JP3602255B2 - 光反射端付きチャンネル導波路及びその製造方法並びにそれを用いた光干渉計 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光反射端付きチャンネル導波路の製造方法に関する。詳しくは、単一モード光導波路において用いる光反射端等に関し、より詳細には、同一基板上に複数作製される相対位置精度の優れた光反射端付きチャンネル導波路の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
平面基板上に作製される単一モード光導波路、特にシリコン基板上に作製可能な石英系ガラス単一モード光導波路は、光ファイバとの整合性に優れており、実用的な導波型光部品の実現手段として期待されている。特に、この光導波路により構成される導波路型光干渉計は、光通信に用いられる光波長フィルタ等の重要な光部品として期待されている。
【０００３】
導波路型光干渉計には、例えば、二光束の干渉計では、図３に示すような導波路長に所望の差を設けた光反射端付き導波路と、これら導波路が接続されている方向性結合器の組み合わせからなる、反射型の光干渉計、いわゆる、マイケルソン型干渉計が知られている。
これ以外にも、２個の方向性結合器とこの方向性結合器を連結した導波路長に所望の差を設けた２本の光導波路の組み合わせからなる、透過型の光干渉計、いわゆるマッハツェンダー型の干渉計がある。
【０００４】
回路サイズのコンパクト化といった観点からは、後述する理由により、反射型の光干渉計の方が有利である。
干渉動作を起こす二本の導波路に所望の光路長差を設けるために、透過型の光干渉計では曲線導波路と直線導波路の組み合わせによる導波路長の差を用いており、反射型の光干渉計では光反射端の位置の差を設けている。
曲線導波路は曲げ半径を小さくすると損失が大きくなるために、曲げ半径の短小化には限界がある。
【０００５】
例えば、比屈折率差０．７５％の導波路ではこの最小曲げ半径は５ｍｍであり、光路長差を与える２本の導波路において、導波路長差が１ｍｍと小さい場合でも、１２．５ｍｍ程度の導波路がこの導波路長差を確保するために必要となる。光反射端の位置にはこの様な制約はない。
このように、導波型光干渉計は、透過型の光干渉計に比較して、回路サイズが大きくなる欠点がある。
【０００６】
反射型の光干渉計では、方向性結合器から光反射端まで接続されている２本の導波路の距離の差によって、干渉特性が決まるので、光反射端の位置を高精度に作製することが重要になる。
更に、光反射端での反射率を高めるため、反射面が平面であり、導波路に対して垂直であることが望ましい。
【０００７】
図４（ａ），（ｂ），（ｃ）に従来の光反射端の構造を示す。図４（ａ）は平面図、同図（ｂ），（ｃ）はそれぞれＧ−Ｇ’線、Ｈ−Ｈ’線に沿った断面図である。
図４に示すように、シリコン基板５上にはチャンネル導波路コア１及びクラッド３よりなる単一モード埋込光導波路を形成し、微細加工技術で露呈させた導波路端面には金属薄膜等の光反射膜４を配置して反射端を構成している。また、図４（ｄ）は、導波路面を露呈させる前の導波路配置の平面図であり、反射端形成位置７にその後反射端が形成される。
【０００８】
このような反射端は、例えば、上述の石英系ガラス単一モード光導波路では、次に述べる方法により作製している。
先ず、図５（ａ）に示すシリコン基板５上に火炎加水分解反応堆積技術と反応性イオンエッチング技術との公知の組み合わせにより、図５（ｂ）に示すように、チャンネル導波路コア１及びクラッド３よりなる単一モード埋込光導波路を形成する。
【０００９】
このとき埋め込まれた導波路は、光反射端形成時の絶対的な位置ズレを考慮して、通常、図４（ｄ）に示すように、光反射端形成位置よりも十分長く作製してある。
次に、図５（ｃ）に示すようにクラッドガラス表面にフォトレジスト６を塗布し、その上に図５（ｄ）に示すように露光により光反射端となるパターンを転写する。
【００１０】
引き続き、図５（ｅ）に示すようにこれをマスクとして光反射端より外側に余計に作製してある導波路も含めた不要部分を反応性イオンエッチング技術により除去し、導波路端面を露呈させる。
更に、図５（ｆ）に示すように、真空蒸着技術により金属薄膜等よりなる光反射膜４をこの導波路端面に形成する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した方法により光反射端を作製する場合には、次のような問題があった。
即ち、露光工程において、導波路コア１が配置されている部分では、コア１のレンズ効果により導波路コア側の上の部分のレジスト露光量は、クラッド側の上の部分よりも若干大きくなる。
【００１２】
よって、光反射端のパターン境界部には導波路コア１が垂直に配置されていると、このパターン境界部近傍で境界線に沿った方向の露光強度も変化する。
この結果、露光される部分のレジストと露光されない部分のレジストの境界線が、例えば、ポジレジストを用いた場合、遮光パターン側から見ると、導波路コアの上の部分でやや凹になる。
【００１３】
また、エッチング工程において、コア部分のガラスとクラッド部分のガラスではガラスの成分が異なるために、エッチングレートが僅かに異なり、エッチング面にズレが生じる。これによっても、導波路はコア端面に僅かな突起が生じる。
また、埋め込み用のクラッドガラス厚が薄い導波路の場合、ガラス表面が埋め込んだコアの形を反映した起伏があり、これによっても、導波路コア近傍端面に僅かな突起が生じる。
【００１４】
これらの様に凹凸や突起の大きさは実際には一つ一つの導波路コアによって微妙に異なるため、この端面を使って光反射端を形成した場合、反射端の相対的な位置ズレとなり、設計通りの正確な光路長差が設けられた光干渉計を作製することが困難であった。
【００１５】
本発明は、上記従来技術に鑑みて成されたものであり、所望の特性を持つ導波路型光干渉計を作製するために、相対的な位置が正確な光反射端付きチャンネル導波路を提供することを目的とするものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
斯かる目的を達成する本発明の請求項１に係る光反射端付きチャンネル導波路の製造方法は、基板上に設けられ、伝搬する光を反射する光反射端付きチャンネル導波路であって、前記チャンネル導波路の端部に光学的に接続されたスラブ導波路の前記チャンネル導波路に対向する端面に光反射端を設けた光反射端付きチャンネル導波路を製造する方法において、基板上のチャンネル導波路に接続するスラブ導波路表面に塗布されたフォトレジスト上に露光により反射端となるパターンを転写する工程と、該パターンをマスクとして前記スラブ導波路の不要部分を除去してスラブ導波路端面を露呈させる工程と、該スラブ導波路端面に光反射膜を形成する工程とを含むことを特徴とする。
【００１７】
上記目的を達成する本発明の請求項２に係る光反射端付きチャンネル導波路の製造方法は、基板上に設けられ、伝搬する光を反射する光反射端付きチャンネル導波路であって、前記チャンネル導波路の延長線上に前記チャンネル導波路と隔てて光反射端が設けられ、前記チャンネル導波路と前記光反射端との隙間に前記チャンネル導波路のクラッド層が介在する光反射端付きチャンネル導波路を製造する方法において、
基板上のチャンネル導波路に接続するクラッド層のみの領域表面に塗布されたフォトレジスト上に露光により反射端となるパターンを転写する工程と、該パターンをマスクとして前記領域の不要部分を除去してクラッド端面を露呈させる工程と、該クラッド端面に光反射膜を形成する工程とを含むことを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の光反射端付きチャンネル導波路は、チャンネル導波路１の終端に反射膜が形成されているのではなく、チャンネル導波路１の終端にスラブ導波路２又はクラッド層のみの領域３を設け、このスラブ導波路２或いはクラッド層のみの領域３に反射端を形成したものである。
【００２３】
そのため、パターン境界近傍部で境界線方向にコア導波路等の構造の変化がなく、境界線方向に対して一様であるので、前記露光工程或いはエッチング工程において、従来技術で述べたような導波路コア端面に凹凸や突起は生じない。
【００２４】
そのため、この光反射端を用いた光干渉計では、高精度の光路長差を設けることができるため、透過中心波長のバラツキの低減やクロストークの低減を図ることが可能となる。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明について、図面に示す実施例を参照して詳細に説明する。以下の実施例は、光導波路としてシリコン基板上に形成した石英系単一モード光導波路を使用した光反射端に適用した例である。それは、この組み合わせが単一モード光導波路との接続に優れているためである。但し、本発明は、これらの組み合わせに限定されるものではない。
【００２６】
〔実施例１〕
本発明の第一の実施例に係る光反射端付きチャンネル導波路の構造を図１（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示す。図１（ａ）は平面図、同図（ｂ），（ｃ），（ｄ）はそれぞれＡ−Ａ'，Ｂ−Ｂ'，Ｃ−Ｃ'に沿った断面図である。図１（ｅ）は、導波路端を露出する前の導波路配置の平面図である。
【００２７】
本実施例は、チャンネル導波路１の終端に反射膜が形成されているのではなく、チャンネル導波路１の終端にスラブ導波路２を配置し、このスラブ導波路２に反射端を形成したものである。
【００２８】
即ち、シリコン基板５上にはチャンネル導波路コア１及びクラッド３よりなる光導波路が形成され、そのチャンネル導波路１の終端にはスラブ導波路２が配置されると共にそのスラブ導波路２に金属薄膜等の光反射膜４が配置されて反射端が構成されている。
【００２９】
本実施例では、反射端境界部において、導波路がスラブ導波路２であり、境界線方向に一様性があるため、図５（ａ）〜（ｆ）に示すように、露光により反射端となるパターンを転写する工程や反応性イオンエッチング技術により反射端面を露呈させる工程において、従来技術で述べたような反射端面での凹凸や突起は生じなかった。尚、図１（ｅ）に示すように、反射端形成位置７にその後反射端が形成される。
【００３０】
また、後述する実施例では、反射端直前の導波路構造はコアの無い構造であるのに比較して、本実施例の導波構造はスラブ導波路２であり、シリコン基板５に垂直な方向には光が閉じ込められているので、コアの無い構造によりも損失的には有利である。
【００３１】
〔実施例２〕
本発明の第二の実施例に係る反射型二光束干渉計を図３に示す。本実施例の反射型二光束干渉計は、図１に示す光反射端を用いたものである。
本実施例の反射型二光束干渉計は、直径４インチのシリコン基板５上に従来と同様火炎堆積技術と反応性イオンエッチング技術の組み合わせにより、石英系光導波路２１ａ，２１ｂ，２３ａ，２３ｂを作製し、真空蒸着法及び化学エッチングにより所望の位置に反射膜を作製したものである。
【００３２】
コアの断面寸法は、６μｍ角であり、コアとクラッドとの比屈折率差は０．７５％である。反射膜にはＡｌを用いた。スラブ導波路の導波方向の長さは５μｍとした。また、方向性結合器２２から各反射端構造部２４ａ，２４ｂ迄の遅延線導波路２３ａ，２３ｂの実質的な長さの差ΔＬは８２８μｍとした。
入力導波路２１ａから出力導波路２１ｂへ抜ける光の波長間隔（ＦＳＲ）Δλは、Δλ＝λ^２／２ｎΔＬで表され、出力導波路２１ｂへの透過波長はλ＝２ｎΔＬ／ｍ（ｍ：整数）である。
【００３３】
ここで、ｎは導波路の実効屈折率であり、今回用いた導波路では１．４５１である。
よってこの式から、今回の回路の波長間隔は、１ｎｍであり、例えば、１５５０．２３ｎｍの光が出力導波路２１ｂへ透過する。
【００３４】
従来技術に係る光反射端を用いて、同様な反射型二光束干渉計を作製した場合、透過光の中心波長は０．２ｎｍ程度のバラツキがあったが、本実施例では、透過光の中心波長のバラツキは殆ど見られず、従来のものに比べて１０分の１以下となり、安定した値が得られた。
尚、導波方向の長さ５μｍのスラブ導波路を入れることによる過剰損は０．１ｄＢと小さかった。
【００３５】
〔実施例３〕
本発明の第三の実施例に係る光反射端付きチャンネル導波路の構造を図２（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示す。図２（ａ）は平面図、同図（ｂ），（ｃ），（ｄ）はそれぞれＡ−Ａ'，Ｂ−Ｂ'，Ｃ−Ｃ'に沿った断面図である。図２（ｅ）は、導波路端を露出する前の導波路配置の平面図である。
【００３６】
本実施例は、チャンネル導波路１の終端に反射膜が形成されているのではなく、チャンネル導波路１の終端にコア層のないクラッド層のみの領域３を設け、このクラッド層のみの領域３に反射端を形成したものである。
【００３７】
即ち、シリコン基板５上にはチャンネル導波路コア１及びクラッド３よりなる光導波路が形成され、そのチャンネル導波路１の終端にはコア層のないクラッド層のみの領域３が配置されると共にそのクラッド層のみの領域３に金属薄膜等の光反射膜４が配置されて反射端が構成されている。
【００３８】
本実施例でも、前述した第一の実施例と同様に、反射端境界部において、導波路がスラブ導波路２であり、境界線方向に一様性があるため、図５（ａ）〜（ｆ）に示すように、露光により反射端となるパターンを転写する工程や反応性イオンエッチング技術により反射端面を露呈させる工程において、従来技術で述べたような反射端面での凹凸や突起は生じなかった。尚、図２（ｅ）に示すように、反射端形成位置７にその後反射端が形成される。
【００３９】
また、前述した第一の実施例に比べて、反射端直前の導波構造はコアの無い構造であり、基板５に垂直な方向には光の閉じ込めは全く無いので、スラブ導波路を用いた構造に比較して、損失的には不利である。
【００４０】
〔実施例４〕
本発明の第四の実施例に係る反射型二光束干渉計を図３に示す。本実施例の反射型二光束干渉計は、図２に示す光反射端を用いたものである。
本実施例の反射型二光束干渉計の回路諸元は、コア導波路端と反射面の導波路の距離を５μｍとした以外は、前述した第二の実施例と同様である。
【００４１】
本実施例の反射型二光束干渉計でも、透過光の中心波長のバラツキは殆ど見られず、従来のものに比べて１０分の１以下となり、安定した値が得られた。
尚、コア層のないクラッド層のみの領域３を５μｍ入れることによる過剰損は０．３ｄＢと小さかった。
【００４２】
〔実施例５〕
本発明の第五の実施例に係る光反射端を適用した多光束干渉計の構造を図６に示す。図６は平面図である。
本実施例の多光束干渉計は、反射型アレイ導波路格子合分波器とも言われ、複数本の入出力導波路３１、スラブ導波路３２、光路長が各々異なるアレイ導波路３３、反射端３４を順に接続してなるものである。
【００４３】
任意の一つの入出力導波路３１から入射された光は、スラブ導波路３２によりアレイ導波路３３に分配される。分配された光は、光反射端３４で反射され、アレイ導波路３３で所望の遅延を受けて、再びスラブ導波路３２に戻る。戻ってきた光は、スラブ導波路３２で所望の干渉を起こし、光の波長に応じて所望の入出力導波路３１に集光されて、光が複数の入出力導波路３１に分波される。
このように、本実施例では、多数の光の干渉を起こし、複数の波長に分波される点が、第二，第四の実施例とは異なる。
【００４４】
導波路長差のズレは、第二，第四の実施例で示した二光束干渉計では、透過光（通過域）の中心波長のズレとなって表れていたが、多光束干渉計では、これ以外に、阻止域での光出力レベル上昇、即ち、ストロークの劣化となって表れてくる。このために、多光束干渉計では、より厳しく光路長差の精度が要求される。
【００４５】
本実施例の反射型多光束干渉計に適用した光反射端の諸元は、第一の実施例と同様である。６４本のアレイ導波路３３には、各々６４．７μｍの導波路長差を付けた。集光される光は１００ＧＨｚ間隔で、１６本の入出力導波路３１に分波されるように設計した。
【００４６】
回路サイズは、３０ｍｍ×１０ｍｍであった。これは、透過型のアレイ導波路格子合分波器の回路サイズ２６ｍｍ×４０ｍｍに比べて、面積比で約３分の１であり、反射型の特徴であるコンパクトな回路が実現できた。
従来技術に係る反射端を用いて、同様な反射型多光束干渉計を作製した場合、阻止域での光出力レベル（クロストーク）は、−１２ｄＢ程度であり、まともな特性は得られなかった。
【００４７】
本実施例では、阻止域での光出力レベル（クロストーク）は、−３０ｄＢであり、かなりの特性向上が見られた。これは、アレイ導波路それぞれの導波路の 光反射端の相対位置が高精度に作成されていることによるものである。
尚、前述した第三の実施例に係る光反射端を、本実施例の反射型多光束干渉計に適用することもでき、そのときのコア層のないクラッド層のみの領域を５μｍ入れたことによる過剰損は０．１ｄＢであり小さかった。
【００４８】
上記第一、第三の実施例におけるスラブ導波路２、クラッド層のみの領域３の導波方向の長さ及び第五の実施例におけるコア導波路端と反射面の導波路の距離は、損失の観点から見れば、短い方が好ましいが、極端に短い場合にはチャンネル導波路コア１の影響が生じるので、最終的にはこれら両方を勘案して決定することが望ましい。
【００４９】
また、上記実施例では、シリコン基板上の石英系ガラスを基本とする光反射端を用いた例について説明したが、導波型の光干渉計を構成しうる他の材料、例えば、プラスチック光導波路やイオン拡散型導波路、更には、ニオブ酸リチウム系導波路などにも、本発明を適用できることを付記する。
尚、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変更しうることは言うまでもない。
【００５０】
【発明の効果】
以上、実施例に基づいて具体的に説明したように、本発明では、相対位置精度に優れた光反射端付きチャンネル導波路を提供することができ、よって、この光反射端付きチャンネル導波路を用いて反射型光干渉計を作成した場合、従来の構造の光反射端を用いた反射型光干渉計と比べて、高精度の光路長差を設けることができ、透過中心波長のバラツキの低減やクロストークの低減等を図ることができた。特に、本発明は、回路サイズの小型化が可能である導波路を用いた反射型光干渉計を実現化する上で極めて効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施例に係る光反射端付きチャンネル導波路の構造を示す説明図である。
【図２】本発明の第三の実施例に係る光反射端付きチャンネル導波路の構造を示す説明図である。
【図３】本発明の第二，第四の実施例に係る反射型二光束干渉計（マイケルソン干渉計）の構造を示す説明図である。
【図４】従来の光反射端の構造を示す説明図である。
【図５】従来の光反射端を作成する工程を示す工程図である。
【図６】反射型多光束干渉計（反射型アレイ導波路格子）を示す説明図である。
【符号の説明】
１ チャンネル導波路コア
２ スラブ導波路コア
３ クラッド
４ 光反射膜
５ シリコン基板
６ フォトレジスト
７ 反射端形成位置
２１ａ 入力導波路
２１ｂ 出力導波路
２２ 方向性結合器
２３ａ，２３ｂ 遅延線導波路
２４ａ，２４ｂ 反射端構造
３１ 入出力導波路
３２ スラブ導波路
３３ アレイ導波路（遅延線導波路）
３４ 反射端構造

Claims (2)

1. 基板上に設けられ、伝搬する光を反射する光反射端付きチャンネル導波路であって、前記チャンネル導波路の端部に光学的に接続されたスラブ導波路の前記チャンネル導波路に対向する端面に光反射端を設けた光反射端付きチャンネル導波路を製造する方法において、
   基板上のチャンネル導波路に接続するスラブ導波路表面に塗布されたフォトレジスト上に露光により反射端となるパターンを転写する工程と、
   該パターンをマスクとして前記スラブ導波路の不要部分を除去してスラブ導波路端面を露呈させる工程と、
   該スラブ導波路端面に光反射膜を形成する工程とを含むことを特徴とする光反射端付きチャンネル導波路の製造方法。
2. 基板上に設けられ、伝搬する光を反射する光反射端付きチャンネル導波路であって、前記チャンネル導波路の延長線上に前記チャンネル導波路と隔てて光反射端が設けられ、前記チャンネル導波路と前記光反射端との隙間に前記チャンネル導波路のクラッド層が介在する光反射端付きチャンネル導波路を製造する方法において、
   基板上のチャンネル導波路に接続するクラッド層のみの領域表面に塗布されたフォトレジスト上に露光により反射端となるパターンを転写する工程と、
   該パターンをマスクとして前記領域の不要部分を除去してクラッド端面を露呈させる工程と、
   該クラッド端面に光反射膜を形成する工程とを含むことを特徴とする光反射端付きチャンネル導波路の製造方法。

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