(57)【要約】      （修正有）【課題】製造が容易な光導波路結合構造を提供する。【解決手段】光導波路結合構造１００は、第１光導波路構造１０１と第２光導波路構造１０２とを結合する光導波路結合構造であって、第１光導波路構造は、第１クラッド層上に形成された第１コア１２と、第１クラッド層上に形成され、第１コア１２の先端部を覆う第２コア２１とを有し、第２光導波路構造は、平面視で一部が第２コア２１と重なりを有して第２コア２１の上に配置される第３コア３２を有し、第２コア２１の屈折率は、第３コア３２の屈折率よりも大きく、且つ第１コアの屈折率よりも小さい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１光導波路構造と第２光導波路構造とを結合する光導波路結合構造であって、
前記第１光導波路構造は、
第１クラッド層上に形成された第１コアと、
前記第１クラッド層上に形成され、前記第１コアの先端部を覆う第２コアと、を有し、
前記第２光導波路構造は、
平面視で一部が前記第２コアと重なりを有して前記第２コアの上に配置される第３コアを有し、
前記第２コアの屈折率は、前記第３コアの屈折率よりも大きく、且つ前記第１コアの屈折率よりも小さい
ことを特徴とする光導波路結合構造。
【請求項２】
請求項１記載の光導波路結合構造において、
前記第２コアと前記第３コアとは、平面視で前記第２コアと前記第３コアとが重なる領域において、接着層を介して接着されている
ことを特徴とする光導波路結合構造。
【請求項３】
請求項１記載の光導波路結合構造において、
前記第２コアと前記第３コアとは、直接接着されている
ことを特徴とする光導波路結合構造。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光導波路結合構造において、
前記第１コアの先端部は、先端に向かってコア幅が狭くなるテーパ形状を有し、
前記第２コアは、前記第３コアと重なる領域において、先端に向かってコア幅が狭くなるテーパ形状を有する
ことを特徴とする光導波路結合構造。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光導波路結合構造において、
前記第３コアは、光ファイバのコアである
ことを特徴とする光導波路結合構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路同士を光学的に結合する光導波路結合構造に関し、特にスポットサイズの異なる光導波路同士を結合する光導波路結合構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、シリコン（Ｓｉ）導波路等の高屈折率差を利用した光導波路（以下、「高屈折率差導波路」と称する。）とシングルモードファイバ（ＳＭＦ：Ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｂｅｒ）とを光学的に結合するために、グレーティングカプラや端面結合型スポットサイズ変換器（ＳＳＣ：Ｓｐｏｔ−ｓｉｚｅ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）が用いられている。なお、本明細書において「結合」とは、光学的な接続を意味するものとする。
【０００３】
グレーティングカプラは、チップ垂直方向に光を取り出す素子であり、作製は容易であるが、損失、偏波依存性、および透過帯域のすべてを最適にすることは容易でない。
【０００４】
端面結合型ＳＳＣは、従来から様々な構造が提案されている。例えば、非特許文献１に示される端面結合型ＳＳＣは、テーパ形状のシリコンコアを更に大きなコアで覆った構造を有し、偏波依存性および透過帯域が共に優れているという特徴がある。
【０００５】
非特許文献１に記載の端面結合型ＳＳＣでは、チップ端に設置された大口径光導波路がＳＭＦと端面結合される。ＳＭＦとの結合損失を低減するためには、モードフィールド整合のために、この大口径光導波路のサイズをＳＭＦと同程度にする必要がある。しかし、Ｓｉ導波路が０．３ｕｍ角程度である一方、チップ端の導波路は１０ｕｍ角程度であり、双方をＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板上にモノリシックに作製することは容易でない。また、大口径光導波路は、ＳＯＩ基板の埋め込み酸化膜（ＢＯＸ：Ｂｕｒｉｅｄ  Ｏｘｉｄｅ）層をアンダークラッドとして作製されるが、Ｓｉフォトニクスデバイスで一般的に用いられるＳＯＩ基板のＢＯＸ層厚さは１〜３ｕｍであり、大口径光導波路の閉じこめが弱いため、Ｓｉから成る支持基板にまで光が漏れ出し、損失が発生する。
【０００６】
この課題を解決するための技術として、例えば特許文献１に、大口径光導波路のコアと高屈折率差導波路のコアのテーパ部とを接触させることで、２つの光導波路を結合する技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１２２７５０号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Tokushima, M., Kamei, A., Horikawa, T.,‘Dual-Tapered 10-μm-Spot-Size Converter with Double Core for Coupling Polarization-Independent Silicon Rib Waveguides to Single-Mode Optical Fibers’, Applied Physics Express, 2012 no.5, 022202.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に記載の技術によれば、大口径光導波路のコアと高屈折率差導波路のコアとを接着するために、高屈折率差導波路のコアの上面を露出させなければならない。しかしながら、高屈折率差導波路のコアの高さが数百ｎｍと低いため、コアの表面を傷つけることなく露出させるには、誤差数ｎｍの高精度な表面出し加工が必要となるという問題があった。
また、上記のような高精度な表面出し加工を行う方法としては、例えばＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）が挙げられるが、ＣＭＰの場合、高屈折率差導波路のコアが形成されたチップの上面を全面研磨する必要があり、高屈折率差導波路のコアの上面に形成されたオーバークラッドを全面研磨しなければならないという問題もあった。
【００１０】
本発明は、以上のような課題を解消するためになされたものであり、製造が容易な光導波路結合構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る光導波路結合構造は、第１光導波路構造と第２光導波路構造とを結合する光導波路結合構造であって、前記第１光導波路構造は、第１クラッド層上に形成された第１コアと、前記第１クラッド層上に形成され、前記第１コアの先端部を覆う第２コアと、を有し、前記第２光導波路構造は、平面視で一部が前記第２コアと重なりを有して前記第２コアの上に配置される第３コアを有し、前記第２コアの屈折率は、前記第３コアの屈折率よりも大きく、且つ前記第１コアの屈折率よりも小さいことを特徴とする。
【００１２】
上記光導波路結合構造において、前記第２コアと前記第３コアとは、平面視で前記第２コアと前記第３コアとが重なる領域において、接着層を介して接着されていてもよい。
【００１３】
上記光導波路結合構造において、前記第２コアと前記第３コアとは、直接接着されていてもよい。
【００１４】
上記光導波路結合構造において、前記第１コアの先端部は、先端に向かってコア幅が狭くなるテーパ形状を有し、前記第２コアは、前記第３コアと重なる領域において、先端に向かってコア幅が狭くなるテーパ形状を有していてもよい。
【００１５】
上記光導波路結合構造において、前記第３コアは、光ファイバのコアであってもよい。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したことにより、本発明によれば、光導波路結合構造を容易に製造することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、実施の形態１に係る光導波路結合構造１００を模式的に示す図である。
【図２】図２は、実施の形態１に係る光導波路結合構造１００の平面を模式的に示す図である。
【図３】図３は、Ｐ−Ｐ’切断面における光導波路結合構造１００の断面を模式的に示す図である。
【図４】図４は、Ａ−Ａ’切断面における光導波路結合構造１００の断面を模式的に示す図である。
【図５】図５は、Ｂ−Ｂ’切断面における光導波路結合構造１００の断面を模式的に示す図である。
【図６】図６は、Ｃ−Ｃ’切断面における光導波路結合構造１００の断面を模式的に示す図である。
【図７】図７は、光導波路結合構造１００における第２コア２１から光ファイバ４までの光伝搬のシミュレーション結果を示す図である。
【図８Ａ】図８Ａは、実施の形態１に係る光導波路結合構造１００の製造方法を説明するための図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、実施の形態１に係る光導波路結合構造１００の製造方法を説明するための図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、実施の形態１に係る光導波路結合構造１００の製造方法を説明するための図である。
【図８Ｄ】図８Ｄは、実施の形態１に係る光導波路結合構造１００の製造方法を説明するための図である。
【図８Ｅ】図８Ｅは、実施の形態１に係る光導波路結合構造１００の製造方法を説明するための図である。
【図８Ｆ】図８Ｆは、実施の形態１に係る光導波路結合構造１００の製造方法を説明するための図である。
【図８Ｇ】図８Ｇは、実施の形態１に係る光導波路結合構造１００の製造方法を説明するための図である。
【図８Ｈ】図８Ｈは、実施の形態１に係る光導波路結合構造１００の製造方法を説明するための図である。
【図９】図９は、実施の形態２に係る光導波路結合構造２００を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００１９】
≪実施の形態１≫
図１に、本発明の一実施の形態に係る光導波路結合構造を模式的に示す。
同図に示される光導波路結合構造１００は、光ファイバ４と高屈折率の第１コア１２から成る光導波路とを結合する端面結合型のスポットサイズ変換器（ＳＳＣ）として機能する。
【００２０】
具体的に、光導波路結合構造１００は、光ファイバ４の端面に結合された大口径の第３コア３２から成る光導波路を含む光導波路構造１０２と、光導波路構造１０１とから構成される。光導波路構造１０１は、高屈折率の第１コア１２から成る光導波路と、第１コア１２を覆うように形成され第３コア３２と第１コア１２の中間の屈折率を有する第２コア２１から成る光導波路とを含む。光導波路構造１０１と光導波路構造１０２とは、第３コア３２が第２コア２１の一部と重なりを有して配置されることにより、結合される。以下、光導波路結合構造１００について詳細に説明する。
【００２１】
図２は、実施の形態１に係る光導波路結合構造１００の平面（上面）を模式的に示す図である。また、図３は、図２のＰ−Ｐ’切断面における光導波路結合構造１００の断面を模式的に示す図である。更に、図４乃至６は、図２のＡ−Ａ’切断面、Ｂ−Ｂ’切断面、およびＣ−Ｃ’切断面における光導波路結合構造１００の各断面を模式的に示す図である。
【００２２】
図３に示されるように、光導波路構造１０１と光導波路構造１０２とは、夫々別個の半導体チップに形成され、接着層５０を介して接着される。以下、光導波路構造１０１が形成される半導体チップをチップ１と表記し、光導波路構造１０２が形成される半導体チップをチップ２と表記する。
【００２３】
チップ１は、例えば、第１クラッド層１１と、第１コア１２と、第２コア２１と、第２クラッド層２２とを含んで構成される。
図３に示されるように、第１クラッド層１１は、基板１０上に形成される。基板１０は、例えばＳＯＩ基板である。第１クラッド層１１は、例えばシリコン酸化物（例えばＳｉＯ2）から構成される。以下の説明では、第１クラッド層１１が、ＳＯＩ基板における埋め込み酸化膜（ＢＯＸ：Ｂｕｒｉｅｄ  Ｏｘｉｄｅ）層であるものとして説明するが、これに限定されるものではない。
【００２４】
第１コア１２は、第１クラッド層１１上に形成される。第１コア１２は、例えばシリコン（Ｓｉ）から構成される。図２に示されるように、第１コア１２の一方の先端部１２０は、例えば、先端に向かってコア幅が狭くなる先細のテーパ形状を有する。なお、第１コア１２の他方の先端部は、図示されないその他のデバイス（光回路等）に接続される。
【００２５】
第２コア２１は、第１クラッド層１１上に、第１コア１２の先端部１２０を覆って形成される。第２コア２１は、例えばシリコン酸化物（ＳｉＯｘ）から構成され、シリコン（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）の結合比率を調整することにより、屈折率が調整されている。図２に示されるように、第２コア２１の先端部２１０は、例えば、先端に向かってコア幅が狭くなる先細のテーパ形状を有する。例えば、第２コア２１の先端部２１０は、第１コア１２の先端部１２０と断面方向に重なりを有して形成される。
【００２６】
第２クラッド層２２は、図３乃至６に示されるように、第１クラッド層１１上に第１コア１２の側面と接して形成される。第２クラッド層２２は、例えば第１クラッド層１１と同様に、シリコン酸化物（例えばＳｉＯ2）から構成される。
【００２７】
チップ２は、例えば、第３クラッド層３１と、第３コア３２、第４クラッド層３３とを含んで構成される。図３乃至６に示されるように、第３クラッド層３１は、基板３０上に形成される。基板３０は、例えばシリコン（Ｓｉ）基板である。第３クラッド層３１は、例えばシリコン酸化物（例えばＳｉＯ2）から構成される。
【００２８】
第３コア３２は、第３クラッド層３１上に形成される。第３コア３２は、例えばシリコン酸化物（ＳｉＯｘ）から構成される。図３に示されるように、第３コア３２は、チップ端において、光ファイバ４と端面結合される。第３コア３２は、光ファイバ４とのモードフィールドを整合させ結合効率の低下を防ぐために、光ファイバ４の端面に合わせてコアサイズ（コア幅（図４乃至６のＹ方向）と高さ（図４乃至６のＺ方向））が大きく形成され、大口径の光導波路を実現する。
【００２９】
光ファイバ４は、例えばシングルモードファイバ（ＳＭＦ）である。光ファイバ４が、例えばファイバブロックを構成する一つの光ファイバであるとした場合、図３に示されるように、上記ファイバブロックにおいて光ファイバ４を上下から挟むように配置された板状部材４１とカバーガラス４２とともに、光ファイバ４はチップ２と接着される。なお、図２では、板状部材４１およびカバーガラス４２の図示を省略している。
【００３０】
第３クラッド層３３は、一部を除いて第３コア３２を覆うように形成される。詳細は後述するが、第３クラッド層３３は、第３コア３２の第３クラッド層３１と接する面と反対側の面におけるチップ１と接着するための一部の領域を除いて、第３コア３２を覆うように形成される。
【００３１】
前述したように、チップ１とチップ２とは、接着層５０を介して接着される。具体的には、チップ２における第３コア３２の表面（第３クラッド層３１と接する面の反対の面）と、チップ１における第２クラッド層２２および第２コア２１の表面（第１クラッド層１１と接する面の反対の面）とが接着層５０を介して接着される。接着層５０は、例えばエポキシ系の樹脂等の接着部材によって形成されている。
【００３２】
ここで、チップ２の第３コア３２とチップ１の第２コア２１とは、第３コア３２の一部が第２コア２１と重なりを有して接着される。例えば、図２および図３に示されるように、第３コア３２の光の伝搬方向と第２コア２１および第１コア１２の光の伝搬方向とが一致するように、第３コア３２の一部が第２コア２１の先端部２１０と断面方向（Ｚ方向）において重なりを有して接着される。
【００３３】
チップ１とチップ２の結合領域、すなわち、第３コア３２と第２コア２１との接着面の広さは、結合効率が最適になるように調整される。例えば、図３における第２コア２１と第２クラッド層２２とが接する面（第２コア２１の先端）のＸ軸方向の位置は、結合効率が最適になるように決定され、図２や図３に示される位置に限定されるものではない。同様に、第１コア１２（例えば第１コア１２の先端）の第２コア２１に対するＸ軸方向の位置も、結合効率が最適になるように決定され、図２や図３に示される位置に限定されるものではない。
【００３４】
チップ１およびチップ２の各機能部の屈折率は、以下の条件を満たすように設定されている。例えば、第２コア２１の屈折率は、第３コア３２の屈折率よりも大きく、且つ第１コア１２の屈折率よりも小さい。これにより、第２コア２１は、第１コア１２のクラッドとして機能する一方、先細テーパ形状を有する高屈折率の第１コア１２から漏れ出る光を閉じ込め、モードフィールド径を拡大した光導波路としても機能する。また、第３コア３２は、第２コア２１のクラッドとして機能する一方、先細テーパ形状を有する相対的に高屈折率の第２コア２１から漏れ出る光を閉じ込め、光ファイバと整合するようにモードフィールド径が拡大された光導波路としても機能する。
【００３５】
また、接着層５０の厚みと屈折率は、先細テーパ形状を有する第２コア２１から第３コア３２へと良好に光が漏れ出るよう調整することが望ましい。これにより、第２コア２１と第３コア３２との間に接着層５０が存在する場合であっても、光の透過率の低下を抑制することができる。
なお、第２クラッド層２２の屈折率は、先細テーパ形状を有する第２コア２１から第３コア３２へと良好に光が漏れ出るよう調整することが望ましい。
【００３６】
第１コア１２を例えばシリコン（屈折率：約３．４）で形成した場合、第２コア２１、第２クラッド層２２、接着層５０、および第３コア３２の夫々の屈折率は、例えば１．４から１．６程度の範囲内で、上記の条件を満たすように決定すればよい。
【００３７】
図７に、実施の形態１に係る光導波路結合構造１００における、第２コア２１から光ファイバ４までの光伝搬のシミュレーション結果を示す。同図に示されるシミュレーション結果は、有限差分法による２次元固有モードシミュレーションと、光伝搬方向への固有モード展開法を用いた３次元シミュレーション結果である。
【００３８】
図７のシミュレーションの条件として、大口径の光導波路を構成する第３コアの高さを６μｍ、幅を８μｍ、屈折率を１．４７０とし、第３クラッド層３１の屈折率を１．４６０としている。また、接着層５０の厚さを２μｍ、屈折率を１．４７０としている。また、第２コア２１の屈折率を１．５０５、第２クラッド層２２の屈折率を１．４６０としている。第２コア２１の先細テーパ状の部分を除く部分の高さを２μｍ、幅を３．６μｍとし、第２コア２１の先細テーパ状の部分の長さを２ｍｍ、テーパ先端部分の幅を０．８μｍとしている。
【００３９】
同図から理解されるように、第１コア１２から成る光導波路の一端（図７の右側）から入射された光がＸ方向に伝搬し、その光の大部分が第２コア２１からなる光導波路を通って、第３コア３２から成る大口径の光導波路を伝搬して光ファイバ４に入光する。
【００４０】
このシミュレーション結果による第２コア２１からなる光導波路と光ファイバ４の結合効率は約９５％である。また、第２コア２１からなる光導波路と第１コア１２から成る光導波路との結合効率は約９９％である。したがって、光導波路結合構造１００によれば、第２コア２１からなる光導波路と光ファイバ４とを低損失に結合させることができる。
【００４１】
次に、光導波路結合構造１００の製造方法について説明する。
図８Ａ〜図８Ｈに、光導波路結合構造１００の製造方法を示す。なお、図８Ａ〜図８Ｈには、光導波路結合構造１００の製造過程における光導波路結合構造１００の断面（図２のＰ−Ｐ’断面に相当）の一部が模式的に図示されている。
【００４２】
はじめに、光導波路構造１０１が形成されるチップ１の製造工程について説明する。
図８Ａに示されるように、先ず、ＳＯＩウェハから成る基板１０のＢＯＸ層（第１クラッド層）１１上に、シリコン光導波路となる第１コア１２と、第１コア１２に接続されるその他の光回路等（図示せず）とを形成する（第１工程）。例えば、第１クラッド層１１をＢＯＸ層とした基板を用意し、第１コア１２をＳＯＩ基板の表面Ｓｉ層を選択的にエッチングすることにより、第１コア１２を形成する。
【００４３】
次に、図８Ｂに示されるように、第１コア１２を覆うように第２コア２１を形成する（第２工程）。例えば、よく知られたプラズマＣＶＤ法によって、所望の屈折率になるように調整した材料（例えばシリコン酸化物等）を堆積させることで膜を作成し、よく知られたフォトリソグラフィー技術とドライエッチング技術によって、その膜を選択的に除去してコア形状を作製することにより、第２コア２１を形成する。
【００４４】
次に、図８Ｃに示されるように、第１クラッド層１１上に、第２コア２１を覆って第２クラッド層２２を形成する（第３工程）。例えば、よく知られたＥＣＲプラズマＣＶＤ法によって所望の屈折率になるように調整した材料（例えばシリコン酸化物等）を第１クラッド層１１および第２コア２１上に堆積させることで第２クラッド層２２を作成する。
【００４５】
その後、図８Ｄに示されるように、第２クラッド層２２を平坦化する（第４工程）。例えば、第２コア２１の表面と第２クラッド層２２の表面とが同一の平坦な面になるように、よく知られたＣＭＰ技術によって、第２コア２１の表面近傍まで第２クラッド層２２を除去する。
【００４６】
その後、第１コア１２等が形成されたＳＯＩウェハはダイシング工程および研磨工程等を経てチップ化され、光導波路構造１０１が形成されたチップ１が作製される。
【００４７】
なお、第２コア２１および第２クラッド層２２の作製プロセスとしては、先に作製された第１コア１２やその他のデバイスを破壊しないようなプロセス（低温プロセス）であれば、上述した作製プロセスに限定されず、種々の作製プロセスを適用することができる。
【００４８】
次に、光導波路構造１０２が形成されるチップ２の製造工程について説明する。
図８Ｅに示されるように、先ず、シリコンウェハを基板３０として、第３クラッド層３１および第３コア３２を形成する（第５工程）。例えば、火炎堆積法によって、基板３０上にシリコン酸化物（ＳｉＯ2）膜を作製することによって第３クラッド層３１を形成し、更に例えばＳｉＯ２−ＧｅＯ２膜を作製することによりコア層を形成する。その後、よく知られたフォトリソグラフィー技術とドライエッチング技術によって、上記コア層を選択的に除去してコア形状を作製することにより、第３コア３２を形成する。
【００４９】
次に、図８Ｆに示されるように、再び火炎堆積法によって第３クラッド層３１および第３コア３２上に、更に第４クラッド層３３を堆積させた後、ダイシング等によって光導波路チップ化を行い、公知の接着技術によって光ファイバ４の端面と第３コア３２の端面とを接着する（第６工程）。具体的には、光ファイバ４が、例えばファイバブロックを構成する一つの光ファイバであるとした場合、上記ファイバブロックにおいて光ファイバ４を上下から挟むように配置された板状部材４１の端面とともに、光ファイバ４の端面を接着する。板状部材４１は、例えばプラスチップまたはガラスから構成される。このとき、図８Ｆに示されるように、光ファイバ４を含む上記ファイバブロックとチップ２との接着強度を高めるために、第４クラッド層３３の上面の一部と板状部材４１とをカバーガラス４２を介して接着させてもよい。
【００５０】
次に、図８Ｇに示されるように、よく知られたフォトリソグラフィー技術とドライエッチング技術等によって第４クラッド層３３を選択的に除去し、第３コア３２の表面の第２コア２１と結合させるための領域を露出させる（第７工程）。
【００５１】
その後、良好な接着表面を得るための研磨工程等を適宜導入することによって、光導波路構造１０２が形成されたチップ２が作製される。
【００５２】
なお、第３クラッド層３１、第３コア３２、および第３クラッド層３３の作製プロセスとしては、上述した火炎堆積法に限定されず、プラズマＣＶＤ法やポリマー塗布等の種々の作製プロセスを適用することができる。
【００５３】
最後に、チップ１とチップ２とを接着する工程について説明する。
図８Ｈに示されるように、所望の屈折率になるように調整されたエポキシ系樹脂から成る接着部材をチップ１の表面（第２コア２１および第２クラッド層２２の表面）に塗布して接着層５０を形成し、接着層５０の上にチップ２における第３コア３２の露出面を接着する（第８工程）。
【００５４】
第３コア３２と第２コア２１とを接着する位置の調整は、例えば透過光の強度をモニタしながら位置合わせをするアクティブアライメントによって行われる。ここで、光の伝搬方向（Ｘ方向）のアライメント精度は、第３コア３２から成る大口径の光導波路と第２コア２１から成る光導波路の結合効率に及ぼす影響は小さい。また、光の伝搬方向に垂直な方向（Ｙ方向）のアライメント精度も、一般的なチップ実装装置で実現可能な値である。
【００５５】
以上、実施の形態１に係る光導波路結合構造１００によれば、チップ１とチップ２との接着のために、シリコン導波路を構成する第１コア１２の上面を露出させる必要がない。一方、光導波路結合構造１００では、第２コア２１の上面を露出させる必要があるが、第２コア２１の上面を露出させる加工精度は、誤差として数十ｎｍから百ｎｍ程度でよく、第１コア１２の上面を露出させる場合の加工精度に比べて大幅に緩和される。すなわち、光導波路結合構造１００によれば、現実的な加工精度の範囲内で製造することができるので、容易かつ低コストに、低損失な光導波路結合を実現することができる。
【００５６】
また、光導波路結合構造１００によれば、第１コア１２から成るシリコン光導波路から漏れ出た光を第２コア２１によって閉じ込めることでモードフィールド径を拡大し、さらに第２コア２１から漏れ出た光を第３コア３２によって閉じ込めることで光ファイバと整合するようにモードフィールド径を拡大できるので、第１光導波路結合構造１０１と第２光導波路結合構造１０２との間に接着層５０が存在する場合であっても、接着層５０の屈折率および厚さを適切に調整すれば、光の透過率の低下を抑制することができる。これにより、第１コア１２から成るシリコン光導波路と光ファイバ４とをより低損失に結合させることができる。
【００５７】
≪実施の形態２≫
図９は、実施の形態２に係る光導波路結合構造２００を模式的に示す図である。同図に示される光導波路結合構造２００は、大口径の光導波路を介さずに、光ファイバ６のコアと第２コア２１とを接着させる点で実施の形態１に係る光導波路結合構造１００と相違し、その他の構成は光導波路結合構造１００と同様である。なお、実施の形態２に係る光導波路結合構造２００において、光導波路結合構造１００と同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００５８】
光ファイバ６は、例えばファイバブロックを構成する複数の並列に配置された光ファイバのうちの一つである。図９に示されるように、光ファイバ６は、コア６２の表面の一部の領域が露出するように、コア６２を覆うクラッド層６１の一部が削られている。
【００５９】
光導波路結合構造２００において、光ファイバ６のコア６２の露出した面と、第２クラッド層２２および第２コア２１の表面（第１クラッド層１１と接する面と対向する面）とが接着層５０を介して接着される。ここで、光ファイバ６のコア６２と第２コア２１とは、コア６２の一部が第２コア２１と断面方向（Ｚ方向）に重なりを有して接着される。例えば、図９に示されるように、コア６２の一部が第２コア２１の先端部と重なるように接着される。接着層５０の屈折率と厚さ、および第２クラッド２２の屈折率は、第２コア２１から光が良好に漏れ出て光ファイバ６のコア６２に閉じ込められるよう、適宜調整することが望ましい。
【００６０】
以上、実施の形態２に係る光導波路結合構造２００によれば、実施の形態１に係る光導波路結合構造１００と同様に、第１コア１２から成るシリコン光導波路と光ファイバ６とを低損失に結合させることができる。また、光導波路結合構造２００は、光ファイバ６のコア６２と第２コア２１とを接着させた構成を有するので、光ファイバ６と端面結合する大口径の光導波路が不要となり、製造コストの更なる低減を図ることができる。
【００６１】
≪実施の形態３≫
実施の形態３に係る光導波路結合構造の製造方法は、チップ１とチップ２とを接着する際に、アクティブアライメントの代わりにパッシブアライメントを行う点で実施の形態１に係る光導波路結合構造の製造方法と相違し、その他の工程は同様である。
【００６２】
前述した実施の形態１に係る光導波路結合構造１００の製造工程を以下のように変更する。
例えば、図８Ｄに示されるチップ１の平坦化処理において、ＣＭＰによって第２クラッド層２２を選択的に除去して第２コア２１の表面出しを行った後、よく知られたフォトリソグラフィー技術とドライエッチング技術によって、第２クラッド層２２の一部の領域（例えば光学特性に影響を与えない領域）にアライメント用の凸パタンも作製する。なお、第２コア２１の表面出しとアライメント用の凸パタンの作製とはよく知られたリソグラフィー技術とドライエッチング技術によって同一工程にて行ってもよいし、別工程としてもよく、特に制限されない。
【００６３】
また、例えば、図８Ｇに示されるチップ２の第３コア３２の表面を露出させる工程において、よく知られたフォトリソグラフィー技術とドライエッチング技術によって第４クラッド層３３を選択的に除去して第３コア３２の表面出しを行う際に、第４クラッド層３３の一部の領域（例えば光学特性に影響を与えない領域）にアライメント用の凹パタンも作製する。なお、第３コア３２の表面出しとアライメント用の凹パタンの作製とは同時に行ってもよいし、別工程としてもよく、特に制限されない。
【００６４】
更に、図８Ｈに示されるチップ１とチップ２の接着工程において、作製された上記の凹パタンと凸パタンとをはめ込むようにして、チップ１とチップ２とを接着させる。
【００６５】
以上のように、本発明に係る光導波路結合構造によれば、接着時に高いアライメント精度が要求されないので、アクティブアライメントの代わりに上述したパッシブアライメントを行うことで、１μｍ程度の位置精度でチップ同士の接着することができる。これにより、結合効率の高い光導波路結合構造を容易に製造することでき、製造コストの更なる低減を図ることができる。
【００６６】
以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。
【００６７】
例えば、チップ１における第１クラッド層１１、第２クラッド層２２、および第２コア２１が、シリコン酸化物から構成される場合を例示したが、これに限られず、その他の材料から構成されてもよい。例えば、シリコン窒化物（ＳｉＮ）、またはシリコン酸窒化物、（ＳｉＯｘＮｙ）、屈折率調整樹脂等から構成されてもよい。
【００６８】
また、図８Ｄに示される第２クラッド層２２を平坦化する工程において、リソグラフィ技術とドライエッチング技術によって第２クラッド層２２を除去する方法を例示したが、これに限られず、ＣＭＰや、ＣＭＰとドライエッチング技術との組み合わせによって、第２クラッド層２２を除去してもよい。なお、ＣＭＰを適用する場合であっても、高精度な加工精度は不要であるので、ＣＭＰを高精度化するための設備コスト等は抑えられる。
【００６９】
チップ１とチップ２との間に接着部材が存在する構造を例示したが、これに限られず、第２コア２１の表面の一部を露出させる際の加工誤差による残留クラッド層（第２クラッド層２２）が第２コア２１上に光透過率を著しく悪化させない程度に、多少残っていてもよい。この場合、接着層５０には、上記接着部材と残留クラッド層が含まれる。
【００７０】
また、チップ１とチップ２とを接着部材を介して接着する場合を例示したが、これに限られず、例えば表面活性化法によるダイレクトボンディング等によって第２コア２１と第３コア３２とを直接接着してもよい。
【００７１】
更に、チップ１とチップ２とが、第３コア３２の光の伝搬方向と第２コア２１および第１コア１２の光の伝搬方向とが一致するように接着される場合を例示したが、これに限られない。例えば、第３コア３２の光の伝搬方向と第２コア２１および第１コア１２の光の伝搬方向とが一致していなくてもよく、角度がついた状態でチップ１とチップ２とが接着されてもよい。
【符号の説明】
【００７２】
１００、２００…光導波路結合構造、１０１、１０２…光導波路構造、１、２…チップ、４、６…光ファイバ、１０、３０…基板、１１…第１クラッド層、１２…第１コア、２１…第２コア、２２…第２クラッド層、３１…第３クラッド層、３２…第３コア、３３…第３クラッド層、５０…接着層、６１…光ファイバ６のクラッド層、６２…光ファイバ６のコア。１２０、２１０・・・テーパ状の先端部。
【図１】
2015191110.tif 000003
【図２】
2015191110.tif 000004
【図３】
2015191110.tif 000005
【図４】
2015191110.tif 000006
【図５】
2015191110.tif 000007
【図６】
2015191110.tif 000008
【図８Ａ】
2015191110.tif 000009
【図８Ｂ】
2015191110.tif 000010
【図８Ｃ】
2015191110.tif 000011
【図８Ｄ】
2015191110.tif 000012
【図８Ｅ】
2015191110.tif 000013
【図８Ｆ】
2015191110.tif 000014
【図８Ｇ】
2015191110.tif 000015
【図８Ｈ】
2015191110.tif 000016
【図９】
2015191110.tif 000017
【図７】
2015191110.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成27年5月14日(2015.5.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１光導波路構造と第２光導波路構造とを結合する光導波路結合構造であって、
前記第１光導波路構造は、
第１クラッド層上に形成され、シリコンから成る第１コアと、
前記第１クラッド層上に形成され、前記第１コアの先端部を覆う第２コアと、を有し、
前記第２光導波路構造は、
平面視で一部が前記第２コアと重なりを有して前記第２コアの上に配置され、光ファイバの端面に結合するための第３コアを有し、
前記第２コアの屈折率は、前記第３コアの屈折率よりも大きく、且つ前記第１コアの屈折率よりも小さく、
前記第１光導波路構造と前記第２光導波路構造とは互いに別個の半導体チップに形成され、
前記第２コアと前記第３コアとは、平面視で前記第２コアと前記第３コアとが重なる領域において接着されている
ことを特徴とする光導波路結合構造。
【請求項２】
半導体チップに形成された光導波路構造と光ファイバとを結合する光導波路結合構造であって、
前記第１光導波路構造は、
第１クラッド層上に形成され、シリコンから成る第１コアと、
前記第１クラッド層上に形成され、前記第１コアの先端部を覆う第２コアと、を有し、
前記光ファイバは、
第３コアと、
前記第３コアを覆う第２クラッド層とを有し、
前記第２コアの屈折率は、前記第３コアの屈折率よりも大きく、且つ前記第１コアの屈折率よりも小さく、
前記第２クラッド層は、前記第３コアの表面の一部が露出するように一部の領域が削られて形成され、
前記第３コアは、平面視において前記表面の露出した領域の一部が前記第２コアと重なりを有して前記第２コアと接着されている
ことを特徴とする光導波路結合構造。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光導波路結合構造において、
前記第１コアの先端部は、先端に向かってコア幅が狭くなるテーパ形状を有し、
前記第２コアは、前記第３コアと重なる領域において、先端に向かってコア幅が狭くなるテーパ形状を有する
ことを特徴とする光導波路結合構造。
【請求項４】
第１半導体基板の第１クラッド層上に、シリコンから成る第１コアを形成する第１工程と、
前記第１クラッド層上に、前記第１コアの先端部を覆う第２コアを形成する第２工程と、
前記第１クラッド層上に、前記第２コアを覆う第２クラッド層を形成する第３工程と、  前記第２コアの表面と前記第２クラッド層の表面とが同一の平坦な面になるように、前記第２クラッド層を平坦化する第４工程と、
第２半導体基板の第３クラッド層上に、光ファイバの端面に結合するための第３コアを形成する第５工程と、
前記第３クラッド層上に、前記第３コアを覆う第４クラッド層を形成する第６工程と、
前記第４クラッド層を選択的に除去し、前記第３コアの表面の一部を露出させる第７工程と、
前記第２コアおよび前記第２クラッド層の表面を前記第３コアの露出面に接着する第８工程とを含む
ことを特徴とする光導波路結合構造の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の光導波路結合構造の製造方法において、
前記第４工程は、
前記第２クラッド層を選択的に除去することにより、前記第２コアの表面と前記第２クラッド層の表面とが同一の平坦な面になるように前記第２クラッド層を平坦化するとともに、前記第２クラッド層の一部の領域にアライメント用の凹パタンを作製する工程であり、
前記第７工程は、
前記第４クラッド層を選択的に除去することにより、前記第３コアの表面の一部を露出させるとともに、前記第４クラッド層の一部の領域にアライメント用の凹パタンを作製する工程であり、
前記第８工程は、
前記凹パタンと前記凸パタンとをはめ込むようにして、前記第２コアおよび前記第２クラッド層の表面を前記第３コアの露出面に接着する工程である
ことを特徴とする光導波路結合構造の製造方法。