JP6330548B2 - 変調器およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、変調器およびその製造方法に関するものである。
部分回折格子型レーザとマッハツェンダ変調器とがモノリシック集積された素子に、終端抵抗がモノリシック集積された光デバイスが開示されている(例えば、非特許文献1参照)。
"40-Gb/s Series-Push-Pull Mach-Zehnder Transmitter on a Dual-Quantum-Well Integration Platform", Anna Tauke-Pedretti et al. IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 18, NO. 18, SEPTEMBER 15, 2006
しかしながら、非特許文献1に係る技術では、BCBの上に終端抵抗が形成されている。BCBの膜厚にはばらつきが生じやすいため、終端抵抗の特性にもばらつきが生じるおそれがある。
そこで、終端抵抗の特性のばらつきを抑制することができる変調器およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る変調器は、基板上に形成されたメサ状の光導波路を含んで構成されるマッハツェンダ変調器と、前記メサ状の光導波路上に設けられた樹脂部と、前記マッハツェンダ変調器のアームに接続された進行波型電極と、前記進行波型電極が接続された終端抵抗と、を備え、前記終端抵抗は、前記基板上において、前記樹脂部の下に配置されている、変調器である。
本発明に係る変調器の製造方法は、基板上に、メサ状の光導波路を含んで構成されるマッハツェンダ変調器を形成する工程と、前記基板上に、樹脂を介さないで終端抵抗を形成する工程と、前記マッハツェンダ変調器のアームおよび前記終端抵抗に進行波型電極を接続する工程と、を含む変調器の製造方法である。
上記発明によれば、終端抵抗の特性のばらつきを抑制することができる。
比較例に係る変調器の模式的な上面図である。 実施例に係る変調器の模式的な上面図である。 図2のA−A線断面図である。 (a)および(b)は、製造工程を表す断面図である。 (a)〜(c)は、製造工程を表す断面図である。 (a)および(b)は、製造工程を表す断面図である。 (a)および(b)は、製造工程を表す断面図である。 (a)および(b)は、製造工程を表す断面図である。 (a)および(b)は、製造工程を表す断面図である。 (a)および(b)は、製造工程を表す断面図である。 (a)および(b)は、製造工程を表す断面図である。
[本願発明の実施形態の説明]
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
本願発明は、(1)基板上に形成されたメサ状の光導波路を含んで構成されるマッハツェンダ変調器と、前記メサ状の光導波路上に設けられた樹脂部と、前記マッハツェンダ変調器のアームに接続された進行波型電極と、前記進行波型電極が接続された終端抵抗と、を備え、前記終端抵抗は、前記基板上において、前記樹脂部の下に配置されている、変調器である。終端抵抗が基板上において、樹脂部下に配置されていることから、終端抵抗の特性のばらつきを抑制することができる。
(2)前記終端抵抗の上には、樹脂が設けられていることが好ましい。上が空気の場合と比較して、終端抵抗が保護され、放熱性が高まるからである。
(3)前記進行波型電極は、前記樹脂部に形成された開口を介して前記終端抵抗と接続されており、前記開口の前記基板の上面に対する角度は、70°以下であることが好ましい。高周波特性の劣化が抑制されるからである。
(4)前記終端抵抗の厚みは、前記樹脂部の表面の算術平均粗さRa以下であることが好ましい。終端抵抗の特性ばらつき抑制の効果が大きくなるからである。
他の本願発明は、(5)基板上に、メサ状の光導波路を含んで構成されるマッハツェンダ変調器を形成する工程と、前記基板上に、樹脂を介さないで終端抵抗を形成する工程と、前記マッハツェンダ変調器のアームおよび前記終端抵抗に進行波型電極を接続する工程と、を含む変調器の製造方法である。終端抵抗が基板上において、樹脂部下に形成されることから、終端抵抗の特性のばらつきを抑制することができる。
(6)前記基板上に絶縁膜を形成し、前記絶縁膜に対してウェットエッチングを施し、前記ウェットエッチングを施した後の前記絶縁膜上に前記終端抵抗を形成することが好ましい。ドライエッチングと比較して、エッチング後の残渣物を抑制できるからである。
[本願発明の実施形態の詳細]
本発明の実施形態に係る変調器およびその製造方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
実施例の説明に先立って、比較例について説明する。図1は、比較例に係る変調器1の模式的な上面図である。図1で例示するように、変調器1は、基板10上に、メサ状の光導波路の経路を組み合わせて構成されたマッハツェンダ変調器が設けられ、当該マッハツェンダ変調器の上を樹脂部が覆い、当該樹脂部上に配線パターンが設けられたチップである。配線パターンは、樹脂部に形成された開口を介してマッハツェンダ変調器に接続されている。図1においては、上面から見た場合の配線パターンに加え、樹脂部を透過して基板10およびマッハツェンダ変調器が描かれている。
マッハツェンダ変調器は、基板10上に、入力導波路21から入力された光を分岐する光カプラ22と、分岐された光を伝搬させる2本の変調導波路(アーム)23a,23bと、変調導波路23a,23bを伝搬した光を合波させる光カプラ24と、光カプラ24からの出力光を外部へと導く出力導波路25と、を含む。
配線パターンは、進行波型電極31a,31b、グランド電極32、および位相調整電極33a,33bを含む。進行波型電極31aは、変調導波路23a上に接続されている。図1の例では、進行波型電極31aは、互いに離間する複数の電極を介して変調導波路23aに接続されている。進行波型電極31bは、変調導波路23b上に接続されている。図1の例では、進行波型電極31bは、互いに離間する複数の電極を介して変調導波路23bに接続されている。樹脂部上において、進行波型電極31aと進行波型電極31bとの間には、グランド電極32が設けられている。進行波型電極31a,31bおよびグランド電極32の第1端は、変調導波路23a,23bと平行な一方のチップ側面(第1側面)まで延びている。進行波型電極31a,31bおよびグランド電極32の第2端は、変調導波路23a,23bと平行な他方のチップ側面(第2側面)まで延びている。
進行波型電極31aの第1端には、外部の高周波電源40aから高周波の電気信号が入力される。進行波型電極31bの第1端には、外部の高周波電源40bから高周波の電気信号が入力される。進行波型電極31aの第2端は、外部の終端抵抗50aの第1端に接続されている。進行波型電極31bの第2端は、外部の終端抵抗50bの第1端に接続されている。終端抵抗50aの第2端および終端抵抗50bの第2端は、互いに接続され、キャパシタ60を介して接地されるとともに、グランド電極32の第2端に接続されている。
進行波型電極31a,31bに高周波の電気信号が供給されると、グランド電極32との間で高周波の電気信号が流れる。それにより、変調導波路23a,23bの屈折率が変化し、変調導波路23a,23bを通過する光の位相が変化する。それにより、出力導波路25から出力される光がオン・オフし、変調信号が得られる。
変調導波路23a上には、進行波型電極31aと離間して位相調整電極33aが接続されている。変調導波路23b上には、進行波型電極31bと離間して位相調整電極33bが接続されている。位相調整電極33aから変調導波路23aには、外部から直流信号が供給される。それにより、変調導波路23aを伝搬する光の位相が調整される。位相調整電極33bから変調導波路23bには、外部から直流信号が供給される。それにより、変調導波路23bを伝搬する光の位相が調整される。
比較例に係る変調器1においては、終端抵抗50a,50bがチップの外部に配置されている。そのため、進行波型電極31a,31bは、ワイヤを介して終端抵抗50a,50bに接続される。この場合、ワイヤ部分において高周波の電気信号に劣化が生じる。そこで、非特許文献1のように、樹脂部上に終端抵抗50a,50bを配置することで、モノリシック集積することが考えられる。しかしながら、樹脂部は、スピンコート法などで形成されるため、膜厚がばらつきやすい。特に、メサ状の光導波路上の凹凸近傍においては、樹脂部の表面形状が不均一になりやすい。そのため、終端抵抗の特性にばらつきが生じるおそれがある。そこで、以下の実施形態においては、終端抵抗の特性のばらつきを抑制することができる変調器およびその製造方法について説明する。
(実施形態)
図2は、実施形態に係る変調器100の模式的な上面図である。以下、図1の変調器1と異なる点について説明する。なお、変調器1と同じ構成については、同じ符号を付すことによって説明を省略する。図2で例示するように、変調器100においては、終端抵抗50a,50bが、樹脂部の下であって、基板10上において絶縁膜を介して配置されている。また、進行波型電極31aの代わりに進行波型電極34aが設けられ、進行波型電極31bの代わりに進行波型電極34bが設けられ、グランド電極32の代わりにグランド電極35が設けられ、接続電極56が新たに設けられている。以下、この構成の詳細について説明する。
図3は、図2のA−A線断面図である。図3で例示するように、変調導波路23bは、基板10上に、下クラッド層11、コア層12、上クラッド層13およびコンタクト層14が、この順にメサ状に積層された構成を有する。基板10は、例えば、半絶縁性のInP基板である。下クラッド層11は、例えば、n型のInPである。コア層12は、例えば、ノンドープのAlGaInAs井戸層とAlGaInAsバリア層とが多層積層されたMQWである。上クラッド層13は、例えば、p型のInPである。コンタクト層14は、例えば、p型のGaInAs層である。
変調導波路23bの上面および側面は、第1絶縁膜41によって覆われている。第1絶縁膜41上には、第1樹脂層42、第2絶縁膜43、第2樹脂層44、第3絶縁膜45がこの順に積層されている。第1絶縁膜41は、例えば、SiOなどである。第1樹脂層42は、例えば、BCB(ベンゾシクロブテン)などの樹脂である。第2絶縁膜43は、例えば、SiOなどである。第2樹脂層44は、BCBなどの樹脂である。第3絶縁膜45は、例えば、SiOなどである。なお、第1絶縁膜41は、基板10上において、マッハツェンダ変調器の各光導波路が設けられていない領域を覆っている。
終端抵抗50bは、第1絶縁膜41上の、マッハツェンダ変調器の各光導波路が設けられていない領域において、第1絶縁膜41と接して設けられている。すなわち、終端抵抗50bは、基板10上において、樹脂部の下であって絶縁膜を介して配置されている。終端抵抗50bは、例えば、薄膜のNiCrSiなどである。終端抵抗50bの上面は、第2樹脂層44によって覆われている。
本実施例においては、進行波型電極34bの第1端は、チップの第1側面まで延びており、第2端は、樹脂部の開口を介して終端抵抗50bの第1端に接続されている。図3で例示するように、進行波型電極34bは、例えば、TiW層51の上にAu層52が積層された構成を有する。進行波型電極34bの第2端は、Ti/Pt/Au層53上にTiW層54およびAu層55がこの順に積層された接続部を介して、終端抵抗50bの第1端に接続されている。終端抵抗50bの第2端は、当該接続部と同じ積層構成の接続部を介して接続電極56に接続されている。接続電極56は、例えば、TiW層57の上にAu層58が積層された構成を有する。
終端抵抗50aも、終端抵抗50bと同様に、第1絶縁膜41上において、マッハツェンダ変調器の各光導波路が設けられていない領域において、第1絶縁膜41と接して設けられている。終端抵抗50aの第1端は、終端抵抗50bと同様の構成により、進行波型電極34bと同様の構成を有する進行波型電極34aの第2端に接続されている。終端抵抗50aの第2端は、終端抵抗50aと同様の構成により、接続電極56に接続されている。接続電極56は、外部のキャパシタ60を介して接地される。
本実施例においては、終端抵抗50a,50bが、基板10上において、樹脂部の下に配置されている。すなわち、膜厚のばらつきの大きい樹脂部の上ではなく、樹脂部上面よりも平坦性の高い基板10の上に終端抵抗50a,50bが形成されている。それにより、終端抵抗50a,50bの寸法精度(抵抗値の精度)を確保することができる。その結果、終端抵抗50a,50bの特性のばらつきを抑制することができる。なお、本実施例においては、第1絶縁膜41を介して終端抵抗50a,50bが配置されているが、第1絶縁膜41が平坦性の高い基板10上に薄く形成され、第1絶縁膜41の上面の平坦性が樹脂部上面よりも高くなるため、終端抵抗50a,50bの特性のばらつきを抑制することができる。
特に、終端抵抗50a,50bの厚みが樹脂部の上面の凹凸の段差よりも小さい場合に終端抵抗50a,50bが樹脂部上に配置されると、終端抵抗50a,50bの特性のばらつきが大きくなる。樹脂部の上面の段差は、上面の最も高い場所と低い場所の高さの差のことであり、例えば触針式の表面粗さ計を用いて測定することができる。このような場合に、基板10上において、樹脂部下に終端抵抗50a,50bを配置することによって、終端抵抗50a,50bの特性ばらつきの抑制効果が大きくなる。また、終端抵抗50a,50bのシート面積が大きい場合に終端抵抗50a,50bが樹脂部上に配置されると、終端抵抗50a,50bの特性のばらつきが大きくなる。例えば、終端抵抗50a,50bのシート面積が2500mm以上のような場合である。このような場合に、基板10上において、樹脂部下に終端抵抗50a,50bを配置することによって、終端抵抗50a,50bの特性ばらつきの抑制効果が大きくなる。例えば厚さ45nmで50Ωの抵抗値が得られるように設計された抵抗を、表面の凹凸の段差が80nmの場所に作製したとき、複数作製した抵抗のうち抵抗値が最大のものは150Ω程度であった。表面の凹凸の段差が8nm程度と平坦な場所に作製したとき、抵抗値のばらつきは±10%以下であった。
また、終端抵抗50a,50bの上に第2樹脂層44が設けられていることによって、終端抵抗50a,50bを保護することができる。また、この場合、終端抵抗50a,50bの上面が空気に接している場合と比較して、放熱性が良好となる。
また、図2で例示するように、終端抵抗50a,50bの長手方向は、基板10上において変調導波路23a,23bが延びる方向と垂直をなす。この構成では、終端抵抗50a,50bと差動グランドとして機能する接続電極56とを最短で接続することができる。また、この構成を実現するために、進行波型電極34a,34bは、樹脂部上において、変調導波路23a,23bと離れる方向に非直角に傾斜して延びたうえで、終端抵抗50a,50bに接続されている。このように非直角に傾斜して延びることによって、高周波信号の劣化を抑制することができる。
また、図3で例示するように、終端抵抗50a,50b上の樹脂部に形成された開口が基板10の上面となす角度は、70°以下であることが好ましい。高周波特性の劣化が抑制されるからである。
続いて、変調器100の終端抵抗50a,50b近傍の製造方法について説明する。まず、基板10上に、下クラッド層11、コア層12、上クラッド層13およびコンタクト層14を有機金属気相成長法(OMVPE)等の結晶成長によりエピタキシャル成長させる。その後、レジストパターンを転写することによって、光導波路のメサを形成する。
次に、メサ保護膜として機能する第1絶縁膜41として、CVD法によりSiOを300nm程度堆積し、第1樹脂層42として、ベンゾシクロブテン(BCB)をスピンコート法により塗布する。次に、フォトリソグラフィにより第1樹脂層42上にレジストパターン61を形成した後、それをエッチングマスクとして用いて、CF/O−RIEにより、終端抵抗50a,50bが形成される領域の第1樹脂層42の除去を行う。それにより、図4(a)で例示するように、終端抵抗50a,50bが形成される領域において、第1樹脂層42に開口が形成される。開口の形成後、レジストパターン61を有機溶媒により除去する。次に、図4(b)で例示するように、第1樹脂層42の上および図4(a)の開口に第2絶縁膜43を成膜する。第2絶縁膜43がSiOである場合には、スパッタ、CVD法などを用いる。第2絶縁膜43がSiONである場合には、CVD法などを用いる。
次に、図5(a)で例示するように、第1樹脂層42の開口の第2絶縁膜43上に、フォトリソグラフィにより終端抵抗50a,50bのパターン(レジストパターン62)を形成する。その際、導波路部分に金属が堆積されないように、厚膜レジストを用いることが望ましい(例えば、レジスト厚>3μm)。次に、図5(b)で例示するように、BHFによりリフトオフのための庇形状を形成する。具体的には、第2絶縁膜43よりも開口の中心側に向かってレジストパターン62が突出するような形状を形成する。レジストパターン62の開口部に露出した第2絶縁膜43が除去され第1絶縁膜41が露出したときにエッチングを終了する。レジストパターン62に対するサイドエッチングを利用することと、第1絶縁膜41の表面平滑性を考慮して、エッチング堆積物が生じるドライエッチングではなく、ウェットエッチングを用いることが望ましい。第1絶縁膜41にCVD法で形成されたSiOを用い、第2絶縁膜43にスパッタ法で形成されたSiOまたはCVD法で形成されたSiONを用いると、第2絶縁膜43の方が第1絶縁膜41よりもBHFによって速くエッチングされる。これにより、第1絶縁膜41がほとんどエッチングされないで、第2絶縁膜43のサイドエッチング量を大きくすることができ、リフトオフに好適な庇形状を得ることができる。その後、図5(c)で例示するように、金属スパッタにより終端抵抗50a,50bの成分(例えばNiCrSi)の薄膜63を形成する。薄膜63のうち、第1絶縁膜41上の領域が終端抵抗50a,50bとして機能する。その後、有機溶媒によりリフトオフを行う。
次に、図6(a)および図6(b)で例示するように、終端抵抗50a,50bのコンタクト配線として機能するTi/Pt/Au層53を、フォトリソグラフィによるパターニング、電極蒸着およびリフトオフにより作製する。次に、図7(b)で例示するように、Ti/Pt/Au層53上に、TiW層54をスパッタ等により堆積し、TiW層54上にメッキによりAu層55を成膜する。なお、図7(a)で例示するように、TiW層54およびAu層55を形成する工程と同一工程により、コンタクト層14上のTi/Pt/Au層64上にTiW層65およびAu層66を形成することにより、工程を簡素化することができる。なお、Ti/Pt/Au層64、TiW層65およびAu層66は、進行波型電極34a,34bとコンタクト層14とを接続する接続部、または位相調整電極33a,33bとコンタクト層14とを接続する接続部として機能する。なお、図7(a)は、図2のB−B線断面に相当する。また、変調導波路間の下クラッド層11上に形成されているTi/Pt/Au層64は、グランド電極35の一部として機能する。
次に、図8(a)および図8(b)で例示するように、第2樹脂層44をスピンコート法などにより塗布した後、CVD、スパッタ法などにより、第3絶縁膜45を300nm程度成膜する。次に、フォトリソグラフィにより第3絶縁膜45上にレジストパターンを形成した後、それをエッチングマスクとして用いて、図9(a)および図9(b)で例示するように、CF/O−RIEにより、第2樹脂層44および第3絶縁膜45に、進行波型電極34a,34bの部分および終端抵抗50a,50bの部分に開口を形成する。なお、開口を形成する際に、Au層55がエッチングストップとして機能する。その後、レジストパターンを有機溶媒により除去する。図10(a)は、終端抵抗50b付近における開口形成前の断面図である。図10(b)は、終端抵抗50b付近における開口形成後の断面図である。
次に、図11(a)および図11(b)で例示するように、電極金属のドライエッチングの際、保護層となるレジストパターンをフォトリソグラフィにより形成した後、ビルドアップ配線となるTiW層51,57をスパッタにより堆積する。さらに、フォトリソグラフィによりレジストパターニングを行い、Au層52,58を形成する(保護レジストの無い領域にAuメッキパターンを形成する)。続いて、SF−RIEにより、Auメッキが形成されていない領域のスパッタTiW層をエッチングにより除去し、保護レジストをOアッシングにより除去する。それにより、進行波型電極34a,34b、グランド電極35、および接続電極56が完成する。
以上の工程により、変調器100が完成する。本実施例に係る変調器100の製造方法によれば、比較的平坦性の高い基板10上に形成された第1絶縁膜41の上に、終端抵抗50a,50bが形成される。この場合、膜厚にばらつきが生じやすい樹脂部上に終端抵抗50a,50bを形成せずに済む。それにより、終端抵抗50a,50bの寸法精度(抵抗値の精度)を確保することができる。その結果、終端抵抗50a,50bの特性のばらつきを抑制することができる。
1 変調器
10 基板
11 下クラッド層
12 コア層
13 上クラッド層
14 コンタクト層
21 入力導波路
22 光カプラ
23a,23b 変調導波路
24 光カプラ
25 出力導波路
31a,31b 進行波型電極
32 グランド電極
33a,33b 位相調整電極
34a,34b 進行波型電極
35 グランド電極
40a,40b 高周波電源
41 第1絶縁膜
42 第1樹脂層
43 第2絶縁膜
44 第2樹脂層
45 第3絶縁膜
50a,50b 終端抵抗
51 TiW層
52 Au層
53 Ti/Pt/Au層
54 TiW層
55 Au層
56 接続電極
57 TiW層
58 Au層
60 キャパシタ
61 レジストパターン
62 レジストパターン
63 薄膜
64 Ti/Pt/Au層
65 TiW層
66 Au層
67 TiW層
68 Au層
100 変調器

Claims (6)

  1. 基板上に形成されたメサ状の光導波路を含んで構成されるマッハツェンダ変調器と、
    前記メサ状の光導波路上に設けられた樹脂部と、
    前記マッハツェンダ変調器のアームに接続された進行波型電極と、
    前記進行波型電極が接続された終端抵抗と、を備え、
    前記終端抵抗は、前記基板上において、前記樹脂部の下に配置されている、変調器。
  2. 前記終端抵抗の上には、樹脂が設けられている、請求項1記載の変調器。
  3. 前記進行波型電極は、前記樹脂部に形成された開口を介して前記終端抵抗と接続されており、
    前記開口の前記基板の上面に対する角度は、70°以下である、請求項1または2記載の変調器。
  4. 前記終端抵抗の厚みは、前記樹脂部の表面の段差よりも大きい、請求項1〜3のいずれか一項に記載の変調器。
  5. 基板上に、メサ状の光導波路を含んで構成されるマッハツェンダ変調器を形成する工程と、
    前記基板上に、樹脂を介さないで終端抵抗を形成する工程と、
    前記マッハツェンダ変調器のアームおよび前記終端抵抗に進行波型電極を接続する工程と、を含む変調器の製造方法。
  6. 前記基板上に絶縁膜を形成し、
    前記絶縁膜に対してウェットエッチングを施し、
    前記ウェットエッチングを施した後の前記絶縁膜上に前記終端抵抗を形成する、請求項5記載の変調器の製造方法。
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