JP3343846B2 - Manufacturing method of optical waveguide - Google Patents
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Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、光通信、光信号処
理、光計測分野における光回路部品に用いられる光導波
路の製造方法に関するものであり、波長１．３μｍ帯お
よび１．５５μｍ帯における信号光処理を行う光導波路
の製造方法に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical waveguide used for optical circuit components in the fields of optical communication, optical signal processing and optical measurement.
The present invention relates to a method for manufacturing a path, and an optical waveguide for performing signal light processing in a 1.3 μm band and a 1.55 μm band
And a method for producing the same.
【０００２】[0002]
【従来の技術】石英系ガラス導波路型光部品は石英系光
ファイバと低損失で接続可能なことから、実用的な導波
路型光部品を実現できる手段として注目されている。石
英系ガラス光導波路は、数μｍから数十μｍ厚のコアま
たはクラッドとなる石英系ガラス膜を形成する技術と、
形成されたコア石英系ガラス膜をフォトリソグラフィー
工程およびエッチングを利用して数μｍ幅のパターン形
状に加工する技術を組み合わせて作製され、これまで
に、様々な光回路が実現されている。2. Description of the Related Art A silica-based glass waveguide type optical component is attracting attention as a means for realizing a practical waveguide-type optical component because it can be connected to a silica-based optical fiber with low loss. The silica-based glass optical waveguide is a technique of forming a silica-based glass film serving as a core or a clad having a thickness of several μm to several tens μm,
It is manufactured by combining a technique of processing the formed core quartz glass film into a pattern shape having a width of several μm using a photolithography process and etching, and various optical circuits have been realized so far.
【０００３】図７に従来の石英系ガラス光導波路の構造
と製造方法の一例を示す。この光導波路は、平面基板１
上に形成された光を伝搬するコア６およびコアより屈折
率の低いクラッド５，７により構成されており、コア６
およびクラッド５、７は石英系ガラスで形成されてい
る。ここでは、基板１としてシリコン基板を用いた。こ
の石英系ガラス光導波路を作製するには、まず、シリコ
ン基板１上に膜厚３０μｍ程度である下部クラッド石英
系ガラス層５および膜厚数μｍであるコア石英系ガラス
層１０を火炎堆積法により形成する。次に、コア石英系
ガラス層をフォトリソグラフィー工程およびエッチング
を用いて矩形のコア６に加工する。最後に、膜厚３０μ
ｍ程度である上部クラッド石英系ガラス層７を火炎堆積
法により作製する。FIG. 7 shows an example of a structure and a manufacturing method of a conventional silica glass optical waveguide. This optical waveguide is a flat substrate 1
The core 6 is formed of a core 6 for transmitting light formed thereon and clads 5 and 7 having a lower refractive index than the core.
The claddings 5 and 7 are made of quartz glass. Here, a silicon substrate was used as the substrate 1. In order to manufacture this quartz glass optical waveguide, first, a lower clad quartz glass layer 5 having a thickness of about 30 μm and a core quartz glass layer 10 having a thickness of several μm are formed on a silicon substrate 1 by a flame deposition method. Form. Next, the core quartz glass layer is processed into a rectangular core 6 using a photolithography process and etching. Finally, a film thickness of 30μ
The upper clad quartz glass layer 7 having a thickness of about m is formed by a flame deposition method.
【０００４】以上の製造方法で作製される石英系ガラス
光導波路は波長１．３μｍおよび１．５５μｍにおける
伝搬損失が０．１ｄＢ／ｃｍ以下と小さく、また、コア
がクラッドに囲まれた埋め込み型の構造であることから
曲げ半径を小さくできる。さらに、コア作製にフォトリ
ソグラフィー工程を用いていることから、導波路で構成
する光回路の設計自由度が高い。以上の特徴より、光波
の干渉を利用したマッハツェンダ干渉計、アレー導波路
格子において、高消光比、低挿入損失である光部品が実
現されている。さらに、石英系ガラスの熱光学効果を利
用し、マッハツェンダ干渉計の片方のアーム導波路に金
属薄膜によるヒータを具備した光スイッチおよび光スイ
ッチをマトリックス状に配置したＮ×Ｎマトリックス光
スイッチが実現されており、高消光比、低挿入損失な動
作が達成されている（例えば、M.Okuno et al., "Impr
oved 8x8 integrated optical matrix switch using si
lica-based planar lightwave circuits", J. Lightwav
e Technol., vol.12, pp.1597-1606, 1994)。The quartz glass optical waveguide manufactured by the above-described manufacturing method has a small propagation loss of 0.1 dB / cm or less at wavelengths of 1.3 μm and 1.55 μm, and has a buried type in which a core is surrounded by a clad. Due to the structure, the bending radius can be reduced. Further, since a photolithography process is used for fabricating the core, the degree of freedom in designing an optical circuit composed of a waveguide is high. From the above features, an optical component having a high extinction ratio and low insertion loss has been realized in a Mach-Zehnder interferometer and an arrayed waveguide grating using light wave interference. Furthermore, utilizing the thermo-optic effect of quartz glass, an optical switch having a heater made of a metal thin film on one arm waveguide of the Mach-Zehnder interferometer and an N × N matrix optical switch in which the optical switches are arranged in a matrix are realized. Operation with high extinction ratio and low insertion loss (see, for example, M. Okuno et al., "Impr
oved 8x8 integrated optical matrix switch using si
lica-based planar lightwave circuits ", J. Lightwav
e Technol., vol.12, pp.1597-1606, 1994).
【０００５】一方、最近、シリコン層と石英系ガラス層
とシリコン層との三層構造を有するＳＯＩ基板を用いた
シリコン光導波路に関する研究が活発化している（例え
ば、U. Fischer et. al.,"0.1dB/cm waveguide losses
in single-mode SOI rib waveguides", IEEE Photon. T
echnol. Lett., vol.8, pp.647-648, 1996) 。図８にシ
リコン光導波路と製造方法を示す。シリコンで形成され
たコアと石英系ガラス（シリコン酸化層）で形成された
クラッドにより構成されたリブ導波路構造である。On the other hand, recently, research on a silicon optical waveguide using an SOI substrate having a three-layer structure of a silicon layer, a silica-based glass layer, and a silicon layer has been activated (for example, U. Fischer et. Al., "0.1dB / cm waveguide losses
in single-mode SOI rib waveguides ", IEEE Photon. T
echnol. Lett., vol.8, pp.647-648, 1996). FIG. 8 shows a silicon optical waveguide and a manufacturing method. This is a rib waveguide structure composed of a core formed of silicon and a clad formed of quartz glass (silicon oxide layer).
【０００６】このシリコン光導波路を作製するには、ま
ず、シリコン基板１にイオン注入と高温度熱酸化処理に
よりシリコンの酸化層（すなわち、石英系ガラス層）２
を形成し、その上にさらにシリコン層３を設けて、シリ
コン層１と石英系ガラス層（シリコン酸化層）２とシリ
コン層３の三層構造を有するＳＯＩ基板を作製する。こ
の段階で必要に応じて最上層のシリコン層３の膜厚をエ
ピタキシャル成長により厚くする。次に、シリコン層３
をフォトリソグラフィー工程およびエッチングを用いて
加工し、シリコンスラブ層３とシリコンリッジ部４より
形成されるリブ導波路構造を形成する。最後に、高温度
熱酸化処理により上部クラッド用石英系ガラス層７を形
成する。In order to manufacture this silicon optical waveguide, first, an oxide layer of silicon (that is, a quartz glass layer) 2 is implanted into a silicon substrate 1 by ion implantation and high-temperature thermal oxidation.
Is formed thereon, and a silicon layer 3 is further provided thereon. Thus, an SOI substrate having a three-layer structure of a silicon layer 1, a quartz glass layer (silicon oxide layer) 2, and a silicon layer 3 is manufactured. At this stage, if necessary, the thickness of the uppermost silicon layer 3 is increased by epitaxial growth. Next, the silicon layer 3
Is processed using a photolithography process and etching to form a rib waveguide structure formed by the silicon slab layer 3 and the silicon ridge portion 4. Finally, a quartz glass layer 7 for the upper clad is formed by a high-temperature thermal oxidation treatment.
【０００７】このようにして製造されたシリコン光導波
路は、シリコンの熱光学定数が石英系ガラスの１０倍程
度大きい値であり、かつ、シリコンの熱伝導率が石英系
ガラスの１００倍程度大きいことから、例えば、金属薄
膜ヒータを装荷したマッハツェンダ干渉計を用いた光ス
イッチにおいて、１ＭＨｚ程度の高速スイッチ周波数が
実現できる。さらに、シリコンのコアに電流注入する
と、フリーキャリヤの移動による屈折率変化が誘起され
る性質がある。従って、シリコン光導波路にドープ領域
を設けて電流注入用電極とし、マッハツェンダ干渉計を
用いた光強度変調器や光スイッチを構成すると、熱光学
効果を用いる場合に比べさらに高速であるｎｓｅｃ領域
での応答が可能となる。さらに、シリコン光導波路は、
ＳｉＧｅ液晶部を設けることによって光検出器を集積で
きる。また、ＬＳＩ高速電子回路を光導波路とモノリシ
ック集積できるといった特徴を有する。[0007] The silicon optical waveguide manufactured in this manner has a thermo-optic constant of silicon that is about 10 times larger than that of quartz-based glass and a silicon thermal conductivity that is about 100 times larger than that of quartz-based glass. Thus, for example, in an optical switch using a Mach-Zehnder interferometer loaded with a metal thin-film heater, a high-speed switching frequency of about 1 MHz can be realized. Further, when a current is injected into a silicon core, a change in the refractive index due to the movement of free carriers is induced. Therefore, when a doped region is provided in a silicon optical waveguide to serve as a current injection electrode, and a light intensity modulator or an optical switch using a Mach-Zehnder interferometer is configured, the speed in the nsec region is higher than that in the case of using the thermo-optic effect. Response is possible. Further, the silicon optical waveguide is
The photodetector can be integrated by providing the SiGe liquid crystal unit. Another feature is that the LSI high-speed electronic circuit can be monolithically integrated with the optical waveguide.
【０００８】[0008]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図８に
示されるシリコン光導波路はリブ導波路構造であるた
め、コア部とクラッド部の比屈折率差はたかだか１０-3
程度であり、曲げ導波路での損失が顕著となる問題があ
った。つまり、実効屈折率が１０-3の場合、許容曲げ半
径は数ｃｍに及ぶ。従って、分岐や曲がりを含む実用的
な光回路を構成するには適していない。However, since the silicon optical waveguide shown in FIG. 8 has a rib waveguide structure, the relative refractive index difference between the core and the cladding is at most 10 -3.
And there is a problem that the loss in the bent waveguide becomes remarkable. That is, when the effective refractive index is 10 −3 , the allowable bending radius reaches several cm. Therefore, it is not suitable for constructing a practical optical circuit including branching and bending.
【０００９】これに対し、図７に示される石英系ガラス
光導波路は埋め込み型の三次元光導波路構造であること
から曲げ半径は１ｃｍ以下となる。例えばコアとクラッ
ドの比屈折率差が０．７５％である場合、許容曲げ半径
は５ｍｍである。On the other hand, since the quartz glass optical waveguide shown in FIG. 7 has an embedded three-dimensional optical waveguide structure, the bending radius is 1 cm or less. For example, when the relative refractive index difference between the core and the clad is 0.75%, the allowable bending radius is 5 mm.
【００１０】従って、曲げ半径が小さく、実用的な光回
路の構成に適した石英系ガラス光導波路と電極による高
速屈折率制御が可能なシリコン光導波路とを組み合わせ
ることができれば、例えば、光強度変調器や光スイッチ
およびこれらを組み合わせた実用的な光回路を実現でき
ることが期待できる。しかしながら、これまで、石英系
ガラス光導波路とシリコン光導波路を同一基板上に集積
した光導波路およびその製造方法に関しては提案がなか
った。Therefore, if a silica-based glass optical waveguide having a small bending radius and suitable for the construction of a practical optical circuit and a silicon optical waveguide capable of controlling the refractive index at a high speed by electrodes can be combined, for example, light intensity modulation It can be expected that devices and optical switches and practical optical circuits combining these can be realized. However, there has not been proposed any optical waveguide in which a silica glass optical waveguide and a silicon optical waveguide are integrated on the same substrate, and a method of manufacturing the same.
【００１１】本発明は、これらの問題点を鑑みてなされ
たものであり、その目的は、石英系ガラス光導波路とシ
リコン光導波路を同一基板上に集積した光導波路の製造
方法を提供することにある。The present invention has been made in view of these problems, and has as its object to manufacture an optical waveguide in which a silica glass optical waveguide and a silicon optical waveguide are integrated on the same substrate.
It is to provide a method .
【００１２】[0012]
【００１３】[0013]
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明の光導波路の製造方法は、 （ａ）シリコン層と石英系ガラス層とシリコン層との三
層から構成される積層体にフォトリソグラフィー工程お
よびエッチングを行って、シリコン層と石英系ガラス層
とシリコン層とからなるシリコンテラス構造部を形成
し、 （ｂ）前記シリコンテラス構造部が形成された積層体上
に、石英系ガラス光導波路部の下部クラッド用石英系ガ
ラス層を前記シリコンテラス構造部の頂部が覆われるよ
うな膜厚で形成し、前記下部クラッド用石英系ガラス層
を前記シリコンテラス構造部の頂部高さに合わせて研磨
して前記シリコンテラス構造部の頂部より上の領域を除
去し、前記下部クラッド用石英系ガラス層をエッチング
して石英系ガラス用光導波路部の光軸高さを調整して、
石英系ガラス光導波路部の下部クラッドを形成し、 （ｃ）石英系ガラス光導波路部のコア用石英系ガラス層
を前記下部クラッドおよび前記シリコンテラス構造部の
上に前記シリコンテラス構造部の頂部が覆われるような
膜厚で形成し、前記コア用石英系ガラス層を前記シリコ
ンテラス構造部の頂部高さに合わせて研磨してシリコン
テラス構造部の頂部より上の領域を除去し、前記コア用
石英系ガラス層と前記シリコンテラス構造部のシリコン
層をフォトリソグラフィー工程およびエッチングにより
加工して、石英系ガラス光導波路部のコア部およびシリ
コン光導波路部のコア部を形成し、 （ｄ）前記石英系ガラス光導波路部のコア部の上部周辺
および前記シリコン光導波路部のコア部の上部周辺に上
部クラッド用石英系ガラス層を形成して、石英系ガラス
光導波路部の上部クラッドおよびシリコン光導波路部の
上部クラッドを形成することを特徴とする。Means for Solving the Problems To achieve such an object
For this purpose, the method for manufacturing an optical waveguide according to the present invention comprises the steps of : (a) performing a photolithography step and etching on a laminate including a silicon layer, a silica-based glass layer, and a silicon layer to form a silicon layer; Forming a silicon terrace structure comprising a quartz glass layer and a silicon layer; and (b) forming a quartz glass layer for a lower cladding of the quartz glass optical waveguide on the laminate on which the silicon terrace structure is formed. The silicon terrace structure is formed to a thickness such that the top of the silicon terrace structure is covered, and the quartz glass layer for the lower cladding is polished according to the height of the top of the silicon terrace structure, and is polished from the top of the silicon terrace structure. The upper region is removed, the lower clad silica glass layer is etched to adjust the optical axis height of the silica glass optical waveguide portion,
Forming a lower clad of the silica glass optical waveguide portion; and (c) forming a core silica glass layer for the core of the silica glass optical waveguide portion on the lower clad and the silicon terrace structure portion. The core-based quartz glass layer is formed to have a film thickness so as to be covered, and the quartz glass layer for the core is polished according to the height of the top of the silicon terrace structure to remove a region above the top of the silicon terrace structure. The silica-based glass layer and the silicon layer of the silicon terrace structure are processed by a photolithography process and etching to form a core of the silica-based glass optical waveguide and a core of the silicon optical waveguide. Forming an upper cladding silica glass layer around the upper portion of the core portion of the system glass optical waveguide portion and the upper portion of the core portion of the silicon optical waveguide portion; And forming an upper cladding and upper cladding of the silicon optical waveguide portion of the silica glass optical waveguide portion.
【００１４】[0014]
【００１５】また、本発明の光導波路の製造方法は、 （ａ）シリコン層と石英系ガラス層とシリコン層との三
層から構成される積層体にフォトリソグラフィー工程お
よびエッチングを行って、シリコン層と石英系ガラス層
とシリコン層とからなるシリコンテラス構造部を形成
し、 （ｂ）前記シリコンテラス構造部が形成された積層体上
に、石英系ガラス光導波路部の下部クラッド用石英系ガ
ラス層と該コア用石英系ガラス層とを、光軸高さに合わ
せるように、しかも前記下部クラッド用石英系ガラス層
と前記コア用石英系ガス層の積層された合計膜厚が前記
シリコンテラス構造部の頂部高さと等しくなるように順
次積層し、 （ｃ）前記シリコンテラス構造部の頂部より上の領域、
および前記シリコンテラス構造部の周辺において前記下
部クラッド用石英系ガラス層と前記コア用石英系ガラス
層との積層構造が傾斜している領域にある前記コア用石
英系ガラス層および前記下部クラッド用石英系ガラス層
をフォトリソグラフィー工程およびエッチングにより除
去して、前記下部クラッド用石英系ガラス層と前記コア
用石英系ガラス層とからの構造と前記シリコンテラス構
造部との間に間隙を形成し、 （ｄ）前記コア用石英系ガラス層および前記シリコンテ
ラス構造部の最上層のシリコン層をフォトリソグラフィ
ー工程およびエッチングにより加工して、石英系ガラス
光導波路部のコア部およびシリコン光導波路部のコア部
を形成し、 （ｅ）前記石英系ガラス光導波路部のコア部および前記
シリコン光導波路部のコア部の上部周辺および前記間隙
に上部クラッド用石英系ガラス層を形成して、石英系ガ
ラス光導波路部とシリコン光導波路部の上部クラッドを
形成することを特徴とするか、あるいは、 （ａ）シリコン層と石英系ガラス層とシリコン層との三
層から構成される積層体にフォトリソグラフィー工程お
よびエッチングを行って、シリコン層と石英系ガラス層
とシリコン層とからなるシリコンテラス構造部を形成
し、 （ｂ）前記シリコンテラス構造部の最上層のシリコン層
をフォトリソグラフィー工程およびエッチングを用いて
加工して、該シリコン層上にシリコン光導波路部のコア
部を形成し、 （ｃ）前記コア部の形成されたシリコンテラス構造部を
有する積層体上に、石英系ガラス光導波路部の下部クラ
ッド用石英系ガラス層と該コア用石英系ガラス層とを、
光軸高さに合わせるように、しかも前記下部クラッド用
石英系ガラス層と前記コア用石英系ガス層との積層され
た合計膜厚が前記シリコンテラス構造部の高さと等しく
なるように順次積層し、 （ｄ）前記石英系ガラス光導波路部のコア用石英系ガラ
ス層にフォトリソグラフィー工程およびエッチングを行
って石英系ガラス光導波路部のコア部を形成し、 （ｅ）前記石英系ガラス光導波路部のコア部および前記
シリコン光導波路部のコア部を覆うようにして、上部ク
ラッド用石英系ガラス層を形成して、石英系ガラス光導
波路部とシリコン光導波路部の上部クラッド層を形成
し、 （ｆ）前記シリコンテラス構造部の周辺において前記石
英系ガラス光導波路部のコア用石英系ガラス層が傾斜し
ている領域にある前記コア用石英系ガラス層前記下部ク
ラッド用石英系ガラス層および前記石英系ガラス光導波
路部の上部クラッド用石英系ガラス層をフォトリソグラ
フィー工程およびエッチングにより除去して、前記石英
系ガラス光導波路部と前記シリコン光導波路部との間に
間隙を形成し、 （ｇ）前記間隙に、前記石英系ガラス光導波路部のコア
部を構成する石英系ガラスの屈折率と前記シリコン光導
波路部のコア部を構成するシリコンの屈折率との間の屈
折率を有する光学材料を充填することを特徴とする。Further, the method for manufacturing an optical waveguide according to the present invention comprises the steps of : (a) performing a photolithography step and etching on a laminate comprising a silicon layer, a quartz-based glass layer, and a silicon layer to form a silicon layer; Forming a silicon terrace structure comprising: a silicon-based glass layer and a silicon layer; and (b) forming a silica-based glass layer for a lower cladding of the silica-based glass optical waveguide on the laminate on which the silicon terrace structure is formed. And the quartz glass layer for the core are adjusted to the height of the optical axis, and the total film thickness of the quartz glass layer for the lower cladding and the quartz gas layer for the core is the silicon terrace structure portion. (C) a region above the top of the silicon terrace structure,
And the core quartz glass layer and the lower cladding quartz in a region where the laminated structure of the lower cladding quartz glass layer and the core quartz glass layer is inclined around the silicon terrace structure. Removing the system glass layer by a photolithography process and etching to form a gap between the structure made of the lower cladding quartz glass layer and the core quartz glass layer and the silicon terrace structure; d) The core-based quartz glass layer and the uppermost silicon layer of the silicon terrace structure are processed by a photolithography process and etching to form a core of the quartz-based glass optical waveguide and a core of the silicon optical waveguide. (E) forming a core portion of the silica-based glass optical waveguide portion and a core portion of the silicon optical waveguide portion; Forming a quartz glass layer for upper cladding around the portion and the gap to form an upper cladding of the quartz glass optical waveguide portion and the silicon optical waveguide portion, or A photolithography process and etching are performed on a laminate composed of three layers of a quartz-based glass layer and a silicon layer to form a silicon terrace structure including a silicon layer, a quartz-based glass layer, and a silicon layer. A) processing the uppermost silicon layer of the silicon terrace structure using a photolithography process and etching to form a core portion of a silicon optical waveguide on the silicon layer; and (c) forming the core portion. A quartz glass layer for the lower cladding of the quartz glass optical waveguide section and the quartz glass for the core on the laminated body having the silicon terrace structure Layers and
The layers are sequentially laminated so as to match the height of the optical axis, and so that the total film thickness of the quartz glass layer for the lower cladding and the quartz gas layer for the core is equal to the height of the silicon terrace structure. (D) forming a core portion of the silica-based glass optical waveguide portion by performing a photolithography step and etching on the core-based silica glass layer of the silica-based glass optical waveguide portion; and (e) forming the core portion of the silica-based glass optical waveguide portion. Forming a silica-based glass layer for an upper clad so as to cover the core portion of the silicon optical waveguide portion and the core portion of the silicon optical waveguide portion, and forming an upper clad layer of the silica-based glass optical waveguide portion and the silicon optical waveguide portion; f) In the area around the silicon terrace structure where the core silica glass layer of the silica glass optical waveguide is inclined, The silica-based glass layer for cladding and the silica-based glass layer for upper cladding of the silica-based glass optical waveguide portion are removed by a photolithography step and etching, and the space between the silica-based glass optical waveguide portion and the silicon optical waveguide portion is removed. Forming a gap, and (g) between the refractive index of the silica-based glass constituting the core of the silica-based optical waveguide and the refractive index of silicon constituting the core of the silicon-based optical waveguide in the gap. An optical material having a refractive index of?
【００１６】本発明により製造される光導波路によれ
ば、石英系ガラス光導波路とシリコン光導波路が同一基
板上で接続される構造を有していることから、例えば、
曲げを含む光干渉回路部を石英系ガラス光導波路で構成
し、屈折率変調部をシリコン光導波路で構成する光回路
を実現できる。しかも、この光導波路の製造方法は、シ
リコンテラス構造による高さ基準面を規定していること
から、石英系ガラス光導波路とシリコン光導波路の高さ
方向の光軸がずれなく接続することが可能であり、か
つ、フォトリソグラフィー工程によりコア部を形成する
ことから横方向の光軸は１μｍ以下の精度で接続するこ
とが可能となる。さらに、本発明によれば石英系ガラス
光導波路とシリコン光導波路とを間隙なく接続し、又は
間隙が生じてもその間隙が空気である場合でも必要に応
じて屈折率が石英系ガラス光導波路の石英系ガラスコア
の屈折率より高くシリコンより小さい石英系ガラスや光
学ポリマー材料などを埋めることが可能であるため、シ
リコン導波路と空気の間で発生する反射による接続損失
を最小限に抑制できる。従って、本発明の光導波路の製
造方法を用いることにより、石英系ガラス光導波路とシ
リコン光導波路の光軸を一致させて一枚の基板上に集積
することができる。本発明により製造される光導波路
は、石英系ガラス光導波路とシリコン光導波路の接続損
失が最小限に抑制できることから、回路内に接続部を複
数箇所含む複雑な光回路に適用できる。また、本発明の
光導波路の製造方法は、既存のフォトリソグラフィー工
程、エッチング技術および研磨技術を組み合わせて用い
ることから、石英系ガラス光導波路とシリコン光導波路
が低損失で接続された光導波路を歩留り良く製造するこ
とができる。 According to the optical waveguide manufactured according to the present invention,
If, since the silica-based glass optical waveguide and the silicon optical waveguide has a structure connected on the same substrate, for example,
It is possible to realize an optical circuit in which the optical interference circuit section including bending is formed of a silica glass optical waveguide and the refractive index modulation section is formed of a silicon optical waveguide. In addition, since the method of manufacturing the optical waveguide defines the height reference plane by the silicon terrace structure, the optical axis in the height direction of the silica glass optical waveguide and the silicon optical waveguide can be connected without displacement. In addition, since the core portion is formed by the photolithography process, it is possible to connect the optical axis in the horizontal direction with an accuracy of 1 μm or less. Further, according to the present invention, the silica glass optical waveguide and the silicon optical waveguide are connected without a gap, or even if a gap is formed, even if the gap is air, the refractive index of the silica glass optical waveguide is changed as necessary. Since it is possible to fill a silica glass or an optical polymer material that is higher than the refractive index of the silica glass core and smaller than silicon, it is possible to minimize connection loss due to reflection generated between the silicon waveguide and the air. Therefore, by using the optical waveguide manufacturing method of the present invention, the optical axes of the silica glass optical waveguide and the silicon optical waveguide can be aligned and integrated on one substrate. Optical waveguide manufactured according to the present invention
, Since the connection loss of the silica-based glass optical waveguide and the silicon optical waveguide can be suppressed to a minimum it can be applied a connection in the circuit complex optical circuit including a plurality of locations. In addition, since the method for manufacturing an optical waveguide of the present invention uses a combination of existing photolithography processes, etching technology and polishing technology, the yield of an optical waveguide in which a silica-based glass optical waveguide and a silicon optical waveguide are connected with low loss is obtained. Can be manufactured well.
【００１７】[0017]
【発明の実施の形態】以下、図面により本発明の実施例
を詳細に説明する。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
【００１８】実施例１ 図１に本発明の第１の形態である光導波路の製造方法で
製造される光導波路の構造を示す。シリコン基板１上に
石英系ガラス光導波路部とシリコン光導波路部とが間隙
なく直列に接続された構造である。石英系ガラス光導波
路部は矩形のコア６とコアの底面に配置された下部クラ
ッド５、およびコア６の側面と上面に配置された上部ク
ラッド７により構成される。コア６とクラッド５、７は
石英系ガラスで形成される。一方、シリコン光導波路部
はシリコンテラス構造部９の上に位置している。シリコ
ンで形成されたコア４はシリコンテラス構造部９の中に
形成された下部クラッド石英系ガラス層２と、コア４の
側面および上面に形成された上部クラッド石英系ガラス
７で囲まれており、リブ導波路構造である。石英系ガラ
ス光導波路部のコア６とシリコン光導波路部のコア４は
互いに間隙なく接続されている。Embodiment 1 FIG. 1 shows a method of manufacturing an optical waveguide according to a first embodiment of the present invention .
2 shows a structure of an optical waveguide to be manufactured . The structure is such that a silica glass optical waveguide section and a silicon optical waveguide section are connected in series on a silicon substrate 1 without any gap. The silica-based glass optical waveguide section includes a rectangular core 6, a lower clad 5 disposed on the bottom surface of the core, and an upper clad 7 disposed on the side and upper surfaces of the core 6. The core 6 and the claddings 5 and 7 are formed of quartz glass. On the other hand, the silicon optical waveguide is located on the silicon terrace structure 9. The core 4 made of silicon is surrounded by the lower clad silica glass layer 2 formed in the silicon terrace structure 9 and the upper clad silica glass 7 formed on the side and upper surfaces of the core 4. It is a rib waveguide structure. The core 6 of the silica-based glass optical waveguide and the core 4 of the silicon optical waveguide are connected to each other without any gap.
【００１９】図２に上記光導波路の製造方法を示す。ま
ず、シリコン基板１中にイオン注入により酸素イオンを
打ち込み、高温処理によりシリコンの酸化層（または石
英系ガラス層）２を形成し、さらにその上にシリコン層
を設けて、積層体であるＳＯＩ基板を作製する。次に、
こうして得られたＳＯＩ基板にフォトリソグラフィー工
程およびエッチングを行って、シリコン光導波路部とな
る領域にシリコンテラス構造部９を形成する。ここにお
いて、「シリコンテラス構造部」とは、シリコン基板１
上に一段高くして形成された、上部の平らな台状形状を
有する、シリコン層−石英ガラス層−シリコン層で構成
された三層の構造体をいい、シリコンテラス構造部の
「頂部高さ」とは、そのテラス部分の高さをいう。次
に、膜厚がシリコンテラス構造部９の頂部高さ以上であ
る下部クラッド石英系ガラス層５を火炎堆積法により形
成する。次に、シリコンテラス構造部９上の下部クラッ
ド石英系ガラス層５を研磨して、シリコンテラス構造部
９の頂部領域を除去する。次に、下部クラッド石英系ガ
ラス層５を高さがシリコンテラス構造部９中の石英系ガ
ラス層２の高さと同じになるようエッチングする。次
に、膜厚がシリコンテラス構造部９の頂部高さ以上であ
るコア石英系ガラス層１０を火炎堆積法により形成す
る。次に、シリコンテラス構造部９の頂部より上の領域
にあるコア石英系ガラス層を研磨により除去する。最後
に、フォトリソグラフィー工程およびエッチングにより
石英系ガラス光導波路のコア部６とシリコン光導波路部
のコア部４を加工し、それらの上に上部クラッド石英系
ガラス層７を火炎堆積法により形成する。この場合、石
英系ガラス光導波路のコア部６の加工とシリコン光導波
路のコア部４の加工の順番に制限はなく、フォトリソグ
ラフィー工程において同時にマスクを形成して同時にエ
ッチングする方法、もしくは、石英系ガラス導波路部の
コア部６をエッチングにより形成した後にシリコン光導
波路部のコア部４をエッチングにより形成する方法、ま
たは、シリコン光導波路部のコア部４をエッチングによ
り形成した後に石英系ガラス導波路部のコア部６をエッ
チングにより形成する方法が適用可能である。FIG. 2 shows a method of manufacturing the above optical waveguide. First, oxygen ions are implanted into a silicon substrate 1 by ion implantation, a silicon oxide layer (or a quartz glass layer) 2 is formed by high-temperature treatment, and a silicon layer is further provided thereon. Is prepared. next,
A photolithography process and etching are performed on the SOI substrate obtained in this manner to form a silicon terrace structure 9 in a region to be a silicon optical waveguide. Here, the “silicon terrace structure” refers to the silicon substrate 1
A three-layer structure composed of a silicon layer, a quartz glass layer, and a silicon layer having a flat trapezoidal shape with an upper flat portion formed one step higher on the upper side. "Means the height of the terrace. Next, a lower clad quartz glass layer 5 having a thickness equal to or greater than the height of the top of the silicon terrace structure 9 is formed by a flame deposition method. Next, the lower clad quartz glass layer 5 on the silicon terrace structure 9 is polished to remove the top region of the silicon terrace structure 9. Next, the lower clad quartz glass layer 5 is etched so that the height is the same as the height of the quartz glass layer 2 in the silicon terrace structure 9. Next, a core quartz glass layer 10 having a thickness equal to or more than the height of the top of the silicon terrace structure 9 is formed by a flame deposition method. Next, the core quartz glass layer in the region above the top of the silicon terrace structure 9 is removed by polishing. Finally, the core 6 of the silica glass optical waveguide and the core 4 of the silicon optical waveguide are processed by a photolithography process and etching, and an upper clad silica glass layer 7 is formed thereon by a flame deposition method. In this case, there is no limitation on the order of processing the core portion 6 of the silica-based glass optical waveguide and the processing portion of the core portion 4 of the silicon-based optical waveguide. A method of forming the core portion 6 of the silicon optical waveguide portion by etching after forming the core portion 6 of the glass waveguide portion by etching, or a method of forming the core portion 4 of the silicon optical waveguide portion by etching and then forming a quartz glass waveguide. A method of forming the core portion 6 by etching is applicable.
【００２０】上記の光導波路作製方法を用いて製造され
た光導波路は、石英系ガラス光導波路部の導波路長さが
５ｃｍ、比屈折率差が０．７５％、コア６の寸法が７×
７μｍ、下部クラッド石英系ガラス層５の膜厚が２０μ
ｍ、上部クラッド石英系ガラス層７の膜厚が３０μｍ、
シリコン光導波路部の全長が５ｃｍ、コア４の高さが
５．５μｍ、コア４の幅が８μｍ、コア４の下部のシリ
コンスラブ層３の膜厚が１．５μｍ、石英系ガラス層２
の膜厚が０．５μｍであった。この光導波路は、波長
１．５５μｍにおける損失を測定したところ、石英系ガ
ラス光導波路の伝搬損失が０．１ｄＢ／ｃｍ、シリコン
光導波路の伝搬損失が０．２ｄＢ／ｃｍ、石英系ガラス
光導波路とシリコン光導波路の接続損失が０．５ｄＢで
あり、本発明の光導波路の構造および製造方法が石英系
ガラス光導波路とシリコン光導波路を集積した光導波路
を実現する上で有効であることが判明した。The optical waveguide manufactured by the above-described optical waveguide manufacturing method has a silica glass optical waveguide having a waveguide length of 5 cm, a relative refractive index difference of 0.75%, and a core 6 having a size of 7 ×.
7 μm, the thickness of the lower clad quartz glass layer 5 is 20 μm
m, the thickness of the upper clad quartz glass layer 7 is 30 μm,
The total length of the silicon optical waveguide is 5 cm, the height of the core 4 is 5.5 μm, the width of the core 4 is 8 μm, the thickness of the silicon slab layer 3 under the core 4 is 1.5 μm, and the quartz glass layer 2
Was 0.5 μm. When the loss of this optical waveguide at a wavelength of 1.55 μm was measured, the propagation loss of the silica glass waveguide was 0.1 dB / cm, the propagation loss of the silicon waveguide was 0.2 dB / cm, and the quartz glass waveguide was The connection loss of the silicon optical waveguide was 0.5 dB, which proved that the structure and manufacturing method of the optical waveguide of the present invention were effective in realizing an optical waveguide in which a silica glass optical waveguide and a silicon optical waveguide were integrated. .
【００２１】実施例２ 図３に本発明の第２の形態である光導波路の製造方法で
製造される光導波路の構造を示す。石英系ガラス光導波
路部とシリコン光導波路部の構造は実施例１で示した図
１の光導波路の構造と同じであるが、石英系ガラス光導
波路部とシリコン光導波路部の間に５０μｍの間隙８が
ある。この間隙は上部クラッド石英系ガラス膜により埋
められている。Embodiment 2 FIG. 3 shows a method of manufacturing an optical waveguide according to a second embodiment of the present invention .
2 shows a structure of an optical waveguide to be manufactured . The structure of the silica glass optical waveguide and the silicon optical waveguide is the same as the structure of the optical waveguide of FIG. 1 shown in the first embodiment, but a gap of 50 μm is provided between the silica glass optical waveguide and the silicon optical waveguide. There are eight. This gap is filled with an upper clad quartz glass film.
【００２２】図４に上記光導波路の製造方法を示す。ま
ず、シリコン基板１中にイオン注入により酸素イオンを
打ち込み、高温度処理によりシリコンの酸化層（石英系
ガラス層）２を形成し、さらにその上にシリコン層を設
けて、積層体であるＳＯＩ基板を作製する。次に、こう
して得られたＳＯＩ基板にフォトリソグラフィー工程お
よびエッチングを行って、シリコン光導波路部となる領
域にシリコンテラス構造部９を形成する。次に、このシ
リコンテラス構造部９が形成された積層体上に、石英系
ガラス光導波路部の下部クラッド石英系ガラス層５とコ
ア石英系ガラス層１０とを、光軸高さに合わせるよう
に、しかも下部クラッド石英系ガラス層５とコア石英系
ガラス層１０の積層された合計膜厚がシリコンテラス構
造部９の頂部高さと等しくなるように順次積層する。次
に、シリコンテラス構造部９の頂部より上にある領域お
よびシリコンテラス構造部９の周辺部に位置するコア石
英系ガラス層１０が傾斜している領域にあるコア石英系
ガラス層１０および下部クラッド石英系ガラス層５をフ
ォトリソグラフィー工程およびエッチングにより除去し
て間隙８を形成する。最後に、フォトリソグラフィー工
程およびエッチングにより石英系ガラス光導波路部のコ
ア６とシリコン光導波路部のコア４を加工し、上部クラ
ッド石英系ガラス層７を火炎堆積法により形成する。こ
の場合、石英系ガラス光導波路部のコア部６の加工とシ
リコン光導波路部のコア部４の加工の順番に制限はな
く、フォトリソグラフィー工程において同時にマスクを
形成して同時にエッチングする方法、もしくは、石英系
ガラス導波路部のコア部６をエッチングにより形成した
後にシリコン光導波路部のコア部４をエッチングにより
形成する方法、または、シリコン光導波路部のコア部４
をエッチングにより形成した後に石英系ガラス導波路部
のコア部６をエッチングにより形成する方法が適用可能
である。FIG. 4 shows a method of manufacturing the above optical waveguide. First, oxygen ions are implanted into a silicon substrate 1 by ion implantation, a silicon oxide layer (quartz glass layer) 2 is formed by high-temperature treatment, and a silicon layer is further provided thereon. Is prepared. Next, a photolithography process and etching are performed on the SOI substrate obtained as described above to form a silicon terrace structure 9 in a region to be a silicon optical waveguide. Next, the lower clad silica-based glass layer 5 and the core silica-based glass layer 10 of the silica-based glass optical waveguide are placed on the laminate on which the silicon terrace structure 9 is formed so as to be aligned with the optical axis height. Moreover, the layers are sequentially stacked so that the total thickness of the lower clad silica glass layer 5 and the core silica glass layer 10 is equal to the top height of the silicon terrace structure 9. Next, the core quartz-based glass layer 10 and the lower clad in a region above the top of the silicon terrace structure 9 and in a region where the core quartz-based glass layer 10 located in the periphery of the silicon terrace structure 9 is inclined. The gap 8 is formed by removing the quartz glass layer 5 by a photolithography process and etching. Finally, the core 6 of the quartz glass optical waveguide and the core 4 of the silicon optical waveguide are processed by a photolithography process and etching, and an upper clad quartz glass layer 7 is formed by a flame deposition method. In this case, there is no limitation on the order of processing the core portion 6 of the silica-based glass optical waveguide portion and the processing portion of the core portion 4 of the silicon optical waveguide portion, and a method of simultaneously forming a mask and etching simultaneously in a photolithography process, or A method in which the core portion 6 of the silicon optical waveguide portion is formed by etching after forming the core portion 6 of the quartz glass waveguide portion by etching, or the core portion 4 of the silicon optical waveguide portion.
Is formed by etching, and then the core portion 6 of the quartz glass waveguide portion is formed by etching.
【００２３】本実施例の光導波路の製造方法は実施例１
に比べ、一括して下部クラッド石英系ガラス層５および
コア石英系ガラス層１０を形成し、フォトリソグラフィ
ー工程およびエッチングにより不要部分を取り除いてい
ることから、作製工程が最小限に少なく、歩留りが高い
という利点を有する。The manufacturing method of the optical waveguide of this embodiment is the same as that of the first embodiment.
Since the lower clad silica-based glass layer 5 and the core silica-based glass layer 10 are collectively formed and unnecessary portions are removed by a photolithography process and etching, the number of manufacturing steps is minimized and the yield is high. It has the advantage that.
【００２４】上記の光導波路作製方法を用いて製造され
た光導波路は、石英系ガラス光導波路部の導波路長が５
ｃｍ、比屈折率差が０．７５％、コア６の寸法が７×７
μｍ、下部クラッド石英系ガラス層５の膜厚が２０μ
ｍ、上部クラッド石英系ガラス層７の膜厚が３０μｍ、
シリコン光導波路部の全長が５ｃｍ、コア４の高さが
５．５μｍ、コア４の幅が８μｍ、コア４下部のシリコ
ンスラブ層３の膜厚が１．５μｍ、石英系ガラス層２の
膜厚が０．５μｍ、石英系ガラス光導波路部とシリコン
光導波路部の間隙８が５０μｍであった。波長１．５５
μｍにおける損失を測定したところ、石英系ガラス光導
波路部の伝搬損失が０．１ｄＢ／ｃｍ、シリコン光導波
路部の伝搬損失が０．２ｄＢ／ｃｍ、石英系ガラス光導
波路とシリコン光導波路の接続損失が０．８ｄＢであ
り、本発明の光導波路の構造および製造方法が石英系ガ
ラス光導波路とシリコン光導波路を集積した光導波路を
実現する上で有効であることが判明した。The optical waveguide manufactured using the above-described optical waveguide manufacturing method has a silica glass optical waveguide having a waveguide length of 5 mm.
cm, the relative refractive index difference is 0.75%, and the dimension of the core 6 is 7 × 7.
μm, and the thickness of the lower clad quartz glass layer 5 is 20 μm.
m, the thickness of the upper clad quartz glass layer 7 is 30 μm,
The total length of the silicon optical waveguide is 5 cm, the height of the core 4 is 5.5 μm, the width of the core 4 is 8 μm, the thickness of the silicon slab layer 3 below the core 4 is 1.5 μm, and the thickness of the quartz glass layer 2. Was 0.5 μm, and the gap 8 between the silica glass optical waveguide and the silicon optical waveguide was 50 μm. Wavelength 1.55
When the loss at μm was measured, the propagation loss of the silica glass waveguide was 0.1 dB / cm, the propagation loss of the silicon waveguide was 0.2 dB / cm, and the connection loss between the silica glass waveguide and the silicon waveguide. Is 0.8 dB, and it has been found that the structure and manufacturing method of the optical waveguide of the present invention are effective in realizing an optical waveguide in which a silica glass optical waveguide and a silicon optical waveguide are integrated.
【００２５】実施例３ 図５に本発明による第３の形態の光導波路の製造方法を
示す。石英系ガラス光導波路部とシリコン光導波路部の
構造は実施例２で示した図３の光導波路の構造と同じで
あるが、石英系ガラス光導波路部とシリコン光導波路部
の間に５０μｍの間隙８を設けてあり、間隙８には屈折
率を整合させた紫外線硬化樹脂１１が充填されている。Embodiment 3 FIG. 5 shows a method for manufacturing an optical waveguide according to a third embodiment of the present invention. The structure of the silica glass optical waveguide and the silicon optical waveguide is the same as the structure of the optical waveguide of FIG. 3 shown in the second embodiment, except that a gap of 50 μm is provided between the silica glass optical waveguide and the silicon optical waveguide. The gap 8 is filled with an ultraviolet curable resin 11 whose refractive index is adjusted.
【００２６】まず、シリコン基板１中にイオン注入によ
り酸素イオンを打ち込み、高温度処理によりシリコンの
酸化層２を形成し、さらにその上にシリコン層３を設け
て、積層体であるＳＯＩ基板を作製する。次に、ＳＯＩ
基板にフォトリソグラフィー工程およびエッチングを行
って、シリコン光導波路部となる領域にシリコンテラス
構造部９を形成する。次に、フォトリソグラフィー工程
およびエッチングによりシリコン光導波路部のコア４を
加工する。次に、コア部４が形成されたシリコンテラス
構造部９を有する積層体上に、石英系ガラス光導波路部
の下部クラッド用石英系ガラス層５とコア用石英系ガラ
ス層１０とを、光軸高さに合わせるように、しかも下部
クラッド用石英系ガラス層５とコア用石英系ガラス層１
０との積層された合計膜厚がシリコンテラス構造体９の
頂部高さと等しくなるように順次積層する。次に、フォ
トリソグラフィー工程およびエッチングにより石英系ガ
ラス光導波路部のコア６を加工し、上部クラッド石英系
ガラス層７を火炎堆積法により形成する。次に、シリコ
ンテラス構造部９の周辺部に位置する石英系ガラスコア
６が傾斜している領域にある石英系ガラスコア６および
クラッド石英系ガラス層５をフォトリソグラフィー工程
およびエッチングにより除去する。最後に、石英系ガラ
ス光導波路部とシリコン光導波路部の間に設けた間隙８
に、石英系ガラスコア６とシリコンコア４の屈折率の間
の屈折率を有する紫外線硬化樹脂を充填する。First, oxygen ions are implanted into the silicon substrate 1 by ion implantation, a silicon oxide layer 2 is formed by high-temperature treatment, and a silicon layer 3 is further provided thereon to manufacture a SOI substrate as a laminate. I do. Next, SOI
A photolithography process and etching are performed on the substrate to form a silicon terrace structure 9 in a region to be a silicon optical waveguide. Next, the core 4 of the silicon optical waveguide is processed by a photolithography process and etching. Next, the quartz glass layer 5 for the lower clad and the quartz glass layer 10 for the core of the quartz glass optical waveguide section are placed on the laminate having the silicon terrace structure 9 on which the core section 4 is formed. The quartz glass layer 5 for the lower clad and the quartz glass layer 1 for the core should be adjusted to the height.
The layers are sequentially stacked so that the total film thickness of 0 is equal to the top height of the silicon terrace structure 9. Next, the core 6 of the quartz glass optical waveguide portion is processed by a photolithography process and etching, and an upper clad quartz glass layer 7 is formed by a flame deposition method. Next, the quartz glass core 6 and the clad quartz glass layer 5 in the region where the quartz glass core 6 located at the periphery of the silicon terrace structure 9 is inclined are removed by a photolithography process and etching. Finally, a gap 8 provided between the silica glass optical waveguide portion and the silicon optical waveguide portion.
Is filled with an ultraviolet curable resin having a refractive index between that of the quartz glass core 6 and the silicon core 4.
【００２７】本実施例の光導波路の製造方法は実施例２
に比べ、上部クラッド石英系ガラス層７を間隙８に充填
する必要がなくなり、上部クラッド石英系ガラス層７形
成における作製条件を緩和できる。The manufacturing method of the optical waveguide of this embodiment is the same as that of the second embodiment.
In comparison with the above, there is no need to fill the gap 8 with the upper clad silica glass layer 7, and the manufacturing conditions for forming the upper clad silica glass layer 7 can be relaxed.
【００２８】上記の光導波路作製方法を用いて製造され
た光導波路は、石英系ガラス光導波路の導波路長が５ｃ
ｍ、比屈折率差が０．７５％、コア６の寸法が７×７μ
ｍ、下部クラッド石英系ガラス層５の膜厚が２０μｍ、
上部クラッド石英系ガラス層７の膜厚が３０μｍ、シリ
コン光導波路部の全長が５ｃｍ、コア４の高さが５．５
μｍ、コア４の幅が８μｍ、コア４下部のシリコンスラ
ブ層３の膜厚が１．５μｍ、石英系ガラス層２の膜厚が
０．５μｍ、石英系ガラス光導波路部とシリコン光導波
路部の間隙８が５０μｍであった。波長１．５５μｍに
おける損失を測定したところ、石英系ガラス光導波路部
の伝搬損失が０．１ｄＢ／ｃｍ、シリコン光導波路部の
伝搬損失が０．２ｄＢ／ｃｍ、石英系ガラス光導波路部
とシリコン光導波路部の接続損失は間隙８が空気である
場合３．４ｄＢであり、間隙８を屈折率が石英系ガラス
とシリコンの間である紫外線硬化樹脂で充填することに
より接続損失は０．８まで低減された。The optical waveguide manufactured by the above-described optical waveguide manufacturing method has a silica glass optical waveguide having a waveguide length of 5c.
m, the relative refractive index difference is 0.75%, and the dimension of the core 6 is 7 × 7 μm.
m, the thickness of the lower clad quartz glass layer 5 is 20 μm,
The thickness of the upper clad quartz glass layer 7 is 30 μm, the total length of the silicon optical waveguide is 5 cm, and the height of the core 4 is 5.5.
μm, the width of the core 4 is 8 μm, the thickness of the silicon slab layer 3 below the core 4 is 1.5 μm, and the thickness of the quartz glass layer 2 is 0.5 μm. The gap 8 was 50 μm. When the loss at a wavelength of 1.55 μm was measured, the propagation loss of the silica-based glass optical waveguide was 0.1 dB / cm, the propagation loss of the silicon-based optical waveguide was 0.2 dB / cm, and the silica-based glass optical waveguide was connected to the silicon optical waveguide. The connection loss of the waveguide is 3.4 dB when the gap 8 is air, and the connection loss is reduced to 0.8 by filling the gap 8 with an ultraviolet curable resin having a refractive index between quartz glass and silicon. Was done.
【００２９】以上より、本発明の光導波路の製造方法が
石英系ガラス光導波路とシリコン光導波路を集積した光
導波路を実現する上で有効であることが判明した。From the above, it has been found that the method for manufacturing an optical waveguide of the present invention is effective in realizing an optical waveguide in which a silica glass optical waveguide and a silicon optical waveguide are integrated.
【００３０】実施例４本発明の光導波路の製造方法により製造された光導波路
を用いて光スイッチ回路を作製した。図６に回路図の概
要を示す。光回路全体はマッハツェンダ干渉計になって
いる。光回路は二個の石英系ガラス光導波路１２で形成
された方向性結合器１４、シリコン光導波路１３で形成
されたアーム導波路、および金属薄膜ヒータ１５より構
成されている。光回路の全長は５ｃｍである。光導波路
の構造および製造方法は実施例１と同じである。金属薄
膜ヒータ１５は上部クラッド石英系ガラス層７の上にク
ロムを蒸着して作製した。ここでは、金属薄膜ヒータ１
５にＣｒを用いたが、他の金属の適用も可能である。Example 4 An optical switch circuit was manufactured using an optical waveguide manufactured by the method for manufacturing an optical waveguide of the present invention . FIG. 6 shows an outline of the circuit diagram. The entire optical circuit is a Mach-Zehnder interferometer. The optical circuit includes a directional coupler 14 formed by two quartz glass optical waveguides 12, an arm waveguide formed by a silicon optical waveguide 13, and a metal thin film heater 15. The total length of the optical circuit is 5 cm. The structure and manufacturing method of the optical waveguide are the same as in the first embodiment. The metal thin film heater 15 was produced by depositing chromium on the upper clad quartz glass layer 7. Here, the metal thin film heater 1
Although Cr was used for 5, other metals can be applied.
【００３１】本実施例による光スイッチ回路のスイッチ
特性を測定したところ、挿入損失１．５ｄＢ、スイッチ
周波数１ＭＨｚを確認できた。従って、本発明の光導波
路および製造方法が低損失で高速応答可能な光スイッチ
に適用可能であることが明らかとなった。When the switch characteristics of the optical switch circuit according to the present embodiment were measured, an insertion loss of 1.5 dB and a switch frequency of 1 MHz were confirmed. Therefore, it has been clarified that the optical waveguide and the manufacturing method of the present invention can be applied to an optical switch capable of high-speed response with low loss.
【００３２】本実施例では、光回路としてマッハツェン
ダ干渉計を用いた光スイッチを示したが、マッハツェン
ダ干渉計を用いた光強度変調器、位相変調器にも適用可
能である。さらに、本発明の光導波路の構造および製造
方法を、光スイッチ、光強度変調器、位相変調器を組み
合わせた大規模光回路、例えば光スイッチをマトリック
ス状に配置したＮ×Ｎマトリックススイッチに適用する
ことは、石英系ガラス光導波路の有する回路設計の自由
度が大きいという利点とシリコン光導波路の有する屈折
率変化が高速応答するという利点を最大限発揮できるこ
とから極めて有用である。In this embodiment, an optical switch using a Mach-Zehnder interferometer is shown as an optical circuit, but the present invention is also applicable to an optical intensity modulator and a phase modulator using a Mach-Zehnder interferometer. Further, the structure and manufacturing method of the optical waveguide of the present invention are applied to a large-scale optical circuit combining an optical switch, an optical intensity modulator, and a phase modulator, for example, an N × N matrix switch in which optical switches are arranged in a matrix. This is extremely useful because it is possible to maximize the advantage that the quartz glass optical waveguide has a large degree of freedom in circuit design and the advantage that the silicon optical waveguide has a high-speed response to a change in refractive index.
【００３３】以上、本実施例では、石英系ガラス膜作製
に火炎堆積法を用いたが、これは、この方法が、比較的
厚く高品質なガラス膜の堆積に適しているからである。
場合によっては、別のガラス膜合成方法、例えばＣＶＤ
法やスパッタ法を一部または全部に用いることもでき
る。また、ＳＯＩ基板の作製にイオン注入法を用いた
が、シリコン基板と石英系ガラス基板を張り合わせる方
法も有効である。また、石英系ガラス光導波路とシリコ
ン光導波路の間隙部に紫外線硬化樹脂を用いたが、これ
以外でも、例えば、屈折率整合オイル、ＰＭＭＡ等屈折
率が石英系ガラスとシリコンの間の値を有する光学材料
であれば適用できる。また、フォトマスクにおける導波
路の端面を斜めにした斜め端面構造を採用することは、
シリコン光導波路の端面での反射に起因する接続損失を
低減できることから有効である。また、場合によって
は、間隙部の空気の状態でも本発明の目的は達成でき
る。As described above, in the present embodiment, the flame deposition method was used for the production of a quartz glass film, because this method is suitable for depositing a relatively thick and high quality glass film.
In some cases, another glass film synthesis method, for example, CVD
A method or a sputtering method can be used for part or all. Although the ion implantation method is used for manufacturing the SOI substrate, a method of bonding a silicon substrate and a quartz glass substrate is also effective. In addition, although an ultraviolet curable resin is used in the gap between the quartz glass optical waveguide and the silicon optical waveguide, other than this, for example, a refractive index matching oil, PMMA, or the like has a value between the quartz glass and silicon. Any optical material can be used. Also, adopting an oblique end face structure in which the end face of the waveguide in the photomask is oblique,
This is effective because connection loss due to reflection at the end face of the silicon optical waveguide can be reduced. In some cases, the object of the present invention can be achieved even in the state of air in the gap.
【００３４】[0034]
【発明の効果】以上に説明したように、本発明の光導波
路の製造方法により製造される光導波路を用いれば、高
速応答する光スイッチ素子等を設計の自由度を妨げるこ
となく実現することができる。また、シリコンテラス構
造を用いていることから高さ方向の基準面が設定されて
おり、かつ、フォトリソグラフィー工程によりコア加工
を行っていることから横方向の光軸ずれが１μｍ以下と
なり、石英系ガラス光導波路とシリコン光導波路間の接
続部の光軸が精度良く調整できる。その結果、石英系ガ
ラス光導波路とシリコン光導波路を集積した低損失な光
回路を実現することができる。As described above, the optical waveguide according to the present invention is used.
If an optical waveguide manufactured by the method of manufacturing a path is used, an optical switch element or the like that responds at high speed can be realized without hindering the degree of freedom in design. In addition, since the silicon terrace structure is used, a reference plane in the height direction is set, and since the core processing is performed by a photolithography process, the lateral optical axis shift becomes 1 μm or less, and the quartz-based The optical axis of the connection between the glass optical waveguide and the silicon optical waveguide can be adjusted with high accuracy. As a result, a low-loss optical circuit in which the silica glass optical waveguide and the silicon optical waveguide are integrated can be realized.
【図１】本発明の第１の形態である光導波路の製造方法
で製造された光導波路において、（ａ）構造、（ｂ）コ
アに沿った断面の構造、（ｃ）石英系ガラス光導波路部
のコアに垂直な断面の構造、（ｄ）シリコン光導波路部
のコアに垂直な断面の構造をそれぞれ示す図である。FIG. 1 is a method for manufacturing an optical waveguide according to a first embodiment of the present invention .
In the optical waveguide produced in, (a) the structure, (b) a cross-section along the core structure, (c) the structure of a cross-section perpendicular to the silica based glass optical waveguide portion of the core, (d) a silicon optical waveguide section It is a figure which shows the structure of the cross section perpendicular | vertical to a core, respectively.
【図２】本発明の第１の形態である光導波路の製造方法
を説明するためのコアに沿った断面の構造を示す図であ
る。FIG. 2 is a diagram illustrating a cross-sectional structure along a core for describing a method of manufacturing an optical waveguide according to a first embodiment of the present invention.
【図３】本発明の第２の形態である光導波路の製造方法
で製造された光導波路において、（ａ）構造、（ｂ）コ
アに沿った断面の構造、（ｃ）石英系ガラス光導波路部
のコアに垂直な断面の構造、（ｄ）シリコン光導波路部
のコアに垂直な断面の構造をそれぞれ示す図である。FIG. 3 is a method for manufacturing an optical waveguide according to a second embodiment of the present invention .
In the optical waveguide produced in, (a) the structure, (b) a cross-section along the core structure, (c) the structure of a cross-section perpendicular to the silica based glass optical waveguide portion of the core, (d) a silicon optical waveguide section It is a figure which shows the structure of the cross section perpendicular | vertical to a core, respectively.
【図４】本発明の第２の形態である光導波路の製造方法
を説明するためのコアに沿った断面の構造を示す図であ
る。FIG. 4 is a diagram showing a cross-sectional structure along a core for describing a method of manufacturing an optical waveguide according to a second embodiment of the present invention.
【図５】本発明の第３の形態である光導波路の製造方法
を説明するためのコアに沿った断面の構造を示す図であ
る。FIG. 5 is a diagram showing a cross-sectional structure along a core for describing a method of manufacturing an optical waveguide according to a third embodiment of the present invention.
【図６】本発明の光導波路の製造方法で製造された光導
波路を適用した光スイッチの回路構成を示す図である。FIG. 6 shows a light guide manufactured by the method for manufacturing an optical waveguide according to the present invention .
FIG. 3 is a diagram illustrating a circuit configuration of an optical switch to which a wave path is applied.
【図７】従来の石英系ガラス光導波路において、（ａ）
構造、（ｂ）製造方法をそれぞれ示す図である。FIG. 7 shows a conventional silica-based glass optical waveguide (a).
It is a figure which shows a structure and (b) manufacturing method, respectively.
【図８】従来のシリコン光導波路において、（ａ）構
造、（ｂ）製造方法をそれぞれ示す図である。FIGS. 8A and 8B are diagrams respectively showing a (a) structure and (b) a manufacturing method in a conventional silicon optical waveguide.
１ シリコン基板 ２ 石英系ガラス層（シリコン酸化層） ３ シリコンスラブ層 ４ シリコンリッジ部（シリコンコア） ５ 下部クラッド石英系ガラス層 ６ 石英系ガラスコア ７ 上部クラッド石英系ガラス層 ８ 間隙 ９ シリコンテラス構造部 １０ コア石英系ガラス層 １１ 光学材料 １２ 石英系ガラス光導波路 １３ シリコン光導波路 １４ 方向性結合器 １５ 金属薄膜ヒータ REFERENCE SIGNS LIST 1 silicon substrate 2 quartz-based glass layer (silicon oxide layer) 3 silicon slab layer 4 silicon ridge portion (silicon core) 5 lower clad quartz-based glass layer 6 quartz-based glass core 7 upper clad quartz-based glass layer 8 gap 9 silicon terrace structure Part 10 core silica-based glass layer 11 optical material 12 silica-based glass optical waveguide 13 silicon optical waveguide 14 directional coupler 15 metal thin film heater
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−51003（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−196120（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−167627（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−244104（ＪＰ，Ａ) 米国特許5559912（ＵＳ，Ａ) Ｕ．Ｆｉｓｃｈｅｒ ｅｔ．ａｌ．, Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ ｓ，1994年３月３日，Ｖｏｌ．30 Ｎ ｏ．５，ｐｐ．406−407 Ｕ．Ｆｉｓｃｈｅｒ ｅｔ．ａｌ．, Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ 1995 ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＳＯＩ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｏｃ ｔ．1995，ｐｐ．141−142 Ｕ．Ｆｉｓｃｈｅｒ ｅｔ．ａｌ．, ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃ ｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏ ｌ．８ Ｎｏ．５（Ｍａｙ 1996），ｐ ｐ647−648 Ｇ．Ｖ．Ｔｒｅｙｚ ｅｔ．ａｌ．, Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ ｓ，1991年１月17日，Ｖｏｌ．27 Ｎ ｏ．２，ｐｐ．118−120 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 6/12 - 6/14 G02F 1/00 - 1/025 G02F 1/29 - 1/313 Continuation of front page (56) References JP-A-4-51003 (JP, A) JP-A-3-196120 (JP, A) JP-A-6-167627 (JP, A) JP-A-2-244104 (JP) U.S. Pat. No. 5,599,912 (US, A) U.S. Pat. Fischer et. al. , Electronics Letters, March 3, 1994, Vol. 30 No. 5, pp. 406-407 U.S. Fischer et. al. , Proceedings of 1995 IEEE International SOI Conference, Oct. 1995, pp. 141-142 U.S. Fischer et. al. , IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 8 No. 5 (May 1996), pp. 647-648. V. Treyz et. al. , Electronics Letters, January 17, 1991, Vol. 27 No. 2, pp. 118-120 (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) G02B 6/12-6/14 G02F 1/00-1/025 G02F 1/29-1/313
Claims (3)
層から構成される積層体にフォトリソグラフィー工程お
よびエッチングを行って、シリコン層と石英系ガラス層
とシリコン層とからなるシリコンテラス構造部を形成
し、 （ｂ）前記シリコンテラス構造部が形成された積層体上
に、石英系ガラス光導波路部の下部クラッド用石英系ガ
ラス層を前記シリコンテラス構造部の頂部が覆われるよ
うな膜厚で形成し、前記下部クラッド用石英系ガラス層
を前記シリコンテラス構造部の頂部高さに合わせて研磨
して前記シリコンテラス構造部の頂部より上の領域を除
去し、前記下部クラッド用石英系ガラス層をエッチング
して石英系ガラス用光導波路部の光軸高さを調整して、
石英系ガラス光導波路部の下部クラッドを形成し、 （ｃ）石英系ガラス光導波路部のコア用石英系ガラス層
を前記下部クラッドおよび前記シリコンテラス構造部の
上に前記シリコンテラス構造部の頂部が覆われるような
膜厚で形成し、前記コア用石英系ガラス層を前記シリコ
ンテラス構造部の頂部高さに合わせて研磨してシリコン
テラス構造部の頂部より上の領域を除去し、前記コア用
石英系ガラス層と前記シリコンテラス構造部のシリコン
層をフォトリソグラフィー工程およびエッチングにより
加工して、石英系ガラス光導波路部のコア部およびシリ
コン光導波路部のコア部を形成し、 （ｄ）前記石英系ガラス光導波路部のコア部の上部周辺
および前記シリコン光導波路部のコア部の上部周辺に上
部クラッド用石英系ガラス層を形成して、石英系ガラス
光導波路部の上部クラッドおよびシリコン光導波路部の
上部クラッドを形成することを特徴とする光導波路の製
造方法。1. A method of manufacturing an optical waveguide , comprising: (a) performing a photolithography step and etching on a laminate including a silicon layer, a quartz-based glass layer, and a silicon layer to form a silicon layer; Forming a silicon terrace structure comprising a quartz glass layer and a silicon layer; and (b) forming a quartz glass layer for a lower cladding of the quartz glass optical waveguide on the laminate on which the silicon terrace structure is formed. The silicon terrace structure is formed to a thickness such that the top of the silicon terrace structure is covered, and the quartz glass layer for the lower cladding is polished according to the height of the top of the silicon terrace structure, and is polished from the top of the silicon terrace structure. The upper region is removed, the lower clad silica glass layer is etched to adjust the optical axis height of the silica glass optical waveguide portion,
Forming a lower clad of the silica glass optical waveguide portion; and (c) forming a core silica glass layer for the core of the silica glass optical waveguide portion on the lower clad and the silicon terrace structure portion. The core-based quartz glass layer is formed to have a film thickness so as to be covered, and the quartz glass layer for the core is polished according to the height of the top of the silicon terrace structure to remove a region above the top of the silicon terrace structure. The silica-based glass layer and the silicon layer of the silicon terrace structure are processed by a photolithography process and etching to form a core of the silica-based glass optical waveguide and a core of the silicon optical waveguide. Forming an upper cladding silica glass layer around the upper portion of the core portion of the system glass optical waveguide portion and the upper portion of the core portion of the silicon optical waveguide portion; Method of manufacturing an optical waveguide, which comprises forming the upper cladding and upper cladding of the silicon optical waveguide portion of the silica glass optical waveguide portion.
層から構成される積層体にフォトリソグラフィー工程お
よびエッチングを行って、シリコン層と石英系ガラス層
とシリコン層とからなるシリコンテラス構造部を形成
し、 （ｂ）前記シリコンテラス構造部が形成された積層体上
に、石英系ガラス光導波路部の下部クラッド用石英系ガ
ラス層と該コア用石英系ガラス層とを、光軸高さに合わ
せるように、しかも前記下部クラッド用石英系ガラス層
と前記コア用石英系ガス層の積層された合計膜厚が前記
シリコンテラス構造部の頂部高さと等しくなるように順
次積層し、 （ｃ）前記シリコンテラス構造部の頂部より上の領域、
および前記シリコンテラス構造部の周辺において前記下
部クラッド用石英系ガラス層と前記コア用石英系ガラス
層との積層構造が傾斜している領域にある前記コア用石
英系ガラス層および前記下部クラッド用石英系ガラス層
をフォトリソグラフィー工程およびエッチングにより除
去して、前記下部クラッド用石英系ガラス層と前記コア
用石英系ガラス層とからの構造と前記シリコンテラス構
造部との間に間隙を形成し、 （ｄ）前記コア用石英系ガラス層および前記シリコンテ
ラス構造部の最上層のシリコン層をフォトリソグラフィ
ー工程およびエッチングにより加工して、石英系ガラス
光導波路部のコア部およびシリコン光導波路部のコア部
を形成し、 （ｅ）前記石英系ガラス光導波路部のコア部および前記
シリコン光導波路部のコア部の上部周辺および前記間隙
に上部クラッド用石英系ガラス層を形成して、石英系ガ
ラス光導波路部とシリコン光導波路部の上部クラッドを
形成することを特徴とする光導波路の製造方法。2. A method of manufacturing an optical waveguide , comprising: (a) performing a photolithography step and etching on a laminate including a silicon layer, a quartz-based glass layer, and a silicon layer to form a silicon layer; Forming a silicon terrace structure comprising a quartz glass layer and a silicon layer; and (b) forming a quartz glass layer for a lower cladding of the quartz glass optical waveguide on the laminate on which the silicon terrace structure is formed. The core quartz glass layer is adjusted to the optical axis height, and the total film thickness of the lower cladding quartz glass layer and the core quartz gas layer is the total thickness of the silicon terrace structure. (C) a region above the top of the silicon terrace structure,
And the core quartz glass layer and the lower cladding quartz in a region where the laminated structure of the lower cladding quartz glass layer and the core quartz glass layer is inclined around the silicon terrace structure. Removing the system glass layer by a photolithography process and etching to form a gap between the structure made of the lower cladding quartz glass layer and the core quartz glass layer and the silicon terrace structure; d) The core-based quartz glass layer and the uppermost silicon layer of the silicon terrace structure are processed by a photolithography process and etching to form a core of the quartz-based glass optical waveguide and a core of the silicon optical waveguide. (E) forming a core portion of the silica-based glass optical waveguide portion and a core portion of the silicon optical waveguide portion; Parts around and the gap to form an upper cladding silica glass layer, the manufacturing method of the optical waveguide and forming an upper clad silica based glass optical waveguide section and the silicon optical waveguide portion.
層から構成される積層体にフォトリソグラフィー工程お
よびエッチングを行って、シリコン層と石英系ガラス層
とシリコン層とからなるシリコンテラス構造部を形成
し、 （ｂ）前記シリコンテラス構造部の最上層のシリコン層
をフォトリソグラフィー工程およびエッチングを用いて
加工して、該シリコン層上にシリコン光導波路部のコア
部を形成し、 （ｃ）前記コア部の形成されたシリコンテラス構造部を
有する積層体上に、石英系ガラス光導波路部の下部クラ
ッド用石英系ガラス層と該コア用石英系ガラス層とを、
光軸高さに合わせるように、しかも前記下部クラッド用
石英系ガラス層と前記コア用石英系ガス層との積層され
た合計膜厚が前記シリコンテラス構造部の高さと等しく
なるように順次積層し、 （ｄ）前記石英系ガラス光導波路部のコア用石英系ガラ
ス層にフォトリソグラフィー工程およびエッチングを行
って石英系ガラス光導波路部のコア部を形成し、 （ｅ）前記石英系ガラス光導波路部のコア部および前記
シリコン光導波路部のコア部を覆うようにして、上部ク
ラッド用石英系ガラス層を形成して、石英系ガラス光導
波路部とシリコン光導波路部の上部クラッド層を形成
し、 （ｆ）前記シリコンテラス構造部の周辺において前記石
英系ガラス光導波路部のコア用石英系ガラス層が傾斜し
ている領域にある前記コア用石英系ガラス層前記下部ク
ラッド用石英系ガラス層および前記石英系ガラス光導波
路部の上部クラッド用石英系ガラス層をフォトリソグラ
フィー工程およびエッチングにより除去して、前記石英
系ガラス光導波路部と前記シリコン光導波路部との間に
間隙を形成し、 （ｇ）前記間隙に、前記石英系ガラス光導波路部のコア
部を構成する石英系ガラスの屈折率と前記シリコン光導
波路部のコア部を構成するシリコンの屈折率との間の屈
折率を有する光学材料を充填することを特徴とする光導
波路の製造方法。3. A method for manufacturing an optical waveguide , comprising: (a) performing a photolithography step and etching on a laminate including a silicon layer, a quartz-based glass layer, and a silicon layer to form a silicon layer; Forming a silicon terrace structure comprising a quartz-based glass layer and a silicon layer; and (b) processing the uppermost silicon layer of the silicon terrace structure using a photolithography process and etching to form a silicon terrace structure on the silicon layer. Forming a core portion of the silicon optical waveguide portion; and (c) forming a silica-based glass layer for a lower clad of the silica-based glass optical waveguide portion on the laminate having the silicon terrace structure portion on which the core portion is formed; A quartz glass layer,
The layers are sequentially laminated so as to match the height of the optical axis, and so that the total film thickness of the quartz glass layer for the lower cladding and the quartz gas layer for the core is equal to the height of the silicon terrace structure. (D) forming a core portion of the silica-based glass optical waveguide portion by performing a photolithography step and etching on the core-based silica glass layer of the silica-based glass optical waveguide portion; and (e) forming the core portion of the silica-based glass optical waveguide portion. Forming a silica-based glass layer for an upper clad so as to cover the core portion of the silicon optical waveguide portion and the core portion of the silicon optical waveguide portion, and forming an upper clad layer of the silica-based glass optical waveguide portion and the silicon optical waveguide portion; f) In the area around the silicon terrace structure where the core silica glass layer of the silica glass optical waveguide is inclined, The silica-based glass layer for cladding and the silica-based glass layer for upper cladding of the silica-based glass optical waveguide portion are removed by a photolithography step and etching, and the space between the silica-based glass optical waveguide portion and the silicon optical waveguide portion is removed. Forming a gap, and (g) between the refractive index of the silica-based glass constituting the core of the silica-based optical waveguide and the refractive index of silicon constituting the core of the silicon-based optical waveguide in the gap. A method of manufacturing an optical waveguide, comprising filling an optical material having a refractive index of:
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