JP2012208371A - 光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】導波路に光を結合させる際の光の損失を防止する。
【解決手段】基板１２と、基板の上面１２ａ上に形成されたクラッド層１４と、クラッド層の上面１４ａに形成された、光入力用のグレーティング１６ｃを有する光導波路１６と、光導波路を覆って、クラッド層の上面上に形成されたオーバークラッド層１８と、オーバークラッド層の上面１８ａ上のグレーティングに対応する部分に形成された反射膜２０とを備えていて、グレーティングに対応する部分の、クラッド層の下面１４ｂ上に反射防止膜２２が形成されており、基板に反射防止膜を露出させる孔部２４が形成されている。
【選択図】図２

Description

この発明は、光デバイス、特に、光導波路に光を結合するための光カプラや、この光カプラにさらに発光素子を備えたデバイスなどの、光デバイスに関する。

光導波路デバイスに光ファイバを光学的に結合する方法として、光導波路デバイスの光入出力端に光ファイバを極力近づけて結合させる方法、又は、ボールレンズなどの部品を介して結合させる方法がある。通常、光導波路デバイスの光入出力端と光ファイバとを光学的に結合させるには、高精度（例えば、数十μｍの精度）に両者の位置合わせを行ってから、光ファイバを固定する必要がある。

このような高精度の位置合わせを回避する技術として、Ｓｉ支持基板上にＳｉＯ_２層とＳｉ層とがこの順序で配置されたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を利用して形成された光入出力装置がある（例えば、特許文献１参照）。この光入出力装置は、ＳＯＩ基板のＳｉ層を利用して形成されたグレーティングと、同じくＳｉ層を利用して形成された光導波路とを備えている。そして、ＳＯＩ基板の裏面（下面）側からＳｉ支持基板を透過するようにグレーティングに光を照射し、グレーティングで回折された光を光導波路へと結合する。

特開２０１０−４４２９０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の光入出力装置では、グレーティングに到達するまでに、光はＳｉ支持基板を透過しなければならない。その結果、Ｓｉ支持基板中に含まれる不純物による吸収や散乱等により、光の損失が発生する。

従って、この発明の目的は、光を光導波路に結合する際の光の損失を防止することが可能な光カプラや、この光カプラにさらに発光素子を備えたデバイスなどの、光デバイスを得ることにある。

上述した目的の達成を図るために、この発明の光デバイスは、基板と、クラッド層と、光導波路と、オーバークラッド層と、反射膜とを備えて構成される。

ここで、クラッド層は基板の上面上に形成されている。光導波路は、クラッド層の上面上に形成されていて、光入力用のグレーティングを有する。オーバークラッド層は、クラッド層の上面上に形成されていて、光導波路を覆う。反射膜は、オーバークラッド層の上面上の、グレーティングに対応する部分に形成されている。

そして、クラッド層の下面上の、グレーティングに対応する部分に反射防止膜が形成されている。基板には、反射防止膜を露出させる孔部が形成されている。

この発明の光デバイスは、基板に孔部を設けており、光はこの孔部を通ってグレーティングに至るので、光を光導波路に結合する際の、基板を透過することによる光の損失を抑えることができる。

（Ａ）は光カプラの構成を概略的に示す正面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の２点破線で囲んだ部分の拡大図である。 図１（Ａ）のＡ−Ａ線に沿った端面図である。 （Ａ）は光カプラの製造方法を示す工程端面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に続く光カプラの製造方法を示す工程端面図である。 （Ａ）は、図３（Ｂ）に続く光カプラの製造方法を示す工程端面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に続く光カプラの製造方法を示す工程端面図である。 （Ａ）は第１変形例の光カプラの構成を概略的に示す正面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の２点破線で囲んだ部分の拡大図である。 第２変形例の光カプラの構成を概略的に示す、図２と同様の端面図である。 第３変形例の光送信装置の構成を概略的に示す、図２と同様の端面図である。

以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。なお、各図において各構成要素の形状、大きさ及び配置関係について、この発明が理解できる程度に概略的に示してある。また、以下、この発明の好適な構成例について説明するが、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、以下の実施形態に何ら限定されない。また、各図において、共通する構成要素には同符号を付し、その説明を省略することもある。

（構造）
図１及び図２を参照して、この発明の光デバイスの一構成例である光カプラについて説明する。図１（Ａ）は、光カプラの構成を概略的に示す正面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の２点破線で囲んだ部分の拡大図である。図２は、図１（Ａ）のＡ−Ａ線に沿った端面図である。なお、図１（Ａ）及び（Ｂ）において、光導波路１６は、オーバークラッド層１８に覆われているために、直接目視することはできないが、強調して示すために実線で描いてある。

光カプラ１０は、基板１２と、クラッド層１４と、光導波路１６と、オーバークラッド層１８と、反射膜２０と、反射防止膜２２とを備えている。

基板１２は、上面１２ａと下面１２ｂとを有する平行平板である。基板１２は、例えば厚みが約６００μｍの単結晶Ｓｉ基板とすることができる。基板１２には、基板１２を貫通する孔部２４が設けられている。なお、孔部２４については後述する。

クラッド層１４は、基板１２の上面１２ａの全面を覆う層状体であり、場所によらず厚みが均一である。クラッド層１４は、例えば、厚みが約２μｍのＳｉＯ_２層とすることができる。クラッド層１４の上面１４ａ上に、光導波路１６が形成されている。また、クラッド層１４の屈折率は約１．４５である。

光導波路１６は、クラッド層１４の上面１４ａ上に形成された構造体である。光導波路１６は、クラッド層１４及びオーバークラッド層１８よりも屈折率の高い材料により形成される。この実施形態では、光導波路１６を、例えば、屈折率が約３．００であるＳｉとしている。

光導波路１６は、グレーティング１６ｃを有している。また、この実施形態では、光導波路１６は、さらに直線状光導波路部分１６ａと、テーパ状光導波路部分１６ｂを備えている。

直線状光導波路部分１６ａは、光伝搬方向Ｔに沿って直線状に延在するチャネル型光導波路である。直線状光導波路部分１６ａの光伝搬方向Ｔに直交する横断面寸法は、例えば、厚みが約３００ｎｍ及び幅が約３００ｎｍとする。直線状光導波路部分１６ａの横断面寸法をこれらの値とすることにより、直線状光導波路部分１６ａをシングルモードの光導波路とすることができる。直線状光導波路部分１６ａは、グレーティング１６ｃで受光された光を伝搬する機能を有する。

テーパ状光導波路部分１６ｂは、光伝搬方向Ｔに沿ってテーパ状に幅が狭まっており、このテーパの先端側が直線状光導波路部分１６ａに接続されている。つまり、テーパ状光導波路部分１６ｂは、直線状光導波路部分１６ａと等しい幅から、後述するグレーティング１６ｃと等しい幅まで、二等辺三角形状に拡幅する。テーパ状光導波路部分１６ｂの、光伝搬方向Ｔに沿った長さは、例えば約１ｍｍとし、及び、二等辺三角形の底辺に対応する辺の長さは、例えば約１００μｍとする。また、厚みは、例えば約３００ｎｍとする。テーパ状光導波路部分１６ｂは、グレーティング１６ｃで受光された光のサイズを、直線状光導波路部分１６ａの幅及び厚みで定まるサイズまで縮小する機能を有する。

グレーティング１６ｃは、光伝搬方向Ｔに沿って等しい周期Λで互いに平行に延在する複数の凸状部分１６ｃ１を備えている。この例においては、凸状部分１６ｃ１は、光伝搬方向Ｔに直交する方向に延在している。グレーティング１６ｃの延在範囲、すなわち、凸状部分１６ｃ１が配置されている範囲は、入射光Ｌのスポット径以上の面積とされ、この例では、光伝搬方向Ｔに沿って約１００μｍ、及び、光伝搬方向Ｔに直交する方向に沿って約１００μｍとする。また、凸状部分１６ｃ１の周期Λは、例えば８００ｎｍとする。凸状部分１６ｃ１の横断面の寸法は、例えば厚みを約３００ｎｍとし、幅（光伝搬方向Ｔに沿った長さ）を約４００ｎｍとする。

グレーティング１６ｃは、入射角θで入射する波長λの入射光Ｌを回折して、テーパ状光導波路部分１６ｂに結合する機能を有する。グレーティング１６ｃの周期Λと、入射光Ｌの波長λ及び入射角θとの間には、従来公知の下記式（１）の関係が成り立つことが知られている。
Λ（ｎ_ｃ×ｓｉｎθ＋ｎ_ｅ）＝Ｎ×λ・・・・（１）
ここで、ｎ_ｃはクラッド層１４及びオーバークラッド層１８の屈折率であり、θは、グレーティング１６ｃの法線と入射光Ｌのなす角であり、ｎ_ｅは光導波路１６の屈折率であり、Ｎは回折次数であり、及びλは入射光Ｌの波長である。

例えば、入射光Ｌの波長λを１．４９μｍとし、グレーティング１６ｃの周期Λをこの実施形態のように８００ｎｍとした場合、入射角θは、約８°となる。つまり、グレーティング１６ｃに対する法線から８°傾けて入射光Ｌを入射させれば、入射光Ｌは回折されて、テーパ状光導波路部分１６ｂに結合される。

オーバークラッド層１８は、クラッド層１４の上面１４ａに形成された層状体であり、光導波路１６を覆う。また、オーバークラッド層１８は、凸状部分１６ｃ１の間を埋め込む。オーバークラッド層１８は、例えばＳｉＯ_２層である。

オーバークラッド層１８の上面１８ａは平坦である。光導波路１６が存在しない領域におけるオーバークラッド層１８の厚みは、例えば約２μｍとする。オーバークラッド層１８の上面１８ａ上のグレーティング１６ｃに対応する部分に反射膜２０が形成されている。また、オーバークラッド層１８の屈折率は約１．４５である。

反射膜２０は、この例では、グレーティング１６ｃよりも大面積で、オーバークラッド層１８の上面１８ａ上に形成されている。反射膜２０は、入射光Ｌの中で、グレーティング１６ｃを透過した成分を反射させて再びグレーティング１６ｃに入射させる機能を有する。反射膜２０は、例えばＡｕやＡｌ等の金属を材料とする。この例では、反射膜２０として、蒸着法により形成された厚みが約５００ｎｍのＡｕ膜を用いている。

基板１２には、上面１２ａから下面１２ｂに至る、基板１２を貫通する孔部２４が形成されている。入射光Ｌの入射する側、すなわち基板１２の下面１２ｂ側から見た場合、この孔部２４から、グレーティング１６ｃに対応する部分の、クラッド層１４の下面１４ｂが露出する。そして、この露出する部分のクラッド層１４の下面１４ｂ上に、反射防止膜２２が形成されている。

孔部２４は、この例では、上面１２ａにグレーティング１６ｃと略同形な正方形状の開口を有し、及び、下面１２ｂに上面１２ａよりも大面積な正方形状の開口を有する正四角錐台形とする。この孔部２４は、例えば、単結晶Ｓｉ基板である基板１２をＫＯＨ水溶液でウエットエッチングすることにより形成される。

なお、この実施形態においては、孔部２４が正四角錐台形の場合について説明したが、孔部２４は、入射光Ｌの伝搬を妨げず、及び、クラッド層１４の下面１４ｂのグレーティング１６ｃに対応する部分を露出するものであれば、特に形状に制限はない。

反射防止膜２２は、孔部２４内に露出する、グレーティング１６ｃに対応する部分の、クラッド層１４の下面１４ｂ上に設けられた膜である。反射防止膜２２は、グレーティング１６ｃへと照射された入射光Ｌの反射を防止する機能、及び、グレーティング１６ｃに結合された光の光源への戻りを防止する機能を有する。反射防止膜２２は、好ましくは、例えば、ＨｆＯ_２やＴａ_２Ｏ_５等の金属酸化膜を材料とする。この実施形態に示す例では、反射防止膜２２を、蒸着法により形成された厚みが約２００ｎｍのＨｆＯ_２膜とする。

（動作）
次に、図１及び図２を参照して、この実施形態の光カプラの動作について説明する。

不図示の光源から出射された上述の式（１）を満たす入射光Ｌは、孔部２４を通過し、反射防止膜２２及びクラッド層１４を透過して、入射角θでグレーティング１６ｃに入射する。

この際、基板１２に孔部２４が設けられているために、基板１２の下面１２ｂ側から照射される入射光Ｌは、基板１２を透過することなく、ほぼ直接グレーティング１６ｃへと入射する。その結果、基板１２の透過時に生じる入射光Ｌの損失を抑えることができるので、特許文献１の技術よりも入射光Ｌの損失を小さくすることができる。

グレーティング１６ｃに入射した入射光Ｌは、グレーティング１６ｃで回折されてテーパ状光導波路部分１６ｂに結合される。この光は、テーパ状光導波路部分１６ｂを光伝搬方向Ｔに沿って伝搬する過程でスポットサイズが狭められ、直線状光導波路部分１６ａに至り、光カプラ１０の外部に取り出される。

（製造方法）
続いて、図３及び図４を参照して、光カプラ１０の製造方法について説明する。図３（Ａ）は、光カプラの製造方法を示す工程図であり、図２と同様の端面図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に続く工程図であり、図２と同様の端面図である。図４（Ａ）は、図３（Ｂ）に続く工程図であり、図２と同様の端面図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に続く工程図であり、図２と同様の端面図である。

先ず、Ｓｉ製のＳｉ支持基板１２’と、クラッド層１４としてのＳｉＯ_２層と、Ｓｉ層１６’とがこの順序で積層されたＳＯＩ基板を準備する。ここで、Ｓｉ支持基板１２’の厚みは、例えば約６００μｍとする。Ｓｉ層の厚みは、例えば約３００ｎｍとする（図３（Ａ））。

続いて、クラッド層１４の上面１４ａ上に積層されているＳｉ層１６’にエッチングを行い、グレーティング１６ｃと、直線状光導波路部分１６ａと、テーパ状光導波路部分１６ｂとを備えた光導波路１６を形成する。

より詳細には、従来周知のフォトリソグラフィ技術を用いて、Ｓｉ層１６’の上面上に光導波路１６に対応するレジストパターン（不図示）を形成する。そして、このレジストパターンをマスクとするとともに、クラッド層１４をエッチングストッパとして、例えば、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法によりエッチングを行う。これにより、クラッド層１４の上面１４ａ上に光導波路１６が形成される（図３（Ｂ））。

続いて、光導波路１６を覆って、クラッド層１４の上面１４ａ上の全面にオーバークラッド層１８を成膜する。そして、オーバークラッド層１８の上面１８ａのグレーティング１６ｃに対応する部分に反射膜２０を形成する。

より詳細には、従来周知のＰＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、ＳｉＯ_２膜を、光導波路１６を埋め込むように、クラッド層１４の上面１４ａ上に成膜する。そして、このＳｉＯ_２膜を、従来周知のＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法により平坦化して、オーバークラッド層１８を形成する。ここで、光導波路１６が存在しない領域におけるオーバークラッド層１８の厚みは、好ましくは、例えば約２μｍとする。

続いて、オーバークラッド層１８の上面１８ａ上に反射膜２０を形成する。すなわち、フォトリソグラフィにより、反射膜２０の形成予定領域を露出させるレジストパターンをオーバークラッド層１８の上面１８ａ上に形成する。そして、このレジストパターンをマスクとして、厚みが、例えば約５００ｎｍのＡｕ膜を蒸着する。蒸着終了後、従来周知のリフトオフ法により、不要なＡｕ膜をレジストパターンと共に取り除く。これにより、厚みが約５００ｎｍのＡｕからなる反射膜２０が、オーバークラッド層１８の上面１８ａ上のグレーティング１６ｃに対応する部分に形成される（図４（Ａ））。

続いて、Ｓｉ支持基板である基板１２に、グレーティング１６ｃに対応する部分の、クラッド層１４の下面１４ｂを露出させる孔部２４を形成し、この露出した部分に反射防止膜２２を形成する。

より詳細には、まず始めに、基板１２に孔部２４を形成する。すなわち、基板１２の下面１２ｂの全面に、ＰＣＶＤ法によりＳｉＯ_２膜を形成する。そして、フォトリソグラフィ及び従来周知のドライエッチングにより、孔部２４の形成予定領域のＳｉＯ_２膜を正方形状に除去する。そして、この正方形状の開口を有するＳｉＯ_２膜をマスクにして、ＫＯＨ水溶液によるウエットエッチングを行う。ＫＯＨ水溶液による異方性エッチングの結果、反射防止膜２２の形成予定領域のクラッド層１４の下面１４ｂを露出させた正四角錐台形の孔部２４が基板１２に形成される。

続いて、反射防止膜２２を形成する。より詳細には、フォトリソグラフィにより、反射防止膜２２の形成予定領域を露出させたレジストパターンを形成する。そして、このレジストパターンをマスクとして、反射防止膜２２の形成予定領域に、従来周知のスパッタリングにより、反射防止膜２２としてのＨｆＯ_２膜を、好ましくは、例えば約２００ｎｍの厚みで成膜する。

最後に、基板１２の下面１２ｂ側に残留するＳｉＯ_２膜を除去する。具体的には、オーバークラッド層１８を保護するために、オーバークラッド層１８の上面上にレジストを塗布し、ＨＦ水溶液を用いて下面１２ｂのＳｉＯ_２膜を取り除く（図４（Ｂ））。

（変形例）
続いて、図５〜図７を参照して、光カプラの変形例について説明する。図５（Ａ）は、第１変形例の光カプラの構成を概略的に示す正面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の２点破線で囲んだ部分の拡大図である。図６は、第２変形例の光カプラの構成を概略的に示す、図２と同様の端面図である。図７は、第３変形例の光送信装置の構成を概略的に示す、図２と同様の端面図である。

なお、図５〜図７において、図１及び図２と同様の構成要素には同符号を付し、その説明を省略することもある。また、図５（Ａ）及び（Ｂ）においては、光導波路１６は、クラッド層１４及びオーバークラッド層１８に挟まれて延在しているために、直接目視することはできないが、強調して示すために実線で描いてある。

（第１変形例）
図５を参照すると、第１変形例の光カプラ５０は、グレーティング５２の凸状部分５２ａが円弧状となっている点を除き、実施形態の光カプラ１０と同様に構成されている。従って、以下では、この相違点を中心に説明する。

グレーティング５２の凸状部分５２ａは円弧状であり、各凸状部分５２ａは、光導波路１６の中心線Ｋ上にその中心Ｃ，Ｃ，・・・を有している。

このように、グレーティング５２の凸状部分５２ａを円弧状とすることにより、グレーティング５２に入射した入射光を集光した上で、直線状光導波路部分１６ａに結合することができる。

（第２変形例）
図６を参照すると、第２変形例の光カプラ６０は、孔部２４にボールレンズ６２が設けられている点を除き、実施形態の光カプラ１０と同様に構成されている。従って、以下では、この相違点を中心に説明する。

ボールレンズ６２は、孔部２４のサイズと略同サイズの球体であり、孔部２４内に従来周知の光学用接着剤で固定されている。ボールレンズ６２としては、設計に応じて、従来周知の種々の材料を用いることができるが、この例では、好ましくは、例えば合成石英製とする。

ボールレンズ６２を用いることにより、入射光Ｌのスポットサイズを調整したり、入射光Ｌを集光したりすることが可能となる。

なお、ボールレンズ６２を備える構成は、第１変形例の光カプラ５０にも適用できる。

（第３変形例）
図７を参照して、第３変形例の光デバイスとして、光送信装置について説明する。光送信装置７０は、光カプラ１０に発光素子７２が設けられている点を除いては、光カプラ１０と同様に構成されている。従って、以下では、この相違点について説明する。

発光素子７２は、レーザダイオード７４とヒートシンク７６とを備えている。

レーザダイオード７４はレーザ光を出射する。レーザダイオード７４は、光出射端面７４ａが、基板１２の孔部２４に張り出すように固定されていて、光カプラ１０の反射防止膜２２に対して位置決めされている。このため、レーザダイオード７４から出射された入射光Ｌは、基板１２を透過することなく、反射防止膜２２を経て光カプラ１０のグレーティング１６ｃに直接入射する。

ヒートシンク７６は、レーザダイオード７４から発生する熱を放熱する機能を有する。ヒートシンク７６が放熱を行う結果、レーザダイオード７４は安定してレーザ光を出射することができる。

また、ヒートシンク７６は、レーザダイオード７４を位置決めする機能を有している。ヒートシンク７６の底面７６ｂは基板１２の下面１２ｂに固定されている。そして、レーザダイオード７４は、基板１２の孔部２４に張り出して、光カプラ１０の反射防止膜２２を臨むように、ヒートシンク７６の一端面７６ａに固定されている。

なお、この発光素子７２を備える構成は、グレーティング５２の凸状部分５２ａが円弧状である第１変形例に適用することもできるし、ボールレンズ６２を備える第２変形例に適用することもできる。また、光カプラ１０に、発光素子７２の代わりにフォトダイオード等の受光素子を取り付ければ、光受信装置としても用いることができる。

１０，５０，６０ 光カプラ
１２ 基板
１２ａ，１４ａ，１８ａ 上面
１２ｂ，１４ｂ 下面
１４ クラッド層
１６ 光導波路
１６ａ 直線状光導波路部分
１６ｂ テーパ状光導波路部分
１６ｃ，５２ グレーティング
１６ｃ１，５２ａ 凸状部分
１８ オーバークラッド層
２０ 反射膜
２２ 反射防止膜
２４ 孔部
６２ ボールレンズ
７０ 光送信装置
７２ 発光素子
７４ レーザダイオード
７４ａ 光出射端面
７６ ヒートシンク
７６ａ 一端面
７６ｂ 底面

Claims (8)

1. 基板と、
   該基板の上面に形成されたクラッド層と、
   該クラッド層の上面上に形成された、光入力用のグレーティングを有する光導波路と、
   前記光導波路を覆って、前記クラッド層の上面上に形成されたオーバークラッド層と、
   該オーバークラッド層の上面上の、前記グレーティングに対応する部分に形成された反射膜とを備えていて、
   前記クラッド層の下面上の前記グレーティングに対応する部分に反射防止膜が形成されており、前記基板に、該反射防止膜を露出させる孔部が形成されていることを特徴とする光デバイス。
2. 前記光導波路が、前記グレーティングに光学的に接続されていて、光伝搬方向に沿ってテーパ状に幅が狭くなるテーパ状光導波路部分を備えている
   ことを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
3. 前記グレーティングが光伝搬方向に沿って等しい周期で互いに平行に延在する凸状部分を有していて、該凸状部分が、光伝搬方向に直交する方向に延在している
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光デバイス。
4. 前記グレーティングが光伝搬方向に沿って等しい周期で互いに平行に延在する凸状部分を有していて、該凸状部分が、前記光導波路の中心線上であって、当該光導波路側に中心を有する円弧状である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光デバイス。
5. 前記孔部にボールレンズが設けられている
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の光デバイス。
6. 前記孔部が、前記反射防止膜を頂面とする正四角錐台形である
   ことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の光デバイス。
7. 前記基板及び前記光導波路の材質がＳｉであり、並びに前記クラッド層及び前記オーバークラッド層の材質がＳｉＯ_２である
   ことを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の光デバイス。
8. 前記反射防止膜に向かってレーザ光を出射する発光素子が設けられている
   ことを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の光デバイス。