(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
成膜温度を最大でも４００℃とした堆積条件で形成したＳｉＯx膜を用いて光導波路を形成する光導波路形成工程と、
形成した前記光導波路を最大でも４００℃の条件で加熱して前記光導波路の実効屈折率を調整する調整工程と
を備えることを特徴とする光導波路作製方法。
【請求項２】
請求項１記載の光導波路作製方法において、
前記調整工程では、加熱の温度を３５０℃以下とすることを特徴とする光導波路作製方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の光導波路作製方法において、
前記光導波路形成工程では、成膜温度を１５０℃以下とすることを特徴とする光導波路作製方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光導波路作製方法において、
前記光導波路形成工程では、ＰＥ−ＣＶＤ法により前記ＳｉＯx膜を形成することを特徴とする光導波路作製方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光導波路作製方法において、
前記光導波路は、アレイ導波路回折格子型光合分波器を構成し、
前記調整工程では、前記アレイ導波路回折格子型光合分波器の実効屈折率を調整する
ことを特徴とする光導波路作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳｉＯxから構成された光導波路を作製する光導波路作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
石英を用いた光導波路は、通信波長帯における低い伝搬損失を有しており、通信用光回路に広く用いられている。ところで、通信用光回路の中でも光の位相を利用した回路、例えばアレイ光導波路回折格子型光合分波器（Arrayed-Waveguide Grating；ＡＷＧ）や遅延干渉計などは、位相が光導波路の実効屈折率に依存する。従って、製造上の微小な光導波路形状の変動による実効屈折率のずれが、位相誤差を生み、素子特性に大きく影響する。このため、光導波路を作製した後で、誤差を補正する必要がある。
【０００３】
一般的に、実効屈折率補正は、光導波路を作製した後で、形成した光導波路のコアやクラッドの屈折率を微調整することでなされている。商用化されている石英光導波路素子では、Ｇｅがドープされたシリカが、紫外線を吸収すると屈折率が増加する特徴を活かし、光導波路作製後の紫外線照射量を調整することで、光導波路実効屈折率の誤差を補正している（特許文献１参照）。
【０００４】
このような特徴を持つＧｅがドープされたシリカを用いた光導波路では、高品質な膜を形成するプロセスが重要となる。現在商用化されているプロセスでは、ＦＨＤ（Flame Hydrolysis Deposition）法と呼ばれる高温プロセス（＞１０００℃）により、Ｇｅがドープされた高品質なシリカ膜を形成し、この膜をコアとして用いている。
【０００５】
一方、近年、ＦＨＤのような高温プロセスではなく、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）を用いて４００℃以下の低温で作製される石英系（ＳｉＯx）光導波路の研究が注目されている。４００℃以下の低温プロセスを用いることで、シリコン、ゲルマニウムなどの半導体を用いたアクティブ素子への熱ダメージを防ぎ、高性能石英パッシブ素子と高速・小型半導体アクティブ素子の一体集積が可能となる（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０６−０５１１４５号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】T.Tsuchizawa, K.Yamada, T. Watanabe, S. Park, H. Nishi,R. Kou, H. Shinojima, and S. Itabashi, "Monolithic Integration of Silicon-, Germanium-,and Silica-Based Optical Devices for Telecommunications Applications", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol.17, no.3, pp.516-525,2011.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、ＳｉＯxは、Ｇｅがドープされたシリカのように、光に反応して屈折率が変化する性質を持たない。このため、ＳｉＯxを用いた場合、上述したように光導波路を形成した後で、紫外線照射量により実効屈折率を補正することができないという問題があった。
【０００９】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ＳｉＯxを用いた光導波路の実効屈折率が、光導波路を形成した後に補正できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る光導波路作製方法は、成膜温度を最大でも４００℃とした堆積条件で形成したＳｉＯx膜を用いて光導波路を形成する光導波路形成工程と、形成した光導波路を最大でも４００℃の条件で加熱して光導波路の実効屈折率を調整する調整工程とを備える。
【００１１】
上記光導波路作製方法において、調整工程では、加熱の温度を３５０℃以下とすればよい。また、光導波路形成工程では、成膜温度を１５０℃以下とすればよりよい。また、光導波路形成工程では、ＰＥ−ＣＶＤ法によりＳｉＯx膜を形成すればよい。
【００１２】
上記光導波路作製方法において、光導波路は、アレイ光導波路回折格子型光合分波器を構成し、調整工程では、アレイ光導波路回折格子型光合分波器の実効屈折率を調整する。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したことにより、本発明によれば、ＳｉＯxを用いた光導波路の実効屈折率が、光導波路を形成した後に補正できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における光導波路作製方法を説明するためのフローチャートである。
【図２】図２は、ＳｉＯxを用いた光導波路より構成されたアレイ光導波路回折格子型光合分波器（ＡＷＧ）の構成を示す構成図である。
【図３】図３は、中心波長設計値λ0に対する中心波長誤差Δλと、光導波路を構成するコアの断面寸法の加工誤差ΔＷとの関係を説明するための説明図である。
【図４】図４は、中心波長調整の概念をスペクトル上で説明した説明図である。
【図５】図５は、コア膜（ａ）およびクラッド膜（ｂ）各々の屈折率と、加熱温度と関係を示した実験結果を示す特性図である。
【図６】図６は、コア径加工誤差ΔＷが−０．２ｍ，０．０ｍ、＋０．２ｍの場合におけるｎe（Ｔ）と熱処理温度との関係を示す特性図である。
【図７】図７は、コア径の加工誤差ΔＷが＋０．２ｍ、０ｍ、−０．２μｍの場合におけるＡＷＧの中心波長誤差Δλと加熱温度の関係を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における光導波路作製方法を説明するためのフローチャートである。
【００１６】
まず、ステップＳ１０１で、成膜温度を最大でも４００℃とした堆積条件で形成したＳｉＯx膜を用いて光導波路を形成する（光導波路形成工）。例えば、基板の上に、屈折率が設計値で１．４７０となるＳｉＯx膜を形成して下部クラッド層とする。次いで、下部クラッド層の上に屈折率が設計値で１．５１０となるＳｉＯx膜を形成し、このＳｉＯx膜を公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングしてコアを形成する。
【００１７】
次に、下部クラッド層およびコアの上に、屈折率が設計値で１．４７０となるＳｉＯx膜を形成して上部クラッド層とする。例えば、ＰＥ（Plasma Enhanced）−ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により、成膜温度条件を１５０℃として各ＳｉＯx膜を形成すればよい。上述したプロセスにより、ＳｉＯxを用いた光導波路が得られる。
【００１８】
次に、ステップＳ１０２で、ステップＳ１０１で形成した光導波路を最大でも４００℃の条件で加熱して光導波路の実効屈折率を調整する（調整工程）。なお、より好ましくは、上述した加熱処理の温度条件を３５０℃以下とする。
【００１９】
上述したようにＳｉＯxを用いた形成した光導波路は、光導波路とした後で加熱することで、所望とする値からの実効屈折率のずれ（誤差）を補正できる。ＳｉＯx膜は、成膜後の熱処理により、屈折率が減少することが知られている。これは、膜中の結合状態が、加熱処理により安定化するためと考えられる。発明者らは、この現象が、単独の膜のみではなく、パターニングし、また異なる組成の他の膜が積層され、光導波路とされた状態においても発現することを見いだし、本発明に至った。
【００２０】
ＳｉＯxを用いて光導波路に形成した後においても、加熱処理により屈折率が減少し、また、加熱処理の温度条件により、屈折率の調整量が制御できる。この結果、ＳｉＯxを用いた光導波路の製造上の微小な光導波路形状の変動による実効屈折率のずれが、調整できるようになる。
【００２１】
以下、ＳｉＯxを用いた光導波路として、アレイ光導波路回折格子型光合分波器（ＡＷＧ）を例にして、より詳細に説明する。以下では、ＡＷＧの中心波長の調整について説明する。ＡＷＧは、図２に示すように、入力光導波路２０１，入力スラブ光導波路２０２，アレイ光導波路２０３，出力スラブ光導波路２０４，出力光導波路２０５を備える。
【００２２】
入力光導波路２０１に入射した波長多重された入射光は、入力スラブ光導波路２０２で回折によって広がり、アレイ光導波路２０３に入射される。アレイ光導波路２０３は、隣接する光導波路（コア）間に光路長差ΔＬを備えている。このため、アレイ光導波路２０３の中を伝搬した入射光は、出力スラブ光導波路２０４において等位相面を形成するように回折する。この回折光の波面の結像位置は、波長により異なるため、波長毎に出力光導波路２０５の各出力チャンネルに集光され波長分波される。
【００２３】
ここで、出力スラブ光導波路２０４における回折角θが０°となる波長を中心波長λ0とすると、この中心波長λ0は、以下の（１）式で示される。
【００２４】
【数１】
0006280022.tif 000002
【００２５】
ここで、ｎeは光導波路の実効屈折率、ｍは回折次数である。ＡＷＧを実際に作製すると、微小な光導波路形状の変動が光導波路の実効屈折率ｎeに影響を及ぼし、作製した後のＡＷＧの中心波長は設計値からずれる。図３の（ａ）に、中心波長設計値λ0に対するシフト量（中心波長誤差）Δλと、光導波路を構成するコアの断面寸法の加工誤差ΔＷとの関係の計算例を示す。
【００２６】
なお、対象とする光導波路は、図３の（ｂ）に示すように、基板３０１の上に形成した下部クラッド層３０２と、この上に形成されたコア３０３から構成されている。また、コア３０３は、断面視で、幅３μｍ，厚さ３μｍを設計値としている。また、下部クラッド層３０２は、屈折率１．４７０，コア３０３は、屈折率１．５１０を、設計値としている。また、この構成とした光導波路によるアレイ光導波路２０３は、中心波長λ0＝１５５０ｎｍを設計値としている。また、コア幅加工誤差は、図３の（ｂ）に示すΔＷである。
【００２７】
図３の（ａ）に示すように、コア幅の減少により、中心波長は短波側にシフトし、コア幅の増大により、中心波長は長波側にシフトすることが分かる。
【００２８】
上述したコア幅の加工誤差による中心波長ずれは、光導波路を作製した後の加熱処理によるコアおよびクラッドの屈折率微調整により補正することが可能である。前述したように、ＳｉＯx膜は、成膜後の熱処理により膜中の結合状態が安定に向かい、屈折率が減少する。また、加熱温度を増大させると屈折率減少量も増大する。また、これらの変化が、光導波路に形成した後においても発現する。従って、光導波路を形成した後における熱処理温度を調整することにより、作製後におけるＡＷＧの中心波長を、設計中心波長値に合わせることができる。
【００２９】
図４は、中心波長調整の概念をスペクトル上で説明した説明図である。コアおよびクラッドの屈折率は、設計値よりも高い値で作製しておき、作製した加熱処理前の中心波長（λas-depo）が、設計中心波長値（λ0）より十分長波長の状態にしておく。作製した後、ＡＷＧの中心波長を測定し、設計中心波長値に合わせるために必要な温度を見積もり、この温度で加熱処理を行う。この調整により、光導波路の作製において加工誤差があったとしても、中心波長を設計値に合わせることができる。
【００３０】
上述した作製方法では、ＡＷＧを作製した直後（加熱前）の中心波長λas-depoが、設計値λ0よりも長波長になるように、コアとするＳｉＯx膜（コア膜）の屈折率およびクラッドとするＳｉＯx膜（クラッド膜）の屈折率を、各々設計値より高くして成膜（作製）することが重要となる。これに加え、λas-depoが、加熱処理により設計値に補正できる範囲内であることが重要となる。
【００３１】
言い換えると、調整できる中心波長の範囲は、以下に示す２つの条件に制限される。従って、設計値よりも高すぎる屈折率で各膜を成膜してＡＷＧを作製すると、加熱処理により設計値中心波長までシフトさせることができない場合がある。
【００３２】
［条件１］半導体アクティブ素子の特性劣化防止のための制限
ＳｉＯxから構成する光導波路は、低温プロセスにより作製可能であり、モノリシックに形成されている他の半導体素子を劣化させない点が特長であり、光導波路作製後の加熱処理も、低温プロセスとする。一般に、ＣＭＯＳコンパチブルプロセスでは、４００℃以下とする必要があり、より好ましくは、３５０℃以下の温度範囲とする。
【００３３】
［条件２］屈折率値の下限値による制限
ＳｉＯx膜は、比較的低い温度範囲では、加熱温度上昇に伴い屈折率が減少するが、高温側では温度上昇に伴い屈折率が増大する傾向を示す場合が多い。以下の表１に、ＳｉＯx膜の屈折率と加熱処理温度の関係の例（実験値）を示す。ここでは、電子サイクロトロン共鳴（Electro Cyclotron Resonance；ＥＣＲ）によるプラズマを用いたＥＣＲＰＥ（Plasma Enhanced）−ＣＶＤ法により、１５０℃の温度条件でＳｉＯx膜を堆積した。「as-depo」は、成膜した後、加熱処理をする前の状態である。この場合、表１に示すように、屈折率値に下限値（１．５０１８，３５０℃）が存在するため、補正できる範囲は表１中に示す範囲内に制限される。なお、屈折率の下限値および下限値に達する温度は、成膜手法や組成に依存するため、表１に限るものではない。ＡＷＧ作製に用いるＳｉＯｘ膜のチューニング可能範囲はあらかじめ表１のようなデータから把握しておく必要がある。
【００３４】
【表１】
0006280022.tif 000003
【００３５】
［実施例］
以下、実施例を用いてより詳細に説明する。以下では、図３を用いて説明したＳｉＯxによるＡＷＧの最大加工誤差ΔＷ＝±０．２ｍによる中心波長シフトを調整する場合について説明する。
【００３６】
ＡＷＧの設計値は前述のとおり、コア径３μｍ角、コア屈折率１．５１０、クラッド屈折率１．４７０、中心波長λ0＝１５５０ｎｍとした。この実施例では、作製時のコア膜の屈折率を１，５１６とし、クラッド膜の屈折率を１．４７３とし、光導波路を作製した。各ＳｉＯx膜は、ＥＣＲプラズマを用いたＥＣＲＰＥ−ＣＶＤ法により、基板温度条件１５０℃で成膜している。ＥＣＲＰＥ−ＣＶＤは、ガス分解率が高く、低温で広範囲の屈折率制御が可能であるためＳｉＯx光導波路作製に適している。なお、一般的なＰＥ−ＣＶＤであっても、３５０℃より低い基板温度条件でＳｉＯx膜が形成（堆積）可能である。
【００３７】
上述したコア膜の屈折率およびクラッド膜の屈折率が、加熱温度により変化する状態について図５を用いて説明する。図５は、コア膜（ａ）およびクラッド膜（ｂ）各々の屈折率と、加熱温度と関係を示した実験結果を示す特性図である。図５の結果より、コア膜の屈折率値ｎcoreと熱処理温度Ｔとの関係、およびクラッド膜の屈折率値ｎcladと熱処理温度Ｔとの関係を下記式で近似した。
【００３８】
コア膜：ｎcore＝−３．１２４１×１０−５×Ｔ＋１．５１６・・・（２）
クラッド膜：ｎclad＝−１．７２３９×１０−５×Ｔ＋１．４７３・・・（３）
【００３９】
次に、（２）式、（３）式より、各コア径加工誤差ΔＷ＝−０．２μｍ〜＋０．２μｍにおける実効屈折率値ｎe（Ｔ）と熱処理温度との関係を計算した。コア径加工誤差ΔＷを、−０．２ｍ，０．０ｍ、＋０．２ｍにおけるｎe（Ｔ）と熱処理温度との関係（計算結果）を図６に示す。モノリシックに形成されている他の素子に影響を与えない３５０℃以下の温度範囲で、熱処理温度の上昇に伴い、実効屈折率ｎe（Ｔ）が、図６に示す範囲で変化する。
【００４０】
最後に、図６より得られた各熱処理温度におけるｎe（Ｔ）と中心波長誤差Δλとの関係を以下の（４）式で計算する。なお、式中、ｎe0は、設計値光導波路における実効屈折率値である。
【００４１】
【数２】
0006280022.tif 000004
【００４２】
コア径の加工誤差ΔＷを＋０．２ｍ、０ｍ、−０．２μｍとした場合において、ＡＷＧの中心波長誤差Δλと加熱温度の関係を計算した結果を図７に示す。作製後（熱処理０℃）において、いずれの加工誤差においても、中心波長は長波長側に十分シフトしている。また、加熱処理により、中心波長誤差Δλが低減（中心波長が短波側にシフト）する傾向が確認できる。図７中の３カ所の丸で示す加熱温度において、各加工誤差における中心波長誤差Δλが０となり、中心波長が設計値に調整される。
【００４３】
ΔＷ＝−０．２〜＋０．２μｍにおける中心波長調整に要する加熱温度範囲は、１３３℃〜２５５℃である。これは、ＬＳＩにおける一般的なバックエンドプロセス温度範囲（＜３５０℃）であり、ＭＯＳトランジスタなどの半導体アクティブ素子とのモノリシック集積プロセスとして用いることができる。
【００４４】
なお、前述のとおり、３５０℃以下の加熱温度範囲を満たすためには、成膜時のＳｉＯx膜の屈折率に上限がある。以下の表２に、成膜時のＳｉＯxの屈折率を１．５１６、１．５１８、１．５２０とした場合において、ΔＷ＝−０．２μｍ〜＋０．２μｍによる中心波長シフトの調整に要する加熱温度範囲を示す。ＳｉＯx成膜時の屈折率が１．５２になると、設計値まで中心波長をシフトさせるために要する温度範囲が３５０℃を超えてしまうため、波長調整を行うことができないことが分かる。
【００４５】
【表２】
0006280022.tif 000005
【００４６】
以上のことより、次に示す手順により、所望とする中心波長としたＡＷＧを作製すればよいことが分かる。
【００４７】
［第１ステップ］
各々屈折率が異なる複数のコア膜およびクラッド膜により、複数の光導波路を作製し、各々の光導波路において、加熱処理による屈折率調整可能な範囲（ｎ１≦ｎ≦ｎ２）を実験的に求める。なお、ｎ２は加熱処理前の屈折率、ｎ１は最高温度で加熱処理した後の屈折率である。
【００４８】
［第２ステップ］
コア形状の加工誤差範囲Ｗ１≦ΔＷ≦Ｗ２を実験的に求める。
【００４９】
［第３ステップ］
加工誤差がＷ１の場合、各光導波路において、加熱処理（ｎ１≦ｎ≦ｎ２）後のＡＷＧの中心波長誤差Δλの範囲をそれぞれ求める。
【００５０】
［第４ステップ］
加工誤差：Ｗ２の場合、各光導波路において、加熱処理（ｎ１≦ｎ≦ｎ２）後のＡＷＧの中心波長誤差Δλの範囲をそれぞれ求める。
【００５１】
［第５ステップ］
Ｗ１、Ｗ２のいずれの場合においても中心波長誤差Δλ＝０となる光導波路を用いてＡＷＧを作製する。
【００５２】
以上に説明したように、本発明によれば、ＳｉＯx膜を用いて光導波路を形成した後、当該光導波路を加熱して実効屈折率を調整するようにしたので、ＳｉＯxを用いた光導波路の実効屈折率が、光導波路を形成した後に補正できるようになる。
【００５３】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、ＳｉＯx膜の堆積は、ＰＥ−ＣＶＤ法に限るものではなく、スパッタ法によりＳｉＯx膜を堆積してもよい。
【符号の説明】
【００５４】
２０１…入力光導波路、２０２…入力スラブ光導波路、２０３…アレイ光導波路、２０４…出力スラブ光導波路、２０５…出力光導波路、３０１…基板、３０２…下部クラッド層、３０３…コア。
【図１】
0006280022.tif 000006
【図２】
0006280022.tif 000007
【図３】
0006280022.tif 000008
【図４】
0006280022.tif 000009
【図５】
0006280022.tif 000010
【図６】
0006280022.tif 000011
【図７】
0006280022.tif 000012