(57)【要約】      （修正有）【課題】工程を単純化し、かつ、寸法のばらつきを抑えたＳｉ光導波路製の光素子の製造方法、及びこの製造方法により製造される光素子を提供する。【解決手段】コア１６とクラッド１４とを備え、光が入出力される光入出力部２２を備える光導波路１８を有する光素子を製造するに当たり、構成元素がダイヤモンド構造をなし、薄膜表面が（１１１）面でも、その等価面でもない一様な厚みの単結晶薄膜を備える基板８を準備し、単結晶薄膜に光入出力部の前駆体を備える前駆構造体を形成し、この前駆体を露出させ、それ以外の部分を被覆するマスクを形成し、この構造体をアルカリ溶液に浸漬して、（１１１）面２８ｂ及び２８ｃをエッチングストップ面とするウエットエッチングを行う。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアと該コアの周囲に設けられたクラッドとを有し、光が入出力される光入出力部を備える光導波路を有する光素子を製造するに当たり、
構成元素がダイヤモンド構造をなし、薄膜表面が（１１１）面でも、その等価面でもない一様な厚みの単結晶薄膜を主面側に備える基板を準備する工程と、
前記単結晶薄膜に対して、面方位に関する異方性を有するエッチングを行い、前記単結晶薄膜をステップ状又はテーパ状にして、前記（１１１）面及びその等価面を露出させる工程と
を備えることを特徴とする光素子の製造方法。
【請求項２】
コアと該コアの周囲に設けられたクラッドとを有し、光が入出力される光入出力部を備える光導波路を有する光素子を製造するに当たり、
構成元素がダイヤモンド構造をなし、薄膜表面が（１１１）面でも、その等価面でもない一様な厚みの単結晶薄膜を主面側に備える基板を準備し、
エッチングマスクから露出する前記単結晶薄膜の長さを段階的に増加させながら、前記単結晶薄膜に対して面方位に関して異方性を有するエッチングを行い、単結晶薄膜を階段状に加工する第１工程と、
前記階段状に加工された前記単結晶薄膜に幅が一定の領域部分と、幅が徐々に変化するテーパ領域部分を被覆するフォトレジストを設ける第２工程と、
前記フォトレジストをエッチングマスクとしてエッチングを行うことにより、前記単結晶薄膜をパターニングする第３工程と、
前記フォトレジストを除去した後、前記単結晶薄膜を被覆するクラッドを形成する第４工程と
を備え、
前記階段状の単結晶薄膜の段差部分の側面に、前記（１１１）面又はその等価面を露出させる
ことを特徴とする光素子の製造方法。
【請求項３】
コアと該コアの周囲に設けられたクラッドとを有し、光が入出力される光入出力部を備える光導波路を有する光素子を製造するに当たり、
構成元素がダイヤモンド構造をなし、薄膜表面が（１１１）面でも、その等価面でもない一様な厚みの単結晶薄膜を主面側に備える基板を準備し、
前記単結晶薄膜をパターニングして、前記光入出力部の前駆体を備える前駆構造体を前記一様な厚みで形成する第１工程と、
前記前駆構造体の、前記光入出力部の前記前駆体を露出させ、それ以外の部分を被覆するマスクを形成した構造体を作成する第２工程と、
前記光入出力部の前記前駆体に、前記（１１１）面及びその等価面をエッチングストップ面とする面方位に関して異方性を有するエッチングを行い、前記コアを作成する第３工程と、
前記マスクを除去する第４工程と、
前記コアを前記クラッドで被覆して前記光素子を得る第５工程とを備えることを特徴とする光素子の製造方法。
【請求項４】
前記第３工程において、前記光入出力部の前記前駆体に、前記（１１１）面及びその等価面の内、互いに非平行な２面を前記エッチングストップ面として露出させることを特徴とする請求項３に記載の光素子の製造方法。
【請求項５】
前記単結晶薄膜の表面として（１００）面を備える前記基板を準備し、
前記第１工程で、前記光入出力部の前記前駆体を、前記基板の主面に平行な方向でかつ光伝搬方向に垂直な方向の長さである幅が光伝搬方向に沿ってテーパ状に幅が狭くなる平面形状が等脚台形状の直四角柱状にパターニングし、
前記第３工程で、前記等脚台形の中心線を挟んで対称的に２つの（１１１）面と、前記等脚台形の前記直四角柱の先端部に（１１１）面とを、前記エッチングストップ面として露出させることを特徴とする請求項３又は４に記載の光素子の製造方法。
【請求項６】
前記単結晶薄膜の表面として（１１０）面を備える前記基板を準備し、
前記第１工程で、前記光入出力部の前記前駆体を、前記基板の主面に平行な方向でかつ光伝搬方向に垂直な方向の長さである幅が光伝搬方向に沿ってテーパ状に幅が狭くなる平面形状が等脚台形状の直四角柱状にパターニングし、
前記第３工程で、前記等脚台形の中心線を挟んで対称的に２つの（１１１）面と、前記等脚台形の前記直四角柱の先端部に（１１１）面とを、前記エッチングストップ面として露出させることを特徴とする請求項３又は４に記載の光素子の製造方法。
【請求項７】
前記単結晶薄膜の表面として（１１２）面を備える前記基板を準備し、
前記第１工程で、前記光入出力部の前記前駆体を、前記基板の主面に平行な方向でかつ光伝搬方向に垂直な方向の長さである幅が光伝搬方向に沿ってテーパ状に幅が狭くなる平面形状が等脚台形状の直四角柱状にパターニングし、
前記第３工程で、単結晶薄膜表面である（１１２）面に接続する前記直四角柱の上面に前記（１１１）面を露出させ、該上面に接続する両側面として前記（１１１）面の等価面を前記エッチングストップ面として露出させ、
前記等脚台形状の前記直四角柱の先端部に前記エッチングストップ面として前記（１１１）面を露出させることを特徴とする請求項３又は４に記載の光素子の製造方法。
【請求項８】
前記第２〜第４工程を、前記マスクから露出する前記光入出力部の前記前駆体の部分を段階的に増加させて繰り返すことを特徴とする請求項５〜７の何れか一項に記載の光素子の製造方法。
【請求項９】
前記第３工程で形成された前記（１１１）面が露出した前記先端部を、光伝搬方向に対して垂直に切断する工程を、前記第３工程よりも後に備えることを特徴とする請求項５〜８の何れか一項に記載の光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記第５工程が、
前記クラッドよりも屈折率が大きく、かつ、前記コアよりも屈折率が小さい第２クラッドで、前記第４工程後に得られる構造体を被覆する第１サブ工程と、
前記第２クラッドを前記クラッドで被覆する第２サブ工程とを備えることを特徴とする請求項５〜８の何れか一項に記載の光素子の製造方法。
【請求項１１】
表面が（ｋｊｊ）面（ｋ及びｊは、ｋ≠ｊであり、それぞれ０以上の整数）である前記単結晶薄膜を備える基板を準備することを特徴とする請求項３〜１０の何れか一項に記載の光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記単結晶薄膜がＳｉ製であることを特徴とする請求項２〜１１の何れか一項に記載の光素子の製造方法。
【請求項１３】
前記クラッドとして、前記コアの屈折率の７１．４％未満の屈折率を有する物質を用いることを特徴とする請求項２〜１２の何れか一項に記載の光素子の製造方法。
【請求項１４】
前記クラッドが、ＳｉＯ２、ＳｉＯＸ（Ｘは０＜Ｘ＜２の実数）、ＳｉＯＮ、及び光学樹脂からなる群より選択された物質であることを特徴とする請求項２〜１３の何れか一項に記載の光素子の製造方法。
【請求項１５】
前記クラッドが、前記コアの上側に存在する上クラッドと、前記コアの下側に存在し、前記上クラッドとは異なる物質からなる下クラッドとを備え、上及び下クラッドは、それぞれ、ＳｉＯ２、ＳｉＯＸ（Ｘは０＜Ｘ＜２の実数）、ＳｉＯＮ、及び光学樹脂からなる群より選択されることを特徴とする請求項２〜１３の何れか一項に記載の光素子の製造方法。
【請求項１６】
前記異方性のエッチングが、ＫＯＨ水溶液、ＮａＯＨ水溶液、ＣｓＯＨ水溶液、テトラメチルアンモニアハイドレート（（ＣＨ３）４ＮＯＨ）水溶液、エチレンジアミン（Ｃ２Ｈ８Ｎ２）水溶液、エチレンジアミンピロカテコール水溶液、水和ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４・Ｈ２Ｏ）水溶液、及び水酸化アンモニウム（ＮＨ４ＯＨ）水溶液で構成される群から選択された溶液又はこれらの混合物であるアルカリ溶液をエッチャントして行われることを特徴とする請求項２〜１５の何れか一項に記載の光素子の製造方法。
【請求項１７】
コアと該コアの周囲に設けられたクラッドとを備え、該クラッドが前記コアの屈折率の７１．４％未満の屈折率を有する物質から構成され、前記コアの構成元素がダイヤモンド構造である光導波路を、基板の主面側に有し、
該光導波路は、光が入出力される光入出力部を備え、
該光入出力部は、出力端面に向けて厚さが階段状に減少し、幅がテーパ状に減少し、
前記入出力部の段差部分の側面に、（１１１）面又はその等価面が露出する前記コアを備える
ことを特徴とする光素子。
【請求項１８】
コアと該コアの周囲に設けられたクラッドとを備え、該クラッドが前記コアの屈折率の７１．４％未満の屈折率を有する物質から構成され、前記コアの構成元素がダイヤモンド構造である光導波路を、基板の主面側に有し、
該光導波路は、光が入出力される光入出力部を備え、
該光入出力部は、（１１１）面及びその等価面を合計２面以上有し、前記（１１１）面及びその等価面のうち、互いに非平行な２面を含む前記コアを備えることを特徴とする光素子。
【請求項１９】
表面が（１１１）面でも、その等価面でもなく、構成元素がダイヤモンド構造をとる単結晶薄膜をパターニングすることで形成されるコアと、該コアの屈折率の７１．４％未満の屈折率を有する物質で前記コアの周囲を被覆することで形成されるクラッドを備えた光導波路を基板の主面側に有し、
前記光導波路は、光が入出力される光入出力部を備え、
該光入出力部は、該光入出力部の前駆体をアルカリ溶液でウエットエッチングすることにより、エッチングストップ面として露出する（１１１）面及びその等価面を合計２面以上有し、前記（１１１）面及びその等価面のうち、互いに非平行な２面を含む前記コアを備えることを特徴とする光素子。
【請求項２０】
光が入出力される前記光入出力部は前記コアの本体に接続されるとともに先端部を備え、
前記コアの本体の前記主面に対向する上面が、（１００）面又は該（１００）面の等価面であり、
前記光入出力部は、接続部と機能部とを備え、
前記機能部は、前記接続部を介して前記コアの本体に接続される光伝搬方向に垂直な横断面が（１１１）面を２個の等辺とする二等辺三角形、及び（１１１）面を２個の脚とする等脚台形の何れか一方又は両方を備えるとともに、前記先端部に向かうにつれて、前記横断面が相似形を保ったまま一様に小型化していくテーパ形状を有し、
前記接続部は、（１１０）面及び該（１１０）面の等価面で構成された接続面で囲まれており、
スポットサイズ変換器として機能することを特徴とする請求項１８又は１９に記載の光素子。
【請求項２１】
光が入出力される前記光入出力部は前記コアの本体に接続されるとともに先端部を備え、
前記コアの本体の前記主面に対向する上面が、（１１０）面又は該（１１０）面の等価面であり、
前記光入出力部は、接続部と機能部とを備え、
前記機能部は、前記接続部を介して前記コアの本体に接続される光伝搬方向に垂直な横断面が（１１１）面を２個の等辺とする二等辺三角形、及び（１１１）面を２個の脚とする等脚台形の何れか一方又は両方を備えるとともに、前記先端部に向かうにつれて、前記横断面が相似形を保ったまま一様に小型化していくテーパ形状を有し、
前記接続部は、（１１１）面及び該（１１１）面の等価面で構成された接続面で囲まれており、
スポットサイズ変換器として機能することを特徴とする請求項１８又は１９に記載の光素子。
【請求項２２】
光が入出力される前記光入出力部は前記コアの本体に接続されるとともに先端部を備え、
前記コアの本体の前記主面に対向する上面が、（１１２）面又は該（１１２）面の等価面であり、
前記光入出力部は、光伝搬方向に垂直な横断面が矩形状である、接続部と機能部とを備えるとともに、前記先端部に向かうに連れて前記主面に平行かつ光伝搬方向に垂直な方向である幅が一様に狭まるテーパ形状であり、
前記接続部は、前記上面に接続する（１１１）面と、前記コアの本体の側面に接続する該（１１１）面の等価面とで構成された接続面で囲まれているとともに、光伝搬方向に垂直な横断面が矩形状であり、
前記機能部は、前記（１１２）面の平面部と、該平面部に接続され前記（１１１）面で構成される前記先端部とを備えており、
スポットサイズ変換器として機能することを特徴とする請求項１８又は１９に記載の光素子。
【請求項２３】
前記接続部が、光伝搬方向に沿って直列する複数のサブ接続部を備え、
該サブ接続部は、斜面であるサブ接続面と、該サブ接続面に接続する前記コアの上面と面方位の等しいサブ平面とを備え、
前記サブ接続面の面方位は前記複数のサブ接続部によらず等しく、かつ、光伝搬方向に沿って、段階的に面積が小さくなるように構成されていることを特徴とする請求項２０〜２２の何れか一項に記載の光素子。
【請求項２４】
前記光入出力部の前記先端部が、光伝搬方向に対して垂直に切断されており、その切断面はＴＥ波及びＴＭ波の両者が伝播可能な断面積を有することを特徴とする請求項２０〜２３の何れか一項に記載の光素子。
【請求項２５】
前記光入出力部が、前記クラッドよりも屈折率が大きく、かつ、前記コアよりも屈折率が小さい第２クラッドを周囲に備え、
該第２クラッドの周囲に前記クラッドが延在することを特徴とする請求項２０〜２３の何れか一項に記載の光素子。
【請求項２６】
前記光入出力部は、光伝搬方向に交差する複数のコアが、周期Λで平行に配置されており、
平行に配置された前記複数のコアの全てに垂直に交差し、かつ、前記主面に垂直な方向で切断した前記コアの横断面が（１１１）面を２個の等辺とする二等辺三角形、及び（１１１）面を２個の脚とする等脚台形の何れか一方又は両方であり、グレーティングカプラとして機能することを特徴とする請求項１８又は１９に記載の光素子。
【請求項２７】
コアと該コアの周囲に設けられたクラッドとを備え、該クラッドが前記コアの屈折率の７１．４％未満の屈折率を有する物質から構成され、前記コアの構成元素がダイヤモンド構造である光導波路を、基板の主面側に有し、
該光導波路は、伝搬する光を偏波変換する偏波変換部を備え、
該偏波変換部の光伝搬方向に垂直な横断面が、（１１１）面を２個の等辺とする二等辺三角形、及び（１１１）面を２個の脚とする等脚台形の何れか一方又は両方である、
偏波変換器として機能することを特徴とする光素子。
【請求項２８】
表面が（１１１）面でも、その等価面でもなく、構成元素がダイヤモンド構造をとる単結晶薄膜をパターニングすることで形成されるコアと、該コアの屈折率の７１．４％未満の屈折率を有する物質で前記コアの周囲を被覆することで形成されるクラッドを備えた光導波路を基板の主面側に有し、
前記光導波路は、伝搬する光を偏波変換する偏波変換部を備え、
該偏波変換部は、該偏波変換部の前駆体をアルカリ溶液でウエットエッチングすることにより、エッチングストップ面として露出する（１１１）面及びその等価面を合計２面以上有し、該偏波変換部の光伝搬方向に垂直な横断面が、（１１１）面を２個の等辺とする二等辺三角形、及び（１１１）面を２個の脚とする等脚台形の何れか一方又は両方である、
偏波変換器として機能することを特徴とする光素子。
【請求項２９】
前記コアの構成元素がＳｉであることを特徴とする請求項１７〜２８の何れか一項に記載の光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光素子の製造方法、及び、この方法で製造された光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
加入者側から局側への光伝送（上り通信）と、局側から加入者側への光伝送（下り通信）とを１本の光ファイバで行う光加入者系通信システム（以下、加入者系システムとも称する。）においては、上り通信及び下り通信に異なる波長の光を用いることがある。現在主流の加入者系システムは、双方向で１Ｇｂｐｓ以上の速度で通信可能なＧＥ−ＰＯＮ（Ｇｉｇａｂｉｔ  Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）−Ｐａｓｓｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）である。近年、ＧＥ−ＰＯＮに代わる次世代の技術として、通信波長の多重度を上げたＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ）−ＰＯＮが検討されている。ＷＤＭ−ＰＯＮでは、原理的には、双方向で１０Ｇｂｐｓを超える通信速度が得られる。
【０００３】
ＷＤＭ−ＰＯＮでは、通信に用いる光ファイバの局側及び加入者側の端部にそれぞれ局側終端装置（ＯＬＴ：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｌｉｎｅ  Ｔｅｒｍｉｎａｌ）と、加入者側終端装置（ＯＮＵ：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  Ｕｎｉｔ）が設けられる。これらの終端装置は、発光素子、受光素子及び波長合分波素子等の光素子が集積された光チップを備えている。
【０００４】
近年、この光チップ内での光素子間の接続には、シリコン（Ｓｉ）製のコアと、酸化シリコン（ＳｉＯ２）製のクラッドとを用いたＳｉ光導波路が用いられる。コアの屈折率がクラッドの屈折率よりも非常に大きいＳｉ光導波路は、光の閉じ込めが強い。よって、Ｓｉ光導波路を用いると、光を１μｍ程度の小さい曲率半径で曲げる湾曲光導波路を形成できる。また、製造に当たりＳｉ電子デバイスの加工技術を利用できるために、きわめて微細なサブミクロンの断面構造を実現できる。これらのことから、Ｓｉ光導波路を用いることにより、光チップのサイズを、Ｓｉ電子デバイスと同等にまで小型化できる。従って、Ｓｉ光導波路は、光と電子とを一つのチップ上で融合する技術として注目されている。
【０００５】
ところで、Ｓｉ光導波路の断面寸法は、外部の発光素子や受光素子や光ファイバ等の数分の１であるので、両者を光接続するためにはスポットサイズ変換器が必要となる。
【０００６】
従来から、種々のスポットサイズ変換器が提案されている。例えば、光入出射端面からの距離に応じてコアの不純物濃度を徐々に変えることにより、光導波路のコアの屈折率を光入出射端面に向かって段階的に小さくする技術がある（例えば、特許文献１及び２参照）。しかし、この技術は、不純物添加で屈折率を必要量だけ変更できる石英系光導波路のみで有効であり、不純物を添加してもコアの屈折率を必要量だけ変更できないＳｉ光導波路への応用は困難である。
【０００７】
また、光導波路のコアの幅及び厚みのどちらかを光入出射端面に向かってテーパ状に薄くしていく技術がある（例えば、幅については特許文献３〜５参照、厚みについては特許文献６及び７参照）。しかし、この技術では、光入出射端面におけるコアの幅と厚みの寸法が大きく異なるために、外部の光素子（以下、「外部素子」とも称する）との光結合の際に偏波依存性が生じてしまう。
【０００８】
そこで、偏波依存性を抑制するために、光導波路のコアの幅及び厚みの両者を光入出射端面に向かってテーパ状に小さくしていく技術がある（例えば、特許文献８及び９参照）。
【０００９】
特許文献８及び９では、光導波路の幅と厚みの両方を細くするテーパ形状を得るために、フォトリソグラフィを利用した非常に技巧的な加工が行われる。
【００１０】
特許文献８では、フォトレジストをドライエッチングした際に発生するエッチング生成物（以下、生成物とも称する）を利用する。この生成物は、Ｓｉ等の被エッチング面に堆積してエッチング速度を遅くする性質がある。特許文献８では、生成物のこの性質を利用して、厚み方向をテーパ状に加工する。つまり、光入出射端面に向かって幅が狭くなるように形成された厚みが一定のＳｉ製のテーパ構造の周囲に、テーパの先端に向かうほど生成物の堆積量を減少させるようなレジストパターンを形成する。そして、この構造体をドライエッチングすると、生成物の堆積量が少ないテーパの先端に向かうほど、厚み方向のエッチング量が多くなる。その結果、先端の光入出射端面に向かって幅と厚みとがテーパ状に細くなるスポットサイズ変換器が得られる。
【００１１】
特許文献９では、ＳＯＩ（Ｓｉ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハを利用して、幅と厚みとがテーパ状に細くなるＳｉ光導波路製のスポットサイズ変換器を作成する。詳細には、単結晶Ｓｉ製であるＳＯＩ層上にＳｉＯ２膜を形成する。そして、このＳｉＯ２膜表面に、ＳＯＩ層の酸化を抑制するマスクとして平面形状がテーパ状のＳｉＮ膜を形成する。そして、この構造体のＬＯＣＯＳ（ＬＯＣａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）酸化を行う。すると、マスクのＳｉＮ膜の幅が広い部分では、ＳＯＩ層が酸化されずに、幅広で厚みが大きいＳｉ光導波路が形成される。また、ＳｉＮ膜の幅が狭い部分では、マスクの幅に応じて、幅が狭くて厚みが小さいＳｉ光導波路が形成される。つまり、ＳｉＮ膜の直下に、幅と厚みとがテーパ状に細くなるスポットサイズ変換器が形成される。
【００１２】
また、Ｓｉ光導波路に関する技術ではないが、スポットサイズ変換器の寸法精度のばらつきを抑え、光の結合効率を高める技術として、化合物半導体を用いた光導波路を、選択エピタキシャル成長により形成する技術がある（例えば、特許文献１０参照）。この技術では、クラッドである単結晶ＩｎＰ基板上に、ＩｎＧａＡｓＰやＩｎＡｌＡｓ等のコアを選択エピタキシャル成長により形成する。この際、テーパ状に開口幅が変化するＳｉＮ等の選択成長マスクを用いることにより、形成されるコアの横断面形状を（１１１）面を等辺とする二等辺三角形とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００４−２５８６１０号公報
【特許文献２】特開２００３−２０７６８４号公報
【特許文献３】特開２００２−１６２５２８号公報
【特許文献４】特開２０００−２３５１２８号公報
【特許文献５】特開２０１１−１２３０９４号公報
【特許文献６】特開平９−１５４３５号公報
【特許文献７】特開２００５−３２６８７６号公報
【特許文献８】特開２０１０−２３０９８２号公報
【特許文献９】国際公開第２００８／１１１４４７号
【特許文献１０】特開平５−１１４７６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかし、特許文献８及び９の技術は、製造工程が複雑であるため、僅かな製造条件の変化でスポットサイズ変換器の寸法がばらついてしまい、その結果、安定した結合効率が得られなかった。
【００１５】
また、特許文献１０の技術は、選択エピタキシャル成長を用いており、下地がＳｉＯ２等の非晶質であるＳｉ光導波路に応用することは困難であった。
【００１６】
以上、スポットサイズ変換器の場合を例示したが、Ｓｉ光導波路製の他の光素子、例えば、光伝搬方向を変更するグレーティングカプラや、偏波変換を行う偏波変換素子等でも、寸法精度に関して同様の問題が生じていた。
【００１７】
この発明は、このような問題点に鑑みなされた。従って、この発明の目的は、工程が単純、かつ、寸法のばらつきが抑えられるＳｉ光導波路製の光素子の製造方法、及びこの製造方法により製造される光素子を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
発明者らは、単結晶Ｓｉをアルカリ溶液でウエットエッチングすると、（１１１）面が殆どエッチングされず、言わばエッチングストップ面となることに想到して本発明を完成した。
【００１９】
従って、本発明の光素子の製造方法は、コアとコアの周囲に設けられたクラッドとを有し、光が入出力される光入出力部を備える光導波路を有する光素子の製造に用いられる。
【００２０】
具体的には、まず、構成元素がダイヤモンド構造をなし、薄膜表面が（１１１）面でも、その等価面でもない一様な厚みの単結晶薄膜を主面側に備える基板を準備する。
【００２１】
次に、単結晶薄膜に対して、面方位に関する異方性を有するエッチングを行い、単結晶薄膜をステップ状又はテーパ状にして、（１１１）面及びその等価面を露出させる。
【００２２】
また、本発明の光素子は、コアとコアの周囲に設けられたクラッドとを備える光導波路を有する。ここで、クラッドがコアの屈折率の７１．４％未満の屈折率を有する物質から構成され、コアの構成元素がダイヤモンド構造である光導波路を、基板の主面側に有する。この光導波路は、光が入出力される光入出力部を備え、光入出力部は、出力端面に向けて厚さが階段状に減少し、幅がテーパ状に減少し、入出力部の段差部分の側面に、（１１１）面又はその等価面が露出するコアを備える。
【００２３】
また、本発明の光素子の他の実施形態によれば、光導波路は、光が入出力される光入出力部を備え、光入出力部は、（１１１）面及びその等価面を合計２面以上有し、（１１１）面及びその等価面のうち、互いに非平行な２面を含むコアを備える。
【発明の効果】
【００２４】
この発明の製造方法によれば、Ｓｉ光導波路製の光素子を製造するに当たり、工程を単純化でき、かつ、光素子の寸法のばらつきが抑えられる。これにより、光素子の製造歩留まりを高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】（Ａ）〜（Ｃ）は、第１スポットサイズ変換器の製造工程を順に示す斜視図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｃ）は、図１（Ｃ）に続く製造工程を順に示す斜視図である。
【図３】第１スポットサイズ変換器の概略的な構造を示す斜視図である。
【図４】（Ａ）は、図３の側面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の微小幅Ａの部分の端面図である。
【図５】図３の平面図である。
【図６】第１スポットサイズ変換器の第１変形例を示す斜視図である。
【図７】（Ａ）及び（Ｂ）は、第１スポットサイズ変換器の第２及び第３変形例をそれぞれ示す斜視図である。
【図８】（Ａ）は、第２スポットサイズ変換器の概略的な構造を示す斜視図であり、（Ｂ）は、（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った端面図である。
【図９】（Ａ）〜（Ｃ）は、第２スポットサイズ変換器の製造工程を順に示す斜視図である。
【図１０】（Ａ）〜（Ｃ）は、第３スポットサイズ変換器の製造工程を順に示す斜視図である。
【図１１】（Ａ）〜（Ｃ）は、図１０（Ｃ）に続く製造工程を順に示す斜視図である。
【図１２】（Ａ）〜（Ｃ）は、図１１（Ｃ）に続く製造工程を順に示す斜視図である。
【図１３】第３スポットサイズ変換器の概略的な構造を示す斜視図である。
【図１４】図１３の側面図である。
【図１５】図１３の平面図である。
【図１６】（Ａ）は、グレーティングカプラの概略的な構造を示す斜視図であり、（Ｂ）は、（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿った端面図である。
【図１７】（Ａ）は、偏波変換器の概略的な構造を示す斜視図であり、（Ｂ）は、（Ａ）を光入出射端面方向から見た端面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。なお、各図では、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係を、この発明が理解できる程度に概略的に示している。また、以下、この発明の好適な構成例について説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は、以下の実施形態に何ら限定されない。また、各図において、共通する構成要素には同符号を付し、重複する説明を省略することもある。また、他の図面との対応関係が明らかな構成要素の符号を省略することもある。
【００２７】
（結晶面の表現法）
発明の実施形態の説明に先立ち、まず始めに、結晶面の表し方について説明する。結晶面は、定法に従い、（１−１１）のように、ミラー指数を小括弧“（  ）”内に記載して表す。ここで、“−１”は、ミラー指数において、“１”にオーバーバー“￣”を付したものに相当する。
【００２８】
｛１１１｝のように、面方位を中括弧“｛  ｝”で表す場合は、（１１１）面の等価面の総称である。つまり、｛１１１｝面とは、（１１１）、（１１−１）、（１−１１）、（−１１１）、（−１１−１）、（−１−１１）、（１−１−１）及び（−１−１−１）の８個の面を総称する。
【００２９】
また、結晶面の法線を表す場合には、大括弧“［  ］”を用いる。例えば、（１１０）面の法線は、［１１０］と表す。
【００３０】
（製造方法の概要）
次に光素子の製造方法の概要を説明する。
【００３１】
Ｓｉ光導波路の材料である単結晶Ｓｉは、アルカリ溶液によるウエットエッチングの際に、面方位によりエッチング速度が異なることが知られている。詳細には、イソプロピルアルコール（以下、「ＩＰＡ」とも称する）を添加したＫＯＨ水溶液によるエッチングでは、面方位により、エッチング速度に以下の式（１）のような大小関係が成り立つ。つまり、アルカリ溶液によるウエットエッチングは、面方位によるエッチング異方性を有する。
【００３２】
ｖ｛１００｝＞ ｖ｛１１０｝＞＞ ｖ｛１１１｝・・・（１）
ここで、ｖ｛１００｝， ｖ｛１１０｝及び ｖ｛１１１｝は、｛１００｝面、｛１１０｝面、及び｛１１１｝面の、それぞれのエッチング速度を示す。なお、以降「アルカリ溶液によるウエットエッチング」を単に、「ウエットエッチング」とも称する。
【００３３】
このように、エッチング速度が異なる理由は、主に、Ｓｉの結晶構造にあると考えられている。ダイヤモンド構造の結晶構造をとるＳｉは、結晶面により、表面に露出するＳｉ原子と、結晶内部のＳｉ原子との結合数が異なっている。
【００３４】
具体的には、｛１００｝面の表面のＳｉ原子は、結晶内部のＳｉ原子と２本の結合手で結合している。一方、｛１１１｝面では、表面のＳｉ原子は、内部のＳｉ原子と３本の結合手で結合しており、｛１００｝面に比べて、表面Ｓｉ原子がより安定化されている。このような結晶面表面のＳｉ原子と、結晶内部のＳｉ原子との結合手の数の違いが式（１）のようなエッチング速度差を生む一因となっている。
【００３５】
例えば、アルカリ溶液として、２３．４％のＫＯＨと、１３．３％のＩＰＡと、６３．３％の水を重量比で含む液温８０℃の水溶液を用いた場合、（１００）面及び（１１１）面のエッチング速度は、それぞれ、約０．６μｍ／分及び約０．００６μｍ／分である。このように、｛１１１｝面のエッチング速度は、｛１００｝面の１／１００以下であるので、｛１１１｝面が露出すると、実質的にその面のエッチングは停止する。つまり、｛１１１｝面はエッチングストップ面として機能する。
【００３６】
よって、光素子の機能を担う主要構造部に｛１１１｝面を用いれば、ウエットエッチングにより、所望の機能を発揮する光素子を優れた寸法精度で、再現性良く得ることができる。
【００３７】
（第１スポットサイズ変換器の製造方法）
続いて、図１及び図２を参照して、本発明の光素子の一例である第１スポットサイズ変換器の製造方法を説明する。図１（Ａ）〜（Ｃ）及び図２（Ａ）〜（Ｃ）は、第１スポットサイズ変換器１００の製造工程を抜き出して順番に示す工程斜視図である。なお、図２（Ｃ）では、スポットサイズ変換器を構成するコアは、クラッドの内部に存在するので、直接目視できないが、構造を強調するために実線で示している。
【００３８】
図１（Ａ）に示すように、まず、構成元素がダイヤモンド構造をなし、薄膜表面が（１１１）面でも、その等価面でもない一様な厚みＴの単結晶薄膜１１を主面８ａ側に備える基板８を準備する。この例では、ＳＯＩ基板１３のＳＯＩ層を単結晶薄膜１１として用いる。この例では、単結晶Ｓｉの表面１１ａが（１００）面であるＳＯＩ基板１３を用いる。また、基板８と単結晶薄膜１１との間に存在するＢＯＸ（Ｂｕｒｉｅｄ−ＯＸｉｄｅ）層は、下クラッド１０として機能する。
【００３９】
続いて、図１（Ｂ）に示す第１工程で、単結晶薄膜１１をパターニングして、光入出力部の前駆体３０を備える前駆構造体５１を一様な厚みＴで形成する。
【００４０】
具体的には、例えば、Ｓｉ電子デバイスの加工で用いられるフォトリソグラフィにより、単結晶薄膜１１の不要部を除去する。これにより、下クラッド１０上に、コア本体２４と、光入出力部の前駆体３０とを一体に形成する。
【００４１】
前駆体３０は、等脚台形状の上面３０ａを備え、厚みがＴの直四角柱状にパターニングされる。この等脚台形は、コア本体２４側の幅Ｗの下底から、先端部の端面３０ｄ側の幅Ｗ２の上底まで幅が線形に変化する平面形状を持つ。ここで、Ｗ＞Ｗ２である。
【００４２】
続いて、図１（Ｃ）に示す第２工程で、前駆構造体５１の、光入出力部の前駆体３０を露出させ、それ以外の部分を被覆するエッチングマスク３２を形成した構造体３３を作成する。
【００４３】
具体的には、コア本体２４をフォトレジスト等のエッチングマスク３２で被覆する。エッチングマスク３２は、コア本体２４のウエットエッチングを防止する。エッチングマスク３２は、Ｓｉ電子デバイスの加工での定法に従いパターニングされる。
【００４４】
続いて、図２（Ａ）に示す第３工程で、エッチングマスク３２が形成された構造体３３をアルカリ溶液３５に浸漬する。これにより、光入出力部の前駆体３０を、（１１１）面及びその等価面をエッチングストップ面としてウエットエッチングする。
【００４５】
上述のように、ウエットエッチングではエッチング速度が速い面からエッチングが進行し、相対的にエッチング速度が遅い面が露出し、最終的には｛１１１｝面の露出により実質的にエッチングが停止する。
【００４６】
アルカリ溶液３５としては、この例では、ＩＰＡを添加したＫＯＨ水溶液を用いる。この場合、上述の式（１）に従い、まず始めに｛１００｝面がエッチングされ、相対的にエッチング速度が遅い｛１１０｝面及び｛１１１｝面が露出する。つまり、前駆体３０では、｛１００｝面に対応する４つの面３０ａ，３０ｂ，３０ｃ及び３０ｄが最初にエッチングされる。
【００４７】
その結果、コア本体２４と前駆体３０との接続部に｛１１０｝面からなる露出面２６ａ’，２６ｂ’及び２６ｃ’が現れ、｛１００｝面のエッチングと共に、徐々に面積が広がっていく。そして、これらの露出面２６ａ’，２６ｂ’及び２６ｃ’は、ウエットエッチング終了時には、図２（Ｂ）に示される、接続面２６ａ，２６ｂ及び２６ｃとなる。
【００４８】
同様に、下クラッド１０の上面１０ａと前駆体３０との接続部に、エッチングストップ面としての｛１１１｝面からなる露出面２８ｂ’，２８ｃ’及び２８ｅ’が現われ、エッチングと共に、徐々に面積が広がっていく。これらの露出面２８ｂ’，２８ｃ’及び２８ｅ’は、ウエットエッチング終了時には、図２（Ｂ）に示される、斜面２８ｂ，２８ｃ及び２８ｅとなる。
【００４９】
図２（Ｂ）に、ウエットエッチング終了後の構造体３７を示す。図２（Ｂ）を参照すると、構造体３７において、コア１６に、先端部を除く光入出力部２２の全ての斜面が形成されている。
【００５０】
すなわち、構造体３７では、平面形状が等脚台形状である光入出力部２２の中心線を挟んで、対称的に２つの（１１１）面である斜面２８ｂ及び２８ｃが露出している。これらの斜面２８ｂ及び２８ｃは非平行であり、光入出力部２２の中心線を稜線として互いに交わっている。また、光入出力部２２の先端にも（１１１）面である斜面２８ｅが露出している。
【００５１】
また、コア本体２４と前駆体３０との接続部においても、３つの｛１１０｝面からなる接続面２６ａ、２６ｂ及び２６ｃが露出している。
【００５２】
この例では、ウエットエッチングに用いるアルカリ溶液として、ＩＰＡを添加したＫＯＨ水溶液を用いた。しかし、アルカリ溶液は、これに限定されず、例えば、ＮａＯＨ水溶液、ＣｓＯＨ水溶液、テトラメチルアンモニアハイドレート（（ＣＨ３）４ＮＯＨ）水溶液、エチレンジアミン（Ｃ２Ｈ８Ｎ２）水溶液、エチレンジアミンピロカテコール水溶液、水和ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４・Ｈ２Ｏ）水溶液、及び水酸化アンモニウム（ＮＨ４ＯＨ）水溶液等を目的に応じて単独で、又は混合して用いても良い。また、ＩＰＡ等の添加物を加えても良い。
【００５３】
続いて、図２（Ｃ）に示す第４工程で、構造体３７から、アッシング等の定法に従ってエッチングマスク３２を除去する。次いで、第５工程で、エッチングマスク３２が除去された構造体を被覆して、上クラッド１２であるＳｉＯ２を形成する。上クラッド１２は、この例ではＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、定法に従い形成する。なお、上クラッド１２であるＳｉＯ２は、ＣＶＤ法に限定されず、真空蒸着や、スパッタ法や、火炎堆積法により形成しても良い。
【００５４】
最後に、図３に示すように、光入出力部２２の先端に露出した（１１１）面である斜面２８ｅを光伝搬方向（［１−１０］で示す矢印）に対して垂直に切断し、幅がＷ１（図５参照）の先端部２８ｄを形成する。これにより、第１スポットサイズ変換器１００が得られる。この切断には、例えば、ダイシングやＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）法を用いることができる。
【００５５】
なお、（１１１）面である斜面２８ｅを垂直に切断するのは、第１スポットサイズ変換器１００が光結合すべき外部の光素子との位置合わせを容易にするためである。より詳細には、光入出力部２２の先端が（１１１）面２８ｅ（図２（Ｃ））のままだと、光入出力部２２を伝搬した光は、斜面２８ｅから［１１１］方向、つまり、主面８ａに対して３５．３°で斜め上方に出射される。この場合、光の結合効率を最大にするためには、光結合すべき光ファイバ等を、正確な角度で斜めに配置しなければならない。一方、斜面２８ｅを垂直に切断すれば、光は、光入出力部２２の先端部２８ｄから主面８ａに平行に出射するので、光ファイバ等を主面８ａに平行に配置するだけで、光の結合効率を最大にすることができる。
【００５６】
（第１スポットサイズ変換器の構造と動作）
続いて、図３〜図７を参照して、第１スポットサイズ変換器について説明する。図３は、第１スポットサイズ変換器１００の概略的な構造を示す斜視図である。図４（Ａ）は、図３の側面図であり、図４（Ｂ）は、（Ａ）を微小幅Ａで切断した端面図である。図５は、図３の平面図である。図６及び図７は、スポットサイズ変換器の変形例を示す斜視図である。
【００５７】
なお、図３〜図５及び図７では、スポットサイズ変換器を構成するコアは、クラッドの内部に存在するので、直接目視できないが、構造を強調するために実線で示している。また、図６においては、クラッドの一部と基板の図示を省略している。
【００５８】
（座標系の定義）
まず、図３を参照して、以下の説明で用いる座標系を定義する。図３に示すような右手系の直交座標系を考え、ｘ方向を図が描かれた紙面の右から左に向かう方向とし、幅方向とも称する。また、ｚ方向を光伝搬方向に平行な方向とし、長さ方向とも称する。また、ｙ方向を図が描かれた紙面の下方から上方に向かう方向とし、高さ方向又は厚み方向とも称する。そして、ｘ方向に沿って測った幾何学的長さを「幅」とも称し、ｙ方向に沿って測った幾何学的長さを「高さ」又は「厚さ」とも称し、ｚ方向に沿って測った幾何学的長さを「長さ」とも称する。また、この例では、（１−１０）面の法線方向である［１−１０］を光伝搬方向とも称する。光伝搬方向は、ｚ方向の逆方向である。また、所定の構造体の光伝搬方向に垂直な断面のことを「横断面」と称する。
【００５９】
（構造）
図３〜図５を参照して、第１スポットサイズ変換器１００の構造について説明する。
【００６０】
第１スポットサイズ変換器１００は、基板８の主面８ａ側に設けられる光導波路１８を備える。光導波路１８は、コア１６とクラッド１４とを備える。コア１６は、この例では、ダイヤモンド構造をとる単結晶Ｓｉを材料とする。ここで、コア１６とは、単結晶Ｓｉで形成された構造体全体を示す概念である。すなわち、コア１６は、光伝搬部２０のコア本体２４と、光入出力部２２の単結晶Ｓｉ製の構造体とを含む。
【００６１】
クラッド１４は、下クラッド１０と、上クラッド１２とを備え、この例では、上下クラッド１２及び１０ともにＳｉＯ２を材料とする。このように、光導波路１８は、コア１６がＳｉ製であり、クラッド１４がＳｉＯ２製であるＳｉ光導波路である。なお、コア１６とクラッド１４の詳細は後述する。
【００６２】
第１スポットサイズ変換器１００は、コア本体２４を備える光伝搬部２０と、光伝搬部２０に接続される光入出力部２２を備える。
【００６３】
光伝搬部２０は、コア本体２４と、その周囲のクラッド１４とで構成されるチャネル型光導波路である。光伝搬部２０を構成するコア本体２４は横断面形状が正方形である。詳細には、コア本体２４の高さＴ及び幅Ｗは、この例では、それぞれ約０．３μｍである。また、主面８ａに平行なコア本体２４の上面２４ａは、この例では、図３に示すように（１００）面である。
【００６４】
このようにコア本体２４の横断面形状を正方形とすることにより、光伝搬部２０を偏波無依存にできる。また、高さＴ及び幅Ｗを０．２〜０．５μｍの範囲の値にすることで、光伝搬部２０は、次世代ＰＯＮで用いられる波長が約１．５５μｍの光を、高さ及び幅の両方向に関し、単一モードで伝搬できる。
【００６５】
図４（Ａ）及び図５を参照すると、光入出力部２２は、スポットサイズ変換に好適な構造が作りこまれたコア１６と、その周囲のクラッド１４とで構成される光導波路である。
【００６６】
光入出力部２２は、機能部２２ａと、接続部２２ｂとを備える。
【００６７】
機能部２２ａは、光伝搬部２０を伝搬する光のスポットサイズを変換する部分である。具体的には、光伝搬部２０を光伝搬方向に伝搬する光は、光入出力部２２でスポットサイズが拡大されて、不図示の光ファイバ等の外部素子に結合される。また、例えばＬＤ（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）等の外部素子から出力される光は、光入出力部２２でスポットサイズが縮小されて光伝搬部２０に結合される。ここで、「スポットサイズ」とは、光ビームの電場の振幅が最大値となる点から、１／ｅとなる点までの距離を示す。
【００６８】
まず、機能部２２ａの概略的な形状を説明する。図５を参照すると、機能部２２ａの平面形状は、コア本体２４から、先端部２８ｄに向かうにつれて幅が狭くなる等脚台形状である。また、機能部２２ａは、横断面形状が異なる第１及び第２領域２２ａ１及び２２ａ２を備える。第１及び第２領域２２ａ１及び２２ａ２は、斜面２８ｂ及び２８ｃを共有している。
【００６９】
第１領域２２ａ１は、長さがＬ２で、横断面形状が二等辺三角形である。第１領域２２ａ１では、横断面の二等辺三角形が相似形を保ったまま、光伝搬方向に沿って線形に面積が減少していく。第２領域２２ａ２は、長さがＬ３で、横断面形状が、高さがＨ１で等しい等脚台形である。また、第２領域２２ａ２の平坦な上面２８ａは、平面形状が、光伝搬方向に沿って線形に幅が減少する二等辺三角形であり、コア本体２４の上面２４ａと同様に（１００）面である。そして、第２領域２２ａ２では、一定の高さＨ１の等脚台形の幅が光伝搬方向に沿って線形に減少していく。そして、第２及び第１領域２２ａ２及び２２ａ１の境界では、上面２８ａの幅が０（ゼロ）となり、横断面形状が、等脚台形から二等辺三角形へと変化する。
【００７０】
なお、第１領域２２ａ１の横断面形状は、｛１１１｝面を２個の脚とする等脚台形であっても良い。
【００７１】
機能部２２ａが備える斜面２８ｂ及び２８ｃは、巨視的に見た場合、それぞれ（１１ｎ）面及び（１１−ｎ）面（ｎは、１以上の整数）である。ただし、図４（Ｂ）に示すように、結晶の単位格子レベルの微細な幅Ａ（図４（Ａ）参照）を考え、微視的に見た場合、これらの斜面２８ｂ及び２８ｃはそれぞれ（１１１）面及び（１１−１）面である。このように、光入出力部２２は、（１１１）面（斜面２８ｂ）と、その等価面（１１−１）面（斜面２８ｃ）を合計２面以上有し、これらが互いに非平行に配置されたコア１６を備えている。以降、光素子が備える面が「（１１１）面である」と言う場合は、巨視的に見た場合だけでなく、上述のように微視的に見た場合も含む。
【００７２】
上述したように、｛１１１｝面である斜面２８ｂ及び２８ｃは、ウエットエッチングの際に、最終的に露出するエッチングストップ面である。なお、（１１１）面及び（１１−１）面である斜面２８ｂ及び２８ｃと、基板８の主面８ａとがなす角度θは、それぞれ５４．７°である。
【００７３】
また、光入出力部２２の先端部２８ｄは、光伝搬方向に垂直な面で構成されている。先端部２８ｄの断面積は、機能部２２ａを伝搬する光の基本モードがカットオフされない大きさである。より詳細には、伝搬光のＴＥ波及びＴＭ波の基本モードが先端部２８ｄまで放射モードとならずに伝搬できるように、先端部２８ｄの断面積を設定する。先端部２８ｄをこのように構成することにより、伝搬光の放射によるロスを抑えることができ、外部素子との光結合効率をより高めることができる。なお、以下、ＴＥ波及びＴＭ波の両者を総称する場合、「両偏波」とも称する。
【００７４】
接続部２２ｂは、コア本体２４と機能部２２ａとを接続する部分であり、ウエットエッチングで形成される。その結果、接続部２２ｂには、エッチング速度が等しい３つの｛１１０｝面である接続面２６ａ，２６ｂ及び２６ｃが露出する。接続面２６ａ，２６ｂ及び２６ｃは、｛１００｝面であるコア本体２４の上面２４ａ及び両側面２４ｂ及び２４ｃに対して、４５°の角度で交差する。そして、接続面２６ａ，２６ｂ及び２６ｃは、それぞれ機能部２２ａの上面２８ａと斜面２８ｂ及び２８ｃに接続する。接続部２２ｂの長さはＬ４である。
【００７５】
ここで、コア１６及びクラッド１４について説明する。Ｓｉ製のコア１６は、ＳＯＩ基板１３（図１（Ａ））のＳＯＩ層１１（図１（Ａ））を用いて形成される。コア１６の屈折率は、約３．４８である。なお、コア１６としては、ダイヤモンド構造の結晶構造をとるＧｅを用いてもよい。
【００７６】
また、クラッド１４を構成する上下クラッド１２及び１０は、コア１６の下面を境にして、それぞれ上下に設けられ、両者１２及び１０でコア１６の周囲を覆っている。上下クラッド１２及び１０の材料であるＳｉＯ２は、屈折率が約１．４４である。より詳細には、下クラッド１０は、ＳＯＩ基板１３のＢＯＸ層である。上クラッド１２は、上述のように、コア１６に必要な構造が作り込まれた後に形成される。
【００７７】
コア１６を伝搬する光の基板８への不所望な結合を抑制するためには、コア１６と基板８との間に１μｍ以上の厚みの下クラッド１０を設けることが好ましい。この例では、下クラッド１０の厚みは、約１．５μｍである。また、クラッド１４の屈折率をコア１６の屈折率の７１．４％未満とすることにより、コア１６への光の閉じ込め能力が向上し、小さい曲率半径の湾曲光導波路を形成することができる。
【００７８】
なお、クラッド１４は、上下クラッド１２及び１０に同じ材料を用いても良いし、異なる材料を用いても良い。上下クラッド１２及び１０の材料としては、ＳｉＯ２の他に、ＳｉＯＸ（Ｘは０＜Ｘ＜２の実数）、ＳｉＯＮ、及び光学樹脂からなる群より選択された物質を用いることができる。ここで、光学樹脂とは、光学機器において一般的に用いられる樹脂を示し、例えば、ポリメタクリル酸メチル樹脂、ポリエステル樹脂、アクリレート樹脂、及びフェノール樹脂等が挙げられる。
【００７９】
次に、第１スポットサイズ変換器１００の具体的な寸法を例示する。光入出力部２２の全長Ｌ１を、例えば、２００〜３００μｍの間の値とする。また、先端部２８ｄの幅Ｗ１を、例えば、０．２〜０．２５μｍの間の値とする。Ｌ１及びＷ１がこの範囲の値であれば、光が光入出力部２２を伝搬する際の損失と、素子サイズの大型化に伴う製造コスト面での損失とを実用上十分にバランス良く低減できる。
【００８０】
Ｌ１及びＷ１以外の寸法は、ウエットエッチングにより自動的に決まるが、第１スポットサイズ変換器１００の形状の把握のために、以下に示す。機能部２２ａの第２領域２２ａ２の長さＬ３は、０〜５０μｍの間の値をとる。第２領域２２ａ２の高さＨ１は、０．１５〜０．１８μｍの間の値をとる。また、機能部２２ａのテーパ角αは、０．０１０°〜０．０２９°の間の値をとる。先端部２８ｄの高さＨ２は、０．１４〜０．１８μｍの値をとる。
【００８１】
（動作）
次に、図３〜図５を適宜参照して、第１スポットサイズ変換器１００の動作を説明する。ここでは、光伝搬部２０を光伝搬方向に伝搬する光を、外部の光ファイバに結合する場合を例示する。また、伝搬光の波長を約１．５５μｍとし、及び第１スポットサイズ変換器１００の各部の寸法は上述の範囲の値とする。また、Ｓｉの屈折率を３．４８とし、ＳｉＯ２の屈折率を１．４４とする。
【００８２】
光伝搬部２０を伝搬する伝搬光は、光入出力部２２に結合される。つまり、接続部２２ｂを経て、機能部２２ａを伝搬する。ところで、機能部２２ａは、光伝搬方向に沿って、コア１６の断面積が小さくなっていく。これは、伝搬光に関する等価屈折率が、機能部２２ａの先端部２８ｄに向かうにつれて徐々に小さくなっていくことを意味する。等価屈折率が小さくなるほど伝搬光をコア１６内に閉じ込める能力が減少するので、伝搬光は、機能部２２ａを光伝搬方向に伝搬するほどコア１６の外側にまで広がっていく。すなわち、伝搬光のスポットサイズは、機能部２２ａを先端部２８ｄに向かって伝搬する程、拡大していく。
【００８３】
ただし、上述のように先端部２８ｄは、伝搬光の基本モードが伝搬可能な断面積を持つので、伝搬光は、スポットサイズが拡大した出射光として、先端部２８ｄから光伝搬方向に出射される。よって、この出射光のスポットサイズと同等の寸法の光入出力部を持つ外部素子を先端部２８ｄに対向して適切に配置することにより、外部素子に出射光を効率良く結合できる。
【００８４】
例えば、波長が約１．５５μｍの光の場合、この例では、先端部２８ｄから出射する光のスポットサイズは約０．３μｍ程度にまで拡大する。よって、第１スポットサイズ変換器１００は、例えば、レンズ付きの光ファイバや、先球光ファイバ等の外部素子との間で好適に光を結合することができる。
【００８５】
次に、第１スポットサイズ変換器１００が、偏波無依存で動作することを説明する。第１スポットサイズ変換器１００が偏波無依存で動作するためには、機能部２２ａにおいて、両偏波の基本モード光の等価屈折率が実用上充分な精度で一致する必要がある。
【００８６】
例えば、特許文献８及び９のように、幅及び高さの両方向をテーパ状に成形して偏波無依存を達成したスポットサイズ変換器（以下、「従来型変換器」とも称する）について、両偏波に関して、等価屈折率とスポットサイズとを以下の表１にまとめた。下記表の値は、両偏波の基本モード光がカットオフとなるコア寸法について求めた。より詳細には、クラッドがＳｉＯ２であり、コアが幅＝０．１５μｍ、及び高さ＝０．１５μｍのＳｉとして求めた。
【００８７】
【表１】
2015084081.tif 000003
【００８８】
このように、コアの横断面形状が、正方形のまま小さくなっていく従来型変換器の場合、両偏波の等価屈折率は殆ど一致している。また、両偏波のスポットサイズの面積も等しいことからも、このスポットサイズ変換器が偏波無依存で動作することが分かる。
【００８９】
同様に、本発明の第１スポットサイズ変換器１００について、両偏波に関して、等価屈折率とスポットサイズとを以下の表２にまとめた。第１スポットサイズ変換器１００では、機能部２２ａを光伝搬方向に伝搬する過程で、ＴＭ偏波の基本モード光がＴＥ偏波の基本モード光よりも先にカットオフとなる。よって、下記表の値は、ＴＭ偏波の基本モード光がカットオフとなるコア寸法について求めた。より詳細には、機能部２２ａのコア１６の横断面が、幅＝０．２８μｍ、及び高さ＝０．２０μｍの二等辺三角形として求めた。
【００９０】
【表２】
2015084081.tif 000004
【００９１】
このように、本発明の第１スポットサイズ変換器１００の場合、ＴＥ偏波とＴＭ偏波の等価屈折率差は、約１．３％であり、実用上充分な範囲で一致している。つまり、第１スポットサイズ変換器１００は偏波無依存で動作する。また、両偏波のスポットサイズの面積がほぼ等しいことからも、第１スポットサイズ変換器１００が実用上充分に偏波無依存で動作することが分かる。
【００９２】
（効果）
次に、本発明の効果について説明する。
【００９３】
本発明の製造方法では、アルカリ溶液を用いたウエットエッチングを利用するので、寸法精度及び再現性良く光素子を製造することができる。例えば、第１スポットサイズ変換器１００の場合、ウエットエッチングを用いることで、横断面形状が二等辺三角形の機能部２２ａの高さは、コア１６の幅により自動的に定まる。つまり、従来技術とは異なり、スポットサイズ変換器の寸法精度がフォトリソグラフィやドライエッチングの寸法精度に依存しない。これにより、スポットサイズ変換器の製造歩留まりを向上することができる。
【００９４】
また、表１より、従来型変換器では、伝搬光の基本モード光がカットオフとなるコア幅は０．１５μｍである。一方、表２より、第１スポットサイズ変換器１００では、伝搬光の基本モード光がカットオフとなるコア幅は、従来型変換器よりも大きく、０．２８μｍである。
【００９５】
つまり、スポットサイズ変換を行うテーパ形光導波路のテーパ角(図５：α）を等しくした場合、第１スポットサイズ変換器１００の機能部２２ａの方が、従来型変換器のテーパ形光導波路よりも、短い長さで、スポットサイズを変換できる。これにより、従来型変換器と同等の機能を奏しつつ、第１スポットサイズ変換器１００を従来型変換器よりも小型化できる。
【００９６】
また、機能部２２ａの長さを従来型変換器のテーパ形光導波路と等しくした場合には、第１スポットサイズ変換器１００は、従来型変換器よりも放射による光の損失を少なくできる。
【００９７】
（変形例）
次に、図６及び図７を参照して、第１スポットサイズ変換器１００の変形例について説明する。
【００９８】
図６は、第１変形例スポットサイズ変換器１５０の斜視図である。第１変形例スポットサイズ変換器１５０は、接続部２３の構造が異なっている以外は、第１スポットサイズ変換器１００と同様に構成されている。従って、以下、この相違点を中心に説明する。
【００９９】
第１変形例スポットサイズ変換器１５０では、接続部２３が、言わば階段状に構成されている。より詳細には、接続部２３は、３個のサブ接続部２６１〜２６３が、光伝搬方向に沿って直列している。サブ接続部２６１は、（１１０）面の斜面であるサブ接続面２６１ａと、このサブ接続面２６１ａに接続するサブ平面２６１ｄとを備える。サブ平面２６１ｄは、コア本体２４の上面２４ａと面方位の等しい（１００）面で構成されている。サブ接続部２６２及び２６３も同様に、サブ接続面２６２ａ及び２６３ａと、サブ平面２６２ｄ及び２６３ｄとをそれぞれ備える。
【０１００】
サブ接続面２６１ａ、２６２ａ及び２６３ａは、互いに等しい（１１０）面で構成され、光伝搬方向に沿って、段階的に面積が小さくなっていく。そして、互いに隣接したサブ接続部２６１と２６２の間は、サブ平面２６１ｄとサブ接続面２６２ａとが接続している。サブ接続部２６２と２６３の間も同様である。
【０１０１】
また、この例では、コア本体２４の両側面２４ｂ及び２４ｃから機能部２２ａの両斜面２８ｂ及び２８ｃに対応する領域も、階段状に構成されている。
【０１０２】
次に接続部２３の製造方法について説明する。階段状に構成された接続部２３は、エッチングマスク３２（図１（Ｃ））から露出するコア本体２４の長さを段階的に増加させながら、上述の第２〜第４工程を繰り返すことにより作成される。
【０１０３】
より詳細には、まず、接続部２３となる部分の先端からの長さがＬ５３だけコア本体２４を露出させるようにエッチングマスク３２を形成してウエットエッチングを行う。そして、このエッチングマスク３２を除去する。これにより、第３サブ接続部２６３となるべき領域は１度目のウエットエッチングを受ける。
【０１０４】
次に、接続部２３となる部分の先端からの長さが（Ｌ５３＋Ｌ５２）だけコア本体２４を露出させるように新たなエッチングマスク３２を形成してウエットエッチングを行う。そして、このエッチングマスク３２を除去する。これにより、第３サブ接続部２６３となるべき領域は２度目のウエットエッチングを受け、第２サブ接続部２６２となるべき領域は１度目のウエットエッチングを受ける。
【０１０５】
続いて、接続部２３となる部分の先端からの長さが（Ｌ５３＋Ｌ５２＋Ｌ５１）だけコア本体２４を露出させるように新たなエッチングマスク３２を形成してウエットエッチングを行う。そして、このエッチングマスク３２を除去する。
【０１０６】
これにより、３度のウエットエッチングを受けて、最も小型化した第３サブ接続部２６３が完成する。同様に、２度のウエットエッチングを受けて、第３サブ接続部２６３よりもサイズの大きい第２サブ接続部２６２が完成する。また、１度のウエットエッチングを受けることで、第２サブ接続部２６２よりもサイズの大きい第１サブ接続部２６１が完成する。
【０１０７】
なお、第１変形例スポットサイズ変換器１５０では接続部２３と機能部２２ａとの間の接続領域２６０の構造が、第１スポットサイズ変換器１００の対応領域（図３の上面２８ａ付近）とは異なっている。この構造の違いは、コア本体２４の幅と高さとの比率や、ウエットエッチング時間等のエッチング条件の違いにより生じる。
【０１０８】
このように、第１変形例スポットサイズ変換器１５０では、接続部２３が階段状に形成されている。これは、第１スポットサイズ変換器１００では一つの斜面であった接続面２６ａを、３つのサブ接続面２６１ａ〜２６３ａに分割し、これらの間にサブ平面２６１ｄ及び２６２ｄを設けたことに相当する。その結果、接続部２３の長さＬ５は、第１スポットサイズ変換器１００の接続部２２ａの長さＬ４（図４（Ａ））よりも大きくなる。これにより、言わば、接続部２３の傾斜が、接続部２２ａの傾斜（４５°）よりも緩やかになり、接続部２３での回折による光の損失を接続部２２ａよりも小さくできる。
【０１０９】
続いて、図７（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、第２及び第３変形例スポットサイズ変換器１２０及び１３０について説明する。
【０１１０】
第１スポットサイズ変換器１００では、コア本体２４の上面２４ａ、つまり、単結晶薄膜１１の表面１１ａが（１００）面である場合について説明した。しかし、単結晶薄膜１１の表面１１ａは、｛１１１｝面以外であれば、任意の（ｋｊｊ）面（ｋ及びｊは、ｋ≠ｊであり、それぞれ０以上の整数）でも良い。このような単結晶薄膜１１を用いることでも、非平行な２面以上の｛１１１｝面をエッチングストップ面として利用したウエットエッチングによりスポットサイズ変換器を作成することができる。
【０１１１】
図７（Ａ）には、単結晶薄膜１１の表面１１ａが（１１０）面の場合の第２変形例スポットサイズ変換器１２０を例示する。この場合、第２変形例スポットサイズ変換器１２０の形状は第１スポットサイズ変換器１００（図３）と同様となるが、主に接続部２２ｂの接続面２９ａ，２９ｂ及び２９ｃの面方位に違いが生じる。
【０１１２】
より詳細には、第１スポットサイズ変換器１００では、接続面２６ａ，２６ｂ及び２６ｃは、｛１１０｝面であるが、第２変形例スポットサイズ変換器１２０では、接続面２９ａ，２９ｂ及び２９ｃが｛１１１｝面で構成される。また、第２変形例スポットサイズ変換器１２０のコア本体２５は、上面２５ａが（１１０）面であり、両側面２５ｂ、２５ｃが（００１）面となる。
【０１１３】
第２変形例スポットサイズ変換器１２０の製造方法は、第３工程において、接続面２９ａ，２９ｂ及び２９ｃにエッチングストップ面である｛１１１｝面が露出する以外は、第１スポットサイズ変換器１００と同様である。
【０１１４】
なお、単結晶薄膜１１の表面１１ａが（１１０）面であるＳＯＩ基板１３としては市販品を用いることができる。
【０１１５】
第２変形例スポットサイズ変換器１２０は、第１スポットサイズ変換器１００と同様の効果を奏する。
【０１１６】
図７（Ｂ）には、単結晶薄膜１１の表面１１ａが（１１２）面の場合の第３変形例スポットサイズ変換器１３０を例示する。この場合、第３変形例スポットサイズ変換器１３０の形状が第１スポットサイズ変換器１００（図３）から変化する。具体的には、第３変形例スポットサイズ変換器１３０では、機能部２２ａの横断面形状が矩形状となる点が、第１スポットサイズ変換器１００と異なる。
【０１１７】
詳細には、第３変形例スポットサイズ変換器１３０では、コア本体２７の上面２７ａが（１１２）面であり、両側面２７ｂ、２７ｃが（１１１）面である。また、光入出力部２２は、光伝搬方向に垂直な断面が矩形状であり、先端部３１ｄに向かうに連れて幅が線形に狭まるテーパ形状である。
【０１１８】
そして、接続部２２ｂは、コア本体２７の上面２７ａに接続する（１−１１）面である接続面３９ａと、接続面３９ａと接続する（１１１）面である側面３９ｂ及び３９ｃで囲まれている。また、機能部２２ａは、（１１２）面の平面部３１ａと、平面部３１ａに接続され（１−１１）面で構成される先端部３１ｄとを備える。
【０１１９】
このように、第３変形例スポットサイズ変換器１３０では、接続部２２ｂと機能部２２ａとに共通の側面３９ｂ及び３９ｃが互いに非平行な（１１１）面となる。
【０１２０】
第３変形例スポットサイズ変換器１３０の製造方法は、第３工程において、接続面３９ａ及び両側面３９ｂ及び３９ｃにエッチングストップ面である｛１１１｝面が露出し、機能部２２ａの平面部３１ａに（１１２）面が露出する以外は、第１スポットサイズ変換器１００と同様である。
【０１２１】
（第２スポットサイズ変換器）
続いて、図８及び図９を参照して、スポットサイズ変換器の別の実施形態について説明する。
【０１２２】
図８（Ａ）は、第２スポットサイズ変換器１１０の概略的な構造を示す斜視図である。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）をＢ−Ｂ線に沿って切断した端面図である。図９（Ａ）〜（Ｃ）は、第２スポットサイズ変換器の製造工程を順に示す斜視図である。なお、図８（Ａ）及び図９（Ａ）〜（Ｃ）では、コア１６及び第２クラッド１２ｂは、上クラッド１２ａに覆われており、直接目視できないが、強調のために実線で表す。
【０１２３】
第２スポットサイズ変換器１１０は、光入出力部２２を第２クラッド１２ｂが覆い、その第２クラッド１２ｂを上クラッド１２ａが覆っている点と、先端部４１ｄの断面積が小さい点以外は、第１スポットサイズ変換器１００と同様に構成されている。従って、以下、この相違点を中心に説明する。
【０１２４】
図８（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、第２スポットサイズ変換器１１０は、光入出力部２２の周囲に直方体状の第２クラッド１２ｂが設けられている。第２クラッド１２ｂは、上下クラッド１２ａ及び１０を構成するＳｉＯ２よりも屈折率が大きく、かつ、コア１６よりも屈折率が小さい材料からなる。この例では、第２クラッド１２ｂとして、例えば、屈折率が約１．９８９のＳｉ３Ｎ４を用いている。また、第２クラッド１２ｂの横断面形状は、この例では、一辺が約３μｍの正方形状である。
【０１２５】
また、第１スポットサイズ変換器１００とは異なり、光入出力部２２の先端部４１ｄの断面積は、両偏波の基本モード光がカットオフとなる面積よりも小さい面積である。その結果、光入出力部２２を伝搬する光の殆どは、第２クラッド１２ｂに移行する。
【０１２６】
第２クラッド１２ｂは、コア１６と、上下クラッド１２ａ及び１０との中間の大きさの屈折率を持つので、上下クラッド１２ａ及び１０に対しては、言わばコアとして機能する。その結果、コア１６から第２クラッド１２ｂに移行した光は、第２クラッド１２ｂ中を光伝搬方向に伝搬する。そして、スポットサイズが第２クラッド１２ｂの横断面寸法の同等のサイズまで拡大した光ビームとして、端面１２ｃから外部に出射する。
【０１２７】
続いて、図９（Ａ）〜（Ｃ）を参照し、第２スポットサイズ変換器１１０の製造方法を説明する。第２スポットサイズ変換器１１０の製造方法は、第５工程以外は第１スポットサイズ変換器１００と同様である。従って、以下、この相違点について説明する。第２スポットサイズ変換器１１０を製造する第５工程は、第１サブ工程と、第２サブ工程とを含む。
【０１２８】
具体的には、図９（Ａ）に示すように、第１サブ工程では、下クラッド１０よりも屈折率が大きく、かつ、コア１６よりも屈折率が小さい材料１２ｂ’で、第４工程（図２（Ｂ）のエッチングマスク３２を除去する工程）後に得られる構造体を被覆する。そして、この材料１２ｂ’の第２クラッド１２ｂとなるべき表面領域にマスク４０を作成して、エッチングを行う。その結果、図９（Ｂ）に示すように、直方体状の第２クラッド１２ｂが、光入出力部２２を覆うように形成される。
【０１２９】
第２サブ工程では、図９（Ｃ）に示すように、マスク４０を定法に従い除去し、その後、第２クラッド１２ｂ及び、コア１６全体を上クラッド１２ａで被覆する。これにより、図８（Ａ）に示したような第２スポットサイズ変換器１１０が得られる。
【０１３０】
第２スポットサイズ変換器１１０は、第２クラッド１２ｂを備えない第１スポットサイズ変換器１００に比べて、伝搬光のスポットサイズをより大きなサイズまで変換することができる。よって、第２クラッド１２ｂの端面１２ｃに対向して、外部素子を配置することにより、外部素子に、効率よく光を結合することができる。例えば、波長が約１．５５μｍの光の場合、この例では、第２クラッド１２ｂを伝搬する光のスポットサイズは約３μｍ程度にまで拡大する。つまり、端面１２ｃから出射する光ビームの直径は約６μｍまで拡大するので、一般的なシングルモード光ファイバに光を結合することが可能となる。
【０１３１】
（第３スポットサイズ変換器の製造方法）
図１０〜図１２を参照して、本発明の光素子の他の例である第３スポットサイズ変換器の製造方法を説明する。図１０（Ａ）〜（Ｃ）、図１１（Ａ）〜（Ｃ）及び図１２（Ａ）〜（Ｃ）は、第３スポットサイズ変換器４００の製造工程を抜き出して順番に示す工程斜視図である。なお、図１２（Ｃ）では、スポットサイズ変換器を構成するコアは、クラッドの内部に存在するので、直接目視できないが、構造を強調するために実線で示している。
【０１３２】
図１０（Ａ）に示すように、まず、構成元素がダイヤモンド構造をなし、薄膜表面が（１１１）面でも、その等価面でもない一様な厚みＴの単結晶薄膜４１１を主面４０８ａ側に備える基板４０８を準備する。この例では、ＳＯＩ基板４１３のＳＯＩ層を単結晶薄膜４１１として用いる。この例では、単結晶Ｓｉの表面４１１ａが（１００）面であるＳＯＩ基板４１３を用いる。また、基板４０８と単結晶薄膜４１１との間に存在するＢＯＸ層は、下クラッド４１０として機能する。ここでは、コアの材料がＳｉである例を説明するが、これに限定されない。コアの材料を、異方性エッチングが可能な別の材料、例えば、ＧａＡｓやＩｎＰといった半導体材料でも適用可能である。
【０１３３】
続いて、第１工程で、単結晶膜を階段状（ステップ状）に加工する。第１工程は、繰り返し行われる第１サブ工程及び第２サブ工程を備えている。
【０１３４】
先ず、図１０（Ｂ）に示す第１サブ工程により、単結晶薄膜４１１上に例えばフォトレジストによりエッチングマスク４３２を形成する。エッチングマスク４３２は、長手方向の一方の端面側に、幅方向の全体にわたる部分を露出し、それ以外の単結晶薄膜４１１の上面を被覆している。エッチングマスク４３２は、Ｓｉ電子デバイスの加工での定法に従いパターニングされる。なお、エッチングマスクの材料はフォトレジストに限定されない。異方性エッチャントに対して耐性のある材料であれば、例えば窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）などを用いても良い。
【０１３５】
続いて、図１０（Ｃ）に示す第２サブ工程で、エッチングマスク４３２が形成された構造体４１３ａをアルカリ溶液４３５に浸漬する。アルカリ溶液４３５として例えば水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液などを用いることができる。このＫＯＨ水溶液を用いたウエットエッチングはいわゆる異方性エッチングである。
【０１３６】
この例では、ウエットエッチングに用いるアルカリ溶液として、ＩＰＡを添加したＫＯＨ水溶液を用いた。しかし、アルカリ溶液は、これに限定されず、例えば、ＮａＯＨ水溶液、ＣｓＯＨ水溶液、テトラメチルアンモニアハイドレート（（ＣＨ３）４ＮＯＨ）水溶液、エチレンジアミン（Ｃ２Ｈ８Ｎ２）水溶液、エチレンジアミンピロカテコール水溶液、水和ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４・Ｈ２Ｏ）水溶液、及び水酸化アンモニウム（ＮＨ４ＯＨ）水溶液等を目的に応じて単独で、又は混合して用いても良い。また、ＩＰＡ等の添加物を加えても良い。
【０１３７】
また、ＨＣｌやＨ２などを用いた気相のエッチング法なども面方位によってエッチング速度が大きく異なる性質を有する方法であれば適用可能である。
【０１３８】
エッチングマスク４３２の開口している部分の単結晶薄膜４１１の部分がエッチングされ、エッチングマスクに被覆されている部分はエッチングされない。この結果、単結晶薄膜４１１ａは、厚さがＴａ（＜Ｔ）に薄くなった第１領域部分と厚さがＴに維持された第２領域部分に分かれる。そして、第１領域部分と第２領域部分の境界にエッチング速度の遅い（１１１）面が現れる。このウエットエッチングを終えた後、エッチングマスク４３２を除去する。
【０１３９】
続いて、図１１（Ａ）に示す第１サブ工程で、単結晶薄膜４１１ａ上にエッチングマスク４３２を形成する。エッチングマスク４３２は、第２領域部分のうち、長手方向の上述の第２サブ工程でエッチングされた側に、幅方向の全体にわたる部分を露出し、それ以外の単結晶薄膜４１１の第２領域部分の上面を被覆している。エッチングマスク４３２は、Ｓｉ電子デバイスの加工での定法に従いパターニングされる。
【０１４０】
続いて、図１１（Ｂ）に示す第２サブ工程で、エッチングマスク４３２が形成された構造体４１３ａをアルカリ溶液４３５に浸漬する。この結果、エッチングマスクの開口している部分の単結晶薄膜４１１の部分がエッチングされ、エッチングマスク４３２に被覆されている部分はエッチングされない。この結果、第２領域部分のうち、エッチングされない部分が第３領域部分になる。
【０１４１】
単結晶薄膜４１１ｂは、厚さがＴｂ（＜Ｔａ）に薄くなった第１領域部分と厚さがＴｃ（Ｔｂ＜Ｔｃ＜Ｔ）に薄くなった第２領域部分、厚さがＴに維持された第３領域部分に分かれる。そして、第２領域部分と第３領域部分の境界にエッチング速度の遅い（１１１）面が現れる。このウエットエッチングを終えた後、エッチングマスク４３２を除去する。
【０１４２】
引き続き第１サブ工程及び第２サブ工程を行うと、図１１（Ｃ）に示すように、単結晶薄膜が３回エッチングされた第１領域部分４１１１、２回エッチングされた第２領域部分４１１２、１回エッチングされた第３領域部分４１１３、及び、エッチングされていない第４領域部分４１１４の４領域に分かれる。すなわち、階段状の構造体が得られる。ここで、第１領域部分４１１１の厚さをＴ１、第２領域部分４１１２の厚さをＴ２、第３領域部分４１１３の厚さをＴ３、第４領域部分４１１４の厚さをＴとすると、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３＜Ｔとなる。
【０１４３】
また、第１領域部分４１１１と第２領域部分４１１２の境界、第２領域部分４１１２と第３領域部分４１１３の境界、及び、第３領域部分４１１３と第４領域部分４１１４の境界には、エッチング速度の遅い（１１１）面が斜面として現れる。
【０１４４】
続いて、図１２（Ａ）に示す第２工程で、階段状の単結晶薄膜４１１ｃ上に、幅が一定のＳｉ細線導波路とスポットサイズ変換器のコアとなる部分を被覆するフォトレジスト４３４を形成する。具体的には、例えば、Ｓｉ電子デバイスの加工で用いられるフォトリソグラフィにより、幅が一定の領域部分と、幅が徐々に変化するテーパ領域部分をパターニングする。
【０１４５】
続いて、図１２（Ｂ）に示す第３工程で、フォトレジスト４３４をエッチングマスクとしてドライエッチングを行うことにより、単結晶薄膜４１１をパターニングして、Ｓｉ細線導波路とスポットサイズ変換器のコアを形成する。このドライエッチングによるパターニングを終えた後、フォトレジスト４３４を除去する。
【０１４６】
続いて、図１２（Ｃ）に示す第４工程で、フォトレジストが除去された構造体を被覆して、上クラッド４１２であるＳｉＯ２を形成する。上クラッド４１２は、この例ではＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、定法に従い形成する。なお、上クラッド４１２であるＳｉＯ２は、ＣＶＤ法に限定されず、真空蒸着や、スパッタ法や、火炎堆積法により形成しても良い。
【０１４７】
（第３スポットサイズ変換器の構造と動作）
続いて、図１３〜図１５を参照して、第３スポットサイズ変換器について説明する。図１３は、第３スポットサイズ変換器４００の概略的な構造を示す斜視図である。図１４は、図１３の側面図である。図１５は、図１３の平面図である。
【０１４８】
なお、図１３〜図１５では、スポットサイズ変換器を構成するコアは、クラッドの内部に存在するので、直接目視できないが、構造を強調するために実線で示している。
【０１４９】
第３スポットサイズ変換器４００は、基板４０８の主面４０８ａ側に設けられる光導波路４１８を備える。光導波路４１８は、コア４１６とクラッド４１４とを備える。コア４１６は、この例では、ダイヤモンド構造の結晶構造をとる単結晶Ｓｉを材料とする。ここで、コア４１６とは、単結晶Ｓｉで形成された構造体全体を示す概念である。
【０１５０】
クラッド４１４は、下クラッド４１０と、上クラッド４１２とを備え、この例では、下クラッド４１０と、上クラッド４１２は、ともにＳｉＯ２を材料とする。このように、光導波路４１８は、コア４１６がＳｉ製であり、クラッド４１４がＳｉＯ２製であるＳｉ光導波路である。ここで、コア４１６及びクラッド４１４の材質はこれらに限定されない。クラッド４１４は、コア４１６であるＳｉよりも屈折率が小さい材料であれば適用可能である。例えば、波長１．５５μｍの光を用いる場合は、屈折率が１．９８９であるＳｉ３Ｎ４などをクラッドとして用いることができる。
【０１５１】
光伝搬部４２０は、コア本体と、その周囲のクラッドとで構成されるチャネル型光導波路である。光伝搬部４２０を構成するコア本体は横断面形状が正方形である。詳細には、コア本体の高さＴ及び幅Ｗは、この例では、それぞれ約０．３μｍである。また、主面４０８ａに平行なコア本体の上面４２４ａは、この例では、（１００）面である。
【０１５２】
このようにコア本体の横断面形状を正方形とすることにより、光伝搬部４２０を偏波無依存にできる。また、高さＴ及び幅Ｗを０．２〜０．５μｍの範囲の値にすることで、光伝搬部４２０は、次世代ＰＯＮで用いられる波長が約１．５５μｍの光を、高さ及び幅の両方向に関し、単一モードで伝搬できる。
【０１５３】
図１４及び図１５を参照すると、光入出力部４２３は、スポットサイズ変換に好適な構造が作りこまれたコア４１６と、その周囲のクラッド４１４とで構成される光導波路である。
【０１５４】
光入出力部４２３の平面形状は、光伝播部４２０から光入出力端面に向かうにしたがって、幅が徐々に狭くなるテーパ形状である。また、光入出力部４２３は、光伝播部４２０から光入出力端面に向かうにしたがって、厚さがＴ、Ｔ３、Ｔ２及びＴ１の順に薄くなる階段状に構成される。
【０１５５】
また、階段状に形成されている第１〜４領域４１１１〜４１１４の境界面は、（１１１）面であり、テーパ状に形成されている。
【０１５６】
次に、図１５を参照して、第３スポットサイズ変換器４００の動作を説明する。
【０１５７】
光伝搬部４２０を伝搬する伝搬光は、光入出力部４２３に結合される。上述したように、光入出力部４２３は、光伝搬方向に沿って、光伝搬部４２０から光入出力端面に向かって、幅は徐々に狭くなり、厚さは階段状に小さくなる。
【０１５８】
この構成では、第３スポットサイズ変換器４００のコア４１６の断面を正方形に近い形状を保つことができる。このため、第３スポットサイズ変換器４００のコア４１６の断面寸法を適切に制御することで、ＴＥ偏波とＴＭ偏波の伝搬定数の差を小さくできる。これにより、第３スポットサイズ変換器４００は、導波モードがＴＥ偏波、ＴＭ偏波によらず、光伝播部４２０から光入出力端面に向かって、コア４１６の断面積が小さくなっていく。これは、伝搬光に関する等価屈折率が、光入出力端面に向かうにつれて徐々に小さくなっていくことを意味する。等価屈折率が小さくなるほど伝搬光をコア４１６内に閉じ込める能力が減少するので、伝搬光は、光入出力部４２３を光伝搬方向に伝搬するほどコア４１６の外側にまで広がっていく。すなわち、伝搬光のスポットサイズは、光入出力端面に向かって伝搬する程、拡大していく。
【０１５９】
（第３スポットサイズ変換器の効果）
第３スポットサイズ変換器４００は、コア４１６の断面形状を正方形に近い状態に保つことができるので、ＴＥ偏波、ＴＭ偏波によらない、すなわち、偏波無依存のスポットサイズ変換を行うことができる。
【０１６０】
また、ウエットエッチングによる異方性エッチングでスポットサイズ変換器の厚さ方向の加工を行うので、エッチング量制御を高精度に行うことができる。これにより、所望の断面寸法のスポットサイズ変換器コアを容易に得ることができ、高い良品歩留りを得ることができる。
【０１６１】
さらに、階段状の構造体をウエットエッチングで形成する際に、段差部分の境界にあたる側面部分がエッチング速度の遅い（１１１）面となりテーパ状となる。このため、ドライエッチングによる加工時に得られる垂直に近い形状に比べて、光の散乱を抑制できる。
【０１６２】
（グレーティングカプラ）
続いて、図１６（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、光素子の一実施形態であるグレーティングカプラについて説明する。図１６（Ａ）は、グレーティングカプラ２００の概略的な構造を示す斜視図である。図１６（Ｂ）は、図１６（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿った端面図である。
【０１６３】
図１６（Ａ）及び（Ｂ）を参照すると、グレーティングカプラ２００は、入力光ＩＮを伝搬する光導波路２０１と、光入出力部２０２を備える。
【０１６４】
光導波路２０１は、横断面形状が矩形のチャネル形光導波路であり、光を入出射する光入出射端面２０１ａを備える。
【０１６５】
光入出力部２０２は、入力光ＩＮの光伝搬方向に交差して平行に配置された直線状の複数のコア２０２１，２０２２，・・・，２０２ｉ（ｉは３以上の整数）を備える。コア２０２１，２０２２，・・・，２０２ｉは、等しい周期Λで配置される。
【０１６６】
そして、これらのコア２０２１，２０２２，・・・，２０２ｉの入力光ＩＮの伝搬方向に垂直な断面は、（１１１）面２０２１ａ，２０２２ａ，・・・，２０２ｉａを２個の等辺とする二等辺三角形である。
【０１６７】
続いて、グレーティングカプラ２００の製造方法を簡単に説明する。
【０１６８】
単結晶薄膜１１の表面１１ａが（１００）面であるＳＯＩ基板１３（図１（Ａ）参照）において、単結晶薄膜１１を断面矩形状にパターニングしたコアの前駆体と光導波路２０１を作成する。そして、このコア２０２１，２０２２，・・・，２０２ｉの前駆体のみを露出させるようにレジストパターンを作成し、アルカリ溶液でウエットエッチングを行う。すると、コアの前駆体の両側面にエッチングストップ面である｛１１１｝面が露出し、断面が二等辺三角形状のコア２０２１，２０２２，・・・，２０２ｉが得られる。最後に上クラッド１２を形成し、グレーティングカプラ２００が得られる。
【０１６９】
続いて、グレーティングカプラ２００の動作を主に図１６（Ｂ）を参照して説明する。
【０１７０】
光導波路２０１の光入出射端面２０１ａから基板８の主面８ａに対して平行に出射された入力光ＩＮは、コア２０２１，２０２２，・・・，２０２ｉの周期Λに応じた角度で（１１１）面２０２１ａ，２０２２ａ，・・・，２０２ｉａで、主面８ａに対して上方に反射されて出力光ＯＵＴとして取り出される。
【０１７１】
このように、グレーティングカプラ２００は、コア２０２１，２０２２，・・・，２０２ｉの断面が二等辺三角形状であるので、入力光ＩＮを主面８ａの上側に向けて効率よく反射する。その結果、グレーティングカプラ２００は、入力光ＩＮがコアの上下の両方向に反射される断面矩形状のコアを有するグレーティングカプラに比べて、出力光ＯＵＴの取り出し効率が向上する。
【０１７２】
なお、コア２０２１，２０２２，・・・，２０２ｉの断面形状は、２個の脚が（１１１）面で構成された等脚台形でもよい。
【０１７３】
（偏波変換器）
続いて、図１７（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、光素子の一実施形態である偏波変換器について説明する。図１７（Ａ）は、偏波変換器３００の概略的な構造を示す斜視図である。図１７（Ｂ）は、図１７（Ａ）を光入出射端面３０２ａ方向から見た端面図である。なお、図１７（Ａ）及び（Ｂ）ではクラッド及び基板の図示を省略している。
【０１７４】
図１７（Ａ）及び（Ｂ）を参照すると、偏波変換器３００は、入力光ＩＮを伝搬するコア３０２と、伝搬する光を偏波変換する偏波変換部３０１を備える。
【０１７５】
偏波変換部３０１は、横断面形状が（１１１）面３０１ａ及び３０１ｂを等辺とする二等辺三角形である。
【０１７６】
コア３０２は、横断面形状が正方形のチャネル型光導波路である。そして、コア３０２の一部領域に偏波変換部３０１が設けられている。また、コア３０２は入力光ＩＮが入力される光入出射端面３０２ａを備えている。
【０１７７】
続いて、偏波変換器３００の製造方法を簡単に説明する。
【０１７８】
単結晶薄膜１１の表面１１ａが（１００）面であるＳＯＩ基板１３（図１参照）において、単結晶薄膜１１を断面正方形状にパターニングしたコア３０２を作成する。そして、偏波変換部３０１となるべきコア３０２の一部領域のみを露出させたレジストパターンを作成し、アルカリ溶液でウエットエッチングを行う。すると、コア３０２の露出した領域にエッチングストップ面である（１１１）面が露出し、断面が二等辺三角形状の偏波変換部３０１が得られる。最後にクラッドを形成し、偏波変換器３００が得られる。
【０１７９】
続いて、偏波変換器３００の動作を主に図１７（Ａ）を参照して説明する。
【０１８０】
例えば、入力光ＩＮとしてＴＥ偏波が光入出射端面３０２ａから入力されると、この光は、コア３０２を伝搬して、横断面の屈折率が非対称に分布する偏波変換部３０１に至る。偏波変換部３０１では、屈折率分布の非対称性に由来して、両偏波の伝搬定数に差が生じる。この伝搬定数差を利用して、入力光ＩＮであるＴＥ偏波をＴＭ偏波に変換した上で、出力光ＯＵＴとして出力する。
【０１８１】
このように偏波変換器３００では、簡単な構造で偏波変換を行うことができる。
【０１８２】
なお、偏波変換部３０１の断面形状は、２個の脚が（１１１）面で構成された等脚台形でもよい。
【符号の説明】
【０１８３】
８，４０８  基板
８ａ，４０８ａ  主面
１０，４１０  下クラッド
１０ａ，２４ａ，２５ａ，２７ａ，２８ａ，３０ａ  上面
１１，４１１  ＳＯＩ層（単結晶薄膜）
１１ａ，４１１ａ  表面
１２，１２ａ，４１２  上クラッド
１２ｂ  第２クラッド
１２ｂ’  材料
１２ｃ，３０ｄ  端面
１３，４１３  ＳＯＩ基板
１４，４１４  クラッド
１６，２０２１，２０２２，２０２ｉ，３０２，４１６  コア
１８，２０１  光導波路
２０，４２０  光伝搬部
２２，２０２，４２３  光入出力部
２２ａ  機能部
２２ａ１  第１領域
２２ａ２  第２領域
２２ｂ，２３  接続部
２４，２５，２７  コア本体
２４ｂ，２４ｃ，２５ｂ，２５ｃ，２７ｂ，２７ｃ，３９ｂ，３９ｃ  側面
２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，３９ａ  接続面
２６０  接続領域
２６１，２６２，２６３  サブ接続部
２６１ａ，２６２ａ，２６３ａ  サブ接続面
２６１ｄ，２６２ｄ，２６３ｄ  サブ平面
２６ａ’，２６ｂ’，２６ｃ’，２８ｂ’，２８ｃ’，２８ｅ’  露出面
２８ｂ，２８ｃ，２８ｅ  斜面
２８ｄ，３１ｄ，４１ｄ  先端部
３０  前駆体
３０ｂ，３０ｃ，２０２１ａ，２０２２ａ，２０２ｉａ，３０１ａ，３０１ｂ  面
３１ａ  平面部
３２，４３２  エッチングマスク
３３，３７，４３３  構造体
３５，４３５  アルカリ溶液
４０  マスク
５１  前駆構造体
１００，１１０，１２０，１３０，１５０，４００  スポットサイズ変換器
２００  グレーティングカプラ
２０１ａ，３０２ａ  光入出射端面
３００  偏波変換器
３０１  偏波変換部
４３４  フォトレジスト
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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