JP2021157064A

JP2021157064A - 光変調器の製造方法及びこれに用いるフォトマスク

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Publication number: JP2021157064A
Application number: JP2020057543A
Authority: JP
Inventors: 裕貴原; Hirotaka Hara; 信治岩塚; Shinji Iwatsuka
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2020-03-27
Filing date: 2020-03-27
Publication date: 2021-10-07
Anticipated expiration: 2040-03-27
Also published as: JP7322778B2

Abstract

【課題】一対の光導波路の非対称性に起因する消光比の悪化を改善する。【解決手段】本発明による光変調器の製造方法は、ウェーハ３０上の導波層をリッジ状に加工して複数の光導波路を形成する工程を含み、複数の光導波路の各々は、ウェーハの第１方向と平行に設けられた第１及び第２導波路部２ａ，２ｂを含む。複数の光導波路を形成する工程は、第１及び第２導波路部２ａ，２ｂに対応するマスク部分２ａ'，２ｂ'の線幅が等しい対称フォトマスク４０Ａを使用して、第１光導波路に対応する第１マスクパターンを形成する工程と、第１及び第２導波路部２ａ，２ｂに対応するマスク部分２ａ'，２ｂ'の線幅が異なる非対称フォトマスク４０Ｂを使用して、第１方向と直交する第２方向における第１マスクパターンよりもウェーハ３０の外周寄りに、第２光導波路に対応する第２マスクパターンを形成する工程とを含む。【選択図】図４

Description

本発明は、光変調器の製造方法及びこれに用いるフォトマスクに関し、特に、フォトマスクを使用して光導波路を形成する方法に関する。

インターネットの普及に伴い通信量は飛躍的に増大しており、光ファイバ通信の重要性が非常に高まっている。光ファイバ通信は、電気信号を光信号に変換し、光信号を光ファイバにより伝送するものであり、広帯域、低損失、ノイズに強いという特徴を有する。

電気信号を光信号に変換する方式としては、半導体レーザによる直接変調方式と光変調器を用いた外部変調方式が知られている。直接変調は光変調器が不要で低コストであるが、高速変調には限界があり、高速で長距離の用途では外部変調方式が使われている。

光変調器としては、ニオブ酸リチウム単結晶基板の表面付近にＴｉ（チタン）拡散により光導波路を形成したマッハツェンダー型光変調器が実用化されている（例えば特許文献１参照）。マッハツェンダー型光変調器は、１つの光源から出た光を２つに分け、異なる経路を通過させた後、再び重ね合わせて干渉を起こさせるマッハツェンダー干渉計の構造を有する光導波路（マッハツェンダー光導波路）を用いるものであり、４０Ｇｂ／ｓ以上の高速の光変調器が商用化されているが、全長が１０ｃｍ前後と長いことが大きな欠点になっている。

これに対して、特許文献２には、ｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜を用いたマッハツェンダー型光変調器が開示されている。ニオブ酸リチウム膜を用いた光変調器は、ニオブ酸リチウム単結晶基板を用いた光変調器と比較して大幅な小型化及び低駆動電圧化が可能である。

マッハツェンダー型光変調器に関し、例えば特許文献３には、曲がり導波路の後段にＹ字状の分岐部が設けられた構成において、曲がり導波路中で偏ったモードが分岐部に入射することで分岐比が５０％からずれて実効屈折率の差が生じ、消光比が悪化することを防止するため、曲がり導波路の始点から分岐部に至るまでの間に低屈折率部を設けることが記載されている。

特許第４４８５２１８号公報特開２００６−１９５３８３号公報特許第５４８８２２６号公報

マッハツェンダー光導波路を構成する互いに平行な２本の導波路部の線幅が例えば製造プロセス要因により非対称性を持つことがある。このとき２本の導波路部間の実効屈折率が異なることから、光の伝搬特性に波長依存性が生じる。光の伝搬特性に波長依存性が生じる場合、入出力光の動作波長が消光状態であっても入出力光に混在する動作波長以外のバックグランド光が導光状態となるため、オフ状態のときの光強度が大きくなり、消光比が悪化する。なお、この場合の実効屈折率は導波路中を伝搬する光の群速度により決まる。

したがって、本発明の目的は、一対の光導波路の非対称性に起因する消光比の悪化を改善することが可能な光変調器の製造方法及びこれに用いるフォトマスクを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明による光変調器の製造方法は、ウェーハ上に導波層を形成する工程と、前記導波層をリッジ状に加工して複数の光導波路を形成する工程と、前記複数の光導波路に対応する複数の電極を形成する工程とを備え、前記複数の光導波路の各々は、前記ウェーハの第１方向と平行に設けられた第１及び第２導波路部を含み、前記第２導波路部が前記第１導波路部よりも前記第１方向と直交する第２方向における前記ウェーハの外周寄りに位置し、前記複数の光導波路を形成する工程は、前記第１及び第２導波路部に対応するマスク部分の線幅が等しい対称フォトマスクを使用して、第１光導波路に対応する第１レジストパターンを形成する工程と、前記第１及び第２導波路部に対応するマスク部分の線幅が異なる非対称フォトマスクを使用して、前記第１レジストパターンよりも前記第２方向における前記ウェーハの外周寄りに、第２光導波路に対応する第２レジストパターンを形成する工程とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、第１及び第２導波路部の線幅の対称性を高めて光変調器の消光比の悪化を防止することができる。

本発明において、前記非対称フォトマスクの前記第２導波路部に対応するマスク部分の線幅は、前記非対称フォトマスクの前記第１導波路部に対応するマスク部分の線幅よりも狭いことが好ましい。ウェーハ外周部に形成される第２光導波路において、ウェーハの外周寄りに位置する第２導波路部の線幅は、製造プロセス要因により目標幅よりも広くなりやすく、これにより第１及び第２導波路部間に線幅のばらつきが生じる。しかし、ウェーハ外周部における加工精度の低下を予め考慮して、第２導波路部に対応するマスク部分の線幅を目標幅よりも少し狭くした場合には、第２導波路部の線幅を第１導波路部の線幅と等しくすることができる。

本発明において、前記第１及び第２導波路部は、マッハツェンダー光導波路を構成し、前記マッハツェンダー光導波路は、入力導波路部と、前記入力導波路部を伝搬する光を分波する分波部と、前記分波部から延びて互いに平行に設けられた前記第１及び第２導波路部と、前記第１及び第２導波路部を伝搬する光を合波する合波部と、前記合波部から出力される光を伝搬する出力導波路部とを有することが好ましい。本発明によれば、マッハツェンダー光導波路を構成する第１及び第２導波路部の線幅の対称性を高めて光変調器の消光比の悪化を防止することができる。

また、本発明によるフォトマスクは、入力導波路部と、前記入力導波路部を伝搬する光を分波する分波部と、前記分波部から延びて互いに平行に設けられた前記第１及び第２導波路部と、前記第１及び第２導波路部を伝搬する光を合波する合波部と、前記合波部から出力される光を伝搬する出力導波路部とを有するマッハツェンダー光導波路を形成するための第１及び第２マスクパターンを備え、前記第１マスクパターンは、前記第１導波路部に対応するマスク部分の線幅と前記第２導波路部に対応するマスク部分の線幅が等しく、前記第２マスクパターンは、前記第１導波路部に対応するマスク部分の線幅と前記第２導波路部に対応するマスク部分の線幅が異なることを特徴とする。

本発明によれば、ウェーハ上に複数のマッハツェンダー光導波路（複数の光導波路）を形成する際に、第１マスクパターンを用いてウェーハ中央部に当該マッハツェンダー光導波路に対応するレジストパターンを形成することができ、また第２マスクパターンを用いてウェーハ外周部に当該マッハツェンダー光導波路に対応するレジストパターンを形成することができる。したがって、ウェーハの外周部に発生する一対の光導波路の非対称性を改善して光変調器の消光比の悪化を防止することができる。

本発明において、前記第１マスクパターンはウェーハの中央部に配置され、前記第２マスクパターンは前記マッハツェンダー光導波路の長手方向と直交する方向における前記ウェーハの一方又は他方の外周部に配置されることが好ましい。この場合において、前記ウェーハの一方の外周部に配置される前記第２マスクパターンは、前記第２導波路部に対応するマスク部分の線幅が前記第１導波路部に対応するマスク部分の線幅よりも狭く、前記ウェーハの他方の外周部に配置される前記第２マスクパターンは、前記第１導波路部に対応するマスク部分の線幅が前記第２導波路部に対応するマスク部分の線幅よりも狭いことが好ましい。上記のように、ウェーハの外周寄りに位置する第２導波路部の線幅は、製造プロセス要因により目標幅よりも広くなりやすく、これにより第１及び第２導波路部間に線幅のばらつきが生じる。しかし、ウェーハ外周部における加工精度の低下を予め考慮して、第２導波路部に対応するマスク部分の線幅を目標幅よりも少し狭くした場合には、第２導波路部の線幅を第１導波路部の線幅と等しくすることができる。

前記第２マスクパターンは、前記第１マスクパターンよりもウェーハの外周寄りに配置されることが好ましい。この場合において、前記第２マスクパターンの前記第１及び第２導波路部のうち、前記ウェーハの外周寄りの導波路に対応するマスク部分の線幅は、前記ウェーハの中央寄りの導波路に対応するマスク部分の線幅よりも狭いことが好ましい。上記のように、ウェーハの外周寄りに位置する第２導波路部の線幅は、製造プロセス要因により目標幅よりも広くなりやすく、これにより第１及び第２導波路部間に線幅のばらつきが生じる。しかし、ウェーハ外周部における加工精度の低下を予め考慮して、第２導波路部に対応するマスク部分の線幅を目標幅よりも少し狭くした場合には、第２導波路部の線幅を第１導波路部の線幅と等しくすることができる。

本発明の他の側面によるフォトマスクは、入力導波路部と、前記入力導波路部を伝搬する光を分波する分波部と、前記分波部から延びて互いに平行に設けられた前記第１及び第２導波路部と、前記第１及び第２導波路部を伝搬する光を合波する合波部と、前記合波部から出力される光を伝搬する出力導波路部とを有するマッハツェンダー光導波路を形成するための第１マスクパターンを有し、前記第１マスクパターンは、前記第１導波路部に対応するマスク部分の線幅と前記第２導波路部に対応するマスク部分の線幅が異なることを特徴とする。

本発明によれば、ウェーハ上にマッハツェンダー光導波路（複数の光導波路）を形成する際に、第１マスクパターンを用いてウェーハ中央部に当該マッハツェンダー光導波路に対応するレジストパターンを形成することができ、また第２マスクパターンを用いてウェーハ外周部に当該マッハツェンダー光導波路に対応するレジストパターンを形成することができる。したがって、ウェーハの外周部に発生する一対の光導波路の非対称性を改善して光変調器の消光比の悪化を防止することができる。

前記第１マスクパターンにおける前記第２導波路部に対応するマスク部分の線幅は、前記第１マスクパターンにおける前記第１導波路部に対応するマスク部分の線幅よりも狭いことが好ましい。ウェーハ外周部に形成される第２光導波路において、ウェーハの外周寄りに位置する第２導波路部の線幅は、製造プロセス要因により目標幅よりも広くなりやすく、これにより第１及び第２導波路部間に線幅のばらつきが生じる。しかし、ウェーハ外周部における加工精度の低下を予め考慮して、第２導波路部に対応するマスク部分の線幅を目標幅よりも少し狭くした場合には、第２導波路部の線幅を第１導波路部の線幅と等しくすることができる。

前記マッハツェンダー光導波路を形成するための第２マスクパターンをさらに有し、前記第２マスクパターンにおける前記第２導波路部に対応するマスク部分の線幅は、前記第２マスクパターンにおける前記第１導波路部に対応するマスク部分の線幅と等しいことが好ましい。この場合において、前記第１マスクパターンにおける前記第１導波路部に対応するマスク部分の線幅は、前記第２マスクパターンにおける前記１及び第２導波路部に対応するマスク部分の線幅よりも狭いことが好ましい。これにより、マッハツェンダー光導波路を構成する一対の光導波路の線幅の対称性をさらに高めることができる。

本発明によれば、互いに平行な一対の光導波路の非対称性に起因する消光比の悪化を改善することが可能な光変調器の製造方法及びこれに使用するフォトマスクを提供することができる。

図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態による光変調器の構成を示す略平面図であり、図１（ａ）は光導波路のみ図示し、図１（ｂ）は進行波電極を含めた光変調器の全体を図示している。図２は、図１（ａ）及び（ｂ）のＸ_１−Ｘ_１'線に沿った光変調器１の略断面図である。図３は、従来の光導波路パターンの形成方法を説明する図である。図４は、本実施形態による光導波路パターンの形成方法を説明する図である。図５（ａ）〜（ｆ）は、光変調器の製造工程を概略的に説明する図である。図６は、本実施形態による光導波路パターンの形成方法の他の例の説明図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態による光変調器の構成を示す略平面図であり、図１（ａ）は光導波路のみ図示し、図１（ｂ）は進行波電極を含めた光変調器の全体を図示している。

図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、この光変調器１は、基板１０上に形成され、互いに平行に設けられた第１及び第２導波路部２ａ，２ｂを有するマッハツェンダー光導波路２と、第１導波路部２ａに沿って設けられた第１信号電極４ａと、第２導波路部２ｂに沿って設けられた第２信号電極４ｂと、第１導波路部２ａに沿って設けられた第１バイアス電極５ａと、第２導波路部２ｂに沿って設けられた第２バイアス電極５ｂとを備えている。第１及び第２信号電極４ａ，４ｂは、第１及び第２導波路部２ａ，２ｂと共にマッハツェンダー光変調器のＲＦ相互作用部３ａを構成している。また、第１及び第２バイアス電極５ａ，５ｂは、第１及び第２導波路部２ａ，２ｂと共にマッハツェンダー光変調器のＤＣ相互作用部３ｂを構成している。

マッハツェンダー光導波路２は、マッハツェンダー干渉計の構造を有する光導波路であって、入力導波路部２ｉと、入力導波路部２ｉを伝搬する光を分波する分波部２ｃと、分波部２ｃから延びて互いに平行に設けられた第１及び第２導波路部２ａ，２ｂと、第１及び第２導波路部２ａ，２ｂを伝搬する光を合波する合波部２ｄと、合波部２ｄから出力される光を伝搬する出力導波路部２ｏとを有している。入力導波路部２ｉに入力された入力光は、分波部２ｃで分波されて第１及び第２導波路部２ａ，２ｂをそれぞれ進行した後、合波部２ｄで合波され、出力導波路部２ｏから変調光として出力される。

第１及び第２信号電極４ａ，４ｂは第１及び第２導波路部２ａ，２ｂにＲＦ信号を印加するために設けられている。第１及び第２信号電極４ａ，４ｂは、平面視で第１及び第２導波路部２ａ，２ｂと重なる線状の電極パターンであり、その両端は基板１０の外周端付近まで引き出されている。すなわち、第１及び第２信号電極４ａ，４ｂの一端４ａ_１，４ｂ_１は基板１０のエッジ近傍まで引き出されて信号入力ポートを構成しており、信号入力ポートにはドライバ回路９ａが接続される。また、第１及び第２信号電極４ａ，４ｂの他端４ａ_２，４ｂ_２は基板１０のエッジ近傍まで引き出されると共に終端抵抗９ｂを介して互いに接続されている。これにより、第１及び第２信号電極４ａ，４ｂは、差動のコプレーナ型進行波電極として機能する。

第１及び第２バイアス電極５ａ，５ｂは、第１及び第２導波路部２ａ，２ｂに直流電圧（ＤＣバイアス）を印加するために第１及び第２信号電極４ａ，４ｂとは独立に設けられている。第１及び第２バイアス電極５ａ，５ｂの一端５ａ_１，５ｂ_１は基板１０のエッジ近傍まで引き出されてＤＣバイアス入力ポートを構成しており、ＤＣバイアスポートにはバイアス回路９ｃが接続される。本実施形態において、第１及び第２バイアス電極５ａ，５ｂの形成領域は、第１及び第２信号電極４ａ，４ｂの形成領域よりもマッハツェンダー光導波路２の出力端側に設けられているが、入力端側に設けられていてもよい。また、第１及び第２バイアス電極５ａ，５ｂを省略し、ＤＣバイアスを予め重畳させた変調信号を第１及び第２信号電極４ａ，４ｂに入力することも可能である。

第１及び第２信号電極４ａ，４ｂの一端には、絶対値が同じで正負の異なる差動信号（変調信号）が入力される。第１及び第２導波路部２ａ，２ｂはニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する材料からなるので、第１及び第２導波路部２ａ，２ｂに与えられる電界によって第１及び第２導波路部２ａ，２ｂの屈折率がそれぞれ＋Δｎ、−Δｎのように変化し、一対の光導波路間の位相差が変化する。この位相差の変化により変調された信号光が出力導波路部２ｏから出力される。

このように、本実施形態による光変調器１は、一対の信号電極で構成されたデュアル駆動型であるため、一対の光導波路に印加される電界の対称性を高めることができ、波長チャープを抑制することができる。

図２は、図１（ａ）及び（ｂ）のＸ_１−Ｘ_１'線に沿った光変調器１の略断面図である。

図２に示すように、光変調器１は、基板１０、導波層１１、保護層１２、バッファ層１３、及び電極層１４がこの順で積層された多層構造を有している。

基板１０は例えばサファイア単結晶基板であり、基板１０の主面にはニオブ酸リチウムに代表される電気光学材料からなる導波層１１が形成されている。導波層１１は、突出した部分であるリッジ部１１ｒと、リッジ部１１ｒの両側に設けられた膜厚が薄い部分であるスラブ部１１ｓとを有し、リッジ部１１ｒが第１及び第２導波路部２ａ、２ｂを構成している。本実施形態において、リッジ部１１ｒの幅Ｗ_ａ，Ｗ_ｂは０．５〜５μｍとすることができる。

リッジ部１１ｒは光導波路の中心となる部分であり、上方に突き出した場所を指す。この上方に突き出した場所は、左右の場所と比較して、電気光学材料膜の膜厚が厚くなっているので、実効屈折率が高くなっている。そのため、左右方向についても光を閉じ込めることができ、３次元光導波路として機能する。リッジ部１１ｒの形状は光を導波可能とする形状であればよく、リッジ部１１ｒにおける電気光学材料膜の膜厚が、左右の電気光学材料膜の膜厚より厚い凸形状であればよい。したがって、上に凸のドーム形状、三角形状などであってもよい。リッジ部１１ｒは、電気光学材料膜上にレジストなどのマスクを形成し、電気光学材料膜を選択的にエッチングしてパターニングすることにより形成することができる。リッジ部１１ｒの幅、高さ、形状等はデバイス特性が向上するように最適化する必要がある。

通常、リッジ部１１ｒの厚さは電気光学材料膜の厚さと等しい。リッジ部１１ｒの幅（リッジ幅Ｗ_ａ，Ｗ_ｂ）は、リッジ部１１ｒの上面の幅として定義される。図示のリッジ部１１ｒの側面は基板１０に対して垂直であるが、傾斜した側面である場合もあるからである。リッジ部１１ｒの側面の傾斜角度は９０°に近いことが好ましいが、少なくとも７０°以上であれば足りる。このようにリッジ幅をリッジ部１１ｒの上面の幅とする場合には、リッジ部１１ｒが台形形状を有する場合でもリッジ幅を明確に定義することができる。

リッジ部１１ｒの両側に設けられたスラブ部１１ｓは、リッジ部１１ｒから左右に広がるリッジ部１１ｒよりも薄い電気光学材料膜からなる部分である。本実施形態において、スラブ部１１ｓは実質的に一定の厚さを有しているが、リッジ部１１ｒの根元付近のスラブ膜厚は安定しておらず、なだらかなテーパー形状が残留していたり、陥没していたりする場合がある。そのため、スラブ部１１ｓの厚さは、膜厚が過渡的に変化するところでの厚さではなく、リッジ部１１ｒの根元から少し離れた膜厚が安定しているところでの厚さとして定義される。第１及び第２導波路部２ａ，２ｂを構成するリッジ部１１ｒのリッジ高さＴ_ｒは、リッジ部１１ｒを構成する電気光学材料膜の厚さである。

保護層１２は第１及び第２導波路部２ａ、２ｂと平面視で重ならない領域に形成されている。保護層１２は、導波層１１の上面のうちリッジ部１１ｒが形成されていない領域の全面を覆っており、リッジ部１１ｒの側面も保護層１２に覆われているので、リッジ部１１ｒの側面の荒れによって生じる散乱損失を防ぐことができる。保護層１２の厚さは導波層１１のリッジ部１１ｒの高さとほぼ同じである。保護層１２の材料は特に限定されないが、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を用いることができる。

バッファ層１３は、第１及び第２導波路部２ａ、２ｂ中を伝搬する光が第１及び第２信号電極４ａ，４ｂに吸収されることを防ぐため、少なくともリッジ部１１ｒの上面に形成されるものである。バッファ層１３は、導波層１１よりも屈折率が小さく、透明性が高い材料からなることが好ましく、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＬａＡｌＯ_３、ＬａＹＯ_３、ＺｎＯ、ＨｆＯ_２、ＭｇＯ、Ｙ_２Ｏ_３などを用いることができる。リッジ部１１ｒの上面上のバッファ層１３の厚さは０．２〜１μｍ程度であればよい。バッファ層１３は誘電率が高い材料からなることがより好ましい。本実施形態において、バッファ層１３は、第１及び第２導波路部２ａ、２ｂの上面のみならず保護層１２の上面を含む下地面の全面を覆っているが、第１及び第２導波路部２ａ、２ｂの上面付近だけを選択的に覆うようにパターニングされたものであってもよい。また保護層１２を省略し、導波層１１の上面全体にバッファ層１３を直接形成してもよい。

バッファ層１３の膜厚は、電極の光吸収を低減するためには厚いほど良く、光導波路に高い電界を印加するためには薄いほど良い。電極の光吸収と電極の印加電圧とは、トレードオフの関係にあるので、目的に応じて適切な膜厚を設定する必要がある。バッファ層１３の誘電率は高い程、ＶπＬ（電界効率を表す指標）を低減できるので好ましく、バッファ層１３の屈折率は低い程、バッファ層１３を薄くできるので好ましい。通常、誘電率が高い材料は屈折率も高くなるので、両者のバランスを考慮して、誘電率が高く、かつ、屈折率が比較的低い材料を選定することが重要である。一例として、Ａｌ_２Ｏ_３は、比誘電率が約９、屈折率が約１．６であり、好ましい材料である。ＬａＡｌＯ_３は、比誘電率が約１３、屈折率が約１．７であり、またＬａＹＯ_３は、比誘電率が約１７、屈折率が約１．７であり、特に好ましい材料である。

ＲＦ相互作用部３ａのバッファ層１３はＤＣ相互作用部３ｂのバッファ層１３と異なる材料で構成されていてもよい。ＲＦ相互作用部３ａのバッファ層１３にはＲＦ相互作用部３ａの特性を最適化できるバッファ層材料、ＤＣ相互作用部３ｂのバッファ層１３にはＤＣドリフトを低減できるバッファ層材料を用いることで、各特性を最適化できる。ＤＣドリフトを低減できるバッファ層材料としては、例えば、酸化シリコンとインジウムの酸化物を含む材料を挙げることができる。

図１に示すように、ＲＦ相互作用部３ａの電極層１４は、第１信号電極４ａ及び第２信号電極４ｂを含む。第１信号電極４ａは、第１導波路部２ａ内を進行する光を変調するために第１導波路部２ａに対応するリッジ部１１ｒに重ねて設けられ、バッファ層１３を介して第１導波路部２ａと対向している。第２信号電極４ｂは、第２導波路部２ｂ内を進行する光を変調するために第２導波路部２ｂに対応するリッジ部１１ｒに重ねて設けられ、バッファ層１３を介して第２導波路部２ｂと対向している。

第１及び第２信号電極４ａ，４ｂの幅は、リッジ状に形成されたニオブ酸リチウム膜からなる第１及び第２導波路部２ａ，２ｂのリッジ幅Ｗ_ａ，Ｗ_ｂよりも少し広い程度である。第１及び第２信号電極４ａ，４ｂからの電界を第１及び第２導波路部２ａ、２ｂに集中させるためには、第１及び第２信号電極４ａ，４ｂの幅は、第１及び第２導波路部２ａ，２ｂのリッジ幅Ｗ_ａ，Ｗ_ｂの１．１〜１５倍であることが好ましく、１．５〜１０倍であることがより好ましい。

第１及び第２導波路部２ａ、２ｂの進行方向と直交する断面において、電極構造は左右対称である。そのため、第１及び第２信号電極４ａ，４ｂから第１及び第２導波路部２ａ、２ｂにそれぞれ印加される電界の大きさをできるだけ同じにして波長チャープを低減することができる。なお、本発明において電極構造は特に限定されず、いわゆるシングル駆動型の電極構造であってもよく、グランド電極の有無及びレイアウトも特に限定されない。

導波層１１は電気光学材料であれば特に限定されないが、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）からなることが好ましい。ニオブ酸リチウムは大きな電気光学定数を有し、光変調器等の光学デバイスの構成材料として好適だからである。以下、導波層１１をニオブ酸リチウム膜とした場合の本実施形態の構成について詳しく説明する。

基板１０としてはニオブ酸リチウム膜より屈折率が低いものであれば特に限定されないが、ニオブ酸リチウム膜をエピタキシャル膜として形成させることができる基板が好ましく、サファイア単結晶基板もしくはシリコン単結晶基板が好ましい。単結晶基板の結晶方位は特に限定されない。ニオブ酸リチウム膜はさまざまな結晶方位の単結晶基板に対して、ｃ軸配向のエピタキシャル膜として形成されやすいという性質を持っている。ｃ軸配向のニオブ酸リチウム膜は３回対称の対称性を有しているので、下地の単結晶基板も同じ対称性を有していることが望ましく、サファイア単結晶基板の場合はｃ面、シリコン単結晶基板の場合は（１１１）面の基板が好ましい。

ここで、エピタキシャル膜とは、下地の基板もしくは下地膜の結晶方位に対して、揃って配向している膜のことである。膜面内をＸ−Ｙ面とし、膜厚方向をＺ軸としたとき、結晶がＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向にともに揃って配向しているものである。例えば、第１に２θ−θＸ線回折による配向位置でのピーク強度の確認と、第２に極点の確認を行うことで、エピタキシャル膜を証明できる。

具体的には、第１に２θ−θＸ線回折による測定を行ったとき、目的とする面以外の全てのピーク強度が目的とする面の最大ピーク強度の１０％以下、好ましくは５％以下である必要がある。例えば、ニオブ酸リチウムのｃ軸配向エピタキシャル膜では、（００Ｌ）面以外のピーク強度が、（００Ｌ）面の最大ピーク強度の１０％以下、好ましくは５％以下である。（００Ｌ）は、（００１）や（００２）などの等価な面を総称する表示である。

第２に、極点測定において、極点が見えることが必要である。前述の第１の配向位置でのピーク強度の確認の条件においては、一方向における配向性を示しているのみであり、前述の第１の条件を得たとしても、面内において結晶配向が揃っていない場合には、特定角度位置でＸ線の強度が高まることはなく、極点は見られない。ＬｉＮｂＯ_３は三方晶系の結晶構造であるため、単結晶におけるＬｉＮｂＯ_３（０１４）の極点は３つとなる。

ニオブ酸リチウム膜の場合、ｃ軸を中心に１８０°回転させた結晶が対称的に結合した、いわゆる双晶の状態にてエピタキシャル成長することが知られている。この場合、３つの極点が対称的に２つ結合した状態になるため、極点は６つとなる。また、（１００）面のシリコン単結晶基板上にニオブ酸リチウム膜を形成した場合は、基板が４回対称となっているため、４×３＝１２個の極点が観測される。なお、本発明では、双晶の状態にてエピタキシャル成長したニオブ酸リチウム膜もエピタキシャル膜に含める。

ニオブ酸リチウム膜の組成はＬｉｘＮｂＡｙＯｚである。Ａは、Ｌｉ、Ｎｂ、Ｏ以外の元素を表している。ｘは０．５〜１．２であり、好ましくは、０．９〜１．０５である。ｙは、０〜０．５である。ｚは１．５〜４であり、好ましくは２．５〜３．５である。Ａの元素としては、Ｋ、Ｎａ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｃｅなどがあり、２種類以上の組み合わせでも良い。

ニオブ酸リチウム膜の膜厚は２μｍ以下であることが望ましい。膜厚が２μｍよりも厚くなると、高品質な膜を形成することが困難になるからである。一方、ニオブ酸リチウム膜の膜厚が薄すぎる場合は、ニオブ酸リチウム膜における光の閉じ込めが弱くなり、基板１０やバッファ層１３に光が漏れることになる。ニオブ酸リチウム膜に電界を印加しても、光導波路（２ａ、２ｂ）の実効屈折率の変化が小さくなるおそれがある。そのため、ニオブ酸リチウム膜は、使用する光の波長の１／１０程度以上の膜厚が望ましい。

ニオブ酸リチウム膜の形成方法としては、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法などの膜形成方法を利用することが望ましい。ニオブ酸リチウムのｃ軸が基板１０の主面に垂直に配向されており、ｃ軸に平行に電界を印加することで、電界に比例して光学屈折率が変化する。単結晶基板としてサファイアを用いる場合は、サファイア単結晶基板上に直接、ニオブ酸リチウム膜をエピタキシャル成長させることができる。単結晶基板としてシリコンを用いる場合は、クラッド層（図示せず）を介して、ニオブ酸リチウム膜をエピタキシャル成長により形成する。クラッド層（図示せず）としては、ニオブ酸リチウム膜より屈折率が低く、エピタキシャル成長に適したものを用いる。例えば、クラッド層（図示せず）としてＹ_２Ｏ_３を用いると、高品質のニオブ酸リチウム膜を形成できる。

なお、ニオブ酸リチウム膜の形成方法として、ニオブ酸リチウム単結晶基板を薄く研磨したりスライスしたりする方法も知られている。この方法は、単結晶と同じ特性が得られるという利点があり、本発明に適用することが可能である。

次に、本実施形態による光変調器の製造方法について説明する。本実施形態による光変調器は、集合基板としてのウェーハ上に複数の光変調器を作製した後、個々の光変調器をダイシングにより分割することにより製造される。

図３及び図４は、本実施形態による光導波路パターンの形成方法を従来の形成方法と共に説明する図であって、図３は従来の光導波路パターンの形成方法、図４は本実施形態による光導波路パターンの形成方法をそれぞれ示している。

図３及び図４に示すように、ウェーハ３０上には単一の光変調器１の形成領域であるデバイス形成領域３１がマトリックス状に設けられている。デバイス形成領域３１はＹ方向（第１方向）に細長い矩形領域であり、マッハツェンダー光導波路の長手方向はＹ方向を向いている。すなわち、第１及び第２導波路部２ａ，２ｂはデバイス形成領域３１内においてＹ方向に延設されている。ウェーハ３０上の複数のデバイス形成領域３１は、Ｙ方向及びＸ方向（第２方向）に複数設けられている。本実施形態では、左側に５列、中央に７列、右側に５列のデバイス形成領域３１が設けられている。ただし、このデバイス形成領域３１のレイアウトは一例であって、ウェーハサイズ及び光変調器の大きさに基づいて適宜決定することができる。

図３に示すように、すべてのデバイス形成領域３１に共通の対称フォトマスク４０Ａを用いてウェーハ３０上の各デバイス形成領域３１にマッハツェンダー光導波路を含む導波路パターンを形成する場合、ウェーハ３０の外周寄りに形成される導波路パターンに非対称性が生じることがある。具体的には、ウェーハ中央部３０Ａのデバイス形成領域３１Ａ，３１Ｂに形成される導波路パターンは、第１及び第２導波路部２ａ，２ｂが同一の線幅（Ｗ_ａ＝Ｗ_ｂ）を有するように形成されるが、ウェーハ外周部３０Ｂのデバイス形成領域３１Ｃ，３１Ｄに形成される導波路パターンは、ウェーハの外周寄りに配置された第２導波路部２ｂの線幅Ｗ_ｂがウェーハの中央寄りに配置された第１導波路部２ａの線幅Ｗ_ａよりも広くなる（Ｗ_ｂ＞Ｗ_ａ）。

そこで図４に示すように、本実施形態においては、ウェーハ中央部３０Ａに位置するデバイス形成領域３１Ａ，３１Ｂには、第１導波路部２ａに対応するマスク部分２ａ'の線幅Ｗ_ａ'及び第２導波路部２ｂに対応するマスク部分２ｂ'の線幅Ｗ_ｂ'が等しい対称フォトマスク４０Ａ（第１マスクパターン）を使用して導波路パターン（第１光導波路）を形成し、ウェーハ外周部３０Ｂのデバイス形成領域３１Ｃ，３１Ｄには、第１導波路部２ａに対応するマスク部分２ａ'の線幅Ｗ_ａ'及び第２導波路部２ｂに対応するマスク部分２ｂ'の線幅Ｗ_ｂ'が異なる非対称フォトマスク４０Ｂ（第２マスクパターン）を使用して導波路パターン（第２光導波路）を形成する。具体的には、ウェーハ外周側に位置する第２導波路部２ｂに対応するマスク部分２ｂ'の線幅Ｗ_ｂ'が第１導波路部２ａに対応するマスク部分２ａ'の線幅Ｗ_ａ'よりも狭い非対称フォトマスク４０Ｂを使用する。このように形成することで、第１及び第２導波路部２ａ，２ｂの線幅を最終的に等しくすることができ、互いに平行な一対のリッジ導波路のリッジ幅のばらつきに起因する光変調器の消光比の悪化を防止することができる。

以上はウェーハ中央のデバイス形成領域３１Ａよりも上方（ウェーハのＸ方向の一方の外周寄り）に形成される導波路パターンに対する条件である。デバイス形成領域３１Ａよりも下方（ウェーハのＸ方向の他方の外周寄り）に形成される導波路パターンの場合、第１導波路部２ａと第２導波路部２ｂとの関係が逆になる。すなわち、ウェーハ外周寄り位置する第１導波路部２ａに対応するマスク部分２ａ'の線幅Ｗ_ａ'が第２導波路部２ｂに対応するマスク部分２ｂ'の線幅Ｗ_ｂ'よりも狭い非対称フォトマスク４０Ｂを使用する。そのような非対称フォトマスク４０Ｂは、デバイス形成領域３１Ａよりも上方で使用する非対称フォトマスク４０Ｂを表裏反転させたものと同じである。

このように、本実施形態においては、対称フォトマスク４０Ａ及び非対称フォトマスク４０Ｂが形成されたフォトマスク４０を使用して、ウェーハ３０上の各デバイス形成領域３１に光導波路（マッハツェンダー光導波路）を形成する。ウェーハ３０上の光導波路の形成位置に応じてマスクパターンを使い分けることで、ウェーハ外周部３０Ｂにおいて線幅が非対称な導波路パターンが形成されることを防止することができる。対称フォトマスク４０Ａと非対称フォトマスク４０Ｂは別々のフォトマスク基板上に形成されたものであってもよく、一枚のフォトマスク基板上に一緒に形成されたものであってもよい。

図５（ａ）〜（ｆ）は、本実施形態による光変調器の製造工程を概略的に説明する図である。

図５（ａ）〜（ｆ）に示すように、光変調器１の製造では、基板材料としてのウェーハ３０を用意し、ウェーハ３０の主面にニオブ酸リチウム膜等の電気光学材料膜からなる導波層１１を形成する（図５（ａ））。次に、導波層１１をリッジ状に加工して導波路パターンを形成するため、導波層１１の上面にフォトレジスト３５をスピンコートして硬化させる（図５（ｂ））。さらに、フォトマスク４０を用いてフォトレジスト３５の露光及び現像を行い、これにより導波路パターンに対応するレジストパターン３５ｐを形成する（図５（ｃ），（ｄ））。

上記のように、ウェーハ中央部３０Ａのデバイス形成領域３１Ａ，３１Ｂ内のレジストパターン３５ｐ（第１レジストパターン）の形成にはフォトマスク４０の対称フォトマスク４０Ａが用いられ、ウェーハ外周部３０Ｂのデバイス形成領域３１Ｃ，３１Ｄ内のレジストパターン３５ｐ（第２レジストパターン）の形成にはフォトマスク４０の非対称フォトマスク４０Ｂが用いられる。各デバイス形成領域３１に形成される導波路パターンはマッハツェンダー光導波路２を含み、マッハツェンダー光導波路２は互いに平行な第１及び第２導波路部２ａ，２ｂを含む。対称フォトマスク４０Ａにおいて、第１導波路部２ａに対応するマスク部分の線幅Ｗ_ａ'は、第２導波路部２ｂに対応するマスク部分の線幅Ｗ_ｂ'と等しい（Ｗ_ａ'＝Ｗｂ'）。また、非対称フォトマスク４０Ｂにおいて、第２導波路部２ｂに対応するマスク部分の線幅Ｗｂ'は、第１導波路部２ａに対応するマスク部分の線幅Ｗ_ａ'よりも狭い（Ｗ_ｂ'＜Ｗ_ａ'）。

次に、レジストパターン３５ｐをマスクとして導波層１１をエッチングすることにより、リッジ形状を有する導波路パターンを形成する（図５（ｅ））。エッチング方法としては、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）やイオンミリングを用いることができる。このとき、ウェーハ中央部３０Ａのデバイス形成領域３１Ａ，３１Ｂにはレジストパターン３５ｐ（第１レジストパターン）の線幅に忠実な導波路パターンが形成されるが、ウェーハ外周部３０Ｂのデバイス形成領域３１Ｃ，３１Ｄには、レジストパターン３５ｐ（第２レジストパターン）の線幅よりも太い導波路パターンが形成されやすく、その傾向はウェーハ３０の外周に近いほど顕著である。しかし上記のように、そのような導波路パターンの加工癖を考慮してウェーハの外周側のマスクパターンの線幅を少し細くしているので、加工後の導波路パターンを目標通りの線幅にすることができる。すなわち、ウェーハ中央部３０Ａのデバイス形成領域３１Ａ，３１Ｂのみならず、ウェーハ外周部３０Ｂのデバイス形成領域３１Ｃ，３１Ｄにおいても、第１導波路部２ａの線幅Ｗ_ａと第２導波路部２ｂの線幅Ｗ_ｂを等しくすることができる（Ｗ_ａ＝Ｗ_ｂ）。

その後、第１及び第２導波路部２ａ，２ｂの側面を覆う保護層１２と、第１及び第２導波路部２ａ，２ｂの上面及び保護層１２の上面を覆うバッファ層１３と、バッファ層１３を介して第１及び第２導波路部２ａ，２ｂの上面をそれぞれ覆う第１及び第２信号電極４ａ，４ｂを含む電極層１４を順に形成する（図５（ｆ））。以上により、複数の光変調器１が完成する。

以上説明したように、本実施形態による光変調器１の製造方法は、ウェーハの中央部と外周部とで導波路パターンの形成に使用するマスクパターンを異ならせているので、導波層の加工癖を緩和して同じ線幅の導波路パターンを形成することができる。

図６は、本実施形態による光導波路パターンの形成方法の他の例の説明図である。

図６に示すように、この光導波路パターンの形成方法は、ウェーハ中央部３０Ａからウェーハ外周部３０Ｂに向かってデバイス形成領域３１Ａ〜３１Ｄが設定されている場合に、ウェーハ中央部３０Ａのデバイス形成領域３１Ａ，３１Ｂには対称フォトマスク４０Ａを適用し、デバイス形成領域３１Ｂよりもウェーハ外周側のデバイス形成領域３１Ｃには非対称フォトマスク４０Ｂを適用し、デバイス形成領域３１Ｃよりもさらにウェーハ外周側のデバイス形成領域３１Ｄには非対称性がさらに強い非対称フォトマスク４０Ｃを適用するものである。すなわち、非対称フォトマスク４０Ｃにおける、第１導波路部２ａに対応するマスク部分２ａ'の線幅Ｗ_ａ'に対する第２導波路部２ｂに対応するマスク部分２ｂ'の線幅Ｗ_ｂ'の比Ｗ_ｂ'／Ｗ_ａ'は、非対称フォトマスク４０Ｂにおける、第１導波路部２ａに対応するマスク部分２ａ'の線幅Ｗ_ａ'に対する第２導波路部２ｂに対応するマスク部分２ｂ'の線幅Ｗ_ｂ'の比Ｗ_ｂ'／Ｗ_ａ'よりも小さい。

非対称フォトマスク４０Ｃの第１導波路部２ａに対応するマスク部分２ａ'の線幅Ｗ_ａ'は、非対称フォトマスク４０Ｂの第２導波路部２ｂに対応するマスク部分の線幅Ｗ_ｂ'よりも狭いことが好ましいが、同一の線幅であってもよい。あるいは、非対称フォトマスク４０Ｃの第１導波路部２ａに対応するマスク部分２ａ'の線幅Ｗ_ａ'は、非対称フォトマスク４０Ｂの第１導波路部２ａに対応するマスク部分２ａ'の線幅Ｗ_ａ'と等しくすることも可能である。

本実施形態においても、各デバイス形成領域３１に形成されるマッハツェンダー光導波路の第１及び第２導波路部２ａ，２ｂの線幅をほぼ等しくすることができ、互いに平行な一対のリッジ導波路のリッジ幅のばらつきに起因する光変調器の消光比の悪化を防止することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態においては、一対の光導波路を有するマッハツェンダー光導波路に対して一対の信号電極を設けたデュアル駆動型の光変調器を例に挙げたが、本発明はこのような光変調器に限定されるものではなく、シングル駆動型を含む種々の光変調器を対象とすることができる。

また、上記実施形態においては、基板１０上にエピタキシャル成長させたニオブ酸リチウム膜によって形成された一対の光導波路を有する光変調器を挙げたが、本発明はそのような構造に限定にされず、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛などの電気光学材料により光導波路を形成したものであってもよい。また、導波層１１として、電気光学効果を有する半導体材料、高分子材料などを用いてもよい。

１光変調器
２マッハツェンダー光導波路
２ａ第１導波路部
２ａ' 第１導波路部に対応するマスク部分
２ｂ第２導波路部
２ｂ' 第２導波路部に対応するマスク部分
２ｃ分波部
２ｄ合波部
２ｉ入力導波路部
２ｏ出力導波路部
３ａＲＦ相互作用部
３ｂＤＣ相互作用部
４ａ第１信号電極
４ａ_１第１信号電極の一端
４ａ_２第１信号電極の他端
４ｂ第２信号電極
４ｂ_１第２信号電極の一端
４ｂ_２第２信号電極の他端
５ａ第１バイアス電極
５ｂ_１第１バイアス電極の一端
５ｂ第２バイアス電極
５ｂ_１第２バイアス電極の一端
９ａドライバ回路
９ｂ終端抵抗
９ｃバイアス回路
１０基板
１１導波層
１１ｒリッジ部
１１ｓスラブ部
１２保護層
１３バッファ層
１４電極層
３０ウェーハ
３０Ａウェーハ中央部
３０Ｂウェーハ外周部
３１，３１Ａ〜３１Ｄデバイス形成領域
３５フォトレジスト
３５ｐレジストパターン
４０フォトマスク
４０Ａ対称フォトマスク
４０Ｂ非対称フォトマスク
４０Ｃ非対称フォトマスク

Claims

ウェーハ上に導波層を形成する工程と、
前記導波層をリッジ状に加工して複数の光導波路を形成する工程と、
前記複数の光導波路に対応する複数の電極を形成する工程とを備え、
前記複数の光導波路の各々は、前記ウェーハの第１方向と平行に設けられた第１及び第２導波路部を含み、前記第２導波路部が前記第１導波路部よりも前記第１方向と直交する第２方向における前記ウェーハの外周寄りに位置し、
前記複数の光導波路を形成する工程は、
前記第１及び第２導波路部に対応するマスク部分の線幅が等しい対称フォトマスクを使用して、第１光導波路に対応する第１レジストパターンを形成する工程と、
前記第１及び第２導波路部に対応するマスク部分の線幅が異なる非対称フォトマスクを使用して、前記第１レジストパターンよりも前記第２方向における前記ウェーハの外周寄りに、第２光導波路に対応する第２レジストパターンを形成する工程とを含むことを特徴とする光変調器の製造方法。
前記非対称フォトマスクの前記第２導波路部に対応するマスク部分の線幅は、前記非対称フォトマスクの前記第１導波路部に対応するマスク部分の線幅よりも狭い、請求項１に記載の光変調器の製造方法。
前記第１及び第２導波路部は、マッハツェンダー光導波路を構成し、
前記マッハツェンダー光導波路は、入力導波路部と、前記入力導波路部を伝搬する光を分波する分波部と、前記分波部から延びて互いに平行に設けられた前記第１及び第２導波路部と、前記第１及び第２導波路部を伝搬する光を合波する合波部と、前記合波部から出力される光を伝搬する出力導波路部とを有する、請求項１又は２に記載の光変調器の製造方法。
入力導波路部と、前記入力導波路部を伝搬する光を分波する分波部と、前記分波部から延びて互いに平行に設けられた前記第１及び第２導波路部と、前記第１及び第２導波路部を伝搬する光を合波する合波部と、前記合波部から出力される光を伝搬する出力導波路部とを有するマッハツェンダー光導波路を形成するための第１及び第２マスクパターンを備え、
前記第１マスクパターンは、前記第１導波路部に対応するマスク部分の線幅と前記第２導波路部に対応するマスク部分の線幅が等しく、
前記第２マスクパターンは、前記第１導波路部に対応するマスク部分の線幅と前記第２導波路部に対応するマスク部分の線幅が異なることを特徴とするフォトマスク。
前記第１マスクパターンはウェーハの中央部に配置され、
前記第２マスクパターンは前記マッハツェンダー光導波路の長手方向と直交する方向における前記ウェーハの一方又は他方の外周部に配置される、請求項４に記載のフォトマスク。
前記ウェーハの一方の外周部に配置される前記第２マスクパターンは、前記第２導波路部に対応するマスク部分の線幅が前記第１導波路部に対応するマスク部分の線幅よりも狭く、
前記ウェーハの他方の外周部に配置される前記第２マスクパターンは、前記第１導波路部に対応するマスク部分の線幅が前記第２導波路部に対応するマスク部分の線幅よりも狭い、請求項５に記載のフォトマスク。