(57)【要約】【課題】シリコン細線導波路を痛めることなく、モードフィールドサイズ変換部をより簡便に作製する。【解決手段】光学素子は、第１の光導波路（シリコン細線導波路）７とモードフィールドサイズ変換部８と第２の光導波路９とから構成される。第１の光導波路９のオーバークラッド層２０とモードフィールドサイズ変換部８および第２の光導波路９のコア３とに同じ材料を用いることにより、オーバークラッド層２０とコア３とを同時に作製する。コア３の作製の際には、コア３の光の進行方向に対して左右対称な２つの領域をエッチング領域として、コア３の材料を除去し、それ以外の領域はコア３の材料が削られずに残るようにする。【選択図】  図１
2004184986.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
全体として平板状のアンダークラッドと、
このアンダークラッド上に配置された断面が四角形のシリコンからなる第１のコアと、
前記アンダークラッド上に前記第１のコアの端部と一体に連結して配置され、先端に向かって漸次断面積が小さくなる断面が四角形のシリコンからなるテーパ部と、
このテーパ部を覆うように配置された第２のコアと、
前記第１のコアを覆うように配置された第１のオーバークラッドとを備え、
前記アンダークラッドと前記第１のコアと前記第１のオーバークラッドとは、第１の光導波路を構成し、
前記アンダークラッドと前記テーパ部と前記第２のコアとは、モードフィールドサイズ変換部を構成し、
前記アンダークラッドと前記第２のコアとは、第２の光導波路を構成し、
前記第１のオーバークラッドは、前記第２のコアと一体に連結して形成された、前記第２のコアと同材料からなることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
全体として平板状のアンダークラッドと、
このアンダークラッド上に配置された断面が四角形のシリコンからなる第１のコアと、
前記アンダークラッド上に前記第１のコアの端部と一体に連結して配置され、先端に向かって漸次断面積が小さくなる断面が四角形のシリコンからなるテーパ部と、
このテーパ部を覆うように配置された第２のコアと、
前記第１のコアを覆うように配置された第１のオーバークラッドと、
前記第２のコアと前記第１のオーバークラッドとを覆うように配置された第２のオーバークラッドとを備え、
前記アンダークラッドと前記第１のコアと前記第１のオーバークラッドと前記第２のオーバークラッドとは、第１の光導波路を構成し、
前記アンダークラッドと前記テーパ部と前記第２のコアと前記第２のオーバークラッドとは、モードフィールドサイズ変換部を構成し、
前記アンダークラッドと前記第２のコアと前記第２のオーバークラッドとは、第２の光導波路を構成し、
前記第１のオーバークラッドは、前記第２のコアと一体に連結して形成された、前記第２のコアと同材料からなることを特徴とする光学素子。
【請求項３】
全体として平板状のアンダークラッドと、
このアンダークラッド上に配置された断面が四角形のシリコンからなる第１のコアと、
前記アンダークラッド上に前記第１のコアの端部と一体に連結して配置され、先端に向かって漸次断面積が小さくなる断面が四角形のシリコンからなるテーパ部と、
このテーパ部を覆うように配置された第２のコアと、
前記第１のコアを覆うように配置された第１のオーバークラッドと、
前記第２のコアを覆うように配置された第２のオーバークラッドとを備え、
前記アンダークラッドと前記第１のコアと前記第１のオーバークラッドとは、第１の光導波路を構成し、
前記アンダークラッドと前記テーパ部と前記第２のコアと前記第２のオーバークラッドとは、モードフィールドサイズ変換部を構成し、
前記アンダークラッドと前記第２のコアと前記第２のオーバークラッドとは、第２の光導波路を構成し、
前記第１のオーバークラッドは、前記第２のコアと一体に連結して形成された、前記第２のコアと同材料からなることを特徴とする光学素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学素子において、
前記第２のコアの光の進行方向に対して左右対称な２つの位置に、前記第２のコアの材料が存在しない領域を有することを特徴とする光学素子。
【請求項５】
アンダークラッドの上に、細線状で断面が四角形のシリコンからなる第１のコアと、この第１のコアの端部と一体に連結し先端に向かって漸次断面積が小さくなるシリコンからなるテーパ部とを選択的に形成する第１のコア形成工程と、
前記アンダークラッドの上に、第２のコアとなるコア材料を前記第１のコアおよび前記テーパ部を覆うように形成する成膜工程と、
前記コア材料を加工して、前記テーパ部を覆う第２のコアを選択的に形成する第２のコア形成工程とを有し、
前記第２のコアを形成する際に、第１の光導波路の領域にある前記コア材料を残すことにより、前記コア材料を前記第１の光導波路の第１のオーバークラッドとし、
前記アンダークラッドと前記第１のコアと前記第１のオーバークラッドとは、前記第１の光導波路を構成し、
前記アンダークラッドと前記テーパ部と前記第２のコアとは、モードフィールドサイズ変換部を構成し、
前記アンダークラッドと前記第２のコアとは、第２の光導波路を構成することを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項６】
アンダークラッドの上に、細線状で断面が四角形のシリコンからなる第１のコアと、この第１のコアの端部と一体に連結し先端に向かって漸次断面積が小さくなるシリコンからなるテーパ部とを選択的に形成する第１のコア形成工程と、
前記アンダークラッドの上に、第２のコアとなるコア材料を前記第１のコアおよび前記テーパ部を覆うように形成する成膜工程と、
前記コア材料を加工して、前記テーパ部を覆う第２のコアを選択的に形成する第２のコア形成工程と、
前記第１のコアおよび前記第２のコアを覆うようにオーバークラッド材料を形成するオーバークラッド形成工程とを有し、
前記第２のコアを形成する際に、第１の光導波路の領域にある前記コア材料を残すことにより、前記コア材料を前記第１の光導波路の第１のオーバークラッドとし、前記オーバークラッド形成工程で形成したオーバークラッド材料を第２のオーバークラッドとし、
前記アンダークラッドと前記第１のコアと前記第１のオーバークラッドと前記第２のオーバークラッドとは、前記第１の光導波路を構成し、
前記アンダークラッドと前記テーパ部と前記第２のコアと前記第２のオーバークラッドとは、モードフィールドサイズ変換部を構成し、
前記アンダークラッドと前記第２のコアと前記第２のオーバークラッドとは、第２の光導波路を構成することを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項７】
アンダークラッドの上に、細線状で断面が四角形のシリコンからなる第１のコアと、この第１のコアの端部と一体に連結し先端に向かって漸次断面積が小さくなるシリコンからなるテーパ部とを選択的に形成する第１のコア形成工程と、
前記アンダークラッドの上に、第２のコアとなるコア材料を前記第１のコアおよび前記テーパ部を覆うように形成する成膜工程と、
前記コア材料を加工して、前記テーパ部を覆う第２のコアを選択的に形成する第２のコア形成工程と、
前記第２のコアを覆うようにオーバークラッド材料を形成するオーバークラッド形成工程とを有し、
第１の光導波路の領域にある前記オーバークラッド材料を除去するエッチング工程とを有し、
前記第２のコアを形成する際に、前記第１の光導波路の領域にある前記コア材料を残すことにより、前記コア材料を前記第１の光導波路の第１のオーバークラッドとし、前記オーバークラッド形成工程で形成したオーバークラッド材料を第２のオーバークラッドとし、
前記アンダークラッドと前記第１のコアと前記第１のオーバークラッドとは、前記第１の光導波路を構成し、
前記アンダークラッドと前記テーパ部と前記第２のコアと前記第２のオーバークラッドとは、モードフィールドサイズ変換部を構成し、
前記アンダークラッドと前記第２のコアと前記第２のオーバークラッドとは、第２の光導波路を構成することを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項８】
請求項５乃至７のいずれか１項に記載の光学素子の製造方法において、
前記第２のコア形成工程は、前記第２のコアの光の進行方向に対して左右対称な２つの領域の前記コア材料を除去することにより、前記第２のコアを形成することを特徴とする光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信に用いられる導波路型光変調器や光スイッチ等の光制御デバイス、光集積回路を構成する光平面回路型の光学素子とその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光制御デバイスの配線部材である平面導波路は、従来石英系の素材からなるものが用いられてきた。石英系導波路は、コアとクラッドの比屈折率差が小さいので、単一モード条件を満たすために断面寸法が５〜１０μｍと大きくなり、光ファイバーとの結合はし易いものの、曲げ半径が１〜２５ｍｍとなって小さくできないため、デバイスサイズが大きくなり、高集積化に適さなかった。
【０００３】
デバイスサイズを小さくする目的から近年シリコンをコアに用いることで比屈折率を高くした光導波路の研究が活発になってきている。シリコン導波路は曲げ半径を小さくでき微小デバイスが作製可能となる。しかし、単一モード条件を満たすコアの断面寸法は０．３μｍ程度と小さく、導波路端面と光ファイバーとをつき合わせただけでは高効率な結合を実現することはできない。
【０００４】
そこで、光ファイバーとの接続のため、シリコン細線からなる第１の光導波路を形成した基板上に、この光導波路と接続される石英系もしくはポリマーからなる第２の光導波路を設け、この第２の光導波路と先端をテーパ状に加工した第１の光導波路とをオーバーラップさせることで、効率の高いモードフィールドサイズ変換を実現した光学素子が提案されている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。
【０００５】
図９（ａ）にモードフィールドサイズ変換部を有する従来の光学素子の光入出力に関わる部分の平面図を示し、図９（ｂ）に図９（ａ）の光学素子のＡ−Ａ線断面図を示す。この光学素子は、シリコン細線からなる第１の光導波路２７と、モードフィールドサイズ変換部２８と、第１の光導波路２７と接続される第２の光導波路２９とを備えている。以下、図９に示した光学素子の製造方法を説明する。
【０００６】
まず、シリコン基板２４と、シリコン基板２４上に形成された厚さ３μｍ程度の熱酸化シリコンからなるアンダークラッド層２５と、アンダークラッド層２５上に形成された厚さ０．３μｍ程度のシリコン層とからなるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用い、リソグラフィとエッチングにより、シリコン層を加工して、第１のコア２１とテーパ部２２とを形成する。そして、熱酸化シリコンよりも屈折率の高いシリコン酸化膜系材料もしくはポリマー材料をＳＯＩ基板上に堆積し、不要部のシリコン酸化膜系材料もしくはポリマー材料をエッチングにより除去して、第２のコア２３を形成する。こうして、第１の光導波路２７とモードフィールドサイズ変換部２８と第２の光導波路２９とを有する光学素子が完成する。
【０００７】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【特許文献１】特開２００２−１２２７５０号公報
【非特許文献１】荘司他，「ＳＯＩ基板上に形成したＳｉ細線光導波路の外部結合構造」，春季講演会予稿集，社団法人応用物理学会，２００１年，Ｎｏ．３，３０ａ−ＹＫ−１１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、以上のような光学素子の製造方法では、モードフィールドサイズ変換部２８および第２の光導波路２９の第２のコア２３を形成するエッチング工程において、第２のコア２３の材料で覆われていたシリコンからなる第１のコア２１がエッチングの途中で露出することになり、第１のコア２１の表面がプラズマに曝されることになる。したがって、第２のコア２３を形成するエッチング工程では、第２のコア２３の材料とシリコンとのエッチング選択比が非常に高いことが求められ、エッチングが難しいという問題点があった。また、たとえエッチング選択比を無限大にできたとしても、高いエネルギーを持ったイオンにシリコン表面が叩かれることになるため、第１のコア２１が損傷し、光の伝搬損失に影響するという問題点もあった。
【０００９】
本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであり、シリコン細線導波路を痛めることなく、モードフィールドサイズ変換部をより簡便に作製することができる光学素子およ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】
本発明の光学素子は、全体として平板状のアンダークラッドと、このアンダークラッド上に配置された断面が四角形のシリコンからなる第１のコアと、前記アンダークラッド上に前記第１のコアの端部と一体に連結して配置され、先端に向かって漸次断面積が小さくなる断面が四角形のシリコンからなるテーパ部と、このテーパ部を覆うように配置された第２のコアと、前記第１のコアを覆うように配置された第１のオーバークラッドとを備え、前記アンダークラッドと前記第１のコアと前記第１のオーバークラッドとは、第１の光導波路を構成し、前記アンダークラッドと前記テーパ部と前記第２のコアとは、モードフィールドサイズ変換部を構成し、前記アンダークラッドと前記第２のコアとは、第２の光導波路を構成し、前記第１のオーバークラッドは、前記第２のコアと一体に連結して形成された、前記第２のコアと同材料からなるものである。
また、本発明の光学素子は、全体として平板状のアンダークラッドと、このアンダークラッド上に配置された断面が四角形のシリコンからなる第１のコアと、前記アンダークラッド上に前記第１のコアの端部と一体に連結して配置され、先端に向かって漸次断面積が小さくなる断面が四角形のシリコンからなるテーパ部と、このテーパ部を覆うように配置された第２のコアと、前記第１のコアを覆うように配置された第１のオーバークラッドと、前記第２のコアと前記第１のオーバークラッドとを覆うように配置された第２のオーバークラッドとを備え、前記アンダークラッドと前記第１のコアと前記第１のオーバークラッドと前記第２のオーバークラッドとは、第１の光導波路を構成し、前記アンダークラッドと前記テーパ部と前記第２のコアと前記第２のオーバークラッドとは、モードフィールドサイズ変換部を構成し、前記アンダークラッドと前記第２のコアと前記第２のオーバークラッドとは、第２の光導波路を構成し、前記第１のオーバークラッドは、前記第２のコアと一体に連結して形成された、前記第２のコアと同材料からなるものである。
【００１１】
また、本発明の光学素子は、全体として平板状のアンダークラッドと、このアンダークラッド上に配置された断面が四角形のシリコンからなる第１のコアと、前記アンダークラッド上に前記第１のコアの端部と一体に連結して配置され、先端に向かって漸次断面積が小さくなる断面が四角形のシリコンからなるテーパ部と、このテーパ部を覆うように配置された第２のコアと、前記第１のコアを覆うように配置された第１のオーバークラッドと、前記第２のコアを覆うように配置された第２のオーバークラッドとを備え、前記アンダークラッドと前記第１のコアと前記第１のオーバークラッドとは、第１の光導波路を構成し、前記アンダークラッドと前記テーパ部と前記第２のコアと前記第２のオーバークラッドとは、モードフィールドサイズ変換部を構成し、前記アンダークラッドと前記第２のコアと前記第２のオーバークラッドとは、第２の光導波路を構成し、前記第１のオーバークラッドは、前記第２のコアと一体に連結して形成された、前記第２のコアと同材料からなるものである。
また、本発明の光学素子の１構成例は、前記第２のコアの光の進行方向に対して左右対称な２つの位置に、前記第２のコアの材料が存在しない領域を有するものである。
【００１２】
また、本発明の光学素子の製造方法は、アンダークラッドの上に、細線状で断面が四角形のシリコンからなる第１のコアと、この第１のコアの端部と一体に連結し先端に向かって漸次断面積が小さくなるシリコンからなるテーパ部とを選択的に形成する第１のコア形成工程と、前記アンダークラッドの上に、第２のコアとなるコア材料を前記第１のコアおよび前記テーパ部を覆うように形成する成膜工程と、前記コア材料を加工して、前記テーパ部を覆う第２のコアを選択的に形成する第２のコア形成工程とを有し、前記第２のコアを形成する際に、第１の光導波路の領域にある前記コア材料を残すことにより、前記コア材料を前記第１の光導波路の第１のオーバークラッドとし、前記アンダークラッドと前記第１のコアと前記第１のオーバークラッドとは、前記第１の光導波路を構成し、前記アンダークラッドと前記テーパ部と前記第２のコアとは、モードフィールドサイズ変換部を構成し、前記アンダークラッドと前記第２のコアとは、第２の光導波路を構成するものである。
また、本発明の光学素子の製造方法は、アンダークラッドの上に、細線状で断面が四角形のシリコンからなる第１のコアと、この第１のコアの端部と一体に連結し先端に向かって漸次断面積が小さくなるシリコンからなるテーパ部とを選択的に形成する第１のコア形成工程と、前記アンダークラッドの上に、第２のコアとなるコア材料を前記第１のコアおよび前記テーパ部を覆うように形成する成膜工程と、前記コア材料を加工して、前記テーパ部を覆う第２のコアを選択的に形成する第２のコア形成工程と、前記第１のコアおよび前記第２のコアを覆うようにオーバークラッド材料を形成するオーバークラッド形成工程とを有し、前記第２のコアを形成する際に、第１の光導波路の領域にある前記コア材料を残すことにより、前記コア材料を前記第１の光導波路の第１のオーバークラッドとし、前記オーバークラッド形成工程で形成したオーバークラッド材料を第２のオーバークラッドとし、前記アンダークラッドと前記第１のコアと前記第１のオーバークラッドと前記第２のオーバークラッドとは、前記第１の光導波路を構成し、前記アンダークラッドと前記テーパ部と前記第２のコアと前記第２のオーバークラッドとは、モードフィールドサイズ変換部を構成し、前記アンダークラッドと前記第２のコアと前記第２のオーバークラッドとは、第２の光導波路を構成するものである。
【００１３】
また、本発明の光学素子の製造方法は、アンダークラッドの上に、細線状で断面が四角形のシリコンからなる第１のコアと、この第１のコアの端部と一体に連結し先端に向かって漸次断面積が小さくなるシリコンからなるテーパ部とを選択的に形成する第１のコア形成工程と、前記アンダークラッドの上に、第２のコアとなるコア材料を前記第１のコアおよび前記テーパ部を覆うように形成する成膜工程と、前記コア材料を加工して、前記テーパ部を覆う第２のコアを選択的に形成する第２のコア形成工程と、前記第２のコアを覆うようにオーバークラッド材料を形成するオーバークラッド形成工程とを有し、第１の光導波路の領域にある前記オーバークラッド材料を除去するエッチング工程とを有し、前記第２のコアを形成する際に、前記第１の光導波路の領域にある前記コア材料を残すことにより、前記コア材料を前記第１の光導波路の第１のオーバークラッドとし、前記オーバークラッド形成工程で形成したオーバークラッド材料を第２のオーバークラッドとし、前記アンダークラッドと前記第１のコアと前記第１のオーバークラッドとは、前記第１の光導波路を構成し、前記アンダークラッドと前記テーパ部と前記第２のコアと前記第２のオーバークラッドとは、モードフィールドサイズ変換部を構成し、前記アンダークラッドと前記第２のコアと前記第２のオーバークラッドとは、第２の光導波路を構成するものである。
また、本発明の光学素子の製造方法の１構成例において、前記第２のコア形成工程は、前記第２のコアの光の進行方向に対して左右対称な２つの領域の前記コア材料を除去することにより、前記第２のコアを形成するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、第１の光導波路の第１のオーバークラッドと第２の光導波路の第２のコアとに同じ材料を用いることにより、第１の光導波路の第１のオーバークラッドと第２の光導波路の第２のコアとを同時に作製することが可能になり、作製が容易になる。また、第１の光導波路の第１のオーバークラッドと第２の光導波路の第２のコアとに同じ材料を用いることにより、この材料を加工して第２のコアを形成する際に、第１の光導波路の領域にある材料については削らずに残せばよいので、第１のコアの表面がプラズマに曝されることがなくなり、第２のコアの形成中に第１のコアにダメージを与えることがなくなる。また、第１のコアの表面がプラズマに曝されることがなくなることから、第２のコアの材料とシリコンとのエッチング選択比を考慮する必要がなくなり、エッチングを容易にすることができる。その結果、第１の光導波路の第１のコアにダメージを与えることなく、光ファイバーと効率よく接続するためのモードフィールドサイズ変換部および第２の光導波路を第１の光導波路（シリコン細線導波路）と同時に光入出力部に容易に形成することができる。
【００１５】
また、モードフィールドサイズ変換部および第２の光導波路の第２のコアをアンダークラッドと同程度の屈折率をもつ第２のオーバークラッドで覆うことで、シングルモード条件を満たす第２のコアのサイズを大きくすることができ、光ファイバーとの接続損失を低減することができる。
【００１６】
また、第１の光導波路のオーバークラッドを、第２の光導波路の第２のコアと一体に連結し、第２のコアと同材料とすることにより、第１の光導波路のオーバークラッドを薄くすることができる。その結果、例えば熱スイッチのように第１のコアの上方にヒーターを設置して加熱する場合、第１のコアヘの熱の伝導性が良くなるため、消費電力を小さくすることができる。
【００１７】
また、第２のコアの光の進行方向に対して左右対称な２つの領域のコア材料を除去して、第２のコアを形成することにより、コア材料のエッチング面積を非常に小さくすることができるので、コア材料のエッチングに高い注意をはらう必要がなくなり、エッチングが容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
［第１の実施の形態］
以下、本発明にかかる光学素子およびその製造方法を図面を参照して詳細に説明する。図１（ａ）は本発明の第１の実施の形態となる光学素子の光入出力に関わる部分の平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の光学素子のＡ−Ａ線断面図である。図１の光学素子は、シリコン細線からなる第１の光導波路７と、この第１の導波路７と光ファイバーとを高効率で接続するためのモードフィールドサイズ変換部８と、モードフィールドサイズ変換部８を介して第１の光導波路７と接続された第２の光導波路９とを備えている。これらは、シリコン基板４上に形成された熱酸化シリコンからなるアンダークラッド層５の上に形成される。図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）に図１（ａ）の光学素子のＢ−Ｂ線断面図、Ｃ−Ｃ線断面図、Ｄ−Ｄ線断面図を示す。図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）はそれぞれ第１の光導波路７、モードフィールドサイズ変換部８、第２の光導波路９の断面図である。
【００１９】
第１の光導波路７は、シリコン基板４上に形成された厚さ３μｍの熱酸化シリコン（屈折率１．４５）からなるアンダークラッド層５と、アンダークラッド層５上に形成された幅が０．３μｍ〜０．５μｍ厚さが０．２μｍ〜０．４μｍのシリコンからなる第１のコア１と、このコア１を覆う屈折率１．５０のポリマーからなる第１のオーバークラッド層２０とから構成される。
【００２０】
モードフィールドサイズ変換部８は、アンダークラッド層５と、コア１の厚さを維持した状態で先端（光導波路９側）の幅が６０ｎｍとなるようにアンダークラッド層５上に形成されたシリコンからなるテーパ部２と、テーパ部２を覆うように形成された３μｍ角の正方形断面を有する屈折率１．５０のポリマーからなる第２のコア３とから構成される。テーパ部２の長さは３００μｍ程度である。
【００２１】
第２の光導波路９は、アンダークラッド層５と、アンダークラッド層５上に形成された３μｍ角の正方形断面を有する屈折率１．５０のポリマーからなる第２のコア３とから構成される。なお、モードフィールドサイズ変換部８および第２の光導波路９においては、屈折率１の空気がオーバークラッドの役割をしている。
【００２２】
次に、本実施の形態の光学素子における光の伝搬状態を説明する。図１（ａ）、図１（ｂ）に示した第１光導波路７の第１のコア１の左端面から入射した光は、コア１を伝搬し、テーパ部２の左端位置に到達する。光がテーパ部２を図１（ａ）の右方向に伝搬するにつれて、コア幅が徐々に狭まり光の閉じこめが弱くなりモードフィールドが周囲に広がろうとする。ところが、このときアンダークラッド層５より屈折率の高い第２のコア３が隣接して存在するため、光パワーの分布は第１のコア１から第２のコア３へ徐々に移っていく。
【００２３】
前記とは逆に図１（ａ）、図１（ｂ）に示した第２のコア３の右端部から光が入射した場合には、右から左へ光が進行するにつれて第２のコア３、テーパ部２を介して、第１のコア１へ光の分布が移動する。このように、第１の光導波路７に光ファイバーとの接続のためのモードフィールドサイズ変換部８と第２の光導波路９とを持たすことで、モードフィールドサイズの小さい第１の光導波路７にも高い効率で光を入出力することができる。
【００２４】
以上説明した光学素子では、第１の光導波路７の第１のオーバークラッド層２０とモードフィールドサイズ変換部８の第２のコア３と第２の光導波路９の第２のコア３とに同じポリマー材料を使用する。同じ材料を使うことで、第１光導波路７の第１のオーバークラッド層２０とモードフィールドサイズ変換部８の第２のコア３と第２光導波路９の第２のコア３とを同時に作製することが可能になり、作製が容易になる。
【００２５】
また、第１の光導波路７の第１のオーバークラッド層２０にモードフィールドサイズ変換部８および第２の光導波路９の第２のコア３と同じ材料を用いることにより、ポリマー材料を加工して第２のコア３を形成する際に、第１の光導波路７の領域にあるポリマー材料については削らずに残せばよいので、第２のコア３の形成中に第１のコア１にダメージを与えることがなくなる。また、第１のコア１の表面がプラズマに曝されることがなくなるので、第２のコア３の材料とシリコンとのエッチング選択比を考慮する必要がなくなり、エッチングを容易にすることができる。
【００２６】
なお、第１の光導波路７の第１のコア１の側面および上面は、アンダークラッド層５よりも約３％高い屈折率を持つオーバークラッド層２０に囲まれることになるが、屈折率３．５のシリコンとアンダークラッド層５との屈折率差およびシリコンとオーバークラッド層２０との屈折率差はどちらも非常に大きいため、第１の光導波路７の光の閉じこめ特性には影響はなく、曲げ損失や伝搬損失にも影響はない。
【００２７】
本実施の形態では、第１の光導波路７の第１のオーバークラッド層２０とモードフィールドサイズ変換部８の第２のコア３および第２の光導波路９の第２のコア３となる材料に屈折率１．５０のポリマーを用いたが、この屈折率は、アンダークラッド層５に用いる熱酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）より高く、第１のコア１およびテーパ部２に用いるシリコンより低ければよい。したがって、例えばドーピング等の手法によって屈折率をある程度の範囲で変えることができれば、エポキシ、ポリイミドなどのポリマーだけでなく、酸化シリコン、窒化酸化シリコン（ＳｉＯＮ）などの無機材料も第１のオーバークラッド層２０および第２のコア３の材料として用いることができる。
【００２８】
なお、本実施の形態では、屈折率１の空気がモードフィールドサイズ変換部８と第２の光導波路９のオーバークラッドの役割をしているため、光の閉じ込めが強く、シングルモード条件を満たす第２のコア３のサイズを３μｍより大きくすることができないが、第２のコア３となる材料に屈折率１．５０より低い材料を用いれば、第２のコア３のサイズを大きくすることができ、一般的なモードフィールド径９μｍのシングルモード光ファイバーとの接続損失を低減することができる。
【００２９】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図３（ａ）は本発明の第２の実施の形態となる光学素子の光入出力に関わる部分の平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の光学素子のＡ−Ａ線断面図であり、図１、図２と同一の構成には同一の符号を付してある。図３の光学素子は、第１の光導波路７ａと、モードフィールドサイズ変換部８ａと、第２の光導波路９ａとを備えている。図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）に図３（ａ）の光学素子のＢ−Ｂ線断面図、Ｃ−Ｃ線断面図、Ｄ−Ｄ線断面図を示す。図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）はそれぞれ第１の光導波路７ａ、モードフィールドサイズ変換部８ａ、第２の光導波路９ａの断面図である。
【００３０】
第１の光導波路７ａは、シリコン基板４上に形成された厚さ３μｍの熱酸化シリコン（屈折率１．４５）からなるアンダークラッド層５と、アンダークラッド層５上に形成された幅が０．３μｍ〜０．５μｍ厚さが０．２μｍ〜０．４μｍのシリコンからなる第１のコア１と、このコア１を覆う屈折率１．５０のポリマーからなる第１のオーバークラッド層２０と、第１のオーバークラッド層２０上に形成された屈折率１．４６のポリマーからなる第２のオーバークラッド層６とから構成される。
【００３１】
モードフィールドサイズ変換部８ａは、アンダークラッド層５と、コア１の厚さを維持した状態で先端（光導波路９ａ側）の幅が６０ｎｍとなるようにアンダークラッド層５上に形成されたシリコンからなるテーパ部２と、テーパ部２を覆うように形成された３〜５μｍ角の正方形断面を有する屈折率１．５０のポリマーからなる第２のコア３と、この第２のコア３を覆う第２のオーバークラッド層６とから構成される。テーパ部２の長さは３００μｍ程度である。
【００３２】
第２の光導波路９ａは、アンダークラッド層５と、アンダークラッド層５上に形成された３〜５μｍ角の正方形断面を有する屈折率１．５０のポリマーからなる第２のコア３と、第２のコア３を覆う第２のオーバークラッド層６とから構成される。
【００３３】
本実施の形態は、第１の実施の形態の光学素子において、第２のコア３と第１のオーバークラッド層２０とを覆う第２のオーバークラッド層６を設けたものである。第２のコア３をアンダークラッド層５と同程度の屈折率をもつ第２のオーバークラッド層６で覆うことで、シングルモード条件を満たす第２のコア３のサイズを第１の実施の形態に比べて大きくすることができ、その結果光ファイバーとの接続損失を更に低減することができる。第１の実施の形態で説明したとおり、第２のコア３となる材料に屈折率１．５０より低い材料を用いると、第２のコア３のサイズを更に大きくすることができる。
【００３４】
なお、本実施の形態では、第２のオーバークラッド層６となる材料に屈折率１．４６のポリマーを用いたが、この屈折率は第２の光導波路９ａの第２のコア３に用いる材料より低ければよい。したがって、例えばドーピング等の手法によって屈折率をある程度の範囲で変えることができれば、エポキシ、ポリイミドなどのポリマーだけでなく、酸化シリコン、窒化酸化シリコンなどの無機材料も第２のオーバークラッド層６として用いることができる。
【００３５】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の光学素子の基本単位となる光導波路を例にとって製造方法を説明する。図５は本発明の第３の実施の形態となる光学素子の平面図であり、図３、図４と同一の構成には同一の符号を付してある。図５の領域１００が第２の実施の形態で説明した光学素子に相当する部分であり、１０１はエッチング領域である。
【００３６】
図６、図７は図５の光学素子の製造方法を示す工程断面図である。光を透過する層にシリコンを使用する平面回路型のシリコン細線光学素子は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板をスターティング基板として使用する。ＳＯＩ基板は、シリコン基板４と、シリコン基板４上に形成された厚さ３μｍの酸化シリコンからなるアンダークラッド層５と、アンダークラッド層５上に形成された厚さ０．２μｍ〜０．５μｍのシリコン層１１とからなる。
【００３７】
まず、このＳＯＩ基板上にＣＶＤ法などの成膜法を使用して、シリコン層１１のエッチングマスクとなる酸化シリコン等からなるマスク材料１２を形成した後（図６（ａ））、このマスク材料１２上にレジストを塗布し、電子線露光法あるいは光露光法などの露光法を利用して所望のレジストパターン１３を形成する（図６（ｂ））。
【００３８】
続いて、レジストパターン１３をマスクにしてマスク材料１２をドライエッチングしてエッチングマスク１４を形成した後、レジストパターン１３を除去する（図６（ｃ））。そして、エッチングマスク１４をマスクにしてシリコン層１１をエッチングして、第１のコア１およびテーパ部２を形成し、エッチングマスク１４をフッ酸などのエッチング溶液を使用して除去する（図６（ｄ））。
【００３９】
こうして、アンダークラッド層５上に第１のコア１およびテーパ部２を有するシリコン細線光学素子回路パターンが形成される。シリコン細線光学素子回路パターンの端の光入出力部にあるテーパ部２は、第１のコア１の断面高さ（厚さ）を維持した状態で幅寸法が先端（第２の光導波路９ａ側）に向かって漸次細くなるように形成され、先端部の幅が５０〜８０ｎｍである。
【００４０】
次に、シリコン細線光学素子回路パターンが形成されているＳＯＩ基板上に、モードフィールドサイズ変換部８ａの第２のコアおよび第２光導波路９ａの第２のコアとなる厚さ３μｍのシリコン酸化膜１５をＣＶＤ法などにより堆積する（図６（ｅ））。シリコン酸化膜１５には、アンダークラッド層５のシリコン酸化膜より屈折率が２〜３％高くなるようにゲルマニウムなどがドープされる。
【００４１】
続いて、シリコン酸化膜１５上に光露光用レジストを塗布した後、このレジストを光露光法により加工して、第１のコア１およびテーパ部２に重なり合う、図５の梨子地部の形をしたレジストパターン１６を形成する（図７（ａ））。
次に、レジストパターン１６をマスクにしてシリコン酸化膜１５をエッチングして、第１の光導波路７ａのオーバークラッド層２０とモードフィールドサイズ変換部８ａの第２のコア３と第２の光導波路９ａの第２のコア３とを形成した後、レジストパターン１６を除去する（図７（ｂ））。
【００４２】
最後に、第２のコア３よりも屈折率の低いシリコン酸化膜からなる厚さ３μｍ以上のオーバークラッド層６をＳＯＩウエハー全面に堆積する（図７（ｃ））。ＳＯＩウエハーを第２の光導波路９ａの部分でダイシング等により切断すれば、光ファイバーとの効率よい接続を可能とするモードフィールドサイズ変換部８ａおよび第２の光導波路９ａを有するシリコン細線光学素子が完成する。
【００４３】
本実施の形態では、図５のように第２のコア３の光の進行方向（図５の左右方向）に対して左右対称な２つの領域をエッチング領域１０１として、シリコン酸化膜１５を除去すればよく、それ以外の領域はシリコン酸化膜１５が削られずに残るようにレジストパターン１６を設計しておく。これにより、シリコン酸化膜１５のエッチング時に第１のコア１がプラズマに曝されることがないため、第１のコア１にダメージを与えることがなくなる。また、シリコン酸化膜１５のエッチング面積を非常に小さくすることができるので、シリコン酸化膜１５のエッチングに高い注意をはらう必要がなくなり、エッチングが容易となる。
【００４４】
なお、エッチング領域１０１の最小幅は、第２のコア３のサイズやアンダークラッド層５の厚みによって変わり、本実施の形態では、第２のコア３の断面寸法を３μｍ角、アンダークラッド層５の厚さを３μｍとしているので、図５のエッチング領域１０１の最小幅は３μｍとなる。その理由は、エッチング領域１０１の幅が３μｍより小さくなると、第２のコア３とエッチング領域１０１を挟んで隣接するシリコン酸化膜１５との間でカップリングが起こり、第２のコア３の光が漏れてしまうからである。
【００４５】
本実施の形態では、第１の光導波路７ａのオーバークラッド層２０とモードフィールドサイズ変換部８ａの第２のコア３および第２の光導波路９ａの第２のコア３となる材料に酸化シリコンを用いたが、第１の実施の形態で説明したように、ポリイミド、エポキシ等のポリマー材や窒化酸化シリコンでももちろんかまわない。
【００４６】
［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図８（ａ）は本発明の第４の実施の形態となる光学素子の平面図、図８（ｂ）は図８（ａ）の光学素子のＡ−Ａ線断面図、図８（ｃ）は図８（ａ）の光学素子のＢ−Ｂ線断面図であり、図１〜図４と同一の構成には同一の符号を付してある。
【００４７】
本実施の形態は、第２、第３の実施の形態の光学素子において、第１の光導波路のオーバークラッド層を、モードフィールドサイズ変換部８ａの第２のコア３および第２の光導波路９ａの第２のコア３と同じ材料からなるオーバークラッド層２０のみの単層で構成したものである。つまり、本実施の形態では、第２、第３の実施の形態の第１の光導波路７ａの代わりに、第１の実施の形態の第１の光導波路７の構造を用いることになる。第２のコア３は３〜５μｍ角の正方形の断面形状を有するので、オーバークラッド層２０の厚みも３〜５μｍとなりオーバークラッドとしては十分な厚みである。
【００４８】
モードフィールドサイズ変換部８ａの第２のコア３および第２の光導波路９ａの第２のコア３と同じ材料を用いるため、オーバークラッド層２０の屈折率は、熱酸化シリコンからなるアンダークラッド層５より高いが、屈折率３．５のシリコンとアンダークラッド層５との屈折率差およびシリコンとオーバークラッド層２０との屈折率差はどちらも非常に大きいため、第１の光導波路７の光の閉じこめ特性には影響はなく、曲げ損失や伝搬損失にも影響はない。
【００４９】
本実施の形態のように、第１の光導波路７のオーバークラッド層を単層にすると、第２、第３の実施の形態のような２層の場合に比べてオーバークラッド層を薄くすることができる。その結果、例えば熱スイッチのように、シリコンからなる第１のコア１の上方にヒーターを設置して加熱する場合、第１のコア１ヘの熱の伝導性が良くなるため、消費電力を小さくすることができる。
【００５０】
図８の光学素子は、第３の実施の形態で説明した図７（ｃ）の工程の後に、モードフィールドサイズ変換部８ａおよび第２の光導波路９ａの領域にあるオーバークラッド層６をマスクして、第１の光導波路７の領域にあるオーバークラッド層６をエッチングすることで、容易に作製することができる。
【００５１】
以上の各実施の形態では、アンダークラッドとしてシリコン酸化膜を使用したが、シリコン窒化膜、石英でも同様の効果が得られることは言うまでもない。
また、各実施の形態では、基板としてシリコン基板を使用したが、シリコン基板に限らずガラス、石英あるいは他の材料を用いた基板であってもよく、多層基板の上に本発明の光学素子を形成するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、オプトエレクトロニクス分野、光通信分野に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１の実施の形態となる光学素子の光入出力に関わる部分の平面図および断面図である。
【図２】図１の光学素子の第１の光導波路、モードフィールドサイズ変換部および第２の光導波路の断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態となる光学素子の光入出力に関わる部分の平面図および断面図である。
【図４】図３の光学素子の第１の光導波路、モードフィールドサイズ変換部および第２の光導波路の断面図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態となる光学素子の平面図である。
【図６】図５の光学素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図７】図５の光学素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図８】本発明の第４の実施の形態となる光学素子の平面図および断面図である。
【図９】従来の光学素子の光入出力に関わる部分の平面図および断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１…第１のコア、２…テーパ部、３…第２のコア、４…シリコン基板、５…アンダークラッド層、６…第２のオーバークラッド層、７、７ａ…第１の光導波路、８、８ａ…モードフィールドサイズ変換部、９、９ａ…第２の光導波路、１１…シリコン層、１２…マスク材料、１３、１６…レジストパターン、１４…エッチングマスク、１５…シリコン酸化膜、２０…第１のオーバークラッド層。
【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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