JP2019020624A - Optical waveguide - Google Patents

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里美 片寄
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Abstract

To provide an optical waveguide capable of suppressing sinking of a core layer into an underclad layer in heat treatment and achieving in-plane homogenization of a core film.SOLUTION: An optical waveguide according to this invention is an optical waveguide including a substrate, an SiOunderclad layer formed on the substrate, a core layer formed on the SiOunderclad layer, a core film formed on the SiOunderclad layer and the core layer, and an SiOoverclad layer formed on the core layer. Dopant is added to the SiOunderclad layer and the SiOoverclad layer and the core film has thickness less than 5% of the thickness of the core layer.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、熱処理においてコア層がアンダークラッド層中に沈み込むことを抑制して可視光用導波路の低損失化を可能にするとともに、マイクロローディング効果を発生させずにコア膜の面内均質化を実現可能な光導波路に関する。   The present invention suppresses the sinking of the core layer into the under-cladding layer in the heat treatment, thereby enabling a reduction in the loss of the visible light waveguide, and in-plane homogeneity of the core film without causing the microloading effect. The present invention relates to an optical waveguide that can be realized.

石英系ＰＬＣデバイスは、光通信・光信号処理システムを中心に用いられている。石英系ＰＬＣデバイスを構成する石英系導波路は、通信波長用に設計・作製されており、そのコア材料には、ＳｉＯ2にＧｅＯ2をドープしたＳｉＯ2−ＧｅＯ2が用いられている（例えば特許文献１参照）。石英系導波路のコア材料としてＳｉＯ2−ＧｅＯ2を用いた場合、通信波長帯では、大きな吸収損失もなく、極めて低損失で、実績ある光導波路を作製することができる。 Quartz-based PLC devices are mainly used in optical communication / optical signal processing systems. Silica-based waveguides constituting the silica-based PLC devices are designed and prepared for communication wavelength, Its core material, SiO 2 -GeO 2 is used which is doped with GeO 2 in SiO 2 (e.g. Patent Document 1). When SiO 2 —GeO 2 is used as the core material of the quartz-based waveguide, a proven optical waveguide can be manufactured with a very low loss without a large absorption loss in the communication wavelength band.

近年、石英系ＰＬＣデバイスは、光通信・光信号処理システムだけでなく、映像・センサデバイスとしても用いられており、可視光波長用に設計された石英系ＰＬＣデバイスも開発されている。   In recent years, quartz-based PLC devices are used not only as optical communication / optical signal processing systems but also as video / sensor devices, and quartz-based PLC devices designed for visible light wavelengths have also been developed.

しかしながら、石英系導波路のコア材料として用いられるＳｉＯ2−ＧｅＯ2は、通信波長帯では吸収端を有さないものの、可視光波長帯では吸収端を有するため、可視光が石英系ＰＬＣデバイスに入力されて導波路を伝搬すると、電子励起に起因した光吸収により光学特性が劣化するという問題があった。 However, SiO 2 —GeO 2 used as the core material of the silica-based waveguide does not have an absorption edge in the communication wavelength band, but has an absorption edge in the visible light wavelength band. When the light is input and propagates through the waveguide, there is a problem that optical characteristics are deteriorated due to light absorption caused by electronic excitation.

そこで、コア材料としてドーパントを用いず、純粋石英コアを用いる方法がある。コア材料として純粋石英コアを用いる場合、クラッド材料として、クラッド層の屈折率を純粋石英の屈折率より下げるために、ホウ素やフッ素をドープした石英が用いられる。   Therefore, there is a method using a pure quartz core as a core material without using a dopant. When a pure quartz core is used as the core material, boron or fluorine-doped quartz is used as the cladding material in order to lower the refractive index of the cladding layer from that of pure quartz.

図１は、ホウ素やフッ素をドープした石英を用いたクラッド層を有する従来の光導波路構造を示す。図１には、Ｓｉ基板１と、Ｓｉ基板１上に形成されたＳｉＯ2アンダークラッド層２と、ＳｉＯ2アンダークラッド層２上に形成された純粋石英コア層３と、純粋石英コア層３を埋め込むようにＳｉＯ2アンダークラッド層２及び純粋石英コア層３上に形成されたＳｉＯ2オーバークラッド層４と、を備えた光導波路構造が示されている。ＳｉＯ2アンダークラッド層２及びＳｉＯ2オーバークラッド層４は、ホウ素又はフッ素がドーピングされている。 FIG. 1 shows a conventional optical waveguide structure having a cladding layer using quartz doped with boron or fluorine. FIG. 1 shows a Si substrate 1, a SiO 2 under cladding layer 2 formed on the Si substrate 1, a pure quartz core layer 3 formed on the SiO 2 under cladding layer 2, and a pure quartz core layer 3. An optical waveguide structure including a SiO 2 under cladding layer 2 and a SiO 2 over cladding layer 4 formed on a pure quartz core layer 3 so as to be embedded is shown. The SiO 2 under cladding layer 2 and the SiO 2 over cladding layer 4 are doped with boron or fluorine.

しかしながら、ドーパントが多いほど融点が低くなるため、このようなホウ素やフッ素をドープした石英をクラッド層として用いた場合、導波路作製過程にてコア膜の膜質安定化およびクラッド層の平坦化のために火炎堆積法などによる熱処理をすると、図１に示されるように融点の高い純粋石英コア層３がドーパントリッチで融点の低いＳｉＯ2アンダークラッド層２中に沈み込んでしまう。そのため、例えば、導波路間隔を制御できないなど所望の回路パターンを形成できず、高機能な回路の形成が困難であるという問題があった。 However, since the melting point becomes lower as the amount of dopant increases, when quartz doped with boron or fluorine is used as the cladding layer, it stabilizes the core film quality and flattens the cladding layer during the waveguide fabrication process. When a heat treatment is performed by flame deposition or the like, as shown in FIG. 1, the pure quartz core layer 3 having a high melting point sinks into the SiO 2 under cladding layer 2 having a high dopant and a low melting point. For this reason, for example, a desired circuit pattern cannot be formed because the waveguide interval cannot be controlled, and it is difficult to form a highly functional circuit.

そこで、矩形のコア底面に極めて薄いコア膜を残すことで、表面張力によりコア層を浮かせ、熱処理においてコア層がアンダークラッド層中に沈み込むことを抑制する手法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。図２は、特許文献２に示す従来の光導波路構造を示す。図２には、Ｓｉ基板１１と、Ｓｉ基板１１上に形成されたＳｉＯ2アンダークラッド層１２と、純粋石英コア層１３と、純粋石英コア層１３を埋め込むようにＳｉＯ2アンダークラッド層１２及び純粋石英コア層１３上に形成されたＳｉＯ2オーバークラッド層１４と、ＳｉＯ2アンダークラッド層１２上で純粋石英コア層１３下に設けられたコア膜１５と、を備えた光導波路構造が示されている。ＳｉＯ2アンダークラッド層１２及びＳｉＯ2オーバークラッド層１４は、ホウ素又はフッ素がドーピングされている。 Therefore, a method has been proposed in which an extremely thin core film is left on the bottom surface of the rectangular core to float the core layer due to surface tension and suppress the core layer from sinking into the under-cladding layer during heat treatment (for example, patents). Reference 2). FIG. 2 shows a conventional optical waveguide structure shown in Patent Document 2. As shown in FIG. Figure 2, a Si substrate 11, a SiO 2 under-cladding layer 12 formed on the Si substrate 11, pure quartz core layer 13, SiO 2 under-cladding layer 12 and pure so as to bury the pure silica core layer 13 An optical waveguide structure including an SiO 2 over clad layer 14 formed on a quartz core layer 13 and a core film 15 provided on the SiO 2 under clad layer 12 below the pure quartz core layer 13 is shown. Yes. The SiO 2 under cladding layer 12 and the SiO 2 over cladding layer 14 are doped with boron or fluorine.

図２に示す従来の光導波路構造では、エッチングにより純粋石英コア層１３の回路パターンを形成し、矩形の純粋石英コア層１３底面に極めて薄いコア膜１５を残すことで、その表面張力により純粋石英コア層１３を浮かせ、熱処理において純粋石英コア層１３がＳｉＯ2アンダークラッド層１２中に沈み込むことを抑制している。 In the conventional optical waveguide structure shown in FIG. 2, a circuit pattern of the pure quartz core layer 13 is formed by etching, and an extremely thin core film 15 is left on the bottom surface of the rectangular pure quartz core layer 13. The core layer 13 is floated to prevent the pure quartz core layer 13 from sinking into the SiO 2 under cladding layer 12 during heat treatment.

特開２０１３−１７１２６１号公報JP 2013-171261 A 特開２００６−３０７３４号公報JP 2006-30734 A

図２に示す従来の光導波路構造では、エッチングによりコア膜１５の膜厚を制御して薄膜化を実現している。   In the conventional optical waveguide structure shown in FIG. 2, the film thickness is reduced by controlling the film thickness of the core film 15 by etching.

しかしながら、エッチングにより薄いコア膜１５をＳｉＯ2アンダークラッド層１２上に残そうとすると、回路パターンの疎密によりエッチング速度が変化するマイクロローディング効果が起こる。そのため、回路パターンが密集しているエリアではエッチング速度が低くなり、回路パターンが疎なエリアではエッチング速度が高くなることから、ウエハ面内においてコア膜１５の均質な残し厚の制御が困難であるという問題があった。 However, if an attempt is made to leave the thin core film 15 on the SiO 2 undercladding layer 12 by etching, a microloading effect in which the etching rate changes due to the density of the circuit pattern occurs. Therefore, the etching rate is low in an area where circuit patterns are dense, and the etching rate is high in an area where circuit patterns are sparse, so it is difficult to control the uniform remaining thickness of the core film 15 in the wafer surface. There was a problem.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、熱処理においてコア層がアンダークラッド層中に沈み込むことを抑制して可視光用導波路の低損失化を可能にするとともに、マイクロローディング効果を発生させずにコア膜の面内均質化を実現可能な光導波路を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and it is possible to reduce the loss of the waveguide for visible light by suppressing the core layer from sinking into the under-cladding layer in the heat treatment, and the microloading effect. It is an object of the present invention to provide an optical waveguide capable of realizing in-plane homogenization of a core film without generating any.

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る光導波路は、基板と、前記基板上に形成されたＳｉＯ2アンダークラッド層と、前記ＳｉＯ2アンダークラッド層上に形成されたコア層と、前記ＳｉＯ2アンダークラッド層及び前記コア層上に設けられたコア膜と、前記コア膜上に形成されたＳｉＯ2オーバークラッド層と、を備えた光導波路であって、前記ＳｉＯ2アンダークラッド層及び前記ＳｉＯ2オーバークラッド層にはドーパントが添加されており、前記コア膜は、前記コア層の厚みの５％以下の厚みを有することを特徴とする。 In order to solve the above problems, an optical waveguide according to an aspect of the present invention includes a substrate, a SiO 2 under cladding layer formed on the substrate, and a core layer formed on the SiO 2 under cladding layer. An optical waveguide comprising: a core film provided on the SiO 2 under-cladding layer and the core layer; and a SiO 2 over-cladding layer formed on the core film, wherein the SiO 2 under-cladding layer In addition, a dopant is added to the SiO 2 overcladding layer, and the core film has a thickness of 5% or less of the thickness of the core layer.

本発明によれば、熱処理においてコア層がアンダークラッド層中に沈み込むことを抑制して可視光用導波路の低損失化を可能にするとともに、マイクロローディング効果を発生させずにコア膜の面内均質化を実現可能な光導波路を提供することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to reduce the loss of the waveguide for visible light by suppressing the core layer from sinking into the under-cladding layer in the heat treatment, and to reduce the surface of the core film without causing the microloading effect. It becomes possible to provide an optical waveguide capable of realizing homogenization inside.

ホウ素やフッ素をドープした石英を用いたクラッド層を有する従来の光導波路構造を示す。1 shows a conventional optical waveguide structure having a cladding layer using quartz doped with boron or fluorine. 特許文献２に示す従来の光導波路構造を示す図である。It is a figure which shows the conventional optical waveguide structure shown in patent document 2. FIG. 本発明の実施例に係る光導波路構造を例示する図である。It is a figure which illustrates the optical waveguide structure concerning the example of the present invention.

（実施例）
図３は、本発明の実施例に係る光導波路を例示する。図３には、例えばＳｉで構成された基板１０１と、基板１０１上に形成され、例えばＳｉＯ2で構成されたアンダークラッド層１０２と、アンダークラッド層１０２上に形成され、例えば純粋石英で構成されたコア層１０３と、アンダークラッド層１０２及びコア層１０３上に設けられたコア膜１０５と、コア膜１０５上に形成され、例えばＳｉＯ2で構成されたオーバークラッド層１０４と、を備えた光導波路構造が示されている。アンダークラッド層１０２及びオーバークラッド層１０４は、ホウ素又はフッ素がドーピングされている。 (Example)
FIG. 3 illustrates an optical waveguide according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 shows a substrate 101 made of, for example, Si, an under-cladding layer 102 made of, for example, SiO 2 and formed on the under-cladding layer 102, and made of, for example, pure quartz. An optical waveguide provided with a core layer 103, a core film 105 provided on the under clad layer 102 and the core layer 103, and an over clad layer 104 formed on the core film 105 and made of, for example, SiO 2. The structure is shown. The under cladding layer 102 and the over cladding layer 104 are doped with boron or fluorine.

コア膜１０５は、表面張力によりコア層１０３を浮かせることができるように、且つ光学特性に影響を及ぼさないように、コア層１０３の厚みの５％以下の厚みを有することができる。コア膜厚の下限は、基板ウエハの平坦性・堆積膜の平坦性・研磨の加工精度によって決定され、おおよそ０．１μｍ程度である。   The core film 105 can have a thickness of 5% or less of the thickness of the core layer 103 so that the core layer 103 can be floated by surface tension and does not affect the optical characteristics. The lower limit of the core film thickness is determined by the flatness of the substrate wafer, the flatness of the deposited film, and the processing accuracy of polishing, and is about 0.1 μm.

以下、本発明の実施例に係る光導波路の製造方法について説明する。まず、１ｍｍの厚さを有する基板１０１上に火炎堆積法によってホウ素又はフッ素がドーピングされたＳｉＯ2を例えば２０μｍ堆積してアンダークラッド層１０２を形成した。次に、コア層１０３の形成位置において、アンダークラッド層１０２を例えば深さ４μｍの矩形状にエッチングする。その後、アンダークラッド層１０２の表面を覆うように純粋石英を堆積させることによって、４μｍの厚みを有するコア層１０３を形成する。次に、堆積された純粋石英に対して、厚さ例えば０．１μｍ程度のコア膜１０５を残すようにウエハ研磨を行う。その後、アンダークラッド層１０２と同じ屈折率となるように火炎堆積法によってホウ素又はフッ素をドーピングしたＳｉＯ2を２０μｍ堆積してオーバークラッド層１０４を形成した。 Hereinafter, the manufacturing method of the optical waveguide based on the Example of this invention is demonstrated. First, on the substrate 101 having a thickness of 1 mm, SiO 2 doped with boron or fluorine, for example, 20 μm was deposited by a flame deposition method to form the under cladding layer 102. Next, at the position where the core layer 103 is formed, the under cladding layer 102 is etched into a rectangular shape having a depth of 4 μm, for example. Thereafter, pure quartz is deposited so as to cover the surface of the under cladding layer 102, thereby forming the core layer 103 having a thickness of 4 μm. Next, wafer polishing is performed on the deposited pure quartz so as to leave the core film 105 having a thickness of, for example, about 0.1 μm. Then, 20 μm of SiO 2 doped with boron or fluorine was deposited by a flame deposition method so as to have the same refractive index as that of the under cladding layer 102, thereby forming an over cladding layer 104.

本実施例に係る光導波路によると、コア膜１０５はエッチングではなくウエハ研磨により残し厚を制御することから、マイクロローディング効果が生じないため、面内均質化が可能となる。また、極めて薄いコア膜１０５をコア層１０３の上面に残すことで、表面張力によりコア層１０３を浮かせることができるため、熱処理においてコア層１０３がアンダークラッド層１０２中に沈み込むことを抑制して可視光用導波路の低損失化が可能となる。   According to the optical waveguide according to the present embodiment, the core film 105 is left by wafer polishing instead of etching, so that the microloading effect does not occur, so that in-plane homogenization is possible. Further, by leaving the extremely thin core film 105 on the upper surface of the core layer 103, the core layer 103 can be floated by surface tension, so that the core layer 103 is prevented from sinking into the under cladding layer 102 during heat treatment. The loss of the visible light waveguide can be reduced.

なお、上記実施例では、コア膜１０５はコア層１０３と同じ純粋石英で構成されているが、例えばＡｌ2Ｏ3をドーピングしたＳｉＯ2などで構成してもよい。コア膜１０５の材料及び厚さは、表面張力によりコア層１０３を浮かせることが可能な組み合わせから選択される。 In the above embodiment, the core film 105 is made of the same pure quartz as the core layer 103, but may be made of, for example, SiO 2 doped with Al 2 O 3 . The material and thickness of the core film 105 are selected from combinations that can float the core layer 103 by surface tension.

また、上記実施例では、オーバークラッド層１０４をその屈折率がアンダークラッド層１０２と同じ屈折率となるように構成したが、石英コア層１０３よりも低い屈折率であれば、アンダークラッド層１０２とオーバークラッド層１０４とが異なる屈折率となるように構成してもよい。また、アンダークラッド層１０２及びオーバークラッド層１０４は、同じものであっても異なるものであってよい。   In the above embodiment, the over clad layer 104 is configured to have the same refractive index as that of the under clad layer 102. However, if the refractive index is lower than that of the quartz core layer 103, the over clad layer 102 The over clad layer 104 may be configured to have a different refractive index. The under cladding layer 102 and the over cladding layer 104 may be the same or different.

Claims (7)

基板と、
前記基板上に形成されたアンダークラッド層と、
前記アンダークラッド層上に形成されたコア層と、
前記アンダークラッド層及び前記コア層上に設けられたコア膜と、
前記コア膜上に形成されたオーバークラッド層と、を備えた光導波路であって、
前記コア膜は、前記コア層の厚みの５％以下の厚みを有することを特徴とする光導波路。 A substrate,
An underclad layer formed on the substrate;
A core layer formed on the underclad layer;
A core film provided on the under cladding layer and the core layer;
An overcladding layer formed on the core film, and an optical waveguide comprising:
The optical waveguide, wherein the core film has a thickness of 5% or less of the thickness of the core layer. 前記コア層は、純粋石英で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光導波路。   The optical waveguide according to claim 1, wherein the core layer is made of pure quartz. 前記コア膜は、純粋石英で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光導波路。   The optical waveguide according to claim 1, wherein the core film is made of pure quartz. 前記アンダークラッド層及び前記オーバークラッド層は、ＳｉＯ2で構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光導波路。 The under-cladding layer and the over cladding layer, the optical waveguide according to any one of claims 1 to 3, characterized in that it consists of SiO 2. 前記アンダークラッド層及び前記オーバークラッド層には、ドーパントが添加されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光導波路。   The optical waveguide according to claim 1, wherein a dopant is added to the under cladding layer and the over cladding layer. 前記ドーパントは、ホウ素又はフッ素で構成されていることを特徴とする請求項５に記載の光導波路。   The optical waveguide according to claim 5, wherein the dopant is made of boron or fluorine. 純粋石英コア層を有する光導波路の製造方法であって、
基板上にホウ素又はフッ素がドーピングされたＳｉＯ2を堆積してＳｉＯ2アンダークラッド層を形成する工程と、
前記純粋石英コア層の形成位置において、前記ＳｉＯ2アンダークラッド層を矩形状にエッチングする工程と、
前記ＳｉＯ2アンダークラッド層の表面を覆うように純粋石英を堆積させる工程と、
堆積された前記純粋石英に対して、前記コア層の厚みの５％以下の厚みを有するコア膜を残すようにウエハ研磨を行う工程と、
前記コア膜上に、前記ＳｉＯ2アンダークラッド層と同じ屈折率となるようにホウ素又はフッ素をドーピングしたＳｉＯ2を堆積してＳｉＯ2オーバークラッド層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする光導波路の製造方法。 A method of manufacturing an optical waveguide having a pure quartz core layer,
Depositing SiO 2 doped with boron or fluorine on a substrate to form a SiO 2 underclad layer;
Etching the SiO 2 undercladding layer into a rectangular shape at the formation position of the pure quartz core layer;
Depositing pure quartz to cover the surface of the SiO 2 underclad layer;
Polishing the wafer so as to leave a core film having a thickness of 5% or less of the thickness of the core layer with respect to the deposited pure quartz;
On the core film, a step of depositing SiO 2 doped with boron or fluorine so as to have the same refractive index as the SiO 2 under cladding layer to form a SiO 2 over cladding layer;
A method for manufacturing an optical waveguide, comprising:
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