JP2019020624A

JP2019020624A - 光導波路

Info

Publication number: JP2019020624A
Application number: JP2017140097A
Authority: JP
Inventors: 里美片寄; Satomi Katayose; 渡邉　啓; Hiroshi Watanabe; 啓渡邉; 笠原　亮一; Ryoichi Kasahara; 亮一笠原
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2017-07-19
Filing date: 2017-07-19
Publication date: 2019-02-07

Abstract

【課題】熱処理においてコア層がアンダークラッド層中に沈み込むことを抑制し、且つコア膜の面内均質化を実現可能な光導波路を提供すること。【解決手段】本発明に係る光導波路は、基板と、前記基板上に形成されたＳｉＯ2アンダークラッド層と、前記ＳｉＯ2アンダークラッド層上に形成されたコア層と、前記ＳｉＯ2アンダークラッド層及び前記コア層上に設けられたコア膜と、前記コア膜上に形成されたＳｉＯ2オーバークラッド層と、を備えた光導波路であって、前記ＳｉＯ2アンダークラッド層及び前記ＳｉＯ2オーバークラッド層にはドーパントが添加されており、前記コア膜は、前記コア層の厚みの５％以下の厚みを有することを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、熱処理においてコア層がアンダークラッド層中に沈み込むことを抑制して可視光用導波路の低損失化を可能にするとともに、マイクロローディング効果を発生させずにコア膜の面内均質化を実現可能な光導波路に関する。

石英系ＰＬＣデバイスは、光通信・光信号処理システムを中心に用いられている。石英系ＰＬＣデバイスを構成する石英系導波路は、通信波長用に設計・作製されており、そのコア材料には、ＳｉＯ₂にＧｅＯ₂をドープしたＳｉＯ₂−ＧｅＯ₂が用いられている（例えば特許文献１参照）。石英系導波路のコア材料としてＳｉＯ₂−ＧｅＯ₂を用いた場合、通信波長帯では、大きな吸収損失もなく、極めて低損失で、実績ある光導波路を作製することができる。

近年、石英系ＰＬＣデバイスは、光通信・光信号処理システムだけでなく、映像・センサデバイスとしても用いられており、可視光波長用に設計された石英系ＰＬＣデバイスも開発されている。

しかしながら、石英系導波路のコア材料として用いられるＳｉＯ₂−ＧｅＯ₂は、通信波長帯では吸収端を有さないものの、可視光波長帯では吸収端を有するため、可視光が石英系ＰＬＣデバイスに入力されて導波路を伝搬すると、電子励起に起因した光吸収により光学特性が劣化するという問題があった。

そこで、コア材料としてドーパントを用いず、純粋石英コアを用いる方法がある。コア材料として純粋石英コアを用いる場合、クラッド材料として、クラッド層の屈折率を純粋石英の屈折率より下げるために、ホウ素やフッ素をドープした石英が用いられる。

図１は、ホウ素やフッ素をドープした石英を用いたクラッド層を有する従来の光導波路構造を示す。図１には、Ｓｉ基板１と、Ｓｉ基板１上に形成されたＳｉＯ₂アンダークラッド層２と、ＳｉＯ₂アンダークラッド層２上に形成された純粋石英コア層３と、純粋石英コア層３を埋め込むようにＳｉＯ₂アンダークラッド層２及び純粋石英コア層３上に形成されたＳｉＯ₂オーバークラッド層４と、を備えた光導波路構造が示されている。ＳｉＯ₂アンダークラッド層２及びＳｉＯ₂オーバークラッド層４は、ホウ素又はフッ素がドーピングされている。

しかしながら、ドーパントが多いほど融点が低くなるため、このようなホウ素やフッ素をドープした石英をクラッド層として用いた場合、導波路作製過程にてコア膜の膜質安定化およびクラッド層の平坦化のために火炎堆積法などによる熱処理をすると、図１に示されるように融点の高い純粋石英コア層３がドーパントリッチで融点の低いＳｉＯ₂アンダークラッド層２中に沈み込んでしまう。そのため、例えば、導波路間隔を制御できないなど所望の回路パターンを形成できず、高機能な回路の形成が困難であるという問題があった。

そこで、矩形のコア底面に極めて薄いコア膜を残すことで、表面張力によりコア層を浮かせ、熱処理においてコア層がアンダークラッド層中に沈み込むことを抑制する手法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。図２は、特許文献２に示す従来の光導波路構造を示す。図２には、Ｓｉ基板１１と、Ｓｉ基板１１上に形成されたＳｉＯ₂アンダークラッド層１２と、純粋石英コア層１３と、純粋石英コア層１３を埋め込むようにＳｉＯ₂アンダークラッド層１２及び純粋石英コア層１３上に形成されたＳｉＯ₂オーバークラッド層１４と、ＳｉＯ₂アンダークラッド層１２上で純粋石英コア層１３下に設けられたコア膜１５と、を備えた光導波路構造が示されている。ＳｉＯ₂アンダークラッド層１２及びＳｉＯ₂オーバークラッド層１４は、ホウ素又はフッ素がドーピングされている。

図２に示す従来の光導波路構造では、エッチングにより純粋石英コア層１３の回路パターンを形成し、矩形の純粋石英コア層１３底面に極めて薄いコア膜１５を残すことで、その表面張力により純粋石英コア層１３を浮かせ、熱処理において純粋石英コア層１３がＳｉＯ₂アンダークラッド層１２中に沈み込むことを抑制している。

特開２０１３−１７１２６１号公報特開２００６−３０７３４号公報

図２に示す従来の光導波路構造では、エッチングによりコア膜１５の膜厚を制御して薄膜化を実現している。

しかしながら、エッチングにより薄いコア膜１５をＳｉＯ₂アンダークラッド層１２上に残そうとすると、回路パターンの疎密によりエッチング速度が変化するマイクロローディング効果が起こる。そのため、回路パターンが密集しているエリアではエッチング速度が低くなり、回路パターンが疎なエリアではエッチング速度が高くなることから、ウエハ面内においてコア膜１５の均質な残し厚の制御が困難であるという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、熱処理においてコア層がアンダークラッド層中に沈み込むことを抑制して可視光用導波路の低損失化を可能にするとともに、マイクロローディング効果を発生させずにコア膜の面内均質化を実現可能な光導波路を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る光導波路は、基板と、前記基板上に形成されたＳｉＯ₂アンダークラッド層と、前記ＳｉＯ₂アンダークラッド層上に形成されたコア層と、前記ＳｉＯ₂アンダークラッド層及び前記コア層上に設けられたコア膜と、前記コア膜上に形成されたＳｉＯ₂オーバークラッド層と、を備えた光導波路であって、前記ＳｉＯ₂アンダークラッド層及び前記ＳｉＯ₂オーバークラッド層にはドーパントが添加されており、前記コア膜は、前記コア層の厚みの５％以下の厚みを有することを特徴とする。

本発明によれば、熱処理においてコア層がアンダークラッド層中に沈み込むことを抑制して可視光用導波路の低損失化を可能にするとともに、マイクロローディング効果を発生させずにコア膜の面内均質化を実現可能な光導波路を提供することが可能となる。

ホウ素やフッ素をドープした石英を用いたクラッド層を有する従来の光導波路構造を示す。特許文献２に示す従来の光導波路構造を示す図である。本発明の実施例に係る光導波路構造を例示する図である。

（実施例）
図３は、本発明の実施例に係る光導波路を例示する。図３には、例えばＳｉで構成された基板１０１と、基板１０１上に形成され、例えばＳｉＯ₂で構成されたアンダークラッド層１０２と、アンダークラッド層１０２上に形成され、例えば純粋石英で構成されたコア層１０３と、アンダークラッド層１０２及びコア層１０３上に設けられたコア膜１０５と、コア膜１０５上に形成され、例えばＳｉＯ₂で構成されたオーバークラッド層１０４と、を備えた光導波路構造が示されている。アンダークラッド層１０２及びオーバークラッド層１０４は、ホウ素又はフッ素がドーピングされている。

コア膜１０５は、表面張力によりコア層１０３を浮かせることができるように、且つ光学特性に影響を及ぼさないように、コア層１０３の厚みの５％以下の厚みを有することができる。コア膜厚の下限は、基板ウエハの平坦性・堆積膜の平坦性・研磨の加工精度によって決定され、おおよそ０．１μｍ程度である。

以下、本発明の実施例に係る光導波路の製造方法について説明する。まず、１ｍｍの厚さを有する基板１０１上に火炎堆積法によってホウ素又はフッ素がドーピングされたＳｉＯ₂を例えば２０μｍ堆積してアンダークラッド層１０２を形成した。次に、コア層１０３の形成位置において、アンダークラッド層１０２を例えば深さ４μｍの矩形状にエッチングする。その後、アンダークラッド層１０２の表面を覆うように純粋石英を堆積させることによって、４μｍの厚みを有するコア層１０３を形成する。次に、堆積された純粋石英に対して、厚さ例えば０．１μｍ程度のコア膜１０５を残すようにウエハ研磨を行う。その後、アンダークラッド層１０２と同じ屈折率となるように火炎堆積法によってホウ素又はフッ素をドーピングしたＳｉＯ₂を２０μｍ堆積してオーバークラッド層１０４を形成した。

本実施例に係る光導波路によると、コア膜１０５はエッチングではなくウエハ研磨により残し厚を制御することから、マイクロローディング効果が生じないため、面内均質化が可能となる。また、極めて薄いコア膜１０５をコア層１０３の上面に残すことで、表面張力によりコア層１０３を浮かせることができるため、熱処理においてコア層１０３がアンダークラッド層１０２中に沈み込むことを抑制して可視光用導波路の低損失化が可能となる。

なお、上記実施例では、コア膜１０５はコア層１０３と同じ純粋石英で構成されているが、例えばＡｌ₂Ｏ₃をドーピングしたＳｉＯ₂などで構成してもよい。コア膜１０５の材料及び厚さは、表面張力によりコア層１０３を浮かせることが可能な組み合わせから選択される。

また、上記実施例では、オーバークラッド層１０４をその屈折率がアンダークラッド層１０２と同じ屈折率となるように構成したが、石英コア層１０３よりも低い屈折率であれば、アンダークラッド層１０２とオーバークラッド層１０４とが異なる屈折率となるように構成してもよい。また、アンダークラッド層１０２及びオーバークラッド層１０４は、同じものであっても異なるものであってよい。

Claims

基板と、
前記基板上に形成されたアンダークラッド層と、
前記アンダークラッド層上に形成されたコア層と、
前記アンダークラッド層及び前記コア層上に設けられたコア膜と、
前記コア膜上に形成されたオーバークラッド層と、を備えた光導波路であって、
前記コア膜は、前記コア層の厚みの５％以下の厚みを有することを特徴とする光導波路。
前記コア層は、純粋石英で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
前記コア膜は、純粋石英で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光導波路。
前記アンダークラッド層及び前記オーバークラッド層は、ＳｉＯ₂で構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路。
前記アンダークラッド層及び前記オーバークラッド層には、ドーパントが添加されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光導波路。
前記ドーパントは、ホウ素又はフッ素で構成されていることを特徴とする請求項５に記載の光導波路。
純粋石英コア層を有する光導波路の製造方法であって、
基板上にホウ素又はフッ素がドーピングされたＳｉＯ₂を堆積してＳｉＯ₂アンダークラッド層を形成する工程と、
前記純粋石英コア層の形成位置において、前記ＳｉＯ₂アンダークラッド層を矩形状にエッチングする工程と、
前記ＳｉＯ₂アンダークラッド層の表面を覆うように純粋石英を堆積させる工程と、
堆積された前記純粋石英に対して、前記コア層の厚みの５％以下の厚みを有するコア膜を残すようにウエハ研磨を行う工程と、
前記コア膜上に、前記ＳｉＯ₂アンダークラッド層と同じ屈折率となるようにホウ素又はフッ素をドーピングしたＳｉＯ₂を堆積してＳｉＯ₂オーバークラッド層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする光導波路の製造方法。