JP6369036B2 - 光導波路及び光導波路の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光導波路及び光導波路の製造方法に関し、特に導波光の透過損失を低減する、光導波路及び光導波路の製造方法に関する。

シリコン光導波路の一つに、非特許文献１の、基板上に形成されたスラブと呼ばれるシリコン薄膜の導波路に幅１ｕｍ程度のシリコンの突起形状を設けて横方向の閉じ込めを強くしたシリコンのリブ型光導波路がある。このリブ型光導波路は、導波路内で高次モードの生成を抑制でき、且つ、ＰＤＬ（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｌｏｓｓ、偏波依存損失）を小さく抑えられる。

このリブ型光導波路の光の主モードの大きさが約１μｍなのに対し、通常のシングルモード光ファイバの光の主モードの大きさは約９μｍと大きい。この光の主モードの大きさの違いのため、シングルモード光ファイバとリブ型光導波路との接続の際、結合損失が大きくなってしまう。

この結合損失を低減する方法の１つに、リブ型光導波路のコアを光ファイバに向かって緩やかに大きくし光の主モードの径を大きくする、コア拡大型のスポットサイズ変換器の導入がある。これまで複数のスポットサイズ変換器が提案されており、例えば、特許文献１〜５に記載されているように、緩やかに幅の広がっていくシリコンコア層を２段以上重ねて作るスポットサイズ変換機能を有する光導波路が提案されている。

これら多段のスポットサイズ変換機能を有する光導波路を作成する方法として、スポットサイズ変換機能部分を形成する領域を含む広い領域で追加コア層を厚く再成長させ、その後エッチングによりスポットサイズ変換機能を有する光導波路を形成する方法がある。

しかしこの製造方法では図１８に示したように、光機能素子側の光導波路と、コア層を再成長させたスポットサイズ変換機能部分との間に、リブ型光導波路に直行する方向に伸びる障壁層９０７が生じてしまう。これは素子側の光導波路とスポットサイズ変換機能部分を各々別に形成するためである。具体的には、形成された一方をマスクで覆った上で他方を形成するため、一方と他方の境界部分にマージンを持たせてマスクを形成することに起因する。この障壁層９０７があると、高次モードへの結合や反射による透過損失が生じる事が懸念される。この透過損失に対し図１８のように、非特許文献２に記載されている障壁層前後の光導波路にテーパー構造９０１−１、９０１−２を導入することで透過損失を抑制出来る事が知られている。

特開２００１−０３３６４２号公報 特許第４７１９２５９号公報 特表２００１−５１０５８９号公報 米国特許７０８８８９０号 国際公開２０１２／０４２７９５号

"Ｈｉｇｈ ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｌｙ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗｉｔｈ ｓｉｌｉｃｏｎ ｐｈｏｔｏｎｉｃ １ｘ８ ｓｗｉｔｃｈ"，中村他、ＯＦＣ２０１２、ＯＴｕ２Ｉ．３ "Ｔａｐｅｒ−Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ−Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｂａｓｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｃｒｏｓｓｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ"、Ｃｈｙｏｎｇ−Ｈｕａ Ｃｈｅｎ、ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ＶＯＬ． ４６， ＮＯ． １１、ｐｐ１６５６−１６６１

ただし、非特許文献２の構成を適用すると図１８に示すように、テーパー構造９０１−１、９０１−２の長さだけスポットサイズ変換機能を有する光導波路が長くなるという課題が生じる。これは、１枚の基板から製造できる光導波路の数が少なくなり、製造コストが増加することを意味している。

本発明の目的は、上述の課題を解決する光導波路を提供することにある。

本発明の光導波路は、第一のリブと、第二のリブとが、一側から他側への一方向に沿ってスラブ層上に設けられ、さらに前記第一のリブと前記第二のリブの間に障壁層が接続された光導波路であって、前記第一のリブは、前記一側の第一の端部から、前記障壁層に接続する第二の端部にかけて幅が広くなる第一のテーパー部を有し、前記第二のリブは、前記スラブ層の面に順に積層された第一の層、第二の層を有し、前記第一の層は、前記第二の端部と略同じ幅でありかつ前記障壁層と接続している第三の端部から前記他側の第四の端部にかけて、同じ幅、または幅が広くなる形状を有し、前記第二の層は、前記一側の第五の端部から第六の端部にかけて幅が広くなる第二のテーパー部を有し、前記障壁層の前記一方向の一端と他端はいずれも前記第二の端部と前記第三の端部より広い幅を有する。

本発明の構成により、障壁層の前後の透過損失を抑制し、かつスポットサイズ変換機能を有する光導波路の短尺化が可能である。ひいては、集積光機能素子の製造コストを低減できる。

本発明の第一の実施の形態における光導波路の構成例を示す図である。 本発明の第一の実施の形態における光導波路の他の構成例を示す図である。 本発明の第一の実施の形態における光導波路の製造方法の例を示す図である。 本発明の第二の実施の形態における光導波路の構成例を示す図である。 本発明の第二の実施の形態における光導波路の製造方法の例を示す図である。 本発明の第一の実施の形態における光導波路の構成例との比較を説明する図である。 本発明の第二の実施の形態および第一の実施形態における光導波路の構成例の段差に起因する不整合損失の計算結果を示す図である。 本発明の第三の実施の形態における光導波路の構成例を示す図である。 本発明の第三の実施の形態における光導波路の製造方法の例を示す図である。 本発明の実施例における光導波路の障壁層の前後での透過損失の第一のリブ１０及び第二のリブ２０との幅（リブ幅）への依存性の計算結果を示す図である。 本発明の実施例１における光導波路の、透過損失の障壁層の厚さ依存性を示す図である。 本発明の実施例１及び比較例における光導波路の、透過損失の第三の端部の幅（リブ幅）及び第五の端部４２の幅（先端幅）依存性を示す図である。 本発明の実施例１及び比較例における光導波路の、透過損失の第五の端部の第三の端部の中心からの横ずれ依存性を示す図である。 本発明の実施例２の光導波路の光導波路の構成を示す図である。 本発明の第一の実施形態の光導波路の構成を適用した場合の構成例を示す図である。 本発明の第一の実施の形態における光導波路の製造方法の例における工程Ｅの詳細な具体例を示す図である 本発明の第二の実施の形態における光導波路の製造方法の例における工程Ｅの詳細な具体例を示す図である 非特許文献２に記載の技術をスポットサイズ変換機能を有する光導波路に適用した例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を説明する。各実施例は例示であり、本発明は各実施形態に限定されるものではない。

［第一の実施形態］本発明の第一の実施形態を説明する。図１は、本発明の第一の実施形態における光導波路の構成例の鳥瞰図を示す。

［構成の説明］以下、図１を参照して本実施形態における光導波路の構成例を説明する。図１に示したように、光導波路１００は、スラブ層１、第一のリブ１０、第二のリブ２０、障壁層３０を有する。

光導波路１００は、第一のリブ１０と、第二のリブ２０とが、一側から他側への一方向に沿ってスラブ層１上に設けられ、さらに第一のリブ１０と第二のリブ２０の間に障壁層３０が接続された光導波路である。図１において、一側は図示左手前側、他側は図示右奥側である。また、図１に示したように、障壁層３０の厚さ方向とは一側から他側への一方向の障壁層の厚さの方向である。

第一のリブ１０は、一側の第一の端部１１から、障壁層３０に接続する第二の端部１２にかけて幅が広くなる第一のテーパー部１３を有する。このように、第一のリブ１０の幅が連続的に緩やかに変わることで、導波する光の主モードの形状を低損失で図１中幅方向に変換することができる。

第二のリブ２０は、スラブ層１の面に順に積層された第一の層２１、第二の層４１を有する。

第一の層２１は、第二の端部１２と略同じ幅でありかつ障壁層３０と接続している第三の端部２２から他側の第四の端部２３にかけて、同じ幅、または図２に示すように幅が広くなる形状を有する。また、障壁層３０の前述の一方向の一端と他端はいずれも第二の端部１２と第三の端部２２より広い幅を有する。図２に示すように第一の層２１が第三の端部２２から第四の端部２３にかけて幅が広くなる形状を有する場合、第一のリブ１０の幅が連続的に緩やかに変わる。そのため、第一のリブ１０と同様に、導波する光の主モードの形状を図２中の幅方向に低損失で変換することができる。この場合、障壁層３０を除く、第一の端部１１から第四の段部２３にかけて導波する光の主モードを連続的に幅方向に低損失で変換することができる。また、第三の端部２２を第二の端部１２と略同じ幅とすることで、第二の端部１２、障壁層３０、第三の端部２２の間の境界面で光の電磁界分布がほとんど変わらなくなり、結合損を抑制することができる。加えて、第三の端部２２を第二の端部１２と略同じ幅とすることで、導波する光の障壁層３０で生じる透過損失の偏光依存性を低減することができる。

第二の層４１は、一側の第五の端部４２から第六の端部４３にかけて幅が広くなる第二のテーパー部４４を有する。このように、第二の層４１の幅が連続的に緩やかに変わることで、導波する光の主モードの図１中の高さ方向の形状を低損失で変換できる。

［製造方法の説明］次に、図３を参照し、本実施形態の光導波路１００の製造方法をエッチングによる光導波路の形成を例に説明する。図３中Ａ〜Ｅが示す５工程として製造方法を説明する。

コア層２００がクラッド層２０１の上に配置された基板３００を用意する（図３中Ａ：基板の用意）。コア層２００の厚さは、例えば接続予定の光機能素子などの光導波路の高さとすることができる。これにより、光機能素子などの光導波路の上面部のエッチングが不要となり、製造が容易となる。以降クラッド層２０１は図示が省略される。

次に、コア層２００に第一のリブ１０を形成する（図３Ｂ：第一のリブの形成）。第一のリブ１０の上面は、予め高い平坦性を有するコア層２００の上面を用いることができる。この場合は、エッチングによる平坦性の荒れが無く、第一のリブ１０は低損失な光導波路となる。この際、スラブ層１の厚さは光機能素子などの光導波路のスラブ層と同じとすることができる。さらに、第一のリブ１０の高さ方向の上面が障壁層３０の上面と同じとすることができる。これらのどちらも光機能素子などと同時に製造することを可能にし、製造を簡素化する。この段階では第二のリブ２０を形成する領域にはコア層２００の上面がそのまま残された状態である。

次に、第一のリブ１０を覆う保護層２０３を形成する。この保護層２０３は、第一のリブ１０を含まないコア層２００のうち第一のリブ１０と隣接する領域も覆う。ここでの隣接する領域とは、保護層２０３の形成の誤差を考慮し、また第一のリブ１０を完全に覆うために、保護層２０３の形成の領域に設けられうるマージンを指す。すなわち保護層２０３は、第二のリブ２０を形成する領域も一部カバーし、保護層２０３に覆われていない部分は第二のリブ２０を形成する領域のみとする（図３Ｃ：保護層の形成）。

次に、コア層２００上の第二のリブ２０を形成する領域に追加コア層２０４が形成される（図３Ｄ：追加コア層の形成）。この工程において、コア層２００がそのまま残っている第二のリブ２０を形成する領域のみが追加コア層２０４が形成させる領域として選択されており、且つ、その領域が十分な広さを持っており、良好な厚膜の追加コア層２０４を成長させることができる。

図３Ｄに示される工程で形成された追加コア層２０４を多段にエッチングし、第一の層２１と第二の層４１とを有する第二のリブ２０を形成する（図３Ｅ：第二のリブの形成）。第一のリブ１０と第二のリブ２０とを別工程でエッチングするため、図３Ｅに示されるように、保護層２０３の形成に由来する障壁層３０が付随して形成される。図３Ｅに示される工程の詳細な具体例を図１６に示す。図１６（Ｅ−１）の工程ではリソグラフィにより追加コア２０４の積層方向上面に保護膜２０５が生成され、以降（Ｅ−２）、（Ｅ−３）にわたって追加コア２０４及びコア層２００が多段にエッチングされることで、第二の層４１と第一の層２１が形成される。

図示しないが、本製造方法では、図３Ｅの工程の後にさらにクラッド層を堆積させる。上層にもクラッド層を配置することでコア層２００の酸化を防ぐことが出来、長期間低損失の光の主モードの変換を提供できる。

例示した製造方法以外でも、本実施形態における光導波路１００を製造できる他の製造方法であってもよい。

［作用の説明］次に、図１を参照して光導波路１００の作用の説明をする。ここでは、一側から他側への一方向に光導波路１００を光が導波することで、光の主モードの径が拡大される例によって説明する。

第一の端部１１側から第一のリブ１０に入射した光は、まず、第一のテーパー部１３内を導波する過程で図１における幅方向に主モードの径が低損失で拡大される。第二の端部１２と障壁層３０との境界、障壁層３０と第三の端部２２との境界においては導波する光の主モードの電磁界分布のずれが生じ、透過損失が生じる。しかし、第三の端部２２は第二の端部１２と略同じ幅であるため、おのおのの境界面での光の主モードの電磁界分布が変わらなくなり、透過損失は低減される。さらに、主モードの径が拡大する方向、縮小する方向のいずれの方向に光が導波した場合でも、その透過損失は同じとなる。加えて、第三の端部２２の幅を障壁層３０の厚さに対して十分広くしたことで、導波する光の透過損失の偏波依存性を低減することができる。

次に、第三の端部２２から第二のリブ２０の第一の層２１に入射した光は、第一の層２１と第二の層４１の積層部分から他側に向かって導波する際、第二のテーパー部４４の幅が広くなるにしたがって今度は積層方向（図１中高さ方向）に主モードの径が低損失で拡大される。ここで、第五の端部４２は有限の幅を有するため、一般にその先端位置の前後で光のモードの形状が大きく変わり、透過損失が生じる。しかし、第三の端部２２を第二の端部１２と略同じ幅とすることで、第五の端部４２の前後で第一の層２１の幅が第五の端部より十分広くなる。このため第一の層２１に光が多く閉じ込められ、光の電磁界分布もほとんど第一の層２１の内部に閉じ込められる。このため、第五の端部４２の先端位置の前後で光の電磁界分布がほとんど変わらなくなり、透過損失を抑制できる。

前述の理由から、高さ方向に光の主モードを拡大したい場合は、あらかじめ下層のリブ幅を十分広げた上で上段にテーパー部を設ける必要がある。しかも、図１６に示したように、非特許文献１に記載の技術においては障壁層３０の前後のテーパー構造９０１−１、９０１−２のため、一旦狭くなったリブ幅を再度拡大する必要があり、下層の光導波路が長くなる問題があった。しかし、本実施形態における第三の端部２２のようにリブ幅が十分広い構成であれば、図１６におけるテーパー構造９０１−２が必要なく、このため前述のリブ幅の拡大が必要ないため、光導波路１００の長さを抑制することができる。また、前述の長さを抑制することにより、製造時に生じた光導波路の側壁の荒れなどに起因する損失も低減できる。

このように、一側から他側への一方向に光導波路１００を光が導波することで、光の主モードの径が拡大される。ここでは、一側から他側への一方向に光導波路１００を光が導波することで、光の主モードの径が拡大される例を示したが、他側から一側への方向に光導波路１００を光が導波することで、光の主モードの径が縮小されることは言うまでもない。

［効果の説明］上述のように、本実施形態における光導波路１００は、第一のリブ１０と、第二のリブ２０とが、一側から他側への一方向に沿ってスラブ層１上に設けられ、さらに第一のリブ１０と第二のリブ２０の間に障壁層３０が接続された光導波路であって、第一のリブ１０は、一側の第一の端部１１から、障壁層３０に接続する第二の端部１２にかけて幅が広くなる第一のテーパー部１３を有し、第二のリブ２０は、スラブ層１の面に順に積層された第一の層２１、第二の層４１を有し、第一の層２１は、第二の端部１２と略同じ幅でありかつ障壁層３０と接続している第三の端部２２から他側の第四の端部２３にかけて、同じ幅、または幅が広くなる形状を有し、第二の層２１は、一側の第五の端部４２から第六の端部４３にかけて幅が広くなる第二のテーパー部４４を有し、障壁層３０の一方向の一端と他端はいずれも第二の端部１２と第三の端部２２より広い幅を有する。したがって、第一の実施形態では、スポットサイズ変換機能を有する光導波路の短尺化が可能である。ひいては、集積光機能素子の製造コストを低減できる。

スラブ層１と、第一のリブ１０と、第二のリブ２０とには屈折率約３．５のシリコンを用いることが好ましい。すなわち、製造工程にてコア層２００に上述のシリコンを用いることが好ましい。また、クラッド層には、屈折率１．５の二酸化ケイ素を用いることが好ましい。

第一の層２１の高さを第一のリブ１０の高さと同じとすることが好ましい。第二の端部１２と第三の端部２２とが略同じ幅であることに加え、先述のように高さを同じにすることで、より障壁層３０の前後での透過損失が抑制される。

第四の端部２３と第六の端部４３の端面が面一であることが望ましい。また、第六の端部４３は第四の端部２３と略同じ幅であるであることが望ましい。

第五の端部４２は、一方向に沿って障壁層３０にできるだけ近いことが好ましい。このことにより、光導波路１００の長さを抑制することができる。

第六の端部４３は、第四の端部２３と揃えて形成されることが好ましい。

本実施形態において第二のリブ２０は第一の層２１と第二の層４１の計２層であるが、それ以上設けることもできる。また、第一の層２１と第二の層４１とは接着剤等を挟んで光学的に接続していてもよいし、直接積層していてもよい。

［第二の実施形態］本発明の第二の実施形態を説明する。図４は、本発明の第二の実施形態における光導波路の構成例の鳥瞰図を示す。第二の実施形態における光導波路１０１は、第一の実施形態における光導波路１００と第五の端部４２が障壁層３０の高さ方向上面内にある段差と接する点が異なる。すなわち、第一の実施形態と第二の実施形態では、一側から他側に向かう一方向に沿った第五の端部４２の位置が異なる。

［製造方法の説明］図５には、図３Ｃの保護層の形成の工程（図５右下）と図４の光導波路１０１の構造（図５左）、及び光導波路１０１の側面図と断面図（図５右上）とを比較した図が示されている。図５右下には、図３Ｂの工程で形成された第一のリブ１０の保護層２０３が示されている。この保護層２０３は、第二のリブ２０を形成する領域も図５右下中に示されるエッジ５０までその一部をカバーする。この状態で、コア層２００がそのまま残っている第二のリブ２０を形成する領域のみに、第一のリブ１０の形成とは少なくとも別の工程で、追加コア層２０４の形成および多段のエッチングが行われる。図３Ｅに示される工程の詳細な具体例を図１７に示す。第一の実施形態で示した具体例（図１６）とは、追加コア２０４の積層方向上面に生成される保護膜２０５のみ異なる。このように、一方向に沿ってエッジ５０を境界とした前後で第一のリブ１０および第二のリブ２０が形成される。

［作用の説明］第二のリブ２０を形成する工程において、エッチングの条件は第一のリブ１０の形成時と同じである必要はないため、異なる条件で行われることもありうる。つまり、別の工程かつ場合によっては異なる条件下で、第二のリブ２０が形成される。このため、条件の違いや、同じ条件下での工程（具体例の場合はエッチング）の場合でも製造誤差などの理由により、図５に示されるように一方向に対して垂直にエッジ５０と界面５１に段差が生じる。第五の端部４２は、そのうちのエッジ５０の段差と接する。図５右上の側面図に各段差の一例が示されているが、段差の大きさなどは分かりやすさのためにスケールを適宜調節してある。図５右上の側面図に示されているように、エッジ５０の段差は、追加コア層２０４に対し上層からエッチングした際の第二の層４１の形成時に、そして界面５１の段差は第一の層２１及びスラブ層１の形成時に生じる。

同様に、第一の実施形態における光導波路１００の構成を図３で示した工程で製造した場合にも、図６右下に示す障壁層３０前後の側面図および光の導波経路に沿った断面図に示すように、エッジ５０と界面５２に段差が生じる。しかし、図６右の断面図に示されるように、エッジ５０から第五の端部４２に至るまでにさらに段差（図６右第一の段差５３）を有する点で、第二の実施形態における光導波路１０１と異なる。 図７に、第一のリブ１０および第一の層２１の幅が４μｍ、障壁層３０の厚さが３μｍとした場合の、上述の段差による光のモードの不整合に起因する透過損失の計算結果が示されている。ここで透過損失は、導波する光の入射光強度から出射光強度を減算し、算出した値にマイナスを掛けた値である。図７左は第五の端部４２が光導波路１００の構成の場合の結果を示している。また、図７右は第五の端部４２が第二の実施形態における光導波路１０１の構成の場合の結果を示している。図中横軸のマイナス側は第一のリブ１０側の段差が低い場合であり、プラス側は第一のリブ１０側の段差が高い場合である。

図７に示されるように、第一のリブ１０と第二のリブ２０との間で段差または高さのずれが生じると損失が生じる。図７左に示されるように、横軸（エッチング高さずれ）でマイナス側の損失がより大きい。本実施形態に示されるように、第五の端部４２が障壁層３０の高さ方向上面内にあるエッジ５０の段差に接する構成とすることで、図７右に示されるようにマイナス側の損失を抑制できる。例えば、図７右に示されるように、例えば０．２μｍのずれに対して、図７左の第一の実施形態の光導波路１００の構成と比較して０．００５ｄＢの損失改善を実現できる。このように、本実施形態における光導波路１０１は、製造工程において生じる段差による損失を抑制できる。

［第三の実施形態］本発明の第三の実施形態を説明する。図８に、本発明の第三の実施形態における光導波路１０２の構成例の鳥瞰図が示されている。

第三の実施形態における光導波路１０２は、第一の端部１１に略同じ幅で延接された第一の接続部６０と第六の端部４３及び第四の端部２３に略同じ幅で延接された第二の接続部７０とをさらに有する点が第一の実施形態における光導波路１００と異なる。光導波路１０２の製造方法は、図９に示されるように光導波路１００の製造方法と同様である。

第一の接続部６０は第一の端部１１と接続する一端に対する他端で他の光機能素子などの光導波路と接続することができる。第二の接続部７０も同様に、第四の端部２３及び第六の端部４３と接続する一端に対し他端で他の光学デバイスなどと接続できる。以降説明のため、第一の接続部６０が他の光機能素子などの光導波路と接続できる前記他端は第七の端部６１と示される。同様に、第二の接続部７０が他の光学デバイスなどと接続できる前記他端は第八の端部７１と示される。

［実施例１］本実施形態における光導波路１０２に関する計算結果が以下に示される。図１０には、障壁層３０（厚さが３μｍの場合）の前後での透過損失の図１０内の概略図における第一のリブ１０と第二のリブ２０との幅（リブ幅）への依存性の計算結果が示されている。ここで、第二の端部１２と障壁層３０との境界面での光の主モードの形状は縦１μｍ、横４μｍの楕円形状として計算している。図１０に示されるように光の主モードの幅が４μｍであるのに対し、第三の端部２２の幅を４μｍまで広げると、透過損失を０．０５ｄＢ以下まで下げることができる。さらに、図１０中のＴＥ（ＴＥ波、Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗａｖｅ）とＴＭ（ＴＭ波、Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｗａｖｅ）との間の透過損失の差を低減できる。すなわち、リブ幅を非特許文献２における１．２μｍより４μｍまで広くしたことで、導波する光の透過損失の偏波依存性が低減されることが分かる。加えて、リブ幅を前述のように広くしたため、高次モードへの結合損は小さくなり、非特許文献２のように、図１８に示すような障壁層９０３の前後にテーパー構造９０１−１、９０１−２を設ける必要はない。

また、図１１には第一のリブ１０と第二のリブ２０とのリブ幅が４μｍの時の、透過損失の、障壁層３０の厚さ依存性が示されている。図１１に示されるように、障壁層３０は可能な限りその厚さを薄くすることで、導波する光の透過損失を低減でき、さらに偏波依存性も低減できる。

図１２には、導波する光の透過損失の、第三の端部２２の幅（リブ幅）及び第五の端部４２の幅（先端幅）依存性が示されている。図１２の左のグラフに示される比較例のように、リブ幅が狭い（１．３μｍ）時は、例えば先端幅が０．４μｍの時には０．０４ｄＢの透過損失が生じる。一方、図１２の右のグラフに示される本実施例のように、リブ幅が４μｍと広い時は先端幅が１．３μｍの時に前述の透過損失の約半分である０．０２ｄＢに低減する事ができる。

第五の端部４２は有限の幅を有するため、一般にその先端位置の前後で光のモードの形状が大きく変わり、透過損失が生じる。しかし、第三の端部２２の幅が広いほど、第一の層２１に多く光が閉じ込められ、光の電磁界分布もほとんど第一の層２１の内部に閉じ込められる。このため、図１２左の比較例と比べて、図１２右の本実施例の構成では第五の端部４２の先端位置の前後で光の電磁界分布がほとんど変わらなくなるため、透過損失を抑制できる。

実施例１では第五の端部４２は０．４μｍ、第三の端部２２の幅が４μｍである。上述の効果を得るために、第三の端部２２の幅が、第五の端部４２の幅の１０〜２０倍であることが好ましい。

図１３には、導波する光の透過損失の、第五の端部４２の第三の端部２２の中心からの横ずれ依存性が示されている。第五の端部４２は製造時のマスク位置の精度ずれ（約５０ｎｍ）により横方向（幅方向）にずれる可能性がある。しかし、第一の層２１のリブ幅が十分に広い構成のため、図１３に示すように透過損失のマスク横ずれ依存性を抑える事ができる。最大の５０ｎｍのずれが生じた場合、図１３左の比較例（第三の端部２２のリブ幅が１．３μｍの例）では０．０６ｄＢまで損失が増えるが、図１３右の本実施例の構成（第三の端部２２のリブ幅が４．０μｍの例）ではその１／３と小さくできる。

［実施例２］本実施形態における光導波路１０２の一使用例として、第七の端部６１に光機能素子が接続され、第八の端部７１に光ファイバが接続される場合が以下に説明される。図１４には、本実施例における光導波路１０３が示されている。また、以下第七の端部６１側の光の主モードの形状は直径１μｍも円状とし、第八の端部７１側の光の主モードを直径４μｍの円状として説明する。

図１４に示されるように、第一の接続部６０の第七の端部６１における断面は、接続予定の光機能素子の光導波路と略同形状であり、本実施例では１μｍ四方である。加えて、スラブ層１の厚さを接続予定の光機能素子のスラブ層と略同じ厚さとしている。このような構成とすることで、本実施形態における光導波路１０２と接続予定の光機能素子の光導波路をエッチングで同時に作製でき、製造を簡素化することができる。

また、第二の接続部７０の第八の端部７１は、接続予定の光ファイバ（例としてシングルモードファイバ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ、ＳＭＦ）が図中に示されている）内を導波する光の主モードに対応する４μｍ四方である。光ファイバ側の光のモードが中心対称であるため、結合損失を低減できるよう光導波路側も中心対称としている。一般的に光ファイバ側のモード径は光導波路側よりも大きいため、対応する７μｍ四方程度まで第八の端部７１を大きくすることが可能である。また、第八の端部７１の高さまたは第二の層４１の幅のみを光ファイバ側のモード径に合わせることでも結合損を低減することが可能である。しかし、前述のように高さまたは幅のみを対応させる場合は、高さと幅の比が大きく異なると、内部を対称性の悪化のために光ファイバとの結合損が増えてしまう。

ここで、非特許文献２に記載の技術（図１８におけるテーパー構造９０１−１〜９０１−２）を適用した場合の構成と実施例２の構成を比較する。ここで、共通する構成に関しては、本実施例で用いた符号を適宜用いる。第一の端部１１側の光の主モードが直径１μｍの円状、第四の端部２３、第六の端部４３側の光の主モードが直径４μｍの円状、障壁層３０の厚さを３μｍとした場合、非特許文献２に記載の技術を適用すると、障壁層３０の前後にそれぞれ５００μｍのテーパー構造が必要とされる。さらに、光の主モードの高さ方向の変換のため、前述のいずれかのテーパー構造に連結して、幅が緩やかに広がる第一の層２１と、その上に積層する、高さ方向に主モードの径を拡大させるための多層構造（第二の層４１と対応）とを含む光導波路（第二のリブ２０と対応）が８００μｍ必要とされる。すなわち光の主モードの径の変換に関わる構造で、約１８００μｍの長さを要する。

しかし、本実施例における光導波路１０２の構成では、前述のテーパー構造のうち、障壁層３０と第二のリブ２０との間にある側のものが不要であり、まずは５００μｍの短尺化ができる。さらに第一の層２１を、第三の端部２２が４μｍ、第三の端部２２から第四の端部２３にかけて光ファイバを接続する第二の接続部７０の幅へ緩やかに増加する構造とすると、第二のリブ２０は５００μｍに抑えることができ、３００μｍ短尺化できる。つまり、全体で８００μｍの短尺化ができる。この構成では、前述の非特許文献２に記載の技術を適用した場合の構成よりも素子全体で０．１５ｄＢ損失が改善した。

または第一の実施形態の光導波路１００および第二の実施形態における光導波路１０１においても、図１５に示されるように第一の端部１１における断面が接続予定の光機能素子の光導波路と略同形状とされうる。このような構成とすることで、実施例２において先述した理由で製造を簡素化することができる。

このような構成とすることは、光機能素子に対してのみでなく、他の接続予定の光学部材や光デバイスに対して行ってよく、また第二の接続部７０において行ってもよい。

上記の実施形態の一部または全部は、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］
第一のリブと、第二のリブとが、一側から他側への一方向に沿ってスラブ層上に設けられ、さらに前記第一のリブと前記第二のリブの間に障壁層が接続された光導波路であって、
前記第一のリブは、前記一側の第一の端部から、前記障壁層に接続する第二の端部にかけて幅が広くなる第一のテーパー部を有し、
前記第二のリブは、前記スラブ層の面に順に積層された第一の層、第二の層を有し、
前記第一の層は、前記第二の端部と略同じ幅でありかつ前記障壁層と接続している第三の端部から前記他側の第四の端部にかけて、同じ幅、または幅が広くなる形状を有し、
前記第二の層は、前記一側の第五の端部から第六の端部にかけて幅が広くなる第二のテーパー部を有し、
前記障壁層の前記一方向の一端と他端はいずれも前記第二の端部と前記第三の端部より広い幅を有する、光導波路。
［付記２］
前記第五の端部が前記障壁層の高さ方向上面内にある段差に接する、付記１に記載の光導波路。
［付記３］
前記第六の端部は、第四の端部と揃えて形成される、付記１または２に記載の光導波路。
［付記４］
前記第一のリブと前記第二のリブとの高さ方向上面が略同一面内にある、付記１から３のいずれかに記載の光導波路。
［付記５］
前記第一の端部に略同じ幅で延接された第一の接続部をさらに有する付記１から４のいずれかに記載の光導波路。
［付記６］
前記第一の接続部で光機能素子と接続する、付記５に記載の光導波路。
［付記７］
前記第六の端部は前記第四の端部と略同じ幅である、付記１から６のいずれかに記載の光導波路。
［付記８］
前記第六の端部及び前記第四の端部に略同じ幅で延接された第二の接続部をさらに有する付記７に記載の光導波路。
［付記９］
前記第二の接続部で光ファイバと接続する、付記８に記載の光導波路。
［付記１０］
前記第一のリブと前記スラブ層との積層部分の前記第一の端部の断面が略１μｍ四方である、付記１から９のいずれかに記載の光導波路。
［付記１１］
前記第一の端部の断面が接続予定の光機能素子の光導波路と略同形状である、付記１から１０のいずれかに記載の光導波路。
［付記１２］
前記第一の層と前記第二の層と前記スラブ層との積層部分の前記第四の端部および前記第六の端部における積層方向の断面の幅及び高さが、４−７μｍである、付記１から１１のいずれかに記載の光導波路。
［付記１３］
前記第三の端部の幅が、前記第五の端部の幅の１０〜２０倍である、付記１から１２のいずれかに記載の光導波路。
［付記１４］
付記１から１３のいずれかに記載の光導波路の製造方法であって、
コア層がクラッド層の上に配置された基板の前記コア層に前記第一のリブを形成する工程と、
前記第一のリブと前記第一のリブを含まない前記コア層のうち前記第一のリブと隣接する領域を覆う保護層を形成する工程と、
前記保護層に覆われていない前記コア層上に追加コア層を形成する工程と
前記追加コアを多段にエッチングし、第一の層と第二の層とを有する第二のリブを形成する工程と、を有する光導波路の製造方法。
［付記１５］
前記追加コア層が前記保護層に接して形成される、付記１４に記載の光導波路の製造方法。
［付記１６］
前記第一のリブと前記第二のリブと前記スラブ層とがシリコンである、付記１から１３のいずれかに記載の光導波路。

１ スラブ層
１０ 第一のリブ
１１ 第一の端部
１２ 第二の端部
１３ 第一のテーパー部
２０ 第二のリブ
２１ 第一の層
２２ 第三の端部
２３ 第四の端部
３０ 障壁層
４１ 第二の層
４２ 第五の端部
４３ 第六の端部
４４ 第二のテーパー部
５０ エッジ
５１ 界面
５２ 界面
５３ 第一の段差
６０ 第一の接続部
６１ 第七の端部
７０ 第二の接続部
７１ 第八の端部
１００ 光導波路
１０１ 光導波路
１０２ 光導波路
１０３ 光導波路
２００ コア層
２０１ クラッド層
２０３ 保護層
２０４ 追加コア層
２０５ 保護膜
３００ 基板
９０１−１〜９０１−２ テーパー構造
９０３ 障壁層

Claims (10)

1. 第一のリブと、第二のリブとが、一側から他側への一方向に沿ってスラブ層上に設けられ、さらに前記第一のリブと前記第二のリブの間に障壁層が接続された光導波路であって、
   前記第一のリブは、前記一側の第一の端部から、前記障壁層に接続する第二の端部にかけて幅が広くなる第一のテーパー部を有し、
   前記第二のリブは、前記スラブ層の面に順に積層された第一の層、第二の層を有し、
   前記第一の層は、前記第二の端部と略同じ幅でありかつ前記障壁層と接続している第三の端部から前記他側の第四の端部にかけて、同じ幅、または幅が広くなる形状を有し、
   前記第二の層は、前記一側の第五の端部から第六の端部にかけて幅が広くなる第二のテーパー部を有し、
   前記障壁層の前記一方向の一端と他端はいずれも前記第二の端部と前記第三の端部より広い幅を有する、光導波路。
2. 前記第五の端部が前記障壁層の高さ方向上面内にある段差に接する、請求項１に記載の光導波路。
3. 前記第六の端部は、第四の端部と揃えて形成される、請求項１または２に記載の光導波路。
4. 前記第一のリブと前記第一の層との高さ方向上面が略同一面内にある、請求項１から３のいずれかに記載の光導波路。
   
5. 前記第一の端部に略同じ幅で延接された第一の接続部をさらに有する請求項１から４のいずれかに記載の光導波路。
6. 前記第六の端部は前記第四の端部と略同じ幅である、請求項１から５のいずれかに記載の光導波路。
7. 前記第六の端部及び前記第四の端部に略同じ幅で延接された第二の接続部をさらに有する請求項６に記載の光導波路。
8. 前記第一の端部の断面が接続予定の光機能素子の光導波路と略同形状である、請求項１から７のいずれかに記載の光導波路。
9. 前記第三の端部の幅が、前記第五の端部の幅の１０〜２０倍である、請求項１から８のいずれかに記載の光導波路。
10. 請求項１から８のいずれかに記載の光導波路の製造方法であって、
    コア層がクラッド層の上に配置された基板の前記コア層に前記第一のリブを形成する工程と、
    前記第一のリブと前記第一のリブを含まない前記コア層のうち前記第一のリブと隣接する領域を覆う保護層を形成する工程と、
    前記保護層に覆われていない前記コア層上に追加コア層を形成する工程と
    前記追加コアを多段にエッチングし、第一の層と第二の層とを有する第二のリブを形成する工程と、を有する光導波路の製造方法。