JPH01189614A - 石英系光導波路及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光通信用部品分野に広範囲な応用をもつ石英
系光導波路及びその製造方法に関するものである。

（従来の技術） 石英系光導波路の製造方法として、従来、火炎加水分解
反応を利用した技術が知られている。この技術はガラス
微粒子堆積工程と透明化工程からなり、実効的に高品質
な石英系ガラス導波膜を形成することができる。この技
術による石英系光導波路の形成方法の１例を第２図に示
す。第２図に於て、１は導波膜を形成する基板、２はク
ラッド層、３はコア層、４はクラッド層である。第２図
のプロセスを説明すると、まず基板１上にガラス微粒子
の集合体であるクラッド層２とコア層３を一順次形成す
る。次に１３００〜１４００℃の温度中で熱処理して透
明なりラッド層２とコア層３を形成する（第２図（ａ）
）。その後、コア層３の不要部分を反応性イオンエツチ
ングにより除去してエツジ形状部３ａを形成する（第２
図（ｂ））。エツジ形状部３ａを形成した後再度クラッ
ド層４を堆積してエツジ形状部（コア部）３ａを埋め熱
処理する（第２図（Ｃ））。上記工程中、第２図（ａ）
に示したクラッド層２とコア層３の堆積は別工程でも問
題はない。

（発明が解決しようとする課題） 上記工程による石英系光導波路の製造において、使用す
る基板１の融点を考慮すると、熱処理の際の透明ガラス
化温度を基板材料の溶融温度よりも低い温度に設定しな
ければならない。例えば、基板１としてシリコン基板を
使用する場合、シリコン基板の融点は１４２０℃である
ので熱処理のガラス化温度は１４２０℃以下にしなけれ
ばならない。このために従来、クラッド層２，４とコア
層３に一様にＢ（ホウ素）とＰ（リン）をドープしてガ
ラス化温度を低下させている。さらにコア層３にはクラ
ッド層２，４よりも屈折率を高める目的でＧｅ（ゲルマ
ニウム）やＴｉ（チタン）がドープされている。すなわ
ち、従来のガラス膜組成でコア層３の軟化温度（ガラス
化温度）とクラッド層２゜４の軟化温度を比べると、ク
ラッド層２．４の方が高い組成になっている。従って、
第２図（ａ）及び（ｅ）の工程において、熱処理温度は
クラッド層２．４の軟化温度以上であって、さらに基板
１の融点以下となるように設定される。結果的に、この
温度はコア層３の軟化温度よりも高い温度となる。この
ようにコア層３は熱処理によってコアガラスの軟化温度
以上の温度に加熱されるのでコア層３の形状が変形する
という問題が生じる。この問題を具体的に説明する。第
２図（ｂ）において、コア層３はイオンエツチングによ
り不要部分が除去され、エツジ形状のコア部３ａが形成
される。

この工程はいわゆる微細加工技術の分野であり０．１μ
ｍの精度で微細加工ができる。従って、エツジ形状のコ
ア部３ａは極めて高精度に形成される。

この状態でクラッド層４を堆積して熱処理し光導波路が
得られるが、熱処理の温度はクラッド層４が透明になる
温度であり、コア部３ａの軟化温度よりもかなり高い温
度となる。このため、コア部３ａが溶融状態になって形
状が変化してしまう。

例えば、コア部３ａ、クラッド層２，４の軟化温度が各
々１２００°Ｃ，１３００℃の場合、熱処理の温度はク
ラッド層２，４が完全に透明なガラス膜となるように１
３５０℃前後に設定される。この温度は、コア部３ａの
軟化温度より１５０℃もｄい温度であり、コア部３ａは
微細加工技術で形成された形状が保てなくなる。

光導波路による光回路構成では、導波路の分岐、交差、
曲がりが含まれ、これらの個所の微細寸法は光回路設計
段階で決められる。しかし、上記のように熱処理の際コ
ア部形状が変形してしまうため、“得られるコア部形状
は光回路設計で決められた形状から大幅に変化してしま
う問題が生じている。また、光回路の応用として方向性
結合器や光周波数多重合分波回路が提案されている。こ
れらの場合には１対以上の光導波路が数μｍの間隔で回
路設計される。しかし、コア部形状の変形により光導波
路の間隔が所望の設計値にならない問題があった。さら
にコア部が変形することによって光導波路の基本的な特
性である光伝搬特性が劣化するという問題があった。

°　　本発明の目的は、以上の従来技術で生じる問題点
を解決し、高精度・高品質な石英系光導波路及びその製
造方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段及び作用）従来技術の問題
点は、コア部を形成するためのコア層の軟化温度Ｔ１と
クラッド層の軟化温度Ｔ２がＴｌ　＜Ｔ２の関係のため
に生じている。従って、本発明の最も特徴とするところ
は、コア層とクラッド層の軟化温度をＴＩ　＞Ｔ２の関
係とすることである。コアの軟化温度Ｔ１をクラッド層
の軟化温度Ｔ２よりも高くすることにより、エツジ形状
に精密加工したコア部とクラッド層を熱処理する際の温
度はクラッド層が透明になる温度でよく、コア部は溶融
状態にならない。すなわち、コア形状が変形しない温度
設定が可能となる。例えば、第２図（ｅ）の工程におい
て、透明なりラッド層２と透明なコア部３ａが形成され
ているところに両者を覆うようにガラス微粒子の集合体
であるクラッド層４（第２図（Ｃ）は熱処理後の概略図
である）を形成したで場合で本発明を説明する。

クラッド層４を透明化するための熱処理温度はクラッド
層４の軟化温度Ｔ２を基準にして設定される。この際、
コア部３ａの軟化温度Ｔ１はＴ２より高いのでコア部３
ａの粘性は低下せず形状変化は生じない（第１図参照）
。一方、従来技術の熱処理温度もクラッド層４の軟化温
度Ｔ２を基準に設定されるが、Ｔｌ　＜Ｔ２の関係にあ
るためコア部３ａは非常に高い温度に曝されることにな
り形状変化が生じてしまう。

導波構造を形成するためには、まずコア部の屈折率ｎ１
をクラッド層の屈折率ｎ２よりも高くしなければならな
い。本発明はこの屈折率条件を満たした上で軟化温度が
Ｔｌ　＞Ｔ２の関係になるドーパント材を８１０２にド
ープするものである。

ドーパント材としてはＧｅ（ゲルマニウム）、Ｔｉ（チ
タン）、Ｓｎ（スズ）、ＡＩ（アルミニウム）、ｓｂ（
アンチモン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｐ（リン）、Ｆ
（フッ素）Ｂ（ホウ素）等を用いることができる。屈折
率を高めるドーパント材はＧｅ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｓ
ｂ、Ｚｒ、Ｐであり、ドープ量が多いほど屈折率は高く
なる。

また屈折率が低下するものはＦ、Ｂであり、ドープ量が
多いほど屈折率は低下する。さらにＡＩ。

Ｚｒ、を除いた全てのドーパント材が軟化温度を低下さ
せ、この傾向は屈折率と同様にドープ量に依存する。中
でも、Ｆ、Ｐ、Ｂ、は少量のドープで軟化温度が大幅に
低下するので、本発明ではクラッド層のドーパント材と
して最適である。特にＦドーパントは使用波長域での光
吸収がないのでコア層及びクラッド層にド、−プするこ
とができる。

このようなドーパント材の特性を鑑みると、本発明に従
う第１の形態は屈折率を高めるドーパント材を１種類コ
ア層にドープし、クラッド層には軟化温度が大幅に低下
、し、しかも屈折率も低下するドーパント材をドープす
るのが好ましい。この際、クラッド層には複数のドーパ
ント材をドープすることが可能であり、これによってク
ラッド層の軟化温度をより低下させることができる。ま
た、屈折率を高めるドーパント材をクラッド部にドープ
することも可能であるが、この場合にはコア層とクラッ
ド層の屈折率差と軟化温度差を考慮してクラッド層には
多量のＦ、Ｂをドープする必要がある。屈折率差から、
屈折率を高めるドーパント材をクラッド層にドープする
場合にはコア層にドープした材料と同一の材料が好まし
い。なお、Ｐはドープすることにより屈折率を高めるが
、他の材料に較べるとその結果は非常にわずかな変化で
あるのでコアの組成に係わらずクラッド層にドープする
ことができる。

以上の点を考慮して本発明の第１の形態に従えばコア層
とクラッド層の組成は以下の組合せが好ましい。

番号　コア組成　　　クラッド組成 ■　　Ｓ　ｉｏ　２　　　　　Ｆ　　Ｓ　１０２Ｂ　　
ＯＳ　ｉｏ　２ Ｆ　　Ｂ　　ＯＳ　ｉＯ２ Ｆ−Ｐ２Ｏ３−８ｉＯ２ ■　　Ｆ　　Ｓ　ｉＯＦ　　Ｓ　ｔ　Ｏ２Ｆ−Ｂ２０３
−８ｉＯ２ Ｆ−Ｐ２Ｏ３−８ｉＯ２ ■　　Ｇ　ｅ　Ｏ２Ｓ　ｉ、０２ Ｆ−ＧｅＯ−８ｉＯ Ｆ　　Ｓ　ｉＯ２ Ｆ　　Ｂ　　ＯＳ　ｉｏ　２ Ｆ−Ｂ２０５−８ｉＯ２ ■　　Ｔ　Ｉ　ＯＳ　ｉｏ　２ Ｆ−ＴｉＯ−８ｉＯ２ Ｆ　　Ｓ　ｉＯ２ Ｆ−Ｂ２０３−８ｉＯ２ Ｆ　　Ｐ　　ＯＳ　ｉｏ　２ ■　　Ｐ２Ｏ５−８ｉＯ２ Ｆ−Ｂ２０５−８ｉＯ２ Ｆ　　Ｓ　ｉＯ２ Ｆ−Ｂ２０３−８ｉＯ２ ■　　Ｓ　ｎ　ＯＳ　ｉＯ２ Ｆ　　Ｓ　ｎ　０２　　　Ｓ　ｔ　Ｏ２Ｆ　　Ｓ　ｉＯ
２ Ｆ−Ｂ、、　０３−３　ｉ　０２ Ｆ−Ｂ２０５−８ｉＯ２ ■　　Ａ１゜０３−８ｉＯ２ Ｆ−Ａ１２０３−８ｉＯ２ Ｆ　　Ｓ　ｉｏ　２ Ｆ−Ｂ２０３−８ｉＯ２ Ｆ−Ｂ２０５−８ｉＯ２ ■　　５ｂ２０３−８ｉＯ２ Ｆ−８ｂ２０３−８ｉＯ２ Ｆ　　Ｓ　ｉＯ２ Ｆ−Ｂ２０３−８ｉＯ２ Ｆ−Ｂ２０５−８ｉＯ２ ■　　Ｚ　ｒ　Ｏ２Ｓ　ｉＯ２ Ｆ　　Ｚ　ｒ　０２　　　Ｓ　ｉＯ２ Ｆ　　Ｓ　ｉｏ　２ Ｆ　　Ｂ　　ＯＳ　ｉＯ２ Ｆ　　Ｐ　　ＯＳ　ｉＯ２ 上記組成のなかで、■、■、■はコア層の軟化温度ＴＩ
がＳｉＯ２と同等もしくは高くなるので、クラッド層に
はＢを１種類ドープすることでＴ１＞７２の関係が容易
に得られる。他の組成の組合せでは、軟化温度を最も低
下させるＦをクラッド組成の１種類としてドープするこ
とが本発明では非常に効果的である。また、クラッド組
成にはＦとＸｌ　（１種類のドーパント）の２種類の組
合せ＝　１２− を示したが、Ｘが２種類以上でも何ら問題はない。

光導波路を形成する基板の融点を考慮すれば、コア層の
軟化温度が高い■、■、■の組成では石英ガラス基板な
ど融点の高い基板を用いたほうがよいが、シリコン基板
上に光導波路を形成したい場合には、本発明に従う第２
の形態が好ましい。

本発明の第２の形態は、上記組成の組合せにおいてコア
層にＦをドープしてコア層とクラッド層の軟化温度差を
Ｔｌ　＞Ｔ２とすることである。例えば、コア層組成を
Ｆ　　Ａ　ｌ　　ＯＳ　ｉｏ　２、クラッド層組成をＦ
　　Ｐ　　ＯＳ　ｉＯ２とし、コア層には少量のＦをク
ラッド層にはコア層よりも多くＦをドープすることによ
りＴｌ　＞Ｔ２の関係を保ちつつ両者の軟化温度を低下
させることができる。この第２の形態によれば、表に示
した組成を含めた石英系光導波路を融点が低いシリコン
基板上に形成することができる。

以下、実施例によって本発明を説明する。

（実施例−１） 外形８０、厚さ２ＩＩ１ｍの石英ガラス基板上に火炎加
水分解反応によって生成したＦ−８ｉＯ２微粒子を堆積
して多孔質状のクラッド層を堆積した。

その後、同様の方法でクラッド層の表面に多孔質状のＳ
ｉＯコア層を堆積した。次に、ＳｉＯ２コア層の軟化温
度を考慮して電気炉温度を１４５０℃に保持し、Ｈ’ｅ
雰囲気中で２時間熱処理して透明なＦ　　Ｓ　ｉＯ２ク
ラッド層（厚み３０μｍ）、Ｓｉｏ　コア層（厚み８μ
ｍ）を得た。ＳｉＯ２コア層の不要部分を反応性イオン
エツチングで除去し、断面形状が正方形で一辺が８μｍ
のコア部を形成した。この後、クラッド層及びコア部を
覆うように多孔質状のＦ　　Ｓ　ｉＯ２クラッド層を形
成し、該クラッド層の軟化温度を考慮して温度１２８０
℃のＨｅ雰囲気中で２時間熱処理した。得られた光導波
膜の組成はコア部３１０　　ｓクラッド層がＦ　　Ｓ　
ｉＯ２であり、断面形状は第１図のようであった。すな
わち、コア部３ａの形状は反応性イオンエツチングで加
工形状を保ち、従未見られたコア部（第２図（ｅ）参照
）の変形はなかった。

この結果は、２回目の熱処理温度がコアの軟化温度より
も低く設定できたためである。

（実施例−２） 実施例−１において、Ｆドープを雰囲気制御で行った。

すなわち、石英ガラス基板上に多孔質状の５１０２層を
形成し、これを熱処理する際、Ｈ（３を３１／分、Ｓ　
ｉＦ　４を１００　ｃｃ／分炉内炉内給してＦドープし
、Ｆ　　Ｓ　ｉＯ２層を形成した。次に、実施例−１と
同様に多孔質状のＳ　ｉＯ２層の堆積、熱処理、イオン
エツチング加工してコア部を形成した。この後、クラッ
ド層、コア部を覆うように多孔質状のＳｉＯ２層を形成
し、再度Ｈｅを３１／分、Ｓ　ｉＦ　４を１００　ｃｃ
／分供給した雰囲気中で２時間熱処理して透明なＦ−８
ｉＯ。クラッド層を形成した。なお、熱処理温度はＦド
ープしてクラッド層を形成する際には１２８０℃、コア
層を形成する際には１４５０℃とした。得られた光導波
路の組成はコア部がＳｉＯ、クラッド層がＦＳ　ｉＯ２
であり、断面形状は第１図と同様にコア部形状が全く変
形しないものであった。

（実施例−３） 直径７５＋ｎｍφのシリコン基板上に多孔質状のＢ　　
ＯＳ　ｉＯ２クラッド層を堆積し、実施例−２のように
雰囲気制御でＦドープを行い、Ｆ−Ｂ　　ＯＳ　ｉ　０
２クラッド層を形成した。ＳｉＦ４の供給量は１００　
ｃｃ／分とした。次に、多孔質状のＴｉＯ−ＳｉＯ２微
粒子を堆積して、１４００℃のＨｅ雰囲気中で熱処理し
透明なコア層を得た。イオンエツチングによりコア部を
形成したのち、多孔質状のＢ　　ＯＳ　ｉＯ２クラッド
層を堆積してＦ雰囲気中で処理しＦ−Ｂ２０３−８１０
２クラッド層を得た。Ｆドープの際の熱処理温度は１２
８０℃とした。得られた光導波路の組成はコア部がＴ　
ｉＯＳ　ｉＯｓクラッド層がＦ−ＴｉＯ−８ｉｎ２であ
り、断面形状は第１図の結果と同様にコア部形状が全く
変形しないものであった。

（実施例−４） 実施例−２の方法において、石英基板上にＦ−Ｂ　　Ｏ
Ｓ　ｉＯ２のクラッド層を形成し、次にコア層としてＡ
１２０３−８ｉＯ２を形成した。

イオンエツチングでコア部を形成した後、再度Ｆ−Ｂ２
０３−８ｉＯ２クラッド層を形成した。各工程における
熱処理温度は１２８０℃、１４５０℃、１２８０℃とし
た。得られた光導波路の組成はコア部がＡＩ　　Ｏ−８
ｉＯ、クラッド層がＦ−Ａ１２０　　　Ｓ　１０２であ
り、断面形状は第１図の結果と同様にコア形状が全く変
形しないものであった。

（実施例−５） 直径７５ｍｍφのシリコン基板上に実施例−２の方法で
Ｐ２Ｏ５−８ｉＯ２のクラッド層を堆積し、Ｆ雰囲気中
で熱処理した。熱処理温度は１２８０℃、ＳｉＦ４の供
給量は２００　ｃｃ／分とした。次□に多孔質状のＡ１
゜Ｏａ　　Ｓ　ｉＯ３を堆積してコア層を形成し、熱処
理した。熱処理温度は１３８０℃、ＳｉＦ４の供給量は
６０ｃｃ／分とした。コア層にイオンエツチング加工し
た後、多孔質状のＢ２０．−８ｉＯ２クラッド層を堆積
し、温度が１２８０℃、Ｓ　Ｉ　Ｆ　４の供給量が２０
０　ｃｃ／分の条件で熱処理した。得られた光導波路の
組成はコア部がＦ−ＡＩ　　Ｏ−８ｉＯ、クラッド層が
Ｆ−Ｐ　　ＯＳ　Ｉ　Ｏ２であり、断面形状は第１図の
結果と同様にコア形状が全く変形しないものであった。

以上、本発明の第１の形態の実施例、及び第２゛　の形
態の実施例について説明した。実施例以外の組成におい
ても熱処理によってコア部形状が変形しない結果が得ら
れた。

（発明の効果） 以上説明した如く、本発明によれば、従来技術で問題で
あった熱処理時のコア部の変形のない光導波路を提供で
きる。また本発明方法によれば熱処理時のコア部の変形
を防ぐことができるため、光回路設計で精密に決められ
、また加工されたコア形状と一致した形状の光導波回路
の作製が可能となる。また、コア部の微細加工を必要と
する方向性結合器や周波数多重合分波回路の設計が容易
になり、これらの特性構造はもとより、より微細構造回
路の実現に効果を発揮するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用して形成した光導波路の断面概略
図、第２図は従来の光導波路を形成するプロセスを説明
した図である。 １・・・基板 ２．４・・・クラッド層 ３・・・コア層 ３ａ・・・コア部 特　許　出　願　人　　日本電信電話株式会社代理人　
弁理士　吉　１）精　孝 第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、火炎加水分解反応を利用したガラス微粒子堆積工程
   と透明化工程とにより、基板上にコア部と該コア部の屈
   折率よりも低い屈折率を有するクラッド部とを形成した
   石英系光導波路において、前記コア部を形成するコア材
   料の軟化温度Ｔ１と前記クラッド部を形成するクラッド
   材料の軟化温度Ｔ２がＴ１＞Ｔ２の関係であることを特
   徴とする石英系光導波路。 ２、火炎加水分解反応を利用したガラス微粒子堆積工程
   と透明化工程とにより、基板上にコア部と該コア部の屈
   折率よりも低い屈折率を有するクラッド部とを形成する
   石英系光導波路の製造方法において、前記工程の熱処理
   に際し、前記コア部を形成するコア材料の軟化温度Ｔ１
   と前記クラッド部を形成するクラッド材料の軟化温度Ｔ
   ２がＴ１＞Ｔ２の関係となるようドーパント材をドープ
   することを特徴とする石英系光導波路の製造方法。 ３、コア材料をＳｉＯ＿２とし、クラッド材料を、｛Ｆ
   、Ｐ、Ｂ｝から選ばれる一又は二以上のドーパント材を
   ドープしたものとすることを特徴とする請求項１記載の
   石英系光導波路の製造方法。 ４、コア材料を、ＳｉＯ＿２に｛Ｆ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｐ、
   Ｓｎ、Ａｌ、Ｓｂ、Ｚｒ｝から選ばれる一又は二以上の
   ドーパント材をドープしたものとし、クラッド材料を、
   該コア材料にドープしたドーパント材又は｛Ｆ、Ｐ、Ｂ
   ｝から選ばれる一または二以上のドーパント材をドープ
   したものとすることを特徴とする請求項１記載の石英系
   光導波路の製造方法。