(57)【要約】  グレーティングカプラ及び光導波路装置に関し、実現が容易なストライプ幅でガウスビームにより近いビーム形状で光の授受を行う。グレーティングとなる屈折率がコア層と異なる材料で形成されたストライプ状部材を複数の区画に区分して配置するとともに、ストライプ状部材のコア層に対向する面の反対側の面とコア層との間隔を区画毎に異なるようにする。
2016006037.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられた第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層上に設けられたコア層と、
前記コア層上に設けられた第２のクラッド層と
前記コア層と前記第１のクラッド層或いは第２のクラッド層のいずれかとの間に設けられ、屈折率が前記コア層と異なる材料で形成されたストライプ状部材が複数の区画に区分されて配置されたグレーティングと、
を有し、
前記ストライプ状部材の前記コア層に対向する面の反対側の面と前記コア層との間隔が前記区画毎に異なることを特徴とするグレーティングカプラ。
【請求項２】
前記コア層と前記ストライプ状部材の間に、前記コア層より屈折率の低い低屈折率層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のグレーティングカプラ。
【請求項３】
前記低屈折率層が前記クラッド層と同じ素材からなることを特徴とする請求項２に記載のグレーティングカプラ。
【請求項４】
前記各区画内に配置されたストライプ状部材は同じ本数の複数本であり、
前記ストライプ状部材の前記コア層に対向する面の反対側の面と前記コア層との間隔が、グレーティングカプラの端部に向かって前記区画毎に順次減少し、
且つ、前記各区画内において前記ストライプ状部材の光の導波方向の寸法が前記端部に向かって順次増大していることを特徴とする請求項１に記載のグレーティングカプラ。
【請求項５】
前記コア層の前記ストライプ状部材に対向する面が、面一の平坦面であることを特徴とする請求項４に記載のグレーティングカプラ。
【請求項６】
前記グレーティングが、前記コア層と前記第２のクラッド層との間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のグレーティングカプラ。
【請求項７】
前記コア層の前記ストライプ状部材に対向する面が、前記各区画毎に前記コア層の厚さの異なる段差面であることを特徴とする請求項４に記載のグレーティングカプラ。
【請求項８】
前記各区画内に配置されたストライプ状部材は同じ本数の複数本であり、
前記ストライプ状部材の前記コア層に対向する面の反対側の面と前記コア層との間隔が、グレーティングカプラの端部に向かって前記区画毎に順次増大し、
前記各区画内において前記ストライプ状部材の寸法及び前記ストライプ状部材の光の導波方向の厚さが前記端部に向かって順次増大していることを特徴とする請求項１に記載のグレーティングカプラ。
【請求項９】
前記ストライプ状部材が配置された区画数が２乃至４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カプラ。
【請求項１０】
前記各区画に配置されたストライプ状部材が１本であり、全てのストライプ状部材の厚さ及び光の導波方向の寸法が同じであることを特徴とする請求項４に記載のグレーティングカプラ。
【請求項１１】
請求項１に記載のグレーティングカプラと、
前記グレーティングカプラの端部において前記グレーティングと光結合する光ファイバと
前記グレーティングカプラの前記端部と反対方向に延在する光導波路と
を有することを特徴とする光導波路装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、グレーティングカプラ及び光導波路装置に関するものであり、例えば、高速、大容量の信号伝送を必要とする情報通信系の装置に用いられる光ファイバと接続するグレーティングカプラに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、情報通信系の装置において、光ファイバを伝搬してきた信号光を光導波路に入力して導波させる際に、光導波路に設けたグレーティングカプラを用いている。ここで、図１９を参照して従来のグレーティングカプラを用いた光結合構造を説明する。【０００３】
図１９は、従来の光ファイバとグレーティングカプラの結合状態の説明図であり、図１９（ａ）は透視斜視図であり、図１９（ｂ）は図１９（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。グレーティングカプラは、光導波路９１を伝搬中の光をグレーティングカプラ部９４に設けたグレーティング（回折格子）９５により上方もしくは下方に放射し、外部の光ファイバ９６などと結合させる構造である。逆に、反対方向の光ファイバから光導波路への結合にも用いられる。平面構造であることから、フォトリソグラフィー技術で容易に形成可能であり、特に、シリコンフォトニクスにおける光ファイバ・インターフェースの主流となっている。なお、図１９における符号９２，９３，９７，９８は、夫々、下部クラッド層、上部クラッド層、コア及びクラッドである。【０００４】
しかし、このような基本構造のままのグレーティングカプラでは原理的に１００％の結合効率を期待できない。それには、いくつかの理由があるが、大きな原因の一つにビーム形状の不整合がある。図２０は、グレーティングカプラからの放射ビーム形状の説明図であり、図に示すように、光ファイバは、ガウスビーム様のプロファイルを有する。一方、グレーティングカプラからの放射ビーム形状は、光が次第に減衰していく指数関数形のプロファイルを有する。【０００５】
このミスマッチにより、ベストな状態でも約１ｄＢの損失が発生する。また、製造公差により最適状態からずれると、さらに大きな損失が発生する。この課題は古くから知られており、根本的な解決はグレーティングカプラからガウスビームを放射させることである。【０００６】
指数関数ビームをガウスビーム化するためには、グレーティングと光導波路の結合を、グレーティングカプラの終端に向かって次第に強くしていけば良い。例えば、グレーティングの線幅を変化させることで、ガウスビームを放射させることが提案されている（例えば、特許文献１或いは非特許文献１参照）。しかし、図２０から容易に類推できるように、最も光強度の強い部分を最も弱くさせなければ、ガウスビーム化できない。これは非常に細い線幅を要求することを意味する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平０１−１０７２１４号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｄ. Ｔａｉｌｌａｅｒｔ, ｅｔ．ａｌ．, Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ, Ｖｏｌ．２９, ｐ．２７４９ （２００４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述の特許文献１或いは特許文献２の提案は、原理的には正しい方法ではあるが、実際に形成可能な線幅には限りがあるため、中途半端なガウスビーム化しかできないという問題がある。【００１０】
したがって、グレーティングカプラ及び光導波路装置において、実現が容易なストライプ幅でガウスビームにより近いビーム形状で光の授受を行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
開示する一観点からは、基板と、前記基板上に設けられた第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層上に設けられたコア層と、前記コア層上に設けられた第２のクラッド層と前記コア層と前記第１のクラッド層或いは第２のクラッド層のいずれかとの間に設けられ、屈折率が前記コア層と異なる材料で形成されたストライプ状部材が複数の区画に区分されて配置されたグレーティングと、を有し、前記ストライプ状部材の前記コア層に対向する面の反対側の面と前記コア層との間隔が前記区画毎に異なることを特徴とするグレーティングカプラが提供される。【００１２】
また、開示する別の観点からは、上述のグレーティングカプラと、前記グレーティングカプラの端部において前記グレーティングと光結合する光ファイバと前記グレーティングカプラの前記端部と反対方向に延在する光導波路とを有することを特徴とする光導波路装置が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
開示のグレーティングカプラ及び光導波路装置によれば、実現が容易なストライプ幅でガウスビームにより近いビーム形状で光の授受を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態のグレーティングカプラの説明図である。
【図２】本発明の実施の形態のグレーティングカプラの放射ビーム形状のシミュレーション結果の説明図である。
【図３】本発明の実施例１のグレーティングカプラの説明図である。
【図４】本発明の実施例１のグレーティングカプラと光ファイバの結合状態の説明図である。
【図５】本発明の実施例１のグレーティングカプラの製造工程の途中までの説明図である。
【図６】本発明の実施例１のグレーティングカプラの製造工程の図５以降の途中までの説明図である。
【図７】本発明の実施例１のグレーティングカプラの製造工程の図６以降の途中までの説明図である。
【図８】本発明の実施例１のグレーティングカプラの製造工程の図７以降の説明図である。
【図９】本発明の実施例２のグレーティングカプラの説明図である。
【図１０】本発明の実施例２のグレーティングカプラと光ファイバの結合状態の説明図である。
【図１１】本発明の実施例２のグレーティングカプラの製造工程の途中までの説明図である。
【図１２】本発明の実施例２のグレーティングカプラの製造工程の図１１以降の途中までの説明図である。
【図１３】本発明の実施例２のグレーティングカプラの製造工程の図１２以降の途中までの説明図である。
【図１４】本発明の実施例２のグレーティングカプラの製造工程の図１３以降の説明図である。
【図１５】本発明の実施例３のグレーティングカプラの説明図である。
【図１６】本発明の実施例４のグレーティングカプラの説明図である。
【図１７】本発明の実施例５のグレーティングカプラの説明図である。
【図１８】本発明の実施例６のグレーティングカプラの説明図である。
【図１９】従来の光ファイバとグレーティングカプラの結合状態の説明図である。
【図２０】グレーティングカプラからの放射ビーム形状の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
ここで、図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態のグレーティングカプラを説明する。図１は、本発明の実施の形態のグレーティングカプラの説明図であり、図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。グレーティングカプラは、基板１１と、基板１１上に設けられた第１のクラッド層１２と、第１のクラッド層１２上に設けられたコア層１５と、コア層１５上に設けられた第２のクラッド層１６を備えている。
【００１６】
また、コア層１５と第１のクラッド層１２或いは第２のクラッド層１６のいずれかとの間には、屈折率がコア層１５と異なる材料で形成された複数のストライプ状部材からなるグレーティング１３１〜１３３が設けられている。
【００１７】
また、ストライプ状部材は複数の区画に区分されて配置されており、ストライプ状部材のコア層１５に対向する面の反対側の面とコア層１５との間隔ｈが区画毎に異なっている。また、コア層１５とストライプ状部材の間に、コア層１５より屈折率の低い低屈折率層１４が設けられている。この低屈折率層１４は、クラッド層（１２，１６）と同じ素材であっても良い。
【００１８】
具体的には、各区画内に配置されたストライプ状部材を同じ本数の複数本とし、ストライプ状部材のコア層１５に対向する面と反対側の面とコア層１５との間隔ｈが、グレーティングカプラの端部に向かって区画毎に順次減少するようにしても良い。この場合は、各区画内においてストライプ状部材の光の導波方向の寸法ｗをグレーティングカプラの端部に向かって順次増大するようにする。
【００１９】
このような関係に設定するためには、コア層１５のストライプ状部材に対向する面を、面一の平坦面にして、各区画毎に設けるストライプ状部材を異なった層準に設けても良い。或いは、コア層１５のストライプ状部材に対向する面を、各区画毎にコア層１５の厚さが異なる段差面として、全てのストライプ状部材を同じ層準に設けるようにしても良い。いずれの場合にも、製造工程の容易性の観点から、グレーティング１３１〜１３３はコア層１５と第１のクラッド層１２との間に設けることが通常であるが、コア層１５と第２のクラッド層１６との間に設けても良い。
【００２０】
或いは、各区画内に配置されたストライプ状部材を同じ本数の複数本とし、ストライプ状部材のコア層１５に対向する面の反対側の面とコア層との間隔ｈが、グレーティングカプラの端部に向かって区画毎に順次増大するようにしても良い。この場合には、各区画内においてストライプ状部材の光の導波方向の寸法ｗ及びストライプ状部材の厚さｄをグレーティングカプラの端部に向かって次増大するようにすれば良い。
【００２１】
なお、ストライプ状部材が配置された区画数は２乃至４が典型的な値である。但し、各区画に配置されたストライプ状部材を１本とし、全てのストライプ状部材の厚さｄと光の導波方向の寸法ｗを同じにしても良い。但し、この場合には、特性の設計が容易であるが、成膜工程が大幅に増加する。
【００２２】
グレーティング１３１〜１３３に用いる材料は、Ｓｉ、Ｓｉ３Ｎ４、石英ガラス、光学ガラス、樹脂、半導体などを用いることができる。それぞれの材料を用いた場合の寸法はＦＤＴＤ法（Ｆｉｎｉｔｅ−ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄ）などを用いて求めることができる。また、低屈折率層としてはＳｉＯ２やＳｉＯＮを用いる。また、基板１１としてはガラス基板でも良いが、シリコンフォトニクス技術との整合性の観点からはＳＯＩ基板を用いることが望ましい。
【００２３】
一例を挙げれば、伝搬光の波長を１．５５μｍとし、クラッド層として屈折率が１．４４のＳｉＯ２を用い、厚さが１μｍのコア層として、屈折率が１．４８のＳｉＯＮを用い、グレーティングとして、屈折率が２．００のＳｉ３Ｎ４を用いる。区画数を３とし、各区画内のストライプ状部材の本数を７本（なお、図においては、図示の都合で５本にしている）とし、ストライプ状部材のピッチを０．９０９μｍとして、全体の長さを約２０μｍにする。ストライプ状部材の幅はピッチの４０％〜６０％とし、ストライプ状部材の厚さを０．２５μｍとする。また、ストライプ状部材の頂面とコア層１５の底面との間隔は、１．０５μｍ、０．９０μｍ、０．８５μｍとする。
【００２４】
このグレーティングカプラの端部においてグレーティングと光結合するように光ファイバを設け、グレーティングカプラの端部と反対方向に延在するように光導波路を設けることによって光導波路装置が得られる。
【００２５】
図２は、本発明の実施の形態のグレーティングカプラの放射ビーム形状のシミュレーション結果の説明図である。ここでは、ストライプ幅を４５０ｎｍとした従来の均等グレーティングカプラと、特許文献１或いは非特許文献１で提案されているストライプ幅を２００ｎｍから順次増大させたグレーティングカプラの放射ビーム形状を併せて示している。なお、本発明のグレーティングカプラとしては、区画を３区画とし、最小ストライプ幅を３６０ｎｍとしてシミュレーションを行った。
【００２６】
ストライプ幅を４５０ｎｍとした従来の均等グレーティングカプラからの放射ビーム形状は指数関数的であるが、本発明のグレーティングカプラの放射ビーム形状はガウスビーム形状に近くなっている。また、最小ストライプ幅が２００ｎｍの特許文献１或いは非特許文献１で提案されているグレーティングカプラとの比較では、最小ストライプ幅が３６０ｎｍであるにも拘わらず、ほぼ理想的なガウスビームが得られている。この３６０ｎｍはｉ線ステッパ露光装置で実現できる寸法であり、露光装置を選ばずに理想的なグレーティングカプラを実現することができる。
【００２７】
本発明によれば、グレーティングとコアとの間の距離を変えることで、グレーティングとコアの結合を調節しているので、現実的に形成可能な線幅を用いながらも、ガウスビーム放射するグレーティングカプラを得ることができる。さらに、区画内でグレーティングのストライプの幅を変化させることを併用すると、さらに効率が向上する。
【実施例１】
【００２８】
次に、図３乃至図８を参照して、本発明の実施例１のグレーティングカプラを説明する。図３は、本発明の実施例１のグレーティングカプラの説明図であり、単結晶Ｓｉ基板２１上に下部クラッド層となるＢＯＸ層２２を介して３区画に分けて単結晶Ｓｉ層からなるグレーティング２５１〜２５３を設ける。これらのグレーティング２５１〜２５３を覆うように、ＳｉＯ２膜からなる低屈折率層２６を設け、グレーティング２５１〜２５３の区画毎に被覆する厚さを変えてグレーティングカプラの終端に向かって次第に回折強度を大きくする。この低屈折率層２６上にＳｉＯＮ膜からなるコア層２９を設け、その表面を平坦化したのち所定形状にパターニングし、ＳｉＯ２膜からなる上部クラッド層３１で被覆する。【００２９】
図４は、本発明の実施例１のグレーティングカプラと光ファイバの結合状態の説明図であり、図４（ａ）は透視斜視図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。グレーティングカプラは、光導波路を伝搬中の光をグレーティング２５１〜２５３により上方に放射して、外部の光ファイバ９６に光を導出する。【００３０】
次に、図５乃至図８を参照して、本発明の実施例１のグレーティングカプラの製造工程を説明する。まず、図５（ａ）に示すように、単結晶Ｓｉ基板２１上に下部クラッド層となるＢＯＸ層２２を介して厚さが０．１μｍ〜０．５μｍの単結晶Ｓｉ層２３を設けたＳＯＩ基板２０を準備する。この単結晶Ｓｉ層２３上に７本で１セットになった端部に向かって順次幅が広くなるストライプ状のレジストパターン２４を区画に対応するように３セット設ける。なお、図示の関係で図では５本で１セットにしている。【００３１】
次いで、図５（ｂ）に示すように、レジストパターン２４をマスクとしてドライエッチングにより単結晶Ｓｉ層２３をエッチングしてグレーティング２５１〜２５３を形成する。次いで、図５（ｃ）に示すように、レジストパターン２４を除去したのち、グレーティング２５１〜２５３を覆うように、ＳｉＯ２膜からなる低屈折率層２６を設ける。なお、この時、ＣＭＰ（化学機械研磨）法を用いて、グレーティング２５１〜２５３上の膜厚が０．５μｍ〜２μｍになるように平坦化する。【００３２】
次いで、図６（ｄ）に示すようにグレーティング２５１を覆うようにレジストパターン２７を設ける。次いで、図６（ｅ）に示すように、低屈折率層２６の厚さが約１／２になるようにドライエッチングする。【００３３】
次いで、図６（ｆ）に示すように、レジストパターン２７を除去したのち、グレーティング２５１，２５２を覆うようにレジストパターン２８を設ける。次いで、図７（ｇ）に示すように、低屈折率層２６をドライエッチングする。図ではグレーティング２５３を露出させているが、低屈折率層２６を残しても良い。次いで、図７（ｈ）に示すようにレジストパターン２８を除去することによって、低屈折率層２６によって階段状に覆われたグレーティング２５１〜２５３が得られる。【００３４】
次いで、図７（ｉ）に示すように、コア材料のＳｉＯＮ膜を堆積させたのち、グレーティング２５１上の厚さが１μｍになるようにＣＭＰ法で研磨して平坦化してコア層２９を形成する。次いで、図８（ｊ）に示すように、コア形状のレジストパターン３０を形成する。【００３５】
次いで、図８（ｋ）に示すように、レジストパターン３０をマスクとしてコア層２９を所定形状にパターニングする。次いで、図８（ｌ）に示すように、レジストパターン３０を除去したのち、全面にＳｉＯ２膜を堆積させたのち、平坦化研磨を行うことによって、上部クラッド層３１とすることによって、本発明の実施例１のグレーティングカプラの基本構造が完成する。【００３６】
本発明を用いることで、ガウスビームを出射するグレーティングカプラを容易に実現することができる。特に、汎用の解像度の露光精度を用いても、高精度のガウスビームを得ることができる。これにより、光ファイバとの高効率な結合を期待でき、高性能な光導波路装置を実現することができる。また、グレーティング層はＳＯＩ基板の単結晶Ｓｉ層を用いているため、グレーティング層の成膜工程が不要であり、また、低屈折率層の成膜工程も一度で済むので製造工程が簡素になる。
【実施例２】
【００３７】
次に、図９乃至図１４を参照して、本発明の実施例２のグレーティングカプラを説明する。図９は、本発明の実施例２のグレーティングカプラの説明図であり、単結晶Ｓｉ基板４１上に下部クラッド層となるＢＯＸ層４２を介して３区画に分けて単結晶Ｓｉ層或いは多結晶Ｓｉ層或いはＳｉ３Ｎ４層からなるグレーティング４５１〜４５３を設ける。これらのグレーティング４５１〜４５３は、ＳｉＯ２膜からなる低屈折率層４６１〜４６３により各区画毎に３段階に分かれて、グレーティング４５１〜４５３の底面とコア層４８との間隔をグレーティングカプラの終端に向かって次第に狭くして回折強度を大きくする。この低屈折率層４６３上にＳｉＯＮ膜からなるコア層４８を設け、その表面を平坦化したのち、所定形状にパターニングし、ＳｉＯ２膜からなる上部クラッド層５０で被覆する。【００３８】
図１０は、本発明の実施例２のグレーティングカプラと光ファイバの結合状態の説明図であり、図１０（ａ）は透視斜視図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。グレーティングカプラは、光導波路を伝搬中の光を３段階に区画されたグレーティング４５１〜４５３により上方に放射して、外部の光ファイバ９６に光を導出する。【００３９】
次に、図１１乃至図１４を参照して、本発明の実施例２のグレーティングカプラの製造工程を説明する。まず、図１１（ａ）に示すように、単結晶Ｓｉ基板４１上に下部クラッド層となるＢＯＸ層４２を介して厚さが０．１μｍ〜０．５μｍの単結晶Ｓｉ層４３を設けたＳＯＩ基板４０を準備する。この単結晶Ｓｉ層４３上に７本で１セットになった端部に向かって順次幅が広くなるストライプ状のレジストパターン４４１を第１の区画に対応するように設ける。なお、図示の関係で図では５本で１セットにしている。【００４０】
次いで、図１１（ｂ）に示すように、レジストパターン４４１をマスクとしてドライエッチングにより単結晶Ｓｉ層４３をエッチングして第１の区画のグレーティング４５１を形成する。次いで、図１１（ｃ）に示すように、レジストパターン４４１を除去したのち、グレーティング４５１を覆うように、ＳｉＯ２膜からなる低屈折率層４６１を設ける。次いで、ＣＭＰ法を用いて、平坦化する。図では、グレーティング４５１の頂面が露出しているが、低屈折率層４６１を残しても良い。【００４１】
次いで、図１２（ｄ）に示すようにグレーティング４５１を覆うように厚さが０．１μｍ〜０．５μｍの多結晶Ｓｉ層４７１を堆積させたのち、第２の区画に対応する１セットのレジストパターン４４２を設ける。なお、このレジストパターン４４２は配置場所が異なるだけで、レジストパターン４４１と同じパターンである。次いで、図１２（ｅ）に示すように、レジストパターン４４２をマスクとしてドライエッチングを行うことによってグレーティング４５２を形成する。【００４２】
次いで、図１２（ｆ）に示すように、レジストパターン４４２を除去したのち、グレーティング４５２を覆うように、ＳｉＯ２膜からなる低屈折率層４６２を設ける。次いで、ＣＭＰ法を用いて、平坦化する。図では、グレーティング４５２の頂面が露出しているが、低屈折率層４６２を残しても良い。【００４３】
次いで、図１３（ｇ）に示すようにグレーティング４５２を覆うように厚さが０．１μｍ〜０．５μｍの多結晶Ｓｉ層４７２を堆積させたのち、第３の区画に対応する１セットのレジストパターン４４３を設ける。なお、このレジストパターン４４３は配置場所が異なるだけで、レジストパターン４４１と同じパターンである。次いで、図１３（ｈ）に示すように、レジストパターン４４３をマスクとしてドライエッチングを行うことによってグレーティング４５３を形成する。【００４４】
次いで、図１３（ｉ）に示すように、レジストパターン４４３を除去したのち、グレーティング４５３を覆うように、ＳｉＯ２膜からなる低屈折率層４６３を設ける。次いで、ＣＭＰ法を用いて、平坦化する。図では、グレーティング４５３の頂面が露出しているが、低屈折率層４６３を残しても良い。次いで、図１４（ｊ）に示すように、全面にＳｉＯＮ膜を成膜したのち、ＣＭＰ法により厚さが１μｍになるように平坦化研磨を行って、コア層４８を形成する。【００４５】
次いで、図１４（ｋ）に示すように、コア形状のレジストパターン４９を形成し、このレジストパターン４９をマスクとしてコア層４８を所定形状にパターニングする。次いで、図１４（ｌ）に示すように、レジストパターン４９を除去したのち、全面にＳｉＯ２膜を堆積させ、次いで、平坦化研磨を行うことによって、上部クラッド層５０とすることによって、本発明の実施例２のグレーティングカプラの基本構造が完成する。【００４６】
本発明の実施例２を用いることで、実施例１の場合と同様に、ガウスビームを出射するグレーティングカプラを容易に実現することができる。特に、汎用の解像度の露光精度を用いても、高精度のガウスビームを得ることができる。これにより、光ファイバとの高効率な結合を期待でき、高性能な光導波路装置を実現することができる。また、コア層は均一な厚さであるので、光学的特性の設計が容易になる。
【実施例３】
【００４７】
次に、図１５を参照して本発明の実施例３のグレーティングカプラを説明する。図１５は本発明の実施例３のグレーティングカプラの説明図であり、図１５（ａ）はグレーティングカプラの断面図であり、図１５（ｂ）乃至図１５（ｄ）は製造工程の一部の説明図である。なお、グレーティング形成後の工程は上記の実施例１或いは実施例２と同様である。【００４８】
図１５（ａ）に示すように、単結晶Ｓｉ基板６１上にＳｉＯ２膜からなる下部クラッド層６２を介して３区画に分けて多結晶Ｓｉ層或いはＳｉ３Ｎ４層からなるグレーティング６５１〜６５３を設ける。これらのグレーティング６５１〜６５３は、ＳｉＯ２膜からなる低屈折率層４６１〜４６３により各区画毎に厚さが異なり、グレーティング６５１〜６５３の底面とコア層６６との間隔をグレーティングカプラの終端に向かって次第に大きくして回折強度を大きくする。このグレーティング６５１〜６５３に接するようにＳｉＯＮ膜からなるコア層６６を設け、その表面を平坦化した後、ＳｉＯ２膜からなる上部クラッド層６７で被覆する。【００４９】
このような構造を形成するためには、まず、図１５（ｂ）に示すように、下部クラッド層６２上にＳｉＯ２膜からなる低屈折率層６３１を設けたのち、実施例１と同様に３区画に応じて３段階のエッチングを行う。次いで、図１５（ｃ）に示すように、多結晶Ｓｉ層６４を堆積したのち、平坦化研磨を行う。次いで、図１５（ｄ）に示すように、多結晶Ｓｉ層６４をエッチングすることによって、各区画毎に厚さの異なるグレーティング６５１〜６５３を形成する。【００５０】
以降は、図示を省略するが、全面にＳｉＯ２膜からなる低屈折率層６３２を堆積したのち、グレーティング６５１〜６５３の頂面が露出するように平坦化研磨する。以降は実施例２と同様に、ＳｉＯＮ膜からなるコア層６６を形成したのち、所定の形状にパターニングし、ＳｉＯ２膜からなる上部クラッド層６７を設けることによって、本発明の実施例３のグレーティングカプラの基本構造が完成する。【００５１】
本発明の実施例３においては、グレーティングのストライプ状部材の厚さを変化させて回折強度を調整しているので、簡単な製造工程で且つ均一な厚さのコア層を有するグレーティングカプラを実現することができる。なお、その他の作用効果は、上記の実施例１と同様である。
【実施例４】
【００５２】
次に、図１６を参照して本発明の実施例４のグレーティングカプラを説明する。図１６は本発明の実施例４のグレーティングカプラの説明図であり、図１６（ａ）はグレーティングカプラの断面図であり、図１６（ｂ）乃至図１６（ｄ）は製造工程の一部の説明図である。なお、基本的な製造工程は、上記の実施例３と同様である。【００５３】
図１６（ａ）に示すように、単結晶Ｓｉ基板６１上にＳｉＯ２膜からなる下部クラッド層６２を介して３区画に分けて多結晶Ｓｉ層或いはＳｉ３Ｎ４層からなるグレーティング６５１〜６５３を設ける。これらのグレーティング６５１〜６５３は、ＳｉＯ２膜からなる低屈折率層４６１〜４６３により各区画毎に厚さが異なり、グレーティング６５１〜６５３の底面とコア層６６との間隔をグレーティングカプラの終端に向かって次第に大きくして回折強度を大きくする。このグレーティング６５１〜６５３に接するようにＳｉＯＮ膜からなるコア層６６を設け、その表面を平坦化したのち所定形状にパターングし、ＳｉＯ２膜からなる上部クラッド層６７で被覆する。但し、この実施例４においては、グレーティング６５１〜６５３の頂面とコア層６６との間に薄い低屈折率層６３２を介在させる。【００５４】
このような構造を形成するためには、実施例３と同様に、まず、図１６（ｂ）に示すように、下部クラッド層６２上にＳｉＯ２膜からなる低屈折率層６３１を設けたのち、実施例１と同様に３区画に応じて３段階のエッチングを行う。次いで、図１６（ｃ）に示すように、多結晶Ｓｉ層６４を堆積したのち、平坦化研磨を行う。次いで、多結晶Ｓｉ層６４をエッチングすることによって、各区画毎に厚さの異なるグレーティング６５１〜６５３を形成する。【００５５】
次いで、図１６（ｄ）に示すように、全面にＳｉＯ２膜からなる低屈折率層６３２を堆積したのち、グレーティング６５１〜６５３の頂面が露出しない程度に平坦化研磨する。以降は実施例２と同様に、ＳｉＯＮ膜からなるコア層６６を形成したのち所定形状にパターングし、ＳｉＯ２膜からなる上部クラッド層６７を設けることによって、本発明の実施例４のグレーティングカプラの基本構造が完成する。【００５６】
本発明の実施例４においても、グレーティングのストライプ状部材の厚さを変化させて回折強度を調整しているので、簡単な製造工程で且つ均一な厚さのコア層を有するグレーティングカプラを実現することができる。この構造は実施例３のグレーティングの作用が強すぎる場合に有効である。なお、その他の作用効果は、上記の実施例１と同様である。
【実施例５】
【００５７】
次に、図１７を参照して本発明の実施例５のグレーティングカプラを説明する。図１７は本発明の実施例５のグレーティングカプラの説明図であり、図１７（ａ）はグレーティングカプラの断面図であり、図１７（ｂ）乃至図１７（ｄ）は製造工程の一部の説明図である。なお、この実施例５のグレーティングカプラは、実施例２のグレーティングを上部クラッド層側に設けたものに相当する。【００５８】
図１７（ａ）に示すように、単結晶Ｓｉ基板７１上にＳｉＯ２膜からなる下部クラッド層７２を介してＳｉＯＮ膜からコア層７３を設ける。このコア層７３上に３区画に分けて多結晶Ｓｉ層或いはＳｉ３Ｎ４層からなるグレーティング７５１〜７５３を設ける。これらのグレーティング７５１〜７５３は、ＳｉＯ２膜からなる低屈折率層７４１〜７４３により各区画毎にグレーティング７５１〜７５３の頂面とコア層７３との間隔をグレーティングカプラの終端に向かって次第に狭くして回折強度を大きくする。このグレーティング７５１〜７５３に接するようにＳｉＯ２膜からなる上部クラッド層７６で被覆する。【００５９】
このような構造を形成するためには、まず、図１７（ｂ）に示すように、下部クラッド層７２上にＳｉＯＮ膜からなるコア層７３を設け、その上に、ＳｉＯ２膜からなる低屈折率層７４１を介して多結晶Ｓｉ層を設ける。次いで、多結晶Ｓｉ層をエッチングすることによって第３の区画に対応するグレーティング７５３を形成する。【００６０】
次いで、図１７（ｃ）に示ように、ＳｉＯ２膜からなる低屈折率層７４２及び多結晶Ｓｉ層を堆積したのち、多結晶Ｓｉ層をエッチングすることによって第２の区画に対応するグレーティング７５２を形成する。次いで、図１７（ｄ）に示ように、ＳｉＯ２膜からなる低屈折率層７４３及び多結晶Ｓｉ層を堆積したのち、多結晶Ｓｉ層をエッチングすることによって第１の区画に対応するグレーティング７５１を形成する。【００６１】
以降は図示を省略するが、ＳｉＯ２膜からなる低屈折率層７４４を設けたのち、グレーティング７５１〜７５３を含めてコア層７３を所定形状にパターンングする。次いで、ＳｉＯ２膜からなる上部クラッド層７６を設けることによって、本発明の実施例５のグレーティングカプラの基本構造が完成する。【００６２】
本発明の実施例５においては、グレーティングを上部クラッド層側に設けているだけで、上記実施例２と同様の作用効果が得られる。
【実施例６】
【００６３】
次に、図１８を参照して本発明の実施例６のグレーティングカプラを説明する。図１８は本発明の実施例６のグレーティングカプラの説明図であり、区画を細分化して１区画１ストライプと、各グレーティングとなるストライプを同じ幅且つ同じ厚さにしたものである。【００６４】
図１８に示すように、単結晶Ｓｉ基板８１上にＳｉＯ２膜からなる下部クラッド層８２を介して低屈折率層８３に埋め込まれたストライプからなるグレーティング８４を形成する。このグレーティング８４を含む低屈折率層８４上にＳｉＯＮ膜からなるコア層８５を設け、所定形状にパターンングし、次いで、ＳｉＯ２膜からなる上部クラッド層８６で被覆する。【００６５】
このような構造を形成するためには、破線で引き出した円内に示すように、上記の実施例５と同様の手法で、１本のストライプ毎に成膜工程及びエッチング工程を繰り返す。即ち、まず、下部クラッド層８２上にＳｉＯ２膜からなる薄い低屈折率層８３１を介して多結晶Ｓｉ層を設ける。次いで、多結晶Ｓｉ層をエッチングすることによって１本のストライプからなる第１のグレーティング８４１を形成する。【００６６】
次いで、ＳｉＯ２膜からなる薄い低屈折率層８３２及び多結晶Ｓｉ層を堆積したのち、多結晶Ｓｉ層をエッチングすることによって１本のストライプからなる第２のグレーティング８４2を形成する。この工程をストライプの数だけ繰り返すことによって、グレーティング８４１，８４２上には薄い低屈折率層８３３，８３４，８３５・・・が順次積層される。【００６７】
本発明の実施例６においては、同じ幅で同じ膜厚のストライプによって段階的に変化するグレーティングを設けているので、光学的設計が容易になる。その他の作用効果は上記の実施例１と同様である。
【符号の説明】
【００６８】
１１  基板
１２  第１のクラッド層
１３１〜１３３  グレーティング
１４  低屈折率層
１５  コア層
１６  第２のクラッド層
２０，４０  ＳＯＩ基板
２１，４１，６１，７１，８１  単結晶Ｓｉ基板
２２，４２  ＢＯＸ層
２３，４３  単結晶Ｓｉ層
２４，２７，２８，３０，４４１〜４４３，４９  レジストパターン
２５１〜２５３，４５１〜４５３，６５１〜６５３、７５１〜７５３，８４，８４１，８４２  グレーティング
２６，４６１〜４６３，６３１，６３２，７４１〜７４４，８３，８３１〜８３５  低屈折率層
２９，４８，６６，７３，８５  コア層
３１，５０，６７，７６，８６  上部クラッド層
４７１，４７２，６４  多結晶Ｓｉ層
６２，７２，８２  下部クラッド
９１  光導波路
９２  下部クラッド層
９３  上部クラッド層
９４  グレーティングカプラ部
９５  グレーティング
９６  光ファイバ
９７  コア
９８  クラッド
【図１】
2016006037.tif 000003
【図２】
2016006037.tif 000004
【図３】
2016006037.tif 000005
【図４】
2016006037.tif 000006
【図５】
2016006037.tif 000007
【図６】
2016006037.tif 000008
【図７】
2016006037.tif 000009
【図８】
2016006037.tif 000010
【図９】
2016006037.tif 000011
【図１０】
2016006037.tif 000012
【図１１】
2016006037.tif 000013
【図１２】
2016006037.tif 000014
【図１３】
2016006037.tif 000015
【図１４】
2016006037.tif 000016
【図１５】
2016006037.tif 000017
【図１６】
2016006037.tif 000018
【図１７】
2016006037.tif 000019
【図１８】
2016006037.tif 000020
【図１９】
2016006037.tif 000021
【図２０】
2016006037.tif 000022
【国際調査報告】
2016006037.tif 000023
2016006037.tif 000024
2016006037.tif 000025
2016006037.tif 000026