JP3834657B2

JP3834657B2 - 光集積回路の作製方法

Info

Publication number: JP3834657B2
Application number: JP2004020258A
Authority: JP
Inventors: 正三井; 隆史関口
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2004-01-28
Filing date: 2004-01-28
Publication date: 2006-10-18
Anticipated expiration: 2024-01-28
Also published as: JP2005215200A

Description

この出願の発明は、各種光学機能素子を一体化してなる光集積回路の作製方法に関するものである。

従来、光学機能素子としては、無機光学結晶、石英系フォトニクス結晶、半導体量子ドットなど、様々なものが知られている。
P. K. Tien, "Integrated optics and new wave phenomena in opt ical waveguide," Review of Modern Physics, 1977, Vol.49, No.2, pp361-420

しかしながら、上記のとおりの各種光学機能素子は、それ自体で単一の素子として完結したものとなっているため、産業応用の場面でそれら素子の実装を行う場合、手動もしくは自動の調芯ユニットを用いる必要があり、その精度はせいぜいサブミクロン程度である。また、それぞれの機能を組み合わせるためには、光学定盤や光ファイバー接続を用いる必要があり、煩雑な作業となってしまう。したがって、単一素子として完結した光学機能素子を精度良く組み合わせて一体型素子とすることは極めて困難なのである。

たとえば、複数の光学機能素子をＳｉ基板上に一体型素子として形成する一手法が既に提案されているが（上記非特許文献１参照）、これは、Ｓｉ基板上に反応性スパッタリング、真空蒸着、融液析出等を用いて複数素子を成長させて一体化させるものであるため、たとえば半導体量子ドットを形成した基板に無機光学結晶を後付けで実装するといったことは、材料の性質上、困難である。すなわち、構成元素や成長温度が全く違う各種光学機能素子（たとえばＧａＡｓ等の半導体では数１００℃、ＬｉＮｂＯ₃等の無機光学結晶で
は〜１５００℃）を同一の成長炉で作製するような場合や、そのリソグラフィ方法やエッチング方法に大きな隔たりがある場合は、複数素子の一体化は至極困難なのである。

そこで、以上のとおりの事情に鑑み、この出願の発明は、単一素子として完結した各種光学機能素子を有機薄膜等の有機材料中に埋め込むことで、各素子をそれぞれの特性を損なうことなく自由にレイアウトでき、高度な光学機能を有する一体型素子である光集積回路を作製することのできる光集積回路の作製方法を提供することを課題としている。

この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、光導波路を有する、有機材料よりなる薄膜の表面に、当該光導波路を切断する形で複数のポケットを、埋め込まれる光学機能素子より小さい寸法に形成した後、前記各ポケットに異なる機能を有する複数種の光学機能素子をそれぞれ機械的に埋め込むことにより光学的接続を取り、一体型の光集積回路を作製することを特徴とする光集積回路の作製方法を提供する。

第２には、上記第１の発明において、有機材料が有機光透過材料であることを特徴とする光集積回路の作製方法を提供する。

第３には、上記第１または第２の発明において、有機材料が、偏光特性が等方的であることを特徴とする光集積回路の作製方法を提供する。

上記光集積回路の作製方法によれば、単一素子として完結した各種光学機能素子を有機材料中に埋設することで、各素子をそれぞれの特性を損なうことなく自由にレイアウトでき、高度な光学機能を有する一体型素子である光集積回路を作製することができる。これは、有機材料の高い加工性、柔軟性および弾力性を利用したもので、石英系材料には無い特徴である。

また、これにより、光機能素子を小型化且つ固体化できるため、部品点数を減らすことができ、軽量化ならびに耐久性および信頼性の向上が可能となる。また、この光学機能素子組合せのプラットフォームとも呼べる光集積回路の作製では、電極等を同時に作製することも可能であり、レーザへのエネルギー供給や光スイッチング素子への電気信号を印加することも可能である。したがって、このプラットフォームを用いることにより、従来の机程度の大きさの光学定盤が、数ｍｍ角の固体素子で代用できるようになり、かつて電気回路にて起きた真空管から集積回路への技術革新と同じことが光回路で実現できるのである。

さらに、光機能素子として無機光学結晶を考慮した場合、必要な無機光学結晶の大きさが小さくてよく、結晶性の良い部分のみを選択して使うことが可能でもある。

また、光導波路を適宜位置で切断した形でポケットを形成することで、光導波路の途中に当該光導波路と繋がったポケットが設けられることとなり、そのポケット内に光学機能素子を埋設した際に当該光学機能素子への入力光路や当該光学機能素子からの出力光路を残りの光導波路で担うことができるようになる。複数のポケットを形成した場合には、各ポケット同士を各々の間の光導波路で結ぶことができ、各ポケット内の光学機能素子を光導波路で光接合できる。

また、ポケットの寸法をそれに埋設する光学機能素子の寸法よりも小さくすることで、光学機能素子を埋設した際のポケットとの密着性を高め、ポケットや光導波路との光学的接合を確保し、光の損失を抑えることができる。光回路において損失を抑えることは非常に重要な要素である。

また、有機光透過材料を用いることで、有機材料の高い加工性、柔軟性および弾力性だけでなく、その光透過特性をもそのまま利用した、より優れた光集積回路を実現できる。

また、偏光特性が等方的な有機材料を用いることで、偏光制御を用いた光スイッチングや偏光に対する分波・合波を行う光学機能素子にとってより適した光集積回路を実現できる。

また、薄膜形状の有機材料を用いることで、その薄膜内に光学機能素子を一体化させた薄膜状の光集積回路を実現できる。

上記のとおりの特徴を有するこの出願の発明では、たとえば図１および図２に例示したように、有機材料（１）にポケット（２）を形成し、これに光学機能素子（３）を埋め込むことで、光集積回路を集積する。

より具体的には、たとえば、以下のような処理を行う。

＜ステップＳ１：パターニング＞
まず、有機材料（１）に対してリソグラフィ法でパターンを形成する。

有機材料（１）としては、たとえば、光導波路（１１）構造を予め有しているものを考慮でき、また全体形状が薄膜状の有機薄膜（１０）なども考慮できる。もちろんこれらはシリコン等の基板（４）上に作製されたものを用いることができる。光導波路（１１）を有する有機材料（１）の場合、パターニング及び次述のエッチングは光導波路（１１）を適宜位置で切断するように行うことが好ましい。

また、有機材料（１）としては、有機光透過材料を用いることができ、偏光特性が等方的で且つ偏光度劣化の少ないものなどをも考慮できる。

＜ステップＳ２：エッチング＞
続いて、パターニング後の有機材料（１）に対してエッチングを施し、ポケット（２）を作製する。

エッチングとしては、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いたドライエッチング
や、有機溶媒への深沈等を用いた湿式エッチング法などを考慮できる。

このとき、ポケット（２）を、対象とする光学機能素子（３）の寸法よりも若干小さい寸法となるように形成する。

＜ステップＳ３：埋込み＞
そして、上記形成したポケット（２）内に光学機能素子（３）を埋め込む（包埋するとも言える）。このとき、図２に例示したように、寸法の小さいポケット（２）は有機材料（１）の柔軟性および弾力性によって光学機能素子（３）の寸法や形状等の外形に沿って広がるなどして変形し、光学機能素子（３）と密着して、これにより光学機能素子（３）との光学的接続、光導波路（１１）がある場合には光導波路（１１）との光学的接続が確保されることとなる。

光学機能素子（３）としては、様々なものを対象とできるが、たとえば特に次の素子を考慮できる。
・偏光を制御することで超高速の光エッチングを可能とする「無機光学結晶」
・波長程度の曲率半径で光を曲げる「石英系フォトニクス結晶」
・量子暗号通信を行うための「半導体量子ドット発振器」
・導入用金属電極
・有機導体電極
・回折格子
・偏光素子
図１の実施形態では、シリコン基板（４０）上に作製された光導波路（１１）（クラッド部（１２）で囲まれたコア部）を持つ有機薄膜（１０）において、光導波路（１１）を適宜位置で切断するように複数のポケット（２）を形成し、各ポケット（２）に、半導体量子ドットレーザ（３０）、フォトニクス結晶（３１）、偏光制御型高速スイッチング用無機光学結晶（３２）および波長変換用無機光学結晶（３３）を埋め込む。これにより、半導体量子ドットレーザ（３０）からのレーザ光は、光導波路（１１）を通ってフォトニクス結晶（３１）に入射し、フォトニクス結晶（３１）にて二つの光導波路（１１）へ分波し、それぞれ偏光制御型高速スイッチング用無機光学結晶（３２）および波長変換用無機光学結晶（３３）に入射し、各々の機能によりスイッチングや波長変換が施されてさらに光導波路（１１）を通って出射する光集積回路が実現されている。

＜その他＞
以上の各種光学機能素子組合せのプラットフォームとも呼べる光集積回路の作製では、電極等を同時に作製することも可能であり、レーザへのエネルギー供給や光スイッチング素子への電気信号を印加することも可能である。

また、光導波路を有する有機材料を用いることで、ポケット間の光搬送を光導波路により行うようにできるが、これ以外にも、たとえば、小型のミラーや回折格子等をポケットに埋設して他のポケットに直接光を伝播させる方法や、フォトニクス結晶のような回折現象を生じさせる素子を埋設して他のポケットに光を誘導する方法も採用できる。

以下に、上述したこの出願の発明の一実施例について説明する。

シリコン基板上に作製した有機薄膜ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）に、光リソグラフィ法と反応性イオンエッチング法を用いてポケット構造を作製し、そこに回折格子を埋め込むことで光分波素子を実現した。

より具体的には、ＰＭＭＡはシリコン基板上にスピンコート法で作製した。そのときの膜厚は２５μｍであった。ここに光リソグラフィ法を用いて、幅１００μｍ×奥行き５０μｍのパターンを作製し、反応性イオンエッチング法を用いて、深さ１５μｍのポケット構造を作製した。ここに回折格子を挿入することで、光分波機能を持つ平板型の微小光学素子を作製した。

基板の一方の端面から、半導体励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザからの波長５３２ｎｍレーザ光と半導体レーザからの波長６７０ｎｍレーザ光とを混合させた光を照射したところ、有機薄膜内を伝播し、回折格子にて２つの光線に分散されたことを確認できた。

図３に例示したように、シリコン基板（４０）上に作製した重水素化フッ素化メタクリレート（ｄ−ＰＦＭＡ）導波路（１１）構造を有する有機薄膜（１０）に、光リソグラフィ法とイオンエッチング法を用いて４つのポケット（２）構造を形成し、各ポケット（２）に半導体量子ドットレーザ（３０）、偏光制御型高速スイッチング用無機光学結晶（３２）および２つの偏光板（３４ａ）（３４ｂ）を埋め込むことで、光スイッチング素子を作製した。

より具体的には、クラッド部（１２）となるポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）は、シリコン基板（４０）上にスピンコート法で作製した。まず下部クラッドを１５μｍ成長させ、続いて光導波路（１１）（コア部）となるｄ−ＰＦＭＡを５μｍ成長させた。ここでフォトリソグラフィ法を用いてレジストによるパターニングを行い、反応性イオンエッチング法を用いて光導波路（１１）のみを残してドライエッチングを行い、ｄ−ＰＦＭＡを除去した。その後、上部クラッドとなるＰＭＭＡを総膜厚２５μｍになるまで成長させた。

この試料に再度フォトリソグラフィ法でパターニングを行い、光導波路（１１）上部に窓を開けた。

この状態で反応性イオンエッチングを用いてポケット（２）構造を作製した。このときの窓の大きさは１００μｍ角、偏光板（３４ａ）（３４ｂ）は１００μｍ×５０μｍであった。

このポケット（２）部に再度フォトリソグラフィ法を用いてＡｕ電極（５）を成長させた。

続いて、窓部にチップ化したＧａＩｎＡｓ系半導体量子ドットレーザ（３０）、偏光制御型高速スイッチング用無機光学結晶（ＬｉＮｂＯ3）（３２）、垂直方向の偏光板（３
４ａ）および水平方向の偏光板（３４ｂ）を挿入した。

これにより、半導体量子ドットレーザ（３０）からの発光半値幅の小さいレーザ光を偏光制御型高速スイッチング用無機光学結晶（３２）を用いてスイッチングする光集積回路を実現することができた。この光集積回路では、二つの偏光板（３４ａ）（３４ｂ）が互いに直交しており、偏光制御型高速スイッチング用無機光学結晶（３２）に電圧が印加されたときに複屈折現象により円偏光成分が発生し、光が透過するようになっている。この際にキャリアの移動等がないため、高速のスイッチングが可能である。

この光集積回路によれば、半導体量子ドットレーザ（３０）からの発光半値幅１ｎｍの鋭いスペクトルピークを、電流ＯＮ−ＯＦＦ時の波形の崩れであるチャーピング現象が生じることなく、高速でスイッチングできる。

もちろん、この出願の発明は以上の実施形態および実施例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能である。

以上詳しく説明した通り、この出願の発明によって、単一素子として完結した各種光学機能素子を有機薄膜等の有機材料中に埋め込むことで、各素子をそれぞれの特性を損なうことなく自由にレイアウトでき、高度な光学機能を有する一体型素子である光集積回路を作製することのできる光集積回路の作製方法が提供される。

したがって、各種光学機能素子を単一の装置で作る必要はなく、別個に大量生産したものをチップ化することで光学機能素子を作製し、それを挿入するだけでよい。特に、物性がかけ離れた材料を組み合わせた素子を作成する場合、容易に、かつ低コストに作成することができる。また、各光学機能素子のレイアウトや、光導波路の配線は自由であり、少量多品種生産にも対応しやすい。

このため、各種光学機能素子を統合するプラットフォームを数ｍｍ角の固定素子に収めることができ、光通信技術の進歩発展に直接的に貢献できるのである。

また、将来の量子暗号通信の普及を考えた場合、伝送路は中継装置の無い光導波路である必要がある。しかしながら、通信端末間の全てについて専用の光ファイバーを敷設することは非現実的であることから、光のみでの切替回路の実用化は必要不可欠である。この出願の発明により作製された光集積回路は、このような光切替回路の光学プラットフォームとして利用できると考えられる。

以上のように、この出願の発明は、光通信および光演算用の光路切替え、スイッチング、波長変換等を行う高機能一体型素子の製造や加工に有用であり、半導体、無機光学結晶、酸化物、金属等の特性の違う材料をその性能を損なうことなく組み合わせて固体素子として使用するために利用可能である。

この出願の発明の一実施形態を例示した模式図である。この出願の発明について説明するための図である。この出願の発明の一実施例を例示した模式図である。

符号の説明

１有機材料
１０有機薄膜
１１光導波路（コア部）
１２クラッド部
２ポケット
３光学機能素子
３０半導体量子ドットレーザ
３１フォトニクス結晶
３２偏光制御型高速スイッチング用無機光学結晶
３３波長変換用無機光学結晶
３４ａ，３４ｂ偏光板
４基板
４０シリコン基板
５Ａｕ電極

Claims

光導波路を有する、有機材料よりなる薄膜の表面に、当該光導波路を切断する形で複数のポケットを、埋め込まれる光学機能素子より小さい寸法に形成した後、前記各ポケットに異なる機能を有する複数種の光学機能素子をそれぞれ機械的に埋め込むことにより光学的接続を取り、一体型の光集積回路を作製することを特徴とする光集積回路の作製方法。
有機材料が有機光透過材料であることを特徴とする請求項１に記載の光集積回路の作製方法。
有機材料が、偏光特性が等方的であることを特徴とする請求項１または２に記載の光集積回路の作製方法。