JP3808804B2 - Optical waveguide structure and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP3808804B2 JP2002185232A JP2002185232A JP3808804B2 JP 3808804 B2 JP3808804 B2 JP 3808804B2 JP 2002185232 A JP2002185232 A JP 2002185232A JP 2002185232 A JP2002185232 A JP 2002185232A JP 3808804 B2 JP3808804 B2 JP 3808804B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路構造及びその製造方法に関し、より詳細には、光通信における送信用あるいは受信用の光半導体装置における光導波路構造及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
インターネット需要等の急速な増加に対し、通信容量の拡大が急務になっている。光通信における通信容量を拡大する方法としては、個々の通信の処理速度を上げて複数の信号を多重する時間分割多重(TDM)方式と、異なる複数の波長を利用して信号を多重する波長多重(WDM)方式が提案されている。TDM方式を採用した場合、必然的にファイバー内を流れる信号の速度を速くする必要があるが、現在10Gbit/sから40Gbit/sへ上げるための努力がなされている。今後、更にこの通信速度が上がることは必至である。
【0003】
40Gbit/sの電気信号をパッケージに入れられた半導体集積回路(IC)へ入出力することは、技術的に困難はあるものの、現時点において達成されている。しかしながら、電気信号の速度が60Gbit/s程度以上になると、ロスが大きくなり、信号をパッケージに入出力することが極めて困難となる。この問題点を解決するため、60Gbit/s以上の高速信号は光信号で入出力し、60Gbit/s以下の低速信号のみ電気で入出力する光・電気インターフェースを有する光・電気融合集積回路(OEIC)の研究開発が行われている。
【0004】
通信速度が高速化されてパッケージ内に電気信号が入り難いような状況において、高速信号は光で入出力し、パッケージ内で低速に速度変換した信号のみ電気で入出力することにより、実装限界を打破することが可能である。
【0005】
このような超高速の光インターフェースを必要とする半導体装置では、光学素子と外部光信号の入出力端子の位置合わせが容易ではないことから、光導波路も半導体装置上に集積したチップ上に光配線構造を形成することが提案されている。半導体装置に光導波路を作製する1つの方法として、図1(a),(b)に示すような、半導体基板材料1の結晶面ファセットによるV型溝を形成し、このV型溝内にクラッド層2とコア層3からなる光導波路構造を埋め込んだ構造が提案されている(例えば、特願2000−222988号参照)。なお、図1(a)は斜視図、図1(b)は断面図で、図中符号4はフォトダイオードを示している。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
一般的に、半導体材料はその屈折率が大きいため、半導体基板を彫り込んで、この溝内部に光導波路構造を埋め込む構造では、下部クラッド層を厚くして基板の影響が見えなくなるようにする必要がある。溝内部に光導波路構造が埋め込まれる場合、通常クラッド層は無機材料膜が、またコア層には有機材料が利用されるため、両者とも半導体基板の屈折率より小さい材料で構成されることになる。
【0007】
光導波路の伝搬損失を低減するためには、半導体基板側への漏れを無くして光導波路内に光信号を完全に閉じ込める必要があるが、クラッド層の厚みが十分でないと半導体基板への漏れが発生する。半導体基板への信号光の漏れを防ぐためには、利用波長の2〜3倍以上のクラッド膜が必要となる。しかしながら1.55μm帯の光信号を利用する場合には、この厚みは3〜5μm以上となるため、半導体プロセスで一般的に利用されるスパッタリングなどによる無機絶縁膜堆法を用いて、溝内部だけにクラッド層を形成することは容易ではなかった。
【0008】
また、このように厚い無機膜が全面に半導体基板上に形成される場合には、無機膜の応力により半導体ウエハに反り歪みを誘起するため、超高速OEICチップ上に光導波路を光インターフェースとして形成する場合には、電子回路等の特性を劣化させる心配があった。このような理由から、溝内部に形成できるクラッド層厚には限界があるため、半導体基板内部に光導波路構造を埋め込んだ構造では、光導波路のコア材料と同種の有機材料を用いて基板表面に形成した有機矩形光導波路、またはリブ型光導波路等と比較して伝搬損失が大きくなってしまうという問題点があった。
【0009】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、クラッド層の厚みを十分厚くしなくても半導体基板への光の漏れを低減し、光導波路の伝搬損失を低減することが可能であるような光導波路構造及びその製造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】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、半導体基板に光導波路を埋め込んだ光導波路構造において、前記光導波路の長手方向に沿った周辺部に前記光導波路を保持する梁部と前記半導体基板と前記光導波路との間に空間を設けるための溝を備えた溝構造を設け、前記溝には、前記半導体基板の屈折率より小さな屈折率を有する充填材料又は空気が設けられていることを特徴とする。
【0011】
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記溝構造が、前記半導体基板に埋め込まれた光導波路を取り囲むように、複数の前記梁部と複数の前記溝で形成されていることを特徴とする。
【0012】
また、請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の発明において、前記溝に設けられた充填材料の屈折率が、前記光導波路を構成するクラッド層の屈折率より小さいことを特徴とする。
【0013】
また、請求項4に記載の発明は、請求項1乃至のいずれかに記載の発明において、前記溝に設けられた充填材料の屈折率が前記光導波路のコア層の屈折率より小さく、前記充填材料を前記光導波路の上部クラッド層として設けたことを特徴とする。
【0014】
また、請求項5に記載の発明は、請求項1乃至4のいずれかに記載の発明において、前記充填材料が有機材料であることを特徴とする。
【0015】
また、請求項6に記載の発明は、請求項5に記載の発明において、前記光導波路が、端部に向けて拡開するように幅の変化するスポットサイズ変換構造を有することを特徴とする。
【0016】
また、請求項7に記載の発明は、光導波路構造の製造方法であって半導体基板に光導波路を埋め込んだ光導波路構造の製造方法において、エッチング液を用いて前記半導体基板に前記光導波路を埋め込むための第1の溝を形成する工程と、該溝内に前記光導波路を形成する工程と、該光導波路の長手方向の周辺部に、前記半導体基板にエッチング液を用いて前記光導波路を保持する複数の梁部と前記半導体基板と前記光導波路との間に空間を設けるための複数の第2の溝を備えた溝構造を形成する工程と
を備えたことを特徴とする。
【0017】
また、請求項8に記載の発明は、請求項7に記載の発明において前記光導波路の周辺部に形成された前記溝内に、前記半導体基板の屈折より小さな屈折率を有する充填材料を設ける工程を備えたことを特徴とする。
【0018】
また、請求項9に記載の発明は、請求項8に記載の発明において、前記充填材料が有機材料であることを特徴とする。
【0020】
このように本発明は、半導体基板に光導波路を埋め込んだ構造において、光導波路構造を保持する梁部を残して周辺部の半導体基板を除去するものである。これによりクラッド層の厚みが十分でなくても半導体基板の高い屈折率の影響を実効的に低減することが可能であり、伝搬損失を低減することが可能になる。梁部が周期的に形成する場合には、利用光波長を考慮の上、この周期長を選択すれば特に干渉や反射の影響は除外できる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
[実施例1]
図2は、本発明の光導波路構造の第1実施例を説明するための斜視図で、本発明の光導波路構造を用いて、OEIC上のフォトダイオードへ光信号を給光する部分の概念図を示している。図中符号11は半導体基板、12は光導波路を構成するクラッド層、13は光導波路を構成するコア層、14は信号光を受光するフォトダイオード、15は光導波路を保持するための梁部、16は半導体基板11の高い屈折率の影響を実効的に低減するための溝を示している。
【0022】
半導体基板11に埋め込まれ、クラッド層12とコア層13からなる光導波路の長手方向に沿った周辺部に、光導波路を維持するに十分な複数の梁部15と複数の溝16により溝構造が形成されている。
【0023】
図3(a),(b)は、図2のA−A′及びB−B′線における光導波路の光信号伝搬方向に対して垂直な断面図である。ここでは光導波路を保持するための梁部15の形成位置が、光導波路の左右同位置に形成されている構造を示すが、この形成位置は左右同位置である必要はなく、左右互い違いであっても光導波路を保持するものであればどのように配置されていても問題ないことは勿論である。
【0024】
なお、ここではコア層13及びクラッド層12は、V型溝の内部にだけ形成されているが、V型溝の上部にまで形成した構造であっても良いことは言うまでもない。また、断面構造がV字型であるが溝底面が平らなカップ型構造であってもよい。ここではクラッド層12は無機絶縁材料、コア層13は有機高分子材料で構成されている。
【0025】
具体的には、無機絶縁材料としては、スパッタリングや化学気相成長法(CVD)により形成した二酸化シリコンなどの堆積膜を、また、有機高分子材料としてはスピンコートで塗布した後、熱または紫外線(UV)により硬化(キュア)した樹脂などである。なお、本発明では、これらの材料および形成方法を特に限定するものではないことは言うまでもない。
【0026】
光導波路構造を保持するための梁部に関しては、その長さや幅および形成する間隔は特に限定しないが、この構造長が利用光信号波長と相互しないことが望ましい。また同様に半導体基板高い屈折率の影響を実効的に低減するための溝に関しても、その長さや幅および形成する間隔は特に限定しないが、この溝の構造長が利用光信号波長と相互しないことが望ましいことはいうまでもない。また、溝の断面構造として異方性エッチング形状を例示してあるが、光導波路の断面と半導体基板の間に空間を設ける構造であれば特にその断面形状を限定するものではない。
【0027】
[実施例2]
図4は、本発明の光導波路構造の第2実施例を説明するための断面図で、図中符号17は有機材料を示している。光導波路の周辺部に形成された溝が有機材料17などで充填されている。この充填材料の屈折率は、光導波路構造を作製した半導体基板の屈折率より小さい材料であることが必要である。また、充填材料の屈折率が、光導波路を構成するクラッド材料の屈折率より小さければ更に望ましいが、特に限定するものではない。
【0028】
充填材料の屈折率が光導波路のコア材料の屈折率より小さい場合には、図5に示すように、光導波路の上部クラッド層18として利用することも可能である。
【0029】
[実施例3]
図6(a)〜(h)は、本発明の光導波路構造の製造方法について説明する工程図で、図6(a)〜(d)は断面図、図6(e)〜(h)は断面図に対応する斜視図である。なお、ここでは利用する半導体基板を(100)面のInP基板として説明する。
【0030】
まず、通常の半導体プロセスによって、半導体基板上に光導波路構造を形成する溝のためのレジストパターンを形成した後、酸やその混合物などにより異方性ウエットエッチングを行う(図6(a),(e))。ウエットエッチングを用いて溝構造を形成する場合、異方性エッチングを行う場合、基板の面指数およびエッチング液により形成される結晶面ファセットが異なる。
【0031】
半導体基板として(100)面のInP基板を用い、かつ、メタノールに臭素を数%程度含有させたようなエッチング液を用いる場合、(01−1)面に垂直な方向に関しては深さ方向に溝幅が小さくなるような順メサ面(具体的は、(111)面および(1−1−1)面)が形成される。また、(0−1−1)面に垂直な方向に関しては、深さ方向に溝幅が大きくなるような逆メサ面(具体的は、(−11−1)面および(−1−11)面)が形成される。
【0032】
従って、図3のような構造を得るためには、光導波路の長手方向を(01−1)面に垂直とすれば、希望とするメサ面が形成できる。このような形状を与えるエッチング液としては上記の他に、臭酸(HBr)原液や臭酸と過酸化水素水を混合したものなどが知られているが、ここでは特に限定するものではない。レジストマスクを除去した後、先に形成したエッチング溝内に無機絶縁膜のクラッド層を形成する。ここで無機絶縁膜は、スパッタリングや化学気相成長法(CVD)などにより形成することができる。
【0033】
なお、溝以外に形成される膜については、リフトオフ法や反応性イオンビームエッチング(RIE)法などにより除去しても良く、また、無機絶縁膜の堆積法はクラッド層が形成できるものならどんな方法でも良いことは言うまでもない(図6(b),(f))。
【0034】
引き続きスピンコート等によって有機高分子材料からなるコア層を形成する(図6(c),(g))。ここで有機高分子材料としては、通常電子デバイスの分野で平面平坦材として利用されているポリイミド、BCB(ベンゾサイクロブテン)、有機ケイ素ポリマー、エポキシ系樹脂などの有機高分子樹脂である。有機材料膜を形成後、熱または紫外線(UV)により該コア材料を硬化(キュア)させる。クラッド層と同様に不要な部分の有機高分子材料を除去することも可能であり、また、この除去工程は下部クラッド層のそれと同時に行われても良い。
【0035】
その後、光導波路の周辺部に溝構造を形成のためのレジストパターンを形成した後、再度ウエットエッチングを行う(図6(d),(h))。ここでのエッチングは異方性であっても等方性であっても良いが、クラッド層を浸食しないエッチング液であることが必要である。
【0036】
なお、光導波路に関しては、図7(a)〜(h)に示すように、一部にスポットサイズ変換構造19、つまり、端部に向けて拡開するように光導波路の幅が変化する部分が存在しても同様に作製可能であることは言うまでもない。なお、図7(a)〜(d)は斜視図、図7(e)〜(h)は斜視図に対応する上面図を示している。
【0037】
[実施例4]
以下、本発明の光導波路構造の第2の製造方法について説明する。実施例3に記載した製造方法に従って光導波路の外部に溝16を形成した後、半導体基板より屈折率の小さな有機材料を塗布して溝16の内部に充填する。ここで理想的には溝内部が完全に充填されていることが望ましいが、充填が完全ではなく内部に気泡が残ったとしても、表面部に大きな凹凸を生じなければ特に問題ではない。
【0038】
その後、熱または紫外線(UV)により硬化(キュア)させれば完成する。なお、この充填材料の屈折率がコア材料より小さい場合には、特に溝内部だけでなく、光導波路の形成部分の上面にまで形成されても良い。
【0039】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、半導体基板に光導波路を埋め込んだ光導波路構造において、光導波路の長手方向に沿った周辺部に梁部と溝を備えた溝構造を設けたので、一般的に屈折率の大きな半導体基板に埋め込まれた光導波路において、クラッド層の厚みを十分厚くしなくても半導体基板への光の漏れを低減し、光導波路の伝搬損失を低減することが可能である。特に、超高速OEICの一部に光インターフェースとして光導波路を形成する場合には、電子回路等に大きな影響を与えることなく低損失の光導波路を実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】半導体基板に光導波路を埋め込んだ従来構造を示す図で、(a)は斜視図、(b)は断面図である。
【図2】本発明の光導波路構造の第1実施例を説明するための斜視図である。
【図3】(a),(b)は、図2のA−A′及びB−B′線における光導波路の光信号伝搬方向に対して垂直な断面図である。
【図4】本発明の光導波路構造の第2実施例を説明するための断面図である。
【図5】本発明の第2実施例として上部クラッド層を形成した場合の断面図である。
【図6】(a)〜(h)は、本発明の光導波路構造の製造方法について説明する工程図である。
【図7】(a)〜(h)は、光導波路の幅が一部変化する場合の、本発明の光導波路構造の製造方法について説明する工程図である。
【符号の説明】
1 半導体基板材料
2 クラッド層
3 コア層3
4 フォトダイオード
11 半導体基板
12 クラッド層
13 コア層
14 フォトダイオード
15 梁部
16 溝
17,18 有機材料
19 スポットサイズ変換構造
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical waveguide structure and a manufacturing method thereof, and more particularly, to an optical waveguide structure and a manufacturing method thereof in an optical semiconductor device for transmission or reception in optical communication.
[0002]
[Prior art]
In response to a rapid increase in Internet demand, etc., there is an urgent need to expand communication capacity. As a method of expanding the communication capacity in optical communication, a time division multiplexing (TDM) system that multiplexes a plurality of signals by increasing the processing speed of each communication and a wavelength multiplexing that multiplexes signals using a plurality of different wavelengths. (WDM) schemes have been proposed. When the TDM system is adopted, it is inevitably necessary to increase the speed of the signal flowing in the fiber, but efforts are currently being made to increase from 10 Gbit / s to 40 Gbit / s. In the future, this communication speed will inevitably increase.
[0003]
Although it is technically difficult to input / output a 40 Gbit / s electric signal to / from a semiconductor integrated circuit (IC) contained in a package, it has been achieved at present. However, when the speed of the electric signal is about 60 Gbit / s or more, the loss increases and it becomes extremely difficult to input / output the signal to / from the package. In order to solve this problem, a high-speed signal of 60 Gbit / s or higher is input / output as an optical signal, and only a low-speed signal of 60 Gbit / s or lower is electrically input / output. R & D is underway.
[0004]
In situations where the communication speed has been increased and it is difficult for electrical signals to enter the package, high-speed signals are input / output with light, and only signals that have been speed-converted within the package are input / output with electricity to limit the mounting limit. It is possible to break down.
[0005]
In a semiconductor device that requires such an ultra-high-speed optical interface, it is not easy to align the optical element and the input / output terminal of the external optical signal. Therefore, the optical waveguide is also provided on the chip integrated on the semiconductor device. It has been proposed to form a structure. As one method for producing an optical waveguide in a semiconductor device, a V-shaped groove is formed by crystal facets of a semiconductor substrate material 1 as shown in FIGS. 1A and 1B, and cladding is formed in the V-shaped groove. A structure in which an optical waveguide structure composed of a layer 2 and a core layer 3 is embedded has been proposed (see, for example, Japanese Patent Application No. 2000-222988). 1A is a perspective view, FIG. 1B is a cross-sectional view, and reference numeral 4 in the drawing indicates a photodiode.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In general, since the refractive index of a semiconductor material is large, in a structure in which a semiconductor substrate is engraved and an optical waveguide structure is embedded in the groove, it is necessary to increase the thickness of the lower cladding layer so that the influence of the substrate cannot be seen. is there. When the optical waveguide structure is embedded in the groove, an inorganic material film is usually used for the clad layer and an organic material is used for the core layer. Therefore, both are made of a material having a refractive index lower than that of the semiconductor substrate. .
[0007]
In order to reduce the propagation loss of the optical waveguide, it is necessary to completely confine the optical signal in the optical waveguide without leakage to the semiconductor substrate side. However, if the thickness of the cladding layer is not sufficient, leakage to the semiconductor substrate will occur. appear. In order to prevent signal light from leaking to the semiconductor substrate, a clad film having two to three times or more of the wavelength used is required. However, when using an optical signal in the 1.55 μm band, this thickness is 3 to 5 μm or more. Therefore, using an inorganic insulating film compost method such as sputtering generally used in a semiconductor process, only the inside of the groove is used. It was not easy to form a clad layer.
[0008]
When such a thick inorganic film is formed on the entire surface of the semiconductor substrate, an optical waveguide is formed as an optical interface on the ultrahigh-speed OEIC chip in order to induce warpage distortion in the semiconductor wafer due to the stress of the inorganic film. In this case, there is a concern that the characteristics of the electronic circuit and the like are deteriorated. For this reason, there is a limit to the thickness of the cladding layer that can be formed inside the groove. Therefore, in the structure in which the optical waveguide structure is embedded inside the semiconductor substrate, an organic material similar to the core material of the optical waveguide is used to form the surface of the substrate. There has been a problem that propagation loss is increased as compared with the formed organic rectangular optical waveguide or rib-type optical waveguide.
[0009]
The present invention has been made in view of such problems, and the object of the present invention is to reduce the leakage of light to the semiconductor substrate without increasing the thickness of the cladding layer and to reduce the propagation loss of the optical waveguide. It is an object of the present invention to provide an optical waveguide structure and a method for manufacturing the same.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the present invention, in the optical waveguide structure in which the optical waveguide is embedded in the semiconductor substrate, the optical waveguide is disposed in a peripheral portion along the longitudinal direction of the optical waveguide. A groove structure having a groove for providing a space between a beam portion for holding a waveguide and the semiconductor substrate and the optical waveguide is provided , and the groove has a refractive index smaller than that of the semiconductor substrate. Material or air is provided .
[0011]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the plurality of beam portions and the plurality of grooves are formed so that the groove structure surrounds the optical waveguide embedded in the semiconductor substrate. It is formed.
[0012]
According to a third aspect of the invention, in the invention of the first or second aspect, the refractive index of the filling material provided in the groove is smaller than the refractive index of the clad layer constituting the optical waveguide. Features.
[0013]
Further, the invention according to claim 4, in the invention described in any one of claims 1 to 3, the refractive index of the filler material provided in the groove is smaller than the refractive index of the core layer of the optical waveguide, wherein A filling material is provided as an upper cladding layer of the optical waveguide .
[0014]
The invention according to claim 5 is the invention according to any one of claims 1 to 4 , wherein the filling material is an organic material .
[0015]
The invention according to claim 6 is the invention according to claim 5, wherein the optical waveguide has a spot size conversion structure whose width changes so as to expand toward the end. .
[0016]
The invention according to claim 7 is a method of manufacturing an optical waveguide structure , wherein the optical waveguide is embedded in the semiconductor substrate using an etching solution in the method of manufacturing an optical waveguide structure in which the optical waveguide is embedded in a semiconductor substrate. A step of forming a first groove for embedding, a step of forming the optical waveguide in the groove, and an etching solution for the semiconductor substrate on the periphery in the longitudinal direction of the optical waveguide. Forming a groove structure including a plurality of beam portions to be held and a plurality of second grooves for providing a space between the semiconductor substrate and the optical waveguide;
It is provided with.
[0017]
The invention according to claim 8 is the invention according to claim 7 , wherein a filling material having a refractive index smaller than the refraction of the semiconductor substrate is provided in the groove formed in the peripheral portion of the optical waveguide. A process is provided.
[0018]
The invention according to claim 9 is the invention according to claim 8, wherein the filling material is an organic material .
[0020]
As described above, according to the present invention, in the structure in which the optical waveguide is embedded in the semiconductor substrate, the peripheral semiconductor substrate is removed while leaving the beam portion holding the optical waveguide structure. Thereby, even if the thickness of the cladding layer is not sufficient, it is possible to effectively reduce the influence of the high refractive index of the semiconductor substrate, and it is possible to reduce the propagation loss. When the beam portion is periodically formed, the influence of interference and reflection can be excluded in particular by selecting the period length in consideration of the wavelength of light used.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[Example 1]
FIG. 2 is a perspective view for explaining the first embodiment of the optical waveguide structure of the present invention, and is a conceptual diagram of a portion for supplying an optical signal to a photodiode on the OEIC using the optical waveguide structure of the present invention. Is shown. In the figure, reference numeral 11 is a semiconductor substrate, 12 is a clad layer constituting an optical waveguide, 13 is a core layer constituting the optical waveguide, 14 is a photodiode for receiving signal light, 15 is a beam portion for holding the optical waveguide, Reference numeral 16 denotes a groove for effectively reducing the influence of the high refractive index of the semiconductor substrate 11.
[0022]
A groove structure embedded in the semiconductor substrate 11 and having a plurality of beam portions 15 and a plurality of grooves 16 sufficient to maintain the optical waveguide is provided in the peripheral portion along the longitudinal direction of the optical waveguide composed of the cladding layer 12 and the core layer 13. Is formed.
[0023]
3A and 3B are cross-sectional views perpendicular to the optical signal propagation direction of the optical waveguide along the lines AA ′ and BB ′ in FIG. Here, a structure is shown in which the formation position of the beam portion 15 for holding the optical waveguide is formed at the same position on the left and right of the optical waveguide. Of course, there is no problem even if the optical waveguide is held in any arrangement.
[0024]
Here, the core layer 13 and the clad layer 12 are formed only inside the V-shaped groove, but it goes without saying that the structure may be formed even above the V-shaped groove. Moreover, although a cross-sectional structure is V-shaped, a cup-type structure with a flat groove bottom may be used. Here, the cladding layer 12 is made of an inorganic insulating material, and the core layer 13 is made of an organic polymer material.
[0025]
Specifically, as an inorganic insulating material, a deposited film such as silicon dioxide formed by sputtering or chemical vapor deposition (CVD) is applied, and as an organic polymer material, spin coating is applied, and then heat or ultraviolet rays are applied. Resin cured (cured) by (UV). In the present invention, it goes without saying that these materials and formation methods are not particularly limited.
[0026]
The length and width of the beam portion for holding the optical waveguide structure and the interval to be formed are not particularly limited, but it is desirable that the structure length does not cross the utilized optical signal wavelength. Similarly, the length and width of the groove for effectively reducing the influence of the high refractive index of the semiconductor substrate is not particularly limited, but the structure length of the groove does not interact with the utilized optical signal wavelength. Needless to say, it is desirable. Moreover, although the anisotropic etching shape is illustrated as the cross-sectional structure of the groove, the cross-sectional shape is not particularly limited as long as a space is provided between the cross-section of the optical waveguide and the semiconductor substrate.
[0027]
[Example 2]
FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining a second embodiment of the optical waveguide structure of the present invention. In the figure, reference numeral 17 denotes an organic material. Grooves formed in the periphery of the optical waveguide are filled with an organic material 17 or the like. The filling material needs to have a refractive index smaller than that of the semiconductor substrate on which the optical waveguide structure is fabricated. Further, it is more desirable if the refractive index of the filling material is smaller than the refractive index of the cladding material constituting the optical waveguide, but there is no particular limitation.
[0028]
When the refractive index of the filling material is smaller than the refractive index of the core material of the optical waveguide, it can be used as the upper cladding layer 18 of the optical waveguide as shown in FIG.
[0029]
[Example 3]
6A to 6H are process diagrams for explaining the method of manufacturing the optical waveguide structure according to the present invention. FIGS. 6A to 6D are cross-sectional views, and FIGS. It is a perspective view corresponding to sectional drawing. Here, the semiconductor substrate to be used is described as a (100) plane InP substrate.
[0030]
First, after forming a resist pattern for a groove for forming an optical waveguide structure on a semiconductor substrate by a normal semiconductor process, anisotropic wet etching is performed with an acid or a mixture thereof (FIGS. 6A and 6B). e)). When the groove structure is formed using wet etching, when performing anisotropic etching, the surface index of the substrate and the crystal facet formed by the etching solution are different.
[0031]
When a (100) plane InP substrate is used as the semiconductor substrate and an etching solution containing about several percent bromine in methanol is used, the groove perpendicular to the (01-1) plane is formed in the depth direction. A forward mesa surface (specifically, a (111) plane and a (1-1-1) plane) is formed such that the width is reduced. Further, with respect to the direction perpendicular to the (0-1-1) plane, the reverse mesa plane (specifically, the (-11-1) plane and (-1-11) whose groove width increases in the depth direction). Surface) is formed.
[0032]
Therefore, in order to obtain the structure as shown in FIG. 3, a desired mesa surface can be formed by making the longitudinal direction of the optical waveguide perpendicular to the (01-1) plane. In addition to the above, other etchants that give such a shape are known, such as odorous acid (HBr) stock solution or a mixture of odorous acid and hydrogen peroxide, but are not particularly limited here. After removing the resist mask, a clad layer of an inorganic insulating film is formed in the previously formed etching groove. Here, the inorganic insulating film can be formed by sputtering, chemical vapor deposition (CVD), or the like.
[0033]
The film formed other than the groove may be removed by a lift-off method, a reactive ion beam etching (RIE) method or the like, and the inorganic insulating film deposition method can be any method that can form a clad layer. However, it goes without saying that it is also possible (FIGS. 6B and 6F).
[0034]
Subsequently, a core layer made of an organic polymer material is formed by spin coating or the like (FIGS. 6C and 6G). Here, the organic polymer material is an organic polymer resin such as polyimide, BCB (benzocyclobutene), organosilicon polymer, and epoxy resin, which are usually used as a planar flat material in the field of electronic devices. After the organic material film is formed, the core material is cured (cured) with heat or ultraviolet light (UV). It is also possible to remove an unnecessary portion of the organic polymer material in the same manner as the cladding layer, and this removing step may be performed simultaneously with that of the lower cladding layer.
[0035]
Thereafter, a resist pattern for forming a groove structure is formed in the periphery of the optical waveguide, and then wet etching is performed again (FIGS. 6D and 6H). The etching here may be anisotropic or isotropic, but it is necessary that the etching solution does not erode the cladding layer.
[0036]
As for the optical waveguide, as shown in FIGS. 7A to 7H, a part of the spot size conversion structure 19, that is, a portion where the width of the optical waveguide changes so as to expand toward the end. Needless to say, it can be produced in the same manner even if it exists. 7A to 7D are perspective views, and FIGS. 7E to 7H are top views corresponding to the perspective views.
[0037]
[Example 4]
Hereinafter, the second manufacturing method of the optical waveguide structure of the present invention will be described. After the groove 16 is formed outside the optical waveguide according to the manufacturing method described in the third embodiment, an organic material having a refractive index smaller than that of the semiconductor substrate is applied to fill the groove 16. Here, ideally, it is desirable that the inside of the groove is completely filled. However, even if the filling is not complete and bubbles remain inside, there is no particular problem as long as large irregularities do not occur on the surface portion.
[0038]
Then, it is completed by curing (curing) with heat or ultraviolet rays (UV). If the refractive index of the filling material is smaller than that of the core material, it may be formed not only inside the groove but also on the upper surface of the optical waveguide forming portion.
[0039]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in the optical waveguide structure in which the optical waveguide is embedded in the semiconductor substrate, the groove structure including the beam portion and the groove is provided in the peripheral portion along the longitudinal direction of the optical waveguide. In an optical waveguide embedded in a semiconductor substrate with a large refractive index, it is possible to reduce light leakage to the semiconductor substrate and reduce the propagation loss of the optical waveguide without increasing the thickness of the cladding layer. is there. In particular, when an optical waveguide is formed as an optical interface in a part of an ultra-high speed OEIC, it is possible to realize a low-loss optical waveguide without greatly affecting an electronic circuit or the like.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B are diagrams showing a conventional structure in which an optical waveguide is embedded in a semiconductor substrate, where FIG. 1A is a perspective view and FIG. 1B is a cross-sectional view.
FIG. 2 is a perspective view for explaining a first embodiment of the optical waveguide structure of the present invention.
3A and 3B are cross-sectional views perpendicular to the optical signal propagation direction of the optical waveguide along the lines AA ′ and BB ′ in FIG.
FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining a second embodiment of the optical waveguide structure of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view when an upper clad layer is formed as a second embodiment of the present invention.
FIGS. 6A to 6H are process diagrams illustrating a method for manufacturing an optical waveguide structure according to the present invention.
FIGS. 7A to 7H are process diagrams for explaining a method of manufacturing an optical waveguide structure according to the present invention when the width of the optical waveguide is partially changed.
[Explanation of symbols]
1 Semiconductor substrate material 2 Clad layer 3 Core layer 3
4 Photodiode 11 Semiconductor substrate 12 Clad layer 13 Core layer 14 Photodiode 15 Beam portion 16 Grooves 17 and 18 Organic material 19 Spot size conversion structure

Claims (9)

半導体基板に光導波路を埋め込んだ光導波路構造において、前記光導波路の長手方向に沿った周辺部に前記光導波路を保持する梁部と前記半導体基板と前記光導波路との間に空間を設けるための溝を備えた溝構造を設け、前記溝には、前記半導体基板の屈折率より小さな屈折率を有する充填材料又は空気が設けられていることを特徴とする光導波路構造。In an optical waveguide structure in which an optical waveguide is embedded in a semiconductor substrate, a space is provided between a beam portion holding the optical waveguide and a semiconductor substrate and the optical waveguide in a peripheral portion along the longitudinal direction of the optical waveguide . An optical waveguide structure , wherein a groove structure having a groove is provided , and a filling material or air having a refractive index smaller than that of the semiconductor substrate is provided in the groove . 前記溝構造が、前記半導体基板に埋め込まれた光導波路を取り囲むように、複数の前記梁部と複数の前記溝で形成されていることを特徴とする請求項1に記載の光導波路構造。  The optical waveguide structure according to claim 1, wherein the groove structure is formed by a plurality of the beam portions and the plurality of grooves so as to surround the optical waveguide embedded in the semiconductor substrate. 前記溝に設けられた充填材料の屈折率が、前記光導波路を構成するクラッド層の屈折率より小さいことを特徴とする請求項1又は2に記載の光導波路構造。 The optical waveguide structure according to claim 1 or 2 , wherein a refractive index of a filling material provided in the groove is smaller than a refractive index of a clad layer constituting the optical waveguide. 前記溝に設けられた充填材料の屈折率が前記光導波路のコア層の屈折率より小さく、前記充填材料を前記光導波路の上部クラッド層として設けたことを特徴とする請求項1乃至のいずれかに記載の光導波路構造。 Any refractive index of the filler material provided in the groove is smaller than the refractive index of the core layer of the optical waveguide, according to claim 1 to 3, characterized in that a said filling material as the upper cladding layer of the optical waveguide the optical waveguide structure according to any. 前記充填材料が有機材料であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の光導波路構造。The optical waveguide structure according to any one of claims 1 to 4, wherein the filler material is an organic material. 前記光導波路が、端部に向けて拡開するように幅の変化するスポットサイズ変換構造を有することを特徴とする請求項5に記載の光導波路構造。 6. The optical waveguide structure according to claim 5, wherein the optical waveguide has a spot size conversion structure whose width changes so as to expand toward an end . 半導体基板に光導波路を埋め込んだ光導波路構造の製造方法において、
エッチング液を用いて前記半導体基板に前記光導波路を埋め込むための第1の溝を形成する工程と、
該溝内に前記光導波路を形成する工程と、
該光導波路の長手方向の周辺部に、前記半導体基板にエッチング液を用いて前記光導波路を保持する複数の梁部と前記半導体基板と前記光導波路との間に空間を設けるための複数の第2の溝を備えた溝構造を形成する工程と
を備えたことを特徴とする光導波路構造の製造方法
In a manufacturing method of an optical waveguide structure in which an optical waveguide is embedded in a semiconductor substrate,
Forming a first groove for embedding the optical waveguide in the semiconductor substrate using an etching solution;
Forming the optical waveguide in the groove;
A plurality of beam portions for holding a space between the semiconductor substrate and the optical waveguide at a peripheral portion in the longitudinal direction of the optical waveguide and a plurality of beam portions for holding the optical waveguide using an etching solution on the semiconductor substrate. Forming a groove structure with two grooves;
Method of manufacturing an optical waveguide structure comprising the.
前記光導波路の周辺部に形成された前記溝内に、前記半導体基板の屈折より小さな屈折率を有する充填材料を設ける工程を備えたことを特徴とする請求項7に記載の光導波路構造の製造方法。 8. The manufacturing of an optical waveguide structure according to claim 7, further comprising a step of providing a filling material having a refractive index smaller than that of refraction of the semiconductor substrate in the groove formed in a peripheral portion of the optical waveguide. Method. 前記充填材料が有機材料であることを特徴とする請求項8に記載の光導波路構造の製造方法。 9. The method of manufacturing an optical waveguide structure according to claim 8, wherein the filling material is an organic material .
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