JP2002536698A - 導波路を含む光学素子の加工方法及び導波路を含む素子 - Google Patents

導波路を含む光学素子の加工方法及び導波路を含む素子

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Abstract

(57)【要約】 導波路を含む光学素子の加工方法であって、素子の表面を加熱するためにレーザーを利用して導波路の光学特性を変化させるステップを含み、該レーザの電力密度はアブレーション法を実施するように選択される加工方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 ［発明の分野］ 本発明は広義にはレーザアブレーション法（あるいは場合によってはレーザエ
ッチングと称することもあるが、以下ではアブレーションと称する）による導波
路構造の加工に関する。
【０００２】 ［背景技術］ 光導波路素子の製造中に、特定の製造ステップに関連して変化が生じ、これが
素子の動作特性に影響を及ぼすことがあることは一般的である。例えば、光学素
子は半導体製造技術を適応させることを利用して製造される場合が多く、一般に
シリコン基板上に形成された多数の層を含むことができる。材料の熱膨脹率が異
なる結果として、通常の動作状態の間に様々な圧縮応力が誘発される。これらの
応力は基板上に形成されたいずれかの素子の動作特性を変化させる作用を有する
ことがある。特に、圧縮応力は光導波路の異方性の複屈折特性を誘発する場合が
多く、それによってその動作に大幅に影響することがある。
【０００３】 提案されている暫定的な解決方法には、複雑なハイブリッド技術を採用するよ
うな技術が含まれており、この場合は、バルク偏光素子が光チップ内にスロット
加工され、かつ複屈折を補償するように設定され、または導波路のいずれかの側
にひずみ除去溝をエッチングするために時間がかかる化学的エッチングステップ
が施される。基板に傷を作成して応力を補償するためにＵＶレーザを介した加工
も提案されてきたが、しかしＵＶレーザ加工を利用することには、レーザが高価
であり、製造環境では信頼性がない場合がある点で、重大な問題点がある。通常
これらには恒常的な熟練したメンテナンスが必要である。
【０００４】 ［発明の概要］ 本発明は、導波路を含む光学素子の加工方法であって、前記素子の表面を加熱
するためにレーザを利用して前記導波路の光学特性を変化させるとともに、表面
アブレーション法を実施するために前記レーザの電力密度を選択する方法を提供
するものである。
【０００５】 レーザは二酸化炭素のレーザ源を備えてもよい。
【０００６】 上記方法は導波路の複屈折特性を変化させるために利用されることができ、例
えばＴＭ複屈折とＴＥ複屈折のモードが実質的に位置合わせされてもよい。
【０００７】 上記ステップ方法は、レーザに対する素子の露曝を制限するように形成されア
パーチャを有する導電性材料で表面をマスキングするステップをさらに含んでい
てもよい。
【０００８】 前記素子はセンサであってもよい。
【０００９】 上記方法は、表面上に材料層を堆積するステップをさらに含んでいてもよい。
従って、上記方法自体を素子を形成するために利用することもできる。素子は例
えば半導体素子、またはＳｉＯ2／Ｓｉプレーナ導波路素子であってもよい。
【００１０】 材料層を堆積するステップは、アブレーション法による作用を受ける表面の部
分に材料層を堆積するステップを含んでいてもよい。
【００１１】 材料層は素子を電気的に接触させるための電極として備えてもよい。
【００１２】 上記方法はアブレーション法の結果として表面に形成される溝の内部にさらな
る構成部品を実装するステップをさらに含んでいてもよい。さらに別の構成部品
は素子の特性を変調する変調器であってもよい。
【００１３】 上記方法は光学構造を形成するように素子の異なる位置で実施してもよい。か
かる光学構造は格子構造であってよい。かかる光学構造は偏光フィルタであって
もよい。
【００１４】 上記方法は導波路内に存在するＵＶにより誘発される変化を軽減するために利
用することができる。
【００１５】 素子は光ファイバであってもよい。
【００１６】 上記方法はアブレーション法によって素子をマーキングするために利用されて
もよい。
【００１７】 レーザは約１．８マイクロメータを超える波長で動作する半導体レーザであっ
てもよい。この波長は、素子の表面がＳｉＯ2からなる場合に好適である。
【００１８】 上記方法はさらに、素子の表面の加熱を促進するために吸収材を備えるステッ
プを含んでいてもよい。
【００１９】 本発明は代替的には、素子の表面を加熱するためにレーザを利用して導波路の
光学的特性を変化させ、素子を加工するとともに、表面アブレーション法を実施
するためにレーザの電力密度を選択する導波路を含む素子を提供するものとして
定義されてもよい。
【００２０】 ［好適および他の実施形態の説明］ 本発明の範囲内にある他の何れかの形態があるにも関わらず、ここで本発明の
好適な形態を例示目的のみで、添付図面を参照しつつ説明する。
【００２１】 好適な実施形態では、複屈折の補償と光学部品の同調の双方を達成するように
、導波路構造の中赤外線レーザ加工を行うために、安価で比較的コンパクトなＣ
Ｏ2レーザ素子が利用される。加工の準備が図１に概略的に示されており、ＣＯ2 レーザ５を利用して導波路３にアブレーション法が施される。アブレーション加
工の例が図２に示されており、アブレーションチャネル８、９を含むように内部
コア７を有する導波路６が加工される。第１の例では、中空−陰極ＰＥＣＶＤ技
術を利用して製造される非対称マッハツェンダー（ＭＺ）干渉計の素子特性を増
強するために、ＣＯ2レーザが利用された。
【００２２】 コアと基板における応力を熱緩和するとともに、屈折率を変化させるために中
赤外線放射が利用された。充分に高い温度では、コアおよび被覆導波路ガラスは
軟化し、溶解し、蒸発することができる。このようなアブレーション加工自体は
、その他の方法よりも迅速に緩和をもたらすために使用されうるとともに、光減
衰器のような機能、および応力除去溝のレーザアブレーションを含むその他のよ
り古典的な用途のため、導波路内のエネルギー放散のための偏光依存損失のソー
スを供給するほとんどの加熱は、吸収された光線をシリカ分子の振動モードへと
非放射伝達することを介して発生することが判明した。
【００２３】 実験で用いられた所定の露曝の場合、基板の温度は表面で誘発される温度とほ
ぼ同一であるものと考えられた。最初はレーザは集束されない１０ＷのＣＷ出力
（−１４０Ｗ／ｃｍ2）で動作された。レーザが後に集束されると、シリカの融
点を容易に越える温度に達し、その結果、レーザー蒸発とアブレーションが生じ
た。
【００２４】 非対称のＭＺスペクトル応答は入力カプラと出力カプラとの間で確立される干
渉計の特性であるので、整合されたＴＥおよびＴＭスペクトルによって測定され
た複屈折補償を（ＴＭは同じウェーハ上に製造された直線的な導波路内に弱いブ
ラッグ格子を書き込むことによって、より効率が高い指数を有するものと特定さ
れる）、２つのカプラ間で達成可能である。実験的な観点から、この領域で真の
複屈折の減少が例証された場合は、有効指数の増大に起因するＴＥおよびＴＭノ
ッチ波長の変化は、長アームを加工する場合は収斂し、短アームを加工する場合
には発散するようでなければならない。反射率が低下する場合は上記と逆となる
。そうではない場合は、固有偏光発散を実際に悪化させる一方で、ＭＺ内での偏
光のスペクトル補償が可能である。収斂が達成されると、偏光補償の実行可能性
を確立することができ、一般にこれはその他の光学部品、および直線の導波路、
並びに本明細書で選択されている非対称のＭＺ素子にも適用可能である。
【００２５】 動作パラメータを決定する実験において、広帯域エルビウムをドーピングした
ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）と、−１ｘ１０-5であるものと測定される複屈折ス
プリッティングを制限する分解能が０．０５ｎｍのスペクトルアナライザとを利
用してＭＺ素子の光学スペクトルが測定された。
【００２６】 初期実験では、ＭＺ素子の長アーム（１２μｍのＳｉＯ2の被覆、および緩衝
層、４ｘ５μｍのＧｅＯ2がドーピングされたコア、△ｎ−０．０１）が試験と
コンセプトの確認のために加工された。ファイバカップリングは露曝時間が長い
と受ける影響も大きいので、露曝を所定の時点で短時間だけ停止した後に、間隔
をおいて測定がなされた。ＴＥとＴＭの双方ともより長い波長に移行したことが
認められ、屈折率の増加を示した。結局、ＴＥの有効指数はより迅速に増加した
ので、非集束光線に露曝されたＴＥとＴＭの固有状態間の波長スプリッティング
の変化を示した図４に示されるように、スプリッティングは減少した。しかし、
最初は図３に示すように、スプリッティングの増加が観察された。これは圧縮応
力の初期の増大と、引き続くコアガラスの圧密化に関連があるものと思われる。
スプリッティングの減少の分量は、スプリッティングが本明細書で選択された素
子よりも大幅に低い、ほとんどのプレーナ・シリカ・オン・シリコン素子におけ
る複屈折の補償を可能にするのに充分な分量である。さらに、この値は未だ飽和
状態にない。
【００２７】 次に、０．２秒未満の露曝で蒸発に必要なしきい値を超えるように、１００μ
ｍのスポットサイズに集束することによって、ＣＯ2レーザの電力密度が−１．
３ｋＷ／ｃｍ2まで上昇された。表面の１つの損傷領域を介して緩やかに割裂し
た後、光学顕微鏡でアブレーションが確認された。露曝時間を制御することによ
って、材料が除去される深さを制御することが可能であった。長アームを露曝し
た場合のスペクトル応答は、より短い波長へと移行することが認められ、屈折率
の低下を示した。しかし、ＴＭ状態はより急速に低下し、その結果、複屈折スプ
リッティングが大幅に減少した。屈折率の低下と、局部的なアブレーションは、
この場合、コアにおける膨張率および応力の補償、もしくは緩和が、複屈折の減
少を誘発する主要な要因であることを示している。ファイバカップリングの安定
性は著しく高まり（イン・サイチュ(in-situ)モニタの重要な利点である）、加
工プロセスは材料の熱アニーリングよりも明らかに効率性が高い。このことは、
各々の偏光状態の有効伝搬定数に影響を及ぼすとともに、ある程度の偏光依存損
失を誘発する。その結果、これを各々の固有状態の光エネルギーの平衡を達成す
るのに利用することができ、ひいては素子のスペクトル応答が整合し、改良され
る。図４は同じ領域で点火されたショットの関数としての有効指数の変化を示し
ており、長アームを露曝した場合の複屈折の収斂を示している。これに続く同じ
領域でのショットはそれ以上は役立たないことが認められた。当然、逆の短アー
ムが観察された。短アームを露曝した場合は、偏光の補償が達成された場合に予
期されたとおり、スペクトルの発散が示された。
【００２８】 実験で利用された第２の素子（本質的には偏光スプリッタ）の照射前のスペク
トル応答が図５に示されている。フリンジコントラストが弱く、ＴＥ応答とＴＭ
応答に差があることは、入力カプラが偏光に感応し、異なる量の光線が各固有状
態ごとに分割されることを示している。その結果、各アーム内の光線の強度は等
しくなく、その結果、出力カプラでの再結合の際、特にこの場合には、ＴＥ状態
のフリンジコントラストが弱くなる。カプラ間の偏光感度は、ひずみが容易には
除去されないシリカ・オン・シリコンシステムにおいて、完全に消去することが
極めて困難である。図６は照射アブレーションのプロセスが最適化された後の素
子への最終結果を示している。改良点は、長アームに沿った５回のショット（電
力密度−１０ｋＷ／ｃｍ2）の後、ＴＥとＴＭの双方の状態でフリンジコントラ
ストが２０ｄＢまで上昇したことである。この特定の素子での偏光状態を平衡に
するために必要な総損失の上昇は、ＴＭの場合は−０．２ｄＢであり、ＴＥの場
合は−１．２ｄＢであった。
【００２９】 上述の技術におけるその他多くの変形と応用が可能である。第１に、ＣＯ2レ
ーザの利用は、図７に示すように、スロット２１を含む金属プレート２０を利用
することによって改良することができ、この金属プレートは特定の位置の外側の
レーザビーム２２から熱を抽出するためのヒートシンクとして作用する。このよ
うにして、導波路のより改良された加工２３を達成することができる。
【００３０】 第２に、導波路のアブレーションは図８に示すように、コア２５を囲む領域ま
で拡張することもできる。これは、コアおよび素子全体の動作を改良するために
利用できる。例えば図９では、コア３１によるより精密な検知を行うために利用
できる改良された表面３０を形成するためのアブレーションの利用が示されてい
る。さらに、表面のアブレーションは所定の動作特性を有する複雑な半導体素子
の製造に利用できる。例えば図１０では、機能的な半導体素子を製造するために
、酸化亜鉛、ＢｉＴＯ3、またはその類似物からなることができる後続層３３の
堆積の例を示している。
【００３１】 その他の改良例が図１１に示されており、この場合は、長期間の“損失”格子
構造を得るために、コア４３に沿って規則的な間隔で一連のアブレーション４０
−４２が書き込まれる。
【００３２】 その他の用途には、偏光コントローラおよび減衰器などの変形が含まれる。
【００３３】 上述のレーザプロセスには多くのその他の用途がある。特に、これはプレーナ
導波路上に形成されるＵＶ加工された格子のような光学素子のＣＯ2 加熱による
部品のエージングを加速するために利用できる。加速されたエージングによって
動作特性が改良され、部品の精密に局部限定されたエージングを含めることがで
きる。さらに、以前に加工された導波路の一部のＵＶ加工を焼鈍するための熱ア
ニーリングを利用できる。これはＵＶの加工効果をほぼ完全にアニールする程度
まで実施できる。
【００３４】 さらに、上記の加工ステップはファイバ素子に直接応用することもできる。
【００３５】 当業者には、広義に説明した本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく、
特定の実施形態で示した本発明には多様な変更および／または変形が可能である
ことが理解されよう。従って上記の実施形態は、全ての側面で例示的なものであ
り、限定的なものではないものと解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 好適な実施形態における方法の作用を概略的に示した図面である。
【図２】 ウェーハ表面のアブレーションを示した図面である。
【図３】 好適な実施形態を利用した実験における変化と有効指数とを示した図面である
。
【図４】 好適な実施形態を利用した実験の有効指数のさらなる変化を示した図面である
。
【図５】 ＴＭモードとＴＥモードの双方を示す好適な実施形態の適用に先立つ、マッハ
ツェンダー（ＭＺ）干渉計の初期プロフィルを示した図面である。
【図６】 図６の素子の好適な実施形態を適用した後の、ＭＺのＴＥモードおよびＴＭモ
ードのスペクトル応答を示した図面である。
【図７】 ウェーハを加工する代替実施形態を示した図面である。
【図８】 導波路のコアの周囲におけるアブレーション加工プロセスを示した図面である
。
【図９】 導波路の素子特性を変化させる際のアブレーションの利用を示した図面である
。
【図１０】 ウェーハ上のさらなる層の堆積に関連したアブレーションの利用を示した図面
である。
【図１１】 時間損失の多い格子の構造を示した図面である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１３年４月１０日（２００１．４．１０）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】 ［発明の概要］ 本発明は、導波路を含む光学素子の加工方法であって、加熱にレーザを利用し 、前記素子の表面をアブレートさせて、前記光学素子に応力を誘発することで、 前記導波路の光学特性を変化させ、前記レーザの電力密度は表面のアブレーショ ン法を実施するように選択される 方法を提供するものである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】 本発明は代替的には、導波路を含む素子であって、前記素子は、加熱にレーザ を利用し、素子の表面をアブレートさせて、前記素子に応力を誘発することで、 前記導波路の光学特性を変化させる工程で行われ、前記レーザの電力密度は表面 のアブレーション法を実施するように選択される 素子を提供するものとして定義
されてもよい。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H047 KA04 KB04 LA11 PA00 PA22 QA02 QA04 RA08 TA00 TA11 2H049 BA01 BA42 BB01 BB06 BB61 BC01 BC25 5F072 AA05 YY06 YY07

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 導波路を含む光学素子の加工方法であって、 前記素子の表面を熱するためにレーザを利用して前記導波路の光学特性を変化
    させるとともに、表面アブレーション法を実施するために前記レーザの電力密度
    を選択する導波路を含む光学素子の加工方法。
  2. 【請求項２】 前記レーザは二酸化炭素のレーザ源を備えている請求項１記
    載の導波路を含む光学素子の加工方法。
  3. 【請求項３】 前記方法は前記導波路の複屈折特性を変化させるために利用
    される前記請求項のいずれか１項記載の導波路を含む光学素子の加工方法。
  4. 【請求項４】 ＴＭ複屈折とＴＥ複屈折とが前記方法によって実質的に位置
    合わせされる請求項３記載の導波路を含む光学素子の加工方法。
  5. 【請求項５】 前記レーザに対する前記素子の露曝を最小限にするように形
    成されたアパーチャを有する熱伝導材料で表面をマスキングするステップをさら
    に含む前記請求項のいずれか１項記載の導波路を含む光学素子の加工方法。
  6. 【請求項６】 前記素子がセンサである先行する請求項のいずれか１項記載
    の導波路を含む光学素子の加工方法。
  7. 【請求項７】 表面上に材料層を堆積するステップをさらに含む前記請求項
    のいずれか１項記載の導波路を含む光学素子の加工方法。
  8. 【請求項８】 前記材料層を堆積する前記ステップは、前記アブレーション
    法による作用を受ける前記表面の部分に前記材料層を堆積するステップからなる
    請求項７記載の導波路を含む光学素子の加工方法。
  9. 【請求項９】 前記アブレーション法の結果として前記表面に形成される溝
    の内部にさらなる構成部品を実装するステップをさらに含む先行する請求項のい
    ずれか１項記載の導波路を含む光学素子の加工方法。
  10. 【請求項１０】 前記材料層は前記素子を電気的に接触させるための電極と
    して備えられる請求項７または８に記載の導波路を含む光学素子の加工方法。
  11. 【請求項１１】 前記さらなる構成部品は前記素子の特性を変調する変調器
    である請求項９に記載の導波路を含む光学素子の加工方法。
  12. 【請求項１２】 前記表面を加熱するために前記レーザを利用する前記ステ
    ップは光学的構造を形成するように前記素子の別の場所で実施される先行する請
    求項のいずれか１項記載の導波路を含む光学素子の加工方法。
  13. 【請求項１３】 前記光学的構造は格子構造である請求項１２記載の導波路
    を含む光学素子の加工方法。
  14. 【請求項１４】 前記光学的構造は偏光フィルタである請求項１２または１
    ３記載の導波路を含む光学素子の加工方法。
  15. 【請求項１５】 前記方法は前記導波路内に存在するＵＶにより誘発される
    変化を軽減するために利用される先行する請求項のいずれか１項記載の導波路を
    含む光学素子の加工方法。
  16. 【請求項１６】 前記素子は光ファイバである前記請求項のいずれか１項記
    載の導波路を含む光学素子の加工方法。
  17. 【請求項１７】 前記方法は前記アブレーション法によって前記素子をマー
    キングするために利用される先行する請求項のいずれか１項記載の導波路を含む
    光学素子の加工方法。
  18. 【請求項１８】 前記レーザは約１．８マイクロメータを超える波長で動作
    する半導体レーザからなる先行する請求項のいずれか１項記載の導波路を含む光
    学素子の加工方法。
  19. 【請求項１９】 前記素子の前記表面はＳｉＯ2 からなる請求項１８記載の
    導波路を含む光学素子の加工方法。
  20. 【請求項２０】 前記方法はさらに、前記素子の前記表面の加熱を促進する
    ために吸収材を備えるステップを含む先行する請求項のいずれか１項記載の導波
    路を含む光学素子の加工方法。
  21. 【請求項２１】 導波路を含む素子であって、前記導波路は該導波路の光学
    特性を変化させるために前記素子の表面を加熱するレーザを利用して加工され、
    該レーザの電力密度はアブレーション法を実施するように選択される導波路を含
    む素子。
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