JP4313772B2 - 光導波路の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は光通信などに用いられる光導波路の製造方法に関し、特に埋め込み型光導波路のスポットサイズ変換器を作製する方法に関する。

光通信システムの整備が世界的に推進され、その重要性や利便性から一般消費者まで普及が拡大されてきている。それに伴い更なる通信容量の拡大が求められ、波長多重通信技術の成熟とともに、個々の光デバイスにより多くの機能・性能が求められるようになっている。例えば、より多くの波長を合分波する波長分離素子、１つの信号を多くのファイバに当分割するスプリッター、可変減衰器の集積化による多チャンネル可変減衰器等の開発が急務となっており、光回路の回路規模が拡大している。一方で、これら光回路の価格競争が世界的に広がり、より廉価で高性能な光回路が要求されている。したがって、大規模化・高性能化する光回路をより小型化し、ウエハー当たりに作製できる回路数を増やすことで、低コスト化を図ることが検討されている。

石英系の光回路では、回路の小型化の為にコアの屈折率を増加させることが検討されている。この検討は、導波路の曲げ半径を小径化することで回路全体をコンパクトに収まるよう設計できるようにするためである。したがって、現在ではより高い屈折率をコアに用いることが低コスト化につながる重要な技術となってきている。

このような技術背景の中で、光回路の小型化のため、より高い屈折率を持つ材料が光導波路のコアに使われるようになってきている。しかしながら、高屈折率の材料をコアに用いることで、コアを伝搬する光のモードフィールド径が減少し、光ファイバとの接続損が増大してしまう。この現象は、光回路中の光導波路のモードフィールドが光ファイバのモードフィールドに比べて小さくなり、光ファイバとの接続部分でのフィールドミスマッチによる損失、すなわち接続損が生じるためである。

このような光ファイバとの接続損を低減するために、光回路と光ファイバのモードフィールドを一致させることができるスポットサイズ変換器がいくつか提案されてきている。従来のスポットサイズ変換器として、コアの幅、高さを小さくし、光導波路のモードフィールドを拡大することで光ファイバとの接続損を低減する構造のものが知られている（特許文献１）。そのスポットサイズ変換器は、コアが小さくなっていくと、いずれ光を閉じ込めきれずになるが、その閉じ込められなくなった光をコア外に放射させることで、モードフィールドの拡大を行なっている。しかし、このような従来のスポットサイズ変換器の構造では、例えばウエハーから各素子に切り出す際の切り出し位置などの僅かな作製誤差により結合損失が大きく変化することが知られており、このため、これまでこのようなスポットサイズ変換器の実用回路への適用は実際にはなされていなかった。

異種のコアを積層し、または、内包した構造を持つスポットサイズ変換器も知られている。これは、モードフィールドの小さな第１の導波路をモードフィールドの大きな第２の導波路上に積層してテーパーを形成した構造のスポットサイズ変換器である。第１のコアがそのテーパー部にさしかかり、そのコアが小さくなることで、コア外に光が放射される。上記の単にコア径を小さくしたスポットサイズ変換器と違い、異種のコアを持つスポットサイズ変換器は隣接する第２コアに光が移行してモードフィールド径の変換を行う。

異種のコアからなる光回路接続は、多様な箇所での使用が考えられる。異種のコアからなる光回路接続の実例として、光回路とファイバとの接続に用いられるのみならず、光回路と光半導体素子との接続などさまざまな場面で適用が考えられている。

従来の光回路と半導体素子との接続の一例を図６に示す。図６は１．５μｍ帯と１．３μｍ帯からなる石英光導波路を用いたＷＤＭ（波長分割多重方式）トランシーバの構成を示している。基板４５上に、交差した光導波路５０が形成され、その交差部にはダイシング等により溝５１が形成されている。その溝５１には、１．３μｍの光を反射し、１．５μｍ帯の光を透過する薄膜フィルタ４３が挿入されている。一つの入出力ポートから導波路５０内に入射した１．５μｍの光は、フィルタ４３を透過して導波路端面に設置された半導体受光器４４に至る。一方、出力のために、光導波路回路の一部を除去した箇所に半導体レーザ４０が配置され、光導波路５０のコア高さが調整され、半導体レーザ４０から出力する１．３μｍ光が導波路端面から導波路５０内に導かれる。

このような回路では、フィルタ挿入部である交差部では、分断された箇所（溝）５１を光が伝搬する際に、主に回折現象に起因する損失が発生する。この損失を低減するために、その箇所ではモードフィールドの大きなコアを用いる必要がある。つまり、その箇所では比屈折率差がクラッドに対してあまり大きくないコアを用いる必要がある。同じく、光導波路５０の入出力ポートには光伝送用のファイバ（図示しない）が接続されるが、この場合もファイバのモードフィールドとよく一致した、モードフィールドを持つように光導波路５０の入出力ポートのコアの形状と比屈折率差を設定する必要がある。

一方、半導体レーザ４０の結合部においては、半導体レーザ４０のモードフィールドは、導波路５０のそれに比べかなり小さい。そのため、半導体レーザ結合部においては、導波路５０のモードフィールドが小さくなるように導波路５０のコアの形状、比屈折率差を設定しなければならない。例えば、比屈折率差０．３％程度（８×８μｍ）のコアにより、市販されている典型的なファブリペロー半導体レーザを結合させると、８ｄＢ程度の結合効率となる。しかしながら、比屈折率差を１．５％程度（４×４μｍ）すると、結合効率を３ｄＢ程度とすることができる。

このように、薄膜フィルタを用いたＷＤＭトランシーバでは、ある箇所では導波路の比屈折率差が小さく、ある箇所では大きい方が好ましいという、相反することを両立する必要がある。しかし、これは異種のコアを積層したスポットサイズ変換器を用いることでその両立を図ることが可能となる。図６の拡大箇所はスポットサイズ変換部（４２，４１）と半導体レーザ４０との結合部を示している。

半導体レーザ結合部では比屈折率差の大きなコア４１に半導体レーザ４０からの光を結合させる。積層構造スポットサイズ変換器を用いてスポットサイズを変換し、比屈折率差の小さなコア４２に光を導く。その他のファイバ接続部、フィルタ挿入部は、比屈折率差の小さなコアによって導波路を形成すれば、上記の相反する要求を両立させることが可能である。

特許第３２７９２７０号公報 川上彰二郎他「自己クローニングによる３次元フォトニクス結晶の作製と応用」、電子情報通信学会論文誌 C-I Vol.J81-C-1 No.10 pp.573-581 1998年10月

上述したように、スポットサイズ変換器では、コアのサイズを小さくすることで光の閉じ込めを弱くし、モードフィールド径を拡大しているが、モードフィールド径が拡大するにつれて光導波路の損失が大きくなる。この原因は、モードフィールド径の拡大と共に、コアとクラッドの界面における損失が増大するためである。石英系の光回路では材料による損失が十分に低いために、光導波路の損失はコア側壁の荒れから生じるレイリー散乱によるものが大部分を占めている。光回路のスポット変換器以外の部分では、ある程度径の大きいコアを採用することで、導波路損失を下げることが可能であるが、スポットサイズ変換器の部分では、モードフィールド径を広げるためにコア径を小さくする必要があるため、大きな導波路損失が生じる。

また、上述したように、スポットサイズ変換器の有効性は非常に大きいことは広く知られているが、現在流通している光部品でスポットサイズ変換器を搭載している素子は少ない。その問題点の多くは、製造工程の複雑さにある。

図７に従来の製造方法の一例として、図６の拡大部分に示したような積層構造スポットサイズ変換器の製造方法を簡単に示す。図７において左側の図は上面図であり、その右側の図はその上面図の切断線Ａ−Ａ´に沿う断面図である。

図７の（ａ）に示すように、まず工程１として、基板４５上に、アンダークラッド４６となるガラスを堆積した後、第２コアとなるガラス層４７、第１コアとなるガラス層４８の堆積を順に行う。第２コアは第１コアに比べて、屈折率は小さく、コアサイズも大きいものとする。

その後、図７の（ｂ）に示すように、工程２として、マスクとなる金属膜（図示しない）を形成し（一般的には金属膜としてＣr膜 を用いることが多い。）、レジストを塗布した後、フォトリソグラフィー技術を用いて所望のパターンに露光、現像、金属膜のパターン化を行う。その後、第１のコアとなる導波路層のガラス４８に、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）等のガラスエッチング装置を用いて上記パターンを転写して第１コア４１を形成する。

そして、図７の（ｃ）に示すように、工程３として、再度、第１コア４１にレジスト４９を塗布して、これまでの工程２と同様な工程を再び実施することで、図７の（ｄ）に示すように、第２のコアとなる導波路４２を形成する。

このように従来の製造方法では、積層導波路スポットサイズ変換器を形成するのに、一層コアの導波路の作製を繰り返すため、コア形成に２倍の手間がかかることになる。これは製造時間の増大、つまりコスト増大につながる。

また、上記の従来の製造方法での作製では、積層導波路スポットサイズ変換器のテーパー部先端の加工では、露光限界や、ＲＩＥ工程の限界から、無限小幅まで先端部を加工することができない。また、コアが小さい領域でエッチングの荒れによる散乱損失が問題となる。

さらには、スポットサイズ変換器の大きさを小さくするためにも、スポットサイズ変換器のテーパーが横方向のみではなく、厚さ方向にもテーパー状となる３次元テーパーを形成することが望ましい。しかしながら、従来の製造方法では、３次元テーパーを形成すること自体が容易でない。３次元テーパーを形成する方法として、例えば、特殊な階調マスク（光の透過率を段階的に変化させてあるマスク）を使用し、あるいはガラスエッチングの際にマスクレジストを後退させるようなガスを混入しながらエッチングする方法が考えられる。しかしこれらの方法は、いずれの場合も、所望の３次元テーパー構造を高精度で得るのが難しく、厚さ方向に数μｍもの加工を行う、光導波路の作製工程においては、再現性が低く、歩留まりを低下させるという難点がある。

本発明は、上述の点に鑑みてなされもので、その目的は従来技術で作製する導波路の傾斜面よりもはるかに滑らかな導波路の傾斜面を作ることができ、さらには無限小先端でありかつ３次元テーパーを作製できる、埋め込み型光導波路のスポットサイズ変換器の製造方法を実現することにある。

上記目的を達成するため、本発明の第１の態様は、埋め込み型光導波路を作製する製造方法であって、（ａ）下部クラッド層の表面上でコアが形成される位置の両脇のそれぞれに所定の１点に向かって互いの距離を連続的に、もしくは段階的に減少させた犠牲層を作製する第１の工程と、（ｂ）方向性のある堆積法でも、ある程度等方性のある堆積が起こり得るので、方向性のある堆積法により、膜厚が自己形成的（人為操作なしに自然にできるとの意味）に変化したコア層を前記犠牲層で挟まれた溝部分に堆積する第２の工程と、（ｃ）前記犠牲層を取り除く第３の工程とを含むことを特徴とする。

本発明の第１の形態では、光回路中のモードフィールド径を拡大するスポットサイズ変換器において、コアサイズの小さな部分の損失を低減するために、コアの側面および上面を、従来のドライエッチング等の処理を経ずに、等方性のある堆積がある程度起こり得る、方向性のある堆積法を用いて自己形成的に、なだらかな傾斜面で作製することができる。すなわち、上記の各工程を実施することにより、コアの側面および上面を、従来技術で作製する傾斜面よりもはるかに滑らかな傾斜面を作ることができ、壁面荒れの非常に少ない導波路が作製できる。その結果、レイリー散乱による導波路損失もほとんど生じず、非常に損失の低いスポットサイズ変換器が実現できる。

また、本発明の第２の態様は、埋め込み型光導波路を作製する製造方法であって、（ａ）下部クラッド層の表面に犠牲層を作製することで、該犠牲層に平面視がテーパー角度の小さいＶ字型で側壁が前記表面に垂直な溝を形成する第１の工程と、（ｂ）等方性のある堆積がある程度起こり得る、方向性のある堆積法により、前記溝にコア層を堆積することにより、該コア層を堆積する際に前記溝の側面に堆積膜が付着して前記開口が狭くなることによって該溝の底面に自己形成的に形成される、Ｖ字の先端から幅が広がるつれ表面に垂直方向の厚みが増加する３次元的なテーパー形状のコア層を形成する第２の工程と、（ｃ）前記犠牲層を取り除くことにより、前記３次元的なテーパー形状のコア層をスポットサイズ変換器のコアに形成する第３の工程とを含むことを特徴とする。

本発明の第２の形態では、等方性のある堆積がある程度起こり得る、方向性のある堆積法の性質を用いたガラス堆積方法で、ガラスのリフトオフ工程を実施することで、簡便に３次元テーパー構造を実現する。具体的には３次元テーパー箇所は、上記の本発明の第１の態様の製造方法を用いて作製し、無限小先端でありかつ３次元テーパーを作製する。さらに犠牲層をテーパー作製だけではなく、異種材料を選択的に基板上に堆積するために、下層コア上を保護させる目的でも使用する。そうすることで、異なる材質のコアを持つ積層型スポットサイズ変換器を一度のエッチングのみで作製する。その結果、廉価で簡便な作製方法で、積層型スポットサイズ変換器を作製できる。

さらに、本発明の理解を容易にするため、本発明で用いる上記の「方向性のある堆積法」について以下に説明する。

通常、光導波路の作製において、リッジ状（矩形形状）のコアを加工した後に、ガラスで埋め込む場合、基板水平方向と垂直方向への膜堆積速度の差がほとんどない、等方性の性質を持つ積載方法によって堆積を行なう必要がある。なぜなら、矩リッジ形状の垂直側面真下にガラスを十分に充填する必要があるからである。この等方性の性質を持つ積載方法はＦＨＤ法や、熱ＣＶＤ法が対応する。

これに対し、ＥＣＲ−ＣＶＤ（Electron Cyclotron Resonance Chemical Vapor Deposition：電子サイクロトロン共鳴化学気相堆積）法や、ｒｆスパッタリング法に代表される方向性を有するガラス堆積方法では通常リッジ形状の埋め込みができない。以下に説明するようにキンクが生じてしまうため、空洞または疎の部分をリッジ垂直壁近傍に生じてしまうからである。一例として、ｒｆスパッタリング法について説明する。ｒｆスパッタリングではプラズマ中に生じるＤＣ電圧で加速された不揮発性ガスイオンがターゲットに照射される。この時、弾き飛ばされたターゲットの中性なスパッタ粒子は、ガス粒子と衝突し、角度分散を持って基板に到達する。基板に飛来するスパッタ粒子は、ＣＯＳ^ｎφで示される入射角度を持って飛来する。ここでφは垂直方向からの角度で、ｎは分散角度係数と呼ばれ、ｎ＝０は、遮蔽物のない方向からは一様に粒子が飛んでくる場合に対応し、ｎ＝∞の時は、垂直方向のみの堆積に対応する。一般的には、角度分散を持って入射する中性スパッタ粒子が存在すると、リッジにより粒子の入射が遮られることにより（造影効果）、リッジ形状垂直面真下に強いキンクが現れる。これは、ｎが小さいほど顕著となる。バイアススパッタ等の特殊な堆積を行なわない限りは、リッジ部の埋め込みは困難であり、何も施さずにＥＣＲ−ＣＶＤ法やスパッタ法によりリッジ状にガラス堆積を行なうと、必ずといってよいほど上記のキンクは発生する（非特許文献１）。

本発明の方法は、コアの３次元テーパー構造を作製するのにＥＣＲ−ＣＶＤ法やスパッタリング法での上記のような特性を利用したものである。したがって、本願の特許請求の範囲および明細書中に記載の「方向性のある堆積法」は、方向性のある粒子が飛来し、等方性のある堆積がある程度起こり得る堆積方法であって、上記の分散角度係数ｎが比較的小さい場合を意味する。

以上説明したように、本発明の方法を用いれば、犠牲層上にコア層の堆積を、等方性のある堆積がある程度起こり得る、方向性のある堆積法を用いて行うことで、先端部がほぼ無限小まで細く、かつ３次元テーパー形状を自己形成的に作製することができる。また、積層型スポットサイズ変換器を従来方法で作製すると、各層のパターン化、エッチングを少なくとも２回はしなければならず、工程が複雑になるといった問題があったが、本発明の方法を用いることで、エッチングが１度のみで積層型スポットサイズ変換器を再現性良く、作製することが可能となる。この結果、製造時間の短縮、歩留まりの向上が得られ、製造コストを下げることができる。そのため、これまで、効果は明確であったスポットサイズ変換器を組み込んだ小型光回路を廉価に提供できるようになる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、Ｓｉ基板上にスポットサイズ変換器を作製した本発明の一実施形態の製造工程
を示す。図１において最も左側の図は各工程における上面図であり、その右側のそれぞれの図はその上面図の切断線Ａ、Ｂ，Ｃに沿う断面図である。

まず、図１の（ａ）に示すように、工程１として、作製する埋め込み型光導波路のコアが形成されるＳｉ基板上の下部クラッド層１１の表面に、該コアが形成される位置の両脇に該コアの先端位置（回路端、すなわち回路の接続端部の位置）に向かって互いの距離を連続的に、もしくは段階的に減少させた、平面視が鋭角のＶ字型である犠牲層１２を作製する。この犠牲層１２の膜厚は、下記のコア層の膜厚を基準として１０〜２００％がよく、好適には３０〜１００％、最適値は５０〜８０％である。犠牲層１２には有機材料を用いることができる。また、基板１１は石英系ガラス材料基板も用いることができる。

次に、図１の（ｂ）に示すように、工程２として、コア膜１３を、方向性のある堆積法である例えばＥＣＲ−ＣＶＤ法により堆積する。このＥＣＲ−ＣＶＤ法の代わりに、スパッタ法を用いてもよい。このとき、２つの犠牲層１２に囲まれた所（楔状の溝）では、膜厚が自己形成的に変化したコア層１３−１が堆積できる。２つの犠牲層１２間の距離が近づくにつれて、犠牲層１２間の底に堆積されるコア材料は犠牲層上に取り込まれるため減少する。これにより、自己形成的にコア幅とコア高さが減少したコア層１３−１が作製できる。

次に、図１の（ｃ）に示すように、工程３として、犠牲層１２上に堆積されたコア層１３−２を取り除くために、犠牲層１２をウェットエッチングにより取り除く。このとき、犠牲層１２を取り除きやすくするために、例えばフッ酸処理を軽く行うと好ましい（ＨＦ １０％溶液に１０秒程度浸す）。

その後、図１の（ｄ）に示すように、工程４として、スポットサイズ変換器以外の場所に導波路１３を作製するため、フォトリソグラフィーによる導波路加工を行う。このとき、スポットサイズ変換器部分の導波路１３−１は、上記のように自己形成的に作製されており、エッチング等の加工の必要は無いため、上記のコア層１３−１をレジスト１４で覆う。

一方、スポットサイズ変換器以外の場所の導波路の部分は、エッチングにより作製するため、レジスト１４によりマスクして、図１の（ｅ）に示すように、所望の導波路１３をエッチングする。このエッチングにより、レジスト１４によりマスクされていない不要なコア層１３−３も、図１の（ｅ）に示すように、同時に除去される。その後、図１の（e）に示すように、レジスト１４を除去する。

以上の工程により、非常に滑らかなコア表面を持つスポットサイズ変換器が作製される。その後、図２に示すように、回路全体をコア１３よりも屈折率の低いクラッド用ガラス１５内に埋め込む。その後、基板をダイシングにより切断し、回路単体を切り出す。

以上のようにして作製されたスポットサイズ変換器の端部位置におけるコア１３−１のサイズは、図２に示すように、犠牲層１２の長手方向の距離（サイズ）により決まる。回路の端部位置における犠牲層１２の長手方向の距離を変化させて、光ファイバ（図示しない）との結合損を測定すると、図３に示すように、ある距離（図３の例では略５μｍ）において最小の結合損失となっている。また、図３から、本発明を適用したスポットサイズ変換器は、スポットサイズ変換器を用いない場合に比べ、光ファイバとの結合損失（接続損）が大幅に下がったことが理解できる。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態における積層コアスポットサイズ変換器の製造方法を示す。図４において最も左側の図は各工程における上面図であり、その右側のそれぞれの図はその上面図の切断線Ａ、Ｂ，Ｃ、Ｄに沿う断面図である。

まず、図４の（ａ）に示すように、工程１として、基板２１上にアンダークラッドとなるガラス層２２、および第２コアとなるガラス層２３（本実施形態では、第２コアは第１コアに比べてコアサイズは大きく、屈折率は小さいものとする。）を堆積する。続いて、第２コアとなるガラス層２３の上に、レジストをスピンコートを用いて塗布し、通常半導体製造工程で広く用いられているフォトリソグラフィー技術を用いてパターン化し、犠牲層２４を形成する。

この例示では、犠牲層２４に感光性のあるレジストを用いているが、本発明はこの限りではなく、他の有機物（ポリマー等）を用いてもよい。犠牲層２４は、後に選択的に除去するため、耐熱性に優れた有機物であることが好ましい。後の工程でその犠牲層２４上にガラスを堆積するが、その際の温度によって犠牲層２４が変形しないことが望ましいからである。

典型的な実施例では、堆積したアンダークラッドとなるガラス層２２、第２コアとなるガラス層２３の厚さは、それぞれ２０μｍ、８μｍとした。また第２コアの比屈折率は０．３％とした。犠牲層２４の厚さは６μｍとし、幅は８μｍとした。

また、工程１では、スポットサイズ変換部となる犠牲層２４のテーパー部（図中Ｂ−Ｃの区間）は、２本の犠牲層２４の間隔の幅が、第１コアの先端方向に向かって、徐々に狭くなるように形成される。また、第２コア単層の導波路となる箇所（図中Ａに対応する箇所）には、第１コアとなるガラスが堆積されないように１本の犠牲層２４が配置される。また、その１本の犠牲層２４の幅は最終的な第２コア形状の幅と同一として設計される。ただし、その１本の犠牲層２４の幅は、第２コア形状の幅と同じでなくとも、少なくとも第２コア形状の幅よりも広ければよい。その１本の犠牲層２４の幅が第２コア形状の幅よりも狭い場合には、第１コアの材料が第２コア中にも残ることになるからである。図４に示した例示では、後述の第２コア単層部分が直線導波路としているため、その箇所の犠牲層２４も直線となっているが、無論曲線であっても問題はない。

典型的な実施例では、アンダークラッド２２、第２コア層２３の堆積には、火炎堆積法を用いている。その火炎堆積法は、ＳｉＣｌ_４等の塩化物ガスを酸水素炎の中で燃焼させ、生成したガラス微粒子を基板２１上に堆積する方法である。その堆積後、透明なガラスを得るために、適当な温度で熱処理を実施することで、透明なアンダークラッド２２と第２コア層２３を得る。この堆積方法は、比較的厚みのあるガラス膜を堆積するのに適した製膜方法であり、光導波路の作製に広く用いられている方法である。また、この堆積において、通常、熱処理温度を下げるために、Ｂ（ボロン），Ｐ（リン）を添加し，コア屈折率の調整のためにＧe （ゲルマニウム）を添加している。なお、アンダークラッド２２、第２コア層２３の堆積には、上記の火炎堆積法には限らず、蒸着法、ＣＶＤ（化学気相堆積）法などの他の堆積方法を用いても勿論問題はない。

次に、図４の（ｂ）に示すように、工程２として、第１コアとなるガラス層２５の堆積を、第２コアとなるガラス層２３および犠牲層２４を形成した面上に行う。この際、コア層の堆積には、等方性のある堆積がある程度起こり得る、方向性のある堆積法を用いる。典型的な実施例では、ＥＣＲ−ＣＶＤ装置を用いたＥＣＲ−ＣＶＤ法によって第１コアとなるガラス層２５の堆積を実施した。等方性のある堆積がある程度起こり得る、方向性のある堆積法は例えばスパッタリング法でも実現可能であるが、ＥＣＲ−ＣＶＤ法は、緻密な膜を堆積することができ、かつ比較的堆積レートが早く、比較的厚い数μｍの膜を堆積するのに適しているという利点がある。典型的な実施例では、厚さ４．０μｍ、比屈折率差１．５％の第１コア層２５を、第２コア層２３と犠牲層２４の面上に堆積した。

ここで、方向性のある堆積法を用いることで３次元テーパー部が自己形成的に生成される理由を以下に説明する。図５は、半導体産業で広く用いられている堆積シミュレーターを用いて、単独して存在する矩形方の犠牲層２４（幅８μｍ、高さ６μｍ）上に、方向性のある堆積法で、等方性のある堆積がある程度起こり得る条件下でＥＣＲ−ＣＶＤ法を想定してガラス２５を４μｍ堆積した場合のシミュレーション結果を示している。方向性のある堆積法を犠牲層２４上に実施すると、等方性のある堆積がある程度起こり得るので、犠牲層２４と第２コア層２３が接している角から斜め上方向に向かって何もない疎の箇所が生じる。その結果、平面部２３に向かって傾斜しているガラス層２５の傾斜面２６が得られ、また犠牲層２４の側面には、上方に行くに従って側厚が厚くなる形状にガラス２５が堆積される。

実際に、矩形上の犠牲層２４上に方向性のある堆積法で、等方性のある堆積がある程度起こり得る条件下でＥＣＲ−ＣＶＤ法によりガラスを堆積すると、図５に示すような、ほぼシミュレーション通りの形状にガラスが堆積される。さらに、シミュレーションでは確認されなかったが、図中斜線で示した箇所２５Ａにおいては、その上部の堆積部がひさしとなるため、実際にはかなり疎なガラス（密度が極端に低いガラス）が堆積されていることがわかった。

図４の（ｂ）の工程２で示すように、図中のＡの箇所では図５に示すような単独孤立した犠牲層２４上にガラス２５を堆積した形状が得られる。また、図中のＢの箇所のように、２つの犠牲層２４，２４がかなり隣接する箇所では、堆積初期の頃に少量のガラスが２つの犠牲層２４，２４間の底面部２３上に堆積される。しかしながら、ガラスの堆積が進むと隣接する２つの犠牲層２４上にそのガラスのひさしが生成され、そのひさし部間の間隔が狭くなってゆき、ついにはひさし部のガラスが連結して犠牲層間の底部を覆うため、ある程度堆積が進むと、隣接する犠牲層間の底部にはガラスが堆積されなくなる。つまり、犠牲層間隔が狭い箇所では、それが広い場所に比べて底面に堆積される膜厚は相対的に少なくなる。これが本発明の方法を用いた際に、３次元テーパーが自己形成される理由である。つまり、上記方向性のある堆積法を用いれば、等方性のある堆積がある程度起こり得るので、犠牲層２４，２４の間隔を調整することで、その犠牲層間に、基板の垂直方向に対しても傾斜するテーパーを自己形成することができる。

またＥＣＲ−ＣＶＤ法のような堆積方法で作製された３次元テーパーは、原子にほぼ近い状態の原料粒子の堆積によって形成するため、そのテーパーの表面は非常に滑らかであり、エッチング技術を用いて作製した時のような表面荒れは生じない。エッチング技術は、ボトムダウンプロセス（大きなものから、小さいものを作る工程）であるが、本発明の方法は、ボトムアップ（原子を積み重ねてものを作る工程）であるため、これ以上の滑らかな表面というものはないに等しいといえる。

図４の（ｃ）に示すように、次の工程３として、第１コア層２５を堆積した基板を５％希フッ酸溶液によって３０秒間処理する。この処理は、図５の斜線で描いた領域２５Ａの部分を除去し、犠牲層２４の側面を露出させることが目的である。したがって、その該当箇所が除去できればよく、フッ酸濃度や、処理時間は上記の限りではない。前述したように、図５の斜線で描いた領域２５Ａは、疎なガラスが堆積されているため、その他のコア層２５に比べて希フッ酸に対してのエッチングレートが非常に早い。工程３では、疎な部分２５Ａ以外の形状にほぼ変形を与えず、その箇所のみを容易に取り除くことができる。

工程３では、図５の斜線部分を上記のように除去して犠牲層側面を露出した基板を、さらに過酸化水素水と硫酸の混合液に１０分ほど浸して、犠牲層２４を全部除去する。この際、犠牲層２４上に堆積されていたガラス２５は、犠牲層２４とともに取り除かれる。このように、本例では酸により犠牲層２４の剥離を行ったが、これに限らず、犠牲層２４にレジスト等を用いているのであれば、酸の代わりに専用のリムバー溶液を用いてもよく、あるいは酸素プラズマに基板をさらすことによっても犠牲層２４の除去が可能である。

次に、図４の（ｄ）に示すように、工程４として、犠牲層２４を取り除いた基板の全体を洗浄した後、第１コア層２５と露出した第２コア層２３の面上にレジスト２７を塗布する。

続いて、図４の（ｅ）に示すように、工程５として、所望の回路形状にフォトリソグラフィー技術を用いてパターン化する。このパターン化の設計において、典型的な実施例では、比屈折率差が小さな第２コア３０が単独して形成される箇所（図中Ａ−Ｂ間の箇所）の幅は太く、８μｍとした。そしてテーパー部（図中Ｂ−Ｃ間の箇所）にわたって、じょじょに第２コア３０の幅を狭くして、かつ第１コア２９の幅まで細くした。第１コア２９の孤立部（図中のＤがその部分にあたる。）は、その下方に第２コア３０が残るが、第２コア３０の屈折率に対して第１コア２９の屈折率ははるかに大きく、さらにその第１コア２９の幅も第２コア３０の幅よりも狭い。そのため、第１コア２９の孤立部においては、第１コア２９から第２コア３０へ光はほとんど伝搬せず問題とはならない。

次に、図４の（ｆ）に示すように、工程６として、第１コア２９、第２コア３０に対してＲＩＥ装置を用いてエッチングを行う。このエッチングの深さとしては、少なくとも第１コア２９と第２コア３０の厚さの和までエッチングすればよい、レジストマスクにより保護していない第１コア２９はこのエッチングによりなくなる。

そして最後に、図４の（ｇ）に示すように、工程７として、第１コア２９、第２コア３０、およびアンダークラッド２２を含む基板上部全体をオーバークラッドに３１よって埋め込みを行う。

前述したように、第１コア層２５の堆積で犠牲層２４の近傍で、平面方向に第１コア層２５の傾斜面（楔形のテーパー）を生じている。工程６では、その形状を転写する形でアンダークラッド２２の一部をエッチングすることになり、コア下方側に楔形の凹部が生じるが、その凹部は後に工程６でのオーバークラッド３１によって埋め込まれるため問題とはならない。

以上説明したように、本実施形態の方法を適用すれば、犠牲層上に等方性のある堆積がある程度起こり得る、方向性のある堆積法でガラス堆積を行うことで、先端部がほぼ無限小まで細く、かつ３次元テーパー形状を自己形成的に作製することができる。

（他の実施の形態）
上記では、本発明の好適な実施形態を例示して説明したが、本発明の実施形態は上記例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内であれば、その構成部材等の置換、変更、追加、個数の増減、形状の設計変更等の各種変形は、全て本発明の実施形態に含まれる。例えば、上記の実施形態の説明では、犠牲層は、導波路側の面における犠牲層間の距離を１点に向かって連続的に減少させたものを図示したが、本発明はこれに限定されず、その距離を段階的に減少させてもよい。

本発明の製造方法で作製されたスポットサイズ変換器は、光回路と光ファイバの接続時に使用されるだけではなく、光回路と光半導体素子、光回路と受光素子などの接続や、異種の光回路同士の接続など、様々な場面で使用されることができる。

本発明の第１の実施形態における積層コアスポットサイズ変換器の製造方法を示し、最も左側の図は各工程における上面図であり、その右側のそれぞれの図はその上面図の切断線Ａ、Ｂ，Ｃに沿う断面図である。 本発明を適用して作製したスポットサイズ変換器を示す鳥瞰図である。 犠牲層の距離を変化させたときのスポットサイズ変換器と光ファイバとの結合損失を示す特性図である。 本発明の第１の実施形態における積層コアスポットサイズ変換器の製造方法を示し、最も左側の図は各工程における上面図であり、その右側のそれぞれの図はその上面図の切断線Ａ、Ｂ，Ｃ、Ｄに沿う断面図である。 堆積シミュレーターを用いて、単独して存在する矩形方の犠牲層上に、方向性のある堆積法で、等方性のある堆積が起こり得る堆積方法の条件下でＥＣＲ−ＣＶＤ法を想定してガラスを堆積した場合のシミュレーション結果を示す模式図である。 従来の光回路と半導体素子との接続の一例を示し、１．５μｍ帯と１．３μｍ帯からなる石英光導波路を用いたＷＤＭトランシーバの構成を示す模式図である。 図６の拡大部分に示したような積層構造スポットサイズ変換器の従来の製造方法を示し、左側の図は上面図であり、その右側の図はその上面図の切断線Ａ−Ａ´に沿う断面図である。

符号の説明

１１ Ｓｉ基板上に堆積した下部クラッド層
１２ 犠牲層
１３ コア（導波路）
１３−１ スポットサイズ変換器部分のコア層（導波路）
１３−２，１３−３ 後で除去されるコア層
１４ レジスト
１５ クラッド用ガラス（上部クラッド層）
２１ 基板
２２ アンダークラッド（ガラス層）
２３ 第２コアとなるガラス層
２４ 犠牲層
２５ 第１コアとなるガラス層
２５Ａ 斜線で描画した部分
２６ 傾斜面
２７ レジスト
２８ レジストマスク
２９ 第１コア
３０ 第２コア
３１ オーバークラッド
３２ アレイ導波路光合分波器（ＡＷＧ）
３３ 基板
３４ ファイバアレイ
３５ ファイバ
３６ 第１コア
３７ 第２コア
４０ 半導体レーザ（ＬＤ）
４１ 第１コア
４２ 第２コア
４３ 薄膜フィルタ（ＴＦＦ）
４４ 半導体受光器（ＰＤ）
４５ 基板
４６ アンダークラッド（ガラス層）
４７ 第２コアとなるガラス層
４８ 第１コアとなるガラス層
４９ レジスト
５０ 光導波路
５１ 溝

Claims (7)

1. 埋め込み型光導波路を作製する製造方法であって、
   下部クラッド層の表面上でコアが形成される位置の両脇のそれぞれに所定の１点に向かって互いの距離を連続的に、もしくは段階的に減少させた犠牲層を作製する第１の工程と、
   方向性のある堆積方法により、膜厚が自己形成的に変化したコア層を前記犠牲層で挟まれた溝部分に堆積する第２の工程と、
   前記犠牲層を取り除く第３の工程と
   を含むことを特徴とする光導波路の製造方法。
2. 埋め込み型光導波路を作製する製造方法であって、
   下部クラッド層の表面に犠牲層を作製することで、該犠牲層に平面視がテーパー角度の小さいＶ字型に折り曲がった連続した溝であって、その側壁が前記表面に垂直で、その上面の開口の溝幅に比べてその溝の深さの方が長いアスペクト比（横縦比）の大きな溝を形成する第１の工程と、
   方向性のある堆積方法により、前記溝にコア層を堆積することにより、該コア層を堆積する際に前記溝の側面に堆積膜が付着して前記開口が狭くなることによって該溝の底面に自己形成的に形成される、Ｖ字の先端から幅が広がるつれ表面に垂直方向の厚みが増加する３次元的なテーパー形状のコア層を形成する第２の工程と
   前記犠牲層を取り除くことにより、前記３次元的なテーパー形状のコア層をスポットサイズ変換器のコアに形成する第３の工程と
   を含むことを特徴とする光導波路の製造方法。
3. 前記第２の工程において、前記方向性のある堆積方法として、ＥＣＲ−ＣＶＤ法、またはスパッタ法を用いたことを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路の製造方法。
4. 前記第３の工程において、ウェットエッチングとフッ酸処理を用いたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光導波路の製造方法。
5. 前記第１の工程において、前記犠牲層の膜厚を、前記コア層の膜厚の５０〜８０％に設定したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光導波路の製造方法。
6. 前記犠牲層として有機材料を用いたことを特徴とする請求項５に記載の光導波路の製造方法。
7. Ｓｉ基板もしくは石英系ガラス材料基板上に形成され石英系ガラス材料により構成された埋め込み型光導波路を作製する製造方法であって、
   作製する埋め込み型光導波路のコア位置の両脇の少なくとも２箇所に、導波路側の面における互いの距離を回路端に向かって連続的に、もしくは段階的に減少させた犠牲層を作製する第１の工程と、
   次に、方向性のある堆積方法により、膜厚が自己形成的に変化したコア層を堆積する第２の工程と、
   次に、前記コア層の内で前記犠牲層上に堆積されたコア層と該犠牲層を取り除く第３の工程と
   を含むことを特徴とする光導波路の製造方法。

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