JPH01225904A - ストライプ横閉じ込め光導波路 - 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】 （概　要〕 基板上に形成される先導波路で、縦方向に光を閉じ込め
るコア層の一部分の中間に低屈折率中間層膜を挿入し、
光が感じる等価屈折率を制御して。

中間層のある部分の等価屈折率を中間層のない部分の等
価屈折率よりも低くすることによって、光を横方向に閉
じ込めるようにした光導波路である。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、光導波路に関するものであり、特に先導波路
を多層化した三次元導波路構造を可能にするストライプ
横開じ込め光導波路に関するものである。

（従来の技術） −ａに、半導体やガラスなど、ある特定の基板上に製作
する先導波路は、縦方向（膜厚方向）と横方向（基板面
に平行な方向）にそれぞれ何らかの光閉じ込め機構を設
けて、光を導波する。

縦方向には５例えばコア（光が通る層）とクラフトの間
の屈折率差による全反射を利用したものや、多ｗｊ膜ク
ラフトの干渉反射を利用したものが一般的であり、様々
な屈折率をもつ透明な材料を、　　連続的に積層するこ
とで容易に製作できる。

一方、横方向にはフォトリソグラフィとエツチング技術
を組み合わせた様々な光閉じ込め法が考案されている。

第６図は、従来のりフジ型先導波路の例を示している。

図において、１は半導体などの基板であり、２は基板ｌ
上に形成されたクラッド層、３はクラッド層２上に形成
されクラッド層２よりも屈折率が高いコア層、４はコア
層３を膜厚方向に段差を生じるようにエツチングして形
成したリッジ（うね部）、５はリッジ４に沿って設けら
れた光の線路である。

第６図に示されたりフジ型先導波路では、コアＮ３の膜
厚を、リッジ４の部分とその周辺部分とで僅かに異なら
せたことにより９等価的な屈折率に差を生じさせて、横
方向の光閉じ込めを行っている。

第７図は、従来の矩形埋込型光導波路の例を示している
。図において、１は半導体などの基板。

２はクラッド層、６はクラッド層２よりも高い屈折率を
もつコアである。

コア６はクラッド層２上に形成した膜をストリップ状に
残してクラッド層２あるいは基板１までエツチングして
形成され、その後ストリップ状のコアを低屈折率媒質で
埋込むことにより横方向の光閉じ込めが行われている。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述したりフジ型先導波路や矩形埋込型光導波路は、従
来多く用いられていたが、これらは一般にコア径が１０
μｍ近い単一モード光ファイバとの高効率結合を考慮し
たとき、光導波路のコアの大きさもそれと同等にする必
要があり、その場合光横開じ込めに必要なエツチング深
さも、数μｍから１０８ｍ以上に及んでしまう。

これだけの厚さをエツチングするためには方向性をもた
ない化学エツチングは不可能であり、近年急速に進歩し
てきた反応性イオンビームエツチングなどの異方向性ド
ライエツチング技術を用いる必要があるが、それでも現
状では低損失な光導波路を得るためにかなりの精度と時
間を要している。

また今後は、光素子を高密度に集積化する上で。

第８図に示すような複数の光線路を膜厚方向に積層し、
３次元的に光信号のやり取りを行う積層導波型光集積回
路の重要性が増大するものと考えられる。簡単に図につ
いて説明すると、３０は半導体などの基板、３１は光の
入射ポート、３２は先導波路。

３３は光の出射ボート、３４は光合流・分岐回路、３５
は上下方向の光結合回路、３６は光検器である。しかし
前述したような光横開じ込め法では、光導波路形成後に
その凹凸が表面に残ってしまうため。

この方法で多段に積層した光集積回路を構成することは
不可能である。

本発明は、コア厚の大きい先導波路を横閉じ込めすると
きに要求されるエツチング精度を緩和し。

従来の方法に比べて極めて容易に製作でき、かつ表面に
段差がほとんど残らない光横開じ込め光導波路を実現す
ることを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、光の線路となるコアの横方向において媒質中
に低い屈折率をもつ薄い中間層をストライプ状に設ける
ことによって等価的に屈折率を低下させ、深いエツチン
グを行う必要なしに光の横方向閉じ込めを実現するもの
である。

第１図は１本発明によるストライプ横開じ込め先導波路
の原理説明図である。

図において、１１はクラッド層、１２は先導波路のコア
層、１３はコア層１２よりも屈折率が低い媒質の中間層
、１４はクラッド層１１に対向するクラッド層。

１５は光の線路となるコア部である。また、Ａは中間層
が除去されている領域、Ｂは中間層が存在する領域であ
る。

〔作　用〕

第１図により９本発明の詳細な説明する。

第１図の縦方向（膜厚方向）に積層した先導波路のコア
層１２中には、領域Ｂに示されるような非常に薄い中間
層１３が一層挟まれている。この中間ＦＪ１３は、コア
に用いられている材料よりも屈折率が低いため、光に作
用する等価屈折率をわずかに下げる働きをもつ。したが
って中間１１１３が除去されている領域Ａとの間に横方
向に等価的な屈折率差が生じ１ｗｉ域ＡとＢの境界で光
が全反射するため、光が領域Ａの中に閉じ込められる。

この横閉じ込め法は、コア材料の一部が低屈折率媒質に
置き換わっているという点において従来のりフジ型先導
波路における横閉じ込め法と同じであるが、その低屈折
率媒質をコア層の中間に置いたことで、薄い層でもその
効果を数倍から１０倍以上に大きくしている。

したがって９本発明では、従来のりフジ型に比べてエツ
チング深さが１／１０程度と小さくて済み。

化学エツチングで非常に手峠に線路パターンが形成でき
る。ここで形成されるパターンは他の横閉じ込めのよう
にはっきりした段差（ストリップ）が形成されることが
なく、２次元的なストライプ（しま）に近いため１本発
明ではこの横閉じ込め法をストライプ横開じ込めと呼ん
でいる。したがって、エツチングによる段差が小さいた
め、最終的に表面に残る段差を小さく抑えることができ
。

積層導波路型光集積回路への応用が可能になる。

〔実施例〕

本発明は、半導体、ガラスなどの基板上に形成されたあ
らゆる光導波路に適用可能であり、コアが単一モード光
ファイバと同程度に厚い場合に有効である。

特に、第２図に示す共振反射型光導波路（ｉｆｆｉ称Ａ
ＲＲＯＷ）のように、単一モード導波路でありながらコ
ア内の光閉じ込めが強く、リッジなどの微小な外形変化
しか与えない加工では横方向の閉じ込め効果が得にくい
導波路に対しては、特に効果的と考えられる。このよう
な共振反射型光導波路で横閉じ込めを行った実施例を第
３図に示す。

第３図において、１０は基板、ｌｌａは第１クラツド層
、ｌｌｂは第２クラツド層、１２はコア層、１３は中間
層、１５はコア部である。

また各層の屈折率と厚さを次のように表す。

１ｍ−皿飯エ　　　　　ニー立 基板　　　　　　　　ｎｓ　　　　　　　−第１クラッ
ド層　　　ｎｌ　　　　　　　ｄｌ第２クラッド層　　
　ｎ□　　　　　　６８３７層　　　　　　　ｎｃ　　
　　　　　ｄｃ中間層　　　　　　　ｎ　Ｉｃ　　　　
　　　ｄ　Ｉｃここで、共振反射型先導波路（ＡＲＲＯ
Ｗ）の構造上の特性から、各層の屈折率間には１次のよ
うな関係が設定される。なおコア層の上部媒質（通常は
空気）の屈折率をｎｏとする。

ｎｃ　　　＞ｎ・ ｎ、＞ｎ。

ｎｌ　　　　＞　　　ｎｚ ｎ（≧　　ｎ＝ ｎｌ　　　　＜　　　　ｎ＝ さらに５本発明によるストライプ横開じ込めを行う条件
として ｎｌｃ　　＜　　ｎｃ にされる。

これにより、第２図に矢印で示されているように、コア
層に入射した光は、第２クラッド層の厚さを適切に設定
することにより生じる干渉反射により縦方向に閉じ込め
られかつ横方向にも等価屈折率差による全反射により閉
し込められて伝播する。

第４図に、中間層の厚さｄｌｃをパラメータとしたとき
、コア層の表面からの中間層の位ＩＤと横方向等価屈折
率差ΔΩとの関係を示す。

第３図の実施例による横閉じ込めの設計の具体例として
、波長０．６３３μｍに対してコア層１２の厚さｄｃを
４μｍとし５コアＦｉ１２の材料に光導波路でよく用い
られるＣ　７０５９ガラス（ｎｃ　＝１．５４）を仮定
したとき、第１クラフト層１１ａにＴ　ｉ　Ｏｘ　。

中間層１３にＳ　ｉ　０ｘ（ｎｌｃ””１．４６）を用
いれば、中間層１３の厚さｄｌｃが０．４μｍと薄くて
も、横方向に０．２５％の等価屈折率差が得られる。

なお、製作においては、クラッド層、コア層。

中間層などの各層の成膜にスパッタ法を、コア部１５　
（領域Ａ）の中間層の除去にはＢＨＦ　（緩衝フン酸）
エツチングを用いた。エツチングの深さは数１０００人
程度でよいため、製作が容易である。

また１本発明に基づ（ストライプ横開じ込め光導波路に
よれば、先導波路形成後９表面に残る段差が非常に小さ
いので、基板上に１つの導波回路を形成した後、さらに
その上に分離層を挟んで別の導波回路を積層することが
可能である。第５図はその１例であり、上下の導波路が
重なる部分に光信号をやり取りする光結合部を設けるこ
とで。

３次元的な積層導波路型光集積回路が構成できる。

第５図において、　１６は基板、１７は基板と導波路を
分離する干渉反射クラフト、　１８は下部導波路。

１９は上下の導波路を分離する干渉反射クラフト。

２０は上部導波路、２１および２２は中間層、２３およ
び２４はコア部、２５は光スィッチや変調器などの光デ
バイスを示す。

このようにして、任意複数の導波路を多層化して三次元
構造とすることができる。

〔発明の効果〕

本発明によって、コア層が光ファイバのコアと同程度の
厚い導波路でも、深いエツチングを行わずに容易に屈折
率差を形成することができるため。

光横開じ込めが極めて簡単に実現できる。また。

導波路の表面の凹凸が小さいため、積層導波路型光集積
回路への応用が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図、第２図は本発明を用いた
場合に特に大きな効果が得られる共振反射型光導波路の
説明図、第３図は本発明の１実施例である共振反射型先
導波路の構造図、第４図は中間層と横方向等価屈折率差
の関係説明図、第５図は本発明の実施例による積層導波
路型光集積回路の構造図、第６図は従来のリッジ型先導
波路の例の構造図、第７図は従来の矩形埋込型光導波路
の例の構造図、第８図は従来の積層導波路型光集積回路
の例の説明図である。 第１図中。 １１：クランド層 １２：コア層 １３：中間層 １４：クランド層 １５：コア部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光を導波するコア層（１２）と、コア層（１２）内の光
   をコア層（１２）の面に垂直な方向に閉じ込めるクラッ
   ド層（１１、１４）と、コア層（１２）中にストライプ
   状に設けた中間層（１３）とを有し、 中間層（１３）の屈折率をコア層（１２）の屈折率より
   も低くして、コア層（１２）内の光をコア層（１２）と
   クラッド層（１１、１４）との境界面に平行な方向に閉
   じ込めることを特徴とするストライプ横閉じ込め光導波
   路。