(57)【要約】【課題】外部の光学素子との間の光の結合損失を低減する光結合素子の製造方法を提供する。【解決手段】光結合素子は、基板１１と、基板上に配置される第１クラッド層１２と、第１クラッド層上に配置され、第１クラッド層１２よりも屈折率の高いコア層１３と、コア層上に配置され、コア層１３よりも屈折率の低い中間層１４と、中間層上に配置される回折格子層１５であって、離間して配置され、中間層１４よりも屈折率の高い複数の格子部１５ａと、格子部同士の間に配置され、回折格子層１５を貫通する溝部１５ｂとを有する回折格子層１５と、回折格子層を埋め込むように中間層１４上に配置され、格子部１５ａよりも屈折率の低い第２クラッド層１７と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に配置される第１クラッド層と、
前記第１クラッド層上に配置され、前記第１クラッド層よりも屈折率の高いコア層と、
前記コア層上に配置され、前記コア層よりも屈折率の低い中間層と、
前記中間層上に配置される回折格子層であって、離間して配置され、前記中間層よりも屈折率の高い複数の格子部と、前記格子部同士の間に配置され、前記回折格子層を貫通する溝部とを有する回折格子層と、
前記回折格子層を埋め込むように前記中間層上に配置され、前記格子部よりも屈折率の低い第２クラッド層と、
を備える光結合素子。
【請求項２】
前記回折格子層は、前記コア層よりも厚い請求項１に記載の光結合素子。
【請求項３】
前記回折格子層は、回折格子の周期が均一でない請求項１又は２に記載の光結合素子。
【請求項４】
前記回折格子層から放射される光の放射プロファイルにおける光の強度分布がガウス分布を有する請求項３に記載の光結合素子。
【請求項５】
前記第１クラッド層の一の端部側から延びる第１クラッド延出部と、
前記コア層の前記一の端部側から延びるコア延出部と、
前記中間層の前記一の端部側から延びる中間延出部と、
前記回折格子層の前記一の端部側から延びる回折格子延出部と、
前記第２クラッド層の前記一の端部側から延びる第２クラッド延出部と、
が積層された光導波路を備える請求項１〜４の何れか一項に記載の光結合素子。
【請求項６】
基板と、
前記基板上に配置される第１クラッド層と、
前記第１クラッド層上に配置され、前記第１クラッド層よりも屈折率の高い第１コア層と、
前記第１コア層上に配置され、前記第１コア層よりも屈折率の低い中間層と、
前記中間層上に配置され、前記中間層よりも屈折率の高い第２コア層と、が積層されて形成される積層体に対して、
前記中間層が露出するまで、前記第２コア層をエッチングして回折格子を形成し、
前記回折格子を埋め込むように、前記中間層上に、前記第２コア層よりも屈折率の低い第２クラッド層を形成する光結合素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光結合素子及び光結合素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光集積回路等の光回路と光ファイバ等の外部の光学素子との間で、光信号の入出力を行う光結合素子が用いられている。
【０００３】
光集積回路は、光学能動素子又は光学受動素子等の光学素子を、光導波路を用いて光学的に接続して集積した光回路である。例えば、シリコン基板上に複数の光学素子を集積したモノリシックな光集積回路が提案されている。
【０００４】
光集積回路は、例えば、高速で大容量の光通信において用いることが提案されている。光通信では、光集積回路と光ファイバとの間で光信号の入出力を行うための光結合素子が用いられる。
【０００５】
図１は、従来例の光結合素子を示す図である。
【０００６】
光結合素子１１０は、光ファイバ２０との間で光信号の入出力を行う光結合部１１０ａと、光結合部１１０ａとの間で光信号の伝搬を行う光導波路部１１０ｂを備える。
【０００７】
光結合部１１０ａは、基板１１１と、基板上に配置される第１クラッド層１１２と、第１クラッド層上に配置される回折格子層１１５と、回折格子層１１５上に配置される第２クラッド層１１７を有する。回折格子層１１５には、光ファイバ２０に向かって光を放射するように回折格子が形成されている。基板１１１と、第１クラッド層１１２と、第２クラッド層１１７は、光結合部１１０ａから光導波路部１１０ｂにわたって延びている。
【０００８】
光導波路部１１０ｂは、基板１１１と、基板上に配置される第１クラッド層１１２と、第１クラッド層上に配置される第１コア層１１６と、第１コア層１１６上に配置される第２クラッド層１１７を有する。光結合部１１０ａの回折格子層１１５は、第１コア層１１６が加工されて回折格子が形成された部分である。
【０００９】
例えば、外部から光結合素子１１０の光導波路部１１０ｂに入力された光信号は、光導波路部１１０ｂを伝搬した後、光結合部１１０ａの回折格子層１１５に入力して、回折格子層１１５から光ファイバ２０に向かって放射される。光ファイバ２０は、回折格子層１１５から放射された光信号を入力して伝搬する。また、光結合素子１１０は、光ファイバ２０から光結合素子１１０に向かって放射される光信号を、回折格子層１１５から入力して、光導波路部１１０ｂへ伝搬する。
【００１０】
回折格子層１１５を有する光結合素子１１０は、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて容易に形成可能である。回折格子層１１５を用いることにより、基板１１１上の面方向から光信号の入出力を行うことができるので、光結合素子１１０に対して光ファイバ２０を配置する位置に対する制約が少ないという利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１１−１０７３８４号公報
【特許文献２】特表２００４−５２５４１７号公報
【特許文献３】特開２０１０−４４２９０号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｆｒｅｄｅｒｉｃｋ  Ｖａｎ  Ｌａｅｒｅ  ｅｔ．ａｌ．，  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，  Ｖｏｌ．  ２５，  Ｎｏ．  １，  Ｊａｎｕａｒｙ  ２００７，  Ｐ１５１−１５６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
回折格子層１１５は、第１コア層１１６が、例えば第１コア層１１６の厚さ方向の途中の深さまでエッチングされて溝の部分が加工され、回折格子が形成される。このように、回折格子層１１５は、いわゆるハーフエッチング法を用いて、第１コア層１１６に凹凸形状が形成される。
【００１４】
ハーフエッチング法は、例えば、リアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）のエッチング時間を調整することにより、エッチングの深さが制御される。リアクティブ・イオン・エッチングのエッチング速度は、エッチングチャンバの温度変動又はマイクロローディング効果等により変化するので、ウエハ面内におけるエッチングの深さの面内不均一性又はウエハ間におけるエッチングの深さの不均一性が、１０％程度発生することが知られている。回折格子の溝の深さが異なると、光の放射角度が変化することになる。
【００１５】
そのため、１枚のウエハから複数の光結合素子を形成する場合、個々の光結合素子から放射される光の角度が異なることになる。又は、ウエハ毎に、個々の光結合素子から放射される光の角度が異なることになる。その結果、光結合素子と光ファイバとの間の光の結合損失が増加するか、又は、アライメント作業の手間が増加するおそれが生じる。
【００１６】
特に、複数の光結合素子が並べて配置された光結合素子のアレイと、複数の光ファイバが並べて配置された光ファイバのアレイとの間で光の入出力を行う場合には、光結合素子と光ファイバの対毎にアライメントが求められる。個々の光結合素子からの光の放射角度が異なると、光結合素子と光ファイバの対毎に結合損失が異なるという問題が生じ得る。
【００１７】
本明細書は、光ファイバ等の外部の光学素子との間の光の結合損失を低減する光結合素子を提供することを課題とする。
【００１８】
また、本明細書は、光ファイバ等の外部の光学素子との間の光の結合損失を低減する光結合素子の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本明細書に開示する光結合素子の一形態によれば、基板と、上記基板上に配置される第１クラッド層と、上記第１クラッド層上に配置され、上記第１クラッド層よりも屈折率の高いコア層と、上記コア層上に配置され、上記コア層よりも屈折率の低い中間層と、上記中間層上に配置される回折格子層であって、離間して配置され、上記中間層よりも屈折率の高い複数の格子部と、上記格子部同士の間に配置され、上記回折格子層を貫通する溝部とを有する回折格子層と、上記回折格子層を埋め込むように上記中間層上に配置され、上記格子部よりも屈折率の低い第２クラッド層と、を備える。
【００２０】
また、本明細書に開示する光結合素子の製造方法の一形態によれば、基板と、上記基板上に配置される第１クラッド層と、上記第１クラッド層上に配置され、上記第１クラッド層よりも屈折率の高い第１コア層と、上記第１コア層上に配置され、上記第１コア層よりも屈折率の低い中間層と、上記中間層上に配置され、上記中間層よりも屈折率の高い第２コア層とが積層されて形成される積層体に対して、上記中間層が露出するまで、上記第２コア層をエッチングして回折格子を形成し、上記回折格子を埋め込むように、上記中間層上に、上記第２コア層よりも屈折率の低い第２クラッド層を形成する。
【発明の効果】
【００２１】
本明細書に開示する光結合素子の一形態によれば、光ファイバ等の外部の光学素子との間の光の結合損失を低減する。
【００２２】
また、本明細書に開示する光結合素子の製造方法の一形態によれば、光ファイバ等の外部の光学素子との間の光の結合損失を低減する光結合素子が得られる。
【００２３】
本発明の目的及び効果は、特に請求項において指摘される構成要素及び組み合わせを用いることによって認識され且つ得られるだろう。
【００２４】
前述の一般的な説明及び後述の詳細な説明の両方は、例示的及び説明的なものであり、特許請求の範囲に記載されている本発明を制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来例の光結合素子を示す図である。
【図２】本明細書に開示する第１実施形態の光結合素子を示す断面図である。
【図３】第１実施形態の光結合素子を示す平面図である。
【図４】第１実施形態の光結合素子の放射光の光強度分布を示す図である。
【図５】ＴＥモードの光を第１実施形態の光結合素子に伝搬させる様子を示す図である。
【図６】第１実施形態の光結合素子の変型例を示す図である。
【図７】本明細書に開示する第２実施形態の光結合素子を示す断面図である。
【図８】第２実施形態の光結合素子の放射光の光強度分布を示す図である。
【図９】本明細書に開示する光結合素子のアレイを有する光半導体装置の一実施形態を示す図である。
【図１０】本明細書に開示する光結合素子の製造方法の一実施形態を示す図（その１）である。
【図１１】本明細書に開示する光結合素子の製造方法の一実施形態を示す図（その２）である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本明細書で開示する光結合素子の好ましい第１実施形態を、図を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。
【００２７】
図２は、本明細書に開示する第１実施形態の光結合素子を示す断面図であり、図３のＸ−Ｘ線断面図である。図３は、第１実施形態の光結合素子を示す平面図である。
【００２８】
本実施形態の光結合素子１０は、図３に示すように、光ファイバ２０との間で光の入出力を行う光結合部１０ａと、図示しない光回路との間で光の入出力を行う第１光導波路部１０ｂと、第１光導波路部１０ｂと光結合部１０ａとの間で光を伝搬する第２光導波路部１０ｃを備える。
【００２９】
光結合部１０ａは、基板１１と、基板１１上に配置される第１クラッド層１２と、第１クラッド層１２上に配置され、第１クラッド層１２よりも屈折率の高い第１コア層１３と、第１コア層１３上に配置され、第１コア層１３よりも屈折率の低い中間層１４を有する。
【００３０】
また、光結合部１０ａは、中間層１４上に配置される回折格子層１５を有する。回折格子層１５は、離間して配置される複数の格子部１５ａと、格子部１５ａ同士の間に配置され、回折格子層１５を貫通して形成される溝部１５ｂとを有する。複数の格子部１５ａ及び溝部１５ｂにより回折格子が形成される。格子部１５ａよりも屈折率の低い第２クラッド層１７が、回折格子層１５を埋め込むように中間層１４上に配置される。なお、図３は、第２クラッド層１７を除いた上面図である。
【００３１】
基板１１と、第１クラッド層１２と、第１コア層１３と、中間層１４は、光結合部１０ａから第１光導波路部１０ｂ及び第２光導波路部１０ｃにわたって延びている。
【００３２】
第１光導波路部１０ｂ及び第２光導波路部１０ｃは、中間層１４上に配置され、中間層１４よりも屈折率の高い第２コア層１６を有する。第２コア層１６上には、第２コア層１６よりも屈折率の低い第２クラッド層１７が、光結合部１０ａから延びている。第１光導波路部１０ｂ及び第２光導波路部１０ｃは、第１クラッド層１２と、第１コア層１３と、中間層１４と、第２コア層１６と、第２クラッド層１７とが積層して形成される。図２には、第１光導波路部１０ｂの断面は示されていないが、第１光導波路部１０ｂは、第２光導波路部１０ｃと同様の構成を有する。
【００３３】
以下、光結合部１０ａについて、更に、説明する。
【００３４】
回折格子層１５は、第２光導波路部１０ｃから入力した光信号を、光ファイバ２０に向けて放射する。また、回折格子層１５は、光ファイバ２０から入力した光信号を、第２光導波路部１０ｃに出力する。第２光導波路部１０ｃは、回折格子層１５から入力した光信号を、第１光導波路部１０ｂに出力する。光ファイバ２０は、コア部２１と、コア部２１を囲むクラッド部２２を有する。
【００３５】
回折格子層１５は、例えば第２コア層１６が、中間層１４が露出するまでエッチングされて、回折格子が加工されて形成される。溝部１５ｂは、回折格子層１５の厚さ方向の全体にわたり形成される。溝部１５ｂには、第２クラッド層１７を形成する材料が充填される。格子部１５ａの屈折率は、中間層１４及び第２クラッド層１７よりも高い。
【００３６】
回折格子層１５の回折格子の周期Ｓ１、溝部１５ｂの幅Ｓ２、回折格子層１５の厚さＴ３は、光ファイバ２０との間の光結合効率が高くなるように設定されることが好ましい。本実施形態では、回折格子層１５の回折格子の周期は均一である。回折格子層１５から出力される光の放射角度は、回折格子の周期Ｓ１、溝部１５ｂの幅Ｓ２、回折格子層１５の厚さＴ３に基づいて調整できる。例えば、回折格子層１５から出力される光の放射角度を、回折格子層１５の面方向に垂直な法線Ｌ１と一致させると、第２光導波路部１０ｃへ向かって反射する光の割合が大きくなるので、光の放射角度を法線Ｌ１に対して、８〜１０°傾斜させることが好ましい。図２に示す例では、光ファイバ２０が、コア部２１の中心軸Ｌ２を法線Ｌ１に対して１０°傾斜させて、光結合素子１０に対して配置されている。
【００３７】
回折格子層１５及び第２コア層１６は、例えば、シリコンを用いて形成される。シリコンとしては、単結晶シリコン、ポリシリコン又はアモルファスシリコンを用いることができる。本実施形態を実施する観点からは、単結晶シリコンを用いて、回折格子層１５及び第２コア層１６を形成することが好ましい。
【００３８】
回折格子層１５は、溝部１５ｂが、中間層１４が露出するように回折格子層１５を貫通して形成されるので、回折格子層１５から放射される光の内、基板１１側に向かう割合が、図１に示す回折格子層１１５の場合よりも大きくなるおそれがある。そこで、中間層１４の下方に第１コア層１３を配置することにより、回折格子層１５から基板１１側に向かって放射された光を、第１コア層１３を用いて光ファイバ２０に向かって反射するようになされている。
【００３９】
なお、回折格子層１５の回折格子の周期Ｓ１、溝部１５ｂの幅Ｓ２、回折格子層１５の厚さＴ３を適宜設定することにより、回折格子層１５から放射される光の内、基板１１側に向かう割合を少なくすることができる。
【００４０】
第１光導波路部１０ｂは、例えば、シリコン細線光導波路である。第１光導波路部１０ｂは、図示しない光回路から入力した光信号を、第２光導波路部１０ｃへ伝搬する。また、第１光導波路部１０ｂは、第２光導波路部１０ｃから入力した光信号を、図示しない光回路へ伝搬する。
【００４１】
図３に示すように、第２光導波路部１０ｃは、第１光導波路部１０ｂから光結合部１０ａに向かって幅が広がるテーパ形状を有している。第２光導波路部１０ｃの形状は、伝搬する光のモードフィールド形状が断熱的に変化するように、モードフィールド形状と整合するようになされているので、第２光導波路部１０ｃにおける光の損失は小さい。回折格子層１５は、第２光導波路部１０ｃにおける回折格子層１５側の端部と同じ幅を有して、光の伝搬方向に延びている。
【００４２】
第１光導波路部１０ｂ及び第２光導波路部１０ｃを伝搬する光は、第１コア層１３、中間層１４若しくは第２コア層１６又はこれらの内の複数に跨って伝搬する。
【００４３】
回折格子層１５及び第２コア層１６の厚さＴ３は、第１コア層１３の厚さＴ１よりも厚いことが、回折格子層１５及び第２コア層１６により多くの光を分布させて、第２光導波路部１０ｃを伝搬する光を効率良く回折格子層１５から放射する観点から好ましい。
【００４４】
中間層１４の厚さＴ２は、回折格子層１５及び第２コア層１６と第１コア層１３との間の光結合率、伝搬する光の偏波状態等に基づいて、適宜設定され得る。通常、光回路に実装される半導体レーザが発振する光の偏波状態は、ＴＥモード又はＴＭモードである。また、光ファイバから入力する光は、偏波されていないが、偏波器を用いることにより、ＴＥモード又はＴＭモードに偏波することができる。中間層１４は、例えば、ＳｉＯ２又はＳｉＯＮを用いて形成され得る。
【００４５】
図４は、第１実施形態の光結合素子の放射光の光強度分布を示す図である。
【００４６】
回折格子層１５から放射される光強度は、第２光導波路部１０ｃ側に近い程、回折格子からの回折光が強いので大きくなり、第２光導波路部１０ｃから離れるに従って、回折格子からの回折光が弱くなるので小さくなる。
【００４７】
次に、光結合素子１０の第１光導波路部１０ｂにＴＭモードの光信号を入力した場合の光の放射を、図２を参照して、以下に説明する。
【００４８】
図２に示すように、ＴＭモードの光は、屈折率の低い中間層１４に光のモードフィールドのピークが生じるように、第１光導波路部１０ｂ及び第２光導波路部１０ｃを伝搬するので、光結合部１０ａでは、主に中間層１４から回折格子層１５へ光が入力される。
【００４９】
光結合部１０ａでは、回折格子層１５から光が放射される時、屈折率の低い光導波路から回折格子層１５へ光が入力する方が、動作波長帯域が向上する。本実施形態において、ＴＭモードの光は、中間層１４の部分に光のモードフィールドが閉じ込められやすいので、光導波路の実効的な屈折率が低くなり、動作波長帯域が向上する。
【００５０】
例えば、第１コア層１３を単結晶シリコンにより形成して、厚さを２００ｎｍとし、中間層１４をＳｉＯ２を用いて形成して、厚さを２００ｎｍとする。回折格子層１５及び第２コア層１６を単結晶シリコン、ポリシリコン又はアモルファスシリコンにより形成して、厚さを３００ｎｍとする。回折格子層１５は、回折格子の周期Ｓ１を７００ｎｍとして、溝部１５ｂの幅Ｓ２を３５０ｎｍとする。この時、図３に示すように、法線Ｌ１に対して中心軸Ｌ２が１０°傾斜した光ファイバ２に対して、光結合素子１０との光結合の動作波長幅は、最適結合効率から１ｄＢ低下した位置で６０ｎｍ以上となる。一方、同じ材料を用いて図１に示す光結合素子１１０を形成した場合には、最適結合効率から１ｄＢダウンした場合の動作波長幅は４０ｎｍ以下となる。
【００５１】
次に、光結合素子１０の第１光導波路部１０ｂにＴＥモードの光信号を入力した場合の光の放射を、図５を参照して、以下に説明する。
【００５２】
図５に示すように、ＴＥモードの光は、屈折率の高い第１コア層１３及び第２コア層１６に光のモードフィールドのピークが生じるように、第１光導波路部１０ｂ及び第２光導波路部１０ｃを伝搬する。ここで、中間層１４の厚さＴ２を、第１コア層１３及び第２コア層１６がエバネッセント結合するような距離に設定すると、第１光導波路部１０ｂ及び第２光導波路部１０ｃは、方向性結合器（ＤＣ）として機能する。
【００５３】
例えば、第２コア層１６の回折格子層１５側の端部において、第２光導波路部１０ｃを伝搬する光のモードフィールドのピークが生じるように光導波路１０ｃの長さＳ３（図３参照）を設定し、第１コア層１３を単結晶シリコンにより形成して、厚さを１００ｎｍとし、中間層１４をＳｉＯ２を用いて形成して、厚さを１４０ｎｍとする。回折格子層１５及び第２コア層１６を単結晶シリコン、ポリシリコン又はアモルファスシリコンにより形成して、厚さを２００ｎｍとする。回折格子層１５は、回折格子の周期Ｓ１を７９０ｎｍとして、溝部１５ｂの幅Ｓ２を３９５ｎｍとする。この時、光導波路から回折格子層１５への光結合率を約５０％とすることができる。
【００５４】
上述した本実施形態の光結合素子１０によれば、回折格子層１５の溝部１５ｂは、回折格子層１５を貫通して形成される。従って、図１を参照して説明したような、回折格子に対するウエハ面内におけるエッチングの深さの面内不均一性又はウエハ間におけるエッチングの深さの不均一性は生じない。一枚のウエハ又は複数のウエハに形成される複数の光結合素子１０における回折格子層１５の光の放射角度の不均一性が低減するので、光ファイバ２０との間の光の結合損失を低減できる。このことは、アライメント作業の手間も低減する。
【００５５】
次に、上述した光半導体素子の第１実施形態の変形例を、図６を参照しながら、以下に説明する。
【００５６】
図６は、第１実施形態の光結合素子の変型例を示す図である。
【００５７】
本変型例の光結合素子１０では、第２光導波路部１０ｃは、第１光導波路部１０ｂ側の端部から光結合部１０ａに向かって扇形に幅が増大している。第１光導波路部１０ｂの幅は、第１光導波路部１０ｂを伝搬する光のモードフィールド形状よりも十分に大きな寸法を有して増大するようになされている。光結合部１０ａは、第２光導波路部１０ｃ側の端部から、第２光導波路部１０ｃの幅が増大する割合と同じ割合で、第２光導波路部１０ｃとは反対の方向に向かって扇形に幅が増大している。第２光導波路部１０ｃと光結合部１０ａとは、一体として扇形の輪郭を形成する。
【００５８】
第１光導波路部１０ｂから第２光導波路部１０ｃに入力した光信号は、第２光導波路部１０ｃ内を自由波として伝搬した後、光結合部１０ａの回折格子層１５から外部に向かって放射される。第２光導波路部１０ｃ内を自由波として伝搬する光は、損失も少なく伝搬する。
【００５９】
本変型例の光結合素子１０は、第２光導波路部１０ｃの光の伝搬方向の寸法を、上述した第１実施形態よりも短くすることができる。
【００６０】
次に、上述した光結合素子の第２実施形態を、図７及び図８を参照しながら以下に説明する。第２実施形態について特に説明しない点については、上述の第１実施形態に関して詳述した説明が適宜適用される。また、同一の構成要素には同一の符号を付してある。
【００６１】
図７は、本明細書に開示する第２実施形態の光結合素子を示す断面図であり、図２に対応する。図８は、第２実施形態の光結合素子の放射光の光強度分布を示す図である。
【００６２】
光結合素子との間で光信号の入出力を行う光ファイバ内を伝搬する光のモードフィールド形状は、ガウス分布を有する。一方、上述した第１実施形態の光結合素子が放射する光強度は、図４に示すように、ガウス分布ではない。そのため、第１実施形態の光結合素子が放射する光を、光ファイバが入力する場合、光結合の損失が生じるおそれがある。
【００６３】
本実施形態の光結合素子１０は、回折格子層１５から放射される光の放射プロファイルにおける光の強度分布がガウス分布を有することにより、光ファイバ２０との光の結合効率が向上する。
【００６４】
本実施形態の光結合素子１０は、回折格子層１５の回折格子の周期Ｓ１と溝部１５ｂの幅Ｓ２を、例えば、一周期毎に変化させて、非均一な周期の回折格子を有する。具体的には、第２光導波路部１０ｃ側の端部に近い回折格子の周期Ｓ１と溝部１５ｂの幅Ｓ２を小さくして、第２光導波路部１０ｃ側の端部から離れるのと共に回折格子の周期Ｓ１と溝部１５ｂの幅Ｓ２を大きくしている。回折格子層１５は、いわゆるアポダイズされた回折格子を有する。このようにして、回折格子層１５における第２光導波路部１０ｃ側の端部からの回折光の強度を弱めて、図８に示すように、ガウス分布型の光強度を有する放射光を出力するようになされている。
【００６５】
上述した本実施形態の光結合素子１０によれば、光ファイバ２０を伝搬する光のモードフィールド形状と一致するガウス分布型の光を放射するので、光ファイバ２０との光の結合効率が向上する。
【００６６】
ここで、図７に示すような、非均一な回折格子の周期を有する回折格子層を、図１を参照して説明したような、ハーフエッチング法を用いて形成した場合には、ガウス分布型の光の放射強度分布が設計通りに得られないおそれがある。これは、例えば、回折格子の周期や溝部の幅の変化によるエッチングの深さの面内分布のばらつきが大きいので、設計値からのパターン寸法ばらつきを引き起こし、放射される光の強度分布がガウス分布からずれるためである。一方、本実施形態の光結合素子１０は、エッチングの深さの面内不均一性を回避できるので、ガウス分布型の光の放射強度分布が得られる。
【００６７】
次に、上述した実施形態の光結合素子のアレイを有する光半導体装置を、図９を参照して、以下に説明する。
【００６８】
図９は、本明細書に開示する光結合素子のアレイの一実施形態を示す図である。
【００６９】
光半導体装置１は、複数の光結合素子１０が同じ基板上に並べて形成されたアレイを備える。各光結合素子１０は、光の伝搬方向が一致するように配置される。また、光半導体装置１は、光ファイバ２０のアレイを備える。各光ファイバ２０は、対応する光結合素子１０の光結合部１０ａとの間で光の入出力をするように配置される。
【００７０】
上述した本実施形態の光半導体装置によれば、複数の光信号を並列して、光結合素子１０と光ファイバ２０との間で入出力することができる。
【００７１】
また、本実施形態の光結合素子１０のアレイでは、各回折格子層のエッチングの深さの面内均一性が高いので、各回折格子層の光の放射角度の一致度が高いため、光ファイバ２０のアレイとのアライメントが容易となり、光の結合効率を向上できる。
【００７２】
次に、上述した本明細書に開示する光結合素子の製造方法の好ましい一実施形態の説明を、図１０及び図１１を参照しながら以下に行う。
【００７３】
まず、図１０（Ａ）に示すように、基板１１と、基板上に配置される第１クラッド層１２と、第１クラッド層１２上に配置され、第１クラッド層よりも屈折率の高い第１コア層１３とが積層されて形成される積層体を準備する。本実施形態では、積層体として、ＳＯＩウエハを用いた。基板１１は、シリコン基板であった。第１クラッド層１２は、ＳｉＯ２により形成され、厚さは２μｍであった。第１コア層１３は、単結晶シリコンにより形成され、厚さは２００ｎｍであった。ＳＯＩウエハを用いる場合、シリコン層の厚さは、第１コア層１３の厚さと同じであることが、製造を容易にする観点から好ましいが、厚めのシリコン層を有するＳＯＩウエハを用いて、シリコン層を所望する第１コア層１３の厚さになるようにエッチングしてもよい。
【００７４】
次に、図１０（Ｂ）に示すように、第１コア層１３上に、第１コア層１３よりも屈折率の低い中間層１４が形成される。本実施形態では、中間層１４として、ＳｉＯ２又はＳｉＯＮを、ＣＶＤ法を用いて堆積した。中間層１４の厚さは、２００ｎｍであった。
【００７５】
次に、図１０（Ｃ）に示すように、中間層１４上に、中間層１４よりも屈折率の高い第２コア層１６が形成される。第２コア層１６として、単結晶シリコン、ポリシリコン又はアモルファスシリコンを用いることができる。本実施形態では、第２コア層１６の厚さは、第１コア層１３よりも厚い３００ｎｍとした。なお、ＳＯＩウエハとして、図１に示す積層体上に中間層及び第２コア層が順番に形成されたウエハを用いて、図１０（Ｃ）に示す積層体を準備してもよい。
【００７６】
次に、図１１（Ｄ）に示すように、第２コア層１６の内、光結合部となる領域に回折格子層１５が形成される。回折格子層１５は、中間層１４が露出するまで、第２コア層１６がエッチングされ、回折格子が加工されて形成される。回折格子層１５は、離間して配置される複数の格子部１５ａと、格子部１５ａ同士の間に配置され、回折格子層１５を貫通する溝部１５ｂを有する。溝部１５ｂの底には、中間層１４が露出する。
【００７７】
回折格子層１５は、具体的には、以下のように形成され得る。まず、中間層１４上にハードマスクを形成し、ハードマスク上にレジスト層を形成する。次に、光結合部となる領域のレジスト層の部分に、回折格子のパターンを形成し、パターニングされたレジスト層をマスクとして、ＲＩＥ法を用いて、ハードマスクをエッチングする。残留したレジスト層を除去した後、パターニングされたハードマスクを用いて、中間層１４をエッチングストッパとして、中間層１４が露出するまで第２コア層１６がエッチングされて、回折格子層１５が第２コア層１６に形成される。回折格子の周期として、例えば７００ｎｍとしてもよい。
【００７８】
次に、回折格子層１５が形成された光結合部となる領域をマスクして、露出している第２コア層１６から第１コア層１３までをパターニングして、第１光導波路部１０ｂ及び第２光導波路部１０ｃの光導波路が形成される。そして、マスクを除去した後、図１１（Ｅ）に示すように、光導波路及び回折格子を埋め込むように、中間層１４上に、第２コア層１６よりも屈折率の低い第２クラッド層１７が形成されて、光結合素子１０が得られる。第２クラッド層１６は、例えば、ＣＶＤ法を用いて、ＳｉＯ２を数μｍ堆積させて形成することができる。
【００７９】
本発明では、上述した実施形態の光結合素子及び光結合素子の製造方法は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。また、一の実施形態が有する構成要件は、他の実施形態にも適宜適用することができる。
【００８０】
例えば、上述した各実施形態では、光結合素子は、光ファイバとの間で光の入出力を行っていたが、光結合素子が光の入出力をする光学素子は、光ファイバには限定されない。例えば、光結合素子は、発光ダイオード又はフォトダイオードとの間で光の入出力を行ってもよい。
【００８１】
ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、読者が、発明者によって寄与された発明及び概念を技術を深めて理解することを助けるための教育的な目的を意図する。ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、そのような具体的に述べられた例及び条件に限定されることなく解釈されるべきである。また、明細書のそのような例示の機構は、本発明の優越性及び劣等性を示すこととは関係しない。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、その様々な変更、置き換え又は修正が本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り行われ得ることが理解されるべきである。
【符号の説明】
【００８２】
１    光半導体装置
１０    光結合素子
１０ａ    光結合部
１０ｂ    第１光導波路部
１０ｃ    第２光導波路部
１１    基板
１２    第１クラッド層
１３    第１コア層
１４    中間層
１５    回折格子層
１５ａ    格子部
１５ｂ    溝部
１６    第２コア層
１７    第２クラッド層
２０    光ファイバ
２１    コア部
２２    クラッド部
３０    光結合素子のアレイ
４０    光ファイバのアレイ
【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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【図１０】
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【図１１】
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