JPH10123341A - 光導波路およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 石英系ガラス光導波路とシリコン光導波路と
が同一基板上に集積した光導波路およびその製造方法を
提供すること。 【解決手段】 基板上に形成された光を伝搬するコアお
よび前記コアより屈折率の低いクラッドにより構成され
る光導波路において、前記光導波路が、ともに石英系ガ
ラスで構成されるコア部およびクラッド部を有する石英
系ガラス光導波路部と、シリコンで構成されるコア部お
よび石英系ガラスで構成されるクラッド部を有するシリ
コン光導波路部とから成り、前記石英系ガラス光導波路
部と前記シリコン光導波路部が間隙なく、あるいは間隙
を挟んで互いに直列に接続されている光導波路。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信、光信号処
理、光計測分野における光回路部品に用いられる光導波
路およびその製造方法に関するものであり、波長１．３
μｍ帯および１．５５μｍ帯における信号光処理を行う
光導波路およびその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】石英系ガラス導波路型光部品は石英系光
ファイバと低損失で接続可能なことから、実用的な導波
路型光部品を実現できる手段として注目されている。石
英系ガラス光導波路は、数μｍから数十μｍ厚のコアま
たはクラッドとなる石英系ガラス膜を形成する技術と、
形成されたコア石英系ガラス膜をフォトリソグラフィー
工程およびエッチングを利用して数μｍ幅のパターン形
状に加工する技術を組み合わせて作製され、これまで
に、様々な光回路が実現されている。

【０００３】図７に従来の石英系ガラス光導波路の構造
と製造方法の一例を示す。この光導波路は、平面基板１
上に形成された光を伝搬するコア６およびコアより屈折
率の低いクラッド５，７により構成されており、コア６
およびクラッド５、７は石英系ガラスで形成されてい
る。ここでは、基板１としてシリコン基板を用いた。こ
の石英系ガラス光導波路を作製するには、まず、シリコ
ン基板１上に膜厚３０μｍ程度である下部クラッド石英
系ガラス層５および膜厚数μｍであるコア石英系ガラス
層１０を火炎堆積法により形成する。次に、コア石英系
ガラス層をフォトリソグラフィー工程およびエッチング
を用いて矩形のコア６に加工する。最後に、膜厚３０μ
ｍ程度である上部クラッド石英系ガラス層７を火炎堆積
法により作製する。

【０００４】以上の製造方法で作製される石英系ガラス
光導波路は波長１．３μｍおよび１．５５μｍにおける
伝搬損失が０．１ｄＢ／ｃｍ以下と小さく、また、コア
がクラッドに囲まれた埋め込み型の構造であることから
曲げ半径を小さくできる。さらに、コア作製にフォトリ
ソグラフィー工程を用いていることから、導波路で構成
する光回路の設計自由度が高い。以上の特徴より、光波
の干渉を利用したマッハツェンダ干渉計、アレー導波路
格子において、高消光比、低挿入損失である光部品が実
現されている。さらに、石英系ガラスの熱光学効果を利
用し、マッハツェンダ干渉計の片方のアーム導波路に金
属薄膜によるヒータを具備した光スイッチおよび光スイ
ッチをマトリックス状に配置したＮ×Ｎマトリックス光
スイッチが実現されており、高消光比、低挿入損失な動
作が達成されている（例えば、M.Okuno et al., "Impr
oved 8x8 integrated optical matrix switch using si
lica-based planar lightwave circuits", J. Lightwav
e Technol., vol.12, pp.1597-1606, 1994)。

【０００５】一方、最近、シリコン層と石英系ガラス層
とシリコン層との三層構造を有するＳＯＩ基板を用いた
シリコン光導波路に関する研究が活発化している（例え
ば、U. Fischer et. al.,"0.1dB/cm waveguide losses
in single-mode SOI rib waveguides", IEEE Photon. T
echnol. Lett., vol.8, pp.647-648, 1996) 。図８にシ
リコン光導波路と製造方法を示す。シリコンで形成され
たコアと石英系ガラス（シリコン酸化層）で形成された
クラッドにより構成されたリブ導波路構造である。

【０００６】このシリコン光導波路を作製するには、ま
ず、シリコン基板１にイオン注入と高温度熱酸化処理に
よりシリコンの酸化層（すなわち、石英系ガラス層）２
を形成し、その上にさらにシリコン層３を設けて、シリ
コン層１と石英系ガラス層（シリコン酸化層）２とシリ
コン層３の三層構造を有するＳＯＩ基板を作製する。こ
の段階で必要に応じて最上層のシリコン層３の膜厚をエ
ピタキシャル成長により厚くする。次に、シリコン層３
をフォトリソグラフィー工程およびエッチングを用いて
加工し、シリコンスラブ層３とシリコンリッジ部４より
形成されるリブ導波路構造を形成する。最後に、高温度
熱酸化処理により上部クラッド用石英系ガラス層７を形
成する。

【０００７】このようにして製造されたシリコン光導波
路は、シリコンの熱光学定数が石英系ガラスの１０倍程
度大きい値であり、かつ、シリコンの熱伝導率が石英系
ガラスの１００倍程度大きいことから、例えば、金属薄
膜ヒータを装荷したマッハツェンダ干渉計を用いた光ス
イッチにおいて、１ＭＨｚ程度の高速スイッチ周波数が
実現できる。さらに、シリコンのコアに電流注入する
と、フリーキャリヤの移動による屈折率変化が誘起され
る性質がある。従って、シリコン光導波路にドープ領域
を設けて電流注入用電極とし、マッハツェンダ干渉計を
用いた光強度変調器や光スイッチを構成すると、熱光学
効果を用いる場合に比べさらに高速であるｎｓｅｃ領域
での応答が可能となる。さらに、シリコン光導波路は、
ＳｉＧｅ液晶部を設けることによって光検出器を集積で
きる。また、ＬＳＩ高速電子回路を光導波路とモノリシ
ック集積できるといった特徴を有する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図８に
示されるシリコン光導波路はリブ導波路構造であるた
め、コア部とクラッド部の比屈折率差はたかだか１０^-3
程度であり、曲げ導波路での損失が顕著となる問題があ
った。つまり、実効屈折率が１０^-3の場合、許容曲げ半
径は数ｃｍに及ぶ。従って、分岐や曲がりを含む実用的
な光回路を構成するには適していない。

【０００９】これに対し、図７に示される石英系ガラス
光導波路は埋め込み型の三次元光導波路構造であること
から曲げ半径は１ｃｍ以下となる。例えばコアとクラッ
ドの比屈折率差が０．７５％である場合、許容曲げ半径
は５ｍｍである。

【００１０】従って、曲げ半径が小さく、実用的な光回
路の構成に適した石英系ガラス光導波路と電極による高
速屈折率制御が可能なシリコン光導波路とを組み合わせ
ることができれば、例えば、光強度変調器や光スイッチ
およびこれらを組み合わせた実用的な光回路を実現でき
ることが期待できる。しかしながら、これまで、石英系
ガラス光導波路とシリコン光導波路を同一基板上に集積
した光導波路およびその製造方法に関しては提案がなか
った。

【００１１】本発明は、これらの問題点を鑑みてなされ
たものであり、その目的は、石英系ガラス光導波路とシ
リコン光導波路を同一基板上に集積した光導波路および
その製造方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の光導波路は、基板上に形成された光を伝搬
するコアおよび前記コアより屈折率の低いクラッドによ
り構成される光導波路において、前記光導波路が、とも
に石英系ガラスで構成されるコア部およびクラッド部を
有する石英系ガラス光導波路部と、シリコンで構成され
るコア部および石英系ガラスで構成されるクラッド部を
有するシリコン光導波路部とから成り、前記石英系ガラ
ス光導波路部と前記シリコン光導波路部が間隙なく互い
に直列に接続されていることを特徴とする。

【００１３】さらに、前記光導波路の構造を実現する光
導波路の製造方法は、（ａ）シリコン層と石英系ガラス
層とシリコン層との三層から構成される積層体にフォト
リソグラフィー工程およびエッチングを行って、シリコ
ン層と石英系ガラス層とシリコン層とからなるシリコン
テラス構造部を形成し、（ｂ）前記シリコンテラス構造
部が形成された積層体上に、石英系ガラス光導波路部の
下部クラッド用石英系ガラス層を前記シリコンテラス構
造部の頂部が覆われるような膜厚で形成し、前記下部ク
ラッド用石英系ガラス層を前記シリコンテラス構造部の
頂部高さに合わせて研磨して前記シリコンテラス構造部
の頂部より上の領域を除去し、前記下部クラッド用石英
系ガラス層をエッチングして石英系ガラス用光導波路部
の光軸高さを調整して、石英系ガラス光導波路部の下部
クラッドを形成し、（ｃ）石英系ガラス光導波路部のコ
ア用石英系ガラス層を前記下部クラッドおよび前記シリ
コンテラス構造部の上に前記シリコンテラス構造部の頂
部が覆われるような膜厚で形成し、前記コア用石英系ガ
ラス層を前記シリコンテラス構造部の頂部高さに合わせ
て研磨してシリコンテラス構造部の頂部より上の領域を
除去し、前記コア用石英系ガラス層と前記シリコンテラ
ス構造部のシリコン層をフォトリソグラフィー工程およ
びエッチングにより加工して、石英系ガラス光導波路部
のコア部およびシリコン光導波路部のコア部を形成し、
（ｄ）前記石英系ガラス光導波路部のコア部の上部周辺
および前記シリコン光導波路部のコア部の上部周辺に上
部クラッド用石英系ガラス層を形成して、石英系ガラス
光導波路部の上部クラッドおよびシリコン光導波路部の
上部クラッドを形成することを特徴とする。

【００１４】また、本発明の光導波路は、基板上に形成
された光を伝搬するコアおよび前記コアより屈折率の低
いクラッドにより構成される光導波路において、前記光
導波路が、ともに石英系ガラスで構成されるコア部およ
びクラッド部を有する石英系ガラス光導波路部と、シリ
コンで構成されるコア部および石英系ガラスで構成され
るクラッド部を有するシリコン光導波路部とから成り、
前記石英系ガラス光導波路部と前記シリコン光導波路部
が間隙を挟んで互いに直列に接続されていてもよく、あ
るいは、前記間隙が、前記石英系ガラス光導波路部のコ
ア部を構成する石英系ガラスの屈折率と前記シリコン光
導波路部のコア部を構成するシリコンの屈折率との間の
屈折率を有する光学材料で充填されていてもよい。

【００１５】さらに、前記光導波路の構造を実現するた
めの光導波路の製造方法は、（ａ）シリコン層と石英系
ガラス層とシリコン層との三層から構成される積層体に
フォトリソグラフィー工程およびエッチングを行って、
シリコン層と石英系ガラス層とシリコン層とからなるシ
リコンテラス構造部を形成し、（ｂ）前記シリコンテラ
ス構造部が形成された積層体上に、石英系ガラス光導波
路部の下部クラッド用石英系ガラス層と該コア用石英系
ガラス層とを、光軸高さに合わせるように、しかも前記
下部クラッド用石英系ガラス層と前記コア用石英系ガス
層の積層された合計膜厚が前記シリコンテラス構造部の
頂部高さと等しくなるように順次積層し、（ｃ）前記シ
リコンテラス構造部の頂部より上の領域、および前記シ
リコンテラス構造部の周辺において前記下部クラッド用
石英系ガラス層と前記コア用石英系ガラス層との積層構
造が傾斜している領域にある前記コア用石英系ガラス層
および前記下部クラッド用石英系ガラス層をフォトリソ
グラフィー工程およびエッチングにより除去して、前記
下部クラッド用石英系ガラス層と前記コア用石英系ガラ
ス層とからの構造と前記シリコンテラス構造部との間に
間隙を形成し、（ｄ）前記コア用石英系ガラス層および
前記シリコンテラス構造部の最上層のシリコン層をフォ
トリソグラフィー工程およびエッチングにより加工し
て、石英系ガラス光導波路部のコア部およびシリコン光
導波路部のコア部を形成し、（ｅ）前記石英系ガラス光
導波路部のコア部および前記シリコン光導波路部のコア
部の上部周辺および前記間隙に上部クラッド用石英系ガ
ラス層を形成して、石英系ガラス光導波路部とシリコン
光導波路部の上部クラッドを形成することを特徴とする
か、あるいは、（ａ）シリコン層と石英系ガラス層とシ
リコン層との三層から構成される積層体にフォトリソグ
ラフィー工程およびエッチングを行って、シリコン層と
石英系ガラス層とシリコン層とからなるシリコンテラス
構造部を形成し、（ｂ）前記シリコンテラス構造部の最
上層のシリコン層をフォトリソグラフィー工程およびエ
ッチングを用いて加工して、該シリコン層上にシリコン
光導波路部のコア部を形成し、（ｃ）前記コア部の形成
されたシリコンテラス構造部を有する積層体上に、石英
系ガラス光導波路部の下部クラッド用石英系ガラス層と
該コア用石英系ガラス層とを、光軸高さに合わせるよう
に、しかも前記下部クラッド用石英系ガラス層と前記コ
ア用石英系ガス層との積層された合計膜厚が前記シリコ
ンテラス構造部の高さと等しくなるように順次積層し、
（ｄ）前記石英系ガラス光導波路部のコア用石英系ガラ
ス層にフォトリソグラフィー工程およびエッチングを行
って石英系ガラス光導波路部のコア部を形成し、（ｅ）
前記石英系ガラス光導波路部のコア部および前記シリコ
ン光導波路部のコア部を覆うようにして、上部クラッド
用石英系ガラス層を形成して、石英系ガラス光導波路部
とシリコン光導波路部の上部クラッド層を形成し、
（ｆ）前記シリコンテラス構造部の周辺において前記石
英系ガラス光導波路部のコア用石英系ガラス層が傾斜し
ている領域にある前記コア用石英系ガラス層前記下部ク
ラッド用石英系ガラス層および前記石英系ガラス光導波
路部の上部クラッド用石英系ガラス層をフォトリソグラ
フィー工程およびエッチングにより除去して、前記石英
系ガラス光導波路部と前記シリコン光導波路部との間に
間隙を形成し、（ｇ）前記間隙に、前記石英系ガラス光
導波路部のコア部を構成する石英系ガラスの屈折率と前
記シリコン光導波路部のコア部を構成するシリコンの屈
折率との間の屈折率を有する光学材料を充填することを
特徴とする。

【００１６】本発明によれば、石英系ガラス光導波路と
シリコン光導波路が同一基板上で接続される構造を有し
ていることから、例えば、曲げを含む光干渉回路部を石
英系ガラス光導波路で構成し、屈折率変調部をシリコン
光導波路で構成する光回路を実現できる。しかも、この
光導波路の製造方法は、シリコンテラス構造による高さ
基準面を規定していることから、石英系ガラス光導波路
とシリコン光導波路の高さ方向の光軸がずれなく接続す
ることが可能であり、かつ、フォトリソグラフィー工程
によりコア部を形成することから横方向の光軸は１μｍ
以下の精度で接続することが可能となる。さらに、本発
明によれば石英系ガラス光導波路とシリコン光導波路と
を間隙なく接続し、又は間隙が生じてもその間隙が空気
である場合でも必要に応じて屈折率が石英系ガラス光導
波路の石英系ガラスコアの屈折率より高くシリコンより
小さい石英系ガラスや光学ポリマー材料などを埋めるこ
とが可能であるため、シリコン導波路と空気の間で発生
する反射による接続損失を最小限に抑制できる。従っ
て、本発明の光導波路の製造方法を用いることにより、
石英系ガラス光導波路とシリコン光導波路の光軸を一致
させて一枚の基板上に集積することができる。本発明に
よる光導波路は、石英系ガラス光導波路とシリコン光導
波路の接続損失が最小限に抑制できることから、回路内
に接続部を複数箇所含む複雑な光回路に適用できる。ま
た、本発明の光導波路の製造方法は、既存のフォトリソ
グラフィー工程、エッチング技術および研磨技術を組み
合わせて用いることから、石英系ガラス光導波路とシリ
コン光導波路が低損失で接続された光導波路を歩留り良
く製造することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面により本発明の実施例
を詳細に説明する。

【００１８】実施例１ 図１に本発明による第１の形態である光導波路の構造を
示す。シリコン基板１上に石英系ガラス光導波路部とシ
リコン光導波路部とが間隙なく直列に接続された構造で
ある。石英系ガラス光導波路部は矩形のコア６とコアの
底面に配置された下部クラッド５、およびコア６の側面
と上面に配置された上部クラッド７により構成される。
コア６とクラッド５、７は石英系ガラスで形成される。
一方、シリコン光導波路部はシリコンテラス構造部９の
上に位置している。シリコンで形成されたコア４はシリ
コンテラス構造部９の中に形成された下部クラッド石英
系ガラス層２と、コア４の側面および上面に形成された
上部クラッド石英系ガラス７で囲まれており、リブ導波
路構造である。石英系ガラス光導波路部のコア６とシリ
コン光導波路部のコア４は互いに間隙なく接続されてい
る。

【００１９】図２に上記光導波路の製造方法を示す。ま
ず、シリコン基板１中にイオン注入により酸素イオンを
打ち込み、高温処理によりシリコンの酸化層（または石
英系ガラス層）２を形成し、さらにその上にシリコン層
を設けて、積層体であるＳＯＩ基板を作製する。次に、
こうして得られたＳＯＩ基板にフォトリソグラフィー工
程およびエッチングを行って、シリコン光導波路部とな
る領域にシリコンテラス構造部９を形成する。ここにお
いて、「シリコンテラス構造部」とは、シリコン基板１
上に一段高くして形成された、上部の平らな台状形状を
有する、シリコン層−石英ガラス層−シリコン層で構成
された三層の構造体をいい、シリコンテラス構造部の
「頂部高さ」とは、そのテラス部分の高さをいう。次
に、膜厚がシリコンテラス構造部９の頂部高さ以上であ
る下部クラッド石英系ガラス層５を火炎堆積法により形
成する。次に、シリコンテラス構造部９上の下部クラッ
ド石英系ガラス層５を研磨して、シリコンテラス構造部
９の頂部領域を除去する。次に、下部クラッド石英系ガ
ラス層５を高さがシリコンテラス構造部９中の石英系ガ
ラス層２の高さと同じになるようエッチングする。次
に、膜厚がシリコンテラス構造部９の頂部高さ以上であ
るコア石英系ガラス層１０を火炎堆積法により形成す
る。次に、シリコンテラス構造部９の頂部より上の領域
にあるコア石英系ガラス層を研磨により除去する。最後
に、フォトリソグラフィー工程およびエッチングにより
石英系ガラス光導波路のコア部６とシリコン光導波路部
のコア部４を加工し、それらの上に上部クラッド石英系
ガラス層７を火炎堆積法により形成する。この場合、石
英系ガラス光導波路のコア部６の加工とシリコン光導波
路のコア部４の加工の順番に制限はなく、フォトリソグ
ラフィー工程において同時にマスクを形成して同時にエ
ッチングする方法、もしくは、石英系ガラス導波路部の
コア部６をエッチングにより形成した後にシリコン光導
波路部のコア部４をエッチングにより形成する方法、ま
たは、シリコン光導波路部のコア部４をエッチングによ
り形成した後に石英系ガラス導波路部のコア部６をエッ
チングにより形成する方法が適用可能である。

【００２０】上記の光導波路作製方法を用いて製造され
た光導波路は、石英系ガラス光導波路部の導波路長さが
５ｃｍ、比屈折率差が０．７５％、コア６の寸法が７×
７μｍ、下部クラッド石英系ガラス層５の膜厚が２０μ
ｍ、上部クラッド石英系ガラス層７の膜厚が３０μｍ、
シリコン光導波路部の全長が５ｃｍ、コア４の高さが
５．５μｍ、コア４の幅が８μｍ、コア４の下部のシリ
コンスラブ層３の膜厚が１．５μｍ、石英系ガラス層２
の膜厚が０．５μｍであった。この光導波路は、波長
１．５５μｍにおける損失を測定したところ、石英系ガ
ラス光導波路の伝搬損失が０．１ｄＢ／ｃｍ、シリコン
光導波路の伝搬損失が０．２ｄＢ／ｃｍ、石英系ガラス
光導波路とシリコン光導波路の接続損失が０．５ｄＢで
あり、本発明の光導波路の構造および製造方法が石英系
ガラス光導波路とシリコン光導波路を集積した光導波路
を実現する上で有効であることが判明した。

【００２１】実施例２ 図３に本発明による第２の形態である光導波路の構造を
示す。石英系ガラス光導波路部とシリコン光導波路部の
構造は実施例１で示した図１の光導波路の構造と同じで
あるが、石英系ガラス光導波路部とシリコン光導波路部
の間に５０μｍの間隙８がある。この間隙は上部クラッ
ド石英系ガラス膜により埋められている。

【００２２】図４に上記光導波路の製造方法を示す。ま
ず、シリコン基板１中にイオン注入により酸素イオンを
打ち込み、高温度処理によりシリコンの酸化層（石英系
ガラス層）２を形成し、さらにその上にシリコン層を設
けて、積層体であるＳＯＩ基板を作製する。次に、こう
して得られたＳＯＩ基板にフォトリソグラフィー工程お
よびエッチングを行って、シリコン光導波路部となる領
域にシリコンテラス構造部９を形成する。次に、このシ
リコンテラス構造部９が形成された積層体上に、石英系
ガラス光導波路部の下部クラッド石英系ガラス層５とコ
ア石英系ガラス層１０とを、光軸高さに合わせるよう
に、しかも下部クラッド石英系ガラス層５とコア石英系
ガラス層１０の積層された合計膜厚がシリコンテラス構
造部９の頂部高さと等しくなるように順次積層する。次
に、シリコンテラス構造部９の頂部より上にある領域お
よびシリコンテラス構造部９の周辺部に位置するコア石
英系ガラス層１０が傾斜している領域にあるコア石英系
ガラス層１０および下部クラッド石英系ガラス層５をフ
ォトリソグラフィー工程およびエッチングにより除去し
て間隙８を形成する。最後に、フォトリソグラフィー工
程およびエッチングにより石英系ガラス光導波路部のコ
ア６とシリコン光導波路部のコア４を加工し、上部クラ
ッド石英系ガラス層７を火炎堆積法により形成する。こ
の場合、石英系ガラス光導波路部のコア部６の加工とシ
リコン光導波路部のコア部４の加工の順番に制限はな
く、フォトリソグラフィー工程において同時にマスクを
形成して同時にエッチングする方法、もしくは、石英系
ガラス導波路部のコア部６をエッチングにより形成した
後にシリコン光導波路部のコア部４をエッチングにより
形成する方法、または、シリコン光導波路部のコア部４
をエッチングにより形成した後に石英系ガラス導波路部
のコア部６をエッチングにより形成する方法が適用可能
である。

【００２３】本実施例の光導波路の製造方法は実施例１
に比べ、一括して下部クラッド石英系ガラス層５および
コア石英系ガラス層１０を形成し、フォトリソグラフィ
ー工程およびエッチングにより不要部分を取り除いてい
ることから、作製工程が最小限に少なく、歩留りが高い
という利点を有する。

【００２４】上記の光導波路作製方法を用いて製造され
た光導波路は、石英系ガラス光導波路部の導波路長が５
ｃｍ、比屈折率差が０．７５％、コア６の寸法が７×７
μｍ、下部クラッド石英系ガラス層５の膜厚が２０μ
ｍ、上部クラッド石英系ガラス層７の膜厚が３０μｍ、
シリコン光導波路部の全長が５ｃｍ、コア４の高さが
５．５μｍ、コア４の幅が８μｍ、コア４下部のシリコ
ンスラブ層３の膜厚が１．５μｍ、石英系ガラス層２の
膜厚が０．５μｍ、石英系ガラス光導波路部とシリコン
光導波路部の間隙８が５０μｍであった。波長１．５５
μｍにおける損失を測定したところ、石英系ガラス光導
波路部の伝搬損失が０．１ｄＢ／ｃｍ、シリコン光導波
路部の伝搬損失が０．２ｄＢ／ｃｍ、石英系ガラス光導
波路とシリコン光導波路の接続損失が０．８ｄＢであ
り、本発明の光導波路の構造および製造方法が石英系ガ
ラス光導波路とシリコン光導波路を集積した光導波路を
実現する上で有効であることが判明した。

【００２５】実施例３ 図５に本発明による第３の形態の光導波路の製造方法を
示す。石英系ガラス光導波路部とシリコン光導波路部の
構造は実施例２で示した図３の光導波路の構造と同じで
あるが、石英系ガラス光導波路部とシリコン光導波路部
の間に５０μｍの間隙８を設けてあり、間隙８には屈折
率を整合させた紫外線硬化樹脂１１が充填されている。

【００２６】まず、シリコン基板１中にイオン注入によ
り酸素イオンを打ち込み、高温度処理によりシリコンの
酸化層２を形成し、さらにその上にシリコン層３を設け
て、積層体であるＳＯＩ基板を作製する。次に、ＳＯＩ
基板にフォトリソグラフィー工程およびエッチングを行
って、シリコン光導波路部となる領域にシリコンテラス
構造部９を形成する。次に、フォトリソグラフィー工程
およびエッチングによりシリコン光導波路部のコア４を
加工する。次に、コア部４が形成されたシリコンテラス
構造部９を有する積層体上に、石英系ガラス光導波路部
の下部クラッド用石英系ガラス層５とコア用石英系ガラ
ス層１０とを、光軸高さに合わせるように、しかも下部
クラッド用石英系ガラス層５とコア用石英系ガラス層１
０との積層された合計膜厚がシリコンテラス構造体９の
頂部高さと等しくなるように順次積層する。次に、フォ
トリソグラフィー工程およびエッチングにより石英系ガ
ラス光導波路部のコア６を加工し、上部クラッド石英系
ガラス層７を火炎堆積法により形成する。次に、シリコ
ンテラス構造部９の周辺部に位置する石英系ガラスコア
６が傾斜している領域にある石英系ガラスコア６および
クラッド石英系ガラス層５をフォトリソグラフィー工程
およびエッチングにより除去する。最後に、石英系ガラ
ス光導波路部とシリコン光導波路部の間に設けた間隙８
に、石英系ガラスコア６とシリコンコア４の屈折率の間
の屈折率を有する紫外線硬化樹脂を充填する。

【００２７】本実施例の光導波路の製造方法は実施例２
に比べ、上部クラッド石英系ガラス層７を間隙８に充填
する必要がなくなり、上部クラッド石英系ガラス層７形
成における作製条件を緩和できる。

【００２８】上記の光導波路作製方法を用いて製造され
た光導波路は、石英系ガラス光導波路の導波路長が５ｃ
ｍ、比屈折率差が０．７５％、コア６の寸法が７×７μ
ｍ、下部クラッド石英系ガラス層５の膜厚が２０μｍ、
上部クラッド石英系ガラス層７の膜厚が３０μｍ、シリ
コン光導波路部の全長が５ｃｍ、コア４の高さが５．５
μｍ、コア４の幅が８μｍ、コア４下部のシリコンスラ
ブ層３の膜厚が１．５μｍ、石英系ガラス層２の膜厚が
０．５μｍ、石英系ガラス光導波路部とシリコン光導波
路部の間隙８が５０μｍであった。波長１．５５μｍに
おける損失を測定したところ、石英系ガラス光導波路部
の伝搬損失が０．１ｄＢ／ｃｍ、シリコン光導波路部の
伝搬損失が０．２ｄＢ／ｃｍ、石英系ガラス光導波路部
とシリコン光導波路部の接続損失は間隙８が空気である
場合３．４ｄＢであり、間隙８を屈折率が石英系ガラス
とシリコンの間である紫外線硬化樹脂で充填することに
より接続損失は０．８まで低減された。

【００２９】以上より、本発明の光導波路の構造および
製造方法が石英系ガラス光導波路とシリコン光導波路を
集積した光導波路を実現する上で有効であることが判明
した。

【００３０】実施例４ 本発明の光導波路の構造と製造方法を用いて光スイッチ
回路を作製した。図６に回路図の概要を示す。光回路全
体はマッハツェンダ干渉計になっている。光回路は二個
の石英系ガラス光導波路１２で形成された方向性結合器
１４、シリコン光導波路１３で形成されたアーム導波
路、および金属薄膜ヒータ１５より構成されている。光
回路の全長は５ｃｍである。光導波路の構造および製造
方法は実施例１と同じである。金属薄膜ヒータ１５は上
部クラッド石英系ガラス層７の上にクロムを蒸着して作
製した。ここでは、金属薄膜ヒータ１５にＣｒを用いた
が、他の金属の適用も可能である。

【００３１】本実施例による光スイッチ回路のスイッチ
特性を測定したところ、挿入損失１．５ｄＢ、スイッチ
周波数１ＭＨｚを確認できた。従って、本発明の光導波
路および製造方法が低損失で高速応答可能な光スイッチ
に適用可能であることが明らかとなった。

【００３２】本実施例では、光回路としてマッハツェン
ダ干渉計を用いた光スイッチを示したが、マッハツェン
ダ干渉計を用いた光強度変調器、位相変調器にも適用可
能である。さらに、本発明の光導波路の構造および製造
方法を、光スイッチ、光強度変調器、位相変調器を組み
合わせた大規模光回路、例えば光スイッチをマトリック
ス状に配置したＮ×Ｎマトリックススイッチに適用する
ことは、石英系ガラス光導波路の有する回路設計の自由
度が大きいという利点とシリコン光導波路の有する屈折
率変化が高速応答するという利点を最大限発揮できるこ
とから極めて有用である。

【００３３】以上、本実施例では、石英系ガラス膜作製
に火炎堆積法を用いたが、これは、この方法が、比較的
厚く高品質なガラス膜の堆積に適しているからである。
場合によっては、別のガラス膜合成方法、例えばＣＶＤ
法やスパッタ法を一部または全部に用いることもでき
る。また、ＳＯＩ基板の作製にイオン注入法を用いた
が、シリコン基板と石英系ガラス基板を張り合わせる方
法も有効である。また、石英系ガラス光導波路とシリコ
ン光導波路の間隙部に紫外線硬化樹脂を用いたが、これ
以外でも、例えば、屈折率整合オイル、ＰＭＭＡ等屈折
率が石英系ガラスとシリコンの間の値を有する光学材料
であれば適用できる。また、フォトマスクにおける導波
路の端面を斜めにした斜め端面構造を採用することは、
シリコン光導波路の端面での反射に起因する接続損失を
低減できることから有効である。また、場合によって
は、間隙部の空気の状態でも本発明の目的は達成でき
る。

【００３４】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の光導波
路の構造および製造方法を用いれば、高速応答する光ス
イッチ素子等を設計の自由度を妨げることなく実現する
ことができる。また、シリコンテラス構造を用いている
ことから高さ方向の基準面が設定されており、かつ、フ
ォトリソグラフィー工程によりコア加工を行っているこ
とから横方向の光軸ずれが１μｍ以下となり、石英系ガ
ラス光導波路とシリコン光導波路間の接続部の光軸が精
度良く調整できる。その結果、石英系ガラス光導波路と
シリコン光導波路を集積した低損失な光回路を実現する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に第１の形態である光導波路において、
（ａ）構造、（ｂ）コアに沿った断面の構造、（ｃ）石
英系ガラス光導波路部のコアに垂直な断面の構造、
（ｄ）シリコン光導波路部のコアに垂直な断面の構造を
それぞれ示す図である。

【図２】本発明の第１の形態である光導波路の製造方法
を説明するためのコアに沿った断面の構造を示す図であ
る。

【図３】本発明の第２の形態である光導波路において、
（ａ）構造、（ｂ）コアに沿った断面の構造、（ｃ）石
英系ガラス光導波路部のコアに垂直な断面の構造、
（ｄ）シリコン光導波路部のコアに垂直な断面の構造を
それぞれ示す図である。

【図４】本発明の第２の形態である光導波路の製造方法
を説明するためのコアに沿った断面の構造を示す図であ
る。

【図５】本発明の第３の形態である光導波路の製造方法
を説明するためのコアに沿った断面の構造を示す図であ
る。

【図６】本発明による光導波路を適用した光スイッチの
回路構成を示す図である。

【図７】従来の石英系ガラス光導波路において、（ａ）
構造、（ｂ）製造方法をそれぞれ示す図である。

【図８】従来のシリコン光導波路において、（ａ）構
造、（ｂ）製造方法をそれぞれ示す図である。

【符号の説明】

１ シリコン基板 ２ 石英系ガラス層（シリコン酸化層） ３ シリコンスラブ層 ４ シリコンリッジ部（シリコンコア） ５ 下部クラッド石英系ガラス層 ６ 石英系ガラスコア ７ 上部クラッド石英系ガラス層 ８ 間隙 ９ シリコンテラス構造部 １０ コア石英系ガラス層 １１ 光学材料 １２ 石英系ガラス光導波路 １３ シリコン光導波路 １４ 方向性結合器 １５ 金属薄膜ヒータ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に形成された光を伝搬するコアお
   よび前記コアより屈折率の低いクラッドにより構成され
   る光導波路において、前記光導波路が、ともに石英系ガ
   ラスで構成されるコア部およびクラッド部を有する石英
   系ガラス光導波路部と、シリコンで構成されるコア部お
   よび石英系ガラスで構成されるクラッド部を有するシリ
   コン光導波路部とから成り、前記石英系ガラス光導波路
   部と前記シリコン光導波路部が間隙なく互いに直列に接
   続されていることを特徴とする光導波路。
2. 【請求項２】 基板上に形成された光を伝搬するコアお
   よび前記コアより屈折率の低いクラッドにより構成され
   る光導波路において、前記光導波路が、ともに石英系ガ
   ラスで構成されるコア部およびクラッド部を有する石英
   系ガラス光導波路部と、シリコンで構成されるコア部お
   よび石英系ガラスで構成されるクラッド部を有するシリ
   コン光導波路部とから成り、前記石英系ガラス光導波路
   部と前記シリコン光導波路部が間隙を挟んで互いに直列
   に接続されていることを特徴とする光導波路。
3. 【請求項３】 請求項２記載の光導波路において、前記
   間隙が、前記石英系ガラス光導波路部のコア部を構成す
   る石英系ガラスの屈折率と前記シリコン光導波路部のコ
   ア部を構成するシリコンの屈折率との間の屈折率を有す
   る光学材料で充填されたことを特徴とする光導波路。
4. 【請求項４】 請求項１記載の光導波路を製造するため
   の方法であって、 （ａ）シリコン層と石英系ガラス層とシリコン層との三
   層から構成される積層体にフォトリソグラフィー工程お
   よびエッチングを行って、シリコン層と石英系ガラス層
   とシリコン層とからなるシリコンテラス構造部を形成
   し、 （ｂ）前記シリコンテラス構造部が形成された積層体上
   に、石英系ガラス光導波路部の下部クラッド用石英系ガ
   ラス層を前記シリコンテラス構造部の頂部が覆われるよ
   うな膜厚で形成し、前記下部クラッド用石英系ガラス層
   を前記シリコンテラス構造部の頂部高さに合わせて研磨
   して前記シリコンテラス構造部の頂部より上の領域を除
   去し、前記下部クラッド用石英系ガラス層をエッチング
   して石英系ガラス用光導波路部の光軸高さを調整して、
   石英系ガラス光導波路部の下部クラッドを形成し、 （ｃ）石英系ガラス光導波路部のコア用石英系ガラス層
   を前記下部クラッドおよび前記シリコンテラス構造部の
   上に前記シリコンテラス構造部の頂部が覆われるような
   膜厚で形成し、前記コア用石英系ガラス層を前記シリコ
   ンテラス構造部の頂部高さに合わせて研磨してシリコン
   テラス構造部の頂部より上の領域を除去し、前記コア用
   石英系ガラス層と前記シリコンテラス構造部のシリコン
   層をフォトリソグラフィー工程およびエッチングにより
   加工して、石英系ガラス光導波路部のコア部およびシリ
   コン光導波路部のコア部を形成し、 （ｄ）前記石英系ガラス光導波路部のコア部の上部周辺
   および前記シリコン光導波路部のコア部の上部周辺に上
   部クラッド用石英系ガラス層を形成して、石英系ガラス
   光導波路部の上部クラッドおよびシリコン光導波路部の
   上部クラッドを形成することを特徴とする光導波路の製
   造方法。
5. 【請求項５】 請求項２記載の光導波路を製造するため
   の方法であって、 （ａ）シリコン層と石英系ガラス層とシリコン層との三
   層から構成される積層体にフォトリソグラフィー工程お
   よびエッチングを行って、シリコン層と石英系ガラス層
   とシリコン層とからなるシリコンテラス構造部を形成
   し、 （ｂ）前記シリコンテラス構造部が形成された積層体上
   に、石英系ガラス光導波路部の下部クラッド用石英系ガ
   ラス層と該コア用石英系ガラス層とを、光軸高さに合わ
   せるように、しかも前記下部クラッド用石英系ガラス層
   と前記コア用石英系ガス層の積層された合計膜厚が前記
   シリコンテラス構造部の頂部高さと等しくなるように順
   次積層し、 （ｃ）前記シリコンテラス構造部の頂部より上の領域、
   および前記シリコンテラス構造部の周辺において前記下
   部クラッド用石英系ガラス層と前記コア用石英系ガラス
   層との積層構造が傾斜している領域にある前記コア用石
   英系ガラス層および前記下部クラッド用石英系ガラス層
   をフォトリソグラフィー工程およびエッチングにより除
   去して、前記下部クラッド用石英系ガラス層と前記コア
   用石英系ガラス層とからの構造と前記シリコンテラス構
   造部との間に間隙を形成し、 （ｄ）前記コア用石英系ガラス層および前記シリコンテ
   ラス構造部の最上層のシリコン層をフォトリソグラフィ
   ー工程およびエッチングにより加工して、石英系ガラス
   光導波路部のコア部およびシリコン光導波路部のコア部
   を形成し、 （ｅ）前記石英系ガラス光導波路部のコア部および前記
   シリコン光導波路部のコア部の上部周辺および前記間隙
   に上部クラッド用石英系ガラス層を形成して、石英系ガ
   ラス光導波路部とシリコン光導波路部の上部クラッドを
   形成することを特徴とする光導波路の製造方法。
6. 【請求項６】 請求項３記載の光導波路を製造するため
   の方法であって、 （ａ）シリコン層と石英系ガラス層とシリコン層との三
   層から構成される積層体にフォトリソグラフィー工程お
   よびエッチングを行って、シリコン層と石英系ガラス層
   とシリコン層とからなるシリコンテラス構造部を形成
   し、 （ｂ）前記シリコンテラス構造部の最上層のシリコン層
   をフォトリソグラフィー工程およびエッチングを用いて
   加工して、該シリコン層上にシリコン光導波路部のコア
   部を形成し、 （ｃ）前記コア部の形成されたシリコンテラス構造部を
   有する積層体上に、石英系ガラス光導波路部の下部クラ
   ッド用石英系ガラス層と該コア用石英系ガラス層とを、
   光軸高さに合わせるように、しかも前記下部クラッド用
   石英系ガラス層と前記コア用石英系ガス層との積層され
   た合計膜厚が前記シリコンテラス構造部の高さと等しく
   なるように順次積層し、 （ｄ）前記石英系ガラス光導波路部のコア用石英系ガラ
   ス層にフォトリソグラフィー工程およびエッチングを行
   って石英系ガラス光導波路部のコア部を形成し、 （ｅ）前記石英系ガラス光導波路部のコア部および前記
   シリコン光導波路部のコア部を覆うようにして、上部ク
   ラッド用石英系ガラス層を形成して、石英系ガラス光導
   波路部とシリコン光導波路部の上部クラッド層を形成
   し、 （ｆ）前記シリコンテラス構造部の周辺において前記石
   英系ガラス光導波路部のコア用石英系ガラス層が傾斜し
   ている領域にある前記コア用石英系ガラス層前記下部ク
   ラッド用石英系ガラス層および前記石英系ガラス光導波
   路部の上部クラッド用石英系ガラス層をフォトリソグラ
   フィー工程およびエッチングにより除去して、前記石英
   系ガラス光導波路部と前記シリコン光導波路部との間に
   間隙を形成し、 （ｇ）前記間隙に、前記石英系ガラス光導波路部のコア
   部を構成する石英系ガラスの屈折率と前記シリコン光導
   波路部のコア部を構成するシリコンの屈折率との間の屈
   折率を有する光学材料を充填することを特徴とする光導
   波路の製造方法。