WO2023238322A1 - 光素子、光集積素子および光素子の製造方法 - Google Patents

光素子、光集積素子および光素子の製造方法 Download PDF

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WO2023238322A1
WO2023238322A1 PCT/JP2022/023280 JP2022023280W WO2023238322A1 WO 2023238322 A1 WO2023238322 A1 WO 2023238322A1 JP 2022023280 W JP2022023280 W JP 2022023280W WO 2023238322 A1 WO2023238322 A1 WO 2023238322A1
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WO
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cladding
waveguide
waveguide core
optical
optical element
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PCT/JP2022/023280
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English (en)
French (fr)
Inventor
洋平 齊藤
光太 鹿間
昇男 佐藤
Original Assignee
日本電信電話株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means

Definitions

  • the present invention relates to an optical device for connecting optical devices, an optical integrated device, and a method for manufacturing the optical device.
  • Optical communication devices require electrical elements such as drivers, switches, and electrical amplifier circuits, and optical elements such as semiconductor lasers, optical switches, and optical fibers.
  • optical connection process of discretely connecting each optical element precise positioning between optical elements is important to realize a low-loss optical connection. Therefore, for example, even in commonly used optical connectors, high-precision components are used in which the optical axis misalignment between waveguide cores is 1 ⁇ m or less. As described above, in manufacturing optical communication devices, it is important to design and precision parts with strict tolerances in mind.
  • SiPh Silicon Photonics
  • SiPh is concerned with the positioning accuracy of optical mounting.
  • SiPh is an optical device with a semiconductor material as its core, and it not only allows the production of ultra-small and highly economical optical circuits, but also enables high-density integration with electrical circuit elements.
  • SiPh requires positioning accuracy and tighter tolerances during connection than devices with quartz cores, such as conventional PLCs (Planar lightwave circuits), which poses a problem in that the process load for optical connections increases. ing. This is because the smaller the optical mode field diameter (hereinafter referred to as "MFD”), the stricter the tolerance requirements during optical connection. This is because more accurate positioning technology is required.
  • MFD optical mode field diameter
  • SWW self-written waveguide
  • This technology is an optical connection technology using a photocurable resin, and can connect waveguide cores to each other as described below.
  • light used as signal light for optical communication (hereinafter referred to as "signal light") is emitted from at least one end face of the waveguide core.
  • a photocurable resin is dropped into the gap between the waveguide cores.
  • SWW cores (hereinafter referred to as "SWW cores") are formed sequentially from the end face of each waveguide core. Ru. As a result, a SWW core is formed on the end face of the waveguide core.
  • the SWW core is formed according to the propagation path of the resin curing light, even if an optical axis misalignment occurs between the waveguide cores, an S-shaped SWW core is formed to compensate for the optical axis misalignment, resulting in a low A lossy optical connection can be realized.
  • SWW cladding the SWW cladding resin onto the removed part (around the SWW core) and harden it appropriately to form the SWW cladding ( (hereinafter referred to as "SWW cladding"), and the connection by SWW is completed.
  • wavelengths of the resin curing light used to form the SWW are in the wavelength range below visible light.
  • the photocurable resin is cured from the part where the intensity of the resin curing light is high, when the intensity distribution of the resin curing light is close to a Gaussian distribution, the resin curing reaction proceeds quickly in the center of the distribution.
  • the tip of the SWW has a lens shape. This lens-shaped tip of the SWW condenses the resin curing light emitted from the tip of the SWW, thereby curing the resin. Since the SWW is formed by repeating this phenomenon, the SWW is formed while keeping its core diameter approximately constant by the resin curing light having an intensity distribution close to a Gaussian function (Non-Patent Document 1).
  • the polymerization rate will be approximately constant across the beam cross section.
  • the tip of the SWW does not have a lens shape, but a tapered SWW is formed in which the core diameter of the SWW gradually increases in the propagation direction of the resin curing light. Therefore, in order to form a SWW with a constant core diameter, the intensity of the resin curing light needs to be lower than a predetermined threshold value that depends on the resin.
  • SWW technology has an axis misalignment compensation effect and can realize low-loss connections, regardless of the gaps between cores and optical axis misalignment, which are factors that cause connection loss between cores. Therefore, optical connection technology using SWW can ease tolerance requirements in optical connections, and can realize simple optical integration and high-yield, low-loss packaging.
  • the SWW is formed on the end face of the SiPh chip using resin curing light (visible light) using a known specific waveguide structure.
  • the waveguide structure needs to be transparent to visible light in the wavelength band of the resin curing light and light in the long wave band of the communication wavelength band.
  • materials such as SiN and SiON are transparent to light in the visible light to communication wavelength range, they are used in the waveguide structure for SWW.
  • a conventional optical device 40 for forming a SWW includes a lower cladding 42 and a waveguide core 43 on an SOI (Silicon-on-insulator) substrate (not shown).
  • a waveguide core 43 is covered with an upper cladding 44.
  • the upper cladding 44 and the lower cladding 42 are made of silicon oxide, and the waveguide core 43 is made of SiN.
  • the waveguide core 43 may be made of SiON.
  • the width of the waveguide core 43 decreases toward the end of the optical element 40 (in the direction of the arrow x in FIG. 10A), and has the function of enlarging the MFD as a spot-size converter (SSC).
  • SSC spot-size converter
  • connection loss occurs when the signal light propagates through the boundary between the end face of the optical element 40 and the SWW. Details are explained below.
  • FIGS. 11A and 11B show calculation results for the respective aspects of signal light and resin curing light in a conventional optical element.
  • the x-coordinate indicates the direction of light propagation (arrow x direction in FIG. 10A), and the y-coordinate indicates a direction perpendicular to the light propagation direction (arrow y direction in FIG. 10A).
  • the waveguide structure 431 used in the calculation is indicated by a thin solid line.
  • the waveguide structure was made of tapered SiN, the width of one end (base end) was 800 nm, the width of the other end (tip) was 100 nm, and the length of the tapered structure was 350 ⁇ m.
  • the parts other than the waveguide structure were made of silicon oxide.
  • the structure used in the calculation has a waveguide with a constant width (width 800 nm) and a length of 10 ⁇ m at the base end of the tapered structure, and a waveguide with a constant width (width 100 nm) and a length of 20 ⁇ m at the tip.
  • this constant width waveguide the signal light and the resin curing light propagate without changing the MFD.
  • the wavelength of the signal light was 1550 nm, and the wavelength of the resin curing light was 532 nm.
  • the MFD gradually expands and leaks out of the waveguide, as shown in FIG. 11A.
  • the resin curing light is confined throughout the waveguide, as shown in FIG. 11B. This is because the resin curing light has a shorter wavelength than the signal light.
  • the waveguide at the tip of the SSC with a tapered structure is made thinner for signal light (long wavelength light), and the signal light gradually seeps out from the waveguide to expand the MFD.
  • the core size of the waveguide at the tapered tip is smaller than the core size that allows the signal light to exist as a propagation mode within the waveguide.
  • resin curing light short wavelength light
  • the resin curing light propagates within the waveguide without seeping out from the core in a waveguide having a size that functions as an SSC, as shown in FIG. 11B.
  • the MFD of the signal light is expanded by the tapered structure and has an MFD larger than the width of the core of the waveguide.
  • loss occurs in the signal light propagating within the optical element when it is connected to the SWW.
  • connection loss of light transiting between optically different waveguides is determined by the difference in MFD of the propagation mode of each waveguide. Furthermore, although the MFD is slightly affected by the difference in refractive index between the core and cladding of the waveguide, it has a size comparable to that of the core of the waveguide through which propagation occurs.
  • the MFD of the propagation mode of the signal light propagating through the SWW core 461 is approximately the same as the diameter of the SWW core 461.
  • the MFD of the signal light at the end face of the optical element 40 is larger than that of the waveguide core 43. In this way, in the signal light, since the MFD in the SWW core 461 and the MFD in the waveguide core 43 are different, connection loss occurs between the respective waveguides.
  • connection loss occurs due to the difference between visible light and signal light. do.
  • connection loss occurs in optical communication devices in which SWWs are formed using conventional optical elements and optically connected.
  • an optical device is an optical device that is connected to another optical device via a self-forming waveguide, and includes, in order, a substrate, a first cladding, A waveguide core having a refractive index higher than the refractive index of the first cladding and through which the signal light and the resin curing light propagate, and a second cladding having a refractive index lower than the refractive index of the waveguide core.
  • the tip of the waveguide core on the side connected to the self-formed waveguide is arranged such that the mode field diameter of the signal light and the mode field diameter of the resin curing light are approximately the same at the end face of the second cladding.
  • the second cladding is disposed at a position away from the end surface of the second cladding, and is located between the tip of the waveguide core on the side that connects to the self-forming waveguide and the end surface of the second cladding. cladding is arranged.
  • the optical device is connected to another optical device via a self-formed waveguide, and a substrate, a first cladding, and a refractive index higher than the refractive index of the first cladding are formed.
  • the method comprising: determining the respective structures of the core, the first cladding, and the second cladding, and determining the wavelengths of the signal light and the resin curing light; a step of calculating mode field diameters of each of the signal light and the resin curing light; and a step of calculating a position where the mode field diameters of the signal light and the resin curing light, which are emitted from the waveguide core, are comparable, and a step of depositing a material of the first cladding and a material of the waveguide core on the substrate in order; a step of depositing the structure and the second cladding on the substrate; and forming the second cladding so as to cover the waveguide core.
  • an optical element that can reduce connection loss between signal light and a self-forming waveguide (SWW).
  • SWW self-forming waveguide
  • FIG. 1A is a top perspective schematic diagram showing the configuration of an optical element according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is a schematic cross-sectional view taken along line IB-IB' showing the configuration of the optical device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1C is an IC-IC' cross-sectional schematic diagram showing the configuration of the optical device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a top perspective schematic diagram showing an example of the configuration of the optical element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3A is a top perspective schematic diagram showing the configuration of the optical integrated device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3B is a schematic cross-sectional view taken along IIIB-IIIB' showing the configuration of the optical integrated device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4A is a schematic diagram of a waveguide structure for explaining the mode field diameter (MFD) of signal light and resin curing light propagating through the optical element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4B is a diagram for explaining the mode field diameter (MFD) of the signal light and resin curing light propagating through the optical element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4C is an enlarged view for explaining the mode field diameter (MFD) of the signal light and resin curing light propagating through the optical element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. MFD mode field diameter
  • FIG. 5 is a flowchart for explaining the method for manufacturing an optical device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6A is a top perspective schematic diagram showing the configuration of an optical element according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6B is a VIB-VIB' cross-sectional schematic diagram showing the configuration of an optical device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7A is a top perspective schematic diagram showing the configuration of an optical integrated device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7B is a VIIB-VIIB' cross-sectional schematic diagram showing the configuration of an optical integrated device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a top perspective schematic diagram showing the configuration of an optical element and a self-forming waveguide according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic top view showing the configuration of a mode filter in an optical element according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 10A is a top perspective schematic diagram showing the configuration of a conventional optical element.
  • FIG. 10B is a schematic cross-sectional view taken along the line XB-XB' showing the configuration of a conventional optical device.
  • FIG. 11A is a diagram for explaining the light intensity distribution of signal light in a conventional optical element.
  • FIG. 11B is a diagram for explaining the light intensity distribution of resin curing light in a conventional optical element.
  • FIG. 12 is a top perspective schematic diagram showing the configuration of a conventional optical element and a self-forming waveguide.
  • the optical device includes, in order, a substrate 11, a first cladding 12, a waveguide core 13, and a second cladding 14, as shown in FIGS. 1A to 1C.
  • the substrate 11 is a Si substrate.
  • the first cladding 12 is silicon oxide (SiO 2 ).
  • the waveguide core 13 is made of silicon nitride and is placed on the first cladding 12.
  • the waveguide core 13 has a tapered shape that becomes thinner toward the tip 131 of the waveguide core 13 (the tip on the side where the self-formed waveguide is formed).
  • the length of the waveguide core 13 is 350 ⁇ m, and the width varies from 800 nm to 100 nm.
  • the waveguide core 13 may be made of SiON.
  • the second cladding 14 is made of silicon oxide and is arranged to cover the waveguide core 13.
  • the waveguide core 13 is not placed near the end surface 141 of the second cladding 14. That is, there is a gap (hereinafter referred to as "MFD control gap") 15 between the end surface of the tip 131 of the waveguide core 13 and the end surface 141 of the second cladding 14, and the second A cladding 14 is arranged.
  • MFD control gap a gap
  • the waveguide core 13 may have a waveguide 132 with a constant width at the tip 131.
  • the waveguide core 13 may have a constant width shape on the side of the tip 131 of the waveguide core 13 from the dotted line 133 in the figure, and may have a tapered shape on the opposite side.
  • the signal light and the resin curing light propagate without changing the MFD.
  • the optical device 10 is connected to another optical device 10_2 via the SWW 16.
  • the SWW 16 has a SWW cladding 162 around a SWW core 161.
  • the other optical element 10_2 is a waveguide element, an optical fiber, or the like, and includes, for example, a substrate 11_2, a first cladding 12_2, a waveguide core 13_2, and a second cladding 14_2.
  • the light propagating through the waveguide core 13 of the optical element 10 is optically coupled to the waveguide core 13_2 of another optical element 10_2 via the SWW core 161.
  • FIG. 4A shows a schematic diagram of the waveguide structure used in the calculation.
  • the calculation was performed using the finite difference time domain method (FDTD) method (product name: "ANSYS Lumerical FDTD”) for the two-dimensional waveguide structure.
  • FDTD finite difference time domain method
  • EME eigenmode expansion
  • the fundamental mode of the propagating light was calculated assuming that the wavelength of the signal light was 1550 nm and the wavelength of the resin curing light was 532 nm.
  • the MFD at each x-coordinate was calculated by performing Gaussian fitting on a function f(y) indicating the intensity distribution of light at each coordinate x in the propagation direction.
  • y indicates a direction perpendicular to the propagation direction (x direction) (arrow y in the figure).
  • FIGS. 4B and 4C show calculation results of MFD in the respective propagation directions of the signal light and the resin curing light.
  • the MFD expands more rapidly than with the signal light. This is because, as described above, light with a shorter wavelength has a larger beam spread per unit propagation distance than light with a longer wavelength.
  • the MFD control gap 15 in the optical element 10 is set to a length of x L to x' (here, 4 ⁇ m), the MFD of the signal light emitted from the optical element 10 can be made to be about the same size as the SWW. Therefore, connection loss of signal light is reduced.
  • the MFD control gap 15 is set so that the beam diameters of the signal light and the resin curing light are approximately the same at the output end face 101 of the optical device 10. , connection loss of the signal light to the SWW due to the difference in wavelength between the signal light and the resin curing light can be reduced.
  • the range in which the beam diameters are approximately the same includes that the beam diameters are the same, and also includes cases where there is a difference of about 1 to 2 ⁇ m, for example.
  • the connection loss of the signal light between the optical element and the SWW may be within a range that does not interfere with the propagation of the signal light in optical communication or the like.
  • calculation results for a two-dimensional waveguide structure are shown, but calculations can be similarly performed for a three-dimensional waveguide structure using the FDTD method (product name: "ANSYS Lumerical FDTD").
  • FDTD method product name: "ANSYS Lumerical FDTD”
  • the beam diameters of the propagating signal light and resin curing light are determined to be at a predetermined position. (corresponding to MFD control gap: 1 to 20 ⁇ m), consistent results are obtained.
  • the MFD control gap 15 in the optical element is determined.
  • the structures of the waveguide core 13 and the first and second claddings 12 and 14 are determined. Furthermore, the wavelengths of the signal light and resin curing light are determined (step S1).
  • the MFD diameters of the signal light and resin curing light that propagate through the waveguide core 13 and exit are calculated (step S2).
  • a position where the MFD diameters of the signal light and the resin curing light emitted from the waveguide core 13 are approximately the same is determined to be the position of the end face of the second cladding. That is, the MFD control gap 15 is determined (step S3).
  • a material for the lower cladding (first cladding) 12 is deposited on the substrate.
  • material for the waveguide core 13 is deposited on the lower cladding (first cladding) 12 (step S4).
  • Si can be used as the material of the substrate
  • SiO 2 can be used as the material of the lower cladding
  • SiN x can be used as the material of the waveguide core 13.
  • the SiN x is processed into the waveguide core 13 using photolithography (step S5).
  • the mask pattern used for photolithography is created based on the shape of the waveguide core 13 and the MFD control gap 15 obtained by calculation.
  • an upper cladding (second cladding) 14 is formed to cover the waveguide core 13 (step S6).
  • SiO 2 is used as the material for the upper cladding (second cladding) 14.
  • the end face 101 of the optical element 10 and the end face of another optical element (waveguide element) 10_2 are placed facing each other with a predetermined interval.
  • a SWW material (photocurable resin) is filled (dropped) between the end surface 141 of the second cladding 14 of the optical element and the end surface of the other optical element (waveguide element) 10_2.
  • the photocurable resin can be retained.
  • the resin curing light is propagated to the waveguide core 13 and emitted from the tip 131 of the waveguide core 13, further propagated to the second cladding 14, and emitted from the end face 141 of the second cladding 14.
  • the photocurable resin is irradiated with resin curing light.
  • the area of the photocurable resin irradiated with the resin curing light is cured and becomes the SWW core 161.
  • the SWW cladding 162 is formed around it.
  • the optical device 10 according to this embodiment and another optical device (waveguide device) 10_2 are optically connected via the SWW 16, and the optical integrated device 1 is manufactured (FIGS. 3A and 3B).
  • the SWW core 161 may be surrounded by air, for example, and does not need to be provided with a SWW cladding. In this case, it is not necessary to form the SWW cladding in the last step in the method for manufacturing the optical integrated device described above.
  • the size of the SWW and the MFD of the signal light can be made comparable, so that the connection loss of the signal light between the waveguide of the optical device and the SWW can be reduced.
  • the MFD of signal light propagating through an actual SWW is affected by the refractive index difference between the cladding and core of the SWW. Therefore, the refractive index of the SWW cladding is adjusted so that the MFD of the signal light and the propagation mode of the signal light in the SWW match, and the loss that occurs at the boundary between the SWW and the end face of the optical element (chip) is reduced. Good too.
  • the core diameter of SWW slightly depends on the intensity of the resin curing light. Therefore, the loss of the signal light transiting from the optical element to the SWW can be reduced by changing the intensity of the resin curing light.
  • the SWW can be formed only at a predetermined resin curing light intensity or higher.
  • the intensity of the resin curing light is too high, bubbles will be generated due to the heat generated by the resin, which will adversely affect the formation of SWW. Therefore, it is necessary to form the SWW at an intensity lower than the intensity of the resin curing light, which adversely affects the formation of the SWW.
  • the optimal value of the MFD control gap 15 can be determined in advance by numerical calculations or the like when designing the optical device. Based on the design value, it is preferable to create polishing marks together with dicing markers on the optical element using a waveguide pattern or the like in order to adjust the MFD control gap 15 of the manufactured optical element (chip). Thereby, the length of the MFD control gap 15 can be efficiently controlled by polishing the end face of the optical element while checking the polishing mark with an optical microscope or the like.
  • the yield in the manufacturing process can be improved and waveguide loss can be reduced.
  • the MFD expands when not only the resin curing light but also the signal light propagates through the MFD control gap. Therefore, even if the width of the tip of the waveguide of the optical element (width of SSC) is set wider than the width of the tip of the waveguide in a normal optical element, the MFD at the end face of the optical element can be made the same.
  • the width of the waveguide can be set wide, so the yield in the manufacturing process can be improved, and optical loss due to sidewall roughness of the manufactured waveguide can be reduced.
  • the length of the MFD control gap in the optical element is set to 4 ⁇ m, but the length of the MFD control gap depends on the shape of the waveguide core and the wavelengths of the signal light and resin curing light. Dependent. For example, when the wavelength of the signal light is 1550 nm and the wavelength of the resin curing light is 532 nm, the length of the tapered structure of the waveguide core is 200 to 500 ⁇ m, the width of the base end is 500 to 1000 nm, and the width of the tip is 50 to 200 nm. In the range, the length of the MFD control gap is 2 to 10 ⁇ m.
  • the length of the tapered structure of the waveguide core is 350 ⁇ m or more
  • the width of the base end is 500 to 1000 nm
  • the width of the tip is 500 nm or less
  • the thickness of the waveguide core is 2 ⁇ m or less
  • the wavelength of the signal light is 1250 nm or more. ⁇ 1350 nm
  • the wavelength of the resin curing light is in the range of 385 to 1550 nm
  • the length of the MFD control gap is 1 to 150 ⁇ m.
  • the end surfaces 121 and 141 of the first cladding 12 and the second cladding 14 are located inside the end surface 111 of the substrate 11 (waveguide 131 side of the core 13). That is, the end of the optical element 20 has a step, and the surface of the step is the surface of the substrate 11.
  • this area 21 will be referred to as the "SWW area”.
  • Other configurations are similar to those of the first embodiment.
  • the SWW region 21 of the optical device 20 according to the present embodiment can be manufactured by protecting regions other than the SWW region 21 with a mask pattern created by, for example, a wafer process, and performing etching.
  • This mask pattern is produced by a highly accurate (1 ⁇ m or less) positioning technique used in wafer processing.
  • the MFD control gap 15 can be controlled with higher precision than the processing using dicing or markers in the first embodiment, and the MFD can be controlled with a higher yield.
  • the end face 101 of the optical element 10 (the end face 121 of the first cladding 12 and the end face 141 of the second cladding 14),
  • the gap between the optical element 10_2 and the end face of the other optical element 10_2 to be connected can be filled with the SWW material (resin).
  • the step in the SWW region is located on the surface of the substrate, but it may be located inside the substrate or inside the first cladding.
  • the optical device 30 has a mode filter 31 that functions for resin curing light on the base end side of the waveguide core 13 (on the opposite side from the tip 131).
  • the mode filter 31 may be placed in the waveguide core 13.
  • the optical element 30 is connected to another optical element (not shown) via the SWW 16.
  • the mode filter 31 includes a width modulation structure of a Bragg grating on both sides of the waveguide core 13.
  • the width of the waveguide is 800 nm
  • the depth of the grating is 45 nm.
  • the grating period is 320 nm
  • the duty ratio ratio of the length of the convex portion to the period
  • the formation conditions of the SWW may be adversely affected due to the influence of multimode in the resin curing light.
  • the structure of the optical element 10 is a structure used for SiPh etc., and the waveguide core 13 is under single mode conditions for signal light. Therefore, the waveguide core 13 behaves as a multimode waveguide for resin curing light having a shorter wavelength than the signal light.
  • the length of the MFD control gap in the case of only single mode is different from the length of the MFD control gap in the case of multimode. Therefore, even if the MFD control gap is formed based on the value designed for single mode, the SWW is formed by the multimode resin curing light, so the size of the SWW cannot be made to match the MFD of the signal light. , the connection loss of signal light cannot be reduced.
  • the influence of multimode can be suppressed by using a mode filter.
  • the high-order transverse mode of the resin curing light propagating through the waveguide core 13 is strongly scattered by the mode filter.
  • the light intensity of the resin curing light at the output end face of the waveguide core 13 can be made into a Gaussian distribution or close to a Gaussian distribution (single mode).
  • the mode filter in the optical device can provide a large loss to frequencies other than the lowest order transverse mode of the resin curing light propagating through the waveguide core 13. Therefore, even if the resin curing light becomes multimode due to manufacturing errors, only the lowest order transverse mode can be emitted from the tip 131 of the waveguide core 13 with a high yield. That is, it is possible to provide an optical element that emits resin curing light having a distribution in which the light intensity is high at the center of the core and decreases toward the sides of the core.
  • the light intensity distribution of the resin curing light can be made into a Gaussian distribution or a Gaussian distribution, so SWW can be formed with high precision. It is possible to form a low-loss SWW core with a long shape and a constant core diameter. Therefore, the connection loss of signal light between the waveguide of the optical element and the SWW can be further reduced.
  • the grating is formed on the side surface of the waveguide core as a mode filter, but it may be formed on the top surface of the waveguide core.
  • a grating made of a material other than the material of the waveguide core 12 for example, a metal diffraction grating (grating) made of metal such as aluminum (Al) may be used.
  • the concavities and convexities do not need to be arranged periodically, but may be configured such that the concavities and convexities are arranged randomly and the waveguide width is modulated randomly. Further, instead of the uneven shape, a wavy shape may be used.
  • a bent waveguide may be used as the mode filter.
  • the radiation loss of higher-order modes of propagating light is large, so multi-mode formation can be suppressed.
  • a structure that suppresses multi-mode formation of the resin curing light propagating through the waveguide may be used.
  • the optical device according to the embodiment of the present invention can be applied to a structure in which an optical waveguide made of a material transparent to resin curing light is formed on a substrate.
  • an optical waveguide made of a material transparent to resin curing light is formed on a substrate.
  • PLC planar lightwave circuit
  • the present invention relates to an optical element for connecting optical elements, an optical integrated element, and a method for manufacturing the optical element, and can be applied to optical communication devices and optical communication network systems.
  • Optical element 10_2 Other optical element 11
  • Substrate 12 First cladding 13
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Abstract

本発明の光素子（１０）は、他の光素子（１０＿２）と自己形成導波路（１６）を介して接続する光素子（１０）であって、順に、基板（１１）と、第１のクラッド（１２）と、第１のクラッド（１２）の屈折率より高い屈折率を有し、信号光と樹脂硬化光とが伝搬する導波路コア（１３）と、導波路コア（１３）の屈折率より低い屈折率を有する第２のクラッド（１４）とを備え、導波路コア（１３）の自己形成導波路（１６）と接続する側の先端（１３１）が、第２のクラッド（１４）の端面（１４１）で信号光のモードフィールド径と樹脂硬化光のモードフィールド径とが同程度になるように、第２のクラッド（１４）の端面（１４１）と離れた位置に配置され、導波路コア（１３）の自己形成導波路（１６）と接続する側の先端（１３１）と、第２のクラッド（１４）の端面（１４１）との間に、第２のクラッド（１４）が配置される。　これにより、本発明は、信号光の自己形成導波路との接続損失を低減できる光素子を提供できる。

Description

光素子、光集積素子および光素子の製造方法
　本発明は、光素子を接続するための光素子、光集積素子および光素子の製造方法に関する。
　光通信ネットワークの進展に伴い光通信デバイスの高機能化、経済化が求められている。光通信デバイスとして、ドライバ、スイッチ、電気増幅回路などの電気素子や、半導体レーザ、光スイッチ、光ファイバなどの光素子が必要となる。
　ここで、それぞれの光素子をディスクリートに接続する光接続工程において、低損失な光接続の実現には、光素子間の精密な位置決めが重要である。そのため、例えば汎用的に用いられている光コネクタなどにおいても、導波路コア間の光軸ずれを１μｍ以下とする高精度な部品が使用されている。このように、光通信デバイスを製造する上で、厳しい公差を考慮した設計・精密部品が重要となる。
　とくに、ＳｉＰｈ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ）は、光実装の位置決め精度を課題としている。ＳｉＰｈは半導体材料をコアとした光デバイスであり、超小型かつ経済性の高い光回路を作製可能なだけでなく、電気回路素子との高密度集積も可能である。
　しかしながら、ＳｉＰｈにおいては、従来のＰＬＣ（Ｐｌａｎａｒ　ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ）に代表される石英系コアのデバイス以上の接続時の位置決め精度や厳しい公差が要求され、光接続の工程負荷が増大することが問題となっている。これは、光のモードフィールド径（Ｍｏｄｅ　ｆｉｅｌｄ　ｄｉａｍｅｔｅｒ、以下「ＭＦＤ」という。）が小さいほど光接続時の公差要求が厳しくなるため、微小なＭＦＤをもつ半導体系光回路デバイスであるＳｉＰｈの光接続には、より高精度な位置決め技術が必要とされるからである。
　一方、ＭＦＤを拡大することで、位置決め精度を緩和できる。しかしながら、ＳｉＰｈにおいては製造時の各層の膜厚が制約され、半導体導波路特有の高屈折率により導波路側壁粗さに起因した高い損失が生じるので、従来のＰＬＣなどに代表される光素子と比較して、一般的な光ファイバと同等の低損失かつ高歩留まりのＭＦＤを得ることは難しい。
　そこで、従来の光ファイバの１０μｍ程度のＭＦＤより小さい４μｍ程度のＭＦＤに光素子（チップ）と光ファイバのＭＦＤを変換する方法が、低損失の光接続に用いられる。しかしながら、この方法を用いた場合、ＭＦＤが小さいのでサブミクロン程度の高い位置決め精度が必要とされるため、光接続時の位置決め精度や光部品に求められる公差が厳しくなる。
　この接続に必要な位置決め精度を緩和できる技術として、自己形成導波路（Ｓｅｌｆ－ｗｒｉｔｔｅｎ　ｗａｖｅｇｕｉｄｅ、以下、「ＳＷＷ」という。）が開示されている（非特許文献１）。
　本技術は、光硬化性の樹脂を用いた光接続技術であり、以下のように、導波路コアと導波路コアとの間を接続することができる。ここで、少なくとも一方の導波路コア端面からは光通信の信号光として使われる光（以下、「信号光」という。）が出射される。
　ＳＷＷの形成において、初めに、導波路コア間の間隙に光硬化性樹脂を滴下する。
　次に、両方又はいずれか一方の導波路コアから光硬化性樹脂を硬化するための光である樹脂硬化光を照射する。このとき、光硬化性樹脂の特性である光の強度が高い箇所から順次硬化する性質のために、それぞれの導波路コア端面から順次ＳＷＷのコア（以下、「ＳＷＷコア」という。）が形成される。これにより、導波路コアの端面にＳＷＷコアが形成される。
　また、樹脂硬化光の伝搬経路に従ってＳＷＷコアが形成されるので、導波路コア間に光軸ずれが生じても、光軸ずれを補償するようにＳ字曲げ形状のＳＷＷコアが形成され、低損失な光接続が実現できる。
　最後に、必要に応じて、光硬化性樹脂の未硬化部分を洗浄するなど除去した後に、除去後の部分（ＳＷＷコア周囲）にクラッド用の樹脂を滴下し適宜硬化させることでＳＷＷのクラッド（以下、「ＳＷＷクラッド」という。）を形成して、ＳＷＷによる接続は完了する。
　ここで、ＳＷＷの形成に用いられる樹脂硬化光の波長は、ほとんどが可視光以下の波長域にある。
　ＳＷＷを一定のコア径で形成するためには、樹脂硬化光の光電場強度を所定の閾値より低くし、樹脂硬化光の光強度分布をガウシアン関数に近いものにする必要がある。
　詳細には、光硬化性樹脂は樹脂硬化光の強度が高い部分から硬化するので、樹脂硬化光の強度分布がガウシアン分布に近い場合、その分布の中心部で樹脂硬化反応が速く進行する。その結果、ＳＷＷの先端はレンズ形状となる。このレンズ形状のＳＷＷ先端により、ＳＷＷ先端から出射される樹脂硬化光は集光され、樹脂を硬化する。この現象の繰り返しでＳＷＷは形成されるため、ガウシアン関数に近い強度分布の樹脂硬化光により、ＳＷＷはそのコア径を概ね一定に保ちながら形成される（非特許文献１）。
　また、樹脂硬化光の強度を増加すると、樹脂の硬化速度（＝モノマの重合速度）が一定の強度で飽和する。この飽和がすべてのビーム断面にわたって発生するとき、重合速度はビーム断面積にわたってほぼ一定となる。その結果、ＳＷＷの先端はレンズ形状にならず、樹脂硬化光の伝搬方向に対してＳＷＷのコア径が徐々に増加するテーパ形状のＳＷＷが形成される。したがって、一定のコア径のＳＷＷを形成するためには、樹脂硬化光の強度は樹脂に依存する所定の閾値よりも低い必要がある。
　ＳＷＷ技術は、コア間の接続損失の要因であるコア間の間隙や光軸ずれにかかわらず、軸ずれ補償効果を有し、低損失な接続が実現できる。そこで、ＳＷＷによる光接続技術は、光接続における公差要求を緩和でき、簡易な光集積や高歩留まりかつ低損失な実装を実現できる。
　ＳＷＷは、公知の特定の導波路構造を用いて、ＳｉＰｈチップ端面に樹脂硬化光（可視光）により形成される。このとき、導波路構造は、樹脂硬化光の波長帯の可視光および通信波長帯の長波帯の光に対して透明である必要がある。ここで、ＳｉＮやＳｉＯＮなどの材料が可視光から通信波長帯の光に対して透明なので、ＳＷＷ用の導波路構造に用いられる。
　従来のＳＷＷ形成のための光素子４０は、図１０Ａ、Ｂに示すように、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ－ｏｎ－ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板（図示せず）の上に、順に、下部クラッド４２、導波路コア４３が形成され、導波路コア４３が上部クラッド４４に覆われている。ここで、上部クラッド４４と下部クラッド４２は酸化シリコンによって構成され、導波路コア４３はＳｉＮによって構成される。導波路コア４３はＳｉＯＮによって構成されてもよい。
　導波路コア４３は、光素子４０の端部（図１０Ａ中、矢印ｘ方向）へ向かうほど幅が減少し、ＳＳＣ（Ｓｐｏｔ－ｓｉｚｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）としてＭＦＤを拡大する機能を有する。これにより、光素子４０の端面のＭＦＤを、接続する他の光素子（図示せず）に合わせて拡大し、光素子４０と他の光素子との間の光接続損失を低減できる。
各務学,「光配線を実現する自己形成光導波路技術」,光学, vol.37, no.2, (2008).
　しかしながら、従来の光素子４０を用いてＳＷＷを形成すると、光素子４０の端面とＳＷＷとの境界を信号光が伝搬する際に接続損失が生じるという問題があった。詳細を以下に説明する。
　図１１Ａ、Ｂに、従来の光素子における信号光と樹脂硬化光それぞれの態様の計算結果を示す。ｘ座標は光の伝搬方向（図１０Ａ中、矢印ｘ方向）、ｙ座標は光の伝搬方向に対して垂直方向を示す（図１０Ａ中、矢印ｙ方向）。ここで、図１１Ａ、Ｂ中、計算に用いた導波路構造４３１を細実線で示す。
　計算は、２次元導波路構造についてＦＤＴＤ法（製品名：「ＡＮＳＹＳ　Ｌｕｍｅｒｉｃａｌ　ＦＤＴＤ」）により行った。
　また、導波路構造はテーパ形状のＳｉＮで構成され、一方の端部（基端）の幅が８００ｎｍで他方の端部（先端）の幅が１００ｎｍ、テーパ構造の長さは３５０μｍとした。導波路構造以外の部分は、酸化シリコンで構成されるものとした。
　また、計算に用いた構造では、テーパ構造の基端に一定幅（幅８００ｎｍ）で長さ１０μｍの導波路を有し、先端に一定幅（幅１００ｎｍ）で長さ２０μｍの導波路を有する。この一定幅の導波路では、信号光および樹脂硬化光はＭＦＤを変化させずに伝搬する。
　また、光源を導波路構造の中心軸上で、導波路構造の基端から導波路内に１μｍの位置（図１１Ａの座標でｘ＝１μｍ、ｙ＝０μｍの位置）に配置して、光源からの出射光が導波路断面に対する基底の伝搬モードで伝搬するとして計算した。
　また、信号光の波長を１５５０ｎｍ、樹脂硬化光の波長を５３２ｎｍとした。
　信号光では、図１１Ａに示すように、導波路を伝搬するにともないＭＦＤが徐々に拡大して、導波路から漏れ出す。
　一方、樹脂硬化光は、図１１Ｂに示すように、導波路全域で閉じ込められている。これは、信号光よりも樹脂硬化光の波長が短いためである。
　従来の光素子では、信号光（長波長の光）に対して、テーパ構造を有するＳＳＣにおいて先端の導波路を細くして、導波路から徐々に信号光を染み出させＭＦＤを拡大させる。このとき、テーパ先端の導波路のコアのサイズは、信号光が導波路内の伝搬モードとして存在できるコアサイズよりも小さい。
　一方、樹脂硬化光（短波長の光）は、より小さいコアでもコア内に伝搬モードとして閉じ込められる。その結果、樹脂硬化光は、図１１Ｂに示すように、ＳＳＣとして機能するサイズの導波路においてコアから染み出すことなく導波路内を伝搬する。
　このように、樹脂硬化光が光素子の導波路を伝搬するとき、樹脂硬化光の強度が高い部分から硬化してＳＷＷが形成されるので、図１２に示すように、光素子４０の端面にテーパ構造で細くなった導波路コア４３の幅と同程度の幅を有するＳＷＷコア４６１が形成される。また、引き続き、ＳＷＷコア４６１の周辺にＳＷＷクラッド４６２が形成される。
　一方で、信号光は、図１１Ａに示すように、テーパ構造によってＭＦＤが拡大され、導波路のコアの幅よりも大きいＭＦＤを有する。その結果、光素子内を伝搬する信号光において、ＳＷＷに接続する際に損失が発生する。
　通常、ＳｉＰｈ等のシングルモード導波路の場合、光学的に異なる導波路間を遷移する光の接続損失は、それぞれの導波路の伝搬モードのＭＦＤの差によって決まる。また、ＭＦＤは、導波路のコアとクラッドとの屈折率差に若干影響を受けるが、伝搬する導波路のコアと同程度の大きさである。
　ＳＷＷ４６において、図１２に示すように、ＳＷＷコア４６１を伝搬する信号光の伝搬モードのＭＦＤは、ＳＷＷコア４６１の直径と同程度である。一方、光素子４０の端面の信号光のＭＦＤは、導波路コア４３よりも大きい。このように、信号光において、ＳＷＷコア４６１でのＭＦＤと導波路コア４３でのＭＦＤとが異なるため、それぞれの導波路間での接続損失が発生する。
　以上のように、従来の光素子端面に向かって導波路が細くなるＳＳＣを有する光素子に対して、ＳＷＷを可視光により形成すると、可視光と信号光との差異に起因する接続損失が発生する。これにより、従来の光素子を用いてＳＷＷを形成し光接続した光通信デバイスにおいては、接続損失が発生するという問題があった。
　上述したような課題を解決するために、本発明に係る光素子は、他の光素子と自己形成導波路を介して接続する光素子であって、順に、基板と、第１のクラッドと、前記第１のクラッドの屈折率より高い屈折率を有し、信号光と樹脂硬化光とが伝搬する導波路コアと、前記導波路コアの屈折率より低い屈折率を有する第２のクラッドとを備え、前記導波路コアの前記自己形成導波路と接続する側の先端が、前記第２のクラッドの端面で前記信号光のモードフィールド径と樹脂硬化光のモードフィールド径とが同程度になるように、前記第２のクラッドの端面と離れた位置に配置され、前記導波路コアの前記自己形成導波路と接続する側の先端と、前記第２のクラッドの端面との間に、前記第２のクラッドが配置されることを特徴とする。
　また、本発明に係る光素子の製造方法は、他の光素子と自己形成導波路を介して接続し、基板と、第１のクラッドと、前記第１のクラッドの屈折率より高い屈折率を有し、信号光と樹脂硬化光とが伝搬する導波路コアと、前記導波路コアの屈折率より低い屈折率を有する第２のクラッドとを備える光素子の製造方法であって、前記導波路コアと前記第１のクラッドと前記第２のクラッドそれぞれの構造を決定し、前記信号光と前記樹脂硬化光の波長を決定する工程と、前記構造において、前記導波路コアを伝搬し出射する前記信号光と前記樹脂硬化光それぞれのモードフィールド径を計算する工程と、前記導波路コアから出射する、前記信号光と前記樹脂硬化光それぞれのモードフィールド径が同程度である位置を、前記第２のクラッドの端面の位置に決定する工程と、前記基板の上に、順に、前記第１のクラッドの材料と、前記導波路コアの材料を堆積する工程と、前記構造と、前記第２のクラッドの端面の位置とに基づき、前記導波路コアの材料を前記導波路コアに加工する工程と、前記導波路コアを覆うように、前記第２のクラッドを形成する工程とを備える。
　本発明によれば、信号光の自己形成導波路（ＳＷＷ）との接続損失を低減できる光素子を提供できる。
図１Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る光素子の構成を示す上面透視概要図である。 図１Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る光素子の構成を示すＩＢ－ＩＢ’断面概要図である。 図１Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係る光素子の構成を示すＩＣ－ＩＣ’断面概要図である。 図２は、本発明の第１の実施の形態に係る光素子の構成の一例を示す上面透視概要図である。 図３Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る光集積素子の構成を示す上面透視概要図である。 図３Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る光集積素子の構成を示すＩＩＩＢ－ＩＩＩＢ’断面概要図である。 図４Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る光素子を伝搬する信号光と樹脂硬化光のモードフィールド径（ＭＦＤ）を説明するための導波路構造の模式図である。 図４Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る光素子を伝搬する信号光と樹脂硬化光のモードフィールド径（ＭＦＤ）を説明するための図である。 図４Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係る光素子を伝搬する信号光と樹脂硬化光のモードフィールド径（ＭＦＤ）を説明するための拡大図である。 図５は、本発明の第１の実施の形態に係る光素子の製造方法を説明するためのフローチャート図である。 図６Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る光素子の構成を示す上面透視概要図である。 図６Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る光素子の構成を示すＶＩＢ－ＶＩＢ’断面概要図である。 図７Ａは、本発明の第２の実施の形態に係る光集積素子の構成を示す上面透視概要図である。 図７Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係る光集積素子の構成を示すＶＩＩＢ－ＶＩＩＢ’断面概要図である。 図８は、本発明の第３の実施の形態に係る光素子と自己形成導波路との構成を示す上面透視概要図である。 図９は、本発明の第３の実施の形態に係る光素子におけるモードフィルタの構成を示す上面概要図である。 図１０Ａは、従来の光素子の構成を示す上面透視概要図である。 図１０Ｂは、従来の光素子の構成を示すＸＢ－ＸＢ’断面概要図である。 図１１Ａは、従来の光素子における信号光の光強度分布を説明するための図である。 図１１Ｂは、従来の光素子における樹脂硬化光の光強度分布を説明するための図である。 図１２は、従来の光素子と自己形成導波路との構成を示す上面透視概要図である。
＜第１の実施の形態＞
　本発明の第１の実施の形態に係る光素子について、図１～図５Ｂを参照して説明する。
＜光素子の構成＞
　本実施の形態に係る光素子は、図１Ａ～Ｃに示すように、順に、基板１１と、第１のクラッド１２と、導波路コア１３と、第２のクラッド１４とを備える。
　基板１１は、Ｓｉ基板である。
　第１のクラッド１２は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）である。
　導波路コア１３は、窒化シリコンであり、第１のクラッド１２上に配置される。導波路コア１３は、導波路コア１３の先端（自己形成導波路が形成される側の先端）１３１に向けて細くなるテーパ形状を有する。ここで、例えば、導波路コア１３の長さは３５０μｍであり、幅は８００ｎｍから１００ｎｍまで変化する。また、導波路コア１３は、ＳｉＯＮによって構成されてもよい。
　第２のクラッド１４は、酸化シリコンであり、導波路コア１３を覆うように配置される。
　導波路コア１３は、第２のクラッド１４の端面１４１の近傍に配置されない。すなわち、導波路コア１３の先端１３１の端面と、第２のクラッド１４の端面１４１との間に間隙（以下、「ＭＦＤ制御用間隙」という。）１５を有し、その間隔には第２のクラッド１４が配置される。
　本実施の形態では、導波路コア１３がテーパ形状を有する例を示したが、これに限らない。導波路コア１３が、先端１３１に一定幅の導波路１３２を有してもよい。例えば、導波路コア１３は、図２に示すように、図中点線１３３より導波路コア１３の先端１３１側において一定幅の形状であり、反対側においてテーパ形状でもよい。ここで、導波路コア１３の一定幅の導波路１３２では、信号光および樹脂硬化光はＭＦＤを変化させずに伝搬する。
＜光集積素子の構成＞
　本実施の形態に係る光集積素子１では、図３Ａ、Ｂに示すように、光素子１０が、ＳＷＷ１６を介して、他の光素子１０＿２と接続する。
　ＳＷＷ１６は、ＳＷＷコア１６１の周囲にＳＷＷクラッド１６２を有する。
　他の光素子１０＿２は、導波路素子や光ファイバ等であり、例えば、基板１１＿２と、第１のクラッド１２＿２と、導波路コア１３＿２と、第２のクラッド１４＿２とを備える。
　光素子１０の導波路コア１３を伝搬する光は、ＳＷＷコア１６１を介して、他の光素子１０＿２の導波路コア１３＿２と光学的に結合する。
　次に、本実施の形態に係る光素子におけるＭＦＤ制御用間隙１５について、計算結果を基に、図４Ａ～Ｃを参照して説明する。
　図４Ａに、計算に用いた導波路構造の模式図を示す。
　導波路（図中、斜線部）はＳｉＮで構成され、基端側の一定幅（幅８００ｎｍ）の導波路（ｘ＝０～ｘＴ１）と、テーパ形状の導波路（ｘ＝ｘＴ１～ｘＴ２）と、先端側の一定幅（幅１００ｎｍ）の導波路（ｘ＝ｘＴ２～ｘＬ）とから構成される。テーパ形状の導波路では、基端（ｘ＝ｘＴ１）の幅を８００ｎｍ、先端（ｘ＝ｘＴ２）の幅を１００ｎｍ、長さ（ｘ＝ｘＴ１～ｘＴ２）を３５０μｍとした。ここで、基端側の一定幅の導波路の長さ（ｘ＝０～ｘＴ１）を１０μｍ、先端側の一定幅の導波路の長さ（ｘ＝ｘＴ２～ｘＬ）を２０μｍとした。このように、導波路全体の長さ（ｘ＝０～ｘＬ）は３８０μｍである。
　導波路の先端から外部の領域（ｘ＝ｘＬ～ｘ１）を含めて、導波路構造以外の部分は、酸化シリコンで構成される。
　また、光源を導波路構造の中心軸Ｃ上で、基端から内側に１μｍの位置（ｘＲ＝１μｍ）に配置して、光源からの出射光が導波路断面に対する基底の伝搬モードで伝搬するとして計算した。
　計算は、２次元導波路構造について有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ：Ｆｉｎｉｔｅ　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　Ｔｉｍｅ　Ｄｏｍａｉｎ　Ｍｅｔｈｏｄ）法（製品名：「ＡＮＳＹＳ　Ｌｕｍｅｒｉｃａｌ　ＦＤＴＤ」）により行った。計算には、ＦＤＴＤ法以外に、固有モード展開（ＥＭＥ：Ｅｉｇｅｎｍｏｄｅ　Ｅｘａｎｓｉｏｎ）法を用いてもよい。
　伝搬する光（信号光と樹脂硬化光）の基底モードについて、信号光の波長を１５５０ｎｍ、樹脂硬化光の波長を５３２ｎｍとして計算した。
　信号光と樹脂硬化光それぞれについて、伝搬方向における各座標ｘでの光の強度分布を示す関数ｆ（ｙ）に対してガウシアンフィッティングを行うことにより、各ｘ座標におけるＭＦＤを計算した。ここで、ｙは、伝搬方向（ｘ方向）に垂直方向を示す（図中、矢印ｙ）。
　図４Ｂ、Ｃに、信号光と樹脂硬化光それぞれの伝搬方向でのＭＦＤの計算結果を示す。図４Ａに、導波路の基端から外部の領域（ｘ＝０～ｘ１＝０μｍ～４００μｍ）において、位置（座標）ｘでの信号光と樹脂硬化光それぞれのビーム径を示す。また、図４Ｂに、ｘ＝３５０μｍ～４００μｍの領域での拡大図を示す。
　図４Ａ、Ｂに示すように、信号光は、導波路のＳＳＣを伝搬するにしたがい、そのＭＦＤが拡大して、導波路の先端（ｘ＝３８０μｍ）から出射される。出射された信号光はクラッド（酸化シリコン）を伝搬するにしたがいそのＭＦＤが拡大する。
　一方、樹脂硬化光はＳＳＣ内を伝搬するにしたがい、そのＭＦＤは徐々に減少して、導波路の先端（ｘ＝３８０μｍ）から出射される。出射された樹脂硬化光はクラッド（酸化シリコン）を伝搬するにしたがいそのＭＦＤが拡大する。
　ここで、樹脂硬化光では、ＭＦＤが信号光よりも急激に拡大する。これは、上述の通り、波長が短い光の方が、波長が長い光より伝搬する際の単位伝搬距離あたりのビームの拡がりが大きいためである。
　その結果、図４Ａ、Ｂに示すように、伝搬する信号光と樹脂硬化光それぞれのビーム径が、所定の位置（座標ｘ’、ここではｘ’＝３８４μｍ）で一致する。
　そこで、所定の位置（座標ｘ’）を光素子の出射端面として、この端面からＳＷＷを形成すれば、出射端面における樹脂硬化光のＭＦＤとほぼ同等のＳＷＷのサイズと、信号光のＭＦＤがほぼ一致する。
　すなわち、光素子１０におけるＭＦＤ制御用間隙１５をｘＬ～ｘ’の長さ（ここでは、４μｍ）に設定することにより、光素子１０から出射する信号光のＭＦＤがＳＷＷのサイズと同程度となるので、信号光の接続損失が低減される。
　このように、本実施の形態に係る光素子１０では、光素子１０の出射端面１０１において信号光と樹脂硬化光それぞれのビーム径が同程度になるようにＭＦＤ制御用間隙１５を設定することにより、信号光と樹脂硬化光の波長の差異に起因する信号光のＳＷＷに対する接続損失を低減できる。
　ここで、ビーム径が同程度である範囲は、ビーム径が同じであることを含み、例えば、１～２μｍ程度の差がある場合も含む。光素子とＳＷＷと間での信号光の接続損失が光通信等における信号光の伝搬に支障が生じない程度の範囲であればよい。
　本実施の形態では、２次元導波路構造における計算結果を示したが、３次元導波路構造においても、ＦＤＴＤ法（製品名：「ＡＮＳＹＳ　Ｌｕｍｅｒｉｃａｌ　ＦＤＴＤ」）により、同様に計算できる。導波路コア構造（２μｍ以下の厚さ）と、信号光の波長と、樹脂硬化光の波長とを変化させて計算した結果、伝搬する信号光と樹脂硬化光それぞれのビーム径が、所定の位置（ＭＦＤ制御用間隙：１～２０μｍに相当）で一致する結果が得られる。
＜光素子の製造方法＞
　本実施の形態に係る光素子の製造方法を、図５を参照して説明する。
　まず、光素子におけるＭＦＤ制御用間隙１５を決定する。
　初めに、導波路コア１３と第１および第２のクラッド１２、１４の構造を決定する。また、信号光と樹脂硬化光の波長を決定する（ステップＳ１）。
　次に、決定された構造において、導波路コア１３を伝搬し出射する信号光と樹脂硬化光それぞれのＭＦＤ径を計算する（ステップＳ２）。
　次に、導波路コア１３から出射する、信号光と樹脂硬化光それぞれのＭＦＤ径が同程度である位置を、前記第２のクラッドの端面の位置に決定する。すなわち、ＭＦＤ制御用間隙１５を決定する（ステップＳ３）。
　次に、上記計算結果に基づき、光素子を製造する。
　まず、基板の上に下部クラッド（第１のクラッド）１２の材料を堆積する。引き続き、下部クラッド（第１のクラッド）１２の上に、導波路コア１３の材料を堆積する（ステップＳ４）。ここで、基板の材料としてはＳｉ、下部クラッドの材料としてはＳｉＯ２、導波路コア１３の材料としてはＳｉＮｘなどを用いることができる。
　次に、フォトリソグラフィを用いて、ＳｉＮｘを導波路コア１３に加工する（ステップＳ５）。フォトリソグラフィに用いるマスクパタンは、計算により得られた導波路コア１３の形状とＭＦＤ制御用間隙１５を基に作製される。
　最後に、導波路コア１３を覆うように、上部クラッド（第２のクラッド）１４を形成する（ステップＳ６）。上部クラッド（第２のクラッド）１４の材料に、例えばＳｉＯ２を用いる。
＜光集積素子の製造方法＞
　本実施の形態に係る光素子１０と、他の光素子（導波路素子）１０＿２とがＳＷＷ１６を介して接続される光集積素子１の製造方法の一例を、以下に説明する。
　初めに、光素子１０の端面１０１と他の光素子（導波路素子）１０＿２の端面を対向させて、所定の間隔をもって配置する。
　次に、ＳＷＷ材料（光硬化性樹脂）を、光素子の第２のクラッド１４の端面１４１と他の光素子（導波路素子）１０＿２の端面との間に充填（滴下）する。ここで、粘性が高い光硬化性樹脂を用いることにより、光硬化性樹脂を保持できる。
　次に、樹脂硬化光を、導波路コア１３に伝搬させ導波路コア１３の先端１３１から出射させ、さらに第２のクラッド１４に伝搬させ第２のクラッド１４の端面１４１から出射させる。
　引き続き、樹脂硬化光を光硬化性樹脂に照射する。その結果、光硬化性樹脂において樹脂硬化光が照射した領域が硬化して、ＳＷＷコア１６１になる。
　最後に、未硬化の光硬化性樹脂を除去した後に、その周囲にＳＷＷクラッド１６２を形成する。
　その結果、本実施の形態に係る光素子１０と他の光素子（導波路素子）１０＿２とが、ＳＷＷ１６を介して光接続して、光集積素子１が製造される（図３Ａ、Ｂ）。
　本実施の形態に係る光集積素子では、ＳＷＷ１６においてコア１６１の屈折率がクラッド１６２の屈折率より高ければ導波路として機能する。そこで、ＳＷＷコア１６１の周囲は、例えば空気でもよく、ＳＷＷクラッドを備えなくてもよい。この場合、上述の光集積素子の製造方法における最後の工程で、ＳＷＷクラッドを形成しなくてもよい。
＜効果＞
　本実施の形態に係る光素子によれば、ＳＷＷのサイズと信号光のＭＦＤとを同程度にできるので、光素子の導波路とＳＷＷとの間での信号光の接続損失を低減できる。
　実際のＳＷＷを伝搬する信号光のＭＦＤは、ＳＷＷのクラッドとコアの屈折率差によって影響を受ける。そこで、信号光のＭＦＤとＳＷＷ内の信号光の伝搬モードが一致するようにＳＷＷのクラッドの屈折率を調整し、ＳＷＷと光素子（チップ）の端面との境界で発生する損失を低減してもよい。
　また、ＳＷＷのコア径は、樹脂硬化光の強度に若干依存する。そこで、樹脂硬化光の強度の変化により光素子からＳＷＷへと遷移する信号光の損失を低減できる。
　ここで、所定の樹脂硬化光の強度以上でのみ、ＳＷＷを形成できる。一方、樹脂硬化光の強度が高すぎると、樹脂の発熱により気泡が生じるのでＳＷＷの形成に悪影響が生じる。そこで、ＳＷＷの形成に悪影響が生じる樹脂硬化光の強度より低い強度でＳＷＷを形成する必要がある。
　また、本実施の形態では、ＭＦＤ制御用間隙１５の長さを制御する必要がある。最適なＭＦＤ制御用間隙１５の値は、光素子の設計時に数値計算などにより事前に決定できる。その設計値を基に、作製した光素子（チップ）のＭＦＤ制御用間隙１５の調整のために、光素子にダイシングマーカとともに研磨用のマークを導波路パタンなどにより作製するとよい。これにより、光学顕微鏡などで研磨用マークを確認しながら光素子の端面を研磨して、ＭＦＤ制御用間隙１５の長さを効率よく制御できる。
　また、本実施の形態に係る光素子によれば、製造工程における歩留まりの向上でき、導波路損失を低減できる。
　詳細には、従来の光素子では、ＭＦＤを拡大するために先端の幅を細くする必要がある。しかしながら、導波路の幅が細くなると、製造プロセスにおける導波路幅の制御が困難になるとともに、導波路の側壁粗さによる光損失が増加する。
　一方、本実施の形態に係る光素子では、樹脂硬化光のみならず信号光もＭＦＤ制御用間隙を伝搬するときにＭＦＤが拡大する。したがって、光素子の導波路の先端の幅（ＳＳＣの幅）を、通常の光素子における導波路の先端の幅より広く設定しても、光素子の端面におけるＭＦＤを同等にできる。
　このように、本実施の形態に係る光素子によれば、導波路の幅を広く設定できるので、製造工程における歩留まりを向上でき、製造される導波路の側壁粗さによる光損失を低減できる。
　本実施の形態では、光素子におけるＭＦＤ制御用間隙の長さを４μｍに設定する例を示したが、ＭＦＤ制御用間隙の長さは導波路コアの形状、信号光および樹脂硬化光の波長に依存する。例えば、信号光の波長が１５５０ｎｍ、樹脂硬化光の波長が５３２ｎｍのときに、導波路コアのテーパ構造の長さが２００～５００μｍ、基端の幅が５００～１０００ｎｍ、先端の幅が５０～２００ｎｍの範囲において、ＭＦＤ制御用間隙の長さは２～１０μｍである。また、導波路コアのテーパ構造の長さが３５０μｍ以上、基端の幅が５００～１０００ｎｍ、先端の幅が５００ｎｍ以下、導波路コアの厚さが２μｍ以下のときに、信号光の波長が１２５０～１３５０ｎｍ、樹脂硬化光の波長が３８５～１５５０ｎｍの範囲において、ＭＦＤ制御用間隙の長さは１～１５０μｍである。
＜第２の実施の形態＞
　本発明の第２の実施の形態に係る光素子について、図６Ａ～図７Ｂを参照して説明する。
＜光素子の構成＞
　本実施の形態に係る光素子２０では、図６Ａ、Ｂに示すように、第１のクラッド１２と第２のクラッド１４との端面１２１、１４１が、基板１１の端面１１１よりも内側（導波路コア１３の先端１３１側）に位置する。すなわち、光素子２０の端部は段を有し、段の表面が基板１１の表面である。以下、この領域２１を、「ＳＷＷ領域」という。その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。
＜光集積素子の構成＞
　本実施の形態に係る光集積素子２では、図７Ａ、Ｂに示すように、光素子２０と他の光素子１０＿２とが、ＳＷＷ１６を介して接続される。このように、第１のクラッド１２の端面１２１と、第２のクラッド１４の端面１４１と、基板１１の上面と、前記他の光素子１０＿２の端面とに囲まれる領域、すなわちＳＷＷ領域２１に、ＳＷＷ１６が形成される。
　本実施の形態に係る光素子２０のＳＷＷ領域２１は、例えばウェハプロセスにより作製したマスクパタンによって、ＳＷＷ領域２１以外の領域を保護し、エッチングを施すことにより作製できる。このマスクパタンは、ウェハプロセスに用いられるような高精度（１μｍ以下）な位置決め技術によって作製される。
　したがって、第１の実施の形態におけるダイシングやマーカによる加工よりも、高精度にＭＦＤ制御用間隙１５を制御でき、より高歩留まりでＭＦＤを制御できる。
　また、本実施の形態に係る光素子２０のＳＷＷ領域２１における基板１１の表面上で、光素子１０の端面１０１（第１のクラッド１２の端面１２１と第２のクラッド１４の端面１４１）と、接続する他の光素子１０＿２の端面との間の空隙に、ＳＷＷ材料（樹脂）を充填できる。
　これにより、ＳＷＷ領域を有さない構造と比較して、ＳＷＷ１６の形成時にＳＷＷ材料（樹脂）を光素子２０の端面と他の光素子１０＿２の端面との間の空隙に、容易に充填して保持できる。
　本実施の形態では、ＳＷＷ領域における段の位置を基板の表面とする例を示したが、基板内部に位置してもよく、第１のクラッド内部に位置してもよい。
＜第３の実施の形態＞
　本発明の第３の実施の形態に係る光素子について、図８、９を参照して説明する。
＜光素子の構成＞
　本実施の形態に係る光素子３０は、図８に示すように、樹脂硬化光に対して機能するモードフィルタ３１を、導波路コア１３の基端側（先端１３１の反対側）に有する。ここで、モードフィルタ３１は、導波路コア１３に配置されればよい。
　また、本実施の形態に係る光集積素子３では、光素子３０が、ＳＷＷ１６を介して、他の光素子（図示せず）と接続する。
　モードフィルタ３１は、例えば、図９に示すように、ブラッググレーティングの幅変調構造を導波路コア１３の両方の側面に備える。グレーティングの構成は、例えば、導波路の幅は８００ｎｍであり、グレーティングの深さは４５ｎｍである。グレーティング周期が３２０ｎｍ、デューティ比（周期に対する凸部の長さの比率）が０．５である。
＜効果＞
　第１の実施の形態に係る光素子１０では、ＳＷＷを形成する際、樹脂硬化光におけるマルチモード化の影響により、ＳＷＷの形成条件に悪影響を及ぼすことがある。
　光素子１０の構造は、ＳｉＰｈなどに用いられる構造であり、導波路コア１３は信号光に対してシングルモード条件である。そのため、信号光より波長の短い樹脂硬化光に対して導波路コア１３はマルチモード導波路として振る舞う。
　マルチモード導波路の場合、光素子（チップ）の端部から複数の横モードの光が出射される。この場合、シングルモードの樹脂硬化光のみが伝搬する場合と比べて、異なるモードの樹脂硬化光が伝搬する。
　その結果、シングルモードのみの場合のＭＦＤ制御用間隙の長さと、マルチモードの場合のＭＦＤ制御用間隙の長さは異なる。したがって、シングルモードで設計した値に基づいてＭＦＤ制御用間隙を形成しても、マルチモードの樹脂硬化光によりＳＷＷが形成されるので、ＳＷＷのサイズを信号光のＭＦＤに一致させることができず、信号光の接続損失を低減できない。
　また、製造誤差によって生じる導波路側壁の粗さや屈折率分布の違いなどの摂動により、マルチモード導波路における横モードの発生具合などには変化が発生する。したがって、マルチモード導波路においてＭＦＤ制御用間隙を高歩留まりで制御することは困難である。
　さらに、ＳＷＷを形成する上では、単峰のガウシアン分布の強度分布を有する樹脂硬化光の方が、一定のコア径で成長する長尺（ｍｍ程度）のＳＷＷを形成できる。そこで、長尺のＳＷＷを形成するためには、樹脂硬化光のマルチモード化を抑制する必要がある。
　一方、本実施の形態に係る光素子では、モードフィルタを用いることで、マルチモード化の影響を抑制できる。
　本実施の形態に係る光素子では、導波路コア１３を伝搬する樹脂硬化光の高次の横モードは、モードフィルタにより強い散乱を受ける。これにより、導波路コア１３の出射端面における樹脂硬化光の光強度をガウシアン分布またはガウシアン分布に近いものにすること（シングルモード化）ができる。
　本実施の形態に係る光素子におけるモードフィルタは、導波路コア１３を伝搬する樹脂硬化光の最低次の横モード以外に対して、大きな損失を与えることができる。したがって、製造誤差により樹脂硬化光がマルチモード化しても、高歩留まりで最低次の横モードのみを導波路コア１３の先端１３１から出射できる。すなわち、光強度がコア中心で高く、コアの側面に向かうに従い減少する分布を有する樹脂硬化光を出射させる光素子を提供できる。
　本実施の形態に係る光素子によれば、第１の実施の形態の効果に加えて、樹脂硬化光の光強度分布をガウシアン分布またはガウシアン分布に近いものにできるので、高精度でＳＷＷを形成でき、長尺かつ一定コア直径の形状で低損失のＳＷＷコアを形成することができる。したがって、光素子の導波路とＳＷＷとの間での信号光の接続損失を、さらに低減できる。
　本実施の形態では、モードフィルタとして、グレーティングが導波路コアの側面に形成される例を示したが、導波路コアの上面に形成されてもよい。
　また、導波路コア１２の材料以外の材料のグレーティング、例えばアルミニウム（Ａｌ）等の金属からなる金属回折格子（グレーティング）を用いてもよい。
　また、グレーティングにおいて、凹凸は周期的に配置されなくてもよく、凹凸がランダムに配置され、導波路幅がランダムに変調される構成でもよい。また、凹凸形状でなく、波形の形状でもよい。
　また、モードフィルタとして、曲げ導波路を用いてもよい。曲げ導波路では伝搬する光の高次モードの放射損失が大きいので、マルチモード化を抑制できる。その他、導波路を伝搬する樹脂硬化光のマルチモード化を抑制する構造を用いてもよい。
　本発明の実施の形態に係る光素子は、樹脂硬化光に対して透明な材料で構成される光導波路が基板上に形成された構造に適用できる。例えば、平面光波回路（ＰＬＣ：　ｐｌａｎａｒ　ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ）に対して適用できる。
　本発明の実施の形態では、光素子の構成、製造方法などにおいて、各構成部の構造、寸法、材料等の一例を示したが、これに限らない。光素子の機能を発揮し効果を奏するものであればよい。
  本発明は、光素子を接続するための光素子、光集積素子および光素子の製造方法に関するものであり、光通信デバイス、光通信ネットワークシステムに適用することができる。
１０　光素子
１０＿２　他の光素子
１１　基板
１２　第１のクラッド
１３　導波路コア
１３１　導波路コアの先端が、
１４　第２のクラッド
１４１　第２のクラッドの端面
１６　自己形成導波路

Claims (6)

  1. 　他の光素子と自己形成導波路を介して接続する光素子であって、
    　順に、
    　基板と、
    　第１のクラッドと、
    　前記第１のクラッドの屈折率より高い屈折率を有し、信号光と樹脂硬化光とが伝搬する導波路コアと、
    　前記導波路コアの屈折率より低い屈折率を有する第２のクラッドと
    　を備え、
    　前記導波路コアの前記自己形成導波路と接続する側の先端が、前記第２のクラッドの端面で前記信号光のモードフィールド径と樹脂硬化光のモードフィールド径とが同程度になるように、前記第２のクラッドの端面と離れた位置に配置され、
    　前記導波路コアの前記自己形成導波路と接続する側の先端と、前記第２のクラッドの端面との間に、前記第２のクラッドが配置される
    　ことを特徴とする光素子。
  2. 　前記第１のクラッドの端面と、前記第２のクラッドの端面とが、前記基板の端面より前記導波路コアの先端側に位置し、
    　前記第１のクラッドの端面と、前記第２のクラッドの端面と、前記基板の上面と、前記他の光素子の端面とに囲まれる領域に、前記自己形成導波路が形成される
    　ことを特徴とする請求項１に記載の光素子。
  3. 　前記導波路コアが、モードフィルタを備える
    　ことを特徴とする請求項１に記載の光素子。
  4. 　前記導波路コアが、モードフィールド変換部を備える
    　ことを特徴とする請求項１に記載の光素子。
  5. 　請求項１に記載の光素子と、
    　前記自己形成導波路を介して接続される前記他の光素子と
    　を備える光集積素子。
  6. 　他の光素子と自己形成導波路を介して接続し、基板と、第１のクラッドと、前記第１のクラッドの屈折率より高い屈折率を有し、信号光と樹脂硬化光とが伝搬する導波路コアと、前記導波路コアの屈折率より低い屈折率を有する第２のクラッドとを備える光素子の製造方法であって、
    　前記導波路コアと前記第１のクラッドと前記第２のクラッドそれぞれの構造を決定し、前記信号光と前記樹脂硬化光の波長を決定する工程と、
    　前記構造において、前記導波路コアを伝搬し出射する前記信号光と前記樹脂硬化光それぞれのモードフィールド径を計算する工程と、
    　前記導波路コアから出射する、前記信号光と前記樹脂硬化光それぞれのモードフィールド径が同程度である位置を、前記第２のクラッドの端面の位置に決定する工程と、
    　前記基板の上に、順に、前記第１のクラッドの材料と、前記導波路コアの材料を堆積する工程と、
    　前記構造と、前記第２のクラッドの端面の位置とに基づき、前記導波路コアの材料を前記導波路コアに加工する工程と、
    　前記導波路コアを覆うように、前記第２のクラッドを形成する工程と
    　を備える光素子の製造方法。
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