JP3950588B2

JP3950588B2 - 光導波路デバイスの製造方法

Info

Publication number: JP3950588B2
Application number: JP22946499A
Authority: JP
Inventors: 毅下田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1999-08-13
Filing date: 1999-08-13
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2019-08-13
Also published as: JP2001051145A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は光通信などに用いられる、光導波路デバイスおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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、８０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。図５に示すようにＡＷＧは入出力２つのスターカップラ２２、２４の間に同じ光路長差を有するアレイ状の光導波路２３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。シリコン（Ｓｉ）基板ないし、石英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。
【０００３】
ところが基板にＳｉを用いた石英系光導波路デバイスではＳｉと石英系導波路材料の熱膨張係数の違いに起因する熱応力が発生する。この応力により石英系膜内部に複屈折が発生し、その結果伝搬光の偏光に依存して伝搬特性が異なってしまうという問題が潜在する。特にＡＷＧデバイスのように隣接チャネル波長間隔が狭く急峻な透過波長スペクトルを有するデバイスではごく僅かなＴＥ、ＴＭモード間の波長特性のずれでも透過波長領域内で大きな偏光依存損失（ＰＤＬ）が生じてしまい実用上大きな問題となる。本発明者らの知見によればＰＤＬは、例えば周波数１００ＧＨｚ間隔のＡＷＧデバイスの透過波長特性において、ＴＭモードの透過中心波長λ_TMとＴＥモードの透過中心波長λ_TEの差Δλ（＝λ_TM−λ_TE）に近似的に比例した値となる。その比例定数は特に透過波長スペクトルのピーク部を平坦化するなどの設計手法をとらなければ数〜１０ｄＢ／ｎｍ程度と見積もられる。現在実用的に生産されている石英系光導波路で上記のようなＡＷＧデバイスを作製した場合通常Δλは０．１ｎｍ以上であるためＰＤＬは１ｄＢ以上と非常に大きくなってしまう。そこで現在実用に供されるＳｉ基板を用いた石英系導波路ＡＷＧデバイスとしては図６に示すように偏光間の波長特性のずれを相殺するためにアレイ導波路の中央部に半波長板を挿入した構造が用いられており、ＰＤＬは０．２ｄＢ以下という実用上問題ないレベルにまで抑えられている。しかしながら半波長板を挿入するこの構造は半波長板を精密な位置精度をもって設置するのに少なからぬ工数を要する上、現時点では半波長板自体の単価が低廉化されていない等の理由によりデバイスの低コスト化の妨げになっている。半波長板を使用せずにＰＤＬを低減するためには導波路を構成する石英系膜の熱応力を低減する必要がある。熱応力を低減することは膜中の燐（Ｐ）やボロン（Ｂ）等のドーパント濃度を調整し熱膨張係数をＳｉ基板に近づけることにより可能である。この方法により熱応力を低減したクラッドを用いて光導波路を形成する方法が例えば特開平８−１３６７５４号公報に記載されている。この公報によれば、各種のドーパントの添加濃度と石英系ガラスの熱膨張係数とは図７に示すような関係があり、ドーパントの濃度を適切に制御することにより、基板とガラス層との熱膨張係数の差を低減することができる。
【０００４】
また、エレクトロニクス・レターズ、第３３巻、第１３号、1173〜1174ページ、１９９７年６月（ELECTRONICS LETTERS,Vol.33,No.13,PP.1173-1174, June,1997）によると鈴木らはこの方法により応力複屈折を低減したＡＷＧデバイスを作製し、Δλをそれまでの０．１９ｎｍから０．０３ｎｍに低減することに成功している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の方法では石英系膜の形成に１２００℃以上の高温処理を必要とする火炎堆積法（ＦＨＤ法）を用いている。低応力化のためにＰおよびＢの添加濃度を通常より高めているため、このような高温処理を行うと膜中にＰ₂Ｏ₅、Ｂ₂Ｏ₃の分相が発生しやすいという問題があった。さらに膜表面や膜中に析出物が多く発生するという問題があった。これらの分相や析出物は散乱体となり光伝搬損失の増加の原因となる。
【０００６】
本発明は従来よりも低温でのプロセスを用いて、膜中応力を低減すべく膜中のドーパント濃度を最適化し、偏光依存性および光伝搬損失が小さい光導波路デバイスとその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本願発明では、以下のような光導波路デバイスとその製造方法を開示する。
【０００８】
本発明は、シリコン基板上に下部クラッド層及びコア及び上部クラッド層を形成する工程を有し、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層の両方あるいは上部クラッド層のみを燐及びボロンの少なくともいずれかを添加した石英系膜によって形成する光導波路デバイスの製造方法において、前記石英系膜はＣＶＤ法を用い燐元素とボロン元素の重量濃度の和を６．２ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下添加して成膜し、その後前記石英系膜に８００℃以上１０００℃以下の熱処理を施す工程を備え、かつ前記石英系膜の膜応力が３×１０⁷Ｐａ以下であることを特徴とする光導波路デバイスの製造方法である。
【０００９】
また、上記光導波路デバイスの製造方法において、前記石英系膜の成膜にはＣＶＤ法を用い燐元素とボロン元素の重量濃度の和を８．８ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下添加して成膜し、その後前記石英系膜に８００℃以上１０００℃以下の熱処理を施す工程を備え、かつ前記光導波路デバイスの偏光に依存する透過中心波長のずれを０．０３ｎｍ以下とすることを特徴とする光導波路デバイスの製造方法である。
【００１０】
前記光導波路デバイスは導波路型光干渉計とすることができる。
【００１１】
さらに好ましくは、燐元素重量濃度を４〜１２ｗｔ％、ボロン元素重量濃度を３〜１１ｗｔ％とすることを特徴とする光導波路デバイスの製造方法である。
【００１２】
また、成膜温度４００℃、熱処理温度８８０℃、燐元素とボロン元素の重量濃度の和を１２〜１４ｗｔ％とすることが望ましい。
【００１３】
前記上部クラッド層及び下部クラッド層の成膜にはテトラエチルオルソシリケートをオゾンにより分解する常圧ＣＶＤ法を用いることができる。
【００１４】
前記下部クラッド層を燐を添加した石英系膜または燐およびゲルマニウムを添加した石英系膜とすることで下部クラッド層の軟化点を上部クラッド層よりも上げることができる。
【００１５】
本発明は、シリコン基板上に下部クラッド層、コア、上部クラッド層を有し、前記上部クラッド層及び前記下部クラッド層の両方あるいは前記上部クラッド層のみを燐及びボロンの少なくともいずれかを添加した石英系膜とした光導波路デバイスにおいて、前記石英系膜は、ＣＶＤ法により堆積されたものであり、８００℃以上１０００℃以下の熱処理工程を施すことにより得られるものであって、前記石英系膜中の燐元素とボロン元素の重量濃度の和が８．８ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下であり、前記光導波路デバイスの偏光に依存する透過中心波長のずれが０．０３ｎｍ以下であることを特徴とする光導波路デバイスである。
【００１６】
また、シリコン基板上に下部クラッド層、コア、上部クラッド層を有する光導波路デバイスにおいて、前記クラッド層のうち少なくとも上部クラッド層は燐及びボロンを添加した石英系膜であり、前記石英系膜は、ＣＶＤ法により堆積されたものであり、８００℃以上１０００℃以下の熱処理工程を施すことにより得られるものであって、前記下部クラッド層は前記上部クラッド層よりも軟化温度の高い材料からなり、前記石英系膜中の燐元素とボロン元素の重量濃度の和が８．８ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下であり、前記光導波路デバイスの偏光に依存する透過中心波長のずれが０．０３ｎｍ以下であることを特徴とする光導波路デバイスである。
【００１７】
前記石英系膜中の燐元素とボロン元素の重量濃度の和が１２〜１４ｗｔ％であり、該石英系膜の膜応力が８．３×１０⁶Ｐａ以下であることが望ましい。
【００１８】
前記光導波路デバイスは導波路型光干渉計とすることができる。
【００１９】
前記下部クラッド層を燐を添加した石英系膜または燐およびゲルマニウムを添加した石英系膜とすることで上部クラッド層よりも軟化点を上げることができる。
【００２０】
本発明の光導波路デバイスは、少なくとも一本以上の入力導波路を接続した第１のスラブ導波路と、少なくとも一本以上の出力導波路を接続した第２のスラブ導波路をアレイ導波路の両端に有するアレー導波路格子型光合分波器を含むことができる。
【００２１】
本発明では低温でのプロセスを用いることにより高濃度にドーパントを添加したときのＰ₂Ｏ₅やＢ₂Ｏ₃の分相や析出物の発生が減少し、従来より伝搬損失を低減することが可能となった。またその上でクラッド層のＰ元素とＢ元素の重量濃度の和が９ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下のＢＰＳＧとすることにより、熱膨張係数がＳｉ基板と近くなり石英系光導波路中に生じる応力を低減することにより、偏光依存性が極めて小さくかつ伝搬損失の小さい光導波路デバイス、特にアレー導波路格子デバイス等の光干渉計を含む光導波路デバイスを形成することが可能になった。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面等を用いてより詳細に説明する。
【００２３】
シリコン基板上に、テトラエチルオルソシリケート（Ｓｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₄）よりなる有機ソースをオゾン（Ｏ₃）により分解する常圧気相堆積法（ＴＥＯＳ−Ｏ₃によるＡＰＣＶＤ法）を用いて、燐（Ｐ）とボロン（Ｂ）を添加した石英系膜（ＢＰＳＧ：ＳｉＯ₂+Ｐ₂Ｏ₅+Ｂ₂Ｏ₃）単層１５μｍを堆積した。膜堆積後はアニール処理を行った。表１に本実験で用いた成膜温度とアニール温度、アニール時間を示す。
【００２４】
【表１】

【００２５】
表１の条件Ａ〜Ｅを用いて燐（Ｐ）とボロン（Ｂ）の添加量を変化させたときのＰ元素とＢ元素の重量濃度の和（以下Ｐ濃度＋Ｂ濃度とする）と膜の応力の関係を図１に示す。図１において、膜応力は正が引っ張り、負が圧縮を示し、条件Ａ〜Ｅは表１中の条件Ａ〜Ｅを表している。膜応力の測定は、基板のそり量を測定することによって行った。
【００２６】
図１に示すように、Ｐ濃度＋Ｂ濃度と膜応力の関係は線形であり、濃度を制御することにより応力を適切に制御できることが分かった。また、応力は成膜条件やアニール条件等プロセスパラメータにも依存しており、プロセスパラメータに応じて適切な添加物濃度を選ぶ必要があることが分かった。
【００２７】
ＡＷＧデバイスでは透過波長帯域においてＰＤＬは実用上０．３ｄＢ以下に抑える必要がある。ＰＤＬはΔλに近似的に比例しその比例定数が数〜１０ｄＢ／ｎｍであることを考慮するとΔλの絶対値は０．０３ｎｍ以下に抑える必要がある。Δλ＝ΔＬ／ｍ×ＢであるからΔＬ／ｍ×Ｂ≦０．０３ｎｍとなればよい。ここでΔＬは光路長差、ｍは回折次数、Ｂは複屈折すなわちＴＭとＴＥの等価屈折率の差である。ΔＬとｍにおよそ一般的な値を用いると、例えばΔＬ＝６０．７３μｍ、ｍ＝５７とするとＢ＝Ｋσよりσ≦８．３×１０⁶Ｐａとする必要がある。ここでσは膜応力でありＫは光弾性定数でありＫ＝３．４×１０^-12Ｐａ^-1を用いた。ただしΔλを最適化するためには単層の膜応力だけでは決定できずΔλは各層の熱履歴やデバイスの層構造等によっても変化することがあることに留意する必要がある。
【００２８】
表１の条件Ａ〜Ｅを用いて燐（Ｐ）とボロン（Ｂ）の添加量を変化させたときのＰ濃度＋Ｂ濃度とΔλの関係を図２に示す。図２に示すようにＰ濃度＋Ｂ濃度とΔλとは線形であり、濃度を適切に制御することにより偏光に依存しないすなわちΔλがほぼ０ｎｍの光導波路を作成できることが分かった。表１の範囲すなわち成膜温度が３８０〜４５０℃、アニール温度が８００〜１０００℃の範囲ではΔλが０．０３ｎｍ以下となるＰ濃度＋Ｂ濃度は８．８ｗｔ％〜１５ｗｔ％の範囲に入っていることが分かった。
【００２９】
なお、光干渉計を持たないデバイスにおいては応力は３×１０⁷Ｐａ以下であれば十分であり、その時のＰ濃度＋Ｂ濃度は６．２ｗｔ％〜１７．６ｗｔ％であった。
【００３０】
また、Ｐ濃度＋Ｂ濃度と応力あるいはΔλとの関係は、ＰとＢの割合には依存せず、両元素の和に依存した。
【００３１】
ここでアニールの最高温度を１０００℃に設定したのは、Ｓｉ基板の熱膨張係数に近づくような高濃度のＰとＢを添加したＢＰＳＧ膜を、ＦＨＤ法等で一般に用いられている１２００℃以上の高温で処理すると分相や偏析などの原因により伝搬損失が増加するためである。図３は高濃度添加のＢＰＳＧ（Ｐ４．０ｗｔ％、Ｂ６．０ｗｔ％）をクラッドに用いた時の伝搬損失のアニール温度依存性を示す。成膜にはＴＥＯＳ−Ｏ₃によるＡＰＣＶＤ法を用いた。この実験結果から伝搬損失が実用上問題のないレベルである０．３ｄＢ／ｃｍ以下となる１０００℃をアニール温度の上限とした。顕微鏡による観察の結果、この時膜中あるいは膜表面に析出等は現れなかった。またアニール温度が８００℃より低くなると上部クラッド層が十分軟化されないため狭いコア間の埋込が困難となるため８００℃を下限とした。
【００３２】
（実施形態１）
図４は本発明の実施形態を示す製造工程図である。シリコン基板１上に下部クラッド層２、コア層７をＴＥＯＳ−Ｏ₃を用いたＡＰＣＶＤ法を用い、成膜温度４００℃でそれぞれクラッド層にＢＰＳＧを１５μｍ、コア層に燐（Ｐ）とゲルマニウム（Ｇｅ）を添加した石英系膜ＧＰＳＧ（ＳｉＯ₂+Ｐ₂Ｏ₅+ＧｅＯ₂）を５．５μｍ成膜した（図４（ａ））。その後、コア層７を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって所望のパターンにエッチングしチャネル型のコア３を形成した（図４（ｂ））。この上に上部クラッド層４にＴＥＯＳ−Ｏ₃を用いたＡＰＣＶＤ法で成膜温度４００℃でＢＰＳＧを１５μｍ成膜し埋込型石英系光導波路を形成する（図４（ｃ））。その後、アニール温度８８０℃で３時間アニール処理した。ここで、コア材料のＧＰＳＧのＧｅの濃度を調整することなどによってクラッド層とコア層との比屈折率差を０．７％とした。なお、コア材料にはこの他にＰ、ＧｅあるいはＢのうち１つないし複数のドーパントを含む石英系材料あるいはＳｉＯＮ膜、ＳｉＮ膜などいかようにも選ぶことはできる。なお、光波制御の都合上、下部クラッド層２と上部クラッド層４の屈折率は同じであることが望ましい。
【００３３】
このように作成したＡＷＧデバイスのＰとＢの濃度および応力、透過中心波長の偏光依存性Δλを測定したところ、上部クラッド層、下部クラッド層ともＰ濃度＋Ｂ濃度は１２．６ｗｔ％（Ｐ：５．１ｗｔ％、Ｂ：７．５ｗｔ％）で、応力は２．５×１０⁶Ｐａ、Δλは０．０１ｎｍ、挿入損失は２．３ｄＢと何れも満足のいく結果を得た。同様な実験をＰ濃度＋Ｂ濃度を１２〜１４ｗｔ％の範囲で行い、いずれもΔλは０．０３ｎｍ以下であった。
【００３４】
（実施形態２）
実施形態１と同様にして、ただし、下部クラッド層２のＰ濃度＋Ｂ濃度を１０．０ｗｔ％、（Ｐ：４．１ｗｔ％、Ｂ：５．９ｗｔ％）上部クラッド層４のＰ濃度＋Ｂ濃度を１３．５ｗｔ％（Ｐ：５．５ｗｔ％、Ｂ：８．０ｗｔ％）としてＡＷＧデバイスを作製した。応力は３．０×１０⁶Ｐａ、偏光依存性は０．０１５ｎｍ、挿入損失は１．９ｄＢと満足のいく結果を得た。この実施形態では下部クラッド層２の濃度和を上部クラッド層４よりも小さくすることで下部クラッド層２の軟化温度を上げコア３が下部クラッド層２に沈み込んだり傾いたりするのを抑制する効果を有している。しかし導波路層全体の応力は増加するため、その分上層クラッド層のＰ濃度＋Ｂ濃度を実施形態１の時よりも大きくする必要がある。
【００３５】
（実施形態３）
実施形態１と同様にして、ただし、下部クラッド層２のＰＳＧとし（Ｐ濃度９．２ｗｔ％）、上部クラッド層４のＰ濃度＋Ｂ濃度を１４．０ｗｔ％（Ｐ：５．６ｗｔ％、Ｂ：８．４ｗｔ％）としてＡＷＧデバイスを作製した。応力は３．６×１０⁶Ｐａ、偏光依存性は０．０２ｎｍ、挿入損失は２．５ｄＢと満足のいく結果を得た。下部クラッド層をＰＳＧとすることにより実施形態２における下部クラッド層よりも軟化温度はさらに上昇し、コア３の沈み込みや傾きはまったく見られなくなった。なお下部クラッド層２はＰＳＧの変わりにＧＰＳＧであっても構わない。
【００３６】
なお、上記実施形態では石英系膜の成膜にＴＥＯＳ−Ｏ₃ＡＰＣＶＤ法を用いたが、プロセス温度が１０００℃以下の他のプロセス例えばプラズマＣＶＤ法や減圧ＣＶＤ法等によっても本実施形態と同様の傾向を得ることができた。
【００３７】
上記いずれの実施例においても高温高湿度中での信頼性加速試験評価の結果では８５℃９０％で１０００時間経過後も外観上の変質等はほとんど見られず、また損失の変動は０．２ｄＢ以内で安定していた。
【００３８】
以上述べたようにＡＷＧデバイスなどの光導波路デバイスのΔλはＰ濃度＋Ｂ濃度に対して線形に変化しその値が０．０３ｎｍ以下となるようなＰ濃度＋Ｂ濃度和適正値はプロセスや導波路層構成によって変化するものの８．８ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下の範囲で実現できる。この時Ｂが３ｗｔ％〜１１ｗｔ％、Ｐは４ｗｔ％〜１２ｗｔ％とした。Ｂを３ｗｔ％より減らすと軟化温度が上がり上部クラッド層の埋込が困難であったためＢ濃度は３ｗｔ％以上とした。またＰを４ｗｔ％より減らしＰ濃度＋Ｂ濃度を９ｗｔ％以上にすると耐水性が著しく劣化したためＰ濃度は４ｗｔ％以上とした。また、Ｐ濃度＋Ｂ濃度が１５ｗｔ％を越えると耐水性が著しく劣化し、伝搬損失が時間とともに劣化する現象が現れたためＰ濃度＋Ｂ濃度は１５ｗｔ％以下とした。
【００３９】
以上の実施形態では、ＴＥＯＳ―Ｏ₃によるＡＰＣＶＤ法により成膜した例を示したが、有機ソースとしてはＴＥＯＳに限らず、Ｓｉ（ＯＣＨ₃）₄、Ｓｉ（ＯＣ₃Ｈ₇）₄等のＳｉのアルコキシドを用いることもできる。
【００４０】
【発明の効果】
以上示したように、クラッド材料である高濃度にＰおよびＢが添加されたＢＰＳＧを８００〜１０００℃という従来より低温でのプロセスを用いて形成することにより低損失な光導波路デバイスが得られ、偏光依存性が極めて小さい石英系光導波路デバイス、特にアレー導波路格子デバイスを得ることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＰ元素とＢ元素重量濃度和と膜中応力の関係図。
【図２】本発明によるＰ元素とＢ元素重量濃度和とΔλの関係図。
【図３】伝搬損失のアニール温度依存性を示す説明図。
【図４】本発明の製造方法を示す断面工程図。
【図５】従来のアレイ導波路格子を示す平面図。
【図６】従来のアレイ導波路格子を示す斜視図。
【図７】従来の石英系膜のドーパント濃度と熱膨張係数の関係を示す図。
【符号の説明】
１：Ｓｉ基板
２：下部クラッド層
３：コア
４：上部クラッド層
７：コア層

Claims

シリコン基板上に下部クラッド層及びコア及び上部クラッド層を形成する工程を有し、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層の両方あるいは前記上部クラッド層のみを燐及びボロンの少なくともいずれかを添加した石英系膜によって形成する光導波路デバイスの製造方法において、
前記石英系膜の成膜にはＣＶＤ法を用い燐元素とボロン元素の重量濃度の和を８．８ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下添加して成膜し、その後前記石英系膜に８００℃以上１０００℃以下の熱処理を施す工程を備え、かつ前記光導波路デバイスの偏光に依存する透過中心波長のずれを０．０３ｎｍ以下とすることを特徴とする光導波路デバイスの製造方法。
前記光導波路デバイスが導波路型光干渉計であることを特徴とする請求項１に記載の光導波路デバイスの製造方法。
燐元素重量濃度を４〜１２ｗｔ％、ボロン元素重量濃度を３〜１１ｗｔ％とすることを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路デバイスの製造方法。
成膜温度４００℃、熱処理温度８８０℃、燐元素とボロン元素の重量濃度の和を１２〜１４ｗｔ％とすることを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路デバイスの製造方法。
前記上部クラッド層及び下部クラッド層の成膜にテトラエチルオルソシリケートをオゾンにより分解する常圧ＣＶＤ法を用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光導波路デバイスの製造方法。
前記下部クラッド層を燐を添加した石英系膜または燐およびゲルマニウムを添加した石英系膜とすることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光導波路デバイスの製造方法。