JP2003043286A

JP2003043286A - 光導波路及びその製造方法

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Publication number: JP2003043286A
Application number: JP2001231092A
Authority: JP
Inventors: Katsuyuki Imoto; 克之井本
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2001-07-31
Filing date: 2001-07-31
Publication date: 2003-02-13
Anticipated expiration: 2021-07-31
Also published as: JP3823770B2

Abstract

(57)【要約】【課題】コア層とクラッド層との比屈折率差Δが大きい
にもかかわらず、コア層側面の荒れに依存する光損失が
小さい新しい構造の光導波路及びその製造方法を提供す
る。【解決手段】屈折率がｎbのコア層３とその外側に設け
られたコア層３よりも低い屈折率ｎcのクラッド層２と
を有し、コア層３の内部に１０００フェムト秒以下のパ
ルス幅の超短パルスレーザービームがそのビームスポッ
ト径を所望径に集光して照射されてコア層内部に屈折率
がｎa（ｎa＞ｎb）の高屈折率化領域４が形成されてい
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、高屈折率のコア層
内に超短パルスレーザービームを照射することにより、
コア層内の屈折率をさらに高めた高屈折率領域を形成す
ることにより、コア層内への光信号の閉じ込めを良くす
ると共に、コア層側面の荒れによる散乱損失を大幅に低
減するようにした光導波路及びその製造方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ガラス板の表面、あるいはその内
部にフェムト秒パルスレーザービームを集光、照射させ
ることにより、その照射された微小領域の屈折率を高
め、その高屈折率領域をガラス板のＸ，Ｙ，あるいはＺ
方向に連続的に形成する事によって光の伝搬する導波路
を実現する方法が提案されている。上記ガラス板とし
て、合成石英ガラス、フッ化物ガラス、光学ガラス等が
用いられ、シングルモード伝送用の導波路の作成が試み
られている。

【０００３】また、従来から低屈折率層内に略矩形状の
高屈折率のコア層を埋め込んだ埋め込み導波路が開発さ
れ実用に供されている。この埋め込み型導波路のコア層
として、ガラス、あるいはポリマ材料が用いられてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の導
波路には次のような課題が残されている。（１）従来の埋め込みガラス導波路は実用化されている
が、まだ損失が大きい、という課題が有る。すなわち、
略矩形状のコア層をフォトリソグラフィ、エッチングプ
ロセスによって作成しているので、そのコア層の側面荒
れに伴う散乱損失が大きい。（２）ポリマ材料を用いた導波路はポリマ材料自身の損
失が大きいために、ガラス導波路よりもさらに損失が大
きい。また耐熱性にすぐれた低損失ポリマ導波路はまだ
実現していない。（３）上記埋め込み導波路はコア層とその周囲の低屈折
率層との比屈折率差Δを大きくしていくと、損失が増大
する。たとえば、ガラス導波路の場合、Δが０．３％程
度では０．０１dB／cmが得られているが、Δを２％にす
ると、損失は増大し、０．１dB／cmになっている。この
損失増大は、コア層側面の荒れに依存するものがΔを大
きくするほど顕著になるためである。また、Δを上記よ
りもさらに大きくすることが難しい。なぜならば、コア
層内に屈折率制御用添加物をたくさん添加して屈折率を
高くしていくと、上記コア層と基板や低屈折率層等との
熱膨張係数のミスマッチングが大きくなり、基板の反り
が発生して導波路パターン精度が大幅に劣化してしまう
からである。（４）ガラス板の表面、あるいはその内部にフェムト秒
パルスレーザービームを集光、照射させることにより作
成した導波路はΔを大きくすることが難しく、現状では
０．３％程度である。このようにΔが小さいと、導波路
の小型化が難しい。また損失も現状では低くすることが
難しい。

【０００５】そこで、本発明の目的は前記した従来技術
の問題点を解決し、コア層とクラッド層との比屈折率差
Δが大きいにもかかわらず、コア層側面の荒れに依存す
る光損失が小さい新しい構造の光導波路及びその製造方
法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明の光導
波路は、屈折率がｎbのコア層とその外側に設けられた
該コア層よりも低い屈折率ｎcのクラッド層とを有し、
上記コア層の内部に１０００フェムト秒以下のパルス幅
の超短パルスレーザービームがそのビームスポット径を
所望径に集光して照射されて上記コア層内部に屈折率が
ｎa（ｎa＞ｎb）の高屈折率化領域が形成されているこ
とを特徴とするものである。

【０００７】なお、上記高屈折率化領域は、上記コア層
の中心部に形成されていることが望ましい。

【０００８】また、上記コア層の材質は、Ｔｉ，Ｇｅ，
Ｐ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｔａ等の高屈折率添加物を含んだＳｉ
Ｏ₂ガラス、あるいはポリシラン化合物からなるポリマ
であることが好ましく、また、上記コア層に希土類元素
が添加されていてもよい。

【０００９】本発明の光導波路の製造方法は、屈折率が
ｎbのコア層とその外側に設けられた該コア層よりも低
い屈折率ｎcのクラッド層とを有する光導波路基板を準
備し、上記コア層の内部に１０００フェムト秒以下のパ
ルス幅の超短パルスレーザービームをそのビームスポッ
ト径を所望径に集光して照射しつつ、上記超短パルスレ
ーザービームを光伝搬方向に沿って移動して、上記コア
層内部に屈折率がｎa（ｎa＞ｎb）の高屈折率化領域を
形成することを特徴とする。この場合、上記光導波路基
板は、基板上に上記コア層となるコア膜を形成する工
程、該コア膜を略矩形状の上記コア層に加工する工程、
該コア層を覆うように上記クラッド層を形成する工程に
より製造されたものを用いることができる。

【００１０】また、本発明の光導波路の製造方法は、基
板上に屈折率がｎbのコア層となるコア膜を形成し、該
コア膜の内部に１０００フェムト秒以下のパルス幅の超
短パルスレーザービームをそのビームスポット径を所望
径に集光して照射しつつ、前記超短パルスレーザービー
ムを光伝搬方向に沿って移動して、前記コア膜内部に屈
折率がｎa（ｎa＞ｎb）の高屈折率化領域を形成し、前
記コア膜を略矩形状の前記コア層に加工し、該コア層を
覆うように該コア層よりも低い屈折率ｎcのクラッド層
を形成することを特徴とする。

【００１１】上記した本発明の光導波路の製造方法にお
いては、集光された上記超短パルスレーザービームのス
ポット径は、シングルモード伝送用の導波路を考慮に入
れて、３μｍ以下とすることが好ましい。

【００１２】また、上記超短パルスレーザーの波長は、
２５０nmから１６００nmの範囲から選ばれることが望ま
しい。

【００１３】また、上記コア層又は上記コア膜の内部へ
の上記超短パルスレーザーの照射は、２回以上繰り返さ
れてもよい。

【００１４】また、上記コア層又は上記コア膜内にその
入力端から信号光を入力し、出力端で上記信号光を取り
出してモニタしつつ上記超短パルスレーザーを照射し、
上記モニタ光に応じて上記超短パルスレーザーの照射エ
ネルギーを調節することが望ましい。

【００１５】また、上記コア層又は上記コア膜を２５０
℃よりも高い温度に加熱しながら、上記超短パルスレー
ザーを照射することが望ましい。

【００１６】

【発明の実施の態様】本発明は、１）例えば、コア層が
ガラス材料、あるいはポリマ材料からなる埋め込み型導
波路の損失を大幅に低減することができる導波路構造、
２）コア層とクラッド層との比屈折率差Δが大きい導波
路、及び３）コア層内への光閉じ込めの良い導波路構造
を実現することを狙いとして創出されたものである。

【００１７】上記３つの従来にはない効果は、低屈折率
層内に添加物を含んだ略矩形状の高屈折率のコア層の埋
め込まれた導波路の該コア層の厚み及び幅方向の中心部
に、パルス幅が１０００ｆｓ（フェムト秒）以下の超短
パルスレーザービームをそのビームスポット径をコア層
の断面積よりも十分に小さい面積の領域にしぼって集光
して照射し、該コア層内の中心近傍の屈折率を高くする
ことによって得ることができる。なお、コア層全体をカ
バーするように照射すると、コア層の屈折率が全体的に
高くなり、コア層側面の荒れが一層強調されて散乱損失
がさらに大きくなるので好ましくない。

【００１８】上記レーザービームを照射された領域のコ
ア層の屈折率ｎaと照射されなかった領域のコア層の屈
折率ｎbとの比屈折率差Δを０．２％よりも高くなるよ
うに整形することにより、照射されたコア層中心部の屈
折率ｎaと低屈折率層の屈折率ｎcとの比屈折率差Δa
は、照射前のコア層の屈折率ｎbと低屈折率層の屈折率
ｎcとの比屈折率差Δbに比して大幅に大きくすることが
できる。

【００１９】また、上記コア層の中心部領域の屈折率を
超短パルスレーザービーム照射による光学的方法で高く
することにより、従来のフォトリソグラフィ、エッチン
グプロセスで形成したコア層側面の荒れに比して上記高
屈折率領域の側面部の荒れは小さく、且つΔaが大きい
ので、光信号はコア層中心部の高屈折率領域に強く閉じ
込められ、それにより、その領域での散乱損失を小さく
することができる。また、この高屈折率領域への光の閉
じ込めが一層強くなることから、コア層周辺部のフォト
リソグラフィ、ドライエッチング工程で作成した側面部
での荒れによる散乱損失は支配的でなくなる。

【００２０】本発明に用いるガラス、あるいはポリマ材
料からなる埋め込み導波路のコア層用材料については下
記に示すようなものを用いることができる。

【００２１】まず、ガラス材料としては、ＳｉＯ₂にＴ
ｉ，Ｇｅ，Ｐ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｔａ等の高屈折率添加物を
少なくとも１種類添加したものを用いることができる。
これらの添加物を含んだＳｉＯ₂コア層はレーザービー
ム照射で緻密化されやすい状態になるように、予め成膜
されていることが好ましい。たとえば、上記コア層の成
膜温度、アニール温度は低い方が好ましい。また上記添
加物には−Ｓｉ−Ｓｉ−結合系に結合しにくい添加物、
たとえば、Ｔｉが好ましい。また上記結合系と結合しに
くい成膜方法、低温成膜、低温アニールが好ましい。ま
た上記ガラス中に希土類元素が少なくとも１種添加され
ていてもよい。希土類元素としては、Ｅｒ，Ｎｄ，Ｔ
ｍ，Ｓｍ，Ｙｂ，Ｐｒ等である。このような希土類元素
を共添加することにより、光増幅器用や光発信器用導波
路を実現することができる。

【００２２】次に、ポリマ材料としては、ポリシラン化
合物にシリコーン化合物、あるいはシリコーン化合物と
光酸発生剤を添加したもの等を用いることができる。

【００２３】本発明においては、上記の超短パルスレー
ザービームを用いているので、照射されたガラス層、あ
るいはポリマ層は熱的なダメージを受けることなく、瞬
間的に高い光強度を持ちながら平均強度が低いので、短
時間で集光部分（コア層中心部）の狭い領域で屈折率変
化を生じさせることができる。すなわち、短時間でコア
層内部を更に高屈折率に変質させることが可能となる。
なお、上記屈折率変化を起こさせる度合いは超短パルス
レーザービームのパワー、被加工物（光導波路）と超短
パルスレーザービームの相対的移動速度を調節すること
により制御することができる。また同じ領域か少しずら
した領域に超短パルスレーザービームを複数回照射する
ようにしてもよい。

【００２４】また、光回路の光学特性のチェックを行な
いながら超短パルスレーザービームを照射するようにし
てもよい。すなわち、導波路のコア層内に光信号を入力
させ、その出力側から光信号を検出しながらのインライ
ンでモニタしつつ超短パルスレーザービーム照射量を調
節するようにすることにより、種々の光回路パターンを
形成した導波路型光回路の光学特性のチェック以外に、
上記光回路のトリミングによる光学特性の改善も可能と
なる。

【００２５】上記超短パルスレーザービームとして、波
長は２５０nmから１６００nmの範囲から選び、パルス幅
として、千ｆｓから数十ｆｓの範囲を選び、パルスの繰
り返し周波数を１０Ｈｚから２００ｋＨｚの範囲から選
ぶ。平均出力は数十ｍｗから数百ｍｗの範囲から選ぶの
が好ましい。コア層がポリマ層の場合には、上記超短パ
ルスレーザービームの波長は、上記ポリマ層の紫外線吸
収波長から外れた波長域、可視及び近赤外域から選ぶの
が好ましい。このようにコア層の中心部の屈折率を高く
することは、その領域、すなわち、光伝搬層内への光の
閉じ込めを一層良好にすることができる。

【００２６】またコア層にポリシラン化合物からなるポ
リマ材料を用いた場合には、上記超短パルレーザービー
ムを照射することにより、光伝搬層層内の有機物が取り
除かれて無機化され、且つ高密度で光散乱中心の少ない
光伝搬層層へ改質することができる。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図示した図面に基づ
いて詳細に説明する。

【００２８】図１に本発明の光導波路の第１の実施例を
示す。同図(a)は側面図、同図(b)は(a)のＢ−Ｂ線断面
内屈折率分布、同図(c)は(a)のＡ−Ａ線断面内屈折率分
布を示したものである。これは、基板１の上に形成され
た低屈折率層（クラッド層）２（屈折率ｎc）内に略矩
形状の高屈折率のコア層３（屈折率ｎb）が埋め込まれ
た構造である。そして上記コア層３内の中心部には所望
径Ｄ（３μｍ以下）の超短パルスレーザービームが照射
されて屈折率が高くなった高屈折率領域４（屈折率ｎ
a）を有している。

【００２９】ｎbとｎcとの比屈折率差Δｂは通常の方法
では、低屈折率層２、コア層３の形成プロセス及び熱処
理プロセスで生じる基板１の反りを考慮に入れると、２
％程度が上限である。ところが、本発明の構成では、コ
ア層３の中心部に超短パルスレーザービームを照射する
ことにより、その照射された領域の屈折率を０．２％か
ら１％程度高くすることができる。

【００３０】この高屈折率化は上記レーザービームのエ
ネルギーで制御することができる。たとえば、レーザー
パワー、基板の移動速度、複数回の繰り返し照射等であ
る。すなわち、コア層３の中心部の屈折率をｎbからｎa
に高くすることができる。これにより、低屈折率層２と
上記コア層中心部の高屈折率領域４との比屈折率差Δa
を２．２％以上、３％程度にまで高くすることができ
る。その結果、この構造を用いた導波路型光回路を大幅
に小型化することができる。

【００３１】またコア層３の中心部の高屈折率領域４の
側面部はレーザービーム照射により、滑らかな側面を形
成し、散乱損失の低い導波路構造にすることができる。
また高屈折率領域４への光の閉込め効果が増し、より低
散乱損失で伝搬させることができる。またレーザービー
ム照射により、高屈折率領域４はより緻密な層になるの
で、吸収損失も低減させることができる。

【００３２】図２は本発明の光導波路の第２の実施例を
示したものである。同図(a)は側面図、同図(b)は(a)の
Ｃ−Ｃ線断面内屈折率分布、同図(c)は(a)のＤ−Ｄ線断
面内屈折率分布を示したものである。これは、基板１と
コア層３、低屈折率層２との間に低屈折率nl（nl<nc）
のバッファ層５を設けた構造である。このバッファ層５
を設けることにより、コア層４内への光の閉じ込めを一
層強くすることができる。

【００３３】図３は本発明の光導波路の第３の実施例を
示したものである。同図(a)は側面図、同図(b)は(a)の
Ｅ−Ｅ線断面内屈折率分布、同図(c)は(a)のＦ−Ｆ線断
面内屈折率分布を示したものである。これは、コア層３
の中心部４内に超短パルスレーザービームを細径ビーム
スポット径（１μｍ以下）に集光して少しずつずらして
照射したものである。上記複数回の照射は同じ領域を照
射するか、少しずつずらして照射するようにしても良
い。

【００３４】図４は本発明の光導波路の第４の実施例を
示したものである。同図(a)は側面図、同図(b)は(a)の
Ｇ−Ｇ線断面内のコア層パターン図、同図(c)は(a)のＧ
−Ｇ線断面内屈折率分布を示したものである。これは、
光方向性結合器の実施例を示したものである。すなわ
ち、２つのコア層３−１，３−２を所望の結合長ｌにわ
たって所望の間隔Ｓで平行結合させることにより、矢印
７−１のごとく入射した光信号を矢印７−２，７−３の
ごとく光信号を等分配する回路である。そして、上記コ
ア層３−１，３−２の中心部に超短パルスレーザービー
ムを照射することにより、屈折率をｎbからｎaへ高屈折
率化したものである。

【００３５】図５は光方向性結合器のコアとクラッドと
の比屈折率差を変化させたときの、コア間距離と完全結
合長との関係を示す説明図である。上記ように、コア層
の中心部を高屈折率化すると、完全結合長Ｌは短くなる
ため、結合長ｌをより短くすることができ、光回路の小
型化を図ることができる。

【００３６】図６に本発明の光導波路の製造方法の実施
例を示す。これは、図２に示す光導波路の製造方法の工
程を示したものである。まず(a)に示すように、基板１
上に低屈折率層５、コア層３を順次成膜する。ついで
(b)に示すように、上記コア層３を略矩形状に加工する
プロセスを行なう。すなわち、コア層上にメタルマスク
用のＷＳｉ膜をスパッタリング法で成膜する。そのＷＳ
ｉ膜の上にフォトレジスト膜を塗布し、そのフォトレジ
スト膜上にフォトマスクを置いて紫外線照射により上記
フォトマスクパターンをフォトレジスト膜上に転写す
る。ついで、焼き付け、現像処理により、フォトレジス
トパターンを得る。このフォトレジストパターンをマス
クにして上記ＷＳｉ膜をドライエッチングする。その
後、上記ＷＳｉパターンをマスクにして上記コア層をド
ライエッチングして略矩形状コアパターンを得る。次に
(c)に示すように、上記略矩形状コアパターンを覆うよ
うに低屈折率の上部クラッド層２を形成する。ここまで
は従来の導波路の製造方法である。その後に(d)に示す
ように、コア層中心部へコア層パターンに沿って超短パ
ルスレーザービームを集光、照射することにより、コア
層中心部の高屈折率化を行なう。以上の様にして、(e)
に示すように、本発明の光導波路を実現することができ
る。

【００３７】なお、図６において、コア層中心部へコア
層パターンに沿って超短パルスレーザービームを集光し
て照射することにより、コア層中心部の高屈折率化を行
なう工程をコア層をドライエッチングして略矩形状コア
パターンを得た後に行なうようにしてもよい。このよう
にすると、レーザービーム照射時の雰囲気を制御するこ
とができるので、酸化性ガス雰囲気か不活性ガス雰囲気
かによって添加物の価数を調製したり、フッ素化雰囲気
で行なうことにより、脱ＯＨ基化させることもできる。
またコア層内に含まれている不純物（たとえば、有機
物）を除去することもできる。

【００３８】なお、上記した各実施例において、基板１
には、ガラス、セラミックス、プラスチック、半導体、
強誘電体、ガラスとプラスチックの複合材、さらには上
記材料の組み合わせ材料等を用いることができる。

【００３９】低屈折率層２には、ＳｉＯ₂, ＳｉＯ₂にＧ
ｅ，Ｐ，Ｔｉ，Ｂ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｔａ、Ｆ等の屈折率制
御用ドーパントを少なくとも一種添加したもの、ポリマ
層、有機と無機の複合層等を用いることができる。

【００４０】ポリシラン化合物からなるポリマ層３につ
いては、ポリシラン化合物にシリコーン化合物、あるい
はシリコーン化合物と光酸発生剤を添加したもの等を用
いる。

【００４１】ここで、まず本発明に適用できるポリシラ
ン化合物について述べる。本発明のコア層に適用できる
ポリシラン化合物としては、直鎖型及び分岐型のポリシ
ラン化合物を挙げることができる。分岐型と直鎖型は、
ポリシラン中に含まれるＳｉ原子の結合状態によって区
別される。すなわち、分岐型ポリシランとは、隣接する
Ｓｉ原子と結合している数（結合数）が、３または４で
あるＳｉ原子を含むポリシランである。これに対して、
直鎖型のポリシランは、Ｓｉ原子の、隣接するＳｉ原子
との結合数は２である。通常、Ｓｉ原子以外に、炭化水
素基、アルコキシ基または水素原子と結合している。こ
のような炭化水素基としては、炭素数１〜１０のハロゲ
ンで置換されていてもよい脂肪族炭化水素基、炭素数６
１〜１４の芳香族炭化水素基が好ましい。脂肪族炭化水
素基の具体例として、メチル基、プロピル基、ブチル
基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、トリフルオロ
プロピル基及びノナフルオロヘキシル基等の鎖状のも
の、及びシクロヘキシル基、メチルシクロヘキシル基の
ような脂環式のもの等が挙げられる。また芳香族炭化水
素基の具体例としては、フェニル基、ｐ−トリル基、ビ
フェニル基及びアントラシル基等が挙げられる。アルコ
キシ基としては、炭素数１〜８のものが挙げられる。具
体例としては、メトキシ基、エトキシ基、フェノキシ
基、オクチルオキシ基等が挙げられる。合成の容易さを
考慮すると、これらの中でメチル基及びフェニル基が特
に好ましい。

【００４２】分岐型ポリシランの場合には、隣接するＳ
ｉ原子との結合数が３または４であるＳｉ原子は、分岐
型ポリシラン中の全体のＳｉ原子数の２％以上であるこ
とがより好ましい。２％未満のものや直鎖型のポリシラ
ンは結晶性が高く、膜中で微結晶が生成し易いことによ
り光散乱の原因となり、光透明性が低下し易い。

【００４３】上記したポリシラン化合物は、ハロゲン化
シラン化合物をナトリウムのようなアルカリ金属の存在
下、ｎ−デカンやトルエンのような有機溶媒中において
８０℃以上に加熱することによる重縮合反応によって製
造することができる。また電解重合法や、金属マグネシ
ウムと金属塩化物を用いた方法でも合成可能である。

【００４４】分岐型ポリシランの場合には、オルガノト
リハロシラン化合物、テトラハロシラン化合物、及びジ
オルガノジハロシラン化合物からなり、オルガノトリハ
ロシラン化合物及びテトラハロシラン化合物が全体量の
２モル％以上であるハロシラン混合物を加熱して重縮合
することにより、目的とする分岐型ポリシランが得られ
る。ここで、オルガノトリハロシラン化合物は、隣接す
るＳｉ原子との結合数が３であるＳｉ原子源となり、一
方のテトラハロシラン化合物は、隣接するＳｉ原子との
結合数が４であるＳｉ原子源となる。なお、ネットワー
ク構造の確認は、紫外線吸収スペクトルや珪素の核磁気
共鳴スペクトルの測定により確認することができる。

【００４５】ポリシラン化合物の原料として用いられる
オルガノトリハロシラン化合物、テトラハロシラン化合
物、及びジオルガノジハロシラン化合物がそれぞれ有す
るハロゲン原子は、塩素原子であることが好ましい。オ
ルガノトリハロシラン化合物及びジオルガノハロシラン
化合物が有するハロゲン原子以外の置換基としては、上
記炭化水素基、アルコキシ基または水素原子が挙げられ
る。

【００４６】次に本発明のポリシラン化合物に添加する
シリコーン化合物としては、図７に示されるものを用い
ることが望ましい。ただし、式中、R₁からR₁₂は、炭素
数１〜１０のハロゲンまたはグリシジルオキシ基で置換
されていてもよい脂肪族炭化水素基、炭素数６〜１２の
芳香族炭化水素基、炭素数１〜８のアルコキシ基からな
る群から選択される基であり、同一でも異なっていても
よい。

【００４７】図７中、ａ、ｂ、ｃ及びｄは０を含む整数
であり、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ≧１を満たすものである。この
シリコーン化合物が有する脂肪族炭化水素基の具体例と
して、メチル基、プロピル基、ブチル基、ヘキシル基、
オクチル基、デシル基、トリフルオロプロピル基、グリ
シジルオキシプロピル基等のような脂環式のものが挙げ
られる。

【００４８】またアルコキシ基の具体例としては、メト
キシ基、エトキシ基、フェノキシ基、オクチルオキシ
基、ｔｅｒ−ブトキシ基等が挙げられる。

【００４９】上記のＲ１からＲ１２の種類及びａ、ｂ、
ｃ、ｄの値は特に重要ではなく、ポリシラン及び有機溶
媒と相溶し、膜が透明なものであれば特に限定されな
い。相溶性を考慮した場合には、使用するポリシランが
有する炭化水素基と同じ基を有していることが好まし
い。例えば、ポリシランとして、フェニルメチル系のも
のを使用する場合には、同じフェニルメチル系またはジ
フェニル系のシリコーン化合物を使用することが好まし
い。またＲ１からＲ１２のうち、少なくとも２つが炭素
数１〜８のアルコキシ系であるような、１分子中にアル
コキシ基を２つ以上有するシリコーン化合物は、架橋材
として利用可能である。そのようなものとしては、アル
コキシ基を１５から３５重量％含んだメチルフェニルメ
トキシシリコーンやフェニルメトキシシリコーン等を挙
げることができる。分子量としては、１００００以下、
好ましくは３０００以下のものが好適である。

【００５０】なお、膜中のＣＨ基やＯＨ基による光吸収
を低減するために、ポリシラン化合物やシリコーン化合
物に重水素化、あるいは一部または全てがハロゲン化、
特にフッ素化したものを用いれば、上記吸収基による光
損失を大幅に低減することができる。これにより、波長
依存性の少ない低光損失のポリマ膜を実現可能となり、
高性能導波路型光部品及び光デバイス用として幅広い範
囲に用途を拡大することが可能となる。

【００５１】またシリコーン化合物に架橋性、あるいは
アルコキシ基からなるものを用いることによって分岐型
ポリシラン化合物の中に均一に添加することができ、し
かもトルエンのような有機溶媒中に容易に可溶してナノ
メータレベルの超微粒子状溶液となり、上記ポリマ溶液
を用いることによって光散乱中心のない均一な構造体や
膜を形成することができる。

【００５２】次に上記低屈折率素２上へのポリマ層の成
膜方法について説明する。上記ポリマ化合物を有機溶媒
に溶かしてポリマ溶液とし、その溶液を上記低屈折率層
２上へスピンコーテイング法、押し出しコーテイング法
などで塗布する。ついで８０℃から１５０℃の温度範囲
で２０分から４０分程度プリベークする。その後に２０
０℃から３００℃の温度範囲で２０分から６０分程度の
ポストベークを行ない、ポリマ層とする。なお、上記プ
リベーク及びポストベークはプログラム式温度制御型電
気炉内で昇温、定温保持、昇温、定温保持、降温工程を
連続的に行なうようにしても良い。

【００５３】ここで、本実施例に用いる有機溶媒として
は、炭素数５〜１２の炭化水素系、ハロゲン化炭化水素
系及びエーテル系等が挙げられる。炭化水素の例として
は、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、シクロヘキサン、
ｎ−デカン、ｎ−ドデカン、ベンゼン、トルエン、キシ
レン、メトキシベンゼン等を用いることができる。ハロ
ゲン化炭化水素系の例としては、四塩化炭素、クロロホ
ルム、１，２−ジクロロエタン、ジクロロメタン、クロ
ロベンゼン等を用いることができる。エーテル系の例と
しては、ジエチルエーテル、ジブチルエーテル、テトラ
ハイドロフラン等を用いることができる。

【００５４】また低屈折率素２及び上部クラッド層８に
ついては以下のような材料を用いて構成しても良い。す
なわち、分岐度が２０％の分岐状ポリメチルフェニルシ
ラン化合物にシリコーン化合物を５０ｗｔ％添加したポ
リマを有機溶媒トルエンに溶かしてフォトブリーチング
用ポリマ溶液を作成し、この溶液に予め紫外線（１５０
ｗ水銀キセノンランプからの光を直径２０mmのイメージ
ファイババンドル内を伝搬させて出力させた光を約１０
cm離して照射、その出力は約１２００ｍｗ／cm ²）を１
３５分照射することによって屈折率を低下（波長６３
２．８nmにおける屈折率を紫外線照射前には１．６４５
から１．６２に低下）させ、この溶液を基板１上に塗布
し、１５０℃、２０分のプリベークの後に、２００℃、
２０分のポストベークを行なって低屈折率層２用のポリ
マ層とする方法である。上部クラッド層８も同様の方法
で形成することができる。

【００５５】本発明は上記実施例に限定されない。たと
えば、上記シリコーン化合物を添加したポリシラン化合
物に光酸発生剤（融点１９２℃、最大吸収派長７７nmの
パラメトキシスチルトリアジン）を２％から５％添加し
たポリマ層を用いてもよい。この場合には導波路損失は
多少増加傾向にあったが、紫外線レーザービーム照射に
よる低屈折率変化領域のパターンの深さ方向の均一性が
一層良くなり、より寸法精度の良い矩形状コア層を実現
することができた。上記光酸発生剤としては、トリアジ
ン系のものが良いことが分かった。

【００５６】上部クラッド層の上には紫外線カット層を
設けて長期的にコア層５の屈折率が変化しない様にして
もよい。

【００５７】本発明のコア層に用いるポリマ材料のポリ
シラン化合物、シリコーン化合物、トリアジン系化合
物、光酸発生剤等は種々のものを適用することができ
る。例えば、ポリシラン化合物には分岐度が２％以上の
分岐状ポリシラン化合物が光透明度の点から好ましい。
光酸発生剤にはトリアジン系が好ましく、その中でも長
波長での光透明度の高いもの、融点の高いものが好まし
い。シリコーン化合物も光透明度の高いもの、融点の高
いものなどが好ましい。

【００５８】上記超短パルスレーザービームとして、波
長は２５０nmから１６００nmの範囲（好ましくは８００
nmの波長）から選び、パルス幅として、数千ｆｓから数
十ｆｓの範囲から選び、パルスの繰り返しを１０Ｈｚか
ら２００ｋＨｚの範囲から選ぶ。平均出力は数十ｍｗか
ら数百ｍｗの範囲から選ぶのが好ましい。このようにコ
ア層の中心部の屈折率を高くすることはコア層内への光
の閉じ込めを一層強くし、且つ、上記超短パルスレーザ
ービーム照射でコア層内の有機物が一層取り除かれて無
機化され、且つ高密度で光散乱中心の少ない高均質なコ
ア層へ改質することができる。なお、上記超短パルスレ
ーザービームのパルス幅を狭くすればするほどそのパル
ス幅内のエネルギーは非常に高くなり、熱的なダメージ
を全く受けないで高屈折率化を実現することができる。
また上記超短パルスレーザービームの照射は基板を少な
くとも２５０℃よりも高い温度で加熱しながら行なうよ
うにすることが望ましい。このようにすると、より低損
失なコア層に改質させることができる。

【００５９】

【発明の効果】以上のように、本発明は以下に示すよう
な効果を奏することができる。（１）コア層がガラス材料、あるいはポリマ材料からな
る埋め込み型導波路の損失を大幅に低減することができ
る。（２）コア層（高屈折率化領域）とクラッド層との比屈
折率差Δが２％以上の高Δ導波路を実現することができ
る。（３）コア層内への光閉じ込めの良い導波路構造を実現
することができる。（４）上記３つの従来にない効果は、低屈折率層内に添
加物を含んだ略矩形状の高屈折率コア層の埋め込まれた
導波路の該コア層の厚み及び幅方向の中心部に、パルス
幅が１０００ｆｓ以下の超短パルスレーザービームをそ
のビームスポット径をコア層の断面積よりも十分に小さ
い面積の領域にしぼって集光、照射し、該コア層内の中
心近傍の屈折率のみをを高くすることによって得ること
ができる。なお、コア層全体をカバーするように照射す
ると、コア層の屈折率が全体的に高くなり、コア層側面
の荒れに依存した散乱損失が一層大きくなるので、好ま
しくない。上記レーザービームを照射された領域のコア
層の屈折率ｎaと照射されなかった領域のコア層の屈折
率ｎbとの比屈折率差Δを０．２％よりも高くなるよう
に整形することにより、照射されたコア層中心部の屈折
率ｎaと低屈折率層の屈折率ｎcとの比屈折率差Δaは、
照射前のコア層の屈折率ｎbと低屈折率層の屈折率ｎcと
の比屈折率差Δbに比して大幅に大きくすることができ
る。（５）上記コア層の中心部領域の屈折率を超短パルスレ
ーザービーム照射による光学的方法で高くしてもその高
屈折率領域の側面部の荒れは小さく、従来のフォトリソ
グラフィ、エッチングプロセスで形成したコア層側面の
荒れに比してはるかに小さいので、この領域での散乱損
失を小さくすることができる。また上記高Δaにより、
この高屈折率領域への光の閉じ込めが一層強くなり、逆
にフォトリソグラフィ、エッチングプロセスで形成した
コア層側面近傍の光強度は弱まり、その側面荒れ部での
散乱損失も極めて小さくなる。なお、本発明に用いるガ
ラス材料としては、ＳｉＯ₂にＴｉ，Ｇｅ，Ｐ，Ａｌ，
Ｓｎ，Ｔａ等の高屈折率添加物を少なくとも１種類添加
したものを用いるが、これらの添加物を含んだＳｉＯ ₂
コア層はレーザービーム照射で緻密化されやすい状態に
なるように、予め成膜されていることが好ましい。たと
えば、上記コア層の成膜温度、アニール温度は低い方が
好ましい。またーＳｉ−Ｓｉ―結合系に結合しにくい添
加物、たとえば、Ｔｉ添加物を用いるのがよい。また上
記添加物が上記系に結合しにくい成膜方法が好ましい。
またＥｒ，Ｎｄ，Ｔｍ，Ｓｍ，Ｙｂ，Ｐｒ等の希土類元
素を共添加することにより、高効率な光増幅や光発振用
導波路を構成することができる。（６）ポリマ材料として、ポリシラン化合物にシリコー
ン化合物、あるいはシリコーン化合物と光酸発生剤を共
添加したもの等を用いることにより、低コストな光回路
を実現することができる。またコア層にポリシラン化合
物からなるポリマ材料を用いた場合には、上記超短パル
レーザービーム照射で光伝搬層層内の有機物が取り除か
れて無機化され、且つ高密度で光散乱中心の少ない光伝
搬層層へ改質することができる。（７）超短パルスレーザービームを用いているので、照
射されたガラス層、あるいはポリマ層の熱的なダメージ
を受けることなく、瞬間的に高い光強度を持ちながら平
均強度が低いので、短時間でコア層中心部の狭い領域の
屈折率変化を生じさせることができる。すなわち、短時
間で高屈折率のコア層に変質させることが可能となる。
なお、上記屈折率変化を起こさせる度合いはレーザービ
ームのパワー、被加工物（光導波路）と超短パルスレー
ザービームとの相対的移動速度を調節することにより制
御することができる。また同じ領域に超短パルスレーザ
ービームを複数回照射するようにして高屈折率化するこ
とも容易にできる。（８）光回路の光学特性のチェックを行ないながら超短
パルスレーザービーム照射をすることができる。すなわ
ち、導波路のコア層（或いはコア膜）内に光信号を入力
させ、その出力側から光信号を検出しながらのインライ
ンでモニタしつつ超短パルスレーザービーム照射量を調
節することが出来るので、光回路の光学特性のチェック
以外に、その回路のトリミングによる光学特性の改善も
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光導波路の第１実施例を示す説明図で
ある。

【図２】本発明の光導波路の第２実施例を示す説明図で
ある。

【図３】本発明の光導波路の第３実施例を示す説明図で
ある。

【図４】本発明の光導波路の第４実施例を示す説明図で
ある。

【図５】光方向性結合器のコアとクラッドとの比屈折率
差を変化させたときの、コア間距離と完全結合長との関
係を示す説明図である。

【図６】本発明の光導波路の製造方法の実施例を示す説
明図である。

【図７】本発明のポリシラン化合物コア層に添加するシ
リコーン化合物の一例を示す説明図である。

【符号の説明】

１基板２クラッド層３コア層４高屈折率化領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】屈折率がｎbのコア層とその外側に設けら
れた該コア層よりも低い屈折率ｎcのクラッド層とを有
し、前記コア層の内部に１０００フェムト秒以下のパル
ス幅の超短パルスレーザービームがそのビームスポット
径を所望径に集光して照射されて前記コア層内部に屈折
率がｎa（ｎa＞ｎb）の高屈折率化領域が形成されてい
ることを特徴とする光導波路。
【請求項２】前記高屈折率化領域が、前記コア層の中心
部に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の
光導波路。
【請求項３】前記コア層の材質が、高屈折率添加物を含
んだＳｉＯ₂ガラス、あるいはポリシラン化合物からな
るポリマであることを特徴とする請求項１又は請求項２
に記載の光導波路。
【請求項４】前記コア層に、希土類元素が添加されてい
ることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに
記載の光導波路。
【請求項５】屈折率がｎbのコア層とその外側に設けら
れた該コア層よりも低い屈折率ｎcのクラッド層とを有
する光導波路基板を準備し、前記コア層の内部に１００
０フェムト秒以下のパルス幅の超短パルスレーザービー
ムをそのビームスポット径を所望径に集光して照射しつ
つ、前記超短パルスレーザービームを光伝搬方向に沿っ
て移動して、前記コア層内部に屈折率がｎa（ｎa＞ｎ
b）の高屈折率化領域を形成することを特徴とする光導
波路の製造方法。
【請求項６】前記光導波路基板は、基板上に前記コア層
となるコア膜を形成する工程、該コア膜を略矩形状の前
記コア層に加工する工程、該コア層を覆うように前記ク
ラッド層を形成する工程により製造されたものであるこ
とを特徴とする請求項５に記載の光導波路の製造方法。
【請求項７】基板上に屈折率がｎbのコア層となるコア
膜を形成し、該コア膜の内部に１０００フェムト秒以下
のパルス幅の超短パルスレーザービームをそのビームス
ポット径を所望径に集光して照射しつつ、前記超短パル
スレーザービームを光伝搬方向に沿って移動して、前記
コア膜内部に屈折率がｎa（ｎa＞ｎb）の高屈折率化領
域を形成し、前記コア膜を略矩形状の前記コア層に加工
し、該コア層を覆うように該コア層よりも低い屈折率ｎ
cのクラッド層を形成することを特徴とする光導波路の
製造方法。
【請求項８】集光された前記超短パルスレーザービーム
のスポット径が３μｍ以下であることを特徴とする請求
項５乃至請求項７のいずれかに記載の光導波路の製造方
法。
【請求項９】前記超短パルスレーザーの波長が、２５０
nmから１６００nmの範囲から選ばれることを特徴とする
請求項５乃至請求項８のいずれかに記載の光導波路の製
造方法。
【請求項１０】前記コア層又は前記コア膜の内部への前
記超短パルスレーザーの照射が、２回以上繰り返される
ことを特徴とする請求項５乃至請求項９のいずれかに記
載の光導波路の製造方法。
【請求項１１】前記コア層又は前記コア膜内にその入力
端から信号光を入力し、出力端で前記信号光を取り出し
てモニタしつつ前記超短パルスレーザーを照射し、前記
モニタ光に応じて前記超短パルスレーザーの照射エネル
ギーを調節することを特徴とする請求項５乃至請求項１
０のいずれかに記載の光導波路の製造方法。
【請求項１２】前記コア層又は前記コア膜を２５０℃よ
りも高い温度に加熱しながら、前記超短パルスレーザー
を照射することを特徴とする請求項５乃至請求項１１の
いずれかに記載の光導波路の製造方法。