JP2013231753A - スポットサイズ変換器およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高い効率で光結合が実現できるスポットサイズ変換器が、工程数の増大が抑制された状態で形成できるようにする。
【解決手段】導波領域111の第1コア102の先端部から導波領域111に続くスポットサイズ変換領域112の光入出射端113まで配置され、先細りに形成した第1コア102の先端部を覆い、スポットサイズ変換領域112で光入出射端113にかけて先細りに形成された第2コア103を備える。また、スポットサイズ変換領域112で第2コア103を覆って下部クラッド層101の上の光入出射端113まで配置され、先細りの第2コア103の形状に沿って光入出射端にかけてコア部(リブ部)が先細りとされたスラブ型の第3コア104を備える。
【選択図】 図1A
【解決手段】導波領域111の第1コア102の先端部から導波領域111に続くスポットサイズ変換領域112の光入出射端113まで配置され、先細りに形成した第1コア102の先端部を覆い、スポットサイズ変換領域112で光入出射端113にかけて先細りに形成された第2コア103を備える。また、スポットサイズ変換領域112で第2コア103を覆って下部クラッド層101の上の光入出射端113まで配置され、先細りの第2コア103の形状に沿って光入出射端にかけてコア部(リブ部)が先細りとされたスラブ型の第3コア104を備える。
【選択図】 図1A
Description
本発明は、シリコン細線などを用いた導波路と光ファイバとを高効率で光結合するスポットサイズ変換器およびその製造方法に関する。
シリコン導波路と石英系導波路とを組み合わせた微小光回路技術は、光通信システムへの応用が期待され、研究開発が行われている。現在、SOI(Silicon on Insulator)基板上で、シリコン導波路とコア3μm幅×3μm高さの石英系導波路とをモノリシックに集積した光回路が実現されている(非特許文献1参照)。このような光回路をシングルモードファイバ(SMF)と光結合するためには、シリコン導波路およびコア3μm幅×3μm高さの石英系導波路に加え、SMFと光結合するためのスポットサイズ変換器をモノリシックに集積しなければならない。
シリコン導波路とSMFとの間のスポットサイズ変換器に関して、現在、以下に示す3つの手法が報告されている。第1に、SMFとの結合部に向けて漸次細くなるテーパシリコン導波路とSMF接続用導波路との間に、スポットサイズ変換器(非特許文献2参照)を作製し、モードフィールド径が約10μmのSMFと光結合する技術がある。
第2に、スポットサイズ変換器(非特許文献2参照)を2つ作製する技術がある。これは、シリコン導波路と石英系導波路との間、および石英系導波路とSMF接続用導波路との間に、各々スポットサイズ変換器を作製し、SMFと光結合する技術である。
第3に、シリコン導波路と石英系導波路との間にスポットサイズ変換器を作製して石英系導波路と接続し、更に石英系導波路幅のみを漸次拡大してSMFと光結合する技術がある(非特許文献3参照)。
Tai Tsuchizawa, Koji Yamada, Member, IEEE, Toshifumi Watanabe, Sungbong Park, Hidetaka Nishi,Rai Kou, Hiroyuki Shinojima, and Sei-ichi Itabashi, "Monolithic Integration of Silicon-, Germanium-,and Silica-Based Optical Devices for Telecommunications Applications", IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, vol.17, no.3, pp.516-525, 2011.
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しかしながら、上述した第1の技術では、石英系導波路コアを形成する時に堆積されるSiOx膜は、SMF接続用導波路形成領域から除去することになり、シリコンコアにダメージを与えず選択的に除去することが困難である。また、石英系導波路に加えてSMF接続用導波路コア形成工程が必要となり、リソグラフィなどの工程数が増大するという問題がある。
一方、第2の技術においては、石英系導波路コアのSiOx膜を除去する必要がないが、SMF接続用導波路コア形成のためのリソグラフィなどの工程数が増大するという問題がある。
これらに対し、第3の技術では、SiOx膜を除去する必要もなく、SMF接続用導波路コア形成工程も必要としないため、シリコンコアにダメージを与えることもなく、また、工程数の増大も招かない。しかしながら、SMF接続用導波路コアにおいて基板に垂直方向のモードフィールド径がSMFと大きく異なるため、結合効率が余りよくないという問題がある。
以上のように、前述した各技術では、高い効率で光結合が実現できるスポットサイズ変換器を、工程数の増大が抑制された状態で形成することが容易ではないという問題があった。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、高い効率で光結合が実現できるスポットサイズ変換器が、工程数の増大が抑制された状態で形成できるようにすることを目的とする。
本発明に係るスポットサイズ変換器は、下部クラッド層と、下部クラッド層の上の導波領域に形成されて導波領域において先細りの先端を備える第1コアと、導波領域の第1コアの先端部から導波領域に続くスポットサイズ変換領域の光入出射端まで配置され、先細りに形成されている第1コアの先端部を覆い、スポットサイズ変換領域で光入出射端にかけて先細りに形成された第2コアと、スポットサイズ変換領域で第2コアを覆って下部クラッド層の上の光入出射端まで配置され、先細りの第2コアの形状に沿って光入出射端にかけてコア部が先細りとされたスラブ型の第3コアと、第1コア,第2コア,および第3コアを覆って下部クラッド層の上に形成された上部クラッド層とを少なくとも備え、第2コアの屈折率は、第1コアより小さく、第3コアの屈折率は、第2コアより小さく、上部クラッド層の屈折率は、第3コアより小さくされている。なお、第1コアはシリコンから構成され、第2コアおよび第3コアは、シリコンの酸化物から構成されていればよい。
また、本発明に係るスポットサイズ変換器の製造方法は、下部クラッド層の上の導波領域において先端を備える第1コアを先端にかけて先細りに形成する工程と、導波領域の第1コアの先端部から導波領域に続くスポットサイズ変換領域の光入出射端まで配置され、先細りに形成した第1コアの先端部を覆い、スポットサイズ変換領域で光入出射端にかけて先細りの第2コアを形成する工程と、スポットサイズ変換領域で第2コアを覆って下部クラッド層の上の光入出射端まで配置され、先細りの第2コアの形状に沿って光入出射端にかけてコア部が先細りとされたスラブ型の第3コアを形成する工程とを少なくとも備え、第2コアは、第1コアより小さい屈折率の第1材料から構成し、第3コアは、第2コアより小さく、かつ、第3コアの上に設けられる上部クラッド層より大きい屈折率の第2材料から構成し、第3コアは、第2コアの上にステップカバレッジが1:1となる条件で第2材料を堆積することのみで形成する。
以上説明したことにより、本発明によれば、高い効率で光結合が実現できるスポットサイズ変換器が、工程数の増大が抑制された状態で形成できるようになるという優れた効果が得られる。
以下、本発明の実施の形態について図1A,図1B,図1C,図1D,図1Eを用いて説明する。図1Aは、本発明の実施の形態におけるスポットサイズ変換器の構成を示す平面図である。また、図1B,図1C,図1D,図1Eは、本発明の実施の形態におけるスポットサイズ変換器の構成を示す断面図である。図1Bは、図1AのBB’線の断面を示し、図1Cは図1AのCC’線の断面を示し、図1Dは、図1AのDD’線の断面を示し、図1Eは、図1AのEE’線の断面を示している。
このスポットサイズ変換器は、下部クラッド層101と、下部クラッド層101の上の導波領域111に形成されて導波領域111において先細りの先端を備える第1コア102を備える。また、導波領域111の第1コア102の先端部から導波領域111に続くスポットサイズ変換領域112の光入出射端113まで配置され、先細りに形成した第1コア102の先端部を覆い、スポットサイズ変換領域112で光入出射端113にかけて先細りに形成された第2コア103を備える。
なお、スポットサイズ変換器は、厳密には、スポットサイズ変換領域112の部分となるが、ここでは、説明の便宜上、一部の導波領域111も含めている。導波領域111では、例えば、第1コア102および第2コア103により、光回路が形成されている。ここで、第1コア102は、導波領域111内で、第2コア103と接続する箇所で、先端にかけて先細りに形成されている。
また、スポットサイズ変換領域112で第2コア103を覆って下部クラッド層101の上の光入出射端113まで配置され、先細りの第2コア103の形状に沿って光入出射端にかけてコア部(リブ部)が先細りとされたスラブ型の第3コア104を備える。また、第1コア102,第2コア103,および第3コア104を覆って下部クラッド層101の上に形成された上部クラッド層105を備える。
ここで、上述したように、第2コア103が、スポットサイズ変換領域112において、光入出射端113にかけて先細りに形成され、第3コア104も、第1コア102の先端より光入出射端113の側のスポットサイズ変換領域112において、光入出射端113にかけてコア部が先細りに形成され、この第3コア104の形状が堆積のみで形成できるところに特徴がある。なお、第2コア103の屈折率は、第1コア102より小さく、第3コア104の屈折率は、第2コア103より小さく、上部クラッド層105の屈折率は、第3コア104より小さくされている。
上記スポットサイズ変換器では、導波領域111を導波してきた光信号は、スポットサイズ変換領域112においてスポットサイズが拡大され、光入出射端113に光接続される光ファイバ(不図示)に光結合して導波する。
例えば、上述した構成は、よく知られたSOI基板(Silicon on Insulator)基板を用いて形成され、SOI基板の埋め込み絶縁層を下部クラッド層101として利用している。埋め込み絶縁層は、一般にはSiO2から構成されており、下部クラッド層101は、屈折率が1.44である。
また、SOI基板の表面シリコン層を加工することで形成した第1コア102は、シリコン(屈折率3.478)から構成され、導波領域111では、断面が0.4μm×0.22μmに形成されている。第1コア102は、導波領域111において第2コア103と接続する箇所で、先端部に行くほど先細りに形成され、例えば、図1AのCC’線の断面(図1C)では、幅0.08μm程度となっている。
また、第2コア103は、屈折率が1.49のSiOxから構成され、導波領域111で第1コア102と接続する領域および第2コア103よりなる導波領域(光回路形成部)などでは、断面が、3μm×3μmに形成されている。第2コア103は、スポットサイズ変換領域112において光入出射端113の側にかけて先細りに形成され、例えば、図1AのEE’線の断面(図1C)では、幅0.7μm程度となっている。また、第2コア103は、先細りの最も細い箇所から光入出射端113までの間は、幅が均一とされた、チップ化するなどの工程における製造上のマージン領域を備えている。
また、第3コア104は、屈折率1.47のSiOxから構成され、上述したように構成されている第2コア103の上に、屈折率1.47のSiOxをステップカバレッジ1:1で堆積することで形成されている。このように形成することで、スラブ型のコア部が第2コア103の形状に沿うように形成され、第3コア104のコア部も、第1コア102の先端より光入出射端113の側のスポットサイズ変換領域112で、光入出射端113にかけて先細りの形状となる。なお、上部クラッド層105は、例えば、屈折率1.466のSiOxから構成すればよい。
次に、本実施の形態におけるスポットサイズ変換器の製造方法について説明する。まず、下部クラッド層101の上のスポットサイズ変換領域112の手前の導波領域111において先端を備える第1コア102を、先端にかけて先細りに形成する。例えば、SOI基板の表面シリコン層を、公知のリソグラフィ技術およびエッチング技術によりパターニングすることで、第1コア102を形成する。
次に、第1コア102を覆う状態に下部クラッド層101の上に、屈折率1.49のSiOxを堆積し、厚さ3μmのSiOx膜を形成する。例えば、公知のスパッタ法もしくはCVD法により、屈折率1.49のSiOxを堆積すればよい。次いで、形成した上記SiOx膜を、公知のリソグラフィ技術およびエッチング技術によりパターニングすることで、第2コア103を形成する。これにより、下部クラッド層101の上で、導波領域111における第1コア102の先端部の領域より、スポットサイズ変換領域112の光入出射端113まで配置され、スポットサイズ変換領域112において光入出射端113にかけて先細りの第2コア103を形成する。このとき、導波領域111においては、第1コア102と結合する領域より第2コア103による石英系導波路が構成され、第1コア102によるシリコン導波路の領域では、全域に上記SiOx膜が残り、第1コア102の上に接した状態で上側のクラッド層の一部となる。
次に、第2コア103およびこれに続く上記SiOx膜の上に、屈折率1.47のSiOxをCVD法で堆積する。このとき、CVD法における堆積の各条件を適宜に設定することで、既に形成されている第2コア103の断面形状に対してステップカバレッジ1:1となるように、屈折率1.47のSiOxを堆積する。堆積量は、膜厚4μm程度となる条件とする。このように堆積することで、第2コア103が形成されている領域では、第2コア103の形状に沿うように形成されたコア部を備えるスラブ型の第3コア104が形成されるようになる。このため、スポットサイズ変換領域112では、第3コア104のコア部は、先細りとなっている第2コア103の形状に沿った形状になり、第3コア104は、光入出射端113にかけてコア部が先細りとなる。このように、堆積のみで第3コア104が形成できる。
このようにして各コアを形成した後、屈折率1.466のSiOx膜を全表面に成膜すれば、上部クラッド層105が形成できる。
以上に説明したように、本実施の形態によれば、スポットサイズ変換領域112では、光入出射端113に向けて漸次細くなる第2コア103および第3コア104により、スポットサイズが拡大される。ここでは、下部クラッド層101の平面に対して垂直な方向に、屈折率が徐々に低下する構成とされており、特に、垂直方向のモードフィールド径を拡大することができる。この結果、光ファイバに対して高効率で光結合させることが可能となる。なお、導波領域111においては、第1コア102よりなるシリコン導波路と第2コア103よりなる石英系導波路とが、先端部に向けて漸次細くなる第1コア102の部分により、スポットサイズ(モードフィールド径)が拡大されて光結合している。
図2Aに、光入出射端113における断面方向のTEモード光強度のシミュレーション結果を示す。第1コア102よりなるシリコン導波路から第2コア103よりなる石英系導波路に導波してきた光は、第2コア103より屈折率が低い第3コア104により閉じ込められた状態となり、光入出射端113におけるモードフィールド径は9.2μm×7.25μmとなる。上述した各材料および各寸法とした本実施の形態におけるスポットサイズ変換器によれば、SMFとの結合効率はTEモードで約0.94、TMモードで約0.93となる。TE、TMの両方において高い結合効率を得られる点が特長である。
図2Bに、光入出射端113における第2コア103のテーパ先端部の幅と、TEモードにおける結合効率の関係とを示す。図2Bにおいて、縦軸はSMFとの結合効率を示し、横軸はテーパ先端のコア幅を示す。第2コア103のテーパ先端のコア幅1.0μm以下において、0.9以上の結合効率が可能となる。
以上に説明したように、本実施の形態によれば、第3コア104をスラブ型としているので、CVD法などの成膜技術によりステップカバレッジが1:1となる条件で、SiOxなどの所定の屈折率の膜を形成すれば、コア形成のフォトリソグラフィ工程とエッチング工程を必要とせずに、スポットサイズ変換器が製造できる。このように、本実施の形態によれば、工程数の増大が抑制できる。また、上述したように、本実施の形態によれば、TE、TMの両方において高い結合効率が得られる。
ところで、製造工程上の精度により、光入出射端113までのマージン領域を0にすることは、現実的ではない。このマージン領域に関し、図2Cに、TEモードおよびTMモードにおける結合効率のマージン長さ依存性を示す。横軸が、マージン領域の長さであり、縦軸がSMFとの結合効率である。図2Cに示すように、TEモードおよびTMモード共に、マージン領域の長さを1mmまで延長しても結合効率は0.91以上である。このように、マージン領域に要求される精度は1mm以下と十分大きく、非常に加工が容易な構造となる。なお、図2Cに示すTEモードにおける結合効率の周期変化(〜±0.1)は、シミュレーション上の境界条件に起因した計算誤差によるものである。
ところで、上述では、屈折率1.466のSiOxから上部クラッド層105を構成したが、これに限るものではなく、図3Aに示すように、第3コア104の上に膜を形成せず、空気305が存在する状態としてもよい。このようにすることで、屈折率制御に高い精度を要求される上部クラッド層を形成する工程が省略できる。このため、上記構成とすることで、より工程が簡略化できる。なお、他の構成は、前述同様である。
ただし、空気の屈折率は1であるので、閉じ込めが強くなり、光入出射端113におけるモードフィールド径は、若干小さくなる。図3Bに、空気305を上部クラッド層とした場合の、光入出射端113におけるTEモードの等電界強度線を示す。この結果より、モードフィールド径は6.9μm×5.58μmとなり、SMFとの結合効率は約0.31となる。
以上に説明したように、本発明によれば、先細りの第1コア,第1コアを覆って第1コアより低い屈折率で先細りの第2コア、第2コアを覆って第2コアより低い屈折率でスラブ型のコア部が先細りに形成された第3コアから構成したので、まず、第1コアにダメージを与えることがなく、製造できる。また、第3コアは、パターニングする必要がなく、第2コアに対してセルフアライン的にコア形状が形成できるので、製造工程の増加が抑制できる。
また、上記3つのコアを用い、まず、光入出射端に向けて、先細りの構造を2段階として、平面方向にはよりモードフィールド径が広がるようにしている。また、膜厚方向(垂直方向)にも、徐々に屈折率を変化させる構造とし、この方向においても、よりモードフィールド径が広がるようにしている。この結果、水平方向に加えて垂直方向もモードフィールド径を拡大でき、SMFとの高い結合効率が得られるようになる。
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、第2コアおよび第3コアは、シリコンの酸化物に限るものではなく、例えば、シリコンの酸窒化物を用いるようにしてもよい。また、InPなどの化合物半導体からなるコアを用いた光回路においても、本発明は適用可能である。
101…下部クラッド層、102…第1コア、103…第2コア、104…第3コア、105…上部クラッド層、111…導波領域、112…スポットサイズ変換領域、113…光入出射端。
Claims (3)
- 下部クラッド層の上の導波領域において先端を備える第1コアを前記先端にかけて先細りに形成する工程と、
前記導波領域の前記第1コアの先端部から前記導波領域に続くスポットサイズ変換領域の光入出射端まで配置され、先細りに形成した前記第1コアの先端部を覆い、前記スポットサイズ変換領域で前記光入出射端にかけて先細りの第2コアを形成する工程と、
前記スポットサイズ変換領域で前記第2コアを覆って前記下部クラッド層の上の前記光入出射端まで配置され、先細りの前記第2コアの形状に沿って前記光入出射端にかけてコア部が先細りとされたスラブ型の第3コアを形成する工程と
を少なくとも備え、
前記第2コアは、前記第1コアより小さい屈折率の第1材料から構成し、
前記第3コアは、前記第2コアより小さく、かつ、前記第3コアの上に設けられる上部クラッド層より大きい屈折率の第2材料から構成し、
前記第3コアは、前記第2コアの上にステップカバレッジが1:1となる条件で前記第2材料を堆積することのみで形成する
ことを特徴とするスポットサイズ変換器の製造方法。 - 下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上の導波領域に形成されて前記導波領域において先細りの先端を備える第1コアと、
前記導波領域の前記第1コアの先端部から前記導波領域に続くスポットサイズ変換領域の光入出射端まで配置され、先細りに形成されている前記第1コアの先端部を覆い、前記スポットサイズ変換領域で前記光入出射端にかけて先細りに形成された第2コアと、
前記スポットサイズ変換領域で前記第2コアを覆って前記下部クラッド層の上の前記光入出射端まで配置され、先細りの前記第2コアの形状に沿って前記光入出射端にかけてコア部が先細りとされたスラブ型の第3コアと、
前記第1コア,前記第2コア,および前記第3コアを覆って前記下部クラッド層の上に形成された上部クラッド層と
を少なくとも備え、
前記第2コアの屈折率は、前記第1コアより小さく、前記第3コアの屈折率は、前記第2コアより小さく、前記上部クラッド層の屈折率は、前記第3コアより小さくされている
ことを特徴とするスポットサイズ変換器。 - 請求項2記載のスポットサイズ変換器において、
前記第1コアはシリコンから構成され、
前記第2コアおよび前記第3コアは、シリコンの酸化物から構成されていることを特徴とするスポットサイズ変換器。
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