DE60309800T2

DE60309800T2 - Planare optische Wellenleitervorrichtung zur Umwandlung des Modenfeldes und dessen Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE60309800T2
Application number: DE60309800T
Authority: DE
Inventors: Koji Yamada; Tai Tsuchizawa; Shingo Uchiyama; Tetsufumi Shoji; Jyun-Ichi Takahashi; Toshifumi Watanabe; Emi Tamechika; Hirofumi Morita
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2002-09-20
Filing date: 2003-09-19
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2023-09-20
Also published as: EP1400822B1; EP1400822A2; EP1400822A3; CN1238740C; DE60309800D1; US7076135B2; CN1495447A; US20040057667A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Modul gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, das im Gebiet der Optoelektronik und der optischen Kommunikation verwendet wird, und ein Herstellungsverfahren für das optische Modul gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 12.
In jüngster Zeit sind zur Miniaturisierung optischer Schaltungen verschiedene Forschungs- und Entwicklungsarbeiten über optische Siliziumdraht-Wellenleiter unter Verwendung von SOI (Silicon On Insulator)-Substraten und photonischen Kristallwellenleitern durchgeführt worden. Probleme gibt es beim Verbinden dieser optischen Wellenleiter und optischen Fasern, Licht-aussendenden Vorrichtungen, Licht-empfangenden Vorrichtungen und Ähnlichem hinsichtlich der jeweiligen Modenfeldgrößen (Durchmesser). Diese optischen Wellenleiter haben Modenfeldgrößen in Submikrongrößenordnung, wobei optische Fasern und Ähnliches Modenfeldgrößen in der Größenordnung mehrerer Mikron haben. Es ist daher schwierig, eine direkte Verbindung zwischen einem optischen Wellenleiter und einer allgemeinen optischen Faser oder ähnlichem herzustellen, die eine große Modenfeldgröße haben. Um sie bei geringem Verlust zu verbinden, muss die Modenfeldgröße konvertiert werden.
Zu diesem Zweck sind verschiedene Arten von Modenfeldgrößenkonversionsstrukturen vorgeschlagen worden. Beispielsweise wird auf einem SOI-Substrat, auf dem der erste optische Wellenleiter gebildet ist, der von einem Siliziumdraht gebildet ist, der zweite optische Wellenleiter gebildet, der aus einen Quarz-basierten Material oder Polymer besteht, das mit dem ersten optischen Wellenleiter verbunden werden soll, und der zweite optische Wellenleiter und der erste optische Wellenleiter, die ein sich verjüngendes distales Ende aufweisen, sind so hergestellt, dass sie einander überlappen, wodurch eine hocheffiziente Modenfeldgrößenkonversion durchgeführt wird (beispielsweise T. Shoji et al, „Optical Interconnecting Structure of Si Waveguide on SOI Substrate", 30a- YK-11 Extended No. 3 Abstracts (The 48th Spring Meeting 2001), The Japan Society of Applied Physics and Related Societies).
25A und 25B zeigen einen herkömmlichen optischen Wellenleiter, der eine Modenfeldgrößen (Fleckgrößen)-Konversionsstruktur aufweist. Mit Bezug auf 25A und 25B bezeichnet die Bezugszahl 10 einen ersten optischen Wellenleiter, der aus einem Siliziumdraht gebildet ist; 11 eine Modenfeldgrößen-Konversionsstruktur; 12 einen zweiten optischen Wellenleiter, der mit dem ersten optischen Wellenleiter verbunden ist; 13 ein Siliziumsubstrat; 14 einen unteren Mantel, der aus Silizium hergestellt und auf dem Siliziumsubstrat 13 gebildet ist; 16 einen drahtähnlichen Kern, der aus Silizium hergestellt und auf dem unteren Mantel 14 gebildet ist; 17 einen sich verjüngenden Abschnitt, der aus Silizium hergestellt ist und sich vom Kern 16 erstreckt; und 18 einen Kern, der aus einem Polymer hergestellt und auf dem sich verjüngenden Abschnitt 17 angeordnet ist. Der Kern 16, der sich verjüngende Abschnitt 17 und der Kern 18 sind auf dem Siliziumssubstrat 13 und dem unteren Mantel 14 als gemeinsames Substrat angeordnet, wodurch der erste optische Wellenleiter 10 mit dem zweiten optischen Wellenleiter 12 durch die Modenfeldgrößenkonversionsstruktur 11 verbunden wird.
Wenn Licht in dem 1,55 μm-Band, das meistens zur optischen Kommunikation verwendet wird, durchgeleitet werden soll, sind die Höhe und Breite eines Querschnitts des Kerns 17, der den ersten optischen Wellenleiter 10 bildet, jeweils ungefähr 0,3 μm. Der Kern 18 des zweiten optischen Wellenleiters 12, der mit dem ersten optischen Wellenleiter 10 verbunden ist, weist einen um wenige % höheren Brechungsindex auf als der untere Mantel 14. Sowohl die Höhe als auch die Breite eines Querschnitts des Kerns 18 betragen mehrere μm. Die Bezugszahl 16 bezeichnet den Kern, der aus Silizium hergestellt ist und den sich verjüngenden Abschnitt 17 aufweist. Der Kern hat eine Länge von 200 μm, und die Breite des sich verjüngenden distalen Endabschnitts beträgt 0,06 μm. Der Kern 16 und der sich verjüngende Abschnitt 17 sind durch Elektronenstrahllithographie und Ätzen gebildet. Der Kern 18, der aus einem Polymer hergestellt ist, wird durch Fotolithographie gebildet.
Um eine optische Faser mit dem herkömmlichen optischen Modul, das in 25A und 25B gezeigt ist, mit geringem Verlust zu verbinden, ist es erforderlich, dass der Modenfelddurchmesser F des zweiten optischen Wellenleiters, der mit dem ersten optischen Wellenleiter in Form eines Drahts verbunden werden soll, nahe dem Modenfelddurchmesser (9 μm) der optischen Faser ist.
Im herkömmlichen optischen Modul, das in 25A und 25B gezeigt ist, ist jedoch die Brechungsindexdifferenz zwischen der Luft und dem Kern 18 des zweiten optischen Wellenleiters 12 groß, da Luft, die einen Brechungsindex von 1 hat, als oberer Mantel dient. Aus diesem Grund kann die Kerngröße des zweiten optischen Wellenleiters 12, der den Einmodenzustand erfüllt, nicht größer als 3 μm im Quadrat sein.
Da es keine obere Mantelschicht um den Kern 16 des ersten optischen Wellenleiters 10 gibt, der aus einem Siliziumdraht hergestellt ist, neigt außerdem der Kern 16 des optischen Wellenleiters 10 dazu, beschädigt zu werden, was zu einer Erhöhung des Ausbreitungsverlusts führt.
Im optischen Modul, das in 25A und 25B gezeigt ist, muss die Breite des sich verjüngenden distalen Endes 0,1 μm oder weniger betragen, idealer Weise 0,06 μm. Eine solche Mikroherstellung erfordert hoch ausgereifte lithografische Techniken, wie Elektronenstrahlzeichnen und Ätztechniken. Es ist daher schwierig, sich verjüngende Abschnitte wirtschaftlich zu bearbeiten.
US-Patentschrift 6 396 984 B offenbart ein optisches Modul mit einem ersten und zweiten Wellenleiterkern, die aus dem gleichen Material hergestellt sind, und einem Siliziumsubstrat.
WO 02 063347 A betrifft in ein optisches Modul gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Naoto Yoshimoto et al., „Highly efficient coupling semiconductor spot-size converter with an InP/InAlAs multiple-quantum-well core", Applied Optics Vol. 34 No. 6, 1995, S. 1007–1014, offenbart ein optisches Modul mit einem ersten Wellenleiterkern, der aus InGaAsP hergestellt ist, das sich entweder oben auf dem zweiten Wellenleiterkern befindet oder in ihm eingebettet ist.
Kurzdarstellung der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein optisches Modul bereitzustellen, das mit hoher Effizienz Lichtausbreitung zwischen optischen Wellenleiter ausführen kann, die unterschiedliche Modenfeldgrößen aufweisen, und einen Verbindungsverlust zu reduzieren, sowie ein Herstellungsverfahren für das optische Modul.
Um die zuvor genannten Aufgaben zu erfüllen, wird erfindungsgemäß ein optisches Modul mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereitgestellt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1A und 1B zeigen das Grundkonzept eines erfindungsgemäßen optischen Moduls, wobei 1A eine Draufsichten und 1B ein Querschnitt entlang der Linie 1B-1B von 1A ist;
2A bis 2G sind Ansichten, die die Schritte in einem Herstellungsverfahren für das optische Modul zeigen, das in 1A und 1B gezeigt ist;
3A bis 3C zeigen ein optisches Modul gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei 3A eine Draufsicht ist, 3B ein Querschnitt entlang der Linie 3B-3B von 3A ist und 3C ein Querschnitt entlang der Linie 3C-3C von 3A ist;
4A bis 4H sind Ansichten, die die Schritte in einem Herstellungsverfahren für das optische Modul der ersten Ausführungsform zeigen, die in 3A bis 3C gezeigt ist;
5 ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines optischen Moduls zeigt, um einen Teil des Herstellungsverfahrens für das optische Modul ausführlich zu erklären, das in 4A bis 4H gezeigt ist;
6 ist eine Ansicht, die ein weiteres Beispiel des optischen Moduls zeigt, um einen Teil des Herstellungsverfahrens für das optische Modul ausführlich zu erklären, das in 4A bis 4H gezeigt ist;
7A bis 7C zeigen ein optisches Modul gemäß einer zweiten Ausführungsform, wobei 7A eine Draufsicht ist, 7B ein Querschnitt entlang der Linie 7B-7B von 7A ist, und 7C ein Querschnitt entlang einer Linie 7C-7C von 7A ist;
8A bis 8G sind Ansichten, die die Schritte in einem Herstellungsverfahren für das optische Modul gemäß der zweiten Ausführungsform zeigen, die in 7A bis 7C gezeigt sind;
9A bis 9C zeigen ein optisches Modul gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung, wobei 9A eine Draufsicht ist, 9B ein Querschnitt entlang einer Linie 9B-9B von 9A ist und 9C ein Querschnitt entlang der Linie 9C-9C von 9A ist;
10A bis 10F sind Ansichten, die die Schritte in einem Herstellungsverfahren für das optische Modul gemäß der dritten Ausführungsform zeigen, die in 9A bis 9C gezeigt sind;
11 ist eine Ansicht um einen Teil des Herstellungsverfahrens für das optische Modul ausführlich zu erklären, das in 10A bis 10F gezeigt ist, und insbesondere eine vergrößerte Querschnittsansicht eines optischen Moduls vor einem thermischen Oxidationsprozess, welches der Schritt ist, eine obere Mantelschicht zu bilden;
12 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines optischen Moduls nach einem thermischen Oxidationsprozess als nachfolgender Schritt von 11;
13 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines weiteren optischen Moduls nach einem thermischen Oxidationsprozess als nachfolgender Schritt von 11;
14A bis 14C zeigen ein optisches Modul gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung, wobei 14A eine Draufsicht ist, 14B ein Querschnitt entlang der Linie 14B-14B von 14A ist und 14C ein Querschnitt entlang der Linie 14C-14C von 14A ist;
15A bis 15H sind Ansichten, die die Schritte in einem Herstellungsverfahren für das optische Modul gemäß der vierten Ausführungsform zeigen, das in 14A bis 14C gezeigt ist;
16 ist eine perspektivische Ansicht des Kerns des ersten optischen Wellenleiters, der aus Silizium hergestellt ist, wobei der sich verjüngende Abschnitt des Modenfeldgrößenkonversionsabschnitts mit den Kern gemäß der vierten Ausführungsform kontinuierlich verläuft;
17 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die ein optisches Modul zeigt, um den Zustand der thermischen Oxidation von 15F zu erklären;
18 ist eine Grafik, die die Beziehung zwischen der Musterbreite und dem Musterseitenverhältnis in jedem der optischen Module gemäß der vierten Ausführungsform und dem Stand der Technik zeigt;
19A und 19B zeigen ein optisches Modul gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung, wobei 19A eine Querschnittsansicht ist und 19B eine Längsschnittansicht ist;
20 stellt eine Querschnitts-Lichtintensitätsverteilung in der fünften Ausführungsform dar;
21A bis 21E zeigen ein optisches Modul gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung, wobei 21A eine Draufsicht ist, 21B eine Querschnittsansicht entlang der Linie 21B-21B von 21A ist, 21C eine Querschnittsansicht entlang der Linie 21C-21C von 21A ist, 21D eine Querschnittsansicht entlang der Linie 21D-21D von 21A ist und 21E eine Querschnittsansicht entlang der Linie 21E-21E von 21A ist;
22 ist eine Draufsicht, die ein optisches Modul gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
23A bis 23H sind Ansichten, die die Schritte in einem Herstellungsverfahren für den Hauptteil des optischen Moduls gemäß der siebten Ausführungsform zeigen, die in 21A bis 21E gezeigt ist;
24A bis 24C zeigen ein optisches Modul gemäß einer achten Ausführungsform, wobei 24A eine Draufsicht ist, 24B ein Querschnitt entlang der Linie 24B-24B von 24A ist und 24C ein Querschnitt entlang der Linie 24C-24C von 24A ist; und
25A und 25B zeigen ein Beispiel eines herkömmlichen optischen Moduls, wobei 25A eine Draufsicht ist und 25B eine Querschnittsansicht.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Nachfolgend wird die Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es ist zu beachten, dass die Größen und Formen der jeweiligen Bestandteile in den Zeichnungen und ihre Positionsbeziehungen in dem Maße angenähert sind, dass die vorliegende Erfindung verstanden werden kann. Außerdem ist jeder numerische Zustand, der nachfolgend beschrieben wird, lediglich ein Beispiel.
(Grundkonzept der vorliegenden Erfindung)
1A und 1B zeigen ein optisches Modul, das einen erfindungsgemäßen Modenfeldgrößenkonversionsabschnitt aufweist.
Die Bezugszahl 10 bezeichnet einen ersten optischen Wellenleiter; 11 einen Modenfeldgrößenkonversionsabschnitt; 12 einen zweiten optischen Wellenleiter, der mit dem ersten optischen Wellenleiter 10 verbunden ist; 13 ein Siliziumsubstrat; 14 einen unteren Mantel, der aus einem Siliziumoxidfilm 10 gebildet ist, der auf dem Siliziumsubstrat gebildet ist; und 15 einen oberen Mantel, der aus einem Material wie einem Polymer hergestellt ist. Die Bezugszahl 16 bezeichnet einen ersten Kern in Form eines Drahts, der auf dem unteren Mantel 14 gebildet ist; 17 einen sich verjüngenden Abschnitt, der aus Silizium hergestellt ist und als Anschlussendabschnitt des ersten Kerns 16 dient; und 18 einen zweiten Kern, der aus einem Polymer hergestellt ist, und sich mindestens teilweise auf dem sich verjüngenden Abschnitt 17 des ersten Kerns 16 befindet. Der Hauptabschnitt des zweiten Kerns 18, der obere Mantel 15 und der untere Mantel 14 bilden den zweiten optischen Wellenleiter. Der sich verjüngende Abschnitt 17 ist so gebildet, dass seine Querschnittsfläche allmählich zum distalen Ende des ersten Kerns 16 abnimmt.
Der erste optische Wellenleiter 10 und der zweite optische Wellenleiter 12 sind unter Verwendung des Siliziumsubstrats 13 und des unteren Mantels 14 als gemeinsames Substrat gebildet und optisch miteinander durch den Modenfeldgrößenkonversionsabschnitt 11 verbunden.
Letzterer 14 besteht aus dem unteren Mantel 14, dem sich verjüngenden Abschnitt 17, dem zweiten Kern 18, der auf dem sich verjüngenden Abschnitt 17 angeordnet ist, und dem oberen Mantel 15, der auf dem zweiten Kern und um ihn herum angeordnet ist. Der erste optische Wellenleiter 10 besteht aus dem unteren Mantel 14 und dem ersten Kern 16 und dem oberen Mantel 15, die auf dem unteren Mantel angeordnet sind. Der erste optische Wellenleiter 10 erfordert nicht notwendigerweise den oberen Mantel 15.
Wenn Licht in dem 1,55 μm-Band, das meistens zur optischen Kommunikation verwendet wird, durchgeleitet werden soll, sind die Höhe und Breite eines Querschnitts des ersten Kerns 16 des ersten optischen Wellenleiters 10 jeweils ungefähr 0,3 μm. Der zweite Kern 18 des zweiten optischen Wellenleiters 12 weist einen um wenige % höheren Brechungsindex auf als entweder der des unteren Mantels 14 oder des oberen Mantels 15. Sowohl die Höhe als auch die Breite eines Querschnitts des zweiten Kerns 18 betragen mehrere μm. Der sich verjüngende Abschnitt 17 besitzt eine Länge von 300 μm, und die Breite des sich verjüngenden distalen Endabschnitts beträgt 0,06 μm. Der obere Mantel 15, der dem ersten optischen Wellenleiter 10, dem Modenfeldgrößenkonversionsabschnitt 11 und dem zweiten optischen Wellenleiter 12 gemein ist, besitzt einen Brechungsindex, der fast gleich oder höher ist, als der des unteren Mantels 14. Der erste Kern 16 und der sich verjüngende Abschnitt 17 sind durch Elektronenstrahllithographie und Ätzen gebildet. Der zweite Kern 18 ist durch Fotolithographie und Ätzen gebildet.
Ein Herstellungsverfahren für das optische Modul, das in 1A und 1B gezeigt ist, wird als Nächstes mit Bezug auf 2A bis 2G beschrieben.
Zunächst wird ein SOI-Substrat vorbereitet, das aus dem Siliziumsubstrat 13 besteht, dem unteren Mantel 14, der insgesamt eine flache Form aufweist, aus einem Siliziumoxidfilm hergestellt ist und auf dem Siliziumsubstrat 13 gebildet ist, und eine Siliziumsschicht 161, die auf dem unteren Mantel 14 gebildet ist. Ein Siliziumoxidfilm 162, der als Ätzmaske dient, ist auf der Siliziumschicht 161 beispielsweise durch chemisches Aufdampfen oder Zerstäuben gebildet (2A). In diesem Fall weist der untere Mantel 14 eine Dicke von 3,0 μm auf, und die Siliziumschicht 161 weist eine Dicke von 0,2 μm bis 0,5 μm auf.
Nachfolgend, nachdem die Oberfläche des Siliziumoxidfilms 162 mit einem Elektronenstrahlschutzlack beschichtet worden ist, wird der Schutzlack durch Elektronenstrahl lithographie bearbeitet, um eine Lackmaske 163 zum Bilden eines Siliziumoxidfilmmusters (2B) zu bilden. Die Lackmaske 163 wird verwendet, um eine Ätzmaske durch Verarbeiten des Siliziumoxidfilms 162 zu bilden. Die Siliziumschicht 161 wird unter Verwendung dieser Maske verarbeitet, um den Kern 16 des ersten optischen Wellenleiters 10 zu bilden, der einen rechtwinkligen Querschnitt aufweist, und den sich verjüngenden Abschnitt 17, der als Anschlussendabschnitt des Kerns dient. Nach dieser Bildung ist die flache Form des Kerns 16 des ersten optischen Wellenleiters und der sich verjüngende Abschnitt 17 die gleiche, wie die der Lackmaske 163.
Der Siliziumoxidfilm 162 wird dann unter Verwendung der Lackmaske 163 geätzt, um eine Maske 163 zum Ätzen des ersten Kerns 16 und des sich verjüngenden Abschnitts 17 zu bilden. Danach wird die Lackmaske 163 durch Lackentfernung entfernt (2C). Die Siliziumschicht 161 wird unter Verwendung der Maske 164 geätzt, um den ersten Kern 16 des drahtähnlichen ersten optischen Wellenleiters 10 und den sich verjüngenden Abschnitt 17 zu bilden (2D). Die Maske 164 wird dann durch nasschemisches Ätzen entfernt (2E). In diesem Fall kann sie, wenn die Maske 164 dünn ist, belassen werden, ohne entfernt zu werden, weil sie keinen Einfluss hat.
Ein Siliziumoxidfilm oder ein Polymer-basiertes Material, das einen um ungefähr 2 % höheren Brechungsindex aufweist, als der untere Mantel 14 wird auf ungefähr 3,5 μm auf dem SOI-Substrat aufgedampft, auf dem der erste Kern 16 und der sich verjüngende Abschnitt 17 gebildet sind, beispielsweise durch chemisches Aufdampfen oder Schleuderbeschichten. Das Polymer-basierte Material wird durch Fotolithographie und Ätzen verarbeitet, um den Modenfeldgrößenkonversionsabschnitt 11 und den Kern 18 des optischen Wellenleiters 12 zu bilden (2F).
Schließlich wird ein Siliziumoxidfilm oder ein Polymer-basiertes Material, das den gleichen Brechungsindex aufweist, wie der des unteren Mantels 14 auf 6 μm oder mehr auf dem SOI-Substrat aufgedampft, auf dem der erste Kern 16, der sich verjüngende Abschnitt 17 und der zweite Kern 18 gebildet sind, wodurch der obere Mantel 15 gebildet wird (2G). Auf diese Weise wird das optische Modul, das in 1A und 1B gezeigt ist, fertig gestellt. In diesem Fall wird für den Kern des zweiten optischen Wel lenleiters ein Polymer verwendet, das einen um ungefähr 2 % höheren Brechungsindex aufweist, als der untere Mantel und der obere Mantel. Wenn ein Polymer verwendet wird, das eine kleinere Indexdifferenz aufweist, kann die Kerngröße des zweiten optischen Wellenleiters weiter vergrößert werden.
Da der obere Mantel, der aus einem Polymer hergestellt ist, das einen Brechungsindex aufweist, der dem des unteren Mantels ähnlich ist, auf dem ersten Kern des ersten optischen Wellenleiters und dem zweiten Kern des zweiten optischen Wellenleiters gebildet ist, sind die Kerne vor Beschädigung geschützt. Da der Einschluss von Licht in dem zweiten optischen Wellenleiter durch den Brechungsindex des oberen Mantels angepasst werden kann, kann außerdem die Größe des zweiten Kerns des zweiten optischen Wellenleiters weiter vergrößert werden. Dies macht es möglich, die optischen Wellenleiter dieses optischen Moduls stabil über einen langen Zeitraum zu verwenden, und den Verbindungsverlust in Bezug auf die optische Faser weiter zu reduzieren.
(Erste Ausführungsform)
Mit Bezug auf 3A bis 3C bezeichnet die Bezugszahl 20 einen drahtähnlichen ersten optischen Wellenleiter, der aus Silizium hergestellt ist; 21 einen Modenfeldgrößenkonversionsabschnitt; 22 einen zweiten optischen Wellenleiter, der mit dem ersten optischen Wellenleiter 20 verbunden ist; 23 ein Siliziumsubstrat; 24 einen unteren Mantel, der aus einem Siliziumoxidfilm gebildet ist und auf dem Siliziumsubstrat 23 angeordnet ist; 25 einen oberen Mantel, der aus einem Polymer hergestellt ist; 26 einen ersten Kern, der aus Silizium hergestellt ist und den ersten optischen Wellenleiter 20 bildet; 27 einen sich verjüngenden Abschnitt, der aus Silizium hergestellt ist, wie der erste Kern 26 und so gebildet ist, dass das Breitenmaß zu seinem distalen Ende abnimmt, während die Höhe eines Querschnitts (Dicke) des Kerns 26 unverändert bleibt; 28 einen zweiten Kern, der aus einem Polymer hergestellt ist und als Kern des Modenfeldgrößenkonversionsabschnitts 21 und eines zweiten optischen Wellenleiters 22 gebildet ist; und 30 einen Siliziumoxidfilm.
Der sich verjüngende Abschnitt 27 ist mit dem zweiten Kern 28 bedeckt, zusammen mit dem Siliziumoxidfilm 30, der auf der Fläche des sich verjüngenden Abschnitts 27 gebildet ist, während der sich verjüngende Abschnitt in dem zweiten Kern 28 von seiner Endfläche aus eingefügt ist. Der Abschnitt, in dem der sich verjüngende Abschnitt 27, der entlang der Achse des ersten Kerns 26 des ersten optischen Wellenleiters angeordnet ist, der in Kontakt mit dem zweiten Kern 28 durch den Siliziumoxidfilm 30 ist, entspricht dem Modenfeldgrößenkonversionsabschnitt 21. Der sich verjüngende Abschnitt 27 ist optisch mit dem zweiten Kern 28 durch den Siliziumoxidfilm 30 gekoppelt. Der sich verjüngende Abschnitt 27 und der zweite Kern 28 sind vorzugsweise so positioniert, dass ihre Achsen miteinander übereinstimmen. Sie müssen jedoch nicht genau miteinander ausgerichtet sein, solange der sich verjüngende Abschnitt 27 innerhalb der Breite des zweiten Kerns 28 untergebracht ist. In diesem Fall ist es ausreichend, wenn der zweite Kern 28 auf einem Teil des sich verjüngenden Abschnitts 27 montiert ist.
Der Ausbreitungszustand von Licht im optischen Modul, das in 3A bis 3C gezeigt ist, wird als Nächstes beschrieben. Licht, das von der linken Endfläche des ersten Kerns 26 des optischen Siliziumdraht-Wellenleiters 20 einfällt, der in 3A und 3B gezeigt ist, breitet sich durch den Kern 26 aus und erreicht die linke Endposition des sich verjüngenden Abschnitts 27. Wenn sich das Licht durch den sich verjüngenden Abschnitt 27 rechts in 3A ausbreitet, nimmt die Kernbreite allmählich ab und der Einschluss des Lichts wird abgeschwächt. Folglich versucht die Modenfeldgröße im Umfang zuzunehmen. Da der zweite Kern 28, der einen höheren Brechungsindex aufweist als der untere Mantel 24, neben dem sich verjüngenden Abschnitt 27 vorhanden ist, verschiebt sich die optische Leistungsverteilung zu diesem Zeitpunkt allmählich vom ersten Kern 26 des ersten optischen Wellenleiters 20 zum zweiten Kern 28 des zweiten optischen Wellenleiters 22.
Im Gegensatz zum oben genannten Fall bewegt sich, wenn Licht vom rechten Endabschnitt des zweiten Kerns 28 einfällt, der in 3A und 3B gezeigt ist, die Lichtverteilung zum ersten Kern 26 des ersten optischen Wellenleiters 20 durch den zweiten Kern 28 und den sich verjüngenden Abschnitt 27, da das Licht von rechts nach links wandert. Da diese Bewegung adiabatisch durch den sich verjüngenden Abschnitt erfolgt, ist ihre Effizienz sehr hoch.
Das Verbinden des ersten Kerns 26 des ersten optischen Wellenleiters 20 mit dem zweiten Kern 28 des zweiten optischen Wellenleiters 22 durch den sich verjüngenden Abschnitt 27 auf diese Weise macht es möglich, eine hocheffiziente Modenfeldgrößenkonversion auszuführen.
Ein Herstellungsverfahren für das optische Modul, das in 3A bis 3C gezeigt wird, wird als Nächstes mit Bezug auf 4A bis 4H beschrieben.
Zu aller erst wird ein SOI-Substrat vorbereitet, das aus dem Siliziumsubstrat 23, dem unteren Mantel 24, der insgesamt eine flache Form aufweist, aus einem Siliziumoxidfilm hergestellt ist und auf dem Siliziumsubstrat 23 gebildet ist, und einer Siliziumschicht 31, die auf dem unteren Mantel 24 gebildet ist, besteht. Ein Siliziumoxidfilm 32, der als Ätzmaske dient, ist auf der Siliziumschicht 31 beispielsweise durch chemisches Aufdampfen oder Zerstäuben gebildet (4A). In diesem Fall weist der untere Mantel 24 eine Dicke von 3,0 μm auf, und die Siliziumschicht 31 weist eine Dicke von 0,2 μm bis 0,5 μm auf.
Nachfolgend, nachdem die Oberfläche des Siliziumoxidfilms 32 mit einem Elektronenstrahlschutzlack beschichtet worden ist, wird der Schutzlack durch Elektronenstrahllithographie verarbeitet, um eine Lackmaske 33 zur Bildung eines Siliziumoxidfilmmusters zu bilden (4B). Die Lackmaske 33 wird verwendet, um eine Ätzmaske durch Verarbeiten des Siliziumoxidfilms 32 zu bilden. Die Siliziumschicht 31 wird unter Verwendung dieser Maske verarbeitet, um den Kern 26 des ersten optischen Wellenleiters 20 zu bilden, der einen rechtwinkligen Querschnitt aufweist und den sich verjüngenden Abschnitt 27, der als Anschlussendabschnitt des Kerns dient. Nach dieser Bildung ist die flache Form des Kerns 26 des ersten optischen Wellenleiters und des sich verjüngenden Abschnitts 27 die gleiche, wie die der Lackmaske 33.
Nach dem Bilden des ersten Kerns 26 und des sich verjüngenden Abschnitts 27, von denen jeder eine Querschnittsform aufweist, wird die Breite der Siliziumschicht in einem Oxidationsprozess (später beschrieben) reduziert. Wie in 5 gezeigt, müssen daher die Breiten des ersten Kerns 26 und des sich verjüngenden Abschnitts 27 (d. h. die Breite der Lackmaske 33) so eingestellt sein, dass sie um Reduktionsmengen der Breite bei der Oxidation größer als die endgültigen Herstellungs-Zielwerte nach der Oxidation sind.
Angenommen die endgültigen Herstellungs-Zielwerte der Breiten des Kerns 26 und des distalen Endabschnitts des sich verjüngenden Abschnitts 27 sind 0,3 μm, beziehungsweise 0,06 μm und eine Reduktion der Dicke der Siliziumschicht bei der Oxidation ist 0,05 μm.
Die Lackmaske 33 wird gebildet, damit der Kern 26 des ersten optischen Wellenleiters 20 und der distale Endabschnitt des sich verjüngenden Abschnitts 27 vor der Oxidation Breiten von 0,4 μm, beziehungsweise 0,16 μm aufweisen.
Der distale Endabschnitt des sich verjüngenden Abschnitts 27 ist so gebildet, dass er eine Trapezform aufweist.
Da die Dicken des ersten Kerns 26 und des sich verjüngenden Abschnitts 27 durch Oxidation wie in der Breitenrichtung reduziert werden, muss die Dicke der Siliziumschicht 31 im Voraus um einen Betrag erhöht werden, der einer Dickenreduktion bei Oxidation entspricht. Wenn beispielsweise der endgültige Herstellungs-Zielwert der Dicke des ersten Kerns 26a und des sich verjüngenden Abschnitts 27 0,3 μm beträgt, kann die Dicke der Siliziumschicht 31 auf 0,35 μm eingestellt werden.
Der Siliziumoxidfilm 32 wird dann unter Verwendung der Lackmaske 33 geätzt, um eine Maske 29 zum Ätzen des ersten Kerns 26 und des sich verjüngenden Abschnitts 27 zu bilden. Danach wird die Lackmaske 33 durch Lackentfernen entfernt (4C). Die Siliziumschicht 31 wird unter Verwendung der Maske 29 geätzt, um den ersten Kern 26 des drahtähnlichen ersten optischen Wellenleiters 20 und den sich verjüngenden Ab schnitt 27 zu bilden (4D). Die Maske 29 wird dann durch chemisches Nassätzen entfernt (4E).
Das gesamte SOI-Substrat, auf dem der erste Kern 26 des ersten optischen Wellenleiters 20 und der sich verjüngende Abschnitt 27 gebildet sind, wird bei 900 °C in einer Sauerstoffatmosphäre erhitzt, um den ersten Kern 26 und den sich verjüngenden Abschnitt 27 zu oxidieren, wodurch der Siliziumoxidfilm 30 gebildet wird (4F). Zu diesem Zeitpunkt wird das Silizium oxidiert und in den Siliziumoxidfilm 30 geändert, und somit nehmen die Breiten und Dicken des ersten Kerns 26 und des sich verjüngenden Abschnitts 27 mit der Oxidationszeit ab. Wie in 5 gezeigt, wird die Form nach der Oxidation ebenfalls verjüngt, wenn der sich verjüngende Abschnitt 27 im Voraus gebildet wird, um vom ersten Kern 26 bis zu seinem distalen Ende verjüngt zu werden.
Ein Polymer-basiertes Material, das einen um ungefähr 1 % höheren Brechungsindex als der untere Mantel 24 aufweist, wird auf ungefähr 7,0 μm auf dem SOI-Substrat aufgedampft, auf dem der erste Kern 26, der sich verjüngende Abschnitt 27 und der Siliziumoxidfilm 30 gebildet sind, beispielsweise durch chemisches Aufdampfen oder Schleuderbeschichten. Das Polymer-basierte Material wird dann durch Fotolithographie und Ätzen verarbeitet, um den Modenfeldgrößenkonversionsabschnitt 21 und den Kern 28 des zweiten optischen Wellenleiters 22 zu bilden (4G).
Schließlich wird ein Polymer-basiertes Material, das den gleichen Brechungsindex aufweist, wie der des unteren Mantels 24 auf 15,0 μm oder mehr auf das SOI-Substrat aufgedampft, auf dem der erste Kern 26, der sich verjüngende Abschnitt 27, der Siliziumoxidfilm 30 und der zweite Kern 28 gebildet sind, wodurch der untere Mantel 25 gebildet wird (4H). Auf diese Weise wird das optische Modul fertig gestellt, das in 3A bis 3B gezeigt ist. In dieser Ausführungsform wird für den Kern des zweiten optischen Wellenleiters ein Polymer verwendet, das einen um ungefähr 1 % höheren Brechungsindex aufweist, als der des unteren Mantels und der des oberen Mantels. Wenn ein Polymer verwendet wird, das eine kleinere Indexdifferenz aufweist, kann die Kerngröße des zweiten optischen Wellenleiters weiter erhöht werden.
Da der obere Mantel, der aus einem Polymer hergestellt ist, das einen Brechungsindex aufweist, der dem des unteren Mantels ähnlich ist, auf dem ersten Kern des ersten optischen Wellenleiters und dem zweiten Kern des zweiten optischen Wellenleiters gebildet ist, sind in dieser Ausführungsform die Kerne vor Beschädigung geschützt. Da der Einschluss von Licht in dem zweiten optischen Wellenleiter durch den Brechungsindex des oberen Mantels angepasst werden kann, kann außerdem der zweite Kern des zweiten optischen Wellenleiters weiter in der Größe vergrößert werden. Dies macht es möglich, die optischen Wellenleiter dieses optischen Moduls stabil für einen langen Zeitraum zu verwenden und den Verbindungsverlust in Bezug auf die optische Faser weiter zu reduzieren.
Gemäß der ersten zuvor beschriebenen Ausführungsform wird der sich verjüngende Abschnitt 27, der aus Silizium hergestellt ist, durch Oxidation dünner gemacht. Selbst wenn daher die anfängliche Breite des distalen Endabschnitts des sich verjüngenden Abschnitts 27 0,1 μm oder mehr beträgt, kann die Breite des distalen Endabschnitts schließlich auf 0,06 μm oder weniger gemäß den Einstellungen des Oxidationsbetrags und der anfänglichen Breite des distalen Endabschnitts reduziert werden. Gemäß dem Verfahren dieser Ausführungsform kann daher ein Muster mit einer Auflösung von 0,1 μm oder weniger über die Auflösungsgrenze von Lithographie hinaus gebildet werden. Außerdem wird der Siliziumoxidfilm 30 an beiden Seiten des sich verjüngenden Abschnitts 27 befestigt, der aus Silizium hergestellt ist. Dies macht es möglich, zu verhindern, dass der sich verjüngende Abschnitt 27 zusammenfällt, ungeachtet des Maßes, in dem die Siliziumbreite des distalen Endabschnitts des Kerns 27 abnimmt.
In der ersten Ausführungsform wird die Breite des distalen Endabschnitts des sich verjüngenden Abschnitts 27 auf ungefähr 0,06 μm eingestellt. Wie in 5 gezeigt, kann jedoch der sich verjüngende Abschnitt 27, der aus Silizium hergestellt ist und einen distalen Endabschnitt aufweist, der eine Breite von 0 μm aufweist, mit der die Konversionseffizienz theoretisch am höchsten wird, ausgeführt werden, indem D ≥ L/2 festgelegt wird, wobei L die Breite des distalen Endabschnitts des sich verjüngenden Abschnitts vor der Oxidation ist und D eine Reduktion der Dicke der Siliziumschicht nach der Oxidation ist, das heißt die Reduktion D in der Dicke der Siliziumschicht bei Oxida tion gleich oder größer macht als ½ der Breite L des distalen Endabschnitts des sich verjüngenden Abschnitts vor der Oxidation.
Obgleich der Wärmeoxidationsprozess angewendet wird, um den Siliziumoxidfilm zu bilden, kann in dieser Ausführungsform auch ein anderes Oxidationsverfahren angewandt werden.
(Zweite Ausführungsform)
Die gleichen Bezugszahlen wie in 3A bis 3C bezeichnen das gleiche Teil in 7A bis 7C. Ein charakteristisches Merkmal dieser Ausführungsform ist, dass ein Siliziumoxidfilm 30 so gebildet ist, dass er nur neben den Seitenflächen eines sich verjüngenden Abschnitts 27 liegt. Dies ermöglicht, dass der sich verjüngende Abschnitt 27 mit hoher Präzision geformt werden kann.
Nachfolgend wird ein Herstellungsverfahren für das optische Modul, das in 7A bis 7C gezeigt ist, mit Bezug auf 8A bis 8G beschrieben.
Die Schritte in 8A bis 8D sind die gleichen, wie die in 4A bis 4D in der ersten Ausführungsform. In der ersten Ausführungsform sind der erste Kern 26 des ersten optischen Wellenleiters 20 und der sich verjüngende Abschnitt 27, der mit dem Kern 26 kontinuierlich verläuft, durch Ätzen der Siliziumschicht 31 unter Verwendung der Maske 29 gebildet, und ein Oxidationsprozess wird ausgeführt, nachdem die Maske 29 entfernt worden ist. In dieser Ausführungsform wird ein Oxidationsprozess ausgeführt, der dem in der ersten Ausführungsform ähnlich ist, ohne die Maske 29 zu entfernen. Mit diesem Prozess weisen der erste Kern 26 und der sich verjüngende Abschnitt 27 rechtwinklige Querschnitte auf, und nur ihre Seitenflächen werden oxidiert, während ihre Oberflächen nicht oxidiert werden. Folglich wird der Siliziumoxidfilm 30 nur an den Seitenflächen des ersten Kerns 26 und des sich verjüngenden Abschnitts 27 gebildet (8E).
Die Schritte in 8F und 8G sind die gleichen, wie die in 4G und 4H in der ersten Ausführungsform.
In dieser Ausführungsform kann die Formgebungsprozesskontrolle erleichtert werden, indem nur die Seitenflächen des ersten Kerns 26 des ersten optischen Wellenleiters und des sich verjüngenden Abschnitts 27 oxidiert werden, ohne die Maske 29 zu entfernen.
In der ersten und zweiten Ausführungsform sind der sich verjüngende Abschnitt 27 und der zweite Kern 28, der darauf angeordnet ist, miteinander durch den Siliziumoxidfilm 30 in Kontakt. Da der Siliziumoxidfilm 30 im Verhältnis zur Wellenlänge (z. B. 1,55 μm) des Lichts, das zur Kommunikation verwendet wird, ausreichend dünn ist, hat jedoch der Siliziumoxidfilm 30 keinen Einfluss auf die optische Verbindung zwischen dem ersten Kern 26 und dem zweiten Kern 28.
Da der erste Kern des ersten optischen Wellenleiters und der sich verjüngende Abschnitt, der als Bestandteil an einen Endabschnitt des ersten Kerns gekoppelt ist, oxidiert werden, kann gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 2A bis 8G gezeigt sind, der Siliziumkern mit dem distalen Ende des sich verjüngenden Abschnitts, der ein Breitenmaß von ungefähr 0,06 μm oder weniger aufweist, unter Verwendung eines Lithographieprozesses ohne eine Auflösung von 0,1 μm oder weniger genau und wirtschaftlich verarbeitet werden.
Da der erste optische Wellenleiter, der Fleckgrößenkonversionsabschnitt und der zweite optische Wellenleiter mit der oberen Mantelschicht bedeckt sind, die einen Brechungsindex aufweist, der ähnlich dem des unteren Mantels ist, kann außerdem die Kerngröße des Verbindungswellenleiters erhöht werden. Dies kann den Verbindungsverlust in Bezug auf eine optische Faser reduzieren. Da der Siliziumdraht-Wellenleiterkern gegen Beschädigung geschützt werden kann, kann der optische Wellenleiter über einen langen Zeitraum stabil verwendet werden.
Indem eine Reduzierung der Dicke der Siliziumschicht bei Oxidation auf 1/2 oder mehr des Breitenmaßes des distalen Endes des sich verjüngenden Abschnitts vor der Oxidati on festgelegt wird, kann der sich verjüngende Abschnitt ausgeführt werden, dessen distales Ende ein Breitenmaß von 0 μm aufweist, womit die Konversionseffizienz theoretisch am höchsten wird.
Da nur die Seitenflächen des ersten Kerns und des sich verjüngenden Abschnitts oxidiert werden, kann die Oxidation unter Berücksichtigung nur einer Reduktion der Dicke des Siliziums bei Oxidation und des Breitenmaßes des sich verjüngenden Abschnitts vor der Oxidation erfolgen. Dies macht es möglich, eine Formgebungskontrolle zu ermöglichen.
(Dritte Ausführungsform)
Diese Ausführungsform ist eine Abwandlung des Herstellungsverfahrens für das optische Modul, das in 4A bis 4H gezeigt ist, und stellt insbesondere nur den Teil des Verfahrens beispielhaft dar, in dem, nachdem eine Siliziumschicht, die als erster Kern dient, auf einem unteren Mantel gebildet ist, ein Siliziumoxidfilm gebildet wird, um den ersten Kern abzudecken. Die Verwendung dieser Ausführungsform macht es möglich, ein optisches Modul in einem kürzeren Herstellungszeitraum herzustellen, als das herkömmliche Verfahren.
Mit Bezug auf 9A bis 9C bezeichnet das Bezugszeichen 111 ein Siliziumsubstrat; 112 eine untere Mantelschicht, die auf einem Siliziumoxidfilm (SiO₂) gebildet ist; und 113 einen Kern, der sowohl als erster Kern des ersten optischen Wellenleiters als auch des sich verjüngenden Abschnitts in der ersten zuvor beschriebenen Ausführungsform dient. Der Kern 113 ist aus Silizium hergestellt und in einem dünnen Draht strukturiert. Die Bezugszahl 110 bezeichnet einen Siliziumoxidfilm, der angeordnet ist, um den Kern 113 zu bedecken. In diesem Fall sind die Breite und die Dicke des Kerns 113 voneinander unterschiedlich und fallen in den Bereich von 0,2 μm bis 0,5 μm oder sie sind gleich zueinander und fallen in den Bereich von 0,2 μm bis 0,5 μm.
Als Nächstes wird ein Herstellungsverfahren für das optische Modul mit Bezug auf 10A bis 10F beschrieben, das die Struktur aufweist, die in 9A bis 9C gezeigt ist.
Mit Bezug auf 10A bis 10F wird zunächst ein SOI-Substrat, das durch das Siliziumsubstrat 111, die untere Mantelschicht 112, die insgesamt eine flache Form aufweist, aus Siliziumoxid hergestellt ist und auf dem Siliziumsubstrat 111 gebildet ist, und eine Siliziumschicht 121, die auf der unteren Mantelschicht 112 gebildet ist, besteht (10A). Die Siliziumschicht 121 ist der Kern des ersten optischen Wellenleiters und wird in dem Anschlussendabschnitt des Modenfeldgrößenkonversionsabschnitts verarbeitet, wie aus den zuvor beschriebenen Ausführungsformen offensichtlich ist.
Wie in 10B gezeigt, wird die Oberfläche der Siliziumschicht 121 des SOI-Substrats mit einem Schutzlack 122 beschichtet, und eine gewünschte Musterform wird in den Schutzlack 121 unter Verwendung von Lithographie, wie Elektronenstrahllithographie oder Fotolithographie, gedruckt. Die Musterform wird dann entwickelt, um ein Schutzlackmuster 123 zu erhalten, das eine gewünschte Form aufweist (10C).
Die Siliziumschicht 121 wird dann unter Verwendung des Schutzlackmusters 123 als eine Maske geätzt. Dieser Ätzprozess wird nach der Hälfte gestoppt, ohne die Siliziumschicht 121 vollständig zu ätzen, wie in 10D gezeigt. Auf den zwei Seiten der Siliziumschicht, auf denen das Schutzlackmuster 123 angeordnet wird und ohne geätzt zu werden belassen wird, wird eine Siliziumschicht belassen, die dicker ist als die Siliziumschicht.
Es ist zu beachten, dass, wenn eine ausreichende Selektivität zwischen dem Schutzlackmuster 123 und der Siliziumschicht nicht erreicht werden kann, eine Ätzmaske zum Ätzen der Siliziumschicht 121 verwendet werden kann. In diesem Fall wird eine Ätzmaskenschicht auf die Siliziumschicht 121 aufgedampft und die Oberfläche der Ätzmaskenschicht wird mit dem Schutzlack 122 beschichtet. Der Schutzlack 122 wird verarbeitet, um das Schutzlackmuster 123 zu bilden. Die Ätzmaskenschicht wird dann unter Verwendung des Schutzlackmusters 123 als eine Maske geätzt, um eine Ätzmaske zu bilden. Die Siliziumschicht 121 kann unter Verwendung dieser Ätzmaske geätzt werden.
Wie in 10D gezeigt, wird, nachdem die Siliziumschicht 121 geätzt worden ist, das Schutzlackmuster 123 (oder die Ätzmaske) entfernt (10E). Das gesamte SOI-Substrat, das in 10E gezeigt ist, wird in einem Hochtemperatur-Wärmeoxidationsofen erhitzt, um die Siliziumschicht 121 zu oxidieren. Folglich werden die Oberfläche und die Seitenwandabschnitte der Siliziumschicht 121 oxidiert, um die obere Mantelschicht 114 zu bilden, die auf dem Siliziumoxidfilm gebildet ist, und die Siliziumschicht 121, die im Inneren der oberen Mantelschicht 114 belassen wird, wird der Kern 113 des optischen Siliziumdraht-Wellenleiters (10F). Auf diese Weise wird ein optisches Modul fertig gestellt, wie das, das in 9A bis 9C gezeigt ist.
Wie aus der zuvor aufgeführten Beschreibung offensichtlich ist, werden die Breite und die Dicke der Siliziumschicht durch den Wärmeoxidationsprozess reduziert. Unter Berücksichtigung von Reduktionen der Breite und Dicke bei der Oxidation muss daher die Breite des Schutzlackmusters 123 (Ätzmaske) so festgelegt sein, dass sie größer ist als die Breite des zu bildenden drahtähnlichen Kerns 113 und die Dicke der Siliziumschicht 121 vor dem Ätzen muss auch so festgelegt sein, dass sie größer ist als die Dicke des zu bildenden Kerns 113.
11 ist eine vergrößerte Ansicht des Hauptteils von 10E. 12 ist eine vergrößerte Ansicht des Hauptteils von 10F in dem Fall von T1 < T3/2. Mit Bezug auf 11 bezeichnet die Bezugszahl 121a den ersten Bereich der Siliziumschicht 121, der der erste Kern 113 des ersten optischen Wellenleiters und der Siliziumoxidfilm 114 wird, der angeordnet ist, um den Kern 113 nach der Oxidation abzudecken; und 121b den zweiten Bereich, der der Siliziumoxidfilm 114 wird, der auf der unteren Mantelschicht 112 angeordnet ist, ausgenommen für den ersten Kern 113 nach der Oxidation. Das Bezugszeichen W1 bezeichnet die Breite des ersten Bereichs 121a; T1 die Dicke des zweiten Bereichs 121b; und T2 den Wert, der durch Subtrahieren der Dicke T2 des zweiten Bereichs 121b von der Dicke des ersten Bereichs 121a erhalten wird (die anfängliche Dicke der Siliziumschicht 121), d. h. die Ätztiefe.
Mit Bezug auf 12 bezeichnet die Bezugszahl 114a einen Abschnitt des Siliziumoxidfilms 114, der die Siliziumschicht 121 vor der Oxidation war; und 114b einen Ab schnitt, der durch eine Expansions-begleitende Oxidation gebildet wird. Das Bezugszeichen W2 bezeichnet die Breite des ersten Kerns 113 des ersten optischen Wellenleiters; T3 die Dicke des ersten Kerns 113; T4 die Dicke des Siliziumoxidfilms 114; und T5 die Dicke des Siliziumoxidfilms 114a und 114b.
Wenn das gesamte Silizium des zweiten Bereichs 121b durch Wärmeoxidation in einen Siliziumoxidfilm konvertiert wird, wird die obere Mantelschicht 114 gebildet, deren Dicke T4 das Doppelte der Dicke T5 (= T1) des oxidierten Siliziumsfilms beträgt. Das heißt, da die Oxidation von unterhalb des Musters zu vernachlässigend klein ist, ist eine Änderung der Dicke des Siliziumsfilms gleich der Oxidationsmenge des Siliziumsfilms durch Oxidation von oberhalb des Musters. Die Oxidationsmenge entspricht ½ der Dicke der oberen Mantelschicht 114.
Die Siliziumfilme, die jeweils die Dicke T5 an den zwei Seiten des ersten Bereichs 121a aufweisen, werden in Siliziumoxidfilme konvertiert, und die Musterkante bewegt sich nach innen. Daher wird der erste Bereich 121a um einen Betrag verschmälert, der der Dicke T4 des Siliziumoxidfilms 114 entspricht. Aus diesem Grund muss die Breite W1 des ersten Bereichs 121a (die Breite des Schutzlackmusters 123) vor der Oxidation auf W2 + 2 × T5 = W2 + T4 festgelegt sein.
Mit Bezug auf die Dickenrichtung der Siliziumschicht 121 wird der Siliziumoxidfilm, der die Dicke T5 aufweist, in einen Siliziumoxidfilm konvertiert, und somit muss die Dicke (die anfängliche Dicke der Siliziumschicht 121) T2 + T1 des ersten Bereichs 121a vor der Oxidation im Voraus auf T3 + T5 festgelegt werden. Wie aus 12 ebenfalls offensichtlich ist, T2 = T3.
Die Dicke T1 (= T5) des Siliziumfilms, der im zweiten Bereich 121b belassen wird, kann so festgelegt sein, dass der Siliziumoxidfilm 114 erhalten wird, der eine gewünschte Dicke aufweist. Die Dicke T1 wird jedoch vorzugsweise auf ½ oder mehr der Dicke T3 des ersten Kerns 113 des ersten optischen Wellenleiters eingestellt, der schließlich herzustellen ist. Das Vornehmen solcher Abmessungseinstellungen macht es möglich, den Siliziumoxidfilm 114 zu erhalten, der eine ausreichende Dicke aufweist.
Selbst wenn daher der Siliziumoxidfilm 114 poliert wird, um eine elektronische Vorrichtung auf dem optischen Modul dieser Ausführungsform zu verbinden, wird der Kern 113 niemals freigelegt.
13 zeigt den Kern des optischen Moduls, den Siliziumoxidfilm und den Mantel im Falle von T3 = 2 × T1. Wenn beispielsweise der Kern 113 des ersten optischen Wellenleiters, dessen Breite und Dicke beide beispielsweise 300 nm sind, schließlich herzustellen ist, wird die Siliziumschicht 121, die eine Dicke von 450 nm aufweist, in dem ersten Bereich 121a, der eine Breite von 600 nm aufweist, belassen und auf eine Tiefe von 300 nm geätzt. Zu diesem Zeitpunkt wird nur eine Siliziumschicht, die eine Dicke von 150 nm aufweist, im zweiten Bereich 121b belassen. Ein Oxidfilm wird gebildet.
Wenn der Siliziumoxidfilm 114 oxidiert wird, um eine Dicke von 300 nm zu haben, wird die gesamte Siliziumschicht in dem zweiten Bereich 121b in einen Siliziumoxidfilm konvertiert. Im ersten Bereich 121a, nimmt die Dicke der Siliziumschicht um 150 nm ab, d. h. von 450 nm auf 300 nm, und die Breite der Siliziumschicht nimmt um 150 nm an jeder Seite ab, d. h. von 600 nm auf 300 nm. Folglich wird der optische Siliziumdraht-Wellenleiterkern 113 gebildet, dessen Breite und Dicke beide 300 nm sind. Wenn eine Siliziumschicht, die eine Dicke von ½ oder mehr als die des ersten Kerns 113 hat, im zweiten Bereich 121b belassen wird, kann die obere Mantelschicht 114 gebildet werden, die eine Dicke aufweist, die gleich der des Kerns 113 oder mehr ist.
Wie zuvor beschrieben, wird in dieser Ausführungsform, die in 9A bis 13 gezeigt ist, das Ätzen der Siliziumschicht 121 bei der Hälfte gestoppt, um eine Siliziumschicht mit der vorbestimmten Dicke T1 (= T5) um den ersten Bereich 121a belassen, der als erster Kern 113 dient. Dann wird eine Wärmeoxidation durchgeführt, um die Siliziumschicht mit der Dicke T1 vollständig in einen Siliziumoxidfilm zu konvertieren, wobei der erste Kern 113 gebildet wird, der ein gewünschtes Maß aufweist. Zur gleichen Zeit kann der Kern 113 mit einem Siliziumoxidfilm bedeckt werden, der dick genug ist, um als Siliziumoxidfilm 114 zu fungieren, der ein oberer Mantel oder sein Abschnitt wird. Der Siliziumoxidfilm hat einen geringeren Brechungsindex, als der von Silizium, und Licht kann unter Verwendung der Brechungsindexdifferenz zwischen Silizium und dem Siliziumoxidfilm im Siliziumabschnitt eingeschlossen werden. Das heißt, der Siliziumoxidfilm kann dazu gebracht werden, als ein Siliziumwellenleiter oder ein optisches funktionales Element zu fungieren. Folglich besteht nicht die Notwendigkeit, den Siliziumoxidfilm 114 in einem anderen Schritt zu bilden, oder ein Teil des Siliziumoxidfilms 114 kann gleichzeitig gebildet werden, wie ein Oxidationsprozess in einen Wärmeoxidationsschritt. Außerdem kann die Rauhigkeit der Seitenwandabschnitte des Kerns 113 durch Oxidation reduziert werden.
Da das Siliziumsmuster (erster Bereich 121a) vor der Oxidation breiter gebildet sein kann, als das, das im herkömmlichen Fall ohne Oxidation gebildet wird, nimmt in dieser Ausführungsform, die in 9A bis 13 gezeigt ist, das Seitenverhältnis des Siliziumsmusters vor der Oxidation ab (Seitenverhältnis = b/a, wobei a die Breite des Siliziumsmusters und b seinen Dicke ist). Dies kann das Randmaß zur Musterbildung erhöhen.
Wenn beispielsweise der Kern 113, der eine Breite von 60 nm und eine Dicke von 300 nm aufweist, schließlich zu bilden ist, beträgt das Seitenverhältnis ohne irgendeinen Oxidationsschritt 300/60 = 5. Wenn die Dicke des Siliziumoxidfilms 114 T4 = 300 nm ist, beträgt im Gegensatz dazu in dieser Ausführungsform die Breite des ersten Bereichs 121a vor der Oxidation W2 + T4 = 60 + 300 = 360 nm und seine Ätztiefe ist T2 = T3 = 300 nm. Das Seitenverhältnis ist daher 300/360 = 0,83. Folglich kann bei der Herstellung eines optischen Moduls unter Verwendung eines kostengünstigen Lithographiesystems ein Muster mit einer erhöhten Herstellungsmarge gebildet werden.
Gemäß der dritten Ausführungsform wird durch das Bilden eines Kerns durch Ätzen einer Siliziumschicht die Siliziumschicht oxidiert, sodass eine Siliziumschicht um den Kern, der durch Ätzen zu entfernen ist, von einer vorbestimmten Dicke belassen wird, und die durch Ätzen zu entfernende Siliziumschicht wird in einen Siliziumoxidfilm konvertiert. Dies macht es möglich, gleichzeitig einen Kern, der aus Silizium hergestellt ist, und einen Siliziumoxidfilm zu bilden, der darum angeordnet ist. Folglich ist es nicht notwendig, einen Siliziumoxidfilm nach dem Bilden eines Kerns separat zu bilden, wodurch der Herstellungsprozess im Vergleich zum Stand der Technik verkürzt wird. Außerdem kann die Oxidation die Rauhigkeit der Seitenwandabschnitte des Kerns reduzieren. Im Vergleich zum Stand der Technik nimmt außerdem das Seitenrandverhältnis eines Siliziumsmusters vor der Oxidation ab, das Randmaß zur Musterbildung kann erhöht werden. Bei der Herstellung eines optischen Moduls kann daher unter Verwendung eines kostengünstigen Lithographieapparats ein Muster mit einer erhöhten Herstellungsmarge gebildet werden.
Da die durch Ätzen zu entfernende Siliziumschicht mit einer Dicke von ½ oder mehr belassen wird, kann ein Siliziumoxidfilm gebildet werden, der eine ausreichende Dicke aufweist. Selbst wenn daher der Siliziumoxidfilm poliert wird, um eine elektronische Vorrichtung auf dem optischen Modul zu befestigen, besteht keine Möglichkeit, den Kern freizulegen.
Der Siliziumoxidfilm, der in der dritten zuvor beschriebenen Ausführungsform gebildet wird, kann auch als oberer Mantel verwendet werden, der den ersten Kern des ersten Wellenleiters abdeckt.
(Vierte Ausführungsform)
14A bis 14C zeigen eine Ausführungsform, in der, wenn ein sich verjüngender Abschnitt als Anschlussendabschnitt verwendet wird, insbesondere Siliziumoxidfilme nur an Seitenflächen oder Seitenwänden des sich verjüngenden Abschnitts angeordnet sind.
Die Bezugszahl 201 bezeichnet einen ersten optischen Wellenleiter, der von einem Siliziumdraht gebildet ist; 202 einen Modenfeldgrößenkonversionsabschnitt; 203 einen zweiten optischen Wellenleiter, der mit dem optischen Wellenleiter 201 verbunden ist; 211 ein Siliziumsubstrat; 212 eine untere Mantelschicht, die aus einem Siliziumoxidfilm hergestellt ist und auf dem Siliziumsubstrat gebildet ist; 213 einen Siliziumoxidfilm, der durch Oxidation gebildet ist; und 214 einen ersten Kern, der einen rechtwinkligen Querschnitt aufweist, der selektiv auf dem unteren Mantel gebildet ist. Der Kern 214 ist aus Silizium hergestellt, weist eine drahtähnlichen Form auf und ist ein Element des ersten optischen Wellenleiters 201. Die Bezugszahl 215 bezeichnet einen sich verjüngenden Abschnitt (einen Anschlussendabschnitt des optischen Wellenleiters 201), der aus Silizium hergestellt ist und auf einem Endabschnitt des ersten Kerns 214 gebildet ist, sodass die Breite zum distalen Ende hin allmählich abnimmt (Verbindung Wellenleiterseite), während die Höhe eines Querschnitts (Dicke) des Kerns 214 unverändert beibehalten wird; 216 einen zweiten Kern des zweiten optischen Wellenleiters 203, der mit dem Modenfeldgrößenkonversionsabschnitt 202 und dem ersten optischen Wellenleiter 201 verbunden ist; 217 eine untere Mantelschicht, die auf einem Siliziumoxidfilm gebildet ist und angeordnet ist, um die untere Mantelschicht 212, den ersten Kern 214, den sich verjüngenden Abschnitt 215 und den zweiten Kern 216 abzudecken, die zuvor beschrieben worden sind. In dem optischen Wellenleiter 201 sind die Breite und Dicke des ersten Kerns 214 unterschiedlich voneinander und fallen in den Bereich von 0,2 μm bis 0,5 μm oder sie sind gleich zueinander und fallen in den Bereich von 0,2 μm bis 0,5 μm.
Der sich verjüngende Abschnitt 215, der auf der unteren Mantelschicht 212 gebildet ist, ist mit den Siliziumoxidfilmen 213 bedeckt, die auf seinen Seitenflächen und dem Kern 216 gebildet sind. Der Abschnitt, an dem der sich verjüngende Abschnitt 215 mit dem Kern 216 bedeckt ist, dient als Modenfeldgrößenkonversionsabschnitt 202, in dem der sich verjüngende Abschnitt 215 und der zweite Kern 216 optisch miteinander gekoppelt sind. Der sich verjüngende Abschnitt 215 und der Kern 216 sind vorzugsweise so positioniert, dass ihre Achsen sich decken. Sie müssen jedoch nicht präzise miteinander ausgerichtet sein, solange der sich verjüngende Abschnitt 215 innerhalb der Breite des zweiten Kerns 216 untergebracht ist.
Als Nächstes wird der Ausbreitungszustand von Licht im optischen Modul beschrieben, das in 14A bis 14C gezeigt ist.
Licht, das von der linken Endfläche des ersten Kerns 214 des ersten optischen Wellenleiters 201 einfällt, der in 14A und 14B gezeigt ist, breitet sich durch den Kern 214 aus und erreicht dann die linke Endposition des sich verjüngenden Abschnitts 215 des Modenfeldgrößenkonversionsabschnitts 202. Wenn sich das Licht durch den sich verjüngenden Abschnitt 215 nach rechts in 14A ausbreitet, nimmt die Kernbreite allmählich ab und der Einschluss des Lichts wird abgeschwächt. Folglich versucht die Modenfeldgröße, im Umfang zuzunehmen. Da der zweite Kern 216, der einen höheren Brechungsindex aufweist, als die untere Mantelschicht 212, neben dem sich verjüngenden Abschnitt 215 vorhanden ist, verschiebt sich zu diesem Zeitpunkt jedoch die optische Leistungsverstärkung allmählich vom ersten Kern 214 des ersten optischen Wellenleiters 201 zum zweiten Kern 216 des zweiten optischen Wellenleiters 203.
Im Gegensatz zum oben genannten Fall bewegt sich die Lichtverteilung zum ersten Kern 214 des ersten optischen Wellenleiters 201 durch den zweiten Kern 216 und den sich verjüngenden Abschnitt 215, wenn sich Licht vom rechten Endabschnitt des zweiten Kerns 216 des zweiten optischen Wellenleiters 203 bewegt, der in 14A und 14B gezeigt ist, da das Licht von rechts nach links wandert. Wie zuvor beschrieben, kann eine Modenfeldgröße (Durchmesser) mit hoher Effizienz konvertiert werden, indem der erste Kern 214 des ersten optischen Wellenleiters 201 durch den sich verjüngenden Abschnitt 215 auf diese Weise mit dem zweiten Kern 216 des zweiten optischen Wellenleiters 203 verbunden wird.
Als Nächstes wird ein Herstellungsverfahren für das optische Modul mit Bezug auf 15A bis 15H beschrieben.
Ein SOI-Substrat wird vorbereitet, das aus dem Siliziumsubstrat 211, der flachen unteren Mantelschicht 212, die auf dem Siliziumsubstrat 211 gebildet ist, und einer Siliziumschicht 221 besteht, die auf der unteren Mantelschicht 212 gebildet ist (15A).
Ein Siliziumnitridfilm 222 wird auf der Oberfläche der Siliziumschicht 221 des SOI-Substrats unter Verwendung eines ECR-CVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition)-Verfahrens oder eines LPVD (Electro Cyclotron Resonance – Chemical Vapor Deposition)-Verfahrens aufgedampft (15B). Die Oberfläche des Siliziumnitridfilms 222 wird mit einem Schutzlack beschichtet, und eine gewünschte Musterform wird unter Verwendung bekannter Lithographie, wie Elektronenstrahllithographie oder Fotolithographie, in den Schutzlack gedruckt. Danach kann durch Entwickeln des Musters ein Schutzlackmuster 223 erhalten werden, das eine gewünschte Form aufweist (15C).
Der Siliziumnitridfilm 222 wird unter Verwendung des Schutzlackmusters 223 als eine Maske geätzt (15D). Wenn beispielsweise der Siliziumnitridfilm 222 unter Verwendung eines Fotolacks als Ätzmaske und CF₄/O₂ als Ätzgas geätzt wird, kann ausreichende Selektivität erhalten werden. Es tritt kein Problem auf, selbst wenn eine andere Art Gas verwendet wird.
Es ist zu beachten, dass wenn eine ausreichende Selektivität zwischen dem Schutzlackmuster 223 und der Siliziumnitridschicht 222 nicht erhalten werden kann, eine Ätzmaske zum Ätzen des Siliziumnitridfilms 222 verwendet werden kann. In diesem Fall wird eine Ätzmaskenschicht auf dem Siliziumnitridfilm 222 aufgedampft, und die Oberfläche der Ätzmaskenschicht wird mit einem Schutzlack beschichtet. Dieser Schutzlack wird verarbeitet, um das Schutzlackmuster 223 zu bilden. Die Ätzmaskenschicht wird dann unter Verwendung des Schutzlackmusters 223 als eine Maske geätzt, um eine Ätzmaske zu bilden. Der Siliziumnitridfilm 222 wird unter Verwendung dieser Ätzmaske geätzt.
Nachfolgend wird die Siliziumschicht 221 unter Verwendung des Siliziumnitridfilms 222 als eine Ätzmaske geätzt, um den ersten Kern 214 des ersten optischen Wellenleiters 201 und den sich verjüngenden Abschnitt 215 des Modenfeldgrößenkonversionsabschnitts 202 zu bilden (15E). Das Schutzlackmuster 223 kann vor dem Ätzen der Siliziumschicht 221 entfernt werden. Alternativ kann die Siliziumschicht 221 geätzt werden, ohne das Schutzlackmuster 223 zu entfernen. Wenn die Siliziumschicht 221 geätzt wird, ohne das Schutzlackmuster 223 zu entfernen, muss das Schutzlackmuster 223 nach dem Ätzen der Siliziumschicht 221 entfernt werden. 16 zeigt den ersten Kern 214 des ersten optischen Wellenleiters 201 und den sich verjüngenden Abschnitt 215 des Modenfeldgrößenkonversionsabschnitts 202 nach der Beendigung des Ätzschritts von 15E. Es ist zu beachten, dass eine Darstellung des Siliziumnitridfilms 222 in 16 weggelassen wurde.
Das gesamte SOI-Substrat, auf dem der erste Kern 214 des ersten optischen Wellenleiters 201 und der sich verjüngende Abschnitt 215 des Modenfeldgrößenkonversionsabschnitts 202 gebildet sind, wird in einem Hochtemperatur-Wärmeoxidationsofen erwärmt, um den ersten Kern 214 und den sich verjüngenden Abschnitt 215 zu oxidieren. Zu diesem Zeitpunkt ist der Siliziumnitridfilm 222 auf den Oberflächen des ersten Kerns 214 und des sich verjüngenden Abschnitts 215 vorhanden, und kein Siliziumnitridfilm 222 ist auf ihren Seitenflächen vorhanden. Daher sind nur die Seitenwandabschnitte des Kerns 214 und des sich verjüngenden Abschnitts 215 selektiv oxidiert, um die Siliziumoxidfilme 213 auf den Seitenwandabschnitten zu bilden (15F).
Das Schutzlackmuster 223 wird verwendet, um eine Ätzmaske durch Verarbeiten des Siliziumnitridfilms 222 zu bilden, und die Siliziumschicht 221 wird unter Verwendung des verarbeiteten Siliziumnitridfilms 222 geätzt, um den ersten Kern 214 und den sich verjüngenden Abschnitt 215 zu bilden, der den ersten Kern 214 fortsetzt. Daher ist die flache Form des Kerns 214 und des sich verjüngenden Abschnitts 215 fast identisch mit der des Schutzlackmusters 223 (nicht genauen identisch, wegen einer Änderung der Breite beim Ätzschritt).
Nachdem der erste Kern 214 und der sich verjüngende Abschnitt 215 gebildet worden sind, nimmt die Breite der Siliziumschicht im Wärmeoxidationsschritt von 15F ab. Aus diesem Grund müssen die Breiten des ersten Kerns 214 und des sich verjüngenden Abschnitts 215 (d. h. die Breite des Schutzlackmusters 223) unter Berücksichtigung von Reduktionen des Betrags aufgrund von Oxidation im Voraus auf größere Breiten eingestellt werden.
17 zeigt einen vergrößerten Abschnitt von 15F.
Das Bezugszeichen 213a bezeichnet einen Abschnitt des Siliziumoxidfilms 213, der vor der Oxidation eine Siliziumschicht gewesen ist; und 213b einen Abschnitt, der bei der Expansions-begleitenden Oxidation gebildet worden ist. Das Bezugszeichen W1 bezeichnet die Breite des ersten Kerns 214 des ersten optischen Wellenleiters 201 nach der Oxidation; T1 die Dicke des ersten Kerns 214 nach der Oxidation; T2 die Dicke des Siliziumoxidfilms 213; und T3 die Dicke des Siliziumoxidfilms 213a und 213b.
In einen Wärmeoxidationsschritt weist der Siliziumoxidfilm 213 die Dicke T2 auf, die ungefähr die zweifache Dicke T3 der oxidierten Siliziumschicht aufweist. Mit anderen Worten werden die Siliziumschichten, die jeweils die Dicke T3 aufweisen, an den beiden Seiten des Musters in die Siliziumoxidfilme 213 konvertiert und somit werden die Siliziumschichten in einem Maß oxidiert, das der Dicke T2 der Siliziumoxidfilme 213 als Ganzes entspricht. Wenn daher beispielsweise der Siliziumoxidfilm 213 mit T2 = 100 nm in einem Wärmeoxidationsschritt zu bilden ist und der erste Kern 214 mit W1 = 300 nm zu bilden ist, muss die Breite des ersten Kerns 214 vor dem Wärmeoxidationsschritt auf 400 nm eingestellt werden. Offensichtlich müssen die Abmessungen des Schutzlackmusters 223 unter Berücksichtigung von Breitenänderungen in einem Ätzschritt festgelegt werden.
Die Siliziumschicht des sich verjüngenden Abschnitts 215 nimmt durch die Oxidation ebenfalls in der Breite ab.
Wenn der sich verjüngende Abschnitt 215 vor der Oxidation verjüngt wird, so dass er allmählich vom ersten Wellenleiter 214 zu seinem distalen Ende hin schmaler wird, weist der sich verjüngende Abschnitt 215 daher nach der Oxidation eine sich verjüngende Form auf.
Nach Beendigung des Wärmeoxidationsschrittes wird der Siliziumnitridfilm 222 durch eine Technik wie Ätzen entfernt (14G). Beispielsweise wird ein Polymer-basiertes Material, das einen niedrigeren Brechungsindex hat als Silizium und einen höheren Brechungsindex als die untere Mantelschicht 212, durch chemisches Aufdampfen, Schleuderbeschichten oder Ähnliches auf das SOI-Substrat aufgedampft, auf dem der erste Kern 214, der sich verjüngende Abschnitt 215 und der Siliziumoxidfilm 213 gebildet sind. Das Polymer-basierte Material wird dann durch Fotolithographie und Ätzen verarbeitet, um den Kern 216 zu bilden, der einen größeren Querschnitt aufweist als der Kern 214.
Nachfolgend wird ein Siliziumoxidfilm oder ein Polymer-basiertes Material, das einen gleichen Brechungsindex hat wie die untere Mantelschicht 212, auf das SOI-Substrat aufgedampft, auf dem der erste Kern 214 des ersten optischen Wellenleiters 201, der sich verjüngende Abschnitt 215, der Siliziumoxidfilm 213 und der Kern 216 gebildet sind, wodurch die obere Mantelschicht 217 gebildet wird (15H). Auf diese Weise wird das optische Modul fertig gestellt, das in 14A bis 14C gezeigt ist.
Es ist zu beachten, dass wenn der Siliziumnitridfilm 222 als Teil der optischen Vorrichtung ausgestaltet ist, der Siliziumnitridfilm 222 nicht entfernt werden muss.
Wie zuvor beschrieben, wird in der vierten Ausführungsform, nachdem der Siliziumnitridfilm 222, der vor dem Ätzen der Siliziumschicht 221 aufgedampft wird, zur Zeit des Siliziumätzens als Hartmaske verwendet wird, eine Wärmeoxidation ausgeführt, ohne dass der Siliziumnitridfilm 222 entfernt wird. Da Siliziumnitrid ein Material ist, das beständig gegen Oxidation ist, d. h. ein Material, das einen Anti-Oxidationseffekt zeigt, wird die Oberfläche der Siliziumschicht 221, die mit dem Siliziumnitridfilm 222 bedeckt ist, nicht oxidiert und nur die Seitenwandabschnitte der Siliziumschicht 221 werden oxidiert, die nicht mit dem Siliziumnitridfilm 222 bedeckt sind. Folglich besteht nicht die Notwendigkeit, die Dicke der Siliziumschicht 221 unter Berücksichtigung der Oxidationsmenge im Voraus zu erhöhen.
Da in der vierten Ausführungsform das Siliziummuster vor der Oxidation breiter gebildet sein kann als das, das beim Stand der Technik gebildet wird, nimmt das Seitenverhältnis vor der Oxidation ab (Seitenverhältnis = b/a, wobei a die Breite des Siliziumsmusters ist und b seine Dicke). Dies kann das Randmaß zur Musterbildung erhöhen. 18 zeigt die Beziehung zwischen der Musterbreite und dem erforderlichen Musterseitenverhältnis in einer herkömmlichen optischen Vorrichtung mit optischer Ebenenschaltung und dem erfindungsgemäßen optischen Modul.
Die Dicke eines Siliziumsmusters nach der Oxidation wird auf 300 nm festgelegt und die Dicke eines Siliziumoxidfilms, der durch Oxidation gebildet wird, wird auf 100 nm festgelegt.
Diese Ausführungsform ermöglicht, dass ein Muster mit einem geringeren Seitenverhältnis gebildet wird, als beim Stand der Technik. Folglich können das Randmaß für die Herstellung eines optischen Moduls und ein Muster unter Verwendung eines kostengünstigen Lithographiesystems gebildet werden.
Es ist zu beachten, dass, da der Siliziumoxidfilm 213 im Verhältnis zur Wellenlänge, die bei der Kommunikation verwendet wird, von Licht ausreichend dünn ist (z. B. 1,55 μm), die Möglichkeit gering ist, dass der Siliziumoxidfilm 213 die optische Verbindung zwischen dem ersten Kern 214 des ersten optischen Wellenleiters 201 und dem zweiten Kern 216 des zweiten optischen Wellenleiters 203 beeinflusst. Der Brechungsindex des Siliziumoxidfilms 213 ist jedoch vorzugsweise höher als der der unteren Mantelschicht 212. Dies kommt daher, dass, wenn der Siliziumoxidfilm 213 einen höheren Brechungsindex hat, er der zweite Kern oder sein Teil werden kann. Um den Brechungsindex des Siliziumoxidfilms 213 zu erhöhen, können vor der Bildung des zweiten Kerns 216 beispielsweise Germanium-Ionen oder Ähnliches in den Siliziumoxidfilm 213 implantiert werden. Dies macht es möglich, den Brechungsindex des Siliziumoxidfilms 213 innerhalb eines kleineren Bereichs als dem von Silizium zu erhöhen, wodurch die optische Verbindung zwischen dem ersten Kern 214 des ersten optischen Wellenleiters und des zweiten Kerns 216 des zweiten optischen Wellenleiters weiter gewährleistet ist.
In der vierten Ausführungsform wird Siliziumnitrid als Anti-Oxidationsfilm verwendet. Es wird jedoch ein hitzebeständiges Metall, wie Ta oder W verwendet, damit kein Oxid gebildet wird oder es kann ein Metall mit geringer Oxidvolatilität als Anti-Oxidationsfilm verwendet werden. Es genügt, wenn der Schmelzpunkt eines Metalls, das als Anti-Oxidationsfilm verwendet wird, höher ist als die Temperatur, die beim Herstellungsprozess für das optische Modul verwendet wird. Der Schmelzpunkt ist vorzugsweise 1.200 °C oder höher. Außerdem kann ein anderes Silizium-basiertes Material wie Siliziumkarbid als Anti-Oxidationsfilm verwendet werden.
Ein Anti-Oxidationsfilm wird zuerst auf der Oberfläche eines Bereichs einer Siliziumschicht gebildet, die als Kern dient, und der Kern wird dann oxidiert, wodurch verhindert wird, dass die Oberfläche des Kerns oxidiert wird. Dies macht es möglich, nur die Seitenwandabschnitte des Kerns selektiv zu oxidieren und sie zu ebnen. Folglich muss die Siliziumschicht nicht um eine Menge dicker gebildet werden, die im Voraus der Oxidationsmenge entspricht. Es besteht daher keine Notwendigkeit, ein SOI-Substrat zu verwenden, das eine obere Siliziumschicht aufweist, die dicker als der schließlich zu bildende Kern ist. Dies vereinfacht die Handhabung von Substraten. Da das Seitenverhältnis eines Siliziumsmusters vor der Oxidation reduziert werden kann, kann außerdem das Randmaß zur Musterbildung erhöht werden. Folglich kann bei der Herstellung eines optischen Moduls unter Verwendung eines kostengünstigen Lithographiesystems ein Muster mit einer erhöhten Herstellungsmarge gebildet werden.
Außerdem wird ein Anti-Oxidationsfilm zuerst auf der Oberfläche eines Bereichs einer Siliziumschicht gebildet, die als ein sich verjüngender Abschnitt dient, und der sich verjüngende Abschnitt wird dann oxidiert, wodurch verhindert wird, dass die Oberfläche des sich verjüngenden Abschnitts oxidiert wird. Dies macht es möglich, selektiv nur die Seitenwandabschnitte des sich verjüngenden Abschnitts zu oxidieren und sie zu ebnen. Folglich muss die Siliziumschicht nicht um eine Menge dicker gebildet werden, die im Voraus der Oxidationsmenge entspricht. Dies erleichtert die Handhabung von Substraten. Da das Randmaß zur Musterbildung zunimmt, kann außerdem unter Verwendung eines kostengünstigen Lithographiesystems ein Muster mit einer erhöhten Herstellungsmarge gebildet werden.
Außerdem gewährleistet die Erhöhung des Brechungsindex' eines Siliziumoxidfilms, der in einem Oxidationsschritt gebildet wird, innerhalb eines kleineren Bereichs als der von Silizium überdies die optische Verbindung zwischen dem ersten optischen Wellenleiter und dem zweiten optischen Wellenleiter, der ein größeres Modenfeld aufweist als der erste optische Wellenleiter.
(Fünfte Ausführungsform)
Diese Ausführungsform ist eine Abwandlung des Herstellungsverfahrens für das optische Modul, das in 4A bis 4H gezeigt ist, und stellt insbesondere nur den Teil des Verfahrens beispielhaft dar, in dem, nachdem eine Siliziumschicht, die als erster Kern dient, auf einem unteren Mantel gebildet ist, der zweite Kern und der obere Mantel gebildet werden, der sie bedeckt.
Mit Bezug auf 19A und 19B bezeichnet die Bezugszahl 321 ein Siliziumsubstrat; 321 einen unteren Mantel, der insgesamt eine flache Form aufweist und von einem Siliziumoxidfilm gebildet ist; 322 den zweiten Kern des zweiten optischen Wellenleiters, der einen fast rechtwinkligen Querschnitt aufweist, der aus einem Polymer hergestellt ist, wie Epoxidharz, Polyimid oder Ähnliches. Das Bezugszeichen w1 bezeichnet die Breite des zweiten Kerns 322; und w2 die Dicke des zweiten Kerns 322. Der untere Mantel 321 hat eine Dicke von 3 μm. Das Siliziumsubstrat 320 und der untere Mantel 321 sind Abschnitte des SOI-Substrats.
Der zweite Kern 322, der untere Mantel 321 und der obere Mantel 323 weisen einen Brechungsindex von 1,5, 1,46, beziehungsweise 1,49 auf. Die spezifischen Brechungsindexdifferenzen zwischen dem zweiten Kern 322 und dem unteren Mantel 321 und zwischen dem zweiten Kern 322 und dem oberen Mantel 323 sind 2,7 %, beziehungsweise 0,7 %. Wenn die spezifische Brechungsindexdifferenz zwischen dem zweiten Kern 322 und dem unteren Mantel 321 1 % oder weniger ist, wie es üblich ist, streut durch den unteren Mantel 321 geführtes Licht in das Substrat 320 ein. Diese spezifische Brechungsindexdifferenz wird daher vorzugsweise auf 1 % oder mehr oder auf 1,5 % oder mehr eingestellt.
Das Problem des Einstreuens von geführtem Licht in das Substrat 320 kann vermieden werden, indem die Breite und Höhe eines Querschnitts des zweiten Kerns 322 kontrolliert werden. Beispielsweise sind die Breite w1 und die Höhe w2 eines Querschnitts des zweiten Kerns 322 vorzugsweise auf Werte innerhalb des Bereichs von 5,5 bis 9 μm eingestellt, und noch besser auf den gleichen Wert eingestellt.
Sowohl die Breite w1 als auch die Höhe w2 des zweiten Kerns 322 sind auf 7 μm eingestellt.
20 zeigt eine Lichtintensitätsverteilung in Form eines Modenlösers, nachdem 1,55 μm TM-polarisierten Lichts veranlasst wird, in einen optischen Wellenleiter einzufallen, der die Querschnittsstruktur der fünften Ausführungsform aufweist, und sich um 100 μm auszubreiten.
In der Siliziumschicht breitet sich kein Licht aus, und das Einstreuen von Licht in das Siliziumsubstrat wird verhindert, während fast ein Schaltungsmodusprofil von 7 μm oder mehr beibehalten wird.
Die zuvor genannte Anordnung, die das Material verwendet, das einen höheren Brechungsindex aufweist als der untere Mantel für den oberen Mantel kann verhindern, dass geführtes Licht in das Substrat 320 einstreut. Außerdem wird die Einmodenbedingung für geführtes Licht erfüllt, und ein Modenfelddurchmesser mit einer Größe kann ausgeführt werden, die für eine effiziente Verbindung mit einer Einmodenfaser notwendig ist.
Gemäß 19A bis 20 kann, selbst wenn ein Siliziumoxidfilm eines SOI-Substrats als unterer Mantel verwendet wird, ein effizientes Koppeln an eine Einmodenfaser, die einen Modenfelddurchmesser von ungefähr 9 μm aufweist, die im Allgemeinen verwendet wird, ausgeführt werden, während geführtes Licht in der einen Mode gehalten wird und einer Bestrahlung des Siliziumsubstrats mit Licht vorgebeugt wird.
Der Polymerfilm 323, der in der zuvor beschriebenen fünften Ausführungsform gebildet ist, kann auch als oberer Mantel verwendet werden, der den ersten Kern des ersten optischen Wellenleiters umgibt.
(Sechste Ausführungsform)
Das optische Modul, das in 21A bis 21E gezeigt ist, besteht aus einem ersten optischen Wellenleiter 407, der von einem Siliziumdraht gebildet ist, einem Modenfeldgrößen (Fleckgrößen)-Konversionsabschnitt 408 zum Verbinden des optischen Wellenleiters 407 mit einer optischen Faser mit hoher Effizienz; und aus einem zweiten optischen Wellenleiter 409, der mit dem optischen Wellenleiter 407 durch den Modenfeldgrößenkonversionsabschnitt 408 verbunden ist. Diese Komponenten sind auf einer unteren Mantelschicht 405 gebildet, die aus thermischem Siliziumoxid hergestellt ist und auf einem Siliziumsubstrat 404 gebildet ist. Es ist zu beachten, dass 21C bis 21E Querschnitte des ersten optischen Wellenleiters 407 zeigen, der von einem Siliziumdraht, dem Modenfeldgrößenkonversionsabschnitt 408 und dem zweiten optischen Wellenleiter 409 gebildet ist.
Der erste optische Wellenleiter 407 besteht aus der untere Mantelschicht 405, die aus 3 μm dickem thermischen Siliziumoxidfilm hergestellt ist (Brechungsindex: 1,45) und auf dem Siliziumsubstrat 404, einem ersten Kern 401, der aus Silizium mit einer Breite von 0,3 μm bis 0,5 μm und einer Dicke von 0,2 μm bis 0,4 μm hergestellt ist und auf der unteren Mantelschicht 405 gebildet ist, einer oberen Mantelschicht 420, die aus einem Polymer hergestellt ist, das einen Brechungsindex von 1,50 aufweist und den Kern 401 bedeckt, und einer oberen Mantelschicht 406, die aus einem Polymer hergestellt ist, das einen Brechungsindex von 1,46 aufweist und auf der oberen Mantelschicht 420 gebildet ist.
Der Modenfeldgrößenkonversionsabschnitt 408 besteht aus der unteren Mantelschicht 405, einem sich verjüngenden Abschnitt 402, der aus Silizium hergestellt ist und auf der unteren Mantelschicht 405 so gebildet ist, dass die Breite des distalen Endes (an der Seite des optischen Wellenleiters 409) 60 nm wird, während die Dicken der unteren Mantelschicht 405 und des Kerns 401 beibehalten werden, einem zweiten Kern 403, der aus einem Polymer hergestellt ist, das einen Brechungsindex von 1,50 aufweist, einen quadratischen Querschnitt 3 bis 5 μm im Quadrat hat und so gebildet ist, dass er den sich verjüngenden Abschnitt 402 bedeckt und aus der oberen Mantelschicht 406, die den zweiten Kern 403 bedeckt. Der sich verjüngende Abschnitt 402 hat eine Länge von ungefähr 300 μm.
Der optische Wellenleiter 409 besteht aus der unteren Mantelschicht 405, dem Kern 403, der einen Brechungsindex von 1,50 und einen quadratischen Querschnitt von 3 bis 5 μm im Quadrat aufweist und auf der unteren Mantelschicht 405 gebildet ist und der oberen Mantelschicht 406, die den Kern 403 bedeckt.
Als Nächstes wird der Ausbreitungszustand von Licht im optischen Modul der sechsten Ausführungsform beschrieben.
Licht, das von der linken Endfläche des ersten Kerns 401 des ersten optischen Wellenleiters einfällt, der in 21A und 21B gezeigt ist, breitet sich durch den Kern 401 aus und erreicht die linke Endposition des sich verjüngenden Abschnitts 402. Wenn sich das Licht durch den sich verjüngenden Abschnitt 402 rechts in 21A ausbreitet, nimmt die Kernbreite allmählich ab, und der Einschluss des Lichts wird abgeschwächt. Folglich versucht das Modenfeld, sich im Umfang auszubreiten. Da der zweite Kern 403, der einen höheren Brechungsindex aufweist als der untere Mantel 405, neben dem sich verjüngenden Abschnitt 402 vorhanden ist, verschiebt sich zu diesem Zeitpunkt jedoch die optische Leistungsverteilung allmählich vom ersten Kern 401 zum zweiten Kern 403.
Im Gegensatz zum oben genannten Fall bewegt sich, wenn Licht von dem rechten Endabschnitt des zweiten Kerns 403 einfällt, der in 21A und 21B gezeigt ist, die Lichtverteilung vom ersten Kern 401 durch den zweiten Kern 403 und den sich verjüngenden Abschnitt 402, da Licht von rechts nach links wandert. Da der erste optische Wellenleiter 407 so hergestellt ist, dass er den Modenfeldgrößenkonversionsabschnitt 408 und den zweiten optischen Wellenleiter 409 zur Verbindung mit einer optischen Faser aufweist, kann wie zuvor beschrieben Licht in den/von dem optischen Wellenleiter 407 eingegeben/ausgegeben werden, der eine kleine Feldgröße mit hoher Effizienz aufweist.
In dem optischen Modul gemäß der sechsten Ausführungsform wird das gleiche Polymermaterial für die untere Mantelschicht 420 des ersten optischen Wellenleiters 407, den Kern 403 des Modenfeldgrößenkonversionsabschnitts 408 und den Kern 403 des zweiten optischen Wellenleiters 409 verwendet, und somit können der sich verjüngende Abschnitt 402 des ersten optischen Wellenleiters 407, der Kern 403 des Modenfeldgrößenkonversionsabschnitts 408 und der zweite Kern 403 des zweiten optischen Wellenleiters 409 zur gleichen Zeit gebildet werden. Dies vereinfacht das Bilden dieser Komponenten.
Das gleiche Material, wie das, das für den Modenfeldgrößenkonversionsabschnitt 408 und den zweiten Kern 403 des zweiten optischen Wellenleiter 409 verwendet wird, wird für die untere Mantelschicht 420 des ersten optischen Wellenleiters 407 verwendet. Aus diesem Grund reicht es beim Bilden des zweiten Kerns 403 durch Verarbeiten des Polymermaterials aus, wenn das Polymermaterial in dem Bereich des ersten optischen Wellenleiters 407 belassen wird, ohne geätzt zu werden. Dies verhindert, dass der erste Kern 401 beim Prozess des Bildens des zweiten Kerns 403 beschädigt wird. Da die Fläche des Kerns 401 nicht Plasma ausgesetzt ist, besteht außerdem nicht die Notwendigkeit, das Ätz-Selektivverhältnis zwischen dem Material für den zweiten Kern 403 und Silizium zu berücksichtigen, wodurch das Ätzen erleichtert wird.
Außerdem kann durch Bilden der oberen Mantelschicht 406 auf dem Modenfeldgrößenkonversionsabschnitt und des zweiten optischen Wellenleiters die Größe des zweiten Kerns des zweiten optischen Wellenleiters, der die Einmodenbedingung erfüllt, im Vergleich zum herkömmlichen Fall erhöht werden, bei dem Luft als oberer Mantel dient. Folglich kann der Verbindungsverlust in Bezug auf eine optische Faser reduziert werden.
Es ist zu beachten, dass die Seitenflächen und die Oberfläche des ersten Kerns 401 des ersten optischen Wellenleiters 407 von der oberen Mantelschicht 420 umgeben sind, die einen um ungefähr 3 % höheren Brechungsindex hat als die untere Mantelschicht 405. Da jedoch sowohl die Brechungsindexdifferenz zwischen Silizium, das einen Brechungsindex von 3,5 hat, und der unteren Mantelschicht 405 und zwischen Silizium und der oberen Mantelschicht 420 groß sind, gibt es keinen Einfluss auf die Lichteinschluss charakteristika des ersten optischen Wellenleiters 407, auf den Krümmungsverlust und den Ausbreitungsverlust.
In der sechsten Ausführungsform wird ein Polymer, das einen Brechungsindex von 1,50 aufweist, als Material für die obere Mantelschicht 420 des ersten optischen Wellenleiters 407, des Kerns 403 des Modenfeldgrößenkonversionsabschnitts 408 und des zweiten Kerns 403 des zweiten optischen Wellenleiters 409 verwendet. Es reicht jedoch aus, wenn dieser Brechungsindex höher ist als der des thermischen Siliziumoxidfilms (SiO2), der für die untere Mantelschicht 405 verwendet wird, und geringer als der von Silizium, das für den sich verjüngenden Abschnitt 402 verwendet wird, der mit dem ersten Kern 401 kontinuierlich verläuft. Ein anorganisches Material wie Siliziumoxid oder Siliziumoxinitrid (SiON) kann als Material für die obere Mantelschicht 420 und den zweiten Kern 403 verwendet werden sowie ein Polymer wie ein Epoxid oder Polyimid, solange der Brechungsindex innerhalb eines bestimmten Bereichs, beispielsweise durch eine Technik wie Dotieren, verändert werden kann.
In der sechsten Ausführungsform wird ein Polymer, das einen Brechungsindex von 1,46 aufweist, als Material für die obere Mantelschicht 406 verwendet. Es reicht jedoch aus, wenn dieser Brechungsindex geringer ist, als der eines Materials, das für den zweiten Kern 403 des zweiten optischen Wellenleiters 409 verwendet wird. Ein anorganisches Material wie SiO₂ oder SiON kann als ein Material für die obere Mantelschicht 406 verwendet werden sowie ein Polymer wie Epoxid oder Polyimid, solange der Brechungsindex innerhalb eines gewissen Bereichs, beispielsweise durch eine Technik wie Dotieren, verändert werden kann.
(Siebte Ausführungsform)
Als Nächstes wird ein Herstellungsverfahren beschrieben, bei dem ein optischer Wellenleiter als Beispiel genommen wird, der eine Grundeinheit eines optischen Moduls gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Die gleichen Bezugszahlen wie in 21A bis 21E bezeichnen die gleichen Teile in 22. Ein Bereich 450 in 22 entspricht dem optischen Modul, das in der sechsten Ausführungsform beschrieben ist. Die Bezugszahl 451 bezeichnet einen Ätzbereich.
23A bis 23H zeigen ein Herstellungsverfahren für das optische Modul, das in 22 gezeigt ist.
Das optische Modul, das Silizium für einen Kern verwendet, der Licht überträgt, verwendet ein SOI (Silicon On Insulator – Silizium-Auf-Isolator)-Substrat. Das SOI-Substrat besteht aus einem Siliziumsubstrat 404, einer 3 μm dicken unteren Mantelschicht 405, die aus Silizium hergestellt und auf dem Siliziumsubstrat 404 gebildet ist, und einer Siliziumschicht 411, die eine Dicke von 0,2 μm bis 0,5 μm aufweist und auf der unteren Mantelschicht 405 gebildet ist.
Zuerst wird ein Maskenmaterial 412, das aus Siliziumoxid oder Ähnlichem hergestellt ist, das als eine Ätzmaske für die Siliziumschicht 411 dient, auf dem SOI-Substrat unter Verwendung eines Film-bildenden Verfahrens wie CVD gebildet (23A). Die Oberfläche des Maskenmaterials 412 wird dann mit einem Schutzlack beschichtet und ein gewünschtes Schutzlackmuster 413 wird unter Verwendung von Lithographie wie Elektronenstrahllithographie oder Fotolithographie gebildet (23B).
Nachfolgend wird eine Ätzmaske 414 durch Trockenätzen des Maskenmaterials 412 gebildet, unter Verwendung des Schutzlackmusters 413 als eine Maske, und das Schutzlackmuster 413 wird dann entfernt (23C). Die Siliziumschicht 411 wird unter Verwendung der Ätzmaske 414 als eine Maske zum Bilden eines ersten Kerns 401 eines ersten optischen Wellenleiters 407, der aus Silizium hergestellt ist, und eines sich verjüngenden Abschnitts 402 eines Modenfeldgrößenkonversionsabschnitts 408 geätzt. Danach wird die Ätzmaske 414 unter Verwendung einer Ätzlösung entfernt (23D).
Auf diese Weise wird das Schaltungsmuster des optischen Moduls, das den ersten Kern 401 und den sich verjüngenden Abschnitt 402 aufweist, auf der unteren Mantelschicht 405 gebildet. Der sich verjüngende Abschnitt 402 am Lichteingangs/ausgangsabschnitt eines Endes dieses Schaltungsmusters wird so gebildet, dass das Breitenmaß allmählich zum distalen Ende hin abnimmt (entsprechend der Seite des optischen Wellenleiters 409 von 21B), während die Höhe eines Querschnitts (Dicke) des ersten Kerns 401 beibehalten wird. Der distale Endabschnitt hat eine Breite von 50 bis 80 nm.
Ein 3 μm dicker Siliziumoxidfilm 415, der der Kern des Modenfeldgrößenkonversionsabschnitts 408 und der Kern des zweiten optischen Wellenleiters 409 wird, wird auf dem SOI-Substrat aufgedampft, auf dem das Schaltungsmuster des optischen Moduls durch CVD oder Ähnliches gebildet ist (23E). Der Siliziumoxidfilm 415 wird mit Germanium oder Ähnlichem dotiert, damit ein Brechungsindex erhalten wird, der um 2 bis 3 % höher ist, als der des Siliziumoxidfilms der unteren Mantelschicht 405.
Nachdem die Oberfläche des Siliziumoxidfilms 415 mit einem Fotoschutzlack beschichtet worden ist, wird der Schutzlack durch Fotolithografie verarbeitet, um ein birnenförmiges Schutzlackmuster 416 von 22 zu bilden, das den Kern 401 und den sich verjüngenden Abschnitt 402 überlagert (23F).
Der Siliziumoxidfilm 415 wird dann unter Verwendung des Schutzlackmusters 416 als eine Maske geätzt, um eine obere Mantelschicht 420 des ersten optischen Wellenleiters 407, den Kern 403 des Modenfeldgrößenkonversionsabschnitts 408 und einen Kern 403 des zweiten optischen Wellenleiters 409 zu bilden. Danach wird das Schutzlackmuster 416 entfernt (23G).
Schließlich wird eine obere Mantelschicht 406, die eine Dicke von 3 μm oder mehr aufweist und von einem Siliziumoxidfilm gebildet ist, der einen geringeren Brechungsindex aufweist als der zweite Kern 403, auf die gesamte Fläche des SOI-Wafers aufgedampft (23H). Durch Schneiden des SOI-Wafers an dem zweiten optischen Wellenleiter 409 durch Vereinzeln oder Ähnliches wird ein optisches Modul fertig gestellt, das den Modenfeldgrößenkonversionsabschnitt 408 und den zweiten optischen Wellenleiter 409 aufweist, der eine effiziente Verbindung mit einer optischen Faser ermöglicht.
Wie in 22 gezeigt, wird das Schutzlackmuster 416 im Voraus gestaltet, sodass die zwei Bereiche, die in Bezug auf die Wanderrichtung des Lichts in dem zweiten Kern 403 symmetrisch sind (die seitliche Richtung in 22), als die Ätzbereiche 451 festgelegt werden, um den Siliziumoxidfilm 415 zu entfernen, während der Siliziumoxidfilm 415 in den verbleibenden Bereichen belassen wird, ohne geätzt zu werden. Da dies verhindert, dass der erste Kern 401 zur Zeit des Ätzens des Siliziumoxidfilms 415 Plasma ausgesetzt ist, kann eine Beschädigung des ersten Kerns 401 vermieden werden. Da der Ätzbereich des Siliziumoxidfilms 415 in hohem Maße reduziert werden kann, muss außerdem keine besondere Aufmerksamkeit auf das Ätzen des Siliziumoxidfilms 415 entfallen. Dies erleichtert das Ätzen.
Es ist zu beachten, dass die Mindestbreite des Ätzbereichs 451 abhängig von der Größe des zweiten Kerns 403 und der Dicke der unteren Mantelschicht 405 variiert. Da der zweite Kern 403 einen Querschnitt von 3 μm² und die untere Mantelschicht 405 eine Dicke von 3 μm aufweisen, wird in der siebten Ausführungsform die Mindestbreite des Ätzbereichs 451 in 22 3 μm. Dies kommt, weil, wenn die Breite des Ätzbereichs 451 kleiner wird als 3 μm, eine Kopplung zwischen dem zweiten Kern 403 und dem Siliziumoxidfilm 415 stattfindet, die durch den Ätzbereich 451 nebeneinander liegen, und Licht vom zweiten Kern 403 einstreut.
In der siebten Ausführungsform wird Siliziumoxid als ein Material für die obere Mantelschicht 420 des ersten optischen Wellenleiters 407, den Kern 403 des Modenfeldgrößenkonversionsabschnitts 408 und den zweiten Kern 403 des zweiten optischen Wellenleiters 409 verwendet. Wie in der siebten Ausführungsform beschrieben, kann jedoch ein Polymer wie Polyimid oder Epoxid oder Siliziumoxinitrid verwendet werden.
(Achte Ausführungsform)
Die gleichen Bezugszahlen wie in 21A bis 21E bezeichnen das gleiche Teil in 24A bis 24C.
Mit Bezug auf 24A bis 24C ist die obere Mantelschicht eines ersten optischen Wellenleiters 507, der von einem Siliziumdraht gebildet ist, als eine einzelne Schicht unter Verwendung einer oberen Mantelschicht 420 gebildet, die aus dem gleichen Material hergestellt ist, wie das für einen Kern 403 eines Modenfeldgrößenkonversionsabschnitts 408 und eines Kerns 403 eines zweiten optischen Wellenleiters 409. Da der Kern 403 einen quadratischen Querschnitt von 3 bis 5 μm² aufweist, wird die Dicke der oberen Mantelschicht 420 3 bis 5 μm, was eine ausreichende Dicke für den oberen Mantel des ersten optischen Wellenleiter ist. Da das gleiche Material, wie das für den Kern 403 des Modenfeldgrößenkonversionsabschnitts 408 und den Kern 403 des zweiten optischen Wellenleiters 409 für die obere Mantelschicht 420 verwendet wird, ist der Brechungsindex der oberen Mantelschicht 420 höher, als der einer unteren Mantelschicht 405. Es sind jedoch sowohl die Brechungsindexdifferenzen zwischen Silizium mit einem Brechungsindex von 3,5 und der unteren Mantelschicht 405 und zwischen Silizium und der oberen Mantelschicht 420 sehr groß, und daher gibt es keinen Einfluss auf die Lichteinschlusscharakteristika des ersten optischen Wellenleiters 507, den Krümmungsverlust und den Ausbreitungsverlust.
Wenn die obere Mantelschicht des ersten optischen Wellenleiters 507 als eine einzige Schicht ausgebildet ist, wie in der achten Ausführungsform, kann die Dicke der oberen Mantelschicht im Vergleich zu einem Fall reduziert werden, bei dem die obere Mantelschicht aus zwei Schichten besteht, wie in der sechsten und siebten Ausführungsform. Folglich kann, wenn ein Heizgerät über einem Kern 401 angeordnet ist, der aus Silizium hergestellt ist, um ihn aufzuheizen, wie bei einem Fall mit einem Wärmeschalter, die Leistungsaufnahme reduziert werden, da sich die Wärmeleitfähigkeit des ersten Kerns 401 des ersten optischen Wellenleiters 507 verbessert.
Das optische Modul, das in 24A bis 24C gezeigt ist, kann einfach durch Ätzen der oberen Mantelschicht 406 im Bereich des ersten optischen Wellenleiters 507 hergestellt werden, während eine obere Mantelschicht 406 in den Bereichen des Modenfeldgrößenkonversionsabschnitts 408 und des zweiten optischen Wellenleiters 409 maskiert wird oder durch Verhindern des Aufdampfen eines Films 415 auf dem ersten optischen Wellenleiter unter Verwendung einer Schablonenmaske oder Ähnlichem, wenn der Film 415, der als Kern 403 dient, gebildet wird (23E), nach dem Schritt in 22H, der in der siebten Ausführungsform beschrieben wird.
Gemäß der sechsten bis achten Ausführungsform, die in 21A bis 21E, 22, 23A bis 23H und 24A bis 24C gezeigt sind, können unter Verwendung des gleichen Materials für den ersten oberen Mantel des ersten optischen Wellenleiters und den zweiten Kern des zweiten optischen Wellenleiters der erste obere Mantel des ersten optischen Wellenleiters und der zweite Kern des zweiten optischen Wellenleiters gleichzeitig gebildet werden, wodurch die Bildung der Komponenten erleichtert wird. Da das gleiche Material für die erste obere Mantelschicht des ersten optischen Wellenleiters und den zweiten Kern des zweiten optischen Wellenleiters verwendet wird, wenn das Material verarbeitet wird, um den zweiten Kern zu bilden, kann das Material in dem Bereich des ersten optischen Wellenleiters belassen werden, ohne geätzt zu werden. Dies verhindert, dass die Fläche des ersten Kerns Plasma ausgesetzt wird. Daher wird der erste Kern im Prozess des Bildens des zweiten Kerns nicht beschädigt. Da die Fläche des ersten Kerns nicht Plasma ausgesetzt ist, besteht außerdem keine Notwendigkeit, das Ätzselektivverhältnis zwischen dem Material des zweiten Kerns und Silizium zu berücksichtigen, wodurch das Ätzen erleichtert wird. Folglich können eine Modenfeldgrößenkonversionsstruktur und ein zweiter optischer Wellenleiter, die zur effizienten Verbindung einer optischen Faser verwendet werden, einfach in einen Lichteingangs/ausgangsabschnitt gleichzeitig mit dem ersten optischen Wellenleiter gebildet werden, ohne dass der erste Kern des ersten optischen Wellenleiters beschädigt wird.
Gemäß der sechsten bis achten Ausführungsform kann durch Bedecken des Modenfeldgrößenkonversionsabschnitts und des zweiten optischen Wellenleiters mit der oberen Mantelschicht, die einen Brechungsindex aufweist, der dem des unteren Mantels ähnlich ist, die Kerngröße des zweiten optischen Wellenleiters erhöht werden. Dies kann den Verbindungsverlust in Bezug auf eine optische Faser reduzieren.
Außerdem kann der obere Mantel des ersten optischen Wellenleiters dünner gemacht werden, indem der obere Mantel des ersten optischen Wellenleiters gänzlich mit dem zweiten Kern des zweiten optischen Wellenleiters gekoppelt wird und unter Verwen dung des gleichen Materials, wie das für den zweiten Kern für den unteren Mantel. Wenn ein Heizgerät über dem ersten Kern angeordnet wird, um ihn in einem Fall mit einem Wärmeschalter zu behalten, kann folglich die Leistungsaufnahme reduziert werden, da sich die Wärmeleitfähigkeit zum ersten Kern verbessert.
Außerdem werden die zwei Bereiche, die in Bezug auf die Wanderrichtung des Lichts in dem zweiten Kern symmetrisch sind, entfernt, um den zweiten Kern zu bilden. Dies macht es möglich, den Ätzbereich des Kernmaterials in hohem Maße zu reduzieren. Daher muss keine besondere Aufmerksamkeit auf das Ätzen des Kernmaterials entfallen. Dies erleichtert das Ätzen.
In der sechsten bis achten Ausführungsform wird die untere Mantelschicht 406 gebildet. Da die Schicht 420 als eine obere Mantelschicht auf dem ersten Kern des ersten optischen Wellenleiters 407 oder 507 vorhanden ist, ist die obere Mantelschicht 406 jedoch nicht speziell erforderlich. Mit solch einer Anordnung können die gleichen Effekte erhalten werden, wie die der sechsten bis achten Ausführungsform.
Obgleich es nicht speziell beschrieben ist, kann in der sechsten bis achten Ausführungsform der erste Kern mit einem Oxidfilm umgeben sein, wie in der ersten und zweiten Ausführungsform.
Jede zuvor beschriebene Ausführungsform stellt den Fall beispielhaft dar, in dem ein Siliziumoxidfilm als unterer Mantel verwendet wird. Offensichtlicher Weise können jedoch die gleiche Effekte, wie zuvor beschrieben, auch unter Verwendung eines Siliziumnitridfilms oder Quarzes erhalten werden.
In jeder zuvor beschriebenen Ausführungsform wird ein Silizium-Auf-Isolator-Substrat als Substrat verwendet.
Der erste und zweite Kern, die mit der Eingangs-/Ausgangsseite des Modenfeldgrößenkonversionsabschnitts verbunden sind, unterscheiden sich in der Modenfeldgröße. Es sollte jedoch beachtet werden, dass dieser Unterschied in der Praxis äquivalent einem Unterschied der Querschnittsfläche oder der Querschnittsform zwischen den jeweiligen Kernen ist.

Claims

Optisches Modul, umfassend: einen unteren Mantel (1A und 1B: 14, 3A bis 3C: 24), der insgesamt eine flache Form aufweist, wobei der untere Mantel auf einem Substrat (13; 23) gebildet ist; einen ersten Kern (1A und 1B: 16, 3A bis 3C: 26), der einen rechtwinkligen Querschnitt aufweist und auf dem unteren Mantel angeordnet ist, einen zweiten Kern (1A und 1B: 18, 3A bis 3C: 28), der auf einem Anschlussendabschnitt des ersten Kerns angeordnet ist; und einen oberen Mantel (1A und 1B: 15, 3A bis 3C: 25), der in einem Bereich umfassend den Anschlussendabschnitt (1A und 1B: 17, 3A bis 3C: 27) des ersten Kerns und den auf dem Anschlussendabschnitt des ersten Kerns angeordneten zweiten Kern (1A und 1B: 18, 3A bis 3C: 28) angeordnet ist, wobei der untere Mantel (1A und 1B: 14, 3A bis 3C: 24) und der darauf angeordnete erste Kern (1A und 1B: 16, 3A bis 3C: 26) einen ersten optischen Wellenleiter (1A und 1B: 10, 3A bis 3C: 20) bilden, wobei der untere Mantel (1A und 1B: 14, 3A bis 3C: 24), der Anschlussendabschnitt (1A und 1B: 17, 3A bis 3C: 27) des auf dem unteren Mantel angeordneten ersten Kerns (1A und 1B: 16, 3A bis 3C: 26), der darauf angeordnete zweite Kern (1A und 1B: 18, 3A bis 3C: 28) und der auf dem und um den zweiten Kern angeordnete obere Mantel (1A und 1B: 15) einen Modenfeldgrößenkonversionsabschnitt (1A und 1B: 11, 3A bis 3C: 21) bilden, wobei der untere Mantel (1A und 1B: 14, 3A bis 3C: 24), der auf dem unteren Mantel angeordnete zweite Kern (1A und 1B: 18, 3A bis 3C: 28) und der auf dem und um den zweiten Kern angeordnete obere Mantel (1A und 1B: 15, 3A bis 3C: 25) einen zweiten optischen Wellenleiter (12) bilden, wobei sich die ersten und zweiten Kerne (1A und 1B: 16, 18, 3A bis 3C: 26, 28) in der Querschnittsform unterscheiden, wobei der erste Kern (1A und 1B: 16, 3A bis 3C: 26) aus Silizium besteht, der zweite Kern (1A und 1B: 18) aus einem Material besteht, das einen größeren Brechungsindex als der untere Mantel und einen kleineren Brechungsindex als Silizium des ersten Kerns und des Anschlussendabschnitts aufweist, und der erste Wellenleiter auf dem Substrat (13; 23) aus einem Silizium-Auf-Isolator (SOI)-Substrat (13, 14, 161; 23, 24, 31) gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechungsindexdifferenz zwischen dem oberen Mantel (15; 25) und dem zweiten Kern ungleich null und 2,7 % oder weniger ist und die Brechungsindexdifferenz zwischen dem unteren Mantel (14; 24) und dem zweiten Kern ungleich null und 3,3 % oder weniger ist, wobei der zweite Kern aus einem homogenen Material besteht und wobei der Anschlussendabschnitt (1A und 1B: 17) des ersten Kerns aus einem sich verjüngenden Abschnitt gebildet ist, dessen Querschnittsfläche in der Breite zu einem distalen Ende des ersten Kerns hin allmählich abnimmt, während die Höhe des Querschnitts des sich verjüngenden Abschnitts unverändert bleibt.
Modul nach Anspruch 1, wobei der obere Mantel (1A und 1B: 15) auf dem und um den zweiten Kern auf dem unteren Mantel, die den zweiten optischen Wellenleiter bilden, und den zweiten Kern auf dem Anschlussendabschnitt, die den Modenfeldgrößenkonversionsabschnitt bilden, und auf dem ersten Kern, der den ersten optischen Wellenleiter bildet, angeordnet ist.
Modul nach Anspruch 1, wobei der untere Mantel (1A und 1B: 14) auf einem Siliziumsubstrat (1A und 1B: 13) gebildet ist.
Modul nach Anspruch 1, wobei der erste Kern (3A bis 3C: 26, 16: 214) und mindestens ein Seitenabschnitt des Anschlussendabschnitts (3A bis 3C: 27, 16: 215) mit einem Siliziumoxidfilm (3A bis 3C: 30, 16: 213) bedeckt sind.
Modul nach Anspruch 4, wobei der zweite Kern (3A bis 3C: 28) auf dem Anschlussendabschnitt auf dem Siliziumoxidfilm (3A bis 3C: 30) angeordnet ist.
Modul nach Anspruch 1, wobei der zweite Kern (1A und 1B: 18) einen im Wesentlichen vollständigen Bereich der oberen Oberfläche des Anschlussendabschnitts (1A und 1B: 17) bedeckt.
Modul nach Anspruch 1, wobei der untere Mantel (1A und 1B: 14) aus einem Siliziumoxidfilm gebildet ist.
Modul nach Anspruch 1, wobei ein Brechungsindex des oberen Mantels (19A und 19B: 323) größer als der des unteren Mantels (19A und 19B: 321) ist.
Modul nach Anspruch 1, wobei eine spezifischer Brechungsindexdifferenz zwischen dem zweiten Kern und dem unteren Mantel größer als die zwischen dem zweiten Kern und dem oberen Mantel ist.
Modul nach Anspruch 2, wobei ein zweiter oberer Mantel (21A bis 21E: 420), der auf dem Kern des ersten optischen Wellenleiters angeordnet ist, mit dem zweiten Kern des zweiten optischen Wellenleiters kontinuierlich verläuft und der zweite obere Mantel (420) und der zweite Kern aus dem gleichen Material hergestellt sind, wobei der obere Mantel (21A bis 21E: 406) auf dem zweiten oberen Mantel (21A bis 21E: 420) angeordnet ist, der auf dem Kern des ersten optischen Wellenleiters und dem zweiten Kern des zweiten optischen Wellenleiters, der mit dem oberen Mantel kontinuierlich verläuft, angeordnet ist und der obere Mantel (21a bis 21E: 406) einen kleineren Brechungsindex als der zweite Kern aufweist.
Modul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass an zwei Stellen in der Ebene der Vorrichtung, die bezogen auf den sich ausbreitenden optischen Modus seitlich angeordnet und bezogen auf die optische Achse symmetrisch angeordnet sind, Material von der Schicht (420/403) entfernt ist, die sowohl den zweiten Kern als auch den zweiten oberen Mantel bildet.
Herstellungsverfahren für ein optisches Modul, umfassend folgende Schritte: Bilden eines unteren Mantels (1A und 1B: 14) auf einem Substrat (13; 23); selektives Bilden eines ersten Kerns (1A und 1B: 16) in Form eines Drahts mit einem rechtwinkligen Querschnitt auf dem unteren Mantel; selektives Bilden eines zweiten Kerns (1A und 1B: 18) auf einem Anschlussendabschnitt (17) des ersten Kerns (1A und 1B: 16) und dem unteren Mantel, wobei der zweite Kern kontinuierlich mit dem Anschlussendabschnitt (17) verläuft; und Bilden eines oberen Mantels auf dem und um den zweiten Kern, so dass der untere Mantel und ein Abschnitt des ersten Kerns, der auf dem unteren Mantel angeordnet ist, einen ersten Wellenleiter bilden, der untere Mantel, der Anschlussendabschnitt des darauf angeordneten ersten Kerns, der auf dem Anschlussendabschnitt angeordnete zweite Kern und der obere Mantel einen Modenfeldgrößenkonversionsabschnitt bilden, der untere Mantel, der darauf angeordnete zweite Kern und der obere Mantel einen zweiten Wellenleiter bilden, und die ersten und zweiten Kerne unterschiedliche Querschnittsflächen aufweisen, wobei der erste Kern aus Silizium besteht, der zweite Kern aus einem Material besteht, das einen größeren Brechungsindex als der untere Mantel und einen kleineren Brechungsindex als Silizium des ersten Kerns und des Anschlussendabschnitts aufweist, und der ersten Wellenleiter auf dem Substrat aus einem Silizium-Auf-Isolator(SOI)-Substrat gebildet ist, gekennzeichnet durch Bilden der Brechungsindexdifferenz zwischen dem oberen Mantel und dem zweiten Kern, so dass sie ungleich null und 2,7 % oder weniger ist, und der Brechungsindexdifferenz zwischen dem unteren Mantel und dem zweiten Kern, so dass sie ungleich null und 3,3 % oder weniger ist, und Bilden des zweiten Kerns aus einem homogenen Material, so dass der Anschlussendabschnitt des ersten Kerns ein aus Silizium bestehender, sich verjüngender Abschnitt ist, dessen Querschnittsfläche in der Breite zu einem distalen Ende des ersten Kerns hin allmählich abnimmt, während die Höhe des Querschnitts des sich verjüngenden Abschnitt unverändert bleibt.
Verfahren nach Anspruch 12, weiterhin umfassend den Schritt des Oxidierens des ersten Kerns und mindestens einer Seitenfläche des Anschlussendabschnitts des ersten Kerns nach dem Schritt des Bildens des ersten Kerns.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt des Oxidierens der Seitenfläche des Anschlussendabschnitts den Schritt des Oxidierens der Seitenfläche umfasst, nachdem der erste Kern und eine obere Fläche des Anschlussendabschnitts des ersten Kerns mit einem Antioxidationsfilm maskiert wurde.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt des Oxidierens des ersten Kerns und der Seitenfläche des Anschlussendabschnitts des ersten Kerns den Schritt des Oxidierens zum Bedecken des ersten Kerns und seines Anschlussendabschnitts zusätzlich zur Seitenfläche des Anschlussendabschnitts umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt des Oxidierens des ersten Kerns und der Seitenfläche des Anschlussendabschnitts des ersten Kerns einen thermischen Oxidationsprozesses umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt des Oxidierens des Anschlussendabschnitts den Schritt des Oxidierens des ersten Kerns und des distalen Endes des Anschlussendabschnitts bis zu einer Tiefe in der Ebene der Einrichtung, die nicht weniger als 1/2 der Voroxidationsbreite des distalen Endes des Anschlussendabschnitts ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei im Schritt des Bildens des ersten Kerns eine Siliziumschicht um den ersten Kern in einer vorbestimmten Stärke verbleibt und der Schritt des Oxidierens der Seitenfläche des Anschlussendabschnitts einen Prozess des Umwandelns der um den ersten Kerns verbleibenden Siliziumschicht mit der vorbestimmten Stärke in einen Siliziumoxidfilm umfasst.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die um den ersten Kern verbleibende Siliziumschicht eine Stärke aufweist, die einer Verringerung der Stärke infolge der Oxidation entspricht.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt des Oxidierens der Seitenfläche des Anschlussendabschnitts des ersten Kerns den Schritt des Erhöhens des Brechungsindex des gebildeten Siliziumoxidfilms in einem Bereich von Brechungsindizes umfasst, die kleiner als der Brechungsindex von Silizium sind.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt des Bildens des zweiten Kerns den Schritt des Bildens des zweiten Kerns (21A bis 21E: 420) umfasst, um kontinuierlich mit dem Anschlussendabschnitt zu verlaufen.
Verfahren nach Anspruch 21, weiterhin umfassend den Schritts des weiteren Bildens des oberen Mantels (21A bis 21E: 406) auf einem zweiten oberen Mantel (21A bis 21E: 420), der auf dem Kern des ersten optischen Wellenleiters und dem zweiten Kern des zweiten optischen Wellenleiters angeordnet ist, der kontinuierlich mit dem ersten optischen Wellenleiter verläuft, wobei der obere Mantel (21A bis 21E: 406) einen kleineren Brechungsindex als der zweite Kern (21A bis 21E: 403) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 21, weiterhin umfassend den Schritt des Entfernens von Material von der Schicht (420/403), die sowohl den zweiten Kern als auch den zweiten oberen Mantel bildet, an zwei Stellen in der Ebene der Vorrichtung, die bezogen auf den sich ausbreitenden optischen Modus seitlich angeordnet und bezogen auf die optische Achse symmetrisch angeordnet sind.