(57)【要約】【課題】シリコン基板への導波光の漏れの抑制と通常のシングルモードファイバと効率よく接続できる程度のモードフィールド径とシングルモード条件の成立との３条件を同時に満足する。【解決手段】シリコン基板２０と、シリコン基板２０に積層された石英よりなるアンダークラッド２１と、アンダークラッド２１に積層されたオーバークラッド２３と、アンダークラッド２１に積層され、側方と上面との３方向がオーバークラッド２３により囲まれたコア２２とを有する完全埋め込み型光導波路において、コア２２とアンダークラッド２１との比屈折率差を、コア２２とオーバークラッド２３との比屈折率差よりも大きくする。【選択図】  図１
2004157530.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板と、
このシリコン基板上に配置された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コアと、
このコアを覆うように配置された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コアと前記コアの側面および上面を覆うオーバークラッドとは、完全埋め込み型の光導波路を構成し、
前記オーバークラッドの屈折率を、前記アンダークラッドの屈折率よりも大きくしたことを特徴とする光モジュール。
【請求項２】
シリコン基板と、
このシリコン基板上に配置された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コアと、
このコアを覆うように配置された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コアと前記コアの側面および上面を覆うオーバークラッドとは、完全埋め込み型の光導波路を構成し、
前記コアと前記アンダークラッドとの比屈折率差を、前記コアと前記オーバークラッドとの比屈折率差よりも大きくしたことを特徴とする光モジュール。
【請求項３】
シリコン基板と、
このシリコン基板上に配置された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、
前記テーパ部と前記第２のコアとを覆うように配置された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のコアと前記オーバークラッドとは、第２の光導波路を構成し、
前記オーバークラッドの屈折率を、前記アンダークラッドの屈折率よりも大きくしたことを特徴とする光モジュール。
【請求項４】
シリコン基板と、
このシリコン基板上に配置された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、
前記テーパ部と前記第２のコアとを覆うように配置された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のコアと前記オーバークラッドとは、第２の光導波路を構成し、
前記第２のコアと前記アンダークラッドとの比屈折率差を、前記第２のコアと前記オーバークラッドとの比屈折率差よりも大きくしたことを特徴とする光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オプトエレクトロニクス分野、光通信分野において使用される光導波路フィルタ等の光モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光回路の小型化を目指して、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を利用したＳｉ細線導波路やフォトニック結晶導波路の研究開発が行われているが、これらの導波路は、モードフィールド径がサブミクロンのオーダーであるため、光ファイバ等との接続のために、ポリマー導波路等を介して接続を行わなければならない（例えば、非特許文献１）。
【０００３】
図４（ａ）はＳＯＩ基板上に形成された従来の光モジュールの断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）の光モジュールの側面図である。図に示すように、１０はシリコン基板、１１は石英よりなるアンダークラッド、１２はポリマーよりなるコア、１３はポリマーよりなるクラッドである。アンダークラッド１１の厚さは３μｍであり、その屈折率は１．４９である。
【０００４】
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。
【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】
【０００５】
通常のシングルモードファイバのモードフィールド径は９μｍ程度であり、平面導波路を光ファイバと１ｄＢ以下の損失で接続するためには、光ファイバとの接続部において５．５μｍ以上のモードフィールド径が必要である。
【０００６】
また、通常の石英型光導波路で用いられるアンダークラッドの厚さは、２０μｍ程度と十分に大きいため、Ｓｉ基板への導波光の漏洩を考慮する必要がない。しかし、ＳＯＩ基板のシリコン酸化物、即ち石英をアンダークラッドとして用いる光導波路においては、ＳＯＩ基板の製造工程上の問題から、石英層を３μｍより厚くすることが困難である。このため、通常の光導波路で設定されるように、アンダークラッドとコアとの比屈折率差が１％以下の場合は、導波光がアンダークラッドを通じてシリコン基板へ漏洩してしまうという問題がある。
【０００７】
図５は、コア断面が７μｍ四方の正方形のコアの屈折率が１．４７、クラッドの屈折率が１．４６２である完全埋め込み型光導波路と、このコアの端から３μｍの石英層を介して厚さ０．３μｍのシリコン層を設け、シリコン基板に模し、該コアに波長１．５５μｍのＴＭ偏波の光線を入射し、１００μｍ伝播させたときの光強度分布をモードソルバーにより示したものである。
【０００８】
この図からもわかるように、シリコン基板を模したシリコン層にも光が伝播しており、わずか１００μｍ程度の配線においても、シリコン層との結合は無視できない程度であり、実用に耐えないことは明らかである。
【０００９】
このような構成の導波路において、光通信用の帯域として主に用いられている１．５５μｍ帯では、石英の屈折率が１．４６である場合、シリコン基板へ光が漏洩しないためには、コア１２の屈折率が１．４９以上であることが必要である（「光集積回路」、オーム社、西原浩他）。しかし、コア１２の屈折率を１．４９以上とすると、石英層とコアとの比屈折率差が２％以上となるため、シングルモード条件を満たすコアサイズは１辺が３μｍ程度かそれ以下とする必要がある。このため、従来はモードフィールド径の小さなファイバをＴＥＣ加工したものを通常のシングルモードファイバに接続して用いる等の必要があり、コストの増大を招いた。
【００１０】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ＳＯＩ基板上に形成された光モジュールにおいて、シリコン基板への導波光の漏れの防止と、通常のシングルモードファイバと効率よく接続できる程度のモードフィールド径、シングルモード条件の成立との３条件を同時に満足する光モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の光モジュールは、シリコン基板と、このシリコン基板上に配置された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コアと、このコアを覆うように配置された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コアと前記コアの側面および上面を覆うオーバークラッドとは、完全埋め込み型の光導波路を構成し、前記オーバークラッドの屈折率を、前記アンダークラッドの屈折率よりも大きくしたものである。
また、本発明の光モジュールは、前記コアと前記アンダークラッドとの比屈折率差を、前記コアと前記オーバークラッドとの比屈折率差よりも大きくしたものである。
【００１２】
また、本発明の光モジュールは、シリコン基板と、このシリコン基板上に配置された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、前記テーパ部と前記第２のコアとを覆うように配置された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のコアと前記オーバークラッドとは、第２の光導波路を構成し、前記オーバークラッドの屈折率を、前記アンダークラッドの屈折率よりも大きくしたものである。
また、本発明の光モジュールは、前記第２のコアと前記アンダークラッドとの比屈折率差を、前記第２のコアと前記オーバークラッドとの比屈折率差よりも大きくしたものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、完全埋め込み型の光導波路を有する光モジュールにおいて、オーバークラッドの屈折率をアンダークラッドの屈折率よりも大きくすることにより、あるいはコアとアンダークラッドとの比屈折率差をコアとオーバークラッドとの比屈折率差よりも大きくすることにより、ＳＯＩ基板のシリコン酸化膜をアンダークラッドとして用いても、導波光をシングルモードに保ちつつ、シリコン基板への導波光の漏れを防止することができ、かつコアの断面寸法を大きくすることができるので、通常用いられるモードフィールド径が９μｍ程度のシングルモードファイバと効率よく結合することが可能となる。
【００１４】
また、本発明によれば、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の光導波路を有する光モジュールにおいて、オーバークラッドの屈折率をアンダークラッドの屈折率よりも大きくすることにより、あるいは第２のコアとアンダークラッドとの比屈折率差を第２のコアとオーバークラッドとの比屈折率差よりも大きくすることにより、ＳＯＩ基板のシリコン酸化膜をアンダークラッドとして用いても、導波光をシングルモードに保ちつつ、シリコン基板への導波光の漏れを防止することができ、かつ第２のコアの断面寸法を大きくすることができるので、通常用いられるモードフィールド径が９μｍ程度のシングルモードファイバと効率よく結合することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について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モジュールの断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の光モジュールの側面図である。図中において、２０はシリコン基板、２１はシリコン酸化膜からなる全体として平板状のアンダークラッド、２２はエポキシ樹脂、ポリイミド等のポリマーからなる断面が略四角形のコア、２３はエポキシ樹脂、ポリイミド等のポリマーからなるオーバークラッドである。ｗ１はコア２２の幅、ｗ２はコア２２の厚さを表している。アンダークラッド２１の厚さは３μｍである。また、シリコン基板２０とアンダークラッド２１は、それぞれＳＯＩ基板の一部を構成している。
【００１６】
本実施の形態では、コア２２、アンダークラッド２１、オーバークラッド２３の屈折率はそれぞれ、１．５、１．４６、１．４９で、コア２２とアンダークラッド２１との比屈折率差（（コア２２の屈折率−アンダークラッド２１の屈折率）／コア２２の屈折率）、コア２２とオーバークラッド２３との比屈折率差（（コア２２の屈折率−オーバークラッド２３の屈折率）／コア２２の屈折率）はそれぞれ２．７％、０．７％である。コア２２とアンダークラッド２１との比屈折率差は、通常の１％以下であれば、導波光がアンダークラッド２１へ漏洩してしまうので、１％以上若しくは１．５％以上が好適である。
【００１７】
この導波光のアンダークラッド２１への漏洩の問題は、コア２２の断面形状の幅及び厚さをコントロールすることによっても回避できる。例えば、コア２２の断面の幅ｗ１及び厚さｗ２を５．５〜９μｍの範囲の値とし、さらに、幅ｗ１と厚さｗ２を等しくすると尚よい。本実施の形態では、コア２２の断面の幅ｗ１と厚さｗ２は共に７μｍとしている。
【００１８】
図２は、本実施の形態の断面構造を持つ光導波路に対して、１．５５μｍのＴＭ偏波の光を入射し、１０ｍｍ伝播させた後の光強度分布をモードソルバーにより示したものである。図２からわかるように、シリコン層に光は伝播しておらず、ほぼ円形で７μｍ以上のモードプロファイルを保持しつつ、シリコン基板への光の漏洩を防止していることがわかる。
【００１９】
アンダークラッド２１の屈折率よりも大きい屈折率を持った材料をオーバークラッド２３に用いた上記構成により、アンダークラッド２１への導波光の漏れを防ぐことができる。また、導波光のシングルモード条件を満たすと共に、シングルモードファイバと効率よく接続するために必要な大きさのモードフィールド径も実現することができる。
【００２０】
［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モードフィールドサイズ変換部を備えた光モジュールの平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の光モジュールのＡ−Ａ線断面図である。同図において、３０は第１の光導波路、３１はモードフィールドサイズ変換部、３２は第１の光導波路３０と接続される第２の光導波路、３３はシリコン基板、３４はシリコン基板上に形成されたシリコン酸化膜よりなるアンダークラッド、３５は例えばポリマーのような材料よりなるオーバークラッド、３６はアンダークラッド３４上に形成されたシリコンよりなる細線状の第１のコア、３７は第１のコア３６の終端部であるシリコンよりなるテーパ部、３８は第１のコア３６のテーパ部３７上に少なくとも一部が配置されたポリマーよりなる第２のコアである。第２のコア３８の主部はオーバークラッド３５，アンダークラッド３４とともに第２の光導波路を構成している。テーパ部３７は、第１のコア３６の先端方向に向かうに従って漸次断面積が小さくなるように形成されている。
【００２１】
第１の光導波路３０と第２の光導波路３２は、シリコン基板３３とアンダークラッド３４を共通基板として形成され、モードフィールドサイズ変換部３１を介して光学的に接続されている。
また、フィールドサイズ変換部３１はアンダークラッド３４、テーパ部３７、テーパ部３７上に配置された第２コア３８およびこの第２のコアの上およびその周囲に配置されるオーバークラッド３５によって構成されている。また、第１の光導波路３０はアンダークラッド３４とこの上に配置されるコア３６とオーバークラッド３５とによって構成される。第１の光導波路３０では、オーバークラッド３５は必ず必要というわけではない。その理由は、シリコンをコアとする第１の光導波路３０は光の閉じ込めが強く、オーバークラッドがない場合でも下の基板に光が漏れることはないからである。
【００２２】
光通信に最も良く使用されている１．５５μｍ帯の光を通す場合、第１の光導波路３０のコア３６は、断面の厚さと幅が共に０．３μｍ程度で、テーパ部３７は、長さが３００〜１０００μｍ、先端部の幅が０．１μｍ程度である。第２の光導波路３２のコア３８は、断面の厚さと幅が共に７μｍ程度で、屈折率が１．５３である。第１の光導波路３０、モードフィールドサイズ変換部３１および第２の光導波路３２に共通のオーバークラッド３５は、屈折率がアンダークラッド３４よりも高く、第２のコア３８よりも低い１．５１程度のポリマーからなる。
【００２３】
次に、本実施の形態の光モジュールにおける光の伝搬状態を説明する。図３（ａ）、図３（ｂ）に示した第１の光導波路３０の第１のコア３６の左端面から入射した光は、コア３６を伝搬した後、モードフィールドサイズ変換部３１のテーパ部３７の左端位置に到達する。光がテーパ部３７を図３（ａ）の右方向に伝搬するにつれて、コア幅が徐々に狭まって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３４より屈折率の高い第２のコア３８が隣接して存在するため、光パワーの分布は第１の光導波路３０の第１のコア３６から第２の光導波路３２の第２のコア３８へ徐々に移っていく。
【００２４】
前記とは逆に図３（ａ）、図３（ｂ）に示した第２の光導波路３２の第２のコア３８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３８、テーパ部３７を介して、第１の光導波路３０の第１のコア３６へ光の分布が移動する。このように、テーパ部３７を介して第１の光導波路３０の第１のコア３６と第２の光導波路３の第２のコア３８とを接続することで、効率の高いモードフィールドサイズ（径）変換を実現することができる。
【００２５】
図３（ａ）、図３（ｂ）に示した第１の光導波路３０、モードフィールドサイズ変換部３１および第２の光導波路３２を有する光モジュールは次のように製造される。
まず、シリコン基板３３と、シリコン基板３３上に形成されたシリコン酸化膜からなる全体として平板状のアンダークラッド３４と、アンダークラッド３４上に形成されたシリコン層とからなるＳＯＩ基板を用意し、アンダークラッド３４上のシリコン層を電子線リソグラフィとエッチングにより加工して第１のコア３６およびテーパ部３７を形成する。次に、第２のコア３８になるポリマー系材料を基板上に塗布し、このポリマー系材料を光リソグラフィとエッチングにより加工して第２のコア３８を形成する。最後に、オーバークラッド３５となるポリマーを全体に塗布し、光モジュールが完成する。
【００２６】
本実施の形態では、第２のコア３８、シリコン酸化膜からなるアンダークラッド３４、オーバークラッド３５の屈折率はそれぞれ１．５２、１．４６、１．５１であり、第２のコア３８とアンダークラッド３４との比屈折率差（（コア３８の屈折率−アンダークラッド３４の屈折率）／コア３８の屈折率）、第２のコア３８とオーバークラッド３５との比屈折率差（（コア３８の屈折率−オーバークラッド３５の屈折率）／コア３８の屈折率）はそれぞれ３．９％、０．７％である。このように、オーバークラッド３５の屈折率をアンダークラッド３４の屈折率より大きく、第２のコア３８とアンダークラッド３４との比屈折率差を第２のコア３８とオーバークラッド３５との比屈折率差よりも大きくすることにより、モードフィールドサイズ変換部３１および第２の光導波路３２を伝搬する光がシリコン基板３３へ漏洩することを防止でき、結果的に光モジュールの損失を低減できる。
【００２７】
また同時に本実施の形態の構成では、第２のコア３８とオーバークラッド３５との比屈折率差を０．７％にしたことにより、シングルモード条件を満たしつつ第２のコア３８の断面の厚さと幅を７μｍと大きくすることができ、光モジュールとシングルモードファイバーとを効率良く接続することができる。
【００２８】
本実施の形態では、第１の光導波路３０の第１のコア３６の側面および上面を、アンダークラッド３４よりも約３％高い屈折率を持つオーバークラッド３５で覆っているが、屈折率３．５のシリコンと屈折率１．４６のアンダークラッド３４との比屈折率差、およびシリコンと屈折率１．５１のオーバークラッド３５との比屈折率差はどちらも非常に大きいため、第１の光導波路３０の光の閉じ込め特性に影響はなく、曲げ損失や伝搬損失にも影響はない。
【００２９】
なお、第１、第２の実施の形態では、オーバークラッド２３，３５およびコア２２，３８となる材料にポリマーを用いたが、光が透過し例えばドーピング等の手法によって屈折率を第１、第２の実施の形態と同等にできるものであれば、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）などの無機材料もオーバークラッド２３，３５およびコア２２，３８の材料として用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
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】
【００３１】
【図１】本発明の第１の実施の形態となる光モジュールの断面図および側面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における光強度分布を表した図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態となる光モジュールの平面図および断面図である。
【図４】ＳＯＩ基板上に形成された従来の光モジュールの断面図および側面図である。
【図５】従来の光モジュールにおける光強度分布を表した図である。
【符号の説明】
【００３２】
２０…シリコン基板、２１…アンダークラッド、２２…コア、２３…オーバークラッド、３０…第１の光導波路、３１…モードフィールドサイズ変換部、３２…第２の光導波路、３３…シリコン基板、３４…アンダークラッド、３５…オーバークラッド、３６…第１のコア、３７…テーパ部、３８…第２のコア。
【図１】
2004157530.tif 000003
【図２】
2004157530.tif 000004
【図３】
2004157530.tif 000005
【図４】
2004157530.tif 000006
【図５】
2004157530.tif 000007