JP2006106749A - 波長フィルターの下部クラッド層のパターン作製用モールド及び導波管型波長フィルターの製造方法（ｍｅｔｈｏｄｏｆｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｍｏｌｄｆｏｒｐａｔｔｅｒｎｉｎｇｌｏｗｅｒｃｌａｄｄｉｎｇｌａｙｅｒｏｆｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｆｉｌｔｅｒａｎｄｏｆｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｗａｖｅｇｕｉｄｅ−ｔｙｐｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｆｉｌｔｅｒｕｓｉｎｇｔｈｅｍｏｌｄ） - Google Patents

波長フィルターの下部クラッド層のパターン作製用モールド及び導波管型波長フィルターの製造方法（ｍｅｔｈｏｄｏｆｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｍｏｌｄｆｏｒｐａｔｔｅｒｎｉｎｇｌｏｗｅｒｃｌａｄｄｉｎｇｌａｙｅｒｏｆｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｆｉｌｔｅｒａｎｄｏｆｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｗａｖｅｇｕｉｄｅ−ｔｙｐｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｆｉｌｔｅｒｕｓｉｎｇｔｈｅｍｏｌｄ） Download PDF

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Abstract

【課題】本発明の目的は、光導波管のパターン及び格子パターンを低コストで大量生産が可能にすることにある。
【解決手段】本発明の波長フィルターの下部クラッディング層のパターンを作製するためのモールドの製造方法は、a）基板をエッチングして前記基板上に格子パターンを作製する段階；b）光導波管パターン用エッチングマスクを作製し、前記食核マスクを利用して基板をエッチングする段階；及びc）前記エッチングマスクを除去する段階を包含し、
本発明の導波管型波長フィルターの製造方法は、a）基板上に下部クラッディング層をコーティングする段階；b）前記のモールド製造方法によって作製されたモールドを利用して下部クラッディング層のパターンを作製する段階；c）下部クラッディング層にモールドのパターンを固定させた後、モールドを分離する段階；d）コア層と上部クラッディング層を形成する、段階を包含する。
【選択図】図３ｄ

Description

本発明は、波長フィルターの下部クラッド層のパターンを作製するためのモールド及び導波管型波長フィルターの製造方法に関し、特に、波長分割多重(WDM；Wavelength Division Multiplexing)光通信システムに使用される波長フィルターの製造方法に関する。
前記波長フィルターは、波長分割多重光通信システムの核心部品の中の1つで、所望の信号を転送するために、様々な波長の光信号チャンネルの中から特定波長の光を選択することができる部品である。
従来の波長フィルターは、感光性光繊維に位相マスク(phase mask)を通じて紫外線を照射して形成されるファイバーブラッグ格子(fiber Bragg grating)を利用している。
しかし、前記ファイバーブラッグ格子は、優秀なる特性にも拘わらず光繊維の特性上、そのサイズを縮小することが難しく、また、他の光素子との集積が難しいことから大量生産にも適しないなどの問題がある。
このような問題を解決するべく半導体製造工程を利用して製作することができる、導波管型波長フィルターの開発に向けて活発な研究が進められている。
前記導波管型素子は、アレイ導波管格子(Arrayed Waveguide Grating：AWG)、電力分配器(Power Splitter)、可変光減衰器(Variable Optical Attenuator)、光学スイッチ(Optical Switch)などが有り、大部分シリカを素材にして製作されている。
しかし、最近、光通信波長帯域における処理損失が少ない高分子材料の開発と共に、高分子材料の優れた熱光学特性を利用した素子などが登場しており、高分子材料の最大の弱点であった素子の信頼性の問題も材料の改善とパッケージング技術の発達によって克服されつつある。
導波管型波長フィルターは、光導波管上に光信号の進行方向（伝搬方向）に格子を形成し、導波管の長手方向に屈折率が周期的に変わるようにすることによって製作することができる。別添図1に、従来の一般的な導波管型波長フィルターを図示している。
図1のように、λ1,λ２,・・・・・，λN のN個波長の光が波長フィルターに入射すると、次の条件を満たす波長の光は反射され、残る波長の光は波長フィルターを通過することになる。
次の条件をブラッグ条件(Bragg condition)と言う。
（条件式）λ２ ＝２neff・Λ（ｎeff；有効屈折率、 Λ；格子周期）
前記図1には、便宜のため、上部クラッド層を省略してコア層だけを図示している。
前記のような波長フィルターを既存の半導体製造工程を利用して製造するためには、多段階の製造工程が必要であり、特に微細な格子の作製工程が含まれているため、大量生産が容易でない短所がある。又、前記微細な格子は、レーザ光による直接描画リソグラフィまたはレーザー干渉露光方法を利用して作製することはできるが、両方法のパターン作製に要する時間と収率の確保が難しいことから大量生産に適しない難点がある。
本発明の目的は、前記のような問題を解決するべく成された発明であって、一度に光導波管のパターン及び格子のパターンを同時に作製することができるモールド及びこれを利用する波長フィルターの製造方法を提供することにある。
本発明の波長フィルターの下部クラッド層のパターンを作製するためのモールドの製造方法は、a）基板をエッチングして前記基板上に格子パターンを作製する段階； b）光導波管パターン用エッチングマスクを作製し、前記食核マスクを利用して基板をエッチングする段階； 及び c）前記エッチングマスクを除去する段階を包含する。
本発明において、前記段階 a)の格子パターンを作製する工程は、レーザー干渉露光方法を利用してフォトレジストパターンを形成した後、反応イオンエッチング工程を利用するのが好ましい。
本発明の波長フィルター下部クラッド層のパターンを作製するための他のモールド製造方法は、a）基板上に光導波管パターンを形成する段階； b）平坦化用高分子層をコーティングし、前記平坦化用高分子層の上部に格子パターンを作製する段階；及び c） 前記光導波管パターンの上部に形成された格子パターンを除く残余部分の平坦化用高分子層を除去する段階を包含する。
本発明において、前記段階 a)で使用する基板は透明基板または半導体基板を使用するのが好ましい。
本発明の導波管型波長フィルターの製造方法は、a）基板上に下部クラッド層をコーティングする段階； b）前記のモールド製造方法によって作製されたモールドを利用して下部クラッド層のパターンを作製する段階； c）下部クラッド層にモールドのパターンを固定させた後、モールドを分離する段階； d）コア層と上部クラッド層を形成する段階を包含する。
本発明において、前記段階 b）のパターン作成方法は、熱刻印(thermal imprint)または紫外線刻印(UV imprint)方法を利用して前記のモールドパターンを前記下部クラッド層に複写するのが好ましい。
さらに、本発明において、前記段階 c）のモールドパターンを固定させる方法は、熱または紫外線を利用するのが望ましい。
前述のように、本発明の製造方法によれば、一度に光導波管のパターン及び格子のパターンを同時に作製することができるモールド及びこれを利用する高分子素材を使用するため、導波管型波長フィルターを低価のコストで大量生産することができる。
＜実施例＞
以下、本発明の好適な実施例を添付の図面を参照して説明する。なお、各添付図面の構成要素などに付与する参照符号は、同一の構成要素に対しては他の図面に表示される場合にも同一の符号を与える。また、公知の機能及び構成に対しては詳細な説明を省略する。
図2a及び図2bは、本発明の一実施例による導波管型波長フィルターの断面図であると共に導波管型波長フィルターの構造を概略的に表している。
前記実施例において、図2aは、素子の断面構造(ｘ−ｙ平面)を表し、図2ｂは、側面から見た形状(ｙ−z平面)を表し、光信号は＋zの方向に進行すると仮定する。
図2aにおいて、Ｗは導波管１０１の幅を示し、sは導波管スラブ(slab)の厚さ、ｈはコア層リブ(rib)の厚さをそれぞれ示し、gdは導波管が下部クラッド層と重なる厚さを表している。
前記図2aおよび図2bに図示する光導波管の断面模様は、リブ(rib)光導波管を逆立てた形態であり、下の部分に格子が形成される。なお、前記格子の周期は使用する光の波長によって決定され、一般的にブラッグ条件(Bragg condition)を満たすように格子の周期を定める。また、前記格子の周期は、前記のブラッグ条件によって決められるが、光通信分野で広く使用する波長である、1.55μｍ近傍の光信号を使用する場合、格子の周期は400〜600μｍの範囲が好ましい。格子の深さはコア層のリブの厚さ(h)が3μｍの場合0.1μｍから1.5μｍ程度の範囲を有することができる。
本発明の一実施例では、前記のような光通信分野で広く使用される波長のみを透過させる光導波管波長フィルターを製造するために、光導波管の幅Ｗは６μｍ、導波管スラブの厚さsは3μｍ、また、上下部クラッド層の高分子屈折率は1.445、コア層高分子の屈折率は1.46に定めて製造することができる。
図3a〜図3dは、本発明の一実施例による導波管型波長フィルターの下部クラッド層のパターン作製用モールドの製作方法を説明する工程図である。
導波管型波長フィルター製造の第1段階は先ず、モールドの製作である。
図3aは、基板301上に格子パターン302を形成する工程であり、先ず用意された基板301上にレーザー干渉露光方法(LIL；Laser Interference Lithography)を利用してフォトレジストパターンを形成した後、反応イオンエッチング工程で基板301をエッチングし、前記基板の上に格子パターンを作製する。前記基板301の材質は石英ガラスのような透明基板を使用することができ、シリコンのような半導体基板を使用することもできる。
つまり、前記石英ガラスやシリコンなどの半導体基板をレーザー干渉によって発生する回折現象を利用して、前記基板上に格子形状のフォトレジスト形状を形成する。前記回折によって形成される格子形状の周期は製造しようとする光導波管フィルターの性質によって決定することが望ましい。
前記格子形状のフォトレジストが形成された基板にエッチング工程によって格子パターンを形成する。
前記フォトレジストが形成された部分は、以後の工程であるエッチング工程でエッチングされないため、前記フォトレジストが形成された部分は突出し、前記フォトレジストが形成されていない部分は侵食されて凹凸形状の格子パターンが作製される。
図3bは、マスク303を製作する工程を示している。前記作製された格子パターン302の上に一般的なフォトリソグラフィ(photo-Lithography)の技法を使用して光導波管パターンを作成するためのエッチングマスク303を製作する。ここで、前記の石英ガラス基板を使用する場合には、クロム(Cr)パターンをエッチングマスクに使用するのが好ましい。即ち、前記石英ガラス基板を使用する場合、図3aの工程によって、前記格子パターンが前記石英ガラス基板に形成されると、前記石英ガラス基板の上部面にクロム層を形成する。以後前記クロム層の上部面に所定の幅でフォトレジストを形成する。なお、前記幅のサイズは次の工程で形成される光導波管の幅Ｗと同一であることが望ましい。
さて、前記のフォトレジストを形成した後、エッチング方法を利用して前記フォトレジストが形成された部分を除く残りの部分に存在するクロム層を除去し、その後、フォトレジストまで除去する。このような工程によって前記石英ガラス基板上にはクロムで形成された所定の幅を有するマスクが作製される。
図3cは、前記作製されたエッチングマスク303を利用して基板301をエッチングする過程を表している。なお、このエッチング方法は公知の方法を使用し、この方法は当業者であれば周知の技術事項であるため詳細な説明は省略する。
前記基板をエッチングする時のエッチングの深さは、次の工程で形成される光導波管の内で下部クラッド層と重なる深さであるｈのサイズと同一にすることが望ましい。なお、前記エッチング工程の以後にもエッチングされた面の上部には図3aで示す格子パターンが存在している。
図3dは、最終的にエッチングマスク303を除去して波長フィルター製造用モールドが完成される段階であって、完成されたモールドは光導波管の領域にのみ格子パターンが存在するばかりでなく、全体領域に渡って格子パターンを有していることになる。なお、前記エッチングマスク(303)を除去する時も通常のエッチング方法を使用することが好ましい。
次の図4a〜図4dは、本発明の他の一実施例による導波管型波長フィルターの下部クラッド層のパターン作製用モールドの製作方法を説明する工程図である。先ず用意された基板401の上にフォトリソグラフィ技法およびエッチング技法を利用して光導波管のパターンを形成する(図4a)。この光導波管パターンの幅は実際に形成される光導波管の幅と同一であり、前記パターンの深さも、次の工程で形成される光導波管の内で下部クラッド層と重なる幅であるgdのサイズと同一にすることが望ましい。
前記のように形成された光導波管パターンの上に、平坦化用の高分子層402をコーティングする(図4b)。この前記平坦化用高分子層402をコーティングする理由は、前記エッチング工程において前記基板401の面に形成された光導波管パターンの上部面が不規則的に形成される可能性があり、このような不規則性は次に作製される格子パターンの形成の時、格子パターンの均一性を損ねる問題を招く虞があるため、前記平坦化用高分子層402を利用して前記光導波管パターンの上部面を平坦化するためである。
次に、前記平坦化用高分子層402の上にレーザー干渉露光方法を利用して格子パターン403を形成した後、反応イオンエッチング工程を通じて導波管パターンの上部に格子パターン403を作製する(図4c)。なお、本実施例の工程は平坦化用高分子層を介在させることを除けば前記図3aにおける説明と同様であるが、ただ、前記格子パターンが基板の全体面に形成されるのではなく、前記平坦化用高分子層の上部にのみ形成されることに差異がある。
最終的に平坦化用高分子層402を除去して波長フィルター製造用モールドが完成される(図4d)。完成されたモールドは光導波管の上部部分のみに格子パターンが形成されているため、波長フィルターの特性を精密に制御することが容易である。
図5a〜図5eは、本発明の他の一実施例による導波管型波長フィルターの製造工程を表す概略図である。
先ず用意された基板501の上に下部クラッド層502をコーティングする(図5a)。前記基板は一般的なシリコン基板を使用するのが好ましい。
前の段階で作製されたモールド503を利用して下部クラッド層502にパターンを形成する。このパターンの形成は、熱刻印(thermal imprint)方法または紫外線刻印(UV imprint)方法を利用して前記下部クラッド層502に前記のモールド503のパターンを複写する(図5b)。
次に前記の熱または紫外線を利用して前記下部クラッド層502に前記のモールド503のパターンを固定させた後、モールド503を分離させる(図5c)。次にコア層504、上部クラッド層505をそれぞれ形成することにより所望の素子が完成される(図5d、図5e)。
なお、波長フィルターの製造に使用される高分子材料は、使用する波長帯域で光損失が少なく、クラッド層での屈折率がコア層504の屈折率より適当な程度に小さくて、光が前記コア層504に単一モードで伝播されることができるようにする材料を選択する。
図６は、本発明の他の1実施例による図3a〜図3dで説明した方法で作製された石英スタンプの写真図である。このように作製された前記スタンプは紫外線に透明であるため紫外線刻印方法によって素子を製造する場合、有効に使用することができる。
図7には、前記図6のスタンプを利用して紫外線刻印方法で下部クラッド層にパターンを形成する様子を表している。このパターンの上にコア層および上部クラッド層を順に形成させることによって波長フィルターが完成されることになる
以上、本発明の好適な実施例を挙げて詳細に説明したが、当該分野の当業者であれば、別添特許請求の範囲に記載された本発明の要旨と思想の範囲内で、多様な変更や修正が可能であることを理解するであろうことは勿論である。
一般的な導波管型波長フィルターの概略図である。 本発明の一実施例による波長フィルターのｘ−ｙ断面図である。 本発明の一実施例による波長フィルターのｙ−ｚ断面図である。 本発明の1実施例による波長フィルター下部クラッド層のパターンを作製するためのモールドの製作工程概略図である。 本発明の一実施例による波長フィルター下部クラッド層のパターンを作製するためのモールドの製作工程概略図である。 本発明の1実施例による波長フィルター下部クラッド層のパターンを作製するためのモールドの製作工程概略図である。 本発明の1実施例による波長フィルター下部クラッド層のパターンを作製するためのモールドの製作工程概略図である。 本発明の他の1実施例による波長フィルター下部クラッド層のパターンを作製するためのモールドの製作工程概略図である。 本発明の他の1実施例による波長フィルター下部クラッド層のパターンを作製するためのモールドの製作工程概略図である。 本発明の他の1実施例による波長フィルター下部クラッド層のパターンを作製するためのモールドの製作工程概略図である。 本発明の他の1実施例による波長フィルター下部クラッド層のパターンを作製するためのモールドの製作工程概略図である。 本発明の一実施例による波長フィルターの製造工程図である。 本発明の一実施例による波長フィルターの製造工程図である。 本発明の一実施例による波長フィルターの製造工程図である。 本発明の一実施例による波長フィルターの製造工程図である。 本発明の一実施例による波長フィルターの製造工程図である。 本発明の一実施例による波長フィルタの製造用モールドの実際の写真である。 本発明の一実施例による波長フィルタ製造用モールドを利用してインプリント工程を通じて作製された下部クラッド層の実際の写真である。
符号の説明
301、401 ; 基板(モールド用) 302、403 ； 格子パターン
303 ； エッチングマスク 402 ； 平坦化用高分子層
501 ； 基板(波長フィルター用) 502 ； 下部クラッド層
503 ； モールド 504 ； コア層
505 ； 上部クラッド層

Claims (15)

  1. 基板をエッチングして前記基板上に格子パターンを作製する段階；
    光導波管パターン用エッチングマスクを作製し、前記エッチングマスクを利用して基板をエッチングする段階；及び
    前記エッチングマスクを除去する段階；
    を包含する、波長フィルターの下部クラッド層のパターン作製用モールドの製造方法。
  2. 前記基板は、透明基板又は半導体基板を使用することを特徴とする請求項1に記載の波長フィルターの下部クラッド層のパターン作製用モールドの製造方法。
  3. 前記エッチングマスクの幅は、光導波管の幅と同一であることを特徴とする、請求項1に記載の波長フィルターの下部クラッド層のパターン作製用モールドの製造方法。
  4. 前記エッチングの深さは、光導波管の内で下部クラッド層と重なる深さと同一であることを特徴とする、請求項1に記載の波長フィルターの下部クラッド層のパターン作製用モールドの製造方法。
  5. 前記基板上に形成される格子パターンは、レーザー干渉露光方法によって形成されることを特徴とする、請求項1に記載の波長フィルター下部クラッド層のパターン作製用モールドの製造方法。
  6. 前記食刻マスクは、クロム(Cr)パターンを利用することを特徴とする、請求項1に記載の波長フィルターの下部クラッド層のパターン作製用モールドの製造方法。
  7. 基板上に光導波管パターンを形成する段階；
    前記光導波管パターンの上部に平坦化用高分子層をコーティングし、前記平坦化用高分子層の上部に格子パターンを作製する段階；および
    前記光導波管パターンの上部に形成された格子パターンを除く残余部分の平坦化用高分子層を除去する段階；
    をさらに包含する、波長フィルターの下部クラッド層のパターン作製用モールドの製造方法。
  8. 前記基板は、透明基板又は半導体基板を使用することを特徴とする、請求項7に記載の波長フィルターの下部クラッド層のパターン作製用モールドの製造方法。
  9. 前記光導波管パターンの幅は、光導波管の幅と同一であることを特徴とする、請求項7に記載の波長フィルターの下部クラッド層のパターン作製用モールドの製造方法。
  10. 前記光導波管パターンの高さは、光導波管の内で下部クラッド層と重なる深さと同一であることを特徴とする、請求項7に記載の波長フィルターの下部クラッド層のパターン作製用モールドの製造方法。
  11. 前記格子パターンは、レーザー干渉露光方法によって形成されることを特徴とする、請求項7に記載の波長フィルターの下部クラッド層のパターン作製用モールドの製造方法。
  12. 前記格子パターンは、前記光導波管パターンの上部にのみ形成されることを特徴とする、請求項7に記載の波長フィルター下部クラッド層のパターン作製用モールドの製造方法。
  13. 基板上に下部クラッド層をコーティングする段階；
    前記請求項1又は2に記載のモールド製造方法によって作製されたモールドを利用して下部クラッド層のパターンを作製する段階；
    下部クラッド層に前記モールドのパターンを固定させた後、モールドを分離する段階；及び
    コア層と上部クラッド層を形成する段階；
    を包含する、導波管型波長フィルターの製造方法。
  14. 前記下部クラッド層のパターンを作製する方法は、熱刻印、又は、紫外線刻印の方法を利用して前記モールドのパターンを下部クラッド層に複写することを特徴とする、請求項13に記載の導波管型波長フィルターの製造方法。
  15. 前記モールドのパターンを下部クラッド層に固定させる方法は、熱又は紫外線を利用することを特徴とする、請求項13に記載の導波管型波長フィルターの製造方法。
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