JP3613413B2 - 導波路用ブラッグ反射器の作製方法及び得られた製品 - Google Patents
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Description
【０００１】
【本発明の分野】
本発明は光デバイスの作製方法、より具体的には、導波路用ブラッグ反射器の作製方法に係る。本方法はシリカ導波路のための広帯域ブラッグ反射器の作製において、特に有用である。
【０００２】
【本発明の背景】
様々な構成のプレーナ光導波路から成る光デバイスは、光通信システムにおいて、大きな約束がされている。たとえば、シリカ導波路は各種の受動集積光回路に構成され、ハイブリッド集積回路を作製するために、要素がつけ加えられる。ファイバデバイスに比べプレーナ導波路の利点は、多くの電子的集積回路が作られるように、単一の工程で、多くの同一のデバイス及び回路を作製するために、フォトリソグラフィが使用できることである。
【０００３】
ブラッグ反射器フィルタは、ドロップフィルタ、波長分割マルチプレクサ及びデマルチプレクサを含む各種の集積光回路で、有用である。典型的なブラッグフィルタは、摂動距離の２倍の波長をもつ光を反射するため、その長さに沿って、屈折率に周期的な摂動を有する一定の長さの光導波路を有する。摂動は導波路、そのクラッド又は両方に、物理的なノッチを入れる形をとるか、導波路材料中に光で導入できる。
【０００４】
ブラッグ反射器フィルタの作製における難点は、光通信の対象となる波長に対して必要な微細な形状寸法に原因がある。摂動に必要な形状の寸法（〜０．２５ミクロン）は、フォトリソグラフィのために、現在の技術の深ＵＶステッパ又はホログラフィ又はｅ−ビーム描画のような進んだ非リソグラフィプロセスを、必要とする。前者の方式はきわめて高価な装置を必要とし、後者の方式はフォトリソグラフィに固有の並行プロセスの利点を、犠牲にする。従って、ブラッグ反射器の作製のための改善されたプロセスが、必要とされる。
【０００５】
【本発明の要約】
導波路ブラッグ反射器は、下部クラッド又はコア中に、周期的な溝を形成し、溝表面上に高屈折率被膜を形成し、垂直面上には被膜を残したまま、水平面から選択的に被膜を除去することにより、作製される。次に、導波路を完成させる。
【０００６】
【詳細な記述】
図面を参照すると、図１は導波路ブラッグ反射器を作製する好ましい方法の、概略ブロックダイヤグラムである。図１のブロックＡに示された第１の工程は、下部クラッド層を含む基板の準備である。対応する構造が図２に概略的に示されており、ここで基板２０はたとえばシリコン又はシリカでよく、下部クラッド２１は二酸化シリコンが好ましい。酸化物下部クラッドはシリコンの酸化、フレーム加水分解又は低圧化学気相堆積（ＬＰＣＶＤ）により形成するのが好ましい。典型的な下部クラッド厚は、１５−３０μｍの範囲である。
【０００７】
図１のブロックＢで示された次の工程は、導波路コア層を、堆積させることである。コアは屈折率を増すために、リン又はゲルマニウムをドープしたシリカが好ましい。コアの屈折率は下部クラッドの屈折率より、高くすべきである。図３は下部クラッド基板上に追加されたコア層３０を示す。コア層の好ましい厚さは、３−９μｍの範囲である。
【０００８】
図１−ブロックＣはコア中に周期的な溝を形成することを含む。溝は導波路コア層とコア層に垂直な垂直面に平行に延びる水平面を有する。溝はフォトリソグラフィで露出され、好ましくは本質的に垂直な面を作るため、イオン補助プラズマエッチングを用いて、エッチングされる。図４は垂直壁４０及び水平基盤４１を有するコア層３０中に形成された溝を示す。エッチングの深さは、０．２５−１．０μｍの範囲が好ましい。周期的な溝は、所望の最終的なブラッグ反射周期の２倍のエッチングされた波形周期を有する波形回折格子を、形成する。波形の周期に対するリッジ幅の比で定義されるデューティサイクルは、１より小さいと、有利である。
【０００９】
図１中のブロックＤで示された次の工程は、溝の幅の２５％より小さい厚さを有する高屈折率材料の適合層で、溝表面を被覆することである。被覆層はコアより大きな屈折率をもつ必要があり、１．８−２．５の範囲が好ましい。その厚さは溝幅の５％以下、好ましくは１％以下が有利である。好ましい高屈折率材料はシリコン窒化物Ｓｉ３ Ｎ４ で、それはＬＰＣＶＤにより薄い適合被膜に形成できる。図５は垂直壁４０及び水平基盤４１の両方の上に堆積させた高屈折率被膜５０を有する得られた構造を示す。
【００１０】
図１のブロックＥで示された次の工程は、コア層に平行な水平面から、高屈折率被膜を選択的に除去し、直角な垂直面上の被膜は残すことである。これは反応性イオンエッチングにより、行うと有利である。
【００１１】
得られた構造が、図６に示されている。この構造はこの段階で、２つのブラッグ反射器を含む。第１のものは、高屈折率被膜の垂直なシートで形成された高デューティサイクル、高屈折率ブラッグ反射器で、第２のものは酸化物及び空気の間に形成された二次の反射器である。第１の反射器において、垂直シートは溝の周波数の２倍で生じる。被覆前にリッジは、壁上に堆積させた被膜の厚さに対応させるため、細長いくぼみより、わずかに狭いと有利である。
【００１２】
ブロックＦで示されるように、導波路の横方向の寸法は、この段階では、フォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチングにより規定するのが、便利である。得られた導波路は、光の伝搬に対し横方向の両方の寸法が、このように規定され、最上部又は底部クラッド界面上に、ブラッグ反射器を有する。
【００１３】
図１のブロックＧは溝を満し、構造を不活性化するため、上部クラッドを形成する最終工程を示す。クラッドはＬＰＣＶＤにより堆積させたホウ素及びリンドープ二酸化シリコンが好ましい。外部クラッド７０が堆積されていることが、図７に示されている。
【００１４】
このプロセスの１つの利点は、１．５μｍ波長の光に対するガラス中のブラッグ反射器が、０．５ミクロン分解能フォトリソグラフィ及び充填により、作製可能なことである。０．５ミクロンパターンは、現在の０．２５ミクロンパターン技術に必要な経費を伴わず、従来の技術を用いて制御できる。
【００１５】
もう１つの利点は、垂直シートが同じ強度及び波長依存性でＴＥ及びＴＭ偏光を反射することで、それによってシートのブラッグ反射器は、シート材料の高屈折率にもかかわらず、ほとんど偏光に依存しない。
【００１６】
あるいは、溝はコアより、下部クラッド層中にエッチングし、被覆することができる。図８は別のプロセスのブロックダイヤグラムで、この場合第１の工程（ブロックＡ）は形成すべき導波路の縦方向に延びる下部クラッド層を含む基板を、準備することである。ブロックＢ中の第２の工程は、コア層ではなく、下部クラッド層中に周期的な溝をエッチングすることである。次の工程は垂直面上の被膜を残したまま（ブロックＤ）、水平面から被膜をエッチング除去するため、高屈折率被膜で溝表面を被覆すること（ブロックＣ）である。次に、溝はクラッド材料で充填する（ブロックＥ）。次に、導波路コア層を充填された溝上に堆積させることができ、横方向寸法が規定できる（ブロックＦ）。導波路デバイスは、従来の方式で完成させられる。
【００１７】
具体例として、上部クラッドを形成した二次のブラッグ反射器は、露出させ、下部クラッド・アンドープ酸化物層中に、１ミクロンの深さまで、エッチングした。次に、溝表面は２３０ のＳｉ３ Ｎ４ で被覆し、次にＳｉ３ Ｎ４ 被覆側壁を残し、反応性イオンエッチングにより、垂直にエッチングした。次に、回折格子はホウ素及びリンドープシリコン酸化物（Ｂ：Ｐ：ＴＥＯＳ）で充填した。次に、３ミクロン・リンドープコア層を堆積させ、導波路形態を、第２のフォトリソグラフィ工程で規定し、２．７×５ミクロンコアを残した。構造全体を、８ミクロンのＢ：Ｐ：ＴＥＯＳ上部クラッドで完成させた。１．５５ミクロン波長の照射下で、デバイスはＴＥ及びＴＭ偏光の両方を、同一モードで反射した。
【００１８】
図９は中央で切断し、ファイバに接したデバイスについて行ったスペクトル反射測定を示す。測定された外部反射率は、ファイバの基本モードとデバイスとの間の結合損のため、５０％だけである。しかし、反射通過帯域は最高部でほぼ平坦で、これはブラッグ反射器の１００％内部反射率に対応する。反射器の３ｄＢ幅は、９０オングストロームである。
【００１９】
ここで述べたプロセスの方法により、多くの受動光用途で有用となる可能性をもつ均一で、偏光に依存せず、適度な広帯域反射フィルタが生じる。これらのデバイスのプロセスには、０．５ミクロンフォトリソグラフィ分解能のみが、必要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】導波部ブラッグ反射器を作製する好ましい方法の工程をブロックダイヤグラムで示す図である。
【図２】作製の各種段階における導波路ブラッグ反射器を概略的に示す図である。
【図３】作製の各種段階における導波路ブラッグ反射器を概略的に示す図である。
【図４】作製の各種段階における導波路ブラッグ反射器を概略的に示す図である。
【図５】作製の各種段階における導波路ブラッグ反射器を概略的に示す図である。
【図６】作製の各種段階における導波路ブラッグ反射器を概略的に示す図である。
【図７】作製の各種段階における導波路ブラッグ反射器を概略的に示す図である。
【図８】コア中でなく、下部クラッド中に溝が作られる図１のプロセスの別の形を示す図である。
【図９】図８のプロセスに従って作られる反射器の伝達特性を、グラフで示す図である。
【符号の説明】
２０ 基板
２１ 下部クラッド
３０ コア層
４０ 垂直壁
４１ 水平基盤
５０ 高屈折率被膜
７０ 外部クラッド
【本発明の分野】
本発明は光デバイスの作製方法、より具体的には、導波路用ブラッグ反射器の作製方法に係る。本方法はシリカ導波路のための広帯域ブラッグ反射器の作製において、特に有用である。
【０００２】
【本発明の背景】
様々な構成のプレーナ光導波路から成る光デバイスは、光通信システムにおいて、大きな約束がされている。たとえば、シリカ導波路は各種の受動集積光回路に構成され、ハイブリッド集積回路を作製するために、要素がつけ加えられる。ファイバデバイスに比べプレーナ導波路の利点は、多くの電子的集積回路が作られるように、単一の工程で、多くの同一のデバイス及び回路を作製するために、フォトリソグラフィが使用できることである。
【０００３】
ブラッグ反射器フィルタは、ドロップフィルタ、波長分割マルチプレクサ及びデマルチプレクサを含む各種の集積光回路で、有用である。典型的なブラッグフィルタは、摂動距離の２倍の波長をもつ光を反射するため、その長さに沿って、屈折率に周期的な摂動を有する一定の長さの光導波路を有する。摂動は導波路、そのクラッド又は両方に、物理的なノッチを入れる形をとるか、導波路材料中に光で導入できる。
【０００４】
ブラッグ反射器フィルタの作製における難点は、光通信の対象となる波長に対して必要な微細な形状寸法に原因がある。摂動に必要な形状の寸法（〜０．２５ミクロン）は、フォトリソグラフィのために、現在の技術の深ＵＶステッパ又はホログラフィ又はｅ−ビーム描画のような進んだ非リソグラフィプロセスを、必要とする。前者の方式はきわめて高価な装置を必要とし、後者の方式はフォトリソグラフィに固有の並行プロセスの利点を、犠牲にする。従って、ブラッグ反射器の作製のための改善されたプロセスが、必要とされる。
【０００５】
【本発明の要約】
導波路ブラッグ反射器は、下部クラッド又はコア中に、周期的な溝を形成し、溝表面上に高屈折率被膜を形成し、垂直面上には被膜を残したまま、水平面から選択的に被膜を除去することにより、作製される。次に、導波路を完成させる。
【０００６】
【詳細な記述】
図面を参照すると、図１は導波路ブラッグ反射器を作製する好ましい方法の、概略ブロックダイヤグラムである。図１のブロックＡに示された第１の工程は、下部クラッド層を含む基板の準備である。対応する構造が図２に概略的に示されており、ここで基板２０はたとえばシリコン又はシリカでよく、下部クラッド２１は二酸化シリコンが好ましい。酸化物下部クラッドはシリコンの酸化、フレーム加水分解又は低圧化学気相堆積（ＬＰＣＶＤ）により形成するのが好ましい。典型的な下部クラッド厚は、１５−３０μｍの範囲である。
【０００７】
図１のブロックＢで示された次の工程は、導波路コア層を、堆積させることである。コアは屈折率を増すために、リン又はゲルマニウムをドープしたシリカが好ましい。コアの屈折率は下部クラッドの屈折率より、高くすべきである。図３は下部クラッド基板上に追加されたコア層３０を示す。コア層の好ましい厚さは、３−９μｍの範囲である。
【０００８】
図１−ブロックＣはコア中に周期的な溝を形成することを含む。溝は導波路コア層とコア層に垂直な垂直面に平行に延びる水平面を有する。溝はフォトリソグラフィで露出され、好ましくは本質的に垂直な面を作るため、イオン補助プラズマエッチングを用いて、エッチングされる。図４は垂直壁４０及び水平基盤４１を有するコア層３０中に形成された溝を示す。エッチングの深さは、０．２５−１．０μｍの範囲が好ましい。周期的な溝は、所望の最終的なブラッグ反射周期の２倍のエッチングされた波形周期を有する波形回折格子を、形成する。波形の周期に対するリッジ幅の比で定義されるデューティサイクルは、１より小さいと、有利である。
【０００９】
図１中のブロックＤで示された次の工程は、溝の幅の２５％より小さい厚さを有する高屈折率材料の適合層で、溝表面を被覆することである。被覆層はコアより大きな屈折率をもつ必要があり、１．８−２．５の範囲が好ましい。その厚さは溝幅の５％以下、好ましくは１％以下が有利である。好ましい高屈折率材料はシリコン窒化物Ｓｉ３ Ｎ４ で、それはＬＰＣＶＤにより薄い適合被膜に形成できる。図５は垂直壁４０及び水平基盤４１の両方の上に堆積させた高屈折率被膜５０を有する得られた構造を示す。
【００１０】
図１のブロックＥで示された次の工程は、コア層に平行な水平面から、高屈折率被膜を選択的に除去し、直角な垂直面上の被膜は残すことである。これは反応性イオンエッチングにより、行うと有利である。
【００１１】
得られた構造が、図６に示されている。この構造はこの段階で、２つのブラッグ反射器を含む。第１のものは、高屈折率被膜の垂直なシートで形成された高デューティサイクル、高屈折率ブラッグ反射器で、第２のものは酸化物及び空気の間に形成された二次の反射器である。第１の反射器において、垂直シートは溝の周波数の２倍で生じる。被覆前にリッジは、壁上に堆積させた被膜の厚さに対応させるため、細長いくぼみより、わずかに狭いと有利である。
【００１２】
ブロックＦで示されるように、導波路の横方向の寸法は、この段階では、フォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチングにより規定するのが、便利である。得られた導波路は、光の伝搬に対し横方向の両方の寸法が、このように規定され、最上部又は底部クラッド界面上に、ブラッグ反射器を有する。
【００１３】
図１のブロックＧは溝を満し、構造を不活性化するため、上部クラッドを形成する最終工程を示す。クラッドはＬＰＣＶＤにより堆積させたホウ素及びリンドープ二酸化シリコンが好ましい。外部クラッド７０が堆積されていることが、図７に示されている。
【００１４】
このプロセスの１つの利点は、１．５μｍ波長の光に対するガラス中のブラッグ反射器が、０．５ミクロン分解能フォトリソグラフィ及び充填により、作製可能なことである。０．５ミクロンパターンは、現在の０．２５ミクロンパターン技術に必要な経費を伴わず、従来の技術を用いて制御できる。
【００１５】
もう１つの利点は、垂直シートが同じ強度及び波長依存性でＴＥ及びＴＭ偏光を反射することで、それによってシートのブラッグ反射器は、シート材料の高屈折率にもかかわらず、ほとんど偏光に依存しない。
【００１６】
あるいは、溝はコアより、下部クラッド層中にエッチングし、被覆することができる。図８は別のプロセスのブロックダイヤグラムで、この場合第１の工程（ブロックＡ）は形成すべき導波路の縦方向に延びる下部クラッド層を含む基板を、準備することである。ブロックＢ中の第２の工程は、コア層ではなく、下部クラッド層中に周期的な溝をエッチングすることである。次の工程は垂直面上の被膜を残したまま（ブロックＤ）、水平面から被膜をエッチング除去するため、高屈折率被膜で溝表面を被覆すること（ブロックＣ）である。次に、溝はクラッド材料で充填する（ブロックＥ）。次に、導波路コア層を充填された溝上に堆積させることができ、横方向寸法が規定できる（ブロックＦ）。導波路デバイスは、従来の方式で完成させられる。
【００１７】
具体例として、上部クラッドを形成した二次のブラッグ反射器は、露出させ、下部クラッド・アンドープ酸化物層中に、１ミクロンの深さまで、エッチングした。次に、溝表面は２３０ のＳｉ３ Ｎ４ で被覆し、次にＳｉ３ Ｎ４ 被覆側壁を残し、反応性イオンエッチングにより、垂直にエッチングした。次に、回折格子はホウ素及びリンドープシリコン酸化物（Ｂ：Ｐ：ＴＥＯＳ）で充填した。次に、３ミクロン・リンドープコア層を堆積させ、導波路形態を、第２のフォトリソグラフィ工程で規定し、２．７×５ミクロンコアを残した。構造全体を、８ミクロンのＢ：Ｐ：ＴＥＯＳ上部クラッドで完成させた。１．５５ミクロン波長の照射下で、デバイスはＴＥ及びＴＭ偏光の両方を、同一モードで反射した。
【００１８】
図９は中央で切断し、ファイバに接したデバイスについて行ったスペクトル反射測定を示す。測定された外部反射率は、ファイバの基本モードとデバイスとの間の結合損のため、５０％だけである。しかし、反射通過帯域は最高部でほぼ平坦で、これはブラッグ反射器の１００％内部反射率に対応する。反射器の３ｄＢ幅は、９０オングストロームである。
【００１９】
ここで述べたプロセスの方法により、多くの受動光用途で有用となる可能性をもつ均一で、偏光に依存せず、適度な広帯域反射フィルタが生じる。これらのデバイスのプロセスには、０．５ミクロンフォトリソグラフィ分解能のみが、必要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】導波部ブラッグ反射器を作製する好ましい方法の工程をブロックダイヤグラムで示す図である。
【図２】作製の各種段階における導波路ブラッグ反射器を概略的に示す図である。
【図３】作製の各種段階における導波路ブラッグ反射器を概略的に示す図である。
【図４】作製の各種段階における導波路ブラッグ反射器を概略的に示す図である。
【図５】作製の各種段階における導波路ブラッグ反射器を概略的に示す図である。
【図６】作製の各種段階における導波路ブラッグ反射器を概略的に示す図である。
【図７】作製の各種段階における導波路ブラッグ反射器を概略的に示す図である。
【図８】コア中でなく、下部クラッド中に溝が作られる図１のプロセスの別の形を示す図である。
【図９】図８のプロセスに従って作られる反射器の伝達特性を、グラフで示す図である。
【符号の説明】
２０ 基板
２１ 下部クラッド
３０ コア層
４０ 垂直壁
４１ 水平基盤
５０ 高屈折率被膜
７０ 外部クラッド
Claims (10)
- 下部クラッド層を含む基板を準備する工程、縦方向に延びる導波路コア層を形成する工程、コア中に平行な表面（４１）及び垂直な表面（４０）をもつ周期的な溝をエッチングする工程及び外部クラッド層を形成する工程を含む光導波路ブラッグ反射器の作製方法において、
前記垂直表面（４０）は溝幅の２５％以下の厚さと、コア材料より高い屈折率を有する材料の層で、選択的に被覆され、前記垂直表面は、溝表面を被覆し、前記平行表面（４１）から選択的に被膜を除去することにより、選択的に被覆されることを特徴とする改善された方法。 - 前記溝表面は低圧化学気相堆積により、被覆される請求項１記載の改善された方法。
- 材料の前記層は、溝幅の５％以下の厚さを有する請求項１記載の改善された方法。
- 前記被覆層の前記材料は、１．８ないし２．５の範囲の屈折率を有する請求項１記載の改善された方法。
- 前記被覆層はシリコン窒化物である請求項１記載の改善された方法。
- 請求項１、２、３、４、又は５のプロセスにより作られた光導波路ブラッグ反射器。
- 平行方向に延びた下部クラッド層を含む基板を準備する工程、下部クラッド中に、平行（４１）及び垂直（４０）表面を有する周期的溝をエッチングする工程、導波路コアを形成する工程及び外部クラッド層を形成する工程を含む光導波路ブラッグ反射器の作製方法において、
前記垂直表面（４０）は溝幅の２５％以下の厚さと、コア材料より大きな屈折率を有する材料の層で、選択的に被覆され、前記垂直表面（４０）は、溝表面を被覆し、前記平行表面（４１）から選択的に被覆除去することにより、選択的に被覆されることを特徴とする改善された方法。 - 前記導波路コアを形成する前に、被覆された溝を追加されたクラッドで充填する工程を含む請求項７記載の改善された方法。
- 材料の前記層は、溝幅の５％以下の厚さと、１．８ないし２．５の範囲の屈折率を有する請求項８記載の改善された方法。
- 請求項８、又は９、１０のプロセスにより作られた光導波路ブラッグ反射器。
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