(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部クラッド層の上に形成されて第１方向に延在する下部コアと、
前記下部コアの上に形成されて、結合領域，遷移領域，および分離領域を備える重なり領域において、前記下部クラッド層の平面上で前記第１方向に重なって平行な第２方向に延在する上部コアと、
前記結合領域および前記遷移領域を除く少なくとも前記分離領域の前記下部コアと前記上部コアとの間に、前記下部コア側を下端とし、前記上部コア側を上端として形成された中間クラッド層と
を備え、
前記結合領域，前記遷移領域，および前記分離領域は、この順に前記下部コアによる光導波路の導波方向に配列され、
前記中間クラッド層は、前記分離領域において前記下部コアによる光導波路と前記上部コアによる光導波路とが光結合しない範囲の厚さとされ、
前記遷移領域に配置された前記上部コアは、前記分離領域との境界部から前記結合領域との境界部にかけて、前記中間クラッド層の上端から下端の高さにまで徐々に降下し、
前記重なり領域に配置された前記上部コアの先端から前記遷移領域との境界までの前記下部クラッド層側の下端は、前記中間クラッド層の下端と厚さ方向に同じ位置とされ、
前記結合領域における前記下部コアと前記上部コアとの間隔は、前記下部コアによる光導波路と前記上部コアによる光導波路とが光結合する範囲とされ、
前記中間クラッド層は、前記結合領域および前記遷移領域を除く少なくとも前記分離領域の前記下部コアと前記上部コアとの間に、前記下部コア側を下端とし、前記上部コア側を上端として形成され、前記結合領域および前記遷移領域には空間領域が形成されている
ことを特徴とする多層光導波路。
【請求項２】
下部クラッド層の上に第１方向に延在する下部コアを形成する工程と、
前記下部コアが形成された前記下部クラッド層の上に中間クラッド層を形成する工程と、
前記下部クラッド層の平面上で前記第１方向に重なって平行な第２方向に延在する上部コアを前記中間クラッド層の上に形成する工程と、
前記上部コアを形成した後で、前記下部コアと前記上部コアとが重なっている重なり領域における結合領域，遷移領域，および分離領域の前記結合領域および前記遷移領域における前記中間クラッド層を除去し、前記遷移領域に配置された前記上部コアを、前記分離領域との境界部から前記結合領域との境界部にかけて、前記中間クラッド層の上端から下端の高さにまで徐々に降下し、前記重なり領域に配置された前記上部コアの先端から前記遷移領域との境界までの前記下部クラッド層側の下端を、前記中間クラッド層の下端と厚さ方向に同じ位置とする工程と
を備え、
前記結合領域，前記遷移領域，および前記分離領域は、この順に前記下部コアによる光導波路の導波方向に配列し、
前記中間クラッド層は、前記分離領域において前記下部コアによる光導波路と前記上部コアによる光導波路とが光結合しない範囲の厚さとし、
前記結合領域における前記下部コアと前記上部コアとの間隔は、前記下部コアによる光導波路と前記上部コアによる光導波路とが光結合する範囲とする
ことを特徴とする多層光導波路の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の光導波路が積層された多層光導波路およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体デバイス作製技術の向上により、光デバイスを多層構造で作製することが可能になってきている。特にシリコン（Ｓｉ）の微小な細線導波路を下層とし、この上方に上層となる第２層の導波路あるいは光機能デバイスを作製することで、高機能な光集積回路が実現されている。これらの素子では、上層と下層との間で不要な光の結合を避けるために、光結合のおこらない程度に層間距離を設定されている。典型的には、上層と下層との間が、１〜２μｍ程度とされている。
【０００３】
このような多層光導波路において、下層と上層との間で光を結合させる場合は、例えば、厚さ方向に向かい合う状態で、各々の層にグレーティング・カプラを設ける構成としている（非特許文献１，非特許文献２，非特許文献３参照）。また、結合領域の上層と下層との重なる部分で各々コアを徐々に細くするテーパ形状とし、各々の光導波路を導波する光のスポットサイズを大きくすることで、下層と上層との間で光を結合させる技術がある（非特許文献４参照）。また、屈折率が変化する領域により下層と上層との間で光を結合させる技術も提案されている（非特許文献５参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】J. H. Kang et al., "Amorphous-Silicon Inter-Layer Grating Couplers With Metal Mirrors Toward 3-D Interconnection", IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, vol.20, no.4, 8202308, 2014.
【非特許文献２】Yang Zhang et al., "Inter-layer grating coupler on double-layer silicon nanomembranes", Proceedings of IEEE Optical Interconnects Conference, paper MD5, pp.35-36, 2013.
【非特許文献３】J. Yao et al., "Grating-coupler based low-loss optical interlayer coupling", Proceedings of Group IV Photonics, paper FD3, pp.383-385, 2011.
【非特許文献４】K. Shang et al., "Ultra-Low Loss Vertical Optical Couplers for 3D Photonic Integrated Circuits", Prof. OFC, paper Th1F.6, 2015.
【非特許文献５】X. Liang et al., "Efficient Active-to-Passive Light Coupling of InGaAsP/InP Laser Using Subwavelength Coupler", IEEE Photonics Journal, vol.5, no.6, 6602408, 2013.
【非特許文献６】岡本勝就  著、「フォトニクスシリーズ１３  光導波路解析の基礎」、コロナ社、第４．４．３節、１４４頁、１９９２年。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述した多層光デバイスでは、各層間での光結合を制御し、不要な領域では十分分離し、かつ必要な領域では、可能な限り導波方向に短い距離で光結合を実現することが重要となる。特にＳｉ細線導波路では、コア断面などの寸法がサブミクロンであり、高密度な光回路が実現可能となっている。この中で、上述した従来の技術では、例えば、テーパを設けることで光結合させる技術（非特許文献４）では、光結合の領域を導波方向に１００μｍ以上にするといった長距離が必要になる。
【０００６】
また、屈折率変化領域を設けた構成（非特許文献５）においては３０μｍでの光結合が報告されているが、３０μｍで結合を得るために上下層の間が狭くとられている。この構成では、上層と下層との間で光を分離しておきたい領域においても、光が結合しうる状況となっている。また、グレーティング・カプラを用いる方法では、短距離で結合させることが可能だが、波長依存性が大きく、戻り光が避けられず、また十分な結合効率を得ることができない。これらのように、従来の技術では、光結合に長い距離を必要とするか、大きな波長依存性があるという課題があった。
【０００７】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、大きな波長依存性および反射戻り光の無い状態で、より短い距離で上層の光導波路と下層の光導波路とを光結合させることができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る多層光導波路は、下部クラッド層の上に形成されて第１方向に延在する下部コアと、下部コアの上に形成されて、結合領域，遷移領域，および分離領域を備える重なり領域において、下部クラッド層の平面上で第１方向に重なって平行な第２方向に延在する上部コアと、結合領域および遷移領域を除く少なくとも分離領域の下部コアと上部コアとの間に、下部コア側を下端とし、上部コア側を上端として形成された中間クラッド層とを備え、結合領域，遷移領域，および分離領域は、この順に下部コアによる光導波路の導波方向に配列され、中間クラッド層は、分離領域において下部コアによる光導波路と上部コアによる光導波路とが光結合しない範囲の厚さとされ、遷移領域に配置された上部コアは、分離領域との境界部から結合領域との境界部にかけて、中間クラッド層の上端から下端の高さにまで徐々に降下し、重なり領域に配置された上部コアの先端から遷移領域との境界までの下部クラッド層側の下端は、中間クラッド層の下端と厚さ方向に同じ位置とされ、結合領域における下部コアと上部コアとの間隔は、下部コアによる光導波路と上部コアによる光導波路とが光結合する範囲とされ、中間クラッド層は、結合領域および遷移領域を除く少なくとも分離領域の下部コアと上部コアとの間に、下部コア側を下端とし、上部コア側を上端として形成され、結合領域および遷移領域には空間領域が形成されている。
【０００９】
また、本発明に係る多層光導波路の製造方法は、下部クラッド層の上に第１方向に延在する下部コアを形成する工程と、下部コアが形成された下部クラッド層の上に中間クラッド層を形成する工程と、下部クラッド層の平面上で第１方向に重なって平行な第２方向に延在する上部コアを中間クラッド層の上に形成する工程と、上部コアを形成した後で、下部コアと上部コアとが重なっている重なり領域における結合領域，遷移領域，および分離領域の結合領域および遷移領域における中間クラッド層を除去し、遷移領域に配置された上部コアを、分離領域との境界部から結合領域との境界部にかけて、中間クラッド層の上端から下端の高さにまで徐々に降下し、重なり領域に配置された上部コアの先端から遷移領域との境界までの下部クラッド層側の下端を、中間クラッド層の下端と厚さ方向に同じ位置とする工程とを備え、結合領域，遷移領域，および分離領域は、この順に下部コアによる光導波路の導波方向に配列し、中間クラッド層は、分離領域において下部コアによる光導波路と上部コアによる光導波路とが光結合しない範囲の厚さとし、結合領域における下部コアと上部コアとの間隔は、下部コアによる光導波路と上部コアによる光導波路とが光結合する範囲とする。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したことにより、本発明によれば、大きな波長依存性および反射戻り光の無い状態で、より短い距離で上層の光導波路と下層の光導波路とを光結合させることができるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における多層光導波路の一部構成を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態における多層光導波路の一部構成を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態における多層光導波路の一部構成を示す斜視図である。
【図４Ａ】図４Ａは、多層光導波路の製造方法を説明するための各工程における状態を示す構成図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、多層光導波路の製造方法を説明するための各工程における状態を示す構成図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、多層光導波路の製造方法を説明するための各工程における状態を示す構成図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、多層光導波路の製造方法を説明するための各工程における状態を示す構成図である。
【図４Ｅ】図４Ｅは、多層光導波路の製造方法を説明するための各工程における状態を示す構成図である。
【図４Ｆ】図４Ｆは、多層光導波路の製造方法を説明するための各工程における状態を示す構成図である。
【図４Ｇ】図４Ｇは、多層光導波路の製造方法を説明するための各工程における状態を示す構成図である。
【図４Ｈ】図４Ｈは、多層光導波路の製造方法を説明するための各工程における状態を示す構成図である。
【図４Ｉ】図４Ｉは、多層光導波路の製造方法を説明するための各工程における状態を示す構成図である。
【図４Ｊ】図４Ｊは、多層光導波路の製造方法を説明するための各工程における状態を示す構成図である。
【図５】図５は、下層、中間層、上層と積層した後、上層の下にある中間層を除去することで、上層の先端を下層にまで垂らした構造を試作した試料素子の電子顕微鏡写真である。
【図６】図６は、下部コア１０２および上部コア１０３の結合長を計算した結果を示す特性図である。
【図７】図７は、上部コア１０３を下部コア１０２の側に垂らす遷移領域１５２に必要となる光導波路長を、遷移領域１５２における上部コア１０３の曲率半径に対して計算した結果を示す特性図である。
【図８】図８は、下部コア１０２および上部コア１０３の結合長の計算を、波長を変化させて行った結果を示す特性図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態における他の多層光導波路の一部構成を示す斜視図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態における他の多層光導波路の一部構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図１，２，３を参照して説明する。図１，図２は、本発明の実施の形態における多層光導波路の一部構成を示す断面図である。また、図３は、本発明の実施の形態における多層光導波路の一部構成を示す斜視図である。
【００１３】
この多層光導波路は、下部クラッド層１０１と、下部コア１０２と、上部コア１０３と、中間クラッド層１０４とを備える。なお、図２は、図１のａａ’線の断面を示している。また、図３では、下部コア１０２、上部コア１０３のみを示している。
【００１４】
下部コア１０２は、下部クラッド層１０１の上に形成されている。また、上部コア１０３は、下部コア１０２の上に形成されている。下部コア１０２と上部コア１０３とは、結合領域１５１，遷移領域１５２，および分離領域１５３を備える重なり領域１５０において、下部クラッド層１０１の平面上で、同一の方向に重なって平行な状態とされている。言い換えると、重なり領域１５０において、上部コア１０３は、下部コア１０２が延在する第１方向に重なって平行な第２方向に延在している。
【００１５】
なお、結合領域１５１，遷移領域１５２，および分離領域１５３は、この順に下部コア１０２による光導波路の導波方向に配列されている。また、上部コア１０３の先端１０３ａは、結合領域１５１の中に配置されている。
【００１６】
また、中間クラッド層１０４は、結合領域１５１および遷移領域１５２を除く少なくとも分離領域１５３の下部コア１０２と上部コア１０３との間に、下部コア１０２側を下端１４１とし、上部コア１０３側を上端１４２として形成されている。また、中間クラッド層１０４は、分離領域１５３において下部コア１０２による光導波路と上部コア１０３による光導波路とが光結合しない範囲の厚さとされている。
【００１７】
ここで、遷移領域１５２に配置された上部コア１０３は、分離領域１５３との境界部１５４から結合領域１５１との境界部１５５にかけて、中間クラッド層１０４の上端１４２から下端１４１の高さにまで徐々に降下している所に大きな特徴がある。遷移領域１５２において、上部コア１０３は、側面視でスロープを形成している。
【００１８】
例えば、全域に中間クラッド層となる材料層を形成し、この上に、上部コア１０３を形成した後、結合領域１５１および遷移領域１５２の材料層を除去して中間クラッド層１０４を形成する。この状態では、結合領域１５１における上部コア１０３の先端１０３ａは、支持する層が無くなるため、下端１４１の位置まで落下する。一方、分離領域１５３の上部コア１０３は、中間クラッド層１０４に支持されているため、初期の位置を維持する。この結果、上部コア１０３は、境界部１５４から境界部１５５にかけて、中間クラッド層１０４の上端１４２から下端１４１の高さにまで徐々に降下した形状となる。
【００１９】
なお、重なり領域１５０に配置された上部コア１０３の先端１０３ａから遷移領域１５２との境界部１５５までの下部クラッド層１０１側の下端１３１は、中間クラッド層１０４の下端と厚さ方向に同じ位置とされている。また、結合領域１５１における下部コア１０２と上部コア１０３との間隔は、下部コア１０２による光導波路と上部コア１０３による光導波路とが光結合する範囲とされている。
【００２０】
実施の形態では、下部コア１０２の上にエッチストップ層１１１を設けており、エッチストップ層１１１の厚さが、重なり領域１５０における下部コア１０２と上部コア１０３との間隔となる。例えば、エッチストップ層１１１の厚さを０．２μｍ程度すれば、結合領域１５１における下部コア１０２と上部コア１０３との間隔を、０．２μｍ程度とすることができる。なお、下部コア１０２の側部の下部クラッド層１０１には、図２に示すように、側部クラッド層１１２が形成されている。側部クラッド層１１２の上面および下部クラッド層１０１の上面は、同一の平面とされており、平坦化されている。
【００２１】
上述した実施の形態における多層光導波路によれば、結合領域１５１においては、下部コア１０２と上部コア１０３との間隔が、これらによる光導波路の光結合可能な状態とされ、分離領域１５３では、下部コア１０２と上部コア１０３との間隔が、これらによる光導波路が光結合しない状態とされている。
【００２２】
結合領域１５１においては、上述したように、下部コア１０２と上部コア１０３とを近づけているので、より短い結合距離で、上層の光導波路と下層の光導波路とを光結合させることができる。また、各々のコアを近づけることで光結合させるようにしているので、大きな波長依存性の無い状態で、光結合が実現できる。また、グレーディングなどを用いていないので、反射戻り光などが発生しない。
【００２３】
次に、実施の形態における多層光導波路の製造方法について図４Ａ〜図４Ｊを用いて説明する。図４Ａ〜図４Ｊは、多層光導波路の製造方法を説明するための各工程における状態を示す構成図である。図４Ａ〜図４Ｆ，図４Ｈ，図４Ｊは、断面を示し、図４Ｇ，図４Ｉは、平面を示している。図４Ａ〜図４Ｆ，図４Ｈ，図４Ｊは、図１のａａ’線の断面を示している。
【００２４】
まず、図４Ａに示すように、下部クラッド層１０１の上にシリコン層２０１が形成された状態とする。例えば、よく知られたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いればよい。埋め込み絶縁層が下部クラッド層１０１となる。また、表面シリコン層がシリコン層２０１となる。次に、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりシリコン層２０１をパターニングし、図４Ｂに示すように、下部コア１０２を形成する。
【００２５】
次に、図４Ｃに示すように、下部コア１０２の側部の下部クラッド層１０１の上に、側部クラッド層１１２を形成する。側部クラッド層１１２の上面および下部クラッド層１０１の上面は、同一の平面とされており、平坦化されている。例えば、よく知られた科学的基礎層成長（ＣＶＤ）法などにより酸化シリコンを堆積することで、下部クラッド層１０１の上に、下部コア１０２を覆って酸化シリコン膜を形成する。次いで、形成した酸化シリコン膜を、例えば、公知の化学機械研磨（ＣＭＰ）法による研削研磨でエッチバックすることで、下部コア１０２と側部クラッド層１１２との上面を同一の平面とする状態に平坦化すれば良い。
【００２６】
次に、図４Ｄに示すように、下部コア１０２および側部クラッド層１１２の上に、エッチストップ層１１１を形成する。例えば、ＣＶＤ法により窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）を堆積することで、エッチストップ層１１１を形成すれば良い。エッチストップ層１１１は、例えば、層厚０．２μｍ程度に形成すれば良い。
【００２７】
次に、図４Ｅに示すように、エッチストップ層１１１の上に、中間クラッド層１０４を形成する。例えば、ＣＶＤ法により酸化シリコンを堆積することで、中間クラッド層１０４を形成する。この時点では、前述した結合領域１５１，遷移領域１５２を含めて全域に中間クラッド層１０４が形成されている。
【００２８】
次に、中間クラッド層１０４の上に、上部コア１０３を形成する。例えば、他のＳＯＩ基板を用意し、この表面シリコン層を上部コア１０３の上面に貼り付ける。次いで、貼り付けたＳＯＩ基板のシリコン基体部および埋め込み絶縁層を除去する。研磨などにより大部分のシリコン基体部を除去した後、残りのシリコン基体部をアルカリ溶液でエッチング除去する。埋め込み絶縁層はアルカリに溶解しないため、埋め込み絶縁層が露出した時点で、上記エッチングは自動的に停止される。次に、フッ酸を用いて埋め込み絶縁層をエッチング除去する。表面シリコン層はフッ酸に溶解しないため、表面シリコン層が露出した時点で上記エッチングは自動的に停止される。
【００２９】
次に、上述したように中間クラッド層１０４の上に貼り付けることで形成した表面シリコン層を、リソグラフィー技術およびエッチング術によりパターニングし、上部コア１０３を形成する。この状態では、図４Ｇに示すように、結合領域１５１，遷移領域１５２，および分離領域１５３の全域において、中間クラッド層１０４が存在し、この上に上部コア１０３が形成されている。また、結合領域１５１，遷移領域１５２，および分離領域１５３においては、下部コア１０２の直上に、上部コア１０３が配置されている。なお、中間クラッド層１０４の上に、ＣＶＤ法で堆積したシリコン層をパターニングすることで、上部コア１０３を形成しても良い。
【００３０】
次に、図４Ｈ，図４Ｉに示すように、レジストパターン２０２を形成する。レジストパターン２０２は、結合領域１５１および遷移領域１５２に開口部２０３を備えている。例えば、フォトリソグラフィーによりレジストパターン２０２を形成すれば良い。次いで、レジストパターン２０２をマスクとし、中間クラッド層１０４を選択的にウエットエッチングする。例えば、酸化シリコンは溶解し、窒化シリコンは溶解しないエッチング液を用いて上記エッチングを実施すれば良い。このエッチングは、エッチストップ層１１１により自動的に停止する。この後、レジストパターン２０２を除去する。
【００３１】
以上のことにより、図４Ｊに示すように、結合領域１５１および遷移領域１５２が除去された中間クラッド層１０４が形成できる。また、結合領域１５１および遷移領域１５２では、上部コア１０３を支持していた中間クラッド層１０４が除去されたため、結合領域１５１に先端部が配置されている上部コア１０３は、この先端部がエッチストップ層１１１の上面に接触する状態となる。この結果、図１に示すように、遷移領域１５２に配置された上部コア１０３は、分離領域１５３との境界部１５４から結合領域１５１との境界部１５５にかけて、中間クラッド層１０４の上端１４２から下端１４１の高さにまで徐々に降下した状態となる。
【００３２】
なお、このようにして、結合領域１５１，遷移領域１５２における空間領域を形成し、境界部１５４から境界部１５５にかけて、上部コア１０３が中間クラッド層１０４の上端１４２から下端１４１の高さにまで徐々に降下する形状とした後、上記空間をクラッド材料で充填しても良い。
【００３３】
実際に、下層、中間層、上層と積層した後、上層の下にある中間層を除去することで、上層の先端を下層にまで垂らした構造を試作した試料素子の電子顕微鏡写真を図５に示す。ここでは、下層および上層を、ＩｎＧａＡｓから構成し、中間層をＩｎＰから構成した。上層を所定の平面形状にパターニングした後、一部の中間層を除去した。図５に示すように、中間層を除去した領域において、上層が垂れ下がっている状態が確認された。
【００３４】
次に、実施の形態における多層光導波路の特性評価結果について説明する。図６に、下部コア１０２および上部コア１０３の結合長（平行する２つのコアの間で一方のコアを伝わる光エネルギーがもう一方のコアに移行する距離）を計算した結果を示す。ここでは、等価屈折率法を用いて計算を行った。構造として、下部コア１０２および上部コア１０３ともにシリコンから構成し、各コアの断面寸法は５００ｎｍ×２００ｎｍ、またクラッドとしてＳｉＯ2でコア周囲が埋め込まれた状態を仮定した。また、結合長の計算においては結合光導波路の偶モードおよび奇モード解析の結果を用いている（非特許文献６参照）。
【００３５】
近接している２つのコアの一方のコアに入射した光が、他方のコアに移行するために必要な「結合長」は、２つのコアにまたがる偶モードと奇モードの伝搬定数をβe，βoとすると、結合長Ｌcは、「Ｌc＝π／（βe−βo）」となる。この性質を利用し、各コア間隔の点において偶モードと奇モードの伝搬定数を計算してβe, βoを求める。このようにしても求めたβe, βoから、結合長Ｌcを算出する。
【００３６】
図６に示すように、コア（光導波路）の間隔が０．１μｍ以下の領域において２μｍ以下という極めて短い距離で光を結合させることが可能と分かった。特に、コア間隔０μｍ（下部コア１０２と上部コア１０３とが光学的に接している状態）では、１μｍ以下の極短距離で光結合が可能である。
【００３７】
図７に、上部コア１０３を下部コア１０２の側に垂らす遷移領域１５２に必要となる光導波路長を、遷移領域１５２における上部コア１０３の曲率半径に対して計算した結果を示す。
【００３８】
ここで、遷移領域１５２における上部コア１０３は、境界部１５４から中間点までは上に凸の状態で下降し、中間点から境界部１５５までは下に凸の状態で下降するものとする。また、上の凸の領域における曲率半径および下に凸の領域における曲率半径を、共にＲとする。また、境界部１５４（境界部１５５）から中間点までの長さをｘとし、上端１４２（下端１４１）から中間点までの高さをｙとする。また、遷移領域１５２における上部コア１０３の開始箇所から中間点までの曲率半径中心とした角度をθとすると、「ｙ＝Ｒｓｉｎθ、ｘ＝Ｒ（１−ｃｏｓθ）」となる。
【００３９】
中間クラッド層１０４の厚さ（２ｙ）を決定し、曲率半径を仮定すれば、上記式よりθが求められる。決定した高さ、仮定した曲率半径、および求められたθより、遷移領域１５２の長さ（２ｘ）を求めることができる。
【００４０】
断面の寸法を５００ｎｍ×２００ｎｍとしたシリコンコアによる光導波路では、一般に強い光閉じ込めから小さな曲率半径で曲げても光が漏れにくい性質がある。曲率半径として数μｍ程度がよく用いられており、１０μｍの曲率半径を仮定した際の必要な遷移領域光導波路長は約９μｍであった。
【００４１】
前述した結合領域１５１における結合長１μｍと合わせ、約１０μｍの長さで、下部コア１０２による光導波路と上部コア１０３による光導波路が結合可能である。
【００４２】
次に、図６の説明で用いた同様の計算を、波長を変化させて行った結果を図８に示す。ここでは波長１５００ｎｍ（白丸）、波長１５５０ｎｍ（黒四角）、波長１６００ｎｍ（白菱形）について計算を行っている。特に、下部コア１０２と上部コア１０３との間隔０．２μｍ以下において、１００ｎｍを超える帯域で波長無依存な結合が得られることが分かった。
【００４３】
ところで、例えば図９に示すように、結合領域１５１内で下部コア１０２を終端させ、この先端領域１０２ａをテーパ形状に細らせ、結合領域１５１における上部コア１０３の先端領域１０３ｂもテーパ形状に細らせる構成としても良い。この構成とすることで、結合領域１５１において、より波長依存性の無い結合を得ることができる。
【００４４】
また、図１０に示すように、結合領域１５１内で下部コア１０２を終端させ、この先端１０２ｂに、結合領域１５１における上部コア１０３の先端１０３ａをつきあわせる状態にしてもよい。
【００４５】
この場合、図１，図２，図４Ｄ〜図４Ｈを用いて説明したエッチストップ層１１１をこの位置に作製せず、下部コア１０２の下層に作製する。例えば、下部コア１０２をシリコンから構成し、中間クラッド層を酸化シリコンから構成する。また、中間クラッド層は、下部クラッド層１０１の上に下部コア１０２を覆って形成する。また、この場合、中間クラッド層の表面を平坦化する。
【００４６】
この状態で上部コア１０３を形成した後、結合領域１５１，遷移領域１５２を形成するために、部分的に中間クラッド層をエッチング除去する。このエッチングにおいては、シリコンから構成した下部コア１０２はエッチングされず、この下のエッチストップ層でエッチングが停止される。この結果、中間クラッド層１０４の下端が、下部コア１０２の下面となっているので、結合領域１５１における上部コア１０３の下端は、下部コア１０２の下面と同じ高さとなる。また、平面視で先端１０２ｂと先端１０３ａとの位置が重なっていれば、先端１０２ｂの面と先端１０３ａの面とがつきあう（向かい合う）状態となる。先端１０２ｂの面と先端１０３ａの面の間隔が十分小さい場合には、高効率かつ波長依存性の無い光結合を得ることができる。
【００４７】
以上に説明したように、本発明によれば、遷移領域に配置された上部コアが、遷移領域の一端から他端にかけて、中間クラッド層の上端から下端の高さにまで徐々に降下しているようにしたので、大きな波長依存性および反射戻り光の無い状態で、より短い距離で上層のコアによる光導波路と下層のコアによる光導波路とを光結合させることができる。
【００４８】
例えば、非特許文献４の技術では、大きな波長依存性が無い状態で光結合が可能であるが、１００μｍ以上の長さの結合領域が必要であった。これに対し、本発明によれば、約１０分の１の長さで光結合が可能となる。また、グレーティング・カプラを対向させた光結合に比べて波長依存性の少ない高効率な結合が可能となる。特に、図９，図１０を用いて説明した構成とすることで、より波長無依存な光導波路結合を得ることができる。
【００４９】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、コアは、シリコンに限るものではなく、化合物半導体から構成してもよく、また、コアをＳｉＯＮやＯ組成比が化学量論組成より小さいＳｉＯxなどから構成した石英系光導波路にも適用可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１０１…下部クラッド層、１０２…下部コア、１０３…上部コア、１０３ａ…先端、１０４…中間クラッド層、１１１…エッチストップ層、１３１…下端、１４１…下端、１４２…上端、１５０…重なり領域、１５１…結合領域、１５２…遷移領域、１５３…分離領域、１５４，１５５…境界部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図４Ｇ】
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【図４Ｈ】
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【図４Ｉ】
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【図４Ｊ】
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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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