JP2006323136A

JP2006323136A - 光導波路及びその作製方法

Info

Publication number: JP2006323136A
Application number: JP2005146416A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Shibata; 泰夫柴田; Nobuhiro Kikuchi; 順裕菊池; Yuichi Tomori; 裕一東盛
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2005-05-19
Filing date: 2005-05-19
Publication date: 2006-11-30

Abstract

【課題】導波路幅の場所依存性を除去することでパターン変換誤差が少なく均一に再現性よく形成され、且つ物理的な衝撃に強い光導波路及びその作製方法を提供する。
【解決手段】上部クラッド層１０３及び下部クラッド層１０１により挟まれたコア層１０２を有し、上部クラッド層１０３、下部クラッド層１０１及びコア層１０２より構成される光導波領域と、空気との屈折率差により基板面内方向の光閉じ込めがなされている光導波路を光導波領域に沿って光導波領域の両側にそれぞれ一定の幅ｗ₁₂及びｗ₁₃を有する溝１０４ａ及び１０４ｂが形成される構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、光集積回路に用いる光導波路及びその作製方法に関するものである。

光集積回路を実現するためには、小さな曲げ半径で低損失な曲がり導波路を実現する必要がある。近年、小さな曲げ半径を許容する導波路構造としてハイメサ構造が提案されている（非特許文献１）。従来のハイメサ構造の導波路（以下、ハイメサ導波路という）を図６に示す。図中、６０１は下部クラッド層を構成するＩｎＰ基板（以下、下部クラッド層６０１という）、６０２はＩｎＧａＡｓＰにより構成されるコア層、６０３はＩｎＰにより構成される上部クラッド層である。

このハイメサ導波路は、導波路の両側がコア層６０２より深くエッチングされたもので、基板面内方向（横方向）の光閉じ込めは、上述した下部クラッド層６０１、コア層６０２及び上部クラッド層６０３を構成する媒質と、空気との屈折率差により行われている。更に、図中ｗ₆で示した導波路の幅は、通常シングルモード条件を考慮して１．０〜２．５μｍ程度に設定される。このような構造のハイメサ導波路は製造が容易で低損失であり、光の伝搬距離が長い光集積回路に適している。

柴田、他３名、「Reflection characteristics and cascadability of a multi-mode interference 3dB coupler」、Optoelectronics，IEE Proceedings、第149巻、第5，6号、2002年10，12月、ｐ．217‐221

図７は、図６に示したハイメサ導波路の作製工程の一部を示しており、図中、６０１は下部クラッド層を構成するＩｎＰ基板、６０２はＩｎＧａＡｓＰにより構成されるコア層、６０３はＩｎＰにより構成される上部クラッド層、６０５はフォトレジスト、６０６はメタル、６０７はフォトマスクである。

以下に、ハイメサ導波路の作製方法を説明する。図７（ａ）に示すように、まず、下部クラッド層６０１上にコア層６０２と上部クラッド層６０３を堆積した後、フォトレジスト６０５を塗布する。次に、フォトマスク６０７を取り付けて、図中矢印で示すように紫外線（ＵＶ光）を照射し、フォトマスク６０７を介してフォトレジスト６０５を露光する。なお、フォトマスク６０７には回路パターンに応じてメタル６０６が施されており、このメタル６０６が施された部分は紫外線を透過しないため、メタル６０６下に位置するフォトレジスト６０５は露光されない。

更に、図７（ｂ）に示すように、感光させたフォトレジスト６０５を現像して感光した部分のフォトレジスト６０５を除去してレジストマスク（導波路マスクともいう）を形成する。次にエッチングを行う。このとき、フォトレジスト６０５直下の構造物はエッチングされないため、導波路部分に構造物が残る。最後に、残りのフォトレジスト６０５を除去することで、図６に示すような導波路が形成される。

上述したように、フォトマスク６０７はメタル６０６によって紫外線を遮ることで、導波路領域に対応するフォトレジスト６０５が露光されるのを防いでいる。従来のハイメサ導波路の作製法では導波路領域以外にメタル６０６は形成されていないため、フォトレジスト６０５を透過して基板表面に到達した紫外線は、一部が基板表面で散乱し、散乱光が四方八方に放射される。この散乱光は導波路部分に対応するメタル６０６直下のフォトレジスト６０５を感光させてしまうため、図７（ｂ）に示すように、現像後のフォトレジスト６０５の幅ｗ₆はメタル６０６の幅ｗ₇より狭くなってしまう。これをパターン変換誤差という。フォトレジスト６０５現像時にパターン変換誤差が存在すると、現像後のフォトレジスト６０５をマスクとしてエッチングを行っても、作製された導波路の幅ｗ₆は設計時の幅ｗ₇と異なってしまう。

フォトレジスト６０５露光時に生じるパターン変換誤差の値は、基板表面で散乱される紫外線の量により決定するが、上述した従来のハイメサ導波路などでは、メタル６０６の幅ｗ₇が２μｍ程度であるのに対して、メタル６０６の形成されていない非導波路領域、或いは言い換えれば導波路の間隔は、数百μｍ程度に達する。従って、従来の構造では、遮蔽部の１００倍以上の領域からの散乱光によりパターン変換誤差が生じることとなり、大きな誤差の原因となる。

パターン変換誤差は素子の歩留まりを低下させ、また設計とのずれによる性能劣化の原因ともなる。光集積回路では導波路が複雑に入り込むため、導波路には密な領域と疎な領域が形成されており、場所によりパターン密度が異なる。これはまた、導波路領域と非導波路領域との面積の比が場所によって異なることを示しており、非導波路領域の面積がより広い場所では基板表面で散乱される散乱光の影響が大きく、非導波路領域の面積がより狭い場所では散乱光の影響が少ないなど、フォトレジスト６０５を感光する紫外線の、基板表面による散乱光の量が場所によって異なるため、場所によりパターン変換誤差が異なる。従って、場所により導波路の幅が異なる、又は設計どおりの集積素子を作製することが困難となってしまう等という問題があった。

更に、図６に示したように、従来のハイメサ導波路は導波路領域のみに構造物が存在し、導波路と導波路との間などには構造物が存在しないため、物理的な衝撃が加わった場合は力が構造物に集中し、導波路の破損に繋がってしまう。そのため、素子を切り出す劈開作業の際にも導波路の破損による歩留まりの低下を生じてしまうという問題もあった。

従って本発明の目的は、上記問題点を鑑み、導波路幅の場所依存性を除去することでパターン変換誤差が少なく均一に再現性よく形成され、且つ物理的な衝撃に強い光導波路及びその作製方法を提供することにある。

上記の課題を解決するための本発明の請求項１に係る光導波路は、上部クラッド層と、下部クラッド層と、前記上部クラッド層及び前記下部クラッド層により挟まれたコア層とを有し、前記上部クラッド層、前記下部クラッド層及び前記コア層より構成される光導波領域と、空気との屈折率差により基板面内方向の光閉じ込めがなされている光導波路において、前記光導波領域に沿って前記光導波領域の両側に一定の幅を有する溝が形成されていることを特徴とする。

本発明の請求項２に係る光導波路は、請求項１記載の光導波路において、前記溝の幅が、前記溝の深さより大きく、且つ１２０μｍ以下であることを特徴とする。

本発明の請求項３に係る光導波路作製方法は、下部クラッド層上にコア層及び上部クラッド層を順に積層し、前記上部クラッド層上にフォトレジストを塗布し、フォトマスクを介して前記フォトレジストを露光してレジストマスクを形成し、前記レジストマスクに基づいてエッチングを行う光導波路作製方法において、前記フォトマスクが、前記上部クラッド層、前記下部クラッド層及び前記コア層より構成される光導波領域に対応する部分に沿って前記光導波領域に対応する部分の両側に一定の幅で設けられた透明領域を有することを特徴とする。

上述した本発明に係る光導波路によれば、上部クラッド層及び下部クラッド層により挟まれたコア層を有し、該上部クラッド層、コア層、ならびに下部クラッド層と空気との屈折率差により横方向の光閉じ込めがなされている光導波路において、光導波領域の両側に一定の幅の溝が形成されている。これによりパターン変換誤差の少ない、且つ物理的な衝撃に対して耐性を有する光導波路の提供が可能となる。

また、光導波領域の両側に一定の幅で形成された溝の幅を、溝の深さより大きく、且つ１２０μｍ以下とすれば、よりパターン変換誤差の少ない、且つ物理的な衝撃に対して耐性を有する光導波路の提供が可能となる。

更に本発明に係る光導波路作製方法によれば、下部クラッド層上にコア層ならびに上部クラッド層を順に積層し、光導波領域の両側の、光導波領域に沿った一定の幅を有する部分のみに対してエッチングを行うことで光導波路を作製する。これによりパターン変換誤差の少ない、且つ物理的な衝撃に対して耐性を有する光導波路の提供が可能となる。

以上により、上述した本発明に係る光導波路及びその作製法によれば、導波路幅の場所依存性を除去し、均一に再現性よく導波路をパターン変換誤差なく形成することが可能となり、且つ、物理的な衝撃に強い光導波路を提供することが可能となった。

本発明を実施するための最良の形態については、後述する実施例により説明するものとする。

以下に、本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明する。図１はハイメサ導波路の断面構造を示しており、図中１０１は下部クラッド層を構成するＩｎＰ基板（以下、下部クラッド層１０１という）、１０２はＩｎＧａＡｓＰにより構成されるコア層、１０３はＩｎＰにより構成される上部クラッド層、１０４ａ及び１０４ｂは導波路の両側に沿ってエッチングによりコア層１０２より深く形成された溝である。

基板面内方向の光閉じ込めは、下部クラッド層１０１、コア層１０２及び上部クラッド層１０３を構成する媒質と、空気との屈折率差により行われている。本実施例による導波路幅をｗ₁₁、溝１０４ａ及び１０４ｂそれぞれの幅をｗ₁₂及びｗ₁₃とする。

図２は本実施例によるハイメサ導波路の作製工程を示す図であり、図中１０１は下部クラッド層を構成するＩｎＰ基板（以下、下部クラッド層１０１という）、１０２はＩｎＧａＡｓＰにより構成されるコア層、１０３はＩｎＰにより構成される上部クラッド層、１０５はフォトレジスト、１０６ａ〜１０６ｃはメタル、１０７はフォトマスク、１０８ａ及び１０８ｂはメタルがコーティングされていない透明領域である。なお、メタル１０６ｂは導波路領域に対応し、メタル１０６ａ及び１０６ｃは非導波路領域に対応する。また、透明領域１０８ａ及び１０８ｂはメタル１０６ｂの両側にメタル１０６ｂに沿ってほぼ一定の幅で設けるものとし、本実施例において、メタル１０６ｂの幅ｗ₂₁は２．０μｍ、透明領域１０８ａ及び１０８ｂそれぞれの幅ｗ₂₂及びｗ₂₃は共に２５μｍとした。

以下、図２に基づいて本実施例によるハイメサ導波路の作製工程を説明する。まず図２（ａ）に示すように、下部クラッド層１０１上にコア層１０２と上部クラッド層１０３を堆積した後、フォトレジスト１０５を塗布する。次に、メタル１０６ｂによって導波路の回路パターンが施されたフォトマスク１０７を取り付ける。図中矢印で示すように紫外線を照射し、フォトマスク１０７を介してフォトレジスト１０５を露光する。このとき、メタル１０６ａ〜１０６ｃは紫外線を透過しないため、透明領域１０８ａ及び１０８ｂの直下のフォトレジスト１０５のみが露光される。

次に図２（ｂ）に示すように、感光させたフォトレジスト１０５を現像し、感光したフォトレジスト１０５を除去してレジストマスクを形成する。更にエッチングを行い、最後に感光していないフォトレジスト１０５を除去することで、図１に示すような導波路を形成する。

従来の構造では、紫外線は基板表面で散乱し、この散乱光によりメタル１０６ｂ直下のフォトレジスト１０５まで感光されてしまう。しかしながら本実施例によれば、上述したように、メタル幅ｗ₂₁が２．０μｍであるのに対し、透明領域１０８ａ及び１０８ｂの幅ｗ₂₂及びｗ₂₃は２５μｍと設定しており、メタル幅ｗ₂₁に対して透明領域１０８ａ及び１０８ｂの幅ｗ₂₂又はｗ₂₃は高々１２〜１３倍程度である。

従って、基板表面に到達する紫外線の量は、従来の構造と比べて大幅に減少し、基板表面で散乱される紫外線の量は従来の構造と比較すると１／１０以下程度となる。従って散乱光によって生じるパターン変換誤差を大幅に抑制することが可能となり、導波路幅ｗ₁₁を、ほぼ設計通りの幅ｗ₂₁とすることができる。更にパターン変換誤差の抑制に伴い、設計とのずれによる性能劣化を最小限に抑えることができる。

更に、本実施例の場合は、透明領域１０８ａ及び１０８ｂそれぞれの幅ｗ₂₂及びｗ₂₃がほぼ一定に保たれるため、光集積回路のように導波路が複雑に入り込んでいる場合でも、導波路部のメタル１０６ｂと透明領域１０８ａ及び１０８ｂとの面積比がほぼ一定に保たれ、場所によらずパターン変換誤差をほぼ一定の値に保つことが可能である。

従って、パターン変換誤差が場所によって異なるといった従来の問題点が解決され、設計どおりのレジストマスクを形成することが可能となり、その結果、このレジストマスクを用いてエッチングした導波路の幅ｗ₁₁も設計どおりに作製することができるため、高性能な集積素子を作製することが可能となった。

このように、本実施例においてはメタル１０６ｂに沿って透明領域１０８ａ及び１０８ｂを設け、この透明領域１０８ａ及び１０８ｂの幅をほぼ一定に保ったフォトマスク１０７を用いることが重要であり、そのために、本実施例では、導波路領域の両側にほぼ一定の幅ｗ₁₂，ｗ₁₃の溝を形成する構成となっている。

ここで、導波路の両側に形成する溝の幅について説明する。図３は光機能回路の一例である、いわゆるサニャク（Ｓａｇｎａｃ）干渉計の上面図である。図中、３０４ａ〜３０４ｄは溝であり、３１０ａ及び３１０ｂは導波路領域、３２０ａ〜３２０ｃは非導波路領域である。図３において、溝部分を白抜きで、また導波路領域及び非導波路領域を斜線で示した。図３に示すように導波路領域３１０ａ及び３１０ｂは直線のみでなく曲線部分も有し、溝３０４ａ〜３０４ｄは、この導波路領域３１０ａ及び３１０ｂの両側に沿って、入力側から出力側に至るまでほぼ一定の幅で連続して設けるものとする。

また、図４は図３における素子端面であるＡ−Ａ’断面を示す断面図であり、図中、１０１は下部クラッド層を構成するＩｎＰ基板（以下、下部クラッド層１０１という）、１０２はＩｎＧａＡｓＰにより構成されるコア層、１０３はＩｎＰにより構成される上部クラッド層、１０４ｃ〜１０４ｆは導波路の両側に沿ってエッチングによりコア層１０２より深く形成された溝である。

入出力導波路の端面（Ａ−Ａ’断面）における導波路間の距離ｄは、接続されるファイバの中心間の距離によって決定され、通常は２５０μｍ程度である。

従来の、導波路の構造において導波路に物理的な衝撃が加わった場合、導波路領域に形成された構造物に力が集中し、導波路の破損に繋がるという問題を解決するため、図４に示すように本実施例では非導波路領域にも構造物を有する構成とする。更に、導波路と導波路との間の非導波路領域に設けられた構造物の幅をｗ₄₇とし、幅ｗ₄₇が導波路幅よりも広くなるように設定するものとすると、溝幅ｗ₄₃，ｗ₄₄，ｗ₄₅及びｗ₄₆が導波路間の距離ｄの半分以下程度、即ち１２０μｍ以下程度であることが要求される。これを溝幅ｗ₄₃，ｗ₄₄，ｗ₄₅及びｗ₄₆の上限とする。

一方、溝幅ｗ₄₃，ｗ₄₄，ｗ₄₅及びｗ₄₆の下限は以下により決定する。一般にハイメサ導波路は、ドライエッチングにより作製される。これは図３に一例を示したように、ハイメサ導波路の方向が結晶面に対しさまざまな方向を向いており、面方位に依存するようなウェットエッチングを行うことができないためである。

ドライエッチングを用いる場合、エッチング部の開口率（エッチングされる部分とエッチングされない部分、あるいはエッチングマスクが存在しない部分とエッチングマスクが存在する部分の面積の比）によってエッチング速度やエッチング形状が異なることが一般的に知られている。

例えば図４のように、コア層１０２よりも深い位置まで溝１０４ｃ〜１０４ｆのエッチングを行う場合、エッチング装置によっては、開口部、即ち溝幅ｗ₄₃，ｗ₄₄，ｗ₄₅及びｗ₄₆が小さいと、溝幅ｗ₄₃，ｗ₄₄，ｗ₄₅及びｗ₄₆に律速される深さ以上はエッチング時間を延長してもエッチングが進まないといった現象が生じる場合がある。

このような現象を防ぐためには、溝幅ｗ₄₃，ｗ₄₄，ｗ₄₅及びｗ₄₆が溝１０４ａ〜１０４ｆの深さと同等以上の数値であることが望ましく、エッチングされる溝幅ｗ₄₃，ｗ₄₄，ｗ₄₅及びｗ₄₆をエッチングの深さと同等以上の数値に設定し、溝幅と溝深さの比、即ち（溝幅）／（溝深さ）が１より大きくなるようにすることで、エッチング装置によらず再現性よく安定したエッチングを行うことが可能となる。

以上説明したように、露光工程において、光導波領域に対応するメタル１０６ｂの面積に対して、透明領域１０８ａ及び１０８ｂの面積がほぼ一定に保たれるような構成としたことにより、光集積回路のように導波路が複雑に入り込んだ場合でも、パターン変換誤差が最小限に抑制されたレジストマスクを作製することが可能となり、設計どおりの集積素子を作製することが可能となった。

更に、溝幅ｗ₄₃，ｗ₄₄，ｗ₄₅及びｗ₄₆を溝の深さと同等以上の数値としたことで、ドライエッチング装置の特性に左右されることなく、再現性よく導波路を作製することが可能となった。更に加えて、溝幅ｗ₄₃，ｗ₄₄，ｗ₄₅及びｗ₄₆を１２０μｍ以下程度としたことで、二つの導波路領域３１０ａ及び３１０ｂ間に非導波路領域３２０ｂを有することとなり、物理的な衝撃に強くなり、歩留まりよく素子を作製することが可能となった。

なお、本構成で用いる下部クラッド層、コア層又は上部クラッド層の組成に関しては、特に制約を設けるものではなく、通常用いられるすべての構造の導波路について本構成を用いることで、上述したような効果が得られる。

即ち、半導体ではＩｎＧａＡｓＰ，ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，Ｓｉなど、任意の材質について適用が可能であり、半導体以外でも、石英ガラス等のアモルファス材料、有機材料に適用が可能である。また、コア層、クラッド層の構造に関しても、バルク、多重量子井戸（ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｑｕａｎｔｕｍｗｅｌｌ；ＭＱＷ）、量子細線、量子ドットを問わず、同様な効果がある。コア層とクラッド層の間に、例えば通常のレーザで用いられているような分離閉じ込め（ｓｅｐａｒａｔｅｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ；ＳＣＨ）構造が形成されていてもまったく同様の効果が得られることはいうまでもない。

以下、本発明の第二の実施例について説明する。図５は本実施例を適用することで効果が奏される導波路の例を示したものであり、図中、５０１ａ〜５０１ｄは下部クラッド層を構成するＩｎＰ基板、５０２ａ〜５０２ｄはＩｎＧａＡｓＰにより構成されるコア層、５０３ａ〜５０３ｅはＩｎＰにより構成される上部クラッド層である。

上述した実施例１においては、導波路構造として図５（ａ）に示すような光導波領域に沿ってコア層５０２ａより深い溝を有する、いわゆるハイメサ導波路を用いて説明を行ったが、光導波領域の両側のクラッド層厚が、光導波領域のクラッド層５０３ａ厚よりも薄く構成されていれば同様の効果が奏される。

図５（ｂ）に示した構造は光導波領域の両側の上部クラッド層５０３ｂを薄くした、いわゆるリッジ型導波路、図５（ｃ）に示した構造は光導波領域の両側の上部クラッド厚をゼロにしたリッジ型導波路の変形、図５（ｄ）に示した構造は光導波領域の両側をコア層５０２ｄまで削り込んだリッジ型導波路の変形である。

これらの構造は全て光導波領域が光導波領域以外の部分に対して上に凸なる部分を有しているため、作製時に用いるフォトマスクの構成に伴うパターン変換誤差については上述した従来例と同様の議論が成り立つ。また、光導波領域が上に凸なる形状を有しているため、物理的衝撃が光導波領域へ集中する、という問題についても上述した従来例と同様に考えられる。

従って、図５（ａ）〜（ｄ）に示したように、光導波領域の両側の上部クラッド層厚が少なくとも光導波領域の上部クラッド層５０３ａ〜５０３ｄの厚さより薄い導波路構造であれば、本実施例による効果が奏される。そのため、本実施例をレーザ等に適用すれば、実装時に下部クラッド層を裏返しにして素子表面を下向きに実装する、いわゆるフェースダウン実装を行っても素子が壊れることがなく、埋め込み型導波路素子と同等なハンドリングが可能となる。

上述したように本発明は、三次元導波路（基板面内方向のみならず基板面に垂直な方向にも光閉じ込めがある光導波路）における基板面内方向の光閉じ込めを行う際に、三次元導波路が、三次元導波路の両側に該三次元導波路に沿ってほぼ一定の幅を有する溝を具備することを特徴とする。このような構成をとることにより、作製の際にパターン変換誤差がない三次元導波路を提供することができる。

本発明は、光集積回路に用いる光導波路及びその作製方法に利用可能である。

本発明の実施例１による半導体ハイメサ導波路の構造を模式的に示す断面図である。本発明の実施例１による半導体ハイメサ導波路のレジストマスク作製工程を模式的に示す断面図である。光機能回路の一例を示す上面図である。図３のＡ−Ａ’断面を模式的に示す断面図である。図５（ａ）はハイメサ導波路、図５（ｂ）はリッジ型導波路、図５（ｃ）はリッジ型導波路の変形、図５（ｄ）はリッジ型導波路の他の変形のそれぞれの例を模式的に示す断面図である。従来の半導体ハイメサ導波路の構造例を模式的に示す断面図である。従来の半導体ハイメサ導波路のレジストマスク作製工程を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１０１，５０１ａ〜５０１ｄ，６０１下部クラッド層
１０２，５０２ａ〜５０２ｄ，６０２コア層
１０３，５０３ａ〜５０３ｄ，６０３上部クラッド層
１０４ａ〜１０４ｆ，３０４ａ〜３０４ｄ溝
１０５，６０５フォトレジスト
１０６ａ〜１０６ｃ，６０６メタル
１０７，６０７フォトマスク
１０８ａ，１０８ｂ透明領域
３１０ａ，３１０ｂ導波路領域
３２０ａ〜３２０ｃ非導波路領域

Claims

上部クラッド層と、下部クラッド層と、前記上部クラッド層及び前記下部クラッド層により挟まれたコア層とを有し、前記上部クラッド層、前記下部クラッド層及び前記コア層より構成される光導波領域と、空気との屈折率差により基板面内方向の光閉じ込めがなされている光導波路において、前記光導波領域に沿って前記光導波領域の両側に一定の幅を有する溝が形成されていることを特徴とする光導波路。
前記溝の幅が、前記溝の深さより大きく、且つ１２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の光導波路。
下部クラッド層上にコア層及び上部クラッド層を順に積層し、前記上部クラッド層上にフォトレジストを塗布し、フォトマスクを介して前記フォトレジストを露光してレジストマスクを形成し、前記レジストマスクに基づいてエッチングを行う光導波路作製方法において、前記フォトマスクが、前記上部クラッド層、前記下部クラッド層及び前記コア層より構成される光導波領域に対応する部分に沿って前記光導波領域に対応する部分の両側に一定の幅で設けられた透明領域を有することを特徴とする光導波路作製方法。