JP2012008160A - 光導波路デバイスおよび光導波路デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
光導波路コアが周辺や基板から受ける応力を低減し、光導波路コアの変形や複屈折率変化に起因する、光路長の変動を抑制できる、光導波路デバイスを提供する。
【解決手段】
基板上に成膜された下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に形成された光導波路コアと、前記光導波路コアに沿って前記光導波路コアの両側に少なくとも１列ずつ対を成して並んだ堤部と、前記光導波路コアおよび前記堤部を覆う上部クラッド層と、を有している。
【選択図】 図１

Description

本発明は光導波路デバイスに関し、特に光路長や複屈折率の変動を制御して構成することができる光導波路デバイスに関する。

光通信システムに用いられる光スイッチや光変調器などの光導波路デバイスは、その製造技術として、集積化や量産が容易なＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit）技術の適用が有効である。ＰＬＣ技術は、半導体集積回路製造プロセスと同様の微細加工技術により、基板上に微細な光導波路を形成するものである。具体的には例えば、図４（ａ）に示すように、シリコン基板２１上にまず下部クラッド層２２として低屈折率のシリコン酸化膜を成膜し、さらに図４（ｂ）に示すように、下部クラッド層２２上に、高屈折率のシリコン酸化膜２３を積層する。その後フォトリソグラフィーにより、図４（ｃ）に示すように、高屈折率シリコン酸化膜２３を光導波路コアとしてパターニングする。さらに図４（ｄ）に示すように、上部クラッド層２４となる低屈折率シリコン酸化膜を積層し、図４（ｅ）に示すように、熱処理により平坦化する。なお、シリコン酸化膜の屈折率は、リン、ホウ素、ゲルマニウムなどをドープすることにより任意に設定することができる。以上の手順により、基板上に多様な形状の光導波路を形成することができる。

光導波路デバイスのうち、光導波路を用いた干渉計は、様々な光通信用デバイスで一般的に応用、利用されている。図５は基本的な干渉計であるマッハツェンダ干渉計の光導波路構造を示しており、干渉計を構成する２本の光導波路２５、２６は、２つの方向性結合器部分の間では長さが異なっている。また図６は、偏波分離した光信号から位相情報を取り出すための９０度光ハイブリッド干渉計の一般的な光導波路構成を示す。このデバイスにおいては、信号光を分岐した二つの光導波路アーム２７および２８の光路長は等しく、局部発振光を分岐した二つの光導波路アームのうち、光導波路アーム３０の光路長は光導波路アーム２９のそれよりλ/(4n)だけ長い。ここでｎは光導波路の等価屈折率、λは光の波長である。

上述のような干渉計デバイスの製造においては特に、それぞれの光路長を極めて正確に制御する必要がある。しかしながら実際の製造の際には、実効的な光路長の値が設計値からずれることがある。

光路長は光導波路の等価屈折率と物理的長さで決定される。ここで、光導波路の物理的長さについてはフォトマスクに描かれた光導波路コアのパターンをパターニングする精度で決定され、現在のフォトリソグラフィー技術のレベルであれば十分に制御可能である。一方、光導波路の等価屈折率に関しては、製造時の様々な外乱によって変化し、光路長変化の要因となりうる。

そのような等価屈折率変化を引き起こす主要な要因として、上部クラッド層の熱処理において発生する膜応力がある。たとえば一般的に光導波路コアは、図４（ｅ）に示したように、光導波路コア部の上に成膜された上部クラッド層２４を、高温で軟化させて埋め込まれる。ここで上部クラッド層２４は、熱処理によって軟化する際、エネルギー的に安定になろうとし、表面積を最小にしようとする方向に流動し、光導波路コア２３はこの流動による応力を受ける。この上部クラッド層からの応力が強い場合には、光導波路コアの光学特性が変化して複屈折が誘起され、結果として光導波路の等価屈折率が変化することになる。

また、光導波路コア部材の軟化点が熱処理工程での処理温度よりも十分高くないと、光導波路コアが変形する場合もある。昨今の光導波路デバイスは、小型化への要求が強いため、より小さな半径で光導波路を引回すようにしなくてはならない。したがって、曲げ損失が発生しないようにコアとクラッドとの屈折率差は大きくする必要がある。そのためには、一般的にはコア部材にドーピングする不純物濃度を上げ、コアの屈折率を高めているが、屈折率を高める目的でドーピングされる代表的な不純物であるゲルマニウムやリンは、コア部材の軟化点を下げる効果も有する。そのため上部クラッド層２４の熱処理温度において、もし光導波路コア２３の硬度が十分保てない場合、図７（ａ）に示すように上部クラッド層２４の流動による応力（矢印）によって光導波路コア２３が変形し、等価屈折率が変化する要因となる。

例えば、熱処理により上部クラッド層が軟化して流動すると、コアは上部クラッドの流動方向に引っ張られるように応力を受けて変形する。このとき、図７（ａ）のように、導波路コアが、実質的に他の光導波路から孤立した状態であるならば、その応力はほぼ左右対称に加わるため、光導波路コアはほぼ左右対称に変形することになる。また、この応力により光導波路コアには複屈折が発生する。

一方、図７（ｂ）のように、光導波路コアの周辺に他の光導波路コア等が配置されている場合、上部クラッドから受ける応力は、矢印で示すようにそれぞれ左右均等には発生せず、他の導波路が配置されていない側、あるいは他の導波路からの距離が遠い側に大きく力を受けて変形する。この図の場合、光導波路コアと他方の光導波路コアは、互いに離れる方向へ強く引っ張られ、光導波路コアの変形および複屈折を発生させる。

このように、光導波路コアに生じる変形や複屈折の量は、他の光導波路コアとの位置関係によって異なる。例えば、図５のマッハツェンダ干渉計のような構造では、光路長差を付与した光導波路コア２５、２６が上部クラッド層から受ける応力は、互いの光導波路コアの存在により影響を受ける。このとき、光導波路コア２５、２６の対が他の光導波路から孤立している状態であれば、図７（ｂ）のように、変形の方向が異なるだけで、その量や複屈折率はほぼ同程度となるため、相対的な光路長差としてはほとんど変化しない。しかしながら、一般的に光導波路デバイスは、様々な機能を実現するために工夫されて構成されるため、実質的にこれら二つの光導波路コアだけ孤立して構成される、あるいは他の光導波路コアから常に一定の間隔で並んで構成される場合は少ない。このため、光導波路コアとその周辺の他の光導波路コアとの位置関係によって、光導波路コアに加わる応力やそれによる変形の方向や量は変化する。すなわち、光導波路に発生する等価屈折率の変化は、光導波路デバイス全体での光導波路コアのレイアウトによって変動することになる。この変動量は、製造の外乱要因によって左右されるため、予め正確に見積もることが困難であり、製造歩留まり低下の原因となる。

このような問題に対処するための技術が、例えば特許文献１に記載されている。特許文献１に記載の技術は、図８に示すように、成膜した光導波路コア層から光導波路コア２３を形成する際に、光導波路コア２３に沿った近傍部分のみを除去し、それ以外の周辺領域３１を残す構造とするものである。これにより、光導波路コア２３に応力を及ぼす上部クラッド層２４の領域が減少するため、光導波路コア２３が受ける応力が大幅に減少し、光導波路コア２３の変形を効果的に防ぐことができる、としている。

特開２００３−３１５５７３号公報

上述した特許文献１に記載の技術は、光導波路コア部を覆う上部クラッド層からの応力を低減することはできる。しかしながらこの技術には次のような問題があった。

ウェハ状のシリコン基板上にシリコン酸化膜などを形成する場合、それらの熱膨張係数差によって熱処理後にウェハに反りが発生する。この反りに起因する基板からの応力はウェハ全体で発生するものであり、光導波路コアの複屈折率を増加させる。このような応力の、図５に示すマッハツェンダ干渉計構造への影響を考えた場合、２本の光導波路２５、２６は互いに数十μｍオーダーで近接して配置されているため、基板からの応力は両導波路部分に同じように加わる。したがって両者の光路長が変化したとしても、その変化量はほぼ同じであり、光路長差としては変化量が相殺されるためほとんど変化しない。一方で、方向性結合器部分の結合強度などに対する応力の影響は、光路長差のように相殺されることはなく、分岐比が変動する要因となる。これを回避するために、クラッドを構成する膜は、できるだけシリコン基板との間にバイメタル効果が発生しないよう、ボロンやリンなどの不純物を添加して軟化点を下げ、熱膨張係数を基板に近づける方向で調整することができる。

しかしながら、図８のような構造の場合は、光導波路コア材が、光導波路コア２３だけでなく、周辺領域３１として大部分がエッチングされずにウェハ上に残ることになる。一般的に光導波路コア材には、屈折率の制御性の容易さからＧＳＧ（ゲルマニウム珪酸ガラス：Germanium-Silicate Glass）が用いられるが、このＧＳＧ膜は応力が非常に強く、図８のような構造ではウェハの反りの原因となり複屈折率の増加は無視できなくなる。

また、光導波路コア部の周辺領域３１は体積が大きいために、これらが熱処理において膨張し、図９に示すように光導波路コア部自身が周辺領域３１からの応力（矢印）の影響を強く受ける。光導波路コアを挟む周辺領域３１の形状が同じ場合ならば、応力は均等に加わるが、実際の光導波路デバイスではそのような場合は少ない。以上のような、光導波路コア部の周辺領域３１に起因する応力によるコアの変形などの影響は、予測が極めて困難であり、製造歩留りを低下させる要因となる。

本発明は、上記問題点を解消し、光導波路コアが周辺や基板から受ける応力を低減し、光導波路コアの変形や複屈折率変化に起因する、光路長の変動を抑制できる、光導波路デバイスを提供するものである。

本発明の光導波路デバイスは、基板上に成膜された下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に形成された光導波路コアと、前記光導波路コアに沿って前記光導波路コアの両側に少なくとも１列ずつ並んだ堤部と、前記光導波路コアおよび前記堤部を覆う上部クラッド層と、を有することを特徴としている。

また本発明の光導波路デバイスの製造方法は、基板上に下部クラッド層を成膜する手順と、前記下部クラッド層上に光導波路コアと、前記光導波路コアに沿って前記光導波路コアの両側に少なくとも一列ずつ並んだ堤部とを形成する手順と、前記光導波路コアおよび前記堤部を上部クラッド層で覆う手順と、を有することを特徴としている。

本発明によれば、光導波路コアが周辺や基板から受ける応力を低減し、光導波路コアの変形や複屈折率の変化に起因する、光路長の変動を抑制できる、光導波路デバイスを提供することができる。

本発明の第１、第２の実施の形態の光導波路構成を示す、上面図および断面図である。 本発明の第３の実施の形態の光導波路構成を示す上面図である。 本発明の第４の実施の形態の光導波路構成を示す上面図である。 ＰＬＣ技術による光導波路の製造手順を示す断面図である。 マッハツェンダ干渉計の構成を示す上面図である。 ９０度光ハイブリッド干渉計の構成を示す上面図である。 一般的な構造の光導波路コアにかかる応力を示す断面図である。 特許文献１における、光導波路コアが受ける応力抑制効果を示す断面図である。 特許文献１において、実際に光導波路コアが受ける応力を示す断面図である。

次に本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１（ａ）は本発明の第１の実施の形態の光導波路構成を示す上面図である。また図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ'部分の断面図である。図１（ｂ）を参照すると、基板１上には下部クラッド層２が成膜されている。また下部クラッド層２上には光導波路コア３、および光導波路コア３に沿って光導波路コア３の両側に１列ずつ対を成して並んだ堤部４と、さらにその外側に１列ずつ対を成して並んだ堤部５とが形成されている。さらに光導波路コア３および堤部４、５は上部クラッド層６により覆われている。

光導波路を上記のように構成することにより、図１（ｂ）に示すように、光導波路コア３を覆う上部クラッド層６の、熱処理の際の流動は、堤部４、５により堰き止められる。したがって光導波路コア３に加わる応力や、それに伴う変形や複屈折率は、周囲に存在する他の光導波路コアの影響を受けず、光の伝播方向においてほぼ一定に維持される。

また堤部４、５はいずれも壁状の構造物であり、下部クラッド層２や上部クラッド層６と接触している面積は限られるため、堤部４、５や光導波路コアを構成する膜と、基板との熱膨張係数差による応力は非常に少ない。

加えて、堤部４、５自身の体積は限られているため、堤部４、５自身の熱膨張による応力が光導波路コアに与える影響は非常に少ない。

以上のように、この実施の形態では、光導波路コア３が周辺や基板から受ける応力が低減し、光導波路コアの変形や複屈折率の変化が生じにくくなるため、光路長の変動を効果的に抑制することができる。

なお図１では、堤部が光導波路コア３の両側に２列ずつ設けられた例を示したが、堤部は光導波路コア３の両側にそれぞれ１列ずつ設けられた構造でも、また３列ずつ以上設けられた構造でも、基本的に同様の効果が得られる。ただし、堤部の列数を多くした方が、上部クラッド層の流動を均等化しやすく好適である。
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態は、図１（ａ）（ｂ）における、光導波路コア３の両側に対を成して並んだ堤部４同士の幅並びに光導波路コア３との間隔を、互いに等しい値とし、同様に堤部５同士の幅並びに光導波路コア３との間隔もまた、互いに等しい値としたものである。

第２の実施の形態では、上記のように堤部４、５がともに光導波路コア３の両側に対称的に配置される構造とすることにより、比較的単純な設計で、光導波路コア３にかかる応力が片側に偏るのを効果的に抑制することができる。
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態は、図１（ａ）（ｂ）における、光導波路コア３およびその両側に並んだ堤部４、５の幅並びにそれぞれの間隔を、すべて等しい値としたものである。

第３の実施の形態では、光導波路コア３およびその両側に並んだ堤部を覆っている部分の上部クラッド層２４の流動を好適に均等化することができるので、効果的に光導波路コア３周辺の応力を分散させ、かつ偏りを抑制することができる。
（第４の実施の形態）
図２は、本発明の第４の実施の形態として、図５に示したようなマッハツェンダ干渉計に、本発明を適用した場合の構成を示す上面図である。このマッハツェンダ干渉計は光導波路コア７、８を有し、また光導波路コア７、８のそれぞれ両側には第１堤部９が形成され、さらにその外側に第２堤部１０が形成されている。

図２に示した構成のマッハツェンダ干渉計は、図４（ａ）〜（ｅ）に示した、一般的なＰＬＣ技術の手順に従って製造することができる。例えばシリコン基板２１上に下部クラッド層となる低屈折率のシリコン酸化膜２２を化学気相成長法で１０μｍの厚さで成膜した後、光導波路コア層となる高屈折率シリコン酸化膜２３を５μｍの厚さで積層する。その後この高屈折率シリコン酸化膜２３を、フォトリソグラフィー法により光導波路コア７、８としてパターニングする。なおこのとき、第１堤部９、第２堤部１０もまた、高屈折率シリコン酸化膜２３をパターニングすることによって形成する。ここで導波路コア７、８並びに第１堤部９、第２提示部１０の幅は、いずれも例えば５μｍとする。その後、上部クラッド層となる低屈折率シリコン酸化膜２４を１０μｍの厚さで積層し、熱処理により平坦化して導波路コア７、８並びに第１堤部９、第２提示部１０を覆うことにより、所定の光導波路を構成することができる。

なお光導波路コア７、８と第１堤部９とはいずれも、例えば１００μｍの間隔となるように配置するが、この間隔は導波路コア７、８と第１堤部９との間で、伝播する光が結合を起こすことなく、かつ上部クラッド層２４の平坦性も得られる距離である。また第１堤部９と第２提示部１０とは、やはりいずれも１００μｍの間隔となるように配置する。

この実施の形態では、複数の光導波路の組み合わせで構成された光導波路デバイスにおいて、それぞれの光導波路コアが受ける応力を低減できるとともに、光導波路コアと堤部とを一括して形成することによりプロセスを簡略化できる利点がある。
（第５の実施の形態）
図３は、本発明の第５の実施の形態として、図６に示したような９０度光ハイブリッド干渉計に、本発明を適用した場合の構成を示す上面図である。この９０度光ハイブリッド干渉計を構成する光導波路アーム１１〜１４部分の両側にはそれぞれ堤部１５が設けられている。

図３に示した９０度光ハイブリッド干渉計の製造方法は、上述した第２の実施の形態の場合と同様である。

この実施の形態では、光路長の変動や複屈折率の増大を、特に厳密に抑制する必要のある光導波路コア部分の両側にのみ堤部を設けており、このような構成とすることにより堤部のレイアウトを簡略化できる利点がある。

１ 基板
２ 下部クラッド層
３ 光導波路コア
４ 堤部
５ 堤部
６ 上部クラッド層
７ 光導波路コア
８ 光導波路コア
９ 第１堤部
１０ 第２堤部
１１ 光導波路アーム
１２ 光導波路アーム
１３ 光導波路アーム
１４ 光導波路アーム
１５ 堤部
２１ シリコン基板
２２ 下部クラッド層（低屈折率シリコン酸化膜）
２３ 光導波路コア（高屈折率シリコン酸化膜）
２４ 上部クラッド層（低屈折率シリコン酸化膜）
２５ 光導波路
２６ 光導波路
２７ 光導波路アーム
２８ 光導波路アーム
２９ 光導波路アーム
３０ 光導波路アーム
３１ 光導波路コア部の周辺領域

Claims (10)

1. 基板上に成膜された下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に形成された光導波路コアと、前記光導波路コアに沿って前記光導波路コアの両側に少なくとも１列ずつ対を成して並んだ堤部と、前記光導波路コアおよび前記堤部を覆う上部クラッド層と、を有することを特徴とする、光導波路デバイス。
2. 前記光導波路コアの両側に並んだ、対を成す前記堤部同士は、それぞれの幅並びに前記光導波路コアとの間隔が、互いに等しいことを特徴とする、請求項１に記載の光導波路デバイス。
3. 前記光導波路コアおよび前記光導波路コアの両側に並んだ前記堤部は、すべて幅が等しく、かつそれぞれの間隔がすべて等しいことを特徴とする、請求項１または２に記載の光導波路デバイス。
4. 前記堤部は、前記光導波路コア部と同一の層から形成されていることを特徴とした、請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路デバイス。
5. 前記堤部は前記光導波路コアに対し、少なくとも前記光導波路コアを伝播する光と結合を生じない間隔で形成されていることを特徴とした、請求項１乃至４のいずれかに記載の光導波路デバイス。
6. 基板上に下部クラッド層を成膜する手順と、前記下部クラッド層上に光導波路コアと、前記光導波路コアに沿って前記光導波路コアの両側に少なくとも一列ずつ対を成して並んだ堤部とを形成する手順と、前記光導波路コアおよび前記堤部を上部クラッド層で覆う手順と、を有することを特徴とする、光導波路デバイスの製造方法。
7. 前記光導波路コアの両側に並んだ、対を成す前記堤部同士は、それぞれの幅並びに前記光導波路コアとの間隔を、互いに等しくすることを特徴とする、請求項６に記載の光導波路デバイスの製造方法。
8. 前記光導波路コアおよび前記光導波路コアの両側に並んだ前記堤部は、すべて幅を等しくし、かつそれぞれの間隔をすべて等しくすることを特徴とする、請求項６または７に記載の光導波路デバイスの製造方法。
9. 前記堤部は、前記光導波路コア部と同一の層から形成することを特徴とした、請求項６乃至８のいずれかに記載の光導波路デバイスの製造方法。
10. 前記堤部は前記光導波路コアに対し、少なくとも前記光導波路コアを伝播する光と結合を生じない間隔で形成することを特徴とした、請求項６乃至９のいずれかに記載の光導波路デバイスの製造方法。

Images