JP5251037B2 - Optical waveguide device, manufacturing method thereof, and optical device - Google Patents

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Description

この発明は、光導波路素子その製造方法、及び光素子に関するものである。 The present invention relates to an optical waveguide element , a manufacturing method thereof , and an optical element .

光を閉じ込め伝播させる光導波路の構造は、これまで多く提案されている。代表的な例として、電気光学結晶であるLiNbO基板にTiを拡散させて屈折率を上昇させて形成されたもの、この結晶にプロトンを導入して形成されたもの、あるいは、石英系材料又は化合物半導体の組成を変えて積層したものなどが知られている。 Many optical waveguide structures for confining and propagating light have been proposed. As a typical example, a LiNbO 3 substrate that is an electro-optic crystal is formed by diffusing Ti to increase the refractive index, a crystal formed by introducing protons into this crystal, or a quartz-based material or A stack of compound semiconductors with different compositions is known.

近年では、コアにシリコン材料を用い、周囲を低屈折率物質である石英などで囲む光導波路構造が、極めて小さい曲率半径を実現できることなどで、大きな注目を集めている(例えば、特許文献1参照)。   In recent years, an optical waveguide structure that uses a silicon material for the core and surrounds the periphery with quartz, which is a low-refractive-index substance, has attracted much attention because it can realize a very small radius of curvature (see, for example, Patent Document 1). ).

しかし、特許文献1に開示されている光導波路は、単一モード条件を満たすように、コアの幅及び高さが300nm程度で形成されている。このため、製造において、最先端のリソグラフィ技術が必要になるなど、製造が困難になるとともに、光を光導波路へ入射させる際にも、コアの寸法に比例して要求される入力位置精度が厳しくなる。   However, the optical waveguide disclosed in Patent Document 1 is formed with a core width and height of about 300 nm so as to satisfy the single mode condition. For this reason, it is difficult to manufacture such as the need for state-of-the-art lithography technology, and the input position accuracy required in proportion to the size of the core is severe even when light is incident on the optical waveguide. Become.

これに対し、光導波路を石英系の素材を用いたリッジ構造とし、コアの両側を空気層とする構造が提案されている(例えば、特許文献2参照)。この特許文献2に開示されている技術によれば、コアとその周囲の空気の屈折率差が大きいため、単一モード条件を実現する寸法が大きくなり、この結果、コアの寸法を特許文献1の構造よりも大きくした場合であっても、大きな曲率、すなわち小さな曲率半径を実現可能にする。ここで、特許文献2に開示されている構造では、基板への伝播光の損失を減らすためには、基板の屈折率を伝播光に対する等価屈折率よりも充分低くする必要がある。   On the other hand, a structure has been proposed in which the optical waveguide has a ridge structure using a quartz-based material, and both sides of the core have an air layer (see, for example, Patent Document 2). According to the technique disclosed in Patent Document 2, since the refractive index difference between the core and the surrounding air is large, the size for realizing the single mode condition is increased. Even if it is larger than this structure, a large curvature, that is, a small curvature radius can be realized. Here, in the structure disclosed in Patent Document 2, it is necessary to make the refractive index of the substrate sufficiently lower than the equivalent refractive index for the propagating light in order to reduce the loss of the propagating light to the substrate.

この基板への伝播光の損失を減らすために、高屈折率の膜を数層、コアの下部と基板との間に設ける技術が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。
米国特許第5,838,870号明細書 特許第3755961号公報 D.Dai et al.、“A Minimized SiO2 Waveguide With an Antiresonant Reflecting Structure for Large−Scale Optical Integrations”, IEEE Photonics Technology Letters Vol.19 No.10 pp.759−761, May 15 2007
In order to reduce the loss of light propagated to the substrate, a technique has been proposed in which several layers of a high refractive index are provided between the lower portion of the core and the substrate (for example, see Non-Patent Document 1).
US Pat. No. 5,838,870 Japanese Patent No. 3755961 D. Dai et al. , “A Minimized SiO2 Waveguide With an Antiresonant Reflecting Structure for Large-Scale Optical Integrations,” IEEE Phototechnologies Technologies. 19 No. 10 pp. 759-761, May 15 2007

しかしながら、非特許文献1に開示されている構造は、製造にあたり多層膜を基板上に形成する作業プロセスが必要になるなど、工程が煩雑になる。また、リッジ状の光導波路を形成するために長時間のドライエッチング工程が行われるので、電子回路を形成した基板上に光導波路を作成する用途には、電子回路がドライエッチング工程で受けるダメージを考えると、不向きである。   However, the structure disclosed in Non-Patent Document 1 requires a complicated process, such as an operation process for forming a multilayer film on a substrate for manufacturing. In addition, since a long dry etching process is performed to form a ridge-shaped optical waveguide, the damage to which the electronic circuit is damaged by the dry etching process is used for the purpose of creating the optical waveguide on the substrate on which the electronic circuit is formed. If you think about it, it is unsuitable.

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、コアの寸法が大きく、かつ曲率半径の小さい光導波路を有する光導波路素子その製造方法、及びこの光導波路素子を用いた光素子を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is an optical waveguide element having an optical waveguide with a large core size and a small radius of curvature , a manufacturing method thereof , and the optical waveguide. An object of the present invention is to provide an optical element using the element .

の発明の光導波路素子の好適な実施形態によれば、基板上に形成された金属膜と、金属膜上に順次に積層されたクラッド層及びコア層からなる光導波路とを備えて構成される。光導波路はリッジ状に形成され、光導波路の周囲は、コア層及びクラッド層よりも屈折率が低い材料で満たされていて、クラッド層及びコア層の光導波方向に直角な方向の断面が長方形状であり、及びクラッド層の上面の面積が、コア層の上面の面積よりも小さい。 According to a preferred embodiment of the optical waveguide device of this invention is configured to include a metal film formed on a substrate and an optical waveguide consisting of the cladding layer are sequentially stacked on the metal layer and the core layer The The optical waveguide is formed in a ridge shape, and the periphery of the optical waveguide is filled with a material having a lower refractive index than the core layer and the cladding layer, and the cross section of the cladding layer and the core layer in the direction perpendicular to the optical waveguide direction is rectangular. The area of the upper surface of the cladding layer is smaller than the area of the upper surface of the core layer.

上述した光導波路素子の実施に当たり、好ましくは、コア層の屈折率が、クラッド層の屈折率よりも高いのが良い。   In implementing the optical waveguide element described above, the refractive index of the core layer is preferably higher than the refractive index of the cladding layer.

上述した光導波路素子の好適な実施形態によれば、クラッド層の、光導波方向に直角な方向の幅が、コア層の、光導波方向に直角な方向の幅よりも小さい。   According to the preferred embodiment of the optical waveguide element described above, the width of the cladding layer in the direction perpendicular to the optical waveguide direction is smaller than the width of the core layer in the direction perpendicular to the optical waveguide direction.

また、上述した光導波路素子の他の好適な実施形態によれば、クラッド層が、前記光導波方向に沿って、互いに離間した複数の柱状に形成されている。
この発明の光素子は、光導波路素子と、この光導波路素子に接続された多モード干渉カプラ又はアレイ導波路格子とを含む。
光導波路素子は、基板上に形成された金属膜、並びにこの金属膜上に順次に積層されたクラッド層及びコア層からなる光導波路を備える。この光導波路はリッジ状に形成され、クラッド層の上面の面積が、コア層の上面の面積よりも小さく、クラッド層及びコア層の光導波方向に直角な方向の断面が長方形状であるとともに、クラッド層の光導波方向に直角な方向の幅が、コア層の光導波方向に直角な方向の幅よりも小さく、コア層の屈折率が、クラッド層の屈折率よりも高く、光導波路の周囲は、コア層及びクラッド層よりも屈折率が低い材料で満たされている。
According to another preferred embodiment of the optical waveguide element described above, the cladding layer is formed in a plurality of columnar shapes spaced apart from each other along the optical waveguide direction.
The optical element of the present invention includes an optical waveguide element and a multimode interference coupler or an arrayed waveguide grating connected to the optical waveguide element.
The optical waveguide element includes an optical waveguide composed of a metal film formed on a substrate, and a clad layer and a core layer sequentially stacked on the metal film. This optical waveguide is formed in a ridge shape, the area of the upper surface of the cladding layer is smaller than the area of the upper surface of the core layer, and the cross section in the direction perpendicular to the optical waveguide direction of the cladding layer and the core layer is rectangular, The width of the clad layer in the direction perpendicular to the optical waveguide direction is smaller than the width of the core layer in the direction perpendicular to the optical waveguide direction, and the refractive index of the core layer is higher than the refractive index of the clad layer. Is filled with a material having a lower refractive index than the core layer and the cladding layer.

上述した光導波路素子の製造方法の好適な実施形態によれば、以下の工程を備えている。先ず、基板上に金属膜を形成する。次に、金属膜上にクラッド形成層及びコア形成層を順次に積層した後パターニングを行って、クラッド層及びコア層からなるリッジ状の光導波路を形成する。ここで、クラッド層の形成において、サイドエッチングを行うことにより、クラッド層の光導波方向に直角な方向の幅を、コア層の光導波方向に直角な方向の幅よりも小さくする。 According to good suitable embodiment of the method of manufacturing the above-mentioned optical waveguide device includes the following steps. First, a metal film is formed on a substrate. Next, a clad formation layer and a core formation layer are sequentially laminated on the metal film and then patterned to form a ridge-shaped optical waveguide composed of the clad layer and the core layer. Here, in forming the clad layer, side etching is performed to make the width of the clad layer perpendicular to the optical waveguide direction smaller than the width of the core layer perpendicular to the optical waveguide direction.

上述した光導波路素子の製造方法の他の好適な実施形態によれば、以下の工程を備えている。先ず、基板上に金属膜を形成する。次に、金属膜上にクラッド形成層及びコア形成層を順次に積層した後パターニングを行って、クラッド層及びコア層からなるリッジ状の光導波路を形成する。ここで、クラッド形成層を、エッチャントに対する溶解度の異なる2種の材料を用いて、光導波方向に沿って交互に形成し、光導波路を形成した後、2種の材料の一方を、エッチャントを用いて除去することにより、クラッド層を、光導波方向に沿って、互いに離間した複数の柱状に形成する。これにより、クラッド層の上面の面積をコア層の上面の面積よりも小さくするAccording to another preferred embodiment of the method for manufacturing an optical waveguide element described above, the following steps are provided. First, a metal film is formed on a substrate. Next, a clad formation layer and a core formation layer are sequentially laminated on the metal film and then patterned to form a ridge-shaped optical waveguide composed of the clad layer and the core layer. Here, the clad formation layer is formed alternately along the optical waveguide direction using two kinds of materials having different solubility in the etchant, and after forming the optical waveguide, one of the two kinds of materials is used using the etchant. As a result, the cladding layer is formed in a plurality of columns separated from each other along the optical waveguide direction. Thereby, the area of the upper surface of the cladding layer is made smaller than the area of the upper surface of the core layer .

上述した光導波路素子の実施にあたり、好ましくは、コア形成層として、クラッド形成層よりも屈折率の高い材料で形成するのが良い。   In the implementation of the optical waveguide element described above, it is preferable that the core forming layer is formed of a material having a higher refractive index than the cladding forming layer.

この発明の光導波路素子その製造方法、及び光素子によれば、リッジ状の光導波路形状とし、光導波路の周囲をコア及びクラッドよりも屈折率低いもので満たしているので、より大きなコアの寸法で、より小さな曲率半径を実現できる。 According to the optical waveguide device , the manufacturing method thereof , and the optical device of the present invention, a ridge-shaped optical waveguide shape is formed, and the periphery of the optical waveguide is filled with a material having a lower refractive index than the core and the clad. A smaller radius of curvature can be realized with the dimensions of.

さらに、クラッドと基板の間に金属膜を備えることで、基板への放射損失を低減することができる。また、金属膜の形成は、電子回路の多層配線を作る過程と同様の工程で形成できるので、簡便なプロセスで光導波路素子の製造が可能になる。   Furthermore, by providing a metal film between the clad and the substrate, radiation loss to the substrate can be reduced. Further, since the metal film can be formed by the same process as the process of making the multilayer wiring of the electronic circuit, the optical waveguide element can be manufactured by a simple process.

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、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限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the shape, size, and arrangement relationship of each component are merely schematically shown to the extent that the present invention can be understood. In the following, a preferred configuration example of the present invention will be described. However, the material and numerical conditions of each component are merely preferred examples. Therefore, the present invention is not limited to the following embodiments, and many changes or modifications that can achieve the effects of the present invention can be made without departing from the scope of the configuration of the present invention.

参考例
図1(A)及び(B)を参照して、参考例の光導波路素子の構造について説明する。図1(A)及び(B)は、参考例の光導波路素子を説明するための概略図である。図1(A)は平面図であり、図1(B)は、図1(A)のA−A線に沿って取った切断端面を示している。
( Reference example )
With reference to FIGS. 1A and 1B, the structure of the optical waveguide device of the reference example will be described. FIGS. 1A and 1B are schematic views for explaining an optical waveguide element of a reference example . 1A is a plan view, and FIG. 1B shows a cut end surface taken along the line AA in FIG. 1A.

光導波路素子10は、基板20上に形成された金属膜40と、金属膜40上に順次に積層されたクラッド層60及びコア層70からなる光導波路50とを備えて構成されている。   The optical waveguide element 10 includes a metal film 40 formed on a substrate 20 and an optical waveguide 50 including a clad layer 60 and a core layer 70 sequentially stacked on the metal film 40.

基板20として、例えばシリコン基板が用いられる。ここで、基板20には、電子集積回路30として、トランジスタ、抵抗素子などの回路素子を備える、任意好適な従来周知の集積回路が形成されていても良い。   For example, a silicon substrate is used as the substrate 20. Here, on the substrate 20, as the electronic integrated circuit 30, any suitable known well-known integrated circuit including circuit elements such as transistors and resistor elements may be formed.

金属膜40の材質は、光吸収が小さいものが好ましく、例えば、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)などが用いられる。   The material of the metal film 40 is preferably a material that absorbs less light. For example, gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), etc. are used.

光導波路50はリッジ状に形成されていて、コア層70の屈折率は、クラッド層60の屈折率よりも高い。また、光導波路50の周囲は、コア層70及びクラッド層60よりも屈折率が低い材料で満たされている。   The optical waveguide 50 is formed in a ridge shape, and the refractive index of the core layer 70 is higher than the refractive index of the cladding layer 60. The periphery of the optical waveguide 50 is filled with a material having a lower refractive index than the core layer 70 and the cladding layer 60.

コア層70の材料として、例えば、無機材料である、石英中にゲルマニウム(Ge)やチタン(Ti)などを添加したもの、酸化シリコン(Si1−x)、窒化シリコン(Si1−x)、または、有機材料である感光性ポリマーを用いることができる。これらの材料の屈折率は、1.5〜1.7程度である。 As a material of the core layer 70, for example, an inorganic material obtained by adding germanium (Ge), titanium (Ti) or the like to quartz, silicon oxide (Si 1-x O x ), silicon nitride (Si 1-x). N x ) or a photosensitive polymer that is an organic material can be used. The refractive index of these materials is about 1.5 to 1.7.

また、クラッド層60の材料として、石英、スピンオンガラス(SOG:spin on glass)、感光性のゾルゲル材料などを用いることができる。感光性のゾルゲル材料としては、JSR社製のPJ5010(型番)、PJ5023(型番)がある。これらの材料の屈折率は、1.4〜1.6程度である。   Further, as the material of the cladding layer 60, quartz, spin on glass (SOG), photosensitive sol-gel material, or the like can be used. As photosensitive sol-gel materials, there are PJ5010 (model number) and PJ5023 (model number) manufactured by JSR. The refractive index of these materials is about 1.4 to 1.6.

光導波路50の周囲は、クラッド層60及びコア層70よりも屈折率が低い材料として、例えば、空気で満たされている。このときの光導波路50の周囲の屈折率は1である。   The periphery of the optical waveguide 50 is filled with, for example, air as a material having a refractive index lower than that of the cladding layer 60 and the core layer 70. The refractive index around the optical waveguide 50 at this time is 1.

次に、参考例の光導波路素子の製造方法について説明する。参考例の光導波路素子の製造方法は、以下の工程を備えている。先ず、基板20として例えばシリコン基板上に金属膜40を形成する。なお、基板20には、電子集積回路30として、半導体基板上にトランジスタ、抵抗素子などの回路素子や、配線が形成された、任意好適な従来周知の集積回路を備えていても良い。 Next, a method for manufacturing the optical waveguide element of the reference example will be described. The manufacturing method of the optical waveguide device of the reference example includes the following steps. First, a metal film 40 is formed on a silicon substrate, for example, as the substrate 20. Note that the substrate 20 may include any suitable known well-known integrated circuit in which circuit elements such as transistors and resistor elements and wirings are formed on a semiconductor substrate as the electronic integrated circuit 30.

金属膜40は、例えば、基板20の上面全面にスパッタ法により上記の金属材料の膜を形成した後、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、必要部分の金属材料の膜を残存させることにより形成される。   The metal film 40 is formed, for example, by forming a film of the above metal material on the entire upper surface of the substrate 20 by sputtering, and then leaving the necessary metal material film by photolithography and dry etching.

次に、金属膜40上に、クラッド形成層及びコア形成層を順次に積層した後、パターニングを行って、クラッド層60及びコア層70からなる、リッジ状の光導波路50を形成する。   Next, a clad formation layer and a core formation layer are sequentially laminated on the metal film 40 and then patterned to form a ridge-shaped optical waveguide 50 including the clad layer 60 and the core layer 70.

この光導波路を形成する工程では、先ず、クラッド形成層として、例えば、SOG膜を回転塗布及びベーキングにより形成する。次に、クラッド形成層上にコア形成層として、例えば、感光性ポリマーを塗布した後、フォトリソグラフィ法により、パターニングしてコア層70を形成する。次に、ウェットエッチングによりクラッド形成層をパターニングして、クラッド層60を形成する。   In the step of forming the optical waveguide, first, for example, an SOG film is formed as a clad formation layer by spin coating and baking. Next, for example, a photosensitive polymer is applied as a core forming layer on the clad forming layer, and then patterned by photolithography to form the core layer 70. Next, the clad forming layer is patterned by wet etching to form the clad layer 60.

なお、クラッド形成層が、例えば感光性のゾルゲル材料など、感光性を有している場合、クラッド層60の形成をフォトリソグラフィにより行っても良い。また、コア形成層の材質が感光性を有していない場合、コア形成層上に、光導波路を形成する領域を覆うマスクを形成して、ウェットエッチングを行ってコア層70を形成しても良い。   In addition, when the clad formation layer has photosensitivity such as a photosensitive sol-gel material, the clad layer 60 may be formed by photolithography. Further, when the material of the core forming layer is not photosensitive, a mask covering the region for forming the optical waveguide is formed on the core forming layer, and the core layer 70 is formed by wet etching. good.

このように、光導波路を形成するためのパターニングは、コア形成層及びクラッド形成層の材質に応じて任意好適な方法で行えば良い。   Thus, the patterning for forming the optical waveguide may be performed by any suitable method depending on the material of the core forming layer and the clad forming layer.

なお、金属膜40を形成するためのフォトリソグラフィ及びドライエッチングは、クラッド形成層及びコア形成層を積層する前に行っても良いし、パターニングによるコア層及びクラッド層の形成と同時、又はその後に行っても良い。   Note that the photolithography and dry etching for forming the metal film 40 may be performed before the clad formation layer and the core formation layer are stacked, or at the same time as or after the formation of the core layer and the clad layer by patterning. You can go.

図2、3及び4を参照して、参考例の光導波路素子の動作について説明する。図2、3及び4は、参考例の光導波路素子の動作について説明するための特性図であって、3次元ビーム伝播(BPM:Beam Propagation Method)法によるシミュレーション結果を示している。 The operation of the optical waveguide device of the reference example will be described with reference to FIGS. 2, 3 and 4 are characteristic diagrams for explaining the operation of the optical waveguide device of the reference example , and show simulation results by a three-dimensional beam propagation (BPM) method.

図2(A)及び(B)は、直線導波路でのクラッド層60の厚みSに対する出力光強度を示している。図2(A)及び(B)は、横軸にクラッド層60の厚みS(単位:μm)を取って示し、及び、縦軸に出力光強度を取って示している。縦軸の出力光強度は、入力光強度を1としたときの相対的な大きさである。   2A and 2B show the output light intensity with respect to the thickness S of the cladding layer 60 in the straight waveguide. 2A and 2B, the horizontal axis indicates the thickness S (unit: μm) of the cladding layer 60, and the vertical axis indicates the output light intensity. The output light intensity on the vertical axis is a relative magnitude when the input light intensity is 1.

シミュレーションの条件として、基板20をシリコン基板とし、光導波路50の幅W及びコア層70の厚みHをともに1μmとし、金属膜40の厚みTを0.1μmとし、光導波路50の長さLを1000μmとして、波長1.55μmの光が伝播する場合について計算した。また、コア層70の屈折率を1.56とし、クラッド層60の屈折率を1.46とし、光導波路50の周囲の屈折率を1.0としている。   As simulation conditions, the substrate 20 is a silicon substrate, the width W of the optical waveguide 50 and the thickness H of the core layer 70 are both 1 μm, the thickness T of the metal film 40 is 0.1 μm, and the length L of the optical waveguide 50 is The calculation was performed for a case where light having a wavelength of 1.55 μm propagated as 1000 μm. The refractive index of the core layer 70 is 1.56, the refractive index of the cladding layer 60 is 1.46, and the refractive index around the optical waveguide 50 is 1.0.

ここで、伝播光の偏光としてTE波を用いる。これは、TM波の金属膜での吸収が大きいためである。   Here, TE waves are used as the polarization of propagating light. This is because the TM wave is largely absorbed by the metal film.

図2(A)では、金属膜の材料を金(Au)としており、また、図2(B)では、金属膜の材料を銅(Cu)としている。いずれの場合であっても、クラッド層60の厚みSが2μm以上では、クラッド層60の厚みSに対する依存性、すなわち、伝播ロスがほとんど無い。なお、出力光強度が0.9程度と、1よりも小さい値をとるのは、光導波路50への光の入力における結合損失による。   In FIG. 2A, the material of the metal film is gold (Au), and in FIG. 2B, the material of the metal film is copper (Cu). In any case, when the thickness S of the cladding layer 60 is 2 μm or more, there is almost no dependency on the thickness S of the cladding layer 60, that is, no propagation loss. The reason why the output light intensity is about 0.9, which is smaller than 1, is due to the coupling loss in the light input to the optical waveguide 50.

図2(A)と図2(B)を比較すると、クラッド層60の厚みSが小さいときは、金属膜40の材料をAuにすると、Cuにするよりも大きな出力光強度を示す。例えば、クラッド層60の厚みSが0.5μmの時、金属膜40の材料がAuでは、出力光強度が0.65程度であるのに対し、金属膜40の材料がCuでは、出力光強度が0.5程度である。これは、Cuの方が、Auに比べて、光吸収が大きいことによる。   Comparing FIG. 2A and FIG. 2B, when the thickness S of the cladding layer 60 is small, when the material of the metal film 40 is Au, the output light intensity is higher than that of Cu. For example, when the thickness S of the cladding layer 60 is 0.5 μm, the output light intensity is approximately 0.65 when the material of the metal film 40 is Au, whereas the output light intensity is approximately 0.65 when the material of the metal film 40 is Cu. Is about 0.5. This is because Cu absorbs light more than Au.

図3(A)及び(B)は、曲線導波路での、曲率半径に対する出力光強度を示している。図3(A)及び(B)は、横軸に曲率半径R(単位:μm)を取って示し、及び、縦軸に出力光強度を取って示している。縦軸の出力光強度は、入力光強度を1としたときの相対的な大きさである。   3A and 3B show the output light intensity with respect to the radius of curvature in the curved waveguide. 3A and 3B, the abscissa indicates the curvature radius R (unit: μm), and the ordinate indicates the output light intensity. The output light intensity on the vertical axis is a relative magnitude when the input light intensity is 1.

ここでのシミュレーションの条件は、図2(A)及び(B)の場合と、光導波路の形状に関する条件が異なっていて、それ以外の点は同様である。ここでは、光導波路を長さLが100μmの曲線導波路としている。なお、曲率半径Rが小さい場合は、半径Rの円周を複数周伝播することになり、一方、曲率半径Rが大きい場合は、半径Rの円周の一部を伝播することになる。   The conditions of the simulation here are the same as the cases of FIGS. 2A and 2B except for the conditions regarding the shape of the optical waveguide, and the other points are the same. Here, the optical waveguide is a curved waveguide having a length L of 100 μm. When the radius of curvature R is small, the circumference of the radius R is propagated a plurality of times. On the other hand, when the radius of curvature R is large, a part of the circumference of the radius R is propagated.

図3(A)では、金属膜40の材料を金(Au)としており、また、図3(B)では、金属膜40の材料を銅(Cu)としている。図3(A)及び図3(B)はいずれも、クラッド層60の厚みSが0.5μm、1.0μm及び1.5μmである場合について、それぞれ曲線I、II及びIIIで示している。   In FIG. 3A, the material of the metal film 40 is gold (Au), and in FIG. 3B, the material of the metal film 40 is copper (Cu). 3A and 3B show curves I, II, and III, respectively, when the thickness S of the cladding layer 60 is 0.5 μm, 1.0 μm, and 1.5 μm.

金属膜40の材料がAu及びCuのいずれの場合であっても、また、クラッド層60の厚みSが0.5μm、1.0μm及び1.5μmのいずれであっても、曲率半径Rが6μm以上の領域では、曲率半径Rに対する依存性、すなわち、光導波路50外への放射ロスがほとんど無い。なお、出力光強度が0.9程度と、1よりも小さい値をとるのは、光導波路50への光の入力における結合損失による。また、クラッド層60の厚みSの違いによる、出力光強度の大きさのばらつきは、結合損失の違いによる。   Regardless of whether the material of the metal film 40 is Au or Cu, and the thickness S of the cladding layer 60 is 0.5 μm, 1.0 μm, or 1.5 μm, the radius of curvature R is 6 μm. In the above region, there is almost no dependency on the radius of curvature R, that is, no radiation loss outside the optical waveguide 50. The reason why the output light intensity is about 0.9, which is smaller than 1, is due to the coupling loss in the light input to the optical waveguide 50. The variation in the intensity of the output light due to the difference in the thickness S of the cladding layer 60 is due to the difference in coupling loss.

図4(A)及び(B)は、基板として石英基板を用いる場合のシミュレーション結果を示す図である。   4A and 4B are diagrams showing simulation results when a quartz substrate is used as the substrate.

図4(A)は、直線導波路での、クラッド層60の厚みSに対する出力光強度を示している。図4(A)は、横軸にクラッド層60の厚みS(単位:μm)を取って示し、及び、縦軸に出力光強度を取って示している。縦軸の出力光強度は、入力光強度を1としたときの相対的な大きさである。   FIG. 4A shows the output light intensity with respect to the thickness S of the cladding layer 60 in the straight waveguide. 4A, the horizontal axis indicates the thickness S (unit: μm) of the cladding layer 60, and the vertical axis indicates the output light intensity. The output light intensity on the vertical axis is a relative magnitude when the input light intensity is 1.

シミュレーションの条件は、基板20が石英基板であることを除けば、図2(A)の場合と同じである。   The simulation conditions are the same as in the case of FIG. 2A except that the substrate 20 is a quartz substrate.

図4(A)に示されるように、クラッド層60の厚みSが2μm以上の領域では、クラッド層60の厚みSに対する依存性、すなわち、伝播ロスがほとんど無い。これは、図2(A)の結果と同様である。なお、出力光強度が0.9程度と、1よりも小さい値をとるのは、光導波路50への光の入力における結合損失による。   As shown in FIG. 4A, in the region where the thickness S of the cladding layer 60 is 2 μm or more, there is almost no dependence on the thickness S of the cladding layer 60, that is, no propagation loss. This is the same as the result of FIG. The reason why the output light intensity is about 0.9, which is smaller than 1, is due to the coupling loss in the light input to the optical waveguide 50.

図4(B)は、曲線導波路での、曲率半径Rに対する出力光強度を示している。図4(B)は、横軸に曲率半径R(単位:μm)を取って示し、及び、縦軸に出力光強度を取って示している。縦軸の出力光強度は、入力光強度を1としたときの相対的な大きさである。図4(B)は、クラッド層60の厚みSを0.5μm、1.0μm及び1.5μmの場合について、それぞれ曲線I、II及びIIIで示している。   FIG. 4B shows the output light intensity with respect to the radius of curvature R in the curved waveguide. In FIG. 4B, the abscissa indicates the radius of curvature R (unit: μm), and the ordinate indicates the output light intensity. The output light intensity on the vertical axis is a relative magnitude when the input light intensity is 1. FIG. 4B shows curves I, II, and III when the thickness S of the cladding layer 60 is 0.5 μm, 1.0 μm, and 1.5 μm, respectively.

シミュレーションの条件は、基板20が石英基板であることを除けば、図3(A)の場合と同じである。   The simulation conditions are the same as in the case of FIG. 3A except that the substrate 20 is a quartz substrate.

図4(B)に示されるように、曲率半径Rが6μm以上では、曲率半径Rに対する依存性、すなわち、光導波路外への放射ロスがほとんど無い。これは、図3(A)の結果と同様である。なお、出力光強度が0.9程度と、1よりも小さい値をとるのは、光導波路への光の入力における結合損失による。また、クラッド層60の厚みSの違いによる、出力光強度の大きさのばらつきは、結合損失の違いによる。   As shown in FIG. 4B, when the radius of curvature R is 6 μm or more, there is almost no dependency on the radius of curvature R, that is, no radiation loss outside the optical waveguide. This is the same as the result of FIG. The reason why the output light intensity is about 0.9, which is smaller than 1, is due to coupling loss in the input of light to the optical waveguide. The variation in the intensity of the output light due to the difference in the thickness S of the cladding layer 60 is due to the difference in coupling loss.

参考例の光導波路素子及びその製造方法によれば、リッジ状の光導波路形状とし、光導波路の周囲をコア層及びクラッド層の屈折率よりも、屈折率が低い材料で満たしているので、コア層の幅及び高さが1μm程度と、従来の300nmよりも大きなコアの寸法で、10μm以下のより小さな曲率半径を実現できる。また、クラッド層の厚みは2μm程度でよく、基板に形成される電子回路に関する多層配線の形成工程を容易に、クラッド層の形成に適用可能である。 According to the optical waveguide element of the reference example and the manufacturing method thereof, the ridge-shaped optical waveguide shape is formed, and the periphery of the optical waveguide is filled with a material having a refractive index lower than that of the core layer and the cladding layer. A smaller radius of curvature of 10 μm or less can be realized with a core width larger than 300 nm, which is about 1 μm, and a width and height of the layer. Further, the thickness of the cladding layer may be about 2 μm, and the formation process of the multilayer wiring relating to the electronic circuit formed on the substrate can be easily applied to the formation of the cladding layer.

さらに、クラッド層と基板の間に金属膜を備えることで、基板への放射損失を低減することができる。   Furthermore, by providing a metal film between the cladding layer and the substrate, radiation loss to the substrate can be reduced.

また、フォトリソ工程により、リッジ状の光導波路を製造すれば、長時間のドライエッチング工程を必要としないので、基板に形成されている電子回路へのダメージを減らすことができる。   Further, if a ridge-shaped optical waveguide is manufactured by a photolithography process, a long-time dry etching process is not required, so that damage to the electronic circuit formed on the substrate can be reduced.

(他の構成例)
図5を参照して、参考例の光導波路素子の他の構成例について説明する。図5は、参考例の光導波路素子の他の構成例について説明するための概略図である。
(Other configuration examples)
With reference to FIG. 5, another configuration example of the optical waveguide device of the reference example will be described. FIG. 5 is a schematic diagram for explaining another configuration example of the optical waveguide element of the reference example .

図5(A)は、他の構成例の主要部の切断端面を示している。この構成例では、金属膜42が光導波路50と基板20とによって挟まれる領域にのみ存在している点が、図1を参照して説明した構成と異なっていて、それ以外の点は同様である。   FIG. 5A shows a cut end surface of a main part of another configuration example. This configuration example is different from the configuration described with reference to FIG. 1 in that the metal film 42 exists only in a region sandwiched between the optical waveguide 50 and the substrate 20, and the other points are the same. is there.

図5(B)及び(C)を参照して、他の構成例の動作について説明する。図5(B)及び(C)は、参考例の他の構成例の光導波路素子12の動作について説明するための特性図であって、3次元BPM法によるシミュレーション結果を示している。 With reference to FIGS. 5B and 5C, the operation of another configuration example will be described. FIGS. 5B and 5C are characteristic diagrams for explaining the operation of the optical waveguide device 12 of another configuration example of the reference example , and show simulation results by the three-dimensional BPM method.

図5(B)は、直線導波路での、クラッド層60の厚みSに対する出力光強度を示している。図5(B)は、横軸にクラッド層60の厚みS(単位:μm)を取って示し、及び、縦軸に出力光強度を取って示している。縦軸の出力光強度は、入力光強度を1としたときの相対的な大きさである。   FIG. 5B shows the output light intensity with respect to the thickness S of the cladding layer 60 in the straight waveguide. In FIG. 5B, the horizontal axis indicates the thickness S (unit: μm) of the clad layer 60, and the vertical axis indicates the output light intensity. The output light intensity on the vertical axis is a relative magnitude when the input light intensity is 1.

シミュレーションの条件として、基板20をシリコン基板とし、光導波路50の幅W及びコア層70の厚みHをともに1μmとし、金属膜42の厚みTを0.1μmとし、光導波路50の長さLを1000μmとして、波長1.55μmの光が伝播する場合について計算した。また、コア層70の屈折率を1.56とし、クラッド層60の屈折率を1.46とし、光導波路50の周囲の屈折率を1.0としている。また、金属膜の材料を銅(Cu)としている。   As simulation conditions, the substrate 20 is a silicon substrate, the width W of the optical waveguide 50 and the thickness H of the core layer 70 are both 1 μm, the thickness T of the metal film 42 is 0.1 μm, and the length L of the optical waveguide 50 is as follows. The calculation was performed for a case where light having a wavelength of 1.55 μm propagated as 1000 μm. The refractive index of the core layer 70 is 1.56, the refractive index of the cladding layer 60 is 1.46, and the refractive index around the optical waveguide 50 is 1.0. The material of the metal film is copper (Cu).

図5(B)に示されるように、クラッド層60の厚みSが2μm以上の領域では、クラッド層60の厚みSに対する依存性、すなわち、伝播ロスがほとんど無い。なお、出力光強度が0.9程度と、1よりも小さい値をとるのは、光導波路50への光の入力における結合損失による。   As shown in FIG. 5B, in the region where the thickness S of the cladding layer 60 is 2 μm or more, there is almost no dependency on the thickness S of the cladding layer 60, that is, no propagation loss. The reason why the output light intensity is about 0.9, which is smaller than 1, is due to the coupling loss in the light input to the optical waveguide 50.

図5(C)は、曲線導波路での、曲率半径Rに対する出力光強度を示している。図5(C)は、横軸に曲率半径R(単位:μm)を取って示し、及び、縦軸に出力光強度を取って示している。縦軸の出力光強度は、入力光強度を1としたときの相対的な大きさである。また、クラッド層の厚みSを1.5μmとしている。   FIG. 5C shows the output light intensity with respect to the curvature radius R in the curved waveguide. FIG. 5C shows the curvature radius R (unit: μm) on the horizontal axis and the output light intensity on the vertical axis. The output light intensity on the vertical axis is a relative magnitude when the input light intensity is 1. Further, the thickness S of the cladding layer is 1.5 μm.

図5(C)に示されるように、曲率半径Rが6μm以上では、曲率半径Rに対する依存性、すなわち、光導波路外への放射ロスがほとんど無い。なお、出力光強度が0.9程度と、1よりも小さい値をとるのは、光導波路50への光の入力における結合損失による。   As shown in FIG. 5C, when the radius of curvature R is 6 μm or more, there is almost no dependence on the radius of curvature R, that is, no radiation loss outside the optical waveguide. The reason why the output light intensity is about 0.9, which is smaller than 1, is due to the coupling loss in the light input to the optical waveguide 50.

このように、金属膜が光導波路と基板の間のみに存在している場合であっても、金属膜の面積が光導波路の面積よりも広い場合であっても、同様の効果が得られる。   Thus, even when the metal film is present only between the optical waveguide and the substrate, the same effect can be obtained even when the area of the metal film is wider than the area of the optical waveguide.

(第実施形態)
図6を参照して、第実施形態の光導波路素子の構造について説明する。図6は、第実施形態の光導波路素子14を説明するための概略図であって主要部の切断端面を示している。
(First Embodiment)
With reference to FIG. 6, the structure of the optical waveguide device according to the first embodiment will be described. FIG. 6 is a schematic diagram for explaining the optical waveguide element 14 of the first embodiment, and shows a cut end surface of a main part.

実施形態の光導波路素子14は、光導波路54の断面形状が参考例の光導波路と異なっており、それ以外の構成は、参考例と同様なので、重複する説明を省略する。 The optical waveguide element 14 of the first embodiment is different from the optical waveguide of the reference example in the cross-sectional shape of the optical waveguide 54, and the other configuration is the same as that of the reference example, and thus redundant description is omitted.

実施形態の光導波路素子14では、クラッド層64及びコア層70の光導波方向に直角な方向の断面が長方形状であり、クラッド層64の上面の面積が、コア層70の上面の面積よりも小さい。ここでは、クラッド層64の光導波方向に直角な方向の幅が、コア層70の光導波方向に直角な方向の幅よりも小さい場合について説明する。クラッド層64及びコア層70の材質は、参考例と同様のものを用いることができる。 In the optical waveguide device 14 of the first embodiment, the cross section of the cladding layer 64 and the core layer 70 in the direction perpendicular to the optical waveguide direction is rectangular, and the area of the upper surface of the cladding layer 64 is the area of the upper surface of the core layer 70. Smaller than. Here, a case where the width of the cladding layer 64 in the direction perpendicular to the optical waveguide direction is smaller than the width of the core layer 70 in the direction perpendicular to the optical waveguide direction will be described. The material of the clad layer 64 and the core layer 70 can be the same as those in the reference example .

ここで、第実施形態の光導波路素子14の構造によれば、クラッド層64の幅が、コア層70の幅よりも小さく、コア層70の下側(図6中、矢印Aで示す部分)にコア層70及びクラッド層64よりも屈折率が低い物質(例えば空気)が入り込んでくる。このため、クラッド層64とコア層70とを同じ材質で形成しても、光導波路54内に伝播光を閉じ込めることが可能になる。 Here, according to the structure of the optical waveguide element 14 of the first embodiment, the width of the clad layer 64 is smaller than the width of the core layer 70, and the lower side of the core layer 70 (the part indicated by the arrow A in FIG. 6). ) Enters a substance (for example, air) having a lower refractive index than the core layer 70 and the cladding layer 64. For this reason, even if the clad layer 64 and the core layer 70 are formed of the same material, it becomes possible to confine the propagation light in the optical waveguide 54.

なお、クラッド層64をコア層70よりも屈折率が低い材料で形成しても良い。クラッド層64の屈折率をコア層70の屈折率よりも小さくすれば、伝播光が金属膜40に吸収される割合が減るので好適である。また、多モード干渉(MMI:Multi−Mode Interference)カプラやアレイ導波路格子(AWG)中の平面光導波路では、コアの下部に低屈折率のクラッドが必須であるため、第実施形態の光導波路素子とこれらMMIカプラやAWGとをスムーズに接続するためには、クラッド層64の材質を低屈折率のものにするのがよい。 The clad layer 64 may be formed of a material having a refractive index lower than that of the core layer 70. It is preferable to make the refractive index of the cladding layer 64 smaller than the refractive index of the core layer 70 because the proportion of the propagating light absorbed by the metal film 40 decreases. Further, the multimode interference: In (MMI Multi-Mode Interference) coupler and the planar waveguide of the arrayed waveguide lattice (AWG), for cladding having a low refractive index at the bottom of the core is required, the optical of the first embodiment In order to smoothly connect the waveguide element and these MMI couplers and AWGs, it is preferable that the material of the cladding layer 64 be of a low refractive index.

次に、第実施形態の光導波路素子の製造方法について説明する。金属膜40を形成するまでの工程は、参考例と同様なので、重複する説明を省略する。 Next, a method for manufacturing the optical waveguide device of the first embodiment will be described. Since the process until the metal film 40 is formed is the same as that in the reference example , the duplicate description is omitted.

金属膜40上に、クラッド形成層及びコア形成層を順次に積層した後、パターニングを行って、クラッド層64及びコア層70からなる、リッジ状の光導波路54を形成する。ここで、クラッド層64の形成において、サイドエッチングを行うことにより、クラッド層64の光導波方向に直角な方向の幅Wclを、コア層70の光導波方向に直角な方向の幅Wよりも小さくする。   A clad formation layer and a core formation layer are sequentially laminated on the metal film 40 and then patterned to form a ridge-shaped optical waveguide 54 including the clad layer 64 and the core layer 70. Here, when the cladding layer 64 is formed, side etching is performed to make the width Wcl of the cladding layer 64 perpendicular to the optical waveguide direction smaller than the width W of the core layer 70 perpendicular to the optical waveguide direction. To do.

この光導波路54を形成する工程では、先ず、クラッド形成層として、例えば、SOG膜を回転塗布及びベーキングにより形成する。次に、クラッド形成層上にコア形成層として、例えば、感光性ポリマーを塗布した後、フォトリソグラフィにより、パターニングしてコア層70を形成する。次に、ウェットエッチングによりクラッド形成層をパターニングして、クラッド層64を形成する。   In the step of forming the optical waveguide 54, first, for example, an SOG film is formed as a clad formation layer by spin coating and baking. Next, as a core forming layer, for example, a photosensitive polymer is applied on the clad forming layer, and then patterned by photolithography to form the core layer 70. Next, the clad forming layer is patterned by wet etching to form the clad layer 64.

ここで、例えばSiOはフッ酸に溶解するが、レジストはフッ酸に溶解しないので、クラッド形成層をSiOで形成し、コア形成層をレジストで形成するのがよい。 Here, for example, SiO 2 is dissolved in hydrofluoric acid, but the resist is not dissolved in hydrofluoric acid. Therefore, it is preferable to form the clad formation layer with SiO 2 and the core formation layer with resist.

また、クラッド形成層及びコア形成層をともにネガ型のレジストで形成し、紫外線の照射によって、表面付近を感光して、現像の際に感光していないレジストの金属膜40側の領域部分を部分的に除去することによって、図6に示した断面形状を得ることができる。   Further, both the clad forming layer and the core forming layer are formed of a negative resist, and the vicinity of the surface is exposed by irradiation with ultraviolet rays, and the region on the metal film 40 side of the resist not exposed at the time of development is partially Thus, the cross-sectional shape shown in FIG. 6 can be obtained.

図7を参照して、第実施形態の光導波路素子の動作について説明する。図7は、第実施形態の光導波路素子の動作について説明するための特性図であって、3次元BPM法によるシミュレーション結果を示している。 With reference to FIG. 7, the operation of the optical waveguide device of the first embodiment will be described. FIG. 7 is a characteristic diagram for explaining the operation of the optical waveguide device of the first embodiment, and shows a simulation result by the three-dimensional BPM method.

図7(A)は、直線導波路での、クラッド層64の厚みSに対する出力光強度を示している。図7(A)は、横軸にクラッド層64の厚みS(単位:μm)を取って示し、及び、縦軸に出力光強度を取って示している。   FIG. 7A shows the output light intensity with respect to the thickness S of the cladding layer 64 in the linear waveguide. In FIG. 7A, the horizontal axis indicates the thickness S (unit: μm) of the cladding layer 64, and the vertical axis indicates the output light intensity.

図7(B)は、曲線導波路での、曲率半径に対する出力光強度を示している。図7(B)は、横軸に曲率半径R(単位:μm)を取って示し、及び、縦軸に出力光強度を取って示している。   FIG. 7B shows the output light intensity with respect to the radius of curvature in the curved waveguide. FIG. 7B shows the radius of curvature R (unit: μm) on the horizontal axis and the output light intensity on the vertical axis.

図7(A)及び(B)の縦軸の出力光強度は、いずれも入力光強度を1としたときの相対的な大きさである。   The output light intensity on the vertical axis in FIGS. 7A and 7B is a relative magnitude when the input light intensity is 1.

シミュレーションの条件として、基板20をシリコン基板とし、コア層70の幅W及びコア層70の厚みHをともに1μmとし、金属膜の厚みTを0.1μmとし、また、クラッド層64の幅Wclを0.4μmとして、波長1.55μmの光が伝播する場合について計算した。また、コア層70及びクラッド層64の屈折率をともに1.56とし、光導波路54の周囲の屈折率を1.0とし、金属膜40の材料を銅(Cu)としている。   As simulation conditions, the substrate 20 is a silicon substrate, the width W of the core layer 70 and the thickness H of the core layer 70 are both 1 μm, the thickness T of the metal film is 0.1 μm, and the width Wcl of the cladding layer 64 is The calculation was made for the case where light having a wavelength of 1.55 μm propagates, assuming 0.4 μm. The refractive index of the core layer 70 and the cladding layer 64 is 1.56, the refractive index around the optical waveguide 54 is 1.0, and the material of the metal film 40 is copper (Cu).

図7(A)は、直線導波路の場合のシミュレーション結果であって、光導波路の長さLを1000μmとしている。クラッド層64の厚みSが1μm以上では、クラッド層64の厚みSに対する依存性、すなわち、伝播ロスがほとんど無い。なお、出力光強度が0.9程度と、1よりも小さい値をとるのは、光導波路54への光の入力における結合損失による。   FIG. 7A is a simulation result in the case of a straight waveguide, and the length L of the optical waveguide is 1000 μm. When the thickness S of the cladding layer 64 is 1 μm or more, there is almost no dependency on the thickness S of the cladding layer 64, that is, there is almost no propagation loss. The reason why the output light intensity is about 0.9, which is smaller than 1, is due to coupling loss in the input of light to the optical waveguide 54.

このように第実施形態の光導波路素子及びその製造方法によれば、参考例の効果に加えて、クラッド層64の厚みSを参考例の光導波路素子よりもさらに小さくすることができ、クラッド層64の厚みSが薄くなった分、作成が容易になる。 As described above, according to the optical waveguide device and the manufacturing method thereof according to the first embodiment, in addition to the effect of the reference example , the thickness S of the cladding layer 64 can be made smaller than that of the optical waveguide device of the reference example. Since the thickness S of the layer 64 is reduced, the production is facilitated.

図7(B)は、曲線導波路の場合のシミュレーション結果であって、光導波路54の長さLを100μmとしている。参考例と同様に、曲率半径が6μm以上では、曲率半径Rに対する依存性、すなわち、光導波路外への放射ロスがほとんどない。なお、出力光強度が0.8程度と、1よりも小さい値をとるのは、光導波路54への光の入力における結合損失による。また、クラッド層64の厚みSの違いによる、出力光強度の大きさのばらつきは、結合損失の違いによる。 FIG. 7B is a simulation result in the case of a curved waveguide, and the length L of the optical waveguide 54 is set to 100 μm. Similar to the reference example , when the radius of curvature is 6 μm or more, there is almost no dependency on the radius of curvature R, that is, no radiation loss outside the optical waveguide. The reason why the output light intensity is about 0.8, which is smaller than 1, is due to coupling loss in the input of light to the optical waveguide 54. The variation in the intensity of the output light due to the difference in the thickness S of the cladding layer 64 is due to the difference in coupling loss.

(比較例)
図8を参照して、比較例について説明する。図8は、光導波路素子の比較例について説明するための概略図である。
(Comparative example)
A comparative example will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a schematic diagram for explaining a comparative example of the optical waveguide device.

図8(A)は、比較例の主要部の切断端面を示している。比較例の光導波路素子110では、金属膜が存在せずに、基板120上に光導波路150が形成されている点と、クラッド層160の屈折率が1.46である点が、図6を参照して説明した第実施形態の構成と異なっていて、それ以外の点は同様である。 FIG. 8A shows a cut end surface of a main part of the comparative example. In the optical waveguide device 110 of the comparative example, the point that the optical waveguide 150 is formed on the substrate 120 without the metal film and the refractive index of the cladding layer 160 is 1.46 are shown in FIG. The configuration is different from that of the first embodiment described with reference to the first embodiment, and the other points are the same.

図8(B)及び(C)を参照して、比較例の動作について説明する。図8(B)及び(C)は、比較例の光導波路素子の動作について説明するための特性図であって、3次元BPM法によるシミュレーション結果を示している。   With reference to FIGS. 8B and 8C, the operation of the comparative example will be described. FIGS. 8B and 8C are characteristic diagrams for explaining the operation of the optical waveguide device of the comparative example, and show simulation results by the three-dimensional BPM method.

図8(B)は、直線導波路での、クラッド層160の厚みSに対する出力光強度を示している。図8(B)は横軸にクラッド層160の厚みS(単位:μm)を取って示し、及び、縦軸に出力光強度を取って示している。また、図8(C)は、曲線導波路での、曲率半径に対する出力光強度を示している。図8(C)は横軸に曲率半径R(単位:μm)を取って示し、及び、縦軸に出力光強度を取って示している。   FIG. 8B shows the output light intensity with respect to the thickness S of the clad layer 160 in the linear waveguide. In FIG. 8B, the horizontal axis indicates the thickness S (unit: μm) of the cladding layer 160, and the vertical axis indicates the output light intensity. FIG. 8C shows the output light intensity with respect to the radius of curvature in the curved waveguide. FIG. 8C shows the curvature radius R (unit: μm) on the horizontal axis and the output light intensity on the vertical axis.

図8(B)及び(C)の縦軸の出力光強度は、いずれも入力光強度を1としたときの相対的な大きさである。   The output light intensity on the vertical axis in FIGS. 8B and 8C is a relative magnitude when the input light intensity is 1.

この比較例では、コア層170の屈折率が1.56であるのに対して、クラッド層160の屈折率が1.46であり、クラッド層160の屈折率が、コア層170の屈折率よりも小さくなっている。すなわち、この比較例は、図7に示されるシミュレーションの条件よりも有利な条件での計算の結果を示している。   In this comparative example, the refractive index of the core layer 170 is 1.56, whereas the refractive index of the cladding layer 160 is 1.46, and the refractive index of the cladding layer 160 is higher than the refractive index of the core layer 170. Is also getting smaller. That is, this comparative example shows the result of calculation under conditions more advantageous than the simulation conditions shown in FIG.

図8(B)では、クラッド層の幅方向の切れ込みの大きさOhを0μm、0.15μm及び0.3μmとした場合について、それぞれ曲線I、II及びIIIで示している。   In FIG. 8B, curves I, II, and III are shown for the case where the magnitude of the cut in the width direction of the clad layer is 0 μm, 0.15 μm, and 0.3 μm, respectively.

図8(B)に示されるように、クラッド層160の幅方向の両側に0.3μmずつの切れ込みがあって、クラッド層160の幅Wclが0.4μmの場合(曲線III)には、クラッド層160の厚みSが2μm以上の領域で、伝播ロスがほとんど無い。なお、図7(A)では、クラッド層の屈折率について、図8(B)に示す比較例よりも不利な条件でのシミュレーションにも関わらず、クラッド層の厚みが1μm以上で、伝播ロスがなくなるので、金属膜の存在が有効であることがわかる。   As shown in FIG. 8B, when there are notches of 0.3 μm on both sides in the width direction of the clad layer 160 and the width Wcl of the clad layer 160 is 0.4 μm (curve III), the clad There is almost no propagation loss in the region where the thickness S of the layer 160 is 2 μm or more. Note that in FIG. 7A, the clad layer has a refractive index of 1 μm or more and a propagation loss in spite of a simulation under a condition more disadvantageous than the comparative example shown in FIG. 8B. It can be seen that the presence of the metal film is effective.

また、クラッド層の切れ込みの大きさOhが0μmの場合(曲線I)、すなわち、コア層170の幅Wとクラッド層160の幅Wclが同じ場合、クラッド層160の厚みSが1.7μmの場合でも出力光強度が0.2以下である。このクラッド層160の両側の切れ込みを大きくするに従って、出力光強度が増加するので、第実施形態のように、クラッド層160の幅Wclをコア層170の幅Wよりも狭く形成するのが効果的であることがわかる。 Further, when the notch size Oh of the cladding layer is 0 μm (curve I), that is, when the width W of the core layer 170 and the width Wcl of the cladding layer 160 are the same, the thickness S of the cladding layer 160 is 1.7 μm. However, the output light intensity is 0.2 or less. Since the output light intensity increases as the cuts on both sides of the cladding layer 160 are increased, it is advantageous to form the width Wcl of the cladding layer 160 narrower than the width W of the core layer 170 as in the first embodiment. You can see that

なお、図8(C)によれば、金属膜を備えない場合であっても、クラッド層の厚みSが1.7μmであれば、曲率半径6μm以上では、出力光強度はほぼ一定であり、図7を参照して説明した第実施形態と同様の結果を示している。 According to FIG. 8C, even when the metal film is not provided, if the thickness S of the cladding layer is 1.7 μm, the output light intensity is substantially constant at a curvature radius of 6 μm or more. The result similar to 1st Embodiment demonstrated with reference to FIG. 7 is shown.

(第実施形態)
図9(A)、(B)及び(C)を参照して、第実施形態の光導波路素子の構造について説明する。図9(A)、(B)及び(C)は、第実施形態の光導波路素子を説明するための概略図である。図9(A)は平面図であり、図9(B)は、図9(A)のA−A線に沿って取った切断端面を示しており、また、図9(C)は、図9(A)のB−B線に沿って取った切断端面を示している。
( Second Embodiment)
With reference to FIGS. 9A, 9B, and 9C, the structure of the optical waveguide device of the second embodiment will be described. FIGS. 9A, 9B, and 9C are schematic views for explaining the optical waveguide device of the second embodiment. 9A is a plan view, FIG. 9B shows a cut end surface taken along the line AA in FIG. 9A, and FIG. 9C is a diagram of FIG. The cut | disconnected end surface taken along the BB line of 9 (A) is shown.

なお、ここでは、光導波路を直線導波路として図示したが、曲線導波路としても良い。   Although the optical waveguide is illustrated as a straight waveguide here, it may be a curved waveguide.

実施形態の光導波路素子16は、光導波路56の導波方向(図9(A)中B−B線に沿った方向)に沿った断面形状が参考例の光導波路素子と異なっており、それ以外の構成は、参考例と同様なので、重複する説明を省略する。 The optical waveguide element 16 of the second embodiment is different from the optical waveguide element of the reference example in the cross-sectional shape along the waveguide direction of the optical waveguide 56 (direction along line BB in FIG. 9A). The other configuration is the same as that of the reference example, and thus a duplicate description is omitted.

実施形態の光導波路素子16では、クラッド層66及びコア層76の光導波方向に直角な方向の断面が長方形状であり、クラッド層66の上面の面積が、コア層76の上面の面積よりも小さい。 In the optical waveguide device 16 of the second embodiment, the cross section of the cladding layer 66 and the core layer 76 in the direction perpendicular to the optical waveguide direction is rectangular, and the area of the upper surface of the cladding layer 66 is the area of the upper surface of the core layer 76. Smaller than.

ここでは、クラッド層66が、光導波方向に沿って、互いに離間した複数の柱状に形成されている場合について説明する。   Here, the case where the clad layer 66 is formed in a plurality of columns separated from each other along the optical waveguide direction will be described.

クラッド層66の幅が互いに離間した柱状に形成されているので、コア層76の下側の、柱状部分の間(図中、矢印Cで示す部分)にコア層76及びクラッド層66よりも屈折率が低い物質(例えば空気)が入り込んでくる。このため、クラッド層66とコア層76を、同じ材質で形成しても、光導波路56内に伝播光を閉じ込めることが可能になる。   Since the width of the clad layer 66 is formed in a columnar shape spaced apart from each other, it is more refracted than the core layer 76 and the clad layer 66 between the columnar portions below the core layer 76 (portion indicated by arrow C in the figure). A low rate material (eg air) enters. For this reason, even if the clad layer 66 and the core layer 76 are formed of the same material, it is possible to confine the propagation light in the optical waveguide 56.

なお、クラッド層66をコア層76よりも屈折率が低い材料としても良い。クラッド層66の屈折率をコア層76の屈折率よりも小さくすれば、伝播光が金属膜46に吸収される割合が減るので好適である。   The clad layer 66 may be made of a material having a refractive index lower than that of the core layer 76. It is preferable to make the refractive index of the clad layer 66 smaller than the refractive index of the core layer 76 because the proportion of propagating light absorbed by the metal film 46 decreases.

次に、第実施形態の光導波路素子16の製造方法について説明する。金属膜46を形成するまでの工程は、参考例と同様なので、重複する説明を省略する。 Next, a method for manufacturing the optical waveguide device 16 of the second embodiment will be described. Since the steps until the metal film 46 is formed are the same as those in the reference example , the duplicate description is omitted.

金属膜46上に、クラッド形成層を形成する。ここで、クラッド形成層は、エッチャントに対する溶解度の異なる2種の材料、例えば、SU−8(マイクロケム社製)とスピンオングラス膜を、光導波方向に沿って、交互に形成する。   A clad formation layer is formed on the metal film 46. Here, the clad forming layer is formed by alternately forming two kinds of materials having different solubility in the etchant, for example, SU-8 (manufactured by Microchem) and a spin-on-glass film along the optical waveguide direction.

クラッド形成層上に例えば、SU−8によりコア形成層を形成した後、フォトリソグラフィにより光導波路を形成する。その後、スピンオングラス膜をエッチャントを用いて除去することにより、クラッド層を、光導波方向に沿って、互いに離間した複数の柱状に形成する。   For example, after a core formation layer is formed on the clad formation layer by SU-8, an optical waveguide is formed by photolithography. Thereafter, the spin-on-glass film is removed using an etchant, whereby the clad layer is formed in a plurality of columns separated from each other along the optical waveguide direction.

図10を参照して、第実施形態の光導波路素子の動作について説明する。図10は、第実施形態の光導波路素子の動作について説明するための特性図であって、3次元BPM法によるシミュレーション結果を示している。 The operation of the optical waveguide device according to the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a characteristic diagram for explaining the operation of the optical waveguide device of the second embodiment, and shows a simulation result by the three-dimensional BPM method.

図10(A)は、直線導波路での、クラッド層66の厚みSに対する出力光強度を示している。図10(A)は、横軸にクラッド層66の厚みS(単位:μm)を取って示し、及び、縦軸に出力光強度を取って示している。図10(B)は、曲線導波路での、曲率半径に対する出力光強度を示している。図10(B)は、横軸に曲率半径R(単位:μm)を取って示し、及び、縦軸に出力光強度を取って示している。   FIG. 10A shows the output light intensity with respect to the thickness S of the cladding layer 66 in the linear waveguide. In FIG. 10A, the horizontal axis indicates the thickness S (unit: μm) of the clad layer 66, and the vertical axis indicates the output light intensity. FIG. 10B shows the output light intensity with respect to the radius of curvature in the curved waveguide. FIG. 10B shows the radius of curvature R (unit: μm) on the horizontal axis and the output light intensity on the vertical axis.

図10(A)及び(B)の縦軸の出力光強度は、入力光強度を1としたときの相対的な大きさである。   The output light intensity on the vertical axis in FIGS. 10A and 10B is a relative magnitude when the input light intensity is 1.

シミュレーションの条件として、基板20をシリコン基板とし、光導波路56の幅W及びコア層76の厚みHをともに1μmとし、金属膜の厚みTを0.1μmとして、波長1.55μmの光が伝播する場合について計算した。また、コア層76及びクラッド層66の屈折率をともに1.56とし、光導波路の周囲の屈折率を1.0としている。   As simulation conditions, the substrate 20 is a silicon substrate, the width W of the optical waveguide 56 and the thickness H of the core layer 76 are both 1 μm, the thickness T of the metal film is 0.1 μm, and light having a wavelength of 1.55 μm propagates. Calculated for the case. The refractive index of the core layer 76 and the cladding layer 66 is 1.56, and the refractive index around the optical waveguide is 1.0.

ここでは、クラッド層66の柱状部分は、以下のように形成されている。各柱状部は、光導波路方向に直角な方向の幅がコア層の幅Wと同じく1μmであり、光導波路方向の長さLsが1μmである。柱状部分は40個入っている。   Here, the columnar portion of the cladding layer 66 is formed as follows. Each columnar portion has a width in the direction perpendicular to the optical waveguide direction of 1 μm, the same as the width W of the core layer, and a length Ls in the optical waveguide direction of 1 μm. There are 40 columnar parts.

図10(A)及び(B)は、金属膜46の材料を銅(Cu)としている。   10A and 10B, the material of the metal film 46 is copper (Cu).

図10(A)は、直線導波路の場合のシミュレーション結果であって、光導波路の長さLを1000μmとしている。クラッド層66の厚みが0.5μm以上の領域では、クラッド層66の厚みSに対する依存性、すなわち、伝播ロスがほとんどない。なお、出力光強度が0.7程度と、1よりも小さい値をとるのは、光導波路への光の入力における結合損失による。このように第実施形態の光導波路素子16によれば、クラッド層66の厚みSを、参考例又は第実施形態の光導波路素子よりもさらに小さくすることができ、作成がより容易になる。 FIG. 10A shows a simulation result in the case of a straight waveguide, in which the length L of the optical waveguide is 1000 μm. In the region where the thickness of the clad layer 66 is 0.5 μm or more, there is almost no dependence on the thickness S of the clad layer 66, that is, no propagation loss. The reason why the output light intensity is about 0.7, which is smaller than 1, is due to the coupling loss in the input of light to the optical waveguide. As described above, according to the optical waveguide device 16 of the second embodiment, the thickness S of the clad layer 66 can be made smaller than that of the optical waveguide device of the reference example or the first embodiment, and the production becomes easier. .

図10(B)は、曲線導波路の場合のシミュレーション結果であって、光導波路の長さLを100μmとしている。第実施形態と同様に、曲率半径Rが6μm以上では、曲率半径Rに対する依存性、すなわち、光導波路外への放射ロスがほとんどない。なお、出力光強度が0.8程度と、1よりも小さい値をとるのは、光導波路56への光の入力における結合損失による。また、クラッド層66の厚みSの違いによる、出力光強度の大きさのばらつきは、結合損失の違いによる。 FIG. 10B is a simulation result in the case of a curved waveguide, and the length L of the optical waveguide is 100 μm. Like the first embodiment, the radius of curvature R is 6μm or more dependence on the radius of curvature R, i.e., the radiation loss to the optical waveguide outside is not Donna photons. The reason why the output light intensity is about 0.8, which is smaller than 1, is due to the coupling loss at the input of light to the optical waveguide 56. The variation in the intensity of the output light due to the difference in the thickness S of the cladding layer 66 is due to the difference in coupling loss.

このように第実施形態の光導波路素子及びその製造方法によれば、参考例の効果に加えて、クラッド層66の厚みSを参考例の光導波路素子よりもさらに小さくすることができる。 According to the optical waveguide device and a manufacturing method thereof in the second embodiment, in addition to the effect of the reference example it can be further smaller than the optical waveguide device of the reference example the thickness S of the cladding layer 66.

参考例の光導波路素子の概略図である。It is the schematic of the optical waveguide element of a reference example . 参考例の光導波路素子の動作を説明するための特性図(その1)である。FIG. 6 is a characteristic diagram (part 1) for explaining the operation of the optical waveguide device of the reference example . 参考例の光導波路素子の動作を説明するための特性図(その2)である。FIG. 10 is a characteristic diagram (part 2) for explaining the operation of the optical waveguide device of the reference example . 参考例の光導波路素子の動作を説明するための特性図(その3)である。FIG. 10 is a characteristic diagram (part 3) for explaining the operation of the optical waveguide device of the reference example . 参考例の光導波路素子の他の構成例を示す概略図である。It is the schematic which shows the other structural example of the optical waveguide element of a reference example . 実施形態の光導波路素子の概略図である。It is the schematic of the optical waveguide element of 1st Embodiment. 実施形態の光導波路素子の動作を説明するための特性図である。It is a characteristic view for demonstrating operation | movement of the optical waveguide element of 1st Embodiment. 比較例を示す概略図である。It is the schematic which shows a comparative example. 実施形態の光導波路素子の概略図である。It is the schematic of the optical waveguide element of 2nd Embodiment. 実施形態の光導波路素子の動作を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the operation | movement of the optical waveguide element of 2nd Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

10、12、14、16、110 光導波路素子
20,120 基板
30 電子集積回路
40、42、46 金属膜
50、54、56、150 光導波路
60、64、66、160 クラッド層
70、76、170 コア層
10, 12, 14, 16, 110 Optical waveguide device 20, 120 Substrate 30 Electronic integrated circuit 40, 42, 46 Metal film 50, 54, 56, 150 Optical waveguide 60, 64, 66, 160 Clad layer 70, 76, 170 Core layer

Claims (13)

基板上に形成された金属膜と、
該金属膜上に順次に積層されたクラッド層及びコア層からなる光導波路と
を備え、
前記光導波路はリッジ状に形成され、
前記光導波路の周囲は、前記コア層及びクラッド層よりも屈折率が低い材料で満たされていて、
前記クラッド層及びコア層の光導波方向に直角な方向の断面が長方形状であり、及び
前記クラッド層の上面の面積が、前記コア層の上面の面積よりも小さい
ことを特徴とする光導波路素子。
A metal film formed on the substrate;
An optical waveguide comprising a clad layer and a core layer sequentially laminated on the metal film;
The optical waveguide is formed in a ridge shape,
The periphery of the optical waveguide is filled with a material having a lower refractive index than the core layer and the cladding layer,
An optical waveguide device characterized in that a cross section in a direction perpendicular to the optical waveguide direction of the cladding layer and the core layer is rectangular, and the area of the upper surface of the cladding layer is smaller than the area of the upper surface of the core layer .
前記コア層の屈折率が、前記クラッド層の屈折率よりも高い
ことを特徴とする請求項に記載の光導波路素子。
The optical waveguide device of claim 1, the refractive index of the core layer, being higher than the refractive index of the cladding layer.
前記コア層の屈折率を1.5〜1.7の範囲内の値とし、前記クラッド層の屈折率を1.4〜1.6の範囲内の値とすることを特徴とする請求項2に記載の光導波路素子。  The refractive index of the core layer is set to a value in the range of 1.5 to 1.7, and the refractive index of the cladding layer is set to a value in the range of 1.4 to 1.6. 2. An optical waveguide device according to 1. 前記コア層の屈折率が、前記クラッド層の屈折率と等しい  The refractive index of the core layer is equal to the refractive index of the cladding layer
ことを特徴とする請求項1に記載の光導波路素子。The optical waveguide device according to claim 1.
前記クラッド層の前記光導波方向に直角な方向の幅が、前記コア層の前記光導波方向に直角な方向の幅よりも小さい
ことを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の光導波路素子。
Wherein the optical waveguide direction perpendicular to the direction of the width of the cladding layer, according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the smaller than a right angle to the direction of width to the optical waveguide direction of the core layer Optical waveguide element.
前記クラッド層が、前記光導波方向に沿って互いに離間した、複数の柱状に形成されている
ことを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の光導波路素子。
The clad layer, the optical waveguide along the direction apart from each other, an optical waveguide device according to any one of claims 1-4, characterized in that it is formed in a plurality of columnar.
前記金属膜の材料を、Au、Ag、Cu及びAlからなる群から選択される金属とすることを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載の光導波路素子。  The optical waveguide element according to any one of claims 1 to 6, wherein the material of the metal film is a metal selected from the group consisting of Au, Ag, Cu, and Al. 前記光導波路を導波させる光をTE偏波とすることを特徴とする請求項1〜7の何れか一項に記載の光導波路素子。  8. The optical waveguide device according to claim 1, wherein the light guided through the optical waveguide is TE polarized light. 前記基板が、電子集積回路を備えることを特徴とする請求項1〜8の何れか一項に記載の光導波路素子。  The optical waveguide device according to claim 1, wherein the substrate includes an electronic integrated circuit. 基板上に形成された金属膜、並びに該金属膜上に順次に積層されたクラッド層及びコア層からなる光導波路を備え、  An optical waveguide comprising a metal film formed on a substrate, and a clad layer and a core layer sequentially stacked on the metal film;
該光導波路はリッジ状に形成され、前記クラッド層の上面の面積が、前記コア層の上面の面積よりも小さく、前記クラッド層及びコア層の光導波方向に直角な方向の断面が長方形状であるとともに、前記クラッド層の前記光導波方向に直角な方向の幅が、前記コア層の前記光導波方向に直角な方向の幅よりも小さく、  The optical waveguide is formed in a ridge shape, the area of the upper surface of the cladding layer is smaller than the area of the upper surface of the core layer, and the cross section of the cladding layer and the core layer in a direction perpendicular to the optical waveguide direction is rectangular. And the width of the cladding layer in the direction perpendicular to the optical waveguide direction is smaller than the width of the core layer in the direction perpendicular to the optical waveguide direction,
前記コア層の屈折率が、前記クラッド層の屈折率よりも高く、前記光導波路の周囲は、前記コア層及びクラッド層よりも屈折率が低い材料で満たされている光導波路素子と、  An optical waveguide element in which the refractive index of the core layer is higher than the refractive index of the cladding layer, and the periphery of the optical waveguide is filled with a material having a lower refractive index than the core layer and the cladding layer;
該光導波路素子に接続された多モード干渉カプラ又はアレイ導波路格子とを含むことを特徴とする光素子。  An optical device comprising a multimode interference coupler or an arrayed waveguide grating connected to the optical waveguide device.
基板上に金属膜を形成する工程と、
該金属膜上にクラッド形成層及びコア形成層を順次に積層した後パターニングを行って、クラッド層及びコア層からなるリッジ状の光導波路を形成する工程と
を備え、
前記クラッド層の形成において、
サイドエッチングを行うことにより、前記クラッド層の光導波方向に直角な方向の幅を、前記コア層の前記光導波方向に直角な方向の幅よりも小さくする
ことを特徴とする光導波路素子の製造方法。
Forming a metal film on the substrate;
A step of sequentially laminating a clad formation layer and a core formation layer on the metal film and then performing patterning to form a ridge-shaped optical waveguide composed of the clad layer and the core layer,
In forming the cladding layer,
Manufacturing of an optical waveguide device characterized in that, by performing side etching, the width of the cladding layer in the direction perpendicular to the optical waveguide direction is made smaller than the width of the core layer in the direction perpendicular to the optical waveguide direction. Method.
基板上に金属膜を形成する工程と、
該金属膜上にクラッド形成層及びコア形成層を順次に積層した後パターニングを行って、クラッド層及びコア層からなるリッジ状の光導波路を形成する工程と
を備え、
前記クラッド形成層を、エッチャントに対する溶解度の異なる2種の材料を用いて、光導波方向に沿って交互に形成し、
前記光導波路を形成した後、前記2種の材料の一方を、前記エッチャントを用いて除去することにより、前記クラッド層を、前記光導波方向に沿って、互いに離間した複数の柱状に形成することで、前記クラッド層の上面の面積を前記コア層の上面の面積よりも小さくする
ことを特徴とする光導波路素子の製造方法。
Forming a metal film on the substrate;
A step of sequentially laminating a clad formation layer and a core formation layer on the metal film and then performing patterning to form a ridge-shaped optical waveguide composed of the clad layer and the core layer,
The clad formation layer is formed alternately along the optical waveguide direction by using two kinds of materials having different solubility in the etchant,
After forming the optical waveguide, one of the two materials, by removing using the etchant, the cladding layer, along the optical waveguide direction, forming a plurality of columnar spaced from each other The method for manufacturing an optical waveguide element, wherein the area of the upper surface of the cladding layer is made smaller than the area of the upper surface of the core layer .
前記コア形成層を、前記クラッド形成層よりも屈折率の高い材料で形成する
ことを特徴とする請求項11又は12に記載の光導波路素子の製造方法。
Method for manufacturing an optical waveguide device according to claim 11 or 12 wherein the core-forming layer, and forming with the higher refractive index than the cladding layer material.
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