JP2017009686A - 光結合器および光結合器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】歩留りの高い光結合器および光結合器の製造方法を提供する。【解決手段】凹所１４が設けられ、凹所を囲む複数の側面１８と凹所の外側に傾くと共に複数の側面のうちの一つに含まれる結晶面とを有する半導体領域と、凹所の外側に配置された第１クラッド領域２４ａと凹所に配置された第２クラッド領域２４ｂとを有するクラッド２２と、第１クラッド領域内に配置され光導波路３２に接続される第１結合部２８ａと第１結合部と結晶面２０の間に配置された連結部３０と結晶面上で連結部に接続され上方に向かって延在する第２結合部２８ｂとを有する複数のコア２６とを有する光結合器２。【選択図】図３

Description

本発明は、光結合器および光結合器の製造方法に関する。

基板上の光導波路と光ファイバとを光学的に結合する光結合器は、光素子（例えば、受光素子や発光素子）と光導波路が混載された光電気混載装置の入出力部として重要である（例えば、非特許文献１参照）。

基板上の光導波路（以下、オンチップ光導波路と呼ぶ）と光ファイバとを光学的に結合する技術としては、基板表面に対して４５°傾いた４５°ミラーを用いる技術が提案されている（例えば、非特許文献１及び２参照）。オンチップ光導波路から出射した信号光は、４５°ミラーにより進路を９０°曲げられ基板に垂直な方向に出力される。

この技術によれば、オンチップ光導波路から出射した信号光を、基板表面に垂直な光ファイバに光学的に結合（すなわち、光結合）することができる。更に、光ファイバから出射した信号光を、オンチップ光導波路に光結合することができる。

４５°ミラーの形成方法としては、ポリマ光導波路をＦＩＢ（Focused Ion Beam）によりエッチングする方法が提案されている（例えば、非特許文献２参照）。更に、ポリマ光導波路にエキシマレーザ光を照射して、ポリマ光導波路を加工する方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

なお光導波路の形成技術としては、２光子吸収による３次元リソグラフィを利用する技術が提案されている（例えば、非特許文献３参照）。

特開２０００−１９３８３８号公報 特開平７−３１８７４０号公報 特開２００５−３０１３０１号公報

塩田剛史 鈴木健司、"エキシマレーザ加工により高分子光導波路に形成された４５度マイクロミラー"、「エレクトロニクス実装学会誌」、 Vol.7, No.7、 pp.607-612, (2004) E.Mohammed et. al., "Efficient and Scalable single mode waveguide coupling on silicon based substrates", Proc. of SPIE Vol.8991, 89910G-1-89910G-8, (2014) V.Schmidt et. al., "Application of two-photon 3D lithography for the fabrication of embedded ORMOCER wavegudes", Proc. of SPIE, Vol.6476, 64760P, (2007)

ＦＩＢによる４５°ミラーの形成は、生産性が低く実用的ではない。一方、エキシマレーザによる４５°ミラー形成の生産性は高い。しかし、エキシマレーザにより形成される４５°ミラーの傾斜角度は、±１°程度変動する。４５°ミラーの傾斜角度が±１°程度変動しても、オンチップ光導波路と光ファイバの光結合率は大きく劣化する。

ところで、複数のオンチップ光導波路を複数の光ファイバ（すなわち、光ファイバ・アレイ）に光結合する光結合器は、複数のパスによる光信号の伝送を可能にするので、高速光通信等にとって重要である。しかし、この様な光結合器は、１チャネルでも光結合率が基準値を満たさないと不良品である。

したがって、オンチップ光導波路等と光ファイバ・アレイとを光学的に結合する光結合器を、エキシマレーザ加工により形成すると歩留りが低くなる。

そこで本発明は、このような問題を解決することを課題とする。

上記の問題を解決するために、本装置の一観点によれば、凹所が設けられ、前記凹所を囲む複数の側面と前記凹所の外側に傾くと共に前記複数の側面のうちの一つに含まれる結晶面とを有する半導体領域と、前記凹所の外側に配置された第１クラッド領域と前記凹所に配置された第２クラッド領域とを有するクラッドと、前記第１クラッド領域内に配置され光導波路に接続される第１結合部と前記第１結合部と前記結晶面の間に配置された連結部と前記結晶面上で前記連結部に接続され上方に向かって延在する第２結合部とを有する複数のコアとを有する光結合器が提供される。

開示の光結合器によれば、オンチップ光導波路等と光ファイバ・アレイとを光学的に結合する光結合器の歩留りを高くすることができる。

図１は、実施の形態の光結合器が搭載される光デバイスの一例を説明する斜視図である。 図２は、実施の形態の光結合器の平面図である。 図３は、図２のIII-III線に沿った断面図である。 図４は、第１結合部の近傍を拡大した図である。 図５は、第２結合部の近傍を拡大した図である。 図６は、第２結合部が半導体領域の上面に垂直な方向に向かって延在する場合に、半導体領域の上面と連結部がなす角の角度θを説明する図である。 図７は、光結合器の使用方法を説明する図である。 図８は、実施の形態の光結合器の製造方法を説明する平面図である。 図９は、実施の形態の光結合器の製造方法を説明する平面図である。 図１０は、実施の形態の光結合器の製造方法を説明する平面図である。 図１１は、実施の形態の光結合器の製造方法を説明する平面図である。 図１２は、実施の形態の光結合器の製造方法を説明する工程断面図である。 図１３は、実施の形態の光結合器の製造方法を説明する工程断面図である。 図１４は、実施の形態の光結合器の製造方法を説明する工程断面図である。 図１５は、実施の形態の光結合器の製造方法を説明する工程断面図である。 図１６は、実施の形態の光結合器の製造方法を説明する工程断面図である。 図１７は、エキシマレーザ加工により形成した４５°ミラーを有する光結合器の一例を説明する断面図である。 図１８は、４５°ミラーの形成方法を説明する図である。 図１９は、４５°ミラーの傾斜角度θ_０のバラツキと出射角度のバラツキの関係を説明する図である。 図２０は、実施の形態の製造方法の変形例を説明する図である。

以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。

図面が異なっても同じ構造を有する部分等には同一の符号を付し、その説明を省略する。符号が異なっても同じ名称で呼ばれる部分等は、基本的には同じ構造を有する。

（１）構造
（１−１）フォトニクスチップ
図１は、実施の形態の光結合器２が搭載される光デバイス４の一例を説明する斜視図である。図１の光デバイス４は、シリコンフォトニクスチップである。シリコンフォトニクスチップは例えば、半導体光素子６ａ〜６ｅと、半導体光素子６ａ〜６ｅに接続された光配線８と、半導体光素子６ａ〜６ｅに接続された電気配線１０と、これらの部材が配置されたシリコン基板１２とを有する。

半導体光素子６ａ〜６ｅは例えば、半導体レーザ６ａ、光合分波器６ｂ、光変調器６ｃ、光受光器６ｄ、光入出力部（光Ｉ／Ｏ等）６ｅ等である。

実施の形態の光結合器２は例えば、シリコン基板１２上に配置される光入出力部６ｅとして用いられる。光配線８は例えば、シリコン細線光導波路である。シリコン細線光導波路は、コア層の寸法（厚さ及び幅）が１μｍ未満（好ましくは、０．４μｍ未満）のチャネル光導波路である。

シングルモード光ファイバの直径（例えば、約１０μｍ）と比較すると、光配線８の寸法は小さい。このためシリコンフォトニクスチップには、シリコン細線光導波路とシングルモード光ファイバ（例えば、石英ファイバ）とを低損失で光結合する光結合器が設けられる。

（１−２）光結合器
図２は、実施の形態の光結合器２の平面図である。図３は、図２のIII-III線に沿った断面図である。図２には、後述するクラッド２２を透視した状態が示されている（図４等についても同様）。

（１−２−１）半導体領域
実施の形態の光結合器２は、図２及び３に示すように、凹所１４が設けられた半導体領域１６を有する。半導体領域１６は、凹所１４を囲む複数の側面１８を有する。半導体領域１６は更に、凹所１４の外側に傾くと共に複数の側面１８のうちの一つ１１８に含まれると結晶面２０を有する。図２及び３に示す例では、側面１１８と結晶面２０は一致している。

半導体領域１６は、例えばシリコン基板（シリコン単結晶）である。半導体領域１６の上面は、例えば（１００）面である。結晶面２０は、例えば（１１１）面である。結晶面２０の傾斜角度は、例えば（１００）面と（１１１）面がなす鋭角の角度５４．７°である。結晶面２０の傾斜角度とは、半導体領域１６の上面と結晶面２０がなす鋭角の角度である。

図３に示す例では、凹所１４の底面と半導体領域１６の上面は平行である。従って、結晶面２０の傾斜角度は、凹所１４の底面と半導体領域１６がなす鋭角の角度である。

凹所１４は例えば、半導体領域１６を異方性エッチング液によりエッチングすることで形成できる。

（１−２−２）クラッド
光結合器２は更に、クラッド２２を有する。クラッド２２は、第１クラッド領域２４ａと第２クラッド領域２４ｂとを有する（図２〜３参照）。

第１クラッド領域２４ａは、凹所１４の外側に配置された領域である。第２クラッド領域２４ｂは、凹所１４に配置された領域である。結晶面２０は好ましくは、平面視において第２クラッド領域２４ｂを挟んで第１クラッド領域２４ａに対向する結晶面である。

クラッド２２は例えば、凹所１４を囲むダム２５の内側に充填されたポリマである。

（１−２−３）コア
光結合器２は更に、クラッド２２より大きい屈折率を有する複数のコア２６を有する（図２〜３参照）。コア２６は、第１結合部２８ａと連結部３０と第２結合部２８ｂとを有する。コア２６は例えば、ダム２５内に充填されたポリマのうち周囲より大きい屈折率を有する部分である。

−第１結合部−
第１結合部２８ａは、第１クラッド領域２４ａ内に配置され光導波路３２に接続される領域である。図４は、第１結合部２８ａの近傍を拡大した図である。図４（ａ）は、平面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）のIVb-IVb線に沿った断面図である。

図４に示すように、第１結合部２８ａは好ましくは、第１クラッド領域２４ａに端部が配置された光導波路３２に光学的に接続される。光導波路３２は例えば、光配線８（図１参照）の一部である。

光導波路３２は例えば、半導体領域１６上の下部クラッド層４０と、下部クラッド層４０上の帯状の無機コア４２とを有する無機光導波路である。下部クラッド層４０は、無機絶縁膜（例えば、ＳｉＯ_２膜）である。無機コア４２は、無機絶縁膜（例えば、ＳｉＮ膜）である。光導波路３２は、例えばシリコン細線光導波路に接続される。光導波路３２は、シリコン細線光導波路であってもよい。光導波路３２は、無機コア４２の上面を覆う上部クラッド（例えば、ＳｉＯ_２膜等の無機絶縁膜）を有してもよい。

図４（ａ）の破線は、クラッド２２およびダム２５を透視して見た無機コア４２の先端４４を示している。第１結合部２８ａは、無機コア４２の先端４４上に配置される。無機コア４２の先端４４は、幅が徐々に狭くなるスポットサイズ変換器である。無機コア４２の先端４４は、無機コア４２の伝搬光のビームサイズを拡大して、第１結合部２８ａの伝搬光のビームサイズに近づける。

第１結合部２８ａを含むコア２６とクラッド２２をポリマで形成すると、コア２６と光ファイバのビームサイズを同程度にすることができる。従って光結合器２によれば、光配線８を伝搬して来る信号光のビームサイズを光ファイバのビームサイズに近づけることができる。その結果、光配線８と光ファイバを低損失で接続することができる。

無機コア４２の伝搬光（コアを伝搬する光）は、無機コア４２の先端４４で第１結合部２８ａに移動しその後、コア２６を伝搬（すなわち、導波）する。同様にコア２６を光導波路３２に向かって伝搬する光は、第１結合部２８ａから無機コア４２の先端４４に移動し、その後無機コア４２を伝搬する。すなわち図３の第１結合部２８ａは、光導波路３２に光学的に接続される領域である。

−連結部−
連結部３０は、第１結合部２８ａと結晶面２０の間に配置され、第１結合部２８ａと第２結合部２８ｂとを接続する領域である。図３に示すように、連結部３０は好ましくは、第１結合部２８ａの近傍でクラッド２２の上面側に小さく湾曲した後、凹所１４の底面側に大きく湾曲する。

連結部３０が湾曲した領域（以下、湾曲部と呼ぶ）の曲率半径（正確には、曲率半径の最小値）が大きいほど、曲げ損失は小さくなる。従って曲率半径は大きいほど、好ましい。クラッド及びコアの材料がポリマの場合、湾曲部の曲率半径は、好ましくは１〜２０ｍｍである。更に好ましくは、湾曲部の曲率半径は、好ましくは３〜１０ｍｍである。

−第２結合部−
図５は、第２結合部２８ｂの近傍を拡大した図である。図５（ａ）は、平面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のVb-Vb線に沿った断面図である。図５（ｂ）に示すように、第２結合部２８ｂは、結晶面２０上で連結部３０に接続され、上方に向かって延在する領域である。光結合器２は好ましくは、連結部３０と第２結合部２８ｂの境界面３４と結晶面２０との間に配置された光反射膜３６（例えば、金属膜）を有する。

−第２結合部および連結部の延在方向−
連結部３０が結晶面２０となす第１角３８ａ（図５（ｂ）参照）の角度は、好ましくは第２結合部２８ｂが結晶面２０となす第２角３８ｂの角度である。第１角３８ａの角度と第２角３８ｂの角度が等しいと、結晶面２０（又は、光反射膜３６）により反射される伝搬光（連結部３０を結晶面２０に向かって伝搬する光）は大部分、第２結合部２８ｂに入射する。同様に、第２結合部２８ｂを結晶面２０に向かって伝搬する光は大部分、連結部３０に入射する。

第２結合部２８ｂは、結晶面２０（又は、光反射膜３６）により反射された伝搬光の発散（すなわち、ビーム径の拡大）を抑制する。従って伝搬光は、ビーム径を過剰に拡大さることなく、光結合器２から出射される。

第２結合部２８ｂは好ましくは、半導体領域１６の上面に垂直な方向に向かって延在する。図６は、第２結合部２８ｂが半導体領域１６の上面に垂直な方向に向かって延在する場合に、半導体領域１６の上面と連結部３０がなす角の角度θを説明する図である。今、連結部３０の第１中心線４６ａと、第２結合部２８ｂの第２中心線４６ｂとを考える。更に、半導体領域１６の上面に平行な水平線４８と、第１中心線４６ａと第２中心線４６ｂの交点を通る垂線５０とを考える。垂線５０は、結晶面２０の垂線である。第２中心線４６ｂは、第２結合部２８ｂと共に半導体領域１６の上面に垂直な方向に延在する。

水平線４８と第１中心線４６ａがなす角の角度θは、図６から明らかように式（１）で表される。
θ=2β-90° ・・・・・（１）
ここでβは、第２中心線４６ｂと垂線５０がなす角の角度である。

βは、式（２）で表される。
β=90°-α ・・・・・（２）
ここで角度αは、第２中心線４６ｂと結晶面２０がなす角の角度である。結晶面２０を斜辺とする直角三角形を考えると明らかなように、式（２）の右辺（＝９０°-α）は、結晶面２０の傾斜角度θ_０に等しい。

従って、水平線４８と第１中心線４６ａがなす角の角度θは式（３）で表される。
θ=2θ₀-90° ・・・・・（３）

ところで、水平線４８と第１中心線４６ａがなす角の角度θは、半導体領域１６の上面と連結部３０がなす角の角度に等しい。従って、第２結合部２８ｂが半導体領域１６の上面に垂直な方向に向かって延在する場合に、半導体領域１６の上面と連結部３０がなす角の角度は、式（３）のθで表される。

傾斜角度θ_０が５４．７°の場合、半導体領域１６の上面と連結部３０がなす角の角度は１９．４°（＝２×５４．７°-９０°）である。

以上の例では、半導体領域１６の上面に対する結晶面２０の傾斜角度θ_０は５４．７°である。しかし傾斜角度θ_０は、５４．７°からある程度ずれてもよい。例えば、傾斜角度θ_０は５４．７°から、エキシマレーザ加工の誤差より小さい１°未満ずれてもよい（すなわち、５３．７°＜θ_０＜５５．７°）。或いは、傾斜角度θ_０は５４．７°から、０．５°未満ずれてもよい（すなわち、５４．２°＜θ_０＜５５．２°）。

以上の例では、半導体領域１６の上面と連結部３０がなす角の角度θは、１９．４°である。しかし、半導体領域１６の上面と連結部３０がなす角の角度θは、１９．４°から１°未満ずれてもよい（すなわち、１８．４°＜θ＜２０．４°）。或いは、角度θは０．５°未満ずれてもよい（すなわち、１８．９°＜θ_０＜１９．９°）。

また、第２角３８ｂの角度（図５（ｂ）参照）は、第１角３８ａの角度からずれてもよい。しかし、第２角３８ｂの角度と第１角３８ａの角度の差が小さいほど、伝搬光の反射による損失は小さくなる。

また、第２結合部２８ｂは、半導体領域１６の上面に垂直な方向からずれた方向に延在してもよい。しかし、第２結合部２８ｂの延在方向が半導体領域１６の上面に垂直な方向に近いほど、後述する光ファイバ・アレイの位置調整等が容易になる。

（２）使用方法および歩留り
図７は、光結合器２の使用方法を説明する図である。図７には、光結合器２と光ファイバ・アレイ５２とが示されている。光ファイバ・アレイ５２は、一列に配置された複数の光ファイバ５４を有する装置である。各光ファイバ５４は、コアの端面が第２結合部２８ｂ（図７（ｂ）参照）の端面に対向するように配置される。更に各光ファイバ５４と第２結合部２８ｂの光結合損失が最小化するように、光ファイバ・アレイ５２の位置および角度が調整される。調整は例えば、アクティブアライメントにより行われる。

光結合器２に向かって光導波路３２を伝搬して来る第１信号光（図示せず）は先ず、コア２６の第１結合部２８ａに入射する。第１信号光（伝搬光）は、第１結合部２８ａと連結部３０を伝搬して、光反射膜３６（又は、結晶面２０）により反射される。反射された第１信号光は、第２結合部２８ｂを伝搬し、光結合器２から出射する。出射された第１信号光は、光ファイバ５４に入射し伝搬する。同様に、光結合器２に向かって光ファイバ５４を伝搬して来る第２信号光（伝搬光）は、第１信号光とは逆の経路を辿って光導波路３２に出力される。

第１信号光は例えば、光デバイス４（図１参照）の半導体光素子（例えば、半導体レーザ６ａおよび光変調器６ｃ）により生成される光信号である。第２信号光は例えば、光デバイス４（図１参照）の半導体光素子（例えば、光受光器６ｄ）により検出される光信号である。

第２信号光は例えば、第１信号光が伝搬するコア２６とは異なるコア２６を伝搬する。すなわち図１の光結合器２は、光デバイス４の入力部として用いられるコア２６と、光デバイス４の出力部として用いられるコア２６との双方を有する。

光結合器２と１２芯のシングルモード光ファイバ・アレイの光結合損失の平均値は、例えば３．５ｄＢである。標準偏差は、例えば０．１ｄＢ以下である。

これらの値は、後述する「（３）製造方法」の具体例により製造された光結合器に関する測定値である。光結合損失を測定した光結合器２における結晶面の傾斜角度は、５４．７°である。コア２６のコア径（直径）は、９μｍである。第１角３８ａ（図５（ｂ）参照）の角度は、第２角３８ｂの角度に等しい角度である。第２結合部２８ｂは、半導体領域１６の上面に垂直な方向に延在する。

上記光結合器２の歩留りは、１００％であった。１チャネル（光信号の経路）でもコア２６と光ファイバ５４との間の光結合損失が５ｄＢを超える場合、光結合器２は欠陥品であるとして歩留りを評価した。

結晶面２０は原子レベルで平坦であり、更に結晶面２０の傾斜角度は略一定で殆ど変動しない。このため、第２結合部２８ｂから出射する光の進行方向は略一定になる。その結果、光結合損失の標準偏差は０．１ｄＢ以下という小さな値になる。

更に、結晶面２０で反射された第１信号光（又は、第２信号光）のビーム径は、第２結合部２８ｂの導波機能により拡大が抑制される。その結果、光結合器２と光ファイバ５４の結合損失は小さくなる。従って、光結合器２の歩留りは更に高くなる。

すなわち実施の形態によれば、光配線８（オンチップ光導波路）と光ファイバ・アレイ５２とを光学的に接続する光結合器２の歩留りが高くなる。

以上の説明では、光ファイバ・アレイ５２に含まれる光ファイバ５４は、シングルモード光ファイバである。しかし光ファイバ５４は、マルチモード光ファイバであってもよい。

（３）製造方法
図８〜１１は、実施の形態の光結合器２の製造方法を説明する平面図である。図１２〜１６は、実施の形態の光結合器２の製造方法を説明する工程断面図である。図８〜１６には、光結合器２に対応する領域とその近傍が示されている。

（３−１）入出導波路の形成（図８（ａ）及び図１２（ａ）参照）
半導体領域１６（図１２（ａ）参照）を有する基板を用意する。用意する基板は、例えばＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板である。半導体領域１６は例えば、ＳＯＩ基板１００に含まれるシリコン基板１２である。

用意した基板に、半導体光素子等の一部または全部を形成する。この時、半導体光素子と一緒に複数の光導波路３２を形成する。光導波路３２の端部は、半導体領域１６に含まれる第１半導体部分５６ａの上に形成する（図８（ａ）及び図１２（ａ）参照）。半導体領域１６の上面は、例えば（１００）面である。

光導波路３２は、半導体領域１６上に配置された下部クラッド層４０（無機絶縁膜）を有する。下部クラッド層４０は、例えばＳＯＩ基板のＢＯＸ（buried oxide）層である。光導波路３２のコア４２（無機コア）は、帯状の無機絶縁膜である。コア４２は例えば、ＳｉＮ膜である。コア４２は、Ｓｉ膜、ＳｉＯ_２ｘＮ_１−ｘ膜（０＜ｘ＜１）およびＳｉＯ_２ｙ膜（０＜ｘ＜１）の何れかの膜であってもよい。

（３−２）凹所の形成（図８（ｂ）及び図１２（ｂ）参照）
半導体領域１６のうち第１半導体部分５６ａに接する第２半導体部分５６ｂを、異方性エッチング液によりエッチングする。このエッチングにより、第１側面１１８を含む複数の側面１８に囲まれた凹所１４を形成する（図８（ｂ）及び図１２（ｂ）参照）。第１側面１１８は、半導体領域１６の結晶面（例えば、（１１１）面、（１００）面等）のうち第２半導体部分５６ｂの外側に傾いた結晶面２０を有する。結晶面２０は、例えば（１１１）面である。

異方性エッチング液は、第１結晶面（例えば、（１００）面）に対する第１エッチング速度が、第２結晶面（例えば、（１１１）面）に対する第２エッチング速度より大きいエッチング液である。第１エッチング速度は例えば、第２エッチング速度の１０倍以上である。

具体的には先ず、ＳＯＩ基板のＢＯＸ層４１のうち第２半導体部分５６ｂを覆う部分を除去する。更に、ＳＯＩ基板の裏面を覆う保護膜を形成する。

その後ＳＯＩ基板１００を、例えばＰｕｒｅ Ｅｔｃｈ １６０（林純薬工業製）に浸漬する。Ｐｕｒｅ Ｅｔｃｈ １６０は、シリコンの異方性エッチング液である。このエッチングにより、底面１０４に（１００）面を有すると共に側面に（１１１）面を有する凹所１４が形成される。

異方性エッチングの間、Ｐｕｒｅ Ｅｔｃｈ １６０の温度は、例えば８５℃に保たれる。浸漬時間は、例えば８．５〜３４時間（一例としては、１７時間）である。凹所１４の幅は、例えば２〜８ｍｍ（一例としては、４ｍｍ）である。凹所１４の長さは、例えば３．５〜１４ｍｍ（一例としては、７ｍｍ）である。凹所１４の深さは、例えば４００〜１６００μｍ（一例としては、８００μｍ）である。

（３−３）光反射膜の形成（図８（ｃ）および図１２（ｃ）参照）
結晶面２０の上に、光反射膜３６を形成する（図８（ｃ）および図１２（ｃ）参照）。

具体的には例えば、凹所１４が形成されたＳＯＩ基板１００上に、結晶面２０上に開口を有するフォトレジスト膜を形成する。その後ＳＯＩ基板１００上に例えば、スパッタ法に５０〜２００ｎｍのＴｉ層、１００〜４００ｎｍのＰｔ層、５００〜２０００ｎｍのＡｕ層をこの順番で堆積する。この堆積により、Ｔｉ層とＰｔ層とＡｕ層とを有する金属膜が形成される。

その後フォトレジスト膜と共に、金属膜を除去する。すると、結晶面２０上に金属膜が取り残される。この金属膜が、光反射膜３６である。

以上の例では異方性エッチング液は、Ｐｕｒｅ Ｅｔｃｈ １６０である。しかし、異方性エッチング液は、Ｐｕｒｅ Ｅｔｃｈ １６０以外のエッチング液であってもよい。例えば異方性エッチング液は、ＫＯＨ水溶液等のエッチング液であってもよい。また以上の例では光反射膜３６は、Ａｕ層が最上層に配置された金属膜である。しかし光反射膜３６は、Ａｌ層が最上層に配置された金属膜やＰｔ層が最上層に配置された金属膜であってもよい。

（３−４）クラッドの形成（図９（ａ）〜図１０（ｂ）、図１３（ａ）〜図１４（ｂ）参照）
凹所１４が形成された第２半導体部分５６ｂと第１半導体部分５６ａの上に、ポリマを有するクラッド２２を形成する（図１０（ｂ）および図１４（ｂ）参照）。

具体的には例えば、第１半導体部分５６ａおよび第２半導体部分５６ｂを囲むように、未硬化の紫外線硬化樹脂（モノマー）５８をディスペンサ６０で帯状（ライン状）にＳＯＩ基板１００に塗布する。塗布後、紫外線照射と熱処理によって紫外線硬化樹脂５８を硬化させる。すると、ポリマダム６２（図９（ａ）および図１３（ａ）参照）が形成される。

ポリマダム６２の材料は、例えば後述するクラッド材料である。ポリマダムの高さは、例えば０．１〜５００μｍ（好ましくは、１〜１００μｍ）である。

次に、凹所１４内にクラッド材料６４を滴下する（図９（ｂ）および図１３（ｂ）参照）。さらに、上から紫外線に対して透明なフッ素樹脂フィルム６６を押し当てて、クラッド材料６４を平坦化する（図９（ｃ）および図１３（ｃ）参照）。

その後、フッ素樹脂フィルム６６を介して紫外線６８を照射して、クラッド材料６４を仮硬化（半硬化）させる（図１０（ａ）および図１４（ａ）参照）。仮硬化後、フッ素樹脂フィルム６６を剥離する（図１０（ｂ）および図１４（ｂ）参照）。以上により、仮硬化状態のクラッド２２が形成される。

クラッド材料６４は例えば、紫外線硬化樹脂のうち二光子吸収により重合する有機化合物（モノマー）を有する未硬化の材料である。クラッド２２は、重合した該有機化合物（ポリマー）を有する樹脂である。

クラッド材料６４は好ましくは、硬化（すなわち、重合）後に通信波長帯（１．３μｍ帯および１．５μｍ帯）で光透過性を有する材料である。クラッド材料６４は例えば、ポリマ光導波路の材料である。

具体的には例えば、クラッド材料６４は、Ｏｒｍｏｃｏｒｅ (Micro resist technology製)である。Ｏｒｍｏｃｏｒｅを用いる場合、紫外線強度および紫外線照射時間はそれぞれ、１．５〜６ ｍＷ／ｃｍ^２（一例としては、３ｍＷ／ｃｍ^２）及び３０〜１２０ｓｅｃ（一例としては、６０ｓｅｃ）である。Ｏｒｍｏｃｏｒｅは、シリコンを有する紫外線硬化樹脂である。クラッド材料６４には、ＳＵ−８（日本化薬製）やＯＭＲ−８３（東京応化工業製）を使用してもよい。ＳＵ−８は、エポキシ樹脂を含む紫外線硬化樹脂である。フッ素樹脂フィルムには、例えば旭硝子社製の商品名「アフレックス」が使用できる。

（３−５）コアの形成（図１０（ｃ）〜図１１（ｂ）、図１５（ａ）〜図１６参照）
仮硬化させたクラッド２２に集光したレーザ光７０（図１５（ａ）参照）を照射しながら、レーザ光７０の集光点（焦点）７２を移動させる。レーザ光７０の波長は、クラッド材料（モノマー）６４が硬化する紫外線の波長の２倍である。

この移動により、第１結合部２８ａと連結部３０と第２結合部２８ｂとを有する複数のコア２６が形成される（図１１（ｂ）および図１６参照）。第１結合部２８ａは、第１半導体部分５６ａ上に配置される部分である。連結部３０は、第１結合部２８ａと結晶面２０の間に配置される部分である。第２結合部２８ｂは、結晶面２０（又は、光反射膜３６）上で連結部３０に接続され上方に向かって延在する部分である。

第１結合部２８ａは、光導波路３２の端部７４の上を通るように集光点７２を移動させて形成する（図１０（ｃ）および図１５（ａ）参照）。連結部３０は、第１半導体部分５６ａと結晶面２０（又は、光反射膜３６）の間で集光点７２を移動させて形成する（図１１（ａ）および図１５（ｂ）参照）。第２結合部２８ｂは、結晶面２０（又は、光反射膜３６）から上方に向かって集光点７２を移動させて形成する（図１１（ｂ）および図１５（ｂ）参照）。

レーザ光７０は例えば、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅフェムト秒レーザ光（波長：７１０ｎｍ、パルス幅：１３０ｆｓ、繰返し周波数：８０ＭＨｚ）である。レーザ光７０は、コリメート光学系により平行光に変換された後、対物レンズ７６により集光される。

コアの形成は具体的には、例えば以下の手順に従って行われる。

まず、ＳＯＩ基板１００を３方向に移動可能な可動ステージ（図示せず）に載置する。その後、ＳＯＩ基板１００を可動ステージと共に移動させることで、集光点７２をクラッド２２に対して相対的に移動させる。この時、集光点７２の軌跡と半導体領域１６の上面がなす角の角度が結晶面２０の近傍で、式（３）で算出される角度θになるように、ＳＯＩ基板１００を移動させる。θは例えば、１９．４°である。

すると光強度の極大点である集光点７２で、仮硬化状態のクラッド材料６４の重合（二光子重合）が進行する（非特許文献３参照）。この重合により、クラッド２２の内部に周囲より屈折率が高い領域が生成される。この領域が、コア２６である。

コア２６の形成精度は、ＳＯＩ基板１００を載置する可動ステージの駆動精度によって決まる。駆動精度が高い可動ステージを用意することは容易なので、コア２６の形状を正確に形成できる。

コア２６の直径（コア径）は、好ましくは０．１〜１００μｍである。更に好ましくは、コア２６の直径（コア径）は１〜６５μｍ（一例としては、９μｍ）である。

コア２６のクラッド２２に対する屈折率差は好ましくは、０より大きく０．０５以下である。更に好ましくは屈折率差は、０．００５以上０．０３５以下である。ここで、屈折率ｎ１を有するコアと屈折率ｎ２を有するクラッドの屈折率差は、（ｎ１−ｎ２）／ｎ１である。

（３−６）後処理
最後に、クラッド２２およびコア２６を、加熱してポリマの重合を終了させる。加熱温度は、例えば１２０〜１８０℃（好ましくは、１５０℃）である。加熱時間は、例えば１．５〜６ｍｉｎ（好ましくは、３ｍｉｎ）である。

以上により、光結合器２が完成する。

実施の形態の製造方法によれば、光反射面（ミラー）を異方性エッチング液により形成するので、光反射面の傾斜角度のバラツキが小さくなる。その結果、光結合器の歩留りが高くなる。

（４）エキシマレーザ加工により形成した４５°ミラーを有する光結合器
図１７は、エキシマレーザ加工により形成した４５°ミラー７８を有する光結合器１０２の一例を説明する断面図である。エキシマレーザ加工は、エキシマレーザ光の照射による材料の瞬間的な蒸発（アブレーション）を利用する技術である。

光結合器１０２は、ＳＯＩ基板１００上に配置された光導波路１３２に光学的に接続される。光導波路１３２は、コア１４２と下部クラッド１４０とを有する。コア１４２は、帯状のＳｉＮ膜である。下部クラッド１４０は、ＳＯＩ基板１００のＢＯＸ層である。コア１４２の端部は、幅が徐々に狭くなるスポットサイズ変換器である。

光結合器１０２は、スポットサイズ変換器を覆い更に、光導波路１３２の先に延在するコア１２６を有する。コア１２６は、ＳＯＩ基板１００へのＯｒｍｏｃｏｒｅ（Micro resist technology製）の塗布（例えば、ブレードコーティング）、露光、現像、熱硬化により形成される。コア１２６の幅および高さは４μｍである。

コア１２６は、エキシマレーザ加工により形成された４５°ミラー１０６を有する。図１８は、４５°ミラー１０６の形成方法を説明する図である。まずコア１２６が形成されたＳＯＩ基板１００を４５°傾ける。その後、ＫｒＦエキシマレーザで発生した波長２４８ｎｍのレーザ光１７０を、マスク１７２およびレンズ１７５を介してコア１２６の一部に照射する。この照射により、コア１２６が部分的に蒸発（アブリエーション）して、４５°ミラー１０６が形成される。

その後、ＳＯＩ基板１００上へのＯｒｍｏｃｌａｄ（Micro resist technology製）の塗布（例えば、ブレードコーティング）、露光、現像、熱硬化により、クラッド層１２２を形成した。

次に光結合器１０２の上に、ポリカーボネート製のマイクロレンズアレイ１７４を配置する。マイクロレンズアレイ１７４は、クラッド層１２２に設けられた凹部にかん合された状態で接着固定される。

更に、１２芯の光ファイバ・アレイ５２を、マイクロレンズアレイ１７４に実装する。この時、アクティブアライメントにより光ファイバ・アレイ５２の位置および角度を調整する。

光結合損失（光結合器１０２と光ファイバ５４との間の光結合損失）を、光導波路１３２に波長１５５０ｎｍのレーザ光を入射して測定した。測定された光結合損失の平均値は例えば３．４ｄＢである。標準偏差は、例えば２．１ｄＢである。

すなわち、エキシマレーザ加工により形成した４５°ミラーを有する光結合器１０２の光結合損失のバラツキは、実施の形態の光結合器２の光結合損失のバラツキより大きい。光結合損失のバラツキが大きいので、光結合器２の歩留りは４０％と低い。歩留りの評価方法は、「（２）使用方法および歩留り」で説明した方法と同じである。

エキシマレーザ加工により形成される４５°ミラーの傾斜角度のバラツキは、高々±１°程度である。しかしこの程度のバラツキでも、信号光１７６のビーム位置は、光ファイバ５４の端面上で容易に５μｍ程度移動する。シングルモード光ファイバのコア径は１０μｍ程度なので、ビーム位置が５μｍ程度移動しても光結合損失は大きな値（例えば、１０〜２０ｄＢ）になる。従って、４５°ミラーを有する光結合器１０２の光結合損失は大きく変動する。

図１９は、４５°ミラーの傾斜角度θ_０のバラツキと出射角度のバラツキの関係を説明する図である。例えば傾斜角度θ_０が１°減少すると、信号光１７６の出射角度は２°（＝９０°−２×４４°）変化する。すなわち出射角度は、傾斜角度θ_０の２倍ばらつく。従って傾斜角度θ_０のバラツキは、ビーム位置の大きな変動（位置ずれ）や光ファイバへの信号光の入射角度の大きな変動（角度ズレ）を招く。従って、光結合損失が大きく変動する。

上述したように、実施の形態の光結合器２の歩留りは１００％である。一方、エキシマレーザ加工により形成した４５°ミラーを有する光結合器１０２の歩留りは、４０％程度である。すなわち、実施の形態によれば、光結合器２の歩留りを高くすることができる。この様な高い歩留りは、結晶面２０（又は、光反射膜３６）の極めて高い平坦性と傾斜角度のバラツキの小ささ等に基づく（「（２）使用方法および歩留り」参照）。更に実施の形態の光結合器２によれば、第２結合部２８ｂによりビーム径の発散が抑制されるので、マイクロレンズ等を用いずに光ファイバ・アレイと光結合器２とを低損失で光結合できる（図７参照）。

なお、４５°ミラーを有する光結合器をＦＩＢにより形成することも可能である。しかし、ＦＩＢにより形成される光結合器は量産が困難であり、実用的でない。

（５）変形例
図２０は、実施の形態の製造方法の変形例を説明する図である。

変形例では、仮硬化させたクラッド２２へのレーザ光７０の照射（「（３−５）コアの形成」参照）とクラッド２２およびコア２６の加熱処理（「（３−６）後処理」参照）の間に、コア２６に紫外線を伝搬させる。この紫外線の伝搬により、コア２６の重合が進行する。その結果、コア２６の屈折率が増加し、伝搬光のコア２６への閉じ込め係数が大きくなる。

具体的には、図２０に示すように、第２結合部２８ｂの端面から紫外線をコア２６に入射させる。入射させた紫外線はコア２６を伝搬しながら、光結合器２のコア２６の重合を進行させる。紫外線６８は例えば光ファイバ１５２により、コア２６に供給される。

実施の形態によれば、傾斜角度がバラツキ難い結晶面を用いて伝搬光の進行方向を変更するので、オンチップ光導波路と光ファイバ・アレイとを光学的に結合する光結合器の歩留りを高くすることができる。更に、第２結合部２８ｂ（コア）により反射光の発散が抑制されるので、結合損失が低くなり歩留りが更に高くなる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上述した実施の形態は、例示であって制限的なものではない。

例えば以上の例では、（１１１）面上での反射により伝搬光の進行方向を変更する。しかし、（１１１）面以外の反射により伝搬光の進行方向を変更してもよい。例えば、（１１０）面上や（１００）面上での反射により、伝搬光の進行方向を変更してもよい。

また以上の例では、ＳＯＩ基板に光結合器２を形成する。しかしＳＯＩ基板以外の基板に、光結合器２を形成してもよい。例えばＰＬＣ（photonic light wave circuit ）基板に光結合器２を形成してもよい。

また以上の例では、半導体領域１６はＳｉの領域である。しかし、半導体領域１６はＳｉ以外の領域であってもよい。例えば、半導体領域１６はＳｉＣやＧａＮの領域であってもよい。

また以上の例では、光反射膜は金属膜である。しかし光反射膜は、金属膜でなくてもよい。例えば、光反射膜は誘電体多層膜であってもよい。

以上の実施の形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１）
凹所が設けられ、前記凹所を囲む複数の側面と、前記凹所の外側に傾くと共に前記複数の側面のうちの一つに含まれる結晶面とを有する半導体領域と、
前記凹所の外側に配置された第１クラッド領域と、前記凹所に配置された第２クラッド領域とを有するクラッドと、
前記第１クラッド領域内に配置され光導波路に接続される第１結合部と、前記第１結合部と前記結晶面の間に配置された連結部と、前記結晶面上で前記連結部に接続され上方に向かって延在する第２結合部とを有する複数のコアとを有する
光結合器。

（付記２）
前記第２結合部は、前記半導体領域の上面に垂直な方向に延在し、
前記連結部が前記結晶面となす第１角の角度は、前記第２結合部が前記結晶面となす第２角の角度であることを
特徴とする付記１に記載の光結合器。

（付記３）
前記半導体領域は単結晶シリコンであり、
前記半導体領域の上面は、（１００）面を有し、
前記結晶面は、（１１１）面を有することを
特徴とする付記１又は２に記載の光結合器。

（付記４）
更に、前記連結部と前記第２結合部の境界面と、前記結晶面との間に配置された光反射膜を有することを
特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の光結合器。

（付記５）
前記結晶面は、平面視において前記第２クラッド領域を挟んで前記第１クラッド領域に対向し、
前記連結部は、前記凹所内において前記凹所の底面側に湾曲していることを
特徴とする付記１乃至４のいずれか１項に記載の光結合器。

（付記６）
前記第１結合部は、前記第１クラッド領域に端部が配置された光導波路に接続されることを
特徴とする付記１乃至５のいずれか１項に記載の光結合器。

（付記７）
第１半導体部分と前記第１半導体部分に接する第２半導体部分とを有する半導体領域のうち前記第２半導体部分を異方性エッチング液によりエッチングして、前記半導体領域の結晶面のうち前記第２半導体部分の外側に傾いた結晶面を有する第１側面を含む複数の側面に囲まれた凹所を形成する工程と、
前記凹所が形成された前記第２半導体部分と第１半導体部分の上に、ポリマを有するクラッドを形成する工程と、
集光したレーザ光を前記クラッドに照射しながら前記レーザ光の集光点を移動させて、前記第１半導体部分上に配置された第１結合部、前記第１結合部と前記結晶面の間に配置された連結部、および前記結晶面上で前記連結部に接続され上方に向かって延在する第２結合部とを有する複数のコアを形成する工程とを有する
光結合器の製造方法。

（付記８）
前記クラッドを形成する工程は、二光子光吸収により重合する有機化合物に紫外線を照射して、重合した前記有機化合物を有する前記クラッドを形成する工程であり、
前記レーザ光は、前記有機化合物が重合する紫外線の２倍の波長を有することを
特徴とする付記７に記載の光結合器の製造方法。

（付記９）
更に、前記複数のコアを形成する工程の後、前記複数のコアに紫外線を伝搬させて、前記コアの屈折率を増加させる工程を有することを
特徴とする付記７又は８に記載の光結合器の製造方法。

（付記１０）
更に、前記複数のコアを形成する工程の前に、前記第１半導体部分上に端部が配置された複数の光導波路を形成する工程と、
前記結晶面の上に光反射膜を形成する工程とを有し、
前記複数のコアを形成する工程は、前記光導波路の前記端部上を通るように前記集光点を移動させて、前記第１半導体部分に前記第１結合部を形成する工程と、前記第１半導体部分と前記結晶面の間で前記集光点を移動させて、前記連結部を形成する工程と、前記結晶面から上方に向かって前記集光点を移動させて、前記第２結合部を形成する工程とを有することを
特徴とする付記７乃至９のいずれか１項に記載の光結合器の製造方法。

２・・・光結合器
１４・・・凹所
１６・・・半導体領域
１８・・・側面
２０・・・結晶面
２２・・・クラッド
２４ａ・・・第１クラッド領域 ２４ｂ・・・第２クラッド領域
２６・・・コア
２８ａ・・・第１結合部 ２８ｂ・・・第２結合部
３０・・・連結部
３２・・・光導波路
３４・・・境界面
３６・・・光反射膜
３８ａ・・・第１角 ３８ｂ・・・第２角
５６ａ・・・第１半導体部分 ５６ｂ・・・第２半導体部分
６８・・・紫外線
７０・・・レーザ光
７２・・・集光点

Claims (4)

1. 凹所が設けられ、前記凹所を囲む複数の側面と、前記凹所の外側に傾くと共に前記複数の側面のうちの一つに含まれる結晶面とを有する半導体領域と、
   前記凹所の外側に配置された第１クラッド領域と、前記凹所に配置された第２クラッド領域とを有するクラッドと、
   前記第１クラッド領域内に配置され光導波路に接続される第１結合部と、前記第１結合部と前記結晶面の間に配置された連結部と、前記結晶面上で前記連結部に接続され上方に向かって延在する第２結合部とを有する複数のコアとを有する
   光結合器。
2. 前記第２結合部は、前記半導体領域の上面に垂直な方向に延在し、
   前記連結部が前記結晶面となす第１角の角度は、前記第２結合部が前記結晶面となす第２角の角度であることを
   特徴とする請求項１に記載の光結合器。
3. 前記結晶面は、平面視において前記第２クラッド領域を挟んで前記第１クラッド領域に対向し、
   前記連結部は、前記凹所内において前記凹所の底面側に湾曲していることを
   特徴とする請求項１又は２に記載の光結合器。
4. 第１半導体部分と前記第１半導体部分に接する第２半導体部分とを有する半導体領域のうち前記第２半導体部分を異方性エッチング液によりエッチングして、前記半導体領域の結晶面のうち前記第２半導体部分の外側に傾いた結晶面を有する第１側面を含む複数の側面に囲まれた凹所を形成する工程と、
   前記凹所と前記第１半導体部分の上に、ポリマを有するクラッドを形成する工程と、
   集光したレーザ光を前記クラッドに照射しながら前記レーザ光の集光点を移動させて、前記第１半導体部分上に配置された第１結合部、前記第１結合部と前記結晶面の間に配置された連結部、および前記結晶面上で前記連結部に接続され上方に向かって延在する第２結合部とを有する複数のコアを形成する工程とを有する
   光結合器の製造方法。

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