JP7401823B2 - 光導波路部品およびその製造方法 - Google Patents

Description

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ＳｉＯ_２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、ＳｉＯ_Ｘをコア、ＳｉＯ_２をクラッド材料とする石英系光導波路や、ポリマー材料をコア、クラッド材料とするポリマー光導波路などが用いられる。これら平面光導波路の材料の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ｎ_１、ｎ_２、ｎ_３の関係が、第１の材料の屈折率ｎ_１が最も高く、第３の材料の屈折率ｎ_３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ｎ_１、ｎ_２、ｎ_３に、次式が成立していれば良い。
ｎ_１ ＞ ｎ_２ ＞ ｎ_３ 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ＳｉＯ_２、第３の材料が相対的に屈折率の低いＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２ ＞ 低屈折率ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２、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ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２コア部１０３－１ｂが作製されている。

第２の光導波路１２０は、ＳｉＯ_２層１０２上のＳｉＯ_２コア１０３を備え、側面図を参照すればＳｉＯ_２コア１０３は上側のＳｉＯ_２コア部１０３－２ｂと、下側のＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２領域の全体を指すものとする。ＳｉＯ_２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、ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２コア１０３の内、下層のコア部１０３－１ａ、１０３－２ａのＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２コア１０３の内、上層のコア部１０３－１ｂ、１０３－２ｂのＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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 → ＳｉＯ_２コア１０３ → ＳｉＯ_２クラッド１０２、１０５の関係となる。すなわちＳｉＯ_２コア部１０３－２ａ、１０３－２ｂの屈折率は、ＳｉＯ_２層１０２およびＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２層１０２およびＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２層１０２、１０５の屈折率が、第２の光導波路のＳｉＯ_２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、ＳｉＯ_２コア部１０３－１ａをアンダークラッド、Ｓｉコア１０４をコア、ＳｉＯ_２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、ＳｉＯ_２層１０２をアンダークラッド、ＳｉＯ_２コア１０３をコア、ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２コア部１０３－１ａとＳｉＯ_２コア部１０３－１ｂの間に挟まれており、さらにＳｉコア１０４の幅はＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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、ＳｉＯ_２コア部１０３－１による内側クラッド、さらにＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２コア部１０３－１ａのアンダークラッドおよび第３の材料のＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２層１０２およびオーバークラッドのＳｉＯ_２層１０５の厚さは、第２の光導波路１２０のＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２層１０３－１ａ、１０３－２ａの厚さを、ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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、ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２層を成膜可能な程度に表面が平滑な基板１０１の上に、ＳｉＯ_２層１０２（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。ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２層の成膜方法がある。ＳｉＯ_２層１０２の直上には、ＳｉＯ_２層１０２よりも高い屈折率を有するＳｉＯ_２層２０３－ａ（第２の層）を形成する。ＳｉＯ_２層２０３－ａの形成にあたっては、ＧｅＯ_２、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、Ｐ_２Ｏ_５やＢ_２Ｏ_３などを添加することでその屈折率を制御しても良い。ＳｉＯ_２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、ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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（ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２層、すなわちＳｉＯ_２層１０２およびＳｉＯ_２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、ＳｉＯ_２層２０３－ａおよびＳｉコア１０４の直上に、ＳｉＯ_２層２０３－ｂ（第４の層）を形成する。このＳｉＯ_２層２０３－ｂは、ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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、ＳｉＯ_２層２０３－ａとＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２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ＳｉＯ_２コア１０３の幅が広いことが望ましい。これは、ＳｉＯ_２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、ＳｉＯ_２コア１０３よりも低い屈折率を有するＳｉＯ_２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 (5)

1. 基板の上に、
   複数の第１の光導波路と、
   前記第１の光導波路とは異なるモードフィールド径（ＭＦＤ）を持ち、前記第１の光導波路と光学的に結合した、対応する複数の第２の光導波路とを有する光導波路部品であって、
   前記複数の第２の光導波路は、前記複数の第１の光導波路とは異なる間隔で配置されており、前記複数の第１の光導波路と前記複数の第２の光導波路の間に、導波路間間隔を拡張する領域を有し、
   前記複数の第１の光導波路の各々は、
   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み、
   前記複数の第２の光導波路の各々は、
   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のコアの間に形成された、第３の材料による下側クラッド、および、前記第２のコアの上に形成された上側クラッドを含み、
   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く、
   前記第１のコアの先端部は、前記第１のコアが断続的に形成されたセグメント構造を有し、前記第１の光導波路を伝搬する光信号のＭＦＤを変化させるスポットサイズ変換領域を構成しており、
   前記第１の光導波路の前記第１のコアから延長して形成された第３のコア、および、前記第１の光導波路の前記第１のコアの下に形成された前記クラッドから延長して形成された下側クラッドのみを含む、前記スポットサイズ変換領域の外に形成された第３の光導波路をさらに備えた
   ことを特徴とする光導波路部品。
2. 前記第３の光導波路は、
   前記第３のコアの上が、前記第２の光導波路の前記上側クラッドから延長して形成された上側クラッドでさらに覆われてい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または２に記載の光導波路部品。
4. 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乃至３いずれかに記載の光導波路部品。
5. 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、ＳｉＯ_X、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４いずれかに記載の光導波路部品。

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