JPS60162207A - 光導波路およびその製造方法 - Google Patents
光導波路およびその製造方法Info
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- JPS60162207A JPS60162207A JP59015179A JP1517984A JPS60162207A JP S60162207 A JPS60162207 A JP S60162207A JP 59015179 A JP59015179 A JP 59015179A JP 1517984 A JP1517984 A JP 1517984A JP S60162207 A JPS60162207 A JP S60162207A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- optical waveguide
- refractive index
- optical
- film
- substrate
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-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕
本発明は光通信、光情報処理分野で用いられる光集積回
路に必要な光導波路に係り、特に広い範囲に、わたって
屈折率の制御が可能な光導波路用材料に関する。
路に必要な光導波路に係り、特に広い範囲に、わたって
屈折率の制御が可能な光導波路用材料に関する。
光導波路は基板材料の上に光を導波するコア部と、これ
よりも低い屈折率を有するクラッド部から構成されてい
る。したがっていかなる構造を持とうとも光導波路は屈
折率の異なる２種以上の透明な材料が必要であり、しか
もこれらの材料はいずれも薄膜でなければならない。そ
してこれらの材料間の屈折率差は多くの場合、高々数％
以内である。光導波路材料としては従来半導体、強誘電
体、ガラス、有機物など非常に多くの例が報告されてお
り、目的に応じて適当な屈折率差を有する組み合わせが
選択されてきた。しかしながら光導波路の構造、各部分
の屈折率差１作製方法などを考慮したとき、実際に適用
可能な薄膜材料の組み合わせは非常に限られたものとな
ってしまう、そしてこの困難は基板材料の屈折率が大き
い場合に特に顕著となる。なぜならば、たとえば屈折率
が比較的小さな寧を持つ物質は各種ガラスを始めとして
世の中に数多く存在するのに対し、屈折率の大なる材料
はこれにくらべ数が非常に限られるからである。−力先
集積回路として変調、スイッチングなどの諸動作を行わ
せるためには、電気光学効果、磁気光学効果などの物理
現象を用いる必要がある。このためには電気光学結晶、
磁気光学結晶などの基板材料が必要であり、一般にこれ
らの結晶の屈折率はその他の材料にくらべて高い値を有
している。たとえば近年光集積回路用材料として注目を
浴びているガリウムヒ素は波長１μｍで約３．４ とい
う高い屈折率を持っている。このような高い屈折率を持
ち、かつガリウムヒ素を組み合わせ可能な材料はアルミ
ニウム・ガリウム・ヒ素の３元系の材料を除いては他に
見当らない。しかしガリウムヒ素基板上に上記３元系を
堆積させるにはエピタキシャル成長という複雑な手法を
採らざるを得す、この手法を用いて任意の構造の光導波
路を構成することは非常に難かしい。
よりも低い屈折率を有するクラッド部から構成されてい
る。したがっていかなる構造を持とうとも光導波路は屈
折率の異なる２種以上の透明な材料が必要であり、しか
もこれらの材料はいずれも薄膜でなければならない。そ
してこれらの材料間の屈折率差は多くの場合、高々数％
以内である。光導波路材料としては従来半導体、強誘電
体、ガラス、有機物など非常に多くの例が報告されてお
り、目的に応じて適当な屈折率差を有する組み合わせが
選択されてきた。しかしながら光導波路の構造、各部分
の屈折率差１作製方法などを考慮したとき、実際に適用
可能な薄膜材料の組み合わせは非常に限られたものとな
ってしまう、そしてこの困難は基板材料の屈折率が大き
い場合に特に顕著となる。なぜならば、たとえば屈折率
が比較的小さな寧を持つ物質は各種ガラスを始めとして
世の中に数多く存在するのに対し、屈折率の大なる材料
はこれにくらべ数が非常に限られるからである。−力先
集積回路として変調、スイッチングなどの諸動作を行わ
せるためには、電気光学効果、磁気光学効果などの物理
現象を用いる必要がある。このためには電気光学結晶、
磁気光学結晶などの基板材料が必要であり、一般にこれ
らの結晶の屈折率はその他の材料にくらべて高い値を有
している。たとえば近年光集積回路用材料として注目を
浴びているガリウムヒ素は波長１μｍで約３．４ とい
う高い屈折率を持っている。このような高い屈折率を持
ち、かつガリウムヒ素を組み合わせ可能な材料はアルミ
ニウム・ガリウム・ヒ素の３元系の材料を除いては他に
見当らない。しかしガリウムヒ素基板上に上記３元系を
堆積させるにはエピタキシャル成長という複雑な手法を
採らざるを得す、この手法を用いて任意の構造の光導波
路を構成することは非常に難かしい。
以上に挙げたような理由のため、３次元光導波路のいく
つかの種類のうち、損失が少なく、かつ長期間にわたる
使用にも損傷を受ない、もつとも優れた光学波路である
埋め込み型先導波路構造を持つ光スィッチ、光変調器な
どの発表例はほとんどなかった。
つかの種類のうち、損失が少なく、かつ長期間にわたる
使用にも損傷を受ない、もつとも優れた光学波路である
埋め込み型先導波路構造を持つ光スィッチ、光変調器な
どの発表例はほとんどなかった。
本発明の目的は同一の製造装置および製法で広い範囲に
わたって屈折率の値が制御可能な透明な光学材料を提供
することによって、光導波路構造の設計の自由度を大巾
に増すと同時に、従来の材料および製造方法では困難で
あった光導波路構造をも簡単に作製できる方法を提供す
ることにある。
わたって屈折率の値が制御可能な透明な光学材料を提供
することによって、光導波路構造の設計の自由度を大巾
に増すと同時に、従来の材料および製造方法では困難で
あった光導波路構造をも簡単に作製できる方法を提供す
ることにある。
本発明はスパッタ法で形成して非晶質シリコン膜の屈折
率をスパッタ条件を変えることによって制御可能である
という実験事実に基づいている。
率をスパッタ条件を変えることによって制御可能である
という実験事実に基づいている。
スパッタ条件を適当に選択することによって任意の屈折
率を持つ膜を形成することができるので、種々の構造を
有する光導波路を簡単に作製できる。
率を持つ膜を形成することができるので、種々の構造を
有する光導波路を簡単に作製できる。
以上本発明の基本となる実験結果について図面を用いて
詳細に説明を行う。多結晶シリコンをターゲットとし、
スパッタガスとしてアルゴンガスおよび水素ガスを用い
１両者の混合比を変えてガラス基板上に非晶質シリコン
膜を形成し、膜厚および透過分光特性を測定して各々の
波長における屈折率をめた。第１図は波長１．０μｍに
おける非晶質シリコン膜の屈折率の水素ガス濃度に対す
る変化を示す、スパッタ条件は以下のとおりであった。
詳細に説明を行う。多結晶シリコンをターゲットとし、
スパッタガスとしてアルゴンガスおよび水素ガスを用い
１両者の混合比を変えてガラス基板上に非晶質シリコン
膜を形成し、膜厚および透過分光特性を測定して各々の
波長における屈折率をめた。第１図は波長１．０μｍに
おける非晶質シリコン膜の屈折率の水素ガス濃度に対す
る変化を示す、スパッタ条件は以下のとおりであった。
ＲＦパワー ３２５Ｗ
スパッタ圧力 ０．３３ Ｐ ａ
基板温度 ２５０℃
図から判るようにスパッタ時のガス組成をアルゴンガス
から水素ガスに連続的に変えることによって、非晶質シ
リコン膜の屈折率を３．１８ から３．７８ の範囲内
で自由に選択することが可能である。
から水素ガスに連続的に変えることによって、非晶質シ
リコン膜の屈折率を３．１８ から３．７８ の範囲内
で自由に選択することが可能である。
次に同様にしてアルゴンガスと窒素ガスを用い。
両者の混合比を変えてガラス基板上に非晶質シリコン膜
を堆積し、屈折率を測定した。スパッタ条件は前述の例
と同じである。その結果は第２図に示すように、アルゴ
ンガスと窒率ガスの組成を変えることによって、屈折率
が２．５から３．７８の間の任意の屈折率を持つ非晶質
シリコン膜を作製できることを示している。
を堆積し、屈折率を測定した。スパッタ条件は前述の例
と同じである。その結果は第２図に示すように、アルゴ
ンガスと窒率ガスの組成を変えることによって、屈折率
が２．５から３．７８の間の任意の屈折率を持つ非晶質
シリコン膜を作製できることを示している。
以下本発明を実施例を用いて説明する。
実施例１
第３図に示すごとく石英の基板上に第１図からめた関係
によって屈折率を制御した３層の非晶質シリコン膜１１
，１２．１３を連続的に作製した。スパッタ膜１１，１
２．１３の各々の屈折率および膜厚の測定値は次のとお
りであった。
によって屈折率を制御した３層の非晶質シリコン膜１１
，１２．１３を連続的に作製した。スパッタ膜１１，１
２．１３の各々の屈折率および膜厚の測定値は次のとお
りであった。
スパッタ膜 屈折率 膜厚（μｍ）
１１ ３．３６ ０．８
１２ ３．５６ １．２
１３ ３．４４ １．０
以上のようにして作製した平面光導波路に図の矢印の方
向から波長１．１５μｍのＨｅ−Ｎｅレーザー光を対物
レンズを用いて入射し、光導波層１２を導波する光の伝
搬損失を測定したところ、約２．１ｄＢ／ｃｍと低損失
な値を示した。上の結果はスパッタ法で形成した非晶質
シリコン膜が光導波路用材料として好適であることを示
している。
向から波長１．１５μｍのＨｅ−Ｎｅレーザー光を対物
レンズを用いて入射し、光導波層１２を導波する光の伝
搬損失を測定したところ、約２．１ｄＢ／ｃｍと低損失
な値を示した。上の結果はスパッタ法で形成した非晶質
シリコン膜が光導波路用材料として好適であることを示
している。
実施例２
Ｇ ａ Ａ ｓ単結晶基板上に前述のようにＳｉをター
ゲットとし、アルゴンガスに対する水素ガスの濃度を２
％〜５％の間で時間と共に変化させて第４図に示すよう
に膜厚方向に上下対称な屈折率分布を有する非晶質シリ
コンのグレーデッド型光導波路を作製した。このときの
光導波層１２の膜厚は全体で４μｍ、最小および最大屈
折率は各々３．４７および３．６３．屈折率が平坦な部
分の厚さは各々１μｍであった。このように膜厚方向に
対称な屈折率分布を持つグレーデッド型光導波路は、従
来の拡散法やイオン打込み法では作製が非常に困難であ
ったのに対し１本発明ではスパッタ時のガス組成を時間
的に変えるという簡単な手段で作製することができる。
ゲットとし、アルゴンガスに対する水素ガスの濃度を２
％〜５％の間で時間と共に変化させて第４図に示すよう
に膜厚方向に上下対称な屈折率分布を有する非晶質シリ
コンのグレーデッド型光導波路を作製した。このときの
光導波層１２の膜厚は全体で４μｍ、最小および最大屈
折率は各々３．４７および３．６３．屈折率が平坦な部
分の厚さは各々１μｍであった。このように膜厚方向に
対称な屈折率分布を持つグレーデッド型光導波路は、従
来の拡散法やイオン打込み法では作製が非常に困難であ
ったのに対し１本発明ではスパッタ時のガス組成を時間
的に変えるという簡単な手段で作製することができる。
ここではグレーデッド型の例を示したが、本発明によれ
ば膜厚方向にいがなる屈折率分布を有する光導波路をも
、スパッタ時のガス組成を時間と共に変化させるのみで
、簡単に作製することができることは明らかである。
ば膜厚方向にいがなる屈折率分布を有する光導波路をも
、スパッタ時のガス組成を時間と共に変化させるのみで
、簡単に作製することができることは明らかである。
実施例３
石英ガラス基板上にＳｉをターゲットとし、アルゴンガ
スとちつ素ガスの混合ガスをスパッタガスとして非晶質
シリコン膜を形成した。このときアルゴンガスに対する
ちつ素ガスの濃度を１０〜２０％の範囲で時間と共に変
え、実施例２と全・く同様にして第４図のような上下対
称の屈折率分布を持つグレーデッド型光導波路を作製し
た。この膜のＨｅ −Ｎ ｅレーザ光に対する伝搬損失
は、４．２ｄＢ／ａｍ と実施例１に比較してやや高い
値であった。本実施域のようにアルゴンガスに対するち
つ素ガスの混合比を変えることによっても、実施例１お
よび２と同様の効果が生じることが明らかとなった。
スとちつ素ガスの混合ガスをスパッタガスとして非晶質
シリコン膜を形成した。このときアルゴンガスに対する
ちつ素ガスの濃度を１０〜２０％の範囲で時間と共に変
え、実施例２と全・く同様にして第４図のような上下対
称の屈折率分布を持つグレーデッド型光導波路を作製し
た。この膜のＨｅ −Ｎ ｅレーザ光に対する伝搬損失
は、４．２ｄＢ／ａｍ と実施例１に比較してやや高い
値であった。本実施域のようにアルゴンガスに対するち
つ素ガスの混合比を変えることによっても、実施例１お
よび２と同様の効果が生じることが明らかとなった。
さらにアルゴンガスに水素ガスおよびちつ素ガスなどの
２種以上のガスを混合させることによっても同様の効果
が生じることは明らかである。
２種以上のガスを混合させることによっても同様の効果
が生じることは明らかである。
実施例４
本実施例ではＧ ａ Ａ ｓ基板上にＧ ａ Ａ Ｑ
Ａ ｓ薄膜結晶を液相成長によって形成した光導波路層
の上に非晶質シリコン膜を形成することによって、表面
保護を兼ねた絶縁膜をクラッドとした、膜厚の大なる単
一モード光導波路を作製する方法について述べる。
Ａ ｓ薄膜結晶を液相成長によって形成した光導波路層
の上に非晶質シリコン膜を形成することによって、表面
保護を兼ねた絶縁膜をクラッドとした、膜厚の大なる単
一モード光導波路を作製する方法について述べる。
厚さ４００μｍの（１００）面を表面とするＧ ａ Ａ
ｓ基板上にＱ ａ、４ Ａ ’１！ｏ４ Ａ ９層を
液層成長によって３μｍの厚みに形成し、さらにその上
にＧ ａ Ａ ｓを４．１μｍ成長させ、平面光導波路
を作製した。この光導波路に波長１．１５μｍのレーザ
光を入射し、ニヤフィールドパターンを観測したところ
、モード数は３個であった。また上記組成から計算した
ＧａＡｓ光導波層およびその下のＧ ａ ｏ、ＩＡ Ｑ
ｏ、宜Ａ ｓクラッド層の屈折率は各各３．４３およ
び３．３５であった。この光導波層の上に屈折率を３．
４１ に調整した厚さ１．８μｍの非晶質シリコン膜を
前述のスパッタ法で形成し、上と同様の方法でニヤフィ
ールドパターンを観測したところ、単一モードであるこ
とが確認できた。
ｓ基板上にＱ ａ、４ Ａ ’１！ｏ４ Ａ ９層を
液層成長によって３μｍの厚みに形成し、さらにその上
にＧ ａ Ａ ｓを４．１μｍ成長させ、平面光導波路
を作製した。この光導波路に波長１．１５μｍのレーザ
光を入射し、ニヤフィールドパターンを観測したところ
、モード数は３個であった。また上記組成から計算した
ＧａＡｓ光導波層およびその下のＧ ａ ｏ、ＩＡ Ｑ
ｏ、宜Ａ ｓクラッド層の屈折率は各各３．４３およ
び３．３５であった。この光導波層の上に屈折率を３．
４１ に調整した厚さ１．８μｍの非晶質シリコン膜を
前述のスパッタ法で形成し、上と同様の方法でニヤフィ
ールドパターンを観測したところ、単一モードであるこ
とが確認できた。
一般に光導波路の単一モード条件は基板、光導波層、′
その上のクラッド層の屈折率差を各々ｎ５、ｎ ４ ％
ｎ Ｃとしたとき、光導波層の厚みをｈ、波長をλと
すると、次の式で表わされる。（但しｎ＋＞ｎｓ＞ｎｃ
） 本実施例においてはｎ＝＝３．３５、ｎ＋＝３．４３
であり、上部のクラッド層が空気である場合ｎｃ＝１で
あるから、λ＝１．１５μｍとしたとき単一モード動作
をするためには光導波層の厚さは２．６μｍ以下でなけ
ればならない。−力先導波層を他の光部品、たとえば光
源や光ファイバなどと効率良く結合を行うためには光導
波路の厚さは厚い方が望ましい、このためには上式から
直ちに導かれるように上部のクラッド層の屈折率を光導
波路層の値に近づければ良い−Ｇ ａ Ａ ｓ系結晶は
その屈折率が高いために、Ｇ ａ Ａ Ｑ Ａ ｓ系結
晶以外にクラツド材として適当な材料は見当らなかった
。しかし本発明によればＧａＡｓ系結晶の屈折率に近い
任意の屈折率を有する非晶質シリコン膜をスパッタ法に
よって簡単に作製できるので、先導波層の厚さが他の光
部品と結合容易な値を持つ光導波路を容易に作製するこ
とができる。
その上のクラッド層の屈折率差を各々ｎ５、ｎ ４ ％
ｎ Ｃとしたとき、光導波層の厚みをｈ、波長をλと
すると、次の式で表わされる。（但しｎ＋＞ｎｓ＞ｎｃ
） 本実施例においてはｎ＝＝３．３５、ｎ＋＝３．４３
であり、上部のクラッド層が空気である場合ｎｃ＝１で
あるから、λ＝１．１５μｍとしたとき単一モード動作
をするためには光導波層の厚さは２．６μｍ以下でなけ
ればならない。−力先導波層を他の光部品、たとえば光
源や光ファイバなどと効率良く結合を行うためには光導
波路の厚さは厚い方が望ましい、このためには上式から
直ちに導かれるように上部のクラッド層の屈折率を光導
波路層の値に近づければ良い−Ｇ ａ Ａ ｓ系結晶は
その屈折率が高いために、Ｇ ａ Ａ Ｑ Ａ ｓ系結
晶以外にクラツド材として適当な材料は見当らなかった
。しかし本発明によればＧａＡｓ系結晶の屈折率に近い
任意の屈折率を有する非晶質シリコン膜をスパッタ法に
よって簡単に作製できるので、先導波層の厚さが他の光
部品と結合容易な値を持つ光導波路を容易に作製するこ
とができる。
本発明によれば屈折率が広い範囲にわたって任意に選択
可能な非晶質シリコン膜を容易に作製でき、これを光導
波路に用いることによって、任意の屈折率の値および任
意の屈折率分布を持つ光導波路をきわめて簡単な方法で
作製できる。本発明によって光導波路設計の自由度は大
巾に増大する。
可能な非晶質シリコン膜を容易に作製でき、これを光導
波路に用いることによって、任意の屈折率の値および任
意の屈折率分布を持つ光導波路をきわめて簡単な方法で
作製できる。本発明によって光導波路設計の自由度は大
巾に増大する。
ス
第１図および第）図は本発明の基本となる実験結果をあ
られす図、第３図は実施例で述べた光導波路の概観図、
第４図は実施例で述べた光導波路の屈折率分布をあられ
す図である。 １０・・・基板、１１．１３・・・クラッド層、１２・
・・先導波層。 第 １ 口 木素濃膚（匍 遁 Ｚ 図 ／ ［ ［ ［］−
られす図、第３図は実施例で述べた光導波路の概観図、
第４図は実施例で述べた光導波路の屈折率分布をあられ
す図である。 １０・・・基板、１１．１３・・・クラッド層、１２・
・・先導波層。 第 １ 口 木素濃膚（匍 遁 Ｚ 図 ／ ［ ［ ［］−
Claims (1)
- １．基板上に作られた薄膜型の光導波路において、シリ
コンをターゲットとし、スパッタガスとしてアルゴン、
水素、窒素、酸素のいずれか２種以上を用い、それらの
組成を制御することによって屈折率を所定の値としたス
パッタ膜をコアまたはクラッドの少なくとも一部に用い
たことを特徴とする光導波路。 ２、基板上に作られた薄膜型の光導波路において、シリ
コンをターゲットとし、スパッタガスとしてアルゴン、
水素、窒素、酸素のいずれか２種以上を用い、それらの
組成を制御することによって屈折率を所定の値としたス
パッタ膜でコアまたはクラッドの少なくとも一部を形成
することを特徴とする光導波路の製造方法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59015179A JPS60162207A (ja) | 1984-02-01 | 1984-02-01 | 光導波路およびその製造方法 |
| US06/696,478 US4695122A (en) | 1984-02-01 | 1985-01-30 | Optical thin film waveguide |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59015179A JPS60162207A (ja) | 1984-02-01 | 1984-02-01 | 光導波路およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60162207A true JPS60162207A (ja) | 1985-08-24 |
Family
ID=11881591
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59015179A Pending JPS60162207A (ja) | 1984-02-01 | 1984-02-01 | 光導波路およびその製造方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4695122A (ja) |
| JP (1) | JPS60162207A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Families Citing this family (15)
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