JP2017004006A - 光デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】オンチップ多層光配線の光配線層間接続に使用できる実用的な光デバイスを提供する。【解決手段】光デバイスは、基板１００と、基板上の第１の配線分離層１０１と、第１の配線分離層上の第１の配線層内クラッド１０７ｂと、左右を第１の配線層内クラッドに挟まれ第１のコア材からなる第１の光導波路１０７ａとを含む第１の光配線層１０２と、第１の配線分離層上方の第２の配線層内クラッド１０８ｂと、左右を第２の配線層内クラッドに挟まれ、第１の光導波路と離間して略平行に伸長し、第１のコア材からなる第２の光導波路１０８ａとを含む第２の光配線層１０４と、第１の光配線層と第２の光配線層との間の周囲層と、周囲層で挟まれ、第１のコア材よりも高い屈折率の第２のコア材からなる接続部１１０ａとを含む第２の配線分離層と、を備え、基板に平行な面に投影した場合に、接続部が、第１の光導波路および第２の光導波路のいずれよりも内側となる。【選択図】図５

Description

本発明の実施の形態は、光デバイスおよびその製造方法に関する。

近年、携帯端末の扱う画像や動画のデータ容量が飛躍的に増大している。このため、携帯機器とＰＣなどのデータ保管機器との間のデータ伝送速度がボトルネックとなってくる。

このような機器間のデータ伝送速度の問題を解決する技術として、電気信号を光信号に置き換える光伝送技術がある。光伝送技術は、光ファイバなどの光伝送路を使ったタイプのものや、空間に光を伝搬させるタイプのものがある。

光ファイバ伝送は長距離伝送で一般的に使用されているが、機器間接続には接続部のアライメント精度向上のための構成部品の高精度化が必要である。このため、高価または壊れやすいなどの欠点がある。

一方で空間伝送はそれらの構成部品が不要なため、送受信部の簡易化が可能である。しかし、送信光をなるべく損失を少なくして受光する必要がある。この点については、光ファイバ伝送と同様にアライメント精度向上が課題である。

解決策として、送受信の一方または双方をアレイ化する方法がある。これによりアライメントズレに対して許容度が向上するが、構成部品が大型になるという問題がある。また光出力の方向を変えるビームステアリングと呼ばれる技術があるが、これまで提案されているものでは素子サイズが非常に大きくなることが問題である。

一方、半導体製造プロセスを用いて、光伝送路を形成する技術がある。この技術では、コアと周囲の屈折率のコントラストが大きなシリコン（Ｓｉ）光細線導波路を利用することで、光デバイスの小型化が実現された。波長１．５５μｍ帯のＳｉ光細線導波路の典型的な断面寸法は２２０ｎｍ×４５０ｎｍである。高屈折率差による強い光閉じ込めにより、曲率半径の小さな曲がり導波路でも放射損失を小さく抑えることができる。高度に発達したＣＭＯＳプロセス技術を応用すれば、微細な光・電子デバイスを多数集積化した光集積回路を量産可能である。したがって、機器間・ボード間光インターコネクションだけでなく、チップ間・チップ内の大容量光配線への応用も期待されている。

特に配線長が数ｃｍ以下のチップ内光配線では、厳密な波長管理の必要な波長多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）や数十ＧｂｐｓのＳｅｒＤｅｓや光送受信回路の必要な時間多重（ＴＤＭ：Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）を用いるよりも、単純に配線を並列化、すなわち空間多重（ＳＤＭ：Ｓｐａｃｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）を用いる方が、オーバーヘッドが小さく、コスト、消費電力等の面で有利である。ＳＤＭでは配線数が増えるが、必要があれば多層化により面積当りの配線密度を上げることができる。いずれにせよ、光配線でチップ内の多点間を接続する場合、導波路を交差させるために最低２層の光配線層が必要である。

高価なＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｓｕｌａｔｏｒ）基板の貼り合せで多層光配線を実現するのは現実的ではないので、複数の光配線層を電気の配線層と同様にＣＭＯＳのバックエンドプロセスで積層できることが好ましい。既に、ＳｉＯ_２上に約３００℃の低温でプラズマＣＶＤにより堆積された水素終端アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）を用いて形成した光細線導波路でも、ＳＯＩ基板上のトップ結晶Ｓｉ層を用いて形成した光細線導波路と遜色ない低損失の光伝搬特性が実現されている。

多層光配線の光配線層間を光接続する光カプラとしては、テーパ導波路を組み合わせたもの、方向性結合器を用いたもの、多モード干渉（ＭＭＩ：Ｍｕｌｔｉ Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒａｎｃｅ）を用いたＭＭＩ光カプラなどが考えられる。

テーパ導波路を用いた光カプラは、テーパ状に狭まる入射側導波路とテーパ状に広がる出射側導波路を上下に重なるように近接配置したものである。多少の位置ずれがあっても結合効率を大きく保てるが、導波モードを断熱的に変化させるために長いテーパが必要であり、小型化が難しい。

縦型方向性結合器は、配線層間隔を狭めれば結合長もある程度短縮できるが、この場合トレランスも小さくなるため、２本の光導波路のわずかな位置ずれや非対称性（幅、厚さ、屈折率等の違い）で結合特性が大きく悪化してしまう。

ＭＭＩ光カプラはサイズを小さくしても比較的トレランスが大きいので、Ｓｉ光細線導波路を用いた面内の光カプラとしては最も一般的である。配線層間接続に用いる縦型ＭＭＩ光カプラも提案されているが、上下の入出力導波路を含めた３次元の立体構造の具体的な作製方法は示されていない。特にオンチップ光配線では、ａ−Ｓｉ系材料を用いてサブミクロン幅で素子長１０μｍ程度の小さな縦型ＭＭＩを精度よく作製できる技術の開発が求められている。高性能のステッパを用いても位置合わせ精度は±２０ｎｍ程度なので、この程度の位置ずれがあっても過剰損失をできるだけ小さく抑えられる構造が求められる。

特開２００９−４８０２１号公報

Ｃ． Ｊ． Ｂｒｏｏｋｓ， Ａ．Ｐ． Ｋｎｉｇｈｔｓ， Ｐ．Ｅ． Ｊｅｓｓｏｐ，Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ Ｖｏｌ．１９， Ｎｏ．４，ｐｐ．２９１６− ２９２１，２０１１

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、オンチップ多層光配線の光配線層間接続に使用できる実用的な光デバイスを提供することにある。

実施の形態の光デバイスは、レーザ光源と、前記レーザ光源から出力される光を伝搬する第１の光導波路と、前記第１の光導波路から入力される光をｎ個（ｎは２以上の整数）の光に分配する第１の分配器と、前記第１の分配器から出力されるｎ個の光を伝搬するｎ本の第２の光導波路と、各々の前記第２の光導波路に伝搬された光をｍ個（ｍは２以上の整数）の光に分配するｎ個の第２の分配器と、ｎ個の前記第２の分配器から出力されるｎ×ｍ個の光を伝搬するマトリックス状に配置されるｎ×ｍ本の第３の光導波路と、前記第３の光導波路毎に電圧または電流を印加し、前記第３の光導波路を伝搬する光の位相を制御する制御電極と、前記制御電極により位相が制御された光を出力する出力端面と、を備える。

別の実施の形態の光デバイスは、基板と、前記基板上に形成され、クラッド材からなる第１の配線分離層と、前記第１の配線分離層上に形成され、前記クラッド材からなる第１の配線層内クラッドと、左右を前記第１の配線層内クラッドに挟まれ前記クラッド材よりも屈折率の高い第１のコア材からなる第１の光導波路とを含む第１の光配線層と、前記第１の配線分離層上方に形成され、前記クラッド材からなる第２の配線層内クラッドと、左右を前記第２の配線層内クラッドに挟まれ、前記第１の光導波路と離間して略平行に伸長し、前記第１のコア材からなる第２の光導波路とを含む第２の光配線層と、前記第１の光配線層と前記第２の光配線層との間に形成され、前記クラッド材からなる周囲層と、前記周囲層で挟まれ、前記第１の光導波路の上面および前記第２の光導波路の下面に接触し、前記第１のコア材よりも高い屈折率の第２のコア材からなる接続部とを含む第２の配線分離層と、を備え、前記第１の光導波路、前記接続部、前記第２の光導波路を前記基板に平行な面に投影した場合に、前記接続部が、前記第１の光導波路および前記第２の光導波路のいずれよりも内側となる。

第１の実施の形態の光デバイスの模式図である。 図１（ｂ）におけるＡ−Ａ部の拡大断面図である。 第１の実施の形態の出力光ビームの方向制御のシミュレーション結果を示す図である。 第２の実施の形態の光デバイスの模式断面図である。 第３の実施の形態の光デバイスの概略図である。 第３の実施の形態の３次元ＬＳＩチップの概略構成を説明する概念図である。 第３の実施の形態の製造方法を模式的に説明する図である。 第３の実施の形態の製造方法を模式的に説明する図である。 第３の実施の形態の製造方法を模式的に説明する図である。 第３の実施の形態の製造方法を模式的に説明する図である。 第３の実施の形態の製造方法を模式的に説明する図である。 第３の実施の形態の製造方法を模式的に説明する図である。 第３の実施の形態の製造方法を模式的に説明する図である。 第３の実施の形態の製造方法を模式的に説明する図である。 第３の実施の形態の製造方法を模式的に説明する図である。 第３の実施の形態の製造方法を模式的に説明する図である。 第３の実施の形態の製造方法を模式的に説明する図である。 第３の実施の形態の製造方法を模式的に説明する図である。 第３の実施の形態の変形例の光デバイスの概略図である。 第３の実施の形態の光カプラの光伝搬のシミュレーション結果を示す図である。 第３の実施の形態の光カプラの光パワー分布を示す図である。 比較の形態の光カプラの光伝搬のシミュレーション結果を示す図である。 比較の形態の光カプラの結合効率の層間位置ずれ依存性の計算結果を示す図である。 第３の実施の形態および変形例の光カプラの結合効率の層間位置ずれ依存性の計算結果を示す図である。 第４の実施の形態の光デバイスの概略図である。 第４の実施の形態の第１の製造方法を模式的に説明する図である。 第４の実施の形態の第１の製造方法を模式的に説明する図である。 第４の実施の形態の第１の製造方法を模式的に説明する図である。 第４の実施の形態の第１の製造方法を模式的に説明する図である。 第４の実施の形態の第１の製造方法を模式的に説明する図である。 第４の実施の形態の第１の製造方法を模式的に説明する図である。 第４の実施の形態の第１の製造方法を模式的に説明する図である。 第４の実施の形態の第１の製造方法を模式的に説明する図である。 第４の実施の形態の第１の製造方法を模式的に説明する図である。 第４の実施の形態の第１の製造方法を模式的に説明する図である。 第４の実施の形態の第１の製造方法を模式的に説明する図である。 第４の実施の形態の第２の製造方法を模式的に説明する図である。 第４の実施の形態の第２の製造方法を模式的に説明する図である。 第４の実施の形態の第２の製造方法を模式的に説明する図である。 第４の実施の形態の第２の製造方法を模式的に説明する図である。 第４の実施の形態および変形例の光カプラの結合効率の層間位置ずれ依存性の計算結果を示す図である。 第４の実施の形態の結合効率の各種パラメータ依存性を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。なお、図面の縦横比、寸法等は、便宜上、実際の縦横比や寸法と異なって描かれている場合がある。

（第１の実施の形態）
本実施の形態の光デバイスは、レーザ光源と、レーザ光源から出力される光を伝搬する第１の光導波路と、第１の光導波路から入力される光をｎ個（ｎは２以上の整数）の光に分配する第１の分配器と、第１の分配器から出力されるｎ個の光を伝搬するｎ本の第２の光導波路と、各々の第２の光導波路に伝搬された光をｍ個（ｍは２以上の整数）の光に分配するｎ個の第２の分配器と、ｎ個の第２の分配器から出力されるｎ×ｍ個の光を伝搬するマトリックス状に配置されるｎ×ｍ本の第３の光導波路と、第３の光導波路毎に電圧または電流を印加し、第３の光導波路を伝搬する光の位相を制御する制御電極と、制御電極により位相が制御された光を出力する出力端面と、を備える。

本実施の形態によれば、上記構成を備えることにより、小型かつ高効率で、出力光ビームの出力方向を三次元的に制御する機構を有する光デバイスを実現することが可能である。

図１（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態の光デバイスの模式図である。図１（ａ）はｘｚ断面図、図１（ｂ）はｘｙ断面図、図１（ｃ）は出力端面の図である。

本実施の形態の光デバイスは、レーザ光源１０を備えている。レーザ光源１０は、例えば、化合物半導体を積層した構造を備えるファブリペロレーザダイオードやＤＦＢレーザダイオードやＤＢＲレーザダイオードや、リング型またはディスク型のマイクロレーザダイオードである。マイクロレーザダイオードは、例えば、１０μｍ〜２００μｍ程度の直径を備える。

そして、レーザ光源１０に光学的に結合され、レーザ光源１０から出力される光を「伝搬する第１の光導波路１２を備えている。第１の光導波路１２は、例えば、多結晶または単結晶またはアモルファスのシリコン（Ｓｉ）で形成される。第１の光導波路１２の幅は、例えば、１００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度である。

第１の光導波路１２の周囲は、第１の光導波路１２よりも屈折率の低いクラッド層１４となっている。クラッド層１４は、例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）である。レーザ光源１０と第１の光導波路１２との間にも、クラッド層１４が存在する。

そして、第１の光導波路１２から入力される光をｎ個（ｎは２以上の整数）の光に分配する第１の分配器１６を備えている。図１（ａ）、（ｂ）では、ｎ＝７であるが、ｎはこの数に限られるわけではない。第１の分配器１６は、例えば、多モード干渉導波路（ＭＭＩ：Ｍｕｌｔｉ Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）である。

第１の分配器１６は、例えば、ｙ方向が最長辺となる直方体形状である。第１の分配器１６は、例えば、多結晶または単結晶のシリコン（Ｓｉ）で形成される。最長辺の長さは、例えば、５μｍ〜５０μｍ程度である。光デバイスの製造において、第１の光導波路１２と第１の分配器１６とを、同一材料のパターニングにより同時形成することも可能である。

そして、第１の分配器１６から出力されるｎ個の光を伝搬するｎ本の第２の光導波路１８を備えている。第２の光導波路１８は、ｘｙ平面内で、互いに平行かつ同一の長さで配列している。第２の光導波路１８の幅は、例えば、１００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度である。

第２の光導波路１８は、例えば、多結晶または単結晶のシリコン（Ｓｉ）で形成される。第２の光導波路１８の周囲は、第２の光導波路１６よりも屈折率の低いクラッド層１４となっている。

そして、各々の第２の光導波路１８に伝搬された光をｍ個（ｍは２以上の整数）の光に分配するｎ個の第２の分配器２０を備えている。図１（ａ）、（ｂ）では、ｍ＝７であるが、ｍはこの数に限られるわけではない。第２の分配器２０は、例えば、多モード干渉導波路（ＭＭＩ：Ｍｕｌｔｉ Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）である。

第２の分配器２０は、例えば、ｚ方向が最長辺となる直方体形状である。第２の分配器２０は、例えば、多結晶または単結晶のシリコン（Ｓｉ）で形成される。第２の分配器２０は、ｙ方向に互いに平行に配列している。最長辺の長さは、例えば、５μｍ〜５０μｍ程度である。

そして、ｎ個の第２の分配器２０から出力されるｎ×ｍ個の光を伝搬するマトリックス状に配置されるｎ×ｍ本の第３の光導波路２２を備えている。図１（ａ）〜（ｃ）では、ｎ×ｍ＝７×７であるが、この数に限られるわけではない。

第３の光導波路２２のうちｎ本がｘｙ平面内で、互いに平行に配列している。また、第３の光導波路２２のうちｍ本がｘｚ平面内で、互いに平行に配列している。第３の光導波路２２はすべて同一の長さを備えている。第３の光導波路２２の幅は、例えば、１００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度である。

第３の光導波路２２は、例えば、多結晶または単結晶のシリコン（Ｓｉ）で形成される。第３の光導波路２２の周囲は、第３の光導波路２２よりも屈折率の低いクラッド層１４となっている。

図１（ｃ）に示すように、第３の光導波路２２は、光デバイスの出力端面２８まで伸長している。出力端面２８から光が出力される。すなわち、出力端面２８から出力光ビームが出射される。

図２は、図１（ｂ）におけるＡ−Ａ部の拡大断面図である。本実施の光デバイスは、第３の光導波路２２毎に電圧または電流を印加し、第３の光導波路２２を伝搬する光の位相を制御する制御電極を備えている。

図２では、制御電極は、上部電極３０ａと下部電極３０ｂとで構成される。上部電極３０ａは、１本の第３の光導波路２２に対し１個設けられる。下部電極３０ｂは、同一のｘｙ平面に存在するｎ本の第３の光導波路２２に対して１個、共通電極として設けられる。
上部電極３０ａと下部電極３０ｂは、例えば、金属の電極である。

上部電極３０ａと下部電極３０ｂを用いて、第３の光導波路２２毎に電圧または電流を印加し、第３の光導波路２２を伝搬する光の位相を制御する。そして、上部電極３０ａと下部電極３０ｂにより位相が制御された光が、出力端面から出力される。

第３の光導波路２２に電圧または電流を印加することで、第３の光導波路２２の屈折率が変化する。この屈折率の変化により、第３の光導波路２２を伝搬する光の位相が変化する。

第３の光導波路２２毎に電圧または電流を印加することで、ｎ×ｍ本の第３の光導波路２２毎に光の位相を制御することが可能となる。これにより、出力端面２８から出射される出力光ビーム（図１（ａ）、（ｂ）中の白矢印）の出射方向を３次元的に制御することが可能となる。すなわち、ｘ方向に対してｚ方向に角度をつけて出射することが可能であり、また、ｘ方向に対してｙ方向に角度をつけて出射することが可能となる。

第３の光導波路２２の屈折率の制御は、例えば、バイアスの印加によるキャリア注入、空乏化または電気光学効果を用いることで行われる。

例えば、第３の光導波路２２内にｐｎ接合を形成し、上部電極３０ａおよび下部電極３０ｂを第３の光導波路２２に接触させる。これにより、順バイアス印加時には、キャリア注入により屈折率が低下する。そして、逆バイアス印加時には、空乏化により屈折率が上昇する。

また、例えば、少なくとも上部電極３０ａと第３の光導波路２２との間に絶縁層を設け、ＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造を形成する。上部電極３０ａの電圧を制御することで、第３の光導波路２２内のキャリアの蓄積および空乏化を制御する。

また、例えば、少なくとも上部電極３０ａおよび下部電極３０ｂの双方と、第３の光導波路２２との間に絶縁層を設けた構造を形成する。上部電極３０ａと下部電極３０ｂ間に印加する電圧を制御することで、第３の光導波路２２に生ずる電気光学効果により、第３の光導波路２２毎の屈折率を制御する。

図３は、本実施の形態の出力光ビームの方向制御のシミュレーション結果を示す図である。図３に示すように、適切な位相制御を行うことにより、出力端面からの出射される出力光ビームの方向を制御できることがわかる。このシミュレーションでは片側１４度まで方向を変えられることが確認された。

なお、各上部電極３０ａおよび各下部電極３０ｂに印加される電圧または電流は、図示しない位相制御回路において制御される。

本実施の形態によれば、個別に屈折率の制御可能な、マトリックス状の３次元光導波路構造を備えることにより、出力光ビームの出力方向を三次元的に制御することが可能となる。また、レーザ光源と出力光ビームの方向制御部を一体化させることで、小型になり、各部分同士の接続部での光損失も抑制することが可能となる。よって、小型かつ高効率で、出力光ビームの出力方向を三次元的に制御する機構を有する光デバイスを実現することが可能である。

なお、第１、第２および第３の光導波路１２、１８、２２がシリコンである場合を例に説明したが、第１、第２および第３の光導波路１２、１８、２２は窒化シリコン、酸窒化シリコン、炭化シリコン、酸化シリコン、またはＩＩＩ−Ｖ族半導体等であってもかまわない。

また、第３の光導波路２２については、例えば、シリコン等の導波路の上に電気光学効果が顕著に現れる材料、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）等を接合してもかまわない。

また、制御電極については、共通電極を設けることなく、それぞれの第３の光導波路２２に対し、２つの電極を独立に設ける構成としてもかまわない。また、第３の光導波路２２の上下ではなく、左右に電極を設ける構成であってもかまわない。

本実施の形態の光デバイスが、さらに、光受信部探知部を備えることが望ましい。光受信部探知部は、光デバイスから出力される出力光ビームの受信部の位置を探知する機能を備える。得られた光受信部の位置情報は、例えば、位相制御回路に転送され、出力光ビームが精確に受信部に向くよう制御する。

光受信部探知部は、例えば、画像認識により受信部の位置を認識する撮像デバイスである。あるいは、例えば、光受信部からは発振される電波の方向を検知するアンテナデバイスである。

このように、光受信部探知部を備えることで、自動的に精度よく出力光ビームを受信部に向けて出射することが可能となる。

（第２の実施の形態）
本実施の形態の光デバイスは、制御電極に印加する電圧または電流を制御する位相制御回路をさらに備える。そして、位相制御回路が半導体基板上の集積回路で形成され、半導体基板上にレーザ光源、第１、第２および第３の光導波路、第１および第２の分配器、制御電極、出力端面が形成される。

本実施の形態の光デバイスにおいて、レーザ光源、第１、第２および第３の光導波路、第１および第２の分配器、制御電極、出力端面等の構成は、第１の実施の形態の光デバイスと同様である。したがって、第１の実施の形態の光デバイスと重複する内容については、記述を省略する。

図４は、本実施の形態の光デバイスの模式断面図である。本実施の形態の光デバイスは、制御回路４０を備える。制御回路４０内に、位相制御回路が含まれる。制御回路４０は、半導体基板上の集積回路で形成される。具体的には、制御回路４０は、例えば、トランジスタやダイオードなどのデバイスを含むデバイス領域４０ａと、各デバイスを接続する多層配線領域４０ｂとを備える。

そして、制御回路４０上に、レーザ光源１０、第１、第２および第３の光導波路１２、１８、２２、第１および第２の分配器１６、２０、制御電極、出力端面２８等が形成される。

制御回路４０は、例えば、レーザ光源１０のオン、オフや出力パワーを制御する。また、例えば、制御回路４０内の位相制御回路が、ｎ×ｍ本の第３の光導波路２２の各々に適切な電圧値または電流値を設定し、第３の光導波路２２の各々に設けられる制御電極に印加する。

本実施の形態では、制御回路４０上に、レーザ光源１０、第１、第２および第３の光導波路１２、１８、２２、第１および第２の分配器１６、２０、制御電極、出力端面２８等を形成することで、レーザの直接高速変調や、出力光ビームの方向を時間的に高速で変化させることが可能となる。

（第３の実施の形態）
本実施の形態の光デバイスは、基板と、基板上に形成され、クラッド材からなる第１の配線分離層と、第１の配線分離層上に形成され、クラッド材からなる第１の配線層内クラッドと、左右を第１の配線層内クラッドに挟まれクラッド材よりも屈折率の高い第１のコア材からなる第１の光導波路とを含む第１の光配線層と、第１の配線分離層上方に形成され、クラッド材からなる第２の配線層内クラッドと、左右を第２の配線層内クラッドに挟まれ、第１の光導波路と離間して略平行に伸長し、第１のコア材からなる第２の光導波路とを含む第２の光配線層と、第１の光配線層と第２の光配線層との間に形成され、クラッド材からなる周囲層と、周囲層で挟まれ、第１の光導波路の上面および第２の光導波路の下面に接触し、第１のコア材よりも高い屈折率の第２のコア材からなる接続部とを含む第２の配線分離層と、を備える。そして、第１の光導波路、接続部、第２の光導波路を上記基板に平行な面に投影した場合に、接続部が、第１の光導波路および第２の光導波路のいずれよりも内側となる構成となっている。

本実施の形態の光デバイスは、光細線導波路を用いた多層光配線に用いられる縦型ＭＭＩ（Ｍｕｌｔｉ Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）光カプラを備えている。本実施の形態によれば、上記構成を備えることにより、小型・低損失で、製造トレランスの大きい、オンチップ多層光配線の光配線層間の接続に使用できる実用的な縦型ＭＭＩ光カプラを実現することが可能となる。

なお、光導波路を構成する第１のコア材や接続部の第２のコア材の内部に屈折率分布がある場合は、上記の「屈折率」は、第１、および第２の光導波路に共通の光の進行方向に垂直な断面内において屈折率を平均した値を指すものとする。

図５は、本実施の形態の光デバイスの概略図である。第３の実施の形態に関わる光配線層間接続用の１×１縦型ＭＭＩ光カプラの構成を説明するための図である。図５（ａ）は基板に平行な平面の射影図、図５（ｂ）は光の進行方向に平行なＭＭＩ断面を説明する図、図５（ｃ）は光の進行方向に垂直な断面を説明する図である。

本実施の形態の縦型ＭＭＩ光カプラを含む光多層配線層は、基板１００上に形成されており、下から順に、厚さ１μｍの第１の配線分離層１０１、厚さ２００ｎｍの第１の光配線層１０２、厚さ４００ｎｍの第２の配線分離層１０３、厚さ２００ｎｍの第２の光配線層１０４、厚さ１μｍの第３の配線分離層１０５、の５層からなる。いずれの層も、主として波長１５５０ｎｍ付近における屈折率が１．４４４のシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）のクラッド材からなる。

基板１００は、例えば、シリコン（Ｓｉ）である。また、第１の配線分離層１０１は、例えば、シリコン酸化膜のクラッド材で形成される。

第１の光配線層１０２は、第１の配線分離層１０１上に形成される。第１の光配線層１０２は、クラッド材からなる第１の配線層内クラッド１０７ｂと、左右（あるいは両側）を第１の配線層内クラッド１０７ｂに挟まれクラッド材よりも屈折率の高い第１のコア材からなる第１の光導波路１０７ａとを含む。

また、第２の光配線層１０４は、第１の配線分離層１０１や第1の光配線層１０２より上方に形成される。また、第２の光配線層１０４は、クラッド材からなる第２の配線層内クラッド１０８ｂと、左右（あるいは両側）を第２の配線層内クラッド１０８ｂに挟まれクラッド材よりも屈折率の高い第１のコア材からなる第２の光導波路１０８ａとを含む。第２の光導波路１０８ａは、第１の光導波路１０７ａと離間して略平行に伸長する。

第１のコア材は、例えば、屈折率３．２２１のアモルファスＳｉＣ（炭化珪素）である。アモルファスＳｉＣは、光の伝搬損失を小さくする観点から、ダングリングボンドが水素終端されたアモルファスＳｉＣ（ａ−ＳｉＣ：Ｈ）であることが望ましい。

第１の光導波路１０７ａ、第２の光導波路１０８ａは、ＭＭＩ領域１０９近傍において幅が、例えば５２５ｎｍである。ＴＥモードについて、実効屈折率が２．１４２の単一モード導波路となる。第１の光導波路１０７ａ、第２の光導波路１０８ａは、干渉等による伝搬損失変動や損失増を避ける観点から、単一モード導波路であることが好ましい。なお、実効屈折率は、光導波路を伝搬する光に対する実効的な屈折率であり、光導波路の構造、材料、伝搬する光の波長等のパラメータが同定されれば一意的に算出可能な値である。

第１の光導波路１０７ａと第２の光導波路１０８ａは、所定のＭＭＩ領域１０９で上下に略平行に重なるように配置される。

第２の配線分離層１０３は、第１の光配線層１０２と第２の光配線層１０４との間に形成される。第２の配線分離層１０３は、クラッド材からなる周囲層１１０ｂと、周囲層１１０ｂで挟まれ、第１の光導波路１０７ａの上面および第２の光導波路１０８ａの下面に接触し、第１のコア材よりも高い屈折率の第２のコア材からなる接続部１１０ａとを含む。

接続部１１０ａは、例えば、長さが９．１５μｍ、幅が４５０ｎｍである。接続部１１０ａを形成する第２のコア材は、例えば、波長１５５０ｎｍにおける屈折率３．４８のアモルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ）である。アモルファスＳｉは、光の伝搬損失を小さくする観点から、ダングリングボンドが水素終端されたアモルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ：Ｈ）であることが望ましい。

ここで、第１の光導波路１０７ａ、接続部１１０ａ、第２の光導波路１０８ａを上記基板１００に平行な面に投影した場合に、接続部１１０ａが、第１の光導波路１０７ａおよび第２の光導波路１０８ａのいずれよりも内側となる構成となっている。図５（ａ）の平面射影図において、第１の光導波路１０７ａと第２の光導波路１０８ｂが重なっている太い破線で示される領域をＭＭＩ領域１０９と称する。接続部１１０は、この太い破線で示したＭＭＩ領域１０９から外にはみ出さないように配置されている。

図６は、上記の光多層配線を含む３次元ＬＳＩチップの概略構成を説明する概念図である。説明を単純化するために、各電気配線層、光配線層の間にある配線分離層は省略し、スタックされている層数は少なめに、各層の厚さは厚めに描いている。

この３次元ＬＳＩチップは、Ｓｉ基板上１２０に論理回路やメモリがスタックされた三次元ＬＳＩ１２１、その上に形成された複数の電気配線層１２２、その上に積層された２層の光配線層１２３からなる。

光配線層１２３には、三次元ＬＳＩ１２１内の各機能ブロックに対応してＬＤ／ＰＤアレイ１２４が複数個集積化されている。これらのＬＤ／ＰＤアレイ１２４の間は、光配線層１２３に形成された光導波路１２５により接続されている。

下の光配線層内の光導波路と上の光配線層内の光導波路は、主たる光の伝搬方向が互いに直交するように配置されている。直交配置で立体交差する上下の光導波路間のクロストークや損失は、光配線層の間の配線分離層の厚さが４００ｎｍあれば、ほとんど無視することができる。上下の光配線層間は、例えば、図５に示す縦型ＭＭＩ光カプラと半径５μｍの弧状導波路により、相互に行き来できるように接続されている。

本実施の形態の光デバイスの製造方法は、基板上に第１のクラッド材を形成し、第１のクラッド材上に第１のクラッド材よりも屈折率の高い第１のコア材からなる第１の光導波路を形成し、第１の光導波路上に第１のコア材よりも屈折率の低い第２のクラッド材を形成し、第２のクラッド材を研磨して第１の光導波路を露出させ、第１の光導波路および第２のクラッド材上に第１のコア材よりも屈折率の低い第３のクラッド材を形成し、第３のクラッド材に第１の光導波路に達し、開口部下部の全領域が第１の光導波路上面にあるトレンチを形成し、トレンチを第１のコア材よりも屈折率の高い第２のコア材で埋め込み、第２のコア材を研磨して第３のクラッド材を露出させ、第３のクラッド材上に第１のコア材からなり、下面が第２のコア材の上面をすべて覆い、第１の光導波路と略平行に伸長する第２の光導波路を形成し、第２の光導波路上に第１のコア材よりも屈折率の低い第４のクラッド材を形成する。

図７〜図１８は、本実施の形態の製造方法を模式的に説明する図である。本実施の形態の縦型ＭＭＩ光カプラの主な製造工程を模式的に示す。図７（ａ）〜図１８（ａ）は光伝搬方向に平行なＭＭＩ断面、図７（ｂ）〜図１８（ｂ）は光伝搬方向に垂直なＭＭＩ断面を並べて示す。

なお、光導波路やトレンチの形成時には、極力、側壁の凹凸が小さく、垂直になるような条件でエッチングを行うものとする。また、説明を簡略化するため、洗浄、レジスト塗布、マスクアライメント、露光、現像、エッチング時に使用するマスク材の形成、レジストやマスク材の剥離・除去、洗浄等の工程は省いている。

第１の光配線層１０２は、図７〜図１０に示す工程により形成される。まず、基板１００上に第１の配線分離層１０１を形成する。第１の配線分離層１０１は、第１のクラッド材であるＳｉＯ_２膜で形成される。

次に、第１の配線分離層１０１上に、３００℃の成膜温度のプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）でａ−ＳｉＣ膜（第１のコア材）１３１を２２０ｎｍ堆積する（図７）。次に、第１の光導波路１０７ａとなる領域１３１ａのみ残して、ａ−ＳｉＣ膜１３１をエッチングする（図８）。

次に、表面にプラズマＣＶＤで第２のクラッド材となるＳｉＯ_２膜１３２を堆積する（図９）次に、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）により、図７〜図９の工程で形成した複合構造を研磨・平坦化して、第１の光配線層１０２の厚さを２００ｎｍにする（図１０）。この際、第１の光導波路１０７ａの表面が露出する。

第２の配線間分離層１０３は、図１１〜図１４に示す工程により形成される。まず、第１の光導波路１０７ａを含む第１の光配線層１０２の上に、プラズマＣＶＤで厚さ４２０ｎｍのＳｉＯ_２膜（第３のクラッド材）１３３を堆積する（図１１）。ＳｉＯ_２膜１３３の、接続部１１０ａを形成する部分に、エッチングにより第１の光導波路１０７ａに達するトレンチ１３４を形成する（図１２）。トレンチの開口部下部の全領域が第１の光導波路１０７ａの上面にあるように加工する。

そして、トレンチ１３４が所定の高さまで埋まるように、プラズマＣＶＤで、ａ−ＳｉＣより屈折率の高いａ−Ｓｉ膜（第２のコア材）１３５を堆積する（図１３）。次に、ＣＭＰにより、図１１〜図１３の工程で作製した複合構造を研磨・平坦化して、第２の配線間分離層１０３の厚さを４００ｎｍにする（図１４）。

ＣＭＰの際、第３のクラッド材１３３表面が露出するように加工される。この工程により、接続部１１０ａおよび周囲層１１０ｂが形成される。

第２の光配線層１０４は、ａ−ＳｉＣ膜１３６のプラズマＣＶＤによる堆積（図１５）、エッチングによる第２の光導波路１０８ａとなる領域の形成、および第４のクラッド材であるＳｉＯ_２膜１３７の堆積（図１６）、ＣＭＰの工程により形成される（図１７）。各工程の詳細条件は対応する第１の光配線層１０２の製造工程と同じなので、記載を省略する。

なお、第２の光導波路１０８ａは、その下面が第２のコア材の上面をすべて覆うよう加工する。また、第２の光導波路１０８ａは、第１の光導波路と略平行に伸長するよう加工する。

最後に、第３の配線分離層１０５となるＳｉＯ_２膜（第５のクラッド材）をプラズマＣＶＤで堆積すれば、縦型ＭＭＩ光カプラがＳｉＯ_２のクラッド材の内部に形成される（図１８）。なお、図１７に示すＣＭＰの後、図１１〜図１８の工程を繰り返せば、３層以上の多層光配線層を作製することができる。

本実施の形態の縦型ＭＭＩ光カプラは、例えば、トレンチ１３４の幅４５０ｎｍに対して、第１の光導波路１０７ａの幅が５２５ｎｍある。したがって、仮にステッパのアライメント誤差が２５ｎｍあったとしても、図１２の工程でトレンチ１３４が形成される領域の下には必ず第１の光導波路１０７ａが存在する。したがって、ＳｉＯ_２膜１３３にトレンチ１３４を形成する際には、第１の光導波路１０７ａのａ−ＳｉＣが露出したところでエッチングを停止すればよい。

下地のＳｉＣに対してある程度、選択比がとれるＳｉＯ_２のエッチングガスとしては、例えばＣＦ_４／Ｈ_２系、ＣＨＦ_３／Ｏ_２系などが知られている。このようなエッチングガスを用いれば、ａ−ＳｉＣが露出したところでエッチングの進行を抑制することができる。

このとき、下地のａ−ＳｉＣ１０７ａまで少し余分にエッチングが進んだとしても、直後に堆積するａ−Ｓｉ膜１３５と下地のａ−ＳｉＣ膜１０７ａの屈折率が比較的近いので、ＭＭＩ光カプラの特性に対する影響は比較的軽微である。オーバーエッチングによるＭＭＩ光カプラの特性への影響を抑制するためには、第１のコア材と第２のコア材との屈折率の差は１０％以内であることが望ましい。

これに対し、仮に、トレンチ１３４の幅を十分に狭くしなかった場合、アライメント誤差等で第１の光導波路１０７ａからはみ出してしまった部分は、トレンチ１３４のエッチング時に下地のＳｉＯ_２膜１３２の一部もエッチングされてしまう。ａ−Ｓｉ膜１３５でトレンチを埋め込む際に、エッチングされてしまった第１の光導波路１０７ａの脇の部分にもａ−Ｓｉが堆積するため、ＭＭＩ光カプラの断面形状がかなり変形してしまうことになる。

また、本実施の形態によれば、第２の光導波路１０８ａのパターンが接続部１１０ａを完全に覆っているので、第２の光導波路８をエッチングする際の下地はすべてＳｉＯ_２膜１３３になる。したがって、ＳｉＯ_２膜１３３が露出した際にトレンチのエッチングを止めればよい。

下地のＳｉＯ_２膜１３３に対してある程度、選択比が取れるＳｉのエッチングガスとしては、例えばＣＦ_４／Ｏ_２系、ＳＦ_６／ＣＨ_４／Ｎ_２／Ｏ_２系、ＳＦ_６／Ｃｌ_２／Ａｒ系などが知られている。下地のＳｉＯ_２膜１３３まで多少エッチングが進んだとしても、直後のＳｉＯ_２膜１３７の堆積時に埋め込まれ、ＣＭＰで平坦化されるので、ＭＭＩ光カプラの形状が変形することはない。

これに対し、仮に、接続部１１０ａが第２の光導波路１０８ａのパターンの外にはみ出している場合は、接続部１１０ａの第２の光導波路１０８ａからはみ出した部分も上からエッチングされてしまい、ＭＭＩ光カプラの形状が変形してしまうことになる。

次に、本実施の形態の縦型ＭＭＩ光カプラの動作と特性について説明する。

図１９は、本実施の形態の変形例の光デバイスの概略図である。上記の実施の形態の第１、および第２の光導波路１０７ａ、１０８ａが屈折率３．２２１のａ−ＳＩＣ単層からなる構造であるのに対し、本変形例の場合、図１９に示すように、３層構造となっている。

すなわち、第１の光導波路１４７は、ａ−ＳｉＣ１４７ａ（厚さ７５ｎｍ、屈折率３．１）／ａ−Ｓｉ１４７ｂ（厚さ５０ｎｍ、屈折率３．４８）／ａ−ＳｉＣ１４７ｃ（厚さ７５ｎｍ、屈折率３．１）の３層構造となっている。同様に、第２の光導波路１４８も、ａ−ＳｉＣ１４８ａ（厚さ７５ｎｍ、屈折率３．１）／ａ−Ｓｉ１４８ｂ（厚さ５０ｎｍ、屈折率３．４８）／ａ−ＳｉＣ１４８ｃ（厚さ７５ｎｍ、屈折率３．１）の３層構造となっている。

いいかえれば、第１および第２の光導波路を形成する第１のコア材が複合材料となっている。そして、この３層構造により、第１の光導波路および第２の光導波路の双方が、光導波路中央部の屈折率が上下端の部分の屈折率より高くなるような厚さ方向の屈折率分布をもつ構造としている。なお、第１の光導波路および第２の光導波路のいずれか一方のみが屈折率分布をもつ構造としてもかまわない。

本変形例は、光導波路の構造が異なる以外は、第１の実施の形態と同様である。以後、図５に示した実施の形態の構造をＴｙｐｅ−Ａ、図１９に示す変形例の構造をＴｙｐｅ−Ｂと称する。そして、以下、Ｔｙｐｅ−ＡおよびＴｙｐｅ−Ｂ双方の動作と特性について説明する。

なお、Ｔｙｐｅ−Ｂの第１、および第２の光導波路１４７、１４８も幅が５２５ｎｍのＴＥ単一モード導波路で、ＴＥ基本モードの実効屈折率はＴｙｐｅ−Ａとほぼ同じ２．１４２である。

図２０は、本実施の形態の縦型ＭＭＩ光カプラの光伝搬のシミュレーション結果を示す図である。図２０（ａ）は、Ｔｙｐｅ−Ａ、Ｔｙｐｅ−Ｂ共通の断面構造である。Ｔｙｐｅ−Ａ、Ｔｙｐｅ−Ｂいずれの場合も、接続部１１０ａの長さは９．１５μｍで、第１の光導波路１０７ａ、１４７と第２の光導波路１０８ａ、１４８は、それぞれ接続部１１０ａの端から約０．５μｍのところで終端させた。また、接続部１１０ａの幅は４５０ｎｍとした。

図２０（ｂ）は、各層間に位置ずれがない理想的な場合について、Ｔｙｐｅ−Ｂの縦型ＭＭＩ光カプラの第２の光導波路１４８の左側から光を入射した場合の光伝搬の様子を、ＦＤＴＤ（時間領域有限差分法：Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｍｅｔｈｏｄ）により計算した結果である。

第１の光導波路１４７、接続部１１０、第２の光導波路１４８からなるＭＭＩ領域には、左右対称な対称ＴＥモードが三つ、左右の中央に節をもつ非対称ＴＥモードが一つ存在する。入力導波路１４８の位置ずれが小さければ、ＭＭＩ光カプラへの入射部で三つの対称ＴＥモードが励起され、その干渉により、図２０（ｂ）のような強弱パターンを生じる。後述のように微妙な違いはあるが、Ｔｙｐｅ−Ａの干渉パターンも同様である。

図２１は、本実施の形態の縦型ＭＭＩ光カプラの光パワー分布を示す図である。縦軸は、光導波路内の厚さ方向の位置、横軸は光パワー強度である。本実施の形態において、ＭＭＩ入射面から伝搬距離９．１５μｍまでの範囲で第１の光配線層１０２内に光分布のピークを生じるのは、ＭＭＩ入射面からの距離（ＭＭＩ長）が（ａ）１．３５μｍ付近、（ｂ）６．２μｍ付近、（ｃ）９．１５μｍ付近の３箇所である。

図２１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれＴｙｐｅ−Ａの（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の位置におけるＭＭＩ断面内の光パワー分布である。ＭＭＩ長を（ａ）Ｌ_ＭＭＩ＝１．３５μｍ、（ｂ）Ｌ_ＭＭＩ＝６．２μｍとしても光配線層間接続可能であるが、ＭＭＩ上側のサブピークが小さい（ｃ）Ｌ_ＭＭＩ＝９．１５μｍの場合に最も高い結合効率（８９％）が得られる。

平面型ＭＭＩ光カプラであれば、入出力導波路のＭＭＩ光カプラへの接続部付近の幅をテーパ状に広げることで結合効率を改善することができる。これに対し、平坦な光配線層と配線分離層を交互に作製していく縦型ＭＭＩ光カプラでは、厚さ方向のテーパ構造の実現は極めて困難である。Ｔｙｐｅ−Ｂは、光導波路内の屈折率分布による集束効果による結合効率の改善を図るために導入した構造である。

図２１（ｄ）は、Ｔｙｐｅ−ＢのＭＭＩ入射面から９．１５μｍの位置におけるＭＭＩ断面内の光パワー分布を示す図である。図２１（ｃ）のＴｙｐｅ−Ａのメインピークが第１の光導波路１０７ａの中心より３５ｎｍ上の位置にあるのに対し、図２１（ｄ）のＴｙｐｅ−Ｂでは第１の光導波路１４７の中心から２２ｎｍ上の位置にピークができる。

屈折率分布により光導波路中心に光が引き寄せられる効果により、Ｔｙｐｅ−Ｂの光結合効率は９０％となった。わずかな１％の差ではあるが、改善効果が認められた。

前述のように、高性能のステッパでも位置合わせ精度が±２０ｎｍ程度ある。このため、細線導波路を用いた微小な縦型ＭＭＩ光カプラでは、層間位置ずれの影響が顕著にあらわれる。

図２２は、比較の形態の縦型ＭＭＩ光カプラの光伝搬のシミュレーション結果を示す図である。図２２（ａ）は、光配線層間を接続する１×１縦型ＭＭＩ光カプラの光伝搬方向に垂直な断面の構造を模式的に示す図である。

この形態では、第２の光配線層１０４内の第２の光導波路１７８（入力光導波路）、第１の光配線層１０２内の光導波路１７７（出力光導波路）、および第２配線分離層１０３内の接続部１７０もすべて同じａ−Ｓｉ（屈折率３．４８）により形成している。

本比較の形態では、第１の実施の形態より光導波路の屈折率が高いので、単一モード導波路とするため、光導波路１７７、１７８の幅は４５０ｎｍとした。この光導波路のＴＥモードの実効屈折率は２．２７２である。

実際には作製困難であるが、光配線層間の接続部１７０の幅が光導波路と同じ４５０ｎｍで、層間に位置ずれがある場合を示した。接続部１７０の長さは、入射面から１０μｍ以内で最も高い結合効率が得られるＬ_ＭＭＩ＝６．６μｍとした。図２２（ｂ）に位置ずれがない場合の光伝搬の様子を示す。ＭＭＩ領域１７９の位置は、図中に点線で示した。

図２３は、比較の形態の縦型ＭＭＩ光カプラの結合効率の層間位置ずれ依存性の計算結果を示す図である。図２３（ａ）は入力光導波路１７８と接続部１７０の位置ずれがない場合、すなわち、中心が一致している場合の計算結果である。また、図２３（ｂ）は接続部１７０が入力光導波路１７８に対して２５ｎｍずれた場合の計算結果である。横軸は、入力光導波路１７８と出力光導波路１７７の位置ずれである。

仮に、ステッパの位置ずれ誤差を±２５ｎｍとすると、位置ずれによるエッチング時のＭＭＩ光カプラの変形を避けるためには、接続部１７０の幅をＷ_ＭＭＩ＝４００ｎｍ以下にする必要がある。実際には作製困難であるが、Ｗ_ＭＭＩ＝４２５ｎｍ、４５０ｎｍ、４７５ｎｍ、５００ｎｍの場合の計算結果も示した。

上下層間で最大±２５ｎｍの位置ずれがある場合、図２３（ａ）、（ｂ）の上部に矢印で示した範囲が、生ずる可能性のある範囲となる。最悪ケースは、接続部１７０と出力導波路１７７が入力導波路１７８に対して同方向にそれぞれ２５ｎｍ、５０ｎｍずれた、図２３（ｂ）の右端のケースである。

仮に接続部１７０を入出力導波路１７７、１７８より２５〜５０ｎｍ程度広めにできれば、最悪でも８１％以上の結合効率が得られる。しかし、実際の製造工程における層間位置ずれを考慮すると、接続部１７０の幅を５０ｎｍ以上狭める必要がある。この場合、位置ずれがまったくなかったとしても結合効率は７０％にしかならず、最悪ケースでは６１％に低下してしまう。

図２４は、本実施の形態および変形例の縦型ＭＭＩ光カプラの結合効率の位置ずれ依存性の計算結果である。太線はＴｙｐｅ−Ｂ（変形例）、細線はＴｙｐｅ−Ａ（実施の形態）、実線は接続部１１０ａの位置ずれがない場合、破線は接続部１１０ａの位置ずれが２５ｎｍの場合を示す。

それぞれ、図上部の矢印の範囲が層間位置合わせ精度±２５ｎｍで起こりうる範囲である。最悪のケースは、接続部１１０ａと出力導波路１０７ａ、１４７が入力導波路１０８ａ、１４８に対して同方向にそれぞれ２５ｎｍ、５０ｎｍずれた場合（破線の右端）である。この場合でも７９％の結合効率が得られる。

このように、本実施の形態および変形例の縦型ＭＭＩ光カプラは、第１の光導波路および第２の光導波路を形成する第１のコア材よりも高い屈折率を備える第２のコア材の接続部を備える。このため、接続部１１０と光導波路１０７ａ、１０８、１４７、１４８の幅の違いによる悪影響が屈折率差によりある程度補償される。したがって、層間で±２５ｎｍ程度の位置ずれがあったとしても、結合効率の低下を抑制することが可能となる。

層間で±２５ｎｍの位置ずれがあっても、カプラ構造の変形による結合効率の低下を招かないために、接続部の幅が、第１の光導波路および第２の光導波路のいずれの幅よりも５０ｎｍ以上狭いことが望ましい。

（第４の実施の形態）
本実施の形態の光デバイスは、基板と、基板上に形成され、クラッド材からなる第１の配線分離層と、第１の配線分離層上に形成され、クラッド材からなる第１の配線層内クラッドと、左右を第１の配線層内クラッドに挟まれクラッド材よりも屈折率の高い第１のコア材からなる第１の光導波路とを含む第１の光配線層と、第１の光配線層上に形成され、クラッド材よりも屈折率が高く、第１のコア材よりも屈折率の低い境界材からなる第１の境界層と、第１の境界層上方に形成され、境界材からなる第２の境界層と、第２の境界層上に形成され、クラッド材からなる第２の配線層内クラッドと、左右を第２の配線層内クラッドに挟まれ、第１の光導波路と略平行に伸長し、第１のコア材からなる第２の光導波路とを含む第２の光配線層と、第１の境界層と第２の境界層との間に形成され、前記クラッド材からなる周囲層と、前記周囲層で挟まれ、前記第１の境界層の上面および前記第２の境界層の下面に接触し、前記境界材よりも高い屈折率の第２のコア材からなる接続部とを含む第２の配線分離層と、を備える。そして、第１の光導波路、接続部、第２の光導波路を基板に平行な面に投影した場合に、第１の光導波路、接続部、第２の光導波路がすべて重なる領域を有する。

本実施の形態の光デバイスは、製造時にエッチストップ層として機能する第１および第２の境界層を備える点で、第３の実施の形態と異なっている。また、接続部と第１および第２の光導波路のサイズ関係に特段の規定を設けない点でも異なっている。さらに、必ずしも第２のコア材の屈折率が、第１のコア材よりも高い必要がない点でも異なっている。上記３点以外は、基本的に第３の実施の形態と同様である。したがって、第３の実施の形態と重複する内容については記述を省略する。

本実施の形態によれば、第１および第２の境界層（エッチストップ層）を設けることで、第３の実施の形態よりも設計の自由度が高く、製造の容易な縦型ＭＭＩ光カプラを実現することが可能となる。

図２５は、本実施の形態の光デバイスの概略図である。第４の実施の形態に関わる光配線層間接続用の１×１縦型ＭＭＩ光カプラの構成を説明するための図である。図２５（ａ）は光の進行方向に平行なＭＭＩ断面を説明する図、図２５（ｂ）は光の進行方向に平行な断面構造（上）と光伝搬の様子（下）を説明する図である。

本実施の形態の縦型ＭＭＩ光カプラを含む光多層配線層は、基板２００上に形成されており、下から順に、厚さ１μｍ以上の第１の配線分離層２０１、厚さ１６０ｎｍの第１の光配線層２０２、厚さ４０ｎｍの第１の境界層（第１のエッチストップ層）２２１、厚さ３６０ｎｍの第２の配線分離層２０３、厚さ４０ｎｍの第２の境界層（第２のエッチストップ層）２２２、厚さ１６０ｎｍの第２の光配線層２０４、厚さ１μｍ以上の第３の配線分離層２０５、の少なくとも７層からなる。

基板２００は、例えば、シリコン（Ｓｉ）である。また、第１の配線分離層２０１は、例えば、シリコン酸化膜のクラッド材で形成される。

第１の光配線層２０２は、第１の配線分離層２０１上に形成される。第１の光配線層２０２は、クラッド材からなる第１の配線層内クラッド２０７ｂと、左右（または両側）を第１の配線層内クラッド２０７ｂに挟まれクラッド材よりも屈折率の高い第１のコア材からなる第１の光導波路２０７ａとを含む。

また、第２の光配線層２０４は、第１の配線分離層２０１上方に形成される。また、第２の光配線層２０４は、クラッド材からなる第２の配線層内クラッド２０８ｂと、左右（または両側）を第２の配線層内クラッド２０８ｂに挟まれクラッド材よりも屈折率の高い第１のコア材からなる第２の光導波路２０８ａとを含む。第２の光導波路２０８ａは、第１の光導波路２０７ａと離間して略平行に伸長する。

第１の境界層２２１は、第１の光配線層２０１上に形成され、クラッド材よりも屈折率が高く、第１のコア材よりも屈折率の低い境界材から形成される。また、第２の境界層２２２は、第１の境界層２２１上方に形成され、クラッド材よりも屈折率が高く、第１のコア材よりも屈折率の低い境界材で形成される。

第２の配線分離層２０３は、第１の境界層２２１と第２の境界層２２２との間に形成され、クラッド材からなる周囲層２１０ｂと、周囲層２１０ｂで挟まれ、第１の境界層２２１の上面および第２の境界層２２２の下面に接触し、上記境界材よりも高い屈折率の第２のコア材からなる接続部２１０ａを含む。第２のコア材の屈折率は、光の損失を抑制する観点から第１のコア材の屈折率とそれほど大きく違わない（差は１０％以内に抑える）ことが望ましい。

第１および第２の境界層２２１、２２２は、屈折率が第１のコア材とクラッド材との中間の値をとる。本実施の形態では、屈折率が約１．９のシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）を用いる。クラッド材は、屈折率が１．４４４のシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）である。また、第１のコア材および第２のコア材は、屈折率３．４８のアモルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ）である。アモルファスＳｉは、光の伝搬損失を小さくする観点から、ダングリングボンドが水素終端されたアモルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ：Ｈ）であることが望ましい。

第１および第２の光導波路２０７ａ、２０８ａは、所定のＭＭＩ領域で上下にほぼ平行に重なるように配置されており、ＭＭＩ領域近傍における導波路幅が４２５ｎｍである。第２の配線分離層２０３内の接続部２１０ａの長さは、例えば、１．４５μｍ、幅は４２５ｎｍである。

本実施の形態の光デバイスの第１の製造方法は、基板上に第１のクラッド材を形成し、第１のクラッド材上に第１のクラッド材よりも屈折率の高い第１のコア材からなる第１の光導波路を形成し、第１の光導波路上に第１のコア材よりも屈折率の低い第２のクラッド材を形成し、第２のクラッド材を研磨して第１の光導波路を露出させ、第１の光導波路および第２のクラッド材上に第１および第２のクラッド材よりも屈折率が高く、前記第１のコア材よりも屈折率の低いエッチストップ材からなる第１のエッチストップ層を形成し、第１のエッチストップ層上に第１のエッチストップ層よりも屈折率の高い第２のコア材からなる接続部を、第１のエッチストップ層で第２のコア材のエッチングを停止させることで、第１の光導波路の直上に形成し、接続部上に、エッチストップ材よりも屈折率の低い第３のクラッド材を形成し、第３のクラッド材を研磨して接続部を露出させ、接続部上および第３のクラッド材上にエッチストップ材からなる第２のエッチストップ層を形成し、第２のエッチストップ層上に第１のコア材からなる第２の光導波路を、第２のエッチストップ層で第１のコア材のエッチングを停止させることで、接続部の直上に形成し、第２の光導波路上にエッチストップ材よりも屈折率の低い第４のクラッド材を形成する。

図２６〜３６図は、本実施の形態の第１の製造方法を模式的に説明する図である。本実施の形態の縦型ＭＭＩ光カプラの主な製造工程を模式的に示す。図２６（ａ）〜図３６（ａ）は光伝搬方向に平行なＭＭＩ断面、図２６（ｂ）〜図３６（ｂ）は光伝搬方向に垂直なＭＭＩ断面を並べて示す。

なお、光導波路や接続部の形成時には、極力、側壁の凹凸が小さく、垂直になるような条件でエッチングを行うものとする。また、説明を簡略化するため、洗浄、レジスト塗布、マスクアライメント、露光、現像、エッチング時に使用するマスク材の形成、レジストやマスク材の剥離・除去、洗浄等の工程は省いている。

第１の光配線層２０２は、図２６〜図２９に示す工程により形成される。まず、基板２００上に第１の配線分離層２０１を形成する。第１の配線分離層２０１は、例えば、第１のクラッド材であるＳｉＯ_２膜で形成される。

次に、第１の配線分離層２０１上に、３００℃の成膜温度のプラズマＣＶＤでａ−Ｓｉ膜（第１のコア材）２３１を堆積する（図２６）。次に、第１の光導波路２０７ａとなる領域２３１ａのみ残して、ａ−Ｓｉ膜２３１をエッチングする（図２７）。

次に、表面にプラズマＣＶＤで第２のクラッド材となるＳｉＯ_２膜２３２を堆積する（図２８）。次に、ＣＭＰにより、図２６〜図２８の工程で形成した複合構造を研磨・平坦化する（図２９）。この際、第１の光導波路２０７ａの表面が露出するよう加工する。

第１の光配線層２０２の作製工程は、材料、層厚や配線層幅の違いを除けば第３の実施の形態と同様である。

第２の配線間分離層２０３は、図３０〜図３３に示す工程により形成される。まず、第１の光導波路２０７ａを含む第１の光配線層２０２の上に、プラズマＣＶＤで厚さ４０ｎｍの、ＳｉＯ_２膜（第１および第２のクラッド材）よりも屈折率が高く、ａ−Ｓｉ膜（第１のコア材）よりも屈折率の低いＳｉＮ膜（第１のエッチストップ層）２２１と、厚さ３６０ｎｍのａ−Ｓｉ膜（第２のコア材）２３３を堆積する（図３０）。

次に、ａ−Ｓｉ膜２３３をＳｉＮに対して選択性のあるガス（例えばＣＦ_４／Ｏ_２系、ＳＦ_６／ＣＨ_４／Ｎ_２／Ｏ_２系、ＳＦ_６／Ｃｌ_２／Ａｒ系など）を用いてドライエッチングして、接続部２１０ａとなる島状の領域２３３ａを形成する。このとき、エッチングストップ層２２１でエッチングを停止させることができるので、第１の光配線層のパターンが崩れることはない（図３１）。

次に、島状の領域２３３ａが所定の高さまで埋まるようにＳｉＯ_２膜（第３のクラッド材）２３５を堆積する（図３２）。

次に、ＣＭＰにより、図２９〜図３１の工程で作製した複合構造を研磨・平坦化して厚さ３６０ｎｍにする（図３３）。この際、接続部２１０ａとなる島状の領域２３３ａの表面が露出するよう加工する。

第２の光配線層１０４は、ＳｉＮ膜（第２のエッチストップ層）２２２とａ−Ｓｉ膜（第１のコア材）２３６の堆積（図３４）、エッチングによる第２の光導波路２０８ａとなる領域２３６ａの形成を行う（図３５）。第２の光導波路２０８ａとなる領域２３６ａは、第２のエッチストップ層２２２でａ−Ｓｉ膜（第１のコア材）２３６のエッチングを停止させることで、接続部２１０ａの直上を含む領域に形成する。

そして、第２の光導波路２０８ａ上にＳｉＯ_２膜（第４のクラッド材）２３７の堆積とＣＭＰによる研磨を行ことにより本実施の形態の光デバイスが形成される（図３６）。光配線層の作製を２層のみで終える場合は、ＳｉＯ_２膜を厚めに堆積して最後のＣＭＰを省略してもよいし、ＣＭＰの後に改めて厚めのＳｉＯ_２膜を堆積してもよい。

なお、第２の光配線層をＣＭＰで形成した後、図３０〜図３６の工程を繰り返せば、３層以上の多層光配線層を作製することが可能である。この場合、各光導波路の特性をそろえるために、一番下の光配線層の下側と一番上の光配線層の上側にもエッチングストップ層を挿入することが望ましい。２層光配線層の場合であっても、第１の光配線層の下側と第２の光配線層の上側にエッチングストップ層を挟むことで、上下方向の対称性を改善することができる。

上記製造方法では、接続部の形成において、最初にコア材を積層し、メサ状にエッチング加工し、メサをクラッド材で埋め込んで、平坦化を行っている。しかしながら、第３の実施形態の場合と同様に、クラッド材を先に積層し、溝状にエッチング加工し、溝内にコア材を埋め込んで、平坦化を行ってもよい。

すなわち、本実施の形態の光デバイスの第２の製造方法は、基板上に第１のクラッド材を形成し、第１のクラッド材上に第１のクラッド材よりも屈折率の高い第１のコア材からなる第１の光導波路を形成し、第１の光導波路上に第１のコア材よりも屈折率の低い第２のクラッド材を形成し、第２のクラッド材を研磨して第１の光導波路を露出させ、第１の光導波路および第２のクラッド材上に第１および第２のクラッド材よりも屈折率が高く、第１のコア材よりも屈折率の低いエッチストップ材からなる第１のエッチストップ層を形成し、第１のエッチストップ層上に、エッチストップ材よりも屈折率の低い第３のクラッド材を形成し、第３のクラッド材に第１のエッチストップ層でエッチングを停止させることで、第１の光導波路の直上に開口部を有するトレンチを形成し、トレンチに、エッチストップ材よりも屈折率の高い第２のコア材を埋め込み、第２のコア材を研磨して、第３のクラッド材を露出させることで第２のコア材からなる接続部を形成し、接続部および第３のクラッド材上に、上記エッチストップ材からなる第２のエッチストップ層を形成し、第２のエッチストップ層上に、第１のコア材からなる第２の光導波路を、第２のエッチストップ層で第１のコア材のエッチングを停止させることで、接続部の直上に形成し、第２の光導波路上にエッチストップ材よりも屈折率の低い第４のクラッド材を形成する。

第２の製造方法の場合は、エッチングストップ層とクラッド材のエッチング選択比が大きくなるようなエッチング条件を使う。

図３７〜４０図は、本実施の形態の第２の製造方法を模式的に説明する図である。図３７（ａ）〜図４０（ａ）は光伝搬方向に平行なＭＭＩ断面、図３７（ｂ）〜図４０（ｂ）は光伝搬方向に垂直なＭＭＩ断面を並べて示す。

第１の光配線層２０２までの形成については、上記第１の製造方法と同様であるので記述を省略する。

第２の配線間分離層２０３は、以下の工程で形成される。まず、第１の光導波路２０７ａを含む第１の光配線層２０２の上に、プラズマＣＶＤで厚さ４０ｎｍの、ＳｉＯ_２膜（第１および第２のクラッド材）よりも屈折率が高く、ａ−Ｓｉ膜（第１のコア材）よりも屈折率の低いＳｉＮ膜（第１のエッチストップ層）２２１と、ＳｉＮ膜２２１よりも屈折率の低いＳｉＯ_２膜（第３のクラッド材）２３５を堆積する（図３７）。

次に、ＳｉＯ_２膜２３５の、接続部２１０ａを形成する部分に、ＳｉＮ膜２２１でエッチングを停止させることにより、トレンチ２３４を形成する（図３８）。トレンチ２３４は、第１の光導波路２０７ａの直上に開口部を備える。

そして、トレンチ２３４が所定の高さまで埋まるように、プラズマＣＶＤで、ＳｉＮより屈折率の高いａ−Ｓｉ膜（第２のコア材）２３６を堆積する（図３９）。次に、ＣＭＰにより、研磨・平坦化して、第２の配線間分離層２０３の厚さを４００ｎｍにする（図４０）。

ＣＭＰの際、第３のクラッド材２３５表面が露出するように加工される。この工程により、接続部２１０ａおよび周囲層２１０ｂが形成される。

第２の光配線層１０４の形成については、上記第１の製造方法と同様であるので、記述を省略する。

本実施形態の第１ないし第２の製造方法において、第２の光導波路２０８ａの形成にも、先に堆積したクラッド材のトレンチ溝内にコア材を埋め込んで平坦化するプロセスを採用することができる。第１の導波路２０７ａと第２の導波路２０８ａの対称性の観点では、第１の光導波路２０７ａも第２の光導波路２０８ａと同じプロセスにより形成するのが望ましい。第１の光配線層２０２と第１の配線分離層２０１の間にエッチストップ材を挿入すれば、第１の光導波路２０７ａの形成にも、クラッド材に設けた溝内にコア材を埋め込んで平坦化するプロセスを採用することができる。この場合、導波路の対称性の観点で、第２の光導波層２０８ａの上にも第１の光導波層２０７ａの下に挿入したのと同じエッチストップ材を挿入することが望ましい。

本実施の形態の第１および第２の製造方法によれば、第１および第２のエッチストップ層を適用することで、光配線層のパターンと配線分離層のパターンを、独立して扱うことが可能となる。すなわち、光配線層のパターンと配線分離層のパターンを形成する際、他方のパターンに構造上の影響を及ぼしにくい。したがって、第３の実施の形態と比較して、設計自由度が大きい。また、厚さの違いを除けば光配線層と配線分離層をまったく同じ材料と工程で製造することも可能となるので、工程の複雑化を避けることができる。

ＭＭＩ光カプラの素子長が長いと、光は何度もＭＭＩ光カプラの上下の境界を反射しながら伝搬する。このため、位置ずれや断面形状の歪みによる損失が累積されてしまう。これに対し、図２５（ｂ）に示すように、本実施の形態の縦型ＭＭＩ光カプラでは、ＭＭＩ光カプラの出力光導波路側にできる最初の干渉ピークを利用することで、位置ずれの影響を最小限にとどめている。また、素子の小型化を実現している。

図４１は、本実施の形態の縦型ＭＭＩ光カプラの結合効率の層間位置ずれ依存性の計算結果を示す図である。計算は、ＦＤＴＤ法による。

図４１（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ、接続部幅３７５ｎｍ、４００ｎｍ、４２５ｎｍ、４５０ｎｍ、４７５ｎｍの場合の出力導波路位置ずれ依存性である。それぞれ、入力導波路に対する接続部の位置ずれが０ｎｍ（実線）、＋２５ｎｍ（破線）、＋５０ｎｍ（一点鎖線）の場合を示した。

図４１（ｆ）は、代表的な（接続部横ずれ量［ｎｍ］，出力導波路横ずれ量［ｎｍ］）の組合せに対する、結合効率の接続部幅依存性を示す図である。層間位置ずれ量の最大値が±２５ｎｍの場合、接続部幅を導波路幅より２５ｎｍ狭い４００ｎｍとするのがよく、このときの結合効率は８５．５±０．４％の範囲に収まる。位置ずれ誤差が±５０ｎｍあっても結合効率は８３．９８％以上に保つことができる。

図４２は、本実施の形態の結合効率（または結合比）の各種パラメータ依存性を示す図である。

図４２（ａ）は結合効率の接続部長依存性、図４２（ｂ）は配線分離層２０３の厚さが所定値（３６０ｎｍ）からずれた場合の結合効率である。いずれも、接続部幅が４２５ｎｍで位置ずれがない場合の計算結果を示した。

図４２（ｃ）は、出力導波路幅が所定値（４２５ｎｍ）からずれた場合の結合効率である。接続部幅が４００ｎｍで位置ずれがない場合の計算結果を示した。本実施の形態の縦型ＭＭＩ光カプラは、構成要素の様々な寸法のずれに対して比較的大きなトレランスを有していることがわかる。

図４２（ｄ）は、結合効率の波長依存性である。接続部幅と光導波路幅の差が−５０ｎｍ（一点鎖線）、−２５ｎｍ（破線）、０ｎｍ（実線）、＋５０ｎｍ（点線）の場合について示した。接続部幅を光導波路幅より若干狭くすると、結合効率の波長依存性を小さくすることができる。

厚さ方向に一様な２次元スラブ導波路を仮定した場合、ＭＭＩのマルチモード導波路のＴＥ_ｉモード（ｉ＝０，１，・・・は節の数）の実効屈折率は、グースヘンシェンシフトを無視すると、
で近似できることが知られている。ここで、ｎ_ｃｏｒｅはコア材料の屈折率、ＷはＭＭＩの幅である。多少近似は悪くなるが、式（III）は上下をクラッド材で挟んだ三次元構造の平面（横型）ＭＭＩにも適用できる。本実施の形態の縦型ＭＭＩは、横型ＭＭＩを９０度回転して基板に垂直になるように立てた形態になるので、Ｗはマルチモード導波路部のコア層の合計厚Ｈに相当する。導波路や接続部の幅と区別するために、以下の縦型ＭＭＩの議論では、Ｗの代わりにＨを用いることにする。

本実施の形態の縦型ＭＭＩ光カプラには、ｉ＝０，１，２の三つのモードが存在する。その結合長（ｉ＝０のモードとｉ＝１のモードの干渉によるピークが出射光導波路側にできる伝搬距離）は、
と近似できる。

本実施の形態の縦型ＭＭＩ光カプラの設計値（厚さで重みづけしたコアの平均屈折率ｎ_ｃｏｒｅ＝３．３１、Ｈ＝０．７６μｍ、λ ＝１．５５μｍ）を代入するとＬ_０〜１．６４μｍとなり、実際の接続部長（１．４５μｍ）より約１３％大きな見積もりとなる。このように、出射側の最初の干渉ピークを用いる場合の接続部長Ｌは式（IV）右辺の値に比較的近い値になり、その２倍の長さがあるとｉ＝０のモードとｉ＝１のモードの干渉によるピークは入射導波路面側に戻る。

したがって、最初の出射側の干渉ピークを用いる縦型ＭＭＩの接続部長Ｌは、少なくとも式（IV）の右辺の値の１．５倍より小さな値になる。すなわち、出射側の最初の干渉ピークを用いる縦型ＭＭＩ光カプラは、接続部が存在する領域における第１の光導波路下面から第２の光導波路上面までのコア層の合計厚をＨ、厚さで重みづけしたコア層の平均屈折率をｎ_ｃｏｒｅ、光の中心波長をλとするとき、少なくとも
を満たしていなければならない。

しかし、式（Ｉ）を満たしただけで十分大きな結合効率を得られるわけではなく、適切な設計が必要である。例えば第３の実施の形態の縦型ＭＭＩ光カプラの場合、最初の干渉ピークを利用した場合の結合効率は７０％にとどまった。実施の形態の縦型ＭＭＩ光カプラの設計には、通常の横型ＭＭＩの設計で用いられているセルフイメージ法を適用できないが、設計指針なしにやみくもにＦＤＴＤ計算を行うのは時間の浪費である。発明者はＭＭＩ部（コア層内）で干渉するモードの数が３個と少ない（偏波の異なるモードや幅方向に節のあるモードは除いて考える）ことを利用して、干渉モードの実効屈折率から設計の良否判定を行えることを見出した。

ＭＭＩ内の三つの干渉モードの実効屈折率を、実効屈折率の大きい方からｎ_０、ｎ_１、ｎ_２と記す。モード０とモード２は対称モード（入射側導波路面と出射側導波路面の電界が等しい）、モード１は反対称モード（入射側導波路面と出射側導波路面の電界の符号が反対）である。出射側光配線層のピークが大きくなるのは、二つの対称モードの位相がそろい、反対称モードの位相が対称モードとπ異なる場合、すなわち、上記モードのうち最も実効屈折率の大きいモードと２番目に実効屈折率の大きなモードの実効屈折率の差Δｎ_０１、ならびに２番目に実効屈折率の大きなモードと最も実効屈折率の低いモードの実効屈折率の差Δｎ_１２の間に、
の関係がある場合である。λは波長、Ｌ_０は結合長で、Ｌ_０の奇数倍の位置では出射側、偶数倍の位置では入射側に最大ピークを生じる。特に、出射側導波路面における三つのモードの電界強度の２乗の比が１：４：１であれば、出射面において入力側導波路側に残留する成分を極小化することができる。

式（III）の近似式を使うとΔｎ_１２〜（５／３）Δｎ_０１となるため、式（V）の条件は満たされない。実際の３次元のＭＭＩのモードの実効屈折率は式（III）の値からずれるが、厚さ方向に特殊な屈折率分布を持たせない限りΔｎ_０１＜Δｎ_１２になる。しかし、Δｎ_０１とΔｎ_１２の式（V）の値からのずれを１５％以下に抑えた場合においては、８０％程度の結合効率を実現することができることがわかった。

すなわち、本実施の形態の縦型光カプラは、配線層間接続部の長さＬが
を満たすように設計されている。

波長λ＝１．５５μｍ、ＭＭＩ長Ｌ＝１．４５μｍを代入すると、式（II）の条件は０．４５４Δｎ_０１，Δｎ_１２０．６１５となる。本実施の形態の縦型ＭＭＩ光カプラの干渉モードの実効屈折率はｎ_０＝２．７９５、ｎ_１＝２．３２５、ｎ_２＝１．７２９であり、Δｎ_０１＝０．４７０、Δｎ_１２＝０．５９６は式（II）の条件を満たしている。

本実施の形態の縦型ＭＭＩ光カプラでは主たるコア材であるａ−Ｓｉの間にａ−Ｓｉより屈折率の低いＳｉＮ層２２１、２２２が挿入された構成になっているが、その挿入位置はモード１のピークに比較的近く、モード２の節にあたる。このため、モード１の実効屈折率が相対的に低くなるため、Δｎ_０１とΔｎ_１２の差が小さくなっている。

また、ＳｉＮスラブ層２２１、２２２の影響で入射出光導波路の伝搬モードはピークが第２の配線分離層側に寄った非対称な形になっており、ＭＭＩ部で干渉しあう３つのモードとの結合比に影響を与えている。本実施の形態の出射側導波路面における三つのモードの電界強度の２乗の比は１：４：１より１：３：２に近いが、それでも８０％以上の結合効率が得られている。

式（II）の条件を満たすようにするための方法は、本実施の形態の方法に限定されるものではない。例えば、配線接続部の厚さ方向の屈折率分布を、階段状、あるいは連続的に中央部で屈折率が高くなるようすれば、中央部にピークを持つモード０やモード２の実効屈折率がモード１の実効屈折率に対して相対的に高くなるので、Δｎ_０１とΔｎ_１２の差を小さくすることができる。作製プロセスは複雑化するが、式（Ｖ）の条件にもっと近づくよう、また、出射位置における各モードの電界強度の２乗の比を１：４：１に近づけるよう、構造を最適化することにより、さらに損失の少ない縦型ＭＭＩ光カプラを実現することができる。

第３および第４の実施の形態の縦型ＭＭＩ光カプラの結合効率は、設計通りにできた方向性結合器には及ばないが、作製上の寸法ずれ、特に上下の光導波路の寸法ずれに対しては、方向性結合器よりずっと大きなトレランスを有する。寸法ずれだけでなく、例えば、第１の光導波路と第２の光導波路の間、あるいは第１のエッチストップ層と第２のエッチストップ層の間の組成や屈折率のずれに対しても、トレランスが大きい。また、方向性結合器と比べてはるかに寸法を小さくできるので、高密度集積化を図るうえで有用である。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。上記、実施の形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、実施の形態の説明においては、光デバイス等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる光デバイス等に関わる要素を適宜選択して用いることができる。

例えば、第３、第４の実施の形態は、材料、導波路の寸法、光配線層間距離、波長、偏波等が異なる場合についても、上記の指針に基づいて材料（屈折率）や各部の寸法を設定することにより、小型で位置ずれに強い光配線層間接続を実現することができる。

また、第３、第４の実施の形態は、光配線層が三層以上の場合、実施の形態の縦型ＭＭＩ光カプラを多段につないで、多層間の接続を図ることができる。また、平面型の１×２ＭＭＩ光カプラや２×２ＭＭＩ光カプラと本発明の１×１縦型ＭＭＩ光カプラを組み合わせることで、１×２、２×２等の光配線層間接続を図ることができる。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての光デバイスが、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。

１０ レーザ光源
１２ 第１の光導波路
１４ クラッド層
１６ 第１の分配器
１８ 第２の光導波路
２０ 第２の分配器
２２ 第３の光導波路
２８ 出力端面
３０ａ 上部電極
３０ｂ 下部電極
４０ 制御回路
１００ 基板
１０１ 第１の配線分離層
１０２ 第１の光配線層
１０３ 第２の配線分離層
１０４ 第２の光配線層
１０７ａ 第１の光導波路
１０７ｂ 第１の配線層内クラッド
１０８ａ 第２の光導波路
１０８ｂ 第２の配線層内クラッド
１１０ａ 接続部
１１０ｂ 周囲層
２００ 基板
２０１ 第１の配線分離層
２０２ 第１の光配線層
２０３ 第２の配線分離層
２０４ 第２の光配線層
２０７ａ 第１の光導波路
２０７ｂ 第１の配線層内クラッド
２０８ａ 第２の光導波路
２０８ｂ 第２の配線層内クラッド
２１０ａ 接続部
２１０ｂ 周囲層
２２１ 第１の境界層（第１のエッチストップ層）
２２２ 第２の境界層（第２のエッチストップ層）

Claims (14)

1. 基板と、
   前記基板上に形成され、クラッド材からなる第１の配線分離層と、
   前記第１の配線分離層上に形成され、前記クラッド材からなる第１の配線層内クラッドと、左右を前記第１の配線層内クラッドに挟まれ前記クラッド材よりも屈折率の高い第１のコア材からなる第１の光導波路とを含む第１の光配線層と、
   前記第１の配線分離層上方に形成され、前記クラッド材からなる第２の配線層内クラッドと、左右を前記第２の配線層内クラッドに挟まれ、前記第１の光導波路と離間して略平行に伸長し、前記第１のコア材からなる第２の光導波路とを含む第２の光配線層と、
   前記第１の光配線層と前記第２の光配線層との間に形成され、前記クラッド材からなる周囲層と、前記周囲層で挟まれ、前記第１の光導波路の上面および前記第２の光導波路の下面に接触し、前記第１のコア材よりも高い屈折率の第２のコア材からなる接続部とを含む第２の配線分離層と、を備え、
   前記第１の光導波路、前記接続部、前記第２の光導波路を前記基板に平行な面に投影した場合に、前記接続部が、前記第１の光導波路および前記第２の光導波路のいずれよりも内側となる光デバイス。
2. 前記第１のコア材および前記第２のコア材が、シリコンを主成分とするアモルファス材料である請求項１記載の光デバイス。
3. 前記第１および第２の光導波路が単一モード導波路である請求項１または請求項２記載の光デバイス。
4. 前記接続部の幅が、前記第１の光導波路および第２の光導波路のいずれの幅よりも５０ｎｍ以上狭い請求項１ないし請求項３いずれか一項記載の光デバイス。
5. 前記第１の光導波路および第２の光導波路が、光導波路中央部の屈折率が上下端の部分の屈折率より高くなるような厚さ方向の屈折率分布をもつ請求項１ないし請求項４いずれか一項記載の光デバイス。
6. 前記第１のコア材がａ−ＳｉＣ、前記第２のコア材がａ−Ｓｉ、前記クラッド材がＳｉＯ_２である請求項１ないし請求項４いずれか一項記載の光デバイス。
7. 前記第１および第２のコア材が、ａ−ＳｉＣ／ａ−Ｓｉ／ａ−ＳｉＣの積層構造で形成される請求項５記載の光デバイス。
8. 基板と、
   前記基板上に形成され、クラッド材からなる第１の配線分離層と、
   前記第１の配線分離層上に形成され、前記クラッド材からなる第１の配線層内クラッドと、左右を前記第１の配線層内クラッドに挟まれ前記クラッド材よりも屈折率の高い第１のコア材からなる第１の光導波路とを含む第１の光配線層と、
   前記第１の光配線層上に形成され、前記クラッド材よりも屈折率が高く、前記第１のコア材よりも屈折率の低い境界材からなる第１の境界層と、
   前記第１の境界層上方に形成され、前記境界材からなる第２の境界層と、
   前記第２の境界層上に形成され、前記クラッド材からなる第２の配線層内クラッドと、左右を前記第２の配線層内クラッドに挟まれ、前記第１の光導波路と略平行に伸長し、第１のコア材からなる第２の光導波路とを含む第２の光配線層と、
   前記第１の境界層と前記第２の境界層との間に形成され、前記クラッド材からなる周囲層と、前記周囲層で挟まれ、前記第１の境界層の上面および前記第２の境界層の下面に接触し、前記境界材よりも高い屈折率の第２のコア材からなる接続部とを含む第２の配線分離層と、を備え、
   前記第１の光導波路、前記接続部、前記第２の光導波路を前記基板に平行な面に投影した場合に、前記第１の光導波路、前記接続部、前記第２の光導波路がすべて重なる領域を有する光デバイス。
9. 前記第１のコア材と前記第２のコア材が同一材料である請求項８記載の光デバイス。
10. 前記第１および第２のコア材がａ−Ｓｉであり、前記境界材がＳｉＮである請求項９記載の光デバイス。
11. 基板と、
    前記基板上に形成され、クラッド材からなる第１の配線分離層と、
    前記第１の配線分離層上に形成され、前記クラッド材からなる第１の配線層内クラッドと、左右を前記第１の配線層内クラッドに挟まれ前記クラッド材よりも屈折率の高い第１のコア材からなる第１の光導波路とを含む第１の光配線層と、
    前記第１の配線分離層上方に形成され、前記クラッド材からなる第２の配線層内クラッドと、左右を前記第２の配線層内クラッドに挟まれ前記クラッド材と、前記クラッド材で挟まれ、前記第１の光導波路と離間して略平行に伸長し、前記第１のコア材からなる第２の光導波路とを含む第２の光配線層と、
    前記第１の光配線層と前記第２の光配線層との間に形成され、前記クラッド材からなる周囲層と、前記周囲層で挟まれ、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路の間に設けられ、前記クラッド材よりも高い屈折率の第２のコア材からなる接続部とを含む第２の配線分離層と、
    を備え、
    前記第１の光導波路、前記接続部、前記第２の光導波路を前記基板に平行な面に投影した場合に、前記第１の光導波路、前記接続部、前記第２の光導波路がすべて重なる領域を有し、
    前記接続部が存在する領域における前記第１の光導波路下面から前記第２の光導波路上面までのコア層の合計厚をＨ、厚さで重みづけした前記コア層の平均屈折率をｎ_ｃｏｒｅ、光の中心波長をλとするとき、前記接続部の長さＬが、
    を満たし、かつ、前記厚さＨのコア層内で干渉するモードの数が３個であり、前記モードのうち最も実効屈折率の大きいモードと２番目に実効屈折率の大きなモードの実効屈折率の差Δｎ_０１、ならびに２番目に実効屈折率の大きなモードと最も実効屈折率の低いモードの実効屈折率の差Δｎ_１２が、
    の関係を満たす光デバイス。
12. 基板上に第１のクラッド材を形成し、
    前記第１のクラッド材上に前記第１のクラッド材よりも屈折率の高い第１のコア材からなる第１の光導波路を形成し、
    前記第１の光導波路上に前記第１のコア材よりも屈折率の低い第２のクラッド材を形成し、
    前記第２のクラッド材を研磨して前記第１の光導波路を露出させ、
    前記第１の光導波路および前記第２のクラッド材上に前記第１のコア材よりも屈折率の低い第３のクラッド材を形成し、
    前記第３のクラッド材に前記第１の光導波路に達し、開口部下部の全領域が第１の光導波路上面にあるトレンチを形成し、
    前記トレンチを前記第１のコア材よりも屈折率の高い第２のコア材で埋め込み、
    前記第２のコア材を研磨して前記第３のクラッド材を露出させ、
    前記第３のクラッド材上に第１のコア材からなり、下面が前記第２のコア材の上面をすべて覆い、前記第１の光導波路と略平行に伸長する第２の光導波路を形成し、
    前記第２の光導波路上に前記第１のコア材よりも屈折率の低い第４のクラッド材を形成する光デバイスの製造方法。
13. 基板上に第１のクラッド材を形成し、
    前記第１のクラッド材上に前記第１のクラッド材よりも屈折率の高い第１のコア材からなる第１の光導波路を形成し、
    前記第１の光導波路上に前記第１のコア材よりも屈折率の低い第２のクラッド材を形成し、
    前記第２のクラッド材を研磨して前記第１の光導波路を露出させ、
    前記第１の光導波路および前記第２のクラッド材上に前記第１および前記第２のクラッド材よりも屈折率が高く、前記第１のコア材よりも屈折率の低いエッチストップ材からなる第１のエッチストップ層を形成し、
    前記第１のエッチストップ層上に前記エッチストップ材よりも屈折率の高い第２のコア材からなる接続部を、前記第１のエッチストップ層で前記第２のコア材のエッチングを停止させることで、前記第１の光導波路の直上に形成し、
    前記接続部上に、前記エッチストップ材よりも屈折率の低い第３のクラッド材を形成し、
    前記第３のクラッド材を研磨して前記接続部を露出させ、
    前記接続部上および前記第３のクラッド材上に前記エッチストップ材からなる第２のエッチストップ層を形成し、
    前記第２のエッチストップ層上に前記第１のコア材からなる第２の光導波路を、前記第２のエッチストップ層で前記第１のコア材のエッチングを停止させることで、前記接続部の直上に形成し、
    前記第２の光導波路上に前記エッチストップ材よりも屈折率の低い第４のクラッド材を形成する光デバイスの製造方法。
14. 基板上に第１のクラッド材を形成し、
    前記第１のクラッド材上に前記第１のクラッド材よりも屈折率の高い第１のコア材からなる第１の光導波路を形成し、
    前記第１の光導波路上に前記第１のコア材よりも屈折率の低い第２のクラッド材を形成し、
    前記第２のクラッド材を研磨して前記第１の光導波路を露出させ、
    前記第１の光導波路および前記第２のクラッド材上に前記第１および前記第２のクラッド材よりも屈折率が高く、前記第１のコア材よりも屈折率の低いエッチストップ材からなる第１のエッチストップ層を形成し、
    前記第１のエッチストップ層上に、前記エッチストップ材よりも屈折率の低い第３のクラッド材を形成し、
    前記第３のクラッド材に前記第１のエッチストップ層でエッチングを停止させることで、前記第１の光導波路の直上に開口部を有するトレンチを形成し、
    前記トレンチに、前記エッチストップ材よりも屈折率の高い第２のコア材を埋め込み、
    前記第２のコア材を研磨して、前記第３のクラッド材を露出させることで前記第２のコア材からなる接続部を形成し、
    前記接続部および前記第３のクラッド材上に、前記エッチストップ材からなる第２のエッチストップ層を形成し、
    前記第２のエッチストップ層上に前記第１のコア材からなる第２の光導波路を、前記第２のエッチストップ層で前記第１のコア材のエッチングを停止させることで、前記接続部の直上に形成し、
    前記第２の光導波路上に前記エッチストップ材よりも屈折率の低い第４のクラッド材を形成する光デバイスの製造方法。