JP4560479B2 - 多モード光干渉デバイスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光通信、光交換、光配線等で使用される多モード光干渉デバイス（Multi-Mode Interference device、以下「ＭＭＩ」という）の製造方法に関するものである。

特開２００１−２１５４５２号公報 米国特許第５５６３９６８号明細書

図２（ａ），（ｂ）は、従来のＭＭＩの構造を示す平面図である。
例えば、図２（ａ）のＭＭＩは、光の導波路を形成する直方体の長手方向の一端に幅の狭いシングルモード導波路Ａ，Ｂを設け、他端にも幅の狭いシングルモード導波路Ｃ，Ｄを設けたものである。シングルモード導波路Ａ，Ｂと、シングルモード導波路Ｃ，Ｄの間は、幅の広いマルチモード導波路Ｍとなっている。また、シングルモード導波路Ａ，Ｂの間は、このシングルモード導波路Ａ，Ｂに対して垂直に端面Ｔ１が形成されている。また、シングルモード導波路Ｃ，Ｄの間は、このシングルモード導波路Ｃ，Ｄに対して垂直に端面Ｔ２が形成されている。

このようなＭＭＩでは、シングルモード導波路Ａから入射された光は、幅の広いマルチモード導波路Ｍで複数のマルチモードに結合し、そのマルチモード間の干渉効果により、出射側のシングルモード導波路Ｃ，Ｄに分波されて出射される。これにより、分波器としての機能を果たす。また、シングルモード導波路Ａ，Ｂから、それぞれ異なる光を入射すると、これらの光が合波されてシングルモード導波路Ｃ，Ｄから出力されるという合波器としても機能する。

しかしながら、図２（ａ）のＭＭＩでは、シングルモード導波路Ａから入射されてマルチモード導波路Ｍを通った光が、出射端の垂直な端面Ｔ２に当たって一部の光が反射してシングルモード導波路Ａに戻り、このシングルモード導波路Ａに接続された光源の特性に悪影響を与えることが知られている。

一方、図２（ｂ）のＭＭＩは、前記特許文献２に記載されたもので、シングルモード導波路Ａ，Ｂの間の端面Ｔ１、及びシングルモード導波路Ｃ，Ｄの間の端面Ｔ２を、その導波路内で光軸に対して傾けることにより、この端面Ｔ２に当った光を導波路の平面内で角度を付けて反射させるようにし、反射光がシングルモード導波路Ａに直接戻らないように工夫を施している。

しかしながら、前記図２（ｂ）のＭＭＩでは、図２（ａ）のＭＭＩに比べて反射の影響は低減されるものの、出射側の端面Ｔ２で反射された光が、入射側の端面Ｔ１で再び反射されて出射側の端面Ｔ２に戻り、このような反射が導波路の平面内で繰り返される。そして、反射光の一部がシングルモード導波路Ａに戻ってしまう。このため、図２（ａ）のＭＭＩに比べて反射の影響は低減されるものの、反射光の影響を完全に無くすことができないという問題があった。

本発明は、簡単な構造で反射光の戻りを完全に除去することができるＭＭＩの製造方法を提供することを目的としている。

本発明は、マルチモード導波路の両端に単数または複数の幅の狭いシングルモード導波路を設け、入力側のシングルモード導波路から入射した光を前記マルチモード導波路で干渉させて出力側のシングルモード導波路から出射させる多モード光干渉デバイスの製造方法において、表面が結晶方向（０ １ １）と結晶方向（０ １ −１）で規定される平面となるように形成されたＩｎＰ結晶基板を下側クラッド層として、前記結晶基板上に導波路を構成するＩｎＧａＡｓＰ結晶による光導波路層、ＩｎＰ結晶による上側クラッド層、ＩｎＧａＡｓＰ結晶またはＩｎＧａＡｓ結晶によるキャップ層、及びエッチング用のＳｉＯ _２ によるマスク層を順次形成する工程と、前記マスク層と前記キャップ層とをパターニングし、前記マルチモード導波路と前記シングルモード導波路の方向が前記結晶基板の前記結晶方向（０ １ １）に一致するようにマスクパターンを形成する工程と、前記マスクパターンをマスクとして、ＩｎＧａＡｓＰはエッチングせずＩｎＰのみをエッチングする選択エッチング液を用いて、前記光導波路層はエッチングせず前記上側クラッド層のみをエッチングし、前記マルチモード導波路の両端で前記シングルモード導波路が設けられていない壁面が、前記上側クラッド層の結晶面に沿って前記結晶基板の表面に対して約５４．８°をなすように形成する工程と、前記マスクパターンをマスクとして前記上側クラッド層、前記光導波路層、及び前記結晶基板をドライエッチングし、前記光導波路層の壁面が前記結晶基板の表面に対して約５４．８°を維持した状態で所定の厚さだけ垂直方向に除去する工程とを順次行うことを特徴としている。

本発明によって製造されたＭＭＩでは、マルチモード導波路の両端でシングルモード導波路が設けられていない光軸方向に垂直な壁面が、基板の表面に対し約５４．８°の傾斜を有している。これにより、一部の光が基板の表面に対して約５４．８°の傾斜面を形成する壁面で反射される。反射された光は、基板の表面に向かって進むが、この基板に対する入射角が小さいため、ほとんどの光は基板の表面で反射されずに基板内に放射される。従って、壁面で反射された光が、導波路に戻るおそれがなくなる。従って、簡単な構造で反射光の戻りを完全に除去することができるという効果がある。

このＭＭＩの製造は次のような工程で行うことができる。
まず、表面が結晶方向（０ １ １）と結晶方向（０ １ −１）で規定される平面となるように形成されたＩｎＰ結晶基板を下側クラッド層として、前記結晶基板上に導波路を構成するＩｎＧａＡｓＰ結晶による光導波路層、ＩｎＰ結晶による上側クラッド層、ＩｎＧａＡｓＰ結晶またはＩｎＧａＡｓ結晶によるキャップ層、及びエッチング用のＳｉＯ_２によるマスク層を順次形成する。次に、前記マスク層と前記キャップ層とをパターニングして前記マルチモード導波路と前記シングルモード導波路の方向が前記結晶基板の前記結晶方向（０ １ １）に一致するようにマスクパターンを形成する。次に、前記マスクパターンをマスクとして、ＩｎＧａＡｓＰはエッチングせずＩｎＰのみをエッチングする選択エッチング液を用いて、前記光導波路層はエッチングせず前記上側クラッド層のみをエッチングし、前記マルチモード導波路の両端で前記シングルモード導波路が設けられていない壁面が、前記上側クラッド層の結晶面に沿って前記結晶基板の表面に対して約５４．８°をなすように形成する。そして、前記マスクパターンをマスクとして前記上側クラッド層、前記光導波路層、及び前記結晶基板をドライエッチングし、前記光導波路層の壁面が前記結晶基板の表面に対して約５４．８°を維持した状態で所定の厚さだけ垂直方向に除去する。

この発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、次の好ましい実施例の説明を添付図面と照らし合わせて読むと、より完全に明らかになるであろう。但し、図面は、もっぱら解説のためのものであって、この発明の範囲を限定するものではない。

図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施例を示すＭＭＩの構成図であり、同図（ａ）は斜視図、同図（ｂ）は同図（ａ）中のＸ１−Ｘ２に沿う部分の断面図、及び同図（ｃ）は同図（ａ）中のＹ１−Ｙ２に沿う部分の断面図である。

このＭＭＩは、下側のクラッド層となるＩｎＰ結晶による基板１の上に、厚さ０．５μｍ程度のＩｎＧａＡｓＰ結晶によって導波路を構成する光導波層２と、厚さ２〜４μｍ程度のＩｎＰ結晶による上側のクラッド層３を順次積層し、これを長さが１００〜５００μｍで、幅が１５〜１００μｍ程度のほぼ直方体の形状に加工して形成したものである。

図１（ａ）に示すように、直方体のＸＹ表面は、Ｘ軸方向が結晶方向（０ １ １）、Ｙ軸方向が結晶方向（０ １ −１）で規定される面に一致するように設定され、この直方体の長手方向であるＸ軸方向、即ち導波路の方向は、結晶方向（０ １ １）となるように設定されている。

導波路の中央部は、直方体のＹ軸方向の幅全体で構成されるマルチモード導波路Ｍとなっている。導波路の一端には、マルチモード導波路Ｍの中央部を削除して形成された端面Ｔ１が設けられ、この端面Ｔ１の両側に残された導波路がシングルモード導波路Ａ，Ｂとなっている。シングルモード導波路Ａ，Ｂの幅は光の波長とほぼ同じ２μｍ程度に形成され、長さは１０μｍ程度またはそれ以上となっている。一方、シングルモード導波路Ａ，Ｂの間に設けられた端面Ｔ１は、基板１の表面に対して約５４．８°の角度θとなるように斜めに形成されている。即ち、この端面Ｔ１は、光軸方向に垂直な壁面が、厚さ方向に傾斜を付けられて形成されている。

また、導波路の他端にも、シングルモード導波路Ａ，Ｂ及び端面Ｔ１に対して対称となるように、シングルモード導波路Ｃ，Ｄ及び端面Ｔ２が形成されている。

図３は、図１のＭＭＩの製造方法を示す工程図である。なお、この工程図の各工程における右側の断面図は図１（ｂ）のＸ１−Ｘ２断面に対応し、左側の断面図は図１（ｃ）のＹ１−Ｙ２断面に対応するものである。以下、この図３を参照しつつ、図１のＭＭＩの製造方法を説明する。

（１） 工程１
表面が結晶方向（０ １ １）と結晶方向（０ １ −１）で規定される平面となるように形成されたＩｎＰ結晶による基板１を準備し、この基板１の表面に、図３（ａ）に示すように、導波路を構成する厚さ０．５μｍ程度のＩｎＧａＡｓＰ結晶による光導波層２と、厚さ２〜４μｍ程度のＩｎＰ結晶によるクラッド層３と、後のウェットエッチングでマスクとして使用するＩｎＧａＡｓＰ結晶またはＩｎＧａＡｓ結晶によるキャップ層４と、ＳｉＯ_２によるマスク層５を、順次形成する。

（２） 工程２
通常のホトリソグラフィ技術と、Ｃｌ_２とＡｒの混合ガスを用いたリアクティブ・イオン・エッチング技術を使用して、マスク層５とキャップ層４をエッチングし、図３（ｂ）に示すように、これらのマスク層５とキャップ層４によるマスクパターンＭＳＫを形成する。なお、図３中にマスクパターンＭＳＫの平面図は記載されていないが、図１（ａ）のクラッド層３の表面と同じ形状である。このとき、マスクパターンＭＳＫのＸ軸方向は、結晶方向（０ １ １）に一致するように設定する。

（３） 工程３
マスクパターンＭＳＫをエッチングマスクとして、ＩｎＧａＡｓＰはエッチングせずにＩｎＰのみをエッチングするＨＣｌ等の選択エッチング液を用い、選択ウェットエッチングを行う。この選択ウェットエッチングでは、クラッド層３のＩｎＰが、結晶面に沿ってエッチングされる。従って、図３（ｃ）に示すように、クラッド層３のＸ１−Ｘ２断面は結晶面に一致し、基板１の表面に対して約５４．８°の傾斜面となる。一方、クラッド層３のＹ１−Ｙ２断面は、垂直に形成される。また、クラッド層３の下側のＩｎＧａＡｓＰによる光導波層２は、エッチングされずに、そのまま残る。なお、マスクパターンＭＳＫを構成するキャップ層４は、クラッド層３との密着性が良いので、選択エッチング液がマスクパターンＭＳＫとクラッド層３の間に浸入することによるサイドエッチを防止する効果がある。

（４） 工程４
選択ウェットエッチングの後、再び、Ｃｌ_２とＡｒの混合ガスを用いたリアクティブ・イオン・エッチングを施す。これにより、図３（ｃ）の断面形状を保ったまま垂直にエッチングが進み、クラッド層３と、光導波層２と、基板１が同じ厚さだけ均一にエッチングされて除去される。基板１の表面が１〜３μｍ程度エッチングされた時点で、エッチングを停止する。これにより、クラッド層３の下側と、光導波層２と、基板１の一部のＸ１−Ｘ２断面が、この基板１の表面に対して約５４．８°の傾斜面となる。また、光導波層２と基板１のＹ１−Ｙ２断面は、垂直に形成される。これにより、図３（ｄ）に示す形状のＭＭＩが形成される。この後、マスクパターンＭＳＫを除去することによって、図１に示すようなＭＭＩが完成する。

このＭＭＩでは、例えば分波器として使用する場合、光ファイバで導かれた光やレーザダイオードから出力された光等を、レンズを介してシングルモード導波路Ａに入射する。屈折率がほぼ３．５の光導波層２に入射された光は、この光導波層２を挟む屈折率がほぼ３．１の基板１とクラッド層３との間で全反射されながら、この光導波層２中を進む。そして、幅の広いマルチモード導波路Ｍで複数のマルチモードに結合し、そのマルチモード間の干渉効果により、出射側のシングルモード導波路Ｃ，Ｄに分波されて出射される。この時、一部の光は、基板１の表面に対して約５４．８°の傾斜面を形成する端面Ｔ２で反射される。反射された光は、基板１の表面に向かって進むが、この基板１に対する入射角が小さいため、ほとんどの光は基板１の表面で反射されずに基板１内に放射される。従って、端面Ｔ２で反射された光が、シングルモード導波路Ａに戻るおそれがなくなる。

また、このＭＭＩは、例えばシングルモード導波路Ａ，Ｂから、それぞれ異なる光を入射し、マルチモード導波路Ｍでこれらの光を合波してシングルモード導波路Ｃ，Ｄから出力する合波器としても使用することができる。この場合も、端面Ｔ２で反射された光が、シングルモード導波路Ａ，Ｂに戻るおそれはない。

このように、本実施例のＭＭＩは、基板１の表面に対して傾斜面を有する端面Ｔ１，Ｔ２を有しているので、これらの端面Ｔ１，Ｔ２で反射された光は基板１を通して外部に放射され、シングルモード導波路Ａ，Ｂに光が戻って光源の特性に悪影響を与えるおそれがないという利点がある。

また、傾斜面を有する端面Ｔ１，Ｔ２は、基板１、光導波層２及びクラッド層３を構成するＩｎＰ結晶の特性を利用したエッチングによって形成しているので、複雑な工程を必要とせず、簡単に傾斜面を形成することができるという利点がある。

なお、上記実施例で示した寸法や材料は一例であり、適用するＭＭＩに応じて任意の寸法や材料を使用することができる。

また、構造も図示したものに限定されない。即ち、マルチモード導波路Ｍの両側に設けられるシングルモード導波路の数は、それぞれ２個ずつに限定されない。例えば、３分岐の場合は、入射側に１個、出射側に３個を設けて構成することができる。

本発明の実施例を示すＭＭＩの構成図である。 従来のＭＭＩの構造を示す平面図である。 図１のＭＭＩの製造方法を示す工程図である。

符号の説明

１ 基板
２ 光導波層
３ クラッド層
４ キャップ層
５ マスク層
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ シングルモード導波路
Ｍ マルチモード導波路
Ｔ１，Ｔ２ 端面

Claims (3)

1. マルチモード導波路の両端に単数または複数の幅の狭いシングルモード導波路を設け、入力側のシングルモード導波路から入射した光を前記マルチモード導波路で干渉させて出力側のシングルモード導波路から出射させる多モード光干渉デバイスの製造方法において、
   表面が結晶方向（０ １ １）と結晶方向（０ １ −１）で規定される平面となるように形成されたＩｎＰ結晶基板を下側クラッド層として、前記結晶基板上に導波路を構成するＩｎＧａＡｓＰ結晶による光導波路層、ＩｎＰ結晶による上側クラッド層、ＩｎＧａＡｓＰ結晶またはＩｎＧａＡｓ結晶によるキャップ層、及びエッチング用のＳｉＯ _２ によるマスク層を順次形成する工程と、
   前記マスク層と前記キャップ層とをパターニングし、前記マルチモード導波路と前記シングルモード導波路の方向が前記結晶基板の前記結晶方向（０ １ １）に一致するようにマスクパターンを形成する工程と、
   前記マスクパターンをマスクとして、ＩｎＧａＡｓＰはエッチングせずＩｎＰのみをエッチングする選択エッチング液を用いて、前記光導波路層はエッチングせず前記上側クラッド層のみをエッチングし、前記マルチモード導波路の両端で前記シングルモード導波路が設けられていない壁面が、前記上側クラッド層の結晶面に沿って前記結晶基板の表面に対して約５４．８°をなすように形成する工程と、
   前記マスクパターンをマスクとして前記上側クラッド層、前記光導波路層、及び前記結晶基板をドライエッチングし、前記光導波路層の壁面が前記結晶基板の表面に対して約５４．８°を維持した状態で所定の厚さだけ垂直方向に除去する工程とを、
   順次行うことを特徴とする多モード光干渉デバイスの製造方法。
2. 前記光導波路層は、厚さ０．５μｍ程度のＩｎＧａＡｓＰ結晶であり、
   前記上側クラッド層は、厚さ２〜４μｍ程度のＩｎＰ結晶であることを特徴とする請求項１記載の多モード光干渉デバイスの製造方法。
3. 前記選択エッチング液は、ＨＣｌであることを特徴とする請求項１又は２に記載の多モード光干渉デバイスの製造方法。

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