JP6685548B2 - スポットサイズ変換器 - Google Patents

Description

本発明は、スポットサイズ変換器に関し、より具体的には、簡単な製造法で作製可能な、高結合効率スポットサイズ変換器に関する。

シリコンフォトニクス又はフォトニック結晶といった、シリコンの微細加工技術を利用して、ＳＯＩ(Silion On Insulator)基板上に光導波路を形成する技術の研究が進められている。シリコンそのものには発光機構がないため、シリコンフォトニクス又はフォトニック結晶では、外部光をＳＯＩ基板上の光回路を構成する光導波路へ入力する必要がある。

しかし、シリコン光導波路の寸法は、伝搬光の単一モード性を保つために例えば約４００ｎｍ程度の幅を有するものとなっており、一般的な外部光のスポットサイズ（例えば数μｍ〜１０μｍ程度）とミスマッチが生じてしまう。このため、外部光とシリコン光導波路の結合損失は大きくなってしまう。

そこで、例えば、特許文献１、特許文献２あるいは非特許文献１のように、シリコン光導波路の入出力端面に光のスポットサイズを変換する構造、いわゆるスポットサイズ変換器を設けて、光のスポットサイズを広げ、外部光のスポットサイズとのミスマッチを解消し、結合損失を低減する技術が提案されている。しかし、従来のスポットサイズ変換器には、以下に示すような問題がある。

特許文献１に記載のような従来から良く用いられている構造のスポットサイズ変換器では、シリコン（ｎ＝３.５）より低い屈折率をもつ材料（ｎ＝１.４６〜２.０）をコアとする光導波路を用いるが、この低屈折率材料コアからなる光導波路は数ミクロンオーダーの形状寸法となる。スポットサイズ変換器の作製には、数ミクロンオーダーの厚膜コアの成膜及び深堀加工といった特殊かつ高負荷な製造プロセスが必要となる。よって、この従来型スポットサイズ変換器は、通常のＣＭＯＳ製造ラインでは作製できない。

特許文献２、非特許文献１に記載のようなスポットサイズ変換器では、外部光を微小な２本のコアからなるスポットサイズ変換器で受けている。光ファイバなどから出射される外部光は、円形のビーム形状をもつ。これに対し、２本のコアからなるスポットサイズ変換器では、水平、垂直方向に対して異方性を持った光導波路構造に対応して、水平、垂直方向に対して異方性をもったビーム形状が形成される。よって、この従来型スポットサイズ変換器は、両者のビーム形状のミスマッチによる結合損失が発生しやすい。

特許文献２に記載のようなスポットサイズ変換器では、第１コア上のクラッド層の表面をＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)等を用いて平坦化した後に第２コア及び、第３コアの光導波路を形成する。ＣＭＰプロセスでは、スポットサイズ変換器以外を含むウエハ全面が削られる。そのため、スポットサイズ変換器以外の各種デバイス（光スイッチ、光変調器、受光器、電気配線など）が損傷を受ける危険性がある。損傷を避けるためには、スポットサイズ変換器以外の全デバイスの構造を、ＣＭＰプロセスに対応した構造に設計する必要がある。よって、この従来型スポットサイズ変換器は、ＣＭＰプロセスによる平坦化が必要となるため、スポットサイズ変換器以外の各種デバイスの設計自由度を著しく制限してしまう。

特開２００２−１２２７５０号公報 特開２０１４−１５７２１１号公報

Nobuaki Hatori, et al. "A Hybrid Integrated Light Source on a Silicon Platform Using a Trident Spot-Size Converter", JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 32, NO. 7, APRIL 1, 2014

本発明は、上記の従来技術の問題に鑑みなされたものであり、厚膜コアの成膜及び深掘り加工、ＣＭＰ等の高負荷な製造プロセスを用いることなく簡単な製造法で作製可能であり、円形のビーム形状をもつ外部光等と高効率な光結合を実現可能なスポットサイズ変換器を提供することを目的とする。

本発明では、基板上の第１コアと、第１コアの上方にクラッド層を挟んで設けられ、基板及び前１コアと平行に延びる第２コア及び第３コアと、第２コア及び第３コアの上方でかつ第１コアの鉛直上方に、クラッド層を挟んで設けられ、第１コア、第２コア及び第３コアと平行に延びる第４コアと、を備えるスポットサイズ変換器を提供する。そのスポットサイズ変換器おいては、さらに、第１コアが基板の端面から第１の位置まで延び、第２コア、第３コア及び第４コアが基板の端面から第１の位置より近い第２の位置まで延びており、第１コア、第２コア、第３コア及び第４コアが、テーパ構造を有し、第１コアが、第１コアが延びる方向と垂直な断面において、基板の端面から離れるにつれて大きくなり、第２コア、第３コア及び第４コアが、第２コア、第３コア及び第４コアが延びる方向と垂直な断面において、基板の端面から離れるにつれてそれぞれ小さくなり、基板の端面において、第２コアと第３コアの間隔と、第１コアと第４コアの間隔が略等しい。

本発明のスポットサイズ変換器では、４本のコアを用いて水平、垂直方向に対する異方性が少ない光導波路構造を用いている。従来の２本のコアを用いたスポットサイズ変換器よりも、ビーム形状を円形に近づけることができるため、外部光との高効率な光結合を実現することが可能である。さらに、第２コア及び第３コアの配置と、第１コア及び第４コアの配置により、スポット形状の自在な制御が可能となることから、様々な光ファイバに対して高効率な結合が可能である。

本発明のスポットサイズ変換器では、４本のコアにテーパを設けることで、基板の端面において、４つのコアで受けた光を、最終的に第１コアの１本にのみ、光が閉じ込められるようにすることが可能である。

本発明のスポットサイズ変換器では、第１コアは、基板の端面（光ファイバなどからの外部光との結合端面）まで、途切れることなく延びている。例えば、第１コアを途中で途切れさせた場合、第１コアの先端で反射損失及び放射損失が発生する。第１コアを、基板の端面まで途切れることなく延ばすことで、反射損失及び放射損失の発生を回避し、高効率なスポットサイズ変換器が実現される。さらに、第１コアは、基板の端面において、４本のコアの一つとして、ビーム形状を、円形に近づけるためにも活用される。

本発明の一態様のスポットサイズ変換器では、第２コアと第３コアの間隔と、第１コアと第４コアの間隔が、３〜６.５μｍである。

本発明の一態様のスポットサイズ変換器によれば、第２コアと第３コアを３〜６．５μｍと離して配置することにより、第１コア上のクラッド層の凸形状による影響を避けることが可能であるため、ＣＭＰプロセスを用いることなく、第２コア及び第３コアを作製することが可能となる。なお、両者の間隔を離しすぎると、スポットサイズ変換器としての光閉じ込め効果、ビーム形状等が劣化するので、両者の間隔の上限を６.５μｍとしている。

本発明の一態様のスポットサイズ変換器では、第１コアの厚さと第２コア及び第３コアの厚さの差が、５０ｎｍ以下である。

本発明の一態様のスポットサイズ変換器によれば、第１コア、第２コア及び第３コアの高さを揃えることで、第２コア及び第３コア上のクラッド層の表面の凹凸が大きく低減される。そのため、第１コア、第２コア及び第３コアの高さを揃えた場合、ＣＭＰプロセスを用いることなく、第４コアを作製することが可能となる。ＣＭＰプロセス不要のため、スポットサイズ変換器以外の各種デバイスの設計自由度を制限することがない。

本発明の一態様のスポットサイズ変換器では、基板の端面において、第１コア、第２コア、第３コア及び第４コアが、延びる方向と垂直な断面において、１２０〜１８０ｎｍの幅を有する。さらに、基板の端面、第１の位置、及び第２の位置において、第１コア、第２コア、第３コア及び第４コアが、延びる方向と垂直な断面において、１８０〜２２０ｎｍの高さを有する。この構造は、光の波長１.５５μｍで動作可能で、異なる波長（１.３１μｍ）でも、同様の設計構造を調整することにより適用することが可能である。

本発明の一態様のスポットサイズ変換器によれば、スポットサイズが１０μｍの外部光との高効率な光結合が実現される。ここで、シングルモード光ファイバのスポットサイズは、約１０μｍである。

本発明の一態様のスポットサイズ変換器では、基板の端面において、第１コア、第２コア、第３コア及び第４コアが、延びる方向と垂直な断面において、９０度の回転対称性をもつ。

本発明の一態様のスポットサイズ変換器によれば、９０度の回転対称性をもつことで、さらにビーム形状を円形に近づけることができる。

本発明の一態様のスポットサイズ変換器では、第２コア及び第３コアの外側に、第２コア及び第３コアと同じ厚さのスラブ構造、ドット構造またはホール構造が形成されている。

本発明の一態様のスポットサイズ変換器によれば、広い領域に渡って、第２コア及び第３コア上のクラッド表面の高さを揃えることができる。このような補助構造を用いることで、プロセスの安定化、歩留りの向上が可能となる。

本発明の一実施形態のスポットサイズ変換器の構成を示す上面図（ａ）と断面図（ｂ）〜（ｄ）である。 本発明の一実施形態のスポットサイズ変換器の光モードプロファイルの等高線図である。 本発明の一実施形態のスポットサイズ変換器の光モードプロファイルの等高線図である。 本発明の一実施形態のスポットサイズ変換器の光モードプロファイルの等高線図である。 本発明の一実施形態のスポットサイズ変換器の結合効率のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の一実施形態のスポットサイズ変換器の製造工程を示す図である。 本発明の一実施形態のスポットサイズ変換器の製造工程を示す図である。 本発明の一実施形態のスポットサイズ変換器の製造工程を示す図である。 本発明の一実施形態のスポットサイズ変換器の製造工程を示す図である。 本発明の一実施形態のスポットサイズ変換器の製造工程を示す図である。 本発明の一実施形態のスポットサイズ変換器の製造工程を示す図である。 本発明の一実施形態のスポットサイズ変換器の製造工程を示す図である。 本発明の一実施形態のスポットサイズ変換器の製造工程を示す図である。 本発明の一実施形態のスポットサイズ変換器の製造工程を示す図である。 本発明の一実施形態のスポットサイズ変換器の補助構造を示す上面図である。 本発明の一実施形態のスポットサイズ変換器の構成を示す断面図である。

図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態のスポットサイズ変換器１００の構成を示す上面図（ａ）と断面図（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）である。図１の断面図（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、順番に（ａ）の矢印Ｒ側から見た場合の（Ｘ１−Ｘ１）断面、（Ｘ２−Ｘ２）断面、（Ｘ３−Ｘ３）断面を示している。図１では、４つのコアを成す４本の光導波路１０、１２、１４、１６がクラッド層５中に形成されている。（ａ）において、３つのコア１０、１２、１４は、第１端面、すなわち（Ｘ１−Ｘ１）断面（以下、「第１端面（Ｘ１−Ｘ１）」と呼ぶ）から途中の（Ｘ２−Ｘ２）断面までの所定の長さＬ１だけ延びている。所定の長さＬ１は、例えば約１０００〜２０００μｍである。３つのコア１０、１２、１４は、第１端面（Ｘ１−Ｘ１）から離れるにつれて先細り（テーパ）状となる。

一方、コア１６は第１端面（Ｘ１−Ｘ１）から第２端面、すなわち（Ｘ３−Ｘ３）断面（以下、「第２端面（Ｘ３−Ｘ３）」と呼ぶ）までの所定の長さＬ２だけ延びている。所定の長さＬ２は、Ｌ１以上であって、接続する光デバイスの構造に応じて決められる任意の長さを採ることができる。コア１６は、第１端面（Ｘ１−Ｘ１）から離れ第２端面（Ｘ３−Ｘ３）に近づくにつれて先広がり（逆テーパ）状となる。このように、４つのコアにテーパを設けることで、基板端面において、４つのコアで受けた光を、最終的に第１コアの１つのみに光が閉じ込められるようにすることが可能である。その際、役割を終えた第２コア、第３コア及び第４コアは、基板端面から離れた位置に置いて、途切れさせることができる。

クラッド層５と各コアは、後述する半導体プロセスを用いた製造方法によって、基板上のＳｉＯ₂（ｎ１＝１.４５）層中のパターン化されたＳｉ（ｎ２＝３.５）層（導波路）として形成することができる。なお、光導波路（コア）とクラッド層の材料として、基本的にコアの屈折率（ｎ２）とクラッド層の屈折率（ｎ１）が“ｎ２＞ｎ１”の関係を満たす、ＳｉとＳｉＯ₂以外の他の任意の材料の組み合わせを利用して、本発明のスポットサイズ変換器を形成することができることは言うまでもない。すなわち、本発明の一実施形態のスポットサイズ変換器で用いられる材料は、ＳｉとＳｉＯ₂の組み合わせに限定されることはない。

図１（ｂ）の第１端面（Ｘ１−Ｘ１）において、４つのコアはいずれも同じサイズの断面（ｄ×Ｗ１）を有する。また、水平方向で対向する２つのコア１０と１２の間隔（コアの中心の間隔、以下同様）２ａと、垂直方向で対向する２つのコア１４と１６の間隔２ａは、ほぼ同一である。このように、本発明の一実施形態のスポットサイズ変換器１００では、４つのコアを略等距離２ａに配置することに１つの特徴がある。

図１の本発明に一実施形態では、３つのコア１６、コア１０及びコア１２の高さを揃えて配置する。コア１６、コア１０及びコア１２の高さを揃えることで、コア１０及びコア１２上のクラッド層の表面の凹凸が大きく低減される。そのため、コア１６、コア１０及びコア１２の高さを揃えた場合、ＣＭＰプロセスを用いることなく、それらの上のコア１４を作製することが可能となる。但し、コア１６、コア１０及びコア１２の高さは、完全に一致させる必要は無く、作製プロセスに不良がでない範囲であれば、僅かに違っていても良い。例えば、コア１６の厚さに対し、コア１０及びコア１２の高さが±５０ｎｍの範囲内であれば高さの違いは許容される。

図１の間隔２ａは、例えば約３μｍ以上とすることができる。コア１０とコア１２を離して配置することにより、コア１６上のクラッド層の凸形状による影響を避けることが可能であるため、ＣＭＰプロセスを用いることなく、コア１０及びコア１２を作製することが可能となる。但し、距離を離しすぎると、スポットサイズ変換器としての光閉じ込め効果、ビーム形状等が劣化する。従って、例えば、シングルモード光ファイバから出射された外部光との光結合に対しては、コア１０とコア１２の間隔２ａを例えば３〜６.５μｍとするのが望ましい。

図１（ｂ）の第１端面（Ｘ１−Ｘ１）におけるコアサイズ（ｄ×Ｗ１）は、例えば、ｄ（１８０〜２２０）ｎｍ×Ｗ１（１２０〜１８０）ｎｍとすることができる。この場合、スポットサイズが１０μｍの外部光との高効率な光結合が実現される。ここで、シングルモード光ファイバのスポットサイズは、約１０μｍである。

図１（ｃ）の（Ｘ２−Ｘ２）断面において、３つのコア１０、１２、１４の断面のサイズは同一であり、（ｄ×Ｗ２）となる。３つのコア１０、１２、１４は、上述したようにテーパ状の形態を有するので、Ｗ２＜Ｗ１の関係が成り立つ。Ｗ２は、例えば１００〜１２０ｎｍである。一方、コア１６は、上述したように逆テーパ状の形態を有するので、（Ｘ２−Ｘ２）断面において、Ｗ１よりも大きなＷ３（Ｗ３＞Ｗ１）の幅を備える。Ｗ３は、例えば１９０〜４５０ｎｍである。４５０ｎｍはＳｉ細線導波路の幅に相当する。なお、（ｃ）の例では、ｄは第１端面（Ｘ１−Ｘ１）でのサイズと同じ（変化なし）である。図１（ｄ）の第２端面（Ｘ３−Ｘ３）において、コア１６の幅Ｗ４はさらに長くなって、例えば４００〜５００ｎｍとなる。なお、（ｄ）の例では、ｄは第１端面（Ｘ１−Ｘ１）のサイズと同じ（変化なし）である。

次に、図２〜図４に示した光モードプロファイルの等高線図も参照しながら、図１のスポットサイズ変換器１００におけるスポットサイズ変換の動作について説明する。以下では、第１端面（Ｘ１−Ｘ１）が光入力面（入射面）となり、即ち、４つのコアの端面が光入力端（入射端）となり、ここに外部から例えば半導体レーザのようなスポットサイズの大きい光源（例えば、ＭＦＤ：４〜１０μｍ）からの光が入力され、第２端面（Ｘ３−Ｘ３）から光が出力される場合を例に挙げて説明する。

図１（ａ）の第１端面（Ｘ１−Ｘ１）にスポットサイズの大きい光源（例えば、ＭＦＤ：４〜１０μｍ）からの光が入力すると、同図（ｂ）に示されるように４つのコア１２〜１６は同一サイズの断面（ｄ×Ｗ１）を有するので、入力光は同様に（同光量で）各コアでの伝播を開始する。図２は、本発明の一実施形態のスポットサイズ変換器の第１端面（Ｘ１−Ｘ１）の位置での光モードプロファイルの等高線図である。図２から４つのコアの各々において同様な大きさ及び光強度分布（等高線分布）を有する光モードプロファイルが形成されていることがわかる。

その後、３つのコア１０、１２、１４は、第１端面（Ｘ１−Ｘ１）から離れて（Ｘ２−Ｘ２）断面に近づくにつれて先細り状（テーパ状）となるので、伝播光が３つのコアの各々から漏れ出していく。一方、コア１６は、第１端面（Ｘ１−Ｘ１）から離れて（Ｘ２−Ｘ２）断面に近づくにつれて先広がり状態（逆テーパ状）となるので、３つのコア１０、１２、１４からの漏れ光を吸収（結合）しながら伝播光の光強度（光密度）が大きくなっていく。図３は、本発明の一実施形態のスポットサイズ変換器の（Ｘ２−Ｘ２）断面の位置での光モードプロファイルの等高線図である。図３から一番下のコア１６に光が集約されて、大きな光強度分布（等高線分布）を有する光モードプロファイルが形成されていることがわかる。

（Ｘ２−Ｘ２）断面より先は、コア１６のみが延びて、第２端面（Ｘ３−Ｘ３）に近づくにつれてさらにコア１６が先広がり状態となる。そのため、コア１６の伝播光はコア内で高密度化されてより小さいスポットサイズに集約されていく。図４は、本発明の一実施形態のスポットサイズ変換器の第２端面（Ｘ３−Ｘ３）の位置での光モードプロファイルの等高線図である。図４から１つのコア１６に光がさらに集約されて、小さいスポットサイズの光強度分布（等高線分布）を有する光モードプロファイルが形成されていることがわかる。このようにして、スポットサイズ変換器１００の第２端面（Ｘ３−Ｘ３）から出力される光のスポットサイズが、第１端面（Ｘ１−Ｘ１）から入力された光のスポットサイズよりも小さく変換／制御される。

図５に本発明の一実施形態のスポットサイズ変換器の結合効率のシミュレーション結果を示す。図５は、ＭＦＤ＝１０μｍのガウシアンビームが図１に例示されるスポットサイズ変換器１００に入射した際の結合効率を示している。図５（ａ）は、図１（ｂ）と同様な入射端面（第１端面（Ｘ１−Ｘ１））での４つのコアを示している。各コアは、（ｄ×Ｗ）サイズの同一断面を有する。４つのコアは、ＳｉＯ₂（ｎ＝１.４５）からなるクラッド層中に形成されたＳｉ（ｎ＝３.５）からなる光導波路を想定している。

図５（ｂ）は、コア間隔２ａと結合効率との関係を示す。ここでは、光の波長が１.５５μｍで、コア幅Ｗが１２０μｍ（Ａ）と１５０μｍ（Ｂ）の２つのグラフが示されている。Ａ、Ｂいずれの場合も、コア間隔２ａの増加と共に結合効率が大きくなり、そのピーク後に減少する傾向を示している。Ａのコア幅Ｗが１２０μｍの場合では、３〜６.５μｍのコア間隔２ａにおいて０.８５以上の結合効率を得ることができる。また、Ｂのコア幅Ｗが１５０μｍの場合では、３〜６.５μｍのコア間隔２ａにおいて０.８０以上の結合効率を得ることができる。

次に、図６〜図１４を参照しながら、本発明の一実施形態のスポットサイズ変換器の製造工程について説明する。以下の説明では、Ｓｉ半導体プロセスを用いた場合の例を説明する。図６において、クラッド層をなすＳｉＯ₂層２０上にコアの材料であるＳｉ層２２を形成する。ＳｉＯ₂層２０は、図示はされていないが、例えば、Ｓｉ基板あるいは石英基板上にプラズマＣＶＤ、スパッタリング等の薄膜製造技術を用いて形成する。また、ＳＯＩ基板を用いてその上層のＳｉＯ₂を図６のＳｉＯ₂層２０として利用してもよい。Ｓｉ層２２もプラズマＣＶＤ、スパッタリング等の薄膜製造技術を用いて形成する。

図７において、例えば従来からあるフォトリソグラフィ技術（パターン露光、現像、エッチング）を用いて、Ｓｉ層２２をパターン化してコアとなる光導波路２４を形成する。コア（光導波路）２４は、図１のコア１６に相当するので、図１（ａ）に示したように、平面での形状が第２端面（Ｘ３−Ｘ３）に向かって先広がり（逆テーパ）状になるようにパターン化される。コア２４の断面のサイズは、例えば図１で例示した数値、すなわち高さｄ（１８０〜２２０）ｎｍ、第１端面での幅Ｗ１（１２０〜１８０）ｎｍ、第２端面での幅Ｗ４（４００〜５００）ｎｍとすることができる。

図８において、コア２４が形成されたＳｉＯ₂層２０上にさらにＳｉＯ₂層２６を同様な薄膜製造技術を用いて形成する。その際、コア２４の上方のＳｉＯ₂層２６がコア２４の高さの影響でやや盛り上がった形状（凸部）２８となる。なお、図８では、見やすくするために凸部２８を実際よりも誇張して記載している。

図９において、ＳｉＯ₂層２６上にコアの材料であるＳｉ層３０を同様にプラズマＣＶＤ、スパッタリング等の薄膜製造技術を用いて形成する。凸部２８上のＳｉ層３０は凸部２８の形状を反映して同様に凸部３２を有する。Ｓｉ層３０の厚さは、凸部２８の厚さとほぼ同じとなるように、言い換えれば、コア２４の高さと同じ高さになるように、例えば図１で例示した高さｄ（１８０〜２２０）ｎｍとする。なお、Ｓｉ層３０の厚さは、ＳｉＯ₂層２６の平坦部（凸部３２を除く部分）上の厚さを基準として判断する。

図１０において、図７の場合と同様に、従来からあるフォトリソグラフィ技術を用いて、Ｓｉ層３０をパターン化してコアとなる２つの光導波路３４、３６を形成する。コア（光導波路）３４、３６は、図１のコア１０、１２に相当するので、図１（ｂ）に示したように、コア３４、３６の間隔２ａを、例えば約３〜６.５μｍとすることができる。また、図１（ａ）に示したように、コア３４、３６の平面での形状が断面（Ｘ２−Ｘ２）に向かって先細り（テーパ）状になるようにパターン化される。コア３４、３６の断面のサイズは、例えば図１で例示した数値、すなわち高さｄ（１８０〜２２０）ｎｍ、第１端面での幅Ｗ１（１２０〜１８０）ｎｍ、断面（Ｘ２−Ｘ２）での幅Ｗ２（１００〜１２０）ｎｍとすることができる。

図１１において、コア３４、３６が新たに形成されたＳｉＯ₂層２６上にさらにＳｉＯ₂層３８を同様な薄膜製造技術を用いて形成する。その際、コア２４、３４、３６の上方のＳｉＯ₂層３８がコアの高さの影響でやや盛り上がった形状（凸部）となる。なお、図１１では、見やすくするためにその凸部を実際よりも誇張して記載している。ＳｉＯ₂層３８の厚さは、コア２４の鉛直上方の位置に後から形成されるコア４４とコア２４との間隔が図１（ｂ）の２ａ（例えば、約３〜６.５μｍ）となるように設定する。したがって、ＳｉＯ₂層３８の厚さは、コア２４の鉛直上方の位置でのＳｉＯ₂層３８の厚さを基準として判断する。

図１１において、さらに、図９の場合と同様に、ＳｉＯ₂層３８上にコアの材料であるＳｉ層４０を同様に薄膜製造技術を用いて形成する。Ｓｉ層４０の厚さは、コア２４、３４、３６の高さと同じ高さになるように、例えば図１で例示した高さｄ（１８０〜２２０）ｎｍとする。なお、Ｓｉ層４０の厚さは、コア２４の鉛直上方の位置でのＳｉ層４０の厚さを基準として判断する。

図１２において、図７、図９の場合と同様に、従来からあるフォトリソグラフィ技術を用いて、Ｓｉ層４０をパターン化してコアとなる光導波路４４を形成する。コア（光導波路）４４は、図１のコア１４に相当するので、図１（ａ）に示したように、平面での形状が断面（Ｘ２−Ｘ２）に向かって先細り（テーパ）状になるようにパターン化される。コア４４の断面のサイズは、例えば図１で例示した数値、すなわち高さｄ（１８０〜２２０）ｎｍ、第１端面での幅Ｗ１（１２０〜１８０）ｎｍ、断面（Ｘ２−Ｘ２）での幅Ｗ２（１００〜１２０）ｎｍとすることができる。また、その際、既に上述したように、コア４４とコア２４との間隔は図１（ｂ）の２ａ（例えば、約３〜６.５μｍ）とする。

図１３において、コア４４が新たに形成されたＳｉＯ₂層３８上にさらにＳｉＯ₂層４６を同様な薄膜製造技術を用いて形成する。その際、コア３４、４４、３６の上方のＳｉＯ_２層４６がコアの高さの影響でやや盛り上がった形状（凸部）となる。なお、図１３では、見やすくするためにその凸部を実際よりも誇張して記載している。以上の工程により図１に例示した４つのコアを含むスポットサイズ変換器を製造することができる。この場合、クラッド層をなす各ＳｉＯ₂層２６、３８、４６の表面をＣＭＰ等により平坦化することなくコア３４、３６、４４を形成することができる。

図１４を参照しながら本発明の一実施形態のクラッド表面の高さを揃えるための補助構造について説明する。図１４は、図１１の断面図に対応するが、高さを揃えるための補助構造４６、４７が、ＳｉＯ₂層２６の表面の端部に形成されている点が図１１と異なっている。補助構造４６、４７は、図１０に示したコア３４、３６を形成する工程において同時に形成することができる。補助構造４６、４７は、一種のダミー構造であって、２つのコア３４及び３６の外側に離して配置され（例えば、５μｍ以上）、これらのコアと同じ厚さを有している。その結果、ＳｉＯ₂層３８上に形成されるＳｉ層４０の凹凸を低減し、より平坦な上層面を形成するとこが可能である。また、コア３４、３６上のＳｉＯ₂層３８が補助構造により広い領域で平坦化され得るので、ＳｉＯ₂層３８上のコア４４を形成するためのＳｉ層４０の加工（パターン化）において、露光時の寸法精度やエッチング時のレジスト耐性を維持することが可能である。

図１５は、補助構造４６、４７の実施形態を示す上面図である。（ａ）はホール構造の例であり、（ｂ）はドット構造の例であり、（ｃ）はスラブ構造の例である。（ａ）のホール構造は、長方形にパターン化されたＳｉ層３０（図９）に複数の開口を設けた構造である。（ｂ）のドット構造は、Ｓｉ層３０を複数のドット（突起）状にパターン化した構造である。（ｃ）のスラブ構造は、開口部を設けずに単にＳｉ層３０を長方形にパターン化した構造である。いずれの構造も図１０のコア３４、３６の形成（パターン化）と同時に形成することができるので、製造工程上の工数が増えることはない。

図１６は、図１（ｂ）、図５（ａ）に示したスポットサイズ変換器１００の構成の変形例を示す断面図である。図１６は、図１の第１端面（Ｘ１−Ｘ１）での断面図である。図１６の構成では、第１端面（Ｘ１−Ｘ１）において４つのコアが９０度の回転対称性を有している。すなわち、図１６の構成を９０度回転させた場合も同一の構成を持つように、ｄ１＝Ｗ５、ｄ２＝Ｗ６となるように設計／製造される。例えば、ｄ１＝Ｗ５＝２００ｎｍ、ｄ２＝Ｗ６＝１５ｎｍである。この４つのコアが９０度の回転対称性を有することにより、さらに光ビーム形状を円形に近づけることができる。

本発明の実施形態について、図を参照しながら説明をした。しかし、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。さらに、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。

本発明のスポットサイズ変換器は、モード多重導波路、多層導波路型光入出力端子として、あるいは光回路あるいは光集積回路の一部として利用することができる。

５、２０、２６、３８、４６：クラッド層（ＳｉＯ₂層）
１０、１２、１４、１６、２４、３４、３６、４４：コア（Ｓｉの光導波路）
２２、３０、４０：Ｓｉ層
４６、４７：補助構造
１００：スポットサイズ変換器

Claims (8)

1. 基板上の第１コアと、
   前記第１コアの上方にクラッド層を挟んで設けられ、前記基板及び前記第１コアと平行に延びる第２コア及び第３コアと、
   前記第２コア及び第３コアの上方でかつ前記第１コアの鉛直上方に、クラッド層を挟んで設けられ、前記第１コア、第２コア及び第３コアと平行に延びる第４コアと、を備え、
   前記第１コアが前記基板の第１端面から第１の位置にある第２端面まで延び、前記第２コア、第３コア及び第４コアが前記基板の第１端面から前記第１の位置より近い第２の位置まで延びており、
   前記第１コア、第２コア、第３コア及び第４コアが、テーパ構造を有し、
   前記第１コアが、前記第１コアが延びる方向と垂直な断面において、前記基板の第１端面から離れて前記第２端面に向かうにつれて大きくなり、
   前記第２コア、第３コア及び第４コアが、前記第２コア、第３コア及び第４コアが延びる方向と垂直な断面において、前記基板の第１端面から離れて前記第２の位置に向かうにつれてそれぞれ小さくなり、
   前記基板の第１端面において、前記第２コアと前記第３コアとの間隔と、前記第１コアと前記第４コアとの間隔が略等しく、３〜６．５μｍの範囲にあり、
   前記第１コアの厚さと前記第２コア及び第３コアの厚さの差が５０ｎｍ以下であり、
   前記基板の第１端面において前記第１コア、第２コア、第３コア及び第４コアに入射するスポットサイズの大きな光が、前記第２端面において前記第１コアからスポットサイズの小さな光として出力する、スポットサイズ変換器。
2. 前記基板の第１端面において、前記第１コア、第２コア、第３コア及び第４コアが、前記延びる方向と垂直な断面において、１２０〜１８０ｎｍの幅を有する、請求項１に記載のスポットサイズ変換器。
3. 前記基板の第１端面、前記第１の位置、及び前記第２の位置において、前記第１コア、第２コア、第３コア及び第４コアが、前記延びる方向と垂直な断面において、１８０〜２２０ｎｍの高さを有する、請求項１または２に記載のスポットサイズ変換器。
4. 前記基板の第１端面において、前記第１コア、第２コア、第３コア及び第４コアが、前記延びる方向と垂直な断面において、９０度の回転対称性をもつ、請求項１乃至３のいずれかに記載のスポットサイズ変換器。
5. 前記第２コア及び第３コアの外側に、第２コア及び第３コアと同じ厚さのスラブ構造、ドット構造またはホール構造が形成されている、請求項１乃至４のいずれかに記載のスポットサイズ変換器。
6. 前記基板が、シリコン基板又は石英基板である、請求項１乃至５のいずれかに記載のスポットサイズ変換器。
7. 前記第１コア、第２コア、第３コア及び第４コアが、シリコンからなる、請求項１乃至６のいずれかに記載のスポットサイズ変換器。
8. 前記クラッド層が、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＣＨ、又はＳｉＯＮ層からなる、請求項１乃至７のいずれかに記載のスポットサイズ変換器。

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