(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された金属膜と、
該金属膜上に順次に積層されたクラッド層及びコア層からなる光導波路と
を備え、
前記光導波路はリッジ状に形成され、
前記光導波路の周囲は、前記コア層及びクラッド層よりも屈折率が低い材料で満たされていて、
前記クラッド層及びコア層の光導波方向に直角な方向の断面が長方形状であり、及び
前記クラッド層の上面の面積が、前記コア層の上面の面積よりも小さい
ことを特徴とする光導波路素子。
【請求項２】
前記コア層の屈折率が、前記クラッド層の屈折率よりも高い
ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
【請求項３】
前記コア層の屈折率を１．５〜１．７の範囲内の値とし、前記クラッド層の屈折率を１．４〜１．６の範囲内の値とすることを特徴とする請求項２に記載の光導波路素子。
【請求項４】
前記コア層の屈折率が、前記クラッド層の屈折率と等しい
ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
【請求項５】
前記クラッド層の前記光導波方向に直角な方向の幅が、前記コア層の前記光導波方向に直角な方向の幅よりも小さい
ことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の光導波路素子。
【請求項６】
前記クラッド層が、前記光導波方向に沿って互いに離間した、複数の柱状に形成されている
ことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の光導波路素子。
【請求項７】
前記金属膜の材料を、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ及びＡｌからなる群から選択される金属とすることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の光導波路素子。
【請求項８】
前記光導波路を導波させる光をＴＥ偏波とすることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の光導波路素子。
【請求項９】
前記基板が、電子集積回路を備えることを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の光導波路素子。
【請求項１０】
基板上に形成された金属膜、並びに該金属膜上に順次に積層されたクラッド層及びコア層からなる光導波路を備え、
該光導波路はリッジ状に形成され、前記クラッド層の上面の面積が、前記コア層の上面の面積よりも小さく、前記クラッド層及びコア層の光導波方向に直角な方向の断面が長方形状であるとともに、前記クラッド層の前記光導波方向に直角な方向の幅が、前記コア層の前記光導波方向に直角な方向の幅よりも小さく、
前記コア層の屈折率が、前記クラッド層の屈折率よりも高く、前記光導波路の周囲は、前記コア層及びクラッド層よりも屈折率が低い材料で満たされている光導波路素子と、
該光導波路素子に接続された多モード干渉カプラ又はアレイ導波路格子とを含むことを特徴とする光素子。
【請求項１１】
基板上に金属膜を形成する工程と、
該金属膜上にクラッド形成層及びコア形成層を順次に積層した後パターニングを行って、クラッド層及びコア層からなるリッジ状の光導波路を形成する工程と
を備え、
前記クラッド層の形成において、
サイドエッチングを行うことにより、前記クラッド層の光導波方向に直角な方向の幅を、前記コア層の前記光導波方向に直角な方向の幅よりも小さくする
ことを特徴とする光導波路素子の製造方法。
【請求項１２】
基板上に金属膜を形成する工程と、
該金属膜上にクラッド形成層及びコア形成層を順次に積層した後パターニングを行って、クラッド層及びコア層からなるリッジ状の光導波路を形成する工程と
を備え、
前記クラッド形成層を、エッチャントに対する溶解度の異なる２種の材料を用いて、光導波方向に沿って交互に形成し、
前記光導波路を形成した後、前記２種の材料の一方を、前記エッチャントを用いて除去することにより、前記クラッド層を、前記光導波方向に沿って、互いに離間した複数の柱状に形成することで、前記クラッド層の上面の面積を前記コア層の上面の面積よりも小さくする
ことを特徴とする光導波路素子の製造方法。
【請求項１３】
前記コア形成層を、前記クラッド形成層よりも屈折率の高い材料で形成する
ことを特徴とする請求項１１又は１２に記載の光導波路素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光導波路素子、その製造方法、及び光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光を閉じ込め伝播させる光導波路の構造は、これまで多く提案されている。代表的な例として、電気光学結晶であるＬｉＮｂＯ３基板にＴｉを拡散させて屈折率を上昇させて形成されたもの、この結晶にプロトンを導入して形成されたもの、あるいは、石英系材料又は化合物半導体の組成を変えて積層したものなどが知られている。
【０００３】
近年では、コアにシリコン材料を用い、周囲を低屈折率物質である石英などで囲む光導波路構造が、極めて小さい曲率半径を実現できることなどで、大きな注目を集めている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
しかし、特許文献１に開示されている光導波路は、単一モード条件を満たすように、コアの幅及び高さが３００ｎｍ程度で形成されている。このため、製造において、最先端のリソグラフィ技術が必要になるなど、製造が困難になるとともに、光を光導波路へ入射させる際にも、コアの寸法に比例して要求される入力位置精度が厳しくなる。
【０００５】
これに対し、光導波路を石英系の素材を用いたリッジ構造とし、コアの両側を空気層とする構造が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２に開示されている技術によれば、コアとその周囲の空気の屈折率差が大きいため、単一モード条件を実現する寸法が大きくなり、この結果、コアの寸法を特許文献１の構造よりも大きくした場合であっても、大きな曲率、すなわち小さな曲率半径を実現可能にする。ここで、特許文献２に開示されている構造では、基板への伝播光の損失を減らすためには、基板の屈折率を伝播光に対する等価屈折率よりも充分低くする必要がある。
【０００６】
この基板への伝播光の損失を減らすために、高屈折率の膜を数層、コアの下部と基板との間に設ける技術が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【特許文献１】米国特許第５，８３８，８７０号明細書
【特許文献２】特許第３７５５９６１号公報
【非特許文献１】Ｄ．Ｄａｉ  ｅｔ  ａｌ．、“Ａ  Ｍｉｎｉｍｉｚｅｄ  ＳｉＯ２  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｗｉｔｈ  ａｎ  Ａｎｔｉｒｅｓｏｎａｎｔ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｆｏｒ  Ｌａｒｇｅ−Ｓｃａｌｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｓ”，  ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  Ｖｏｌ．１９  Ｎｏ．１０  ｐｐ．７５９−７６１，  Ｍａｙ  １５  ２００７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、非特許文献１に開示されている構造は、製造にあたり多層膜を基板上に形成する作業プロセスが必要になるなど、工程が煩雑になる。また、リッジ状の光導波路を形成するために長時間のドライエッチング工程が行われるので、電子回路を形成した基板上に光導波路を作成する用途には、電子回路がドライエッチング工程で受けるダメージを考えると、不向きである。
【０００８】
この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、コアの寸法が大きく、かつ曲率半径の小さい光導波路を有する光導波路素子、その製造方法、及びこの光導波路素子を用いた光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明の光導波路素子の好適な実施形態によれば、基板上に形成された金属膜と、金属膜上に順次に積層されたクラッド層及びコア層からなる光導波路とを備えて構成される。光導波路はリッジ状に形成され、光導波路の周囲は、コア層及びクラッド層よりも屈折率が低い材料で満たされていて、クラッド層及びコア層の光導波方向に直角な方向の断面が長方形状であり、及びクラッド層の上面の面積が、コア層の上面の面積よりも小さい。
【００１１】
上述した光導波路素子の実施に当たり、好ましくは、コア層の屈折率が、クラッド層の屈折率よりも高いのが良い。
【００１２】
上述した光導波路素子の好適な実施形態によれば、クラッド層の、光導波方向に直角な方向の幅が、コア層の、光導波方向に直角な方向の幅よりも小さい。
【００１３】
また、上述した光導波路素子の他の好適な実施形態によれば、クラッド層が、前記光導波方向に沿って、互いに離間した複数の柱状に形成されている。
この発明の光素子は、光導波路素子と、この光導波路素子に接続された多モード干渉カプラ又はアレイ導波路格子とを含む。
光導波路素子は、基板上に形成された金属膜、並びにこの金属膜上に順次に積層されたクラッド層及びコア層からなる光導波路を備える。この光導波路はリッジ状に形成され、クラッド層の上面の面積が、コア層の上面の面積よりも小さく、クラッド層及びコア層の光導波方向に直角な方向の断面が長方形状であるとともに、クラッド層の光導波方向に直角な方向の幅が、コア層の光導波方向に直角な方向の幅よりも小さく、コア層の屈折率が、クラッド層の屈折率よりも高く、光導波路の周囲は、コア層及びクラッド層よりも屈折率が低い材料で満たされている。
【００１７】
上述した光導波路素子の製造方法の好適な実施形態によれば、以下の工程を備えている。先ず、基板上に金属膜を形成する。次に、金属膜上にクラッド形成層及びコア形成層を順次に積層した後パターニングを行って、クラッド層及びコア層からなるリッジ状の光導波路を形成する。ここで、クラッド層の形成において、サイドエッチングを行うことにより、クラッド層の光導波方向に直角な方向の幅を、コア層の光導波方向に直角な方向の幅よりも小さくする。
【００１８】
上述した光導波路素子の製造方法の他の好適な実施形態によれば、以下の工程を備えている。先ず、基板上に金属膜を形成する。次に、金属膜上にクラッド形成層及びコア形成層を順次に積層した後パターニングを行って、クラッド層及びコア層からなるリッジ状の光導波路を形成する。ここで、クラッド形成層を、エッチャントに対する溶解度の異なる２種の材料を用いて、光導波方向に沿って交互に形成し、光導波路を形成した後、２種の材料の一方を、エッチャントを用いて除去することにより、クラッド層を、光導波方向に沿って、互いに離間した複数の柱状に形成する。これにより、クラッド層の上面の面積をコア層の上面の面積よりも小さくする。
【００１９】
上述した光導波路素子の実施にあたり、好ましくは、コア形成層として、クラッド形成層よりも屈折率の高い材料で形成するのが良い。
【発明の効果】
【００２０】
この発明の光導波路素子、その製造方法、及び光素子によれば、リッジ状の光導波路形状とし、光導波路の周囲をコア及びクラッドよりも屈折率の低いもので満たしているので、より大きなコアの寸法で、より小さな曲率半径を実現できる。
【００２１】
さらに、クラッドと基板の間に金属膜を備えることで、基板への放射損失を低減することができる。また、金属膜の形成は、電子回路の多層配線を作る過程と同様の工程で形成できるので、簡便なプロセスで光導波路素子の製造が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。
【００２３】
（参考例）
図１（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、参考例の光導波路素子の構造について説明する。図１（Ａ）及び（Ｂ）は、参考例の光導波路素子を説明するための概略図である。図１（Ａ）は平面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ線に沿って取った切断端面を示している。
【００２４】
光導波路素子１０は、基板２０上に形成された金属膜４０と、金属膜４０上に順次に積層されたクラッド層６０及びコア層７０からなる光導波路５０とを備えて構成されている。
【００２５】
基板２０として、例えばシリコン基板が用いられる。ここで、基板２０には、電子集積回路３０として、トランジスタ、抵抗素子などの回路素子を備える、任意好適な従来周知の集積回路が形成されていても良い。
【００２６】
金属膜４０の材質は、光吸収が小さいものが好ましく、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などが用いられる。
【００２７】
光導波路５０はリッジ状に形成されていて、コア層７０の屈折率は、クラッド層６０の屈折率よりも高い。また、光導波路５０の周囲は、コア層７０及びクラッド層６０よりも屈折率が低い材料で満たされている。
【００２８】
コア層７０の材料として、例えば、無機材料である、石英中にゲルマニウム（Ｇｅ）やチタン（Ｔｉ）などを添加したもの、酸化シリコン（Ｓｉ１−ｘＯｘ）、窒化シリコン（Ｓｉ１−ｘＮｘ）、または、有機材料である感光性ポリマーを用いることができる。これらの材料の屈折率は、１．５〜１．７程度である。
【００２９】
また、クラッド層６０の材料として、石英、スピンオンガラス（ＳＯＧ：ｓｐｉｎ  ｏｎ  ｇｌａｓｓ）、感光性のゾルゲル材料などを用いることができる。感光性のゾルゲル材料としては、ＪＳＲ社製のＰＪ５０１０（型番）、ＰＪ５０２３（型番）がある。これらの材料の屈折率は、１．４〜１．６程度である。
【００３０】
光導波路５０の周囲は、クラッド層６０及びコア層７０よりも屈折率が低い材料として、例えば、空気で満たされている。このときの光導波路５０の周囲の屈折率は１である。
【００３１】
次に、参考例の光導波路素子の製造方法について説明する。参考例の光導波路素子の製造方法は、以下の工程を備えている。先ず、基板２０として例えばシリコン基板上に金属膜４０を形成する。なお、基板２０には、電子集積回路３０として、半導体基板上にトランジスタ、抵抗素子などの回路素子や、配線が形成された、任意好適な従来周知の集積回路を備えていても良い。
【００３２】
金属膜４０は、例えば、基板２０の上面全面にスパッタ法により上記の金属材料の膜を形成した後、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、必要部分の金属材料の膜を残存させることにより形成される。
【００３３】
次に、金属膜４０上に、クラッド形成層及びコア形成層を順次に積層した後、パターニングを行って、クラッド層６０及びコア層７０からなる、リッジ状の光導波路５０を形成する。
【００３４】
この光導波路を形成する工程では、先ず、クラッド形成層として、例えば、ＳＯＧ膜を回転塗布及びベーキングにより形成する。次に、クラッド形成層上にコア形成層として、例えば、感光性ポリマーを塗布した後、フォトリソグラフィ法により、パターニングしてコア層７０を形成する。次に、ウェットエッチングによりクラッド形成層をパターニングして、クラッド層６０を形成する。
【００３５】
なお、クラッド形成層が、例えば感光性のゾルゲル材料など、感光性を有している場合、クラッド層６０の形成をフォトリソグラフィにより行っても良い。また、コア形成層の材質が感光性を有していない場合、コア形成層上に、光導波路を形成する領域を覆うマスクを形成して、ウェットエッチングを行ってコア層７０を形成しても良い。
【００３６】
このように、光導波路を形成するためのパターニングは、コア形成層及びクラッド形成層の材質に応じて任意好適な方法で行えば良い。
【００３７】
なお、金属膜４０を形成するためのフォトリソグラフィ及びドライエッチングは、クラッド形成層及びコア形成層を積層する前に行っても良いし、パターニングによるコア層及びクラッド層の形成と同時、又はその後に行っても良い。
【００３８】
図２、３及び４を参照して、参考例の光導波路素子の動作について説明する。図２、３及び４は、参考例の光導波路素子の動作について説明するための特性図であって、３次元ビーム伝播（ＢＰＭ：Ｂｅａｍ  Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  Ｍｅｔｈｏｄ）法によるシミュレーション結果を示している。
【００３９】
図２（Ａ）及び（Ｂ）は、直線導波路でのクラッド層６０の厚みＳに対する出力光強度を示している。図２（Ａ）及び（Ｂ）は、横軸にクラッド層６０の厚みＳ（単位：μｍ）を取って示し、及び、縦軸に出力光強度を取って示している。縦軸の出力光強度は、入力光強度を１としたときの相対的な大きさである。
【００４０】
シミュレーションの条件として、基板２０をシリコン基板とし、光導波路５０の幅Ｗ及びコア層７０の厚みＨをともに１μｍとし、金属膜４０の厚みＴを０．１μｍとし、光導波路５０の長さＬを１０００μｍとして、波長１．５５μｍの光が伝播する場合について計算した。また、コア層７０の屈折率を１．５６とし、クラッド層６０の屈折率を１．４６とし、光導波路５０の周囲の屈折率を１．０としている。
【００４１】
ここで、伝播光の偏光としてＴＥ波を用いる。これは、ＴＭ波の金属膜での吸収が大きいためである。
【００４２】
図２（Ａ）では、金属膜の材料を金（Ａｕ）としており、また、図２（Ｂ）では、金属膜の材料を銅（Ｃｕ）としている。いずれの場合であっても、クラッド層６０の厚みＳが２μｍ以上では、クラッド層６０の厚みＳに対する依存性、すなわち、伝播ロスがほとんど無い。なお、出力光強度が０．９程度と、１よりも小さい値をとるのは、光導波路５０への光の入力における結合損失による。
【００４３】
図２（Ａ）と図２（Ｂ）を比較すると、クラッド層６０の厚みＳが小さいときは、金属膜４０の材料をＡｕにすると、Ｃｕにするよりも大きな出力光強度を示す。例えば、クラッド層６０の厚みＳが０．５μｍの時、金属膜４０の材料がＡｕでは、出力光強度が０．６５程度であるのに対し、金属膜４０の材料がＣｕでは、出力光強度が０．５程度である。これは、Ｃｕの方が、Ａｕに比べて、光吸収が大きいことによる。
【００４４】
図３（Ａ）及び（Ｂ）は、曲線導波路での、曲率半径に対する出力光強度を示している。図３（Ａ）及び（Ｂ）は、横軸に曲率半径Ｒ（単位：μｍ）を取って示し、及び、縦軸に出力光強度を取って示している。縦軸の出力光強度は、入力光強度を１としたときの相対的な大きさである。
【００４５】
ここでのシミュレーションの条件は、図２（Ａ）及び（Ｂ）の場合と、光導波路の形状に関する条件が異なっていて、それ以外の点は同様である。ここでは、光導波路を長さＬが１００μｍの曲線導波路としている。なお、曲率半径Ｒが小さい場合は、半径Ｒの円周を複数周伝播することになり、一方、曲率半径Ｒが大きい場合は、半径Ｒの円周の一部を伝播することになる。
【００４６】
図３（Ａ）では、金属膜４０の材料を金（Ａｕ）としており、また、図３（Ｂ）では、金属膜４０の材料を銅（Ｃｕ）としている。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）はいずれも、クラッド層６０の厚みＳが０．５μｍ、１．０μｍ及び１．５μｍである場合について、それぞれ曲線Ｉ、ＩＩ及びＩＩＩで示している。
【００４７】
金属膜４０の材料がＡｕ及びＣｕのいずれの場合であっても、また、クラッド層６０の厚みＳが０．５μｍ、１．０μｍ及び１．５μｍのいずれであっても、曲率半径Ｒが６μｍ以上の領域では、曲率半径Ｒに対する依存性、すなわち、光導波路５０外への放射ロスがほとんど無い。なお、出力光強度が０．９程度と、１よりも小さい値をとるのは、光導波路５０への光の入力における結合損失による。また、クラッド層６０の厚みＳの違いによる、出力光強度の大きさのばらつきは、結合損失の違いによる。
【００４８】
図４（Ａ）及び（Ｂ）は、基板として石英基板を用いる場合のシミュレーション結果を示す図である。
【００４９】
図４（Ａ）は、直線導波路での、クラッド層６０の厚みＳに対する出力光強度を示している。図４（Ａ）は、横軸にクラッド層６０の厚みＳ（単位：μｍ）を取って示し、及び、縦軸に出力光強度を取って示している。縦軸の出力光強度は、入力光強度を１としたときの相対的な大きさである。
【００５０】
シミュレーションの条件は、基板２０が石英基板であることを除けば、図２（Ａ）の場合と同じである。
【００５１】
図４（Ａ）に示されるように、クラッド層６０の厚みＳが２μｍ以上の領域では、クラッド層６０の厚みＳに対する依存性、すなわち、伝播ロスがほとんど無い。これは、図２（Ａ）の結果と同様である。なお、出力光強度が０．９程度と、１よりも小さい値をとるのは、光導波路５０への光の入力における結合損失による。
【００５２】
図４（Ｂ）は、曲線導波路での、曲率半径Ｒに対する出力光強度を示している。図４（Ｂ）は、横軸に曲率半径Ｒ（単位：μｍ）を取って示し、及び、縦軸に出力光強度を取って示している。縦軸の出力光強度は、入力光強度を１としたときの相対的な大きさである。図４（Ｂ）は、クラッド層６０の厚みＳを０．５μｍ、１．０μｍ及び１．５μｍの場合について、それぞれ曲線Ｉ、ＩＩ及びＩＩＩで示している。
【００５３】
シミュレーションの条件は、基板２０が石英基板であることを除けば、図３（Ａ）の場合と同じである。
【００５４】
図４（Ｂ）に示されるように、曲率半径Ｒが６μｍ以上では、曲率半径Ｒに対する依存性、すなわち、光導波路外への放射ロスがほとんど無い。これは、図３（Ａ）の結果と同様である。なお、出力光強度が０．９程度と、１よりも小さい値をとるのは、光導波路への光の入力における結合損失による。また、クラッド層６０の厚みＳの違いによる、出力光強度の大きさのばらつきは、結合損失の違いによる。
【００５５】
参考例の光導波路素子及びその製造方法によれば、リッジ状の光導波路形状とし、光導波路の周囲をコア層及びクラッド層の屈折率よりも、屈折率が低い材料で満たしているので、コア層の幅及び高さが１μｍ程度と、従来の３００ｎｍよりも大きなコアの寸法で、１０μｍ以下のより小さな曲率半径を実現できる。また、クラッド層の厚みは２μｍ程度でよく、基板に形成される電子回路に関する多層配線の形成工程を容易に、クラッド層の形成に適用可能である。
【００５６】
さらに、クラッド層と基板の間に金属膜を備えることで、基板への放射損失を低減することができる。
【００５７】
また、フォトリソ工程により、リッジ状の光導波路を製造すれば、長時間のドライエッチング工程を必要としないので、基板に形成されている電子回路へのダメージを減らすことができる。
【００５８】
（他の構成例）
図５を参照して、参考例の光導波路素子の他の構成例について説明する。図５は、参考例の光導波路素子の他の構成例について説明するための概略図である。
【００５９】
図５（Ａ）は、他の構成例の主要部の切断端面を示している。この構成例では、金属膜４２が光導波路５０と基板２０とによって挟まれる領域にのみ存在している点が、図１を参照して説明した構成と異なっていて、それ以外の点は同様である。
【００６０】
図５（Ｂ）及び（Ｃ）を参照して、他の構成例の動作について説明する。図５（Ｂ）及び（Ｃ）は、参考例の他の構成例の光導波路素子１２の動作について説明するための特性図であって、３次元ＢＰＭ法によるシミュレーション結果を示している。
【００６１】
図５（Ｂ）は、直線導波路での、クラッド層６０の厚みＳに対する出力光強度を示している。図５（Ｂ）は、横軸にクラッド層６０の厚みＳ（単位：μｍ）を取って示し、及び、縦軸に出力光強度を取って示している。縦軸の出力光強度は、入力光強度を１としたときの相対的な大きさである。
【００６２】
シミュレーションの条件として、基板２０をシリコン基板とし、光導波路５０の幅Ｗ及びコア層７０の厚みＨをともに１μｍとし、金属膜４２の厚みＴを０．１μｍとし、光導波路５０の長さＬを１０００μｍとして、波長１．５５μｍの光が伝播する場合について計算した。また、コア層７０の屈折率を１．５６とし、クラッド層６０の屈折率を１．４６とし、光導波路５０の周囲の屈折率を１．０としている。また、金属膜の材料を銅（Ｃｕ）としている。
【００６３】
図５（Ｂ）に示されるように、クラッド層６０の厚みＳが２μｍ以上の領域では、クラッド層６０の厚みＳに対する依存性、すなわち、伝播ロスがほとんど無い。なお、出力光強度が０．９程度と、１よりも小さい値をとるのは、光導波路５０への光の入力における結合損失による。
【００６４】
図５（Ｃ）は、曲線導波路での、曲率半径Ｒに対する出力光強度を示している。図５（Ｃ）は、横軸に曲率半径Ｒ（単位：μｍ）を取って示し、及び、縦軸に出力光強度を取って示している。縦軸の出力光強度は、入力光強度を１としたときの相対的な大きさである。また、クラッド層の厚みＳを１．５μｍとしている。
【００６５】
図５（Ｃ）に示されるように、曲率半径Ｒが６μｍ以上では、曲率半径Ｒに対する依存性、すなわち、光導波路外への放射ロスがほとんど無い。なお、出力光強度が０．９程度と、１よりも小さい値をとるのは、光導波路５０への光の入力における結合損失による。
【００６６】
このように、金属膜が光導波路と基板の間のみに存在している場合であっても、金属膜の面積が光導波路の面積よりも広い場合であっても、同様の効果が得られる。
【００６７】
（第１実施形態）
図６を参照して、第１実施形態の光導波路素子の構造について説明する。図６は、第１実施形態の光導波路素子１４を説明するための概略図であって主要部の切断端面を示している。
【００６８】
第１実施形態の光導波路素子１４は、光導波路５４の断面形状が参考例の光導波路と異なっており、それ以外の構成は、参考例と同様なので、重複する説明を省略する。
【００６９】
第１実施形態の光導波路素子１４では、クラッド層６４及びコア層７０の光導波方向に直角な方向の断面が長方形状であり、クラッド層６４の上面の面積が、コア層７０の上面の面積よりも小さい。ここでは、クラッド層６４の光導波方向に直角な方向の幅が、コア層７０の光導波方向に直角な方向の幅よりも小さい場合について説明する。クラッド層６４及びコア層７０の材質は、参考例と同様のものを用いることができる。
【００７０】
ここで、第１実施形態の光導波路素子１４の構造によれば、クラッド層６４の幅が、コア層７０の幅よりも小さく、コア層７０の下側（図６中、矢印Ａで示す部分）にコア層７０及びクラッド層６４よりも屈折率が低い物質（例えば空気）が入り込んでくる。このため、クラッド層６４とコア層７０とを同じ材質で形成しても、光導波路５４内に伝播光を閉じ込めることが可能になる。
【００７１】
なお、クラッド層６４をコア層７０よりも屈折率が低い材料で形成しても良い。クラッド層６４の屈折率をコア層７０の屈折率よりも小さくすれば、伝播光が金属膜４０に吸収される割合が減るので好適である。また、多モード干渉（ＭＭＩ：Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）カプラやアレイ導波路格子（ＡＷＧ）中の平面光導波路では、コアの下部に低屈折率のクラッドが必須であるため、第１実施形態の光導波路素子とこれらＭＭＩカプラやＡＷＧとをスムーズに接続するためには、クラッド層６４の材質を低屈折率のものにするのがよい。
【００７２】
次に、第１実施形態の光導波路素子の製造方法について説明する。金属膜４０を形成するまでの工程は、参考例と同様なので、重複する説明を省略する。
【００７３】
金属膜４０上に、クラッド形成層及びコア形成層を順次に積層した後、パターニングを行って、クラッド層６４及びコア層７０からなる、リッジ状の光導波路５４を形成する。ここで、クラッド層６４の形成において、サイドエッチングを行うことにより、クラッド層６４の光導波方向に直角な方向の幅Ｗｃｌを、コア層７０の光導波方向に直角な方向の幅Ｗよりも小さくする。
【００７４】
この光導波路５４を形成する工程では、先ず、クラッド形成層として、例えば、ＳＯＧ膜を回転塗布及びベーキングにより形成する。次に、クラッド形成層上にコア形成層として、例えば、感光性ポリマーを塗布した後、フォトリソグラフィにより、パターニングしてコア層７０を形成する。次に、ウェットエッチングによりクラッド形成層をパターニングして、クラッド層６４を形成する。
【００７５】
ここで、例えばＳｉＯ２はフッ酸に溶解するが、レジストはフッ酸に溶解しないので、クラッド形成層をＳｉＯ２で形成し、コア形成層をレジストで形成するのがよい。
【００７６】
また、クラッド形成層及びコア形成層をともにネガ型のレジストで形成し、紫外線の照射によって、表面付近を感光して、現像の際に感光していないレジストの金属膜４０側の領域部分を部分的に除去することによって、図６に示した断面形状を得ることができる。
【００７７】
図７を参照して、第１実施形態の光導波路素子の動作について説明する。図７は、第１実施形態の光導波路素子の動作について説明するための特性図であって、３次元ＢＰＭ法によるシミュレーション結果を示している。
【００７８】
図７（Ａ）は、直線導波路での、クラッド層６４の厚みＳに対する出力光強度を示している。図７（Ａ）は、横軸にクラッド層６４の厚みＳ（単位：μｍ）を取って示し、及び、縦軸に出力光強度を取って示している。
【００７９】
図７（Ｂ）は、曲線導波路での、曲率半径に対する出力光強度を示している。図７（Ｂ）は、横軸に曲率半径Ｒ（単位：μｍ）を取って示し、及び、縦軸に出力光強度を取って示している。
【００８０】
図７（Ａ）及び（Ｂ）の縦軸の出力光強度は、いずれも入力光強度を１としたときの相対的な大きさである。
【００８１】
シミュレーションの条件として、基板２０をシリコン基板とし、コア層７０の幅Ｗ及びコア層７０の厚みＨをともに１μｍとし、金属膜の厚みＴを０．１μｍとし、また、クラッド層６４の幅Ｗｃｌを０．４μｍとして、波長１．５５μｍの光が伝播する場合について計算した。また、コア層７０及びクラッド層６４の屈折率をともに１．５６とし、光導波路５４の周囲の屈折率を１．０とし、金属膜４０の材料を銅（Ｃｕ）としている。
【００８２】
図７（Ａ）は、直線導波路の場合のシミュレーション結果であって、光導波路の長さＬを１０００μｍとしている。クラッド層６４の厚みＳが１μｍ以上では、クラッド層６４の厚みＳに対する依存性、すなわち、伝播ロスがほとんど無い。なお、出力光強度が０．９程度と、１よりも小さい値をとるのは、光導波路５４への光の入力における結合損失による。
【００８３】
このように第１実施形態の光導波路素子及びその製造方法によれば、参考例の効果に加えて、クラッド層６４の厚みＳを参考例の光導波路素子よりもさらに小さくすることができ、クラッド層６４の厚みＳが薄くなった分、作成が容易になる。
【００８４】
図７（Ｂ）は、曲線導波路の場合のシミュレーション結果であって、光導波路５４の長さＬを１００μｍとしている。参考例と同様に、曲率半径が６μｍ以上では、曲率半径Ｒに対する依存性、すなわち、光導波路外への放射ロスがほとんどない。なお、出力光強度が０．８程度と、１よりも小さい値をとるのは、光導波路５４への光の入力における結合損失による。また、クラッド層６４の厚みＳの違いによる、出力光強度の大きさのばらつきは、結合損失の違いによる。
【００８５】
（比較例）
図８を参照して、比較例について説明する。図８は、光導波路素子の比較例について説明するための概略図である。
【００８６】
図８（Ａ）は、比較例の主要部の切断端面を示している。比較例の光導波路素子１１０では、金属膜が存在せずに、基板１２０上に光導波路１５０が形成されている点と、クラッド層１６０の屈折率が１．４６である点が、図６を参照して説明した第１実施形態の構成と異なっていて、それ以外の点は同様である。
【００８７】
図８（Ｂ）及び（Ｃ）を参照して、比較例の動作について説明する。図８（Ｂ）及び（Ｃ）は、比較例の光導波路素子の動作について説明するための特性図であって、３次元ＢＰＭ法によるシミュレーション結果を示している。
【００８８】
図８（Ｂ）は、直線導波路での、クラッド層１６０の厚みＳに対する出力光強度を示している。図８（Ｂ）は横軸にクラッド層１６０の厚みＳ（単位：μｍ）を取って示し、及び、縦軸に出力光強度を取って示している。また、図８（Ｃ）は、曲線導波路での、曲率半径に対する出力光強度を示している。図８（Ｃ）は横軸に曲率半径Ｒ（単位：μｍ）を取って示し、及び、縦軸に出力光強度を取って示している。
【００８９】
図８（Ｂ）及び（Ｃ）の縦軸の出力光強度は、いずれも入力光強度を１としたときの相対的な大きさである。
【００９０】
この比較例では、コア層１７０の屈折率が１．５６であるのに対して、クラッド層１６０の屈折率が１．４６であり、クラッド層１６０の屈折率が、コア層１７０の屈折率よりも小さくなっている。すなわち、この比較例は、図７に示されるシミュレーションの条件よりも有利な条件での計算の結果を示している。
【００９１】
図８（Ｂ）では、クラッド層の幅方向の切れ込みの大きさＯｈを０μｍ、０．１５μｍ及び０．３μｍとした場合について、それぞれ曲線Ｉ、ＩＩ及びＩＩＩで示している。
【００９２】
図８（Ｂ）に示されるように、クラッド層１６０の幅方向の両側に０．３μｍずつの切れ込みがあって、クラッド層１６０の幅Ｗｃｌが０．４μｍの場合（曲線ＩＩＩ）には、クラッド層１６０の厚みＳが２μｍ以上の領域で、伝播ロスがほとんど無い。なお、図７（Ａ）では、クラッド層の屈折率について、図８（Ｂ）に示す比較例よりも不利な条件でのシミュレーションにも関わらず、クラッド層の厚みが1μｍ以上で、伝播ロスがなくなるので、金属膜の存在が有効であることがわかる。
【００９３】
また、クラッド層の切れ込みの大きさＯｈが０μｍの場合（曲線Ｉ）、すなわち、コア層１７０の幅Ｗとクラッド層１６０の幅Ｗｃｌが同じ場合、クラッド層１６０の厚みＳが１．７μｍの場合でも出力光強度が０．２以下である。このクラッド層１６０の両側の切れ込みを大きくするに従って、出力光強度が増加するので、第１実施形態のように、クラッド層１６０の幅Ｗｃｌをコア層１７０の幅Ｗよりも狭く形成するのが効果的であることがわかる。
【００９４】
なお、図８（Ｃ）によれば、金属膜を備えない場合であっても、クラッド層の厚みＳが１．７μｍであれば、曲率半径６μｍ以上では、出力光強度はほぼ一定であり、図７を参照して説明した第１実施形態と同様の結果を示している。
【００９５】
（第２実施形態）
図９（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）を参照して、第２実施形態の光導波路素子の構造について説明する。図９（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、第２実施形態の光導波路素子を説明するための概略図である。図９（Ａ）は平面図であり、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のＡ−Ａ線に沿って取った切断端面を示しており、また、図９（Ｃ）は、図９（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿って取った切断端面を示している。
【００９６】
なお、ここでは、光導波路を直線導波路として図示したが、曲線導波路としても良い。
【００９７】
第２実施形態の光導波路素子１６は、光導波路５６の導波方向（図９（Ａ）中Ｂ−Ｂ線に沿った方向）に沿った断面形状が参考例の光導波路素子と異なっており、それ以外の構成は、参考例と同様なので、重複する説明を省略する。
【００９８】
第２実施形態の光導波路素子１６では、クラッド層６６及びコア層７６の光導波方向に直角な方向の断面が長方形状であり、クラッド層６６の上面の面積が、コア層７６の上面の面積よりも小さい。
【００９９】
ここでは、クラッド層６６が、光導波方向に沿って、互いに離間した複数の柱状に形成されている場合について説明する。
【０１００】
クラッド層６６の幅が互いに離間した柱状に形成されているので、コア層７６の下側の、柱状部分の間（図中、矢印Ｃで示す部分）にコア層７６及びクラッド層６６よりも屈折率が低い物質（例えば空気）が入り込んでくる。このため、クラッド層６６とコア層７６を、同じ材質で形成しても、光導波路５６内に伝播光を閉じ込めることが可能になる。
【０１０１】
なお、クラッド層６６をコア層７６よりも屈折率が低い材料としても良い。クラッド層６６の屈折率をコア層７６の屈折率よりも小さくすれば、伝播光が金属膜４６に吸収される割合が減るので好適である。
【０１０２】
次に、第２実施形態の光導波路素子１６の製造方法について説明する。金属膜４６を形成するまでの工程は、参考例と同様なので、重複する説明を省略する。
【０１０３】
金属膜４６上に、クラッド形成層を形成する。ここで、クラッド形成層は、エッチャントに対する溶解度の異なる２種の材料、例えば、ＳＵ−８（マイクロケム社製）とスピンオングラス膜を、光導波方向に沿って、交互に形成する。
【０１０４】
クラッド形成層上に例えば、ＳＵ−８によりコア形成層を形成した後、フォトリソグラフィにより光導波路を形成する。その後、スピンオングラス膜をエッチャントを用いて除去することにより、クラッド層を、光導波方向に沿って、互いに離間した複数の柱状に形成する。
【０１０５】
図１０を参照して、第２実施形態の光導波路素子の動作について説明する。図１０は、第２実施形態の光導波路素子の動作について説明するための特性図であって、３次元ＢＰＭ法によるシミュレーション結果を示している。
【０１０６】
図１０（Ａ）は、直線導波路での、クラッド層６６の厚みＳに対する出力光強度を示している。図１０（Ａ）は、横軸にクラッド層６６の厚みＳ（単位：μｍ）を取って示し、及び、縦軸に出力光強度を取って示している。図１０（Ｂ）は、曲線導波路での、曲率半径に対する出力光強度を示している。図１０（Ｂ）は、横軸に曲率半径Ｒ（単位：μｍ）を取って示し、及び、縦軸に出力光強度を取って示している。
【０１０７】
図１０（Ａ）及び（Ｂ）の縦軸の出力光強度は、入力光強度を１としたときの相対的な大きさである。
【０１０８】
シミュレーションの条件として、基板２０をシリコン基板とし、光導波路５６の幅Ｗ及びコア層７６の厚みＨをともに１μｍとし、金属膜の厚みＴを０．１μｍとして、波長１．５５μｍの光が伝播する場合について計算した。また、コア層７６及びクラッド層６６の屈折率をともに１．５６とし、光導波路の周囲の屈折率を１．０としている。
【０１０９】
ここでは、クラッド層６６の柱状部分は、以下のように形成されている。各柱状部は、光導波路方向に直角な方向の幅がコア層の幅Ｗと同じく１μｍであり、光導波路方向の長さＬｓが１μｍである。柱状部分は４０個入っている。
【０１１０】
図１０（Ａ）及び（Ｂ）は、金属膜４６の材料を銅（Ｃｕ）としている。
【０１１１】
図１０（Ａ）は、直線導波路の場合のシミュレーション結果であって、光導波路の長さＬを１０００μｍとしている。クラッド層６６の厚みが０．５μｍ以上の領域では、クラッド層６６の厚みＳに対する依存性、すなわち、伝播ロスがほとんどない。なお、出力光強度が０．７程度と、１よりも小さい値をとるのは、光導波路への光の入力における結合損失による。このように第２実施形態の光導波路素子１６によれば、クラッド層６６の厚みＳを、参考例又は第１実施形態の光導波路素子よりもさらに小さくすることができ、作成がより容易になる。
【０１１２】
図１０（Ｂ）は、曲線導波路の場合のシミュレーション結果であって、光導波路の長さＬを１００μｍとしている。第１実施形態と同様に、曲率半径Ｒが６μｍ以上では、曲率半径Ｒに対する依存性、すなわち、光導波路外への放射ロスがほとんどない。なお、出力光強度が０．８程度と、１よりも小さい値をとるのは、光導波路５６への光の入力における結合損失による。また、クラッド層６６の厚みＳの違いによる、出力光強度の大きさのばらつきは、結合損失の違いによる。
【０１１３】
このように第２実施形態の光導波路素子及びその製造方法によれば、参考例の効果に加えて、クラッド層６６の厚みＳを参考例の光導波路素子よりもさらに小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】参考例の光導波路素子の概略図である。
【図２】参考例の光導波路素子の動作を説明するための特性図（その１）である。
【図３】参考例の光導波路素子の動作を説明するための特性図（その２）である。
【図４】参考例の光導波路素子の動作を説明するための特性図（その３）である。
【図５】参考例の光導波路素子の他の構成例を示す概略図である。
【図６】第１実施形態の光導波路素子の概略図である。
【図７】第１実施形態の光導波路素子の動作を説明するための特性図である。
【図８】比較例を示す概略図である。
【図９】第２実施形態の光導波路素子の概略図である。
【図１０】第２実施形態の光導波路素子の動作を示す特性図である。
【符号の説明】
【０１１５】
１０、１２、１４、１６、１１０    光導波路素子
２０，１２０    基板
３０    電子集積回路
４０、４２、４６    金属膜
５０、５４、５６、１５０    光導波路
６０、６４、６６、１６０    クラッド層
７０、７６、１７０    コア層
【図１】
0005251037.tif 000002
【図２】
0005251037.tif 000003
【図３】
0005251037.tif 000004
【図４】
0005251037.tif 000005
【図５】
0005251037.tif 000006
【図６】
0005251037.tif 000007
【図７】
0005251037.tif 000008
【図８】
0005251037.tif 000009
【図９】
0005251037.tif 000010
【図１０】
0005251037.tif 000011