JPH04128704A - 石英系光導波路の製造方法 - 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】 〈産業上の利用公費〉 本発明は石英系光導波路及びその製造方法に関し、特に
光導波路の導波損失が減少するように工夫したものであ
る。

〈従来の技術〉 光導波路の中で石英ガラスを主成分とじた石英系光導波
路は、光伝送損失が低く、また、石英系光ファイバとの
低損失な接続が可能であることから、注目を集めている
。そして、この石英系光導波路の製造方法としては、火
炎堆積法（ＦＨＤ：　ｆｌａｍｅ　ｈｙｄｒｏｌｙｓｉ
ｓ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によるガラス膜形成と反応
性イオンエツチング（ＲＩ　Ｅ：　ｒｅａｃｔｉｖｅ　
ｉｏｎ　ｅｔｃｈｉｎｇ）によるガラス膜微細加工とを
組合せた方法が最も一般的である（河内正夫、「石英系
光導波路と集積光部品への応用」光学第１８巻第１２号
（１９８９年１２月）Ｐ６８１〜６８６参照）。

かかる方法による石英系光導波路の製造例を第８図を参
照しながら説明する。同図に示すように、この方法では
、まず、バーナ１に５ｉＣｊ４．　ＴｉＣｊ、などのガ
ラス原料を供給して酸水素火炎２中で加水分解反応及び
酸化反応によりガラス微粒子３を得、これをＳｉウェハ
などの基板４上に堆積させて、ガラス微粒子膜５ａ、５
ｂを順次形成する（（ａｌ）。ここで、ガラス微粒子膜
５ａ、５ｂの両者の組成は異なるものとする。そして、
これを高温に加熱することにより、ガラス微粒子膜５ｍ
。

５ｂを透明ガラス化してバッファ層６ａ及びコア層６ｂ
とするＣ　（ｂｌ　）。以上が火炎堆積法である。次に
、反応性エツチングにより、コア層６ｂの不要な部分を
除去してリッジ状のコア部６Ｃを残す［（ｅ））。そし
て、再び火炎堆積法によりコア部６ｃを覆うようにクラ
ッド層６ｄを形成することにより、埋め込み型の石英系
光導波路７とするＣ　（ｄｌ　）。

〈発明が解決しようとする課題〉 ところで前述した石英系光導波路における導波損失は約
０．１ｄＢ／ａｍまで低減してきているものの、同材質
で構成されている光ファイバの損失が１　ｄＢ／ｋｍ以
下まで低減されていることを考えると、さらなる石英系
光導波路の低損失化が望まれている。

また光導波路を用いた素子の高性能化に伴い、要求され
る導波路長が長くなってきており、より一層の低損失化
を図ることは、石英系光導波路における重要な課題であ
る。

この光導波路の導波損失として、コア部とこのコア部を
取り囲む低屈折率部（例えばクラッド部やバッファ部）
との境界面の凹凸などの不整構造に起因する散乱が考え
られる。

これに対して光ファイバの場合に損失の低減化が図られ
ているのは、−旦プリフォームを作成し、それを１２５
μｍφの直径に細く線引きするため、プリフォーム加工
工程でできたコア部とクラッド層、バッファ層との境界
面の凹凸も線引き工程で引き延ばされ実質的に悪影響を
及ぼさないものと考えられる。

一方、石英系光導波路の場合には、第８図に示したよう
な導波路の作り方では、導波路形成時に生じた不整構造
がそのまま残ってしまうという問題がある。特に反応性
イオンエツチング工程でコア層の不整部分を削り取る時
、垂直方向の平滑度を長手方向にも均一に高精度で作製
することは極めて難かしいものと考えられる。

第７図は、一般的な導波路内の屈折率分布を示すもので
、コア部とクラッド層、バッファ層にわたる屈折率が境
界面で実質的に不連続に変化している、所謂ステップ型
分布を示している。このため、例えば光ファイバのよう
に光導波路とモードフィールドの異なる光部品と結合す
る場合に、結合損失が大となるという問題がある。

本発明は以上述べた事情に鑑み、光導波路の低損失化を
図ると共に、例えば光ファイバのように光導波路とモー
ドフィールドの異なる光部品との結合損失を低減するよ
うに図った石英系光導波路及びその製造方法を提供する
ことを目的とする。

く課題を解決するための手段〉 前記目的を達成するための本発明に係る石英系光導波路
の構成は、基板上に設けられリッジ状のコア部と該コア
部を取り囲む低屈折率部とからなり、光を導波する石英
系光導波路において、上記コア部と該コア部を取り囲む
低屈折率部との屈折率がその境界面で連続的に変化して
いることを特徴とする。

また本発明に係る石英系光導波路の製造方法は、基板上
に設けられ石英を主成分とし、リッジ状のコア部と該コ
ア部を取抄囲む低屈折率部とからなる石英系光導波路を
加熱処理し、該石英系光導波路内の屈折率を変化させろ
成分を拡散させることを特徴とする。

息下、本発明の詳細な説明する。

本発明に係る石英系光導波路は、第１図に示すように基
板上にリッジ状のコア部と、該コア部を取り囲む低屈折
率部（クラッド層。

バッファ層）とからなるものであって、このコア部と低
屈折率部との屈折率分布が第２図に示すように、ガウス
分布状或いは誤差関数状に清めらかに連続して変化する
ようにしたものである。

このような屈折率分布を有する石英系光導波路を従来法
で形成する場合、膜面に垂直な方向（Ｂ　−Ｂ’方向）
については、ガラス微粒子堆積の際、時間とともに、徐
々に原料組成を変化させることにより、実現はできるが
、一方の膜面に平行な方向（Ａ−Ａ’力方向に対しては
、垂直にコア層の不要部分を削り取ってしまい、クラッ
ド層を形成するだけとなるので難かしい。

そこで、本発明に係る石英系光導波路は、第８図に示し
た従来法と同様にして基板４上にガラス微粒子によって
ガラス微粒子膜５ｍ。

５ｂを形成した後、透明ガラス化してバッファ層６ａ、
コア層６ｂを形成し、反応性エツチング法により、コア
層６ｂの不要な部分を除去してリッジ状のコア部６Ｃを
形成し、火炎堆積法によりコア部を覆うようにクラッド
層６ｄを形成した後、更に、得られた石英系光導波路を
加熱処理して、該石英系光導波路内で屈折率の変化を生
じせしめている成分によって実質的に屈折率分布を形成
するように拡散させることにより、第２図に示すような
屈折率分布を有する石英系光導波路１０を得ろようにし
ている。

本発明で屈折率の変化を生じせしめている成分としては
、例えばＧｅＯ２，Ｆ等の屈折率調整添加剤を挙げるこ
とができるが、その他石英系光導波路内を拡散し易いも
の（例えばＴ　ｉ　Ｏ２，Ｐ、０．、　Ｂ２０．等）で
あればいずれを用いてもよい。上記Ｇ　ｅ　Ｏ，やＦは
、石英ガラス中の拡散速度が比較的大きく且つ導波路損
失に悪影響を及ぼさないので特に好ましい。

本発明ではこのようなＧｅＯ２，Ｆ等の屈折率調整添加
剤を加熱処理によって導波路内で実質的に屈折率分布を
形成するようにして、コア部と低屈折率部（バッファ層
、クラッド層）との分布をガウス分布状や誤差関数状と
なるように清めらかに連続して変化させている。

上記屈折率Ｗ１１添加剤としてＧ　ｅ　へを用いる場合
には、従来と同様の第８図に示す火炎堆積法において、
ガラス微粒子合成工程で原料ガスとして、５ｉＣｊにＧ
ｅＣｊを加えるようにすればよい。但し、ガラス微粒子
内に形成されたＧ　ｅ　Ｏ２は熱処理での揮散が早いた
め、透明ガラス化工程での加熱処理中で揮散し、一部は
バッファ層用ガラス微粒子層に再付着するため、バッフ
ァ層とコア層との区別が十分につかなくなる。このため
−旦バッファ層のみを形成し、透明ガラス化した後、改
めてＧ　ａ　Ｏ。

を含むコア層を形成して透明ガラス化するというように
、バッファ層とコア層とのガラス微粒子堆積工程を分離
する必要がある。

一方、上記屈折率ｇＩｌｌ添加剤としてＦを用いる場合
には、該Ｆにはガラスの屈折率を下げる効果があるため
、コア部以外の低屈折率部となる部分（クラッド層、バ
ッファ層）に添加する必要がある。またガラス微粒子形
成工程で原料ガス中に添加するよりも、Ｆを含む雰囲気
中でガラス微粒子膜を加熱処理することにより、Ｆ成分
がガラス微粒子膜内に拡散し、その結果Ｆ？Ｔｉ＋加が
なされることとなる。

このＦ添加加熱処理は、透明ガラス化に先立ち、透明ガ
ラス化よりやや低い濃度で実施しても良いし、透明ガラ
ス化と同時に実施するようにしてもよい。

また本発明では、コア部と該コア部を取り囲む低屈折率
部との屈折率がその境界面で連続的に変化させる部分を
、光導波路の全体に亙って加熱処理するのではなく、導
波路の一部のみを加熱することにより、導波路のモード
フィールド形状を長手方向に連続して変化させることに
も応用できる。

例えば光導波路を限られた範囲内でより長く作製するに
は、より小さく導波路を曲げる必要がある。一方、光フ
ァイバによって光を導波路と結合させる際には、導波路
のモードフィールド形状が光ファイバのモードフィール
ド形状とできるだけ近づけておくことが低損失な結合を
する場合必要なこととなる。そこで、光ファイバとの接
合部分近傍のみを局所的に加熱し、屈折率調整用添加剤
を拡散させておくことにより、その部分のモードフィー
ルド径を拡大し、光ファイバのモードフィールド径と一
致させておき、徐々に拡散の度合が小さくなるにつれて
モードフィールド径が連続的に小さくしていくことが可
能となる。

この局所的な加熱手段としては、ＣＯ２レーザーや小型
の電気炉、マイクロトーチ等があるが、後の実施例で示
すように、電気炉内の温度分布を利用することにより、
簡凌に行うことができる。

く実　施　例〉 以下、本発明の好適な一実施例について説明する。

実施例１ 第３図（ａｌを参照して製造工程を説明する。

シリコン基板１４上に火炎堆積法により、Ｓ　ｉ　Ｏ２
−Ｐ２Ｏ５−Ｂ２０．からなるバッファ用ガラス微粒子
膜１５ａを作成した。Ｐ２Ｏ５及びＢ２０゜は５ｉＣ１
４と共にＰＯＣｌ３．　ＢＣｌ３を加えることにより添
加した。このガラス微粒子膜１５ａを１２５０℃の温度
及びＨｅ：　９０％、０２：１０％の雰囲気下で２時間
加熱して透明ガラス化し、約２０μｍのバッファ層１６
ａを得た。

次に、このバッファ層１６ｍの上にＧｅＯ２−３ｚＯ２
−Ｐ２へ−Ｂ２０３からなるコア層用ガラス微粒子膜１
５ａを形成し、前記バッファ層１６ｍと同様に透明ガラ
ス化し、約８μｍ厚のコア層１６ｂを得た。この際、コ
ア層１６ｂとバッファ層１６ｍとの光屈折率差は０．４
％であった。また、厚み方向の屈折率分布は第３図（ｂ
ｌに示すようなものであった。

次いでコア層１６ｂをリソグラフィーを使ってパターン
化し、反応性イオンエツチング法により、７μｍ　Ｘ　
７μｍの断面矩形状のりッジ型導波路としてのコア部１
６ｃを形成した。

この際、コア部上部の屈折率変動部を約１μｍ削ってお
り、その結果コア部１６ｃ中の屈折率はバッファ層１６
ｍに比へ、０．４％高い均一なものになった。

最後に、上記バッファ層１６ａと同様の組成のクラッド
層１６ｄを火炎堆積法により形成した後透明化し、バッ
ファ層１６ａ及びクラッド層１６ｂからなる低屈折率部
１８と、７μｍ　Ｘ　７μｍのりツジ状のコア部１６ｃ
とを有する石英系の埋め込み型導波路１７を得た。

この得られた石英系光導波路の導波損失は波長１３μｍ
で０．１５　ｄＢ／ａｍであった。

次に、この導波路を不活性ガス雰囲気下、１２００℃で
１２時間に亙って加熱したところ、第４図に示すように
コア径が約９μｍまで拡がった。この状態で導波損失を
測定した結果は、波長１．３μｍで０．０９　ｄＢ／ａ
ｎであり、改善効果が見られた。

実施例２ 前述した実施例１と同様に操作してシリコン基板１４上
にバッファ層用ガラス微粒子膜１５ａを形成した後、こ
のガラス微粒子膜をＳｉＦ４：１０％、Ｏ□：１０％、
　Ｈｅ：　８０％の雰囲気下、１２００℃で３時間加熱
し、透明ガラス化した。

次にバッファ層用ガラス微粒子と同じ組成でコア層用ガ
ラス微粒子膜１５ｂを形成し、Ｈｅ：９０％、０２：１
０％の雰囲気下、１２５０℃で２時間加熱し、約７μｍ
のコア層１６ｂを得た。

形成されたバッファ層１６ａの厚さは２０μｍであり、
このバッファ層１６ａにはＦが添加されており、コア層
に比べて比屈折率が０．４％下っていた。

その後、コア層１６ｂをリソグラフィーを使ってパター
ン化し、反応性イオンエツチング法により、７μｍ　Ｘ
　７μｍの断面矩形状のりッジ型導波路を形成した。

最後にクラッド層１６ｄをバッファ層１６ａと同様に火
炎堆積法により形成し、バッファ層１６ａ及びクラッド
層１６ｂからなる低屈折率部１８と、７μｍ　Ｘ　７μ
ｍのり、ジ状のコア部１．６ｃとを有する石英系の埋め
込み型導波路１７を擾な。

この擾られた石英系光導波路１７の導波損失は波長１．
３μｍでＯ−２ｄＢ／■であった。

次に、この石英系光導波路を不活性ガス雰囲気下、１２
００℃で４日間に亙って加熱処理した。この結果第５図
に示すようにコア径が８μｍにまで拡がった。この状態
で導波損失を測定した結果は０．０７　ｄＢ／ａｎであ
り、改善効果が発現された。

実施例３ 実施例１と同様に操作して第１図に示す導波路と同寸法
の石英系光導波路１７を形成した。この導波路１７を用
いて、通常のシングルモード光ファイバ２０（比屈折率
差０．３％。

モードフィールド径９．５μｍ）を、その端面でつき合
せ、この状態での結合損失を測定したところ、波長１．
３μｍで０．２ｄＢであった（第６図ｉａ）参照）。

次にこの導波路を第６図（ｂｌに示す一対のヒータ２１
，２１を有する電気炉２２中に押入し、導波路１７の中
央部を電気炉内の最高温度部に置き、最高温度を１２０
０℃とし、１２時間加熱した（電気炉２２内の１度分布
を第６図（Ｃ１に示す）。

加熱して得られた導波路のモードフィールド径は第６図
（山に示すように長手方向に連続的に変化していた。

その後、この導波路を中央部から二分割して導波路２０
Ａ、２０Ｂとし、一方の導波路２０Ａのその加熱した導
波路の端面部２３とシングルモード光ファイバ２０との
結合損失を測定したところ１．３μｍで０．１ｄＢ以下
に低減していた。

〈発明の効果〉 以上、実施例とともに詳しく述べたように、本発明によ
れば石英系光導波路の低損失化を実現できろと共に、例
えば光ファイバのように光導波路とモードフィールドの
異なる光部品と光導波路との結合損失を低減することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る光導波路の斜視図、第
２図は光導波路を加熱処理した後の導波路断面の屈折率
分布図、第３図（ａｌは実施例１に係る石英系光導波路
の製造工程図、第３図（ｂｌは実施例１に係るバッファ
部とコア部までを形成した段階での膜面に垂直方向の屈
折率分布図、第４図は実施例１に係る光導波路断面の屈
折率分布図、第５図は実施例２に係ろ光導波路断面の屈
折率分布図、第６図は実施例３に係る光導波路の説明図
、第７図は従来例に係る光導波路の断面の屈折率分布図
、第８図は火炎堆積法を用いた石英系光導波路の製造工
程図である。 図　　面　　中、 １はバーナ、 ２は酸水素火炎、 ３はガス黴粒子、 ４は基板、 ５ｍ、５ｂはガラス微粒子膜、 ６ａはバッファ層、 ６ｂはコア層、 ６ｃはコア部、 ６ｄはクラッド層、 ７は光導波路、 １４はシリコン基板、 １５ａはバッファ層用ガラス微粒子膜、１５ｂはコア層
用ガラス微粒子膜、 １６ａはバッファ層、 １６ｂはコア層、 １６ｃはコア部、 １６ｄはクラフト層、 １７は石英系光導波路、 １８は低屈折率部、 ２０は光ファイバ、 ２１はヒータ、 ２２は電気炉、 ２３は加熱した導波路の端面部である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）基板上に設けられリッジ状のコア部と該コア部を取
   り囲む低屈折率部とからなり、光を導波する石英系光導
   波路において、 上記コア部と該コア部を取り囲む低屈折率 部との屈折率がその境界面で連続的に変化していること
   を特徴とする石英系光導波路。 ２）請求項１記載の石英系光導波路において、コア部に
   少なくともＧｅへを添加してなり、該ＧｅＯ＿２により
   実質的に屈折率分布を形成していることを特徴とする石
   英系光導波路。 ３）請求項１記載の石英系光導波路において、コア部を
   取り囲む低屈折率部に少なくとも Ｆを添加してなり、該Ｆにより実質的に屈折率分布を形
   成していることを特徴とする石英系光導波路。 ４）基板上に設けられ石英を主成分とし、リッジ状のコ
   ア部と該コア部を取り囲む低屈折率部とからなる石英系
   光導波路を加熱処理し、該石英系光導波路内の屈折率を
   変化させる成分を拡散させることを特徴とする石英系光
   導波路の製造方法。 ５）請求項５記載の石英系光導波路の製造方法において
   、 石英系光導波路の一部を局所的に加熱処理 し、該石英系光導波路内の屈折率を変化させる成分を拡
   散させ、モードフィールド形状を連続的に変化せしめる
   ことを特徴とする石英系光導波路の製造方法。