JP6972563B2 - 光導波路デバイスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光導波路デバイスとその製造方法に関する。

光ファイバ通信技術の大容量化・長距離化は，高速な強度変調信号と波長多重化によって大きく進展してきた。最近，高速なデジタル信号処理の実現に伴い、光ファイバの分散や非線形性による信号劣化を，デジタル処理で回復できるデジタルコヒーレント技術が進展している。デジタルコヒーレント技術では，信号光の周波数利用効率を向上させるため、波長多重化に加えて、偏光多重化と多値位相変調技術を用いており、既設の光ファイバ網を活用して伝送容量を飛躍的に増加させることが可能となった。

一方，携帯端末の普及に伴い、多くの人が常時光ネットワークに接続してデータ通信を利用するようになった。このような現状では，デジタルコヒーレント技術の導入に伴いデータ通信対価（例えばビット当たりの単価等）を下げることが求められており，使用される光通信用デバイスの小型化・低価格化が強く要求されている。

このような技術的・市場的背景の中で、光通信用デバイスに用いられる光導波路デバイスモジュールは，より高い性能を実現しつつ，同時に小型化・集積化を進める必要がある。小型化・集積化を行うには、各光部品が独立に動作する必要があるが、光部品が密集することで迷光による影響が顕著となってきており、これを防止する方法が必要となっている。

特許文献１には、次のような光導波路デバイスが記載されている。

ＬｉＮｂＯ₃等の基板１の光導波路が形成されている面上に、基板１の端面を延長するための補肋部材４を有し、補助部材４（ブロック４）のいずれかの端面５は、光導波路の端面６が位置する基板の端面３のうち少なくとも一の端面と同一平面上に配置され、基板１の端面３及び補助部材４の端面５の上であって、光導波路の端面６の近傍以外の部分には両端面に渡って連続した光学薄膜７（Ａｌ等の光反射膜７）（（００１８）〜（００２０）段落、図１）を形成する。このようにすれば、光導波路の出射端面以外の部分から基板の漏れ光が外部へ出射されることを低減することができる、としている（（００３２）段落）。なお、基板１の端面とブロック４の端面５とを一度に研磨し、これらの端面を完全に一致させ、同一平面となるようにすることも記載されている（（００２６）段落）。

また特許文献１には、光導波路の端面６から光を入出射させる際に、光を反射させたくない場合には、端面６に光反射防止膜を形成することが好ましいこと（（００３２）段落）が記載されている。さらに、光反射膜７の代わりに光吸収膜を用いても基板の漏れ光が、基板の端面から外部に出射されず、同様の効果が得られること（（００３３）段落）、も記載されている。

また特許文献２には、次のような導波路チップが記載されている。

導波路チップの射出端面８のうち導波路３の結合部６より生ずる漏れ光１２が射出する部分１３、具体的には導波路３の射出端７を除いた部分に、光反射膜３１または光吸収膜４１を設ける。このようにすれば、漏れ光が発生した場合に、漏れ光１２を射出側端面８から射出させないように作用する、としている。（（００２５）〜（００３０）段落、図１，２）
また特許文献３には次のような導波路チップが記載されている。

光源からの出射光を伝播させる導波層を有する光導波素子において、導波層が形成された基板の側面に光源の位置決め部材を形成する。なお位置決め部材は導波層の光入射端面には形成せず、ギャップが存在する。ギャップは透明部材で埋め込んでもよい。光源１と導波層３との結合部分では導波層３に結合できなかった光７１が基板２内に侵入しようとする。光７１はノイズとなる恐れがあるが、光７１は位置決め部材５によって遮断される（（０００９）〜（００１０）、（００１３）、（００１８）段落）。

特許文献３では、位置決め部材は導波層の光入射端面には形成せず、光源と導波層の光入射端面の間にギャップが存在する。ギャップは透明部材で埋め込むかギャップのままにしておく。

特開平１０−０２０１３５号公報 特開平５−１９６８２３号公報 特開平４−３２１００５号公報

光導波路デバイスにおいて、接続部品の屈折率差が大きい場合には、接続部での光反射を防止するために反射防止膜を形成するが、反射防止膜の成膜方法上、導波路コアのみではなく基板にも反射防止膜が形成される。そのため、基板に漏洩した迷光が反射防止膜を介して光導波路デバイス外部に放射され、最小受信感度を劣化させるなど、特性に悪影響を引き起こすという課題があった。

特許文献１では光導波路の端面６にだけ反射防止膜を形成している（同文献（００３２）段落）が、基板１の端面３には反射防止膜はなく、別工程で光反射膜７（Ａｌ）を形成しており、反射防止膜を迷光防止に利用することはない。

また特許文献２では、導波路３の射出端７上に何らかの膜を形成するかどうかは記載されておらず、何も形成しないと反射が発生する恐れがある。

また特許文献３では、導波層が形成された基板の側面に光源の位置決め部材を形成する。光源１と導波層３との結合部分では導波層３に結合できなかった光７１が基板２内に侵入しようとするが、光７１は位置決め部材５によって遮断される。しかし基板から基板外に出射しようとする迷光についての記述はない。また、導波層の光入射端面は何も形成しないかまたは透明部材（反射防止膜ではない）を形成しており、反射防止膜は形成されておらず、反射が発生する恐れがある。

本発明の目的は、以上述べた問題点を解決し、迷光を光導波路デバイスから外部に漏れないようにすることである。

本発明は、基板上に光導波路層を形成した光導波路デバイスであって、前記光導波路層の端面には反射防止膜が形成され、前記基板の端面には前記反射防止膜、及び、前記反射防止膜と積層されたとき迷光を反射する迷光放射防止膜となる反射膜、が形成されていることを特徴とする光導波路デバイス、である。

また本発明は、光導波路層及び前記光導波路層が形成された基板の端面に反射膜を形成し、前記光導波路層または前記光導波路層の端面を研磨して前記基板の端面に前記反射膜を残し、前記光導波路層及び前記基板の端面上に反射防止膜を形成し、前記反射膜と前記反射防止膜が積層された膜を、迷光を反射する迷光放射防止膜とする光導波路デバイスの製造方法、である。

以上のような構成とすることで、基板に漏洩した迷光が光導波路デバイスから外部に放射されることを防止でき、結果として特性劣化を防止することができる。

本発明の第１の実施形態の光導波路デバイス１の構成を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態の光導波路デバイス２’と既存の光導波路デバイス２における動作を比較した断面図である。 既存の光導波路デバイスの外部に受光器３００を設けて光強度モニタとしたものの平面図である。 本発明の第１の実施形態の光導波路デバイス１を作製する手順を説明するための断面図である。 本発明の第２の実施形態の光導波路デバイス５の構成を示す断面図である。 図５の光導波路デバイス５の製造方法を示す断面図である 本発明の第３の実施形態の光導波路デバイス７の構成を示す断面図である。

（第１の実施形態）

（構成）
図１〜図４を用いて本発明の第１の実施形態を説明する。図１は第１の実施形態の光導波路デバイス１の構成を示す断面図である。

光導波路デバイス１では、基板１２上に光導波路層１１が形成されておりを備えており、少なくとも１つの接続端面１３を有する。光導波路層１１の接続端面１３側に入力導波路１４が形成されている。入力導波路１４は図１では途中で途切れているが、表示を省略しているだけであり、実際のデバイスではその先に続いている。

光導波路層１１の接続端面１３には反射防止膜１５が形成され、基板１２の接続端面１３’には反射膜１６が形成され、その上に反射防止膜１５が形成される。反射防止膜１５と反射膜１６を重ね合わせた膜を迷光放射防止膜１７と呼称する。

なお、基板１２の材料は例えばシリコン、光導波路層１１はシリコンとSiO₂、入力導波路はシリコン、反射防止膜１５と反射膜１６は同じ誘電体多層膜である。誘電体多層膜は例えばTiO₂とSiO₂の積層膜や、Si₃N₄とSiO₂の積層膜などである。反射防止膜１５と反射膜１６とは同じ誘電体単層膜でもよい。例えば単層のTiO₂、SiO₂、Si₃N₄である。

反射防止膜１５と反射膜１６が同じ材料の誘電体単層膜である場合は、反射防止膜１５は合計光学膜厚が伝搬光波長の1/4、反射膜１６は合計光学膜厚が伝搬光波長の1/2となるように設定する。光学膜厚＝屈折率×膜厚である。また反射防止膜１５と反射膜１６が同じ材料の誘電体多層膜である場合は、より広い波長範囲で位相状態が誘電体単層膜の場合と同様になるように設定する。

なお、反射防止膜１５と反射膜１６とは同じ材料の方が製造プロセス上は簡単であるが、異なる材料の誘電体多層膜あるいは誘電体単層膜でもよい。材料が異なる場合もそれぞれの膜の光学膜厚（屈折率×膜厚）を用いて上記と同様に設定する。

なお反射防止膜１５と反射膜１６の成膜方法は、プラズマアシストＥＢ（Electron Beam）蒸着等の真空蒸着法を初めとする種々の方法を用いることができる。
（動作の説明）
図１の光導波路デバイスの動作を説明する。図２は第１の実施形態の光導波路デバイス２’と既存の光導波路デバイス２における動作を比較した断面図である。

光導波路層２１にある入力導波路２４に反射防止膜２５を介して光（たとえば図２のように光ファイバ２８を伝搬し、レンズ２９を通ってきた光）が入射された後、光導波路回路で形成されたフィルタ等により入力導波路２４から光が基板２２に放射される。基板２２に放射された光は拡がりつつ減衰しながら伝搬し、光導波路デバイス２、２’内の様々な経路を通って入射端面２３、２３’へと戻ってくる。このとき、光導波路層２１と基板２２が同じ材質であった場合、入射端面２３へ戻ってきた迷光１００は、図２(a)のように入射端面に反射防止膜２５のみが形成されている場合には基板２２から外部に放射される。

しかし図２(b)のように、入射端面２３’に、反射防止膜２２と反射膜２６が重ねて形成された迷光放射防止膜２７がある場合には、迷光１００は基板２２から外部に放射されずに入射端面２３’で反射され、基板２２の内部に留まる。基板内部に留まる時間が長いほど、基板内部での吸収により迷光１００は熱エネルギーに変わり、光特性への悪影響を防止することができる。

以上述べたように、本実施形態では、光導波路端面に反射防止膜を形成する際に、あらかじめ光導波路層以外にも所定の膜厚の膜を成膜しておき、その上に反射防止膜を成膜すると反射率が高くなるようにすることで基板からの迷光放射を防止する。それによって光導波路デバイスは期待した特性を実現できる。

別の言い方をすると、本実施形態では、基板端面に反射膜を形成して反射防止膜と重なるようにし、重ねた膜が迷光に対する反射膜になるように反射膜の膜厚、材料を設定している。このようにすれば、光導波路用の反射防止膜が基板の端面にも形成されてしまう点を逆に利用して、基板端面に迷光用の反射膜を形成することができる。

基板から迷光が放射されることで悪影響が及ぼされる例として、図３に示す光強度モニタ３が挙げられる。図３は既存の光導波路デバイスの外部に受光器３００を設けて光強度モニタとしたものの平面図である。

図３では光導波路層３１に方向性結合器３６を介して結合した別の光導波路層３４’を備え、別の光導波路層３４’を光導波路デバイスの端面３３まで延伸させる。方向性結合器３６で分岐した光は、反射防止膜３５を通過して基板と対向して基板外に設けた受光器３００に入射させる。入力導波路３４に入射した光の一部(たとえば光強度の5%)を別の光導波路３４’に分岐し、受光器３００で電気信号に変換する場合、主な光導波路伝搬光に対して非常に小さな光強度を感度良く検出する必要がある。しかし、主な光導波路伝搬光のたとえば10%が伝搬中に基板に放射され、基板内を伝搬した後に図２(a)のように基板から外部に放射されて、一部が受光器３００に入射した場合、方向性結合器３６で分岐した光と同じ波長であるために区別がつかず、光強度が変化してしまう。すると正確な光強度検出ができなくなってしまう。一方図２(b)のように端面に迷光放射防止膜２７が形成されている場合には受光器３００に放射光が入ることはなく、正確な光強度検出を行うことができる。
（光導波路デバイスの作製方法）
図１の形状の作製方法は図４に示すような手順で行われる。図４は第１の実施形態の光導波路デバイス１を作製する手順を説明するための断面図である。

まず、反射防止膜１５を形成する光導波路層１１の端面の角度（図１では基板１２の上面に対して垂直）とは異なる角度で研磨を行う（図４(b)）。ウェーハ上に複数の光導波路デバイス１を作製し、高速回転する刃で個々のチップに切断（チップダイシング）する。しかし切断面が凹凸のある荒れた状態になり、その状態のままだと光が散乱され損失が発生する。この損失を防止するため、端面を光学的に平坦面とするために図４(b)の研磨を行う。

次に、研磨した端面に反射防止膜１５と重ねたときに反射膜となるような膜厚の反射膜１６を成膜する（図４(c)）。次に、反射防止膜１５だけが形成されている光導波路層１１の端面が、基板１２の上面に対して所望の角度となるよう精密研磨を行う(図４(d))。このときに角度の異なる基板側の研磨が行われないようにすることで、光導波路層１１の端面のみを露出させる。次に、端面全体に反射防止膜１５を成膜する(図４(e))。

なお、図４(d)で述べた研磨によって反射膜１６の一部の膜厚が薄くなる。反射防止膜１５の膜厚が均一だとすると、その箇所では迷光の放出防止機能が低下する。しかし薄くなる箇所の面積は、実際には基板端面全体から見ると小さく、また反射膜１６の膜厚はそもそも薄くてよいので、大きな問題にはならない。
（第２の実施形態）
図４の製造方法では、図４(e）の工程で、光導波路層１１がある側を研磨したが、基板１２側から研磨してもよい。本第２の実施形態はそのような場合である。図５は基板側から研磨した場合の光導波路デバイス５の断面図である。

図６は図５のデバイスの製造方法を示す断面図である。まず、チップダイシング後に光導波路層端面５３を垂直研磨する（図６(a)）。次に、研磨した端面に、後述する反射防止膜５５と重ねたときに反射膜（迷光放射防止膜５７）となるような光学膜厚の反射膜５６を成膜する（図６(b)）。次に、反射防止膜を形成する光導波路層端面５３が、基板５２の上面に対して所望の角度となるよう精密研磨を行う（図６(c)）。つまり光導波路層端面５３は、基板５２の上面に対して、光導波路層５１がある側に傾斜している。このとき角度の異なる基板側の研磨が行われないように研磨量を制御することで、光導波路層端面５３のみを露出させる。次に、端面全体に反射防止膜５５を成膜する（図６(d)）。

この構造では、光導波路層端面でわずかに生じる反射戻り光の光軸が光導波路伝搬光の光軸と異なるため、反射防止効果が高い。
（第３の実施形態）
図７は本発明の第３の実施形態の光導波路デバイス７の構成を示す断面図である。

光導波路デバイス７は基板７２上に光導波路層７１を形成している。光導波路層７１の端面７３には反射防止膜７５が形成される。また基板７２の端面７３’には反射防止膜７５と反射膜７６が積層されて迷光放射防止膜７７となっており、迷光放射防止膜７７は迷光を反射する反射膜となる。迷光放射防止膜７７を迷光の反射膜となるように、反射防止膜７５と反射膜７６の光学膜厚を調整する。

１、２、２’、７ 光導波路デバイス
３ 光強度モニタ
１２、２２、５２、７２ 基板
１３ 接続端面
１３、１３’ 接続端面
２３、２３’ 入射端面
１４、２４、３４ 入力導波路
１５、２５、３５ 反射防止膜
１６、２６、５６、７６ 反射膜
１７、２７、５７、７７ 迷光放射防止膜
２８ 光ファイバ
２９ レンズ
３４’ 別の光導波路層
３６ 方向性結合器
７３、７３’ 端面
１００ 迷光

Claims (2)

1. 光導波路層の端面及び前記光導波路層が形成された基板の端面に反射膜を形成し、前記光導波路層の端面に形成された前記反射膜を研磨して前記光導波路層の端面を露出させるとともに、前記基板の端面に前記反射膜を残し、前記光導波路層の露出した端面上及び前記基板の端面に残っている前記反射膜上に反射防止膜を形成し、前記反射膜と前記反射防止膜が積層された膜を、迷光を反射する迷光放射防止膜とする光導波路デバイスの製造方法。
2. 前記反射膜は前記反射防止膜と積層されて迷光放射防止膜としたときに、迷光を反射する光学膜厚である請求項１に記載の光導波路デバイスの製造方法。

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