JP7568986B2 - 光導波回路およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、集積化した光導波回路およびその作製方法に関する。

近年のデータセンタ内通信のトラフィック増大に伴い、コンピュータ筐体内素子の光配線化技術の重要性が高まっている。なかでも、多数の光回路を高密度に集積可能なシリコンフォトニクス技術が注目を集めている。

シリコンフォトニクス技術において光伝送媒体となるシリコン光回路は、Ｓｉによるコアと、ＳｉＯ_２によるクラッドからなるシリコン細線導波路によって構成される。シリコン細線導波路ではコアとクラッドの比屈折率差が４０％程度であり、シングルモード通信の使用波長帯である１５５０ｎｍ付近において、数百ｎｍ角の極小断面領域内で光伝搬が可能である。シリコン細線導波路の許容曲げ半径も数μｍ程度と小さいため、狭い領域内に複雑な配線パターンを描画できる。シリコン細線導波路のこれらの微細加工への適合性から、シリコンフォトニクス技術による光回路の大規模集積化が期待されている。

シリコン光回路は通常ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板上に形成されるため、電子回路とのモノリシック集積も可能である。製造技術の観点では、成熟した半導体微細加工技術をシリコン光回路にも適用できるため、微細パターンを容易に形成可能である。上述のように、シリコンフォトニクス技術を半導体技術や電子回路技術と組み合わせることで、光電子集積型デバイスの実現も期待される。

一方、シリコン光回路は、他の光素子との接続という観点で大きな問題を抱えていた。光素子同士を接続する際には、接続点における光損失を低減するために、光素子内を伝搬する光のモードフィールドを合わせることが重要である。以下、素子内を伝搬する光の光損失を単に損失と言う。

２つの光素子を突き合わせて接続させた場合、伝搬光の結合効率は両者のモードフィールドの重なり積分によって決定される。シリコン光回路のモードフィールド径（ＭＦＤ：Mode Field Diameter）は３００ｎｍ程度である。ここで、コンピュータ筐体内などにお
いて、光伝送のための媒体として使用されているシングルモードファイバ（ＳＭＦ：Single Mode Fiber）と、シリコン光回路との接続を考える。長距離伝送にも用いられる一般
的なＳＭＦのＭＦＤは、９μｍ程度である。また、ＭＦＤの小さな光導波路などとの接続用に開発された高比屈折率差設計のＳＭＦであっても、そのＭＦＤは４μｍ程度である。このようにＳＭＦのＭＦＤは小さい場合であっても４μｍを越え、シリコン光回路の３００ｎｍのＭＦＤと比べて１０～数十倍も大きい。ＳＭＦとシリコン光回路とを直接接続した場合、桁違いのＭＦＤの大きさの相違、不整合によって大きな結合損失が生じてしまう。

このようなシリコン光回路とＳＭＦとの間の接続性に関する問題を解決するために、ＭＦＤの異なる２つの光素子間に、スポットサイズ変換（ＳＳＣ：Spot Size Convertor）
構造を挿入することが提案されていた。

図６は、ＭＦＤの差異の影響を緩和するための従来技術のＳＳＣ構造を示す図である。図６は、異なるＭＦＤを持つ２つの光導波路コア５０３、５０４を有するシリコン光回路５００について、（ａ）に基板面を見た上面図（ｘ－ｚ面）を、（ｂ）に（ａ）のＶＩｂ－ＶＩｂ線を通り基板面に垂直な面で切った側面図（ｙ－ｚ面）を示している。図６の（ａ）の上面図を参照すると、光回路５００はＭＦＤの小さい第１の光導波路領域５１０と、ＭＦＤの大きい第２の光導波路領域５２０を備え、第１の光導波路領域５１０の中にＳＳＣ構造部５３０を含む構成を持つ。

図６の（ｂ）の側面図を参照すれば、光回路５００は、Ｓｉ基板５０１の上に、アンダークラッド層５０２が構成され、さらにアンダークラッド層５０２の上に、第１の光導波路領域５１０のＭＦＤの小さいシリコン導波路のコア５０３が形成されている。後述するが、第２の光導波路領域５２０のＭＦＤのより大きい平面光導波路コア５０４が、光軸を一致させてコア５０３を内包するように形成されている。シリコン光回路５００は、さらに全体がオーバークラッド層５０５により覆われている。図６においてＳｉ基板５０１、アンダークラッド５０２、Ｓｉコア５０３は、ＳＯＩ基板を共通の基板として利用し作製される。

ＳＳＣ構造部５３０においては、断面が矩形状のコア５０３－２から、ｚ軸方向に沿って幅が徐々に狭まる、先細りの逆テーパ部５０３－１となっている。ｘ－ｚ面を見たときの逆テーパ部５０３－１の光軸と、平面光導波路コア５０４の光軸は一致しており、平面光導波路コア５０４は、矩形状のコア５０３－２および逆テーパ部５０３－１を内包するように構成されている。

図６の（ｂ）には、第１の光導波路領域５１０、ＳＳＣ構造部５３０、第２の光導波路領域５２０の各部における、基板厚さ方向（ｙ方向）の屈折率プロファイルを、点線６０１、６０２、６０３で模式的に示している。いずれも、ｚ軸方向が屈折率の相対値を示してｙ軸方向の屈折率変化を示している。第２の光導波路領域５２０では、平面光導波路コア５０４と、アンダークラッド層５０２およびオーバークラッド層５０５との比屈折率差は、点線６０３のｚ方向の段差で表される。第１の光導波路領域５１０では、シリコン導波路のコア５０３－２と、アンダークラッド層５０２およびオーバークラッド層５０５との比屈折率差は、点線６０１のｚ方向の段差で表される。図６の（ｂ）から明らかなように、点線６０３よりも点線６０１のｚ方向の段差の方が大きく、第１の光導波路領域５１０側で、コアとクラッドの比屈折率差がより大きい。また第２の光導波路領域５２０の平面光導波路コア５０４は、第１の光導波路領域５１０のシリコン導波路のコア５０３と比べ、より大きいコア断面積およびＭＦＤを持つ。

異なるＭＦＤを持つ２つの光導波路コア５０３―２、５０４の間に上述のＳＳＣ構造部５３０を備えると、シリコン導波路のコア５０３－２内の光は、逆テーパ部５０３－１でコア先端に近づくに従って、周囲のクラッドへ漏洩する。逆テーパ部５０３－１ではコア幅が徐々に狭くなるため、逆テーパ形状のコア内には閉じ込めきれなくなり、光は周囲のクラッドへ漏洩する。逆テーパ部５０３－１から漏洩した光は、シリコン導波路コア５０３を内包している平面光導波路コア５０４へと断熱的に遷移する。この光の遷移過程は断熱的であるため、理論上は光エネルギーの損失を発生しない。

図６におけるＳｉコア５０３－２よりもＭＦＤの大きい平面光導波路５０４としては、ＳｉＯ_ｘをコア、ＳｉＯ_２をクラッド材料とする石英系光導波路や、ポリマー材料をコア、クラッド材料とするポリマー光導波路などが用いられる。これら平面光導波路の材料のいずれの組み合わせでも、コア－クラッド間の比屈折率差は１～数％程度である。ＳＳＣ構造部５３０で、数百ｎｍ角程度のＳｉコア５０３－２から、数μｍ程度の平面光導波路コア５０４に断面を拡大することで、ＳＭＦと光回路５００との結合効率を改善できる。特に平面光導波路として、光ファイバと同様の石英系材料である石英系光導波路を採用すれば、通信波長帯で低損失であり、温度依存性や偏波依存性が低く、高信頼・高性能な光デバイスが得られる。

上述のように、シリコン光回路に対して石英系光導波路を代表とする平面光導波路を組み合わせることで、ＭＦＤの異なる２種類の光導波路を低損失に接続し、シリコンフォトニクス技術における接続性を向上していた（非特許文献１）。

B. Ben Bakir, et al., "Low-loss (< 1 dB) and polarization-insensitive edge fiber couplers fabricated on 200-mm silicon-on-insulator wafers", IEEE Photon. Technol. Lett., Vol. 22, No. 11, pp. 739-741, 1st June 2010

しかしながら、ＭＦＤの異なる光導波路を組み合わせるためのＳＳＣ構造部を含む光回路では、低損失化のために最も重要なテーパ導波路構造を作製するのに十分な精度を確保することができず、依然として接続性の問題が残っていた。現在の加工装置では、図６における逆テーパ部５０３－１の先端を精度良く十分に狭く加工することが難しく、ＳＳＣ構造部における断熱結合効率が不十分となっていた。図６に示した従来技術のＳＳＣ構造では、シリコン導波路コア加工技術の選択によっては、シリコン光回路および平面光導波路を低損失に接続することができない問題があった。

本発明はこのような問題に鑑みなされたものであり、光導波路コアを一定程度の精度で微細加工が可能であれば、選択する加工技術によらず、構造が異なる光導波路を低損失に接続できる光導波回路を提供する。

本発明の１つの実施態様は、構造の異なる光導波路が接続された光導波回路であって、Ｓｉコアを含む第１の光導波路と、光軸に垂直な面において、前記Ｓｉコアの断面領域を内包する第２のコアを含む第２の光導波路と、前記Ｓｉコアの先端部を含み、前記先端部が前記第２のコアによって内包されており、前記構造の異なる光導波路間でモードフィールド径を適合させるスポットサイズ変換部とを備え、前記Ｓｉコアの前記先端部の表面に、前記ＳｉコアのＳｉの酸化薄膜を備えることを特徴とする光導波回路である。

本発明の別の実施態様は、構造の異なる光導波路が接続された光導波回路の製造方法において、基板の上に、第１の光導波路のＳｉコアを形成するステップと、前記Ｓｉコアの上に、第２の光導波路のコア材料膜を形成するステップと、前記Ｓｉコアの表面に、前記コア材料膜を介した状態で、Ｓｉ酸化物の薄膜を形成するステップと、前記コア材料膜を加工して、前記第２の光導波路の第２のコアを形成するステップと、前記第２のコアの上に、クラッドを形成するステップとを備え、光軸に垂直な面において、前記Ｓｉコアの先端部が前記第２のコアによって内包されており、前記先端部における前記Ｓｉコアの表面が前記Ｓｉ酸化物の薄膜で置き換えられていることを特徴とする、光導波路回路の製造方法である。

本発明により、光導波路のコア加工技術に関係なく、異なる構造の２種類の光導波路同士を低損失に接続する光導波回路を提供できる。

ＳＳＣ構造部を含む本開示の光導波回路の構成を示す図である。 異なる構造の２つの光導波路の内包関係の別の構成を示す図である。 異なる構造の２つの光導波路の内包関係のさらに別の構成を示す図である。 本本開示の光導波回路の製造工程の一例を説明する図である。 本本開示の光導波回路の製造工程を、図４に続き説明する図である。 従来技術のＭＦＤの差異の影響を緩和するＳＳＣ構造を示す図である。

本開示の光導波回路は、Ｓｉコアを有する第１の光導波路と、その延長上にＳｉコアを内包するように、より低い屈折率の材料によるコアを有する第２の光導波路とを備え、Ｓｉコアの先端部のコア周囲の少なくとも一部が酸化膜に覆われている。光軸に垂直な断面において、第１の光導波路のＳｉコアの領域は、第２の光導波路のコアの領域に内包されており、Ｓｉコアの先端部はコアの幅または高さ方向の少なくとも一方で、第２の光導波路の側に向かってテーパ状に狭まるスポットサイズ変換構造を持つ。Ｓｉコアの先端部にＳｉコアのテーパ構造を形成した後に、第２の光導波路のコア材料を介して酸化膜を形成することで、Ｓｉコアの先端部のテーパ幅を、制御性良く縮小することができる。Ｓｉコアの加工精度のために加工可能なコア幅の下限値がある場合でも、下限値を越えて安定的に狭いテーパ形状を作製することができる。

以下の開示では、まずＳＳＣ構造部において、逆テーパ部の先端を精度良く十分に狭く加工する上での問題点について説明し、本開示の光導波回路の構成および作製方法について説明する。

再び図６の従来技術のＳＳＣ構造部５３０を参照すると、より小さなＭＦＤ有するシリコン導波路コア５０３の先端部に、先細りの逆テーパ部５０３－１を設けることで、より大きなＭＦＤを有する平面光導波路コア５０４へと光を断熱遷移させていた。逆テーパ部５０３－１を伝搬する光のＭＦＤは徐々に拡大され、平面光導波路コア５０４へと光を断熱遷移させることで、理論上は光エネルギーの損失は発生しない。しかしながら、実際には、断熱結合効率はシリコン導波路コア５０３の寸法精度によって左右される。例えば、逆テーパ部５０３－１の先端が十分に細くならなかった場合、シリコン導波路コア５０３－２からの光の一部は、逆テーパ部５０３－１において周囲のクラッドに漏洩しなくなる。結果として、第２の光導波路領域の平面光導波路コア５０４へと遷移することなく、断熱結合効率を悪化させてしまう。したがって、シリコン導波路コア５０３と平面光導波路コア５０４を低損失に接続するためには、逆テーパ部５０３－１の先端を十分に狭く細く加工することが望ましい。

シリコン導波路コアの逆テーパ部５０３－１を形成するためには、シリコン導波路コアの先端部を、コア幅またはコア高さの少なくとも一方が、光の伝搬方向に対して徐々に狭くなるように加工する必要がある。シリコン導波路コアの高さは、１つの光導波路内で一定の値をとることがほとんどであるため、ＳＳＣ構造部５３０においてシリコン導波路コア５０３の高さを変化させることは難しい。したがって、シリコン導波路コアに対して逆テーパ部を形成する場合には、シリコン導波路コアの幅が変化する構造を設けることがほとんどである。

シリコン導波路コアの線幅の加工のためには、電子線描画装置や縮小投影型露光装置などを使用することができる。使用する装置によって描画可能な線幅には下限があり、この下限値以下の幅でシリコン導波路コアを加工することはできない。

そのため、シリコン細線導波路コアの加工のために使用する装置によっては、その装置で使用される加工技術に依存して、逆テーパ部５０３－１の先端を十分に狭く細く加工することができない。本来、逆テーパ部５０３－１は、先端の幅を０として三角形状とできれば、シリコン導波路コアから平面光導波路コア５０４への光の理想的な断熱遷移を実現できる。しかしながら、実際のシリコン導波路コアの加工装置では、三角形状はもちろんのこと、一定幅以下に制御性良く加工することはできない。このような逆テーパ部の形状の不完全さや形状のばらつきは、シリコン導波路コア内を伝搬する光を平面光導波路コアへと遷移させる際の損失およびその変動となってしまう。加工装置で使用される加工技術で決定されるシリコン光導波路コアの幅の下限値が大きいほど、ＳＳＣ構造部における断熱結合効率が悪化してしまう。

以下に説明する本開示の光導波回路は、使用される加工装置の加工性能に依存せず、制御性良く先端部の幅を狭く細くした逆テーパ部を備える。Ｓｉコア導波路からより大きいＭＦＤを持つ平面光導波路コアに向かって、結合損失を減らしたＳＳＣ構造を実現する。[光導波回路の構成概要]

図１は、特徴的なＳＳＣ構造を含む本開示の光導波回路の構成を示す図である。図１の（ａ）は、基板面を見た上面図（ｘ－ｚ面）を、（ｂ）は（ａ）のＩｂ－Ｉｂ線を通り基板面に垂直な断面図（ｙ－ｚ面）を示す。さらに図１の（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は、図１の（ｂ）のＩｃ－Ｉｃ線、Ｉｄ－Ｉｄ線、Ｉｅ－Ｉｅ線を通り光軸に垂直な面で切った断面図（ｘ－ｙ面）である。尚、図１の（ａ）の上面図は、より正確には、第１のコア１０３中心を通るｘ－ｚ面で切った内部の断面構成を示している。

図１の（ａ）を参照すれば、光導波回路１００は、より小さいＭＦＤを持つ光導波路を含む第１の光導波路１１０、ＳＳＣ構造部１３０、より大きいＭＦＤを持つ光導波路を含む第２の光導波路１２０を含む。ＳＳＣ構造部１３０は、第１の光導波路１１０の領域の中に含まれるものとして描いているが、説明の簡単化のため、第１の光導波路領域の一部としているだけであって、第２の光導波路１２０への遷移領域である。この遷移領域は、異なるＭＦＤの光導波路を接続し、一方のＭＦＤの光から他方のＭＦＤの光へ損失が最小となるように接続する。

図１の（ｂ）を参照すれば、光導波回路１００は、共通の基板１０１の上に形成された第１のコア１０３を含む第１の光導波路１１０と、第２のコア１０５を含む第２の光導波路１２０が光学的に接続された構造を備えていることがわかる。第１のコア１０３のサイズは、第２のコア１０５のサイズよりも小さい。図１の光導波回路では、異なるコアサイズ、すなわち異なるＭＦＤを有する２つの光導波路の接続部分のみを切り出して示している。したがって光導波回路１００は、図１には示していないそれぞれの光導波路の先に、他の光回路要素が含まれても良いし、図１と同様の接続部分が他に含まれても良い。２つの光導波路の先において、光導波回路１００において実現される機能も何ら限定されない。

本開示の光導波回路１００の上述の全体構成は、図６に示した従来技術のＳＳＣ構造部５３０を含む光回路と同じである。図６のＳＳＣ構造部５３０との相違点は、ＳＳＣ構造部１３０において逆テーパ形状となっている第１のコア１０３の先端部において、その周囲に酸化物の薄膜が形成されている点にある。

したがって本発明は、構造の異なる光導波路が接続された光導波回路であって、Ｓｉコア１０３を含む第１の光導波路１１０と、光軸に垂直な面において、前記Ｓｉコアの断面領域を内包する第２のコア１０５を含む第２の光導波路１２０と、前記Ｓｉコアの先端部を含み、前記先端部が前記第２のコアによって内包されており、前記構造の異なる光導波路間でモードフィールド径を適合させるスポットサイズ変換部１３０とを備え、前記Ｓｉコアの前記先端部の表面に、前記ＳｉコアのＳｉの酸化薄膜１０４を備えるものとして実施できる。
[材料]

第１の光導波路１１０の第１のコア１０３を形成する材料には、第１のコア１０３材料とその酸化物との屈折率差が３０％以上ある材料として、Ｓｉを選定した。第１の光導波路のコアの周囲表面には、第１の光導波路のコア１０３の酸化物で形成される薄膜が形成されている。第１の光導波路のコア１０３の材料がＳｉであることから、この酸化薄膜はＳｉＯｘで形成される。第２の光導波路１２０のコア１０５およびクラッド１０６については、屈折率の大小関係が、次式の関係を満たしていれば使用する材料は問わない。
Ｓｉ屈折率＞第２の光導波路コア屈折率＞第２の光導波路クラッド屈折率 式（１）

したがって、第２の光導波路の材料としては、例えば、Ｓｉ_ｘＮ_ｙ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ_２、ＳｉＯ_ｘ、ポリマーなどを使用できる。以下に説明する光導波回路１００の実施例の説明にでは、第２の光導波路のコア材料としてＧｅなどの不純物をドープしたＳｉＯ_２、第２の光導波路のクラッド材料をＳｉＯ_２の場合として説明するが、式（１）を満たすことのできる限り、使用する材料はＳｉＯ_２に限定されない。
[光導波路の基本構成]

図１の（ｂ）を再び参照すると、光導波回路１００は基板１０１上に構成されており、基板１０１はその直上にＳｉＯ_２層を成膜可能な、表面が平滑な基板である。ＳｉＯ_２層１０２が、基板１０１の上に作製されている。ＳｉＯ_２層１０２の上には、第１の光導波路のＳｉコア１０３が描画されている。Ｓｉコア１０３は、ＳＳＣ構造部１３０において、第２の光導波路１２０側に向かって、その幅を徐々に縮小する逆テーパ構造を有している。

逆テーパ形状のＳｉコア１０３のＳｉＯ_２層１０２側を除く周囲の表面には、ＳｉＯｘ膜１０４が形成されている。図４および図５で後述するように、ＳｉＯｘ膜１０４は、Ｓｉコア１０３の表面のＳｉが酸化されることによって、ＳｉＯｘ膜に置き換えられたものである。

先端部の周囲が酸化膜のＳｉＯｘ膜１０４に置き換えられたＳｉコア１０３の全体は、第２の光導波路１２０のコアとなるＳｉＯ_２コア１０５によって覆われている。すなわち、光軸に垂直な断面において、Ｓｉコア１０３の断面領域が、ＳｉＯ_２コア１０５の断面領域の中に内包されるように、ＳｉＯ_２コア１０５が形成される。さらに、ＳｉＯ_２コア１０５の全体が、ＳｉＯ_２層１０６によって覆われている。

ＳｉＯ_２コア１０５の屈折率は、式（１）に示したように、Ｓｉコア１０３の屈折率よりも低く、ＳｉＯ_２コア１０５直下のＳｉＯ_２層１０２、並びに、ＳｉＯ_２層１０６の屈折率よりも高い。したがって、Ｓｉコア１０３およびＳｉＯ_２コア１０５に光が閉じ込められ、１つの光軸を共有して、構造の異なる２種類の光導波路が接続された光導波回路を構成する。第１の光導波路１１０は、ＳｉＯ_２層１０２をアンダークラッドとし、Ｓｉコア１０３をコアとし、ＳｉＯｘ膜１０４をオーバークラッドとする。第２の光導波路１２０は、ＳｉＯ_２層１０２をアンダークラッドとし、ＳｉＯ_２コア１０５をコアとし、ＳｉＯ_２層１０６をオーバークラッドとする。
[コアサイズ、シングルモードの場合のＭＦＤ]

第１の光導波路１１０および第２の光導波路１２０のいずれも、コア断面サイズに上限はなく、使用する光信号の波長に対して、複数のモードの光を伝搬させるマルチモードの光導波路とすることもできる。また、コア断面サイズを小さくすることで、最低次のモードのみを伝搬させるシングルモードの光導波路とすることもできる。

第１の光導波路１１０は、Ｓｉ層をコア１０３とし、ＳｉＯ_２層１０２および酸化膜のＳｉＯｘ膜１０４をクラッドとし、コア－クラッド間の屈折率差が大きい。そのため、コア断面サイズを数百ｎｍまで小さくすることができる。一方、コアおよびクラッドともにＳｉＯ_２層を用いる第２の光導波路１２０は、第１の光導波路に比べて、コア－クラッド間の屈折率差が小さい。そのため、第２の光導波路のコア断面サイズは、数μｍ～１０μｍ角程度までとなる。

第１の光導波路１１０および第２の光導波路１２０のいずれもシングルモードの光導波路である場合、コア断面サイズは、第１の光導波路は数百ｎｍ程度、第２の光導波路は数μｍ～１０μｍ程度となる。そのため、２つの導波路のコア内を伝搬する光のＭＦＤは、著しく異なっており、第２の光導波路１２０のＭＦＤが第１の光導波路１１０のＭＦＤに比べて大きな値となる。
[コアの内包構造]

図１の（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）の光軸に垂直な断面（ｘ－ｙ面）を見れば明らかなように、第１の光導波路１１０と第２の光導波路１２０の接続部において、Ｓｉコア１０３の幅および高さは、ＳｉＯ_２コア１０５の幅および高さよりも小さく、Ｓｉコア１０３の断面領域はＳｉＯ_２コア１０５の断面領域内に収まる内包構造となっている。光導波回路１００は、Ｓｉコア１０３内を伝搬する光のＭＦＤを徐々に拡大させるスポットサイズ変換（ＳＳＣ）機能を有しており、図１の（ｃ）、（ｄ）はこのＳＳＣ構造部１３０の開始部、終了部の断面に対応する。図１の光導波回路１００においてＳＳＣ機能は、図１の（ａ）に示したようにＳｉコア１０３を先細りの逆テーパ形状とする構造によって実現することができる。

上述のように、ＳＳＣ構造部１３０においては、光軸に垂直な断面において、第１の光導波路のコア領域が第２の光導波路のコアに含まれる内包構造である必要がある。図１では、異なる構造の２つの光導波路における内包構造として、Ｓｉコア１０３およびＳｉＯ_２コア１０５の底面の高さが一致している例を示したが、２つの光導波路のコアの位置関係は図１の例だけに限定されない。

図２は、異なる構造の２つの光導波路における内包関係の別の構成例を示す図である。２つの異なる構造を持つ光導波路が構成された光導波回路２００について、図２の（ａ）は光軸を通り基板面に垂直な面で切った断面図（ｙ－ｚ面）を、図２の（ｂ）は（ａ）のIIｂ－IIｂ線を通り光軸に垂直な面で切った断面図（ｘ－ｙ面）を示す。それぞれ、図１の（ｂ）、（ｃ）に対応しており、光導波回路２００の上面図は図１の（ａ）と同じである。光導波回路２００では、第１の光導波路のＳｉコア１０３と、第２の光導波路のＳｉＯ_２コア１０５の中心高さが一致している。後述する図１の光導波回路１００の場合と製造工程が少し異なってくるが、ＳＳＣ構造部におけるＳｉコア１０３の先端部の表面がＳｉＯｘ膜１０４に覆われている点は同じである。

図３は、異なる構造の２つの光導波路における内包関係のさらに別の構成例を示す図である。図３の（ａ）は第１の光導波路の構成が異なる光導波回路３００を、図３の（ｂ）は第１の光導波路の構成がさらに異なる光導波回路４００を示している。いずれも光軸を通り基板面に垂直な面で切った断面図（ｙ－ｚ面）を示している。

第２の光導波路１２０のＳｉＯ_２コア１０５は、ＳＳＣ構造部１３０においてＳｉコア１０３を内包する構造によりＭＦＤを変換して、損失無く光結合するために必要である。しかしながら、第１の光導波路１１０においては、屈折率の大きいＳｉコア１０３によって光の閉じ込めが実現できるため、ＳｉＯ_２コア１０５により内包されている必要はない。

例えば図３の（ａ）の光導波回路３００に示したように、ＳｉＯ_２コア１０５をＳＳＣ構造部１３０までとして、Ｓｉコア１０３を第２の光導波路のオーバークラッドであるＳｉＯ_２層１０６によって覆うことができる。また図３の（ｂ）の光導波回路４００に示したように、ＳｉＯ_２コア１０５をＳＳＣ構造部１３０の領域内までとして、第１の光導波路１１０ではＳｉコア１０３のオーバークラッドが無い構造としても良い。Ｓｉコア１０３の上の構成は、第１の光導波路１１０が接続される先の光回路で求められる機能や製造工程に応じて、図１～図３のいずれの構成であって良い。
[製造方法、酸化膜形成方法]

図４および図５は、本開示の光導波回路の製造工程の一例を説明する。図４の（ａ）～（ｃ）および図５の（ａ）～（ｃ）によって、図１に示した光導波回路１００の一連の製造工程が説明される。構造の異なる第１の光導波路および第２の光導波路の接続部分について基板の状態からの作製工程が示される。いずれの図においても、作製される光導波路の光軸を通り基板面に垂直な断面図（ｙ－ｚ面）を右側に、逆テーパ構造の中程の断面線を通り光軸に垂直な面（ｘ－ｙ面）で切った断面図を左側に示している。また図４および図５のいずれの図も、２種類の光導波路の接続部分近傍のみを切り出して示していることに留意されたい。

図４の（ａ）を参照すると、最初に、直上にＳｉＯ_２層を成膜可能な程度に表面が平滑な基板１０１の上に、ＳｉＯ_２層１０２を形成する。基板１０１の具体例として、ガラス基板等が挙げられるが、特にＳｉ基板が好適である。ＳｉＯ_２層１０２の形成方法は、形成した層の直上に他の層を形成可能なほどに、均一かつ平滑な層を形成できれば方法は問わない。一例を挙げれば、火炎堆積法などの成膜方法がある。ＳｉＯ_２層１０２の直上に、さらにＳｉ層３０３を形成し、平坦化する。Ｓｉ層３０３の形成方法には、アモルファスシリコンをスパッタリングで製膜しても良いし、別のＳｉ基板を基板１０１の上面（ＳｉＯ_２層１０２上）に貼り合わせた後、所望の膜厚のＳｉ膜としても良い。図４の（ａ）に示した構造は、一般的なＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板と同等の構造である。

次に図４の（ｂ）を参照すると、Ｓｉ層３０３を加工して、光導波路コアとして光を伝搬させることができるように第１の光導波路のＳｉコア２０３を作製する。Ｓｉコア２０３の形成と併せて、図４および図５には示されていない、Ｓｉをコアとする他の光導波回路を形成しても良い。

さらに図４の（ｃ）を参照すると、Ｓｉコア２０３の直上に、ＳｉＯ_２層１０２よりも高い屈折率を有するＳｉＯ_２層２０５を形成する。ＳｉＯ_２層２０５を形成するに際して、ＧｅＯ_２、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、Ｐ_２Ｏ_５やＢ_２Ｏ_３などをＳｉＯ_２層に添加することで、その屈折率を制御しても良い。図４の（ｃ）の工程までによって、図１の第１の光導波路１１０側が作製される

次に図５の（ａ）を参照すると、Ｓｉコア２０３がＳｉＯ_２層２０５によって覆われている状態で、光導波回路１００の一部または全体を、大気などの周囲に酸化種が存在する環境下で８００℃以上に加熱する。このとき、Ｓｉコア２０３のＳＳＣ構造部となる部分が加熱される限りは、光導波回路１００全体を加熱しても良いし、レーザ照射などの方法で局所的にＳＳＣ構造部のみを加熱しても良い。この加熱により、Ｓｉコア２０３の酸化反応が生じ、Ｓｉコア２０３の表面がＳｉＯｘへと変化し、Ｓｉコア２０３の表面に沿ってＳｉＯｘ膜１０４が形成される。ＳｉＯｘ膜１０４が形成されると同時に、Ｓｉコア２０３のサイズが縮小し、酸化せずに残ったＳｉコア１０３が第１の光導波路１１０の第１のコアとして機能することとなる。

図５の（ａ）に示したように、Ｓｉコア１０３の断面サイズは、幅方向および高さ方向いずれも、ＳｉＯ_２層２０５形成前であって図４の（ｂ）に示した加工された状態のＳｉコア２０３の断面サイズよりも小さくなっている。加熱の段階で、Ｓｉコア２０３がＳｉＯ_２層２０５に覆われていることによって、Ｓｉの酸化速度は、酸化種がＳｉＯ_２層２０５を通過する速度によって律速されるため、急激な熱酸化を抑制できる。したがって、図５の（ａ）の工程において適切な加熱時間を選択すれば、Ｓｉコア２０３の外周部の所望の深さまでＳｉＯｘへと徐々に変化させ酸化量を制御することができる。上述の加熱工程では、酸化種は主に基板の最上部のＳｉＯ_２層２０５から供給されるため。Ｓｉコア２０３の断面の周囲表面の内で、上部および両側部にＳｉＯｘ膜１０４が形成されるものとして説明した。しかし、ＳｉＯ_２層１０２に接するＳｉコア２０３の下部でもわずかながら酸化が進み得る。

次に図５の（ｂ）を参照すると、ＳｉＯ_２層２０５を加工して、光導波路コアとして光を伝搬させることができるように第２の光導波路のＳｉＯ_２コア１０５を作製する。ＳｉＯ_２コア１０５を加工する際、すでに加工されているＳｉコア１０３の幅に比べてＳｉＯ_２コア１０５の幅を広くするのが望ましい。これによって、上述のＳＳＣ構造部における異なる光導波路のコアの内包構造を確実にするとともに、ＳｉＯ_２コア１０５の加工時に、既に加工されたＳｉコア１０３の側壁に影響を与えないためである。何等かの理由で、Ｓｉコア１０３の幅に比べてＳｉＯ_２コア１０５の幅が狭くなってしまうような場合でも、光導波路の少なくとも高さ方向について内包関係が成立していれば、オーバークラッドであるＳｉＯ_２層１０６がある限り、ＳｉＯ_２コア１０５に伝搬光が閉じ込められ、光導波路として正常に機能し得る。

最後に図５の（ｃ）を参照すると、ＳｉＯ_２コア１０５よりも低い屈折率を有するＳｉＯ_２層１０６を全体の最上部に形成して、光導波路回路１００が完成する。尚、図１、図４および図５に示していない光導波路回路１００の他の部分の作製のために、上述の工程より他の工程が追加されても良いのは言うまでもない。

したがって本発明は、構造の異なる光導波路が接続された光導波回路の製造方法において、基板の上に、第１の光導波路のＳｉコアを形成するステップ（図４のｂ）と、前記Ｓｉコアの上に、第２の光導波路のコア材料膜を形成するステップ（図４のｃ）と、前記Ｓｉコアの表面に、前記コア材料膜を介した状態で、Ｓｉ酸化物の薄膜を形成するステップ（図５のａ）と、前記コア材料膜を加工して、前記第２の光導波路の第２のコアを形成するステップ（図５のｂ）と、前記第２のコアの上に、クラッドを形成するステップ（図５のｃ）とを備え、光軸に垂直な面において、前記Ｓｉコアの先端部が前記第２のコアによって内包されており、前記先端部における前記Ｓｉコアの表面が前記Ｓｉ酸化物の薄膜で置き換えられているものとして実施できる。

上述の図４および図５に示した一連の工程では、図５の（ａ）で加熱を行ってＳｉＯｘ膜１０４を形成した後で、図５の（ｂ）でＳｉＯ_２コア１０５の作製が行われる順序のものとして工程を説明した。しかしながら、加熱による第１の光導波路のＳｉコアの周囲表面のＳｉＯｘ膜形成工程と、第２の光導波路のＳｉＯ_２コア１０５作製加工工程の順序を入れ替えても良い。すなわち、ＳｉＯ_２コア１０５の作製をまず行って、その後に加熱によって光導波路のＳｉコア２０３の周囲表面にＳｉＯｘ膜を形成しても良い。Ｓｉコア２０３が第２の光導波路のコア材料ＳｉＯ_２によって覆われている限りは、ＳｉＯ_２が膜の状態でもコアの状態でも、加熱時の熱酸化の急激な進行を抑える効果が得られる。Ｓｉコア２０３がＳｉＯ_２層２０５に覆われている場合も、Ｓｉコア２０３がＳｉＯ_２コア１０５の覆われている場合も、制御された酸化速度で、最終的に同様の光導波回路が得られる。したがって、酸化薄膜であるＳｉＯｘ膜１０４は、少なくとも第２のコア１０５、２０５によってＳｉコア２０３が覆われた状態で、前記第２のコア１０５、２０５を介して供給された酸化種で構成されたものである。

上述の工程で形成されるＳｉＯｘ膜は、その組成が不安定な場合があるためと記載しているが、酸化の環境によっては、ＳｉＯ_２に近くなる場合もある。ＳｉＯｘがどのような組成・状態・屈折率であっても、Ｓｉコアにおける純粋なＳｉとの屈折率差は大きく、純粋なＳｉ部分の幅と高さが細くなるのは変わりがない。したがって、屈折率の変化の観点、光の閉じ込めの観点からは、ＳｉＯｘは、ＳｉＯ_２と同じとみなすことができる。

上述の酸化膜１０４は、その組成が概ねＳｉＯ_２である場合も、第２の光導波路のコア-クラッドの屈折率差が比較的高い場合であれば、第２のコアと「酸化膜」を視覚的に判
別することができる。また、作製した光導波回路の断面に、たとえばウェットエッチングを施し、そのエッチング速度が材料の組成によって微妙に異なることを利用して、断面に組成ごとの凹凸を形成して、酸化膜１０４の存在を識別することもできる。
[異なる構造を持つ光導波路の接続機構]

２つのコアを伝搬方向に対して接するように配置し、シングルモードとなるコア同士を接続させるのに利用される機構は２種類に大別される。１つの接続機構は、断熱結合である。断熱結合では、一方のコアを先細りのテーパ形状にする等して、コア内を伝搬するモードの等価屈折率を徐々に減少させると、閉じ込めきれなくなったモードの光エネルギーが、隣接する他方のコアへと断熱的に遷移する。

コア同士を接続させるのに利用される、もう１つの接続機構は、突き合わせ結合である。突き合わせ結合では、コア同士の端面を突き合わせて配置し、２つのコアそれぞれに存在するモードプロファイルの重なり積分でその結合効率が規定される。

上述の本開示の光導波回路では、第１の光導波路１１０および第２の光導波路１２０がいずれもシングルモード光導波路である場合、ＳＳＣ構造部１３０において、断熱結合、または、断熱結合および突合せ結合の双方の接続機構が利用される。

図１を再び参照すれば、第２の光導波路１２０は、第１の光導波路１１０に比べて大きなＭＦＤを有している。第１の光導波路１１０および第２の光導波路１２０の間を低損失に接続するためには、２種類の光導波路の境界付近でＭＦＤを整合させることが望ましい。ＭＦＤの整合を実現するためには、第１の光導波路に対して、ＭＦＤを第２の光導波路に合わせるように徐々に拡大させるスポットサイズ変換（ＳＳＣ）機能を持たせれば良い。

本開示の光導波回路において、ＳＳＣ機能を実現するための構造として、図１のＳＳＣ構造部１３０のように、Ｓｉコア１０３を先細りの逆テーパ形状とする。Ｓｉコア１０３のＭＦＤを徐々に拡大させるには、Ｓｉコア１０３内のモードの等価屈折率を徐々に減少させれば良い。ＳＳＣ構造部１３０のＳｉコア１０３を先細りの逆テーパ形状とすることで、Ｓｉコア１０３がＳｉＯ_２コア１０５に内包されている領域で、第２の光導波路１２０の側に向かって進むにつれて等価屈折率を減少させることができる。ＳＳＣ構造部１３０において、Ｓｉコア１０３内の光エネルギーの一部またはすべてを、ＳｉＯ_２コア１０５へと断熱的に遷移させられる。

Ｓｉコア１０３内の光エネルギーの一部が、ＳｉＯ_２コア１０５との断熱結合をせずにＳｉコア１０３内を伝搬して、ＳＳＣ構造部１３０の先端（Ｓｉコア１０３の先端）まで到達した場合、この先端においてＳｉＯ_２コア１０５と突合せ結合される。突合せ結合機構が利用される場合、ＳＳＣ構造部１３０の先端において、Ｓｉコア１０３のＭＦＤと、ＳｉＯ_２コア１０５のＭＦＤが一致しているほど、結合効率が高い。
[接続損失の増加要因]

上述の２つの接続機構を利用した場合に、２種類の光導波路間の接続損失が増加する要因は２つある。１つの要因は、Ｓｉコア１０３内の光エネルギーのうち、ＳｉＯ_２コア１０５へ断熱結合をせずに、突合せ結合される光エネルギーの割合が大きくなることである。したがって、できる限り断熱結合の機構によって、Ｓｉコア１０３内の光エネルギーをＳｉＯ_２コア１０５へ結合させるべきである。

もう１つの要因は、Ｓｉコア１０３とＳｉＯ_２コア１０５が突合せ結合される場合に、２つのコアのＭＦＤの不整合が大きいことである。図６で説明したように、２つの要因のいずれも、ＳＳＣ構造部１３０におけるＳｉコア１０３のテーパ形状が不完全であった場合に生じる。すなわち、先細りテーパの先端部が、十分に狭く、細くならない場合に生じる。

Ｓｉコア１０３のテーパ先端が十分に狭く、細くない場合、ＳＳＣ構造部１３０においてＳｉコア１０３内のモードの等価屈折率が十分に減少しないため、ＳｉＯ_２コア１０５へ断熱的に遷移する光エネルギー割合が減少する。この結果として、ＳｉＯ_２コア１０５へ突合せ結合される光エネルギーの割合が大きくなる。このとき、Ｓｉコア１０３のテーパ先端が十分に狭く、細く無い場合、ＳＳＣ構造部１３０においてＳｉコア１０３のＭＦＤは十分に拡大していない。このため、第２の光導波路との境界において、Ｓｉコア１０３と、ＳｉＯ_２コア１０５との間でＭＦＤの不整合が大きくなり、突合せ結合効率が悪化する。以上のような接続損失上昇を抑制するためには、ＳＳＣ構造部１３０におけるＳｉコア１０３のテーパ先端の形状を、再現性良く、十分に狭く、細く作製することが望ましい。
[３工程でのコアサイズ制御]

本開示の光導波回路の上述の作製工程において、Ｓｉコア１０３のサイズ制御に影響を与える工程は次の３つ工程である。第１に、図４の（ａ）に示したＳｉ層３０３の形成工程であり、第２に、図４の（ｂ）に示したＳｉ層からＳｉコア２０３を作製する工程であり、第３に、図５の（ａ）に示した加熱によりＳｉコア外周部を酸化させコアサイズを縮小し、Ｓｉコア１０３を形成する工程である。

図４の（ａ）に示した第１の工程では、最終的なＳｉコア１０３の「高さ」に影響するサイズを制御できる。Ｓｉ層３０３を所望の膜厚となるよう形成することで、その膜厚が後に形成されるＳｉコア２０３の高さとなる。第１の工程では、形成できるＳｉ層３０３の膜厚に制限は無いため、Ｓｉコア２０３の高さにも制限は無い。図４の（ａ）に示される構造として、予めＳｉ層がＳｉＯ_２層の上に形成されている、ＳＯＩ基板を用いることもできる。その場合にはＳＯＩ基板の構造によって、Ｓｉコア層２０３の膜厚および酸化前のＳｉコア２０３の高さが決定される。

図４の（ｂ）に示した第２の工程では、最終的なＳｉコア１０３の「幅」に影響するサイズを制御できる。Ｓｉコア２０３の加工には、電子線描画装置や縮小投影型露光装置などの装置を使用することができる。使用する装置によって描画可能な最小線幅には制限があり、下限値以下の幅でＳｉコア２０３を加工することはできない。

図５の（ａ）に示した第３の工程では、最終的なＳｉコア１０３の「幅」と「高さ」の両方に影響するサイズを制御できる。酸化膜の作製を含むこの工程では、図４の（ｂ）の工程で加工されたＳｉコア２０３のサイズをさらに縮小することで、最終的なＳｉコア１０３を形成する。このため、図４の（ａ）および（ｂ）の工程で実現し得るサイズの下限値をさらに下回ってＳｉコアのサイズを縮小できる。酸化膜の作製を含むこの第３の工程により、ＳＳＣ構造部１３０のＳｉコア１０３のテーパ先端を、Ｓｉコア２０３形成時に加工可能な線幅よりも狭く、細くすることが可能となる。

上述の第３の工程によって、Ｓｉコアの加工装置において使用される加工技術に関わらず、その加工技術で安定的に可能な幅でテーパを加工し、さらに制御性の良い酸化膜の作製工程によって、より狭く、細くテーパ幅を縮小できる。ＳＳＣ構造部１３０においてＳｉコア１０３の等価屈折率を、Ｓｉコア２０３を使用した光回路と比べて減少させることができる。結果として、Ｓｉコア１０３内の光エネルギーのうち、ＳＳＣ構造部１３０においてＳｉＯ_２コア１０５へと断熱結合する光エネルギーの割合を増やし、接続損失を減らすことができる。

それでもなお一部の光エネルギーが断熱結合せず、ＳｉＯ_２コア１０５と突合せ結合される場合にも、Ｓｉコア１０３のテーパ先端の断面サイズが縮小されていることで、ＳＳＣ構造部１３０におけるＳｉコア１０３のＭＦＤの拡大量を大きくすることができ、ＳｉＯ_２コア１０５とのＭＦＤの不整合を軽減し、接続損失を減らすことができる。

以上詳細に説明したように、本開示の光導波回路によれば、構造の異なる２種類の光導波路を低損失に接続できる。製造技術上、加工できる光導波路のコアサイズに下限がある場合にも、Ｓｉコアの酸化を利用して屈折率が高いＳｉを、屈折率が低いＳｉＯｘで部分的に置き換えて、Ｓｉの光導波路のコアサイズを縮小させる。加工可能な下限値を下回ったコアサイズを有する光導波路を実現し、より低損失に接続することができる。

本発明により、光導波路のコア加工のために利用可能な技術の選択に関係なく、ＭＦＤの大きく異なる光導波路同士を低損失に接続できる光導波回路を提供できる。

本発明は、通信に利用できる。具体的には光通信に用いられる光回路に利用できる。

Claims (3)

1. 構造の異なる光導波路が接続された光導波回路の製造方法において、
   基板の上に、第１の光導波路のＳｉコアを形成するステップと、
   前記Ｓｉコアの上に、第２の光導波路のコア材料膜を形成するステップと、
   前記Ｓｉコアの表面に、前記コア材料膜を介した状態で、Ｓｉ酸化物の薄膜を形成するステップと、
   前記コア材料膜を加工して、前記第２の光導波路の第２のコアを形成するステップと、
   前記第２のコアの上に、クラッドを形成するステップと
   を備え、
   光軸に垂直な面において、前記Ｓｉコアの先端部が前記第２のコアによって内包されており、前記先端部における前記Ｓｉコアの表面が前記Ｓｉ酸化物の薄膜で置き換えられていることを特徴とする、光導波路回路の製造方法。
2. 構造の異なる光導波路が接続された光導波回路の製造方法において、
   基板の上に、第１の光導波路のＳｉコアを形成するステップと、
   前記Ｓｉコアの上に、第２の光導波路のコア材料膜を形成するステップと、
   前記コア材料膜を加工して、前記第２の光導波路の第２のコアを形成するステップと、
   前記Ｓｉコアの表面に、前記第２のコアを介した状態で、Ｓｉ酸化物の薄膜を形成するステップと、
   前記第２のコアの上に、クラッドを形成するステップと
   を備え、
   光軸に垂直な面において、前記Ｓｉコアの先端部が前記第２のコアによって内包されており、前記先端部における前記Ｓｉコアの表面が前記Ｓｉ酸化物の薄膜で置き換えられていることを特徴とする、光導波路回路の製造方法。
3. 前記Ｓｉコアの屈折率＞前記第２のコアの屈折率＞前記クラッドの屈折率
   の関係を有し、
   Ｓｉコアを形成する前記ステップは、
   前記先端部が、前記第２の光導波路の側に向かって前記Ｓｉコアの幅または高さが徐々に縮小するよう、前記Ｓｉコアを形成することを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路回路の製造方法。

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