JP2002014242A - 光導波路装置 - Google Patents

光導波路装置

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JP2002014242A
JP2002014242A JP2000194408A JP2000194408A JP2002014242A JP 2002014242 A JP2002014242 A JP 2002014242A JP 2000194408 A JP2000194408 A JP 2000194408A JP 2000194408 A JP2000194408 A JP 2000194408A JP 2002014242 A JP2002014242 A JP 2002014242A
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silicon
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Tomiyuki Arakawa
富行 荒川
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Oki Electric Industry Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】コアと下部クラッドおよび上部クラッドとの比
屈折率差が大きい光導波路を提供する。 【解決手段】SOI基板の埋め込みシリコン酸化膜を下
部クラッド102として使用し、このSOI基板のシリ
コン層を加工することによってコア103を形成し、S
OI基板の表面にシリコン酸化膜を堆積することによっ
て上部クラッド104を形成する。シリコンとシリコン
酸化膜とは屈折率の差が大きいので、比屈折率差が大き
い光導波路を得ることができる。光導波路の比屈折率差
を大きくすることにより、光回路の小型化、低価格化が
実現される。また、SOI基板を用いるので、製造工程
数を減らすことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、光導波路を用い
て光回路を構成した、光導波路装置に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】従来より、光導波路を用いて光回路を構
成したデバイスが知られている。この出願では、このよ
うな装置を、光導波路装置と称する。
【0003】従来の光導波路としては、例えば、文献:
河内正夫、「プレーナ光波回路技術の現状と将来」NTT
R&D Vol.43 No.11,1994,p1273-1280 に開示されたもの
が知られている。
【0004】この文献に開示された光導波路は、下部ク
ラッド、コアおよび上部クラッドを、それぞれ、シリコ
ン酸化膜によって形成している。この光導波路では、シ
リコン酸化膜の組成を異ならせることによって、下部ク
ラッドおよび上部クラッドの屈折率をコアの屈折率より
も高くしている。この光導波路において、下部クラッド
および上部クラッドとコアとの比屈折率差は、0.25
〜2%程度である。また、この光導波路では、下部クラ
ッドおよび上部クラッドの膜厚は15〜30μm程度で
ある。また、コアの断面寸法は、幅が4〜10μm程度
で、且つ、高さが4〜10μm程度である。
【0005】かかる光導波路を製造する工程では、ま
ず、シリコンウエハ上に、酸化シリコンガラス微粒子
(粒径約0.1μm)を吹き付けることにより、下部ク
ラッドとなる層およびコアとなる層を順次堆積する。こ
のガラス微粒子は、気体状原料(四塩化シリコンを主成
分とし、ドーパントしてGeO2 を含む)を、酸水素炎
中で加水分解することによって得られる。下部クラッド
となる層およびコアとなる層を堆積する際には、GeO
2 ドーパントの濃度を変えることにより、ガラス微粒子
の組成を異ならせる。
【0006】次に、これらのガラス微粒子膜を、電気炉
中で1250℃以上の高温に加熱することにより、透明
な酸化シリコンガラス膜を形成する。下部クラッドとな
る層とコアとなる層とでは、ガラス微粒子の組成が異な
るので、これらの層の屈折率も異なることになる。
【0007】その後、反応性イオンエッチングを用いて
コアを加工する。
【0008】最後に、コア層の上面および側面を覆う膜
を、下部クラッド層と同じ組成のガラス微粒子で堆積
し、さらに、上述と同様の加熱処理を施すことにより、
上部クラッドを形成する。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】上述したような従来の
光導波路には、下部クラッドおよび上部クラッドとコア
との比屈折率差が小さい(2%以下)という欠点があっ
た。
【0010】この比屈折率差が小さいと、コアの曲線部
の曲率半径を大きくしなければならないので(1〜25
mm程度)、この光導波路を用いて構成する光回路全体
が大きくなってしまう。
【0011】また、この比屈折率差が小さいと、単一モ
ード条件を満たすために必要な断面寸法が4〜10μm
程度と大きくなってしまうので、半導体集積回路等のた
めの通常の半導体製造装置による製造が困難になってし
まう。
【0012】さらに、上述したような従来の光導波路の
製造工程では、下部クラッドとなる層、コアとなる層お
よび上部クラッドとなる層をそれぞれ堆積しなければな
らなかったので、工程数が多く、製造コスト低減の妨げ
になっていた。
【0013】このため、比屈折率差が大きく且つ製造工
程が簡単な光導波路装置が嘱望されていた。
【0014】
【課題を解決するための手段】この発明に係る光導波路
装置は、光を伝搬するコアと、このコアの周囲を覆う下
部クラッドおよび上部クラッドとを備える。
【0015】そして、コアがシリコンで形成され、且
つ、下部クラッドおよび上部クラッドが酸化シリコンで
形成されたことを特徴とする。
【0016】この発明では、コアをシリコンで形成し且
つ下部クラッドおよび上部クラッドをシリコン酸化膜で
形成したので、コアと下部クラッドおよび上部クラッド
との比屈折率差を大きくすることができる。したがっ
て、コアの曲線部の曲率半径を小さくすることができ、
且つ、単一モード条件を満たすために必要な断面寸法を
小さくすることができる。
【0017】さらに、この発明に係る光導波路装置は、
SOI基板を用いて作製することができるので、製造工
程を簡単にすることが可能である。
【0018】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を用いて説明する。なお、図中、各構成成分の
大きさ、形状および配置関係は、本発明が理解できる程
度に概略的に示してあるにすぎず、また、以下に説明す
る数値的条件は単なる例示にすぎない。
【0019】第1の実施の形態 まず、この発明の第1の実施の形態に係る光導波路装置
について、図1〜図4を用いて説明する。
【0020】図1は、この実施の形態に係る光導波路装
置の構成を概略的に示す断面図である。
【0021】図1に示したように、この光導波路装置1
00は、シリコン基板101上に形成された、下部クラ
ッド102、コア103および上部クラッド104によ
って構成されている。
【0022】下部クラッド102は、酸化シリコンによ
って形成される。後述するように、この下部クラッド1
02としては、SOI(Silicon On Insulator)ウエハの
埋め込み酸化シリコン膜が使用される。
【0023】コア103は、シリコンによって形成され
る。後述するように、このコア103は、SOIウエハ
のシリコン層を加工することによって形成される。
【0024】上部クラッド104は、酸化シリコンによ
って形成される。上部クラッド104は、下部クラッド
102と同じ屈折率を有する。後述するように、この上
部クラッド104は、SOIウエハ上に酸化シリコンを
堆積することによって、形成される。
【0025】次に、図1に示した光導波路装置の製造方
法について、図2を用いて説明する。
【0026】この実施の形態では、図2(A)に示した
ような、SOIウエハ201を使用する。SOIウエハ
201は、シリコン基板101上に、厚さ1〜5μmの
埋め込みシリコン酸化膜102と、厚さ0.1〜0.3
μmのシリコン層202とを積層することによって構成
されている。
【0027】光導波路装置100を製造する際には、ま
ず、SOIウエハ201を、1%のフッ化水素酸溶液で
20秒間洗浄し、さらに、純水で5分間リンスする。
【0028】次に、SOIウエハ201のシリコン層2
02上にレジストを塗布した後、通常の光露光技術等を
用いて、図2(B)に示したようなレジストパターン2
03を形成する。
【0029】続いて、このレジストパターン203をマ
スクとしたエッチングによりシリコン層202をパター
ニングして、図2(C)に示したようなコア103を形
成する。エッチング法としては、例えばドライエッチン
グを使用することができる。さらに、このときのエッチ
ングガスとしては、例えば、CF4 に20%のO3 を添
加してなるガスを使用することができる。
【0030】最後に、図2(D)に示したように、上部
クラッド104として、厚さ1〜5μmのシリコン酸化
膜を堆積する。堆積技術としては、例えば、並行平板型
プラズマ化学気相成長法、スパッタ法、蒸着法等を使用
することができる。さらに、このときの原料ガスとして
は、テトラエトキシシランおよびO2 を使用することが
できる。
【0031】次に、このようにして製造された光導波路
装置の特性について説明する。
【0032】光通信で用いられる波長は一般に1.3〜
1.6μm程度であるが、かかる波長におけるシリコン
の屈折率nSiおよび酸化シリコンの屈折率nSiO2は、n
Si≒3.5、nSiO2≒1.45である。ここで、シリコ
ンと酸化シリコンとの比屈折率差は、Δn={(nSi
SiO2)/nSi}×100で与えられる。したがって、
この実施の形態に係る光導波路装置100の比屈折率差
Δnは、約58%になる。この比屈折率差Δnは、上述
した従来の光導波路装置の比屈折率差(0.25〜2
%)と比較して、平均で約50倍である。
【0033】このため、この実施の形態に係る光導波路
装置100では、コアの曲線部の曲率半径を、0.5〜
1.0mmとすることができる。この値は、上述した従
来の光導波路装置の場合(1〜25mm)と比較して、
平均で10分の1以下である。図3は、光導波路装置1
00の、コアの曲率半径と曲げ損失との関係を示すグラ
フである。図3から判るように、コアの曲率半径が0.
5mm以上であれば、曲げ損失はほとんど無い。
【0034】また、この実施の形態の光導波路装置10
0では、比屈折率差が高いことから、単一モード条件を
満たすためには、断面寸法が幅0.2μm以下且つ高さ
0.2μm以下であればよい。すなわち、この実施の形
態では、断面寸法を、従来の場合(幅4〜10μm且つ
高さ4〜10μm)の20分の1以下にすることができ
る。したがって、この実施の形態に係る光導波路装置1
00は、通常の半導体装置で、容易に製造することがで
きる。図4(A)は、光導波路装置100の、基板10
1に垂直な方向についての界分布の計算結果を示すグラ
フであり、光導波路装置100の下部クラッド102、
コア103、上部クラッド104の厚さを1μm、0.
15μm、1μmとした場合の例である。図4(A)の
計算結果から、この光導波路装置100では、半径約
0.5μm内に光が強く閉じこめられていることが判
る。また、図4(B)は、光導波路装置100のニアフ
ィールドパターンの測定結果を示すグラフである。図4
(B)の測定結果から、光導波路装置100では、半径
約0.3μm内に光が強く閉じこめられていることが判
る。図4(A)、(B)のグラフから、この実施の形態
の光導波路装置100では光が単一モードで伝搬してい
ることが確認できた。このことは、比屈折率差を大きく
すれば、コアの断面寸法を小さくしても、単一モードに
よる低損失な光導波路が実現できることを示している。
【0035】以上説明したように、この実施の形態に係
る光導波路装置100によれば、コア103と下部クラ
ッド102および上部クラッド104との比屈折率差を
大きくすることができるので、コアの曲率半径を小さく
することができるとともにコアの断面寸法を小さくする
ことができる。したがって、この実施の形態によれば、
従来の光導波路装置よりも、光回路を小さくすることが
可能となるとともに、通常の半導体装置での製造を容易
にすることができる。
【0036】加えて、この実施の形態によれば、SOI
ウエハを用いて光導波路装置を製造することとしたの
で、製造工程数を減らして製造コストを低減することが
可能となる。
【0037】第2の実施の形態 次に、この発明の第2の実施の形態に係る光導波路装置
について、図5を用いて説明する。
【0038】この実施の形態は、第1の実施の形態で示
した光導波路を、1×2カプラに適用した例である。
【0039】図5は、この実施の形態に係る1×2カプ
ラ500を構成を概念的に示す平面図である。
【0040】図5において、SOI基板の下部クラッド
(すなわち埋め込みシリコン酸化膜)501上には、コ
ア502が設けられている。このコア502は、ポート
P1から入射された光を、50%ずつ分配して、ポート
P2,P3から出射するように構成されている。なお、
下部クラッド501およびコア502の表面は上部クラ
ッドで覆われるが、図5では省略されている。
【0041】この実施の形態でも、上述の第1の実施の
形態と同様、下部クラッド501および上部クラッド
(図示せず)は酸化シリコンで形成され、且つ、コア5
02はシリコンで形成される。また、下部クラッド50
1および上部クラッドの膜厚や、コア502の断面寸法
は、第1の実施の形態と同一とすることができる。
【0042】第1の実施の形態と同様、この実施の形態
に係る1×2カプラ500によれば、コア502と下部
クラッド501および上部クラッドとの比屈折率差を5
0倍程度にすることができるので、コアの曲線部の曲率
半径を、平均で10分の1以下にすることができる。し
たがって、1×2カプラ500の全体長L(図5参照)
を短くして、小型化を図ることができる。
【0043】また、この実施の形態によれば、第1の実
施の形態と同様、コアの断面寸法を小さくすることがで
きるので、通常の半導体装置での製造を容易にすること
ができる。
【0044】加えて、この実施の形態に係る1×2カプ
ラ500も、第1の実施の形態の場合と同様、SOIウ
エハを用いて製造することができ、したがって、製造工
程数を減らして製造コストを低減することが可能とな
る。
【0045】なお、ここでは、この発明に係る光導波路
を1×2カプラに使用した場合を説明したが、この発明
は、N×Mカプラ(N、Mは自然数)に適用することが
でき、さらに、他の光回路、例えば、アレイ導波路格子
型合分波器、方向性結合器、マッハツェンダー回路など
にも適用することができる。
【0046】第3の実施の形態 次に、この発明の第3の実施の形態に係る光導波路装置
について、図6を用いて説明する。
【0047】この実施の形態は、第1の実施の形態で示
した光導波路を、2×2型の対称形マッハツェンダー干
渉計回路を用いた熱光学光スイッチに適用した例であ
る。
【0048】図6において、(A)は、この実施の形態
に係る熱光学光スイッチ600を構成を概念的に示す平
面図であり、(B)は、(A)のA−A断面図である。
【0049】図6において、シリコン基板601上には
下部クラッド602が形成され、さらに、この下部クラ
ッド602上には光導波路によって2個の3dB方向性
結合器603,604が形成されている。また、これら
の3dB方向性結合器603,604のコアは、2本の
接続用光導波路610,611のコア605,606に
よって接続されている。さらに、これらのコア605,
606の上には、上部クラッド607を介して、ヒータ
608,609が設けられている。
【0050】上述の第1の実施の形態と同様、下部クラ
ッド602および上部クラッド607は酸化シリコンで
形成され、且つ、コア(605,606等)はシリコン
で形成されている。また、ヒータ608,609は、例
えばCrによって形成することができる。第1の実施の
形態と同様、下部クラッド602および上部クラッドの
膜厚はそれぞれ1〜5μmとし、コアの断面寸法は幅
0.2μm以下且つ高さ0.2μm以下とする。
【0051】このような構成の熱光学光スイッチ600
では、ヒータ608,609を発熱させることにより、
石英系膜の熱光学効果を利用して、クロス/バー型のス
イッチングを行うことができる。なお、この熱光学光ス
イッチ600の原理は、周知であるので、説明を省略す
る。
【0052】この発明に係る光導波路では、上述の理由
によりコアの断面寸法を小さくすることができるため、
下部クラッドおよび上部クラッドの膜厚を小さくするこ
とが可能になる。このため、この実施の形態の熱光学光
スイッチ600では、導波路610,611を加熱する
際の熱量を小さくすることができるので、ヒータ60
8,609の消費電力を低減させることができる。ま
た、この発明におけるコアの形成材料であるシリコン
は、従来の光導波路におけるコアの形成材料である酸化
シリコンと比較して熱伝導率が高く、この点でもヒータ
608,609の消費電力を低減させることができる。
この発明の発明者が検討したところ、この実施の形態に
係る熱光学光スイッチ600では、上述した文献の光導
波路を用いた筆光学光スイッチと比較して、消費電力を
2分の1以下にすることができた。
【0053】さらに、熱光学光スイッチ600では、加
熱量を小さくすることができるため、スイッチング時間
(すなわち光導波路の加熱に要する時間)を短縮するこ
とも可能である。
【0054】加えて、この実施の形態によれば、上述の
第1の実施の形態と同様、コアの曲率半径を小さくする
ことができるので、スイッチ600全体としての小型化
を図ることができ、且つ、コアの断面寸法を小さくする
ことができるので、通常の半導体装置での製造を容易に
することができる。
【0055】また、この実施の形態の熱光学光スイッチ
600も、SOIウエハを用いて製造することができ、
これにより、製造工程数を減らして製造コストを低減す
ることが可能となる。
【0056】なお、この実施の形態では、この発明に係
る光導波路を、2×2型の対称形マッハツェンダー干渉
計回路を用いた熱光学光スイッチに適用した例を示した
が、N×N(Nは自然数)型の対称形マッハツェンダー
干渉計回路に適用することが可能である。
【0057】第4の実施の形態 次に、この発明の第4の実施の形態について、図7を用
いて説明する。
【0058】この実施の形態は、同一のSOI基板上に
光回路と電子回路とを形成した例である。
【0059】図7において、(A)は、この実施の形態
に係る光導波路装置を概念的に示す平面図であり、ま
た、(B)は、(A)のB−B断面図である。
【0060】図7に示したように、シリコン基板701
上には、1×2カプラ710と電子回路部720,72
0とが形成される。
【0061】1×2カプラ710において、下部クラッ
ド711上には、コア712が設けられている。そし
て、この下部クラッド711およびコア712は、上部
クラッド713で覆われる。ポートP2は、例えば、図
示しない半導体レーザの出力光を入射して、ポートP1
に導く。また、ポートP3は、例えば、ポートP1から
入射した光を、図示しないフォトダイオードに対して出
射する。
【0062】電子回路部720は、例えばMOSトラン
ジスタ等を備えている。このMOSトランジスタは、ソ
ース721、ドレイン722、ゲート酸化膜723およ
びゲート724を備えている。このMOSトランジスタ
を覆う保護膜は、上部クラッド704と一体に形成され
る。電子回路部720としては、例えば、光導波路に対
して光を出射する半導体レーザや、光導波路の光を光電
変換するフォトダイオード、このフォトダイオードの周
辺回路(増幅回路等)、駆動回路等を採用することがで
きる。また、バイポーラトランジスタを搭載することも
可能である。
【0063】この実施の形態によれば、光導波路と電子
回路とを同一基板上に形成したので、装置全体としての
小型化、低消費電力化が可能となる。
【0064】また、この実施の形態に係る装置700
も、上述の各実施の形態の場合と同様、SOIウエハを
用いて製造することができる。SOIウエハを用いる場
合、光導波路の製造工程と電子回路の製造工程とを共通
化することができるので、上述の各実施の形態の場合よ
りもさらに、製造工程数を減らすことができる。
【0065】なお、比屈折率差を大きくすることができ
るので曲率半径を小さくし且つコアの断面寸法を小さく
することができる点は、上述の各実施の形態と同様であ
る。
【0066】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、比屈折率差が大きく且つ製造工程が簡単な光導波
路装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態に係る光導波路装置の構成を
概略的に示す断面図である。
【図2】第1の実施の形態に係る光導波路装置の製造方
法を説明する断面工程図である。
【図3】第1の実施の形態に係る光導波路装置の、コア
の曲率半径と曲げ損失との関係を示すグラフである。
【図4】第1の実施の形態に係る光導波路装置の特性を
示すグラフであり、(A)は界分布の計算結果を示すグ
ラフ、(B)はニアフィールドパターンの測定結果を示
すグラフである。
【図5】第2の実施の形態に係る光導波路装置の構成を
概略的に示す断面図である。
【図6】第3の実施の形態に係る光導波路装置の構成を
示す概略図であり、(A)は平面図、(B)は(A)の
A−A断面図である。
【図7】第4の実施の形態に係る光導波路装置の構成を
示す概略図であり、(A)は平面図、(B)は(A)の
B−B断面図である。
【符号の説明】
100 光導波路装置 101 シリコン基板 102 下部クラッド 103 コア 104 上部クラッド 201 SOIウエハ 202 シリコン層 203 レジスト

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光を伝搬するコアと、このコアの周囲を
    覆う下部クラッドおよび上部クラッドとを有する光導波
    路を用いた、光導波路装置において、 前記コアがシリコンで形成され、且つ、前記下部クラッ
    ドおよび上部クラッドが酸化シリコンで形成されたこと
    を特徴とする光導波路装置。
  2. 【請求項2】 前記光導波路が、N×Mカプラ(N、M
    は自然数)を構成することを特徴とする請求項1に記載
    の光導波路装置。
  3. 【請求項3】 前記光導波路が、対称形マッハツェンダ
    ー干渉計回路を用いた熱光学光スイッチの光導波路であ
    ることを特徴とする請求項1に記載の光導波路装置。
  4. 【請求項4】 前記下部クラッドとしての酸化シリコン
    膜上に、シリコン半導体素子を有する電子回路が形成さ
    れたことを特徴とする請求項1に記載の光導波路装置。
  5. 【請求項5】 前記下部クラッドがSOI基板の埋め込
    み酸化シリコン膜からなり、前記コアが前記SOI基板
    のシリコン層をパターニングすることによって形成さ
    れ、且つ、前記上部クラッドが前記SOI基板の表面に
    シリコン酸化膜を堆積することによって形成されたこと
    を特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の光導波路
    装置。
  6. 【請求項6】 前記コアの幅および高さが0.3μm以
    下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記
    載の光導波路装置
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