(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下層と、
前記下層上に形成されており、前記下層よりも屈折率の高い、光導波路のコア層及び前記コア層と並んで所定の間隔で離間する各々孤立した複数の凸部を有する回折格子と、
前記複数の凸部の表面及び前記凸部間の前記下層の表面を覆う、前記下層よりも屈折率の高い被覆層と、
前記コア層の表面を覆い、前記被覆層の表面を露出させる、前記コア層よりも屈折率の低い上層と
を含むことを特徴とする光デバイス。
【請求項２】
前記複数の凸部が単結晶シリコンを材料として形成され、前記被覆層が多結晶シリコン、アモルファスシリコン及びゲルマニウムから選ばれた少なくとも１種を材料として形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
【請求項３】
前記下層の表面から前記被覆層の上面までの高さは、前下層の表面から前記コア層の上面までの高さよりも高いことを特徴とする請求項１又は２に記載の光デバイス。
【請求項４】
下層上に形成されており、前記下層よりも屈折率の高い層をフルエッチングして、光導波路のコア層と、前記コア層と並んで前記下層上において所定の間隔で離間する各々孤立した複数の凸部を有する回折格子とを形成する工程と、
前記複数の凸部の表面及び前記凸部間の前記下層の表面を覆う、前記下層よりも屈折率の高い被覆層を形成する工程と、
前記コア層の表面を覆い、前記被覆層の表面を露出させる、前記コア層よりも屈折率の低い上層を形成する工程と
を含むことを特徴とする光デバイスの製造方法。
【請求項５】
前記複数の凸部が単結晶シリコンを材料として形成され、前記被覆層が多結晶シリコン、アモルファスシリコン及びゲルマニウムから選ばれた少なくとも１種を材料として形成されることを特徴とする請求項４に記載の光デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光デバイス及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、シリコン（Ｓｉ）のプロセス技術に基づいた光通信用の光デバイスの開発が盛んになっている。この光デバイスは、Ｓｉの光導波路を備えており、光ファイバ等の外部光回路と光結合される。このような光結合の実現する光デバイスとして、グレーティングカプラを用いる手法がある。グレーティングカプラは、例えばＳＯＩ基板のシリコン層に回折格子が形成されてなり、光導波路からの光を回折格子により、光導波路が形成されている基板の上方に回折させ、光ファイバ等と光結合させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２０３６０４号公報
【特許文献２】特開２０１１−１０７３８４号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Japanese Journal of Applied Physics Vol. 45, No. 8A, 2006, pp. 6071-6077 Ghent University
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
通常、光デバイスのグレーティングカプラとなる回折格子は、図１（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板１００を用いて形成される。ＳＯＩ基板１００は、シリコン基板１０１上にＳｉＯ2層１０２を介してシリコン層１０３が形成されてなる。図１（ｂ）に示すように、光デバイスのグレーティングカプラとなる回折格子１１０は、シリコン層１０３をエッチングすることで、光導波路のコア層１２０と同時に形成される。回折格子１１０を形成するには、ＳＯＩ基板１００のシリコン層１０３を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）でフルエッチングすることが考えられる。この場合、回折格子１１０の各凸部１１０ａは孤立した上下対称の形状となる。回折格子１１０における回折光は、凸部１１０ａの上下対称形状に依存して上下方向で対称となり、隣り合う凸部１１０ａ間の底面には空気よりは屈折率の高いＳｉＯ2層１０２が存するにしても、上方への出射効率が悪いという問題がある。
【０００６】
更に、グレーティングカプラを用いた光デバイスでは、図１（ｃ）に示すように、導波光をコア層１２０内に閉じ込めるために、コア層１２０上を覆うＳｉＯ2層１０４を形成する。このとき、回折格子１１０上にもＳｉＯ2層１０４が形成される。ＳｉＯ2層１０４の回折格子１１０上の部分は、工程増や回折格子１１０へのダメージを回避するため、そのまま残しておく。この場合、回折格子１１０の凸部１１０ａ間の領域では、同材料のＳｉＯ2層１０２，１０４が接合されている。そのため、回折格子１１０の上方への回折光の出射効率は極めて悪くなる。
【０００７】
この問題に対処すべく、例えば特許文献１では、図１（ｃ）の構造に付加して、シリコン基板の裏面に窪みを形成して反射膜を形成する等の工夫がなされている。しかしながらこの場合、工程増や製造コスト増、歩留まりの低下を招来するという問題がある。
【０００８】
また、例えば特許文献２及び非特許文献１では、シリコン層から回折格子を形成する際に、シリコン層をＲＩＥでハーフエッチングする。しかしながらこの場合、エッチングチャンバ温度の変動やパターン依存性(マイクロローディング)等に起因して、エッチングレートの変動が生じる。そうすると、図２に示すように、回折格子１１０の凸部１１０ａ間の領域（凹部の底面）で膜厚変動が発生する。エッチング条件の最適化を行っても、光デバイスの面内で１０％以下程度の膜厚分布は避けられない。この膜厚変動は、１つの光デバイス内のみならず、複数の光デバイスが形成された基板間でも見られる。そのため、回折格子１１０の上方への回折光の出射角度が変動し、光ファイバとの光結合損失が大きく、光結合時の調心作業に非常に多くの時間を要する。特に、光ファイバを複数本配置して一括アライメントを行う場合には、光デバイス毎に出射角度が異なると光ファイバによる調芯(角度)調整を行うことができないという問題がある。
【０００９】
本発明は、上記の諸問題を解決すべくなされたものであり、工程増や製造コスト増、歩留まりの低下を招来することなく、出射角度の揃った均一な光出射が得られ、光ファイバとの光結合損失が小さく光結合時の調心作業を容易且つ確実に行うことができる信頼性の高い光デバイス及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
光デバイスの一態様は、下層と、前記下層上に形成されており、前記下層よりも屈折率の高い、光導波路のコア層及び前記コア層と並んで所定の間隔で離間する各々孤立した複数の凸部を有する回折格子と、前記複数の凸部の表面及び前記凸部間の前記下層の表面を覆う、前記下層よりも屈折率の高い被覆層と、前記コア層の表面を覆い、前記被覆層の表面を露出させる、前記コア層よりも屈折率の低い上層とを含む。
【００１１】
光デバイスの製造方法の一態様は、下層上に形成されており、前記下層よりも屈折率の高い層をフルエッチングして、光導波路のコア層と、前記コア層と並んで前記下層上において所定の間隔で離間する各々孤立した複数の凸部を有する回折格子とを形成する工程と、前記複数の凸部の表面及び前記凸部間の前記下層の表面を覆う、前記下層よりも屈折率の高い被覆層を形成する工程と、前記コア層の表面を覆い、前記被覆層の表面を露出させる、前記コア層よりも屈折率の低い上層を形成する工程とを含む。
【発明の効果】
【００１２】
上記の諸態様によれば、工程増や製造コスト増、歩留まりの低下を招来することなく、出射角度の揃った均一な光出射が得られ、光ファイバとの光結合損失が小さく光結合時の調心作業を容易且つ確実に行うことができる信頼性の高い光デバイスが実現する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来のグレーティングカプラを備えた光デバイスの問題点を説明するための概略断面図である。
【図２】従来のグレーティングカプラを備えた光デバイスの問題点を説明するための概略断面図である。
【図３】本実施形態による光デバイスの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【図４】図３に引き続き、本実施形態による光デバイスの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【図５】本実施形態による光デバイスの構成及び機能を説明するための概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、グレーティングカプラを有する光デバイスの具体的な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。
【００１５】
図３〜図４は、本実施形態による光デバイスの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
先ず、図３（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板１を用意する。ＳＯＩ基板１０は、単結晶のシリコン基板１１上に下層であるＳｉＯ2層１２を介して単結晶のシリコン層１３が形成されてなる。
続いて、図３（ｂ）に示すように、レジストパターン２１を形成する。
詳細には、ＳＯＩ基板１０のシリコン層１３上にレジストを塗布し、このレジストをリソグラフィーにより加工する。これにより、回折格子の凹部の形成予定部位に開口２１ａを有するレジストパターン２１が形成される。
【００１６】
続いて、図３（ｃ）に示すように、シリコン層１３をフルエッチングする。
詳細には、レジストパターン２１をマスクとして、シリコン層１３下のＳｉＯ2層１２の表面が露出するまでシリコン層１３を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）でフルエッチングする。以上により、下層のＳｉＯ2層１２上には、シリコン層１３が複数の凸部１５ａに分断されて、光導波路のコア層１４及び回折格子１５が形成される。ＳｉＯ2層１２のコア層１４下の部分は、光導波路の下部クラッドとなる。
レジストパターン２１は、アッシング処理又は薬液を用いたウェット処理により除去される。
【００１７】
続いて、図３（ｄ）に示すように、被覆膜１６を形成する。
詳細には、コア層１４の表面と、回折格子１５の凸部１５ａの表面及び隣り合う凸部１５ａ間で露出するＳｉＯ2層１２の表面と覆う被覆膜１６を形成する。被覆膜１６は、ＳｉＯ2層１２よりも屈折率が高く、コア層１４に近い屈折率を持つ材料からなる薄膜であり、本実施形態では多結晶シリコンからなる。この多結晶シリコンは、ＣＶＤ法又はＡＬＤにより、例えば５０ｎｍ程度の厚みに堆積される。ＣＶＤ法又はＡＬＤによる成膜では、膜厚の基板面内分布が均一であり、下地形状の影響も受け難い。そのため、成膜条件を調節して最適化することにより、膜厚の基板面内分布が０．５％以下の誤差範囲に抑えられる。被覆膜１６の材料は、多結晶シリコン膜の替わりに、例えばアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）、水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）、及びゲルマニウム（Ｇｅ）から選ばれた少なくとも１種（１種又は混晶）としても良い。
【００１８】
続いて、図４（ａ）に示すように、レジストパターン２２を形成する。
詳細には、被覆膜１６上にレジストを塗布し、このレジストをリソグラフィーにより加工する。これにより、被覆膜１６の回折格子１５上の部分を覆い、被覆膜１６のコア層１４上の一部を露出させるレジストパターン２２が形成される。
【００１９】
続いて、図４（ｂ）に示すように、被覆膜１６のコア層１４上の一部を除去する。
詳細には、レジストパターン２２をマスクとして、被覆膜１６下のコア層１４の表面が露出するまで被覆膜１６をドライエッチングして除去する。
コア層１４及び回折格子１５は、膜厚の均一なシリコン層１３をエッチングすることで形成されている。そのため、回折格子１５及び被覆膜１６の合計膜厚（ＳｉＯ2層１２の表面からの高さ）は、コア層１４の膜厚（ＳｉＯ2層１２の表面からの高さ）よりも高くなる。
レジストパターン２２は、アッシング処理又は薬液を用いたウェット処理により除去される。
【００２０】
続いて、図４（ｃ）に示すように、ＴＥＯＳ層１７を形成する。
詳細には、コア層１４及び被覆膜１６を覆うように、ＣＶＤ法により例えばＴＥＯＳを１μｍ程度の膜厚に堆積する。以上により、上層であるＴＥＯＳ層１７が形成される。ＴＥＯＳ層１７のうち、コア層１４上を覆う部分は、光導波路の上部クラッドとなる。ＴＥＯＳ層１７のうち、グレーティングカプラ２上を覆う部分については、工程増やグレーティングカプラ２へのダメージを回避するため、そのまま残しておく。光出射効率の更なる向上等を考慮して、ＴＥＯＳ層１７のグレーティングカプラ２上を覆う部分を削除することも考えられる。
【００２１】
以上により、シリコン基板１１上に光導波路１とグレーティングカプラ２とが一体形成されてなる光デバイスが形成される。光導波路１は、コア層１４をＳｉＯ2層１２の下部クラッドとＴＥＯＳ層１７の上部クラッドとで挟持されてなる。グレーティングカプラ２は、回折格子１５及びその上を覆う被覆膜１６からなる。
【００２２】
本実施形態による光デバイスでは、グレーティングカプラ２は、フルエッチングで形成された孤立パターンである複数の凸部１５ａからなる回折格子１５が膜厚の均一な被覆膜１６で覆われて構成される。被覆膜１６により、グレーティングカプラ２の凸部１５ａの部分が上下で非対称（下方が閉塞され上方が開放された）の状態となる。図５に示すように、被覆膜１６はその下部のＳｉＯ2層１２よりも屈折率が高いため、光導波路１のコア層１４を通過した光は、グレーティングカプラ２でその殆どが上方へ回折する。各凸部１５ａ間の凹部底面は被覆膜１６により均一な厚みとされており、グレーティングカプラ２は凹凸状態が均等であるため、上方への回折光は、例えば図５中の矢印Ａで示すように同一角度に均一に揃って出射される。光デバイスの出射光は、コネクタ４で固定された光ファイバ３で受光される。グレーティングカプラ２における出射光の出射角度が均一に揃っているため、光結合損失が少なく、光ファイバ３の正確な位置合わせ（調針）作業を短時間で容易に行うことができる。
【００２３】
また、被覆膜１６は、コア層１４（シリコン層１３）の屈折率に近い屈折率の材料、ここでは多結晶シリコンから形成されている。この構成により、コア層１４と被覆膜１６との境界部位（コア層１４の側面の光出射部位）における光反射が可及的に防止され、光結合損失の更なる抑止が実現する。
【００２４】
以上説明したように、本実施形態によれば、工程増や製造コスト増、歩留まりの低下を招来することなく、出射角度の揃った均一な光出射が得られる。光ファイバ３との光結合損失が小さく光結合時の調心作業を容易且つ確実に行うことができる信頼性の高い光デバイスが実現する。
【００２５】
以下、光デバイス及びその製造方法の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００２６】
（付記１）下層と、
前記下層上に形成されており、前記下層よりも屈折率の高い、光導波路のコア層及び前記コア層と並んで所定の間隔で離間する各々孤立した複数の凸部を有する回折格子と、
前記複数の凸部の表面及び前記凸部間の前記下層の表面を覆う、前記下層よりも屈折率の高い被覆層と
を含むことを特徴とする光デバイス。
【００２７】
（付記２）前記複数の凸部が単結晶シリコンを材料として形成され、前記被覆層が多結晶シリコン、アモルファスシリコン及びゲルマニウムから選ばれた少なくとも１種を材料として形成されていることを特徴とする付記１に記載の光デバイス。
【００２８】
（付記３）前記下層の表面から前記被覆層の上面までの高さは、前下層の表面から前記コア層の上面までの高さよりも高いことを特徴とする付記１又は２に記載の光デバイス。
【００２９】
（付記４）前記コア層の表面及び前記被覆層の表面を覆う、前記コア層よりも屈折率の低い上層を更に含むことを特徴とする付記１〜３のいずれか１項に記載の光デバイス。
【００３０】
（付記５）下層上に形成されており、前記下層よりも屈折率の高い層をフルエッチングして、光導波路のコア層と、前記コア層と並んで前記下層上において所定の間隔で離間する各々孤立した複数の凸部を有する回折格子とを形成する工程と、
前記複数の凸部の表面及び前記凸部間の前記下層の表面を覆う、前記下層よりも屈折率の高い被覆層を形成する工程と
を含むことを特徴とする光デバイスの製造方法。
【００３１】
（付記６）前記複数の凸部が単結晶シリコンを材料として形成され、前記被覆層が多結晶シリコン、アモルファスシリコン及びゲルマニウムから選ばれた少なくとも１種を材料として形成されることを特徴とする付記５に記載の光デバイスの製造方法。
【００３２】
（付記７）前記下層の表面から前記被覆層の上面までの高さは、前記下層の表面から前記コア層の上面までの高さよりも高いことを特徴とする付記５又は６に記載の光デバイスの製造方法。
【００３３】
（付記８）前記コア層の表面及び前記被覆層の表面を覆う、前記コア層よりも屈折率の低い上層を形成する工程を更に含むことを特徴とする付記５〜７のいずれか１項に記載の光デバイスの製造方法。
【符号の説明】
【００３４】
１  光導波路
２  グレーティングカプラ
３  光ファイバ
４  コネクタ
１０，１００  ＳＯＩ基板
１１，１０１  シリコン基板
１２，１０２，１０４  ＳｉＯ2層
１３，１０３  シリコン層
１５ａ，１１０ａ  凸部
１４，１２０  コア層
１５，１１０  回折格子
１６  被覆膜
１７  ＴＥＯＳ層
２１，２２  レジストパターン
２１ａ  開口
【図１】
0006492788.tif 000002
【図２】
0006492788.tif 000003
【図３】
0006492788.tif 000004
【図４】
0006492788.tif 000005
【図５】
0006492788.tif 000006