JP3230679B2

JP3230679B2 - 導波構造

Info

Publication number: JP3230679B2
Application number: JP51722091A
Authority: JP
Inventors: マックスウエル、グリーム・ダグラス; エインズリー、ベンジャミン・ジェイムズ
Original assignee: ブリテイッシュ・テレコミュニケーションズ・パブリック・リミテッド・カンパニー
Priority date: 1990-11-05
Filing date: 1991-11-05
Publication date: 2001-11-19
Anticipated expiration: 2016-11-19
Also published as: WO1992008154A1; EP0556230B1; DE69118553D1; US5533156A; JPH06501573A; US5465312A; CA2095324A1; GB9024022D0; AU8840591A; DE69118553T2; CA2095324C; EP0556230A1

Description

【発明の詳細な説明】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ッジに達せず
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.BoydおよびS.Sriram氏による文献（“Optical
Coupling from Fibers to Channel Waveguides Formed
on Silicon",APPLIED OPTICS,17（６）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
ールに結合された構造を有する導波体材料を使用し、一
方において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 Shimizu氏による文献（“Fusion Splicing betwe
en Deposited Silica Waveguides and Opitcal Fiber
s",ELECTRONICS AND COMMUNICATIONS 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、ガラス構造
を有する材料が少なくとも１つの光導波通路領域を含む
光導波構造と、（ｃ）少なくとも１つのファイバテール
またはファイバ端部であって、（c1）導波構造の２つの
層の間に配置され、（c2）導波構造に完全に一体化さ
れ、ガラス構造を有する材料によって固定され、（c3）
前記通路領域の１つに直接接続され、（c4）それが直接
接続された通路領域の少なくとも端部と整列され、（c
5）基体のエッジを越えて延在する少なくとも１つのフ
ァイバテールまたはファイバ端部とを含んでいる光学装
置が提供される。

本発明は請求の範囲においてさらに詳細に限定され
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。基体のエッ
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く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、その後主体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、光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
続的なエッ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が提供され、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（SiO₂）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
（GeO₂）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、エッ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
の材料は光ファ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ッ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
な断面図である。

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1000mm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
あるが、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他全ての
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、SiClおよびGeClが炎中に導入され、それによ
ってすすはSiO₂およびGeO₂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、PCl₃およびBCl₃のよう
なドーパントと共にSiClは炎中に導入される。この場
合、すすは融点低下剤を有する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接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シーケンスを説明する。プ
ロセスは容易に入手できるウエハによりスタートし、各
ウエハは約10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。バ
ッファ層は完成したとき導波構造のクラッドを構成する
ように機能する制限材料の第１の層である。主基体はSi
から形成され、SiO₂で構成されるバッファ層、すなわち
制限材料の第１の層はシリコンウエ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
ために使用され、それは導波構造の光学的特性に影響を
与えないことが必要である（図ではバッファ層の厚さは
誇張して示されており、実際にはシリコンウエハの厚さ
に比較してバッファ層の厚さは図示されたものに比較し
てはるかに小さい厚さである。）ファイバテールがウェハのエッ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ッチングが行われる。使用
されるエッ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
にエッチングを制御するために使用される。この図面は
上記のようなエッジの付近でエッチングされた６つの溝
11.1乃至11.6を備えたウェハ10を示す。これらの各溝の
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。溝の深さはまたエッチ
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。

溝をエッチングした後、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各溝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2
2.1乃至22.6を有する。

各溝の寸法は、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
10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中に延在することが認められるで
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ッチングされるこ
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
が任意の空間を見たし、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ッ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12.1
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12.1
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21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。

ウエハは付着装置中に戻され、通路領域17に対する上
面側のクラッドを構成する最終的な制限材料の第２の層
19が付着される。図６に示されているようにこの制限材
料の第２の層19はファイバテール上および通路領域17上
を含む基体10上全体を覆って延在する。図６はまた第２
の制限材料の層19がファイバテールのクラッド15に融着
され、また、通路領域17の両側に露出されたバッファ領
域14、すなわち第１の制限材料の層14の表面に接触して
この層14と共同して通路領域17を包囲する制限領域を構
成して通路領域17に対するクラッド領域を構成する。

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、これらの変形
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
（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、すなわち溝はエッチング
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）ソルゲル処理，（ｃ）低圧化学蒸気付着（LPCVD），（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ッチング（RI
E）を使用してエッ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、Ｖ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。

ほとんどの場合、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）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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者エインズリー、ベンジャミン・ジェイムズイギリス国、アイピー５・７イービー、サフォーク、イプスウイッチ、ルシュメール、バーチウッド・ドライブ 24 (56)参考文献特開昭56−146107（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 6/30

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）機械的な支持用の主基体と、（ｂ）この主基体上に支持され、ガラス構造を有する材
料で構成された少なくとも１つの光導波体通路領域を含
む光導波体構造と、（ｃ）前記光導波体構造に完全に一体化されて固定さ
れ、光導波体構造の前記光導波体通路領域と接続されて
いる少なくとも１つのファイバまたはファイバテールと
を具備している光学装置の製造方法において、（ｉ）前記主基体はガラス構造を有する制限材料の第１
の層を有するウェハによって構成され、前記光導波体通
路領域の端部に接続されるファイバまたはファイバテー
ルの端部部分が配置されるべき部分のウエハ中に少なく
とも１つの溝を形成し、（ii）外端部が溝から突出するように溝中に前記ファイ
バまたはファイバテールの端部部分を配置し、（iii）それに続いて前記ウェハ上に光導波体通路層を
付着してその層を焼結してこの光導波体通路層と前記フ
ァイバまたはファイバテールのコアの内端部との間に直
接接続を生成し、（iv）前記ファイバまたはファイバテールのコアに接続
された光導波体通路領域を残すように前記光導波体通路
層の不所望の部分を除去し、（ｖ）前記光導波体通路領域を覆ってガラス構造を有す
る制限材料の第２の層を付着してこの制限材料の第２の
層と前記ウエハの表面の制限材料の第１の層との共同に
よって光導波体通路のクラッドを構成し、ファイバまた
はファイバテールの端部部分はこれら制限材料の第１お
よび第２の層の間に位置されてそれらガラス構造の制限
材料の第１および第２の層によって光導波体構造と完全
に一体化されることを特徴とする光学装置の製造方法。
【請求項２】光導波体通路領域およびコアの両者を構成
する前記ガラス構造の材料はシリカを含んでいる請求項
１記載の方法。
【請求項３】前記光導波体通路領域およびコアの材料で
あるシリカは屈折率を高めるためにゲルマニアを含んで
いる請求項２記載の方法。
【請求項４】前記クラッドを構成するガラス構造の材料
のシリカは融点を低下させるためのドーパントを含んで
いる請求項３記載の方法。
【請求項５】主基体は制限材料の第１の層としてシリカ
の層を有するシリコンウエハで構成されている請求項１
乃至４のいずれか１項記載の方法。