JPH0738043B2 - シリコン基板上の石英系光導波路 - Google Patents

シリコン基板上の石英系光導波路

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JPH0738043B2
JPH0738043B2 JP21783786A JP21783786A JPH0738043B2 JP H0738043 B2 JPH0738043 B2 JP H0738043B2 JP 21783786 A JP21783786 A JP 21783786A JP 21783786 A JP21783786 A JP 21783786A JP H0738043 B2 JPH0738043 B2 JP H0738043B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、シリコン基板上の石英系光導波路、さらに詳
細には、導波形光部品の構成に必要な石英系光導波路に
関する。
〔発明の技術滴背景〕
シリコン基板上に作成可能な石英系光導波路は、そのコ
ア部断面寸法を通常使用されている石英系光ファイバに
あわせて、単一モード用で5〜10μm程度、多モード用
で50μm程度に設定することができるため、光ファイバ
と整合性に優れた実用的な導波系光部品の実現手段とし
て期待されている。
第1図は従来の石英系光導波路(単一モード、埋込形)
の断面構造説明図であり、1はシリコン基板、2は石英
系ガラスコア部、3はコア部2を埋め込むように取り囲
む石英系ガラスクラッド層である。コア部2の断面寸法
は10μm程度、クラッド層3の厚みは50μm程度であ
り、シリコン基板1の厚みは0.4〜1mm程度である。
このような石英系単一モード光導波路は、SiCl4、TiCl4
などの原料ガラスの火炎加水分解反応を利用したガラス
膜の堆積技術と反応性イオンエッチング技術との組合せ
により作製される(河内正夫:「石英系光導波路の微細
加工」、応用物理学会光学懇話会微小光学研究グループ
機関紙、1986、4/vol.No.2、pp.33-38)。
第1図の石英系単一モード光導波路は、石英系ガラスと
シリコン基板との熱膨張率係数の差により、ガラス膜面
内に15Kg/mm2程度の強い圧縮応力を受けており、これに
より、光導波路は応力複屈折を呈している。光導波路の
複屈折性は、導波系光部品の性能などを支配する重要因
子の一つであり、その精密な制御が望まれるが、従来の
石英系単一モード光導波路では、シリコン基板からの応
力作用を除去することが難しく、高機能の導波系光部品
を構成する際の障害になっていた。
さらに、光導波路本体を構成するコア部がクラッド層を
介して、前記シリコン基板と完全に密着した第1図の構
造では、光導波路本体を基板上でメカニカルに動かすこ
とは全く不可能であり、光導波路多機能化の障害ともな
っていた。
〔発明の概要〕
本発明は、従来のシリコン基板に起因する上記制約を解
消して、複屈折の局所的な除去を行うことを第一の目的
としている。
本発明はまた、前述のような光導波路機能の多用化が可
能な、シリコン基板上の石英系光導波路を提供すること
を目的とする。
本発明の他の目的は、以下の記述により、明らかになる
であろう。
上記の目的を達成するため、本発明によるシリコン基板
上の石英系光導波路は、シリコン基板上の石英系クラッ
ド層にコア部が埋設されたシリコン基板上の石英系光導
波路において、該クラッド層に囲まれたコア部で構成さ
れる光導波路の一部にシリコン基板より離れた分離光導
波路部分を形成したことを特徴としている。
本発明によれば、石英系光導波路の一部がシリコン基板
から離間した分離光導波路部分を形成するようにシリコ
ン基板の一部をエッチングなどの手段によって除去して
いることを最も主要な特徴としている。石英系光導波路
が全領域にわたって、シリコン基板により密着支持固定
されている従来のシリコン基板上の石英系光導波路と
は、応力複屈折を局部的に解消できる点、基板の束縛を
免れて局部的に可動できる点が異なっている。
〔実施例1〕 第2図は本発明による第一の実施例を説明する図であっ
て、(a)は平面図、(b)はA−A′線に沿った断面
図である。
この図より明らかなように、この実施例においてはシリ
コン基板1上に光導波路本体となるコア部2が埋設され
たクラッド層3が積層されており、さらに、前記コア部
2の両側には、前記コア部2に沿ってシリコン基板1に
到達する溝4a、4bが設けられている。この溝4aおよび4b
を通してシリコン基板1の一部は化学エッチングにより
除去されており、シリコン基板除去領域5では、コア部
2を有する光導波路は、シリコン基板より遊離した分離
光導波路部分2aを構成している。このため、光導波路部
分2aに対するシリコン基板1よりの影響は最少限に抑制
されている。
この第2図に示す実施例においては、クラッド層3は厚
さ50μmのSiO2系ガラス、コア部2は8μm角のSiO2
TiO2系ガラスで、中心位置高さは、シリコン基板面から
25μmに位置している。溝4a、4bは、幅50μmであり、
溝4a、4bに挟まれた分離光導波路部分2aの幅も50μmで
ある。溝4a、4bは反応性イオンエッチングによりクラッ
ド層3の一部を除去することにより形成したもので、そ
の後、シリコンの等方性エッチング液に、シリコン基板
1を10分間程度浸漬して、シリコン基板除去領域5を形
成した。この実施例で使用したエッチング液は、フッ酸
9ml、硝酸75ml、酢酸30mlの割合で混合したものであ
る。
第2図の構造において、光導波路の複屈折性を偏光測定
により評価した結果、シリコン基板除去領域5の分離光
導波路部分2aの複屈折値Bは、10-5程度と小さく、シリ
コン基板未除去領域での値B=4×10-4に比較して大幅
に低減化されており、光導波路をシリコン基板から離間
せしめることにより、応力緩和がなされていることが確
認された。
〔実施例2〕 第3図に、より具体的な応用例として偏波依存性のない
光周波数多重回路構成例について説明する。
第3図(a)は本発明による一実施例の光周波数多重回
路の平面図であり、シリコン基板上のSiO2系クラッド層
26内に埋設されて形成された2本の単一モードコア部2
4、25から基本的になり、2本のコア部24、25は、その
一部で近接して平行となり、方向性結合器22、23を構成
している。方向性結合器22、23の結合率は、ほぼ50%に
なるように近接平行部の構造パラメータが選定されてい
る。方向性結合器22、23を連結する2本のコア部24、25
は長さΔLだけ異なっている。長居方のコア部24の一部
にはΔLに相当する距離にわたって、シリコン基板除去
領域27が設けられており、その部分(分離光導波路部分
2a)の複屈折値は、ほぼ零になっている。
ΔLの長さ、したがって、シリコン基板除去領域27の長
さ(分離光導波路部分2aの長さに相当する)は数mm以上
におよぶので、前記光導波路部分2aの破損を防ぐため、
第3図(b)のシリコン基板除去領域拡大図に示すよう
に、シリコン基板を除去するための溝27a、27bは、長手
方向に沿って複数個分割された配置されており、分離光
導波路部分2aを一種のブリッジ構造28に支持している。
この実施例において、コア部の断面寸法等は実施例1と
同様である。また、分割された各溝27a、27bの長さは45
0μm、ブリッジ構造部の幅は50μmであり、500μm長
を周期としてブリッジ構造を繰り返して所望長さの光導
波路部分2a(シリコン基板除去領域27)を形成した。
入力ポート21aに入射した1.5μm波長帯のΔfだけ周波
数の異なる2本の光信号f1、f2は、方向性結合器22によ
り、それぞれ等分され、コア部24、25に分かれて進行
し、方向性結合器23により再び結合される。ΔLをΔL
=C/(2n・Δf)と設定しておくと、光信号f1、f2を出
力ポート21b、22bに分離して出力することができる。こ
こで、Cは真空中の光速、nは光導波路の屈折率であ
る。この実施例では、Δf=20GHzとし、したがって上
記関係式よりΔL=5.1mmとした。
シリコン基板除去領域27を設けなかった場合には、光光
路差ΔLはポート21aへ入力する信号光の偏光方向よ
り、ΔL・Bだけ異なり、第3図(a)のマッハ・ツェ
ンダ形光干渉系は強い偏波依存性を示し、入力信号光の
偏波方向をTMあるいはTEのいずれか位置方向にのみに成
るように偏波面を制御することが必要という欠点があっ
た。これに対し、シリコン基板除去領域27を設けた第3
図の実施例においては、ΔLに相当する光路のB値はほ
ぼ零、すなわちΔL・B≒0となっているので、光周波
数多重回路としてのマッハ・ツェンダ形干渉形は偏波依
存性を示さず、入力信号光の偏波方向によらない安定動
作を行わせることができた。すなわち、面倒な偏波面コ
ントローラを併用することなしに、光周波数多重伝送を
実現できることが明らかになった。
第3図(b)において、シリコン基板除去領域27を形成
する際の27a、27bを複数個に分割してブリッジ構造によ
りシリコン基板から分離した光導波路部分の機械的強度
を維持する例について説明したが、場合によっては、第
5図に示すような構造を採用することもできる。
すなわち第5図は光導波路部分をシリコン基板より分離
支持する本発明による一実施例であり、(a)は平面
図、(b)は断面図である。第3図(b)の実施例との
差異はブリッジ構造28の幅が広くとってあり、シリコン
基板1の化学エッチング後もブリッジ構造28の下部にシ
リコンが部分的に残されて、シリコン残留部53を形成し
ている点である。シリコン残留部53の存在により、光導
波路部分は、より強固にシリコン基板1に支えられ、分
離構造の実現と機械的強度の維持を両立させることがで
きる。シリコン残留部53上部の光導波路には、複屈折性
が残るが、シリコン基板除去領域27の実行長をΔLに合
わせることにより、光周波数多重回路として所望の動作
を達成することができる。
〔実施例3〕 第4図は本発明による他の実施例を示す説明図であり、
(a)は平面図、(b)はB−B′線に沿った断面図で
ある。図中、41はシリコン基板、42はSiO2系クラッド層
43に埋設されたSiO2−TiO2系コア路である。シリコン基
板除去領域45は溝44を通してシリコン基板41の一部を化
学エッチングすることにより設けられている。したがっ
てシリコン基板除去領域45上の分離光導波路部分2aは一
種のカレンチレバー構造を有し、光導波路の弾性を利用
して上下方向に微小に変位させることが可能である。微
小変位を引き起こす駆動力としては、機械的圧力や静電
力などを利用することができ、この実施例の光導波路構
造はオンオフ式光スイッチの構造などに有効である。
以上の実施例で説明したように、本発明による光導波路
は、シリコン基板上に石英系クラッド層を形成した光導
波路である。この石英系のクラッド層とシリコン基板と
の組合せは、前記クラッド層を高温において形成せしめ
るために、前述のように石英系クラッド層とシリコン基
板間に圧縮応力を生じやすい。したがって、本発明によ
る構造を採用することによって圧縮応力の解消をなすも
のである。
また、以上の実施例ではクラッド層に設けた溝を経由し
た化学エッチングによりシリコン基板の一部を除去した
が、場合によってはシリコン基板の裏側より所望部分の
シリコン基板を除去し、本発明による光導波路構造を形
成してもよい。また、エッチング液としても、必ずしも
等方性エッチング液に限定されず、シリコン基板の方位
を利用した異方性エッチングを採用してもよい。この場
合、たとえば異方性エッチング液としては、エチレンジ
アミンとピロカテロウの混合液や水酸化カリウム水溶液
を使用できる。
等方性エッチング、異方性エッチングいずれの場合も、
シリコン基板のエッチングと同時に石英系光導波路もわ
ずかにエッチングされるが、選択比は10:1〜100:1程度
とれるので光導波路構造が損なわれることはない。な
お、以上のいわゆるウェットエッチングの代わりに、CB
rF3、SF6などのエッチング用ガスを用いるドライエッチ
ング、すなわちプラズマエッチング方法を、本発明の光
導波路構造を実現するために用いることができる。この
場合、シリコン基板から光導波路部分を分離するために
アンダーカッチングの生じやすいプラズマエッチング条
件を選択するのが好ましい。
上述のように、本発明によれば、前記分離光導波路部分
を形成する方法は、基本的に限定されるものではなく、
上述のようにシリコン基板より分離した分離光導波路部
分を形成することができれば、いかなる方法をも使用可
能であることは明らかであろう。
〔発明の効果〕
本発明によれば、シリコン基板上の石英系光導波路の所
望部分をシリコン基板から離して応力複屈折を解消した
り、光導波路の一部を可動にしたりすることができるの
で、光周波数多重回路などの光伝送用部品や光スイッ
チ、さらには光センサなどの高機能の導波形光部品を実
現する上に、極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の石英系単一モード光導波路の断面図、第
2図は本発明による光導波路の一実施例の平面図および
A−A′線に沿った断面図、第3図は本発明による第2
の実施例による光周波数多重回路の構成を示す平面図お
よび一部拡大図、第4図は本発明による第3の実施例に
よる平面図およびB−B′線にそった断面図、第5図は
上記第2の実施例の変形例を示す平面図および断面図で
ある。 1、41……シリコン基板、2、24、25、42……コア部、
2a……分離光導波路部分、3、26、43……クラッド層、
4a、4b、27a、27b、44……溝、4、27、45……シリコン
基板除去領域、21a、22a……入力ポート、21b、22b……
出力ポート、22、23……方向性結合器、28……ブリッジ
構造、53……シリコン基板残留部。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】シリコン基板上の石英系クラッド層にコア
    部が埋設されたシリコン基板上の石英系光導波路におい
    て、該クラッド層に囲まれたコア部で構成される光導波
    路の一部にシリコン基板より離れた分離光導波路部分を
    形成したことを特徴とするシリコン基板上の石英系光導
    波路。
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DE87306341T DE3785105T2 (de) 1986-07-28 1987-07-17 Optischer Monomod-Wellenleiter.
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