JP5685843B2 - 光導波路の製造方法および光導波路 - Google Patents

Description

本発明は、光導波路の製造方法および光導波路に関し、特に、導波光のスポットサイズを変化させるための光導波路の製造方法および光導波路に関する。

従来、光通信における基幹部品として、石英系導波路によるＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit: 平面光回路）が、広く用いられている。特に、ＰＬＣによる波長多重光信号の波長フィルタや波長合分波器を複合的に組み合わせた光変調器および光スイッチは、波長多重光信号を用いた光通信において必須の構成要素となっている。このように、光変調器および光スイッチを用いた光通信システムにおいて、ＰＬＣを用いた構成要素の高性能化や多機能化（以下、「高集積化」という。）は、光通信システムの性能やシステム構築の柔軟性向上に直接寄与することから、ＰＬＣの高集積化が求められている。

近年、ＰＬＣの高集積化等を実現する技術として、従来の石英系導波路ではなくシリコンをコアとするシリコン導波路を用いて光信号を伝送させるシリコンフォトニクス技術が注目されている。
シリコンフォトニクス技術で使用されるシリコン導波路は、コアとクラッドとの間の屈折率の差が、従来の石英系導波路と比較して非常に大きいといった特徴があることから、従来の石英系導波路よりも導波路曲げ半径を大幅に縮小することができる。よって、導波路素子の小型化・高集積化が可能となる。
また、シリコンの熱光学係数は石英と比較して約２０倍以上であることから、シリコンは、熱光学効果による屈折率の変化を石英に比べ少ない消費電力で実現でき、さらに、自由キャリアプラズマ分散効果によって、石英に比べて高速な屈折率の変化を得ることができる。
このようなシリコン導波路の特性を利用したＰＬＣの高集積化に対する研究開発が盛んに行われている。

しかしながら、シリコン導波路における導波光のスポットサイズは、一般的に数ミクロン以下であり、一方、シングルモードの光ファイバの導波光のスポットサイズは１０ミクロン程度であるため、シリコン導波路にシングルモードの光ファイバを直接接続しようとすると、シリコン導波路と光ファイバ等の光信号伝送路との結合部分において大きな光学結合損失が生じてしまう。
そこで、上記の光学結合損失を低減するため、導波光のスポットサイズを変換するスポットサイズ変換部を備えた光導波路（以下、「スポットサイズ変換導波路」という。）が研究開発されている。このようなスポットサイズ変換導波路に関連する技術として、例えば、特許文献１または特許文献２に記載されているような、一端が平面視テーパー状に形成された複数のシリコンコアを鉛直方向に重ねた光導波路構造が知られている。このような光導波路構造を用いた場合、光ファイバとの光学結合損失は、約０．５ｄＢと低い損失であることが実験的に示されている（非特許文献１）。

また、シリコン導波路を集積した大規模なＰＬＣを作製する場合、光変調器および光スイッチ等の構成要素において、それぞれの構成要素に応じたシリコンコアサイズを使用することが望ましい。このような場合においても、特許文献１，２に開示されている平面視テーパー状に形成されたシリコンコアによるスポットサイズ変換導波路を導入することにより、構成要素それぞれに最適なシリコンコアサイズを用いることができ、かつ、これらを低損失に接続することが可能となる。

さらに、ＰＬＣに関しては、シリコン導波路層を複数設けて、光導波路を３次元的に配置することにより、単一の導波路層では得られない導波路交差の配置や、光回路のさらなる高集積化等を可能にする技術の開発も進められている。このようなＰＬＣのさらなる高集積化等に関連する技術として、バックエンドＣＭＯＳプロセスによってアモルファスシリコンまたはポリシリコンを成膜することにより、シリコンコアを３次元的に配置したシリコン導波路の構造が知られており（非特許文献２）、近年、シリコンコアを３次元的に配置した構造を有するシリコン導波路の実用化に向けて、研究開発が行われている。

非特許文献２に開示されているシリコン導波路においても、導波光のスポットサイズを変換する平面視テーパー状に形成されたシリコンコアを重ねる構造を導入することにより、多層に積層された光導波路間の光波の移行を低損失に実現でき、また、光導波路を３次元的に配置することによる導波路構造の設計自由度を向上させ、ＰＬＣのさらなる高集積化が可能となる。

特表２００１−５１０５８９号公報 特表２００３−５１１７３７号公報

I.Day et al. "Tapered Silicon Waveguides for Low Insertion Loss Highly-Efficient High-Speed Electronic Variable Optical Attenuators" Optical Fiber Communication Conference 2003, TUEADAY AFTERNOON/OFC 2003/VOL1, pp249-pp251. Rong Sun et al. "Transparent amorphous silicon channel waveguides and hihg-Q resonators using a damascene process" OPTICS LETTERS, Vol.34, No.15, August 1, 2009.

特許文献１，２に記載されたスポットサイズ変換導波路の平面視テーパー状に形成されたシリコンコアの構造は、テーパー状に形成されたシリコンコアの接続箇所において、光学損失の原因とならないよう高さが一定で均一に形成されたシリコンコアを重ねたものである。非特許文献２に開示されているシリコン導波路の構造に平面視テーパー状に形成されたシリコンコアを重ねた構造を導入する場合も同様に、テーパー状に形成されたシリコンコアの接続箇所において、高さが一定で均一に形成されたシリコンコアを重ねる必要がある。

このような平面視テーパー状に形成されたシリコンコアを重ねたスポットサイズ変換導波路の構造を製造する方法は、一般的に、ＳＯＩ（Cilicon on Insulator）基板上に導波光が数ミクロンのシリコン導波路部を予め作製し、このシリコン導波路部の一端、すなわち、スポットサイズ変換箇所にシリコンを成膜する。引き続き、所望のスポットサイズを実現する平面視テーパー状となるように、その成膜したシリコンを選択的にエッチングすることで、平面視テーパー状に形成されたシリコンコアを重ねたスポットサイズ変換導波路の構造を形成することが考えられる。

しかしながら、上記した平面視テーパー状に形成されたシリコンコアを重ねたスポットサイズ変換導波路を所望の導波路特性が発揮されるように上述した方法で製造するためには、スポットサイズ変換箇所におけるシリコンコアのサイズを精度良く定められた値となるようシリコンに対するエッチング工程が必要となる。
具体的には、スポットサイズ変換箇所に新たに成膜したシリコンに対して、光学損失の原因とならないように高さが一定で均一となるように平面視テーパー状に、かつ、上下方向に接するように高精度なエッチング工程を実現させる必要がある。

すなわち、上述した製造方法によって所望の導波路特性が発揮されるスポットサイズ変換導波路を製造するには、成膜したシリコンに対して高精度な異なる高さ制御がなされたエッチング工程によってシリコンコアに不要な段差が生じないよう製造しなければならない。このため、上述した製造方法では、スポットサイズ変換導波路を歩留まり良く、かつ、所望の導波路特性を発揮させるように作製することは、煩雑で高精度な製造工程を必要とするため、困難であるといった問題があった。
そこで、本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、所望のシリコンコア形状を有するスポットサイズ変換導波路を、歩留まり良く、かつ、所望の導波路特性を発揮させるように作成する光導波路の製造方法を提供することを目的とする。

本願発明は、上述の目的を達成するために、シリコン層を選択的にエッチングして第１のコアを形成する工程と、前記シリコン層と前記第１のコアとを覆う第１のクラッド層を形成する工程と、前記第１のクラッド層の前記第１のコアの少なくとも一端と重なる領域を含んだ部分を選択的に除去して第１のトレンチを形成する工程と、前記第１のトレンチ内にシリコンを堆積させて第２のコアを形成する工程と、前記第１のクラッド層と前記第２のコアとを覆う第２のクラッド層を形成する工程とを備えることを特徴とする。

本願発明によれば、コア材料であるシリコンに対して高さの異なる高精度なエッチング工程を必要とせず第２のコアを形成することができることから、容易に歩留まり良く所望の導波路特性を発揮するスポットサイズ変換導波路を形成することができる。

本発明の第１の実施の形態にかかる光導波路の製造方法を説明する図である。 本発明の第１の実施の形態にかかる光導波路の製造方法によって製造される光導波路の一例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる光導波路の製造方法を説明する図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる光導波路の製造方法を説明する図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる光導波路の製造方法を説明する図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる光導波路の製造方法を説明する図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる光導波路の製造方法を説明する図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる光導波路の製造方法を説明する図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる光導波路の製造方法によって製造される光導波路の形状の一例を示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態にかかる光導波路の製造方法によって製造される光導波路の形状の一例を示す図である。 本発明の第３の実施の形態にかかる光導波路の製造方法によって製造される光導波路の形状の一例を示す図である。 本発明の第４の実施の形態にかかる光導波路の一例の構造を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態にかかる光導波路の製造方法は、導波光のスポットサイズを変換する箇所（以下、「スポットサイズ変換部」という。）を備えた光導波路の製造方法であって、特に、基板上のシリコン層に形成された第１のコアの上面にクラッド層を形成した後に、このクラッド層を選択的に除去することにより形成した第１のトレンチにシリコンを堆積させて第２のコアを形成することで、所望の形状のスポットサイズ変換部を備えた光導波路を製造する製造方法である。

図１は、本実施の形態にかかる光導波路の製造方法によって形成されるスポットサイズ変換部を備えた光導波路の製造方法を説明する断面図である。以下、図１を参照して本実施の形態にかかる光導波路の製造方法を説明する。
図１（Ａ）に示すように、シリコン層１０を選択的にエッチングすることにより、第１のコア１１を形成する工程を実行する。
第１のコア１１が形成されると、図１（Ｂ）に示すように、シリコン層１０と第１のコア１１とを覆う第１のクラッド層１２を形成する工程を実行する。

第１のクラッド層１２が形成されると、図１（Ｃ）に示すように、第１のクラッド層１２の一部を除去して第１のトレンチ１３を形成する工程を実行する。ここで、第１のトレンチ１３は、第１のクラッド層１２の第１のコア１０の少なくとも一端と重なる領域を含む部分を除去することにより形成される。

第１のトレンチ１３が形成されると、図１（Ｄ）に示すように、形成された第１のトレンチ１３内にシリコンを堆積させて第２のコア１４を形成する工程を実行する。
第２のコア１４が形成されると、図１（Ｅ）に示すように、第１のクラッド層１２と第２のコア１４とを覆う第２のクラッド層１５を形成する工程を実行する。

上述のように、本実施の形態にかかる光導波路の製造方法によって製造されるスポットサイズ変換部を備えた光導波路の一例を図２に示す。
図２（Ａ）は、本実施の形態にかかる光導波路の製造方法によって製造されるスポットサイズ変換部を備えた光導波路の一例を上面から見た上面図である。また、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示した光導波路a-a'断面から見た断面図である。
本実施の形態にかかる光導波路の製造方法で製造された光導波路は、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示すように、一端のコア幅が先端に向けて漸次的に細くなる第２のコア１４と、一端のコア幅が先端に向けて漸次的に広くなる第１のコア１１とが重なる領域を含んだスポットサイズ変換部を有するように形成されている。

このように、本実施の形態にかかる光導波路の製造方法によれば、第１のコアを形成する工程に続き第１のクラッド層を形成する工程が実行され、この第１のクラッド層を選択的に除去することによって形成される第１のトレンチにシリコンを堆積させた第２のコアを形成する工程が実行されることにより、エッチング工程を実施することなく第２のコアを形成することができる。
したがって、本実施の形態にかかる光導波路の製造方法によってシリコンフォトニクス技術におけるスポットサイズ変換部を有する光導波路を製造することにより、コア材料であるシリコンに対して高さの異なる高精度なエッチング工程を必要とせず第２のコアを形成することができることから、容易に歩留まり良く所望の導波路特性を発揮するスポットサイズ変換部を有する光導波路を形成することができる。

［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施の形態にかかる光導波路の製造方法は、第１の実施の形態において説明した光導波路の製造方法において、特に、ＳＯＩ基板上に少なくとも一端を平面視テーパー状に変化させた形状（以下、「テーパー形状」という。）を有する第１のシリコンコアと、この第１のシリコンコアのテーパー形状を有する一端と重なる領域を含む第２のシリコンコアとを備えるスポットサイズ変換部を有した光導波路の製造方法である。
図３〜図８は、本実施の形態にかかる光導波路の製造方法の各工程によって形成されるスポットサイズ変換部を有する光導波路の一例を示す図であり、特に、各工程によって形成される光導波路を上面から見た上面図を（Ａ）で、この光導波路のa−a'断面から見た断面図を（Ｂ）で示す。以下、図３〜図８を参照して、本実施の形態にかかる光導波路の製造方法を説明する。

まずはじめに、図３に示すように、ＳＯＩ基板２０上のシリコン層２１にテーパー形状を有する第１のシリコンコア２１−２を形成する工程を実行する。
具体的には、図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、一端が先端に向けて広がるテーパー形状を有するように選択的にシリコン層２１をエッチングして溝２１−１を形成することで、第１のシリコンコア２１−２を形成する工程である。この工程によって形成された第１のシリコンコア２１−２の一端のテーパー形状部分が、導波光のスポットサイズ変換部分となる。

第１のシリコンコア２１−２が形成されると、図４に示すように、シリコン層２１上の第１のシリコンコア２１−２および溝２１−１を覆うように第１のクラッド層２３を形成する工程を実行する。
具体的には、図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、シリコン層２１上の第１のシリコンコア２１−２および溝２１−１に対して、シリコン酸化膜を所定の厚さに成膜することにより第１のクラッド層２３を形成する。ここで、シリコン酸化膜の成膜は、例えば、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）によって実現することができる。

第１のクラッド層２３が形成されると、図５に示すように、第１のシリコンコア２１−２の一端のテーパー形状部分と重なる領域を含んだ第１のクラッド層２３の所定部分を選択的にエッチングして、第１のトレンチ２４を形成する工程を実行する。
具体的には、図５（Ａ），（Ｂ）に示すように、第１のシリコンコア２１−２の一端のテーパー形状に対応させて、先端に向かってトレンチの幅が狭くなるように第１のクラッド層２３を選択的にエッチングすることにより第１のトレンチ２４を形成する工程である。

第１のトレンチ２４を形成する工程は、第１のクラッド層２３であるシリコン酸化膜を選択的にＩＣＰ（Inductiv Coupled Plasma）ドライエッチングする工程である。その際、シリコン層２１をエッチングストッパとしてシリコン酸化膜に対しＩＣＰドライエッチングを行うことにより、シリコン層２１を露出させかつ第１のシリコンコア２１−２の一端のテーパー形状と重なる領域を含んだ第１のトレンチ２４を形成する。

第１のトレンチ２４が形成されると、図６に示すように、第１のトレンチ２４の内部にシリコンを充填するため、第１のトレンチ２４内にアモルファスシリコン２５を堆積させる工程を実行する。その際、図６（Ａ），（Ｂ）に示すように、第１のトレンチ２４内に十分にシリコンを充填するため、第１のトレンチ２４から溢れる程度にアモルファスシリコン２５を堆積させる。なお、図６は、便宜上、第１のトレンチ２４の付近に選択的にアモルファスシリコン２５を成膜しているように示しているが、実際の工程では、第１のクラッド層２３の上面全体にアモルファスシリコン２５が成膜される。
また、第１のトレンチ２４内に充填するシリコンは、例えば、ポリシリコンを第１のトレンチ２４内に堆積させても良い。

第１のトレンチ２４内にシリコンが十分に充填されると、図７に示すように、第１のトレンチ内に充填されたシリコンの表面と第１のクラッド層２３の表面とを同一の平坦な面とし、第２のシリコンコア２６を形成する工程を実行する。
具体的には、アモルファスシリコン２５に応じたスラリーを用いて化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）を行うことにより、図７（Ａ），（Ｂ）に示すように、第１のトレンチ２４から溢れたアモルファスシリコン２５を除去して、第１のクラッド層２３の表面と第１のトレンチ内に充填されたアモルファスシリコン２５の表面とを同一の平坦な面とし、第２のシリコンコア２６を形成する。

第２のシリコンコア２６が形成されると、図８に示すように、第２のシリコンコア２６と第１のクラッド層２３とを覆う第２のクラッド層２７を形成する工程を実行する。この第２のクラッド層２７は、第１のクラッド層２３と同一の材質によって形成される。例えば、図８（Ａ），（Ｂ）に示すように、第２のシリコンコア２６と第１のクラッド層２３とを覆うようにシリコン酸化膜を成膜することにより、第２のクラッド層２７を形成することができる。
第２のクラッド層２７が形成されることにより、スポットサイズ変換部を有した光導波路の構造を製造することができる。

なお、シリコンコアを備える光導波路とシングルモードファイバとを結合する際の光導波路のシリコンコアサイズは、前述したように１０ミクロン程度である。よって、本実施の形態にかかる光導波路の製造方法における該工程の、シリコン酸化膜の成膜にともなう膜厚制御や余剰シリコンの除去にともなうＣＭＰ量の制御（以下、単に「加工精度制御」という。）を数百ｎｍ程度の制御量とすることで、スポットサイズ変換箇所での光学損失の起因となるようなシリコンコアの不要な段差を防ぐことができる。このような加工精度制御は、上述した該工程において一般的に実現することができるものである。

また、上述した本実施の形態にかかる光導波路の製造方法の各工程によって製造される光導波路の例の断面図を図９に示す。
具体的には、本実施の形態にかかる光導波路の製造方法によれば、図９の（Ａ）に示すように、シリコン層２１の第１のシリコンコア２１−２上に配置されるテーパー形状の第２のシリコンコア２６を２段にした構造や、図９（Ｂ），（Ｃ）に示すように、第２のシリコンコア２６を多段にする構造も容易に実現できる。
このようなテーパー形状を有するシリコンコアを多段に重ねてコアの高さを段階的に変化させる構成では、第２のシリコンコア２６のテーパー形状の先端部分のコア幅を数百ｎｍ程度まで広く形成した場合においても光学損失を十分に抑制することが可能である。

以上のことから、本実施の形態にかかる光導波路の製造方法によれば、シリコン酸化膜をエッチングして第１のトレンチを形成する際、シリコン酸化膜の下層にあるシリコン層をエッチングストッパとして使用できること、また、第１のトレンチに堆積させたシリコンのうち第１のトレンチから溢れたシリコンをＣＭＰで除去する際、適切なＣＭＰスラリーを用いることで第１のクラッド層の表面がＣＭＰのエンドポイントにできることから、シリコン酸化膜を選択的にエッチングして所望の形状のトレンチを形成し、かつ、シリコン酸化膜の表面と同一の平坦な面となるようトレンチにシリコンを堆積させた第２のシリコンコアを容易に製造することができる。

よって、コア材料であるシリコンに対して高さの異なる高精度なエッチング工程を必要とせず第２のコアを形成することができることから、容易に歩留まり良く所望の導波路特性を発揮するスポットサイズ変換部を有する光導波路を製造することができる。
さらに、第２のシリコンコアを多段にするといったエッチングでは形成することの困難なシリコンコア形状を容易に作製できることから、導波路特性を維持し、かつ、光導波路の製造歩留まりを向上させたシリコンコア形状を多様に設計することができる。

［第３の実施の形態］
本発明の第３の実施の形態にかかる光導波路の製造方法は、シリコンコアが３次元に配置された構造を有する光導波路の製造方法である。
本実施の形態にかかる光導波路の製造方法によって製造される３次元に配置されたシリコンコアの構造の一例を、図１０に示す。図１０（Ａ）は、本実施の形態にかかる光導波路の製造方法によって製造されるシリコンコアの構造の一例を上面から見た図であり、図１０（Ｂ）は、本実施の形態にかかる製造方法によって製造されるシリコンコアをＡ−Ａ’断面から見た図である。
また、図１１（Ａ）〜（Ｄ）は、本実施の形態にかかる製造方法によって製造される光導波路の３次元に配置されたシリコンコアの接合部について、図１０に示すａ−ａ’断面、ｂ−ｂ’断面、ｃ−ｃ’断面、ｄ−ｄ’断面それぞれから見た断面図である。

図１０（Ａ），（Ｂ）に示すように、本実施の形態にかかる光導波路の製造方法によって製造される光導波路のシリコンコアの形状は、先端に向かって漸次的にコア幅が狭くなる形状（以下、「テーパー状に細くなる形状」という。）の第１のシリコンコア３１の一端と、コア幅が先端に向かってテーパー状に細くなる形状の第２のシリコンコア３３の一端とが重なる領域を含むように、シリコンスラブ３２を介して配置された形状を有している。このような構造によれば、光導波路を移行する導波光は、積層されたシリコン層（第１のシリコンコア３１と第２のシリコンコア３２）の間を、スポットサイズが変換されるとともに低損失で移行することが可能となる。

以下、図１０および図１１を参照して、本実施の形態にかかる光導波路の製造方法を説明する。図１０および図１１に示すような形状のシリコンコアを有する光導波路は、第２の実施の形態において説明した光導波路の製造方法に、シリコンスラブ３２を形成する工程と、このシリコンスラブ３２を境界面としてシリコン酸化膜をエッチングして形成したトレンチにシリコンを堆積させることにより第２のシリコンコア３３を形成する工程とをさらに備える光導波路の製造方法である。

第２の実施の形態において説明したように、第１のシリコンコア３１を形成して第１のクラッド層３４を形成する工程を実行すると、第１のシリコンコア３１の表面と第１のクラッド層３４の表面とを同一の平坦な面とする工程を実行する。
例えば、第１のシリコンコア３１を形成する際にできた溝を含んだシリコン層上に成膜されたシリコン酸化膜を、第１のシリコンコア３１の表面と同一の面となるようシリコン酸化膜を除去することにより実現する。また、第１のクラッド層３４にトレンチを形成して第１のシリコンコア３１を成膜し、第１のシリコンコア３１の表面と第１のクラッド層３４の正面とを同一の平坦な面とする工程を実行しても良い。

第１のシリコンコア３１の表面と第１のクラッド層３４の表面とからなる平坦な面が形成されると、この平坦な面上にシリコンスラブ３２を形成する工程を実行する。
シリコンスラブ３２が形成されると、このシリコンスラブ３２上に第２のクラッド層３５を形成する工程を実行する。
ここで、シリコンスラブ３２は、アモルファスシリコンまたはポリシリコンを所定の膜厚だけ成膜することにより形成でき、第２のクラッド層３５は、シリコン酸化膜を所定の膜厚だけ成膜することにより形成できる。

第２のクラッド層３５が形成されると、第２のクラッド層の第１のシリコンコア３１の少なくとも一端と重なる領域を含んだ部分を選択的にエッチングして所定の形状のトレンチを形成する工程を実行する。この際、シリコンスラブ３２を境界面として第２のクラッド層３５を選択的にエッチングして除去することにより、第１のシリコンコア３１に対応するシリコン層を露出させた所定の形状のトレンチを形成することができる。

トレンチが形成されると、このトレンチ内に十分なシリコンを充填するため、トレンチから溢れる程度にシリコンを堆積させ、トレンチから溢れたシリコン除去して第２のクラッド層３５の表面とトレンチ内に充填されたシリコンの表面とを同一の平坦な面とし、第２のシリコンコア３３を形成する工程を実行する。
ここで、トレンチ内に堆積させるシリコンは、例えば、アモルファスシリコンまたはポリシリコンとすることができ、堆積させたシリコンに応じたスラリーを用いたＣＭＰを実行することで、第２のクラッド層３５の表面とトレンチ内に充填されたシリコンの表面とを同一の平坦な面とすることができる。

第２のシリコンコア３３が形成されると、この第２のシリコンコア３３と第２のクラッド層３５を覆うように、第３のクラッド層３６を形成する工程を実行する。第３のクラッド層３６が形成されると、図１０よび図１１に示すようなシリコンコアが３次元に配置された構造を有する光導波路が製造される。

このように、本実施の形態にかかる光導波路の製造方法によれば、テーパー状に細くなる一端が重なるようにシリコンコアが配置された光導波路を、エッチング工程を必要とせずに形成することができる。
よって、多段に積層されたシリコン層の間を導波光が低損失に移行することができる光導波路の製造歩留まりを向上させることができる。

［第４の実施の形態］
本発明の第４の実施の形態にかかる光導波路は、第２の実施の形態において説明した光導波路の製造方法と第３の実施の形態において説明した光導波路の製造方法とを適宜繰り返して実施することにより製造される光導波路である。具体的には、ＳＯＩ基板の単結晶シリコン層で形成した導波路と、このＳＯＩ基板上にアモルファスシリコンを成膜することにより形成される導波路とを接続した光導波路である。

図１２に、本実施の形態にかかる光導波路の断面図を示す。以下、本実施の形態にかかる光導波路の構成について、図１２を参照して説明する。
本実施の形態にかかる光導波路の構成は、図１２（Ａ）に示すように、ＳＯＩ基板４０の単結晶シリコン層４１に形成された先端に向かって漸次的にコア幅が狭くなる形状（以下、単に「テーパー形状」という。）を少なくとも一端に有する単結晶シリコンコア４２と、図１２（Ｂ），（Ｃ）に示すように、単結晶シリコンコア４２とシリコンスラブ４４とを接続するテーパー形状のアモルファスシリコンコア４３と、図１２（Ｄ），（Ｅ）に示すように、シリコンスラブ４４とアモルファスシリコン層４６とを接続するテーパー形状のアモルファスシリコンコア４５と、これらを覆うクラッド層とから構成されている。
なお、アモルファスシリコンコア４５は、シリコンスラブ４４をエッチングストッパとして利用してクラッド層をエッチングして形成されるトレンチにアモルファスシリコンを堆積させることによって、容易に形成することができる。

上記したような本実施の形態にかかる光導波路の構造、すなわち、図１２（Ａ）〜（Ｆ）に示すように、単結晶シリコンコア４２とシリコンスラブ４４とをテーパー形状のアモルファスシリコンコア４３によって接続してシリコンスラブ４４とアモルファスシリコン層４６とをテーパー形状のアモルファスシリコンコア４５によって接続し、かつ、単結晶シリコン層４１上のアモルファスシリコンコア４３の他端のコア幅を徐々に狭くしていくことにより、単結晶シリコンコア４２を移行する導波光は、ＳＯＩ基板４０の上に積層されたアモルファスシリコン導波路４７へ収まるような分布となる。
その結果、図１２（Ｇ）に示すように、ＳＯＩ基板４０の単結晶シリコン層４１とアモルファスシリコン導波路４７とをクラッド層を介して分離した構成とすることができる。

このように、本実施の形態にかかる光導波路によれば、ＳＯＩ基板上の単結晶シリコン層の導波路とアモルファスシリコン導波路とを、導波光のスポットサイズを変換するとともに導波光が低損失に移行するよう接続させることができ、それぞれの導波路特定を生かした集積デバイスの自由な配置ができることから、ＰＬＣのさらなる高集積化を実現することが可能となる。

上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。

（付記１）シリコン層を選択的にエッチングして第１のコアを形成する工程と、前記シリコン層と前記第１のコアとを覆う第１のクラッド層を形成する工程と、前記第１のクラッド層の前記第１のコアの少なくとも一端と重なる領域を含んだ部分を選択的に除去して第１のトレンチを形成する工程と、前記第１のトレンチ内にシリコンを堆積させて第２のコアを形成する工程と、前記第１のクラッド層と前記第２のコアとを覆う第２のクラッド層を形成する工程とを備えることを特徴とする光導波路の製造方法。

（付記２）付記１に記載の光導波路の製造方法において、前記第１のトレンチを形成する工程は、前記第１のクラッド層の底面に接するシリコンを境界面として前記第１のクラッド層の前記第１のコアの少なくとも一端と重なる領域を含んだ部分を選択的に除去することを特徴とする光導波路の製造方法。

（付記３）付記２に記載の光導波路の製造方法において、前記第１のコアを形成する工程は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板の単結晶シリコン層を選択的にエッチングし、前記第１のクラッド層を形成する工程は、前記単結晶シリコン層と前記第１のコアとを覆うシリコン酸化膜を成膜し、前記第１のトレンチを形成する工程は、前記単結晶シリコン層を境界面として前記シリコン酸化膜をエッチングすることを特徴とする光導波路の製造方法。

（付記４）付記１乃至３のいずれかに記載の光導波路の製造方法において、前記第２のコアを形成する工程は、前記第１のトレンチ内にアモルファスシリコンを堆積する工程と、堆積された前記アモルファスシリコンを化学機械研磨して、前記第１のトレンチ内に堆積した前記アモルファスシリコンの表面と前記第１のクラッド層との表面とを同一の平坦な面とする工程とを備えることを特徴とする光導波路の製造方法。

（付記５）付記４に記載の光導波路の製造方法において、前記第２のコアを形成する工程は、前記第１のトレンチ内にポリシリコンを堆積させることを特徴とする光導波路の製造方法。

（付記６）付記１乃至５のいずれかに記載の光導波路の製造方法において、前記第２のコアを形成する工程の後に、前記第２のコアと前記第１のクラッド層との上面にシリコンスラブを形成する工程と、前記第２のコアと前記第１のクラッド層との上面に形成されたシリコンスラブの上面に前記第２のクラッド層を形成する工程と、前記第２のクラッド層を選択的に除去して第２のトレンチを形成する工程と、前記第２のトレンチ内にシリコンを堆積させて第３のコアを形成する工程と、前記第３のコアを化学機械研磨して、前記第２のクラッド層の表面と前記第３のコアの表面とを同一の平坦な面とする工程と、前記第３のコアと前記第２のクラッド層とを覆う第３のクラッド層を形成する工程とをさらに備えることを特徴とする光導波路の製造方法。

（付記７）付記１に記載の光導波路の製造方法において、前記第１のクラッド層を形成する工程の後に、前記第１のコアの表面と前記第１のクラッド層の表面とを同一の平坦な面とする工程と、前記第１のコアと前記第１のクラッド層との上面にシリコンスラブを形成する工程と、前記第１のコアと前記第１のクラッド層との上面に形成されたシリコンスラブ上に前記第２のクラッド層を形成する工程と、前記第２のクラッド層の前記第１のコアの少なくとも一端と重なる領域を含んだ部分を選択的に除去して前記第１のトレンチを形成する工程とをさらに備え、前記第１トレンチを形成する工程は、前記第１のコアと前記第１のクラッド層との上面に形成されたシリコンスラブを境界面として前記第２のクラッド層を選択的に除去することを特徴とする光導波路の製造方法。

（付記８）付記１乃至６のいずれかに記載の光導波路の製造方法において、前記第１のコアを形成する工程は、先端に向かって漸次的にコア幅が広くなる形状を少なくとも一端に有するように前記シリコン層を選択的にエッチングし、前記第１のトレンチを形成する工程は、前記第１のコアの少なくとも一端の先端に向かって漸次的にコア幅が広がる形状と重なる領域を含むように、先端に向かって漸次的にトレンチの幅が狭くなるよう選択的に前記第１のクラッド層を除去することを特徴とする光導波路の製造方法。

（付記９）付記７に記載の光導波路の製造方法において、前記第１のコアを形成する工程は、先端に向かって漸次的にコア幅が狭くなる形状を少なくとも一端に有するように前記シリコン層を選択的にエッチングし、前記第１のトレンチを形成する工程は、前記第１のコアの少なくとも一端の先端に向かって漸次的にコア幅が狭くなる形状と重なる領域を含むように、先端に向かって漸次的にトレンチの幅が狭くなるよう選択的に前記第２のクラッド層を除去することを特徴とする光導波路の製造方法。

（付記１０）先端に向かって漸次的にコア幅が狭くなる形状を少なくとも一端に有するように基板上のシリコン層を選択的にエッチングして形成される第１のコアと、前記シリコン層と前記第１のコアとを覆う第１のクラッド層と、記第１のコアの表面と前記第１のクラッド層の表面とが同一の平坦な面の上に形成されるシリコンスラブと、このシリコンスラブを覆う第２のクラッド層と、前記第１のコアの少なくとも一端の先端に向かって漸次的にコア幅が狭くなる形状と重なる領域を含むように、先端に向かって漸次的にトレンチの幅が狭くなるよう選択的に前記第２のクラッド層を除去して形成された第１のトレンチ内にシリコンを堆積させた第２のコアと、前記第２のクラッド層と前記第２のコアとを覆う第３のクラッド層とを備えることを特徴とする光導波路。

（付記１１）ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板の単結晶シリコン層を選択的にエッチングすることにより少なくとも一端が先端に向かって漸次的にコア幅が広くなるテーパー状に形成された第１のコアと、この第１のコアと前記単結晶シリコン層とをシリコン酸化膜によって所定の厚さで覆う第１のクラッド層と、前記第１のコアの少なくとも一端が先端に向かって漸次的にコア幅が広くなる形状と重なる領域を含むように、先端に向かって漸次的にトレンチの幅が狭くなるよう選択的に前記第１のクラッド層を除去して形成された第１のトレンチにシリコンを堆積して形成される第２のコアと、この第２のコアと前記第第１のクラッド層とをシリコン酸化膜によって所定の厚さで覆う第２のクラッド層とを備えることを特徴とする光導波路。

（付記１２）付記１１に記載の光導波路において、
前記第２のコアの表面と前記第１のクラッド層の表面とが同一で平坦な面の上に形成されるシリコンスラブと、このシリコンスラブを覆う第２のクラッド層と、前記シリコンスラブを境界面として前記第２のクラッド層を選択的にエッチングして形成された第２のトレンチにシリコンを堆積した第３のコアと、前記第２のクラッド層と前記第３のコアとを覆う第３のクラッド層とをさらに備えることを特徴とする光導波路。

（付記１３）基板上のシリコン層を選択的にエッチングして第１のコアを形成する工程と、前記シリコン層と前記第１のコアとを覆う第１のクラッド層を形成する工程と、前記第１のコアを化学機械研磨して、前記第１のコアの表面と前記第１のクラッド層の表面とを同一の平坦な面とする工程と、前記第１のコアと前記第１のクラッド層との上面にシリコンスラブを形成する工程と、前記第１のコアと前記第１のクラッド層との上面に形成されたシリコンスラブ上に前記第２のクラッド層を形成する工程と、前記第２のクラッド層の前記第１のコアの少なくとも一端と重なる領域を含んだ部分を選択的に除去して第１のトレンチを形成する工程と、前記第１のトレンチ内にシリコンを堆積させて第２のコアを形成する工程と、前記第２のクラッド層と前記第２のコアとを覆う第３のクラッド層を形成する工程とを備え前記第１トレンチを形成する工程は、前記第１のコアと前記第１のクラッド層との上面に形成されたシリコンスラブを境界面として前記第２のクラッド層を選択的に除去することを特徴とする光導波路の製造方法。

（付記１４）付記１３に記載の光導波路の製造方法において、前記第１のコアを形成する工程は、先端に向かって漸次的にコア幅が狭くなる形状を少なくとも一端に有するように前記シリコン層を選択的にエッチングし、前記第１のトレンチを形成する工程は、前記第１のコアの少なくとも一端の先端に向かって漸次的にコア幅が狭くなる形状と重なる領域を含むように、先端に向かって漸次的にトレンチの幅が狭くなるよう選択的に前記第２のクラッド層を除去することを特徴とする光導波路の製造方法。

光通信におけるＰＬＣに用いられる光導波路の製造方法および光導波路に利用可能である。

１０…シリコン層、１１…第１のコア、１２，２３，３４…第１のクラッド層、１３…第１のトレンチ、１４…第２のコア、１５，２７，３５…第２のクラッド層、２０，４０…ＳＯＩ基板、２１…シリコン層、２１−１…エッチングにより形成される溝、２１−２，３１…第１のシリコンコア、２２…絶縁層、２４…第１のトレンチ、２５…シリコン（アモルファスシリコンまたはポリシリコン）、２６，３３…第２のシリコンコア、３２，４４…シリコンスラブ、３６…第３のクラッド層、４１…単結晶シリコン層、４２…単結晶シリコンコア、４３，４５…アモルファスシリコンコア、４６…アモルファスシリコン層、４７…アモルファスシリコン導波路。

Claims (8)

1. シリコン層を選択的にエッチングして第１のコアを形成する工程と、
   前記シリコン層と前記第１のコアとを覆う第１のクラッド層を形成する工程と、
   前記第１のクラッド層の前記第１のコアの少なくとも一端と重なる領域を含んだ部分を選択的に除去して第１のトレンチを形成する工程と、
   前記第１のトレンチ内にシリコンを堆積させて第２のコアを形成する工程と、
   前記第２のコアと前記第１のクラッド層との上面にシリコンスラブを形成する工程と、
   前記第２のコアと前記第１のクラッド層との上面に形成されたシリコンスラブの上面に第２のクラッド層を形成する工程と、
   前記第２のクラッド層を選択的に除去して第２のトレンチを形成する工程と、
   前記第２のトレンチ内にシリコンを堆積させて第３のコアを形成する工程と、
   前記第３のコアと前記第２のクラッド層とを覆うシリコン層を形成する工程と
   を備えることを特徴とする光導波路の製造方法。
2. 請求項１に記載の光導波路の製造方法において、
   前記第１のトレンチを形成する工程は、前記第１のクラッド層の底面に接するシリコンを境界面として前記第１のクラッド層の前記第１のコアの少なくとも一端と重なる領域を含んだ部分を選択的に除去することを特徴とする光導波路の製造方法。
3. 請求項２に記載の光導波路の製造方法において、
   前記第１のコアを形成する工程は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板の単結晶シリコン層を選択的にエッチングし、
   前記第１のクラッド層を形成する工程は、前記単結晶シリコン層と前記第１のコアとを覆うシリコン酸化膜を成膜し、
   前記第１のトレンチを形成する工程は、前記単結晶シリコン層を境界面として前記シリコン酸化膜をエッチングすることを特徴とする光導波路の製造方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路の製造方法において、
   前記第２のコアを形成する工程は、
   前記第１のトレンチ内にアモルファスシリコンを堆積する工程と、
   堆積された前記アモルファスシリコンを化学機械研磨して、前記第１のトレンチ内に堆積した前記アモルファスシリコンの表面と前記第１のクラッド層との表面とを同一の平坦な面とする工程と
   を備えることを特徴とする光導波路の製造方法。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の光導波路の製造方法において、
   前記第１のコアを形成する工程は、先端に向かって漸次的にコア幅が広くなる形状を少なくとも一端に有するように前記シリコン層を選択的にエッチングし、
   前記第１のトレンチを形成する工程は、前記第１のコアの少なくとも一端の先端に向かって漸次的にコア幅が広がる形状と重なる領域を含むように、先端に向かって漸次的にトレンチの幅が狭くなるよう選択的に前記第１のクラッド層を除去することを特徴とする光導波路の製造方法。
6. シリコン層を選択的にエッチングして第１のコアを形成する工程と、
   前記シリコン層と前記第１のコアとを覆う第１のクラッド層を形成する工程と、
   前記第１のコアの表面と前記第１のクラッド層の表面とを同一の平坦な面とする工程と、
   前記第１のコアと前記第１のクラッド層との上面にシリコンスラブを形成する工程と、
   前記第１のコアと前記第１のクラッド層との上面に形成されたシリコンスラブ上に第２のクラッド層を形成する工程と、
   前記第２のクラッド層の前記第１のコアの少なくとも一端と重なる領域を含んだ部分を選択的に除去して第１のトレンチを形成する工程と、
   前記第１のトレンチ内にシリコンを堆積させて第２のコアを形成する工程と、
   前記第１のクラッド層と前記第２のコアとを覆う第３のクラッド層を形成する工程とを備え、
   前記第１トレンチを形成する工程は、前記第１のコアと前記第１のクラッド層との上面に形成されたシリコンスラブを境界面として前記第２のクラッド層を選択的に除去する
   ことを特徴とする光導波路の製造方法。
7. 請求項６に記載の光導波路の製造方法において、
   前記第１のコアを形成する工程は、先端に向かって漸次的にコア幅が狭くなる形状を少なくとも一端に有するように前記シリコン層を選択的にエッチングし、
   前記第１のトレンチを形成する工程は、前記第１のコアの少なくとも一端の先端に向かって漸次的にコア幅が狭くなる形状と重なる領域を含むように、先端に向かって漸次的にトレンチの幅が狭くなるよう選択的に前記第２のクラッド層を除去することを特徴とする光導波路の製造方法。
8. 先端に向かって漸次的にコア幅が狭くなる形状を少なくとも一端に有するように基板上のシリコン層を選択的にエッチングして形成される第１のコアと、
   前記シリコン層と前記第１のコアとを覆う第１のクラッド層と、
   前記第１のコアの表面と前記第１のクラッド層の表面とが同一の平坦な面の上に形成されるシリコンスラブと、
   このシリコンスラブを覆う第２のクラッド層と、
   前記第１のコアの少なくとも一端の先端に向かって漸次的にコア幅が狭くなる形状と重なる領域を含むように、先端に向かって漸次的にトレンチの幅が狭くなるよう選択的に前記第２のクラッド層を除去して形成された第１のトレンチ内にシリコンを堆積させた第２のコアと、
   前記第２のクラッド層と前記第２のコアとを覆う第３のクラッド層と
   を備えることを特徴とする光導波路。

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