JP6543183B2 - 光回路の作製方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の光導波路を備えた積層型光回路の作製方法に関する。

石英系光回路を構成する光導波路は、石英ガラス基板、またはシリコン基板上に、石英系ガラスを主たる材料として用いて作製される。この光導波路は、伝播損失が低く、信頼性・安定性が高く、加工性が良く、石英系光ファイバとの整合性が良く、低損失で高い信頼性を有した形態で標準的な通信用石英系光ファイバと接続される等の特徴を有している。

上記光導波路で構成されたＹ分岐パワースプリッター、マッハ・ツェンダ干渉計（ＭＺＩ: Mach-Zehnder Interferometer）、ＭＺＩを利用した光スイッチ、およびアレイ導波路型波長合分波器（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating）などの光回路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuits）の開発が進められている。これらの光回路は、構築が進められつつある波長分割多重（ＷＤＭ）光伝送システムを基盤としたフォトニックネットワークシステムの重要なキーデバイスとなっている（非特許文献１、２、３参照）。

石英系光導波路は、主として以下のように作製される。まず、石英基板またはシリコン基板上に、基板側から、下層クラッド層、コア層を形成する。次に、フォトリソグラフィー技術、及び反応性イオンエッチング技術により、所望のコアパターンを加工した後に、コア層上に上部クラッド層を形成する。このようにして、光の伝播するコア、およびクラッド構造を備える光導波路が形成される。この光導波路において所望のパターンを形成することにより、Ｙ分岐パワースプリッター、ＭＺＩ、ＡＷＧを含む様々な光回路を作製することができる。（非特許文献３、４）。

上記のような光回路デバイスは、フォトニックネットワークの高度化に向けた進展と共に、小型化、高集積化、高機能化、高性能化および低コスト化といった要求に応えるため、様々な研究開発が進められている。その一例は、１チップ上で複数機能を実現するために、複数素子の集積を図る１チップ集積化に向けた開発である。この１チップ複合集積化により、ファイバ接続点が削減できることに加え、複数のチップをファイバで接続する場合と比べてファイバとの接続損失が低減できる。また、ファイバ実装ボード上におけるファイバの取り回しスペースが小さくなり、この点において、実装ボード上のデバイスの小型化が実現できる。従来のデバイスとして、ＡＷＧと、光強度を調整する可変光減衰器（ＶＯＡ）と、信号光の一部を分岐するタップと、光強度をモニターするためのフォトディテクター（ＰＤ）とを１チップに集積した複合集積光回路などが知られている（非特許文献３，５）。

さらに、複数のＡＷＧ、ＳＷおよびＶＯＡなどを集積したＲＯＡＤＭ（Reconfigurable optical add drop multiplexer）に対応した集積光回路も知られている。

今後、実装ボード上における光回路の占有面積（フットプリント）を小さくして更なる集積化を図るために、積層された光導波路層を２層以上有する多層型光回路を実現する技術の重要度は高い。この多層型光回路は、多層コアを備えることになるが、この多層コアの機能を利用する新たな光デバイスの研究開発も進められている。一例としては、光回路と、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）や、ＭＥＭＳ（micro electro mechanical system）を用いた、波長選択スイッチ（Wavelength Selective Switch：ＷＳＳ）などの機能を実現した光デバイスなどがあげられる。特許文献１および特許文献２に示されるＷＳＳ光デバイスは、積層光回路を用いることにより、より小型に作製することが可能となる。

図１は、従来の多層型光回路の作製方法を示してある（非特許文献６）。先ず、基板１１１上に、基板側から、下層クラッド層１１２と、ガラス膜１１３とを生成する（図１（ａ））。ガラス膜１１３の屈折率は、クラッド層１１２よりも屈折率の高い。ガラス膜１１３は、火炎堆積（ＦＨＤ）法、スパッタリング法、ＣＶＤ法などにより形成する。

次に、フォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）技術を用いて、ガラス膜１１３を所望のパターンに加工し、第１のコア１１４を生成する（図１（ｂ））。その後、下層クラッド層１１２および第１のコア１１４の露出部分上に、上層クラッド層１１５を形成し（図１（ｃ））、上層クラッド層１１５を平坦化する（図１（ｄ））。この平坦化処理は、研磨または熱処理により行うことができる。このようにして、第１の導波路層が作製される。

なお、上層クラッド層１１５は、上述した下層クラッド層１１２と同様に、火炎堆積（ＦＨＤ）法、スパッタリング法またはＣＶＤ法などによりガラス層を形成することにより生成することができる。

次に、上層クラッド層１１５上に、ガラス膜１１６を生膜する（図１（ｅ））。そして、図１（ｂ）で示したものと同様に、フォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）技術を用いて、ガラス膜１１６を所望のパターンに加工し、第２のコア層１１７を生成する（図１（ｆ））。その後、上層クラッド層１１５および第２のコア１１７の露出部分上に、上層クラッド層１１８を形成する（図１（ｇ））。このようにして、第２の導波路層が作製される。

上記第２の導波路層以降の第ｎの導波路層（ｎ＝３，４，・・・）を備える積層光回路は，図１（ｄ）〜図１（ｇ）を繰り返すことにより、作製することができる。

特開２０１０−１１７５６４号公報 特開２００９−１６８８４０号公報

Y. Hibino, IEEE CIRCUITS & DEVICES, Nov., 2000, pp. 21-27. A. Himeno, et al., J. Sel. Top. Q.E., vol. 4, 1998, pp. 913-924. M. Abe, J. Cer. Soc. J., 2008, pp. 1063-1070. M. Kawachi, Opt. Quantum Electron., 22, 1990, pp. 391-416. I. Ogawa, et al., Proc. LEOS2005, TuL1, pp. 268-269. Senichi Suzuki, et al., Integrated-Optic Ring Resonators with Two Stacked Layers of Silica Waveguide on Si, Photon. Tech. Lett., 1992, pp. 1256.

上述した従来の積層光回路の作製方法では、ガラス膜の作製時またはそれ以降の熱処理時に、積層されるガラス膜が安定するようにする必要がある。このため、下層のガラス膜のガラス転移温度または軟化点温度が上層のガラス膜より高くなるように、ガラスの付加成分を調整するようにするのが一般的である。下層のガラス膜のガラス転移温度（転移点）または軟化温度（軟化点）が、上層のガラス層より低い場合には、下層のガラス膜は、上層のガラス膜の形成時またはパターン化時における熱処理により軟化するので、下層の土台が揺らぐこととなる。その結果、上層のパターンが歪んだり、その歪みが下層の光回路に影響したりし、積層光回路全体の光学特性が劣化し得る。

通常は、光回路の積層数が増えるほど、下層のガラス膜のガラス転移温度または軟化点温度を上層のガラス膜より高くする必要があるので、それらの温度調整が難しくなる。仮に温度調整が適切に行われなかった場合、積層光回路の光学特性が損なわれる場合がある。また、上層の導波路作製時、フォトリソグラフィー、露光工程において、下層の導波路によって散乱光や迷光を生じることとなり、導波路作製の誤差精度が低くなり、結果として、光回路全体の光学特性が劣化し得る。これは、導波路の層数が増えるほど顕著に生じる。

また、光回路チップの一部のみを積層して導波路とする場合、上述した従来の光回路の作製方法では、導波路を一層ずつ積層することになるので、非効率的である。

本発明は、このような状況下において鑑みてなされたものであり、フォトリソグラフィー、パターン化露光工程の困難さを回避し、複数の導波路層間のガラス転移温度条件の制約を緩和することができる積層光回路の作製方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明は、基板上に、基板側から、下部のクラッド層、コアおよび上部のクラッド層が形成された単層光回路を作製する工程と、前記作製された２つの前記単層光回路の前記上部のクラッド層の表面同士が対向するように、２つの前記単層光回路を接合する工程と、前記接合された２つの前記単層光回路の一方の基板を取り除く工程と、前記基板が取り除かれた前記一方の前記単層光回路の露出した前記下部のクラッド層の上に、前記接合された２つの前記単層光回路とは別の単層光回路の上部のクラッド層の表面が接合するように、当該別の単層光回路を接合する工程とを含む。

前記接合する工程では、クラッド層の表面同士が対向するように、２つの単層光回路の位置決めを行う工程を含むようにしてもよい。

前記接合する工程では、接合面のクラッド層を研磨する工程を含むようにしてもよい。

本発明によれば、複数の導波路間のガラス転移温度条件の制約を緩和することができる。又、フォトリソグラフィー、パターン化露光工程の困難さを回避することができる。

従来の積層型光回路の作製方法を説明するための図である。 実施形態の積層型光回路を作製するために積層される単層光回路の作製方法の一例を説明するための図である。 複数の単層光回路を積層するようにした積層型光回路の作製方法の一例を説明するための図である。 ホットプレス装置の構成例を示す概略図である。 ３層積層型光回路の構成例を示す図である。 図５の３層積層型光回路としてのアレイ導波路格子波長合分波器において、第２の光回路における透過スペクトル特性の一例を示す図である。 アレイ導波路格子波長合分波器の透過光学特性の一例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態における積層型光回路について説明する。積層型光回路は、１つの導波路層を有する単層光回路１０が積層されたものである。先ず、この単層光回路１０の作製方法について、図１を参照して説明する。

［単層光回路の作製方法］
図２は、単層光回路１０の作製方法を説明するための図である。

図２に示すように、基板１１上に、基板側から、下層クラッド層１１と、ガラス層１３とを生成する（図２（ａ））。基板１１は、例えばＳｉ基板である。ガラス層１３の屈折率は、下層クラッド層１２よりも屈折率の高い。

この実施形態では、下層クラッド層１１は、熱酸化膜層に、火炎堆積（ＦＨＤ）法を用いて生成し、その下層クラッド層１１上に、スパッタリングによりSiO₂-Ta₂O₅ガラス層１３を堆積する。

次に、加工マスク層１４を形成した（図２（ｂ））後、フォトリソグラフィー技術を用いて、加工マスク層１４の露光処理およびパターン化処理を行う（図２（ｃ））。その後、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、ガラス層１３を所望のパターンに加工し、コア１５を生成する（図２（ｄ））。

残留した加工マスク層１４は除去し（図２（ｅ））、下層クラッド層１２およびコア１５の露出部分上に、上層クラッド層１６を形成し、上層クラッド層１６でコア１５を埋め込む（図２（ｆ））。

このようにして、１つの導波路層（クラッド層１２，１６およびコア１５）を備える単層光回路１０が作製される。なお、図２において、クラッド層１２，１６に対するコアの比屈折率差（Δ）は、２．５％とする。また、クラッド層１２の厚みは２０μｍであり、コア１５のサイズは３．５μｍ×４．０μｍ（幅×高さ）である。

次に、本実施形態の積層型光回路５１の作製方法について、図２〜図４を参照して説明する。図３は、積層型光回路５１の作製方法の一例を説明するための図である。図４は、ホットプレス装置５のホットプレスチャンバー５０内の様子を説明するための図である。

この積層型光回路５１は、２つの単層光回路１０，２０を接合することによって得られる。単層光回路２０の作製方法は、図２（ａ）〜図２（ｆ）に示したものと同一である。すなわち、単層光回路２０は、単層光回路１０と同様に、基板２１上に、下層クラッド層２２と、コア２５と、上層クラッド層２６とを備える。ここで、単層光回路２０では、下層クラッド層２２の厚みは５μｍとし、上層クラッド層２６の厚みは１０μｍとする。

先ず、２つの単層光回路１０，２０を準備する（図３（ａ））。次に、対応する上層クラッド層同士が対向して接合するように、２つの単層光回路１０，２０の接合位置を調整して（図３（ｂ））、２つの単層光回路１０，２０を接合する（図３（ｃ））。このとき、各上層クラッド層は研磨されており、平坦な面上で単層光回路１０，２０を接合することができる。

そして、ドライエッチングにより基板２１を取り除く（図３（ｄ））。このようにして、２つの導波路層を備える積層型光回路８１が作製される。

上述した図３の作製方法は、ホットプレス装置５によって実現される。

図４に示すホットプレス装置５において、ホットプレスチャンバー５０内には、ヒーター５１と、第１の光回路ホルダー５２と、第２の光回路ホルダー５３と、第１のＩＲ（Infrared Camera）カメラ５４と、第２のＩＲ（Infrared Camera）カメラ５５と、マイクロスコープ５６と、スコープホルダー５７とを備える。

図４の例では、第１の光回路ホルダー５２には、単層光回路１０が保持され、第２の光回路ホルダー５３には、単層光回路２０が保持される。ＩＲカメラ５４，５５は、対応する光回路ホルダー内に設けられており、単層光回路１０，２０を撮像する。

光回路ホルダー５３は、図４に示す上下方向Ｒ１に沿って、単層光回路２０を可動させることができるように構成されている。

マイクロスコープ５６は、２つの単層光回路１０，２０の間に取り付けられる。スコープホルダー５７は、２つの単層光回路１０，２０の接合位置を調整するため、図４に示す左右方向Ｒ２に沿って可動するように構成されている。

図３（ｂ）において、２つの単層光回路１０，２０の接合位置は、ＩＲカメラ５４，５５およびマイクロスコープ５６で確認される。このとき、上記接合位置の調整が必要な場合は、光回路ホルダー５３または／およびスコープホルダー５７によって単層光回路２０が各方向Ｒ１，Ｒ２に沿って移動する。これにより、単層光回路１０，２０の適切な位置決めが実施できる。位置調整後、マイクロスコープ５６は、光回路上部の空間領域から離れた位置へ移動する。

図３（ｃ）において、２つの単層光回路１０，２０は、次のようにして接合される。位置調整後，光回路をそのまま上面同士を接触させ，上部光回路ホルダー５３と下部光回路ホルダー５２で挟み、基板間にわずかに圧力（約３Ｎ）を印加した後，ホットプレスチャンバー５０内を真空にする。ホットプレスのヒーター５１により加熱し、９００℃迄昇温した後、さらに約１００Ｎまで加圧し、その後、加圧したまま、室温まで徐々に冷却することにより、第１の光回路１０と第２の光回路２０の上面同士を接着する。

以上では、図３および図４を参照して、２つの単層光回路１０，２０を接合する場合について説明したが、積層する単層光回路の数は、３つ以上とすることもできる。

例えば、図５は、３つの単層光回路１０，２０，３０を接合した場合の３層積層型光回路（積層光回路）８２の構成例を示す図であって、（ａ）は３層積層型光回路８２の断面図、（ｂ）は３層積層型光回路８２としてのＡＷＧ（Arrayed Waveguide Grating）波長合分波器の斜視図、を示す。

単層光回路３０の構成は、単層光回路２０と同一である。すなわち、単層光回路３０は、基板３１上に、下層クラッド層３２と、コア３５と、上層クラッド層３６とを備える。下層クラッド層３２の厚みは５μｍとし、上層クラッド層３６の厚みは１０μｍとする。

図５（ａ）の積層光回路８２の例では、図３（ｄ）に示した積層光回路８１の下層クラッド層２２の上に、単層光回路３０の上層クラッド層３６が接合され（図３（ｃ）のクラッド層１６，２６同士の接合と同様）、さらに単層光回路３０の基板３１が取り除いてある（図３（ｄ）の基板２１の除去と同様）。

図６は、積層光回路８２としてのＡＷＧ波長合分波器において、第２の導波路層における透過スペクトル特性を示してある。第２の導波路層は、図５のクラッド層２２，２６およびコア２５を備える層を意味する。

図６に示した透過スペクトル特性によると、良好な分波特性が得られていることがわかる。なお、第２の導波路層以外の第１の導波路層（図５のクラッド層１２，１６およびコア１５）および第３の導波路層（図５のクラッド層３２，３６およびコア３５）についても同様に良好な分波特性を得ることができた。

一般に、ＡＷＧ波長合分波器は、そのアレイ導波路部分またはスラブ導波路部分で生じる歪、作製誤差があると、透過スペクトル特性を著しく損ねる。しかし、上述のとおり、本実施形態の積層光回路８２の透過スペクトル特性は良好であることから、導波路が良好に作製されている。

以上説明したように、本実施形態の積層光回路８１の作製方法は、基板１１上に、基板側から、下部のクラッド層１２、コア１５および上部のクラッド層１６が積層された単層光回路１０を作製する工程と、作製された２つの単層光回路１０，２０の上部のクラッド層１６，２６の表面同士が対向するように、各単層光回路１０，２０を接合する工程と、接合された単層光回路の一方の基板２１を取り除く工程とを含む。ここで、各単層光回路１０，２０の作製方法は同じになるので、コアとなるガラス膜のガラス転移温度または軟化点温度は、各層に関し、すべて同じ温度にすることができる。この点で、上層のガラス膜より下層のガラス膜の方が高くなるように、ガラスの付加成分を調整するようにしていた従来の場合（図１）に比べて、複数の導波路層間のガラス転移温度条件の制約を緩和することができる。

また、１乃至複数層に積層された光回路の上で、成膜、フォトリソグラフィー、露光、加工といった工程による導波路作製を行うことなく、高精度な積層型光回路を作製することができる。

なお、本実施形態の具体的な構成は、変更することもできる。

２つの単層光回路の接合方法は、改変することができる。例えば、図３（ｃ）において、研磨した２つの単層光回路１０，２０のクラッド層１６，２６上面を清浄にした後、接着剤によって、単層光回路１０，２０を接合するようにしてもよい。接着材としては、例えば、硬化収縮率が３％以下の熱硬化型接着剤が考えられる。この接着材の硬化は、２５０℃まで昇温するようにして実現さる。この場合、上層クラッド層２６の厚みは、好ましくは、１５μｍである。

このようにしても、上記実施形態の積層光回路８１と同様の積層光回路８２を作製することができる。

図７は、かかる積層光回路８２としてのＡＷＧ波長合分波器において、第２の導波路層における透過スペクトル特性を示してある。

図７から、本実施形態の積層光回路８２の透過スペクトル特性も良好であることから、導波路が良好に作製されていることがわかる。

以上、実施形態および変形例について詳述してきたが、実施形態の中で個別に述べた変形例等は実施形態の積層光回路８１，８２と組み合わせて実施することができる。また、上述した材料、圧力、温度および層の厚さは本実施形態に限られるものではなく、本実施形態の要旨を逸脱しない範囲の設計変更は自由にできる。例えば、コアとなるガラス材料が、SiO₂-GeO₂ガラス，SiO₂-TiO₂ガラス，SiOxガラス，SiON等のいずれであっても作製可能である。

又、上部クラッド層の平坦化工程において、面精度の平均が概ね１ｎｍ以下の水準まで平坦化し、上部クラッド層の接合面に、原子やイオンを照射し、接合面を活性化すると、常温でも光回路と光回路を接合することが可能である。

１１，２１，３１ 基板
１２，２２，３２ 下層クラッド層
１５，２５，３５ コア
１６，２６，３６ 上層クラッド層
８１，８２ 積層光回路

Claims (5)

1. 基板上に、基板側から、下部のクラッド層、コアおよび上部のクラッド層が形成された単層光回路を作製する工程と、
   前記作製された２つの前記単層光回路の前記上部のクラッド層の表面同士が対向するように、２つの前記単層光回路を接合する工程と、
   前記接合された２つの前記単層光回路の一方の基板を取り除く工程と、
   前記基板が取り除かれた前記一方の前記単層光回路の露出した前記下部のクラッド層の上に、前記接合された２つの前記単層光回路とは別の単層光回路の上部のクラッド層の表面が接合するように、当該別の単層光回路を接合する工程と
   を含むことを特徴とする積層光回路の作製方法。
2. 前記接合する工程では、クラッド層の表面同士が対向するように、２つの単層光回路の位置決めを行う工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の積層光回路の作製方法。
3. 前記接合する工程では、接合面のクラッド層を研磨する工程を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の積層光回路の作製方法。
4. 前記接合する工程では、接合対象の単層光回路の上部のクラッド層上面に接着材を塗布し、前記接着材を介して単層光回路同士を接着して固着することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の積層光回路の作製方法。
5. 前記接合する工程では、前記単層光回路に押圧し、昇温することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の積層光回路の作製方法。