WO2022044101A1 - 光導波路部品およびその製造方法 - Google Patents

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WO2022044101A1
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core
optical
layer
refractive index
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祥江 森本
賢哉 鈴木
摂 森脇
優生 倉田
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日本電信電話株式会社
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    • G02B6/305—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device and having an integrated mode-size expanding section, e.g. tapered waveguide

Definitions

  • the present invention relates to an optical waveguide component that utilizes optical communication.
  • a silicon optical circuit which is an optical transmission medium in silicon photonics technology, is composed of a silicon thin wire waveguide having Si as a core and SiO 2 as a cladding.
  • the difference in the specific refractive index between the core and the cladding is about 40%, and light propagation is possible within a very small cross-sectional region of several hundred nm square in the vicinity of 1550 nm, which is the wavelength band used for single mode communication. Is. Since the allowable bending radius is as small as several ⁇ m, it is possible to form a complicated wiring pattern in a narrow area, and large-scale integration of optical circuits by silicon photonics technology is expected.
  • the silicon optical circuit is usually formed on an SOI (Silicon On Insulator) substrate, the silicon optical circuit and the electronic circuit can be monolithically integrated. From the viewpoint of manufacturing technology, mature semiconductor microfabrication technology can be applied, so that a fine pattern can be easily formed. By combining silicon photonics technology with semiconductor technology and electronic circuit technology, it is expected that optoelectronic integrated devices will be realized.
  • SOI Silicon On Insulator
  • the silicon optical circuit had a problem in terms of connection with other optical elements.
  • connection When connecting optical elements to each other, it is important to match the mode fields of light propagating in the optical elements in order to reduce the loss at the connection point.
  • the mode field diameter (MFD) of the silicon optical circuit is about 300 nm.
  • SMF single mode fiber
  • the MFD of a general SMF used for long-distance transmission is about 9 ⁇ m
  • the MFD of an SMF designed for a high specific refractive index difference for connection with a small optical waveguide of the MFD is about 4 ⁇ m.
  • the MFD of the silicon optical circuit is 10 to several tens of times smaller than the MFD of the SMF, and when the silicon optical circuit and the SMF are directly connected, a large coupling loss occurs due to the inconsistency of the MFD.
  • the silicon optical waveguide is capable of light propagation within a very small cross-sectional region of several hundred nm square. Therefore, even when arranging a plurality of channels on a silicon optical circuit, the pitch between the cores can be reduced to about several ⁇ m, and high-density wiring can be performed.
  • SMF including a plurality of optical fibers the pitch between cores of 125 ⁇ m and 250 ⁇ m has already been standardized, and the corresponding products are widely distributed in the market.
  • the core-to-core pitch must be aligned between the silicon optical circuit and the SMF.
  • this pitch conversion wiring pattern it is necessary to expand the core-to-core pitch of several ⁇ m, which was originally arranged at high density, to 100 ⁇ m or more for SMF connection, and the silicon optical circuit becomes large and the wiring length becomes long. Resulting in.
  • Silicon photonics are excellent for high-density integration of optical circuits, but the propagation loss of silicon thin waveguides reaches 3 dB / cm. Propagation loss, which was not a problem in the extremely small region in the silicon optical circuit, has become a serious problem as the entire optical circuit becomes larger and the wiring length becomes longer.
  • SSC spot size conversion structure
  • FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the spot size conversion (SSC) structure of the prior art.
  • FIG. 5 is a top view of a silicon optical circuit 500 having two optical waveguide cores 501, 502 with different MFDs and including an SSC structure 530 for mitigating the effects of MFD differences, and a-a line cut.
  • the cross-sectional view is shown. Referring to the cross-sectional view looking at the xz plane, the underclad layer 504 is configured on the Si substrate 503, and the core 501 of the silicon thin wire waveguide having a small MFD is further formed on the underclad layer 504. It is formed.
  • the silicon optical circuit 500 is further entirely covered with an overclad layer 505.
  • the Si substrate 503, the underclad 504, and the Si core 501 are manufactured by using the SOI substrate as a common substrate. The configuration of the silicon optical circuit including this SSC structure will be described later together with the problems.
  • the tip of the core 501-2 is a tapered reverse taper portion 501-1
  • the planar optical waveguide core 502 is arranged so as to cover the reverse taper portion 501-1.
  • the difference in the specific refractive index between the planar optical waveguide core 502 and the underclad layer 504 and the overcladed layer 505 is larger than the difference in the specific refractive index between the core 501-2 of the silicon thin wire waveguide and the underclad layer 504 and the overcladed layer 505. small.
  • the planar optical waveguide core 502 has a larger core cross-sectional area and MFD than the core 501 of the silicon thin wire waveguide.
  • the light in the core 501-2 of the silicon thin wire waveguide cannot be completely confined in the core of the reverse taper shape as it approaches the core tip by the reverse taper part 501-1 of the SSC structure part 530, and the reverse taper part 501- It leaks to the cladding around 1.
  • the light leaked from the reverse taper portion 501-1 adiabatically transitions to the planar optical waveguide core 502 covering the silicon thin wire waveguide core 501-2. Since this light transition process is adiabatic, theoretically no loss of light energy occurs.
  • a quartz-based optical waveguide having SiO X as a core and SiO 2 as a clad material, a polymer optical waveguide using a polymer material as a core, and a polymer optical waveguide using a polymer material as a clad material are used. Be done. In any combination of these plane optical waveguide materials, the difference in specific refractive index is about 1 to several%.
  • a quartz-based optical waveguide which is a quartz-based material similar to optical fiber, is used as the planar optical waveguide 502, it has low loss in the communication wavelength band, low temperature dependence and polarization dependence, and high reliability and high reliability. A high-performance optical device can be obtained.
  • Planar optical waveguides such as quartz-based optical waveguides have a larger core size than Si cores.
  • Propagation loss in a planar optical waveguide ranges from 0.1 dB / cm or less to 0. It stays at about several dB / cm and can be realized without a large propagation loss even if the wiring length exceeds several tens of cm. Further, it is possible to cope with a wide range of inter-core pitches of about several tens of ⁇ m to several hundreds of ⁇ m, and it is possible to form a pitch conversion structure with an increase in the size of the entire optical circuit and an increase in wiring length without a large propagation loss.
  • Non-Patent Document 1 a planar optical waveguide typified by a quartz-based optical waveguide with a silicon optical circuit.
  • the conventional optical circuit that combines optical waveguides with different MFDs still has problems of complexity and cost in the manufacturing process.
  • Hybrid integration is a method in which a silicon optical circuit and a planar optical waveguide having optical waveguides with different MFDs are manufactured on different substrates, and then integrated.
  • a step also called a centering step
  • the silicon thin-wire waveguide core and the planar optical waveguide core is required.
  • optical waveguides with a very thin core of several hundred nm, such as the silicon thin wire waveguide core of a silicon optical circuit there is a high demand for alignment accuracy, and a high-precision alignment process is costly. Was the problem.
  • Monolithic integration is a manufacturing method in which different materials of a silicon optical circuit and a planar optical waveguide are integrated on the same substrate, and the above-mentioned problem of hybrid integration can be solved.
  • monolithic integration by simultaneously integrating a silicon optical circuit and a planar optical waveguide on a common SOI substrate, a complicated alignment process is not required, and deterioration of coupling efficiency due to misalignment can be minimized.
  • monolithic integration there is a problem with the connectivity between the silicon thin wire waveguide and the planar optical waveguide.
  • FIG. 5 again, the problem of connectivity in the case of monolithic integration will be described.
  • the spot size is converted by the SSC structure unit 530, and the coupling loss due to the inconsistency of the MFD is suppressed.
  • the thickness of the silicon thin wire waveguide core 501 of the optical circuit 500 shown in FIG. 5 is several hundred nm, and the thickness of the planar optical waveguide core 502 is about several ⁇ m.
  • the difference in the relative dimensions of the thicknesses of the two cores is compressed to make each part easier to see, but the center height of the core 501 and the center height of the core 502 do not match. It is clear that it has become.
  • the adiabatic coupling from the silicon thin wire waveguide core 501 to the planar optical waveguide core 502 is used, complete coupling is theoretically possible even if the center heights of the cores do not match.
  • the adiabatic coupling efficiency depends on the dimensional accuracy of the silicon thin waveguide core and the optical characteristics of the planar optical waveguide core. For this reason, not all light energies make adiabatic coupling to all optical circuits manufactured in the same process.
  • the coupling efficiency is determined by the overlap integral of the mode field of the optical element to be connected. Therefore, when the center heights of the two connected cores are different as shown in FIG. 5, the coupling is performed. Efficiency may be reduced.
  • One embodiment of the present invention is an optical waveguide component in which optical waveguides having different mode field diameters (MFDs) are formed on a substrate, the first core made of a first material, and the first aspect.
  • MFDs mode field diameters
  • the region of the first core is included in the region of the second core, and the first material has the highest refractive index, and the first material has the highest refractive index.
  • the material of No. 3 is an optical waveguide component characterized by having the smallest refractive index.
  • Another embodiment of the present invention is a method of manufacturing an optical waveguide component including a first optical waveguide and a second optical waveguide having different mode field diameters (MFD), which is a lower clad on a substrate.
  • a step of forming the first layer a step of forming a second layer for the lower core of the second optical waveguide with a material having a higher refractive index than the first layer, and the first.
  • a method of manufacturing an optical waveguide component comprising a step of forming a fifth layer to be an upper clad.
  • the optical waveguide components of the present disclosure provide a configuration in which optical waveguides of different materials can be monolithically integrated on a common single substrate, and two types of optical waveguides having different mode field sizes are connected with low loss. ..
  • the optical waveguide component of the present disclosure is configured to have a double structure in which the core region of the first optical waveguide is included in the core region of the second optical waveguide in a cross section perpendicular to the length direction of the optical waveguide. Will be done.
  • the refractive index of the first material of the core of the first optical waveguide is larger than the refractive index of the second material of the core of the second optical waveguide.
  • the refractive index of the second material constituting the core of the second optical waveguide is larger than the refractive index of the third material constituting the clad of the second optical waveguide.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an optical waveguide component including the dual structure of the present disclosure.
  • FIG. 1 is a top view of the two optical waveguides 110 and 120 toward the plane (xy plane) of the substrate 101, and a side view (x-) passing through the center of each core 104 and 103 of the two optical waveguides.
  • the z-plane includes two end views (yz-plane) of a cross section vertically cut in the length direction of the optical waveguide.
  • the optical waveguide component 100 of FIG. 1 has a first optical waveguide having a first core size and a corresponding MFD formed on a common substrate 101 and a second having a second core size and a corresponding MFD.
  • FIG. 1 shows two optical waveguides 110 and 120 obtained by cutting out only a part of an optical circuit monolithically integrated on a substrate 101, the number of optical waveguides is not limited to this, and other optical waveguides are optical. It may be included in the waveguide component 100. In the top view (xy plane) of FIG. 1, the clad 105 at the uppermost portion is removed.
  • the core 104 is formed of the first material
  • the clad 103-1 is formed of the second material
  • the core 103-2 is the second material
  • the clad 105. 102 is made of a third material.
  • the relationship between the refractive indexes n 1 , n 2 , and n 3 of the first material, the second material, and the third material has the highest refractive index n 1 of the first material.
  • the refractive index n 3 of the third material is the lowest is satisfied, the type of the material of each optical waveguide does not matter. In short, it suffices that the following equation holds for the refractive indexes n 1 , n 2 , and n 3 of the three materials.
  • the core 104 of the first optical waveguide 110 is the second optical waveguide. It can be seen that it is contained in the core 103 of the waveguide.
  • the boundaries are shown by using dotted lines in order to distinguish the regions of the two optical waveguides, but as is clear from the fabrication process described later, the two optical waveguides are shown. There is no physical boundary between them.
  • the clad 103-1 (103-1a, 103-1b) of the first optical waveguide and the core 103-2 (103-2a, 103-2b) of the second optical waveguide have two optical waveguides. Through 110 and 120, it can be regarded as one. Looking at the cross section perpendicular to the length direction of the optical waveguide, the relationship is such that the core region of the first optical waveguide is contained inside the core region of the second optical waveguide, as if it were a pencil and its core. be. Further, in the optical waveguide component 100 of FIG. 1, when viewed in a cross section perpendicular to the length direction of the optical waveguide, the core region of the first optical waveguide is included in the core region of the second optical waveguide, and the two cores are included. It is configured so that the center heights of the are the same. Such a "double structure” or “nested structure” of the optical waveguide can solve the problem of loss due to the deviation of the center height position of the core in the conventional monolithic integration shown in FIG.
  • the first material is Si
  • the second material is SiO 2 having a relatively high refractive index
  • the third material is SiO 2 having a relatively low refractive index.
  • the magnitude of the refractive index can be expressed by the relationship of Si> high refractive index SiO 2 > low refractive index SiO 2 .
  • the materials that can be used for each part of the two types of optical waveguides are not limited to these, and for example, Si, SiN, SiON, and the like can be used as the first material. Further, SiO 2 , SiOx, a polymer and the like can be used as the second material and the third material.
  • the structure of the optical waveguide component of FIG. 1 will be described by taking the above-mentioned specific material as an example.
  • the optical waveguide component 100 is configured on the substrate 101.
  • the substrate 101 is a substrate having a smooth surface on which two SiO layers can be formed.
  • a SiO 2 layer 102 which is a third material having the lowest refractive index, is provided.
  • a first optical waveguide 110 and a second optical waveguide 120 are configured on the substrate 101.
  • the first optical waveguide 110 includes a Si core 104 having the highest refractive index, and as shown in the top view, the Si core 104-2 and the tapered waveguide 104-1 whose width narrows toward the second optical waveguide 120. It consists of.
  • the Si core 104 is formed on the lower SiO 2 core portion 103-1a, and the upper SiO 2 core portion 103-1b is formed so as to cover the Si core 104. ing.
  • the second optical waveguide 120 includes a SiO 2 core 103 on the SiO 2 layer 102, and the SiO 2 core 103 has an upper SiO 2 core portion 103-2b and a lower SiO 2 core portion according to the side view. It consists of two parts, 103-2a.
  • SiO 2 core 103 when the description is made as SiO 2 core 103 for the sake of simplicity, the entire SiO 2 region of the four core portions 103-1a, 103-1b, 103-2a, and 103-2b spanning the two optical waveguides. Shall point to.
  • the SiO 2 core 103 will be composed of a second material having an intermediate refractive index.
  • the SiO 2 core 103 is configured to have substantially the same refractive index so that the upper and lower core portions 103-2a and 103-2b literally function as the "core" of the optical waveguide. ..
  • the upper and lower core portions 103-1a and 103-1b actually function as "clad" of the optical waveguide.
  • the materials in the upper layer clad 103-1b and the lower layer clad 103-1a of the first optical waveguide 110 which is a high refractive index difference waveguide, are used as the second optical waveguide, which is a low refractive index difference waveguide.
  • the material of the core 103 of the optical waveguide 120 is the same.
  • the SiO 2 regions (103-a) of the lower core portions 103-1a and 103-2a of the SiO 2 core 103 composed of the four core portions are created in one step. Will be done.
  • the SiO 2 region (103-b) of the upper core portions 103-1b and 103-2b is also created in one step.
  • the optical waveguide component 100 of the present disclosure can realize a configuration in which two types of optical waveguides having cores having different refractive indexes are connected with low loss by a simple process equivalent to the production of the optical waveguide component by a general laminating process. ..
  • the entire two optical waveguides 110, 120 are covered with an upper cladding of the SiO 2 layer 105 made of a third material having the lowest refractive index. Therefore, it should also be noted that the Si core 104 of the first optical waveguide 110 is surrounded by a clad of a double structure.
  • the relationship is Si core 104 ⁇ SiO 2 core 103 ⁇ SiO 2 clad 102, 105. That is, the refractive index of the SiO 2 core portions 103-2a and 103-2b is larger than the refractive index of the cladding of the SiO 2 layer 102 and the SiO 2 layer 105. It should be noted here that the refractive indexes of the SiO 2 layer 102 and the SiO 2 layer 105 do not have to be the same.
  • the second optical waveguide 120 can confine light in the core and function as an optical waveguide. be.
  • the “double structure” of each part of the optical waveguide component and the core of FIG. 1 will be described in more detail.
  • First Embodiment: Configuration of optical waveguide There are two types of optical waveguides in the optical waveguide component 100 of FIG. That is, one is a first optical waveguide 110 having a SiO 2 core portion 103-1a as an underclad, a Si core 104 as a core, and a SiO 2 core portion 103-1b as an overclad. The other is a second optical waveguide 120 in which the SiO 2 layer 102 is under-clad, the SiO 2 core 103 is the core, and the SiO 2 layer 105 is over-clad.
  • the Si core 104 is sandwiched between the SiO 2 core portion 103-1a and the SiO 2 core portion 103-1b, which function as a "clad", and the width of the Si core 104 is SiO 2 .
  • the structure is narrower than the width of the core portion 103-1. Therefore, although the optical waveguide component 100 is a planar optical circuit, the cross-sectional area of the Si core 104 of the first optical waveguide completely fits within the cross-sectional area of the SiO 2 core 103 of the second optical waveguide. It has a "double structure". Further, as is clear from the left end view of FIG.
  • the Si core 104 in the first optical waveguide 110 includes an inner clad by the SiO 2 core portion 103-1 and an outer clad by the SiO 2 layers 103 and 105. , It can be said that it has a "double structure" of clad.
  • the present invention is an optical waveguide component in which optical waveguides having different mode field diameters (MFDs) are formed on a substrate 101, the first core 104 made of a first material, and the first core.
  • the first optical waveguide 110 including the clads 103-1a and 103-1b made of the second material formed above and below the first core, and the first formed extending from the clad along the first core.
  • a second core 103 made of the second material, a lower clad 102 made of the third material configured between the substrate and the second core, and an upper clad 105 configured on top of the second core.
  • the region of the first core 104 is included in the region 103 of the second core.
  • the first material can be implemented as an optical waveguide component characterized by having the highest refractive index and the third material having the lowest refraction.
  • the optical waveguide component 100 needs to have the above-mentioned double structure of the core in the SSC region 130 that gradually expands the MFD of the light propagating in the core. That is, it is desirable that the SSC region 130, which gradually expands the MFD of the light propagating in the core, is formed in the double structure portion of the core in the first optical waveguide.
  • the structure for the SSC function is not limited to a specific one, but the Si core 104 is realized by a structure that passes from a core 104-2 having a constant width to a tapered tapered portion 104-1 as shown in the SSC region 130 in FIG. can.
  • the Si core 104 may have a tapered shape in the vertical direction (z-axis direction) of the substrate in which the height of the Si core 104 gradually decreases.
  • the Si core 104 can also be realized by a segmented structure divided in the light propagation direction (x-axis direction). That is, by segmenting the Si core 104 so that the region (segment) in which the core is formed and the region in which the core is not formed are alternately repeated, the light confinement is gradually weakened and an adiabatic transition is generated. Further, both the tapered shape and the segment shape may be combined to form the SSC region.
  • the first optical waveguide 110 and the second optical waveguide 120 of FIG. 1 May make a transition from each structure to another structure.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of an optical waveguide component including a double structure and another waveguide structure.
  • (A) and (b) of FIG. 2 show the configuration of a modification of the optical waveguide component of FIG. 1, respectively, and are a top view of the substrate surface (xy plane), which is perpendicular to the substrate surface including the optical waveguide. Includes a side view of a cross section (x-z plane) and an end view of a cross section (yz plane) perpendicular to the length of the optical waveguide. Further, each top view shows the clad 105 at the uppermost portion removed.
  • the core portion 103-1b that functions as an overclad of the first optical waveguide 110 is limited to only on the tapered shape portion 104-1 in the SSC region 130. I am preparing for it. That is, the rectangular Si core 104-2 of the first optical waveguide 110 is directly covered with the SiO 2 layer 105 that functions as an overclad.
  • the function as an optical waveguide is no different from that of the first optical waveguide 110 in FIG.
  • the optical circuit of the silicon thin wire waveguide is configured, so that the patterning for the core 103 of the second material is eliminated.
  • an optical circuit of a silicon thin wire waveguide is configured. In the optical circuit section, it is not necessary to form or pattern the material layer of the planar optical waveguide core on the silicon thin wire waveguide core, so that the factors that deteriorate the silicon circuit are reduced.
  • the core portion 103-1b that functions as an overclad of the first optical waveguide 110 is limited to only on the tapered shape portion 104-1 in the SSC region 130. I am prepared.
  • the Si core 104 is exposed.
  • the Si core 104 outside the SSC region 130 light is confined by the underclad by the SiO 2 core portion 103-1a of the second material and the air having a large refractive index difference from the Si core.
  • the silicon thin wire waveguide at the tip of the Si core 104 of the optical waveguide component 100-2 of FIG. 2B there is an advantage that light can be trapped more strongly, the core can be made thinner, and the bending radius can be made smaller.
  • the form of the optical waveguide can be changed as shown in FIGS. 2A and 2B, and the tip of the second optical waveguide 120 can be changed. It is also possible to change the form of the optical waveguide in.
  • the double structure of the cores of two optical waveguides having different core sizes in the optical waveguide component of the present disclosure is necessary in the SSC region 130, and the optical waveguide component 100 of FIG. 1 is a part of an integrated optical circuit. Please note that. [Thickness of each layer, center height adjustment structure] Returning to the optical waveguide component 100 of FIG.
  • the thickness of the underclad SiO 2 layer 102 and the overclad SiO 2 layer 105 is the light propagating in the SiO 2 core 103 of the second optical waveguide 120. It suffices if the mode field of is sufficiently accommodated. That is, the clad layers 102 and 105 may have a thickness such that the mode field of light propagating through the second optical waveguide 120 does not seep into the air layer directly above the substrate 101 and the overclad SiO 2 layer 105. Generally, it is sufficient that the thickness of the clad SiO 2 layers 102 and 105 is about several tens of ⁇ m.
  • the center height of the Si core 104 of the first optical waveguide 110 and the center height of the SiO 2 core 103 of the second optical waveguide 120 should be matched by setting as follows. Can be done. That is, the thickness of the lower SiO 2 layers 103-1a and 103-2a is set to the difference between 1/2 of the total height of the SiO 2 core 103 and 1/2 of the height of the Si core 104. Just do it. At this time, it is possible to completely match the center heights of the cores of the two optical waveguides, and solve the problems of connectivity due to incomplete adiabatic coupling in the SSC structure of the prior art and deterioration of butt coupling efficiency. ..
  • neither the first optical waveguide 110 nor the second optical waveguide 120 has an upper limit on the core cross-sectional size, and a plurality of modes of light are emitted with respect to the wavelength of the optical signal to be used. It can also be a multi-mode optical waveguide to propagate. Further, by reducing the core cross-sectional size, it is possible to obtain a single-mode optical waveguide that propagates only the lowest-order mode.
  • the Si layer is the core 104
  • the SiO 2 layers 103-1a and 103-1b are clad as shown in FIG. 1, or the air is clad as shown in FIG. 2 (b), and the core-clad section is used.
  • the difference in refractive index is large. Therefore, the cross-sectional size of the core can be reduced to several hundred nm.
  • the second optical waveguide 120 using the SiO 2 layer as the material of the core and the clad has a smaller difference in refractive index between the core and the clad than the first optical waveguide 110. Therefore, the core cross-sectional size of the second optical waveguide 120 is about several ⁇ m to 10 ⁇ m square.
  • the core cross-sectional size is about several hundred nm for the first optical waveguide and several ⁇ m to several ⁇ m for the second optical waveguide 120. It will be about 10 ⁇ m. Therefore, the MFDs of the light propagating in the cores of the two optical waveguides are remarkably different, and the MFD of the second optical waveguide 120 becomes a larger value than the MFD of the first optical waveguide 110.
  • the method of connecting the cores of the optical waveguide in the single mode is roughly classified into two types.
  • connection method is adiabatic coupling, in which both cores of the two optical waveguides are arranged so as to be in contact with each other in the propagation direction, and one optical waveguide core is made into a tapered tapered shape to propagate in the core. Gradually reduce the equivalent index of refraction of the mode. With such a configuration, the light energy of the mode that can no longer be confined is adiabatically transferred to the other adjacent optical waveguide core.
  • the other connection method is butt coupling, in which the end faces of the cores are abutted and arranged, and the coupling efficiency is defined by the overlap integral of the mode profiles existing in both cores of the two optical waveguides.
  • both the first optical waveguide 110 and the second optical waveguide 120 are single-mode optical waveguides
  • adiabatic coupling and butting are performed in the SSC region 130 connecting the two types of optical waveguides. Use one or both of the coupling methods.
  • the second optical waveguide 120 exhibits a larger MFD than the first optical waveguide 110.
  • the MFD of the first optical waveguide 110 is gradually expanded to match the MFD of the second optical waveguide 120.
  • the structure that realizes this MFD enlargement function is not limited, but for example, there is a structure in which the Si core has a tapered tapered shape 104-1 as in the SSC region 130 of FIG.
  • the equivalent refractive index of the mode in the Si core 104 may be gradually reduced.
  • the equivalent refractive index can be reduced as it approaches the second optical waveguide 120.
  • the equivalent refractive index is reduced by the tapered Si core, which is one of the optical energies in the Si core. All or all of them are adiabatically transitioned to the SiO 2 core 103 of the second optical waveguide 120.
  • Part of the light energy in the Si core 104 can propagate in the Si core 104 without adiabatic coupling with the SiO 2 core 103 and reach the boundary between the first optical waveguide and the second optical waveguide. be.
  • the Si core 104 of the first optical waveguide 110 is butt-coupled with the SiO 2 core 103 of the second optical waveguide 120 at the boundary.
  • a part of the light energy that has not been adiabatically coupled in the Si core 104 can be efficiently coupled by manufacturing the optical waveguide component 100 so that the center heights of the Si core 104 and the SiO 2 core 103 match.
  • the butt coupling efficiency defined by the overlap integral of the mode field can be kept high and the light energy can be coupled with low loss between the two optical waveguides.
  • optical waveguides of different materials can be monolithically integrated on a common single substrate, and two types of optical waves having different mode field sizes can be integrated. Configurations can be provided that connect the waveguide with low loss.
  • two optical waveguides are coupled to each other with low loss to form a continuous single optical waveguide, but a plurality of optical waveguides made of different materials are coupled to each other with low loss. You can also. [Second embodiment: pitch conversion]
  • FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the optical waveguide component of the second embodiment.
  • the plurality of first optical waveguides and the same number of second optical waveguides are coupled with low loss.
  • the structure between the first optical waveguide and the corresponding second optical waveguide among the plurality of first optical waveguides is the same as that of the optical waveguide component 100 of the first embodiment shown in FIG. Therefore, the description thereof will be omitted.
  • the Si core 104 of the first optical waveguide can confine light in a very small cross section as compared with the second optical waveguide. Therefore, when it is desired to create many core patterns for a plurality of Si cores 104 in a narrow region, the pitch between cores can be narrowed to about several ⁇ m.
  • the second optical waveguide having a core size larger than that of the first optical waveguide needs to have a core cross-sectional size of at least several ⁇ m to 10 ⁇ m square even when the core width is made as narrow as possible. Therefore, the core-to-core pitch assumed when arranging the SiO 2 cores 103 of the plurality of second optical waveguides is several tens of ⁇ m to several hundreds of ⁇ m.
  • the plurality of Si cores 104 and the plurality of SiO 2 cores 103 are the same. It is necessary to form at the pitch between cores.
  • the inter-core pitch at that time is arbitrary, but in the case of high-density wiring, it is desirable to set it to, for example, several tens of ⁇ m in accordance with the minimum inter-core pitch of the second optical waveguide.
  • another end face 107 of the second optical waveguide on the substrate may have a core-to-core pitch different from that of the connection.
  • the core-to-core pitch of the SiO 2 core 103 near the end face 107 of the second optical waveguide is determined according to 125 ⁇ m or 250 ⁇ m, which is the standard for the inter-core pitch of the optical fiber. ..
  • the distance between the waveguides is extended with respect to the SiO 2 core 103 of the second optical waveguide from the vicinity of the connection portion with the first optical waveguide to another end surface 107 away from the connection portion.
  • the region 108 that extends the spacing between waveguides is configured by patterning that includes straight lines, curves, or combinations of straight lines and curves.
  • the region 108 that extends the spacing between the waveguides smoothly extends the second optical waveguide from the plurality of first optical waveguides to another end face 107 of the substrate of the second optical waveguide to the optical fiber array 106. Can be connected optically.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a process of a method for manufacturing an optical waveguide component of the present disclosure. This embodiment is the method for manufacturing the optical waveguide component shown in the first embodiment and the second embodiment, and the structure of the optical waveguide component to be manufactured is the first embodiment and the second embodiment. Since it is as described in the above, the description thereof will be omitted. (A) to (e) of FIG. 4 show the steps in order until the optical waveguide component 100 of FIG. 1 is manufactured.
  • the SiO 2 layer 102 (first layer) is formed on the substrate 101 whose surface is smooth enough to form a SiO 2 layer on the substrate 101.
  • the substrate 101 include a glass substrate and the like, and a Si substrate is particularly suitable.
  • the method for forming the SiO 2 layer 102 is not limited as long as it can form a uniform and smooth layer so that another layer can be formed directly on the formed layer.
  • there is a film formation method of a SiO 2 layer such as a flame deposition method.
  • a SiO 2 layer 203-a (second layer) having a higher refractive index than the SiO 2 layer 102 is formed.
  • the refractive index may be controlled by adding GeO 2 , ZrO 2 , HfO 2 , P 2 O 5 or B 2 O 3 .
  • a Si layer 204 (third layer) is formed directly above the SiO 2 layer 203-a and flattened. ..
  • the above-mentioned SiO 2 layer 203-a of the four core portions 103-1a, 103-1b, 103-2a, 103-2b extending over the two optical waveguides of FIG. 1 It is a layer for the lower 103-1a and 103-2a in the SiO 2 region.
  • a film may be formed by sputtering of amorphous silicon or the like, or after another Si substrate is bonded to the upper surface of the substrate 101 (on the SiO 2 layer 203-a), the desired Si is formed.
  • the film thickness may be obtained.
  • a general SOI substrate instead of forming a single SiO 2 layer, that is, a BOX (Buried OXide) layer under the surface Si layer, two SiO 2 layers having different refractive indexes are formed. That is, it can be said that the SiO 2 layer 102 and the SiO 2 layer 203-a are formed.
  • the Si layer 204 is processed so as to be able to propagate light as an optical waveguide core, and the Si core 104 of the first optical waveguide is manufactured.
  • an optical circuit of Si photonics beyond the Si core 104 may be formed in combination with the formation of the Si core 104.
  • the SiO 2 layer 203-b (fourth layer) is formed directly above the SiO 2 layer 203-a and the Si core 104.
  • the SiO 2 layer 203-b has a refractive index similar to that of the SiO 2 layer 203-a.
  • the above-mentioned SiO 2 layer 203-b is the SiO 2 of the four core portions 103-1a, 103-1b, 103-2a, 103-2b that span the two optical waveguides of FIG. It is a layer for the upper 103-1b and 103-2b in the region.
  • SiO 2 capable of collectively processing the SiO 2 layer 203-a and the SiO 2 layer 203-b to propagate light as the core of the second optical waveguide.
  • a core 103 core portions 103-2a, 103-2b
  • core portions 103-1a and 103-1b are also formed as "clads" of the first optical waveguide.
  • it is desirable that the width of the SiO 2 core 103 to be collectively processed is wider than the width of the Si core 104 that has already been processed. This is because the side wall of the Si core 104 that has already been machined is not affected when the SiO 2 core 103 is machined.
  • the optical waveguide component 100 can be manufactured by forming the SiO 2 layer 105 (fifth layer) having a refractive index lower than that of the SiO 2 core 103.
  • the present invention is a method of manufacturing an optical waveguide component 100 including a first optical waveguide 110 and a second optical waveguide 120 having different mode field diameters (MFDs), on a lower side on a substrate 101.
  • the step of forming the core 104 of the first optical waveguide and the fourth layer for the upper core of the second optical waveguide by the material having the same refractive index as the second layer The step of forming 203-b, the step of processing the second layer and the fourth layer collectively to form the core 103 of the second optical waveguide, and the second layer and the above. It can be carried out as a method for manufacturing an optical waveguide component including a step of forming a fifth layer 103 to be an upper clad by using a material having a refractive index lower than that of the fourth layer.
  • the method for manufacturing the optical waveguide component of the first and second embodiments and the optical waveguide component of the third embodiment it is equivalent to the optical waveguide component manufacturing process by a general laminating process.
  • this simple process two types of optical waveguides with cores with different refractive indexes can be connected with low loss.
  • by making the structure so that the core center heights of the two optical waveguides match each other it is possible to connect with lower loss.
  • INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide an optical waveguide component capable of easily connecting optical waveguides having significantly different MFDs.
  • the present invention can be used for a device using optical communication.

Abstract

本開示の光導波路部品は、異なる材料の光導波路を共通の単一の基板上にモノリシック集積可能であり、モードフィールドの大きさが異なる２種類の光導波路を低損失に接続する構成を提供する。本開示の光導波路部品は、光導波路の長さ方向に垂直な断面で、第１の光導波路のコア領域が、第２の光導波路のコア領域に内包される二重構造を持つように構成される。第１の光導波路のコアの第１の材料の屈折率は、第２の光導波路のコアの第２の材料の屈折率より大きい。また第２の光導波路のコアを構成する第２の材料の屈折率は、第２の光導波路のクラッドを構成する第３の材料の屈折率より大きい。第１の光導波路のコアの中心高さと、第２の光導波路のコアの中心高さを揃えることで、従来技術のＳＳＣ構造部における断熱結合の不完全さや、突合せ結合効率の悪化による接続性の問題を解消する。

Description

光導波路部品およびその製造方法
　本発明は、光通信を利用する光導波路部品に関する。
　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。中でも、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をコアとしＳｉＯ２をクラッドとす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間の比屈折率差が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角という極小断面領域内での光伝搬が可能である。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形成可能で、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、シリコン光回路および電子回路をモノリシック集積することもできる。製造技術の観点では、成熟した半導体微細加工技術を適用できるため、微細パターンを簡単に形成できる。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が期待される。
　一方でシリコン光回路は、他の光素子との接続という観点で問題を抱えていた。光素子同士を接続する際には、接続点における損失を低減する上で、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。二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づけられる。シリコン光回路のモードフィールド径（Mode Field Diameter：ＭＦＤ）は３００ｎｍ程度である。ここで、コンピュータ筐体内にて回路外部の光伝送媒体として使用されているシングルモードファイバ（Single Mode Fiber：ＳＭＦ）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程度であり、ＭＦＤの小さな光導波路などとの接続用の高比屈折率差設計のＳＭＦでもＭＦＤは４μｍ程度である。このようにシリコン光回路のＭＦＤは、ＳＭＦのＭＦＤと比べて１０～数十倍も小さく、シリコン光回路およびＳＭＦを直接接続した場合、ＭＦＤの不整合よって大きな結合損失が生じてしまう。
　さらに、複数チャネルを含むシリコン光回路と複数のＳＭＦとを接続する際には、シリコン光回路およびＳＭＦの間でのコア間ピッチの違いの問題もあった。上述のように、シリコン光導波路は、数百ｎｍ角の極小断面領域内での光伝搬が可能である。このためシリコン光回路上で複数チャネルを配列させる場合も、そのコア間ピッチを数μｍ程度にまで減らして、高密度に配線できる。一方、複数の光ファイバを含むＳＭＦでは、１２５μｍや２５０μｍのコア間ピッチが既に規格化されており、対応する製品も市場に広く流通している。したがって、シリコン光回路内で高い配線密度を維持しながら、その端部で規格化されたピッチの複数のＳＭＦと接続するためには、シリコン光回路とＳＭＦとの間でコア間ピッチを揃えなければならない。すなわち、シリコン光回路のＳＭＦとの接続部付近で、ＳＭＦのコア間ピッチに一致するよう、シリコン細線導波路のコア間ピッチを拡大するピッチ変換配線パターンを構成する必要がある。　
　このピッチ変換配線パターンでは、元々高密度に配置された数μｍのコア間ピッチをＳＭＦ接続のために１００μｍ以上にまで拡大させる必要があり、シリコン光回路が大型化したり、配線長が長くなったりしてしまう。シリコンフォトニクスは光回路の高密度集積化には優れているが、シリコン細線導波路の伝搬損失は３ｄＢ／ｃｍに及ぶ。シリコン光回路内の極小領域では問題とならなかった伝搬損失が、今度は、光回路全体が大型化し配線長が長距離化することで、深刻な問題となっていた。このようなシリコン光回路とＳＭＦの間の接続性に関する問題を解決するために、スポットサイズ変換構造（Spot Size Conversion：ＳＳＣ）およびピッチ変換構造を挿入する手法が提案されていた。
　図５は、従来技術のスポットサイズ変換（ＳＳＣ）構造の構成を示す図である。図５は、異なるＭＦＤを持つ２つの光導波路コア５０１、５０２を有し、ＭＦＤの差異の影響を緩和するためのＳＳＣ構造部５３０含むシリコン光回路５００の上面図、およびａ－ａ線を切った断面図を示している。ｘ－ｚ面を見ている断面図を参照すれば、Ｓｉ基板５０３の上に、アンダークラッド層５０４が構成され、さらにアンダークラッド層５０４の上に、ＭＦＤの小さいシリコン細線導波路のコア５０１が形成されている。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５においてＳｉ基板５０３、アンダークラッド５０４、Ｓｉコア５０１は、ＳＯＩ基板を共通の基板として利用し作製される。このＳＳＣ構造を含むシリコン光回路の構成については、課題とともに後述する。
　ＳＳＣ構造部５３０では、コア５０１－２の先端を先細りの逆テーパ部５０１－１とし、逆テーパ部５０１－１を覆うように平面光導波路コア５０２を配置している。平面光導波路コア５０２とアンダークラッド層５０４およびオーバークラッド層５０５との比屈折率差は、シリコン細線導波路のコア５０１－２とアンダークラッド層５０４およびオーバークラッド層５０５との比屈折率差よりも小さい。また平面光導波路コア５０２は、シリコン細線導波路のコア５０１よりもコア断面積およびＭＦＤが大きい。シリコン細線導波路のコア５０１－２内の光は、ＳＳＣ構造部５３０の逆テーパ部５０１－１でコア先端に近づくにしたがい、逆テーパ形状のコア内には閉じ込めきれなくなり、逆テーパ部５０１－１の周囲のクラッドへ漏洩する。逆テーパ部５０１－１から漏洩した光は、シリコン細線導波路コア５０１－２を覆う平面光導波路コア５０２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ので、理論上は光エネルギーの損失を発生しない。
　図５におけるＳｉコアよりもＭＦＤの大きい平面光導波路５０２としては、ＳｉＯＸをコア、ＳｉＯ２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組み合わせのいずれも、比屈折率差は１～数％程度である。ＳＳＣ構造部５３０によって、数百ｎｍ角程度のＳｉコア５０１－２から、数μｍ程度の平面光導波路コア５０２に断面を拡大することで、ＳＭＦとの結合効率を改善できる。特に平面光導波路５０２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。
　石英系光導波路などの平面光導波路はＳｉコアと比べてコアサイズが大きい。平面光導波路における伝搬損失は０．１ｄＢ／ｃｍ以下から０．数ｄＢ／ｃｍ程度に留まり、数１０ｃｍを超える配線長であっても大きな伝搬損失無しに実現できる。さらに、数１０μｍから数百μｍ程度の幅広いコア間ピッチにも対応可能であり、大きな伝搬損失無しに、光回路全体の大型化や配線長の増大を伴うピッチ変換構造を形成することもできる。
　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の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", ２０１０年６月１日、IEEE Photon. Technol. Lett., Vol. 22, No. 11, pp. 739-741
　しかしながらＭＦＤの異なる光導波路を組み合わせた従来技術の光回路では、依然として、製造工程の煩雑さやコストの問題が残っている。ＭＦＤの異なる光導波路を有するシリコン光回路と平面光導波路とを組み合わせる光回路の作製方法には、大別して２つのアプローチがある。１つは、別々の基板を組み合わせるハイブリッド集積であり、もう１つは、単一の共通基板を用いるモノリシック集積である。
　ハイブリッド集積は、別基板上にＭＦＤの異なる光導波路を有するシリコン光回路と平面光導波路をそれぞれ作製し、その後に集積化する方法である。ハイブリッド集積の場合、シリコン細線導波路コアと平面光導波路コアを正確に位置合わせする工程（調心工程とも言う）が必要となる。シリコン光回路のシリコン細線導波路コアのように数百ｎｍという非常に細いコアを有する光導波路に対しては、調心精度への要求が高く、高精度な調心プロセスにはコストが掛かることが問題であった。
　モノリシック集積は、シリコン光回路および平面光導波路のそれぞれの異種材料を同一基板上に集積する作製方法であって、上述のハイブリッド集積の問題を解消できる。モノリシック集積では、シリコン光回路と平面光導波路を共通のＳＯＩ基板上に同時集積することで、煩雑な調心プロセスを不要とし、位置ずれによる結合効率の悪化を最低限に抑えられる。しかしながらモノリシック集積によって作製した場合でも、シリコン細線導波路と平面光導波路間の接続性に関して問題が生じる。ここで再び図５を参照しながら、モノリシック集積した場合の接続性の問題を説明する。先に説明をしたように、図５のシリコン光回路５００では、ＳＳＣ構造部５３０によってスポットサイズを変換し、ＭＦＤの不整合による結合損失を抑えていた。
　図５に示した光回路５００のシリコン細線導波路コア５０１の厚さは数百ｎｍ、平面光導波路コア５０２の厚さは数μｍ程度である。図５の断面図では各部を見やすくするために２つのコアの厚さの相対寸法の差を圧縮して描いているが、コア５０１の中心高さと、コア５０２の中心高さが一致しない構造となっていることは明らかである。シリコン細線導波路コア５０１から平面光導波路コア５０２への断熱結合を利用する場合、コア同士の中心高さが一致していなくとも理論的には完全結合が可能である。しかし実際には、断熱結合効率はシリコン細線導波路コアの寸法精度や平面光導波路コアの光学特性によって左右される。このため、同じプロセスで製造されるすべての光回路に対して、全光エネルギーが断熱結合をするとは限らない。
　断熱結合が不完全な場合、断熱結合せずに残った光エネルギーは、シリコン光回路５１０の終端、すなわちＳＳＣ構造部５３０において、平面光導波路５２０へと突合せ結合されることになる。一般に突合せ結合では、接続される光素子のモードフィールドの重なり積分にて結合効率が決定されるため、図５に示したように接続される２つのコアの中心高さが異なっている場合、結合効率が悪化する場合がある。
　上述の突合せ結合効率を改善するために、ＳＯＩ基板上に作製されたシリコン光回路コアおよび平面光導波路コアの中心高さを合わせる方法も検討されている。この場合、ＳＯＩ基板のＢＯＸ層を削り取るエッチング処理が必要になる。図５の構成の場合では、平面光導波路５２０においてアンダークラッド層５０４の一部を除去することになり、作製工程が煩雑となる問題があった。このように、共通の１つの基板上に異なる材料の光導波路をモノリシック集積した光回路において、ＭＦＤの大きく異なる２種類の光導波路を低損失に接続できる光導波路部品およびその簡便な製造方法が望まれている
　本発明はこのような問題に鑑みなされたものであり、異なる材料の異なる光導波路を低損失で低コストに提供できる新規な光導波路構造およびその製造方法を提供する。
　本発明の１つの実施態様は、基板の上に、異なるモードフィールド径（ＭＦＤ）を有する光導波路を形成した光導波路部品であって、第１の材料による第１のコア、および前記第１のコアの上下に形成された、第２の材料によるクラッドを含む第１の光導波路と、前記第１のコアに沿って、前記クラッドから延長して形成された前記第２の材料による第２のコア、前記基板と前記第２のコアの間に構成された、第３の材料による下側クラッド、および前記第２のコアの上に構成された上側クラッドを含む第２の光導波路とを備え、前記光導波路の長さ方向に垂直な断面において、前記第１のコアの領域は、前記第２のコアの領域に内包されており、前記第１の材料は最も屈折率が大きく、前記第３の材料は最も屈折率が小さいことを特徴とする光導波路部品である。
　本発明の別の実施態様は、異なるモードフィールド径（ＭＦＤ）を有する第１の光導波路および第２の光導波路を含む光導波路部品の製造方法であって、基板上に、下側クラッドとなる第１の層を形成するステップと、前記第１の層よりも高い屈折率を有する材料により、前記第２の光導波路の下側コアのための第２の層を形成するステップと、前記第２の層よりもさらに高い屈折率を有する材料により、前記第１の光導波路のコアのための第３の層を形成するステップと、前記第３の層を加工して、前記第１の光導波路のコアを形成するステップと、前記第２の層と同程度の屈折率を有する材料により、前記第２の光導波路の上側コアのための第４の層を形成するステップと、前記第２の層および前記第４の層を一括して加工して、前記第２の光導波路のコアを形成するステップと、前記第２の層および前記第４の層よりも低い屈折率を有する材料により、上側クラッドとなる第５の層を形成するステップとを備える光導波路部品の製造方法である。
　本発明により、異なる材料の異なる光導波路を低損失で接続する光導波路の構造およびその製造方法が得られる。
本開示の第１の実施形態の光導波路部品の構成を示す図である。 二重構造および別の導波路構造を含む光導波路部品の構成を示す図である。 本開示の第２の実施形態の光導波路部品の構成を示す図である。 本開示の光導波路部品の製造方法の各プロセスを説明する図である。 従来技術のスポットサイズ変換構造の構成を示す図である。
　本開示の光導波路部品は、異なる材料の光導波路を共通の単一の基板上にモノリシック集積可能であり、モードフィールドの大きさが異なる２種類の光導波路を低損失に接続する構成を提供する。本開示の光導波路部品は、光導波路の長さ方向に垂直な断面で、第１の光導波路のコア領域が、第２の光導波路のコア領域に内包される二重構造を持つように構成される。第１の光導波路のコアの第１の材料の屈折率は、第２の光導波路のコアの第２の材料の屈折率より大きい。また第２の光導波路のコアを構成する第２の材料の屈折率は、第２の光導波路のクラッドを構成する第３の材料の屈折率より大きい。基板面に垂直な方向で、第１の光導波路のコアの中心高さと、第２の光導波路のコアの中心高さを揃えることで、従来技術のＳＳＣ構造部における断熱結合の不完全さや、突合せ結合効率の悪化による接続性の問題を解消する。
　図１は、本開示の二重構造を含む光導波路部品の構成を示す図である。図１は、基板１０１の面（ｘ－ｙ面）に向かって２つの光導波路１１０、１２０を見た上面図、２本の光導波路の各コア１０４、１０３の中心を通る側面図（ｘ－ｚ面）、光導波路の長さ方向を垂直に切った断面の２つの端面図（ｙ－ｚ面）を含む。図１の光導波路部品１００は、共通の基板１０１の上に形成された第１のコアサイズおよび対応するＭＦＤを持つ第１の光導波路と、第２のコアサイズおよび対応するＭＦＤを持つ第２の光導波路とが、光学的に接続された構造を備えている。第２の光導波路の第２のコアサイズは、第１の光導波路の第１のコアサイズよりも大きい。図１は２つの光導波路１１０、１２０が基板１０１上にモノリシック集積された光回路の一部だけを切り出して示しており、光導波路の数はこれに限られないし、また他の光導波路が光導波路部品１００内に含まれていても良い。尚、図１の上面図（ｘ－ｙ面）では、最上部にあるクラッド１０５を取り除いて示している。
　２つの光導波路のより具体的な構成は、以下の通りである。第１の光導波路１１０では、コア１０４は第１の材料、クラッド１０３－１は第２の材料で形成し、第２の光導波路１２０では、コア１０３－２は第２の材料、クラッド１０５、１０２は第３の材料で形成する。本開示の光導波路部品１００では、第１の材料、第２の材料および第３の材料の屈折率ｎ１、ｎ２、ｎ３の関係が、第１の材料の屈折率ｎ１が最も高く、第３の材料の屈折率ｎ３が最も低いという関係を満たしていれば、各光導波路の材料の種類は問わない。要するに３つの材料の屈折率ｎ１、ｎ２、ｎ３に、次式が成立していれば良い。
　　ｎ１　＞　ｎ２　＞　ｎ３　　　　式（１）
　光導波路の長さ方向に垂直に切った断面（端面図）を見たとき、光学的に接続される２つの光導波路１１０、１２０は、第１の光導波路１１０のコア１０４が第２の光導波路のコア１０３に内包されていることがわかる。図１の上面図および側面図では、２つの光導波路の領域を区別して示すために、点線を用いて境界を示しているが、後述する作製プロセスを参照すれば明らかなように２つの光導波路の間に物理的な境界は存在しない。第２の材料について、第１の光導波路のクラッド１０３－１（１０３－１ａ、１０３－１ｂ）および第２の光導波路のコア１０３－２（１０３－２ａ、１０３－２ｂ）は２つの光導波路１１０、１２０を通して、一体とみなすことができる。光導波路の長さ方向に垂直な断面を見て、あたかも鉛筆とその芯のように、第２の光導波路のコア領域の内部に、第１の光導波路のコア領域が内包されている関係にある。さらに図１の光導波路部品１００では、光導波路の長さ方向に垂直な断面で見たとき、第１の光導波路のコア領域は第２の光導波路のコア領域内に含まれ、２つのコアの中心高さが一致するように構成されている。このような光導波路の「二重構造」または「入れ子様構造」によって、図５に示した従来技術のモノリシック集積におけるコアの中心高さ位置のずれによる損失の問題を解消できる。
　以下の実施形態の説明では具体例として、第１の材料がＳｉ、第２の材料が相対的に屈折率の高いＳｉＯ２、第３の材料が相対的に屈折率の低いＳｉＯ２の場合で説明する。この材料例の場合、屈折率の大きさを、Ｓｉ ＞ 高屈折率ＳｉＯ２ ＞ 低屈折率ＳｉＯ２の関係で表せる。２種類の光導波路の各部に使用できる材料はこれらだけに限られず、例えば第１の材料としてＳｉ、ＳｉＮ、ＳｉＯＮなどを使用することができる。また、第２の材料および第３の材料としてＳｉＯ２、ＳｉＯｘ、ポリマーなどを使用できる。以下、上述の具体的な材料を例に図１の光導波路部品の構造を説明する。
　再び図１に戻ると、光導波路部品１００は基板１０１上に構成されている。基板１０１は、その直上にＳｉＯ２層を成膜可能な、表面が平滑な基板である。基板１０１の上には、屈折率の最も小さい第３の材料であるＳｉＯ２層１０２を備える。図１の上面図を参照すると、基板１０１の上に、第１の光導波路１１０および第２の光導波路１２０が構成されている。第１の光導波路１１０は、屈折率の最も大きいＳｉコア１０４を備え、上面図にあるようにＳｉコア１０４－２と、第２の光導波路１２０に向かって幅が狭まるテーパ導波路１０４－１とからなる。断面図を参照すれば、Ｓｉコア１０４は、下側のＳｉＯ２コア部１０３－１ａの上に作製され、さらにＳｉコア１０４の上を覆うように上側のＳｉＯ２コア部１０３－１ｂが作製されている。
　第２の光導波路１２０は、ＳｉＯ２層１０２上のＳｉＯ２コア１０３を備え、側面図を参照すればＳｉＯ２コア１０３は上側のＳｉＯ２コア部１０３－２ｂと、下側のＳｉＯ２コア部１０３－２ａの２つの部分から成る。以下の説明では、簡単のためＳｉＯ２コア１０３と記載する場合は、２つの光導波路に渡った４つのコア部１０３－１ａ、１０３－１ｂ、１０３－２ａ、１０３－２ｂのＳｉＯ２領域の全体を指すものとする。ＳｉＯ２コア１０３は、屈折率が中間の値を持つ第２の材料から構成されることになる。後述するように、上下のコア部１０３－２ａ、１０３－２ｂは別の工程により作製されるため、厳密に完全に同一の屈折率にするのが難しい場合もある。しかしながら、ＳｉＯ２コア１０３は第２の光導波路１２０では、上下のコア部１０３－２ａ、１０３－２ｂが文字通り光導波路の「コア」として機能するよう、概ね同一の屈折率となるよう構成される。一方、第１の光導波路１１０では、上下のコア部１０３－１ａ、１０３－１ｂが実際には光導波路の「クラッド」として機能している点に留意されたい。
　本開示の光導波路部品１００では、高屈折率差導波路である第１の光導波路１１０の上層クラッド１０３－１ｂ、下層クラッド１０３－１ａにおける材料を、低屈折率差導波路である第２の光導波路１２０のコア１０３の材料と同一にしている点に注目すべきである。図４とともに後述する製造方法でも述べる通り、４つのコア部からなるＳｉＯ２コア１０３の内、下層のコア部１０３－１ａ、１０３－２ａのＳｉＯ２領域（１０３－ａ）が１つの工程で作成される。また、４つのコア部からなるＳｉＯ２コア１０３の内、上層のコア部１０３－１ｂ、１０３－２ｂのＳｉＯ２領域（１０３－ｂ）も、１つの工程で作成される。本開示の光導波路部品１００は、一般的な積層工程による光導波路部品の作製と同等の簡単なプロセスで、屈折率の異なるコアを有する２種類の光導波路を低損失に接続する構成を実現できる。図５の従来技術のＳＳＣ構造部で説明したような、ＳＯＩ基板のＢＯＸ層を削り取るエッチング処理などは不要である。
　２つの光導波路１１０、１２０の全体は、屈折率の最も小さい第３の材料によるＳｉＯ２層１０５の上側クラッドで覆われている。したがって、第１の光導波路１１０のＳｉコア１０４は、二重構造のクラッドによって囲まれている点にも留意されたい。
　図１の光導波路部品の構成で屈折率の大きいものから順に並べれば、Ｓｉコア１０４ → ＳｉＯ２コア１０３ → ＳｉＯ２クラッド１０２、１０５の関係となる。すなわちＳｉＯ２コア部１０３－２ａ、１０３－２ｂの屈折率は、ＳｉＯ２層１０２およびＳｉＯ２層１０５のクラッドの屈折率よりも大きい関係にある。ここでＳｉＯ２層１０２およびＳｉＯ２層１０５の屈折率は、同じである必要は無いことに留意されたい。すなわちＳｉＯ２層１０２、１０５の屈折率が、第２の光導波路のＳｉＯ２コア１０３－２よりも小さい限り、第２の光導波路１２０で光をコア内に閉じ込めて光導波路として機能できるからである。以下、図１の光導波路部品の各部およびコアの「二重構造」について、さらに詳細に説明する。
 [第１の実施形態：光導波路の構成]
　図１の光導波路部品１００には、２種類の光導波路が存在している。すなわち１つは、ＳｉＯ２コア部１０３－１ａをアンダークラッド、Ｓｉコア１０４をコア、ＳｉＯ２コア部１０３－１ｂをオーバークラッドとする第１の光導波路１１０である。もう１つは、ＳｉＯ２層１０２をアンダークラッド、ＳｉＯ２コア１０３をコア、ＳｉＯ２層１０５をオーバークラッドとする第２の光導波路１２０である。
　第１の光導波路１１０において、Ｓｉコア１０４は「クラッド」として機能するＳｉＯ２コア部１０３－１ａとＳｉＯ２コア部１０３－１ｂの間に挟まれており、さらにＳｉコア１０４の幅はＳｉＯ２コア部１０３－１の幅よりも狭い構造となっている。したがって光導波路部品１００は、平面光回路でありながら、第１の光導波路のＳｉコア１０４の断面領域が、第２の光導波路のＳｉＯ２コア１０３の断面領域内に完全に収まるようなコアの「二重構造」を持っている。また図１の左側の端面図から明らかなように、第１の光導波路１１０におけるＳｉコア１０４は、ＳｉＯ２コア部１０３－１による内側クラッド、さらにＳｉＯ２層１０３、１０５による外側クラッドを備えた、クラッドの「二重構造」を持っているとも言える。
　したがって本発明は、基板１０１の上に、異なるモードフィールド径（ＭＦＤ）を有する光導波路を形成した光導波路部品であって、第１の材料による第１のコア１０４、および、前記第１のコアの上下に形成された、第２の材料によるクラッド１０３－１ａ、１０３－１ｂを含む第１の光導波路１１０と、前記第１のコアに沿って、前記クラッドから延長して形成された前記第２の材料による第２のコア１０３、前記基板と前記第２のコアの間に構成された、第３の材料による下側クラッド１０２、および前記第２のコアの上に構成された上側クラッド１０５を含む第２の光導波路１２０とを備え、前記光導波路の長さ方向に垂直な断面において、前記第１のコア１０４の領域は、前記第２のコアの領域１０３に内包されており、前記第１の材料は最も屈折率が大きく、前記第３の材料は最も屈折が小さいことを特徴とする光導波路部品として実施できる。
　光導波路部品１００では、コア内を伝搬する光のＭＦＤを徐々に拡大させるＳＳＣ領域１３０において、上述のコアの二重構造を備えている必要がある。すなわち、コア内を伝搬する光のＭＦＤを徐々に拡大させるＳＳＣ領域１３０は、第１の光導波路内のコアの二重構造部分に形成することが望ましい。ＳＳＣ機能のための構造は特定のものに限定されないが、図１のＳＳＣ領域１３０のように、Ｓｉコア１０４を一定幅のコア１０４－２から先細りのテーパ形状部１０４－１を経る構造によって実現できる。またＳｉコア１０４の高さが徐々に低くなる基板垂直方向（ｚ軸方向）のテーパ形状を有しても良い。Ｓｉコア１０４が光の伝搬方向（ｘ軸方向）に分断されたセグメント状の構造によって実現することもできる。すなわちＳｉコア１０４を、コアが形成されている領域（セグメント）と形成されていない領域が交互に繰り返されるようにセグメント化することで、光の閉じ込めを次第に弱くし、断熱遷移を生じさせる。さらに、テーパ形状およびセグメント形状の両方を組み合わせて、ＳＳＣ領域を構成しても良い。
　一方、第１の光導波路１１０においてＳＳＣ機能の無い、接続部の境界から離れた領域においては、必ずしも上述のコアの二重構造を備えている必要は無い。光導波路部品１００で、第１の光導波路１１０および第２の光導波路１２０の接続部付近から遠ざかった図１に示さない領域では、図１の第１の光導波路１１０および第２の光導波路１２０は、それぞれの構造から別の構造へ遷移をしていっても良い。
　図２は、二重構造および別の導波路構造を含む光導波路部品の構成を示す図である。図２の（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図１の光導波路部品の変形例の構成を示し、基板面（ｘ－ｙ面）を見た上面図、光導波路を含む基板面に垂直な断面（ｘ－ｚ面）を見た側面図、光導波路の長さ方向に垂直な断面（ｙ－ｚ面）を見た端面図を含む。また各上面図は、最上部にあるクラッド１０５を取り除いて示している。
　図２の（ａ）の光導波路部品１００－１は、第１の光導波路１１０のオーバークラッドとして機能するコア部１０３－１ｂを、ＳＳＣ領域１３０内のテーパ形状部１０４－１の上だけに限定して備えている。すなわち、第１の光導波路１１０の矩形のＳｉコア１０４－２の上は、オーバークラッドとして機能するＳｉＯ２層１０５で直接覆われている。図２の（ａ）の構造の場合、ＳＳＣ領域１３０の外におけるＳｉコア１０４では、第２の材料のＳｉＯ２コア部１０３－１ａのアンダークラッドおよび第３の材料のＳｉＯ２層１０５のオーバークラッドによって光が閉じ込められる。光導波路としての機能は、図１の第１の光導波路１１０の場合と何ら変わりがない。図２（ａ）の光導波路部品１００－１のＳｉコア１０４の先では、シリコン細線導波路の光回路が構成されることになるため、第２の材料のコア１０３のためのパターンニングが無くなり、Ｓｉコア１０４の先では、シリコン細線導波路の光回路が構成されることになる。その光回路部においては、シリコン細線導波路コアの上で、平面光導波路コアの材料層を形成したりパターニングしたりする必要がないため、シリコン回路を劣化させる要因が減る。
　図２の（ｂ）の光導波路部品１００－２は、第１の光導波路１１０のオーバークラッドとして機能するコア部１０３－１ｂをＳＳＣ領域１３０内のテーパ形状部１０４－１の上だけに限定して備えている。図２の（ｂ）の構成では、第１の光導波路１１０の矩形のＳｉコア１０４－２の上にはオーバークラッドが無く、Ｓｉコア１０４がむき出しになった構成である。この構造でも、ＳＳＣ領域１３０外のＳｉコア１０４では、第２の材料のＳｉＯ２コア部１０３－１ａによるアンダークラッドおよびＳｉコアとの屈折率差の大きい空気によって光が閉じ込められる。図２（ｂ）の光導波路部品１００－２のＳｉコア１０４の先にあるシリコン細線導波路において、より強く光を閉じ込め、コアをより細くし、曲げ半径をより小さくできるメリットがある。
　上述のように、図１の第１の光導波路１１０の先において、図２の（ａ）、（ｂ）の様に光導波路の形態を変えることもできるし、第２の光導波路１２０の先において光導波路の形態を変えることもできる。本開示の光導波路部品におけるコアサイズの異なる２つの光導波路のコアの二重構造は、ＳＳＣ領域１３０において必要なものであって、図１の光導波路部品１００は集積化した光回路の一部であることに留意されたい。
[各層の厚み、中心高さ合わせ構造]
　ここで再び図１の光導波路部品１００に戻ると、アンダークラッドのＳｉＯ２層１０２およびオーバークラッドのＳｉＯ２層１０５の厚さは、第２の光導波路１２０のＳｉＯ２コア１０３内を伝搬する光のモードフィールドが十分収まるものであれば良い。すなわちクラッド層１０２、１０５は、第２の光導波路１２０を伝搬する光のモードフィールドが、基板１０１やオーバークラッドＳｉＯ２層１０５直上の空気層にまで染み出さない程度の厚さであれば良い。一般的には、クラッドＳｉＯ２層１０２、１０５の厚さは数１０μｍ程度であれば十分である。
　基板に垂直な方向において、第１の光導波路１１０のＳｉコア１０４の中心高さと、第２の光導波路１２０のＳｉＯ２コア１０３の中心高さは、次の様に設定することで一致させることができる。すなわち、下側のＳｉＯ２層１０３－１ａ、１０３－２ａの厚さを、ＳｉＯ２コア１０３の全体の高さの１／２およびＳｉコア１０４の高さの１／２の間の差に設定すれば良い。このとき２つの光導波路のコア同士の中心高さを完全に一致させることが可能で、従来技術のＳＳＣ構造部における断熱結合の不完全さや、突合せ結合効率の悪化による接続性の問題を解消する。
[モード数の非限定、コアサイズ、シングルモードの場合のＭＦＤ]
　図１の光導波路部品１００において、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１０４とし、図１のようにＳｉＯ２層１０３－１ａ、１０３－１ｂを、または図２の（ｂ）のように空気をクラッドとし、コア－クラッド間の屈折率差が大きい。このため、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の材料としてＳｉＯ２層を用いる第２の光導波路１２０は、第１の光導波路１１０に比べてコア－クラッド間の屈折率差が小さい。このため、第２の光導波路１２０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、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の光導波路で数百ｎｍ程度、第２の光導波路１２０で数μｍ～１０μｍ程度となる。このため、２つの光導波路のコア内を伝搬する光のＭＦＤは著しく異なり、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。
[結合方式]
　シングルモードとなる光導波路のコア同士を接続させる方式は、２種類に大別される。１つの接続方式は断熱結合であり、伝搬方向に対して、２つの光導波路の両コアが接するように配置し、一方の光導波路コアを、先細りのテーパ形状にするなど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。このような構成により、もはや閉じ込めきれなくなったモードの光エネルギーが、隣接する他方の光導波路コアへと断熱的に遷移する。もう１つの接続方式は突合せ結合であり、コアどうしの端面を突き合わせて配置し、２つの光導波路の両コア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。
　本開示の光導波路部品１００で、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光導波路である場合、２種類の光導波路を接続するＳＳＣ領域１３０において、断熱結合および突合せ結合の一方または両方の接続方式を利用する。
　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を示す。第１の光導波路１１０および第２の光導波路１２０を低損失に接続するためには、２種類の光導波路の境界近傍で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、第１の光導波路１１０のＭＦＤを、第２の光導波路１２０のＭＦＤへ合わせるように徐々に拡大させる。このＭＦＤ拡大機能を実現する構造は問わないが、例えば、図１のＳＳＣ領域１３０のようにＳｉコアを先細りのテーパ形状１０４－１とする構造がある。Ｓｉコア１０４のＭＦＤを徐々に拡大させるには、Ｓｉコア１０４内のモードの等価屈折率を徐々に減少させれば良い。ＳＳＣ領域１３０のＳｉコアを、先細りのテーパ形状部分１０４－１とすることで、第２の光導波路１２０に近づくにつれ等価屈折率を減少させることができる。Ｓｉコア１０４－１が上下のＳｉＯ２コア部１０３－１ａ、１０３－１ｂに挟まれている領域において、テーパ形状のＳｉコアにより等価屈折率を減少させることで、Ｓｉコア内の光エネルギーの一部またはすべてを、第２の光導波路１２０のＳｉＯ２コア１０３へと断熱的に遷移させられる。
　Ｓｉコア１０４内の光エネルギーの一部は、ＳｉＯ２コア１０３との断熱結合をしないでＳｉコア１０４内を伝搬し、第１の光導波路と第２の光導波路の境界にまで到達することがある。このような場合、第１の光導波路１１０のＳｉコア１０４は境界において第２の光導波路１２０のＳｉＯ２コア１０３と突合せ結合される。Ｓｉコア１０４内で断熱結合をしなかった光エネルギーの一部分は、Ｓｉコア１０４とＳｉＯ２コア１０３の中心高さが一致するように光導波路部品１００を作製することで効率的に結合できる。２つのコアの中心高さを一致させることにより、モードフィールドの重なり積分で規定される突合せ結合効率を高く保ち、２つの光導波路間で低損失に光エネルギーを結合させることができる。
　以上詳細に述べたように、実施形態の光導波路部品１００によれば、異なる材料の光導波路を共通の単一の基板上にモノリシック集積可能であり、モードフィールドの大きさが異なる２種類の光導波路を低損失に接続する構成を提供できる。上述の図１の実施形態では、２つの光導波路を低損失に結合して、連続した単一の光導波路を構成していたが、異なる材料の複数の光導波路同士を低損失に結合させることもできる。
[第２の実施形態：ピッチ変換]
　図３は、第２の実施形態の光導波路部品の構成を示す図である。第２の実施形態の光導波路部品３００では、複数の第１の光導波路と、同数の第２の光導波路とを低損失に結合する。複数の第１の光導波路の内の１つの第１の光導波路と、対応する第２の光導波路との間の構造は、図１に示した第１の実施形態の光導波路部品１００と同様であり、説明を省略する。
　第１の実施形態で説明した通り、第１の光導波路のＳｉコア１０４では、第２の光導波路と比較して極小断面内に光を閉じ込め可能である。したがって狭い領域に複数のＳｉコア１０４のための多くのコアパターンを作成したい場合、コア間ピッチを数μｍ程度にまで狭めることができる。一方、第１の光導波路より大きいコアサイズを持つ第２の光導波路は、できるだけコア幅を細くした場合でも、少なくとも数μｍ～１０μｍ角程度のコア断面サイズが必要である。このため、複数の第２の光導波路のＳｉＯ２コア１０３を配列する場合に想定されるコア間ピッチは、数１０μｍ～数１００μｍとなる。
　図３の光導波路部品３００において、複数の第１の光導波路と同数の対応する第２の光導波路の接続を高密度で行う場合、複数のＳｉコア１０４と複数のＳｉＯ２コア１０３を、同一のコア間ピッチにて形成する必要がある。その際のコア間ピッチは任意であるが、高密度に配線する場合、第２の光導波路の最小コア間ピッチに合わせて、たとえば数１０μｍとすることが望ましい。
　一方、第１の光導波路との接続部から離れた、例えば基板上の第２の光導波路の別の端面１０７では、接続部とは異なるコア間ピッチとする場合がある。光ファイバアレイに接続する場合であれば、光ファイバのコア間ピッチの規格である１２５μｍや２５０μｍに合わせ、第２の光導波路の端面１０７付近でのＳｉＯ２コア１０３のコア間ピッチが決定される。このような場合、第１の光導波路との接続部付近から、接続部から離れた別の端面１０７まで、第２の光導波路のＳｉＯ２コア１０３に対して、導波路間間隔を拡張する。導波路間間隔を拡張する領域１０８は、直線、曲線、または、直線および曲線の組み合わせを含むパターニングにより構成される。この導波路間間隔を拡張する領域１０８により、複数の第１の光導波路から第２の光導波路の基板の別の端面１０７まで、第２の光導波路は滑らかに延長され、光ファイバアレイ１０６まで光学的に接続することができる。
　以上、本実施形態によれば、ＭＦＤが大きく異なる２種類の光導波路について、複数の光導波路の接続部が配列される場合にも、本開示の接続部の構成で両導波路を低損失に接続する光導波路部品を提供できる。
[第３の実施形態：製造方法]
　図４は、本開示の光導波路部品の製造方法のプロセスを説明する図である。本実施形態は、第１の実施形態および第２の実施形態で示した光導波路部品の製造方法であり、作製される光導波路部品の構造については、第１の実施形態および第２の実施形態に記載の通りであるため、説明を省略する。図４の（ａ）～（ｅ）は、図１の光導波路部品１００が作製されるまでステップを順に示している。
　図４の（ａ）を参照すると、その上にＳｉＯ２層を成膜可能な程度に表面が平滑な基板１０１の上に、ＳｉＯ２層１０２（第１の層）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。ＳｉＯ２層１０２の形成方法については、形成した層の直上にさらに他の層を形成可能な程に、均一かつ平滑な層を形成できればその方法は問わない。一例を挙げれば、火炎堆積法などのＳｉＯ２層の成膜方法がある。ＳｉＯ２層１０２の直上には、ＳｉＯ２層１０２よりも高い屈折率を有するＳｉＯ２層２０３－ａ（第２の層）を形成する。ＳｉＯ２層２０３－ａの形成にあたっては、ＧｅＯ２、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、Ｐ２Ｏ５やＢ２Ｏ３などを添加することでその屈折率を制御しても良い。ＳｉＯ２層２０３－ａをＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）などの手段により平坦化する工程を経たのち、ＳｉＯ２層２０３－ａの直上にＳｉ層２０４（第３の層）を形成し、平坦化する。
　ここで図１を再び参照すれば、上述のＳｉＯ２層２０３－ａが、図１の２つの光導波路に渡った４つのコア部１０３－１ａ、１０３－１ｂ、１０３－２ａ、１０３－２ｂのＳｉＯ２領域の内の、下側の１０３－１ａ、１０３－２ａのための層となる。
　Ｓｉ層２０４の形成にあたっては、アモルファスシリコンのスパッタリングなどで製膜をしても良いし、別のＳｉ基板を基板１０１の上面（ＳｉＯ２層２０３－ａ上）に貼り合わせた後に、所望のＳｉ膜厚を得ても良い。（ａ）の状態は、一般的なＳＯＩ基板において、表層のＳｉ層の下に単層のＳｉＯ２層すなわちＢＯＸ（Buried OXide）層を形成する代わりに、屈折率の異なる２層のＳｉＯ２層、すなわちＳｉＯ２層１０２およびＳｉＯ２層２０３－ａが形成されたものと言える。
　次に図４の（ｂ）を参照すると、Ｓｉ層２０４を、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加工して、第１の光導波路のＳｉコア１０４を作製する。図４の（ｂ）には示されていないが、Ｓｉコア１０４の形成と併せて、Ｓｉコア１０４の先のＳｉフォトニクスの光回路を形成しても良い。
　さらに図４の（ｃ）を参照すると、ＳｉＯ２層２０３－ａおよびＳｉコア１０４の直上に、ＳｉＯ２層２０３－ｂ（第４の層）を形成する。このＳｉＯ２層２０３－ｂは、ＳｉＯ２層２０３－ａと同程度の屈折率を有する。図１を再び参照すれば、上述のＳｉＯ２層２０３－ｂが、図１の２つの光導波路に渡った４つのコア部１０３－１ａ、１０３－１ｂ、１０３－２ａ、１０３－２ｂのＳｉＯ２領域の内、上側の１０３－１ｂ、１０３－２ｂのための層となる。
　次に図４の（ｄ）を参照すると、ＳｉＯ２層２０３－ａとＳｉＯ２層２０３－ｂを一括して加工して、第２の光導波路のコアとして光を伝搬させることができるＳｉＯ２コア１０３（コア部１０３－２ａ、１０３－２ｂ）を得る。同時に第１の光導波路の「クラッド」としてコア部１０３－１ａ、１０３－１ｂも形成される。この段階で、すでに加工されているＳｉコア１０４の幅に比べて、一括加工されるＳｉＯ２コア１０３の幅が広いことが望ましい。これは、ＳｉＯ２コア１０３の加工時に、既に加工されているＳｉコア１０４の側壁に影響を与えないためである。
　最後に図４の（ｅ）を参照すると、ＳｉＯ２コア１０３よりも低い屈折率を有するＳｉＯ２層１０５（第５の層）を形成することで、光導波路部品１００を作製することができる。
　上述のように本発明は、異なるモードフィールド径（ＭＦＤ）を有する第１の光導波路１１０および第２の光導波路１２０を含む光導波路部品１００の製造方法であって、基板１０１上に、下側クラッドとなる第１の層１０２を形成するステップと、前記第１の層よりも高い屈折率を有する材料により、前記第２の光導波路の下側コアのための第２の層２０３－ａを形成するステップと、前記第２の層よりもさらに高い屈折率を有する材料により、前記第１の光導波路のコアのための第３の層２０４を形成するステップと、前記第３の層を加工して、前記第１の光導波路のコア１０４を形成するステップと、前記第２の層と同程度の屈折率を有する材料により、前記第２の光導波路の上側コアのための第４の層２０３－ｂを形成するステップと、前記第２の層および前記第４の層を一括して加工して、前記第２の光導波路のコア１０３を形成するステップと、前記第２の層および前記第４の層よりも低い屈折率を有する材料により、上側クラッドとなる第５の層１０３を形成するステップとを備える光導波路部品の製造方法として実施できる。
　上述のように、本実施形態によれば、第１の実施形態および第２の実施形態に示した光導波路部品の簡単な製造方法を提供することができる。
　以上詳細に説明したように、第１、第２の実施形態の光導波路部品および第３の実施形態の光導波路部品の製造方法によれば、一般的な積層工程による光導波路部品作製プロセスと同等の簡単なプロセスで、屈折率の異なるコアを有する２種類の光導波路を低損失に接続できる。特に、２つの光導波路のコア中心高さが互いに一致するような構造とすることで、より低損失に接続することができる。本発明により、ＭＦＤの大きく異なる光導波路同士を簡易に接続できる光導波路部品を提供することができる。
　本発明は、光通信を用いる装置に利用できる。

Claims (8)

  1. 　基板の上に、異なるモードフィールド径（ＭＦＤ）を有する光導波路を形成した光導波路部品であって、
    　　第１の材料による第１のコア、および
    　　前記第１のコアの上下に形成された、第２の材料によるクラッド
    を含む第１の光導波路と、
    　　前記第１のコアに沿って、前記クラッドから延長して形成された前記第２の材料による第２のコア、
    　　前記基板と前記第２のコアの間に構成された、第３の材料による下側クラッド、および、
    　　前記第２のコアの上に構成された上側クラッド
    を含む第２の光導波路とを備え、
    　前記光導波路の長さ方向に垂直な断面において、前記第１のコアの領域は、前記第２のコアの領域に内包されており、
    　前記第１の材料は最も屈折率が大きく、前記第３の材料は最も屈折率が小さいことを特徴とする光導波路部品。
  2. 　前記第１のコアの下に形成された前記クラッドの厚さは、前記第２のコアの高さの１／２および前記第１のコアの高さの１／２の間の差に設定されており、
    　前記第１のコアの中心高さおよび前記第２のコアの中心高さが一致することを特徴とする請求項１に記載の光導波路部品。
  3. 　前記第１の光導波路および前記第２の光導波路は、導波する光信号波長に対してシングルモード導波路であることを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路部品。
  4. 　前記第１のコアの先端部は、前記第１の光導波路を伝搬する光信号のＭＦＤを変化させる構造を有することを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の光導波路部品。
  5. 　前記ＭＦＤを変化させる構造は、
    　前記第２の光導波路に向かって、前記先端部の前記基板に平行な方向の幅もしくは垂直な方向の高さを変化させたテーパ、または、
    　前記第１のコアが断続的に形成されたセグメント、
    　または前記テーパおよび前記セグメントを組み合わせた構造であることを特徴とする請求項４に記載の光導波路部品。
  6. 　複数の前記第１の光導波路と、
    　前記複数の第１の光導波路の各々に対応し、導波路間間隔を拡張する領域を経て、前記複数の第１の光導波路の間隔とは異なる間隔で配置されている複数の前記第２の光導波路と
    　を備えた請求項１乃至５いずれかに記載の光導波路部品。
  7. 　前記第１の材料、前記第２の材料および前記第３の材料は、Ｓｉ、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯＸ、ポリマーのいずれかを母材とし、
    　前記母材の違いによって屈折率の違いが生じたもの、または、
    　前記母材への不純物の添加量の違いによって屈折率の違いが生じたもののいずれかであること特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の光導波路部品。
  8. 　異なるモードフィールド径（ＭＦＤ）を有する第１の光導波路および第２の光導波路を含む光導波路部品の製造方法であって、
    　基板上に、下側クラッドとなる第１の層を形成するステップと、
    　前記第１の層よりも高い屈折率を有する材料により、前記第２の光導波路の下側コアのための第２の層を形成するステップと、
    　前記第２の層よりもさらに高い屈折率を有する材料により、前記第１の光導波路のコアのための第３の層を形成するステップと、
    　前記第３の層を加工して、前記第１の光導波路のコアを形成するステップと、
    　前記第２の層と同程度の屈折率を有する材料により、前記第２の光導波路の上側コアのための第４の層を形成するステップと、
    　前記第２の層および前記第４の層を一括して加工して、前記第２の光導波路のコアを形成するステップと、
    　前記第２の層および前記第４の層よりも低い屈折率を有する材料により、上側クラッドとなる第５の層を形成するステップと
    　を備える光導波路部品の製造方法。
    　
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