(57)【要約】【課題】  上部クラッド層に空隙が生じない光導波路およびその形成方法を提供する。【解決手段】  基板上に、下部クラッド層を形成し、下部クラッド層上にコア膜を形成する。コア膜上にレジストを塗布し、スピンコータを高速で回転させることにより、均一な厚さのレジストを形成する。レジストにマスクを用いて露光および現像を行うことにより、レジストパターンを生成する。レジストパターンおよびコア膜に対してエッチングを行い、コア膜からコアを形成する。クラッドを埋め込み、上部クラッド層を形成する。マスクは、グレイマスク、またはシャドウマスクである。コアを形成するステップの前のレジストパターンの断面形状は、レジスト中央部が厚く、および端部が薄い。【選択図】  図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に下部クラッド層、コア、上部クラッド層の順に形成された光導波路であって、
前記コアの光軸と垂直な断面は、長方形の上辺と台形の下底とを結合した形状であることを特徴とする光導波路。
【請求項２】
請求項１に記載の光導波路であって、
前記長方形の高さは、前記断面における前記基板と垂直な前記コアの中心線上の前記コアの高さに対して１／２以上２／３以下であることを特徴とする光導波路。
【請求項３】
請求項１乃至２に記載の光導波路であって、前記光導波路は、石英系光導波路であることを特徴とする光導波路。
【請求項４】
基板上に、
下部クラッド層を形成し、前記下部クラッド層上にコア膜を形成するステップと、
前記コア膜上にレジストを塗布し、スピンコータを高速で回転させることにより、均一な厚さのレジストを形成するステップと、
前記レジストにマスクを用いて露光および現像を行うことにより、レジストパターンを生成するステップと、
前記レジストパターンおよび前記コア膜に対してエッチングを行い、前記コア膜からコアを形成するステップと、
クラッドを埋め込み、上部クラッド層を形成するステップと
を備え、
前記レジストパターンの端部が消失することを特徴とする光導波路の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の光導波路の製造方法であって、
前記マスクは、グレイマスクおよびシャドウマスクのどちらか一方であり、
前記コアを形成するステップの前のレジストパターンの断面形状は、中央部が厚く、および端部が薄いことを特徴とする光導波路の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信または光情報処理の分野で用いられる光導波路およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、フォトニックネットワークの実現のため、各種光デバイスの開発が活発に行われている。その中でも、導波路型、特に石英系平面型光導波回路（ＰＬＣ）型は、高信頼かつ高機能であることからフォトニックネットワークのキーデバイスとなっている。
【０００３】
図１に従来の導波路の断面形状を示す。導波路は、シリコン基板または石英系ガラス基板上に下部クラッド層を有し、下部クラッド層上にコアが形成されている。
【０００４】
図１ａに示す光導波路構造は、コアの断面形状が正方形であることを特徴とし、図１ｂに示す光導波路構造は、コアの断面形状が台形であることを特徴とする。
【０００５】
コアの断面形状が正方形である基板に対して、スパッタ法を用いて上部クラッドを形成する。スパッタ法とは、ガラスターゲット表面にイオンを衝突させることによってガラスターゲット表面からガラスをシリコン基板へ放出させ、基板上にガラスを堆積させる方法である。スパッタ法を用いて上部クラッドが形成される場合、コアの側壁の近傍およびコアとコアとの狭い領域に空隙が生じる。このようなコアの近傍およびコアとコアとの間に空隙が生じる現象は、スパッタ法の使用に伴う特有な現象である。
【０００６】
このスパッタ法によってターゲットから放出されるガラスは、さまざまな進行成分を含んでいる。そこで、ターゲットから放出されるガラスの進行成分を２つの成分に分ける。第１の成分を基板と垂直な垂直成分とし、第２の成分を垂直成分に対して傾斜した斜め成分とする。
【０００７】
基板表面に形成された多数のコアは、ターゲットから弾き飛ばされたガラスにとって、進路を妨げる壁である。コアの断面形状が正方形の場合、放出されたガラスの斜め成分の多くにとってコアの側壁下部が影になるため、コアの側壁近傍へのガラスの付着は困難である。また、コアとコアとの間の狭い領域にもガラスは入り難い。そのため、コアの側壁近傍およびコアとコアとの間に空隙が生じる。
【０００８】
そこで、コアの断面形状を正方形から台形に変えた台形コアが提案された。コアの断面形状を台形に変え、サンプルに対して垂直であったコアの側壁を傾斜させた。これにより、ターゲットから放出された斜め成分を有するガラスは、コアの側壁に付着し易くなり、コアとコアとの間にガラスが入り易くなることから空隙の発生を防ぐことができる。
【０００９】
上述のように、コアの断面形状を正方形から台形に変えることによって、スパッタ法を用いた上部クラッド層の形成過程において空隙の発生を防ぐことができた。
【００１０】
【非特許文献１】日比野善典、「集積型平面光波回路デバイスの展開」、レーザ研究、２００２年、第３０巻、第１０号、ｐ．５８１
【非特許文献２】Y. Hibino, “Recent Advances in High-Density and Large-Scale AWG Multi/Demultiplexers with Higher Index-Contrast Silica-Based PLCs”, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, November/December 2002, Vol.8, No6
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、台形コアを採用すると、結合率が低減するという問題があった。図２ａに、コアの光軸と垂直な断面の形状が正方形である隣接する２つのコアを示す。また図２ｂに、コアの光軸と垂直な断面の形状が台形である隣接する２つのコアを示す。図中の基板と垂直な縦線は、コアの中心線である。正方形コアの中心線と台形コアの中心線とは一致している。また、これらの正方形コアおよび台形コアは、同じ屈折率を有するものとする。ここで、コアの高さの１／２の高さにおける正方形コアのコア間の距離をｄ１、台形コアのコア間の距離をｄ２として、両者のコア間の距離を比較すると、明らかに台形コア間の距離の方が長い（ｄ2＞ｄ１）。結合率は、コアとコアの間の距離に依存する。よって、コア間の距離を結合率に変換すると、台形コアの結合率は、正方形コアの結合率よりも低いことは明らかである。
【００１２】
【表１】
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【００１３】
台形コアと正方形コアとを用いた場合のそれぞれの特徴を表１にまとめた。表１から明らかなように、結合率が良く、かつ、空隙の発生を防ぐ構造を有するコアは、これまで提案されてこなかった。
【００１４】
本発明の目的は、コア間の結合率が正方形コアと同等であり、かつ、上部クラッドの気相埋め込みにおいて空隙が生じない光導波路およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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、基板上に下部クラッド層、コア、上部クラッド層の順に形成された光導波路であって、コアの光軸と垂直な断面は、長方形の上辺と台形の下底とを結合した形状であることを特徴とする。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光導波路であって、長方形の高さは、断面における基板と垂直なコアの中心線上のコアの高さに対して１／２以上２／３以下であることを特徴とする。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、請求項１乃至２に記載の光導波路であって、光導波路は、石英系光導波路であることを特徴とする。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、基板上に、下部クラッド層を形成し、下部クラッド層上にコア膜を形成するステップと、コア膜上にレジストを塗布し、スピンコータを高速で回転させることにより、均一な厚さのレジストを形成するステップと、レジストにマスクを用いて露光および現像を行うことにより、レジストパターンを生成するステップと、レジストパターンおよびコア膜に対してエッチングを行い、コア膜からコアを形成するステップと、クラッドを埋め込み、上部クラッド層を形成するステップとを備え、レジストパターンの端部が消失することを特徴とする。
【００１９】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の光導波路の製造方法であって、マスクは、グレイマスクおよびシャドウマスクのどちらか一方であり、コアを形成するステップのレジストパターンの断面形状は、中央部が厚く、および端部が薄いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、コアの断面を長方形の上辺と台形の下底とを結合した形状にすることにより、上部クラッドの埋め込みを行う際に空隙が生じず、かつ、コア間の結合率が正方形コアと同等な光導波路の作製が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施例について詳細に説明する。
【００２２】
（台形コアの定義と空隙の抑制について）
図９に、本発明の一実施形態にかかる光導波路の光軸と垂直な断面の形状を示す。シリコン基板上に、下部クラッド層、コア、上部クラッド層の順に形成され、コアの断面が、長方形の上辺と台形の下底とを結合した形状の光導波路である。
【００２３】
図３に、本発明の一実施形態にかかる上部台形コアの光軸と垂直な断面の形状を示す。本発明のコアの断面は、長方形の上辺と台形の下底とを結合した形状である。以後、長方形の上辺と台形の下底を結合した形状を上部台形コアと定義し、請求項の中に記載されているコア、または上部台形コアとは、断面が長方形の上辺と台形の下底を結合した形状を上部台形コアであると定義する。上部台形コアの形状は、四角形の上部の２つの角を取った形状であることを特徴とする。
【００２４】
図３に示すコアの形状は、コアの上部が台形をしている。つまり、正方形から上部の２つの角を取っているために、コアの側壁の一部が基板と垂直でなく傾いている。そのため、ガラスがコアの側壁に付着し易く、かつコアとコアとの間に入り易いことを特徴とする。つまり、上部クラッド層の堆積中に空隙が生じない。
【００２５】
ここで、上部台形コアの垂直面を、上部台形コアの側壁の基板と垂直な面と定義し、および上部台形コアの傾斜面を、上部台形コアの側壁の基板と垂直でなく傾斜した面と定義する。
【００２６】
空隙が生じないための上部台形コアのより具体的な形状について述べる。図４に、本発明の一実施形態にかかる上部台形コアの光軸と垂直な断面の形状を示す。基板と垂直な縦線は、上部台形コアの中心線である。Ａは、上部台形コアの垂直面の高さである。Ｂは、中心線上の上部台形コアの高さである。
【００２７】
図５に、高さＢを１とした場合の、高さＡと、堆積中に生じる空隙の大きさとの相関について示す。高さがＡ＞＝２Ｂ／３であると、空隙が生じ始める。図５はさらに、高さＡが増し、コアの形状が正方形に近づくにつれて空隙が大きくなることも示している。高さがＡ＜＝２Ｂ／３であると、空隙が生じることなく上部クラッドが形成される。上部台形コアの傾斜面と上部の水平面との角度は７０〜８０度であった。
【００２８】
（結合率について）
課題において指摘したように、台形コアの結合率は、正方形コアに比べ、結合率が低減することを述べた。
【００２９】
図６に、高さＢを１として、高さＡと、隣接する台形コア間の結合率との相関を示す。横軸は、高さＢに対する高さＡの割合を示しており、０が完全な台形を示し、１は正方形を示している。その中間では、上部台形の形状である。
【００３０】
図１ｂに示した台形コアでは、コアとコアの空間が広過ぎるために結合率が悪い。しかしながら、図３に示した上部台形コアにおいては、上部台形コアの垂直面の高さＡが増すにつれてコアとコアの空間が狭くなり、結合率が上昇する。上部台形コアの高さがＡ＞＝Ｂ／２であるとき、結合率は安定する。
【００３１】
［実施形態１］
図７に、石英系導波路の作製手順を示す。シリコン基板上に下部クラッド層を形成し、その下部クラッド層の上にコア膜を形成する（図７工程１）。レジストをコア膜上に塗布し、スピンコータを高速で回転させることにより、均一な厚さのレジストを形成する。また、エッチングの進行に伴ってレジストパターンの端部が消失するようにレジストの厚さを調整する。その後、レジストに露光と現像を行うことにより、レジストパターンを形成する（図７工程２）。レジストパターンおよびコア膜に対して反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いてエッチングを行い、コア膜からコアを形成する（図７工程３）。下部クラッド面が現れるまで、レジストおよびコア膜のエッチングを進める（図７工程４）。
【００３２】
工程３のコアガラス層を深さ方向に削るエッチングの工程においては、ガラス膜だけでなくレジストパターンも削られる。レジストパターンの中央部は上面が削られるだけであるため、その削られる量は僅かである。一方、レジストパターンの端は角を有し、その角のレジストパターンは、上面と側面の二方向から削られる。つまり、エッチング前には長方形であったレジスト断面の形状は、エッチングの進行に伴い、エッチングされ易いレジストパターンの両端の角がとれ、レジスト断面の形状が台形のような形状、または角が丸まった形状に変形する。
【００３３】
工程４に示すように、コアの断面形状には、レジストパターンの形状が反映される。つまり、コアの端部はエッチングされ易い。そのため、コアの断面形状は、長方形の上辺に台形が加わった形状となる。
【００３４】
エッチング終了時のレジストパターンの端部の厚みは、レジストパターンの中央部の厚みと比較すると１／１０以下の厚さである。
【００３５】
［実施形態２］
図８に、グレイマスクおよびシャドウマスクのどちらか一方を用いた上部台形コアの作製方法を示す。グレイマスクおよびシャドウマスクとは、透過する光の強度を連続的に変化させることができるマスクのことである。
【００３６】
シリコン基板上に下部クラッド、コア膜を有する基板を準備する（図８工程１）。レジストを塗布し、スピンコータを高速で回転させることにより、厚みの均一なレジスト膜を得る（図８工程２）。マスクにシャドウマスク、またはグレイマスクを用い、露光と現像を行う（図８工程３）。レジストパターンおよびコア膜に対して反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行い、コア膜からコアを形成する（図８工程４）。下部クラッド面が現れるまで、レジストおよびコア膜のエッチングを行う（図８工程５）。
【００３７】
レジストパターンの厚みは、工程３においてシャドウマスク、またはグレイマスクを用いることから、中心部では厚く、端部では薄くなる。
【００３８】
工程４では、レジストパターンの端部のレジストは、レジストパターンの中心部に比べて薄いため、先に除去される。つまり、レジストパターン下のコア膜は、レジストパターンの端部から現れてくる。そのため、工程５において、レジストが除去された領域、つまりコア膜が生じた領域からコア膜のエッチングが進行し、コアの端部が除去される。
【００３９】
これらの実施形態１と実施形態２とに示したプロセスを、個別に実施することなく併用することによっても、上部台形コアを作製できる。
【００４０】
本発明の実施形態は、気相埋め込み法に限定させず、火炎堆積法による埋め込みにも運用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】従来の導波路のコアの断面形状を示す図である。
【図２】コアとコアの側壁の距離の比較を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかるコアの断面形状を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかるコアの断面形状を示す図である。
【図５】台形コアの垂直面の高さＡと空隙の大きさとの相関を示す図である。
【図６】台形コアの垂直面の高さＡと結合率との相関を示す図である。
【図７】本発明の実施形態１にかかる方法の作製工程を示す図である。
【図８】本発明の実施形態２にかかる方法の作製工程を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態にかかる光導波路の断面を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１ａ  正方形コア
１ｂ  台形コア
１ｃ  上部台形コア
２  下部クラッド層
３  基板
４  コア膜
５  レジスト
６  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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【図８】
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【図９】
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