JP7560790B2 - 光導波路素子の製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、光導波路素子の製造方法に関する。

従来、紫外～可視～近赤外～テラヘルツの波長帯域においてコヒーレント光の発生や変調をすることが可能な光学素子は、光通信システムにおける光信号の波長変換や光変調、光計測、光加工に代表される多岐にわたる分野において応用されている。なかでも非線形光学効果を利用する光学素子は、波長変換や電気光学効果において優れた特性を有することから、研究開発が進められている。

非線形光学効果および電気光学効果を有する光学材料として、様々な種類の材料が開発されているが、なかでもニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３：ＬＮ）やタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３：ＬＴ）等に代表される酸化物系化合物基板は、高い二次非線形光学定数、高い電気光学定数を有し、広い波長帯域において透明であることから有望な材料として研究開発されている。ＬＮやＬＴの中でも、室温で自発分極することが可能な特性を生かして形成される、周期的に分極反転された構造を有する周期分極反転ニオブ酸リチウム（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ ＬＮ：ＰＰＬＮ）や周期分極反転タンタル酸リチウム（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ ＬＮ：ＰＰＬＴ）が広く用いられている。上記の光学材料は周期分極反転構造を有することにより、高い位相整合性を有し結果として高い二次非線形光学効果等を有することから、広く用いられている。ＰＰＬＮ、ＰＰＬＴの高い非線形性を用いた光デバイスとして、第二次高調波発生（Ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：ＳＨＧ）、差周波発生（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ
Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：ＤＦＧ）、和周波発生（Ｓｕｍ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：ＳＦＧ）を利用した波長変換素子が知られている。

ＰＰＬＮを用いた光導波路構造として、チタン拡散光導波路、プロトン交換光導波路と呼ばれる拡散型の光導波路が主流であった。これは、ＬＮは難加工性材料であるがゆえ拡散型光導波路以外の作製が困難であったことに因る。しかしながらこの拡散型光導波路は、作製時に光導波路を形成するため不純物を拡散させ、屈折率差を生じさせることから、光損傷耐性や長期信頼性の観点から課題があった。拡散型の光導波路構造では、高いパワーの光を光導波路に入射すると、フォトリフラクティブ効果により結晶構造が損傷してしまうため、光導波路に入力できる光パワーに制限があった。

この課題の解決手法の一つとして、リッジ型の光導波路についての研究開発がなされている（非特許文献１参照）。特に直接接合法によるリッジ型光導波路形成手法を用いると、高パワーの光入力が可能になり、高光強度の光変調信号の生成やレーザー加工技術等への応用が広がると予想されている。

S. Kurimura, Y. Kato, M. Maruyama, Y. Usui, and H. Nakajima, "Quasi-Phase-Matched adhered ridge waveguide in LiNbO3," Appl. Phys. Lett. 89(19), 191123(2006)

しかしながら、直接接合法によるリッジ型光導波路形成手法における各種プロセスの加工精度限界により実際に作製される光導波路構造は目標とする構造から逸脱してしまい、目標とする特性が得られないという課題があった。

本開示は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、実際に作製される光導波路構造が目標とする構造目標である光導波路素子の製造方法を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明の一実施形態にかかる光導波路素子の製造方法は、基板に形成された光導波路のコアの高さ及び幅の少なくとも一方の構造値を計測することと、計測された構造値に基づいて、光導波路の光学特性の予測することと、予測された光学特性が目標とする光学特性とならないことを条件に、基板に形成された光導波路のコアの高さ及び幅の少なくとも一方の補正量を決定し、決定した補正量に従って、基板に形成された光導波路のコアの高さ及び幅の少なくとも一方を再加工することと、予測された光学特性が目標とする光学特性となることを条件に、光導波路が形成された基板をチップ化することとを備える。

図１は、リッジ型の光導波路の断面構造を示す図である。 図２は、従来のリッジ型の光導波路を有するチップの製造方法を説明する図である。 図３は、本発明の一実施形態のリッジ型の光導波路を有するチップの製造方法を説明する図である。 図４は、本実施形態の一実施形態のリッジ型の光導波路を有するチップの製造方法を実施するための計算機の概略構成を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。同一または類似の参照符号は、同一または類似の要素を示し、繰り返しの説明を書略する場合がある。以下の説明中の材料および数値は、例示であり、本館発明の技術的範囲を限定することを意図しない。以下に説明する実施形態は、本願発明の要旨を逸脱しない範囲において、他の材料および数値を用いて実施してもよい。

以下、直接接合により非線形光学材料のコア層とアンダークラッド層とが接合されたリッジ型の光導波路を例として、本発明の一実施形態の光導波路素子の製造方法を説明する。素子に含まれるリッジ型の光導波路は、例えば、ＰＰＬＮ光導波路とし得る。

（非線形光学材料の選定）
本実施形態で用いる非線形光学材料は、光波長４００ｎｍ～２０００ｎｍにおいて透明である材料であればいずれの材料でもよい。非線形光学材料は、非線形光学効果を有する材料であればいずれの材料でもよく、二次非線形光学効果であっても三次以上の非線形光学効果であってもよい。例として、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ベータバリウムボライト（β－ＢａＢ_２Ｏ_４：ＢＢＯ）、リン酸チタニルカリウム（ＫＴｉＯＰＯ₄：ＫＴＰ）等があげられる。非線形光学材料は、非線
形光学効果増大のために周期分極反転構造を有するものであってもよい。周期分極反転構造を有する非線形光学材料を用いる際は、周期分極反転が失われないキュリー温度以下の光導波路加工条件や、位相整合をとることができる光導波路構造を適宜選択し得る。

（光導波路の構造）
図１は、リッジ型の光導波路の断面構造を示す図である。図１に示すように、アンダークラッド層１、オーバークラッド層３、コア層２から構成される構造をとり、コア層２内部を光が伝搬する光導波路構造となっている。アンダークラッド層１とコア層２は直接接合により接合されることにより、高い光損傷耐性を有するため、光導波路内部にパワー密度の非常に高い励起光を入力することが可能となる。また、オーバークラッド層３の屈折率に関しては特に制限はなく、オーバークラッド層３は、空気(エアークラッド)であってもよく、化学気相成長法(Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶ
Ｄ)や火炎堆積法（Ｆｌａｍｅ Ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＦＨＤ）
、スパッタリング法により堆積されたガラス等であってもよく、光導波路構造設計に応じたオーバークラッド層を有していればいずれでもよい。

またコアサイズに関しても特に制限はなく、マルチモードで光が伝搬する比較的大きなコア径（１０μｍ）以上のものであっても、シングルモードで光が伝搬する小コア径（１０μｍ）以下のものであってもよい。コア層２の薄膜化をスマートカット法等にて行い小コア化を試みた光導波路であって、そのコア径が非常に小さなコア径（ｎｍ単位）でもよい。また、コア形状に関しても特に制限はなく、正方形、長方形、台形、その他加工可能な形状であればいずれでもよい。

（光導波路形成手法）
次に光導波路形成手法を説明する。初めに比較例として図２を参照して従来の光導波路素子の製造方法を説明し、次いで図３を参照して本発明の一実施形態の光導波路素子の製造方法を説明する。

図２に示すように従来の光導波路素子の製造方法は、工程１の直接接合、工程２の薄膜化、工程３の光導波路形成、工程４のチップ化、および工程５の光学特性評価を含む。

工程１において、アンダークラッド層１となる非線形光学材料の基板１０とコア層２となる非線形光学材料の基板２０を直接接合する。工程１における直接接合は、接着剤を用いない直接接合技術を用いることにより、高強度の光を入力光とした場合の光損失耐性の向上につながる。工程１において、アンダークラッド層１の基板１０とコア層２の基板２０の熱膨張係数は可能な限り近いものを選定することにより、後のプロセスでの熱処理プロセスにおいて基板割れを抑制することが可能になる。本開示において、基板１０と基板２０とを直接接合することにより形成された基板を接合基板ともいう。

工程２において、接合基板のうちのコア層２となる非線形光学材料の基板２０を薄膜化する。薄膜化の手法に関しては特に制限はなく、研削研磨工程やスマートカット法等が候補として挙げられる。

工程３において、基板２０を加工することにより光導波路４０のコア層２を形成する。光導波路形成手法に関しては特に制限はなく、ドライエッチングプロセスやダイシングソーによる光導波路４０のコア層２の切り出し等が候補として挙げられる。工程３において、必要に応じて既知の方法により光導波路４０のオーバークラッド層３を形成する。

工程４において、作製した光導波路４０を有する基板をチップ化して光導波路素子を生成する。チップ化の手法として、ダイシングソーを用いた手法が候補として挙げられるが、加工手法に特に制限はない。また、チップ化の後に端面を光学研磨したり、反射防止膜をコートしたりすることで、光導波路素子としてのチップ５０に光が入射もしくは出射する際の光損失を低減することが可能になる。

工程5において、作製した光導波路４０を有するチップ５０に対して光学特性評価を行
う。

図２の従来の光導波路素子の製造方法では、工程５において光導波路素子であるチップ５０の光導波路４０の光学特性を評価した際に、作製誤差等が原因となり目標とする光学特性を満たさない光導波路を多数製造してしまい、一度チップ化すると再度加工することは困難であるために歩留まりの向上に限界があった。

図３に示すように本実施形態の光導波路素子の製造方法は、工程１の直接接合、工程２の薄膜化、工程３の光導波路形成、工程４のチップ化、および工程５の光学特性評価を含み、工程３１の構造計測、工程３２の特性予測、工程３３の補正量決定、および工程３４３の再加工をさらに含む。図３の製造方法は、光導波路構造の補正プロセスを組み入れた方法である。

工程１および工程２はそれぞれ、図２を参照して説明したのと同様の工程である。

工程３において、基板２０を加工することにより光導波路４０のコア層２を形成する。光導波路形成手法に関しては特に制限はなく、ドライエッチングプロセスやダイシングソーによる光導波路の切り出し等が候補として挙げられる。工程３において、オーバークラッド層３は形成しない。光導波路４０のオーバークラッド層３が必要な場合には、工程３１および工程３２よりも後に形成する。

工程３１において、作製した光導波路４０の構造を計測する。主な計測項目としては、光の伝搬方向に対する光導波路４０のコア層２の幅Ｗと高さＨの分布が候補として挙げられる。これは、これらの項目の積により光導波路４０の実効屈折率が決定し、最終的に光導波路４０の伝搬方向に対する光導波路の実効屈折率分布に最も影響のある項目であるためである。構造の計測方法としては、光導波路４０のコア層２の幅Ｗの計測としては光学顕微鏡、もしくは測長走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）による実測が候補として挙げられる。また光導波路４０のコア層２の高さＨ、つまりコア層２の膜厚分布は光干渉を利用した手法が候補として挙げられる。工程３１における光導波路４０のコア層２の高さＨの計測は、工程２の後および工程３の前に実施してもよい。この場合、光導波路が形成される前の薄膜化された基板２０の膜厚の分布を計測してもよい。

工程３２において、工程３１で得られた構造の実測値（光導波路４０のコア層２の幅Ｗの分布と高さＨの分布）をもとにシミュレーター上に同一構造（光導波路のデジタルツイン）を作成し、光学特性をシミュレートする。この際のシミュレーションの方法は、目的とする物理量（例えば光損失、非線形光学効果）に応じて決定し得る。シミュレーションの代表的な手法としてビーム伝搬法（Ｂｅａｍ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ： ＢＰＭ）や時間領域差分法（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ： ＦＤＴＤ）を例示し得る。工程３２においてシミュレーションにより予想した光学特性が目標特性であるかどうかを決定する。予想した光学特性が目標特性であると決定される場合は工程４のチップ化工程へと進み、作製誤差等により予想した光学特性が目標特性とならないと決定される場合は、工程３３から工程３４の補正工程（トリミングプロセス）へと進む。

工程３３において、工程３２で作製したシミュレーター上の構造（デジタルツイン）の光学特性が目標特性に到達できるような構造となるよう、各種構造パラメーターをどの程度変化させればよいかを計算し、補正量（トリミング量）を決定する。

工程３４において、工程３３で決定した補正量を基に実際の構造に対して補正（トリミング）加工を行う。この工程では、光導波路４０のコア層２の幅Ｗおよび厚さＨの少なくとも一方を補正し得る。補正加工の手法として局所エッチング装置を用いた局所的な構造改変が候補として挙げられる。

工程３５において、光導波路構造が目標特性を発揮する構造となるまで工程３１から工程３４までを繰り返す。この工程により、最終的に得られる光導波路４０のコア層２の構造は当初目標設定値を満たす構造となる。必要に応じて、オーバークラッド層３を堆積する。本実施形態では、光導波路４０は、アンダークラッド層１と、コア層２と、オーバークラッド層３を含むリッジ型の光導波路としている。

工程４および工程５はそれぞれ、図２を参照して説明したのと同様の工程である。

本実施形態の光導波路素子の製造方法（上記工程１から工程５）により、従来の光導波路素子の製造方法に比べた歩留まりおよび特性の飛躍的な向上が期待される。

（直接接合方法（工程１））
接着剤を用いずに基板同士を強固に接合する技術として、直接接合技術がある。直接接合技術は、初めに化学薬品を用いて基板の表面処理を行った後、基板同士を重ね合わせることにより、表面間引力により接合する方法である。各種基板の表面処理条件（温度や薬品の種類等）は実際に接合する基板の種類および組み合わせによって最適化し得る。また、基板を貼り合わせる際はマイクロパーティクルが極力存在しない清浄雰囲気化にて、作業を行うことが望ましい。また、直接接合プロセスは常温で行われるが、このときの接合強度は小さいため、その後に高温での熱処理を行って、拡散接合を行い、接合強度を向上し得る。接合された基板は、接合面にマイクロパーティクル等の挟み込みがなく、ボイドフリーであり、室温状態においてクラックなどは発生しない。

接着剤等を用いずに基板同士を強固に接合することのできる直接接合の技術は、高光損傷耐性、長期信頼性、デバイス設計の容易性などの特徴を有する。他にも、非線形光学効果の一種である差周波発生を用いた中赤外域の光発生において、不純物の混入や接着剤等の吸収を回避できるといったメリットも存在する。

（薄膜化方法（工程２））
基板２０を薄膜化する技術として、研削・研磨工程やスマートカットによる薄膜化工程等がある。本実施形態においては薄膜化の手法に特に制限はなく、研削・研磨による薄膜化でもスマートカットによる薄膜化のいずれであってもよい。

研削・研磨工程による薄膜化では、研削研磨用の定盤の平坦度が管理された装置を用いて、任意の深さに光導波路が存在するようになるまで研削研磨加工を施す。研削研磨工程終了後にポリッシング加工を行うことで、鏡面の研磨表面(光学端面)を得ることができる。最終的に基板の平行度(基板の最大高さと最小高さの差)を光学的な平行度測定器を用いて測定することで、基板全体としての平行度を得ることができる。

スマートカットによる薄膜化工程は、主にイオンの打ち込み工程と薄膜の剥離工程の２つの工程からなる。イオン打ち込み工程では二次非線形光学効果を有する薄膜化をする必要がある基板２０に対しヘリウムもしくは水素イオンを打ち込む。イオンは制御された加速電圧と制御されたドーズ量のもと基板表面から打ち込まれ、表面からある一定の深さにトラップされる。使用するイオンは水素やヘリウムといった基板を構成する原子よりも小さいものが望ましい。基板剥離工程ではイオンを打ち込んだ上述の基板に対して熱処理を施すことで、基板内のダメージ層を境に基板を剥離する工程である。非線形光学材料が周期分極反転構造を有する場合には、パターニングされた分極方向を崩さないために、基板剥離工程における熱処理温度は二次非線形光学結晶のキュリー温度以下で行うことになる。

上記手法により薄膜化したコア層は、その加工精度により面内膜厚分布を有する。特に高光損傷耐性が存在する比較的大きいコア層２を有するリッジ型の光導波路４０が作製可能な、研削研磨による薄膜化プロセスでは膜厚分布抑制において比較的大きな加工限界が存在する。これら加工精度限界により存在する膜厚分布によって、最終的に目標とする構造を有する光導波路の作製が困難である。

（光導波路のコア層の形成方法（工程３））
リッジ型の光導波路４０のコア層２の形成手法として、ドライエッチングプロセスを用いる方法やダイシングソーに代表される機械加工を用いる方法等がある。本実施形態においてはリッジ型の光導波路４０のコア層2の形成手法に特に制限はなく、ドライエッチン
グを用いる方法であっても、ダイシングソーを用いる方法、その他の形成手法のいずれであってもよい。

ドライエッチングを用いる手法では、ドライエッチング装置を用いてコア層２となる基板２０の表面（以下、コア基板表面という）をエッチングすることにより、光導波路４０のコア層２を形成する。この際、コア基板表面には通常のフォトリソグラフィのプロセスによって光導波路４０のパターンを作製する。光導波路パターンのレジストをマスクとし、ドライエッチング装置によりドライエッチングすることにより、光導波路４０のコア層２を形成する。この手法では、以下の二つが原因となり、光導波路幅に分布が生じる。

一つ目の原因は、フォトリソグラフィのプロセスにより作成された光導波路パターンの作製誤差である。このプロセスでは、フォトリソグラフィの条件を最適化することにより光導波路幅分布を抑制することは可能であるが、完全に光導波路幅分布が生じないレジストパターンを作製することは困難である。

二つ目の原因は、ドライエッチング時における面内エッチング量分布である。ドライエッチング工程において、最終的に形成される光導波路４０の幅に影響するエッチング量の面内分布を完全になくすことは困難である。その理由として、例えば周期分極反転構造を有する非線形光学基板であった場合、分極方向によってエッチングレートが若干異なること、プロセス中に基板面内に温度分布が生じエッチングレートが基板温度によって異なること、ドライエッチング時のプラズマの密度が必ず面内一様分布とならないことが挙げられる。

ダイシングソーに代表される機械加工を用いる手法では、通常のダイシングプロセスに用いられるダイシングブレードを用いることで光導波路４０のコア層２を形成する手法である。この手法では、主に加工する機械の精度、特にサンプルを固定するステージや加工部の位置精度により、作製される光導波路４０の構造の精度が決定する。そのため、光導波路４０のコア層2の作製精度には限界があり、完全に設計通りの光導波路幅を有する光
導波路の作製は困難である。

以上の理由により、現在広く用いられているリッジ型光導波路の作製プロセスにおいては、当初設定した目標構造、特に光導波路幅を有する光導波路と完全に一致する光導波路を作製することは困難である。

（再加工（トリミング加工））
図２を参照して説明したように従来の光導波路素子の製造方法では、工程４においてチップ化した後に、工程５において光学特性評価を行っていた。工程５における「特性」とは、光導波路の機能や性能を表す指標値であり、例えば非線形光学素子の場合は二次非線形光学定数や光の透過率等である。

従来の光導波路素子の製造方法においては、目標とする光学特性値を設定し、その実現に向けて光導波路の構造を設計する。そして目標とする構造をめざして、光導波路の加工工程に移る。実際の加工工程では、得られる光導波路４０の構造は目標とする構造から逸脱してしまう。これは各工程における製造誤差のためである。工程４において、工程１から工程３を経て得た光導波路４０をダイシング等によりチップ化し、光学端面を形成し、光導波路４０を有するチップ５０が完成する。工程５において、完成したチップ５０に関して検査することで初めて光導波路４０の特性がわかる。従来の光導波路形成工程では、チップ化し検査するまで光導波路の特性が分からず、検査により目標特性を満たさないチップが製造されたことがわかっても構造補正はチップ化した後では困難であり、目標とする特性を有する構造が得られないチップを製造してしまうという課題があった。

図３を参照して説明した本実施形態の光導波路素子の製造方法においても目標とする光学特性値を設定し、その実現に向けて光導波路の構造を設計する。そして目標とする構造をめざして、光導波路の加工工程に移る。実際の加工工程では、得られる光導波路４０の構造は目標とする構造から逸脱してしまう。これは各工程における製造誤差のためであり、この工程までは従来の光導波路素子の製造方法と同等である。

本実施形態においては、作製した光導波路４０のコア層２の高さＨや幅Ｗに代表される各種構造値を計測することで得られた構造情報を基に、シミュレーター上に同一構造を形成し、各種シミュレーションの手法を用いて光学特性を予想する。この際にシミュレーター上に作製される光導波路は、実際に作製した光導波路４０のデジタルツインとなるものであり、シミュレーター上で非破壊的に特性値を予想することが可能である。シミュレーター上で得られた特性値が当初設定した目標値に達しているか否かの合否判定（当初設定した目標値となっているかどうかの判定）を行う。予測された特性が合格である場合は、必要に応じてオーバークラッド層３を形成した後に、チップ化の工程に進む。

予測された特性が不合格である場合はコア層２の構造についての補正工程(トリミング
工程)に移る。補正工程における構造補正量はシミュレーター上で計算し、シミュレータ
ー上の構造に補正量を反映させ、得られる光学特性が合格基準を上回るまで計算を行う。そして得られた補正量を基に、実際の光導波路４０のコア層２の再加工（トリミング加工）を行う。この再加工の手法は、シミュレーター上で得られた補正量の再加工を実現可能な加工精度を有していればいずれでもよく、本実施形態においては局所的にドライエッチングを行う局所エッチングが候補技術として挙げられる。再加工が終了した後、再びコア層２の構造値を測定し、シミュレーター上にデジタルツインを再現し、光学特性予測を行う。この光学特性予測値が設定した目標値を満たすまで、上記補正工程（工程３１から工程３４）を繰り返すことで、目標とする特性を有する光導波路４０を作製することが可能になる。なお、光導波路４０の形状が矩形の断面の場合、当該光導波路４０の実効屈折率（等価屈折率）および伝搬特性等の光学特性は基本的にコア層の幅と高さ、コアの屈折率、及びクラッドの屈折率で決定される。また、コア層の幅Ｗの補正による光学特性の補正は、当該コア層の高さを補正することによっても行うことができる。したがって、光導波路のコア層の幅または高さの一方または双方を補正することにより、光導波路の光学特性を補正することができる。したがって、シミュレーター上で計算される構造補正量は、接合基板に形成された光導波路４０のコア層２の幅Ｗまたは高さＨの一方または双方についての補正量を示し得る。

（光導波路の高さの計測）
本実施形態において、光導波路４０のコア層２の高さＨの分布（膜厚分布）は光干渉を用いて計測される。具体的には、コア層２となる基板２０の表面に光を入射し、光の反射スペクトル解析による多層膜の膜厚の非接触評価によって実施できる。反射光との干渉を用いて膜厚を解析する手法は広く普及している手法であり、本実施例でも汎用的に用いられている光干渉の手法を用いて膜厚を計測する。膜厚の計測は工程３の光導波路形成よりも前の工程２の後に基板表面全体に対して計測をする手法でも、工程３の光導波路形成の後の工程４において光導波路４０のコア層２のみに対して計測する手法のいずれであってもよい。

また、本実施形態における膜厚計測手法は光干渉を用いるもの以外の手法でもよく、光導波路構造に対して非侵襲であればいずれの手法でもよい。

（光導波路の幅の計測）
本実施形態において、光導波路４０のコア層２の幅Ｗの分布は直接的に光導波路４０のコア層２を観察することで計測される。具体的な観察手法としては、光導波路構造に対して非侵襲であればいずれでもよく、光学顕微鏡を用いる方法や、走査型電子顕微鏡といった電子顕微鏡を用いる方法が代表例として挙げられる。上記手法のほかにも、段差計を用いた手法や原子間力顕微鏡を用いた高精度な測定手法であってもよい。この際、光導波路のコア層２の幅Ｗの分布を測定する際の測定点の間隔に特に制限はなく、構造のトリミング工程において必要十分である構造情報が得られる測定点数であり、尚且つ光導波路形成プロセスのスループットが著しく低下しない測定点数であればよい。

（シミュレーター）
本実施形態の光導波路素子の製造方法では、シミュレーターを用いて、実際に作製した光導波路４０のコア層２と同一構造をシミュレートし、シミュレートした構造の光学特性を予想し、予想した光学特性が当初の目標特性を有するか否かの検査を行うことで合否判定をする。シミュレートした構造の光学特性が目標値に満たない場合は、工程３３において、コア層２の構造をどの程度補正することで目標とする光学特性を有することになるかをシミュレーター上で計算する。そして、工程３４において、工程３３で得られた補正量を用いて実際に作製した光導波路４０のコア層２に対して、構造の補正をする。

本実施形態では、構造補正手法として、高精度に狙った範囲だけを局所的に加工することが可能な局所エッチング手法を用いるが、光導波路４０のコア層２の構造を高精度に加工できる手法であればいずれであってもよい。そして加工後の構造に対して、同様に光導波路４０のコア層２の高さＨや幅Ｗといった構造値の測定を行う。得られた加工後の構造値を用いてシミュレーター上に実際の光導波路４０のコア層２の構造のデジタルツインとなる様な光導波路のコアの構造を再度作成し、光学特性を予想し、予想した光学特性が当初目標特性を有するか否かの検査をシミュレーター上で行うことで合否判定をする。工程３１の構造計測、工程３２の特性予測、工程３３の補正量決定、工程３４の再加工、工程３１の構造計測、および工程３２の特性予測という一連の工程を、予想した光学特性が当初設定した目標特性となるまで繰り返すことで、目標特性を有する光導波路の形成が可能になる。

図４は、本実施形態の光導波路素子の製造方法において使用し得るシミュレーターを構成する計算機１００の概略構成を示す図である。計算機１００は、プロセッサ１０１と、メモリ１０２と、入力装置１０３と、出力装置１０４と、通信装置１０５と、ストレージ１０６とを有する。プロセッサ１０１は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、集積回路（ＩＣ）に実装したマイクロプロセッサ、またはＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ－Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、若しくはその他のプロセッサとし得る。プロセッサ１０１は、ストレージ１０６に格納されたプログラムをメモリ１０２にロードして実行することで、計測データ処理部１３２および制御データ処理部１３３として機能することができる。メモリ１０２は、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）またはＲＯＭ（Ｒｅａｄ ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ）とし得る。入力装置１０３は、例えば、キーボード、マウス、カメラ、またはセンサーとし得る。出力装置１０４は、例えば、ディスプレイ装置、またはプリンタとし得る。通信装置１０５とは、例えば、無線通信装置または有線通信装置とし得る。ストレージ１０６は、例えば、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）またはソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）とし得る。

計算機１００は、上述したシミュレーターの機能を実行する計測データ処理部１３２および制御データ処理部１３３を含む。計測データ処理部１３２は、図３を参照して説明した工程３２の特性予想を実行し、制御データ処理部１３３は、図３で説明した工程３３の補正量決定（トリミング量決定）を実行する。

図４のフィードフォワードシステムにおいて、実線は製造対象物の工程に従った流れを示している。また、破線は工程３１の構造計測によって得られる計測データを、また、一点鎖線は工程３４に対する「制御」のための補正量（トリミング量）データを、それぞれ示している。

計測データ処理部１３２で導出された予測値は、制御データ処理部１３３に渡される。制御データ処理部１３３は、予測値に基づいて、後工程である工程３４における補正量（トリミング量）を決定する。制御データ処理部１３３は、工程３４が実施される際に、求めた補正量に応じて、製造装置に設定する工程３４の補正量データを供給する。

以上説明したように、本実施形態の光導波路素子の製造方法によれば、従来の光導波路素子の製造方法における、各種プロセスの加工精度限界により実際に作製される光導波路構造は目標とする構造から逸脱してしまい、目標とする特性が得られないという課題を解決することが可能となる。

本実施形態の光導波路素子の製造方法によれば、基板に形成された光導波路の構造の計測された構造値に基づいて光導波路の光学特性を予想し、光導波路の構造を補正する工程を経ることにより、従来手法に比べて光導波路製造工程における歩留まりおよび光導波路の性能の飛躍的向上が期待される。

１ アンダークラッド層
２ コア層
３ オーバークラッド層
１０、２０ 基板
４０ 光導波路
５０ チップ
１００ 計算機
１０１ プロセッサ
１０２ メモリ
１０３ 入力装置
１０４ 出力装置
１０５ 通信装置
１０６ ストレージ
１３２ 計測データ処理部
１３３ 制御データ処理部

Claims (5)

1. 光導波路素子の製造方法であって、
   基板に形成された光導波路のコア層の高さの分布及び幅の分布の少なくとも一方の構造値を計測することと、
   前記計測された構造値に基づいてシミュレートされた前記光導波路のデジタルツインの光学特性を予測することと、
   前記予測された光学特性が目標とする光学特性とならないことを条件に、前記基板に形成された前記光導波路の前記コア層の高さ及び幅の少なくとも一方の補正量を決定し、前記決定した補正量に従って、前記基板に形成された前記光導波路の前記コア層の高さ及び幅の少なくとも一方を局所的に再加工することと、
   前記予測された光学特性が前記目標とする光学特性となることを条件に、前記光導波路が形成された前記基板をチップ化することと
   を備える、製造方法。
2. 前記光導波路の前記高さの分布及び幅の分布の少なくとも一方の前記構造値は、前記高さ及び幅の少なくとも一方に対して非侵襲に計測される、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記基板に形成された前記光導波路の前記コア層の高さ及び幅の少なくとも一方の補正量を決定することは、
   前記光導波路の前記計測された構造値に基づいてシミュレートされた前記光導波路のデジタルツインの光学特性が前記目標とする光学特性となる、前記シミュレートされた前記光導波路のデジタルツインのコア層の高さ及び幅の少なくとも一方の構造値を計算することと、
   前記計算された前記光導波路のデジタルツインの構造値と前記計測された構造値に基づいて、前記基板に形成された前記光導波路の前記コア層の高さ及び幅の少なくとも一方の補正量を決定することと
   を備える、請求項１から２のいずれか一項に記載の製造方法。
4. 前記決定した補正量に従って、前記基板に形成された前記光導波路の前記コア層の高さ及び幅の少なくとも一方を再加工することは、
   前記計算された前記光導波路のデジタルツインの構造値と前記計測された構造値に基づいて決定された前記補正量に基づいて、前記基板に形成された前記光導波路の前記コア層の高さ及び幅の少なくとも一方を局所的に再加工することを含む、請求項３に記載の製造方法。
5. アンダークラッド層となる基板と前記コア層となる基板とを直接接合することにより接合基板を形成することと、
   前記接合基板の前記コア層となる基板を薄膜化することと、
   前記コア層となる基板が薄膜化された前記接合基板に前記光導波路を形成することと
   をさらに備え
   前記基板に形成された前記光導波路の前記コア層の高さの分布の構造値を計測することは、前記接合基板に前記光導波路を形成する前の前記接合基板の薄膜化された前記コア層となる基板の膜厚の分布を計測することを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の製造方法。

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