JP3966409B2 - 光導波路デバイスの製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は光導波路デバイス及びその製造方法に関する。
【0002】
光導波路を用いた光デバイスは光通信の発展と共に必要性が増大し、光変調器、光分波器、光スイッチ又は光波長変換器等に利用されている。光導波路としては、LiNbO3結晶基板にTiを拡散して作成された光導波路、Si基板上にSiO2を堆積した光導波路、ポリマー光導波路等が知られている。
【0003】
【従来の技術】
実用的な外部変調器として、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)等の誘電体結晶基板を用いたマッハツェンダ型の光変調器(LN変調器)が開発されている。光源からの一定強度のキャリア光がLN変調器に供給され、光の干渉を用いたスイッチング動作によって強度変調された光信号が得られる。
【0004】
LN変調器は、Zカットされたニオブ酸リチウム結晶からなる誘電体基板の表面に、チタン(Ti)を熱拡散させて屈折率を高めることにより、その両端部近傍でそれぞれ結合された一対の光導波路を形成し、その上にSiO2からなるバッファ層を形成し、更にバッファ層の上に光導波路に対応して信号電極(進行波電極)及び接地電極を形成して構成される。
【0005】
光導波路の一端から入射された信号光は分岐されて一対の光導波路を伝搬する。一方の光導波路上に形成された信号電極に駆動電圧を印加すると、電気光学効果により分岐された双方の信号光に位相差が生じる。
【0006】
LN変調器では、これらの信号光を再び結合させて光信号出力として取り出す。一対の光導波路を伝搬する信号光の位相差が例えば0又はπになるように駆動電圧を印加すれば、オン/オフのパルス信号を得ることができる。
【0007】
最近のLN変調器は、変調速度の高速化を実現するため、40Gb/sの高周波帯域の変調器の開発が進められている。このような高周波帯域では、伝搬損失の低減及び高周波帯域特性の確保のために、LN変調器の電極間に導波路に沿って深さ数μmの溝を形成することが必要不可欠であり、この溝形成工程は通常RIE(反応性イオンエッチング)ドライエッチング装置を用いて行われる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
従来のRIEドライエッチングによる溝形成技術は以下のような問題点を有している。
【0009】
(1)LN変調器の母体となるLN基板は強誘電体の絶縁物であり、温度変動により分極を起こし、片面で約6,000Vに達すると放電を起こし、その衝撃でウェハが破損する。
【0010】
特に、急激な温度変化(5℃/分以上)があるとウェハの破損が顕著となる。溝形成に使用するRIE装置は高周波電源を使用しウェハに急激な温度変動を与えるため、ウェハが破損し易く、歩留まりを低下させる。
【0011】
(2)RIE装置は、ウェハ・セット及び取り出し用のロードロック室(ローディング室)と、実際に処理を行うエッチング室に分かれ、これらの室の間でウェハを自動搬送する。
【0012】
しかし、LNウェハは焦電効果があるため金属と張り付き易く、従来のLN変調器の製造方法では、LNウェハのエッチング後にエッチング室のステージ(アルミニウム製電極)にウェハが張り付き、ウェハを自動搬送できずロードロック室にウェハが戻ってこない。
【0013】
このため、エッチング毎にエッチング室を分解し、ウェハの下面にかみそり等の鋭利なものを挿入し、ステージから無理やりウェハを分離するようにしている。このウェハの剥離作業もウェハの破損を起こし易く、歩留まりを著しく低下させる。
【0014】
また、この分解作業は高周波電源のブレーカを切断し、信号線を手で外す危険な作業を含んでおり、更に冷却水配管及びガス導入管等も外す必要があるため、危険且つ手間がかかる。
【0015】
また、エッチング室の再組立時には、ウェハチャッカーの組立精度が必要であり、微小な位置ずれを起こしてもガスリークを発生させ、その結果LNウェハに温度分布が発生してウェハの破損につながる。
【0016】
(3)RIEドライエッチングは、マスク材としてフォトレジストを使用し、このフォトレジスト付きのLNウェハをエッチングする。フォトレジストは高温(120℃以上)になると焼きただれ、酸化してしまうため、これを防ぐためステージを介してウェハを冷却し、ウェハを低温に保持している。このため、ウェハ上面及び下面に温度差が生じ、ウェハの破損につながる。
【0017】
(4)RIEドライエッチング用のフォトレジストのパターニング露光時にウェハとガラスマスクの位置合わせを行う。この位置合わせは、必要な特性を確保するため2μm以下の精度で行う必要がある。
【0018】
しかし、LNウェハ自身が透明であるため、露光時の輝度が不足し、位置合わせマーカーが見えずにパターンずれを起こすことがある。パターンずれを起こすとフォトレジストの再度の塗布及びパターニングを余儀なくされ、直行率が低下し、歩留まりを低下させる。
【0019】
よって、本発明の目的は、RIEドライエッチング工程でのウェハの破損を防止し、ウェハの自動搬送を可能とした光導波路デバイスの製造方法を提供することである。
【0021】
【課題を解決するための手段】
本発明の一側面によると、光導波路デバイスの製造方法であって、電気光学効果を有する基板中に光導波路を形成し、該基板の光導波路形成面上にSiO2膜を形成し、前記SiO2膜上、前記基板の光導波路形成面の裏面及び少なくとも前記基板の側面の一部にSi膜を形成して、前記SiO2膜上及び光導波路形成面の裏面のSi膜を導通し、前記Si膜上にフォトレジストを塗布し、前記光導通路に対応する部分のフォトレジストが残るように前記フォトレジストをパターニングし、反応性イオンエッチングにより、前記光導波路に沿って前記基板に溝を形成し、前記フォトレジスト及び前記Si膜を剥離する、ステップを含むことを特徴とする光導波路デバイスの製造方法が提供される。
【0022】
好ましくは、基板はLiNbO3から形成されており、光導波路の形成ステップはLiNbO3基板にTiを拡散するステップを含んでいる。Si膜の形成ステップは、例えばスパッタリングにより達成される。好ましくは、フォトレジストは導電性フォトレジストから構成される。
【0023】
本発明の他の側面によると、光導波路デバイスの製造方法であって、電気光学効果を有する基板中に光導波路を形成し、該基板の光導波路形成面上にSiO2膜を形成し、前記SiO2膜上、前記基板の光導波路形成面の裏面及び少なくとも前記基板の側面の一部にTi膜を形成して、前記SiO2膜上及び光導波路形成面の裏面のTi膜を導通し、前記Ti膜上にフォトレジストを塗布し、前記光導波路に対応する部分のフォトレジストが残るように前記フォトレジストをパターニングし、反応性イオンエッチングにより、前記光導波路に沿って前記基板に溝を形成し、前記フォトレジスト及び前記Ti膜を剥離する、ステップを含むことを特徴とする光導波路デバイスの製造方法が提供される。
【0026】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の製造方法により製造されたマッハツェンダ型光変調器の平面図を示している。図2は図1のII−II線概略断面図であり、寸法サイズは誇張して描かれている。
【0027】
光変調器又は光変調器チップ2は電気光学効果を有する誘電体から形成されており、本実施形態においてはニオブ酸リチウム基板(LiNbO3基板)4から形成されている。光変調器2はマッハツェンダ型光導波路構造6を有している。
【0028】
光導波路構造6は、入力光導波路8と、出力光導波路10と、入力光導波路8と出力光導波路10の間に伸長する第1及び第2光導波路12,14から構成されている。
【0029】
第1及び第2光導通路12,14はY分岐16により入力光導波路8に接続され、Y分岐18により出力光導波路10にそれぞれ接続されている。光導波路構造6はLiNbO3基板4にチタン(Ti)を熱拡散することにより形成されている。
【0030】
入力光導波路8に供給された信号光は、Y分岐16で光パワーが実質的2等分されて第1及び第2光導波路12,14で導波される。この導波光はY分岐18で出力光導波路10に結合される。
【0031】
第1及び第2光導波路12,14を導波する光の位相差に応じて、出力光導波路10を光が導波する結合モードと、Y分岐18から基板4内に光が放射される放射モード(漏洩モード)とが切り替えられる。
【0032】
分岐された信号光の間の位相を変化させるために、第1光導波路12上には信号電極(進行波電極)20が設けられており、第2光導波路14上には接地電極22が設けられている。更に、第1光導波路12に対して接地電極22の反対側の基板4上には他の接地電極24が形成されている。
【0033】
信号電極20と接地電極24の間の基板4に第1光導波路12に沿って伸長する深さ数μmの溝26が形成され、信号電極20と接地電極22の間の基板4に第2光導波路14に沿って伸長する深さ数μmの溝28が形成されている。これらの溝26,28は、伝搬損失低減及び高周波帯域特性確保のために形成されている。
【0034】
図2を参照して、本発明実施形態の光変調器2の断面構造について説明する。基板4上には溝26,28部分を除きSiO2バッファ層30が形成されている。更に、溝26,28内を含めて基板4の全周はSi膜32で覆われている。
【0035】
Si膜32上にはTi膜34が蒸着され、Ti膜34上にはAu膜36が蒸着され、Au膜36上にはAuメッキ38が施され、このAuメッキ38により信号電極20、接地電極22,24が形成されている。これらの電極20,22,24の厚さは約30μmである。
【0036】
以下、本発明の光導波路の製造方法につき、光変調器の製造プロセスを例に説明する。まず、図3(A)に示すように、LiNbO3基板(LN基板)4上にTi40を約100nmの厚さに蒸着する。Ti40の純度は99.99%である。
【0037】
次いで、フォトレジスト42を約1μmの厚さに塗布し、図3(B)に示すようにパターニングする。次いで、ウエットエッチングによりTi40をエッチングし、アセトン等による超音波洗浄によりフォトレジスト42を剥離すると、図3(C)に示したようになる。
【0038】
次いで、キャリアガスとして純酸素を約10リットル/分の割合で流しながら温度約1000℃で約10時間保持し、Ti40を基板4中に拡散させて図4(A)に示すように光導波路12,14を形成する。
【0039】
次いで、図4(B)に示すように、SiO2バッファ層30を約1μmの厚さに成膜する。次いで、図4(C)に示すように、バッファ層30上、基板4の下面及び両側面にSi膜44a,44b,44cを約0.1μmの厚さに成膜する。この成膜は、キャリアガスとしてArを使用し、成膜圧力0.66PaでDCスパッタ装置により成膜する。
【0040】
基板4の側面のSi膜44cは基板4の側面全体に形成する必要なく、SiO2バッファ層30上のSi膜44aと基板4の下面のSi膜44bを導通させるように、基板4の側面の一部に形成すれば十分である。
【0041】
このように基板4の上下面をSi膜44a,44bで覆って、これらのSi膜44a及び44bを側面のSi膜44cで接続したため、LN基板4が温度変動により分極を起こすことが抑制される。これにより、LN基板4が高電圧に帯電することが防止される。
【0042】
次いで、Si膜44a上にフォトレジスト46を塗布し、図5(A)に示すように、RIEドライエッチング用にフォトレジスト46のパターニングを行う。
【0043】
次いで、図6に示すRIEドライエッチング装置を使用して、RIE(反応性イオンエッチング)を行い、光導波路12,14に沿って伸長する一対の溝26,28を例えば数μmの深さに形成する(図5(B))。
【0044】
次いで、図5(C)に示すように、剥離液(例えば東京応化工業製の商品名DE−3)を用いて、フォトレジスト46及びSi膜44a,44b,44cを剥離する。
【0045】
図6を参照して、RIEドライエッチング装置について説明する。RIEドライエッチング装置はエッチング室50と、図示しないローディング室(ロードロック室)を有しており、エッチング室50とローディング室の間でLNウェハ51を搬送装置により自動搬送する。
【0046】
52はアルミニウム製のステージであり、バイアス高周波電源62に接続されて電極として作用する。ステージ52にはHeガス供給口兼ホイストピン56挿入用の複数の穴54が形成されている。
【0047】
58はプラズマ形成用高周波電源であり、高周波アンテナ60に接続されている。64は磁気中性線形コイル、66は磁気中性放電部である。エッチング室50は真空ポンプ68に接続されており、RIE中はエッチング室50はこの真空ポンプ68により所定の真空度に保たれる。
【0048】
以下、RIEの動作について説明する。まず、ローディング室のウェハハンドラー用の皿にウェハ51をセットする。操作制御ボタンを押すと、ウェハ51が搬送装置により自動でローディング室からエッチング室50に搬送される。
【0049】
ステージ52の下からホイストピン56が上方に突き出てウェハ51を持ち上げ、ウェハハンドラー用の皿は搬送装置によりローディング室へ戻る。ホイストピン56が下がり、ステージ52上にウェハ51が設置される。
【0050】
供給管70からエッチングガスとしてArとC3F8の混合ガスをエッチング室50に供給しながら、成膜圧力0.25Pa、高周波電源58のアンテナパワー1200W、バイアス電源62のバイアスパワー200Wでウェハ51の反応性イオンエッチング(RIE)を行う。
【0051】
本実施形態のウェハ51又は基板4は、図5(A)に示すように、その上面に形成されたSi膜44aと下面に形成されたSi膜44bが側面のSi膜44cで接続されているため、ウェハ51又は基板4の分極が防止され、ウェハ51又は基板4が帯電することが防止される。
【0052】
これにより、ウェハ51の放電が防止され、放電の際の衝撃によるウェハ51の破損が防止される。また、ウェハ51の帯電が防止できるため、ウェハ51のステージ52への張り付きがなくなり、ウェハ51の自動搬送が可能である。
【0053】
また、ドライエッチング用のパターニング露光時に、フォトレジスト46の下にSi膜44aが蒸着してあるため、十分な輝度を確保することができ、ウェハ51に形成されているマーカーを鮮明に見ることができる。よって、露光時の位置合わせが容易となる。
【0054】
エッチング終了後、ホイストピン56でウェハ51を持ち上げ、ウェハハンドラー用の皿でウェハ51を受け、搬送装置でウェハ51をローディング室に自動搬送する。
【0055】
RIEが終了すると、エッチング室50のクリーニングを行う。エッチング室内はウェハに塗布されていたフォトレジスト46により汚染される。このクリーニングを実施しないと、次回のRIEの際に高周波放電ができず、RIEが実施できない。
【0056】
よって、例えばSiウェハ等のダミーウェハをローディング室のウェハ皿に置き、エッチング室にダミーウェハを自動搬送する。CF4を少量混合した酸素ガス雰囲気中で、真空度約1.33Pa、アンテナパワー1000W、バイアスパワー50Wの条件でエッチング室のクリーニングを所定時間行う。クリーニング終了後、ダミーウェハをローディング室に自動搬送する。
【0057】
図5(C)の工程終了後、図7(A)に進み基板4の上面、下面及び少なくとも側面の一部に膜厚約0.1μmのSi膜32をDCスパッタ装置で成膜する。
【0058】
次いで、図7(B)に進み、真空度6.6×10-4Paで膜厚約50nmのTi膜34及び膜厚約200nmのAu膜36を蒸着する。Tiの純度は99.99%、Auの純度は99.99%以上である。
【0059】
次いで、Au膜36上にフォトレジスト72を約13μmの厚さに塗布し、図7(C)に示すようにフォトレジスト72をパターニングする。次いで、図8(A)に進みTi膜34及びAu膜36をエッチング液を使用してエッチングする。
【0060】
アセトン等による超音波洗浄によりフォトレジスト72を剥離し(図8(B))、Auメッキ用フォトレジスト74を約32μmの厚さに塗布し、これを図8(C)に示すようにパターニングする。
【0061】
図9(A)に示すようにAuメッキ38を約30μmの厚さに形成し、アセトン等による超音波洗浄によりフォトレジスト74を剥離する(図9(B))。次いで、不要Ti/Auエッチング用フォトレジスト76を再び塗布し、図9(C)に示すようにフォトレジスト76をパターニングする。
【0062】
次いで、図10(A)に示すように不要なTi膜34及びAu膜36をウエットエッチングにより除去し、アセトン等による超音波洗浄によりフォトレジスト76を剥離する(図10(B))。これにより、所定の電極形状20,22,24を得ることができる。
【0063】
以上の工程を経ることにより、LNウェハ51上に複数の光変調器2を形成することができる。次の工程では、図11(A)及び図11(B)に示すように、LNウェハ51上に形成された複数の光変調器2の両端近傍に一対の保護部材(やとい)80を接着する。この保護部材80は各光変調器2の端面を保護するためのものである。
【0064】
次いで、図12に示すように回転レジンダイヤモンド刃によるダイシングを行い、光変調器チップ2を個別に切り出す。個別に切り出された光変調器チップ2の側面にSi膜を成膜し、図7(A)のステップで形成された基板4の上下面に形成されたSi膜32を電気的に接続する。最後に、光変調器チップ2の端面に反射防止膜を蒸着して、光変調器チップ2が完成する。
【0065】
上述した実施形態では、図4(C)のステップで基板4の上面、下面及び側面にSi膜44a,44b,44cを形成したが、Si膜を形成する替わりにTi蒸着膜を基板4の上面、下面及び側面に形成するようにしてもよい。
【0066】
また、図5(A)のステップで形成するフォトレジスト46に導電性フォトレジストを用い、基板4又はウェハ51の上面の帯電を防止するようにするのが好ましい。
【0067】
以上の説明では、本発明の製造方法を光変調器の製造方法に適用した例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、光分波器、光スイッチ、光波長変換器等の他の光導波路デバイスの製造方法にも同様に適用可能である。
【0068】
本発明は以下の付記を含むものである。
【0069】
(付記1) 光導波路デバイスの製造方法であって、
電気光学効果を有する基板中に光導波路を形成し、
該基板上にSiO2膜を形成し、
前記SiO2膜上、前記基板の下面及び少なくとも前記基板の側面の一部にSi膜を形成して、前記SiO2膜上及び前記下面上のSi膜を導通し、
前記Si膜上にフォトレジストを塗布し、
前記光導通路に対応する部分のフォトレジストが残るように前記フォトレジストをパターニングし、
反応性イオンエッチングにより、前記光導波路に沿って前記基板に溝を形成し、
前記フォトレジスト及び前記Si膜を剥離する、
ステップを含むことを特徴とする光導波路デバイスの製造方法。
【0070】
(付記2) 前記基板はLiNbO3から形成されており、前記光導波路の形成ステップは前記LiNbO3基板にTiを熱拡散するステップを含んでいる付記1記載の光導波路デバイスの製造方法。
【0071】
(付記3) 前記Si膜の形成ステップはスパッタリングにより達成される付記1記載の光導波路デバイスの製造方法。
【0072】
(付記4) 前記フォトレジストは導電性フォトレジストから構成される付記1記載の光導波路デバイスの製造方法。
【0073】
(付記5) 光導波路デバイスの製造方法であって、
電気光学効果を有する基板中に光導波路を形成し、
該基板上にSiO2膜を形成し、
前記SiO2膜上、前記基板の下面及び少なくとも前記基板の側面の一部にTi膜を形成して、前記SiO2膜上及び前記下面上のTi膜を導通し、
前記Ti膜上にフォトレジストを塗布し、
前記光導波路に対応する部分のフォトレジストが残るように前記フォトレジストをパターニングし、
反応性イオンエッチングにより、前記光導波路に沿って前記基板に溝を形成し、
前記フォトレジスト及び前記Ti膜を剥離する、
ステップを含むことを特徴とする光導波路デバイスの製造方法。
【0074】
(付記6) 光導波路デバイスであって、
電気光学効果を有する基板と、
前記基板中に形成された光導波路と、
前記光導波路に関連して形成された信号電極と、
前記基板上に形成された接地電極と、
前記光導波路に沿って前記基板上に形成された溝と、
前記溝を除き前記基板上に形成されたSiO2バッファ層と、
前記バッファ層上、前記溝中、前記基板の下面上及び側面の少なくとも一部に形成されたSi膜と、
を具備したことを特徴とする光導波路デバイス。
【0075】
(付記7) 前記基板はLiNbO3から形成されており、前記光導波路は前記LiNbO3基板にTiを熱拡散することにより形成されている付記6記載の光導波路デバイス。
【0076】
(付記8) 光変調器であって、
電気光学効果を有する基板と、
前記基板中に形成された入力導波路、出力導通路、及び前記入力及び出力導波路の間に伸長しそれぞれ前記入力及び出力導波路に接続された第1及び第2導波路を有する光導波路構造と、
前記第1導波路上に形成された信号電極と、
前記第2導波路上に形成された第1接地電極と、
前記信号電極に対して前記第1接地電極と反対側の前記基板上に形成された第2接地電極と、
前記第1導波路に沿って前記基板上に形成された第1の溝と、
前記第2導波路に沿って前記基板上に形成された第2の溝と、
前記第1及び第2の溝を除き前記基板上に形成されたSiO2バッファ層と、
前記バッファ層上、前記第1及び第2の溝中、前記基板の下面上及び側面の少なくとも一部に形成されたSi膜と、
を具備したことを特徴とする光変調器。
【0077】
(付記9) 前記基板はLiNbO3から形成されており、前記光導波路は前記LiNbO3基板にTiを熱拡散することにより形成されている付記8記載の光変調器。
【0078】
【発明の効果】
本発明の光導波路デバイスの製造方法によると、ドライエッチング(RIE)工程に先立ちLNウェハの上面及び下面の全体及び側面の少なくとも一部にSi膜を形成したため、LNウェハの帯電を防止でき、高電圧の放電に起因するウェハの破損が無くなり、製造歩留まりを向上することができる。
【0079】
また、LNウェハの帯電を防止できるため、RIE工程におけるウェハのステージへの張り付きが無くなり、ウェハの自動搬送が可能となる。また、エッチング室の分解及び再組立をする必要が無くなるため、作業効率が大幅に向上する。
【0080】
更に、RIE用のパターニング露光時にフォトレジストの下にSi膜が蒸着してあるため、十分な輝度を確保することができ、ウェハに形成したマーカーを鮮明に見ることができる。これにより、フォトレジスト露光時の位置合わせが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明実施形態の光変調器の平面図である。
【図2】図1のII−II線断面図である。
【図3】本発明の製造プロセスを示す図である。
【図4】本発明の製造プロセスを示す図である。
【図5】本発明の製造プロセスを示す図である。
【図6】RIEドライエッチング装置の概略構成図である。
【図7】本発明の製造プロセスを示す図である。
【図8】本発明の製造プロセスを示す図である。
【図9】本発明の製造プロセスを示す図である。
【図10】本発明の製造プロセスを示す図である。
【図11】図11(A)はウェハに保護部材を接着した状態の平面図、図11(B)は図11(A)の11B−11B線断面図である。
【図12】ダイシング工程を示す図である。
【符号の説明】
2 光変調器
4 基板
6 光導波路構造
20 信号電極
22,24 接地電極
26,28 溝
30 SiO2バッファ層
32 Si膜
34 Ti膜
36 Au膜
38 Auメッキ
44a,44b,44c Si膜
51 LNウェハ
80 保護部材(やとい)
Claims (3)
- 光導波路デバイスの製造方法であって、
電気光学効果を有する基板中に光導波路を形成し、
該基板の光導波路形成面上にSiO2膜を形成し、
前記SiO2膜上、前記基板の光導波路形成面の裏面及び少なくとも前記基板の側面の一部にSi膜を形成して、前記SiO2膜上及び光導波路形成面の裏面のSi膜を導通し、
前記Si膜上にフォトレジストを塗布し、
前記光導通路に対応する部分のフォトレジストが残るように前記フォトレジストをパターニングし、
反応性イオンエッチングにより、前記光導波路に沿って前記基板に溝を形成し、
前記フォトレジスト及び前記Si膜を剥離する、
ステップを含むことを特徴とする光導波路デバイスの製造方法。 - 前記基板はLiNbO3から形成されており、前記光導波路の形成ステップは前記LiNbO3基板にTiを熱拡散するステップを含んでいる請求項1記載の光導波路デバイスの製造方法。
- 光導波路デバイスの製造方法であって、
電気光学効果を有する基板中に光導波路を形成し、
該基板の光導波路形成面上にSiO2膜を形成し、
前記SiO2膜上、前記基板の光導波路形成面の裏面及び少なくとも前記基板の側面の一部にTi膜を形成して、前記SiO2膜上及び光導波路形成面の裏面のTi膜を導通し、
前記Ti膜上にフォトレジストを塗布し、
前記光導波路に対応する部分のフォトレジストが残るように前記フォトレジストをパターニングし、
反応性イオンエッチングにより、前記光導波路に沿って前記基板に溝を形成し、
前記フォトレジスト及び前記Ti膜を剥離する、
ステップを含むことを特徴とする光導波路デバイスの製造方法。
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