JP2004302241A - 光導波路およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】結合損失が小さく、複雑かつ高度なプロセスを必要とせずに簡易な方法で製造することができる光導波路およびその製造方法を提供するものである。
【解決手段】本光導波路１００のコア１０３は、幅および高さが先端部１０５に向かって徐々に小さくなるように形成されているとともに、断面幅が高さ方向に向けて徐々に小さくなるように形成されているスポットサイズ変換部１０３ｂを備えている。本光導波路１００の製造方法は、コア膜をエッチングすることにより、高さが一定で先端部に向けて幅が徐々に小さくなる形状からなる、断面矩形のコアを形成する工程と、断面矩形のコアをエッチングすることにより、断面幅が高さ方向に向かって徐々に小さく、かつ、高さが先端部に向かって徐々に低くなる形状のコアを形成する工程とを含む。
【選択図】 図１
【解決手段】本光導波路１００のコア１０３は、幅および高さが先端部１０５に向かって徐々に小さくなるように形成されているとともに、断面幅が高さ方向に向けて徐々に小さくなるように形成されているスポットサイズ変換部１０３ｂを備えている。本光導波路１００の製造方法は、コア膜をエッチングすることにより、高さが一定で先端部に向けて幅が徐々に小さくなる形状からなる、断面矩形のコアを形成する工程と、断面矩形のコアをエッチングすることにより、断面幅が高さ方向に向かって徐々に小さく、かつ、高さが先端部に向かって徐々に低くなる形状のコアを形成する工程とを含む。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野において広く使用される光導波路およびその製造方法に関し、特に、結合損失を少なくするスポットサイズ変換部を備えた光導波路及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザダイオードや半導体光スイッチ等の光デバイスとシングルモード光ファイバとの間を光結合させる場合に、光デバイスの端面と光ファイバとを直接突き合わせて結合させると、光デバイスのスポットサイズ（ビームが一番絞られている部分におけるビーム半径）はシングルモード光ファイバのスポットサイズよりも数倍程度小さいため、結合部での結合損失が大きくなるという問題がある。さらに、スポットサイズが小さいビームを結合するときは、ビームの位置合わせを高精度に行う必要があり、工程が複雑化するとともに、歩留まりが劣化するという問題がある。
【０００３】
また、光導波路や光ファイバを横断する溝を形成して、その溝に光学素子を埋め込んだ埋込型光部品では、光導波路等の端面が溝を挟んで対向している。その場合、光が一方の光導波路等の端面から出て他方の端面に到達するとき回折によってビーム半径が大きくなるほどの理由により結合損失が大きくなる。しかし、結合部におけるスポットサイズを拡大させることにより、回折によるビームの広がり角を小さくすることができる。すなわち、端面からの距離が同じ場合には、スポットサイズを拡大させないものと比較してビーム半径を小さくすることができるため、回折による損失を小さくすることができる。つまり、光導波路と光ファイバとの結合のようなビームの結合部においては、結合するビーム同士のスポットサイズを拡大して、ほぼ同一にすることにより、結合損失を低減できる。また、埋込型光部品の溝部で光導波路等の端面が離れて対向しているような部分では、光導波路などのスポットサイズを拡大することにより、回折による損失を低減することができる。
【０００４】
従来においては、スポットサイズを拡大させる方法として、コアの高さを一定とし、断面幅のみをコアの先端部に向けてテーパー状に縮小させた光導波路が使用されていた。この光導波路は簡易な方法で製造することが可能であるが、高さが一定であるため結合損失の偏向依存性が大きくなるという問題があった。
【０００５】
そこで、結合損失の偏向依存性を小さくするために、スポットサイズ変換部のコアを断面幅及び高さ方向ともにステップ状に縮小していた（特許文献１）。
【０００６】
また、コアの断面幅及び高さの双方を、コアの先端に向かってテーパー状に縮小させてスポットサイズを拡大するとともに、偏向依存性を小さくして結合損失を小さくしていた。（特許文献２）。このテーパー部は次に説明する手順により形成される。基板上にアンダークラッドを成膜し、続いてアンダークラッドの上面から所定の距離を離して幅方向がテーパー状のストッパー膜を埋め込みつつコア層を成膜する。そして、所定のエッチングマスクを使用して、ストッパー膜領域ではストッパー膜までコア層をエッチングする。次に、ストッパー膜以外の領域ではストッパー膜より下方の位置までコア層をエッチングして、コア層に段差を形成する。そして、コア層の上にコアの段差が埋まるように膜厚２〜３μｍ程度の膜を成膜し、その後熱処理を行なって段差が滑らかに埋まるように成形する。テーパー部以外の余分な膜はエッチングにより除去することにより、断面幅及び高さをテーパー状に滑らかに変化させることができる。
【０００７】
また、炭酸（ＣＯ２）レーザのような高出力レーザを用いて、レーザ照射により光導波路や光ファイバのごく一部のみを加熱し、コアのドーパントをクラッド部に拡散させることによりスポットサイズを拡大させていた（特許文献３）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平８−１７１０２０号公報（段落［００１０］、［００１１］、第１図）
【特許文献２】
特開２００２−１５６５３９号公報（段落［００１８］−［００２７］、第１図）
【特許文献３】
特開平４−２２０６０９号公報（段落［０００８］−［００１０］、第１図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載されている光導波路では、数μｍ程度の厚さを数段のステップで大きく変化させることにより、急激なステップ部分において放射による過剰損失は大きくなる。また、コアの断面形状が矩形状であるため、コアとアンダークラッドとの密着性が悪かった。そのため、コア内の光がクラッドに漏出し、損失が大きくなってしまっていた。さらに、ステップ段階を増やすことにより過剰損失の低減は可能であるが、パターニング工程と成膜を繰り返す必要があり、複数の段差を作成すると工程数が増えるため量産向きではなかった。
【００１０】
また、特許文献２に記載の光導路によれば、断面幅および高さ方向をテーパー状に滑らかに変化させることができるが、コア層を段差にするためにコア層の内部にストッパー膜を埋め込み、段差を作製した後にこの段差が滑らかに埋まるように膜を成膜して熱処理をする必要がある。従って、このような導波路を形成するには工程数が多くなるとともに複雑かつ高度なプロセス技術が必要であり、生産性が悪く量産向きではなかった。また、コアの断面形状が矩形状であるため、コアとアンダークラッドとの密着性が悪く、その部分での損失が大きかった。
【００１１】
また、特許文献３に記載されている光導波路によれば、結合損失の偏向依存性を小さくすることができ、かつ、スポットサイズを拡大することが可能となるが、レーザにより一ヶ所ずつ加熱するため、導波路が数十本におよぶアレイ導波路を加熱処理するときには数時間も時間がかかり、生産性が悪く量産向きではなかった。
【００１２】
本発明は、上記の問題を解決するものであり、結合損失の偏向依存性を小さくするとともに、コアとアンダークラッドとの密着性を高めることにより、結合損失を小さくすることが可能な光導波路を提供するものである。また、コアを自己整合的に制御して形成することにより、複雑かつ高度なプロセスを必要とせずに簡易な方法で本発明の光導波路を製造することができる製造方法を提供するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、クラッドと、該クラッド内に形成されたコアとを含み、前記コアは、先端部に向かって幅および高さが徐々に変化するように形成され、かつ、断面幅が高さ方向に向かって徐々に小さくなるように形成されたスポットサイズ変換部を有することを特徴とするものである。
【００１４】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記コアの前記スポットサイズ変換部は、前記先端部に向かって、前記幅の変化に対応して、前記高さが変化するように形成されていることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の光導波路において、前記コアの前記スポットサイズ変換部は、前記先端部に向かって、前記幅および前記高さが徐々に縮小され、先細り状に形成されていることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３に記載の光導波路において、前記コアの前記スポットサイズ変換部は、その断面が略三角形状または略台形状に形成されていることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項５記載の発明は、高さが一定で、かつ幅が徐々に変化する形状からなる、断面がほぼ矩形のコアを形成する第１の工程と、前記断面がほぼ矩形のコアをエッチングすることにより、断面幅が高さ方向に向かって徐々に小さくなる形状、かつ、前記コアの幅の変化に対応して高さが徐々に変化する形状のコアを形成する第２の工程と、を含む光導波路の製造方法であることを特徴とするものである。
【００１８】
請求項６記載の発明は、請求項５に記載の光導波路の製造方法であって、前記第１の工程は、アンダークラッド上にコア膜を成膜する工程と、前記コアの幅の変化を設定するために、前記幅が徐々に変化する形状のマスクを前記コア膜上に形成するマスク工程と、フォトリソグラフィおよびエッチングにより前記コア膜からコアを形成するコア形成工程を含み、前記第２の工程により、前記コア形成工程により形成された前記コアの幅の変化に対応して、前記コアの高さが徐々に変化する形状のコアを形成する光導波路の製造方法であることを特徴とするものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の一例について、図１ないし図１４を参照しながら詳しく説明する。図１乃至図６、図１１および図１２は本発明の第１の実施形態の光導波路１００に関する図であり、図７乃至図９、図１３および図１４は、第２の実施形態の光導波路２００に関する図である。また、図１０は、本発明の光導波路の応用の一態様としての集積光モジュール５００の上面図を示している。
【００２０】
図１は、第１の実施形態の光導波路１００の構成の概略を示す斜視図である。また、図２は、光導波路１００を構成するコア１０３の形状を示しており、図２（ａ）はその上面図、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図、図２（ｃ）は図２（ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図、図２（ｄ）は図２（ａ）におけるＣ−Ｃ’断面図をそれぞれ示している。また、図３乃至図５は、光導波路１００の製造方法の一例を説明するための図である。また、図６は、光導波路１００の作用を示す説明図である。さらに、図１１および図１２は、光導波路１００の別の製造方法を説明するための図である。
【００２１】
更に、図７は、第２の実施形態の光導波路２００の構成の概略を示す斜視図である。また、図８は、光導波路２００を構成するコア２０３の形状を示しており、図８（ａ）はその上面図、図８（ｂ）は図８（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図、図８（ｃ）は図８（ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図、図８（ｄ）は図８（ａ）におけるＣ−Ｃ’断面図をそれぞれ示している。また、図９は、光導波路２００の製造方法の一例を説明するための図である。さらに、図１３および図１４は、光導波路２００の別の製造方法を説明するための図である。
【００２２】
本発明に係る光導波路１００、２００は、一例として、図１０に示す集積光モジュール５００に実装されるような光導波路を提供するためのものである。この集積光モジュール５００は、例えば、光ファイバ５１０および５２０の間に配置されている。集積光モジュール５００は、基板５０１と、その上に実装された光導波路５０２や埋め込み素子５０３とを含んで構成されている。埋め込み素子５０３としては、例えばバンドパスフィルタやアイソレータなどが使用されている。本発明に係る光導波路は、集積光モジュール５００が光ファイバ５１０や５２０に結合される結合部分５０２ａや、光導波路５０２が埋め込み素子５０３に結合される結合部分５０２ｂなどに特徴を有するものである。光ファイバ５１０や５２０は、結合部分５０２ａでの接続損失を低減させるために、スポットサイズを拡大した光ファイバを用いることが好ましい。
【００２３】
［第１の実施の形態］
（構成）
図１に示すように、第１の実施形態の光導波路１００は、石英（ＳｉＯ２）基板１０１上に形成されたＳｉＯ２からなるアンダークラッド１０２と、このアンダークラッド１０２上に形成されたコア１０３と、アンダークラッド１０２上に形成され、コア１０３の周囲を取り囲むように設けられたＳｉＯ２からなるオーバークラッド１０４とを含み構成されている。コア１０３は、ＧｅがドープされたＳｉＯ２からなり、アンダークラッド１０２およびオーバークラッド１０４と比べて僅かに大きな屈折率を有している。なお、本実施形態では、基板として石英を使用したが、Ｓｉ基板やセラミック基板を採用することもできる。
【００２４】
次に、図２を参照しながら、コア１０３の形状について詳述する。まず、図２（ａ）に示すように、コア１０３は、その底面（アンダークラッド１０２との接触面）の幅ｗ５が一定に形成された、光を案内するための導波部１０３ａと、この導波部１０３ａの端部に形成され、上記光のスポットサイズを変換するためのスポットサイズ変換部１０３ｂとを有している。なお、スポットサイズ変換部１０３ｂの先端部１０５の底面の幅はｗ６（＜ｗ５）で、スポットサイズ変換部１０３ｂの幅ｗは先端部に向けて徐々に小さくなるよう形成されている。
【００２５】
更に、図２（ｂ）に示すように、導波部１０３ａは、その高さｈ４も一定となるように形成されている。また、スポットサイズ変換部１０３ｂの高さｈは、高さｈ４から先端部１０５に向けて徐々に低くなり、先端部１０５においてｈ５（＜ｈ４）とされている。
【００２６】
図２（ｃ）および図２（ｄ）に示すコア１０３の断面図を更に参照して、コア１０３の形状についてより詳細に説明をする。両図に示すように、コア１０３の短手方向、すなわち、光の伝播方向と直交する方向における断面は、アンダークラッド１０２と接している辺を底辺とする三角形状をなしている。
【００２７】
なお、コア１０３の断面のこの三角形状は、図示をする上での便宜的なものである。実際には、その頂点は丸みを帯びた形状となる場合もあり、また、その斜辺は曲線状となる場合もある。より詳しくは、図２（ｃ）に示すように、導波部１０３ａの断面形状は、底辺の幅ｗ５を断面幅ｕの最大値とし、高さ方向へと向かうに連れて徐々に断面幅ｕが小さくなっていくように形成されている。また、先端部１０５においては、図２（ｄ）にあるように、底辺の幅ｗ６を断面幅ｖの最大値とし、高さ方向へと向かうに連れて徐々に断面幅ｖが小さくなっていくように形成されている。ここで、両図に示すコア１０３の断面形状は、ほぼ相似関係を有するようになっている。また、図示はしないが、スポットサイズ変換部１０３ｂの任意の位置での断面形状も、両図に示す断面形状とほぼ相似関係となっている。以下、これを踏まえた上で、コア１０３の断面形状を三角形状と称することとする。
【００２８】
（作用）
以上のようなコア形状を備えた本実施形態の光導波路１００によれば、次のような好適な作用が奏されることとなる。
【００２９】
第１に、コア１０３のスポットサイズ変換部１０３ｂが幅および高さの双方向において先細り状となるよう形成されているため、適切にスポットサイズを拡大し、回折による光の広がり角度を小さくすることが可能となる。図６はこの作用の概略を示している。同図には、スポットサイズ変換部１０３ｂを有する本実施形態の光導波路１００とともに、このようなスポットサイズ変換部１０３ｂを有しない従来の光導波路４００（図中の点線部４００）が重ねて示されている。
【００３０】
従来の光導波路４００によれば、その先端部から出射された光は、同図中の破線４０２で示されているように回折し、広がる。一方、本実施形態の光導波路１００を出射した光は、実線４０１で示すように回折し、広がる。即ち、光導波路１００によれば、従来の光導波路４００よりも光の広がり角が小さくなるため、光ファイバや埋め込み素子などとの結合部分における損失が低減されることとなる。また、結合部分における位置合わせ精度も緩和される。
【００３１】
また、第２には、コア１０３の側面部（コア１０３とオーバークラッド１０４とが接触する面）とコア１０３底面部（コア１０３とアンダークラッド１０２とが接する面）とのなす角が直角よりも（十分に）小さな角度となるように形成されていることから、コア１０３をアンダークラッド１０２上に十分な密着性をもって設けることができる。よって、コア１０３内を伝送される光は、アンダークラッド１０２との境界面で効率的に反射され、アンダークラッド１０２に無駄に漏出することがないため、確実にコア１０３内に光を閉じ込めることが可能となる。したがって、更なる損失の低減を図ることが可能となる。
【００３２】
（製法）
次に、このような光導波路１００の製造方法について図２乃至図５を参照しながら説明する。図３は、本発明の実施形態において、光導波路の製造手順を示した図である。まず、図３（ａ）に示すように、石英基板３０１上にプラズマ化学気相堆積法（プラズマＣＶＤ法）やＲＦスパッタリング法などによりＳｉＯ２からなるアンダークラッド３０２を成膜する。本実施形態においてはプラズマＣＶＤ法を用いたが、常圧化学気相堆積法（ＡＰＣＶＤ法）、減圧化学気相堆積法（ＬＰＣＶＤ法）または火炎直接堆積法（Ｆｌａｍｅ Ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＦＨＤ法）などを用いても成膜することができる。また、本実施形態においてはアンダークラッドとしてＳｉＯ２を石英基板３０１上に成膜したが、石英基板３０１をアンダークラッドとして使用し、直接石英基板３０１上にコアを形成してもよい。
【００３３】
次に図３（ｂ）に示すように、アンダークラッド３０２の上に、ＧｅをドープしたＳｉＯ２からなるコア層３０３をプラズマＣＶＤ法やＲＦスパッタリング法等により成膜する。コア層についてもアンダークラッドと同様に、ＡＰＣＶＤ法、ＬＰＣＶＤ法またはＦＨＤ法などを用いて成膜することも可能である。ここで、ドーパントは、コア層３０３の屈折率がクラッドより僅かに高くなり、適切に光を閉じ込められるように選ぶことが望ましい。また、クラッドにドープしてもよく、Ｇｅ以外にＰ、ＢまたはＦ等であってもよい。
【００３４】
次に、図３（ｃ）に示すように、コア層３０３上にマスクとなる金属層３０４をスパッタリング法で成膜する。この金属層３０４は例えば、ＷＳｉＸ（Ｘは１以上の整数であり、例えばＷＳｉ１やＷＳｉ２である。）が使用されるが、その他、チタンやクロム等を使用してもよい。そして、図３（ｄ）に示すように、フォトリソグラフィ技術によってレジストパターン３０５を形成する。ここで、第１の実施形態におけるパターン形状は、図５（ａ）に示す平面図のように、底面の幅が一定の部分と、底面の幅が先端部に向けて徐々に小さくなるような部分とで形成されている。次に、図３（ｅ）に示すように、レジストパターン３０５をマスクとして反応性イオンエッチングによって金属層３０４をエッチングし、金属マスク３０６を形成する。
【００３５】
そして、図３（ｆ）に示すように、金属マスク３０６をマスクとしてコア層３０３をエッチングし、断面が矩形状のコア３０７を形成する。その後、金属マスク３０６をドライエッチング法により除去することにより、図３（ｇ）に示すように、アンダークラッド３０２上に形成された矩形状のコア３０７の上面を露出させる。
【００３６】
このときの、コア３０７の形状を図５を参照しながら説明する。図５（ａ）に示すように、導波部１０３ａの底面の幅はｗ１で一定に形成され、スポットサイズ変換部１０３ｂの底面の幅ｗは、先端部１０５に向けて幅ｗ１から幅ｗ２へと小さくなっている。
【００３７】
また、図５（ｂ）に示すように、導波部１０３ａの高さｈ１は一定に形成され、スポットサイズ変換部１０３ｂの高さｈは、導波部１０３ａの高さｈ１と同じになるように形成されている。
【００３８】
さらに、図５（ｃ）に示すように、導波路１０３ａの断面は幅が幅ｗ１で高さが高さｈ１の矩形状の形状をなしている。また、先端部１０５においても、図５（ｄ）に示すように、幅が幅ｗ２で高さが高さｈ１の矩形状の形状をなしている。
【００３９】
そして、Ａｒのプラズマでコア３０７をスパッタエッチングすると、断面が矩形状であったコア３０７の上部の２点の角がコア３０７の上面や側面に比べてより多くエッチングされる。
【００４０】
そして、図３（ｈ）に示すように断面形状がほぼ六角形状となっていき、さらにエッチングを進めると、コア３０７の上部の２点の角がコア３０７の上面や側面に比べてより多く削られ、図３（ｉ）に示すようにほぼ三角形状となっていく。
【００４１】
このときのコア３０７の高さは、底面の幅に応じて自己整合的に変化する。この現象について、さらに図４を参照しつつ説明する。図４（ａ）は、Ａｒのプラズマでコア３０７をスパッタエッチングする前の、導波路１０３ａおよびスポットサイズ変換部１０３ｂの断面形状を示した図である（図３（ｇ）に対応）。スパッタエッチング前においては、導波路１０３ａおよびスポットサイズ変換部１０３ｂの高さｈは、高さｈ１で一定である。また、導波路１０３ａの底面の幅はｗ１であり、スポットサイズ変換部１０３ｂの底面の幅はｗ２である。
【００４２】
そして、スパッタエッチングを行うと、コア３０７は削られていく。特に図４（ｂ）に示すように、コア３０７の角は上面や側面と比べてより多く削られ、断面形状はほぼ六角形状になっていく（図３（ｈ）に対応）。このとき、本実施形態においては、導波路１０３ａの高さは高さｈ２（＜ｈ１）となる。スポットサイズ変換部１０３ｂの高さは高さｈ３（＜ｈ２）となる。このとき、コア３０７の底面の幅も同時に減少していき、導波路１０３ａの底面の幅は、幅ｗ１から幅ｗ３（＜ｗ１）に変化し、スポットサイズ変換部１０３ｂの底面の幅は、幅ｗ２から幅ｗ４（＜ｗ２）に変化していく。
【００４３】
さらにエッチングを行うと、コア３０７はさらに削られていく。このときも、コア３０７の角は上面や側面よりも多く削られていき、図４（ｃ）に示すように、導波路１０３ａおよびスポットサイズ変換部１０３ｂの断面形状はほぼ三角形状となる（図３（ｉ）に対応）。このとき、エッチングによってコア３０７はさらに削られるため、導波路１０３ａの高さは高さｈ４（＜ｈ２）となり、スポットサイズ変換部１０３ｂの高さは高さｈ５（＜ｈ３）となる。導波路１０３ａの高さｈ４とスポットサイズ変換部１０３ｂの高さｈ５との関係は、前述したように、スポットサイズ変換部１０３ｂの幅ｗ４は、導波路１０３ａの幅ｗ３より細いため、導波路１０３ａと比べて高さ方向にもよくエッチングされ、スポットサイズ変換部１０３ｂの高さｈ５は導波路１０３ａの高さｈ４よりも低くなる（ｈ５＜ｈ４）。そして、同時に、コア３０７の底面の幅もさらに減少し、導波路１０３ａの底面の幅は、幅ｗ３から幅ｗ５（＜ｗ３）に変化し、スポットサイズ変換部１０３ｂの底面の幅は、幅ｗ４から幅ｗ６（＜ｗ４）に変化していく。
【００４４】
さらにエッチングを続けると、コア３０７の断面形状は先端部１０５の方向に向かい、ほぼ相似形を保ちながら断面幅および高さが小さくなる。また、このように自己整合的に制御できることを利用して、断面形状を略正三角形または略二等辺三角形にすることもできる。また、コアの断面形状は幾何学的な台形や三角形に限られず、角が丸みを帯びていてもよく、辺が直線でなくともよい。
【００４５】
このようにＡｒによるスパッタエッチングを行うと、図２に示す第１の実施形態のコアの形状が得られる。図２（ａ）に示すように、スポットサイズ変換部１０３ｂの底面の幅ｗは、導波部１０３ａの端部からスポットサイズ変換部１０３の先端部１０５に向けて幅ｗ５から幅ｗ６へと徐々に小さくなるように形成されている。
【００４６】
更に、図２（ｂ）に示すように、スポットサイズ変換部１０３ｂの高さｈは、高さｈ４からスポットサイズ変換部１０３の先端部１０５に向けて徐々に低くなり、先端部１０５においてｈ５となる。
【００４７】
スパッタエッチングによりコア３０７が削られるため、図２（ｃ）および図２（ｄ）に示すように、コア１０３の断面幅は高さ方向に向かって小さくなり、例えば両図に示すように断面形状は三角形となる。
【００４８】
これにより、スポットサイズ変換部１０３ｂを断面幅および高さの双方において先細り状となるように形成することができる。
【００４９】
Ａｒガスによるスパッタエッチングを行った後、図３（ｊ）に示すように、アンダークラッド３０２およびコア３０７上にプラズマＣＶＤ法またはＲＦスパッタリング法によりＳｉＯ２からなるオーバークラッド３０８を成膜し、光導波路を作成する。このオーバークラッド３０８についても、先述したアンダークラッドおよびコア層と同様にＡＰＣＶＤ法、ＬＰＣＶＤ法またはＦＨＤ法などを使用して成膜することができる。
【００５０】
また、第１の実施形態における光導波路１００は次のような方法によっても製造することができる。ここで、図１１および図１２を参照しつつその方法について説明する。
【００５１】
まず、前述した図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、石英基板３０１上にアンダークラッド３０２を成膜し、その上にコア層３０３をプラズマＣＶＤ法などにより成膜する。次に、図３（ｃ）に示すように、コア層３０３上にマスクとなる金属層３０４をスパッタリング法で成膜する。そして、図３（ｄ）に示すように、フォトリソグラフィ技術によってレジストパターン３０５を形成する。
【００５２】
このレジストパターン３０５を形成するときのパターン形状は、例えば、図１１（ａ）の平面図に示されているパターンのように、パターンの両端の幅が一定の部分と、パターンの中央部付近に向けて幅が、両端の幅より徐々に細くなるような部分と、から形成されている。また、このパターン形状に限らず、図１１（ａ）に示されているパターン形状を複数個つなげたパターンであっても構わない。次に、図３（ｅ）に示すように、レジストパターン３０５をマスクとして反応性イオンエッチングによって金属層３０４をエッチングし、金属マスク３０６を形成する。
【００５３】
そして、図３（ｆ）に示すように、金属マスク３０６をマスクとしてコア層３０３をエッチングし、断面が矩形状のコア３０７を形成する。その後、金属マスク３０６をドライエッチング法により除去することにより、図３（ｇ）に示すように、アンダークラッド３０２上に形成された矩形状のコア３０７の上面を露出させる。
【００５４】
このときの、コア３０７の形状について図１１を参照しながら説明する。図１１（ａ）に示すように、コア３０７の両端に形成され、底面の幅ｗが一定の幅ｗ１で形成されている導波部１０３ａと、導波部１０３ａの端面からコアの中心部１０６に向けて底面の幅ｗが幅ｗ１から幅ｗ２（＜ｗ１）へと徐々に細くなっている、スポットサイズ変換部１０３ｂとで形成され、コアの中心部１０６においては、幅ｗ２（＜ｗ１）となっている。また、上述したように、図１１（ａ）に示されているパターン形状を複数個つなげたパターンを使用してコアを形成した場合には、導波部１０３ａとスポットサイズ変換部１０３ｂが複数個つながったコアが形成される。
【００５５】
また、図１１（ｂ）に示すように、導波部１０３ａの高さｈ１は一定に形成され、スポットサイズ変換部１０３ｂの高さｈも、導波部１０３ａの高さｈ１と同じになるように形成されている。
【００５６】
さらに、図１１（ｃ）に示すように、導波部１０３ａの断面の幅が幅ｗ１で高さが高さｈ１の矩形状の形状をなしている。また、コアの中心部１０６においても、図１１（ｄ）に示すように、幅が幅ｗ２で高さが高さｈ１の矩形状の形状をなしている。
【００５７】
そして、Ａｒのプラズマでコア３０７をスパッタエッチングすると、上述したように断面が矩形状であったコア３０７の上部の２点の角がコア３０７の上面や側面に比べてより多くエッチングされ、図３（ｈ）に示すように断面形状がほぼ六角形状となっていき、さらにエッチングを進めると、コア３０７の上部の２点の角がコア３０７の上面や側面に比べてより多く削られ、図３（ｉ）に示すようにほぼ三角形状となっていく。
【００５８】
このときのコア３０７の高さは、上述したように底面の幅に応じて自己整合的に変化し、底面の幅が広ければ細い場合と比べて高さ方向にはあまりエッチングされず、その結果高さは高くなる。底面の幅が細ければ広い場合と比べて高さ方向もよくエッチングされ、底面の幅が広い部分と比較して高さは低くなる。
【００５９】
このようにＡｒによるスパッタエッチングを行うと、図１２に示すコアの形状が得られる。図１２（ａ）に示すように、導波部１０３ａの底面の幅は、一定の幅ｗ５となっており、スポットサイズ変換部１０３ｂの底面の幅は、導波部１０３ａの端面からコアの中心部１０６に向けて幅ｗ５から幅ｗ６（＜ｗ５）へと徐々に細くなっており、コアの中心部１０６においては、幅ｗ６（＜ｗ５）となっている。
【００６０】
更に、図１２（ｂ）に示すように、導波部１０３ａの高さは、一定の高さｈ４となっており、スポットサイズ変換部１０３ｂの高さは、導波部１０３ａの端面からコアの中心部１０６に向けて高さｈ４から高さｈ５（＜ｈ４）へと徐々に低くなっており、コアの中心部１０６においては、高さｈ５（＜ｈ４）となっている。
【００６１】
スパッタエッチングによりコア３０７が削られるため、図１２（ｃ）および図１２（ｄ）に示すように、断面幅は高さ方向に向かって小さくなり、例えば両図に示すように断面形状は三角形となる。
【００６２】
以上の工程により、コアの中央部付近に向かって底面の幅が細くなるとともに、高さが低くなるコアを作製することが可能となる。そして、例えば、コアの中心部１０６を切断することにより、図１および図２に示す第１の実施形態のコアの形状が得られる。ここで、コアの中心部１０６がコア先端部１０５となる。これにより、スポットサイズ変換部１０３ｂを断面幅および高さの双方において先細り状となるように形成することができる。
【００６３】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施形態の光導波路について説明する。当該光導波路は、光導波路１００と同様の作用を有するものである。
【００６４】
図７に示すように、第２の実施形態の光導波路２００は第１の実施形態と同様に、石英基板２０１上に形成されたＳｉＯ２からなるアンダークラッド２０２と、このアンダークラッド２０２上に形成されたコア２０３と、アンダークラッド２０２上に形成され、コア２０３の周囲を取り囲むように設けられたＳｉＯ２からなるオーバークラッド２０４とを含み構成されている。コア２０３は、ＧｅがドープされたＳｉＯ２からなり、アンダークラッド２０２およびオーバークラッド２０４と比べて僅かに大きな屈折率を有している。
【００６５】
次に、図８を参照しながら、コア２０３の形状について詳述する。まず、図８（ａ）に示すように、コア２０３は、その底面の幅ｗ９が一定に形成された導波部２０３ａと、この導波部２０３ａの端部に形成されたスポットサイズ変換部２０３ｂとを有している。なお、スポットサイズ変換部２０３ｂの先端部２０５の底面の幅はｗ１０（＞ｗ９）で、スポットサイズ変換部２０３ｂの幅ｗは先端部に向けて徐々に大きくなるよう形成されている。
【００６６】
更に、図８（ｂ）に示すように、導波部２０３ａは、その高さｈ８も一定となるように形成されている。また、スポットサイズ変換部１０３ｂの高さｈは、高さｈ８から先端部１０５に向けて徐々に高くなり、先端部２０５においてｈ７（＞ｈ８）とされている。
【００６７】
図８（ｃ）および図８（ｄ）に示すコア２０３の断面図を更に参照して、コア２０３の形状についてより詳細に説明をする。両図に示すように、コア２０３の短手方向、すなわち、光の伝播方向と直交する方向における断面は、アンダークラッド２０２と接している辺を底辺とする三角形状をなしている。
【００６８】
なお、コア２０３の断面のこの三角形状は、図示をする上での便宜的なものである。実際には、前述した第１の実施形態と同様に、その頂点は丸みを帯びた形状となる場合もあり、また、その斜辺は曲線状となる場合もある。より詳しくは、図８（ｃ）に示すように、導波部２０３ａの断面形状は、底辺の幅ｗ９を断面幅ｕの最大値とし、高さ方向へと向かうに連れて徐々に断面幅ｕが小さくなっていくように形成されている。また、先端部２０５においては、図８（ｄ）にあるように、底辺の幅ｗ１０を断面幅ｖの最大値とし、高さ方向へと向かうに連れて徐々に断面幅ｖが小さくなっていくように形成されている。ここで、両図に示すコア２０３の断面形状は、ほぼ相似関係を有するようになっている。また、図示はしないが、スポットサイズ変換部２０３ｂの任意の位置での断面形状も、両図に示す断面形状と相似関係となっている。
【００６９】
以上のようなコア形状を備えた第２の実施形態の光導波路２００によれば、前述した第１の実施形態と同様に、適切にスポットサイズを拡大し、回折による光の広がり角度を小さくすることが可能となる。従って、光デバイスと光ファイバなどとの結合部における結合損失を少なくすることができる。さらに、コア２０３をアンダークラッド２０２上に十分な密着性をもって設けることができるため、確実に光をコア２０３内に閉じ込めることが可能となり、更に損失を軽減することができる。
【００７０】
以下、このような光導波路２００の製造方法について図３、図８および図９を参照しつつ説明する。前述した第１の実施形態と同様に、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、石英基板３０１上にアンダークラッド３０２を成膜し、その上にコア層３０３をプラズマＣＶＤ法などにより成膜する。
【００７１】
そして、図３（ｃ）乃至図３（ｅ）に示すように、コア層３０３上に金属マスク３０６を形成する。ここで、第２の実施形態における金属マスクのパターン形状は、図９（ａ）に示す平面図のように、底面の幅が一定の部分と、底面の幅が先端部に向けて徐々に大きくなるような部分とで形成されている。
【００７２】
その後、図３（ｅ）乃至図３（ｆ）に示すエッチング工程を経て、図３（ｇ）に示すように断面形状が矩形状のコア３０７を形成する。
【００７３】
このときのコア３０７の形状を、図９を参照しながら説明する。図９（ａ）に示すように、導波部２０３ａの底面の幅はｗ７で一定に形成され、スポットサイズ変換部２０３ｂの底面の幅ｗは、先端部２０５に向けて幅ｗ７から幅ｗ８へと広くなっている。
【００７４】
また、図９（ｂ）に示すように、導波部２０３ａの高さｈ６は一定に形成され、スポットサイズ変換部２０３ｂの高さｈは、導波部２０３ａの高さｈ６と同じになるように形成されている。
【００７５】
さらに、図９（ｃ）に示すように、導波路２０３ａの断面は幅が幅ｗ７で高さが高さｈ６の矩形状の形状をなしている。また、先端部２０５においても、図９（ｄ）に示すように、幅が幅ｗ８で高さが高さｈ６の矩形状の形状をなしている。
【００７６】
そして、Ａｒのプラズマでコア３０７をスパッタエッチングすると、前述した第１の実施形態と同様に、断面が矩形状であったコア３０７の上部の２点の角がコア３０７の上面および側面に比べて多く削られる。その結果、図３（ｈ）に示すように断面形状がほぼ六角形状となり、さらにエッチングを進めると、図３（ｉ）に示すようにほぼ三角形となっていく。このときのコア３０７の高さは、前述した第１の実施形態と同様に、底面の幅に応じて自己整合的に変化していく。
【００７７】
このようにＡｒによるスパッタエッチングを行うと、図７に示す第２の実施形態のコアの形状が得られる。図８（ａ）に示すように、スポットサイズ変換部２０３ｂの底面の幅ｗは、導波部２０３ａの端部からスポットサイズ変換部２０３ｂの先端部２０５に向けて幅ｗ９から幅ｗ１０へと徐々に大きくなるように形成されている。
【００７８】
更に、図８（ｂ）に示すように、スポットサイズ変換部２０３ｂの高さｈは、高さｈ８からスポットサイズ変換部２０３ｂの先端部２０５に向けて徐々に高くなり、先端部２０５においてｈ７とされる。
【００７９】
スパッタエッチングによりコア３０７が削られるため、図８（ｃ）および図８（ｄ）に示すように、コア２０３の断面幅は高さ方向に向かって小さくなり、例えば両図に示すように断面形状は三角形となる。
【００８０】
これにより、スポットサイズ変換部２０３ｂを断面幅および高さの双方において先端部２０５に向けて大きくなるように形成することができる。
【００８１】
また、第２の実施形態における光導波路２００は次のような方法によっても製造することができる。この方法について、図１３および図１４を参照しつつ説明する。
【００８２】
上述したように、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、石英基板３０１上にアンダークラッド３０２を成膜し、その上にコア層３０３をプラズマＣＶＤ法などにより成膜する。
【００８３】
そして、図３（ｃ）乃至図３（ｅ）に示すように、コア層３０３上に金属マスク３０６を形成する。ここで、第２の実施形態における金属マスクのパターン形状は、図１３（ａ）の平面図に示されているパターンのように、パターンの両端の幅が一定の部分と、パターン中央部付近に向けて幅が、徐々に太くなるような部分と、から形成されている。また、このパターン形状に限られず、図１３（ａ）に示されているパターン形状を複数個つなげたパターンであっても構わない。
【００８４】
その後、図３（ｅ）乃至図３（ｆ）に示すエッチング工程を経て、図３（ｇ）に示すように断面形状が矩形状のコア３０７を形成する。
【００８５】
このときのコア３０７の形状を、図１３を参照しながら説明する。図１３（ａ）に示すように、底面の幅ｗが一定の幅ｗ７で形成されている導波部２０３ａと、導波部２０３ａの端面からコアの中心部２０６に向けて底面の幅ｗが幅ｗ７から幅ｗ８（＞ｗ７）へと徐々に太くなっている、スポットサイズ変換部２０３ｂとで形成され、コアの中心部２０６においては、幅ｗ８（ｗ＞７）となっている。また、上述したように、図１３（ａ）に示されているパターン形状を複数個つなげたパターンを使用してコアを形成した場合には、導波部２０３ａとスポットサイズ変換部２０３ｂが複数個つながったコアが形成される。
【００８６】
また、図１３（ｂ）に示すように、導波部２０３ａの高さｈ６は一定に形成され、スポットサイズ変換部２０３ｂの高さｈも、コアの両端部の高さｈ６と同じになるように形成されている。
【００８７】
さらに、図１３（ｃ）に示すように、導波部２０３ａの断面の幅が幅ｗ７で高さが高さｈ６の矩形状の形状をなしている。また、コアの中心部２０６においても、図１３（ｄ）に示すように、幅が幅ｗ８で高さが高さｈ６の矩形状の形状をなしている。
【００８８】
そして、Ａｒのプラズマでコア３０７をスパッタエッチングすると、前述した第１の実施形態と同様に、断面が矩形状であったコア３０７の上部の２点の角がコア３０７の上面および側面に比べて多く削られる。その結果、図３（ｈ）に示すように断面形状がほぼ六角形状となり、さらにエッチングを進めると、図３（ｉ）に示すようにほぼ三角形となっていく。このときのコア３０７の高さは、前述した第１の実施形態と同様に、底面の幅に応じて自己整合的に変化していく。
【００８９】
このようにＡｒによるスパッタエッチングを行うと、図１４に示すコアの形状が得られる。図１４（ａ）に示すように、導波部２０３ａの底面の幅は、一定の幅ｗ９となっており、スポットサイズ変換部２０３ｂの底面の幅は、導波部２０３ａの端面からコアの中心部２０６に向けて幅ｗ９から幅ｗ１０（＞ｗ９）へと徐々に太くなっており、コアの中心部２０６においては、幅ｗ１０（＞ｗ９）となっている。
【００９０】
更に、図１４（ｂ）に示すように、導波部２０３ａの高さは、一定の高さｈ８となっており、スポットサイズ変換部２０３ｂの高さは、導波部２０３ａの端面からコアの中心部２０６に向けて高さｈ８から高さｈ７（＞ｈ８）へと徐々に高くなっており、コアの中心部２０６においては、高さｈ７（＞ｈ８）となっている。
【００９１】
スパッタエッチングによりコア３０７が削られるため、図１４（ｃ）および図１４（ｄ）に示すように、断面幅は高さ方向に向かって小さくなり、例えば両図に示すように断面形状は三角形となる。
【００９２】
以上の工程により、中央部付近に向かって底面の幅が太くなるとともに、高さが高くなるコアを作製することが可能となる。そして、例えば、コアの中心２０６を切断することにより、図７および図８に示す第２の実施形態のコアの形状が得られる。ここで、コアの中心部２０６がコア先端部２０５となる。これにより、スポットサイズ変換部２０３ｂを断面幅および高さの双方において先端部２０５に向けて大きくなるように形成することができる。
【００９３】
上述した各製造方法では、クラッドの上に所定の形状のマスクをしてスパッタリングを行うことにより本発明に特徴的なコア形状を形成している。ところで、従来から、クラッド上にマスクをしてクラッド自体を所定の形状に加工し、そこにコアを埋め込む製造方法もある。しかし、本発明のコア形状を実現するためにこの方法を採用すると様々な困難が生じてしまう。
【００９４】
例えば、クラッドにコアを埋め込む過程で、コアの平坦化を図るためにＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法によりコアを研磨する必要がある。しかし、ＣＭＰ法を使用すると工程数が多くなり、簡易な方法で光導波路を作製することができない。また、ＣＭＰ法による研磨のばらつきを抑えるために、研磨圧力、回転数および研磨剤の流量を制御する必要がある。さらに、研磨後の平坦度はパターンの大きさにも依存するので、ＣＭＰ法の制御のみならず光導波路のパターン作製時においても後工程のＣＭＰ法を考慮に入れて精密に制御する必要がある。さらに、ＣＭＰ法を採用する場合は、基板表面に対する欠陥と不純物についても対処する必要がある。基板表面の欠陥は、研磨終了後の洗浄が不十分であった場合に、研磨剤に含まれる砥粒が基板表面に残留してしまうこと等により発生する。このような欠陥を発生させないためには、研磨終了後の洗浄方法や研磨剤を調整する必要がある。また、不純物については、ブラシで基板表面を擦るブラシスクラブ法により取り除く必要があるため、工程数が更に増加することとなる。従って、ＣＭＰ法により研磨を行なうと、研磨後に基板を特別な条件の下で洗浄する必要があるため、工程数が多くなり生産性が悪く量産向けではなかった。結局、本発明の実施形態のように製造した方が、工程数も少なくて済むので生産性が良くなる。
【００９５】
本発明は、以上の実施の形態に限られず、その要旨の範囲内において変更可能である。例えば、オーバークラッドを設けずにアンダークラッドとコアとによって、本発明の光導波路を形成することも可能である。さらに、コアを、金型を用いて作製することもできる。例えば、金型により、コア形状の溝を有するクラッドを作製し、その溝にコアとなる材料を流し込むことによりコアを作製することもできる。
【００９６】
【発明の効果】
請求項１乃至請求項４に記載の光導波路によれば、結合損失の偏向依存性を小さくするとともに、コアとアンダークラッドとの密着性を高めることができるため、結合損失を小さくすることが可能となる。
【００９７】
また、請求項５または請求項６に記載の光導波路の製造方法によれば、自己整合的に制御してコアの幅および高さをテーパー状にして先端部に向けて変化させることができるため、複雑かつ高精度なプロセスを必要とせずに簡易な方法でスポットサイズを拡大させることが可能となり、生産性が向上して光導波路を容易に量産することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における光導波路の概略を示す斜視図である。
【図２】（ａ）は第１の実施形態のコアの上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図、（ｄ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ’断面図である。
【図３】本発明の実施の形態において、光導波路の製造手順を示す図である。
【図４】（ａ）はスパッタエッチング前の導波路１０３ａおよびスポットサイズ変換部１０３ｂの断面形状を示した図、（ｂ）はスパッタエッチング中の導波路１０３ａおよびスポットサイズ変換部１０３ｂの断面形状を示した図、（ｃ）はスパッタエッチング後の導波路１０３ａおよびスポットサイズ変換部１０３ｂの断面形状を示した図である。
【図５】第１の実施形態におけるＡｒエッチング前のコアの形状を示した図であり、（ａ）はコアの上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図、（ｄ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ’断面図である。
【図６】スポットサイズ変換部における光の回折状態を示した図である。
【図７】本発明の第２の実施形態における光導波路の概略を示す斜視図である。
【図８】（ａ）は第２の実施形態のコアの上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図、（ｄ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ’断面図である。
【図９】第２の実施形態におけるＡｒエッチング前のコアの形状を示した図であり、（ａ）はコアの上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図、（ｄ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ’断面図である。
【図１０】図１０は、スポットサイズ変換部付き光導波路を実装した集積光モジュールを示した上面図である。
【図１１】第１の実施形態におけるＡｒエッチング前のコアの形状を示した図であり、（ａ）はコアの上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図、（ｄ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ’断面図である。
【図１２】第１の実施形態におけるＡｒエッチング後のコアの形状を示した図であり、（ａ）はコアの上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図、（ｄ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ’断面図である。
【図１３】第２の実施形態におけるＡｒエッチング前のコアの形状を示した図であり、（ａ）はコアの上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図、（ｄ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ’断面図である。
【図１４】第２の実施形態におけるＡｒエッチング後のコアの形状を示した図であり、（ａ）はコアの上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図、（ｄ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ’断面図である。
【符号の説明】
１００、２００ 光導波路
１０１、２０１、３０１ 石英基板
１０２、２０２、３０２ アンダークラッド（ＳｉＯ２）
１０３、２０３ コア
１０３ａ、２０３ａ 導波部
１０３ｂ、２０３ｂ スポットサイズ変換部
１０４、２０４、３０８ オーバークラッド（ＳｉＯ２）
１０５、２０５ コア先端部
１０６、２０６ コア中心部
３０３、３０７ コア（Ｇｅ−ＳｉＯ２）
３０４、３０６ 金属膜（ＷＳｉ２）
３０５ レジスト
４００ 従来の光導波路
４０１ 本発明の光導波路によって出射された光
４０２ 従来の光導波路によって出射された光
５０１ 基板
５０２ 光導波路
５０２ａ、５０２ｂ 結合部分
５０３ 埋め込み素子
５１０、５２０ 光ファイバ
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野において広く使用される光導波路およびその製造方法に関し、特に、結合損失を少なくするスポットサイズ変換部を備えた光導波路及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザダイオードや半導体光スイッチ等の光デバイスとシングルモード光ファイバとの間を光結合させる場合に、光デバイスの端面と光ファイバとを直接突き合わせて結合させると、光デバイスのスポットサイズ（ビームが一番絞られている部分におけるビーム半径）はシングルモード光ファイバのスポットサイズよりも数倍程度小さいため、結合部での結合損失が大きくなるという問題がある。さらに、スポットサイズが小さいビームを結合するときは、ビームの位置合わせを高精度に行う必要があり、工程が複雑化するとともに、歩留まりが劣化するという問題がある。
【０００３】
また、光導波路や光ファイバを横断する溝を形成して、その溝に光学素子を埋め込んだ埋込型光部品では、光導波路等の端面が溝を挟んで対向している。その場合、光が一方の光導波路等の端面から出て他方の端面に到達するとき回折によってビーム半径が大きくなるほどの理由により結合損失が大きくなる。しかし、結合部におけるスポットサイズを拡大させることにより、回折によるビームの広がり角を小さくすることができる。すなわち、端面からの距離が同じ場合には、スポットサイズを拡大させないものと比較してビーム半径を小さくすることができるため、回折による損失を小さくすることができる。つまり、光導波路と光ファイバとの結合のようなビームの結合部においては、結合するビーム同士のスポットサイズを拡大して、ほぼ同一にすることにより、結合損失を低減できる。また、埋込型光部品の溝部で光導波路等の端面が離れて対向しているような部分では、光導波路などのスポットサイズを拡大することにより、回折による損失を低減することができる。
【０００４】
従来においては、スポットサイズを拡大させる方法として、コアの高さを一定とし、断面幅のみをコアの先端部に向けてテーパー状に縮小させた光導波路が使用されていた。この光導波路は簡易な方法で製造することが可能であるが、高さが一定であるため結合損失の偏向依存性が大きくなるという問題があった。
【０００５】
そこで、結合損失の偏向依存性を小さくするために、スポットサイズ変換部のコアを断面幅及び高さ方向ともにステップ状に縮小していた（特許文献１）。
【０００６】
また、コアの断面幅及び高さの双方を、コアの先端に向かってテーパー状に縮小させてスポットサイズを拡大するとともに、偏向依存性を小さくして結合損失を小さくしていた。（特許文献２）。このテーパー部は次に説明する手順により形成される。基板上にアンダークラッドを成膜し、続いてアンダークラッドの上面から所定の距離を離して幅方向がテーパー状のストッパー膜を埋め込みつつコア層を成膜する。そして、所定のエッチングマスクを使用して、ストッパー膜領域ではストッパー膜までコア層をエッチングする。次に、ストッパー膜以外の領域ではストッパー膜より下方の位置までコア層をエッチングして、コア層に段差を形成する。そして、コア層の上にコアの段差が埋まるように膜厚２〜３μｍ程度の膜を成膜し、その後熱処理を行なって段差が滑らかに埋まるように成形する。テーパー部以外の余分な膜はエッチングにより除去することにより、断面幅及び高さをテーパー状に滑らかに変化させることができる。
【０００７】
また、炭酸（ＣＯ２）レーザのような高出力レーザを用いて、レーザ照射により光導波路や光ファイバのごく一部のみを加熱し、コアのドーパントをクラッド部に拡散させることによりスポットサイズを拡大させていた（特許文献３）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平８−１７１０２０号公報（段落［００１０］、［００１１］、第１図）
【特許文献２】
特開２００２−１５６５３９号公報（段落［００１８］−［００２７］、第１図）
【特許文献３】
特開平４−２２０６０９号公報（段落［０００８］−［００１０］、第１図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載されている光導波路では、数μｍ程度の厚さを数段のステップで大きく変化させることにより、急激なステップ部分において放射による過剰損失は大きくなる。また、コアの断面形状が矩形状であるため、コアとアンダークラッドとの密着性が悪かった。そのため、コア内の光がクラッドに漏出し、損失が大きくなってしまっていた。さらに、ステップ段階を増やすことにより過剰損失の低減は可能であるが、パターニング工程と成膜を繰り返す必要があり、複数の段差を作成すると工程数が増えるため量産向きではなかった。
【００１０】
また、特許文献２に記載の光導路によれば、断面幅および高さ方向をテーパー状に滑らかに変化させることができるが、コア層を段差にするためにコア層の内部にストッパー膜を埋め込み、段差を作製した後にこの段差が滑らかに埋まるように膜を成膜して熱処理をする必要がある。従って、このような導波路を形成するには工程数が多くなるとともに複雑かつ高度なプロセス技術が必要であり、生産性が悪く量産向きではなかった。また、コアの断面形状が矩形状であるため、コアとアンダークラッドとの密着性が悪く、その部分での損失が大きかった。
【００１１】
また、特許文献３に記載されている光導波路によれば、結合損失の偏向依存性を小さくすることができ、かつ、スポットサイズを拡大することが可能となるが、レーザにより一ヶ所ずつ加熱するため、導波路が数十本におよぶアレイ導波路を加熱処理するときには数時間も時間がかかり、生産性が悪く量産向きではなかった。
【００１２】
本発明は、上記の問題を解決するものであり、結合損失の偏向依存性を小さくするとともに、コアとアンダークラッドとの密着性を高めることにより、結合損失を小さくすることが可能な光導波路を提供するものである。また、コアを自己整合的に制御して形成することにより、複雑かつ高度なプロセスを必要とせずに簡易な方法で本発明の光導波路を製造することができる製造方法を提供するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、クラッドと、該クラッド内に形成されたコアとを含み、前記コアは、先端部に向かって幅および高さが徐々に変化するように形成され、かつ、断面幅が高さ方向に向かって徐々に小さくなるように形成されたスポットサイズ変換部を有することを特徴とするものである。
【００１４】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記コアの前記スポットサイズ変換部は、前記先端部に向かって、前記幅の変化に対応して、前記高さが変化するように形成されていることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の光導波路において、前記コアの前記スポットサイズ変換部は、前記先端部に向かって、前記幅および前記高さが徐々に縮小され、先細り状に形成されていることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３に記載の光導波路において、前記コアの前記スポットサイズ変換部は、その断面が略三角形状または略台形状に形成されていることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項５記載の発明は、高さが一定で、かつ幅が徐々に変化する形状からなる、断面がほぼ矩形のコアを形成する第１の工程と、前記断面がほぼ矩形のコアをエッチングすることにより、断面幅が高さ方向に向かって徐々に小さくなる形状、かつ、前記コアの幅の変化に対応して高さが徐々に変化する形状のコアを形成する第２の工程と、を含む光導波路の製造方法であることを特徴とするものである。
【００１８】
請求項６記載の発明は、請求項５に記載の光導波路の製造方法であって、前記第１の工程は、アンダークラッド上にコア膜を成膜する工程と、前記コアの幅の変化を設定するために、前記幅が徐々に変化する形状のマスクを前記コア膜上に形成するマスク工程と、フォトリソグラフィおよびエッチングにより前記コア膜からコアを形成するコア形成工程を含み、前記第２の工程により、前記コア形成工程により形成された前記コアの幅の変化に対応して、前記コアの高さが徐々に変化する形状のコアを形成する光導波路の製造方法であることを特徴とするものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の一例について、図１ないし図１４を参照しながら詳しく説明する。図１乃至図６、図１１および図１２は本発明の第１の実施形態の光導波路１００に関する図であり、図７乃至図９、図１３および図１４は、第２の実施形態の光導波路２００に関する図である。また、図１０は、本発明の光導波路の応用の一態様としての集積光モジュール５００の上面図を示している。
【００２０】
図１は、第１の実施形態の光導波路１００の構成の概略を示す斜視図である。また、図２は、光導波路１００を構成するコア１０３の形状を示しており、図２（ａ）はその上面図、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図、図２（ｃ）は図２（ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図、図２（ｄ）は図２（ａ）におけるＣ−Ｃ’断面図をそれぞれ示している。また、図３乃至図５は、光導波路１００の製造方法の一例を説明するための図である。また、図６は、光導波路１００の作用を示す説明図である。さらに、図１１および図１２は、光導波路１００の別の製造方法を説明するための図である。
【００２１】
更に、図７は、第２の実施形態の光導波路２００の構成の概略を示す斜視図である。また、図８は、光導波路２００を構成するコア２０３の形状を示しており、図８（ａ）はその上面図、図８（ｂ）は図８（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図、図８（ｃ）は図８（ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図、図８（ｄ）は図８（ａ）におけるＣ−Ｃ’断面図をそれぞれ示している。また、図９は、光導波路２００の製造方法の一例を説明するための図である。さらに、図１３および図１４は、光導波路２００の別の製造方法を説明するための図である。
【００２２】
本発明に係る光導波路１００、２００は、一例として、図１０に示す集積光モジュール５００に実装されるような光導波路を提供するためのものである。この集積光モジュール５００は、例えば、光ファイバ５１０および５２０の間に配置されている。集積光モジュール５００は、基板５０１と、その上に実装された光導波路５０２や埋め込み素子５０３とを含んで構成されている。埋め込み素子５０３としては、例えばバンドパスフィルタやアイソレータなどが使用されている。本発明に係る光導波路は、集積光モジュール５００が光ファイバ５１０や５２０に結合される結合部分５０２ａや、光導波路５０２が埋め込み素子５０３に結合される結合部分５０２ｂなどに特徴を有するものである。光ファイバ５１０や５２０は、結合部分５０２ａでの接続損失を低減させるために、スポットサイズを拡大した光ファイバを用いることが好ましい。
【００２３】
［第１の実施の形態］
（構成）
図１に示すように、第１の実施形態の光導波路１００は、石英（ＳｉＯ２）基板１０１上に形成されたＳｉＯ２からなるアンダークラッド１０２と、このアンダークラッド１０２上に形成されたコア１０３と、アンダークラッド１０２上に形成され、コア１０３の周囲を取り囲むように設けられたＳｉＯ２からなるオーバークラッド１０４とを含み構成されている。コア１０３は、ＧｅがドープされたＳｉＯ２からなり、アンダークラッド１０２およびオーバークラッド１０４と比べて僅かに大きな屈折率を有している。なお、本実施形態では、基板として石英を使用したが、Ｓｉ基板やセラミック基板を採用することもできる。
【００２４】
次に、図２を参照しながら、コア１０３の形状について詳述する。まず、図２（ａ）に示すように、コア１０３は、その底面（アンダークラッド１０２との接触面）の幅ｗ５が一定に形成された、光を案内するための導波部１０３ａと、この導波部１０３ａの端部に形成され、上記光のスポットサイズを変換するためのスポットサイズ変換部１０３ｂとを有している。なお、スポットサイズ変換部１０３ｂの先端部１０５の底面の幅はｗ６（＜ｗ５）で、スポットサイズ変換部１０３ｂの幅ｗは先端部に向けて徐々に小さくなるよう形成されている。
【００２５】
更に、図２（ｂ）に示すように、導波部１０３ａは、その高さｈ４も一定となるように形成されている。また、スポットサイズ変換部１０３ｂの高さｈは、高さｈ４から先端部１０５に向けて徐々に低くなり、先端部１０５においてｈ５（＜ｈ４）とされている。
【００２６】
図２（ｃ）および図２（ｄ）に示すコア１０３の断面図を更に参照して、コア１０３の形状についてより詳細に説明をする。両図に示すように、コア１０３の短手方向、すなわち、光の伝播方向と直交する方向における断面は、アンダークラッド１０２と接している辺を底辺とする三角形状をなしている。
【００２７】
なお、コア１０３の断面のこの三角形状は、図示をする上での便宜的なものである。実際には、その頂点は丸みを帯びた形状となる場合もあり、また、その斜辺は曲線状となる場合もある。より詳しくは、図２（ｃ）に示すように、導波部１０３ａの断面形状は、底辺の幅ｗ５を断面幅ｕの最大値とし、高さ方向へと向かうに連れて徐々に断面幅ｕが小さくなっていくように形成されている。また、先端部１０５においては、図２（ｄ）にあるように、底辺の幅ｗ６を断面幅ｖの最大値とし、高さ方向へと向かうに連れて徐々に断面幅ｖが小さくなっていくように形成されている。ここで、両図に示すコア１０３の断面形状は、ほぼ相似関係を有するようになっている。また、図示はしないが、スポットサイズ変換部１０３ｂの任意の位置での断面形状も、両図に示す断面形状とほぼ相似関係となっている。以下、これを踏まえた上で、コア１０３の断面形状を三角形状と称することとする。
【００２８】
（作用）
以上のようなコア形状を備えた本実施形態の光導波路１００によれば、次のような好適な作用が奏されることとなる。
【００２９】
第１に、コア１０３のスポットサイズ変換部１０３ｂが幅および高さの双方向において先細り状となるよう形成されているため、適切にスポットサイズを拡大し、回折による光の広がり角度を小さくすることが可能となる。図６はこの作用の概略を示している。同図には、スポットサイズ変換部１０３ｂを有する本実施形態の光導波路１００とともに、このようなスポットサイズ変換部１０３ｂを有しない従来の光導波路４００（図中の点線部４００）が重ねて示されている。
【００３０】
従来の光導波路４００によれば、その先端部から出射された光は、同図中の破線４０２で示されているように回折し、広がる。一方、本実施形態の光導波路１００を出射した光は、実線４０１で示すように回折し、広がる。即ち、光導波路１００によれば、従来の光導波路４００よりも光の広がり角が小さくなるため、光ファイバや埋め込み素子などとの結合部分における損失が低減されることとなる。また、結合部分における位置合わせ精度も緩和される。
【００３１】
また、第２には、コア１０３の側面部（コア１０３とオーバークラッド１０４とが接触する面）とコア１０３底面部（コア１０３とアンダークラッド１０２とが接する面）とのなす角が直角よりも（十分に）小さな角度となるように形成されていることから、コア１０３をアンダークラッド１０２上に十分な密着性をもって設けることができる。よって、コア１０３内を伝送される光は、アンダークラッド１０２との境界面で効率的に反射され、アンダークラッド１０２に無駄に漏出することがないため、確実にコア１０３内に光を閉じ込めることが可能となる。したがって、更なる損失の低減を図ることが可能となる。
【００３２】
（製法）
次に、このような光導波路１００の製造方法について図２乃至図５を参照しながら説明する。図３は、本発明の実施形態において、光導波路の製造手順を示した図である。まず、図３（ａ）に示すように、石英基板３０１上にプラズマ化学気相堆積法（プラズマＣＶＤ法）やＲＦスパッタリング法などによりＳｉＯ２からなるアンダークラッド３０２を成膜する。本実施形態においてはプラズマＣＶＤ法を用いたが、常圧化学気相堆積法（ＡＰＣＶＤ法）、減圧化学気相堆積法（ＬＰＣＶＤ法）または火炎直接堆積法（Ｆｌａｍｅ Ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＦＨＤ法）などを用いても成膜することができる。また、本実施形態においてはアンダークラッドとしてＳｉＯ２を石英基板３０１上に成膜したが、石英基板３０１をアンダークラッドとして使用し、直接石英基板３０１上にコアを形成してもよい。
【００３３】
次に図３（ｂ）に示すように、アンダークラッド３０２の上に、ＧｅをドープしたＳｉＯ２からなるコア層３０３をプラズマＣＶＤ法やＲＦスパッタリング法等により成膜する。コア層についてもアンダークラッドと同様に、ＡＰＣＶＤ法、ＬＰＣＶＤ法またはＦＨＤ法などを用いて成膜することも可能である。ここで、ドーパントは、コア層３０３の屈折率がクラッドより僅かに高くなり、適切に光を閉じ込められるように選ぶことが望ましい。また、クラッドにドープしてもよく、Ｇｅ以外にＰ、ＢまたはＦ等であってもよい。
【００３４】
次に、図３（ｃ）に示すように、コア層３０３上にマスクとなる金属層３０４をスパッタリング法で成膜する。この金属層３０４は例えば、ＷＳｉＸ（Ｘは１以上の整数であり、例えばＷＳｉ１やＷＳｉ２である。）が使用されるが、その他、チタンやクロム等を使用してもよい。そして、図３（ｄ）に示すように、フォトリソグラフィ技術によってレジストパターン３０５を形成する。ここで、第１の実施形態におけるパターン形状は、図５（ａ）に示す平面図のように、底面の幅が一定の部分と、底面の幅が先端部に向けて徐々に小さくなるような部分とで形成されている。次に、図３（ｅ）に示すように、レジストパターン３０５をマスクとして反応性イオンエッチングによって金属層３０４をエッチングし、金属マスク３０６を形成する。
【００３５】
そして、図３（ｆ）に示すように、金属マスク３０６をマスクとしてコア層３０３をエッチングし、断面が矩形状のコア３０７を形成する。その後、金属マスク３０６をドライエッチング法により除去することにより、図３（ｇ）に示すように、アンダークラッド３０２上に形成された矩形状のコア３０７の上面を露出させる。
【００３６】
このときの、コア３０７の形状を図５を参照しながら説明する。図５（ａ）に示すように、導波部１０３ａの底面の幅はｗ１で一定に形成され、スポットサイズ変換部１０３ｂの底面の幅ｗは、先端部１０５に向けて幅ｗ１から幅ｗ２へと小さくなっている。
【００３７】
また、図５（ｂ）に示すように、導波部１０３ａの高さｈ１は一定に形成され、スポットサイズ変換部１０３ｂの高さｈは、導波部１０３ａの高さｈ１と同じになるように形成されている。
【００３８】
さらに、図５（ｃ）に示すように、導波路１０３ａの断面は幅が幅ｗ１で高さが高さｈ１の矩形状の形状をなしている。また、先端部１０５においても、図５（ｄ）に示すように、幅が幅ｗ２で高さが高さｈ１の矩形状の形状をなしている。
【００３９】
そして、Ａｒのプラズマでコア３０７をスパッタエッチングすると、断面が矩形状であったコア３０７の上部の２点の角がコア３０７の上面や側面に比べてより多くエッチングされる。
【００４０】
そして、図３（ｈ）に示すように断面形状がほぼ六角形状となっていき、さらにエッチングを進めると、コア３０７の上部の２点の角がコア３０７の上面や側面に比べてより多く削られ、図３（ｉ）に示すようにほぼ三角形状となっていく。
【００４１】
このときのコア３０７の高さは、底面の幅に応じて自己整合的に変化する。この現象について、さらに図４を参照しつつ説明する。図４（ａ）は、Ａｒのプラズマでコア３０７をスパッタエッチングする前の、導波路１０３ａおよびスポットサイズ変換部１０３ｂの断面形状を示した図である（図３（ｇ）に対応）。スパッタエッチング前においては、導波路１０３ａおよびスポットサイズ変換部１０３ｂの高さｈは、高さｈ１で一定である。また、導波路１０３ａの底面の幅はｗ１であり、スポットサイズ変換部１０３ｂの底面の幅はｗ２である。
【００４２】
そして、スパッタエッチングを行うと、コア３０７は削られていく。特に図４（ｂ）に示すように、コア３０７の角は上面や側面と比べてより多く削られ、断面形状はほぼ六角形状になっていく（図３（ｈ）に対応）。このとき、本実施形態においては、導波路１０３ａの高さは高さｈ２（＜ｈ１）となる。スポットサイズ変換部１０３ｂの高さは高さｈ３（＜ｈ２）となる。このとき、コア３０７の底面の幅も同時に減少していき、導波路１０３ａの底面の幅は、幅ｗ１から幅ｗ３（＜ｗ１）に変化し、スポットサイズ変換部１０３ｂの底面の幅は、幅ｗ２から幅ｗ４（＜ｗ２）に変化していく。
【００４３】
さらにエッチングを行うと、コア３０７はさらに削られていく。このときも、コア３０７の角は上面や側面よりも多く削られていき、図４（ｃ）に示すように、導波路１０３ａおよびスポットサイズ変換部１０３ｂの断面形状はほぼ三角形状となる（図３（ｉ）に対応）。このとき、エッチングによってコア３０７はさらに削られるため、導波路１０３ａの高さは高さｈ４（＜ｈ２）となり、スポットサイズ変換部１０３ｂの高さは高さｈ５（＜ｈ３）となる。導波路１０３ａの高さｈ４とスポットサイズ変換部１０３ｂの高さｈ５との関係は、前述したように、スポットサイズ変換部１０３ｂの幅ｗ４は、導波路１０３ａの幅ｗ３より細いため、導波路１０３ａと比べて高さ方向にもよくエッチングされ、スポットサイズ変換部１０３ｂの高さｈ５は導波路１０３ａの高さｈ４よりも低くなる（ｈ５＜ｈ４）。そして、同時に、コア３０７の底面の幅もさらに減少し、導波路１０３ａの底面の幅は、幅ｗ３から幅ｗ５（＜ｗ３）に変化し、スポットサイズ変換部１０３ｂの底面の幅は、幅ｗ４から幅ｗ６（＜ｗ４）に変化していく。
【００４４】
さらにエッチングを続けると、コア３０７の断面形状は先端部１０５の方向に向かい、ほぼ相似形を保ちながら断面幅および高さが小さくなる。また、このように自己整合的に制御できることを利用して、断面形状を略正三角形または略二等辺三角形にすることもできる。また、コアの断面形状は幾何学的な台形や三角形に限られず、角が丸みを帯びていてもよく、辺が直線でなくともよい。
【００４５】
このようにＡｒによるスパッタエッチングを行うと、図２に示す第１の実施形態のコアの形状が得られる。図２（ａ）に示すように、スポットサイズ変換部１０３ｂの底面の幅ｗは、導波部１０３ａの端部からスポットサイズ変換部１０３の先端部１０５に向けて幅ｗ５から幅ｗ６へと徐々に小さくなるように形成されている。
【００４６】
更に、図２（ｂ）に示すように、スポットサイズ変換部１０３ｂの高さｈは、高さｈ４からスポットサイズ変換部１０３の先端部１０５に向けて徐々に低くなり、先端部１０５においてｈ５となる。
【００４７】
スパッタエッチングによりコア３０７が削られるため、図２（ｃ）および図２（ｄ）に示すように、コア１０３の断面幅は高さ方向に向かって小さくなり、例えば両図に示すように断面形状は三角形となる。
【００４８】
これにより、スポットサイズ変換部１０３ｂを断面幅および高さの双方において先細り状となるように形成することができる。
【００４９】
Ａｒガスによるスパッタエッチングを行った後、図３（ｊ）に示すように、アンダークラッド３０２およびコア３０７上にプラズマＣＶＤ法またはＲＦスパッタリング法によりＳｉＯ２からなるオーバークラッド３０８を成膜し、光導波路を作成する。このオーバークラッド３０８についても、先述したアンダークラッドおよびコア層と同様にＡＰＣＶＤ法、ＬＰＣＶＤ法またはＦＨＤ法などを使用して成膜することができる。
【００５０】
また、第１の実施形態における光導波路１００は次のような方法によっても製造することができる。ここで、図１１および図１２を参照しつつその方法について説明する。
【００５１】
まず、前述した図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、石英基板３０１上にアンダークラッド３０２を成膜し、その上にコア層３０３をプラズマＣＶＤ法などにより成膜する。次に、図３（ｃ）に示すように、コア層３０３上にマスクとなる金属層３０４をスパッタリング法で成膜する。そして、図３（ｄ）に示すように、フォトリソグラフィ技術によってレジストパターン３０５を形成する。
【００５２】
このレジストパターン３０５を形成するときのパターン形状は、例えば、図１１（ａ）の平面図に示されているパターンのように、パターンの両端の幅が一定の部分と、パターンの中央部付近に向けて幅が、両端の幅より徐々に細くなるような部分と、から形成されている。また、このパターン形状に限らず、図１１（ａ）に示されているパターン形状を複数個つなげたパターンであっても構わない。次に、図３（ｅ）に示すように、レジストパターン３０５をマスクとして反応性イオンエッチングによって金属層３０４をエッチングし、金属マスク３０６を形成する。
【００５３】
そして、図３（ｆ）に示すように、金属マスク３０６をマスクとしてコア層３０３をエッチングし、断面が矩形状のコア３０７を形成する。その後、金属マスク３０６をドライエッチング法により除去することにより、図３（ｇ）に示すように、アンダークラッド３０２上に形成された矩形状のコア３０７の上面を露出させる。
【００５４】
このときの、コア３０７の形状について図１１を参照しながら説明する。図１１（ａ）に示すように、コア３０７の両端に形成され、底面の幅ｗが一定の幅ｗ１で形成されている導波部１０３ａと、導波部１０３ａの端面からコアの中心部１０６に向けて底面の幅ｗが幅ｗ１から幅ｗ２（＜ｗ１）へと徐々に細くなっている、スポットサイズ変換部１０３ｂとで形成され、コアの中心部１０６においては、幅ｗ２（＜ｗ１）となっている。また、上述したように、図１１（ａ）に示されているパターン形状を複数個つなげたパターンを使用してコアを形成した場合には、導波部１０３ａとスポットサイズ変換部１０３ｂが複数個つながったコアが形成される。
【００５５】
また、図１１（ｂ）に示すように、導波部１０３ａの高さｈ１は一定に形成され、スポットサイズ変換部１０３ｂの高さｈも、導波部１０３ａの高さｈ１と同じになるように形成されている。
【００５６】
さらに、図１１（ｃ）に示すように、導波部１０３ａの断面の幅が幅ｗ１で高さが高さｈ１の矩形状の形状をなしている。また、コアの中心部１０６においても、図１１（ｄ）に示すように、幅が幅ｗ２で高さが高さｈ１の矩形状の形状をなしている。
【００５７】
そして、Ａｒのプラズマでコア３０７をスパッタエッチングすると、上述したように断面が矩形状であったコア３０７の上部の２点の角がコア３０７の上面や側面に比べてより多くエッチングされ、図３（ｈ）に示すように断面形状がほぼ六角形状となっていき、さらにエッチングを進めると、コア３０７の上部の２点の角がコア３０７の上面や側面に比べてより多く削られ、図３（ｉ）に示すようにほぼ三角形状となっていく。
【００５８】
このときのコア３０７の高さは、上述したように底面の幅に応じて自己整合的に変化し、底面の幅が広ければ細い場合と比べて高さ方向にはあまりエッチングされず、その結果高さは高くなる。底面の幅が細ければ広い場合と比べて高さ方向もよくエッチングされ、底面の幅が広い部分と比較して高さは低くなる。
【００５９】
このようにＡｒによるスパッタエッチングを行うと、図１２に示すコアの形状が得られる。図１２（ａ）に示すように、導波部１０３ａの底面の幅は、一定の幅ｗ５となっており、スポットサイズ変換部１０３ｂの底面の幅は、導波部１０３ａの端面からコアの中心部１０６に向けて幅ｗ５から幅ｗ６（＜ｗ５）へと徐々に細くなっており、コアの中心部１０６においては、幅ｗ６（＜ｗ５）となっている。
【００６０】
更に、図１２（ｂ）に示すように、導波部１０３ａの高さは、一定の高さｈ４となっており、スポットサイズ変換部１０３ｂの高さは、導波部１０３ａの端面からコアの中心部１０６に向けて高さｈ４から高さｈ５（＜ｈ４）へと徐々に低くなっており、コアの中心部１０６においては、高さｈ５（＜ｈ４）となっている。
【００６１】
スパッタエッチングによりコア３０７が削られるため、図１２（ｃ）および図１２（ｄ）に示すように、断面幅は高さ方向に向かって小さくなり、例えば両図に示すように断面形状は三角形となる。
【００６２】
以上の工程により、コアの中央部付近に向かって底面の幅が細くなるとともに、高さが低くなるコアを作製することが可能となる。そして、例えば、コアの中心部１０６を切断することにより、図１および図２に示す第１の実施形態のコアの形状が得られる。ここで、コアの中心部１０６がコア先端部１０５となる。これにより、スポットサイズ変換部１０３ｂを断面幅および高さの双方において先細り状となるように形成することができる。
【００６３】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施形態の光導波路について説明する。当該光導波路は、光導波路１００と同様の作用を有するものである。
【００６４】
図７に示すように、第２の実施形態の光導波路２００は第１の実施形態と同様に、石英基板２０１上に形成されたＳｉＯ２からなるアンダークラッド２０２と、このアンダークラッド２０２上に形成されたコア２０３と、アンダークラッド２０２上に形成され、コア２０３の周囲を取り囲むように設けられたＳｉＯ２からなるオーバークラッド２０４とを含み構成されている。コア２０３は、ＧｅがドープされたＳｉＯ２からなり、アンダークラッド２０２およびオーバークラッド２０４と比べて僅かに大きな屈折率を有している。
【００６５】
次に、図８を参照しながら、コア２０３の形状について詳述する。まず、図８（ａ）に示すように、コア２０３は、その底面の幅ｗ９が一定に形成された導波部２０３ａと、この導波部２０３ａの端部に形成されたスポットサイズ変換部２０３ｂとを有している。なお、スポットサイズ変換部２０３ｂの先端部２０５の底面の幅はｗ１０（＞ｗ９）で、スポットサイズ変換部２０３ｂの幅ｗは先端部に向けて徐々に大きくなるよう形成されている。
【００６６】
更に、図８（ｂ）に示すように、導波部２０３ａは、その高さｈ８も一定となるように形成されている。また、スポットサイズ変換部１０３ｂの高さｈは、高さｈ８から先端部１０５に向けて徐々に高くなり、先端部２０５においてｈ７（＞ｈ８）とされている。
【００６７】
図８（ｃ）および図８（ｄ）に示すコア２０３の断面図を更に参照して、コア２０３の形状についてより詳細に説明をする。両図に示すように、コア２０３の短手方向、すなわち、光の伝播方向と直交する方向における断面は、アンダークラッド２０２と接している辺を底辺とする三角形状をなしている。
【００６８】
なお、コア２０３の断面のこの三角形状は、図示をする上での便宜的なものである。実際には、前述した第１の実施形態と同様に、その頂点は丸みを帯びた形状となる場合もあり、また、その斜辺は曲線状となる場合もある。より詳しくは、図８（ｃ）に示すように、導波部２０３ａの断面形状は、底辺の幅ｗ９を断面幅ｕの最大値とし、高さ方向へと向かうに連れて徐々に断面幅ｕが小さくなっていくように形成されている。また、先端部２０５においては、図８（ｄ）にあるように、底辺の幅ｗ１０を断面幅ｖの最大値とし、高さ方向へと向かうに連れて徐々に断面幅ｖが小さくなっていくように形成されている。ここで、両図に示すコア２０３の断面形状は、ほぼ相似関係を有するようになっている。また、図示はしないが、スポットサイズ変換部２０３ｂの任意の位置での断面形状も、両図に示す断面形状と相似関係となっている。
【００６９】
以上のようなコア形状を備えた第２の実施形態の光導波路２００によれば、前述した第１の実施形態と同様に、適切にスポットサイズを拡大し、回折による光の広がり角度を小さくすることが可能となる。従って、光デバイスと光ファイバなどとの結合部における結合損失を少なくすることができる。さらに、コア２０３をアンダークラッド２０２上に十分な密着性をもって設けることができるため、確実に光をコア２０３内に閉じ込めることが可能となり、更に損失を軽減することができる。
【００７０】
以下、このような光導波路２００の製造方法について図３、図８および図９を参照しつつ説明する。前述した第１の実施形態と同様に、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、石英基板３０１上にアンダークラッド３０２を成膜し、その上にコア層３０３をプラズマＣＶＤ法などにより成膜する。
【００７１】
そして、図３（ｃ）乃至図３（ｅ）に示すように、コア層３０３上に金属マスク３０６を形成する。ここで、第２の実施形態における金属マスクのパターン形状は、図９（ａ）に示す平面図のように、底面の幅が一定の部分と、底面の幅が先端部に向けて徐々に大きくなるような部分とで形成されている。
【００７２】
その後、図３（ｅ）乃至図３（ｆ）に示すエッチング工程を経て、図３（ｇ）に示すように断面形状が矩形状のコア３０７を形成する。
【００７３】
このときのコア３０７の形状を、図９を参照しながら説明する。図９（ａ）に示すように、導波部２０３ａの底面の幅はｗ７で一定に形成され、スポットサイズ変換部２０３ｂの底面の幅ｗは、先端部２０５に向けて幅ｗ７から幅ｗ８へと広くなっている。
【００７４】
また、図９（ｂ）に示すように、導波部２０３ａの高さｈ６は一定に形成され、スポットサイズ変換部２０３ｂの高さｈは、導波部２０３ａの高さｈ６と同じになるように形成されている。
【００７５】
さらに、図９（ｃ）に示すように、導波路２０３ａの断面は幅が幅ｗ７で高さが高さｈ６の矩形状の形状をなしている。また、先端部２０５においても、図９（ｄ）に示すように、幅が幅ｗ８で高さが高さｈ６の矩形状の形状をなしている。
【００７６】
そして、Ａｒのプラズマでコア３０７をスパッタエッチングすると、前述した第１の実施形態と同様に、断面が矩形状であったコア３０７の上部の２点の角がコア３０７の上面および側面に比べて多く削られる。その結果、図３（ｈ）に示すように断面形状がほぼ六角形状となり、さらにエッチングを進めると、図３（ｉ）に示すようにほぼ三角形となっていく。このときのコア３０７の高さは、前述した第１の実施形態と同様に、底面の幅に応じて自己整合的に変化していく。
【００７７】
このようにＡｒによるスパッタエッチングを行うと、図７に示す第２の実施形態のコアの形状が得られる。図８（ａ）に示すように、スポットサイズ変換部２０３ｂの底面の幅ｗは、導波部２０３ａの端部からスポットサイズ変換部２０３ｂの先端部２０５に向けて幅ｗ９から幅ｗ１０へと徐々に大きくなるように形成されている。
【００７８】
更に、図８（ｂ）に示すように、スポットサイズ変換部２０３ｂの高さｈは、高さｈ８からスポットサイズ変換部２０３ｂの先端部２０５に向けて徐々に高くなり、先端部２０５においてｈ７とされる。
【００７９】
スパッタエッチングによりコア３０７が削られるため、図８（ｃ）および図８（ｄ）に示すように、コア２０３の断面幅は高さ方向に向かって小さくなり、例えば両図に示すように断面形状は三角形となる。
【００８０】
これにより、スポットサイズ変換部２０３ｂを断面幅および高さの双方において先端部２０５に向けて大きくなるように形成することができる。
【００８１】
また、第２の実施形態における光導波路２００は次のような方法によっても製造することができる。この方法について、図１３および図１４を参照しつつ説明する。
【００８２】
上述したように、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、石英基板３０１上にアンダークラッド３０２を成膜し、その上にコア層３０３をプラズマＣＶＤ法などにより成膜する。
【００８３】
そして、図３（ｃ）乃至図３（ｅ）に示すように、コア層３０３上に金属マスク３０６を形成する。ここで、第２の実施形態における金属マスクのパターン形状は、図１３（ａ）の平面図に示されているパターンのように、パターンの両端の幅が一定の部分と、パターン中央部付近に向けて幅が、徐々に太くなるような部分と、から形成されている。また、このパターン形状に限られず、図１３（ａ）に示されているパターン形状を複数個つなげたパターンであっても構わない。
【００８４】
その後、図３（ｅ）乃至図３（ｆ）に示すエッチング工程を経て、図３（ｇ）に示すように断面形状が矩形状のコア３０７を形成する。
【００８５】
このときのコア３０７の形状を、図１３を参照しながら説明する。図１３（ａ）に示すように、底面の幅ｗが一定の幅ｗ７で形成されている導波部２０３ａと、導波部２０３ａの端面からコアの中心部２０６に向けて底面の幅ｗが幅ｗ７から幅ｗ８（＞ｗ７）へと徐々に太くなっている、スポットサイズ変換部２０３ｂとで形成され、コアの中心部２０６においては、幅ｗ８（ｗ＞７）となっている。また、上述したように、図１３（ａ）に示されているパターン形状を複数個つなげたパターンを使用してコアを形成した場合には、導波部２０３ａとスポットサイズ変換部２０３ｂが複数個つながったコアが形成される。
【００８６】
また、図１３（ｂ）に示すように、導波部２０３ａの高さｈ６は一定に形成され、スポットサイズ変換部２０３ｂの高さｈも、コアの両端部の高さｈ６と同じになるように形成されている。
【００８７】
さらに、図１３（ｃ）に示すように、導波部２０３ａの断面の幅が幅ｗ７で高さが高さｈ６の矩形状の形状をなしている。また、コアの中心部２０６においても、図１３（ｄ）に示すように、幅が幅ｗ８で高さが高さｈ６の矩形状の形状をなしている。
【００８８】
そして、Ａｒのプラズマでコア３０７をスパッタエッチングすると、前述した第１の実施形態と同様に、断面が矩形状であったコア３０７の上部の２点の角がコア３０７の上面および側面に比べて多く削られる。その結果、図３（ｈ）に示すように断面形状がほぼ六角形状となり、さらにエッチングを進めると、図３（ｉ）に示すようにほぼ三角形となっていく。このときのコア３０７の高さは、前述した第１の実施形態と同様に、底面の幅に応じて自己整合的に変化していく。
【００８９】
このようにＡｒによるスパッタエッチングを行うと、図１４に示すコアの形状が得られる。図１４（ａ）に示すように、導波部２０３ａの底面の幅は、一定の幅ｗ９となっており、スポットサイズ変換部２０３ｂの底面の幅は、導波部２０３ａの端面からコアの中心部２０６に向けて幅ｗ９から幅ｗ１０（＞ｗ９）へと徐々に太くなっており、コアの中心部２０６においては、幅ｗ１０（＞ｗ９）となっている。
【００９０】
更に、図１４（ｂ）に示すように、導波部２０３ａの高さは、一定の高さｈ８となっており、スポットサイズ変換部２０３ｂの高さは、導波部２０３ａの端面からコアの中心部２０６に向けて高さｈ８から高さｈ７（＞ｈ８）へと徐々に高くなっており、コアの中心部２０６においては、高さｈ７（＞ｈ８）となっている。
【００９１】
スパッタエッチングによりコア３０７が削られるため、図１４（ｃ）および図１４（ｄ）に示すように、断面幅は高さ方向に向かって小さくなり、例えば両図に示すように断面形状は三角形となる。
【００９２】
以上の工程により、中央部付近に向かって底面の幅が太くなるとともに、高さが高くなるコアを作製することが可能となる。そして、例えば、コアの中心２０６を切断することにより、図７および図８に示す第２の実施形態のコアの形状が得られる。ここで、コアの中心部２０６がコア先端部２０５となる。これにより、スポットサイズ変換部２０３ｂを断面幅および高さの双方において先端部２０５に向けて大きくなるように形成することができる。
【００９３】
上述した各製造方法では、クラッドの上に所定の形状のマスクをしてスパッタリングを行うことにより本発明に特徴的なコア形状を形成している。ところで、従来から、クラッド上にマスクをしてクラッド自体を所定の形状に加工し、そこにコアを埋め込む製造方法もある。しかし、本発明のコア形状を実現するためにこの方法を採用すると様々な困難が生じてしまう。
【００９４】
例えば、クラッドにコアを埋め込む過程で、コアの平坦化を図るためにＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法によりコアを研磨する必要がある。しかし、ＣＭＰ法を使用すると工程数が多くなり、簡易な方法で光導波路を作製することができない。また、ＣＭＰ法による研磨のばらつきを抑えるために、研磨圧力、回転数および研磨剤の流量を制御する必要がある。さらに、研磨後の平坦度はパターンの大きさにも依存するので、ＣＭＰ法の制御のみならず光導波路のパターン作製時においても後工程のＣＭＰ法を考慮に入れて精密に制御する必要がある。さらに、ＣＭＰ法を採用する場合は、基板表面に対する欠陥と不純物についても対処する必要がある。基板表面の欠陥は、研磨終了後の洗浄が不十分であった場合に、研磨剤に含まれる砥粒が基板表面に残留してしまうこと等により発生する。このような欠陥を発生させないためには、研磨終了後の洗浄方法や研磨剤を調整する必要がある。また、不純物については、ブラシで基板表面を擦るブラシスクラブ法により取り除く必要があるため、工程数が更に増加することとなる。従って、ＣＭＰ法により研磨を行なうと、研磨後に基板を特別な条件の下で洗浄する必要があるため、工程数が多くなり生産性が悪く量産向けではなかった。結局、本発明の実施形態のように製造した方が、工程数も少なくて済むので生産性が良くなる。
【００９５】
本発明は、以上の実施の形態に限られず、その要旨の範囲内において変更可能である。例えば、オーバークラッドを設けずにアンダークラッドとコアとによって、本発明の光導波路を形成することも可能である。さらに、コアを、金型を用いて作製することもできる。例えば、金型により、コア形状の溝を有するクラッドを作製し、その溝にコアとなる材料を流し込むことによりコアを作製することもできる。
【００９６】
【発明の効果】
請求項１乃至請求項４に記載の光導波路によれば、結合損失の偏向依存性を小さくするとともに、コアとアンダークラッドとの密着性を高めることができるため、結合損失を小さくすることが可能となる。
【００９７】
また、請求項５または請求項６に記載の光導波路の製造方法によれば、自己整合的に制御してコアの幅および高さをテーパー状にして先端部に向けて変化させることができるため、複雑かつ高精度なプロセスを必要とせずに簡易な方法でスポットサイズを拡大させることが可能となり、生産性が向上して光導波路を容易に量産することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における光導波路の概略を示す斜視図である。
【図２】（ａ）は第１の実施形態のコアの上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図、（ｄ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ’断面図である。
【図３】本発明の実施の形態において、光導波路の製造手順を示す図である。
【図４】（ａ）はスパッタエッチング前の導波路１０３ａおよびスポットサイズ変換部１０３ｂの断面形状を示した図、（ｂ）はスパッタエッチング中の導波路１０３ａおよびスポットサイズ変換部１０３ｂの断面形状を示した図、（ｃ）はスパッタエッチング後の導波路１０３ａおよびスポットサイズ変換部１０３ｂの断面形状を示した図である。
【図５】第１の実施形態におけるＡｒエッチング前のコアの形状を示した図であり、（ａ）はコアの上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図、（ｄ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ’断面図である。
【図６】スポットサイズ変換部における光の回折状態を示した図である。
【図７】本発明の第２の実施形態における光導波路の概略を示す斜視図である。
【図８】（ａ）は第２の実施形態のコアの上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図、（ｄ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ’断面図である。
【図９】第２の実施形態におけるＡｒエッチング前のコアの形状を示した図であり、（ａ）はコアの上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図、（ｄ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ’断面図である。
【図１０】図１０は、スポットサイズ変換部付き光導波路を実装した集積光モジュールを示した上面図である。
【図１１】第１の実施形態におけるＡｒエッチング前のコアの形状を示した図であり、（ａ）はコアの上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図、（ｄ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ’断面図である。
【図１２】第１の実施形態におけるＡｒエッチング後のコアの形状を示した図であり、（ａ）はコアの上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図、（ｄ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ’断面図である。
【図１３】第２の実施形態におけるＡｒエッチング前のコアの形状を示した図であり、（ａ）はコアの上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図、（ｄ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ’断面図である。
【図１４】第２の実施形態におけるＡｒエッチング後のコアの形状を示した図であり、（ａ）はコアの上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図、（ｄ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ’断面図である。
【符号の説明】
１００、２００ 光導波路
１０１、２０１、３０１ 石英基板
１０２、２０２、３０２ アンダークラッド（ＳｉＯ２）
１０３、２０３ コア
１０３ａ、２０３ａ 導波部
１０３ｂ、２０３ｂ スポットサイズ変換部
１０４、２０４、３０８ オーバークラッド（ＳｉＯ２）
１０５、２０５ コア先端部
１０６、２０６ コア中心部
３０３、３０７ コア（Ｇｅ−ＳｉＯ２）
３０４、３０６ 金属膜（ＷＳｉ２）
３０５ レジスト
４００ 従来の光導波路
４０１ 本発明の光導波路によって出射された光
４０２ 従来の光導波路によって出射された光
５０１ 基板
５０２ 光導波路
５０２ａ、５０２ｂ 結合部分
５０３ 埋め込み素子
５１０、５２０ 光ファイバ
Claims (6)
- クラッドと、該クラッド内に形成されたコアとを含み、
前記コアは、先端部に向かって幅および高さが徐々に変化するように形成され、かつ、断面幅が高さ方向に向かって徐々に小さくなるように形成されたスポットサイズ変換部を有することを特徴とする光導波路。 - 前記コアの前記スポットサイズ変換部は、前記先端部に向かって、前記幅の変化に対応して、前記高さが変化するように形成されていることを特徴とする請求項１記載の光導波路。
- 前記コアの前記スポットサイズ変換部は、前記先端部に向かって、前記幅および前記高さが徐々に縮小され、先細り状に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光導波路。
- 前記コアの前記スポットサイズ変換部は、その断面が略三角形状または略台形状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光導波路。
- 高さが一定で、かつ幅が徐々に変化する形状からなる、断面がほぼ矩形のコアを形成する第１の工程と、
前記断面がほぼ矩形のコアをエッチングすることにより、断面幅が高さ方向に向かって徐々に小さくなる形状、かつ、前記コアの幅の変化に対応して高さが徐々に変化する形状のコアを形成する第２の工程と、を含むことを特徴とする光導波路の製造方法。 - 前記第１の工程は、アンダークラッド上にコア膜を成膜する工程と、
前記コアの幅の変化を設定するために、前記幅が徐々に変化する形状のマスクを前記コア膜上に形成するマスク工程と、
フォトリソグラフィおよびエッチングにより前記コア膜からコアを形成するコア形成工程を含み、
前記第２の工程により、前記コア形成工程により形成された前記コアの幅の変化に対応して、前記コアの高さが徐々に変化する形状のコアを形成することを特徴とする請求項５に記載の光導波路の製造方法。
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-
2003
- 2003-03-31 JP JP2003096425A patent/JP2004302241A/ja active Pending
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