JP4820917B2 - Manufacturing method of substrate type optical waveguide device having grating structure - Google Patents

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Description

本発明は、グレーティング構造を有する基板型光導波路デバイスの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a substrate-type optical waveguide device having a grating structure.

近年、光ファイバ通信システムの発展、特にエルビウム添加光ファイバ増幅器(EDFA)と高密度波長多重通信システム(DWDM)の発明により、光ファイバ通信網で伝送される情報量が急速に増大している。さらなるデータ容量の増加に備え、多重する波長数の増加や周波数利用効率の高い変調方式などについて研究開発が進められている。DWDMシステムでは、例えば、従来用いられている分散補償光ファイバモジュールよりもさらに精密に各チャネルの波長分散及び分散スロープを補償する光分散補償器など、より高度な機能を有する光部品が必要とされる。また、光伝送路の分散特性の時間変化や経路変更に対応し得る可変光分散補償器や、偏波モード分散の補償を動的に行う偏波モード分散補償器などの研究開発も行われている。   In recent years, with the development of optical fiber communication systems, particularly the invention of erbium-doped optical fiber amplifiers (EDFA) and dense wavelength division multiplexing communication systems (DWDM), the amount of information transmitted in optical fiber communication networks has increased rapidly. In preparation for further increase in data capacity, research and development are underway on modulation schemes that increase the number of wavelengths to be multiplexed and have high frequency utilization efficiency. In the DWDM system, for example, optical components having more advanced functions are required, such as an optical dispersion compensator that compensates the chromatic dispersion and dispersion slope of each channel more precisely than conventionally used dispersion compensating optical fiber modules. The In addition, research and development has been conducted on variable optical dispersion compensators that can cope with temporal changes and path changes in the dispersion characteristics of optical transmission lines, and polarization mode dispersion compensators that dynamically compensate for polarization mode dispersion. Yes.

一方、情報通信システムの規模及び設置数量の急速な拡大に伴って、コンピューターシステムやハイエンドルータなどの消費する膨大な電力が経済性のみならず環境影響の観点からも問題視されるようになりつつあり、省電力化し環境負荷を低減するグリーンICT(Information and Communication Technology)が必要とされている。ルータ等各種伝送装置を小型化することが出来れば、データセンターや通信キャリア局舎への装置収容効率が改善され、空間利用効率が良くなるばかりでなく、当該データセンターあるいは局舎のエアコン電力を大きく削減することが可能となり、省エネに貢献する。よって、各種光伝送装置に用いられる光部品についても、省電力化と小型化とが求められている。   On the other hand, with the rapid expansion of the size and number of installed information communication systems, the enormous amount of power consumed by computer systems and high-end routers is becoming a problem not only from an economic perspective but also from the perspective of environmental impact. There is a need for Green ICT (Information and Communication Technology) that saves power and reduces environmental impact. If various transmission devices such as routers can be miniaturized, the efficiency of housing the equipment in the data center or communication carrier station will be improved and the space utilization efficiency will be improved, and the air conditioning power of the data center or station will be improved. It can be greatly reduced, contributing to energy saving. Therefore, power saving and downsizing are also required for optical components used in various optical transmission apparatuses.

小型かつ高機能の光部品を製造する技術として、CMOS製造工程を利用し光導波路デバイスを製造するシリコンフォトニクス技術が脚光を浴び、研究開発が進められつつある。シリコン(Si)あるいは窒化ケイ素(SiN)といった高屈折率材料を用いて光導波路を構成することにより、従来の各種シリカ(SiO )系ガラスをコア及びクラッドの主たる構成材料とする光導波路デバイスを小型化することが可能となる。また、Siに不純物元素をドープして半導体材料とすることで、外部から電圧を印加し屈折率を調整することが可能となり、光学特性可変デバイスを実現することが出来る。大規模な量産に向いた製造工程であることから、将来光部品の低価格化が期待出来る。 As a technique for manufacturing a small and high-performance optical component, silicon photonics technology for manufacturing an optical waveguide device using a CMOS manufacturing process has been spotlighted and research and development are being promoted. By constructing an optical waveguide using a high refractive index material such as silicon (Si) or silicon nitride (SiN), an optical waveguide device using various conventional silica ( SiO 2 ) -based glasses as main constituent materials of a core and a clad It becomes possible to reduce the size. Further, by doping Si with an impurity element to obtain a semiconductor material, it is possible to apply a voltage from the outside to adjust the refractive index, and to realize an optical property variable device. Since the manufacturing process is suitable for large-scale mass production, the price of optical components can be expected to be reduced in the future.

従来、ブラッググレーティングパターンを有する基板型光導波路デバイスとして、図46に示すように、光導波路200の側壁に設けた凸部201および凹部202のピッチ が一定な等ピッチ型グレーティング構造や、図47に示すように、光導波路300の側壁に設けた凸部301および凹部302のピッチが、 というように徐々に変化するチャープピッチ型グレーティング構造が知られている。 Conventionally, a planar optical waveguide device having a Bragg grating pattern, as shown in FIG. 46, and an equal pitch grating structure pitch P G is a constant of the protrusion 201 and the recess 202 provided in the side wall of the optical waveguide 200, FIG. 47, the pitch of the convex portion 301 and the concave portion 302 provided on the side wall of the optical waveguide 300 is such that P G i > P G j > P G k > P G l > P G m > P G n. A gradually changing chirped pitch type grating structure is known.

特許文献1には、光ファイバや基板型光導波路等の光導波路中に、ある一つの周期を有するブラッググレーティングが形成され、このブラッググレーティングと重なるように光導波路中にサンプリング構造が形成され、複数の波長チャネルで波長分散補償を行う波長分散補償素子が開示されている。前記サンプリング構造は、ブラッググレーティングの周期よりも長い、ある一つの周期で位相サンプリングしたパターンで構成される。位相サンプリングの各周期は、光導波路の光軸に沿った方向で複数の空間領域に分割され、隣接する空間領域が互いに接した境界ではブラッググレーティングの位相が不連続に変化する。特許文献1のFIG.1Aから1Dに示されているように、一つの空間領域内では、位相の不連続な変化は無い。   In Patent Document 1, a Bragg grating having a certain period is formed in an optical waveguide such as an optical fiber or a substrate-type optical waveguide, and a sampling structure is formed in the optical waveguide so as to overlap the Bragg grating. A chromatic dispersion compensation element that performs chromatic dispersion compensation in a plurality of wavelength channels is disclosed. The sampling structure includes a pattern that is phase-sampled at a certain period longer than the period of the Bragg grating. Each period of phase sampling is divided into a plurality of spatial regions in a direction along the optical axis of the optical waveguide, and the phase of the Bragg grating changes discontinuously at the boundary where adjacent spatial regions are in contact with each other. FIG. As shown in 1A to 1D, there is no discontinuous change in phase within one spatial region.

また、非特許文献1は、特許文献1の発明者らによる学術論文であり、特許文献1を補完する技術情報が開示されている。まず、中心波長において単一のチャネルのブラッググレーティングパターンを特許文献1の知見を用いて設計する。グレーティングパターンは、所望の反射及び波長分散のスペクトル特性から逆散乱法により導出される。ただし、光ファイバブラッググレーティングではグレーティングパターンを作製するために屈折率を変化させることが可能な範囲に限界があるため、その限界を超えないように上記スペクトル特性を逆フーリエ変換してアポダイズするという操作を加える。以上により、ブラッググレーティングのピッチは位置とともに連続的に変化するパターンが得られる。その後、複数チャネルのブラッググレーティングパターンを位相サンプリングにより設計する。光ファイバブラッググレーティングでは屈折率の変化範囲に制限があるため、位相サンプリングが有効としている。   Non-Patent Document 1 is an academic paper by the inventors of Patent Document 1, and technical information that complements Patent Document 1 is disclosed. First, a Bragg grating pattern of a single channel at the center wavelength is designed using the knowledge of Patent Document 1. The grating pattern is derived from the desired reflection and chromatic dispersion spectral characteristics by the inverse scattering method. However, in optical fiber Bragg gratings, there is a limit to the range in which the refractive index can be changed in order to produce a grating pattern, so the above spectral characteristics are inverse Fourier transformed and apodized so as not to exceed the limit. Add As described above, a pattern in which the pitch of the Bragg grating continuously changes with the position is obtained. Thereafter, a Bragg grating pattern of a plurality of channels is designed by phase sampling. In optical fiber Bragg gratings, phase sampling is effective because the range of change in refractive index is limited.

特許文献2には、逆散乱問題を解いて基板型光導波路デバイスを設計し製作することにより、光分散補償器などの複雑な光学特性を有するデバイスを実現できることが開示されている。   Patent Document 2 discloses that a device having complicated optical characteristics such as an optical dispersion compensator can be realized by designing and manufacturing a substrate type optical waveguide device by solving the inverse scattering problem.

CMOSデバイス製造技術の各テクノロジーノードにおけるフォトリソ工程の解像度は、露光装置の光源の波長の短波長化だけで決まるわけではなく、位相シフトマスクなどの解像度向上技術の導入によっても改善される。400nm以上のテクノロジーノードでは波長365nmのi線の光源が用いられていた。250nm、180nm、130nmの各テクノロジーノードでは波長248nmのKrFエキシマレーザが用いられた。現在では、波長193nmのArFエキシマレーザが導入され、さらに液浸露光技術が開発されるに至り、90nm、65nm、45nmの各テクノロジーノードが実用に供されている。
位相シフト法は、ステッパー露光装置を用いた縮小投影露光法における解像限界を向上させる方法として、従来から知られている。非特許文献2によると、位相シフト法の解像限界は通常の透過マスクによる露光法に比べて約2倍程度向上する。
The resolution of the photolithographic process in each technology node of the CMOS device manufacturing technology is not only determined by shortening the wavelength of the light source of the exposure apparatus, but can also be improved by introducing a resolution enhancement technique such as a phase shift mask. A technology node of 400 nm or more uses an i-line light source having a wavelength of 365 nm. A KrF excimer laser with a wavelength of 248 nm was used in each of the technology nodes of 250 nm, 180 nm, and 130 nm. At present, an ArF excimer laser with a wavelength of 193 nm has been introduced, and further, immersion exposure technology has been developed, and technology nodes of 90 nm, 65 nm, and 45 nm have been put into practical use.
The phase shift method is conventionally known as a method for improving the resolution limit in the reduction projection exposure method using a stepper exposure apparatus. According to Non-Patent Document 2, the resolution limit of the phase shift method is improved about twice as compared with the exposure method using a normal transmission mask.

従来、シリコンフォトニクス技術を利用した光ファイバ通信システム用光部品として、変調器や受発光素子の他、フォトニック結晶光導波路、シリコン細線光導波路、AWGなどの各種光受動部品が研究されている。トランシーバーモジュールの商品化の動きも見られるが、依然としてシリコンフォトニクス技術の研究はその黎明期にある。これまでの研究の多くは電子線(EB)装置による直接描画工程を利用して実施されており、フォトマスクを用いたフォトリソ工程については未だ十分に知見が蓄積された状態とはなっていない。初期の比屈折率差(通称Δ)が0.3%程度のシリカガラス系基板型光導波路の製造においては、光導波路のコア幅も7μm程度と十分に太く、等倍投影のフォトマスクが用いられていた。一方、シリコンフォトニクス技術で用いられるような高比屈折率差光導波路では、信号光が感受する実効屈折率が高くなることから、シングルモード光導波路のコア寸法はその数分の一から数十分の一となり、またフォトニック結晶光導波路やグレーティング光導波路の周期構造の間隔も大変に小さいものとなる。よって、より微細なプロセス技術が要求される。   Conventionally, various optical passive components such as a photonic crystal optical waveguide, a silicon fine wire optical waveguide, and an AWG have been studied as an optical component for an optical fiber communication system using silicon photonics technology, in addition to a modulator and a light receiving and emitting element. Although there is a trend toward commercialization of transceiver modules, research on silicon photonics technology is still in its infancy. Much of the research so far has been carried out using a direct drawing process using an electron beam (EB) apparatus, and knowledge about the photolithography process using a photomask has not yet been accumulated. In the manufacture of a silica glass-based optical waveguide with an initial relative refractive index difference (commonly known as Δ) of about 0.3%, the core width of the optical waveguide is sufficiently thick at about 7 μm, and a photomask with an equal magnification projection is used. It was done. On the other hand, in a high relative refractive index difference optical waveguide used in silicon photonics technology, the effective refractive index perceived by signal light is high, so the core size of a single mode optical waveguide is one-several to several tens of minutes In addition, the interval between the periodic structures of the photonic crystal optical waveguide and the grating optical waveguide is very small. Therefore, a finer process technology is required.

一方で、DRAMやCPUなどの電子回路要素を集積化したLSIとは異なり、光導波路デバイスでは光導波路コアの厚さあるいはクラッドなどその周辺構造の形成に十分な厚さあるいは深さを必要とするため、必ずしも最先端の微細なプロセスが適用可能であるとは限らず、厚膜レジスト塗布が必要になるなど、旧世代のテクノロジーノードを用いる必要がある場合が少なくない。また、DRAMやCPUなどの確立された集積回路と比較して需要数量の桁違いに少ない光ファイバ通信システム用光部品では、量産向けの産業用12インチウエハ製造工程の利用が必ずしもコスト低減に直結するとは限らず、6インチウエハあるいは8インチウエハを用いて旧世代のプロセスで適量製造することがコストダウンとなる場合が多い。例えば、非特許文献3には、130nmテクノロジーノードを用いて製造された光ファイバ通信システム用シリコンフォトニクス光導波路デバイスが開示されている。130nmテクノロジーノードとは、例えば、波長248nmのステッパー露光装置を用い、位相シフトマスクを用いて解像度の向上をはかったプロセスである。   On the other hand, unlike LSIs in which electronic circuit elements such as DRAMs and CPUs are integrated, optical waveguide devices require a sufficient thickness or depth to form the peripheral structure such as the thickness of the optical waveguide core or cladding. Therefore, it is not always possible to apply the most advanced fine process, and there are many cases where it is necessary to use an older generation technology node, such as the need for thick film resist coating. In addition, for optical components for optical fiber communication systems, which have orders of magnitude less demand than established integrated circuits such as DRAMs and CPUs, the use of industrial 12-inch wafer manufacturing processes for mass production is not necessarily directly linked to cost reduction. However, the production of an appropriate amount using a 6-inch wafer or an 8-inch wafer by an old generation process often results in cost reduction. For example, Non-Patent Document 3 discloses a silicon photonics optical waveguide device for an optical fiber communication system manufactured using a 130 nm technology node. The 130 nm technology node is a process in which, for example, a stepper exposure apparatus having a wavelength of 248 nm is used and resolution is improved using a phase shift mask.

米国特許第6,707,967号明細書US Pat. No. 6,707,967 日本国特開2004−077665号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-077665

H. Li, Y. Sheng, Y. Li, and J.E. Rothenberg, "Phased-Only Sampled Fiber Bragg Gratings for High-Channel-Count Chromatic Dispersion Compensation," Journal of Lightwave Technology, Vol. 21, No. 9, pp.2074-2083 (2003)H. Li, Y. Sheng, Y. Li, and JE Rothenberg, "Phased-Only Sampled Fiber Bragg Gratings for High-Channel-Count Chromatic Dispersion Compensation," Journal of Lightwave Technology, Vol. 21, No. 9, pp. 2074-2083 (2003) Marc D. Levenson, N. S. Viswanathan, Robert A. Simpson, "Improving Resolution in Photolithography with a Phase-Shifting Mask," IEEE Transactions on Electron Devices, Vol.ED-29, No.12, pp. 1828-1836 (DECEMBER 1982)Marc D. Levenson, NS Viswanathan, Robert A. Simpson, "Improving Resolution in Photolithography with a Phase-Shifting Mask," IEEE Transactions on Electron Devices, Vol.ED-29, No.12, pp. 1828-1836 (DECEMBER 1982 ) T. Pinguet, V. Sadagopan, A. Mekis, B. Analui, D. Kucharski, S. Gloeckner, "A 1550 nm, 10 Gbps optical modulator with integrated driver in 130 nm CMOS," 2007 4th IEEE International Conference on Group IV Photonics, (19-21 Sept. 2007)T. Pinguet, V. Sadagopan, A. Mekis, B. Analui, D. Kucharski, S. Gloeckner, "A 1550 nm, 10 Gbps optical modulator with integrated driver in 130 nm CMOS," 2007 4th IEEE International Conference on Group IV Photonics, (19-21 Sept. 2007)

従来公知の等ピッチ型グレーティング構造やチャープピッチ型グレーティング構造では、基板型光導波路デバイスの光学特性として複数チャネルの波長分散と分散スロープを同時に補償する光分散補償特性のような高度な機能性を付与することは出来ない。また、シリコンフォトニクス技術を用いて該デバイスを製作する場合、チャープピッチ型グレーティング構造のように徐々に寸法の変化する構造は、各寸法の加工精度を管理することが容易ではなく、より工程管理の容易な構造が要望される。   Conventionally known equi-pitch grating structures and chirped pitch grating structures provide advanced functionality such as optical dispersion compensation characteristics that simultaneously compensate for chromatic dispersion and dispersion slope of multiple channels as optical characteristics of substrate-type optical waveguide devices. I can't do it. In addition, when manufacturing the device using silicon photonics technology, it is not easy to manage the processing accuracy of each dimension in a structure with gradually changing dimensions such as a chirped pitch type grating structure, and more process management is possible. An easy structure is required.

特許文献1や非特許文献1に記載の位相サンプリングパターンによるグレーティング構造は、ファイバブラッググレーティング(FBG)のような実効屈折率振幅の比較的小さい光導波路でも多チャネル型の光分散補償器を実現することが出来る。しかし、光導波路の光軸に沿って屈折率が高い部分を所定の規則に従って配列すると、機能性を高めるほど光導波路の長さが増大することになる。このため、高機能性デバイスの長さを短縮し小型化するという目的には適さない。   The grating structure based on the phase sampling pattern described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 realizes a multi-channel type optical dispersion compensator even in an optical waveguide having a relatively small effective refractive index amplitude such as a fiber Bragg grating (FBG). I can do it. However, when portions having a high refractive index are arranged according to a predetermined rule along the optical axis of the optical waveguide, the length of the optical waveguide increases as the functionality increases. For this reason, it is not suitable for the purpose of reducing the length and length of the high-functional device.

光分散補償器などの高度な機能を有する光導波路デバイスを実現するためには、特許文献2に記載されているように逆散乱法を用いて光導波路のコア幅の変化に基づくグレーティング光導波路を設計し、その設計に基づきシリコンフォトニクス技術を用いて基板型光導波路デバイスを実現することが好適である。しかし、特許文献2には、コアの幅の変化が極めて微細なものである場合には、X線リソグラフィを用いたLIGA(リーガ)プロセスなど特別な工程が必要となる可能性が示唆されている。   In order to realize an optical waveguide device having advanced functions such as an optical dispersion compensator, a grating optical waveguide based on a change in the core width of the optical waveguide is used by using an inverse scattering method as described in Patent Document 2. It is preferable to design and realize a substrate-type optical waveguide device using silicon photonics technology based on the design. However, Patent Document 2 suggests that a special process such as a LIGA process using X-ray lithography may be required when the change in the width of the core is extremely fine. .

したがって、本発明は、高度な機能性を達成しつつ、長さを短縮し小型化することも可能であり、しかも製造工程における加工精度の管理を容易化できるグレーティング構造を有する基板型光導波路デバイスの製造方法を提供することを課題とする。   Therefore, the present invention is a substrate type optical waveguide device having a grating structure that can achieve a high degree of functionality, can be reduced in length and reduced in size, and can easily manage processing accuracy in the manufacturing process. It is an object to provide a manufacturing method.

上記課題を解決して上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。すなわち、本発明の一態様は、光導波路のコアが、前記コアの幅が広い部分である凸部と、前記コアの幅が狭い部分である凹部とを、前記コアの長手方向に沿って交互に有するグレーティング構造を有し、前記凸部におけるコアの幅及び前記凹部におけるコアの幅が不均一である基板型光導波路デバイスの製造方法であって、高屈折率材料からなり前記凸部及び前記凹部を有する前記コアの少なくとも一部を構成する高屈折率材料層を形成する高屈折率材料層形成工程と、前記高屈折率材料層の上に、フォトレジスト層を形成するフォトレジスト層形成工程と、位相シフト型のフォトマスクである第1のフォトマスクを用いて、前記凹部に対応する位置では遮光領域の横幅が前記凹部におけるコアの幅に実質的に等しく、前記凸部に対応する位置では遮光領域の横幅が前記凸部におけるコアの幅よりも大きい遮光領域を前記フォトレジスト層上に形成し、前記遮光領域の外側において前記フォトレジスト層を露光する第1の露光工程と、バイナリ型のフォトマスクである第2のフォトマスクを用いて、前記凹部に対応する位置では遮光領域の横幅が前記凹部におけるコアの幅よりも大きく、前記凸部に対応する位置では遮光領域の横幅が前記凸部におけるコアの幅に実質的に等しい遮光領域を前記フォトレジスト層上に形成し、前記遮光領域の外側において前記フォトレジスト層を露光する第2の露光工程と、前記フォトレジスト層を現像する現像工程と、前記現像工程により得られたフォトレジストパターンを用いて前記高屈折率材料層をエッチングして前記凸部及び前記凹部を形成するエッチング工程とを、少なくとも有することを特徴とする。   In order to solve the above problems and achieve the above object, the present invention employs the following means. That is, according to one aspect of the present invention, the core of the optical waveguide has convex portions that are wide portions of the core and concave portions that are narrow portions of the core along the longitudinal direction of the core. A substrate-type optical waveguide device having a non-uniformity in the width of the core in the convex portion and the width of the core in the concave portion, which is made of a high refractive index material. A high refractive index material layer forming step of forming a high refractive index material layer constituting at least a part of the core having a recess, and a photoresist layer forming step of forming a photoresist layer on the high refractive index material layer And using the first photomask which is a phase shift type photomask, the width of the light shielding region is substantially equal to the width of the core in the concave portion at the position corresponding to the concave portion, and corresponds to the convex portion. A first exposure step of forming a light-shielding region on the photoresist layer, the light-shielding region having a width greater than the core width of the convex portion, and exposing the photoresist layer outside the light-shielding region; Using a second photomask that is a mold type photomask, the width of the light-shielding region is larger than the width of the core in the concave portion at the position corresponding to the concave portion, and the width of the light-shielding region at the position corresponding to the convex portion. A second exposure step of forming on the photoresist layer a light shielding region substantially equal to a core width of the convex portion, and exposing the photoresist layer outside the light shielding region; and developing the photoresist layer And developing the high refractive index material layer using the photoresist pattern obtained by the developing step to form the convex portion and the concave portion. And etching step for forming, characterized in that it has at least.

前記コアの長手方向に沿って隣接する前記凸部の長手方向の長さと前記凹部の長手方向の長さとの合計値として定義されるピッチが、不等間隔ピッチかつ非チャープピッチであってもよい。
前記グレーティング構造の全体にわたり、各ピッチ が、( −P)/ΔP=Nを満たしていてもよい。ただし、ここで、Pは所定のピッチ基準値であり、Mは所定の1より大きい整数値であり、ΔPはPをMで除した値であり、Nは整数である。
前記グレーティング構造における主たるピッチにおいて、前記Nが、+1、−1または0のいずれかであってもよい。
The pitch defined as the total value of the length in the longitudinal direction of the convex portion adjacent to the longitudinal direction of the core and the length in the longitudinal direction of the concave portion may be a non-uniform pitch and a non-chirp pitch. .
Throughout the grating structure, the pitch P G may also be met (P G -P) / ΔP = N. Here, P is a predetermined pitch reference value, M is an integer value greater than a predetermined value 1, ΔP is a value obtained by dividing P by M, and N is an integer.
In the main pitch in the grating structure, the N may be +1, −1, or 0.

前記凸部におけるコアの幅、前記凹部におけるコアの幅、及び前記コアの長手方向に沿って隣接する凸部の長手方向の長さと凹部の長手方向の長さとの合計値として定義されるピッチは、所望の光学特性を入力して用いる逆散乱問題を解くことによって設計してもよい。
Zakharov-Shabat方程式を用いて前記逆散乱問題を解いてもよい。
The pitch defined as the total value of the width of the core in the convex part, the width of the core in the concave part, and the length in the longitudinal direction of the convex part adjacent to the longitudinal direction of the core and the length in the longitudinal direction of the concave part is Alternatively, it may be designed by solving an inverse scattering problem using desired optical characteristics.
The inverse scattering problem may be solved using the Zakharov-Shabat equation.

上記基板型光導波路デバイスの製造方法によれば、徐々にピッチが変化する従来のチャープ型グレーティングと比較して、高度な機能性を達成しつつ、長さを短縮し小型化することも可能であり、製造工程における加工精度の管理が容易になる。
Zakharov-Shabat方程式を用いて逆散乱問題を解くことによりグレーティング光導波路を設計したので、多数のDWDMチャネルを一括して光ファイバ伝送路の群遅延分散と分散スロープを同時に補償する光分散補償器のような複雑な機能の光学特性を有する基板型光導波路デバイスを短い導波路長で小型に構成することが可能になる。
CMOS製造工程を利用したシリコンフォトニクス技術によりこれを製造出来るようにしたので、大規模な量産が可能となり、将来の低価格化が期待出来ることとなった。また、高比屈折率差光導波路構造の採用により小型のデバイスとすることができる。
Zakharov-Shabat方程式を用いて逆散乱問題を解くことによりグレーティング光導波路を設計した結果、該グレーティング光導波路は光導波路のコア幅や溝状構造の横幅が不均一でありピッチがある複数の離散値となるようなものとなる。グレーティングピッチがある複数の離散値をとるということにより、チャープ型と異なり工程管理が容易になる。
凸部に対応する遮光領域の横幅が延長されて凸部の各コア幅の設計寸法よりも広くなるように、位相シフト型フォトマスクを用いてフォトレジスト層上に遮光領域を形成する第1の露光工程と、凸部に対応する露光領域の横幅が凸部の各コア幅の設計寸法に実質的に等しくなるように、バイナリ型フォトマスクを用いてフォトレジスト層上に遮光領域を形成する第2の露光工程とによりグレーティング構造を形成する。したがって、波長248nmの旧世代の露光機を用いても複雑な形状を有するグレーティング光導波路を設計通りの構造で製造することができる。
According to the above-mentioned substrate type optical waveguide device manufacturing method, it is possible to reduce the length and reduce the size while achieving high functionality as compared with the conventional chirped grating whose pitch changes gradually. Yes, the processing accuracy in the manufacturing process can be easily managed.
Since the grating optical waveguide was designed by solving the inverse scattering problem using the Zakharov-Shabat equation, an optical dispersion compensator that simultaneously compensates the group delay dispersion and dispersion slope of an optical fiber transmission line for many DWDM channels at once. A substrate-type optical waveguide device having such complicated optical characteristics can be configured in a small size with a short waveguide length.
Since this can be manufactured by silicon photonics technology using CMOS manufacturing process, large-scale mass production is possible, and future price reduction can be expected. Further, a small device can be obtained by adopting a high relative refractive index difference optical waveguide structure.
As a result of designing a grating optical waveguide by solving the inverse scattering problem using the Zakharov-Shabat equation, the grating optical waveguide has a plurality of discrete values with a pitch that is uneven in the core width of the optical waveguide and in the lateral width of the groove structure. Would be something like By taking a plurality of discrete values with a certain grating pitch, the process management becomes easy unlike the chirp type.
A first light shielding region is formed on the photoresist layer using a phase shift photomask so that the lateral width of the light shielding region corresponding to the convex portion is extended to be wider than the design dimension of each core width of the convex portion. A light-shielding region is formed on the photoresist layer using a binary photomask so that the exposure step and the width of the exposure region corresponding to the convex portion are substantially equal to the design dimension of each core width of the convex portion. The grating structure is formed by the exposure step 2. Therefore, a grating optical waveguide having a complicated shape can be manufactured with a structure as designed even if an old-generation exposure device having a wavelength of 248 nm is used.

基板型光導波路デバイスの第1実施形態を示すコアの部分斜視図である。It is a fragmentary perspective view of the core which shows 1st Embodiment of a board | substrate type optical waveguide device. 本発明の第1実施形態に係るコアの部分上面図である。It is a partial top view of the core which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係る基板型光導波路デバイスの断面図である。1 is a cross-sectional view of a substrate-type optical waveguide device according to a first embodiment of the present invention. 基板型光導波路デバイスと光伝送路とを接続した形態の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the form which connected the board | substrate type | mold optical waveguide device and the optical transmission line. 第1実施形態におけるコアの幅wに対する実効屈折率 eff の変化の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of change of effective refractive index n eff to core width w in a 1st embodiment. 反射率スペクトルの一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of a reflectance spectrum. 図4の一部を拡大して示すグラフである。It is a graph which expands and shows a part of FIG. 群遅延スペクトルの一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of a group delay spectrum. 図6の一部を拡大して示すグラフである。It is a graph which expands and shows a part of FIG. ポテンシャル分布の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of potential distribution. 図8の一部を拡大して示すグラフである。It is a graph which expands and shows a part of FIG. 第1実施形態の製造工程を示す部分斜視図である。It is a fragmentary perspective view which shows the manufacturing process of 1st Embodiment. 第1実施形態の製造工程を示す部分斜視図である。It is a fragmentary perspective view which shows the manufacturing process of 1st Embodiment. 第1実施形態の製造工程を示す部分斜視図である。It is a fragmentary perspective view which shows the manufacturing process of 1st Embodiment. 側壁グレーティング構造用の位相シフト型フォトマスクのクロムパターンの一部を示す平面図である。It is a top view which shows a part of chromium pattern of the phase shift type photomask for side wall grating structures. 側壁グレーティング構造用の位相シフト型フォトマスクの位相πシフトパターンの一部を示す平面図である。It is a top view which shows a part of phase (pi) shift pattern of the phase shift type photomask for side wall grating structures. 側壁グレーティング構造用の位相シフト型フォトマスクの位相ゼロシフトパターンの一部を示す平面図である。It is a top view which shows a part of phase zero shift pattern of the phase shift type photomask for side wall grating structures. 側壁グレーティング構造用の位相シフト型フォトマスクの構成の一部を示す平面図である。It is a top view which shows a part of structure of the phase shift type photomask for side wall grating structures. 側壁グレーティング構造用のバイナリ型フォトマスクのリバースパターンの一部を示す平面図である。It is a top view which shows a part of reverse pattern of the binary type photomask for side wall grating structures. 側壁グレーティング構造用のバイナリ型フォトマスクによる遮光領域とコアとの関係を説明する平面図である。It is a top view explaining the relationship between the light-shielding area | region and core by the binary type photomask for side wall grating structures. 改変例1のバイナリ型フォトマスクによる遮光領域とコアとの関係を説明する平面図である。It is a top view explaining the relationship between the light shielding area | region by the binary type photomask of the modification 1, and a core. 改変例2のバイナリ型フォトマスクによる遮光領域とコアとの関係を説明する平面図である。It is a top view explaining the relationship between the light shielding area | region by the binary type photomask of the modification 2, and a core. 側壁グレーティング構造用のフォトレジストパターンの一部を示す平面図である。It is a top view which shows a part of photoresist pattern for side wall grating structures. 第2又は第3比較例に係る側壁グレーティング構造用の位相シフト型フォトマスクのパターンの一部を示す平面図である。It is a top view which shows a part of pattern of the phase shift type photomask for side wall grating structures concerning the 2nd or 3rd comparative example. は基板型光導波路デバイスの第2実施形態を示すコアの部分斜視図である。These are the fragmentary perspective views of the core which show 2nd Embodiment of a board | substrate type optical waveguide device. は本発明の第2実施形態に係るコアの部分上面図である。These are the fragmentary top views of the core which concerns on 2nd Embodiment of this invention. は本発明の第2実施形態に係る基板型光導波路デバイスの断面図である。These are sectional drawings of the board | substrate type optical waveguide device which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 第2実施形態における in および out を説明するためのコアの部分上面図である。It is a partial top view of the core for demonstrating win and wout in 2nd Embodiment. 第2実施形態における in に対する eff の変化の一例を示すグラフである。Is a graph showing an example of a change in n eff for w in the second embodiment. 第2実施形態における in の変化に伴う out の変化の一例を示すグラフである。Is a graph showing an example of a change in w out due to the change of w in the second embodiment. 第2実施形態における eff に対する in および out の変化を示すグラフである。Is a graph showing changes in w in and w out for n eff in the second embodiment. 第2実施形態の製造工程を示す部分斜視図である。It is a fragmentary perspective view which shows the manufacturing process of 2nd Embodiment. 第2実施形態の製造工程を示す部分斜視図である。It is a fragmentary perspective view which shows the manufacturing process of 2nd Embodiment. 第2実施形態の製造工程を示す部分斜視図である。It is a fragmentary perspective view which shows the manufacturing process of 2nd Embodiment. 第2実施形態の製造工程を示す部分斜視図である。It is a fragmentary perspective view which shows the manufacturing process of 2nd Embodiment. 第2実施形態の製造工程を示す部分斜視図である。It is a fragmentary perspective view which shows the manufacturing process of 2nd Embodiment. 上部グレーティング構造用の位相シフト型フォトマスクのクロムパターンの一部を示す平面図である。It is a top view which shows a part of chromium pattern of the phase shift type photomask for upper grating structures. 上部グレーティング構造用の位相シフト型フォトマスクの位相πシフトパターンの一部を示す平面図である。It is a top view which shows a part of phase (pi) shift pattern of the phase shift type photomask for upper grating structures. 上部グレーティング構造用の位相シフト型フォトマスクの位相ゼロシフトパターンの一部を示す平面図である。It is a top view which shows a part of phase zero shift pattern of the phase shift type photomask for upper grating structures. 上部グレーティング構造用の位相シフト型フォトマスクの構成の一部を示す平面図である。It is a top view which shows a part of structure of the phase shift type photomask for upper grating structures. 上部グレーティング構造用のバイナリ型フォトマスクのリバースパターンの一部を示す平面図である。It is a top view which shows a part of reverse pattern of the binary type photomask for upper grating structures. 上部グレーティング構造用のフォトレジストパターンの一部を示す平面図である。It is a top view which shows a part of photoresist pattern for upper grating structures. 基板型光導波路デバイスの第3実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows 3rd Embodiment of a board | substrate type optical waveguide device. 第3実施形態における in に対する eff の変化の一例を示すグラフである。Is a graph showing an example of a change in n eff for w in the third embodiment. 第3実施形態における in の変化に伴う out の変化の一例を示すグラフである。Is a graph showing an example of a change in w out due to the change of w in the third embodiment. 第3実施形態における eff に対する in および out の変化の一例を示すグラフである。Is a graph showing an example of a change in w in and w out for n eff in the third embodiment. 第3実施形態の実効屈折率分布の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the effective refractive index distribution of 3rd Embodiment. 図38の一部を拡大して示すグラフである。It is a graph which expands and shows a part of FIG. 第3実施形態のグレーティングピッチの分布の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of distribution of the grating pitch of a 3rd embodiment. 図40の一部を拡大して示すグラフである。It is a graph which expands and shows a part of FIG. 実施例3により形成した溝部充填体の一部を上方から撮影した走査電子顕微鏡(SEM)写真である。4 is a scanning electron microscope (SEM) photograph obtained by photographing a part of a groove filling body formed in Example 3 from above. 図42の一部を拡大して示す走査電子顕微鏡(SEM)写真である。It is a scanning electron microscope (SEM) photograph which expands and shows a part of FIG. 実施例3により形成した側壁グレーティング構造の一部を斜め上方から撮影した走査電子顕微鏡(SEM)写真である。4 is a scanning electron microscope (SEM) photograph obtained by photographing a part of the side wall grating structure formed in Example 3 from an obliquely upper side. 実施例3により形成した側壁グレーティング構造の一部を上方から撮影した走査電子顕微鏡(SEM)写真である。4 is a scanning electron microscope (SEM) photograph obtained by photographing a part of the side wall grating structure formed in Example 3 from above. 従来の単一ピッチ型グレーティング構造の一例を示す上面図である。It is a top view which shows an example of the conventional single pitch type | mold grating structure. 従来のチャープ型グレーティング構造の一例を示す上面図である。It is a top view which shows an example of the conventional chirp type | mold grating structure.

以下、本発明を好適な実施の形態に基づいて説明する。
<基板型光導波路デバイスの第1実施形態>
図1A〜1Cに、本発明の基板型光導波路デバイスの第1実施形態を模式的に示す。図1Aは光導波路のコア1の一部の斜視図、図1Bはコア1の同じ部分の上面図、図1Cは基板型光導波路デバイスの断面図である。また、基板型光導波路デバイスの斜視図を図12に示す。なお、図1Cにおいては、コア1の側壁に関して図1A及び図1Bの凹部2a及び凸部2bの区別なしに、符号2を用いている。
この基板型光導波路デバイスは、光導波路が基板5上に形成された基板型光導波路デバイスである。光導波路は、基板5上に形成された下部クラッド6と、下部クラッド6上に形成されたコア1と、コア1および下部クラッド6の上に形成された上部クラッド7を有する。また、グレーティング構造2は、コア1の幅wの周期的変化としてコア1の両側壁に形成された凹部2aと凸部2bとから構成されている。
ここで、コア幅wとは、光導波路の長手方向即ち信号光の導波する方向に対して垂直であり、かつ基板に平行である方向におけるコア1の幅を言う。凹部2aではコア幅が狭く、凸部2bではコア幅が広い。
コア1の上面3および底面4は平坦である。
Hereinafter, the present invention will be described based on preferred embodiments.
<First Embodiment of Substrate Type Optical Waveguide Device>
1A to 1C schematically show a first embodiment of a substrate-type optical waveguide device of the present invention. 1A is a perspective view of a part of a core 1 of an optical waveguide, FIG. 1B is a top view of the same part of the core 1, and FIG. 1C is a cross-sectional view of a substrate type optical waveguide device. A perspective view of the substrate type optical waveguide device is shown in FIG. In FIG. 1C, reference numeral 2 is used for the side wall of the core 1 without distinguishing the concave portion 2 a and the convex portion 2 b of FIGS. 1A and 1B.
This substrate type optical waveguide device is a substrate type optical waveguide device in which an optical waveguide is formed on a substrate 5. The optical waveguide has a lower clad 6 formed on the substrate 5, a core 1 formed on the lower clad 6, and an upper clad 7 formed on the core 1 and the lower clad 6. Moreover, the grating structure 2 is comprised from the recessed part 2a and the convex part 2b which were formed in the both-sides wall of the core 1 as a periodic change of the width | variety w of the core 1. As shown in FIG.
Here, the core width w refers to the width of the core 1 in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the optical waveguide, that is, the direction in which the signal light is guided, and parallel to the substrate. The concave portion 2a has a narrow core width, and the convex portion 2b has a wide core width.
The upper surface 3 and the bottom surface 4 of the core 1 are flat.

光導波路の長手方向(図1Bの左右方向)において凹部2aが継続する距離を、凹部の長手方向の長さと呼ぶ。また、光導波路の長手方向において凸部2bが継続する距離を、凸部の長手方向の長さと呼ぶ。隣接する凸部と凹部とを一組とし、その凸部の長手方向の長さと凹部の長手方向の長さとを加算したものが、その位置におけるグレーティングピッチである。
本実施形態の基板型光導波路デバイスは、詳しくは後述するが、グレーティングピッチが逆散乱問題を解いた結果として得られる離散化したピッチのいずれかの値をとる。すなわち、本実施形態の基板型光導波路デバイスは、従来公知の等ピッチグレーティング構造、チャープピッチグレーティング構造、サンプルドグレーティング構造のいずれとも異なる。
図1Bには、グレーティングピッチが、光導波路の長手方向の位置によってP、P+ΔP、P−ΔPのように異なる値をとることが示されている。また、コア幅wに関しては、図1Bには左から右に向かってコア幅wが増大する傾向をもつ部分を示している。後述するように、同じ光導波路が、他の部分(図示略)では左から右に向かってコア幅wが減少する傾向をもつ部分を含んでいる。
このように、グレーティングピッチとコア幅とが、逆散乱問題を解いた結果として得られる複雑な変化をしているので、所望の機能性を光導波路に付与することができる。
The distance that the recess 2a continues in the longitudinal direction of the optical waveguide (left and right direction in FIG. 1B) is referred to as the length of the recess in the longitudinal direction. Moreover, the distance which the convex part 2b continues in the longitudinal direction of an optical waveguide is called the length of the longitudinal direction of a convex part. The grating pitch at that position is a set of adjacent convex portions and concave portions, and the sum of the length in the longitudinal direction of the convex portions and the length in the longitudinal direction of the concave portions.
As will be described later in detail, the substrate type optical waveguide device of the present embodiment takes any value of the discretized pitch obtained as a result of solving the inverse scattering problem. That is, the substrate type optical waveguide device of the present embodiment is different from any of the conventionally known equal pitch grating structure, chirped pitch grating structure, and sampled grating structure.
FIG. 1B shows that the grating pitch takes different values such as P, P + ΔP, and P−ΔP depending on the position in the longitudinal direction of the optical waveguide. Regarding the core width w, FIG. 1B shows a portion where the core width w tends to increase from left to right. As will be described later, the same optical waveguide includes a portion where the core width w tends to decrease from left to right in other portions (not shown).
As described above, since the grating pitch and the core width change in a complicated manner obtained as a result of solving the inverse scattering problem, desired functionality can be imparted to the optical waveguide.

(デバイスの使用例)
図2に、基板型光導波路デバイス101と光伝送路103,105とを接続した形態100の一例を示す。このデバイス101はグレーティング構造を有する反射型デバイスであるため、開始端が光信号の入射端であると同時に出射端となる。図2に示すように、通常はサーキュレータ102を介して入出力光ファイバを接続し、使用する。サーキュレータ102には、入射信号光を伝搬する入射用光ファイバ103と、基板型光導波路デバイス101と光サーキュレータ102とを接続する結合用光ファイバ104と、出射信号光を伝搬する出射用光ファイバ105が接続されている。
また、基板型光導波路デバイス101と結合用光ファイバ104とが光接続される箇所には、通常モードフィールドコンバーターあるいはスポットサイズコンバーターと呼ばれる入出力変換部を追加すると、結合用光ファイバ104とデバイス101との接続損失を低減できるので、好ましい。
(Device usage example)
FIG. 2 shows an example of a form 100 in which the substrate type optical waveguide device 101 and the optical transmission lines 103 and 105 are connected. Since the device 101 is a reflective device having a grating structure, the start end is the light input incident end and at the same time the light output end. As shown in FIG. 2, an input / output optical fiber is usually connected through a circulator 102 for use. The circulator 102 includes an incident optical fiber 103 that propagates incident signal light, a coupling optical fiber 104 that connects the substrate-type optical waveguide device 101 and the optical circulator 102, and an outgoing optical fiber 105 that propagates outgoing signal light. Is connected.
Further, when an input / output conversion unit called a normal mode field converter or a spot size converter is added at a position where the substrate type optical waveguide device 101 and the coupling optical fiber 104 are optically connected, the coupling optical fiber 104 and the device 101 are added. This is preferable because the connection loss can be reduced.

(デバイスの製造方法)
所望の光学特性が得られるグレーティング構造を有する基板型光導波路デバイスを得るため、本発明では、該光導波路の光伝搬方向にわたるポテンシャル分布を求め、これを光導波路の等価屈折率分布に換算し、光導波路の寸法に変換する。ポテンシャル分布の算出は、光導波路の前方及び後方に伝搬する電力波振幅なる変数を導入した波動方程式より、例えば光導波路の等価屈折率の対数の微分から導かれるポテンシャルを有するZakharov-Shabat方程式などに帰着させ、グレーティング光導波路の反射率の強度および位相のスペクトルである複素反射スペクトルからポテンシャル関数を数値的に導く逆散乱問題として解き、所望の反射スペクトルを実現するためのポテンシャル分布を推測する設計法を用いて設計することが出来る。
これにより、従来公知の等ピッチグレーティング素子やチャープピッチグレーティング素子では実現出来ないような複雑な光学特性を有するブラッググレーティング素子を設計し製作することが可能となるため、例えばDWDM光ファイバ通信システムにおいて40チャネル一括で伝送線路光ファイバの波長分散と分散スロープとを同時に補償する光波長分散補償器といったような所望の光学特性を有するデバイスを実現することが出来る。
(Device manufacturing method)
In order to obtain a substrate type optical waveguide device having a grating structure capable of obtaining desired optical characteristics, in the present invention, a potential distribution over the light propagation direction of the optical waveguide is obtained, and this is converted into an equivalent refractive index distribution of the optical waveguide, Convert to the dimensions of the optical waveguide. The potential distribution is calculated from the wave equation that introduces a variable that is the power wave amplitude propagating forward and backward of the optical waveguide, for example, to the Zakharov-Shabat equation with the potential derived from the logarithmic derivative of the equivalent refractive index of the optical waveguide. A design method that estimates the potential distribution to achieve the desired reflection spectrum by reducing it as a backscattering problem that numerically derives the potential function from the complex reflection spectrum, which is the spectrum of the reflectance intensity and phase of the grating optical waveguide. Can be used to design.
This makes it possible to design and manufacture a Bragg grating element having complicated optical characteristics that cannot be realized by a conventionally known equal pitch grating element or chirped pitch grating element. For example, in a DWDM optical fiber communication system 40 A device having desired optical characteristics such as an optical chromatic dispersion compensator that simultaneously compensates for chromatic dispersion and dispersion slope of a transmission line optical fiber in a channel can be realized.

(ポテンシャル分布の設計方法)
所望の複素反射スペクトルから逆散乱問題を用いてポテンシャル分布を設計する手法は以下の通りである。
なお、後述する設計手順中の数式においては、グレーティング光導波路の長手方向、すなわち光伝搬方向をz軸として数式を示す。図1Bの左右方向がz軸方向である。該グレーティング光導波路デバイスのグレーティング領域開始端をz=0、終了端をz最大値座標とし、z最大値がすなわちグレーティング光導波路部の領域長である。
(Design method of potential distribution)
The technique for designing the potential distribution from the desired complex reflection spectrum using the inverse scattering problem is as follows.
In the numerical formula in the design procedure to be described later, the mathematical formula is shown with the longitudinal direction of the grating optical waveguide, that is, the light propagation direction as the z axis. The left-right direction in FIG. 1B is the z-axis direction. A grating region start end of the grating optical waveguide device is set to z = 0, and an end end is set to a z maximum value coordinate. The maximum z value is the region length of the grating optical waveguide portion.

まず、光導波路を伝搬する電磁界を、Sipeの論文(J.E. Sipe, L. Poladian, and C. Martijn de Sterke, “Propagation through nonuniform grating structures,” Journal of the Optical Society of America A, Vol. 11, Issue 4, pp. 1307-1320 (1994))を参照して、次のように定式化する。   First, an electromagnetic field propagating in an optical waveguide is described by Sipe's paper (JE Sipe, L. Poladian, and C. Martijn de Sterke, “Propagation through nonuniform grating structures,” Journal of the Optical Society of America A, Vol. 11, Issue 4, pp. 1307-1320 (1994)) is formulated as follows.

電磁界の時間変動をexp(−iωt)と仮定すると、該光導波路の光伝搬方向をz軸として、光導波路中の電界の複素振幅E(z)及び磁界の複素振幅H(z)は、マクスウェル方程式(Maxwell’s Equations)により、次式(1)、(2)となる。
Assuming that the time variation of the electromagnetic field is exp (−iωt), the complex amplitude E (z) of the electric field in the optical waveguide and the complex amplitude H (z) of the magnetic field are expressed as follows. The following equations (1) and (2) are obtained by Maxwell's Equations.

ただし、E(z)は電界の複素振幅、H(z)は磁界の複素振幅、iは虚数単位、ωは角周波数、μ は真空の透磁率、ε は真空の誘電率、 eff は光導波路の実効屈折率を表す。 Where E (z) is the complex amplitude of the electric field, H (z) is the complex amplitude of the magnetic field, i is the imaginary unit, ω is the angular frequency, μ 0 is the permeability of vacuum, ε 0 is the permittivity of vacuum, n eff Represents the effective refractive index of the optical waveguide.

式(1)、(2)から結合モード方程式(coupled-mode equations)を構築するため、ここで、次式(3)、(4)のようにE(z)及びH(z)を進行波(前方に伝搬する電力波)振幅 (z)と後退波(後方に伝搬する電力波)振幅 (z)に変換する。該デバイスは反射スペクトルとして所望の光学特性を実現する反射型デバイスである。反射波は後退波振幅 (z)に対応する。
In order to construct coupled-mode equations from equations (1) and (2), E (z) and H (z) are traveling waves as in the following equations (3) and (4). (Power wave propagating forward ) Converted to amplitude A + (z) and backward wave (power wave propagating backward) amplitude A (z) . The device is a reflective device that realizes desired optical characteristics as a reflection spectrum. The reflected wave corresponds to the backward wave amplitude A (z) .

ただし、 av は光導波路の参照屈折率(平均実効屈折率)であり、この av は、 eff (z)の基準となる。これらの変数 (z)及び (z)は、 light を真空中の光速として、次式(5)、(6)を満たす。
However, n av is a reference refractive index (average effective refractive index) of the optical waveguide, and this n av is a standard for n eff (z). These variables A + (z) and A (z) satisfy the following expressions (5) and (6), where c light is the speed of light in vacuum.

ここで、波数k(z)を次式(7)で表す。ここで、 light は真空中の光速度である。
Here, the wave number k (z) is expressed by the following equation (7). Here, c light is the speed of light in vacuum.

また、式(8)のq(z)は、結合モード方程式におけるポテンシャル分布である。
Further, q (z) in the equation (8) is a potential distribution in the coupled mode equation.

式(5)、式(6)のn(z)を式(7)、式(8)の eff (z)と同一視して代入すると、式(5)、式(6)は、式(9)、式(10)に示すZakharov-Shabat方程式に帰着される。
When n (z) in Expression (5) and Expression (6) is substituted with the same expression as n eff (z) in Expression (7) and Expression (8), Expression (5) and Expression (6) become (9) It is reduced to the Zakharov-Shabat equation shown in equation (10).

Zakharov-Shabat方程式で示された逆散乱問題を解くことは、後述するゲルファント−レヴィタン−マルチェンコ方程式 (Gel’fand-Levitan-Marchenko type integral equations) を解くことであり、その手順は例えば、Frangosの論文(P.V. Frangos and D.L. Jaggard, “A numerical solution to the Zakharov-Shabat inverse scattering problem,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 39, Issue. 1, pp. 74-79 (1991))に開示されている。
また、Xiaoの論文(G. Xiao and K. Yashiro, “An Efficient Algorithm for Solving Zakharov-Shabat Inverse Scattering Problem,” IEEE Transaction on Antennas and Propagation, Vol. 50, Issue 6, pp. 807-811 (2002))には、Zakharov-Shabat方程式の効率的な解法が開示されている。
Solving the inverse scattering problem shown by the Zakharov-Shabat equation is to solve the Gel'fand-Levitan-Marchenko type integral equations, which will be described later. (PV Frangos and DL Jaggard, “A numerical solution to the Zakharov-Shabat inverse scattering problem,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 39, Issue. 1, pp. 74-79 (1991)). .
Also, Xiao's paper (G. Xiao and K. Yashiro, “An Efficient Algorithm for Solving Zakharov-Shabat Inverse Scattering Problem,” IEEE Transaction on Antennas and Propagation, Vol. 50, Issue 6, pp. 807-811 (2002) ) Discloses an efficient solution of the Zakharov-Shabat equation.

本願発明のグレーティング構造を有する基板型光導波路デバイスの光学特性は、光導波路の開始端(出射光もここから出力される)における複素反射スペクトルr(k)として、次式(11)で定義される。
The optical characteristic of the substrate type optical waveguide device having the grating structure of the present invention is defined by the following equation (11) as a complex reflection spectrum r (k) at the start end of the optical waveguide (the output light is also output from here). The

次式(12)に示すように、r(k)のフーリエ変換はこの系のインパルス応答R(z)である。
As shown in the following equation (12), the Fourier transform of r (k) is the impulse response R (z) of this system.

複素反射スペクトルr(k)として波長に対する所望の群遅延特性と反射率の分布を与えることにより、これを実現するためのポテンシャル分布関数q(z)を数値的に解くことができる。
本発明では、グレーティングの振幅が変化して位相は振幅に従属して変化するという振幅変調型のグレーティングを用いた設計を行なう。そのため、設計の入力データとして用いる複素反射スペクトルにおいては、グレーティングの振幅の包絡線とグレーティングの振動の位相との分離性を高めるため、周波数の原点(すなわち0Hz)から所定の群遅延時間特性が求められる周波数領域をすべて含める。
By giving a desired group delay characteristic and reflectance distribution with respect to the wavelength as the complex reflection spectrum r (k), the potential distribution function q (z) for realizing this can be numerically solved.
In the present invention, the design is performed using an amplitude modulation type grating in which the amplitude of the grating changes and the phase changes depending on the amplitude. Therefore, in the complex reflection spectrum used as design input data, a predetermined group delay time characteristic is obtained from the origin of the frequency (that is, 0 Hz) in order to improve the separation between the envelope of the amplitude of the grating and the phase of the vibration of the grating. Include all available frequency regions.

まず、式(3)及び式(4)の解を次式(13)、(14)のように表す。
First, the solutions of the equations (3) and (4) are expressed as the following equations (13) and (14).

(z)及び (z)はそれぞれ+z方向及び−z方向に伝搬する。式(13)及び式(14)中の積分項は反射の影響を表している。式(13)及び式(14)から、結合モード方程式が次のゲルファント−レヴィタン−マルチェンコ方程式(Gel’fand-Levitan-Marchenko type integral equations) 式(15)及び式(16)に変換される。
A + (z) and A (z) propagate in the + z direction and the −z direction, respectively. The integral term in Equation (13) and Equation (14) represents the influence of reflection. From Equation (13) and Equation (14), the coupled mode equation is transformed into the following Gel'fand-Levitan-Marchenko type integral equations (15) and (16).

ここで、正規化時間yはy= light t (tは時間)であり、z>yである。R(z)は、波数を変数とした複素反射スペクトルr(k)の逆フーリエ変換であり、インパルス応答に相当する。R(z)を与えて式(15)及び式(16)を解くことにより、ポテンシャル分布q(z)が求められ、式(17)で与えられる。
Here, the normalized time y is y = c light t (t is time), a z> y. R (z) is an inverse Fourier transform of the complex reflection spectrum r (k) with the wave number as a variable, and corresponds to an impulse response. The potential distribution q (z) is obtained by solving the equations (15) and (16) by giving R (z), and is given by the equation (17).

得られたポテンシャル分布q(z)を次式(18)に適用することで、グレーティング光導波路の実効屈折率分布 eff (z)が得られる。
By applying the obtained potential distribution q (z) to the following equation (18), an effective refractive index distribution n eff (z) of the grating optical waveguide is obtained.

本発明では、式(8)及び式(17)のポテンシャル分布q(z)を実数とする。その結果、複素反射スペクトルr(k)からインパルス応答(時間応答)R(z)へと変換するための演算は実数型となり、振幅が変化して位相が振幅に従属して変化する。   In the present invention, the potential distribution q (z) in the equations (8) and (17) is a real number. As a result, the calculation for converting the complex reflection spectrum r (k) into the impulse response (time response) R (z) becomes a real number type, and the amplitude changes and the phase changes depending on the amplitude.

このようにして得られた実効屈折率分布 eff (z)は、高屈折率値と低屈折率値とが短いピッチ(周期)で交互に現れるものであり、グレーティング光導波路構造を示すものとなっている。このグレーティング構造は、光導波路コアの側壁の凹部および凸部におけるコア幅wに対応する、隣接する高屈折率値と低屈折率値との屈折率差が一定ではなく漸次変化する不均一なものとなっており、また屈折率の変化するピッチはある限定された離散値をとるものとなっており、従来公知の等ピッチグレーティング光導波路、チャープピッチグレーティング光導波路、サンプルドグレーティング光導波路のいずれとも一致しない新規な構造を有する。 The effective refractive index distribution n eff (z) thus obtained is such that the high refractive index value and the low refractive index value appear alternately at a short pitch (period), and shows a grating optical waveguide structure. It has become. This grating structure is a non-uniform one in which the refractive index difference between the adjacent high refractive index value and the low refractive index value corresponding to the core width w in the concave and convex portions on the side wall of the optical waveguide core is not constant but gradually changes. In addition, the pitch at which the refractive index changes takes a limited discrete value. Any of the conventionally known equal pitch grating optical waveguide, chirped pitch grating optical waveguide, and sampled grating optical waveguide is used. Has a new structure that does not match.

本発明のグレーティング光導波路は、ブラッググレーティングの振幅を変化させてグレーティングパターンを形成するものであり、グレーティングの振幅の包絡線の勾配の符号が反転する振幅変調型である。サンプルドグレーティング光導波路では、符号が反転する二点間で振幅が連続的にゼロになる光導波路領域が介在するという特徴がある。これに対し、本願の振幅変調型グレーティング光導波路では、そのような構造は現れない。符号の反転は孤立した単一の座標点で生じるという階段的な急峻性あるいは不連続性を示す。つまり、あるz座標で包絡線の勾配の符号が反転するという意味である。包絡線の勾配の符号が反転する孤立した一座標点でのみ振幅がゼロとなるため、実質的には振幅が一定の区間ゼロのままとなるような領域は出現しない。これにより、サンプルドブラッググレーティングよりも導波路長を短縮することが可能となる。   The grating optical waveguide of the present invention forms a grating pattern by changing the amplitude of the Bragg grating, and is an amplitude modulation type in which the sign of the gradient of the envelope of the amplitude of the grating is inverted. The sampled grating optical waveguide is characterized in that an optical waveguide region in which the amplitude is continuously zero is interposed between two points where the sign is inverted. On the other hand, such a structure does not appear in the amplitude modulation type grating optical waveguide of the present application. The inversion of the sign indicates a steep steepness or discontinuity that occurs at an isolated single coordinate point. That is, the sign of the envelope gradient is inverted at a certain z coordinate. Since the amplitude becomes zero only at an isolated coordinate point where the sign of the envelope slope is inverted, there is virtually no region where the amplitude remains constant zero. This makes it possible to shorten the waveguide length as compared with the sampled Bragg grating.

包絡線の勾配の符号が反転する孤立した座標点は導波路上で複数個存在する。おのおのの座標点では、付随的に位相の不連続変化を伴う。位相が不連続変化すると局所周期(ピッチ)が変化するため、ピッチが当該座標点で対象とするスペクトルにおける中心波長を光導波路の実効屈折率の平均値 av で除算した値の半分とは異なる値をとる。包絡線の勾配の符号が反転する座標点を特定する精度は、横軸にとっている導波路の座標zの離散化刻みによる。その刻みをΔPとすると、座標点を特定する精度は±ΔPの範囲にある。このように、本発明の振幅変調型グレーティング光導波路には、グレーティングの振幅の包絡線の勾配の符号が反転し、その結果、ピッチが離散的に変化する座標点が存在する。
離散化したグレーティングピッチは、P±NΔPとして表すことが可能であり、Nは逆散乱問題を解く際の離散化パラメータに係る整数である。
There are a plurality of isolated coordinate points on the waveguide where the sign of the envelope gradient is reversed. Each coordinate point is accompanied by a phase discontinuous change. Since the local period (pitch) changes when the phase changes discontinuously, the pitch is different from half of the value obtained by dividing the center wavelength in the spectrum of interest at the coordinate point by the average value n av of the effective refractive index of the optical waveguide. Takes a value. The accuracy of specifying the coordinate point where the sign of the envelope gradient is inverted depends on the discrete step of the waveguide coordinate z on the horizontal axis. If the step is ΔP, the accuracy of specifying the coordinate point is in the range of ± ΔP. As described above, in the amplitude modulation type grating optical waveguide of the present invention, the sign of the slope of the envelope of the amplitude of the grating is inverted, and as a result, there are coordinate points at which the pitch changes discretely.
The discretized grating pitch can be expressed as P ± NΔP, where N is an integer related to the discretization parameter when solving the inverse scattering problem.

ピッチの離散的変化は、チャープトブラッググレーティングには見られない特徴である。チャープトブラッググレーティングでは、ピッチは光導波方向に沿って連続的に変化する。チャープトブラッググレーティングでは、ブラッググレーティングの振幅も同時に変化するが、振幅の変化はアポダイズのような副次的特性の実現に利用されるにとどまり、フィルタの反射スペクトルのチャネル数・位相特性などの主要な特性はブラッググレーティングの周波数を光の導波方向に沿って変化させることによって達成される。ここに開示した手順では、チャープ型グレーティングを構成することはできない。チャープ型グレーティングを構成するには、複素反射スペクトルr(k)から時間応答(インパルス応答)R(z)への変換を複素数型へと切り替える必要がある。その結果、式(17)により得られるポテンシャル分布q(z)は複素数となる。q(z)が複素数であると、q(z)から実効屈折率分布 eff (z)を求めるにあたり、 eff (z)は実数であるため、q(z)の実部のみをとることが必要である。よって、本発明の振幅変調型グレーティング構造と従来公知のチャープ型グレーティング構造とは設計方法を異にし、互いに異なる範疇に分類される。振幅変調型に相対することから、チャープ型グレーティング構造は、いわば、周波数変調型に分類される。 The discrete change in pitch is a feature not found in chirped Bragg gratings. In the chirped Bragg grating, the pitch continuously changes along the optical waveguide direction. The chirped Bragg grating, which varies the amplitude at the same time of the Bragg grating, changes in the amplitude remains is used for realization of the secondary properties such as apodization, the main such as the number of channel phase characteristics of the reflection spectrum of the filter This characteristic is achieved by changing the frequency of the Bragg grating along the light guiding direction. With the procedure disclosed here, a chirped grating cannot be constructed. In order to construct a chirped grating, it is necessary to switch the conversion from the complex reflection spectrum r (k) to the time response (impulse response) R (z) to the complex type. As a result, the potential distribution q (z) obtained by Expression (17) is a complex number. If q (z) is a complex number, when determining the q (z) the effective refractive index distribution from n eff (z), for n eff (z) is a real number, to take only the real part of q (z) is required. Therefore, the amplitude modulation type grating structure of the present invention and the conventionally known chirped grating structure are classified into different categories by different design methods. Since it is opposed to the amplitude modulation type, the chirped grating structure is classified as a frequency modulation type.

本発明では、他の実施例すべてを含めて、当該の複素反射スペクトルからインパルス応答への変換に用いる演算は実数型とし、振幅変調型ブラッググレーティングを対象とする。振幅変調型ブラッググレーティングを選択するための条件をまとめると、以下の二点となる。
(I) 指定するスペクトル特性の周波数範囲を原点(周波数ゼロ)から該当するスペクトルチャネルの存在する領域まですべてを含める。
(II)上述の複素反射スペクトルからインパルス応答への変換において実数型を選択する。
In the present invention, including all the other embodiments, the calculation used for conversion from the complex reflection spectrum to the impulse response is a real number type, and is intended for an amplitude modulation type Bragg grating. The conditions for selecting the amplitude modulation type Bragg grating are summarized as follows.
(I) The frequency range of the specified spectrum characteristic is all included from the origin (frequency zero) to the region where the corresponding spectrum channel exists.
(II) The real type is selected in the conversion from the above complex reflection spectrum to the impulse response.

実際の計算手順では、まず、グレーティング光導波路デバイスの全長を決めることにより、zの最大値を特定する。これは、例えば、光分散補償器の場合であれば、補償すべき群遅延分散値とチャネル帯域とからグレーティング光導波路で発生すべき群遅延時間の最大値が決まるので、これに真空中の光速度 light を乗じ、さらに実効屈折率の平均値 av で除することで、最低限必要となる素子長を決めることが出来る。素子の全長は、これに一定の余長を追加したものとする。続いて、離散化の刻みを決める。一例として、設計中心波長λを基準として素子全長を18,000λ、z位置の離散化刻みをλ/40に設定すると、 から 720000 までの720,000点について光分散補償器のポテンシャル分布q(z)を計算することとなる。 In the actual calculation procedure, first, the maximum value of z is specified by determining the total length of the grating optical waveguide device. For example, in the case of an optical dispersion compensator, the maximum value of the group delay time to be generated in the grating optical waveguide is determined from the group delay dispersion value to be compensated and the channel bandwidth. By multiplying by the speed c light and further dividing by the average value n av of the effective refractive index, the minimum required element length can be determined. The total length of the element is obtained by adding a certain extra length to this. Subsequently, the discretization step is determined. As an example, 18,000Ramuda element full length relative to the designed center wavelength lambda, by setting the discretization ticks z positioned lambda / 40, the potential distribution of the optical dispersion compensator for 720,000 points from z 0 to z 720000 q (z) will be calculated.

複素反射スペクトルr(k)として与えた波長に対する所望の光学特性の一例として、反射率の分布を図4及び図5に示すとおりとし、群遅延特性を図6及び図7とした時、計算により求められたポテンシャル分布q(z)を図8及び図9に示す。   As an example of the desired optical characteristic for the wavelength given as the complex reflection spectrum r (k), the distribution of reflectance is as shown in FIGS. 4 and 5, and the group delay characteristic is as shown in FIGS. FIG. 8 and FIG. 9 show the obtained potential distribution q (z).

予め求めた光導波路断面構造、具体的にはコア寸法と等価屈折率との関係を元に、逆散乱問題を解いて得られたポテンシャル分布q(z)を実効屈折率分布 eff (z)に換算し、続いて光導波路の光伝搬方向(長手方向)におけるコア寸法分布を算出する。 Based on the optical waveguide cross-sectional structure obtained in advance, specifically, the relationship between the core dimension and the equivalent refractive index, the potential distribution q (z) obtained by solving the inverse scattering problem is converted into the effective refractive index distribution n eff (z). Next, the core size distribution in the light propagation direction (longitudinal direction) of the optical waveguide is calculated.

図1A〜1Cに示した第1実施形態の光導波路デバイスについて、実効屈折率 eff とコア幅wとの対応を図3に示す。この事例では、クラッド材料はシリカ(SiO )であり、コア材料は窒化ケイ素(SiN)である。コアの厚みtは1.4μmとした。mode 1及びmode 2は、それぞれ、いわゆるTEモード及びTMモードに対応する。この図3に示したような実効屈折率 eff とコア幅wとの対応関係を得るには、コア幅wの値を変化させて、それぞれの光導波路の断面構造から固有伝搬モードの電磁界分布をモードマッチング法、有限要素法、もしくはビーム伝搬法など各種方法を採用したモードソルバープログラムにより求め、その実効屈折率 eff を算出することで求められる。 FIG. 3 shows the correspondence between the effective refractive index n eff and the core width w of the optical waveguide device according to the first embodiment shown in FIGS. 1A to 1C. In this case, the cladding material is silica ( SiO 2 ) and the core material is silicon nitride (SiN). The thickness t of the core was 1.4 μm. Mode 1 and mode 2 correspond to a so-called TE mode and TM mode, respectively. In order to obtain the corresponding relationship between the effective refractive index n eff and the core width w as shown in FIG. 3, the value of the core width w is changed, and the electromagnetic field of the eigen propagation mode is changed from the cross-sectional structure of each optical waveguide. The distribution is obtained by a mode solver program employing various methods such as a mode matching method, a finite element method, or a beam propagation method, and the effective refractive index n eff is calculated.

この第1実施形態の事例では、光導波路の構造が偏波依存性を有するため、設計するデバイスをTEモード用とするかTMモード用とするかをあらかじめ選択する必要がある。例えばTEモード用デバイスを設計する場合、実効屈折率分布 eff (z)と図3のmode 1のグラフとから、各z座標におけるコア幅wを求めることが出来る。図3より、実効屈折率と光導波路の構造寸法との関係を検討した範囲のおよそ中央を基準にとることによって、参照屈折率(平均実効屈折率) av は例えば1.95とする。 In the case of the first embodiment, since the structure of the optical waveguide has polarization dependence, it is necessary to select in advance whether the device to be designed is for the TE mode or the TM mode. For example, when designing a TE mode device, the core width w at each z coordinate can be obtained from the effective refractive index distribution n eff (z) and the graph of mode 1 in FIG. From FIG. 3, the reference refractive index (average effective refractive index) n av is set to 1.95, for example, by taking about the center of the range in which the relationship between the effective refractive index and the structural dimension of the optical waveguide is examined.

(光導波路の製造工程)
次に、第1実施形態の光導波路デバイスの製造工程について説明する。
まず、図10に示すように、コア1の材料となる高屈折率材料層1aを形成する(高屈折率材料層形成工程)。ここでは、支持基板5の上に下部クラッド6を形成した後、下部クラッド6の上に高屈折率材料層1aを形成している。支持基板5は例えばシリコンウエハであり、下部クラッド6は、CVD装置等を用いて適切な厚さで堆積させたSiO 膜である。また、高屈折率材料層1aは、光導波路コアを形成するためのSiN膜を、CVD装置等を用いて所望の厚さで堆積させたものである。
(Optical waveguide manufacturing process)
Next, the manufacturing process of the optical waveguide device of the first embodiment will be described.
First, as shown in FIG. 10, a high refractive index material layer 1a that is a material of the core 1 is formed (a high refractive index material layer forming step). Here, after forming the lower clad 6 on the support substrate 5, the high refractive index material layer 1 a is formed on the lower clad 6. The support substrate 5 is, for example, a silicon wafer, and the lower clad 6 is an SiO 2 film deposited with an appropriate thickness using a CVD apparatus or the like. In addition, the high refractive index material layer 1a is obtained by depositing a SiN film for forming an optical waveguide core with a desired thickness using a CVD apparatus or the like.

次に、図10に二点鎖線で示すように、高屈折率材料層1aの上にフォトレジストパターン60を形成する。このフォトレジストパターン60は、設計された光導波路のグレーティング構造2に対応するものである。図13〜図16にフォトレジストパターン60の形成に用いる第1のフォトマスクのパターンを、図17Aにフォトレジストパターン60の形成に用いる第2のフォトマスクのパターンを示す。また、図18に得られるフォトレジストパターン60をより詳細に現す。なお、図13〜図16、図17A及び図18には光導波路の長手方向のごく一部のみが示されている。   Next, as shown by a two-dot chain line in FIG. 10, a photoresist pattern 60 is formed on the high refractive index material layer 1a. The photoresist pattern 60 corresponds to the designed grating structure 2 of the optical waveguide. 13 to 16 show a first photomask pattern used for forming the photoresist pattern 60, and FIG. 17A shows a second photomask pattern used for forming the photoresist pattern 60. Further, the photoresist pattern 60 obtained in FIG. 18 is shown in more detail. Note that only a very small portion of the optical waveguide in the longitudinal direction is shown in FIGS.

図18に示すフォトレジストパターン60を製作するために、フォトマスクとして、レベンソン型位相シフト型フォトマスクである第1のフォトマスクと、バイナリ型フォトマスクである第2のフォトマスクとの二つを使用する。それぞれのフォトマスクは、CAD等を用いて作図し、製作することができる。また、以下の説明では、第1のフォトマスクのクロムパターンがフォトレジスト層の上に投影されて形成される遮光領域を「第1の遮光領域」と略称し、第2のフォトマスクのクロムパターンがフォトレジスト層の上に投影されて形成される遮光領域を「第2の遮光領域」と略称する場合がある。なお、ここでは、フォトマスクにおいて光を遮る部分(例えば遮光膜)を例示的に「クロムパターン」と称するが、本発明において、遮光膜の材質はクロム(Cr)に限定されず、MoSi等を用いることもできる。また、位相シフト型フォトマスクは、レベンソン型位相シフトマスクに限定されるものではなく、ハーフトーン型位相シフトマスク等を用いてもよい。フォトマスクの基板には、シリカガラス等のガラス基板が好適に用いられる。
第1のレベンソン型位相シフト型フォトマスクは、図16に示したような構造をしている。図13に黒色で示したパターンがクロム(Cr)からなるクロムパターンであり、図14にリバースパターンとして黒色で示したパターンが位相シフト量π(180°)に対応する透過パターン(「位相πシフトパターン」と略称する。)であり、図15にリバースパターンとして黒色で示したパターンが位相シフト量ゼロに対応する透過パターン(「位相ゼロシフトパターン」と略称する。)である。第1の位相シフト型フォトマスクは、凸部2bに対応する遮光領域が凸部2bのコア幅の設計寸法よりも十分広くなるように、クロムパターンを延長する。第1の位相シフト型フォトマスクによる露光領域は、第1の遮光領域の外側に存在する。
第2のバイナリ型フォトマスクは、凸部2bのコア幅を設計通りの寸法とするために用いられる。図17Aにリバースパターンとして黒色で示したパターンが第2のバイナリ型フォトマスクの透過パターンである。第2のバイナリ型フォトマスクによる露光領域は、第2の遮光領域の外側に存在する。
これら2枚1組のフォトマスクを適用して2段階の露光工程を行なうことによって、第1の遮光領域と第2の遮光領域とに共通して含まれる領域が未露光部となり、2回の露光領域が組み合わさって図18に白色で示す露光パターンが得られる。さらに、現像工程によって図18に黒色で示すフォトレジストパターンが得られる。
In order to produce the photoresist pattern 60 shown in FIG. 18, two photomasks, a first photomask that is a Levenson-type phase shift photomask and a second photomask that is a binary photomask, are used. use. Each photomask can be produced by drawing using CAD or the like. In the following description, a light shielding region formed by projecting the chromium pattern of the first photomask onto the photoresist layer is abbreviated as “first light shielding region”, and the chromium pattern of the second photomask is abbreviated as “first light shielding region”. May be abbreviated as a “second light-shielding region”. In this case, a portion (for example, a light shielding film) that blocks light in the photomask is exemplarily referred to as a “chrome pattern”. However, in the present invention, the material of the light shielding film is not limited to chromium (Cr), and MoSi or the like is used. It can also be used. Further, the phase shift type photomask is not limited to the Levenson type phase shift mask, and a halftone type phase shift mask or the like may be used. As the photomask substrate, a glass substrate such as silica glass is preferably used.
The first Levenson type phase shift photomask has a structure as shown in FIG. The pattern shown in black in FIG. 13 is a chromium pattern made of chromium (Cr), and the pattern shown in black as a reverse pattern in FIG. 14 is a transmission pattern (“phase π shift” corresponding to the phase shift amount π (180 °). The pattern shown in black as a reverse pattern in FIG. 15 is a transmission pattern corresponding to zero phase shift amount (abbreviated as “phase zero shift pattern”). In the first phase shift photomask, the chrome pattern is extended so that the light-shielding region corresponding to the convex portion 2b is sufficiently wider than the design dimension of the core width of the convex portion 2b. The exposure region by the first phase shift type photomask exists outside the first light shielding region.
The second binary type photomask is used to set the core width of the convex portion 2b to a dimension as designed. A pattern shown in black as a reverse pattern in FIG. 17A is a transmission pattern of the second binary photomask. The exposure area by the second binary photomask is present outside the second light shielding area.
By carrying out a two-step exposure process by applying a set of two photomasks, an area that is commonly included in the first light-shielding area and the second light-shielding area becomes an unexposed area. By combining the exposure areas, an exposure pattern shown in white in FIG. 18 is obtained. Further, a photoresist pattern shown in black in FIG. 18 is obtained by the development process.

上述したように凹部2aおよび凸部2bからなるグレーティング構造の形成に用いるフォトレジストパターン60を得るためには、凹部2aに対応する位置60aおよび凸部2bに対応する位置60bのそれぞれにおいて、コア幅の範囲のみを未露光部(現像によって残留する部分)とし、その外側でフォトレジストを露光し、現像時の溶解性を増大させる必要がある。フォトレジストとしては、露光によって溶解性が増大する性質を有する(すなわちポジ型の)フォトレジストが使用される。
本実施形態のフォトレジストパターン60を得ようとするとき、凹部2aにおけるコア幅と凸部2bにおけるコア幅とが光導波路の長手方向に沿って交互に増大と減少を繰り返すのみならず、その増減のピッチが極めて小さいことが問題となる。
As described above, in order to obtain the photoresist pattern 60 used for forming the grating structure including the concave portion 2a and the convex portion 2b, the core width at each of the position 60a corresponding to the concave portion 2a and the position 60b corresponding to the convex portion 2b. It is necessary to increase the solubility during development by exposing the photoresist outside the unexposed portion (the portion remaining by development) only in this range. As the photoresist, a photoresist having a property of increasing the solubility by exposure (that is, a positive type) is used.
When trying to obtain the photoresist pattern 60 of the present embodiment, the core width in the concave portion 2a and the core width in the convex portion 2b not only repeatedly increase and decrease along the longitudinal direction of the optical waveguide, but also increase and decrease The problem is that the pitch is extremely small.

例えば、後述する比較例1,2に例示するように、バイナリ型フォトマスクまたは位相シフト型フォトマスクのいずれか一方のみを用いた単一の露光工程による方法が考えられる。
しかし、バイナリ型フォトマスクのみを用いる方法では、コア構造のピッチが露光に用いる波長に比べて十分に長くないと解像が難しい。
また、位相シフト型フォトマスクのみを用いる方法では、凸部2bに対応する位置の外側において位相シフト量ゼロの光と位相シフト量πの光とが重なり合って(つまり、打ち消し合って)位相の競合が生じ、結果として露光不足となり、現像後のフォトレジストパターン60の凸部2bに対応する位置60bの外側に、露光不足の箇所が残留した線状構造が生じる、という問題がある。
For example, as illustrated in Comparative Examples 1 and 2 to be described later, a method using a single exposure process using only one of a binary photomask and a phase shift photomask is conceivable.
However, in the method using only a binary photomask, resolution is difficult unless the pitch of the core structure is sufficiently longer than the wavelength used for exposure.
Further, in the method using only the phase shift type photomask, the phase conflict is caused by overlapping (that is, canceling out) the light having the phase shift amount π and the light having the phase shift amount π outside the position corresponding to the convex portion 2b. As a result, there is a problem that underexposure occurs and a linear structure in which an underexposed portion remains outside the position 60b corresponding to the convex portion 2b of the developed photoresist pattern 60 occurs.

さらに、位相シフト型フォトマスクの使用に起因する線状構造を除去するため、位相シフト型フォトマスクとバイナリ型フォトマスクとを併用する方法が考えられる。このときの方法としては、後述する比較例3に説明したように、凹部2aにおけるコア幅及び凸部2bにおけるコア幅の両方に対応する領域を遮光するために位相シフト型フォトマスクを用いる方法や、位相の競合により形成された意図しない線状構造を除去するための追加的露光工程において位相シフト型フォトマスクを用いる方法が考えられる。しかし、この場合には、
(i)凹部2aの位置における位相シフト型フォトマスクのクロムパターンの横幅、
(ii)凸部2bの位置における位相シフト型フォトマスクのクロムパターンの横幅、及び
(iii)凸部2bの位置におけるバイナリ型フォトマスクのクロムパターンの横幅、
の3つを、設計どおりの高精度で作製する必要がある。また、凸部2bに対応する位置における現像後のレジスト横幅およびエッチング後のコア幅は、(ii)及び(iii)のクロムパターンによる2つの遮光領域が重なり合った部分の横幅に基づいて決定されるので、2回の露光工程で2つのフォトマスクによる露光位置がコア幅の方向に横にずれて露光された場合、凸部2bのコア幅が短くなる、という問題がある。
Furthermore, in order to remove the linear structure resulting from the use of the phase shift photomask, a method using both the phase shift photomask and the binary photomask can be considered. As a method at this time, as described in Comparative Example 3 to be described later, a method of using a phase shift type photomask to shield a region corresponding to both the core width in the concave portion 2a and the core width in the convex portion 2b, A method of using a phase shift photomask in an additional exposure process for removing unintended linear structures formed by phase competition can be considered. But in this case,
(I) the lateral width of the chromium pattern of the phase shift photomask at the position of the recess 2a,
(Ii) the lateral width of the chrome pattern of the phase shift type photomask at the position of the convex portion 2b, and (iii) the lateral width of the chrome pattern of the binary type photomask at the position of the convex portion 2b,
These three need to be produced with high accuracy as designed. Further, the width of the resist after development and the core width after etching at the position corresponding to the convex portion 2b are determined based on the width of the portion where the two light-shielding regions are overlapped by the chrome patterns of (ii) and (iii). Therefore, there is a problem that the core width of the convex portion 2b is shortened when the exposure position by the two photomasks is shifted laterally in the direction of the core width in the two exposure steps.

そこで本実施形態においては、詳しくは後述するように、
(i)凹部2aの位置における位相シフト型フォトマスクのクロムパターンの横幅、及び
(ii)凸部2bの位置におけるバイナリ型フォトマスクのクロムパターンの横幅、
の2つを、設計どおりの高い精度にするが、
(iii)凸部2bの位置における位相シフト型フォトマスクのクロムパターンの横幅、及び
(iv)凹部2aの位置におけるバイナリ型フォトマスクのクロムパターンの横幅、
の2つは敢えて設計寸法に合わせていない。つまり、本実施形態は、凹部2aにおけるコア幅は、位相シフト型フォトマスクを用いて設計寸法に合わせられ、凸部2bにおけるコア幅はバイナリ型フォトマスクを用いて設計寸法に合わせられているので、2回の露光工程で、2つのフォトマスクによる露光位置がコア幅の方向に横にずれて露光されても、現像後のレジスト横幅およびエッチング後のコア幅への影響は小さい。これにより、高精度なフォトレジストパターン60を作製することが可能になる。
さらに、凹部2aの位置で第2の遮光領域の横幅が凹部2aにおけるコア幅よりも小さいと、エッチング後に実際に形成される凹部2aにおけるコア幅が設計寸法よりも小さくなってしまう。そこで、凹部2aの位置では第2の遮光領域の横幅が凹部2aにおけるコア幅よりも広くなるようにする。
Therefore, in this embodiment, as will be described in detail later,
(I) the lateral width of the chrome pattern of the phase shift photomask at the position of the recess 2a, and (ii) the lateral width of the chrome pattern of the binary photomask at the position of the protrusion 2b,
The two are made as accurate as designed,
(Iii) the lateral width of the chromium pattern of the phase shift photomask at the position of the convex portion 2b, and (iv) the lateral width of the chromium pattern of the binary photomask at the position of the concave portion 2a,
These two are not tailored to the design dimensions. That is, in this embodiment, the core width in the recess 2a is adjusted to the design dimension using the phase shift photomask, and the core width in the protrusion 2b is adjusted to the design dimension using the binary photomask. Even if the exposure positions by the two photomasks are shifted laterally in the direction of the core width in the two exposure steps, the influence on the resist lateral width after development and the core width after etching is small. As a result, a highly accurate photoresist pattern 60 can be produced.
Furthermore, if the lateral width of the second light-shielding region is smaller than the core width in the recess 2a at the position of the recess 2a, the core width in the recess 2a actually formed after etching becomes smaller than the design dimension. Therefore, the lateral width of the second light shielding region is made wider than the core width of the concave portion 2a at the position of the concave portion 2a.

なお、本明細書において「遮光領域の横幅がコア幅に対応する」とは、遮光領域の横幅が、設計どおりのコア幅が得られるように調整されていることをいう。フォトマスクのクロムパターンを所定の比率で縮小してフォトレジスト層上に投影して形成される遮光領域の横幅がコア幅に等しいか、または許容される誤差の範囲内にある場合は、「遮光領域の幅がコア幅に対応する」場合に該当する。よって、クロムパターンの寸法は、縮小の比率を考慮して決定される。   In this specification, “the width of the light shielding region corresponds to the core width” means that the width of the light shielding region is adjusted so as to obtain the designed core width. If the lateral width of the light shielding area formed by reducing the chrome pattern of the photomask by a predetermined ratio and projecting it onto the photoresist layer is equal to the core width or within the allowable error range, This corresponds to the case where the area width corresponds to the core width. Therefore, the dimension of the chrome pattern is determined in consideration of the reduction ratio.

フォトレジストパターン60の形成方法は、例えば以下のとおりである。
高屈折率材料層1aの上に、未露光のフォトレジスト層を形成する(フォトレジスト層形成工程)。フォトレジスト層形成工程は、例えば塗布によって行なうことができる。
次に、位相シフト型のフォトマスクを用い、フォトレジスト層を露光する(第1の露光工程)。この位相シフト型のフォトマスクのクロムパターンによる第1の遮光領域は、上述したように、コア1の凹部2aの位置では遮光領域の横幅が凹部2aにおけるコア幅に対応し、凸部2bの位置では遮光領域の横幅が凸部2bにおけるコア幅よりも大きい。露光領域は第1の遮光領域の外側に存在する。よって、第1の露光工程においては、凹部2aに対応する位置では設計通りのコア幅が遮光され、凸部2bに対応する位置では設計寸法よりも広い範囲が遮光される。
次に、バイナリ型フォトマスクを用い、フォトレジスト層を露光する(第2の露光工程)。このバイナリ型フォトマスクのクロムパターンによる第2の遮光領域は、上述したようにコア1の凹部2aの位置では遮光領域の横幅が凹部2aにおけるコア幅よりも大きく、凸部2bの位置では遮光領域の横幅が凸部2bにおけるコア幅に対応している。露光領域は第2の遮光領域の外側に存在する。よって、第2の露光工程においては、凹部2aに対応する位置では設計寸法よりも広い範囲が遮光され、凸部2bに対応する位置では設計通りのコア幅が遮光される。
The method for forming the photoresist pattern 60 is, for example, as follows.
An unexposed photoresist layer is formed on the high refractive index material layer 1a (photoresist layer forming step). The photoresist layer forming step can be performed by coating, for example.
Next, the photoresist layer is exposed using a phase shift type photomask (first exposure step). As described above, the first light shielding region by the chrome pattern of the phase shift type photomask is such that the lateral width of the light shielding region corresponds to the core width in the concave portion 2a at the position of the concave portion 2a of the core 1, and the position of the convex portion 2b. Then, the horizontal width of the light shielding region is larger than the core width of the convex portion 2b. The exposure area exists outside the first light shielding area. Therefore, in the first exposure process, the designed core width is shielded from light at the position corresponding to the recess 2a, and the area wider than the design dimension is shielded from light at the position corresponding to the protrusion 2b.
Next, the photoresist layer is exposed using a binary photomask (second exposure step). As described above, the second light-shielding region by the chrome pattern of the binary type photomask is such that the width of the light-shielding region is larger than the core width of the concave portion 2a at the position of the concave portion 2a of the core 1, and the light-shielding region at the position of the convex portion 2b. Corresponds to the core width of the convex portion 2b. The exposure area exists outside the second light shielding area. Therefore, in the second exposure step, a range wider than the design dimension is shielded from light at the position corresponding to the recess 2a, and the designed core width is shielded from light at the position corresponding to the protrusion 2b.

また、バイナリ型のフォトマスクの特性を考慮すれば、光導波路の長手方向に沿った第2の遮光領域の横幅の変化を小さくすることが好ましい。
例えば図17Cのリバースパターン62を有するバイナリ型フォトマスク(改変例1)のように、凹部2aの位置での第2の遮光領域の横幅が凸部2bの位置での設計上のコア幅Wbより小さい場合や、図17Dのリバースパターン63を有するバイナリ型フォトマスク(改変例2)のように、凹部2aの位置での第2の遮光領域の横幅が凸部2bの位置での設計上のコア幅Wbより大きい場合も考えられる。
しかし、図17Cに示す場合は、バイナリ型フォトマスクによる露光位置が導波路長手方向(z方向)にずれた時に凸部2bのコア幅が一部だけ階段状に狭く(細く)なってしまうおそれがある。また、図17Dに示す場合は、バイナリ型フォトマスクによる露光位置が導波路長手方向(z方向)にずれた時に、凸部2bの延長部が一部だけ細長く残ってしまうおそれがある。
そこで、凹部2aの位置における第2の遮光領域の横幅が、隣接する2つの凸部2bの位置における第2の遮光領域の横幅の中間の値をとることが好ましい。つまり、ある凹部2aのz軸上でプラス方向に隣接する凸部2bの位置における第2の遮光領域の横幅を とし、z軸上でマイナス方向に隣接する凸部2bの位置における第2の遮光領域の横幅を とするとき、その凹部2aの位置における第2の遮光領域の横幅は、 以上 以下( の場合)、または、 以上 以下( の場合)とすることが好ましい。
In consideration of the characteristics of the binary photomask, it is preferable to reduce the change in the lateral width of the second light shielding region along the longitudinal direction of the optical waveguide.
For example, as in the binary photomask having the reverse pattern 62 in FIG. 17C (modified example 1), the horizontal width of the second light-shielding region at the position of the concave portion 2a is larger than the designed core width Wb at the position of the convex portion 2b. The design core when the width of the second light-shielding region at the position of the concave portion 2a is the position of the convex portion 2b, as in the case of a small size or a binary photomask having the reverse pattern 63 of FIG. 17D (Modification 2) A case where the width is larger than the width Wb is also conceivable.
However, in the case shown in FIG. 17C, when the exposure position by the binary photomask is shifted in the waveguide longitudinal direction (z direction), the core width of the convex portion 2b may be partially narrowed (thinned) stepwise. There is. Further, in the case shown in FIG. 17D, when the exposure position by the binary photomask is shifted in the waveguide longitudinal direction (z direction), there is a possibility that only a part of the extended portion of the convex portion 2b remains slender.
Therefore, it is preferable that the lateral width of the second light-shielding region at the position of the recess 2a takes an intermediate value between the lateral widths of the second light-shielding regions at the positions of the two adjacent convex portions 2b. In other words, the width of the second light-blocking region and s 1 at the position of the convex portion 2b adjacent to the positive direction on the z-axis of a concave portion 2a, the in the position of the convex portion 2b adjacent to the negative direction on the z-axis 2 when the width of the light shielding region and s 2, the lateral width of the second shaded portion at the position of the concave portion 2a is, s 1 or s 2 or less (in the case of s 1 s 2), or, s 2 or more s 1 The following (when s 2 s 1 ) is preferable.

特に、図17Bに示すように、隣接する2つの凸部2bの位置における第2の遮光領域の横幅が互いに異なる箇所では、第2の遮光領域の横幅を変化させる段差61aを、凹部2aの中間に設け、その段差61aの両側では、凹部2aにおける第2の遮光領域の横幅を、隣接する凸部2bにおける第2の遮光領域の横幅に等しくすることが好ましい。
これにより、光導波路の長手方向(z方向)にバイナリ型フォトマスクの位置ずれが起きても、凸部2bの位置でのコア幅Wbの精度が低下しにくくなる。また、光導波路の長手方向に沿った第2の遮光領域の横幅の変化が、一つのグレーティングピッチ につき一回のみとなるので、マスクの作製が容易になる。
In particular, as shown in FIG. 17B, at a position where the widths of the second light-shielding regions at the positions of the adjacent two convex portions 2b are different from each other, a step 61a that changes the width of the second light-shielding region is provided between the recess 2a. Preferably, on both sides of the step 61a, the lateral width of the second light shielding region in the recess 2a is made equal to the lateral width of the second light shielding region in the adjacent projection 2b.
Thereby, even if the position shift of the binary photomask occurs in the longitudinal direction (z direction) of the optical waveguide, the accuracy of the core width Wb at the position of the convex portion 2b is not easily lowered. The change in the width of the second light-shielding area along the longitudinal direction of the optical waveguide, since only made once per one grating pitch P G, mask fabrication is facilitated.

露光は、ステッパー露光装置を用いて行なうことができる。露光に用いる光の波長は、フォトレジストの特性に応じて適宜設定することができ、例えば248nmが挙げられる。
2段階の露光工程後、フォトレジスト層を現像する現像工程、現像工程により得られたフォトレジストパターンを用いて高屈折率材料層1aをエッチングするエッチング工程、続いて残留したフォトレジストを除去する工程を行なう。
これにより、図11に示すように、側壁に凸部2b及び凹部2aからなるグレーティング構造2を有するコア1を形成することができる。
さらに、図12に示すように、CVD装置等を用いて適切な厚さで上部クラッド7(例えばSiO )を堆積させる。コア1上に堆積された上部クラッド7の厚さは、下部クラッド6の上に堆積された上部クラッド7の厚さと異なることがある。必要に応じて、基板5からの高さが揃うように化学機械研磨(CMP)等により平坦化工程を行なうこともできる。
The exposure can be performed using a stepper exposure apparatus. The wavelength of the light used for exposure can be appropriately set according to the characteristics of the photoresist, and examples thereof include 248 nm.
After the two-step exposure process, a developing process for developing the photoresist layer, an etching process for etching the high refractive index material layer 1a using the photoresist pattern obtained by the developing process, and a process for removing the remaining photoresist To do.
Thereby, as shown in FIG. 11, the core 1 which has the grating structure 2 which consists of the convex part 2b and the recessed part 2a in a side wall can be formed.
Further, as shown in FIG. 12, an upper clad 7 (for example, SiO 2 ) is deposited with an appropriate thickness using a CVD apparatus or the like. The thickness of the upper cladding 7 deposited on the core 1 may be different from the thickness of the upper cladding 7 deposited on the lower cladding 6. If necessary, a planarization step can be performed by chemical mechanical polishing (CMP) or the like so that the height from the substrate 5 is uniform.

以上の工程により、コア側壁にグレーティング構造を有する基板型光導波路を製作することが可能である。なお、通常、比屈折率差の大きい基板型光導波路デバイスの使用にあたっては、光ファイバとの光学的接続においてモードフィールド径の変換器が必要である。一般的には、上記工程に前後してモードフィールド変換部あるいはスポットサイズ変換部と呼ばれる領域を形成する工程を設け、同一基板上に当該光導波路と光学的に接続するように集積化して形成する。   Through the above steps, a substrate type optical waveguide having a grating structure on the core side wall can be manufactured. Normally, when using a substrate type optical waveguide device having a large relative refractive index difference, a mode field diameter converter is required for optical connection with an optical fiber. In general, a step called a mode field conversion unit or a spot size conversion unit is formed before and after the above-described steps, and they are integrated on the same substrate so as to be optically connected to the optical waveguide. .

第1の露光工程で用いる位相シフト型フォトマスクは、露光工程においてフォトレジストの露光に用いる光(例えば紫外光)が透過する透過パターンとして、位相πシフトパターン(180°シフトパターン)と位相ゼロシフトパターン(0°シフトパターン)とを交互に設ける構造を基本とするレベンソン型位相シフトマスクの一種である。
従来公知の技術によりこの位相シフト型フォトマスクを用いる場合、図19に示すように、所望のグレーティング形状に応じたクロムパターンを形成する。しかし、比較例2に後述するように、位相πシフトパターンと位相ゼロシフトパターンが隣接しているため、凸部先端やその延長上の精度に劣るという問題がある。
そこで本発明では、上述のように位相シフト型フォトマスクとバイナリ型フォトマスクとを新規な方法で組み合わせることにより、問題を解決している。
The phase shift type photomask used in the first exposure process has a phase π shift pattern (180 ° shift pattern) and a phase zero shift pattern as a transmission pattern through which light (for example, ultraviolet light) used for exposure of the photoresist in the exposure process passes. This is a type of Levenson type phase shift mask based on a structure in which (0 ° shift pattern) is alternately provided.
When this phase shift type photomask is used by a conventionally known technique, a chromium pattern corresponding to a desired grating shape is formed as shown in FIG. However, as will be described later in Comparative Example 2, since the phase π shift pattern and the phase zero shift pattern are adjacent to each other, there is a problem that the accuracy of the tip of the convex portion and the extension thereof is inferior.
Therefore, in the present invention, the problem is solved by combining the phase shift photomask and the binary photomask by a novel method as described above.

(実施例1)
図1A〜Cに示した構造の、窒化ケイ素(SiN)をコア、シリカガラス(SiO )をクラッドとする、光導波路コア側壁にグレーティング構造を有する基板型光導波路の光分散補償器を設計し製作した。
図1Cの構造に従って光導波路の断面構造を設計し、図3に示す導波路の実効屈折率 eff と導波路幅wの対応関係を求めた。TEモード用デバイスを設計することとし、mode 1の関係を選択した。
続いて、グレーティングパターンの設計を行った。設計中心周波数を188.4THzとした。すなわち、設計中心波長は1591.255nmである。L−Bandで100GHzチャネル間隔、チャネル帯域50GHzで45チャネルにわたってITU−T G.653に規定された分散シフトシングルモード光ファイバ(DSF)100kmの群遅延分散及び分散スロープを補償するものとし、補償対象光ファイバ線路の光学特性として、群遅延分散が−295ps/nm、分散スロープ(Relative Dispersion Slope,RDS)が0.018/nmを想定した。チャネル帯域内での振幅強度反射率を95%とした。これら設定値に基づいて用意した複素反射スペクトルr(λ)の反射率スペクトルを図4及び図5に、また群遅延スペクトルを図6及び図7に示す。素子全長18,000λ、z位置の離散化刻みをλ/40に設定して、上記用意したスペクトルが得られるように逆散乱問題を解き、ポテンシャル分布q(z)を求めた。結果を図8及び図9に示す。
Example 1
The optical dispersion compensator of the substrate type optical waveguide having the structure shown in FIGS. 1A to C and having a grating structure on the side wall of the optical waveguide core with silicon nitride (SiN) as the core and silica glass ( SiO 2 ) as the cladding is designed. Produced.
The cross-sectional structure of the optical waveguide was designed according to the structure of FIG. 1C, and the correspondence relationship between the effective refractive index n eff of the waveguide and the waveguide width w shown in FIG. 3 was obtained. The TE mode device was designed and the mode 1 relationship was selected.
Subsequently, a grating pattern was designed. The design center frequency was 188.4 THz. That is, the design center wavelength is 1591.255 nm. ITU-T G.L over 100 channels with L-Band and 45 channels with channel bandwidth of 50 GHz. The dispersion delay single mode optical fiber (DSF) 100 km specified in 653 is compensated for the group delay dispersion and dispersion slope. As the optical characteristics of the optical fiber line to be compensated, the group delay dispersion is −295 ps / nm, the dispersion slope ( Relative Dispersion Slope (RDS) was assumed to be 0.018 / nm. The amplitude intensity reflectance in the channel band was set to 95%. The reflectance spectrum of the complex reflection spectrum r (λ) prepared based on these set values is shown in FIGS. 4 and 5, and the group delay spectrum is shown in FIGS. The total length of the element was 18,000λ, the discretization step of the z position was set to λ / 40, the inverse scattering problem was solved to obtain the prepared spectrum, and the potential distribution q (z) was obtained. The results are shown in FIGS.

続いて、図3で光導波路寸法を設計した実効屈折率範囲の中央付近から選択して、参照屈折率(平均実効屈折率) av を1.95とし、中心波長に対応する周波数を188.4THz(すなわち中心波長1591.255nm)として、ポテンシャル分布q(z)を実効屈折率分布 eff (z)に変換した。得られた実効屈折率分布 eff (z)と図3とから光導波路寸法を決定した。
設計された光導波路寸法に基づいて図16に示す第1の位相シフト型フォトマスクと、図17Aに示す第2のバイナリ型フォトマスクとを製作し、これらフォトマスクを用いて光導波路を製作した。ステッパー露光装置には、露光に用いる光の波長が波長248nmのものを用いた。
得られた光導波路を走査電子顕微鏡(SEM)で観察したところ、コア側壁に設計どおりのグレーティング構造が形成されていることを確認できた。
Subsequently, the optical waveguide dimensions in FIG. 3 are selected from the vicinity of the center of the effective refractive index range, the reference refractive index (average effective refractive index) n av is 1.95, and the frequency corresponding to the center wavelength is 188. The potential distribution q (z) was converted to an effective refractive index distribution n eff (z) at 4 THz (that is, the center wavelength of 1591.255 nm). The optical waveguide dimensions were determined from the obtained effective refractive index distribution n eff (z) and FIG.
A first phase shift photomask shown in FIG. 16 and a second binary photomask shown in FIG. 17A are manufactured based on the designed optical waveguide dimensions, and an optical waveguide is manufactured using these photomasks. . A stepper exposure apparatus having a wavelength of light used for exposure of 248 nm was used.
When the obtained optical waveguide was observed with a scanning electron microscope (SEM), it was confirmed that a grating structure as designed was formed on the core side wall.

(比較例1)
通常のバイナリ型フォトマスクを用いて実施例1と同様のグレーティング構造の製作を試みた。この場合、フォトマスクのクロムパターンは、図18に示したレジストパターン(これは、設計したグレーティング構造と同じ。)を相似的に拡大したパターンとなる。
この場合、波長248nmのステッパー露光装置を用いて作製可能なラインアンドスペースパターンにおいて、ライン幅の最小値は190nm、スペース幅の最小値は200nmである。十分な製造トレランスを考慮すると、グレーティングピッチは450nm必要である。この時、ライン幅、スペース幅のいずれも220nmより広いことが求められる。
しかしながら、実施例1で設計したグレーティング構造は、主たるグレーティングピッチPが339nmとなっており、通常のバイナリ型フォトマスクでは正しく露光することが出来ない。なお、図1Aのグレーティング構造2の凸部2bの長手方向の長さがライン幅に、凹部2aの長手方向の長さがスペース幅に相当する。
よって、用いられるステッパー、この場合開口数が0.68に限定された波長248nmのDUV露光装置、の限界を検討した結果、更なる解像度向上を行うことなくリソグラフィーにおいて設計が十分に解像されるためには、グレーティングピッチが最低でも400nmである必要がある。
(Comparative Example 1)
An attempt was made to produce the same grating structure as in Example 1 using a normal binary photomask. In this case, the chrome pattern of the photomask is a pattern obtained by similarly expanding the resist pattern shown in FIG. 18 (this is the same as the designed grating structure).
In this case, in a line and space pattern that can be produced using a stepper exposure apparatus having a wavelength of 248 nm, the minimum value of the line width is 190 nm and the minimum value of the space width is 200 nm. Considering sufficient manufacturing tolerance, the grating pitch needs to be 450 nm. At this time, both the line width and the space width are required to be wider than 220 nm.
However, the grating structure designed in Example 1 has a main grating pitch P of 339 nm, and normal binary photomasks cannot be exposed correctly. Note that the length in the longitudinal direction of the convex portion 2b of the grating structure 2 in FIG. 1A corresponds to the line width, and the length in the longitudinal direction of the concave portion 2a corresponds to the space width.
Therefore, as a result of studying the limitations of the stepper used, in this case, the DUV exposure apparatus with a wavelength of 248 nm whose numerical aperture is limited to 0.68, the design is sufficiently resolved in lithography without further resolution improvement. For this purpose, the grating pitch needs to be at least 400 nm.

(比較例2)
従来公知のレベンソン型位相シフトマスクを用いて実施例1と同様のグレーティング構造の製作を試みた。この場合、フォトマスクの構造は図19に示したものであって、図19に黒色で示すクロムパターンは、設計したグレーティング構造を相似的に拡大したパターンとなる。
Crの無い透過パターンは、位相πシフトパターンと位相ゼロシフトパターンとが交互に繰り返されるよう厚みが2種類ある構造となっている。
この場合、波長248nmのステッパー露光装置を用いて作製可能なラインアンドスペースパターンにおいて、ライン幅の最小値は140nm、スペース幅の最小値は180nmであった。このとき、グレーティングピッチが323nm以上であれば解像可能である。
しかしながら、図19のフォトマスク構造では、コアの凸部先端に対応する位置において位相πシフトパターンと位相ゼロシフトパターンとが隣接しており、コアの凸部先端の露光形状、露光寸法は誤差が大きくなる。また、コアの凸部の延長上には位相の競合による意図せぬ残留線状構造が形成される。
つまり、従来公知のレベンソン型位相シフトマスクでは、本発明のグレーティング構造を適切に製造することは困難である。
(Comparative Example 2)
An attempt was made to produce a grating structure similar to that of Example 1 using a conventionally known Levenson type phase shift mask. In this case, the structure of the photomask is as shown in FIG. 19, and the chrome pattern shown in black in FIG. 19 is a pattern in which the designed grating structure is similarly enlarged.
The Cr-free transmission pattern has a structure with two types of thickness so that the phase π shift pattern and the phase zero shift pattern are alternately repeated.
In this case, in a line and space pattern that can be produced using a stepper exposure apparatus having a wavelength of 248 nm, the minimum value of the line width was 140 nm and the minimum value of the space width was 180 nm. At this time, if the grating pitch is 323 nm or more, resolution is possible.
However, in the photomask structure of FIG. 19, the phase π shift pattern and the phase zero shift pattern are adjacent to each other at the position corresponding to the tip of the convex portion of the core. Become. An unintended residual linear structure is formed on the extension of the convex portion of the core due to phase competition.
That is, it is difficult to appropriately manufacture the grating structure of the present invention with a conventionally known Levenson type phase shift mask.

(比較例3)
比較例2の線状構造をトリム露光で除去するため、図19に示すレベンソン型位相シフトマスクを用いる第1段階と、図17Aに示すバイナリ型フォトマスクを用いる第2段階の2段階露光により、実施例1と同様のグレーティング構造の製作を試みた。
ここで、光導波路の長手方向(すなわち信号伝搬方向)をz方向、これに垂直であり基板に平行な方向(すなわちコア幅の方向)をx方向とする。位相シフト型フォトマスクとバイナリ型フォトマスクとがx方向に位置ずれを起こすと、コアの中心軸を挟んで互いに対となる凸部の一方は第2段階の露光で誤って短く露光されてしまう。これにより凸部2bのコア幅Wbが短くなるという問題が生じ、もう一方では逆に除去すべき線状構造が一部残留したままとなる。
つまり、従来公知のレベンソン型位相シフトマスクにトリム露光を併用しても、本発明のグレーティング構造を適切に製造することは困難である。
(Comparative Example 3)
In order to remove the linear structure of Comparative Example 2 by trim exposure, a first stage using a Levenson type phase shift mask shown in FIG. 19 and a second stage exposure using a binary photomask shown in FIG. 17A, An attempt was made to produce a grating structure similar to that in Example 1.
Here, the longitudinal direction (that is, the signal propagation direction) of the optical waveguide is defined as the z direction, and the direction perpendicular to the substrate and parallel to the substrate (that is, the core width direction) is defined as the x direction. If the phase-shift photomask and the binary photomask are displaced in the x direction, one of the convex portions that are paired with each other across the central axis of the core is mistakenly exposed in the second stage exposure. . As a result, there arises a problem that the core width Wb of the convex portion 2b is shortened. On the other hand, a part of the linear structure to be removed remains.
That is, even if trim exposure is used in combination with a conventionally known Levenson type phase shift mask, it is difficult to appropriately manufacture the grating structure of the present invention.

これに対して、本発明に係るグレーティング構造は実施例1によって適切に製造することができる。実施例1の場合、レベンソン型位相シフトマスクを用いる第1段階とバイナリ型フォトマスクを用いる第2段階の2段階露光である点は、比較例3と同様であるが、凹部2aのコア幅は位相シフト型フォトマスクを用いて設計寸法に合わせられ、凸部2bのコア幅はバイナリ型フォトマスクを用いて設計寸法に合わせられている。よって、2回の露光工程で2種類のマスクがコア幅の方向(x方向)にずれて露光されても、コア幅への影響が小さい。
さらに、実施例1の場合は、図17Bに示すように、凹部2aの位置における第2の遮光領域の横幅が、隣接する2つの凸部2bの位置における第2の遮光領域の横幅に等しい。また、隣接する2つの凸部2bの位置における第2の遮光領域の横幅が互いに異なる箇所では、第2の遮光領域の横幅を変化させる段差61aの位置が、凹部2aの中間に設けられている。このため、マスクが光導波路の長手方向(z方向)にずれて露光されても、凹部2aの長手方向の長さの半分以内のずれであれば、光導波路の信号光伝搬方向に向かって左右に位置する凸部2bの先端が第2段階で露光される長さがずれることがない。その結果、線状構造の残留を防ぐことができる。
In contrast, the grating structure according to the present invention can be appropriately manufactured according to the first embodiment. In the case of Example 1, it is the same as Comparative Example 3 in that the first stage using the Levenson type phase shift mask and the second stage using the binary photomask are the same, but the core width of the recess 2a is The phase shift type photomask is used to match the design dimension, and the core width of the convex portion 2b is adjusted to the design dimension using the binary type photomask. Therefore, even if two types of masks are exposed by being shifted in the core width direction (x direction) in the two exposure steps, the influence on the core width is small.
Further, in the case of Example 1, as shown in FIG. 17B, the horizontal width of the second light shielding region at the position of the concave portion 2a is equal to the horizontal width of the second light shielding region at the position of the two adjacent convex portions 2b. Further, at a location where the horizontal widths of the second light-shielding regions at the positions of the adjacent two convex portions 2b are different from each other, the position of the step 61a that changes the horizontal width of the second light-shielding region is provided in the middle of the concave portion 2a. . For this reason, even if the mask is exposed while being shifted in the longitudinal direction (z direction) of the optical waveguide, if the displacement is within half of the length of the concave portion 2a in the longitudinal direction, left and right in the signal light propagation direction of the optical waveguide. The length at which the tip of the convex part 2b located at the second stage is exposed in the second stage is not shifted. As a result, it is possible to prevent the linear structure from remaining.

<基板型光導波路デバイスの第2実施形態>
図20A〜Cに、本発明の基板型光導波路デバイスの第2実施形態を模式的に示す。図20Aは光導波路のコア10の一部の斜視図、図20Bはコア10の同じ部分の上面図、図20Cは基板型光導波路デバイスの断面図である。また、基板型光導波路デバイスの斜視図を図28に示す。なお、図20Cにおいては、コア10の側壁及び溝状構造に関して、図20A及び図20Bの凹部12a,13a及び凸部12b,13bの区別なしに、符号12,13を用いている。
この基板型光導波路デバイスは、光導波路が基板15上に形成された基板型光導波路デバイスである。光導波路は、基板15上に形成された下部クラッド16と、下部クラッド16上に形成されたコア10と、コア10および下部クラッド16の上に形成された上部クラッド17を有する。
また、光学特性の偏波依存性の問題を解消するため、光導波路コア側壁にグレーティング構造12を有するとともにコア上部に溝状グレーティング構造13を有する。コア10の底面14は平坦である。
<Second Embodiment of Substrate Type Optical Waveguide Device>
20A to 20C schematically show a second embodiment of the substrate-type optical waveguide device of the present invention. 20A is a perspective view of a part of the core 10 of the optical waveguide, FIG. 20B is a top view of the same part of the core 10, and FIG. 20C is a cross-sectional view of the substrate type optical waveguide device. A perspective view of the substrate type optical waveguide device is shown in FIG. In FIG. 20C, reference numerals 12 and 13 are used for the side wall and the groove-like structure of the core 10 without distinguishing the concave portions 12a and 13a and the convex portions 12b and 13b in FIGS. 20A and 20B.
This substrate-type optical waveguide device is a substrate-type optical waveguide device in which an optical waveguide is formed on a substrate 15. The optical waveguide has a lower clad 16 formed on the substrate 15, a core 10 formed on the lower clad 16, and an upper clad 17 formed on the core 10 and the lower clad 16.
Further, in order to eliminate the problem of polarization dependency of optical characteristics, the grating structure 12 is provided on the side wall of the optical waveguide core and the grooved grating structure 13 is provided on the upper part of the core. The bottom surface 14 of the core 10 is flat.

図21に示すように、側壁グレーティング構造12は、コアの幅 out の周期的変化としてコア10の両側壁に形成された凹部12aと凸部12bとから構成されている。コア幅 out とは、光導波路の長手方向即ち信号光の導波する方向に対して垂直であり、かつ基板に平行である方向におけるコア10の幅を言う。凹部12aではコア幅が狭く、凸部12bではコア幅が広い。
光導波路の長手方向(図20Bの左右方向)において凹部12aが継続する距離を、凹部の長手方向の長さと呼ぶ。また、光導波路の長手方向において凸部12bが継続する距離を、凸部の長手方向の長さと呼ぶ。隣接する凸部と凹部とを一組とし、その凸部の幅と凹部の幅とを加算したものが、その位置におけるグレーティングピッチ(図21の )である。
As shown in FIG. 21, the side wall grating structure 12 includes a concave portion 12 a and a convex portion 12 b formed on both side walls of the core 10 as a periodic change of the core width w out . The core width w out is the width of the core 10 in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the optical waveguide, that is, the direction in which the signal light is guided, and parallel to the substrate. The concave portion 12a has a narrow core width, and the convex portion 12b has a wide core width.
The distance in which the concave portion 12a continues in the longitudinal direction of the optical waveguide (left and right direction in FIG. 20B) is referred to as the longitudinal length of the concave portion. Moreover, the distance which the convex part 12b continues in the longitudinal direction of an optical waveguide is called the length of the longitudinal direction of a convex part. The grating pitch ( P G in FIG. 21) at that position is a set of adjacent convex portions and concave portions and the sum of the width of the convex portions and the width of the concave portions.

コア10の上面11には、溝状グレーティング構造13を有する。
溝状グレーティング構造13は、側壁グレーティング構造12の凸部12bに相当する位置に形成された凸部13bを有している。凸部13bはコア10の一部であり溝状グレーティング構造13の内側に向かって突出している。凸部13bが形成されている位置では、溝状構造13の横幅が狭くなっている。また、溝状グレーティング構造13は、側壁グレーティング構造12の凹部12aに相当する位置に形成された凹部13aを有している。凹部13aはコア10の一部であり、凸部13bに対して相対的に凹状を成している。凹部13aが形成されている位置では、溝状構造13の横幅が広くなっている。つまり、凸部13bにおいて溝状構造13の幅 in は狭く、一方、凹部13aにおいて溝状構造13の幅 in が広いという逆転した関係になっている。
The upper surface 11 of the core 10 has a grooved grating structure 13.
The grooved grating structure 13 has a convex portion 13 b formed at a position corresponding to the convex portion 12 b of the sidewall grating structure 12. The convex portion 13 b is a part of the core 10 and protrudes toward the inside of the grooved grating structure 13. At the position where the convex portion 13b is formed, the lateral width of the groove-like structure 13 is narrowed. Further, the grooved grating structure 13 has a recess 13 a formed at a position corresponding to the recess 12 a of the sidewall grating structure 12. The concave portion 13a is a part of the core 10 and has a concave shape relative to the convex portion 13b. At the position where the recess 13a is formed, the lateral width of the groove-like structure 13 is wide. In other words, the width w in the grooved structure 13 at the convex portion 13b is narrow, whereas, have a relationship that the width w in the groove-like structure 13 is reversed as wide in the recess 13a.

(デバイスの製造方法)
第2実施形態の基板型光導波路デバイスの製造方法は、おおむね第1実施形態の製造方法と同様である。本実施形態では、光導波路が2組のグレーティング構造を有するが、グレーティングパターンの設計は、ポテンシャル分布q(z)を算出する設計工程までは、第1実施形態と同一である。
本実施形態では、図22AにTE型偏光(mode1)およびTM型偏光(mode2)に対する実効屈折率の in 依存性を示し、図22Bに in out との関係を示す。また図23には、光導波路の実効屈折率 eff に対する in out との対応関係を示す。
(Device manufacturing method)
The manufacturing method of the substrate type optical waveguide device of the second embodiment is almost the same as the manufacturing method of the first embodiment. In this embodiment, the optical waveguide has two sets of grating structures, but the design of the grating pattern is the same as in the first embodiment until the design process for calculating the potential distribution q (z).
In the present embodiment, it shows the w in dependence of the effective refractive index for the TE polarization (mode1) and TM polarization (mode2) in FIG. 22A, showing the relationship between w in and w out in Figure 22B. Also in Figure 23 shows the correspondence between the w in and w out to the effective refractive index n eff of the optical waveguide.

この事例では、クラッド材料はシリカ(SiO )であり、コア材料は窒化ケイ素(SiN)である。コア下部および上部に位置するクラッドの厚みは、ともに2μmである。 in は0.1μmであり、 out は1.4μmである。
図22Bに示すように in out との関係を与えると、図22Aに示すように導波路の実効屈折率の偏波依存性を低減できる。TE偏光での実効屈折率を光導波路の実効屈折率とみなして、実効屈折率と in および out との対応を計算しプロットすると、図23が得られる。つまり、この実施形態では、ある eff に対応する in out との組が得られ、設計されたデバイスは偏波無依存である。
実効屈折率分布 eff (z)と図23とから、各z座標における溝状構造の幅 in とコア幅 out を求めることが出来る。図23より、実効屈折率と光導波路の構造寸法との関係を検討した範囲のおよそ中央を基準にとることによって、参照屈折率(平均実効屈折率) av は例えば1.935とする。
In this case, the cladding material is silica ( SiO 2 ) and the core material is silicon nitride (SiN). The thickness of the clad located at the lower part and the upper part of the core is 2 μm. t in is 0.1 μm and t out is 1.4 μm.
Given the relationship between w in and w out as shown in FIG. 22B, can be reduced polarization dependence of effective refractive index of the waveguide, as shown in FIG. 22A. The effective refractive index of the TE polarization is regarded as the effective refractive index of the optical waveguide, is plotted to calculate the correspondence between the effective refractive index and w in and w out, Figure 23 is obtained. That is, in this embodiment, the set of w in and w out are obtained corresponding to a n eff, devices designed is polarization independent.
From the effective refractive index distribution n eff (z) and FIG. 23, the width w in and the core width w out of the groove-like structure at each z coordinate can be obtained. From FIG. 23, the reference refractive index (average effective refractive index) n av is set to 1.935, for example, by taking approximately the center of the range in which the relationship between the effective refractive index and the structural dimension of the optical waveguide is examined.

(光導波路の製造工程)
次に、第2実施形態の光導波路デバイスの製造工程について説明する。
まず、図24に示すように、コアの材料となる高屈折率材料層10aを、溝状の領域(溝状構造13が形成される高さ範囲)より下の部分まで形成する(第1の高屈折率材料層形成工程)。
また、高屈折率材料層10aの上に、溝状グレーティング構造13を形成するための低屈折率材料層17aを所望の厚さで堆積させる(低屈折率材料層形成工程)。
(Optical waveguide manufacturing process)
Next, the manufacturing process of the optical waveguide device of the second embodiment will be described.
First, as shown in FIG. 24, the high-refractive-index material layer 10a serving as the core material is formed up to a portion below the groove-like region (the height range where the groove-like structure 13 is formed) (first High refractive index material layer forming step).
Further, a low refractive index material layer 17a for forming the grooved grating structure 13 is deposited on the high refractive index material layer 10a with a desired thickness (low refractive index material layer forming step).

第1の高屈折率材料層形成工程では、支持基板15の上に下部クラッド16を形成した後、下部クラッド16の上に第1の高屈折率材料層10aを形成している。支持基板15は例えばシリコンウエハであり、下部クラッド16は、CVD装置等を用いて適切な厚さで堆積させたSiO 膜である。また、第1の高屈折率材料層10aは、光導波路コア10を形成するためのSiN膜を、CVD装置等を用いて所望の厚さで堆積させたものである。ここで、第1の高屈折率材料層10aの所望の厚さとは、最終的なSiN膜の厚さ(図20Cの out )から溝状グレーティング構造13の溝の深さ(図20Cの in )の分だけ薄くしておいた値である。
低屈折率材料層形成工程では、SiN膜の上に、溝状グレーティング構造13を形成するための低屈折率材料層17aとして、SiO 膜を所望の厚さで堆積させる。ここで、低屈折率材料層17aの所望の厚さとは、溝状グレーティング構造13の溝の深さ(図20Cの in )以上の値である。低屈折率材料層17aの厚さは、必要に応じて、後述する第2の高屈折率材料層形成工程後の平坦化工程において溝部充填体18の厚さの減少を許容するためのマージンを、設計値 in に加えた値とすることが好ましい。
In the first high refractive index material layer forming step, the lower clad 16 is formed on the support substrate 15, and then the first high refractive index material layer 10 a is formed on the lower clad 16. The support substrate 15 is, for example, a silicon wafer, and the lower clad 16 is a SiO 2 film deposited with an appropriate thickness using a CVD apparatus or the like. The first high refractive index material layer 10a is obtained by depositing a SiN film for forming the optical waveguide core 10 with a desired thickness using a CVD apparatus or the like. Here, the desired thickness of the first high-refractive-index material layer 10a is the depth of the groove of the grooved grating structure 13 ( t in FIG. 20C) from the final thickness of the SiN film ( t out in FIG. 20C). in ).
In the low refractive index material layer forming step, a SiO 2 film is deposited on the SiN film as a low refractive index material layer 17a for forming the grooved grating structure 13 with a desired thickness. Here, the desired thickness of the low refractive index material layer 17a is a value equal to or greater than the depth of the groove of the grooved grating structure 13 ( t in in FIG. 20C). The thickness of the low-refractive index material layer 17a has a margin for allowing a decrease in the thickness of the groove filling member 18 in a planarization step after a second high-refractive index material layer forming step, which will be described later, as necessary. it is preferably set to a value obtained by adding to the design value t in.

次に、図24に二点鎖線で示すように、低屈折率材料層17aの上にフォトレジストパターン50を形成する。このフォトレジストパターン50は、設計された溝状グレーティング構造13に対応する溝部充填体18(図25参照)を形成するためのものである。図29〜図32にフォトレジストパターン50の形成に用いる第1のフォトマスクのパターンを、図33にフォトレジストパターン50の形成に用いる第2のフォトマスクのパターンを示す。また、図34に得られるフォトレジストパターン50をより詳細に現す。なお、図29〜図34には光導波路の長手方向のごく一部のみが示されている。   Next, as shown by a two-dot chain line in FIG. 24, a photoresist pattern 50 is formed on the low refractive index material layer 17a. This photoresist pattern 50 is for forming a groove filling 18 (see FIG. 25) corresponding to the designed grooved grating structure 13. 29 to 32 show a first photomask pattern used for forming the photoresist pattern 50, and FIG. 33 shows a second photomask pattern used for forming the photoresist pattern 50. FIG. 34 shows the photoresist pattern 50 obtained in more detail. 29 to 34 show only a small part in the longitudinal direction of the optical waveguide.

溝部充填体18は、図28に示す光導波路デバイスにおいては、溝状構造13の内部を充填し、かつ上部クラッド17と一体化される。溝部充填体18は、溝幅の狭い部分である凹部18aと、溝幅の広い部分である凸部18bを有する。溝部充填体18は、溝状構造13の周囲のコア10と相補的な形状を有する。つまり、溝部充填体18の凹部18aは溝状構造13の凸部13bに対応し、溝部充填体18の凸部18bは溝状構造13の凹部13aに対応する。   In the optical waveguide device shown in FIG. 28, the groove filling body 18 fills the inside of the groove-like structure 13 and is integrated with the upper clad 17. The groove filling body 18 has a concave portion 18a that is a narrow groove width portion and a convex portion 18b that is a wide groove width portion. The groove filling body 18 has a shape complementary to the core 10 around the groove structure 13. That is, the concave portion 18 a of the groove filling body 18 corresponds to the convex portion 13 b of the groove-like structure 13, and the convex portion 18 b of the groove filling body 18 corresponds to the concave portion 13 a of the groove-like structure 13.

図34に示すフォトレジストパターン50を製作するために、第1のレベンソン型位相シフト型フォトマスクと、第2のバイナリ型フォトマスクとを用いる。それぞれのフォトマスクは、CAD等を用いて作図し、製作することができる。
第1のレベンソン型位相シフト型フォトマスクは、図32に示したような構造をしている。図29に黒色で示したパターンがクロム(Cr)からなるクロムパターンであり、図30にリバースパターンとして黒色で示したパターンが位相シフト量π(180°)に対応する透過パターン(「位相πシフトパターン」と略称する。)であり、図31にリバースパターンとして黒色で示したパターンが位相シフト量ゼロに対応する透過パターン(「位相ゼロシフトパターン」と略称する。)である。第1の位相シフト型フォトマスクは、凹部13aに対応する遮光領域が凹部13a(凸部18b)における溝状構造13の横幅(すなわち凸部18bにおける溝部充填体18の横幅)の設計寸法よりも十分広くなるように、クロムパターンを延長する。第1の位相シフト型フォトマスクによる露光領域は、第1の遮光領域の外側に存在する。
第2のバイナリ型フォトマスクは、凸部13aにおいて溝状構造13の横幅を設計値 in とするために用いられる。図33にリバースパターンとして黒色で示したパターンが第2のバイナリ型フォトマスク透過パターンである。第2のバイナリ型フォトマスクによる露光領域は、第2の遮光領域の外側に存在する。
これら2枚1組のフォトマスクを適用して2段階の露光工程を行なうことによって、第1の遮光領域と第2の遮光領域とに共通して含まれる領域が未露光部となり、2回の露光領域が組み合わさって図34に白色で示す露光パターンが得られる。さらに、現像工程によって図34に黒色で示すフォトレジストパターンが得られる。
第2のバイナリ型フォトマスクは、特に、図33に示すように、凸部13bの位置における第2の遮光領域の横幅が、隣接する2つの凹部13aの位置における第2の遮光領域の横幅の中間の値をとることが好ましい。例えば、隣接する2つの凹部13aの位置における第2の遮光領域の横幅が互いに異なる箇所では、第2の遮光領域の横幅を変化させる段差の位置を、凸部13bの中間に設け、その段差の両側では、凸部13bにおける第2の遮光領域の横幅を、隣接する凹部13aにおける第2の遮光領域の横幅に等しくすることが好ましい。
In order to produce the photoresist pattern 50 shown in FIG. 34, a first Levenson type phase shift type photomask and a second binary type photomask are used. Each photomask can be produced by drawing using CAD or the like.
The first Levenson type phase shift photomask has a structure as shown in FIG. The pattern shown in black in FIG. 29 is a chromium pattern made of chromium (Cr), and the pattern shown in black as a reverse pattern in FIG. 30 is a transmission pattern (“phase π shift” corresponding to the phase shift amount π (180 °). The pattern shown in black as the reverse pattern in FIG. 31 is a transmission pattern corresponding to zero phase shift (abbreviated as “phase zero shift pattern”). In the first phase shift photomask, the light-shielding region corresponding to the recess 13a is larger than the design dimension of the lateral width of the groove-like structure 13 in the recess 13a (projection 18b) (that is, the lateral width of the groove filling body 18 in the projection 18b). Extend the chrome pattern to be wide enough. The exposure region by the first phase shift type photomask exists outside the first light shielding region.
The second binary photomask is used for setting the lateral width of the groove-like structure 13 to the design value win in the convex portion 13a. A pattern shown in black as a reverse pattern in FIG. 33 is a second binary photomask transmission pattern. The exposure area by the second binary photomask is present outside the second light shielding area.
By carrying out a two-step exposure process by applying a set of two photomasks, an area that is commonly included in the first light-shielding area and the second light-shielding area becomes an unexposed area. An exposure pattern shown in white in FIG. 34 is obtained by combining the exposure regions. Further, a photoresist pattern shown in black in FIG. 34 is obtained by the development process.
In particular, as shown in FIG. 33, the second binary photomask has a horizontal width of the second light-shielding region at the position of the convex portion 13b equal to the horizontal width of the second light-shielding region at the position of the two adjacent concave portions 13a. It is preferable to take an intermediate value. For example, at a location where the widths of the second light-shielding regions at the positions of the two adjacent recesses 13a are different from each other, a step position for changing the width of the second light-shielding region is provided in the middle of the convex portion 13b. On both sides, it is preferable that the lateral width of the second light shielding region in the convex portion 13b is equal to the lateral width of the second light shielding region in the adjacent concave portion 13a.

このような上部溝状グレーティング構造13用のフォトレジストパターン50の形成方法は、上述した側壁グレーティング構造12用のフォトレジストパターン60と同様に実施される。
つまり、低屈折率材料層17aの上に、未露光のフォトレジスト層を形成する(フォトレジスト層形成工程)。
次に、図32の位相シフト型のフォトマスクを用い、フォトレジスト層を露光する(第1の露光工程)。
次に、図33のバイナリ型フォトマスクを用い、フォトレジスト層を露光する(第2の露光工程)。
2段階の露光工程後、フォトレジスト層を現像する現像工程、現像工程により得られたフォトレジストパターンを用いて低屈折率材料層17aをエッチングするエッチング工程、続いて残留したフォトレジストを除去する工程を行なう(溝部充填体形成工程)。これにより、図25に示すように、側壁に凸部18b及び凹部18aからなる溝部充填体18を形成することができる。
The method of forming the photoresist pattern 50 for the upper groove grating structure 13 is performed in the same manner as the photoresist pattern 60 for the sidewall grating structure 12 described above.
That is, an unexposed photoresist layer is formed on the low refractive index material layer 17a (photoresist layer forming step).
Next, the photoresist layer is exposed using the phase shift photomask shown in FIG. 32 (first exposure step).
Next, the photoresist layer is exposed using the binary photomask shown in FIG. 33 (second exposure step).
After the two-step exposure process, a developing process for developing the photoresist layer, an etching process for etching the low refractive index material layer 17a using the photoresist pattern obtained by the developing process, and a process for removing the remaining photoresist (Groove filling material forming step). Thereby, as shown in FIG. 25, the groove part filling body 18 which consists of the convex part 18b and the recessed part 18a can be formed in a side wall.

溝部充填体18の形成後、コア10を構成する高屈折率材料(例えばSiN)を、CVD装置等を用いて所望の厚さで堆積させる(第2の高屈折率材料層形成工程)。
これにより得られる高屈折率材料層は、図25の高屈折率材料層10aの厚さと溝部充填体18の形成後に新たに堆積させる厚さとの合計が、最終的なコア10の厚さ(図20Cの out )以上となるようにする。溝部充填体18の上にも高屈折率材料が堆積するので、図26に示すように、化学機械研磨(CMP)等により表面を平坦化させ、溝部充填体18の上に高屈折率材料が残留しないようにする(平坦化工程)。研磨後の高屈折率材料層10bの厚さは、最終的なコア10の厚さに対応する。
上述する低屈折率材料層形成工程において低屈折率材料層17aの厚さを設計値 in より大きくした場合には、平坦化工程において溝部充填体18の厚さを所定量減少させることにより、溝部充填体18上の高屈折率材料の残留をより確実に防ぐことができるので好ましい。この場合は、研磨後の溝部充填体18の厚さが溝状グレーティング構造13の溝の深さ(図20Cの in )に対応する。
After the formation of the groove filling body 18, a high refractive index material (for example, SiN) constituting the core 10 is deposited with a desired thickness using a CVD apparatus or the like (second high refractive index material layer forming step).
The high refractive index material layer obtained in this manner is the sum of the thickness of the high refractive index material layer 10a in FIG. 25 and the thickness newly deposited after the formation of the groove filler 18 is the final thickness of the core 10 (FIG. 20 C t out ) or more. Since the high refractive index material is deposited also on the groove filling body 18, the surface is flattened by chemical mechanical polishing (CMP) or the like as shown in FIG. It is made not to remain (flattening process). The thickness of the high refractive index material layer 10b after polishing corresponds to the final thickness of the core 10.
When the thickness of the low refractive index material layer 17a is made larger than the design value tin in the low refractive index material layer forming step described above, the thickness of the groove filling body 18 is decreased by a predetermined amount in the planarization step, It is preferable because the high refractive index material remaining on the groove filling body 18 can be more reliably prevented. In this case, the thickness of the groove filling body 18 after polishing corresponds to the groove depth ( t in in FIG. 20C) of the grooved grating structure 13.

次に、図26に二点鎖線で示すように、高屈折率材料層10bの上にフォトレジストパターン60を形成する。このフォトレジストパターン60は、設計された側壁グレーティング構造12に対応するものである。側壁グレーティング構造12の形成は、本実施形態が側壁グレーティング構造12と溝状グレーティング構造13との位置合わせを要することを除いては、第1実施形態と同様に行なうことができる。   Next, as shown by a two-dot chain line in FIG. 26, a photoresist pattern 60 is formed on the high refractive index material layer 10b. This photoresist pattern 60 corresponds to the designed sidewall grating structure 12. The sidewall grating structure 12 can be formed in the same manner as in the first embodiment, except that this embodiment requires alignment of the sidewall grating structure 12 and the grooved grating structure 13.

現像工程により得られたフォトレジストパターン60を用いて高屈折率材料層10bをエッチングするエッチング工程、続いて残留したフォトレジストを除去する工程を行なう。これにより、図27に示すように、側壁に凸部12b及び凹部12aからなるグレーティング構造12、上部に凸部13b及び凹部13aからなる溝状グレーティング構造13を有するコア10を形成することができる。
さらに、図28に示すように、CVD装置等を用いて適切な厚さで上部クラッド17(例えばSiO )を堆積させる。コア10上に堆積された上部クラッド17の厚さは、下部クラッド16の上に堆積された上部クラッド17の厚さと異なることがある。必要に応じて、基板15からの高さが揃うように化学機械研磨(CMP)等により平坦化工程を行なうこともできる。
An etching process for etching the high refractive index material layer 10b using the photoresist pattern 60 obtained by the development process, and then a process for removing the remaining photoresist are performed. As a result, as shown in FIG. 27, the core 10 having the grating structure 12 including the convex portions 12b and the concave portions 12a on the side wall and the groove-like grating structure 13 including the convex portions 13b and the concave portions 13a on the upper side can be formed.
Further, as shown in FIG. 28, an upper clad 17 (for example, SiO 2 ) is deposited with an appropriate thickness using a CVD apparatus or the like. The thickness of the upper cladding 17 deposited on the core 10 may be different from the thickness of the upper cladding 17 deposited on the lower cladding 16. If necessary, a planarization step can be performed by chemical mechanical polishing (CMP) or the like so that the height from the substrate 15 is uniform.

(実施例2)
図20A〜Cに示した構造の、窒化ケイ素(SiN)をコア、シリカガラス(SiO )をクラッドとする、光導波路のコア側壁とコア上部にそれぞれグレーティング構造を有する偏波無依存型の基板型光導波路の光分散補償器を設計し製作した。
図20Cの構造に従って光導波路の断面構造を設計し、図23に示すように光導波路の実効屈折率に対する in out との対応関係を求めた。
(Example 2)
20A to 20C, a polarization-independent substrate having a grating structure on each of the core side wall and the core upper portion of the optical waveguide, using silicon nitride (SiN) as a core and silica glass ( SiO 2 ) as a cladding. The optical dispersion compensator of the type optical waveguide was designed and manufactured.
The cross-sectional structure of a light waveguide designed according to the structure of FIG. 20C, was obtained correspondence relationship between w in and w out to the effective refractive index of the optical waveguide as shown in FIG. 23.

続いて、グレーティングパターンの設計を行った。設計中心周波数を188.4THzとした。すなわち、設計中心波長は1591.255nmである。L−Bandで100GHzチャネル間隔、チャネル帯域50GHzで45チャネルにわたってITU−T G.653に規定された分散シフトシングルモード光ファイバ(DSF)100kmの群遅延分散及び分散スロープを補償するものとし、補償対象光ファイバ線路の光学特性として、群遅延分散−295ps/nm、分散スロープ(Relative Dispersion Slope,RDS)が0.018/nmを想定した。チャネル帯域内での振幅強度反射率を95%とした。これら設定値に基づいて用意した複素反射スペクトルr(λ)の反射率スペクトルを図4及び図5に、また群遅延スペクトルを図6及び図7に示す。これを、素子全長18,000λ、z位置の離散化刻みをλ/40に設定して、上記用意したスペクトルが得られるように逆散乱問題を解き、ポテンシャル分布q(z)を求めた。結果を図8及び図9に示す。   Subsequently, a grating pattern was designed. The design center frequency was 188.4 THz. That is, the design center wavelength is 1591.255 nm. ITU-T G.L over 100 channels with L-Band and 45 channels with channel bandwidth of 50 GHz. It is assumed that the dispersion delay single mode optical fiber (DSF) 100 km specified in 653 is compensated for the group delay dispersion and the dispersion slope, and the optical characteristics of the optical fiber line to be compensated are a group delay dispersion of −295 ps / nm, a dispersion slope (Dispersion Slope, RDS) was assumed to be 0.018 / nm. The amplitude intensity reflectance in the channel band was set to 95%. The reflectance spectrum of the complex reflection spectrum r (λ) prepared based on these set values is shown in FIGS. 4 and 5, and the group delay spectrum is shown in FIGS. The total length of the element was 18,000λ, the discretization step at the z position was set to λ / 40, the inverse scattering problem was solved so as to obtain the prepared spectrum, and the potential distribution q (z) was obtained. The results are shown in FIGS.

続いて、図23で光導波路寸法を設計した実効屈折率範囲の中央付近から選択して、参照屈折率(平均実効屈折率) av を1.935とし、中心波長に対応する周波数を188.4THz(すなわち中心波長1591.255nm)として、ポテンシャル分布q(z)を実効屈折率分布 eff (z)に変換した。
得られた実効屈折率分布 eff (z)と、図23に示された eff (z)及び out の関係とから光導波路のコア幅を決定した。また、得られた実効屈折率分布 eff (z)と、図23に示された eff (z)及び in の関係とから溝状構造の寸法を決定した。
Subsequently, the optical waveguide dimensions in FIG. 23 are selected from the vicinity of the center of the effective refractive index range, the reference refractive index (average effective refractive index) n av is 1.935, and the frequency corresponding to the center wavelength is 188. The potential distribution q (z) was converted to an effective refractive index distribution n eff (z) at 4 THz (that is, the center wavelength of 1591.255 nm).
The core width of the optical waveguide was determined from the obtained effective refractive index distribution n eff (z) and the relationship between n eff (z) and w out shown in FIG. Further, the resultant effective refractive index distribution n eff (z), to determine the dimensions of the grooved structure and a relationship n eff (z) and w in shown in Figure 23.

設計された溝状構造の寸法に基づいて図32に示す第1の位相シフト型フォトマスクと、図33に示す第2のバイナリ型フォトマスクとを製作し、これらフォトマスクを用いて溝状構造を形成した。溝状構造の形成は、充填する上部クラッドの一部のみを溝部充填体18として先に作製し、その両側方に光導波路コア用高屈折率材料を後から堆積する方法を取ることにより実施した。
そのため、コア材料から見てグレーティング構造の凸部となる部分が、溝部充填体の凹部に相当し、またコア材料から見てグレーティング構造の凹部となる部分が、溝部充填体の凸部に相当する。つまり、ライン幅とスペース幅とが逆転した関係となっていることに注意が必要である。ステッパー露光装置には、波長248nmのものを用いた。
溝部充填体を形成した段階で、得られた溝部充填体を走査電子顕微鏡(SEM)で観察したところ、設計どおりの溝部充填体が形成されていることを確認できた。
A first phase shift photomask shown in FIG. 32 and a second binary photomask shown in FIG. 33 are manufactured based on the dimensions of the designed groove-like structure, and the groove-like structure is produced using these photomasks. Formed. The formation of the groove-like structure was carried out by taking a method in which only a part of the upper clad to be filled was previously produced as the groove filling body 18 and a high refractive index material for the optical waveguide core was deposited later on both sides thereof. .
Therefore, the portion that becomes the convex portion of the grating structure when viewed from the core material corresponds to the concave portion of the groove portion filling body, and the portion that becomes the concave portion of the grating structure when viewed from the core material corresponds to the convex portion of the groove portion filling body. . That is, it should be noted that the relationship between the line width and the space width is reversed. A stepper exposure apparatus having a wavelength of 248 nm was used.
When the obtained groove filling body was observed with a scanning electron microscope (SEM) at the stage where the groove filling body was formed, it was confirmed that the groove filling body as designed was formed.

また、設計された光導波路寸法(コア幅)に基づいて図16に示す第1の位相シフト型フォトマスクと、図17Aに示す第2のバイナリ型フォトマスクとを製作し、これらフォトマスクを用いて側壁グレーティング構造を有する光導波路を製作した。ステッパー露光装置には、露光に用いる光の波長が波長248nmのものを用いた。
得られた光導波路を走査電子顕微鏡(SEM)で観察したところ、コア側壁に設計どおりのグレーティング構造が形成されていることを確認できた。
Further, based on the designed optical waveguide dimensions (core width), the first phase shift photomask shown in FIG. 16 and the second binary photomask shown in FIG. 17A are manufactured, and these photomasks are used. An optical waveguide having a side wall grating structure was manufactured. A stepper exposure apparatus having a wavelength of light used for exposure of 248 nm was used.
When the obtained optical waveguide was observed with a scanning electron microscope (SEM), it was confirmed that a grating structure as designed was formed on the core side wall.

<基板型光導波路デバイスの第3実施形態>
図35に基板型光導波路デバイスの第3実施形態の断面図を示す。この基板型光導波路デバイス20は、光学特性を可変とするための内側コア21,22と、光学特性の偏波依存性の問題を解消するための外側コア24とを備えた二重コア構造を採用している。
この二重コア構造は、基板25上に形成された下部クラッド26上に存在する。複合コアの上部および両側方は、上部クラッド27で覆われている。上部クラッド27および下部クラッド26は、二重コア構造の平均屈折率よりも低い材料から構成される。上部クラッド27の材料と下部クラッド26の材料は、同じでも異なっても構わない。
<Third Embodiment of Substrate Type Optical Waveguide Device>
FIG. 35 shows a cross-sectional view of a third embodiment of the substrate-type optical waveguide device. This substrate-type optical waveguide device 20 has a double core structure including inner cores 21 and 22 for making optical characteristics variable and an outer core 24 for solving the problem of polarization dependence of optical characteristics. Adopted.
This double core structure exists on the lower cladding 26 formed on the substrate 25. The upper and both sides of the composite core are covered with an upper clad 27. The upper clad 27 and the lower clad 26 are made of a material lower than the average refractive index of the double core structure. The material of the upper clad 27 and the material of the lower clad 26 may be the same or different.

内側コア21,22は、中央ギャップ23を介して2つの部分に分けられ、それぞれがリブ21b,22bとスラブ21a,22aとを有する。
外側コア24は内側コア21,22の上に配置されている。外側コア24の屈折率は、内側コア21,22の平均屈折率よりも低い。図35には現されていないが、外側コア24の側壁24b及び上面24aの溝状構造24cには、それぞれ図20A〜Cのコア10と同様な側壁グレーティング構造及び上部溝状グレーティング構造が形成されている。具体的には、外側コア24のコア幅 out を周期的に変化させた側壁グレーティング構造と、外側コア24の上面24aに形成された溝状構造24cの横幅 in を周期的に変化させた上部溝状グレーティング構造を備えている。
The inner cores 21 and 22 are divided into two parts through a central gap 23, and each has ribs 21b and 22b and slabs 21a and 22a.
The outer core 24 is disposed on the inner cores 21 and 22. The refractive index of the outer core 24 is lower than the average refractive index of the inner cores 21 and 22. Although not shown in FIG. 35, side wall grating structures and upper groove grating structures similar to the core 10 of FIGS. 20A to 20C are formed on the side wall 24b of the outer core 24 and the groove structure 24c on the upper surface 24a, respectively. ing. Specifically, the sidewall grating structure where the core width w out periodically changing of the outer core 24, and the width w in the grooved structure 24c formed on the upper surface 24a of the outer core 24 is periodically changed An upper grooved grating structure is provided.

本実施形態の光導波路デバイス20の製造方法は、下部クラッド26と外側コア24の間に内側コア21,22及び中央ギャップ23を形成する点を除き、第2実施形態の光導波路デバイスの製造方法と同様である。
まず、支持基板25となるシリコンウエハ上に、下部クラッド26となるSiO 膜と、内側コア21,22となる薄膜シリコン層を形成する。この工程は、シリコンウエハ上にBOX層と呼ばれる熱酸化膜等のSiO 膜と、その上に形成された薄膜シリコン層とを有する市販のSOI(Silicon on Insulator)ウエハを用意することで代替することが可能である。
The manufacturing method of the optical waveguide device 20 of the present embodiment is the same as that of the second embodiment except that the inner cores 21 and 22 and the central gap 23 are formed between the lower clad 26 and the outer core 24. It is the same.
First, an SiO 2 film to be the lower clad 26 and a thin film silicon layer to be the inner cores 21 and 22 are formed on a silicon wafer to be the support substrate 25. This process is replaced by preparing a commercially available SOI (Silicon on Insulator) wafer having a SiO 2 film such as a thermal oxide film called a BOX layer and a thin silicon layer formed thereon on the silicon wafer. It is possible.

SOI層のシリコンをフォトリソ工程及びエッチング工程で適切にパターン形成し、不純物元素(ドーパント)のインプラント処理によってP型半導体領域及びN型半導体領域を形成する。半導体からなる高屈折率コアに導電性を付与する不純物(ドーパント)は、母体媒質に応じて適宜選択して用いることができる。例えば、母体媒質がシリコン等のIV族半導体材料である場合は、P型導電性を与える添加物としてホウ素(B)等のIII族元素が、また、N型導電性を与える添加物としてリン(P)や砒素(As)等のV族元素が用いられる。
また、一部にはSOI層のシリコンに微細な溝をパターン形成してSiO を堆積させ、リーク電流を低減するナノギャップ絶縁構造としても良い。内側コア21,22は、外部から電圧を印加してキャリアプラズマ効果により屈折率変化を生じさせ、光学特性可変機能を実現することができる。必要に応じてナノギャップ絶縁構造となる中央ギャップ23を形成し、続いてフォトリソ工程及びエッチング工程により内側コア21,22のシリコンリブ21b,22b及びシリコンスラブ21a,22aの形状を加工する。
The silicon of the SOI layer is appropriately patterned by a photolithography process and an etching process, and a P-type semiconductor region and an N-type semiconductor region are formed by implanting an impurity element (dopant). An impurity (dopant) that imparts conductivity to the high-refractive index core made of a semiconductor can be appropriately selected and used according to the base medium. For example, when the base medium is a group IV semiconductor material such as silicon, a group III element such as boron (B) is used as an additive that imparts P-type conductivity, and phosphorus ( V group elements such as P) and arsenic (As) are used.
Alternatively, a nano-gap insulating structure may be employed in which SiO 2 is deposited by patterning fine grooves in the SOI layer silicon to reduce leakage current. The inner cores 21 and 22 can realize a variable optical property function by applying a voltage from the outside to cause a change in refractive index by the carrier plasma effect. If necessary, a central gap 23 having a nanogap insulating structure is formed, and then the shapes of the silicon ribs 21b and 22b and the silicon slabs 21a and 22a of the inner cores 21 and 22 are processed by a photolithography process and an etching process.

内側コア21,22の形成後、外側コア24を形成する。上述した第2実施形態の場合、図24の第1の高屈折率材料層10aは下部クラッド16上に形成されるが、本実施形態の場合、外側コア24の材料となる高屈折率材料層が内側コア21,22の上に形成される。その後、図24〜図27に示す方法と同様の工程により、側壁グレーティング構造と上部溝状グレーティング構造を有する外側コア24を作製することができる。また、外側コア24の上部及び両側方に上部クラッド27となるSiO を堆積させる。また、必要に応じ内側コア21,22に電圧を印加するための金属接続や電極パッドを形成する。 After the inner cores 21 and 22 are formed, the outer core 24 is formed. In the case of the second embodiment described above, the first high refractive index material layer 10a of FIG. 24 is formed on the lower clad 16, but in the case of this embodiment, the high refractive index material layer that is the material of the outer core 24. Is formed on the inner cores 21 and 22. Thereafter, the outer core 24 having the side wall grating structure and the upper groove grating structure can be manufactured by the same process as the method shown in FIGS. Further, SiO 2 to be the upper clad 27 is deposited on the upper side and both sides of the outer core 24. Further, metal connections and electrode pads for applying a voltage to the inner cores 21 and 22 are formed as necessary.

本発明により製造される光導波路デバイスは、グレーティング構造の全体にわたり、各ピッチ が、( −P)/ΔP=Nを満たすという特徴を有する。ここで、Pは所定のピッチ基準値であり、ΔPはPをMで除した値であり、Mは所定の1より大きい整数値であり、Nは整数である。 Optical waveguide device produced by the present invention, throughout the grating structure, the pitch P G has the characteristic that satisfies the (P G -P) / ΔP = N. Here, P is a predetermined pitch reference value, ΔP is a value obtained by dividing P by M, M is an integer value greater than a predetermined 1, and N is an integer.

その一具体例として、上述した図8及び図9に示すポテンシャル分布q(z)を、後述する実施例3の構造に基づき実効屈折率分布 eff (z)に変換した結果を図38及び図39に示す。図38は、光導波路デバイス全長約12.2mmに対応する全体図であり、図39は、そのうち3.308mm付近の拡大図である。 As one specific example, the result of converting the potential distribution q (z) shown in FIGS. 8 and 9 to the effective refractive index distribution n eff (z) based on the structure of Example 3 described later is shown in FIGS. 39. FIG. 38 is an overall view corresponding to an optical waveguide device total length of about 12.2 mm, and FIG. 39 is an enlarged view of the vicinity of 3.308 mm.

図38及び図39に示す実効屈折率分布 eff (z)を、一定振幅が続く凸部と一定振幅が続く凹部とが急峻な(段階的な)変化で交互に繰り返される単純化されたグレーティング構造となるよう積分した(平均化した)。このようにして得られたグレーティングピッチの分布を図40及び図41に示す。
図40及び図41に示すように、本発明のグレーティング構造は、凸部及び凹部における光導波路寸法(コア幅、溝幅)が不均一であり、グレーティングピッチはある限定された離散値をとるという特徴を有する。
A simplified grating in which the effective refractive index distribution n eff (z) shown in FIGS. 38 and 39 is alternately repeated with a steep (stepwise) change between a convex portion having a constant amplitude and a concave portion having a constant amplitude. Integrated (averaged) to structure. The distribution of the grating pitch obtained in this way is shown in FIGS.
As shown in FIGS. 40 and 41, the grating structure of the present invention has non-uniform optical waveguide dimensions (core width, groove width) at the convex portions and concave portions, and the grating pitch takes a limited discrete value. Has characteristics.

図40及び図41は、素子長約12.2mm、グレーティング周期約36,000の光分散補償素子のグレーティングピッチの分布の一例である。これは参照屈折率(平均実効屈折率) av を2.348とし、中心波長λcを約1591nmとしてL−Band用に設計して光導波路寸法を算出した事例であり、主たるグレーティングピッチPはP=λc/( av ×2)=339nmとなっている。 40 and 41 show an example of the grating pitch distribution of the optical dispersion compensator having an element length of about 12.2 mm and a grating period of about 36,000. This is an example in which the optical waveguide dimensions are calculated by designing for L-Band with the reference refractive index (average effective refractive index) n av being 2.348 and the center wavelength λc being about 1591 nm, and the main grating pitch P is P = Λc / ( n av × 2) = 339 nm.

逆散乱問題を解きポテンシャル分布q(z)を求めた際のz位置の離散化刻みとしてλ/40に細分化したので、Mは20であり、ΔP=P/M=17nmである。図40には、P−10ΔP、P−6ΔP、P−5ΔP、P−4ΔP、P−3ΔP、P−2ΔP、P−ΔP、P、P+ΔP、P+2ΔP、P+3ΔP、P+4ΔP、P+5ΔP、P+6ΔP、P+7ΔP、P+8ΔPに対応するグレーティングピッチ169nm、237nm、254nm、271nm、288nm、305nm、322nm、339nm、356nm、373nm、390nm、407nm、424nm、441nm、457nm、474nmの存在が観測されている。P−11ΔP以下及びP+9ΔP以上のグレーティングピッチ及び、P−9ΔP、P−8ΔP、P−7ΔPに対応するグレーティングピッチ186nm、203nm、220nmは存在していない。
図41には、全長約12.2mm(図40)の中の3.308〜3.318mmの範囲を拡大して示す。この範囲は、上述した図13〜16、図17A、図29〜32及び図33に示した4つのフォトマスクのパターンの一部を表示した範囲に対応するものである。この領域では多くのピッチがPに対応する339nmとなっており、一部のピッチがP−ΔPに対応する322nmとなっている。
Since the inverse scattering problem is solved and the potential distribution q (z) is obtained, it is subdivided into λ / 40 as a discrete step of the z position, so M is 20 and ΔP = P / M = 17 nm. FIG. 40 shows P-10ΔP, P-6ΔP, P-5ΔP, P-4ΔP, P-3ΔP, P-2ΔP, P-ΔP, P, P + ΔP, P + 2ΔP, P + 3ΔP, P + 4ΔP, P + 5ΔP, P + 6ΔP, P + 7ΔP, P + 8ΔP. The presence of grating pitches corresponding to 169 nm, 237 nm, 254 nm, 271 nm, 288 nm, 305 nm, 322 nm, 339 nm, 356 nm, 373 nm, 390 nm, 407 nm, 424 nm, 441 nm, 457 nm, and 474 nm has been observed. There are no grating pitches of P-11ΔP or less and P + 9ΔP or more, and grating pitches of 186 nm, 203 nm, and 220 nm corresponding to P-9ΔP, P-8ΔP, and P-7ΔP.
In FIG. 41, the range of 3.308 to 3.318 mm in the total length of about 12.2 mm (FIG. 40) is shown enlarged. This range corresponds to the range in which a part of the patterns of the four photomasks shown in FIGS. 13 to 16, 17A, 29 to 32, and 33 are displayed. In this region, many pitches are 339 nm corresponding to P, and some pitches are 322 nm corresponding to P−ΔP.

なお、一般的な設計事例ではPが一番多く、続いてP±ΔPが多い。この3種類が主たるピッチであって、以降P±NΔPの整数値Nが大きくなるに従って該当するグレーティングピッチの出現頻度が減少していく傾向を示す。本明細書には示していないが、例えば単チャネル光フィルタの設計事例ではほとんどすべてのグレーティングピッチがPであり、P±ΔPがわずか数個観測され、Nが2以上となるP±NΔPは出現しない、という事例もある。また、実施例3でもP−9ΔP、P−8ΔP、P−7ΔPのピッチが出現していなかった。また、他の光分散補償器の設計事例でPが全く観測されず、P±ΔPの2種類のピッチがほぼ同数で主たるピッチとなっている事例も観測された。   In general design cases, P is the largest, followed by P ± ΔP. These three types are the main pitches, and the frequency of appearance of the corresponding grating pitch tends to decrease as the integer value N of P ± NΔP increases thereafter. Although not shown in this specification, for example, in the design example of a single channel optical filter, almost all grating pitches are P, only a few P ± ΔP are observed, and P ± NΔP where N is 2 or more appears. There is also a case of not. In Example 3, pitches of P-9ΔP, P-8ΔP, and P-7ΔP did not appear. In addition, P was not observed at all in other optical dispersion compensator design examples, and two types of pitches of P ± ΔP were almost the same number and were the main pitches.

このように、ピッチが限られた数(少ない数)の離散値を取ることは、CMOS製造工程における加工精度を維持する上で有効である。CMOS製造工程においては、DICD(Development Inspection Critical Dimension)やFICD(Final Inspection Critical Dimension)など、走査電子顕微鏡(SEM)を用いて寸法測定を実施するのが一般的な工程管理手法であり、チャープ型グレーティングのように徐々に変化するピッチを有する構造ではピッチ精度を管理することは困難であるが、本件発明のように少数の離散値からなるピッチを有する構造や、等ピッチ型のように唯一のピッチを有する構造では工程管理が容易である。   In this way, taking discrete values of a limited number (small number) of pitches is effective in maintaining the processing accuracy in the CMOS manufacturing process. In the CMOS manufacturing process, it is a common process control technique to measure dimensions using a scanning electron microscope (SEM) such as DICD (Development Inspection Critical Dimension) and FICD (Final Inspection Critical Dimension). It is difficult to manage the pitch accuracy with a structure having a gradually changing pitch such as a grating, but the structure having a small number of discrete values as in the present invention or the only one such as an equal pitch type. Process management is easy in a structure having a pitch.

(実施例3)
図35に示した構造の、シリコン(Si)を内側コア、窒化ケイ素(SiN)を外側コア、シリカガラス(SiO )をクラッドとする、基板型光導波路の光分散補償器を設計し製作した。
図35の構造に従って光導波路の断面構造を設計し、図36Aに示すようにTE型偏光(mode1)およびTM型偏光(mode2)に対する実効屈折率の in 依存性を、図36Bに示すように in out との関係を、図37に示すように光導波路の実効屈折率に対する in out との対応関係を求めた。
光導波路構造の設計に当たり、採用した各部の材質及び寸法は、以下のとおりである。内側コア21,22をシリコン(Si)、中央ギャップ23をシリカガラス(SiO )、外側コア24を窒化ケイ素(SiN)、基板25をシリコン(Si)、下部クラッド26をシリカガラス(SiO )、上部クラッド27をシリカガラス(SiO )で構成した。また、各部寸法は、 =250nm、 =50nm、 =280nm、 =160nm、 out =600nm、 in =100nm、下部クラッド26の厚みを2000nm、上部クラッド27の最大厚み(スラブ21a,22a上の厚み)を2000nmとした。
(Example 3)
An optical dispersion compensator for a substrate-type optical waveguide having the structure shown in FIG. 35, in which silicon (Si) is an inner core, silicon nitride (SiN) is an outer core, and silica glass ( SiO 2 ) is a cladding was designed and manufactured. .
The cross-sectional structure of a light waveguide designed according to the structure of FIG. 35, the w in dependence of the effective refractive index for the TE polarization (mode1) and TM polarization (mode2) as shown in FIG. 36A, as shown in FIG. 36B the relationship between w in and w out, to determine the correspondence between the w in and w out to the effective refractive index of the optical waveguide as shown in FIG. 37.
In designing the optical waveguide structure, the material and dimensions of each part adopted are as follows. Inner cores 21 and 22 are made of silicon (Si), central gap 23 is made of silica glass ( SiO 2 ), outer core 24 is made of silicon nitride (SiN), substrate 25 is made of silicon (Si), and lower cladding 26 is made of silica glass ( SiO 2 ). The upper clad 27 was made of silica glass ( SiO 2 ). The dimensions of each part are as follows: t 1 = 250 nm, t 2 = 50 nm, w 1 = 280 nm, w 2 = 160 nm, t out = 600 nm, t in = 100 nm, the thickness of the lower cladding 26 is 2000 nm, and the maximum thickness of the upper cladding 27 (Thickness on the slabs 21a and 22a) was 2000 nm.

グレーティングパターンの設計は、ポテンシャル分布q(z)を算出する設計工程までは、実施例1や実施例2と同一である。続いて、図37の横軸に示す実効屈折率範囲 eff の中央付近から選択して、参照屈折率(平均実効屈折率) av を2.348とした。また、L−Band用のデバイスとして、中心波長に対応する周波数を188.4THz(すなわち中心波長1591.255nm)に設定して、図8及び図9に示すポテンシャル分布q(z)を図38及び図39に示す実効屈折率分布 eff (z)に変換した。
得られた実効屈折率分布 eff (z)と、図37に示された eff (z)及び out の関係とから光導波路のコア幅を決定した。また、得られた実効屈折率分布 eff (z)と、図37に示された eff (z)及び in とから溝状構造の寸法を決定した。
The design of the grating pattern is the same as in the first and second embodiments up to the design process for calculating the potential distribution q (z). Subsequently, the reference refractive index (average effective refractive index) n av was set to 2.348 by selecting from the vicinity of the center of the effective refractive index range n eff shown on the horizontal axis of FIG. Further, as a device for L-Band, the frequency corresponding to the center wavelength is set to 188.4 THz (that is, the center wavelength is 1591.255 nm), and the potential distribution q (z) shown in FIGS. It converted into effective refractive index distribution n eff (z) shown in FIG.
The core width of the optical waveguide was determined from the obtained effective refractive index distribution n eff (z) and the relationship between n eff (z) and w out shown in FIG. Further, the resultant effective refractive index distribution n eff (z), to determine the dimensions of the groove-like structure from the n eff (z) and w in shown in Figure 37.

設計された溝状構造の寸法に基づいて図32に示す第1の位相シフト型フォトマスクと、図33に示す第2のバイナリ型フォトマスクとを製作し、これらフォトマスクを用いて溝状構造を形成した。溝状構造の形成は、充填する上部クラッドの一部のみを溝部充填体として先に作製し、その両側方に光導波路コア用高屈折率材料を後から堆積する方法を取ることにより実施した。
溝部充填体形成工程により得られた溝部充填体を走査電子顕微鏡(SEM)で観察したところ、図42及び図43に示すように、SiO からなる溝部充填体に設計どおりの溝状グレーティング構造の相補的な構造が形成されていることを確認できた。
A first phase shift photomask shown in FIG. 32 and a second binary photomask shown in FIG. 33 are manufactured based on the dimensions of the designed groove-like structure, and the groove-like structure is produced using these photomasks. Formed. The formation of the groove-like structure was carried out by using a method in which only a part of the upper clad to be filled was previously produced as a groove filling body, and a high refractive index material for the optical waveguide core was subsequently deposited on both sides thereof.
When the groove filling body obtained by the groove filling body forming step was observed with a scanning electron microscope (SEM), as shown in FIGS. 42 and 43, the groove filling body made of SiO 2 had a grooved grating structure as designed. It was confirmed that a complementary structure was formed.

また、設計された光導波路寸法(コア幅)に基づいて図16に示す第1の位相シフト型フォトマスクと、図17Aに示す第2のバイナリ型フォトマスクとを製作し、これらフォトマスクを用いて側壁グレーティング構造を有する光導波路を製作した。ステッパー露光装置には、露光に用いる光の波長が波長248nmのものを用いた。
得られた光導波路を走査電子顕微鏡(SEM)で観察したところ、図44及び図45に示すように、SiNからなる外側コアに設計どおりの側壁グレーティング構造が形成されていることを確認できた。
Further, based on the designed optical waveguide dimensions (core width), the first phase shift photomask shown in FIG. 16 and the second binary photomask shown in FIG. 17A are manufactured, and these photomasks are used. An optical waveguide having a side wall grating structure was manufactured. A stepper exposure apparatus having a wavelength of light used for exposure of 248 nm was used.
When the obtained optical waveguide was observed with a scanning electron microscope (SEM), as shown in FIGS. 44 and 45, it was confirmed that a sidewall grating structure as designed was formed on the outer core made of SiN.

1,10…コア、1a,10a,10b…高屈折率材料層、2,12…側壁グレーティング構造、2a,12a…凹部、2b,12b…凸部、13…溝状グレーティング構造(溝状構造)、13a…凹部、13b…凸部、3,11…上面、4,14…底面、5,15,25…基板(支持基板)、6,16,26…下部クラッド、7,17,27…上部クラッド、17a…低屈折率材料層、18…溝部充填体、18a…凹部、18b…凸部、20…基板型光導波路デバイス、21,22…内側コア、21a,22a…スラブ、21b,22b…リブ、23…中央ギャップ、24…外側コア、24a…上面、24b…側壁、24c…溝状構造、50…溝部充填体用のフォトレジストパターン、60…側壁用のフォトレジストパターン。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,10 ... Core, 1a, 10a, 10b ... High refractive index material layer, 2, 12 ... Side wall grating structure, 2a, 12a ... Concave part, 2b, 12b ... Convex part, 13 ... Groove-like grating structure (groove-like structure) , 13a ... concave portion, 13b ... convex portion, 3, 11 ... upper surface, 4, 14 ... bottom surface, 5, 15, 25 ... substrate (support substrate), 6, 16, 26 ... lower cladding, 7, 17, 27 ... upper portion Clad, 17a ... Low refractive index material layer, 18 ... Groove filler, 18a ... concave, 18b ... convex, 20 ... Substrate type optical waveguide device, 21,22 ... Inner core, 21a, 22a ... Slab, 21b, 22b ... Rib, 23 ... center gap, 24 ... outer core, 24a ... upper surface, 24b ... sidewall, 24c ... groove-like structure, 50 ... photoresist pattern for groove filling, 60 ... photoresist pattern for sidewall.

Claims (8)

光導波路のコアが、前記コアの幅が広い部分である凸部と、前記コアの幅が狭い部分である凹部とを、前記コアの長手方向に沿って交互に有するグレーティング構造を有し、前記凸部におけるコアの幅及び前記凹部におけるコアの幅が不均一である基板型光導波路デバイスの製造方法であって、
高屈折率材料からなり前記凸部及び前記凹部を有する前記コアの少なくとも一部を構成する高屈折率材料層を形成する高屈折率材料層形成工程と、
前記高屈折率材料層の上に、フォトレジスト層を形成するフォトレジスト層形成工程と、
位相シフト型のフォトマスクである第1のフォトマスクを用いて、前記凹部に対応する位置では遮光領域の横幅が前記凹部におけるコアの幅に実質的に等しく、前記凸部に対応する位置では遮光領域の横幅が前記凸部におけるコアの幅よりも大きい遮光領域を前記フォトレジスト層上に形成し、前記遮光領域の外側において前記フォトレジスト層を露光する第1の露光工程と、
バイナリ型のフォトマスクである第2のフォトマスクを用いて、前記凹部に対応する位置では遮光領域の横幅が前記凹部におけるコアの幅よりも大きく、前記凸部に対応する位置では遮光領域の横幅が前記凸部におけるコアの幅に実質的に等しい遮光領域を前記フォトレジスト層上に形成し、前記遮光領域の外側において前記フォトレジスト層を露光する第2の露光工程と、
前記フォトレジスト層を現像する現像工程と、
前記現像工程により得られたフォトレジストパターンを用いて前記高屈折率材料層をエッチングして前記凸部及び前記凹部を形成するエッチング工程と、
を有することを特徴とする基板型光導波路デバイスの製造方法。
The core of the optical waveguide has a grating structure having a convex portion that is a wide portion of the core and a concave portion that is a narrow portion of the core along the longitudinal direction of the core, and A method of manufacturing a substrate-type optical waveguide device in which the width of the core in the convex portion and the width of the core in the concave portion are non-uniform,
A high refractive index material layer forming step of forming a high refractive index material layer comprising at least part of the core made of a high refractive index material and having the convex part and the concave part;
A photoresist layer forming step of forming a photoresist layer on the high refractive index material layer;
Using the first photomask which is a phase shift type photomask, the horizontal width of the light shielding region is substantially equal to the width of the core in the concave portion at the position corresponding to the concave portion, and the light shielding is performed at the position corresponding to the convex portion. A first exposure step of forming a light-shielding region on the photoresist layer, wherein a lateral width of the region is larger than a core width of the convex portion, and exposing the photoresist layer outside the light-shielding region;
Using a second photomask that is a binary photomask, the width of the light shielding region is larger than the width of the core in the recess at the position corresponding to the recess, and the width of the light shielding region at the position corresponding to the projection. Forming a light shielding region on the photoresist layer substantially equal to the width of the core in the convex portion, and exposing the photoresist layer outside the light shielding region;
A developing step of developing the photoresist layer;
An etching step of etching the high refractive index material layer using the photoresist pattern obtained by the developing step to form the convex portion and the concave portion;
A method for manufacturing a substrate-type optical waveguide device, comprising:
前記コアの長手方向に沿って隣接する前記凸部の長手方向の長さと前記凹部の長手方向の長さとの合計値として定義されるピッチが、不等間隔ピッチかつ非チャープピッチであることを特徴とする請求項1に記載の基板型光導波路デバイスの製造方法。  The pitch defined as the sum of the length in the longitudinal direction of the convex portions adjacent to the longitudinal direction of the core and the length in the longitudinal direction of the concave portions is an unequal interval pitch and a non-chirp pitch. A method for manufacturing a substrate-type optical waveguide device according to claim 1. 前記グレーティング構造の全体にわたり、各ピッチ が、( −P)/ΔP=Nを満たすことを特徴とする請求項2に記載の基板型光導波路デバイスの製造方法。
ただし、ここで、Pは所定のピッチ基準値であり、ΔPはPをMで除した値であり、Mは所定の1より大きい整数値であり、Nは整数である。
Throughout the grating structure, the pitch P G is, (P G -P) / ΔP = manufacturing method of the planar optical waveguide device according to claim 2, characterized in that satisfy N.
Here, P is a predetermined pitch reference value, ΔP is a value obtained by dividing P by M, M is an integer value greater than a predetermined 1, and N is an integer.
前記グレーティング構造における主たるピッチにおいて、前記Nが、+1、−1または0のいずれかであることを特徴とする請求項3に記載の基板型光導波路デバイスの製造方法。  4. The method of manufacturing a substrate type optical waveguide device according to claim 3, wherein the N is one of +1, −1, and 0 at a main pitch in the grating structure. 5. 前記凸部におけるコアの幅、前記凹部におけるコアの幅、及び前記ピッチは、所望の光学特性を入力して用いる逆散乱問題を解くことによって設計することを特徴とする請求項2〜4のいずれかに記載の基板型光導波路デバイスの製造方法。  The width of the core in the convex part, the width of the core in the concave part, and the pitch are designed by solving an inverse scattering problem using desired optical characteristics as input. A method for producing a substrate-type optical waveguide device according to claim 1. Zakharov-Shabat方程式を用いて前記逆散乱問題を解くことを特徴とする請求項5に記載の基板型光導波路デバイスの製造方法。6. The method of manufacturing a substrate type optical waveguide device according to claim 5 , wherein the inverse scattering problem is solved using a Zakharov-Shabat equation. 前記凸部におけるコアの幅、前記凹部におけるコアの幅、及び前記コアの長手方向に沿って隣接する凸部の長手方向の長さと凹部の長手方向の長さとの合計値として定義されるピッチは、所望の光学特性を入力して用いる逆散乱問題を解くことによって設計することを特徴とする請求項1に記載の基板型光導波路デバイスの製造方法。  The pitch defined as the total value of the width of the core in the convex part, the width of the core in the concave part, and the length in the longitudinal direction of the convex part adjacent to the longitudinal direction of the core and the length in the longitudinal direction of the concave part is 2. The method of manufacturing a substrate type optical waveguide device according to claim 1, wherein the substrate type optical waveguide device is designed by solving an inverse scattering problem to be used by inputting desired optical characteristics. Zakharov-Shabat方程式を用いて前記逆散乱問題を解くことを特徴とする請求項7に記載の基板型光導波路デバイスの製造方法。  8. The method of manufacturing a substrate type optical waveguide device according to claim 7, wherein the inverse scattering problem is solved using a Zakharov-Shabat equation.
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