(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第１の下部クラッド層薄膜を形成する第１の工程と、上記第１の下部クラッド層薄膜を選択的にエッチングして光接続部近傍の上記第１の下部クラッド層薄膜を除去する第２の工程と、下部クラッド層薄膜材料を塗布する第３の工程と、上記下部クラッド層薄膜材料を熱硬化処理することにより平坦化率が低く上記基板に垂直な方向にテーパー構造を有する第２の下部クラッド層薄膜を形成する第４の工程と、平坦化率の高いコア層薄膜を形成する第５の工程と、上記コア層薄膜を選択的にエッチングして上記基板と平行な方向にテーパー構造を持つコア層を形成する第６の工程の６つの工程を少なくとも含むことを特徴とするスポットサイズ変換光導波路の製法。
【請求項２】
基板上に第１の下部クラッド層薄膜を形成する第１の工程と、上記第１の下部クラッド層薄膜を選択的にエッチングして光接続部近傍の上記第１の下部クラッド層薄膜を残す第２の工程と、下部クラッド層薄膜材料を塗布する第３の工程と、上記下部クラッド層薄膜材料を熱硬化処理することにより平坦化率が低く上記基板に垂直な方向にテーパー構造を有する第２の下部クラッド層薄膜を形成する第４の工程と、平坦化率の高いコア層薄膜を形成する第５の工程と、上記コア層薄膜を選択的にエッチングして上記基板と平行な方向にテーパー構造を持つコア層を形成する第６の工程の６つの工程を少なくとも含むことを特徴とするスポットサイズ変換光導波路の製法。
【請求項３】
上記コア層上に上部クラッド層を形成することを特徴とする請求項１または２に記載のスポットサイズ変換光導波路の製法。
【請求項４】
上記第２の下部クラッド層薄膜の平坦化率を７０％以下とし、上記コア層薄膜の平坦化率を９０％以上とすることを特徴とする請求項１、２または３に記載のスポットサイズ変換光導波路の製法。
【請求項５】
上記第２の下部クラッド層薄膜の材料をフッ素化ポリイミドまたは感光性ベンゾシクロブテンとし、上記コア層薄膜の材料をベンゾシクロブテンまたはエポキシ系紫外線硬化樹脂とし、上記上部クラッド層の材料をフッ素化ベンゾシクロブテンまたはエポキシ系紫外線硬化樹脂とすることを特徴とする請求項３または４に記載のスポットサイズ変換光導波路の製法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光導波路の接続部におけるスポットサイズ変換光導波路の製法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光デバイスに接続された光導波路等と光ファイバーとの結合において問題となるのが、それぞれのスポットサイズである。通常、シングルモードファイバーのモードフィールド径は８〜１０μｍである。これに対し、光デバイスのチップサイズを小さくするためには、コア層とクラッド層との屈折率差が大きな光導波路が使われるのであるが、シングルモード高屈折率差の光導波路のスポットサイズは概ね４μｍ以下である。よって、光導波路と光ファイバーとの低損失な接続を行なうには、スポットサイズの変換が必要である。よって、光ファイバー側若しくは光導波路側にスポットサイズを変換する構造が求められる。
【０００３】
そこで、光ファイバーの先端を加工することにより光ファイバーのコアの径を細くしたり、光球ファイバーのようなレンズ構造を持たせることで、光のスポットサイズを変えることも可能である。しかし、光ファイバー１つ１つを個別に加工しなければならない。また、外部でスポットサイズを変換していることから、レンズのわずかな軸ずれによって光が大きくはずれてしまい、作製トレランスが悪くなってしまう。したがって、光導波路側にスポットサイズ変換構造をもたせることが望ましい。
【０００４】
光導波路側にスポットサイズ変換構造をもたせる場合、基板（光導波路基板）と平行な方向の加工は半導体のフォトリソグラフの技術を使うことで簡単に作製することができるが、基板に垂直な方向の加工は容易ではない。そして、基板に垂直方向にスポットサイズを変換する従来のスポットサイズ変換光導波路の製法としては次のようなものが知られている。
【０００５】
図５は従来のスポットサイズ変換光導波路の製法の説明図である。図に示すように、まず基板２１上に電子線を照射すると屈折率が増加する材質からなる屈折率変化材２２を形成する。つぎに、屈折率変化材２２に電子線を矢印の方向に掃引することにより、帯状の高屈折率領域からなる光導波路のコア層２３を形成する。
【０００６】
図５により説明した製法により作製されたスポットサイズ変換光導波路においては、コア層２３の屈折率の変化は電子線の照射量に依存しており、図６に示すように、電子線の照射量が十分であれば、コア層２３とクラッド層との屈折率差が大きいことから、光はコア層２３に強く閉じ込められ、スポットサイズは小さいのに対し、電子線の照射量が少ないときには、コア層２３とクラッド層との屈折率差が小さいことから、コア層２３の閉じ込めが弱く、スポットサイズは大きくなる。この性質を利用して、スポットサイズ変換部では電子線の照射量を掃引方向に徐々に減少させることにより、コア層２３とクラッド層との屈折率差を小さくし、光の閉じ込めを弱めることで、スポットサイズの径を広げることができる。
【０００７】
図７は従来の他のスポットサイズ変換光導波路の製法の説明図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は底面図である。図に示すように、コア層３１となるコア材料の間にエッチングストップ層３２を形成したのち、コア材料をエッチングすることにより、多層のコア層３１を形成してテーパー構造を持たせる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図５により説明したスポットサイズ変換光導波路の製法においては、電子線の照射量の細かな制御が必要であり、また光導波路それぞれに対してビーム照射を行なわなければならないから、スループットが悪いという問題がある。
【０００９】
また、図７により説明したスポットサイズ変換光導波路の製法においては、コア層３１を多層化するためには、作製工程が多く、複雑になってしまい、プロセス上の負担になってしまうという問題がある。
【００１０】
本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、簡単なプロセスで高い結合効率を持ったスポットサイズ変換光導波路を形成することができるスポットサイズ変換光導波路の製法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明においては、基板上に第１の下部クラッド層薄膜を形成する第１の工程と、上記第１の下部クラッド層薄膜を選択的にエッチングして光接続部近傍の上記第１の下部クラッド層薄膜を除去する第２の工程と、下部クラッド層薄膜材料を塗布する第３の工程と、上記下部クラッド層薄膜材料を熱硬化処理することにより平坦化率が低く上記基板に垂直な方向にテーパー構造を有する第２の下部クラッド層薄膜を形成する第４の工程と、平坦化率の高いコア層薄膜を形成する第５の工程と、上記コア層薄膜を選択的にエッチングして上記基板と平行な方向にテーパー構造を持つコア層を形成する第６の工程の６つの工程を少なくとも行なう。
【００１３】
また、基板上に第１の下部クラッド層薄膜を形成する第１の工程と、上記第１の下部クラッド層薄膜を選択的にエッチングして光接続部近傍の上記第１の下部クラッド層薄膜を残す第２の工程と、下部クラッド層薄膜材料を塗布する第３の工程と、上記下部クラッド層薄膜材料を熱硬化処理することにより平坦化率が低く上記基板に垂直な方向にテーパー構造を有する第２の下部クラッド層薄膜を形成する第４の工程と、平坦化率の高いコア層薄膜を形成する第５の工程と、上記コア層薄膜を選択的にエッチングして上記基板と平行な方向にテーパー構造を持つコア層を形成する第６の工程の６つの工程を少なくとも行なう。
【００１４】
これらの場合、上記コア層上に上部クラッド層を形成してもよい。
【００１５】
これらの場合、上記第２の下部クラッド層薄膜の平坦化率を７０％以下とし、上記コア層薄膜の平坦化率を９０％以上としてもよい。
【００１６】
これらの場合、上記第２の下部クラッド層薄膜の材料をフッ素化ポリイミドまたは感光性ベンゾシクロブテンとし、上記コア層薄膜の材料をベンゾシクロブテンまたはエポキシ系紫外線硬化樹脂とし、上記上部クラッド層の材料をフッ素化ベンゾシクロブテンまたはエポキシ系紫外線硬化樹脂としてもよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係るスポットサイズ変換光導波路の製法の説明図である。まず、図１（ａ）に示すように、基板１上にスピンコーターによりフッ素化ポリイミド原液を塗布したのち、３８０℃、１時間の条件で熱硬化処理（キュア）を行なうことにより、フッ素化ポリイミドからなる厚さが１０μｍの第１の下部クラッド層薄膜２−１を形成する（第１の工程）。つぎに、図１（ｂ）に示すように、下部クラッド層薄膜２−１上にレジスト３を塗布してフォトリゾグラフを行ない、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により下部クラッド層薄膜２−１を選択的にエッチングして光接続部近傍すわなち図１紙面左側の下部クラッド層薄膜２−１を除去する（溝を形成する）ことにより段差（階段状の構造）を形成する。すなわち、スポットサイズ変換部形成予定領域に段差を形成する（第２の工程）。つぎに、図１（ｃ）に示すように、レジスト３を除去したのち、基板１、下部クラッド層薄膜２−１上にスピンコーターにより下部クラッド層薄膜材料であるフッ素化ポリイミド原液２−２ａを再び塗布する（第３の工程）。つぎに、図１（ｄ）に示すように、フッ素化ポリイミド原液２−２ａを３８０℃、１時間の条件で熱硬化処理することにより、第２の下部クラッド層薄膜２−２を形成する。この場合、フッ素化ポリイミドは熱硬化処理における収縮比が大きいから、熱硬化処理の際に下部クラッド層薄膜２−２の平坦化率が低くなり、下部クラッド層薄膜２−２に基板１に垂直な方向すなわち基板１の表面に垂直な方向にテーパー構造（スロープ構造）が形成される。このとき、テーパー長は再塗布のフッ素化ポリイミド原液２−２ａの膜厚および粘度より調整することが可能であり、テーパー長を１ｍｍ以下にコントロールすることが可能である。また、厚さが１０μｍの下部クラッド層薄膜２−２を形成することで、長さ１００μｍ、高低差が８μｍの基板１に垂直な方向のテーパー構造が得られ、このときの下部クラッド層薄膜２−２の平坦化率（図２において、｛１−（ａ／ｂ）｝×１００（％））は２０％（ａ＝８μｍ、ｂ＝１０μｍ）である（第４の工程）。つぎに、図１（ｅ）に示すように、このテーパー構造を持った下部クラッド層薄膜２−１と下部クラッド層薄膜２−２とで構成される下部クラッド層２の上にスピンコーターによりベンゾシクロブテンを塗布したのち、２１０℃、３０分の条件で熱硬化処理を行ない、平坦化率の高い材料であるベンゾシクロブテンからなる図１紙面右側の平坦部の厚さが２μｍのコア層薄膜４ａを形成する（第５の工程）。この場合、ベンゾシクロブテンは熱硬化処理の際にリフローを起こし、平坦化率の高いコア層薄膜４ａが形成され、コア層薄膜４ａの平坦化率は９６％である。つぎに、図１（ｆ）に示すように、コア層薄膜４ａ上にレジスト５を塗布し、フォトリソグラフを用いてレジスト５を基板１と平行な方向すなわち基板１の表面と平行な方向のテーパー構造にパターニングしたのち、図１（ｇ）に示すように、反応性イオンエッチングによりコア層薄膜４ａを選択的にエッチングしてスポットサイズ変換部に基板１と平行な方向にテーパー構造を持つコア層４を形成する（第６の工程）。つぎに、図１（ｈ）に示すように、レジスト５を除去したのち、コア層４��にフッ素化ベンゾシクロブテンからなる上部クラッド層６を形成して、埋め込み型光導波路を作製する。
【００１８】
図１によって説明したスポットサイズ変換光導波路の製法においては、初めにテーパー構造の基礎となる段差を作製し、その上に段差を反映するようなテーパー構造を有する下部クラッド層薄膜２−２を形成し、つぎに下部クラッド層２の構造に依存しない平坦化率の高いコア層４を形成する。これにより、通常の光導波路作製に１つの工程を追加するだけでスポットサイズ変換構造を持たせることができ、基板１に垂直な方向のテーパー構造を従来のスポットサイズ変換光導波路の製法に比べて簡単なプロセスによって形成することができるから、作製が容易でかつ量産の可能なスポットサイズ変換光導波路の製法が実現でき、しかも高い結合効率を持ったスポットサイズ変換光導波路を形成することができる。また、平坦化率の高い材料であるフッ素化ベンゾシクロブテンからなる上部クラッド層６を形成しており、上部クラッド層６の平坦化率は高いから、光配線の多層化を図ることができる。また、上部クラッド層６の材料のフッ素化ベンゾシクロブテンは波長１．５μｍの光に対して屈折率が１．４８１と小さく、コア層４の材料のベンゾシクロブテンの屈折率が１．５４３であることから、上部クラッド層６とコア層４とは高屈折率差（約４％）となり、この屈折率差を利用すれば、曲率半径６００μｍ以下のパッシブ機能素子を持つ光導波路の作製が可能であるので、光デバイスや電子デバイスを形成した半導体基板上に適用する場合に特に有効である。また、下部クラッド層２がフッ素化ポリイミドからなり、コア層４はベンゾシクロブテンからなり、上部クラッド層６はフッ素化ベンゾシクロブテンからなるから、下部クラッド層２、コア層４および上部クラッド層６が有機薄膜で形成されるので、現在主流となっているガラス系光導波路に比べて高屈折率差の光導波路を作製することができるため、光デバイスの小型化、ひいては光デバイス、電子デバイス上へのオンチップ光配線を可能にすることができる。
【００１９】
図３は本発明に係る他のスポットサイズ変換光導波路の製法の説明図である。まず、図３（ａ）に示すように、基板１１上にスピンコーターによりフッ素化ポリイミド原液を塗布したのち、３８０℃、１時間の条件で熱硬化処理を行ない、フッ素化ポリイミドからなる厚さが１０μｍの第１の下部クラッド層薄膜１２−１を形成する（第１の工程）。つぎに、図３（ｂ）に示すように、下部クラッド層薄膜１２−１上にレジスト１３を塗布してフォトリソグラフを行ない、反応性イオンエッチングにより下部クラッド層薄膜１２−１を選択的にエッチングして光接続部近傍すわなち図３紙面左側の下部クラッド層薄膜１２−１を残す（突出部を形成する）ことにより高さ６μｍの段差を形成する。すなわち、スポットサイズ変換部形成予定領域に段差を形成する（第２の工程）。つぎに、図３（ｃ）に示すように、レジスト１３を除去したのち、基板１１、下部クラッド層薄膜１２−１上にスピンコーターにより下部クラッド層薄膜材料であるフッ素化ポリイミド原液１２−２ａを再び塗布する（第３の工程）。つぎに、図３（ｄ）に示すように、フッ素化ポリイミド原液１２−２ａを３８０℃、１時間の条件で熱硬化処理することにより、第２の下部クラッド層薄膜１２−２を形成する。この場合、フッ素化ポリイミドは熱硬化処理における収縮比が大きいから、熱硬化処理の際に下部クラッド層薄膜１２−２の平坦化率が低くなり、下部クラッド層薄膜１２−２に基板１１に垂直な方向にテーパー構造が形成される。このとき、テーパー長は再塗布のフッ素化ポリイミド原液１２−２ａの膜厚および粘度より調整することが可能であり、テーパー長を１ｍｍ以下にコントロールすることが可能である。また、厚さが１０μｍの下部クラッド層薄膜１２−２を形成することで、長さ１００μｍ、高低差が２μｍの基板１１に垂直な方向のテーパー構造が得られ、このときの下部クラッド層薄膜１２−２の平坦化率（図４において、｛１−（ａ／ｂ）｝×１００（％））は６７％（ａ＝２μｍ、ｂ＝６μｍ）である（第４の工程）。つぎに、図３（ｅ）に示すように、このテーパー構造を持った下部クラッド層薄膜１２−１と下部クラッド層薄膜１２−２とで構成される下部クラッド層１２の上にスピンコーターによりベンゾシクロブテンを塗布したのち、２１０℃、３０分の条件で熱硬化処理を行ない、平坦化率の高い材料であるベンゾシクロブテンからなる図３紙面右側の平坦部の厚さが約２μｍのコア層薄膜１４ａを形成する（第５の工程）。この場合、ベンゾシクロブテンは熱硬化の際にリフローを起こし、平坦化率の高いコア層薄膜１４ａが形成され、コア層薄膜１４ａの平坦化率は９６％である。つぎに、図３（ｆ）に示すように、コア層薄膜１４ａ上にレジスト１５を塗布し、フォトリソグラフを用いてレジスト１５を基板１１と平行な方向のテーパー構造にパターニングをしたのち、図３（ｇ）に示すように、反応性イオンエッチングによりコア層薄膜１４ａを選択的にエッチングしてスポットサイズ変換部に基板１１と平行な方向にテーパー構造を持つコア層１４を形成する（第６の工程）。つぎに、図３（ｈ）に示すように、レジスト１５を除去したのち、コア層１４上にフッ素化ベンゾシクロブテンからなる上部クラッド層１６を形成して、埋め込み型光導波路を作製する。
【００２０】
図３によって説明したスポットサイズ変換光導波路の製法においては、基板１１に垂直な方向のテーパー構造を従来のスポットサイズ変換光導波路の製法に比べて簡単なプロセスによって作製することができ、しかも高い結合効率を持ったスポットサイズ変換光導波路を形成することができる。
【００２１】
なお、上述実施の形態においては、下部クラッド層薄膜２−２、１２−２の平坦化率をそれぞれ２０％、６７％とし、コア層薄膜４ａ、１４ａの平坦化率を９６％としたが、第２の下部クラッド層薄膜の平坦化率を７０％以下とし、コア層薄膜の平坦化率を９０％以上とすれば、基板に垂直な方向のテーパー構造を良好に形成することができ、また第２の下部クラッド層薄膜の平坦化率を５０％以下とし、コア層薄膜の平坦化率を９５％以上とするのが望ましい。また、上述実施の形態においては、フッ素化ポリイミドからなる下部クラッド層薄膜２−１、２−２、１２−１、１２−２を形成したが、感光性ベンゾシクロブテンなどからなる第１、第２の下部クラッド層薄膜を形成してもよい。また、上述実施の形態においては、ベンゾシクロブテンからなるコア層薄膜４ａ、１４ａを形成したが、エポキシ系紫外線硬化樹脂などからなるコア層薄膜を形成してもよい。そして、エポキシ系紫外線硬化樹脂からなるコア層薄膜を形成したときには、レジストを加工するのと同様の工程でコア層を直接加工することができるから、コア層を形成するためのエッチング工程を省くことができる。また、上述実施の形態においては、フッ素化ベンゾシクロブテンからなる上部クラッド層６、１６を形成したが、エポキシ系紫外線硬化樹脂からなる上部クラッド層を形成してもよい。また、上述実施の形態で示した膜厚、温度、時間等のパラメータ値はあくまで一例であり、特許請求の範囲に記載の発明がこれのみに限定されるものではない。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るスポットサイズ変換光導波路の製法においては、簡単なプロセスで高い結合効率を持ったスポットサイズ変換光導波路を形成することができる。
【００２３】
また、コア層上に上部クラッド層を形成したときには、光配線の多層化を図ることができる。
【００２４】
また、第２の下部クラッド層薄膜の平坦化率を７０％以下とし、コア層薄膜の平坦化率を９０％以上としたときには、基板に垂直な方向のテーパー構造を良好に形成することができる。
【００２５】
また、第２の下部クラッド層薄膜の材料をフッ素化ポリイミドまたは感光性ベンゾシクロブテンとし、コア層の材料をベンゾシクロブテンまたはエポキシ系紫外線硬化樹脂とし、上部クラッド層の材料をフッ素化ベンゾシクロブテンまたはエポキシ系紫外線硬化樹脂としたときには、第２の下部クラッド層薄膜、コア層および上部クラッド層が有機薄膜で形成されるから、高屈折率差の光導波路を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るスポットサイズ変換光導波路の製法の説明図である。
【図２】図１により説明したスポットサイズ変換光導波路の製法の説明図である。
【図３】本発明に係る他のスポットサイズ変換光導波路の製法の説明図である。
【図４】図３により説明したスポットサイズ変換光導波路の製法の説明図である。
【図５】従来のスポットサイズ変換光導波路の製法の説明図である。
【図６】図５により説明したスポットサイズ変換光導波路の製法の説明図である。
【図７】従来の他のスポットサイズ変換光導波路の製法の説明図である。
【符号の説明】
１…基板
２−１…第１の下部クラッド層薄膜
２−２ａ…フッ素化ポリイミド原液
２−２…第２の下部クラッド層薄膜
４ａ…コア層薄膜
４…コア層
６…上部クラッド層
１１…基板
１２−１…第１の下部クラッド層薄膜
１２−２ａ…フッ素化ポリイミド原液
１２−２…第２の下部クラッド層薄膜
１４ａ…コア層薄膜
１４…コア層
１６…上部クラッド層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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