JP2004184986A - Optical element and its manufacturing method - Google Patents

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Yasushi Tsuchizawa
泰 土澤
Tetsushi Shoji
哲史 荘司
Koji Yamada
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To easily manufacture a mode field size conversion part without damaging a silicon thin-wire waveguide. <P>SOLUTION: An optical element comprises a 1st optical waveguide (silicon thin-wire waveguide) 7, the mode field size conversion part 8, and a 2nd optical waveguide 9. An overclad layer 20 of the 1st optical waveguide 9 and the core 3 of the 2nd optical waveguide 9 are formed at the same time by using the same material for the overclad layer 20 of the 1st optical waveguide 7, the mode field size conversion part 8, and the core 3 of the 2nd optical waveguide 9. When the core 3 is manufactured, two right and left areas which are symmetrical about the traveling direction of light in the core 3 are etched to remove the material of the core 3 and the material of the core 3 in other areas is left without being removed. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

本発明は、光通信に用いられる導波路型光変調器や光スイッチ等の光制御デバイス、光集積回路を構成する光平面回路型の光学素子とその製造方法に関するものである。   The present invention relates to an optical control device such as a waveguide type optical modulator or an optical switch used for optical communication, an optical planar circuit type optical element constituting an optical integrated circuit, and a method of manufacturing the same.

光制御デバイスの配線部材である平面導波路は、従来石英系の素材からなるものが用いられてきた。石英系導波路は、コアとクラッドの比屈折率差が小さいので、単一モード条件を満たすために断面寸法が５〜１０μｍと大きくなり、光ファイバーとの結合はし易いものの、曲げ半径が１〜２５ｍｍとなって小さくできないため、デバイスサイズが大きくなり、高集積化に適さなかった。   Conventionally, a planar waveguide, which is a wiring member of a light control device, is made of a quartz-based material. Since the silica-based waveguide has a small relative refractive index difference between the core and the clad, the cross-sectional dimension is as large as 5 to 10 μm in order to satisfy the single mode condition, and the coupling with the optical fiber is easy, but the bending radius is 1 to 10. Since the size could not be reduced to 25 mm, the device size was large and was not suitable for high integration.

デバイスサイズを小さくする目的から近年シリコンをコアに用いることで比屈折率を高くした光導波路の研究が活発になってきている。シリコン導波路は曲げ半径を小さくでき微小デバイスが作製可能となる。しかし、単一モード条件を満たすコアの断面寸法は０．３μｍ程度と小さく、導波路端面と光ファイバーとをつき合わせただけでは高効率な結合を実現することはできない。   For the purpose of reducing the device size, research on an optical waveguide in which the relative refractive index is increased by using silicon as a core has recently become active. The bending radius of the silicon waveguide can be reduced, and a micro device can be manufactured. However, the cross-sectional dimension of the core that satisfies the single-mode condition is as small as about 0.3 μm, and high-efficiency coupling cannot be realized only by associating the waveguide end face with the optical fiber.

そこで、光ファイバーとの接続のため、シリコン細線からなる第１の光導波路を形成した基板上に、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した光学素子が提案されている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。   Therefore, for connection with an optical fiber, a second optical waveguide made of quartz or polymer connected to this optical waveguide is provided on a substrate on which a first optical waveguide made of a thin silicon wire is formed. There has been proposed an optical element which realizes highly efficient mode field size conversion by overlapping an optical waveguide and a first optical waveguide having a tapered tip (for example, Patent Document 1, Non-patent Document 1). 1).

図９（ａ）にモードフィールドサイズ変換部を有する従来の光学素子の光入出力に関わる部分の平面図を示し、図９（ｂ）に図９（ａ）の光学素子のＡ−Ａ線断面図を示す。この光学素子は、シリコン細線からなる第１の光導波路２７と、モードフィールドサイズ変換部２８と、第１の光導波路２７と接続される第２の光導波路２９とを備えている。以下、図９に示した光学素子の製造方法を説明する。   FIG. 9A is a plan view of a portion related to light input and output of a conventional optical element having a mode field size converter, and FIG. 9B is a cross-sectional view of the optical element of FIG. The figure is shown. This optical element includes a first optical waveguide 27 made of a thin silicon wire, a mode field size converter 28, and a second optical waveguide 29 connected to the first optical waveguide 27. Hereinafter, a method for manufacturing the optical element shown in FIG. 9 will be described.

まず、シリコン基板２４と、シリコン基板２４上に形成された厚さ３μｍ程度の熱酸化シリコンからなるアンダークラッド層２５と、アンダークラッド層２５上に形成された厚さ０．３μｍ程度のシリコン層とからなるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用い、リソグラフィとエッチングにより、シリコン層を加工して、第１のコア２１とテーパ部２２とを形成する。そして、熱酸化シリコンよりも屈折率の高いシリコン酸化膜系材料もしくはポリマー材料をＳＯＩ基板上に堆積し、不要部のシリコン酸化膜系材料もしくはポリマー材料をエッチングにより除去して、第２のコア２３を形成する。こうして、第１の光導波路２７とモードフィールドサイズ変換部２８と第２の光導波路２９とを有する光学素子が完成する。   First, a silicon substrate 24, an undercladding layer 25 made of thermally oxidized silicon having a thickness of about 3 μm formed on the silicon substrate 24, and a silicon layer having a thickness of about 0.3 μm formed on the undercladding layer 25. A silicon layer is processed by lithography and etching using an SOI (Silicon On Insulator) substrate made of to form a first core 21 and a tapered portion 22. Then, a silicon oxide film-based material or a polymer material having a higher refractive index than the thermally oxidized silicon is deposited on the SOI substrate, and unnecessary portions of the silicon oxide film-based material or the polymer material are removed by etching. To form Thus, an optical element having the first optical waveguide 27, the mode field size converter 28, and the second optical waveguide 29 is completed.

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。
特開２００２−１２２７５０号公報 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 The applicant has not found any prior art documents related to the present invention other than the prior art documents specified by the prior art document information described in this specification by the time of filing.
JP 2002-122750 A Shoji et al., "External Coupling Structure of Si Wire Optical Waveguide Formed on SOI Substrate", Proceedings of Spring Meeting, Japan Society of Applied Physics, 2001, No. 3,30a-YK-11

しかしながら、以上のような光学素子の製造方法では、モードフィールドサイズ変換部２８および第２の光導波路２９の第２のコア２３を形成するエッチング工程において、第２のコア２３の材料で覆われていたシリコンからなる第１のコア２１がエッチングの途中で露出することになり、第１のコア２１の表面がプラズマに曝されることになる。したがって、第２のコア２３を形成するエッチング工程では、第２のコア２３の材料とシリコンとのエッチング選択比が非常に高いことが求められ、エッチングが難しいという問題点があった。また、たとえエッチング選択比を無限大にできたとしても、高いエネルギーを持ったイオンにシリコン表面が叩かれることになるため、第１のコア２１が損傷し、光の伝搬損失に影響するという問題点もあった。   However, in the above-described method of manufacturing an optical element, in the etching step of forming the mode field size converter 28 and the second core 23 of the second optical waveguide 29, the second core 23 is covered with the material. The first core 21 made of silicon is exposed during the etching, and the surface of the first core 21 is exposed to plasma. Therefore, in the etching step for forming the second core 23, it is required that the etching selectivity between the material of the second core 23 and silicon is very high, and there is a problem that etching is difficult. Further, even if the etching selectivity can be made infinite, the silicon surface is hit by ions having high energy, so that the first core 21 is damaged, which affects light propagation loss. There were also points.

本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであり、シリコン細線導波路を痛めることなく、モードフィールドサイズ変換部をより簡便に作製することができる光学素子およびその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides an optical element and a method for manufacturing the same, which can more easily produce a mode field size converter without damaging a silicon wire waveguide. Aim.

本発明の光学素子は、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、前記アンダークラッド上に前記第１のコアの端部と一体に連結して配置され、先端に向かって漸次断面積が小さくなる断面が四角形のシリコンからなるテーパ部と、このテーパ部を覆うように配置された第２のコアと、前記第１のコアを覆うように配置された第１の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のコアと前記第１のオーバークラッドとは、第１の光導波路を構成し、前記アンダークラッドと前記テーパ部と前記第２のコアとは、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のコアとは、第２の光導波路を構成し、前記第１のオーバークラッドは、前記第２のコアと一体に連結して形成された、前記第２のコアと同材料からなるものである。
また、本発明の光学素子は、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、前記アンダークラッド上に前記第１のコアの端部と一体に連結して配置され、先端に向かって漸次断面積が小さくなる断面が四角形のシリコンからなるテーパ部と、このテーパ部を覆うように配置された第２のコアと、前記第１のコアを覆うように配置された第１のオーバークラッドと、前記第２のコアと前記第１のオーバークラッドとを覆うように配置された第２の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のコアと前記第１のオーバークラッドと前記第２のオーバークラッドとは、第１の光導波路を構成し、前記アンダークラッドと前記テーパ部と前記第２のコアと前記第２の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のコアと前記第２の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のオーバークラッドは、前記第２のコアと一体に連結して形成された、前記第２のコアと同材料からなるものである。 The optical element according to the present invention includes an overall flat plate-like undercladding, a first core made of silicon having a rectangular cross section disposed on the undercladding, and an end of the first core on the undercladding. A tapered portion made of silicon having a rectangular cross-section in which the cross-sectional area gradually decreases toward the tip, a second core disposed so as to cover the tapered portion, A first over clad disposed to cover a core, wherein the under clad, the first core, and the first over clad constitute a first optical waveguide; The tapered portion and the second core constitute a mode field size converter, the undercladding and the second core constitute a second optical waveguide, and the first optical waveguide is formed. Bar cladding was formed by connecting integrally with the second core, it is made of the second core and the same material.
Further, the optical element of the present invention includes a flat undercladding as a whole, a first core made of silicon having a rectangular cross section disposed on the undercladding, and the first core on the undercladding. A tapered portion made of silicon having a cross section of which the cross-sectional area gradually decreases toward the tip and which is disposed integrally with the end portion, and a second core disposed so as to cover the tapered portion; A first over clad disposed to cover one core, and a second over clad disposed to cover the second core and the first over clad; The first core, the first overcladding, and the second overcladding form a first optical waveguide, and the undercladding, the tapered portion, and the second A and the second over cladding constitute a mode field size converter, and the under cladding, the second core and the second over cladding constitute a second optical waveguide, and the second over cladding constitutes a second optical waveguide. The overcladding 1 is formed of the same material as the second core, integrally formed with the second core.

また、本発明の光学素子は、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、前記アンダークラッド上に前記第１のコアの端部と一体に連結して配置され、先端に向かって漸次断面積が小さくなる断面が四角形のシリコンからなるテーパ部と、このテーパ部を覆うように配置された第２のコアと、前記第１のコアを覆うように配置された第１のオーバークラッドと、前記第２のコアを覆うように配置された第２の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のコアと前記第１のオーバークラッドとは、第１の光導波路を構成し、前記アンダークラッドと前記テーパ部と前記第２のコアと前記第２の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のコアと前記第２の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のオーバークラッドは、前記第２のコアと一体に連結して形成された、前記第２のコアと同材料からなるものである。
また、本発明の光学素子の１構成例は、前記第２のコアの光の進行方向に対して左右対称な２つの位置に、前記第２のコアの材料が存在しない領域を有するものである。 Further, the optical element of the present invention includes a flat undercladding as a whole, a first core made of silicon having a rectangular cross section disposed on the undercladding, and the first core on the undercladding. A tapered portion made of silicon having a cross section of which the cross-sectional area gradually decreases toward the tip and which is disposed integrally with the end portion, and a second core disposed so as to cover the tapered portion; A first overclad disposed so as to cover one core, and a second overclad disposed so as to cover the second core, wherein the underclad, the first core, and the second The first over-cladding forms a first optical waveguide, and the under-cladding, the tapered portion, the second core, and the second over-cladding form a mode field size. A second optical waveguide, wherein the undercladding, the second core, and the second overcladding form a second optical waveguide; and the first overcladding is integrated with the second core. The second core is formed of the same material as the second core.
Further, one configuration example of the optical element of the present invention has a region where the material of the second core does not exist at two positions symmetrical with respect to the traveling direction of light of the second core. .

また、本発明の光学素子の製造方法は、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のコアと、この第１のコアの端部と一体に連結し先端に向か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とを選択的に形成する第１のコア形成工程と、前記アンダークラッドの上に、第２のコアとなるコア材料を前記第１のコアおよび前記テーパ部を覆うように形成する成膜工程と、前記コア材料を加工して、前記テーパ部を覆う第２のコアを選択的に形成する第２のコア形成工程とを有し、前記第２のコアを形成する際に、第１の光導波路の領域にある前記コア材料を残すことにより、前記コア材料を前記第１の光導波路の第１のオーバークラッドとし、前記アンダークラッドと前記第１のコアと前記第１のオーバークラッドとは、前記第１の光導波路を構成し、前記アンダークラッドと前記テーパ部と前記第２のコアとは、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のコアとは、第２の光導波路を構成するものである。
また、本発明の光学素子の製造方法は、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のコアと、この第１のコアの端部と一体に連結し先端に向か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とを選択的に形成する第１のコア形成工程と、前記アンダークラッドの上に、第２のコアとなるコア材料を前記第１のコアおよび前記テーパ部を覆うように形成する成膜工程と、前記コア材料を加工して、前記テーパ部を覆う第２のコアを選択的に形成する第２のコア形成工程と、前記第１のコアおよび前記第２のコアを覆うようにオーバークラッド材料を形成するオーバークラッド形成工程とを有し、前記第２のコアを形成する際に、第１の光導波路の領域にある前記コア材料を残すことにより、前記コア材料を前記第１の光導波路の第１のオーバークラッドとし、前記オーバークラッド形成工程で形成したオーバークラッド材料を第２のオーバークラッドとし、前記アンダークラッドと前記第１のコアと前記第１のオーバークラッドと前記第２のオーバークラッドとは、前記第１の光導波路を構成し、前記アンダークラッドと前記テーパ部と前記第２のコアと前記第２の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のコアと前記第２のオーバークラッドとは、第２の光導波路を構成するものである。 Further, in the method for manufacturing an optical element of the present invention, a first core made of silicon having a thin line shape and a rectangular cross section is formed on an under clad, and the first core is integrally connected to an end of the first core and is directed toward the tip. A first core forming step of selectively forming a tapered portion made of silicon having a gradually decreasing cross-sectional area, and forming a core material to be a second core on the under core and the first core and the under core. A second core forming step of processing the core material to selectively form a second core covering the tapered portion, wherein the second core forming step includes: When the core is formed, the core material is left as a first over clad of the first optical waveguide by leaving the core material in a region of the first optical waveguide, and the under clad and the first clad are formed. Core and the first over The clad constitutes the first optical waveguide, the undercladding, the tapered portion, and the second core constitute a mode field size converter, and the undercladding and the second core , And a second optical waveguide.
Further, in the method for manufacturing an optical element of the present invention, a first core made of silicon having a thin line shape and a rectangular cross section is formed on an under clad, and the first core is integrally connected to an end of the first core and is directed toward the tip. A first core forming step of selectively forming a tapered portion made of silicon having a gradually decreasing cross-sectional area, and forming a core material to be a second core on the under core and the first core and the under core. A film forming step of covering the tapered portion; a second core forming step of processing the core material to selectively form a second core covering the tapered portion; Forming an over-cladding material so as to cover the second core, and when forming the second core, leaving the core material in a region of a first optical waveguide. According to the core material A first over clad of the first optical waveguide, a second over clad formed of the over clad material formed in the over clad forming step, and the under clad, the first core, and the first over clad; The second over cladding constitutes the first optical waveguide, and the under cladding, the tapered portion, the second core, and the second over cladding constitute a mode field size converter. The under cladding, the second core, and the second over cladding constitute a second optical waveguide.

また、本発明の光学素子の製造方法は、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のコアと、この第１のコアの端部と一体に連結し先端に向か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とを選択的に形成する第１のコア形成工程と、前記アンダークラッドの上に、第２のコアとなるコア材料を前記第１のコアおよび前記テーパ部を覆うように形成する成膜工程と、前記コア材料を加工して、前記テーパ部を覆う第２のコアを選択的に形成する第２のコア形成工程と、前記第２のコアを覆うようにオーバークラッド材料を形成するオーバークラッド形成工程とを有し、第１の光導波路の領域にある前記オーバークラッド材料を除去するエッチング工程とを有し、前記第２のコアを形成する際に、前記第１の光導波路の領域にある前記コア材料を残すことにより、前記コア材料を前記第１の光導波路の第１のオーバークラッドとし、前記オーバークラッド形成工程で形成したオーバークラッド材料を第２のオーバークラッドとし、前記アンダークラッドと前記第１のコアと前記第１のオーバークラッドとは、前記第１の光導波路を構成し、前記アンダークラッドと前記テーパ部と前記第２のコアと前記第２の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のコアと前記第２のオーバークラッドとは、第２の光導波路を構成するものである。
また、本発明の光学素子の製造方法の１構成例において、前記第２のコア形成工程は、前記第２のコアの光の進行方向に対して左右対称な２つの領域の前記コア材料を除去することにより、前記第２のコアを形成するようにしたものである。 Further, in the method for manufacturing an optical element of the present invention, a first core made of silicon having a thin line shape and a rectangular cross section is formed on an under clad, and the first core is integrally connected to an end of the first core and is directed toward the tip. A first core forming step of selectively forming a tapered portion made of silicon having a gradually decreasing cross-sectional area, and forming a core material to be a second core on the under core and the first core and the under core. Forming a film so as to cover the tapered portion, processing the core material, forming a second core selectively covering the tapered portion, and forming the second core. Forming an over-cladding material so as to cover the over-cladding material, and an etching step to remove the over-cladding material in a region of the first optical waveguide, and forming the second core. In addition, By leaving the core material in the region of the first optical waveguide, the core material is used as the first over cladding of the first optical waveguide, and the over cladding material formed in the over cladding forming step is replaced with the second over cladding material. The under cladding, the first core, and the first over cladding constitute the first optical waveguide, and the under cladding, the tapered portion, the second core, and the second The over cladding constitutes a mode field size converter, and the under cladding, the second core, and the second over cladding constitute a second optical waveguide.
In one configuration example of the method for manufacturing an optical element according to the present invention, the second core forming step removes the core material in two regions symmetrical with respect to the light traveling direction of the second core. By doing so, the second core is formed.

本発明によれば、第１の光導波路の第１のオーバークラッドと第２の光導波路の第２のコアとに同じ材料を用いることにより、第１の光導波路の第１のオーバークラッドと第２の光導波路の第２のコアとを同時に作製することが可能になり、作製が容易になる。また、第１の光導波路の第１のオーバークラッドと第２の光導波路の第２のコアとに同じ材料を用いることにより、この材料を加工して第２のコアを形成する際に、第１の光導波路の領域にある材料については削らずに残せばよいので、第１のコアの表面がプラズマに曝されることがなくなり、第２のコアの形成中に第１のコアにダメージを与えることがなくなる。また、第１のコアの表面がプラズマに曝されることがなくなることから、第２のコアの材料とシリコンとのエッチング選択比を考慮する必要がなくなり、エッチングを容易にすることができる。その結果、第１の光導波路の第１のコアにダメージを与えることなく、光ファイバーと効率よく接続するためのモードフィールドサイズ変換部および第２の光導波路を第１の光導波路（シリコン細線導波路）と同時に光入出力部に容易に形成することができる。   According to the present invention, by using the same material for the first over cladding of the first optical waveguide and the second core of the second optical waveguide, the first over cladding of the first optical waveguide and the second over cladding can be used. The second optical waveguide and the second core can be simultaneously manufactured, which facilitates the manufacturing. Further, by using the same material for the first over clad of the first optical waveguide and the second core of the second optical waveguide, when forming the second core by processing this material, The material in the region of the first optical waveguide may be left without being scraped, so that the surface of the first core is not exposed to plasma, and the first core is damaged during the formation of the second core. Will not give. Further, since the surface of the first core is not exposed to the plasma, it is not necessary to consider the etching selectivity between the material of the second core and silicon, and the etching can be facilitated. As a result, the mode field size converter and the second optical waveguide for efficiently connecting to the optical fiber without damaging the first core of the first optical waveguide are connected to the first optical waveguide (silicon wire waveguide). ) And at the same time, it can be easily formed in the light input / output unit.

また、モードフィールドサイズ変換部および第２の光導波路の第２のコアをアンダークラッドと同程度の屈折率をもつ第２のオーバークラッドで覆うことで、シングルモード条件を満たす第２のコアのサイズを大きくすることができ、光ファイバーとの接続損失を低減することができる。   Further, by covering the mode field size converter and the second core of the second optical waveguide with the second over cladding having the same refractive index as that of the under cladding, the size of the second core satisfying the single mode condition is obtained. Can be increased, and the connection loss with the optical fiber can be reduced.

また、第１の光導波路のオーバークラッドを、第２の光導波路の第２のコアと一体に連結し、第２のコアと同材料とすることにより、第１の光導波路のオーバークラッドを薄くすることができる。その結果、例えば熱スイッチのように第１のコアの上方にヒーターを設置して加熱する場合、第１のコアヘの熱の伝導性が良くなるため、消費電力を小さくすることができる。   Further, the over clad of the first optical waveguide is integrally connected to the second core of the second optical waveguide and made of the same material as the second core, so that the over clad of the first optical waveguide is made thin. can do. As a result, for example, when a heater is installed above the first core as in a thermal switch and heating is performed, heat conductivity to the first core is improved, so that power consumption can be reduced.

また、第２のコアの光の進行方向に対して左右対称な２つの領域のコア材料を除去して、第２のコアを形成することにより、コア材料のエッチング面積を非常に小さくすることができるので、コア材料のエッチングに高い注意をはらう必要がなくなり、エッチングが容易となる。   Further, by removing the core material in two regions symmetrical with respect to the light traveling direction of the second core and forming the second core, the etching area of the core material can be made very small. Since it is possible, it is not necessary to pay great attention to the etching of the core material, and the etching becomes easy.

［第１の実施の形態］
以下、本発明にかかる光学素子およびその製造方法を図面を参照して詳細に説明する。図１（ａ）は本発明の第１の実施の形態となる光学素子の光入出力に関わる部分の平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の光学素子のＡ−Ａ線断面図である。図１の光学素子は、シリコン細線からなる第１の光導波路７と、この第１の導波路７と光ファイバーとを高効率で接続するためのモードフィールドサイズ変換部８と、モードフィールドサイズ変換部８を介して第１の光導波路７と接続された第２の光導波路９とを備えている。これらは、シリコン基板４上に形成された熱酸化シリコンからなるアンダークラッド層５の上に形成される。図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）に図１（ａ）の光学素子のＢ−Ｂ線断面図、Ｃ−Ｃ線断面図、Ｄ−Ｄ線断面図を示す。図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）はそれぞれ第１の光導波路７、モードフィールドサイズ変換部８、第２の光導波路９の断面図である。 [First Embodiment]
Hereinafter, an optical element and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1A is a plan view of a portion related to light input / output of an optical element according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view of the optical element taken along line AA of FIG. FIG. The optical element of FIG. 1 includes a first optical waveguide 7 made of a silicon thin wire, a mode field size converter 8 for connecting the first waveguide 7 and the optical fiber with high efficiency, and a mode field size converter. And a second optical waveguide 9 connected to the first optical waveguide 7 via the second optical waveguide 8. These are formed on an under cladding layer 5 made of thermally oxidized silicon formed on a silicon substrate 4. 2 (a), 2 (b), and 2 (c) show a cross-sectional view taken along line BB, CC, and DD of the optical element of FIG. 1 (a). FIGS. 2A, 2B, and 2C are cross-sectional views of the first optical waveguide 7, the mode field size converter 8, and the second optical waveguide 9, respectively.

第１の光導波路７は、シリコン基板４上に形成された厚さ３μｍの熱酸化シリコン（屈折率１．４５）からなるアンダークラッド層５と、アンダークラッド層５上に形成された幅が０．３μｍ〜０．５μｍ厚さが０．２μｍ〜０．４μｍのシリコンからなる第１のコア１と、このコア１を覆う屈折率１．５０のポリマーからなる第１のオーバークラッド層２０とから構成される。   The first optical waveguide 7 includes an under cladding layer 5 made of thermally oxidized silicon (refractive index: 1.45) having a thickness of 3 μm formed on a silicon substrate 4 and a width 0 formed on the under cladding layer 5. A first core 1 made of silicon having a thickness of 0.3 μm to 0.5 μm and a thickness of 0.2 μm to 0.4 μm, and a first over clad layer 20 made of a polymer having a refractive index of 1.50 and covering the core 1. Be composed.

モードフィールドサイズ変換部８は、アンダークラッド層５と、コア１の厚さを維持した状態で先端（光導波路９側）の幅が６０ｎｍとなるようにアンダークラッド層５上に形成されたシリコンからなるテーパ部２と、テーパ部２を覆うように形成された３μｍ角の正方形断面を有する屈折率１．５０のポリマーからなる第２のコア３とから構成される。テーパ部２の長さは３００μｍ程度である。   The mode field size converter 8 is composed of the under cladding layer 5 and silicon formed on the under cladding layer 5 such that the width of the tip (on the side of the optical waveguide 9) becomes 60 nm while maintaining the thickness of the core 1. And a second core 3 made of a polymer having a refractive index of 1.50 and a square cross section of 3 μm square formed so as to cover the tapered portion 2. The length of the tapered portion 2 is about 300 μm.

第２の光導波路９は、アンダークラッド層５と、アンダークラッド層５上に形成された３μｍ角の正方形断面を有する屈折率１．５０のポリマーからなる第２のコア３とから構成される。なお、モードフィールドサイズ変換部８および第２の光導波路９においては、屈折率１の空気がオーバークラッドの役割をしている。   The second optical waveguide 9 includes the under cladding layer 5 and the second core 3 formed on the under cladding layer 5 and made of a polymer having a square section of 3 μm square and a refractive index of 1.50. In the mode field size converter 8 and the second optical waveguide 9, air having a refractive index of 1 serves as an over cladding.

次に、本実施の形態の光学素子における光の伝搬状態を説明する。図１（ａ）、図１（ｂ）に示した第１光導波路７の第１のコア１の左端面から入射した光は、コア１を伝搬し、テーパ部２の左端位置に到達する。光がテーパ部２を図１（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層５より屈折率の高い第２のコア３が隣接して存在するため、光パワーの分布は第１のコア１から第２のコア３へ徐々に移っていく。   Next, the propagation state of light in the optical element of the present embodiment will be described. Light incident from the left end surface of the first core 1 of the first optical waveguide 7 shown in FIGS. 1A and 1B propagates through the core 1 and reaches the left end position of the tapered portion 2. As light propagates through the tapered portion 2 to the right in FIG. 1A, the core width gradually decreases, the confinement of light weakens, and the mode field tends to spread to the surroundings. However, at this time, the distribution of the optical power gradually shifts from the first core 1 to the second core 3 because the second core 3 having a higher refractive index than the under cladding layer 5 exists adjacent thereto.

前記とは逆に図１（ａ）、図１（ｂ）に示した第２のコア３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第２のコア３、テーパ部２を介して、第１のコア１へ光の分布が移動する。このように、第１の光導波路７に光ファイバーとの接続のためのモードフィールドサイズ変換部８と第２の光導波路９とを持たすことで、モードフィールドサイズの小さい第１の光導波路７にも高い効率で光を入出力することができる。   Contrary to the above, when light enters from the right end of the second core 3 shown in FIGS. 1A and 1B, the second core 3 as the light progresses from right to left. The light distribution moves to the first core 1 via the tapered portion 2. As described above, by providing the first optical waveguide 7 with the mode field size converter 8 and the second optical waveguide 9 for connection to the optical fiber, the first optical waveguide 7 having a small mode field size can be used. Light can be input and output with high efficiency.

以上説明した光学素子では、第１の光導波路７の第１のオーバークラッド層２０とモードフィールドサイズ変換部８の第２のコア３と第２の光導波路９の第２のコア３とに同じポリマー材料を使用する。同じ材料を使うことで、第１光導波路７の第１のオーバークラッド層２０とモードフィールドサイズ変換部８の第２のコア３と第２光導波路９の第２のコア３とを同時に作製することが可能になり、作製が容易になる。   In the optical element described above, the first over cladding layer 20 of the first optical waveguide 7, the second core 3 of the mode field size converter 8, and the second core 3 of the second optical waveguide 9 are the same. Use a polymer material. By using the same material, the first over cladding layer 20 of the first optical waveguide 7, the second core 3 of the mode field size converter 8 and the second core 3 of the second optical waveguide 9 are simultaneously manufactured. And the fabrication becomes easier.

また、第１の光導波路７の第１のオーバークラッド層２０にモードフィールドサイズ変換部８および第２の光導波路９の第２のコア３と同じ材料を用いることにより、ポリマー材料を加工して第２のコア３を形成する際に、第１の光導波路７の領域にあるポリマー材料については削らずに残せばよいので、第２のコア３の形成中に第１のコア１にダメージを与えることがなくなる。また、第１のコア１の表面がプラズマに曝されることがなくなるので、第２のコア３の材料とシリコンとのエッチング選択比を考慮する必要がなくなり、エッチングを容易にすることができる。   Further, by using the same material as the mode field size converter 8 and the second core 3 of the second optical waveguide 9 for the first over cladding layer 20 of the first optical waveguide 7, a polymer material is processed. When forming the second core 3, the polymer material in the region of the first optical waveguide 7 may be left without being cut, so that the first core 1 may be damaged during the formation of the second core 3. Will not give. Further, since the surface of the first core 1 is not exposed to plasma, it is not necessary to consider the etching selectivity between the material of the second core 3 and silicon, and the etching can be facilitated.

なお、第１の光導波路７の第１のコア１の側面および上面は、アンダークラッド層５よりも約３％高い屈折率を持つオーバークラッド層２０に囲まれることになるが、屈折率３．５のシリコンとアンダークラッド層５との屈折率差およびシリコンとオーバークラッド層２０との屈折率差はどちらも非常に大きいため、第１の光導波路７の光の閉じこめ特性には影響はなく、曲げ損失や伝搬損失にも影響はない。   The side and top surfaces of the first core 1 of the first optical waveguide 7 are surrounded by an over cladding layer 20 having a refractive index higher than that of the under cladding layer 5 by about 3%. 5, the refractive index difference between the silicon and the under cladding layer 5 and the refractive index difference between the silicon and the over cladding layer 20 are both very large, so that the light confinement characteristics of the first optical waveguide 7 are not affected. There is no effect on bending loss or propagation loss.

本実施の形態では、第１の光導波路７の第１のオーバークラッド層２０とモードフィールドサイズ変換部８の第２のコア３および第２の光導波路９の第２のコア３となる材料に屈折率１．５０のポリマーを用いたが、この屈折率は、アンダークラッド層５に用いる熱酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）より高く、第１のコア１およびテーパ部２に用いるシリコンより低ければよい。したがって、例えばドーピング等の手法によって屈折率をある程度の範囲で変えることができれば、エポキシ、ポリイミドなどのポリマーだけでなく、酸化シリコン、窒化酸化シリコン（ＳｉＯＮ）などの無機材料も第１のオーバークラッド層２０および第２のコア３の材料として用いることができる。 In the present embodiment, the material to be the first over cladding layer 20 of the first optical waveguide 7, the second core 3 of the mode field size converter 8, and the second core 3 of the second optical waveguide 9 are Although a polymer having a refractive index of 1.50 was used, the refractive index may be higher than that of thermally oxidized silicon (SiO 2 ) used for the under cladding layer 5 and lower than silicon used for the first core 1 and the tapered portion 2. Therefore, if the refractive index can be changed within a certain range by a method such as doping or the like, not only polymers such as epoxy and polyimide but also inorganic materials such as silicon oxide and silicon nitride oxide (SiON) can be used as the first over cladding layer. 20 and the second core 3.

なお、本実施の形態では、屈折率１の空気がモードフィールドサイズ変換部８と第２の光導波路９のオーバークラッドの役割をしているため、光の閉じ込めが強く、シングルモード条件を満たす第２のコア３のサイズを３μｍより大きくすることができないが、第２のコア３となる材料に屈折率１．５０より低い材料を用いれば、第２のコア３のサイズを大きくすることができ、一般的なモードフィールド径９μｍのシングルモード光ファイバーとの接続損失を低減することができる。   In the present embodiment, since air having a refractive index of 1 plays the role of the over-cladding of the mode field size converter 8 and the second optical waveguide 9, the light is strongly confined and the second mode satisfying the single mode condition is satisfied. Although the size of the second core 3 cannot be made larger than 3 μm, the size of the second core 3 can be made larger by using a material having a refractive index lower than 1.50 as the material for the second core 3. The connection loss with a single mode optical fiber having a general mode field diameter of 9 μm can be reduced.

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図３（ａ）は本発明の第２の実施の形態となる光学素子の光入出力に関わる部分の平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の光学素子のＡ−Ａ線断面図であり、図１、図２と同一の構成には同一の符号を付してある。図３の光学素子は、第１の光導波路７ａと、モードフィールドサイズ変換部８ａと、第２の光導波路９ａとを備えている。図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）に図３（ａ）の光学素子のＢ−Ｂ線断面図、Ｃ−Ｃ線断面図、Ｄ−Ｄ線断面図を示す。図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）はそれぞれ第１の光導波路７ａ、モードフィールドサイズ変換部８ａ、第２の光導波路９ａの断面図である。 [Second embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 3A is a plan view of a portion related to light input / output of an optical element according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 3B is a cross-sectional view of the optical element taken along line AA of FIG. FIG. 4 is a diagram, and the same components as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals. The optical element of FIG. 3 includes a first optical waveguide 7a, a mode field size converter 8a, and a second optical waveguide 9a. FIGS. 4A, 4B, and 4C show a cross-sectional view taken along line BB, CC, and DD of the optical element of FIG. 3A. FIGS. 4A, 4B, and 4C are cross-sectional views of the first optical waveguide 7a, the mode field size converter 8a, and the second optical waveguide 9a, respectively.

第１の光導波路７ａは、シリコン基板４上に形成された厚さ３μｍの熱酸化シリコン（屈折率１．４５）からなるアンダークラッド層５と、アンダークラッド層５上に形成された幅が０．３μｍ〜０．５μｍ厚さが０．２μｍ〜０．４μｍのシリコンからなる第１のコア１と、このコア１を覆う屈折率１．５０のポリマーからなる第１のオーバークラッド層２０と、第１のオーバークラッド層２０上に形成された屈折率１．４６のポリマーからなる第２のオーバークラッド層６とから構成される。   The first optical waveguide 7a is formed on a silicon substrate 4 with an undercladding layer 5 made of thermally oxidized silicon (refractive index: 1.45) having a thickness of 3 μm and a width of 0 mm formed on the undercladding layer 5 having a thickness of 0 μm. A first core 1 made of silicon having a thickness of 0.3 μm to 0.5 μm and a thickness of 0.2 μm to 0.4 μm, a first over cladding layer 20 made of a polymer having a refractive index of 1.50 and covering the core 1; And a second over cladding layer 6 made of a polymer having a refractive index of 1.46 formed on the first over cladding layer 20.

モードフィールドサイズ変換部８ａは、アンダークラッド層５と、コア１の厚さを維持した状態で先端（光導波路９ａ側）の幅が６０ｎｍとなるようにアンダークラッド層５上に形成されたシリコンからなるテーパ部２と、テーパ部２を覆うように形成された３〜５μｍ角の正方形断面を有する屈折率１．５０のポリマーからなる第２のコア３と、この第２のコア３を覆う第２のオーバークラッド層６とから構成される。テーパ部２の長さは３００μｍ程度である。   The mode field size converter 8a is formed of the under cladding layer 5 and silicon formed on the under cladding layer 5 such that the width of the tip (on the side of the optical waveguide 9a) is 60 nm while maintaining the thickness of the core 1. A second core 3 made of a polymer having a refractive index of 1.50 and a square cross section of 3 to 5 μm square formed so as to cover the tapered portion 2, and a second core 3 covering the second core 3. And two over cladding layers 6. The length of the tapered portion 2 is about 300 μm.

第２の光導波路９ａは、アンダークラッド層５と、アンダークラッド層５上に形成された３〜５μｍ角の正方形断面を有する屈折率１．５０のポリマーからなる第２のコア３と、第２のコア３を覆う第２のオーバークラッド層６とから構成される。   The second optical waveguide 9a includes an under cladding layer 5, a second core 3 formed on the under cladding layer 5, and made of a polymer having a square cross section of 3 to 5 μm square and having a refractive index of 1.50. And a second over-cladding layer 6 covering the core 3.

本実施の形態は、第１の実施の形態の光学素子において、第２のコア３と第１のオーバークラッド層２０とを覆う第２のオーバークラッド層６を設けたものである。第２のコア３をアンダークラッド層５と同程度の屈折率をもつ第２のオーバークラッド層６で覆うことで、シングルモード条件を満たす第２のコア３のサイズを第１の実施の形態に比べて大きくすることができ、その結果光ファイバーとの接続損失を更に低減することができる。第１の実施の形態で説明したとおり、第２のコア３となる材料に屈折率１．５０より低い材料を用いると、第２のコア３のサイズを更に大きくすることができる。   In the present embodiment, the second overcladding layer 6 that covers the second core 3 and the first overcladding layer 20 is provided in the optical element of the first embodiment. By covering the second core 3 with the second over cladding layer 6 having the same refractive index as that of the under cladding layer 5, the size of the second core 3 satisfying the single mode condition can be changed to the first embodiment. As a result, the connection loss with the optical fiber can be further reduced. As described in the first embodiment, when a material having a refractive index lower than 1.50 is used for the material to be the second core 3, the size of the second core 3 can be further increased.

なお、本実施の形態では、第２のオーバークラッド層６となる材料に屈折率１．４６のポリマーを用いたが、この屈折率は第２の光導波路９ａの第２のコア３に用いる材料より低ければよい。したがって、例えばドーピング等の手法によって屈折率をある程度の範囲で変えることができれば、エポキシ、ポリイミドなどのポリマーだけでなく、酸化シリコン、窒化酸化シリコンなどの無機材料も第２のオーバークラッド層６として用いることができる。   In the present embodiment, a polymer having a refractive index of 1.46 is used as a material for forming the second over cladding layer 6, but this refractive index is a material used for the second core 3 of the second optical waveguide 9a. The lower the better. Therefore, if the refractive index can be changed within a certain range by a method such as doping, not only polymers such as epoxy and polyimide but also inorganic materials such as silicon oxide and silicon nitride oxide are used as the second over cladding layer 6. be able to.

［第３の実施の形態］
次に、本発明の光学素子の基本単位となる光導波路を例にとって製造方法を説明する。図５は本発明の第３の実施の形態となる光学素子の平面図であり、図３、図４と同一の構成には同一の符号を付してある。図５の領域１００が第２の実施の形態で説明した光学素子に相当する部分であり、１０１はエッチング領域である。 [Third Embodiment]
Next, a manufacturing method will be described using an optical waveguide as a basic unit of the optical element of the present invention as an example. FIG. 5 is a plan view of an optical element according to a third embodiment of the present invention. The same components as those in FIGS. 3 and 4 are denoted by the same reference numerals. 5 is a portion corresponding to the optical element described in the second embodiment, and 101 is an etching region.

図６、図７は図５の光学素子の製造方法を示す工程断面図である。光を透過する層にシリコンを使用する平面回路型のシリコン細線光学素子は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板をスターティング基板として使用する。ＳＯＩ基板は、シリコン基板４と、シリコン基板４上に形成された厚さ３μｍの酸化シリコンからなるアンダークラッド層５と、アンダークラッド層５上に形成された厚さ０．２μｍ〜０．５μｍのシリコン層１１とからなる。   6 and 7 are process sectional views showing a method for manufacturing the optical element of FIG. A planar-circuit-type silicon fine-wire optical element using silicon as a light-transmitting layer uses an SOI (Silicon On Insulator) substrate as a starting substrate. The SOI substrate includes a silicon substrate 4, an undercladding layer 5 made of silicon oxide with a thickness of 3 μm formed on the silicon substrate 4, and a 0.2 μm to 0.5 μm thick layer formed on the undercladding layer 5. And a silicon layer 11.

まず、このＳＯＩ基板上にＣＶＤ法などの成膜法を使用して、シリコン層１１のエッチングマスクとなる酸化シリコン等からなるマスク材料１２を形成した後（図６（ａ））、このマスク材料１２上にレジストを塗布し、電子線露光法あるいは光露光法などの露光法を利用して所望のレジストパターン１３を形成する（図６（ｂ））。   First, a mask material 12 made of silicon oxide or the like serving as an etching mask for the silicon layer 11 is formed on the SOI substrate by using a film forming method such as a CVD method (FIG. 6A). A resist is applied on the substrate 12, and a desired resist pattern 13 is formed using an exposure method such as an electron beam exposure method or a light exposure method (FIG. 6B).

続いて、レジストパターン１３をマスクにしてマスク材料１２をドライエッチングしてエッチングマスク１４を形成した後、レジストパターン１３を除去する（図６（ｃ））。そして、エッチングマスク１４をマスクにしてシリコン層１１をエッチングして、第１のコア１およびテーパ部２を形成し、エッチングマスク１４をフッ酸などのエッチング溶液を使用して除去する（図６（ｄ））。   Subsequently, after the mask material 12 is dry-etched using the resist pattern 13 as a mask to form an etching mask 14, the resist pattern 13 is removed (FIG. 6C). Then, using the etching mask 14 as a mask, the silicon layer 11 is etched to form the first core 1 and the tapered portion 2, and the etching mask 14 is removed using an etching solution such as hydrofluoric acid (FIG. 6 ( d)).

こうして、アンダークラッド層５上に第１のコア１およびテーパ部２を有するシリコン細線光学素子回路パターンが形成される。シリコン細線光学素子回路パターンの端の光入出力部にあるテーパ部２は、第１のコア１の断面高さ（厚さ）を維持した状態で幅寸法が先端（第２の光導波路９ａ側）に向かって漸次細くなるように形成され、先端部の幅が５０〜８０ｎｍである。   In this way, a silicon fine wire optical element circuit pattern having the first core 1 and the tapered portion 2 is formed on the under cladding layer 5. The tapered portion 2 in the light input / output portion at the end of the silicon fine wire optical element circuit pattern has a width dimension at the tip (on the side of the second optical waveguide 9a) while maintaining the cross-sectional height (thickness) of the first core 1. ), And the width of the tip is 50 to 80 nm.

次に、シリコン細線光学素子回路パターンが形成されているＳＯＩ基板上に、モードフィールドサイズ変換部８ａの第２のコアおよび第２光導波路９ａの第２のコアとなる厚さ３μｍのシリコン酸化膜１５をＣＶＤ法などにより堆積する（図６（ｅ））。シリコン酸化膜１５には、アンダークラッド層５のシリコン酸化膜より屈折率が２〜３％高くなるようにゲルマニウムなどがドープされる。   Next, a silicon oxide film having a thickness of 3 μm serving as a second core of the mode field size converter 8a and a second core of the second optical waveguide 9a is formed on the SOI substrate on which the silicon fine wire optical element circuit pattern is formed. 15 is deposited by a CVD method or the like (FIG. 6E). The silicon oxide film 15 is doped with germanium or the like so that the refractive index is higher by 2 to 3% than that of the silicon oxide film of the under cladding layer 5.

続いて、シリコン酸化膜１５上に光露光用レジストを塗布した後、このレジストを光露光法により加工して、第１のコア１およびテーパ部２に重なり合う、図５の梨子地部の形をしたレジストパターン１６を形成する（図７（ａ））。
次に、レジストパターン１６をマスクにしてシリコン酸化膜１５をエッチングして、第１の光導波路７ａのオーバークラッド層２０とモードフィールドサイズ変換部８ａの第２のコア３と第２の光導波路９ａの第２のコア３とを形成した後、レジストパターン１６を除去する（図７（ｂ））。 Subsequently, after a light exposure resist is applied on the silicon oxide film 15, the resist is processed by a light exposure method, and the shape of the nashi ground portion of FIG. 5 overlapping the first core 1 and the tapered portion 2 is changed. The formed resist pattern 16 is formed (FIG. 7A).
Next, the silicon oxide film 15 is etched using the resist pattern 16 as a mask, and the overcladding layer 20 of the first optical waveguide 7a, the second core 3 of the mode field size converter 8a, and the second optical waveguide 9a After the second core 3 is formed, the resist pattern 16 is removed (FIG. 7B).

最後に、第２のコア３よりも屈折率の低いシリコン酸化膜からなる厚さ３μｍ以上のオーバークラッド層６をＳＯＩウエハー全面に堆積する（図７（ｃ））。ＳＯＩウエハーを第２の光導波路９ａの部分でダイシング等により切断すれば、光ファイバーとの効率よい接続を可能とするモードフィールドサイズ変換部８ａおよび第２の光導波路９ａを有するシリコン細線光学素子が完成する。   Finally, an overcladding layer 6 having a thickness of 3 μm or more made of a silicon oxide film having a lower refractive index than the second core 3 is deposited on the entire surface of the SOI wafer (FIG. 7C). If the SOI wafer is cut by dicing or the like at the portion of the second optical waveguide 9a, a silicon fine wire optical element having the mode field size converter 8a and the second optical waveguide 9a enabling efficient connection with an optical fiber is completed. I do.

本実施の形態では、図５のように第２のコア３の光の進行方向（図５の左右方向）に対して左右対称な２つの領域をエッチング領域１０１として、シリコン酸化膜１５を除去すればよく、それ以外の領域はシリコン酸化膜１５が削られずに残るようにレジストパターン１６を設計しておく。これにより、シリコン酸化膜１５のエッチング時に第１のコア１がプラズマに曝されることがないため、第１のコア１にダメージを与えることがなくなる。また、シリコン酸化膜１５のエッチング面積を非常に小さくすることができるので、シリコン酸化膜１５のエッチングに高い注意をはらう必要がなくなり、エッチングが容易となる。   In the present embodiment, the silicon oxide film 15 is removed by using the two regions symmetrical with respect to the light traveling direction (the horizontal direction in FIG. 5) of the second core 3 as the etching regions 101 as shown in FIG. The resist pattern 16 is designed so that the silicon oxide film 15 remains without being etched in other regions. Thereby, the first core 1 is not exposed to plasma when the silicon oxide film 15 is etched, so that the first core 1 is not damaged. Further, since the etching area of the silicon oxide film 15 can be made very small, it is not necessary to pay great attention to the etching of the silicon oxide film 15 and the etching becomes easy.

なお、エッチング領域１０１の最小幅は、第２のコア３のサイズやアンダークラッド層５の厚みによって変わり、本実施の形態では、第２のコア３の断面寸法を３μｍ角、アンダークラッド層５の厚さを３μｍとしているので、図５のエッチング領域１０１の最小幅は３μｍとなる。その理由は、エッチング領域１０１の幅が３μｍより小さくなると、第２のコア３とエッチング領域１０１を挟んで隣接するシリコン酸化膜１５との間でカップリングが起こり、第２のコア３の光が漏れてしまうからである。   The minimum width of the etching region 101 varies depending on the size of the second core 3 and the thickness of the undercladding layer 5. In the present embodiment, the cross-sectional dimension of the second core 3 is 3 μm square, Since the thickness is 3 μm, the minimum width of the etching region 101 in FIG. 5 is 3 μm. The reason is that when the width of the etching region 101 is smaller than 3 μm, coupling occurs between the second core 3 and the silicon oxide film 15 adjacent to the etching region 101, and the light of the second core 3 is Because it will leak.

本実施の形態では、第１の光導波路７ａのオーバークラッド層２０とモードフィールドサイズ変換部８ａの第２のコア３および第２の光導波路９ａの第２のコア３となる材料に酸化シリコンを用いたが、第１の実施の形態で説明したように、ポリイミド、エポキシ等のポリマー材や窒化酸化シリコンでももちろんかまわない。   In the present embodiment, silicon oxide is used as a material for the over cladding layer 20 of the first optical waveguide 7a, the second core 3 of the mode field size converter 8a, and the second core 3 of the second optical waveguide 9a. Although used, as described in the first embodiment, a polymer material such as polyimide or epoxy, or silicon oxynitride may of course be used.

［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図８（ａ）は本発明の第４の実施の形態となる光学素子の平面図、図８（ｂ）は図８（ａ）の光学素子のＡ−Ａ線断面図、図８（ｃ）は図８（ａ）の光学素子のＢ−Ｂ線断面図であり、図１〜図４と同一の構成には同一の符号を付してある。 [Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 8A is a plan view of an optical element according to a fourth embodiment of the present invention, FIG. 8B is a cross-sectional view taken along line AA of the optical element of FIG. 8A, and FIG. FIG. 9 is a cross-sectional view taken along the line BB of the optical element of FIG. 8A, and the same components as those in FIGS.

本実施の形態は、第２、第３の実施の形態の光学素子において、第１の光導波路のオーバークラッド層を、モードフィールドサイズ変換部８ａの第２のコア３および第２の光導波路９ａの第２のコア３と同じ材料からなるオーバークラッド層２０のみの単層で構成したものである。つまり、本実施の形態では、第２、第３の実施の形態の第１の光導波路７ａの代わりに、第１の実施の形態の第１の光導波路７の構造を用いることになる。第２のコア３は３〜５μｍ角の正方形の断面形状を有するので、オーバークラッド層２０の厚みも３〜５μｍとなりオーバークラッドとしては十分な厚みである。   In the present embodiment, in the optical elements of the second and third embodiments, the overcladding layer of the first optical waveguide is replaced by the second core 3 and the second optical waveguide 9a of the mode field size converter 8a. The second core 3 has a single layer of only the over cladding layer 20 made of the same material as that of the second core 3. That is, in the present embodiment, the structure of the first optical waveguide 7 of the first embodiment is used instead of the first optical waveguide 7a of the second and third embodiments. Since the second core 3 has a square cross section of 3 to 5 μm square, the thickness of the over cladding layer 20 is 3 to 5 μm, which is sufficient for the over cladding.

モードフィールドサイズ変換部８ａの第２のコア３および第２の光導波路９ａの第２のコア３と同じ材料を用いるため、オーバークラッド層２０の屈折率は、熱酸化シリコンからなるアンダークラッド層５より高いが、屈折率３．５のシリコンとアンダークラッド層５との屈折率差およびシリコンとオーバークラッド層２０との屈折率差はどちらも非常に大きいため、第１の光導波路７の光の閉じこめ特性には影響はなく、曲げ損失や伝搬損失にも影響はない。   Since the same material is used for the second core 3 of the mode field size converter 8a and the second core 3 of the second optical waveguide 9a, the refractive index of the over cladding layer 20 is lower than that of the under cladding layer 5 made of thermally oxidized silicon. Although higher, both the refractive index difference between the silicon having the refractive index of 3.5 and the under cladding layer 5 and the refractive index difference between the silicon and the over cladding layer 20 are very large. There is no effect on the confinement characteristics, nor on bending loss or propagation loss.

本実施の形態のように、第１の光導波路７のオーバークラッド層を単層にすると、第２、第３の実施の形態のような２層の場合に比べてオーバークラッド層を薄くすることができる。その結果、例えば熱スイッチのように、シリコンからなる第１のコア１の上方にヒーターを設置して加熱する場合、第１のコア１ヘの熱の伝導性が良くなるため、消費電力を小さくすることができる。   When the overcladding layer of the first optical waveguide 7 is a single layer as in the present embodiment, the overcladding layer is made thinner than in the case of the two layers as in the second and third embodiments. Can be. As a result, when a heater is installed above the first core 1 made of silicon and heated, as in a thermal switch, for example, heat conductivity to the first core 1 is improved, so that power consumption is reduced. can do.

図８の光学素子は、第３の実施の形態で説明した図７（ｃ）の工程の後に、モードフィールドサイズ変換部８ａおよび第２の光導波路９ａの領域にあるオーバークラッド層６をマスクして、第１の光導波路７の領域にあるオーバークラッド層６をエッチングすることで、容易に作製することができる。   The optical element of FIG. 8 masks the mode field size converter 8a and the over cladding layer 6 in the region of the second optical waveguide 9a after the step of FIG. 7C described in the third embodiment. Then, the over-cladding layer 6 in the region of the first optical waveguide 7 can be easily manufactured by etching.

以上の各実施の形態では、アンダークラッドとしてシリコン酸化膜を使用したが、シリコン窒化膜、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、各実施の形態では、基板としてシリコン基板を使用したが、シリコン基板に限らずガラス、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学素子を形成するようにしてもよい。 In each of the above embodiments, the silicon oxide film is used as the under cladding. However, it goes without saying that the same effect can be obtained with a silicon nitride film or quartz.
In each embodiment, a silicon substrate is used as a substrate. However, the substrate is not limited to a silicon substrate, and may be a substrate using glass, quartz, or another material. It may be formed.

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。   The present invention can be applied to the field of optoelectronics and the field of optical communication.

本発明の第１の実施の形態となる光学素子の光入出力に関わる部分の平面図および断面図である。FIG. 2 is a plan view and a cross-sectional view of a portion related to light input and output of the optical element according to the first embodiment of the present invention. 図１の光学素子の第１の光導波路、モードフィールドサイズ変換部および第２の光導波路の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of a first optical waveguide, a mode field size converter, and a second optical waveguide of the optical element of FIG. 1. 本発明の第２の実施の形態となる光学素子の光入出力に関わる部分の平面図および断面図である。FIG. 9 is a plan view and a cross-sectional view of a part related to light input / output of an optical element according to a second embodiment of the present invention. 図３の光学素子の第１の光導波路、モードフィールドサイズ変換部および第２の光導波路の断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of a first optical waveguide, a mode field size converter, and a second optical waveguide of the optical element of FIG. 3. 本発明の第３の実施の形態となる光学素子の平面図である。FIG. 13 is a plan view of an optical element according to a third embodiment of the present invention. 図５の光学素子の製造方法を示す工程断面図である。FIG. 6 is a process sectional view illustrating the method for manufacturing the optical element of FIG. 5. 図５の光学素子の製造方法を示す工程断面図である。FIG. 6 is a process sectional view illustrating the method for manufacturing the optical element of FIG. 5. 本発明の第４の実施の形態となる光学素子の平面図および断面図である。It is a top view and a sectional view of an optical element serving as a fourth embodiment of the present invention. 従来の光学素子の光入出力に関わる部分の平面図および断面図である。It is a plan view and a sectional view of a portion related to light input / output of a conventional optical element.

符号の説明Explanation of reference numerals

１…第１のコア、２…テーパ部、３…第２のコア、４…シリコン基板、５…アンダークラッド層、６…第２のオーバークラッド層、７、７ａ…第１の光導波路、８、８ａ…モードフィールドサイズ変換部、９、９ａ…第２の光導波路、１１…シリコン層、１２…マスク材料、１３、１６…レジストパターン、１４…エッチングマスク、１５…シリコン酸化膜、２０…第１のオーバークラッド層。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... 1st core, 2 ... taper part, 3 ... 2nd core, 4 ... silicon substrate, 5 ... under cladding layer, 6 ... 2nd over cladding layer, 7, 7a ... 1st optical waveguide, 8 , 8a: mode field size converter, 9, 9a: second optical waveguide, 11: silicon layer, 12: mask material, 13, 16: resist pattern, 14: etching mask, 15: silicon oxide film, 20 ... 1 overcladding layer.

Claims (8)

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、
前記アンダークラッド上に前記第１のコアの端部と一体に連結して配置され、先端に向かって漸次断面積が小さくなる断面が四角形のシリコンからなるテーパ部と、
このテーパ部を覆うように配置された第２のコアと、
前記第１のコアを覆うように配置された第１の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のコアと前記第１のオーバークラッドとは、第１の光導波路を構成し、
前記アンダークラッドと前記テーパ部と前記第２のコアとは、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のコアとは、第２の光導波路を構成し、
前記第１のオーバークラッドは、前記第２のコアと一体に連結して形成された、前記第２のコアと同材料からなることを特徴とする光学素子。 As a whole, a flat underclad,
A first core made of silicon having a rectangular cross section disposed on the under cladding;
A taper portion made of silicon having a cross section whose cross-sectional area gradually decreases toward the tip, which is arranged integrally with the end of the first core on the under clad,
A second core disposed so as to cover the tapered portion;
A first over clad disposed to cover the first core,
The under cladding, the first core, and the first over cladding constitute a first optical waveguide,
The undercladding, the tapered portion, and the second core constitute a mode field size converter,
The undercladding and the second core constitute a second optical waveguide,
The optical element according to claim 1, wherein the first overcladding is formed integrally with the second core and made of the same material as the second core. 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、
前記アンダークラッド上に前記第１のコアの端部と一体に連結して配置され、先端に向かって漸次断面積が小さくなる断面が四角形のシリコンからなるテーパ部と、
このテーパ部を覆うように配置された第２のコアと、
前記第１のコアを覆うように配置された第１のオーバークラッドと、
前記第２のコアと前記第１のオーバークラッドとを覆うように配置された第２の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のコアと前記第１のオーバークラッドと前記第２のオーバークラッドとは、第１の光導波路を構成し、
前記アンダークラッドと前記テーパ部と前記第２のコアと前記第２の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のコアと前記第２の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のオーバークラッドは、前記第２のコアと一体に連結して形成された、前記第２のコアと同材料からなることを特徴とする光学素子。 As a whole, a flat underclad,
A first core made of silicon having a rectangular cross section disposed on the under cladding;
A taper portion made of silicon having a cross section whose cross-sectional area gradually decreases toward the tip, which is arranged integrally with the end of the first core on the under clad,
A second core disposed so as to cover the tapered portion;
A first over clad disposed to cover the first core;
A second over clad disposed to cover the second core and the first over clad,
The under cladding, the first core, the first over cladding, and the second over cladding constitute a first optical waveguide,
The undercladding, the tapered portion, the second core, and the second overcladding constitute a mode field size converter,
The under cladding, the second core, and the second over cladding constitute a second optical waveguide,
The optical element according to claim 1, wherein the first overcladding is formed integrally with the second core and made of the same material as the second core. 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、
前記アンダークラッド上に前記第１のコアの端部と一体に連結して配置され、先端に向かって漸次断面積が小さくなる断面が四角形のシリコンからなるテーパ部と、
このテーパ部を覆うように配置された第２のコアと、
前記第１のコアを覆うように配置された第１のオーバークラッドと、
前記第２のコアを覆うように配置された第２の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のコアと前記第１のオーバークラッドとは、第１の光導波路を構成し、
前記アンダークラッドと前記テーパ部と前記第２のコアと前記第２の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のコアと前記第２の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のオーバークラッドは、前記第２のコアと一体に連結して形成された、前記第２のコアと同材料からなることを特徴とする光学素子。 As a whole, a flat underclad,
A first core made of silicon having a rectangular cross section disposed on the under cladding;
A taper portion made of silicon having a cross section whose cross-sectional area gradually decreases toward the tip, which is arranged integrally with the end of the first core on the under clad,
A second core disposed so as to cover the tapered portion;
A first over clad disposed to cover the first core;
A second over clad disposed to cover the second core,
The under cladding, the first core, and the first over cladding constitute a first optical waveguide,
The undercladding, the tapered portion, the second core, and the second overcladding constitute a mode field size converter,
The under cladding, the second core, and the second over cladding constitute a second optical waveguide,
The optical element according to claim 1, wherein the first overcladding is formed integrally with the second core and made of the same material as the second core. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学素子において、
前記第２のコアの光の進行方向に対して左右対称な２つの位置に、前記第２のコアの材料が存在しない領域を有することを特徴とする光学素子。 The optical element according to any one of claims 1 to 3,
An optical element comprising: a region where the material of the second core does not exist at two positions symmetrical with respect to a traveling direction of light of the second core. 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のコアと、この第１のコアの端部と一体に連結し先端に向か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とを選択的に形成する第１のコア形成工程と、
前記アンダークラッドの上に、第２のコアとなるコア材料を前記第１のコアおよび前記テーパ部を覆うように形成する成膜工程と、
前記コア材料を加工して、前記テーパ部を覆う第２のコアを選択的に形成する第２のコア形成工程とを有し、
前記第２のコアを形成する際に、第１の光導波路の領域にある前記コア材料を残すことにより、前記コア材料を前記第１の光導波路の第１のオーバークラッドとし、
前記アンダークラッドと前記第１のコアと前記第１のオーバークラッドとは、前記第１の光導波路を構成し、
前記アンダークラッドと前記テーパ部と前記第２のコアとは、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のコアとは、第２の光導波路を構成することを特徴とする光学素子の製造方法。 A first core made of silicon having a thin line shape and a quadrangular cross section, and a tapered portion made of silicon that is integrally connected to an end of the first core and has a gradually decreasing cross-sectional area toward the tip on the under clad; A first core forming step of selectively forming
A film forming step of forming a core material to be a second core on the under clad so as to cover the first core and the tapered portion;
A second core forming step of processing the core material to selectively form a second core covering the tapered portion,
When forming the second core, by leaving the core material in the region of the first optical waveguide, the core material as the first over cladding of the first optical waveguide,
The under cladding, the first core, and the first over cladding constitute the first optical waveguide,
The undercladding, the tapered portion, and the second core constitute a mode field size converter,
The method of manufacturing an optical element, wherein the undercladding and the second core constitute a second optical waveguide. 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のコアと、この第１のコアの端部と一体に連結し先端に向か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とを選択的に形成する第１のコア形成工程と、
前記アンダークラッドの上に、第２のコアとなるコア材料を前記第１のコアおよび前記テーパ部を覆うように形成する成膜工程と、
前記コア材料を加工して、前記テーパ部を覆う第２のコアを選択的に形成する第２のコア形成工程と、
前記第１のコアおよび前記第２のコアを覆うようにオーバークラッド材料を形成するオーバークラッド形成工程とを有し、
前記第２のコアを形成する際に、第１の光導波路の領域にある前記コア材料を残すことにより、前記コア材料を前記第１の光導波路の第１のオーバークラッドとし、前記オーバークラッド形成工程で形成したオーバークラッド材料を第２のオーバークラッドとし、
前記アンダークラッドと前記第１のコアと前記第１のオーバークラッドと前記第２のオーバークラッドとは、前記第１の光導波路を構成し、
前記アンダークラッドと前記テーパ部と前記第２のコアと前記第２の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のコアと前記第２のオーバークラッドとは、第２の光導波路を構成することを特徴とする光学素子の製造方法。 A first core made of silicon having a thin line shape and a quadrangular cross section, and a tapered portion made of silicon that is integrally connected to an end of the first core and has a gradually decreasing cross-sectional area toward the tip on the under clad; A first core forming step of selectively forming
A film forming step of forming a core material to be a second core on the under clad so as to cover the first core and the tapered portion;
A second core forming step of processing the core material to selectively form a second core covering the tapered portion;
Forming an overcladding material so as to cover the first core and the second core,
When forming the second core, leaving the core material in the region of the first optical waveguide, the core material is used as a first overcladding of the first optical waveguide, and the overcladding is formed. The over cladding material formed in the process is used as a second over cladding,
The undercladding, the first core, the first overcladding, and the second overcladding constitute the first optical waveguide;
The undercladding, the tapered portion, the second core, and the second overcladding constitute a mode field size converter,
The method of manufacturing an optical element, wherein the under cladding, the second core, and the second over cladding constitute a second optical waveguide. 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のコアと、この第１のコアの端部と一体に連結し先端に向か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とを選択的に形成する第１のコア形成工程と、
前記アンダークラッドの上に、第２のコアとなるコア材料を前記第１のコアおよび前記テーパ部を覆うように形成する成膜工程と、
前記コア材料を加工して、前記テーパ部を覆う第２のコアを選択的に形成する第２のコア形成工程と、
前記第２のコアを覆うようにオーバークラッド材料を形成するオーバークラッド形成工程とを有し、
第１の光導波路の領域にある前記オーバークラッド材料を除去するエッチング工程とを有し、
前記第２のコアを形成する際に、前記第１の光導波路の領域にある前記コア材料を残すことにより、前記コア材料を前記第１の光導波路の第１のオーバークラッドとし、前記オーバークラッド形成工程で形成したオーバークラッド材料を第２のオーバークラッドとし、
前記アンダークラッドと前記第１のコアと前記第１のオーバークラッドとは、前記第１の光導波路を構成し、
前記アンダークラッドと前記テーパ部と前記第２のコアと前記第２の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のコアと前記第２のオーバークラッドとは、第２の光導波路を構成することを特徴とする光学素子の製造方法。 A first core made of silicon having a thin line shape and a quadrangular cross section, and a tapered portion made of silicon that is integrally connected to an end of the first core and has a gradually decreasing cross-sectional area toward the tip on the under clad; A first core forming step of selectively forming
A film forming step of forming a core material to be a second core on the under clad so as to cover the first core and the tapered portion;
A second core forming step of processing the core material to selectively form a second core covering the tapered portion;
Forming an over-cladding material so as to cover the second core,
An etching step of removing the over cladding material in a region of the first optical waveguide,
When forming the second core, by leaving the core material in a region of the first optical waveguide, the core material is used as a first over clad of the first optical waveguide, and the over clad is formed. The over cladding material formed in the forming step is used as a second over cladding,
The under cladding, the first core, and the first over cladding constitute the first optical waveguide,
The undercladding, the tapered portion, the second core, and the second overcladding constitute a mode field size converter,
The method of manufacturing an optical element, wherein the under cladding, the second core, and the second over cladding constitute a second optical waveguide. 請求項５乃至７のいずれか１項に記載の光学素子の製造方法において、
前記第２のコア形成工程は、前記第２のコアの光の進行方向に対して左右対称な２つの領域の前記コア材料を除去することにより、前記第２のコアを形成することを特徴とする光学素子の製造方法。
The method for manufacturing an optical element according to any one of claims 5 to 7,
The second core forming step is to form the second core by removing the core material in two regions symmetrical with respect to the light traveling direction of the second core. Of manufacturing an optical element.
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