JP5080227B2 - 光導波路素子及びその作製方法 - Google Patents

Description

この発明は基板上に３本以上の光導波路が形成され、それら光導波路の端部が集合連結されて光回路の分岐部や交叉部が構成されている光導波路素子及びその作製方法に関する。

図７はこの種の光導波路素子の一例として、基板上に３本の光導波路が形成され、それら光導波路の端部が集合連結されて光回路の分岐部が構成されている光導波路素子を示したものであり、図中、１１〜１３は３本の光導波路のコア（光導波路コア）を示し、１４はそれら光導波路コア１１〜１３のＹ分岐をなす連結部を示す。光導波路コア１１〜１３及び連結部１４はクラッド１５中に埋め込まれる形で形成されており、また図７では分岐側の光導波路コア１２，１３を直線的に示しているが、これら光導波路コア１２，１３は一般に所定の曲率半径を有する曲がり導波路として形成される。

一方、図８は特許文献１に記載されている光導波路素子（分岐合波光導波回路）の構成を示したものであり、この例では上述の図７に示した光導波路素子の構成に対し、分岐側の光導波路コア１２，１３を連結部１４において分断し、所定の間隙Ｇを設けたものとなっている。
特許第２８１７８９８号公報

ところで、上述したような光導波路素子においては、一般に光導波路コアとクラッドとの屈折率差Δｎを大きくすると、光導波路コアへの光閉じ込め効果は大きくなる。従って、光放射損失が小さくなり、例えば曲がり導波路（分岐側の光導波路コア）においては小さな曲率半径で作製することが可能となるため、屈折率差Δｎを大きくすることは光導波路素子全体の小型化に有利となる。しかしながら、屈折率差Δｎを大きくすると、シングルモードを保つための光導波路コアの断面サイズは小さくなるため、シングルモード導波路を作製する場合、光導波路コアの加工精度の要求が厳しくなり、これは特に光導波路コアの連結部において顕著となる。

具体的に言えば、図７に示したような光導波路素子をフォトリソグラフィ及びエッチングによって形成する場合、フォトリソグラフィの精度限界により連結部１４の切れ込み部１４ａにおいて抜け不足あるいは過剰抜けといった現象が発生し、またエッチング時には抜け不足が発生する。さらに、クラッド材料による光導波路コア埋め込み時に埋め込み不良による空隙が発生することもある。これらの加工精度限界を原因とする光導波路パターン変形や埋め込み不良は過剰損失を増大させることになる。

図９Ａは図７に示した光導波路素子において、上述したような加工精度限界により抜け不足が発生した状態を示したものであり、図９Ａに示したような光導波路コアの余分な部分（以下、水掻き部と言う。）の大きさの増大に伴って過剰損失が増大することになる。例えば、光導波路コア１１〜１３の幅を１．２μｍ、厚さを０．２μｍ、屈折率を３．４２とし、この光導波路コア１１〜１３を屈折率３．１７のクラッド１５中に埋め込んだ構造の光透過特性をビーム伝搬法（ＢＰＭ）により計算すると、図９Ａ中に示した水掻き部１６の寸法Ｌ_１と過剰損失は図１０に示したような関係を示すこととなる。

一方、図９Ｂは埋め込み不良によりクラッド１５に空隙１７が生じた場合を示したものである。光導波路コア１１〜１３の寸法、屈折率及びクラッド１５の屈折率を上記図９Ａにおける値と同じとし、図９Ａにおいて水掻き部１６の寸法Ｌ_１が１μｍの場合に、その水掻き部１６の一部が図９Ｂに示したように空隙１７に置き換わった場合の光透過特性を同様にビーム伝搬法（ＢＰＭ）により求めた。空隙１７の厚さ（高さ）が０．０６μｍ、長さＬ_２が２．２μｍの場合、過剰損失は４．５ｄＢとなり、水掻き部１６のみが存在している場合の過剰損失３．９ｄＢに比べて過剰損失は増大した。このことは空隙１７の存在が水掻き部１６の存在よりも、悪影響を及ぼすことを示す。

一方、特許文献１では図８に示したような構造を採用し、間隙Ｇを３〜１０μｍとすることにより、加工精度限界を原因とする光導波路パターン変形や埋め込み不良の発生を防止し、容易かつ再現性良く、光導波路素子（分岐合波光導波回路）を加工できるものとしている。しかしながら、例えば曲がり導波路を小さな曲率半径で作製可能とすべく、言い換えれば光導波路素子の小型化を図るべく、光導波路コアとクラッドとの屈折率差Δｎを大きくすると、光導波路コアの断面サイズは小さくなり、それに伴い、間隙Ｇも例えば３μｍより小さくする必要が生じるため、結局のところ、加工容易性を確保することができないといった状況が生じうる。

この発明の目的はこのような状況に鑑み、加工が容易で加工ばらつきを低減でき、よって過剰損失の値のばらつきが小さく、安定した性能を有する光導波路素子及びその作製方法を提供することにある。

請求項１の発明によれば、基板上に３本以上の光導波路が形成され、それら光導波路は端部が集合連結されて光回路の分岐部もしくは交叉部が構成されている光導波路素子において、光導波路のコアは材料の異なる層が積層されてなる多層構造を有し、端部が集合連結している連結部における光導波路コアの層数が連結部以外の全ての光導波路コアの層数より少なくされて、連結部の光導波路コア厚が連結部以外の全ての光導波路コア厚より薄くされる。

請求項２の発明では請求項１の発明において、各光導波路コアの層数は連結部において最少となるように各光導波路に沿って順次、減少されているものとされる。

請求項３の発明では請求項１又は２の発明において、基板の材料がＩｎＰとされ、前記材料の異なる層はＩｎＧａＡｓＰとＩｎＰの２種類の層とされ、それら２種類の層の交互積層により多層構造が構成される。

請求項４の発明は請求項２記載の光導波路素子を作製する方法であって、基板上に第１の材料の層と、その第１の材料の層より薄い第２の材料の層とを、第１の材料の層が最上層となるように交互積層して多層構造を形成し、連結部を含む第１の領域において、最上層をその下の第２の材料の層が露出するまでエッチングし、その露出した第２の材料の層を連結部を含み、第１の領域より狭い第２の領域において、その下の第１の材料の層が露出するまでエッチングし、その露出した第１の材料の層をその下の第２の材料の層が露出するまでエッチングし、以下、露出している最下の層が第２の材料の層ならば、連結部を含み、その露出している領域よりも狭い領域において、その露出している第２の材料の層をその下の第１の材料の層が露出するまでエッチングし、露出している最下の層が第１の材料の層ならば、その露出している第１の材料の層をその下の第２の材料の層が露出するまでエッチングすることを所定数行う工程を有する。

請求項５の発明は請求項４の発明において、基板の材料にＩｎＰを用い、第１の材料にＩｎＧａＡｓＰを用い、第２の材料にＩｎＰを用い、第１の材料の層のエッチングに硫酸、水、過酸化水素水の混合液よりなるエッチング液を用い、第２の材料の層のエッチングに燐酸、塩酸の混合液よりなるエッチング液を用いる。

この発明によれば、光導波路の端部が集合連結している分岐部や交叉部といった連結部の光導波路コア厚が連結部以外の光導波路コア厚より薄くされるため、その分、連結部においてシングルモードを保つコア幅を従来より広くすることができ、よって加工が容易となり、加工ばらつきを低減することができるため、加工ばらつきに起因する過剰損失の値のばらつきを小さくすることができ、その点で歩留まりの向上を図ることができる。

この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１はこの発明による光導波路素子の一実施例として、基板上に３本の光導波路が形成され、それら光導波路の端部が集合連結されて光回路の分岐部が構成されている光導波路素子を示したものであり、この例では３本の光導波路コア２１〜２３の端部が集合連結している連結部（分岐部）２４の光導波路コア厚が連結部２４以外の光導波路コア厚より薄くされている。図中、２０は基板を示し、２５はクラッドを示す。なお、図１Ｂは図１Ａ中の一点鎖線に沿った断面構造を示し、クラッド２５の図示は省略している。

光導波路コア２１〜２３はこの例では材料の異なる層が積層されてなる多層構造を有する。材料の異なる層はこの例では２種類の層とされ、第１の材料の層３１と、第１の材料の層３１より薄い第２の材料の層３２とが交互積層されて計５層の多層構造が構成されており、連結部２４の層数は連結部２４以外の層数より少なくされている。なお、この例では各光導波路コア２１〜２３の層数は連結部２４において最少となるように各光導波路に沿って順次、減少されており、図１Ｂに示したように連結部２４に向って、５層→４層→２層と減少され、連結部２４は２層構造とされている。

この例では連結部を含め、厚さが一定とされる従来の光導波路コアと異なり、上述したように連結部２４における光導波路コア厚が薄くされている。一般に光導波路コアを薄くすることにより、シングルモードを保つ最大幅は広くなるため、連結部２４における光導波路コア厚を薄くすれば、その光導波路コア幅を広くすることができ、つまり大きなサイズで形成することができる。従って、加工が容易となり、加工ばらつきを低減することができるため、加工ばらつきに起因する過剰損失の値のばらつきを小さくすることができ、歩留まりの向上を図ることができる。これに基づき、この例では連結部２４及び連結部２４の周囲における光導波路コア２１〜２３の幅を図１Ａに示したように広くしている。

上述した構造をＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系化合物半導体を用いて作製する場合、基板２０の材料にはＩｎＰを用いる。また、光導波路コア２１〜２３を構成する第１の材料の層３１にはＩｎＧａＡｓＰを用い、第２の材料の層３２にはＩｎＰを用いる。

図２は上記のような構造を有する光導波路素子の作製工程の要部を工程順に示したものであり、以下、各工程（１）〜（３）について説明する。

（１）基板２０上に第１の材料の層３１と、第１の材料の層３１より薄い第２の材料の層３２とを交互積層して多層構造を形成する。積層数は計５層とし、最上層は第１の材料の層３１とする。

（２）連結部２４を含む第１の領域Ｒ_１において、最上層の第１の材料の層３１を、その下の第２の材料の層３２が露出するまでエッチングする。

（３）露出した第２の材料の層３２を、連結部２４を含み、第１の領域Ｒ_１より狭い第２の領域Ｒ_２において、その下の第１の材料の層３１が露出するまでエッチングする。そして、さらにその露出した第１の材料の層３１を、その下の第２の材料の層３２が露出するまでエッチングする。

以上により、図１Ｂに示した断面構造が完成する。

上記において、第１の材料の層３１のエッチングには第１の材料の層３１に対して選択エッチング性を有し、第２の材料の層３２に対してはエッチング性を有さないか、あるいはエッチング速度が極めて遅いエッチング手段を用いる。同様に、第２の材料の層３２のエッチングには第２の材料の層３２に対して選択エッチング性を有し、第１の材料の層３１に対してはエッチング性を有さないか、あるいはエッチング速度が極めて遅いエッチング手段を用いる。エッチング手段としてはエッチング液あるいはエッチングガスを用いることができる。なお、エッチング領域の制限にはフォトリソグラフィの手法を用いればよい。

基板２０として、前述したようにＩｎＰ基板を用い、第１の材料の層３１をＩｎＧａＡｓＰ層とし、第２の材料の層３２をＩｎＰ層とする場合、ＩｎＧａＡｓＰ層に対する選択エッチング手段としては、硫酸、水、過酸化水素水の混合液よりなるエッチング液を用いることができ、ＩｎＰ層に対する選択エッチング手段としては、燐酸、塩酸の混合液よりなるエッチング液を用いることができる。

光導波路コア２１〜２３及び連結部２４の平面形状の規定（コア幅の規定）は、前記（１）〜（３）の工程によって基板２０の全面に所望の厚さ変化（層数変化）を有するコア層を形成した後、その上にレジストパターンを形成し、そのレジストパターンをマスクとしてコア層の不要な部分をエッチング除去することによって行うことができる。

また、この方法に限らず、先に基板２０上に平面形状を規定する手段を設けておいてから、その規定される領域に所望の厚さ変化を有するコア層を前記（１）〜（３）の工程によって形成することもできる。

上述したコア層の多層構造において、厚さの薄い第２の材料の層３２は第１の材料の層３１のためのエッチングストップ層及びマスク層として機能するものであり、その構成材料、厚さ及びコア幅を適切に選定することにより、このような多層構造のコアであっても光のシングルモード伝送が可能となる。

なお、図１及び２に示した構造ではコア層（光導波路コア２１〜２３）を５層構造としているが、層数はこれに限るものではなく、適宜選定される。例えば５層より多い場合、図２に示した工程（３）の後、さらに工程（３）を所要数、繰り返し実行することになる。つまり、露出している最下の層が第２の材料の層３２ならば、連結部２４を含み、その露出している領域よりも狭い領域において、その露出している第２の材料の層３２を、その下の第１の材料の層３１が露出するまでエッチングする。また、露出している最下の層が第１の材料の層３１ならば、その露出している第１の材料の層３１を、その下の第２の材料の層３２が露出するまでエッチングすることを所定数行う。

これにより、連結部２４に向って層数が順次、減少し、厚さが段階的に減小変化する光導波路コア２１〜２３を作製することができる。

図３は連結部２４において水掻き部が発生した場合の水掻き寸法Ｌ_１（図９Ａ参照）と過剰損失の関係を、光導波路コア２１〜２３の断面サイズが異なる場合についてビーム伝搬法（ＢＰＭ）により求めた結果を示したものであり、光導波路コア２１〜２３の屈折率は３．４０、クラッド２５の屈折率は３．１７とし、光導波路コア２１〜２３の断面サイズが厚さ０．１μｍ、幅２．５μｍの場合と、厚さ０．３μｍ、幅１．１μｍの場合とについて示している。

図３よりコア幅が広い方が水掻き寸法Ｌ_１の変化に対する過剰損失の変化が小さいことがわかり、つまり加工ばらつきに起因する過剰損失の値のばらつきを小さくすることができる。また、水掻き寸法Ｌ_１が大きい場合、コア幅が広い方が過剰損失が小さく、良好な性能（光透過特性）が得られることがわかる。

この例では図１に示したように連結部２４の光導波路コア厚を薄くすると共に、幅を広くしており、よって過剰損失の値のばらつきを小さくすることができ、前述したように歩留まりの向上が期待できる。

なお、光導波路コア２１〜２３を前述したように、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系化合物半導体を用い、エッチングにより形成する場合、半導体結晶に対するエッチングの異方性により、エッチングマスクパターンと実際に作製される光導波路パターンとに差異が生じることになるが、光導波路コア厚が薄くなれば、エッチング深さは浅くなり、よってエッチングによる光導波路パターン形成時のパターン変形が小さくなるため、この発明によれば加工精度自体の向上も期待できる。

図４は上述したように、光導波路コア２１〜２３の厚さが一定ではなく、連結部２４における光導波路コア厚が連結部２４以外の光導波路コア厚より薄くされる光導波路素子の他の作製工程の要部を工程順に示したものであり、以下、この図４に示した各工程（１）〜（３）について説明する。

（１）基板２０上に光導波路コアを構成する層（コア層）４１を形成し、そのコア層４１の上にレジスト４２を均一厚さで塗布する。

（２）レジスト４２を露光、現像して、厚さが連結部２４において最小となるように変化しているレジストパターン４２’を形成する。このようなレジストパターン４２’の形成は、例えばレジストの露光時にパターン部の透過率を変化させたフォトマスクを用いたり、あるいは電子ビーム露光において照射電子ビーム量を変化させることによって行うことができる。

（３）レジストパターン４２’とコア層４１とを、その両者をエッチングする手段でエッチングする。エッチングは少なくともレジストパターン４２’が消滅するまで行う。

以上により、この例では厚さが連結部２４において最小となるように連続的に変化しているコア層４１’を形成することができる。なお、光導波路コア２１〜２３及び連結部２４の平面形状の規定（コア幅の規定）は、前述の図２に示した作製工程の場合と同様、基板２０の全面に所望の厚さ変化を有するコア層４１’を形成した後、不要な部分をエッチング除去してもよく、また平面形状を規定する手段を基板２０上に設け、その規定された領域に所望の厚さ変化を有するコア層４１’を形成してもよい。

なお、工程（２）におけるレジストパターン４２’に替え、図５に示したように、最も薄い部分（連結部２４に対応する部分）でも所定の厚さを有し、かつ光導波路形状にパターニングされたレジストパターン４２’’を形成すれば、工程（３）におけるレジストパターン４２’’とコア層４１との両者のエッチングにおいて、光導波路コアの厚さ変化及び平面形状を同時に形成することができる。

つまり、工程（３）においてレジストパターン４２’’が消滅するまでエッチングを行うことにより、コア層４１のレジストパターン４２’’に覆われていない露出部分（不要な部分）は除去され、レジストパターン４２’’に覆われていた部分は残留して、所定の厚さ変化を有する光導波路コア２１〜２３及び連結部２４が形成される。

光導波路連結部２４の光導波路コア厚が薄い光導波路素子の作製は、図２や図４に示した工程の採用以外に、有機金属化学堆積法（ＭＯＣＶＤ）の選択成長と呼ばれる方法を用いることもできる。ここでは、化合物半導体を用いて作製するものとし、光導波路コア２１〜２３の材料としてＩｎＧａＡｓＰ、クラッド２５の材料としてＩｎＰを用いる場合について、このＭＯＣＶＤ法による作製方法を図６に示した工程図を参照して説明する。

（１）基板２０としてＩｎＰ基板を用意し、この基板２０上に誘電体よりなる層を形成する。誘電体層として例えばＳｉＯ_２膜を成膜形成し、このＳｉＯ_２膜よりなる誘電体層をパターニングして、光導波路が設けられる領域を含み、幅が連結部２４において最大となるように変化する形状の基板２０露出部分を有する誘電体マスクパターン５１を形成する。なお、ここで用いるＩｎＰ基板は予め結晶性向上のためにＩｎＰバッファ層を形成しておくことが好ましい。

（２）誘電体マスクパターン５１が形成された基板２０上にＭＯＣＶＤ法によってＩｎＧａＡｓＰを成長させる。基板２０露出部分（ＩｎＰ露出部分）の幅が狭い領域ではＩｎＧａＡｓＰの膜厚が増加し、またＩｎ組成比が増加し、さらには圧縮歪と屈折率が増大したＩｎＧａＡｓＰが成長される。換言すれば、厚さと屈折率とが共に連結部２４において最小となるように相伴って変化するＩｎＧａＡｓＰ層（コア層）５２が形成される。なお、図においてはＩｎＧａＡｓＰ層５２の厚さ及び屈折率の変化を濃淡を施して示している。

（３）ＩｎＧａＡｓＰ層５２をパターニングして光導波路コア２１〜２３及び連結部２４を形成し、誘電体マスクパターン５１をエッチング除去する。

以上にして得られた光導波路コア２１〜２３及び連結部２４をＩｎＰクラッド層に埋め込むことで光導波路素子が完成する。

このような選択成長を用いた場合は連結部２４における光導波路コアの屈折率を小さくすることができるため、シングルモードを維持できる光導波路コア幅はより広くなる。つまり、連結部２４の光導波路コア幅をより広くすることができるため、この発明の効果をより顕著なものとすることができる。

なお、光導波路コア層（ＩｎＧａＡｓＰ層）の厚さ及び屈折率はその光導波路に面した誘電体マスクパターン幅に依存するため、初めから最終的な光導波路コア幅とＩｎＰ露出部分の幅を等しくして選択成長を行うこともできる。

以上、基板上に３本の光導波路が形成され、それら光導波路の端部が集合連結されて光回路の分岐部が構成されている光導波路素子を例に、この発明の実施例を説明したが、この発明はこれに限らず、例えば光導波路の端部が集合連結されて光回路の交叉部が構成されているような光導波路素子にも同様に適用することができる。

この発明による光導波路素子の一実施例の構成を示す図、Ａは平面図、Ｂは一部省略した断面図。 図１に示した光導波路素子の作製方法を説明するための工程図。 光導波路コアの断面サイズの違いによる水掻き寸法と過剰損失の関係を示すグラフ。 この発明による光導波路素子の作製方法の第２の実施例を説明するための工程図。 図４に示した作製方法の変形例を説明するための図。 この発明による光導波路素子の作製方法の第３の実施例を説明するための工程図。 光導波路素子の従来構成例を示す平面図。 光導波路素子の他の従来構成例を示す平面図。 光導波路連結部に発生する水掻き部及び空隙を説明するための図。 水掻き寸法と過剰損失の関係を示すグラフ。

Claims (5)

1. 基板上に３本以上の光導波路が形成され、それら光導波路は端部が集合連結されて光回路の分岐部もしくは交叉部が構成されている光導波路素子において、
   前記光導波路のコアは材料の異なる層が積層されてなる多層構造を有し、
   前記端部が集合連結している連結部における光導波路コアの層数が連結部以外の全ての光導波路コアの層数より少なくされて、連結部の光導波路コア厚が連結部以外の全ての光導波路コア厚より薄くされていることを特徴とする光導波路素子。
2. 請求項１記載の光導波路素子において、
   前記各光導波路コアの層数は前記連結部において最少となるように各光導波路に沿って順次、減少されていることを特徴とする光導波路素子。
3. 請求項１又は２記載の光導波路素子において、
   前記基板の材料がＩｎＰとされ、
   前記材料の異なる層はＩｎＧａＡｓＰとＩｎＰの２種類の層とされ、それら２種類の層の交互積層により前記多層構造が構成されていることを特徴とする光導波路素子。
4. 請求項２記載の光導波路素子を作製する方法であって、
   前記基板上に第１の材料の層と、その第１の材料の層より薄い第２の材料の層とを、第１の材料の層が最上層となるように交互積層して前記多層構造を形成し、
   前記連結部を含む第１の領域において、前記最上層を、その下の第２の材料の層が露出するまでエッチングし、
   その露出した第２の材料の層を、前記連結部を含み、前記第１の領域より狭い第２の領域において、その下の第１の材料の層が露出するまでエッチングし、
   その露出した第１の材料の層を、その下の第２の材料の層が露出するまでエッチングし、
   以下、露出している最下の層が第２の材料の層ならば、前記連結部を含み、その露出している領域よりも狭い領域において、その露出している第２の材料の層を、その下の第１の材料の層が露出するまでエッチングし、露出している最下の層が第１の材料の層ならば、その露出している第１の材料の層を、その下の第２の材料の層が露出するまでエッチングすることを所定数行う工程を有することを特徴とする光導波路素子の作製方法。
5. 請求項４記載の光導波路素子の作製方法において、
   前記基板の材料にＩｎＰを用い、前記第１の材料にＩｎＧａＡｓＰを用い、前記第２の材料にＩｎＰを用い、前記第１の材料の層のエッチングに硫酸、水、過酸化水素水の混合液よりなるエッチング液を用い、前記第２の材料の層のエッチングに燐酸、塩酸の混合液よりなるエッチング液を用いることを特徴とする光導波路素子の作製方法。

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