JPS61267010A - 光導波回路及びその製造方法 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、光ファイバと光結合する光導波回路及びその
製造方法に関する。

従来の技術 最近の光ファイバを利用した光通信システムの発展には
目覚ましいものがある。この光通信システムを構成する
には、発光・受光素子のほか、光変調器、光スィッチ、
光分岐結合器、光合成分波器や光フィルタなどの光部品
が必要となり、また、それら光部品と光ファイバとの光
学的な結合が必要である。

初期の光通信システムでは、上記した光部品をレンズ、
ミラー、プリズムなどを組み合わせて構成していた。そ
のような光部品と光ファイバとの結合は比較的容易であ
るが、レンズ、ミラー、プリズムなど従来の光部品によ
って構成される光デバイスは、大型化すると共にコスト
が高くつき、さらに光通信用デバイスとして要求される
だけの機械的安定性、信頼性を持たせるのが困難となっ
ていた。

そこで、光導波路を基板上に形成した新しい光学系であ
る光導波回路が考案された。この光導波回路は、拡散法
や堆積法等によって、光損失が少なく屈折率の大きい物
質からなる光導波路を基板上に設け、その光導波路内に
光を伝搬させるものである。そして、光導波路の一部の
厚さを変化させることによってレンズやプリズムを構成
したり、電極を設けて光導波路に電解を印加することに
より光変調器を構成する等、各種光素子を基板上に構成
することができる。

さらに、光導波回路では、複数個の光素子をハイブリッ
ドもしくはモノリシックに集積化した、いわゆる光集積
回路が可能となる。このため、光回路の小型化、低コス
ト化、高性能化および高信頼化等への期待が生まれ、各
方面で光導波回路の研究開発が進められている。

発明が解決しようとする問題点 この光導波回路の光導波路内に光を導入するためには光
導波路を外部の光伝送路に結合させる必要がある。外部
の光伝送路としては光ファイバが最もよく用いられてお
り、通常、研摩された光ファイバの端面を光導波路の端
面に突き合わせることにより両者の光結合がなされてい
る。

しかしながら、光導波路の大きさおよび光ファイバのコ
ア径は、一般に非常に微細なものであり、例えば波長１
μｍの単一モード光を用いる場合には１０μｍ程度以下
にする必要がある。従って、光導波路と光ファイバの各
端面間の位置合わせを極めて精度高く行なわなければな
らない。もしも、位置合わせが良好に行なわれずに軸ず
れが生じると、結合度が低下して大きな結合損失を生じ
てしまう。

このように光導波回路を使用することにより、光デバイ
スは小型化できる反面、光ファイバとの結合に、多大な
労力が必要な極めて高精度の位置合わせを作業者がしな
ければならない。

そこで、高精度の位置合わせを比較的簡単に行なうため
に、第３図に示すように光ファイバと光導波路を結合さ
せる案内溝を形成する方法が考案され、「信学光電波全
大昭和５９年Ｎα３１１」で発表された。すなわち、基
板３上にバッファ層４、光導波層５およびカバ一層６か
らなるチャネル導波路７を形成すると同時に、光結合す
る光ファイバ１の外径と等しい間隔を有する２つのガイ
ド８をチャネル導波路７の中心線に対して対称の位置に
形成する。そして、ガイド８で構成された案内溝に光フ
ァイバ１を挿入することにより、チャネル導波路７と光
ファイバ１の軸合わせを行なうものである。

ところが、基板３と光導波層５との間に形成されたバッ
ファ層４は光導波−５の屈折率を相対的に大きくして光
導波層５内の光の閉じ込め効果を高めるためのものであ
り、通常１０μｍ程度の膜厚があれば十分である。また
、光導波層５の屈折率が基板１の屈折率に比べて十分大
きい場合にはバッファ層４は不要となるものである。こ
れに対して、光ファイバ１のクラッドは光ファイバとし
ての強度を保つために一般に数十μｍ以上の厚さを有し
ている。

このように、バッファ層４の厚さが光ファイバ１のクラ
ッドの厚さに比べて小さいので光ファイバ１を案内溝に
挿入したときには、光フアイバ１内のコア２の高さと光
導波層５の高さが合わなくなる。両者の高さが合わない
と、コア２の内部を伝送してきた光の大部分が光導波層
５に入射せずに損失となってしまう。そこで、コア２と
光導波層５の高さを合わせるために、従来は基板３に当
接する光ファイバ１のクラッドの一部を除去し、この部
分のクラッドの厚さをバッファ層４の厚さ程度に薄くし
てから光ファイバ１を案内溝に挿入していた。このよう
にすれば、少ない損失で光ファイバ１とチャネル導波路
７とを光結合させることができる。

しかしながら、微細な光ファイバのクラッドを薄くする
には大きな手間がかかるとともに、クラッドが薄くなっ
た光ファイバはその強度が低下して曲がりやすくまた折
れやすく、光フアイバ挿入時の作業能率が悪くなるとい
う問題がある。

かくして、本発明の目的は、光ファイバのクラッドを薄
くすることなく、容易にかつ正確に光ファイバと光結合
することができる光導波回路を提供することにある。

更に、本発明の目的は、上記したような光導波回路を容
易且つ確実に製造することができる製造方法を提供する
ことにある。

問題点を解決するための手段 本発明者は光ファイバと光結合する光導波路を種々研究
した結果、光導波回路の基板の一部を除去して案内溝を
形成すれば、光ファイバのクラッドを薄くすることなく
、光導波回路と光ファイバとを軸合わせすることができ
ることを見出した。

すなわち、本発明の光導波回路は、基板と、該基板上に
形成され、外部の光ファイバと光結合する光導波路とを
有する光導波回路において、前記基板は、前記光ファイ
バの一端の外周面を当接することにより該光ファイバと
前記光導波路とを軸合わせする案内溝を有していること
を特徴とする。

そして、上記した本発明による光導波回路は、本発明に
より、平らな表面を有する基板上に、該基板と組成の異
なる光学透明材料を少なくとも２層形成し、該光学透明
材料層を所定のパターンに従ってエツチング除去して、
光導波路を形成すると共に、該光導波路の一端の両側に
ガイドを形成し、次いで、前記光学透明材料は除去しな
いが前記基板は除去するエツチング材で、前記光導波路
の一端と前記ガイドとに囲まれる基板露出面をエツチン
グすることにより製造することができる。

なお、本発明の好ましい態様においては、基板がＳｉか
らなり、光導波路は、基天上に形成され基板の屈折率よ
り大きい屈折率を有する第１層と、該第１層の上に形成
され且つ第１層の屈折率より小さい屈折率を有する第２
層とから構成でき、また、基板上に形成された第１層と
、該第１層の上に形成され且つ第１層の屈折率より大き
い屈折率を有する第２層と、該第２層の上に形成され且
つ第２層の屈折率より小さい屈折率を有する第３層とか
ら構成できる。

また、好ましくは、基板上に設けられる案内溝が■溝あ
るいは方形溝である。

作用 以上のような光導波回路の構成とすることによって、予
め所定の大きさに形成された基板の案内溝に光ファイバ
を挿入するだけで、基板上に形成されている光導波路と
光フアイバ内のコアとを軸合わせすることができる。

また、上記した本発明による製造方法によれば、上記し
た光導波路と光フアイバ内のコアとを軸合わせすること
ができる溝を確実且つ容易に製造することができる。

実施例 以下、本発明の実施例について添付図面を参照して説明
する。

第１図は本発明の一実施例に係る光導波回路の部分的斜
視図である。本実施例は、■字形の案内溝９が設けられ
た基板３と、基板３の上に形成されたバッファ層４、光
導波層５および光導波層５を保護するためのカバ一層６
からなるチャネル導波路７と、同じく基板３の上に形成
され且つ光ファイバｌの外径と等しい間隔を有する２つ
のガイド８から構成されている。そして、光導波層５を
構成する光透明材料の屈折率が、バッファ層４及びカバ
一層６を構成する材料の屈折率より大きくなされている
。すなわち、第３図の従来例において基板３に■字形の
案内溝９を設けたものである。

次に、以上のような光導波回路の製造方法を第２図（１
）〜（４）の工程図を参照しながら説明する。

まず、第２図（１）に示される基板３としては、後に■
字形あるいは方形の案内溝を形成するために異方性エツ
チングが可能な材料が選ばれ、サファイア、Ｓｉ等を用
いることができる。中でも、Ｓｌは入手し易く、加工方
法も確立されてふり、最も有効な材料となる。

次に第２図（２）のようにこの基板３上にバッファ層４
、光導波層５およびカバ一層６を順次積層する。このと
き、光を光導波層５内に閉じ込めるために、上記したよ
うに光導波層５をバッファ層４およびカバ一層６より大
きな屈折率を有する物質で構成する。ただし、光導波層
５の屈折率が基板３の屈折率より十分大きい場合には、
バッファ層４を省略しても光導波層５内への光の閉じ込
め効果が得られる。したがって、基板３の上に光導波層
５およびカバ一層６のみを積層すればよい。

なお、バッファ層４、光導波層５およびカバ一層６をＳ
ｉＯ２系の結晶で形成する場合には、積層方法として主
にＣＶＤ法あるいはプラズマＣＶＤ法が用いられ、Ｔａ
２１ｓ等の結晶で形成する場合にはスパッタ法が主に用
いられる。

また、バッファ層４およびカバ一層６の屈折率を光導波
層５より小さくするためには、バッファ層４、光導波層
５およびカバ一層６をＳｉ　Ｏ，系の結晶で形成する場
合、バッファ層４およびカバ一層６としてフッ素あるい
はホウ素などの屈折率減少ドーパントが添加された材料
を用いるか、あるいは光導波層５としてＧｅのような屈
折率増加ドーパントが添加された材料を用いればよい。

また、これら両者を組み合わせて、屈折率減少ドーパン
トが添加されたバッファ層４の上に屈折率増加ドーパン
トが添加された光導波層５を形成してもよい。

次に、第２Ｅ９（３）に示されるように、チャネル導波
路のパターンおよび光フアイバ挿入用のガイドのパター
ンを残して他の部分のカバ一層６、光導波層５およびバ
ッファ層４を除去し、基板３の表面を露出させる。除去
の方法としては、ウエツｌ’エツチングおよびドライエ
ツチングを用いることができるが、微細パターンを形成
するときにはパターン寸法変化の少ない異方性エツチン
グが必要であり、ＣＦ４等をエツチングガスとして用い
るＲＩＥ法が有効となる。

さらに、上記の工程で表面が露出した基板３をエツチン
グすることにより、第２図（４）のように光フアイバ挿
入用の■字形あるいは方形の案内溝９を形成する。ただ
し、本工程ではカバ一層６光導波層５およびバッファ層
４をエツチングせずに、基板３のみをエツチングする方
法を用いる必要がある。基板３としてＳｉを用いた場合
には、ＫＯＨ。

ＨＦ　＋　ＨＮ　Ｏ３＋ＣＨ３ＣＯＯＨ、Ｎ　２　Ｈ４
＋ＣＨ３ＣＨＯＨＣ８３等を結晶面異方性エツチング材
とするウェットエツチング、あるいはＣＣ１，、ＣＣｌ
２Ｆ２、ＣＣｌＦ３、Ｃ２Ｆ６＋ＣＩ２、ＣＢ　、　Ｆ
　３等をエツチングガスとするプラズマエツチングを用
いて、異方性エツチングを行なうことができる。

また、基板３としてサファイアを用いた場合には、Ｈｓ
ＰＯ４をエツチング液とするウェットエツチング等を用
いることができる。

なお、案内溝９の形状は基板３の材質と基板３の表面を
構成している結晶面の面指数右よびエツチング法によっ
て決定され、例えばＳｉ基板３をアルカリエツチングす
る場合、（１００）面を基板表面とすると７字形に、ま
た、（１１０）面を基板表面とすると方形に形成される
。

次に、具体例を説明する。

まず、（１００）面を上面とするＳｉ基板３の上に、バ
ッファ層４としてフッ素ドープ５ｉＯｚを厚さｌＯμｍ
１光導波層５として純粋シリカを厚さ５０μｍさらにカ
バ一層６としてフッ素ドープ５ｉｎ２を厚さ１０μｍそ
れぞれプラズマＣＶＤ法により順次積層した。

次に、チャネル導波路７および２つのガイド８のパター
ンのクロムマスクをリフトオフ法によって形成し、ＣＦ
、をエツチングガスとしてＲＩＥを施し、基板３の表面
が露出するまでカバ一層６、光導波層５およびバッファ
層４をエツチングした。

このとき、チャネル導波路７の幅を５０μｍ、２つのガ
イド８の間隔を１２５μｍとした。

さらに、クロムマスクを除去した後、ＫＯＨを用いて２
つのガイド８の間の基板３表面を７字形にウェットエツ
チングし、基板３が深さ方向に２７．５μｍだけエツチ
ングされた時点でエツチングを終了した。

このようにして製造された本実施例の光導波回路の案内
溝９に外径１２５μｍ１コア２の径５０μｍの光ファイ
バ１を当接させて光結合させたところ、およそ１ｄＢの
損失で結合した。従って、非常に効、　　率よく光結合
していることがわかろう。

３…ｐ里里 以上詳細に説明したように、本発明によれば、容易にか
つ極めて効率よく光導波回路と光ファイバとの光結合を
行なうことができる。しかも、結合のために光ファイバ
のクラッドを薄くする必要がないので、手間が省け、作
業能率が改善される。

さらに、光ファイバの強度が低下しないので、本発明の
光導波回路を用いた装置あるいはシステムはその安定性
および信頼性が向上する。

又、上記した本発明の光導波回路の製造方法によれば、
上記した本発明による光導波回路の溝を容易且つ確実に
作ることができる。従って、本発明の製造方法を使用す
ることにより、本発明にょる光導波回路を安価に多量に
製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の１実施例に係る光導波回路の部分的
斜視図、 第２図（１）〜（４）は、本発明による光導波回路を製
造する本発明の光導波回路の製造方法の１実施例の工程
図、 第３図は従来例の部分的斜視図である。 （主な参照番号） １・・光ファイバ、　　２・・コア、 ３・・基板、　４・・バッファ層、 ５・・光導波層、　６・・カバ一層、 ７・・チャネル導波路、　　８・・ガイド、９・・案内
溝

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板と、該基板上に形成され、外部の光ファイバ
   と光結合する光導波路とを有する光導波回路において、 前記基板は、前記光ファイバの一端の外周面を当接する
   ことにより該光ファイバと前記光導波路とを軸合わせす
   る案内溝を有していることを特徴とする光導波回路。
2. （２）前記基板がＳｉからなることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項に記載の光導波回路。
3. （３）前記光導波路が、前記基板上に形成され前記基板
   の屈折率より大きい屈折率を有する第１層と、該第１層
   の上に形成され且つ該第１層の屈折率より小さい屈折率
   を有する第２層とからなることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項または第２項に記載の光導波回路。
4. （４）前記光導波路が、前記基板上に形成された第１層
   と、該第１層の上に形成され且つ該第１層の屈折率より
   大きい屈折率を有する第２層と、該第２層の上に形成さ
   れ且つ該第２層の屈折率より小さい屈折率を有する第３
   層とからなることを特徴とする特許請求の範囲第１項ま
   たは第２項に記載の光導波回路。
5. （５）前記案内溝がＶ溝であることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項ないし第４項のうちいずれか１項に記載
   の光導波回路。
6. （６）前記案内溝が方形溝であることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項ないし第４項のうちいずれか１項に記
   載の光導波回路。
7. （７）平らな表面を有する基板上に、該基板と組成の異
   なる光学透明材料を少なくとも２層形成し、該光学透明
   材料層を所定のパターンに従ってエッチング除去して、
   光導波路を形成すると共に、該光導波路の一端の両側に
   ガイドを形成し、次いで、前記光学透明材料は除去しな
   いが前記基板は除去するエッチング材で、前記光導波路
   の一端と前記ガイドとに囲まれる基板露出面をエッチン
   グすることを特徴とする光導波回路の製造方法。
8. （８）前記光導波路の一端と前記ガイドとに囲まれる基
   板露出面の前記エッチングは、異方性エッチングである
   ことを特徴とする特許請求の範囲第７項記載の光導波回
   路の製造方法。
9. （９）前記基板は、Ｓｉの単結晶であり、その前記平ら
   な表面は、（１００）面であり、前記エッチングにより
   Ｖ溝を形成することを特徴とする特許請求の範囲第８項
   記載の光導波回路の製造方法。
10. （１０）前記基板は、Ｓｉの単結晶であり、その前記平
    らな表面は、（１１０）面であり、前記エッチングによ
    り方形溝を形成することを特徴とする特許請求の範囲第
    ８項記載の光導波回路の製造方法。