JPH06501573A - 導波構造 - 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】 導波構造 本発明は導波構造、特に通路領域および制限領域が主基体上に支持されている構 造に関する。

導波構造には多数の通路領域が存在しており、例えば放射線がある通路から別の ものに転送されることができる光学スイッチの場合に複雑な通路領域が知られて いる。

既知の形態の導波構造は主基体を含み、その上に導波体が基体の溝中に導波体材 料を付着することによって製造される。

導波体と光ファイバとの間の接続を容易にするために、各溝中の導波体材料は構 造のエツジに達せずに止まり、ファイバの端部は導波体材料が存在しない溝中に 取付けられ、その後各ファイバのコアが端部対端部の方法で導波体に光学的に結 合される。このような構造は、Ｊ、　Ｔ、　Ｂｏ７ｄおよびＳ、Ｓｒｉｒａｍ氏 による文献（０ｐｔｉｃａｌ　Ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｆｒｏｍ　Ｆｉｂｅｒｓ　ｔ ｏ　Ｃｈａｎｎｅｌ　Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ　Ｆｏｒｍｅｄ　ｏｎ　５ｉｌｉｃ ｏｎ”、　ＡＰＰＬＩＥＤ　０ＰＴＩＣ５，１０６）　１９７８年３月１５日） に記載されている。

示された構造において、導波体は溶液から溝中に付着される重合プラスチック材 料のポリウレタンを含む。ファイバと導波体との間の接続が物理的に強い場合、 それは明らかに有効である。この場合、ポリウレタンはまたファイバを固定する 接着剤として機能することができる。

しかしながら、光学素子が製造される材料が同じ材料系である場合、それは好ま しい。これは特に製造を容易にする。

導波構造は例えばシリコンに基づいていることが有効であるため、それらは装置 と一体化されることができ、導波体材料としてのプラスチック材料の使用を避け 、またその代りにシリコンベースの導波体材料を使用することが有効である。

本発明を形成する際に、光ファイバまたはファイバテールに結合された導波構造 の製造時にガラス構造を有する導波体材料を使用し、一方で比較的製造し易い実 際の適用にとって十分に強い素子を依然として得ることが可能である。

ファイバに結合されたシリカ導波体に基づいた導波構造はＮ　５ｈｉｌｌＩｌｉ ｘｕ氏による文献（“Ｆｕｓｉｏｎ　Ｓｐｌｉｃｉｎｇ　ｂ＋ｊｗｅｅｎ　Ｄｅ ｐ。

５ｉｆｅｄ　５ｉｌｉｃａ　Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ　ａｎｄ　０ｐｔｉｃａｌ　 Ｆ：ｂｔｒｓ″　、ＥＬＥＣ丁ＪＩＯＮＩＣ５ＡＮＤ　ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩ ＯＮＳ　ＩＮ　ＪＡＰＡＮ　、１９８４年９月、Ｎｏ、９）に記載されている。

この説明において、機械的強度および低い結合損失は導波体にファイバを融着ス プライスすることによって得られる。しかしながら、組立てプロセスはファイバ および導波体を整列する整列工程によって複雑化され、これは融着スプライス段 階の前に伝送されたパワーの最適化に依存する。

本発明の第１の観点によると、 （ａ）機械的な支持用の主基体と、 （ｂ）この基体上に支持され、少なくとも１つの光導波通路領域およびこの通路 領域の少なくとも１つの端部と整列された溝を含み、溝が基体のエツジまで延在 する光学導波構造と、 （ｃ）この溝中に支持され、この通路領域に直接接続されたファイバの端部とを 含み、通路領域の材料がガラス構造を有し、ファイバの端部がガラス構造を有す る材料によって溝中に固定されている光学装置が提供される。

驚くべきことに、ガラス構造材料は一般に物理的に強い特性を有していないが、 本発明の実施例による光学装置は許容可能な機械的な強度を有している。基体の エツジに延在した溝中にファイバの端部またはファイバテールを取付けることに よって、その通路領域の少なくとも端部がファイバの端部またはファイバテール と整列されるように、その溝と関連した通路領域の材料を配置することは特に容 易である。さらに、溝中へのファイバ端部またはファイバテールの配置に続＜製 造段階で通路領域の材料を付着することによって、通路領域の材料はファイバの 端面またはファイバテール端部上で発達し、潜在的に優れた光学接続を形成する 。この構造はまた溝中にファイバ端部またはファイバテールを縦方向に位置する 時に有効な公差を提供する。

ファイバ全体の代わりにファイバテールを使用することによって、本発明による 光学装置の製造は比較的簡単にされる。

ファイバテールがそこから延在した一部分により溝中で配置されることができる ような長さを有している場合、ファイバテールの重さはそれを溝中に保持し、そ の後主基体は光導波構造の製造用の付着環境中にファイバテールと共に挿入され ることができる。これは、先導波構造を生成するために使用された材料が溝中に ファイバ端部またはファイバテールを固定するために使用される材料でもよく、 通路領域を決定するための後続的なエツチングにより同じ付着段階で付着される という利点を有する。

本発明の実施例は、製造中に使用される材料が同じ材料系に属しているため比較 的容易な製造特性を有する。さらに、通路領域は標準的なフォトリソグラフ技術 にしたがって限定されることができ、ファイバまたはファイバテールを固定する ために生成された溝の寸法によって影響を与えられない。

本発明の第２の観点によると、本発明の第１の観点による装置を形成する方法か 提供され、その方法は、装置の前駆体であるウェハ上にファイバの端部またはフ ァイバテールを配置し、その後ウェハ上に通路層を付着し、通路領域を成形し、 ウェハに関連したこの端部を固定するか、或は固定することに役立つ手段を形成 するために通路層を成形する。

本発明の実施例において、主基体は所望の特性を与えるためにドーパントを有す るシリカ（Ｓ　ｉ０２　）から形成された導波構造を備えたシリコン（Ｓｉ）で もよい。ドーパントの例は通路領域の屈折率を高めるためのゲルマニア（Ｇ　ｅ 　Ｏ２）および処理を容易にする融点低下剤、例えばリンおよびホウ素を含む。

これらの導波構造は、付着、焼結、フォトリソグラフ、エツチングおよび浸食の ような良く知られた技術によって形成されることができる。シリカ導波構造によ る使用のための適切な付着技術は、炎加水分解およびプラズマ強化された化学蒸 気付着を含む。

これらの技術を使用すると、光ファイバまたはファイバテールのコアに非常に良 好に光学的に結合された導波構造上に導波体を生成することは比較的簡単である 。導波体の寸法は光ファイバまたはファイバテールが配置された溝の寸法と全く 無関係に選択されることができるため、導波体は比較的簡単にファイバコアの寸 法に適合するように、したがって効果的な単一モード結合を提供するように製造 されることができる。（単一モードファイバはクラッド直径が１２５ミクロン程 度である場合、８ミクロン程度のコア直径を有することが認められる。） 実質的に（または実際に）インターフェイスのない光学結合は、同一または実質 的に同一の材料が使用されることができるため、導波体の材料とファイバテール のコアとの間において達成されることが可能であり、導波体の材料は光フアイバ テールコアの材料上に成長される。

ファイバテールが光ファイバの全長および、または他の素子に導波路領域を結合 するために使用された場合に、他の接続が形成されなければならなかったとして も、ファイバを互いにおよび非常に低い損失の接続を生成する別の素子に接続す る技術が知られており、したがってこれは実際上の問題ではない。

このような他の素子は例えばレーザ、検出器または変調器である。

単一の基体を使用して複数の装置を処理することが便利である。処理が終了した とき、基体は個々の装置を開放するために切断される。

以下、添付図面を参照にして実施例により本発明を説明する。

図１はファイバテールを受ける溝を有するウェハを示す平面図である。

図２は図１に示された溝中のファイバテールを示す。

図３は図２に示された溝およびファイバの任意の１つにおける垂直な断面図であ る。

図４は通路層の付着およびエツチング後のウェハの表面を示した平面図である。

図５は通路領域の処理後の図３に対応した垂直な断面図である。

図６は最終的な制限層の付着後の図５に対応した垂直な断面である。

例示に使用されたプロセスは： （ａ）多孔層を付着するための炎加水分解と、（ｂ）ガラス層に多孔層を固める ための焼結と、（Ｃ）限定パターンを形成するためのフォトリソグラフとを含む 。

これらの各ステップはそれ自身良く知られているが、重要な点を示すために簡単 な説明が与えられる。

炎加水分解は約５００乃至１０００ｍ［Ｉｌの直径を備え、毎秒約１回転する水 平回転台を含む付着装置を使用して実行される。装置はまた１つの半径に沿って 横断運動をする酸水素トーチを含む。炎の最高温部分の温度は約２０００℃であ るか、トーチは通常回転台およびその上の任意のウェハを約２００乃至４００℃ に加熱する。

付着を生成するために、揮発性材料がトーチへの気体供給源中に導入され、炎に おいて効果的な条件下でこれらの材料は通常“すす”として知られている酸化物 の微粒子に変化される。すすは回転台上に位置したウェハ上（およびその付近に 偶発的に存在しているその地金てのものの上）に多孔層として付着する。通路領 域を形成するために、５ｉＣ１およびＧｅＣ１が炎中に導入され、それによって すすはＳ　Ｉ　Ｏ２およびＧ　ｅ　Ｏ２の本質的な混合物を構成する。制限領域 を形成するために、Ｐｃｔ　およびＢＣｌ３のようなドーパントと共に５ｉＣ１ は炎中に導入される。この場合、すすは融点低下剤を冑するＳｉＯ２から構成さ れる。

層を付着するために、回転台は反応物なしで回転台の下方で酸水素炎または一体 のヒータ素子を使用して動作温度に加熱される。ウェハは加熱された回転台上に 配置され、ウェハの質量が小さいため、それらは急速に動作温度に達する。その 後付着が上記のように行われる。

付着後、ウェハは焼結のために約１３５０℃の温度で炉の中に配置される。この 温度は、ウェハの材料の初期溶融温度として選択される。すなわち、材料は融解 し始めるが、温度はそれらが完全に液化するのには低すぎる。選択された条件下 において、すすの粒子は部分的にそれら自身の表面張力の影響の下に単一の透明 なガラス層に融合する。しかしながら、焼結の期間は認識できる流動が発生する には短過ぎ、ファイバのような素子はそれらが接触しているすすの層に融着する が焼結期間を通してそれらの形態を保持する。

本発明によるフォトリソグラフは、それぞれ他方に関して正確な寸法にされた２ つのマスクを使用する。これは、２つの各マスクによって生成された特徴が非常 に正確な接続のために正しい相対位置にあることを保証する。

以下、図面を参照して動作のシーケンスを説明する。プロセスは容易に入手でき るウェハによりスタートシ、各ウェハは約ＩＯ乃至１５ミクロンの厚さのバッフ ァ層を有する約０．５乃至１ｍｍの厚さの主基体から構成されている。主基体は Ｓｉかウェハの表面を酸化することによって得られた。主基体は機械的な強度を 与えるために要求され、それは導波構造の光学特性に対して影響を与えない。（ シリコン層の厚さは実際には実質的に図中に示されたものより大きい。）ファイ バテールがウェハのエツジの周囲に結合されるため、処理がスタートする前に大 きいウェハを小さいセグメントに切断することが都合良い。これは通常の作業工 程と一致しないが、１つの大きいウェハではなく複数の小さいウェハを処理する ことは実質的にそれ程困難ではない。

製造の第１段階として、ウェハは長方形のセグメントに切断され、フォトリソグ ラフを使用して溝が形成され、続いて湿式または乾式エツチングが行われる。使 用されるエツチング技術に応じて、溝は異なる断面を有する。これは以下におい てさらに論じられる。ここに説明された実施例において、溝は“Ｖ”断面を有し ている。

第１のマスクは、図１に示された構造を生成するようにエツチングを制御するた めに使用される。この図面は上記のようなエツジの付近でエツチングされた６つ の溝１１．１乃至１１．６を備えたウェハｌＯを示す。これらの谷溝の位置、幅 および長さは既知の技術にしたがって第１のマスクによって正確に決定される。

溝の深さはまたエツチングプロセスを制御することによって正確に決定されるこ とができる。

溝をエツチングした後、プロセスの次のステップは図２に示された構造を生成す るために谷溝１１．１乃至１１．６にファイバテール１２，１乃至１２．６を配 置することである。ファイバテールは内部端部２１．１乃至２１．６および外部 端部２２．ｌ乃至２２．６を有する。

谷溝の寸法は、各ファイバテールがそれ自身の溝によって高さにおいて正確に位 置されるように選択されることが留意されるべきである。溝中のファイバの長さ は、次の処理段階中に機械的な安定性を保証するために溝から延在したテールよ り大きいことが望ましい。

図３は、各溝中の各ファイバテールに適応する垂直な断面である。図３において ファイバテールは全体的に符号１２で、また溝は符号１１によって示されている 。ウェハｌＯは主基体１３（図面において示唆されたものより厚い）およびバッ ファ１４から構成されている。溝１１はバッファ層１４を通って主基体１３中に 延在することか認められるであろう。ファイバ１２は約６０ミクロンの厚さのク ラッド１５を有し、コア１６の底部がシリカ層１４の上部と同じ高さであるよう に溝は６０ミクロンの深さにエツチングされることが認められる。コア１６は約 ６乃至８ミクロンの直径を有する。

ファイバテールを持つウェハ１０は図３に示されたように配置され、各ファイバ テールの端部面はその関連した溝の端壁に接触し、上記の技術を使用してシリカ ／ゲルマニア層の付着のために付着装置に位置される。付着中、すすは基体全体 、ファイバ全体にわたっておよび任意の間隙に付着することが理解されるであろ う。各ファイバテールはその溝によって正確に配置されるが、縦方向の位置は横 方向より少し正確さが低い。これは、すすが任意の空間を満たし、ファイバテー ルの縦方向の位置の装置公差を生成する傾向があるためである。

その後、シリカ／ゲルマニア層が焼結される。焼結プロセス中、シリカ／ゲルマ ニアのすすは融合して、ウェハを完全にカバーし、溝にファイバを固定する接着 剤として作用する薄いガラス層になる。さらに、層が表面全体をカバーするため 、どのようなファイバの縦方向の位置でも層は各内側のファイバ端２１において コア１６に融着される傾向がある。

上記のように、焼結プロセスはコアを初期の溶融状態にするが、ファイバの構造 は影響されない。しかしながら、初期の溶融は各コアと新しく付着された通路層 との間の優れた光学的接合を保証する。

シリカ／ゲルマニア層を焼結した後、第２のマスクの制御下でフォトリソグラフ エツチングプロセスが実行される。第２のマスクは第１のマスクに関して正確な 寸法にされるため、第２のマスクはファイバテールと相互接続する通路領域１７ ．１乃至１７．３の所望のパターンを残すように正確に配置されることができる 。

図４を参照すると、シリカ／ゲルマニア層の領域１８は固定手段としても動作す るように各ファイバテール１２．ｌ乃至１２．６上に残される。この材料は溝中 においてファイバの全周囲に延在し、それによってそれは溝においてファイバを しっかり固定する接着剤として動作することが理解されるであろう。

図４にはまたファイバテール１２．ｌ乃至１２．６を相互接続する通路領域１７ ，１．１７．２および１７．３が認められることができる。

図５において、各ファイバ１２のコア１６が内側端部２１において付着された通 路領域１７に直接融着されることが認められることができる。図５はまたシリカ ／ゲルマニア層からの材料２０がどのように各ファイバテール１２の内側端部２ Ｉに付着するかを示すが、これは一般に本発明の実施例による導波構造の使用時 に光結合にそれ程影響を与えない。

理想的には、化学組成はコア１６が関連した付着通路領域１７と完全に同じ化学 組成を有するように選択されなければならない。このようにして、コア１６と通 路領域１７との間の融着は反射を生じさせる材料インターフェイスなしに優れた 光接続を生成する。

ウェハは最終的な制限層１９の付着のために付着装置の中に戻され、層１９もま た焼結される。図６を参照すると、最終的な層１９はファイバテール上および通 路１７上を含む基体ｌＯ上に全体に延在する。図６はまた最終的な層１９がファ イバ１２のクラッド１５に融着され、それがバッファ層１４に接触する通路領域 １７間に延在することを示す。したがって、最終的な層１９は各通路領域１７を 包囲するようにバッファ層１４と共同し、それによってバッファ層Ｉ４および最 終的な層Ｉ９が導波構造の制限領域として機能するクラッドを構成する。

図６は各ファイバテールが付着される導波構造に完全に一体化されるため、優れ た低損失の接続が達成されることを強調する。時間が来たとき、例えば外側端部 ２２に接続ファイバを融着溶接することによって外部接続を形成することが容易 である。

通路領域層が付着される前にウェハ上にファイバテールが配置される本発明のプ ロセスは、ファイバテールが最後に結合される通常の方法よりかなり容易に動作 し、良好な結果を提供する。本発明によると、溝および通路領域は非常に正確に フォトリソグラフプロセスを制御する適合するマスクによって生成されるため、 ファイバテールが正確に配置される。

付着プロセスは材料が全体的に付着され、したがってファイバへの良好な接続が 達成されるため、溝におけるファイバの配置のエラーはあまり重要ではない。さ らに、本発明の好ましい実施例において、光学的接続は互いに同じ材料の直接溶 接によって形成され、これは低損失接続を達成する最良の構成である。

上記の例示されたプロセスに対する多数の変形が可能であることは理解されるで あろう。以下、これら変形のいくつかを示す。

上記のように、薄いバッファ層で被覆された主基体によりプロセスを始めること は便利である。被覆されていない主基体により始めることも可能であり、その場 合には余分の付着段階がバッファ層を設けるために要求される。この第１の付着 は最終的な制限層の付着と同じであることが都合良く、好ましい。バッファ層の 付着は、任意の厚さの層、例えばファイバのクラッドと同じ厚さくすなわち上記 の例において６０ミクロン）である層が使用されることが可能であることを意味 する。バッファ層の付着は余分の代わりのもの、すなわち溝はエツチングされ、 バッファ層の付着の前にファイバテールが配置されるものを生じさせる。

層の付着に適切な多数のプロセスもまた存在することが理解されるであろう。す なわち、上記のような加水分解の代わりに以下の付着技術が使用されることが可 能である＝（ａ）プラズマ強化された化学蒸気付着（ＰＥＣＶＤ）。

（ｂ）ツルゲル処理。

（Ｃ）　低圧化学蒸気付着（ＬＰＧＶＤ）。

（ｄ）無線周波数スパッタリング。

（ｅ）イオンビーム付着。

フォトリソグラフ以外の同様の成形技術、例えばエキトマレーザによる浸食のよ うな技術またはソーイングのような機械的技術が使用されることができる。これ らの技術はマスクを使用しない。

例えばフォトリソグラフでマスクが使用された場合、例えば水性のＫＯＨのよう な湿式技術、イオンビーム加工のような乾式技術または反応性イオンエツチング （ＲＩ　Ｅ）を使用してエツチングが行われることができる。

望ましくない材料を除去するために使用される技術は溝の形状に影響を与える。

例えば、湿式技術において除去速度は結晶配向に依存し、■溝が得られる。乾式 除去技術はより方形の溝を提供する傾向がある。しかしながら、寸法が正確であ るならば、断面形状は重要ではない。したがってＶ形の溝は使用されることが可 能であり、ファイバの形状に湾曲された溝も適切である。ファイバを正確に支持 し、表面に小さい間隙を残すことが重要であることが強調される。これらの溝は 、それらが最終的な生成物中に残されないように付着された材料によって充填さ れる。ファイバテールは付着プロセスの自然的結果として溝に固定的に溶接され る傾向がある。

はとんどの場合、溝におけるファイバの楔効果は付着プロセス中ファイバを保持 するのに十分であるが、例えば溝の外端上に配置されたシリコンマス等の一時的 な機械的拘束によって付加的な固定が行われることができる。通常、第１の付着 プロセスの後に機械的な拘束を取除くことが適切である。

上記および図面に全体的に示された構造は対称的なファイバテールおよび通路領 域のアレイを含むウェハを含んでいるが、実際にはこのようなアレイが適切であ るとは考えられない。１つの構造当たり１つ以上ファイバテールが存在し、ファ イバテールは関連した通路領域によって別のファイバテールではなく装置、例え ば受動または能動装置４０（図４に示されているように）に結合されてもよい。

集積装置構造におけるこのタイプの適用において、導波体を製造するためのもの と同じ材料が装置を製造するために使用されてもよいため、導波材料としてのシ リカの使用は特に有効である。

１つ以上の通路領域は直線でなくてもよく、或は例えば１つファイバテールが１ つ以上の装置に、或は１つの装置が１つ以上のファイバテールに結合されるよう に１つの通路領域が分割されてもよい。

補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の８）平成５年５月６日

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. １．（ａ）機械的な支持用の主基体と、（ｂ）この基体上に支持され、少なくと も１つの光導波通領域およびこの通路領域の少なくとも端部と整列された溝を含 み、溝が基体のエッジまで延在する光学導波構造と、（ｃ）この溝中に支持され 、この通路領域に直接接続されたファイバの端部とを含み、通路領域の材料がガ ラス構造を有し、ファイバの端部がガラス構造を有する材料によって溝中に固定 される光学装置。
2. ２．ファイバの端部はクラッドによって包囲されたコアを有し、コアの材料はガ ラス構造を有している請求項１記載の装置。
3. ３．通路領域およびコアの材料は同じか、或は実質的に同じである請求項１また は２記載の装置。
4. ４．端部は長さが溝の長さより大きいが、溝の長さの２倍より小さいファイバテ ールの端部であり、ファイバテールの半分以上の長さが溝に支持されている請求 項１乃至３のいずれか１項記載の装置。
5. ５．複数のファイバ端部またはファイバテール端部を含み、それぞれガラス構造 を有する材料によって各溝中に固定されている請求項１乃至４のいずれか１項記 載の装置。
6. ６．通路領域およびコアの両方のガラス構造を有する前記材料はシリカを含んで いる請求項１乃至５のいずれか１項記載の装置。
7. ７．各ファイバテールの内端部は導波構造の２つの層の間に配置され、それによ って装置へのテールの機械的結合が強化される請求項１乃至６のいずれか１項記 載の装置。
8. ８．通路領域およびコアの材料は同じ化学組成を有し、前記組成は屈折率限高め るゲルマニアと共にシリカを含んでいる請求項３記載の装置。
9. ９．ファイバまたはファイバテールのクラッドおよび導波装置の制限領域は同じ 化学組成を有し、前記組成は融点を低下するドーパントと共にシリカを含んでい る請求項１乃至８のいずれか１項記載の装置。
10. １０．主基体はシリコンから形成されている請求項１乃至９のいずれか１項記載 の装置。
11. １１．装置の前駆体であるウエハ上に１つ以上のファイバ端部を配置し、その後 ウエハ上に通路層を付着し、通路領域を形成するために通路層を成形する請求項 １乃至１０のいずれか１項記載の装置を形成する方法。
12. １２．（ｉ）主基体上において被覆された制限材料のバッファ層を有するウエハ 中に少なくとも１つの溝を形成し、前記溝が意図された通路領域の意図された端 部に配置され、（ｉｉ）そこから延在した外端部を残した前記溝中にファイバま たはファイバテールの内端部を配置し、（ｉｉｉ）前記ウエハ上に通路層を付着 し、層とファイバまたはファイバテールの内端部のコアとの間に直接接続を生成 するために前記層を焼結し、 （ｖｉ）ファイバまたはファイバテールのコアに接続された通路領域の背後に残 すべき通路層の望ましくない部分を除去し、 （ｖ）前記通路領域を覆って制限層を付着し、それによって前記制限層が導波装 置のクラッドを構成するように前記バッファ層と共同する請求項１１記載の方法 。
13. １３．光・電気装置、電気・光装置、電子装置またはそれに類似した装置等の能 動または受動装置に結合された光ファイバまたはファイバテールを含む集積され た光学装置であって、前記能動または受動装置が前記主基体によって支持され、 前記通路領域に光学的に結合されている請求項１乃至１０のいずれか１項記載の 光学装置。