CN102483490A - 具有光栅结构的平面光波导装置的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种制造平面光波导装置的方法，所述平面光波导装置包括芯线，其顶表面设置有沿芯线的纵向的槽部，所述槽部填充有由折射率低于所述芯线的折射率的低折射率材料制成的槽部填充体，所述方法包括：形成构成所述芯线的下部的由高折射率材料制成的高折射率材料层的第一高折射率材料层形成步骤；在所述高折射率材料层上形成由低折射率材料制成的低折射率材料层的低折射率材料层形成步骤；通过利用光刻和蚀刻来修剪所述低折射率材料层的两个侧面部分以形成所述槽部填充体的槽部填充体形成步骤；和形成构成所述芯线的上部的由高折射率材料制成的高折射率材料层以填充所述槽部填充体的侧面部分的两侧的第二高折射率材料层形成步骤。

Description

具有光栅结构的平面光波导装置的制造方法

技术领域

本发明涉及具有光栅结构的平面光波导装置的制造方法。

背景技术

近年来，因为光纤通信系统的进步，尤其是因为掺杂铒的光纤放大器(EDFA)和密集波分复用(DWDM)系统的发明，通过光线通信网络传递的信息量已快速增加。为了满足增加的数据容量的需要，正在对其中频率效率高的调制方法进行增加待复用的波长数目的研究和开发。在DWDM系统中，需要具有更高级功能的光学组件，例如色散补偿器，其比常规技术中使用的分散补偿光纤模块更精确地补偿每个信道的波长色散和色散斜率。此外，也正在对可变色散补偿器和偏振模式色散补偿器进行研究和开发，所述可变色散补偿器能够满足光传输线的色散特性的重路由或暂时和周期性的变化，所述偏振模式色散补偿器动态补偿偏振模式色散。

另一方面，随着信息通信系统的尺寸和所安装的信息通信系统数目的快速增加，由计算机系统或高端路由器所消耗的大量功率从经济效益以及环境影响两个方面而言都成问题。为此，需要用于降低功率和环境影响的绿色ICT(信息和通信技术)。如果各种传输设备如路由器可以制得更小，则电信运营商的数据中心或中心局中的设备容置效率将得到改善。结果，空间使用效率得到改善。此外，能够大幅降低由数据中心或中心局所消耗的功率，这有助于节能。因此，还需要用于各种光学传输器件的光学组件的小型化和功率减小。

作为用于制造小型高功能的光学组件的技术，通过使用CMOS制造工艺来制造光波导装置的硅光子学技术已变成焦点，并且正在对其进行研究和开发。通过利用高折射率材料如硅(Si)或氮化硅(SiN)形成光学波导，使得利用已知的多种二氧化硅(SiO₂)基玻璃作为芯线和覆层的主要构成材料的常规光波导装置的小型化变得可能。此外，由于使用通过将杂质掺杂剂掺杂到Si中获得的半导体材料，所以可以通过从外部施加电压来调节折射率。结果，可以实现具有可变光学特性的器件。而且，由于其是适于批量生产的制造工艺，所以预计光学组件的价格在未来将下降。

作为具有布拉格光栅图案的已知平面光波导装置，图47所示的均匀节距光栅结构是已知的，其中设置在光学波导200侧壁上的凸201和凹202的节距P_G是恒定的。而且，如图48所示，线性调频(chirped)节距光栅结构是已知的，其中设置在光学波导300侧壁上的凸301和凹302如P_G ⁱ＞P_G ^j＞P_G ^k＞P_G ^l＞P_G ^m＞P_G ⁿ那样变化是已知的。

专利文献1公开了一种波长色散补偿器件，其中在光学波导如形成在基板上的光纤或波导(平面光学波导)中形成具有一个一定周期的布拉格光栅，并且在光学波导中形成采样结构以覆盖布拉格光栅，并且其在多个波长信道内执行波长色散补偿。采样结构通过具有比布拉格光栅周期长的一个一定周期的相位采样图案来形成。相位采样的每个周期在沿光学波导光学轴的方向上被划分成多个空间区域，并且布拉格光栅的相位在相互接触的相邻空间区域的边界上不连续地变化。如专利文献1的图1A至1D所示，在一个空间区域中的相位不存在不连续变化。

此外，非专利文献1是由专利文献1的发明人撰写的科技论文，其公开了专利文献1补充的技术信息。首先，在中心波长处的单个信道的布拉格光栅图案是利用专利文献1的知识设计的。光栅图案通过使用逆散射方法得自期望反射和波长色散的谱特性。然而，在光纤布拉格光栅中，在折射率可被改变以形成光栅图案的范围方面存在局限性。为此，增加执行谱特性的逆向傅立叶变换并将其切趾以免超过限度的操作。因此，在所得图案中的布拉格光栅的节距随位置连续变换。然后，通过相位采样来设计多个信道的布拉格光栅图案。在光纤布拉格光栅中，由于对折射率的变换范围存在限制，所以相位采样是有效的。

专利文献2公开了一种通过解决逆散射问题来设计和制造平面光波导装置以实现具有复杂光学特性的器件如色散补偿器的技术。

在CMOS器件制造技术的每个技术节点中的光刻工艺的分辨率不一定只通过使曝光设备的光源的光波长更短来决定，而是还可以通过引入分辨率增强技术(RET)如相移掩模(PSM)来提高。在400nm或更高的技术节点中，使用发射波长为365nm的i线光束的光源。在250nm、180nm和130nm的每个技术节点中，使用波长为248nm的KrF准分子激光器。目前，引入了波长为193nm的ArF准分子激光器，并且已开发浸没曝光技术。因此，这些发展使得能够实际使用90nm、65nm和45nm的技术节点。

相移方法在常规技术中已知为提高其中使用扫描器(步进器)的还原投影曝光法中的分辨率极限的方法。根据非专利文献2，相移方法中的分辨率极限相比使用通常透射掩模的曝光方法提高约2倍。

迄今为止，已经利用硅光子学技术研究了作为光纤通信系统光学组件的调制器或光发射/接收元件以及各种光学无源器件如光子晶体波导、硅线波导和AWG。尽管利用硅光子学收发模块的有源缆线模块已经商业化，但是硅光子学技术仍然处于其初期。到目前为止，已经利用使用电子束(EB)设备的直接写入过程进行了大量研究。因此，关于利用光掩模的光刻工艺的认识尚未充分累积。在制造具有约0.3％的相对折射率差(通常称为Δ)的早期基于二氧化硅玻璃的平面光学波导时，因为光学波导的芯线宽度大至7μm，所以能够使用一对一光掩模。与此相比，在使用硅光子学技术制造的高相对折射率差光学波导时，用于信号光的有效折射率增加。因此，单模光学波导的芯线尺寸减至其几分之一或至几十分之一，并且光子晶体波导或光栅光学波导的周期性结构的特定距离也变得非常小。为此，需要更精细的工艺技术。

另一方面，在光波导装置中，要求足够的厚度来实现光学波导的芯线厚度或形成包围结构，例如覆层，这与集成电路器件如DRAM和CPU的LSI不同。为此，在形成包围结构时，经常出现不一定能应用最新的精细工艺而需要使用旧的技术节点如厚膜抗蚀剂应用的情形。而且，在比更完善的IC如DRAM、CPU等具有更小体积要求的用于光纤通信系统的光学组件情况下，使用用于批量生产的工业12英寸晶片生产线工艺不一定导致成本降低。相反，为了降低成本，在许多情况下使用6英寸晶片或8英寸晶片的旧工艺有助于制造合适数目的光学组件。例如，利用130nm技术节点制造的用于光学通信系统的硅光子学光学波导在非专利文献3中公开。130nm技术节点是如下工艺：使用例如利用248nm波长的扫描器(步进器)，并且使用相移掩模来提高分辨率。

引用文献列表

[专利文献]

[PTL 1]美国专利6,707,967

[PTL 2]日本未审查专利申请，首次公开号2004-077665

[非专利文献]

[NPL 1]H.Li，Y.Sheng，Y.Li和J.E.Rothenberg，″Phased-OnlySampled Fiber Bragg Gratings for High-Channel-Count ChromaticDispersion Compensation″，Journal of Lightwave Technology，Vol.21，No.9，2074-2083页(2003)

[NPL 2]Marc D.Levenson，N.S.Viswanathan，Robert A.Simpson，″Improving Resolution in Photolithography with a Phase-Shifting Mask″.IEEE Transactions on Electron Dedices，Vol.ED-29，No.12，1828-1836页(1982年12月)

[NPL 3]T.Pinguet，V.Sadagopan，A.Mekis，B.Analui，D.Kucharski，S.Gloeckner，″A 1550nm，10Gbps optical modulator with integrateddriver in 130nm CMOS″，20074th IEEE International Conference onGroup IV Photonics，(2007年9月19-21日)

发明内容

技术问题

在已知的均匀节距光栅结构或线性调频节距光栅结构中，不可能提供高的功能性-例如补偿波长色散和同时补偿多个信道的色散斜率的光学色散补偿特性-作为平面光波导装置的光学特性。而且，在利用硅光子学技术制造器件时，在尺寸逐渐变化(例如对于线性调频节距光栅结构而言)的情况下不容易控制每个结构尺寸的加工精确度。因此，需要其工艺控制更为容易的结构。

在基于专利文献1或非专利文献1中公开的相位采样图案的光栅结构中，多信道色散补偿器也可以在其中有效折射率的幅度相对小的光学波导例如光纤布拉格光栅(FBG)中实现。然而，通过根据预定规则沿光学波导的光学轴将具有高折射率的部分排成阵列，光学波导随功能性增加而同等程度增加。因此，这对于通过减小高功能化器件的长度来使高功能化器件更小的目的而言是不合适的。

为了实现具有高功能性的光学波导如色散补偿器，合适的是基于利用专利文献2中公开的逆散射方法来改变光学波导的芯线宽度来设计光栅光学波导和基于所述设计通过利用硅光子学技术来实现平面光波导装置。然而，在专利文献2中，当芯线的宽度变化非常小时，认为存在需要使用X光光刻的特殊工艺如LIGA工艺的可能性。

因此，本发明的一个目的是提供一种平面光波导装置的制造方法，所述平面光波导装置能够通过减小长度且同时实现高功能性来制得更小，并且具有其中在制造过程中可以容易地控制加工精确度的光栅结构。

问题的解决方案

为了解决上述问题和实现上述目的，本发明采用如下方案。即，本发明的一个方面是一种制造平面光波导装置的方法，所述平面光波导装置包括芯线，其顶表面设置有沿芯线的纵向的槽部，所述槽部填充有由折射率低于所述芯线的折射率的低折射率材料制成的槽部填充体，所述方法包括：形成构成所述芯线的下部的由高折射率材料制成的高折射率材料层的第一高折射率材料层形成步骤；在所述高折射率材料层上形成由低折射率材料制成的低折射率材料层的低折射率材料层形成步骤；通过利用光刻和蚀刻来修剪所述低折射率材料层的两个侧面部分以形成所述槽部填充体的槽部填充体形成步骤；和形成构成所述芯线的上部的由高折射率材料制成的高折射率材料层以填充所述槽部填充体的侧面部分的两侧的第二高折射率材料层形成步骤。

此外，本发明的另一方面是一种制造平面光波导装置的方法，所述平面光波导装置包括芯线，其底面设置有沿芯线的纵向的槽部，所述槽部填充有由折射率低于所述芯线的折射率的低折射率材料制成的槽部填充体，所述方法包括：形成由低折射率材料制成的低折射率材料层的低折射率材料层形成步骤；通过利用光刻和蚀刻来修剪所述低折射率材料层的两个侧面部分形成所述槽部填充体的槽部填充体形成步骤；和形成构成所述芯线的由高折射率材料制成的高折射率材料层以填充所述槽部填充体的侧面部分的两侧并覆盖所述槽部填充体的顶表面的高折射率材料层形成步骤。

可以布置为使得所述槽部包括沿所述芯线的纵向交替布置的多个凸部和凹部以形成光栅结构，其中构成所述芯线的材料的形状是凸形并且所述槽部填充体的横向宽度在各凸部处窄，并且构成所述芯线的材料的形状是凹形并且所述槽部填充体的横向宽度在各凹部处宽。

可以布置为使得所述槽部填充体在所述凸部处的横向宽度和所述槽部填充体在所述凹部处的横向宽度是变化的。

可以布置为使得节距是变化的并且为非线性调频的，所述节距各自定义为沿所述芯线的纵向方向的所述凸部之一的纵向长度与和所述凸部之一相邻的所述凹部之一的纵向长度之和。

可以布置为使得在整个所述光栅结构上的每个所述节距(P_G)满足(P_G-P)/ΔP＝N，其中P是所述节距的预定参考值，ΔP为P除以M，M是大于1的整数，并且N是整数。

可以布置为使得对于所述光栅结构的大部分节距的所述N为+1、-1或0。

可以布置为使得所述凸部的所述槽部填充体的横向宽度、所述凹部的所述槽部填充体的横向宽度、以及节距设定为通过解决预定光学特性输入的所述逆散射问题所获得的值，所述节距各自定义为沿所述芯线的纵向方向的所述凸部之一的纵向长度与和所述凸部之一相邻的所述凹部之一的纵向长度之和。

可以布置为使得所述逆散射问题利用Zakharov-Shabat方程来解决。

可以布置为使得所述槽部填充体形成步骤还包括：在所述低折射率材料层上形成光刻胶层的光刻胶层形成步骤；利用第一光掩模在所述光刻胶层上形成遮蔽部的第一曝光步骤，所述第一光掩模是相移光掩模并且在与所述凸部对应的位置处的所述遮蔽部的横向宽度与所述凸部的所述槽部填充体的相应宽度基本上相等，并且在与所述凹部对应的位置处的横向宽度宽于所述凹部的所述槽部填充体的相应横向宽度，并且使在所述遮蔽部外的所述光刻胶层曝光；利用第二光掩模在所述光刻胶层上形成遮蔽部的第二曝光步骤，所述第二光掩模是二元光掩模，并且在与所述凸部对应的位置处的所述遮蔽部的横向宽度宽于所述凸部的所述槽部填充体的相应横向宽度，并且在与所述凹部对应的位置处的所述遮蔽部的横向宽度与所述凹部的所述槽部填充体的相应横向宽度基本上相等；使所述光刻胶层显影的显影步骤；和利用得自所述显影步骤的所述光刻胶图案来蚀刻所述低折射率材料层以形成所述槽部填充体的蚀刻步骤。

本发明的有益效果

根据平面光波导装置的上述制造方法，可以通过在芯线的上部或下部中形成槽来实现偏振不相关的波导结构。此外，可以通过在形成槽部填充体之后填充两侧的步骤来容易和精确地形成槽。

与其中节距逐渐变化的已知的线性调频的光栅相比，可以减小长度用于微型化同时实现高功能性，并且在制造过程中可以容易地控制加工精确性。

由于通过利用Zakharov-Shabat方程解决逆散射问题来设计光栅光学波导，所以可以将具有复杂功能的光学特性的平面光波导装置例如对多个DWDM信道上的光纤传输线的群延迟色散和色散斜率进行同时补偿的色散补偿器制得较小且具有短的波导长度。

由于平面光波导装置可以通过其中使用CMOS制造工艺的硅光子学技术来制造，所以能够批量生产。结果，器件的价格可以降低。此外，器件可以通过采用高相对折射率差的光学波导结构而制得较小。

由于已经通过利用Zakharov-Shabat方程解决了逆散射问题来设计光栅光学波导，所以在光栅光学波导中的节距采用多个一定的离散值，并且光学波导的芯线宽度和槽结构的横向宽度不均匀。由于光栅节距采用多个一定的离散值，所以与线性调频类型不同，过程控制变得更容易。

在形成光栅结构时，采用：利用相移光掩模在所述光刻胶层上形成遮蔽部的第一曝光步骤，在与所述凸部对应的位置处的所述遮蔽部的横向宽度延伸并宽于所述凸部的相应芯线宽度的设计值并使在所述遮蔽部外的所述光刻胶层曝光；和利用二元型光掩模在所述光刻胶层上形成遮蔽部的第二曝光步骤，并且在与所述凸部对应的位置处的所述遮蔽部的横向宽度与所述凸部的相应芯线宽度的设计值基本上相等。因此，即使使用利用波长为248nm的光的旧式曝光设备，也可以根据设计制造出具有复杂形状的光栅光学波导。

附图说明

[图1A]

图1A是示出根据本发明第一实施方案的平面光波导装置的芯线部的部分透视图。

[图1B]

图1B是示出根据本发明第一实施方案的芯线部的部分顶视图。

[图1C]

图1C是示出根据本发明第一实施方案的平面光波导装置的截面图。

[图2]

图2是用于解释第一实施方案中的W_in和W_out的芯线部的部分顶视图。

[图3]

图3是示出其中平面光波导装置和光学传输线相互连接的形式的一个实例的说明视图。

[图4A]

图4A是示出第一实施方案中n_eff相对于W_in变化的一个实例的图。

[图4B]

图4B是示出第一实施方案中W_out相对于W_in变化的一个实例的图。

[图5]

图5是示出第一实施方案中W_in和W_out相对于n_eff变化的图。

[图6]

图6是示出反射谱的一个实例的图。

[图7]

图7是以放大的方式示出图6的一部分的图。

[图8]

图8是示出群延迟谱的一个实例的图。

[图9]

图9是以放大的方式示出图8的一部分的图。

[图10]

图10是示出电位分布的一个实例的图。

[图11]

图11是以放大的方式示出图10的一部分的图。

[图12]

图12是示出第一实施方案的制造过程的部分透视图。

[图13]

图13是示出第一实施方案的制造过程的部分透视图。

[图14A]

图14A是示出第一实施方案的制造过程的部分透视图。

[图14B]

图14B是示出第一实施方案的制造过程的部分透视图。

[图15]

图15是示出第一实施方案的制造过程的部分透视图。

[图16]

图16是示出第一实施方案的制造过程的部分透视图。

[图17]

图17是示出用于侧壁光栅结构的相移光掩模的铬图案的一部分的平面图。

[图18]

图18是示出用于侧壁光栅结构的相移光掩模的π相移图案的一部分的平面图。

[图19]

图19是示出用于侧壁光栅结构的相移光掩模的零相移图案的一部分的平面图。

[图20]

图20是示出用于侧壁光栅结构的相移光掩模的构造的一部分的平面图。

[图21]

图21是示出用于侧壁光栅结构的二元型光掩模的反图案的一部分的平面图。

[图22]

图22是示出用于侧壁光栅结构的光刻胶图案的一部分的平面图。

[图23]

图23是示出用于上部或下部光栅结构的相移光掩模的铬图案的一部分的平面图。

[图24]

图24是示出用于上部或下部光栅结构的相移光掩模的π相移图案的一部分的平面图。

[图25]

图25是示出用于上部或下部光栅结构的相移光掩模的零相移图案的一部分的平面图。

[图26]

图26是示出用于上部或下部光栅结构的相移光掩模的构造的一部分的平面图。

[图27]

图27A是示出用于上部或下部光栅结构的二元型光掩模的反图案的一部分的平面图。

[图27B]

图27B是示出芯线和由用于上部或下部光栅结构的二元型光掩模引起的遮蔽部分之间关系的平面图。

[图27C]

图27C是示出芯线和由根据第一修改实施例的二元型光掩模引起的遮蔽部分之间关系的平面图。

[图27D]

图27D是示出芯线和由根据第一修改实施例的二元型光掩模引起的遮蔽部分之间关系的平面图。

[图28]

图28是示出用于上部或下部光栅结构的光刻胶图案的一部分的平面图。

[图29]

图29示出第一对比例中用于上部光栅结构的二元型光掩模的图案的一部分的平面图。

[图30A]

图30A是示出第二和第三对比例中用于上部光栅结构的相移光掩模的图案的一部分的平面图。

[图30B]

图30B是示出第三对比例中用于上部光栅结构的二元型光掩模的图案的一部分的平面图。

[图31]

图31是示出根据本发明第二实施方案的制造过程的部分透视图。

[图32]

图32是示出第二实施方案的制造过程的部分透视图。

[图33]

图33是示出第二实施方案的制造过程的部分透视图。

[图34]

图34是示出第二实施方案的制造过程的部分透视图。

[图35]

图35是示出第二实施方案的制造过程的部分透视图。

[图36]

图36是示出根据本发明第三实施方案的平面光波导装置的截面图。

[图37A]

图37A是示出第三实施方案中n_eff相对于W_in变化的一个实例的图。

[图37B]

图37B是示出第三实施方案中W_out的变化相对于W_in变化的一个实例的图。

[图38]

图38是示出第三实施方案中W_in和W_out相对于n_eff变化的一个实例的图。

[图39]

图39是示出第三实施方案中有效折射率分布的一个实例的图。

[图40]

图40是以放大方式示出图39的一部分的图。

[图41]

图41是示出第三实施方案中光栅节距分布的一个实例的图。

[图42]

图42是以放大方式示出图41的一部分的图。

[图43]

图43是通过从上侧对第二实施例中形成的槽部填充体的一部分拍照所获得的扫描电子显微镜(SEM)照片。

[图44]

图44是其中放大图43的一部分的扫描电子显微镜(SEM)照片。

[图45]

图45是通过从斜上方对第二实施例中形成的侧壁光栅结构的一部分拍照所获得的扫描电子显微镜(SEM)照片。

[图46]

图46是通过从上侧对第二实施例中形成的侧壁光栅结构的一部分拍照所获得的扫描电子显微镜(SEM)照片。

[图47]

图47是示出已知的单节距光栅结构的一个实例的顶视图。

[图48]

图48是示出已知的线性调频光栅结构的一个实例的顶视图。

具体实施方式

以下，将参考附图描述本发明的优选实施方案。下文举例说明根据本发明实施方案的在槽结构或光学波导的侧壁上具有光栅结构(其配置为包括凹和凸)的光波导装置及其制造方法。此外，本发明也可以相同的方式应用于在槽结构或光学波导的侧壁上没有光栅结构的光波导装置及其制造方法。

而且，在本发明中，可以通过在芯线的上部或下部形成槽，用低折射率材料如覆层来填充槽，以及恰当设定槽的宽度和厚度来实现偏振不相关的波导结构。

在已知的技术中，已经报道了在包围芯线的覆层中提供应力减少结构或应力调节结构的技术或通过研究减少整个覆层的膜应力的方法来减少偏振相关性的技术。与这种技术相比，通过在芯线的上部或下部中形成槽或脊以改变芯线形状自身来控制偏振相关性的技术较优，原因是根据光栅结构的合适设计或光学波导的局部结构变化如弯曲的波导变得可能。此外，在将通过使用高折射率材料如芯线在芯线上部或下部中形成脊且恰当设定脊的宽度和厚度的情况与本说明书中所述的在芯线上部或下部中形成槽的情况相比较时，后一情况(其中在靠近中部的区域中进行折射率的调节，在所述区域中穿过光学波导传播的传播光的强度分布更强)在折射率的可控性方面优异并且容易设计器件。

此外，也可以考虑通过直接处理高折射率材料层形成槽，如在用于形成芯线的高折射率材料层上形成具有与槽宽度对应的开口的抗蚀剂层并通过光刻和蚀刻来处理高折射率材料层的情形。然而，存在如下问题：如果光学波导的尺寸小，则通过蚀刻挖掘形成的槽也小。此外，当在没有观察到切平面的情况下以非破坏方式进行观察时，存在难以考察槽宽度或槽深度的问题。另一方面，根据本发明的制造方法包括：(A)形成第一高折射率层(形成芯线的下部)的第一高折射率层形成步骤；(B)在第一高折射率层上形成由低折射率材料形成的低折射率层的低折射率层形成步骤；(C)通过用光刻和蚀刻移除低折射率层的两侧部分来形成槽部填充体的槽部填充体形成步骤；和(D)形成第二高折射率层(其形成芯线的上部)的第二高折射率层形成步骤，从而填充两个被移除的侧面部分。因此，通过观察步骤(C)中低折射率材料层上的槽部填充体来观察信道尺寸变得更容易。

<平面光波导装置的第一实施方案>

根据本发明第一实施方案的平面光波导装置示意性地示于图1A至1C中。图1A是示出光学波导的芯线10的一部分的透视图，图1B是示出芯线10的相同部分的顶视图，图1C是示出平面光波导装置的截面图。此外，图16中示出了平面光学波导的透视图。同时，在图1C中，附图标记12和13用于表示芯线10的侧壁和槽结构，而不区分图1A和1B的凹(凹部)12a和13a以及凸(凸部)12b和13b。

在该平面光波导装置中，光学波导形成在基板15上。光学波导具有：在基板15上形成的下覆层16、在下覆层16上形成的芯线10、以及在芯线10和下覆层16上形成的上覆层17。

此外，为了解决光学特性的偏振相关性问题，在光学波导的芯线的侧壁上设置光栅结构12，并且在芯线的上部上设置槽光栅结构13。芯线10的底表面14是平的。

如图2所示，侧壁光栅结构12由在芯线10的两个侧壁上形成的凹12a和凸12b形成。芯线10的芯线宽度W_out周期性变化。芯线宽度W_out是指芯线10在与光学波导的纵向垂直的方向(即信号光的传导方向并且与基板平行)上的宽度。芯线宽度在凹12a中窄并且芯线宽度在凸12b中宽。

在光学波导纵向(图1B中的左右方向)上的凹12a的持续距离称为凹的纵向长度。此外，在光学波导纵向上的凸12b的持续距离称为凸的纵向长度。通过增加彼此相邻的凸部和凹部的纵向长度获得的结果是该位置的光栅节距(图2中的P_G)。

在芯线10的顶表面11上设置槽光栅结构13。

槽光栅结构13具有在与侧壁光栅结构12的凸12b对应的位置处形成的凸13b。凸13b是芯线10的一部分并且朝槽结构13的内部突出。在形成凸13b的位置处，槽结构13的横向宽度窄。此外，槽光栅结构13具有在与侧壁光栅结构12凹12a对应的位置处形成的凹13a。凹13a是芯线10的一部分，并且具有相对于凸13b的凹陷形状。在形成凹13a的位置处，槽结构13的横向宽度宽。即，存在如下相反关系：凸13b中的槽结构13的横向宽度W_in窄而凹13a中的槽结构13的横向宽度W_in宽。

根据本发明实施方案的平面光波导装置的光栅节距具有由于已解决逆散射问题(其将在下文详述)所获得的一个离散节距值。即，根据本发明的平面光波导装置与已知的均匀节距光栅结构、线性调频节距光栅结构或采样光栅结构不同。

图1B示出光栅节距根据在纵向上光学波导的位置而具有不同的值如P、P+ΔP和P-ΔP。此外，图1B示出槽结构13的芯线宽度W_out和横向宽度W_in倾向于从左向右增加的部分。根据本发明的光学波导也包括其中槽结构13的芯线宽度W_out和横向宽度W_in倾向于从左向右减小的部分(未在图中示出)，其将在下文描述。

因此，由于槽结构13的光栅节距P_G、芯线宽度W_out和横向宽度W_in基于解决逆散射问题的结果而以复杂的方式变化，所以可以为光学波导提供期望的功能性。

(器件用途的实施例)

图3示出平面光波导装置101与光传输线103和105连接的形式100的一个实例。由于器件101是具有光栅结构的反射型器件，所以起始边缘既用作光信号的入射边缘又用作发射边缘。如图3所示，输入/输出光纤通常与循环器102连接并通过其使用。入射信号光通过其传播的输入光纤103、连接平面光波导装置101和光学循环器102的连接光纤104、以及出射信号光通过其传播的输出光纤105与循环器102连接。

此外，优选在平面光波导装置101和连接光纤104相互光学连接的位置处添加一般称为模-场转换器或光斑尺寸转换器的输入/输出转换部。这是为了减少连接光纤104和器件101之间的连接损失。

(器件的制造方法)

在本发明中，为了获得其中实现期望光学特性的具有光栅结构的平面光波导装置，首先计算光学波导的光传播方向的电位分布。这被转换成光学波导的等效折射率分布，并且被进一步转换成光学波导的尺寸。在计算电位分布时，其中引入变量作为在光学波导正向或反向上传播的电波幅度的波方程得到方程，例如具有得自光学波导的等效折射率的对数的微分的Zakharov-Shabat方程。该方程作为从光栅光学波导的复杂反射谱(其为反射的强度和相位的谱)来从数值上推导电位函数的逆散射问题来求解。因此，光学波导可以通过估算用于实现期望的反射谱的电位分布来设计。

通过使用上述方法，能够设计和制造具有利用已知的均匀节距光栅器件或线性调频节距光栅器件难以实现的复杂光学特性的布拉格光栅器件。结果，可以实现具有期望的光学特性的器件如光学色散补偿器，其同时补偿共同用于DWDM光纤通信系统中的40个信道中的传输线的光纤的波长色散和色散斜率。

(电位分布的设计方法)

下面描述利用源自期望的复杂反射谱的逆散射问题来设计电位分布的方法。

应当注意，在以下将要描述的设计程序中使用的表述中，光栅光学波导的纵向，即光传播方向设定为z轴。图1B中的左右方向是z轴方向。假定光栅光波导装置的光栅区域的起始点为z＝0和光栅光波导装置的光栅区域的终点为最大z值坐标，其中最大z值为光栅光学波导部分的长度。

首先，通过参考Sipe的论文(J.E.Sipe，L.Poladian和C.Martijn deSterke，″Propagation through nonuniform grating structures，″Journal ofthe Optical Society of America A，Vol.11，Issue 4，1307-1320页(1994))按如下配置通过光学波导传播的电磁场。

假定电磁场的时间变化是exp(-iωt)，当光学波导的光传播方向设定为z轴时，光学波导中的电场复幅度E(z)和磁场复幅度H(z)分别通过麦克斯韦方程表示为下式(1)和(2)。

[式1]

$\frac{\mathrm{dE}\left(z\right)}{\mathrm{dz}}={\mathrm{i\&omega;\&mu;}}_{0}H\left(z\right)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(1\right)$

[式2]

$\frac{\mathrm{dH}\left(z\right)}{\mathrm{dz}}={\mathrm{i\&omega;\&epsiv;}}_0{n}_{\mathrm{eff}}^2\left(z\right)E\left(z\right)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(2\right)$

此处，E(z)是电场复幅度，H(z)是磁场复幅度，i是虚数单位，ω是角频率，μ₀是自由空间的磁导率，ε₀是自由空间的介电常数，n_eff是光学波导的有效折射率。

为了从式(1)和(2)建立耦合模方程，将E(z)和H(z)转换成如式(3)和(4)中示出的行波(在正向上传播的电波)的幅度A₊(z)和反行波(在反向上传播的电波)的幅度A_-(z)。该器件是通过反射谱实现期望的光学特性的反射型器件。反射波与反行波的幅度A_-(z)对应。

[式3]

$A_{+}\left(z\right)=\frac{1}{2}{\left[\frac{n_{\mathrm{eff}}\left(z\right)}{n_{\mathrm{av}}}\right]}^{1/2}[E\left(z\right)+\sqrt{\frac{{\mathrm{\&mu;}}_0}{{\mathrm{\&epsiv;}}_0}}\frac{H\left(z\right)}{n_{\mathrm{eff}}\left(z\right)}]\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(3\right)$

[式4]

$A_{-}\left(z\right)=\frac{1}{2}{\left[\frac{n_{\mathrm{eff}}\left(z\right)}{n_{\mathrm{av}}}\right]}^{1/2}[E\left(z\right)-\sqrt{\frac{{\mathrm{\&mu;}}_0}{{\mathrm{\&epsiv;}}_0}}\frac{H\left(z\right)}{n_{\mathrm{eff}}\left(z\right)}]\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(4\right)$

此处，n_av是光学波导的参考折射率(平均有效折射率)并用作n_eff(z)的参考。变量A₊(z)和A_-(z)满足下式(5)和(6)，假定c_light是自由空间中的光速。

[式5]

$\frac{{\mathrm{dA}}_{+}\left(z\right)}{\mathrm{dz}}=+i\frac{\mathrm{\&omega;}}{c_{\mathrm{light}}}n\left(z\right)A_{+}\left(z\right)+\frac{1}{2}\left(\frac{d\left\{\ln \right[n\left(z\right)\left]\right\}}{\mathrm{dz}}\right)A_{-}\left(z\right)\text{\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;}\left(5\right)$

[式6]

$\frac{{\mathrm{dA}}_{-}\left(z\right)}{\mathrm{dz}}=-i\frac{\mathrm{\&omega;}}{c_{\mathrm{light}}}n\left(z\right)A_{-}\left(z\right)+\frac{1}{2}\left(\frac{d\left\{\ln \right[n\left(z\right)\left]\right\}}{\mathrm{dz}}\right)A_{+}\left(z\right)\text{\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;}\left(6\right)$

此处，波数k(z)以下式(7)表示。此处，c_light是自由空间中的光速。

[式7]

$k\left(z\right)=\frac{\mathrm{\&omega;}}{c_{\mathrm{light}}}{n}_{\mathrm{eff}}\left(z\right)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(7\right)$

此外，式(8)中的q(z)是耦合模方程中的电位分布。

[式8]

$q\left(z\right)=-\frac{1}{2}\frac{d}{\mathrm{dz}}\ln \left[n_{\mathrm{eff}}\left(z\right)\right]\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(8\right)$

当关于n(z)等于n_eff(z)而将式(5)和(6)的n(z)代入式(7)和(8)中时，式(5)和(6)导致式(9)和(10)中所示的Zakharov-Shabat方程。

[式9]

$\frac{{\mathrm{dA}}_{+}\left(z\right)}{\mathrm{dz}}-\mathrm{ik}\left(z\right)A_{+}\left(z\right)=-q\left(z\right)A_{-}\left(z\right)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(9\right)$

[式10]

$\frac{{\mathrm{dA}}_{-}\left(z\right)}{\mathrm{dz}}+\mathrm{ik}\left(z\right)A_{-}\left(z\right)=-q\left(z\right)A_{+}\left(z\right)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(10\right)$

解决Zakharov-Shabat方程中所示的逆散射问题是求解Gerfand-Levitan-Marchenko型积分方程(其将在下文描述)，并且其程序在Frangos的论文(P.V.Frangos和D.L.Jaggard，″A numerical solutionto the Zakharov-Shabat inverse scattering problem，″IEEE Transactionson Antennas and Propagation，Vol.39，Issue.1，74-79页(1991))中公开。

此外，Zakharov-Shabat方程的有效求解在Xiao的论文(G.Xiao和K.Yashiro，″An Efficient Algorithm for Solving Zakharov-Shabat InverseScattering Problem，″IEEE Transaction on Antennas and Propagation，Vol.50，Issue 6，807-811页(2002))中公开。

具有根据本申请发明的光栅结构的平面光波导装置的光学特性定义为下式(11)中光学波导起始点(出射光也在该点输出)处的复杂反射谱r(k)。

[式11]

$r\left(k\right)=\underset{z\&RightArrow;-\&infin;}{\lim }\left[\frac{v_1(z,k)}{v_2(z,k)}\right]e^{2\mathrm{ikz}}\text{\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;}\left(11\right)$

如下式(12)所示，r(k)的傅立叶变换是该系统的脉冲响应R(z)。

[式12]

$R\left(z\right)=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}_{-\&infin;}^{\&infin;}r\left(k\right)e^{\mathrm{ikz}}\mathrm{dk}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(12\right)$

通过给出作为复杂反射谱r(k)波长的反射分布和期望的群延迟特性，可以以数学方式求解用于实现这一点的电位分布函数q(z)。

在本发明中，利用幅度调制型光栅(其中光栅的幅度变化且相位根据幅度变化)来实施设计过程。因此，在用作用于设计的输入数据的复杂反射谱中，包括从频率原点(即0Hz)起的所有频域(其中获得预定的群延迟时间特性)，以增加光栅幅度包络线和光栅振动相位之间的可分离性。

首先，式(3)和(4)的解决方案作为下式(13)和(14)表示。

[式13]

$A_{+}\left(z\right)=e^{\mathrm{ikz}}+{\&Integral;}_{\&infin;}^z{e}^{{\mathrm{ikz}}^{\&prime;}}{B}_{-}(z,z^{\&prime;}){\mathrm{dz}}^{\&prime;}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(13\right)$

[式14]

$A_{-}\left(z\right)=e^{-\mathrm{ikz}}+{\&Integral;}_{\&infin;}^z{e}^{-{\mathrm{ikz}}^{\&prime;}}{B}_{+}(z,z^{\&prime;}){\mathrm{dz}}^{\&prime;}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(14\right)$

A₊(z)和A_-(z)分别在+z和-z方向传播。式(13)和(14)中的积分项表示反射的影响。从式(13)和(14)中，耦合模方程变形为以下Gel’fand-Levitan-Marchenko型积分方程(15)和(16)。

[式15]

$B_{+}(z,y)+{\&Integral;}_{-\&infin;}^z{B}_{-}(z,z^{\&prime;})R(z^{\&prime;}+y){\mathrm{dz}}^{\&prime;}=0\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(15\right)$

[式16]

$R{(z+y)+B}_{-}(z,y)+{\&Integral;}_{-\&infin;}^z{B}_{\text{+}}(z,z^{\&prime;})R(z^{\&prime;}+y){\mathrm{dz}}^{\&prime;}=0\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(16\right)$

此处，归一化时间y为y＝c_lightt(t是时间)，并且z＞y。R(z)是具有波数作为变量的复杂反射谱r(k)的逆向傅立叶变换，并且等效于脉冲响应。通过应用R(z)来求解式(15)和(16)，计算电位分布q(z)并表示为式(17)。

[式17]

q(z)＝-2B_-(z，z)…(17)

通过将所得电位分布q(z)应用到下式(18)，获得光栅光学波导的有效折射率分布n_eff(z)。

[式18]

$n_{\mathrm{eff}}\left(z\right)=n_{\mathrm{av}}\exp [-2{\&Integral;}_0^{z}q\left(s\right)\mathrm{ds}]\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(18\right)$

在本发明中，假定式(17)和(18)的电位分布q(z)是实数。结果，用于从复杂反射谱r(k)变换到脉冲响应(时间响应)R(z)的运算变成实数类型并且幅度变化，而相位随幅度变化。

在如上所述获得的有效折射率分布n_eff(z)中，高折射率值和低折射率值以短节距(周期)交替出现，其示出光栅光学波导结构。在光栅结构中，在与光学波导芯线的侧壁的凸和凹中的芯线宽度对应的、彼此相邻的高折射率值和低折射率值之间的折射率差不是恒定的，而是不均匀且逐渐变化的。此外，折射率变化的节距具有一定的限定离散值。即，光栅结构具有不与已知均匀节距光栅光学波导、节距线性调频的光学波导以及采样光栅结构波导中任一个相匹配的新结构。

在根据本发明的光栅光学波导中形成其中幅度变化的光栅图案。因此，根据本发明的光栅光学波导为其中光栅幅度包络线的梯度符号交替变化的幅度调制类型。采样光栅光学波导的特征在于，其中幅度连续为零的区域位于包络线的梯度符号交替的两个点之间。与此相比，在根据本发明的幅度调制型光栅光学波导中不出现这种结构。符号的交替示出在隔离的单个坐标点处出现急剧的逐步变化或不连续变化。即，其意味着包络线的梯度的符号在一定的z坐标处交替。由于幅度仅在其中包络线的梯度的符号交替的隔离单个坐标点处变为零，所以实际上不出现其中幅度对某些周期为零的区域。这使得与采样布拉格光栅相比可以减小波导长度。

在波导上存在包络线的梯度符号交替的多个隔离坐标点。在每个坐标点处，出现附加的不连续相位变化。如果相位不连续变化，则将存在局部周期(节距)变化。因此，节距具有与通过利用对应坐标点处的目标谱中的中心波长除以光学波导的有效折射率的平均值n_av所得的值的一半不同的值。规定其中包络线的梯度符号交替的坐标点的精确度取决于水平轴上波导坐标z的离散化步长。假定步长为ΔP，则规定坐标点的精确度在±ΔP的范围内。因此，在根据本发明的幅度调制型光栅光学波导中，存在光栅幅度的包络线的梯度符号交替的坐标点并且结果是节距离散变化。

离散化的光栅节距可以表示为P±NΔP，其中N是与解决逆向扩散问题时的离散化参数相关的整数。

节距的离散变化是在线性调频的布拉格光栅中观察不到的特征。在线性调频的布拉格光栅中，节距沿光传播方向连续变化。在线性调频的布拉格光栅中，布拉格光栅的幅度也同时变化，但是幅度的变化仅用于实现二次特征如切趾。在线性调频的布拉格光栅中，滤波器的反射谱的主要特征如信道数目和相位特征通过沿光传播方向改变布拉格光栅的频率来实现。在本文公开的程序中不能形成线性调频的光栅。为了形成线性调频的光栅，从复杂反射谱r(k)到时间响应(脉冲响应)R(z)的变换需要变成复杂类型。结果，通过式(17)获得的电位分布q(z)变成复数。假定q(z)是复数，则在从q(z)计算折射率分布n_eff(z)时，因为n_eff(z)是实数，所以有必要仅采用q(z)的实部。因此，本发明的幅度调制型光栅结构与已知的线性调频光栅结构在设计方法方面不同，并且它们被归类为不同的标准。可以说，线性调频的光栅结构被归类为频率调制型，这是因为其与幅度调制型相反。

在本申请的所有实施例中，用于从相应的复杂反射谱变换为脉冲响应的运算为实数类型，并且目标是幅度调制型布拉格光栅。用于选择幅度调制型布拉格光栅的两个条件如下。

(I)指定谱特征的频率范围包括从原点(频率为零)至存在相应的谱信道的区域的一切频率。

(II)在上述从复杂反射谱到脉冲响应的变换中选择实数类型。

在实际的计算程序中，首先确定光栅光波导装置的总长度，即，规定z的最大值。例如，在色散补偿器的情况下，在光栅光学波导中出现的群延迟时间的最大值由待补偿的信道带宽和群延迟色散确定。因此，所需的最小器件长度可以通过用这乘以自由空间中的光速c_light和随后用所得结果除以有效折射率的平均值n_av来确定。器件的总长度通过向上述结果添加一定的额外长度来获得。然后，确定离散化步骤。作为一个实例，当器件的总长度利用指定的波长λ作为参考设定为18000λ并且在z位置处的离散化步长设定为λ/40时，对从Z₀至Z₇₂₀₀₀₀的720001个点计算色散补偿器的电位分布q(z)。

当作为期望的光学特性(对于作为复杂反射谱r(k)的波长)的一个实例反射率的分布示于图6和7并且群延迟特性示于图8和9中时，通过计算获得的电位分布q(z)示于图10和11中。

通过解决逆散射问题获得的电位分布q(z)基于预先获得的光学波导的截面结构变换成有效折射率分布n_eff(z)，具体为，芯线尺寸和等效折射率之间的关系。然后，计算光学波导的光传播方向(纵向)的芯线尺寸分布。

光学波导的截面结构针对图1A至1C中示出的根据第一实施方案的光波导装置来设计。

有效折射率对TE偏振(模式1)和TM偏振(模式2)的W_in相关性示于图4A中，W_in和W_out之间的关系示于图4B中。此外，W_in和W_out和光学波导的有效折射率n_eff(z)之间的关系示于图5中。

有效折射率n_eff(z)与槽结构的横向宽度W_in和芯线宽度W_out之间的关系通过如下方式获得：改变槽结构的横向宽度W_in的值和芯线宽度W_out的值，以从各光学波导的横截面结构计算在传播模式中磁场的分布并计算有效折射率n_eff。在传播模式中磁场的分布可以通过采用多种方法的模式解决程序来计算，所述多种方法例如为模式匹配方法、有限元方法或波束传播方法。

在该情况下，覆层材料是二氧化硅(SiO₂)，芯线材料是氮化硅(SiN)。位于芯线下部中的覆层厚度和位于芯线上部中的覆层厚度是2μm。t_in是0.1μm，t_out是1.4μm。模式1和模式2分别对应于所谓的TE模式和TM模式。

当W_in和W_out的关系如图4B中所示给出时，波导的有效折射率的偏振相关性可以如图4A所示地那样降低。图5通过计算有效折射率与W_in和W_out的关系(假定TE偏振中的有效折射率是光学波导的有效折射率)和随后对结果作图来获得。即，在本实施方案中，获得一组与预定的n_eff对应的W_in和W_out并且所设计的器件是偏振相关的。

从有效折射率分布n_eff(z)和图5，可以计算每个z坐标处的槽结构的横向宽度W_in和芯线宽度W_out。从图5，参考折射率(平均有效折射率)n_av确定为1.935，例如通过将得自检验有效折射率和光学波导结构尺寸的范围的近似中值设为参考值所确定的。

在如上所述获得的根据本发明的槽光栅结构中，在与光学波导芯线的上部的凸和凹中的横向宽度W_in对应的、彼此相邻的高折射率值和低折射率值之间的折射率差不是恒定的，而是不均匀且逐渐变化的。此外，折射率变化的节距具有一定的限定离散值。即，根据本发明的槽光栅结构具有不与已知均匀节距光栅光学波导、节距线性调频的光学波导以及采样光栅结构波导中任一个相匹配的新结构，其与根据本发明的侧壁光栅结构类似。

(光学波导的制造过程)

接下来，将描述根据第一实施方案的光学波导的制造过程

首先，如图12所示，将形成芯线的高折射率材料层10a形成为高至槽区域下方的部分(其中形成槽结构13的高度范围)(第一高折射率材料层形成步骤)。

此外，将用于形成槽光栅结构13的低折射率材料层17a以期望厚度沉积到高折射率材料层10a上(低折射率材料层形成步骤)。

在第一高折射率材料层形成步骤中，在支撑基板15上形成下覆层16，然后在下覆层16上形成第一高折射率材料层10a。例如，支撑基板15是硅晶片，下覆层16是利用CVD设备等以合适厚度沉积的SiO₂层。此外，第一高折射率材料层10a通过利用CVD设备等以合适厚度沉积用于形成光学波导芯线10的SiN层获得。此处，第一高折射率材料层10a的期望厚度是从最终SiN层的厚度(图1C中的t_out)减去槽光栅结构13的槽深度(图1C中的t_in)所获得的值。

在上述低折射率材料层形成步骤中，SiO₂层以期望的厚度沉积在SiN层上，由此形成其中形成有槽光栅结构13的低折射率材料层17a。此处，低折射率材料层17a的期望厚度等于或大于槽光栅结构13的槽深度(图1C中的t_in)。如果必要，优选将低折射率材料层17a的厚度设定为通过向设计值t_in添加裕度所获得的值，用于允许在第二高折射率材料层形成步骤之后的平坦化过程(其将在下文描述)中减小槽部填充体18的厚度。

然后，如图12中的细双点划线所示，光刻胶图案50形成在低折射率材料层17a上。光刻胶图案50用于形成与指定的槽光栅结构13对应的槽部填充体18(参考图13)。用于形成光刻胶图案50的第一光掩模的图案示于图23至26中，用于形成光刻胶图案50的第二光掩模的图案示于图27A中。此外，所得光刻胶图案50在图28中更详细地示出。此处，在图23至26、27A和28中仅示出光学波导在纵向上的一部分。

槽部填充体18用于填充图16中示出的光波导装置的槽结构13的内部，并与上覆层17结合。槽部填充体18具有凹18a(凹部，其是具有窄的横向槽宽度的部分)和凸18b(凸部，其是具有宽的横向槽宽度的部分)。槽部填充体18在槽结构13周围具有用于芯线10的互补形状。即，槽部填充体18的凹18a对应于槽结构13的凸13b，槽部填充体18的凸18b对应于槽结构13的凹13a。

为了形成图28中示出的光刻胶图案50，使用第一光掩模(其是Levenson型交替相移光掩模)和第二掩模(其是二元型光掩模)中的两个作为光掩模。每个光掩模均可以利用CAD等基于附图来制造。而且，在以下说明中，通过将第一光掩模的铬图案投射到光刻胶层上形成的遮蔽部分可以简称为“第一遮蔽部”。同时，通过将第二光掩模的铬图案投射到光刻胶层上形成的遮蔽部分可以简称为“第二遮蔽部”。同时，尽管光掩模中光被阻挡的部分(例如，遮光层)在本文中为举例说明称为“铬图案”，但是在本发明中遮光层的材料不限于铬(Cr)。例如，可以使用MoSi。此外，相移光掩模不限于Levenson型交替相移光掩模，而是还可以使用半色调型相移掩模等。例如由二氧化硅玻璃形成的玻璃基板适合用作光掩模的基板。

第一Levenson型交替相移光掩模具有图26中示出的结构。图23中以黑色表示的图案是由铬(Cr)形成的铬图案。图24中以黑色表示的作为反图案的图案是与相移量π(180°)对应的透射图案(简称“π相移图案”)。图25中以黑色表示的作为反图案的图案是与相移量0对应的透射图案(简称“零相移图案”)。在第一相移光掩模中，铬图案延伸为使与凹13a对应的遮蔽部变得足够宽于凹13a中槽结构13的横向宽度(即，凸18b中槽部填充体18的横向宽度)的设计尺寸。由第一相移光掩模形成的暴露部分存在于第一遮蔽部以外。

第二二元型光掩模用于将凹13a中槽结构13的横向宽度调节至设计尺寸W_in。图27A中以黑色表示的作为反图案的图案是第二二元型光掩模的透射图案。由第二二元型光掩模形成的暴露部分存在于第二遮蔽部以外。

当利用所述光掩模对进行两步曝光时，其中第一和第二遮蔽部相互交叠的区域变成其中不进行曝光的非曝光部分。由于通过进行两步曝光获得的曝光部分的组合，获得图28中以白色表示的曝光图案。此外，通过显影步骤获得图28中以黑色表示的光刻胶图案。

为了获得用于形成包括上述凸13b和凹13a的光栅结构的光刻胶图案50，只有在与凸13b对应的部分50b和与凹13a对应的部分50a中每一个的一部分需要制成非曝光部分(在显影之后保留的部分)。此外，为了提高显影步骤的稳定性，有必要使非显影部分外部中的光刻胶曝光。在该情况下，使用具有曝光提高溶解性的性质的光刻胶(即正光刻胶)。

在形成本实施方案的光刻胶图案50时，由于凸部13b和凹部13a交替布置，所以存在如下问题：槽宽度沿光学波导的纵向反复增加和减小并且增加和减小的节距非常小。

例如，可以考虑基于使用二元型光掩模或相移光掩模的单次曝光步骤的方法，如在下文描述的第一和第二对比例中所示出的那样。

然而，在只利用二元型光掩模的方法中，如果与用于曝光的波长相比，槽结构的节距不是足够长，则难以解决。

而且，在只利用相移光掩模的方法中，相移量为零的光和相移量为π的光相互重叠(即相互抵消)并且在转移量交替的点处导致相位冲突，导致曝光不足。结果，存在如下问题：在显影之后，在曝光不足处仍保留不期望的残余线图案。

此外，为了除去因使用相移光掩模引起的残余线图案，可以考虑一起使用相移光掩模和二元型光掩模的方法。在该情况下，如在下文描述的第三对比例中所解释的，可以考虑如下方法：使用相移光掩模以遮蔽与凸13b中的槽宽度和凹13a中的槽宽度对应的区域、以及在用于除去因相冲突形成的不期望残余线图案的额外曝光步骤中使用二元光掩模。然而，在该情况下，需要根据设计以高精确度实现以下三点：(i)与凸13b对应的位置处的相移光掩模的铬图案的横向宽度、(ii)与凹13a对应的位置处的相移光掩模的铬图案的横向宽度、以及(iii)与凹13a对应的位置处的二元型光掩模的铬图案的横向宽度。此外，基于其中由相互重叠的(ii)和(iii)的铬图案引起的两个遮蔽部的横向宽度，来确定显影之后的横向光刻胶宽度和蚀刻之后在与凹13a对应的位置处的槽部填充体的宽度。在该情况下，存在如下问题：在其中两个光掩模的曝光位置在槽宽度方向上彼此横向偏离的条件下，当以两个曝光步骤使两个光掩模曝光时，凹13a的槽宽度变短。

因此，在本实施方案的情况下，根据设计以高精确度设定(i)与凸13b对应的位置处的相移光掩模的铬图案的横向宽度和(ii)与凹13a对应的位置处的相移光掩模的铬图案的横向宽度两者，但是(iii)与凹13a对应的位置处的相移光掩模的铬图案的横向宽度和(iv)与凸13b对应的位置处的二元型光掩模的铬图案的横向宽度两者不与下文详述的设计尺寸精确匹配。即，在本实施方案中，通过使用相移光掩模使凸13b中的槽宽度与设计尺寸匹配，并且使用二元型光掩模使凹13a中的槽宽度与设计尺寸匹配。因此，即使在其中两个光掩模的曝光位置在槽宽度方向上彼此横向偏离的条件下以两个曝光步骤进行曝光，偏离对显影之后的横向光刻胶宽度和蚀刻之后槽部填充体的横向宽度的影响很窄。结果，可以以高精确度形成光刻胶图案50。

此外，当与凸13b对应的位置处的第二遮蔽图案的横向宽度窄于设计的凸13b的横向槽宽度时，实际形成的凸13b中的横向槽宽度变得窄于设计尺寸。因此，在与凸13b对应的位置处，第二遮蔽部的横向宽度制成为宽于设计的凸13b的横向槽宽度。

同时，在本说明书中，“遮蔽部的横向宽度与槽宽度对应”是指控制遮蔽部的横向宽度以将其调节至设计的横向槽宽度。其对应于如下情形：当通过投射光掩模的铬图案并且同时以预定速率将其缩减至光刻胶层时形成的遮蔽部的横向宽度等于设计的横向槽宽度或在可容许的误差范围内时，“遮蔽部的横向宽度与横向槽宽度对应”。因此，在考虑投射时的缩减比率的情况下确定铬图案的尺寸。

形成光刻胶图案50的方法例如如下所述。在下折射率材料层17a上形成未曝光的光刻胶层(光刻胶层形成步骤)。光刻胶层形成步骤可以通过例如涂覆来进行。

然后，利用相移掩模使光刻胶层曝光(第一曝光步骤)。如上所述，在与相移光掩模的铬图案对应的第一遮蔽部中，遮蔽部的横向宽度在与槽结构13的凸13b对应的位置处与凸13b中的槽结构13的设计横向宽度对应，遮蔽部的横向宽度在与凹13a对应的位置处宽于凹13a中的槽结构13的设计横向宽度。曝光部分存在于第一遮蔽部之外。因此，在第一曝光步骤中，设计的横向槽宽度在与凸13b对应的位置处被遮蔽，并且比设计尺寸宽的部分在与凹13a对应的部分被遮蔽。

然后，利用二元型光掩模来使光刻胶层曝光(第二曝光步骤)。如上所述，在由二元型光掩模的铬图案导致的第二遮蔽部中，遮蔽部的横向宽度在与槽结构13的凸13b对应的位置处宽于凸13b的槽结构13的设计横向宽度，遮蔽部的横向宽度在与凹13a对应的位置处与凹13a中的槽结构13的设计横向宽度对应。曝光部分存在于第二遮蔽部之外。因此，在第二曝光步骤中，比设计尺寸宽的在与凸13b对应的位置处被遮蔽，并且设计的横向槽宽度在与凹13a对应的位置处被遮蔽。

此外，如果考虑二元型光掩模的特性，则优选使第二遮蔽部的横向宽度在沿光学波导的纵向方向上的变化小。

例如，可以考虑如下情形：在与凸13b对应的位置处第二遮蔽部的横向宽度窄于在凹13a中的设计横向槽宽度Wa，如在图27C中具有反图案52的二元型光掩模(第一修改实施例)的情形，或其中在与凸13b对应的位置处第二遮蔽部的横向宽度宽于在凹13a中的设计横向宽度Wa，如在图27D中具有反图案53的二元型光掩模(第二修改实施例)的情形。

然而，在图27C中示出的情形中，当通过二元型光掩模的曝光部分在波导的纵向(z方向)偏离时，在凹13a处的槽部填充体的宽度的一部分可能以逐步的方式变窄。而且，在图27D中示出的情况下，当通过二元型光掩模的曝光部分在波导的纵向(z方向)偏离时，细长的光刻胶图案可能仍保留在凹13a内的一部分上。

因此，优选在与凸13b对应的位置处第二遮蔽部的横向宽度为与和凸13b相邻的两个凹部13a对应的位置处的第二遮蔽部的横向宽度的中值。即，假定在与凹部13a之一对应的位置(其与某凸13b的z轴的正向位置相邻)处的第二遮蔽部的横向宽度为s1，在与凹部13a之另一对应的位置(其与z轴的负向位置相邻)处的第二遮蔽部的横向宽度为s2，则优选在与凸13b对应的位置处的第二遮蔽部的横向宽度等于或大于s1并且等于或小于s2)(当s1≤s2时)，或等于或大于s2且等于或小于s1(当s2≤s1时)。

特别地，在与两个相邻凹部13a对应的位置处的第二遮蔽部的横向宽度如图27B所示不同的情况下，优选在凸13b的中心处提供阶梯51a，第二遮蔽部的横向宽度在该阶梯处变化。而且，在阶梯51a的两侧上，优选在与凸13b对应的位置处的第二遮蔽部的横向宽度等于在与两个相邻凹部13a中的每一个对应的位置处的第二遮蔽部的横向宽度。

因此，即使在光学波导的纵向(z方向)上出现二元型光掩模的位置偏差，凹13a中的横向槽宽度Wa的精确度也不可能降低。此外，由于沿光学波导的纵向的第二遮蔽部的横向宽度变化对一个光栅节距P_G出现一次，所以制造掩模变得更容易。

曝光可以利用扫描器来进行。用于曝光的光的波长可以根据光刻胶的特性来恰当设定。例如，其可以设为248nm。

使光刻胶层显影的显影步骤、利用通过显影步骤获得的光刻胶图案50蚀刻低折射率材料层17a的蚀刻步骤、以及移除剩余光刻胶的步骤在两步曝光(槽部填充体形成步骤)之后依次进行。结果，如图13所示，可以形成在侧壁上具有凸18b和凹18a的槽部填充体18。

在形成槽部填充体18之后，利用CVD设备等以期望厚度沉积形成芯线10的高折射率材料(例如，SiN)(第二高折射率材料层形成步骤)。

本文所指的期望厚度是当图13中的高折射率材料层10a的厚度与槽部填充体18形成之后新沉积的厚度之和等于或大于最终芯线10的厚度(图1C中的t_out)时的厚度。由于高折射率材料也沉积在槽部填充体18上，所以通过化学抛光(CMP)等使表面平坦，以使高折射率材料不保留在槽部填充体18上，如图14A中示出的(平坦化过程)。抛光之后高折射率材料层10b的厚度与最终芯线10的厚度对应。

当使低折射率材料层17a的厚度比在上述低折射率材料形成步骤中的设计值t_in厚时，在平坦化过程中使槽部填充体18的厚度减小预定的量。结果，可以确保防止高折射率材料保留在槽部填充体18上。在该情况下，抛光之后槽部填充体18的厚度与槽光栅结构13的槽的深度对应(图1C中t_in)。

然后，如图14B中的细双点划线所示，在高折射率材料层10b上形成光刻胶图案60。光刻胶图案60与设计的侧壁光栅结构12对应。用于形成光刻胶图案60的第一光掩模的图案示于图17至20中，并且用于形成光刻胶图案60的第二光掩模的图案示于图21中。此外，所得光刻胶图案60更详细地示于图22中。其中，仅光学波导在纵向上的一部分示于图17至22中。

为了形成图22中示出的光刻胶图案，使用第一光掩模(其是Levenson型交替相移光掩模)和第二掩模(其是二元型光掩模)中的两个作为光掩模。每个光掩模均可以利用CAD等基于附图来制造。

第一Levenson型交替相移光掩模具有图20中示出的结构。图17中以黑色表示的图案是由铬(Cr)形成的铬图案。图18中以黑色表示的作为反图案的图案是与相移量π(180°)对应的透射图案(简称“π相移图案”)。图19中以黑色表示的作为反图案的图案是与相移量0对应的透射图案(简称“零相移图案”)。在第一相移光掩模中，铬图案延伸为使与凸12b对应的遮蔽部变得比凸12b的芯线宽度的设计尺寸足够宽。由第一相移光掩模形成的暴露部分存在于第一遮蔽部以外。

第二二元型光掩模用于将凸12b的芯线宽度调节至设计尺寸。图21中以黑色表示的作为反图案的图案是第二二元型光掩模的透射图案。由第二二元型光掩模形成的暴露部分存在于第二遮蔽部以外。

当利用所述光掩模对进行两步曝光时，其中第一和第二遮蔽部相互交叠的区域变成其中不进行曝光的非曝光部分。由于通过进行两步曝光获得的曝光部分的组合，获得图22中以白色表示的曝光图案。此外，图22中以黑色表示的光刻胶图案通过显影步骤获得。

特别地，在如图21中示出的第二二元型光掩模中，优选在与凹12a对应的位置处的第二遮蔽部的横向宽度具有在与和凹12a相邻的两个凸部12b对应的位置处的第二遮蔽部的横向宽度的中值。例如，在与两个相邻的凸部12b对应的位置处的第二遮蔽部的横向宽度不同的位置处，优选在凹12a的中心设置第二遮蔽部的横向宽度以其变化的阶梯。而且，在阶梯的两侧上，优选在与凹12a对应的位置处的第二遮蔽部的横向宽度等于在与两个相邻凸部12b中每一个对应的第二遮蔽部的横向宽度。

形成用于槽光栅结构12的光刻胶图案60的方法与形成上述用于上光栅结构13的光刻胶图案50的方法相同。

即，在高折射率材料层10b上形成未曝光的光刻胶层(光刻胶层形成步骤)。

然后，利用图20中示出的相移光掩模使光刻胶层曝光(第一曝光步骤)。

然后，利用图21中示出的二元型光掩模使光刻胶层曝光(第二曝光步骤)。

在两步曝光之后依次进行使光刻胶层显影的显影步骤、利用通过显影步骤获得的光刻胶图案60蚀刻高折射率材料层10b的蚀刻步骤、以及移除剩余光刻胶的步骤。结果，如图15所示，能够形成在侧壁上具有凸12b和凹12a的光栅结构12的芯线10。

此外，如图16所示，利用CVD设备等以合适的厚度沉积上覆层17(例如，SiO₂)。芯线10沉积的上覆层17的厚度有时可与下覆层16上沉积的厚度不同。如果必要，则可以进行利用化学机械抛光(CMP)等进行的平坦化过程以使距离基板15的高度均匀。

通过上述过程，可以制造在芯线的侧壁和芯线的上部上具有两组光栅结构的平面光学波导。此外，当使用具有大的相对折射率差的平面光波导装置时，通常要求与光纤光学连接的模场直径转换器。一般地，在上述步骤之前或之后进行称为模场转换器或光斑尺寸转换器的区域的步骤，使得转换器一体式地形成在相同的基板上以与光学波导光学连接。

在第一曝光步骤中使用的相移光掩模为具有如下结构的Levenson型交替相移光掩模：其中交替提供π相移图案(180°相移图案)和零相移图案(0°相移图案)，作为允许用于在曝光步骤中使光刻胶曝光的光穿过其透射的基础透射图案。

当使用已知技术中的相移光掩模时，如图30A所示形成与期望的光栅形状对应的铬图案。然而，由于π相移图案和零相移图案彼此相邻，所以在凸顶端或延长部上存在精确度降低的问题，其将在下文在第二对比例中描述。

因此，在本发明中，通过组合使用相移光掩模和二元型光掩模作为上述新型方式来解决问题。

(第一实施例)

如图1A至1C所示，设计并制造极性相关性平面光学波导的色散补偿器，其中芯线由氮化硅(SiN)形成，覆层由二氧化硅玻璃(SiO₂)形成，并且所述色散补偿器具有在光学波导的芯线侧壁和上部上的光栅结构。

根据图1C的结构设计光学波导的横截面结构，并且如图5所示计算W_in和W_out与光学波导的有效折射率的关系。

然后，设计光栅图案。所设计的中心频率为188.4THz。即，所设计的中心波长为1591.255nm。长度为100km的单模式色散位移光纤(DSF)的群延迟色散和色散斜率在具有L带中100GHz信道间隔的ITU-T G.653中规定，并且在50GHz信道带宽中的45个信道上是待补偿的对象。作为待补偿的光学纤维线的光学特征，群延迟色散设定为-295ps/nm，相对色散斜率(RDS)设定为0.018/nm。在信道带宽中反射幅度的强度设定为95％。基于设定值制备的复杂反射谱r(λ)的反射谱在图6和7中示出，群延迟谱在图8和9中示出。器件的总长度设定为18000λ，在z位置处的离散化步长设定为λ/40，并且解决可以获得所述谱的逆散射问题。结果，计算电位分布q(z)，结果示于图10和11中。

然后，通过将参考折射率(平均有效折射率)n_av(其在设计图5中的光学波导的尺寸中检查的有效折射率范围的中值附近选择)设定为1.935并且将与中心波长对应的频率设定为188.4THz(即，1591.255nm的中心波长)，来将电位分布q(z)转换成有效折射率分布n_eff(z)。

光学波导的芯线宽度从获得的有效折射率分布n_eff(z)和图5中示出的n_eff(z)和W_out之间的关系来确定。此外，从获得的有效折射率分布n_eff(z)和图5中示出的n_eff(z)和W_in之间的关系确定槽结构的尺寸。

图26中示出的第一相移光掩模和图27A中示出的第二二元型光掩模基于设计的槽结构的尺寸来制造。槽结构通过使用这些光掩模来形成。槽结构通过仅形成作为槽部填充体18的上覆层的一部分和随后在所述槽部填充体18的两侧上沉积用于光学波导芯线的高折射率材料来形成。

因此，当从芯线材料观察时变成光栅结构的凸的部分与槽部填充体的凹对应，并且当从芯线材料观察时变成光栅结构的凹的部分与槽部填充体的凸对应。即，需要注意，在线宽和空间宽度之间存在相反关系。使用扫描器，所述扫描器使用波长为248nm的曝光用光。

当利用扫描电子显微镜(SEM)观察在形成槽部填充体的步骤中获得的槽部填充体时，证实了槽部填充体是按设计形成的。

此外，图20中示出的第一相移光掩模和图21中示出的第二二元型光掩模基于设计的光学波导的尺寸(芯线宽度)来制造。具有侧壁光栅结构的光学波导通过使用这些光掩模来制造。使用扫描器，所述扫描器使用波长为248nm的曝光用光。

当利用扫描电子显微镜(SEM)观察在形成槽部填充体的步骤中获得的槽部填充体时，证实了光栅结构是按设计形成在芯线侧壁上的。

(第一对比例)

通过使用通常的二元型光掩模制造与第一实施例中相同的光栅结构。在第一对比例中，采用如下方法：沉积用作芯线且厚度与最终的芯线厚度相同的SiN层，在光刻工艺和蚀刻步骤中形成槽结构，以及随后沉积用作上覆层的低折射率材料以填充槽。

在此情况下，用于形成槽结构的光掩模的铬图案示于图29中。图29中以黑色表示的作为反图案的铬图案是通过相似放大槽结构的设计光栅结构所获得的图案。

在此情况下，在可利用使用波长为248nm的曝光用光的扫描器形成的线和空间图案中，最小线宽度是190nm，最小空间宽度是200nm。当考虑到足够的制造容限时，要求450nm的光栅节距。在此情况下，要求线宽度和空间宽度两者均宽于220nm。

然而，在第一实施例中所设计的光栅结构中，主光栅节距P为339nm。因此，曝光可以利用通常的二元型光掩模来正确地进行。此处，光栅结构的凸的纵向长度与线宽度对应，凹的纵向长度与空间宽度对应。

因此，由于检验使用中的扫描器的极限(其在此情况下为具有限为0.68的数值孔的DUV 248nm工具)，光栅节距需要为至少400nm，以使设计得以令人满意地分辨率光刻，而不进行另外的分辨率增强。

(第二对比例)

通过使用已知的Levenson型交替相移光掩模来制造与第一实施例中相同的光栅结构。在第二对比例中，与第一对比例相似，采用如下方法：沉积用作芯线且厚度与最终的芯线厚度相同的SiN层，在光刻工艺和蚀刻步骤中形成槽结构，和随后沉积用作上覆层的低折射率材料以填充槽。

在此情况下，用于形成槽结构的光掩模的铬图案示于图30A中。图30A中以黑色表示的作为反图案的铬图案是通过相似放大槽结构的设计光栅结构所获得的图案。不含Cr的透射图案具有两种厚度，使得π相移图案和零相移图案交替重复。

在此情况下，在可利用使用波长为248nm的曝光用光的扫描器形成的线和空间图案中，最小线宽度是140nm，最小空间宽度是180nm。在此情况下，如果光栅节距为323nm或更高，则其可以被分辨。

然而，在图30A中示出的光掩模结构中，π相移图案和零相移图案在与槽光栅结构的凸尖端对应的位置(其中横向槽宽度窄的部分)处彼此相邻。为此，在与槽光栅结构的凸尖端对应的位置处的曝光形状和曝光尺寸中的误差变大。而且，在槽光栅结构的凸的延长上，因为相位冲突而形成不期望的残余线图案。

即，利用已知的Levenson型交替相移光掩模难以适合地制造根据本发明的光栅结构。

(第三对比例)

为了通过修剪曝光来移除第二对比例中不期望的残余线图案，通过两步曝光来制造与第一实施例中相同的光栅结构，所述两步曝光包括：利用图30A中示出的Levenson型交替相移光掩模的第一步骤和利用图30B中示出的二元型光掩模的第二步骤。在第三对比例中，与第二对比例类似，采用如下方法：沉积用作芯线且厚度与最终的芯线厚度相同的SiN层，在光刻工艺和蚀刻步骤中形成槽结构，和随后沉积用作上覆层的低折射率材料以填充槽。

此处，假定光学波导的纵向(即信号传播方向)为z方向，与纵向垂直且与基板平行的方向是x方向。当在x方向上的相移光掩模和二元型光掩模之间的位置偏差出现时，突出进入槽结构中并成对形成其间具有芯线(和槽)的中轴的凸部分之一被错误地曝光而在第二步曝光中被缩短。结果，出现凸部分之一的横向槽宽度Wb变宽的问题。而且，在凸部分的相反侧中，应当移除的不期望残余线图案的一部分仍然存在。

即，即使一起使用利用已知的Levenson型交替相移光掩模的曝光和修剪曝光，也难以适合地制造本发明的光栅结构。

另一方面，本发明的光栅结构可以通过第一实施例适合地制造。第一实施例与第三对比例的类似之处在于两步曝光，所述两步曝光包括利用Levenson型交替相移光掩模的第一步骤和利用二元型光掩模的第二步骤，但是形成槽部填充体来代替挖掘槽结构。通过使用相移光掩模将凸13b的横向宽度(槽部填充体的凹18a中的横向宽度)设定为设计尺寸，通过利用二元型光掩模将凹13a中的横向宽度(槽部填充体的凸18b中的横向宽度)设定为设计尺寸。因此，即使在其中它们的曝光位置在横向槽宽度方向(x方向)上相互偏离的条件下，在两个曝光步骤中使用两种掩模，对槽宽度的影响也小。

而且，在第一实施例的情况下，在与凸13b对应的位置处的第二遮蔽部的横向宽度等于在与和凸13b相邻的两个凹部13a中每一个对应的位置处的第二遮蔽部的横向宽度，如图27B所示。此外，在其中与两个相邻凹部13a对应的位置处的第二遮蔽部的横向宽度彼此不同的位置处，在与凸13b的中心对应的位置处提供第二遮蔽部的横向宽度变化的阶梯51a。因此，即使在其中它们的曝光位置在纵向(z方向)上彼此偏离的情况下使掩模曝光，只要掩模之间的偏离在凸13b的纵向长度的一半以内，则在位于左侧和右侧上且朝向光学波导的信号光传播方向的槽部填充体的凸部分18b(凹部分13a)的尖端处也不会出现由第二步曝光导致的偏离。结果，可以防止留下不期望的残余线图案。

<平面光波导装置的第二实施方案>

图35是示出根据本发明第二实施方案的平面光波导装置的透视图。

平面光波导装置具有：在光学波导芯线110侧壁上的光栅结构112和在芯线110底表面114上的槽光栅结构113。芯线110的顶表面111是平坦的。光学波导具有在基板115上形成的下覆层116、在下覆层116上形成的芯线110、以及在芯线110和下覆层116上形成的上覆层117。

在本实施方案中，在芯线110的底部分中形成与槽光栅结构113相同的槽光栅结构13(其配置为包括第一实施方案中的凸13b和凹13a)。槽光栅结构113具有在槽两侧上形成的凸(凸部)113b和凹(凹部)113a。

(器件的制造方法)

根据第二实施方案的平面光波导装置的制造方法与根据第一实施方案的制造方法几乎相同，只是形成槽结构的次序不同。

首先，如图31中所示，在支撑基板115上形成配置为包括下覆层116和槽部填充体118的低折射率材料层116a(低折射率材料层形成步骤)。例如，支撑基板115是硅晶片，低折射率材料层116a是利用CVD设备等以合适厚度沉积的SiO₂层。此处，低折射率材料层116a的厚度是通过用槽光栅结构113的槽深度加上最终的下覆层116的厚度获得的值。

然后，如由图31中的细双点划线所示，在低折射率材料层116a上形成光刻胶图案50。光刻胶图案50用于形成与设计的槽光栅结构113对应的槽部填充体118(参考图32)。用于形成光刻胶层50的光掩模的图案与第一实施方案中的相同。

在图35中示出的光波导装置中，槽部填充体118用于填充槽结构113的内部，并且与下覆层116结合。槽部填充体118具有：作为具有窄的横向槽宽度的部分的凹(凹部)118a、以及作为具有宽的横向槽宽度的部分的凸(凸部)118b。槽部填充体118具有在槽结构113周围用于芯线110的互补形状。即，槽部填充体118的凹118a对应于槽结构113的凸113b，槽部填充体118的凸118b对应于槽结构113的凹113a。

依次进行通过使用利用显影步骤获得的光刻胶图案50将低折射率材料层116a向上蚀刻至预定深度的蚀刻步骤和移除剩余光刻胶的步骤(槽部填充体形成步骤)。结果，如图32所示，可以形成在侧壁上具有凸118b和凹118a的槽部填充体118。

在形成槽部填充体118之后，如图33所示利用CVD设备等以期望的厚度沉积形成芯线110的高折射率材料(例如，SiN)(高折射率材料层形成步骤)。如上所述获得的高折射率材料层110a的厚度对应于最终芯线110的厚度。如果必要，高折射率材料层110a的顶表面可以利用化学机械抛光(CMP)等平面化以使距离基板115的高度均匀。

然后，如由图33中的细双点划线所示，在高折射率材料层110a上形成光刻胶图案60。光刻胶图案60与设计的侧壁光栅结构112对应。侧壁光栅结构112可以以类似于第一实施方案的方式形成。

依次进行利用通过显影步骤获得的光刻胶图案60来蚀刻高折射率材料层110a的蚀刻步骤和移除剩余光刻胶的步骤。结果，如图34所示，能够形成具有光栅结构112(其具有在侧壁上形成的凸(凸部)112b和凹(凹部)112a)和槽光栅结构113(其具有在下部上形成的凸113b和凹113a)的芯线110。

此外，如图35所示，通过利用CVD设备等以合适的厚度沉积上覆层117(例如SiO₂)。在芯线110上沉积的上覆层117的厚度有时可与下覆层116上沉积的上覆层117的厚度不同。如果必要，可以进行利用化学机械抛光(CMP)等的平坦化过程以使距离基板115的高度均匀。

<平面光波导装置的第三实施方案>

图36是示出根据本发明第三实施方案的平面光波导装置的截面图。包括用于改变光学特性的内部芯线21和22以及用于解决光学特性的偏振相关性问题的外部芯线24的双芯线结构适用于平面光波导装置20。

该双芯线结构存在于在基板25上形成的下覆层26上。复合芯线的上部和两侧覆盖有上覆层27。上覆层27和下覆层26由折射率低于双芯线结构的平均折射率的材料形成。下覆层26的材料和上覆层27的材料可以相同或不同。

内部芯线21和22被介于其间的中心间隙23分成两部分。内部芯线21具有凸缘21b和板21a，内部芯线22具有凸缘22b和板22a。

外部芯线24设置在内部芯线21和22上。外部芯线24的折射率低于内部芯线21和22的平均折射率。尽管在图36中没有示出，但是在外部芯线24的侧壁24b和顶表面24a的槽结构24c上分别形成与图1A至1C中示出的芯线10相同的侧壁光栅结构和上槽光栅结构。具体而言，提供其中外部芯线24的芯线宽度W_out周期性变化的侧壁光栅结构和其中在外部芯线24的顶表面24a上形成的槽结构24c的横向宽度W_in周期性变化的上部槽光栅结构。

根据本实施方案的光波导装置20的制造方法与根据第一实施方案的光波导装置的制造方法相同，只是在下覆层26和外部芯线24之间形成内部芯线21和22以及中心间隙23。

首先，在用作支撑基板25的硅晶片上形成用作下覆层26的SiO₂层和用作内部芯线21和22的薄膜硅层。该过程可以用制备市售SOI(绝缘体上硅)晶片来代替，所述市售SOI在硅晶片上具有称为BOX层的SiO₂层如热氧化膜以及在SiO₂层上形成的薄膜硅层。

SOI层的硅通过光刻工艺和蚀刻步骤来适合地图案化，并且通过注入杂质掺杂剂的过程形成P型半导体区域和N型半导体区域。对由半导体材料形成的高折射率芯线提供导电性的杂质(掺杂剂)可以根据基础材料来合适地选择。例如，当基础材料为第IV族半导体材料如硅时，使用第III族材料如硼(B)作为提供P型导电性的添加剂，并且使用第V族元素如磷(P)或砷(As)作为提供N型导电性的添加剂。

此外，可以通过在SOI层的硅中部分地形成细槽和沉积SiO₂来提供用于减小漏电流的隔离纳米间隙结构。通过从外部向内部芯线21和22施加电压可以实现可变光学特性功能，使得由载流子等离子体效应产生折射率变化。如果必要，首先形成中心间隙23作为隔离纳米间隙结构。然后，通过光刻工艺和蚀刻步骤来处理内部芯线21和22的硅凸缘21b和22b以及硅板21a和22a的形状。

在形成内部芯线21和22之后，形成外部芯线24。在上述第一实施方案中，在图12中的第一高折射率材料层10a形成在下覆层16上。与之相比，在本实施方案中，形成外部芯线24的高折射率材料层形成在内部芯线21和22上。其后，通过与图12至15中示出的那些相同的过程可以形成具有侧壁光栅结构和上槽光栅结构的外部芯线24。此外，用于形成上覆层27的SiO₂沉积在外部芯线24的上部和两侧上。此外，在必要时形成用于向内部芯线21和22施加电压的金属连接和电极垫。

通过根据本发明的制造方法制造的光波导装置的特征在于，在整个光栅结构上，每个节距P_G均满足(P_G-P)/ΔP＝N。此处，P是预定的节距参考值，ΔP是用P除以M获得的值，M是大于1的预定整数值，N是整数。

作为其一个具体实施例，通过将示于图10和11中的电位分布q(z)变换成基于第二实施例中的结构(其将在下文描述)的有效折射率分布n_eff(z)所获得的结果示于图39和40中。图39是与光波导装置的约12.2mm总长度对应的整体视图，图40是接近其3.308mm的放大视图。

对图39和40中示出的有效折射率分布n_eff(z)进行积分(平均)以实现其中凸部(其中固定的幅度连续)和凹部(其中固定的幅度连续)以急剧(逐步)变化交替重复的简化光栅结构。如上所述获得的光栅节距的分布示于图41和42中。

如图41和42所示，本发明的光栅结构的特征在于，在凸和凹中的光学波导的尺寸(芯线宽度和槽宽度)是不均匀的，并且光栅节距采用预定的限定离散值。

图41和42示出具有约12.2mm的器件长度和约36000个光栅周期的色散补偿器的光栅节距分布的一个实例。这是计算光学波导的尺寸的情形，其通过将参考折射率(平均有效折射率)n_av设定为2.348和将中心波长λc设定为约1591nm、针对L带来设计。主光栅节距P为P＝λc/(n_av×2)＝339nm。

由于在解决逆散射问题来计算电位分布q(z)时z位置的离散化步长设定为λ/40，所以M为20和ΔP＝P/M＝17nm。在图41中，证实存在与P-10ΔP、P-6ΔP、P-5ΔP、P-4ΔP、P-3ΔP、P-2ΔP、P-ΔP、P、P+ΔP、P+2ΔP、P+3ΔP、P+4ΔP、P+5ΔP、P+6ΔP、P+7ΔP和P+8ΔP对应的光栅节距169nm、237nm、254nm、271nm、288nm、305nm、322nm、339nm、356nm、373nm、390nm、407nm、424nm、441nm、457nm和474nm。等于或小于P-11ΔP并且等于或大于P+9ΔP的光栅节距，并且与P-9ΔP、P-8ΔP和P-7ΔP对应的光栅节距186nm、203nm和220nm不存在。

在图42中，示出从图41中示出的约12.2mm总长度的3.308mm至3.318mm的范围的放大图。该范围与图17至20、21、23至26和27A中示出的范围对应，其中示出上述四个光掩模的部分图案。在该区域中，大多数节距是与P对应的339nm，并且一些节距是与P-ΔP对应的322nm。

注意，在一般设计实施例中，P是频率最高的，接下来是P±ΔP。这三种是主节距，并且存在其中对应的光栅节距的出现频率随P±NΔP的整数值N的增加而减少。尽管在本说明书中没有示出，例如，在单信道光学滤波器的设计实施例中，还存在其中大多数光栅节距为P、只观察到几个P±ΔP且不出现P±NΔP(其中N为2或更大)的情况。此外，在第二实施例中，不出现P-9ΔP、P-8ΔP和P-7ΔP的节距。而且，在另一色散补偿器的设计实施例中，存在完全观察不到P并且两种P±ΔP节距作为主节距均匀出现的情况。

因此，当从小的有限数目的离散值确定节距时，在CMOS制造过程中保持加工精度方面是有效的。在CMOS制造过程中，通过使用扫描显微镜(SEM)作为DICD(显影检查临界尺寸)或FICD(最终检查临界尺寸)来测量尺寸是一般的过程控制技术。因此，在具有逐渐变化的节距的结构如节距线性调频的光栅中，难以控制节距精确度。另一方面，在如本发明的具有为小数目的离散值的节距的结构中，或者在只具有一个节距的结构如均匀节距光栅中，过程控制更为容易。

(第二实施例)

设计并制造具有图36中示出的结构且其中内部芯线由硅(Si)形成、外部芯线由氮化硅(SiN)形成和覆层由二氧化硅玻璃(SiO₂)形成的平面光学波导的色散补偿器。

根据图36的结构设计光学波导的横截面结构，并且计算：在图37A中示出的TE偏振(模式1)和TM偏振(模式2)中有效折射率的W_in相关性、图37B中示出的W_in和W_out之间的关系、以及图38中示出的W_in和W_out与光学波导的有效折射率的关系。

在设计光学波导结构时，所采用的各部分的材料和尺寸如下。内部芯线21和22由硅(Si)形成，中心间隙23由二氧化硅玻璃(SiO₂)形成，外部芯线24由氮化硅(SiN)形成，基板25由硅(Si)形成，下覆层26由二氧化硅玻璃(SiO₂)形成，上覆层27由二氧化硅玻璃(SiO₂)形成。此外，对于各部分的尺寸，t₁＝250nm，t₂＝50nm，W₁＝280nm，W₂＝160nm，t_out＝600nm，t_in＝100nm，下覆层26的厚度为2000nm，上覆层27的最大厚度(在板21a和22a上的厚度)为2000nm。

光栅图案的设计直至计算电位分布q(z)的设计过程与第一实施例相同。然后，将在图38的水平轴上示出的有效折射率范围n_eff中值附近选择的参考折射率(平均有效折射率)n_av设定为2.348。而且，作为用于L带的器件，与中心波长对应的频率设定为188.4THz(即1591.255nm的中心频率)，并且将图10和11中示出的电位分布q(z)变换成图39和40中示出的有效折射率分布n_eff(z)。

从图38中示出的获得的有效折射率分布n_eff(z)和n_eff(z)与W_out之间的关系来确定光学波导的芯线宽度。此外，从图38中示出的获得的有效折射率分布n_eff(z)和n_eff(z)与W_in之间的关系来确定槽结构的尺寸。

图26中示出的第一相移光掩模和图27A中示出的第二二元型光掩模基于设计的槽结构的尺寸来制造，并且槽结构通过利用这些光掩模来形成。槽结构通过将上覆层的仅一部分形成为槽部填充体和随后在所述槽部填充体两侧上沉积用于光学波导的芯线的高折射率材料的步骤来形成。

当用扫描电子显微镜(SEM)观察在形成槽部填的停止过程中获得的槽部填充体时，证实了由SiO₂形成的槽部填充体具有用于所设计的槽光栅结构的互补结构，如图43和44中示出的那样。

此外，基于设计的光学波导的尺寸(芯线宽度)制造图20中示出的第一相移光掩模和图21中示出的第二二元型光掩模。具有侧壁光栅结构的光学波导通过使用这些光掩模来制造。使用扫描器，所述扫描器使用波长为248nm的曝光用光。

当利用扫描电子显微镜(SEM)观察所得光学波导时，证实了如在图45和46中示出的设计那样在由SiN形成的外部芯线上形成侧壁光栅结构。

工业实用性

根据本发明，能够提供一种平面光波导装置的制造方法，所述平面光波导装置能够在实现高功能性的同时通过减小长度而制得小，并且具有其中在制造过程中可以容易地控制加工精确度的光栅结构。

附图标记列表

10、110：芯线

10a、10b、110a：高折射率材料层

11、111：顶表面

12、112：侧壁光栅结构

12a、112a：凹(凹部)

12b、112b：凸(凸部)

13、113：槽光栅结构(槽结构)

13a、113a：凹(凹部)

13b、113b：凸(凸部)

14、114：底表面

15、25、115：基板(支撑基板)

16、26、116：下覆层

17、27、117：上覆层

17a、116a：低折射率材料层

18、118：槽部填充体

18a、118a：凹(凹部)

18b、118b：凸(凸部)

20：平面光波导装置

21、22：内部芯线

21a、22a：板

21b、22b：凸缘

23：中心间隙

24：外部芯线

24a：顶表面

24b：侧壁

24c：槽结构

50：用于槽部填充体的光刻胶图案

60：用于侧壁的光刻胶图案

Claims (10)

1.一种制造平面光波导装置的方法，所述平面光波导装置包括芯线，其顶表面设置有沿所述芯线的纵向的槽部，所述槽部填充有由折射率低于所述芯线的折射率的低折射率材料制成的槽部填充体，所述方法包括：

形成构成所述芯线的下部的由高折射率材料制成的高折射率材料层的第一高折射率材料层形成步骤；

在所述高折射率材料层上形成由低折射率材料制成的低折射率材料层的低折射率材料层形成步骤；

通过利用光刻和蚀刻来修剪所述低折射率材料层的两个侧面部分以形成所述槽部填充体的槽部填充体形成步骤；和

形成构成所述芯线的上部的由高折射率材料制成的高折射率材料层以填充所述槽部填充体的侧面部分的两侧的第二高折射率材料层形成步骤。

2.一种制造平面光波导装置的方法，所述平面光波导装置包括芯线，其底面设置有沿所述芯线的纵向的槽部，所述槽部填充有由折射率低于所述芯线的折射率的低折射率材料制成的槽部填充体，所述方法包括：

形成由低折射率材料制成的低折射率材料层的低折射率材料层形成步骤；

通过利用光刻和蚀刻来修剪所述低折射率材料层的两个侧面部分以形成所述槽部填充体的槽部填充体形成步骤；和

形成构成所述芯线的由高折射率材料制成的高折射率材料层以填充所述槽部填充体的侧面部分的两侧并覆盖所述槽部填充体的顶表面的高折射率材料层形成步骤。

3.根据权利要求1或2所述的制造平面光波导装置的方法，其中所述槽部包括沿所述芯线的纵向交替布置的多个凸部和凹部以形成光栅结构，其中构成所述芯线的材料的形状是凸形并且所述槽部填充体的横向宽度在各凸部处窄，并且构成所述芯线的材料的形状是凹形并且所述槽部填充体的横向宽度在各凹部处宽。

4.根据权利要求3所述的制造平面光波导装置的方法，其中所述槽部填充体在所述凸部处的横向宽度和所述槽部填充体在所述凹部处的横向宽度是变化的。

5.根据权利要求3所述的制造平面光波导装置的方法，其中节距是变化的并且为非线性调频的，所述节距各自定义为沿所述芯线的纵向方向的所述凸部之一的纵向长度与和所述凸部之一相邻的所述凹部之一的纵向长度之和。

6.根据权利要求5所述的制造平面光波导装置的方法，其中在整个所述光栅结构上的各所述节距(P_G)满足(P_G-P)/ΔP＝N，其中P是所述节距的预定参考值，ΔP为P除以M，M是大于1的整数，并且N是整数。

7.根据权利要求6所述的制造平面光波导装置的方法，其中所述光栅结构的大部分节距的所述N为+1、-1或0。

8.根据权利要求3所述的制造平面光波导装置的方法，其中所述凸部的所述槽部填充体的横向宽度、所述凹部的所述槽部填充体的横向宽度、以及节距设定为通过解决预定光学特性输入的逆散射问题所获得的值，所述节距各自定义为沿所述芯线的纵向方向的所述凸部之一的纵向长度与和所述凸部之一相邻的所述凹部之一的纵向长度之和。

9.根据权利要求8所述的制造平面光波导装置的方法，其中所述逆散射问题利用Zakharov-Shabat方程来解决。

10.根据权利要求3所述的制造平面光波导装置的方法，其中所述槽部填充体形成步骤还包括：

在所述低折射率材料层上形成光刻胶层的光刻胶层形成步骤；

利用第一光掩模在所述光刻胶层上形成遮蔽部的第一曝光步骤，所述第一光掩模是相移光掩模并且在与所述凸部对应的位置处所述遮蔽部的横向宽度与所述凸部的所述槽部填充体的相应宽度基本上相等，并且在与所述凹部对应的位置处的横向宽度宽于所述凹部的所述槽部填充体的相应横向宽度，并且使在所述遮蔽部外的所述光刻胶层曝光；

利用第二光掩模在所述光刻胶层上形成遮蔽部的第二曝光步骤，所述第二光掩模是二元光掩模，并且在与所述凸部对应的位置处的所述遮蔽部的横向宽度宽于所述凸部的所述槽部填充体的相应横向宽度，并且在与所述凹部的所述遮蔽部的横向宽度与所述凹部的所述槽部填充体的相应横向宽度基本上相等；

使所述光刻胶层显影的显影步骤；和

利用得自所述显影步骤的所述光刻胶图案来蚀刻所述低折射率材料层以形成所述槽部填充体的蚀刻步骤。

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