JPWO2009096321A1 - Optical coupler capable of connecting a thin wire waveguide and a ridge waveguide with low loss - Google Patents

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Abstract

一端がリッジ導波路３０のコア３１に接続されるリッジコア３２を有している。リッジコア３２は、薄膜部３２ａと、薄膜部３２ａ上に形成されたリッジ状の突起部３２ｂとから成ると共に、一端から他端に向かうにつれて薄膜部３２ａの高さが減少している。さらに、一端がリッジコア３２の他端に接続されると共に他端が細線導波路２０のコア２１に接続される細線コア２２を有している。細線コア２２は、一端から他端に向かうにつれて高さが減少している。One end has a ridge core 32 connected to the core 31 of the ridge waveguide 30. The ridge core 32 includes a thin film portion 32a and a ridge-shaped protrusion 32b formed on the thin film portion 32a, and the height of the thin film portion 32a decreases from one end to the other end. Further, the thin wire core 22 has one end connected to the other end of the ridge core 32 and the other end connected to the core 21 of the thin wire waveguide 20. The fine wire core 22 decreases in height from one end to the other end.

Description

本発明は、２つの光導波路を接続するための光導波路の光結合器に関し、特に、光集積回路に適用可能な光結合器に関する。
シリコン・オン・インシュレータ基板（Ｓｉ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｗａｆｅｒ：ＳＯＩ基板）は、光集積回路の基板として用いることができる積層基板である。ＳＯＩ基板は、シリコン基板上に形成された二酸化シリコンの薄膜から成る埋め込み酸化膜と、その上に形成されたシリコンの薄膜から成るシリコン活性層とを有している。ＳＯＩ基板を用いた光導波路の例としては、細線導波路と、リッジ導波路（リブ光導波路ともいう）とが知られている。
このうちのＳＯＩ基板を用いた細線導波路は、ＳＯＩ基板の最上層のシリコン活性層を細線状に加工することによって形成される。細線導波路は、シリコンによって構成されたコアと、コアの下の埋め込み酸化膜ならびにコアの横や上部の空気によって構成されたクラッドとを有している。コアの横および上部のクラッドとしては、空気に代えて、二酸化シリコンによって構成されることもある。この場合、コアは、二酸化シリコンに埋め込むことによって形成される。この細線導波路において、導波光は、コアに閉じこめられて伝搬する。
他方、ＳＯＩ基板を用いたリッジ導波路は、ＳＯＩ基板の最上層のシリコン活性層上に細線状の突起部を形成することによって形成される。リッジ導波路は、シリコンによって構成された薄膜部と、薄膜部上に形成されたシリコンによって構成された突起部とから成るリッジ状のコアと、コアの下の埋め込み酸化膜ならびにコアの上の空気によって構成されたリッジコアとを有している。リッジ導波路において、導波光は、コアの近傍に閉じ込められる。リッジ状のコアの上部はさらに、二酸化シリコンで埋め込まれることもある。リッジ導波路の導波光は、コアの薄膜の内、突起の近傍に閉じ込められて伝搬する。
リッジ導波路は、細線導波路に比べて側壁荒れの影響を受け難い。このため、同じ材料系を用いて同じ加工精度で同じ導波モード数の直線の光導波路を製造する場合は、リッジ導波路の方が細線導波路よりも低伝播損失である。一方、細線導波路は、リッジ導波路に比べて光の閉じ込めが強いため、同じ材料系を用いて同じ加工精度で同じ曲率の曲がり光導波路を製造する場合は、細線導波路の方がリッジ導波路よりも低損失である。よって、直線の光導波路と曲線の光導波路とが混在した低損失な光回路を構成するためには、１つのＳＯＩ基板上に、細線導波路、リッジ導波路、ならびに両光導波路を低損失に接続する光結合器が望まれる。
あるいは、細線導波路およびリッジ導波路の一方が形成された１つのＳＯＩ基板の外部入出力部を細線導波路およびリッジ導波路の他方によって構成する場合にも、そのＳＯＩ基板上に、細線導波路とリッジ導波路とを低損失に接続する光結合器が必要とされる。
リッジ導波路と細線導波路とを接続する光結合器は、例えば、本願発明の関連技術である特開２００７−０９３７４３号公報に開示されている。この関連技術に開示された光結合器は、薄膜部と、薄膜部の上の突起部とから成るリッジコアを有している。このリッジコアは、リッジ導波路が接続される一端から細線導波路が接続される他端に向かうにつれて、突起部の幅と薄膜部の厚さが同時に小さくなるような形状を呈している。
この関連技術に開示された光結合器においては、その一端から他端までの間に亘って、リッジコアの突起部の高さは一定である。この場合、他端に接続される細線導波路における光の閉じ込めが一端に接続されるリッジ導波路よりも強くなる虞がある。この結果、たとえリッジ導波路においてシングルモード条件を満たしたとしても、細線導波路において多モード化してしまう虞がある。
また、細線導波路側で多モード化した状態であっても、細線導波路デバイスの設計の条件のために、リッジコアの突起部の高さと細線導波路のコアの高さを異なった値としたい場合がある。
また、リッジ導波路と細線導波路との接続やそれぞれのコアの断面形状の調整が、小さなデバイス構造で行われなければ、光回路全体が大型化し、光回路の集積化の妨げになるという問題もある。The present invention relates to an optical waveguide optical coupler for connecting two optical waveguides, and more particularly to an optical coupler applicable to an optical integrated circuit.
A silicon on insulator substrate (Si On Insulator wafer: SOI substrate) is a laminated substrate that can be used as a substrate of an optical integrated circuit. The SOI substrate has a buried oxide film made of a silicon dioxide thin film formed on a silicon substrate and a silicon active layer made of a silicon thin film formed thereon. As examples of an optical waveguide using an SOI substrate, a thin wire waveguide and a ridge waveguide (also referred to as a rib optical waveguide) are known.
Of these, the thin-line waveguide using the SOI substrate is formed by processing the uppermost silicon active layer of the SOI substrate into a thin-line shape. The thin wire waveguide has a core made of silicon, a buried oxide film under the core, and a clad made of air next to or above the core. The cladding on the side and upper part of the core may be made of silicon dioxide instead of air. In this case, the core is formed by embedding in silicon dioxide. In this thin wire waveguide, the guided light propagates confined in the core.
On the other hand, a ridge waveguide using an SOI substrate is formed by forming a thin line-shaped protrusion on the uppermost silicon active layer of the SOI substrate. The ridge waveguide includes a ridge-shaped core composed of a thin film portion made of silicon and a protrusion formed of silicon formed on the thin film portion, a buried oxide film under the core, and air above the core. And a ridge core composed of In the ridge waveguide, the guided light is confined in the vicinity of the core. The top of the ridge-shaped core may be further embedded with silicon dioxide. The guided light of the ridge waveguide propagates by being confined in the vicinity of the protrusion in the core thin film.
Ridge waveguides are less susceptible to side wall roughness than fine wire waveguides. For this reason, when a linear optical waveguide having the same number of waveguide modes and the same processing accuracy is manufactured using the same material system, the ridge waveguide has a lower propagation loss than the thin-line waveguide. On the other hand, the narrow-line waveguide has a higher light confinement than the ridge waveguide. Therefore, when manufacturing a bent optical waveguide with the same processing accuracy and the same curvature using the same material system, the narrow-line waveguide is more ridge-guided. Lower loss than waveguide. Therefore, in order to configure a low-loss optical circuit in which a straight optical waveguide and a curved optical waveguide are mixed, a thin-line waveguide, a ridge waveguide, and both optical waveguides are reduced on a single SOI substrate. A connecting optical coupler is desired.
Alternatively, when the external input / output portion of one SOI substrate on which one of the fine wire waveguide and the ridge waveguide is formed by the other of the fine wire waveguide and the ridge waveguide, the fine wire waveguide is formed on the SOI substrate. There is a need for an optical coupler that connects the ridge waveguide and the ridge waveguide with low loss.
An optical coupler that connects a ridge waveguide and a thin wire waveguide is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-093743, which is a related technology of the present invention. The optical coupler disclosed in this related art has a ridge core composed of a thin film portion and a protrusion on the thin film portion. The ridge core has a shape in which the width of the protrusion and the thickness of the thin film portion are simultaneously reduced from one end to which the ridge waveguide is connected toward the other end to which the thin wire waveguide is connected.
In the optical coupler disclosed in this related art, the height of the protrusion of the ridge core is constant from one end to the other end. In this case, the light confinement in the thin wire waveguide connected to the other end may be stronger than the ridge waveguide connected to the one end. As a result, even if the single-mode condition is satisfied in the ridge waveguide, there is a possibility that the thin-wire waveguide may become multimode.
Also, even in the multi-mode state on the thin wire waveguide side, due to the design conditions of the thin wire waveguide device, I want to make the height of the ridge core protrusion and the core height of the thin wire waveguide different. There is a case.
In addition, if the connection between the ridge waveguide and the thin wire waveguide and the adjustment of the cross-sectional shape of each core are not performed with a small device structure, the entire optical circuit becomes large, which hinders the integration of the optical circuit. There is also.

それ故、本発明の課題は、細線導波路とリッジ導波路とを、これらのシングルモード条件を満たしつつ、低損失に接続することができる光結合器を提供することである。
本発明の他の課題は、細線導波路のコアの高さと、リッジ導波路のコアの突起部の高さとを、それぞれに最適な、異なる高さに設定することを可能にする光結合器を提供することである。
本発明のさらに他の課題は、高密度化された光集積回路を提供することである。
本発明によれば、シリコン基板上に形成され、リッジ導波路と細線導波路とを接続する光結合器であって、一端がリッジ導波路のコアに接続されるリッジコアを有し、リッジコアは、一端から他端に向かうにつれて高さが減少するテーパ形状を呈し、一端がリッジコアの他端に接続されると共に他端が細線導波路のコアに接続される細線コアをさらに有し、細線コアは、一端から他端に向かうにつれて高さが減少するテーパ形状を呈することを特徴とする光結合器が得られる。
リッジコアおよび細線コアの少なくとも一方は、一端から他端に向かうにつれて幅が減少するテーパ形状を呈していてもよい。
リッジコアは、一端と他端との間に延びる薄膜部と、薄膜部上に形成され、一端と他端との間に延びる突起部とを含み、薄膜部は、他端において高さがゼロに収れんするように一端から他端に向かうにつれて高さが減少するテーパ形状を呈していてもよい。
リッジコアの突起部と、細線コアとは、互いに接続される断面同士が同一の形状であってもよい。
リッジコアの一端から細線コアの他端までの長さは、リッジコアの一端における薄膜部の厚さと突起部の高さの和と、細線コアの他端における細線コアの高さとの差の、１０倍以上であってもよい。
本光結合器は、リッジ導波路および細線導波路の少なくとも一方と共通のシリコン基板上に形成されていていてもよい。
リッジコアおよび細線コアの下方に形成される下層クラッドをさらに有し、下層クラッドは、シリコン基板に形成された埋込酸化膜によって構成されていてもよい。
さらに、本発明によれば、リッジ導波路と、細線導波路と、光結合器とを有し、リッジ導波路、細線導波路、および光結合器は、それらに共通のシリコン基板上に形成されている光集積回路が得られる。Therefore, an object of the present invention is to provide an optical coupler capable of connecting a thin wire waveguide and a ridge waveguide with low loss while satisfying these single mode conditions.
Another object of the present invention is to provide an optical coupler that makes it possible to set the height of the core of the thin wire waveguide and the height of the projection of the core of the ridge waveguide to different and optimum heights. Is to provide.
Still another object of the present invention is to provide a highly integrated optical integrated circuit.
According to the present invention, an optical coupler that is formed on a silicon substrate and connects a ridge waveguide and a thin wire waveguide, the ridge core having one end connected to the core of the ridge waveguide, It has a tapered shape whose height decreases from one end to the other end, and further includes a fine wire core having one end connected to the other end of the ridge core and the other end connected to the core of the fine wire waveguide, An optical coupler having a tapered shape whose height decreases from one end to the other end can be obtained.
At least one of the ridge core and the thin wire core may have a taper shape whose width decreases from one end to the other end.
The ridge core includes a thin film portion extending between one end and the other end, and a protrusion formed on the thin film portion and extending between the one end and the other end. The thin film portion has a height of zero at the other end. You may exhibit the taper shape which height decreases as it goes to the other end so that it may converge.
The protrusions of the ridge core and the thin wire core may have the same shape in cross sections connected to each other.
The length from one end of the ridge core to the other end of the fine wire core is 10 times the difference between the sum of the thickness of the thin film portion and the height of the protrusion at one end of the ridge core and the height of the fine wire core at the other end of the fine wire core. It may be the above.
The present optical coupler may be formed on a silicon substrate common to at least one of the ridge waveguide and the thin wire waveguide.
It further has a lower clad formed below the ridge core and the thin wire core, and the lower clad may be constituted by a buried oxide film formed on the silicon substrate.
Further, according to the present invention, the ridge waveguide, the fine wire waveguide, and the optical coupler are formed on a silicon substrate common to the ridge waveguide, the fine wire waveguide, and the optical coupler. An optical integrated circuit can be obtained.

図１は、本発明の第１の実施例による光結合器を示す斜視図であり、
図２は、図１に示された光結合器の切断線２−２に沿った断面図であり、
図３Ａ〜３Ｆは、図１に示された光結合器の製造方法を説明するための工程図であり、
図４は、本発明の第２の実施例による光結合器を示す斜視図であり、そして、
図５は、図４に示された光結合器の切断線５−５に沿った断面図である。FIG. 1 is a perspective view showing an optical coupler according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the optical coupler shown in FIG.
3A to 3F are process diagrams for explaining a method of manufacturing the optical coupler shown in FIG.
FIG. 4 is a perspective view showing an optical coupler according to a second embodiment of the present invention, and
FIG. 5 is a cross-sectional view of the optical coupler shown in FIG. 4 taken along section line 5-5.

本発明による光結合器は、一端がリッジ導波路のコアに接続されるリッジコアを有している。リッジコアは、一端から他端に向かうにつれて高さが減少するテーパ形状を呈している。本光結合器はさらに、一端がリッジコアの他端に接続されると共に他端が細線導波路のコアに接続される細線コアを有している。細線コアは、一端から他端に向かうにつれて高さが減少するテーパ形状を呈している。
これにより、リッジ導波路のコアの突起部の高さと、細線導波路のコアの高さとを異なる値に設定することができる。具体的には、リッジ導波路のコアの突起部の薄膜部の表面からの高さを大きく維持したまま、細線導波路のコアの高さを小さくすることができる。この結果、リッジ導波路においてシングルモード条件を満たしながら光閉じ込め効果を奏することと、細線導波路においてシングルモード条件を満たすこととが両立される。
本発明による光結合器は、細線導波路とリッジ導波路とを低損失に接続することができる。
また、本発明による光結合器は、リッジ導波路と細線導波路とを互いの構造上の制約を受けずに同一基板上に混載することを可能にする。このため、光集積回路の設計の自由度が広がる。
また、本発明による光結合器は、リッジ導波路および細線導波路の一方を含む光回路に対してリッジ導波路および細線導波路の他方を外部から接続することを可能にする。
また、本発明による光結合器は、テーパ形状の細線コアによってその高さを調整であるため、細線導波路のコアの高さに余裕を持たせる構造設計を可能にする。これにより、製造の歩留まりと生産性が向上する。The optical coupler according to the present invention has a ridge core having one end connected to the core of the ridge waveguide. The ridge core has a tapered shape whose height decreases from one end to the other end. The optical coupler further includes a thin wire core having one end connected to the other end of the ridge core and the other end connected to the core of the thin wire waveguide. The thin wire core has a tapered shape whose height decreases from one end to the other end.
Thereby, the height of the protrusion part of the core of a ridge waveguide and the height of the core of a thin wire | line waveguide can be set to a different value. Specifically, it is possible to reduce the height of the core of the thin wire waveguide while maintaining the height of the protrusion of the core of the ridge waveguide from the surface of the thin film portion large. As a result, it is possible to achieve both the optical confinement effect while satisfying the single mode condition in the ridge waveguide and the single mode condition in the thin wire waveguide.
The optical coupler according to the present invention can connect the thin wire waveguide and the ridge waveguide with low loss.
In addition, the optical coupler according to the present invention makes it possible to mount the ridge waveguide and the thin wire waveguide on the same substrate without being restricted by the structure of each other. For this reason, the freedom degree of design of an optical integrated circuit spreads.
In addition, the optical coupler according to the present invention makes it possible to connect the other of the ridge waveguide and the thin wire waveguide from the outside to the optical circuit including one of the ridge waveguide and the thin wire waveguide.
In addition, since the height of the optical coupler according to the present invention is adjusted by the tapered thin wire core, it is possible to design the structure so that the core height of the thin wire waveguide has a margin. This improves manufacturing yield and productivity.

以下、図面を参照して、本発明の第１の実施例による光結合器を説明する。
図１を参照すると、リッジ導波路３０と細線導波路２０とを接続する本光結合器は、ＳＯＩ基板の二酸化シリコン膜によって構成された下側の下層クラッド１０と、下層クラッド１０上に形成され、ＳＯＩ基板のシリコン膜によって構成されたコアとを有している。尚、上側のクラッドは、図示を省略している。リッジ導波路３０のコア３１は、薄膜部３１ａと、薄膜部３１ａに形成された突起部３１ｂとから成っている。
本光結合器は、図中後方の一端がリッジ導波路３０のコア３１に接続されるリッジコア３２を有している。リッジコア３２は、一端から図中前方の他端に向かうにつれて高さ（厚さ）が減少するテーパ形状を呈している。リッジコア３２は、高さ（厚さ）がテーパ状のテーパ状薄膜部３２ａと、テーパ状薄膜部３２ａ上に形成された突起部３２ｂとから成っている。突起部３２ｂは、テーパ状薄膜部３２ａの上面に沿って傾斜したストレート形状もしくは高さが減少するテーパ形状を呈している。本例において、突起部３２ｂは、傾斜したストレート形状を呈している。
さらに、本光結合器は、図中後方の一端がリッジコア３２の他端に接続されると共に、図中前方の他端が細線導波路２０のコア２１に接続される細線コア２２をさらに有している。細線コア２２は、一端から他端に向かうにつれて高さ（厚さ）が減少するテーパ形状を呈している。
細線コア２２と、リッジコア３２の突起部３２ｂとが互いに接続される断面同士は、同一の形状である。
図１ならびに図２から分かるように、リッジコア３２においては、主にテーパ状薄膜部３２ａの厚さが、細線コア２２に近づくにつれて減少している。特に、細線コア２２に対する境界部において、テーパ状薄膜部３２ａの厚さはゼロである。よって、細線コア２２に対する境界部において、突起部３２ｂの高さは、細線コア２２の高さと等しい。
本光結合器は、本明細書の背景技術の欄において言及した関連技術では具備されていなかった、高さが減少するテーパ形状を呈する細線コア２２を有している。この構造により、本光結合器は、細線導波路２０のコア２１の高さを、リッジコア３２の突起部３２ｂの高さよりも小さく設定できる。
さらに、本光結合器のテーパ状のコアの長さ、即ち、リッジコア３２と細線コア２２との長さの和は、リッジ導波路３０のコア３１の薄膜部３１ａの厚さと突起部３１ｂの高さとの和と、細線導波路２０のコア２１の高さとの差の、１０倍以上であることが好ましい。この場合、リッジ導波路３０と細線導波路２０とが断熱的に結合され、光結合器の透過損失を−２０ｄＢ以下に抑えることができる。
本光結合器の具体的な寸法の例は、次の通りである。
リッジコア３２のテーパ状薄膜部３２ａの最も厚い部分の厚さが０．５μｍ、リッジコア３２の突起部３２ｂの高さが１．０μｍ、リッジコア３２の突起部３２ｂの高さが１．０μｍ、リッジコア３２の突起部３２ｂの幅が０．５μｍである。
また、細線コア２２の最も低い部分の高さが０．１μｍ、細線コア２２の幅が０．５μｍである。
さらに、本光結合器のテーパ状のコアの長さ、即ち、リッジコア３２と細線コア２２との長さの和は、約５０μｍである。本光結合器の透過損失は、−３０ｄＢ以下である。
次に、本光結合器の製造方法を、図３Ａ〜３Ｄを参照して説明する。
まず、図３Ａに示されるように、ＳＯＩ基板を用意する。ＳＯＩ基板は、シリコン膜に加工された埋め込み酸化膜である二酸化シリコン層１００と、二酸化シリコン層１００上に存在するシリコン層２００とを有している。
さらに、ＳＯＩ基板上に、厚膜のフォトレジストを塗布し、リソグラフィによってＳＯＩ基板の図中後方を被覆する図示のような形状のレジスト６１を形成する。
次に、レジスト６１が形成されているシリコン層２００を、フッ酸と硝酸の混合液等のエッチング液を用いたウェットエッチングを行う。このエッチング液は、レジスト６１とシリコン層２００との双方を同時に等方性エッチング可能なものである。レジスト６１としては、エッチング中に徐々に溶解するものを用い、細線コア２２およびリッジコア３２（図１）の所望の全長以上の厚さとすることが好ましい。これにより、エッチング中にレジストが徐々に後退し、長くて緩やかなテーパを作ることができる。
上記等方性エッチングにより、レジスト６１は、後退し、図３Ｂに示される形状のレジスト６２になる。同時に、シリコン層２００もエッチングされ、図３Ｂに示されるように、薄い部分２１０と、厚い部分２２０と、部分２２０の手前に形成された楔状の部分２３０とを含むシリコン層になる。
図３Ｃに示されるように、レジスト６２を除去する。
次いで、細線導波路２０、２２（図１）やコアの突起部３０ｂ、３２ｂ（図１）の所望の幅と同じ幅のレジスト７１を、部分２１０、２３０、および２２０を縦断するように形成する。
さらに、部分２１０、２２０、および部分２３０を含むシリコン層を、異方性ドライエッチングする。
上記異方性ドライエッチングの中途状態を示す図３Ｄを参照すると、シリコン層は、部分２１０と同じ厚さだけエッチングされている。即ち、シリコン層は、二酸化シリコン層１００上に形成された薄い部分２１１と、二酸化シリコン層１００上に形成された厚い部分２２３と、部分２２３上に形成された薄い部分２２１と、部分２２３の手前に形成された楔状の部分２３４と、部分２３４の斜面上の部分２１１および２２１間に形成された部分２３１とを含んでいる。図３Ｄに示されたこの構造は、製造方法は異なるが、関連技術に開示された光結合器の構造と同様である。
異方性ドライエッチングは、部分２２１および２３１がコアの突起部３０ｂおよび３２ｂ（図１）の所望の高さになるまで、続けられる。この結果、ＳＯＩ基板は、図３Ｅに示されるようになる。このドライエッチングは選択エッチングであるため、レジスト７１に覆われていないシリコン層のみエッチングされる一方、二酸化シリコン層１００はエッチングされない。このため、図３Ｄにおけるシリコン層の部分２２３の高さの低下と、部分２３４の後退とのみが起こる。この結果、シリコン層は、図３Ｅに示されるようになる。即ち、このシリコン層は、二酸化シリコン層１００上に形成された部分２１１と、二酸化シリコン層１００上に形成された部分２２４と、部分２２４上に形成された部分２２２と、部分２２４の手前に形成された楔状の部分２３５と、部分２３５の斜面上の部分２２２の手前に形成された部分２３３と、二酸化シリコン層１００上の部分２１１および２３３間に形成された部分２３２とを含んでいる。部分２２４は、部分２２３（図３Ｄ）よりも厚さが薄い。部分２２２は、部分２２１（図３Ｄ）よりも高さが高い。部分２３５は、部分２３４（図３Ｄ）よりも後退している。部分２３２と、部分２３５および２３３の組み合わせとは、どちらもテーパ状を呈している。部分２３２と、部分２３３とは、互いに断面形状が連続している。
異方性ドライエッチングの終了後、図３Ｆに示されるように、レジスト７１を除去する。
以上のようにして、図１に示された構造の光結合器が製造された。この後、必要に応じて、上側のリッジコアを形成する。Hereinafter, an optical coupler according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
Referring to FIG. 1, the present optical coupler for connecting a ridge waveguide 30 and a thin wire waveguide 20 is formed on a lower lower clad 10 constituted by a silicon dioxide film of an SOI substrate, and on the lower clad 10. And a core made of a silicon film of the SOI substrate. The upper clad is not shown. The core 31 of the ridge waveguide 30 includes a thin film portion 31a and a protrusion 31b formed on the thin film portion 31a.
This optical coupler has a ridge core 32 whose one end at the rear in the figure is connected to the core 31 of the ridge waveguide 30. The ridge core 32 has a tapered shape in which the height (thickness) decreases from one end to the other front end in the drawing. The ridge core 32 includes a tapered thin film portion 32a having a tapered height (thickness) and a protrusion 32b formed on the tapered thin film portion 32a. The protruding portion 32b has a straight shape inclined along the upper surface of the tapered thin film portion 32a or a tapered shape in which the height decreases. In this example, the protrusion 32b has an inclined straight shape.
Further, the present optical coupler further includes a thin wire core 22 having one end on the rear side in the figure connected to the other end of the ridge core 32 and the other end on the front side in the figure connected to the core 21 of the thin wire waveguide 20. ing. The thin wire core 22 has a tapered shape in which the height (thickness) decreases from one end to the other end.
The cross sections where the fine wire core 22 and the protrusion 32b of the ridge core 32 are connected to each other have the same shape.
As can be seen from FIGS. 1 and 2, in the ridge core 32, the thickness of the tapered thin film portion 32 a mainly decreases as it approaches the thin wire core 22. In particular, the thickness of the tapered thin film portion 32a is zero at the boundary with respect to the thin wire core 22. Therefore, the height of the protrusion 32 b is equal to the height of the thin wire core 22 at the boundary with respect to the thin wire core 22.
The present optical coupler has a thin wire core 22 having a tapered shape with a reduced height, which was not provided in the related art referred to in the background section of this specification. With this structure, the present optical coupler can set the height of the core 21 of the thin wire waveguide 20 to be smaller than the height of the protrusion 32 b of the ridge core 32.
Further, the length of the taper-shaped core of the present optical coupler, that is, the sum of the lengths of the ridge core 32 and the thin wire core 22, is the thickness of the thin film portion 31a of the core 31 of the ridge waveguide 30 and the height of the protrusion 31b. It is preferable that the difference between the sum and the height of the core 21 of the thin wire waveguide 20 is 10 times or more. In this case, the ridge waveguide 30 and the thin wire waveguide 20 are adiabatically coupled, and the transmission loss of the optical coupler can be suppressed to −20 dB or less.
Examples of specific dimensions of the present optical coupler are as follows.
The thickness of the thickest portion of the tapered thin film portion 32a of the ridge core 32 is 0.5 μm, the height of the protrusion 32b of the ridge core 32 is 1.0 μm, the height of the protrusion 32b of the ridge core 32 is 1.0 μm, and the ridge core 32 The width of the protrusion 32b is 0.5 μm.
Moreover, the height of the lowest part of the fine wire core 22 is 0.1 μm, and the width of the fine wire core 22 is 0.5 μm.
Further, the length of the tapered core of the present optical coupler, that is, the sum of the lengths of the ridge core 32 and the thin wire core 22 is about 50 μm. The transmission loss of this optical coupler is −30 dB or less.
Next, the manufacturing method of this optical coupler is demonstrated with reference to FIG.
First, as shown in FIG. 3A, an SOI substrate is prepared. The SOI substrate includes a silicon dioxide layer 100 which is a buried oxide film processed into a silicon film, and a silicon layer 200 existing on the silicon dioxide layer 100.
Further, a thick photoresist is applied on the SOI substrate, and a resist 61 having a shape as shown in the figure that covers the back of the SOI substrate in the figure is formed by lithography.
Next, the silicon layer 200 on which the resist 61 is formed is subjected to wet etching using an etching solution such as a mixed solution of hydrofluoric acid and nitric acid. This etching solution is capable of isotropically etching both the resist 61 and the silicon layer 200 simultaneously. As the resist 61, one that gradually dissolves during etching is used, and it is preferable that the resist 61 has a thickness that is equal to or greater than the desired total length of the fine wire core 22 and the ridge core 32 (FIG. 1). As a result, the resist gradually recedes during etching, and a long and gentle taper can be created.
Due to the isotropic etching, the resist 61 recedes and becomes the resist 62 having the shape shown in FIG. 3B. At the same time, the silicon layer 200 is also etched into a silicon layer including a thin portion 210, a thick portion 220, and a wedge-shaped portion 230 formed in front of the portion 220, as shown in FIG. 3B.
As shown in FIG. 3C, the resist 62 is removed.
Next, a resist 71 having the same width as the desired width of the thin-line waveguides 20 and 22 (FIG. 1) and the core protrusions 30b and 32b (FIG. 1) is formed so as to cut the portions 210, 230, and 220 vertically. .
Further, the silicon layer including the portions 210 and 220 and the portion 230 is anisotropically dry etched.
Referring to FIG. 3D showing the intermediate state of the anisotropic dry etching, the silicon layer is etched by the same thickness as the portion 210. That is, the silicon layer includes a thin portion 211 formed on the silicon dioxide layer 100, a thick portion 223 formed on the silicon dioxide layer 100, a thin portion 221 formed on the portion 223, and a portion in front of the portion 223. , And a portion 231 formed between the portions 211 and 221 on the slope of the portion 234. The structure shown in FIG. 3D is similar to the structure of the optical coupler disclosed in the related art, although the manufacturing method is different.
The anisotropic dry etching is continued until the portions 221 and 231 are at the desired height of the core protrusions 30b and 32b (FIG. 1). As a result, the SOI substrate is as shown in FIG. 3E. Since this dry etching is selective etching, only the silicon layer not covered with the resist 71 is etched, while the silicon dioxide layer 100 is not etched. For this reason, only a decrease in the height of the portion 223 of the silicon layer and the retraction of the portion 234 in FIG. 3D occur. As a result, the silicon layer becomes as shown in FIG. 3E. That is, this silicon layer is formed in front of the portion 211 formed on the silicon dioxide layer 100, the portion 224 formed on the silicon dioxide layer 100, the portion 222 formed on the portion 224, and the portion 224. A wedge-shaped portion 235, a portion 233 formed in front of the portion 222 on the slope of the portion 235, and a portion 232 formed between the portions 211 and 233 on the silicon dioxide layer 100. Portion 224 is thinner than portion 223 (FIG. 3D). The portion 222 is higher than the portion 221 (FIG. 3D). Portion 235 is retracted relative to portion 234 (FIG. 3D). The portion 232 and the combination of the portions 235 and 233 are both tapered. The portion 232 and the portion 233 are continuous in cross-sectional shape.
After the anisotropic dry etching is finished, the resist 71 is removed as shown in FIG. 3F.
As described above, the optical coupler having the structure shown in FIG. 1 was manufactured. Thereafter, an upper ridge core is formed as necessary.

次に、図面を参照して、本発明の第２の実施例による光結合器を説明する。
本実施例は、リッジコアの突起部ならびに細線コアが、高さに加えて幅も変化するテーパ形状を呈している点で、第１の実施例とは異なる。このため、第１の実施例と同一または同様の構成については、詳細な説明を省略する。
図４を参照すると、リッジ導波路３０と細線導波路２０とを接続する本光結合器は、ＳＯＩ基板の二酸化シリコン膜によって構成された下側の下層クラッド１０と、下層クラッド１０上に形成され、ＳＯＩ基板のシリコン膜によって構成されたコアとを有している。尚、上側のクラッドは、図示を省略している。リッジ導波路３０のコア３１は、薄膜部３１ａと、薄膜部３１ａに形成された突起部３１ｂとから成っている。
本光結合器は、図中後方の一端がリッジ導波路３０のコア３１に接続されるリッジコア３７を有している。リッジコア３７は、一端から図中前方の他端に向かうにつれて高さ（厚さ）が減少するテーパ形状を呈している。リッジコア３７は、高さ（厚さ）がテーパ状の薄膜部３７ａと、薄膜部３７ａ上に形成された高さ（厚さ）ならびに幅がテーパ状の突起部３７ｂとから成っている。尚、突起部３７ｂは、薄膜部３７ａの上面に沿って傾斜した高さ（厚さ）が一定のストレート形状であってもよい。本例において、突起部３７ｂは、高さが一定かつ幅が減少するテーパ形状を呈している。また、リッジ導波路３０は、図中後方から図中前方のリッジコア３７に接続される端部に向かうにつれて幅が増加または減少するテーパ構造を呈していてもよい。本例では、幅が減少している。
さらに、本光結合器は、図中後方の一端がリッジコア３７の他端に接続されると共に、図中前方の他端が細線導波路２０のコア２１に接続される細線コア２７をさらに有している。細線コア２７は、一端から他端に向かうにつれて高さ（厚さ）ならびに幅が減少するテーパ形状を呈している。また、細線導波路２０も、図中後方の細線コア２７に接続される端部から図中前方に向かうにつれて幅が増加または減少するテーパ構造を呈していてもよい。本例では、幅が減少している。
尚、リッジコア３７および細線コア２７のうちの少なくとも細線コア２７の高さならびに幅が減少するテーパ形状を呈していればよい。リッジコア３７は、高さのみが減少するテーパ形状を呈していてもよい。
細線コア２７と、リッジコア３７の突起部３７ｂとが互いに接続される断面同士は、同一の形状である。
図４ならびに図５から分かるように、リッジコア３７においては、主に薄膜部３７ａの厚さが、細線コア２７に近づくにつれて減少している。特に、細線コア２７に対する境界部において、薄膜部３７ａの厚さはゼロである。よって、細線コア２７に対する境界部において、突起部３７ｂの高さは、細線コア２７の高さと等しい。
本光結合器においては、関連技術が具備していなかった高さおよび幅が減少するテーパ形状を呈する細線コア２７を有する構造により、細線導波路２０のコア２１の高さならびに幅を、リッジコア３７の突起部３７ｂの高さならびに幅よりも小さくできる。
さらに、本光結合器のテーパ状のコアの長さ、即ち、リッジコア３７と細線コア２７との長さの和は、リッジ導波路３０のコア３１の薄膜部３１ａの厚さと突起部３１ｂの高さとの和と、細線導波路２０のコア２１の高さとの差の、１０倍以上であることが好ましい。この場合、リッジ導波路３０と細線導波路２０とが断熱的に結合され、光結合器の透過損失を−２０ｄＢ以下に抑えることができる。
第１の実施例の構造では接続される細線導波路を単一モード化するのが困難な場合であっても、第２の実施例の構造によれば、幅方向の減少効果により、接続される細線導波路の単一モード化が可能である。
また、モードフィールド形状の変換を同時に行う効果もあり、小型のスポットサイズ変換器として有用である。
本光結合器の具体的な寸法の例は、次の通りである。
リッジコア３７の薄膜部３７ａの最も厚い部分の厚さが０．５μｍ、リッジコア３７の突起部３７ｂの高さが１．０μｍ、リッジコア３７の突起部３７ｂの高さが１．０μｍ、リッジコア３７の突起部３７ｂの幅が最も広い部分の幅が０．５μｍである。
また、細線コア２７の最も低い部分の高さが０．２μｍ、細線コア２７の幅が最も狭い部分の幅が０．１μｍである。
さらに、本光結合器のテーパ状のコアの長さ、即ち、リッジコア３７と細線コア２７との長さの和は、５０μｍである。本光結合器の透過損失は、−２５ｄＢ以下である。
このように、本実施例においては、リッジコア３７の突起部３７ｂの幅ならびに細線コア２７の幅を減少させることにより、細線導波路２０をシングルモード化している。尚、細線コア２７の高さの減少変化は、第１の実施例よりも少ない。リッジコリッジアの突起部の幅や細線コアの幅は、パターニング技術によって任意の位置および幅に調整することができる。
本光結合器の製造方法は、リッジコアの突起部ならびに細線コアの幅が変化する所望のテーパ形状を呈するように、この所望のテーパ形状に応じて幅が変化するレジストを、第１の実施例の製造方法におけるレジスト７１に代えて用いる点が、第１の実施例の製造方法とは異なる。このため、製造方法の説明を省略する。Next, an optical coupler according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
The present embodiment is different from the first embodiment in that the protruding portion of the ridge core and the thin wire core have a tapered shape in which the width changes in addition to the height. For this reason, detailed description of the same or similar configuration as in the first embodiment is omitted.
Referring to FIG. 4, the present optical coupler for connecting the ridge waveguide 30 and the thin wire waveguide 20 is formed on the lower lower clad 10 constituted by the silicon dioxide film of the SOI substrate, and on the lower clad 10. And a core made of a silicon film of the SOI substrate. The upper clad is not shown. The core 31 of the ridge waveguide 30 includes a thin film portion 31a and a protrusion 31b formed on the thin film portion 31a.
This optical coupler has a ridge core 37 whose one end at the rear in the figure is connected to the core 31 of the ridge waveguide 30. The ridge core 37 has a tapered shape in which the height (thickness) decreases from one end to the other front end in the drawing. The ridge core 37 includes a thin film portion 37a having a tapered height (thickness) and a protrusion 37b having a tapered height (thickness) and a width formed on the thin film portion 37a. The protrusion 37b may have a straight shape with a constant height (thickness) inclined along the upper surface of the thin film portion 37a. In this example, the protrusion 37b has a tapered shape with a constant height and a reduced width. Further, the ridge waveguide 30 may have a taper structure in which the width increases or decreases from the rear in the drawing toward the end connected to the ridge core 37 in the front in the drawing. In this example, the width is reduced.
Furthermore, the optical coupler further includes a thin wire core 27 whose one end on the rear side in the drawing is connected to the other end of the ridge core 37 and whose other end on the front side in the drawing is connected to the core 21 of the thin wire waveguide 20. ing. The thin wire core 27 has a tapered shape in which the height (thickness) and the width decrease from one end to the other end. Further, the thin wire waveguide 20 may also have a taper structure in which the width increases or decreases from the end connected to the rear thin wire core 27 in the drawing toward the front in the drawing. In this example, the width is reduced.
It should be noted that at least the fine wire core 27 of the ridge core 37 and the fine wire core 27 may have a tapered shape in which the height and width are reduced. The ridge core 37 may have a tapered shape in which only the height decreases.
The cross sections where the thin wire core 27 and the protrusion 37b of the ridge core 37 are connected to each other have the same shape.
As can be seen from FIGS. 4 and 5, in the ridge core 37, the thickness of the thin film portion 37 a mainly decreases as the fine wire core 27 is approached. In particular, the thickness of the thin film portion 37a is zero at the boundary with respect to the thin wire core 27. Therefore, the height of the protrusion 37 b is equal to the height of the thin wire core 27 at the boundary with respect to the thin wire core 27.
In the present optical coupler, the height and width of the core 21 of the thin-line waveguide 20 are changed to the ridge core 37 by the structure having the thin-line core 27 having a tapered shape in which the height and width are reduced. The protrusion 37b can be smaller than the height and width.
Furthermore, the length of the taper-shaped core of the present optical coupler, that is, the sum of the lengths of the ridge core 37 and the thin wire core 27, is the thickness of the thin film portion 31a of the core 31 of the ridge waveguide 30 and the height of the protrusion 31b. It is preferable that the difference between the sum and the height of the core 21 of the thin wire waveguide 20 is 10 times or more. In this case, the ridge waveguide 30 and the thin wire waveguide 20 are adiabatically coupled, and the transmission loss of the optical coupler can be suppressed to −20 dB or less.
Even in the case where it is difficult to make the thin waveguide to be connected to a single mode in the structure of the first embodiment, the structure of the second embodiment is connected by the reduction effect in the width direction. It is possible to make the thin-wire waveguide into a single mode.
In addition, there is an effect of simultaneously converting the mode field shape, which is useful as a small spot size converter.
Examples of specific dimensions of the present optical coupler are as follows.
The thickness of the thinnest portion 37 a of the ridge core 37 is 0.5 μm, the height of the protrusion 37 b of the ridge core 37 is 1.0 μm, the height of the protrusion 37 b of the ridge core 37 is 1.0 μm, and the protrusion of the ridge core 37. The width of the widest portion 37b is 0.5 μm.
Moreover, the height of the lowest part of the fine wire core 27 is 0.2 μm, and the width of the narrowest part of the fine wire core 27 is 0.1 μm.
Further, the length of the tapered core of the present optical coupler, that is, the sum of the lengths of the ridge core 37 and the thin wire core 27 is 50 μm. The transmission loss of this optical coupler is −25 dB or less.
Thus, in this embodiment, the thin waveguide 20 is made into a single mode by reducing the width of the protrusion 37b of the ridge core 37 and the width of the thin core 27. Note that the change in the height of the thin wire core 27 is smaller than that in the first embodiment. The width of the protrusion of the ridge collier and the width of the thin wire core can be adjusted to an arbitrary position and width by a patterning technique.
In this optical coupler manufacturing method, the resist whose width changes in accordance with the desired taper shape so as to exhibit the desired taper shape in which the width of the protrusion of the ridge core and the thin wire core changes is used in the first embodiment. The manufacturing method of this embodiment differs from the manufacturing method of the first embodiment in that it is used instead of the resist 71. For this reason, description of the manufacturing method is omitted.

以上説明した実施例に限定されることなく、本発明は、当該特許請求の範囲に記載された技術範囲内であれば、種々の変形が可能であることは云うまでもない。例えば、本発明は、リッジ導波路を含む光回路と細線導波路を含む光回路とが混載された高性能光集積回路に適用することができる。
この出願は、２００８年１月３１日に出願された日本出願特願第２００８−０２１７２０号を基礎とする優先権を主張し、その開示のすべてをここに取り込む。The present invention is not limited to the embodiments described above, and it goes without saying that various modifications are possible within the technical scope described in the claims. For example, the present invention can be applied to a high-performance optical integrated circuit in which an optical circuit including a ridge waveguide and an optical circuit including a thin wire waveguide are mixedly mounted.
This application claims the priority on the basis of Japanese application Japanese Patent Application No. 2008-021720 for which it applied on January 31, 2008, and takes in those the indications of all here.

Claims (10)

リッジ導波路と細線導波路とを接続する光結合器であって、
一端がリッジ導波路のコアに接続されるリッジコアを有し、
該リッジコアは、薄膜部と、該薄膜部上に形成されたリッジ状の突起部とから成ると共に、前記一端から他端に向かうにつれて前記薄膜部の高さが減少し、
一端が前記リッジコアの前記他端に接続されると共に他端が細線導波路のコアに接続される細線コアをさらに有し、
該細線コアは、前記一端から前記他端に向かうにつれて高さが減少することを特徴とする光結合器。An optical coupler for connecting a ridge waveguide and a thin wire waveguide,
Having a ridge core with one end connected to the core of the ridge waveguide;
The ridge core includes a thin film portion and a ridge-shaped protrusion formed on the thin film portion, and the height of the thin film portion decreases from one end to the other end,
A thin wire core having one end connected to the other end of the ridge core and the other end connected to the core of the thin wire waveguide;
The optical coupler according to claim 1, wherein a height of the thin wire core decreases from the one end toward the other end. 前記リッジコアおよび前記細線コアの少なくとも一方は、前記一端から前記他端に向かうにつれて幅が減少するテーパ形状を呈する請求項１に記載の光結合器。   2. The optical coupler according to claim 1, wherein at least one of the ridge core and the thin wire core has a tapered shape whose width decreases from the one end toward the other end. 前記薄膜部は、前記他端において高さがゼロに収れんするように前記一端から該他端に向かうにつれて高さが減少する請求項１に記載の光結合器。   2. The optical coupler according to claim 1, wherein the thin film portion decreases in height from the one end toward the other end so that the height is converged to zero at the other end. 前記リッジコアの前記突起部と、前記細線コアとは、互いに接続される断面同士が同一の形状である請求項１に記載の光結合器。   2. The optical coupler according to claim 1, wherein the protrusions of the ridge core and the thin wire core have the same cross-sections connected to each other. 前記リッジコアの前記一端から前記細線コアの前記他端までの長さは、前記リッジコアの前記一端における前記薄膜部の厚さと部の高さの和と、前記細線コアの前記他端における該細線コアの高さとの差の、１０倍以上である請求項１に記載の光結合器。   The length from the one end of the ridge core to the other end of the thin wire core is the sum of the thickness and height of the thin film portion at the one end of the ridge core and the thin wire core at the other end of the thin wire core. The optical coupler according to claim 1, wherein the optical coupler has a difference of 10 times or more of the height of the optical coupler. リッジ導波路および細線導波路の少なくとも一方と共通の基板上に形成されている請求項１に記載の光結合器。   The optical coupler according to claim 1, wherein the optical coupler is formed on a substrate common to at least one of the ridge waveguide and the thin wire waveguide. 前記リッジコアおよび前記細線コアは、半導体から成る請求項１に記載の光結合器。   The optical coupler according to claim 1, wherein the ridge core and the thin wire core are made of a semiconductor. 前記半導体は、シリコンである請求項７に記載の光結合器。   The optical coupler according to claim 7, wherein the semiconductor is silicon. 前記リッジコアおよび前記細線コアの下方に形成された下層クラッドをさらに有し、該下層クラッドは、半導体への埋込酸化膜によって構成されている請求項１に記載の光結合器。   2. The optical coupler according to claim 1, further comprising a lower clad formed below the ridge core and the fine wire core, wherein the lower clad is formed of a buried oxide film on a semiconductor. リッジ導波路と、細線導波路と、請求項１に記載の前記光結合器とを有し、リッジ導波路、細線導波路、および前記光結合器が、それらに共通の基板上に形成されている光集積回路。   A ridge waveguide, a thin wire waveguide, and the optical coupler according to claim 1, wherein the ridge waveguide, the thin wire waveguide, and the optical coupler are formed on a common substrate. Integrated optical circuit.
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