JPH02211406A

JPH02211406A - ファイバ・ガイド部付き光導波路の製作方法

Info

Publication number: JPH02211406A
Application number: JP3222389A
Authority: JP
Inventors: Yasubumi Yamada; 泰文山田; Masao Kawachi; 河内　正夫; Toshimi Kominato; 俊海小湊
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1989-02-10
Filing date: 1989-02-10
Publication date: 1990-08-22
Anticipated expiration: 2014-05-17
Also published as: JP2893093B2

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、光導波路回路実現のためのキーテクノロジで
ある簡便な光導波路−光フアイバ間の接続技術に関する
ものである。

〔従来の技術〕

先導波回路実現のために光導波路への簡便な光フアイバ
接続技術の開発が求められている。石英系光導波路基板
上に光回路パタン化と同時に光フアイバ位置合わせ用の
ガイドを形成し、このガイドを利用してファイバ接続を
行う方法［特開昭６０−１７４０６］は、簡便で信頼性
の高い光フアイバ接続技術として期待される。第１０図
は、この接続方法の説明図であり、同図において、１１
は光回路基板、１２はリッジ状光導波路であり、１２ｂ
はそのバッファ層、１２ａはコア層、１２Ｃはクラッド
層である。１３はファイバ・ガイド、１４は光ファイバ
　１４ａはそのコア層である。

ガイド１３に囲まれたガイド溝部の幅及び深さは適切に
設定されているので光ファイバ１４をガイド中に挿入す
るだけで光ファイバと光導波路との位置合わせが実現で
きる。しかも、光ファイバ１４はガイド１３によりその
位置が機械的に決定されるので、光ファイバの固定後に
おいて使用環境の温度変動が生じたとしても位置ずれが
発生せず、したがって、信頼性の高いファイバ接続が実
現できる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、上記のガイド溝接続法を埋め込み形光導波路
（クラッド層を厚く形成してコア層を埋め込んだ構造の
光導波路）に適用することは従来は困難であった。この
理由は、埋め込み型光導波路を製作する場合、従来は、
ガイドと光導波路とを１枚のフォトマスクを用いて同時
に形成することができず、例えば、第１１図に示す工程
で製作していたからである。まず第１１図（ａ）に示す
ように基板１１上に光導波路１２のコア部１２ａを形成
し、クラッド層１２ｃで埋め込んだ後、同図（ｂ）に示
すようにクラッド層上面に形成したマスク材１５をガイ
ドパタンが描かれたフォトマスク１６を用いてパタン化
する。次いで同図（Ｃ）のようにクラッド層１２Ｇの不
要部分をエツチングすることによりファイバガイド１３
を形成していた。このような工程においては、ガイドパ
タンを既に形成された光導波路１２の位置に対して誤差
ｌμ１以内の位置合わせ精度でパタン化する必要がある
。しかし、下層に形成された光導波路１２は、コア層、
クラッド層ともに透明であるので精密位置合わせを実現
することはきわめて困難であった。

上記のように、従来のガイド溝接続法では埋め込み形光
導波路への適用が困難であるという問題があった。本発
明の第１の目的は、埋め込み形光導波路への適用を可能
とする新しい構造のファイバガイド溝を有する光導波路
を提供することにあり、第２の目的は、上記の新構造の
ファイバ・ガイド付き光導波路の製作方法を提供するこ
とにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明のファイバ・ガイド溝付き光導波路は、表面に凹
部及び凸部が形成されたＳｉ基板上に形成した石英系光
導波路において、該石英系光導波路バッファ層が上記Ｓ
ｉ基板凹部に、かつ、その上面の高さが上記Ｓｉ基板凸
部上面の高さと一致するように形成されてあり、該石英
系光導波路コア層が、該バッファ層上に形成されてあり
、光ファイバと光導波路との位置合わせ用のファイバ・
ガイド溝が該光導波路コア層端部付近のＳｉ基板凸部に
設けてあることを特徴とするものである。

また、本発明のファイバ・ガイド溝付き光導波路の製作
方法は、表面に凹部及び凸部が形成されたＳｉ基板上に
、石英系光導波路バッファ層を形成するバッファ層形成
工程と、該基板表面を研磨しＳｉ基板凸部表面を露出さ
せ、かつ、Ｓｉ基板凹部上に形成した該石英系光導波路
バッファ層表面の高さを該Ｓｉ基板凸部の高さと一致さ
せる研磨工程と、該基板上に光導波路コア層を形成する
コア層形成工程と、ファイバ・ガイド溝パタンと光導波
路パタンとか同時に描かれた一枚のフォトマスクを用い
、かつ、該Ｓｉ基板凸部上面のコア層表面に該ファイバ
・ガイド溝パタンか形成され、該Ｓｉ基板凹部上面のコ
ア層表面に該光導波路パタンか形成されるように位置合
わせをしてマスク材をパタン化する第１フォトリソグラ
フィ工程と、不要部分の石英系光導波路コア層を除去し
該Ｓｉ基板凸部表面を露出させるコア層エツチング工程
と、該基板上にクラッド層を形成する埋め込み工程と、
該クラッド層上面に該光導波路パタンか形成された領域
を覆うようにマスク材をパタン化する第２フォトリソグ
ラフィ工程と、不要部分のクラッド層を除去しコア層で
形成したファイバ・ガイド溝パタンを残してＳｉ基板凹
部を露出させるクラッド層エツチング工程と、該コア層
で形成したファイバ・ガイド溝パタンをマスクとしてＳ
ｉ基板凸部をエツチングしファイバ・ガイ）’　溝ヲ形
成するＳｉ基板エツチング工程、とからなることを特徴
としている。

上記クラッド層エツチング工程としては、該ファイバ・
ガイド溝パタン形成部とその他の部分での膜厚差および
コア層・クラッド層間でのエツチング速度差を利用して
、コア層で形成したファイバ・ガイド溝パタンを残すこ
とができる。

また、上記バッファ層形成工程において、Ｓｉ基板とし
て（１００）面結晶を行い、上記第１フォトリソグラフ
ィ工程において、ファイバ・ガイド溝をＳｉ基板［１１
０］方向と平行に設けるようにし、かつ、上記Ｓｉ基板
エツチング工程においてＳｉ基板異方性エツチングを行
うことにより寸法精度の高いガイド溝を容易に形成する
ことができる。　従来技術と本発明との相違点としては
、従来のファイバ・ガイド溝付き光導波路は平坦なＳｉ
基板上形成していた点が本発明と大きく異なる。また、
従来の製作方法では導波路パタンとガイドパタンとが同
時に描かれたフォトマスクを使用することができない点
が本発明の製作方法と大きく異なる。

〔実施例〕

実施例１第１図は、本発明の第１の実施、例を説明する斜視図で
ある。ｌはＳｉ基板であり、１ａはその凸部、■ｂはそ
の凹部である。２は石英系光導波路であり、２ａはコア
層、２ｂはバッ゛ファ層、２ｃはクラッド層である。バ
ッファ層２ｂとクラッド層２ｃの屈折率は等しく、これ
はコア層２ａの屈折率より低い値となっている。３はフ
ァイバ・ガイド・コア層パタン（ファイバ・ガイド溝パ
タン）であり、４はファイバ・ガイド溝である。バッフ
ァ層２ｂはＳｉ基板凹部１ｂ上に形成されており、その
上面はＳｉ・基板凸部１ａの上面と同一の高さとなって
いる。ファイバ・ガイド溝４はＳｉ基板凸部に形成され
ている。

第２図は、本実施例の機能を説明するための断面図であ
る。５は光ファイバであり、５ａはそのコア層である。

光ファイバ５とファイバ・ガイド溝４とはＡ、Ｂ、Ｃの
３点で接触している。ここに、ＡおよびＢはファイバ・
ガイド・コア層パタン３の厚さ方向の中点にあたり、Ａ
Ｃを結ぶ直線は導波路コア層の中心Ｏとほぼ交わる。Ｂ
はファイバガイド溝の底面上の点である。ガイド溝の寸
法は、ファイバ半径Ｒ，ガイド溝幅ＷＩガイド溝深さ（
導波路コア中心０からガイド底面まで）ＤとするとＤ＃Ｒ１Ｗ均２Ｒと設定しであるので、ファイバをガイド溝中に挿入した
だけでファイバと導波路間の位置合わせが実現できる。

このようなガイド付き光導波路は第３図に示す方法で製
作できる。同図（ａ）は、凹部１ｂおよび凸部１ａを有
するＳｉ基板１上に石英系光導波路バッファ層２ｂを形
成し光導波路基板を形成する工程である。本実施例にお
いては、火炎堆積法［Ｍ、　Ｋａｗａｃｈｉ　ｅｔ、　
ａｌ、　、　Ｊａｎ、　Ｊ、　Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、
　、　Ｖｏｌ、　２２．　（１９８３）、　ｐ。１９３
２コを用いた。すなわち、５ｉＣＩ４゜ＴｉＣＩａ等の
ガラス形成原料ガスの火炎加水分解反応を利用してＳｉ
基板ｌ上にガラス微粒子膜を堆積させた後、電気炉中で
、ガラス微粒子膜を加熱して透明ガラス化することによ
り形成する。

この際、バッファ層２ｂの厚さはＳｉ基板凹部・凸部間
の段差より厚（なるように形成した。

同図（ｂ）は、上記光導波路基板表面を研磨することに
より、Ｓｉ基板凸部表面を露出し、かつ、表面を平坦化
する工程である。同図＜ｃ＞は、上記光回路基板上に光
導波路コア層２Ｃを形成する工程である。ここでは、再
び火炎堆積法を用いた。

同図（ｄ）は、ファイバ・ガイド・コア層パタン３と光
導波路パタン２ａとが同時に描かれた１枚のフォトマス
クパクンを用いて、ファイバ・ガイド・コア層パタン３
がＳｉ基板凸部上に来るように位置合わせをしてマスク
材１０をパタン化するフォトリングラフィ工程である。

ここでは、マスク材１０としてアモルファス５ｉ（ａ−
３ｉ）膜を用いた。

同図（ｅ）は、マスク材１０を用いたエツチングにより
石英系光導波路膜の不要部分を除去し光導波路コア層パ
タン２ａおよびファイバ・ガイド・コア層パタン３を形
成する工程である。ここでは、エツチングの手段として
フッ素系エツチングガスによる反応性イオンエツチング
（ＲＩ　Ｅ−）を用いた。エツチングは不要部分のコア
層が完全に除去できるまで行った。この時ファイバ・ガ
イド溝部ではＳｉ凸部表面が露出する。、同図（ｆ）は
クラッド層２ｃを形成し下層パタンを埋め込む工程、同
図（ｇ）は、クラツド層２ｃ上面に光導波路を形成した
領域を覆うようにマスク材１０ａをパタン化する工程で
ある。

同図（ｈ）はクラッド層の不要部分をエツチングにより
除去し、ファイバ・ガイド・コア層パタン３およびその
間に挟まれたガイド溝部のＳｉ基板を露出する工程であ
る。この工程において、エツチングの終了判定を適切に
行うとファイバ・ガイド・コア層パタン３を残したまま
、その間の領域のＳｉ基板表面を露出できる。これは、
第４図に示した理由による。すなわち、埋め込みクラッ
ド層を形成した場合、コア層が下層にある部分とない部
分では前者の部分の膜厚が後者より厚くなる（第４図ａ
）。これに加えて、エツチング速度がクラッド層とコア
層でわずかに異なり、コア層のエツチング速度がクラッ
ド層の速度より若干遅い（ｌ〜２割程度）。そこで、本
実施例のようにＳｉ基板凸部上にコア層およびクラッド
層が形成された２層構造の場合、必要となるエツチング
量が少ないために上記の膜厚差およびわずかのエツチン
グ速度差のためにコア層を残してＳｉ基板表面を露出さ
せることが出来る（第４図す、ｃ）。

これに対して、平坦なＳｉ基板上にバッファ層、コア層
およびクラッド層を形成した従来の光導波路の場合、Ｓ
ｉ基板を露出させるにはバッファ層までの深いエツチン
グが必要なこと、および、バッファ層においては両者の
間のエツチング速度の差が無いことのために、エツチン
グの進行とともにファイバ・ガイド・コア層パタンか不
鮮明になり、第５図に示すように明確な段差が形成でき
なくなる。したがって、ガイド溝幅を正確に決定するこ
とは困難となる。

この後、・上記のエツチング工程の後に残ったファイバ
・ガイド・コア層パタン３をマスクとして、Ｓｉ基板を
第２図に示した深さの条件を満足するようにエツチング
すれば第１図に示すファイバ・ガイド溝付き光り導波路
が形成できる。

以上のように、本実施例では、ガイド溝をＳｉ基板凸部
上面に形成するようにしたので、第３図（ｈ）における
エツチング深さを浅（することができる。この結果、光
導波路の膜厚差およびコア層、クラッド層間のわずかの
エツチング速度差を利用できるようになり、ファイバ・
ガイド・コア層パタン３を残したまま、その間の領域の
Ｓｉ基板表面を露出できるようになった。このファイバ
・ガイド・コア層パタン３をマスクとしてＳｉ基板をエ
ツチングすることによりファイバ・ガイド溝が形成でき
る。このようにして、本発明で埋め込み形光導波路への
ガイド溝形成にあたり、１枚のフォトマスクを用いてフ
ァイバ・ガイド溝と光導波路とを形成できるようになっ
たのである。

なお、上記第３図（ｈ）のクラッド層エツチング工程に
おいて、ファイバ・ガイド・コア層パタン３を残したま
まその間の領域のＳｉ基板表面を露出するためには、本
実施例で説明した方法の他に埋め込みマスク法［特開昭
６２−９４９３６］を用いることも可能である。すなわ
ち、同図（ｆ）の埋め込み工程において、ファイバ・ガ
イド・コア層パタン３上にマスク材１０を残したままク
ラッド層２で埋め込み、この埋め込まれたマスク材１０
を同図（ｈ）のクラッド層エツチング工程におけるマス
クとする方法である。しかし、この方法と比較すると、
本実施例の製作方法はプロセス数が少ない点で有利であ
る。

実施例２第６図は、本発明の第２の実施例を説明する斜視図であ
る。Ｓｉ基基板色して（１００）面結晶を用いる。光導
波路２はＳｉ基板凹部１ｂに形成し、ガイド溝４はＳｉ
基板凸部１ａに［１１０］方向と平行に設ける。ガイド
溝はＶ溝形状で、その側壁は５ｉ（１１１）面４ａによ
り形成されている。これは後に述べるようにＳｉ基板の
異方性エツチングにより形成したものである。また、光
導波路端部２０は、凸状に突き出した形状とした。

第７図は、本実施例のファイバ・ガイド溝の機能を説明
するための断面図である。ガイド溝側壁４ａが基板面と
なす角度θ、光ファイバ５０半径Ｒ１導波路コア層２ａ
の厚さｈのとき、ファイバ・ガイド・コア層パタン３の
間隔Ｗは、Ｗ−２［（Ｒ／ｓｉｎθ）　　　（ｈ／（２ｔａｎθ）
）コの関係を満たすように設定する。このような寸法に
設定すると、光ファイバ５とガイド溝４との接触点Ａお
よびＢから光導波路コア層中心０までの距離はＲとなる
ので、光ファイバ５をガイド溝４に挿入するだけで光導
波路コア層２ａと光ファイバ・コア層５ａの中心が一致
し、ファイバー導波路間の位置合わせが実現できる。本
実施例１こおいては、Ｓｉ基板（１００）面の異方性エ
ツチングにより■溝を形成したので、θ＝５４．７４°
となる。したがって、光フアイバ外径１２５μｘ（Ｒ＝
６２．５μＩＩ）　、導波路コア層厚ｈ＝８μｌの時、
最適なファイバ・ガイド・コア層パタン３の間隔Ｗは、
１４８μ肩となる。

このような構造のファイバ・ガイド溝は基本的には実施
例１の製作方法と同様の方法で製作できる。すなわち、
ファイバ・ガイド・コア層パタン３を形成するにあたっ
ては、第３図と同様のフロセスにしたがった後、Ｓｉ基
板の異方性エツチングを行えばよい。Ｓｉ基板の異方性
エツチングには、例えば、エチレンジアミンピロカテコ
ール等のアルカリエツチング液を用いる。エツチング液
に光導波路基板を浸せば、石英系ガラス膜でできたファ
イバ・ガイド・コア層パタン３および光導波路２をマス
クとしてＳｉ基板がエツチングされてＳｉ基板にＶ溝が
形成される。

本実施例のガイド溝構造のメリットは、実施例１のガイ
ド溝構造と比較して、ガイド溝の加工精度を高めること
が容易な点にある。すなわち、上記のエツチング液を用
いた場合、Ｓｉ結晶面とエツチング速度の関係は、（１
００）：　　（１１０）：　　（１１１）＝５０：３０
：３であるので（１１１）面が現れると、その面は、そ
れ以上エツチングされなぐなる。このため、ファイバ・
ガイド・コア層パタン３の間隔Ｗさえ精度よく形成すれ
ばガイド溝寸法が正確に決定でき、したがって、エツチ
ング深さの制御が不要となる。これに対して、実施例１
ではファイバ・ガイド・コア層パタン３の間隔Ｗととも
に、ガイド溝の深さも精密に制御する必要があった◇ なお、本実施例において第６図に示したように光導波路
端部２０をＳｉ基板凸部１ａに突出させたのは以下の理
由による。導波路端部２０が平坦であると、第８図のよ
うに導波路端部２０直下のＳｉ基板にも（１１１）面４
ａが現れて、この結果、同図（ｂ）に示すように、光フ
ァイバ５と光導波路２の端面どうしを接触させることが
できなくなる。導波路端部２０をＳｉ基板凸部に突出さ
せると、第９図に示すように、（１１１）面ではない液
晶面４ａ’　が現れ、この結果、光導波路下部のＳｉ基
板がエツチングされるので同図（ｂ）に示すようにファ
イバおよび導波路端部を接触することが可能となる。

以上のように、本実施例においては、ガイド溝をＳｉ基
板凸部に設けるにあたり、異方性エツチングによるＶ溝
形状としたので、ガイド溝は、その幅のみ精度良く形成
すればよくなり、゛この結果、精密ガイド溝の形成が容
易となった。

〔発明の効果〕

本発明は、以上説明したように構成されているので、以
下に記載されるような効果を奏する。

請求項１のファイバ・ガイド溝付き光導波路においては
、表面に凹部および凸部を有するＳｉ基板を用い、凹部
にバッファ層、コア層およびクラッド層からなる光導波
路を形成し、凸部にファイバ・ガイド溝を設けるように
したので、１枚のフォトマスクを用いてファイバ・ガイ
ド溝パタンおよび光導波路パタンを同時にパタン化でき
るようになり、埋め込み形光導波路へのファイバ・ガイ
ド溝の形成が可能となる。また、請求項２の製作方法に
よれば、埋め込み形のファイバ・ガイド溝付き光導波路
を製作することができる。また請求項３の製作方法によ
れば、他の製作方法に較べてプロセス数を少な（するこ
とができる。また、請求項４の製作方法によれば、ガイ
ド溝をＳｉ基板凸部に形成するにあたり、ガイド溝をＳ
ｉ基板異方性エツチングにより形成するので、ガイド溝
の幅のみ正確に設定すれば深さ方向の制御をする必要が
なくなり、寸法制度の高いガイド溝を容易に製作できる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の斜視図、第２図は第１
の実施例のガイド溝の構造を説明する断面図、第３図（
ａ）〜（ｈ）は本発明のガイド溝付き光導波路の製作方
法の工程図、第４図（ａ）〜（Ｃ）および第５図（ａ）
〜（Ｃ）はファイバ・ガイド・コア層パタンの形成過程
の説明図、第６図は本発明の第２の実施例の斜視図、第
７図は第２の実施例のガイド溝構造を説明する断面図、
゛第８図（ａ）、（ｂ）および第９図（ａ）、（ｂ）は
本実施例における光導波路端部の構造の説明図、第１０
図は従来のガイド付き光導波路の斜視図、第１１図は従
来の方法で、埋め込み形光導波路にガイドを形成する工
程を示す工程図である。１・・・Ｓｉ基板、１ａ・・・Ｓｉ基板凸部、１ｂ・・
・Ｓｉ基板凹部、２・・・光導波路、２ａ・・・光導波
路コア層、２ｂ・・・光導波路バッファ層、２ｃ・・・
光導波路クラッド層、３・・・ファイバ・ガイド・コア
層パタン、４・・・ファイバ・ガイド溝、４ａ・・・ガ
イド溝側壁（Ｓｉ（１１１）面）、５・・・光ファイバ
　５ａ・・・光ファイバ・コアＮ、１０　＋　　ｌ　Ｏ
ａ・・・マスク材。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）表面に凹部及び凸部が形成されたＳｉ基板上に形
成した石英系光導波路において、該石英系光導波路バッファ層が上記Ｓｉ基板凹部に、か
つ、その上面の高さが上記Ｓｉ基板凸部上面の高さと一
致するように形成されてあり、該石英系光導波路コア層
が、該バッファ層上に形成されてあり、光ファイバと光導波路との位置合わせ用のファイバ・ガ
イド溝が該光導波路コア層端部付近のＳｉ基板凸部に設
けてあることを特徴とするファイバ・ガイド溝付き光導波路。
（２）表面に凹部及び凸部が形成されたＳｉ基板上に、
石英系光導波路バッファ層を形成するバッファ層形成工
程と、該基板表面を研磨しＳｉ基板凸部表面を露出させ、かつ
、Ｓｉ基板凹部上に形成した該石英系光導波路、バッフ
ァ層表面の高さを該Ｓｉ基板凸部の高さと一致させる研
磨工程と、該基板上に光導波路コア層を形成するコア層形成工程と
、ファイバ・ガイド溝パタンと光導波路パタンとが同時に
描かれた一枚のフォトマスクを用い、かつ、該Ｓｉ基板
凸部上面のコア層表面に該ファイバ・ガイド溝パタンが
形成され、該Ｓｉ基板凹部上面のコア層表面に該光導波
路パタンが形成されるように位置合わせをしてマスク材
をパタン化する第１フォトリソグラフィ工程と、不要部分の石英系光導波路コア層を除去し該Ｓｉ基板凸
部表面を露出させるコア層エッチング工程と、該基板上にクラッド層を形成する埋め込み工程と、該クラッド層上面に該光導波路パタンが形成された領域
を覆うようにマスク材をパタン化する第２フォトリソグ
ラフィ工程と、不要部分のクラッド層を除去しコア層で形成したファイ
バ・ガイド溝パタンを残してＳｉ基板凹部を露出させる
クラッド層エッチング工程と、該コア層で形成したファ
イバ・ガイド溝パタンをマスクとしてＳｉ基板凸部をエ
ッチングしファイバ・ガイド溝を形成するＳｉ基板エッ
チング工程、とからなることを特徴とするファイバ・ガイド溝付き光
導波路の製作方法。
（３）上記クラッド層エッチング工程において、該ファ
イバ・ガイド溝パタン形成部とその他の部分での膜厚差
およびコア層・クラッド層間でのエッチング速度差を利
用して、コア層で形成したファイバ・ガイド溝パタンを
残したことを特徴とする請求項２記載のファイバ・ガイ
ド溝付き光導波路の製作方法。
（４）上記バッファ層形成工程において、Ｓｉ基板とし
て（１００）面結晶を用い、上記第１フォトリソグラフ
ィ工程において、ファイバ・ガイド溝をＳｉ基板［１１
０］方向と平行に設けるようにしてあり、かつ、上記Ｓ
ｉ基板エッチング工程においてＳｉ基板異方性エッチン
グを行うことを特徴とする請求項２記載のファイバ・ガ
イド溝付き光導波路の製作方法。