WO2023234111A1 - 光学素子および光学素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
低い製造コストであり、低損失の光学素子の提供。基板（１）上にコア（２）ならびにアンダークラッド（４）およびオーバークラッド（３）からなるクラッドを有する光学素子（１００）であって、コア（２）は、少なくとも先端領域（３１）に膜構造（２１）を含み、膜構造（２１）の先端部（Ｐ１）から長さ方向に離れた内部に細線構造（２２）を含み、膜構造（２１）と細線構造（２２）が厚さ方向に隣接して重なる積層領域（３２）を有し、膜構造（２１）の先端部（Ｐ１）における幅（Ｗ１）が、細線構造（２２）の積層領域（３２）における幅よりも広く、コア（２）に含まれる膜構造（２１）および細線構造（２２）は屈折率が実質的に同じ材料である、光学素子（１００）；光学素子（１００）の製造方法。
Description
本発明は、光学素子および光学素子の製造方法に関する。より詳しくは、本発明は、シリコン導波路等と光ファイバ等とを低損失に結合可能な光学素子に関するものである。
光デバイスの集積化技術において、シリコンをコア材料として用いるシリコンフォトニクスがある。シリコンは高い屈折率を持つため導波路内への光の閉じ込めが強く、小さな曲げ半径を実現できるため、光集積回路などへの応用が期待されている。一方で、強い光の閉じ込めによってシングルモードのスポットサイズが小さくなるため、シングルモード光ファイバとの結合時にモードサイズの違いにより大きな損失が生じる。この損失を低減させるため、スポットサイズ変換器を用いることで光ファイバとのモードサイズの不一致を解消することで結合損失を低減している。
スポットサイズ変換器において結合損失をするための工夫が数多く示されてきた。例えば、特許文献１には、基板上にコアおよびクラッドを有する光導波路において、コアの先端部の幅および厚さの双方が、コアの先端に向かってテーパー状に縮小している光導波路が記載されている。また、特許文献１には従来技術として、コアの先端部の幅および厚さの一方のみを変化させていく方法も記載されている。
特許文献２には、半導体基板上に形成された光導波層が光の伝搬方向に沿ってその大きさを徐々に変化させた構造を有する光結合デバイスにおいて、光導波層の上に、光の伝搬方向に沿ってその大きさを徐々に変化させた第２の光導波層を有し、かつ第２の光導波層の光の伝搬方向の長さが、光導波層の長さよりも短く形成されている、光結合デバイスが記載されている。なお、特許文献２の図面には、光導波層（膜構造）の上に第２の光導波層（細線構造）が積層された積層領域では膜構造の幅は細線構造の幅より広いが、膜構造のみの先端領域における膜構造の幅は細線構造の幅より狭い（図５）または同じ（図７）態様のみが開示されている。
特許文献３には、下部コア層と、前記下部コア層より屈折率が大きい上部コア層と、を含む複数層が積層される多層構造が、ｎ型半導体基板上に形成され、多層構造は、光遷移領域において、光の出射方向に沿って前記上部コア層の幅が徐々に小さくなり、下部コア層の幅が徐々に大きくなっており、一方の端面より入射される光が、上部コア層を伝搬し、光遷移領域において光が上部コア層から前記下部コア層へ遷移し、さらに、下部コア層を伝搬して、他方の端面より出射する、スポットサイズ変換器であって、光遷移領域において、多層構造の両側と上側が、半絶縁性半導体層によって埋め込まれている、スポットサイズ変換器が記載されている。
特許文献１に記載のスポットサイズ変換器の構造では、コアの先端部の微小な断面を研磨する必要があり、断面の精度が低くなってしまうことに起因して結合損失が大きくなる問題があった。また、特許文献１に記載のスポットサイズ変換器は、段差形成工程とその段差に薄膜を堆積させることで滑らかな傾斜を形成して高さ方向のテーパー構造を形成する工程が必要であったため、従来のスポットサイズ変換器よりも製造プロセスが多くなり、量産には適していなかった。
特許文献２に記載のスポットサイズ変換器は、本発明者らが検討したところ、膜構造のみの先端領域における膜構造の幅は細線構造の幅より狭いまたは同じことに起因して、導波路を通る光波の損失（伝搬損失）および導波路端面への光入力の損失（結合損失）が大きいものであった。
特許文献３に記載のスポットサイズ変換器は、レーザ光の遠視野像（ＦＦＰ）を狭くするために下部コア層より屈折率が大きい上部コア層を含む複数層からなるコア層を用いる構成であるが、本発明者らが検討したところ、膜構造（下部コア層）から細線構造（上部コア層）への光挿入損失（変換部）が大きいものであった。
特許文献２に記載のスポットサイズ変換器は、本発明者らが検討したところ、膜構造のみの先端領域における膜構造の幅は細線構造の幅より狭いまたは同じことに起因して、導波路を通る光波の損失（伝搬損失）および導波路端面への光入力の損失（結合損失）が大きいものであった。
特許文献３に記載のスポットサイズ変換器は、レーザ光の遠視野像（ＦＦＰ）を狭くするために下部コア層より屈折率が大きい上部コア層を含む複数層からなるコア層を用いる構成であるが、本発明者らが検討したところ、膜構造（下部コア層）から細線構造（上部コア層）への光挿入損失（変換部）が大きいものであった。
本発明が解決しようとする課題は、低い製造コストであり、低損失の光学素子を提供することである。
本発明では、光ファイバと結合するコアの先端部は膜構造を有しており、先端部から長さ方向に離れた領域に膜構造のコアと細線構造のコアが積層された単純な構造を有しており、膜構造のコアと細線構造のコアとして屈折率を実質的に同じとすることにより、上記課題を解決できることを見出した。
上記課題を解決するための具体的な手段である本発明の構成と、本発明の好ましい構成を以下に記載する。
上記課題を解決するための具体的な手段である本発明の構成と、本発明の好ましい構成を以下に記載する。
［１］ 基板上にコアならびにアンダークラッドおよびオーバークラッドからなるクラッドを有する光学素子であって、
コアは、少なくとも先端領域に膜構造を含み、膜構造の先端部から長さ方向に離れた内部に細線構造を含み、
膜構造と細線構造が厚さ方向に隣接して重なる積層領域を有し、
膜構造の先端部における幅Ｗ１が、細線構造の積層領域における幅よりも広く、
コアに含まれる膜構造および細線構造は屈折率が実質的に同じ材料である、光学素子。
［２］ 細線構造の幅が、長さ方向の内部に向かって逆テーパー状に拡大する、［１］に記載の光学素子。
［３］ 膜構造の先端部の幅Ｗ１が、細線構造の逆テーパー終端部の幅Ｗ３よりも広い、［１］又は［２］に記載の光学素子。
［４］ 細線構造の逆テーパー終端部から長さ方向に離れた内部において、膜構造の幅が、細線構造の逆テーパー終端部の幅Ｗ３と一致するように狭まる、［２］又は［３］に記載の光学素子。
［５］ 膜構造の厚さＴ１が、細線構造の厚さと膜構造の厚さの合計Ｔ２の半分よりも薄い、［１］～［４］のいずれかに記載の光学素子。
［６］ 膜構造の厚さＴ１が、細線構造の厚さの半分よりも薄い、［１］～［５］のいずれかに記載の光学素子。
［７］ 膜構造の先端領域における幅方向の変動が±２０％以下である、［１］～［６］のいずれかに記載の光学素子。
［８］ 膜構造の厚さ方向の変動が±２０％以下であり、
細線構造の厚さ方向の変動が±２０％以下である、［１］～［７］のいずれかに記載の光学素子。
［９］ コアがシリコンで形成され、クラッドが屈折率２．０以下の材料で形成され、コアの長さ方向および厚み方向がクラッドで覆われた、［１］～［８］のいずれかに記載の光学素子。
［１０］ シリコン光導波路と光ファイバとの結合器、または、シリコン光導波路と窒化ケイ素光導波路との結合器である、［１］～［９］のいずれかに記載の光学素子。
［１１］ 基板上にクラッドのうちアンダークラッドを設ける工程と、
アンダークラッドの上にコア前駆体を設ける工程と、
コア前駆体に対して、先端領域の先端部から長さ方向に離れた内部をマスクして、厚さ方向の所定の深さまでエッチングしてコアの細線構造を形成する第１エッチング工程と、
少なくとも先端領域の先端部におけるコア前駆体の幅方向を、細線構造の幅よりも広くなるように厚さ方向すべてまでエッチングして、コアの少なくとも先端領域に膜構造を形成する第２エッチング工程と、
オーバークラッドを設けてクラッドを形成する工程を備える、光学素子の製造方法。
コアは、少なくとも先端領域に膜構造を含み、膜構造の先端部から長さ方向に離れた内部に細線構造を含み、
膜構造と細線構造が厚さ方向に隣接して重なる積層領域を有し、
膜構造の先端部における幅Ｗ１が、細線構造の積層領域における幅よりも広く、
コアに含まれる膜構造および細線構造は屈折率が実質的に同じ材料である、光学素子。
［２］ 細線構造の幅が、長さ方向の内部に向かって逆テーパー状に拡大する、［１］に記載の光学素子。
［３］ 膜構造の先端部の幅Ｗ１が、細線構造の逆テーパー終端部の幅Ｗ３よりも広い、［１］又は［２］に記載の光学素子。
［４］ 細線構造の逆テーパー終端部から長さ方向に離れた内部において、膜構造の幅が、細線構造の逆テーパー終端部の幅Ｗ３と一致するように狭まる、［２］又は［３］に記載の光学素子。
［５］ 膜構造の厚さＴ１が、細線構造の厚さと膜構造の厚さの合計Ｔ２の半分よりも薄い、［１］～［４］のいずれかに記載の光学素子。
［６］ 膜構造の厚さＴ１が、細線構造の厚さの半分よりも薄い、［１］～［５］のいずれかに記載の光学素子。
［７］ 膜構造の先端領域における幅方向の変動が±２０％以下である、［１］～［６］のいずれかに記載の光学素子。
［８］ 膜構造の厚さ方向の変動が±２０％以下であり、
細線構造の厚さ方向の変動が±２０％以下である、［１］～［７］のいずれかに記載の光学素子。
［９］ コアがシリコンで形成され、クラッドが屈折率２．０以下の材料で形成され、コアの長さ方向および厚み方向がクラッドで覆われた、［１］～［８］のいずれかに記載の光学素子。
［１０］ シリコン光導波路と光ファイバとの結合器、または、シリコン光導波路と窒化ケイ素光導波路との結合器である、［１］～［９］のいずれかに記載の光学素子。
［１１］ 基板上にクラッドのうちアンダークラッドを設ける工程と、
アンダークラッドの上にコア前駆体を設ける工程と、
コア前駆体に対して、先端領域の先端部から長さ方向に離れた内部をマスクして、厚さ方向の所定の深さまでエッチングしてコアの細線構造を形成する第１エッチング工程と、
少なくとも先端領域の先端部におけるコア前駆体の幅方向を、細線構造の幅よりも広くなるように厚さ方向すべてまでエッチングして、コアの少なくとも先端領域に膜構造を形成する第２エッチング工程と、
オーバークラッドを設けてクラッドを形成する工程を備える、光学素子の製造方法。
本発明によれば、低い製造コストであり、低損失の光学素子を提供できる。
以下において、本発明について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、代表的な実施形態や具体例に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施形態に限定されるものではない。なお、本明細書において「～」を用いて表される数値範囲は「～」前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
［光学素子］
本発明の光学素子は、基板上にコアならびにアンダークラッドおよびオーバークラッドからなるクラッドを有する光学素子であって、コアは、少なくとも先端領域に膜構造を含み、膜構造の先端部から長さ方向に離れた内部に細線構造を含み、膜構造と細線構造が厚さ方向に隣接して重なる積層領域を有し、膜構造の先端部における幅Ｗ１が、細線構造の積層領域における幅よりも広く、コアに含まれる膜構造および細線構造は屈折率が実質的に同じ材料である。
この構成により、本発明の光学素子は、低い製造コストであり、低損失の光学素子である。本発明では、薄膜化した光導波路コアである膜構造と、光導波路コアである細線構造を隣接して重なる単純な構成を備えることにより、標準的な半導体製造プロセスで、かつ少ない製造プロセスによって、高効率の光ファイバ結合を可能にする光学素子の製造が可能になる。光導波路コアの先端部を膜構造とすることによりスポットサイズが拡大され、シングルモード光ファイバとの結合損失を低減できる。また、薄膜導波路となった膜構造のコアに、細線構造の導波路となるコアを隣接させることにより、伝搬光は膜構造から細線構造へと結合され、さらには必要に応じて外部のシリコン光導波路などと結合できる。
以下、本発明の好ましい態様を説明する。
本発明の光学素子は、基板上にコアならびにアンダークラッドおよびオーバークラッドからなるクラッドを有する光学素子であって、コアは、少なくとも先端領域に膜構造を含み、膜構造の先端部から長さ方向に離れた内部に細線構造を含み、膜構造と細線構造が厚さ方向に隣接して重なる積層領域を有し、膜構造の先端部における幅Ｗ１が、細線構造の積層領域における幅よりも広く、コアに含まれる膜構造および細線構造は屈折率が実質的に同じ材料である。
この構成により、本発明の光学素子は、低い製造コストであり、低損失の光学素子である。本発明では、薄膜化した光導波路コアである膜構造と、光導波路コアである細線構造を隣接して重なる単純な構成を備えることにより、標準的な半導体製造プロセスで、かつ少ない製造プロセスによって、高効率の光ファイバ結合を可能にする光学素子の製造が可能になる。光導波路コアの先端部を膜構造とすることによりスポットサイズが拡大され、シングルモード光ファイバとの結合損失を低減できる。また、薄膜導波路となった膜構造のコアに、細線構造の導波路となるコアを隣接させることにより、伝搬光は膜構造から細線構造へと結合され、さらには必要に応じて外部のシリコン光導波路などと結合できる。
以下、本発明の好ましい態様を説明する。
＜光学素子の全体構造＞
本発明の光学素子の全体構造を図面に基づいて説明するが、本発明の光学素子は図面によって限定的に解釈されるものではない。図１は、本発明の光学素子の一例を示した模式図である。図２は、図１に示した光学素子のｙｚ断面模式図である。
図１に示した本発明の光学素子の一例では、基板１上に、コア２、ならびにアンダークラッド４およびオーバークラッド３からなるクラッドを有する。コア２は、光ファイバと結合する側に相当する先端領域３１の先端部が膜構造２１を有し、膜構造の先端部Ｐ１から長さ方向に（距離Ｌ１だけ）離れた内部に細線構造２２を含み、膜構造２１と細線構造２２が厚さ方向に隣接して重なる積層領域３２を有する。先端領域３１は、光学素子の長さ方向（ｚ軸方向）において、膜構造２１が存在し、細線構造２２が存在しない領域（ｘｚ平面への射影）を意味する。
なお、本明細書の図１およびその他の図において、ｘ軸方向が光学素子の幅方向に相当し、ｙ軸方向が光学素子の厚み方向に相当し、ｚ軸方向が光学素子の長さ方向に相当する。
本発明の光学素子の全体構造を図面に基づいて説明するが、本発明の光学素子は図面によって限定的に解釈されるものではない。図１は、本発明の光学素子の一例を示した模式図である。図２は、図１に示した光学素子のｙｚ断面模式図である。
図１に示した本発明の光学素子の一例では、基板１上に、コア２、ならびにアンダークラッド４およびオーバークラッド３からなるクラッドを有する。コア２は、光ファイバと結合する側に相当する先端領域３１の先端部が膜構造２１を有し、膜構造の先端部Ｐ１から長さ方向に（距離Ｌ１だけ）離れた内部に細線構造２２を含み、膜構造２１と細線構造２２が厚さ方向に隣接して重なる積層領域３２を有する。先端領域３１は、光学素子の長さ方向（ｚ軸方向）において、膜構造２１が存在し、細線構造２２が存在しない領域（ｘｚ平面への射影）を意味する。
なお、本明細書の図１およびその他の図において、ｘ軸方向が光学素子の幅方向に相当し、ｙ軸方向が光学素子の厚み方向に相当し、ｚ軸方向が光学素子の長さ方向に相当する。
図１では細線構造２２は端部（先端部側の端部）から内部側に向かって、幅方向に広がる逆テーパー構造を有しているが、本発明の光学素子は逆テーパー構造を有していなくてもよい。逆テーパー構造の詳細を図２に基づいて説明する。図２では、細線構造２２は、膜構造の先端部Ｐ１から、Ｌ１離れた位置に、細線構造の端部Ｐ２を有する。そして、細線構造の端部Ｐ２から、細線構造の逆テーパー終端部Ｐ３まで、幅方向のテーパー構造を有しており、徐々に幅が広くなっている。図２では、細線構造の端部Ｐ２から細線構造の逆テーパー終端部までの距離Ｌ２は、積層領域３２の長さ方向（ｚ軸方向）の一部までとなっており、それよりも長さ方向の内部において、細線構造２２の幅は、細線構造の逆テーパー終端部の幅Ｗ３と一致する。
＜基板＞
本発明の光学素子において、基板は特に制限はない。基板として、公知の基板を用いることができる。例えば、シリコン（Ｓｉ）基板を用いることができる。シリコン基板の屈折率ｎは３．５である。
本発明の光学素子において、基板は特に制限はない。基板として、公知の基板を用いることができる。例えば、シリコン（Ｓｉ）基板を用いることができる。シリコン基板の屈折率ｎは３．５である。
＜クラッド＞
本発明の光学素子において、クラッドは、アンダークラッドおよびオーバークラッドからなる。便宜上、製造時にコアの下部を覆うものをアンダークラッド、コアの上部を覆うものをオーバークラッドと呼んで区別しているが、両者は一体化していてもよく、使用態様においてアンダークラッドおよびオーバークラッドの上下が逆であってもよい。
本発明の光学素子において、クラッドは、アンダークラッドおよびオーバークラッドからなる。便宜上、製造時にコアの下部を覆うものをアンダークラッド、コアの上部を覆うものをオーバークラッドと呼んで区別しているが、両者は一体化していてもよく、使用態様においてアンダークラッドおよびオーバークラッドの上下が逆であってもよい。
クラッドは、コアの屈折率にあわせて適した材料を用いて形成することができる。クラッドの屈折率とコアの屈折率との差が１．０以上であることが好ましく、１．５以上であることがより好ましく、２．０以上であることが好ましい。クラッドの屈折率とコアの屈折率との差の上限値は特に制限はないが、例えば３．０以下、２．５以下とすることができる。
本発明では、クラッドが屈折率２．０以下の材料で形成されることが好ましく、屈折率１．０～２．０の材料で形成されることがより好ましく、屈折率１．１～１．５の材料で形成されることが特に好ましい。
アンダークラッドおよびオーバークラッドの屈折率は、互いに同じであっても、異なっていてもよい。アンダークラッドの屈折率とオーバークラッドの屈折率との差は、０．５以下であることが好ましく、０．２以下であることがより好ましく、０．０５以下であることが特に好ましい。
アンダークラッドとして、例えば、ＳｉＯ２（屈折率ｎ＝１．４５）、ポリメタクリル酸メチル（ｎ＝１．４９）などの高分子化合物を用いることができ、製造コストおよび表面の平面性の観点からＳｉＯ２を用いることが好ましい。オーバークラッドとして、例えば、ＳｉＯ２（屈折率ｎ＝１．４５）、ポリメタクリル酸メチル（ｎ＝１．４９）などの高分子化合物を用いることができ、製造コストの観点からポリメタクリル酸メチルなどの高分子化合物を用いることが好ましい。
アンダークラッドおよびオーバークラッドの厚さは特に制限はない。アンダークラッドおよびオーバークラッドの厚さは、例えば１～１０μｍとすることができ、２～５μｍであることが好ましい。
本発明では、クラッドが屈折率２．０以下の材料で形成されることが好ましく、屈折率１．０～２．０の材料で形成されることがより好ましく、屈折率１．１～１．５の材料で形成されることが特に好ましい。
アンダークラッドおよびオーバークラッドの屈折率は、互いに同じであっても、異なっていてもよい。アンダークラッドの屈折率とオーバークラッドの屈折率との差は、０．５以下であることが好ましく、０．２以下であることがより好ましく、０．０５以下であることが特に好ましい。
アンダークラッドとして、例えば、ＳｉＯ２（屈折率ｎ＝１．４５）、ポリメタクリル酸メチル（ｎ＝１．４９）などの高分子化合物を用いることができ、製造コストおよび表面の平面性の観点からＳｉＯ２を用いることが好ましい。オーバークラッドとして、例えば、ＳｉＯ２（屈折率ｎ＝１．４５）、ポリメタクリル酸メチル（ｎ＝１．４９）などの高分子化合物を用いることができ、製造コストの観点からポリメタクリル酸メチルなどの高分子化合物を用いることが好ましい。
アンダークラッドおよびオーバークラッドの厚さは特に制限はない。アンダークラッドおよびオーバークラッドの厚さは、例えば１～１０μｍとすることができ、２～５μｍであることが好ましい。
＜コア＞
本発明では、コアは、少なくとも先端領域に膜構造を含み、膜構造の先端部から長さ方向に離れた内部に細線構造を含み、膜構造と細線構造が厚さ方向に隣接して重なる積層領域を有し、膜構造の先端部における幅Ｗ１が細線構造の積層領域における幅よりも広く、コアに含まれる膜構造および細線構造は屈折率が実質的に同じ材料である。
本発明では、コアは、少なくとも先端領域に膜構造を含み、膜構造の先端部から長さ方向に離れた内部に細線構造を含み、膜構造と細線構造が厚さ方向に隣接して重なる積層領域を有し、膜構造の先端部における幅Ｗ１が細線構造の積層領域における幅よりも広く、コアに含まれる膜構造および細線構造は屈折率が実質的に同じ材料である。
コアに含まれる膜構造および細線構造は屈折率が実質的に同じ材料である。ここで、膜構造および細線構造の屈折率が実質的に同じ材料とは、膜構造および細線構造の組成が同じ（例えば、両者ともシリコン）である場合と、膜構造および細線構造の屈折率差が０．０５以内である場合を共に含む。膜構造および細線構造の組成が同じ（例えば、両者ともシリコン）であれば、屈折率を測定しなくても、屈折率が実質的に同じ材料としてよい。また、膜構造および細線構造の屈折率差が０．０５以内である場合は、膜構造および細線構造の組成によらず、屈折率が実質的に同じ材料としてよい。
膜構造および細線構造の屈折率差は０．０３以内であることが好ましく、０．０２以内であることがより好ましく、０．０１以内であることが特に好ましい。
本発明の光学素子の好ましい態様の一例は、コアの膜構造および細線構造が同一の材料で形成されている態様である。また、本発明の光学素子の好ましい態様の他の一例は、コアの膜構造および細線構造の屈折率が実質的に同じであり、膜構造と細線構造部が異なる材料で形成されている態様である。
コアの材料として、シリコン（Ｓｉ）などを用いることができる。シリコンの屈折率ｎは約３．５である。コアの屈折率は、低損失の観点から、２．０以上であることが好ましく、３以上であることがより好ましく、３．３以上であることが特に好ましい。
本発明では、コアがシリコンで形成され、コアの長さ方向および厚み方向がクラッドで覆われた態様が特に好ましい。
膜構造および細線構造の屈折率差は０．０３以内であることが好ましく、０．０２以内であることがより好ましく、０．０１以内であることが特に好ましい。
本発明の光学素子の好ましい態様の一例は、コアの膜構造および細線構造が同一の材料で形成されている態様である。また、本発明の光学素子の好ましい態様の他の一例は、コアの膜構造および細線構造の屈折率が実質的に同じであり、膜構造と細線構造部が異なる材料で形成されている態様である。
コアの材料として、シリコン（Ｓｉ）などを用いることができる。シリコンの屈折率ｎは約３．５である。コアの屈折率は、低損失の観点から、２．０以上であることが好ましく、３以上であることがより好ましく、３．３以上であることが特に好ましい。
本発明では、コアがシリコンで形成され、コアの長さ方向および厚み方向がクラッドで覆われた態様が特に好ましい。
（膜構造）
本発明では、コアは、膜構造を少なくとも先端領域と積層領域に含む。膜構造は、先端領域と積層領域よりも、光学素子の長さ方向の内部まで延在していることが好ましい。ただし、積層領域では膜構造から細線構造の方にモードは閉じ込められるため、積層領域よりも内部では膜構造が存在しなくてもよい。
本発明では、コアは、膜構造を少なくとも先端領域と積層領域に含む。膜構造は、先端領域と積層領域よりも、光学素子の長さ方向の内部まで延在していることが好ましい。ただし、積層領域では膜構造から細線構造の方にモードは閉じ込められるため、積層領域よりも内部では膜構造が存在しなくてもよい。
膜構造は、先端部において光ファイバなどの他の光学部材と接続されて、光学的に結合できる。膜構造は、そもそも伝搬損失が非常に少ない点が優れる。なお、薄膜であっても、クラッドで周囲を覆うことによって、光が上下に広がりながら伝搬され、シングルモードとあわせることができる。特に、コアの材料としてシリコンのような高屈折率の材料を用いる場合、５０ｎｍ程度の薄い膜構造をクラッドで周囲を覆うことによってシングルモードとあわせることが好ましい。コアの材料として屈折率が２．０程度の低屈折率の材料を用いる場合、８０～１００ｎｍの膜構造をクラッドで周囲を覆うことによってシングルモードとあわせることが好ましい。さらに、本発明では、膜構造の先端部における幅Ｗ１が、細線構造の積層領域における幅よりも広く、（細線構造の端部ではなく、）広幅な膜構造の先端部のみが光ファイバなどの他の光学部材と結合するため、結合損失が少ない。
膜構造の先端部における幅Ｗ１は、光ファイバなどの他の光学部材のサイズに応じて変更できる。本発明では、膜構造の先端部が、シングルモードの光ファイバと接続されることが好ましい。ここで、シングルモードの光ファイバの直径は８～１０μｍ、例えば９μｍ程度である。膜構造の先端部における幅Ｗ１は、１～１０μｍであることが好ましく、２～１０μｍであることがより好ましく、３～５μｍであることが特に好ましい。
本発明では、膜構造の先端領域における幅方向の変動が±２０％以下であることが、製造工程を簡易とし、かつ簡易な構造で低損失とする観点から好ましく、±５％以下であることがより好ましく、±３％以下であることが特に好ましい。すなわち、先端領域では、膜構造が幅方向においてテーパー状にも逆テーパー状にもなっていないことが好ましい。ここで、本明細書中、ある部材の特定方向の長さの変動とは、その部材の特定方向の長さの最大値または最小値を、平均値で割った値の１００分率を意味する。
本発明では、膜構造の先端部の幅Ｗ１が、細線構造の逆テーパー終端部の幅Ｗ３よりも広いことが、製造工程を簡易とし、かつ簡易な構造で低損失とする観点から好ましい。
本発明では、膜構造の先端領域における幅方向の変動が±２０％以下であることが、製造工程を簡易とし、かつ簡易な構造で低損失とする観点から好ましく、±５％以下であることがより好ましく、±３％以下であることが特に好ましい。すなわち、先端領域では、膜構造が幅方向においてテーパー状にも逆テーパー状にもなっていないことが好ましい。ここで、本明細書中、ある部材の特定方向の長さの変動とは、その部材の特定方向の長さの最大値または最小値を、平均値で割った値の１００分率を意味する。
本発明では、膜構造の先端部の幅Ｗ１が、細線構造の逆テーパー終端部の幅Ｗ３よりも広いことが、製造工程を簡易とし、かつ簡易な構造で低損失とする観点から好ましい。
本発明の好ましい態様の一例では、細線構造の逆テーパー終端部から長さ方向に離れた内部において、膜構造の幅が、細線構造の逆テーパー終端部の幅Ｗ３と一致するように狭まることが、低損失化の観点、特にコアの先端部とは反対側においてシリコン光導波路などと結合する場合のシリコン光導波路側の結合損失を小さくする観点から好ましい。この場合、膜構造の幅が、細線構造の逆テーパー終端部の幅Ｗ３と一致するようにテーパー状に徐々に狭まることが、微小な反射を減らしてモードを乱さないようにする観点から好ましい。
本発明では、膜構造の厚さＴ１が、細線構造の厚さと膜構造の厚さの合計Ｔ２の半分よりも薄いことが、低損失化の観点から好ましい。さらに本発明では、膜構造の厚さＴ１が、細線構造の厚さの半分よりも薄いことが、さらなる低損失化の観点からより好ましい（後述の実施例２０１と３０１の比較を参照）。
膜構造の厚さＴ１は、１０～４００ｎｍであることが好ましく、３０～２００ｎｍであることがより好ましく、コアの材料として高屈折率の材料を用いる場合は３０～６０ｎｍであることが特に好ましく、３５～５５ｎｍであることがより特に好ましい。
本発明では、膜構造の厚さ方向の変動が±２０％以下であることが、製造工程を簡易とし、かつ簡易な構造で低損失とする観点から好ましく、±５％以下であることがより好ましく、±３％以下であることが特に好ましい。すなわち、膜構造が厚さ方向においてテーパー状にも逆テーパー状にもなっていないことが好ましい。
膜構造の厚さＴ１は、１０～４００ｎｍであることが好ましく、３０～２００ｎｍであることがより好ましく、コアの材料として高屈折率の材料を用いる場合は３０～６０ｎｍであることが特に好ましく、３５～５５ｎｍであることがより特に好ましい。
本発明では、膜構造の厚さ方向の変動が±２０％以下であることが、製造工程を簡易とし、かつ簡易な構造で低損失とする観点から好ましく、±５％以下であることがより好ましく、±３％以下であることが特に好ましい。すなわち、膜構造が厚さ方向においてテーパー状にも逆テーパー状にもなっていないことが好ましい。
（細線構造）
本発明では、コアは、膜構造の先端部から長さ方向に離れた内部に細線構造を含む。本発明では、細線構造の端部は、光ファイバなどの他の光学部材と結合しないため、従来は断面の研磨が必要であった細線構造の端部の精度による損失の影響がない。膜構造と細線構造が厚さ方向に隣接して重なる積層領域では、膜構造から細線構造の方にモードは閉じ込められることとなる。
本発明では、細線構造は、積層領域よりも、光学素子の長さ方向の内部まで延在していることが好ましい。
膜構造の先端部から細線構造の端部までの距離Ｌ１は特に制限はなく、わずかでも膜構造の先端部から長さ方向に離れた内部に細線構造を含んでいればよい。例えば、膜構造の先端部から細線構造の端部までの距離Ｌ１は、１ｎｍ～１ｍｍとすることができ、マスクを介したエッチング精度の観点から２０ｎｍ～５００μｍであることが好ましく、１０μｍ～３００μｍであることがより好ましい。
本発明では、コアは、膜構造の先端部から長さ方向に離れた内部に細線構造を含む。本発明では、細線構造の端部は、光ファイバなどの他の光学部材と結合しないため、従来は断面の研磨が必要であった細線構造の端部の精度による損失の影響がない。膜構造と細線構造が厚さ方向に隣接して重なる積層領域では、膜構造から細線構造の方にモードは閉じ込められることとなる。
本発明では、細線構造は、積層領域よりも、光学素子の長さ方向の内部まで延在していることが好ましい。
膜構造の先端部から細線構造の端部までの距離Ｌ１は特に制限はなく、わずかでも膜構造の先端部から長さ方向に離れた内部に細線構造を含んでいればよい。例えば、膜構造の先端部から細線構造の端部までの距離Ｌ１は、１ｎｍ～１ｍｍとすることができ、マスクを介したエッチング精度の観点から２０ｎｍ～５００μｍであることが好ましく、１０μｍ～３００μｍであることがより好ましい。
本発明では、細線構造の幅が、長さ方向の内部に向かって逆テーパー状に拡大することが、低損失化の観点から好ましい。このような構造とすることにより、細線構造への光閉じ込めを強くでき、積層領域でシングルモードを維持しやすく（マルチモードになりにくく）することができる。
細線構造の端部の幅Ｗ２は、１０～１０００ｎｍであることが好ましく、５０～３００ｎｍであることがより好ましく、８０～１５０ｎｍであることが特に好ましい。
細線構造の逆テーパー終端部の幅Ｗ３は、１００～３０００ｎｍであることが好ましく、３００～２０００ｎｍであることがより好ましく、４００～７００ｎｍであることが特に好ましい。
細線構造の端部から細線構造の逆テーパー終端部までの距離Ｌ２は特に制限はなく、光のモードのサイズを変えながら、スムーズに光を伝えられる長さ以上であればよい。また、細線構造が逆テーパー状に拡大する場合は、その細線構造が逆テーパー状に拡大する度合い（Ｗ３－Ｗ２）／Ｌ２に応じて適宜設計することができる。例えば、細線構造の端部から細線構造の逆テーパー終端部までの距離Ｌ２は、１００ｎｍ～１ｍｍとすることができ、１μｍ～５００μｍであることが好ましく、１０μｍ～３００μｍであることがより好ましい。
細線構造の端部の幅Ｗ２は、１０～１０００ｎｍであることが好ましく、５０～３００ｎｍであることがより好ましく、８０～１５０ｎｍであることが特に好ましい。
細線構造の逆テーパー終端部の幅Ｗ３は、１００～３０００ｎｍであることが好ましく、３００～２０００ｎｍであることがより好ましく、４００～７００ｎｍであることが特に好ましい。
細線構造の端部から細線構造の逆テーパー終端部までの距離Ｌ２は特に制限はなく、光のモードのサイズを変えながら、スムーズに光を伝えられる長さ以上であればよい。また、細線構造が逆テーパー状に拡大する場合は、その細線構造が逆テーパー状に拡大する度合い（Ｗ３－Ｗ２）／Ｌ２に応じて適宜設計することができる。例えば、細線構造の端部から細線構造の逆テーパー終端部までの距離Ｌ２は、１００ｎｍ～１ｍｍとすることができ、１μｍ～５００μｍであることが好ましく、１０μｍ～３００μｍであることがより好ましい。
細線構造の厚さＴ３は特に制限はなく、例えば、５０～５００ｎｍであることが好ましく、１００～３００ｎｍであることがより好ましく、１５０～２５０ｎｍであることが特に好ましい。
本発明では、細線構造の厚さ方向の変動が±２０％以下であることが、製造工程を簡易とし、かつ簡易な構造で低損失とする観点から好ましく、±５％以下であることがより好ましく、±３％以下であることが特に好ましい。すなわち、細線構造が厚さ方向においてテーパー状にも逆テーパー状にもなっていないことが好ましい。
本発明では、細線構造の厚さ方向の変動が±２０％以下であることが、製造工程を簡易とし、かつ簡易な構造で低損失とする観点から好ましく、±５％以下であることがより好ましく、±３％以下であることが特に好ましい。すなわち、細線構造が厚さ方向においてテーパー状にも逆テーパー状にもなっていないことが好ましい。
（積層領域）
本発明では、コアは、膜構造と細線構造が厚さ方向に隣接して重なる積層領域を有する。積層領域において、膜構造と細線構造は一体化されていてもよいが、別の部材として独立していてもよい。本発明では、後述する本発明の光学部材の製造方法によって膜構造と細線構造を第１エッチング工程および第２エッチング工程で一体化して形成されることが好ましい。
積層領域におけるコアの厚さ、すなわち膜構造の厚さと細線構造の厚さの合計Ｔ２は特に制限はなく、例えば、６０～９００ｎｍであることが好ましく、１３０～５００ｎｍであることがより好ましく、１９０～３１０ｎｍであることが特に好ましい。
本発明では、コアは、膜構造と細線構造が厚さ方向に隣接して重なる積層領域を有する。積層領域において、膜構造と細線構造は一体化されていてもよいが、別の部材として独立していてもよい。本発明では、後述する本発明の光学部材の製造方法によって膜構造と細線構造を第１エッチング工程および第２エッチング工程で一体化して形成されることが好ましい。
積層領域におけるコアの厚さ、すなわち膜構造の厚さと細線構造の厚さの合計Ｔ２は特に制限はなく、例えば、６０～９００ｎｍであることが好ましく、１３０～５００ｎｍであることがより好ましく、１９０～３１０ｎｍであることが特に好ましい。
＜光学素子の特性＞
本発明の光学素子は低損失である。
本発明の光学素子は、光ファイバとの結合損失または挿入損失が１ｄＢ以下であることが好ましく、０．７ｄＢ以下であることがより好ましく、０．５ｄＢ以下であることが特に好ましい。結合損失または挿入損失は、例えば１．５５μｍ波長帯において測定した値を採用できる。
本発明の光学素子は、膜構造（薄膜導波路）へ光入射したときの先端部（端面）での反射損失が－３０ｄＢ以下であることが好ましく、－３５ｄＢ以下であることがより好ましく、－４０ｄＢ以下であることが特に好ましい。
本発明の光学素子は低損失である。
本発明の光学素子は、光ファイバとの結合損失または挿入損失が１ｄＢ以下であることが好ましく、０．７ｄＢ以下であることがより好ましく、０．５ｄＢ以下であることが特に好ましい。結合損失または挿入損失は、例えば１．５５μｍ波長帯において測定した値を採用できる。
本発明の光学素子は、膜構造（薄膜導波路）へ光入射したときの先端部（端面）での反射損失が－３０ｄＢ以下であることが好ましく、－３５ｄＢ以下であることがより好ましく、－４０ｄＢ以下であることが特に好ましい。
＜光学素子の用途＞
本発明の光学素子の用途は、特に制限はない。本発明の光学素子は低損失であるため、損失が少ないことが求められる用途で用いられることが好ましい。特に本発明の光学素子は、光ファイバのモードと近いスポットサイズにできる。本発明の光学素子は、光ファイバから光が入る側の部材として用いてもよく、光ファイバから光が出る側の部材として用いてもよく、両方に使用できる。
本発明の光学素子の用途は、例えば、光導波路、シリコン光導波路と光ファイバとの結合器、シリコン光導波路と窒化ケイ素光導波路との結合器、光ファイバと光ファイバとの結合器、電気信号と光信号を相互に変換する光トランシーバの部材、光スイッチ用部材などを挙げることができる。
本発明の光学素子の用途は、特に制限はない。本発明の光学素子は低損失であるため、損失が少ないことが求められる用途で用いられることが好ましい。特に本発明の光学素子は、光ファイバのモードと近いスポットサイズにできる。本発明の光学素子は、光ファイバから光が入る側の部材として用いてもよく、光ファイバから光が出る側の部材として用いてもよく、両方に使用できる。
本発明の光学素子の用途は、例えば、光導波路、シリコン光導波路と光ファイバとの結合器、シリコン光導波路と窒化ケイ素光導波路との結合器、光ファイバと光ファイバとの結合器、電気信号と光信号を相互に変換する光トランシーバの部材、光スイッチ用部材などを挙げることができる。
［光学素子の製造方法］
本発明の光学素子の製造方法は、基板上にクラッドのうちアンダークラッドを設ける工程と、アンダークラッドの上にコア前駆体を設ける工程と、コア前駆体に対して、先端領域の先端部から長さ方向に離れた内部をマスクして、厚さ方向の所定の深さまでエッチングしてコアの細線構造を形成する第１エッチング工程と、少なくとも先端領域の先端部におけるコア前駆体の幅方向を、細線構造の幅よりも広くなるように厚さ方向すべてまでエッチングして、コアの少なくとも先端領域に膜構造を形成する第２エッチング工程と、オーバークラッドを設けてクラッドを形成する工程を備える。
この構成により、本発明の光学素子の製造方法は、標準的な半導体製造プロセスを用いたより簡潔な製造プロセスとなる。また、本発明の光学素子の製造方法によれば、コアに含まれる膜構造および細線構造は屈折率が実質的に同じ材料となる光学素子を製造できるため、カップリング損失を低減しやすい。
本発明の光学素子の製造方法は、基板上にクラッドのうちアンダークラッドを設ける工程と、アンダークラッドの上にコア前駆体を設ける工程と、コア前駆体に対して、先端領域の先端部から長さ方向に離れた内部をマスクして、厚さ方向の所定の深さまでエッチングしてコアの細線構造を形成する第１エッチング工程と、少なくとも先端領域の先端部におけるコア前駆体の幅方向を、細線構造の幅よりも広くなるように厚さ方向すべてまでエッチングして、コアの少なくとも先端領域に膜構造を形成する第２エッチング工程と、オーバークラッドを設けてクラッドを形成する工程を備える。
この構成により、本発明の光学素子の製造方法は、標準的な半導体製造プロセスを用いたより簡潔な製造プロセスとなる。また、本発明の光学素子の製造方法によれば、コアに含まれる膜構造および細線構造は屈折率が実質的に同じ材料となる光学素子を製造できるため、カップリング損失を低減しやすい。
本発明の光学素子の製造方法の概要を、図面を参照しながら説明するが、光学素子の製造方法は図面によって限定的に解釈されるものではない。図３は、本発明の光学素子の製造方法の一例を示した模式図である。図４は、図３に示した光学素子の製造方法のｘｙ断面模式図である。
＜アンダークラッドを設ける工程＞
アンダークラッドを設ける工程は特に制限はない。例えば、任意の基板に対して、化学気層堆積法やスパッタリング、スピンコートなどの塗布などを挙げることができる。所望の膜厚となるように制御することが好ましい。基板としては、一般的なシリコン基板の他、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板のようなシリコン薄膜を熱酸化膜付シリコン基板に貼り合わせた基板を用いてもよい。
アンダークラッドを設ける工程は特に制限はない。例えば、任意の基板に対して、化学気層堆積法やスパッタリング、スピンコートなどの塗布などを挙げることができる。所望の膜厚となるように制御することが好ましい。基板としては、一般的なシリコン基板の他、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板のようなシリコン薄膜を熱酸化膜付シリコン基板に貼り合わせた基板を用いてもよい。
＜コア前駆体を設ける工程＞
コア前駆体を設ける工程は特に制限はない。例えば、化学気層堆積法やスパッタリングなどを挙げることができる。所望の膜厚となるように制御することが好ましい。
コア前駆体は、先端部の端面をへき開することにより、結晶面を得ることが、端面の研磨を不要として、低製造コスト化および低損失化する観点から好ましい。先端部の端面をへき開する工程は、コア前駆体を設ける工程で行ってもよく、第２エッチング工程の後に行ってもよく、オーバークラッドを設けてクラッドを形成する工程の後で行ってもよい。オーバークラッドを設けてクラッドを形成する工程の後、特に光ファイバなど実装過程の直前にシリコン結晶方向に沿ってへき開切断を行うことが好ましい。先端部の端面を研磨することはより好ましいが、へき開切断のみで結晶面を得られるので、研磨の深さ調整は不要となる。シリコンの結晶軸をｘ軸方向にそろえて製造を行う場合、任意の工程の後に、Ｌ１の範囲で任意の場所でへき開切断することにより、光学素子の端面を形成できる。結晶面は、シリコンの結晶面（１００）であることが好ましい。
コア前駆体を設ける工程は特に制限はない。例えば、化学気層堆積法やスパッタリングなどを挙げることができる。所望の膜厚となるように制御することが好ましい。
コア前駆体は、先端部の端面をへき開することにより、結晶面を得ることが、端面の研磨を不要として、低製造コスト化および低損失化する観点から好ましい。先端部の端面をへき開する工程は、コア前駆体を設ける工程で行ってもよく、第２エッチング工程の後に行ってもよく、オーバークラッドを設けてクラッドを形成する工程の後で行ってもよい。オーバークラッドを設けてクラッドを形成する工程の後、特に光ファイバなど実装過程の直前にシリコン結晶方向に沿ってへき開切断を行うことが好ましい。先端部の端面を研磨することはより好ましいが、へき開切断のみで結晶面を得られるので、研磨の深さ調整は不要となる。シリコンの結晶軸をｘ軸方向にそろえて製造を行う場合、任意の工程の後に、Ｌ１の範囲で任意の場所でへき開切断することにより、光学素子の端面を形成できる。結晶面は、シリコンの結晶面（１００）であることが好ましい。
＜第１エッチング工程＞
第１エッチング工程では、図３（ａ）および図４（ａ）に示すように、コア前駆体に対して、先端領域の先端部から長さ方向に離れた内部をマスクして、厚さ方向の所定の深さまでエッチングしてコアの細線構造を形成する。
第１エッチング工程では、逆テーパー構造を持つ細線構造を覆うようにマスクしてから、コア前駆体から逆テーパー構造を持つ細線構造をエッチングにより形成することが好ましい。マスクは公知の方法で製造することができ、例えばフォトリソグラフィなどで製造すれば高精度のマスクを製造できる。
第１エッチング工程および第２エッチング工程のエッチングは、ウェットエッチングでもドライエッチングでもよいが、ドライエッチングであることが好ましい。
第１エッチング工程では、得られる膜構造の厚さとして所望する厚さ（厚さ方向の所定の深さ）だけ残るようにエッチングレートや時間を制御しながら、コア前駆体のマスクされていない部分をエッチングすることが好ましい。
第１エッチング工程では、図３（ａ）および図４（ａ）に示すように、コア前駆体に対して、先端領域の先端部から長さ方向に離れた内部をマスクして、厚さ方向の所定の深さまでエッチングしてコアの細線構造を形成する。
第１エッチング工程では、逆テーパー構造を持つ細線構造を覆うようにマスクしてから、コア前駆体から逆テーパー構造を持つ細線構造をエッチングにより形成することが好ましい。マスクは公知の方法で製造することができ、例えばフォトリソグラフィなどで製造すれば高精度のマスクを製造できる。
第１エッチング工程および第２エッチング工程のエッチングは、ウェットエッチングでもドライエッチングでもよいが、ドライエッチングであることが好ましい。
第１エッチング工程では、得られる膜構造の厚さとして所望する厚さ（厚さ方向の所定の深さ）だけ残るようにエッチングレートや時間を制御しながら、コア前駆体のマスクされていない部分をエッチングすることが好ましい。
＜第２エッチング工程＞
第２エッチング工程では、図３（ｂ）および図４（ｂ）に示すように、少なくとも先端領域の先端部におけるコア前駆体の幅方向を、細線構造の幅よりも広くなるように厚さ方向すべてまでエッチングして、コアの少なくとも先端領域に膜構造を形成する。
第２エッチング工程では、先端領域の全体にわたってコア前駆体の幅方向を、細線構造の幅よりも広くなるように厚さ方向すべてまでエッチングすることが好ましい。また、本発明の好ましい態様の一例では、先端領域および積層領域の全体にわたってコア前駆体の幅方向を、細線構造の幅よりも広くなるように厚さ方向すべてまでエッチングすることが好ましい。
ただし、積層領域では、細線構造の逆テーパー終端部の幅において、コア前駆体の幅方向が、細線構造の幅と一致するように厚さ方向すべてまでエッチングしてもよい。
第２エッチング工程のエッチング領域に相当する、膜構造の幅方向の両側のコア前駆体は、完全に除去することが好ましい。
以上の第１エッチング工程および第２エッチング工程を行うことにより、コア前駆体から、コアの膜構造および細線構造が一体化して形成されることとなる。本発明では、膜構造および細線構造を同じ材料とすることができるため、エッチング停止層を用いないことが製造工程の簡易化の観点から好ましい。
第２エッチング工程は、第１エッチング工程と同じ装置で行うことが好ましい。また、第２エッチング工程は、第１エッチング工程と同様のエッチングガスを用いて行うことが好ましい。これらの場合、第１エッチング工程の後、第２エッチング工程を行う前の位置決めが不要となる観点から好ましい。
第２エッチング工程では、図３（ｂ）および図４（ｂ）に示すように、少なくとも先端領域の先端部におけるコア前駆体の幅方向を、細線構造の幅よりも広くなるように厚さ方向すべてまでエッチングして、コアの少なくとも先端領域に膜構造を形成する。
第２エッチング工程では、先端領域の全体にわたってコア前駆体の幅方向を、細線構造の幅よりも広くなるように厚さ方向すべてまでエッチングすることが好ましい。また、本発明の好ましい態様の一例では、先端領域および積層領域の全体にわたってコア前駆体の幅方向を、細線構造の幅よりも広くなるように厚さ方向すべてまでエッチングすることが好ましい。
ただし、積層領域では、細線構造の逆テーパー終端部の幅において、コア前駆体の幅方向が、細線構造の幅と一致するように厚さ方向すべてまでエッチングしてもよい。
第２エッチング工程のエッチング領域に相当する、膜構造の幅方向の両側のコア前駆体は、完全に除去することが好ましい。
以上の第１エッチング工程および第２エッチング工程を行うことにより、コア前駆体から、コアの膜構造および細線構造が一体化して形成されることとなる。本発明では、膜構造および細線構造を同じ材料とすることができるため、エッチング停止層を用いないことが製造工程の簡易化の観点から好ましい。
第２エッチング工程は、第１エッチング工程と同じ装置で行うことが好ましい。また、第２エッチング工程は、第１エッチング工程と同様のエッチングガスを用いて行うことが好ましい。これらの場合、第１エッチング工程の後、第２エッチング工程を行う前の位置決めが不要となる観点から好ましい。
＜オーバークラッドを設けてクラッドを形成する工程＞
オーバークラッドを設けてクラッドを形成する工程は特に制限はない。例えば、化学気層堆積法やスパッタリング、スピンコートなどの塗布などを挙げることができる。膜構造および細線構造からなるために凹凸を有するコアを、隙間なく覆いやすい観点から、スピンコートなどの塗布を行うことが好ましい。所望の膜厚となるように制御することが好ましい。
オーバークラッドを設けてクラッドを形成する工程は特に制限はない。例えば、化学気層堆積法やスパッタリング、スピンコートなどの塗布などを挙げることができる。膜構造および細線構造からなるために凹凸を有するコアを、隙間なく覆いやすい観点から、スピンコートなどの塗布を行うことが好ましい。所望の膜厚となるように制御することが好ましい。
以下に実施例と比較例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。従って、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。
［実施例１］
図１に記載の光学素子を、図３に記載の方法で製造し、実施例１の光学素子とした。
シリコン（屈折率ｎ＝３．５）の基板上に、化学気層堆積法を用いてＳｉＯ２（ｎ＝１．４５）のアンダークラッドを成膜した。アンダークラッドの膜厚は３μｍとした。なお、シリコンの基板の代わりに、ＳＯＩ基板のようなシリコン薄膜を熱酸化膜付シリコン基板に貼り合わせた基板を用いてもよく、同程度の結果となる（データは省略）。
さらにアンダークラッドの上に、化学気層堆積法を用いてシリコン（屈折率ｎ＝３．５）のコア前駆体を成膜した。コア前駆体の膜厚は２００ｎｍとした。
図３（ａ）および図４（ａ）に示すように、コア前駆体に対して、先端領域の先端部から長さ方向にＬ１＝２００μｍ離れた内部をマスクして、第１エッチング工程のエッチング領域を厚さ方向の所定の深さまでエッチングして、逆テーパー構造を持つコアの細線構造を形成した。ここで、厚さ方向の所定の深さとして、コアの膜構造の厚さがＴ１＝５０ｎｍ残るように第１エッチング工程を行った。逆テーパー構造を持つコアの細線構造は、細線構造の端部から細線構造の逆テーパー終端部までの距離Ｌ２＝１００μｍ、細線構造の端部の幅Ｗ２＝１００ｎｍ、細線構造の逆テーパー終端部の幅Ｗ３＝１μｍと設計した。膜構造の厚さと細線構造の厚さの合計Ｔ２は、コア前駆体の膜厚と同様に２００ｎｍであった。
次に、図３（ｂ）および図４（ｂ）に示すように、コア前駆体の幅方向を、細線構造の幅（Ｗ２＝１００ｎｍ）よりも広くなるように内部をマスクして、第２エッチング工程のエッチング領域を厚さ方向すべてまでエッチングして、コアの膜構造を形成した。膜構造の幅が長さ方向（ｚ軸方向）において常に４μｍとなるように直線的にエッチングしたため、膜構造の先端部の幅Ｗ１＝４μｍとなった。第２エッチング工程は、第１エッチング工程と同じ装置で同様のエッチングガスを用いて行えるため、第１エッチング工程の後の位置決めも不要であった。なお、第２エッチング工程では、第２エッチング工程のエッチング領域に相当する、膜構造の両側のコア前駆体は完全に除去した。
最後にスピンコートによってポリメタクリル酸メチル（ｎ＝１．４９）のオーバークラッドを、コアの膜構造および細線構造を覆うように設けた。なお、化学気層堆積法によりＳｉＯ２（ｎ＝１．４５）のオーバークラッドを設けてもよく、同程度の結果となる（データは省略）。その結果、アンダークラッドおよびオーバークラッドにより、クラッドが形成された。
シリコンの結晶軸をｘ軸方向にそろえて上記の製造を行い、Ｌ１の範囲で任意の場所でへき開切断することで光学素子の端面を形成した。
図１に記載の光学素子を、図３に記載の方法で製造し、実施例１の光学素子とした。
シリコン（屈折率ｎ＝３．５）の基板上に、化学気層堆積法を用いてＳｉＯ２（ｎ＝１．４５）のアンダークラッドを成膜した。アンダークラッドの膜厚は３μｍとした。なお、シリコンの基板の代わりに、ＳＯＩ基板のようなシリコン薄膜を熱酸化膜付シリコン基板に貼り合わせた基板を用いてもよく、同程度の結果となる（データは省略）。
さらにアンダークラッドの上に、化学気層堆積法を用いてシリコン（屈折率ｎ＝３．５）のコア前駆体を成膜した。コア前駆体の膜厚は２００ｎｍとした。
図３（ａ）および図４（ａ）に示すように、コア前駆体に対して、先端領域の先端部から長さ方向にＬ１＝２００μｍ離れた内部をマスクして、第１エッチング工程のエッチング領域を厚さ方向の所定の深さまでエッチングして、逆テーパー構造を持つコアの細線構造を形成した。ここで、厚さ方向の所定の深さとして、コアの膜構造の厚さがＴ１＝５０ｎｍ残るように第１エッチング工程を行った。逆テーパー構造を持つコアの細線構造は、細線構造の端部から細線構造の逆テーパー終端部までの距離Ｌ２＝１００μｍ、細線構造の端部の幅Ｗ２＝１００ｎｍ、細線構造の逆テーパー終端部の幅Ｗ３＝１μｍと設計した。膜構造の厚さと細線構造の厚さの合計Ｔ２は、コア前駆体の膜厚と同様に２００ｎｍであった。
次に、図３（ｂ）および図４（ｂ）に示すように、コア前駆体の幅方向を、細線構造の幅（Ｗ２＝１００ｎｍ）よりも広くなるように内部をマスクして、第２エッチング工程のエッチング領域を厚さ方向すべてまでエッチングして、コアの膜構造を形成した。膜構造の幅が長さ方向（ｚ軸方向）において常に４μｍとなるように直線的にエッチングしたため、膜構造の先端部の幅Ｗ１＝４μｍとなった。第２エッチング工程は、第１エッチング工程と同じ装置で同様のエッチングガスを用いて行えるため、第１エッチング工程の後の位置決めも不要であった。なお、第２エッチング工程では、第２エッチング工程のエッチング領域に相当する、膜構造の両側のコア前駆体は完全に除去した。
最後にスピンコートによってポリメタクリル酸メチル（ｎ＝１．４９）のオーバークラッドを、コアの膜構造および細線構造を覆うように設けた。なお、化学気層堆積法によりＳｉＯ２（ｎ＝１．４５）のオーバークラッドを設けてもよく、同程度の結果となる（データは省略）。その結果、アンダークラッドおよびオーバークラッドにより、クラッドが形成された。
シリコンの結晶軸をｘ軸方向にそろえて上記の製造を行い、Ｌ１の範囲で任意の場所でへき開切断することで光学素子の端面を形成した。
実施例１で形成された光学素子は、図１に示したとおり、基板（１）上にコア（２）ならびにアンダークラッド（４）およびオーバークラッド（３）からなるクラッドを有する。コア（２）は、光ファイバと結合する側に相当する先端領域の先端部が膜構造（２１）を有し、膜構造の先端部（Ｐ１）から長さ方向に（Ｌ１＝２００μｍ）離れた内部に細線構造（２２）を含み、膜構造（２１）と細線構造（２２）が厚さ方向に隣接して重なる積層領域（３２）を有する。細線構造（２２）は端部（先端部側の端部）から内部側に向かって、幅方向に広がる逆テーパー構造を有している。
実施例１で形成された光学素子では、各パラメータの長さは以下のとおりであった。また、各長さの変動（最大値または最小値を平均値で割った値）は、いずれも±１％以下であった。
Ｌ１＝２００μｍ
Ｌ２＝１００μｍ
Ｗ１＝４μｍ
Ｗ２＝１００ｎｍ
Ｗ３＝５００ｎｍ
Ｔ１＝５０ｎｍ
Ｔ２＝２００ｎｍ
Ｔ３＝１５０ｎｍ
膜構造の先端部の幅Ｗ１は、細線構造の端部の幅Ｗ２およびテーパー終端部の幅Ｗ３よりも広い（Ｗ１＞Ｗ３＞Ｗ２）、膜構造の厚さＴ１は、細線構造の厚さよりも薄く、膜構造の厚さと細線構造の厚さの合計Ｔ２の半分よりも薄い（Ｔ１＜Ｔ２／２）構造を有している。
実施例１で形成された光学素子では、各パラメータの長さは以下のとおりであった。また、各長さの変動（最大値または最小値を平均値で割った値）は、いずれも±１％以下であった。
Ｌ１＝２００μｍ
Ｌ２＝１００μｍ
Ｗ１＝４μｍ
Ｗ２＝１００ｎｍ
Ｗ３＝５００ｎｍ
Ｔ１＝５０ｎｍ
Ｔ２＝２００ｎｍ
Ｔ３＝１５０ｎｍ
膜構造の先端部の幅Ｗ１は、細線構造の端部の幅Ｗ２およびテーパー終端部の幅Ｗ３よりも広い（Ｗ１＞Ｗ３＞Ｗ２）、膜構造の厚さＴ１は、細線構造の厚さよりも薄く、膜構造の厚さと細線構造の厚さの合計Ｔ２の半分よりも薄い（Ｔ１＜Ｔ２／２）構造を有している。
［実施例１の評価］
実施例１の光学素子と光ファイバとの結合損失を、電磁解析ソフトウェア（品番：ＣＳＴ Ｓｔｕｄｉｏ Ｓｕｉｔｅ、Ｄａｓｓａｕｌｔ Ｓｙｓｔｅｍ社製）を用いてシミュレーションにて計算した。
結合損失の計算結果を図５に示した。図５は、実施例１の光学素子の波長と結合損失の関係を示したグラフである。
図５より、実施例１の光学素子は１．５５μｍ波長帯において結合損失０．４１ｄＢの高効率な結合を実現できることがわかった。
また、上記のとおり、第２エッチング工程は、第１エッチング工程と同じ装置で同様のエッチングガスを用いて行えるため、第１エッチング工程の後の位置決めも不要であるなど、従来よりも簡易かつ安価な方法で実施例１の光学素子は製造できることがわかった。また、コアの膜構造の先端部は、へき開により結晶面を均一に出せるため、コアの膜構造の断面の研磨も不要であった。
以上より、本発明によれば、低い製造コストであり、低損失の光学素子を提供できることがわかった。
実施例１の光学素子と光ファイバとの結合損失を、電磁解析ソフトウェア（品番：ＣＳＴ Ｓｔｕｄｉｏ Ｓｕｉｔｅ、Ｄａｓｓａｕｌｔ Ｓｙｓｔｅｍ社製）を用いてシミュレーションにて計算した。
結合損失の計算結果を図５に示した。図５は、実施例１の光学素子の波長と結合損失の関係を示したグラフである。
図５より、実施例１の光学素子は１．５５μｍ波長帯において結合損失０．４１ｄＢの高効率な結合を実現できることがわかった。
また、上記のとおり、第２エッチング工程は、第１エッチング工程と同じ装置で同様のエッチングガスを用いて行えるため、第１エッチング工程の後の位置決めも不要であるなど、従来よりも簡易かつ安価な方法で実施例１の光学素子は製造できることがわかった。また、コアの膜構造の先端部は、へき開により結晶面を均一に出せるため、コアの膜構造の断面の研磨も不要であった。
以上より、本発明によれば、低い製造コストであり、低損失の光学素子を提供できることがわかった。
［実施例１０１］
膜構造の先端部における幅と細線構造の積層領域における幅との関係の影響を評価するために、以下の実施例１０１および比較例１０２の光学素子を製造し、両者を対比して評価した。
膜構造の先端部における幅と細線構造の積層領域における幅との関係の影響を評価するために、以下の実施例１０１および比較例１０２の光学素子を製造し、両者を対比して評価した。
膜構造の幅が長さ方向（ｚ軸方向）において常に４μｍとなるように直線的にエッチングした以外は実施例１と同様にして、実施例１０１の光学素子を製造した。なお、コアの膜構造の厚さＴ１＝５０ｎｍである。
［比較例１０２］
特開平０６－１７４９８２号公報に記載の光結合デバイスの性能を確認する目的で、図６に記載の比較例１０２の光学素子を製造した。
図６に記載の比較例１０２の光学素子では、第２エッチング工程のエッチング領域を実施例１０１とはマスクを変更することによって、比較例１０２の膜構造の先端部の幅Ｗ０＝５０ｎｍ（０．０５μｍ）、比較例１０２の膜構造の厚さＴ０＝５０ｎｍとした。ここで、特開平０６－１７４９８２号公報によれば、図５、７および８に記載のＷ１３（第１のコア層の先端部の幅）が５０ｎｍと記載されているが、Ｔ０の値の具体的な記載はなかった。そのため、比較例１０２の膜構造の厚さＴ０は、実施例１０１の光学素子のＴ１と同様に５０ｎｍとした。
比較例１０２の光学素子では、幅Ｗ０＝５０ｎｍの時のポットサイズ変換器のみの光結合の性能を示しており、細線構造は考慮していない。
特開平０６－１７４９８２号公報に記載の光結合デバイスの性能を確認する目的で、図６に記載の比較例１０２の光学素子を製造した。
図６に記載の比較例１０２の光学素子では、第２エッチング工程のエッチング領域を実施例１０１とはマスクを変更することによって、比較例１０２の膜構造の先端部の幅Ｗ０＝５０ｎｍ（０．０５μｍ）、比較例１０２の膜構造の厚さＴ０＝５０ｎｍとした。ここで、特開平０６－１７４９８２号公報によれば、図５、７および８に記載のＷ１３（第１のコア層の先端部の幅）が５０ｎｍと記載されているが、Ｔ０の値の具体的な記載はなかった。そのため、比較例１０２の膜構造の厚さＴ０は、実施例１０１の光学素子のＴ１と同様に５０ｎｍとした。
比較例１０２の光学素子では、幅Ｗ０＝５０ｎｍの時のポットサイズ変換器のみの光結合の性能を示しており、細線構造は考慮していない。
［実施例１０１、比較例１０２の評価］
実施例１０１および比較例１０２について、光学素子（導波路）を通る光波の損失（伝搬損失）および光学素子（導波路）端面への光入力の損失（結合損失）を、実施例１と同様の方法で評価した。実施例１０１で得られた結果を図７に、比較例１０２で得られた結果を図８に示した。
実施例１０１および比較例１０２について、光学素子（導波路）を通る光波の損失（伝搬損失）および光学素子（導波路）端面への光入力の損失（結合損失）を、実施例１と同様の方法で評価した。実施例１０１で得られた結果を図７に、比較例１０２で得られた結果を図８に示した。
図７の結果より、膜構造の先端部における幅Ｗ１（４μｍ）が、細線構造の積層領域における幅（Ｗ２＝１００ｎｍからＷ３＝１μｍ）よりも常に広い実施例１０１では、伝搬損失≒０．０００１ｄＢ／ｍｍであり、伝搬距離（Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｌｅｎｇｔｈ）が２０ｍｍの場合の結合損失＝３．４９ｄＢであった。
一方、図８の結果より、比較例１０２の膜構造の先端部における幅Ｗ０（５０ｎｍ）が、細線構造の積層領域における幅（Ｗ２＝１００ｎｍからＷ３＝１μｍ）よりも狭いため、本発明の範囲外となる比較例１０２では、伝搬損失≒０．０２５ｄＢ／ｍｍであり、伝搬距離が２０ｍｍの場合の結合損失＝１４．３ｄＢであった。
以上より、膜構造の先端部における幅と細線構造の積層領域における幅との関係を本発明で規定する構造とすることで、伝搬損失および結合損失が大幅に低減されることがわかった。
一方、図８の結果より、比較例１０２の膜構造の先端部における幅Ｗ０（５０ｎｍ）が、細線構造の積層領域における幅（Ｗ２＝１００ｎｍからＷ３＝１μｍ）よりも狭いため、本発明の範囲外となる比較例１０２では、伝搬損失≒０．０２５ｄＢ／ｍｍであり、伝搬距離が２０ｍｍの場合の結合損失＝１４．３ｄＢであった。
以上より、膜構造の先端部における幅と細線構造の積層領域における幅との関係を本発明で規定する構造とすることで、伝搬損失および結合損失が大幅に低減されることがわかった。
［実施例２０１、比較例２０２～２０４］
コアに含まれる膜構造および細線構造の材料の屈折率の影響を評価するために、以下の実施例２０１、３０１、比較例２０２～２０４および３０２～３０４の光学素子のモデルをシミュレーションで形成し、両者を対比して評価した。
コアに含まれる膜構造および細線構造の材料の屈折率の影響を評価するために、以下の実施例２０１、３０１、比較例２０２～２０４および３０２～３０４の光学素子のモデルをシミュレーションで形成し、両者を対比して評価した。
＜Ｔ１＝５０ｎｍ、Ｔ３＝２００ｎｍ、Ｗ１＝４μｍの系＞
実施例２０１では、細線構造の厚さＴ３＝２００ｎｍとした以外は実施例１と同様にして設計した。すなわち、代表的なパラメータを、膜構造の厚さＴ１＝５０ｎｍ、細線構造の厚さＴ３＝２００ｎｍ、膜構造の先端部の幅Ｗ１＝４μｍ、コアの膜構造の材料をシリコン（屈折率ｎ＝３．５）、細線構造の材料をシリコン（屈折率ｎ＝３．５）とした。
比較例２０２～２０４では、細線構造の材料を屈折率ｎ＝２．５、ｎ＝２．０およびｎ＝１．５の材料にそれぞれ変更した以外は、実施例２０１と同様にして設計した。
実施例２０１では、細線構造の厚さＴ３＝２００ｎｍとした以外は実施例１と同様にして設計した。すなわち、代表的なパラメータを、膜構造の厚さＴ１＝５０ｎｍ、細線構造の厚さＴ３＝２００ｎｍ、膜構造の先端部の幅Ｗ１＝４μｍ、コアの膜構造の材料をシリコン（屈折率ｎ＝３．５）、細線構造の材料をシリコン（屈折率ｎ＝３．５）とした。
比較例２０２～２０４では、細線構造の材料を屈折率ｎ＝２．５、ｎ＝２．０およびｎ＝１．５の材料にそれぞれ変更した以外は、実施例２０１と同様にして設計した。
［実施例３０１、比較例３０２～３０４］
＜Ｔ１＝２００ｎｍ、Ｔ３＝３００ｎｍ、Ｗ１＝４μｍの系＞
実施例３０１では、膜構造の厚さＴ１＝２００ｎｍ、細線構造の厚さＴ３＝３００ｎｍとした以外は実施例１と同様にして設計した。すなわち、代表的なパラメータを、膜構造の厚さＴ１＝２００ｎｍ、細線構造の厚さＴ３＝３００ｎｍ、膜構造の先端部の幅Ｗ１＝４μｍ、コアの膜構造の材料をシリコン（屈折率ｎ＝３．５）、細線構造の材料をシリコン（屈折率ｎ＝３．５）とした。
比較例３０２～３０４では、細線構造の材料を屈折率ｎ＝２．５、ｎ＝２．０およびｎ＝１．５の材料にそれぞれ変更した以外は、実施例３０１と同様にして設計した。
＜Ｔ１＝２００ｎｍ、Ｔ３＝３００ｎｍ、Ｗ１＝４μｍの系＞
実施例３０１では、膜構造の厚さＴ１＝２００ｎｍ、細線構造の厚さＴ３＝３００ｎｍとした以外は実施例１と同様にして設計した。すなわち、代表的なパラメータを、膜構造の厚さＴ１＝２００ｎｍ、細線構造の厚さＴ３＝３００ｎｍ、膜構造の先端部の幅Ｗ１＝４μｍ、コアの膜構造の材料をシリコン（屈折率ｎ＝３．５）、細線構造の材料をシリコン（屈折率ｎ＝３．５）とした。
比較例３０２～３０４では、細線構造の材料を屈折率ｎ＝２．５、ｎ＝２．０およびｎ＝１．５の材料にそれぞれ変更した以外は、実施例３０１と同様にして設計した。
［実施例２０１、３０１、比較例２０２～２０４および３０２～３０４の評価］
＜挿入損失＞
実施例２０１、３０１、比較例２０２～２０４および３０２～３０４の光学素子について、膜構造（薄膜導波路）から細線構造（Ｓｉ導波路）への光の挿入損失（変換部）を実施例１と同様の方法で評価した。
得られた結果を図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）に示した。
図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）より、挿入損失（変換部）は、膜構造と細線構造で同じ屈折率３．５の材料を用いた実施例２０１では０．４ｄＢであり、同様の実施例３０１では０．９ｄＢであった。
一方、膜構造と細線構造で異なる屈折率の材料を用いた点で本発明の範囲外となる比較例２０２～２０４および３０２～３０４では、図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）のとおり挿入損失（変換部）が１ｄＢを超え、非常に大きかった。
以上より、本発明によれば、低損失の光学素子を提供できることがわかった。
＜挿入損失＞
実施例２０１、３０１、比較例２０２～２０４および３０２～３０４の光学素子について、膜構造（薄膜導波路）から細線構造（Ｓｉ導波路）への光の挿入損失（変換部）を実施例１と同様の方法で評価した。
得られた結果を図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）に示した。
図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）より、挿入損失（変換部）は、膜構造と細線構造で同じ屈折率３．５の材料を用いた実施例２０１では０．４ｄＢであり、同様の実施例３０１では０．９ｄＢであった。
一方、膜構造と細線構造で異なる屈折率の材料を用いた点で本発明の範囲外となる比較例２０２～２０４および３０２～３０４では、図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）のとおり挿入損失（変換部）が１ｄＢを超え、非常に大きかった。
以上より、本発明によれば、低損失の光学素子を提供できることがわかった。
ここで、実施例３０１は、特開２０１３－００４６８８号公報の図面から読み取れる膜構造（下部コア層）および細線構造（上部コア層）の厚みの比率にしたがって、膜構造の厚さおよび細線構造の厚さを決定して、構造上の比較をしたものである。
そこで、本発明のより好ましい態様である実施例２０１と、特開２０１３－００４６８８号公報の構造に類似する実施例３０１を比較すると、図１０（Ｂ）より本発明のより好ましい態様である実施例２０１の方が、さらに挿入損失が小さいことがわかった。
そこで、本発明のより好ましい態様である実施例２０１と、特開２０１３－００４６８８号公報の構造に類似する実施例３０１を比較すると、図１０（Ｂ）より本発明のより好ましい態様である実施例２０１の方が、さらに挿入損失が小さいことがわかった。
＜反射損失＞
本発明のより好ましい態様であって膜構造の厚さが５０ｎｍ（細線構造の厚さ２００ｎｍの半分以下の態様）の実施例２０１と、特開２０１３－００４６８８号公報の構造に類似させた厚さが２００ｎｍ（細線構造の厚さ３００ｎｍの半分よりも厚い態様）の実施例３０１の比較を、さらに反射損失の観点からも行った。
具体的には、実施例２０１および３０１の光学素子について、膜構造（薄膜導波路）へ光入射したときの反射損失（端面部）を実施例１と同様の方法で評価した。
得られた反射損失（端面部）の結果は、実施例２０１では－４２．９ｄＢであり、実施例３０１では－２７．９ｄＢであった。なお、その他の比較例２０２～２０４および３０２～３０４の反射損失（端面部）の結果は省略した。
以上の結果から、膜構造および細線構造に屈折率が同じ材料を用いた場合、膜構造の厚さ細線構造の厚さ３００ｎｍの半分よりも厚い態様とした実施例３０１の構造と比較して、膜構造の厚さが細線構造の厚さ２００ｎｍの半分以下の態様である実施例２０１の方が、膜構造（薄膜導波路）へ光入射したときの反射損失（端面部）も大幅に小さいことがわかった。
本発明のより好ましい態様であって膜構造の厚さが５０ｎｍ（細線構造の厚さ２００ｎｍの半分以下の態様）の実施例２０１と、特開２０１３－００４６８８号公報の構造に類似させた厚さが２００ｎｍ（細線構造の厚さ３００ｎｍの半分よりも厚い態様）の実施例３０１の比較を、さらに反射損失の観点からも行った。
具体的には、実施例２０１および３０１の光学素子について、膜構造（薄膜導波路）へ光入射したときの反射損失（端面部）を実施例１と同様の方法で評価した。
得られた反射損失（端面部）の結果は、実施例２０１では－４２．９ｄＢであり、実施例３０１では－２７．９ｄＢであった。なお、その他の比較例２０２～２０４および３０２～３０４の反射損失（端面部）の結果は省略した。
以上の結果から、膜構造および細線構造に屈折率が同じ材料を用いた場合、膜構造の厚さ細線構造の厚さ３００ｎｍの半分よりも厚い態様とした実施例３０１の構造と比較して、膜構造の厚さが細線構造の厚さ２００ｎｍの半分以下の態様である実施例２０１の方が、膜構造（薄膜導波路）へ光入射したときの反射損失（端面部）も大幅に小さいことがわかった。
［実施例４０１～４０７］
膜構造の先端部における幅Ｗ１を変化させた場合の結合損失への影響を評価するために、以下の実施例４０１～４０７の光学素子を製造し、これらを対比して評価した。
膜構造の先端部における幅Ｗ１（実施例１では４μｍ）を、実施例４０１では１μｍ；実施例４０２では２μｍ；実施例４０３では３μｍ；実施例４０４では５μｍ；実施例４０５では６μｍ；実施例４０６では７μｍ；実施例４０７では８μｍ；とした以外は実施例１と同様にして、実施例４０１～４０７の光学素子を製造した。なお、いずれもコアの膜構造の厚さＴ１＝５０ｎｍである。
実施例１および実施例４０１～４０７の光学素子について、膜構造（薄膜導波路）から細線構造（Ｓｉ導波路）への光の挿入損失（変換部）を実施例１と同様の方法で評価した。
得られた結果を図１１に示した。
図１１より、コアの膜構造の厚さＴ１＝５０ｎｍの場合の挿入損失（変換部）は、膜構造の先端部における幅Ｗ１が実施例１の４μｍの場合に最小となることがわかった。
膜構造の先端部における幅Ｗ１を変化させた場合の結合損失への影響を評価するために、以下の実施例４０１～４０７の光学素子を製造し、これらを対比して評価した。
膜構造の先端部における幅Ｗ１（実施例１では４μｍ）を、実施例４０１では１μｍ；実施例４０２では２μｍ；実施例４０３では３μｍ；実施例４０４では５μｍ；実施例４０５では６μｍ；実施例４０６では７μｍ；実施例４０７では８μｍ；とした以外は実施例１と同様にして、実施例４０１～４０７の光学素子を製造した。なお、いずれもコアの膜構造の厚さＴ１＝５０ｎｍである。
実施例１および実施例４０１～４０７の光学素子について、膜構造（薄膜導波路）から細線構造（Ｓｉ導波路）への光の挿入損失（変換部）を実施例１と同様の方法で評価した。
得られた結果を図１１に示した。
図１１より、コアの膜構造の厚さＴ１＝５０ｎｍの場合の挿入損失（変換部）は、膜構造の先端部における幅Ｗ１が実施例１の４μｍの場合に最小となることがわかった。
［実施例５０１～５０３］
コアの膜構造の厚さＴ１を変化させた場合の結合損失への影響を評価するために、以下の実施例５０１～５０３の光学素子を製造し、これらを対比して評価した。
コアの膜構造の厚さＴ１（実施例１では５０ｎｍ）を実施例５０１では３０ｎｍ；実施例５０２では４０ｎｍ；実施例５０３では６０ｎｍ；とした以外は実施例１と同様にして、実施例５０１～５０３の光学素子を製造した。なお、いずれも膜構造の先端部における幅Ｗ１＝４μｍである。
実施例１および実施例５０１～５０３の光学素子について、膜構造（薄膜導波路）から細線構造（Ｓｉ導波路）への光の挿入損失（変換部）を実施例１と同様の方法で評価した。
得られた結果を図１２に示した。
図１２より、膜構造の先端部における幅Ｗ１＝４μｍの場合の挿入損失（変換部）は、コアの膜構造の厚さＴ１が実施例１の５０ｎｍの場合に最小となることがわかった。
コアの膜構造の厚さＴ１を変化させた場合の結合損失への影響を評価するために、以下の実施例５０１～５０３の光学素子を製造し、これらを対比して評価した。
コアの膜構造の厚さＴ１（実施例１では５０ｎｍ）を実施例５０１では３０ｎｍ；実施例５０２では４０ｎｍ；実施例５０３では６０ｎｍ；とした以外は実施例１と同様にして、実施例５０１～５０３の光学素子を製造した。なお、いずれも膜構造の先端部における幅Ｗ１＝４μｍである。
実施例１および実施例５０１～５０３の光学素子について、膜構造（薄膜導波路）から細線構造（Ｓｉ導波路）への光の挿入損失（変換部）を実施例１と同様の方法で評価した。
得られた結果を図１２に示した。
図１２より、膜構造の先端部における幅Ｗ１＝４μｍの場合の挿入損失（変換部）は、コアの膜構造の厚さＴ１が実施例１の５０ｎｍの場合に最小となることがわかった。
１ 基板
２ コア
３ オーバークラッド
４ アンダークラッド
２１ 膜構造
２２ 細線構造
３１ 先端領域
３２ 積層領域
４１ 第１エッチング工程のエッチング領域
４２ 第１エッチング工程のエッチング領域
１００ 光学素子
Ｗ１ 膜構造の先端部の幅
Ｗ２ 細線構造の端部の幅
Ｗ３ 細線構造の逆テーパー終端部の幅
Ｗ０ 比較例１０２の膜構造の先端部の幅
Ｔ１ 膜構造の厚さ
Ｔ２ 膜構造の厚さと細線構造の厚さの合計
Ｔ３ 細線構造の厚さ
Ｔ０ 比較例１０２の膜構造の厚さ
Ｐ１ 膜構造の先端部
Ｐ２ 細線構造の端部
Ｐ３ 細線構造の逆テーパー終端部
Ｌ１ 膜構造の先端部から細線構造の端部までの距離
Ｌ２ 細線構造の端部から細線構造の逆テーパー終端部までの距離
２ コア
３ オーバークラッド
４ アンダークラッド
２１ 膜構造
２２ 細線構造
３１ 先端領域
３２ 積層領域
４１ 第１エッチング工程のエッチング領域
４２ 第１エッチング工程のエッチング領域
１００ 光学素子
Ｗ１ 膜構造の先端部の幅
Ｗ２ 細線構造の端部の幅
Ｗ３ 細線構造の逆テーパー終端部の幅
Ｗ０ 比較例１０２の膜構造の先端部の幅
Ｔ１ 膜構造の厚さ
Ｔ２ 膜構造の厚さと細線構造の厚さの合計
Ｔ３ 細線構造の厚さ
Ｔ０ 比較例１０２の膜構造の厚さ
Ｐ１ 膜構造の先端部
Ｐ２ 細線構造の端部
Ｐ３ 細線構造の逆テーパー終端部
Ｌ１ 膜構造の先端部から細線構造の端部までの距離
Ｌ２ 細線構造の端部から細線構造の逆テーパー終端部までの距離
Claims (11)
- 基板上にコアならびにアンダークラッドおよびオーバークラッドからなるクラッドを有する光学素子であって、
前記コアは、少なくとも先端領域に膜構造を含み、前記膜構造の先端部から長さ方向に離れた内部に細線構造を含み、
前記膜構造と前記細線構造が厚さ方向に隣接して重なる積層領域を有し、
前記膜構造の前記先端部における幅Ｗ１が、前記細線構造の前記積層領域における幅よりも広く、
前記コアに含まれる前記膜構造および前記細線構造は屈折率が実質的に同じ材料である、光学素子。 - 前記細線構造の幅が、長さ方向の内部に向かって逆テーパー状に拡大する、請求項１に記載の光学素子。
- 前記膜構造の前記先端部の幅Ｗ１が、前記細線構造の逆テーパー終端部の幅Ｗ３よりも広い、請求項２に記載の光学素子。
- 前記細線構造の逆テーパー終端部から長さ方向に離れた内部において、前記膜構造の幅が、前記細線構造の逆テーパー終端部の幅Ｗ３と一致するように狭まる、請求項２に記載の光学素子。
- 前記膜構造の厚さＴ１が、前記細線構造の厚さと前記膜構造の厚さの合計Ｔ２の半分よりも薄い、請求項１に記載の光学素子。
- 前記膜構造の厚さＴ１が、前記細線構造の厚さの半分よりも薄い、請求項１に記載の光学素子。
- 前記膜構造の前記先端領域における幅方向の変動が±２０％以下である、請求項１に記載の光学素子。
- 前記膜構造の厚さ方向の変動が±２０％以下であり、
前記細線構造の厚さ方向の変動が±２０％以下である、請求項１に記載の光学素子。 - 前記コアがシリコンで形成され、前記クラッドが屈折率２．０以下の材料で形成され、前記コアの長さ方向および厚み方向が前記クラッドで覆われた、請求項１に記載の光学素子。
- シリコン光導波路と光ファイバとの結合器、または、シリコン光導波路と窒化ケイ素光導波路との結合器である、請求項１に記載の光学素子。
- 基板上にクラッドのうちアンダークラッドを設ける工程と、
前記アンダークラッドの上にコア前駆体を設ける工程と、
前記コア前駆体に対して、先端領域の先端部から長さ方向に離れた内部をマスクして、厚さ方向の所定の深さまでエッチングしてコアの細線構造を形成する第１エッチング工程と、
少なくとも前記先端領域の前記先端部における前記コア前駆体の幅方向を、前記細線構造の幅よりも広くなるように厚さ方向すべてまでエッチングして、前記コアの少なくとも前記先端領域に膜構造を形成する第２エッチング工程と、
オーバークラッドを設けて前記クラッドを形成する工程を備える、光学素子の製造方法。
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| JP2022-089432 | 2022-06-01 | ||
| JP2022089432A JP2023176882A (ja) | 2022-06-01 | 2022-06-01 | 光学素子および光学素子の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2023234111A1 true WO2023234111A1 (ja) | 2023-12-07 |
Family
ID=89024794
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/JP2023/019073 WO2023234111A1 (ja) | 2022-06-01 | 2023-05-23 | 光学素子および光学素子の製造方法 |
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|---|---|
| JP (1) | JP2023176882A (ja) |
| WO (1) | WO2023234111A1 (ja) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPH0675131A (ja) * | 1992-08-26 | 1994-03-18 | Sony Corp | 光導波路装置 |
| JPH09509533A (ja) * | 1994-02-24 | 1997-09-22 | ブリティッシュ・テレコミュニケーションズ・パブリック・リミテッド・カンパニー | 半導体デバイス |
| JP2004184986A (ja) * | 2002-11-20 | 2004-07-02 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光学素子およびその製造方法 |
| JP2017534926A (ja) * | 2014-11-11 | 2017-11-24 | フィニサー コーポレイション | ２段の断熱結合されたフォトニック・システム |
| WO2019156189A1 (ja) * | 2018-02-08 | 2019-08-15 | 古河電気工業株式会社 | 光集積素子および光モジュール |
-
2022
- 2022-06-01 JP JP2022089432A patent/JP2023176882A/ja active Pending
-
2023
- 2023-05-23 WO PCT/JP2023/019073 patent/WO2023234111A1/ja unknown
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2023176882A (ja) | 2023-12-13 |
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|---|---|---|---|
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Ref document number: 23815870 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |