JPH1048460A - 平面型光導波路 - Google Patents

平面型光導波路

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JPH1048460A
JPH1048460A JP8205055A JP20505596A JPH1048460A JP H1048460 A JPH1048460 A JP H1048460A JP 8205055 A JP8205055 A JP 8205055A JP 20505596 A JP20505596 A JP 20505596A JP H1048460 A JPH1048460 A JP H1048460A
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glass
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善典 日比野
Yasuyuki Inoue
靖之 井上
Fumiaki Hanawa
文明 塙
Yasubumi Yamada
泰文 山田
Motochika Ishii
元速 石井
Masahiro Yanagisawa
雅弘 柳沢
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 接続部でのクラック発生を防止し、他の光導
波路との信頼性の高い接続が可能な平面型光導波路を提
供すること。 【解決手段】 導波路を構成する下部クラッド層32の
厚さをコア31の周辺を除いて薄くすることにより、内
部応力を大幅に減少させ、これによって研磨に伴うクラ
ックの発生を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバもしく
は他の平面型光導波路と信頼性の高い接続を可能とする
平面型光導波路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】Siや石英等の平面基板上に石英系ガラ
ス導波路を形成し、平面型光回路(PLC)を構成する
研究開発が進んでいる。石英系ガラス導波路は屈折率の
高い矩形のコアと該コアを囲みかつ該コアよりも屈折率
がわずかに低いクラッドとからなり、石英系ガラス膜形
成技術及び反応性エッチング技術により作製される。P
LCを実際にシステムで使用するには、光信号を入出力
するために光ファイバと接続する必要がある。そして、
PLC−光ファイバ接続技術は低損失かつ高安定である
ことが要求される。
【0003】通常、PLCは多数の入出力ポートを有す
るため、多芯の光ファイバが接続される。このため、ガ
ラスブロックに多芯ファイバをUV接着剤で固定してフ
ァイバアレイを作製し、さらに該ファイバアレイをUV
接着剤でPLCと固定している。
【0004】現在まで最も汎用性の高いPLC型スプリ
ッタの実用化では、PLCの両端を研磨し、同じく端面
を研磨した入出力ファイバ部品に接続していた。
【0005】図1は光ファイバを接続した従来のPLC
型スプリッタの構造を示す。図中、11はスプリッタ回
路(PLC)、12は入力用1芯ファイバ、13は出力
用8芯テープファイバ、14,15はファイバ固定用ガ
ラスブロック、16a,16b,17a,17bは接続
補強用ガラス板である。PLC本体のサイズは4×30
mm程度で、全体の長さは80mmである。
【0006】具体的な接続は、前述した入力用1芯ファ
イバ12をガラスブロック14及びガラス板16aとと
もに、また、出力用8芯テープファイバ13をガラスブ
ロック15及びガラス板17aとともに、さらにまた、
PLC11をガラス板16b,17bとともに、その端
面を8度に研磨し、UV接着剤にて接続した。
【0007】前述した接続法による回路では、(1)基
板切断による表面の荒れを研磨により平坦化することに
よって低損失なファイバ接続が可能、(2)研磨面の角
度を任意に設定できるので、例えば8度にすると反射減
衰量を大幅に低減することが可能、(3)平坦化により
接着強度を増加させることができ、PLC−光ファイバ
接続で高い信頼性を実現することが可能、という利点が
ある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た回路では、PLC端面を研磨する際に研磨面のクラッ
ド(ガラス)層にクラックを生じるという欠点があっ
た。
【0009】図2は研磨後のPLC端面を模式的に示す
ものである。図中、21はSi基板、22は下部クラッ
ド層、23は上部クラッド層、24はコアである。通
常、クラックはSi基板21に近い下部クラッド(ガラ
ス)層22に生じる。このクラックは接着材層に不均一
を生じさせ、長期信頼性を劣化させるとともに反射減衰
量等の光学特性も劣化させるという問題がある。
【0010】以下、前述したクラックの原因と考えられ
るガラス層における内部応力について簡単に見積もる。
内部応力σは熱膨張係数の差で生じ、 σ∝(Tg−Tr)(αg −αSi) の関係がある。
【0011】ここで、Tgはクラッド(ガラス)層のガ
ラス化温度、Trは室温、αg 及びαSiはそれぞれクラ
ッド(ガラス)層及びSi基板の熱膨張係数である。ま
た、図2に示すように、PLC断面において平面基板と
平行及び垂直な方向をそれぞれx及びy方向とすると、
応力と屈折率の関係は Δnx =C1 σx +C2 σy Δny =C1 σy +C2 σx で与えられる。
【0012】ここで、σx ,σy はそれぞれの方向の応
力、Δnx ,Δny はそれぞれの軸方向の応力による屈
折率変化、C1 及びC2 は光弾性係数であり、 C1 =−7.7×10-13 (Pa-1) C2 =−4.1×10-12 (Pa-1) の値を有する。
【0013】また、σx とσy は、 σy =−κσx の関係(ポアソンの関係)がある。ここで、κ(=0.
17)はポアソン係数である。
【0014】前述した関係より Δny −Δnx =σx (−κC1 +C1 −C1 +κC2 ) =σx (1+κ)(C2 −C1 ) ……(1) が得られる。
【0015】一方、Si基板上の石英系光導波路におい
て厚さ30μm程度の下部クラッド層の場合、典型的な
複屈折率Bの値は、 B=nTM−nTE=nx −ny =4×10-4 ……(2) となる。
【0016】圧縮応力を一にとると、上記(1) ,(2) 式
より内部応力は、 σx =4×10-4/1.171×3.3×10-12 =1.0×108 Pa =0.1GPa となる。
【0017】上式より、クラッド(ガラス)層には0.
1GPa程度の圧縮応力が作用していることがわかる。
この値はクラッド層の厚さ及び組成に依存する。基本的
にはこの内部応力によりクラックが生じ、特にクラック
の形成は厚いクラッド(ガラス)層の周辺部で起き易い
ことが明らかにされている。これは周辺部で応力集中が
起き易いためと考えられる。
【0018】本発明の目的は、接続部でのクラック発生
を防止し、他の光導波路との信頼性の高い接続が可能な
平面型光導波路を提供することにある。
【0019】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、本発明では、接続部におけるクラッド(ガラス)層
の厚さを不均一にする、具体的には、コア周辺を除いて
クラッドを薄くするか、コア周辺のみにクラッドを形成
することにより、導波構造を保ちつつコア周辺部の内部
応力を減少させる。
【0020】図3は本発明の平面型光導波路の基本的な
概念を示すもので、図中、31はSi基板、32は下部
クラッド層、33は上部クラッド層、34はコアであ
る。
【0021】ここでは下部クラッド層32がコア31の
周辺のみで厚くなっているのが特徴である。応力の観点
からすると、コア下部のクラッドをなくせば、ほとんど
応力もなくなるが、導波構造もなくなってしまうので損
失が大きくなる。従って、コア周辺のクラッドをなくす
ことはできない。
【0022】そこで、本発明ではコアの断面積がPLC
全体の断面積に占める割合が小さいことを生かして、コ
ア周辺にのみクラッドを残し、その他の部分では下部ク
ラッド層をなくすか、薄くすることを特徴とする。これ
により、内部応力を大幅に減少させることができ、従っ
てクラックの発生がなくなり、長期安定性に優れたPL
C−ファイバ接続が可能になるとともに、その光学特性
も変化しない。
【0023】
【発明の実施の形態】図4は本発明の第1の実施の形態
を示すもので、ここでは石英系PLC1×8スプリッタ
回路の例を示す。図中、41はスプリッタ回路(PL
C)、42は導波路、43は入力側接続部、44は出力
側接続部である。
【0024】また、図5は図4のa−a´線に沿う研磨
後の出力側接続部44の拡大端面図、図6は図4のb−
b´線に沿う拡大断面図である。図中、45はSi基
板、46は下部クラッド層、47は上部クラッド層、4
8はコアである。
【0025】図4乃至6に示す構造を作製するには、ま
ず、Si基板45にフォトリソグラフィでクラッド形状
をパターニングし、ウェットエッチングによりコア48
の下部に下部クラッド層を形成する部分を形成する。次
に、石英系ガラスからなる下部クラッド層46をFHD
法で堆積し、透明ガラス化する。この後、表面形状に凹
凸が生じるので、研磨により平坦化する。コア層を堆積
した後、マーカを用いてコア48のパターニング及びガ
ラスエッチングを行い、最後に上部クラッド層47を堆
積した。
【0026】作製した1×8スプリッタでは、出力側の
8ポートのピッチを0.25mmとし、入力側接続部4
3及び出力側接続部44の変形クラッド領域の幅を50
μm(コアを中心)、長さを2mm、コア直下のクラッ
ド層の厚さを15μmとした。作製したウェファを切断
し、研磨面には保護用にガラス板49をUV接着剤で固
定した。その後、図4のスプリッタ端面を通常の方法で
研磨した。研磨後の端面にはクラックは全く観測されな
かった。この結果より、本発明の有効性が確認された。
【0027】また、本例ではスプリッタの光学特性も、
変形クラッド領域のない従来のスプリッタと同じであ
り、この点でも本発明の有効性が確認された。
【0028】図7は本発明の第2の実施の形態を示すも
ので、ここでは光トランシーバ用波長多重機能付きPL
Cの例を示す。図中、51はスプリッタ回路(PL
C)、52は導波路、53は波長多重用干渉膜フィル
タ、54は入出力接続部、55は光トランシーバ用L
D,PD搭載部である。また、図8は図7のc−c´線
に沿う研磨後の入出力接続部54の拡大端面図であり、
図中、56はSi基板、57は下部クラッド層、58は
上部クラッド層、59はコアである。
【0029】図7及び8に示す構造を作製するには、ま
ず、Si基板56にフォトリソグラフィでクラッド形状
をパターニングし、ウェットエッチングによりコア59
の下部に石英系ガラス下部クラッド層を形成する部分を
形成する。本例では、Si基板56のエッチング量を1
0μmと少なくしてクラッド形成後の凹凸が小さくなる
ようにした。次に、石英系ガラス下部クラッド層57を
FHD法で10μm堆積し、透明ガラス化する。
【0030】この後、研磨による平坦化を行わず、Si
基板56をエッチングした部分以外の不要なクラッド層
をフォトリソグラフィによるパターニング及びガラスエ
ッチングで除去する。さらに、コア層を堆積し、コア5
9をパターニングする。コア59のパターニングでは、
凹凸が小さいので研磨による平坦化を行わずとも精密な
パターニングができた。その後、ガラスエッチングを行
い、最後に上部クラッド層58を堆積した。
【0031】作製した光トランシーバ用波長多重機能付
きPLCでは、入出力接続部54の変形クラッド領域の
幅を50μm(コアを中心)、長さを2mmとした。作
製したウェファを切断し、研磨面には保護用にガラス板
(図示せず)をUV接着剤で固定した。その後、図7の
PLC端面を通常の方法で研磨した。研磨後の端面には
クラックは全く観測されなかつた。この結果より、本発
明の有効性が確認された。
【0032】また、本例ではスプリッタの光学特性も、
変形クラッド領域のない従来のスプリッタと同じであ
り。この点でも本発明の有効性が確認された。
【0033】図9は本発明の第3の実施の形態を示すP
LCスプリッタの出力側接続部の端面図である。図中、
61はSi基板、62は下部クラッド層、63は上部ク
ラッド層、64はコアである。
【0034】図9に示す構造を作製するには、まず、下
部クラッド層をFHD法で堆積し、透明ガラス化する。
次に、フォトリソグラフィでクラッド形状をパターニン
グし、ドライエッチングによりコア近傍に相当する下部
クラッド層62の部分のみを残す。コア層の形成後、マ
ーカを用いてコア64のパターング及びガラスエッチン
グを行い、矩形のコアを形成し、最後に上部クラッド層
63を堆積した。
【0035】なお、接続部以外の部分では下部クラッド
層が基板上の全面にあることはいうまでもない。
【0036】作製したウェファを切断し、研磨面には保
護用にガラス板(図示せず)をUV接着剤で固定した。
その後、図9のスプリッタ端面を通常の方法で研磨し
た。研磨後の端面にはクラックは全く観測されなかっ
た。本例によれば、Si基板のエッチング及び研磨が必
要ないので、簡便に変形クラッド領域を形成できる。
【0037】また、本例ではスプリッタの光学特性も、
変形クラッドのない従来のスプリッタと同じであり、こ
の点でも本発明の有効性が確認された。
【0038】なお、これまでの説明では基板としてSi
を用いたが、サファイア等の基板にも本発明は適用可能
である。また、各種の基板の加工にはウェットエッチン
グ以外にドライエッチングまたは機械加工が適用可能で
ある。また、変形クラッド領域のコアに沿う方向の長さ
についての制限はなく、全てのコアの下部クラッド層を
変形クラッド領域としても良いが、作製の容易さの点で
は端部のみが好ましい。また、幅については光学特性が
劣化しないところまで狭くすることが可能であり、数1
0μmのオーダになる。
【0039】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
研磨に伴う接続部でのクラック発生を防止でき、クラッ
クのない研磨面を形成できるので、信頼性の高いPLC
−ファイバ接続を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のPLC型スプリッタの構造を示す断面図
【図2】研磨後のPLC端面を示す端面図
【図3】本発明の平面型光導波路の基本的な概念を示す
端面図
【図4】本発明の平面型光導波路の第1の実施の形態を
示す平面図
【図5】図4のa−a´線に沿う研磨後の出力側接続部
の拡大端面図
【図6】図4のb−b´線に沿う拡大断面図
【図7】本発明の平面型光導波路の第2の実施の形態を
示す平面図
【図8】図7のc−c´線に沿う研磨後の入出力接続部
の拡大端面図
【図9】本発明の平面型光導波路の第3の実施の形態を
示す出力側接続部の端面図
【符号の説明】
31,45,56,61…Si基板、32,46,5
7,62…下部クラッド層、33,47,58,63…
上部クラッド層、34,48,59,64…コア、4
1,51…スプリッタ回路、42,52…導波路、43
…入力側接続部、44…出力側接続部、49…ガラス
板、53…波長多重用干渉膜フィルタ、54…入出力接
続部、55…光トランシーバ用LD,PD搭載部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 泰文 東京都新宿区西新宿3丁目19番2号 日本 電信電話株式会社内 (72)発明者 石井 元速 東京都新宿区西新宿3丁目19番2号 日本 電信電話株式会社内 (72)発明者 柳沢 雅弘 東京都新宿区西新宿3丁目19番2号 日本 電信電話株式会社内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光を導波伝搬するコアと該コアを囲みか
    つ該コアよりも屈折率がわずかに低いクラッドとからな
    る光導波路を基板上に形成するとともに、該基板の少な
    くとも一端に前記基板上の光導波路と他の光導波路との
    接続を行う接続部を設けてなる平面型光導波路におい
    て、 前記接続部付近におけるクラッドの厚さをコア周辺を除
    いて薄くしたことを特徴とする平面型光導波路。
  2. 【請求項2】 光を導波伝搬するコアと該コアを囲みか
    つ該コアよりも屈折率がわずかに低いクラッドとからな
    る光導波路を基板上に形成するとともに、該基板の少な
    くとも一端に前記基板上の光導波路と他の光導波路との
    接続を行う接続部を設けてなる平面型光導波路におい
    て、 前記接続部付近におけるクラッドをコア周辺のみに形成
    したことを特徴とする平面型光導波路。
  3. 【請求項3】 接続部の上面に補強用のガラス板を取り
    付けたことを特徴とする請求項1または2記載の平面型
    光導波路。
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