JP2011203603A - 光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のグレーティングカプラを一括して評価することができる、グレーティングカプラを含む光学素子の製造方法を提供する。
【解決手段】先ず、単一基板１０のチップ列領域２０に複数のグレーティングカプラ３０を形成するとともに、単一基板の評価用領域４０に、評価用グレーティングカプラ５０及び多分岐導波路５５を形成する。この多分岐導波路は、複数のグレーティングカプラのそれぞれと評価用グレーティングカプラとを光学的に接続する。次に、複数のグレーティングカプラを評価する。この評価は、評価用グレーティングカプラに評価用光信号を入射し、複数のグレーティングカプラからの回折光を測定し、及び、回折光の強度と、予め設定された基準値とを比較することにより行われる。次に、チップ列領域と評価用領域とを分離するとともに、チップ列領域を、それぞれグレーティングカプラを含む、複数のＯＮＵチップに個片化する。
【選択図】図２

Description

この発明は、光学素子、特にグレーティングカプラを備える光学素子の製造方法に関する。

近年、光導波路が形成されたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板に、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）あるいはインジウム燐（ＩｎＰ）等の化合物半導体素子をハイブリッド集積し、光トランシーバ等の機能素子を実現する技術が注目されている（例えば、非特許文献１参照）。このような機能素子においては、当該機能素子への光入力信号あるいは当該機能素子からの光出力信号を導波する光導波路と、外部の光学素子とを光学的に結合、すなわちカップリングさせるためのカプラが必要とされる。

ＳＯＩ基板に光導波路が形成されている機能素子では、光導波路と外部の光学素子とをカップリングさせるカプラとして、グレーティングカプラを利用するのが好適である（例えば、非特許文献１及び２参照）。

Ｌ．Ｖｉｖｉｅｎ ｅｔ ａｌ．，"Ｌｉｇｈｔ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ＳＯＩ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ Ｕｓｉｎｇ Ｈｉｇｈ−Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｃｏｕｐｌｅｒｓ"，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｌ．２４， Ｎｏ．１０， Ｏｃｔｏｂｅｒ ２００６ ｐｐ．３８１０−３８１５ Ｇ．Ｒｏｅｌｋｅｎｓ ｅｔ ａｌ．，"Ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｇｒａｔｉｎｇ ｃｏｕｐｌｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｐｏｌｙ−Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｖｅｒｌａｙ"，Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ Ｖｏｌ．１４， Ｎｏ．２４， Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２００６， ｐｐ．１１６２２−１１６３０

従って、今後はこのようなグレーティングカプラを有する光学素子を低コストで量産することが求められる。このためには、製造途中において、複数のグレーティングカプラを一括評価することが望ましい。

しかしながら、グレーティングカプラを有する光学素子を量産するにあたり、製造途中に複数のグレーティングカプラを一括して評価する方法は知られていない。そこで、複数のグレーティングカプラを一括して評価する方法を確立する必要がある。

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、複数のグレーティングカプラを一括して評価することができる、光学素子の製造方法を提供することにある。

上述した目的を達成するために、この発明の光学素子の製造方法は、以下の工程を備えている。

先ず、第１の工程において、単一基板のチップ列領域に複数のグレーティングカプラを形成するとともに、単一基板の評価用領域に、評価用グレーティングカプラ、及び、多分岐導波路を形成する。この多分岐導波路は、複数のグレーティングカプラのそれぞれと評価用グレーティングカプラとを光学的に接続する。

次に、第２の工程において、複数のグレーティングカプラを評価する。この評価は、評価用グレーティングカプラに評価用光信号を入射して複数のグレーティングカプラからの回折光を測定し、及び、回折光の強度と、予め設定された基準値とを比較することにより行われる。

次に、第３の工程において、チップ列領域と評価用領域とを分離するとともに、チップ列領域を、それぞれグレーティングカプラを含む、複数のチップに個片化する。

この発明の光学素子の製造方法によれば、第１の工程において、複数のグレーティングカプラと評価用グレーティングカプラが単一基板上に形成される。複数のグレーティングカプラと、評価用グレーティングカプラとは光学的に接続されている。このため、第２の工程において、評価用グレーティングカプラに評価用光信号を入射すると、この評価用グレーティングカプラに接続されている複数のグレーティングカプラに、評価用光信号が送られる。従って、複数のグレーティングカプラの特性評価を一括して行うことが可能になる。すなわち、１つの光源を用いて、複数のグレーティングカプラを一括して評価することができる。

光学素子を説明するための概略図である。 グレーティングカプラを評価する工程を説明するための概略図（１）である。 グレーティングカプラを評価する工程を説明するための概略図（２）である。

以下、図を参照して、この発明の実施形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

図１を参照して、この発明の光学素子の製造方法により製造される、光学素子の一構成例について説明する。ここでは、光学素子の一構成例として、ＯＮＵ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｕｎｉｔ）チップとして用いられる光学素子について説明する。図１は、光学素子の一構成例を説明するための概略図であって、ＯＮＵチップの模式的な平面図である。

ＯＮＵチップ２３は、グレーティングカプラ３１及び３２と、光導波路３５を備えている。また、光導波路３５には、方向性結合器３９が設けられている。

一方のグレーティングカプラ３１は、光源（図示を省略する。）との結合に用いられる。光源で生成された波長λ_１（＝１．３１μｍ）の上り光信号は、光源用のグレーティングカプラ３１を経て光導波路３５に入力され、光導波路３５を伝播する。上り光信号は、光導波路３５中に設けられた方向性結合器３９を経て光導波路３５の入出力端部３６に送られ、入出力端部３６から出力される。

他方のグレーティングカプラ３２は、受光素子（図示を省略する。）との結合に用いられる。入出力端部３６に入力された波長λ_２（＝１．４９μｍ）の下り光信号は、光導波路３５を伝播する。下り光信号は、方向性結合器３９を経て受光用のグレーティングカプラ３２に送られ、受光用のグレーティングカプラ３２から受光素子に送られる。

図２及び図３を参照して、この発明の光学素子の製造方法の一実施形態として、図１を参照して説明したＯＮＵチップの製造方法を説明する。図２及び図３は、グレーティングカプラを評価する工程を説明するための概略図である。図２は、評価の対象となるグレーティングカプラを備える基板の概略的な平面図である。また、図３（Ａ）は、評価対象のグレーティングカプラの部分を拡大して示す平面図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＡ−Ａ’線に沿って切断した断面切り口を示す切断端面図である。

ここでは、１つの基板から、ＯＮＵチップとして用いられる、４つの光学素子を形成する例について説明する。各光学素子は、それぞれ、光源との結合用と、受光素子との結合用の、２つのグレーティングカプラを備えている。

光学素子を製造するにあたり、予め、チップ列領域２０及び評価用領域４０が設定された、単一基板としてのＳＯＩ基板１０を用意する。ＳＯＩ基板１０は、シリコン層である支持層１２と、埋めこみ酸化膜層（ＢＯＸ層）１４と、シリコン層であるＳＯＩ層１６とが、順次に積層されて構成されている。このＳＯＩ層１６の部分がパターニングされて、光導波路やグレーティングカプラなどが形成される。

先ず、第１の工程で、ＳＯＩ基板１０のチップ列領域２０に複数のグレーティングカプラ３０と光導波路３５を形成する。４つの光学素子がそれぞれ２つのグレーティングカプラ３０を有するので、ここでは、１つのＳＯＩ基板１０に、８つのグレーティングカプラ３０が形成される。また、第１の工程では、ＳＯＩ基板１０の評価用領域４０には、評価用グレーティングカプラ５０及び多分岐導波路５５が形成される。

この多分岐導波路５５は、複数のグレーティングカプラ３０のそれぞれと評価用グレーティングカプラ５０とを光学的に接続する。ここでは、多分岐導波路５５は、評価用グレーティングカプラ５０に入力される評価用光信号を８分岐して、複数のグレーティングカプラ３０のそれぞれに送る。このために、多分岐導波路５５は、３段のＹ分岐構造となっている。

第１段のＹ分岐部５６は、１つのＹ分岐構造５６ａを有している。第２段のＹ分岐部５７は、第１及び第２のＹ分岐構造５７ａ及び５７ｂを有している。また、第３段のＹ分岐部５８は、第１〜第４のＹ分岐構造５８ａ〜５８ｄを有している。

第１段のＹ分岐部５６に設けられたＹ分岐構造５６ａは、評価用グレーティングカプラ５０と、第２段のＹ分岐部５７に設けられた第１及び第２のＹ分岐構造５７ａ及び５７ｂとを光学的に接続している。

第２段のＹ分岐部５７に設けられた第１のＹ分岐構造５７ａは、第１段のＹ分岐部５６に設けられたＹ分岐構造５６ａと、第３段のＹ分岐部５８に設けられた４つのＹ分岐部構造のうちの第１及び第２のＹ分岐構造５８ａ及び５８ｂとを光学的に接続している。また、第２段のＹ分岐部５７に設けられた第２のＹ分岐構造５７ｂは、第１段のＹ分岐部５６に設けられたＹ分岐構造５６ａと、第３段のＹ分岐部５８に設けられた４つのＹ分岐部構造のうちの第３及び第４のＹ分岐構造５８ｃ及び５８ｄとを光学的に接続している。

第３段のＹ分岐部５８に設けられた第１のＹ分岐構造５８ａは、第２段のＹ分岐部５７に設けられた第１のＹ分岐構造５７ａと、チップ列領域２０の２つのグレーティングカプラ３０とを光学的に接続している。第３段のＹ分岐部５８に設けられた第２のＹ分岐構造５８ｂは、第２段のＹ分岐部５７に設けられた第１のＹ分岐構造５７ａと、チップ列領域２０の２つのグレーティングカプラ３０とを光学的に接続している。第３段のＹ分岐部５８に設けられた第３のＹ分岐構造５８ｃは、第２段のＹ分岐部５７に設けられた第２のＹ分岐構造５７ｂと、チップ列領域２０の２つのグレーティングカプラ３０とを光学的に接続している。また、第３段のＹ分岐部５８に設けられた第４のＹ分岐構造５８ｄは、第２段のＹ分岐部５７に設けられた第２のＹ分岐構造５７ｂと、チップ列領域の２つのグレーティングカプラ３０とを光学的に接続している。

これら多分岐導波路５５、光導波路３５、グレーティングカプラ３０及び評価用グレーティングカプラ５０は、任意好適な従来周知のリソグラフィ及びエッチングにより形成される。この工程では、先ず、ＳＯＩ基板１０のＳＯＩ層１６上にレジストを塗布する。次に、ＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ）や、ｉ線ステッパなど任意好適な手段を用いて露光を行った後、現像することで、チップ列領域２０と評価用領域４０の導波路構造（光導波路３５及び多分岐導波路５５）や、グレーティングカプラ３０及び評価用グレーティングカプラ５０の構造に対応するレジストパターンが形成される。次に、例えば、ＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）により、レジストパターンから露出しているＳＯＩ層１６の部分を除去することで、多分岐導波路５５、光導波路３５、グレーティングカプラ３０及び評価用グレーティングカプラ５０が形成される。次に、レジストパターンを除去した後、オーバークラッド層１８を形成する。オーバークラッド層１８は、例えば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、シリコン酸化膜を形成した後に、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法によりシリコン酸化膜の平坦化を行うことで得られる。また、オーバークラッド層１８を、ポリマーなどの他の低屈折率材料を用いて形成しても良い。

以上の工程により、第１の工程が完了する。

ここで、グレーティングカプラ３０の、グレーティングの周期Λは、利用する波長によって定まる。例えば、１．４９μｍ帯では、いわゆるグレーティングの周期Λを８００ｎｍにすればよい。すなわち、４００ｎｍのシリコン部分（Ｌｉｎｅに対応）と、４００ｎｍの酸化シリコン部分（Ｓｐａｃｅに対応）とを周期的に設ければよい。なお、図３（Ｂ）では、グレーティングカプラ３０のＳｐａｃｅに対応する部分のエッチング深さが、ＳＯＩ層１６の高さと同一となっている構成例が示されているが、これに限定されない。例えば、Ｓｐａｃｅに対応する部分では、ＳＯＩ層１６の高さ方向の途中までエッチングするなど、エッチング深さとＳＯＩ層１６の高さとが異なっていても良い。

また、図３（Ａ）では、光導波路３５や多分岐導波路５５の幅が均一である構成例が示されているが、グレーティングカプラ３０や評価用グレーティングカプラ５５と接続される部分では、光導波路３５や多分岐導波路５５の幅が、グレーティングカプラ３０の幅まで順次に広がるテーパ状としても良い。なお、評価用グレーティングカプラ５０と多分岐導波路５５との接続部分についても同様である。また、光導波路３５や多分岐導波路５５の幅を異なるように形成するなど、光導波路３５や多分岐導波路５５を異なる形状で形成しても良い。

また、グレーティングを同心円状に形成して、レンズ機能を持たせたり、グレーティン
グの周期を変調したりしても良い。

次に、第２の工程において、複数のグレーティングカプラ３０を評価する。この工程では、評価用グレーティングカプラ５０に評価用光信号が入射される。評価用光信号は、評価用グレーティングカプラ５０を経て多分岐導波路５５に送られる。

多分岐導波路５５に送られた評価用光信号は、第１段のＹ分岐部５６において２分岐された後、第２段のＹ分岐部５７に送られる。第２段のＹ分岐部５７に送られた評価用光信号は、２つのＹ分岐構造５７ａ及び５７ｂのそれぞれで２分岐されて、全体として４分岐された後、第３段のＹ分岐部５８に送られる。第３段のＹ分岐部５８に送られた評価用光信号は、４つのＹ分岐構造５８ａ〜５８ｄのそれぞれで２分岐されて、全体として８分岐された後、チップ列領域２０の各グレーティングカプラ３０に送られる。

このように、１つの評価用グレーティングカプラ５０に入射された評価用光信号は、多分岐導波路５５で８分岐されて、各グレーティングカプラ３０に入力される。ここで、各Ｙ分岐構造５６ａ、５７ａ及び５７ｂ、５８ａ〜５８ｄにおいて、評価用光信号が等分されるとすると、各グレーティングカプラ３０に入力される光強度は、結合損失や伝播損失を無視すれば、評価用グレーティングカプラ５０に入力された光強度の１／８になる。

各グレーティングカプラ３０からは、回折光が出射される。そこで、例えば、赤外線（ＩＲ）カメラなどを用いて、各グレーティングカプラ３０からの回折光を一括して測定する。この測定された回折光の光強度と、予め設定された基準値とが比較される。例えば、測定された光強度が基準値を超える場合は、そのグレーティングカプラ３０を良品とし、基準値以下の場合は、そのグレーティングカプラ３０を不良品として評価することができる。

なお、第２の工程では、評価用光信号の波長を変化させて、各グレーティングカプラ３０について、波長依存性を調べてもよい。

次に、第３の工程において、ＯＮＵチップの個片化を行う。この個片化は、ダイシングや劈開により行われる。この工程では、チップ列領域２０と評価用領域４０とが分離され、さらに、チップ列領域２０が、それぞれグレーティングカプラ３０を含む、複数のチップ領域２２ａ〜２２ｄに個片化されて、図１を参照して説明したＯＮＵチップ２３が得られる。

上述した光学素子の製造方法によれば、第１の工程において、複数のグレーティングカプラ３０と評価用グレーティングカプラ５０が単一基板上に形成され、この複数のグレーティングカプラ３０が評価用グレーティングカプラ５０に光学的に接続されている。このため、第２の工程において、評価用グレーティングカプラ５０に評価用光信号を入射すると、この評価用グレーティングカプラ５０に光学的に接続されている複数のグレーティングカプラ３０に、評価用光信号が送られる。従って、複数のグレーティングカプラ３０からの回折光を利用すれば、これらグレーティングカプラ３０の特性評価を一括して行うことが可能になる。すなわち、１つの光源を用いて、複数のグレーティングカプラ３０を一括して評価を行うことができる。

なお、上述の実施形態では、光学素子として、ＯＮＵチップとして用いられる光学素子を例にとって説明したが、これに限定されるものではない。ＯＮＵチップ以外の、グレーティングカプラを備える光学素子の製造に用いることができる。

また、ここでは、評価用領域４０に形成される多分岐導波路が３段のＹ分岐部を備える例、すなわち８分岐する構成例について説明したが、これに限定されない。Ｙ分岐部の段数は、グレーティングカプラから出力される回折光の強度が、グレーティングカプラの評価可能な程度で得られれば良く、２段以下でも良いし、４段以上でも良い。また、１つの評価用グレーティングカプラに入射された評価用光信号が、分岐されて複数のグレーティングカプラに送られ、複数のグレーティングカプラからの回折光を一括して測定できれば良く、１つの基板に複数の評価用領域を設けても良い。例えば、１つのＳＯＩ基板から８つのＯＮＵチップを形成する場合に、１つの評価用グレーティングカプラに入射された評価用光信号を用いて４つのＯＮＵチップの評価を行い、他の評価用グレーティングカプラに入射された評価用光信号を用いて、残りの４つのＯＮＵチップの評価を行う構成にしても良い。

１０ ＳＯＩ基板
１２ 支持層
１４ ＢＯＸ層
１６ ＳＯＩ層
１８ オーバークラッド層
２０ チップ列領域
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ チップ領域
２３ ＯＮＵチップ
３０、３１、３２ グレーティングカプラ
３５ 光導波路
３６ 入出力端部
３９ 方向性結合器
４０ 評価用領域
５０ 評価用グレーティングカプラ
５５ 多分岐導波路
５６ 第１段のＹ分岐部
５７ 第２段のＹ分岐部
５８ 第３段のＹ分岐部

Claims (2)

1. 単一基板のチップ列領域に複数のグレーティングカプラを形成するとともに、前記単一基板の評価用領域に、評価用グレーティングカプラ、及び、前記複数のグレーティングカプラのそれぞれと前記評価用グレーティングカプラとを光学的に接続する多分岐導波路を形成する工程と、
   前記評価用グレーティングカプラに評価用光信号を入射し、前記複数のグレーティングカプラからの回折光を測定し、及び、前記回折光の強度と、予め設定された基準値とを比較することにより、前記複数のグレーティングカプラを評価する工程と、
   前記チップ列領域と前記評価用領域とを分離するとともに、前記チップ列領域を、それぞれグレーティングカプラを含む、複数のチップに個片化する工程と
   を備えることを特徴とする光学素子の製造方法。
2. 前記複数のグレーティングカプラを評価する工程では、前記複数のグレーティングカプラからの回折光を一括して測定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学素子の製造方法。