JP2004037580A - 光結合装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】光結合損失の低減および小型化および低コスト化を図れる光結合装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】シリコン基板からなる支持基板１の一表面側に、下部クラッド層となるシリコン酸化膜２とシリコンからなるコア３ａと空気とで構成される光導波路３０が設けられるとともに、光導波路３０と離間して配置し光導波路３０に光結合させる光ファイバ２０を位置決めする断面Ｖ字状のＶ溝からなる位置決め溝５が形成されている。支持基板１の上記一表面側において位置決め溝５と光導波路３０との間に周期的な凹凸パターンよりなる下地パターン６が形成されており、光ファイバ２０と光導波路３０とを光結合する屈折率周期構造体よりなる光結合デバイス４０が、下地パターン６上に自己整合的に形成されている。
【選択図】 図１
【解決手段】シリコン基板からなる支持基板１の一表面側に、下部クラッド層となるシリコン酸化膜２とシリコンからなるコア３ａと空気とで構成される光導波路３０が設けられるとともに、光導波路３０と離間して配置し光導波路３０に光結合させる光ファイバ２０を位置決めする断面Ｖ字状のＶ溝からなる位置決め溝５が形成されている。支持基板１の上記一表面側において位置決め溝５と光導波路３０との間に周期的な凹凸パターンよりなる下地パターン６が形成されており、光ファイバ２０と光導波路３０とを光結合する屈折率周期構造体よりなる光結合デバイス４０が、下地パターン６上に自己整合的に形成されている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信、特に波長多重通信や超高速光通信などに用いる光結合装置およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、通信容量の需要増加を背景に波長分割多重方式による光通信システムの普及が進んでいる。波長分割多重方式では、複数の波長の光を独立の信号により変調させた後、合波器などで光波長を多重化して１本の光ファイバに送り出すので、１本の光ファイバの伝送容量を飛躍的に増大させることができる。今後、このような波長分割多重通信が進展し、チャネル数が１００以上となる高密度波長分割多重通信の実現が必要となってくると思われる。
【０００３】
そこで、現状の波長分割多重通信用に用いられている光素子のさらなる小型化が要求されている。例えば、この種の光素子の一つであるアレイ導波路回折格子（Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ ＡＷＧ）は、そのサイズが数ｃｍ□であり、合波器などの光部品の小型化を考えると、ＡＷＧ自体の更なる小型化が必要である。ここにおいて、光素子の小型化のボトルネックとなっている主要因は、光素子のサイズを決定している光導波路の断面積および曲げ半径である。このため光導波路での光閉じ込め効果を高めて、光導波路の断面積および曲げ半径を小さくする研究開発が近年盛んに行われており、例えば、光導波路のコアとクラッドとの屈折率差を非常に大きくして光閉じ込め効果を高めた高屈折率差光導波路素子や、光の波長オーダの屈折率周期構造体よりなるフォトニック結晶での多重反射を利用し１μｍ以下のコア径と数μｍの曲げ半径とを実現したフォトニック結晶型素子がある。
【０００４】
ところで、１μｍ以下の微小な断面積を有する光導波路を実際の光通信システムにおいて使用するためには既存の光ファイバと光結合させる必要であるが、光ファイバのコア径は一般に１０μｍ程度であるため、低損失で光結合を行うためには導波光のスポットサイズを１０μｍから１μｍ以下へ変換する必要がある。
【０００５】
ここに、導波光のスポットサイズを変換する手段としてはレンズを用いることが従来から行われていたが、部品点数が増加するという問題があり、しかも、光ファイバや導波路と±１μｍ以下のアライメント精度で結合することが難しいという問題があり、光を入射させて出力光強度が最大になる位置を探しながらアライメントを行う所謂アクティブアライメントを行わなければならず、生産効率が著しく悪化するので、レンズを用いずに導波光のスポットサイズを変換する方法が必要であった。
【０００６】
これに対して、近年では、レンズを用いずに導波光のスポットサイズを変換する光結合デバイスとして、特開平８−２３４０６２号公報に開示されたものが知られている。この公報に記載の光結合デバイスは、図１６に示すように、半導体基板７１の一表面上に光の伝搬方向に沿って断面積が徐々に小さくなるコア７２を形成するとともに、半導体基板７１の一表面側にコア７２を覆うようにクラッド層７３が形成されている。なお、図１６では、光の入射端面におけるコア７２の厚さをｔ１、幅をＷ１とし、光の出射端面におけるコア７２の厚さをｔ２、幅をＷ２とすれば、ｔ１＞ｔ２、且つ、Ｗ１＞Ｗ２となっている。
【０００７】
図１６に示した光結合デバイスでは、クラッド層７３の屈折率がコア７２の屈折率よりも小さく且つ半導体基板７１の屈折率よりも大きく設定されており、クラッド層７３とコア７２と半導体基板７１とで光導波路を構成している。また、この光結合デバイスでは、クラッド層７３の厚さｔ３がスポットサイズの大きい光導波素子のスポットサイズに合うように設計されている。このような光結合デバイスを用いて導波光のスポットサイズを変換すれば、スポットサイズの異なる光導波路素子同士を光結合することが可能になる。
【０００８】
しかし、図１６に示した構成の光結合デバイスでは、スポットサイズを短い距離で急激に変換しようとすると光導波路の外への放射損失が大きくなるので、コア７２の断面積を光の伝搬方向に沿って徐々に変化させる必要があり、光結合させる導波路間のスポットサイズの差が大きくなるにつれてコア７２の長さが長くなり、実用レベルではコア７２の長さが数ｍｍ程度となってしまい、光の伝搬方向における寸法Ｌも数ｍｍ程度となり小型化が難しいという問題がある。
【０００９】
そこで、この種の問題を解決するために、特開２００１−４８６９号公報には、フォトニック結晶を用いた光結合デバイスおよび光結合方法が提案されている。
【００１０】
この公報には、図１７に示すように、光ファイバ２０とフォトニック結晶を利用した導波路５０との間でスポットサイズを変換して光ファイバ２０と導波路５０とを光結合する光結合デバイス４０’として、光の波長と同程度の間隔で周期的な屈折率の変調構造を有するフォトニック結晶を採用している。この光結合デバイスでは、当該光結合デバイスを構成するフォトニック結晶の分散面を、例えば光の入射方向から見て傾斜しているように結晶配置および光入射方向を設定することにより、フォトニック結晶がレンズと同等の機能を果たし、数１００μｍ程度の短い変換領域で急激なスポットサイズ変換を実現することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１７に示した構成のようにフォトニック結晶からなる光結合デバイス４０’を用いて導波光のスポットサイズを変換するようにした場合、以下のような問題があった。
【００１２】
すなわち、フォトニック結晶は一般に入射光の入射角度に対する感度が非常に高いので、光ファイバ２０とフォトニック結晶からなる光結合デバイス４０’との相対的な位置関係や、光結合デバイス４０’と導波路５０との相対的な位置関係がずれると光結合デバイス４０’であるフォトニック結晶がレンズとしての機能を果たせなかったり、集光ポイントが大きくずれて導波路５０との結合効率が著しく低下するという問題があった。
【００１３】
また、導波光のスポットサイズの変換を必要とする光結合以外にも、簡易で低コスト化を図れる光結合方法の確立が期待されている。例えば、微小電気機械システム（ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ：ＭＥＭＳ）を採用したミラー式の光スイッチにおいては、図１８に示すように、入力側の複数本の光ファイバ２０ａ１〜２０ａ４それぞれから光軸方向に延長した直線との出力側の複数本の光ファイバ２０ｂ１〜２０ｂ４それぞれから光軸方向に延長した直線との交差点ごとにミラー７’を配置し、入力側の光ファイバ２０ａ１〜２０ａ４と出力側の光ファイバ２０ｂ１〜２０ｂ４とを低損失で光結合するために入力側の光ファイバ２０ａ１〜２０ａ４の出射面側にコリメートレンズ８０ａを配置するとともに、出力側の光ファイバ２０ｂ１〜２０ｂ４の入射面側にコリメートレンズ８０ｂを配置してあるが、部品点数の増加によるコスト増加の問題や、光ファイバとレンズとを±１μｍ程度のアライメント精度で光結合することが困難であるという問題があった。
【００１４】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、光結合損失の低減および小型化および低コスト化を図れる光結合装置およびその製造方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、上記目的を達成するために、相対的な位置が決められ互いに離間した複数の光通信用デバイスと、屈折率の異なる複数種類の物質の周期構造を有する屈折率周期構造体からなり複数の光通信用デバイスのうち規定の光通信用デバイス間を光結合する光結合デバイスと、各光通信用デバイスおよび光結合デバイスが一表面側に設けられた支持基板とを備え、光結合デバイスは、各光通信用デバイス間の相対的な位置決めに関わる１枚のフォトマスクに各光通信用デバイス用のマスクパターンとは別に光結合デバイス用に設けたマスクパターンにより支持基板の前記一表面側に形成された周期的な凹凸パターンからなる下地パターン上に自己整合的に形成されてなることを特徴とするものであり、光結合デバイスが屈折率の異なる複数種類の物質の周期構造を有する屈折率周期構造体からなることにより、光結合デバイスの小型化を図ることができ、また、光結合デバイスが、各光通信用デバイス間の相対的な位置決めに関わる１枚のフォトマスクに各光通信用デバイス用のマスクパターンとは別に光結合デバイス用に設けたマスクパターンにより支持基板の前記一表面側に形成された周期的な凹凸パターンからなる下地パターン上に自己整合的に形成されているので、従来のようなアクティブアライメントを行うことなく光通信用デバイスと光結合デバイスとの相対的な位置精度を高めることができて光結合損失の低減を図れ、しかも、レンズを用いることなく規定の光通信用デバイス間を光結合することができるので、レンズを用いる場合に比べて部品点数を削減できて低コスト化を図れる。なお、請求項１における光通信用デバイスは、発光素子、受光素子、光導波路、光ファイバなどを含む概念である。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記光通信用デバイスの少なくとも１つが光ファイバであり、前記支持基板の前記一表面側に前記フォトマスクを利用して形成され前記光ファイバを位置決めする位置決め溝を有するので、光通信用デバイスの１つである光ファイバと光結合デバイスとを高精度に位置合わせすることができる。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記光通信用デバイスの少なくとも１つが発光素子であり、前記支持基板の前記一表面側に前記フォトマスクを利用して形成され前記発光素子を位置決めする凹部を有するので、光通信用デバイスの１つである光ファイバと光結合デバイスとを高精度に位置合わせすることができる。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項１記載の光結合装置の製造方法であって、前記支持基板の一表面側に前記フォトマスクを利用して前記下地パターンを含む所定パターンを形成する工程と、前記下地パターン上へ自己整合的に光結合デバイスを形成する工程とを備えることを特徴とし、光結合損失の低減および小型化および低コスト化を図れる光結合装置を提供することができる。また、前記下地パターンのパターン形状の設計により前記周期構造の周期を制御することができ、所望の光学特性を実現できる。
【００１９】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記光結合デバイスを形成する工程では、前記下地パターン上にブロック共重合体を滴下した後に硬化させることにより前記光結合デバイスを形成するので、成膜装置（例えばスパッタ装置、蒸着装置など）やエッチング装置などを用いた複雑なプロセスを行うことなしに前記光結合デバイスを容易に形成することができる。
【００２０】
請求項６の発明は、請求項４の発明において、前記光結合デバイスを形成する工程では、前記下地パターンの表面側にバイアススパッタリング法によって互いに屈折率の異なる物質からなる２種類の薄膜層を交互に積層することにより前記光結合デバイスを形成するので、例えばＳｉ、ＳｉＯ２のようなポリマーに比べて耐環境性に優れた物質を用いて前記光結合デバイスを形成することができる。
【００２１】
請求項７の発明は、請求項４の発明において、前記光結合デバイスを形成する工程では、前記下地パターンの表面側にコロイド粒子を沈降させることによって前記光結合デバイスを形成するので、真空チャンバを必要とする成膜装置（例えば、スパッタ装置、蒸着装置など）やエッチング装置などの特殊な装置を用いずに簡易な方法で、例えばＳｉ、ＳｉＯ２のようなポリマーに比べて耐環境性に優れた物質を用いて前記光結合デバイスを形成することができる。
【００２２】
請求項８の発明は、請求項４の発明において、前記光結合デバイスを形成する工程では、前記支持基板を前記支持基板の厚み方向に直交する面内で回転させながら前記下地パターンの表面側に所望の屈折率の物質を斜め蒸着することによって前記支持基板の厚み方向に螺旋周期を有する螺旋体と空気とからなる前記光結合デバイスを形成するので、前記光結合デバイスの構成材料として、半導体、金属、金属酸化物などの一般的な半導体製造プロセスで利用されている材料を採用することが可能となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本実施形態の光結合装置は、図１（ａ）および図３（ｄ）に示すように、シリコン基板からなる支持基板１の一表面側に、下部クラッド層となるシリコン酸化膜２とシリコンからなるコア３ａと空気とで構成される光導波路３０が設けられるとともに、光導波路３０と離間して配置し光導波路３０に光結合させる光ファイバ２０を位置決めする断面Ｖ字状のＶ溝からなる位置決め溝５が形成されている。また、支持基板１の上記一表面側には、位置決め溝５により位置決めした光ファイバ２０と光導波路３０とを光結合する光結合デバイス４０が形成されている。ここにおいて、光結合デバイス４０は、屈折率の異なる複数種類の物質の周期構造を有する屈折率周期構造体により構成されている。すなわち、光結合デバイス４０はフォトニック結晶により構成されている。なお、本実施形態では、光ファイバ２０および光導波路３０それぞれが光通信用デバイスを構成している。
【００２４】
Ｃ帯（１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）やＬ帯（１５６５ｎｍ〜１６２５ｎｍ）などの通信波長帯においては、シリコンの屈折率が約３．４、シリコン酸化膜の屈折率が約１．５、空気の屈折率が１．０であるため、上述の光導波路３０の屈折率差は５５〜７０％となり、一般的な光ファイバのコアとクラッドとの比屈折率差である０．３％と比較して非常に大きな値となるので、光ファイバに比べて光の閉じ込め効果を高めることができ、シングルモードの導波条件を満たすための光導波路３０のサイズは約０．４μｍ□程度まで小さくすることができる。なお、上述の光結合デバイス４０は、光ファイバ２０から入射された導波光のスポットサイズを光導波路３０のスポットサイズへ変換する集光機能を有するように上記周期構造の周期が設定されているので、導波光のスポットサイズが異なる光ファイバ２０と光導波路３０とを光結合することができる。なお、屈折率の周期構造により集光機能を実現する具体的な設計方法については、特開２００１−４６８９号公報に開示されており、フォトニック結晶の有する分散面が光入射方向から見て傾斜しているように結晶配置および光入射方向を設定することにより、フォトニック結晶内の伝搬光の波数空間での広がり幅が、入射光の波数空間での広がり幅に対して拡大するように設定することで、この広がり幅と逆比例の関係にある実空間でのスポットサイズを相対的に縮小させることができる（出射端でのスポットサイズを入射端でのスポットサイズに対して相対的に縮小させることができる）。
【００２５】
ところで、本実施形態の光結合装置では、支持基板１の上記一表面側において位置決め溝５と光導波路３０との間に周期的な凹凸パターンよりなる下地パターン６が形成されており、上述の光結合デバイス４０は、下地パターン６上に自己整合的に形成されている。ここに、下地パターン６は、支持基板１の上記一表面に平行な面内で２次元的に配列された複数の円柱状の凸部６ａを備えており、凸部６ａの周囲が凹部となっている。すなわち、円柱状の凸部６ａは、コア３ａの延長方向およびコア３ａの幅方向それぞれに配列された複数の長手方向に直交する２次元的に配列された下地パターン６の周期構造の周期は光結合デバイス４０への入射光の波長の２分の１程度となるように設定してある。なお、光結合デバイス４０を構成する屈折率周期構造体の周期構造の周期は下地パターン６における周期を反映している。
【００２６】
本実施形態の光結合装置は、図２（ａ）に示すように厚み方向の中間に絶縁膜であるシリコン酸化膜（埋込酸化膜）２を有するいわゆるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板１００を利用して形成してある。すなわち、シリコン基板からなる支持基板１とシリコン層３との間にシリコン酸化膜２が介在するＳＯＩ基板１００を用いて形成してある。ただし、本実施形態で用いるＳＯＩ基板１００は、支持基板１の裏面にもシリコン酸化膜４が形成されている。
【００２７】
以下、本実施形態の光結合装置の製造方法について図２および図３を参照しながら説明する。
【００２８】
まず、図２（ａ）に示すようにシリコン基板からなる支持基板１上にシリコン酸化膜よりなる絶縁膜を介して単結晶のシリコン層３が形成されたＳＯＩ基板１００のシリコン層３の表面にスピンコート法によってレジスト層を塗布し、リソグラフィ技術などによりシリコン層３の表面のうち位置決め溝５の形成予定領域および下地パターン６の形成予定領域が露出するようにパターニングされたレジスト層１０１を形成することによって、図２（ｂ）に示す構造が得られる。
【００２９】
次に、シリコン層３のうち上記レジスト層１０１に覆われずに露出した部位を誘導結合型プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：ＩＣＰ）を利用したドライエッチング装置などにより表面からシリコン酸化膜２に達する深さまでエッチングしてから、レジスト層１０１を除去し、その後、熱酸化法によってシリコン層３の表面のうち露出していた部位にシリコン酸化膜１０２を形成することにより、図２（ｃ）に示す構造が得られる。
【００３０】
続いて、支持基板１の上記一表面側の全面にスピンコート法によりレジストを塗布し、リソグラフィ技術により１枚のフォトマスクを用いた１回の露光を行うことで、位置決め溝５の形成予定領域が開口するとともに下地パターン６の凸部６ａの形成予定領域の周囲が開口し且つコア３ａの形成予定領域の両側が開口するようにパターニングされたレジスト層１０３を形成し、その後、レジスト層１０３をマスクとして露出したシリコン酸化膜１０２，２をドライエッチングしてレジスト層１０３のパターンを転写することにより、図２（ｄ）に示す構造が得られる。
【００３１】
その後、支持基板１の上記一表面側の全面にスピンコート法によりレジストを塗布し、リソグラフィ技術によって位置決め溝５の形成予定領域およびその両側が露出するようにパターニングされたレジスト層１０４を形成し、続いて、各レジスト層１０３，１０４および裏面のシリコン酸化膜４をマスクとして例えば水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）のようなアルカリ系溶液を用いた異方性エッチングを行って位置決め溝５を形成することにより、図２（ｅ）に示す構造が得られる。
【００３２】
次に、各レジスト層１０３，１０４にＯ２プラズマ処理を施し、レジスト剥離液により各レジスト層１０３，１０４を除去してから、支持基板１の上記一表面側の全面にスピンコート法によりレジストを塗布し、リソグラフィ技術によって位置決め溝５および位置決め溝５の両側が覆われ他の部位が露出するようにパターニングされたレジスト層１０５を形成することにより、図３（ａ）に示す構造が得られる。
【００３３】
続いて、レジスト層１０５およびシリコン酸化膜１０２，２をマスクとしてシリコン層３および支持基板１それぞれの露出した部分をＩＣＰを利用したドライエッチング装置にてドライエッチングすることによりコア３ａおよび下地パターン６を形成し、その後、レジスト層１０５を除去し、さらにリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してシリコン酸化膜２のうち下地パターン６の領域に形成されている部分およびシリコン酸化膜１０２を除去することにより、図３（ｂ）に示す構造が得られる。
【００３４】
その後、図３（ｃ）に示すように、下地パターン６上にトルエンに溶解したｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ−ｐｏｌｙ（ｎ−ｂｕｔｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）（ＰＳ−ＰｎＢＭＡ）１０６を所定量だけ滴下する。なお、ＰＳ−ＰｎＢＭＡは、ブロック共重合体に属する物質であり、ブロック共重合体は規則的に相分離する性質を有しており、フォトニック結晶のような屈折率周期構造を簡易に作製できることが知られている（例えば、Ｍ．Ｆａｓｏｌｋａ，Ｄ．Ｊ．Ｈａｒｒｉｓ，Ａ．Ｍ．Ｍａｙｅｓ，Ｍ．Ｙｏｏｎ，Ｓ．Ｇ．Ｊ．Ｍｏｃｈｒｉｅ，Ｒｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．，７９，３０１８，１９９７）。
【００３５】
ここにおけるブロック共重合体は、非相溶な２種類の高分子鎖（以下、一方の高分子鎖を高分子鎖Ａ、他方の高分子鎖を高分子鎖Ｂと称す）が共有結合したもので、高分子鎖Ａと高分子鎖Ｂとは別々の空間に凝集しようとするが、高分子鎖Ａと高分子鎖Ｂとが共有結合で結合されているので、それぞれの空間はミクロな寸法に限定される。高分子鎖Ａおよび高分子鎖Ｂそれぞれが凝集して形成される凝集体の形状は、高分子鎖Ａ、高分子鎖Ｂの種類、ポリマー鎖の長さなどを適宜選ぶことにより、球状、棒状、層状などの形状に制御でき、この性質を利用すると、上述の規則的な相分離構造を様々な形態で実現することが可能である。
【００３６】
そこで、本実施形態では、上述のように、下地パターン６上にトルエンに溶解したＰＳ−ＰｎＢＭＡ１０６を所定量だけ滴下した後、ブロック共重合体１０６を所定のリフロー温度で硬化させることで、下地パターン６の凹凸の周期を反映した屈折率周期構造体よりなる光結合デバイス４０を形成し、位置決め溝５に光ファイバ２０を配置し、接着剤などで固定することにより、図３（ｄ）に示す構造を得ている。なお、本実施形態における光結合デバイス４０は、図１（ｂ）に示すように、ＰＳよりなる第１の物質（上記高分子鎖Ａの凝集体）４１ａとＰｎＢＭＡよりなる第２の物質（上記高分子鎖Ｂの凝集体）４１ｂとで全体として直方体状に形成されており、第１の物質４１ａが微小な球状に形成され、第２の物質４１ｂ中に上記周期で３次元的に配列された構造を有しているが、図４に示すように第１の物質４１ａが柱状に形成され、第２の物質４１ｂ中に上記周期で２次元的に配列された構造を有していてもよく、図５に示すように第１の物質４１ａおよび第２の物質４１ｂが交互に積層された構造を有していてもよい。
【００３７】
以上説明した製造方法によれば、光結合デバイス４０が、光ファイバ２０と光導波路３０との相対的な位置決めに関わる１枚のフォトマスク（具体的には、光ファイバ２０を位置決めする位置決め溝５と光導波路３０のコア３ａとの相対的な位置決めに関わる１枚のフォトマスク）に位置決め溝５用のマスクパターン（光通信用デバイス用のマスクパターン）およびコア３ａ用のマスクパターン（光通信用デバイス用のマスクパターン）とは別に光結合デバイス４０用に設けたマスクパターンにより支持基板１の上記一表面側に形成された周期的な凹凸パターンからなる下地パターン６上に自己整合的に形成されることになる。
【００３８】
しかして、本実施形態の光結合装置では、光結合デバイス４０が屈折率の異なる複数種類の物質４１ａ，４１ｂの周期構造を有する屈折率周期構造体からなることにより、光結合デバイス４０の小型化を図ることができる。また、光結合デバイス４０が、各光通信用デバイス間の相対的な位置決めに関わる１枚のフォトマスクに各光通信用デバイス用のマスクパターンとは別に光結合デバイス用に設けたマスクパターンにより支持基板１の上記一表面側に形成された周期的な凹凸パターンからなる下地パターン６上に自己整合的に形成されているので、従来のようなアクティブアライメントを行うことなく光通信用デバイス（光ファイバ２０、光導波路３０）と光結合デバイス４０との相対的な位置精度を高めることができて光結合損失の低減を図れ、しかも、レンズを用いることなく規定の光通信用デバイス間を光結合することができるので、レンズを用いる場合に比べて部品点数を削減できて低コスト化を図れる。
【００３９】
また、上述の製造方法では、支持基板１の上記一表面側に上記フォトマスクを利用して下地パターン６を含む所定パターンを形成する工程と、下地パターン６上へ自己整合的に光結合デバイス４０を形成する工程とを備えるので、光結合損失の低減および小型化および低コスト化を図れる光結合装置を提供することができる。また、下地パターン６のパターン形状の設計により上記周期構造の周期を制御することができ、所望の光学特性を実現できる。
【００４０】
また、光結合デバイス４０を形成する工程では、下地パターン６上にブロック共重合体を滴下した後に硬化させることにより光結合デバイス４０を形成するので、成膜装置（例えばスパッタ装置、蒸着装置など）やエッチング装置などを用いた複雑なプロセスを行うことなしに光結合デバイス４０を容易に形成することができる。
【００４１】
（実施形態２）
本実施形態の光結合装置の基本構成は図６（ｅ）に示すように、実施形態１と略同じであり、光結合デバイス４０の形成方法が異なることで光結合デバイス４０の構造が相違する。
【００４２】
以下、本実施形態の光結合装置の製造方法について説明する。
【００４３】
実施形態１で説明した製造方法に準じて図６（ａ）（図３（ｂ）と同じ）に示すように位置決め溝５および下地パターン６および光導波路３０を形成した後、支持基板１の上記一表面側の全面にスピンコート法によりレジストを塗布し、リソグラフィ技術によって下地パターン６の部位のみが露出するようにパターニングされたレジスト層からなるエッチングストッパ膜１１１を形成することによって、図６（ｂ）に示す構造が得られる。なお、エッチングストッパ膜１１１は、レジスト層に限らず、シリコン窒化膜を採用してもよい。
【００４４】
次に、図７に示すようなｒｆバイアススパッタリング装置を用いて、支持基板１の上記一表面側の全面にデポジションとエッチングとが同時に起こるようにチャンバＣｈ内のＳｉからなるターゲット４５（あるいはＳｉＯ２からなるターゲット４６）と支持基板１とに高周波電力を印加しながら、第１の物質であるアモルファスシリコンからなる第１の薄膜層と第２の物質であるＳｉＯ２からなる第２の薄膜層とを交互に積層することで下地パターン６上に屈折率周期構造体よりなる光結合デバイス４０が形成されるとともに、他の部位上に第１の薄膜層と第２の薄膜層とが交互に積層した積層膜１１２が形成され、図６（ｃ）に示すような構造が得られる。すなわち、支持基板１に高周波電力を印加しながら、ターゲット４５に高周波電力を印加してＡｒイオン４７によりターゲット４５をスパッタする期間と、ターゲット４６に高周波電力を印加してＡｒイオン４７によりターゲット４５をスパッタする期間とを交互に繰り返すことによって、ステージＳＴにセットされた対象物Ｓ（図６（ｂ）の構造物）の表面側に上記光結合デバイス４０と積層膜１１２とを形成することができる。なお、図７中の一点鎖線で囲んだ空間はプラズマが発生している空間を模式的に示してあり、同図中の４８はターゲット４５から飛び出したスパッタ原子を示している。また、ステージＳＴは回転可能であって、ターゲット４５をスパッタする期間にはターゲット４５に対象物Ｓが対向し、ターゲット４６をスパッタする期間にはターゲット４６に対象物Ｓが対向するように図示しない制御装置によって制御されるようになっている。
【００４５】
ここにおいて、光結合デバイス４０は、支持基板１の上記一表面に平行な面内では下地パターン６の凹凸の周期を反映した周期構造が形成され、さらに支持基板１の厚み方向には交互積層による周期性が現れ、全体として３次元周期構造を有している。このような３次元周期構造の形成方法は、自己クローニング法と呼ばれており（例えば、Ｓ．Ｋａｗａｋａｍｉ，Ｔ．Ｋａｗａｓｈｉｍａ，Ｔ．Ｓａｔｏ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，７４，４６３，１９９９）、下地パターン６を円形の穴が２次元的な周期構造を有するように配列された凹凸パターンとすれば、図８に示すように、第１の物質からなる第１の薄膜層４０ａと第２の物質からなる第２の薄膜層４０ｂとが下地パターン６の形状を反映して積層された３次元周期構造体を形成できることができる。
【００４６】
上述のようにして支持基板１の上記一表面側に光結合デバイス４０と積層膜１１２とを形成した後、支持基板１の上記一表面側の全面にスピンコート法によりレジストを塗布し、リソグラフィ技術によって光結合デバイス４０が覆われ他の部位が露出するようにパターニングされたレジスト層１１３を形成し、ＩＣＰを利用したドライエッチング装置などによって積層膜１１２をエッチング除去することにより、図６（ｄ）に示す構造が得られる。なお、積層膜１１２は上述のように第１の物質であるアモルファスシリコンからなる第１の薄膜層と第２の物質であるＳｉＯ２からなる第２の薄膜層とが交互に積層されているから、各薄膜層ごとにエッチングガスを切り替えることで連続的にエッチングすることができる。ここに、上述のエッチングストッパ膜１１１が形成されていることで、エッチングの終点の管理が容易になるとともにエッチングストッパ膜１１１下のコア３ａや位置決め溝５の内面がエッチングされるのを防止することができる。
【００４７】
積層膜１１２を除去した後、レジスト層１１３を除去してから、ダイシングを行い、光ファイバ２０を位置決め溝５に配置し、接着剤などにより固定することにより、図６（ｅ）に示す構造が得られる。
【００４８】
しかして、本実施形態の光結合装置では、実施形態１と同様に、光結合デバイス４０が屈折率の異なる複数種類の物質の周期構造を有する屈折率周期構造体からなることにより、光結合デバイス４０の小型化を図ることができる。また、光結合デバイス４０が、各光通信用デバイス間の相対的な位置決めに関わる１枚のフォトマスクに各光通信用デバイス用のマスクパターンとは別に光結合デバイス用に設けたマスクパターンにより支持基板１の上記一表面側に形成された周期的な凹凸パターンからなる下地パターン６上に自己整合的に形成されているので、従来のようなアクティブアライメントを行うことなく光通信用デバイス（光ファイバ２０、光導波路３０）と光結合デバイス４０との相対的な位置精度を高めることができて光結合損失の低減を図れ、しかも、レンズを用いることなく規定の光通信用デバイス間を光結合することができるので、レンズを用いる場合に比べて部品点数を削減できて低コスト化を図れる。
【００４９】
また、上述の製造方法では、支持基板１の上記一表面側に上記フォトマスクを利用して下地パターン６を含む所定パターンを形成する工程と、下地パターン６上へ自己整合的に光結合デバイス４０を形成する工程とを備えるので、光結合損失の低減および小型化および低コスト化を図れる光結合装置を提供することができる。また、下地パターン６のパターン形状の設計により上記周期構造の周期を制御することができ、所望の光学特性を実現できる。
【００５０】
また、光結合デバイス４０を形成する工程では、下地パターン６の表面側にｒｆバイアススパッタリング装置を用いたバイアススパッタリング法によって互いに屈折率の異なる物質からなる２種類の薄膜層を交互に積層することにより光結合デバイス４０を形成するので、Ｓｉ、ＳｉＯ２のようなポリマーに比べて耐環境性に優れた物質を用いて光結合デバイス４０を形成することができる。なお、各薄膜層を構成する材料はＳｉとＳｉＯ２との組み合わせ以外でもよいことは勿論である。
【００５１】
（実施形態３）
本実施形態の光結合装置の基本構成は図９（ｅ）に示すように、実施形態１と略同じであり、光結合デバイス４０の形成方法が異なることで光結合デバイス４０の構造が相違する。
【００５２】
以下、本実施形態の光結合装置の製造方法について説明する。
【００５３】
実施形態１で説明した製造方法に準じて図９（ａ）（図３（ｂ）と同じ）に示すように位置決め溝５および下地パターン６および光導波路３０を形成した後、支持基板１の上記一表面側の全面にスピンコート法によりレジストを塗布し、リソグラフィ技術によって下地パターン６の部位のみが露出するようにパターニングされたレジスト層からなるエッチングストッパ膜１１１を形成することによって、図９（ｂ）に示す構造が得られる。なお、エッチングストッパ膜１１１は、レジスト層に限らず、シリコン窒化膜を採用してもよい。
【００５４】
次に、直径が数１００ｎｍサイズのシリカ球を含むコロイド溶液中に図９（ｂ）に示す構造物を浸漬してシリカ球を沈降させることにで下地パターン６上に屈折率周期構造体（コロイド結晶）よりなる光結合デバイス４０が形成されるとともに、他の部位上にコロイド結晶１１４が形成され、図９（ｃ）に示すような構造が得られる。すなわち、コロイド結晶１１４は、下地上にシリカ球を沈降させることでコロイド結晶を成長させる人工オパール法をにより形成され、光結合デバイス４０は、周期的な凹凸パターンからなる下地パターン６をテンプレートとして周期構造を制御可能なコロイドエピタキシー法（例えば、Ａ．Ｖａｎ Ｂｌａａｄｅｒｅｎ，Ｒ．Ｒｕｅｌ ａｎｄ Ｐ．Ｗｉｌｔｚｕｉｓ，Ｎａｔｕｒｅ ３８５，３２１，１９９７）により形成されており、光結合デバイス４０は、図１０に示すようにシリカの球状体４０ｃが３次元周期構造を有するように配列されている。
【００５５】
上述のようにして支持基板１の上記一表面側に光結合デバイス４０とコロイド結晶１１４とを形成した後、支持基板１の上記一表面側の全面にスピンコート法によりレジストを塗布し、リソグラフィ技術によって光結合デバイス４０が覆われ他の部位が露出するようにパターニングされたレジスト層１１３を形成し、ＩＣＰを利用したドライエッチング装置などによってコロイド結晶１１４をエッチング除去することにより、図９（ｄ）に示す構造が得られる。なお、上述のエッチングストッパ膜１１１が形成されていることで、エッチングの終点の管理が容易になるとともにエッチングストッパ膜１１１下のコア３ａや位置決め溝５の内面がエッチングされるのを防止することができる。
【００５６】
コロイド結晶１１４を除去した後、レジスト層１１３を除去してから、ダイシングを行い、光ファイバ２０を位置決め溝５に配置し、接着剤などにより固定することにより、図９（ｅ）に示す構造が得られる。
【００５７】
しかして、本実施形態の光結合装置では、実施形態１と同様に、光結合デバイス４０が屈折率の異なる複数種類の物質（本実施形態では、シリカと空気）の周期構造を有する屈折率周期構造体からなることにより、光結合デバイス４０の小型化を図ることができる。また、光結合デバイス４０が、各光通信用デバイス間の相対的な位置決めに関わる１枚のフォトマスクに各光通信用デバイス用のマスクパターンとは別に光結合デバイス用に設けたマスクパターンにより支持基板１の上記一表面側に形成された周期的な凹凸パターンからなる下地パターン６上に自己整合的に形成されているので、従来のようなアクティブアライメントを行うことなく光通信用デバイス（光ファイバ２０、光導波路３０）と光結合デバイス４０との相対的な位置精度を高めることができて光結合損失の低減を図れ、しかも、レンズを用いることなく規定の光通信用デバイス間を光結合することができるので、レンズを用いる場合に比べて部品点数を削減できて低コスト化を図れる。
【００５８】
また、上述の製造方法では、支持基板１の上記一表面側に上記フォトマスクを利用して下地パターン６を含む所定パターンを形成する工程と、下地パターン６上へ自己整合的に光結合デバイス４０を形成する工程とを備えるので、光結合損失の低減および小型化および低コスト化を図れる光結合装置を提供することができる。また、下地パターン６のパターン形状の設計により上記周期構造の周期を制御することができ、所望の光学特性を実現できる。
【００５９】
また、光結合デバイス４０を形成する工程では、下地パターン６の表面側にコロイド粒子を沈降させることによって光結合デバイス４０を形成するので、真空チャンバを必要とする成膜装置（例えば、スパッタ装置、蒸着装置など）やエッチング装置などの特殊な装置を用いずに簡易な方法で、例えばＳｉ、ＳｉＯ２のようなポリマーに比べて耐環境性に優れた物質を用いて光結合デバイス４０を形成することができる。
【００６０】
（実施形態４）
本実施形態の光結合装置の基本構成は図１１（ｅ）に示すように、実施形態１と略同じであり、光結合デバイス４０の形成方法が異なることで光結合デバイス４０の構造が相違する。
【００６１】
以下、本実施形態の光結合装置の製造方法について説明する。
【００６２】
実施形態１で説明した製造方法に準じて図１１（ａ）（図３（ｂ）と同じ）に示すように位置決め溝５および下地パターン６および光導波路３０を形成した後、支持基板１の上記一表面側の全面にスピンコート法によりレジストを塗布し、リソグラフィ技術によって下地パターン６の部位のみが露出するようにパターニングされたレジスト層からなるエッチングストッパ膜１１１を形成することによって、図１１（ｂ）に示す構造が得られる。なお、エッチングストッパ膜１１１は、レジスト層に限らず、シリコン窒化膜を採用してもよい。
【００６３】
次に、図１２に示すような斜め蒸着が可能な蒸着装置を用いて、ステージＳＴにセットされた対象物Ｓ（図１２（ｂ）の構造物）の表面側に図１３に示すようなＳｉＯ２からなり支持基板１の厚み方向に螺旋周期を有する螺旋体４０ｄが支持基板１の上記一表面に平行な面内で２次元周期構造を有するように配列された光結合デバイス４０とシリコン酸化膜１１５とを形成することにより、図１１（ｃ）に示す構造が得られる。ここにおいて、光結合デバイス４０およびシリコン酸化膜１１５は、図１２に示すように、対象物ＳがセットされたステージＳＴをモータ５１によって回転させながら、ステージＳＴの法線に対して傾いた方向から所望の屈折率の物質（例えば、ＳｉＯ２からなる蒸着粒子）が到来するような斜め蒸着を行うことによって形成されている。なお、図１２中のθは、図示しない電子ビームにより蒸着源５２から蒸発した蒸着粒子の飛来方向の中心線とステージＳＴの法線方向（支持基板１の厚み方向）とのなす角度を示している。
【００６４】
ここにおいて、光結合デバイス４０は、支持基板１の上記一表面に平行な面内では下地パターン６の凹凸の周期を反映した周期構造が形成され、さらに支持基板１の厚み方向には螺旋体４０ｄの螺旋周期による周期性が現れ、全体として３次元周期構造を有している。このような３次元周期構造の形成方法は、ＧＬＡＤ（Ｇｌａｎｃｉｎｇ Ａｎｇｌｅ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法と呼ばれており（例えば、Ｋ．Ｒｏｂｂｉｅ ａｎｄ Ｍ．Ｊ．Ｂｒｅｔｔ，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ１５（３），１４６０，１９９７）、螺旋体４０ｄは下地パターン６を核として形成されるから、螺旋体４０ｄの形状は下地パターン６の形状や配列によって制御可能である。なお、上述の説明から明らかなように、光結合デバイス４０は、ＳｉＯ２よりなる複数の螺旋体４０ｄと空気とで構成されている。
【００６５】
上述のようにして支持基板１の上記一表面側に光結合デバイス４０とシリコン酸化膜１１５とを形成した後、支持基板１の上記一表面側の全面にスピンコート法によりレジストを塗布し、リソグラフィ技術によって光結合デバイス４０が覆われ他の部位が露出するようにパターニングされたレジスト層１１３を形成し、ＩＣＰを利用したドライエッチング装置などによってシリコン酸化膜１１５をエッチング除去することにより、図１１（ｄ）に示す構造が得られる。ここに、上述のエッチングストッパ膜１１１が形成されていることで、エッチングの終点の管理が容易になるとともにエッチングストッパ膜１１１下のコア３ａや位置決め溝５の内面がエッチングされるのを防止することができる。
【００６６】
シリコン酸化膜１１５を除去した後、レジスト層１１３を除去してから、ダイシングを行い、光ファイバ２０を位置決め溝５に配置し、接着剤などにより固定することにより、図１１（ｅ）に示す構造が得られる。
【００６７】
しかして、本実施形態の光結合装置では、実施形態１と同様に、光結合デバイス４０が屈折率の異なる複数種類の物質の周期構造を有する屈折率周期構造体からなることにより、光結合デバイス４０の小型化を図ることができる。また、光結合デバイス４０が、各光通信用デバイス間の相対的な位置決めに関わる１枚のフォトマスクに各光通信用デバイス用のマスクパターンとは別に光結合デバイス用に設けたマスクパターンにより支持基板１の上記一表面側に形成された周期的な凹凸パターンからなる下地パターン６上に自己整合的に形成されているので、従来のようなアクティブアライメントを行うことなく光通信用デバイス（光ファイバ２０、光導波路３０）と光結合デバイス４０との相対的な位置精度を高めることができて光結合損失の低減を図れ、しかも、レンズを用いることなく規定の光通信用デバイス間を光結合することができるので、レンズを用いる場合に比べて部品点数を削減できて低コスト化を図れる。
【００６８】
また、上述の製造方法では、支持基板１の上記一表面側に上記フォトマスクを利用して下地パターン６を含む所定パターンを形成する工程と、下地パターン６上へ自己整合的に光結合デバイス４０を形成する工程とを備えるので、光結合損失の低減および小型化および低コスト化を図れる光結合装置を提供することができる。また、下地パターン６のパターン形状の設計により上記周期構造の周期を制御することができ、所望の光学特性を実現できる。
【００６９】
また、光結合デバイス４０を形成する工程では、支持基板１を支持基板１の厚み方向に直交する面内で回転させながら下地パターン６の表面側に所望の屈折率の物質（本実施形態では、ＳｉＯ２）を斜め蒸着することによって支持基板１の厚み方向に螺旋周期を有する螺旋体４０ｄと空気とからなる光結合デバイス４０を形成するので、光結合デバイス４０の構成材料として、一般的な半導体製造プロセスで利用されている材料を採用することができる。なお、本実施形態のように斜め蒸着により光結合デバイス４０を形成する場合には、ＳｉＯ２に限らず、半導体、金属、金属酸化物などの一般的な半導体製造プロセスで利用されている材料を採用することが可能となる。
【００７０】
（実施形態５）
本実施形態の光結合装置の基本構成は実施形態１と略同じであって、図１４に示すように、シリコン基板よりなる支持基板１の上記一表面側に、実施形態１で説明した断面Ｖ字状の位置決め溝５の代わりに、レーザーダイオードからなる発光素子２１を位置決めする凹部８が形成されている点が相違する。すなわち、発光素子２１は図１４における下部が凹部８に埋め込まれた形で位置決めされている。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。また、本実施形態では、発光素子２１および光導波路３０それぞれが光通信用デバイスを構成している。
【００７１】
本実施形態における光結合デバイス４０の基本構造としては、上記各実施形態の何れかにおける構造を採用すればよく、上記各実施形態では光ファイバ２０から入射された導波光のスポットサイズを光導波路３０のスポットサイズへ変換する集光機能を有するように上記周期構造の周期が設定されているのに対して、本実施形態では、発光素子２１から入射された導波光のスポットサイズを光導波路３０のスポットサイズへ変換する集光機能を有するように上記周期構造の周期が設定されている点が相違する。
【００７２】
また、本実施形態の光結合装置の製造方法は上記各実施形態のいずれかで説明した方法に準じ、位置決め溝５の代わりに凹部８を形成する点が相違するだけである。すなわち、位置決め溝５に対応したマスクパターンを凹部８に対応したマスクパターンに変更すればよい。また、位置決め溝５を形成する際にはアルカリ系溶液を用いた異方性エッチングを行っているが、凹部８を形成する際にはドライエッチングを行えばよい。
【００７３】
しかして、本実施形態の光結合装置では、実施形態１と同様に、光結合デバイス４０が屈折率の異なる複数種類の物質の周期構造を有する屈折率周期構造体からなることにより、光結合デバイス４０の小型化を図ることができる。また、光結合デバイス４０が、各光通信用デバイス間の相対的な位置決めに関わる１枚のフォトマスクに各光通信用デバイス用のマスクパターンとは別に光結合デバイス用に設けたマスクパターンにより支持基板１の上記一表面側に形成された周期的な凹凸パターンからなる下地パターン６上に自己整合的に形成されているので、従来のようなアクティブアライメントを行うことなく光通信用デバイス（発光素子２１、光導波路３０）と光結合デバイス４０との相対的な位置精度を高めることができて光結合損失の低減を図れ、しかも、レンズを用いることなく規定の光通信用デバイス間を光結合することができるので、レンズを用いる場合に比べて部品点数を削減できて低コスト化を図れる。
【００７４】
また、上述の製造方法では、支持基板１の上記一表面側に上記フォトマスクを利用して下地パターン６を含む所定パターンを形成する工程と、下地パターン６上へ自己整合的に光結合デバイス４０を形成する工程とを備えるので、光結合損失の低減および小型化および低コスト化を図れる光結合装置を提供することができる。また、下地パターン６のパターン形状の設計により上記周期構造の周期を制御することができ、所望の光学特性を実現できる。
【００７５】
（実施形態６）
本実施形態の光結合装置は、図１５に示すように、ＭＥＭＳ式ミラー型光スイッチの入力側の２本の光ファイバ２０ａ，２０ｂからの出射光をコリメートする機能を有する屈折率周期構造体よりなる光結合デバイス４１と、ミラー７で反射されて出力側の２本の光ファイバ２０ｂ，２０ｂへ向かう光をコリメートする機能を有する屈折率周期構造体よりなる光結合デバイス４２とが支持基板１の一表面側に形成されている。また、支持基板１の上記一表面側には各光ファイバ２０ａ，２０ａ，２０ｂ，２０ｂそれぞれを位置決めする４つの断面Ｖ字状の位置決め溝５が形成されている。なお、屈折率の周期構造によりコリメート機能を実現する具体的な設計方法については、上述の特開２００１−４６８９号公報に記載の内容から容易に類推することができる。
【００７６】
上述の説明から明らかなように、本実施形態では、入力側の２本の光ファイバ２０ａ，２０ａそれぞれから光軸方向に延長した直線との出力側の２本の光ファイバ２０ｂ，２０ｂそれぞれから光軸方向に延長した直線との交差点ごとにミラー７を配置し、入力側の光ファイバ２０ａ，２０ａと出力側の光ファイバ２０ｂ，２０ｂとを低損失で光結合するために入力側の光ファイバ２０ａ，２０ａの出射面側に光結合デバイス４１を配置するとともに、出力側の光ファイバ２０ｂ，２０ｂの入射面側に光結合デバイス４２を配置してある。ミラーのサイズは２００μｍ□程度で、入力側の光ファイバ２０ａから出射された光は、光結合デバイス４１を介してミラー７で光路を９０度変換され、光結合デバイス４２を介して出力側の光ファイバ２０ｂへ入射される。ここにおいて、光結合デバイス４１，４２はコリメートレンズとして機能する。すなわち、本実施形態では、光ファイバ２０ａからの出射光を光結合デバイス４１で適当なスポットサイズ、例えば１００μｍ程度のコリメート光に変換し、ミラー７で光路変換された後、光結合デバイス４２を通る際に光ファイバ２０ｂのスポットサイズである１０μｍ程度にスポットサイズ変換を行う。
【００７７】
ところで、本実施形態の光結合装置は、上記各実施形態で説明した製造方法のいずれかに準拠して製造することができる。すなわち、支持基板１の上記一表面側には各光結合デバイス４１，４２の形成予定領域に上記各実施形態で説明したような下地パターンがそれぞれ形成しておけばよい。
【００７８】
しかして、本実施形態の光結合装置では、実施形態１と同様に、光結合デバイス４１，４２が屈折率の異なる複数種類の物質の周期構造を有する屈折率周期構造体からなることにより、光結合デバイス４１，４２の小型化を図ることができる。また、光結合デバイス４１，４２が、各光通信用デバイス（光ファイバ２０ａ，２０ｂ）間の相対的な位置決めに関わる１枚のフォトマスクに各光通信用デバイス用のマスクパターンとは別に光結合デバイス用に設けたマスクパターンにより支持基板１の上記一表面側に形成された周期的な凹凸パターンからなる下地パターン上に自己整合的に形成されているので、従来のようなアクティブアライメントを行うことなく光通信用デバイスと光結合デバイス４１，４２との相対的な位置精度を高めることができて光結合損失の低減を図れ、しかも、レンズを用いることなく規定の光通信用デバイス間を光結合することができるので、レンズを用いる場合に比べて部品点数を削減できて低コスト化を図れる。
【００７９】
また、上述の製造方法では、支持基板１の上記一表面側に上記フォトマスクを利用して下地パターンを含む所定パターンを形成する工程と、下地パターン上へ自己整合的に光結合デバイス４１，４２を形成する工程とを備えるので、光結合損失の低減および小型化および低コスト化を図れる光結合装置を提供することができる。また、下地パターンのパターン形状の設計により上記周期構造の周期を制御することができ、所望の光学特性を実現できる。
【００８０】
【発明の効果】
請求項１の発明は、相対的な位置が決められ互いに離間した複数の光通信用デバイスと、屈折率の異なる複数種類の物質の周期構造を有する屈折率周期構造体からなり複数の光通信用デバイスのうち規定の光通信用デバイス間を光結合する光結合デバイスと、各光通信用デバイスおよび光結合デバイスが一表面側に設けられた支持基板とを備え、光結合デバイスは、各光通信用デバイス間の相対的な位置決めに関わる１枚のフォトマスクに各光通信用デバイス用のマスクパターンとは別に光結合デバイス用に設けたマスクパターンにより支持基板の前記一表面側に形成された周期的な凹凸パターンからなる下地パターン上に自己整合的に形成されてなるものであり、光結合デバイスが屈折率の異なる複数種類の物質の周期構造を有する屈折率周期構造体からなることにより、光結合デバイスの小型化を図ることができるという効果があり、また、光結合デバイスが、各光通信用デバイス間の相対的な位置決めに関わる１枚のフォトマスクに各光通信用デバイス用のマスクパターンとは別に光結合デバイス用に設けたマスクパターンにより支持基板の前記一表面側に形成された周期的な凹凸パターンからなる下地パターン上に自己整合的に形成されているので、従来のようなアクティブアライメントを行うことなく光通信用デバイスと光結合デバイスとの相対的な位置精度を高めることができて光結合損失の低減を図れるという効果があり、しかも、レンズを用いることなく規定の光通信用デバイス間を光結合することができるので、レンズを用いる場合に比べて部品点数を削減できて低コスト化を図れるという効果がある。
【００８１】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記光通信用デバイスの少なくとも１つが光ファイバであり、前記支持基板の前記一表面側に前記フォトマスクを利用して形成され前記光ファイバを位置決めする位置決め溝を有するので、光通信用デバイスの１つである光ファイバと光結合デバイスとを高精度に位置合わせすることができるという効果がある。
【００８２】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記光通信用デバイスの少なくとも１つが発光素子であり、前記支持基板の前記一表面側に前記フォトマスクを利用して形成され前記発光素子を位置決めする凹部を有するので、光通信用デバイスの１つである光ファイバと光結合デバイスとを高精度に位置合わせすることができるという効果がある。
【００８３】
請求項４の発明は、請求項１記載の光結合装置の製造方法であって、前記支持基板の一表面側に前記フォトマスクを利用して前記下地パターンを含む所定パターンを形成する工程と、前記下地パターン上へ自己整合的に光結合デバイスを形成する工程とを備えるので、光結合損失の低減および小型化および低コスト化を図れる光結合装置を提供することができるという効果がある。また、前記下地パターンのパターン形状の設計により前記周期構造の周期を制御することができ、所望の光学特性を実現できるという効果がある。
【００８４】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記光結合デバイスを形成する工程では、前記下地パターン上にブロック共重合体を滴下した後に硬化させることにより前記光結合デバイスを形成するので、成膜装置（例えばスパッタ装置、蒸着装置など）やエッチング装置などを用いた複雑なプロセスを行うことなしに前記光結合デバイスを容易に形成することができるという効果がある。
【００８５】
請求項６の発明は、請求項４の発明において、前記光結合デバイスを形成する工程では、前記下地パターンの表面側にバイアススパッタリング法によって互いに屈折率の異なる物質からなる２種類の薄膜層を交互に積層することにより前記光結合デバイスを形成するので、例えばＳｉ、ＳｉＯ２のようなポリマーに比べて耐環境性に優れた物質を用いて前記光結合デバイスを形成することができるという効果がある。
【００８６】
請求項７の発明は、請求項４の発明において、前記光結合デバイスを形成する工程では、前記下地パターンの表面側にコロイド粒子を沈降させることによって前記光結合デバイスを形成するので、真空チャンバを必要とする成膜装置（例えば、スパッタ装置、蒸着装置など）やエッチング装置などの特殊な装置を用いずに簡易な方法で、例えばＳｉ、ＳｉＯ２のようなポリマーに比べて耐環境性に優れた物質を用いて前記光結合デバイスを形成することができるという効果がある。
【００８７】
請求項８の発明は、請求項４の発明において、前記光結合デバイスを形成する工程では、前記支持基板を前記支持基板の厚み方向に直交する面内で回転させながら前記下地パターンの表面側に所望の屈折率の物質を斜め蒸着することによって前記支持基板の厚み方向に螺旋周期を有する螺旋体と空気とからなる前記光結合デバイスを形成するので、前記光結合デバイスの構成材料として、半導体、金属、金属酸化物などの一般的な半導体製造プロセスで利用されている材料を採用することが可能となるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１を示し、（ａ）は光結合装置の概略斜視図、（ｂ）は（ａ）における光結合デバイスの概略斜視図である。
【図２】同上の光結合装置の製造方法を説明するための主要工程斜視図である。
【図３】同上の光結合装置の製造方法を説明するための主要工程斜視図である。
【図４】同上における光結合デバイスの他の構成例の概略斜視図である。
【図５】同上における光結合デバイスの別の構成例の概略斜視図である。
【図６】実施形態２の光結合装置の製造方法を説明するための主要工程斜視図である。
【図７】同上の光結合装置の製造方法の説明図である。
【図８】同上における光結合デバイスの概略斜視図である。
【図９】実施形態３の光結合装置の製造方法を説明するための主要工程斜視図である。
【図１０】同上における光結合デバイスの概略斜視図である。
【図１１】実施形態４の光結合装置の製造方法を説明するための主要工程斜視図である。
【図１２】同上の光結合装置の製造方法の説明図である。
【図１３】同上における光結合デバイスの概略斜視図である。
【図１４】実施形態５の光結合装置の概略斜視図である。
【図１５】実施形態６の光結合装置の概略平面図である。
【図１６】従来例を示す光結合デバイスの概略斜視図である。
【図１７】他の従来例を示す光結合方法の説明図である。
【図１８】別の従来例を示す光スイッチの概略説明図である。
【符号の説明】
１ 支持基板
２ シリコン酸化膜
３ａ コア
４ シリコン酸化膜
５ 位置決め溝
６ 下地パターン
２０ 光ファイバ
３０ 光導波路
４０ 光結合デバイス
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信、特に波長多重通信や超高速光通信などに用いる光結合装置およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、通信容量の需要増加を背景に波長分割多重方式による光通信システムの普及が進んでいる。波長分割多重方式では、複数の波長の光を独立の信号により変調させた後、合波器などで光波長を多重化して１本の光ファイバに送り出すので、１本の光ファイバの伝送容量を飛躍的に増大させることができる。今後、このような波長分割多重通信が進展し、チャネル数が１００以上となる高密度波長分割多重通信の実現が必要となってくると思われる。
【０００３】
そこで、現状の波長分割多重通信用に用いられている光素子のさらなる小型化が要求されている。例えば、この種の光素子の一つであるアレイ導波路回折格子（Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ ＡＷＧ）は、そのサイズが数ｃｍ□であり、合波器などの光部品の小型化を考えると、ＡＷＧ自体の更なる小型化が必要である。ここにおいて、光素子の小型化のボトルネックとなっている主要因は、光素子のサイズを決定している光導波路の断面積および曲げ半径である。このため光導波路での光閉じ込め効果を高めて、光導波路の断面積および曲げ半径を小さくする研究開発が近年盛んに行われており、例えば、光導波路のコアとクラッドとの屈折率差を非常に大きくして光閉じ込め効果を高めた高屈折率差光導波路素子や、光の波長オーダの屈折率周期構造体よりなるフォトニック結晶での多重反射を利用し１μｍ以下のコア径と数μｍの曲げ半径とを実現したフォトニック結晶型素子がある。
【０００４】
ところで、１μｍ以下の微小な断面積を有する光導波路を実際の光通信システムにおいて使用するためには既存の光ファイバと光結合させる必要であるが、光ファイバのコア径は一般に１０μｍ程度であるため、低損失で光結合を行うためには導波光のスポットサイズを１０μｍから１μｍ以下へ変換する必要がある。
【０００５】
ここに、導波光のスポットサイズを変換する手段としてはレンズを用いることが従来から行われていたが、部品点数が増加するという問題があり、しかも、光ファイバや導波路と±１μｍ以下のアライメント精度で結合することが難しいという問題があり、光を入射させて出力光強度が最大になる位置を探しながらアライメントを行う所謂アクティブアライメントを行わなければならず、生産効率が著しく悪化するので、レンズを用いずに導波光のスポットサイズを変換する方法が必要であった。
【０００６】
これに対して、近年では、レンズを用いずに導波光のスポットサイズを変換する光結合デバイスとして、特開平８−２３４０６２号公報に開示されたものが知られている。この公報に記載の光結合デバイスは、図１６に示すように、半導体基板７１の一表面上に光の伝搬方向に沿って断面積が徐々に小さくなるコア７２を形成するとともに、半導体基板７１の一表面側にコア７２を覆うようにクラッド層７３が形成されている。なお、図１６では、光の入射端面におけるコア７２の厚さをｔ１、幅をＷ１とし、光の出射端面におけるコア７２の厚さをｔ２、幅をＷ２とすれば、ｔ１＞ｔ２、且つ、Ｗ１＞Ｗ２となっている。
【０００７】
図１６に示した光結合デバイスでは、クラッド層７３の屈折率がコア７２の屈折率よりも小さく且つ半導体基板７１の屈折率よりも大きく設定されており、クラッド層７３とコア７２と半導体基板７１とで光導波路を構成している。また、この光結合デバイスでは、クラッド層７３の厚さｔ３がスポットサイズの大きい光導波素子のスポットサイズに合うように設計されている。このような光結合デバイスを用いて導波光のスポットサイズを変換すれば、スポットサイズの異なる光導波路素子同士を光結合することが可能になる。
【０００８】
しかし、図１６に示した構成の光結合デバイスでは、スポットサイズを短い距離で急激に変換しようとすると光導波路の外への放射損失が大きくなるので、コア７２の断面積を光の伝搬方向に沿って徐々に変化させる必要があり、光結合させる導波路間のスポットサイズの差が大きくなるにつれてコア７２の長さが長くなり、実用レベルではコア７２の長さが数ｍｍ程度となってしまい、光の伝搬方向における寸法Ｌも数ｍｍ程度となり小型化が難しいという問題がある。
【０００９】
そこで、この種の問題を解決するために、特開２００１−４８６９号公報には、フォトニック結晶を用いた光結合デバイスおよび光結合方法が提案されている。
【００１０】
この公報には、図１７に示すように、光ファイバ２０とフォトニック結晶を利用した導波路５０との間でスポットサイズを変換して光ファイバ２０と導波路５０とを光結合する光結合デバイス４０’として、光の波長と同程度の間隔で周期的な屈折率の変調構造を有するフォトニック結晶を採用している。この光結合デバイスでは、当該光結合デバイスを構成するフォトニック結晶の分散面を、例えば光の入射方向から見て傾斜しているように結晶配置および光入射方向を設定することにより、フォトニック結晶がレンズと同等の機能を果たし、数１００μｍ程度の短い変換領域で急激なスポットサイズ変換を実現することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１７に示した構成のようにフォトニック結晶からなる光結合デバイス４０’を用いて導波光のスポットサイズを変換するようにした場合、以下のような問題があった。
【００１２】
すなわち、フォトニック結晶は一般に入射光の入射角度に対する感度が非常に高いので、光ファイバ２０とフォトニック結晶からなる光結合デバイス４０’との相対的な位置関係や、光結合デバイス４０’と導波路５０との相対的な位置関係がずれると光結合デバイス４０’であるフォトニック結晶がレンズとしての機能を果たせなかったり、集光ポイントが大きくずれて導波路５０との結合効率が著しく低下するという問題があった。
【００１３】
また、導波光のスポットサイズの変換を必要とする光結合以外にも、簡易で低コスト化を図れる光結合方法の確立が期待されている。例えば、微小電気機械システム（ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ：ＭＥＭＳ）を採用したミラー式の光スイッチにおいては、図１８に示すように、入力側の複数本の光ファイバ２０ａ１〜２０ａ４それぞれから光軸方向に延長した直線との出力側の複数本の光ファイバ２０ｂ１〜２０ｂ４それぞれから光軸方向に延長した直線との交差点ごとにミラー７’を配置し、入力側の光ファイバ２０ａ１〜２０ａ４と出力側の光ファイバ２０ｂ１〜２０ｂ４とを低損失で光結合するために入力側の光ファイバ２０ａ１〜２０ａ４の出射面側にコリメートレンズ８０ａを配置するとともに、出力側の光ファイバ２０ｂ１〜２０ｂ４の入射面側にコリメートレンズ８０ｂを配置してあるが、部品点数の増加によるコスト増加の問題や、光ファイバとレンズとを±１μｍ程度のアライメント精度で光結合することが困難であるという問題があった。
【００１４】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、光結合損失の低減および小型化および低コスト化を図れる光結合装置およびその製造方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、上記目的を達成するために、相対的な位置が決められ互いに離間した複数の光通信用デバイスと、屈折率の異なる複数種類の物質の周期構造を有する屈折率周期構造体からなり複数の光通信用デバイスのうち規定の光通信用デバイス間を光結合する光結合デバイスと、各光通信用デバイスおよび光結合デバイスが一表面側に設けられた支持基板とを備え、光結合デバイスは、各光通信用デバイス間の相対的な位置決めに関わる１枚のフォトマスクに各光通信用デバイス用のマスクパターンとは別に光結合デバイス用に設けたマスクパターンにより支持基板の前記一表面側に形成された周期的な凹凸パターンからなる下地パターン上に自己整合的に形成されてなることを特徴とするものであり、光結合デバイスが屈折率の異なる複数種類の物質の周期構造を有する屈折率周期構造体からなることにより、光結合デバイスの小型化を図ることができ、また、光結合デバイスが、各光通信用デバイス間の相対的な位置決めに関わる１枚のフォトマスクに各光通信用デバイス用のマスクパターンとは別に光結合デバイス用に設けたマスクパターンにより支持基板の前記一表面側に形成された周期的な凹凸パターンからなる下地パターン上に自己整合的に形成されているので、従来のようなアクティブアライメントを行うことなく光通信用デバイスと光結合デバイスとの相対的な位置精度を高めることができて光結合損失の低減を図れ、しかも、レンズを用いることなく規定の光通信用デバイス間を光結合することができるので、レンズを用いる場合に比べて部品点数を削減できて低コスト化を図れる。なお、請求項１における光通信用デバイスは、発光素子、受光素子、光導波路、光ファイバなどを含む概念である。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記光通信用デバイスの少なくとも１つが光ファイバであり、前記支持基板の前記一表面側に前記フォトマスクを利用して形成され前記光ファイバを位置決めする位置決め溝を有するので、光通信用デバイスの１つである光ファイバと光結合デバイスとを高精度に位置合わせすることができる。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記光通信用デバイスの少なくとも１つが発光素子であり、前記支持基板の前記一表面側に前記フォトマスクを利用して形成され前記発光素子を位置決めする凹部を有するので、光通信用デバイスの１つである光ファイバと光結合デバイスとを高精度に位置合わせすることができる。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項１記載の光結合装置の製造方法であって、前記支持基板の一表面側に前記フォトマスクを利用して前記下地パターンを含む所定パターンを形成する工程と、前記下地パターン上へ自己整合的に光結合デバイスを形成する工程とを備えることを特徴とし、光結合損失の低減および小型化および低コスト化を図れる光結合装置を提供することができる。また、前記下地パターンのパターン形状の設計により前記周期構造の周期を制御することができ、所望の光学特性を実現できる。
【００１９】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記光結合デバイスを形成する工程では、前記下地パターン上にブロック共重合体を滴下した後に硬化させることにより前記光結合デバイスを形成するので、成膜装置（例えばスパッタ装置、蒸着装置など）やエッチング装置などを用いた複雑なプロセスを行うことなしに前記光結合デバイスを容易に形成することができる。
【００２０】
請求項６の発明は、請求項４の発明において、前記光結合デバイスを形成する工程では、前記下地パターンの表面側にバイアススパッタリング法によって互いに屈折率の異なる物質からなる２種類の薄膜層を交互に積層することにより前記光結合デバイスを形成するので、例えばＳｉ、ＳｉＯ２のようなポリマーに比べて耐環境性に優れた物質を用いて前記光結合デバイスを形成することができる。
【００２１】
請求項７の発明は、請求項４の発明において、前記光結合デバイスを形成する工程では、前記下地パターンの表面側にコロイド粒子を沈降させることによって前記光結合デバイスを形成するので、真空チャンバを必要とする成膜装置（例えば、スパッタ装置、蒸着装置など）やエッチング装置などの特殊な装置を用いずに簡易な方法で、例えばＳｉ、ＳｉＯ２のようなポリマーに比べて耐環境性に優れた物質を用いて前記光結合デバイスを形成することができる。
【００２２】
請求項８の発明は、請求項４の発明において、前記光結合デバイスを形成する工程では、前記支持基板を前記支持基板の厚み方向に直交する面内で回転させながら前記下地パターンの表面側に所望の屈折率の物質を斜め蒸着することによって前記支持基板の厚み方向に螺旋周期を有する螺旋体と空気とからなる前記光結合デバイスを形成するので、前記光結合デバイスの構成材料として、半導体、金属、金属酸化物などの一般的な半導体製造プロセスで利用されている材料を採用することが可能となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本実施形態の光結合装置は、図１（ａ）および図３（ｄ）に示すように、シリコン基板からなる支持基板１の一表面側に、下部クラッド層となるシリコン酸化膜２とシリコンからなるコア３ａと空気とで構成される光導波路３０が設けられるとともに、光導波路３０と離間して配置し光導波路３０に光結合させる光ファイバ２０を位置決めする断面Ｖ字状のＶ溝からなる位置決め溝５が形成されている。また、支持基板１の上記一表面側には、位置決め溝５により位置決めした光ファイバ２０と光導波路３０とを光結合する光結合デバイス４０が形成されている。ここにおいて、光結合デバイス４０は、屈折率の異なる複数種類の物質の周期構造を有する屈折率周期構造体により構成されている。すなわち、光結合デバイス４０はフォトニック結晶により構成されている。なお、本実施形態では、光ファイバ２０および光導波路３０それぞれが光通信用デバイスを構成している。
【００２４】
Ｃ帯（１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）やＬ帯（１５６５ｎｍ〜１６２５ｎｍ）などの通信波長帯においては、シリコンの屈折率が約３．４、シリコン酸化膜の屈折率が約１．５、空気の屈折率が１．０であるため、上述の光導波路３０の屈折率差は５５〜７０％となり、一般的な光ファイバのコアとクラッドとの比屈折率差である０．３％と比較して非常に大きな値となるので、光ファイバに比べて光の閉じ込め効果を高めることができ、シングルモードの導波条件を満たすための光導波路３０のサイズは約０．４μｍ□程度まで小さくすることができる。なお、上述の光結合デバイス４０は、光ファイバ２０から入射された導波光のスポットサイズを光導波路３０のスポットサイズへ変換する集光機能を有するように上記周期構造の周期が設定されているので、導波光のスポットサイズが異なる光ファイバ２０と光導波路３０とを光結合することができる。なお、屈折率の周期構造により集光機能を実現する具体的な設計方法については、特開２００１−４６８９号公報に開示されており、フォトニック結晶の有する分散面が光入射方向から見て傾斜しているように結晶配置および光入射方向を設定することにより、フォトニック結晶内の伝搬光の波数空間での広がり幅が、入射光の波数空間での広がり幅に対して拡大するように設定することで、この広がり幅と逆比例の関係にある実空間でのスポットサイズを相対的に縮小させることができる（出射端でのスポットサイズを入射端でのスポットサイズに対して相対的に縮小させることができる）。
【００２５】
ところで、本実施形態の光結合装置では、支持基板１の上記一表面側において位置決め溝５と光導波路３０との間に周期的な凹凸パターンよりなる下地パターン６が形成されており、上述の光結合デバイス４０は、下地パターン６上に自己整合的に形成されている。ここに、下地パターン６は、支持基板１の上記一表面に平行な面内で２次元的に配列された複数の円柱状の凸部６ａを備えており、凸部６ａの周囲が凹部となっている。すなわち、円柱状の凸部６ａは、コア３ａの延長方向およびコア３ａの幅方向それぞれに配列された複数の長手方向に直交する２次元的に配列された下地パターン６の周期構造の周期は光結合デバイス４０への入射光の波長の２分の１程度となるように設定してある。なお、光結合デバイス４０を構成する屈折率周期構造体の周期構造の周期は下地パターン６における周期を反映している。
【００２６】
本実施形態の光結合装置は、図２（ａ）に示すように厚み方向の中間に絶縁膜であるシリコン酸化膜（埋込酸化膜）２を有するいわゆるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板１００を利用して形成してある。すなわち、シリコン基板からなる支持基板１とシリコン層３との間にシリコン酸化膜２が介在するＳＯＩ基板１００を用いて形成してある。ただし、本実施形態で用いるＳＯＩ基板１００は、支持基板１の裏面にもシリコン酸化膜４が形成されている。
【００２７】
以下、本実施形態の光結合装置の製造方法について図２および図３を参照しながら説明する。
【００２８】
まず、図２（ａ）に示すようにシリコン基板からなる支持基板１上にシリコン酸化膜よりなる絶縁膜を介して単結晶のシリコン層３が形成されたＳＯＩ基板１００のシリコン層３の表面にスピンコート法によってレジスト層を塗布し、リソグラフィ技術などによりシリコン層３の表面のうち位置決め溝５の形成予定領域および下地パターン６の形成予定領域が露出するようにパターニングされたレジスト層１０１を形成することによって、図２（ｂ）に示す構造が得られる。
【００２９】
次に、シリコン層３のうち上記レジスト層１０１に覆われずに露出した部位を誘導結合型プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：ＩＣＰ）を利用したドライエッチング装置などにより表面からシリコン酸化膜２に達する深さまでエッチングしてから、レジスト層１０１を除去し、その後、熱酸化法によってシリコン層３の表面のうち露出していた部位にシリコン酸化膜１０２を形成することにより、図２（ｃ）に示す構造が得られる。
【００３０】
続いて、支持基板１の上記一表面側の全面にスピンコート法によりレジストを塗布し、リソグラフィ技術により１枚のフォトマスクを用いた１回の露光を行うことで、位置決め溝５の形成予定領域が開口するとともに下地パターン６の凸部６ａの形成予定領域の周囲が開口し且つコア３ａの形成予定領域の両側が開口するようにパターニングされたレジスト層１０３を形成し、その後、レジスト層１０３をマスクとして露出したシリコン酸化膜１０２，２をドライエッチングしてレジスト層１０３のパターンを転写することにより、図２（ｄ）に示す構造が得られる。
【００３１】
その後、支持基板１の上記一表面側の全面にスピンコート法によりレジストを塗布し、リソグラフィ技術によって位置決め溝５の形成予定領域およびその両側が露出するようにパターニングされたレジスト層１０４を形成し、続いて、各レジスト層１０３，１０４および裏面のシリコン酸化膜４をマスクとして例えば水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）のようなアルカリ系溶液を用いた異方性エッチングを行って位置決め溝５を形成することにより、図２（ｅ）に示す構造が得られる。
【００３２】
次に、各レジスト層１０３，１０４にＯ２プラズマ処理を施し、レジスト剥離液により各レジスト層１０３，１０４を除去してから、支持基板１の上記一表面側の全面にスピンコート法によりレジストを塗布し、リソグラフィ技術によって位置決め溝５および位置決め溝５の両側が覆われ他の部位が露出するようにパターニングされたレジスト層１０５を形成することにより、図３（ａ）に示す構造が得られる。
【００３３】
続いて、レジスト層１０５およびシリコン酸化膜１０２，２をマスクとしてシリコン層３および支持基板１それぞれの露出した部分をＩＣＰを利用したドライエッチング装置にてドライエッチングすることによりコア３ａおよび下地パターン６を形成し、その後、レジスト層１０５を除去し、さらにリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してシリコン酸化膜２のうち下地パターン６の領域に形成されている部分およびシリコン酸化膜１０２を除去することにより、図３（ｂ）に示す構造が得られる。
【００３４】
その後、図３（ｃ）に示すように、下地パターン６上にトルエンに溶解したｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ−ｐｏｌｙ（ｎ−ｂｕｔｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）（ＰＳ−ＰｎＢＭＡ）１０６を所定量だけ滴下する。なお、ＰＳ−ＰｎＢＭＡは、ブロック共重合体に属する物質であり、ブロック共重合体は規則的に相分離する性質を有しており、フォトニック結晶のような屈折率周期構造を簡易に作製できることが知られている（例えば、Ｍ．Ｆａｓｏｌｋａ，Ｄ．Ｊ．Ｈａｒｒｉｓ，Ａ．Ｍ．Ｍａｙｅｓ，Ｍ．Ｙｏｏｎ，Ｓ．Ｇ．Ｊ．Ｍｏｃｈｒｉｅ，Ｒｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．，７９，３０１８，１９９７）。
【００３５】
ここにおけるブロック共重合体は、非相溶な２種類の高分子鎖（以下、一方の高分子鎖を高分子鎖Ａ、他方の高分子鎖を高分子鎖Ｂと称す）が共有結合したもので、高分子鎖Ａと高分子鎖Ｂとは別々の空間に凝集しようとするが、高分子鎖Ａと高分子鎖Ｂとが共有結合で結合されているので、それぞれの空間はミクロな寸法に限定される。高分子鎖Ａおよび高分子鎖Ｂそれぞれが凝集して形成される凝集体の形状は、高分子鎖Ａ、高分子鎖Ｂの種類、ポリマー鎖の長さなどを適宜選ぶことにより、球状、棒状、層状などの形状に制御でき、この性質を利用すると、上述の規則的な相分離構造を様々な形態で実現することが可能である。
【００３６】
そこで、本実施形態では、上述のように、下地パターン６上にトルエンに溶解したＰＳ−ＰｎＢＭＡ１０６を所定量だけ滴下した後、ブロック共重合体１０６を所定のリフロー温度で硬化させることで、下地パターン６の凹凸の周期を反映した屈折率周期構造体よりなる光結合デバイス４０を形成し、位置決め溝５に光ファイバ２０を配置し、接着剤などで固定することにより、図３（ｄ）に示す構造を得ている。なお、本実施形態における光結合デバイス４０は、図１（ｂ）に示すように、ＰＳよりなる第１の物質（上記高分子鎖Ａの凝集体）４１ａとＰｎＢＭＡよりなる第２の物質（上記高分子鎖Ｂの凝集体）４１ｂとで全体として直方体状に形成されており、第１の物質４１ａが微小な球状に形成され、第２の物質４１ｂ中に上記周期で３次元的に配列された構造を有しているが、図４に示すように第１の物質４１ａが柱状に形成され、第２の物質４１ｂ中に上記周期で２次元的に配列された構造を有していてもよく、図５に示すように第１の物質４１ａおよび第２の物質４１ｂが交互に積層された構造を有していてもよい。
【００３７】
以上説明した製造方法によれば、光結合デバイス４０が、光ファイバ２０と光導波路３０との相対的な位置決めに関わる１枚のフォトマスク（具体的には、光ファイバ２０を位置決めする位置決め溝５と光導波路３０のコア３ａとの相対的な位置決めに関わる１枚のフォトマスク）に位置決め溝５用のマスクパターン（光通信用デバイス用のマスクパターン）およびコア３ａ用のマスクパターン（光通信用デバイス用のマスクパターン）とは別に光結合デバイス４０用に設けたマスクパターンにより支持基板１の上記一表面側に形成された周期的な凹凸パターンからなる下地パターン６上に自己整合的に形成されることになる。
【００３８】
しかして、本実施形態の光結合装置では、光結合デバイス４０が屈折率の異なる複数種類の物質４１ａ，４１ｂの周期構造を有する屈折率周期構造体からなることにより、光結合デバイス４０の小型化を図ることができる。また、光結合デバイス４０が、各光通信用デバイス間の相対的な位置決めに関わる１枚のフォトマスクに各光通信用デバイス用のマスクパターンとは別に光結合デバイス用に設けたマスクパターンにより支持基板１の上記一表面側に形成された周期的な凹凸パターンからなる下地パターン６上に自己整合的に形成されているので、従来のようなアクティブアライメントを行うことなく光通信用デバイス（光ファイバ２０、光導波路３０）と光結合デバイス４０との相対的な位置精度を高めることができて光結合損失の低減を図れ、しかも、レンズを用いることなく規定の光通信用デバイス間を光結合することができるので、レンズを用いる場合に比べて部品点数を削減できて低コスト化を図れる。
【００３９】
また、上述の製造方法では、支持基板１の上記一表面側に上記フォトマスクを利用して下地パターン６を含む所定パターンを形成する工程と、下地パターン６上へ自己整合的に光結合デバイス４０を形成する工程とを備えるので、光結合損失の低減および小型化および低コスト化を図れる光結合装置を提供することができる。また、下地パターン６のパターン形状の設計により上記周期構造の周期を制御することができ、所望の光学特性を実現できる。
【００４０】
また、光結合デバイス４０を形成する工程では、下地パターン６上にブロック共重合体を滴下した後に硬化させることにより光結合デバイス４０を形成するので、成膜装置（例えばスパッタ装置、蒸着装置など）やエッチング装置などを用いた複雑なプロセスを行うことなしに光結合デバイス４０を容易に形成することができる。
【００４１】
（実施形態２）
本実施形態の光結合装置の基本構成は図６（ｅ）に示すように、実施形態１と略同じであり、光結合デバイス４０の形成方法が異なることで光結合デバイス４０の構造が相違する。
【００４２】
以下、本実施形態の光結合装置の製造方法について説明する。
【００４３】
実施形態１で説明した製造方法に準じて図６（ａ）（図３（ｂ）と同じ）に示すように位置決め溝５および下地パターン６および光導波路３０を形成した後、支持基板１の上記一表面側の全面にスピンコート法によりレジストを塗布し、リソグラフィ技術によって下地パターン６の部位のみが露出するようにパターニングされたレジスト層からなるエッチングストッパ膜１１１を形成することによって、図６（ｂ）に示す構造が得られる。なお、エッチングストッパ膜１１１は、レジスト層に限らず、シリコン窒化膜を採用してもよい。
【００４４】
次に、図７に示すようなｒｆバイアススパッタリング装置を用いて、支持基板１の上記一表面側の全面にデポジションとエッチングとが同時に起こるようにチャンバＣｈ内のＳｉからなるターゲット４５（あるいはＳｉＯ２からなるターゲット４６）と支持基板１とに高周波電力を印加しながら、第１の物質であるアモルファスシリコンからなる第１の薄膜層と第２の物質であるＳｉＯ２からなる第２の薄膜層とを交互に積層することで下地パターン６上に屈折率周期構造体よりなる光結合デバイス４０が形成されるとともに、他の部位上に第１の薄膜層と第２の薄膜層とが交互に積層した積層膜１１２が形成され、図６（ｃ）に示すような構造が得られる。すなわち、支持基板１に高周波電力を印加しながら、ターゲット４５に高周波電力を印加してＡｒイオン４７によりターゲット４５をスパッタする期間と、ターゲット４６に高周波電力を印加してＡｒイオン４７によりターゲット４５をスパッタする期間とを交互に繰り返すことによって、ステージＳＴにセットされた対象物Ｓ（図６（ｂ）の構造物）の表面側に上記光結合デバイス４０と積層膜１１２とを形成することができる。なお、図７中の一点鎖線で囲んだ空間はプラズマが発生している空間を模式的に示してあり、同図中の４８はターゲット４５から飛び出したスパッタ原子を示している。また、ステージＳＴは回転可能であって、ターゲット４５をスパッタする期間にはターゲット４５に対象物Ｓが対向し、ターゲット４６をスパッタする期間にはターゲット４６に対象物Ｓが対向するように図示しない制御装置によって制御されるようになっている。
【００４５】
ここにおいて、光結合デバイス４０は、支持基板１の上記一表面に平行な面内では下地パターン６の凹凸の周期を反映した周期構造が形成され、さらに支持基板１の厚み方向には交互積層による周期性が現れ、全体として３次元周期構造を有している。このような３次元周期構造の形成方法は、自己クローニング法と呼ばれており（例えば、Ｓ．Ｋａｗａｋａｍｉ，Ｔ．Ｋａｗａｓｈｉｍａ，Ｔ．Ｓａｔｏ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，７４，４６３，１９９９）、下地パターン６を円形の穴が２次元的な周期構造を有するように配列された凹凸パターンとすれば、図８に示すように、第１の物質からなる第１の薄膜層４０ａと第２の物質からなる第２の薄膜層４０ｂとが下地パターン６の形状を反映して積層された３次元周期構造体を形成できることができる。
【００４６】
上述のようにして支持基板１の上記一表面側に光結合デバイス４０と積層膜１１２とを形成した後、支持基板１の上記一表面側の全面にスピンコート法によりレジストを塗布し、リソグラフィ技術によって光結合デバイス４０が覆われ他の部位が露出するようにパターニングされたレジスト層１１３を形成し、ＩＣＰを利用したドライエッチング装置などによって積層膜１１２をエッチング除去することにより、図６（ｄ）に示す構造が得られる。なお、積層膜１１２は上述のように第１の物質であるアモルファスシリコンからなる第１の薄膜層と第２の物質であるＳｉＯ２からなる第２の薄膜層とが交互に積層されているから、各薄膜層ごとにエッチングガスを切り替えることで連続的にエッチングすることができる。ここに、上述のエッチングストッパ膜１１１が形成されていることで、エッチングの終点の管理が容易になるとともにエッチングストッパ膜１１１下のコア３ａや位置決め溝５の内面がエッチングされるのを防止することができる。
【００４７】
積層膜１１２を除去した後、レジスト層１１３を除去してから、ダイシングを行い、光ファイバ２０を位置決め溝５に配置し、接着剤などにより固定することにより、図６（ｅ）に示す構造が得られる。
【００４８】
しかして、本実施形態の光結合装置では、実施形態１と同様に、光結合デバイス４０が屈折率の異なる複数種類の物質の周期構造を有する屈折率周期構造体からなることにより、光結合デバイス４０の小型化を図ることができる。また、光結合デバイス４０が、各光通信用デバイス間の相対的な位置決めに関わる１枚のフォトマスクに各光通信用デバイス用のマスクパターンとは別に光結合デバイス用に設けたマスクパターンにより支持基板１の上記一表面側に形成された周期的な凹凸パターンからなる下地パターン６上に自己整合的に形成されているので、従来のようなアクティブアライメントを行うことなく光通信用デバイス（光ファイバ２０、光導波路３０）と光結合デバイス４０との相対的な位置精度を高めることができて光結合損失の低減を図れ、しかも、レンズを用いることなく規定の光通信用デバイス間を光結合することができるので、レンズを用いる場合に比べて部品点数を削減できて低コスト化を図れる。
【００４９】
また、上述の製造方法では、支持基板１の上記一表面側に上記フォトマスクを利用して下地パターン６を含む所定パターンを形成する工程と、下地パターン６上へ自己整合的に光結合デバイス４０を形成する工程とを備えるので、光結合損失の低減および小型化および低コスト化を図れる光結合装置を提供することができる。また、下地パターン６のパターン形状の設計により上記周期構造の周期を制御することができ、所望の光学特性を実現できる。
【００５０】
また、光結合デバイス４０を形成する工程では、下地パターン６の表面側にｒｆバイアススパッタリング装置を用いたバイアススパッタリング法によって互いに屈折率の異なる物質からなる２種類の薄膜層を交互に積層することにより光結合デバイス４０を形成するので、Ｓｉ、ＳｉＯ２のようなポリマーに比べて耐環境性に優れた物質を用いて光結合デバイス４０を形成することができる。なお、各薄膜層を構成する材料はＳｉとＳｉＯ２との組み合わせ以外でもよいことは勿論である。
【００５１】
（実施形態３）
本実施形態の光結合装置の基本構成は図９（ｅ）に示すように、実施形態１と略同じであり、光結合デバイス４０の形成方法が異なることで光結合デバイス４０の構造が相違する。
【００５２】
以下、本実施形態の光結合装置の製造方法について説明する。
【００５３】
実施形態１で説明した製造方法に準じて図９（ａ）（図３（ｂ）と同じ）に示すように位置決め溝５および下地パターン６および光導波路３０を形成した後、支持基板１の上記一表面側の全面にスピンコート法によりレジストを塗布し、リソグラフィ技術によって下地パターン６の部位のみが露出するようにパターニングされたレジスト層からなるエッチングストッパ膜１１１を形成することによって、図９（ｂ）に示す構造が得られる。なお、エッチングストッパ膜１１１は、レジスト層に限らず、シリコン窒化膜を採用してもよい。
【００５４】
次に、直径が数１００ｎｍサイズのシリカ球を含むコロイド溶液中に図９（ｂ）に示す構造物を浸漬してシリカ球を沈降させることにで下地パターン６上に屈折率周期構造体（コロイド結晶）よりなる光結合デバイス４０が形成されるとともに、他の部位上にコロイド結晶１１４が形成され、図９（ｃ）に示すような構造が得られる。すなわち、コロイド結晶１１４は、下地上にシリカ球を沈降させることでコロイド結晶を成長させる人工オパール法をにより形成され、光結合デバイス４０は、周期的な凹凸パターンからなる下地パターン６をテンプレートとして周期構造を制御可能なコロイドエピタキシー法（例えば、Ａ．Ｖａｎ Ｂｌａａｄｅｒｅｎ，Ｒ．Ｒｕｅｌ ａｎｄ Ｐ．Ｗｉｌｔｚｕｉｓ，Ｎａｔｕｒｅ ３８５，３２１，１９９７）により形成されており、光結合デバイス４０は、図１０に示すようにシリカの球状体４０ｃが３次元周期構造を有するように配列されている。
【００５５】
上述のようにして支持基板１の上記一表面側に光結合デバイス４０とコロイド結晶１１４とを形成した後、支持基板１の上記一表面側の全面にスピンコート法によりレジストを塗布し、リソグラフィ技術によって光結合デバイス４０が覆われ他の部位が露出するようにパターニングされたレジスト層１１３を形成し、ＩＣＰを利用したドライエッチング装置などによってコロイド結晶１１４をエッチング除去することにより、図９（ｄ）に示す構造が得られる。なお、上述のエッチングストッパ膜１１１が形成されていることで、エッチングの終点の管理が容易になるとともにエッチングストッパ膜１１１下のコア３ａや位置決め溝５の内面がエッチングされるのを防止することができる。
【００５６】
コロイド結晶１１４を除去した後、レジスト層１１３を除去してから、ダイシングを行い、光ファイバ２０を位置決め溝５に配置し、接着剤などにより固定することにより、図９（ｅ）に示す構造が得られる。
【００５７】
しかして、本実施形態の光結合装置では、実施形態１と同様に、光結合デバイス４０が屈折率の異なる複数種類の物質（本実施形態では、シリカと空気）の周期構造を有する屈折率周期構造体からなることにより、光結合デバイス４０の小型化を図ることができる。また、光結合デバイス４０が、各光通信用デバイス間の相対的な位置決めに関わる１枚のフォトマスクに各光通信用デバイス用のマスクパターンとは別に光結合デバイス用に設けたマスクパターンにより支持基板１の上記一表面側に形成された周期的な凹凸パターンからなる下地パターン６上に自己整合的に形成されているので、従来のようなアクティブアライメントを行うことなく光通信用デバイス（光ファイバ２０、光導波路３０）と光結合デバイス４０との相対的な位置精度を高めることができて光結合損失の低減を図れ、しかも、レンズを用いることなく規定の光通信用デバイス間を光結合することができるので、レンズを用いる場合に比べて部品点数を削減できて低コスト化を図れる。
【００５８】
また、上述の製造方法では、支持基板１の上記一表面側に上記フォトマスクを利用して下地パターン６を含む所定パターンを形成する工程と、下地パターン６上へ自己整合的に光結合デバイス４０を形成する工程とを備えるので、光結合損失の低減および小型化および低コスト化を図れる光結合装置を提供することができる。また、下地パターン６のパターン形状の設計により上記周期構造の周期を制御することができ、所望の光学特性を実現できる。
【００５９】
また、光結合デバイス４０を形成する工程では、下地パターン６の表面側にコロイド粒子を沈降させることによって光結合デバイス４０を形成するので、真空チャンバを必要とする成膜装置（例えば、スパッタ装置、蒸着装置など）やエッチング装置などの特殊な装置を用いずに簡易な方法で、例えばＳｉ、ＳｉＯ２のようなポリマーに比べて耐環境性に優れた物質を用いて光結合デバイス４０を形成することができる。
【００６０】
（実施形態４）
本実施形態の光結合装置の基本構成は図１１（ｅ）に示すように、実施形態１と略同じであり、光結合デバイス４０の形成方法が異なることで光結合デバイス４０の構造が相違する。
【００６１】
以下、本実施形態の光結合装置の製造方法について説明する。
【００６２】
実施形態１で説明した製造方法に準じて図１１（ａ）（図３（ｂ）と同じ）に示すように位置決め溝５および下地パターン６および光導波路３０を形成した後、支持基板１の上記一表面側の全面にスピンコート法によりレジストを塗布し、リソグラフィ技術によって下地パターン６の部位のみが露出するようにパターニングされたレジスト層からなるエッチングストッパ膜１１１を形成することによって、図１１（ｂ）に示す構造が得られる。なお、エッチングストッパ膜１１１は、レジスト層に限らず、シリコン窒化膜を採用してもよい。
【００６３】
次に、図１２に示すような斜め蒸着が可能な蒸着装置を用いて、ステージＳＴにセットされた対象物Ｓ（図１２（ｂ）の構造物）の表面側に図１３に示すようなＳｉＯ２からなり支持基板１の厚み方向に螺旋周期を有する螺旋体４０ｄが支持基板１の上記一表面に平行な面内で２次元周期構造を有するように配列された光結合デバイス４０とシリコン酸化膜１１５とを形成することにより、図１１（ｃ）に示す構造が得られる。ここにおいて、光結合デバイス４０およびシリコン酸化膜１１５は、図１２に示すように、対象物ＳがセットされたステージＳＴをモータ５１によって回転させながら、ステージＳＴの法線に対して傾いた方向から所望の屈折率の物質（例えば、ＳｉＯ２からなる蒸着粒子）が到来するような斜め蒸着を行うことによって形成されている。なお、図１２中のθは、図示しない電子ビームにより蒸着源５２から蒸発した蒸着粒子の飛来方向の中心線とステージＳＴの法線方向（支持基板１の厚み方向）とのなす角度を示している。
【００６４】
ここにおいて、光結合デバイス４０は、支持基板１の上記一表面に平行な面内では下地パターン６の凹凸の周期を反映した周期構造が形成され、さらに支持基板１の厚み方向には螺旋体４０ｄの螺旋周期による周期性が現れ、全体として３次元周期構造を有している。このような３次元周期構造の形成方法は、ＧＬＡＤ（Ｇｌａｎｃｉｎｇ Ａｎｇｌｅ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法と呼ばれており（例えば、Ｋ．Ｒｏｂｂｉｅ ａｎｄ Ｍ．Ｊ．Ｂｒｅｔｔ，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ１５（３），１４６０，１９９７）、螺旋体４０ｄは下地パターン６を核として形成されるから、螺旋体４０ｄの形状は下地パターン６の形状や配列によって制御可能である。なお、上述の説明から明らかなように、光結合デバイス４０は、ＳｉＯ２よりなる複数の螺旋体４０ｄと空気とで構成されている。
【００６５】
上述のようにして支持基板１の上記一表面側に光結合デバイス４０とシリコン酸化膜１１５とを形成した後、支持基板１の上記一表面側の全面にスピンコート法によりレジストを塗布し、リソグラフィ技術によって光結合デバイス４０が覆われ他の部位が露出するようにパターニングされたレジスト層１１３を形成し、ＩＣＰを利用したドライエッチング装置などによってシリコン酸化膜１１５をエッチング除去することにより、図１１（ｄ）に示す構造が得られる。ここに、上述のエッチングストッパ膜１１１が形成されていることで、エッチングの終点の管理が容易になるとともにエッチングストッパ膜１１１下のコア３ａや位置決め溝５の内面がエッチングされるのを防止することができる。
【００６６】
シリコン酸化膜１１５を除去した後、レジスト層１１３を除去してから、ダイシングを行い、光ファイバ２０を位置決め溝５に配置し、接着剤などにより固定することにより、図１１（ｅ）に示す構造が得られる。
【００６７】
しかして、本実施形態の光結合装置では、実施形態１と同様に、光結合デバイス４０が屈折率の異なる複数種類の物質の周期構造を有する屈折率周期構造体からなることにより、光結合デバイス４０の小型化を図ることができる。また、光結合デバイス４０が、各光通信用デバイス間の相対的な位置決めに関わる１枚のフォトマスクに各光通信用デバイス用のマスクパターンとは別に光結合デバイス用に設けたマスクパターンにより支持基板１の上記一表面側に形成された周期的な凹凸パターンからなる下地パターン６上に自己整合的に形成されているので、従来のようなアクティブアライメントを行うことなく光通信用デバイス（光ファイバ２０、光導波路３０）と光結合デバイス４０との相対的な位置精度を高めることができて光結合損失の低減を図れ、しかも、レンズを用いることなく規定の光通信用デバイス間を光結合することができるので、レンズを用いる場合に比べて部品点数を削減できて低コスト化を図れる。
【００６８】
また、上述の製造方法では、支持基板１の上記一表面側に上記フォトマスクを利用して下地パターン６を含む所定パターンを形成する工程と、下地パターン６上へ自己整合的に光結合デバイス４０を形成する工程とを備えるので、光結合損失の低減および小型化および低コスト化を図れる光結合装置を提供することができる。また、下地パターン６のパターン形状の設計により上記周期構造の周期を制御することができ、所望の光学特性を実現できる。
【００６９】
また、光結合デバイス４０を形成する工程では、支持基板１を支持基板１の厚み方向に直交する面内で回転させながら下地パターン６の表面側に所望の屈折率の物質（本実施形態では、ＳｉＯ２）を斜め蒸着することによって支持基板１の厚み方向に螺旋周期を有する螺旋体４０ｄと空気とからなる光結合デバイス４０を形成するので、光結合デバイス４０の構成材料として、一般的な半導体製造プロセスで利用されている材料を採用することができる。なお、本実施形態のように斜め蒸着により光結合デバイス４０を形成する場合には、ＳｉＯ２に限らず、半導体、金属、金属酸化物などの一般的な半導体製造プロセスで利用されている材料を採用することが可能となる。
【００７０】
（実施形態５）
本実施形態の光結合装置の基本構成は実施形態１と略同じであって、図１４に示すように、シリコン基板よりなる支持基板１の上記一表面側に、実施形態１で説明した断面Ｖ字状の位置決め溝５の代わりに、レーザーダイオードからなる発光素子２１を位置決めする凹部８が形成されている点が相違する。すなわち、発光素子２１は図１４における下部が凹部８に埋め込まれた形で位置決めされている。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。また、本実施形態では、発光素子２１および光導波路３０それぞれが光通信用デバイスを構成している。
【００７１】
本実施形態における光結合デバイス４０の基本構造としては、上記各実施形態の何れかにおける構造を採用すればよく、上記各実施形態では光ファイバ２０から入射された導波光のスポットサイズを光導波路３０のスポットサイズへ変換する集光機能を有するように上記周期構造の周期が設定されているのに対して、本実施形態では、発光素子２１から入射された導波光のスポットサイズを光導波路３０のスポットサイズへ変換する集光機能を有するように上記周期構造の周期が設定されている点が相違する。
【００７２】
また、本実施形態の光結合装置の製造方法は上記各実施形態のいずれかで説明した方法に準じ、位置決め溝５の代わりに凹部８を形成する点が相違するだけである。すなわち、位置決め溝５に対応したマスクパターンを凹部８に対応したマスクパターンに変更すればよい。また、位置決め溝５を形成する際にはアルカリ系溶液を用いた異方性エッチングを行っているが、凹部８を形成する際にはドライエッチングを行えばよい。
【００７３】
しかして、本実施形態の光結合装置では、実施形態１と同様に、光結合デバイス４０が屈折率の異なる複数種類の物質の周期構造を有する屈折率周期構造体からなることにより、光結合デバイス４０の小型化を図ることができる。また、光結合デバイス４０が、各光通信用デバイス間の相対的な位置決めに関わる１枚のフォトマスクに各光通信用デバイス用のマスクパターンとは別に光結合デバイス用に設けたマスクパターンにより支持基板１の上記一表面側に形成された周期的な凹凸パターンからなる下地パターン６上に自己整合的に形成されているので、従来のようなアクティブアライメントを行うことなく光通信用デバイス（発光素子２１、光導波路３０）と光結合デバイス４０との相対的な位置精度を高めることができて光結合損失の低減を図れ、しかも、レンズを用いることなく規定の光通信用デバイス間を光結合することができるので、レンズを用いる場合に比べて部品点数を削減できて低コスト化を図れる。
【００７４】
また、上述の製造方法では、支持基板１の上記一表面側に上記フォトマスクを利用して下地パターン６を含む所定パターンを形成する工程と、下地パターン６上へ自己整合的に光結合デバイス４０を形成する工程とを備えるので、光結合損失の低減および小型化および低コスト化を図れる光結合装置を提供することができる。また、下地パターン６のパターン形状の設計により上記周期構造の周期を制御することができ、所望の光学特性を実現できる。
【００７５】
（実施形態６）
本実施形態の光結合装置は、図１５に示すように、ＭＥＭＳ式ミラー型光スイッチの入力側の２本の光ファイバ２０ａ，２０ｂからの出射光をコリメートする機能を有する屈折率周期構造体よりなる光結合デバイス４１と、ミラー７で反射されて出力側の２本の光ファイバ２０ｂ，２０ｂへ向かう光をコリメートする機能を有する屈折率周期構造体よりなる光結合デバイス４２とが支持基板１の一表面側に形成されている。また、支持基板１の上記一表面側には各光ファイバ２０ａ，２０ａ，２０ｂ，２０ｂそれぞれを位置決めする４つの断面Ｖ字状の位置決め溝５が形成されている。なお、屈折率の周期構造によりコリメート機能を実現する具体的な設計方法については、上述の特開２００１−４６８９号公報に記載の内容から容易に類推することができる。
【００７６】
上述の説明から明らかなように、本実施形態では、入力側の２本の光ファイバ２０ａ，２０ａそれぞれから光軸方向に延長した直線との出力側の２本の光ファイバ２０ｂ，２０ｂそれぞれから光軸方向に延長した直線との交差点ごとにミラー７を配置し、入力側の光ファイバ２０ａ，２０ａと出力側の光ファイバ２０ｂ，２０ｂとを低損失で光結合するために入力側の光ファイバ２０ａ，２０ａの出射面側に光結合デバイス４１を配置するとともに、出力側の光ファイバ２０ｂ，２０ｂの入射面側に光結合デバイス４２を配置してある。ミラーのサイズは２００μｍ□程度で、入力側の光ファイバ２０ａから出射された光は、光結合デバイス４１を介してミラー７で光路を９０度変換され、光結合デバイス４２を介して出力側の光ファイバ２０ｂへ入射される。ここにおいて、光結合デバイス４１，４２はコリメートレンズとして機能する。すなわち、本実施形態では、光ファイバ２０ａからの出射光を光結合デバイス４１で適当なスポットサイズ、例えば１００μｍ程度のコリメート光に変換し、ミラー７で光路変換された後、光結合デバイス４２を通る際に光ファイバ２０ｂのスポットサイズである１０μｍ程度にスポットサイズ変換を行う。
【００７７】
ところで、本実施形態の光結合装置は、上記各実施形態で説明した製造方法のいずれかに準拠して製造することができる。すなわち、支持基板１の上記一表面側には各光結合デバイス４１，４２の形成予定領域に上記各実施形態で説明したような下地パターンがそれぞれ形成しておけばよい。
【００７８】
しかして、本実施形態の光結合装置では、実施形態１と同様に、光結合デバイス４１，４２が屈折率の異なる複数種類の物質の周期構造を有する屈折率周期構造体からなることにより、光結合デバイス４１，４２の小型化を図ることができる。また、光結合デバイス４１，４２が、各光通信用デバイス（光ファイバ２０ａ，２０ｂ）間の相対的な位置決めに関わる１枚のフォトマスクに各光通信用デバイス用のマスクパターンとは別に光結合デバイス用に設けたマスクパターンにより支持基板１の上記一表面側に形成された周期的な凹凸パターンからなる下地パターン上に自己整合的に形成されているので、従来のようなアクティブアライメントを行うことなく光通信用デバイスと光結合デバイス４１，４２との相対的な位置精度を高めることができて光結合損失の低減を図れ、しかも、レンズを用いることなく規定の光通信用デバイス間を光結合することができるので、レンズを用いる場合に比べて部品点数を削減できて低コスト化を図れる。
【００７９】
また、上述の製造方法では、支持基板１の上記一表面側に上記フォトマスクを利用して下地パターンを含む所定パターンを形成する工程と、下地パターン上へ自己整合的に光結合デバイス４１，４２を形成する工程とを備えるので、光結合損失の低減および小型化および低コスト化を図れる光結合装置を提供することができる。また、下地パターンのパターン形状の設計により上記周期構造の周期を制御することができ、所望の光学特性を実現できる。
【００８０】
【発明の効果】
請求項１の発明は、相対的な位置が決められ互いに離間した複数の光通信用デバイスと、屈折率の異なる複数種類の物質の周期構造を有する屈折率周期構造体からなり複数の光通信用デバイスのうち規定の光通信用デバイス間を光結合する光結合デバイスと、各光通信用デバイスおよび光結合デバイスが一表面側に設けられた支持基板とを備え、光結合デバイスは、各光通信用デバイス間の相対的な位置決めに関わる１枚のフォトマスクに各光通信用デバイス用のマスクパターンとは別に光結合デバイス用に設けたマスクパターンにより支持基板の前記一表面側に形成された周期的な凹凸パターンからなる下地パターン上に自己整合的に形成されてなるものであり、光結合デバイスが屈折率の異なる複数種類の物質の周期構造を有する屈折率周期構造体からなることにより、光結合デバイスの小型化を図ることができるという効果があり、また、光結合デバイスが、各光通信用デバイス間の相対的な位置決めに関わる１枚のフォトマスクに各光通信用デバイス用のマスクパターンとは別に光結合デバイス用に設けたマスクパターンにより支持基板の前記一表面側に形成された周期的な凹凸パターンからなる下地パターン上に自己整合的に形成されているので、従来のようなアクティブアライメントを行うことなく光通信用デバイスと光結合デバイスとの相対的な位置精度を高めることができて光結合損失の低減を図れるという効果があり、しかも、レンズを用いることなく規定の光通信用デバイス間を光結合することができるので、レンズを用いる場合に比べて部品点数を削減できて低コスト化を図れるという効果がある。
【００８１】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記光通信用デバイスの少なくとも１つが光ファイバであり、前記支持基板の前記一表面側に前記フォトマスクを利用して形成され前記光ファイバを位置決めする位置決め溝を有するので、光通信用デバイスの１つである光ファイバと光結合デバイスとを高精度に位置合わせすることができるという効果がある。
【００８２】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記光通信用デバイスの少なくとも１つが発光素子であり、前記支持基板の前記一表面側に前記フォトマスクを利用して形成され前記発光素子を位置決めする凹部を有するので、光通信用デバイスの１つである光ファイバと光結合デバイスとを高精度に位置合わせすることができるという効果がある。
【００８３】
請求項４の発明は、請求項１記載の光結合装置の製造方法であって、前記支持基板の一表面側に前記フォトマスクを利用して前記下地パターンを含む所定パターンを形成する工程と、前記下地パターン上へ自己整合的に光結合デバイスを形成する工程とを備えるので、光結合損失の低減および小型化および低コスト化を図れる光結合装置を提供することができるという効果がある。また、前記下地パターンのパターン形状の設計により前記周期構造の周期を制御することができ、所望の光学特性を実現できるという効果がある。
【００８４】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記光結合デバイスを形成する工程では、前記下地パターン上にブロック共重合体を滴下した後に硬化させることにより前記光結合デバイスを形成するので、成膜装置（例えばスパッタ装置、蒸着装置など）やエッチング装置などを用いた複雑なプロセスを行うことなしに前記光結合デバイスを容易に形成することができるという効果がある。
【００８５】
請求項６の発明は、請求項４の発明において、前記光結合デバイスを形成する工程では、前記下地パターンの表面側にバイアススパッタリング法によって互いに屈折率の異なる物質からなる２種類の薄膜層を交互に積層することにより前記光結合デバイスを形成するので、例えばＳｉ、ＳｉＯ２のようなポリマーに比べて耐環境性に優れた物質を用いて前記光結合デバイスを形成することができるという効果がある。
【００８６】
請求項７の発明は、請求項４の発明において、前記光結合デバイスを形成する工程では、前記下地パターンの表面側にコロイド粒子を沈降させることによって前記光結合デバイスを形成するので、真空チャンバを必要とする成膜装置（例えば、スパッタ装置、蒸着装置など）やエッチング装置などの特殊な装置を用いずに簡易な方法で、例えばＳｉ、ＳｉＯ２のようなポリマーに比べて耐環境性に優れた物質を用いて前記光結合デバイスを形成することができるという効果がある。
【００８７】
請求項８の発明は、請求項４の発明において、前記光結合デバイスを形成する工程では、前記支持基板を前記支持基板の厚み方向に直交する面内で回転させながら前記下地パターンの表面側に所望の屈折率の物質を斜め蒸着することによって前記支持基板の厚み方向に螺旋周期を有する螺旋体と空気とからなる前記光結合デバイスを形成するので、前記光結合デバイスの構成材料として、半導体、金属、金属酸化物などの一般的な半導体製造プロセスで利用されている材料を採用することが可能となるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１を示し、（ａ）は光結合装置の概略斜視図、（ｂ）は（ａ）における光結合デバイスの概略斜視図である。
【図２】同上の光結合装置の製造方法を説明するための主要工程斜視図である。
【図３】同上の光結合装置の製造方法を説明するための主要工程斜視図である。
【図４】同上における光結合デバイスの他の構成例の概略斜視図である。
【図５】同上における光結合デバイスの別の構成例の概略斜視図である。
【図６】実施形態２の光結合装置の製造方法を説明するための主要工程斜視図である。
【図７】同上の光結合装置の製造方法の説明図である。
【図８】同上における光結合デバイスの概略斜視図である。
【図９】実施形態３の光結合装置の製造方法を説明するための主要工程斜視図である。
【図１０】同上における光結合デバイスの概略斜視図である。
【図１１】実施形態４の光結合装置の製造方法を説明するための主要工程斜視図である。
【図１２】同上の光結合装置の製造方法の説明図である。
【図１３】同上における光結合デバイスの概略斜視図である。
【図１４】実施形態５の光結合装置の概略斜視図である。
【図１５】実施形態６の光結合装置の概略平面図である。
【図１６】従来例を示す光結合デバイスの概略斜視図である。
【図１７】他の従来例を示す光結合方法の説明図である。
【図１８】別の従来例を示す光スイッチの概略説明図である。
【符号の説明】
１ 支持基板
２ シリコン酸化膜
３ａ コア
４ シリコン酸化膜
５ 位置決め溝
６ 下地パターン
２０ 光ファイバ
３０ 光導波路
４０ 光結合デバイス
Claims (8)
- 相対的な位置が決められ互いに離間した複数の光通信用デバイスと、屈折率の異なる複数種類の物質の周期構造を有する屈折率周期構造体からなり複数の光通信用デバイスのうち規定の光通信用デバイス間を光結合する光結合デバイスと、各光通信用デバイスおよび光結合デバイスが一表面側に設けられた支持基板とを備え、光結合デバイスは、各光通信用デバイス間の相対的な位置決めに関わる１枚のフォトマスクに各光通信用デバイス用のマスクパターンとは別に光結合デバイス用に設けたマスクパターンにより支持基板の前記一表面側に形成された周期的な凹凸パターンからなる下地パターン上に自己整合的に形成されてなることを特徴とする光結合装置。
- 前記光通信用デバイスの少なくとも１つが光ファイバであり、前記支持基板の前記一表面側に前記フォトマスクを利用して形成され前記光ファイバを位置決めする位置決め溝を有することを特徴とする請求項１記載の光結合装置。
- 前記光通信用デバイスの少なくとも１つが発光素子であり、前記支持基板の前記一表面側に前記フォトマスクを利用して形成され前記発光素子を位置決めする凹部を有することを特徴とする請求項１記載の光結合装置。
- 請求項１記載の光結合装置の製造方法であって、前記支持基板の一表面側に前記フォトマスクを利用して前記下地パターンを含む所定パターンを形成する工程と、前記下地パターン上へ自己整合的に光結合デバイスを形成する工程とを備えることを特徴とする光結合装置の製造方法。
- 前記光結合デバイスを形成する工程では、前記下地パターン上にブロック共重合体を滴下した後に硬化させることにより前記光結合デバイスを形成することを特徴とする請求項４記載の光結合装置の製造方法。
- 前記光結合デバイスを形成する工程では、前記下地パターンの表面側にバイアススパッタリング法によって互いに屈折率の異なる物質からなる２種類の薄膜層を交互に積層することにより前記光結合デバイスを形成することを特徴とする請求項４記載の光結合装置の製造方法。
- 前記光結合デバイスを形成する工程では、前記下地パターンの表面側にコロイド粒子を沈降させることによって前記光結合デバイスを形成することを特徴とする請求項４記載の光結合装置の製造方法。
- 前記光結合デバイスを形成する工程では、前記支持基板を前記支持基板の厚み方向に直交する面内で回転させながら前記下地パターンの表面側に所望の屈折率の物質を斜め蒸着することによって前記支持基板の厚み方向に螺旋周期を有する螺旋体と空気とからなる前記光結合デバイスを形成することを特徴とする請求項４記載の光結合装置の製造方法。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009170865A (ja) * | 2007-12-17 | 2009-07-30 | Kyocera Corp | 信号端子と信号線路導体との接続構造および電子部品搭載用パッケージならびに電子装置 |
-
2002
- 2002-06-28 JP JP2002191217A patent/JP2004037580A/ja not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009170865A (ja) * | 2007-12-17 | 2009-07-30 | Kyocera Corp | 信号端子と信号線路導体との接続構造および電子部品搭載用パッケージならびに電子装置 |
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