(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光結合直線部の上部コアが下部コアの真上に配置された構造を有する積層型層間光方向性結合器の製造方法であって、
基板上の一面に下部クラッド層および下部コア層が成膜される第一の工程と、前記光結合直線部を除く下部コアが形成される第二の工程と、下部導波路層を覆うように中間クラッド層が成膜される第三の工程と、上部コア層が成膜される第四の工程と、前記光結合直線部を除く上部コアが形成される第五の工程と、前記光結合直線部の下部コアおよび上部コアを、前記光結合直線部を除く下部コアならびに前記光結合直線部を除く上部コアの直線マージン部を同時にエッチングすることで、同時に形成される第六の工程と、オーバークラッドが成膜される第七の工程とを含むことを特徴とする積層型層間光方向性結合器の製造方法。
【請求項２】
前記積層型層間光方向性結合器は、基板上に下部クラッド層，下部コア，中間クラッド層，上部コアおよび上部クラッド層を有し、上部コアと下部コアがそれぞれの存在する平面上で光結合を生じる距離まで徐々に湾曲しながら接近し、一定長の光結合直線部において前記上部コアが前記下部コアの真上に位置しながら平行に延在し、再び前記上部コアと前記下部コアがそれぞれの存在する平面上で両コア間の光結合を生じない距離まで徐々に湾曲しながら離れていく構造となっていることを特徴とする請求項１の積層型層間光方向性結合器の製造方法。
【請求項３】
前記第六の工程において、同一のフォトマスクを用いることにより、前記光結合直線部の下部コアおよび上部コアを等幅にすることを特徴とする請求項１または請求項２の積層型層間光方向性結合器の製造方法。
【請求項４】
前記下部クラッド層，オーバークラッド，下部コア，上部コアおよび中間クラッド層は、石英系ガラス材料から成ることを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３の積層型層間光方向性結合器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高密度集積を可能にする積層型層間光方向性結合器の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信技術の急速な発達により、各種光部品が研究開発されているが、中でも平面基板上の光導波路を基本とした導波路型光部品が最も重要な位置を占めている。これは、導波路型光部品がフォトリソグラフィ技術および微細加工技術により光波長以下の精度で再現性良く量産可能という特徴を有するからである。
【０００３】
しかしながら、これらの導波路型光部品の規模は通信システムの規模に比べて小さく、多数の部品を組み合わせてシステムを実現する必要がある。例えば、実用化が進みつつある２５６の入力線と２５６の出力線を任意の組み合わせで実現するクロスコネクトシステムでは、８×８マトリックススイッチを用いた場合でも、１０００個以上ものモジュールが必要となる。したがって、個々の光部品の大規模化が切望されている。
【０００４】
光回路の規模を大きくするには、回路基板のサイズを大きくして集積する方法や、回路を構成する要素素子を小型化して集積度を高める方法が挙げられる。チップサイズを大きくするには導波路製造装置の大型化が必要であり、その開発には多くの時間が必要であり短時間での対応は困難である。また、チップサイズの大型化はそのチップを搭載したモジュールサイズの大型化を招くが、モジュールに搭載可能な基板には規定の大きさがあり、チップサイズを無限に大型化することはできない。
【０００５】
一方、要素素子を小型化するためには、光導波路におけるコアとその周囲のクラッドの比屈折率差を大きくすることで、コア中の光の閉じ込め効果を強くして導波路の曲げ半径を小さくすることが有効である。しかしながら、比屈折率差を大きくするに従って、同じ量の製造誤差に対する光路長の誤差も大きくなる。比屈折率差が変わっても幾何的な製造精度は同じであるから、光の干渉によりその制御を行う導波路型光部品においては比屈折率差が大きくなるほど、光の干渉状態を大きく狂わせてしまい、部品の性能低下を招いてしまう。そのため、比屈折率差を大きくし、集積度を高める方式にも限界がある。
【０００６】
集積度を上げるもうひとつの方法として、基板と垂直な方向に複数の光導波路構造を多層に形成し、回路を基板に対して垂直に積み上げていく積層回路構造がある。積層回路構造を用いる場合、上下層の異なる導波路で光の受け渡しを行う積層型層間光方向性結合器の実現が不可欠である。積層導波路の例として柳ヶ瀬らによる積層マイクロリング共振器による光フィルタの作製例が挙げられる（柳ヶ瀬他，“積層マイクロリング共振器の高次直接接続によるフィルタ合成”，応用物理学関連講演会，３１ｐ−Ｈ−６，２００１）。柳ヶ瀬らは下層の光導波路を光回路の入出力バスラインとして用い、上層に自由スペクトルレンジの異なる３個のリング共振器を形成することで、波長多重通信用の波長分波器を提案している。
【０００７】
図５は従来の積層型層間光方向性結合器の製造方法である。ここでは、一例として火炎加水分解堆積（ＦＨＤ）法によって石英ガラス膜を成膜する方法で説明するが、スパッタ法、ＣＶＤ法によっても成膜方法が異なるだけで、同様の積層型層間光方向性結合器を製造することが出来る。図５の左側は積層型層間光方向性結合器の上面図であり、右側はＢ−Ｂ′における断面図である。
【０００８】
工程１において、基板１上の一面に三塩化ボロン（ＢＣ１3 ）、三塩化リン（ＰＣｌ3 ）、四塩化ケイ素の火炎加水分解反応を利用して石英ガラス微粒子を堆積する。次に、ガラス微粒子を高温炉中で加熱して透明ガラスとし、厚さ約３０μｍの下部クラッド層２とする。次に下部コア層３となる三塩化ボロン（ＢＣｌ3 ）、三塩化リン（ＰＣｌ3 ）、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ4 ）、四塩化ゲルマニウム（ＧｅＣｌ4 ）の火炎加水分解反応により石英系ガラス微粒子を堆積し、透明ガラス化を行う。この際、下部コア層３の厚さを６μｍとする。
【０００９】
下部クラッド層２および下部コア層３を成膜した後、工程２において下部コア層３を反応性イオンエッチングにより導波路形状に加工し下部コア３ａとする。下部コア３ａは、下部入力直線部３ｂ、下部光結合直線部３ｄ、下部出力直線部３ｆ、下部入力直線部３ｂと下部光結合直線部３ｄをつなぐ下部入力曲げ部３ｃ、および、下部出力直線部３ｆと下部光結合直線部３ｄをつなぐ下部出力曲げ部３ｅからなる。
【００１０】
工程３では、工程１で形成した下部コア３ａを覆うように、下部クラッド層２と同様の製法で中間クラッド層４となる、下部アンダークラッドと同様の組成の石英系ガラス微粒子を堆積し、高温炉で溶融固化して透明化する。中間クラッド層４の厚さは、工程１で形成された下部コア３ａと工程３で形成される上部コア５ａ間の光結合が起きる程度（ここでは下部コア３ａの上面から３μｍ）に十分薄くする。
【００１１】
工程４では、前工程で成膜した中間クラッド層４上に上部コア層５を下部コア層３と同様の製法で下部コア層３と同じ組成の石英系ガラス微粒子を堆積した後、高温炉で溶融固化して透明化する。その後、上部コア層５を反応性イオンエッチングにより導波路形状に加工し上部コア５ａとする。上部コア５ａは、下部コア３ａと同様に、上部入力直線部５ｂ、上部光結合直線部５ｄ、上部出力直線部５ｆ、上部入力直線部５ｂと上部光結合直線部５ｄをつなぐ上部入力曲げ部５ｃ、および、上部出力直線部５ｆと上部光結合直線部５ｄをつなぐ上部出力曲げ部５ｅからなる。また、上部光結合直線部５ｄは下部光結合直線部３ｄの真上に平行に延在するように形成するとともに、上下光結合直線部３ｄ，５ｄ以外では光結合を起こさないように入力曲げ部３ｃ，５ｃおよび出力曲げ部３ｅ，５ｅを互いに異なる方向に曲げる。
【００１２】
工程５では工程４で形成した上部コア５ａを覆うように上部クラッド層６を、ＦＨＤ法により下部クラッド層２と同様の組成の石英系ガラス微粒子を堆積し、高温炉で溶融固化することで成膜上部クラッド層６の厚さは上部コア５の上面から２０μｍとする。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の積層型層間光方向性結合器では、上下導波路のパターンを別々に加工するため、光結合領域において導波路定数を上下導波路で一致させることが困難であった。すなわち、図５に示した製造法では、下部コア３ａと上部コア５ａをそれぞれ工程１、工程３で別々に加工しているため、それぞれの工程で反応性イオンエッチングの再現性に起因するプロセスパラメータに誤差が生じ、積層型層間光方向性結合器において上下コア間の主要な領域である直線導波路部（光結合直線部）３ｄ，５ｄの導波路幅を厳密に同じにすることが困難であった。したがって、上下コアの伝搬定数に差が生じ１００％結合となる積層型層間光方向性結合器を歩留まり良く製造することが困難であった。
【００１４】
さらに、上下コアの位置あわせが精度に起因する結合比のばらつきも問題となっていた。すなわち、工程３で上部コア５ａを加工する際に光結合部分となる上部直線導波路部（上部光結合直線部）５ｄを下部直線導波路部（下部光結合直線部）３ａの真上に位置あわせする必要がある。たとえば、比屈折率差０．７５％、中間クラッド層膜厚が３μｍ、導波路幅が８．５μｍの場合、積層型層間光方向性結合器の５０％結合長は１３００μｍであり、結合比を５０％±１％に抑えるためには、図５中ｘ方向すなわち光波の進行方向に垂直かつ水平面上での位置あわせ精度を１μｍ以内に収める必要がある。
【００１５】
図６は前述のパラメータを用いて製造した積層型層間光方向性結合器１００サンプルに対する結合比のばらつきを示したヒストグラムである。図６が示すように結合比が４０％から６０％まで幅広くばらついている。これまで、一般的に用いられてきた光導波路製造プロセス装置では、このような位置あわせ精度のスペックを満たさず、新たな設備投資が必要となる。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、その特性が前述のプロセスパラメータ誤差および上下コアの位置あわせ精度に依存しない、ロバストな積層型層間光方向性結合器の製造方法を提供することを目的とする。
【００１７】
本発明において開示される発明の概要を簡単に説明すれば次の通りである。すなわち、基板上の一面に下部クラッド層、下部コア層を形成し、積層型層間光方向性結合器の一部となる下部コアを形成する。このとき、主要な結合領域である下部光結合直線部はこの時点では最終形状とはせず、導波路幅を設計値よりも十分太くなるように加工する。次に、下部コアを覆うように中間クラッド層を堆積する。中間クラッド層膜厚は上下コア間の光結合が起きる程度に十分薄く（たとえば下部コアの上面から３μｍ程度）にする。中間クラッド層上面の平坦性を確保するため必要であれば、中間クラッド層上面を研磨してもかまわない。
【００１８】
次に上部コア層を堆積し、上部コアを形成する。上部コアの形成においても、前工程で形成した下部コアと同様に、光結合領域となる上部光結合直線部は最終的な導波路幅よりも十分太くなるように加工する。次に、上部光結合直線部と下部光結合直線部を同時に加工した後、堆積下部直線部分の側壁および上部コアを覆うようにオーバークラッドを成膜する。
【００１９】
上記方法によれば、上下コア間の主要な光結合に作用する上下光結合直線部が上下層同時に加工されるため、これまで課題となっていた前述の上下層導波路幅に起因する１００％結合器歩留まりの問題、上下導波路の位置あわせ精度に起因する結合比のばらつきの問題が解決される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、発明の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号をつけ、その繰り返しの説明は省略する。以下の実施例では各クラッド層、上下コア層を石英系ガラス膜の火炎加水分解堆積（以下ＦＨＤ）法により製造する場合について記述するが、本発明はガラス膜の製造方法に限定されず、それらの一部または全部の箇所をスパッタ法、ＣＶＤ法などに置き換えることも可能である。また、導波路加工方法を反応性イオンエッチング法としたが、スパッタエッチングなどの他のエッチング方法によっても同様の効果を得ることが出来ることは明らかである。
【００２１】
［実施例１］
本実施例１では光導波路としてシリコン基板上に形成した石英系光導波路を使用した２入力２出力の５０％結合２層構成積層型層間光方向性結合器に本発明を適用した例について説明する。
【００２２】
図１は本発明の一実施形態である２入力２出力の積層型層間光方向性結合器の製造方法である。図１中左側の列は積層型層間光方向性結合器の上面図であり、右側は断面Ａ−Ａ′をみた側面図である。また、図２は、工程２、５、６でコア加工に用いられるフォトマスクを示している。
【００２３】
工程１として、シリコン基板１１の一面上にＦＨＤ法により、下部クラッド層１２となる石英系ガラス微粒子層を堆積する。石英系ガラス微粒子は三塩化ボロン（ＢＣｌ3 ）、三塩化リン（ＰＣｌ3 ）、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ4 ）を火炎加水分解することにより堆積する。この石英系ガラス微粒子層を高温炉（１３５０℃）で溶融固化することで、透明な下部クラッド層１２（厚さ約３０μｍ）とする。さらに、下部クラッド層と同様にＦＨＤ法で三塩化ボロン（ＢＣｌ3 ）、三塩化リン（ＰＣｌ3 ）、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ4 ）、四塩化ゲルマニウム（ＧｅＣｌ4 ）の火炎加水分解により石英系ガラス微粒子層を堆積した後、高温炉で溶融固化して、下部コア層１３（厚さ６μｍ）とする。
【００２４】
工程２では、反応性イオンエッチング（以下ＲＩＥ）法により、図２（ａ）に示すポジ型のフォトマスク２３を用いて、下部コア層１３の不要な部分を除去し下部コア１３ａを形成する。フォトマスク２３は下部入力直線部２３ｂ、下部入力曲げ部２３ｃ、工程６で下部光結合直線部１３ｇとなる下部直線マージン部２３ｄ、下部出力曲げ部２３ｅ、下部出力直線部２３ｆからなり、フォトマスク２３の形状が下部コア１３に転写される。したがって、下部コア１３ａも下部入力直線部１３ｂ、下部入力曲げ部１３ｃ、工程６で下部光結合直線部１３ｇとなる下部直線マージン部１３ｄ、下部出力曲げ部１３ｅ、下部出力直線部１３ｆからなる。下部直線マージン部１３ｄの長さＬは１３００μｍ、幅Ｗは工程６で形成される下部光結合直線部１３ｇより十分広く（ここでは２０μｍ）確保する。下部入力直線部１３ｂ、下部入力曲げ部１３ｃ、下部出力曲げ部１３ｅ、下部出力直線部１３ｆの幅Ｗｇは７．５μｍとなるように加工する。
【００２５】
工程３では、工程２で加工した下部コア１３ａを覆うように中間クラッド層１４として、下部クラッド層１２と同組成の石英系ガラス微粒子層を下部クラッド層１２と同様にＦＨＤ法により堆積した後、高温炉で溶融固化する。下部コア段差に起因する凹凸を除去するため、ＦＨＤ法で堆積した中間クラッド層１４の表面を研磨してもよい。中間クラッド層１４の厚さは下部コア１３ａの上面から３μｍ（下部クラッド層の表面から１０μｍ）とする。
【００２６】
工程４では、工程３で堆積した中間クラッド層１４上にＦＨＤ法で下部コア層１３と同様の組成の石英系ガラス微粒子層を堆積し、高温炉で溶融固化して上部コア層１５（厚さ６μｍ）とする。
【００２７】
工程５において、ＲＩＥ法により図２（ｂ）に示すポジ型のフォトマスク２５を用いて、上部コア層１５の不要な部分を除去することで、上部コア１５ａを形成する。フォトマスク２５は上部入力直線部２５ｂ、上部入力曲げ部２５ｃ、工程６で上部光結合直線部１５ｇとなる上部直線マージン部２５ｄ、上部出力曲げ部２５ｅ、上部出力直線部２５ｆからなる。したがって、上部コア１５ａも、上部入力直線部１５ｂ、上部入力曲げ部１５ｃ、工程６で上部光結合直線部１５ｇとなる上部直線マージン部１５ｄ、上部出力曲げ部１５ｅ、上部出力直線部１５ｆをもつ。上部直線マージン部１５ｄの長さＬは下部直線マージン部１３ｄと同様に１３００μｍとし、幅Ｗは工程６で形成される上部光結合直線部１５ｇより十分広く確保する。ここでは、Ｗ＝２０μｍとする。また、上部入力直線部１５ｂ、上部入力曲げ部１５ｃ、上部出力曲げ部１５ｅ、上部出力直線部１５ｆの幅Ｗｇは７．５μｍとする。
【００２８】
工程６において層間光結合の主要部分をなす下部光結合直線部１３ｇおよび上部光結合直線部１５ｇを形成する。工程２で形成した下部直線マージン部１３ｄおよび工程５で形成した上部直線マージン部１５ｄの中心部を７．５μｍ幅となるように共通エッチング部１６ａおよび共通エッチング部１６ｂをＲＩＥ法によりエッチングして下部光結合直線部１３ｇおよび上部光結合直線部１５ｇを形成する。エッチングには図２（ｃ）に示すポジ型フォトマスク２６を用いる。フォトマスク２６は共通エッチング部１６ａおよび共通エッチング部１６ｂのみがエッチングされるように窓開け部分２６ａおよび窓開け部分２６ｂを有する。また、上下光結合直線部１３ｇ，１５ｇのｘ方向の位置は上下入力曲げ部１３ｃ，１５ｃおよび上下出力曲げ部１３ｅ，１５ｅに滑らかにつながる位置に存在するように加工する。
【００２９】
工程７では、ＦＨＤ法により前記共通エッチング部１６ａ，１６ｂおよび上部コア１５ａを覆うように下部クラッド層１２と同組成の石英系ガラス微粒子を堆積し、高温炉で溶融固化することでオーバークラッド１７とする。オーバークラッド厚は上部コア１５ａの上面から２０μｍとする。
【００３０】
また、前記工程１および工程４において、成膜される下部コア層１３および上部コア層１５の屈折率は１．４６７３であり、前記工程１、工程３、工程７で成膜される下部クラッド層１２、中間クラッド層１４、上部クラッド層（オーバークラッド）１７の屈折率は１．４５６４である。したがって、導波路の比屈折率差は０．７５％である。
【００３１】
前述の工程により製造された積層型層間光方向性結合器１００サンプルの結合比のばらつきを示したヒストグラムを図３に示す。結合比のばらつきが５０％±２％に抑えられている。
【００３２】
［実施例２］
本実施例２では実施例１と同じく光導波路としてシリコン基板上に形成した石英系光導波路を使用し、２入力２出力の１００％結合２層構成積層型層間光方向性結合器に本発明を適用した例について説明する。
【００３３】
本実施例２では、図１の工程１で成膜される下部クラッド層１２（厚み２０μｍ）、工程３で成膜される中間クラッド層１４（厚み８μｍ）、工程７で成膜される上部クラッド層１７（厚み２０μｍ）の屈折率を１．４５６４とし、工程１で成膜される下部コア層１３（厚み５μｍ）、工程４で成膜される上部コア層１５（厚み５μｍ）の屈折率を１．４７８６とする。したがって、導波路の比屈折率差は１．５％である。
【００３４】
また、工程２で形成される下部直線マージン部１３ｄを除く下部コア１３ａの太さは５μｍ、工程５で形成される上部直線マージン部１５ｄを除く上部コア１５ａの幅は５μｍとし、工程６において形成される上下光結合直線部１３ｇ，１５ｇの幅を５μｍとする。
【００３５】
さらに、図２（ａ），（ｂ）におけるフォトマスク上の光結合直線部２３ｄ，２５ｄの長さＬを５００μｍ、幅Ｗを２０μｍ、図２（ｃ）におけるフォトマスク上の窓明け部分２６ａ，２６ｂの幅Ｗｓを７．５μｍとする。
【００３６】
図４に上記製造方法により製造した２入力２出力の１００％結合２層構成積層型層間光方向性結合器１００サンプルに対する実際の結合比のヒストグラムを示す。９８％−１００％に結合比が抑えられている。実施例１に比較してばらつきが約半分の範囲に抑えられているのは、ばらつきが１００％で折り返されているためである。
【００３７】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば次のとおりである。すなわち、本発明によれば、積層型層間光方向性結合器において、上下層のプロセスパラメータの差異による結合特性のばらつきの低減が可能であり、かつ上下層の精密な位置あわせが不要であるため、歩留まり良く積層型層間光方向性結合器を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係る５０％結合２入力２出力積層型層間光方向性結合器の製造方法を示す説明図である。
【図２】本実施例１の工程２，５，６において、コアの加工に用いられるフォトマスクを示す平面図である。
【図３】本実施例１による５０％結合２入力２出力積層型層間光方向性結合器の結合比のばらつきを示すヒストグラムである。
【図４】本発明の実施例２に係る１００％結合２入力２出力積層型層間光方向性結合器の結合比のばらつきを示すヒストグラムである。
【図５】従来の２入力２出力積層型層間光方向性結合器の製造方法を示す説明図である。
【図６】従来の方法で製造された２入力２出力積層型層間光方向性結合器の結合比のばらつきを示すヒストグラムである。
【符号の説明】
１１  シリコン基板
１２  下部クラッド層
１３  下部コア層
１３ａ  下部コア
１３ｂ  下部入力直線部
１３ｃ  下部入力曲げ部
１３ｄ  下部直線マージン部
１３ｅ  下部出力曲げ部
１３ｆ  下部出力直線部
１３ｇ  下部光結合直線部
１４  中間クラッド層
１５  上部コア層
１５ａ  上部コア
１５ｂ  上部入力直線部
１５ｃ  上部入力曲げ部
１５ｄ  上部直線マージン部
１５ｅ  上部出力曲げ部
１５ｆ  上部出力直線部
１５ｇ  上部光結合直線部
１６ａ，１６ｂ  共通エッチング部
１７  オーバークラッド
２３，２５，２６  フォトマスク
２３ｂ  下部入力直線部
２３ｃ  下部入力曲げ部
２３ｄ  下部直線マージン部
２３ｅ  下部出力曲げ部
２３ｆ  下部出力直線部
２５ｂ  上部入力直線部
２５ｃ  上部入力曲げ部
２５ｄ  上部直線マージン部
２５ｅ  上部出力曲げ部
２５ｆ  上部出力直線部
２６ａ，２６ｂ  窓開け部分
【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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