JP2005215009A - 光導波路回路及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ファイバ結合損失やクロストーク特性などの特性を劣化させることなく、分岐部での放射損失を従来と比べて低下させる。
【解決手段】スラブ導波路５から分岐導波路７への分岐点における各コア３の間隔は、コア３の上面を含む平面における各コア３の間隔より狭い部分を有するようにし、分岐点におけるコア３の間隔を実効的に狭くする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光通信などに用いられる光導波路回路、特に分岐部を持つ光導波路回路とその製造方法に関する。

平面光波回路（Planar Lightwave Circuit：ＰＬＣ）は、近年の光通信ネットワークシステムを支えるキーデバイスとして盛んに用いられている（特許文献１，２，３，４，５，６参照）。特に、石英系光導波路を用いた光合分波，分岐等の受動素子デバイスは、基幹系大容量光通信からアクセス系ネットワークにいたるまで、システムを低コストかつ高機能で実用化する上で必要不可欠となってきている。

例えばＰＬＣの一例として、図８にアレイ導波路格子（Arrayed Waveguide Grating：ＡＷＧ）型光合分波器を示す。図８（ａ）は、ＡＷＧ素子の構成を示す平面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）中に示したＡ−Ａ’線における断面図である。図８に示す素子は、波長多重された光信号を波長毎に分波し、逆に複数の波長の光信号を一本のファイバに合波する機能を有する。

以下、図８の素子構造について、分波の例を用いて簡単に説明する。
まず、図８（ｂ）に示すように、シリコンなどから構成された基板１の上に、下クラッド層２が形成され、下クラッド層２の上にコア３が形成され、コア３を覆うように上クラッド層４が形成されている。複数のコア３によりアレイ導波路４３が構成されている。

このように構成されたアレイ導波路４３におけるコア３９の上部及び隣接するコア間の間隙は、上クラッド層４によって埋め込まれて導波路を構成している。
入力導波路４１に入射した波長多重された光信号は、入力スラブ導波路４２で回折によって広がり、アレイ導波路４３に入射される。

アレイ導波路４３は、隣接する導波路（コア）間に光路長差を備えているため、アレイ導波路４３の中を伝搬する等位相面の傾きは、波長毎に異なる。このような構成のアレイ導波路４３から出力スラブ導波路４４に出射された上記光信号は、等位相面の傾きに応じて各出力チャンネル毎に集光され波長分波される。

上記のようなＡＷＧ素子の特性上の要求として、素子の低損失化が挙げられる。ＡＷＧ素子の主要な損失要因としては、第１にアレイ導波路とスラブ導波路の結合部、すなわち導波路分岐部での放射損失があり、第２にファイバとの結合損失がある。
分岐部での放射損失に関しては、スラブ導波路とアレイ導波路の接続部において、アレイ導波路間から漏れ出た放射光によるものが主である。これは作製技術の限界によるものであり、分岐部導波路間に一定の開口幅ｇを設けなければならないため、スラブ導波路領域と分岐される導波路とで電界分布に差異が生ずるために発生する。

一方、ファイバとの結合損失に関しては、導波路とファイバのスポットサイズの差異が主な原因である。特に近年、素子の小型化を目的として導波路のコアとクラッドの屈折率差を大きくした導波路の開発が進んでいるが、屈折率差を大きくすることで小さい曲がり半径の導波路が低損失で実現可能な反面、導波路のスポットサイズは小さくなり、ファイバとの結合損失は大きくなってしまうという問題があった。

これらの問題を改善するため、例えば、導波路分岐部での放射損失の低減を目的とした技術が提案されている（特許文献７参照）。この技術では、分岐導波路間に分岐部から離れるにしたがい厚さが薄くなるように形成された埋設層を設け、スラブ導波路とアレイ導波路の接続部分での電界分布の差異を小さくし、放射損を低減しようとしている。
また、上記問題を改善するために、例えば、ファイバ結合損失の低減を目的とした技術も提案されている（特許文献８参照）。この技術では、コアの先端幅を細くすることでスポットサイズを広げ、ファイバ結合損失を低減してようとしている。

なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
特開平７−３０６３２５号公報 特開平７−３１８７３９号公報 特開平９−３２５２２８号公報 特開２００１−１４１９５０号公報 特開２００３−００４９５８号公報 特開２００３−２４０９９１号公報 特開２０００−１４７２８３号公報 特開２００３−０４３２７９号公報

しかし特許文献１のように、伝搬方向で徐々に厚さの変化するような埋設層の形成は光導波路回路パターンやエッチング条件等に形状が大きく依存するため素子の作製が難しい上、ウェハ面内やウェハ間でのエッチングレートに依存した残厚ばらつきが出やすく歩留まり良く作製するのが困難であるなどの問題があった。
また、分岐部での放射損失とファイバ結合損失をともに低減するためには、各々に最適化されたコア側面形状が望まれるが、通常両者は同時にパターニングされるため両者の両立は難しいという問題も併存していた。

さらに、入出力導波路の形状変化は隣接チャネルへのクロストークを増加させる要因ともなった。具体的には、特許文献２ではコア先端幅を細くエッチング加工することによって形成するものであり、コア側面形状もできるだけ垂直であることが望ましいが、特許文献１記載のような条件にてエッチングすると垂直性が損なわれるという問題があった。この結果としてコア先端幅が増大し、分岐部での放射損失を低減できても逆にファイバ結合損失の増大する問題があった。また入出力導波路とスラブ導波路接続部ではコア幅が増大することによりクロストーク特性の劣化をもたらすという問題もあった。

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、ファイバ結合損失やクロストーク特性などの特性を劣化させることなく、分岐部での放射損失を従来と比べて低下させることを目的とする。

本発明に係る光導波路回路は、基板の上に形成されたクラッド層と、このクラッド層に覆われたコアとから構成された導波路を備え、導波路は、複数の異なる方向に分岐する分岐点を有し、分岐点における各コア間は、コアの上面を含む平面における各コア間の間隔より狭い部分を有するものである。
この中で、コアの側面形状は、９０度未満の斜度を有するようにすればよい。また、コアの側面形状は、９０度未満の斜度を有する第１の側部と、この第１の側部より大きい斜度の第２の側部とを少なくとも備えるようにしてもよい。

また、上記光導波路回路において、コアの上面に配置された保護層を備えるようにしてもよい。また、コアの側面は、曲面から構成されているようにしてもよい。
また、上記光導波路回路において、コアの側面及び上面を覆う第２コアを備え、第２コアを含む各コアは、各々分離しているようにしてもよい。

本発明に係る他の光導波路回路は、少なくとも一本以上の入力導波路、入力スラブ導波路、複数の導波路からなる分岐導波路がこの順に光学的に結合して形成される分岐導波路回路を含む光導波路回路において、入力導波路を含む第１領域、分岐導波路を含む第２領域とで、各領域は入力スラブ導波路または出力スラブ導波路内に境界を含み、かつ少なくとも第２領域のコア側面形状は第１または第２領域のコア側面形状よりも傾斜角度が小さいまたは湾曲している状態のいずれかであるようにしたものである。

また、本発明に係る他の光導波路回路は、少なくとも一本以上の入力導波路、入力スラブ導波路、一定の光路長差を有する複数の導波路からなるアレイ導波路、出力スラブ導波路、複数の導波路からなる出力導波路がこの順に光学的に結合して形成されるアレイ導波路格子回路を含む光導波路回路において、入力導波路を含む第１領域、アレイ導波路を含む第２領域、出力導波路を含む第３領域とで、各領域は入力スラブ導波路または出力スラブ導波路内に境界を含み、かつ少なくとも第２領域のコア側面形状は第１または第２領域のコア側面形状よりも傾斜角度が小さいまたは湾曲している状態のいずれかであるようにしたものである。

本発明に係る光導波路回路の製造方法は、基板の上に形成されたクラッド層と、このクラッド層に覆われたコアとから構成された導波路を備え、導波路が、複数の異なる方向に分岐する分岐点を有し、分岐点における各コア間が、コアの上面を含む平面における各コア間の間隔より狭い部分を有する光導波路回路の製造方法であって、少なくとも分岐部近傍では、コアの間隙部におけるコア側面に傾斜がつくようにエッチングしてコアを形成するコア形成工程を備えるものである。

上記光導波路回路の製造方法において、コア形成工程は、コアの側面形状が９０度未満の斜度を有する第１の側部を形成する第１工程と、第１の側部より大きい斜度の第２の側部を形成する第２工程とを少なくとも備えるようにしてもよい。

本発明に係る他の光導波路回路の製造方法は、基板の上に形成されたクラッド層と、このクラッド層に覆われたコアとから構成された導波路を備え、導波路が、複数の異なる方向に分岐する分岐点を有し、分岐点における各コア間が、コアの上面を含む平面における各コア間の間隔より狭い部分を有する光導波路回路の製造方法であって、コアとなる膜を形成する工程と、膜の上にエッチング保護層を形成する工程と、エッチング保護層の上にコアを形成するためのマスクパターンを形成する工程と、マスクパターンをマスクとしてエッチング保護層とともに膜を選択的にエッチングしてコアを形成するコア形成工程とを備え、コア形成工程では、少なくとも分岐点の近傍では側面に斜度が形成される状態にエッチング保護層とともに膜をエッチングするようにしたものである。

また、本発明に係る他の光導波路回路の製造方法は、基板の上に形成されたクラッド層と、このクラッド層に覆われたコアとから構成された導波路を備え、導波路が、複数の異なる方向に分岐する分岐点を有し、分岐点における各コア間が、コアの上面を含む平面における各コア間の間隔より狭い部分を有する光導波路回路の製造方法であって、少なくとも分岐部近傍では、例えば、クラッド層に覆われたコアをクラッド層とともに加熱することなどにより、コアの間隙部におけるコア側面が曲面から構成された状態にする曲面形成工程を備えるようにしたものである。

また、本発明に係る他の光導波路回路の製造方法は、基板の上に形成されたクラッド層と、このクラッド層に覆われたコアとから構成された導波路を備え、導波路が、複数の異なる方向に分岐する分岐点を有し、分岐点における各コア間が、コアの上面を含む平面における各コア間の間隔より狭い部分を有する光導波路回路の製造方法であって、少なくとも分岐部近傍では、第１コアを形成した後、第１コアの上に第２コア層を形成して第１コアと第２コアとからなるコアを形成する工程を備えるようにしたものである。

また、本発明に係る他の光導波路回路の製造方法は、基板の上に少なくともスラブ導波路を介して光学的に結合される複数のチャネル導波路が形成された光導波路回路の製造方法において、スラブ導波路の一部を通過する境界線を境界にチャネル導波路となる第１領域が開放された第１マスクパターンを用いて第１領域を第１エッチング条件で加工し、チャネル導波路を構成する第１コアを形成する工程と、境界線を境界に第１領域以外の第２領域が開放された第２マスクパターンを用いて第２領域を第２エッチング条件で加工し、チャネル導波路以外の導波路となる第２コアを形成する工程とを少なくとも備えるようにしたものである。

以上説明したように、本発明によれば、分岐点における各コア間は、コアの上面を含む平面における各コア間の間隔より狭い部分を有するようにすることで、分岐点におけるコアの間隔を実効的に狭くするようにしたので、分岐部での放射損失を従来と比べて低下させることができるという優れた効果が得られる。

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。
図１は、本発明の実施の形態における光導波路回路の構成例を示す部分的な平面図（ａ）と、この中のＡＡ’線における部分的な断面図（ｂ）である。なお、以降では、基板１を基準とし、この法線方向の上部に上クラッド層４があるものとする。従って、コア３は、下面が下クラッド層２に接して形成され、側面及び上面は、上クラッド層４に覆われた状態となっている。

図１に示す光導波路回路では、基板１の上にチャネル型導波路からなる分岐光導波路回路７が形成されている。図示していない入力導波路から導入された光は、スラブ導波路５で回折などにより広がり、分岐導波路７に分配される。光の伝搬方向は、逆であっても構わない。分岐導波路７は、下クラッド層２と上クラッド層４との間の複数のコア３から構成され、コア３の本数をＮとすると、Ｎ≧２である。また、スラブ導波路５と分岐導波路７の接続部近傍における分岐導波路７のコア３の間隙部の開口幅は、ｇ（ｇ＞０）である。なお、開口幅ｇは、コア３の上クラッド層４の方向の上面におけるコア３の間隙幅を示す。

図１に示す光導波路回路の適用例としては、Ｙ分岐回路，Ｍ×Ｎスターカプラー（Ｍ≧１、Ｎ≧２），ＡＷＧなどがある。
図１に示す光導波路回路は、コア３の側面が、垂直ではなく、隣接するコア３との間隙が狭まるような形状に成形されている。従って、フォトリソグラフィによる制限を受けるために開口幅ｇは従来と同じに設定したとしても、実質的にコア３間の間隙幅が狭くなる効果を有する。

この結果、コア３間の間隙部の平均的な実行屈折率は増加するため、スラブ導波路５と分岐導波路７の接続部近傍において両者間の伝搬光の電界分布の差異は小さくなり、放射損失は低減されるという効果を有する。
例えば、ｇが３μｍ以下、特に、１．５μｍ以下の場合、放射損失が最も低減されるようになり、きわめて大きな効果が得られる。上述したｇの範囲とすることで、コア３の間隙幅の変化に対する電界分布の変化が大きくなり、スラブ接続損をより大きく低減することが可能となる。

一般に、微細な間隔で配置される複数の線条を形成する場合、フォトリソグラフィ技術などの製造技術の限界により、隣り合う線条の間に一定の間隔を開ける必要が発生する。
これに対し、図１に示す構成では、コア３の上面におけるコア間隔は従来と同程度であっても、コア３の深さ方向に、より狭くなるように形成し、スラブ部接続損失を低減するようにしたものである。これは、コア断面の角に丸みを与えたものではなく、また、コアを形成するエッチング時のマスクパターンの細り効果などを利用し、コアの断面を断面形状に形成したものではない。コアの断面形状は、重要ではなく、隣り合うコアの全体的な間隔が、コア上面の間隔より狭くなっていることが重要である。

次に、具体的な実施例を用いて発明を実施するための最良の形態とその製造方法を説明する。図２は、本実施例における光導波路回路の一例であるＡＷＧの構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ’線断面を示している。本実施例では、シリコン基板１の上に形成された石英系のコア３からなる導波路を用いてＡＷＧを形成している。

図２に示すＡＷＧでは、入力導波路２１が入力スラブ導波路２２に接続され、入力スラブ導波路２２と出力スラブ導波路２４との間が、アレイ導波路２３で接続され、出力スラブ導波路２４に、複数のコアからなる出力導波路２５が接続している。例えば、入力スラブ導波路２２とアレイ導波路２３との接続点を分岐点とすると、コア３は、複数の異なる方向に分岐している。

また、入力スラブ導波路２２または出力スラブ導波路２４とアレイ導波路２３の接続部では、アレイ導波路２３のコア３１間に開口幅ｇの間隙が存在している。複数のコア３１は、一般的には、公知のリソグラフィ技術とエッチング技術とより形成されるため、これらの製造技術の制限により、開口幅ｇは、０にはならずに有限の値となっている。

本実施例の特徴は、図２（ｂ）の断面図に示すようにコア３１の側面が、斜度θの角度でエッチングされていることにある。これにより、垂直にエッチングした場合に比較し、隣り合うコアの平均的な間隙は狭められることとなり、入力スラブ導波路２２または出力スラブ導波路２４とアレイ導波路２３の接続部での放射損失が低減される効果を有する。

次に本実施例の具体的な製造方法を説明する。まず、シリコン基板１の上に、Ｂ₂Ｏ₃とＰ₂Ｏ₅が添加された石英系膜（ＢＰＳＧ）を堆積し、これよりなる下クラッド層が膜厚１５μｍ程度に形成されている状態とする。ついで、下クラッド層２の上に、コア層としてＧｅＯ₂が添加した石英系膜が、膜厚６μｍ程度に形成されている状態とする。
ついで、公知のフォトリソグラフィ技術及び反応性イオンエッチング技術により上記石英系膜をエッチング加工してコア３１が形成されている状態とする。コア３１のエッチング加工では、コア３１の側面が斜度θとなるようにする。また、コア３１を形成するためのエッチング深さは６．５μｍとする。

次に、下クラッド層２と同様の材料を堆積し、コア３１を覆うようにしたクラッド層２の上に上クラッド層４が形成されている状態とする。上クラッド層４は、膜厚１５μｍ程度に形成する。上述した各層となる膜の形成には、化学気相堆積法を用いることができる。なお、コア３１と各クラッドとの比屈折率差Δは、０．７％とする。

通常、コア間の狭い間隙を反応性イオンエッチングによって形成すると、コアの側面の斜度は垂直に近い形状となる。これに対し、本実施例では、エッチングガスとしてＣＦ₄中にＨ₂ガスを１０〜０％の分圧範囲で適正に添加し、コアの側面の斜度θを６５〜９０度の範囲で制御した。ここで、Ｈ₂ガスの添加量を１０％とした場合、コア側面の斜度θが６５度となる。また、Ｈ₂ガス添加量を少なくするほど、θは大きくなる。

本実施例では、コア３１の上面の幅を６μｍとし、上面を含む平面におけるコア３１の間隔として、ｇ＝２．５μｍとした。また、コア３１のエッチング斜度θは、７９度とした。これらの結果、コア３１の厚さ方向中央部での間隙幅は、開口部での２．５μｍに対し、１．３μｍに減少する。

上述した本実施例の製造方法によってＡＷＧを作製した結果、図８（ｂ）に示すような従来の垂直にコアエッチングした場合に比較し、約１ｄＢの挿入損失の改善が得られた。この改善は、入力スラブ２２または出力スラブ導波路２４とアレイ導波路２３の接続部での放射損失が、低減されたことによる効果である。

なお、上記の構成、材料、製造方法などは一例にすぎず、他のものでも適当に選ぶことは当然可能である。例えば、好適には、コア厚をｔとすると、（ｇ／４）＜（ｔ／ｔａｎθ）であればよい。これはこの条件を満たさないような、θが垂直に近い形状であると本実施例による効果が小さいためである。また、（ｇ／４）＜（ｔ／ｔａｎθ）≦（ｇ／２）の範囲であれば、コア間隙部は、コア下部まで完全にエッチングされるようになる。従って、上記条件の範囲でエッチング量に一定のマージンを与えることにより、エッチングレートの面内あるいはウェハ間のばらつきの影響を受けず、歩留まりよく作製が可能になるという効果を有する。

また、（ｔ／ｔａｎθ）＞（ｇ／２）の範囲では、コア間隙部のコア下部まで完全にはエッチングされず、コア間隙部の残厚はエッチングレートのばらつきの影響を受けることとなり歩留まりが低くなるが、スラブ導波路２２，２４とアレイ導波路２３との接続部付近において、両者間の電界分布の差異は小さくなり、放射損失はさらに低減されるという効果を有する。いずれの場合も、特にｇ≦３μｍの場合に大きな効果を有することが確認された。

なお、コアを台形形状に成形する従来例もあるが、例えば特許文献３では、形状安定化等の用途に用いられているものであり、スラブ導波路導波路と分岐導波路の電界分布を近づける作用をする本実施例によるものとは異なる趣旨及び構成である。

次に、他の具体的な実施例を用いて発明を実施するための最良の形態とその製造方法を説明する。以下に説明する本実施の形態では、コアの側面を複数種類の角度の斜面から構成するようにしたものである。図２に示した構成においては、コア側面が一種類の斜面で形成され、コアの断面が台形形状であるが、図３に示す構成では、コア３２の側面が複数種類の角度の斜面から構成されている。図２に示す構成と図３に示す構成では、コア側面の形状以外の他の数値パラメータ等については、同様である。

具体的には、コア３２の上面から膜厚方向に２μｍまでの第１の側部のエッチング角度θ１は、７０度とし、２μｍより下部の第２の側部のエッチング角度θ２は、８５度とする。エッチング角度は、エッチングガス中のＨ₂ガス濃度を途中で切り替えることで制御可能である。このようにエッチング角度（側部の斜度）を複数にすることにより、コア間隙幅の平均値をより狭くした上で、コアを下部まで完全にエッチングすることが可能となる。

コア間隙幅平均値をより狭くすることで、スラブ導波路とアレイ導波路の接続部近傍において両者間の電界分布の差異は小さくなり、放射損失は図２に示した構成の場合と比べさらに低減されるという効果を有する。さらに、図３に示す構成とすることで、コアを下部まで完全にエッチングすることが可能となることで、エッチングレートの面内あるいはウェハ間のばらつきの影響を受けず、歩留まりよく作製可能という効果を有する。
なお、上記の構成は一例に過ぎず、エッチング角度は３種類以上であってもよく、また各エッチング角度の値は別の値を選ぶことも可能である。

次に、他の具体的な実施例を用いて発明を実施するための最良の形態とその製造方法を説明する。
以下に説明する本実施の形態では、図４に示すように、コア３３の上面にエッチング保護層６が形成されているようにした。図４に示す構成は、コアを形成するためのエッチング深さが増加するほど、形成されたコアの間隙幅が狭まる効果を利用したものである。

エッチング保護層６が形成されていることにより、コア３３の間隙部の開口幅ｇを図２に示す構成と同様にした場合、コアの深さ（膜厚）方向に対してコア間隙幅が狭くなるような形状により、よりコア間隙部を、エッチング保護層６がない場合より狭く形成することが可能となる。上述した形状としては、例えば斜度θの傾斜状にエッチングしたものである。
エッチング保護層６を用いて上述したようにエッチングすることで、スラブ導波路とアレイ導波路の接続部近傍において両者の電界分布の差異は小さくなり、放射損失はさらに低減されるという効果を有する。

次に本実施例の具体的な製造方法を説明する。コアとなる層（膜）を形成するまでは、図２に示した構成と同様である。コアとなる層を形成した後、まず、上クラッド層４と同じ材料からなる膜厚３μｍのエッチング保護層（膜）が形成されている状態とする。ついで、エッチング保護層とともにコアとなる層を公知のフォトリソグラフィ技術及び反応性イオンエッチング技術により加工し、側面の斜度がθ＝７９度のコア３３が形成されている状態等する。エッチング深さは、９．５μｍとした。

側面に斜度がつく状態でパターンを形成すると、形成されるパターンの幅は、下方に行くに従い増加する。従って、エッチング保護膜の膜厚だけ下方に位置するコアの上面の幅は、エッチング保護膜上のマスクパターンの幅より大きくなり、隣り合うコアの間隔は狭くなる。
このように、エッチング保護膜を用いることで、コアの上面の幅を、マスクパターンの幅より広く形成することが可能となる。言い換えると、エッチング保護膜を用いることで、マスクパターンの製造限界を超えたより狭い間隔で、コアの間隔を形成することが可能となる。

上述したことによりコア３３を形成した後、下クラッド層２と同材料から構成された膜厚１５μｍの上クラッド層４が形成された状態とする。
上述した製造方法により、図２に示した構成における１．３μｍに対し、コア３３の厚さ方向中央部での間隙幅は、０．２μｍに減少した。コア間隙幅平均値をより狭くすることで、スラブ導波路とアレイ導波路の接続部近傍において両者間の電界分布の差異は小さくなり、放射損失は、図２に示した構成に比較してさらに低減されるという効果を有する。

次に、さらに他の具体的な実施例を用いて発明を実施するための最良の形態とその製造方法を説明する。
以下に説明する本実施の形態では、図５に示すように、コア３４の側面を曲面状に成形し、平均的なコア間隙幅を狭くした。
図５に示す構成は、以下に説明するように製造することができる。

まず、シリコン基板１の上に、Ｂ₂Ｏ₃とＰ₂Ｏ₅が添加された石英系膜（ＢＰＳＧ）を堆積し、これよりなる下クラッド層が膜厚１５μｍ程度に形成されている状態とする。ついで、下クラッド層２の上に、コア層としてＧｅＯ₂が添加した石英系膜が、膜厚６μｍ程度に形成されている状態とする。

ついで、公知のフォトリソグラフィ技術及び反応性イオンエッチング技術により上記石英系膜をエッチング加工してコアが形成されている状態とする。コアのエッチング加工では、コアの側面が所定の角度の斜度となるようにする。また、コアを形成するためのエッチング深さは６．５μｍとする。
次に、下クラッド層２と同様の材料を堆積し、コアを覆うようにしたクラッド層２の上に上クラッド層４が形成されている状態とする。上クラッド層４は、膜厚１５μｍ程度に形成する。上述した各層となる膜の形成には、化学気相堆積法を用いればよい。なお、コアと各クラッドとの比屈折率差Δは、０．７％とする。

ここまでは、図２に示した構成を製造する場合と同様である。図５に示す構成では、この後、９００℃にて１時間アニール処理を行い、コア３４の形状とする。アニール温度はコアの軟化温度以上の高温が必要である。アニール処理中に表面張力などのクラッド層からの圧力を受け、コアの側面は湾曲してコア３４となる。この結果、コア３４の平均的な間隙幅は、アニール処理を行う前よりも狭くなる。これにより、図２に示した構成と同様な効果が得られる。

なお、上述した図５に示す構成の製造方法では、エッチングによりコアを形成するときに、側面に斜度を形成するようにしたが、これに限るものではなく、斜度をつけずにコアを形成してもよい。また、エッチングによりコアを形成した後、上クラッド層を形成する前に熱処理を行い、コアを変形させるようにしてもよい。なお、好適には、コアの間隙部においてコアの側面が全体的に湾曲し、側面におけるコアの間隔がコア上面の間隔より狭くなっていることが必要である。これらの構成は、コアの上部の角が丸められているものとは異なる。

次に、他の具体的な実施例を用いて発明を実施するための最良の形態とその製造方法を説明する。
以下に説明する本実施の形態では、図６に示すように、コア３５の側面にさらに別の第２コア８を形成し、平均的なコア間隙幅を狭くした。
図６に示す構成は、以下に説明するように製造することができる。

まず、シリコン基板１の上に、Ｂ₂Ｏ₃とＰ₂Ｏ₅が添加された石英系膜（ＢＰＳＧ）を堆積し、これよりなる下クラッド層が膜厚１５μｍ程度に形成されている状態とする。ついで、下クラッド層２の上に、コア層としてＧｅＯ₂が添加した石英系膜が、膜厚６μｍ程度に形成されている状態とする。

ついで、公知のフォトリソグラフィ技術及び反応性イオンエッチング技術により上記石英系膜をエッチング加工してコア３５が形成されている状態とする。コア３５のエッチング加工では、コア３５の側面がほぼ垂直な状態に形成すればよい。

ここまでは、図２に示した構成を製造する場合と同様である。図６に示す構成では、この後、コア３５と同じ材料を成膜し、膜厚１μｍ程度の第２コア８が形成されている状態とする。第２コア８が形成されたことにより、平均的なコア間隙幅は、第２コア８が形成される前よりも狭くなる。これにより、図２に示す構成と同様な効果が得られる。

なお、図６に示す構成において、コアのエッチングには斜度を付けても付けなくても構わない。また、第２コア８は必ずしもコア３５と同じ必要はなく、屈折率が上クラッド層４とコア３５の間の値のものであっても構わない。また好適には第２コア８は、コア３５の側面以外の余分な部分、例えばコア３５以外の領域やコア３５の上面部などは、エッチングによって除去することも可能である。

以上のようにしてコア３５及び第２コア８を形成した後、下クラッド層２と同様の材料を堆積し、コア３５を覆うようにしたクラッド層２の上に上クラッド層４が形成されている状態とする。上クラッド層４は、膜厚１５μｍ程度に形成する。上述した各層となる膜の形成には、化学気相堆積法を用いればよい。なお、コア３５と各クラッドとの比屈折率差Δは、０．７％とすればよい。

次に、本発明の他の実施の形態について、図７を用いて説明する。図７は、基板の上にＡＷＧが形成された状態を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は、図７（ａ）のＡＡ’断面、（ｃ）は図７（ａ）のＢＢ’断面、（ｄ）は図７（ａ）のＣＣ’断面を示している。図７に示す光導波路回路は、基板１の上に、少なくとも一つのスラブ導波路と複数領域に形成されたチャネル導波路（アレイ導波路、出力導波路など）からなり、これらが光学的に結合した光回路が形成されたものである。

図７に示す構成では、入力スラブ導波路２２及び出力スラブ導波路２４の一部を境界とし、各々の領域のチャネル導波路に、各々適したコア側面形状を設けるようにしたものである。例えば図７のＡＷＧの例で説明すると、まず、第２領域として示しているアレイ導波路２３を構成する各コア３は、各スラブ導波路の接続部において、図７（ｂ）に示すように、コア３の側面は間隙幅が深さ方向に対して狭くなるように形成されている。

また、例えば、出力スラブ導波路２４と出力導波路２５の接続部においては、図７（ｃ）に示すように、コア３６は、側面が垂直に形成されているようにした。
また、出力導波路２５の一端は、図７（ｄ）に示されているように、コア３７の側面が垂直に形成され、かつ、先細りの形状とした。各々の領域の境界部は、２つのスラブ導波路内に含まれている。

図７に示す構成により、スラブ導波路とアレイ導波路の接続部での放射損失は、図２〜図６に示した構成と同様な効果によって低減される。一方、入出力導波路側は、コア側面を垂直に形成しているため、全面を台形状にエッチングした場合に起こるようなスラブ導波路と入出力導波路の接続部近傍で起きるクロストーク劣化や、ファイバ結合損失の増加は発生しないという効果を有する。

図７に示すようなＡＷＧにおいて、各コアを同様に形成すると、アレイ導波路２３を構成するコアとともに、出力導波路２５においてもコアの間隙が狭まる。出力導波路２５においては、特に出力スラブ導波路２４との接続部近傍でコアの間隔が狭くなると、導波している光が隣接導波路に漏れやすくなる。この結果、導波している光が隣接導波路に漏れやすくなってしまい、上述したクロストーク劣化の原因となる。

また、図７に示す構成では、ファイバと結合する入出力部近傍のコア幅を先細り形状とすることで、ファイバとのスポットサイズ整合を計っている。従って、コア側面の斜度を小さくして台形状にエッチングしてしまうと、結果的にコア幅が増加することとなり、ファイバ結合損失が増大してしまう弊害がある。

図７に示す構成では、クロストーク劣化やファイバ結合損失などの弊害は解消される効果を有する。さらに、第１〜第３領域の各々の領域の境界部は、２つのスラブ導波路内に含まれるように形成したので、コア形状の不連続点がチャネル導波路には存在しないため、コア形状を複数備えることによる損失増加がほとんどないという効果も有する。スラブ導波路内では、コア側面にまで伝搬光が広がっていないため、コア側面形状の不連続性は損失に何ら影響を与えないためである。

次に、図７に示す構成としたＡＷＧの製造方法について説明する。まず、シリコン基板１上に下クラッド層２としてＢＰＳＧが膜厚１５μｍ程度に形成された状態とする。ついで、下クラッド層２の上に、コア層としてＧｅＯ₂を添加した石英系膜が膜厚４μｍに形成された状態とする。コアとクラッドとの比屈折率差Δは１．５％とする。石英系膜を形成した後、公知のフォトリソグラフィ技術及び反応性イオンエッチング技術により、アレイ導波路を含む第２領域のコア３が形成されている状態とした。

コア３の幅は４μｍとし、エッチング深さは４．５μｍとした。また、コア３の側面は、斜度θ＝７５度となるように形成した。なお、コア３の形成では、第１領域及び第３領域はエッチングされないように、フォトレジストを用いてパターンを形成して保護される状態とした。

次に、上述した第１領域，第３を保護するレジストパターンを除去した後、第２領域を保護するレジストパターンを形成し、開放している第１，３領域において、公知のフォトリソグラフィ技術及び反応性イオンエッチング技術により、入出力導波路を含む各コアが形成されている状態とした。形成したコア幅は４μｍとし、エッチング深さは４．５μｍとした。なおファイバ入出力部のみコア幅が導波路端面に向かって徐々に狭くなるテーパ形状とし、導波路端面でのコア幅が１μｍになるような形状とした。テーパ形状とした部分の伝搬方向の長さは２ｍｍとした。また、コア３６，３７の側面は、垂直にエッチングした。

以上のように各コアを形成した後、下クラッド層２と同じ材料で、膜厚１５μｍ程度に上クラッド層４が形成されている状態とした。以上のようにコアのパターニング工程を２回に分けることによって、各領域により異なる複数種類のコア形状が実現できる。通常、複数のパターニング工程によってチャネル導波路を連結するような製造方法では、例えば、パターニング時の位置ずれが、標準的には１μｍ程度あると考えられる。この位置ずれによる過剰損失は、許容できるものではない。

以上のことに対し、図７に示す構成によれば、各領域を分ける境界部がスラブ導波路内に含まれるようにしたので、フォトリソグラフィによる位置ずれが１μｍ程度あるとしても、特性上十分許容されるようになる。これは、スラブ導波路では、元々横方向の閉じ込めがないため、フォトリソグラフィによる高々１μｍ程度の位置ずれは損失に影響を与えず、許容範囲内で透過波長が僅かにずれるに過ぎないためである。なお、上述では、ＡＷＧを例に説明したが、これに限るものではなく、本発明は、他の分岐導波路にも適用可能であることはいうまでもない。

本発明の実施の形態における光導波路回路の構成例を示す部分的な平面図（ａ）と、この中のＡＡ’線における部分的な断面図（ｂ）である。 本発明をより詳細に説明するための実施例における光導波路回路の一例であるＡＷＧの構成を示す平面図（ａ）、及び断面図（ｂ）である。 本発明をより詳細に説明するための実施例における光導波路回路の構成を示す断面図である。 本発明をより詳細に説明するための実施例における光導波路回路の構成を示す断面図である。 本発明をより詳細に説明するための実施例における光導波路回路の構成を示す断面図である。 本発明をより詳細に説明するための実施例における光導波路回路の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態における光導波路回路の例として基板の上に形成されたＡＷＧの構成を示す平面図（ａ），及び断面図（ｂ），（ｃ），（ｄ）である。 従来よりあるＡＷＧの構成を示す平面図（ａ），及び部分的な断面図（ｂ）である。

符号の説明

１…基板、２…下クラッド層、３…コア、４…上クラッド層、５…スラブ導波路、７…分岐光導波路回路、２１…入力導波路、２２…入力スラブ導波路、２３…アレイ導波路、２４…出力スラブ導波路、２５…出力導波路。

Claims (15)

1. 基板の上に形成されたクラッド層と、このクラッド層に覆われたコアとから構成された導波路を備え、
   前記導波路は、複数の異なる方向に分岐する分岐点を有し、
   前記分岐点における各コア間は、前記コアの上面を含む平面における各コア間の間隔より狭い部分を有する
   ことを特徴とする光導波路回路。
2. 請求項１記載の光導波路回路において、
   前記コアの側面形状は、９０度未満の斜度を有する
   ことを特徴とする光導波路回路。
3. 請求項１又は２記載の光導波路回路において、
   前記コアの側面形状は、９０度未満の斜度を有する第１の側部と、この第１の側部より大きい斜度の第２の側部とを少なくとも備える
   ことを特徴とする光導波路回路。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の光導波路回路において、
   前記コアの上面に配置された保護層を備えることを特徴とする光導波路回路。
5. 請求項１又は４記載の光導波路回路において、
   前記コアの側面は、曲面から構成されている
   ことを特徴とする光導波路回路。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の光導波路回路において、
   前記コアの側面及び上面を覆う第２コアを備え、前記第２コアを含む各コアは、各々分離していることを特徴とする光導波路回路。
7. 少なくとも一本以上の入力導波路、入力スラブ導波路、複数の導波路からなる分岐導波路がこの順に光学的に結合して形成される分岐導波路回路を含む光導波路回路において、
   入力導波路を含む第１領域、分岐導波路を含む第２領域とで、各領域は入力スラブ導波路または出力スラブ導波路内に境界を含み、かつ少なくとも第２領域のコア側面形状は第１または第２領域のコア側面形状よりも傾斜角度が小さいまたは湾曲している状態のいずれかである
   ことを特徴とする光導波路回路。
8. 少なくとも一本以上の入力導波路、入力スラブ導波路、一定の光路長差を有する複数の導波路からなるアレイ導波路、出力スラブ導波路、複数の導波路からなる出力導波路がこの順に光学的に結合して形成されるアレイ導波路格子回路を含む光導波路回路において、
   入力導波路を含む第１領域、アレイ導波路を含む第２領域、出力導波路を含む第３領域とで、各領域は入力スラブ導波路または出力スラブ導波路内に境界を含み、かつ少なくとも第２領域のコア側面形状は第１または第２領域のコア側面形状よりも傾斜角度が小さいまたは湾曲している状態のいずれかである
   ことを特徴とする光導波路回路。
9. 基板の上に形成されたクラッド層と、このクラッド層に覆われたコアとから構成された導波路を備え、前記導波路が、複数の異なる方向に分岐する分岐点を有し、前記分岐点における各コア間が、前記コアの上面を含む平面における各コア間の間隔より狭い部分を有する光導波路回路の製造方法であって、
   少なくとも分岐部近傍では、前記コアの間隙部におけるコア側面に傾斜がつくようにエッチングして前記コアを形成するコア形成工程
   を備えることを特徴とする光導波路回路の製造方法。
10. 請求項９記載の光導波路回路の製造方法において、
    前記コア形成工程は、
    前記コアの側面形状が９０度未満の斜度を有する第１の側部を形成する第１工程と、
    前記第１の側部より大きい斜度の第２の側部を形成する第２工程と
    を少なくとも備えることを特徴とする光導波路回路の製造方法。
11. 基板の上に形成されたクラッド層と、このクラッド層に覆われたコアとから構成された導波路を備え、前記導波路が、複数の異なる方向に分岐する分岐点を有し、前記分岐点における各コア間が、前記コアの上面を含む平面における各コア間の間隔より狭い部分を有する光導波路回路の製造方法であって、
    前記コアとなる膜を形成する工程と、
    前記膜の上にエッチング保護層を形成する工程と、
    前記エッチング保護層の上に前記コアを形成するためのマスクパターンを形成する工程と、
    前記マスクパターンをマスクとして前記エッチング保護層とともに前記膜を選択的にエッチングして前記コアを形成するコア形成工程と
    を備え、
    前記コア形成工程では、少なくとも前記分岐点の近傍では側面に斜度が形成される状態に前記エッチング保護層とともに前記膜をエッチングする
    ことを特徴とする光導波路回路の製造方法。
12. 基板の上に形成されたクラッド層と、このクラッド層に覆われたコアとから構成された導波路を備え、前記導波路が、複数の異なる方向に分岐する分岐点を有し、前記分岐点における各コア間が、前記コアの上面を含む平面における各コア間の間隔より狭い部分を有する光導波路回路の製造方法であって、
    少なくとも分岐部近傍では、前記コアの間隙部におけるコア側面が曲面から構成された状態にする曲面形成工程
    を備えることを特徴とする光導波路回路の製造方法。
13. 請求項１２記載の光導波路回路の製造方法において、
    前記曲面形成工程は、前記クラッド層に覆われた前記コアを前記クラッド層とともに加熱する工程を含む
    ことを特徴とする光導波路回路の製造方法。
14. 基板の上に形成されたクラッド層と、このクラッド層に覆われたコアとから構成された導波路を備え、前記導波路が、複数の異なる方向に分岐する分岐点を有し、前記分岐点における各コア間が、前記コアの上面を含む平面における各コア間の間隔より狭い部分を有する光導波路回路の製造方法であって、
    少なくとも分岐部近傍では、第１コアを形成した後、前記第１コアの上に第２コア層を形成して第１コアと第２コアとからなる前記コアを形成する工程
    を備えることを特徴とする光導波路回路の製造方法。
15. 基板の上に少なくともスラブ導波路を介して光学的に結合される複数のチャネル導波路が形成された光導波路回路の製造方法において、
    前記スラブ導波路の一部を通過する境界線を境界に前記チャネル導波路となる第１領域が開放された第１マスクパターンを用いて前記第１領域を第１エッチング条件で加工し、前記チャネル導波路を構成する第１コアを形成する工程と、
    前記境界線を境界に前記第１領域以外の第２領域が開放された第２マスクパターンを用いて前記第２領域を第２エッチング条件で加工し、前記チャネル導波路以外の導波路となる第２コアを形成する工程と
    を少なくとも有することを特徴とする光導波路回路の製造方法。
    

Images