(57)【要約】【課題】　コアの下部クラッド層への沈み込みや傾き等がなく、偏光依存性が極めて小さい石英系光導波路デバイスを再現性よく高歩留まりで作製することを目的とする。【解決手段】　Ｓｉ基板上に形成された下部クラッド層、コア、上部クラッド層よりなる石英系光導波路において下部クラッド層及び上部クラッド層がＢＰＳＧ膜によって形成されている。コア下部には下層クラッド層の軟化によるコアの沈み込みや傾きを抑えるために軟化温度の比較的高い２層以上の沈み込み防止層が形成されている。【選択図】　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板上に下部クラッド層、コア、上部クラッド層をする光導波路デバイスにおいて、前記下部クラッド層と前記コアの間に燐及びボロンの少なくともいずれかを添加した石英系膜であって、前記上部クラッド層よりも軟化温度が高い材料からなる沈み込み防止層を有することを特徴とする光導波路デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は光通信などに用いられる、光導波路デバイスとその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
　インターネットの急激な普及にともない、光通信システムの商用化展開が非常な勢いで進んでいる。通常の電話回線で３万回線以上を伝送できる２．５Ｇｂ／ｓシステムなどが多くの地域で導入されており、情報伝送容量の拡大にあわせて、波長多重方式によって多重数倍の大容量化を図る方式が既に実用化されるに至っている。初期の数波レベルの波長多重から、現在では、８０波レベルまでの高密度波長多重方式が商用化されるようになってきた。このような波長多重光通信方式においては、異なる波長を有する複数の信号光を１本の光ファイバに導入するための合波器、また波長多重された光信号から、異なる波長の信号に切り分けるための分波器が重要となり、その一例として、アレイ導波路格子（ＡＷＧ）が注目されている。図７に示すようにＡＷＧは入出力２つのスターカップラ２２、２４の間に同じ光路長差を有するアレイ状の光導波路が形成されたものであり、アレイ導波路が高次の回折格子の役割を担うことによって合分波の機能を示すものである。シリコン（Ｓｉ）基板ないし、石英基板上に石英系の光導波路を形成したＡＷＧはすでに商用化されており、実際の光通信システムに用いられている。
【０００３】
　ところが基板にＳｉを用いた石英系光導波路デバイスではＳｉと石英系導波路材料の熱膨張係数の違いに起因する熱応力が発生する。この応力により石英系膜内部に複屈折が発生し、その結果ＴＥとＴＭモード間で伝搬特性が異なってしまうという問題が潜在する。特にＡＷＧデバイスのように隣接チャネル波長間隔が狭く急峻な透過波長スペクトルを有するデバイスではごく僅かなＴＥ、ＴＭモード間の波長特性のずれでも大きな偏光依存損失（ＰＤＬ）が生じてしまい実用上大きな問題となる。ＰＤＬを低減するためには導波路を構成する石英系膜の熱応力を低減する必要がある。熱応力を低減することは膜中のリン（Ｐ）やボロン（Ｂ）等のドーパント濃度を調整し熱膨張係数をＳｉ基板に近づけることにより可能である。本方法により熱応力を低減したクラッドを用いて光導波路を形成する方法が例えば特許文献１に記載されており、また非特許文献１によると鈴木らは本方法により応力複屈折を低減したＡＷＧデバイスを作製し、モードに依存する透過中心波長のずれ（Δλ）をそれまでの０．１９ｎｍから０．０３ｎｍに低減することに成功している。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１３６７５４号公報
【非特許文献１】エレクトロニクス・レターズ、第３３巻、第１３号、1173〜1174ページ、１９９７年６月（ELECTRONICS LETTERS,Vol.33,No.13,PP.1173-1174, June,1997）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
　しかしながら従来の方法では膜応力を低減するために下部クラッド層にＰ及びＢを高濃度にドーピングした石英系膜を用いているため、上部クラッド層成膜後の高温熱処理により導波路中のコアが下部クラッド層の一部に沈み込んでしまうという問題があった。すなわち、石英系膜はＰやＢを高濃度にドーピングすると軟化温度が低下することが知られており、上部クラッド層成膜後の高温熱処理に耐えられず、コアの位置が変わってしまったり傾いてしまったりし、デバイスの特性が劣化するという問題が起こった。特にＡＷＧデバイスの場合、ごく僅かなコアの位置ずれや傾きがチャンネル間クロストークの増加等の弊害をもたらす。このようなコアの位置ずれや傾きを防止するため下部クラッド層上部にＰやＢ等のドーパントを含まない純粋石英系膜（ＮＳＧ）を形成することが特許文献２に記載されている。この方法では１０００℃以上の高温で上部クラッド層を形成することからＮＳＧ層には十分な厚さを必要とする。ところがＮＳＧは軟化温度が高く強固な反面、応力も大きいため基板のそりや導波路層中の応力増加をもたらしΔλを増加させるという問題があった。またＮＳＧは屈折率の制御が難しいため他のクラッド層の屈折率をＮＳＧに合わせなければならずドーパントの種類や量の自由度が小さくなるという問題もあった。
【０００６】
　本発明は偏光依存性が小さくデバイス特性及び基板面内均一性に優れた光導波路デバイスとその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【特許文献２】特開平５−１５７９２５号公報
【課題を解決するための手段】
【０００８】
　上記の課題を解決するために、本願発明では以下のような光導波路デバイスとその製造方法を開示する。
【０００９】
　本発明はシリコン基板上に下部クラッド層、コア、上部クラッド層をする光導波路デバイスにおいて、前記下部クラッド層と前記コアの間に燐及びボロンの少なくともいずれかを添加した石英系膜であって、前記上部クラッド層よりも軟化温度が高い材料からなる沈み込み防止層を有することを特徴とする光導波路デバイスである。
【００１０】
　また、シリコン基板上に下部クラッド層、コア、上部クラッド層をする光導波路デバイスにおいて、前記下部クラッド層と前記コアの間に燐及びボロンの少なくともいずれかを添加した石英系膜であって、前記上部クラッド層よりも軟化温度が高い材料からなる第1の沈み込み防止層とこの第1の沈み込み防止層よりも下にあってこの第1の沈み込み防止層よりもさらに軟化温度が高い材料からなる第2の沈み込み防止層からなることを特徴とする光導波路デバイスである。
【００１１】
　上記光デバイスにおいて前記クラッド層のうち少なくとも上部クラッド層が燐及びボロンの少なくともいずれかを添加した石英系膜からなることを特徴とする光導波路デバイスである。
【００１２】
　上記光導波路デバイスにおいて前記上部クラッド層を形成する石英系膜中の燐元素とボロン元素の重量濃度の和が６．２ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下であり、かつ前記石英系膜の膜応力が３×１０7Ｐａ以下であることを特徴とする光導波路デバイスである。
【００１３】
　上記光導波路デバイスにおいて前記上部クラッド層を形成する石英系膜中の燐元素とボロン元素の重量濃度の和が８．８ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下であり、前記光導波路デバイスの偏光に依存する透過中心波長のずれが０．０３ｎｍ以下であることを特徴とする光導波路デバイスである。
【００１４】
　好ましくは前記上部クラッド層を形成する石英系膜中の燐元素とボロン元素の重量濃度の和が１２〜１４ｗｔ％であり、該石英系膜の膜応力が８．３×１０6Ｐａ以下であることを特徴とする請求項３に記載の光導波路デバイスである。
【００１５】
　さらに好ましくは燐元素重量濃度を４〜１２ｗｔ％、ボロン元素重量濃度を３〜１１ｗｔ％とすることを特徴とする光導波路デバイスである。
【００１６】
　前記光導波路デバイスは前記光導波路デバイスが導波路型光干渉計とすることができる。
【００１７】
　本発明の光デバイスは少なくとも一本以上の入力導波路を接続した第１のスラブ導波路と、少なくとも一本以上の出力導波路を接続した第２のスラブ導波路をアレイ導波路の両端に有するアレイ導波路格子型光合分波器を含むことができる。
【００１８】
　本発明はシリコン基板上に下部クラッド層、沈み込み防止層、コア、上部クラッド層をこの順に有し、前記沈み込み防止層は前記上部クラッド層よりも軟化温度が高い材料からなる光導波路デバイスの製造方法であって、シリコン基板上に下部クラッド層、沈み込み防止層、コア、上部クラッド層をこの順に形成する工程を有し、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層の両方あるいは前記上部クラッド層のみを燐及びボロンの少なくともいずれかを添加した石英系膜によって形成する光導波路デバイスの製造方法において、前記石英系膜はＣＶＤ法を用い燐元素とボロン元素の重量濃度の和を６．２ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下添加して成膜し、その後前記石英系膜に８００℃以上１０００℃以下の熱処理を施す工程を備え、かつ前記石英系膜の膜応力が３×１０7Ｐａ以下であることを特徴とする光導波路デバイスの製造方法である。
【００１９】
　また本発明はシリコン基板上に下部クラッド層、沈み込み防止層、コア、上部クラッド層をこの順に有し、前記沈み込み防止層は前記上部クラッド層よりも軟化温度が高い材料からなる光導波路デバイスの製造方法であって、シリコン基板上に下部クラッド層、沈み込み防止層、コア、上部クラッド層をこの順に形成する工程を有し、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層の両方あるいは前記上部クラッド層のみを燐及びボロンの少なくともいずれかを添加した石英系膜によって形成する光導波路デバイスの製造方法において、前記石英系膜の成膜にはＣＶＤ法を用い燐元素とボロン元素の重量濃度の和を８．８ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下添加して成膜し、その後前記石英系膜に８００℃以上１０００℃以下の熱処理を施す工程を備え、かつ前記光導波路デバイスの偏光に依存する透過中心波長のずれを０．０３ｎｍ以下とすることを特徴とする光導波路デバイスの製造方法である。
【００２０】
　上記光デバイスの製造方法において、前記沈み込み防止層が前記上部クラッド層よりも軟化温度が高い材料からなる第1の沈み込み防止層とこの第1の沈み込み防止層よりもさらに下にあってこの第1の沈み込み防止層よりもさらに軟化温度が高い材料からなる第2の沈み込み防止層からなることを特徴とする光導波路デバイスの製造方法である。
【００２１】
　前記光導波路デバイスを導波路型光干渉計とすることができる。
【００２２】
　また、燐元素重量濃度を４〜１２ｗｔ％、ボロン元素重量濃度を３〜１１ｗｔ％とすることを特徴とする請求項１０から１２のいずれかに記載の光導波路デバイスの製造方法。
【００２３】
　成膜温度４００℃、熱処理温度８８０℃、燐元素とボロン元素の重量濃度の和を１２〜１４ｗｔ％とすることを特徴とする光導波路デバイスの製造方法である。
【００２４】
　前記上部クラッド層及び下部クラッド層の成膜にテトラエチルオルソシリケートをオゾンにより分解する常圧ＣＶＤ法を用いることができる。
【００２５】
　またコアの下部に軟化温度がクラッドに比べて高くかつ屈折率及び応力も調整可能な沈み込み防止層を挿入すること、あるいはこの沈み込み防止層の下にさらに軟化温度の高い沈み込み防止層を挿入することにより下部クラッド層へのコア沈みや傾きなどの問題を解決し、コアの位置ずれを防止し形状均一性を高くでき、導波路デバイスの特性は向上し良品歩留まりも向上した。
【発明の効果】
【００２６】
　以上示したように、本発明により偏光依存性が極めて小さく、クラッドの屈折率制御の自由度の高い生産安定性に優れた光導波路デバイスが作製可能となった。また、コアの位置精度の高い高歩留まりな低偏光依存光導波路デバイスを作製することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
　以下本願発明の実施の形態について図面等を用いてより詳細に説明する。
【００２８】
　図１は本発明の第一の実施形態を示す製造工程図である。シリコン基板１上にテトラエチルオルソシリケート（Ｓｉ（ＯＣ2Ｈ5）4）よりなる有機ソースをオゾン（Ｏ3）により分解する常圧化学気相堆積法（ＴＥＯＳ−Ｏ3によるＡＰＣＶＤ法）を用いて、燐（Ｐ）とボロン（Ｂ）を添加した石英系膜（ＢＰＳＧ：ＳｉＯ2＋Ｐ2Ｏ5＋Ｂ2Ｏ3）により下部クラッド層２を成膜後、Ｐを添加した石英系膜（ＰＳＧ：ＳｉＯ2＋Ｐ2Ｏ5）からなる沈み込み防止層５を形成した。次にＰ、ゲルマニウム（Ｇｅ）を添加した石英系膜（ＧＰＳＧ：ＳｉＯ2＋Ｐ2Ｏ5＋ＧｅＯ2）からなるコア層７を成膜し、コア層７をフォトリソグラフィ及びリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて所望のパターンにエッチングしチャネル型のコア３を形成後、上部クラッド層４を成膜し埋込型石英系光導波路を形成した。なお、各層成膜後にはアニール処理を行った。なお、コア材料にはこの他にＰ、ＧｅあるいはＢのうち１つないし複数をのドーパントを含む石英系材料あるいはＳｉＯＮ膜、ＳｉＮ膜、ポリマー系などいかようにも選ぶことはできる。コア層７の屈折率はＧｅの濃度を調整することなどによってクラッドの屈折率に対して所望の比屈折率差となるよう制御する。なお、光波制御の都合上、下部クラッド層２と上部クラッド層４の屈折率は同じであることが望ましい。
【００２９】
　このようにして作製された導波路デバイスの断面図を図２に示す。上部クラッド層熱処理時のコア３の沈み込みや傾きという問題は抑えられる。ＲＩＥによるコア３のエッチング加工時にエッチングが一部でも沈み込み防止層５を突き抜けてその下のＢＰＳＧ膜層に達してしまうと沈み込み防止層５の効果が減少するため沈み込み防止層５をあまり薄くすることはできない。逆に厚くすると沈み込み防止層５による応力増加の影響が現れるため、この沈み込み防止層５の厚さはコア加工時のＲＩＥエッチング量の面内でのばらつきを勘案して０．２〜５μm程度にとるのがよい。沈み込み防止層５の材料としてＰＳＧを用いた理由は第一には軟化温度がＢＰＳＧよりも高く９００℃以下程度のプロセスであればコアの沈み込みを防ぐことが可能なためであり、第二には屈折率がＰ濃度を調整することにより調整でき下部クラッド層２や上部クラッド層４に近づけることができるためである。また第三にはＰを添加することによりドーパントが添加されていない石英系膜（ＮＳＧ）等に比べ応力を低減できるためである。以上の理由から本実施例では沈み込み防止層５の材料としてＰＳＧを用いたが、その他Ｐ、Ｂ、Ｇｅ、フッ素（Ｆ）等のドーパントを上記の特徴を有するように適切に調整したものであっても構わない。
【００３０】
　図３はもう一つ別の実施形態を示す断面図である。この構成は図２に示した構成に加え、沈み込み防止層５の直下にさらに軟化温度の高い第二の沈み込み防止層６を挿入し、図２よりさらにコアの沈み込みに対する効果を高めたものである。この構成も沈み込み防止層５の成膜前に沈み込み防止層６を挿入しただけのものであるから簡単に実現できる。例えば沈み込み防止層５にＰＳＧ、沈み込み防止層６にドーパントのない石英系膜（ＮＳＧ）を使用することにより、コア３の沈みや傾きという問題は完全に抑えることができた。ＮＳＧはクラッドを形成するＢＰＳＧに比べ非常に軟化温度が高くコアの沈み込み等を抑える効果が高い。しかしながら応力も非常に大きいことや屈折率の制御が難しいことから、コアの沈み込みを抑えられる範囲でできるだけ薄く成膜し応力や導波路の等価屈折率の変化への影響をできるだけ減らすことが重要である。本実施形態では沈み込み防止層６としてＮＳＧを０．１μｍ以上０．３μｍ以下で形成しＮＳＧがないときとほぼ同じ応力及び等価屈折率を実現でき、かつコアの沈み込み等を１０００℃以下のプロセスで完全に抑えることができた。なお沈み込み防止層５なしで沈み込み防止層６をコア直下に形成すると沈み込み防止層６は薄く形成しているためにＲＩＥによるコアのエッチング加工時にエッチング量の面内分布によりエッチングが沈み込み防止層６を突き抜けてしまうことがあるため、沈み込み防止層５との２層構造にすることが重要である。コアに近接している沈み込み防止層５はＰＳＧなどの材料を用いてＰ濃度等を調整することにより屈折率をＢＰＳＧクラッドと整合させることが可能であるとともに応力も低減することも可能である。以上記したように図３に示す２層の沈み込み防止層５，６を挿入することにより応力及び屈折率の整合がとれ、コアのエッチング加工時のエッチング量のマージンが考慮され、コア沈み込みに対して極めて効果の高い構造を実現できる。ここで図３にて沈み込み防止層５及び６の例にそれぞれＰＳＧ、ＮＳＧを挙げたが、それに相当する効果があればこれに限るものではなく、沈み込み防止層５には図２の説明で沈み込み防止層５の他の例として挙げたもの、沈み込み防止層６にはＳｉＮ膜、あるいはＳｉＯＮ膜などであっても構わない。
【００３１】
　次に上記製造方法を用いてΔλの評価を行った。シリコン基板上に、ＴＥＯＳ−Ｏ3によるＡＰＣＶＤ法を用いて、ＢＰＳＧ単層１５μｍを堆積した。膜堆積後はアニール処理を行った。表１に本実験で用いた成膜温度とアニール温度、アニール時間を示す。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
　表１の条件Ａ〜Ｅを用いてＰとＢの添加量を変化させたときのＰ元素とＢ元素の重量濃度の和（以下Ｐ濃度＋Ｂ濃度とする）と膜の応力の関係を図４に示す。図４において、膜応力は正が引っ張り、負が圧縮を示し、条件Ａ〜Ｅは表１中の条件Ａ〜Ｅを表している。膜応力の測定は、基板のそり量を測定することによって行った。
【００３４】
　図４に示すように、Ｐ濃度＋Ｂ濃度と膜応力の関係は線形であり、濃度を制御することにより応力を適切に制御できることが分かった。また、応力は成膜条件やアニール条件等プロセスパラメータにも依存しており、プロセスパラメータに応じて適切な添加物濃度を選ぶ必要があることが分かった。
【００３５】
　ＡＷＧデバイスでは透過波長帯域においてＰＤＬは実用上０．３ｄＢ以下に抑える必要がある。ＰＤＬはΔλに近似的に比例しその比例定数が数〜１０ｄＢ／ｎｍであることを考慮するとΔλの絶対値は０．０３ｎｍ以下に抑える必要がある。Δλ＝ΔＬ／ｍ×ＢであるからΔＬ／ｍ×Ｂ≦０．０３ｎｍとなればよい。ここでΔＬは光路長差、ｍは回折次数、Ｂは複屈折すなわちＴＭとＴＥの等価屈折率の差である。ΔＬとｍにおよそ一般的な値を用いると、例えばΔＬ＝６０．７３μｍ、ｍ＝５７とするとＢ＝Ｋσよりσ≦８．３×１０6Ｐａとする必要がある。ここでσは膜応力でありＫは光弾性定数でありＫ＝３．４×１０-12Ｐａ-1を用いた。ただしΔλを最適化するためには単層の膜応力だけでは決定できずΔλは各層の熱履歴やデバイスの層構造等によっても変化することがあることに留意する必要がある。
【００３６】
　表１の条件Ａ〜Ｅを用いて燐（Ｐ）とボロン（Ｂ）の添加量を変化させたときのＰ濃度＋Ｂ濃度とΔλの関係を図５に示す。図５に示すようにＰ濃度＋Ｂ濃度とΔλとは線形であり、濃度を適切に制御することにより偏光に依存しないすなわちΔλがほぼ０ｎｍの光導波路を作成できることが分かった。表１の範囲すなわち成膜温度が３８０〜４５０℃、アニール温度が８００〜１０００℃の範囲ではΔλが０．０３ｎｍ以下となるＰ濃度＋Ｂ濃度は８．８ｗｔ％〜１５ｗｔ％の範囲に入っていることが分かった。
【００３７】
　なお、光干渉計を持たないデバイスにおいて応力は３×１０7Ｐａ以下であれば十分であり、その時のＰ濃度＋Ｂ濃度は図４より６．２ｗｔ％〜１７．６ｗｔ％であった。
【００３８】
　ただし、Ｐ濃度＋Ｂ濃度が１５ｗｔ％を越えると耐水性が著しく劣化し、伝搬損失が時間と共に劣化したため、Ｐ濃度＋Ｂ濃度は１５ｗｔ％以下とすることが望ましい。
【００３９】
　ここでアニールの最高温度を１０００℃に設定したのは、Ｓｉ基板の熱膨張係数に近づくような高濃度のＰとＢを添加したＢＰＳＧ膜を、ＦＨＤ法等で一般に用いられている１２００℃以上の高温で処理すると分相や偏析などの原因により伝搬損失が増加するためである。またアニール温度が８００℃より低くなると上部クラッド層が十分軟化されないため狭いコア間の埋込が困難となるため８００℃を下限とした。
【００４０】
　表１の条件Ｃの成膜条件を用いて図３に示す導波路断面構成からなる周波数間隔１００ＧＨｚの１６チャンネルＡＷＧデバイスを実際に作製した。下部クラッド及び上部クラッド厚は１５μmとし、沈み込み防止層５にはＰＳＧ３μｍ、沈み込み防止層６にはＮＳＧ０．３μｍとし、コアは幅及び高さを５．５μmとした。また、コアの屈折率はクラッドの屈折率に対して高く、比屈折率差が０．７%程度となるように設定した。ＰとＢ元素濃度和は１３．０ｗｔ％になるように設定し、基板そりから算出される応力は３×１０6Ｐａであった。測定の結果Δλはウェハ面内で平均０．０１ｎｍ以下であり、面内のばらつきも±０．０１ｎｍ以内と極めて良好であった。Ｐ＋Ｂ濃度の精度を考慮するとウェハ間ばらつきも十分小さく抑えられると考えられる。図６に示すように全１６チャンネルの隣接チャンネル間クロストークは−２６ｄＢ以下と良好であった。ＰＤＬは平均０．１４ｄＢ以下であった。また高温高湿度中での信頼性加速試験評価の結果では８５℃９０％で１０００時間経過後も外観上の変質等はほとんど見られず、また損失の変動は０．２ｄＢ以内で安定していた。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の製造方法を示す断面工程図。
【図２】本発明の構成の実施例を示す断面説明図。
【図３】本発明の構成の実施例を示す断面説明図。
【図４】Ｐ濃度＋Ｂ濃度と膜応力の関係を示す説明図。
【図５】Ｐ濃度＋Ｂ濃度とΔλの関係を示す説明図。
【図６】本発明によるＡＷＧデバイスの測定結果を示す説明図。
【図７】従来のアレイ導波路格子を示す平面図。
【符号の説明】
【００４２】
１：Ｓｉ基板
２：下部クラッド層
３：コア
４：上部クラッド層
５：沈み込み防止層
６：沈み込み防止層
７：コア層
【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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