JPH09243846A - 高比屈折率差光導波路の製造方法 - Google Patents

高比屈折率差光導波路の製造方法

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JPH09243846A
JPH09243846A JP4587196A JP4587196A JPH09243846A JP H09243846 A JPH09243846 A JP H09243846A JP 4587196 A JP4587196 A JP 4587196A JP 4587196 A JP4587196 A JP 4587196A JP H09243846 A JPH09243846 A JP H09243846A
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JP
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refractive index
film
core
optical waveguide
sio
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JP4587196A
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Katsuyuki Imoto
克之 井本
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Hitachi Cable Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】コアの屈折率とクラッド層の屈折率との差が大
きい高比屈折率差光導波路の製造方法を提供する。 【解決手段】フッ素をドープしたSiO2 膜を用いてバ
ッファ層21を形成した後コア膜22aを形成し、少な
くとも1000℃で熱処理を行い、その後フォトリソグ
ラフィを施して略矩形断面形状のコア22を形成し、次
いでフッ素をドープしたSiO2 膜をクラッド層23と
して形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高比屈折率差光導
波路の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】光ファイバ通信技術の発展に伴い、光デ
バイスには大量生産性、高信頼性、結合の無調整
化、自動組立化、低損失化等が要求されるようにな
った。これらの課題を解決するために導波路型の光デバ
イスが注目されるようになってきた。
【0003】光導波路の中で、特に石英系ガラス光導波
路は、低損失で、光ファイバとの接続損失も非常に小さ
いため、将来の光導波路として有望視されている。石英
系ガラス光導波路の製造方法としては火炎堆積法が知ら
れている。図7(a)〜図7(f)は光導波路の製造方
法(火炎堆積法)の従来例を示す図である。
【0004】これはシリコン基板1上へ石英ガラスから
なるバッファ用多孔質膜2a及びバッファ用多孔質膜2
a上に屈折率制御用添加物(Ti或いはGe等)を含ん
だ石英ガラスからなるコア用多孔質膜3aを形成し(図
7(a))、それらの加熱透明化によりバッファ層2及
びコア膜3bを持つ平面光導波路膜を形成する(図7
(b))。マスク4を用いたドライエッチングプロセス
によるパターン化によって凸状断面形状又は矩形断面形
状のコア3を有する3次元光導波路を形成する(図7
(c)、(d))。この3次元光導波路上に石英ガラス
からなるクラッド用多孔質膜5aを形成し(図7
(e))、その加熱透明化によりクラッド層5を形成す
ることにより実現されている(図7(f)、宮下:光導
波路技術、1.最近の光導波路技術、O plus E No.78 p
p.59-67 )。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図7に
示した石英系ガラス導波路の製造方法には次のような問
題があった。
【0006】(1) コア3の屈折率とクラッド層5の屈折
率との差の大きいガラス導波路を製造するために屈折率
制御用添加物を含んだコアガラス膜をバッファ層の上に
形成すると、基板全体が熱膨張係数の違いによって反り
を生じ、その反り量が10μmをはるかに超える大きな
値となるので、高寸法精度の光回路をパターニングする
ことが難しい。この点で屈折率差を大きくするには限界
があった。
【0007】(2) 屈折率の高いコア用多孔質膜を堆積さ
せても、図7(b)の焼結プロセスで屈折率制御用添加
物が揮散してしまい、屈折率の高いコア3を実現するこ
とが難しく、1.47を超えることができず比屈折率差
Δの限界は1%であった。
【0008】(3) 屈折率制御用添加物を多く含んだコア
3を図7(d)に示すように、ドライエッチングプロセ
スによりパターニングすると、コア3を構成するSiO
2 のエッチング速度と屈折率制御用添加物のエッチング
速度との違いによってエッチング側面が凹凸状に荒れて
散乱損失が増加する。
【0009】(4) 透明で緻密な膜を形成するため2回の
焼結プロセス(図7(b),(f))があるので製造時
間が長くかかる。このため電気、ガス、水道等の消費量
が増加する。
【0010】(5) 図7(a),(e)の多孔質膜形成プ
ロセスでは膜中にOH基が混入し、これによる吸収損失
によって光導波路の損失が増加する。
【0011】(6) 図8(a)に示すように屈折率1.4
6以上の高いコア膜を形成させようとすると、Ti、G
e、Al、P等の屈折率制御用添加物を10モル%以上
も添加させなければならない。しかし、それにつれて熱
膨張係数が大きく変化する(図8(b))。そのため、
コア膜形成時に基板が反りを生じ、問題点(1) で述べた
ような問題点につながる。尚、図8(a)はSiO2
の添加物濃度と屈折率との関係を示す図であり、図8
(b)はSiO2 中への添加物濃度と膨張係数との関係
を示す図である。図8(a)において横軸が添加物濃
度、縦軸が屈折率を示し、図8(b)において横軸が添
加物濃度、縦軸が膨張係数を示す。
【0012】そこで、本発明者は、逆にクラッドの屈折
率を、FをドープすることによりSiO2 よりも低い値
にし、結果的にコアとクラッド層との比屈折率差Δを大
きくとることを考え、プラズマCVD法によってFをド
ープしたSiO2 を形成し、その膜の屈折率の熱処理温
度依存性を評価した。
【0013】図9はSi基板上にFをドープしたSiO
2 膜を形成し、熱処理温度を変化させたときのFドープ
SiO2 膜の屈折率との関係を示す図である。横軸は熱
処理温度を示し、縦軸はFドープSiO2 膜の屈折率を
示している。
【0014】図9に示すSi基板10上に形成されたF
をドープSiO2 膜11は、減圧排気されている反応管
内に、上部電極及び下部電極を設け、下部電極上にSi
基板10を設置して下部電極に設けたヒータで数百℃に
加熱し、上部電極側より有機オキシシラン系の蒸気、酸
化性ガス、Fを含んだガスをSi基板10上に噴射さ
せ、上部電極及び下部電極間に高周波電圧を印加してプ
ラズマ放電させながら成膜したものである。
【0015】SiO2 膜11は直径3インチのSi基板
10上に約1μmの厚さに形成し、Fを含んだガスの流
量を変えることにより、波長0.63μmでの屈折率が
約1.448のものと、約1.4515のものとの2種
類を作製した。上記Si基板10を4等分に分割し、そ
れぞれ分割した基板を500℃、800℃、1000
℃、1200℃で熱処理し、屈折率の変化の様子を測定
した。熱処理条件は、電気炉内にN2 を5リットル/分
流し、2時間で上記温度まで昇温させ、ついで3時間の
間上記温度に保温し、最後に約3時間かけて室温まで降
下させる条件で行った。
【0016】その結果、同図に示すように光導波路の熱
処理温度を高くすると、成膜時の屈折率よりもはるかに
高い値の屈折率に変化し、1200℃の熱処理を施した
後では、その屈折率はSiO2 の屈折率(1.457
5)と略等しいか、又はそれよりも高い値となってしま
い。これでは低屈折率用クラッド膜として使えないこと
が分かった。なぜならば、後述するように、コア膜及び
クラッド膜内に含まれているOH基、Si−H基等によ
る吸収損失を低減するためには、コア膜及びクラッド膜
を1200℃程度の高温で熱処理することが必須の条件
であるためである。従って、このような高温熱処理を施
しても低屈折率値を保持できる膜、或いは導波路構造、
さらには製造方法の開発が重要になってくる。
【0017】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、コアの屈折率とクラッド層の屈折率との差が大きい
高比屈折率差光導波路の製造方法を提供することにあ
る。
【0018】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、基板上にバッファ層を形成し、バッファ層
の上にコア膜を形成し、コア膜に導波路のマスクパター
ンを用いてフォトリソグラフィを施し、略矩形断面形状
のコアを形成し、コア及びバッファ層の上にクラッド層
を形成する高比屈折率差光導波路の製造方法において、
フッ素をドープしたSiO2 膜を用いてバッファ層を形
成した後上記コア膜を形成し、少なくとも1000℃で
熱処理を行い、その後フォトリソグラフィを施して略矩
形断面形状のコアを形成し、次いでフッ素をドープした
SiO2 膜をクラッド層として形成するものである。
【0019】上記構成に加え本発明は、バッファ層の屈
折率はSiO2 の屈折率より低くてもよい。
【0020】上記構成に加え本発明は、クラッド層の上
にSiO2 保護層を被覆し、その後少なくとも800℃
で熱処理してもよい。
【0021】上記構成に加え本発明は、基板にSiO2
を用いてもよい。
【0022】上記構成に加え本発明は、マスクパターン
によりコアのみならずバッファ層も略矩形断面形状に形
成してもよい。
【0023】フッ素をドープしたSiO2 膜を用いてバ
ッファ層を形成した後コア膜を形成し、少なくとも10
00℃で熱処理を行うことにより、コア膜がバッファ層
の保護膜として働き、バッファ層からのフッ素の揮散を
防ぐことができるため、熱処理によるバッファ層の屈折
率上昇を低く抑えることができる。
【0024】バッファ層の屈折率をSiO2 の屈折率よ
り低くすることにより、コアとの屈折率差を大きくする
ことができる。
【0025】クラッド層の上にSiO2 保護層を被覆す
ることにより、熱処理時のフッ素の拡散による揮散が防
止されると共に、SiO2 系の光ファイバを接続する際
の接続損失が低下する。
【0026】基板にSiO2 を用いることにより、光導
波路の入出力端面にSiO2 系の光ファイバを接続する
際の接続損失が低下する。
【0027】コアのみならずバッファ層も略矩形断面形
状に形成することにより、コアの側面が滑らかになると
共に、垂直性よく加工することができる。すなわち、コ
ア膜のみを加工しようとすると、コア膜とバッファ層と
の境界面の不整合が生じやすくなり光散乱による損失を
誘引する。これに対し、バッファ層まで連続的にエッチ
ング加工するとコアとバッファ層との境界面が略連続的
に形成される。
【0028】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて詳述する。
【0029】図2は本発明の高比屈折率差光導波路の製
造方法を適用した光導波路の一実施の形態を示す断面図
である。
【0030】同図に示すように、Si或いはSiO2
の基板20の上にフッ素FをドープしたSiO2 膜(以
下「FドープSiO2 膜」という。)からなるバッファ
層21が形成されている。このバッファ層21の上には
略矩形状のコア22が形成され、コア22及びバッファ
層21を覆うように、FドープSiO2 膜からなるクラ
ッド層23が形成されている。これら基板20、バッフ
ァ層21、コア22及びクラッド層23で高比屈折率差
光導波路24が構成されている。
【0031】コア22は、SiO2 或いはSiO2
N、Ge、Ti、P、Ta等の屈折率制御用ドーパント
を少なくとも1種類含んだものからなっている。バッフ
ァ層21の屈折率とクラッド層23の屈折率とは略等し
い値となっている。
【0032】ここで、図3は光導波路に用いるFドープ
SiO2 膜の屈折率とその熱処理温度との関係を示す図
であり、横軸が熱処理温度、縦軸がFドープSiO2
屈折率を示す。
【0033】同図に示す測定対象としての光導波路に
は、Si基板30上に、バッファ層としてのFドープS
iO2 膜31を約5μm形成し、FドープSiO2 膜3
1の上にコア膜としてのNをドープしたSiO2 膜(以
下「NドープSiO2 膜」という。)32を約3μm形
成したものを用いた。これらのSiO2 膜31、32
は、プラズマCVD法によって形成した。但し、Nドー
プSiO2 膜は、プロセスガスとしてSiH4 とN2
2 Oとを用いて成膜した。
【0034】上記光導波路を、FドープSiO2 膜31
のFドープ量を変えて、波長0.63μmでの屈折率が
約1.448のものと、約1.4515のものとの2種
類作製し、前述した図9と同様な実験測定を行った。
【0035】図3から、FドープSiO2 膜上に約3μ
mの厚いコア膜を形成しておくと、高い温度で熱処理を
施しても、FドープSiO2 膜の屈折率の上昇は図9に
示した特性曲線と比較してはるかに小さいことが分かる
(図3の特性曲線に示すように、FドープSiO2 膜の
屈折率の熱処理温度依存性は本発明者が見出したもので
あり、本発明の高比屈折率差光導波路の製造方法におけ
る重要な要素である。)。
【0036】このように本発明者は、FドープSiO2
膜上に約3μmの厚いコア膜を形成しておくと、高い熱
処理温度で熱処理を施してもFドープSiO2 膜の屈折
率の上昇は、コア膜を形成しないで熱処理を施したもの
と比較してはるかに小さいことが分った。このことか
ら、Fドープ膜を高温で熱処理する場合には、その膜上
には必ずFの拡散による揮散を防ぐように保護膜を形成
しておいてから行えばよいことを見出した。本発明の高
比屈折率差光導波路の製造方法はこの事実を基にして構
成されている。
【0037】以下、本発明の高比屈折率差光導波路の製
造方法について図1(a)〜図1(g)を参照して説明
する。図1(a)〜図1(g)は本発明の高比屈折率差
光導波路の製造方法の一実施の形態を示す工程図であ
る。
【0038】まず、Si或いはSiO2 系の基板20上
に、「FドープSiO2 膜」からなるバッファ層21を
前述したプラズマCVD法によって形成する(図1
(a))。
【0039】バッファ層21の上にNドープSiO2
からなるコア膜22aを同じくプラズマCVD法によっ
て形成する。尚、コア膜22aは電子ビーム蒸着法やス
パッタリング法等で形成してもよい。すなわち、タブレ
ットやターゲットとしてSi3 4 とSiO2 を用いれ
ば、コア膜22aを容易に形成することができるためで
ある(図1(b))。
【0040】これらバッファ層21及びコア膜22aを
形成した後、熱処理を行う。このときの熱処理温度は、
NドープSiO2 膜からなるコア膜22a中のOH基や
Si−H基を低減させるため約1200℃の高温に設定
する。熱処理中の雰囲気は、前述したN2 雰囲気の他に
Ar、O2 等の雰囲気でもよい。この熱処理を行った段
階において、コア膜22aとバッファ層21との比屈折
率差Δは0.4%から8%近くまで実現することができ
る。
【0041】なぜならば、SiO2 とバッファ層21と
の比屈折率差Δは約−0.44%もとれ、かつ、コア膜
22aとSiO2 との比屈折率差ΔはN濃度を制御する
ことにより、7%強まで得ることができるからである。
このコア膜22aとバッファ層21との組み合わせに
は、いずれも500℃以下の低温で成膜することができ
ること、基板20の反りがすくないこと、同じプラズマ
CVD装置を使って成膜できることなどの利点がある。
【0042】つまり、FドープSiO2 膜からなるバッ
ファ層21は、有機オキシシラン系の蒸気の代わりに、
SiH4 ガスを用いることによって同性能の膜を形成す
ることができるためである。
【0043】次にコア膜22a上にスパッタリング法に
よってWSi膜25aを形成する。その後、このWSi
膜25aの上にフォトリソグラフィを施すことにより導
波路のマスクパターンとしてのフォトレジストパターン
26を形成する(図1(c))。
【0044】ついで反応性イオンエッチング装置(図示
せず)を用いてフォトレジストパターンをマスクにして
WSiパターン25を形成する。WSiパターン25を
形成した後、そのWSiパターン25上のフォトレジス
トパターンを酸素アッシング装置を用いて除去する(図
1(d))。
【0045】WSiパターン25上のフォトレジストパ
ターンが除去されたら、反応性イオンエッチング装置を
用いてWSiパターン25をマスクとしてコア膜22a
をパターニングし、略矩形断面形状のコア22を形成す
る(図1(e))。
【0046】コア22を形成した後、反応性イオンエッ
チング装置を用いてコア22上のWSiパターン25を
剥離する。尚、WSi膜25aのパターニングや剥離に
はNF3 ガスを用いて行う。コア膜22aのパターニン
グにはCHF3 ガスを用いて行う(図1(f))。
【0047】最後にバッファ層21及びコア22の表面
をFドープSiO2 膜からなるクラッド層23で覆う。
このクラッド層23は前述のプラズマCVD法によって
成膜する(図1(g))。
【0048】以上のような製造方法を用いることによ
り、コア22の屈折率とクラッド層23の屈折率との差
が大きい高比屈折率差光導波路24を実現することがで
きる。図4(a)〜図4(g)は本発明の高比屈折率差
光導波路の製造方法の他の実施の形態を示す工程図であ
る。図4(a)〜図4(f)までの工程は図1(a)〜
図1(f)までの工程と共通であるため説明は省略す
る。
【0049】図1に示した工程と異なる点の第1は図4
(g)に示すようにFドープSiO2 膜からなるクラッ
ド層23の上にSiO2 保護層27を形成した点であ
り、第2の点はこのSiO2 保護層27の形成後、熱処
理を施す点である。SiO2 保護層27は、熱処理を施
すときにFドープSiO2 膜の屈折率変化を小さく抑え
るためのものである。このようにSiO2 保護層の形成
後、熱処理を施すことによりFドープSiO2 膜中のO
H基を低減させることができ、より低損失な光導波路2
8を実現することができる。
【0050】図5(a)〜図5(g)は本発明の高比屈
折率差光導波路の製造方法のさらに他の実施の形態を示
す工程図である。尚、図5(a)〜図5(d)までの工
程は図1(a)〜図1(d)までの工程と共通のため説
明は省略する。
【0051】図1に示した工程と異なる点は図5(e)
に示すように、WSiパターン25をマスクにして、F
ドープSiO2 膜からなるバッファ層21とNドープS
iO2 膜からなるコア膜22aとを反応性イオンエッチ
ングにより、同時に略矩形断面形状に加工する点であ
る。すなわち、基板20上に略矩形断面形状のバッファ
21a及びコア22を積層する点である(図5
(f))。
【0052】基板20、バッファ21a及びコア22の
表面をFドープSiO2 膜からなるクラッド層23で覆
う(図5(g))。
【0053】このような工程によって、図6に示すよう
な構造の光導波路29を製造することができる。尚、図
4(g)に示したように、クラッド層23の上にSiO
2 保護層27を形成して熱処理工程とを付加してもよ
い。
【0054】図6は本発明の高比屈折率差光導波路の製
造方法を適用した光導波路の他の実施の形態を示す断面
図である。図2に示した光導波路の実施の形態との相違
点は、FドープSiO2 膜からなるバッファ21aの領
域が非常に狭く、コア22のすぐ真下の領域に限られた
構造となっている点である。このような光導波路29に
おいても高い比屈折率差が得られる。
【0055】以上において、図1(a)〜図1(g)、
図4(a)〜図4(g)及び図5(a)〜図5(g)に
示した製造方法において、基板20とバッファ層21と
の間に、SiO2 膜(最大膜厚数μm)を形成し、基板
20とバッファ層21との密着性を改善したり、基板2
0からバッファ層21への不純物の混入抑圧用として作
用させるようにしてもよい。さらに図4において、基板
20にSiO2 を用いれば、コア22の屈折率nwが最
も高く、バッファ層21の屈折率nbがSiO2 の屈折
率よりも低くなり、またクラッド層23の屈折率ncも
バッファ層21の屈折率nbに等しくすれば、バッファ
層21及びクラッド層23はいわゆる中間層としての役
目をもち、基板20とSiO2 保護層27が通常のクラ
ッドとして作用することになり、この光導波路の両端面
にSiO2 系光ファイバを接続する場合に結合損失を小
さくして接続することができるという利点がある。
【0056】同様に図5(a)〜図5(g)に示した製
造工程の場合も図4(g)に示したSiO2 保護層27
の形成と熱処理工程とを付加すれば、上記のような利点
が得られる。
【0057】以上において本発明の高比屈折率差光導波
路の製造方法には以下のような効果がある。
【0058】(1) 比屈折率差Δを容易に大きくすること
ができる(最大8%)。しかも、比屈折率差Δを大きく
しても基板の反りは小さく、高寸法精度の光導波路型回
路をさらに小型にでき、それによって低損失、低コスト
化が実現できる。
【0059】(2) 約1200℃の高温熱処理を施すの
で、OH基やSi−H基等の不要な吸収損失を大幅に低
減させることができ、かつ、それにもかかわらず従来よ
りもさらに高比屈折率差Δ化を実現することができる。
【0060】(3) プラズマCVD装置を使用するだけで
光導波路のバッファ層、コア膜及びクラッド層、さらに
は保護層を形成することができるので、低コスト化が図
れる。(4) コアを覆うバッファ層、クラッド層の屈折率
をSiO2 よりも低い値にすることができるので、分散
量の大きい導波路型光デバイス例えば分散補償用光デバ
イスを、小型、低損失で実現することができる。
【0061】
【発明の効果】以上要するに本発明によれば、次のよう
な優れた効果を発揮する。
【0062】基板上にバッファ層を形成し、バッファ層
の上にコア膜を形成し、コア膜に導波路のマスクパター
ンを用いてフォトリソグラフィを施して略矩形断面形状
のコアを形成し、コア及びバッファ層の上にクラッド層
を形成する高比屈折率差光導波路の製造方法において、
フッ素をドープしたSiO2 膜を用いてバッファ層を形
成した後上記コア膜を形成し、少なくとも1000℃で
熱処理を行い、その後フォトリソグラフィを施して略矩
形断面形状のコアを形成し、次いでフッ素をドープした
SiO2 膜をクラッド層として形成するので、コアの屈
折率とクラッド層の屈折率との差が大きい高比屈折率差
光導波路の製造方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)〜(g)は本発明の高比屈折率差光導波
路の製造方法の一実施の形態を示す工程図である。
【図2】本発明の高比屈折率差光導波路の製造方法を適
用した光導波路の一実施の形態を示す断面図である。
【図3】光導波路に用いるFドープSiO2 膜の屈折率
とその熱処理温度との関係を示す図である。
【図4】(a)〜(g)は本発明の高比屈折率差光導波
路の製造方法の他の実施の形態を示す工程図である。
【図5】(a)〜(g)本発明の高比屈折率差光導波路
の製造方法のさらに他の実施の形態を示す工程図であ
る。
【図6】本発明の高比屈折率差光導波路の製造方法を適
用した光導波路の他の実施の形態を示す断面図である。
【図7】(a)〜(f)は光導波路の製造方法の従来例
を示す図である。
【図8】(a)はSiO2 中への添加物濃度と屈折率と
の関係を示す図であり、(b)はSiO2 中の添加物濃
度と膨張係数との関係を示す図である。
【図9】Si基板上にFをドープしたSiO2 膜を形成
し、熱処理温度を変化させたときのFドープSiO2
の屈折率との関係を示す図である。
【符号の説明】
20 基板(Si基板) 21 バッファ層 22 コア 22a コア膜 23 クラッド層

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板上にバッファ層を形成し、該バッファ
    層の上にコア膜を形成し、該コア膜に導波路のマスクパ
    ターンを用いてフォトリソグラフィを施して略矩形断面
    形状のコアを形成し、該コア及び上記バッファ層の上に
    クラッド層を形成する高比屈折率差光導波路の製造方法
    において、フッ素をドープしたSiO2 膜を用いて上記
    バッファ層を形成した後上記コア膜を形成し、少なくと
    も1000℃で熱処理を行い、その後フォトリソグラフ
    ィを施して略矩形断面形状のコアを形成し、次いでフッ
    素をドープしたSiO2 膜をクラッド層として形成する
    ことを特徴とする高比屈折率差光導波路の製造方法。
  2. 【請求項2】上記バッファ層の屈折率は上記SiO2
    屈折率より低い請求項1記載の高比屈折率差光導波路の
    製造方法。
  3. 【請求項3】上記クラッド層の上にSiO2 保護層を被
    覆し、その後少なくとも800℃で熱処理する請求項1
    または2記載の高比屈折率差光導波路の製造方法。
  4. 【請求項4】上記基板にSiO2 を用いた請求項1から
    3のいずれかに記載の高比屈折率差光導波路の製造方
    法。
  5. 【請求項5】上記マスクパターンによりコアのみならず
    バッファ層も略矩形断面形状に形成した請求項1から4
    のいずれかに記載の高比屈折率差光導波路の製造方法。
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