JP7135739B2 - スポットサイズ変換器の作製方法およびスポットサイズ変換器 - Google Patents

Description

本発明は光デバイスの作製方法に関し、より詳しくは光導波路における光の電磁界分布の広がりを制御できるスポットサイズ変換器（ｓｐｏｔ－ｓｉｚｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ： ＳＳＣ）の作製方法に関する。

半導体レーザ等に代表される光デバイスは、多くの場合において、光導波路構造により光の回路が構成される。光導波路を伝搬する光のモード電磁界分布、すなわちモード分布は、光導波路を構成する材料と導波路の構造によって決定される。モード分布の広がりをスポットサイズと呼ぶ場合があり、多くの場合はスポットサイズが小さい方が好ましい。例えば、スポットサイズが小さい、すなわち導波路を導波する光の電力密度が高いと、光と導波路材料の相互作用が強くなるため、レーザや変調器といった光制御デバイスの低消費電力化にはスポットサイズの小さな導波路が重要である。

また、しばしばデバイスサイズの制限要因となる曲げ導波路の曲げ半径の最小値も、一般に光が導波路に強く閉じこもっている状態の方が小さくなるため、スポットサイズが小さな導波路が好ましい場合が多い。

しかしながら、逆に、小さいスポットサイズが問題となる場合もある。その一つが光デバイスの入出力端面における、外部光学系との結合の問題である。スポットサイズが小さいと、フーリエ変換の関係からデバイスから自由空間へ出射した光の広がり角は大きくなる。自由空間での光の分布の広がり角、すなわち遠視野象（ｆａｒ－ｆｉｅｌｄ ｐａｔｔｅｒｎ： ＦＦＰ）の広がり角が大きいと光デバイスから光ファイバなどの他の部品との光学結合を形成する際に用いるレンズの口径、すなわちレンズのサイズが大きくなるといった問題がある。レンズのサイズはしばしば光モジュール全体のサイズの小型化への制限要因となる。

また、スポットサイズが小さいと、そもそもレンズで外部との光学結合を形成するためのレンズ実装工程において、実装トレランスが小さくなってしまうという問題もある。

上記は光デバイスからの光の出射の場合だが、一般に受動素子から成る光学系は相反性があるため、光デバイスへ光を入射する際も同様の問題が生じる。

従って、スポットサイズはデバイス内の導波路においては小さく、導波路端面においては大きい方が好ましい。外部との光学結合以外にも、大きなスポットサイズにより光デバイス上にて実現できる機能もあり、それらの機能の実現のために、同一の光デバイスにおいて、そのデバイスの特定の箇所においてスポットサイズを変換する構造がＳＳＣである。

光導波路内にＳＳＣを形成する手法の代表例として、光を導波させるコア層を局所的に変化させる手法がある。例えば非特許文献１は化合物半導体によるレーザ素子におけるＳＳＣについての報告であり、半導体の再成長技術を用いて、導波路端面のコア材料のみ薄く成長することでＳＳＣを形成している。

Yasumasa Suzaki， Ryuzu Iga， Kenji Kishi， Yoshihiro Kawaguchi， Shin-ichi Matsumoto， Minoru Okamoto， and Mitsuo Yamamoto "Temperature- and Polarization-Insensitive Responsivity of a 1.3μm Optical Transceiver Diode with an Integrated Spot-Size Converter"， IEEE J. Quantum Electron.， vol. 34， no. 4， pp. 686-690， 1998.

非特許文献１にみられるような、薄膜形成技術を用いる手法は、コア層厚を層形成精度（ｎｍオーダー）で実現できる利点がある。ただし、薄膜形成により立体的な構造を作るには、その形成条件の安定化や、薄膜形成前に特殊なウェハ処理が必要（非特許文献１のような選択成長マスクを用いる手法はウェハ上に誘電体パターンを形成する必要がある）など、一般的に工程コストを上げてしまうという問題がある。

本発明は、上記従来の問題に鑑みなされたものであって、本発明の課題は、簡易な作製方法で実現できるスポットサイズ変換器（ｓｐｏｔ－ｓｉｚｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ： ＳＳＣ）の作製方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、一実施形態に記載されたスポットサイズ変換器の作製方法は、基板上にコア層と２層以上の材料膜層とが順次積層された積層基板に対して、前記２層以上の材料膜層側に、順次開口部が小さくなる複数のマスクパターンを順次形成し、該複数のマスクパターンのそれぞれに従って前記２層以上の材料膜層を最外層から順次エッチングして、前記２層以上の材料膜層を、導波路方向にのみ階段状にエッチングする材料膜エッチング工程と、前記順次開口部が小さくなる複数のマスクパターンの全てのマスクパターンの開口部とも重なるとともにその面積が最も大きい開口部を有するコア用のマスクパターンを前記２層以上の材料膜層側に形成し、該コア用のマスクパターンに従って、ドライエッチングして、前記基板の厚さ方向において段差を有するコア層を形成するコア層エッチング工程とを含む。

段差用多層膜２０を有する積層体１０の構成を示す図である。 積層体１０に矩形のマスクパターンを呈するマスク５０を積層した状態を示す図である。 第１のエッチング工程によりエッチングされた積層体１０を示す図である。 第２のエッチング工程に用いるマスク５０を形成した積層体１０を示す図である。 第２のエッチング工程によりエッチングされた積層体１０を示す図である。 第３のエッチング工程に用いるマスク５０を形成した積層体１０を示す図である。 第３のエッチング工程によりエッチングされた積層体１０を示す図である。 コア層２側の表面にクラッド材料を成長させた積層体１０を示す図である。 階段状に厚さが変化したコア層２を含む導波路構造３０を有する積層体１０を示す図である。 第１の実施形態の作製方法により得られるＳＳＣの端面から出射されるＦＦＰ（ｆａｒ－ｆｉｅｌｄ ｐａｔｔｅｒｎ：遠視野象）の半値全幅の角度の計算結果を示す図である。 物性傾斜層２１を有する積層体１１の構成を示す図である。 マスク５０により物性傾斜層２１がエッチングされた積層体１１を示す図である。 別のマスク５０によりコア層２がエッチングされた積層体１１を示す図である。 第３の実施形態のスポットサイズ変換器の作製方法を説明する図である。 第３の実施形態のスポットサイズ変換器の作製方法を説明する図である。 第３の実施形態の変形例のスポットサイズ変換器の作製方法を説明する図である。 第３の実施形態の変形例のスポットサイズ変換器の作製方法を説明する図である。 第３の実施形態の変形例のスポットサイズ変換器の作製方法を説明する図である。 第３の実施形態の変形例のスポットサイズ変換器の作製方法を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

本実施の形態に記載されたスポットサイズ変換器（ｓｐｏｔ－ｓｉｚｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ： ＳＳＣ）の作製方法は、基板上にコア層と２層以上の材料膜層とが順次積層された積層基板に対して、前記２層以上の材料膜層側に、順次開口部が小さくなる複数のマスクパターンを順次形成し、該複数のマスクパターンのそれぞれに従って前記２層以上の材料膜層を最外層から順次エッチングして、前記２層以上の材料膜層を階段状にエッチングする材料膜エッチング工程と、前記順次開口部が小さくなる複数のマスクパターンの全てのマスクパターンの開口部とも重なるとともにその面積が最も大きい開口部を有するコア用のマスクパターンを前記２層以上の材料膜層側に形成し、該コア用のマスクパターンに従って、ドライエッチングして、前記基板の厚さ方向において段差を有するコア層を形成するコア層エッチング工程とを含んでいる。

この作製方法によれば、薄膜形成の精度と同じ加工精度にて、かつその他の特殊な加工条件の安定化の営みは必要のない工程にてＳＳＣを作製できる。

さらに、上記作製方法において、２層以上の材料膜層に代えて、基板の厚さ方向において成分比が異なる物性を有する物性傾斜層を有する積層基板を用いても可能である。具体的には、この積層基板に対して、前記物性傾斜層側に第１のマスクパターンを形成し、該第１のマスクパターンに従って、前記物性傾斜層をウェットエッチングして、前記第１のマスクパターンの下側が前記基板の厚さ方向において傾斜した面を有するように形成し、その後、前記物性傾斜材料層のウエットエッチングされた領域の輪郭によって形成されるパターンと重なるとともにその面積がより大きい開口部を有するコア用のマスクパターンを前記物性傾斜材料層側に形成し、該コア用のマスクパターンに従って、ドライエッチングして、前記基板の厚さ方向において傾斜した面を有するコア層を形成するコア層エッチング工程とを含む作製方法を採用してもよい。
（第１の実施形態）

図１から図９は、第１の実施形態にかかるスポットサイズ変換器の作製方法の各工程を説明する図である。なお、図１から９において、（ａ）は積層体１０の基板１とは反対側から見た平面図であり、（ｂ）はｙ－ｙ’における断面の端面図であり、（ｃ）はｘ－ｘ’における断面の端面図である。第１の実施形態では、コア層２上に段差用多層膜２０を持つ積層体１０を用いて形成されたＳＳＣをＩｎＰ系材料により作製する。

まず、図１に示すように、ＩｎＰからなる基板１上に、コア層２としてフォトルミネッセンス波長が１４００ ｎｍのＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓのＩＩＩ－Ｖ元系材料から形成された多重量子井戸（ｍｕｌｔｉ－ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ： ＭＱＷ）を形成し、さらに段差用多層膜２０として、厚さがそれぞれ１５０ ｎｍのＩｎＰからなる層３とＩｎＧａＡｓＰからなる層４の二種類の材料層からなる合計３００ ｎｍの多層膜２０を積層して積層体１０を構成する。なお、コア層２の厚さは５００ｎｍとした。

この積層体１０は、ＩｎＰ系材料の他にも、Ｓｉやガラスなど、導波路がエッチングにより形成できる材料ならばどのような材料で構成しても構わない。

この積層体１０に対して適当なフォトリソグラフィー工程を用いて、図２に示すような開口マスクパターンを形成し、図２に示すマスクパターンを持つ積層体１０に対して、硫酸・過酸化水素水・純水を適当な配分で混合した、いわゆるピラニア溶液によるウェットエッチング工程を施す（第１のエッチング工程）。このピラニア溶液は、最上層４の構成材料であるＩｎＧａＡｓＰを除去可能であるが、その下の層３の構成材料であるＩｎＰは除去できないように配合されたエッチング溶液である。

第１のエッチング工程によって、積層体１０の最上層４のＩｎＧａＡｓＰはピラニア溶液によりエッチングされる一方で、その下の層３のＩｎＰはピラニア溶液によりエッチングされないので、積層体１０は図３に示す形状になる。

再びフォトリソグラフィー工程により、図４に示す開口マスクを形成し、図４の開口マスクを持つ積層体１０に対して塩酸・リン酸の混合溶液によるウェットエッチング工程を施す（第２のエッチング工程）。このエッチング溶液は、ＩｎＰ層３を除去可能であるが、ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、すなわちコア層２を除去できないように配合されたものである。

第２のエッチング工程によって、コア層２の直上に位置するＩｎＰ層３がエッチングされる一方でコア層２はエッチングされずに積層体１０は図５に示す形状となる。

こうして得られた図５の積層体１０に対して、更に再び適当なフォトリソグラフィー工程にて図６に示す開口マスクパターンを形成し、図６に示す開口マスクパターンを持つ積層体１０に対して、ＩｎＧａＡｓＰ層４やＩｎＰ層３やＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓからなるＭＱＷ２の何れの層に対しても加工作用のある、ドライエッチング装置により、エッチング工程を実施する（第３のエッチング工程）。このドライエッチングは、例えば、塩素系のプラズマにより実現される。

第３のエッチング工程によって、図６にて示した段差用多層膜２０の階段状開口パターンを反映して、コア層２は、図７に示すように、階段状に加工される。

その後、図８に示すように、積層体１０のコア層２が階段状に加工された面において、ＩｎＰ材料をクラッド材料５として半導体成長技術を用いて形成させる。

そして、適当なフォトリソグラフィー工程と半導体エッチング工程により、図９に示すように形成することにより、積層体１０に、階段状に厚さが変化したコア層２を含む導波路構造３０が得られる。

導波路構造３０を図９に示すようにＩｎＧａＡｓＰ層４で覆われた領域とコア（ＭＱＷ）層２が露出した領域との境界の破線の位置で切断して導波路端面とすれば、この箇所のコア層２は元のコア層２の厚さと比較して薄くなっているので、ここを導波する光のスポットサイズは元のコア層２を導波する光のスポットサイズと異なっていることが予想される。

この実施例で得られた導波路構造３０は、上述のドライエッチング加工における各材料に対するエッチング速度等は、ドライエッチング条件が固定されれば固定される一方で、段差用多層膜２０の厚さや種類も薄膜形成技術（本実施例ではエピタキシャル成長技術）により高精度に制御できる点にある。従って、コア層２の厚さの変化は、ほとんど薄膜形成技術の精度で決定されることになる。

ここで、本実施形態の作製方法に従って作製したＳＳＣのＦＦＰの計算結果について検討する。図１０は本実施形態の作製方法により得られるＳＳＣの端面から出射されるＦＦＰ（ｆａｒ－ｆｉｅｌｄ ｐａｔｔｅｒｎ：遠視野象）の半値全幅の角度の計算結果を示す図である。計算には１５５０ｎｍの波長の光を用いた。この計算に用いた導波路構造３０（図９参照）は、幅は３μｍで固定し、ＳＳＣの端面でのコア層２（図９参照）の厚さが異なる複数の条件で上記工程により作製したＳＳＣを用いた。

図１０によれば、ＳＳＣ端面でのＭＱＷコア層２（図９参照）の厚さが５００ ｎｍより薄膜化されていくにしたがって基板１の垂直方向のＦＦＰ角度は小さくなることが判る。すなわち、得られたＳＳＣから出射される光の広がりが小さくなっていくことが分かる。基板１の水平方向のＦＦＰと合わせて考えると、ＳＳＣ端面でのコア層２が１５０ ｎｍ程度でＦＦＰとして真円に見えることになる。

したがって、本実施形態の作製方法によって作製したＳＳＣは、ＳＳＣ端面でのコア層を薄膜化することが可能であり、ＳＳＣとして十分に機能することが分かる。

本実施形態のＳＳＣの作製方法によれば、ＳＳＣを簡便な作製手順により高性能なＳＳＣを作製でき、光デバイス一般の結合損失の改善が達成され、光通信の一層の普及に寄与できる。

本実施形態では、積層体１０の最上層４とその下の層３との構成材料をそれぞれＩｎＧａＡｓＰとＩｎＰとし、第１のエッチング工程で使用するエッチング液をＩｎＧａＡｓＰを除去可能であるが、ＩｎＰは除去できないように配合されたピラニア溶液としていたが、これに限定されない。最上層４とその下の層３とを異なる材料で構成し、これらの材料に対して作用が異なる（２つの層３、４のうち一方の層を構成する材料を除去するが他方の層を構成する材料は除去しない）エッチング溶液を用いることによって本実施形態と同様に実現可能である。
（第２の実施形態）

図１１から図１３は、第２の実施形態にかかるスポットサイズ変換器の作製方法の各工程を説明する図である。第１の実施形態ではコア層２が階段状に加工されているが、これらの段差が大きいと、導波する光にとっては散乱損失の原因となることになる。そこで本実施形態の作製方法では、第１の実施形態においてＩｎＰとＩｎＧａＡｓＰの二種類の材料により構成されていた段差用多層膜２０を有する積層体１０の代わりに、物性値が連続的に変化する物性傾斜層２１を有する積層体１１を採用する。第２の実施形態の作製方法については、第１の実施形態の作製方法と異なる部分のみ説明する。

第２の実施形態の作製方法では、第１の実施形態の作製方法においてＩｎＰとＩｎＧａＡｓＰの二種類の材料により構成されていた段差用多層膜２０の代わりに、図１１に示すように、物性値が連続的に変化する物性傾斜層２１を設けた積層体１１を用いる。

物性傾斜層２１は、膜材料の成分から決定される物性値が基板１の垂直方向に対して傾斜している。すなわち、物性傾斜層２１は、ほぼＩｎＰ成分のみの部分から開始して、基板１から離れるに従いＩｎＰと基板整合する様にＧａＡｓ成分を増やしていき（ＩｎＧａＡｓＰのバンドギャップが小さくなっていることに相当する）最終的にＩｎＧａＡｓとなるような材料で構成される。このような層構造は半導体レーザにおけるＧＲＩＮ層（ｇｒａｔｅｄ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ層）などで採られる構造である。

第１の実施形態の第１のエッチング工程で用いたピラニア溶液は、ＩｎＰに対してエッチング作用がほとんどないが、ＩｎＧａＡｓＰ に対してはエッチング作用があるので、ＧａＡｓの成分が増えていくとそのエッチング速度が速くなることが知られている。

図１２に示すように、適当なパターンの開口マスク５０を形成した後に、物性傾斜層２１を含む積層体１１をピラニア溶液に浸すと、物性傾斜層２１がウェットエッチングされる。物性値の傾斜により、エッチング方向が基板に垂直な方向の成分よりも基板に平行な方向の成分が大きくなるように変化し、物性傾斜層２１は、図１２の（ｂ）、（ｃ）のようにマスクパターンの下側に一部入り込んだ傾斜面をもった形状に加工される。

さらに、図１３に示すように、物性傾斜層２１のウェットエッチングされた領域の輪郭に沿ってマスクパターンを形成し、第１の実施形態と同様に物性傾斜層２１とコア層２を一括してドライエッチングを施すと、図１３に示すように、コア層２が連続的な傾斜面を持つように加工される。

その後は、第１の実施形態と同様に必要に応じてクラッド層を堆積させた上で、導波路を加工すればコア層２が傾斜構造を持つＳＳＣが得られる。なお、必要に応じてｘ－ｘ’断面またはｙ－ｙ’断面に沿ってへき開することによって、第１の実施形態と同様に一方向に傾斜した傾斜構造を有するようにすることもできる。
（第３の実施形態）

図１４から図１９は、第３の実施形態にかかるスポットサイズ変換器の作製方法の各工程を説明する図である。第１の実施形態の作製方法および第２の実施形態の作製方法のいずれにおいても、マスクパターンは基板の水平方向において矩形形状であったが、本実施形態では、マスクパターンを基板の水平方向において矩形形状とするのではなく、基板の水平方向において傾斜した形状（不図示）を有するものを用いる。その他は、第１の実施形態の作製方法と同様にしてもよいし、第２の実施形態の作製方法と同様にしてもよい。第３の実施形態の作製方法について、第１の実施形態の作製方法および第２の実施形態の作製方法と異なる部分のみ説明する。

第１の実施形態の第１のエッチング工程および第２のエッチング工程において用いるマスクパターン５０（図３、図５参照）を、基板１の水平方向において矩形形状ではなく、基板１の水平方向において傾斜した形状を有するものとすることによって、図１４に示すように、段差用多層膜２０を基板１の水平方向において傾斜した形状を有するように形成することができる。

さらに図１４に示すように形成された段差用多層膜２０を有する積層体１０に対して、矩形形状のマスクパターン５０を用いてドライエッチングすると、図１５に示すように、コア層２は基板１の水平方向において傾斜した形状を有する形状となる。したがって、このコア層２を導波する光は導波路の構造が連続的に変化する様に感じられるため、過剰損失の低減に寄与できる。
（第３の実施形態の変形例）

また、第３の実施形態の作製方法により作製されたコア層２の段差部における光の反射の抑制にも効果がある。光の反射は例えば、導波路構造３０を持つ光デバイスが半導体レーザに集積されていた場合などでは、十分に除去する必要がある。

本実施形態では、基板１の水平方向において傾斜した形状の一形態として、光の導波方向に対して斜めに交わる輪郭を有する開口パターンを用いて、積層体１０の段差用多層膜２０を図１６に示す形状にエッチングし、さらに、図１７に示すように矩形形状のマスク５０を用いてドライエッチングによりコア層２を薄膜化する。さらに、図１８に示すように、コア層２のみが残るように段差用多層膜２０を除去した上で、コア層２を一定の幅を残して更に加工する。

そして、コア層２を埋め込むようにクラッド層（不図示）としてＩｎｐを成長させ、いわゆる埋め込み型の導波路を有するＳＳＣを作製することができる。

本実施形態の作製方法により作製されたＳＳＣのコア層２を導波する光の一部のパワーは、導波路の不連続点を感じて反射するものの、コア層２がコア層２と屈折率の近いＩｎＰで構成されるクラッド層で覆われているため、図１９に示すように、光が光軸と一定の角度をもって反射されるため、ＳＳＣを含む他の光学部品への不要な光入力を軽減できる。

１ 基板
２ コア層
３ ＩｎＰ層
４ ＩｎＧａＡｓＰ層
１０ 積層体
１１ 積層体
２０ 段差用多層膜
２１ 物性傾斜層
３０ 導波路構造
５０ マスクパターン

Claims (3)

1. 基板上にコア層と２層以上の材料膜層とが順次積層された積層基板に対して、前記２層以上の材料膜層側に、順次開口部が小さくなる複数のマスクパターンを順次形成し、該複数のマスクパターンのそれぞれに従って前記２層以上の材料膜層を最外層から順次エッチングして、前記２層以上の材料膜層を、導波路方向にのみ階段状にエッチングする材料膜エッチング工程と、
   前記順次開口部が小さくなる複数のマスクパターンの全てのマスクパターンの開口部とも重なるとともにその面積が最も大きい開口部を有するコア用のマスクパターンを前記２層以上の材料膜層側に形成し、該コア用のマスクパターンに従って、ドライエッチングして、前記基板の厚さ方向において段差を有するコア層を形成するコア層エッチング工程とを含むことを特徴とする、スポットサイズ変換器の作製方法。
2. 前記複数のマスクパターンは、前記基板の水平方向において傾斜した面を有することを特徴とする請求項１に記載のスポットサイズ変換器の作製方法。
3. 前記コア層の上に、クラッド材料を堆積し、前記積層基板を前記基板の平面方向に所定の幅において、前記基板上の各層を前記基板の厚さ方向に除去することにより導波路を形成する導波路形成工程をさらに含むことを特徴とする、請求項１または２に記載のスポットサイズ変換器の作製方法。

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