JP2820202B2

JP2820202B2 - スポットサイズ変換器の製造方法

Info

Publication number: JP2820202B2
Application number: JP555696A
Authority: JP
Inventors: 忠彦花田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1996-01-17
Filing date: 1996-01-17
Publication date: 1998-11-05
Anticipated expiration: 2016-01-17
Also published as: JPH09197153A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スポットサイズ変
換器の製造方法に関し、特に、光導波路の幅方向のみな
らず高さ方向についてもスポットサイズの変換を行うス
ポットサイズ変換器の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光通信システムの構成要素である
光送受信モジュール等の小型化、薄型化が重要な課題と
なっている。そして、このような光送受信モジュールの
小型化、薄型化に伴ない、スポットサイズの異なる２つ
の光導波路をより高い効率で光結合させる必要性が高ま
っている。つまり、光通信システムにおける光源である
半導体レーザーダイオードや、光の増幅を行う半導体型
光アンプ、光路の切り替えを行う半導体型光スイッチ及
び光ゲート等と、光ファイバの実装基板として利用で
き、光フィルタ及び光カプラ等のパッシブな光部品を集
積化できる低損失の石英系光導波路との高効率な光結合
の必要性が高まっている。

【０００３】２つの光導波路（光導波路型デバイス）を
光結合する場合において、各光導波路のスポットサイズ
をＷ₁、Ｗ₂とし、これらの光導波路の間に軸ずれ、角
度ずれが無いと仮定すると、２つの光導波路の結合効率
ηは、η＝４／（Ｗ₁／Ｗ₂＋Ｗ₂／Ｗ₁）²、で表さ
れる。ここで、光導波路のスポットサイズとは、光導波
路における光の電界分布がガウシアンであると仮定した
とき、電界が最大値の１／ｅになるときの幅の１／２を
いう。

【０００４】例えば、半導体型光導波路デバイスと石英
系光導波路とを接続する場合、半導体型光導波路デバイ
スのスポットサイズは約１μｍ、石英系光導波路のスポ
ットサイズは約５μｍであって、その結合効率ηは、約
０．１４８となる。即ち、半導体型光導波路デバイスと
石英系光導波路とをそのまま結合すると、結合損失が約
８．３ｄＢにもなってしまう。そこで、スポットサイズ
の異なる２つの光導波路を接続する場合には、スポット
サイズの違いによる結合損失を無くすために、これら２
つの光導波路の間でスポットサイズの変換を行うスポッ
トサイズ変換器が挿入結合される。

【０００５】図３に、一般的な導波路型スポットサイズ
変換器を示す。このスポットサイズ変換器は、シリコン
基板３１上に形成された石英系光導波路層３２を有して
いる。ここで、石英系光導波路層３２は、シリコン基板
３１上に成膜された下層クラッド層３３と、下層クラッ
ド層３３上に成膜されテーパ形状にパターニングされた
下層クラッド層３３よりも高屈折率のコア層３４と、コ
ア層３４を埋め込む上層クラッド層３５とを有してい
る。

【０００６】このスポットサイズ変換器は、上述のよう
にコア層３４の形状をテーパ形状とすることによって、
横方向（図の矢印方向）に関して光導波路の幅を段階的
に変化させ、スポットサイズを変化させている。

【０００７】ところが、このスポットサイズ変換器で
は、高さ方向（図の上下方向）に関して全く考慮されて
おらず、高さ方向のスポットサイズが異なる光導波路同
士を結合する場合において、大きな結合損失が発生する
という欠点がある。

【０００８】このような欠点を解消した従来のスポット
サイズ変換器として、Journal of Lightwave Technolog
y, Vol.8 No.4, APRIL 1990 に記載されたスポットサイ
ズ変換器がある。そのスポットサイズ変換器の断面図を
図４に示す。

【０００９】図４のスポットサイズ変換器は、図４に示
すように、シリコン基板４１上に、反射防止膜４２、下
層クラッド層４３、コア層４４、及び上層クラッド層４
５が形成されている。このスポットサイズ変換器の製造
は以下のようにして行われる。

【００１０】まず、シリコン基板４１上に反射防止層４
２を形成し、その上に、石英よりなる屈折率1.4638、厚
さ６μｍの下層クラッド層４３を成膜する。次に、高さ
の異なるコア層４４ａ及び４４ｂを順次成膜する。この
コア層４４ａ及び４４ｂの成膜は、まず、コア層４４ａ
を成膜する領域以外の領域にマスクを形成し、屈折率1.
54、厚さ0.6 μｍの高屈折率コア層４４ａを成膜する。
このコア層４４ａの形状は、滑らかなテーパ形状（図３
参照）とする。この後、マスクを剥離除去し、コア層４
４ｂを成膜する領域以外の領域にマスクを形成する。そ
して、屈折率1.4638、厚さ3.5 μｍのコア層４４ｂを成
膜する。最後に、マスクを剥離除去した後、屈折率1.46
38、厚さ４μｍの上部クラッド層４５を成膜してコア層
４４ａ、４４ｂを覆い、スポットサイズ変換器とする。

【００１１】このスポット変換器では、スポットサイズ
の小さい光源から出射した光がコア４４ａと効率良く結
合した後、コア４４ｂへと伝搬する。このとき、スポッ
トサイズは、幅方向及び高さ方向について変換され、0.
5 μｍから2.7 μｍへと変化する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】従来、横方向及び高さ
方向に関して導波路の幅を制御したスポットサイズ変換
器を製造するためには、コア層を形成するために、２度
にわたるコア層の成膜と、同数のマスクの成膜とが必要
で、製造に手間がかかるという問題点がある。

【００１３】また、このコア層形成時の、２度目のマス
ク形成は、段差を有する表面に対して行われるため、め
あわせにおけるずれの影響を受けやすく、製造されたス
ポットサイズ変換器に過剰損失が発生しやすいという問
題点もある。

【００１４】本発明は、コア層の成膜プロセスとコア層
をパターニングするためのマスク形成工程がそれぞれ１
回ですみ、また、コア層をパターニングする際のマスク
を平面上に形成することができるスポット変換器の製造
方法を提供することを目的とする。

【００１５】また、本発明は、過剰損失の発生がないス
ポットサイズ変換器を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、入射側
のスポットサイズと出射側のスポットサイズが異なる光
導波路を基板上に形成するスポットサイズ変換器の製造
方法において、前記基板の表面に段差を形成する工程
と、該段差が形成された基板上に該段差と交差する向き
に前記光導波路を形成する工程とを含むことを特徴とす
るスポットサイズ変換器の製造方法が得られる。

【００１７】また、本発明によれば、前記光導波路を形
成する工程が、前記基板上に下層クラッドを形成する工
程と、該下層クラッド上にコアを形成する工程と、該コ
アを研磨して当該コアの表面を平坦化する工程と、該コ
アを埋め込む上層クラッドを形成する工程とを含むこと
を特徴とするスポットサイズ変換器の製造方法が得られ
る。なお、ここでは、コアの厚みが、基板に形成された
段差の高さよりも厚くなるようにする必要がある。

【００１８】さらに、本発明によれば、前記下層クラッ
ドの形成工程において、該下層クラッドの厚みを前記段
差の高さよりも厚くするとともに、該下層クラッドを研
磨して当該下層クラッドの表面に表われる段差の高さを
前記基板の段差の高さよりも小さくしたことを特徴とす
るスポットサイズ変換器の製造方法が得られる。

【００１９】さらにまた、本発明によれば、前記光導波
路を形成する工程が、前記基板上に第１の下層クラッド
を形成する工程と、該第１の下層クラッド上に第２の下
層クラッドを形成する工程と、少なくとも該第２の下層
クラッドを研磨して前記第１の下層クラッドを露出させ
て表面を平坦化する工程と、前記第１及び第２の下層ク
ラッドの表面にコアを形成する工程と、該コアを埋め込
む上層クラッドを形成する工程とを含むことを特徴とす
るスポットサイズ変換器の製造方法が得られる。なお、
ここでは、前記第１の下層クラッドと前記第２の下層ク
ラッドとの厚みの合計が、前記段差の高さよりも大きい
ことが必要である。また、前記第１の下層クラッドと前
記第２の下層クラッドとは、互いに屈折率の異なる材料
を用いなければならない。

【００２０】また、本発明のよれば、コアを所定形状に
パターニングする工程を含むスポットサイズ変換器の製
造方法が得られる。

【００２１】加えて、本発明によれば、入射側のスポッ
トサイズと出射側のスポットサイズが異なる光導波路が
基板上に形成されたスポットサイズ変換器において、前
記基板の表面に段差が形成されており、前記光導波路が
前記基板上に前記段差と交差する向きに形成されている
ことを特徴とするスポットサイズ変換器が得られる。

【００２２】また、本発明によれば、前記光導波路が、
前記基板上に形成された下層クラッドと、該下層クラッ
ド上に形成され、上面が研磨により平坦化されたコア
と、該コアを埋め込む上層クラッドとを有することを特
徴とするスポットサイズ変換器が得られる。

【００２３】さらに、本発明によれば、前記下層クラッ
ドの上面に表われる段差が、該下層クラッドの研磨によ
り、前記基板表面の段差よりも小さくなっていることを
特徴とするスポットサイズ変換器が得られる。

【００２４】さらにまた、本発明によれば、前記光導波
路が、前記基板上に形成された第１の下層クラッドと、
該第１の下層クラッドの上面の段差を消滅させるよう
に、該第１の下層クラッド上に形成された第２の下層ク
ラッドと、前記第１の下層クラッド及び前記第２の下層
クラッドにより形成される平面上に形成されたコアと、
該コアを埋め込む上層クラッドとを有することを特徴と
するスポットサイズ変換器が得られる。ここで、前記第
１の下層クラッドと前記第２の下層クラッドとの屈折率
が互いに異なっている。

【００２５】また、本発明によれば、前記コアが所定形
状にパターニングされていることを特徴とするスポット
サイズ変換器が得られる。

【００２６】

【作用】基板に段差を設けているので、その上に形成さ
れたコアを研磨してその表面を平坦にすれば、コアの厚
さを光の伝搬方向に沿って段階的に滑らかに変化させる
ことができる。また、コアの表面が平坦なので、コアの
パターニングに使用されるマスクの作製を容易かつ精度
良く行うことができる。

【００２７】あるいは、段差を設けた基板上に形成した
第１の下層クラッドの表面に表われる段差を埋めるよう
に第２の下層クラッドを形成するようにしたことで、こ
れら下層クラッド上に形成されるコアの表面は平坦とな
り、マスクの作製を容易かつ精度良く行うことができ
る。

【００２８】高さ方向のスポットサイズ変換動作は、コ
アの厚さの変化、あるは、下層クラッドの屈折率変化に
より実現できる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。図１に本発明のスポットサ
イズ変換器の第１の実施の形態の断面図を示す。このス
ポットサイズ変換器は、表面に段差を有するシリコン基
板１１、シリコン基板１１上に形成された下層クラッド
１２、下層クラッド１２上に形成され、研磨によって表
面を平坦化したコア１３、及びコア１３を埋め込む上層
クラッド１４を有している。

【００３０】このスポットサイズ変換器の製造は次のよ
うにして行われる。即ち、まず、（１００）面が基板表
面であるシリコン基板１１を用意する。そして、基板１
１の表面の所定領域（段差の高い部分となる領域）に、
酸化珪素のエッチングマスク（図示せず）を形成する。
このエッチングマスクの形成は、通常のフォトリソグラ
フィの技術を用いて形成することができる。

【００３１】次に、イソプロピルアルコールを添加した
４９wt％水酸化カリウム水溶液による異方性エッチング
によって、基板１１に高さ４μｍの段差を形成する。こ
の異方性エッチングにより基板１１の表面に形成される
段差の傾きは、面方位を所定の方向に傾けた基板を使用
することにより任意の傾きとすることができる。

【００３２】なお、基板材料としては、シリコン基板以
外に、ガラス基板や、ガリウム砒素、インジウムリン等
のIII −Ｖ族半導体基板、セラミック基板などを使用す
ることができる。また、段差を形成する方法として、ウ
ェットエッチング、ドライエッチング、リフトオフ、選
択成長、研削、放電加工など様々な方法を用いることも
できる。

【００３３】次に、上記のように表面に段差を形成した
基板１１の上に、ＣＶＤ法を用いて下層クラッド１２を
厚さ１５μｍとなるように形成する。この下層クラッド
１２としては、例えば、屈折率1.468 の、リンをドープ
した石英であるＰＳＧ（phosphosilicate glass ）が利
用できる。

【００３４】次に、同じくＣＶＤ法を用いて、下層クラ
ッド１２の上にコア１３を厚さ７μｍとなるように形成
する。コア１３としては、例えば、屈折率1.479 の、ゲ
ルマニウム及びリンをドープした石英であるＧＰＳＧを
用いることができる。続いて、このコア１３の表面の段
差を消滅させるように、コア１３を研磨する。ここで
は、基板の段差の高さが４μｍとしたので、コア１３の
段差の高いほうのみを４μｍだけ研磨すれば、コア１３
の表面は平坦化される。この結果、コア１３は、厚さが
光の導波方向に沿って３μｍから７μｍへと滑らかに変
化する構造となる。なお、コア１３の厚さが段差の大き
さより大きくなければ、その平面を平坦にすることがで
きないことはいうまでもない。

【００３５】次に、フォトリソグラフィにより、コア１
３の表面上にレジストマスクを形成し、反応性イオンエ
ッチングによりコア１３をエッチングしてコアリッジを
形成する。コアリッジの形状は、マスクの形状により任
意の形状に制御できるが、ここではテーパ形状（図３参
照）とする。例えば、コアリッジの端部の幅は、厚さ３
μｍ側（図の左側）で３μｍ、厚さ７μｍ側（図の右
側）で７μｍとする。

【００３６】この後、レジストマスクを剥離除去し、Ｃ
ＶＤ法により上部クラッド１４を厚さ１５μｍ形成す
る。

【００３７】こうして得られたスポットサイズ変換器で
は、２．５μｍから３．８μｍへのスポットサイズ変換
動作が実現できる。このスポットサイズ変換器によれ
ば、スポットサイズ１．２μｍの半導体光導波路と、石
英系光導波路との接続損失が、従来より、１．３ｄＢ減
少した。

【００３８】なお、ここでは、クラッド１２、１４及び
コア１３の成膜をＣＶＤ方を用いて行ったが、火炎堆積
法、スパッタ法、ゾル−ゲル法、及びスピンコート法な
どの導波路材料塗布方法等により行うこともできる。

【００３９】また、コア１３とクラッド１２、１４との
間に屈折率差を生じさせるために、石英ガラスのドーパ
ントとして、ゲルマニウムやリンなどを用いたが、チタ
ンや、ボロン、あるいはタンタル等も使用することがで
きる。

【００４０】また、上記実施の形態では、コア１３の厚
い部分と薄い部分との厚みの差は、基板１１に形成した
段差と等しくなるが、下層クラッド１２を研磨するよう
にすれば、基板１１上に形成された段差の高さよりもコ
ア１３の厚みの差を小さくすることができる。この場
合、基板１１に形成された段差の高さよりも厚い下層ク
ラッド１２を形成することが好ましい。

【００４１】上記製造方法によれば、コアリッジの作製
に必要なレジストマスクの形成工程が１回であり、この
レジストマスクは平坦なコア１３表面上に形成される。
したがって、製造工程が簡略化されると共に、コアリッ
ジを精度良く形成することができ、歩留まりの向上、結
合損失の減少（過剰損失の減少）を実現することができ
る。

【００４２】次に、図２を参照して本発明のスポットサ
イズ変換器の第２の実施の形態について説明する。この
スポットサイズ変換器は、表面に段差が形成された基板
２１、基板上に形成された第１の下層クラッド２２、第
１の下層クラッド２２の表面に表われる段差を埋めるよ
うに形成された第２の下層クラッド２３、第１及び第２
の下層クラッド２２、２３上に形成されたコア２４、及
びコア２４上に形成された上層クラッド２５を有してい
る。

【００４３】このスポットサイズ変換器の製造は、次の
ようにして行われる。即ち、第１の実施の形態と同様に
して、高さ４μｍの段差を形成した基板２１の上に、屈
折率1.468 、厚さ１０μｍの第１の下層クラッド２２を
成膜し、さらに、その上に屈折率1.43、厚さ４μｍの第
２の下層クラッド２３を成膜する。そして、第２のクラ
ッド２３を研磨して第１の下層クラッド２２を露出さ
せ、表面を平坦化する。ここで、第２の下層クラッド２
３を研磨して表面を平坦化するには、第１の下層クラッ
ドと第２の下層クラッドとの厚さの合計が段差の高さよ
り大きくなければならないことはいうまでもない。ま
た、第１の下層クラッド２２を露出させた後、さらに、
第１及び第２の下層クラッド２２、２３を研磨しても良
い。

【００４４】次に、平坦化された第１及び第２の下層ク
ラッド２２、２３の表面に屈折率1.479 、厚さ６μｍの
コア２４を成膜し、フォトリソグラフィによりレジスト
マスクを形成してエッチングを行い、コアリッジを形成
する。

【００４５】最後に、屈折率1.468 、厚さ１０μｍの上
層クラッド２５を成膜してコアリッジを埋め込み、スポ
ットサイズ変換器とする。

【００４６】このスポットサイズ変換器では、第２の下
層クラッド２３上の光導波路が、第１の下層クラッド２
２上の光導波路に比べて、屈折率差が大きくなるので、
光の閉じ込めが弱くなり光の電界分布が広くなる。逆
に、下層クラッド２２上の光導波路は、光の閉じ込めが
強くなり電界分布が狭くなる。この結果、このスポット
サイズ変換器によるスポットサイズの変換が実現され
る。

【００４７】なお、第１の下層クラッド２２と第２の下
層クラッド２３の屈折率は互いに異なっていればよく、
第２のクラッド２３の屈折率が、第１の下層クラッド２
２の屈折率よりも大きくても良い。

【００４８】

【発明の効果】スポットサイズ変換器の基板として段差
を形成した基板を用いるようにしたことで、高さ方向の
スポットサイズを制御できるスポットサイズ変換器を容
易に精度良く製造することができる。

【００４９】具体的には、段差を形成した基板を用いる
ことで、コアの上面を平坦にでき、コアリッジ作製用の
レジストマスクを平面上に形成することができるので、
作製精度が向上する。これにより、過剰損失の発生が抑
制されたスポットサイズ変換器を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスポットサイズ変換器の第１の実施の
形態を示す断面図である。

【図２】本発明のスポットサイズ変換器の第２の実施の
形態を示す断面図である。

【図３】一般的なスポットサイズ変換器の斜視図であ
る。

【図４】従来のスポットサイズ変換器の断面図である。

【符号の説明】

１１シリコン基板１２下層クラッド１３コア１４上層クラッド２１基板２２第１の下層クラッド２３第２の下層クラッド２４コア２５上層クラッド３１シリコン基板３２石英系光導波路層３３下層クラッド層３４コア層３４３５上層クラッド層４１シリコン基板４２反射防止膜４３下層クラッド層４４ａ，４４ｂコア層４５上層クラッド層

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】入射側のスポットサイズと出射側のスポ
ットサイズが異なる光導波路を基板上に形成するスポッ
トサイズ変換器の製造方法において、前記基板の表面に
段差を形成する工程と、該段差が形成された基板上に該
段差と交差する向きに前記光導波路を形成する工程とを
含むことを特徴とするスポットサイズ変換器の製造方
法。
【請求項２】前記光導波路を形成する工程が、前記基
板上に下層クラッドを形成する工程と、該下層クラッド
上にコアを形成する工程と、該コアを研磨して当該コア
の表面を平坦化する工程と、該コアを埋め込む上層クラ
ッドを形成する工程とを含むことを特徴とする請求項１
のスポットサイズ変換器の製造方法。
【請求項３】前記コアの形成工程において、該コアの
厚みが、前記段差の高さよりも厚くなるようにしたこと
を特徴とする請求項２のスポットサイズ変換器の製造方
法。
【請求項４】前記下層クラッドの形成工程において、
該下層クラッドの厚みを前記段差の高さよりも厚くする
とともに、該下層クラッドを研磨して当該下層クラッド
の表面に表われる段差の高さを前記基板の段差の高さよ
りも小さくしたことを特徴とする請求項２のスポットサ
イズ変換器の製造方法。
【請求項５】前記コアの表面を平坦化する工程の後、
該コアを所定形状にパターニングする工程を行うことを
特徴とする請求項２、３、または、４のスポットサイズ
変換器の製造方法。
【請求項６】前記光導波路を形成する工程が、前記基
板上に第１の下層クラッドを形成する工程と、該第１の
下層クラッド上に第２の下層クラッドを形成する工程
と、少なくとも該第２の下層クラッドを研磨して前記第
１の下層クラッドを露出させて表面を平坦化する工程
と、前記第１及び第２の下層クラッドの表面にコアを形
成する工程と、該コアを埋め込む上層クラッドを形成す
る工程とを含むことを特徴とする請求項１のスポットサ
イズ変換器の製造方法。
【請求項７】前記第１の下層クラッドと前記第２の下
層クラッドとの厚みの合計が、前記段差の高さよりも大
きいことを特徴とする請求項６のスポットサイズ変換器
の製造方法。
【請求項８】前記第１の下層クラッドと前記第２の下
層クラッドとは、互いに屈折率の異なる材料を用いて形
成されることを特徴とする請求項６または７のスポット
サイズ変換器の製造方法。
【請求項９】前記コアを形成する工程の後、該コアを
所定形状にパターニングする工程を行うことを特徴とす
る請求項６、７、または、８のスポットサイズ変換器の
製造方法。
【請求項１０】入射側のスポットサイズと出射側のス
ポットサイズが異なる光導波路が基板上に形成されたス
ポットサイズ変換器において、前記基板の表面に段差が
形成されており、前記光導波路が前記基板上に前記段差
と交差する向きに形成されていることを特徴とするスポ
ットサイズ変換器。
【請求項１１】前記光導波路が、前記基板上に形成さ
れた下層クラッドと、該下層クラッド上に形成され、上
面が研磨により平坦化されたコアと、該コアを埋め込む
上層クラッドとを有することを特徴とする請求項１０の
スポットサイズ変換器。
【請求項１２】前記下層クラッドの上面に表われる段
差が、該下層クラッドの研磨により、前記基板表面の段
差よりも小さくなっていることを特徴とする請求項１１
のスポットサイズ変換器。
【請求項１３】前記コア層が所定形状にパターニング
れていることを特徴とする請求項１１または１２のスポ
ットサイズ変換器。
【請求項１４】前記光導波路が、前記基板上に形成さ
れた第１の下層クラッドと、該第１の下層クラッドの上
面の段差を消滅させるように、該第１の下層クラッド上
に形成された第２の下層クラッドと、前記第１の下層ク
ラッド及び前記第２の下層クラッドにより形成される平
面上に形成されたコアと、該コアを埋め込む上層クラッ
ドとを有することを特徴とする請求項１０のスポットサ
イズ変換器。
【請求項１５】前記第１の下層クラッドと前記第２の
下層クラッドとの屈折率が互いに異なっていることを特
徴とする請求項１４のスポットサイズ変換器。
【請求項１６】前記コアが所定形状にパターニングさ
れていることを特徴とする請求項１４または１５のスポ
ットサイズ変換器。