JP2008509450A - 光ファイバと一体型平面導波路との間の光結合効率を改善するためのシステム及びテーパ導波路並びにその製造方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】テーパ導波路光学モード変換器（２０）は、平面基板構造（１６）上に形成されたテーパコアを含む。コア（２１）に垂直方向のテーパを付けるために、コアの上面にステップ（２２）がエッチングされる。段は、テーパ導波路の光学軸に沿って、所望の光ファイバの光学モード特性を所望の平面導波路の光学モード特性に変換するように選択された深さと長さとを有する。コアは、二次元テーパ導波路を形成するために水平方向にテーパを付けられることができる。テーパ導波路は、光ファイバとＰＬＣ導波路との間で光結合損失を減少させる平面光波回路（ＰＬＣ）に一体的に含まれることができる。
【選択図】図２、３

Description

本発明は、一般に平面光波回路に関し、より詳細には光ファイバを平面一体型導波路に効率的に結合する光学モード変換器に関する。

平面光波回路（ＰＬＣ）は、短距離及び長距離両方のデータ通信システムの信号を送受信する。最適動作のために、ＰＬＣは、導波路等の機能的光学部品を有する。そのような導波路は、導波路の急な屈曲を含め、導波路光学素子を単一チップ上に密に集積化することができるようにサイズが充分小さくなくてはならない。

ＰＬＣを製造するには高屈折率コントラスト材料システムが適している。そのような材料システムは、絶縁体上シリコン（ＳＯＩ）基板上にシリコンのコア層として形成することができる。このコア層は、約３．５の屈折率を有し、約１．５の屈折率を有するシリカクラッドで両側が取囲まれる。そのような構造に形成された導波路は、チャネル導波路と呼ばれる。チャンネル導波路は、寸法が小さいほど優れた光閉込め性を実現する。

高屈折率コントラスト導波路チップには、特に、多波長光学信号を透過的（すなわち、処理のために光学信号を電気信号に変換し後で再び戻すことなく）にルーティングを行うとともに処理する方法を開発する必要がある電気通信において、潜在的に多数の実用的用途がある。ＰＬＣ導波路チップの１つの例は、高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ）用途において、多波長光学信号を直列化したり分離したりするための単一モード導波路を利用した「多重化(mux）」及び「多重分離(demux）」である。この種の用途などでは、一般に、様々な光学モードの異なる伝搬速度による望ましくない影響が及ぶのを防ぐために、単一モード伝搬を強制的に行うように導波路を構成することが望ましい。

高屈折率コントラスト光学チップが直面している最も困難な問題の１つは、チップへ入る光、及び、チップから出る光の効率的な結合である。特に難しいのは、標準的な光ファイバ又は外部供給源からチップ上のシリコン導波路に光を結合することである。一般的な光ファイバの寸法と高屈折率コントラスト導波路の寸法との間、及び、それぞれのモードサイズの間に大きな不整合があると、光ファイバからＰＬＣ導波路への光結合が損われる。

導波路と光ファイバとの間の光結合には、プリズムカプラ、格子カプラ、テーパ型ファイバ及びマイクロレンズモード変換器を含む多くの技術が利用されてきた。残念ながら、これらの技術は、低コスト大容量の通信用途に使用する際に必要とされる高い結合効率、波長独立性、信頼性、製造性、堅牢（ろう）性及び頑強さの組合せを提供しない。

以上のことを考慮すると、光ファイバとＰＬＣ等の光学チップ上に形成された平面導波路との間の結合を改善する必要がある。

本発明の利点は、光ファイバと平面導波路との間の光結合効率を大幅に高めるテーパ導波路拡張部を提供することである。本発明は、また、ＰＬＣ導波路と一体化することができるように平面基板構造上にテーパ導波路を作成する比較的単純で確実な方法を提供する。

本発明の実施形態によれば、テーパ導波路は、光ファイバと平面導波路との間の光学モード変換器として働く。テーパ導波路は、平面基板構造上に形成されたコアを有する。コアは、垂直方向にテーパが付けられる。垂直テーパを作成するために、コアの上面に複数の段が形成される。段は、テーパ導波路の光学軸に沿って、光ファイバの光学モード特性及びサイズを平面導波路の光学モード特性及びサイズに変換するように選択された深さ及び長さを有する。

本発明のその他の形態、特徴、実施形態、プロセス及び利点は、以下の図と詳細な説明を検討することによって当業者に明らかになるであろう。そのような追加の特徴、実施形態、プロセス及び利点はすべて、この説明に含まれ、本発明の範囲内にあり、添付の特許請求の範囲によって保護される。

図面は単に例示のためであり、本発明の範囲を定義しないことを理解されたい。さらに、図内の構成要素は、必ずしも一律の縮尺ではなく、むしろ本発明の原理を示すために強調されている。様々な図の全体に亘（わた）って類似の参照符号は対応する部分を指す。

図面を参照するとともにこれを組入れた以下の詳細な説明は、本発明の１つ以上の特定の実施形態を説明し例示する。そのような実施形態は、本発明を限定するためではなく本発明を例示し教示するために提示されるものであるが、当業者が本発明を実施することができるように十分に詳細に示され説明される。したがって、本発明を不明瞭にしない適切な場合に、当業者によって知られている特定の情報は説明を省略することがある。

次に図面を参照して説明を行う。特に図１を参照すると、テーパ平面導波路を製造するための例示的な出発材料構造１０の断面図が示されている。一次元及び二次元の導波路を製造する好ましい出発材料１０は、絶縁体上シリコン（silicon-on-insulator）（ＳＯＩ）構造である。ＳＯＩ出発材料１０は、平面基板構造１３上に成長された結晶シリコン層１２を有する。平面基板構造は、半導体基板１６上に形成された誘電性絶縁体層１４を有する。絶縁体層１４は、６インチのシリコン基板１６上に熱成長された厚さ２〔μｍ〕のＳｉＯ２層である。ＳｉＯ２層１４上に厚さ３〔μｍ〕の結晶シリコン層１２を堆（たい）積させて構造を完成させる。

テーパ導波路２０（図２を参照）のコアを構成する結晶シリコン層１２は、３．４７の屈折率を有し、ＳｉＯ２層１４は１．４６の屈折率を有し、シリコン基板は３．４７の屈折率を有する。

図２は、本発明の例示的な実施形態によるテーパ導波路２０の概念的な側面断面図である。図２には、入力基本モード形状（光ファイバのモードの形状と整合した）を平面導波路モードの形状に変換する従来の断熱的モード変換器として働く二次元テーパ部分２０が示されており、テーパが全くないものより光結合の効率が向上する。

二次元テーパ導波路２０は、平面基板構造１４及び１６上に形成された段付き結晶シリコンコア２１を有する。コア２１は、垂直方向と水平方向とにテーパが付けられている（すなわち、二次元テーパが付けられている）。垂直テーパを作成するために、コア２１の上面に複数の段２２が形成される。段２２は、テーパ導波路２０の光学軸に沿って、光ファイバの光学モード特性及び物理寸法をテーパ導波路２０と同じ基板上に形成された平面導波路の光学モード特性及び物理寸法に変換するように選択された深さ及び長さを有する。

テーパ導波路２０は、２５０〔μｍ〕の水平距離ｌの範囲内でテーパ導波路の幅狭端２６の平面導波路幅ｗ２（図３を参照）からテーパ導波路の幅広端２５の４〔μｍ〕の幅ｗ１（図３を参照）まで広がって光ファイバと整合する一次元の横方向フレアを有する。この横方向テーパは、高開口数（ＨＮＡ）光ファイバのモードフィールド径（ＭＦＤ）を横方向の一体型平面導波路のＭＦＤに整合させる。

次のステップで、一次元フレア領域内にコアの厚さ方向に沿った段付き垂直テーパを作成するためにエッチングが行われ、これにより、垂直方向におけるＨＮＡファイバと平面導波路のＭＦＤの整合も行われる。垂直フレアは、光ファイバと整合するように、２５０〔μｍ〕の水平距離ｌの範囲内で、テーパ導波路の幅狭端２６における平面導波路高さｈ２からテーパ導波路の幅広端２５における３〔μｍ〕の高さｈ１まで延在する。

図４は、図２に示したテーパ導波路段２２の寸法の詳細を示す概念的な側面断面図である。各段は、あらかじめ定義された長さＬ及びあらかじめ定義されたＨを有するように形成される。本明細書で開示する例示的なテーパ導波路２０において、各段は、深さＨが０．１６７〔μｍ〕であり、長さＬが２５〔μｍ〕である。テーパ導波路２０の長さｌ全体のエッチ深さは１．５〔μｍ〕である。

図５は、形成中のテーパ導波路段２２の概念的斜視図である。垂直段２２は、従来のフォトリソグラフィ及びシリコンエッチング技術に基づく新規なプロセスを使用して形成される。

垂直段２２を形成する前に、一次元横方向テーパが形成される。これは、二次元テーパ導波路２０に進む中間ステップである。一次元横方向テーパは、単独では、完全な二次元テーパよりも結合効率が低いが、一次元テーパは、形成に技術的努力をあまり必要としない。

図３に示したように、出発材料１０上にテーパ導波路２０を最初に画定するマスクは、ｗ２＝０．５〔μｍ〕からｗ１＝３〔μｍ〕までの幅寸法を有する横方向テーパを画定する。

サブミクロン幅の導波路形状を画定するために、ＡＺ社のＰ４１１０ ｉライン（３６５〔ｎｍ〕）フォトレジスト及びＫａｒｌ Ｓｕｓｓ社のＭＡ６マスクアライナを使用するフォトリソグラフィ技術が使用される。出発材料１０をマスクした後で、導波路は、Ｏｘｆｏｒｄ社のシリコンドライエッチング装置を使用してエッチングされる。導波路形状をエッチングするＯｘｆｏｒｄ装置において、Ｃ４Ｆ８（流量９０〔ｓｃｃｍ〕）＋ＳＦ６（流量５０〔ｓｃｃｍ〕）の低速化学エッチング剤が利用される。導波路の平均深さは約１〔μｍ〕である。

垂直段は、導波路の幅広端２５の位置から延在するコア層２１の段領域の全体に最初に保護層を付着させることによって形成される。図５に示したように、これは、導波路１２全体をＳｈｉｐｌｅｙ １８１８ポジフォトレジストで覆うことによって達成される。次に、適切なマスクを使用して、導波路１２の段でない部分３４にＵＶ光を照射し、フォトレジストを現像し、２５〔μｍ〕（第１段の長さ）の保護領域３６だけがフォトレジストで覆われたままにする。

次に、Ｏｘｆｏｒｄ装置で前述の化学物質を使用してドライエッチングを行って０．１６７〔μｍ〕の段を形成する。このプロセスは、毎回、別の段を画定するために保護フォトレジスト層を幅広端から更に２５〔μｍ〕だけ延ばして繰返される。このプロセスは、所望の数の段が形成されるまで繰返される。

二次元テーパ導波路コア２１を形成した後で、誘電性クラッド層３０（図６を参照）が、段付きコア層２１に電子ビーム蒸着されてチャネル導波路構造４０が形成される。次に、処理したウェーハを適切なチップにさいの目に切って清浄する。次に、テーパ導波路４０の幅広端２５を鏡面仕上げに機械研磨する。光結合損失を更に小さくするために、従来の技術を使用して研磨端に反射防止（ＡＲ）被膜を付着させる。

図６は、本発明の他の例示的な実施形態による、誘電性クラッド層３０が付着された図２に示したテーパ導波路の概念的な側面断面図である。誘電性クラッド層３０は、完成した導波路構造４０を形成するために、段付きコア層２１上に電子ビーム蒸着された厚さ２〔μｍ〕のＳｉＯ２上側クラッド層である。上側クラッド層３０は、約１．４６の屈折率を有する。

光ファイバから高屈折率コントラスト単一モード平面導波路に光を有効に結合するために、高屈折率コントラスト単一モード平面導波路の一体的な導波路拡張部としてテーパ導波路２０及び４０を形成することができる。

図７は、平面導波路４２と一体形成されるとともに平面導波路から延在するテーパ導波路４０を２個備えた光学システム７０の概念的な側面断面図である。テーパ導波路４０は、平面導波路４２を高開口数（ＨＮＡ）光ファイバ５０に結合する。ファイバ５０は、クラッド５４に取囲まれたコア５２を有する。

本明細書に開示したテーパ導波路には、任意の単一モード型光ファイバを結合することができるが、光結合効率を更に高めるために入力ファイバとして高開口数（ＨＮＡ）ファイバを使用してもよい。通常のシングルモードファイバＳＭＦ２８をＨＮＡファイバに結合して光損失を更に少なくするために、特別な接合プログラムが使用される。

各テーパ導波路４０は、２５０〔μｍ〕の水平距離内で平面導波路の幅から幅４〔μｍ〕まで広がる横方向一次元フレアを提供する。この横方向テーパは、横方向において高開口数（ＨＮＡ）光ファイバ５０のモードフィールド径（ＭＦＤ）を平面導波路４２のＭＦＤと整合させる。段付き垂直フレアは、２５０〔μｍ〕の水平距離ｌ内で光ファイバ５０のＭＦＤと一致するように平面導波路の高さから３〔μｍ〕まで広がる。

図１に示した出発材料と本明細書で述べた方法を使用して、図６に示したような構造を有するサンプル導波路を製造した。試験は、１５５０〔ｎｍ〕ＤＦＢレーザ、２４〔ｄＢｍ〕増幅器、ＨＮＡ入力ファイバ、顕微鏡対物レンズ、及び、ＨＮＡファイバとサンプル導波路との間の導波路伝搬損失と結合損失を測定する自由空間ＩｎＧａＡｓ検出器を含む適切な光学測定装置を使用して行った。少なくとも３つの長さのサンプル導波路を比較することによって導波路伝搬損失値を求めた。二次元テーパ導波路、一次元テーパ導波路及びテーパなしの導波路のサンプルの導波路損失を測定することによって、各テーパタイプの結合効率を得た。

実験的試験により、テーパなしの導波路と比較したとき、ＨＮＡ光ファイバと段付きテーパ導波路との間の結合損失が大幅に減少することが分かった。実際の試験測定は、二次元段付きテーパ導波路の場合に結合損失が約２〔ｄＢ〕であることを示した。一次元段付きテーパ導波路は、結合損失が約４〔ｄＢ〕であると測定された。テーパがない場合、導波路の結合損失が８〔ｄＢ〕を超えることが測定された。

以上の詳細な説明は、テーパ光導波路の特定の実施形態を使用する本発明の原理を示した。しかしながら、本発明は、これらの特定の実施形態に限定されない。例えば、本明細書に開示した本発明の原理は、ＩｎＰ、ＧａＡｓ等の他の半導体材料、あるいは、ポリイミド、ＰＭＭＡ等を含む導波路を作成するのに適した高分子材料等、他の多くのタイプの基板材料構造で実施することができる。

したがって、本発明の１つ以上の特定の実施形態を説明したが、本発明の範囲内で更に多くの実施形態が可能であることは当業者に明らかであろう。さらに、以上の説明と図面は、本発明の原理の単なる例示と考えられる。当業者には他の変形と変更が明らかであるので、本発明は、図示するとともに説明した構成及び動作そのものに限定されず、したがって、適切な変形例や等価物はすべて本発明の範囲内にあると考えられる。

テーパ平面導波路を作成するための例示的な出発材料構造の断面図である。 本発明の例示的な実施形態によるテーパ導波路の概念的側面断面図である。 図２に示したテーパ導波路の概念的上面図である。 図２に示した導波路段の寸法の詳細を示す概念的な側面断面図である。 形成中の導波路段の概念的斜視図である。 本発明の他の例示的な実施形態による、誘電性クラッド層が上に付着された図２に示したテーパ導波路の概念的な側面断面図である。 本発明の更に他の例示的な実施形態による、図６のテーパ導波路を有する光学システムの概念的な側面断面図である。

Claims (20)

1. 導波路光学モード変換器であって、
   平面基板構造上に形成されたコアと、
   コアに垂直方向のテーパを付けるためにコアの上面に形成され、それぞれ所定の高さ及び所定の長さを有する所定の複数の段とを有する導波路光学モード変換器。
2. コアが、水平方向にテーパが付けられた、請求項１に記載の導波路光学モード変換器。
3. 垂直方向及び水平方向のテーパが、コアの同じ端で狭くなる、請求項２に記載の導波路光学モード変換器。
4. コア全体の上に形成された誘電性クラッド層を更に有する、請求項１に記載の導波路光学モード変換器。
5. 平面基板構造が、半導体基板の上に形成された誘電体層を含む、請求項１に記載の導波路光学モード変換器。
6. コアが結晶シリコンである、請求項１に記載の導波路光学モード変換器。
7. コアの上及び下に形成された誘電体層を更に有し、誘電体層がそれぞれ、コアの屈折率より低い屈折率を備える、請求項１に記載の導波路光学モード変換器。
8. 光学システムであって、
   平面導波路と、
   平面導波路と光ファイバとの間で光を結合するために平面導波路の端に形成されたテーパ導波路拡張部であって、導波路拡張部に垂直方向のテーパを付けるために上面に形成され、それぞれ所定の高さ及び所定の長さを備える所定の複数の段を備えるテーパ導波路拡張部とを有する光学システム。
9. テーパ導波路拡張部が、水平方向にテーパが付けられた、請求項８に記載の光学システム。
10. テーパ導波路拡張部が、結晶シリコンコアを含む、請求項８に記載の光学システム。
11. テーパ導波路拡張部が、コアの上に形成された誘電性クラッド層を含む、請求項１０の光学システム。
12. テーパ導波路拡張部が、２つの誘電体層の間にコア層を含み、誘電体層がそれぞれ、コアの屈折率より低い屈折率を備える、請求項８に記載の光学システム。
13. 光ファイバを更に有する、請求項８に記載の光学システム。
14. 光ファイバと平面導波路との間の光学モード変換器として使用可能なテーパ平面導波路を製造する方法であって、
    テーパ導波路のためのコア材料層を設ける段階と、
    コア層に垂直方向のテーパを付けるために、所定の高さ及び所定の長さをそれぞれ備える所定の複数の段をコアの上面に形成する段階とを有する方法。
15. コア層に水平テーパを形成する段階を更に有する、請求項１４に記載の方法。
16. 設ける段階が、
    基板と、基板上に形成された誘電体層と、誘電体層上に形成されたコア材料層とを含む出発材料を提供する段階を含む、請求項１４に記載の方法。
17. 形成する段階が、
    （ａ）コア層上にテーパ導波路の幅広端の位置を画定する段階と、
    （ｂ）画定された幅広端の位置から延在し、１つ以上の段を画定するコア層の所定領域の上に保護層を付着させる段階と、
    （ｃ）コア層の残りの保護されていない領域を所定の深さにエッチングして１つの段の高さを画定する段階と、
    （ｄ）毎回、新しい段の長さを画定するために、画定された幅広端位置から所定領域を更に延ばして、段階（ｂ）〜（ｃ）を所定の回数繰返し、それにより、所定の複数の段を形成する段階とを含む、請求項１４に記載の方法。
18. エッチングする段階が、シリコンドライエッチングを使用して行われる、請求項１４に記載の方法。
19. テーパ導波路の幅広端を研磨する段階を更に有する、請求項１４に記載の方法。
20. テーパ導波路の幅広端に反射防止コーティングを付着させる段階を更に含む、請求項１４に記載の方法。

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