(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に載置された下部クラッド層と、該下部クラッド層上に載置されたコア層から形成された光を導波するためのコアと、前記下部クラッド層と前記コアとを被装する上部クラッド層とを備え、内部のコアの厚さよりも厚く形成された入出力部のコアと、該入出力部のコアと前記内部のコアとを接続するテーパ部とを有する石英系光導波回路の作製方法において、
前記下部クラッド層上に前記入出力部のコアの厚さと同じ厚さの前記コア層を堆積する堆積工程と、
前記コア層の一部をエッチングして、前記入出力部のコアと前記内部のコアとが異なる厚さとなるように、前記コア層の層厚の変化を形成する層厚変化形成工程と、
前記コア層をエッチングして、前記入出力部のコアと前記内部のコアとを形成し、前記入出力部のコアと同一の組成を有する入出力部のコア層を前記入出力部のコアの側面に形成するコア形成工程とを有し、
該コア形成工程は、前記入出力部のコアの側面に接する層厚Ｔが、前記入出力部のコアの厚さＨ未満である入出力部のコア層を、前記入出力部のコアの側面に形成することを特徴とする石英系光導波回路の作製方法。
【請求項２】
基板上に載置された下部クラッド層と、該下部クラッド層上に載置されたコア層から形成された光を導波するためのコアと、前記下部クラッド層と前記コアとを被装する上部クラッド層とを備え、内部のコアの厚さよりも厚く形成された入出力部のコアと、該入出力部のコアと前記内部のコアとを接続するテーパ部とを有する石英系光導波回路の作製方法において、
前記下部クラッド層上に前記内部のコアの厚さと同じ厚さの前記コア層を堆積する堆積工程と、
前記コア層をさらに堆積して、前記入出力部のコアと前記内部のコアとが異なる厚さとなるように形成する層厚変化形成工程と、
前記コア層をエッチングして、前記入出力部のコアと前記内部のコアとを形成し、前記入出力部のコアと同一の組成を有する入出力部のコア層を前記入出力部のコアの側面に形成するコア形成工程とを有し、
該コア形成工程は、前記入出力部のコアの側面に接する層厚Ｔが、前記入出力部のコアの厚さＨ未満であるコア層を、前記入出力部のコアの側面に形成することを特徴とする石英系光導波回路の作製方法。
【請求項３】
前記層厚変化形成工程は、前記コア層の上方に配置したマスクを用いて、前記コア層の層厚の変化を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の石英系光導波回路の作製方法。
【請求項４】
前記マスクは、前記コア層から１００μｍ以上離れていることを特徴とする請求項３に記載の石英系光導波回路の作製方法。
【請求項５】
前記マスクは、前記コア形成工程における位置合わせのためのマーカ形成部を有することを特徴とする請求項３または４に記載の石英系光導波回路の作製方法。
【請求項６】
前記マーカ形成部は、前記コア層と接するように形成されていることを特徴とする請求項５に記載の石英系光導波回路の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石英系光導波回路の作製方法に関し、より詳細には、他の光導波路または光ファイバとの結合損失を低減しうる石英系光導波回路の作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信の急速な進展に伴い、半導体光導波路と同様に、石英系光導波路の大規模化、高集積化、低コスト化、および量産性の向上などの要求が高まっている。大規模化や高集積化のためには、コアへの光の閉じ込めを強くしなければならない。これにより隣り合う光導波路の距離を近づけたり、光導波路の曲げ半径を小さくすることができ、限られた面積の中により多くの光導波路を配置することができる。
【０００３】
石英系導波路において、光の閉じ込めを強くすると、光ファイバや他の光部品との結合損失が増加する。この結合損失の低減方法がいくつか知られている。例えば、入出力部におけるコアサイズをファイバのスポットサイズに合わせるように拡大する方法は、製造上のトレランスやファイバ接続時のトレランスを大きく取れるという点から実用的である。一例として、特開２００１−５６４１５号公報には、縦横テーパ導波路を用いたスポットサイズ変換構造が記載されている。
【０００４】
図７に、従来のスポットサイズ変換構造を示す。スポットサイズ変換構造は、基板５１上に下部クラッド層５２を形成し、下部クラッド層５２上にコア５３ａが形成されている。コア５３ａは、さらに上部クラッド層５４に覆われている。このようなスポットサイズ変換構造は、構造が単純であり、結合損失の低減効果も大きい。例えば、ファイバとスポットサイズの違いにより、２ｄＢほどの結合損失が発生するコア仕様において、縦横テーパを用いてスポット拡大を行うことにより、０．２ｄＢ以下の結合損失にすることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなスポットサイズ変換構造を有する光導波路は、通常の光導波路と比較して、入出力部でコアの厚さが厚くなっているため、反応性イオンエッチングによるコアの加工に費やす時間が長くなってしまうという問題があった。すなわち、通常のプロセスよりも量産性が低下することになる。
【０００６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、スポットサイズ変換機能を十分に機能させつつ、作製時間を短縮することができる石英系導波回路の作製方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、基板上に載置された下部クラッド層と、該下部クラッド層上に載置されたコア層から形成された光を導波するためのコアと、前記下部クラッド層と前記コアとを被装する上部クラッド層とを備え、内部のコアの厚さよりも厚く形成された入出力部のコアと、該入出力部のコアと前記内部のコアとを接続するテーパ部とを有する石英系光導波回路の作製方法において、前記下部クラッド層上に前記入出力部のコアの厚さと同じ厚さの前記コア層を堆積する堆積工程と、前記コア層の一部をエッチングして、前記入出力部のコアと前記内部のコアとが異なる厚さとなるように、前記コア層の層厚の変化を形成する層厚変化形成工程と、前記コア層をエッチングして、前記入出力部のコアと前記内部のコアとを形成し、前記入出力部のコアと同一の組成を有する入出力部のコア層を前記入出力部のコアの側面に形成するコア形成工程とを有し、該コア形成工程は、前記入出力部のコアの側面に接する層厚Ｔが、前記入出力部のコアの厚さＨ未満である入出力部のコア層を、前記入出力部のコアの側面に形成することを特徴とする。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、基板上に載置された下部クラッド層と、該下部クラッド層上に載置されたコア層から形成された光を導波するためのコアと、前記下部クラッド層と前記コアとを被装する上部クラッド層とを備え、内部のコアの厚さよりも厚く形成された入出力部のコアと、該入出力部のコアと前記内部のコアとを接続するテーパ部とを有する石英系光導波回路の作製方法において、前記下部クラッド層上に前記内部のコアの厚さと同じ厚さの前記コア層を堆積する堆積工程と、前記コア層をさらに堆積して、前記入出力部のコアと前記内部のコアとが異なる厚さとなるように形成する層厚変化形成工程と、前記コア層をエッチングして、前記入出力部のコアと前記内部のコアとを形成し、前記入出力部のコアと同一の組成を有する入出力部のコア層を前記入出力部のコアの側面に形成するコア形成工程とを有し、該コア形成工程は、前記入出力部のコアの側面に接する層厚Ｔが、前記入出力部のコアの厚さＨ未満であるコア層を、前記入出力部のコアの側面に形成することを特徴とする。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記層厚変化形成工程は、前記コア層の上方に配置したマスクを用いて、前記コア層の層厚の変化を形成することを特徴とする。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の前記マスクは、前記コア層から１００μｍ以上離れていることを特徴とする。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、請求項３または４に記載の前記マスクは、前記コア形成工程における位置合わせのためのマーカ形成部を有することを特徴とする。
【００２１】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の前記マーカ形成部は、前記コア層と接するように形成されていることを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。以下の実施形態においては、コア層、下部クラッド層および上部クラッド層となる石英系ガラス膜を火炎堆積法を用いて形成する場合について説明するが、本発明は、ガラス膜の作製方法には限定されず、一部または全部のガラス層をスパッタ法またはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などのガラス膜形成法で作製することもできる。また、本実施形態では、１．５５μｍ帯域の光通信波長とシングルモード光ファイバを前提に説明する。
【００２３】
図１は、本発明の一実施形態にかかるスポットサイズ変換構造を示した構造図である。スポットサイズ変換構造は、基板１１上に下部クラッド層１２を形成し、下部クラッド層１２上に堆積されたコア層１３から形成された光を導波するための導波路コア１３ａ（内部のコア）と、入出力部コア１３ｂと、入出力部コア１３ｂ以外の部分に一定の層厚で残されたコア層１３とは、さらに上部クラッド層１４に覆われている。
【００２４】
ここで、入出力部コア１３ｂは、上面と両側面をテーパ構造として、スポット拡大を行い、導波路コア１３ａと入出力部コア１３ｂとを接続している。図１において、入出力部コア１３ｂの断面形状は矩形で示したが、台形であってもよいし、上縁を直線または円弧で面取を行った形状でもよい。また、一定の層厚で残されたコア層１３も矩形で示したが、一定の層厚である必要はなく、台形であってもよい。なお、テーパ構造におけるテーパ部分の長さは、損失を抑えてスポットを拡大するために、光の導波する方向に１００μｍ以上であることが好ましい。また、拡大したスポットサイズを安定させるために、入出力端面から光の導波する方向に１００μｍ以上の長さにわたって、入出力部コア１３ｂの厚さと幅とが一定であることが望ましい。
【００２５】
図２は、本発明の第１の実施形態にかかるスポットサイズ変換構造の作製方法を示した図である。最初に、シリコンまたは石英からなる基板１１上に、火炎堆積法によって、ＳｉＯ２を主成分とする下部クラッド層１２を堆積し（図２（ａ）参照。）、次に、ＧｅＯ２をドーパントして添加したＳｉＯ２を主成分とするコア層１３を堆積した（図２（ｂ）参照。）後、電気炉で透明ガラス化する。下部クラッド層１２の層厚は２０μｍ、コア層１３の層厚は１１μｍである。
【００２６】
下部クラッド層１２とコア層１３とを形成した基板１１上から、１ｍｍ離して浮かせた状態で、シャドウマスク１５を設置する（図２（ｃ）参照。）。この状態で、反応性イオンエッチング法を用いて、入出力部以外の場所のコア層を一定量除去する（図２（ｄ）参照。）。第１の実施形態では、６μｍ除去し、導波路コア１３ａの層厚を５μｍとした。このとき、シャドウマスク１５の境界では、プラズマがシャドウマスク１５の下に回り込み、この部分もわずかにエッチングが進行して縦方向のなだらかなテーパ構造が形成される。このようにして、入出力部コアと導波路コアとが異なる厚さとなり、入出力部コアと導波路コアとが滑らかなテーパ状に接続された光導波回路が形成される。
【００２７】
そして、フォトリソグラフィーと反応性イオンエッチングを用いて、光を導波するためのコアをパターン化する（図２（ｅ）参照。）。このとき、入出力部のコア層１３の層厚１１μｍをすべて除去せずに、一定の層厚を残してエッチングを終了する。従って、入出力部のコアの断面形状、すなわち図２（ｅ）に示したＸの断面は、凸型の断面形状を有することとなる。第１の実施形態における一定の層厚Ｔは、２．５μｍと５μｍの２種類で、それぞれエッチング時間を２３％と４５％を削減することができた。
【００２８】
最後に、上部クラッド層１４を堆積し、透明ガラス化して図１に示したスポットサイズ変換構造を作製した（図２（ｆ）参照。）。なお、第１の実施形態に使用した光導波路の諸元は、コアとクラッドの比屈折率差が１．５％であり、導波路コア１３ａの幅が５μｍ、導波路コア１３ａの厚さＤが５μｍであり、入出力部コア１３ｂの幅が１１μｍ、入出力部コア１３ｂの厚さＨが１１μｍである。
【００２９】
図３は、本発明の一実施形態にかかるスポットサイズ変換構造の結合損失を示した図である。図２に示した方法で作製した石英系光導波回路とシングルモード光ファイバとの結合損失を示した図である。入出力部におけるコア層の一定の層厚Ｔが０μｍのとき、結合損失は、０．２１ｄＢ／点である。一定の層厚Ｔが２．５μｍのとき、結合損失は、０．２２ｄＢ／点、一定の層厚Ｔが５μｍのとき、結合損失は、０．２５ｄＢ／点となる。すなわち、入出力部において、入出力部コア以外の部分のコア層を５μｍ残しておいても、結合損失は、０．０４ｄＢ増加するにすぎない。
【００３０】
この結果は、有限差分法を用いて行った数値計算結果とも良く一致している。図３には、比屈折率差が３％と５％、入出力部コアの幅が１１μｍ、入出力部コアの厚さＨが１１μｍの導波路についても示した。比屈折率差が１．５％のときと同様に、一定の層厚Ｔが５μｍを越えたところから結合損失が増加していることがわかる。すなわち、比屈折率差によらず、入出力部コア以外のコア層における一定の層厚Ｔは、入出力部コアの厚さＨの半分以下であれば結合損失が過剰に増加しないことがわかる。
【００３１】
なお、本実施形態において、入出力部コア以外の部分の層厚は一定としたが、上述したように、断面形状が矩形である必要はない。入出力部コア以外の部分の層厚は、入出力部コアの側面に接する層厚Ｔが、入出力部のコアの厚さＨ未満であればよい。また、入出力部コアを伝搬する光が、入出力部コア以外の部分にしみ出して、結合損失が増加しないためには、入出力部コアの側面に接する層厚Ｔが、入出力部コアの厚さＨの半分以下であればよい。
【００３２】
図４は、本発明の第２の実施形態にかかるスポットサイズ変換構造の作製方法を示した図である。最初に、シリコンまたは石英からなる基板１１上に、火炎堆積法によって、ＳｉＯ２を主成分とする下部クラッド層１２を堆積し（図４（ａ）参照。）、次に、ＧｅＯ２をドーパントして添加したＳｉＯ２を主成分とするコア層１３を堆積した（図４（ｂ）参照。）後、電気炉で透明ガラス化する。ここで、コア層１３の層厚は、導波路コアの厚さＤと同じとする。
【００３３】
基板１１上の入出力部以外の場所に、１ｍｍ離して浮かせた状態で、シャドウマスク１７を設置する（図４（ｃ）参照。）。この状態で、Ｈ−Ｄの層厚を有するコア層１３を追加して堆積する（図４（ｄ）参照。）。以下、コアの形成は、図２に示した方法と同じである。（図４（ｅ）、（ｆ）参照。）。
【００３４】
シャドウマスク１７を設置して、Ｈ−Ｄの層厚を有するコア層１３を堆積する方法は、火炎堆積法による作製方法では、縦方向のなだらかな層厚変化部を形成することが難しいため、スパッタ法またはプラズマＣＶＤ法などの気相製膜法が適している。
【００３５】
上述したシャドウマスクについて、詳細に説明する。第１および２の実施形態にかかる作製方法おいて、シャドウマスクを用いて作製するテーパと、フォトリソグラフィーと反応性イオンエッチングにより作製する導波路コアのパターンとを、正確に位置合わせしなければならない。
【００３６】
図５（ａ）および（ｂ）に、本発明の第１の実施形態にかかる作製方法に用いるシャドウマスクを示す。シャドウマスク１５は、図５（ｃ）に示すフォトマスク１６で作製される回路パターン１６ａの入出力部１６ｂに、テーパを設けるためのものである。シャドウマスク１５は、回路パターン１６ａが作製される中央部に設けられた開口部１５ａと、入出力部１６ｂに対応するマスク１５ｂと、位置合わせのためのマーカ形成部１５ｃとを有している。なお、マーカ形成部１５ｃが形成されている部分のシャドウマスク１５の厚さは、中央部の厚さよりも厚い。
【００３７】
このようなシャドウマスク１５を、図５（ｄ）に示したように、マーカ形成部１５ｃがコア層１３に接するように配置する。この状態で、シャドウエッチングすることにより、入出力部にはなだらかなテーパ構造が形成され、マーカ形成部１５ｃには急峻な凹構造１３ｃが形成される（図５（ｅ）参照）。マーカ形成部１５ｃによる急峻な凹構造１３ｃは、フォトリソグラフィーに用いるフォトマスク１６のマーカ部１６ｃとの位置合わせを容易にすることができる。
【００３８】
図６（ａ）および（ｂ）に、本発明の第２の実施形態にかかる作製方法に用いるシャドウマスクを示す。シャドウマスク１７は、図６（ｃ）に示すフォトマスク１６で作製される回路パターン１６ａの入出力部１６ｂに、テーパを設けるためのものである。シャドウマスク１７は、回路パターン１６ａが作製される中央部のマスク１７ａと、入出力部１６ｂに対応する部分に設けられた開口部１７ｂと、位置合わせのためのマーカ形成部１７ｃとを有している。なお、マーカ形成部１７ｃが形成されている部分のシャドウマスク１７の厚さは、中央部の厚さよりも厚い。
【００３９】
このようなシャドウマスク１７を、図６（ｄ）に示したように、マーカ形成部１７ｃがコア層１３に接するように配置する。この状態で、さらにコア層を堆積することにより、入出力部にはなだらかなテーパ構造が形成され、マーカ形成部１７ｃには急峻な凸構造１３ｄが形成される（図６（ｅ）参照）。マーカ形成部１７ｃによる急峻な凸構造１３ｄは、フォトリソグラフィーに用いるフォトマスク１６のマーカ部１６ｃとの位置合わせを容易にすることができる。
【００４０】
なお、シャドウマスクとフォトマスクの位置合わせ用のマーカを同じ形状としたが、位置合わせに支障がなければ異なる形状でも構わない。また、本実施形態においては、シャドウマスク１５，１７の中央部とコア層１３との距離を１ｍｍとしたが、コアの仕様、回路パターン、製造条件等により、１００μｍ以上の任意の距離を設定すればよい。さらに、シャドウマスク１５，１７を、マーカ形成部１５ｃ，１７ｃがコア層１３に接するように配置したが、位置合わせを行うために十分な凹凸が形成できれば、離して配置しても構わない。
【００４１】
上述した第１および第２の実施形態を、１．３μｍ帯域の光通信波長に使用したり、分散シフトファイバとの接続に用いる場合には、光導波路の諸元を変えることにより、適用できることはいうまでもない。
【００４２】
本実施形態において、入出力部のコアの厚さＨと内部のコアの厚さＤとは、入出力部のコアの側面に接する層厚Ｔに対して、
０＜Ｔ＜Ｈ−Ｄ（Ｄ＞Ｈ／２のとき）
０＜Ｔ≦Ｈ／２（Ｄ≦Ｈ／２のとき）
の範囲であるならば、プロセス上の負担と使用する光導波路の諸元を考慮して任意に設定してもよい。
【００４３】
また、基板が石英であったり、石英基板上に直接コアを形成する構造であっても同じ効果が得られることは明らかである。本発明は、スポットサイズ変換構造を必要とする全ての石英系光導波回路に適用することができる。
【００４４】
さらに、本発明にかるスポットサイズ変換構造は、入出力部のコアの厚さが内部のコアの厚さより厚く形成され、なだらかなテーパ構造で接続されているならば、石英系光導波回路のガラス組成やその製造方法によらず適用することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、入出力部のコアと同一の組成を有し、入出力部のコアの厚さ未満であるコア層を入出力部のコアの側面に形成することにより、スポットサイズ変換機能を十分に機能させつつ、石英系導波回路の作製時間を短縮することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかるスポットサイズ変換構造を示した構造図である。
【図２】本発明の第１の実施形態にかかるスポットサイズ変換構造の作製方法を示した図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかるスポットサイズ変換構造の結合損失を示した図である。
【図４】本発明の第２の実施形態にかかるスポットサイズ変換構造の作製方法を示した図である。
【図５】本発明の第１の実施形態にかかる作製方法に用いるシャドウマスクを示した図である。
【図６】本発明の第２の実施形態にかかる作製方法に用いるシャドウマスクを示した図である。
【図７】従来のスポットサイズ変換構造を示した構造図である。
【符号の説明】
１１，５１    基板
１２，５２    下部クラッド層
１３    コア層
１３ａ    導波路コア
１３ｂ    入出力部コア
１４，５４    上部クラッド層
１５，１７    シャドウマスク
１６    フォトマスク
５３ａ    コア
【図１】
0003602514.tif 000002
【図２】
0003602514.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003602514.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
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