JP2011242651A - 光導波路素子 - Google Patents

Abstract

【課題】容易かつ精度の高い微細加工が可能である光導波路素子を提供する。
【解決手段】先端１２ｃに向けて徐々に幅が狭くなるテーパ部１２を有するコア４と、テーパ部１２の一方の側面１２ａのうち少なくとも先端１２ｃを含む領域に接して設けられ、コア４とは異なる材料からなる補助コア５と、コア４および補助コア５を覆う上部クラッド６と、を備えた光導波路素子１０。上部クラッド６は、コア４より屈折率が低く、かつ補助コア５とは異なる材料からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体をコアとして用いた光導波路を有する光導波路素子に関するものである。

光通信で伝送される情報量は増加の一途をたどっている。これに対しては、（Ｉ）信号の伝送速度を増す、（ＩＩ）波長多重通信のチャンネル数を増す、といった対策が進められているが、これに伴い、光部品の数が増すとともに伝送経路も複雑になるため、光通信設備の大型化、複雑化、高額化という問題が生じる。
光通信設備が使用される通信キャリア局舎やデータセンター等では、コンピュータやルータ等の情報機器を動作させる電力に加え、機器の発熱により冷却設備にも無視できない電力が必要となる。このため、近年の環境問題への対応の必要から、消費電力削減が大きな課題となっている。
こうした課題に対して、シリコン（Ｓｉ）などの屈折率の高い材料を用いた光導波路素子の使用が検討されている。
媒質中の光の波長はその媒質の屈折率に反比例するため、屈折率が高い材料を使用すると、光導波路のコア幅などの寸法を小さくできる。また、高屈折率材料（シリコン等）に対し屈折率が大きく異なるシリカ等をクラッドとすることで、閉じ込めが強い光導波路が得られ、曲げ半径を小さくすることができ、光導波路素子の小型化が可能となる。
さらに、シリコン等を用いた光導波路素子では、従来のＣＰＵ、メモリ等の半導体デバイス製造で使用する半導体プロセスで使用する半導体プロセスに関する技術・装置と共通の要素が多く、低コスト化を図ることができる。また、従来の半導体デバイスとの同一基板上での集積も可能である。
このように、シリコン等を用いた小型かつ低価格の光導波路素子の実現により、情報通信機器で使用している電気処理の一部を光で置き換えることにより、システム全体の消費電力を削減できる可能性が議論されている。
光導波路素子に対し光を入出力および伝送するには、一般的に光ファイバが用いられる。しかし、光ファイバの一般的なモードフィールド径は約９μｍであるのに対し、シリコン等の高屈折率材料を用いた導波路においては、シングルモード条件を満たすコア径は１μｍ以下であり大きく異なる。このため、シリコン等を用いた導波路と光ファイバとの直接接続を行うと、大きな損失が生じてしまうことがある。
両者の低損失の接続を実現するため、特許文献１には、テーパ形状の導波路構造を有するスポットサイズコンバータが提案されている。
特許文献１に記載の技術では、コア導波路の幅が素子先端方向に向かって狭くなっている構造が採用されている。素子先端の導波路の幅は６０ｎｍとされている。

特開２００４−１８４９８６号公報

光導波路素子に用いるテーパ形状を有するスポットサイズコンバータでは、一般にそのテーパ構造の先端の幅は狭い方が結合効率を向上させることができるため好ましいが、微細な加工を要する光導波路素子の製造は容易ではない。
微細加工が可能な製造方法としては、電気集積回路基板などの製造に用いられる光学露光法があるが、この方法では、レジストパターンを作製するにあたって、光の回折を原因として微細なパターン形成が難しくなることがある。
また、仮に正確なレジストパターンの作製が可能であったとしても、光部品の製造においてはコアやクラッド等の構造物の形成に深さ方向の加工が必要となるため、精度の高い加工を実現するためのエッチングの条件設定等は容易ではなかった。
さらに、エッチングにより形成した構造物は、微細構造のため強度が低く、その後の工程において外力を受けて変形するおそれがあった。
また、前記電気集積回路用の製造装置では径が大きいウェハーが用いられることが多いのに対し、光部品の製造においては旧世代の小径のウェハーが用いられることが多いため、光部品の製造に前記製造装置を利用するのは難しい場合がある。
また、特許文献１に記載の技術では加工法として電子ビーム直接描画方式が採用されている。この方法は微細な導波路の加工は可能であるが、量産性に優れるものではない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、容易かつ精度の高い微細加工が可能である光導波路素子を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の光導波路素子は、先端に向けて徐々に幅が狭くなるテーパ部を有するコアと、前記テーパ部の一方の側面のうち少なくとも前記先端を含む領域に接して設けられ、前記コアとは異なる材料からなる補助コアと、前記コアおよび補助コアを覆う上部クラッドと、を備え、前記上部クラッドは、前記コアより屈折率が低く、かつ前記補助コアとは異なる材料からなる光導波路素子である。
前記補助コアは、前記コアより屈折率が低く、かつ前記上部クラッドより屈折率が高い材料からなり、前記テーパ部の先端よりさらに先端側に延出して形成された延出部分を有し、前記延出部分は、先端に向けて徐々に幅が狭くなるテーパ延出部を有することが好ましい。
前記補助コアは、前記上部クラッドより屈折率が高い材料からなり、前記テーパ部に沿う部分が、前記先端に向けた前記テーパ部の幅の減少に応じて徐々に幅が大きくなる形状とすることができる。
前記補助コアは、上面位置が前記コアの上面位置より高く、前記テーパ部に沿う部分のうち前記コアと同じ高さ範囲の部分（３８ａ）が、前記テーパ部の幅の減少に応じて徐々に幅が大きくなる形状とすることができる。
前記補助コアは、前記上部クラッドより屈折率が低い材料からなり、前記テーパ部の先端よりさらに先端側に延出して形成された延出部分を有し、前記延出部分は、先端に向けて徐々に幅が狭くなるテーパ延出部を有する構成とすることができる。
本発明の光導波路素子は、前記上部クラッドの上に、前記上部クラッドより屈折率が低い材料からなる外部クラッド（７）が形成されている構成とすることができる。

本発明の光導波路素子は、テーパ部の一方の側面の先端を含む領域に接して設けられ、コアとは異なる材料からなる補助コアを有するので、テーパ部の先端形状に沿う微細な形状のレジスト形成が不要であり、露光工程において光の回折に起因する制限を受けない。
また、微細形状のレジストによる先端のみをむき出しにして形成するエッチングがないため、先端部分の鈍化（丸まり）が起こりにくく、エッチングの条件設定は比較的容易である。
さらに、テーパ部の先端が補助コアに接した状態で形成されるため、その後の工程における外力による変形が起こりにくい。
従って、より幅が狭い先端を精度よく形成することができ、テーパ部の先端部分における損失を低減できる。また、電子ビームによる直接描画法に限らず、マスクを用いた光学露光法による製造が可能なため、量産に適する。

第１実施形態の光導波路素子の説明図である。 図１のＡ１−Ａ１断面図である。 図２のＡ２−Ａ２断面図である。 第１実施形態の光導波路素子の製造方法を示す工程図であり、光導波路素子のＸＺ平面における断面図である。 第１実施形態の光導波路素子の製造方法を示す工程図であり、光導波路素子の平面図である。 シミュレーションに用いた光導波路素子の断面構造を示す図である。 シミュレーションに用いた光導波路素子の断面構造を示す図である。 シミュレーションに用いた光導波路素子の断面構造を示す図である。 第２実施形態の光導波路素子の断面図である。 図９のＡ１−Ａ１断面図である。 第２実施形態の光導波路素子の断面図である。 テーパ部の先端形状の例を示す模式図である。 第３実施形態の光導波路素子の断面図である。 第４実施形態の光導波路素子の断面図である。 テーパ部形成工程の例を説明する説明図である。 テーパ部形成工程の例を説明する説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
なお、以下の図面においては、ＸＹＺ直交座標系を設定し、ＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明する場合がある。この場合においては、光の導波方向をＹ方向、該導波方向と直交する光導波路の幅方向をＸ方向、Ｘ方向及びＹ方向と直交する高さ方向をＺ方向と称する。
光導波路は基板上に形成されるため、Ｘ方向とＹ方向は基板と平行な方向であり、Ｚ方向は基板と垂直な方向である。
なお、以下の実施形態では、コアがＹ方向に延在する直線光導波路を例示するが、コアが湾曲した曲がり光導波路であっても良い。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１実施形態にかかる光導波路素子１０の説明図である。図２は、光導波路素子１０のＸＺ平面における図１および図３のＡ１−Ａ１断面図である。図３は、図２のＡ２−Ａ２断面図である。なお、先端方向とは図３における左方であり、以下、この方向を前方といい、その反対方向（図３における右方）を後方ということがある。
図１および図２に示すように、光導波路素子１０は、基板１上に光導波路２が形成された光導波路素子であり、先端位置において他の光ファイバ等と接続できる。
本実施形態では、ＳＯＩ基板を加工して光導波路素子１０を作製することを想定する。

基板１は、例えばシリコン（Ｓｉ）からなる。
光導波路２は、基板１上に形成された下部クラッド３と、下部クラッド３上に形成されたコア４（第１のコア）と、下部クラッド３上においてコア４に接して形成された補助コア５と、これらの上に形成された上部クラッド６と、上部クラッド６の外面を覆って形成された外部クラッド７とを有する。

下部クラッド３は、コア４よりも屈折率が低い材料からなり、例えばＳｉＯ_２等を使用することができる。
下部クラッド３は、コア４からの漏光が生じないように十分に厚く形成する必要がある。下部クラッド３の厚みは２〜３μｍ、またはそれ以上であることが好ましい。本実施形態では、ＳＯＩ基板の有するＳｉＯ_２層をそのまま利用できる。

コア４は、光が導波するものであって、下部クラッド３、上部クラッド６および補助コア５よりも高い屈折率を有する材料、例えばシリコン（Ｓｉ）を使用できる。
コア４は断面矩形とすることができる。なお、コア４の形状は特に限定されず、矩形以外の形状、例えば中央部の厚みの厚い部分と、その両側の厚みの薄い部分とを有するリブ型形状であってもよい。

本実施形態では、ＳＯＩ基板の最上層であるシリコン（Ｓｉ）層をエッチング等により加工することでコア４を形成することができる。
具体例としては、下部クラッド３、上部クラッド６および補助コア５がＳｉＯ_２からなる場合において、シリコンからなり、幅および高さが約３００ｎｍであるコア４を挙げることができる。

図１および図３に示すように、コア４は、光の導波方向（Ｙ方向）に延在する一定幅のコア基部１１と、コア基部１１の先端からさらに先端方向に向けて徐々に幅が狭くなるテーパ部１２とを有する。
図示例のテーパ部１２は、一方の側面１２ａが光導波路２の先端方向（Ｙ方向）に対し一定角度で傾斜し、他方の側面１２ｂは、光導波路２の先端方向（Ｙ方向）に平行となっている。
先端１２ｃは、本実施形態においては、先鋭な鋭角形状（図１２（ａ）参照）であるが、これに限らず、微小な一定幅の先端面１２ｄを有してもよい（図１２（ｂ）参照）。
なお、テーパ部１２の形状は図示例に限らず、両側面１２ａ、１２ｂが光の導波方向（Ｙ方向）に沿い基板１に垂直な面について鏡映対称となるように形成することもできる。

テーパ部１２においては、先端方向に向けて光の閉じ込めが徐々に弱くなり、モードフィールドが周囲の領域に広がっていく。
テーパ部１２は、先端方向に向かってスポットサイズを漸次拡大するスポットサイズ変換部として機能するため、光導波路素子１０はスポットサイズ変換素子として使用することができる。
テーパ部１２の長さ（Ｙ方向の長さ）を十分に長くすることで、低損失にモードフィールドを広げることが可能である。
また、先端１２ｃを十分に小さくする（例えば図１２（ｂ）において先端面１２ｄの幅を狭くする）ことによって、先端１２ｃにおける光の散乱を低減することができる。
コア４の幅方向位置は、上部クラッド６の幅方向位置の中央であることが好ましい。

補助コア５は、コア４のテーパ部１２の一方の側面１２ａから先端方向に延出して形成されている。
補助コア５には、コア４とは異なる材料が用いられる。補助コア５には、コア４よりも屈折率が低い材料、例えばＳｉＯ_２等を使用することができる。
補助コア５は、酸窒化シリコン（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）あるいは窒化シリコン（Ｓｉ_ｘＮ_ｙ）などを適用することも可能であり、例えば、酸窒化シリコン（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）では、組成比ｘ：ｙを制御することで、製造段階において屈折率を制御することが可能である。具体的には、屈折率が１．５に調整された酸窒化シリコンや、屈折率が２．０に調整された窒化シリコン等が使用できる。

補助コア５は、上部クラッド６の材料とは異なる材料からなる。補助コア５は、上部クラッド６の材料より高屈折率の材料からなることが好ましい。
補助コア５は、上部クラッド６の材料より低屈折率の材料で構成することもできる。なお、上部クラッド６の材料と屈折率が同じ材料で構成してもよい。

本実施形態では、補助コア５は、コア４のテーパ部１２の一方の側面１２ａから先端方向に延出して形成されている。
補助コア５は、テーパ部１２の一方の側面１２ａに接する補助コア基部８（テーパ部１２に沿う部分）と、補助コア基部８から先端方向に延出する延出部分９とを有する。
補助コア基部８は、一方の面８ａが光の導波方向（Ｙ方向）に沿って形成され、他方の面８ｂがテーパ部１２の一方の側面１２ａの全面に接して形成されている。
補助コア基部８は、先端方向に向けたテーパ部１２の幅の減少に応じて幅が徐々に大きくなる形状となっており、補助コア基部８とテーパ部１２との合計幅は、補助コア基部８の延出方向（Ｙ方向）にわたってほぼ一定である。
なお、補助コア基部８は、図示例に限らず、テーパ部１２の一方の側面１２ａのうち少なくとも先端１２ｃを含む領域に接していればよい。

延出部分９は、テーパ部１２の先端１２ｃより先端側に延出した部分であって、補助コア基部８から先端方向に延出する延出基部１５と、延出基部１５の先端からさらに先端方向に延出するテーパ延出部１６とを備えている。
延出基部１５は、一定幅（図示例ではコア基部１１と同じ幅）とされている。
テーパ延出部１６は、先端方向に徐々に幅が狭くなるテーパ状に形成されている。
図示例のテーパ延出部１６の一方および他方の側面１６ａ、１６ｂは、光導波路２の光の導波方向（Ｙ方向）に対し一定角度で傾斜し、光の導波方向（Ｙ方向）に沿い基板１に垂直な面について鏡映対称となっている。
符号１６ｃはテーパ延出部１６の先端である。先端１６ｃは、基板１およびクラッド３、６、７の先端に比べ後方に位置する。

延出基部１５の両側面１５ａ、１５ｂのうち側面１５ｂは、光の導波方向（Ｙ方向）に沿う面であり、コア４のテーパ部１２の他方の側面１２ｂに隣接し、側面１２ｂに連なって形成されている。すなわち、テーパ部１２の他方の側面１２ｂから先端方向に連続するように形成されている。図示例では、他方の側面１２ｂと他方の側面１５ｂは面一に形成されている。
他方の側面１５ｂは、他方の側面１２ｂのうち少なくとも先端１２ｃを含む領域に対して連なって形成されていればよい。

補助コア５は、断面矩形とすることができる。なお、補助コア５の形状は特に限定されず、矩形以外の形状であってもよい。
補助コア５はコア４より屈折率が低いため、上部クラッド６に対する屈折率差はコア４の場合より小さい。このため、先端１６ｃにおける接続損失は比較的小さい。
補助コア５の幅方向位置は、上部クラッド６の幅方向位置の中央であることが好ましい。

図１および図２に示すように、上部クラッド６は、コア４よりも低い屈折率を有する材料、例えばＳｉＯ_２等からなるのが好適である。
上部クラッド６は、コア４および補助コア５を覆って形成される。上部クラッド６は、少なくともコア４の先端１２ｃを覆うように形成される。
上部クラッド６は、補助コア５より先端側においては、光が導波する第２のコアとして機能させることができる。この場合には下部クラッド３および外部クラッド７は第２のコアを囲むクラッドとして機能するため、上部クラッド６は、下部クラッド３および外部クラッド７よりも屈折率の高い材料からなることが好ましい。

外部クラッド７は、上部クラッド６よりも低い屈折率を有する材料、例えばＳｉＯ_２等からなることが好ましい。なお、空気層（屈折率：１）を外部クラッド７として機能させることもできる。

クラッド３、６、７は、酸窒化シリコン（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）あるいは窒化シリコン（Ｓｉ_ｘＮ_ｙ）などを適用することも可能であり、例えば、ＳｉＯ_ｘＮ_ｙでは、組成比ｘ：ｙを調整することで、製造段階において屈折率を制御することが可能である。具体的には、屈折率が１．５に調整された酸窒化シリコンや、屈折率が２．０に調整された窒化シリコン等が使用できる。

上記構造の光導波路素子１０では、コア４が先端方向に徐々に幅が狭くなるテーパ部１２を有する。
テーパ部１２においては、先端方向に向けて光の閉じ込めは徐々に弱くなり、モードフィールドが周囲の領域に広がっていくため、低損失にモードフィールドを広げることが可能であり、コア４先端における光の損失を低減できる。
補助コア５は、テーパ部１２の一方の側面１２ａに接して形成されているため、コア４内の導波光は徐々に補助コア５に分布を移し、先端１２ｃより先端側では、大部分の光が補助コア５（延出部分９）を導波する。
補助コア基部８は、先端方向に向けたテーパ部１２の幅の減少に応じて幅が徐々に大きくなる形状となっているため、導波光の分布が徐々にコア４から補助コア５に移ることから、低損失で光をコア４から補助コア５に伝搬させることができる。

延出部分９は先端方向に向けて徐々に幅が狭くなるテーパ延出部１６を有するため、延出部分９では、先端方向に向けて光の閉じ込めは徐々に弱くなり、モードフィールドが周囲の領域に広がっていくことから、延出部分９先端における光の損失を低減できる。
延出部分９（テーパ延出部１６）内を導波する過程で、光は上部クラッド６に位置する割合が徐々に大きくなり、延出部分９より先端側では、上部クラッド６をコアとし、下部クラッド３および外部クラッド７をクラッドとして光は導波し、この光導波路素子１０に接続された光ファイバ等に導入される。

補助コア５が上部クラッド６より屈折率が高い材料で構成される場合には、延出部分９における導波光のモードフィールドは、補助コア５内の割合が大きくなる。
補助コア５が上部クラッド６より屈折率が低い材料で構成される場合には、延出部分９における導波光のモードフィールドは、上部クラッド６内の割合が大きくなる。
上部クラッド６および外部クラッド７を、接続を想定する外部の光ファイバに合わせて適切に設計することで、外部の光ファイバとの間で低損失に光の伝搬を行うことができるため、光導波路素子１０は、前記コア４を有する光導波路を光ファイバへ接続するためのスポットサイズコンバータとして機能する。

なお、図示例では、補助コア５は、補助コア基部８がコア４のテーパ部１２の一方の側面１２ａから先端方向に延出する形状であるが、補助コア５の形状は、コア４から補助コア５への光の導波に大きな方向変換を要するものでなければ、他の形状も可能である。例えば、補助コア５がコア４を囲む構造も可能である。

コア４および補助コア５は、軸線が直線状となるように形成されているが、湾曲部分を有していてもよい。
また、コア４および補助コア５の幅方向位置は、損失を抑える観点から上部クラッド６の幅方向位置の中央とするのが好ましいが、必要に応じて上部クラッド６の幅方向中央位置からずらして形成してもよい。

［光導波路素子の製造方法］
次に、光導波路素子１０を製造する場合を例として、図４および図５を参照しつつ、本発明の光導波路素子の製造方法の第１実施形態について説明する。
下部クラッド３の上に、コア４となる材料からなるコア層１３が全面に形成された基板１を用意する。以下、コア層１３を全面コア層１３という。
以下の説明では、Ｓｉ基板１上にＳｉＯ_２からなる下部クラッド３が形成され、その上にＳｉからなる全面コア層１３が形成されたＳＯＩ基板を使用する場合を例とするが、これに限らず、ＧａＡｓやＩｎＰなどの他の半導体材料やガラス材料からなる基板を使用することもできる。

（工程１：コア層形成工程）
図４（ａ）および図５（ａ）に示すように、フォトリソグラフィーおよびエッチングにより全面コア層１３の不要部分を除去してコア層１４を形成する。不要部分が除去された領域をコア層除去領域という。
コア層１４の一方の側面１４ａは、全面コア層１３の除去部分に面しており、光の導波方向（Ｙ方向）に対し傾斜した傾斜面である。他方の側面１４ｂは下部クラッド３の側縁３ｂに達している。
一方の側面１４ａ（第１側面領域）は、テーパ部１２の一方の側面１２ａのうち少なくとも先端１２ｃを含む領域である。すなわち、側面１２ａ全体を含む領域であってもよいし、側面１２ａのうち先端１２ｃを含む一部領域であってもよい。

コア層１４を形成する方法は、例えば以下のとおりである。
まず、全面コア層１３上に、塗布などにより未露光のフォトレジスト層を形成する（フォトレジスト層形成工程）。
次いで、所定の形状のフォトマスクを用い、紫外線などを照射し、所定領域のフォトレジスト層を露光する（露光工程）。露光は、例えばステッパー露光装置を用いて行なうことができる。
次いで、フォトレジスト層を現像する現像工程を経て、現像工程により得られたフォトレジストパターンを用いて全面コア層１３をエッチングする（第１エッチング工程）。
このエッチング工程によって、コア層１４を形成する。
次いで、残留したフォトレジストを除去する工程を行なう。
なお、第１エッチング工程は、コア層１４の少なくとも一方の側面１４ａに、補助コア５を形成するための領域を確保することができればよい。

（工程２：補助層形成工程）
図４（ｂ）および図５（ｂ）に示すように、コア層形成工程における前記コア層除去領域に、補助コア５の材料からなる補助層１８を形成する。補助層１８は、ＣＶＤ装置等を用いて形成することができる。補助層１８はコア４とは異なる材料からなる。
補助層１８は、コア層１４の一方の側面１４ａのうち、少なくとも先端１２ｃを含む領域に接するように形成する。

コア層１４上に形成された補助層１８は、化学機械研磨（ＣＭＰ）やエッチング等により除去することができる。
コア層１４上の補助層１８の除去は不可欠ではないが、コア層１４の厚みが適当な範囲を越える場合には、ＣＭＰやエッチング等により補助層１８の除去を行うとともに、コア層１４と補助層１８の高さを共通化する（すなわち平坦化する）のが好ましい。

（工程３：テーパ部形成工程）
図４（ｃ）および図５（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィーおよびエッチングによりコア層１４および補助層１８の不要部分を除去してコア４および補助コア５を形成する。
まず、コア層１４および補助層１８上に、塗布などにより未露光のフォトレジスト層を形成する（フォトレジスト層形成工程）。
次いで、所定の形状のフォトマスクを用い、紫外線などを照射し、所定領域のフォトレジスト層を露光する（露光工程）。露光は、例えばステッパー露光装置を用いて行なうことができる。
次いで、フォトレジスト層を現像する現像工程を経て、現像工程により得られたフォトレジストパターンを用いてコア層１４および補助層１８をエッチングする（第２エッチング工程）。

この第２エッチング工程では、コア層１４に、テーパ部１２を有するコア４を形成するとともに、補助層１８に、延出部分９を有する補助コア５を形成する。
この工程では、光の導波方向（Ｙ方向）に沿うテーパ部１２の他方の側面１２ｂ（第２側面領域）が形成されるとともに、延出基部１５の側面１５ｂが側面１２ｂに隣接して形成される。
図示例では他方の側面１２ｂの全面が第２側面領域となっているが、第２側面領域は、側面１２ｂのうち少なくとも先端１２ｃを含む領域であればよい。

この工程では、互いに接するコア層１４と補助層１８に対し同時にエッチングを施すことによって、テーパ部１２の他方の側面１２ｂと、延出部分９の他方の側面１５ｂとを同時に形成するため、テーパ部１２の先端１２ｃは、補助コア５に接した状態で形成される。
このため、テーパ部１２の先端形状に沿う微細な形状のレジスト形成が不要であり、露光工程において光の回折に起因する制限を受けない。
また、微細形状のレジストによる先端のみをむき出しにして形成するエッチングがないため、先端部分の鈍化（丸まり）が起こりにくく、エッチングの条件設定は比較的容易である。
さらに、テーパ部１２の先端１２ｃが補助コア５に接した状態で形成されるため、その後の工程における外力による変形が起こりにくい。
従って、より幅が狭い先端１２ｃを精度よく形成することができ、テーパ部１２の先端部分における損失を低減できる。また、電子ビームによる直接描画法に限らず、マスクを用いた光学露光法による製造が可能なため、量産に適する。

第２エッチング工程において、補助層１８の一部が除去しきれずに下部クラッド３上に残ることが考えられるが、補助コア５と上部クラッド６の屈折率が同じまたは近い場合には、上部クラッド６に相当する部分の補助層１８がそのまま残っても光導波路素子１０の特性に大きな影響はない。補助コア５と上部クラッド６の屈折率が異なる場合においても、前記部分に補助層１８が残ることの影響は軽微である。
ただし、不要部分の補助層１８の除去が求められる場合には、さらなるエッチングによって前記部分の補助層１８を除去することが好ましい。
上部クラッド６の外側部分の残存補助層１８については、外部クラッド７を形成するにあたって除去することができる。

一般に、製造装置には、パターンのアラインメントに誤差が生じることがある。このアラインメントの誤差は、通常数ｎｍから数十ｎｍであるが、このアラインメントにより、本発明ではコアのテーパ部の長さが変化することが考えられる。
これを図１５を用いて説明する。この図は、コア層形成工程および補助層形成工程においてコア層１４および補助層１８を形成した後、テーパ部形成工程においてフォトマスク１９を用いてコア層１４にテーパ部を形成する工程を説明する図である。
テーパ部形成工程においては、レジスト層を形成した後、フォトマスク１９を用いて露光を行い、コア層１４の一方の側面１４ａ（テーパ部１２の一方の側面１２ａとなる面）とは反対の側面に、テーパ部１２の他方の側面１２ｂを形成する。
図中、一点鎖線で示す位置１９Ａと二点鎖線で示す位置１９Ｂは、フォトマスク１９のアラインメント精度を考慮して得られたＸ方向の一方側および他方側の最大ずれ位置である。

例えば、コア幅ｍ１が２００ｎｍで、フォトマスク１９がＸ方向一方側（図中上方）に最もずれた場合（位置１９Ａ）におけるテーパ部１２の最大長さｍ３（Ｙ方向の長さ）を３００μｍとすると、フォトマスク１９のアラインメントのずれが３０ｎｍの場合は、このアラインメントずれによるテーパ部１２の先端１２ｃ位置のずれ量は３０μｍとなる。
なお、Ｙ方向への装置のアラインメント精度はＸ方向と同程度であるので、テーパ部１２の先端１２ｃの位置への影響はＸ方向のずれによる影響と比較して小さい。

しかし、テーパ部１２の長さが制限されている場合などのように、製造におけるテーパ部１２の先端１２ｃ位置のずれを低減することが好ましい場合には、次の方法を採用することができる。
図１６に示すように、フォトマスク１９に代えてフォトマスク２９を使用する。フォトマスク２９は、先端２９ａのＹ方向の位置を、テーパ部１２の先端１２ｃのＹ方向の想定位置と一致させる。
フォトマスク２９は、Ｘ方向一方側の最大ずれ位置２９Ａにあるときに先端１２ｃが鋭角形状となる（先端１２ｃの幅がゼロとなる）ようにその位置を設定する。
このようにすると、フォトマスク２９のずれが発生した場合でも、先端１２ｃの幅が変化する代わりに、先端１２ｃの位置は一定とすることができる。
この方法では、フォトマスク２９を用いた露光により、先端２９ａに沿う側面を有する補助クラッド５と、テーパ部１２の側面１２ｂが同時に形成されるため、幅が狭い先端１２ｃを精度よく形成することができる。
先端１２ｃの幅の最大値は、フォトマスク２９の最大ずれ量（マスクシフト量）に一致する。
先端１２ｃの幅が増大するのは好ましいことではないが、先端１２ｃの幅の最大値は前記マスクシフト量であり、一般的にはマスクシフト量は、その装置で行う従来の製造工程で得られる先端幅よりも小さいため、本方法では、従来の手法に比べて低損失化が可能な導波路構造を得ることができる。

（工程４：上部クラッドおよび外部クラッド形成工程）
図４（ｄ）および図５（ｄ）に示すように、コア４、補助コア５および下部クラッド３を覆うように上部クラッド６を形成する。
次いで、外部クラッド７を形成し、図１に示す光導波路素子１０を得る。

［第２の実施の形態］
図９および図１０は、本発明の第２実施形態にかかる光導波路素子２０の断面図であり、グレーティング構造を採用したものである。
図９は、光導波路素子２０のＸＺ平面における断面図であり、図１０のＡ２−Ａ２断面図である。図１０は、図９のＡ１−Ａ１断面図である。
以下の説明においては、第１の実施形態の光導波路素子１０と同じ構成については同一符号を付してその説明を省略することがある。本実施形態の一部の構成は、国際公開第２００９／１０７８１２号に記載されている光導波路素子と共通である。
光導波路素子２０は、基板１上に光導波路２２が形成された光導波路素子である。本実施形態では、ＳＯＩ基板を加工して作製することを想定する。
基板１は、例えばシリコン（Ｓｉ）からなる。

図９において、光導波路２２は、下部クラッド３と、下部クラッド３上に形成された内側コア２４と、その上に形成された中間コア２５（補助コア）と、これらを覆って形成された上部クラッド２６とを有する。
下部クラッド３は、内側コア２４よりも屈折率が低い材料からなり、例えばＳｉＯ_２等を使用することができる。

内側コア２４は、厚みの薄い平板部（薄板部）２４ａと、平板部２４ａの幅方向中央位置において上部クラッド２６側に突出する厚みの厚い凸状部（厚板部）２４ｂとから構成されるリブ型形状をなす。
内側コア２４には、下部クラッド３、中間コア２５および上部クラッド２６よりも高い屈折率を有する材料、例えばシリコン（Ｓｉ）を使用できる。

中間コア２５は、内側コア２４とは異なる材料、例えば内側コア２４より屈折率が低く、かつ上部クラッド２６より屈折率が高い材料からなることが好ましく、内側コア２４の凸状部２４ｂおよびこれに近い部分の平板部２４ａを覆って形成されている。
内側コア２４および中間コア２５は、光が導波する複合コアを構成している。

図９に示すように、中間コア２５は、上面に設けた溝２５ａの幅ｗ_ｉｎおよび中間コア２５の全幅ｗ_ｏｕｔを光の導波方向（紙面に垂直な方向）に周期的に変化させることによりブラッググレーティング構造となり、光導波路２２の実効屈折率を変化させることができる。この構造は、波長分散補償素子に適用できる。
上部クラッド２６は、中間コア２５よりも低い屈折率を有する材料からなり、例えばＳｉＯ_２等を使用することができる。

図１０のＡ３−Ａ３断面、Ａ５−Ａ５断面、Ａ７−Ａ７断面およびＡ８−Ａ８断面をそれぞれ図１１（ａ）〜図１１（ｃ）に示す。
図１１（ａ）に示すように、Ａ３−Ａ３断面（図１０参照）では、内側コア２４の平板部２４ａの幅が中間コア２５の幅に等しくされている。
なお、平板部２４ａの幅は、中間コア２５の幅より広く、または狭く形成することも可能であり、導波路構造の変化によるモードフィールドの変化が小さい範囲で適宜設計変更が可能である。

図１１（ａ）において、内側コア２４の外側には中間コア２５が設けられ、その外側には外側コア２８が設けられ、その外側に上部クラッド２６が設けられている。
図１０に示すように、外側コア２８は、このＡ３−Ａ３断面位置から先端方向に延在して形成されている。Ａ３−Ａ３断面位置より後方では外側コア２８は存在しないため、この位置の前後で光導波路の構造が変化するが、光は内側コア２４を中心に分布するため、外側コア２８についての構造変化が光特性に及ぼす影響は小さい。

外側コア２８は、中間コア２５より屈折率が低く、かつ上部クラッド２６より屈折率が高い材料からなることが好ましい。例えば、ＳｉＯ_ｘＮ_ｙが使用できる。
Ａ３−Ａ３断面（図１０参照）では、外側コア２８は、内側コア２４および中間コア２５からなる複合コアに対するクラッドとして機能させることができる。
外側コア２８は、後述する光導波路２２の先端（図１１（ｄ）参照）では、光が導波するコアとして機能する。

なお、本実施形態では、Ａ３−Ａ３断面位置より後方では外側コア２８は存在しない構造が採用されているが（図１１（ａ）参照）、これに限らず、Ａ３−Ａ３断面位置より後方の部分にも、中間コア２５の外側に外側コア２８を形成してもよい。

Ａ３−Ａ３断面位置から先端方向に向かって、内側コア２４の平板部２４ａは、幅が徐々に狭くなるテーパ状に形成され、その幅はＡ４−Ａ４断面位置に至って凸状部２４ｂの幅と一致する。平板部２４ａをテーパ状とすることによって、光の導波方向に導波路構造が急激に変化することに起因する損失を抑えることができる。

図１０および図１１に示すように、中間コア２５は上面位置が内側コア２４より高く形成され、Ａ４−Ａ４断面位置からＡ５−Ａ５断面位置までの範囲では、内側コア２４の一方面２４ｃ、他方面２４ｄおよび上面に接して形成されている。
図１０および図１１（ｂ）に示すように、Ａ５−Ａ５断面位置からＡ６−Ａ６断面位置までの範囲における中間コア２５（中間コア基部３８）は内側コア２４の一方面２４ｃおよび上面に形成されており、テーパ部３０の一方の側面３０ａに接している。
Ａ５−Ａ５断面位置からＡ６−Ａ６断面位置までの範囲において、中間コア基部３８のテーパ部３０に沿う部分のうち内側コア２４と同じ高さ範囲の部分３８ａは、先端３０ｃに向けたテーパ部３０の幅の減少に応じて幅が大きくなる形状である。
中間コア２５は、先端方向に向けたテーパ部３０の幅の減少に応じて幅が徐々に大きくなる形状となっているため、導波光の分布が徐々に内側コア２４から中間コア２５に移ることから、低損失で光を内側コア２４から中間コア２５に伝搬させることができる。
Ａ５−Ａ５断面位置からＡ６−Ａ６断面位置までの範囲において、内側コア２４の一方面２４ｃは、他方面２４ｄに向かって傾斜した傾斜面２４ｅとなっている。

傾斜面２４ｅが形成された部分の内側コア２４は、先端に向けて徐々に幅が狭くなるテーパ部３０となっている。図示例の先端３０ｃは先鋭な鋭角形状であるが、先端３０ｃは微小な一定幅の先端面１２ｄを有してもよい（図１２参照）。
テーパ部３０では、一方面２４ｃには中間コア２５が接しており、テーパ部３０の先端３０ｃは、中間コア２５に接する面（傾斜面２４ｅ）の先端に形成されている。
図１０および図１１（ｂ）に示すように、Ａ５−Ａ５断面位置から先端側のＡ７−Ａ７断面位置までの範囲では、中間コア２５は先端方向に延出している。
Ａ５−Ａ５断面位置から先端側のＡ６−Ａ６断面位置までの範囲では、中間コア２５の側面２５ｂは、テーパ部３０の他方の側面３０ｂ（他方面２４ｄ）に対し面一に形成されている。

図１０に示すように、Ａ６−Ａ６断面位置とＡ７−Ａ７断面位置との間に位置する部分の中間コア２５である延出基部３５は、一定幅の下部２５Ａと、その上に形成されて徐々に幅が狭くなる上部２５Ｂとを有する形状である（図１１（ｃ）参照）。延出基部３５と、その先端から先端方向に幅が狭くなりつつ延出するテーパ延出部３６は、延出部分３９を構成する。
延出部分３９の先端２５ｃは、Ａ８−Ａ８断面位置にあり、光導波路２２の先端２２ａより後方にある（図１１（ｄ）参照）。

内側コア２４は、既に説明した製造方法を利用して作製できる。
すなわち、一方の側面３０ａ（第１側面領域）を有するコア層（図示略）を形成し（コア層形成工程）、中間コア２５となる補助層（図示略）を一方の側面３０ａに接して形成し（補助層形成工程）、前記コア層に対して前記補助層と同時にエッチングを施して、テーパ部３０の他方の側面３０ｂ（第２側面領域）を形成することによって（テーパ部形成工程）、内側コア２４を形成することができる。

内側コア２４のテーパ部３０の他方の側面３０ｂ（他方面２４ｄ）は、テーパ部形成工程において、中間コア２５の側面２５ｂとともにエッチングにより形成されるため、先端３０ｃは、中間コア２５に接した状態で形成される。
このため、テーパ部３０の先端形状に沿う微細な形状のレジスト形成が不要であり、露光工程において光の回折に起因する制限を受けない。
また、微細形状のレジストによる先端のみをむき出しにして形成するエッチングがないため、先端部分の鈍化（丸まり）が起こりにくく、エッチングの条件設定は比較的容易である。
さらに、テーパ部３０の先端３０ｃが中間コア２５に接した状態で形成されるため、その後の工程における外力による変形が起こりにくい。
従って、より幅が狭い先端３０ｃを精度よく形成することができ、テーパ部３０の先端部分における損失を低減できる。

［第３の実施の形態］
図１３は、本発明の第３実施形態にかかる光導波路素子４０の断面図である。
図３に示すように、第１実施形態の光導波路素子１０では、補助コア５の延出部分９が、一定幅の延出基部１５とテーパ延出部１６からなるが、ここに示す光導波路素子４０では、延出部分９が全長にわたって先端方向に徐々に幅が狭くなるテーパ状である点で第１実施形態の光導波路素子１０と異なる。
図示例では、延出部分９の一方および他方の側面９ａ、９ｂは、光の導波方向（Ｙ方向）に対し一定角度で傾斜し、光の導波方向（Ｙ方向）に沿い基板１に垂直な面について鏡映対称となっている。符号９ｃはテーパ延出部１６の先端である。
延出部分９の他方の側面９ｂは、コア４のテーパ部１２の他方の側面１２ｂに連なって形成されている。
本実施形態においては、補助コア５がテーパ部１２の一方の側面１２ａに接して設けられているため、幅が狭い先端を精度よく形成することができ、テーパ部の先端部分における損失を低減できる。

［第４の実施の形態］
図１４は、本発明の第４実施形態にかかる光導波路素子５０の断面図である。
この光導波路素子５０は、コア４と補助コア５の境界位置が、図１３に示す第３実施形態の光導波路素子４０に比べて先端寄りにあること以外は光導波路素子４０と同様の構成である。
コア４のテーパ部１２の他方の側面１２ｂのうち、基端側領域１２ｃはＹ方向に沿って形成され、先端側領域１２ｄは先端方向に向かって幅方向中央側（側面１２ａ側）に一定角度で傾斜している。
補助コア５の補助コア基部８の一方の面８ａのうち、基端側領域８ｃはＹ方向に沿って形成され、先端側領域８ｄは先端方向に向かって幅方向中央側（側面１２ｂ側）に一定角度で傾斜している。
延出部分９の一方および他方の側面９ａ、９ｂは、それぞれ先端側領域８ｄおよび先端側領域１２ｄに面一に形成されている。
本実施形態においても、補助コア５がテーパ部１２の一方の側面１２ａに接して設けられているため、幅が狭い先端を精度よく形成することができ、テーパ部の先端部分における損失を低減できる。

［実施例１］
図６および図７に断面構造を示す構成の光導波路素子において、接続損失についてのシミュレーションを行った。
以下の説明においては、第１の実施形態の光導波路素子１０と同じ構成については同一符号を付してその説明を省略することがある。
図６は基板１に平行な断面（図７のＡ４―Ａ４断面）を示す模式図であり、図７は図６のＡ１―Ａ１断面を示す模式図である。
図６においてＬ_１＝１０μｍ、Ｌ_２＝２００μｍ、Ｌ_３＝１００μｍ、Ｌ_４＝１０μｍとし、図７においてｗ_２＝３０００ｎｍ、ｔ_１＝３００ｎｍ、ｔ_２＝３０００ｎｍとし、補助コア５の先端１６ｃの幅を１５０ｎｍとした。図６のＡ２―Ａ２断面における補助コア５の幅は３００ｎｍとした。
本シミュレーションでは、コア４をＳｉ（屈折率３．５）、補助コア５をＳｉＮ（屈折率２）、上部クラッド６をＳｉＯＮ（屈折率１．５）、下部クラッド３および外部クラッド７をＳｉＯ_２（屈折率１．４５）で構成することを想定した。

この光導波路素子を、ビームウェストが３μｍの先球光ファイバと結合させた場合の損失を、ＥＭＥ（Eigen mode Expansion Method）法によりシミュレーションを行った。
各断面構造における導波モードは、有限要素法、等価屈折率法などにより求めることができる。
シミュレーションの結果、接続損失は、ＴＥ−ｌｉｋｅモードでは０．３６ｄＢ、ＴＭ−ｌｉｋｅモードでは０．３７ｄＢであった。

なお、ＴＥ−ｌｉｋｅモードとは、導波路中を伝播する光の電界が主に導波方向に垂直方向の成分を有し、電界の主成分が基板に対して平行方向（水平方向）である伝播モードであり、ＴＭ−ｌｉｋｅモードとは、導波路中を伝播する光の磁界が主に導波方向に垂直方向の成分を有し、電界の主成分が基板に対して垂直方向である伝播モードである。
本実施例では、導波路構造が上下または左右に非対称であるため、光の導波方向における導波路構造の変化につれて、導波モードの主電界の方向の回転により偏光状態が変わる現象が見られた。

［比較例１］
比較例として、従来の光導波路素子において、接続損失についてのシミュレーションを行った。
図８は、シミュレーションに用いた光導波路素子の基板に平行な面における断面図である。
コア４のコア基部１１の長さ（Ｙ方向の長さ）をＬ_３とし、テーパ部１２の長さをＬ_２とし、テーパ部１２の先端と光導波路２の先端との距離をＬ_１として、Ｌ_１＝１０μｍ、Ｌ_２＝３００μｍ、Ｌ_３＝１０μｍとしてシミュレーションを行った結果、接続損失は、ＴＥ−ｌｉｋｅモードでは０．３２ｄＢ、ＴＭ−ｌｉｋｅモードでは１．１４ｄＢであった。

実施例１と比較例１との比較より、本発明の構造を採用した実施例１では、接続損失低減が可能となることがわかる。

［実施例２］
図９〜図１１に示す構成の光導波路素子２０において、ビームウェストが３μｍの光ファイバと結合させた場合の結合効率を計算した。
本シミュレーションに用いた各寸法は次のとおりである。
図９において、ｔ_１＝２５０ｎｍ、ｔ_２＝５０ｎｍ、ｔ_ｉｎ＝１００ｎｍ、ｔ_ｏｕｔ＝４５０ｎｍ、ｗ_１＝５６０ｎｍ、ｗ_ｉｎ＝０ｎｍ、ｗ_ｏｕｔ＝１０００ｎｍ。
図１０において、Ｌ_１＝５０μｍ、Ｌ_２＝１００μｍ、Ｌ_３＝２００μｍ、Ｌ_４＝５０μｍ、Ｌ_５＝３００μｍ、Ｌ_６＝１０μｍ。
図１１（ａ）において、ｈ_１＝６００ｎｍ、ｈ_２＝２５０ｎｍ、ｈ_３＝５０ｎｍ、ｈ_４＝２２００ｎｍ、ｗ_１＝１０００ｎｍ、ｗ_２＝１６０ｎｍ、ｗ_３＝２８０ｎｍ、ｗ_４＝２５００ｎｍ。
図１１（ｂ）において、ｈ_１＝６００ｎｍ、ｈ_２＝３００ｎｍ、ｈ_４＝２２００ｎｍ、ｗ_１＝７８０ｎｍ、ｗ_２＝５６０ｎｍ、ｗ_４＝２５００ｎｍ。
図１１（ｃ）において、ｈ_１＝３００ｎｍ、ｈ_２＝３００ｎｍ、ｈ_４＝２２００ｎｍ、ｗ_１＝７８０ｎｍ、ｗ_２＝１５０ｎｍ。
図１１（ｄ）において、ｈ_４＝２５００ｎｍ、ｗ_４＝２２００ｎｍ。

第１の実施形態における実施例１のシミュレーションと同様の方法によりシミュレーションを行った結果、結合効率は、ＴＥ−ｌｉｋｅモードについて０．１９ｄＢ、ＴＭ−ｌｉｋｅモードについて０．３２ｄＢであった。
上述の比較例との比較より、実施例２においても、損失低減が可能となったことがわかる。

２・・・光導波路、４・・・コア、５・・・補助コア、６、２６・・・上部クラッド、７・・・外部クラッド、８・・・補助コア基部（テーパ部に沿う部分）、９、３９・・・延出部分、１０、２０、４０、５０・・・光導波路素子、１２、３０・・・テーパ部、１２ａ、３０ａ・・・テーパ部の一方の側面、１２ｃ、３０ｃ・・・テーパ部の先端、１６ｃ、２５ｃ・・・延出部分の先端、２４・・・内側コア（コア）、２５・・・中間コア（補助コア）、２８・・・外側コア、３８・・・中間コア基部（テーパ部に沿う部分）、３８ａ・・・コアと同じ高さ範囲の部分。

Claims (6)

1. 先端（１２ｃ、３０ｃ）に向けて徐々に幅が狭くなるテーパ部（１２、３０）を有するコア（４、２４）と、
   前記テーパ部の一方の側面（１２ａ）のうち少なくとも前記先端を含む領域に接して設けられ、前記コアとは異なる材料からなる補助コア（５、２５）と、
   前記コアおよび補助コアを覆う上部クラッド（６、２６）と、を備え、
   前記上部クラッドは、前記コアより屈折率が低く、かつ前記補助コアとは異なる材料からなることを特徴とする光導波路素子（１０）。
2. 前記補助コアは、前記コアより屈折率が低く、かつ前記上部クラッドより屈折率が高い材料からなり、前記テーパ部の先端よりさらに先端側に延出して形成された延出部分（９、３９）を有し、
   前記延出部分は、先端（１６ｃ、２５ｃ）に向けて徐々に幅が狭くなるテーパ延出部（１６、３６）を有することを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
3. 前記補助コアは、前記上部クラッドより屈折率が高い材料からなり、前記テーパ部に沿う部分（８、３８）が、前記先端に向けた前記テーパ部の幅の減少に応じて徐々に幅が大きくなる形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路素子。
4. 前記補助コア（２５）は、上面位置が前記コアの上面位置より高く、前記テーパ部に沿う部分（３８）のうち前記コアと同じ高さ範囲の部分（３８ａ）が、前記テーパ部の幅の減少に応じて徐々に幅が大きくなる形状であることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の光導波路素子。
5. 前記補助コアは、前記上部クラッドより屈折率が低い材料からなり、前記テーパ部の先端よりさらに先端側に延出して形成された延出部分（９、３９）を有し、
   前記延出部分は、先端（１６ｃ、２５ｃ）に向けて徐々に幅が狭くなるテーパ延出部（１６、３６）を有することを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の光導波路素子。
6. 前記上部クラッドの上に、前記上部クラッドより屈折率が低い材料からなる外部クラッド（７）が形成されていることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１項に記載の光導波路素子。

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