶シリコン膜から形成され、光回路に光学的に接続される第１の端部と該第１の端部の反対側の第２の端部とを有する光導波路層と、前記酸化膜層の上面に直接備えられた前記単結晶シリコン膜の格子パターンから形成され、前記光導波路層の前記第２の端部に対向配置され、前記光導波路層から離れるほど前記単結晶シリコン膜の格子パターンが幅広になり、前記単結晶シリコン膜の格子パターンの最も幅広の部分の幅は前記光導波路層の幅よりも広いグレーティングと、前記光導波路層及び前記グレーティングを覆うように形成されたオーバークラッド層と、前記グレーティングの上方の前記オーバークラッド層上に形成され、前記オーバークラッド層側を光反射面とする光反射膜と、前記グレーティングの下方の前記支持基板層の下面に備えられ、前記支持基板層の前記下面における光の反射を抑制する反射防止膜とを有し、前記グレーティングの下方の前記反射防止膜の下面が、前記光導波路層のサイズより大径の光を入出力する入出力端となるように、前記グレーティング、前記オーバークラッド層、及び前記光反射膜を構成したことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の光導波路径拡大回路の製造方法は、シリコン基板と該シリコン基板の上面に直接備えられたシリコン酸化膜と該シリコン酸化膜の上面に直接備えられた単結晶シリコン膜とからなるＳＯＩ基板の単結晶シリコン膜を部分的にエッチングすることによって、前記単結晶シリコン膜からなり第１の端部と第２の端部を有する光導波路層と、前記光導波路層の前記第２の端部に対向配置され前記光導波路層から離れるほど幅広になり、前記単結晶シリコン膜の格子パターンの最も幅広の部分の幅が前記光導波路層の幅よりも広い前記単結晶シリコン膜からなるグレーティングとを形成するステップと、前記光導波路層及び前記グレーティングを覆うようにオーバークラッド層を形成するステップと、前記グレーティングの上方の前記オーバークラッド層上に、前記オーバークラッド層側を光反射面とする光反射膜を形成するステップと、前記グレーティングの下方の前記シリコン基板の下面に備えられ、前記シリコン基板の前記下面における光の反射を抑制する反射防止膜を形成するステップとを有し、前記グレーティング、前記オーバークラッド層、及び前記光反射膜を形成する前記ステップにおいて、前記グレーティングの下方の前記反射防止膜の下面が、前記光導波路層のサイズより大径の光を入出力する入出力端となるように、前記グレーティング、前記オーバークラッド層、及び前記光反射膜を構成したことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の光導波路型装置は、上記光導波路径拡大回路と、前記光導波路径拡大回路の前記光導波路の前記第１の入出力端に光学的に接続された光回路とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の光導波路径拡大回路又は光導波路型装置によれば、製造プロセスが簡単であり、小さなサイズで光スポットサイズを大きく拡大でき、高い結合効率を実現できるという効果がある。
【００１２】
また、本発明の光導波路径拡大回路の製造方法によれば、小さなサイズで光スポットサイズを大きく拡大でき、高い結合効率を実現できる光導波路径拡大回路を簡単な製造プロセスで製造できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、本発明の実施の形態に係る光導波路径拡大回路の構成の概略を示す断面図である。また、図２は、本実施の形態に係る光導波路径拡大回路の構成の概略を示す平面図であり、図３は、本実施の形態に係る光導波路径拡大回路の光導波路及びグレーティングの構成の概略を示す平面図である。なお、図１は、図２をＳ１−Ｓ１線で切る概略的な断面図である。
【００１４】
図１乃至図３に示されるように、本実施の形態に係る光導波路径拡大回路は、シリコン基板からなる支持基板層１と、支持基板層１の上面に直接備えられたシリコン酸化膜からなる酸化膜層２と、酸化膜層２の上面に直接備えられた単結晶シリコン膜から形成され、光回路（例えば、後述する図６に符号１１で示す。）に光学的に接続される第１の端部７ａと該第１の端部７ａの反対側の第２の端部７ｂとを有する光導波路層３ａと、酸化膜層２の上面に直接備えられた単結晶シリコン膜の格子パターンから形成され、光導波路層３ａの第２の端部７ｂに対向配置されたグレーティング３ｂとを有している。また、本実施の形態に係る光導波路径拡大回路は、光導波路層３ａ及びグレーティング３ｂを覆うように形成されたオーバークラッド層４と、グレーティング３ｂの上方のオーバークラッド層４上に形成され、オーバークラッド層４側を光反射面とする光反射膜５と、グレーティング３ｂの下方の支持基板層１の下面に備えられ、支持基板層１の下面における光の反射を抑制する反射防止膜（ＡＲ膜）６とを有している。図２及び図３に示されるように、グレーティング３ｂは光導波路層３ａから離れるほど単結晶シリコン膜の格子パターンが幅広になり、単結晶シリコン膜の格子パターンの最も幅広の部分の幅（図３に示す幅Ｗ１）は光導波路層３ａの幅（図３に示す幅Ｗ０）よりも広い。また、グレーティング３ｂの下方の反射防止膜６の下面が、光導波路層３ａのサイズより大径の光を入出力する入出力端となるように、グレーティング３ｂ、オーバークラッド層４、及び光反射膜５を構成している。グレーティング３ｂ、オーバークラッド層４、及び光反射膜５の詳細は、後述する。
【００１５】
支持基板層１、酸化膜層２、光導波路層３ａ、及びグレーティング３ｂは、シリコン基板と、該シリコン基板上のシリコン酸化膜と、該シリコン酸化膜上の単結晶シリコン膜とからなるＳＯＩ基板（後述する図４（ａ）に示す符号９）から形成される。支持基板層１の厚さは、例えば、６２３μｍであり、酸化膜層２の厚さは、例えば、２μｍであり、光導波路層３ａ及びグレーティング３ｂの厚さは、例えば、３００ｎｍ（＝０．３μｍ）である。また、光導波路層３ａの幅（Ｗ０）は、例えば、３００ｎｍである。
【００１６】
グレーティング３ｂは、等ピッチ（図３におけるピッチＰ１）に配列された複数の単結晶シリコン膜のパターンから構成される。図１乃至図３には、グレーティング３ｂを構成する単結晶シリコン膜を拡大して図示しているが、ピッチＰ１は０．５μｍ〜１μｍの範囲内の値に設定され、例えば、０．７μｍである。ピッチＰ１を、０．７μｍとした場合には、入出力端８の入出力光Ｌ２の入射角又は出射角（垂線に対する角度であり、後述する図５の角度θ）を約１０°にすることができる。また、ピッチＰ１を、１μｍとした場合には、入出力端８の入出力光Ｌ２の入射角又は出射角を略０°にすることができる。また、グレーティング３ｂのデューティー比は、例えば、５０％である。また、グレーティング３ｂの最大幅Ｗ１は、例えば、１００μｍであり、グレーティング３ｂの長さＰ２は、例えば、１００μｍ以下である。
【００１７】
シリコン酸化膜からなるオーバークラッド層４の厚さは、１μｍ以上であればよく、例えば、２．５５μｍであることが望ましい。
【００１８】
光反射膜５は、例えば、金で形成された層であり、例えば、５００ｎｍ厚である。光反射膜５は、金で形成された層と銀で形成された層の積層であってもよい。
【００１９】
ＡＲ膜６は、屈折率１．８の層であることが望ましく、例えば、酸化ハフニウム又は五酸化タンタルを２００ｎｍ厚に形成した層である。
【００２０】
図４（ａ）乃至（ｄ）は、本実施の形態に係る光導波路径拡大回路の製造方法を示す工程説明図である。
【００２１】
先ず、図４（ａ）に示されるように、シリコン基板（支持基板層）１と該シリコン基板１の上面に直接備えられたシリコン酸化膜（酸化膜層）２と該シリコン酸化膜２の上面に直接備えられた単結晶シリコン膜３とからなるＳＯＩ基板９を用意する。
【００２２】
次に、図４（ｂ）に示されるように、単結晶シリコン膜３を部分的にエッチングすることによって、単結晶シリコン膜からなり第１の端部と第２の端部を有する光導波路層３ａと、光導波路層３ａの第２の端部に対向配置され光導波路層３ａから離れるほど幅広になり、単結晶シリコン膜の格子パターンの最も幅広の部分の幅が光導波路層３ａの幅よりも広い単結晶シリコン膜からなるグレーティング３ｂとを形成する。エッチングは、フォトリソグラフィー技術を用いてエッチング装置により行なう。具体的に言えば、フォトリソグラフィーに際しては、ｉ線ステッパを用い、露光、現像を行い、ＲＩＥ装置によりドライエッチングを行い光導波路の形状を作製する。このプロセスは、通常のＣＭＯＳトランジスタの製造プロセスと同様のプロセスであるため、本実施の形態の回路は、通常のＣＭＯＳトランジスタの製造装置を用いて製造することができるという利点がある。
【００２３】
次に、図４（ｃ）に示されるように、光導波路層３ａ及びグレーティング３ｂを覆うようにオーバークラッド層４を形成し、グレーティング３ｂの上方のオーバークラッド層４上に、オーバークラッド層４側を光反射面とする光反射膜５を形成する。これらのプロセスでは、ＰＣＶＤ装置を用いて、オーバークラッド層４となるシリコン酸化膜を、例えば、１．３５μｍ厚に形成し、その上に光反射膜５として金を、例えば、５００ｎｍ厚に形成する。
【００２４】
次に、図４（ｄ）に示されるように、グレーティング３ｂの下方のシリコン基板１の下面に備えられ、シリコン基板１の下面における光の反射を抑制するＡＲ膜６を形成する。ＡＲ膜６は、例えば、ＥＢ蒸着装置により酸化ハフニウムを２００ｎｍ形成した。以上の工程により、実施の形態に係る光導波路径拡大回路の作製が完了する。
【００２５】
なお、上記説明においては、支持基板層１の厚さが６２３μｍである場合を説明したが、ＣＭＰなどによる加工で、支持基板層１の厚さを１００μｍ程度に薄くするプロセスを追加することもできる。
【００２６】
図５は、本発明の実施の形態に係る光導波路径拡大回路の動作を説明するための図である。矢印Ｄ１１方向の光Ｌ１が、光導波路層３ａからグレーティング３ｂに向かうと、グレーティング部３ｂで拡散された光が、矢印Ｄ１２方向に放射される。支持基板層１側に拡散した光Ｌ２は矢印Ｄ１２方向に出射され、また、一部の光は光反射膜５によって反射されて支持基板層１に向けて出射され、ＡＲ膜６を透過して入出力端８から出力される。先端がレンズ加工された光ファイバ１０を支持基板層１の近くにおき、入射する光が最大となる点で光ファイバ１０を固定する。ここで使用した光ファイバ１０は、シングルモードファイバで、先端の加工形状が球形で、半径が２０μｍである。このとき、光ファイバ１０の角度θは、支持基板層１に対する垂直線から１０°グレーティング３ｂ側に傾いた角度で、支持基板層１の下のＡＲ層６にほぼ接するように配置した。この状態で先に述べた出射は、ほぼ最適な状態となる。このとき、光ファイバ１０と光導波路層３ａとの結合効率は、６０％であった。また、矢印Ｄ２１方向の光Ｌ２が、ＡＲ膜６の下から入射する場合には、入射光は、グレーティング３ｂから光導波路層３ａに向かい、第１の端部から矢印Ｄ２２方向の光Ｌ１が出射される。
【００２７】
図６は、本実施の形態に係る光導波路型装置（光デバイス）の構成の概略を示す平面図である。図６の光導波路型装置は、図１乃至図３に示される光導波路径拡大回路と、光導波路径拡大回路の光導波路の第１の端部７ａに光学的に接続された光回路１１とを有している。なお、光回路１１は、光導波路径拡大回路とは別の回路に形成されてもよい。
【００２８】
以上に説明したように、本実施の形態に係る光導波路径拡大回路又は光導波路型装置は、ＳＯＩ基板９の単結晶シリコン膜３から形成された光導波路３ａ及びグレーティング３ｂの上部に形成した酸化膜４の厚さを最適化し、光反射膜５を設け、支持基板層１の裏面にＡＲ膜６を形成した簡単な構成により、３００ｎｍ×３００ｎｍの非常に小さな断面を持つ光導波路層３ａと、約１００μｍ径の光ファイバ１０とを光学的に高い結合効率で結合することができる。すなわち、本実施の形態の光導波路径拡大回路又は光導波路型装置によれば、製造プロセスが簡単であり、小さなサイズで光スポットサイズを大きく拡大でき、高い結合効率を実現できる。
【００２９】
また、本実施の形態に係る光導波路径拡大回路はＳＯＩ基板９の単結晶シリコン膜３から形成できるので、製造プロセスが簡単であり、特別な加工プロセスを用いることなく、通常の半導体製造プロセスを用いて製造することができる。
【００３０】
なお、上記説明においては、グレーティング３ｂは、ＳＯＩ基板９の単結晶シリコン膜３を残した部分と完全に除去した部分を交互に配置したパターンによって形成さされているが、グレーティングを、単結晶シリコン膜を３００ｎｍ厚残した部分と、単結晶シリコン膜を上から５０ｎｍ〜７０ｎｍエッチングして薄くした部分とを交互に配置したパターンによって形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態に係る光導波路径拡大回路の構成の概略を示す断面図である。
【図２】実施の形態に係る光導波路径拡大回路の構成の概略を示す平面図である。
【図３】実施の形態に係る光導波路径拡大回路の光導波路及びグレーティングの構成の概略を示す平面図である。
【図４】（ａ）乃至（ｄ）は、実施の形態に係る光導波路径拡大回路の製造方法を示す工程説明図である。
【図５】実施の形態に係る光導波路径拡大回路の動作を説明するための図である。
【図６】実施の形態に係る光導波路型装置の構成の概略を示す平面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  支持基板層（シリコン基板）、
２  酸化膜層（シリコン酸化膜）、
３  単結晶シリコン膜、
３ａ  光導波路層、
３ｂ  グレーティング、
４  オーバークラッド層、
５  光反射膜、
６  反射防止膜、
７ａ  第１の端部、
７ｂ  第２の端部、
８  大径の光の入出力端、
９  ＳＯＩ基板、
１０  光ファイバ、
１１  光回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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