JPH02163706A - Silicon light waveguide and production thereof - Google Patents

Silicon light waveguide and production thereof

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JPH02163706A
JPH02163706A JP63318454A JP31845488A JPH02163706A JP H02163706 A JPH02163706 A JP H02163706A JP 63318454 A JP63318454 A JP 63318454A JP 31845488 A JP31845488 A JP 31845488A JP H02163706 A JPH02163706 A JP H02163706A
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JP
Japan
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silicon
layer
silica
cladding layer
core portion
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Application number
JP63318454A
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Japanese (ja)
Inventor
Masao Kawachi
河内 正夫
Akio Sugita
彰夫 杉田
Mitsuho Yasu
安 光保
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

PURPOSE:To obtain the silicon light waveguide which is low in light propagation loss and is easy to handle by embedding a silicon core part by a quartz glass clad layer contg. a prescribed dopant. CONSTITUTION:A silicon layer 2 having the free carrier concn. lower than the free carrier concn. of a silicon substrate 1 is first epitaxially grown on the substrate 1. The unnecessary part of the silicon layer having the low free carrier concn. in then removed to form the ridge-shaped silicon core part 2a. The quartz glass clad layer 3b contg. the dopant to lower the softening temp. of the quartz glass is formed so as to embed at least the ridge-shaped silicon core part 2a. The influence of the fluctuation in the boundary with the quartz glass clad layer is drastically decreased by adopting the constitution of the silicon light guide provided with such thick quartz glass clad layer. The silicon light guide which is low in loss and is easy to handle is thus obtd.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、光集積回路分野に用いるシリコン先導波路お
よびその製造方法に関するものであり、さらに詳細には
、光伝搬損失が低く、かつ取扱いが容易なシリコン先導
波路およびその製造方法に関するものである。
[Detailed Description of the Invention] [Field of Industrial Application] The present invention relates to a silicon guided waveguide used in the field of optical integrated circuits and a method for manufacturing the same. The present invention relates to a simple silicon guided waveguide and a method for manufacturing the same.

(以下余白) [従来の技術] 光通信分野や光情報処理分野等において、実用的な光集
積回路への要求が高まっている。光集積回路を構成する
ためには、平面基板上に低損失な先導波路を形成するこ
とが基本となる。従来、ガラスやプラスチック、話電体
結晶、化合物半導体等を材料とした多様な先導波路構造
とその製法が提案されている。
(Left below) [Prior Art] There is an increasing demand for practical optical integrated circuits in the fields of optical communication, optical information processing, etc. In order to construct an optical integrated circuit, it is fundamental to form a low-loss leading waveguide on a flat substrate. Conventionally, various guiding waveguide structures and their manufacturing methods have been proposed using materials such as glass, plastic, phone crystal, and compound semiconductors.

仮に、今日、LSI技術分野での基本材料としての地位
を確立している結晶シリコン基板(シリコンウェハ)上
に、やはりシリコン材料を用いて光導波路を形成できれ
ば、光集積回路を経済的に提供できるのみならず、LS
I との融合による新機能回路の出現等も期待される。
If it were possible to form optical waveguides using silicon material on a crystalline silicon substrate (silicon wafer), which has established itself as a basic material in the LSI technology field today, it would be possible to economically provide optical integrated circuits. Not only LS
The emergence of new functional circuits through fusion with I is also expected.

実際、これまでにも上述の観点から、シリコン先導波路
の提案がなされている。
In fact, from the above-mentioned viewpoint, silicon guided waveguides have been proposed.

第5図(a)および(b)は、従来提案されているシリ
コン先導波路の断面構造例を示す断面図である。図示の
構造は、学術雑誌IEEE Journal ofQu
antum Electronics、Vol、QE−
22,No、6.(1986)pp。
FIGS. 5(a) and 5(b) are cross-sectional views showing examples of cross-sectional structures of conventionally proposed silicon guided waveguides. The illustrated structure is based on the academic journal IEEE Journal of Qu.
antum Electronics, Vol, QE-
22, No, 6. (1986) pp.

873−879およびAppl、Phys、LeLt、
、Vol、51.No、1(1987) pp、6−8
に開示されている。第5図(a)は、単純なりッジ型シ
リコン光導波路を示し、第5図(b)は、薄膜5j(h
クラッド付きリッジ型シリコン先導波路を示す。
873-879 and Appl, Phys, LeLt,
, Vol. 51. No. 1 (1987) pp. 6-8
has been disclosed. FIG. 5(a) shows a simple ridge-type silicon optical waveguide, and FIG. 5(b) shows a thin film 5j (h
A cladded ridge-type silicon guided waveguide is shown.

ここで、1は、ドーパントを多量に含み、自由キャリア
濃度の高いシリコン基板であり、下部クラッド層として
も機能する。2はシリコン基板1上にエピタキシャル成
長法により形成された自由キャリア濃度の低いシリコン
層である。 2aは、シリコン層2の一部をリッジ状に
加工することにより形成されたシリコン先導波路コア部
である。3はコア部2を覆うようにしてシリコン層2上
に配置した薄膜の形態のSin、クラッド層である。
Here, 1 is a silicon substrate containing a large amount of dopants and having a high free carrier concentration, and also functions as a lower cladding layer. 2 is a silicon layer with a low free carrier concentration formed on the silicon substrate 1 by an epitaxial growth method. 2a is a silicon leading waveguide core portion formed by processing a part of the silicon layer 2 into a ridge shape. Reference numeral 3 denotes a cladding layer of Sin in the form of a thin film disposed on the silicon layer 2 so as to cover the core portion 2 .

基板1としては、例えばドーパントPを2×10”cm
−’程度含むn1型シリコン基板を用い、シリコン層2
としては、ドーパントPを7.5 Xl01′coi”
”程度含むエピタキシャル成長シリコン層を使用できる
。コア部2aの寸法諸元は、幅10μm程度、リッジ部
高さ4μm程度、全体高さ7μm程度である。第5図(
b)における薄@sio、クラッド層3の厚さは高々0
.5μ瓜程度以下である。
For the substrate 1, for example, the dopant P is 2×10"cm
Using an n1 type silicon substrate containing about -' silicon layer 2
The dopant P is 7.5 Xl01′coi”
The dimensions of the core portion 2a are approximately 10 μm in width, approximately 4 μm in height at the ridge portion, and approximately 7 μm in overall height.
Thin @sio in b), the thickness of the cladding layer 3 is at most 0
.. It is about 5μ melon or less.

第5図(a)または(b)において、コア部2aと基板
1との間には、自由キャリア濃度差に起因するΔn=1
.5 X 10−3程度の屈折率差が生じ、リッジ形状
に起因する横方向の光閉じ込め作用とあいまって、コア
部2aは所望の光伝搬作用を営むことができる。
In FIG. 5(a) or (b), there is a gap between the core part 2a and the substrate 1 of Δn=1 due to the difference in free carrier concentration.
.. A refractive index difference of about 5×10 −3 occurs, and in combination with the lateral light confinement effect due to the ridge shape, the core portion 2a can perform a desired light propagation effect.

〔発明が解決しようとする課題] しかし、従来のこれらのシリコン先導波路の光伝搬損失
は、波長帯1,3μmで15〜20dB/cm程度と極
めて大きく、光集積回路の設計や製作、応用上の重大な
制約事項となっていた。このように光伝搬損失が大きい
理由は、第5図(a)のコア部2aのリッジ側面に加工
荒れが存在し、コア部と周辺の空気との界面において光
散乱損失が生じるからと推察される。第5図(b)の構
造では、薄IIjsi02クラッド層3によりてコア部
2aが覆われてはいるものの、薄gsiO□クラッド層
3とコア部2aとの界面ゆらぎは、相変らず存在する。
[Problems to be Solved by the Invention] However, the optical propagation loss of these conventional silicon guided waveguides is extremely large, approximately 15 to 20 dB/cm in the wavelength band of 1 and 3 μm, and is difficult to solve in the design, manufacture, and application of optical integrated circuits. This was a serious constraint. The reason why the light propagation loss is so large is presumed to be that there is processing roughness on the ridge side surface of the core part 2a in FIG. 5(a), which causes light scattering loss at the interface between the core part and the surrounding air. Ru. In the structure of FIG. 5(b), although the core portion 2a is covered with the thin IIjsi02 cladding layer 3, the interface fluctuation between the thin gsiO□ cladding layer 3 and the core portion 2a still exists.

しかも、薄膜Sin、クラッド層3の厚さが不十分であ
るから、コア部2aを伝搬する信号光は、薄膜5i02
クラッド層3の表面のゆらぎまでも感じてしまい、やは
り光散乱損失の増加を招いていたと推察される。
Moreover, since the thickness of the thin film Sin and the cladding layer 3 is insufficient, the signal light propagating through the core portion 2a is transmitted through the thin film 5i02.
Even the fluctuation of the surface of the cladding layer 3 was felt, and it is presumed that this also caused an increase in light scattering loss.

実際に光導波路を光集積回路の構成要素として使えるか
否かの光伝搬損失ボーダーラインは、2〜3dB/cm
程度と考えられ、従って、第5図(a)または(b)に
示した従来のシリコン先導波路は実用に適しておらず、
低損失なシリコン先導波路構造およびその製造方法の出
現が望まれていた。
The optical propagation loss borderline for whether or not an optical waveguide can actually be used as a component of an optical integrated circuit is 2 to 3 dB/cm.
Therefore, the conventional silicon guided waveguide shown in FIG. 5(a) or (b) is not suitable for practical use.
The emergence of a low-loss silicon guided waveguide structure and its manufacturing method has been desired.

さらに、第5図(a)および(b) に示した従来のシ
リコン先導波路構造では、コア部2aが表面近傍に露呈
あるいは、はぼ露呈しているので、外部からの慶の付着
により光伝搬損失がさらに増加し易く、またコア部が破
損し易い等の実装上の問題点もあった。
Furthermore, in the conventional silicon guiding waveguide structure shown in FIGS. 5(a) and 5(b), the core portion 2a is exposed near the surface or partially exposed, so light propagation is affected by adhesion of external particles. There were also mounting problems, such as the loss being more likely to increase and the core part being more likely to be damaged.

そこで、本発明の目的は、上記の欠点を解決し、光伝搬
損失が低く、取り扱いの容易なシリコン先導波路および
その製造方法を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned drawbacks and provide a silicon guided waveguide that has low optical propagation loss and is easy to handle, and a method for manufacturing the same.

[課題を解決するための手段] このような目的を達成するために、本発明では、石英系
ガラスの軟化温度を低下させるドーパントとして、たと
えばB2O3あるいはP2O5を含む厚い石英系ガラス
クラッド層でシリコン先導波路コア部を完全に覆って、
コア部を埋め込んでしまう。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve such an object, in the present invention, a thick silica-based glass cladding layer containing, for example, B2O3 or P2O5 as a dopant that lowers the softening temperature of silica-based glass is used. Completely covering the wave core part,
The core part is buried.

すなわち、本発明シリコン先導波路は、下部クラッド層
を兼ねたシリコン基板と、シリコン基板上に配置され、
シリコン基板より自由キャリア濃度の低いシリコンコア
部と、シリコンコア部を埋め込むように配置され、かつ
石英系ガラスの軟化温度を低下させるドーパントを含む
石英系ガラスクラッド層とを具えたことを特徴とする。
That is, the silicon guided waveguide of the present invention includes a silicon substrate that also serves as a lower cladding layer, and is arranged on the silicon substrate,
It is characterized by comprising a silicon core portion having a lower free carrier concentration than a silicon substrate, and a silica-based glass cladding layer disposed to embed the silicon core portion and containing a dopant that lowers the softening temperature of silica-based glass. .

ここで、シリコンコア部のシリコン基板に接する而およ
び石英系ガラスクランド層に接する面に、シリコンコア
部の自由キャリア濃度よりも高い自由キャリア濃度を有
する拡散層を配設することもできる。
Here, a diffusion layer having a free carrier concentration higher than that of the silicon core may be provided on the surface of the silicon core that is in contact with the silicon substrate and the surface that is in contact with the silica-based glass ground layer.

このようなシリコン先導波路を製造するにあたり、本発
明製造方法は、シリコン基板上に、シリコン基板より砥
自由キャリア濃度のシリコン層をエピタキシャル成長さ
せる工程と、低自由キャリア濃度のシリコン層の不要部
分を除去してリッジ状シリコンコア部を形成する工程と
、少なくともりッジ状シリコンコア部を埋め込むように
して、石英系ガラスの軟化温度を下げるドーパントを含
む石英系ガラスクラッド層を形成する工程とを具えたこ
とを特徴とする。
In manufacturing such a silicon guided waveguide, the manufacturing method of the present invention includes a step of epitaxially growing a silicon layer with a higher free carrier concentration than the silicon substrate on a silicon substrate, and removing an unnecessary portion of the silicon layer with a low free carrier concentration. forming a ridge-shaped silicon core, and forming a silica-based glass cladding layer containing a dopant that lowers the softening temperature of the silica-based glass by embedding at least the ridge-shaped silicon core. It is characterized by:

ここで、石英系ガラスクラット層は、ガラス形成原料ガ
スの火炎加水分解反応によりコア部を埋め込むようにク
ラッド層形成用ガラス微粒子層を堆積し、しかる後、こ
のガラス微粒子層を基板ごと加熱して透明ガラス化する
ことにより形成することができる。
Here, the quartz-based glass crat layer is formed by depositing a glass fine particle layer for forming a cladding layer so as to embed the core part by a flame hydrolysis reaction of glass forming raw material gas, and then heating this glass fine particle layer together with the substrate. It can be formed by transparent vitrification.

[作 用] 本発明によるシリコン先導波路は、外気から完全に遮断
され、クラッド層と空気層との界面ゆらぎの影響から完
全に免れる。また、クラッド層形成用にシリコン基板上
に堆積させたガラス微粒子層を加熱して透明ガラス化す
る工程において、クラッド層に軟化温度低下用ドーパン
トとして含まれるB20.あるいはp2o、などのドー
パントがコア部表面に拡散して、コア部表面の自由キセ
リア濃度を増加させるので、コア部表面に実質的なシリ
コンクラット層が自ら形成される。その結果、石英系ガ
ラスクラッド層との界面ゆらぎの影響を激減させること
ができる。以上のように、本発明によれば、低損失かつ
取扱容易なシリコン先導波路が得られる0本発明による
シリコン先導波路は、厚さ数lOμmもの石英系ガラス
クラッド層で完全に埋め込まれている点で従来のシリコ
ン先導波路とは大きく異なる。
[Function] The silicon guided waveguide according to the present invention is completely shielded from the outside air and is completely free from the influence of interfacial fluctuations between the cladding layer and the air layer. In addition, in the step of heating a glass fine particle layer deposited on a silicon substrate to form a transparent glass for forming a cladding layer, B20. Alternatively, a dopant such as p2o diffuses into the core surface and increases the free xeria concentration on the core surface, thereby forming a substantial silicon crat layer on the core surface. As a result, the influence of interfacial fluctuation with the silica-based glass cladding layer can be drastically reduced. As described above, according to the present invention, a silicon guided waveguide with low loss and easy to handle can be obtained.The silicon guided waveguide according to the present invention is completely embedded with a silica-based glass cladding layer with a thickness of several 10 μm. This is significantly different from conventional silicon guided waveguides.

E実施例] 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
E Example] Hereinafter, examples of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

第1図(a) 、 (b) 、 (c) 、 (d)は
、本発明によるシリコン先導波路の製造方法の一実施例
における順次の工程を説明するための断面図である。以
下、順を追って工程を説明する。
FIGS. 1(a), (b), (c), and (d) are cross-sectional views for explaining sequential steps in an embodiment of the method for manufacturing a silicon guided waveguide according to the present invention. The steps will be explained step by step below.

rfSI図(a)に示すように、まず、下部クラッド層
としても作用し、自由キャリア濃度の高いシリコン基板
1 (ここでは、n+型)の上面に自由キャリア濃度の
低いシリコン層2(ここではn型)を、7μ虐程度の厚
さにエピタキシャル成長させる。
As shown in the rfSI diagram (a), first, a silicon layer 2 (here n A mold) is epitaxially grown to a thickness of about 7 μm.

次に、フォトレジストを利用したフォトリソグラフィ工
程と反応性イオンエツチングを用いた微細加工法により
、シリコン層2の所望部分をリッジ状(高さ4μ虐程度
)に残して、第1図(c)に示すように、シリコンコア
部2aを形成する。
Next, by a photolithography process using a photoresist and a microfabrication method using reactive ion etching, a desired portion of the silicon layer 2 is left in a ridge shape (about 4 μm in height), as shown in FIG. 1(c). As shown in FIG. 2, a silicon core portion 2a is formed.

続いて、第1図(c)に示すように、リッジ状コア部2
aを覆うようにして、シリコン層2上に石英系クラッド
層形成用ガラス微粒子層3aを堆積する。ここで、ガラ
ス微粒子層3aの堆積は、5iC14とPCJ!3とを
混合したガラス形成原料ガスの火炎加水分解反応を利用
して実施する。すなわち、上記原料ガスを酸水素トーチ
中に供給し、火炎中で生成したガラス微粒子をコア部2
aを含むシリコン層2を覆うように吹き付けるのである
Subsequently, as shown in FIG. 1(c), the ridge-shaped core portion 2
A glass fine particle layer 3a for forming a quartz-based cladding layer is deposited on the silicon layer 2 so as to cover the layer a. Here, the glass fine particle layer 3a is deposited using 5iC14 and PCJ! This is carried out using a flame hydrolysis reaction of a glass-forming raw material gas mixed with 3. That is, the raw material gas is supplied into an oxyhydrogen torch, and the glass particles generated in the flame are transferred to the core part 2.
It is sprayed so as to cover the silicon layer 2 containing a.

このようにして堆積したガラス微粒子層3aを基板1ご
と電気炉中で1150℃程度にまで加熱して、ガラス微
粒子層3aを焼結し、透明ガラス化させて、第1図(d
)に示すように、P;05をドーパントとして含む石英
系ガラスクラッド層3b(リッジ状コア部2a上での厚
さ25μm程度)を形成する。
The glass fine particle layer 3a deposited in this way is heated to about 1150°C together with the substrate 1 in an electric furnace to sinter the glass fine particle layer 3a and make it transparent vitrified.
), a silica-based glass cladding layer 3b (having a thickness of about 25 μm on the ridge-shaped core portion 2a) containing P;05 as a dopant is formed.

上記工程により作製したシリコン先導波路の光伝搬損失
(波長1.3μ虐)を実測したところ、2dB/cm程
度であった。これは、従来のシリコン先導波路の光伝搬
損失に比較して1桁以上も小さい損失値であった1本発
明によるシリコン先導波路が、低損失である理由を、次
に説明する。
When the optical propagation loss (wavelength: 1.3 μm) of the silicon guiding waveguide produced by the above process was actually measured, it was about 2 dB/cm. The reason for the low loss of the silicon guided waveguide according to the present invention, which has a loss value that is more than one order of magnitude smaller than the optical propagation loss of the conventional silicon guided waveguide, will be explained next.

第2図は、上記の工程にて作製した本発明シリコン先導
波路の詳細断面を示す断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a detailed cross-section of the silicon guiding waveguide of the present invention manufactured through the above steps.

シリコン光導波路コア部2aを含めたシリコン層2の上
表面には、上記の透明ガラス化工程において、石英系ガ
ラスクラッド層3bに含まれているドーパント(ここで
はhos)のP成分が、コア部2aに拡散して自由キャ
リア濃度が増えてn“型となった上部拡散層4が存在し
ている。この透明ガラス化工程においては、同時に基板
1に含まれているドーパント(ここではP)もシリコン
層2の下面に僅かに拡散して下部拡散層5が形成されて
いる。
In the transparent vitrification process described above, the P component of the dopant (hos here) contained in the silica-based glass cladding layer 3b is applied to the upper surface of the silicon layer 2 including the silicon optical waveguide core part 2a. There is an upper diffusion layer 4 in which the free carrier concentration increases by diffusion into the substrate 2a and becomes n" type. In this transparent vitrification process, the dopant (in this case P) contained in the substrate 1 is also diffused into the substrate 1. A lower diffusion layer 5 is formed by being slightly diffused on the lower surface of the silicon layer 2.

ここで、特に、コア部2aと石英系ガラスクランド層3
bとの境界が急峻でなく、上記の拡散現象により、なだ
らかになっていることが特徴的である。その結果、コア
部2aとクラッド層3bとの境界に存在する界面ゆらぎ
が、見かけ上、小さくなり、従来問題であった光散乱損
失の発生が抑制され、本発明における低光伝搬損失の利
点がもたらされるものと考えられる。もちろん、本発明
では、第5図(b)に示した従来構造に比べて、クラッ
ド層がはるかに厚く、外気層の影響を完全に遮断してい
ることも、低光伝搬損失実現のための重要な要因である
Here, in particular, the core part 2a and the quartz-based glass ground layer 3
It is characteristic that the boundary with b is not steep, but is gentle due to the above-mentioned diffusion phenomenon. As a result, the interface fluctuation existing at the boundary between the core part 2a and the cladding layer 3b becomes smaller in appearance, and the occurrence of light scattering loss, which has been a problem in the past, is suppressed, and the advantage of low light propagation loss in the present invention is realized. It is thought that this will be brought about. Of course, in the present invention, the cladding layer is much thicker than the conventional structure shown in FIG. This is an important factor.

上記実施例では、クラッド層3bにドーパントとして含
まれるP成分の拡散が、コア部2aの微細構造形成上、
重要な役割を果している。この拡散量は、クラッド層3
bを透明ガラス化する際の温度によって大きく左右され
る。すなわち、透明ガラス化温度が1000℃程度以下
の場合には、はとんど拡散が生ぜず、光伝搬損失の低減
化効果が低かフた6逆に、透明ガラス化温度が1300
℃程度以上の場合には、拡散深さが深すぎて、コア部2
aの低自由キャリア濃度領域が消失し、光伝搬作用その
ものが失われてしまった。
In the embodiment described above, the diffusion of the P component contained as a dopant in the cladding layer 3b contributes to the formation of the fine structure of the core portion 2a.
plays an important role. This amount of diffusion is
It is greatly influenced by the temperature at which b is made into transparent glass. That is, when the transparent vitrification temperature is about 1000°C or lower, diffusion hardly occurs and the effect of reducing light propagation loss is low.6 Conversely, when the transparent vitrification temperature is about 1300°C
If the temperature is above ℃, the diffusion depth is too deep and the core part 2
The low free carrier concentration region of a disappeared, and the light propagation effect itself was lost.

石英系ガラス微粒子層3aの透明ガラス化に必要な最低
温度は、ドーパント添加量によってほぼ決まり、透明ガ
ラス化温度を1300℃以下にするには、P2O,を2
モル%程度以上、クラッド層3bに含有させておくこと
が必要である。このようなガラス組成の設定は、ガラス
形成原料ガスの組成により制御できる。 P2O,の添
加濃度が20モル%程度を越えると、クラッドFJ3b
の耐候性が悪くなり、しかもまた、クラッド層3bの熱
膨張係数がシリコン基板1の熱膨張係数よりも大きくな
り、クラッド層3bにひび割れが発生しやすくなるので
、実用上望ましくない。
The minimum temperature required for transparent vitrification of the silica-based glass fine particle layer 3a is approximately determined by the amount of dopant added.
It is necessary to make the cladding layer 3b contain about mol% or more. Such setting of the glass composition can be controlled by the composition of the glass forming raw material gas. When the added concentration of P2O exceeds about 20 mol%, cladding FJ3b
In addition, the thermal expansion coefficient of the cladding layer 3b becomes larger than that of the silicon substrate 1, which makes the cladding layer 3b more likely to crack, which is not desirable in practice.

上述したように、本発明シリコン先導波路は、コア部2
aが厚い石英系クラッド層3bに埋め込まれた構造を基
本としているが、このクラッド層3bの適正膜厚範囲は
、はぼ5〜100μlの範囲である。膜厚が、5μl程
度以下であると、低損失化効果が薄れるばかりでなく、
取扱い上、破損しやすくなり、望ましくない。膜厚が、
100μ腸程度を越えると、材料が無駄であるばかりで
なく、シリコン基板1の反りが増大し、やはり取扱い上
望ましくない。
As mentioned above, the silicon guided waveguide of the present invention has a core portion 2.
The basic structure is that a is embedded in a thick quartz-based cladding layer 3b, and the appropriate thickness range of this cladding layer 3b is approximately 5 to 100 μl. If the film thickness is less than about 5 μl, not only the loss reduction effect will be weakened, but also
This is undesirable because it is easily damaged during handling. The film thickness is
If it exceeds about 100 μm, not only is the material wasted, but the silicon substrate 1 also warps, which is also undesirable in terms of handling.

シリコン基板1の上に、石英系ガラス微粒子層3aを堆
積する手段としては、上記の火炎加水分解反応を利用す
る方法以外に、各種の方法が知られているが、5〜10
0μm範囲の、いわゆる膜厚を、高品質な状態で堆積す
るためには、上記方法が最適である。
As means for depositing the silica-based glass fine particle layer 3a on the silicon substrate 1, various methods are known in addition to the method using the flame hydrolysis reaction described above.
The above method is optimal for depositing a so-called film thickness in the 0 μm range with high quality.

東五里ス 第3図は、本発明の第2実施例として電流注入部を設け
たシリコン先導波路の断面を示す断面図である。この実
施例が実施例1と相違する点は、石英系ガラスクラッド
層3bにドーパントとして、P2O,ではなく、B20
.が含有されている点、およびクラッド層3bの一部に
リッジ状コア部2aに達する開口6が設けられ、その間
口6を介してコア部2aに電極7が配設され、さらにシ
リ、コン基板1の下側主表面には下部電極8が配設され
ている点である。
FIG. 3 is a sectional view showing a cross section of a silicon guiding waveguide provided with a current injection part as a second embodiment of the present invention. The difference between this example and Example 1 is that B20, instead of P2O, was used as a dopant in the silica-based glass cladding layer 3b.
.. A part of the cladding layer 3b is provided with an opening 6 that reaches the ridge-shaped core portion 2a, and an electrode 7 is provided on the core portion 2a through the opening 6. 1 is that a lower electrode 8 is disposed on the lower main surface.

第3図示の構造を形成するにあたっては、まず、実施例
1と同様の工程を経て、リッジ状コア部2aを埋め込む
ように石英系ガラスクラッドJiJ3bを堆積して透明
化した。ただし、ガラス形成原料ガスとしては、 S 
i C11a −P C、Q 3系に代えて、5iCj
! 4−BCIl、s系を用い、クラッド層3bの組成
を5j02−8203系とした。続いて、コア部2aの
上部のクラッド層3bの一部にコア部に到達する幅6μ
m、長さIIIII+の開口6を反応性イオンエツチン
グ法により形成し、弓ぎ続いて、電極7および下部電極
8を真空蒸着法によって形成した。
In forming the structure shown in FIG. 3, first, through the same steps as in Example 1, a silica-based glass cladding JiJ3b was deposited and made transparent so as to bury the ridge-shaped core portion 2a. However, as the glass forming raw material gas, S
i C11a -P C,Q Instead of 3 system, 5iCj
! The composition of the cladding layer 3b was set to be 5j02-8203 based using 4-BCIl,s based. Next, a part of the cladding layer 3b above the core part 2a is formed with a width of 6 μm reaching the core part.
An opening 6 having a length III+ was formed by reactive ion etching, and then an electrode 7 and a lower electrode 8 were formed by vacuum evaporation.

本実施例のシリコン先導波路においては、クラッド層3
bの形成時にB成分がコア部2aの表面近傍に拡散し、
第3図に示したように、本来n型であったコア部2aの
表面に14層が形成されている。
In the silicon guided waveguide of this example, the cladding layer 3
When forming b, the B component diffuses near the surface of the core portion 2a,
As shown in FIG. 3, 14 layers are formed on the surface of the core portion 2a, which was originally n-type.

すなわち、コア部2aの上面には、いわゆるp′″n接
合が生じている。そこで、電8i7を十極、下部電極8
を一極として、p0n接合に順方向バイアスを加えると
、コア部2aに、キャリアが大量に注入され、注入領域
に屈折率変化(減少)を起こすことができる。このため
に必要な注入電流密度はl kA/cm2程度であった
。このような屈折率変化の現象は、シリコン先導波路を
、光穆相器や光スィッチの構成要素として活用する際に
極めて有効である。
That is, a so-called p'''n junction is formed on the upper surface of the core part 2a.Therefore, the electrode 8i7 is connected to ten electrodes, and the lower electrode
When a forward bias is applied to the p0n junction with 2 as one pole, a large amount of carriers are injected into the core portion 2a, causing a change (reduction) in the refractive index in the injection region. The injection current density required for this purpose was about 1 kA/cm2. Such a phenomenon of refractive index change is extremely effective when utilizing a silicon guided waveguide as a component of an optical phase filter or an optical switch.

このように、実施例2においては、石英系クラッド層3
bが、シリコン光導波路の光伝搬損失を低減化させる効
果に加えて、p9n接合を形成し、シリコン先導波路を
機能化するためにも有益である。
In this way, in Example 2, the quartz-based cladding layer 3
In addition to the effect of reducing the optical propagation loss of the silicon optical waveguide, b is also useful for forming a p9n junction and functionalizing the silicon guiding waveguide.

クラッド層3bにおけるB2O3添加濃度の適正範囲に
ついては、実bi例1におけるP2O5添加濃度範囲と
ほぼ同等の議論が成り立ったことを確認している。
Regarding the appropriate range of B2O3 doping concentration in the cladding layer 3b, it has been confirmed that the discussion is approximately the same as the P2O5 doping concentration range in Bi Example 1.

以上、2例について、本発明シリコン先導波路の構成と
製法について説明したが、本発明はこれら実施例にのみ
限定されるものではなく、例えば、上記実施′例とは逆
にp1型シリコン基板にp型のシリコンコア部を設ける
等のように種々変形して実施することもできる。
Although the structure and manufacturing method of the silicon guided waveguide of the present invention have been described above with respect to two examples, the present invention is not limited to these examples. It is also possible to implement various modifications such as providing a p-type silicon core portion.

あるいはまた、石英系ガラスクラット層にドーパントと
してP2O,と8203とを同時に含有させることもで
きる。この場合、P2O5とhasとの合計添加濃度(
モル%)について、実施例1で論じたのと同等の適正濃
度範囲の議論が成り立つ。この場合、シリコンコア部上
面の拡散層の極性は、P成分、B成分いずれが優勢であ
るのかに応じて、それぞれ、n型、p型に決定される。
Alternatively, P2O and 8203 can be simultaneously contained as dopants in the silica-based glass crat layer. In this case, the total addition concentration of P2O5 and has (
The same discussion on the appropriate concentration range as discussed in Example 1 can be made regarding (mol%). In this case, the polarity of the diffusion layer on the upper surface of the silicon core portion is determined to be n-type or p-type, depending on whether the P component or the B component is predominant.

夫直■且 第4図(a)および(b)は本発明の第3実施例として
の、光フアイバ接続ガイド溝付きシリコン先導波路の構
成を示し、第4図(a)はそのファイバ挿入前の斜視図
、第4図(b)はファイバ挿入後の断面図である。
Figures 4(a) and 4(b) show the configuration of a silicon guided waveguide with an optical fiber connection guide groove as a third embodiment of the present invention, and Figure 4(a) shows the structure before the fiber is inserted. FIG. 4(b) is a sectional view after the fiber is inserted.

ここで、厚い石英系ガラスクラッドJi!!3bで埋め
込まれたシリコン光導波路コア部2aを形成する工程は
、第1図(a)〜(d)  と同様であるが、ここでは
、さらに反応性イオンエツチングによりクラッド層3b
とシリコン基板1の一部を除去して、コア部2aの端部
近傍に、光フアイバ接続用のガイド溝9を設けた。この
ガイド溝9の幅は単一モード光ファイバlOの外径Cl
25μl11)に合わせて126μmとした。ガイド溝
9の深さは、光ファイバ1.0をガイドtf49に挿入
した際に、第4図(b) に示すように、この光ファイ
バのコア部が、シリコン先導波路のコア部2aと一致す
るように調節されているものとする。
Here, thick quartz-based glass clad Ji! ! The process of forming the silicon optical waveguide core 2a embedded with the silicon optical waveguide core 3b is the same as that shown in FIGS.
A part of the silicon substrate 1 was removed, and a guide groove 9 for connecting an optical fiber was provided near the end of the core portion 2a. The width of this guide groove 9 is the outer diameter Cl of the single mode optical fiber IO.
It was set to 126 μm in accordance with 25 μl11). The depth of the guide groove 9 is such that when the optical fiber 1.0 is inserted into the guide TF49, the core part of this optical fiber matches the core part 2a of the silicon guided waveguide, as shown in FIG. 4(b). It shall be adjusted so that

実際に上記の構成で、光ファイバとシリコン先導波路と
の間の接続損を測定したところ、3dB程度でありた。
When we actually measured the connection loss between the optical fiber and the silicon guided waveguide with the above configuration, it was about 3 dB.

そのうちの約1dBは、シリコン先導波路と光ファイバ
との屈折率差に起因するフレネル反射損であったので、
シリコン先導波路端部に無反射コーティング処理を施し
てフレネル反射を解消した構成によれば、2dBを下回
る接続損が達成された。
Approximately 1 dB of this was Fresnel reflection loss due to the difference in refractive index between the silicon leading waveguide and the optical fiber.
A connection loss of less than 2 dB was achieved with a configuration in which Fresnel reflection was eliminated by applying anti-reflection coating to the end of the silicon pilot waveguide.

実施例3で説明した光フアイバ接続ガイドに類似のガイ
ド構造は、光ファイバに限らず、シリコン先導波路に受
発光素子などの光デバイスを装着する際にも利用できる
ことは明らかである。
It is clear that a guide structure similar to the optical fiber connection guide described in Example 3 can be used not only for optical fibers but also for attaching optical devices such as light receiving and emitting elements to silicon guided waveguides.

さらにまた、石英系ガラスクラッド層3bの一部を除去
して形成した溝は、最近急速に進歩しつつあるシリコン
基板上への化合物半導体のへテロエピタキシャル成長技
術とともに用いれば、シリコン先導波路端部や途中に化
合物半導体光素子を直接形成する際の成長案内溝として
の役割を果すことも可能である。
Furthermore, if the grooves formed by removing a part of the silica-based glass cladding layer 3b are used in conjunction with the heteroepitaxial growth technology of compound semiconductors on silicon substrates, which has been rapidly progressing in recent years, It is also possible to serve as a growth guide groove when a compound semiconductor optical device is directly formed in the middle.

[発明の効果〕 以上説明したように、本発明では、厚い石英系ガラスク
ラッド層を設けたシリコン光導波路構成をとることによ
り、従来問題であったシリコン先導波路の先任111i
i損失を大幅に低減化できる。
[Effects of the Invention] As explained above, in the present invention, by employing a silicon optical waveguide structure provided with a thick silica-based glass cladding layer, the predecessor 111i of the silicon optical waveguide, which has been a problem in the past, can be solved.
i loss can be significantly reduced.

さらに、本発明によれば、P2O,あるいはB2O3を
石英系ガラスの軟化温度を低下させるドーパントとして
含有する石英系ガラスクラット層を火炎加水分解反応を
利用したガラス微粒子の堆積・透明化工程を経て形成す
ることにより、シリコン先導波路の先任撤作用を損なう
ことなく、厚いクラット層を容易に形成できる。
Furthermore, according to the present invention, a silica-based glass crat layer containing P2O or B2O3 as a dopant that lowers the softening temperature of silica-based glass is formed through a glass particle deposition and transparency process using a flame hydrolysis reaction. By doing so, a thick crat layer can be easily formed without impairing the prior withdrawal effect of the silicon guiding waveguide.

さらにまた、本発明では、必要に応じてシリコン先導波
路にpn接合を設け、これにバイアス電圧を印加するこ
とにより、シリコン先導波路に機能性を付与することも
可能である。
Furthermore, in the present invention, it is also possible to impart functionality to the silicon leading waveguide by providing a pn junction in the silicon leading waveguide and applying a bias voltage thereto, if necessary.

あるいはまた、シリコン先導波路コア部が、厚い石英系
ガラスクラッド層に覆われたことにより、取扱いが容易
となる利点もある。
Alternatively, since the silicon guiding waveguide core portion is covered with a thick silica-based glass cladding layer, there is an advantage that handling becomes easier.

さらにまた、本発明は、石英系ガラスクラッド層に反応
性イオンエツチング等の方法で、−iのガイド溝を形成
し、シリコン先導波路への光フアイバ接続や光素子装着
を容易にすることができる効果も有する。
Furthermore, according to the present invention, -i guide grooves can be formed in the silica-based glass cladding layer by a method such as reactive ion etching, thereby making it possible to easily connect an optical fiber to a silicon guiding waveguide or attach an optical element. It also has effects.

上記の効果により、本発明シリコン光導波路およびその
製造方法は、上述した光集積回路応用分野に加えて、い
わゆるオプティカル・インターコネクション等の新しい
先導波路応用分野においても重要な地位を占めるものと
期待される。
Due to the above effects, the silicon optical waveguide of the present invention and its manufacturing method are expected to occupy an important position not only in the above-mentioned optical integrated circuit application field but also in new guiding waveguide application fields such as so-called optical interconnection. Ru.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図(δ) 、 (b) 、 (c)および(d)は
本発明によるシリコン先導波路の一実施例の作製工程例
を示す断面図、 第2図は本発明の第1実施例のシリコン先導波路の断面
構造の詳細を説明するための断面図、第3図は本発明の
第2実施例としての電流注入部付きシリコン先導波路の
断面構造を示す断面図、 第4図(a)および(b)は本発明の第3実施例として
の光ファイバ接続ガイド付きシリコン先導波路の構成を
示す、それぞれ、斜視図および断面図、 第5図(a)および(b)は従来のシリコン先導波路断
面構造の2例を示す断面図である。 4・・・上部拡散層、 5・・・下部拡散層、 6・・・開口、 7・・・電極、 8・・・下部電極、 9・・・光フアイバガイ lO・・・光ファイバ。 ド溝、
FIGS. 1(δ), (b), (c), and (d) are cross-sectional views showing an example of the manufacturing process of an embodiment of the silicon guided waveguide according to the present invention, and FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining the details of the cross-sectional structure of a silicon guided waveguide; FIG. 3 is a cross-sectional view showing the cross-sectional structure of a silicon guided waveguide with a current injection part as a second embodiment of the present invention; and (b) are perspective views and cross-sectional views, respectively, showing the configuration of a silicon guided waveguide with an optical fiber connection guide as a third embodiment of the present invention. FIG. 3 is a cross-sectional view showing two examples of wave path cross-sectional structures. 4... Upper diffusion layer, 5... Lower diffusion layer, 6... Opening, 7... Electrode, 8... Lower electrode, 9... Optical fiber guide lO... Optical fiber. groove,

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1)下部クラッド層を兼ねたシリコン基板と、前記シリ
コン基板上に配置され、該シリコン基板より自由キャリ
ア濃度の低いシリコンコア部と、 前記シリコンコア部を埋め込むように配置され、かつ石
英系ガラスの軟化温度を低下させるドーパントを含む石
英系ガラスクラッド層とを具えたことを特徴とするシリ
コン光導波路。 2)前記シリコンコア部の前記シリコン基板に接する面
および前記石英系ガラスクラッド層に接する面に、前記
シリコンコア部の自由キャリア濃度よりも高い自由キャ
リア濃度を有する拡散層を配設したことを特徴とする請
求項1記載のシリコン3)シリコン基板上に、該シリコ
ン基板より低自由キャリア濃度のシリコン層をエピタキ
シャル成長させる工程と、 前記低自由キャリア濃度のシリコン層の不要部分を除去
してリッジ状シリコンコア部を形成する工程と、 少なくとも前記リッジ状シリコンコア部を埋め込むよう
にして、石英系ガラスの軟化温度を下げるドーパントを
含む石英系ガラスクラッド層を形成する工程と を具えたことを特徴とするシリコン光導波路の製造方法
。 4)前記石英系ガラスクラッド層の形成工程は、 リッジ状シリコンコア部を形成した前記シリコン基板上
に、ガラス形成原料ガスの火炎加水分解反応により、前
記リッジ状シリコンコア部を埋め込むようにガラス微粒
子を堆積する工程と、それにより前記シリコン基板上に
堆積されたガラス微粒子を前記シリコン基板と共に加熱
して、前記ガラス微粒子を透明ガラス化して、前記石英
系ガラスクラッド層を形成する工程と を具えたことを特徴とする請求項3記載のシリコン光導
波路の製造方法。
[Claims] 1) a silicon substrate that also serves as a lower cladding layer; a silicon core portion disposed on the silicon substrate and having a lower free carrier concentration than the silicon substrate; and a silicon core portion disposed so as to embed the silicon core portion. , and a silica-based glass cladding layer containing a dopant that lowers the softening temperature of silica-based glass. 2) A diffusion layer having a free carrier concentration higher than that of the silicon core portion is provided on a surface of the silicon core portion that is in contact with the silicon substrate and a surface that is in contact with the silica-based glass cladding layer. 3) A step of epitaxially growing a silicon layer having a lower free carrier concentration than the silicon substrate on the silicon substrate, and removing an unnecessary portion of the silicon layer having a lower free carrier concentration to form a ridge-shaped silicon layer. The method is characterized by comprising a step of forming a core portion, and a step of forming a silica-based glass cladding layer containing a dopant that lowers the softening temperature of the silica-based glass so as to embed at least the ridge-shaped silicon core portion. Method for manufacturing silicon optical waveguide. 4) The step of forming the silica-based glass cladding layer includes depositing glass fine particles on the silicon substrate on which the ridge-shaped silicon core is formed, by a flame hydrolysis reaction of the glass-forming raw material gas so as to embed the ridge-shaped silicon core. and a step of heating the glass particles deposited on the silicon substrate together with the silicon substrate to turn the glass particles into transparent vitrification to form the silica-based glass cladding layer. 4. The method of manufacturing a silicon optical waveguide according to claim 3.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH09325227A (en) * 1996-06-06 1997-12-16 Fujikura Ltd Optical waveguide grating
JP2002014242A (en) * 2000-06-28 2002-01-18 Oki Electric Ind Co Ltd Optical waveguide device
US7076135B2 (en) 2002-09-20 2006-07-11 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Optical module and manufacturing method therefor
CN102213795A (en) * 2010-04-15 2011-10-12 上海圭光科技有限公司 Method for fabricating waveguides using epitaxial growth

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