JPWO2004074890A1 - Optical waveguide device manufacturing method and optical waveguide device - Google Patents
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Abstract
本発明は、光導波路デバイスの製造方法及び光導波路デバイスに関し、第1のクラッド層(1)の上に、所定パターンのコア層(2)を形成するとともに、該コア層(2)の一部分を除く領域に、該一部分の特定方向にエッチングレートを変化させるマスクパターンを有するエッチングマスク(5)を形成し、該エッチングマスク(5)をマスクとして該コア層(2)を部分的にエッチングするという極めて簡易な製造工程により、低コストでコア層2に縦型テーパ形状に設けることができる。The present invention relates to a method of manufacturing an optical waveguide device and an optical waveguide device. A core layer (2) having a predetermined pattern is formed on a first cladding layer (1), and a part of the core layer (2) is formed. An etching mask (5) having a mask pattern for changing the etching rate in a specific direction of the part is formed in a region other than the part, and the core layer (2) is partially etched using the etching mask (5) as a mask. By a very simple manufacturing process, the core layer 2 can be provided in a vertical taper shape at low cost.
Description
本発明は、光導波路デバイスの製造方法および光導波路デイバスに関し、特に、光通信分野で用いられる平面光導波路(Planner Light−wave Circuit)の製造方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing an optical waveguide device and an optical waveguide device, and more particularly to a method of manufacturing a planar light-wave circuit used in the field of optical communication.
近年、通信容量が爆発的に増大しており、これに応えるためWDM(Wavelength Division Multiplexing)を用いた大容量のフォトニックネットワークの構築が進められている。このWDM伝送システムの小型・低コスト化には、一括プロセスを用い大量生産が可能な平面光導波路(Planner Light−wave Circuit)型機能集積素子の適用が有望視されている。
特に、高密度集積化による高機能・低コスト化に向けて、コアとクラッドの比屈折率差を大きくして(屈折率差=0.8〜4%)導波路の曲率半径が大きくても曲がり損失を小さくできる平面光導波路が有望である。
しかしながら、上記のように屈折率差の高い光導波路では、シングルモード条件を満たすためのコア径が小さく、スポットサイズも光ファイバに比較して小さくなるため、光ファイバとの接続に於いて接続損失が大きくなってしまうという問題がある。
そこで、線路状のコアの径(コア径)を長手方向に徐々に小さくしてゆくことによって、スポットサイズを拡大して光ファイバの径とスポットサイズの径とを整合させて接続損失を低減する方法が知られている。このようなスポットサイズ変換導波路に関する技術としては、例えば、特許文献1(特開平8−171020号公報)及び特許文献2〔特開2000−137129号公報(特許第3279270号公報)〕等により提案されているものがある。
これらのうち、例えば、特許文献1により開示されている技術は、段階的(階段状)にコアの長手方向のコア径を小さくしてゆく技術である。しかし、かかる技術では、コア径が小さくなる繋ぎの部分でスポットサイズが急激に変化するので、この部分で放射損失を生じ、スポットサイズ変換時の過剰損失が大きくなるとう課題がある。また、製造工程も多く低コスト化には向かない。
また、特許文献2に開示されている技術(以下、公知技術という)は、テーパ(スロープ)状にコア径を小さくしてゆく技術であり、上述のごとく階段状にコア系を小さくしてゆく場合に比して、スポットサイズ変換時の過剰損失を小さくすることができる。
図14に上記公知技術におけるスポットサイズ変換部付き光導波路の模式的斜視図、図15A〜図15Eに図14に示す光導波路の製造方法を工程ごとに示す模式的断面図、図16A〜図16Eに図15A〜図15Eに示す各工程に対応する模式的上面図をそれぞれ示す。
まず、図14に示すように、本公知技術におけるスポットサイズ変換部付き光導波路100は、石英材料からなるコア101及びクラッド104,105をシリコン基板103上に有する光導波路であり、光導波路の端面106付近のコア101の一部が、端面106に近づくにつれて、幅及び厚さともに徐々に縮小するテーパ部(スポットサイズ変換部)102をそなえるように加工(テーパ加工)されている。
そして、かかるスポットサイズ変換部付き光導波路100は、次のようにして製作される。即ち、まず、図15Aに示すように、シリコン基板103上に下層クラッド104及びコア層112として石英系膜を成膜する。この際、後の工程でコア層112の厚さをステップ状に変化させるために、金属膜(金属マスク)107をコア層112中に埋め込んでおく。この金属膜107は、下層クラッド104との界面から1.5μm上に形成し、また、図15Aに示すように、先端に向かって幅が徐々に狭くなるテーパ形状として形成する。
次に、図15B及び図16Bに示すように、金属膜107及びマスク108の下で、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)によって、コア層112をエッチングして、テーパ部113を先端に有する階段状のコア101を形成する。この際、金属膜107がエッチングストップ層となり、コア101の一部にステップ状の段差が形成される。
さらに、図15C及び図16Cに示すように、コア1上に、テーパ状に加工された部分113を除いて金属膜(金属マスク)109を形成し、図15D及び図16Dに示すように、常圧化学的気相堆積(APCVD:Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition)により膜厚2〜3μm程度の石英系膜111を全面に成膜する。そして、石英系膜111を熱によるリフローさせてコア101の段差が滑らかに埋まるように成形し、さらに、石英系膜111上にコア101のテーパ領域を含むようにマスクを形成する。なお、この際、800℃以上の温度でのアニールにより良好なリフロー形状を得ることができる。
最後に、図15E及び図16Eに示すように、コア101のテーパ部113をマスクしてテーパ部113以外の余分な石英系膜をエッチングにより除去する。以上の工程により、幅及び厚さともにテーパ状に滑らかに変化するスポットサイズ変換部102が得られる。
しかしながら、かかる製造方法では、以下のような工程がスポットサイズ変換部分無しの導波路形成に比較して増加するため、低コスト化が難しい。
(1)コア層101の成膜が2段階必要
(2)コア層101の途中に付けるストップ層(金属マスク107)の成膜(フォトリソグラフ工程を含む)
(3)コアパターン形成後のストップ層(金属マスク107)の除去
(4)テーパ部113以外の部分への金属マスク109の形成(フォトリソグラフ工程を含む)
(5)テーパ部102形成のための薄膜層(石英径膜)111の成膜及びアニール
(6)テーパ部102へのエッチングマスク形成(フォトリソグラフ工程を含む)
(7)テーパ部102以外の薄膜層111除去のためのエッチング
(8)エッチングマスクの除去
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、テーパ(スロープ)形状に導波路径(コア径)を徐々に小さくして低損失でスポットサイズを変換するスポットサイズ変換部付きの光導波路を、非常に簡易で低コストな工程で製造できるようにすることを目的とする。
In particular, even if the radius of curvature of the waveguide is large by increasing the relative refractive index difference between the core and the clad (refractive index difference = 0.8 to 4%) for high functionality and low cost by high density integration. A planar optical waveguide that can reduce the bending loss is promising.
However, in the optical waveguide having a high refractive index difference as described above, the core diameter for satisfying the single mode condition is small, and the spot size is also smaller than that of the optical fiber. There is a problem that becomes large.
Therefore, by gradually reducing the diameter of the line-shaped core (core diameter) in the longitudinal direction, the spot size is expanded to match the diameter of the optical fiber and the spot size, thereby reducing the connection loss. The method is known. As a technique related to such a spot size conversion waveguide, for example, it is proposed by Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 8-171020) and Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-137129 (Japanese Patent No. 3279270)). There is something that has been.
Among these, for example, the technique disclosed in
The technique disclosed in Patent Document 2 (hereinafter referred to as a known technique) is a technique for reducing the core diameter in a taper (slope) shape, and the core system is reduced in a staircase shape as described above. Compared to the case, excess loss at the time of spot size conversion can be reduced.
FIG. 14 is a schematic perspective view of an optical waveguide with a spot size conversion unit in the above-described known technology, FIGS. 15A to 15E are schematic cross-sectional views showing the manufacturing method of the optical waveguide shown in FIG. FIG. 15A is a schematic top view corresponding to each step shown in FIGS.
First, as shown in FIG. 14, an
And the
Next, as shown in FIG. 15B and FIG. 16B, the core layer 112 is etched by reactive ion etching (RIE) under the
Further, as shown in FIG. 15C and FIG. 16C, a metal film (metal mask) 109 is formed on the
Finally, as shown in FIG. 15E and FIG. 16E, the taper portion 113 of the
However, in such a manufacturing method, the following steps are increased as compared with the formation of the waveguide without the spot size conversion portion, so that it is difficult to reduce the cost.
(1) Two stages of film formation of the
(3) Removal of stop layer (metal mask 107) after formation of core pattern (4) Formation of
(5) Film formation and annealing of thin film layer (quartz diameter film) 111 for forming tapered portion 102 (6) Formation of etching mask on tapered portion 102 (including photolithography process)
(7) Etching for removing thin film layer 111 other than tapered portion 102 (8) Removal of etching mask The present invention was devised in view of such a problem, and the waveguide diameter (core) is formed in a tapered shape. It is an object of the present invention to make it possible to manufacture an optical waveguide with a spot size conversion unit that gradually reduces the diameter) and converts the spot size with low loss in a very simple and low cost process.
上記の目的を達成するために、本発明の光導波路デバイスの製造方法は、コア層と該コア層の周囲を覆うクラッド層とを有する光導波路デバイスの製造方法であって、第1のクラッド層の上に、所定パターンのコア層を形成するとともに、該コア層の一部分を除く領域に、該一部分の特定方向にエッチングレートを変化させるマスクパターンを有するエッチングマスクを形成し、該エッチングマスクをマスクとして該コア層を部分的にエッチングすることを特徴としている。
ここで、上記のエッチングマスクは、該コア層を形成した後に形成するのが好ましい。また、上記のエッチング後に、該エッチングマスクを除去し、該コア層及び該第1のクラッド層の上に第2のクラッド層を形成することが好ましい。
さらに、上記のエッチングマスクとしては、該コア層に該特定方向に厚みの変化するテーパ形状を形成したい該一部分から徐々に該コア層のパターンに沿って該コア層の幅方向に開口度が大きくなるマスクパターンを形成することが好ましい。
また、上記のエッチングマスクは、感光性を有する樹脂で形成されるのが好ましく、さらに、上記の開口度の最小値は、フォトリソグラフィーの解像度以下に設定するのが好ましく、また、該コア層の幅以上に設定するのが好ましい。また、上記エッチングマスクの厚みは10μm以上であるのが好ましい。
さらに、上記コア層のエッチングには、所定のエッチングガスによるRIEを用いるのが好ましく、より好ましくは、C3F8又はC4F8を含むガスを用いるのがよい。
また、上記コア層は、正方断面形状を有するよう幅方向にもテーパ形状を有して形成するのが好ましい。
さらに、上記のエッチングマスクをフォトリソグラフィーで形成する際に使用するフォトマスクにおいて、該マスクパターンが開口を始める部分から開口部が広くなる方向に向かって徐々に光の透過量が多くなるような半透明部分を設けてもよく、この半透明部分は、1辺が1μm以下の微小矩形パターンを配列してその密度を変化させることによって光の透過率を変化させるように構成されているのが好ましい。
また、本発明の光導波路デバイスは、上述した光導波路デバイスの製造方法によって、コア層及びクラッド層の両方に、該特定方向に厚みの変化する部分が形成されていることを特徴としている。In order to achieve the above object, an optical waveguide device manufacturing method of the present invention is a method for manufacturing an optical waveguide device having a core layer and a cladding layer covering the periphery of the core layer, the first cladding layer A core layer having a predetermined pattern is formed thereon, and an etching mask having a mask pattern for changing an etching rate in a specific direction of the part is formed in a region excluding a part of the core layer, and the etching mask is masked. The core layer is partially etched.
Here, the etching mask is preferably formed after the core layer is formed. In addition, after the above etching, it is preferable to remove the etching mask and form a second cladding layer on the core layer and the first cladding layer.
Further, as the above etching mask, it is desired to form a tapered shape whose thickness changes in the specific direction in the core layer, and the opening degree is gradually increased in the width direction of the core layer gradually from the part along the pattern of the core layer. It is preferable to form a mask pattern.
The etching mask is preferably formed of a photosensitive resin, and the minimum value of the opening degree is preferably set to be equal to or lower than the resolution of photolithography. It is preferable to set it to be greater than the width. The thickness of the etching mask is preferably 10 μm or more.
Further, RIE using a predetermined etching gas is preferably used for etching the core layer, and more preferably, a gas containing C3F8 or C4F8 is used.
The core layer is preferably formed to have a taper shape in the width direction so as to have a square cross-sectional shape.
Further, in the photomask used when the above etching mask is formed by photolithography, the amount of light transmission gradually increases from the portion where the mask pattern starts to the opening toward the direction in which the opening becomes wider. A transparent portion may be provided, and this translucent portion is preferably configured to change the light transmittance by arranging a minute rectangular pattern having one side of 1 μm or less and changing its density. .
Further, the optical waveguide device of the present invention is characterized in that a portion whose thickness changes in the specific direction is formed in both the core layer and the cladding layer by the above-described method for manufacturing an optical waveguide device.
図1A〜図1C,図2A〜図2C,図3A〜図3C及び図4A〜図4Cはそれぞれ本発明の第1実施形態に係る平面光導波路デバイスの製造方法を説明するための模式図である。
図5A〜図5C,図6A〜図6C,図7A〜図7C及び図8A〜図8Cはそれぞれ本発明の第2実施形態に係る平面光導波路の製造方法を説明するための模式図である。
図9A〜図9C,図10A〜図10D,図11A〜図11C,図12A〜図12C,図13A及び図13Bはそれぞれ本発明の第3実施形態に係る平面光導波路の製造方法を説明するための模式図である。
図14は従来のスポットサイズ変換部付き光導波路の模式的斜視図である。
図15A〜図15Eは図14に示す光導波路の製造方法を工程ごとに示す模式的断面図である。
図16A〜図16Eは図15A〜図15Eに示す各工程に対応する模式的上面図である。1A to 1C, 2A to 2C, 3A to 3C, and 4A to 4C are schematic views for explaining a method of manufacturing a planar optical waveguide device according to the first embodiment of the present invention. .
FIGS. 5A to 5C, FIGS. 6A to 6C, FIGS. 7A to 7C, and FIGS. 8A to 8C are schematic views for explaining a method of manufacturing a planar optical waveguide according to the second embodiment of the present invention.
FIGS. 9A to 9C, FIGS. 10A to 10D, FIGS. 11A to 11C, FIGS. 12A to 12C, FIGS. 13A and 13B are respectively for explaining a method of manufacturing a planar optical waveguide according to the third embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 14 is a schematic perspective view of a conventional optical waveguide with a spot size converter.
15A to 15E are schematic cross-sectional views showing the method of manufacturing the optical waveguide shown in FIG. 14 for each step.
16A to 16E are schematic top views corresponding to the steps shown in FIGS. 15A to 15E.
〔A〕第1実施形態の説明
図1A〜図1C,図2A〜図2C,図3A〜図3C及び図4A〜図4Cはそれぞれ本発明の第1実施形態に係る平面光導波路デバイスの製造方法を説明するための模式図である。なお、図1A及び図1Bはそれぞれ図1CのD矢視図に相当する平面光導波路デバイスの側面図、図1Cは平面光導波路デバイスの製造途中の上面図である。また、図2A,図2B,図2Cはそれぞれ図1CにおけるA−A断面図,B−B断面図,C−C断面図である。また、図3A,図3B,図3Cはそれぞれ図2A,図2B,図2Cに対応する断面図であり、図4A,図4B,図4Cもそれぞれ図2A,図2B,図2Cに対応する断面図である。
以下、これらの図面に基づいて、コアの厚み方向にテーパ(スロープ)形状をスポットサイズ変換部として有する平面光導波路デバイス(以下、単に「平面光導波路」と略記する場合がある)の製造方法について説明する。
まず、図1Aに示すように、シリコン(Si)基板等の基板上に石英系層膜でアンダークラッド層(第1のクラッド層)1を形成し、その上にさらに石英系層膜でコア層2を形成する。これらのアンダークラッド層1及びコア層2の成膜方法としては、例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition)や、FHD(Flame Hydrolysis Deposition)、スパッタリングなどを用いることができる。なお、前記基板には、基板上に製作される光導波路と熱膨張係数を合わせるために石英基板を用いる場合もある。また、石英基板を用いた場合は当該石英基板がアンダークラッド層1を兼ねる場合もある。
次に、以下の工程に従って光導波路構造を形成する。
まず、図1Aに示すように、コア層2上に所定のコアパターンを形成するためのエッチングマスク3を形成する。このエッチングマスク3のパターンの製作方法としては、コア層2上にメタルやポリイミド等を成膜し、その上にフォトレジストを塗布してパターニングを行ない、その後、このフォトレジストをエッチングマスクとして下地の前記メタルやポリイミド等をエッチングして形成する2層マスク法や、コア層2上に耐熱性の高いフォトレジストを塗布・パターニングしてフォトレジストをエッチングマスク3とする単層マスク法等が適用できる。
次に、図1Bに示すように、前記エッチングマスク3をマスクとして、エッチングガスを用いたRIEによりコア層2及びアンダークラッド層1の一部をエッチングし、その後、残ったエッチングマスク3を除去する。これにより、エッチングマスク3のパターンに応じたコアパターン4(図1Cではライン状の導波路)が形成されることになる。なお、上記エッチングガスには、例えば、フッ素系のガス(CF4やC3F8,C4F8等)を用いる。
次に、図1C及び図2A〜図2Cに示すように、基板(又はアンダークラッド層1)に垂直な方向(コア層2の厚み方向)にテーパ形状(以下、縦型テーパ形状という)を形成したい部分以外のコアパターン4をマスクするとともに、縦型テーパ形状として深く彫り込みたい方向に向けて、コアパターン4の幅以上の幅でマスクの開口部が徐々に大きくなるような形状のエッチングマスク5(網掛け部)を形成する。
このエッチングマスク5としては、例えば、スピンコートとフォトリソグラフィーで簡単に形成が可能である、感光性を有する樹脂(感光性ポリイミドやフォトレジスト等)が適している。エッチングマスク5の厚みは次工程のエッチングでパターン効果によるエッチングレート差が効率良く生じるように10μm以上にするのが望ましい。
次に、前記エッチングマスク5をマスクとしてエッチングを行ない、エッチングマスク5の開口度が最も大きい場所でコア層2の厚さが所望の厚さとなるまでコア層2及びアンダークラッド層1をエッチングする。このエッチングにはエッチングマスク(以下、単に「マスク」ともいう)5の形状(開口度)の違いによってエッチングレートに違いが生じるエッチング方法であれば良い(ウェットエッチング及びドライエッチングのいずれでもよい)。
最適なエッチング方法としてはRIEが挙げられる。RIEは深さ(厚み)方向のエッチングの制御性が良く、かつ、マイクロローディング効果と呼ばれる、パターン効果があり、エッチングマスク5の開口度が小さいほど底面のエッチングレートが低下する。
したがって、このようなエッチングマスク5を用いてエッチングを行なうと、マスク5のパターン効果により、図3A〜図3Cに示すように、マスク5の開口部分の狭いところはマイクロローディング効果によってエッチングレートが遅くなり、開口部分が広くなるに従ってマイクロローディング効果が低減してエッチングレートが速くなるため、RIE後にはエッチングマスク5の開口部の狭い所のコア層2は厚く、エッチングマスク5の開口部が広くなるに従ってコア層2が薄くなる縦型テーパ形状が形成されることになる。
なお、この際、図3A〜図3Cに示すように、コア層2とともにアンダークラッド層1もコア層2と同程度にエッチングされるので、アンダークラッド層1もマスク5の開口度が大きくなる方向に縦型テーパ形状を有することになる。つまり、本製造方法によって作製される平面光導波路デバイスには、コア層2及び(アンダー)クラッド層1の両方に、特定方向(コアパターン4の長手方向)に厚みの変化する部分が形成されるのである。かかるクラッド層1の縦型テーパ形状は後の工程でオーバークラッド層6が形成されても、顕微鏡などで各クラッド層1,6の境目として確認することができる。
ところで、一般に石英系の膜をRIEするにはフッ素系のガスを使用するが、マイクロローディング効果を効果的に引き出すためには、エッチングガスとしてC3F8やC4F8等のC/F比(フッ素に対する炭素の割合)の高いガスを用いるのが好ましい。また、酸素を少量添加すればマイクロローディング効果の大きさを調整することが可能となるので、所望の形状を得るためには酸素を少量添加すると良い。
さて、上記エッチング終了後は、残ったエッチングマスク5を酸素アッシング等で除去し、図4A〜図4Cに示すように、オーバークラッド層6を成膜してコアパターン4を埋め込む。なお、オーバークラッド層6の成膜にも、例えば、CVD,FHD,スパッタリングなどが用いられる。
以上の工程により、縦型テーパ形状のコアパターン4をスポットサイズ変換部として有する平面光導波路が作製される。なお、上記のエッチングマスク5は、コアパターン4の形成前に形成してもよいが、エッチングマスク5形成後のコアパターン4の形成は精度上難しくなるため、上述したようにコアパターン4の形成後の方が好ましい。
このように、本実施形態の平面光導波路の製造方法によれば、テーパ形状を形成したいコアパターン4の部分から徐々に開口部分が大きくなっていくマスクパターンを有するエッチングマスク5を形成し、それをマスクにコア層2をRIEすることにより、RIE時のマイクロローディング効果によるエッチングレートの差を利用して、非常に簡易な工程で縦型テーパ形状のコアパターン4を形成することが可能である。
したがって、従来よりも低コストで縦型テーパ形状のスポットサイズ変換部をもつ平面光導波路を実現・提供することができる。
〔B〕第2実施形態の説明
図5A〜図5C,図6A〜図6C,図7A〜図7C及び図8A〜図8Cはそれぞれ本発明の第2実施形態に係る平面光導波路の製造方法を説明するための模式図である。なお、図5A及び図5Bはそれぞれ図5CのD矢視図に相当する平面光導波路の側面図、図5Cは平面光導波路の製造途中の上面図である。また、図6A,図6B,図6Cはそれぞれ図5CにおけるA−A断面図,B−B断面図,C−C断面図である。また、図7A,図7B,図7Cはそれぞれ図6A,図6B,図6Cに対応する断面図であり、図8A,図8B,図8Cもそれぞれ図6A,図6B,図6Cに対応する断面図である。
以下、これらの図面に基づいて、第2実施形態の平面光導波路の製造方法について説明する。
まず、本実施形態においても、第1実施形態と同様に、図5Aに示すように、CVDやFHD,スパッタリングなどの成膜方法を用いて、シリコン(Si)基板等の基板上に石英系層膜でアンダークラッド層1を形成し、その上にさらに石英系層膜でコア層2を形成する。なお、この場合も、前記基板には、基板上に製作される光導波路と熱膨張係数を合わせるために石英基板が用いられる場合もあり、石英基板を用いた場合は当該石英基板がアンダークラッド層1を兼ねる場合もある。
次に、図5Aに示すように、コア層2上に所定のコアパターンを形成するためのエッチングマスク3aを形成する。このエッチングマスク3aのパターンについても、例えば、コア層2上にメタルやポリイミド等を成膜し、その上にフォトレジストを塗布してパターニングを行ない、その後、このフォトレジストをエッチングマスクとして下地の前記メタルやポリイミド等をエッチングして形成する2層マスク法やコア層上に耐熱性の高いフォトレジストを塗布・パターニングしてフォトレジストをエッチングマスク3aとする単層マスク法等が適用できる。
ただし、本実施形態においては、図5Cに示すように、コアパターン幅がスポットサイズ変換部端面7に向けて徐々に細くなるテーパ形状のコアパターンが得られるようにエッチングマスク3aをパターニングする。細くなる割合は最終的に形成される縦型テーパ形状と合わせてあり、テーパ部分のコア断面形状が何処でもほぼ正方形となるように調整してある。
そして、図5Bに示すように、前記エッチングマスク3aをマスクとして、エッチングガスを用いたRIEによりコア層2及びアンダークラッド層1の一部をエッチングし、その後、残ったエッチングマスク3aを除去する。これにより、エッチングマスク3aのパターンに応じたコアパターン4a(図5Cではスポットサイズ変換部端面7に向けて幅が徐々に細くなるテーパ形状(以下、横型テーパ形状という)の導波路が形成されることになる。なお、上記エッチングガスについても、例えば、フッ素系のガス(CF4やC3F8,C4F8等)を用いる。
次に、図5C及び図6A〜図6Cに示すように、第1実施形態と同様に、縦型テーパ形状を形成したい部分以外のコアパターン4aをマスクするとともに、縦型テーパ形状として深く彫り込みたい方向に向けて、コアパターン4の幅以上の幅でマスクの開口部が徐々に大きくなるような形状のエッチングマスク5(網掛け部)を形成する。
続いて、図7A〜図7Cに示すように、前記エッチングマスク5をマスクとしてRIE等によりエッチングを行ない、エッチングマスク5の開口度が最も大きい場所でコア層2の厚さが所望の厚さとなるまでコア層2及びアンダークラッド層1をエッチングする。すると、この場合も、マスク5のパターン効果により、マスク5の開口部分の狭いところはマイクロローディング効果によってエッチングレートが遅くなり、開口部分が広くなるに従ってマイクロローディング効果が低減してエッチングレートが速くなるため、RIE後にはエッチングマスク5の開口部の狭い所のコア層2は厚く、エッチングマスク5の開口部が広くなるに従ってコア層2が薄くなる縦型テーパ形状が形成されることになる。
したがって、コア層2は、その厚み及び幅のいずれもがスポットサイズ変換部端面7に向けて同程度に徐々に細くなるテーパ形状を有する、つまり、テーパ部分のコア断面形状が何処でもほぼ正方形となる形状を有することになる。なお、この場合も、図7A〜図7Cに示すように、コア層2とともにアンダークラッド層1もコア層2と同程度にエッチングされるため、アンダークラッド層1もマスク5の開口度が大きくなる方向に縦型テーパ形状を有することになる。
つまり、本製造方法によって作製される平面光導波路デバイスには、コア層2にその長手方向に幅の変化する部分が形成されるとともに、コア層2及び(アンダー)クラッド層1の両方に、コアパターン4の長手方向に厚みの変化する部分が形成されるのである。かかる、クラッド層1についての縦型テーパ形状も、第1実施形態と同様に、デバイス製造後に顕微鏡などで確認することができる。
また、本実施系形態においても、エッチングガスとしてC3F8やC4F8等のC/F比(フッ素に対する炭素の割合)の高いガスを用いるのが好ましく、また、マイクロローディング効果の大きさを調整して所望の形状を得るために酸素を少量(1〜2%程度)添加すると良い。
さて、上記エッチング終了後は、残ったエッチングマスク5を酸素アッシング等で除去し、図8A〜図8Cに示すように、オーバークラッド層6を成膜してコアパターン4を埋め込む。なお、オーバークラッド層6の成膜にも、例えば、CVD,FHD,スパッタリングなどが用いられる。
以上により、縦型及び横型双方のテーパ形状のスポットサイズ変換部を有する平面光導波路が作製される。かかる平面光導波路では、コア層2の断面形状がほぼ正方形を保ったまま端面7に向けて縮小してゆくので、コア層2を伝播する光のモード(TM,TEモード)の違いによる損失差(損失の偏光依存性)を低減することができ、第1実施形態におけるものよりも低損失なスポットサイズ変換部をもつ平面光導波路を簡易な工程で実現できる。
かかるスポットサイズ変換部を、高屈折率差を有する平面光導波路デバイスと光ファイバとの接続部分に用いれば、光ファイバとの接続損失を低減することができる。
〔C〕第3実施形態の説明
図9A〜図9C,図10A〜図10D,図11A〜図11C,図12A〜図12C,図13A及び図13Bはそれぞれ本発明の第3実施形態に係る平面光導波路の製造方法を説明するための模式図である。なお、図9A及び図9Bはそれぞれ図9CのE矢視図に相当する平面光導波路の側面図、図9Cは平面光導波路の製造途中の上面図である。図10A,図10B,図10Cはそれぞれ図9CにおけるA−A断面図,B−B断面図,C−C断面図であり、図10Dは図9Cにおける枠8で囲んだ部分のD−D断面を拡大して示す図である。図11A,図11B,図11Cはそれぞれ図10A,図10B,図10Cに対応する断面図であり、図12A,図12B,図12Cもそれぞれ図10A,図10B,図10Cに対応する断面図である。図13Aは図9Cに示すエッチングマスクを形成する際に用いるフォトマスクの模式的上面図、図13Bは図13Aの枠8で囲んだ部分の拡大図である。
以下、これらの図面に基づいて、第3実施形態の平面光導波路の製造方法について説明する。
まず、本実施形態においても、第2実施形態と同様に、図9Aに示すように、CVDやFHD,スパッタリングなどの成膜方法を用いて、シリコン(Si)基板等の基板上に石英系層膜でアンダークラッド層1を形成し、その上にさらに石英系層膜でコア層2を形成する。なお、この場合も、前記基板には、基板上に製作される光導波路と熱膨張係数を合わせるために石英基板が用いられる場合もあり、石英基板を用いた場合は当該石英基板がアンダークラッド層1を兼ねる場合もある。
次に、図9Aに示すように、コア層2上に所定のコアパターンを形成するためのエッチングマスク3aを形成する。このエッチングマスク3aのパターンについても、例えば、コア層2上にメタルやポリイミド等を成膜し、その上にフォトレジストを塗布してパターニングを行ない、その後、このフォトレジストをエッチングマスクとして下地の前記メタルやポリイミド等をエッチングして形成する2層マスク法やコア層上に耐熱性の高いフォトレジストを塗布・パターニングしてフォトレジストをエッチングマスク3aとする単層マスク法等が適用できる。
そして、図9Bに示すように、前記エッチングマスク3aをマスクとして、エッチングガスを用いたRIEによりコア層2及びアンダークラッド層1の一部をエッチングし、その後、残ったエッチングマスク3aを除去する。これにより、エッチングマスク3aのパターンに応じたコアパターン4a(図9Cでは横型テーパ形状)が形成されることになる。なお、上記エッチングガスについても、例えば、フッ素系のガス(CF4やC3F8,C4F8等)を用いる。
次に、図9C及び図10A〜図10Cに示すように、第2実施形態と同様に、縦型テーパ形状を形成したい部分以外のコアパターン4aをマスクするとともに、縦型テーパ形状として深く彫り込みたい方向に向けてマスクの開口部が大きくなるような形状でエッチングマスク5(網掛け部)を形成する。
ただし、本実施形態では、図13Aに示すように、このエッチングマスク5をパターニングするフォトマスク9において、マスクパターンが開口を始める部分から開口部が広くなる方向に向かって徐々に光の透過量が多くなるような半透明部分(半透明マスク;枠8で囲んだ部分)が形成してある。具体的に、上記の半透明部分8は、例えば図13Bに示すように、1辺が1μm以下の微小矩形パターンを配列してその密度を変化させることによって光の透過率を変化させるようになっている。
このような半透明部分8を有するフォトマスク9を使用すると、図10Dに示すように、光の透過量に応じてフォトレジストが斜面状に残り、少なくとも半透明マスクにあたるところのエッチングマスク5が斜面形状5aとなる。かかる斜面形状5aを有するエッチングマスク5を枠8で囲んで示す開口部に形成すると、下記のエッチング工程により、エッチングマスク5の開口部と非開口部との境目にあたる部分のコア層2を更に滑らかな角度で縦型テーパ形状に形成することが可能となり、スポットサイズ変換の際の放射損失を低減することができる。
以降は、第2実施形態と同様、図11A〜図11Cに示すように、前記エッチングマスク5(5a)をマスクとしてRIE等によりエッチングを行ない、エッチングマスク5の開口度が最も大きい場所でコア層2の厚さが所望の厚さとなるまでコア層2及びアンダークラッド層1をエッチングした後、残ったエッチングマスク5(5a)を酸素アッシング等で除去し、図12A〜図12Cに示すように、オーバークラッド層6を成膜してコアパターン4を埋め込む。
これにより、第2実施形態と同様に、コア層2の断面形状がほぼ正方形を保ったまま端面7に向けて縮小してゆく縦型及び横型双方のテーパ形状を有するとともに、エッチングマスク5の開口部と非開口部との境目にあたる部分のコア層2を更に滑らかな角度で縦型テーパ形状としたスポットサイズ変換部を有する平面光導波路が極めて簡易な工程で作製される。
したがって、第2実施形態に比してさらに損失の小さいスポットサイズ変換部を有する平面光導波路を低コストで実現・提供することができる。
なお、上述した例では、開口部と非開口部の境目を半透明マスク8で繋いだが、この部分の開口度をフォトリソグラフィーの解像度以下にまで狭めることにより意図的にフォトリソグラフィー不良を引き起こして、フォトレジストを縦型テーパ形状に残すことによって上記と同様の作用効果を得ることもできる。
また、上述した各実施形態では、コア層2,クラッド層1,6として、いずれも、石英系の材料を適用した場合について説明したが、光導波路構造を形成できる材料であれば、特に石英系の材料に限られるものではない。さらに、上述したエッチングレートを変化させるマスクパターンは、上述した例に限られず、コア層2の厚み方向に設けたい形状に応じて適宜変更すればよい。
そして、本発明は、上述した各実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できることはいうまでもない。[A] Description of First Embodiment FIGS. 1A to 1C, FIGS. 2A to 2C, FIGS. 3A to 3C and FIGS. 4A to 4C are respectively methods for manufacturing a planar optical waveguide device according to the first embodiment of the present invention. It is a schematic diagram for demonstrating. 1A and 1B are side views of a planar optical waveguide device corresponding to the view of arrow D in FIG. 1C, respectively, and FIG. 1C is a top view in the middle of manufacturing the planar optical waveguide device. 2A, 2B, and 2C are an AA sectional view, a BB sectional view, and a CC sectional view, respectively, in FIG. 1C. 3A, 3B, and 3C are cross-sectional views corresponding to FIGS. 2A, 2B, and 2C, respectively, and FIGS. 4A, 4B, and 4C are cross-sectional views corresponding to FIGS. 2A, 2B, and 2C, respectively. FIG.
Hereinafter, based on these drawings, a method for manufacturing a planar optical waveguide device having a taper (slope) shape as a spot size conversion portion in the thickness direction of the core (hereinafter may be simply abbreviated as “planar optical waveguide”). explain.
First, as shown in FIG. 1A, an under-cladding layer (first cladding layer) 1 is formed on a substrate such as a silicon (Si) substrate with a quartz-based layer film, and a core layer is further formed thereon with a quartz-based layer film. 2 is formed. As a method for forming the under
Next, an optical waveguide structure is formed according to the following steps.
First, as shown in FIG. 1A, an
Next, as shown in FIG. 1B, using the
Next, as shown in FIG. 1C and FIGS. 2A to 2C, a taper shape (hereinafter referred to as a vertical taper shape) is formed in a direction perpendicular to the substrate (or the under cladding layer 1) (the thickness direction of the core layer 2).
As the
Next, etching is performed using the
As an optimum etching method, there is RIE. RIE has good controllability of etching in the depth (thickness) direction, and has a pattern effect called a microloading effect. The smaller the opening degree of the
Therefore, when etching is performed using such an
At this time, as shown in FIGS. 3A to 3C, the under
By the way, in general, a fluorine-based gas is used for RIE of a quartz-based film. However, in order to effectively bring out the microloading effect, a C / F ratio of C3F8, C4F8, etc. It is preferable to use a gas having a high ratio. Moreover, since the magnitude of the microloading effect can be adjusted by adding a small amount of oxygen, it is preferable to add a small amount of oxygen in order to obtain a desired shape.
After the etching is completed, the remaining
The planar optical waveguide which has the vertical taper-shaped
As described above, according to the method of manufacturing the planar optical waveguide of the present embodiment, the
Therefore, it is possible to realize and provide a planar optical waveguide having a vertical taper-shaped spot size conversion unit at a lower cost than conventional ones.
[B] Description of Second Embodiment FIGS. 5A to 5C, FIGS. 6A to 6C, FIGS. 7A to 7C, and FIGS. 8A to 8C each illustrate a method of manufacturing a planar optical waveguide according to the second embodiment of the present invention. It is a schematic diagram for demonstrating. 5A and 5B are side views of the planar optical waveguide corresponding to the view of arrow D in FIG. 5C, respectively, and FIG. 5C is a top view in the middle of manufacturing the planar optical waveguide. 6A, 6B, and 6C are an AA sectional view, a BB sectional view, and a CC sectional view, respectively, in FIG. 5C. 7A, 7B, and 7C are cross-sectional views corresponding to FIGS. 6A, 6B, and 6C, respectively, and FIGS. 8A, 8B, and 8C are also cross-sections corresponding to FIGS. 6A, 6B, and 6C, respectively. FIG.
Hereinafter, based on these drawings, a method of manufacturing a planar optical waveguide according to the second embodiment will be described.
First, in the present embodiment as well, as in the first embodiment, as shown in FIG. 5A, a quartz-based layer is formed on a substrate such as a silicon (Si) substrate by using a film forming method such as CVD, FHD, or sputtering. An under
Next, as shown in FIG. 5A, an etching mask 3 a for forming a predetermined core pattern is formed on the
However, in the present embodiment, as shown in FIG. 5C, the etching mask 3 a is patterned so that a core pattern having a tapered shape in which the core pattern width gradually decreases toward the spot size conversion unit end surface 7. The ratio of thinning is matched with the finally formed vertical taper shape, and the core cross-sectional shape of the taper portion is adjusted to be almost square everywhere.
Then, as shown in FIG. 5B, using the etching mask 3a as a mask, a part of the
Next, as shown in FIGS. 5C and 6A to 6C, as in the first embodiment, the
Subsequently, as shown in FIGS. 7A to 7C, etching is performed by RIE or the like using the
Therefore, the
That is, in the planar optical waveguide device manufactured by this manufacturing method, the
Also in this embodiment, it is preferable to use a gas having a high C / F ratio (ratio of carbon to fluorine) such as C3F8 or C4F8 as the etching gas, and the desired micro-loading effect is adjusted. In order to obtain this shape, a small amount of oxygen (about 1-2%) may be added.
After the etching is completed, the remaining
As described above, a planar optical waveguide having both vertical and horizontal tapered spot size conversion portions is manufactured. In such a planar optical waveguide, since the cross-sectional shape of the
If such a spot size conversion part is used for a connection part between a planar optical waveguide device having a high refractive index difference and an optical fiber, the connection loss with the optical fiber can be reduced.
[C] Description of Third Embodiment FIGS. 9A to 9C, 10A to 10D, 11A to 11C, 12A to 12C, 13A, and 13B are planes according to the third embodiment of the present invention. It is a schematic diagram for demonstrating the manufacturing method of an optical waveguide. 9A and 9B are side views of the planar optical waveguide corresponding to the view of arrow E in FIG. 9C, respectively, and FIG. 9C is a top view in the middle of manufacturing the planar optical waveguide. 10A, 10B, and 10C are an AA sectional view, a BB sectional view, and a CC sectional view, respectively, in FIG. 9C. FIG. 10D is a DD section of a portion surrounded by the
Hereinafter, a method for manufacturing a planar optical waveguide according to the third embodiment will be described with reference to these drawings.
First, as in the second embodiment, in this embodiment, as shown in FIG. 9A, a quartz-based layer is formed on a substrate such as a silicon (Si) substrate by using a film forming method such as CVD, FHD, or sputtering. An under
Next, as shown in FIG. 9A, an etching mask 3 a for forming a predetermined core pattern is formed on the
Then, as shown in FIG. 9B, using the etching mask 3a as a mask, a part of the
Next, as shown in FIG. 9C and FIGS. 10A to 10C, as in the second embodiment, the
However, in the present embodiment, as shown in FIG. 13A, in the photomask 9 for patterning the
When a photomask 9 having such a
Thereafter, as in the second embodiment, as shown in FIGS. 11A to 11C, etching is performed by RIE or the like using the etching mask 5 (5a) as a mask, and the core layer is formed at a place where the opening degree of the
As a result, as in the second embodiment, the
Therefore, it is possible to realize and provide a planar optical waveguide having a spot size conversion unit with a smaller loss than the second embodiment at a low cost.
In the above-described example, the boundary between the opening and the non-opening is connected by the
Further, in each of the above-described embodiments, as the
And this invention is not limited to each embodiment mentioned above, It cannot be overemphasized that various deformation | transformation can be implemented in the range which does not deviate from the meaning of this invention.
以上のように、本発明によれば、エッチングレートの差を利用して、非常に簡易な工程で縦型テーパ形状のコアパターンを形成することができるので、従来よりも低コストで縦型テーパ形状のスポットサイズ変換部をもつ光導波路デバイスを実現・提供することができる。したがって、光通信分野において本発明は極めて有用なものと考えられる。 As described above, according to the present invention, the vertical taper-shaped core pattern can be formed in a very simple process by using the difference in etching rate, so that the vertical taper can be formed at a lower cost than in the past. An optical waveguide device having a shape spot size converter can be realized and provided. Therefore, the present invention is considered extremely useful in the field of optical communication.
Claims (15)
第1のクラッド層(1)の上に、所定パターンのコア層(2)を形成するとともに、該コア層(2)の一部分を除く領域に、該一部分の特定方向にエッチングレートを変化させるマスクパターンを有するエッチングマスク(5)を形成し、
該エッチングマスク(5)をマスクとして該コア層(2)を部分的にエッチングすることを特徴とする、光導波路デバイスの製造方法。In the method of manufacturing an optical waveguide device having a core layer (2) and a cladding layer (1, 6) covering the periphery of the core layer (2),
A mask for forming a core layer (2) having a predetermined pattern on the first cladding layer (1) and changing an etching rate in a specific direction of the part in a region excluding a part of the core layer (2). Forming an etching mask (5) having a pattern;
A method of manufacturing an optical waveguide device, wherein the core layer (2) is partially etched using the etching mask (5) as a mask.
該コア層(2)及び該第1のクラッド層(1)の上に第2のクラッド層(6)を形成することを特徴とする、請求の範囲第1項又は第2項に記載の光導波路デバイスの製造方法。After the etching, the etching mask (5) is removed,
The optical waveguide according to claim 1 or 2, characterized in that a second clad layer (6) is formed on the core layer (2) and the first clad layer (1). A method for manufacturing a waveguide device.
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