JPH10133043A - 導波路型光部品及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安全で長期信頼性に優れた導波路型光部品及
びその製造方法を提供する。 【解決手段】 感光剤或いは増感剤を添加したコア領域
３を、コア領域３よりも屈折率が低いクラッド領域４で
覆った導波路型光部品１ａのコア領域３の少なくとも一
部に紫外線を照射することにより、局所的に屈折率を変
化させた導波路型光部品１を得ることができる。感光剤
として金、銀、銅或いはハロゲン化銀のうち少なくとも
一成分を添加したものが用いられ、増感剤としてセリウ
ムまたはその酸化物を添加したものが用いられる。本発
明は、特に石英系材料を主成分に用いた導波路型光部品
に適用することにより、低損失で信頼性の高い光部品を
実現することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、屈折率の高いコア
領域を、コア領域よりも屈折率が低いクラッド領域で覆
った導波路型光部品及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】光を利用した通信システムの普及に伴
い、より低損失で信頼性の高い光部品の開発が盛んに進
められている。特に平面光導波路型の光部品は、その低
損失性に加えて複雑な回路を基板上に一括して形成でき
ることから高集積光回路素子として最も注目を集めてい
る。これら平面光導波路型光部品は、熱酸化膜付きシリ
コン基板や石英基板上に屈折率の高い「コア領域」と呼
ばれる光の伝搬領域を形成し、このコア領域をさらに低
屈折率のクラッド領域で覆った構造をとるのが一般的で
ある。

【０００３】特にコア領域の材料組成は、光ファイバと
の整合性に優れ、低損失材料として実績のあるゲルマニ
ウムを添加した酸化ケイ素ガラスが有効とされている。

【０００４】一方、近年ゲルマニウム添加石英系光ファ
イバを用いて、紫外線を照射することにより、コア領域
の屈折率を局所的に変化させる研究が活発に行われてい
る。紫外線照射による屈折率変化のメカニズムは未だ不
明な点が多いが、屈折率変化の原因として以下の２点が
挙げられる。

【０００５】(1) まず、ゲルマニウムを添加した酸化
ケイ素ガラスにおいて、ケイ素の方がゲルマニウムより
も酸化しやすいためゲルマニウムの一部は酸素と結合で
きずにゲルマニウム同士で弱く結合した酸素欠乏欠陥が
できる。この部分に高エネルギーの紫外線を照射する
と、ゲルマニウム同士の結合が切れ、ゲルマニウムの電
子が価電子帯から伝導帯に移動する。電子の遷移により
酸化ゲルマニウムとは異なる波長の光を吸収するように
なり、クラマース・クローニッヒの関係に従い屈折率の
変化が生じる。

【０００６】しかし、この理論だけでは１０^-3にも及ぶ
屈折率変化は説明できない。そこで最近では欠陥の変化
による密度変化による影響が主たるメカニズムであると
いう考え方が一般的である。

【０００７】すなわち紫外線吸収によりゲルマニウム同
士で弱く結合した酸素欠乏欠陥の結合が切れ、この付近
のガラスの網目構造が収縮し密度が局所的に高くなる。
その結果この密度変化分だけ屈折率が高くなると考えら
れている。

【０００８】(2) 光ファイバの伝搬領域すなわちコア
領域内に周期的に屈折率の変化を与えればグレーティン
グ（回折格子）となり特定の波長のみを反射するフィル
タとして利用できる。

【０００９】このような光部品はファイバグレーティン
グと呼ばれ、従来のバルク型の回折格子に比べて極めて
小型であるうえ、他の光ファイバとの接続も容易であ
る。この技術を応用すれば、単に波長を分別するフィル
タとしての機能以外にも、単一周波数発振のレーザや光
パルスの圧縮・整形、分散補償等様々な機能をもった光
部品として利用できる。また、光通信の分野以外でもセ
ンサやメモリとして計測や情報処理の分野でも幅広く応
用されるものと考えられている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来技術においては、以下のような問題がある。

【００１１】まず、ゲルマニウムを添加した酸化ケイ素
ガラス導波路（ファイバ）の自然感光性は、光部品に適
用するのに必要な光誘起屈折率変化（Δｎ＞１０^-3）を
与えるにはあまりにも小さすぎるという問題がある。

【００１２】そこで、光ファイバ固有の感光性を増加さ
せるために水素ローディング法やフレームブラッシング
法等の方法が提案されている。これらの改善策はいずれ
もコア領域内に水素を拡散、充填させることによって感
光性を増加させるものである。

【００１３】水素ローディング法は、光ファイバを高
圧、高純度の水素雰囲気中に長期間曝すことによって、
光ファイバ中に水素を拡散・充填させる方法である。水
素ローディングは通常、圧力１００〜２００気圧のもと
で約１週間程かかり、生産効率が悪く、取扱ううえで細
心の注意が必要である。

【００１４】また、フレームブラッシング法は、酸水素
バーナの火炎で光ファイバをブラッシングすることによ
り光ファイバ中に水素を拡散させる方法である。この方
法は短時間で水素拡散・充填が行われるが、高温に曝さ
れるためコア領域の形状そのものが変形したり、或いは
ドーパントであるゲルマニウムが熱により周辺部へ拡散
しこれによってコア領域の屈折率分布が大きく変化して
しまうという問題がある。このような光導波路を用いる
と損失が増加したり、所望の特性を得ることが非常に困
難になってしまう。

【００１５】さらに、コア領域への水素充填による増感
効果は実用上十分な屈折率変化をもたらすが、長期信頼
性に対しては十分に検討されていない。使用環境、或い
は使用期間によってはコア領域内に充填された水素が外
部に拡散してしまい使用できなくなるおそれがある。特
に、通信用光部品として使用する場合には長期信頼性を
十分に保証する必要がある。

【００１６】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、安全で長期信頼性に優れた導波路型光部品及びその
製造方法を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の導波路型光部品は、屈折率の高いコア領域
を、コア領域よりも屈折率が低いクラッド領域で覆った
導波路型光部品において、コア領域は、金、銀、銅のう
ち少なくとも一元素が添加され、かつ少なくとも一部に
紫外線が照射されて局所的に屈折率が変化しているもの
である。

【００１８】上記目的を達成するために本発明の導波路
型光部品の製造方法は、屈折率の高いコア領域を、コア
領域よりも屈折率が低いクラッド領域で覆う導波路型光
部品の製造方法において、コア領域に金、銀、銅のうち
少なくとも一元素を添加した後、これらの元素が添加さ
れたコア領域の少なくとも一部に紫外線を照射し、局所
的に屈折率を変化させるものである。

【００１９】上記構成に加え本発明は、コア領域に添加
される銀が、塩化銀、臭化銀、ヨウ化銀のいずれかのハ
ロゲン化銀として添加されるのが好ましい。

【００２０】上記構成に加え本発明は、コア領域にセリ
ウムを添加するのが好ましい。

【００２１】本発明の導波路型光部品及びその製造方法
は、高圧水素処理を行わずに高感度の光誘起屈折率変化
が得られるようにしたものである。

【００２２】本発明は、感光剤或いは増感剤を添加した
コア領域に紫外線を照射することにより局所的に屈折率
を変化させるものであり、感光剤として金、銀、銅或い
はハロゲン化銀のうち少なくとも一成分を添加したもの
を用い、増感剤としてセリウムまたはその酸化物（セリ
ア）を添加したものを用いる。

【００２３】本発明は、特に石英系材料を主成分に用い
た導波路型光部品に適用することにより、低損失で信頼
性の高い光部品を実現することができる。

【００２４】ここで、金、銀、銅等の元素は、感光性金
属として機能する。すなわちこれらの金属を微量添加し
たガラス材料に高エネルギーの紫外線を照射すると感光
して中性金属原子が析出する。この感光性は金属の種類
及び添加量に依存するが、増感剤としてセリウムを添加
した場合には特にその効果が顕著に現れる。感光性金属
及びセリウムが添加されたガラスに紫外線を照射する
と、Ｃｅ³⁺から光電子が放出され、これらが感光性金属
イオンや共存するＣｅ⁴⁺の捕獲中心に捕らえられる。続
いて金属イオンがＣｅ⁴⁺に捕獲された電子と結合して金
属原子となり、さらにこれらの金属原子と光電子とを捕
獲した中性の金属とが凝集して金属コロイドが生成され
る。

【００２５】また、ハロゲン化銀は紫外線の照射を受け
ることによって、ハロゲン化銀コロイドイオン中に中性
の銀コロイドが生成する。このように銀イオンをハロゲ
ン化銀の形で添加することによっても、高い感光性を得
ることができる。この感光性の度合いは波長及びハロゲ
ンの種類によって異なり、ヨウ化銀、臭化銀、塩化銀の
順序で長波長の光でも感光するようになる。

【００２６】このようにして形成された中性の金属原子
による欠陥の変化は、局所的な密度及び内部応力の変化
をもたらし、屈折率変化を生じさせる。但し、過剰の金
属元素の添加は光の吸収をもたらすので、コア領域には
０．０１〜０．１ｗｔ％の範囲で微量添加しなければな
らない。

【００２７】従来の紫外線照射による屈折率変化は、そ
のメカニズム上ゲルマニウムを添加した酸化ケイ素ガラ
スのみに有効であった。

【００２８】しかしながら本発明によれば、屈折率を高
めるためコア領域に添加されるドーパントとしてはゲル
マニウムに限らず、リンやチタンを添加したものでも屈
折率変化を確認することができる。

【００２９】上述したような感光性金属元素や増感剤の
添加は、スパッタリング法や蒸着法或いはイオン注入法
によって可能である。特に、平面基板を用いた平面光導
波路型光部品に適用可能である。

【００３０】

【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。

【００３１】図１は本発明の導波路型光部品の断面図で
ある。

【００３２】同図に示す導波路型光部品１は、石英基板
２上に光の伝搬領域となる屈折率の高いコア領域３が形
成され、屈折率がコア領域３より低いクラッド領域４で
コア領域３が覆われている。コア領域３のサイズは約６
μｍ×６μｍとしたが、これに限定されるものではな
い。コア領域３は主成分である酸化ケイ素ガラスに屈折
率を高めるためのドーパントとして酸化ゲルマニウムが
８ｗｔ％添加されている。またコア領域３には紫外線照
射による感光性金属として銀が０．０１ｗｔ％添加さ
れ、増感剤として酸化セリウム（セリア）が０．０３ｗ
ｔ％添加されている。過剰の感光性金属や増感剤の添加
は光の吸収をもたらすので、コア領域３への添加量はそ
れぞれ０．１ｗｔ％以下の範囲に押さえなければならな
い。

【００３３】また、クラッド領域４には酸化ケイ素ガラ
スを主成分とし、リンとホウ素とが添加されている。リ
ンは屈折率を高くし、ホウ素は屈折率を低くする性質が
あるためである。リンとホウ素との成分比を調整するこ
とによりクラッド領域４の屈折率を石英基板２と略等し
い屈折率とすることができる。すなわちコア領域３はそ
れよりも屈折率が低い石英基板２とクラッド領域４とで
覆われており、石英基板２は下側クラッドとして機能す
る。

【００３４】コア領域３はスパッタリングによる膜形成
と導波路パターニング後の反応性イオンエッチングによ
って断面矩形形状に加工される。スパッタリングに用い
るターゲット材の材料組成はコア領域３の組成と一致し
て調合される。このとき感光性に関わる元素がガラス中
で複数の原子価をとるので、ターゲット材を製造するた
めの溶融の雰囲気は重要である。

【００３５】特に感光性金属はイオン溶解度が小さく、
還元されやすいので還元雰囲気にならないように注意を
要する。

【００３６】一方、クラッド領域４は、石英基板２上の
矩形断面形状に加工されたコア領域３全体に火炎加水分
解反応により低屈折率のガラス膜用の微粒子を堆積さ
せ、これを１３００℃の高温で焼結することにより、微
粒子が透明ガラス化する。リンとホウ素とを添加するこ
とにより石英基板２の変形温度よりも低い温度で焼結す
ることができる。

【００３７】尚、図１に示した導波路型光部品には、下
側クラッドの機能を有する石英基板２を用いたが、これ
に限定されずシリコン基板を用いてもよい。但し、シリ
コン基板を使用する場合にはシリコン基板上に酸化ケイ
素層を形成して基板による吸収を回避し、屈折率を調整
しなければならない。この酸化ケイ素の形成は、スパッ
タリングや蒸着により可能であるが、シリコン基板の熱
酸化によっても形成できる。

【００３８】また、紫外線照射による感光性金属として
銀を用いたが、これ以外にも金や銅、或いは塩化銀等の
ハロゲン化銀を用いても同様な屈折率変化が確認され
る。

【００３９】図２は本発明の導波路型光部品の製造方法
の概念図である。図２では特にグレーティングを形成す
る場合について説明する。

【００４０】コア領域に金、銀、銅のうち少なくとも一
元素を添加した導波路型光部品１ａをＸＹステージ５上
に載置し、この導波路型光部品１ａの上にグレーティン
グのパターンが書き込まれたフェイズマスク６を置く。
フェイズマスク６の上からレンズ７によって適当なビー
ム形状に整形されたエキシマレーザ光（紫外線）８を−
Ｚ方向に照射する。エキシマレーザ光８がフェイズマス
ク６に照射されるとフェイズマスク６の透過部を透過し
たエキシマレーザ光８によって導波路型光部品１ａのコ
ア領域の屈折率が局所的に変化し、図１に示した導波路
型光部品１が得られる。

【００４１】感光による屈折率変化によって得られるグ
レーティング長は、レンズ７及びミラー９をＸＹ方向に
移動してエキシマレーザ光８を走査したり、或いはＸＹ
ステージ５を導波路型光部品１ａごとＸＹ方向に移動し
たりすることにより調節される。このようにしてグレー
ティングを光導波路内に形成した結果、長さ５ｍｍで波
長１５３５ｎｍにおける反射率９９．８％以上、光誘起
屈折率変化が１０^-3以上のグレーティングを有する導波
路型光部品を得ることができる。

【００４２】以上において本発明によれば、金、銀、銅
のうち少なくとも一元素を添加したコア領域の少なくと
も一部に紫外線を照射することにより局所的に屈折率を
変化させることができるので、水素ローディング法やフ
レームブラッシング法のような水素充填を必要としな
い。その結果、長期間かつ安全上細心の注意を要するよ
うな製造工程、或いは導波路の光学的特性を劣化させる
ような過剰加熱の製造工程が不要となる。また、水素処
理により屈折率を変化させるものではないので、水素が
空気中に拡散して機能を失うというおそれが全くない。
このため、長期信頼性に優れた光部品を得ることができ
る。さらに、本発明は従来の製造方法を利用することが
できるものであり、特に様々な機能を有する平面光導波
路型光部品にも容易に適用できる。

【００４３】

【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。

【００４４】金、銀、銅のうち少なくとも一元素を添加
したコア領域を、コア領域よりも屈折率が低いクラッド
領域で覆った導波路型光部品におけるコア領域の少なく
とも一部に紫外線を照射することにより、コア領域の屈
折率を局所的に変化させることができるので、安全で長
期信頼性に優れた導波路型光部品及びその製造方法の提
供を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の導波路型光部品の断面図である。

【図２】本発明の導波路型光部品の製造方法の概念図で
ある。

【符号の説明】

１ 導波路型光部品 ２ 石英基板 ３ コア領域 ４ クラッド領域

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 屈折率の高いコア領域を、該コア領域よ
   りも屈折率が低いクラッド領域で覆った導波路型光部品
   において、上記コア領域は、金、銀、銅のうち少なくと
   も一元素が添加され、かつ少なくとも一部に紫外線が照
   射されて局所的に屈折率が変化していることを特徴とす
   る導波路型光部品。
2. 【請求項２】 屈折率の高いコア領域を、該コア領域よ
   りも屈折率が低いクラッド領域で覆う導波路型光部品の
   製造方法において、上記コア領域に金、銀、銅のうち少
   なくとも一元素を添加した後、これらの元素が添加され
   たコア領域の少なくとも一部に紫外線を照射し、局所的
   に屈折率を変化させることを特徴とする導波路型光部品
   の製造方法。
3. 【請求項３】 上記コア領域に添加される銀は、塩化
   銀、臭化銀、ヨウ化銀のいずれかのハロゲン化銀として
   添加される請求項２に記載の導波路型光部品の製造方
   法。
4. 【請求項４】 上記コア領域にセリウムを添加した請求
   項２または３に記載の導波路型光部品の製造方法。
5. 【請求項５】 上記コア領域は、酸化ケイ素を主成分と
   するガラス中にゲルマニウム、リン或いはチタンの酸化
   物の少なくとも一成分を添加することによって上記クラ
   ッド領域よりも屈折率を高くした請求項２から４のいず
   れかに記載の導波路型光部品の製造方法。