JP2014132314A - Spot size converter - Google Patents

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裕 大西
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spot size converter capable of suppressing reduction in optical coupling efficiency.SOLUTION: A spot size converter 1B includes a semiconductor substrate 3b, and a spot size conversion part 6 formed on the semiconductor substrate 3b. The spot size conversion part 6 includes: a silicon oxide layer S1 formed on the semiconductor substrate 3b; a silicon waveguide W1 formed on the silicon oxide layer S1; a silicon oxide layer S2 having a portion formed on the silicon waveguide W1 and a portion formed on the silicon oxide layer S1; a silicon waveguide W2 formed on the silicon oxide layer S1; a silicon oxide layer S3 having a portion formed on the silicon waveguide W2 and a portion formed on the silicon oxide layer S2. An enlarged region R10 including the silicon oxide layers S1-S3 is formed on a fourth region. The enlarged region R10 is optically coupled to the silicon waveguide W2.

Description

本発明は、スポットサイズ変換器に関する。   The present invention relates to a spot size converter.

非特許文献1には、モードサイズコンバータが記載されている。このモードサイズコンバータは、シリコン基板と、シリコン基板上に形成された酸化シリコン層と、酸化シリコン層上に形成されたシリコンワイヤコアと、シリコンワイヤコアの先端を覆うように酸化シリコン層上に形成されたポリマーコアとを備えている。シリコンワイヤコアは0.3μm程度の寸法を有している。ポリマーコアは3μm程度の寸法を有している。   Non-Patent Document 1 describes a mode size converter. This mode size converter is formed on a silicon substrate, a silicon oxide layer formed on the silicon substrate, a silicon wire core formed on the silicon oxide layer, and a silicon oxide layer so as to cover the tip of the silicon wire core. And a polymer core. The silicon wire core has a dimension of about 0.3 μm. The polymer core has a dimension of about 3 μm.

T. Shoji, T. Tsuchizawa, T.Watanabe, K. Yamada and H. Morita, "Low loss mode size converter from 0.3 mmsquare Si wire waveguides to single mode fibers", Electronics Letters, 24no. 25. vol. 38, pp. 1669-1670, 2002。T. Shoji, T. Tsuchizawa, T. Watanabe, K. Yamada and H. Morita, "Low loss mode size converter from 0.3 mmsquare Si wire waveguides to single mode fibers", Electronics Letters, 24no. 25. vol. 38, pp 1669-1670, 2002.

非特許文献1のモードサイズコンバータにおいては、シリコンワイヤコアからの光のモード径(スポットサイズ)をポリマーコアにより拡大することによって、モード径が4.3μmのシングルモードファイバへの光結合を図っている。   In the mode size converter of Non-Patent Document 1, the mode diameter (spot size) of the light from the silicon wire core is expanded by the polymer core to achieve optical coupling to a single mode fiber having a mode diameter of 4.3 μm. Yes.

ところで、例えば、モード径が10μm程度の光ファイバへの光結合が要求される場合には、上述したモードサイズコンバータのポリマーコアの寸法をより大きくすることが考えられる。しかしながら、非特許文献1のモードサイズコンバータにおいては、シリコンワイヤコアとポリマーコアとが同一の酸化シリコン層上に形成されている。このため、上述したようにポリマーコアの寸法を大きくすると、シリコンワイヤコアの光軸とポリマーコアの光軸とのずれが大きくなる。そのような状況においては、シリコンワイヤコアからポリマーコアに光が進行すると、光の進行方向に交差する方向について、光の揺らぎが発生する場合がある。光の揺らぎが生じた場合には、光ファイバとモードサイズコンバータとの間の光結合効率が低下する虞がある。   By the way, for example, when optical coupling to an optical fiber having a mode diameter of about 10 μm is required, it is conceivable to increase the size of the polymer core of the mode size converter described above. However, in the mode size converter of Non-Patent Document 1, the silicon wire core and the polymer core are formed on the same silicon oxide layer. For this reason, when the dimension of the polymer core is increased as described above, the deviation between the optical axis of the silicon wire core and the optical axis of the polymer core increases. In such a situation, when light travels from the silicon wire core to the polymer core, light fluctuation may occur in the direction intersecting the light traveling direction. When light fluctuation occurs, the optical coupling efficiency between the optical fiber and the mode size converter may be reduced.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、光結合効率の低下を抑制可能なスポットサイズ変換器を提供することを目的とする。   This invention is made | formed in view of the said situation, and it aims at providing the spot size converter which can suppress the fall of optical coupling efficiency.

本発明に係るスポットサイズ変換器は、所定の方向に順に配列された第1の領域、第2の領域、第3の領域及び第4の領域を含む半導体基板と、半導体基板上に形成されたスポットサイズ変換部と、を備え、スポットサイズ変換部は、第1の領域、第2の領域、第3の領域、第4の領域及び半導体基板上に形成された第1の酸化シリコン層と、第1の領域、第2の領域及び第1の酸化シリコン層上に形成された第1のシリコン導波路と、第1の領域、第2の領域、及び第1のシリコン導波路上に形成された部分、並びに、第3の領域、第4の領域、及び第1の酸化シリコン層上に形成された部分を有する第2の酸化シリコン層と、第2の領域、第3の領域、及び第2の酸化シリコン層上に形成された第2のシリコン導波路と、第2の領域、第3の領域、及び第2のシリコン導波路上に形成された部分、並びに、第1の領域、第4の領域、及び第2の酸化シリコン層上に形成された部分を有する第3の酸化シリコン層と、を有し、第4の領域上には、第1の酸化シリコン層、第2の酸化シリコン層及び第3のシリコン層を含む酸化シリコン導波路が構成され、酸化シリコン導波路は、第2のシリコン導波路に光学的に結合されている。   A spot size converter according to the present invention is formed on a semiconductor substrate including a first region, a second region, a third region, and a fourth region arranged in order in a predetermined direction, and the semiconductor substrate. A spot size conversion unit, and the spot size conversion unit includes a first region, a second region, a third region, a fourth region, and a first silicon oxide layer formed on the semiconductor substrate; A first silicon waveguide formed on the first region, the second region, and the first silicon oxide layer; and formed on the first region, the second region, and the first silicon waveguide. And a second silicon oxide layer having a third region, a fourth region, and a portion formed on the first silicon oxide layer, a second region, a third region, and a second region A second silicon waveguide formed on the second silicon oxide layer, a second region, And a portion formed on the second silicon waveguide, and a third silicon oxide layer having a first region, a fourth region, and a portion formed on the second silicon oxide layer And a silicon oxide waveguide including a first silicon oxide layer, a second silicon oxide layer, and a third silicon layer is formed on the fourth region. Optically coupled to two silicon waveguides.

このスポットサイズ変換器では、第1のシリコン導波路を所定の方向に進行した光が、第2の酸化シリコン層を介して、第2のシリコン導波路に遷移する。第2のシリコン導波路に遷移した光は、第2のシリコン導波路を進行して、第2のシリコン導波路に光結合された酸化シリコン導波路に伝播される。酸化シリコン導波路に伝播された光は、スポットサイズが拡大しつつ、所定の方向に進行する。このように、このスポットサイズ変換器においては、第1のシリコン導波路から第2のシリコン導波路に光を遷移させることにより、その光軸を移動させつつスポットサイズを変換する。従って、このスポットサイズ変換器によれば、光軸のずれに起因する光の揺らぎを抑制しつつ、スポットサイズを変換することができる。   In this spot size converter, light traveling in a predetermined direction through the first silicon waveguide transitions to the second silicon waveguide via the second silicon oxide layer. The light that has transitioned to the second silicon waveguide travels through the second silicon waveguide and is propagated to the silicon oxide waveguide that is optically coupled to the second silicon waveguide. The light propagated to the silicon oxide waveguide proceeds in a predetermined direction while the spot size is enlarged. As described above, in this spot size converter, the spot size is converted while moving the optical axis by shifting light from the first silicon waveguide to the second silicon waveguide. Therefore, according to this spot size converter, the spot size can be converted while suppressing the fluctuation of the light caused by the deviation of the optical axis.

本発明に係るスポットサイズ変換器において、第1のシリコン導波路は、第2の領域上において、所定の方向に向かって幅が減少する第1のテーパ部を有し、第2のシリコン導波路は、第2の領域上において、所定の方向に向かって幅が増大する第2のテーパ部を有していてもよい。この構成によれば、第1のシリコン導波路から第2のシリコン導波路へ光を効率よく遷移させることができる。   In the spot size converter according to the present invention, the first silicon waveguide has a first taper portion whose width decreases in a predetermined direction on the second region, and the second silicon waveguide. May have a second tapered portion whose width increases in a predetermined direction on the second region. According to this configuration, light can be efficiently transitioned from the first silicon waveguide to the second silicon waveguide.

本発明に係るスポットサイズ変換器において、所定の方向に交差する方向における第1のテーパ部と第2のテーパ部との重複部分の所定方向についての長さは、第1のテーパ部及び第2のテーパ部の所定方向についての長さ以下であってもよい。このような構成によれば、第1のシリコン導波路から第2のシリコン導波路へ光をさらに効率よく遷移させることができるので、光損失を抑制することができる。   In the spot size converter according to the present invention, the length of the overlapping portion of the first taper portion and the second taper portion in the direction intersecting the predetermined direction in the predetermined direction is the first taper portion and the second taper portion. The length of the taper portion in a predetermined direction may be equal to or shorter than the length. According to such a configuration, light can be more efficiently transitioned from the first silicon waveguide to the second silicon waveguide, so that optical loss can be suppressed.

本発明に係るスポットサイズ変換器において、第2のシリコン導波路の光軸は、所定方向に交差する方向についての酸化シリコン導波路の略中心に位置していてもよい。このような構成によれば、酸化シリコン導波路を進行する光の揺らぎをさらに抑制することができる。   In the spot size converter according to the present invention, the optical axis of the second silicon waveguide may be positioned substantially at the center of the silicon oxide waveguide in a direction intersecting the predetermined direction. According to such a configuration, it is possible to further suppress fluctuation of light traveling through the silicon oxide waveguide.

本発明に係るスポットサイズ変換器において、スポットサイズ変換部の外周には、空隙が形成されていてもよい。このような構成によれば、空隙の部分がクラッドとして作用するので、光を好適に閉じ込めることができる。   The spot size converter which concerns on this invention WHEREIN: The space | gap may be formed in the outer periphery of a spot size conversion part. According to such a structure, since the space | gap part acts as a clad, light can be confined suitably.

本発明によれば、光結合効率の低下を抑制可能なスポットサイズ変換器を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the spot size converter which can suppress the fall of optical coupling efficiency can be provided.

図1は、本実施形態に係る光学装置を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating an optical device according to the present embodiment. 図2は、図1におけるII−II線に沿った断面を示す図である。FIG. 2 is a view showing a cross section taken along line II-II in FIG. 図3は、図1に示されたスポットサイズ変換器の構成を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a configuration of the spot size converter shown in FIG. 図4は、図1に示されたスポットサイズ変換器の断面を示す図である。FIG. 4 is a view showing a cross section of the spot size converter shown in FIG. 図5は、図1に示されたスポットサイズ変換器の断面を示す図である。FIG. 5 is a view showing a cross section of the spot size converter shown in FIG. 図6は、図1に示されたスポットサイズ変換部の構成を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of the spot size conversion unit illustrated in FIG. 1. 図7は、スポットサイズ変換器の主要な製造工程を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing main manufacturing steps of the spot size converter. 図8は、スポットサイズ変換器の主要な製造工程を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing main manufacturing steps of the spot size converter. 図9は、スポットサイズ変換器の主要な製造工程を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing main manufacturing steps of the spot size converter. 図10は、スポットサイズ変換器1Bの主要な製造工程における断面を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a cross section in the main manufacturing process of the spot size converter 1B. 図11は、計算結果を説明するための図である。FIG. 11 is a diagram for explaining the calculation result. 図12は、計算結果を説明するための図である。FIG. 12 is a diagram for explaining the calculation result. 図13は、比較例に係るスポットサイズ変換器を説明するための図である。FIG. 13 is a diagram for explaining a spot size converter according to a comparative example.

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

図1は、本実施形態に係る光学装置を示す図である。図2は、図1におけるII−II線に沿った断面を示す図である。以下の図面には、直交座標系Mが示されている。図1,2に示される光学装置80は、所定の方向(直交座標系Mにおける方向D:後述する光ファイバ81から光ファイバ82に向かう方向)に順に配列された、スポットサイズ変換器1A、光学機能部2、及びスポットサイズ変換器1Bを備えている。スポットサイズ変換器1A,1B及び光学機能部2は、互いに一体として形成されている。   FIG. 1 is a diagram illustrating an optical device according to the present embodiment. FIG. 2 is a view showing a cross section taken along line II-II in FIG. In the following drawings, an orthogonal coordinate system M is shown. The optical device 80 shown in FIGS. 1 and 2 includes a spot size converter 1 </ b> A, an optical device arranged in order in a predetermined direction (direction D in the orthogonal coordinate system M: a direction from an optical fiber 81 to an optical fiber 82 described later) A functional unit 2 and a spot size converter 1B are provided. The spot size converters 1A and 1B and the optical function unit 2 are formed integrally with each other.

また、光学装置80は、光ファイバ81と光ファイバ82との間に配置されている。光学装置80は、光ファイバ81と光結合された端面80aと、光ファイバ82と光結合された端面80bとを有している。光学装置80は、例えば、光ファイバ81から端面80aを介して入力された光を導波し、端面80bを介して光ファイバ82に出力する。その際に、光学装置80は、光学機能部2によって、例えば光変調といった所定の処理を行う。   The optical device 80 is disposed between the optical fiber 81 and the optical fiber 82. The optical device 80 has an end face 80 a optically coupled to the optical fiber 81 and an end face 80 b optically coupled to the optical fiber 82. The optical device 80, for example, guides light input from the optical fiber 81 through the end face 80a and outputs the light to the optical fiber 82 through the end face 80b. At that time, the optical device 80 performs predetermined processing such as light modulation by the optical function unit 2.

光ファイバ81,82は、一例として、石英製のシングルモード光ファイバ(SMF)であり、一例として波長が1.55μmである光を伝播する。また、光ファイバ81,82は、例えば、モード径(スポットサイズ)が10μmである。   The optical fibers 81 and 82 are quartz single mode optical fibers (SMF) as an example, and propagate light having a wavelength of 1.55 μm as an example. The optical fibers 81 and 82 have a mode diameter (spot size) of 10 μm, for example.

スポットサイズ変換器1Aは、端面80aを含む。スポットサイズ変換器1Aは、例えば、光ファイバ81から入力された光を、そのスポットサイズを変換しつつ導波して光学機能部2に出力する。スポットサイズ変換器1Bは、端面80bを含む。スポットサイズ変換器1Bは、例えば、光学機能部2から入力された光を、そのスポットサイズを変換しながら導波して光ファイバ82に出力する。   Spot size converter 1A includes an end face 80a. For example, the spot size converter 1 </ b> A guides the light input from the optical fiber 81 while converting the spot size and outputs the light to the optical function unit 2. Spot size converter 1B includes an end face 80b. The spot size converter 1B, for example, guides the light input from the optical function unit 2 while converting the spot size and outputs the light to the optical fiber 82.

光学機能部2は、光学装置80に入力された光に対して所定の処理を行う光回路を有する。光学機能部2は、スポットサイズ変換器1Aと、スポットサイズ変換器1Bとの間に形成されている。光学機能部2は、半導体基板3aと、光回路を有する本体部2aとを有している。本体部2aは、半導体基板3a上に形成されて半導体基板3aに接合されている。また、本体部2aは、導波路2bを有している。導波路2bは、スポットサイズ変換器1Aとスポットサイズ変換器1Bとを互いに光学的に結合する。   The optical function unit 2 includes an optical circuit that performs predetermined processing on the light input to the optical device 80. The optical function unit 2 is formed between the spot size converter 1A and the spot size converter 1B. The optical function unit 2 includes a semiconductor substrate 3a and a main body 2a having an optical circuit. The main body 2a is formed on the semiconductor substrate 3a and joined to the semiconductor substrate 3a. The main body 2a has a waveguide 2b. The waveguide 2b optically couples the spot size converter 1A and the spot size converter 1B to each other.

このような光学装置80によれば、例えば、光ファイバ81から出射された波長が1.55μmである光が、光学装置80の端面80aに入射される。端面80aに入射した光は、スポットサイズ変換器1Aを導波することにより、光学機能部2に伝播される。光学機能部2に伝播された光は、導波路2bを介して、スポットサイズ変換器1Bに伝播される。スポットサイズ変換器1Bに伝播された光は、スポットサイズ変換器1Bを導波する間に、光ファイバ82の光軸位置及びスポットサイズに適合するように変換され、端面80bから出射される。端面80bから出射された光は、光ファイバ82に入射される。   According to such an optical device 80, for example, light having a wavelength of 1.55 μm emitted from the optical fiber 81 is incident on the end surface 80 a of the optical device 80. The light incident on the end face 80a is propagated to the optical function unit 2 by being guided through the spot size converter 1A. The light propagated to the optical function unit 2 is propagated to the spot size converter 1B via the waveguide 2b. The light propagated to the spot size converter 1B is converted so as to match the optical axis position and spot size of the optical fiber 82 while being guided through the spot size converter 1B, and is emitted from the end face 80b. The light emitted from the end face 80 b enters the optical fiber 82.

引き続いて、スポットサイズ変換器1A,1Bについて詳細に説明する。なお、スポットサイズ変換器1Aとスポットサイズ変換器1Bとは、互いに同様の構成であるので、以下の説明においては、スポットサイズ変換器1Bについて主に説明する。   Subsequently, the spot size converters 1A and 1B will be described in detail. Since spot size converter 1A and spot size converter 1B have the same configuration, spot size converter 1B will be mainly described in the following description.

図3は、図1に示されたスポットサイズ変換器の構成を示す図である。特に、図3の(a)は、スポットサイズ変換器の平面図であり、図3の(b)は図3の(a)のIII−III線に沿った断面を示す図である。図3に示されるように、スポットサイズ変換器1Bは、半導体基板3bと、半導体基板3b上に形成された本体部4とを備えている。   FIG. 3 is a diagram showing a configuration of the spot size converter shown in FIG. 3A is a plan view of a spot size converter, and FIG. 3B is a diagram showing a cross section taken along line III-III in FIG. 3A. As shown in FIG. 3, the spot size converter 1B includes a semiconductor substrate 3b and a main body 4 formed on the semiconductor substrate 3b.

半導体基板3bは、例えば、シリコンからなる半導体基板である。ここで、スポットサイズ変換器1B(及びスポットサイズ変換器1A)が備える半導体基板3bと、光学機能部2が備える半導体基板3aとは一体に形成されている。半導体基板3bは、方向Dに順に配列された領域R1〜R8を含んでいる。領域R1は、光学機能部2の半導体基板3aと連続している。半導体基板3bの領域R1上では、半導体基板3bと本体部4とは互いに接合されている。一方、半導体基板3bの領域R2〜R8上では、半導体基板3bと本体部4とは所定の距離L1だけ離間している。すなわち、半導体基板3bと本体部4との間には、距離L1の空隙G1が形成されている。   The semiconductor substrate 3b is a semiconductor substrate made of silicon, for example. Here, the semiconductor substrate 3b included in the spot size converter 1B (and the spot size converter 1A) and the semiconductor substrate 3a included in the optical function unit 2 are integrally formed. The semiconductor substrate 3b includes regions R1 to R8 arranged in order in the direction D. The region R1 is continuous with the semiconductor substrate 3a of the optical function unit 2. On the region R1 of the semiconductor substrate 3b, the semiconductor substrate 3b and the main body 4 are joined to each other. On the other hand, on the regions R2 to R8 of the semiconductor substrate 3b, the semiconductor substrate 3b and the main body 4 are separated from each other by a predetermined distance L1. That is, a gap G1 having a distance L1 is formed between the semiconductor substrate 3b and the main body portion 4.

本体部4は、スポットサイズ変換部6と、テラス7a,7bとを有している。スポットサイズ変換部6は、テラス7aとテラス7bとの間に形成されている。スポットサイズ変換部6とテラス7aとの間には、空隙G2aが形成されている。スポットサイズ変換部6とテラス7bと間には、空隙G2bが形成されている。空隙G2a,G2bの幅L2は、一例として2μmである。   The main body 4 includes a spot size conversion unit 6 and terraces 7a and 7b. The spot size conversion unit 6 is formed between the terrace 7a and the terrace 7b. A gap G2a is formed between the spot size conversion unit 6 and the terrace 7a. A gap G2b is formed between the spot size conversion unit 6 and the terrace 7b. The width L2 of the gaps G2a and G2b is 2 μm as an example.

スポットサイズ変換部6について説明をする。スポットサイズ変換部6は、半導体基板3b上に形成されている。スポットサイズ変換部6は、酸化シリコン層S1〜S4と、シリコン導波路W1〜W3とを有している。酸化シリコン層S1〜S4は、例えばSiOからなる。シリコン導波路W1〜W3は、例えばSiからなる。酸化シリコン層S1〜S4は、方向Dと直交する方向Zに、酸化シリコン層S1、酸化シリコン層S2、酸化シリコン層S3及び酸化シリコン層S4の順に積層されている。酸化シリコン層S1と酸化シリコン層S2との間には、シリコン導波路W1が挟まれている。酸化シリコン層S2と酸化シリコン層S3との間には、シリコン導波路W2が挟まれている。酸化シリコン層S3と酸化シリコン層S4との間には、シリコン導波路W3が挟まれている。 The spot size conversion unit 6 will be described. The spot size conversion unit 6 is formed on the semiconductor substrate 3b. The spot size conversion unit 6 includes silicon oxide layers S1 to S4 and silicon waveguides W1 to W3. Silicon oxide layer S1~S4 is made of, for example, of SiO 2. The silicon waveguides W1 to W3 are made of Si, for example. The silicon oxide layers S1 to S4 are stacked in the direction Z orthogonal to the direction D in the order of the silicon oxide layer S1, the silicon oxide layer S2, the silicon oxide layer S3, and the silicon oxide layer S4. A silicon waveguide W1 is sandwiched between the silicon oxide layer S1 and the silicon oxide layer S2. A silicon waveguide W2 is sandwiched between the silicon oxide layer S2 and the silicon oxide layer S3. A silicon waveguide W3 is sandwiched between the silicon oxide layer S3 and the silicon oxide layer S4.

シリコン導波路W1は、光軸A1を有している。シリコン導波路W2は、光軸A2を有している。シリコン導波路W3は、光軸A3を有している。光軸A1〜A3は、シリコン導波路W1〜W3が積層された方向(Z方向)に互いに離間している。一方、光軸A1〜A3は、方向Zから平面視すると同一線上で重なっている。シリコン導波路W2〜W3は、一例として、単結晶シリコン又は多結晶シリコンからなる導波路である。   The silicon waveguide W1 has an optical axis A1. The silicon waveguide W2 has an optical axis A2. The silicon waveguide W3 has an optical axis A3. The optical axes A1 to A3 are separated from each other in the direction in which the silicon waveguides W1 to W3 are stacked (Z direction). On the other hand, the optical axes A1 to A3 overlap on the same line when viewed from the direction Z. As an example, the silicon waveguides W2 to W3 are waveguides made of single crystal silicon or polycrystalline silicon.

酸化シリコン層S1は、領域R1〜R8上及び半導体基板3b上に形成されている。酸化シリコン層S1は、半導体基板3bの領域R1上において、半導体基板3bに接合されている。酸化シリコン層S1は、半導体基板3bの領域R2〜R8において、半導体基板3bから方向Zに離間している。酸化シリコン層S1は、一例として2μmの厚さを有している。なお、酸化シリコン層S1は、第1の酸化シリコン層に相当する。   The silicon oxide layer S1 is formed on the regions R1 to R8 and the semiconductor substrate 3b. The silicon oxide layer S1 is bonded to the semiconductor substrate 3b on the region R1 of the semiconductor substrate 3b. The silicon oxide layer S1 is separated from the semiconductor substrate 3b in the direction Z in the regions R2 to R8 of the semiconductor substrate 3b. As an example, the silicon oxide layer S1 has a thickness of 2 μm. Note that the silicon oxide layer S1 corresponds to a first silicon oxide layer.

図3及び図4に示されるように、シリコン導波路W1は、領域R1〜R4上及び酸化シリコン層S1上に形成されている。シリコン導波路W1は、一体に形成された導波路部W1aと導波路部W1bとを有している。なお、領域R1〜R3は、第1の領域に相当する。また、シリコン導波路W1は、第1のシリコン導波路に相当する。なお、図4は、図1に示されたスポットサイズ変換器の断面を示す図である。特に、図4の(a)は、図1におけるIVa−IVa線に沿った断面図であり、図4の(b)は、図1におけるIVb−IVb線に沿った断面図であり、図4の(c)は、図1におけるIVc−IVc線に沿った断面図であり、図4の(d)は、図1におけるIVd−IVd線に沿った断面図である。   As shown in FIGS. 3 and 4, the silicon waveguide W1 is formed on the regions R1 to R4 and on the silicon oxide layer S1. The silicon waveguide W1 has a waveguide portion W1a and a waveguide portion W1b that are integrally formed. The regions R1 to R3 correspond to the first region. The silicon waveguide W1 corresponds to a first silicon waveguide. FIG. 4 is a view showing a cross section of the spot size converter shown in FIG. 4A is a sectional view taken along line IVa-IVa in FIG. 1, and FIG. 4B is a sectional view taken along line IVb-IVb in FIG. FIG. 4C is a cross-sectional view taken along line IVc-IVc in FIG. 1, and FIG. 4D is a cross-sectional view taken along line IVd-IVd in FIG.

導波路部W1aは、領域R1,R2上及び酸化シリコン層S1上に形成されている。導波路部W1aは、一例として厚さが0.22μmであり、幅が0.5μmである。導波路部W1aの一端側は、光学機能部2の導波路2bと連続している。導波路部W1aの他端側には、テーパ部T1が形成されている。テーパ部T1は、方向Dに向かって幅が減少している。テーパ部T1の方向Dに沿った長さL3は、一例として150μmである。   The waveguide portion W1a is formed on the regions R1 and R2 and the silicon oxide layer S1. As an example, the waveguide portion W1a has a thickness of 0.22 μm and a width of 0.5 μm. One end side of the waveguide portion W1a is continuous with the waveguide 2b of the optical function portion 2. A tapered portion T1 is formed on the other end side of the waveguide portion W1a. The width of the tapered portion T1 decreases in the direction D. The length L3 along the direction D of the tapered portion T1 is 150 μm as an example.

導波路部W1bは、領域R3,R4上及び酸化シリコン層S1上に形成されている。導波路部W1bは、一例として、厚さが0.11μmであり、幅が0.5μmである。導波路部W1bの一端側は導波路部W1aと連続している。導波路部W1bの他端には、テーパ部T2が形成されている。テーパ部T2は、導波路部W1aのテーパ部T1と同様の構成を有している。すなわち、テーパ部T2は、方向Dに向かって幅が減少している。テーパ部T2の方向Dに沿った長さは、一例として150μmである。なお、領域R4は、第2の領域に相当する。   The waveguide portion W1b is formed on the regions R3 and R4 and on the silicon oxide layer S1. As an example, the waveguide portion W1b has a thickness of 0.11 μm and a width of 0.5 μm. One end side of the waveguide portion W1b is continuous with the waveguide portion W1a. A tapered portion T2 is formed at the other end of the waveguide portion W1b. The tapered portion T2 has the same configuration as the tapered portion T1 of the waveguide portion W1a. That is, the width of the tapered portion T2 decreases in the direction D. As an example, the length along the direction D of the tapered portion T2 is 150 μm. Note that the region R4 corresponds to a second region.

酸化シリコン層S2は、領域R1,R2上及びシリコン導波路W1の導波路部W1a上に形成された部分と、領域R3,R4上及びシリコン導波路W1の導波路部W1b上に形成された部分と、領域R5〜R8上及び酸化シリコン層S1上に形成された部分とを有している。酸化シリコン層S2は、領域R1,R2上において、一例として1.28μmの厚さを有している。酸化シリコン層S2は、領域R3,R4上において、一例として1.39μmの厚さを有している。酸化シリコン層S2は、領域R5〜R8上において、一例として1.5μmの厚さを有している。また、酸化シリコン層S1は、シリコン導波路W1の側面上にも形成されている。すなわち、酸化シリコン層S1は、シリコン導波路W1を埋め込んでいる。従って、酸化シリコン層S1,S2は、シリコン導波路W1のクラッドとして機能する。なお、酸化シリコン層S2は、第2の酸化シリコン層に相当する。   The silicon oxide layer S2 includes portions formed on the regions R1 and R2 and the waveguide portion W1a of the silicon waveguide W1, and portions formed on the regions R3 and R4 and the waveguide portion W1b of the silicon waveguide W1. And portions formed on the regions R5 to R8 and the silicon oxide layer S1. As an example, the silicon oxide layer S2 has a thickness of 1.28 μm on the regions R1 and R2. As an example, the silicon oxide layer S2 has a thickness of 1.39 μm on the regions R3 and R4. The silicon oxide layer S2 has a thickness of 1.5 μm as an example on the regions R5 to R8. The silicon oxide layer S1 is also formed on the side surface of the silicon waveguide W1. That is, the silicon oxide layer S1 embeds the silicon waveguide W1. Accordingly, the silicon oxide layers S1 and S2 function as a cladding of the silicon waveguide W1. Note that the silicon oxide layer S2 corresponds to a second silicon oxide layer.

図3〜図5に示されるように、シリコン導波路W2は、領域R4〜R6上及び酸化シリコン層S2上に形成されている。シリコン導波路W2は、一例として厚さが0.11μmであり、幅が0.5μmである。シリコン導波路W2は、領域R4上における一端に形成されたテーパ部T3と、領域R6上における他端に形成されたテーパ部T4とを有している。方向Dに沿ったテーパ部T3とテーパ部T4との間には、導波路部W2aが形成されている。なお、シリコン導波路W2は、第2のシリコン導波路に相当する。なお、図5は、図1に示されたスポットサイズ変換器の断面を示す図である。特に、図5の(a)は、図1におけるVa−Va線に沿った断面図であり、図5の(b)は、図1におけるVb−Vb線に沿った断面図であり、図5の(c)は、図1におけるVc−Vc線に沿った断面図であり、図5の(d)は、図1におけるVd−Vd線に沿った断面図である。   As shown in FIGS. 3 to 5, the silicon waveguide W2 is formed on the regions R4 to R6 and the silicon oxide layer S2. As an example, the silicon waveguide W2 has a thickness of 0.11 μm and a width of 0.5 μm. The silicon waveguide W2 has a tapered portion T3 formed at one end on the region R4 and a tapered portion T4 formed at the other end on the region R6. A waveguide portion W2a is formed between the tapered portion T3 and the tapered portion T4 along the direction D. The silicon waveguide W2 corresponds to a second silicon waveguide. FIG. 5 is a view showing a cross section of the spot size converter shown in FIG. 5A is a cross-sectional view taken along the line Va-Va in FIG. 1, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along the line Vb-Vb in FIG. FIG. 5C is a cross-sectional view taken along the line Vc-Vc in FIG. 1, and FIG. 5D is a cross-sectional view taken along the line Vd-Vd in FIG.

領域R4上のテーパ部T3は、先鋭化された一端から方向Dに向かって幅が増加し、他端が導波路部W2aと同じ幅とされている。テーパ部T3の方向Dの長さは、一例として150μmである。領域R6上のテーパ部T4は、導波路部W2aと同じ幅とされた一端部から方向Dに向かって幅が減少し、他端の先端において先鋭化されている。テーパ部T4の方向Dの長さは、一例として150μmである。導波路部W2aの幅は、一例として0.5μmであり、方向Dに沿った長さが50μmである。従って、シリコン導波路W2の方向Dの長さは、一例として350μmである。なお、領域R5及び領域R6は、第3の領域に相当する。   The taper portion T3 on the region R4 increases in width from the sharpened one end toward the direction D, and the other end has the same width as the waveguide portion W2a. As an example, the length in the direction D of the tapered portion T3 is 150 μm. The taper portion T4 on the region R6 decreases in width from the one end portion having the same width as the waveguide portion W2a in the direction D, and is sharpened at the tip of the other end. As an example, the length in the direction D of the tapered portion T4 is 150 μm. For example, the width of the waveguide portion W2a is 0.5 μm, and the length along the direction D is 50 μm. Therefore, the length in the direction D of the silicon waveguide W2 is 350 μm as an example. Note that the region R5 and the region R6 correspond to a third region.

酸化シリコン層S3は、領域R1〜R3上及び酸化シリコン層S2上に形成された部分と、領域R4〜R6上及びシリコン導波路W2上に形成された部分と、領域R7〜R8上及び酸化シリコン層S2上に形成された部分とを有している。酸化シリコン層S2は、領域R1〜R3上において、一例として1.5μmの厚さを有している。酸化シリコン層S2は、領域R7〜R8上において、一例として1.5μmの厚さを有している。酸化シリコン層S2は、領域R4〜R6上において、一例として1.39μmの厚さを有している。また、酸化シリコン層S3は、シリコン導波路W2の側面上にも形成されている。すなわち、酸化シリコン層S3は、シリコン導波路W2を埋め込んでいる。従って、酸化シリコン層S2,S3は、シリコン導波路W2のクラッドとして機能する。なお、酸化シリコン層S3は、第3の酸化シリコン層に相当する。また、領域R8は、第4の領域に相当する。   The silicon oxide layer S3 includes a portion formed on the regions R1 to R3 and the silicon oxide layer S2, a portion formed on the regions R4 to R6 and the silicon waveguide W2, a region R7 to R8, and the silicon oxide. And a portion formed on the layer S2. The silicon oxide layer S2 has a thickness of 1.5 μm as an example on the regions R1 to R3. As an example, the silicon oxide layer S2 has a thickness of 1.5 μm on the regions R7 to R8. As an example, the silicon oxide layer S2 has a thickness of 1.39 μm on the regions R4 to R6. The silicon oxide layer S3 is also formed on the side surface of the silicon waveguide W2. That is, the silicon oxide layer S3 embeds the silicon waveguide W2. Accordingly, the silicon oxide layers S2 and S3 function as a cladding of the silicon waveguide W2. Note that the silicon oxide layer S3 corresponds to a third silicon oxide layer. The region R8 corresponds to a fourth region.

シリコン導波路W3は、領域R6,R7上及び酸化シリコン層S3上に形成されている。シリコン導波路W3は、一例として厚さが0.11μmであり、幅が0.5μmである。シリコン導波路W3は、領域R6上における一端に形成されたテーパ部T6と、領域S7上における他端に形成されたテーパ部T7とを有している。テーパ部T6とテーパ部T7との間には、導波路部W3aが形成されている。シリコン導波路W3の方向Dの長さは、一例として350μmである。テーパ部T6は、シリコン導波路W2のテーパ部T3と同様の構成を有している。また、テーパ部T7は、シリコン導波路W2のテーパ部T4と同様の構成を有している。   The silicon waveguide W3 is formed on the regions R6 and R7 and the silicon oxide layer S3. For example, the silicon waveguide W3 has a thickness of 0.11 μm and a width of 0.5 μm. The silicon waveguide W3 has a tapered portion T6 formed at one end on the region R6 and a tapered portion T7 formed at the other end on the region S7. A waveguide portion W3a is formed between the tapered portion T6 and the tapered portion T7. The length in the direction D of the silicon waveguide W3 is 350 μm as an example. The tapered portion T6 has the same configuration as the tapered portion T3 of the silicon waveguide W2. Further, the tapered portion T7 has the same configuration as the tapered portion T4 of the silicon waveguide W2.

酸化シリコン層S4は、領域R1〜R5上及び酸化シリコン層S3上に形成された部分と、領域R6,R7上及びシリコン導波路W3上に形成された部分と、領域R8上及び酸化シリコン層S3上に形成された部分とを有している。酸化シリコン層S3は、領域R1〜R5上において、一例として5μmの厚さを有している。酸化シリコン層S3は、領域R8上において、一例として5μmの厚さを有している。酸化シリコン層S3は、領域R6,R7上において、一例として4.89μmの厚さを有している。また、酸化シリコン層S4は、シリコン導波路W3の側面上にも形成されている。すなわち、酸化シリコン層S4は、シリコン導波路W3を埋め込んでいる。従って、酸化シリコン層S3,S4は、シリコン導波路W3のクラッドとして機能する。   The silicon oxide layer S4 includes a portion formed on the regions R1 to R5 and the silicon oxide layer S3, a portion formed on the regions R6 and R7 and the silicon waveguide W3, a region R8, and the silicon oxide layer S3. And a portion formed thereon. The silicon oxide layer S3 has a thickness of 5 μm as an example on the regions R1 to R5. As an example, the silicon oxide layer S3 has a thickness of 5 μm on the region R8. For example, the silicon oxide layer S3 has a thickness of 4.89 μm on the regions R6 and R7. The silicon oxide layer S4 is also formed on the side surface of the silicon waveguide W3. That is, the silicon oxide layer S4 embeds the silicon waveguide W3. Accordingly, the silicon oxide layers S3 and S4 function as a cladding of the silicon waveguide W3.

以上のように構成されるスポットサイズ変換部6においては、領域R3〜R7上には、シリコン導波路W1からシリコン導波路W3まで光を遷移させる遷移領域R9が形成されている。遷移領域R9は、酸化シリコン層S1〜S4、及びシリコン導波路W1〜W3により構成されている。遷移領域R9は、方向Dに延在する略直方体状の形状を有している。酸化シリコン層S1〜S4により構成された遷移領域R9のクラッド部は、方向Zを長手方向とする矩形断面を有している(図4の(c)等参照)。クラッド部の断面は、幅が3.5μmであり、方向Zの高さが10μmである。このように、方向Zを長手方向とする断面形状を有するクラッド部によれば、シリコン導波路W1〜W3の周囲に広がったモード形状を縦長にすることができ、方向Zに効率的に光を遷移させることができる。   In the spot size conversion unit 6 configured as described above, a transition region R9 for transitioning light from the silicon waveguide W1 to the silicon waveguide W3 is formed on the regions R3 to R7. The transition region R9 includes silicon oxide layers S1 to S4 and silicon waveguides W1 to W3. The transition region R9 has a substantially rectangular parallelepiped shape extending in the direction D. The cladding portion of the transition region R9 constituted by the silicon oxide layers S1 to S4 has a rectangular cross section with the direction Z as the longitudinal direction (see (c) in FIG. 4). The cross section of the cladding part has a width of 3.5 μm and a height in the direction Z of 10 μm. Thus, according to the clad portion having the cross-sectional shape with the direction Z as the longitudinal direction, the mode shape spreading around the silicon waveguides W1 to W3 can be made vertically long, and light can be efficiently emitted in the direction Z. Transition can be made.

スポットサイズ変換部6の外周に含まれる遷移領域R9の側面R9aと、テラス7a,7bとの間には空隙G2a,G2bが形成されている。また、スポットサイズ変換部6の外周に含まれる遷移領域R9の下面R9bと半導体基板3bとの間には、空隙G1が形成されている。従って、遷移領域R9の外周は、空気と接している。従って、遷移領域R9では、コアがシリコン導波路W1〜W3であり、第1のクラッドが酸化シリコン層S1〜S4であり、第2のクラッドが空気である。なお、空隙G1,G2a,G2bには、酸化シリコンと所定の屈折率差を形成可能な材料が充填されていてもよい。   Gaps G2a and G2b are formed between the side surface R9a of the transition region R9 included on the outer periphery of the spot size conversion unit 6 and the terraces 7a and 7b. In addition, a gap G1 is formed between the lower surface R9b of the transition region R9 included in the outer periphery of the spot size conversion unit 6 and the semiconductor substrate 3b. Therefore, the outer periphery of the transition region R9 is in contact with air. Accordingly, in the transition region R9, the core is the silicon waveguides W1 to W3, the first cladding is the silicon oxide layers S1 to S4, and the second cladding is air. The gaps G1, G2a, and G2b may be filled with a material that can form a predetermined refractive index difference with silicon oxide.

このような遷移領域R9においては、シリコン導波路W1のテーパ部T2と、シリコン導波路W2のテーパ部T3と、テーパ部T2及びテーパ部T3に挟まれた酸化シリコン層S2とによって、遷移部C1が構成されている。領域R4上では、シリコン導波路W1とシリコン導波路W2とが方向Zについて酸化シリコン層S2を挟んで重なっている。シリコン導波路W1とシリコン導波路W2とが重なっていることにより、シリコン導波路W1の一端から光が広角度で放射されることが抑制される。従って、光の遷移効率の低下を抑制できる。   In such a transition region R9, the transition portion C1 is formed by the taper portion T2 of the silicon waveguide W1, the taper portion T3 of the silicon waveguide W2, and the silicon oxide layer S2 sandwiched between the taper portion T2 and the taper portion T3. Is configured. On the region R4, the silicon waveguide W1 and the silicon waveguide W2 overlap in the direction Z with the silicon oxide layer S2 interposed therebetween. By overlapping the silicon waveguide W1 and the silicon waveguide W2, it is possible to suppress light from being emitted from one end of the silicon waveguide W1 at a wide angle. Accordingly, it is possible to suppress a decrease in light transition efficiency.

図6は、図1に示されたスポットサイズ変換部の構成を示す図である。特に、図6の(a)は、スポットサイズ変換部の平面図であり、図6の(b)は図6の(a)のVI−VI線に沿った断面を示す図である。図6に示されるように、方向Zにおける、テーパ部T2とテーパ部T3との重複部分の方向Dについての長さL4は、テーパ部T2,T3の方向Dについての長さL5以下である。すなわち、テーパ部T2,T3の長さL5に対するテーパ部T2,T3の重複部分の長さL4の割合は、5%以上である。また、テーパ部T2,T3の長さL5に対するテーパ部T2,T3の重複部分の長さL4の割合は、100%以下である。   FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of the spot size conversion unit illustrated in FIG. 1. 6A is a plan view of the spot size conversion unit, and FIG. 6B is a diagram showing a cross section taken along line VI-VI in FIG. 6A. As shown in FIG. 6, the length L4 in the direction D of the overlapping portion of the taper portion T2 and the taper portion T3 in the direction Z is not more than the length L5 in the direction D of the taper portions T2 and T3. That is, the ratio of the length L4 of the overlapping portion of the taper portions T2 and T3 to the length L5 of the taper portions T2 and T3 is 5% or more. Further, the ratio of the length L4 of the overlapping portion of the taper portions T2 and T3 to the length L5 of the taper portions T2 and T3 is 100% or less.

テーパ部T2,T3の方向Dの長さL5は、50μm〜500μmであり、一例として50μmである。また、テーパ部T2,T3の重複部分の長さL4は、50μm以下である。また、一例として、テーパ部T2,T3同士の重複部分の長さL4をテーパ部T2,T3の長さL5の50%に設定すると、テーパ部T2,T3の重複部分の長さL4は25μmである。また、テーパ部T2,T3の方向Zにおける間隔は、テーパ部T2,T3に挟まれた酸化シリコン層S2の厚さにより規定される。本実施形態では、テーパ部T2,T3の間隔は、一例として、1.39μmである。   The length L5 in the direction D of the tapered portions T2 and T3 is 50 μm to 500 μm, and is 50 μm as an example. Further, the length L4 of the overlapping portion of the taper portions T2 and T3 is 50 μm or less. As an example, when the length L4 of the overlapping portion between the tapered portions T2 and T3 is set to 50% of the length L5 of the tapered portions T2 and T3, the length L4 of the overlapping portion between the tapered portions T2 and T3 is 25 μm. is there. Further, the interval between the tapered portions T2 and T3 in the direction Z is defined by the thickness of the silicon oxide layer S2 sandwiched between the tapered portions T2 and T3. In the present embodiment, the interval between the tapered portions T2 and T3 is 1.39 μm as an example.

また、遷移領域R9においては、シリコン導波路W2のテーパ部T4と、シリコン導波路W3のテーパ部T6とによって遷移部C2が構成されている。領域R6では、シリコン導波路W2とシリコン導波路W3とが方向Zについて酸化シリコン層S3を挟んで重なっている。遷移部C2は、遷移部C1と同様の構成を有しているので、詳細な説明は省略する。   Further, in the transition region R9, the transition portion C2 is configured by the taper portion T4 of the silicon waveguide W2 and the taper portion T6 of the silicon waveguide W3. In the region R6, the silicon waveguide W2 and the silicon waveguide W3 overlap in the direction Z with the silicon oxide layer S3 interposed therebetween. Since the transition part C2 has the same configuration as the transition part C1, a detailed description thereof will be omitted.

一方、図3に示されるように、領域R8上には、シリコン導波路W3のテーパ部T7から出射された光を拡大する拡大領域R10が形成されている。この拡大領域R10は、シリコン導波路W3を介して、シリコン導波路W2と光学的に結合されている。拡大領域R10は、一端が遷移領域R9と連続している。また、拡大領域R10は、他端が端面80aに含まれている。拡大領域R10は、酸化シリコン層S1〜S4により構成された酸化シリコン導波路である。拡大領域R10は、方向Dに沿って断面積が拡大する部分を有している。   On the other hand, as shown in FIG. 3, on the region R8, an enlarged region R10 for expanding the light emitted from the tapered portion T7 of the silicon waveguide W3 is formed. The enlarged region R10 is optically coupled to the silicon waveguide W2 via the silicon waveguide W3. One end of the enlarged region R10 is continuous with the transition region R9. The other end of the enlarged region R10 is included in the end face 80a. The enlarged region R10 is a silicon oxide waveguide constituted by silicon oxide layers S1 to S4. The enlarged region R10 has a portion where the cross-sectional area is enlarged along the direction D.

拡大領域R10における遷移領域R9と連続する一端は、遷移領域R9と同じ断面形状を有している(図5の(c)参照)。すなわち、拡大領域R10の一端の幅は、例えば3.5μmであり、高さは例えば10μmである。一方、拡大領域R10における端面80aを含む他端は、一端よりも幅が拡大している。すなわち、拡大領域R10の他端の幅は、例えば10μmであり、高さは例えば10μmである正方形状の断面形状を有している(図5の(d)参照)。拡大領域R9では、空隙G2aと空隙G2bとの間隔が拡大されることにより、空隙G2a,G2bに挟まれた拡大領域R10の断面積が拡大している。従って、拡大領域R10を伝播して端面80aから出射される光のモード径は、光ファイバ81のモード径に近いため、スポットサイズ変換器1Bと光ファイバ81との光結合効率を高めることができる。   One end of the enlarged region R10 that is continuous with the transition region R9 has the same cross-sectional shape as the transition region R9 (see FIG. 5C). That is, the width of one end of the enlarged region R10 is, for example, 3.5 μm, and the height is, for example, 10 μm. On the other hand, the width of the other end including the end face 80a in the enlarged region R10 is larger than that of the one end. That is, the width of the other end of the enlarged region R10 is, for example, 10 μm, and the height is, for example, 10 μm, and has a square cross-sectional shape (see FIG. 5D). In the enlarged region R9, the cross-sectional area of the enlarged region R10 sandwiched between the gaps G2a and G2b is enlarged by increasing the distance between the gap G2a and the gap G2b. Therefore, since the mode diameter of the light propagating through the enlarged region R10 and emitted from the end face 80a is close to the mode diameter of the optical fiber 81, the optical coupling efficiency between the spot size converter 1B and the optical fiber 81 can be increased. .

上述したように、拡大領域R10の側面R10aとテラス7aとの間には空隙G2aが形成され、拡大領域R10の側面R10aとテラス7bとの間には空隙G2bが形成されている。さらに、拡大領域R10の底面R10b(図4の(c)等参照)と半導体基板3bとの間には、空隙G1が形成されている。従って、拡大領域R10をコアとし、空隙における空気をクラッドとした導波路が形成される。   As described above, the gap G2a is formed between the side surface R10a of the enlarged region R10 and the terrace 7a, and the gap G2b is formed between the side surface R10a of the enlarged region R10 and the terrace 7b. Further, a gap G1 is formed between the bottom surface R10b (see FIG. 4C, etc.) of the enlarged region R10 and the semiconductor substrate 3b. Therefore, a waveguide is formed with the enlarged region R10 as the core and the air in the air gap as the cladding.

ここで、シリコン導波路W3の光軸A3は、方向Zについての拡大領域R10の略中心に位置している。具体的には、拡大領域R10の高さは、例えば10μmである。そして、シリコン導波路W3は、酸化シリコン層S1〜S3からなる例えば厚さ5μmのクラッドと、酸化シリコン層S4からなる例えば厚さ4.89μmのクラッドとに挟まれている。さらに、シリコン導波路W3の光軸A3は、方向D及び方向Zに直交する方向Hについての、拡大領域R10の略中心に位置している(図3の(a)参照)。従って、シリコン導波路W3の光軸A3は、方向Dと交差する断面において、拡大領域R10の方向Z及び方向Hのそれぞれの略中心に配置されている。   Here, the optical axis A3 of the silicon waveguide W3 is located substantially at the center of the enlarged region R10 in the direction Z. Specifically, the height of the enlarged region R10 is, for example, 10 μm. The silicon waveguide W3 is sandwiched between a clad having a thickness of, for example, 5 μm made of the silicon oxide layers S1 to S3 and a clad having a thickness of, for example, 4.89 μm, made of the silicon oxide layer S4. Furthermore, the optical axis A3 of the silicon waveguide W3 is located at the approximate center of the enlarged region R10 in the direction H perpendicular to the direction D and the direction Z (see FIG. 3A). Accordingly, the optical axis A3 of the silicon waveguide W3 is arranged at the approximate center of each of the direction Z and the direction H of the enlarged region R10 in the cross section intersecting with the direction D.

次に、本実施形態に係るスポットサイズ変換器1Bの製造方法について説明する。図7は、スポットサイズ変換器の主要な製造工程を示す図である。図7の(a)は、SOI基板の断面を示す図である。図7の(b)は、SOI基板を示す平面図である。図7の(c)は、シリコン導波路を形成する工程における断面を示す図である。図7の(d)は、シリコン導波路を形成する工程における平面図である。図7の(e)は、酸化シリコン層を形成する工程における断面を示す図である。図7の(f)は、酸化シリコン層を形成する工程における平面図である。なお、以下の製造方法における各部の材料及び寸法は一例である。   Next, a manufacturing method of the spot size converter 1B according to the present embodiment will be described. FIG. 7 is a diagram showing main manufacturing steps of the spot size converter. FIG. 7A shows a cross section of the SOI substrate. FIG. 7B is a plan view showing the SOI substrate. FIG. 7C is a view showing a cross section in the process of forming the silicon waveguide. FIG. 7D is a plan view in the process of forming the silicon waveguide. FIG. 7E is a diagram showing a cross section in the step of forming the silicon oxide layer. FIG. 7F is a plan view in the step of forming the silicon oxide layer. In addition, the material and dimension of each part in the following manufacturing methods are examples.

図7の(a)及び(b)に示されるように、SOI基板10を準備する。スポットサイズ変換器1Bを含む光学装置80は、SOI(Silicon on Insulator)基板10を用いて作製される。SOI基板10はCMOSプロセスに一般に使用されるものである。また、スポットサイズ変換器1Bの製造方法には、CMOSプロセスが適用される。SOI基板10は、シリコン基板11、BOX(Buried Oxide)層12、及びデバイス層13が積層された構造を有している。シリコン基板11は、単結晶シリコンからなり、2μmの厚さを有している。BOX層12は、酸化シリコン(SiO)からなり、0.22μmの厚さを有している。デバイス層13は、単結晶シリコンからなり、2μmの厚さを有している。ここで、シリコン基板11は、スポットサイズ変換器1Bの半導体基板3bとして用いられる。BOX層12は、スポットサイズ変換器1Bの酸化シリコン層S1として用いられる。デバイス層13は、スポットサイズ変換器1Bのシリコン導波路W1として用いられる。 As shown in FIGS. 7A and 7B, an SOI substrate 10 is prepared. The optical device 80 including the spot size converter 1 </ b> B is manufactured using an SOI (Silicon on Insulator) substrate 10. The SOI substrate 10 is generally used in a CMOS process. Further, a CMOS process is applied to the manufacturing method of the spot size converter 1B. The SOI substrate 10 has a structure in which a silicon substrate 11, a BOX (Buried Oxide) layer 12, and a device layer 13 are stacked. The silicon substrate 11 is made of single crystal silicon and has a thickness of 2 μm. The BOX layer 12 is made of silicon oxide (SiO 2 ) and has a thickness of 0.22 μm. The device layer 13 is made of single crystal silicon and has a thickness of 2 μm. Here, the silicon substrate 11 is used as the semiconductor substrate 3b of the spot size converter 1B. The BOX layer 12 is used as the silicon oxide layer S1 of the spot size converter 1B. The device layer 13 is used as the silicon waveguide W1 of the spot size converter 1B.

図7の(c)及び(d)に示されるように、デバイス層13をエッチングしてシリコン導波路W1を形成する。より詳細に説明すると、まず、デバイス層13上に導波路部W1aのためのマスクを形成する。そして、そのマスクを用いてデバイス層13をエッチングする。このときのエッチング深さは0.11μmである。エッチング深さは、エッチング時間に基づいて制御される。この工程により、幅が0.5μmであり、テーパ部T1の先端幅が0.1μmである導波路部W1aが形成される。続いて、デバイス層13上に導波路部W1bのためのマスクを形成する。そして、そのマスクを用いてデバイス層13を更にエッチングする。このときのエッチング深さは0.11μmであり、BOX層12が露出するまでエッチングを行う。この工程により、幅が0.5μmであり、テーパ部T2の先端幅が0.1μmである導波路部W1bが形成される。   As shown in FIGS. 7C and 7D, the device layer 13 is etched to form the silicon waveguide W1. More specifically, first, a mask for the waveguide portion W1a is formed on the device layer 13. Then, the device layer 13 is etched using the mask. The etching depth at this time is 0.11 μm. The etching depth is controlled based on the etching time. By this step, a waveguide portion W1a having a width of 0.5 μm and a tapered portion T1 having a tip width of 0.1 μm is formed. Subsequently, a mask for the waveguide portion W1b is formed on the device layer 13. Then, the device layer 13 is further etched using the mask. The etching depth at this time is 0.11 μm, and etching is performed until the BOX layer 12 is exposed. By this step, the waveguide portion W1b having a width of 0.5 μm and a tapered portion T2 having a tip width of 0.1 μm is formed.

図7の(e)及び(f)に示されるように、酸化シリコン層S1上及びシリコン導波路W1上に酸化シリコン層S2を形成する。より詳細に説明すると、PECVD(plasma-enhanced chemical vapor deposition)法を用いて、酸化シリコン層S1上及びシリコン導波路W1上に酸化シリコン層を成長させる。このとき酸化シリコン層の厚さが2μmとなるように成長させる。酸化シリコン層を成長させた後に、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法を用いて酸化シリコン層を研磨する。この研磨により酸化シリコン層を表面から0.5μmだけ除去する。以上の工程により、厚さが1.5μmである酸化シリコン層S2が形成される。また、酸化シリコン層S2の表面は、CMP法により形成されているので、表面のラフネス(表面粗さ)が低減している。酸化シリコン層S2の表面のラフネスが低減することにより、導波路の伝播損失を低減することができる。   As shown in FIGS. 7E and 7F, a silicon oxide layer S2 is formed on the silicon oxide layer S1 and the silicon waveguide W1. More specifically, a silicon oxide layer is grown on the silicon oxide layer S1 and the silicon waveguide W1 by using a PECVD (plasma-enhanced chemical vapor deposition) method. At this time, the silicon oxide layer is grown so as to have a thickness of 2 μm. After the silicon oxide layer is grown, the silicon oxide layer is polished using a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method. By this polishing, the silicon oxide layer is removed from the surface by 0.5 μm. Through the above steps, the silicon oxide layer S2 having a thickness of 1.5 μm is formed. Further, since the surface of the silicon oxide layer S2 is formed by the CMP method, the surface roughness (surface roughness) is reduced. By reducing the roughness of the surface of the silicon oxide layer S2, the propagation loss of the waveguide can be reduced.

図8は、スポットサイズ変換器の主要な製造工程を示す図である。図8の(a)及び(c)は、シリコン導波路を形成する工程における断面を示す図である。図8の(b)及び(d)は、シリコン導波路を形成する工程における平面図である。図8の(e)は、酸化シリコン層を形成する工程における断面を示す図である。図8の(f)は、酸化シリコン層を形成する工程における平面図である。   FIG. 8 is a diagram showing main manufacturing steps of the spot size converter. FIGS. 8A and 8C are views showing a cross section in the process of forming the silicon waveguide. FIGS. 8B and 8D are plan views in the process of forming the silicon waveguide. FIG. 8E is a diagram showing a cross section in the step of forming the silicon oxide layer. FIG. 8F is a plan view in the step of forming the silicon oxide layer.

図8の(a)及び(b)に示されるように、酸化シリコン層S2上に、アモルファスシリコン層ASを成長する。アモルファスシリコン層ASは、LPCVD法により成長され、0.2μmの厚さを有している。次に、アモルファスシリコン層ASに対してRTA(Rapid Thermal Annealing)法による熱処理を実施する。この熱処理により、アモルファスシリコン層ASがポリシリコン層PSに転換されるので、シリコン導波路W2における吸収損失を低減させることができる。そして、CMP法を用いてポリシリコン層PSを研磨する。この研磨によりポリシリコン層PSを0.09μmだけ除去する。以上の工程により、厚さが0.11μmであるポリシリコン層PSが形成される。   As shown in FIGS. 8A and 8B, an amorphous silicon layer AS is grown on the silicon oxide layer S2. The amorphous silicon layer AS is grown by the LPCVD method and has a thickness of 0.2 μm. Next, heat treatment is performed on the amorphous silicon layer AS by an RTA (Rapid Thermal Annealing) method. By this heat treatment, the amorphous silicon layer AS is converted into the polysilicon layer PS, so that the absorption loss in the silicon waveguide W2 can be reduced. Then, the polysilicon layer PS is polished using a CMP method. By this polishing, the polysilicon layer PS is removed by 0.09 μm. Through the above steps, a polysilicon layer PS having a thickness of 0.11 μm is formed.

図8の(c)及び(d)に示されるように、ポリシリコン層PSをエッチングしてシリコン導波路W2を形成する。より詳細に説明すると、シリコン導波路W2のためのマスクをポリシリコン層PS上に形成する。そして、そのマスクを用いてポリシリコン層PSをエッチングする。このときのエッチング深さは0.11μmである。エッチング深さは、エッチング時間に基づいて制御される。このエッチングにより、シリコン導波路W2が形成される。シリコン導波路W2は、導波路部W2aの幅が0.5μmであり、テーパ部T3,T4の先端幅が0.1μmである。さらに、シリコン導波路W2は、先に形成したシリコン導波路W1の一部と方向Zから見て重複する部分を有する。また、シリコン導波路W2の表面は、CMP法により形成されているので、表面のラフネスが低減している。シリコン導波路W2の表面のラフネスが低減することにより、導波路の伝播損失を低減させることができる。   As shown in FIGS. 8C and 8D, the polysilicon layer PS is etched to form the silicon waveguide W2. More specifically, a mask for the silicon waveguide W2 is formed on the polysilicon layer PS. Then, the polysilicon layer PS is etched using the mask. The etching depth at this time is 0.11 μm. The etching depth is controlled based on the etching time. By this etching, the silicon waveguide W2 is formed. In the silicon waveguide W2, the width of the waveguide portion W2a is 0.5 μm, and the tip widths of the tapered portions T3 and T4 are 0.1 μm. Further, the silicon waveguide W2 has a portion overlapping with a part of the previously formed silicon waveguide W1 when viewed from the direction Z. Moreover, since the surface of the silicon waveguide W2 is formed by the CMP method, the roughness of the surface is reduced. By reducing the roughness of the surface of the silicon waveguide W2, the propagation loss of the waveguide can be reduced.

図8の(e)及び(f)に示されるように、酸化シリコン層S2上及びシリコン導波路W2上に酸化シリコン層S3を形成する。この酸化シリコン層S3は、酸化シリコン層S2と同様の工程により形成される。すなわち、PECVD法により、酸化シリコン層S1上及びシリコン導波路W1上に厚さが2μmである酸化シリコン層を成長させる。酸化シリコン層を成長させた後に、CMP法を用いて酸化シリコン層を研磨する。この研磨により、厚さが1.5μmである酸化シリコン層S3が形成される。また、酸化シリコン層S3の表面は、CMP法により形成されているので、表面のラフネスが低減している。酸化シリコン層S3の表面のラフネスが低減することにより、導波路の伝播損失を低減させることができる。   As shown in FIGS. 8E and 8F, a silicon oxide layer S3 is formed on the silicon oxide layer S2 and the silicon waveguide W2. The silicon oxide layer S3 is formed by the same process as the silicon oxide layer S2. That is, a silicon oxide layer having a thickness of 2 μm is grown on the silicon oxide layer S1 and the silicon waveguide W1 by PECVD. After the silicon oxide layer is grown, the silicon oxide layer is polished using a CMP method. By this polishing, a silicon oxide layer S3 having a thickness of 1.5 μm is formed. Further, since the surface of the silicon oxide layer S3 is formed by the CMP method, the roughness of the surface is reduced. By reducing the roughness of the surface of the silicon oxide layer S3, the propagation loss of the waveguide can be reduced.

図9は、スポットサイズ変換器の主要な製造工程を示す図である。図9の(a)及び(c)は、シリコン導波路を形成する工程における断面を示す図である。図9の(b)及び(d)は、シリコン導波路を形成する工程における平面図である。図9の(e)は、酸化シリコン層を形成する工程における断面を示す図である。図9の(f)は、酸化シリコン層を形成する工程における平面図である。   FIG. 9 is a diagram showing main manufacturing steps of the spot size converter. FIGS. 9A and 9C are cross-sectional views in the process of forming the silicon waveguide. FIGS. 9B and 9D are plan views in the process of forming the silicon waveguide. FIG. 9E is a diagram showing a cross section in the step of forming the silicon oxide layer. FIG. 9F is a plan view in the step of forming the silicon oxide layer.

次に、シリコン導波路W3を形成する工程を実施する。シリコン導波路W3を形成する工程は、シリコン導波路W3を形成する位置がシリコン導波路W2と異なる他は、シリコン導波路W2を形成する方法と同様の工程が実施される。   Next, a step of forming the silicon waveguide W3 is performed. The step of forming the silicon waveguide W3 is performed in the same manner as the method of forming the silicon waveguide W2, except that the position of forming the silicon waveguide W3 is different from that of the silicon waveguide W2.

図9の(a)及び(b)に示されるように、酸化シリコン層S3上に、LPCVD法により成長された0.2μmの厚さのアモルファスシリコン層ASを成長する。次に、アモルファスシリコン層ASに対して熱処理を実施して、ポリシリコン層PSに転換する。そして、CMP法を用いてポリシリコン層PSを研磨して、厚さが0.11μmであるポリシリコン層PSを形成する。   As shown in FIGS. 9A and 9B, an amorphous silicon layer AS having a thickness of 0.2 μm grown by the LPCVD method is grown on the silicon oxide layer S3. Next, the amorphous silicon layer AS is subjected to a heat treatment to be converted into a polysilicon layer PS. Then, the polysilicon layer PS is polished by CMP to form a polysilicon layer PS having a thickness of 0.11 μm.

図9の(c)及び(d)に示されるように、ポリシリコン層PSをエッチングしてシリコン導波路W3を形成する。より詳細には、シリコン導波路W3のためのマスクを形成した後に、そのマスクを用いてポリシリコン層PSをエッチングする。これらの工程により形成されたシリコン導波路W3は、導波路部W3aの幅が0.5μmであり、テーパ部T6,T7の先端幅が0.1μmであり、先に形成したシリコン導波路W2の一部と方向Zから見て重複する部分を有する。   As shown in FIGS. 9C and 9D, the polysilicon layer PS is etched to form a silicon waveguide W3. More specifically, after forming a mask for the silicon waveguide W3, the polysilicon layer PS is etched using the mask. In the silicon waveguide W3 formed by these steps, the width of the waveguide portion W3a is 0.5 μm, the tip widths of the tapered portions T6 and T7 are 0.1 μm, and the silicon waveguide W2 formed earlier is formed. It has a part that overlaps with part when viewed from the direction Z.

図9の(e)及び(f)に示されるように、酸化シリコン層S4上及びシリコン導波路W3上に、酸化シリコン層S4を成長する。より詳細に説明すると、PECVD法により、酸化シリコン層S3上に厚さが5.5μmである酸化シリコン層を成長させた後に、CMP法を用いてその酸化シリコン層を研磨する。この研磨により厚さが5μmである酸化シリコン層S4が形成される。また、酸化シリコン層S4の表面は、CMP法により形成されているので、表面のラフネスが低減している。酸化シリコン層S4の表面のラフネスが低減することにより、導波路の伝播損失を低減させることができる。   As shown in FIGS. 9E and 9F, a silicon oxide layer S4 is grown on the silicon oxide layer S4 and the silicon waveguide W3. More specifically, after a silicon oxide layer having a thickness of 5.5 μm is grown on the silicon oxide layer S3 by PECVD, the silicon oxide layer is polished using CMP. By this polishing, a silicon oxide layer S4 having a thickness of 5 μm is formed. Moreover, since the surface of the silicon oxide layer S4 is formed by the CMP method, the roughness of the surface is reduced. By reducing the roughness of the surface of the silicon oxide layer S4, it is possible to reduce the propagation loss of the waveguide.

図10は、スポットサイズ変換器1Bの主要な製造工程における断面を示す図である。図10の(a)は、空隙を形成する工程における、端面80aを示す図である。図10の(b)は、空隙を形成する工程における、図1のVc―Vc線に沿った断面を示す図である。図10の(c)は、空隙を形成する工程における、図1のVd―Vd線に沿った断面を示す図である。   FIG. 10 is a diagram showing a cross section in the main manufacturing process of the spot size converter 1B. (A) of FIG. 10 is a figure which shows the end surface 80a in the process of forming a space | gap. FIG. 10B is a view showing a cross section taken along the line Vc-Vc in FIG. 1 in the step of forming the air gap. FIG. 10C is a view showing a cross section taken along the line Vd-Vd in FIG. 1 in the step of forming the air gap.

図10の(a)〜(c)に示されるように、まず、酸化シリコン層S1〜S4をエッチングして幅が2μmである空隙G2a,G2bを形成する。これにより、テラス7a,7b及び酸化シリコン層S1〜S4が形成されると共に、方向Hにおいて空隙G2a,G2bの空気をクラッドとする閉じ込め構造が形成される。次に、シリコン基板11をエッチングして、凹部11aを形成する。この工程により、空隙G1が形成される。これにより、半導体基板3b及びスポットサイズ変換部6が形成される。このとき、スポットサイズ変換部6は、片持ち梁構造となる。このような片持ち梁構造によれば、方向Zにおいて空気をクラッドとする閉じ込め構造が形成される。   As shown in FIGS. 10A to 10C, first, the silicon oxide layers S1 to S4 are etched to form gaps G2a and G2b having a width of 2 μm. Thereby, the terraces 7a and 7b and the silicon oxide layers S1 to S4 are formed, and a confinement structure in which the air in the gaps G2a and G2b is clad in the direction H is formed. Next, the silicon substrate 11 is etched to form a recess 11a. By this step, the gap G1 is formed. Thereby, the semiconductor substrate 3b and the spot size conversion part 6 are formed. At this time, the spot size conversion unit 6 has a cantilever structure. According to such a cantilever structure, a confinement structure in which air is clad in the direction Z is formed.

以上説明したように、本実施形態に係るスポットサイズ変換器1Bでは、シリコン導波路W1を方向Dに進行した光が、酸化シリコン層S2を介して、シリコン導波路W2に遷移される。シリコン導波路W2に遷移した光は、シリコン導波路W2を導波して、シリコン導波路W2にシリコン導波路W3を介して光結合された拡大領域R10に伝播される。拡大領域R10に伝播された光は、スポットサイズが拡大しつつ方向Dに進行する。このように、スポットサイズ変換器1Bにおいては、シリコン導波路W1からシリコン導波路W2及びシリコン導波路W3に光を遷移させることにより、その光軸A1〜A3を移動させつつスポットサイズを変換する。従って、このスポットサイズ変換器1Bによれば、光軸のずれに起因する光の揺らぎを抑制しつつ、スポットサイズを変換することができる。   As described above, in the spot size converter 1B according to the present embodiment, the light traveling in the direction D through the silicon waveguide W1 is transitioned to the silicon waveguide W2 via the silicon oxide layer S2. The light that has transitioned to the silicon waveguide W2 is guided through the silicon waveguide W2 and propagates to the enlarged region R10 that is optically coupled to the silicon waveguide W2 via the silicon waveguide W3. The light propagated to the enlarged region R10 proceeds in the direction D while the spot size is enlarged. Thus, in the spot size converter 1B, the spot size is converted while moving the optical axes A1 to A3 by shifting light from the silicon waveguide W1 to the silicon waveguide W2 and the silicon waveguide W3. Therefore, according to the spot size converter 1B, the spot size can be converted while suppressing the fluctuation of the light caused by the deviation of the optical axis.

また、本実施形態に係るスポットサイズ変換器1Bでは、シリコン導波路W1が領域R4において方向Dに向かって幅が減少するテーパ部T2を有し、シリコン導波路W2が領域R4において方向Dに向かって幅が増大するテーパ部T3を有している。この構成によれば、シリコン導波路W1を進行してきた光は、テーパ部T2において光のモードが拡大され、酸化シリコン層S2を介して、シリコン導波路W2のテーパ部T3に効率よく光結合される。従って、シリコン導波路W1からシリコン導波路W2へ光を効率よく遷移させることができる。   In the spot size converter 1B according to the present embodiment, the silicon waveguide W1 has a tapered portion T2 whose width decreases in the direction D in the region R4, and the silicon waveguide W2 faces in the direction D in the region R4. And has a tapered portion T3 whose width increases. According to this configuration, the light traveling through the silicon waveguide W1 has its light mode expanded at the tapered portion T2, and is efficiently optically coupled to the tapered portion T3 of the silicon waveguide W2 via the silicon oxide layer S2. The Therefore, light can be efficiently transitioned from the silicon waveguide W1 to the silicon waveguide W2.

また、本実施形態に係るスポットサイズ変換器1Bにおいて、方向Dに直交する方向Zにおけるテーパ部T2とテーパ部T3との重複部分の方向Dについての長さL4は、テーパ部T2及びテーパ部T3の方向Dついての長さL5以下とされている。このような構成によれば、シリコン導波路W1からシリコン導波路W2へ光をさらに効率よく遷移させることができるので、光損失を抑制して、シリコン導波路W1からシリコン導波路W2へ光をさらに効率よく遷移させることができる。   In the spot size converter 1B according to the present embodiment, the length L4 in the direction D of the overlapping portion of the tapered portion T2 and the tapered portion T3 in the direction Z orthogonal to the direction D is the tapered portion T2 and the tapered portion T3. The length L in the direction D is equal to or less than L5. According to such a configuration, light can be more efficiently transitioned from the silicon waveguide W1 to the silicon waveguide W2, and therefore, light loss can be suppressed and light can be further transmitted from the silicon waveguide W1 to the silicon waveguide W2. It is possible to make transition efficiently.

また、本実施形態に係るスポットサイズ変換器1Bにおいて、シリコン導波路W3の光軸A3は、方向Dに直交する方向Zについての拡大領域R10の中心に位置している。さらに、シリコン導波路W3の光軸A3は、方向D及び方向Zに直交する方向Hについての拡大領域R10の中心に位置している。このような構成によれば、シリコン導波路W3から出射された光が、拡大領域R10において方向Dに進行しつつ、方向Z及び方向Hを含む方向に拡大するとき、光が出射された位置から、拡大領域R10の各側面、上面及び下面までの距離が略同じとなるので光強度のゆらぎが抑制される。   In the spot size converter 1B according to the present embodiment, the optical axis A3 of the silicon waveguide W3 is located at the center of the enlarged region R10 in the direction Z orthogonal to the direction D. Furthermore, the optical axis A3 of the silicon waveguide W3 is located at the center of the enlarged region R10 with respect to the direction H perpendicular to the direction D and the direction Z. According to such a configuration, when the light emitted from the silicon waveguide W3 travels in the direction D in the expansion region R10 and expands in the direction including the direction Z and the direction H, from the position where the light is emitted. Since the distances to the side surfaces, the upper surface, and the lower surface of the enlarged region R10 are substantially the same, fluctuations in light intensity are suppressed.

また、本実施形態に係るスポットサイズ変換器1Bにおいて、スポットサイズ変換部6の外周には、空隙G1、G2a及びG2bが形成されているので、良好な光閉じ込め構造を形成することができる。   In the spot size converter 1B according to the present embodiment, since the gaps G1, G2a, and G2b are formed on the outer periphery of the spot size conversion unit 6, a good light confinement structure can be formed.

また、本実施形態に係るスポットサイズ変換器1Bでは、導波路が単結晶又は多結晶のシリコンからなる。このように、シリコンからなる導波路同士を光学的に結合させた光遷移構造によれば、シリコンからなる導波路が光を強く閉じ込める作用を有しているので、導波路間における遷移効率を高めることができる。   In the spot size converter 1B according to the present embodiment, the waveguide is made of single crystal or polycrystalline silicon. As described above, according to the optical transition structure in which the waveguides made of silicon are optically coupled to each other, the waveguide made of silicon has a function of strongly confining light, so that the transition efficiency between the waveguides is increased. be able to.

また、本実施形態に係るスポットサイズ変換器1Bでは、拡大領域R10の端面80aから出射される光のモード径を、例えば約10μmといった光ファイバのモード径に近づけることができる。このような構成によれば、スポットサイズ変換器1Bと光ファイバとの間の結合効率の低下を抑制できる。   In the spot size converter 1B according to the present embodiment, the mode diameter of the light emitted from the end face 80a of the enlarged region R10 can be made close to the mode diameter of the optical fiber, for example, about 10 μm. According to such a configuration, it is possible to suppress a decrease in coupling efficiency between the spot size converter 1B and the optical fiber.

本発明に係るスポットサイズ変換器1Bは、本実施形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。上記実施形態では、スポットサイズ変換器1Bが、3つのシリコン導波路W1〜W3を備え、シリコン導波路W2がシリコン導波路W3を介して拡大領域R10と光学的に結合されている例を説明したが、この形態に限定されることはない。スポットサイズ変換器1Bが備えるシリコン導波路の数は、2つであってもよい。すなわち、シリコン導波路W2が直接に拡大領域R10と光学的に結合されていてもよい。また、スポットサイズ変換器1Bが備えるシリコン導波路の数は、3つ以上であってもよい。このように、シリコン導波路の数及びシリコン導波路同士の間隔とを適宜選択することにより、拡大領域R10に光学的に結合されるシリコン導波路を所望の位置に配置することができる。   The spot size converter 1B according to the present invention is not limited to the specific configuration disclosed in the present embodiment. In the above embodiment, the spot size converter 1B includes the three silicon waveguides W1 to W3, and the silicon waveguide W2 is optically coupled to the enlarged region R10 via the silicon waveguide W3. However, it is not limited to this form. The number of silicon waveguides provided in the spot size converter 1B may be two. That is, the silicon waveguide W2 may be directly optically coupled to the enlarged region R10. Further, the number of silicon waveguides provided in the spot size converter 1B may be three or more. As described above, by appropriately selecting the number of silicon waveguides and the interval between the silicon waveguides, the silicon waveguides optically coupled to the enlarged region R10 can be disposed at a desired position.

本実施形態に係るスポットサイズ変換器1Bにおいて、シリコン導波路W1〜W3の間で光が遷移する様子を計算により確認した。この計算には、3次元ビ―ム伝搬法(3D−BPM法)を用いた。図11及び図12は、計算結果を説明するための図である。特に、図11の(a)は、スポットサイズ変換器部6の断面を示す図であり、図11の(b)は、DZ平面における計算結果を示す図である。また、図12の(a)は、DZ平面における計算結果を示す図であり、図12の(b)は図12のXIIa-XIIa線に沿った断面における計算結果を示す図であり、図12の(c)は図12のXIIb-XIIb線に沿った断面における計算結果を示す図であり、図12の(d)は図12のXIIc-XIIc線に沿った断面における計算結果を示す図であり、図12の(e)は図12のXIId-XIId線に沿った断面における計算結果を示す図であり、図12の(f)は図12のXIIe-XIIe線に沿った断面における計算結果を示す図である。   In the spot size converter 1B according to the present embodiment, the state of light transition between the silicon waveguides W1 to W3 was confirmed by calculation. For this calculation, a three-dimensional beam propagation method (3D-BPM method) was used. 11 and 12 are diagrams for explaining the calculation results. In particular, FIG. 11A is a diagram showing a cross section of the spot size converter unit 6, and FIG. 11B is a diagram showing a calculation result in the DZ plane. 12A is a diagram showing a calculation result in the DZ plane, and FIG. 12B is a diagram showing a calculation result in a cross section along the line XIIa-XIIa in FIG. (C) of FIG. 12 is a diagram showing a calculation result in the cross section along the XIIb-XIIb line of FIG. 12, and (d) of FIG. 12 is a diagram showing a calculation result in the cross section along the XIIc-XIIc line of FIG. FIG. 12E is a diagram showing the calculation result in the cross section along the XIId-XIId line in FIG. 12, and FIG. 12F is the calculation result in the cross section along the XIIe-XIIe line in FIG. FIG.

この計算には、以下の数値を用いた。また、この計算では、端面80aから光をスポットサイズ変換器1Bに入射し、光がシリコン導波路W3から、シリコン導波路W2を介してシリコン導波路W1へ遷移する様子を確認した。
入射される光の波長 1.55μm。
シリコン導波路W1〜W3の幅 0.5μm。
シリコン導波路W1〜W3の長さ 350μm。
シリコン導波路W1〜W3の厚さ 0.11μm。
酸化シリコン層S1の厚さ 2μm。
酸化シリコン層S2の厚さ 1.5μm。
酸化シリコン層S3の厚さ 1.5μm。
酸化シリコン層S4の厚さ 5μm。
テーパ部T1〜T6の長さ 150μm。
テーパ部T2,T3との間隔 1.39μm。
テーパ部T4,T6との間隔 1.39μm。
拡大領域R10の高さ 10μm。
拡大領域R10の幅 10μm。
The following numerical values were used for this calculation. In this calculation, light was incident on the spot size converter 1B from the end face 80a, and it was confirmed that the light transits from the silicon waveguide W3 to the silicon waveguide W1 via the silicon waveguide W2.
The wavelength of incident light is 1.55 μm.
The width of the silicon waveguides W1 to W3 is 0.5 μm.
The length of the silicon waveguides W1 to W3 is 350 μm.
The thickness of the silicon waveguides W1 to W3 is 0.11 μm.
The thickness of the silicon oxide layer S1 is 2 μm.
The thickness of the silicon oxide layer S2 is 1.5 μm.
The thickness of the silicon oxide layer S3 is 1.5 μm.
The thickness of the silicon oxide layer S4 is 5 μm.
Length of taper portions T1 to T6 is 150 μm.
Distance between taper portions T2 and T3 1.39 μm.
Distance between taper portions T4 and T6 1.39 μm.
The height of the enlarged region R10 is 10 μm.
The width of the enlarged region R10 is 10 μm.

図11の(b)に示されるように、端面80aから入射した光が、まずシリコン導波路W3に結合している。続いて、シリコン導波路W3を導波した光がシリコン導波路W2に遷移している。そして、シリコン導波路W2を導波した光がシリコン導波路W1に遷移していることがわかる。   As shown in FIG. 11B, the light incident from the end face 80a is first coupled to the silicon waveguide W3. Subsequently, the light guided through the silicon waveguide W3 transitions to the silicon waveguide W2. And it turns out that the light which guided the silicon waveguide W2 has changed to the silicon waveguide W1.

図12の(b)〜(f)に示されるように、端面80aに入射された光は、拡大領域R10において、酸化シリコン層S1〜S4をコアとし、空気をクラッドとする導波路に閉じ込められる(図12の(b)参照)。そして、拡大領域R10の幅が狭くなり断面形状が縦長となることにより、導波する光のモードが縦長に変化する(図12の(c)参照)。続いて、シリコン導波路W3からシリコン導波路W2に遷移し、シリコン導波路W2からシリコン導波路W1に遷移する間に、光は各シリコン導波路に閉じ込められ、光軸の位置が変化している。   As shown in FIGS. 12B to 12F, the light incident on the end face 80a is confined in a waveguide having the silicon oxide layers S1 to S4 as the core and air as the cladding in the enlarged region R10. (See (b) of FIG. 12). Then, when the width of the enlarged region R10 becomes narrow and the cross-sectional shape becomes vertically long, the mode of guided light changes to vertically long (see FIG. 12C). Subsequently, during the transition from the silicon waveguide W3 to the silicon waveguide W2 and the transition from the silicon waveguide W2 to the silicon waveguide W1, light is confined in each silicon waveguide, and the position of the optical axis is changed. .

[実施例1]
本実施形態に係るスポットサイズ変換器1Bに相当するスポットサイズ変換器を実施例1として作製した。実施例1に係るスポットサイズ変換器は、上述したような数値を有する。そして、そのスポットサイズ変換器と、端面が平坦であるシングルモード光ファイバとの結合損失を評価した。この評価では、TEモードにおける結合損失を評価した。その結果、スポットサイズ変換器と、シングルモード光ファイバとの間の結合損失が0.8dBであることがわかった。従って、このスポットサイズ変換器によれば、後述する比較例のスポットサイズ変換器(結合損失:2.3dB)と比較して、結合損失を抑制できていることがわかった。
[Example 1]
A spot size converter corresponding to the spot size converter 1B according to the present embodiment was produced as Example 1. The spot size converter according to the first embodiment has the numerical values as described above. Then, the coupling loss between the spot size converter and the single mode optical fiber having a flat end face was evaluated. In this evaluation, the coupling loss in the TE mode was evaluated. As a result, it was found that the coupling loss between the spot size converter and the single mode optical fiber was 0.8 dB. Therefore, according to this spot size converter, it was found that the coupling loss can be suppressed as compared with a spot size converter (coupling loss: 2.3 dB) of a comparative example described later.

実施例1に係るスポットサイズ変換器と光ファイバとの間の位置ずれ量と、結合効率との関係について確認した。まず、実施例1に係るスポットサイズ変換器に対する光ファイバの位置を調整して、結合効率が最大となる位置にスポットサイズ変換器と光ファイバとを配置した。そして、光ファイバの位置を方向Z又は方向Hにずらし、結合効率が最大値から−1dBとなる光ファイバのずれ位置を確認した。その結果、方向Z及び方向Hについて、光ファイバを2.4μmだけ移動させたときに結合効率が最大値から−1dBとなることがわかった。   The relationship between the amount of displacement between the spot size converter according to Example 1 and the optical fiber and the coupling efficiency was confirmed. First, the position of the optical fiber with respect to the spot size converter according to Example 1 was adjusted, and the spot size converter and the optical fiber were arranged at a position where the coupling efficiency was maximized. Then, the position of the optical fiber was shifted in the direction Z or the direction H, and the shift position of the optical fiber where the coupling efficiency was -1 dB from the maximum value was confirmed. As a result, in the direction Z and the direction H, it was found that when the optical fiber was moved by 2.4 μm, the coupling efficiency became −1 dB from the maximum value.

[実施例2]
本実施形態に係るスポットサイズ変換器1Bに相当するスポットサイズ変換器を実施例2として作製した。実施例2に係るスポットサイズ変換器は、上述したような数値を有する。ただし、実施例2に係るスポットサイズ変換器は、ポリシリコンからなるシリコン導波路W2,W3に代えて、アモルファスシリコンからなるシリコン導波路を有している。結合損失の評価は、上述した方法と同様の方法により評価した。その結果、アモルファスシリコンからなるシリコン導波路を備えたスポットサイズ変換器では、結合損失が1.4dBであることがわかった。シリコン導波路を形成する工程において、RTA法による熱処理を施して、アモルファスシリコンをポリシリコンに転換することにより、シリコン導波路における吸収損失を低減させることができることがわかった。従って、ポリシリコンからなるシリコン導波路を備えたスポットサイズ変換器は、アモルファスシリコンからなるシリコン導波路を備えたスポットサイズ変換器よりも結合損失を抑制できることがわかった。
[Example 2]
A spot size converter corresponding to the spot size converter 1B according to the present embodiment was produced as Example 2. The spot size converter according to the second embodiment has the numerical values as described above. However, the spot size converter according to the second embodiment has a silicon waveguide made of amorphous silicon instead of the silicon waveguides W2 and W3 made of polysilicon. The coupling loss was evaluated by the same method as described above. As a result, it was found that the coupling loss was 1.4 dB in the spot size converter including the silicon waveguide made of amorphous silicon. It has been found that the absorption loss in the silicon waveguide can be reduced by performing heat treatment by the RTA method in the process of forming the silicon waveguide to convert amorphous silicon into polysilicon. Therefore, it was found that the spot size converter provided with the silicon waveguide made of polysilicon can suppress the coupling loss more than the spot size converter provided with the silicon waveguide made of amorphous silicon.

[比較例1]
比較例に係るスポットサイズ変換器100を作製した。図13は、比較例に係るスポットサイズ変換器を説明するための図である。特に図13の(a)は、比較例に係るスポットサイズ変換器の断面を示す図である。このスポットサイズ変換器100は、導波路としてシリコン導波路W1のみを備えている。すなわち、スポットサイズ変換器100は、シリコン導波路W2,W3は備えていない。そして、実施例2と同様の方法を用いて、光ファイバとの間の結合損失を確認した。その結果、スポットサイズ変換器100と光ファイバとの間の結合損失は2.3dBであった。
[Comparative Example 1]
A spot size converter 100 according to a comparative example was produced. FIG. 13 is a diagram for explaining a spot size converter according to a comparative example. In particular, FIG. 13A is a diagram illustrating a cross section of a spot size converter according to a comparative example. The spot size converter 100 includes only a silicon waveguide W1 as a waveguide. That is, the spot size converter 100 does not include the silicon waveguides W2 and W3. And the coupling loss between optical fibers was confirmed using the method similar to Example 2. FIG. As a result, the coupling loss between the spot size converter 100 and the optical fiber was 2.3 dB.

さらに、比較例1に係るスポットサイズ変換器100において、方向Dに直交する断面における光の分布を計算により確認した。計算には、上述した各数値を用いた。図13の(b)は、XIII―XIII線に沿った断面における光の強度分布を示す図である。シリコン導波路W1の下側に位置する酸化シリコン層S1の厚さが2μmであり、シリコン導波路W1の上側に位置する酸化シリコン層S2〜S4の厚さが7μmである。このため、光のモードが円になっておらず、扁平な形状を有している。このようなモードは、光ファイバのモード形状と大きく異なるため結合損失が増加することがわかった。   Furthermore, in the spot size converter 100 according to Comparative Example 1, the light distribution in the cross section orthogonal to the direction D was confirmed by calculation. Each numerical value mentioned above was used for calculation. FIG. 13B is a diagram showing the light intensity distribution in the cross section along the line XIII-XIII. The thickness of the silicon oxide layer S1 located below the silicon waveguide W1 is 2 μm, and the thickness of the silicon oxide layers S2 to S4 located above the silicon waveguide W1 is 7 μm. For this reason, the light mode is not a circle and has a flat shape. It has been found that such a mode is greatly different from the mode shape of the optical fiber, so that the coupling loss increases.

1A,1B…スポットサイズ変換器、2…光学機能部、3…基部、4…本体部、6…スポットサイズ変換部、7a,7b…テラス、10…半導体基板、80…光学装置、81,82…光ファイバ、A1〜A3…光軸、AS…アモルファスシリコン層、C1,C2…遷移部、D…所定方向、G1,G1,G2a…空隙、M…直交座標系、R1〜R8…領域、R9…遷移領域、R10…拡大領域(酸化シリコン導波路)、S1〜S4…酸化シリコン層、T1〜T6…テーパ部、W1〜W3…シリコン導波路。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1A, 1B ... Spot size converter, 2 ... Optical function part, 3 ... Base part, 4 ... Main part, 6 ... Spot size conversion part, 7a, 7b ... Terrace, 10 ... Semiconductor substrate, 80 ... Optical apparatus, 81, 82 ... Optical fiber, A1 to A3 ... Optical axis, AS ... Amorphous silicon layer, C1, C2 ... Transition part, D ... Predetermined direction, G1, G1, G2a ... Gap, M ... Cartesian coordinate system, R1 to R8 ... Region, R9 ... transition region, R10 ... enlarged region (silicon oxide waveguide), S1 to S4 ... silicon oxide layer, T1 to T6 ... taper portion, W1 to W3 ... silicon waveguide.

Claims (5)

所定の方向に順に配列された第1の領域、第2の領域、第3の領域及び第4の領域を含む半導体基板と、
前記半導体基板上に形成されたスポットサイズ変換部と、
を備え、
前記スポットサイズ変換部は、
前記第1の領域、前記第2の領域、前記第3の領域、前記第4の領域及び前記半導体基板上に形成された第1の酸化シリコン層と、
前記第1の領域、前記第2の領域及び前記第1の酸化シリコン層上に形成された第1のシリコン導波路と、
前記第1の領域、前記第2の領域、及び前記第1のシリコン導波路上に形成された部分、並びに、前記第3の領域、前記第4の領域、及び前記第1の酸化シリコン層上に形成された部分を有する第2の酸化シリコン層と、
前記第2の領域、前記第3の領域、及び前記第2の酸化シリコン層上に形成された第2のシリコン導波路と、
前記第2の領域、前記第3の領域、及び前記第2のシリコン導波路上に形成された部分、並びに、前記第1の領域、前記第4の領域、及び前記第2の酸化シリコン層上に形成された部分を有する第3の酸化シリコン層と、
を有し、
前記第4の領域上には、前記第1の酸化シリコン層、前記第2の酸化シリコン層及び前記第3のシリコン層を含む酸化シリコン導波路が構成され、
前記酸化シリコン導波路は、前記第2のシリコン導波路に光学的に結合されている、
ことを特徴とするスポットサイズ変換器。
A semiconductor substrate including a first region, a second region, a third region, and a fourth region arranged in order in a predetermined direction;
A spot size converter formed on the semiconductor substrate;
With
The spot size converter
A first silicon oxide layer formed on the first region, the second region, the third region, the fourth region, and the semiconductor substrate;
A first silicon waveguide formed on the first region, the second region, and the first silicon oxide layer;
On the first region, the second region, and the portion formed on the first silicon waveguide, and on the third region, the fourth region, and the first silicon oxide layer A second silicon oxide layer having a portion formed on;
A second silicon waveguide formed on the second region, the third region, and the second silicon oxide layer;
On the second region, the third region, and the portion formed on the second silicon waveguide, and on the first region, the fourth region, and the second silicon oxide layer A third silicon oxide layer having a portion formed on;
Have
A silicon oxide waveguide including the first silicon oxide layer, the second silicon oxide layer, and the third silicon layer is formed on the fourth region,
The silicon oxide waveguide is optically coupled to the second silicon waveguide;
A spot size converter characterized by that.
前記第1のシリコン導波路は、前記第2の領域上において、前記所定の方向に向かって幅が減少する第1のテーパ部を有し、
前記第2のシリコン導波路は、前記第2の領域上において、前記所定の方向に向かって幅が増大する第2のテーパ部を有する、
ことを特徴とする請求項1に記載のスポットサイズ変換器。
The first silicon waveguide has a first taper portion whose width decreases toward the predetermined direction on the second region,
The second silicon waveguide has a second taper portion whose width increases toward the predetermined direction on the second region.
The spot size converter according to claim 1.
前記所定の方向に交差する方向における前記第1のテーパ部と前記第2のテーパ部との重複部分の前記所定の方向についての長さは、前記第1のテーパ部及び前記第2のテーパ部の前記所定の方向についての長さ以下である、
ことを特徴とする請求項2に記載のスポットサイズ変換器。
The length of the overlapping portion of the first taper portion and the second taper portion in the direction crossing the predetermined direction in the predetermined direction is the first taper portion and the second taper portion. Or less than the length in the predetermined direction of
The spot size converter according to claim 2.
前記第2のシリコン導波路の光軸は、前記所定の方向に交差する方向についての前記酸化シリコン導波路の略中心に位置している、
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のスポットサイズ変換器。
The optical axis of the second silicon waveguide is located substantially at the center of the silicon oxide waveguide in a direction intersecting the predetermined direction.
The spot size converter as described in any one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned.
前記スポットサイズ変換部の外周には、空隙が形成されている、
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のスポットサイズ変換器。
A void is formed on the outer periphery of the spot size conversion unit,
The spot size converter as described in any one of Claims 1-4 characterized by the above-mentioned.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017037178A (en) * 2015-08-10 2017-02-16 ルネサスエレクトロニクス株式会社 Semiconductor device and method for manufacturing the same

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