JPH07507151A - シリカ導波体構造 - 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】 シリカ導波体構造 本発明は、基体が機能的構造の機械的支持を行う導波体に関する。通常のように 機能的構造は低屈折率を有する限定領域中に包囲されている高屈折率を有する通 路領域から構成されている。

前述のタイプの導波体の多数の構成では通路領域の特徴的な機能パターンは２次 元で十分に説明されることができる。

１構造では導波体は平坦な表面を有する基体から突出する材料の通路リブの形態 を取り、この構造は時折“リブ導波体”と呼ばれる。空気はシリカ（またはドー プされたシリカ）リブに対する限定領域として動作する能力を有し、それ故、機 能的構造はリブが露出状態であるならば達成される。しかしながら被覆は伝送損 失を減少し、例えば機械的損傷および汚染に対してリブを保護するので低屈折率 の材料でこれらのリブを被覆するのが普通である。通路領域が被覆される場合に は構造は“チャンネル導波体”として知られる。

前述の導波体は他の光信号処理素子として例えば結合器、スプリッタ、リング共 振器のような種々の機能を提供するのに使用される。

チャンネル導波体がシリカで構成されており、シリカはまたファイバの形態で導 波体を形成するためにも使用される。

ファイバ技術ではＧｅＯ２、ＴｉＯ２、Ｂ２Ｏ５のようなドープ剤は（ファイバ の通路領域を構成する）コアの屈折率を増加するために使用される。（ファイバ の限定領域を構成する）クラディングの屈折率を減少するために硼素、フッ素の ようなドープ剤を使用することも知られている。これらのドープ剤はファイバ導 波体の光学的機能を提供するが、処理を容易にするためにシリカの融点を低下す るための硼素、燐、フッ素のようなドープ剤を使用することも知られている。融 点の低下に使用されるドープ剤は屈折率に影響を与え、これは屈折率の調節に使 用されるドープ剤の濃度を選択するとき考慮されなければならない。硼素は屈折 率を低下させる傾向があり、燐はシリカの屈折率を増加するが両者とも融点を低 下する。それ故、平衡した混合物は屈折率に極小の影響を与えるかまたは全く影 響を与えない融点の降下剤を提供する。

ドープ剤はまた例えばＮ　ｄ　ＳＥ　ｒのような希土類のレーザ放射を支持する のにも使用される。

本発明は通路領域のより複雑な構造と、シリカで構成される通常の平面導波体で 得られるよりもより複雑な装置を可能にする導波体に関する。独立した装置の高 いバッキング密度の生成も助長する。

本発明によると、導波体は３次元構造を有し、複数の通路領域は２またはそれ以 上の異なったレベルに位置され、前記通路領域は共通の限定領域を共有し、これ は通路領域よりも低屈折率を有する。好ましくは限定領域は均一な屈折率を有し 、全ての通路領域は同一の屈折率を有することが好ましい。

３次元導波体構造はシリカまたはドープされたシリカで構成され、ドープ剤の分 布は屈折率の差を生じさせる。

３次元構造は積層体（導波体ではないユニットも含まれてもよい）として並列す る複数の導波体ユニットであってもよい。所望ならば、１つのユニットの通路領 域は例えば結合器またはスプリッタを形成するため隣接したユニットの通路領域 に機能的に結合されることができる。

限定領域は屈折率を低下するために例えばＢおよび／またはＦのドープ剤を含む 。好ましくは通路領域は屈折率を増加するため例えばＧｅＯ、ＴｉＯ２、Ｐ２Ｏ ５のようなドープ剤を含む。通路領域は例えばＥｒ、Ｎｄのような希土類のレー ザ放射を支持するためドープ剤も含むこともできる。前述したようにこれらの添 加物はシリカファイバ導波体でも同様の目的で使用される。

本発明は（ドープされた）シリカからチャンネル導波体を製造する方法を含み、 この方法は例えば積層体のような３次元構造の製造にも応用可能である。

高屈折率の通路領域と低屈折率の限定領域とを有する単一の導波体ユニットに適 用される本発明の方法は、Ｃ１１）シリカまたはドープされたシリカの厚い多孔 質層をフレーム加水分解することにより生成され、（ｂ）薄い圧密化層を生成す るために（ａ）で生成された多孔質層を溶融し、その温度は表面が表面張力によ り少なくとも部分的に制御されるように選択され、従って均一表面が生成され、 （ｃ）所望の通路領域を残すために不所望の圧密化材料を選択的に除去し、 （ｄ）低屈折率を有するシリカまたはドープされたシリカの層を付着し、前記材 料はフレーム加水分解により厚い多孔質層の形態で付着され、 （ｅ）薄い圧密化層を生成するために（ｄ）で生成された多孔質層を溶融し、温 度は表面が表面張力により少なくとも部分的に制御されるように選択され、従っ て均一表面が生成される段階を含む。

複数の導波体ユニットを具備する３次元構造はそれぞれのユニットに対して一度 段階（ａ）〜（ｅ）を反復することにより生成され、ユニットの積層体は順次に 形成される。

この方法は段階（ｂ）と（ｅ）の期間中、段階（ｃ）で生成された例えば通路領 域のような先に付着された領域が溶融し、構造は容認できない程に劣化される。

より多くのユニットが積層体を形成するため並設されるとこの危険性が生じる。

本発明はこの危険性を減少するため２つの代わりの技術を含んでいる。

第１の技術によると、後の付着層が先の付着層よりも高い濃度の融点降下剤を含 むように融点降下剤はフレーム加水分解により付着された少なくとも幾つかの層 が含まれる。これは後の付着層が先の付着層よりも低い融点を有することを意味 しており、従って、先に付着された層は後の層の圧密化される期間中、固相のま まである。この技術は通路領域の構造の保持に使用されることができるが、例え ば２ユニツトよりも多い多数のユニットが付着される必要があるならば実行不可 能になる。

第２の代わりの技術によるとシリカの薄い層は圧密化の溶融を必要としない方法 により付着されることができる。プラズマ強化された化学気相付着はこのような 技術の１例である。

薄い層が溶融される必要がないので、これらは構造で例えばシリカのような高い 融点の材料で構成される。それ故、フレーム加水分解により生成される結果的な 層が溶融により圧密化されるときこれらは剛性を保持している。構造中に分散さ れた剛性層は構造を維持するため骨組みの役割をする。高い融点の層は前述した ように段階（Ｃ）と（ｄ）の間で付着されることが好ましい。この技術により通 路領域は保護される。

追加の保護は高い融点の層を丁度段階（ａ）の前で付着することによっても達成 されることができる。従って、通路領域は高い融点の材料に包囲されることがで きる。

これらの方法の技術の重要性について以下説明する。

完成したときに各ユニットが平面を有する積層体の生成が所望される。しかしな がら段階（ａ）〜（Ｃ）で説明されている処理の初期部分は予め存在していた平 面から突出するリブの形態で通路領域を生成する。従って平面から突出するリブ を具備しなければならないので通路領域の生成は不規則な表面を生成する。圧密 化期間中、多孔質材料が溶融され、表面張力が表面形状の制御に重要な役割をす るので、段階（ｄ）と（ｅ）で説明されている処理の後半部はこれらの不規則性 を除去し、フレーム加水分解はこの目的で特に適切に適合される。表面張力は平 坦な表面を生成する傾向にあり、それ故、圧密化層はリブを覆って付着されると きでさえ平坦な表面を有する。従ってフレーム加水分解は所望の結果を生むが、 前述したように先に付着された領域が圧密化期間中に溶融され従って構造を劣化 する問題がある。

例えば化学気相付着とプラズマ強化化学気相付着のような他の処理は低温で圧密 化層を付着する。従って前記付着期間中に構造は融点まで加熱されず、溶融に関 する問題は避けられる。しかしながら溶融の回避は（先の段落で前述したように ）不規則性を除去することを困難にする。したがって溶融を防ぐ処理は望ましい 平面を形成することを困難にする。本発明は低温付着後、フレーム加水分解の使 用を含む。フレーム加水分解は前述したように均一表面を与えるが幾つかの構造 は溶融されなければならない。しかしながら低温付着処理により生成される層は 固体状態を維持し多孔材料がこれを圧密化するために溶融されるとき構造の維持 を助長する堅牢な２つの技術を組み合わせることも可能であり、望ましい。

従ってフレーム加水分解により生成される層の融点降下剤の濃度の増加は構造維 持で堅牢な層を支持する固体位相の構造を維持することを助長できる。（低温で 生成される層が溶融せず、それ故このような層で融点降下剤を含有することは不 必要で望ましくないことが認められる。）本発明を添付図面を参照して例示によ り説明する。

図１は第１の変形で処理された３次元導波体構造の垂直縦断面図である。

図２は第２の変形で処理された３次元導波体構造による類似した垂直断面図であ る。

図３は処理期間中、通路領域に最大の保護を与える構造を示している。

図４は１つの入力を８つの出力に分割するように構成された単一の導波体ユニッ トの平面図である。

図５は二重リング共振器としての機能を共同して行う２つの分離したユニットを 示している。

図１はシリコン基体ｌＯ上で機械的に支持されている３次元導波体構造を示して おり、この表面は薄いシリカバッファ層１１を提供するため酸化されている。導 波体構造はバッファ層１１上で直接支持され、シリカ限定領域１３．１により包 囲されている通路領域１２．１を具備している。通路領域１２．１と限定領域１ ３．１は３次元構造の第１の層を構成している。

構造の第２の層は限定領域１３．１上で支持され、限定領域１３．２により包囲 された通路領域１２．２により構成される。図１は２つの層のみを示しているが 、この構造はさらに別の層に続けることもできることが認められる。

後に詳細に説明するように図１で示されている構造は以下の順序で作られる。開 始点はシリコンｌＯとバッファ層１１のみから構成される基体である。種々の層 は以下の順序で基体上に付着される。即ち通路領域１２．１、限定領域１３．１ ．通路領域１２．２、限定領域１３，２の順序である。各領域は先のものよりも 高い濃度の融点降下剤を含んでいる。従って各領域が圧密化のために溶融される とき存在する層は固体であり形態が維持される。

図面では示されていない別の構造では、限定材料の追加の層はバッファ層１１と 通路領域１２．１との間に位置される。限定材料のこの追加の層は最初にフレー ム加水分解により付着される。便宜的に融点降下剤はこの層では使用されない。

図２は図１の変形を示しており、各限定領域１３．１．１３．２は第１の限定領 域１４．１．１４．２と第２の限定領域１５．１．１５．２に分割されている。

純粋なシリカは他の領域よりも（融点降下剤を含んでいる）高い融点を有するの で、第１の領域１４．１．１４゜２は純粋なシリカで構成される。第１の領域１ ４．１は通路領域１２、ｌに隣接し、第１の領域１４．２は通路領域１２．２に 隣接する。

第２の限定領域１３．１．１３．２は図１で示されている通りである。

図２で示されている領域は順次付着される。即ち、通路領域＋２．１，１次的な 限定領域１４．ｌ、２次的な限定領域１５．１．通路領域１２．２．１次的な限 定領域１４．２．２次的な限定領域１５．２が順番に付着される。１次的な限定 領域１４．１．１４．２は化学気相付着、好ましくはプラズマ強化化学気相付着 により付着される。これらは融点降下剤を含まず、従って構造全体で最高の融点 領域である。全ての他の領域はフレーム加水分解により付着され、その後圧密化 するために溶融される。これに関しては他の領域も図１と同じである。

１次的な限定領域１４．　ｌ、　１４．２は化学気相付着により付着され、この 処理は圧密化したシリカを付着するだけでなく低温で付着する。従って、この１ 次的なの限定領域＋４．１．１４．２は生型の一部分として溶融されず、装置全 体の処理期間中、溶融されない。構造保護のため１次的な限定領域は固体の骨組 みとして維持されるので、図２で示されている構造は先に付着された通路領域と 限定領域の溶融を許容する。純粋なシリカよりも低い融点を与えるためフレーム 加水分解により付着される層の融点降下剤を使用することが必要である。多数の 領域を与えることが必要なとき唯一の技術としてそれぞれ異なった融点を有する 融点降下剤の使用が困難になるので、純粋なシリカ層の使用は多数の層を有する 構造の構成を容易にする。

図３は通路領域５３の形状を保護し隣接領域への拡散を減少する構造を示してい る。反復した再溶融が構造劣化の危険性を生むような複雑な構造ではこの形態は 好ましい。

図３は低い融点の限定領域５１を示しており、これはフレーム加水分解により生 成される。この領域は化学気相付着により生成される純粋なシリカの薄い層５２ で被覆されている。これは層５２が生成期間中に、溶融されないことを示してお り、装置全体の製造期間中では、溶融されない。通路領域５３は薄い層５２上に 直接位置される。製造期間中に通路領域５３は溶融により圧密化される均一層と してフレーム加水分解により付着される。溶融段階期間中、薄い層５２は固体状 態に留り、限定領域５１への通路領域の材料が拡散する可能性を減少する。

成形後、通路領域５３は化学気相付着により生成された純粋なシリカの薄い層５ ４により被覆される。薄い層５４は層が溶融されない点で薄い層５２と類似して いる。しかしながら薄い層５２は望ましい均一表面を生成せず、これはさらにフ レーム加水分解により生成された低い融点のシリカで構成されるさらに別の層５ ５を付着することにより達成される。層５５が圧密化のために溶融されたとき通 路領域５３と限定領域５１も溶融する。

しかしながら薄い層５２．５４は固相状態を維持する。従って通路領域は固体の 骨組みにより囲まれているので通路領域５３の断面は保護される。さらに、溶融 層５１．５３または５５が相互に拡散する危険性は同一の固体層５２．５４によ り減少される。

図３で示される構造は複雑な構造が生成されるとき全体的な保護を与える。しか しながら、はとんどの状況では薄い層５２の省略により重大な損傷の危険性はな く生産を簡単にすることができる。

図４は本発明による多重ユニット構造の単一ユニットに適切なコネクタの平面図 である。コネクタは８個の異なった外部ファイバに接続を提供する８個の出力ポ ート２１〜２８を有する。図４で見られるように８個のポート２１〜２８は４個 の１次的ノード２９〜３２に対を成して接続される。４個の１次的ノードは２次 的ノード３３．３４に接続され、これはまた単一の入力ポート３６に接続される 最終のノード３５に結合されている。図４で示されているパターンはスプリッタ として使用するにも適している。例えばポート３６に接続されたレーザはポート ２１〜２８に位置する８個のレーザに等しい。

図４で示されている構造は装置の単一ユニットとして設けられ、他のユニットは 異なった構造を有していることが認められる。個々のユニットの構造は相互に独 立していることが強調される。

図５は３次元装置の２つの異なった屑における信号の相互作用を含んだ二重リン グ共振器を示している。図５は相互作用する２つの部分を示すため“Ａ”、“Ｂ ”で区別されている２つの別々の図面から構成されている。完全な機能ユニット は完全な構造に重畳されるとき相互作用する円形の通路領域４０Ａ、４０Ｂを具 備する。円形領域４０Ａは直線形の通路領域４１Ａと関連され、円形の通路領域 ４０Ｂも同様に直線形の通路領域４１Ｂと関連される。

図１〜３で示されている構造のような本発明による構造は一連のユニットの順次 の付着により処理されるが都合がよく、それぞれ例えば２または３の複数の層を 具備する。一部または全ての層はフレーム加水分解により付着される。例えば通 路領域のような幾つかの層は次の層が付着される前にフォトリソグラフおよびエ ツチングにより成形される。幾つかのユニットと多数の層を有する構造は構成さ れることができるが、先に付着された層は最終的な層の付着期間中に損傷されな いことが重要である。

フレーム加水分解は少なくともいくつかの層を付着するために使用される。フレ ーム加水分解は酸素／水素フレームで高温で実行され、これは反応の加水分解部 分の水を提供する。

所望の層を生成するためフレームに試薬が導入される。従って５ｉＣ１は全ての 層の重要な成分であるＳ　ｔ　Ｏ２を生成するためフレームに導入される。Ｓ　 ｉＯ２の屈折率を増加するためにフレームに補助試薬を導入することが必要であ り、３つの重要な補助試薬はＧ　ｅ　０２を生成するＧ　ｅ　Ｃ１４と、ＴｉＯ を生成するＴｉＣ１と、Ｐ２Ｏ５に変換されるＰＣＩ　またはＰＯＣｌ３である 。これらの全ての補助試薬は通路領域を生成するためにシリカの屈折率を増加す る。

屈折率の変化に使用される試薬に加えて、本発明は付着層の融点を減少するため 他の試薬を利用する。例えば、フレームへのＢＣＩ　および／またはＰＣＩ　の 導入はＢ２Ｏ３および／またはＰ　Ｏで５１０２（添加物が屈折率を調節するた めに使用される）をドープし、正確な比率を慎重に選択することは屈折率の望ま しくない変形を防ぐ。レーザの添加物を導入するための試薬も使用される。

フレーム加水分解処理で生じる反応は第１の例では非常に小さい粒子形状の生成 物を生成し、この理由により生成物は“すす”として知られている。フレーム加 水分解が低い密度を有する非常に厚い層の材料を生成し、この材料はそれを溶融 することにより圧密化されなければならない。

通路領域例えばＧ　ｅ　０２を含んだ領域の付着後、圧密化領域は例えば図３． ４で示される構造のような所望の構造を与えるようにエツチングされる。このエ ツチングは通常のフォトリソグラフにより達成され、その後に続いて例えば反応 イオンエツチングのようなエツチングが行われる。

後に溶融される厚い層の付着が均一または平面を与える能力があるのでフレーム 加水分解は多重層構造の生成に非常に望ましい技術である。説明の１部として溶 融材料が表面張力により制御され、表面張力によって平面が生成される。図１． ２から限定領域が付着されるとき、通路領域１２，１または１２，２がリブとし て表面から突出するので表面は平らではないことが明白である。フレーム加水分 解はリブを有する基体を覆って平らな均一表面を生成するように適合される。

１次的な限定領域の好ましい製造方法について簡単な説明を行う。これらは図２ の１４．１．１４．２と図３の５２．５４として示されている。この方法は２ト ルの圧力下でＳｉＨ４とＮｏを反応することを含む。冷たいガス相は約４００℃ に加熱された基体に衝突し、例えば６５０ｋＨｚのような高周波数フィールドが 基体を横切って供給される。圧密化固体としてＳ　ｉＯ２を生成するためフィー ルドは基体の表面上でＳｉＨ４と反応する酸素原子にＮｏを分解させるプラズマ を生成する。成形した基体上に平面を生成するにはこの技術はフレーム加水分解 はど良好ではないが、他の層を溶融せずに低温で圧密化Ｓもよい。

補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の８）平成６年８月４日

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. （１）２以上の異なったレベルに位置する複数の通路領域を有し、前記通路領域 が共通の限定領域を共有し、シリカまたはドープしたシリカ中に設けられ、ドー プ剤の分布によって通路領域と限定領域とが区別されている３次元導波構造。
2. （２）共通の限定領域が最低の屈折率を有する通路領域の屈折率よりも低い均一 の屈折率を有する請求項１記載の導波体構造。
3. （３）通路領域が屈折率を増加するドープ剤を含む請求項１または２記載の導波 体構造。
4. （４）ドープ剤がＧｅＯ２、ＴｉＯ２、Ｐ２Ｏ５から選択される請求項３記載の 導波体構造。
5. （５）限定領域の一部または全てを含む構造の少なくとも１部が融点降下剤を含 む請求項１乃至４のいずれか１項記載の導波体。
6. （６）組合わせが屈折率に僅かな影響を与えるかまたは影響を与えないように関 連した比率で２つの異なった添加物を組合わせることにより前記融点降下剤が構 成されている請求項５記載の導波体構造。
7. （７）一方の添加物がＢ２Ｏ３で、他方がＰ２Ｏ５である請求項６記載の導波体 構造。
8. （８）限定領域が融点降下剤のない少なくとも１つの領域を含み、前記領域は少 なくとも１つの通路領域に隣接している請求項５、６または７記載の導波体構造 。
9. （９）各通路領域が少なくとも１つのドープされていない領域に隣接している請 求項８記載の導波体構造。
10. （１０）低屈折率の限定領域に関連する高屈折率の少なくとも１つの通路領域を 含む１組の導波体構造を基体に付着して請求項１乃至９のいずれか１項記載の導 波体を製造する方法において、 （ａ）フレーム加水分解によりシリカまたはドープされたシリカの高屈折率を有 する厚い多孔質層を付着し、（ｂ）薄い圧密化層を生成するために前記（ａ）で 生成された多孔質層を溶融し、その温度は表面が表面張力により少なくとも部分 的に制御されるように選択され、それによって均一表面が生成され、 （ｃ）所望の通路領域を残すために望ましくない圧密化された材料を選択的に除 去し、 （ｄ）低屈折率を有するシリカまたはドープされたシリカの層を付着し、少なく ともいくつかの前記材料はフレーム加水分解により厚い多孔質層の形態で付着さ れ、（ｅ）薄い圧密化された層を生成するために前記（ｄ）で生成された多孔質 層を溶融し、その温度は表面が表面張力により少なくとも部分的に制御されるよ うに選択され、それによって均一表面が生成されることにより生成され、少なく とも１つの後に付着された層が少なくとも１つの初期に付着層よりも高い濃度の 融点降下剤を含み、前記段階（ｂ）、（ｅ）期間中、温度は先に付着された構造 の全てが溶融しないように制御される導波体の製造方法。
11. （１１）少なくとも１つの層の処理期間中、前記段階（ｄ）において段階（ａ） 〜（ｃ）で生成された通路領域に隣接するクラディング材料の第１の領域を付着 し、前記第１の領域はそれを溶融せずに圧密化された層を生成する処理により生 成され、その後フレーム加水分解によりクラディング材料の第２の層を付着し、 クラディング材料の第２の領域はクラディング材料の第１の領域の材料よりも低 い融点を有し、クラディング材料の前記第１の領域は前記段階（ｅ）の動作期間 中に溶融されない請求項１０記載の方法。
12. （１２）クラディング材料の第１の領域が化学気相付着により付着される請求項 １１記載の方法。
13. （１３）化学気相付着がプラズマ強化される請求項１２記載の方法。
14. （１４）クラディング材料の第１の領域が実質的に純粋なシリカである請求項１ １乃至１４のいずれか１項記載の方法。