JP2005531030A - 光導波路 - Google Patents

Abstract

光閉じ込め層を有する光導波路が開示される。「光閉じ込め層」は、コア層およびクラッディング層とは別個の、前記クラッディング層の屈折率より低い屈折率を有し、前記導波路中の光を横に誘導するようにパターン化された、光導波路デバイス中の層を意味する。「横」方向は、前記光閉じ込め層の平面方向を指す。前記導波路が、下部クラッディング層、コア層、前記コア層に近接したパターン化光閉じ込め層、任意の上部クラッディング層、および任意の基材を有する。前記光閉じ込め層が、例えば、ＭｇＦ₂、ＬｉＦ、または他のどんな低屈折率材料を含んでもよい。前記コア層が、例えば、アルミニウム、チタン、タンタル、ジルコニウム、ゲルマニウム、ハフニウム、またはリンでドープされた高屈折率シリカを含んでもよい。あるいは、前記コア層が酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）または窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）を含んでもよい。前記クラッディング層がシリカを含んでもよい。例えば、前記下部クラッディング層が、ホウ素またはフッ素でドープされてもよい低屈折率シリカを含んでもよい。前記基材が、ケイ素またはシリカを含んでもよい。あるいは、前記クラッディング層およびコア層が各々、ポリマーを含んでもよい。いくつかの実施態様において、前記導波路が、エルビウムなどの希土類元素でドープされた層を備えてもよい。前記光閉じ込め層の位置は、それが前記コア層に近接している限り、変化してもよい。例えば、前記光閉じ込め層が、前記下部クラッディング層とコア層との間、前記上部クラッディング層とコア層との間にあるか、前記コア層に埋め込まれるか、前記上部クラッディング層に埋め込まれるか、または前記下部クラッディング層に埋め込まれてもよい。

Description

この発明は、平面光導波路および前記導波路の製造方法に関する。

光ファイバー通信システムが普及しつつある。光ファイバーシステムは、光ファイバーと、信号を受信、伝送し、使用するための多種多様な他の光デバイスを含むことができる。光ファイバーから信号を受信および処理する手段となる光導波路が、光ファイバーシステムにおいて有用なデバイスであることが分かった。

本発明は、光閉じ込め層を含む新規な光導波路を特徴としている。前記導波路が、下部クラッディング層、コア層、前記コア層に近接したパターン化光閉じ込め層、任意の上部クラッディング層、および任意の基材を有する。光閉じ込め層が、例えば、ＭｇＦ₂、ＬｉＦ、または他のどんな低屈折率材料を含んでもよい。コア層が、例えば、アルミニウム、チタン、タンタル、ジルコニウム、ゲルマニウム、ハフニウム、またはリンでドープされた高屈折率シリカを含んでもよい。または、コア層が酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）または窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）を含んでもよい。クラッディング層がシリカを含んでもよい。例えば、下部クラッディング層が、ホウ素またはフッ素でドープされてもよい低屈折率シリカを含んでもよい。基材が、ケイ素またはシリカを含んでもよい。あるいは、クラッディング層およびコア層が各々、ポリマーを含んでもよい。いくつかの実施態様において、導波路が、エルビウムなどの希土類元素でドープされた層を備えてもよい。

光閉じ込め層の位置は、それがコア層に近接している限り、変化してもよい。例えば、光閉じ込め層が、下部クラッディング層とコア層との間、上部クラッディング層とコア層との間にあるか、コア層に埋め込まれるか、上部クラッディング層に埋め込まれるか、または下部クラッディング層に埋め込まれてもよい。

この発明において使用した用語「光閉じ込め層」は、コア層およびクラッディング層とは別個の、クラッディング層の屈折率より低い屈折率を有し、導波路中の光を横に誘導するようにパターン化された、光導波路デバイス中の層を意味する。「横」方向は、光閉じ込め層の平面方向を指す。

本発明の少なくとも１つの実施態様の利点は、製造の容易さである。いくつかの実施態様において、この発明は、簡単なフォトリソグラフィおよびリフトオフ（ｌｉｆｔ−ｏｆｆ）パターン化技術を使用する導波路の製造を可能にし、反応性イオンエッチング（および関連機器の経費）の必要を除き、必要とされる処理工程の数を最小にする。

本発明の少なくとも１つの実施態様の別の利点は、低い光学損失である。いくつかの実施態様において、この発明は、横方向光閉じ込め層のために非常に薄い層を用いる。これらの層の薄さのために、それらは、リフトオフまたはエッチング技術を用いて平滑および精密にパターン化され、それによって、散乱による光学損失を最小にする。

本発明の少なくとも１つの実施態様の別の利点は、得られたデバイスが実質的に平面の表面を有することができるということであり、それは、その表面がサブマウントに接着される適用に有用である場合がある。かかる適用には、導波路が別のデバイスと整列される適用がある。

本発明の他の特徴および利点は、以下の図面、詳細な説明、および請求の範囲から明かであろう。

光導波路が典型的には、基材層、下部クラッディング層、コア層、および、場合により、上部クラッディング層からなる。それらはまた、基材を含んでもよい。本発明は、コア層に近接したパターン化光閉じ込め層を有する光導波路を提供する。本発明は、シリカガラスなどの多くの異なった材料系によって実現されてもよい。導波路の様々な層の構造を特定の材料に適した公知の技術によって達成することができる。これらの技術には、化学蒸着（例えば、大気圧化学蒸着、減圧化学蒸着、プラズマ増強化学蒸着、または有機金属化学蒸着）、スパッタリング、真空蒸着、酸化、スピンコーティング（ゾル−ゲル技術など）、火炎堆積法、および他の技術がある。図１は、本発明の光導波路１０を示す。

基材１２は好ましくは、単結晶ケイ素などの半導体であり、それは好ましくは、２つの実質的に平面の主面を有し、その少なくとも１つが好ましくは光学的に平滑である。または、基材はセラミックまたはガラスであってもよい。必要ならば、導波路が形成された後、エッチングによって基材を除去することができる。

使用された特定の材料に適した何れかの技術によって下部クラッディング層１４を基材に適用する。下部クラッディングは、例えば、アンドープまたはドープシリカを含んでもよく、例えば、プラズマ増強化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）によって、またはケイ素基材の場合、基材の熱酸化によって形成されてもよい。下部クラッディング層は典型的には、基本光学モードを基材から分離する。もちろん、下部クラッディング層は、目的の波長において光の低吸収および低い散乱を示すのが好ましい。大体において、基材が、必要とされる光学特性を有する場合、基材それ自体が下部クラッディング層として役立つ場合がある。

コア層１６が、用いられた特定の材料に適した何れかの技術によって下部クラッディング層に適用される。導波路に有用なコア材料が、下部クラッディング層の屈折率より高い屈折率を有する。例えば、Ｓｉ基材およびアンドープシリカ下部クラッディングの場合、コア材料が酸窒化ケイ素（例えば、「光導波路の適用の酸窒化ケイ素層（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ Ｌａｙｅｒｓ ｆｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）」、Ｒ．ジャーマン（Ｒ．Ｇｅｒｍａｎｎ）ら、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ、１４７（６）、２２３７〜２２４１ページ（２００）を参照のこと）、窒化ケイ素、または他の高屈折率ドープシリカガラス（例えば、Ａｌ、Ｇｅ、Ｐ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｈｆ、またはＺｒでドープされたシリカ）であってもよい。

図２によって示されるように、いくつかの実施態様において、上部クラッディング層１８がコア層上に形成されてもよい。上部クラッディング層がコア層の屈折率より低い屈折率を有するのがよい。（適した光学的性質を有する他の材料が用いられてもよいが）、上部クラッディング層を下部クラッディング層と同じ材料から便宜的に製造することができる。

本発明によって、パターン化光閉じ込め層２０がコア層に近接して形成される。一般に、光閉じ込め層が導波路の光学モード内に配置される。このため、光閉じ込め層は、図１および２に示すように、コア層と下部クラッディング層との間に、図３に示すように、コア層と上部クラッディング層との間に配置され、図４に示すように、コア層中に配置されるか、または、それが光学モードのエバネッセントテイル（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ ｔａｉｌ）にある限り、上部または下部クラッディング層中にも配置されてよい（図示せず）。

光閉じ込め層が、ＭｇＦ₂、ＬｉＦなどの十分に低い屈折率を有する何れかのパターン化可能な材料、または低屈折率ドープシリカ（例えば、ホウ素またはフッ素でドープされたシリカ）などの他の何れの低屈折率材料を含んでもよい。好ましくは、それはＭｇＦ₂を含み、１０ｎｍより大きく５００ｎｍより小さい厚さを有する。光閉じ込め層は、リフトオフまたはエッチング技術のどちらかを用いて、標準フォトリソグラフィ方法によってパターン化されてもよい。光閉じ込め層が、真空蒸着されてもよい材料（例えば、ＭｇＦ₂）の非常に薄い層（例えば、１００ｎｍより小さい）であるように設計されるいくつかの実施態様において、リフトオフ技術が高解像度パターンを形成するために特に向いている。または、エッチング技術には、湿潤化学エッチング、反応性イオンエッチング、およびイオンビームエッチングなどがあるがそれらに限定されない。光閉じ込め層のパターンが、いろいろな光デバイスの導波路、例えば、直線導波路または曲線状またはテーパー導波路、カプラー、マッハ−ツェンダーデバイス、および光増幅器を画定することができる。

コア層、下部クラッディング層、上部クラッディング層、および光閉じ込め層の適した組成物および厚さは、数値モデリングによって設計される。１つの周知の導波路モデリング技術は、伝達行列法（例えば、「導波オプトエレクトロニクス（Ｇｕｉｄｅｄ−Ｗａｖｅ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）」、テオドール・タミル（Ｔｈｅｏｄｏｒ Ｔａｍｉｒ）編、第２版、スプリンガー出版（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ）を参照のこと）である。あるいは、カナダ、オンタリオ州、オタワのオプティウェイブ・コーポレーション（ＯｐｔｉＷａｖｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｏｔｔａｗａ，ＯＮ，Ｃａｎａｄａ））から入手可能なオプティ（Ｏｐｔｉ）ＢＰＭなどの市販の導波路モデリングツールを用いてもよい。

導波路の横方向の程度を画定する時の光閉じ込め層の有効性は、「実効屈折率」モデルを用いて理解されてもよい。光閉じ込め層が存在する領域において、スラブモードの有効屈折率が、閉じ込め層がない領域と比較して、低下する。このため、図１に示したように、横方向導波路が形成され、横方向「コア」２２が閉じ込め層を有さない領域であり、横方向「クラッディング」２４が、閉じ込め層が配置される領域である。

導波路の基材および様々な層に用いられる材料の選択は一般に、誘導される光の波長範囲および最終適用に依存する。既に言及した材料に加えて、ポリマー、多結晶性材料、および非シリカガラス（例えば、酸化ビスマス、ジルコニア、カルコゲナイドガラスおよびフッ化物ガラス）などを含めるがそれらに限定されない広範囲の材料を用いてもよい。下部クラッディング層、コア層、および、存在する場合、上部クラッディング層が各々、ポリマーを含む導波路を製造することもまた可能である。

本発明の光導波路は、平面導波路、高密度波長分割多重方式（ＤＷＤＭ）のための波長のアド・ドロップ（ＷＡＤ）、Ｅｒドープ光増幅器システム、マッハ−ツェンダー（ＭＺ）系スイッチ、チューナブルフィルター、Ｙ分岐型スイッチ、および光増幅器として使用するために適している。

この発明を次の実施例によって示すことができる。

酸窒化ケイ素導波路
この実施例において、両面の磨かれた（１００）シリコンウエハから出発することによって、テーパー導波路を形成した。酸化物を少なくとも３μｍの厚さまでウエハの上面に成長させ、下部クラッディングを形成した。標準技術を用いて、フォトレジスト（ニュージャージー州、フランクリンのフューチャレックス社（Ｆｕｔｕｒｒｅｘ，Ｉｎｃ．（Ｆｒａｎｋｌｉｎ，ＮＪ））から入手可能なＮＲ７−１０００ＰＹ）を下部クラッディング上にパターン化し、所望の導波路パターンを画定した。この実施例において、直線導波路は幅７．５μｍであった。ウエハを真空蒸着装置内に置き、ＭｇＦ₂の薄い層（光閉じ込め層）を電子ビーム蒸発によって堆積した（あるいは、熱的蒸発、またはスパッタリングなどの他の堆積技術が、効果的である）。蒸着装置から除去した後に、フォトレジストをアセトン（他の適した溶剤を用いることができる）中で除去し、それによってリフトオフでＭｇＦ₂をパターン化した。この実施例において、ＭｇＦ₂は厚さ３７．５ｎｍであった。次に、ウエハをプラズマ増強化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）システム中に置いた。酸窒化ケイ素コアを堆積させ、その後、シリカ上部クラッディングを堆積させた。この実施例において、コアが０．４μｍの厚さを有し、コア中の窒素含有量をＰＥＣＶＤガス流を制御して調節し、１４８０ｎｍの設計波長において１．６６８の屈折率をもたらした。上部クラッディングが１．６４μｍの厚さを有した。得られた導波路構造が、（サブマウントに接着するのに適した）非常に平らな表面を提供し、１４８０ｎｍの設計波長において単一横モードを助長した。

導波路の吸収損失が最終高温（例えば、１１４０℃）アニールによって最小にされてＰＥＣＶＤ層中の水素を低減させることができる。

この発明の様々な改良および変更がこの発明の範囲および精神から逸脱せずに実施できることは、当業者には明らかであり、この発明が、本明細書に記載された具体的な実施態様に不当に限定されるものではないことは、理解されるはずである。

コア層と下部クラッディング層との間に光閉じ込め層を有する本発明の導波路を示す。 任意の上部クラッディング層を有する図１の導波路を示す。 コア層と上部クラッディング層との間に光閉じ込め層を有する本発明の導波路を示す。 コア層に埋め込まれた光閉じ込め層を有する本発明の導波路を示す。

Claims (17)

1. 下部クラッディング層と、
   コア層と、
   前記コア層に近接したパターン化光閉じ込め層と、を含む光導波路。
2. 上部クラッディング層をさらに含む、請求項１に記載の光導波路。
3. 前記光閉じ込め層が、ＭｇＦ₂、ＬｉＦ、および低屈折率ドープシリカからなる群から選択された材料を含む、請求項１に記載の光導波路。
4. 前記コア層が高屈折率ドープシリカを含む、請求項１に記載の光導波路。
5. 前記シリカが、アルミニウム、チタン、タンタル、ジルコニウム、ゲルマニウム、ハフニウム、およびリンからなる群から選択された材料でドープされる、請求項４に記載の光導波路。
6. 前記コア層が酸窒化ケイ素または窒化ケイ素を含む、請求項１に記載の光導波路。
7. 両方のクラッディング層がシリカを含む、請求項２に記載の光導波路。
8. 前記シリカがホウ素またはフッ素でドープされる、請求項３に記載の光導波路。
9. 前記下部クラッディング層およびコア層が各々、ポリマーを含む、請求項１に記載の光導波路。
10. 前記下部クラッディング層、上部クラッディング層、およびコア層が各々、ポリマーを含む、請求項２に記載の光導波路。
11. ケイ素を含む基材をさらに含む、請求項１に記載の光導波路。
12. 前記コア層が希土類元素でドープされる、請求項１に記載の光導波路。
13. 前記光閉じ込め層が前記下部クラッディング層とコア層との間にある、請求項１に記載の光導波路。
14. 前記光閉じ込め層が前記上部クラッディング層とコア層の間にある、請求項２の光導波路。
15. 前記光閉じ込め層が前記コア層に埋め込まれる、請求項１に記載の光導波路。
16. 前記光閉じ込め層が前記上部クラッディング層に埋め込まれる、請求項２に記載の光導波路。
17. 前記光閉じ込め層が前記下部クラッディング層に埋め込まれる、請求項１に記載の光導波路。

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