JP2013231753A - スポットサイズ変換器およびその製造方法 - Google Patents

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

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. T. Shoji, T. Tsuchizawa, T. Watanabe, K. Yamada and H. Morita, "Low loss mode size converter from 0.3μm square Si wire waveguides to singlemode fibres", ELECTRONICS LETTERS 5th, Vol.38, No.25, pp.1669-1670, 2002. Masatoshi Tokushima, Akio Kamei, and Tsuyoshi Horikawa, "Dual-Tapered 10-m-Spot-Size Converter with Double Core for Coupling Polarization-Independent Silicon Rib Waveguides to Single-Mode Optical Fibers", Applied Physics Express, vol.5, 022202, 2012.

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ＳｉＯ_x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ＳｉＯ_x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、ＳｉＯ_x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。

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。 図１Ｂ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１Ｃ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１Ｄ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２Ａは、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特性図である。 図２Ｂは、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との関係を示す特性図である。 図２Ｃは、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特性図である。 図３Ａは、本発明の実施の形態における他のスポットサイズ変換器の構成を示す断面図である。 図３Ｂは、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特性図である。

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ＳｉＯ_x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ＳｉＯ_x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ＳｉＯ_x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ＳｉＯ_x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ＳｉＯ_xを堆積し、厚さ３μｍのＳｉＯ_x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ＳｉＯ_xを堆積すればよい。次いで、形成した上記ＳｉＯ_x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ＳｉＯ_x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ＳｉＯ_x膜の上に、屈折率１．４７のＳｉＯ_x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ＳｉＯ_x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ＳｉＯ_x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、ＳｉＯ_x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ＳｉＯ_x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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。