JP2014035435A

JP2014035435A - 光結合回路素子及びその作製方法

Info

Publication number: JP2014035435A
Application number: JP2012176355A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Aozasa; 真一青笹; Masao Kurata; 優生倉田; Yusuke Nasu; 悠介那須; Munehisa Tamura; 宗久田村; Ryoichi Kasahara; 亮一笠原; Mikitaka Itou; 幹隆井藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-08-08
Filing date: 2012-08-08
Publication date: 2014-02-24
Anticipated expiration: 2032-08-08
Also published as: JP5904901B2

Abstract

【課題】ノード装置の光導波回路で使われる光路変換ミラーに対する要求を満たし、且つ、集光性のある光路変換ミラーを備えた光導波回路及びその作製方法を提供すること。
【解決手段】本発明では、形成するミラーの角度に応じてミラー形成部におけるレジスト膜を形成する位置を変えることで、湾曲したミラー面を形成する。かかる湾曲したミラー面により光の集光性を大幅に向上させることが可能である（図２（ｂ）を参照）。本発明の方法は、光導波路上に光学素子を配置した後にミラー面を形成することが可能であるため、個々の光学素子の作製状態に合わせて、高精度にミラーの形成条件・形状を変えることが可能である。
【選択図】図４

Description

本発明は、光結合回路素子及びその作製方法に関する。より詳細には、本発明は、光の光路を変換しフォトダイオード（本明細書では「ＰＤ」ともいう）に結合させるためのミラー構造を備えた光結合回路素子及びその作製方法に関する。

近年、光ファイバ伝送の普及に伴い、多数の光機能素子を高密度に集積する技術が求められている。その技術の一つとして、石英系平面光導波路回路（以下、ＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit）ともいう）が知られている。ＰＬＣは低損失、高信頼性、高い設計自由度といった優れた特徴を有し、複合機能一体集積のプラットフォームとして有望である。

実際に伝送端局における光受信装置にはＰＤなどの受光素子からなる光モジュールや、レーザーダイオード（以下、ＬＤともいう。）などの発光素子と、合分波器、分岐・結合器、光変調器などの機能素子が形成されたＰＬＣとが光結合により実装されている。また、例えば、波長多重分割伝送方式におけるノード装置においては、ＰＬＣの中の複数の光導波路についての光強度を監視するために、多数のＰＤが集積化されて実装されている。

光導波路と受（発）光素子の光結合を可能とする構造として、図１に示すような、光導波路の一部の領域に、基板面に対して垂直方向に光路を変換する反射ミラーを設ける構造が提案されている。図１に示すように、下部クラッド１０２と、コア１０３と、上部クラッド１０４とから構成された光導波路を進行する光が、ミラー１０５で基板面に対して垂直に反射されてＰＤ受光部１０６に結合する構造が提案されている。

光路変換ミラーの作製時に要求される条件について説明する。例えば、上述したノード装置の光導波回路で使用される光路変換ミラーは、下記のような多様な条件を満たす必要がある。

第一に、ノード装置には監視対象となる光導波路と監視対象外の光導波路とが混在しているので、監視対象外の光導波路に対して物理的にも光学的にも影響を与えることなく、任意の光導波路の光を取り出すことができなければならない。

第二に、アレイ型のＰＤとの光学的結合のために、高い位置精度、角度精度が要求される。

第三に、ＰＤにおける受光損失の増大、クロストークの劣化を防ぐために、高い鏡面粗さ精度が要求される。

第四に、小型化、集積化のために、光路変換ミラーに近接してＰＤを実装可能であることが求められる（例えば、受光径２０μｍのＰＤ受光部では、光導波路端部からＰＤ受光部までの距離が１０μｍ〜１００μｍであることが望ましい）。

第五に、ＰＤを実装するときのアライメントおよび使用環境条件において位置ズレを起こさないように、ミラーを固定することが望ましい。

第六に、光導波回路の高機能化のために、ミラーは、レンズ効果、フィルタ効果を追加可能であることが望ましい。

光結合回路において光を反射させる構造を作製する方法について説明する。このような方法として、（１）ＰＬＣにダイシングソー等の機械加工により基板垂直方向に対して斜めに傾いた溝を形成し、この溝の中に、薄膜反射フィルタを挿入する方法、（２）ポリマ導波路の一端部にレーザブレーションによりマイクロミラーを形成する方法、（３）導波路端部にエッチングにより基板面まで溝を掘り、溝の中に樹脂の表面張力を用いた斜面を形成し、この斜面にミラーを設置する方法、（４）導波路端部にエッチングにより基板垂直方向に対して斜めに傾いた溝を形成しその端面に金属蒸着膜等による反射体を形成する方法等が提案されている。

（１）の方法は、簡便なものの、導波路端部において、所望の光導波路以外の光導波路を、一緒に切断してしまう恐れがあり、用途が限定されるという問題がある。

（２）の方法は、ポリマ導波路のみに適用でき、実用的なＰＬＣとして最も期待される石英系光導波路では、レーザブレーションによる加工が極めて難しいという問題がある。

（３）の方法は、石英系光導波路をはじめとする各種導波路材料に幅広く適用でき、作製が容易な構造も提案されている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１には、樹脂斜面をミラー支持体とする構造であり、ミラーの鏡面精度、光導波路とのアライメント精度が高く、高性能かつ生産性の高い光路変換ミラーが提案されている。しかし、光が光素子へ到達するまでに屈折率の異なる複数の界面を通過するために、挿入損失や反射損失が高くなる恐れがある。

(４)の方法は、光素子の素となるエピタキシャル膜を張り付けた後に光素子の加工を行った上でミラー加工を行う方法であり、ウェハプロセスを採用することが可能である。従って、高精度のＰＤ加工とミラー加工とを両立することができる点で有利である（例えば、非特許文献１、非特許文献２を参照）。

特開２０１２−０４２５１５号公報

倉田優生、那須悠介、田村宗久、村本好史、横山春喜,"ヘテロジニアス技術による高速InP-PD集積型石英系PLCデバイス", 信ソ会,2011, C-3-33 (2011) Kurata, Yu; Nasu, Yusuke; Tamura, Munehisa; Yokoyama, Haruki; Muramoto, Yoshifumi, "Heterogeneous Integration of High-Speed InP PDs on Silica-Based Planar Lightwave Circuit Platform", Proc. ECOC2011, Th.12, LeSaleve.5, (2011)

しかしながら、上記（４）の導波路端部にエッチングにより基板垂直方向に対して斜めに傾いた溝を形成しその端面に金属蒸着膜等による反射体を形成する方法では、高精度のＰＤ加工とミラー加工とが両立可能であるものの、平面のミラーしか形成できないため、ミラー反射後の光の散乱角が大きくなるという問題があった（図２（ａ）を参照）。光の散乱角が大きくなると、ＰＤ受光部２０６の受光径を大きくしなければならず、ＰＤ素子帯域が十分に得られないという問題があった（ＰＤ素子帯域は、受光面積に反比例する）。

本発明は、このような問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、上述のノード装置の光導波回路で使われる光路変換ミラーに対する要求を満たし、且つ、集光性のある光路変換ミラーを備えた光導波回路及びその作製方法を提供することである。

本発明は、基板と、基板上に形成された光導波路と、光導波路上の光学素子と、光導波路を伝播する光を反射して光学素子に結合させるために光導波路端部に形成されるミラーとを備えた光結合回路であって、光導波路は、コア及びクラッドから構成され、ミラーは、光導波路が形成された基板の面の法線方向（ｚ軸方向とする）に対して湾曲していることを特徴とする。

本発明は、基板と、基板上に形成された光導波路と、光導波路上の光学素子と、光導波路を伝播する光を反射して光学素子に結合させるために光導波路端部に形成されるミラーとを備えた光結合回路であって、光導波路は、コア及びクラッドから構成され、ミラーは、光導波路が積層する基板の面の法線方向（ｚ軸方向とする）と、光導波路の伸長方向（ｘ軸方向とする）とに垂直な方向（ｙ軸方向とする）に対して湾曲していることを特徴とする。

本発明の一実施形態において、光導波路は、コアからｙ軸方向に沿って所定距離離れた２箇所に高ドーパント層を更に備えたことを特徴とする。

本発明の一実施形態において、ミラーはｚ軸方向に対して湾曲していることを特徴とする。

本発明の一実施形態において、光学素子は、フォトダイオード（以下、ＰＤとする）であり、ＰＤの受光部は、ｐコンタクト層及びｎコンタクト層から構成され、ｐコンタクト層は、円形であり、ｎコンタクト層は、ｐコンタクト層の円形形状に沿った湾曲構造を持つことを特徴とする。

本発明の一実施形態において、光導波路は、マルチモード導波路であることを特徴とする。

本発明の一実施形態において、ミラーは、光導波路の光が出射するコア端部から離れて形成されることを特徴とする。

本発明では、形成するミラーの角度に応じてミラー形成部におけるレジスト膜を形成する位置を変えることで、湾曲したミラー面を形成する。かかる湾曲したミラー面により光の集光性を大幅に向上させることが可能である（図２（ｂ）を参照）。その結果、ＰＤ受光部２０６の受光径を小さくすることができる。

また、ミラー作製位置付近の光導波路の近傍に光導波路部分よりもエッチング速度が速い高ドーパント層を配置することで湾曲したミラー面を形成することが可能であり、上記と同様の効果が得られる。

本発明の方法は、光導波路部に光学素子を配置した後にミラー面を形成することが可能であるため、個々の光学素子の作製状態に合わせて、高精度にミラーの形成条件・形状を変えることが可能である。

従来技術に係る、光を反射してＰＤに結合させる反射ミラーを備えた構造を説明する図である。（ａ）は従来技術の課題を説明する図であり、（ｂ）は本発明の効果を説明する図である。本発明の第１の実施形態に係る、光結合回路素子の基本構造を説明する図である。本発明の第１の実施形態に係る、光結合回路素子を作製する方法を説明する図である。本発明の第１の実施形態に係る、光結合回路素子を説明する図である。本発明の第２の実施形態に係る、光結合回路素子を作製する方法を説明する図である。本発明の第２の実施形態に係る、光結合回路素子を説明する図である。本発明の第３の実施形態に係る、光結合回路素子を説明する図である。本発明の第３の実施形態に係る、光結合回路素子を作製する方法を説明する図である。本発明の第４の実施形態に係る、光結合回路素子を作製するために使用する光導波路の構造を説明する図である。本発明の第４の実施形態に係る、光結合回路素子を作製するために使用する光導波路を説明する図である。本発明の第４の実施形態に係る、光結合回路素子を説明する図である。本発明の第４の実施形態に係る、光結合回路素子の構造を説明する図である。本発明の第５の実施形態に係る、光結合回路素子を構成するＰＤを説明するための図である。本発明の第６の実施形態に係る、光結合回路素子の構造を説明する図である。本発明の第６の実施形態に係る、光結合回路素子を説明する図である。本発明の第７の実施形態に係る、光結合回路素子を説明する図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１の実施形態）
図３に、本実施形態に係る光結合回路素子の基本構成を示す。本実施形態に係る光結合回路素子は、基板３０１と、基板３０１上に成膜された光導波路と、光導波路上に配置された光学素子３０６とから構成される。光学素子３０６付近の光導波路端において、湾曲面のミラー３０５が形成される。

基板３０１は、Ｓｉ基板を使用する。

光導波路は、下部クラッド３０２と、コア３０３と、上部クラッド３０４とから構成される。光導波路の材料は石英系ガラスである。なお、石英系導波路を用いた(平面)光回路を石英系ＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit）と呼んでいる。

ミラー３０５は、異方性エッチングにより光導波路に斜めの溝を形成することと、光導波路端に金属を蒸着することによって作製する。異方性エッチングの例としては例えば異方性プラズマエッチングがある。蒸着する金属としてＡｕ，Ａｌ等を使用することができる。ミラーの作製方法は、後で詳細に説明する。ミラー３０５は湾曲面を有し、光導波路のコア部３０３又は光学素子３０６付近で伝搬光に対して焦点位置を持つ。

光学素子３０６は、ＰＤ又はＬＤである。

光導波路を進行する光は、ミラー３０５で反射されて光学素子３０６に結合する。ミラー３０５が光学素子付近に焦点位置を持つので、光はミラー３０５によって反射された後、集光されて光学素子３０６に結合することとなる。従って、光学素子がＰＤであれば、ＰＤを高速化することができる。

図４に、本発明に係る光結合回路素子を作製する方法の一例を示す。

最初に、Ｓｉ基板４０１上で、下部クラッド４０２（厚さ：３０μｍ）と、コア４０３（厚さ：４．５μｍ、幅：４．５μｍ）と、上部クラッド４０４（厚さ：２０μｍ）とを順次成膜して、光導波路を作製し、作製した光導波路上に光学素子を配置する。図４に示す例では、光学素子としてＰＤ４０５を使用している（図４（ａ）を参照）。

次いで、石英系導波路が搭載されたＳｉ基板全体（光導波路及びＰＤ４０５を含む）に対してフォトレジスト４０６を塗布する。露光後、現像を行い、ミラーを形成するための溝（本明細書では「ミラー溝」ともいう）を形成する部分のフォトレジストを除去する。ミラー溝を形成するためにフォトレジストが除去された部分をミラー開口部４０７という（図４（ｂ）を参照）。

残っているフォトレジスト４０６をマスクとして、ミラー開口部４０７より異方性プラズマエッチングを行うことにより、光導波路伸長方向に対する角度が３０度のミラー溝４０８を形成する（図４（ｃ）を参照）。

この異方性プラズマエッチングを用いたミラー溝加工(斜め溝加工)は以下のように行われる。エッチングチャンバー（以下、「チャンバー」ともいう。）を真空まで排気した後、エッチングガスを流入し、高周波電圧を印加することでチャンバー内にプラズマを発生させる。その後、チャンバー上部と下部に電極面が平行になるように設けられた電極に電圧を印加することでチャンバー内に電界を誘起する。すると、プラズマ中のイオンが電界に従って電極へと引き寄せられる。イオンはチャンバー底面（下部電極）に対し、垂直に引き寄せられ、加速するため、エッチング対象に対して一方向からのみ衝突し、異方性のエッチングが進行する。したがって、チャンバー内に加工対象であるＰＬＣを傾けて設置することでイオンが斜めにＰＬＣに衝突し、斜めにエッチングが行われ、斜め溝加工が可能となる。

次いで、レジスト除去液によりフォトレジストを洗浄し、全てのレジストを一旦除去する。レジストを除去した後、Ｓｉ基板全体（光導波路及びＰＤ４０５を含む）に対してフォトレジスト４０６を再度塗布する。この際、ミラー開口部４０７の幅が、前にミラー開口部を形成したときより（図４（ｂ））、ＰＤ４０５方向に２０μｍ程度広くなるように露光・現像を行う。（図４（ｄ）を参照）。

フォトプロセスにより、ミラー開口部を形成した後、異方性プラズマエッチングにより、光導波路伸長方向に対する角度が４５度のミラー溝４０８を形成する（図４（ｅ）を参照）。

次いで、レジスト除去液によりフォトレジストを洗浄し、全てのレジストを一旦除去する。レジストを除去した後、Ｓｉ基板全体（光導波路及びＰＤ４０５を含む）に対してフォトレジスト４０６を再度塗布する。この際、ミラー開口部４０７の幅が、前にミラー開口部を形成したときより（図４（ｄ））、ＰＤ４０５方向に１１μｍ程度広くなるように露光・現像を行う。（図４（ｆ）を参照）。

フォトプロセスにより、ミラー開口部を形成した後、異方性プラズマエッチングにより、光導波路伸長方向に対する角度が６０度のミラー溝４０８を形成する。これにより、ＰＤ４０５付近の光導波路端において、３面から成る面を得ることができる（図４（ｇ）を参照）。ウェットエッチングは化学薬品を使用し、エッチング部位との化学反応により
エッチングが進行する。酸化膜のエッチング溶液としては、NH4F:HF:H2Oの水溶液、HF:H2Oの水溶液等がある。溶液の混合比率を変えることでエッチングレートを調節することができる。

次いで、３面から成る面にＡｕを蒸着し高反射率のミラーを形成する。Ａｕ蒸着前に、ウェットエッチングを行うことにより、全体的に湾曲したミラー面を得ることができる（図４（ｈ）を参照）。

作製されたミラーは、光導波路より伝搬してきた光を反射して、波長１３００ｎｍ付近を中心にＰＤ受光面で焦点を結ぶように湾曲面が形成されている。

図４に示した例では、異方性プラズマエッチングを３回行うことによって、３面から成るミラー面を得たが、異方性プラズマエッチングを３回より多く行うことによって、より多面なミラー面を得ることができる。この場合、次の（式１）を満たす必要がある。

ここで、ｎは１以上の整数であり、Ｄ_ｎ＋１＝０とする。以下、図５を参照しながら（式１）を説明する。

Ｌ_ｎは、ｎ回目の異方性プラズマエッチングの際にフォトレジストをどこまで塗布するかを示すパラメータであり、ＰＤからｎ回目の異方性プラズマエッチングの際に設定されるミラー開口部までの距離を表す。

Ｄ_ｎは、ｎ回目の異方性プラズマエッチングの際にどの程度の深さまでミラー溝を形成するのかを示すパラメータであり、ＰＤが配置された光導波路の面とｎ回目の異方性プラズマエッチングで形成されるミラー面の下端との間の距離を表す。

θ_ｎは、ｎ回目の異方性プラズマエッチングの際のエッチング角度を示すパラメータであり、ｎ回目の異方性プラズマエッチングで形成されるミラー面の光導波路伸長方向に対する角度を表す。

上述した本実施形態の場合（異方性プラズマエッチングを３回行うことによって、３面から成るミラー面を得る場合）、ｎ＝１〜３であり、Ｄ_１＝５０μｍ，Ｄ_２＝２９μｍ，Ｄ_３＝２７μｍ，θ_１＝３０°，θ_２＝４５°，θ_３＝６０°，Ｌ_１＝８６．６μｍ，Ｌ_２＝６５．４μｍ，Ｌ_３＝５４．０μｍであった。

また、本実施形態において、光導波路からＰＤへの結合損失は、０．７ｄＢ（１３００ｎｍ）であった。

（第２の実施形態）
上記第１の実施形態では、異方性プラズマエッチングを複数回行って多面から成るミラー面を得た後でウェットエッチングを行い、全体的に湾曲した面を得た。本実施形態では、図６に示すように、異方性プラズマエッチングを複数回行って多面から成るミラー面を得た後で、ミラー面の各頂点の周辺のみをウェットエッチングにより削り込むことにより、複数の湾曲した面から成るミラー面を形成する。

ミラー面の各頂点の周辺のみをウェットエッチングするので、本実施形態のウェットエッチングでは第１の実施形態の場合と比較すると、基本的にエッチング量は少なくなる。また、ミラー面形成後、必要に応じて金属膜（Ａｕ，Ａｌ等）を蒸着し、反射率を向上することが可能である。

このような複数の湾曲した面から成るミラー面を持つ光結合回路素子は、マルチモードを分離する受信回路に応用することができる。図７を参照すると、本実施形態に係る光結合回路素子は、Ｓｉ基板７０１と、Ｓｉ基板７０１上に成膜された光導波路（下部クラッド７０２（厚さ：２０μｍ）と、コア７０３（厚さ：６．０μｍ、幅：１２．０μｍ）と、上部クラッド７０４（厚さ：２０μｍ）とから構成される）と、光導波路上に配置された基本モード受信ＰＤ７０５及び高次モード受信ＰＤ７０６と、ミラー７０７とから構成される。ミラー７０７は、複数の湾曲面を有している。

図７に示すように、光伝播分布は、基本モードの光がコアの中心付近に多く分布する一方、高次モードの光はより広い範囲で分布している。従って、ミラー面を形成する複数の湾曲面を夫々、基本モードの光伝播分布が高い位置又は高次モードの光伝播分布が高い位置に形成することにより、基本モードの光が反射する方向と高次モードの光が反射する方向とが夫々異なるようにすることができる。ミラー７０７で反射された基本モードの光７０８は、基本モード受信ＰＤ７０５に結合する。ミラー７０７で反射された高次モードの光７０９は、高次モード受信ＰＤ７０６に結合する。

当然のことであるが、基本モード受信ＰＤに高次モード光の一部が結合する場合はあるが、高次モード受信ＰＤの受信特性と比較することで、基本モード受信ＰＤにおける基本モード光の成分のみを抽出し、受信特性を向上することができる。

また、本実施形態において、光導波路からＰＤへの結合損失は、基本モード受信ＰＤにおいて０．７ｄＢ（１５５０ｎｍ）であり、高次モード受信ＰＤにおいて１．０ｄＢ（１５５０ｎｍ）であった。

（第３の実施形態）
図８に示すように、本実施形態に係る光結合回路素子は、Ｓｉ基板８０１と、Ｓｉ基板８０１上の第１の導波路層８０２と、第１の導波路層８０２上の第２の導波路層８０３と、第２の導波路層８０３上の第３の導波路層８０４と、第３の導波路層８０４上に配置されたＰＤ８０６と、複数の湾曲面を有するミラー８０７とから構成された光結合回路素子であって、高ドーパント層８０５が、第１の導波路層８０２と第２の導波路層８０３との間及び第２の導波路層８０３と第３の導波路層８０４との間に積層されている。ドーパント物質として、Ｇｅ，Ｂ，Ｐ，Ｆ等を用いることができる。これらのドーパント物質は光導波路のコアもしくはクラッド部に添加される場合もあるので、その場合にはそれらの添加量より高くする必要がある。ただし添加する物質により単位体積あたり添加量が同じでもエッチング速度が異なるため、必要なエッチング量に応じてドーパント物質を選択する必要がある。またある程度高いエッチングレートを得たい場合には、1mol%以上添加するのが望ましい。

第１の導波路層８０２を通る光と、第２の導波路層８０３を通る光と、第３の導波路層８０４を通る光とは夫々、ミラー８０７で異なる方向に反射されて、対応する個別のＰＤに結合する。

図９に本実施形態に係る光結合回路素子を作製する方法を示す。本実施形態においても、上記の実施形態と同様、異方性プラズマエッチングを複数回行って多面から成るミラー面を得、次いでウェットエッチングにより湾曲したミラー面を形成する。ただし、本実施形態に係る構造では、導波路層と導波路層との間に高ドーパント層が積層されているために、ウェットエッチングプロセスにおいて高ドーパント層の部分が優先的に削られることとなる。この性質を利用することによって、複数の湾曲面を有するミラーが得られる。

また、本実施形態において、光導波路からＰＤへの結合損失は、第１導波路層が０．８ｄＢ（１４８０ｎｍ）であり、第２導波路層が０．９ｄＢ（１３００ｎｍ）であり、第３導波路層が１．０ｄＢ（１５５０ｎｍ）であった。

（第４の実施形態）
上記の、第１乃至第３の実施形態では、光導波路が形成された基板の面の法線方向に対して湾曲したミラー面（本明細書では「縦方向に湾曲したミラー面」ともいう）を形成した。本実施形態では、光導波路が形成された基板の面の法線方向とコアの伸長方向との両方に垂直な方向に対して湾曲したミラー面（本明細書では「水平方向に湾曲したミラー面」又は「横方向に湾曲したミラー面」ともいう）を形成する。

水平方向に湾曲したミラー面を得るために、本実施形態で使用する光導波路は、図１０に示す構造を持つ。

図１０（ａ）は、本実施形態で使用する光導波路の上面図である。図１０（ｂ）は、本実施形態で使用する光導波路の正面図である。図１０（ｃ）は、本実施形態で使用する光導波路の、図１０（ａ）の断面線Ａ−Ａ’における断面図である。図１０では、コアが伸長する方向がｘ軸方向、導波路が配置される基板の面（図示せず）の法線方向がｚ軸方向、ｘ軸及びｚ軸に垂直な方向がｙ軸方向となるように座標軸を設定している。この座標軸は、以後の説明において同様に設定されるものとする。

本実施形態で使用する光導波路が、コア１００１と、クラッド１００２とから構成されることは第１の実施形態と同様である（図１０（ｃ）を参照）。しかし、本実施形態で使用する光導波路は、将来的にＰＤが配置される場所付近の光導波路端部において、コア１００１周辺部に高ドーパント層１００３−１，１００３−２を備えており、この点において第１の実施形態と相違する（図１０（ａ）及び図１０（ｂ）を参照）。

図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すように、本実施形態で使用する光導波路は、コア１００１からｙ軸方向に沿って所定距離離れた箇所（コアを中心にして２箇所が存在する）に高ドーパント層１００３−１，１００３−２を備えている。

図１０で示す光導波路は、一般的な導波路作製と同様、膜堆積等により作製することができる。また、図１０で示す光導波路は、コア及びクラッドから成る光導波路を作製した後にドーパントを注入することにより作製することもできる。ドーパントとして、Ｇｅ，Ｂ，Ｐ，Ｆを使用することができる。これらのドーパント物質は光導波路のコアもしくはクラッド部に添加される場合もあるので、その場合にはそれらの添加量より高くする必要がある。ただし添加する物質により単位体積あたり添加量が同じでもエッチング速度が異なるため、必要なエッチング量に応じてドーパント物質を選択する必要がある。またある程度高いエッチングレートを得たい場合には、1mol%以上添加するのが望ましい。

図１１に、本実施形態で使用する光導波路の正面図（図１１（ａ））と、ｙ軸方向の位置に対するドーパント（Ｂ）濃度のグラフ（図１１（ｂ））とを示す。

図１０及び図１１で示した光導波路を使用して作製した光結合回路素子について説明する。Ｓｉ基板上に本実施形態で使用する光導波路を作製し、作製した光導波路上にＰＤを配置する。次いで、異方性プラズマエッチングを１回行い、光導波路に対して斜めの溝を形成する。次いで、異方性プラズマエッチングにより形成した面に金属膜(Ａｕ，Ａｌ等)を蒸着してミラーを形成する。異方性プラズマエッチングを行う回数が１回であること、並びに、使用する光導波路の構造が異なることを除けば、作製プロセスは第１の実施形態と同様である。

図１２に、作製プロセス後の本実施形態に係る光結合回路素子の構成を示す。図１２は、本実施形態に係る光結合回路素子の上面図である（基板は図示せず）。

前述したように、本実施形態で使用する光導波路は、ＰＤが配置される場所付近の光導波路端部において、コア周辺部に高ドーパント層を備えた構成を持つ。ミラー面形成のための異方性プラズマエッチングの際は、高ドーパント層が優先的に削られるので、コア付近よりもクラッドと高ドーパント層のエッジ付近の方がより削られることとなる。この性質を利用することにより、平面方向に湾曲した面を形成することができる。

本実施形態は、第１の実施形態と共に使用することができる。具体的には、本実施形態で使用する光導波路に対して、異方性プラズマエッチングを複数回行うことにより、縦方向と水平方向との両方に対して湾曲したミラー面を形成することができる。これにより、光が反射するミラー部の形状を球面形状にすることができる。

図１３は、球面形状のミラーを備えた光結合回路素子の構造を示す図である。図１３（ａ）は、光結合回路素子の上面図である。図１３（ｂ）は、光結合回路素子の正面図である。図１３（ｃ）は、光結合回路素子の、図１３（ａ）の断面線Ａ−Ａ’における断面図である。球面形状のミラー構造により、信号光を、縦方向及び横方向に集光することが可能である。

なお、上述の本実施形態では、水平方向に湾曲したミラーを形成するために高ドーパント層を備えた光導波路を使用したが、高ドーパント層の代わりに、湾曲構造が形成できるよう設計したフォトマスクを使用することによっても水平方向に湾曲したミラーを形成することができる。

（第５の実施形態）
本実施形態では、第４の実施形態に係る水平方向に湾曲したミラー構造を、特定の構造を持つＰＤと共に用いる。これにより、集光特性の向上を実現しつつ複数のＰＤを近接して配置することが可能となる。

図１４（ａ）は、従来の構造のＰＤ受光部に、平面ミラーで反射した光が結合される様子を上から見た図である。なお、図１４（ａ）及び後述の図１４（ｂ）では、説明のために、ミラー及び受光部以外の構成要素は省略して図示した。ＰＤ受光部は、ｐコンタクト層１４０１とｎコンタクト層１４０２とから構成される。ｐコンタクト層１４０１は、上から見て円形の形状に構成されている。平面ミラー１４０３で反射された光１４１１は特に集光されないので、ｎコンタクト層１４０２は、平面ミラー１４０３の面に沿った直線形状を備えていなければならない（図１４（ａ）を参照）。

これに対し、本実施形態では、湾曲したミラー１４０４で反射した光１４１１を集光してＰＤ受光部に結合させる（図１４（ｂ）を参照）。ｐコンタクト層１４０１は、上から見て円形の形状に構成されている。ｎコンタクト層１４０２は、ｐコンタクト層１４０１が持つ円形の形状に沿った湾曲形状を持つ。かかる構成により、ミラー面からＰＤ受光部までの距離を等距離かつ短尺にすることが可能であるので、受信光のＰＤへの結合率や高速信号の受光特性を改善することが可能である。

また、ｎコンタクト層にｐコンタクト層が持つ円形の形状に沿った湾曲形状を持たせることで、ＰＤのサイズを従来のＰＤのサイズより小さくすることができる（図１４（ｃ）を参照）。

また、光導波路からＰＤへの結合損失は、図１４（ａ）に示す構造において０．９ｄＢ（１５５０ｎｍ）、図１４（ｂ）に示す構造において０．５ｄＢ（１５５０ｎｍ）であり、図１４（ａ）の受信帯域が２５ＧＨｚであるのに対し、図１４（ｂ）が５４ＧＨｚであった。

（第６の実施形態）
本実施形態では、第４の実施形態で説明した水平方向に湾曲したミラー構造を、マルチモード導波路と共に用いる。本実施形態に係る光結合回路素子を、図１５に示す。

図１５（ａ）は、本実施形態に係る光結合回路素子の上面図である。図１５（ｂ）は、本実施形態に係る光結合回路素子の正面図である。図１５（ｃ）は、本実施形態に係る光結合回路素子の、図１５（ａ）の断面線Ａ−Ａ’における断面図である。

図１５に示すように、本実施形態に係る光結合回路素子は、コア１５０１及びクラッド１５０２から成る光導波路と、ＰＤ１５０４と、ミラー１５０５とから構成される。

本実施形態では、コア１５０１及びクラッド１５０２から成る光導波路は、マルチモード導波路である。図１５（ｂ）に示すように、光伝播方向と垂直なコア１５０１の断面は、横長の矩形である。

ミラー１５０５は水平方向に湾曲した構造を持つ。異方性プラズマエッチングの際、高ドーパント層１５０３−１，１５０３−２が優先的に削られる性質を利用して水平方向に湾曲した構造を得ることは、（第４の実施形態）で説明した。光導波路を伝播するマルチモードの光は、湾曲ミラー１５０５で反射されてＰＤ１５０４に結合する。

本実施形態では、水平方向に湾曲したミラーと、マルチモード導波路とを併せ持った光結合回路素子を使用する。図１６（ｂ）は、断面が矩形のマルチモード導波路を伝播するマルチモード信号光の強度分布を示す図である。図１６（ｃ）は、ミラーで反射されたマルチモード信号光がＰＤに結合する際の強度分布を示す図である。図１６（ｂ）及び図１６（ｃ）に示すように、マルチモード信号光は、湾曲したミラー１６０４により横方向に集光される。従って、楕円形の光フィールド分布を円形の光フィールド分布に変換することができる。よって、作製技術が円熟している円形ＰＤ受光部に合わせて光フィールドの形状を変換できるため、ＰＤの小型化、高速化、及び高感度化に資する。

また本実施形態において、光導波路からＰＤへの結合損失は、０．７ｄＢ（１４８０ｎｍ）であった。

（第７の実施形態）
図１７に、本実施形態に係る光結合回路素子の構造を示す。図１７に示すように、ミラー１７０４は、コア１７０１の端部から離れた場所に形成される。図１７に示す光導波路は、一般的な導波路作製と同様、膜堆積等により作製することができる。

コア１７０１を伝播する光は、コア１７０１端部から出射され、コア１７０１端部とミラー１７０４との間の導波路を伝播し、ミラー１７０４で反射され、ＰＤ１７０３に結合する。ミラー１７０４がコア１７０１端部から離れた場所にあるため、光は、コア１７０１端部からミラー１７０５へ向かって伝搬し、一旦拡散してミラー面で反射された後、集光されＰＤ１７０４へ結合する。拡散して伝播する光は、コア端面がミラー面に一致している場合の反射光と比較すると、より大きな面積の範囲に亘ってミラーで反射されるため、ミラー面の面粗さの影響を抑制することが可能である。従って、光の集光精度を向上させることができる。

また、本実施形態において、光導波路からＰＤへの結合損失は、０．６ｄＢ（１４８０ｎｍ）であった。

１００ＰＬＣ
１０１基板
１０２下部クラッド
１０３コア
１０４上部クラッド
１０５ミラー
１０６ＰＤ受光部
１０７ＰＤ

２００ＰＬＣ
２０１基板
２０２下部クラッド
２０３コア
２０４上部クラッド
２０５ミラー
２０６ＰＤ受光部
２０７ＰＤ

３０１基板
３０２下部クラッド
３０３コア
３０４上部クラッド
３０５ミラー
３０６光学素子

４０１Ｓｉ基板
４０２下部クラッド
４０３コア
４０４上部クラッド
４０５ＰＤ
４０６フォトレジスト
４０７ミラー開口部
４０８ミラー溝

５０１ＰＤ

６０１Ｓｉ基板
６０２下部クラッド
６０３コア
６０４上部クラッド
６０５ミラー

７０１Ｓｉ基板
７０２下部クラッド
７０３コア
７０４上部クラッド
７０５基本モード受信ＰＤ
７０６高次モード受信ＰＤ
７０７ミラー
７０８ミラーで反射された基本モードの光
７０９ミラーで反射された高次モードの光

８０１Ｓｉ基板
８０２第１の導波路層
８０３第２の導波路層
８０４第３の導波路層
８０５高ドーパント層
８０６ＰＤ
８０７ミラー

１００１コア
１００２クラッド
１００３−１，１００３−２高ドーパント層

１１０１コア
１１０２クラッド
１１０３−１，１１０３−２高ドーパント層

１２０１コア
１２０２クラッド
１２０３−１，１２０３−２高ドーパント層
１２０４ＰＤ
１２０５ミラー

１３０１コア
１３０２クラッド
１３０３−１，１３０３−２高ドーパント層
１３０４ＰＤ
１３０５球面ミラー

１４０１ｐコンタクト層
１４０２ｎコンタクト層
１４０３平面ミラー
１４０４湾曲したミラー
１４１１反射された光

１５０１コア
１５０２クラッド
１５０３−１，１５０３−２高ドーパント層
１５０４ＰＤ
１５０５湾曲したミラー

１６０１コア
１６０２クラッド
１６０３ＰＤ
１６０４湾曲したミラー

１７０１コア
１７０２クラッド
１７０３ＰＤ
１７０４ミラー

Claims

基板と、
前記基板上に形成された光導波路と、
前記光導波路上の光学素子と、
前記光導波路を伝播する光を反射して前記光学素子に結合させるために前記光導波路端部に形成されるミラーと
を備えた光結合回路であって、
前記光導波路は、コア及びクラッドから構成され、
前記ミラーは、前記光導波路が形成された基板の面の法線方向（ｚ軸方向とする）に対して湾曲していることを特徴とする光結合回路。
基板と、
前記基板上に形成された光導波路と、
前記光導波路上の光学素子と、
前記光導波路を伝播する光を反射して前記光学素子に結合させるために前記光導波路端部に形成されるミラーと
を備えた光結合回路であって、
前記光導波路は、コア及びクラッドから構成され、
前記ミラーは、前記光導波路が積層する基板の面の法線方向（ｚ軸方向とする）と、前記光導波路の伸長方向（ｘ軸方向とする）とに垂直な方向（ｙ軸方向とする）に対して湾曲していることを特徴とする光結合回路。
前記光導波路は、前記コアからｙ軸方向に沿って所定距離離れた２箇所に高ドーパント層を更に備えたことを特徴とする請求項２に記載の光結合回路。
前記ミラーはｚ軸方向に対して湾曲していることを特徴とする請求項２または３に記載の光結合回路。
前記光学素子は、フォトダイオード（以下、ＰＤとする）であり、
前記ＰＤの受光部は、ｐコンタクト層及びｎコンタクト層から構成され、
前記ｐコンタクト層は、円形であり、
前記ｎコンタクト層は、前記ｐコンタクト層の円形形状に沿った湾曲構造を持つことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の光結合回路。
前記光導波路は、マルチモード導波路であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の光結合回路。
前記ミラーは、前記光導波路の光が出射するコア端部から離れて形成されることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の光結合回路。