JP5104665B2 - スポットサイズ変換器 - Google Patents

Description

この発明は、Ｓｉ細線導波路と光ファイバやレーザーダイオードとの間の光接続に用いられるスポットサイズ変換器に関する。

近年、Ｓｉを導波路材料として用いる技術が注目を集めている。これらの技術の中で、Ｓｉをコアとして用い、及び、Ｓｉよりも非常に屈折率の小さいＳｉＯ_２をクラッドとして用いた導波路を、特に、Ｓｉ細線導波路と称する。

Ｓｉ細線導波路は、コアとクラッドとの屈折率差が極めて大きいために、光をコアに強く閉じ込めることが可能である。その結果、Ｓｉ細線導波路を用いることにより、例えば、曲げ半径を１μｍ程度まで小型化できる等、非常に微細なサブミクロンオーダーの寸法の光学装置を作成することができる。

このことから、Ｓｉ細線導波路は、Ｓｉ電子デバイスと光デバイスとを同一のチップ上で融合することができる可能性を秘めた技術として注目されている。

ところで、Ｓｉ細線導波路と光ファイバ等の外部光素子との光接続を行うためには、スポットサイズ変換器が必要となる。これは、Ｓｉ細線導波路のコア径が、一般的な光ファイバのコア径よりも非常に小さいためである。

このようなスポットサイズ変換器としては、従来からいくつもの提案がなされている。例えば、光導波路の幅をテーパ状に小さくしていくスポットサイズ変換器が提案されている（例えば、特許文献１〜４参照）。また、光導波路の厚みをテーパ状に小さくしていくスポットサイズ変換器が提案されている（例えば、特許文献５〜６参照）。また、拡大したスポットを外部の光学装置に結合するために、コアを２重にしたものが提案されている（例えば、特許文献７参照）。
特開２００２−１６２５２８号公報 特開２０００−２３５１２８号公報 米国特許第６６８４０１１号明細書 特開２００３−２０７６８４号公報 特開平９−１５４３５号公報 特開２００５−３２６８７６号公報 特開平７−６３９３５号公報

しかし、これらの従来のスポットサイズ変換器は、偏波依存性が大きいという問題点があった。また、これらのスポットサイズ変換器は作成が非常に難しいという問題点があった。

この発明は、これらの問題点に鑑みなされたものである。従って、この発明の目的は、偏波依存性がなく、しかも容易に製造することができる構造を有するスポットサイズ変換器及びその製造方法を提供することにある。

上述した目的の達成を図るために、この発明の発明者は、断面矩形状の第１コアを用いた。そして、この第１コアの互いに対向する一対の側面間を斜めに切断することにより、先端における第１コアの幅又は厚みが０となるような傾斜面としての光入出力領域を形成した。このようにすることにより、スポットサイズ変換器に入出力される光を偏波無依存にできることに想到した。

また、光入出力領域を、第１コアとクラッドとが一部の側面で接触するような構造とし、さらに、第２コアを、第１コアとクラッドとの間の非接触の側面を含んで光入出力領域を包含するよう形成することにより、スポットサイズ変換器が従来よりも製造容易となることに想到した。

従って、この発明のスポットサイズ変換器は、基板の第１主面に配置されるクラッドと、光入出領域を備えた第１コアと、第２コアとを備えている。

ここで、第１コアは、（ａ）クラッド内に直線状に延在して設けられていて、第１側面と、第１側面に平行に対向する第２側面と、第１及び第２側面の双方に垂直であって互いに対向する第３及び第４側面とを有する直方体形状の主要コア領域、及び（ｂ）主要コア領域の一端面から一体的に延在し、かつクラッドから露出して設けられた傾斜面を含む光入出力領域を有する。

また、第２コアは、傾斜面を包含するようにクラッド上に配置されている。

ここで、第１コアの屈折率を、クラッドの屈折率よりも４０％以上大きな値とし、第２コアの屈折率を、クラッドの屈折率を超え、かつ第１コアの屈折率未満の値とする。

さらに、傾斜面は、第３及び第４側面の双方に対して垂直な平面であって、第１側面から第２側面に至るまでの間を斜めに延在し、光入出力領域において、第１コアは、傾斜面以外の第１、第２、第３及び第４側面の部分がクラッドに覆われている。

このスポットサイズ変換器において、第１及び第２側面が、基板の第１主面に平行に延在していることが好ましい。

このスポットサイズ変換器において、第１及び第２側面が、基板の第１主面に垂直に延在していることが好ましい。
さらに、この発明の別のスポットサイズ変換器は、基板の第１主面から突出して配置されるクラッドと第１コアとを備えた突出部、及び第２コアを備える。
ここで、第１コアは、（ａ）クラッド内に直線状に延在して設けられていて、第１側面と、第１側面に平行に対向する第２側面と、第１及び第２側面の双方に垂直であって互いに対向する第３及び第４側面とを有する直方体形状の主要コア領域、及び（ｂ）主要コア領域の一端面から一体的に延在し、かつクラッドから露出して設けられた傾斜面を含む光入出力領域を有する。また、第２コアは、傾斜面を包含するようにクラッド上に配置される。
そして、第１コアの屈折率を、クラッドの屈折率よりも４０％以上大きな値とし、第２コアの屈折率を、クラッドの屈折率を超え、かつ第１コアの屈折率未満の値とする。
また、突出部は、主要コア領域から光入出力領域に向かう方向に沿って、高さが直線的に減少するクラッド由来の傾斜上面を有し、傾斜面は、傾斜上面と同一平面に形成されている。
さらに、傾斜面は、第３及び第４側面の双方に対して垂直な平面であって、第１側面から第２側面に至るまでの間を斜めに延在し、光入出力領域において、第１コアは、傾斜面以外の第１、第２、第３及び第４側面の部分がクラッドに覆われている。
また、このスポットサイズ変換器において、突出部の傾斜上面を有するクラッドに接続する、均一な厚みのクラッドと、均一な厚みのクラッド中に延在する主要コア領域とを含む基部領域を更に含むことが好ましい。
また、第１コアが、第１主面に垂直な方向に関して、第２コアの中心領域に位置していることが好ましい。

さらに、このスポットサイズ変換器において、クラッドをＳｉＯ_２とし、及び第１コアをＳｉとすることが好ましい。

この発明のスポットサイズ変換器の第１の製造方法は、基板の第１主面に配置されたクラッド中に第１コアが埋め込まれた前駆体を準備する。

そして、前駆体の露出したクラッドの表面に、形成されるべき光入出力領域の傾斜面の直上領域における厚みが、第１コアの延在方向に沿って、予め定められた厚みから線形的に厚みが０にまで変化するエッチングマスクを設ける第１工程と、エッチングマスクをマスクとして、前駆体の露出した表面から第１コアの下側に延在するクラッドに至るまで異方性エッチングを行うことにより、第３及び第４側面の双方に対して垂直な平面であって、第１側面から第２側面に至るまでの間を斜めに切断した傾斜面が延在する領域としての光入出力領域を形成する第２工程と、クラッドと第１コアとの接触領域を除いた光入出力領域を埋め込むように、クラッド上に前記第２コアを形成する第３工程とを含む。

また、この発明のスポットサイズ変換器の第２の製造方法は、基板の第１主面に配置されたクラッド中に第１コアが埋め込まれた前駆体を準備する。

そして、前駆体の露出したクラッドの表面において、第１コアの第３及び第４側面に対応する領域を斜めに横切るようにエッチングマスクを設ける第１工程と、エッチングマスクをマスクとして、前駆体の露出した表面から第１コアの下側に延在するクラッドに至るまで異方性エッチングを行うことにより、第３及び第４側面の双方に対して垂直な平面であって、第１側面から前記第２側面に至るまでの間を斜めに切断した傾斜面が延在する領域としての光入出力領域を形成する第２工程と、クラッドと第１コアとの接触領域を除いた光入出力領域を埋め込むように、クラッド上に第２コアを形成する第３工程とを含む。

上述したこの発明の構成によれば、入出力される光に関して、偏波無依存なスポットサイズ変換器が得られるとともに、その製法も従来よりも容易となる。

以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。なお、各図は、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係について、この発明が理解できる程度に概略的に示したものにすぎない。また、以下、この発明の好適な構成例について説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は、以下の実施の形態に何ら限定されない。また、各図において、共通する構成要素には同符号を付し、その説明を省略することもある。

（実施の形態１）
図１〜図５を参照して、実施の形態１のスポットサイズ変換器及びその製造方法について説明する。図１−Ａは、スポットサイズ変換器の要部の部分的な構造を概略的に示す斜視図である。図１−Ｂは、図１−ＡのＩ−Ｉ線に沿って取った断面図である。図１−Ｃは、スポットサイズ変換器の要部の全体像を概略的に示す斜視図である。図２（Ａ）は、図１−ＣのＣ−Ｃ線に沿って取った切断端面図である。図２（Ｂ）は図１−ＣのＤ−Ｄ線に沿って取った切断端面図である。

（構造）
図１を参照すると、スポットサイズ変換器１０は、クラッド１４と、光入出領域１６及び主要コア領域１７を備えた第１コア１８と、第２コア２０とを備えている。

基板１２は、好ましくは、例えば矩形状の平行平板とする。また、基板１２を構成する材料は、好ましくは、例えば単結晶Ｓｉとする。

クラッド１４は、基板１２の第１主面１２ａ上の全面に渡って配置されている。クラッド１４を構成する材料は、好ましくは、例えば、ＳｉＯ_２とする。このクラッド１４内に第１コア１８が直線的に延在して設けられている。

なお、ここで、後述する第１コア１８の延在する方向は、光伝播方向に平行な方向であって、「長さ方向」と称し、基板１２の第１主面１２ａ内で、この長さ方向に直交する方向を「幅方向」と称し、及び基板１２の第１主面１２ａに垂直な方向を「厚み方向」と称する。

以下、このクラッド１４と第１コア１８とにつき詳細に説明する。

この説明に先立ち、実施の形態１の構成例では、構造的に見た場合、スポットサイズ変換器１０は、先端領域Ａと基部領域Ｂとに区画されるものとする（図１−Ａ参照）。

先端領域Ａは、スポットサイズ変換器１０の先端部分に対応する領域であり、外部の光学装置（例えば、光ファイバやＬＤ等）との間でスポットサイズを変換し、光をスポットサイズ変換器１０に入出力する機能を有する。先端領域Ａには、後述するように、第１コア１８の光入出力領域１６と、この領域と連続する側の主要コア領域１７の部分が設けられているとともに、後述する第２コア２０が設けられている。

基部領域Ｂは、スポットサイズ変換器１０の基部に対応する領域であり、先端領域Ａでスポットサイズを変換された光を伝播する機能を有する。詳しくは後述するが、基部領域Ｂは、従来公知のＳｉ細線光導波路の構造として形成されており、第１コア１８の主要コア領域１７の出力側の部分がクラッド１４に埋め込まれた構造とされている。

クラッド１４は、先端領域Ａと基部領域Ｂとで構造が異なっている。先端領域Ａには、第１コア１８の光入出力領域１６と主要コア領域１７の前端側部分が含まれており、基部領域Ｂには、主要コア領域１７の後端側部分が含まれている。

基部領域Ｂにおいては、クラッド１４は、均一な厚みで形成されており、内部に第１コア１８の主要コア領域１７の後端側部分が埋め込まれている。

それに対し、先端領域Ａにおいては、クラッド１４は、傾斜した上面を有し、かつ横断面形状が矩形状の突出部１９として形成されていて、第１コア１８、すなわち光入出側の周辺領域の当該コア１８に沿った領域以外の領域において、厚みが基部領域Ｂよりも一様に薄くなっている。

この突出部１９は、先端領域Ａの第１コア１８に沿った上述の周辺領域において第１コア１８の光入出力領域１６と前端側部分を包含したまま、光伝播方向に沿って基部領域Ｂ側に向かって厚みが直線的に徐々に増大していくように形成されている。つまり、第１コア１８に沿った周辺領域においては、第１コア１８を包含した突出部１９は、周囲の先端領域Ａの平坦面よりも高さ方向に突出するように形成されている。

一方、幅方向に関しては、第１コア１８に沿った周辺領域において、この突出部１９は、第１コア１８の幅（幅方向に測った長さ）よりも広い、一定の幅を有している。その結果、幅方向について見れば、クラッド１４の中央部に第１コア１８が埋め込まれるように形成されている。

また、第１コア１８に沿った周辺領域において、高さ方向及び長さ方向に関しては、この突出部１９は、第１コア１８を包含したまま、基部領域Ｂのクラッド１４の頂面の縁から光入出力側へと高さが低減しているが、その幅は一定である。その結果、先端領域Ａにおいては、クラッド１４の突出部１９の傾斜上面１９ａから第１コア１８の光入出力領域１６の傾斜面１８ａが露出することとなる。すなわち、光入出力領域１６の傾斜面１８ａは、突出部１９の傾斜上面１９ａ内に含まれている。

なお、第１コア１８と基板１２の第１主面１２ａとの間の部分のクラッド１４の厚み（図２のＵｎｃ）は、第１コア１８を伝播する光が基板１２に逃げることを防ぐために、好ましくは、例えば約１μｍ以上の値とすることが好ましい。

既に説明した通り、第１コア１８は、クラッド１４内に設けられていて、光入出力領域１６と主要コア領域１７とを備えていて、クラッド１４内を光の伝播方向に直線的に延在している。光入出力領域１６は、縦断面形状が三角形状の直角三角形柱の形をしている。主要コア領域１７は、基板１２の第１主面１２ａに平行に延在する第１側面１８_１と、この第１側面１８_１に平行に対向する第２側面１８_２と、これら第１及び第２側面１８_１及び１８_２の双方に垂直であって互いに対向する第３及び第４側面１８_３及び１８_４とを有していて、光伝播方向に垂直な横断面形状が矩形状の直方体形状に形成されている。なお、この第１側面１８_１は、光入出力領域１６の底面を形成しており、第３及び第４側面１８_３及び１８_４は、光入出力領域１６の両側面を形成している。

上述した説明からも明らかなように、先端領域Ａにおいては、第１コア１８の先端部は、言わば、先端まで尖ったクサビ状、すなわち直角三角柱状に形成されている。すなわち、先端領域Ａにおいては、第１コア１８は、一定の幅を保ったまま、厚みが線形的に０（ゼロ）となるまで減少するように形成されている。

ここで、図２を参照して、第１コア１８の第１〜第４側面１８_１〜１８_４の位置関係についてより詳細に説明しておく。

第１側面１８_１は、基板１２の第１主面１２ａに平行に延在する２側面１８_１及び１８_２のうち、第１主面１２ａから垂直に測った距離が短い方の側面とする。同様に第２側面１８_２は、第１主面１２ａに平行に延在する２側面１８_１及び１８_２のうち、第１主面１２ａから垂直に測った距離が長い方の側面とする。

第３側面１８_３は、基板１２の第１主面１２ａに垂直な２側面１８_３及び１８_４のうち、図１の奥側に位置する側面とする。同様に、第４側面１８_４は、第１主面１２ａに垂直な２側面１８_３及び１８_４のうち、図１の手前側に位置する側面とする。

第２コア２０は、光入出力領域１６の傾斜面１８ａを包含するようにクラッド１４上に配置されている。第２コア２０は、第１コア１８の屈折率よりも小さく、クラッド１４の屈折率よりも大きな屈折率を持つ材料、好ましくは、例えばポリイミド樹脂で形成されている（図１−Ｃ、図２参照）。

第２コア２０は、ほとんどの部分が先端領域Ａに位置しており、光入出力領域１６及び光入出力領域１６の周囲のクラッド１４を包含するように略直方体状に形成されている。そして、幅方向に見た場合、この直方体の中央部に光入出力領域１６が位置するように形成されている。

第２コア２０は、外部の光学装置との間で光の入出射を行う平面である光入出射端面２０ａを備えている。この光入出射端面２０ａは、光伝播方向に垂直に延在しており、上述した傾斜面１８ａの尖った先端部に対向して配置されている。

また、第２コア２０の光入出射端面２０ａの反対側の端部は、本質的には先端領域Ａと基部領域Ｂとの境界にあればよい。しかし、製造工程上の理由により、端部が基部領域Ｂにはみ出してしまうが、本質的なことではない。

次に、第１コア１８，クラッド１４及び第２コア２０の屈折率の関係について説明する。第１コア１８の屈折率をｎ１、クラッド１４の屈折率をｎ２、及び第２コア２０の屈折率をｎ３とするとき、ｎ１，ｎ２及びｎ３は、以下の関係を同時に満足するものとする。

（１）ｎ１≧１．４ｎ２
（２）ｎ１＞ｎ３＞ｎ２
つまり、第１コア１８の屈折率ｎ１を、クラッド１４の屈折率ｎ２よりも４０％以上大きな値とし、及び、第２コア２０の屈折率ｎ３を、クラッド１４の屈折率ｎ２を超え、かつ第１コア１８の屈折率ｎ１未満の値とする。

（動作）
次に、図１及び図２を参照して、スポットサイズ変換器１０の動作について説明する。なお、以下の説明は、スポットサイズ変換器１０から外部の光学装置（例えば、光ファイバやＬＤ）へと光を結合する場合の例であるが、逆に、外部の光学装置からスポットサイズ変換器１０へと光を結合する場合にも同様に適用可能である。

外部の光学装置へと結合されるべき光は、基部領域Ｂの第１コア１８から、先端領域Ａの第１コア１８へと伝播してくる。ところで、先端領域Ａの光入出力領域１６においては、上述したように、光伝播方向前方に向かうにつれて、第１コア１８の厚みが徐々に減少している。つまり、光入出力領域１６においては、厚みの減少とともに、第１コア１８の等価屈折率が０（ゼロ）となるまで減少する。

その結果、光入出力領域１６においては、光伝播方向前方に向かうにつれて、第１コア１８の光の閉じ込め能力が低下していく。よって、光入出力領域１６を前方に伝播する光のスポットサイズは、第１コア１８の光閉じ込め能力の低下に反比例するように、徐々に大きくなっていく。

ところで、光入出力領域１６の先端部では、第１コア１８の厚みが０（ゼロ）となる。したがって、この厚み０（ゼロ）の先端部において、光のスポットサイズは無限大に大きくなることとなり、原理的には、外部の光学装置との間でスポットサイズを整合させることが困難となる。

この困難を解決するのが、第２コア２０である。上述のように第２コア２０の屈折率は、第１コア１８とクラッド１４との間の値に設定されているので、スポットサイズが無限大に広がろうとする光を、第２コア２０内に閉じ込めることができる。

つまり、光のスポットサイズを第２コア２０の光入出射端面２０ａの大きさに制限することができる。よって、第２コア２０の光入出射端面２０ａの寸法を、光が結合されるべき外部の光学装置の光入出力部の寸法と同等にしておくことにより、光のスポットサイズを変換した上で、外部の光学装置へと光を結合することができる。

（シミュレーション）
続いて、主に図２及び図３を参照して、スポットサイズ変換器１０のシミュレーション結果について説明する。図３は、シミュレーションの説明に供するグラフである。

図３において、縦軸は光の結合効率（無次元）を表わしている。また、横軸は光入出力領域１６の、長さＬをＬ＝２^Ｎ（μｍ）と表わしたときの、Ｎの値を示している。例を挙げて、より詳細に説明すると、Ｎ＝１の場合には、Ｌ＝２^１＝２（μｍ）、及びＮ＝３の場合には、Ｌ＝２^３＝８（μｍ）となる。なお、光入出力領域１６の長さＬの値は、横軸の目盛りの下に括弧付きの数字で示してある。

また、このシミュレーションは、外部の光学装置からスポットサイズ変換器１０へ結合する光の結合効率をセミベクトルＢＰＭ（ｂｅａｍ ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ）法に基づいて計算したものである。より詳細には、外部の光学装置から一定強度の光を、後述するように寸法を変化させたスポットサイズ変換器１０に対して結合させ、そのとき基部領域Ｂの第１コア１８において求められた光の強度から、結合効率を計算したものである。

シミュレーション結果の説明に先立ち、まずシミュレーションの諸元について以下に列記する。

（１）計算に用いた光の波長は１．５５μｍとする。

（２）基部領域Ｂにおける第１コア１８の横断面の寸法は、高さが０．３μｍ及び幅が０．３μｍとする。つまり、第１コア１８の光伝播方向に垂直な横断面形状は正方形状とする。

（３）第１コア１８の第２側面１８_２上に延在するクラッド１４の厚みＯｖｃは０．５μｍとする。

（４）単結晶Ｓｉを材料とする第１コア１８の屈折率ｎ１は、３．５とする。ＳｉＯ_２を材料とするクラッド１４の屈折率ｎ２は、１．４６とする。また、ポリイミドを材料とする第２コア２０の屈折率ｎ３は、１．６とする。

（５）光入出力領域１６において、第１コア１８を含むクラッド１４の幅は、１．５μｍとする。第１コア１８の幅が０．３μｍであることから、第１コア１８は、幅方向に関して０．６μｍの厚みのクラッド１４により両側から挟まれていることとなる。

（６）第２コア２０の寸法は、幅が２μｍ及び高さが２μｍとする。

続いて、図３を参照して、シミュレーションの結果を説明する。図中には、第１コア１８の第１側面１８_１の下側に存在するクラッド１４の厚みＵｎｃ（第１側面１８_１と基板の第１主面１２ａとの間の距離）を変えた３本の曲線が描かれている。曲線Ｉは、Ｕｎｃが０μｍの場合を示している。曲線ＩＩは、Ｕｎｃが０．５μｍの場合を示している。曲線ＩＩＩは、Ｕｎｃが１μｍの場合を示している。

図３より、Ｕｎｃが１μｍ（曲線ＩＩＩ）に近づくほど、つまり、高さ方向に関して、第１コア１８が第２コア２０の中心部に近づくほど、光入出力領域１６の長さＬが短くても結合効率が高くなる傾向が読み取れる。特に、Ｕｎｃ＝１μｍ（曲線ＩＩＩ）の場合には、実用上充分な約９０％の最大結合効率が得られることが分かる。このときの光入出力領域１６の長さＬは、１６μｍ（Ｎ＝４）であり、この長さも、実用上充分に短い長さである。

このシミュレーションには現されてはいないが、この実施の形態のスポットサイズ変換器１０は、偏波依存性が従来よりも各段に抑えられる。これは、以下の理由により。

すなわち、第１コア１８を伝播するＴＥ波は、第１コア１８の厚みが薄くなるとＴＭ波に対して等価屈折率が大きくなる。したがって、外側の第２コア２０を伝播する光が感じる低い等価屈折率に、第１コア１８の厚みが非常に薄くなるまで一致しない。その結果、ＴＥ波が第２コア２０に移行するのはテーパ１６の先端部ということになる。従来の技術のように、テーパ１６の先端が欠けていると、ＴＥ波は充分コア１８から２０に移行しない。しかし、この実施の形態のスポットサイズ変換器１０では、光入出力領域１６の先端が充分薄く出来るので、ＴＥ／ＴＭ両波とも効率よく外側コアへ光を移行することができる。

（製造方法）
次に、図４〜図５を参照して、スポットサイズ変換器１０の製造方法について説明する。なお、図４（Ａ）は、スポットサイズ変換器１０の製造工程の一部工程段階を抜き出して示す平面図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿った切断端面図である。図４（Ｃ）は、スポットサイズ変換器１０の製造工程の一部工程段階を抜き出して示す平面図である。図４（Ｄ）は、図４（Ｃ）の側面図である。図５（Ａ）は、スポットサイズ変換器１０の製造工程の一部工程段階を抜き出して示す平面図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の側面図である。図５（Ｃ）は、スポットサイズ変換器１０の製造工程の一部工程段階を抜き出して示す平面図である。図５（Ｄ）は、図５（Ｃ）の側面図である。

（１）準備工程（図４（Ａ）及び（Ｂ）参照）
まず、基板１２の第１主面１２ａに配置されたクラッド１４中に第１コア１８が埋め込まれた前駆体２２を準備する。

より詳細には、従来周知のＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を利用して前駆体２２を形成する。ＳＯＩ基板は、単結晶シリコンを材料とする下層と、ＳｉＯ_２を材料とする中間層と、単結晶Ｓｉを材料とする上層とがこの順序で積層されている。

この上層の表面において、後に第１コア１８となるべき部分にエッチングマスクを施した上で、ＳＯＩ基板を公知の方法でドライエッチする。これにより、後に第１コア１８となるべき部分以外が除去された構造体が形成される。または、この上層の表面において、後に第１コア１８となるべき部分に耐酸化マスクを施した上で、ＳＯＩ基板を公知の方法で酸化する。これにより、後に第１コア１８となるべき部分以外がＳｉＯ_２に酸化された構造体が形成される。

さらに、この構造体の表面の全面に公知のＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、ＳｉＯ_２膜を堆積し、堆積終了後に得られた構造体の表面を平坦化することにより、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示したような前駆体２２が得られる。

（２）第１工程（図４（Ｃ）及び（Ｄ）参照）
続いて、前駆体２２の露出したクラッド１４の表面１４ａにおいて、第１コア１８の第１及び第２側面１８_１及び１８_２に対応する領域に、第１コア１８の延在方向に沿って、予め定められた厚みから徐々に厚みが０にまで変化するエッチングマスクを設ける第１工程を行う。

より詳細には、エッチングマスクとして用いる感光性樹脂Ｒを前駆体２２のクラッド表面１４ａの全面に一様な厚さで設ける。

次に、この感光性樹脂Ｒの露光及び現像を行う。この露光の際には、感光性樹脂Ｒ上の位置により露光光の照射量を自在に変更することができる、いわゆるグレーマスクを用い、現像後に、感光性樹脂Ｒの厚みを場所により異ならせる。

より具体的には、次に列記するように、以下の３領域において、感光性樹脂Ｒの厚みを異ならせる。

（ｉ）基部領域Ｂに対応する領域Ｂ’：感光性樹脂Ｒを一様な最大の厚みで残留させる。

（ｉｉ）光入出力領域１６を除く先端領域Ａに対応する領域Ａ’：感光性樹脂Ｒの厚みを０（ゼロ）とする。

（ｉｉｉ）先端領域Ａのうち光入出力領域１６に対応する領域１６’：基部領域Ｂから先端領域Ａにかけて、第１コア１８の延在方向に沿って、感光性樹脂Ｒの厚みを、最大値から０（ゼロ）まで、直線的に変化させる、いわゆるグレーマスクを用いる。

その結果、図４（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、後に光入出力領域１６となるべき領域１６’において、徐々に厚みが変化し、かつ、基部領域Ｂにおいて厚みが一定の感光性樹脂Ｒが前駆体２２のクラッド表面１４ａに設けられた構造体が形成される。

なお、上述した感光性樹脂Ｒとしては、紫外線硬化型のアクリル樹脂、エポキシ樹脂、及びポリイミド樹脂等を使用することができる。

また、光入出力領域１６となるべき領域１６’に適用するグレーマスクとしては、基部領域Ｂ側から先端領域Ａにかけて、露光光（例えば、紫外線）に対する透明度が１００％〜０％の間で直線的に変化するグラデーション構造を有するガラス板等を使用することができる。なお、グレーマスクの詳細については、例えば、特開２００４−３０３３２５号公報等を参照いただきたい。

（２）第２工程（図５（Ａ）及び（Ｂ）参照）
続いて、エッチングマスク（感光性樹脂Ｒ）をマスクとして、前駆体２２の露出した表面から第１コア１８の下側に延在するクラッド１４に至るまで異方性エッチングを行うことにより、第３及び第４側面１８_３及び１８_４の双方に対して垂直な平面であって、第１側面１８_１から第２側面１８_２に至るまでの間を斜めに切断した傾斜面１８ａが延在する領域としての光入出力領域１６を形成する。

より詳細には、上述した感光性樹脂Ｒをエッチングマスクとして、従来公知のＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法により、図４（Ｃ）及び（Ｄ）に示した構造体の、感光性樹脂Ｒが設けられた表面側から異方性エッチングを行う。これにより、先端領域Ａでは、クラッド１４及び第１コア１８がエッチングされていく。

ところで、光入出力領域１６となるべき領域１６’においては、感光性樹脂Ｒの厚みが変化しているので、ＲＩＥ法によるエッチング深さは、感光性樹脂Ｒの厚みとともに変化する。つまり、感光性樹脂Ｒの厚みが０の点（光入出力領域１６の先端）では、エッチング深さが最も深く、及び感光性樹脂Ｒの厚みが基部領域Ｂと等しい点では、エッチング深さが最も浅くなる。

その結果、感光性樹脂Ｒの厚みが変化している領域においては、第１コア１８は、第１側面１８_１から第２側面１８_２に至るまでの間が斜めに切断され、平面状の傾斜面１８ａが形成される。そして、常法に従い残留したエッチングマスクを除去する。

これにより、先端領域Ａに、第３及び第４側面１８_３及び１８_４の双方に対して垂直な平面であって、第１側面１８_１から第２側面１８_２に至るまでの間を斜めに切断した傾斜面１８ａが延在する領域としての光入出力領域１６が形成される。

（３）第３工程（図５（Ｃ）及び（Ｄ）参照）
続いて、クラッド１４と第１コア１８との接触領域を除いた光入出力領域１６を埋め込むように、クラッド１４上に前記第２コア２０を形成する。

より詳細には、公知のフォトリソグラフィー法を利用して、第２コア２０を形成する。より具体的には、第２工程終了後に得られる構造体の全面に、所定の屈折率ｎ３を有する紫外線硬化樹脂を第２コア２０の厚みまで塗布する。

その後、フォトリソグラフィーにより、第２コア２０となるべき領域のみの露光を行う。最後に、未露光の紫外線硬化樹脂を除去することにより、紫外線硬化樹脂が硬化した領域としての第２コア２０を形成する。

これにより、クラッド１４と第１コア１８との接触領域を除いた光入出力領域１６（光入出力領域１６の傾斜面１８ａ）を埋め込むように、クラッド１４上に第２コア２０が形成される。

以上説明したように、図４〜図５に示した工程を行うことにより、スポットサイズ変換器１０が形成される。

（効果）
以下、この実施の形態のスポットサイズ変換器１０及びその製造方法の奏する効果について説明する。

（１）この実施の形態のスポットサイズ変換器１０は、光入出力領域１６の先端部の厚みを０（ゼロ）となるまで尖らせている。その結果、上述した理由により、スポットサイズ変換器１０は、偏波依存性を解消することができる。

（２）また、この実施の形態のスポットサイズ変換器１０は、上述したシミュレーションの結果より明らかなように、外部の光学装置との間で、実用上充分に短い長さで、実用上充分な結合効率を得ることができる。

（３）また、この実施の形態のスポットサイズ変換器１０は、全ての製造工程で従来周知の半導体製造技術を応用できるので、作成が非常に容易である。

（実施の形態２）
続いて、図６〜図１０を参照して実施の形態２のスポットサイズ変換器３０及びその製造方法について説明する。図６は、スポットサイズ変換器３０の概略的な構造を示す斜視図である。図７は、図６のＣ−Ｃ線に沿って取った切断端面図である。

（構造）
図６を参照すると明らかなように、この実施の形態のスポットサイズ変換器３０は、実施の形態１のスポットサイズ変換器１０と、光入出力領域１６の構造が異なっている以外は、同様に構成されている。従って、以下の説明においては、図１と同様の構成要素には同符号を付し、その説明を省略するとともに、実施の形態１のスポットサイズ変換器１０との相違点を中心に説明する。

図６と図１とを比較すると、スポットサイズ変換器３０においては、第１コア３４の第１〜第４側面３４_１〜３４_４の配置がスポットサイズ変換器１０とは異なっていることが分かる。

すなわち、スポットサイズ変換器１０及び３０は、光入出力領域１６において、傾斜面１８ａ及び３４ａの向きが異なっている。より詳細には、スポットサイズ変換器１０では、第１コア１８の傾斜面１８ａの法線は、基板１２の第１主面１２ａに垂直な面内に存在していたのに対し、スポットサイズ変換器３０では、第１コア３４の傾斜面３４ａの法線は、基板１２の第１主面１２ａに平行な面内に存在している。

これは、スポットサイズ変換器１０では、第１及び第２側面１８_１及び１８_２が基板１２の第１主面１２ａに対して平行に延在していたのに対し、スポットサイズ変換器３０では、第１及び第２側面３４_１及び３４_２が基板１２の第１主面１２ａに対して垂直に延在しているためである。

この点を除いて、スポットサイズ変換器１０及び３０は、ほぼ同一の構造を有している。

（シミュレーション）
続いて、主に、図７及び図８を参照して、スポットサイズ変換器３０のシミュレーション結果について説明する。図８は、シミュレーションの説明に供するグラフである。

図８において、縦軸が光の結合効率（無次元）を表わしている。また、横軸が、光入出力領域１６の、長さＬをＬ＝２^Ｎ（μｍ）と表わしたときの、Ｎの値を示している。例を挙げて、より詳細に説明すると、Ｎ＝１の場合には、Ｌ＝２^１＝２（μｍ）、及びＮ＝３の場合には、Ｌ＝２^３＝８（μｍ）となる。なお、光入出力領域１６の長さＬの値は、横軸の目盛りの下に括弧付きの数字で示してある。

このシミュレーションは、実施の形態１の場合と同様に、セミベクトルＢＰＭ法を用いて行われている。さらに、実施の形態１の場合と同様に、外部の光学装置から一定強度の光を、後述するように寸法を変化させたスポットサイズ変換器３０に対して結合させ、そのとき基部領域Ｂの第１コア３４の位置において求められた光の強度から、結合効率を計算したものである。

シミュレーション結果の説明に先立ち、まずシミュレーションの諸元について以下に列記する。

（１）計算に用いた光の波長は１．５５μｍとする。

（２）基部領域Ｂにおける第１コア３４の横断面の寸法は、高さが０．３μｍ及び幅が０．３μｍとする。つまり、第１コア３４の横断面形状は正方形とする。

（３）第１コア３４の第４側面３４_４上に延在するクラッド１４の厚みＯｖｃは０．５μｍとする。

（４）単結晶Ｓｉを材料とする第１コア３４の屈折率ｎ１は、３．５とする。ＳｉＯ_２を材料とするクラッド１４の屈折率ｎ２は、１．４６とする。また、ポリイミドを材料とする第２コア２０の屈折率ｎ３は、１．６とする。

（５）第２コア２０の寸法は、幅が２μｍ及び高さが２μｍとする。

続いて、図８を参照して、シミュレーションの結果を説明する。図中には、第１コア３４の第３側面３４_３の下側に存在するクラッド１４の厚みＵｎｃ（第４側面３４_４と基板の第１主面１２ａとの間の距離）を変えた３本の曲線が描かれている。曲線Ｉは、Ｕｎｃが０μｍの場合を示している。曲線ＩＩは、Ｕｎｃが０．５μｍの場合を示している。曲線ＩＩＩは、Ｕｎｃが１μｍの場合を示している。

図８より、Ｕｎｃが１μｍ（曲線ＩＩＩ）に近づくほど、つまり、高さ方向に関して、第１コア３４が第２コア２０の中心部に近づくほど、光入出力領域１６の長さＬが短くても結合効率が高くなる傾向が読み取れる。特に、Ｕｎｃ＝１μｍ（曲線ＩＩＩ）の場合には、約１００％の最大結合効率が得られることが分かる。このときの光入出力領域１６の長さＬは、６４μｍ（Ｎ＝６）であり、この長さも、実用上充分に短い長さである。

（製造方法）
次に、図４及び図９〜図１０を参照して、スポットサイズ変換器３０の製造方法について説明する。図９（Ａ）は、スポットサイズ変換器３０の製造工程の一部工程段階を抜き出して示す平面図である。図９（Ｂ）は、図９（Ａ）の側面図である。図１０（Ａ）は、スポットサイズ変換器３０の製造工程の一部工程段階を抜き出して示す平面図である。図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）の側面図である。図１０（Ｃ）は、スポットサイズ変換器３０の製造工程の一部工程段階を抜き出して示す平面図である。図１０（Ｄ）は、図１０（Ｃ）の側面図である。

（１）準備工程
この準備工程は、実施の形態１の準備工程と同様にすることにより、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すような前駆体２２を得る。

（２）第１工程
続いて、図９（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、前駆体２２の露出したクラッド１４の表面において、第１コア３４の第３及び第４側面３４_３及び３４_４に対応する領域を斜めに横切るようにエッチングマスクを設ける第１工程を行う。

より詳細には、図９（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、エッチングマスクとして用いるフォトレジストＰを前駆体２２のクラッド表面１４ａの全面に一様な厚さで設ける。

次に、このフォトレジストＰの露光及び現像を行う。すなわち、クラッド１４の表面の第３及び第４側面３４_３及び３４_４に対応する領域において、この領域を斜めに横切るようにフォトレジストＰを残留させる。

（３）第２工程
続いて、図１０（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、エッチングマスク（フォトレジストＰ）をマスクとして、前駆体２２の露出した表面から第１コア３４の下側に延在するクラッド１４に至るまで異方性エッチングを行うことにより、第３及び第４側面３４_３及び３４_４の双方に対して垂直な平面であって、第１側面３４_１から第２側面３４_２に至るまでの間を斜めに切断した傾斜面３４ａが延在する領域としての光入出力領域１６を形成する第２工程を行う。

より詳細には、上述したフォトレジストＰをエッチングマスクとして、従来公知のＲＩＥ法により、図９（Ａ）及び（Ｂ）に示した構造体の、フォトレジストＰが設けられた表面側から異方性エッチングを行う。これにより、先端領域Ａでは、クラッド１４及び第１コア３４がエッチングされていく。

ところで、光入出力領域１６となるべき領域においては、フォトレジストＰが、第３側面３４_３及び３４_４を斜めに横切るように設けられている。

その結果、このエッチングにより、先端領域Ａに、第３及び第４側面３４_３及び３４_４の双方に対して垂直な平面であって、第１側面３４_１から第２側面３４_２に至るまでの間を斜めに切断した傾斜面３４ａが延在する領域としての光入出力領域１６が形成される。

（４）第３工程
この第３工程は、実施の形態１の第３工程と同様にすることにより、図１０（Ｃ）及び（Ｄ）に示すようなスポットサイズ変換器３０を得る。

（効果）
以下、この実施の形態のスポットサイズ変換器３０及びその製造方法の奏する効果について説明する。

（１）この実施の形態のスポットサイズ変換器３０は、光入出力領域１６の先端部の厚みを０（ゼロ）となるまで尖らせているので、偏波依存性を解消することができる。

（２）また、この実施の形態のスポットサイズ変換器３０は、上述したシミュレーションの結果より明らかなように、実用上充分に短い長さで、実用上充分な結合効率を得ることができる。

（３）また、この実施の形態のスポットサイズ変換器３０は、全ての製造工程で半導体製造技術を応用できるので、作成が非常に容易である。

なお、第１コア１８の形成過程で第１コア１８の上部にクラッド１４が存在しないでも良く、テーパ状の光入出力領域１６の形成後のいずれかの過程でこのクラッド１４を形成してもよい。

スポットサイズ変換器の要部の部分的な構造を概略的に示す斜視図である。 図１−ＡのＩ−Ｉ線に沿って取った断面図である。 スポットサイズ変換器の要部の全体像を概略的に示す斜視図である。 （Ａ）は、図１−ＣのＣ−Ｃ線に沿って取った切断端面図である。（Ｂ）は、図１−ＣのＤ−Ｄ線に沿って取った切断端面図である。 実施の形態１のスポットサイズ変換器のシミュレーションの説明に供するグラフである。 （Ａ）は、実施の形態１のスポットサイズ変換器の製造工程の一部工程段階を抜き出して示す平面図である。（Ｂ）は、（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿った切断端面図である。（Ｃ）は、実施の形態１のスポットサイズ変換器の製造工程の一部工程段階を抜き出して示す平面図である。（Ｄ）は、（Ｃ）の側面図である。 （Ａ）は、実施の形態１のスポットサイズ変換器の製造工程の一部工程段階を抜き出して示す平面図である。（Ｂ）は、（Ａ）の側面図である。（Ｃ）は、実施の形態１のスポットサイズ変換器の製造工程の一部工程段階を抜き出して示す平面図である。（Ｄ）は、（Ｃ）の側面図である。 実施の形態２のスポットサイズ変換器の概略的な構造を示す斜視図である。 図６のＣ−Ｃ線に沿って取った切断端面図である。 実施の形態２のスポットサイズ変換器のシミュレーションの説明に供するグラフである。 （Ａ）は、実施の形態２のスポットサイズ変換器の製造工程の一部工程段階を抜き出して示す平面図である。（Ｂ）は、（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿った切断端面図である。 （Ａ）は、実施の形態２のスポットサイズ変換器の製造工程の一部工程段階を抜き出して示す平面図である。（Ｂ）は、（Ａ）の側面図である。（Ｃ）は、実施の形態２のスポットサイズ変換器の製造工程の一部工程段階を抜き出して示す平面図である。（Ｄ）は、（Ｃ）の側面図である。

符号の説明

１０，３０ スポットサイズ変換器
１２ 基板
１２ａ 第１主面
１４ クラッド
１４ａ 表面
１６ 光入出力領域
１７ 主要コア領域
１８，３４ 第１コア
１８_１，３４_１ 第１側面
１８_２，３４_２ 第２側面
１８_３，３４_３ 第３側面
１８_４，３４_４ 第４側面
１８ａ，３４ａ 傾斜面
１９ 突出部
２０ 第２コア
２０ａ 光入出射端面
２２ 前駆体

Claims (9)

1. 基板の第１主面に配置されるクラッドと、
   （ａ）該クラッド内に直線状に延在して設けられていて、第１側面と、該第１側面に平行に対向する第２側面と、該第１及び第２側面の双方に垂直であって互いに対向する第３及び第４側面とを有する直方体形状の主要コア領域、及び
   （ｂ）該主要コア領域の一端面から一体的に延在し、かつ前記クラッドから露出して設けられた傾斜面を含む光入出力領域を有する第１コアと、
   前記傾斜面を包含するように前記クラッド上に配置される第２コアとを備えていて、
   前記第１コアの屈折率を、前記クラッドの屈折率よりも４０％以上大きな値とし、
   前記第２コアの屈折率を、前記クラッドの屈折率を超え、かつ前記第１コアの屈折率未満の値とし、
   前記傾斜面は、前記第３及び第４側面の双方に対して垂直な平面であって、前記第１側面から前記第２側面に至るまでの間を斜めに延在し、
   前記光入出力領域において、前記第１コアは、前記傾斜面以外の前記第１、第２、第３及び第４側面の部分が前記クラッドに覆われている
   ことを特徴とするスポットサイズ変換器。
2. 前記第１及び第２側面が、前記基板の前記第１主面に平行に延在してい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。
3. 前記第１及び第２側面が、前記基板の前記第１主面に垂直に延在してい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。
4. 基板の第１主面から突出して配置されるクラッドと、
   （ａ）該クラッド内に直線状に延在して設けられていて、第１側面と、該第１側面に平行に対向する第２側面と、該第１及び第２側面の双方に垂直であって互いに対向する第３及び第４側面とを有する直方体形状の主要コア領域、及び
   （ｂ）該主要コア領域の一端面から一体的に延在し、かつ前記クラッドから露出して設けられた傾斜面を含む光入出力領域を有する第１コアとを備えた突出部、並びに、
   前記傾斜面を包含するように前記クラッド上に配置される第２コアを備え、
   前記第１コアの屈折率を、前記クラッドの屈折率よりも４０％以上大きな値とし、
   前記第２コアの屈折率を、前記クラッドの屈折率を超え、かつ前記第１コアの屈折率未満の値とし、
   前記突出部は、前記主要コア領域から前記光入出力領域に向かう方向に沿って、高さが直線的に減少する前記クラッド由来の傾斜上面を有し、前記傾斜面は、前記傾斜上面と同一平面に形成されおり、
   前記傾斜面は、前記第３及び第４側面の双方に対して垂直な平面であって、前記第１側面から前記第２側面に至るまでの間を斜めに延在し、前記光入出力領域において、前記第１コアは、前記傾斜面以外の前記第１、第２、第３及び第４側面の部分が前記クラッドに覆われていることを特徴とするスポットサイズ変換器。
5. 前記突出部の前記傾斜上面を有する前記クラッドに接続する、均一な厚みの前記クラッドと、
   該均一な厚みのクラッド中に延在する前記主要コア領域とを含む基部領域を更に含むことを特徴とする請求項４に記載のスポットサイズ変換器。
6. 前記第１コアが、前記第１主面に垂直な方向に関して、前記第２コアの中心領域に位置していることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載のスポットサイズ変換器。
7. 前記クラッドをＳｉＯ_２とし、及び前記第１コアをＳｉとすることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のスポットサイズ変換器。
8. 請求項２に記載のスポットサイズ変換器の製造方法であって、
   前記基板の前記第１主面に配置された前記クラッド中に前記第１コアが埋め込まれた前駆体を準備し、
   当該前駆体の露出したクラッドの表面に、形成されるべき前記光入出力領域の前記傾斜面の直上領域における厚みが、前記第１コアの延在方向に沿って、予め定められた厚みから線形的に厚みが０にまで変化するエッチングマスクを設ける第１工程と、
   該エッチングマスクをマスクとして、前記前駆体の露出した前記表面から前記第１コアの下側に延在するクラッドに至るまで異方性エッチングを行うことにより、前記第３及び第４側面の双方に対して垂直な平面であって、前記第１側面から前記第２側面に至るまでの間を斜めに切断した傾斜面が延在する領域としての前記光入出力領域を形成する第２工程と、
   前記クラッドと前記第１コアとの接触領域を除いた光入出力領域を埋め込むように、該クラッド上に前記第２コアを形成する第３工程とを含むことを特徴とするスポットサイズ変換器の製造方法。
9. 請求項３に記載のスポットサイズ変換器の製造方法であって、
   前記基板の前記第１主面に配置された前記クラッド中に前記第１コアが埋め込まれた前駆体を準備し、
   当該前駆体の露出したクラッドの表面において、前記第１コアの前記第３及び第４側面に対応する領域を斜めに横切るようにエッチングマスクを設ける第１工程と、
   当該エッチングマスクをマスクとして、前記前駆体の露出した前記表面から前記第１コアの下側に延在するクラッドに至るまで異方性エッチングを行うことにより、前記第３及び第４側面の双方に対して垂直な平面であって、前記第１側面から前記第２側面に至るまでの間を斜めに切断した切断面が延在する領域としての前記光入出力領域を形成する第２工程と、
   前記クラッドと第１コアとの接触領域を除いた前記光入出力領域を埋め込むように、該クラッド上に前記第２コアを形成する第３工程とを含むことを特徴とするスポットサイズ変換器の製造方法。

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