JP2017191253A

JP2017191253A - 光集積回路及びその製造方法

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Publication number: JP2017191253A
Application number: JP2016081565A
Authority: JP
Inventors: 里美片寄; Satomi Katayose; 啓渡邉; Hiroshi Watanabe; 幹隆井藤; Mikitaka Itou
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2016-04-14
Filing date: 2016-04-14
Publication date: 2017-10-19

Abstract

【課題】本発明は、溝の形成・遮光材の充填を行わずに、製造工程を増やすことなく低コストで迷光除去が可能な光集積回路及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明の光集積回路は、半導体基板上に光導波路を形成した光集積回路であって、前記光導波路の入力端に光ファイバが結合され、前記光導波路の出力端に受光素子が結合され、前記光集積回路は、前記半導体基板上で前記光導波路の近傍に形成されたグレーティング部を備え、前記グレーティング部は、前記光導波路の近傍を伝搬して入射した迷光を前記半導体基板に対して実質的に垂直方向に出射させるように構成されていることを特徴とする。【選択図】図４

Description

本発明は、光集積回路に関し、より詳細には、迷光の除去が可能なグレーティング構造を有する光集積回路及びその製造方法に関する。

少子高齢化社会の到来に伴い、メディカル・ヘルスケア分野における光・電子デバイスの重要性が高まっている。なかでも、特定波長で安定的に動作する光デバイスの需要が拡大する方向にある。これまでディスプレイや光通信で用いられてきた光デバイスの上記分野への応用が求められており、中でも平面光導波路（以下、ＰＬＣ：Planer Lightwave Circuit）を基本とした光デバイスが注目されている。

ＰＬＣは、フォトリソグラフィーやドライエッチングといった半導体プロセスの技術を応用し、半導体基板等の上に光回路を形成したものであり、回路パターンにより光送受信器、光分配器および波長合分波器などを実現することができる。ＰＬＣは、量産性に優れ、信頼性も高いため、光ネットワークの基幹部品として、さまざまな用途に利用されてきた。

ＰＬＣでは、光導波路以外の部分を伝搬する迷光が受光素子などに入射して信号を劣化させるため、この迷光を除去することが重要となる。その方法として、従来、クラッドを除去することにより溝を形成したり（例えば特許文献１参照）、形成した溝に遮光材を充填したりして（例えば特許文献２参照）、迷光を減衰させる方法等が考えられていた。

図１を用いて、特許文献２に示されるような迷光を除去するための従来の光集積回路の構成を示す。図１には、入力端に光ファイバ１０が結合され、出力端に受光素子３０が結合された従来の光集積回路２０が示されている。図１に示されるように、光集積回路２０は、入力導波路２１と、入力導波路２１を伝搬した光を分岐する３ｄＢ分岐光導波路２２と、３ｄＢ分岐光導波路２２で分岐された光の一方を伝搬して受光素子３０に出力する第１の出力導波路２３と、３ｄＢ分岐光導波路２２で分岐された光の他方を伝搬して受光素子３０に出力する第２の出力導波路２４と、クラッドおよびコアを除去することにより形成した溝に充填された、迷光を遮光する遮光材２５と、を含む。ここで、受光素子としてはファイバや光導波路、フォトダイオードなどが該当する。

３ｄＢ分岐光導波路２２は、回路に入力された光信号強度を５０％ずつ分配する機能を有する。入力導波路２１を伝搬した光は３ｄＢ分岐光導波路２２にて等分割され、それぞれ第１および第２の出力導波路２３及び２４に入力される。

従来の光集積回路における光導波路では、光ファイバ１０と入力導波路２１との接合部や、３ｄＢ分岐光導波路２２の分岐点から光が漏れて、迷光として、３ｄＢ分岐光導波路２２、第１の出力導波路２３、第２の出力導波路２４などに入射し、各迷光が光導波路内を通過する光と干渉したり、受光素子３０に入射して信号を劣化させたりしていた。この迷光による信号劣化を防ぐために、図１に示される従来の光集積回路２０では、迷光を遮光する遮光材２５を設けている。図２は、図１におけるＡ−Ａ’断面を示す。図２に示されるように、遮光材２５は、半導体基板や光回路を構成する材料とは異なる光吸収性の材料を用いており、半導体基板上に形成されている。

特開平４−３３３８２９号公報特開平９−５５４８号公報

図３を用いて、迷光を除去するための従来の光集積回路の製造方法を例示する。図３（ａ）に示されるように、支持基板３１と、下部クラッド層としての酸化シリコン膜３２と、Ｓｉ層３３とを含むＳＯＩ基板をスターティング基板として使用し、図３（ｂ）に示されるように、ＣＶＤ法などの方法を用いてＳＯＩ基板のＳｉ層３３の表面にハードマスクとして窒化シリコン膜３４を積層させる。続いて、図３（ｃ）に示されるように、窒化シリコン膜３４の上にフォトレジスト３５を塗布し、電子線露光法あるいは光露光法などの露光法を利用して、公知のフォトリソグラフィー技術により、フォトマスク３６を用いてフォトレジスト３５に光導波路の所望のコアパターン形状を焼き付ける。フォトレジスト３５に所望のパターン形状を焼き付けた後は、図３（ｄ）に示されるように、現像して所望の形状のレジストパターン３５’を得る。そして、図３（ｅ）に示されるように、レジストパターン３５’をマスクにして窒化シリコン膜３４をエッチングする。続いて、図３（ｆ）に示されるように、窒化シリコン膜３４をエッチングマスクにしてＳｉ層３３をエッチングして光導波路のコアを形成する。その後、図３（ｇ）に示されるように、コアを覆うように酸化シリコン膜３２を堆積し、上部クラッド層を形成する。そして、図３（ｈ）に示されるように、フォトリソグラフィー技術およびエッチングにより遮光溝３７を形成する。その後、図３（ｉ）に示されるように、マイクロディスペンサなどを用いて、遮光溝３７に遮光材２５を滴下して充填する。これらの工程を経て、従来の光集積回路は作製される。

しかしながら、図１に示されるような従来技術においては、光導波路の形成に加え、迷光の除去を目的とした溝の形成および遮光材２５の充填を行うため、複数の工程が必要となり、生産コストが増加するという問題があった。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来のように溝の形成・遮光材の充填を行わずに、製造工程を増やすことなく低コストで迷光除去が可能な光集積回路及びその製造方法を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明に係る光集積回路は、半導体基板上に光導波路を形成した光集積回路であって、前記光導波路の入力端に光ファイバが結合され、前記光導波路の出力端に受光素子が結合され、前記光集積回路は、前記半導体基板上で前記光導波路の近傍に形成されたグレーティング部を備え、前記グレーティング部は、前記光導波路の近傍を伝搬して入射した迷光を前記半導体基板に対して実質的に垂直方向に出射させるように構成されていることを特徴とする。

また、本発明に係る光集積回路の製造方法は、半導体基板上に光導波路を形成した光集積回路の製造方法であって、前記製造方法は、下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に設けられた導波路コア層とを含む半導体基板の前記導波路コア層上にハードマスク層を積層させる工程と、前記ハードマスク層上にフォトレジストを塗布する工程と、前記光導波路のコアパターンとグレーティング部のグレーティングパターンとが形成されたフォトマスクを用いて、前記フォトレジストに前記コアパターン及び前記グレーティングパターンを焼き付けた後、前記コアパターン及び前記グレーティングパターンを現像する工程と、前記現像する工程により形成された前記フォトレジストをマスクとして用いて、前記ハードマスク層をエッチングする工程と、前記エッチングされたハードマスク層を用いて前記導波路コア層をエッチングすることにより、前記光導波路及び前記グレーティング部を形成する工程と、前記光導波路及び前記グレーティング部が形成された前記半導体基板上に上部クラッド層を形成する工程と、を含み、前記グレーティング部は、前記半導体基板上で前記光導波路の近傍に形成され、前記光導波路の近傍を伝搬して入射した迷光を前記半導体基板に対して実質的に垂直方向に出射させるように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、迷光の伝搬方向を変更するグレーティング構造を設けることにより、溝の形成・遮光材の充填を行わずに、製造工程数を増やすことなく迷光を抑制することが可能となり、コスト削減が期待できる。

従来の迷光抑制方法を説明する図である。従来の迷光抑制方法を説明する図である。従来の光集積回路の製造方法を示す図である。本発明の実施例に係る光集積回路を説明するための図である。本発明の実施例に係る光集積回路を説明するための図である。本発明の実施例に係る光集積回路の製造方法を示す図である。

（実施例）
図４を参照して、本発明の実施例に係る光集積回路について説明する。図４は、本発明に係る光集積回路の上面図を示す。図４には、入力端に光ファイバ１１０が結合され、出力端に受光素子１３０が結合された本発明に係る光集積回路１２０が示されている。図４に示されるように、光集積回路１２０は、入力導波路１２１と、入力導波路１２１を伝搬した光を分岐する３ｄＢ分岐光導波路１２２と、３ｄＢ分岐光導波路１２２で分岐された光の一方を伝搬して受光素子１３０に出力する第１の出力導波路１２３と、３ｄＢ分岐光導波路１２２で分岐された光の他方を伝搬して受光素子１３０に出力する第２の出力導波路１２４と、グレーティング構造を有するグレーティング部１２５と、を含む。

図４に示すように、本発明では、溝の形成を行わずにグレーティング部１２５を光導波路に近接して配置することにより迷光の除去を実現する。グレーティング部１２５は、光導波路外を伝搬して入射した迷光と結合して基板に対して実質的に垂直方向に出射させる。その結果、基板水平方向への迷光の伝搬を抑制して、受光素子の信号の劣化を抑制することができる。

図５を用いて、本発明の実施例に係るグレーティング部１２５の構造について説明する。図５は、図４におけるＢ−Ｂ’断面を示す。図５には、支持層１４１と、ＢＯＸ層１４２と、ＳＯＩ層１４３と、が積層されて構成された導波路構造が示されている。光導波路領域１５０は、入力導波路１２１と、３ｄＢ分岐光導波路１２２と、第１及び第２の出力導波路１２３及び１２４とを含む領域とする。

一実施形態に係る光集積回路では、光導波路領域１５０における導波路として、ＳＯＩ基板などの半導体基板を用いて形成されたＳｉ導波路を用いることができ、この場合、例えば、支持層１４１はＳｉ基板、ＢＯＸ層１４２は埋め込みＳｉＯ₂層、ＳＯＩ層１４３はＳｉ層で構成することができる。Ｓｉ導波路は、フォトリソグラフィー技術及び反応性イオンエッチング技術を用いて形成される。

図６を用いて、本発明の実施例に係る光集積回路の製造方法を例示する。図６（ａ）及び図６（ｂ）に示されるように、本実施例では、下部クラッド層としてのＢＯＸ層１４２と、導波路コア層としてのＳＯＩ層１４３とを含むＳＯＩ基板をスターティング基板として使用し、ＣＶＤ法などの方法を用いてＳＯＩ基板のＳＯＩ層１４３の表面にハードマスクとして例えば窒化シリコン膜１４４を積層させる。続いて、図６（ｃ）に示されるように、窒化シリコン膜１４４の上にフォトレジスト１４５を塗布し、電子線露光法あるいは光露光法などの露光法を利用して、公知のフォトリソグラフィー技術により、フォトマスク１４６を用いてフォトレジスト１４５に所望のパターン形状を焼き付ける。このとき用いるフォトマスク１４６には、光導波路領域１５０のコアパターンと同時に、グレーティング部１２５のグレーティングパターンも形成しておく。フォトレジスト１４５にコアパターン及びグレーティングパターンを焼き付けた後は、図６（ｄ）に示されるように、コアパターン及びグレーティングパターンを現像して所望の形状のレジストパターン１４５を得る。そして、図６（ｅ）に示されるように、レジストパターン１４５をマスクにして窒化シリコン膜１４４をエッチングする。続いて、図６（ｆ）に示されるように、窒化シリコン膜１４４をエッチングマスクにしてＳＯＩ層１４３をエッチングして光導波路領域１５０のコア及びグレーティング部１２５を形成する。ＳＯＩ層１４３のエッチングの前にレジストパターン１４５を除去してもよいし、レジストパターン１４５を残したままＳＯＩ層１４３をエッチングしてもよい。このようにＳＯＩ層１４３をエッチングすることで、光導波路領域１５０のコアおよびグレーティング部１２５が同時に形成できる。その後、図６（ｇ）に示されるように、コアおよびグレーティングを覆うようにＳｉＯ₂膜を堆積し、上部クラッド層としてのＢＯＸ層１４２を形成する。

本発明によると、グレーティング部１２５は、光導波路領域１５０のコア層と同一層に形成することができるため、ＳＯＩ層１４３における光導波路領域１５０およびグレーティング部１２５の同時加工が可能であることから、製造工程を増やすことなく迷光を除去することが可能となる。

ここで、グレーティング部１２５の原理について説明する。グレーティング部１２５から取り出される迷光の伝搬方向は次式で表される。

ｓｉｎθ＝ｎ−ｍλ／Λ
上式で、ｎは導波路の実効屈折率、ｍは回折次数、λは自由空間における光の波長、Λはグレーティング部１２５におけるグレーティングの周期、θは導波路面に垂直な軸線に対し出射光（迷光）の伝搬光軸がなす角度である。出射光の伝搬光軸は導波路面に対して垂直面内にある。出射角度θは、グレーティングの周期Λ及び導波路構造によって任意に設計できる。

図５に示されるように、本実施例では、グレーティング部１２５及び光導波路領域１５０において、それぞれリブ部１２５₁及び１５０₁とスラブ部１２５₂及び１５０₂を設けたスラブ型導波路構造を採用しているが、これに限定されず、例えば、リブ部及びスラブ部を設けずに矩形のコアを用いた矩形導波路構造を採用してもよい。

また、本実施例では、グレーティング部１２５のスラブ部１２５₂の厚みが光導波路領域１５０のスラブ部１５０₂の厚みと同一となっている構成が示されているが、これに限定されず、例えば、グレーティング部１２５のスラブ部１２５₂は、光導波路領域１５０のＳＯＩ層の高さ方向の途中までエッチングすることなどによって、エッチング残し厚と光導波路領域１５０のスラブ部の厚みが異なるようにしても良い。グレーティング部１２５及び光導波路領域１５０のスラブ部１２５₂及び１５０₂の厚みが異なるときであっても、エッチングの際のマイクロローディング効果を利用して、それぞれの厚みが最適値となるように調整可能である。

本発明において、迷光と結合するグレーティング部１２５が光導波路に近接し過ぎていると、光導波路を伝搬している光とも干渉してしまい、光学特性が劣化するため、グレーティング部１２５及び光導波路の最も近接している部分の間の距離を３μｍ以上とするのが望ましい。一方、１００μｍより大きくすると、迷光を効果的に抑制できず、期待する迷光除去効果が得られない可能性があるため、上記距離を１００μｍ以下とすることが望ましい。本実施例では、例えば、グレーティング部１２５の端部と第１及び第２の出力導波路１２３及び１２４との最も近接している部分の間の距離を１０μｍとすることができる。

本実施例では、Ｓｉ導波路の場合について説明したが、ＩｎＰ導波路やＧａＡｓ導波路、ＬｉＮｂＯ₃導波路、ポリマー導波路等を用いることもできる。また、石英系導波路においては、紫外領域の光に敏感なドーパントをコア部に添加し、干渉させた可視又は紫外領域のレーザ光を導波路に照射することによって、グレーティング構造の形成が可能である。紫外線を照射する場合、その分工程は増えるが、溝形成のためのエッチング・遮光材の充填に比べると簡便で、製造コストの低減が期待できる。

ここで、本実施例では、３ｄＢ分岐光導波路１２２で漏れた光をグレーティング部１２５により除去する例を示しているが、その他形状の導波路回路において光が漏れる箇所があれば、その近傍にグレーティング部を配置することで迷光の除去が可能である。例えば、光が漏れる箇所としては、光接続部（チップとファイバの接続等）、曲げ導波路（特に曲率半径が小さい場合）、Ｙ合波部などがある。

Claims

半導体基板上に光導波路を形成した光集積回路であって、前記光導波路の入力端に光ファイバが結合され、前記光導波路の出力端に受光素子が結合され、
前記光集積回路は、前記半導体基板上で前記光導波路の近傍に形成されたグレーティング部を備え、
前記グレーティング部は、前記光導波路の近傍を伝搬して入射した迷光を前記半導体基板に対して実質的に垂直方向に出射させるように構成されていることを特徴とする光集積回路。
前記グレーティング部及び前記光導波路の最も近接している部分の間の距離は、３μｍ〜１００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の光集積回路。
前記光導波路は、入力導波路と、前記入力導波路を伝搬した光を分岐する分岐光導波路と、前記分岐光導波路で分岐された光の一方を伝搬して前記受光素子に出力する第１の出力導波路と、前記分岐光導波路で分岐された光の他方を伝搬して前記受光素子に出力する第２の出力導波路と、を含み、
前記グレーティング部は、前記分岐光導波路の近傍に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光集積回路。
前記光導波路は、Ｓｉ導波路、ＩｎＰ導波路、ＧａＡｓ導波路、ＬｉＮｂＯ₃導波路、ポリマー導波路のいずれかによって形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光集積回路。
半導体基板上に光導波路を形成した光集積回路の製造方法であって、
下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に設けられた導波路コア層とを含む半導体基板の前記導波路コア層上にハードマスク層を積層させる工程と、
前記ハードマスク層上にフォトレジストを塗布する工程と、
前記光導波路のコアパターンとグレーティング部のグレーティングパターンとが形成されたフォトマスクを用いて、前記フォトレジストに前記コアパターン及び前記グレーティングパターンを焼き付けた後、前記コアパターン及び前記グレーティングパターンを現像する工程と、
前記現像する工程により形成された前記フォトレジストをマスクとして用いて、前記ハードマスク層をエッチングする工程と、
前記エッチングされたハードマスク層をマスクとして用いて前記導波路コア層をエッチングすることにより、前記光導波路及び前記グレーティング部を形成する工程と、
前記光導波路及び前記グレーティング部が形成された前記半導体基板上に上部クラッド層を形成する工程と、
を含み、
前記グレーティング部は、前記半導体基板上で前記光導波路の近傍に形成され、前記光導波路の近傍を伝搬して入射した迷光を前記半導体基板に対して実質的に垂直方向に出射させるように構成されていることを特徴とする製造方法。