光導波路素子及びその製造方法
【課題】光導波路素子について、コアの寸法を大きくし、かく曲率半径を小さくする。
【解決手段】基板２０上に、第１クラッド層３０、導波路層４０及び第２クラッド層５０を順に備えている。導波路層４０は、コア４２と、コア４２を水平方向に挟む位置に設けられたサイドクラッド４４を備えている。第１クラッド層３０及び第２クラッド層５０の屈折率は、コア４２の屈折率より低く、かつ、サイドクラッド４４の屈折率は、コア４２、第１クラッド層３０及び第２クラッド層５０の屈折率よりも低い。
【解決手段】基板２０上に、第１クラッド層３０、導波路層４０及び第２クラッド層５０を順に備えている。導波路層４０は、コア４２と、コア４２を水平方向に挟む位置に設けられたサイドクラッド４４を備えている。第１クラッド層３０及び第２クラッド層５０の屈折率は、コア４２の屈折率より低く、かつ、サイドクラッド４４の屈折率は、コア４２、第１クラッド層３０及び第２クラッド層５０の屈折率よりも低い。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光導波路素子及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光を閉じ込め伝播させる光導波路の構造は、これまで多く提案されている。代表的な例として、電気光学結晶であるＬｉＮｂＯ３基板にＴｉを拡散させて屈折率を上昇させて形成されたもの、この結晶にプロトンを導入して形成されたもの、あるいは、石英系材料又は化合物半導体の組成を変えて積層されたものなどが知られている。
【０００３】
近年では、コアにシリコン材料を用い、周囲を低屈折率物質である石英などで囲む光導波路構造が、極めて小さい曲率半径を実現できることなどで、大きな注目を集めている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
しかし、特許文献１に開示されている光導波路は、単一モード条件を満たすように、コアの幅及び高さが３００ｎｍ程度で形成されている。このため、製造において、最先端のリソグラフィ技術が必要になるなど、製造が困難になるとともに、光を光導波路へ入射させる際にも、コアの寸法に比例して要求される入力位置精度が厳しくなる。
【０００５】
これに対し、光導波路を石英系の素材を用いたリッジ構造とし、コアの両側を空気層とする構造が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２に開示されている技術によれば、コアとその周囲の空気の屈折率差が大きいため、単一モード条件を実現する寸法が大きくなり、この結果、コアの寸法を特許文献１の構造よりも大きくした場合であっても、大きな曲率、すなわち小さな曲率半径を実現可能にする。ここで、特許文献２に開示されている構造では、基板への伝播光の損失を減らすためには、基板の屈折率を伝播光に対する等価屈折率よりも充分低くする必要がある。
【０００６】
この基板への伝播光の損失を減らすために、高屈折率の膜を数層、コアの下部と基板との間に設ける技術が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【特許文献１】米国特許第５，８３８，８７０号明細書
【特許文献２】特許第３７５５９６１号公報
【非特許文献１】Ｄ．Ｄａｉ ｅｔ ａｌ．、“Ａ Ｍｉｎｉｍｉｚｅｄ ＳｉＯ２ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｗｉｔｈ ａｎ Ａｎｔｉｒｅｓｏｎａｎｔ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ Ｌａｒｇｅ−Ｓｃａｌｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｓ”， ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ．１９ Ｎｏ．１０ ｐｐ．７５９−７６１， Ｍａｙ １５ ２００７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、非特許文献１に開示されている構造は、製造にあたり多層膜を基板上に形成する作業プロセスが必要になるなど、工程が煩雑になる。また、リッジ状の光導波路を形成するために長時間のドライエッチング工程が行われるので、電子回路を形成した基板上に光導波路を作成する用途には、電子回路がドライエッチング工程で受けるダメージを考えると、不向きである。
【０００８】
この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、コアの寸法が大きく、かつ曲率半径の小さい光導波路を有する光導波路素子及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した目的を達成するために、この発明の第１の要旨によれば、第１クラッド層と、第２クラッド層と、第１クラッド層及び第２クラッド層の間に設けられた導波路層とを備える光導波路素子が提供される。
【００１０】
この光導波路素子では、導波路層は、コアと、コアを水平方向に挟む位置に設けられたサイドクラッドとを備えて構成されている。第１クラッド層及び第２クラッド層の屈折率は、コアの屈折率よりも低い。また、サイドクラッドの屈折率は、第１クラッド層及び第２クラッド層の屈折率よりも低い。
【００１１】
この発明の光導波路素子の好適な実施形態によれば、第１クラッド層は、コアと接する部分に第１凸部を有しており、コアの、第１凸部と接する部分の面積は、第１凸部と接する側の面積より小さい。また、第２クラッド層は、コアと接する部分に第２凸部を有しており、コアの、第２凸部と接する部分の面積は、第２凸部と接する側の面積より小さい。
【００１２】
上述した光導波路素子の実施にあたり、好ましくは、コアを伝播する光の基本モードについて、コアにおける等価屈折率が、第１クラッド層及び第２クラッド層における等価屈折率よりも高く、かつ、コアを伝播する光の高次モードについて、コアにおける等価屈折率が、第１クラッド層及び第２クラッド層における等価屈折率よりも低く設定するのが良い。
【００１３】
また、上述した目的を達成するために、この発明の第２の要旨によれば、第１〜ｎ＋１クラッド層（ｎは２以上の整数）と、第ｋクラッド層と第ｋ＋１クラッド層の間に設けられた第ｋ導波路層（ｋは１以上ｎ以下の整数）とを備える光導波路素子が提供される。
【００１４】
この光導波路素子では、第ｋ導波路層は、第ｋコアと、第ｋコアを水平方向に挟む位置に設けられた第ｋサイドクラッドとを備えて構成されている。第ｋクラッド層及び第ｋ＋１クラッド層の屈折率は、第ｋコアの屈折率よりも低い。また、第ｋサイドクラッドの屈折率は、第ｋクラッド層及び第ｋ＋１クラッド層の屈折率よりも低い。
【００１５】
この発明の光導波路素子の好適な実施形態によれば、第ｋクラッド層は、第ｋコアと接する部分に第ｋ凸部を有しており、第ｋコアの、第ｋ凸部と接する部分の面積は、第ｋ凸部と接する側の面積より小さい。また、第ｋ＋１クラッド層は、第ｋコアと接する部分に第ｋ＋１凸部を有しており、第ｋコアの、第ｋ＋１凸部と接する部分の面積は、第ｋ＋１凸部と接する側の面積より小さい。
【００１６】
上述した光導波路素子の実施にあたり、好ましくは、第ｋコアを伝播する光の基本モードについて、第ｋコアにおける等価屈折率が、第ｋクラッド層及び第ｋ＋１クラッド層における等価屈折率よりも高く、かつ、第ｋコアを伝播する光の高次モードについて、第ｋコアにおける等価屈折率が、第ｋクラッド層及び第ｋ＋１クラッド層における等価屈折率よりも低く設定するのが良い。
【００１７】
また、上述した目的を達成するために、この発明の第３の要旨によれば、以下の工程を有する光導波路素子の製造方法が提供される。先ず、基板上に、第１クラッド層を形成する。次に、第１クラッド層上に、コア形成層を形成した後パターニングを行って、コアとコアを水平方向に挟む位置にサイドクラッドを有する導波路層を形成する。次に、導波路層上に、第２クラッド層を形成する。このとき、第１クラッド層及び第２クラッド層の屈折率を、コアの屈折率よりも低くする。
【００１８】
上述した光導波路素子の製造方法の実施に当たり、好ましくは、第１クラッド層のコアと接する側の面に第１凸部を形成する工程と、第２クラッド層のコアと接する側の面に第２凸部を形成する工程とを備えるのが良い。このとき、コアの、第１凸部と接する部分の面積を、第１凸部と接する側の面積より小さくし、また、コアの、第２凸部と接する部分の面積を、第２凸部と接する側の面積より小さくする。
【００１９】
また、上述した目的を達成するために、この発明の第４の要旨によれば、以下の工程を有する光導波路素子の製造方法が提供される。まず、基板上に、第１クラッド層を形成する。次に、第ｋクラッド層上に、第ｋコア形成層を形成した後パターニングを行って、第ｋコアと第ｋコアを挟む位置に第ｋサイドクラッドとを有する第ｋ導波路層を形成する工程と、第ｋ導波路層上に、第ｋ＋１クラッド層を形成する工程とをｋを１からｎまで順次に変えて繰り返し行う。このとき、第ｋクラッド層及び第ｋ＋１クラッド層の屈折率を、第ｋコアの屈折率よりも低くする。
【００２０】
上述した光導波路素子の製造方法の実施に当たり、好ましくは、第ｋクラッド層の第ｋコアと接する側の面に第ｋ凸部を形成する工程と、第ｋ＋１クラッド層の第ｋコアと接する側の面に第ｋ＋１凸部を形成する工程とを備えるが良い。このとき、第ｋコアの、第ｋ凸部と接する部分の面積を、第ｋ＋１凸部と接する側の面積より小さくし、また、第ｋコアの、第ｋ＋１凸部と接する部分の面積を、第ｋ＋１凸部と接する側の面積より小さくする。
【発明の効果】
【００２１】
この発明の光導波路素子によれば、コアの上下にクラッド層を設けているので、コアの厚みを０に近づけていくと、基本モードの導波光は、平面波に漸近していき、常に光導波路内に導波光が存在する伝播状態が存在する。従って、基本モードのカットオフ条件が緩和される。
【００２２】
また、基本モードのカットオフ条件が緩和されれば、基本モードのみを伝播する寸法範囲が増加する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。
【００２４】
（第１実施形態）
図１を参照して、第１実施形態の光導波路素子の構造について説明する。図１は、光導波路素子の構造を説明するための図であって、光導波方向に直角方向の面で切った切断端面を示している。
【００２５】
光導波路素子１０は、基板２０上に、第１クラッド層３０、第１導波路層（以下、第１導波路層を単に導波路層と称することもある。）４０及び第２クラッド層５０を順に備えている。すなわち、導波路層４０は、下部クラッドとして用いられる第１クラッド層３０と、上部クラッドとして用いられる第２クラッド層５０の間に設けられている。
【００２６】
基板２０として、例えば、シリコン基板が用いられる。ここで、基板２０には、トランジスタ、抵抗素子などの回路素子を備える任意好適な電子集積回路（図示を省略する。）や受光素子（図示を省略する。）などが形成されている。例えば、使用する波長が０．８5μｍ程度の場合、シリコン材料を受光素子として使用することができる。
【００２７】
第１クラッド層３０及び第２クラッド層５０の材料として、例えば、石英、スピンオンガラス（ＳＯＧ：Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）、感光性のゾルゲル材料などを用いることができる。感光性のゾルゲル材料には、ＪＳＲ社製のＰＪ５０１０（型番）、ＰＪ５０２３（型番）がある。これらの材料の屈折率は１．４〜１．６程度である。
【００２８】
導波路層４０は、第１コア（以下、第１コアを単にコアと称することもある。）４２と、コア４２を水平方向に挟む位置に設けられた第１サイドクラッド（以下、第１サイドクラッドを単にサイドクラッドと称することもある。）４４を備えている。
【００２９】
コア４２の材料として、例えば、無機材料である、石英中にゲルマニウム（Ｇｅ）やチタン（Ｔｉ）を添加したもの、酸化シリコン（Ｓｉ１−ｘＯｘ）、窒化シリコン（Ｓｉ１−ｘＮｘ）、又は、有機材料である感光性ポリマーを用いることができる。これらの材料の屈折率は１．５〜１．７程度である。
【００３０】
ここで、第１クラッド層３０及び第２クラッド層５０の屈折率を、コア４２の屈折率よりも低くする。
【００３１】
サイドクラッド４４は、コア４２、第１クラッド層３０及び第２クラッド層５０よりも屈折率が低い材料で形成される。例えば、サイドクラッド４４を空気層で構成しても良い。すなわち、導波路層４０のコア４２以外の領域が、空気で満たされる構成とすることができる。
【００３２】
次に、図２及び３を参照して、コア４２の設計条件について説明する。
【００３３】
図２は、規格化周波数とコアの等価屈折率の関係を示す図である。図２では、横軸に規格化周波数２πＷ（ＮＷ２−１．０）１／２／λを取って示し、縦軸に、等価屈折率ｎｅｆｆを取って示す。
【００３４】
ここで、Ｗはコア４２の幅を示し、λはコアを伝播する光の波長を示し、ＮＷはコア４２の屈折率を示している。また、ここでは、コア４２の厚みを充分厚いものとしている。
【００３５】
図２中、曲線Ｉは、基本モードに対する、コア４２の等価屈折率を示し、曲線ＩＩは、高次モードに対する、コア４２の等価屈折率を示している。また、クラッドの等価屈折率ｎｅｆｆＣを１．４６としている。
【００３６】
基本モードの光に対するコア４２の等価屈折率ｎｅｆｆＷが、クラッドの等価屈折率ｎｅｆｆＣよりも大きい場合は、基本モードの光がコア４２を伝播できる。同様に、高次モードの光に対するコア４２の等価屈折率ｎｅｆｆＷが、クラッドの等価屈折率ｎｅｆｆＣよりも大きい場合は、高次モードの光がコア４２を伝播できる。
【００３７】
従って、規格化周波数２πＷ（ＮＷ２−１．０）１／２／λを、基本モードの光がコア４２を伝播し、高次モードの光がコア４２を伝播しないように設定すれば、コアが基本モードの光のみを伝播する、シングルモード条件が満たされる。
【００３８】
すなわち、シングルモード条件を満足させるためには、基本モードの光に対するコア４２の等価屈折率ｎｅｆｆＷが、クラッドの等価屈折率ｎｅｆｆＣと等しくなる周波数をｆ１とし、高次モードの光に対するコア４２の等価屈折率ｎｅｆｆＷが、クラッドの等価屈折率ｎｅｆｆＣと等しくなる周波数をｆ２としたときに、規格化周波数２πＷ（ＮＷ２−１．０）１／２／λを、ｆ１より大きくｆ２より小さい値に設定すれば良い。
【００３９】
図３は、コア４２の屈折率ＮＷと、コア４２の幅Ｗの関係を示す図である。図３では、横軸に、コア４２の屈折率ＮＷを取って示し、縦軸にコア４２の幅を光波長λで規格化して示している。
【００４０】
図３中、白丸（○）は、シングルモード条件を満たす最小の幅Ｗを示している。このシングルモード条件を満たす最小の幅Ｗは、図２に示す周波数ｆ１に対応して定まる。また、図３中、白四角（□）は、シングルモード条件を満たす最大の幅Ｗを示している。このシングルモード条件を満たす最大の幅Ｗは、図２に示す周波数ｆ２に対応して定まる。コア４２の幅Ｗが、この○と□の間（図中、Ｉで示す範囲）にあるとき、シングルモード条件が満たされる。ここでは、コア４２の厚みＴが充分大きいものとしている。
【００４１】
コア４２を曲線導波路とする場合、伝播中の光の損失を抑えるためには、コア４２の屈折率を第１クラッド層３０及び第２クラッド層５０に対して充分大きい必要がある。しかし、図３の○及び□が示すように、コア４２の屈折率を大きくすると、コア４２の幅を小さくする必要がある。この場合、コア４２の屈折率が１．６であるとき、コア４２の幅Ｗが、０．７λ程度になる。
【００４２】
図３には、さらにコア４２の厚みＴを有限とした場合のコア４２の幅Ｗが示されている。ここではコア４２の厚みＴとコア４２の幅Ｗとを等しい値としている。すなわち、コア４２の、当該コア４２内での光の導波方向に直角な断面形状は、正方形状である。図３中、黒丸（●）は、コア４２の厚みＴが有限な場合の、シングルモード条件を満たすコア４２の最小の幅を示している。図３中、黒四角（■）は、コア４２の厚みＴが有限な場合の、シングルモード条件を満たすコア４２の最大の幅を示している。このコア４２の厚みＴが有限な場合のシングルモード条件を満たすコア４２の幅は、差分法（ＦＤＭ：Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｍｅｔｈｏｄ）により計算される。
【００４３】
コア４２の幅Ｗのシングルモード条件を満たす範囲は、●と■の間（図中、ＩＩで示す範囲）である。この範囲は、Ｉで示す、コア４２が充分厚いときに比べてやや狭くなる。しかし、例えば、屈折率Ｎｗが１．６のとき、規格化されたコア４２の幅Ｗ／λが０．８λ〜１．２λの範囲でシングルモード条件が満たされ、例えば、波長λが０．８５μｍであれば、１μｍ角のコア４２が実現できる。
【００４４】
例えば、上部クラッドである第２クラッド層が無い場合、導波光が空気などの低屈折率部分の影響を受けるため、等価屈折率が低下する。このことから、コア４２の材料として、より屈折率の高い材料を用いる必要があり、材料選定が難しくなる。これに対し、本発明の上部クラッドを有する構成では、等価屈折率の低下を防ぐことができる。
【００４５】
また、下部クラッド、コア及び上部クラッドを上下対称の構造にして、コアの厚みを０に近づけていくと、基本モードの導波光は、平面波に漸近していく。この平面波には、カットオフ状態が存在しないため、シングルモード条件が緩和され、その結果、シングルモード条件を満たす寸法範囲が増加する。
【００４６】
また、上部クラッドが存在しない構成では、光界分布の中心が下部クラッドに引っ張られるため、クラッドを伝播する成分が増え、この結果、コアを伝播中の光の損失が増加する。これに対し、本発明の上部クラッドを有する構成では、光界分布の中心がコアの中心付近となるため、クラッドを伝播する成分が減り、この結果、コアを伝播中の光の損失が減少する。
【００４７】
上述した構成で、小さな曲率半径Ｒを実現できるのは、コアとサイドクラッドの屈折率差が充分大きければ、コアを伝播する光が放射光に変換されにくいことを利用している。例えば曲率半径Ｒを１０μｍ程度にするためには、コアを石英とし、サイドクラッドを空気とすれば充分である。これは、光を直角方向に曲げるのに、石英と空気の界面が使用できることから、類推できる。
【００４８】
次に、図４を参照して、第１実施形態の光導波路素子の製造方法について説明する。図４は、第１実施形態の光導波路素子の製造方法を説明するための工程図であって、図１と同様に、光導波方向に直角方向の面で切った切断端面を示している。
【００４９】
この光導波路素子の製造方法は、以下の工程を備えている。先ず、基板２０として例えばシリコン基板を用意する。なお、基板２０には、トランジスタ、抵抗素子などを有する電子集積回路や、受光素子などを形成しても良い。
【００５０】
次に、基板２０上に、第１クラッド層３０として、例えば、感光性ゾルゲル材料を用いたＳｉＯ２膜を形成する（図４（Ａ））。
【００５１】
次に、第１クラッド層３０上に感光性ポリマーを塗布することにより、コア形成層４１を形成する（図４（Ｂ））。
【００５２】
次に、コア形成層４１をパターニングしてコア４２を形成する。このパターニングは、コア形成層４１の材質に応じて、任意好適な方法で行えば良い。例えば、コア形成層を感光性ポリマーで形成した場合は、フォトリソグラフィ法を用いることができる。また、コア形成層が感光性を有していない場合は、コア形成層上にマスクパターンを形成した後、従来周知のウェットエッチングを行えば良い（図４（Ｃ））。
【００５３】
次に、第２クラッド層５０をコア４２上に任意好適な手段を用いて貼り付ける（図４（Ｄ））。
【００５４】
（第２実施形態）
図５を参照して、第２実施形態の光導波路素子の構造について説明する。図５は、第２実施形態の光導波路素子の構造を説明するための図であって、光導波方向に直角方向の面で切った切断端面を示している。
【００５５】
第２実施形態の光導波路素子１１は、第１クラッド層３２が、第１凸部３４を備え、第２クラッド層５２が、第２凸部５４を備える点が、第１実施形態の光導波路素子と異なっていて、それ以外は、同様である。従って、重複する説明は省略する。
【００５６】
第１凸部３４は、第１クラッド層３２の、コア４２と接する側の表面付近に形成されている。コア４２の、第１凸部３４と接する部分の面積は、コア４２の第１凸部３４と接する側の面積より小さい。この結果、コア４２と第１クラッド層３２の間に、サイドクラッド４６が入り込むように設けられる（図中、Ａで示す）。
【００５７】
この第１凸部３４は、例えば、以下のように形成することができる。この場合、第１クラッド層をＳｉＯ２膜で形成し、コア４２をレジストで形成する。ＳｉＯ２はフッ酸に溶解するが、レジストは溶解しない。そこで、コア４２側から、第１クラッド層３２を溶解させる。このとき、コア４２が形成された部分の第１クラッド層についても、一部、サイドエッチされる。
【００５８】
同様に、第２凸部５４は、第２クラッド層５２の、コア４２と接する側の表面付近に形成されている。コア４２の、第２凸部５４と接する部分の面積は、コア４２の第２凸部５４と接する側の面積より小さい。この結果、コア４２と第２クラッド層５２の間に、サイドクラッド４６が入り込むように設けられる。
【００５９】
この第２凸部５４は、第１凸部３４と同様に形成することができる。
【００６０】
このように構成すると、コア４２から、第１クラッド層３２及び第２クラッド層５２に染み出す導波光の成分が減少する。この結果、光の伝播ロスを第１実施形態の構成よりもさらに抑制できる。このため、曲率半径の小さい光導波路を実現するのに好適である。
【００６１】
図６を参照して、第２実施形態の動作について説明する。図６は、図５を第２実施形態の光導波路素子の動作を説明するための特性図であって、３次元ベクトルビーム伝播（ＢＰＭ：Ｂｅａｍ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）法によるシミュレーション結果を示している。
【００６２】
図６は、横軸に曲率半径Ｒ（単位：μｍ）を取って示し、縦軸に出力光強度を取って示している。ここで、出力光強度は、入力光強度を１としたときの相対的な大きさである。
【００６３】
このシミュレーションでは、コア４２の幅Ｗ及び厚みＴを共に１μｍとしている。また、サイドエッチの部分は、幅０．１μｍ、高さ０．５μｍとする。
【００６４】
コアの屈折率を１．６、クラッドを石英、サイドクラッドを空気としている。導波路の曲率半径Ｒが１０μｍ以上になると、光の損失の屈折率依存性が無くなり、曲線導波路による損失が抑制されていることがわかる。ここで、出力が１より小さい値を取るのは、光導波路への光の入力における結合損失による。
【００６５】
（第３実施形態）
図７を参照して、第３実施形態の光導波路素子の構造について説明する。図７は、第３実施形態の光導波路素子の構造を説明するための図であって、光導波方向に直角方向の面で切った切断端面を示している。
【００６６】
第３実施形態の光導波路素子１２は、基板２０上に、クラッド層３０（３０−１、３０−２、…）と導波路層４０（４０−１、４０−２、…）を交互に備えていて、第１から第ｎ層の多層導波路構造１５（１５−１、１５−２、…）を構成している。
【００６７】
第１層の導波路構造１５−１は、第１クラッド層３０−１、第１導波路層４０−１及び第２クラッド層５０−１を順に備えて構成される。すなわち、第１導波路層４０−１は、下部クラッドとして用いられる第１クラッド層３０−１と、上部クラッドとして用いられる第２クラッド層５０−１の間に設けられている。
【００６８】
第１導波路層４０−１は、第１コア４２−１と、第１コア４２−１を水平方向に挟む位置に設けられた第１サイドクラッド４４−１を備えている。
【００６９】
この第１層の導波路構造１５−１は、図１を参照して説明した第１実施形態の光導波路素子１０と同様に構成することができる。
【００７０】
第２層の導波路構造１５−２は、第１層の導波路構造１５−１上に形成されている。ここで、第２クラッド層３０−２（５０−１）は、第１層の導波路構造１５−１の上部クラッドと、第２層の導波路構造１５−２の下部クラッドの両者を兼ねている。
【００７１】
同様に、第ｋ層の導波路構造１５−ｋは、第ｋクラッド層３０−ｋと、第ｋ＋１クラッド層３０−（ｋ＋１）の間に、第ｋ導波路層４０−ｋを備えて構成される。ここで、第ｋ＋１クラッド層３０−（ｋ＋１）は、第ｋ層の導波路構造１５−ｋの上部クラッドと、第ｋ＋１の導波路構造１５−（ｋ＋１）の下部クラッドの両者を兼ねる。
【００７２】
第１〜ｎ＋１クラッド層３０−１〜（ｎ＋１）は、第１実施形態の第１及び第２クラッド層と同様に形成できる。また、第１〜ｎ導波路層４０−１〜ｋは、第１実施形態のクラッド層と同様に形成できる。
【００７３】
なお、各クラッド層には、第２実施形態と同様に凸部を設けても良い。この場合、第ｋクラッド層は、第ｋコアと接する部分に第ｋ凸部を有している。第ｋコアの、第ｋ凸部と接する部分の面積が、第ｋ凸部と接する側の面積より小さい。また、第ｋ＋１クラッド層は、第ｋコアと接する部分に第ｋ＋１凸部を有している。第ｋコアの、第ｋ＋１凸部と接する部分の面積が、第ｋ＋１凸部と接する側の面積より小さい。
【００７４】
次に、図８を参照して、第３実施形態の光導波路素子の製造方法について説明する。図８は、第３実施形態の光導波路素子の製造方法を説明するための工程図であって、図７と同様に、光導波方向に直角方向の面で切った切断端面を示している。
【００７５】
この光導波路素子の製造方法は、以下の工程を備えている。先ず、基板２０として例えばシリコン基板を用意する。なお、基板２０には、トランジスタ、抵抗素子などを有する電子集積回路や、受光素子などを形成しても良い。
【００７６】
次に、基板２０上に、第１クラッド層３０−１及び第１コア形成層４１−１を形成する。ここで、第１コア形成層４１−１として、感光性材料を用いる（図８（Ａ））。
【００７７】
次に、第１コア形成層４１−１のコア４２−１が形成される領域を露光する。その後、第１コア形成層４１−１上に、第２クラッド層３０−２（５０−１）を形成する（図８（Ｂ））。
【００７８】
次に、第２クラッド層３０−２上に、第２コア形成層４１−２を形成し、第２コア形成層４１−２のコア４２−２が形成される領域を露光する。その後、第２コア形成層４１−２上に、第３クラッド層３０−３（５０−２）を形成する。
【００７９】
この工程を第ｎコア形成層４１−ｎ上に、第ｎ＋１クラッド層３０−（ｎ＋１）が形成されるまで、繰り返し行う（図８（Ｃ））。
【００８０】
その後、各クラッド層に形成した開孔５６を経て溶剤をクラッド層間に流し込み、サイドクラッドの部分を充填している感光性材料を溶かしだす。この結果、多層導波路構造を有する光導波路素子が得られる。
【００８１】
なお、この溶剤を流し込むための開孔５６は、任意好適な従来周知の、フォトリソグラフィ及びエッチングによって形成することができる。また、この開孔５６の形成は、第ｋ＋１クラッド層を形成した後、第ｋ＋１コア層を形成する前に、すなわち、各クラッド層を形成する都度、行うことができる（図８（Ｄ））。
【００８２】
サイドクラッドに紫外線あるいは熱により分解気化する材料を用い、気化した材料を開孔５６を通して取り出す方法で作製しても良い。
【００８３】
また、この多層導波路構造の形成は、図４を参照して説明した第１実施形態の光導波路素子の製造方法と同様に、各導波路層についてサイドクラッドの部分の材料を除去してコアを形成した後に、上部クラッドを形成する工程を繰り返し行っても良い。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】第１実施形態の光導波路素子の構造を説明するための図である。
【図２】規格化周波数とコアの等価屈折率の関係を示す図である。
【図３】コアの屈折率Ｎｗと、コアの幅Ｗとの関係を示す図である。
【図４】第１実施形態の光導波路素子の製造方法を説明するための工程図である。
【図５】第２実施形態の光導波路素子の構造を説明するための図である。
【図６】第２実施形態の光導波路素子の動作を説明するための特性図である。
【図７】第３実施形態の光導波路素子の構造を説明するための図である。
【図８】第３実施形態の光導波路素子の製造方法を説明するための工程図である。
【符号の説明】
【００８５】
１０、１１、１２ 光導波路素子
２０ 基板
３０、３２ クラッド層（下部クラッド）
３４、５４ 凸部
４０ 導波路層
４１ コア形成層
４２ コア
４４、４６ サイドクラッド
５０、５２ クラッド層（上部クラッド）
５６ 開孔
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光導波路素子及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光を閉じ込め伝播させる光導波路の構造は、これまで多く提案されている。代表的な例として、電気光学結晶であるＬｉＮｂＯ３基板にＴｉを拡散させて屈折率を上昇させて形成されたもの、この結晶にプロトンを導入して形成されたもの、あるいは、石英系材料又は化合物半導体の組成を変えて積層されたものなどが知られている。
【０００３】
近年では、コアにシリコン材料を用い、周囲を低屈折率物質である石英などで囲む光導波路構造が、極めて小さい曲率半径を実現できることなどで、大きな注目を集めている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
しかし、特許文献１に開示されている光導波路は、単一モード条件を満たすように、コアの幅及び高さが３００ｎｍ程度で形成されている。このため、製造において、最先端のリソグラフィ技術が必要になるなど、製造が困難になるとともに、光を光導波路へ入射させる際にも、コアの寸法に比例して要求される入力位置精度が厳しくなる。
【０００５】
これに対し、光導波路を石英系の素材を用いたリッジ構造とし、コアの両側を空気層とする構造が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２に開示されている技術によれば、コアとその周囲の空気の屈折率差が大きいため、単一モード条件を実現する寸法が大きくなり、この結果、コアの寸法を特許文献１の構造よりも大きくした場合であっても、大きな曲率、すなわち小さな曲率半径を実現可能にする。ここで、特許文献２に開示されている構造では、基板への伝播光の損失を減らすためには、基板の屈折率を伝播光に対する等価屈折率よりも充分低くする必要がある。
【０００６】
この基板への伝播光の損失を減らすために、高屈折率の膜を数層、コアの下部と基板との間に設ける技術が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【特許文献１】米国特許第５，８３８，８７０号明細書
【特許文献２】特許第３７５５９６１号公報
【非特許文献１】Ｄ．Ｄａｉ ｅｔ ａｌ．、“Ａ Ｍｉｎｉｍｉｚｅｄ ＳｉＯ２ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｗｉｔｈ ａｎ Ａｎｔｉｒｅｓｏｎａｎｔ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ Ｌａｒｇｅ−Ｓｃａｌｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｓ”， ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ．１９ Ｎｏ．１０ ｐｐ．７５９−７６１， Ｍａｙ １５ ２００７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、非特許文献１に開示されている構造は、製造にあたり多層膜を基板上に形成する作業プロセスが必要になるなど、工程が煩雑になる。また、リッジ状の光導波路を形成するために長時間のドライエッチング工程が行われるので、電子回路を形成した基板上に光導波路を作成する用途には、電子回路がドライエッチング工程で受けるダメージを考えると、不向きである。
【０００８】
この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、コアの寸法が大きく、かつ曲率半径の小さい光導波路を有する光導波路素子及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した目的を達成するために、この発明の第１の要旨によれば、第１クラッド層と、第２クラッド層と、第１クラッド層及び第２クラッド層の間に設けられた導波路層とを備える光導波路素子が提供される。
【００１０】
この光導波路素子では、導波路層は、コアと、コアを水平方向に挟む位置に設けられたサイドクラッドとを備えて構成されている。第１クラッド層及び第２クラッド層の屈折率は、コアの屈折率よりも低い。また、サイドクラッドの屈折率は、第１クラッド層及び第２クラッド層の屈折率よりも低い。
【００１１】
この発明の光導波路素子の好適な実施形態によれば、第１クラッド層は、コアと接する部分に第１凸部を有しており、コアの、第１凸部と接する部分の面積は、第１凸部と接する側の面積より小さい。また、第２クラッド層は、コアと接する部分に第２凸部を有しており、コアの、第２凸部と接する部分の面積は、第２凸部と接する側の面積より小さい。
【００１２】
上述した光導波路素子の実施にあたり、好ましくは、コアを伝播する光の基本モードについて、コアにおける等価屈折率が、第１クラッド層及び第２クラッド層における等価屈折率よりも高く、かつ、コアを伝播する光の高次モードについて、コアにおける等価屈折率が、第１クラッド層及び第２クラッド層における等価屈折率よりも低く設定するのが良い。
【００１３】
また、上述した目的を達成するために、この発明の第２の要旨によれば、第１〜ｎ＋１クラッド層（ｎは２以上の整数）と、第ｋクラッド層と第ｋ＋１クラッド層の間に設けられた第ｋ導波路層（ｋは１以上ｎ以下の整数）とを備える光導波路素子が提供される。
【００１４】
この光導波路素子では、第ｋ導波路層は、第ｋコアと、第ｋコアを水平方向に挟む位置に設けられた第ｋサイドクラッドとを備えて構成されている。第ｋクラッド層及び第ｋ＋１クラッド層の屈折率は、第ｋコアの屈折率よりも低い。また、第ｋサイドクラッドの屈折率は、第ｋクラッド層及び第ｋ＋１クラッド層の屈折率よりも低い。
【００１５】
この発明の光導波路素子の好適な実施形態によれば、第ｋクラッド層は、第ｋコアと接する部分に第ｋ凸部を有しており、第ｋコアの、第ｋ凸部と接する部分の面積は、第ｋ凸部と接する側の面積より小さい。また、第ｋ＋１クラッド層は、第ｋコアと接する部分に第ｋ＋１凸部を有しており、第ｋコアの、第ｋ＋１凸部と接する部分の面積は、第ｋ＋１凸部と接する側の面積より小さい。
【００１６】
上述した光導波路素子の実施にあたり、好ましくは、第ｋコアを伝播する光の基本モードについて、第ｋコアにおける等価屈折率が、第ｋクラッド層及び第ｋ＋１クラッド層における等価屈折率よりも高く、かつ、第ｋコアを伝播する光の高次モードについて、第ｋコアにおける等価屈折率が、第ｋクラッド層及び第ｋ＋１クラッド層における等価屈折率よりも低く設定するのが良い。
【００１７】
また、上述した目的を達成するために、この発明の第３の要旨によれば、以下の工程を有する光導波路素子の製造方法が提供される。先ず、基板上に、第１クラッド層を形成する。次に、第１クラッド層上に、コア形成層を形成した後パターニングを行って、コアとコアを水平方向に挟む位置にサイドクラッドを有する導波路層を形成する。次に、導波路層上に、第２クラッド層を形成する。このとき、第１クラッド層及び第２クラッド層の屈折率を、コアの屈折率よりも低くする。
【００１８】
上述した光導波路素子の製造方法の実施に当たり、好ましくは、第１クラッド層のコアと接する側の面に第１凸部を形成する工程と、第２クラッド層のコアと接する側の面に第２凸部を形成する工程とを備えるのが良い。このとき、コアの、第１凸部と接する部分の面積を、第１凸部と接する側の面積より小さくし、また、コアの、第２凸部と接する部分の面積を、第２凸部と接する側の面積より小さくする。
【００１９】
また、上述した目的を達成するために、この発明の第４の要旨によれば、以下の工程を有する光導波路素子の製造方法が提供される。まず、基板上に、第１クラッド層を形成する。次に、第ｋクラッド層上に、第ｋコア形成層を形成した後パターニングを行って、第ｋコアと第ｋコアを挟む位置に第ｋサイドクラッドとを有する第ｋ導波路層を形成する工程と、第ｋ導波路層上に、第ｋ＋１クラッド層を形成する工程とをｋを１からｎまで順次に変えて繰り返し行う。このとき、第ｋクラッド層及び第ｋ＋１クラッド層の屈折率を、第ｋコアの屈折率よりも低くする。
【００２０】
上述した光導波路素子の製造方法の実施に当たり、好ましくは、第ｋクラッド層の第ｋコアと接する側の面に第ｋ凸部を形成する工程と、第ｋ＋１クラッド層の第ｋコアと接する側の面に第ｋ＋１凸部を形成する工程とを備えるが良い。このとき、第ｋコアの、第ｋ凸部と接する部分の面積を、第ｋ＋１凸部と接する側の面積より小さくし、また、第ｋコアの、第ｋ＋１凸部と接する部分の面積を、第ｋ＋１凸部と接する側の面積より小さくする。
【発明の効果】
【００２１】
この発明の光導波路素子によれば、コアの上下にクラッド層を設けているので、コアの厚みを０に近づけていくと、基本モードの導波光は、平面波に漸近していき、常に光導波路内に導波光が存在する伝播状態が存在する。従って、基本モードのカットオフ条件が緩和される。
【００２２】
また、基本モードのカットオフ条件が緩和されれば、基本モードのみを伝播する寸法範囲が増加する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。
【００２４】
（第１実施形態）
図１を参照して、第１実施形態の光導波路素子の構造について説明する。図１は、光導波路素子の構造を説明するための図であって、光導波方向に直角方向の面で切った切断端面を示している。
【００２５】
光導波路素子１０は、基板２０上に、第１クラッド層３０、第１導波路層（以下、第１導波路層を単に導波路層と称することもある。）４０及び第２クラッド層５０を順に備えている。すなわち、導波路層４０は、下部クラッドとして用いられる第１クラッド層３０と、上部クラッドとして用いられる第２クラッド層５０の間に設けられている。
【００２６】
基板２０として、例えば、シリコン基板が用いられる。ここで、基板２０には、トランジスタ、抵抗素子などの回路素子を備える任意好適な電子集積回路（図示を省略する。）や受光素子（図示を省略する。）などが形成されている。例えば、使用する波長が０．８5μｍ程度の場合、シリコン材料を受光素子として使用することができる。
【００２７】
第１クラッド層３０及び第２クラッド層５０の材料として、例えば、石英、スピンオンガラス（ＳＯＧ：Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）、感光性のゾルゲル材料などを用いることができる。感光性のゾルゲル材料には、ＪＳＲ社製のＰＪ５０１０（型番）、ＰＪ５０２３（型番）がある。これらの材料の屈折率は１．４〜１．６程度である。
【００２８】
導波路層４０は、第１コア（以下、第１コアを単にコアと称することもある。）４２と、コア４２を水平方向に挟む位置に設けられた第１サイドクラッド（以下、第１サイドクラッドを単にサイドクラッドと称することもある。）４４を備えている。
【００２９】
コア４２の材料として、例えば、無機材料である、石英中にゲルマニウム（Ｇｅ）やチタン（Ｔｉ）を添加したもの、酸化シリコン（Ｓｉ１−ｘＯｘ）、窒化シリコン（Ｓｉ１−ｘＮｘ）、又は、有機材料である感光性ポリマーを用いることができる。これらの材料の屈折率は１．５〜１．７程度である。
【００３０】
ここで、第１クラッド層３０及び第２クラッド層５０の屈折率を、コア４２の屈折率よりも低くする。
【００３１】
サイドクラッド４４は、コア４２、第１クラッド層３０及び第２クラッド層５０よりも屈折率が低い材料で形成される。例えば、サイドクラッド４４を空気層で構成しても良い。すなわち、導波路層４０のコア４２以外の領域が、空気で満たされる構成とすることができる。
【００３２】
次に、図２及び３を参照して、コア４２の設計条件について説明する。
【００３３】
図２は、規格化周波数とコアの等価屈折率の関係を示す図である。図２では、横軸に規格化周波数２πＷ（ＮＷ２−１．０）１／２／λを取って示し、縦軸に、等価屈折率ｎｅｆｆを取って示す。
【００３４】
ここで、Ｗはコア４２の幅を示し、λはコアを伝播する光の波長を示し、ＮＷはコア４２の屈折率を示している。また、ここでは、コア４２の厚みを充分厚いものとしている。
【００３５】
図２中、曲線Ｉは、基本モードに対する、コア４２の等価屈折率を示し、曲線ＩＩは、高次モードに対する、コア４２の等価屈折率を示している。また、クラッドの等価屈折率ｎｅｆｆＣを１．４６としている。
【００３６】
基本モードの光に対するコア４２の等価屈折率ｎｅｆｆＷが、クラッドの等価屈折率ｎｅｆｆＣよりも大きい場合は、基本モードの光がコア４２を伝播できる。同様に、高次モードの光に対するコア４２の等価屈折率ｎｅｆｆＷが、クラッドの等価屈折率ｎｅｆｆＣよりも大きい場合は、高次モードの光がコア４２を伝播できる。
【００３７】
従って、規格化周波数２πＷ（ＮＷ２−１．０）１／２／λを、基本モードの光がコア４２を伝播し、高次モードの光がコア４２を伝播しないように設定すれば、コアが基本モードの光のみを伝播する、シングルモード条件が満たされる。
【００３８】
すなわち、シングルモード条件を満足させるためには、基本モードの光に対するコア４２の等価屈折率ｎｅｆｆＷが、クラッドの等価屈折率ｎｅｆｆＣと等しくなる周波数をｆ１とし、高次モードの光に対するコア４２の等価屈折率ｎｅｆｆＷが、クラッドの等価屈折率ｎｅｆｆＣと等しくなる周波数をｆ２としたときに、規格化周波数２πＷ（ＮＷ２−１．０）１／２／λを、ｆ１より大きくｆ２より小さい値に設定すれば良い。
【００３９】
図３は、コア４２の屈折率ＮＷと、コア４２の幅Ｗの関係を示す図である。図３では、横軸に、コア４２の屈折率ＮＷを取って示し、縦軸にコア４２の幅を光波長λで規格化して示している。
【００４０】
図３中、白丸（○）は、シングルモード条件を満たす最小の幅Ｗを示している。このシングルモード条件を満たす最小の幅Ｗは、図２に示す周波数ｆ１に対応して定まる。また、図３中、白四角（□）は、シングルモード条件を満たす最大の幅Ｗを示している。このシングルモード条件を満たす最大の幅Ｗは、図２に示す周波数ｆ２に対応して定まる。コア４２の幅Ｗが、この○と□の間（図中、Ｉで示す範囲）にあるとき、シングルモード条件が満たされる。ここでは、コア４２の厚みＴが充分大きいものとしている。
【００４１】
コア４２を曲線導波路とする場合、伝播中の光の損失を抑えるためには、コア４２の屈折率を第１クラッド層３０及び第２クラッド層５０に対して充分大きい必要がある。しかし、図３の○及び□が示すように、コア４２の屈折率を大きくすると、コア４２の幅を小さくする必要がある。この場合、コア４２の屈折率が１．６であるとき、コア４２の幅Ｗが、０．７λ程度になる。
【００４２】
図３には、さらにコア４２の厚みＴを有限とした場合のコア４２の幅Ｗが示されている。ここではコア４２の厚みＴとコア４２の幅Ｗとを等しい値としている。すなわち、コア４２の、当該コア４２内での光の導波方向に直角な断面形状は、正方形状である。図３中、黒丸（●）は、コア４２の厚みＴが有限な場合の、シングルモード条件を満たすコア４２の最小の幅を示している。図３中、黒四角（■）は、コア４２の厚みＴが有限な場合の、シングルモード条件を満たすコア４２の最大の幅を示している。このコア４２の厚みＴが有限な場合のシングルモード条件を満たすコア４２の幅は、差分法（ＦＤＭ：Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｍｅｔｈｏｄ）により計算される。
【００４３】
コア４２の幅Ｗのシングルモード条件を満たす範囲は、●と■の間（図中、ＩＩで示す範囲）である。この範囲は、Ｉで示す、コア４２が充分厚いときに比べてやや狭くなる。しかし、例えば、屈折率Ｎｗが１．６のとき、規格化されたコア４２の幅Ｗ／λが０．８λ〜１．２λの範囲でシングルモード条件が満たされ、例えば、波長λが０．８５μｍであれば、１μｍ角のコア４２が実現できる。
【００４４】
例えば、上部クラッドである第２クラッド層が無い場合、導波光が空気などの低屈折率部分の影響を受けるため、等価屈折率が低下する。このことから、コア４２の材料として、より屈折率の高い材料を用いる必要があり、材料選定が難しくなる。これに対し、本発明の上部クラッドを有する構成では、等価屈折率の低下を防ぐことができる。
【００４５】
また、下部クラッド、コア及び上部クラッドを上下対称の構造にして、コアの厚みを０に近づけていくと、基本モードの導波光は、平面波に漸近していく。この平面波には、カットオフ状態が存在しないため、シングルモード条件が緩和され、その結果、シングルモード条件を満たす寸法範囲が増加する。
【００４６】
また、上部クラッドが存在しない構成では、光界分布の中心が下部クラッドに引っ張られるため、クラッドを伝播する成分が増え、この結果、コアを伝播中の光の損失が増加する。これに対し、本発明の上部クラッドを有する構成では、光界分布の中心がコアの中心付近となるため、クラッドを伝播する成分が減り、この結果、コアを伝播中の光の損失が減少する。
【００４７】
上述した構成で、小さな曲率半径Ｒを実現できるのは、コアとサイドクラッドの屈折率差が充分大きければ、コアを伝播する光が放射光に変換されにくいことを利用している。例えば曲率半径Ｒを１０μｍ程度にするためには、コアを石英とし、サイドクラッドを空気とすれば充分である。これは、光を直角方向に曲げるのに、石英と空気の界面が使用できることから、類推できる。
【００４８】
次に、図４を参照して、第１実施形態の光導波路素子の製造方法について説明する。図４は、第１実施形態の光導波路素子の製造方法を説明するための工程図であって、図１と同様に、光導波方向に直角方向の面で切った切断端面を示している。
【００４９】
この光導波路素子の製造方法は、以下の工程を備えている。先ず、基板２０として例えばシリコン基板を用意する。なお、基板２０には、トランジスタ、抵抗素子などを有する電子集積回路や、受光素子などを形成しても良い。
【００５０】
次に、基板２０上に、第１クラッド層３０として、例えば、感光性ゾルゲル材料を用いたＳｉＯ２膜を形成する（図４（Ａ））。
【００５１】
次に、第１クラッド層３０上に感光性ポリマーを塗布することにより、コア形成層４１を形成する（図４（Ｂ））。
【００５２】
次に、コア形成層４１をパターニングしてコア４２を形成する。このパターニングは、コア形成層４１の材質に応じて、任意好適な方法で行えば良い。例えば、コア形成層を感光性ポリマーで形成した場合は、フォトリソグラフィ法を用いることができる。また、コア形成層が感光性を有していない場合は、コア形成層上にマスクパターンを形成した後、従来周知のウェットエッチングを行えば良い（図４（Ｃ））。
【００５３】
次に、第２クラッド層５０をコア４２上に任意好適な手段を用いて貼り付ける（図４（Ｄ））。
【００５４】
（第２実施形態）
図５を参照して、第２実施形態の光導波路素子の構造について説明する。図５は、第２実施形態の光導波路素子の構造を説明するための図であって、光導波方向に直角方向の面で切った切断端面を示している。
【００５５】
第２実施形態の光導波路素子１１は、第１クラッド層３２が、第１凸部３４を備え、第２クラッド層５２が、第２凸部５４を備える点が、第１実施形態の光導波路素子と異なっていて、それ以外は、同様である。従って、重複する説明は省略する。
【００５６】
第１凸部３４は、第１クラッド層３２の、コア４２と接する側の表面付近に形成されている。コア４２の、第１凸部３４と接する部分の面積は、コア４２の第１凸部３４と接する側の面積より小さい。この結果、コア４２と第１クラッド層３２の間に、サイドクラッド４６が入り込むように設けられる（図中、Ａで示す）。
【００５７】
この第１凸部３４は、例えば、以下のように形成することができる。この場合、第１クラッド層をＳｉＯ２膜で形成し、コア４２をレジストで形成する。ＳｉＯ２はフッ酸に溶解するが、レジストは溶解しない。そこで、コア４２側から、第１クラッド層３２を溶解させる。このとき、コア４２が形成された部分の第１クラッド層についても、一部、サイドエッチされる。
【００５８】
同様に、第２凸部５４は、第２クラッド層５２の、コア４２と接する側の表面付近に形成されている。コア４２の、第２凸部５４と接する部分の面積は、コア４２の第２凸部５４と接する側の面積より小さい。この結果、コア４２と第２クラッド層５２の間に、サイドクラッド４６が入り込むように設けられる。
【００５９】
この第２凸部５４は、第１凸部３４と同様に形成することができる。
【００６０】
このように構成すると、コア４２から、第１クラッド層３２及び第２クラッド層５２に染み出す導波光の成分が減少する。この結果、光の伝播ロスを第１実施形態の構成よりもさらに抑制できる。このため、曲率半径の小さい光導波路を実現するのに好適である。
【００６１】
図６を参照して、第２実施形態の動作について説明する。図６は、図５を第２実施形態の光導波路素子の動作を説明するための特性図であって、３次元ベクトルビーム伝播（ＢＰＭ：Ｂｅａｍ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）法によるシミュレーション結果を示している。
【００６２】
図６は、横軸に曲率半径Ｒ（単位：μｍ）を取って示し、縦軸に出力光強度を取って示している。ここで、出力光強度は、入力光強度を１としたときの相対的な大きさである。
【００６３】
このシミュレーションでは、コア４２の幅Ｗ及び厚みＴを共に１μｍとしている。また、サイドエッチの部分は、幅０．１μｍ、高さ０．５μｍとする。
【００６４】
コアの屈折率を１．６、クラッドを石英、サイドクラッドを空気としている。導波路の曲率半径Ｒが１０μｍ以上になると、光の損失の屈折率依存性が無くなり、曲線導波路による損失が抑制されていることがわかる。ここで、出力が１より小さい値を取るのは、光導波路への光の入力における結合損失による。
【００６５】
（第３実施形態）
図７を参照して、第３実施形態の光導波路素子の構造について説明する。図７は、第３実施形態の光導波路素子の構造を説明するための図であって、光導波方向に直角方向の面で切った切断端面を示している。
【００６６】
第３実施形態の光導波路素子１２は、基板２０上に、クラッド層３０（３０−１、３０−２、…）と導波路層４０（４０−１、４０−２、…）を交互に備えていて、第１から第ｎ層の多層導波路構造１５（１５−１、１５−２、…）を構成している。
【００６７】
第１層の導波路構造１５−１は、第１クラッド層３０−１、第１導波路層４０−１及び第２クラッド層５０−１を順に備えて構成される。すなわち、第１導波路層４０−１は、下部クラッドとして用いられる第１クラッド層３０−１と、上部クラッドとして用いられる第２クラッド層５０−１の間に設けられている。
【００６８】
第１導波路層４０−１は、第１コア４２−１と、第１コア４２−１を水平方向に挟む位置に設けられた第１サイドクラッド４４−１を備えている。
【００６９】
この第１層の導波路構造１５−１は、図１を参照して説明した第１実施形態の光導波路素子１０と同様に構成することができる。
【００７０】
第２層の導波路構造１５−２は、第１層の導波路構造１５−１上に形成されている。ここで、第２クラッド層３０−２（５０−１）は、第１層の導波路構造１５−１の上部クラッドと、第２層の導波路構造１５−２の下部クラッドの両者を兼ねている。
【００７１】
同様に、第ｋ層の導波路構造１５−ｋは、第ｋクラッド層３０−ｋと、第ｋ＋１クラッド層３０−（ｋ＋１）の間に、第ｋ導波路層４０−ｋを備えて構成される。ここで、第ｋ＋１クラッド層３０−（ｋ＋１）は、第ｋ層の導波路構造１５−ｋの上部クラッドと、第ｋ＋１の導波路構造１５−（ｋ＋１）の下部クラッドの両者を兼ねる。
【００７２】
第１〜ｎ＋１クラッド層３０−１〜（ｎ＋１）は、第１実施形態の第１及び第２クラッド層と同様に形成できる。また、第１〜ｎ導波路層４０−１〜ｋは、第１実施形態のクラッド層と同様に形成できる。
【００７３】
なお、各クラッド層には、第２実施形態と同様に凸部を設けても良い。この場合、第ｋクラッド層は、第ｋコアと接する部分に第ｋ凸部を有している。第ｋコアの、第ｋ凸部と接する部分の面積が、第ｋ凸部と接する側の面積より小さい。また、第ｋ＋１クラッド層は、第ｋコアと接する部分に第ｋ＋１凸部を有している。第ｋコアの、第ｋ＋１凸部と接する部分の面積が、第ｋ＋１凸部と接する側の面積より小さい。
【００７４】
次に、図８を参照して、第３実施形態の光導波路素子の製造方法について説明する。図８は、第３実施形態の光導波路素子の製造方法を説明するための工程図であって、図７と同様に、光導波方向に直角方向の面で切った切断端面を示している。
【００７５】
この光導波路素子の製造方法は、以下の工程を備えている。先ず、基板２０として例えばシリコン基板を用意する。なお、基板２０には、トランジスタ、抵抗素子などを有する電子集積回路や、受光素子などを形成しても良い。
【００７６】
次に、基板２０上に、第１クラッド層３０−１及び第１コア形成層４１−１を形成する。ここで、第１コア形成層４１−１として、感光性材料を用いる（図８（Ａ））。
【００７７】
次に、第１コア形成層４１−１のコア４２−１が形成される領域を露光する。その後、第１コア形成層４１−１上に、第２クラッド層３０−２（５０−１）を形成する（図８（Ｂ））。
【００７８】
次に、第２クラッド層３０−２上に、第２コア形成層４１−２を形成し、第２コア形成層４１−２のコア４２−２が形成される領域を露光する。その後、第２コア形成層４１−２上に、第３クラッド層３０−３（５０−２）を形成する。
【００７９】
この工程を第ｎコア形成層４１−ｎ上に、第ｎ＋１クラッド層３０−（ｎ＋１）が形成されるまで、繰り返し行う（図８（Ｃ））。
【００８０】
その後、各クラッド層に形成した開孔５６を経て溶剤をクラッド層間に流し込み、サイドクラッドの部分を充填している感光性材料を溶かしだす。この結果、多層導波路構造を有する光導波路素子が得られる。
【００８１】
なお、この溶剤を流し込むための開孔５６は、任意好適な従来周知の、フォトリソグラフィ及びエッチングによって形成することができる。また、この開孔５６の形成は、第ｋ＋１クラッド層を形成した後、第ｋ＋１コア層を形成する前に、すなわち、各クラッド層を形成する都度、行うことができる（図８（Ｄ））。
【００８２】
サイドクラッドに紫外線あるいは熱により分解気化する材料を用い、気化した材料を開孔５６を通して取り出す方法で作製しても良い。
【００８３】
また、この多層導波路構造の形成は、図４を参照して説明した第１実施形態の光導波路素子の製造方法と同様に、各導波路層についてサイドクラッドの部分の材料を除去してコアを形成した後に、上部クラッドを形成する工程を繰り返し行っても良い。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】第１実施形態の光導波路素子の構造を説明するための図である。
【図２】規格化周波数とコアの等価屈折率の関係を示す図である。
【図３】コアの屈折率Ｎｗと、コアの幅Ｗとの関係を示す図である。
【図４】第１実施形態の光導波路素子の製造方法を説明するための工程図である。
【図５】第２実施形態の光導波路素子の構造を説明するための図である。
【図６】第２実施形態の光導波路素子の動作を説明するための特性図である。
【図７】第３実施形態の光導波路素子の構造を説明するための図である。
【図８】第３実施形態の光導波路素子の製造方法を説明するための工程図である。
【符号の説明】
【００８５】
１０、１１、１２ 光導波路素子
２０ 基板
３０、３２ クラッド層（下部クラッド）
３４、５４ 凸部
４０ 導波路層
４１ コア形成層
４２ コア
４４、４６ サイドクラッド
５０、５２ クラッド層（上部クラッド）
５６ 開孔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１クラッド層と、
第２クラッド層と、
前記第１クラッド層と前記第２クラッド層の間に設けられた導波路層と
を備え、
前記導波路層は、コアと、該コアを水平方向に挟む位置に設けられたサイドクラッドとを備え、
前記第１クラッド層及び前記第２クラッド層の屈折率は、前記コアの屈折率よりも低く、かつ、前記サイドクラッドの屈折率は、前記第１クラッド層及び前記第２クラッド層の屈折率よりも低い
ことを特徴とする光導波路素子。
【請求項２】
前記第１クラッド層は、前記コアと接する部分に第１凸部を有し、
前記コアの前記第１凸部と接する部分の面積が、前記第１凸部と接する側の面積より小さく、
前記第２クラッド層は、前記コアと接する部分に第２凸部を有し、
前記コアの、前記第２凸部と接する部分の面積が、前記第２凸部と接する側の面積より小さい
ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
【請求項３】
前記コアを伝播する光の基本モードについて、前記コアにおける等価屈折率が、前記第１クラッド層及び前記第２クラッド層における等価屈折率よりも高く、
前記コアを伝播する光の高次モードについて、前記コアにおける等価屈折率が、前記第１クラッド層及び前記第２クラッド層における等価屈折率よりも低い
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光導波路素子。
【請求項４】
第１〜ｎ＋１クラッド層（ｎは２以上の整数）と、
第ｋクラッド層と第ｋ＋１クラッド層の間に設けられた第ｋ導波路層（ｋは１以上ｎ以下の整数）と
を備え、
前記第ｋ導波路層は、第ｋコアと、該第ｋコアを水平方向に挟む位置に設けられた第ｋサイドクラッドとを備え、
前記第ｋクラッド層及び前記第ｋ＋１クラッド層の屈折率は、前記第ｋコアの屈折率よりも低く、かつ、前記第ｋサイドクラッドの屈折率は、前記第ｋクラッド層及び前記第ｋ＋１クラッド層の屈折率よりも低い
ことを特徴とする光導波路素子。
【請求項５】
前記第ｋクラッド層は、前記第ｋコアと接する部分に第ｋ凸部を有し、
前記第ｋコアの、前記第ｋ凸部と接する部分の面積が、前記第ｋ凸部と接する側の面積より小さく、
前記第ｋ＋１クラッド層は、前記第ｋコアと接する部分に第ｋ＋１凸部を有し、
前記第ｋコアの、前記第ｋ＋１凸部と接する部分の面積が、前記第ｋ＋１凸部と接する側の面積より小さい
ことを特徴とする請求項４に記載の光導波路素子。
【請求項６】
前記第ｋコアを伝播する光の基本モードについて、前記第ｋコアにおける等価屈折率が、前記第ｋクラッド層及び前記第ｋ＋１クラッド層における等価屈折率よりも高く、
前記第ｋコアを伝播する光の高次モードについて、前記第ｋコアにおける等価屈折率が、前記第ｋクラッド層及び前記第ｋ＋１クラッド層における等価屈折率よりも低い
ことを特徴とする請求項４又は５に記載の光導波路素子。
【請求項７】
基板上に、第１クラッド層を形成する工程と、
該第１クラッド層上にコア形成層を形成した後パターニングを行って、コアと該コアを水平方向に挟む位置にサイドクラッドとを有する導波路層を形成する工程と、
該導波路層上に、第２クラッド層を形成する工程と
を備え、
前記第１クラッド層及び前記第２クラッド層の屈折率を、前記コアの屈折率よりも低くする
ことを特徴とする光導波路素子の製造方法。
【請求項８】
基板上に、第１クラッド層を形成する工程と、
第ｋクラッド層（ｋは１以上ｎ以下の整数、ｎは２以上の整数）上に、第ｋコア形成層を形成した後パターニングを行って、第ｋコアと該第ｋコアを水平方向に挟む位置に第ｋサイドクラッドとを有する第ｋ導波路層を形成する工程と、
該第ｋ導波路層上に、第ｋ＋１クラッド層を形成する工程と
をｋを１からｎまで順次に変えて繰り返し行い、
前記第ｋクラッド層及び前記第ｋ＋１クラッド層の屈折率を、前記第ｋコアの屈折率よりも低くする
ことを特徴とする光導波路素子の製造方法。
【請求項９】
前記第１クラッド層の前記コアと接する側の面に第１凸部を形成する工程と、
前記第２クラッド層の前記コアと接する側の面に第２凸部を形成する工程と
を備え、
前記コアの、前記第１凸部と接する部分の面積が、前記第１凸部と接する側の面積より小さく、
前記コアの、前記第２凸部と接する部分の面積が、前記第２凸部と接する側の面積より小さい
ことを特徴とする請求項７に記載の光導波路素子の製造方法。
【請求項１０】
前記第ｋクラッド層の前記第ｋコアと接する側の面に第ｋ凸部を形成する工程と、
前記第ｋ＋１クラッド層の前記第ｋコアと接する側の面に第ｋ＋１凸部を形成する工程と
を備え、
前記第ｋコアの、前記第ｋ凸部と接する部分の面積が、前記第ｋ＋１凸部と接する側の面積より小さく、
前記第ｋコアの、前記第ｋ＋１凸部と接する部分の面積が、前記第ｋ＋１凸部と接する側の面積より小さい
ことを特徴とする請求項８に記載の光導波路素子の製造方法。
【請求項１】
第１クラッド層と、
第２クラッド層と、
前記第１クラッド層と前記第２クラッド層の間に設けられた導波路層と
を備え、
前記導波路層は、コアと、該コアを水平方向に挟む位置に設けられたサイドクラッドとを備え、
前記第１クラッド層及び前記第２クラッド層の屈折率は、前記コアの屈折率よりも低く、かつ、前記サイドクラッドの屈折率は、前記第１クラッド層及び前記第２クラッド層の屈折率よりも低い
ことを特徴とする光導波路素子。
【請求項２】
前記第１クラッド層は、前記コアと接する部分に第１凸部を有し、
前記コアの前記第１凸部と接する部分の面積が、前記第１凸部と接する側の面積より小さく、
前記第２クラッド層は、前記コアと接する部分に第２凸部を有し、
前記コアの、前記第２凸部と接する部分の面積が、前記第２凸部と接する側の面積より小さい
ことを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
【請求項３】
前記コアを伝播する光の基本モードについて、前記コアにおける等価屈折率が、前記第１クラッド層及び前記第２クラッド層における等価屈折率よりも高く、
前記コアを伝播する光の高次モードについて、前記コアにおける等価屈折率が、前記第１クラッド層及び前記第２クラッド層における等価屈折率よりも低い
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光導波路素子。
【請求項４】
第１〜ｎ＋１クラッド層（ｎは２以上の整数）と、
第ｋクラッド層と第ｋ＋１クラッド層の間に設けられた第ｋ導波路層（ｋは１以上ｎ以下の整数）と
を備え、
前記第ｋ導波路層は、第ｋコアと、該第ｋコアを水平方向に挟む位置に設けられた第ｋサイドクラッドとを備え、
前記第ｋクラッド層及び前記第ｋ＋１クラッド層の屈折率は、前記第ｋコアの屈折率よりも低く、かつ、前記第ｋサイドクラッドの屈折率は、前記第ｋクラッド層及び前記第ｋ＋１クラッド層の屈折率よりも低い
ことを特徴とする光導波路素子。
【請求項５】
前記第ｋクラッド層は、前記第ｋコアと接する部分に第ｋ凸部を有し、
前記第ｋコアの、前記第ｋ凸部と接する部分の面積が、前記第ｋ凸部と接する側の面積より小さく、
前記第ｋ＋１クラッド層は、前記第ｋコアと接する部分に第ｋ＋１凸部を有し、
前記第ｋコアの、前記第ｋ＋１凸部と接する部分の面積が、前記第ｋ＋１凸部と接する側の面積より小さい
ことを特徴とする請求項４に記載の光導波路素子。
【請求項６】
前記第ｋコアを伝播する光の基本モードについて、前記第ｋコアにおける等価屈折率が、前記第ｋクラッド層及び前記第ｋ＋１クラッド層における等価屈折率よりも高く、
前記第ｋコアを伝播する光の高次モードについて、前記第ｋコアにおける等価屈折率が、前記第ｋクラッド層及び前記第ｋ＋１クラッド層における等価屈折率よりも低い
ことを特徴とする請求項４又は５に記載の光導波路素子。
【請求項７】
基板上に、第１クラッド層を形成する工程と、
該第１クラッド層上にコア形成層を形成した後パターニングを行って、コアと該コアを水平方向に挟む位置にサイドクラッドとを有する導波路層を形成する工程と、
該導波路層上に、第２クラッド層を形成する工程と
を備え、
前記第１クラッド層及び前記第２クラッド層の屈折率を、前記コアの屈折率よりも低くする
ことを特徴とする光導波路素子の製造方法。
【請求項８】
基板上に、第１クラッド層を形成する工程と、
第ｋクラッド層（ｋは１以上ｎ以下の整数、ｎは２以上の整数）上に、第ｋコア形成層を形成した後パターニングを行って、第ｋコアと該第ｋコアを水平方向に挟む位置に第ｋサイドクラッドとを有する第ｋ導波路層を形成する工程と、
該第ｋ導波路層上に、第ｋ＋１クラッド層を形成する工程と
をｋを１からｎまで順次に変えて繰り返し行い、
前記第ｋクラッド層及び前記第ｋ＋１クラッド層の屈折率を、前記第ｋコアの屈折率よりも低くする
ことを特徴とする光導波路素子の製造方法。
【請求項９】
前記第１クラッド層の前記コアと接する側の面に第１凸部を形成する工程と、
前記第２クラッド層の前記コアと接する側の面に第２凸部を形成する工程と
を備え、
前記コアの、前記第１凸部と接する部分の面積が、前記第１凸部と接する側の面積より小さく、
前記コアの、前記第２凸部と接する部分の面積が、前記第２凸部と接する側の面積より小さい
ことを特徴とする請求項７に記載の光導波路素子の製造方法。
【請求項１０】
前記第ｋクラッド層の前記第ｋコアと接する側の面に第ｋ凸部を形成する工程と、
前記第ｋ＋１クラッド層の前記第ｋコアと接する側の面に第ｋ＋１凸部を形成する工程と
を備え、
前記第ｋコアの、前記第ｋ凸部と接する部分の面積が、前記第ｋ＋１凸部と接する側の面積より小さく、
前記第ｋコアの、前記第ｋ＋１凸部と接する部分の面積が、前記第ｋ＋１凸部と接する側の面積より小さい
ことを特徴とする請求項８に記載の光導波路素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−２０５０８６（Ｐ２００９−２０５０８６Ａ）
【公開日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−４９７２５（Ｐ２００８−４９７２５）
【出願日】平成２０年２月２９日（２００８．２．２９）
【出願人】（００００００２９５）沖電気工業株式会社 (6,645)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月２９日（２００８．２．２９）
【出願人】（００００００２９５）沖電気工業株式会社 (6,645)
【Ｆターム（参考）】
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