JP2004046044A - 石英系光導波路 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】シリコン基板101に所望の光導波路幅103の凹部のパターンをフォトリソグラフィで形成する。ホトレジスト102の無い103を加工し、凹部104を形成する。凹部に無機塗布ガラス膜を充填塗布し、400℃の温度でキュアする。余分なSOG膜は、ドライエッチングで除去する。コアとなるSiO2膜106を凹部内の側壁や底のクラッド層105の上にバイアス高密度プラズマCVDで形成する。クラッド層となる部分にSOG膜を塗布・キュアし、埋込構造の石英系光導波路を形成する。堆積膜の表面をNH3,N2などのプラズマに照射で窒化層を形成、あるいは堆積膜表面をシリル化処理し、耐湿防止することで、高信頼の石英系光導波路が形成される。
【効果】低温で石英系光導波路が実現でき、屈折率差を3%以上に大きくすることができる。
【選択図】 図1
Description
【発明の技術分野】
本発明は、光通信・光情報処理等の分野の石英系平面光波回路で用いられる埋込構造の光導波路の特に、低温度で作製できる高い屈折率分布を制御可能な屈折率分布差Δ光導波路であり、さらにWDM(波長多重)にも対応できる分散フラット光導波路や光路長が温度に依存しないアサーマル光導波路となる石英系光導波路に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、光通信ネットワークに対して、各種光機能デバイスの高性能化や小型化・低コスト化に関する研究開発が盛んに行われ、信頼性・安定化に優れた石英系光導波路は、最近、兆速の進歩を遂げつつある。シリコン基板上に作製される石英系光導波路は、低損失であり、安定性および光ファイバとの整合性に優れているという特長を有し、実用的な光回路として機能する光導波路の最有力手段となっている。
【0003】
【発明が解決しようとする問題点】
石英系光導波路の作製方法として採用されている火炎加水分解堆積法は、酸水素バーナー中にSiCl4などの原料ガスを流入させ火炎中で酸化反応を起こしSiO2微粒子をシリコン基板上にアンダクラッド層とコア層を堆積させる方法である。SiO2微粒子層が堆積されたシリコン基板を電気炉中で千数百℃に加熱し、ガラス微粒子を固溶させ透明なガラス層にする高温熱作業を必要とする。コア層をフォトリソグラフィで光導波路となるようにリッジ形状に加工後、再び火炎加水分解堆積法によってオーバークラッド層となるガラス微粒子をこのリッジ構造の光導波路を含むシリコン基板上に堆積させて、再び電気炉中で透明なガラスにする。基本的には、これらの火炎加水分解堆積工程は窯業技術をベースにしていることから、膜の再現性やコアやクラッドの厚みの制御が熟練を要することから、近年、高精度な光導波路の製作には、高精度な微細加工が可能なプロセスへの変更が必要であった。しかしながら、これまで成熟した技術として展開されてきたために、なかなか半導体プロセス技術への変更が困難であった。0.1μmの超LSIレベルでは、膜生成のプロセスとしてのCVDや平坦化・埋め込み技術に多くの製造プロセスの低温化が進展している中にあっても、光導波路の製作方法は、依然として旧方法である火炎加水分解堆積法に固定化されてきた。一方、半導体デバイス製造は熱処理の反復であり、熱拡散が主流であった頃は1200℃の高温処理も用いられてきた。現在では、最高処理温度は900℃であり、低温化が進んでいる。この時点では、400℃程度の温度で光導波路を作製し、安定化のためにアニール温度を含めても800℃程度で熱処理可能な石英系光導波路が実現できるようになることを目指している。さらに石英系平面光波回路の超小型化を実現するには、光の閉じ込めが強くなり、曲がり導波路の曲率半径を1mm以下にできる。高集積度を実現するためには、屈折率分布差Δを大きくすることが必須の条件となる。しかしながら現状のシリカをベースとする石英系光導波路は、ドーパントを多量に添加しても実現できるコアとクラッドの比屈折率差は2.5%が限界で、最大でも3%以上にすることは、できない。さらに最近のWDM(波長多重)に対応できる分散フラット屈折率は、これまで光ファイバで試みられてきたが、残念ながら完全な分散フラット光ファイバでは実現さていない。さらにWDMの進展に伴い、4波混合(FWM)等の光の非線形光学効果によるノイズを避けるための分散フラット光導波路が実現できる石英系光導波路を検討する必要がある。光路長が温度に依存しないアサーマル光導波路がすでに高分子材料であるPMMAを使って実現されているが、安定性や信頼性に問題があり、ここでは、酸化物薄膜を使ったアサーマル光導波路を検討し、問題点の解決をはかる必要がある。
【0004】
【問題を解決するための手段】
本発明の石英系光導波路は、
1.基板上に凹部を形成してなる埋込構造の光導波路において、該基板に形成された凹部内壁にSOG膜を塗布・キュアしてクラッド層とし、該クラッド層内部にSiO2膜を堆積充填させてコア部を形成し、該コア部にクラッド層として前記SOG膜が塗布・キュアされた埋込構造の光導波路とし、凹部表面上に露出したクラッド層表面に耐湿処理または基板表面全面に保護膜が形成されてなる。
2.基板上にSOG膜を塗布・キュアして下部クラッド層を形成し、該SOG膜上にSiO2膜を堆積させリッジ状に加工してコア部を形成し、基板上に形成された該コア部をSOG膜で覆ってクラッド層とし、クラッド層を含めた基板全面を保護膜で被覆することで埋込構造からなる。
3.シリコン上または石英上に凹部埋込構造の光導波路またはリッジ構造の光導波路を保護膜で被覆することで平坦化が形成された埋込構造である。
4.コアを形成するSiO2膜にドーパント材として、GeO2、Al2O3、P2O3、B2O3、Fが添加されている。
5.コアとクラッドの比屈折率差が3%以上ある。
6.分散フラット光導波路になるようにコア、中間層、クラッドの三層からなる屈折率差を有する構造とする。
7.アサーマル光導波路になるように屈折率温度係数がマイナスとなるTiO2膜、PbMoO3膜を石英系光導波路の表面または、基板と石英系光導波路の間に形成した構造とする。
【0005】
本発明の石英系光導波路は、400℃近辺の比較的低い温度で光導波路を作製し、光導波路の安定化や高信頼性のためにアニール温度が800℃程度である。低い温度処理で作製できる石英系光導波路である。石英系平面光波回路の超小型化を実現するために、比屈折率分布差Δを大きくすることが必須の条件であるが、本発明の石英系光導波路は、実現できるコアとクラッドの比屈折率差を3%以上にでき、最大で18%以上にすることは、比較的容易であるという大きな特長がある。分散フラット光導波路も、SOG膜やCVD膜技術と超LSIパターン作製技術を活用することにより、複雑な屈折率分布もFWM等の光の非線形光学効果によるノイズを避けるための分散フラット光導波路が石英系光導波路で実現できる。アサーマル光導波路に関しては、酸化物結晶薄膜の負の屈折率温度係数を有する材料とSiO2膜と組合せることによりアサーマル条件を満足させれば、光路長が温度に依存しなくなることから、波長特性が温度に無依存な狭帯域波長フィルタであるファブリ・ペロー型共振器、分布帰還型共振器、導波路アレイ回折格子型フィルタ、マッハツェンダ型フィルタ、リング共振器等に広く適用できることになる。
【0006】
【実施例】
次に本発明の実施例を参照して、詳細に説明する。図1は、本発明の埋込構造の石英系光導波路の製造プロセスである。図2は、本発明のリッジ構造の石英系光導波路の製造プロセスである。図3は、本発明の分散フラット光導波路になるようにコア、中間層、クラッドの三層屈折率差を有する構造とする。図4は、本発明のアサーマル光導波路を実現するために使用する酸化物結晶薄膜の材料定数表である。
【0007】
図1は、本発明の埋込構造の石英系光導波路である。プロセスIは、シリコン基板101にホトレジスト102を塗布し、所望の光導波路幅103の凹部のパターンをフォトリソラフィで形成する。プロセスIIは、例えばイオンミーリングでホトレジスト102の無い103を加工し、シリコン基板101に凹部104を形成する。凹部のサイズは、屈折率差Δ6%の光導波路サイズは、2.3μm×2.3μmとなる。プロセスIIIは、凹部に市販の無機塗布ガラス膜(SOG:Spin On Glass)を充填塗布し、400℃の温度でキュアする。余分なシリコン基板101表面に塗布・キュアされたSOG膜や、凹部内の側壁や底のクラッド層105の厚みのみを残し余分なSOG膜は、ドライエッチングで除去する。このときの、クラッドの屈折率n=1.37である。プロセスIVでは、コアとなるSiO2膜106を凹部内の側壁や底のクラッド層105の上にバイアス高密度プラズマCVDで形成し、シリコン基板101の表面のSiO2膜や凹部に埋め込まれたSiO2膜のクラッド層となる部分のSiO2膜をドライエッチングで除去する。コアの屈折率n=1.46であった。屈折率差Δは6%である。を角クラッド層となる部分にSOG膜を塗布・キュアし、埋込構造の石英系光導波路を形成する。SOG膜やバイアス高密度プラズマCVDで形成された堆積膜は、含有水分量が熱酸化膜と比較しても大きく吸湿性が問題となる。堆積膜の吸湿防止する方法として、堆積膜の表面をNH3,N2などのプラズマに照射する方法で窒化層を形成する方法や堆積膜表面をシリル化処理し、耐湿防止することで、高信頼の石英系光導波路が形成される。プロセスIIIやプロセスIVで、800℃程度の高温でのアニーリング処理することでも、耐湿防止できる。プロセスIVでSiO2膜にドーパント材として、GeO2を15モル%添加することで、屈折率n=1.48まで、上げることができる。さらにSOG膜を選択することによりクラッドの屈折率n=1.27まで変えることができる。このとき、屈折率差Δ14%にもなる。なお、コア部での損失は波長0.6328μmで、0.1dB/cm以下であった。
【0008】
図2は、本発明のリッジ構造の埋込型石英系光導波路である。プロセスIは、シリコン基板201にSOG膜202を塗布・キュアする。プロセスIIは、コアとなるSiO2膜は、バイアス高密度プラズマCVDで形成し、ドライエッチングで二つの光導波路のコア203,204を加工する。屈折率差Δ6%の二つの光導波路のコア203,204の寸法サイズは、2.3μm×2.3μmで光導波路の間は1μmである。プロセスIIIは、SOG膜を二つのリッジ光導波路203,204を被覆するようにクラッド層205,206を塗布後、400℃の温度でキュアする。リッジ光導波路表面のコーナ部突起やリッジ光導波路底部の表面張力による盛上り部は、ドライエッチングで除去する。プロセスIVは、シリコン基板101とリッジ光導波路203,204をバイアス高密度プラズマCVDによるSiO2膜207で平坦化し、埋込構造の石英系光導波路を形成する。堆積膜の吸湿防止する方法として、堆積膜の表面をNH3,N2などのプラズマに照射する方法で窒化層を形成する方法や堆積膜表面をシリル化処理し、耐湿防止することで、高信頼の石英系光導波路が形成される。プロセスIIIやプロセスIVで、800℃程度の高温でのアニーリング処理することでも、耐湿防止できる。
【0009】
図3は、分散フラット光導波路になるようにコア、中間層、クラッドの三層屈折率差を有する構造である。WDM(波長多重)に対応できる分散フラット屈折率は、これまで光ファイバで試みられてきたが、残念ながら完全な分散フラット光ファイバでは実現さていないが、本発明の石英系光導波路では、SOG膜やCVD膜技術と超LSIパターン作製技術を活用することにより、コア、中間層、クラッドの三層屈折率差構造は、説明は省略するが、図1や図2の工程をもう1回中間層形成工程を入れることで、実現できる。FWM等の光の非線形光学効果によるノイズを避けるための分散フラット光導波路が実現できることは、極めて大きな特長である。
【0010】
図4は、本発明のアサーマル光導波路を実現するために使用する酸化物結晶薄膜の材料定数表である。光路長が温度に依存しないアサーマル光導波路がすでに高分子材料であるPMMAを使って実現されている。しかしながら、安定性や信頼性に問題があり、ここでは、酸化物結晶薄膜を使ってアサーマル光導波路が実現できる。酸化物結晶薄膜のシリコン基板への堆積方法は、エピタキシヤル成長装置やスパッタリング装置で実現可能である。アサーマル光導波路に関しては、酸化物結晶薄膜の負の屈折率温度係数を有する材料であるTiO2膜、PbMoO3膜とSiO2膜と組合せることによりアサーマル条件を満足させれば、光路長が温度に依存しなくなることから、波長特性が温度に無依存な狭帯域波長フィルタであるファブリ・ペロー型共振器、分布帰還型共振器、導波路アレイ回折格子型フィルタ、マッハツェンダ型フィルタ、リング共振器等に広く適用できることになる。
【0011】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明の石英系光導波路は、半導体デバイスの超LSI製造技術を石英系光導波路に適用することにより、最高処理温度は900℃であり、低温化での製造が可能である。400℃程度の温度で光導波路を作製し、安定化のためにアニール温度を含めても800℃程度で熱処理可能な石英系光導波路が実現できる。さらに本発明の石英系光導波路を使用した石英系平面光波回路は、光の閉じ込めが強く曲がり導波路の曲率半径を1mm以下とし高集積度を実現するためには、屈折率分布差Δを3%以上十数%に大きくすることができる。さらに最近のWDMにも対応できる分散フラット光導波路が実現可能な石英系光導波路が可能である。光路長が温度に依存しないアサーマル光導波路が実現されているが、ここでは、酸化物膜を使ったアサーマル光導波路が実現できる。以上のとおり、本発明の石英系光導波路は、工業的価値が高く、多くの基幹光ネットワークや加入者系光ネットワークの構築に多大な貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明の埋込構造の石英系光導波路の製造プロセスである。
【図2】図2は、本発明のリッジ構造の石英系光導波路の製造プロセスである。
【図3】図3は、本発明の分散フラット光導波路になるようにコア、中間層、クラッドの三層屈折率差を有する構造とする。
【図4】図4は、本発明のアサーマル光導波路を実現するために使用する酸化物結晶薄膜の材料定数表である。
【符号の説明】
101 シリコン基板
102 ホトレジスト
103 光導波路幅
104 凹部
105 クラッド層
106 SiO2膜
201 シリコン基板
202 SOG膜
203 コア
204 コア
205 クラッド層
206 クラッド層
207 SiO2膜
Claims (7)
- 基板上に凹部を形成してなる埋込構造の光導波路において、該基板に形成された凹部内壁に塗布ガラス(SOG:Spin On Glass)膜を塗布・キュアしてクラッド層とし、該クラッド層内部にSiO2膜を堆積充填させてコア部を形成し、該コア部にクラッド層として前記SOG膜が塗布・キュアされた埋込構造の光導波路とし、凹部表面上に露出したクラッド層表面に耐湿処理または基板表面全面に保護膜が形成されてなることを特徴とする石英系光導波路。
- 基板上にSOG膜を塗布・キュアして下部クラッド層を形成し、該SOG膜上にSiO2膜を堆積させリッジ状に加工してコア部を形成し、基板上に形成された該コア部をSOG膜で覆ってクラッド層とし、クラッド層を含めた基板全面を保護膜で被覆することで埋込構造としたことを特徴とする石英系光導波路。
- 基板がシリコンまたは石英であることを特徴とする請求項1乃至請求項2のいずれかの請求項に記載の石英系光導波路。
- コアを形成するSiO2膜にドーパント材として、GeO2、Al2O3、P2O3、B2O3、Fが添加されたことを特徴とする請求項1乃至請求項2のいずれかの請求項に記載の石英系光導波路。
- コアとクラッドの比屈折率差が3%以上あることを特徴とする請求項1乃至請求項2のいずれかの請求項に記載の石英系光導波路。
- コア、中間層、クラッドの三層屈折率差を有する分散フラット光導波路であることを特徴とする請求項1乃至請求項2のいずれかの請求項に記載の石英系光導波路。
- 屈折率温度係数がマイナスを有するTiO2膜、PbMoO3膜を石英系光導波路の表面または、基板と石英系光導波路の間に形成しアサーマル光導波路になるようにしたことを特徴とする請求項1乃至請求項2のいずれかの請求項に記載の石英系光導波路。
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Cited By (3)
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JP2019020618A (ja) * | 2017-07-19 | 2019-02-07 | 株式会社ネクスティエレクトロニクス | 光合波器及び光合波器の製造方法 |
CN111527404A (zh) * | 2017-11-14 | 2020-08-11 | 沙特阿拉伯石油公司 | 测量在生产管中的烃流体的含水率 |
-
2002
- 2002-07-15 JP JP2002237156A patent/JP2004046044A/ja active Pending
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US11709141B2 (en) | 2017-11-14 | 2023-07-25 | Saudi Arabian Oil Company | Measuring a water cut of hydrocarbon fluid in a production pipe |
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