JP2004133446A - 光モジュール及び製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバとの接続損失を低減する。
【解決手段】光モジュールは、平板状のアンダークラッド１４と、このアンダークラッド上に配置された断面が四角形のシリコンからなる第１のコア１６と、この第１のコアの終端部１７を覆うように配置された第２のコア１８と、第１コアの終端部と第２のコアとを覆うように配置されたオーバークラッド１５とを備え、アンダークラッドと第１のコアとは、第１の光導波路１０を構成し、アンダークラッドと第１のコアの終端部と第２のコアとオーバークラッドとは、モードフィールドサイズ変換部１１を構成し、アンダークラッドと第２のコアとオーバークラッドとは、第２の光導波路１２を構成している。
【選択図】　図１

Description

　本発明は、オプトエレクトロニクス分野、光通信分野において使用される光導波路型フィルターなどの平面光波回路において、ＳＯＩ基板上に構築されるシリコン細線光導波路に係り、特にシリコン細線光導波路よりモードフィールド径が大きい光導波路とシリコン細線光導波路とを光学的に接続するモードフィールドサイズ変換部を備えた光モジュールとその製造方法に関するものである。

　近年、光回路の小型化を目指して、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を利用したシリコン細線光導波路やフォトニック結晶導波路の種々の研究開発が行われている。これらの光導波路と光ファイバ、発光素子、受光素子等との接続で問題となるのが、それぞれのモードフィールドサイズ（径）である。これらの光導波路ではモードフィールドサイズがサブミクロンのオーダーとなるが、光ファイバ等のモードフィールドサイズは、数ミクロンのオーダーとなる。したがって、光導波路とモードフィールドサイズの大きい通常の光ファイバ等とを効率的に直接接続することは困難であり、低損失で接続を行うためには、モードフィールドサイズの変換が必要である。

　このため、各種のモードフィールドサイズ変換構造が試みられてきた。その一例として、シリコン細線からなる第１の光導波路を形成したＳＯＩ基板上に、この光導波路と接続される石英系もしくはポリマーからなる第２の光導波路を設け、この第２の光導波路と先端をテーパ状に加工した第１の光導波路とをオーバーラップさせることで、効率の高いモードフィールドサイズ変換を実現することができる（例えば、非特許文献１参照）。

　図１２（ａ）はモードフィールドサイズ（スポットサイズ）変換部を備えた従来の光導波路の平面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）の光導波路の断面図である。同図において、１０はシリコン細線からなる第１光導波路、１１はモードフィールドサイズ変換部、１２は第１の光導波路と接続される第２の光導波路、１３はシリコン基板、１４はシリコン基板１３上に形成された酸化シリコンよりなるアンダークラッド、１６はアンダークラッド１４上に形成されたシリコンよりなる細線状コア、１７はこのコア１６から延在しているシリコンよりなるテーパ部、１８はテーパ部１７上に配置されたポリマーよりなるコアである。これらのコア１６、テーパ部１７、コア１８はシリコン基板１３とアンダークラッド１４を共通基板として配置され、これにより第１の光導波路１０と第２の光導波路１２がモードフィールドサイズ変換部１１を介して接続されていることになる。

　光通信にもっとも良く使用されている１．５５μｍ帯の光を通す場合、第１の光導波路１０を構成するコア１６の断面の高さと幅は共に０．３μｍである。また、この第１の光導波路１０と接続される光導波路１２のコア１８は、アンダークラッド１４よりも数％程度大きな屈折率を持ち、断面の高さと幅は共に数μｍ程度である。１６はテーパ構造１７をもつシリコンからなるコアであり、長さは２００μｍ、テーパ先端幅は０．０６μｍである。コア１６及びおよびテーパ部１７は、電子線リソグラフィとエッチングで形成され、ポリマーからなるコア１８は光リソグラフィで形成される。

　なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
荘司他，「ＳＯＩ基板上に形成したＳｉ細線光導波路の外部結合構造」，春季講演会予稿集，社団法人応用物理学会，２００１年，Ｎｏ．３，３０ａ−ＹＫ−１１

　図１２に示した光導波路において、光ファイバと低損失で接続するためには、細線状の第１の光導波路と接続される第２の光導波路のモードフィールド径は光ファイバのモードフィールド径（９μｍ）に近いことが求められる。しかしながら、図１２の光導波路では、屈折率１の空気がオーバークラッドの役割をしているため、接続される第２の光導波路１２のコア１８との屈折率差が大きく、シングルモード条件を満たす第２の光導波路１２のコアサイズは３μｍ角より大きくできず、光ファイバとの接続損失を低減できないという問題があった。さらに、シリコン細線からなる第１の光導波路１０のコア１６の周りも特にオーバークラッド層がないため、光導波路１０のコア１６が傷つけられやすく、伝搬損失が増加するという問題もあった。
　また、図１２に示した光導波路において、モードフィールドサイズ変換効率を高めるためには、テーパ先端部の幅が０．１μｍ以下、理想的には０．０６μｍ程度かさらに小さいことが求められる。このような微細な加工は、電子線ビーム描画等の極めて高度なリソグラフィ技術やエッチング技術を要するなどし、経済的に加工することが困難であった。

　本発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、その主目的は、光ファイバとの接続損失を従来よりも低減できる光モジュール及び製造方法を提供することにある。
　また、本発明の他の目的は、コアが傷つくことによる伝搬損失の増加を防止することができる光モジュール及び製造方法を提供することにある。
　また、本発明の他の目的は、モードフィールドサイズ変換部の微細なテーパ部を精度良く経済的に加工することができる光モジュール及び製造方法を提供することにある。

　本発明の光モジュールは、全体として平板状のアンダークラッドと、このアンダークラッド上に配置された断面が四角形のシリコンからなる第１のコアと、この第１のコアの終端部を覆うように配置された第２のコアと、前記第１コアの終端部と前記第２のコアとを覆うように配置されたオーバークラッドとを備え、前記アンダークラッドと前記第１のコアとは、第１の光導波路を構成し、前記アンダークラッドと前記第１のコアの終端部と前記第２のコアと前記オーバークラッドとは、モードフィールドサイズ変換部を構成し、前記アンダークラッドと前記第２のコアと前記オーバークラッドとは、第２の光導波路を構成し、前記第１のコアと前記第２のコアの断面形状が異なっていることを特徴とするものである。アンダークラッドは、第１のコア及び第２のコアよりも屈折率が小さい材料、例えばシリコン酸化膜からなる。第２のコアは、アンダークラッドよりも屈折率が大きい材料、例えばポリマーからなる。第１のコアは、第２のコアよりも屈折率が大きいシリコンからなる。
　また、本発明の光モジュールの１構成例において、前記第１コアの終端部は、先端に向かうに従って漸次断面積が小さくなるテーパ部によって構成されるものである。
　また、本発明の光モジュールの１構成例において、前記オーバークラッドは、前記第２のコアの上とその周囲に加えて前記第１コアの上とその周囲にも配置されるものである。
　また、本発明の光モジュールの１構成例において、前記第２のコアは、前記アンダークラッドより屈折率が高く、かつ前記第１のコアのシリコンより屈折率が低い材料によって形成されるものである。
　また、本発明の光モジュールの１構成例は、前記第１のコアと前記終端部との少なくとも側面を、シリコン酸化膜で覆うようにしたものである。
　また、本発明の光モジュールの１構成例において、前記終端部上の第２のコアは、前記シリコン酸化膜上に配置されるものである。
　また、本発明の光モジュールの１構成例において、前記アンダークラッドは、シリコン酸化膜からなるものである。

　また、本発明の光モジュールの製造方法は、アンダークラッドの上に細線状で断面が四角形のシリコンからなる第１のコアを選択的に形成する工程と、前記第１コアの終端部を覆うように第２のコアを前記アンダークラッド上に選択的に形成する工程と、前記第１コアの終端部と前記第２のコアとを覆うようにオーバークラッドを形成する工程とを備え、前記アンダークラッドと前記第１のコアとは、第１の光導波路を構成し、前記アンダークラッドと前記第１のコアの終端部と前記第２のコアと前記オーバークラッドとは、モードフィールドサイズ変換部を構成し、前記アンダークラッドと前記第２のコアと前記オーバークラッドとは、第２の光導波路を構成し、前記第１のコアと前記第２のコアの断面形状が異なっていることを特徴とするものである。
　また、本発明の光モジュールの製造方法の１構成例は、前記第１コアを形成する工程と前記第２のコアを形成する工程との間に、前記第１のコアと前記終端部との少なくとも側面を酸化する工程を備えるものである。
　また、本発明の光モジュールの製造方法の１構成例において、前記第１のコアの終端部は、前記第１のコアの先端に向かうに従って漸次断面積が小さくなるシリコンからなるテーパ部によって構成されるものである。
　また、本発明の光モジュールの製造方法の１構成例において、前記第１のコアと前記終端部との少なくとも側面を酸化する工程は、熱酸化処理である。
　また、本発明の光モジュールの製造方法の１構成例において、前記第１のコアと前記終端部との少なくとも側面を酸化する工程は、前記終端部先端の酸化前の幅寸法の半分以上を酸化する工程である。

　本発明によれば、第２のコアの上とその周囲にアンダークラッドと同程度の屈折率のポリマーからなるオーバークラッドを形成することで、モードフィールドサイズ変換部および第２の光導波路の光の閉じこめをオーバークラッドの屈折率で調整することができるため、第２の光導波路の第２のコアのサイズを大きくすることができる。その結果、光ファイバとの接続損失を低減することができる。

　また、第２のコアの上とその周囲に加えて第１コアの上とその周囲にもオーバークラッドを配置することにより、第１のコアを傷つけることがなくなる。その結果、第１のコアが傷つくことによる伝搬損失の増加を防止することができ、光モジュールの光導波路を長期間安定に使用することができる。

　また、第１の光導波路の第１のコアと終端部との少なくとも側面を酸化するようにしたので、終端部の先端幅寸法が０．０６μｍ程度以下のシリコンコアを、０．１μｍ以下の解像度を持たないリソグラフィプロセスを用いて、精度良く経済的に加工することができる。

　また、第１のコアと終端部との少なくとも側面を酸化する工程を、終端部先端の酸化前の幅寸法の半分以上を酸化する工程とすることにより、原理的に最も変換効率が高くなる先端幅寸法０μｍの終端部を実現することができる。

　また、第１のコアと終端部との側面だけを酸化することにより、酸化により減少するシリコンの厚さと酸化前の終端部の先端幅寸法のみを考慮して酸化を行えばよいので、形状制御を容易にすることができる。

　以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお図中の各構成要素の大きさ、形状及び配置関係は本発明が理解できる程度に概略的に示してあるに過ぎず、また、以下に説明する数値的条件は一つの例に過ぎない。

［第１の実施の形態］
　図１（ａ）は本発明の第１の実施の形態となるモードフィールドサイズ変換部を備えた光モジュールの平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の光モジュールのＡ−Ａ線断面図である。同図において、１０は第１の光導波路、１１はモードフィールドサイズ変換部、１２は第１の光導波路１０と接続される第２の光導波路、１３はシリコン基板、１４はシリコン基板上に形成されたシリコン酸化膜よりなるアンダークラッド、１５は例えばポリマーのような材料よりなるオーバークラッドであり、本発明によって特徴づけられる部分である。１６はアンダークラッド１４上に形成されたシリコンよりなる細線状の第１のコア、１７は第１のコア１６の終端部であるシリコンよりなるテーパ部、１８は第１のコア１６のテーパ部１７上に少なくとも一部が配置されたポリマーよりなる第２のコアである。第２のコア１８の主部はオーバークラッド１５，アンダークラッド１４とともに第２の光導波路を構成している。テーパ部１７は、第１のコア１６の先端方向に向かうに従って漸次断面積がちいさくなるように形成されている。

　第１の光導波路１０と第２の光導波路１２は、シリコン基板１３とアンダークラッド１４を共通基板として形成され、モードフィールドサイズ変換部１１を介して光学的に接続されている。
　また、フィールドサイズ変換部１１はアンダークラッド１４、テーパ部１７、テーパ部１７上に配置された第２コア１８およびこの第２のコアの上およびその周囲に配置されるオーバークラッド１５によって構成されている。また、第１の光導波路１０はアンダークラッド１４とこの上に配置されるコア１６とオーバークラッド１５とによって構成される。第１の光導波路１０では、オーバークラッド１５は必ず必要というわけではない。その理由は、シリコンをコアとする第１の光導波路１０は光の閉じ込めが強く、オーバークラッドがない場合でも下の基板に光が漏れることはないからである。

　光通信に最も良く使用されている１．５５μｍ帯の光を通す場合、第１の光導波路１０のコア１６は、断面の厚さおよび幅が０．３μｍ程度である。第２光導波路１２のコア１８は、アンダークラッド１４及びオーバークラッド１５のいずれよりも数％程度大きな屈折率を持ち、断面の厚さと幅は共に数μｍ程度である。テーパ部１７は、長さが３００μｍ、テーパ先端部の幅が０．０６μｍである。第１の光導波路１０、モードフィールドサイズ変換部１１及び第２の光導波路１２に共通のオーバークラッド１５は、アンダークラッド１４とほぼ同じあるいは大きめの屈折率を持つ。第１のコア１６及びテーパ部１７は、電子線リソグラフィとエッチングで形成され、第２のコア１８は、光リソグラフィとエッチングで形成される。

　次に、図１に示した光モジュールの製造方法を図２、図３を用いて説明する。まず、シリコン基板１３と、シリコン基板１３上に形成されたシリコン酸化膜からなる全体として平板状のアンダークラッド１４と、アンダークラッド１４上に形成されたシリコン層１６１とからなるＳＯＩ基板を用意し、シリコン層１６１の上に、エッチング加工用マスクとなるシリコン酸化膜１６２を化学気相成長法あるいはスパッタ法等を用いて形成する（図２（ａ））。この場合、アンダークラッド１４の厚さは３．０μｍ、シリコン層１６１の厚さは０．２μ〜０．５μｍである。

　続いて、シリコン酸化膜１６２の上面に電子線用のレジストを塗布した後、このレジストを電子線リソグラフィにより加工して、シリコン酸化膜パターン形成用のレジストマスク１６３を形成する（図２（ｂ））。このレジストマスク１６３は、シリコン酸化膜１６２を加工してエッチング加工用マスクを形成するためのものである。このマスクを用いてシリコン層１６１を加工して第１光導波路１０の断面四角形のコア１６及びこの終端部となるテーパ部１７が形成される。形成後の第１の光導波路のコア１６及びテーパ部１７の平面形状は、レジストマスク１６３の形状と同一である。

　次に、レジストマスク１６３を用いてシリコン酸化膜１６２をエッチングして、第１のコア１６及びテーパ部１７をエッチングするためのマスク１６４を形成する。この後、レジストマスク１６３をアッシングにより除去する（図２（ｃ））。そして、マスク１６４を用いてシリコン層１６１をエッチングして、細線状の第１光導波路１０の第１のコア１６及びテーパ部１７を形成し（図２（ｄ））、ついでウエットエッチングによりマスク１６４を除去する（図２（ｅ））。このとき、マスク１６４は厚みが薄ければ影響がないので除去せずに残しておいてもよい。

　続いて、第１のコア１６およびテーパ部１７を形成したＳＯＩ基板上に、アンダークラッド１４より屈折率が２％程度高いシリコン酸化膜あるいはポリマー系材料を化学気相成長法あるいはスピンコーティング法などにより３．５μｍ程度堆積する。そして、このシリコン酸化膜あるいはポリマー系材料をフォトリソグラフィとエッチングにより加工して、モードフィールドサイズ変換部１１及び光導波路１２のコア１８を形成する（図３（ａ））。

　最後に、第１コア１６、テーパ部１７及び第２のコア１８を形成したＳＯＩ基板上に、アンダークラッド１４と同じ屈折率を持つシリコン酸化膜あるいはポリマー系材料を６μｍ以上堆積して、オーバークラッド１５を形成する（図３（ｂ））。こうして、図１の光モジュールが完成する。この例では第２光導波路のコアにアンダークラッド、オーバークラッドより屈折率が２％程度高いポリマーを用いたが、この屈折率差がさらに小さいポリマーを用いれば第２光導波路のコアサイズをさらに大きくすることができる。

　本実施の形態によれば、第１の光導波路の第１のコア、第２光導波路の第２のコア上にアンダークラッドと同程度の屈折率のポリマーからなるオーバークラッドを形成することで、コアを傷つけることがなくなり、また第２の光導波路の光の閉じこめをオーバークラッドの屈折率で調整することができるため第２の光導波路の第２のコアのサイズを大きくすることができる。したがって、この光モジュールの光導波路を長期に安定に使えることを可能にし、かつ光ファイバとの接続損失をさらに下げることを可能にする。

［第２の実施の形態］
　図４（ａ）は本発明の第２の実施の形態となる光モジュールの平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）の光モジュールのＡ−Ａ線断面図、図４（ｃ）は図４（ａ）の光モジュールのＢ−Ｂ線断面図である。これらの図において、２０はシリコンからなる細線状の第１の光導波路、２１はモードフィールドサイズ変換部、２２は第１の光導波路２０に接続される第２の光導波路、２３はシリコン基板、２４はシリコン基板２３の上に配置されたシリコン酸化膜からなるアンダークラッド、２５はポリマーからなるオーバークラッド、２６は第１の光導波路２０を構成するシリコンからなる第１のコア、２７は第１のコア２６と同様にシリコンからなり、コア２６の端部に、コア２６の断面高さ（厚さ）を維持した状態で幅寸法が先端に向かって細くなるように形成されたテーパ部、２８はポリマーからなる、モードフィールドサイズ変換部２１及び第２の光導波路２２の第２のコア、３０はシリコン酸化膜である。

　テーパ部２７は、その表面に形成されたシリコン酸化膜３０とともに、第２のコア２８の端面からコア２８内に挿入された状態で、コア２８により覆われている。第１の光導波路の第１のコア２６の軸線に沿って配置されたテーパ部２７と第２のコア２８がシリコン酸化膜３０を介して接する区間がモードフィールドサイズ変換部２１となり、ここでは、シリコン酸化膜３０を介してテーパ部２７と第２のコア２８とが光学的に結合する状態となっている。テーパ部２７と第２のコア２８との位置関係は、軸線同士が一致していることが望ましいが、第２のコア２８の幅内にテーパ部２７が収まる程度の状態であれば良く、厳密な整合性を必要とするものではない。この場合、テーパ部２７の一部に第２のコア２８が載置されていればよい。

　次に、本実施の形態の光モジュールにおける光の伝搬状態を説明する。図４（ａ）、図４（ｂ）に示した第１の光導波路２０の第１のコア２６の左端面から入射した光は、コア２６を伝搬し、テーパ部２７の左端位置に到達する。光がテーパ部２７を図４（ａ）の右方向に伝搬するにつれて、コア幅が徐々に狭まり光の閉じこめが弱くなり、モードフィールドサイズが周囲に広がろうとする。ところが、このときアンダークラッド２４より屈折率の高い第２のコア２８が隣接して存在するため、光パワーの分布は第１の光導波路２０の第１のコア２６から第２の光導波路２２の第２のコア２８へ徐々に移っていく。

　前記とは逆に図４（ａ）、図４（ｂ）に示した第２コア２８の右端部から光が入射した場合には、右から左へ光が進行するにつれてコア２８、テーパ部２７を介して、第１の光導波路２０の第１のコア２６へ光の分布が移動する。この移動はテーパにより断熱的に行われるのでその効率は非常に高い。このように、テーパ部２７を介して第１の光導波路２０の第１のコア２６と第２の光導波路２２の第２のコア２８とを接続することで、効率の高いモードフィールドサイズ変換を実現することができる。

　次に、本実施の形態の光モジュールの製造方法を図５、図６を用いて説明する。まず、シリコン基板２３と、シリコン基板２３上に形成されたシリコン酸化膜からなる全体として平板状のアンダークラッド２４と、アンダークラッド２４上に形成されたシリコン層３１とからなるＳＯＩ基板を用意し、シリコン層３１の上に、エッチング加工用マスクとなるシリコン酸化膜３２を化学気相成長法あるいはスパッタ法等を用いて形成する（図５（ａ））。この場合、アンダークラッド２４の厚さは３．０μｍ、シリコン層３１の厚さは０．２μ〜０．５μｍである。

　続いて、シリコン酸化膜３２の上面に電子線用のレジストを塗布した後、このレジストを電子線リソグラフィにより加工して、シリコン酸化膜パターン形成用のレジストマスク３３を形成する（図５（ｂ））。このレジストマスク３３は、シリコン酸化膜３２を加工してエッチング加工用マスクを形成するためのものである。このマスクを用いてシリコン層３１を加工して第１光導波路２０の断面四角形のコア２６及びこの終端部となるテーパ部２７が形成される。形成後の第１の光導波路コア２６及びテーパ部２７の平面形状は、レジストマスク３３の形状と同一である。

　ただし、断面が四角形の第１のコア２６及びテーパ部２７の形成後に、後述する酸化工程によってシリコンの幅を減少させるので、図７に示すように、酸化後の最終作製目標値に対して、酸化で減少する量だけ第１のコア２６及びテーパ部２７の幅（すなわち、レジストマスク３３の幅）を大きく設定しておく必要がある。

　例えば、コア２６の幅の最終作製目標値を０．３μｍ、テーパ部２７の先端部の幅の最終作製目標値を０．０６μｍ、酸化により減少するシリコンの厚さを０．０５μｍとすると、酸化前の第１光導波路２０のコア２６の幅が０．４μｍ、酸化前のテーパ部２７の先端部の幅が０．１６μｍとなるように、レジストマスク３３を形成する。テーパ部２７の先端部は、図７に示すように台形状に形成しておく。

　なお、幅方向と同様に、第１のコア２６及びテーパ部２７の厚さも酸化によって減少するので、酸化で減少する量だけシリコン層３１を予め厚くしておく必要がある。例えば、第１のコア２６及びテーパ部２７の厚さの最終作製目標値を０．３μｍとすれば、シリコン層３１の厚さを０．３５μｍにしておけばよい。

　次に、レジストマスク３３を用いてシリコン酸化膜３２をエッチングして、第１のコア２６及びテーパ部２７をエッチングするためのマスク２９を形成する。この後、レジストマスク３３をアッシングにより除去する（図５（ｃ））。そして、マスク２９を用いてシリコン層３１をエッチングして、細線状の第１光導波路２０の第１のコア２６及びテーパ部２７を形成し（図５（ｄ））、ついでウエットエッチングによりマスク２９を除去する（図５（ｅ））。

　次に、第１の光導波路２０の第１のコア２６及びテーパ部２７を形成したＳＯＩ基板全体を酸素雰囲気中９００度で加熱して、第１のコア２６及びテーパ部２７を酸化させ、シリコン酸化膜３０を形成する（図５（ｆ））。このとき、シリコンは酸化されてシリコン酸化膜３０に変化するので、第１光導波路のコア２６及びテーパ部２７の幅と厚さは酸化時間と共に減少する。図７に示したように、テーパ部２７が第１のコア２６から先端に向かって漸次細くなるように酸化前の形をテーパ状に形成しておけば、酸化後の形もテーパ状となる。

　続いて、第１のコア２６、テーパ部２７及びシリコン酸化膜３０を形成したＳＯＩ基板上に、アンダークラッド２４より屈折率が１％程度高いポリマー系材料を化学気相成長法あるいはスピンコーティング法などにより７．０μｍ程度堆積する。そして、このポリマー系材料をフォトリソグラフィとエッチングにより加工して、モードフィールドサイズ変換部２１及び光導波路２２のコア２８を形成する（図６（ａ））。

　最後に、第１コア２６、テーパ部２７、シリコン酸化膜３０及び第２のコア２８を形成したＳＯＩ基板上に、アンダークラッド２４と同じ屈折率を持つポリマー系材料を１５．０μｍ以上堆積して、オーバークラッド２５を形成する（図６（ｂ））。こうして、図４の光モジュールが完成する。本実施の形態では第２光導波路のコアにアンダークラッド、オーバークラッドより屈折率が１％程度高いポリマーを用いたが、この屈折率差がさらに小さいポリマーを用いれば第２光導波路のコアサイズをさらに大きくすることができる。

　本実施の形態によれば、第１の光導波路の第１のコア、第２光導波路の第２のコア上にアンダークラッドと同程度の屈折率のポリマーからなるオーバークラッドを形成することで、コアを傷つけることがなくなり、また第２の光導波路の光の閉じこめをオーバークラッドの屈折率で調整することができるため第２の光導波路の第２のコアのサイズを大きくすることができる。したがって、この光モジュールの光導波路を長期に安定に使えることを可能にし、かつ光ファイバとの接続損失をさらに下げることを可能にする。
　また、本実施の形態によれば、シリコンからなるテーパ部２７を酸化させて細くするので、酸化量とテーパ部２７の先端部の初期幅の設定により、先端部の初期幅が０．１μｍ以上の場合でも、先端部の幅を最終的に０．０６μｍ以下にすることができる。したがって、本実施の形態の方法によれば、リソグラフィの解像限界を超えて０．１μｍ以下の解像度のパターン形成をすることが可能である。さらに、シリコン酸化膜３０がシリコンからなるテーパ部２７の両側に固着して存在するため、コア２７の先端部においてシリコンの幅がいかほど狭くなっても、コア２７が倒れることを防止することができる。

　なお、本実施の形態では、テーパ部２７の先端部の幅を０．０６μｍ程度にしているが、図８に示すように、酸化前のテーパ先端部の幅をＬ、酸化により減少させるシリコンの厚さをＤとしたとき、Ｄ≧Ｌ／２、すなわち酸化により減少させるシリコンの厚さＤを酸化前のテーパ先端部の幅Ｌの半分と等しいかそれよりも大きな量とすることにより、原理的に最も変換効率が高くなるテーパ先端部幅０μｍのシリコンからなるテーパ部２７を実現することが可能である。
　本実施の形態では、シリコン酸化膜を形成するために熱酸化処理を使用したが他の酸化方法でもよい。

［第３の実施の形態］
　図９（ａ）は本発明の第３の実施の形態となる光モジュールの平面図、図９（ｂ）は図９（ａ）の光モジュールのＡ−Ａ線断面図、図９（ｃ）は図９（ａ）の光モジュールのＢ−Ｂ線断面図であり、図４と同様の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態において特徴づけられる部分は、テーパ部２７の側面にのみ隣接してシリコン酸化膜３０を形成したことにある。これによって、テーパ部２７を精度よく形状加工することができる。

　以下、本実施の形態の光モジュールの製造方法を図１０、図１１を用いて説明する。まず、図１０（ａ）〜図１０（ｄ）までの工程は、第２の実施の形態の図５（ａ）〜図５（ｄ）までの工程と全く同じである。次に、第２の実施の形態では、マスク２９を使ってシリコン層３１をエッチングすることにより第１の光導波路２０の第１のコア２６およびこのコア２６に連なるテーパ部２７を形成し、マスク２９を除去した後酸化工程を行っているが、本実施の形態では、マスク２９を残したまま、第２の実施の形態と同様の酸化工程を行う。これにより、第１のコア２６及びテーパ部２７は、断面形状が四角形であって、上面が酸化されずに側面のみが酸化され、第１のコア２６及びテーパ部２７の側面にのみシリコン酸化膜３０が形成される（図１０（ｅ））。

　図１０（ｆ）、図１１（ａ）の工程は、それぞれ図６（ａ）、図６（ｂ）の工程と同様である。以上のように、本実施の形態では、マスク２９を残し、第１の光導波路の第１のコア２６及びテーパ部２７の側面のみを酸化することで、形状加工制御を容易にすることができる。
　なお、第２、第３の実施の形態では、テーパ部２７と第２のコア２８とがシリコン酸化膜３０を介して接しているが、通信に使用される光の波長（例えば１．５５μｍ）に対してシリコン酸化膜３０は十分に薄いため、第１のコア２６と第２のコア２８との間の光学的接続にシリコン酸化膜３０が影響を与えることはない。

　以上述べたように、第２、第３の実施の形態によれば、第１の光導波路の第１のコア２６とこの第１のコアの端部に一体に連結したテーパ部２７を酸化するようにしたので、テーパ部２７の先端幅寸法が０．０６μｍ程度以下のシリコンコアを、０．１μｍ以下の解像度を持たないリソグラフィプロセスを用いて、精度良く経済的に加工することができる。

　なお、上述した各実施の形態において、アンダークラッドの１例としてシリコン酸化膜を例に挙げて説明したが、シリコン窒化膜や石英でも同様の効果が得られることは言うまでもない。
　また、上述した各実施の形態において、基板としてシリコン基板を用いる例を挙げたが、シリコンに限らずガラス、石英あるいは他の材料を用いた基板であってもよく、多層基板の上に本発明の光モジュールを形成するようにしてもよい。
　また、上述した各実施の形態では、モードフィールドサイズ変換部の入出力側に接続される第１および第２のコアは、モードフィールドサイズが異なるものとして説明したが、実際には各コアの断面積あるいは断面形状が異なることと等価である。

　本発明は、オプトエレクトロニクス分野、光通信分野に適用することができる。

本発明の第１の実施の形態となる光モジュールの平面図及び断面図である。 本発明の第１の実施の形態の光モジュールの製造方法を示す工程断面図である。 本発明の第１の実施の形態の光モジュールの製造方法を示す工程断面図である。 本発明の第２の実施の形態となる光モジュールの平面図及び断面図である。 本発明の第２の実施の形態の光モジュールの製造方法を示す工程断面図である。 本発明の第２の実施の形態の光モジュールの製造方法を示す工程断面図である。 酸化前及び酸化後の第１のコアとテーパ部の１例を示す平面図である。 酸化前及び酸化後の第１のコアとテーパ部の他の例を示す平面図である。 本発明の第３の実施の形態となる光モジュールの平面図及び断面図である。 本発明の第３の実施の形態の光モジュールの製造方法を示す工程断面図である。 本発明の第３の実施の形態の光モジュールの製造方法を示す工程断面図である。 モードフィールドサイズ変換部を備えた従来の光導波路の平面図及び断面図である。

符号の説明

　１０、２０…第１の光導波路、１１、２１…モードフィールドサイズ変換部、１２、２２…第２の光導波路、１３、２３…シリコン基板、１４、２４…アンダークラッド、１５、２５…オーバークラッド、１６、２６…第１のコア、１７、２７…テーパ部、１８、２８…第２のコア、２９、１６４…マスク、３０…シリコン酸化膜。

Claims (12)

1. 　全体として平板状のアンダークラッドと、
   　このアンダークラッド上に配置された断面が四角形のシリコンからなる第１のコアと、
   　この第１のコアの終端部を覆うように配置された第２のコアと、
   　前記第１コアの終端部と前記第２のコアとを覆うように配置されたオーバークラッドとを備え、
   　前記アンダークラッドと前記第１のコアとは、第１の光導波路を構成し、
   　前記アンダークラッドと前記第１のコアの終端部と前記第２のコアと前記オーバークラッドとは、モードフィールドサイズ変換部を構成し、
   　前記アンダークラッドと前記第２のコアと前記オーバークラッドとは、第２の光導波路を構成し、
   　前記第１のコアと前記第２のコアの断面形状が異なっていることを特徴とする光モジュール。
2. 　請求項１記載の光モジュールにおいて、
   　前記第１コアの終端部は、先端に向かうに従って漸次断面積が小さくなるテーパ部によって構成されていることを特徴とする光モジュール。
3. 　請求項１記載の光モジュールにおいて、
   　前記オーバークラッドは、前記第２のコアの上とその周囲に加えて前記第１コアの上とその周囲にも配置されていることを特徴とする光モジュール。
4. 　請求項１記載の光モジュールにおいて、
   　前記第２のコアは、前記アンダークラッドより屈折率が高く、かつ前記第１のコアのシリコンより屈折率が低い材料によって形成されることを特徴とする光モジュール。
5. 　請求項１記載の光モジュールにおいて、
   　前記第１のコアと前記終端部との少なくとも側面は、シリコン酸化膜で覆われていることを特徴とする光モジュール。
6. 　請求項５記載の光モジュールにおいて、
   　前記終端部上の第２のコアは、前記シリコン酸化膜上に配置されていることを特徴とする光モジュール。
7. 　請求項１記載の光モジュールにおいて、
   　前記アンダークラッドは、シリコン酸化膜からなることを特徴とする光モジュール。
8. 　アンダークラッドの上に細線状で断面が四角形のシリコンからなる第１のコアを選択的に形成する工程と、
   　前記第１コアの終端部を覆うように第２のコアを前記アンダークラッド上に選択的に形成する工程と、
   　前記第１コアの終端部と前記第２のコアとを覆うようにオーバークラッドを形成する工程とを備え、
   　前記アンダークラッドと前記第１のコアとは、第１の光導波路を構成し、
   　前記アンダークラッドと前記第１のコアの終端部と前記第２のコアと前記オーバークラッドとは、モードフィールドサイズ変換部を構成し、
   　前記アンダークラッドと前記第２のコアと前記オーバークラッドとは、第２の光導波路を構成し、
   　前記第１のコアと前記第２のコアの断面形状が異なっていることを特徴とする光モジュールの製造方法。
9. 　請求項８記載の光モジュールの製造方法において、
   　前記第１コアを形成する工程と前記第２のコアを形成する工程との間に、前記第１のコアと前記終端部との少なくとも側面を酸化する工程を備えたことを特徴とする光モジュールの製造方法。
10. 　請求項８記載の光モジュールの製造方法において、
    　前記第１のコアの終端部は、前記第１のコアの先端に向かうに従って漸次断面積が小さくなるシリコンからなるテーパ部であることを特徴とする光モジュールの製造方法。
11. 　請求項９記載の光モジュールの製造方法において、
    　前記第１のコアと前記終端部との少なくとも側面を酸化する工程は、熱酸化処理であることを特徴とする光モジュールの製造方法。
12. 　請求項９記載の光モジュールの製造方法において、
    　前記第１のコアと前記終端部との少なくとも側面を酸化する工程は、前記終端部先端の酸化前の幅寸法の半分以上を酸化する工程であることを特徴とする光モジュールの製造方法。
    

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