JP3723101B2 - 光導波路の形成方法 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路の形成方法に係り、特に、光ファイバー、微小光学部品、光回路、フォトニック結晶などの応用光学分野で使われる光学材料の屈折率の制御技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
光回路においては、光を低損失で所定の場所まで導くことが主要課題の一つである。その基本原理は、コアとクラッド間の屈折率差によって、光を光導波路内に閉じ込めることである。
【0003】
これまで、光通信の主要部品である光ファイバーのコアには、Geドープシリカ(SiO)ガラスが母材として用いられてきた。一般的なシングルモード光ファイバのクラッドおよびコアの材料には、それぞれ純粋なシリカガラス、3.1mol%のGe添加シリカガラスが使用されていて、クラッドとコアの間の屈折率差は、0.5から2.0μmの各波長において0.006程度である。
【0004】
プレーナ型光回路の場合は、回路を構成する上で光導波路の向きを曲げる必要があり、より大きな屈折率差を利用した光導波路が要求される。何故なら屈折率差の大小によって回路の大きさが左右され、結果的にデバイスの集積度が決定されるからである。例えば90°の角度で光導波路を曲げたときに、波長1.55μmでの損失を0.1dB以下に抑えようとすれば、Ge添加シリカガラスコアと純粋シリカガラスクラッドの間の屈折率差が0.3なら曲率半径が25mm以上、屈折率差が0.75なら曲率半径が5mm以上でなければならない。
【0005】
一方、材料の屈折率差を利用した光デバイスとして、WDM(Wavelength Division Multiplexing:波長多重通信)において波長分離用フィルタとして用いられるファイバーブラッググレーティングがある。典型的な構造のものでは、屈折率変調周期が約0.5μm、グレーティング長が約10mmあり、その間に約20,000層ものグレーティング(回折格子)が刻み込まれている。この場合、グレーティングの形成には、Ge添加シリカガラスに240nm附近の紫外線を照射することにより生じる紫外線誘起屈折率増大現象を利用している。このような光誘起屈折率変化は、ポリイミドなどの有機材料をべースにした光導波路にも応用され、光回路形成のための基礎技術になっている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
光導波路における課題は、現在主に使われているコアとクラッドの材料の屈折率差が十分でないため、光導波路内に光を低損失で閉じ込めるためには、緩やかなカーブの曲線に沿って光導波路を曲げざるを得ず、結果として光回路のサイズが大きくなるという点であった。Ge添加シリカガラス光導路においては、GeO成分の濃度を30mol%程度にまで高めてやっと2%の屈折率差が得られる。TiOやAlをドーピングして高屈折率化する試みも、これら異種材料の添加により光損失が増大するという問題があった。
【0007】
また、最近、多くの研究例が報告されているSi細線光導波路の形成においては、SOI(Silicon On Insulator)基板を用い、反応性エッチングによって上層のSi薄膜を細線状に加工するのが一般的である。この場合には、高アスペクト比のエッチングパタンを加工するため、スループットが低い、光損失を抑制するのに不可欠な加工表面の平滑さが不十分であるなどの問題点があるため、未だに研究の域を出ていないのが現状である。
【0008】
一方で、紫外線誘起屈折率変化を利用する光導波路の形成では、多くの材料でせいぜい10−4から10−3台の屈折率変化しか得られていない。ファイバーブラッググレーティングの場合には、光デバイスとして要求されるフィルター効果を満足するために、10mmものグレーティング長が必要であった。もしある材料において大きな屈折率変化が得られるなら、グレーティング長をもっと短くすることが可能になる。より大きな屈折率変化が必要な場合には、水素を高濃度で拡散させ、紫外線誘起屈折率変化の増感を図るが、それでも屈折率変化は高々10−3台に留まっていた。
【0009】
本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、コア層とクラッド層の屈折率差が十分大きく、光損失を抑制し、スループットが高い光導波路の形成方法を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の光導波路の形成方法は、水素化シリコン窒化膜を形成する第1の工程と、前記水素化シリコン窒化膜に真空紫外から軟X線領域の光を照射することにより、屈折率が異なる領域を形成する第2の工程とを有することを特徴とする。
また、前記第2の工程において、屈折率が異なる領域を縞状に形成し、グレーティングを形成することを特徴とする。
【0013】
本発明では、上記の構成により、コア層とクラッド層の材料の屈折率差が十分大きく、光損失を抑制し、スループットが高い光導波路の形成方法を提供することができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【0015】
実施の形態1
本実施の形態1では、例えば水素を30〜50mol%膜中に含む水素化シリコン窒化膜(SiN:H膜)を材料に用い、高エネルギーの光照射により大きな屈折率変化を起こすことを見出した。一般に、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)では、イオン化したラジカルが基板に付着し、相互に結合することによってネットワークが形成される。水素系の原料ガスを用いると、水素終端されたラジカルが主な反応種となるが、基板表面ですべての結合手がSi−N結合としてネットワークに寄与するわけではなく、水素終端部が残った場所には必然的に空隙が生成されることになる。このような構造は準安定であり、内殻励起が可能な短波長の光照射により構造緩和を引き起こすことが可能である。大量の水素を含有するSiN:H膜を堆積するには、このような特徴を有するプラズマCVDが最適である。原材料ガスには例えばSiHとNHの混合ガス、あるいはSiH、N、Hの混合ガスを用いればよい。あるいはNとHの混合ガス雰囲気下でシリコンターゲットをスパッタリングすることによってもSiN:H膜を堆積することができる。一方、LPCVD(Low Presure Chemical Vapor Deposition)等の手法を用いると、最初から密度の高い薄膜が得られ、十分な屈折率変化を起こさせるための膜中の余地が失われてしまう。
【0016】
SiN:H膜は、光回路で利用される波長域0.5〜2μmにおいて透明であり、シリコンベースの光回路との整合性がよい。また、屈折率がほぼ2に近く、SiOの屈折率1.5よりも高く、SiOをクラッド層として用いることができる。
【0017】
固体材料に真空紫外から軟X線領域の光を照射すると、内殻電子が励起され、内殻に正孔ができる。続いて起きるオージェ脱励起により、価電子帯に複数の正孔が生成する。正孔間のクーロン反発により化学結合が切断されると同時に、膜中の空格子点を減らす方向に結合の組み替えが起きて、材料が緻密化する。このような構造変化により、照射により大きな屈折率変化がもたらされる。
【0018】
実際にプラズマCVDによりSi基板上に膜厚280nmのSiN:H膜を堆積した後、エネルギー100eV以上の真空紫外〜軟X線領域の白色放射光を照射して本発明の作用を検証した。
【0019】
図3は当該SiN:H膜へ白色放射光を照射する前と後の可視分光エリプソメトリーにより測定したエリプソ角のスペクトルを示す図である。
【0020】
図3は、白色放射光の照射に伴い、スペクトル全体が高エネルギー側にシフトしており、ネットワークが再構築されたことを示している。基板温度を変えて白色放射光を照射したところ、放射光照射は700℃以上での加熱と同等の効果があり、屈折率変化分は照射時の温度にあまり依存しないことが分かった。
【0021】
定組成の窒化シリコン(Si)、結晶シリコン(c−Si)、空格子(void)の三成分が混合した単層膜モデルを仮定して、ブルッゲマン(Bruggeman)有効媒質近似により分光エリプソスペクトルを解析した。実験で得られたスペクトルとのフィッティングを行って各成分の体積分率と全体膜厚を算出したところ、照射前の膜組成としては、空格子体積分率15%、結晶シリコン体積分率4%が得られた。ここで、結晶シリコンは、組成x<4/3が示す過剰なSi原子の存在形態としてのSi−Si結合成分の誘電応答への寄与を表しており、また、空格子はプラズマCVDに特有な膜中の空格子点の誘電応答への寄与を表している。照射に伴い、SiN:H膜全体で膜厚が10%程度減少した。これは、結晶シリコン分率と空格子分率が4〜6割程度減少することによる寄与が主であることが分かった。
【0022】
図4は、当該SiN:H膜へ白色放射光を照射する前と後の、当該白色放射光の光エネルギー(電子ボルト)に対する屈折率nの値をプロットした屈折率のスペクトルを示す図である。
【0023】
光エネルギーが1.96eV(波長633nm)での屈折率nの値は、1.92から1.96へと0.04(2%)増大した。長波長側になるほど屈折率変化は大きくなる傾向が見られ、光通信で使われる波長1.55μm(光エネルギー0.8eV)では、0.04よりさらに大きな値が期待できる。
【0024】
図1(a)〜(d)は、本実施の形態1の光導波路の形成方法を示す工程断面図である。
【0025】
まず、図1(a)に示すように、石英基板1を用意する。
【0026】
次に、工程1において、図1(b)に示すように、この石英基板1上に、プラズマCVDによりSiN:H膜2を形成する。
【0027】
次に、工程2において、X線マスク(図示省略)を介してX線を選択的に照射し、照射部の屈折率変化を誘起し、照射部の屈折率を増大させる。すなわち、SiN:H膜2において、図1(c)に示すように、X線の照射により屈折率の増大した領域は、周囲の非照射領域との屈折率差により、光導波路のコア層3となる。
【0028】
次に、工程3において、図1(d)に示すように、SiO膜からなるクラッド層4をプラズマCVDにより形成して光導波路が完成する。
【0029】
なお、本実施の形態1では、基板として石英基板1を使用しているが、Si基板上に十分な厚さのSi熱酸化膜(SiO膜)を形成したもの等も基板として使用可能である。
【0030】
本実施の形態1では、レジスト塗布、露光、現像、エッチング、レジスト除去からなる光導波路形成の標準的な一連のプロセスを、材料(SiN:H膜2)への光の露光だけでまかない、周囲のクラッド層4との間で2%もの屈折率差を有するコア層3を形成できる。また、このようなプロセス全体の簡略化による高い寸法精度を望むことができる。また、従来のGe添加シリカガラス光導波路よりも大きな屈折率差を得ることができるので、光導波路の曲げの曲率半径を小さくすることが可能となり、光回路の集積化に貢献する。さらに、確立された近接X線露光のシステムが利用できるため、線幅0.1μm程度の精密な細線を形成できる利点もある。
【0031】
実施の形態2
図2(a)〜(f)は、本発明の実施の形態2のファイバーブラッググレーティングの光導波路の形成方法を示す工程断面図(ただし、(e)は上面図)である。
【0032】
まず、図2(a)に示すように、石英基板1を用意する。
【0033】
次に、工程1において、図2(b)に示すように、この石英基板1上に、プラズマCVDによりSiN:H膜2を形成する。
【0034】
次に、工程2において、SiN:H膜2上に、レジストを塗布し(図示省略)、光露光あるいは電子線露光と現像処理を行ってレジスト膜パタンを形成し、このレジスト膜をマスクとしてSiN:H膜2のエッチングを行い、図2(c)に示すように、SiN:H膜からなる光導波路5を形成する。
【0035】
次に、工程3において、X線マスク(図示省略)を介してX線を照射し、図2(d)、(e)に示すように、光導波路5内に縞状に屈折率が変調されたグレーティング(回折格子)7を形成する。図2(d)、(e)において、6はX線が照射された高屈折率部である。
【0036】
次に、工程4において、図2(f)に示すように、光導波路5を形成した石英基板1上にSiO膜からなるクラッド層4をプラズマCVDにより形成する。
【0037】
このようにして短いグレーティング長で、波長選択性能の高いファイバーブラッググレーティングが完成する。
【0038】
本実施の形態2では、X線の照射部と非照射部との間で、従来の技術では得にくい大きな屈折率差を実現することができ、グレーティング長を1mm以下にすることが可能である。また、解像度の高い短波長のX線を励起光に用いるので、ファイバーブラッググレーティングを高集積した光回路の形成が容易になる。さらに、本実施の形態2でも、確立された近接X線露光のシステムが利用できるため、線幅0.1μm程度の精密な細線を形成できる利点もある。
【0039】
以上本発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【0040】
以上説明したように、本発明の光導波路の形成方法によれば、コア層とクラッド層との間で大きな屈折率差を有する光導波路を提供できる。またこれにより、光導波路の曲げの曲率半径を小さくすることができるなどにより、光回路の高集積化を実現できる。また、光の照射領域と非照射領域との間に大きな屈折率差を形成できるので、グレーティング長の小さなグレーティングを有する光導波路を容易に提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)〜(d)は本発明の実施の形態1の光導波路の形成方法を示す工程断面図である。
【図2】(a)〜(f)は本発明の実施の形態2のファイバーブラッググレーティングの光導波路の形成方法を示す工程断面図((e)は上面図)である。
【図3】本発明によるSiN:H膜へ白色放射光を照射する前後の可視分光エリプソメトリーにより測定したエリプソ角のスペクトルを示す図である。
【図4】本発明によるSiN:H膜へ白色放射光を照射する前後の、当該白色放射光の光エネルギーに対する屈折率nの値をプロットした屈折率のスペクトルを示す図である。
【符号の説明】
1…石英基板、2…SiN:H膜、3…コア層、4…クラッド層、5…光導波路、6…高屈折率部、7…グレーティング。

Claims (2)

  1. 水素化シリコン窒化膜を形成する第1の工程と、前記水素化シリコン窒化膜に真空紫外からX線領域の光を照射することにより、屈折率が異なる領域を形成する第2の工程とを有することを特徴とする光導波路の形成方法。
  2. 前記第2の工程において、屈折率が異なる領域を縞状に形成し、グレーティングを形成することを特徴とする請求項記載の光導波路の形成方法。
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