JPS6015606A - 光集積回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は光集積回路、特に耐熱性高分子樹脂をクラッド
層として用いる事によシ光伝送損失を大幅に小さくした
事を特徴とする光集積回路に関する。

〔発明の背景〕

一般に、光集積回路は第１図に示したような構造のもの
が複雑に組み合わされている。すなわち基板（例えばガ
ドリニウム・ガリウム・ガーネッ）：ＧＧＧ）１上にそ
れよシも屈折率の高い光導波層（例えばイツトリウム・
鉄・ガーネット：ＹＩＧ）２をもち、その導波層には帯
状の光導波路（リッジと呼ぶ）３が形成されている。光
はこのリッジの部分を伝搬し、例えば、第１図のように
２本のリッジが合近接している場合には、リッジ３−１
を伝搬する光は、リッジの形状、屈折率等で定められた
ある長さの間で、リッジ３−２にすべての光のエネルギ
ーが乗り移る。この場合例えば第２図（ａ）に示すよう
にリッジの上部に磁界をリッジに印加する磁石４をおき
、磁界の強さをコントロールすることによって、３−２
への乗り移シを防止し３−１の光は３−１の出力端から
出す事も可能である。通常磁界をコントロールするには
磁石というよりもサーペンタインコイル（曲がシ〈ねっ
たコイル）を用いるのが通常である。この場合にはコイ
ルは直接リッジ上に形成することが困難で、リッジ上に
平坦な媒質を作成しその上部に形成することが必要であ
る。一方基板１に電気光学結晶（例えばガリウム・砒素
ＧａＡＳ）を用い同時に光導波層２にそれより屈折率の
高い電気光学結晶（例えば高い抵抗値をもつＱａ　Ａｓ
　）を用いた場合にはリッジの上部に第２図（ｂ）に示
すように電極５−１．５−２をつけ、下部にも電極６を
つけて両端の電圧をコントロールすることによって光の
乗シ移シを防止する。これが光集積回路の内の光スィッ
チの原理であるが前者は磁気光学効果を用い、後者は電
気光学効果を用いている。一般に光集積回路では電気・
磁気効果を利用する。

第１図では最も簡単な場合について記したが一般に光集
積回路は複雑な形状をしている。例えば第３図に示すよ
うな構造になる。

このような曲がり光導波路を含む複雑な光集積回路の問
題・点は光の伝送損失をいかに小さくするかという事で
ある。特に問題となるのは光の散乱光導波路の構造的な
要因からくる光散乱に分類できる。前者は材料により決
定され、石英系ガラスでは光の波長１μｍで約０．８ｄ
Ｂ／Ｉａｎであり、光集積回路としては無視出来るほど
に小さい。しかし後者は、光導波路の作製方法によって
大きく変動し、一番問題である。

リッジを作製するには、通常ウェットエツチング法、ド
ライエツチング法が用いられる。ウェットエツチング法
とはＹＩＧなどを熱リン酸によって所望の部分だけエツ
チングする方法で、ドライエツチング法とは、例えばア
ルゴンイオン（Ａｒ”）をＹＩＧに当て、所望の部分を
機械的にエツチングする方法である。これらの方法で作
製したリッジの側面は、第４図に示すような凹凸７が存
在する。これは、エツチングのムラや材料の不均一性お
よびリッジを作製するときのホトマスクの凹凸などによ
って生じる。このようなリッジを伝搬する光は側面の凹
凸により光散乱をうけ光の伝送損失が生じる。この光の
伝送損失αはリッジの屈折率をｎｌ　とし、その外部の
屈折率をｎ３とすれば、αはｎ、ｚ−ｎ３ｇにほぼ比例
し、リッジ側面の凹凸の周期に大きく影響される。現在
リッジの側面の凹凸は約０．０８μｍ程度存在する。こ
れにょろりツジの直線°部の光損失はｌｄＢ／ｍ以下で
ある。

このように伝送損失が小さい゛のは第５図に示すように
リッジ中を伝搬する光のエネルギー（電界分布Ｅ）の外
部へのしみ出しが直線部では小さいため、リッジ側面の
凹凸の影響が少ないためである。

しかしながら、第５図に示すように曲り部における光エ
ネルギー（電界分布Ｅ）は外側に大きくもれるため、リ
ッジ側面の凹凸の影響を受け、光散乱が大きくなる。

この凹凸の影響をさらに明白にするため、基板１として
Ｇ　ａ　ｏ、ａ２Ａ　Ｌ　ｏ、ｓｓ　Ａ　ｓを光導波層
２としてＱ　ａ　Ａ　Ｓを用い、厚み０．８μｍの光導
波層２に曲げたりツジパターンを形成した後、イオンミ
リング装置にて深さ０．５μｍ１巾３μｍエツチングし
た。すなわちリッジは巾３μｍ１光導波層よりの高さ０
．５μｍ１基ｉよりの高さ０．８μｍの構造を有してい
る。曲げ半径０．７ｍから０．５ｍｍの曲率で曲げてい
る。この伝送損失を１．１５μｍの光波長のＨｅ−Ｎｅ
　レーザ光を用いて測定した。その結果を第６図に示す
。損失は曲げ損失と散乱損失の和であるが、曲げ半径が
小さくなると曲げ損失の方が、光散乱損失よシ大きくな
るため、第６図に直線で示すように直線状に増大する。

しかし曲げ半径が０．３μｍ程度の所では損失は直線変
化からずれている。このずれは明らかに光散乱によるも
のである。第３図に示したように光集積回路のパターン
が複雑になると曲がシ光導波路の部分が多くなり、第６
図に示した０、１ｗｍといった極端に小さな曲げ半径で
曲げ表いまでも、１鱈程度の曲げ半径はパターンの高密
度化の上からも必要である。

このため光散乱の減少が大きな課題であったてこの曲げ
半径を減少させるため、リッジ側面の凹凸を、光ファイ
・バにおけるクラッドの役目をするもので被覆し、凹凸
の効果を小さくするこころみか行われている。凹凸の効
果が小さく々るのは、先に記したように散乱損失が、リ
ッジと外部の屈折率の２乗の差に比例するため、この差
を小さくすればよいためである。また、側面に耐着した
ごみ、はこり等の影醤をなくすためである。例えばＬｉ
ＮｂＯ３の屈折率は約２．２であるため、外部が空気の
場合とＳｉｇｈガラスでは約３５−の伝送損失が改善さ
れることになる。この効果を用いているわけである。こ
の被覆膜として要求される特性は、■側面の凹凸を充分
に被覆するものである、■光の伝送損失の小さなもので
ある、■リッジに歪を発生させないものである、■リッ
ジの屈折率に近いものすなわちｎ１ｚ０３であることが
必要である。

現在、被覆にはＳｉＯ２等をスパッタリング法で作製す
ることが行われ°ている。こｈは上記条件の■及び■を
満足していない。■については記述するまでもな？。■
については、スパッタリング法等では充分に側面の凹凸
を、うめるに充分ではない。

リッジ側面の凹凸がリッジの高さ方向で変化し、いわゆ
る洞窟のように力っている場合には凹凸すべてをうめる
ことは不可能で、空気層（屈折率１の層）が残り光散乱
損失が大きく残る欠点がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、従来の光集積回路の有する上記問題を
解決し、低損失な光導波路を提供することにちる。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するため、本発明は、所定の膜厚を有す
る耐熱性高分子樹脂の硬化膜（以下、単に樹脂膜と記す
）を少なくとも上記３の被覆膜として使用するものであ
る。

〔発明の実施例とその効果〕

以下、本発明を実施例によシ詳細に説明する。

第７図は本発明の一実施例を説明するための図であυ、
ＧａＡＳ基板１上に形成された屈折率が３．４のＧａＡ
Ｓリッジ３−１．３−２をもつ光導波層２上に被覆層８
としてリッジ上の厚さ２００ｎｍのポリイミド系樹脂、
ここではポリイミド−イソインドロキナゾリンディオン
（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ　−１ｓｏｉｎｄｒｏｑｕｉｎａ
ｚｏｌ　１ｎｄｉｏｎ以下、ＰＩＩと記す）の硬化膜を
、それぞれ使用した光集積回路の一部断面構造が示され
ている。上記ＰＩＩ膜８は電極５−１．５−２をもつリ
ッジ３−１．３−２を形成した後、所定量のＰＩＩを溶
媒（たとえば、Ｎメチル２ピロリドンとＮ、Ｎジメチル
アセトアミドの１＝１混合液など）に溶解した液を回転
塗布法などによって塗布した後、熱処理を行って硬化す
ることによって形成される。

得られるＰＩＩ膜８の膜厚はＰＩＩ濃度と回転塗布にお
ける回転数によって、所望の厚さとすることができ、た
とえばＰＩＩ濃度８重量％、回転数３５０Ｏｒ１ｍとす
れば、熱処理後における厚さが３００ｎｍの−ＰＩＩ膜
が形成される。ＰＩＩ膜を塗布した後、たとえば３５０
１１：’、１時間の熱処理を行えば、Ｐ■工膜は硬化し
、光集積回路の被覆層として、十分な特性を有する硬化
膜が得られる。

ＰＩＩは溶液を回転塗布法などによって塗布するため、
リッジ凹凸を完全に埋めつくシ、かつ硬化後も変形が非
常に小さく、リッジの凹凸を完全にふさいでしまう。ま
たＰＩＩは第８図に示すように光の透過性が０．５μｍ
以上の長波長帯で優れており、はとんど光の伝送損失が
無視出来るほど小さい。更にＰＩＩ膜の屈折率は約１．
７２と大きく、ＬｉＮｂＯ５，ＧａＡｓ、ＹＬＧ　等に
近づくという大きな特徴を有している。すなわち前述の
被覆膜の条件を完全に満たしている。本ＰＩＩ膜を第６
図に示した曲がシリンジに用いた所、伝送損失は曲げ半
径０．５　ｍで９ｄＢ／ｃｒｎと約８６チの減少を見た
。

このようにＰＩＩ膜は光の伝送損失を大幅に減少させる
効果を有している。

更に詳細に検討した所、次の効果がおることが判明した
。

、光集積回路では、更に、各々のリッジに光のコントロ
ール用の電流を流すために、取り出し用配線ぶターンを
形成する必要がある。例えばその簡単外構成は第９図に
示す通りで６．ｂ。リッジ３−２の電極を制御する場合
にはリッジ５−１．５−３上には絶縁層９を介して帯状
の電極帯１０を配置せねばならない。この工程は通常リ
フトオフプロセスを用いて行われる。従来の光集積回路
においては、上記、例えばリッジ５−１”、５−３の端
部一部を除去したのち第１０図に示すように絶縁層９を
介さないで直接電極をつけたる場合や第９図のように絶
縁層−９を介してその上に電極帯をつける場合とが採用
されている。しかしながら、例えば第９図に示すように
リッジの部分では大きな段差が生じ、電極帯１０のリフ
トオフによる作製が非常に困難であった。すなわち、絶
縁ｒ＠９に第９図に示すような急激な段差が生じると、
この段差によって電極帯１０が切断したり、細くなって
発熱により地所が発生したシ、リフトオフプロセスにお
いて不必要部分が除去出来ない場合が発生し、信頼性が
大幅に低下してしまう。このような段差による障害は光
集積回路の集積度が高くなるほど顕著になるので高集積
光集積回路を形成するためには絶縁層の段差をなくし平
坦化することが、ぜひ必要である。ことに最近は微細々
パターンを形成するために、リッジ型はイ、オン、ミリ
ングによって形成され、この場合のリッジの側面の傾き
は、はぼ８０°と垂直に近いものとなるので、上記段差
はますます大きくなってしまう。このため第１０図に示
したように直接に電極帯１０をリッジにつける方法では
、高集積光集積回路を形成するには不適当である。この
ため絶縁層９を用いる第９図の構成を取る必要がある。

ＰＩＩ膜は光学特性がよい以外に電気絶縁性にも優れて
いる。リッジ３−１．３−２の高さは２００　ｎ　ｍ　
〜１５００　ｎｍであるため、絶縁層として膜厚が上記
ＰＩＩ膜と同じ２００ｎｍの例えば５ｉＣｈ膜を被着す
ると第９図に示したような急激な段差が生じ電極帯１０
の接続性が非常に悪くなる。しかし、絶縁膜としてＰＩ
Ｉを用いるとＰｌｒは液体であるため、ＰＴＩ膜表面の
凹凸を減少させて平坦になろうとする性質がある。した
がってＰＩＩを回転塗布法によって塗布したシあるいは
他の方法によって塗布した後、所定時間静置すればリッ
ジ３−１．３−２に起因するＰＩＩ膜９膜面表面ける段
差は大幅に減少して平坦になり、その結果電極帯１０の
段差も第９図にくらべて著しく減少する。

本発明において上記ＰＩＩ膜８のリッジ上面上の膜厚も
極めて重要である。ＰＩＩ膜８の厚さが薄すぎると、段
差を減少させる効果が不十分になり、極端な場合は電極
５−１と電極帯１０の間の絶縁が不良になってしまう。

第１１図に示すようにリッジの高さを例えば３５０　ｎ
ｍとする場合段差部における傾斜角をθとすると、第１
２図に示すように傾斜角θはＰＩＩ膜厚りが大きくなる
にしたがって小さくなる。傾斜角３０°以下の場合には
電極帯の切断が生じていない。このためにはＰＩＩ膜厚
は２００ｎｍ以上必要である。しかもＰＩＩ膜８の膜厚
りが２００ｎｍ以下になると絶°縁が不良になるのでこ
の理由からもＰＩＩ膜８の膜厚りは２９０ｎｍ以上必要
である。

一方、光集積回路において磁界をコントロールするには
ＰＩＩ膜上にサーペンタインコイルをもうけ、リッジに
磁界を印加することが必要である。

この場合、ＰＩＩ膜の膜厚りを厚くすると印加磁界の集
中性が悪くなシこのため膜厚は１１０００ｎ以下でなけ
ればならない。

上記条件を満足して本発明に使用できる耐熱性高分子樹
脂は多くのものがある。たとえば上記ＰＩＩなどポリイ
ミド系以外にも例えばエポキシ系樹脂、フェノール系樹
脂、ポリアミド・イミド系樹脂などを用いることが出来
、またこれらの樹脂を２つ以上組合せてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図、第３図は光集積回路の基本構成を示す図、第２
図はその断面図、第４図、第５図は凹凸と曲がシ部の電
界の移動を示す図、第６図は曲げ半径に対する伝送損失
を示す図、第７図は本実施例を示す図、第８図はＰＩＩ
の光の透過率を示す図、第９図は従来の光集積回路断面
図、第１０図はリフトオフ電極をつけた従来の光集積回
路の全体図、第１１および第１２図はＰＩＩ膜の膜厚と
傾斜角を示す図である。 １・・・基板、２・・・光学波層、３・・・リッジ、４
・・・磁石、５．６・・・電極、７・・・リッジ側面の
凹凸、８・・・クラ第　１　口 ％Ｚ　図 （久す ３−／　ｊ−ｚ ■　３　口 ！ 第　４　図 ！ ’ｆＪ　５　図 ′ｆＪ　６　図 曲・Ｉ′半軽（凋舛少 猶７図 Ｙ　ｇ　図 ン庚　−ｒ目−、＜、ａ　クツ１−） ′ｆＪ　９　図 ５−／　Ｊθ 第１１図 ′ｆＪｔＺ　図 ｒｕ　ｐｉ＞−／Ｌ（ｒｔｎ＞ −甥一

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板、リッジをもつ光導波層をそなえた光集積回路
   において、そのリッジ及び光導波層上に耐熱性高分子樹
   脂の硬化膜をほどこしたことを特徴とする光集積回路。 ２、特許請求の範囲第１項記載の光集積回路において、
   少なくとも電磁界制御用電極と引出し電極を供え、前記
   耐熱性高分子樹脂の膜厚が２００〜１１０００ｎである
   ことを特徴とする光集積回路。