JPH0720336A

JPH0720336A - 光導波路の構造とその製造方法

Info

Publication number: JPH0720336A
Application number: JP14767193A
Authority: JP
Inventors: Yasuhisa Tanizawa; 靖久谷澤
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1993-06-18
Filing date: 1993-06-18
Publication date: 1995-01-24

Abstract

(57)【要約】【目的】クラッド部とコア部を積層させてなるリッジ型
光導波路からなる導波路型光デバイスにおいて、温度変
化などの外部環境変化に対してストレスの影響を受ける
ことなく安定した特性を得る光導波路構造を提供する。【構成】基板表面において光導波路が形成される部分に
あらかじめ溝を形成し、その溝の中に光導波路を形成す
るクラッド部とコア部を形成する。また、溝をエキシマ
レーザによるアブレーションにより加工する。【効果】溝を形成することにより基板と光導波路を形成
するクラッド部およびコア部との熱膨張係数差によるス
トレスが低減され、安定した特性が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、導波路型光デバイスに
関し、特に基板表面に積層させたコア部とクラッド部か
らなる光導波路の構造と、その製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】導波路型光デバイスは基板上に光導波路
を形成し、光導波路自体に光スイッチングや光結合、光
変調の機能をもたせたり、あるいは光半導体素子と基板
上で結合させたりできる。このため、電子デバイスなど
の半導体技術と同様に大量生産が可能であると同時に高
集積化、高機能化が可能であり、従来のマイクロオプテ
ィクス型デバイスにない数多くの優れた特長を有してい
る。

【０００３】このような光導波路としては、例えば１９
９０年電子情報通信学会春季全国大会論文集所載の論文
Ｃ−１８９「石英系導波路形広帯域カプラ」（文献１）
記載の構造が知られている。この論文記載の光導波路
は、基板の表面上に火炎堆積法やＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃ
ａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの手
法を用いて二酸化シリコン膜（ＳｉＯ₂膜）を堆積さ
せ、光導波路となる部分だけにリンやゲルマニウムなど
の不純物をドープさせてコア部となる屈折率の高い部分
を形成した光導波路であり、石英系光導波路（あるいは
石英光導波路）と呼ばれている。

【０００４】しかし、石英系光導波路において、従来の
ようにコア部とクラッド部を積層させた単純な構造であ
ると、基板材料であるシリコンとの間に１桁以上違う大
きな熱膨張係数差があるため、ＳｉＯ₂膜を１００℃以
上といった高温状態で被膜した場合には、室温に戻した
時に基板と被膜の間にストレスが生じる。また、たとえ
室温状態で所望の特性が得られるように製作工程におけ
る温度変化を考慮して光導波路を形成したとしても、通
常使用状態でデバイスに温度変化を加えると、同じよう
に被膜内部に熱膨張係数差によるストレスが生じてしま
うことになる。被膜内部にストレスが生じると、単純な
直線導波路や導波路曲がり部においても光導波路コア部
の屈折率が変化したり、形状に変化が生じるため、伝搬
損失が増大するという悪い影響を受けることがある。方
向性結合器を用いた光分岐部や光号分波部においては、
光導波路コア近傍のわずかな屈折率や形状変化でも大き
な特性変化を生じさせてしまうことになり、デバイスの
安定した特性を確保することができなくなってしまうと
いう問題点があった。

【０００５】従来、上述した光導波路の被膜内部に生ず
るストレスを除去あるいは低減するために、昭和６２年
電子情報通信学会半導体・材料部門全国大会論文集所載
の論文３７２「ブリッジ構造をもつ石英系光導波路」
（文献２）に示されるように、光導波路コア近傍にスト
レスを除去するための溝を設ける構造が提案されてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、文献２
記載の構造は光導波路の近傍に溝のパタンを形成し、エ
ッチング等によるこれを形成しなければならず溝の製造
工程が複雑になる。また、溝形成によりたとえ温度変化
によるストレスを緩和できたとしても、光導波路が中空
に浮いたのに近い状態になるため物理的な強度が低下
し、振動や衝撃などの機械的な外力に弱くなる。さら
に、光方向性結合部ではこうした溝を形成すること自体
が困難であった。

【０００７】本発明の目的は、上述のデバイス周囲の温
度変化により光導波路に生じるストレスによる影響を除
去し安定した特性を得ることができ、しかも生産性がよ
く高集積化が可能な導波路型光デバイスの光導波路構造
を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述の欠点を除去するた
めに、本発明の光導波路構造は、光を導波させるコア部
と、このコア部の少なくとも下部に屈折率の小さいクラ
ッド部を備えた光導波路を基板上に有する導波路型デバ
イスにおいて、光導波路が導波路基板の表面に形成され
た溝の中に形成されていることを特徴としている。

【０００９】本発明はまた、上記コア部の下部のみなら
ず側面、さらには上面にもクラッド部を備えた光導波路
を基板上に有する導波路型光デバイスをも対象としてお
り、上述の基板表面に形成された溝の中にこれら光導波
路が形成されていることを特徴としている。ここで、光
導波路のコア部の下部にあるクラッド部は基板表面の溝
の底面に接して形成され、この上にコア部が形成されて
おり、基板の溝の幅はコア部の幅よりも少なくとも３倍
の幅を有し、かつコア部の底面は基板の溝が形成されて
いない領域の表面よりも低い位置に形成されていること
を特徴としている。

【００１０】また、基板表面への溝形成の方法として、
エキシマレーザによるアブレーション加工を用いた方法
によることを特徴としている。

【００１１】本発明は、特に石英系光導波路に代表され
るようなコア部とクラッド部を基板上に積層させ形成し
た光導波路を用いた導波路型光デバイスを対象としてい
る。これは、従来と異なりコア部とクラッド部をあらか
じめ基板表面に形成した溝内部に形成することを特徴と
している。このような構造にすることにより、たとえデ
バイス周囲に温度変化が生じても、基板と被膜の熱膨張
係数差に起因して基板がそってしまうということはなく
光導波路近傍の光導波路を構成する被膜にストレスが生
じにくくなり安定したデバイス特性を得ることが可能に
なる。

【００１２】また、上述の光導波路構造を有する導波路
型光デバイスの溝の加工を効率よく、しかも正確に実施
できる具体的手段として、エキシマレーザにより溝加工
をすることを特徴としている。シリコン基板への溝加工
の手段としては従来はシリコンの異方性を利用した科学
的エッチングがＶ溝（本発明に記載の光導波路を形成す
るための溝ではなく、光ファイバを配列するための溝）
形成手段として一般的に用いられていた。ところが、導
波路型光デバイスを形成するためにはなめらかな曲がり
部や分岐部も必要となるため、上記の溝を化学的エッチ
ングによって形成するのは困難であった。そこで、本発
明のエキシマレーザで加工する手段を用いることによ
り、光導波路を構築する上記溝を光導波路のパタンに合
わせて任意のパタンに容易に形成することが可能にな
る。

【００１３】

【実施例】次に図面を用いて本発明の一実施例を説明す
る。図１は本発明の光導波路の断面図である。図におい
て、シリコンから構成された基板１の表面に、エキシマ
レーザにより溝５が加工されている。溝５を含めた基板
１の表面全体には、ＳｉＯ₂膜からなる底部クラッド部
２がＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏ
ｓｉｔｉｏｎ）法により形成されている。さらに、底部
クラッド部２の上部に、屈折率を高くして光を閉じこめ
るためゲルマニウムがドープされたＳｉＯ₂膜からなる
コア部３が形成されている。コア部３はフォトリソグラ
フィーにより、溝５に沿った光導波路パターンで、かつ
導波光がシングルモードとなるような幅にパターニング
されている。図１に示す一実施例は、本願発明のなかで
コア部の上部および側面部にもクラッド層が形成された
例を示している。

【００１４】次に、本願発明の光導波路構造を用いた光
導波路の特性評価結果について説明する。

【００１５】まず最初に、本発明の光導波路構造と従来
のリッジ型光導波路の伝搬特性を比較評価するため、半
径２０ｍｍ、角度９０度の曲がりパタンを有する光導波
路をそれぞれ作製した。

【００１６】本願発明の光導波路構造の溝加工では、ま
ず基板１の表面にエキシマレーザのアブレーション加工
により幅約３０μｍ、深さ約２０μｍの溝５を所望の光
導波路パタンになるように加工した。図２に示すよう
に、エキシマレーザを用いたアブレーション加工による
溝加工では、レーザビームを照射エネルギ密度約１０Ｊ
／ｃｍ²になるようにレンズで絞り込んだ状態で基板に
一定時間照射しながら加工することとし、基板を設置し
たＸＹステージを所望の光導波路パタンに設定したプロ
グラムに従って動かしながら加工した。なお、エネルギ
密度はこれより低くても可能であり、低くする方が一度
に加工できる加工領域を大きくすることができるが溝の
深さ方向の加工速度が低下するためこの値のエネルギ密
度とした。

【００１７】次に、基板１の表面に堆積させた膜につい
ては、底部クラッド部５としてＣＶＤ法によりＳｉＯ₂
膜を約１０μｍ堆積させた。さらに、コア部３としてゲ
ルマニウムがドープされたＳｉＯ₂膜を約８μｍ堆積さ
せた。基板１の表面全体に上部クラッド部４として堆積
されたＳｉＯ₂膜の膜厚も約１０μｍとした。なお、コ
ア部３の幅は導波光をシングルモードとするため８μｍ
とした。

【００１８】最初に形成した溝５の幅は、その底面に均
一にＳｉＯ₂膜が付着しコア部３を形成後、この側面に
上部クラッド部４が確実に付着するようコア部３の幅よ
りも３倍以上の３０μｍとした。溝の幅がコア部の幅に
比べ、概ね３倍以下であると、コア部となる層を成膜し
たときに逆に溝があることによって膜内にストレスを生
じたり、コア部となる部分の膜表面にくぼみを生じ矩形
断面のコア部を形成しにくいなどの不備が生じることが
ある。溝５の幅をコア部３の幅よりの３倍以上としたの
は、これらを防ぐためである。なお、フォトリソグラフ
ィーの工程では、基板表面上に溝による段差があるた
め、すべて露光にはマスクを基板に接触させないで行え
るステッパを用いた。

【００１９】上述の光導波路構造をもつ光導波路曲がり
部の損失の温度異存性を測定した結果を図３に示す。図
３より明らかなように、文献１に記載の従来の光導波路
構造による曲がり部においては室温で損失が約０．２ｄ
Ｂと小さくできても、６５℃の高温あるいは０℃の低温
状態になると０．６ｄＢ以上と損失は増大してしまう。
これは、温度変化があるとシリコン基板１と光導波路材
料であるＳｉＯ₂の間の熱膨張係数差により光導波路近
傍にストレスが集中し、この結果、光導波路の光閉じ込
め状態が弱くなり一部が放射されてしまうことによると
考えられる。一方、本発明の光導波路構造を用いた曲が
り部における損失評価結果では温度変化があっても、光
導波路部にストレスが集中しない構造となっているた
め、温度変化に対する損失変動はほとんどなく安定して
いる。

【００２０】次に、本発明の光導波路構造と文献１に記
載の従来の光導波路構造のそれぞれの構造を用いた方向
性結合型光合分波器の合分波特性の温度に対する安定性
を比較評価した。本発明の光導波路構造による方向性結
合型光合分波器の断面構造を図４に示す。それぞれの光
合分波器の分岐特性（分岐比の波長依存性）を示したグ
ラフをそれぞれ図５および図６に示す。分岐特性は室温
と６５℃の各温度でそれぞれ評価したが、従来の光導波
路構造のものは高温で分岐特性が図６に示されるように
初期（室温）の状態から変化していることがわかる。こ
れに対して本発明の光導波路構造によるものは温度変化
が生じてもほとんど変化がなく安定していることがわか
る。本評価における結果の違いについても上述の曲がり
部における損失評価結果をもたらす原因と同じくストレ
スによる影響の違いによるものと考えられる。

【００２１】上記実施例では溝５の深さを２０μｍと
し、コア部３全体が基板１の溝が形成されていない領域
の表面よりも低くなるようにしたが、この溝の深さが浅
いと基板と膜の熱膨張係数差によるストレスを十分緩
和、除去できない。すなわち、ストレスを十分緩和する
ためには、下部スラッド部４が溝と５と溝が形成されて
いない領域でほぼ完全に分離されている必要があり、下
部クラッド部４の表面すなわち少なくともコア部３の底
面が基板１の表面よりも下になるように溝５の深さを決
める方がよい。逆に、溝が深すぎると溝加工に時間がか
かるのみならず、コア部３のパターニングも困難にな
る。従って、本実施例のような厚さ１０μｍの下部クラ
ッド部４と厚さ８μｍのコア部３を有するような光導波
路では、溝深さは概ね１５〜２０μｍとするのがよい。

【００２２】また、コア部の上下部および側面部にクラ
ッド部が形成された光導波路について説明したが、コア
部の下部のみにクラッド部が形成された光導波路、ある
いは下部と側面部にのみクラッド部が形成された光導波
路についても本発明の構造がストレス緩和、除去効果を
有し、適用可能であることは言うまでもない。

【００２３】溝５を形成する以外の上記工程は従来の光
導波路製造法と特に変わりない。溝形成においてはエキ
シマレーザのアブレーション加工による方法を用いた
が、従来のシリコン基板の異方性を利用した科学的エッ
チングによる方法では、溝深さとしては概ね１０μｍ以
上であるため多大な時間（通常数十分）を要してしま
う。しかも溝結晶方位に対してある定まった方向にしか
きれいな溝を形成することができず、光導波路パタンは
通常曲線を含む任意のパタンを有している。また、方向
性結合器の結合部分では溝幅を変える必要があり、この
点でも本発明の光導波路構造の溝加工方法としては必ず
しも適していない。さらに、化学的エッチングによる溝
加工方法は、昭和６２年電子情報通信学会半導体・材料
部門全国大会論文集の論文番号３７３に記載の「サファ
イヤ基板上の石英系光導波路」に示されているようなシ
リコン以外を基板材料とする光導波路に適用することが
できない。一方、エキシマレーザによる加工は基板材料
が紫外線を吸収する材料であれば、あるいは紫外線を吸
収するようにすれば石英ガラスなどのシリコン以外の加
工も可能であり、本発明の光導波路の構造を適用するこ
とができる。

【００２４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の導波路型光
デバイスの光導波路構造を用いることにより、デバイス
周囲の温度変化があっても光導波路近傍にストレスが生
じることなく安定した特性をもつ導波路型光デバイスを
生産性よく作製することが可能になる。しかも、ストレ
スを緩和、除去するために光導波路近傍に広い幅の溝を
設ける必要はないため高集積化にも支障をきたさないと
いう特長もある。また、本発明の光導波路を構造の作製
に必要となる基板表面の溝はエキシマレーザで加工する
ことにより、任意パタンの溝を容易に加工することがで
き、Ｙ分岐や方向性結合器などの種々のパタンにも対応
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の導波路型光デバイスの光導波路構造を
断面図により示した図。

【図２】エキシマレーザによる光導波路基板の加工状態
を示す斜視図。

【図３】半径２０ｍｍ、角度９０℃の曲がり部の光導波
路の温度変化に対する損失変動の評価結果を表す図。

【図４】本発明の光導波路構造を用いた方向性結合型光
合分波器の断面構造。

【図５】図５の光合分波器の温度変化に対する分岐比変
動を表す図。

【図６】従来の光導波路構造による光合分波器の温度変
化に対する分岐比変動を表す図。

【符号の説明】

１シリコン基板２底部クラッド部３コア部４上部クラッド部５溝

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光を導波させるコア部と少なくとも前記
コア部の下部に該コア部より屈折率の小さいクラッド部
を備えた光導波路を基板上に有する導波路型光デバイス
の光導波路の構造において、前記光導波路が、前記基板の表面に形成された溝の中
に、前記クラッド部を前記溝の底面に接して形成されて
いることを特徴とする光導波路の構造。
【請求項２】前記光導波路は前記コア部の下部と側面
部に該コア部より屈折率の小さいクラッド部を備えたこ
とを特徴とする請求項１の光導波路の構造。
【請求項３】前記光導波路は前記コア部の上下部と側
面部に該コア部より屈折率の小さいクラッド部を備えた
ことを特徴とする請求項１の光導波路の構造。
【請求項４】前記基板の溝は、前記コア部よりも少な
くとも３倍以上の幅を有していることを特徴とする請求
項２または請求項３の光導波路の構造。
【請求項５】前記コア部の底面が、前記基板の溝が形
成されていない領域の表面よりも下に位置することを特
徴とする請求項１の光導波路の構造。
【請求項６】前記基板の表面の溝をエキシマレーザに
よるアブレーション加工により形成することを特徴とす
る請求項１の光導波路の製造方法。