JP2005326876A - 光導波路 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた素子特性を持つ光導波路デバイスを提供する。
【解決手段】クラッドと、導波路長手方向に沿って厚さが徐々に変化しているテーパ形状部を持つコアとを有する光導波路において、前記コアは、導波路長手方向に沿った一方に向かってコアの幅が徐々に増大し且つコアの厚さが徐々に薄くなっていることを特徴とする光導波路。
【選択図】図４

Description

本発明は、光通信などに用いられる、スポットサイズ変換部を有する光導波路およびその製造方法に関する。

インターネットの急激な普及にともない、光通信システムの商用化展開が非常な勢いで進んでいる。通常の電話回線で３万回線以上を伝送できる２．５Ｇｂ／ｓシステムなどが多くの地域で導入されており、情報伝送容量の拡大にあわせて、波長多重方式によって多重数倍の大容量化を図る方式が既に実用化されるに至っている。初期の数波レベルの波長多重から、現在では、１６０波レベルまでの高密度波長多重方式が商用化されるようになってきた。

このような波長多重光通信方式においては、異なる波長を有する複数の信号光を１本の光ファイバに導入するための合波器、また波長多重された光信号から異なる波長の信号に切り分けるための分波器が重要となり、その一例として、アレイ導波路格子（ＡＷＧ）が注目されている。

ＡＷＧは、入出力２つのスターカップラの間に、同じ光路長差を有するアレイ状の光導波路が形成されたものであり、アレイ導波路が高次の回折格子の役割を担うことによって合分波の機能を示すものである。Ｓｉ基板ないし石英ガラス基板上に石英系の光導波路を形成したＡＷＧは、すでに商用化されており、実際の光通信システムに用いられている。現在商用化されているＡＷＧは３ｃｍ×４ｃｍ程度のサイズのものが一般的であり、温調機能が必要であることから、パルチエ素子に貼り付けられパッケージに収容されており、このパッケージ全体のサイズは５ｃｍ×６ｃｍ程度となるため、伝送装置のボード内で少なからぬスペースを占有してしまい、デバイスの小型化が重要な課題の一つとなっている。

また、幹線系に用いられるものの他に、双方向の通信が要求されるアクセス系システムにおいても、小型の光導波路デバイスが強く求められている。

合波、分波、分岐などの機能を有する光導波路デバイスの素子サイズは、概略、曲線導波路部分の曲率半径によって制限される。より小さな曲率半径でも低損失な曲線導波路を形成するには、コア層とクラッド層との比屈折率差Δを大きく設定してやればよい。例えば、通常、石英系の光導波路で採用される、０．４％程度の比屈折率差Δの導波路の場合、曲がり損失を０．１ｄＢ／ｃｍ以内にするには、曲率半径を２０ｍｍ以上とする必要があるが、比屈折率差Δを１．２％とすることにより、曲率半径を３ｍｍ以下にすることが可能となる。さらには比屈折率差Δを２．０％とすることにより曲率半径を１．５ｍｍ以下にまで低減することが可能である。

しかし、比屈折率差Δを大きくすると、伝搬光のシングルモード条件を満たすためにコア径を小さくする必要があり、それに伴い光ファイバのスポットサイズとの違いによる結合損失が増加してしまい、素子サイズの小型化は図れても、光モジュールとしての損失増加につながってしまう。したがって、小型でかつ低損失な光モジュールを作製するために、曲線領域の比屈折率差Δを大きくして、かつファイバ結合部のスポットサイズを拡大してファイバとの結合損失を小さくする必要がある。

従来、スポットサイズを拡大する方法として、導波路の幅のみをテーパ状に小さくしていく方法が知られている。本方法は非常に簡便な方法ではあるが、導波路の高さ方向は一定であるので、伝搬光の縦モードと横モードとの間に生じる結合損失の差異（偏光依存性）が大きくなるという問題がある。

また、導波路の厚さ方向にも滑らかなテーパ状に膜厚を変化させる方法として、例えば特許文献１（特開２０００−２０６３５２号公報）には、火炎堆積法（ＦＨＤ法）を用いてウェハ上での火炎トーチのスキャン回数を変化させることによりウェハ面内での膜厚を変化させる方法が開示されている。この方法は、コアの厚さの滑らかなテーパ化は実現できるが、ウェハ面内の任意の位置での微細加工には適さず、テーパ化できる導波路の方向にも制約があるという問題がある。

この問題を解決できる方法として、特許文献２（特開平１１−８４１５６号公報）には、段差を有する第一のコア上にこれを覆うように第二のコアを成膜し高温焼結することにより第一のコアと第二のコアを一体化させ、厚さ方向に滑らかなテーパを形成する方法が開示されている。この方法により、ウェハ面内の任意の位置に厚さ方向に滑らかなテーパを形成することが可能になった。
特開２０００−２０６３５２号公報 特開平１１−８４１５６号公報

しかしながら、この方法では第一のコアと第二のコアは同一の組成および同一の屈折率を有するという制約があり、さもなくば第一コアと第二コアとの境界面において伝搬光の反射や波面の歪み等が発生するという問題が生じる。さらに、コア材料は、高温焼結あるいはアニールの際に軟化流動する材料に限られるという制約がある。導波路デバイスのさらなる小型化のためには、例えば屈折率を大きく増加できる窒素をドープした石英系膜（ＳｉＯＮ膜）等をコアに用いることも考えられるが、ＳｉＯＮ等の融点の高い膜をこの方法に適用することは困難である。

そこで本発明の目的は、内部に境界面がなく完全単一層からなり、厚さ方向に滑らかなテーパ形状を持つスポットサイズ変換部を有する光導波路を提供することにある。また、コア材の制約が少なく、このような光導波路を微細精度よく簡便に作製可能な光導波路の製造方法を提供することにある。

本発明は、クラッドと、導波路長手方向に沿って厚さが徐々に変化しているテーパ形状部を持つコアとを有する光導波路の製造方法であって、クラッド層上にコア層を形成する工程と、前記コア層の一部を除去してその上面に段差を形成する工程と、前記段差が埋め込まれ上面に段差のない斜面が形成されるように平坦化層を形成する工程と、前記平坦化層をエッチングして前記コア層の厚さが徐々に変化するテーパ形状部を形成する工程を有する光導波路の製造方法に関する。

また本発明は、前記平坦化層を、ドーパントを含有する石英系材料を用いて成膜した後、熱処理によるリフローによって前記斜面を持つように成形して形成する上記の光導波路の製造方法に関する。

また本発明は、前記平坦化層を、スピンオングラス材を塗布して形成する上記の光導波路の製造方法に関する。

また本発明は、前記平坦化層を、エネルギー硬化型のポリマー材を塗布して形成する上記の光導波路の製造方法に関する。

また本発明は、クラッドと、導波路長手方向に沿って厚さが徐々に変化しているテーパ形状部を持つコアとを有する光導波路において、前記コアは一種のコア層から形成されていることを特徴とする光導波路に関する。

また本発明は、前記テーパ形状部が、導波路長手方向に沿った一方に向かってコアの幅が徐々に増大し且つコアの厚さが徐々に薄くなっている上記の光導波路に関する。

本発明によれば、コアが単層膜から形成されるため、コア内で界面に起因する反射や散乱が発生せず光学特性に優れた光導波路を提供することができる。さらに、コアを高屈折率材料で形成できるため、曲線導波路の曲率半径によらず低損失な光導波路を形成でき、素子の小型化が可能になる。

また、本発明によれば、光ファイバとの結合部のスポットサイズへの変換部を微細精度よくしかも再現性よく簡便に形成できるため、小型かつ低損失な光導波路デバイスを低コストで製造することができる。さらに、製造過程に用いる平坦化層の材料をコア層と同じ材料にする必要がなく、またコアは単層で形成できるため、コアおよび平坦化層とも各々の目的のための最適な材料を選択することができる。

以下、本発明の好適な実施の形態を図面を用いてより詳細に説明する。

本発明の光導波路は、クラッドと、導波路長手方向に沿って厚さが徐々に変化しているテーパ形状部を持つコアとを有し、このコアはクラッド層上に形成された一種のコア層から形成されている。そして、クラッド層（下部クラッド層）上に形成されたコアは他のクラッド層（上部クラッド層）により埋め込まれている。

光導波路の端面付近においては、コアの厚さ及び幅がそれぞれ端面に近づくにつれ厚さ方向および幅方向にテーパ状に縮小または拡大している。このようなテーパー形状部がスポットサイズ変換部として機能する。

次に、図１を用いて本発明の光導波路の製造方法を説明するとともに本発明の光導波路構造についてさらに説明する。

まず、基板１上に下部クラッド層２を成膜し、次いで下部クラッド層２よりも屈折率の高いコア層３を成膜する。さらにテーパを形成するためにコア層３の一部にエッチングにより段差を形成し、図１（ａ）に示すような構成を得る。

ここで基板材料は特に制限されず、シリコン、石英ガラス等の石英材料、セラミック等の様々な材料を用いることが可能である。基板に石英系材料を用いた場合はそのまま基板をクラッド層として利用できるため、符号２で示される下部クラッド層を省略することができる。

下部クラッド層２及びコア層３には好適には石英ガラス等の石英系材料からなる膜を用い、必要に応じて燐、ホウ素、ゲルマニウム、チタン、フッ素、砒素、アルミニウム、窒素等の少なくとも一種をドーピングしてもよい。成膜法はＣＶＤ法、ＦＨＤ法、スパッタリング法等を用いることができる。下部クラッド層２の厚さは通常５μｍから２０μｍ程度とすることができる。段差形成前のコア層３の厚さは２μｍから１０μｍ程度とすることができ、このコア層３上面に適宜１μｍから９μｍ程度の段差を形成することができる。段差の形成には、フォトリソグラフィー、及びリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）等のドライエッチングによって行うことができる。ただし、ドライエッチングに代えて、バッファードフッ酸等を用いたウェットエッチングで行うことも可能である。

次に、図１（ｂ）に示すように段差が形成されたコア層３上面を滑らかな傾斜形状にするために、コア層３上に平坦化層４を形成する。平坦化層４の厚さは、段差が埋まり段差上の平坦化層表面が滑らかな斜面となるように、コア層３の段差以上にすることが望ましい。平坦化層４は、例えば燐およびホウ素をドーピングした石英ガラス膜（ボロン・リン・シリカ・ガラス膜：ＢＰＳＧ膜）等のドーピングされた石英系膜を成膜した後、熱処理によるリフローを行うことによって形成できる。ただし、ドーピング材料はこれに限るものではなく、燐、ホウ素、ゲルマニウム、チタン、フッ素、砒素、アルミニウム等のうちの一つまたは複数を選ぶことができる。また、平坦化層４にはスピンオングラスや、熱硬化性樹脂や光硬化性樹脂等のエネルギー硬化型ポリマー材を用いることもでき、これらの材料を用いることによりスピンコート等の塗布法による成膜が可能となり、より簡便なプロセスにすることができる。

次に、平坦化層４をエッチングにより除去する。その際、エッチングが進行するに従い、コア層３の上面も平坦化層４の形状を転写するようにエッチングされ、図１（ｃ）に示すようなテーパ化コア層５が得られる。この工程において、平坦化層４は完全に除去することが望ましい。エッチングにおいては、良好なテーパ形状を得るために、平坦化層４とコア層３のエッチングレートができるだけ同じであることが望ましく、ＲＩＥ等のドライエッチングが適している。

このように厚さ方向（基板平面に垂直方向）のコアサイズが一方向に向かって徐々に（連続的）に変化するテーパ形状を形成した後、フォトリソグラフィ及びＲＩＥ等のエッチングにより基板平面方向のパターニングを行って、幅方向（基板平面方向）の所定のコアサイズ（コア幅）を持つコア８を形成する。

最後に、図１（ｄ）に示すように、コア８に比べて屈折率の低い上部クラッド層６をコアを埋込むように形成する。これにより、下部クラッド層２とコア８と上部クラッド層６で構成される光導波路７が形成される。上部クラッド層６としては、石英ガラス等の石英系材料からなる膜が好適であり、必要に応じて燐、ホウ素、ゲルマニウム、チタン、フッ素、砒素、アルミニウム、窒素等の少なくとも一種をドーピングしてもよい。上部クラッド層６は、下部クラッド層２と同一材料で形成することが好ましい。成膜法はＣＶＤ法、ＦＨＤ法、スパッタリング法等を用いることができる。

なお、本発明において上記膜厚や各材料は一例であり、本発明による製造方法を実施するにあたり同様の原理を用いるものであれば、これに限るものでない。

このように本発明によれば、コア材料をその軟化点にかかわらず選定することが可能になる。また平坦化層４の材料は、その組成や屈折率をコア材料に整合させる必要は全くなく、テーパ部分の水平方向の長さ（テーパ長）、あるいは段差を平坦化する角度（テーパ角度）を考慮して材料の選択を行えばよいため、様々な材料に対して簡便にテーパを形成することが可能である。

なお、コア材料は、むしろ軟化点あるいは融点の高いものの方がコア自体の形状が崩れにくく、テーパ長等のテーパ形状の再現性が良好である。この点から、軟化点が１２００℃以上のコア材料が好ましく、１３００℃以上のものがより好ましく、１４００℃以上のものも使用可能である。このような材料としては石英ガラス等の石英系材料が好適であり、特に、ＳｉＯＮ等の窒素がドープされた石英系材料が好適である。また、窒素がドープされた石英系材料は屈折率が高いため、デバイスの小型化の点からも好適である。

テーパ化後のコア層の厚さＴ１及びＴ２（Ｔ１＞Ｔ２）は、ドライエッチングによって精度よく制御でき、ＲＩＥによればサブミクロンオーダーでの制御が可能である。

また、コア層のテーパ長は、平坦化層４の膜厚と粘性によって決定される。本発明者による実験によれば、平坦化層４にＢＰＳＧ膜（燐４．５ｗｔ％、ホウ素５．８ｗｔ％）を用い、これを熱処理（アニール）によりリフローした場合、例えばコア層３の段差が２μｍのとき、平坦化層４の厚さを３μｍとし８５０℃でアニールすることによりテーパ長を７０μｍにすることができ、平坦化層４の厚さを５μｍとし、１１００℃でアニールすることによりテーパ長を４００μｍにすることができた。一般的に、平坦化層４の膜厚が厚く、アニール温度が高いほどテーパ長が長くなる。コア層のテーパ長としては好適には１００μｍ〜１０００μｍ程度であればよいため、本条件の範囲内で十分実現可能であることが分かった。

次に本発明を実施例によりさらに説明する。

図２は、コアの先端へ向かって厚さＴ及び幅Ｗが小さくなる先端細り型（Ａ型）のコア形状を示す（Ｔ2＜Ｔ1、Ｗ2＜Ｗ1）。図３は、コアの先端へ向かって厚さＴ及び幅Ｗが大きくなる先端広がり型（Ｂ型）のコア形状を示す（Ｔ2＞Ｔ1、Ｗ2＞Ｗ1）。図４は、コアの先端へ向かって厚さＴが薄くなり幅Ｗが広くなる先端薄膜広がり型（Ｃ型）のコア形状を示す（Ｔ2＜Ｔ1、Ｗ2＞Ｗ1）。

Ａ型は、コアの厚さ及び幅ともに先端に行くほど小さくしており、伝搬光の閉じ込めを弱くすることによりスポットサイズの拡大を図っている。放射によるスポットサイズ拡大が可能であるためそのスポットサイズ変換効率は大きいが伝搬方向のトレランス（tolerance）が小さく、屈折率変動や切断位置変動に比較的弱い。またＢ型は、厚さ及び幅ともに大きくしているためＡ型のような問題はない。しかしながら、大きくスポットサイズを変換したい場合、幅方向の形状はフォトリソグラフィによるパターニングにより容易に形成可能であるが、厚さ方向の形状は、特に厚さが大きく変化する場合（Ｔ２>>Ｔ１のような場合）、滑らかな形状に比較的成形しにくい。一方Ｃ型は、Ａ型とＢ型の欠点を相補する構造である。すなわち厚さ方向は先端に行くほど薄くして伝搬光の閉じ込めを弱くすることによってスポットサイズを拡大し、幅方向はコアサイズの拡大によりスポットサイズの拡大を図るものである。厚さ方向は伝搬光が放射モードにならない程度までスポットサイズを拡大し、幅方向で十分にスポットサイズを拡大する。このようなＣ型は、Ａ型に比べて製造トレランスが大きく、Ｂ型に比べてスポットサイズ変換効率が高い。

これらのコア形状を有する導波路は以下のようにして実現できた。

まず、シリコン基板１上にプラズマＣＶＤ法を用いて下部クラッド層２として厚さ１０μｍのＳｉＯ₂膜を形成した。引き続き、コア層３としてプラズマＣＶＤ法にてＳｉＯＮ膜をＡ型を形成する場合は厚さ４μｍ、Ｂ型を形成する場合は厚さ７．５μｍ、Ｃ型を形成する場合は厚さ４．５μｍに成膜した。その後、Ｏ₂雰囲気で９００℃で３時間アニールした。

次に、テーパを形成するためにコア層３に段差を設けた。フォトリソグラフィ及びＲＩＥにより、Ａ型を形成する場合は１．５μｍ、Ｂ型を形成する場合は２．５μｍ、Ｃ型を形成する場合は１．８μｍの段差を設けた。

次いで、プラズマＣＶＤ法にてＢＰＳＧ膜（燐４．５ｗｔ％、ホウ素５．８ｗｔ％）を、Ａ型を形成する場合では厚さ３μｍ、Ｂ型を形成する場合では厚さ５μｍ、Ｃ型を形成する場合では厚さ３μｍに成膜し、続いてＯ₂雰囲気で１０００℃で３時間のアニールによりリフロー成形して平坦化層４を形成した。

その後、ウェハ全面をＲＩＥによって、Ａ型を形成する場合では厚さ方向に４．５μｍ、Ｂ型を形成する場合では厚さ方向に７．５μｍ、Ｃ型を形成する場合では厚さ方向に５μｍエッチングした。

以上により、平面光回路部を構成する導波路のコアの厚さＴ1がＡ型、Ｂ型、Ｃ型とも２．５μｍ、光ファイバと接合する導波路のコア先端部の厚さＴ2がＡ型では１μｍ、Ｂ型では５μｍ、Ｃ型では０．７μｍであるテーパ化コア層５が形成された。

さらに、フォトリソグラフィ及びＲＩＥにより、基板平面方向のコアのパターニングを行った。平面光回路部の導波路幅Ｗ1はいずれの型でも２．５μｍに設定した。また、光ファイバと接合する導波路先端部の導波路幅Ｗ2は、Ａ型では１μｍ、Ｂ型では８μｍ、Ｃ型では１０μｍとした。

最後に、プラズマＣＶＤ法を用いて上部クラッド層６を成膜し、Ｏ₂雰囲気で９００℃で３時間アニールした。

コアのテーパ長は、Ａ型では３００μｍ、Ｂ型では１２０μｍ、Ｃ型では２８０μｍであった。屈折率は、上部及び下部クラッド層が１．５５μｍの波長に対して１．４４５、コアが１．４７４（比屈折率差２％）に設定した。

以上により図２〜４に示すような幅および厚さの両方について滑らかなテーパ形状を有するスポットサイズ変換部を持った光導波路を得ることができた。

なお、以上に示した膜厚や膜材料等は一例であり、その他の膜厚や膜材料等を用いることは可能である。

以上に説明したように本発明によれば、光ファイバとの結合損失およびその偏光依存性の小さいスポットサイズ変換部を有する光導波路を微細精度よくしかも再現性よく簡便な方法で量産することが可能である。また、製造時におけるコア材料の選択に際して軟化性や屈折率の制約がないため、最適なコア材料を広く選ぶことができる。

また本発明によれば、コアは完全に単層膜から形成されるため、コア内部での界面に起因する反射や波形の歪みなどが発生しない光学特性に優れたスポットサイズ変換部を有する光導波路デバイスを提供できる。さらに、コアとクラッドの比屈折率差の大きい光導波路デバイスが小さな結合損失で実現できるため、素子の小型化が可能になる。

本発明の光導波路の製造方法の一実施形態を示す断面工程図である。 本発明により製造可能な先端細り型導波路のコア形状を示す図である。 本発明により製造可能な先端広がり型導波路のコア形状を示す図である。 本発明により製造可能な先端薄膜広がり型導波路のコア形状を示す図である。

符号の説明

１ 基板
２ 下部クラッド層
３ コア層
４ 平坦化層
５ テーパー化コア層
６ 上部クラッド層
７ 光導波路
８ コア

Claims (3)

1. クラッドと、導波路長手方向に沿って厚さが徐々に変化しているテーパ形状部を持つコアとを有する光導波路において、前記コアは、導波路長手方向に沿った一方に向かってコアの幅が徐々に増大し且つコアの厚さが徐々に薄くなっていることを特徴とする光導波路。
2. 前記コアは一種の材料から構成されている請求項１に記載の光導波路。
3. 前記コアの材料はＳｉＯＮである請求項２に記載の光導波路。

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