光導波路
【課題】スポットサイズを変換する光導波路を用い、より効率的に光結合ができるようにする。
【解決手段】この光導波路は、第２コア１０３を、スポットサイズ変換領域１１２の開始端（導波領域１１１の側）にかけて先細りに形成したところに特徴がある。このように、第２コア１０３が、スポットサイズ変換領域１１２の開始端にかけて先細りに形成されているので、導波領域１１１かとスポットサイズ変換領域１１２との界面で生じる、導波光の反射および損失をより小さくすることができるようになる。この結果、より効率的に光結合ができるようになる。
【解決手段】この光導波路は、第２コア１０３を、スポットサイズ変換領域１１２の開始端（導波領域１１１の側）にかけて先細りに形成したところに特徴がある。このように、第２コア１０３が、スポットサイズ変換領域１１２の開始端にかけて先細りに形成されているので、導波領域１１１かとスポットサイズ変換領域１１２との界面で生じる、導波光の反射および損失をより小さくすることができるようになる。この結果、より効率的に光結合ができるようになる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集積した２つの光導波路素子を光結合するための光導波路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信における基幹部品として、現在、石英系の平面光波回路（ＰＬＣ）が広く使用されている。これまで、石英系ＰＬＣの主な素子として、アレイ導波路回折格子，ＲＯＡＤＭ（Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer），およびスプリッタなどが製品化されてきた。近年はさらに、半導体光増幅素子（ＳＯＡ）と石英系ＰＬＣを集積化した波長可変レーザーなどの新規機能素子の開発が進展し、能動素子と受動素子を混載した小型で安価かつ高機能の素子およびシステムを実現する試みが活発化している。
【０００３】
しかし、情報伝送量の急速な増加にともない、基幹部品の高集積化は不可避の状況となっており、素子の寸法や電力消費の点で、石英系ＰＬＣには限界が見え始めてきた。これに対応するために、小型化・低消費電力化を可能にするシリコンフォトニクスが注目されている。シリコンフォトニクスとは、Ｓｉからコアを構成し、ＳｉＯ2からクラッドを構成する高屈折率差の導波路を利用したものを指している。この光導波路は、石英系導波路と比較して曲げ半径を小さくできるため、ＰＬＣの小型化を可能にする。さらに、電子回路との集積化が可能であり、また、ＬＳＩと同様の製造リソースの利用が可能であり、低価格かつ生産性が高いなどの利点を備えており、近年、特に研究開発が活発になっている。
【０００４】
しかしながら、シリコンフォトニクスでは、シリコンの材料特性から、発光効率が極めて低いため、光機能素子として用いる際には、化合物半導体のレーザーダイオードや光増幅器などとを集積化することが不可欠である。近年、注目されている形態の例としては、Ｓｉ導波路を形成した基板上に化合物半導体素子を貼り合わせる、モノリシック集積が挙げられる。非特許文献１には、ＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸とＳｉ導波路のエバネッセント結合により光学利得を設け、レーザー動作を確認したことが報告されている。
【０００５】
この構成における導波モードプロファイルは、ＩＩＩ−Ｖ媒質とＳｉ導波路の双方に重なっている。このため、導波モードはＩＩＩ−Ｖ領域から利得を得ることができ、同時に、ＩＩＩ−Ｖ領域の下にあるＳｉ導波路領域により導波されることになる。この形態の最大の利点は、ＩＩＩ−Ｖ領域は横方向において対称性を有することから、あらかじめ形成したＳｉ導波路に対してＩＩＩ−Ｖウエハーを貼り合わせるときには、高精度の目合わせは不要であるということである。しかし、この形態の特性はＩＩＩ−Ｖ媒質単体で実現されるものには及ばず、実際、これまで報告されている特性は従来素子に比べると劣っている。
【０００６】
上述した技術に対し、化合物半導体チップをＳＯＩウエハーに対してハイブリッドに集積する形態は、特に、高い性能の要求される光通信においては、依然、その重要性を保っている。この集積においては、突き合わせる導波路同士の導波モードのスポットサイズを整合させて光結合損失を低減する他、結合部における反射を低減するための構造の導入が重要となる。中でも、ハイブリッド集積したときの結合部における反射は、不必要なレーザー発振を誘起するなど、所望の動作を不安定化する要因となる。これは、化合物半導体と光回路を含めた外部共振器型レーザーを構成したときには、特に顕著である。
【０００７】
これまで、シリコン導波路と光ファイバーとの光学結合を効率良く得るため、例えば、特許文献１には、シリコンより低い屈折率を有するＳｉＯＮなどより構成したコアによる導波路を利用した構造が提案されている。この構造においては、シリコン導波路をＳｉＯＮなどの導波路に接続することで、導波光のスポットサイズを拡大し、光ファイバーとの結合効率を向上させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１３３４４６号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Alexander W. Fang et al. ,"Electrically pumped hybrid AlGzInAs-silicon evanescent laser", Optics Express, Vol.14, No.20, pp.9203-9210, 2006.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上述した構成の導波路においては、シリコンやＳｉＯＮなどのコア形状が、導波光の伝搬方向に沿って不連続に変化する箇所や端面において、反射が生じる。これは、屈折率分布が伝搬方向に沿って不連続に変化するためである。また、同様の導波路構造を用いて、化合物半導体などとのスポットサイズを整合させる場合には、一般的にスポットサイズをファイバーのそれより小さく設計することが必要である。したがって、ＳｉＯＮなどから構成するコアの屈折率は、ファイバーとの光学結合に用いるときよりも、高くすることが必要となる。シリコン導波路に接続するＳｉＯＮなどの屈折率が高くなれば、このコア形状が不連続に変化する箇所などにおける反射はさらに顕著となり、光結合の効率を低下させることにもつながる。特に、光結合において反射が顕著になることは、集積素子の動作不安定化などの原因となるため、問題となる。
【００１１】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、スポットサイズを変換する光導波路を用い、より効率的に光結合ができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る光導波路は、下部クラッド層と、この下部クラッド層の上の導波領域からスポットサイズ変換領域にかけて形成され、スポットサイズ変換領域の終端となる光入出射端の手前に一端を備える第１コアと、スポットサイズ変換領域で第１コアを覆って下部クラッド層の上に形成された第２コアと、第１コアおよび第２コアを覆って下部クラッド層の上に形成された上部クラッド層とを少なくとも備え、第１コアは、第２コアに覆われている領域で一端にかけて先細りに形成され、第２コアは、スポットサイズ変換領域の開始端にかけて先細りに形成され、第２コアの屈折率は、第１コアより小さく下部クラッド層および上部クラッド層より大きい。
【００１３】
また、本発明に係る光導波路は、下部クラッド層と、この下部クラッド層の上の導波領域からスポットサイズ変換領域にかけて形成され、スポットサイズ変換領域の終端となる光入出射端を一端とする第１コアと、光入出射端まで第１コアを覆って下部クラッド層の上に形成された第２コアと、第２コアを覆って下部クラッド層の上に形成された上部クラッド層とを少なくとも備え、第１コアは、光入出射端の手前より一端にかけて先細りに形成され、第２コアは、スポットサイズ変換領域から導波領域にかけて、徐々に太くなる形状傾斜領域を備え、第２コアの屈折率は、第１コアより小さく下部クラッド層および上部クラッド層より大きい。
【発明の効果】
【００１４】
以上に説明したことにより、本発明によれば、スポットサイズを変換する光導波路を用い、より効率的に光結合ができるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】本実施の形態１における光導波路の構成を示す平面図である。
【図１Ｂ】実施の形態１における光導波路の導波方向に平行な断面を示す断面図である。
【図２Ａ】本実施の形態２における光導波路の構成を示す平面図である。
【図２Ｂ】実施の形態２における光導波路の導波方向に平行な断面を示す断面図である。
【図２Ｃ】図２Ａのｃｃ’線の断面を示す断面図である。
【図２Ｄ】図２Ａのｄｄ’線の断面を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１における光導波路の適用例を示す平面図である。
【図４Ａ】実施の形態１における光導波路の製造方法を説明する工程図である。
【図４Ｂ】実施の形態１における光導波路の製造方法を説明する工程図である。
【図４Ｃ】実施の形態１における光導波路の製造方法を説明する工程図である。
【図４Ｄ】実施の形態１における光導波路の製造方法を説明する工程図である。
【図５】本発明の実施の形態１における光導波路の適用例を示す断面図である。
【図６Ａ】本実施の形態２における光導波路の構成を示す平面図である。
【図６Ｂ】実施の形態２における光導波路の適用例を示す平面図である。
【図７Ａ】本発明における光導波路の適用例を示す平面図である。
【図７Ｂ】本発明における光導波路の適用例を示す平面図である。
【図８】本発明における光導波路の適用例を示す平面図である。
【図９Ａ】本発明における光導波路の適用例を示す断面図である。
【図９Ｂ】本発明における光導波路の適用例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００１７】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について、図１Ａ，図１Ｂを用いて説明する。図１Ａは、本実施の形態１における光導波路の構成を示す平面図である。また、図１Ｂは、実施の形態１における光導波路の導波方向に平行な断面を示す断面図である。
【００１８】
この光導波路は、まず、下部クラッド層１０１と、下部クラッド層１０１の上の導波領域１１１からスポットサイズ変換領域１１２にかけて形成され、スポットサイズ変換領域１１２の終端となる光入出射端１０３ａの手前に一端を備える第１コア１０２と、スポットサイズ変換領域１１２で第１コア１０２を覆って下部クラッド層１０１の上に形成された第２コア１０３とを備える。第１コア１０２は、第２コア１０３に覆われている領域で一端にかけて先細りに形成されている。また、第１コア１０２および第２コア１０３を覆って下部クラッド層１０１の上に形成された上部クラッド層１０４とを備える。なお、図１Ａでは、上部クラッド層１０４を省略して示している。
【００１９】
第１コア１０２の先細りとなっている先端部は、断面積が小さいほど、導波モードプロファイルの第１コア１０２に対する閉じ込めが小さくなり（第２コア１０３に対する閉じ込めが強くなり）、第２コア１０３による導波モードプロファイルが支配的となる。従って、第１コア１０２の先端部の断面積を可能な範囲で小さくすることで、第１コア１０２の先端部で生じる導波光の反射および損失を小さくすることができるようになる。
【００２０】
上述した構成に加え、本実施の形態にける光導波路は、第２コア１０３を、スポットサイズ変換領域１１２の開始端（導波領域１１１の側）にかけて先細りに形成したところに特徴がある。このように、第２コア１０３が、スポットサイズ変換領域１１２の開始端にかけて先細りに形成されているので、本実施の形態によれば、導波領域１１１とスポットサイズ変換領域１１２との界面で生じる、導波光の反射および損失をより小さくすることができるようになる。この結果、より効率的に光結合ができるようになる。
【００２１】
ここで、第２コア１０３の屈折率は、第１コア１０２より小さく下部クラッド層１０１および上部クラッド層１０４より大きい。例えば、下部クラッド層１０１および上部クラッド層１０４は、酸化シリコンから構成し、第１コア１０２はシリコンから構成し、第２コア１０３は、酸窒化シリコンから構成すればよい。
【００２２】
なお、上述では、第２コア１０３の先細りに形成した領域は、図１Ｂに示すように、下部クラッド層１０１の平面の法線方向の高さは変化しておらず、図１Ａに示すように、平面形状が先細りとなるようにしているが、これに限るものではない。高さ方向もスポットサイズ変換領域１１２の開始端に近いほど小さくなるようにしてもよい。第２コア１０３は、スポットサイズ変換領域１１２の開始端に近いほど、断面積が徐々に小さくなる世に形成されていればよい。また、このことは、第１コア１０２の一端側の先細り形状においても同様である。
【００２３】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について、図２Ａ〜２Ｄ，図３を用いて説明する。図２Ａは、本実施の形態２における光導波路の構成を示す平面図である。また、図２Ｂは、実施の形態２における光導波路の導波方向に平行な断面を示す断面図である。また、図２Ｃは、図２Ａのｃｃ’線の断面を示し、図２Ｄは、図２Ａのｄｄ’線の断面を示している。
【００２４】
この光導波路は、まず、下部クラッド層の上の導波領域２１１からスポットサイズ変換領域２１２にかけて形成され、スポットサイズ変換領域２１２の終端となる光入出射端２０３ａの手前に一端を備える第１コア２０２と、スポットサイズ変換領域２１２で第１コア２０２を覆って下部クラッド層の上に形成された第２コア２０３とを備える。第１コア２０２は、第２コア２０３に覆われている領域で一端にかけて先細りに形成されている。また、第１コア２０２および第２コア２０３を覆って下部クラッド層の上に形成された上部クラッド層とを備える。なお、下部クラッド層および上部クラッド層を含む他の構成については、上述した実施の形態１と同様であり、図２Ａ〜図２Ｄでは、下部クラッド層および上部クラッド層を省略して示している。
【００２５】
また、本実施の形態においても、第２コア２０３を、スポットサイズ変換領域２１２の開始端（導波領域２１１の側）にかけて先細りに形成している。。図２Ｄの断面図は、第２コア２０３の開始端の幅を小さくした結果、第１コア２０２の幅より小さくなっている場合を表している。なお、図２Ｄは、図２Ａのｄｄ’線の断面を示しており、第１コア２０２はこの断面が示されるが、第２コア２０３は開始端となるため断面とはならない。このため、図２Ｄでは、第２コア２０３については、開始端の表面が示されている。
【００２６】
前述したように、第２コア２０３の開始端の断面積が小さいほど、導波モードプロファイルの第１コア２０２に対する閉じ込めは強くなり、第１コア２０２によって、導波モードプロファイルが支配的に決まる状態となる。この結果、本実施の形態においても、第２コア２０３の開始端において生じる反射と損失を小さくすることができる。
【００２７】
加えて、本実施の形態では、第１コア２０２は、スポットサイズ変換領域２１２の開始端の手前の導波領域で、開始端にかけて徐々に太くなる形状傾斜領域２１３を備える。この、第１コア２０２の断面積が増大する変化は、開始端にかけて導波する光の基本モードが維持される範囲とする。この構成とすることで、低反射かつ低損失の光結合ができるようになり、より効率的に光結合ができるようになる。
【００２８】
開始端における反射の影響は、導波領域２１１における第１コア２０２を、断面形状が数百ｎｍ角のシリコン細線から構成する場合、特に顕著となる。これは、導波モードプロファイルのシリコン細線コアへの光閉じ込め係数は比較的小さいためである。これに対し、上述したように、スポットサイズ変換領域２１２の開始端において、第１コア２０２の断面積が大きくなるようにすれば、導波モードプロファイルのシリコンコア（第１コア２０２）への閉じ込め係数を大きくすることができる。この結果、開始端における反射などの影響をより低減することができる。
【００２９】
また、本実施の形態では、第２コア２０３が、光入出射端２０３ａの手前で、光出射端にかけて徐々に径が変化する形状傾斜領域２１４を備える。図２Ａでは、光出射端にかけて徐々に細くなる場合について示している。形状傾斜領域２１４の手前の、スポットサイズ変換領域２１２の中間の領域においては、導波する光の単一モード条件が満たされる範囲で、第２コア２０３の断面積を大きくしておく方が望ましい。このような導波路を作製することで、第１コア２０２の先端部における反射と損失を小さくすることができる。
【００３０】
また、形状傾斜領域２１４により、第２コア２０３の断面積（径）を徐々に変化させることで、光入出射端２０３ａにおいて他の光素子と低損失で光結合が行える状態の適切な導波モードプロファイルが得られるようになる。例えば、形状傾斜領域２１４においては、基本モードが維持される範囲で、第２コア２０３の断面積を出射端にかけて大きくし、他の光素子に光結合させる場合も考えられる。
【００３１】
例えば、図３の平面図に示すように、本実施の形態における導波領域２１１およびスポットサイズ変換領域２１２を備える光導波路が形成された光回路２２０に対し、導波路型の化合物半導体光素子３０１を組み合わせることができる。化合物半導体光素子３０１は、例えば、導波路型の半導体レーザである。化合物半導体光素子３０１の光出射端３０２と光入出射端２０３ａとが、対向して光結合している。
【００３２】
図３に示す例では、導波領域２１１およびスポットサイズ変換領域２１２の導波方向を、光入出射端２０３ａの平面に対し、直角より傾斜して配置している。化合物半導体光素子３０１においても同様に、出射光（レーザ光）の出射方向が、光出射端３０２の平面に対し、直角より傾斜して配置している。また、光出射端３０２と光入出射端２０３ａとの間には、屈折率整合剤３０３を配置し、各端面における光の反射を低減している。
【００３３】
ここで、第２コア２０３の屈折率は、基本的には、屈折率整合剤３０３の屈折率に合わせて設計すれば、端面における反射を低減できる。一方、第１コア２０２の先細りの先端部における反射を低減するためには、第２コア２０３の屈折率が高いほど緩和される。これは、第１コア２０２と第２コア２０３との間の屈折率差が小さくなり、導波モードプロファイルの第１コア２０２に対する閉じ込めが小さくなる結果として得られる効果である。また、第２コア２０３の開始端における反射は、導波モードプロファイルの第１コア２０２に対する閉じ込めが大きいほど低減されるため、第２コア２０３屈折率は、クラッドと同程度に設計するか、または第１コア２０２の寸法を大きくすると良い。これらを考慮し、導波路構造や第２コア２０３の屈折率を設計する。
【００３４】
第１コア２０２の先細りの先端部（界面）における導波光の強度反射率を測定した結果について説明する。評価測定用の試作においては、第２コア２０３として屈折率１．５５のＳｉＯＮを用いる。また、第１コア２０２の先端部における第２コア２０３の断面寸法は、幅１．５μｍ、高さ１．４μｍとする。強度反射率測定には、波長１．５μｍ帯の光源を用いたリフレクトメータを使用する。
【００３５】
上述した測定の結果、第１コア２０２の先細りの先端部の寸法を、幅１６１ｎｍ，高さ２７０ｎｍとしたときに、強度反射率０．３２％が確認される。原理的には、第１コア２０２の先端部をさらに微細に加工することで、反射をさらに低減させることも可能である。ここで、第１コア２０２の先端部においては、幅に加えて高さを低減することが、反射の低減においてより重要となる。したがって、第１コア２０２の先端部において、幅に加えて高さも小さくなるように先細りの形状とすることが、反射の低減（反射による損失の低減）にはより効果的である。また、より薄い半導体層を加工して第１コア２０２を形成するようにしてもよい。
【００３６】
次に、製造方法について、図４Ａ，図４Ｂ，図４Ｃ，図４Ｄを用いて簡単に説明する。本実施の形態における光導波路は、例えば、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いることで形成できる。ＳＯＩ基板の、埋め込み絶縁層の上の表面シリコン層に、例えば、電子線露光用のレジストを塗布し、露光および現像を行ってマスクパターンを形成する。このマスクパターンをマスクとし、表面シリコン層をドライエッチングする。用いたマスクパターンを除去すれば、図４Ａの平面図に示すように、埋め込み絶縁層４０１の上に、シリコンパターン４０２が形成される。形成されたシリコンパターン４０２は、上述したマスクパターンと同形状となっている。なお、図において、他の部分との区別を明確にするために、シリコンパターン４０２の部分をグレーとしている。
【００３７】
ところで、いわゆるポジレジストを用いる場合、パターンとして残す箇所以外に電子線を照射する。一方、ネガレジストを用いる場合、パターンとして残す箇所に電子線を照射する。
【００３８】
シリコンパターン４０２は、コアとなるコア部４０２ａと、この周囲を囲う枠部４０２ｂと、枠部４０２ｂに連結する連結部４０２ｃとを備える。コア部４０２ａの先細りの先端部は、連結部４０２ｃで枠部４０２ｂに連結して形成される。このため、例えば、幅１００ｎｍと非常に細いパターンとしても、現像時にこの箇所のマスクパターンが流れて消失することが抑制でき、先細りの先端部を安定して形成することができる。
【００３９】
次に、図４Ｂの平面図に示すように、前述した第１コア２０２となるコア部４０２ａを覆うレジストパターン４０３を形成する。この状態で、埋め込み絶縁層４０１の上の露出している他の表面シリコン層（枠部４０２ｂおよび連結部４０２ｃなど）を選択的にエッチング除去すれば、図４Ｃの平面図に示すように、埋め込み絶縁層４０１の上に、コア部４０２ａが形成できる。埋め込み絶縁層４０１が、下部クラッド層となり、コア部４０２ａが、第１コアとなる。次に、例えば、スパッタ法などにより酸窒化シリコンの膜を形成し、この膜を、上述同様の電子線露光によるリソグラフィー技術とエッチング技術とによりパターニングし、図４Ｄに示すように、第２コアとなるコア部４０４を形成する。この後、酸化シリコンを堆積することで、上部クラッド層を形成すれば、本実施の形態における光導波路が得られる。
【００４０】
本実施の形態における光導波路は、上述したようにＳＯＩ基板に形成した状態で、図５の断面図に示すように、化合物半導体光素子３０１と組み合わせればよい。ＳＯＩ基板の基部５０１の上に、光導波路５１０が形成され、基部５０１を露出させた領域に化合物半導体光素子３０１が実装されている。光導波路５１０は、下部クラッド層５０２，第１コア５０３，第２コア５０４，および上部クラッド層５０５を備える。ＳＯＩ基板の埋め込み絶縁層をパターニングすることで、下部クラッド層５０２が形成されている。また、ＳＯＩ基板の表面シリコン層をパターニングすることで、第１コア５０３が形成されている。化合物半導体光素子３０１を搭載する搭載部５２１には、マウントステージを形成した後に、アライメント（位置合わせ）実装を行えばよい。
【００４１】
例えば、化合物半導体光素子３０１として光増幅素子を使用し、光導波路５１０の第１コア５０３よりなる導波路に可変波長フィルター機能を持たせれば、光導波路５１０に外部共振器を備える波長可変レーザーとすることができる。特に、光導波路５１０の第１コア５０３よりなる導波路に、リング共振器を構成すれば、石英系導波路と比較して小型にすることができる。加えて、リング共振器において熱光学効果を用いて波長を調整する場合に、その係数の差などから、消費電力を低減できる。
【００４２】
これら２つの素子を集積したときの光結合部における反射は、安定した波長チューニング動作の確保において、特に重要である。本発明の光導波路を用いることにより、低反射かつ低損失の光結合を得ることができ、安定した可変波長レーザー動作を実現することができる。
【００４３】
［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について、図６Ａおよび図６Ｂを用いて説明する。図６Ａおよび図６Ｂは、本実施の形態３における光導波路の構成を示す平面図である。
【００４４】
本実施の形態における光導波路は、下部クラッド層６０１と、下部クラッド層６０１の上の導波領域６１１からスポットサイズ変換領域６１２にかけて形成され、スポットサイズ変換領域６１２の終端となる光入出射端６１３を一端とする第１コア６０２を備える。また、光入出射端６１３まで第１コア６０２を覆って下部クラッド層６０１の上に形成された第２コア６０３を備える。なお、図示していないが、第２コア６０３を覆って下部クラッド層６０１の上には、上部クラッド層を備える。
【００４５】
また、本実施の形態における光導波路では、第１コア６０２は、光入出射端６１３の手前より一端にかけて先細りに形成されている。また、第２コア６０３は、スポットサイズ変換領域６１２から導波領域６１１にかけて、徐々に太くなる形状傾斜領域６１４を備える。なお、第２コア６０３の屈折率は、第１コア６０２より小さく下部クラッド層６０１および上部クラッド層より大きい。
【００４６】
例えば、図６Ｂの平面図に示すように、本実施の形態における導波領域６１１およびスポットサイズ変換領域６１２を備える光導波路が形成された光回路６２０に対し、導波路型の化合物半導体光素子３０１を組み合わせることができる。化合物半導体光素子３０１の光出射端３０２と光入出射端６１３とが、対向して光結合している。
【００４７】
図６Ｂに示す例では、導波領域６１１およびスポットサイズ変換領域６１２の導波方向を、光入出射端６１３の平面に対し、直角より傾斜して配置している。化合物半導体光素子３０１においても同様に、出射光の出射方向が、光出射端３０２の平面に対して直角より傾斜して配置している。また、光出射端３０２と光入出射端６１３との間には、屈折率整合剤３０３を配置し、各端面における光の反射を低減している。
【００４８】
本実施の形態における光導波路によれば、第１コア６０２の全域が、第２コア６０３で覆われているので、導波光の伝搬方向に沿った導波路構造の不連続な変化がない。このため、不連続な部分の存在による反射と損失とを抑制することができる。また、形状傾斜領域６１４により、第２コア６０３の断面積を変化させることで、光入出射端６１３において、化合物半導体光素子３０１（光出射端３０２）と低損失で光結合が行える状態の適切な導波モードプロファイルが得られるように断面サイズを作製しておく。また、形状変化領域６１４における断面寸法の変化を、導波光の伝搬方向に沿って十分な長さで変化させれば、反射と損失を低減することができる。
【００４９】
次に、本発明の光導波路の適用例について説明する。図７Ａおよび図７Ｂは、本発明の光導波路７０１に、半導体光増幅素子７０２を組み合わせてマッハ・ツェンダー干渉計を構成した例を示す平面図である。図７Ａは、波長変換の分波器として用いる場合の構成であり、図７Ｂは時分割多重の分波器として用いる場合の構成である。いずれの構成においても、２つの半導体光増幅素子７０２と、４組の導波領域１１１およびスポットサイズ変換領域１１２を備える。また、半導体光増幅素子７０２の２箇所の光入出力部に対し、光導波路７０１を構成しているスポットサイズ変換領域１１２の光入出射端で光結合している。また、半導体光増幅素子７０２を介した各々の側で、一部の導波領域１１１が近設する結合器を備える。
【００５０】
図７Ａに示すように、波長変換の分波器とする場合、２波長の信号を各々別のポートから入力し、入力した側の結合器で、パルスの信号光のほぼ全てのパワーが、マッハ・ツェンダー干渉計の片側に移行するように設計する。この設計において、連続発振光であるもう１つの波長の信号光を干渉計の両側にパワーを等分配することで、相互位相変調を介して波長変換されたパルスの信号光が得られる。
【００５１】
また、図７Ｂに示すように、時分割多重の分波器とする場合、クロック信号が１つのポートから入力され、マッハ・ツェンダー干渉計の両側に等分配される。２つの半導体光増幅素子７０２の配置の差から、各々の半導体光増幅素子７０２で位相変調を与えるタイミングを例えば数ピコ秒の差で制御することができ、これがマッハ・ツェンダースイッチの切り取りの時間とすることができる。
【００５２】
このように構成したマッハ・ツェンダー干渉計によれば、例えば、シリコン導波路の使用により、石英系導波路で構成したものと比べて干渉計を小さくできるため、大規模化や他の機能を有する光回路とのモノリシック集積が可能となる。また、本発明の光導波路によれば、半導体光増幅素子７０２との光接続部における反射が低減できるので、不必要なレーザー発振やノイズの低減を図ることができる。
【００５３】
次に、本発明の光導波路の他の適用例について説明する。図８は、複数の光導波路を用い、これに石英系導波路による波長合分波器８２１を組み合わせた、光分岐挿入装置（Optical Add Drop Multiplexer：ＯＡＤＭ）の構成を示す構成図である。このＯＡＤＭは、２つの波長合分波器８２１と、これらの間に配置された光回路８０１を備える。
【００５４】
光回路８０１は、波長合分波器８２１の各ポートに対応して形成された光導波路８１１を備える。光導波路８１１は、前述した本発明の光導波路であり、この両端に、スポットサイズ変換領域８１２を備える。また、光導波路８１１は、２つのスポットサイズ変換領域８１２の間の導波領域８１３に、導波路型の光スイッチ素子８１４が形成されている。例えば、一方の波長合分波器８２１で、全ての波長チャンネルを分波した後、光スイッチ素子８１４で特定の信号光を加え、抜き、あるいは通過させることができ、この後に全体の光信号を他方の波長合分波器８２１で合波する。
【００５５】
この場合、図９Ａの断面図に示すように、波長合分波器８２１が形成された基板８２０の回路基板搭載領域８２２に、光回路８０１を搭載すればよい。図９Ａにおいて、光回路８０１は、主にスポットサイズ変換領域８１２の部分を示しており、ＳＯＩ基板の基部９０１の上に、下部クラッド層９０２，第１コア９０３，第２コア９０４，および上部クラッド層９０５を備える。また、図９Ｂの断面図に示すように、回路基板搭載領域８２２に、基部９０１の側を上方に向け、上部クラッド層９０５の側が固定されるように、光回路８０１を搭載してもよい。
【００５６】
石英系導波路による波長合分波器８２１を用いることで、偏波依存性や波長チャンネル間のクロストーク等に優れた特性を利用することができる。一方、シリコン導波路による光導波路８１１および光スイッチ素子８１４を用いることで、大規模の光スイッチを小型に作製することができる。また、光スイッチ素子８１４を熱光学効果によるスイッチとすれば、石英系材料との係数の差等から、消費電力を低減できるという利点を有する。
【００５７】
これらの他にも、電気光学効果を有する機能性ポリマー導波路素子やニオブ酸リチウム等の強誘電体素子とシリコン導波路による光回路とを集積することにより、各々の特有の特性を活かした、高機能な光回路素子を構成することができる。本発明を用いることにより、異種導波路の光結合部における反射および損失（光結合損失）を低減することができ、いずれの応用に対しても高性能化に寄与することができる。
【００５８】
例えば、上述では、第１コアをシリコンから構成したが、これに限るものではない。例えば、ゲルマニウムは、シリコンゲルマニウムなどの半導体材料から構成されていてもよい。また、クラッド層（上部クラッド層）は、酸化シリコンに限るものではなく、酸窒化シリコン、窒化シリコンまたはポリマー媒質（高分子材料）から構成されていてもよい。これは、第２コアについても同様である。第２コアは、第１コアより小さく下部クラッド層および上部クラッド層より大きい屈折率を有する材料から構成されていればよい。
【符号の説明】
【００５９】
１０１…下部クラッド層、１０２…第１コア、１０３…第２コア、１０３ａ…光入出射端、１０４…上部クラッド層、１１１…導波領域、１１２…スポットサイズ変換領域。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集積した２つの光導波路素子を光結合するための光導波路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信における基幹部品として、現在、石英系の平面光波回路（ＰＬＣ）が広く使用されている。これまで、石英系ＰＬＣの主な素子として、アレイ導波路回折格子，ＲＯＡＤＭ（Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer），およびスプリッタなどが製品化されてきた。近年はさらに、半導体光増幅素子（ＳＯＡ）と石英系ＰＬＣを集積化した波長可変レーザーなどの新規機能素子の開発が進展し、能動素子と受動素子を混載した小型で安価かつ高機能の素子およびシステムを実現する試みが活発化している。
【０００３】
しかし、情報伝送量の急速な増加にともない、基幹部品の高集積化は不可避の状況となっており、素子の寸法や電力消費の点で、石英系ＰＬＣには限界が見え始めてきた。これに対応するために、小型化・低消費電力化を可能にするシリコンフォトニクスが注目されている。シリコンフォトニクスとは、Ｓｉからコアを構成し、ＳｉＯ2からクラッドを構成する高屈折率差の導波路を利用したものを指している。この光導波路は、石英系導波路と比較して曲げ半径を小さくできるため、ＰＬＣの小型化を可能にする。さらに、電子回路との集積化が可能であり、また、ＬＳＩと同様の製造リソースの利用が可能であり、低価格かつ生産性が高いなどの利点を備えており、近年、特に研究開発が活発になっている。
【０００４】
しかしながら、シリコンフォトニクスでは、シリコンの材料特性から、発光効率が極めて低いため、光機能素子として用いる際には、化合物半導体のレーザーダイオードや光増幅器などとを集積化することが不可欠である。近年、注目されている形態の例としては、Ｓｉ導波路を形成した基板上に化合物半導体素子を貼り合わせる、モノリシック集積が挙げられる。非特許文献１には、ＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸とＳｉ導波路のエバネッセント結合により光学利得を設け、レーザー動作を確認したことが報告されている。
【０００５】
この構成における導波モードプロファイルは、ＩＩＩ−Ｖ媒質とＳｉ導波路の双方に重なっている。このため、導波モードはＩＩＩ−Ｖ領域から利得を得ることができ、同時に、ＩＩＩ−Ｖ領域の下にあるＳｉ導波路領域により導波されることになる。この形態の最大の利点は、ＩＩＩ−Ｖ領域は横方向において対称性を有することから、あらかじめ形成したＳｉ導波路に対してＩＩＩ−Ｖウエハーを貼り合わせるときには、高精度の目合わせは不要であるということである。しかし、この形態の特性はＩＩＩ−Ｖ媒質単体で実現されるものには及ばず、実際、これまで報告されている特性は従来素子に比べると劣っている。
【０００６】
上述した技術に対し、化合物半導体チップをＳＯＩウエハーに対してハイブリッドに集積する形態は、特に、高い性能の要求される光通信においては、依然、その重要性を保っている。この集積においては、突き合わせる導波路同士の導波モードのスポットサイズを整合させて光結合損失を低減する他、結合部における反射を低減するための構造の導入が重要となる。中でも、ハイブリッド集積したときの結合部における反射は、不必要なレーザー発振を誘起するなど、所望の動作を不安定化する要因となる。これは、化合物半導体と光回路を含めた外部共振器型レーザーを構成したときには、特に顕著である。
【０００７】
これまで、シリコン導波路と光ファイバーとの光学結合を効率良く得るため、例えば、特許文献１には、シリコンより低い屈折率を有するＳｉＯＮなどより構成したコアによる導波路を利用した構造が提案されている。この構造においては、シリコン導波路をＳｉＯＮなどの導波路に接続することで、導波光のスポットサイズを拡大し、光ファイバーとの結合効率を向上させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１３３４４６号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Alexander W. Fang et al. ,"Electrically pumped hybrid AlGzInAs-silicon evanescent laser", Optics Express, Vol.14, No.20, pp.9203-9210, 2006.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上述した構成の導波路においては、シリコンやＳｉＯＮなどのコア形状が、導波光の伝搬方向に沿って不連続に変化する箇所や端面において、反射が生じる。これは、屈折率分布が伝搬方向に沿って不連続に変化するためである。また、同様の導波路構造を用いて、化合物半導体などとのスポットサイズを整合させる場合には、一般的にスポットサイズをファイバーのそれより小さく設計することが必要である。したがって、ＳｉＯＮなどから構成するコアの屈折率は、ファイバーとの光学結合に用いるときよりも、高くすることが必要となる。シリコン導波路に接続するＳｉＯＮなどの屈折率が高くなれば、このコア形状が不連続に変化する箇所などにおける反射はさらに顕著となり、光結合の効率を低下させることにもつながる。特に、光結合において反射が顕著になることは、集積素子の動作不安定化などの原因となるため、問題となる。
【００１１】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、スポットサイズを変換する光導波路を用い、より効率的に光結合ができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る光導波路は、下部クラッド層と、この下部クラッド層の上の導波領域からスポットサイズ変換領域にかけて形成され、スポットサイズ変換領域の終端となる光入出射端の手前に一端を備える第１コアと、スポットサイズ変換領域で第１コアを覆って下部クラッド層の上に形成された第２コアと、第１コアおよび第２コアを覆って下部クラッド層の上に形成された上部クラッド層とを少なくとも備え、第１コアは、第２コアに覆われている領域で一端にかけて先細りに形成され、第２コアは、スポットサイズ変換領域の開始端にかけて先細りに形成され、第２コアの屈折率は、第１コアより小さく下部クラッド層および上部クラッド層より大きい。
【００１３】
また、本発明に係る光導波路は、下部クラッド層と、この下部クラッド層の上の導波領域からスポットサイズ変換領域にかけて形成され、スポットサイズ変換領域の終端となる光入出射端を一端とする第１コアと、光入出射端まで第１コアを覆って下部クラッド層の上に形成された第２コアと、第２コアを覆って下部クラッド層の上に形成された上部クラッド層とを少なくとも備え、第１コアは、光入出射端の手前より一端にかけて先細りに形成され、第２コアは、スポットサイズ変換領域から導波領域にかけて、徐々に太くなる形状傾斜領域を備え、第２コアの屈折率は、第１コアより小さく下部クラッド層および上部クラッド層より大きい。
【発明の効果】
【００１４】
以上に説明したことにより、本発明によれば、スポットサイズを変換する光導波路を用い、より効率的に光結合ができるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】本実施の形態１における光導波路の構成を示す平面図である。
【図１Ｂ】実施の形態１における光導波路の導波方向に平行な断面を示す断面図である。
【図２Ａ】本実施の形態２における光導波路の構成を示す平面図である。
【図２Ｂ】実施の形態２における光導波路の導波方向に平行な断面を示す断面図である。
【図２Ｃ】図２Ａのｃｃ’線の断面を示す断面図である。
【図２Ｄ】図２Ａのｄｄ’線の断面を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１における光導波路の適用例を示す平面図である。
【図４Ａ】実施の形態１における光導波路の製造方法を説明する工程図である。
【図４Ｂ】実施の形態１における光導波路の製造方法を説明する工程図である。
【図４Ｃ】実施の形態１における光導波路の製造方法を説明する工程図である。
【図４Ｄ】実施の形態１における光導波路の製造方法を説明する工程図である。
【図５】本発明の実施の形態１における光導波路の適用例を示す断面図である。
【図６Ａ】本実施の形態２における光導波路の構成を示す平面図である。
【図６Ｂ】実施の形態２における光導波路の適用例を示す平面図である。
【図７Ａ】本発明における光導波路の適用例を示す平面図である。
【図７Ｂ】本発明における光導波路の適用例を示す平面図である。
【図８】本発明における光導波路の適用例を示す平面図である。
【図９Ａ】本発明における光導波路の適用例を示す断面図である。
【図９Ｂ】本発明における光導波路の適用例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００１７】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について、図１Ａ，図１Ｂを用いて説明する。図１Ａは、本実施の形態１における光導波路の構成を示す平面図である。また、図１Ｂは、実施の形態１における光導波路の導波方向に平行な断面を示す断面図である。
【００１８】
この光導波路は、まず、下部クラッド層１０１と、下部クラッド層１０１の上の導波領域１１１からスポットサイズ変換領域１１２にかけて形成され、スポットサイズ変換領域１１２の終端となる光入出射端１０３ａの手前に一端を備える第１コア１０２と、スポットサイズ変換領域１１２で第１コア１０２を覆って下部クラッド層１０１の上に形成された第２コア１０３とを備える。第１コア１０２は、第２コア１０３に覆われている領域で一端にかけて先細りに形成されている。また、第１コア１０２および第２コア１０３を覆って下部クラッド層１０１の上に形成された上部クラッド層１０４とを備える。なお、図１Ａでは、上部クラッド層１０４を省略して示している。
【００１９】
第１コア１０２の先細りとなっている先端部は、断面積が小さいほど、導波モードプロファイルの第１コア１０２に対する閉じ込めが小さくなり（第２コア１０３に対する閉じ込めが強くなり）、第２コア１０３による導波モードプロファイルが支配的となる。従って、第１コア１０２の先端部の断面積を可能な範囲で小さくすることで、第１コア１０２の先端部で生じる導波光の反射および損失を小さくすることができるようになる。
【００２０】
上述した構成に加え、本実施の形態にける光導波路は、第２コア１０３を、スポットサイズ変換領域１１２の開始端（導波領域１１１の側）にかけて先細りに形成したところに特徴がある。このように、第２コア１０３が、スポットサイズ変換領域１１２の開始端にかけて先細りに形成されているので、本実施の形態によれば、導波領域１１１とスポットサイズ変換領域１１２との界面で生じる、導波光の反射および損失をより小さくすることができるようになる。この結果、より効率的に光結合ができるようになる。
【００２１】
ここで、第２コア１０３の屈折率は、第１コア１０２より小さく下部クラッド層１０１および上部クラッド層１０４より大きい。例えば、下部クラッド層１０１および上部クラッド層１０４は、酸化シリコンから構成し、第１コア１０２はシリコンから構成し、第２コア１０３は、酸窒化シリコンから構成すればよい。
【００２２】
なお、上述では、第２コア１０３の先細りに形成した領域は、図１Ｂに示すように、下部クラッド層１０１の平面の法線方向の高さは変化しておらず、図１Ａに示すように、平面形状が先細りとなるようにしているが、これに限るものではない。高さ方向もスポットサイズ変換領域１１２の開始端に近いほど小さくなるようにしてもよい。第２コア１０３は、スポットサイズ変換領域１１２の開始端に近いほど、断面積が徐々に小さくなる世に形成されていればよい。また、このことは、第１コア１０２の一端側の先細り形状においても同様である。
【００２３】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について、図２Ａ〜２Ｄ，図３を用いて説明する。図２Ａは、本実施の形態２における光導波路の構成を示す平面図である。また、図２Ｂは、実施の形態２における光導波路の導波方向に平行な断面を示す断面図である。また、図２Ｃは、図２Ａのｃｃ’線の断面を示し、図２Ｄは、図２Ａのｄｄ’線の断面を示している。
【００２４】
この光導波路は、まず、下部クラッド層の上の導波領域２１１からスポットサイズ変換領域２１２にかけて形成され、スポットサイズ変換領域２１２の終端となる光入出射端２０３ａの手前に一端を備える第１コア２０２と、スポットサイズ変換領域２１２で第１コア２０２を覆って下部クラッド層の上に形成された第２コア２０３とを備える。第１コア２０２は、第２コア２０３に覆われている領域で一端にかけて先細りに形成されている。また、第１コア２０２および第２コア２０３を覆って下部クラッド層の上に形成された上部クラッド層とを備える。なお、下部クラッド層および上部クラッド層を含む他の構成については、上述した実施の形態１と同様であり、図２Ａ〜図２Ｄでは、下部クラッド層および上部クラッド層を省略して示している。
【００２５】
また、本実施の形態においても、第２コア２０３を、スポットサイズ変換領域２１２の開始端（導波領域２１１の側）にかけて先細りに形成している。。図２Ｄの断面図は、第２コア２０３の開始端の幅を小さくした結果、第１コア２０２の幅より小さくなっている場合を表している。なお、図２Ｄは、図２Ａのｄｄ’線の断面を示しており、第１コア２０２はこの断面が示されるが、第２コア２０３は開始端となるため断面とはならない。このため、図２Ｄでは、第２コア２０３については、開始端の表面が示されている。
【００２６】
前述したように、第２コア２０３の開始端の断面積が小さいほど、導波モードプロファイルの第１コア２０２に対する閉じ込めは強くなり、第１コア２０２によって、導波モードプロファイルが支配的に決まる状態となる。この結果、本実施の形態においても、第２コア２０３の開始端において生じる反射と損失を小さくすることができる。
【００２７】
加えて、本実施の形態では、第１コア２０２は、スポットサイズ変換領域２１２の開始端の手前の導波領域で、開始端にかけて徐々に太くなる形状傾斜領域２１３を備える。この、第１コア２０２の断面積が増大する変化は、開始端にかけて導波する光の基本モードが維持される範囲とする。この構成とすることで、低反射かつ低損失の光結合ができるようになり、より効率的に光結合ができるようになる。
【００２８】
開始端における反射の影響は、導波領域２１１における第１コア２０２を、断面形状が数百ｎｍ角のシリコン細線から構成する場合、特に顕著となる。これは、導波モードプロファイルのシリコン細線コアへの光閉じ込め係数は比較的小さいためである。これに対し、上述したように、スポットサイズ変換領域２１２の開始端において、第１コア２０２の断面積が大きくなるようにすれば、導波モードプロファイルのシリコンコア（第１コア２０２）への閉じ込め係数を大きくすることができる。この結果、開始端における反射などの影響をより低減することができる。
【００２９】
また、本実施の形態では、第２コア２０３が、光入出射端２０３ａの手前で、光出射端にかけて徐々に径が変化する形状傾斜領域２１４を備える。図２Ａでは、光出射端にかけて徐々に細くなる場合について示している。形状傾斜領域２１４の手前の、スポットサイズ変換領域２１２の中間の領域においては、導波する光の単一モード条件が満たされる範囲で、第２コア２０３の断面積を大きくしておく方が望ましい。このような導波路を作製することで、第１コア２０２の先端部における反射と損失を小さくすることができる。
【００３０】
また、形状傾斜領域２１４により、第２コア２０３の断面積（径）を徐々に変化させることで、光入出射端２０３ａにおいて他の光素子と低損失で光結合が行える状態の適切な導波モードプロファイルが得られるようになる。例えば、形状傾斜領域２１４においては、基本モードが維持される範囲で、第２コア２０３の断面積を出射端にかけて大きくし、他の光素子に光結合させる場合も考えられる。
【００３１】
例えば、図３の平面図に示すように、本実施の形態における導波領域２１１およびスポットサイズ変換領域２１２を備える光導波路が形成された光回路２２０に対し、導波路型の化合物半導体光素子３０１を組み合わせることができる。化合物半導体光素子３０１は、例えば、導波路型の半導体レーザである。化合物半導体光素子３０１の光出射端３０２と光入出射端２０３ａとが、対向して光結合している。
【００３２】
図３に示す例では、導波領域２１１およびスポットサイズ変換領域２１２の導波方向を、光入出射端２０３ａの平面に対し、直角より傾斜して配置している。化合物半導体光素子３０１においても同様に、出射光（レーザ光）の出射方向が、光出射端３０２の平面に対し、直角より傾斜して配置している。また、光出射端３０２と光入出射端２０３ａとの間には、屈折率整合剤３０３を配置し、各端面における光の反射を低減している。
【００３３】
ここで、第２コア２０３の屈折率は、基本的には、屈折率整合剤３０３の屈折率に合わせて設計すれば、端面における反射を低減できる。一方、第１コア２０２の先細りの先端部における反射を低減するためには、第２コア２０３の屈折率が高いほど緩和される。これは、第１コア２０２と第２コア２０３との間の屈折率差が小さくなり、導波モードプロファイルの第１コア２０２に対する閉じ込めが小さくなる結果として得られる効果である。また、第２コア２０３の開始端における反射は、導波モードプロファイルの第１コア２０２に対する閉じ込めが大きいほど低減されるため、第２コア２０３屈折率は、クラッドと同程度に設計するか、または第１コア２０２の寸法を大きくすると良い。これらを考慮し、導波路構造や第２コア２０３の屈折率を設計する。
【００３４】
第１コア２０２の先細りの先端部（界面）における導波光の強度反射率を測定した結果について説明する。評価測定用の試作においては、第２コア２０３として屈折率１．５５のＳｉＯＮを用いる。また、第１コア２０２の先端部における第２コア２０３の断面寸法は、幅１．５μｍ、高さ１．４μｍとする。強度反射率測定には、波長１．５μｍ帯の光源を用いたリフレクトメータを使用する。
【００３５】
上述した測定の結果、第１コア２０２の先細りの先端部の寸法を、幅１６１ｎｍ，高さ２７０ｎｍとしたときに、強度反射率０．３２％が確認される。原理的には、第１コア２０２の先端部をさらに微細に加工することで、反射をさらに低減させることも可能である。ここで、第１コア２０２の先端部においては、幅に加えて高さを低減することが、反射の低減においてより重要となる。したがって、第１コア２０２の先端部において、幅に加えて高さも小さくなるように先細りの形状とすることが、反射の低減（反射による損失の低減）にはより効果的である。また、より薄い半導体層を加工して第１コア２０２を形成するようにしてもよい。
【００３６】
次に、製造方法について、図４Ａ，図４Ｂ，図４Ｃ，図４Ｄを用いて簡単に説明する。本実施の形態における光導波路は、例えば、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いることで形成できる。ＳＯＩ基板の、埋め込み絶縁層の上の表面シリコン層に、例えば、電子線露光用のレジストを塗布し、露光および現像を行ってマスクパターンを形成する。このマスクパターンをマスクとし、表面シリコン層をドライエッチングする。用いたマスクパターンを除去すれば、図４Ａの平面図に示すように、埋め込み絶縁層４０１の上に、シリコンパターン４０２が形成される。形成されたシリコンパターン４０２は、上述したマスクパターンと同形状となっている。なお、図において、他の部分との区別を明確にするために、シリコンパターン４０２の部分をグレーとしている。
【００３７】
ところで、いわゆるポジレジストを用いる場合、パターンとして残す箇所以外に電子線を照射する。一方、ネガレジストを用いる場合、パターンとして残す箇所に電子線を照射する。
【００３８】
シリコンパターン４０２は、コアとなるコア部４０２ａと、この周囲を囲う枠部４０２ｂと、枠部４０２ｂに連結する連結部４０２ｃとを備える。コア部４０２ａの先細りの先端部は、連結部４０２ｃで枠部４０２ｂに連結して形成される。このため、例えば、幅１００ｎｍと非常に細いパターンとしても、現像時にこの箇所のマスクパターンが流れて消失することが抑制でき、先細りの先端部を安定して形成することができる。
【００３９】
次に、図４Ｂの平面図に示すように、前述した第１コア２０２となるコア部４０２ａを覆うレジストパターン４０３を形成する。この状態で、埋め込み絶縁層４０１の上の露出している他の表面シリコン層（枠部４０２ｂおよび連結部４０２ｃなど）を選択的にエッチング除去すれば、図４Ｃの平面図に示すように、埋め込み絶縁層４０１の上に、コア部４０２ａが形成できる。埋め込み絶縁層４０１が、下部クラッド層となり、コア部４０２ａが、第１コアとなる。次に、例えば、スパッタ法などにより酸窒化シリコンの膜を形成し、この膜を、上述同様の電子線露光によるリソグラフィー技術とエッチング技術とによりパターニングし、図４Ｄに示すように、第２コアとなるコア部４０４を形成する。この後、酸化シリコンを堆積することで、上部クラッド層を形成すれば、本実施の形態における光導波路が得られる。
【００４０】
本実施の形態における光導波路は、上述したようにＳＯＩ基板に形成した状態で、図５の断面図に示すように、化合物半導体光素子３０１と組み合わせればよい。ＳＯＩ基板の基部５０１の上に、光導波路５１０が形成され、基部５０１を露出させた領域に化合物半導体光素子３０１が実装されている。光導波路５１０は、下部クラッド層５０２，第１コア５０３，第２コア５０４，および上部クラッド層５０５を備える。ＳＯＩ基板の埋め込み絶縁層をパターニングすることで、下部クラッド層５０２が形成されている。また、ＳＯＩ基板の表面シリコン層をパターニングすることで、第１コア５０３が形成されている。化合物半導体光素子３０１を搭載する搭載部５２１には、マウントステージを形成した後に、アライメント（位置合わせ）実装を行えばよい。
【００４１】
例えば、化合物半導体光素子３０１として光増幅素子を使用し、光導波路５１０の第１コア５０３よりなる導波路に可変波長フィルター機能を持たせれば、光導波路５１０に外部共振器を備える波長可変レーザーとすることができる。特に、光導波路５１０の第１コア５０３よりなる導波路に、リング共振器を構成すれば、石英系導波路と比較して小型にすることができる。加えて、リング共振器において熱光学効果を用いて波長を調整する場合に、その係数の差などから、消費電力を低減できる。
【００４２】
これら２つの素子を集積したときの光結合部における反射は、安定した波長チューニング動作の確保において、特に重要である。本発明の光導波路を用いることにより、低反射かつ低損失の光結合を得ることができ、安定した可変波長レーザー動作を実現することができる。
【００４３】
［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について、図６Ａおよび図６Ｂを用いて説明する。図６Ａおよび図６Ｂは、本実施の形態３における光導波路の構成を示す平面図である。
【００４４】
本実施の形態における光導波路は、下部クラッド層６０１と、下部クラッド層６０１の上の導波領域６１１からスポットサイズ変換領域６１２にかけて形成され、スポットサイズ変換領域６１２の終端となる光入出射端６１３を一端とする第１コア６０２を備える。また、光入出射端６１３まで第１コア６０２を覆って下部クラッド層６０１の上に形成された第２コア６０３を備える。なお、図示していないが、第２コア６０３を覆って下部クラッド層６０１の上には、上部クラッド層を備える。
【００４５】
また、本実施の形態における光導波路では、第１コア６０２は、光入出射端６１３の手前より一端にかけて先細りに形成されている。また、第２コア６０３は、スポットサイズ変換領域６１２から導波領域６１１にかけて、徐々に太くなる形状傾斜領域６１４を備える。なお、第２コア６０３の屈折率は、第１コア６０２より小さく下部クラッド層６０１および上部クラッド層より大きい。
【００４６】
例えば、図６Ｂの平面図に示すように、本実施の形態における導波領域６１１およびスポットサイズ変換領域６１２を備える光導波路が形成された光回路６２０に対し、導波路型の化合物半導体光素子３０１を組み合わせることができる。化合物半導体光素子３０１の光出射端３０２と光入出射端６１３とが、対向して光結合している。
【００４７】
図６Ｂに示す例では、導波領域６１１およびスポットサイズ変換領域６１２の導波方向を、光入出射端６１３の平面に対し、直角より傾斜して配置している。化合物半導体光素子３０１においても同様に、出射光の出射方向が、光出射端３０２の平面に対して直角より傾斜して配置している。また、光出射端３０２と光入出射端６１３との間には、屈折率整合剤３０３を配置し、各端面における光の反射を低減している。
【００４８】
本実施の形態における光導波路によれば、第１コア６０２の全域が、第２コア６０３で覆われているので、導波光の伝搬方向に沿った導波路構造の不連続な変化がない。このため、不連続な部分の存在による反射と損失とを抑制することができる。また、形状傾斜領域６１４により、第２コア６０３の断面積を変化させることで、光入出射端６１３において、化合物半導体光素子３０１（光出射端３０２）と低損失で光結合が行える状態の適切な導波モードプロファイルが得られるように断面サイズを作製しておく。また、形状変化領域６１４における断面寸法の変化を、導波光の伝搬方向に沿って十分な長さで変化させれば、反射と損失を低減することができる。
【００４９】
次に、本発明の光導波路の適用例について説明する。図７Ａおよび図７Ｂは、本発明の光導波路７０１に、半導体光増幅素子７０２を組み合わせてマッハ・ツェンダー干渉計を構成した例を示す平面図である。図７Ａは、波長変換の分波器として用いる場合の構成であり、図７Ｂは時分割多重の分波器として用いる場合の構成である。いずれの構成においても、２つの半導体光増幅素子７０２と、４組の導波領域１１１およびスポットサイズ変換領域１１２を備える。また、半導体光増幅素子７０２の２箇所の光入出力部に対し、光導波路７０１を構成しているスポットサイズ変換領域１１２の光入出射端で光結合している。また、半導体光増幅素子７０２を介した各々の側で、一部の導波領域１１１が近設する結合器を備える。
【００５０】
図７Ａに示すように、波長変換の分波器とする場合、２波長の信号を各々別のポートから入力し、入力した側の結合器で、パルスの信号光のほぼ全てのパワーが、マッハ・ツェンダー干渉計の片側に移行するように設計する。この設計において、連続発振光であるもう１つの波長の信号光を干渉計の両側にパワーを等分配することで、相互位相変調を介して波長変換されたパルスの信号光が得られる。
【００５１】
また、図７Ｂに示すように、時分割多重の分波器とする場合、クロック信号が１つのポートから入力され、マッハ・ツェンダー干渉計の両側に等分配される。２つの半導体光増幅素子７０２の配置の差から、各々の半導体光増幅素子７０２で位相変調を与えるタイミングを例えば数ピコ秒の差で制御することができ、これがマッハ・ツェンダースイッチの切り取りの時間とすることができる。
【００５２】
このように構成したマッハ・ツェンダー干渉計によれば、例えば、シリコン導波路の使用により、石英系導波路で構成したものと比べて干渉計を小さくできるため、大規模化や他の機能を有する光回路とのモノリシック集積が可能となる。また、本発明の光導波路によれば、半導体光増幅素子７０２との光接続部における反射が低減できるので、不必要なレーザー発振やノイズの低減を図ることができる。
【００５３】
次に、本発明の光導波路の他の適用例について説明する。図８は、複数の光導波路を用い、これに石英系導波路による波長合分波器８２１を組み合わせた、光分岐挿入装置（Optical Add Drop Multiplexer：ＯＡＤＭ）の構成を示す構成図である。このＯＡＤＭは、２つの波長合分波器８２１と、これらの間に配置された光回路８０１を備える。
【００５４】
光回路８０１は、波長合分波器８２１の各ポートに対応して形成された光導波路８１１を備える。光導波路８１１は、前述した本発明の光導波路であり、この両端に、スポットサイズ変換領域８１２を備える。また、光導波路８１１は、２つのスポットサイズ変換領域８１２の間の導波領域８１３に、導波路型の光スイッチ素子８１４が形成されている。例えば、一方の波長合分波器８２１で、全ての波長チャンネルを分波した後、光スイッチ素子８１４で特定の信号光を加え、抜き、あるいは通過させることができ、この後に全体の光信号を他方の波長合分波器８２１で合波する。
【００５５】
この場合、図９Ａの断面図に示すように、波長合分波器８２１が形成された基板８２０の回路基板搭載領域８２２に、光回路８０１を搭載すればよい。図９Ａにおいて、光回路８０１は、主にスポットサイズ変換領域８１２の部分を示しており、ＳＯＩ基板の基部９０１の上に、下部クラッド層９０２，第１コア９０３，第２コア９０４，および上部クラッド層９０５を備える。また、図９Ｂの断面図に示すように、回路基板搭載領域８２２に、基部９０１の側を上方に向け、上部クラッド層９０５の側が固定されるように、光回路８０１を搭載してもよい。
【００５６】
石英系導波路による波長合分波器８２１を用いることで、偏波依存性や波長チャンネル間のクロストーク等に優れた特性を利用することができる。一方、シリコン導波路による光導波路８１１および光スイッチ素子８１４を用いることで、大規模の光スイッチを小型に作製することができる。また、光スイッチ素子８１４を熱光学効果によるスイッチとすれば、石英系材料との係数の差等から、消費電力を低減できるという利点を有する。
【００５７】
これらの他にも、電気光学効果を有する機能性ポリマー導波路素子やニオブ酸リチウム等の強誘電体素子とシリコン導波路による光回路とを集積することにより、各々の特有の特性を活かした、高機能な光回路素子を構成することができる。本発明を用いることにより、異種導波路の光結合部における反射および損失（光結合損失）を低減することができ、いずれの応用に対しても高性能化に寄与することができる。
【００５８】
例えば、上述では、第１コアをシリコンから構成したが、これに限るものではない。例えば、ゲルマニウムは、シリコンゲルマニウムなどの半導体材料から構成されていてもよい。また、クラッド層（上部クラッド層）は、酸化シリコンに限るものではなく、酸窒化シリコン、窒化シリコンまたはポリマー媒質（高分子材料）から構成されていてもよい。これは、第２コアについても同様である。第２コアは、第１コアより小さく下部クラッド層および上部クラッド層より大きい屈折率を有する材料から構成されていればよい。
【符号の説明】
【００５９】
１０１…下部クラッド層、１０２…第１コア、１０３…第２コア、１０３ａ…光入出射端、１０４…上部クラッド層、１１１…導波領域、１１２…スポットサイズ変換領域。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部クラッド層と、
この下部クラッド層の上の導波領域からスポットサイズ変換領域にかけて形成され、前記スポットサイズ変換領域の終端となる光入出射端の手前に一端を備える第１コアと、
前記スポットサイズ変換領域で前記第１コアを覆って前記下部クラッド層の上に形成された第２コアと、
前記第１コアおよび前記第２コアを覆って前記下部クラッド層の上に形成された上部クラッド層と
を少なくとも備え、
前記第１コアは、前記第２コアに覆われている領域で前記一端にかけて先細りに形成され、
前記第２コアは、前記スポットサイズ変換領域の開始端にかけて先細りに形成され、
前記第２コアの屈折率は、前記第１コアより小さく前記下部クラッド層および前記上部クラッド層より大きい
ことを特徴とする光導波路。
【請求項２】
請求項１記載の光導波路において、
前記第１コアは、前記開始端の手前の前記導波領域で、導波する光の基本モードが維持される範囲で、前記開始端にかけて徐々に太くなる形状傾斜領域を備える
ことを特徴とする光導波路。
【請求項３】
請求項１または２記載の光導波路において、
前記第２コアは、前記光入出射端の手前で、前記光入出射端にかけて徐々に径が変化する形状傾斜領域を備える
ことを特徴とする光導波路。
【請求項４】
下部クラッド層と、
この下部クラッド層の上の導波領域からスポットサイズ変換領域にかけて形成され、前記スポットサイズ変換領域の終端となる光入出射端を一端とする第１コアと、
前記光入出射端まで前記第１コアを覆って前記下部クラッド層の上に形成された第２コアと、
前記第２コアを覆って前記下部クラッド層の上に形成された上部クラッド層と
を少なくとも備え、
前記第１コアは、前記光入出射端の手前より前記一端にかけて先細りに形成され、
前記第２コアは、前記スポットサイズ変換領域から前記導波領域にかけて、徐々に太くなる形状傾斜領域を備え、
前記第２コアの屈折率は、前記第１コアより小さく前記下部クラッド層および前記上部クラッド層より大きい
ことを特徴とする光導波路。
【請求項１】
下部クラッド層と、
この下部クラッド層の上の導波領域からスポットサイズ変換領域にかけて形成され、前記スポットサイズ変換領域の終端となる光入出射端の手前に一端を備える第１コアと、
前記スポットサイズ変換領域で前記第１コアを覆って前記下部クラッド層の上に形成された第２コアと、
前記第１コアおよび前記第２コアを覆って前記下部クラッド層の上に形成された上部クラッド層と
を少なくとも備え、
前記第１コアは、前記第２コアに覆われている領域で前記一端にかけて先細りに形成され、
前記第２コアは、前記スポットサイズ変換領域の開始端にかけて先細りに形成され、
前記第２コアの屈折率は、前記第１コアより小さく前記下部クラッド層および前記上部クラッド層より大きい
ことを特徴とする光導波路。
【請求項２】
請求項１記載の光導波路において、
前記第１コアは、前記開始端の手前の前記導波領域で、導波する光の基本モードが維持される範囲で、前記開始端にかけて徐々に太くなる形状傾斜領域を備える
ことを特徴とする光導波路。
【請求項３】
請求項１または２記載の光導波路において、
前記第２コアは、前記光入出射端の手前で、前記光入出射端にかけて徐々に径が変化する形状傾斜領域を備える
ことを特徴とする光導波路。
【請求項４】
下部クラッド層と、
この下部クラッド層の上の導波領域からスポットサイズ変換領域にかけて形成され、前記スポットサイズ変換領域の終端となる光入出射端を一端とする第１コアと、
前記光入出射端まで前記第１コアを覆って前記下部クラッド層の上に形成された第２コアと、
前記第２コアを覆って前記下部クラッド層の上に形成された上部クラッド層と
を少なくとも備え、
前記第１コアは、前記光入出射端の手前より前記一端にかけて先細りに形成され、
前記第２コアは、前記スポットサイズ変換領域から前記導波領域にかけて、徐々に太くなる形状傾斜領域を備え、
前記第２コアの屈折率は、前記第１コアより小さく前記下部クラッド層および前記上部クラッド層より大きい
ことを特徴とする光導波路。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図３】
【図４Ｄ】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図３】
【図４Ｄ】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【公開番号】特開２０１１−２２４６４（Ｐ２０１１−２２４６４Ａ）
【公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６８９４３（Ｐ２００９−１６８９４３）
【出願日】平成２１年７月１７日（２００９．７．１７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２０年度独立行政法人新エネルギー・産業技術開発機構「省エネルギー技術開発プログラム／高度情報通信機器・デバイス基盤プログラム 次世代高効率ネットワークデバイス技術開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月１７日（２００９．７．１７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２０年度独立行政法人新エネルギー・産業技術開発機構「省エネルギー技術開発プログラム／高度情報通信機器・デバイス基盤プログラム 次世代高効率ネットワークデバイス技術開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]