(57)【要約】  動作原理的に高効率であって、製造が容易であり、同時に反射損失の発生が少ない、グレーティングカプラ用のグレーティング構造を提供する。  グレーティングの構造は、周期的な凹凸が形成された上面を有するコア層と、コア層の上面に接する第１の上部クラッド層と、第１の上部クラッド層の上面に接する第２の上部クラッド層と、コア層の下面に接する第１の下部クラッド層とを備える。凹凸の凹部は第１の上部クラッド層と同じ材料で満たされる。コア層を成す材料の屈折率は、第１の上部クラッド層、第２の上部クラッド層及び第１の下部クラッド層のうちのいずれの層の材料の屈折率よりも大きい。第１の上部クラッド層の材料の屈折率は第２の上部クラッド層の材料の屈折率よりも大きい。凹凸の凸部の上面から第１の上部クラッド層の上面までの厚さは、グレーティングカプラが入出力する光の、第１の上部クラッド層を成す材料中での波長の((２ｍ１−１)／４±１／８) 倍（ｍ１は正の整数）から凹凸の深さの１／２倍を引いた長さの範囲内である。
2016170859.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
グレーティングカプラ用のグレーティングの構造であって、
周期的な凹凸が形成された上面を有するコア層と、
前記コア層の上面に接する第１の上部クラッド層と、
前記第１の上部クラッド層の上面に接する第２の上部クラッド層と、
前記コア層の下面に接する第１の下部クラッド層と、
を備え、
前記凹凸の凹部は、前記第１の上部クラッド層と同じ材料で満たされており、
前記コア層を成す材料の屈折率は、前記第１の上部クラッド層、前記第２の上部クラッド層及び前記第１の下部クラッド層のうちのいずれの層の材料の屈折率よりも大きく、
前記第１の上部クラッド層の材料の屈折率は、前記第２の上部クラッド層の材料の屈折率よりも大きく、
前記凹凸の凸部の上面から前記第１の上部クラッド層の上面までの厚さが、グレーティングカプラが入出力する光の、前記第１の上部クラッド層を成す材料中での波長の
((２ｍ１−１)／４±１／８) 倍（ｍ１は正の整数）から前記凹凸の深さの１／２倍を引いた長さの範囲内であることを特徴とするグレーティングの構造。
【請求項２】
グレーティングカプラ用のグレーティングの構造であって、
周期的な凹凸が形成された上面を有するコア層と、
前記コア層の上面に接する第１の上部クラッド層と、
前記第１の上部クラッド層の上面に接する第２の上部クラッド層と、
前記第２の上部クラッド層の上面に接する第３の上部クラッド層と、
前記コア層の下面に接する第１の下部クラッド層と、
を備え、
前記凹凸の凹部は、前記第１の上部クラッド層と同じ材料で満たされており、
前記コア層を成す材料の屈折率は、前記第１の上部クラッド層、前記第３の上部クラッド層及び前記第１の下部クラッド層のうちのいずれの層の材料の屈折率よりも大きく、
前記第２の上部クラッド層の材料の屈折率は、前記第１の上部クラッド層及び前記第３の上部クラッド層のうちのいずれの層の材料の屈折率よりも大きく、
前記凹凸の凸部の上面から前記第１の上部クラッド層の上面までの厚さが、グレーティングカプラが入出力する光の、前記第１の上部クラッド層を成す材料中での波長の
(ｍ２／２±１／８)倍（ｍ２は正の整数）の長さの範囲内、または(ｍ２／２±１／８)倍から前記凹凸の深さの１／２倍を引いた長さの範囲内であり、
前記第２の上部クラッド層の厚さが、グレーティングカプラが入出力する光の、前記第２の上部クラッド層を成す材料中での波長の((２ｍ３−１)／４±１／８) 倍（ｍ３は正の整数）であることを特徴とするグレーティングの構造。
【請求項３】
前記凹凸の凹部の底面から前記コア層の下面までの距離が、前記コア層を成す材料中での光の波長の(１／２±１／８)倍から前記凹部の深さの１／２倍を引いた長さの範囲内にあることを特徴とする請求項１または２に記載のグレーティングの構造。
【請求項４】
前記第１の下部クラッド層の厚さが、グレーティングカプラが入出力する光の、前記第１の下部クラッド層を成す材料中での波長の((２ｍ４−１)／４±１／８) 倍（ｍ４は正の整数）であることを特徴とする、請求項１または２に記載のグレーティングの構造。
【請求項５】
前記凹凸の深さは、グレーティングカプラが入出力する光の、前記コア層を成す材料中での波長の１／８倍以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のグレーティングの構造。
【請求項６】
前記第１の上部クラッド層の材料が窒化珪素または酸化窒化珪素または珪素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の構造。
【請求項７】
前記第２の上部クラッド層の材料が窒化珪素または酸化窒化珪素であることを特徴とする請求項２に記載のグレーティングの構造。
【請求項８】
グレーティングカプラを製造する方法であって、
作製すべきグレーティングの凹部に対応する部分が開口したフォトレジストパターンを、第１の下部クラッド層の上のコア層の上に形成するステップと、
該フォトレジストパターンをマスクとして、前記コア層の表面をエッチングして、グレーティングの凹凸を形成するステップと、
残ったフォトレジストを除去するステップと、
作製すべきグレーティングカプラの形状に対応するフォトレジストパターンを前記コア層の上に形成するステップと、
前記第１の下部クラッド層の表面まで前記コア層のドライエッチングを行うステップと、
残ったフォトレジストを除去するステップと、
第１の上部クラッド層を前記コア層の上に堆積するステップと、
前記グレーティングの凹凸部に対応する部分を覆うフォトレジストパターンを前記第１の上部クラッド層の上に形成するステップと、
該フォトレジストパターンをマスクとして、前記第１の上部クラッド層をドライエッチングし、前記グレーティングの凹凸部の上に前記第１の上部クラッド層が残るようにするステップと、
残ったフォトレジストを除去するステップと、
第２の上部クラッド層を前記第１の上部クラッド層及び前記コア層の上に堆積するステップと、
を含み、
前記コア層を成す材料の屈折率は、前記第１の上部クラッド層、前記第２の上部クラッド層及び前記第１の下部クラッド層のうちのいずれの層の材料の屈折率よりも大きく、
前記第１の上部クラッド層の材料の屈折率は、前記第２の上部クラッド層の材料の屈折率よりも大きく、
前記凹凸の凸部の上面から前記第１の上部クラッド層の上面までの厚さが、グレーティングカプラが入出力する光の、前記第１の上部クラッド層を成す材料中での波長の
((２ｍ１−１)／４±１／８) 倍（ｍ１は正の整数）の長さの範囲内、または((２ｍ１−１)／４±１／８) 倍から前記凹凸の深さの１／２倍を引いた長さの範囲内であることを特徴とする方法。
【請求項９】
グレーティングカプラを製造する方法であって、
作製すべきグレーティングの凹部に対応する部分が開口したフォトレジストパターンを、第１の下部クラッド層の上のコア層の上に形成するステップと、
該フォトレジストパターンをマスクとして、前記コア層の表面をエッチングして、グレーティングの凹凸を形成するステップと、
残ったフォトレジストを除去するステップと、
作製すべきグレーティングカプラの形状に対応するフォトレジストパターンを前記コア層の上に形成するステップと、
前記第１の下部クラッド層の表面まで前記コア層のドライエッチングを行うステップと、
残ったフォトレジストを除去するステップと、
第１の上部クラッド層を前記コア層の上に堆積するステップと、
第２の上部クラッド層を前記第１の上部クラッド層の上に堆積するステップと、
前記グレーティングの凹凸部に対応する部分を覆うフォトレジストパターンを前記第２の上部クラッド層の上に形成するステップと、
該フォトレジストパターンをマスクとして、前記第２の上部クラッド層をドライエッチングし、前記グレーティングの凹凸部の上に前記第２の上部クラッド層が残るようにするステップと、
残ったフォトレジストを除去するステップと、
第３の上部クラッド層を前記第１の上部クラッド層及び前記第２の上部クラッド層の上に堆積するステップと、
を含み、
前記コア層を成す材料の屈折率は、前記第１の上部クラッド層、前記第２の上部クラッド層、前記第３の上部クラッド層及び前記第１の下部クラッド層のうちのいずれの層の材料の屈折率よりも大きく、
前記第２の上部クラッド層の材料の屈折率は、前記第１の上部クラッド層及び前記第３の上部クラッド層のうちのいずれの層の材料の屈折率よりも大きく、
前記凹凸の凸部の上面から前記第１の上部クラッド層の上面までの厚さが、グレーティングカプラが入出力する光の、前記第１の上部クラッド層を成す材料中での波長の
(ｍ２／２±１／８)倍（ｍ２は正の整数）から前記凹凸の深さの１／２倍を引いた長さの範囲内であり、
前記第２の上部クラッド層の厚さが、グレーティングカプラが入出力する光の、前記第２の上部クラッド層を成す材料中での波長の((２ｍ３−１)／４±１／８) 倍（ｍ３は正の整数）であることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、グレーティングの構造及びこれを備えたグレーティングカプラの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光導波路で構成された基板上の光回路に光信号の入出力を行うため、光導波路の伝搬光を光導波路外へ出射させたり、あるいは外部光を光導波路内に入射させたりする機能を付与したいことがある。グレーティングカプラはこのような目的に使用できる光入出力素子であり、基板上の光導波路の伝搬光を、基板表面に近接させた光ファイバ端面に入射させたり、或いはその逆に光ファイバからの光を光導波路に入射させたりすることができる。【０００３】
図１は、導波光を光導波路外へ出射させるための構成を有するグレーティングカプラの一例の、グレーティング部の模式的な断面図である。以下では、図１を参照しながら、グレーティングカプラの構造、機能等を簡単に説明する。【０００４】
図１に示すグレーティングカプラは、Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ＳＯＩ）ウエハを用いて作製できるグレーティングカプラの例の模式図であって、光導波路を介して光信号を受け取り、回折により光軸を変換する作用を有する。図１に例示された断面構造は、二酸化珪素（ＳｉＯ２）から成るＢＯＸ（Ｂｕｒｉｅｄ  Ｏｘｉｄｅ，埋め込み酸化膜）層１０２と、ＢＯＸ層１０２より屈折率の高いシリコン（Ｓｉ）から成るコア層１１４と、ＢＯＸ層１０２と同じ二酸化珪素、または同程度の屈折率の材料から成る上部クラッド（Ｏｖｅｒｃｌａｄ）層１１６とを、この順に基板１０１に積層したもので、コア層１１４には回折格子が形成されている。このように、グレーティングカプラは、例えば、コア層１１４への回折格子の形成加工のみで光路変換を可能とするものである。【０００５】
以下、導波光を光導波路外へ出射させるためのグレーティングカプラの動作原理等について概略説明する。尚、グレーティングカプラを用いて導波光を光導波路外に出射させる場合について説明するが、逆に動作させることによって、外部光を光導波路内に入射させることも可能である。【０００６】
図１に示したグレーティングカプラ１００のコア層１１４には、導波光の伝搬方向（ｚ方向）に周期的で、導波路の厚さ方向（ｘ方向）に凹凸を有する回折格子が形成されている。このような回折格子が形成されていると、導波光の一部が回折されて放射光を生じるが、その導波光と放射光は、伝搬方向（ｚ方向）の位相整合条件を満たす。即ち、導波光の伝搬定数をβ０、放射光のｚ方向の伝搬定数をβｑとすると、位相整合条件は、
βｑ＝β０＋ｑＫ                                               （式１）
である。但し、Λを回折格子の周期とし、Ｋ＝２π／Λで、ｑは放射光の次数（０、±１、±２、・・・）に相当する値である。【０００７】
この場合、回折格子の法線に対する放射光の出射角θは、λを光の真空中の波長、Ｎを導波路の実効屈折率、ｎｃを上部クラッド層の屈折率、Λを回折格子の周期とすると、
ｎｃｓｉｎθ＝Ｎ＋ｑλ／Λ                                    （式２）
の関係式より求められる。【０００８】
一般に、導波路の実効屈折率Ｎはコアの屈折率とクラッドの屈折率の間の値をとるため、Ｎ＞ｎｃの関係にあり、光の放射が生じるのは、ｑ≦−１を満たす次数ｑに限られる。更に、回折次数が小さい回折光ほど回折効率が大きいことを考慮すると、放射光へのパワー分配比を最も大きくできるのは、ｑ＝−１を満たす放射光を使用する場合である。尚、上記の−１次放射光には、上方放射光Ｐｕｐと、ＢＯＸ層１０２を介した基板１０１側への下方放射光Ｐｄｏｗｎの２つがある。また、導波路方向への戻り光Ｐｒｅｆ、コア層透過光Ｐｔｒａｎｓ、も同時に存在する。グレーティングカプラへの入射光をＰｉｎとすると、
Ｐｉｎ＝Ｐｕｐ＋Ｐｄｏｗｎ＋Ｐｔｒａｎｓ＋Ｐｒｅｆ                      （式３）
の関係にある。【０００９】
上方放射光Ｐｕｐの出射角θは、図１に示される格子の周期Λ、幅ｗ、深さｄ、光導波路の厚さＤによって任意に設計できる。例えば、コア層１１４の材料がシリコン（Ｓｉ）であり、ＢＯＸ層１０２の材料が二酸化珪素（ＳｉＯ２）である場合、真空中の波長１．３μｍ〜１．６μｍの光に対する周期Λ、幅ｗ、深さｄ、光導波路の厚さＤの数値範囲は、以下のとおりである。
Λ：５３０〜５５０ｎｍ，
ＦＦ（＝１−ｗ／Λ）：０．３〜０．６，
ｄ：６０〜８０ｎｍ，
Ｄ：１８０〜２２０ｎｍ．【００１０】
グレーティングカプラが光出力用の光結合器として用いられる場合、グレーティングカプラへの入射光Ｐｉｎに対する上方放射光Ｐｕｐの割合が、性能指標の一つである。それを上方放射効率ηｕｐとすれば、
ηｕｐ＝Ｐｕｐ／Ｐｉｎ                                          （式４）
で与えられる。光結合器としては当然ながら、上方放射効率ηｕｐができるだけ１に近い方が良く、そのためには、（式３）から分かるように、Ｐｕｐを大きくし、ＰｄｏｗｎとＰｔｒａｎｓとＰｒｅｆをできるだけ小さくするのが良い。【００１１】
非特許文献１には、図１に示したようなＳＯＩウエハ上に形成したグレーティングカプラに関して、Ｐｕｐを増してＰｄｏｗｎを減らすための設計上の基本方針が開示されている。その一つは、コア層１１４の厚さを、コア層１１４を成す材料中での光の波長の１／２の整数倍にすることであり、もう一つは、ＢＯＸ層１０２の厚さを、ＢＯＸ層を成す材料中での光の波長の１／４の奇数倍にすることである。コア層１１４の厚さを光の波長の１／２にすることにより、コア層表面の格子の凹凸によって直接上方に散乱される光と、下方に散乱されてからコア層１１４の裏面で反射されて戻ってくる光との位相が揃う（同相）。その結果、両者が建設的な干渉を生じ、互いに打ち消しあうことなく上方に放射されるため、Ｐｕｐが増加する。一方、ＢＯＸ層１０２の厚さを光の波長の１／４の奇数倍にすることにより、コア層１１４の裏面を通り抜けてＢＯＸ層中に進入し、更にＢＯＸ層１０２の裏面で反射されて戻って来る光と、コア層１１４の裏面で反射されて直ぐに上方に向かう光とが建設的な干渉を起こし、互いに打ち消しあうことがない。その結果、コア層１１４の表面から一旦は下方に散乱された光の多くが上方に戻ることになり、相対的にＰｄｏｗｎの割合が減少する。このように、ＳＯＩ層の厚さとＢＯＸ層の厚さを適切に設計すればＰｕｐが増してＰｄｏｗｎが減るので、上方放射効率ηｕｐを一定程度大きくすることができる。【００１２】
しかし、ＳＯＩ層裏面やＢＯＸ層裏面の反射を最大化するだけでは下方放射光が十分に小さくならず、上方放射効率ηｕｐを大きくするのには限界がある。グレーティングの裏面に金属の反射膜や多層膜の反射膜を作りこむことで下方放射光を減らすことは可能であるが、作製工程が複雑になるため、実用的ではない。そこで、上方放射効率ηｕｐを更に大きくするための、別の動作原理に基づくグレーティングの構造が考案された。【００１３】
そのグレーティングの構造では、グレーティングの凹凸による散乱光を最初から上方にだけ効率よく散乱させることによって、上方放射効率ηｕｐの増加を図る。例えば、非特許文献２では、グレーティングの凹凸を非対称な鋸刃状にすることによって、ＳＯＩ層内での散乱光をうまく干渉させ、上方散乱光に関してだけ光の位相が揃うようにすることで、上方に効率よく光が放射されるグレーティングの構造が開示されている。【００１４】
また、非特許文献３には、グレーティング部にポリシリコンやアモルファスシリコンを積層して厚くしてから、グレーティングの溝を深く掘った構造が開示されている。図２は非特許文献３に開示されているグレーティングの動作を説明するための、グレーティング断面の模式図である。図２に示した通り、このグレーティングの構造では、散乱光は主に、グレーティングの溝の底の角で発生する。すなわち、入射光は、グレーティングの凹部と凸部の底の角で散乱され、ＳＯＩ層のシリコン中を同じ様に通過する下方散乱光２３０と２３１が発生する。それらが発生した時点では位相がπの奇数倍だけ異なるように、すなわち逆相となるように、グレーティングの周期が選ばれている。その結果、下方に散乱された光は相互に破壊的に干渉して打ち消し合う。一方、上方に散乱される光の内、散乱光の凹部を通過して上方に散乱される光２３２と凸部を通過して上方に散乱される光２３３は、発生した時点では位相がπずれていたとしても、屈折率の異なる経路を伝搬する間にその位相のずれが解消され、グレーティングの上部に到達した時点では同相となる。その結果、光２３２と２３３は互いに建設的に干渉し、共に上方に効率よく放射される。逆相や同相の干渉を生じさせるには、ＳＯＩの厚さや溝の深さを調節する。グレーティング部に積層されたシリコン層２４２はＳＯＩ層に対してオーバーレイ（ｏｖｅｒｌａｙ）と呼ばれる。オーバーレイの材料は、シリコン以外にも、利用できるプロセス技術に合わせて、シリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４膜）などの屈折率の高い誘電体材料が用いられることもある。【００１５】
上述したように、非特許文献２や非特許文献３に開示された従来技術によるグレーティングの構造は、グレーティング構造部分だけに注目すると、上方放射光Ｐｕｐの増加効果と下方放射光Ｐｄｏｗｎの低減効果に優れる。しかし、実際には種々の制約のために、期待した程の上方放射効率ηｕｐを得られないことがある。例えば、非特許文献２に開示されたグレーティングの構造は非対称な鋸刃状であるため、通常のドライエッチング装置では形成が困難である。そのため、理想的な鋸刃形状が得られず、実際の上方放射効率は小さくなる。【００１６】
非特許文献３に開示されたグレーティングの構造ではそのような問題は生じないが、深いグレーティングを用いることに起因して別の問題が生じる。すなわち、図２に示すように、コア層２１４の導波路部側からグレーティング部に光２５０が入射するときに急に深いグレーティングの段差２４０が現れるため、グレーティングの開始位置で入射光が反射されて大きな反射光Ｐｒｅｆが発生しやすい。そのため、上方放射効率ηｕｐが低下したり、グレーティングの前段に接続されている光回路にノイズを発生させたりする。この問題に対処するために従来技術では、導波路に接続しているグレーティングの開始部分だけグレーティングの溝を細くしたり浅くしたりするといったアポダイジングを行うことがある。しかし、十分な反射低減の効果を得るためには微細な溝の加工が必要であり、入力反射損が小さいグレーティングを高い歩留まりで製造することは困難である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】R. M. Emmons and D. G. Hall, “Buried oxide silicon-on-insulator structures. 2. Waveguide grating couplers”, JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, Vol. 28, No. 1, JULY 1992, pp. 164-175.
【非特許文献２】K. C. Chang and T. Tamir, “Simplified approach to surface-wave scattering by balazed dielectric gratings”, APPLIED OPTICS, Vol. 19, No. 2, January 1980, pp. 282-288.
【非特許文献３】D. Vermeulen, S. Selvaraja, P. Verheyen, G. Lepage, W. Bogaerts, and G. Roelkens, “High-efficiency silicon-on-insulator fiber-to-chip grating couplers using a silicon overlay” in Group IV Photonics, 2009.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
上術したように、基本的な浅いグレーティング構造だけでは、動作原理的に上方放射効率が不足しているという問題があり、動作原理的には高効率な非対称なグレーティング構造は、製造が困難であるという問題がある。また、やはり動作原理的に高効率な深いグレーティング構造も、グレーティング開始部での大きな構造の不連続のために反射損失が大きいとう問題がある。本発明は、これらの従来技術に基づくグレーティング構造の、動作原理、製造技術、及び反射損失の発生に係る問題を解決するために、動作原理的に高効率であって、製造が容易であり、同時に反射損失の発生が少ない、グレーティングカプラ用のグレーティング構造を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するために、本発明のグレーティングの構造は、周期的な凹凸が形成された上面を有するコア層と、コア層の上面に接する第１の上部クラッド層と、第１の上部クラッド層の上面に接する第２の上部クラッド層と、コア層の下面に接する第１の下部クラッド層とを備える。凹凸の凹部は第１の上部クラッド層と同じ材料で満たされる。コア層を成す材料の屈折率は、第１の上部クラッド層、第２の上部クラッド層及び第１の下部クラッド層のうちのいずれの層の材料の屈折率よりも大きい。第１の上部クラッド層の材料の屈折率は、第２の上部クラッド層の材料の屈折率よりも大きい。凹凸の凸部の上面から第１の上部クラッド層の上面までの厚さは、グレーティングカプラが入出力する光の、第１の上部クラッド層を成す材料中での波長の((２ｍ１−１)／４±１／８)倍（ｍ１は正の整数）から凹凸の深さの１／２倍を引いた長さの範囲内である。本構造において、第１の上部クラッド層の材料は、窒化珪素または酸化窒化珪素とすることができる。【００２０】
また、本発明の別のグレーティングの構造は、周期的な凹凸が形成された上面を有するコア層と、コア層の上面に接する第１の上部クラッド層と、第１の上部クラッド層の上面に接する第２の上部クラッド層と、第２の上部クラッド層の上面に接する第３の上部クラッド層と、コア層の下面に接する第１の下部クラッド層を備える。凹凸の凹部は第１の上部クラッド層と同じ材料で満たされる。コア層を成す材料の屈折率は、第１の上部クラッド層、第３の上部クラッド層及び第１の下部クラッド層のうちのいずれの層の材料の屈折率よりも大きい。第２の上部クラッド層の材料の屈折率は第１の上部クラッド層及び第３の上部クラッド層のうちのいずれの層の材料の屈折率よりも大きい。凹凸の凸部の上面から第１の上部クラッド層の上面までの厚さは、グレーティングカプラが入出力する光の、第１の上部クラッド層を成す材料中での波長の(ｍ２／２±１／８)倍（ｍ２は正の整数）の長さの範囲、または(ｍ２／２±１／８)倍から凹凸の深さの１／２倍を引いた長さの範囲内である。また、第２の上部クラッド層の厚さは、グレーティングカプラが入出力する光の、第２の上部クラッド層を成す材料中での波長の((２ｍ３−１)／４±１／８)倍（ｍ３は正の整数）である。本構造において、第２の上部クラッド層の材料は、窒化珪素または酸化窒化珪素または珪素とすることができる。【００２１】
これらの本発明のグレーティングの構造においては、凹凸の凹部の底面からコア層の下面までの距離は、コア層を成す材料中での光の波長の(１／２±１／８)倍から凹部の深さの１／２倍を引いた長さの範囲内にあってもよい。【００２２】
また、第１の下部クラッド層の厚さは、グレーティングカプラが入出力する光の、第１の下部クラッド層を成す材料中での波長の((２ｍ４−１)／４±１／８)倍（ｍ４は正の整数）であってもよい。【００２３】
更に、凹凸の深さは、グレーティングカプラが入出力する光の、コア層を成す材料中での波長の１／８倍以下であってもよい。【００２４】
本発明のグレーティングカプラを製造する方法は、作製すべきグレーティングの凹部に対応する部分が開口したフォトレジストパターンを、第１の下部クラッド層の上のコア層の上に形成するステップと、当該フォトレジストパターンをマスクとして、コア層の表面をエッチングして、グレーティングの凹凸を形成するステップと、残ったフォトレジストを除去するステップと、作製すべきグレーティングカプラの形状に対応するフォトレジストパターンをコア層の上に形成するステップと、第１の下部クラッド層の表面までドライエッチングを行うステップと、残ったフォトレジストを除去するステップと、第１の上部クラッド層をコア層の上に堆積するステップと、グレーティングの凹凸部に対応する部分を覆うフォトレジストパターンを第１の上部クラッド層の上に形成するステップと、当該フォトレジストパターンをマスクとして、第１の上部クラッド層をドライエッチングし、グレーティングの凹凸部の上に第１の上部クラッド層が残るようにするステップと、残ったフォトレジストを除去するステップと、第２の上部クラッド層を第１の上部クラッド層及びコア層の上に堆積するステップを含む。コア層を成す材料の屈折率は、第１の上部クラッド層、第２の上部クラッド層及び第１の下部クラッド層のうちのいずれの層の材料の屈折率よりも大きい。第１の上部クラッド層の材料の屈折率は、第２の上部クラッド層の材料の屈折率よりも大きい。凹凸の凸部の上面から第１の上部クラッド層の上面までの厚さは、グレーティングカプラが入出力する光の、第１の上部クラッド層を成す材料中での波長の((２ｍ１−１)／４±１／８) 倍（ｍ１は正の整数）から凹凸の深さの１／２倍を引いた長さの範囲内である。【００２５】
本発明の他のグレーティングカプラを製造する方法は、作製すべきグレーティングの凹部に対応する部分が開口したフォトレジストパターンを、第１の下部クラッド層の上のコア層の上に形成するステップと、当該フォトレジストパターンをマスクとして、コア層の表面をエッチングして、グレーティングの凹凸を形成するステップと、残ったフォトレジストを除去するステップと、作製すべきグレーティングカプラの形状に対応するフォトレジストパターンをコア層の上に形成するステップと、第１の下部クラッド層の表面までドライエッチングを行うステップと、残ったフォトレジストを除去するステップと、第１の上部クラッド層をコア層の上に堆積するステップと、第２の上部クラッド層を第１の上部クラッド層の上に堆積するステップと、グレーティングの凹凸部に対応する部分を覆うフォトレジストパターンを第２の上部クラッド層の上に形成するステップと、当該フォトレジストパターンをマスクとして、第２の上部クラッド層をドライエッチングし、グレーティングの凹凸部の上に第２の上部クラッド層が残るようにするステップと、残ったフォトレジストを除去するステップと、第３の上部クラッド層を第１の上部クラッド層及び第２の上部クラッド層の上に堆積するステップを含む。コア層を成す材料の屈折率は、第１の上部クラッド層、第２の上部クラッド層、第３の上部クラッド層及び第１の下部クラッド層のうちのいずれの層の材料の屈折率よりも大きい。第２の上部クラッド層の材料の屈折率は、第１の上部クラッド層及び第３の上部クラッド層のうちのいずれの層の材料の屈折率よりも大きい。凹凸の凸部の上面から第１の上部クラッド層の上面までの厚さは、グレーティングカプラが入出力する光の、第１の上部クラッド層を成す材料中での波長の(ｍ２／２±１／８)倍（ｍ２は正の整数）の長さの範囲内、または(ｍ２／２±１／８)倍から凹凸の深さの１／２倍を引いた長さの範囲内である。第２の上部クラッド層の厚さは、グレーティングカプラが入出力する光の、第２の上部クラッド層を成す材料中での波長の((２ｍ３−１)／４±１／８) 倍（ｍ３は正の整数）である。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、高効率で製造が容易な、グレーティングカプラ用のグレーティングの構造を提供し得る。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】例示的なグレーティングカプラのグレーティング部の模式的な断面図である。
【図２】非特許文献３に開示されているグレーティングの動作を説明するための、グレーティング断面の模式図である。
【図３Ａ】本発明の第１の実施形態によるグレーティングの構造を示す模式的な断面図である。
【図３Ｂ】図３Ａに示されるグレーティングの構造を備えるグレーティングカプラの製造方法のフローチャートを示す。
【図４】図３Ａに示されるグレーティングの構造の、上方放射効率Ｐｕｐの、第１の上部クラッド層３１６の厚さＨｃｌａｄに対する依存性を示す特性図である。
【図５Ａ】本発明の第２の実施形態によるグレーティングの構造を示す模式的な断面図である。
【図５Ｂ】図５Ａに示されるグレーティングの構造を備えるグレーティングカプラの製造方法のフローチャートを示す。
【図６】図５Ａに示されるグレーティングの構造の、上方放射効率Ｐｕｐの、第１の上部クラッド層５１５の厚さＨｃｌａｄに対する依存性を示す特性図である。
【図７】図５Ａに示されるグレーティングの構造の、上方放射効率Ｐｕｐの、第２の上部クラッド層５１６の厚さＨｃｌａｄ２に対する依存性を示す特性図である。
【図８】本発明の第３の実施形態によるグレーティングの構造を示す模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明のグレーティングの構造の各実施形態を、図を参照して説明する。但し、本発明の技術的範囲は、それらの実施形態によって限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づき解釈されるべきものである。尚、以下の説明においては、光をグレーティングから外部に出射する態様について主として説明するが、グレーティングに外部から光を入射する態様も同様の構成で実現できる。
【００２９】
図３Ａは、本発明のグレーティングの構造の第１の実施形態の構成を示す模式的な断面図である。図３Ａに示すように、本実施形態のグレーティングの構造３００は、周期的な凹凸３２０ａ及び３２０ｂが形成された上面を有するコア層３１４と、コア層３１４の上面に接する第１の上部クラッド層３１６と、第１の上部クラッド層３１６の上面に接する第２の上部クラッド層３１７と、コア層３１４の下面に接する第１の下部クラッド層３０２と、第１の下部クラッド層３０２の下面に接する第２の下部クラッド層３０１を備える。コア層３１４の上面の周期的な凹凸の凹部３２０ｂは、第１の上部クラッド層３１６と同じ材料で満たされる。コア層３１４を成す材料の屈折率は、第１の上部クラッド層３１６、第２の上部クラッド層３１７及び第１の下部クラッド層３０２のうちのいずれの層の材料の屈折率よりも大きい。第１の上部クラッド層３１６の材料の屈折率は第２の上部クラッド層３１７の材料の屈折率よりも大きい。コア層３１４の上面の凸部３２０ａの上面から第１の上部クラッド層３１６の上面までの厚さｔ３４は、グレーティングカプラが入出力する光の第１の上部クラッド層３１６を成す材料中での波長の((２ｍ１−１)／４±１／８) 倍（ｍ１は正の整数）から、コア層３１４の上面の凹凸３２０ａ及び３２０ｂの深さｔ３１の１／２倍を引いた長さの範囲内である。図３Ａにおいて、ｔ３２は、コア層３１４の上面の凹部３２０ｂの下面からコア層３１４の下面までの厚さを示す。ｔ３３は第１の下部クラッド層３０２の厚さを示す。
【００３０】
各層の材料は、ＳＯＩウエハを使用する場合であれば、例えば、コア層３１４と第２の下部クラッド層３０１の材料がシリコン（Ｓｉ）、第１の上部クラッド層３１６の材料が窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、第２の上部クラッド層３１７と第１の下部クラッド層３０２の材料が二酸化珪素（ＳｉＯ２）であってもよい。
【００３１】
第１の実施形態におけるグレーティングの構造３００の動作は次の通りである。
【００３２】
入射光３５０は、コア層３１４の上面の周期的な凹凸３２０ａ及び３２０ｂで散乱される。入射光３５０の一部は直接上方に放射されるが、他の一部は先ず下方に散乱され、その一部がコア層３１４の下面で反射されて戻り、更にコア層３１４の上面を通過することによって上方に放射される。そのため、コア層３１４の上面の透過率を大きくすることによって、上方放射効率を改善することができる。
【００３３】
そこで、第１の実施の形態では、コア層３１４の上に第１の上部クラッド層３１６と第２の上部クラッド層３１７が設けられる。第１の上部クラッド層３１６の屈折率と厚さを適切に調節することによって、第１の上部クラッド層３１６を、コア層３１４の上面の反射防止膜として機能させる。コア層３１４の材料がＳｉ（屈折率：ｎＳｉ）であり、第２の上部クラッド層３１７の材料がＳｉＯ２（屈折率：ｎＳｉＯ２）である場合には、第１の上部クラッド層３１６の材料として最適な屈折率ｎＡＲは、ｎＡＲ＝（ｎＳｉ×ｎＳｉＯ２)１／２で与えられる。波長１．３１μｍの光の場合、ｎＡＲ＝２．２５となるため、屈折率が２．０の窒化珪素で第１の上部クラッド層３１６を成膜すれば、完全ではないにしても、ある程度の反射防止効果を得ることができる。
【００３４】
図４は、図３Ａに示されるグレーティングの構造の、上方放射効率Ｐｕｐの第１の上部クラッド層３１６の厚さＨｃｌａｄに対する依存性を示す特性図である。図４に示すＰｕｐの最大値が、第１の上部クラッド層３１６による効果が最も得られた場合の上方放射効率である。図４に示すＰｕｐの最小値は、第１の上部クラッド層３１６が無い従来のグレーティングの構造の場合の上方放射効率と等しい。したがって、図４から、第１の実施の形態の適用により、上方放射効率が約０．６ｄＢ改善していることが理解される。
【００３５】
平坦な表面に積層する一層の反射防止膜の最適厚さは、その膜を成す材料中での波長の１／４の奇数倍にすべきであることが、従来技術において開示されている。そこでそれに従うと、第１の上部クラッド層３１６の厚さは、０．１６６μｍ（ｍ１＝１）、０．４９７μｍ（ｍ１＝２）、０．８２９μｍ（ｍ１＝３）となるはずである。しかし、本願発明者らは、図４の特性図を詳細に調べ、実際にＰｕｐの最大値を与える膜厚は、それらの値よりも小さいことを発見した。また、本願発明者らは、その原因を更に調べ、コア層３１４の表面にグレーティングの凹凸３２０ａ及び３２０ｂが存在することによって、コア層３１４と第１の上部クラッド層３１６との間の光学的な界面が実質的には凹凸３２０ａ及び３２０ｂの中間くらいの深さの位置に移動しているためであることを発見した。この新たな発見に基づけば、窒化珪素から成る第１の上部クラッド層３１６の最適厚さＨｃｌａｄは次式で与えられる。
【００３６】
【数１】
2016170859.tif 000003
ただし、真空中の光の波長をλ0、窒化珪素の屈折率をｎＳｉＮ、窒化珪素膜中での上方放射光の垂直方向からの傾きをφＳｉＮ、グレーティングの凹凸３２０ａ及び３２０ｂの深さをｄ（図３Ａにおけるｔ３１に相当）、ｍ１を正の整数とした。ｃｏｓφＳｉＮの項は、グレーティングから放射される光の光軸が垂直方向から傾いていることに基づく補正項である。この補正項の値は、グレーティングカプラの通常の使用条件ではほとんど１なので、無視しても問題ない。（式５）に示す通り、凹凸３２０ａ及び３２０ｂの深さの１／２倍だけ、第１の上部クラッド層３１６の厚さを従来技術が教える厚さよりも薄くするのが良い。
【００３７】
図４が示唆している通り、Ｈｃｌａｄが、（式５）で与えられる値から少しずれても、ある程度の上方放射効率が得られる。すなわち、本願発明者らは、第１の実施の形態によって上方放射効率の改善効果が得られるＨｃｌａｄの範囲には幅があり、その範囲が次式で与えられることを見出した。
【００３８】
【数２】
2016170859.tif 000004
（式６）の範囲にＨｃｌａｄがあれば、すなわち、第１の上部クラッド層３１６の厚さが最適な厚さを中心に、それを成す材料中での波長の±１／８倍程度変化する範囲内ならば、第１の上部クラッド層３１６を設けることによる効果が半分以上は得られる。
【００３９】
尚、第１の上部クラッド層３１６の材料は、窒化珪素だけでなく、酸化窒化珪素や他の材料であってもよく、利用できる成膜装置に応じて、適宜選択されるべきである。
【００４０】
第１の実施の形態では、コア層３１４の表面の凹凸３２０ａ及び３２０ｂを特に深くすることなく上方放射効率ηｕｐを向上させるため、グレーティング開始部での構造の不連続に起因する反射損失の発生を小さくできる。
【００４１】
次に具体的な実施例として、第１の実施の形態のグレーティングの構造３００を適用したグレーティングカプラの製造方法について説明する。
【００４２】
図３Ｂは、図３Ａに示されるグレーティングの構造３００を備えるグレーティングカプラの製造方法のフローチャートを示す。グレーティングカプラを作製するためのウエハとして、ＳＯＩウエハを使用する。ＳＯＩウエハの各層の厚さは、例えば、第１の下部クラッド層３０２に相当する埋め込み酸化膜（二酸化珪素の膜）の厚さを２９７２ｎｍとし、コア層３１４に相当するＳＯＩ層（Ｓｉ層）の厚さを２００ｎｍとしてもよい。初めに、ステップ３０２Ｂにおいて、リソグラフィによって、作製すべきグレーティングの凹部に対応する部分が開口したフォトレジストパターンを、第１の下部クラッド層３０２の上のコア層（ＳＯＩ層）３１４の上に形成する。ステップ３０４Ｂにおいて、当該フォトレジストパターンをマスクとして、コア層３１４の表面を、例えば３５ｎｍだけエッチングし、グレーティングの凹凸を形成する。ステップ３０６Ｂにおいて、残ったフォトレジストを除去する。次に、ステップ３０８Ｂにおいて、改めて、作製すべきグレーティングカプラの形状や導波路、その他の光デバイスに対応するフォトレジストパターンをコア層３１４の上に形成する。ステップ３１０Ｂにおいて、コア層３１４の下の第１の下部クラッド層３０２（埋め込み酸化膜）の表面までコア層３１４のドライエッチングを行う。ステップ３１２Ｂにおいて、残ったフォトレジストを除去する。ドライエッチングの条件は、二酸化珪素に対してシリコンのエッチング速度が速い条件を用いることができる。次に、ステップ３１４Ｂにおいて、プラズマ化学気相成長装置を用いて、第１の上部クラッド層３１６（例えば、窒化珪素の膜）を、例えば１６６ｎｍだけコア層３１４の上に堆積する。ステップ３１６Ｂにおいて、グレーティングの凹凸部に対応する部分を覆うフォトレジストパターンを第１の上部クラッド層３１６の上に形成する。ステップ３１８Ｂにおいて、当該フォトレジストパターンをマスクにして第１の上部クラッド層３１６（窒化珪素の膜）をドライエッチングし、グレーティングの凹凸部の上に第１の上部クラッド層３１６が残るように加工する。ステップ３２０Ｂにおいて、残ったフォトレジストを除去する。ドライエッチングの条件は、シリコンに対して窒化珪素のエッチング速度が速い条件を用いるとよい。最後に、ステップ３２２Ｂにおいて、第２の上部クラッド層３１７（二酸化珪素）を、例えば２０００ｎｍだけ、第１の上部クラッド層３１６及びコア層３１４の上に堆積して、グレーティングカプラを含む光デバイスを完成させることができる。
【００４３】
本実施例によるグレーティングカプラの製造方法は、一般的なＣＭＯＳ製造ラインで実施できる範囲内であって、製造は容易である。
【００４４】
本実施例で示したように、第１の実施の形態では、第１の上部クラッド層３１６を、第２の上部クラッド層３１７の材料（例えば二酸化珪素、ＳｉＯ２）の屈折率よりも大きい屈折率を有する材料（例えば窒化珪素、Ｓｉ３Ｎ４）で形成する。一方で、グレーティング部に光を入射する導波路の上のクラッド層の材料が、第２の上部クラッド層３１７の材料と同じ（例えば二酸化珪素、ＳｉＯ２）であるのが望ましいことが多い。
第１の実施例では、図３Ａに示すように、導波路からグレーティングに光３５０が入射する際に、導波路の上部に染み出した光のフィールドが第１の上部クラッド層３１６の端３４０に衝突し、散乱損失や反射損失を生じることによって上方放射効率を低下させるという問題が生じることがある。そのような問題を解決できる他の一実施例について次に説明する。
【００４５】
図５Ａは、本発明のグレーティングの構造の第２の実施形態の構成を示す模式的な断面図である。図５Ａに示すように、本実施形態のグレーティングの構造５００は、グレーティングカプラ用のグレーティングの構造であって、周期的な凹凸５２０ａ及び５２０ｂが形成された上面を有するコア層５１４と、コア層５１４の上面に接する第１の上部クラッド層５１５と、第１の上部クラッド層５１５の上面に接する第２の上部クラッド層５１６と、第２の上部クラッド層５１６の上面に接する第３の上部クラッド層５１７と、コア層５１４の下面に接する第１の下部クラッド層５０２と、第１の下部クラッド層５０２の下面に接する第２の下部クラッド層５０１を備える。コア層５１４の上面の周期的な凹凸の凹部５２０ｂは、第１の上部クラッド層５１５と同じ材料で満たされており、コア層５１４を成す材料の屈折率は、第１の上部クラッド層５１５、第３の上部クラッド層５１７及び第１の下部クラッド層５０２のうちのいずれの層の材料の屈折率よりも大きい。第２の上部クラッド層５１６の材料の屈折率は、第１の上部クラッド層５１５と第３の上部クラッド層５１７のいずれの層の材料の屈折率よりも大きい。コア層５１４の上面の凸部５２０ａの上面から第１の上部クラッド層５１５の上面までの厚さｔ５４は、グレーティングカプラが入出力する光の、第１の上部クラッド層５１５を成す材料中での波長の(ｍ２／２±１／８)倍（ｍ２は正の整数）の長さの範囲内、または(ｍ２／２±１／８)倍からコア層５１４の上面の凹凸５２０ａ及び５２０ｂの深さｔ５１の１／２倍を引いた長さの範囲内である。第２の上部クラッド層５１６の厚さｔ５５は、グレーティングカプラが入出力する光の、第２の上部クラッド層５１６を成す材料中での波長の((２ｍ３−１)／４±１／８)倍（ｍ３は正の整数）である。図５Ａにおいて、ｔ５２は、コア層５１４の上面の凹部５２０ｂの下面からコア層５１４の下面までの厚さを示す。ｔ５３は第１の下部クラッド層５０２の厚さを示す。
【００４６】
各層の材料は、第１の実施の形態の場合と同じくＳＯＩウエハを使用する場合であれば、コア層３１４と第２の下部クラッド層５０１の材料をシリコン（Ｓｉ）とし、第１の下部クラッド層５０２の材料を二酸化珪素（ＳｉＯ２）とすることができる。第１の実施の形態の場合と異なり、第１の上部クラッド層５１５と第３の上部クラッド層５１７の材料も二酸化珪素とすることができ、第２の上部クラッド層５１６の材料を窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）とすることができる。その結果、第２の実施形態のグレーティングの構造５００は、第１の実施の形態の場合のコア層とその直上の窒化珪素の膜との間に二酸化珪素の膜が挟まった構造になる。
【００４７】
第２の実施形態におけるグレーティングの構造５００の動作は次の通りである。
【００４８】
第２の実施形態におけるグレーティングの構造５００は、一見すると、第１の上部クラッド層５１５と第２の上部クラッド層５１６の２層で、コア層５１４に対する２層の反射防止膜を形成しているように見えるが、実際は異なる。従来技術によれば、２層の反射防止膜の場合は、第１の上部クラッド層５１５の材料の屈折率は、第２の上部クラッド層５１６の材料の屈折率よりも大きくなければならないが、第２の実施の形態ではそうはなっていないからである。
【００４９】
第１の上部クラッド層５１５の材料（例えばＳｉＯ２）は、コア層５１４の材料（例えばＳｉ）よりも屈折率が小さい。更に、第１の上部クラッド層５１５の厚さは、第１の上部クラッド層５１５を成す材料（例えばＳｉＯ２）の中での光の波長の１／２倍の整数倍に設定されている。こうすることによって、コア層５１４の下面で反射されてからコア層５１４上面を通過し、第１の上部クラッド層５１５に進入する散乱光にとって、光学的に、第１の上部クラッド層５１５が存在していないのと同じ状態にすることができる。すなわち、第１の上部クラッド層５１５と第２の上部クラッド層５１６の２層による反射防止効果は、第１の実施形態の場合と同等である。
【００５０】
第２の実施形態の特徴の１つは、第１の実施形態ではコア層の直上にあった窒化珪素のクラッド膜がコア層から離れ、更に、コア層の直上のクラッド層の材料が、入力用導波路部の上部とグレーティング部の上部とで同じにできることである。それによって、図５Ａに示すように、入力用導波路部からグレーティング部に光５５０が入射する際に、導波路部の上部のクラッド層に染み出した光のフィールドのほとんどは、連続して同じ材料（例えばＳｉＯ２）の中を進むことになる。導波路部の上部のクラッド層に染み出した光のフィールドは、コア層５１４から離れた第２のクラッド層５１６にはほとんど届かないため、第２のクラッド層５１６の端では反射損失はほとんど発生しない。その結果、第１の実施形態が有する、上部クラッド層の端に導波光が衝突して散乱損失や反射損失を生じるという問題を解決できる。
【００５１】
図６は、上方放射効率Ｐｕｐの、第１の上部クラッド層５１５の厚さＨｃｌａｄに対する依存性を示す特性図である。図６に示すＰｕｐの最大値が、第１の上部クラッド層５１５による効果が最も得られた場合の上方放射効率である。図６に示すＰｕｐの最小値は、第１の上部クラッド層５１５と第２の上部クラッド層５１６が無い従来のグレーティングの構造の場合の上方放射効率よりも小さくなっている。第２の実施形態によって上方放射効率を改善するための第１の上部クラッド層５１５の膜厚の許容範囲は、それを成す材料中での光の波長の±１／８倍程度の範囲である。
【００５２】
第１の上部クラッド層５１５の最適膜厚Ｈｃｌａｄは次式で与えられる。
【００５３】
【数３】
2016170859.tif 000005
また、第１の上部クラッド層５１５の厚さが最適膜厚からずれる場合、上方放射効率の低下率を最大値の１／４以下に抑制できるとしたときの許容範囲、すなわち、少なくとも上方放射効率が第２の実施例の適用前よりも増加するとした場合のＨｃｌａｄの許容範囲は、次式で与えられる。
【００５４】
【数４】
2016170859.tif 000006
ただし、二酸化珪素の屈折率をｎＳｉＯ２、二酸化珪素膜中での上方放射光の垂直方向からの傾きをφＳｉＯ２、ｍ２を正の整数とした。ｃｏｓφＳｉＯ２の項は、グレーティングから放射される光の光軸が、垂直方向から傾いていることに基づく補正項であり、通常のグレーティングカプラの使用状態では１に近い値をとるので、無視してもよい。
【００５５】
（式７）や（式８）から分かるように、コア層５１４のグレーティングの上面に凹凸５２０ａ及び５２０ｂが存在することによって、補正項ｄ／２（ｄは図５Ａのｔ５１に相当）がつくことは、従来技術が教えないところであり、第１の実施の形態の場合と同じである。
【００５６】
ただし、グレーティングの溝の深さがグレーティングの凹凸の下面からコア層の下面までの距離よりも大きい場合、すなわちｄ＞ｔ５２となる時は、この補正項自体の誤差が大きくなるため、（式７）や式（式８から）補正項を除く。
【００５７】
図７は、図５Ａに示されるグレーティングの構造の、上方放射効率Ｐｕｐの、第２の上部クラッド層５１６の厚さＨｃｌａｄ２に対する依存性を示す特性図である。図７に示すＰｕｐの最大値が、第２の上部クラッド層５１６による効果が最も得られた場合の上方放射効率である。図７に示すＰｕｐの最小値は、第１の上部クラッド層５１５と第２の上部クラッド層５１６が無い従来のグレーティングの構造の場合の上方放射効率と同等である。第２の実施形態によって上方放射効率を改善するための第２の上部クラッド層５１６の膜厚の許容範囲は、それを成す材料中での光の波長の±１／８倍程度の範囲である。
【００５８】
第２の上部クラッド層５１６の最適膜厚Ｈｃｌａｄ２は次式で与えられる。
【００５９】
【数５】
2016170859.tif 000007
（式９）から分かるように、第２の上部クラッド層５１６は上面がほぼ平坦な第１の上部クラッド層５１５の上に積層されるので、コア層５１４の表面の凹凸５２０ａ及び５２０ｂの影響は第２の上部クラッド層５１６には及ばず、補正項ｄ／２は付かない。
【００６０】
最適膜厚からずれる場合、上方放射効率の低下率を最大値の半分以下に抑制できるとしたときのＨｃｌａｄ２の許容範囲は、次式で与えられる。
【００６１】
【数６】
2016170859.tif 000008
【００６２】
尚、第２の上部クラッド層５１６の材料は、窒化珪素だけでなく、酸化窒化珪素や珪素や他の材料であってもよく、利用できる成膜装置に応じて、適宜選択されるべきである。
【００６３】
次に具体的な実施例として、第２の実施の形態のグレーティングの構造５００を適用したグレーティングカプラの製造方法について説明する。
【００６４】
図５Ｂは、図５Ａに示されるグレーティングの構造５００を備えるグレーティングカプラの製造方法のフローチャートを示す。グレーティングカプラを作製するためのウエハとして、ＳＯＩウエハを使用する。ＳＯＩウエハは、第１の下部クラッド層５０２（埋め込み酸化膜）及びコア層５１４（ＳＯＩ層）を含む。ステップ５０２Ｂにおいて、リソグラフィによって、作製すべきグレーティングの凹部に対応する部分が開口したフォトレジストパターンを、第１の下部クラッド層５０２の上のコア層５１４の上に形成する。ステップ５０４Ｂにおいて、当該フォトレジストパターンをマスクとして、コア層５１４の表面をエッチングし、グレーティングの凹凸を形成する。ステップ５０６Ｂにおいて、残ったフォトレジストを除去する。次に、ステップ５０８Ｂにおいて、作製すべきグレーティングカプラの形状や導波路、その他の光デバイスに対応するフォトレジストパターンをコア層５１４の上に形成する。ステップ５１０Ｂにおいて、コア層５１４の下の第１の下部クラッド層５０２の表面までコア層５１４のドライエッチングを行う。ステップ５１２Ｂにおいて、残ったフォトレジストを除去する。ドライエッチングの条件は、二酸化珪素に対してシリコンのエッチング速度が速い条件を用いるとよい。第２の実施の形態では、この後、ステップ５１４Ｂにおいて、プラズマ化学気相成長装置を用いて、第１の上部クラッド層５１５として、例えば二酸化珪素を４５７ｎｍだけ、コア層５１４の上に堆積する。そして更に、ステップ５１６Ｂにおいて、プラズマ化学気相成長装置を用いて、第２の上部クラッド層５１６として、例えば窒化珪素を１６６ｎｍだけ、第１の上部クラッド層５１５の上に堆積する。ステップ５１８Ｂにおいて、グレーティングの凹凸部に対応する部分を覆うフォトレジストパターンを第２の上部クラッド層５１６の上に形成する。ステップ５２０Ｂにおいて、当該フォトレジストパターンをマスクにして第２の上部クラッド層５１６をドライエッチング、グレーティングの凹凸部の上に第２の上部クラッド層５１６が残るように加工する。ステップ５２２Ｂにおいて、残ったフォトレジストを除去する。最後に、ステップ５２４Ｂにおいて、第３の上部クラッド層５１７（二酸化珪素）を、第１の上部クラッド層５１５及び第２の上部クラッド層５１６の上に、例えば２０００ｎｍだけ堆積して、グレーティングカプラを含むデバイスを完成させることができる。
【００６５】
窒化珪素の膜のドライエッチングの条件は、二酸化珪素に対して窒化珪素のエッチング速度が速い条件を用いてもよいが、最後にステップ５２４Ｂにおいて二酸化珪素で埋めるので、ステップ５２０Ｂにおいて窒化珪素の膜の下の二酸化珪素の膜を多少オーバーエッチングしてしまっても、全く問題がない。
第１実施の形態の場合は、窒化珪素の膜のドライエッチングでオーバーエッチング量が多過ぎると、グレーティングカプラ以外の部分でＳＯＩ層が薄くなってしまい、デバイス特性が悪化する懸念があった。これに対して、第２の実施形態ではそのような懸念が無いので、製造工程としては、第２の実施形態の方が第１の実施形態よりも優れている。
【００６６】
さて、コア層５１４の材料にシリコンを用い、最上層のクラッド層の材料に二酸化珪素を用いる場合、反射防止膜となる中間の上部クラッド層の屈折率を、精確には２．２５にすればよいことは、本節の前半で述べたとおりである。しかし、通常のＣＭＯＳ製造ラインを活用してグレーティングカプラを含む光デバイスを製造する場合、クラッド用の高屈折率誘電体膜として利用できるは、屈折率が２．０の窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）であり、得られる屈折率は所望の２．２５には届かない。このような場合は、上方放射効率の改善効果がやや限定的になってしまう。この問題を解決するためのグレーティングの構造が、次に説明する他の一実施例である。
【００６７】
図８は、本発明のグレーティングの構造の第３の実施形態の構成を示す模式的な断面図である。図８に示すように、本実施形態のグレーティングの構造８００は、周期的な凹凸８２０ａ及び８２０ｂが形成された上面を有するコア層８１４と、コア層８１４の上面に接する第１の上部クラッド層８１５と、第１の上部クラッド層８１５の上面に接する第２の上部クラッド層８１６と、第２の上部クラッド層８１６の上面に接する第３の上部クラッド層８１７と、第３の上部クラッド層８１７の上面に接する第４の上部クラッド層８１８と、第４の上部クラッド層８１８の上面に接する第５の上部クラッド層８１９と、コア層８１４の下面に接する第１の下部クラッド層８０２と、第１の下部クラッド層８０２の下面に接する第２の下部クラッド８０１とを備える。コア層８１４の上面の周期的な凹凸の凹部８２０ｂは、第１の上部クラッド層８１５と同じ材料で満たされている。コア層８１４を成す材料の屈折率は、第１の上部クラッド層８１５第３の上部クラッド層８１７及び第１の下部クラッド層８０２のうちのいずれの層の材料の屈折率よりも大きい。第２の上部クラッド層８１６の材料の屈折率は、第１の上部クラッド層８１５と第３の上部クラッド層８１７のいずれの層の材料の屈折率よりも大きい。第４の上部クラッド層８１８の材料の屈折率は、第３の上部クラッド層８１７と第５の上部クラッド層８１９のいずれの層の材料の屈折率よりも大きい。コア層８１４の上面の凸部８２０ａの上面から第１の上部クラッド層８１５の上面までの厚さｔ８４は、グレーティングカプラが入出力する光の、第１の上部クラッド層８１５を成す材料中での波長の  (ｍ２／２±１／８)倍（ｍ２は正の整数）の長さの範囲内、または(ｍ２／２±１／８)倍からコア層８１４の上面の凹凸８２０ａ及び８２０ｂの深さｔ８１の１／２倍を引いた長さの範囲内である。第２の上部クラッド層８１６の厚さｔ８５は、グレーティングカプラが入出力する光の、第２の上部クラッド層８１６を成す材料中での波長の((２ｍ３−１)／４±１／８) 倍（ｍ３は正の整数）である。図８に示すように、本実施形態のグレーティングの構造８００は、図５Ａに示される第２の実施形態のグレーティングの構造５００における第２の上部クラッド層５１６及び第３の上部クラッド層５１７に加えて、第４の上部クラッド層８１８及び第５の上部クラッド層８１９を備え、したがって、２層以上の反射防止膜を有する構造となっている。図８に示すように、例えば、第２の上部クラッド層８１６と同じ屈折率と厚さを有する第４の上部クラッド層８１８を第３の上部クラッド層８１７の上に設けた構造にすると、第２の上部クラッド層８１６と第４の上部クラッド層８１８の材料の屈折率を１．９４にすることができる。この場合、第２の上部クラッド層８１６及び第４の上部クラッド層８１８は、酸化窒化珪素（ＳｉＯｘＮｙ）の膜として、一般のＣＭＯＳ製造ラインでも堆積することが可能である。更に多くの反射防止膜層を備える構造を用いることにより、酸化窒化珪素の屈折率をより小さくすることもできる。図８において、ｔ８２は、コア層８１４の上面の凹部８２０ｂの底面からコア層８１４の下面までの厚さを示す。ｔ８３は、第１の下部クラ���ド層８０２の厚さを示す。ｔ８６は、第２の上部クラッド層８１６の上面から第３の上部クラッド層８１７の上面までの厚さを示す。ｔ８７は、第４の上部クラッド層８１８の厚さを示す。
【００６８】
上述の全ての実施の形態において、上方放射効率を最大にするためには、コア層の厚さを最適化することも重要である。コア層上面の周期的な凹凸の凹部の底面から前記コア層の下面までの距離が、コア層を成す材料中の波長の(１／２±１／８)倍から前記凹部の深さの１／２倍を引いた長さの範囲内に設定されればよい。尚、凹部の深さの１／２倍を引くことは、コア層上面に凹凸が形成されていることを反映した補正であり、グレーティングカプラの従来技術が教えていないところである。
【００６９】
また、第１の下部クラッド層の厚さに関しては、グレーティングカプラが入出力する光の、第１の下部クラッド層を成す材料中での波長の((２ｍ４−１)／４±１／８)倍（ｍ４は正の整数）に設定すると、上方放射効率を最大化できる。
【００７０】
更に、コア層上面の凹凸の深さを、グレーティングカプラが入出力する光の、コア層を成す材料中での波長の１／８倍以下に設定することも、上方放射効率の最大化に有効である。また、このようにすることは、入力用導波路部からグレーティング部に入射した光がグレーティング部の周期的な凹凸の開始位置に衝突することで発生する反射損失を低減する効果もある。  ただし、凹凸の深さを過度に小さくすることは、グレーティングの単位長さあたりの放射効率を低下させるので、目的のグレーティングカプラの仕様に合わせた最適化が必要である。
【００７１】
以上、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明してきたが、当業者であれば、他の類似する実施形態を使用することができること、また、本発明から逸脱することなく適宜形態の変更又は追加を行うことができることに留意すべきである。
【符号の説明】
【００７２】
１００    グレーティングカプラ
１０１    基板
１０２    ＢＯＸ層
１１６    上部クラッド層
１１４、２１４、３１４、５１４、８１４    コア層
２３０、２３１    下方散乱光
２３２、２３３    上方に散乱される光
２４０    グレーティングの段差
２４２    シリコン層
２５０、３５０、５５０、８５０    光
３００、５００、８００    グレーティングの構造
３０１、５０１、８０１    第２の下部クラッド層
３０２、５０２、８０２    第１の下部クラッド層
３１６、５１５、８１５    第１の上部クラッド層
３１７、５１６、８１６    第２の上部クラッド層
３２０ａ、３２０ｂ、５２０ａ、５２０ｂ、８２０ａ、８２０ｂ    凹凸
３４０    第１の上部クラッド層の端
５１７、８１７    第３の上部クラッド層
８１８    第４の上部クラッド層
８１９    第５の上部クラッド層
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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