JP2003075659A

JP2003075659A - 光導波路形成方法及び光導波路

Info

Publication number: JP2003075659A
Application number: JP2001270151A
Authority: JP
Inventors: Yoshimichi Oki; 義路大木; Hiromitsu Kato; 宙光加藤; Makoto Fujimaki; 真藤巻; Takashi Noma; 崇野間
Original assignee: Waseda University
Current assignee: Waseda University
Priority date: 2001-09-06
Filing date: 2001-09-06
Publication date: 2003-03-12

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】所定の誘起光を照射することによる屈折率変
化を短時間で行うこと。【解決手段】コア１１とクラッド１２の材料をシリコ
ン酸窒化物で形成して、紫外光Ｌを照射し、当該照射部
分の屈折率を変化させて周囲に対して屈折率の異なる部
分を形成して、コア１１へグレーテイング構造を形成す
る。更に光照射によるコア・クラッド構造の形成も可能
となる。窒素の含有率が６原子％を超えるシリコン酸窒
化物では、窒素の含有率の増加に伴って高密度化による
光誘起屈折率の増加量が大きくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光導波路形成方法
及び光導波路に係り、更に詳しくは、周囲に対して屈折
率の異なる部分を短時間で製造可能となる光導波路形成
方法及び光導波路に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ゲルマニウム（Ｇe）ドープ
の石英（ＳiＯ_２）からなるコアと、純粋の石英からな
るクラッドとからなる石英系の光ファイバーに、複数の
貫通穴が形成されたマスクを外側から被せ、当該マスク
の外側から紫外光を照射することにより、前記貫通穴に
対応するコアの部分にグレーティングを形成する方法が
知られている。このように形成されたグレーティングを
有する光導波路は、光の分波器やフィルター、若しく
は、反射ミラー等として利用される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
方法にあっては、ゲルマニウムがドープされたコアを用
いており、バンドギャップが広く紫外光感度が低いた
め、グレーティングの形成時間が必然的に長くなり、グ
レーティングの製造効率が低下するという不都合があ
る。

【０００４】

【発明の目的】本発明は、このような不都合に着目して
案出されたものであり、その目的は、所定の誘起光を照
射することによる屈折率変化を短時間で行うことができ
る光導波路形成方法及び光導波路を提供することにあ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、珪素、酸素及び窒素を含む光導波材料に
所定の誘起光を照射し、当該照射部分の屈折率を変化さ
せることにより、周囲に対して屈折率の異なる部分を形
成する、という手法を採っている。このような手法によ
れば、シリコン酸窒化物に例示される珪素、酸素及び窒
素を含む光導波材料は、ゲルマニウム添加シリカガラス
に比べてバンドギャップが狭く紫外光感度が高いため、
ゲルマニウム添加シリカガラスを用いた光導波路より
も、光誘起による屈折率変化を短時間で行うことがで
き、グレーティング等の製造効率を高めることができ
る。

【０００６】また、本発明は、珪素、酸素及び窒素を含
む光導波材料によって形成された光導波路であって、所
定の誘起光を照射したときに、当該照射部分の屈折率が
変化する、という構成を採っており、このような構成に
よっても、前述した目的を達成しようとしたものであ
る。

【０００７】

【発明の実施の形態】前記光導波材料として、シリコン
酸窒化物（ＳiＯ_ｘＮ_ｙ）を用いるとよい。このように
したときには、光導波材料に誘起光を照射して屈折率を
変化させた後で熱処理した場合に、耐性が強くなり熱に
対する安定性を高くすることができる。これは、シリコ
ン酸窒化物の光誘起による屈折率の変化要因として、高
密度化による要因が７０％以上を占める一方、光誘起欠
陥による要因が数％に過ぎず、前者の要因によって屈折
率が変化したシリコン酸窒化物は、熱に対する安定性が
高いことに起因する。

【０００８】また、前記窒素の含有率を変化させて、前
記照射部分の屈折率変化量を調整する、という手法を採
ることが好ましい。このような手法によれば、屈折率変
化量の調整を比較的簡単に行うことができる。

【０００９】更に、窒素の含有率が６原子％を超える光
導波材料を用いる、という手法を採用するとよい。窒素
の含有率が６原子％以下の光導波材料では、前記屈折率
変化量が殆ど見られない一方、窒素の含有率が６原子％
超える光導波材料を用いると、窒素の含有率の増大に伴
って屈折率変化量が増大することとなる。

【００１０】また、前記光導波材料を光導波路のコア及
びクラッドに用い、コアの窒素の含有率をクラッドより
も高く設定し、前記コア及びクラッドに前記誘起光を照
射してコアの屈折率変化量をクラッドの屈折率変化量よ
りも増大させることにより、周囲に対して屈折率が最も
高くなる部分を形成する、という手法を採用することが
できる。このような手法によれば、コアとクラッドとの
間で窒素の含有量のみが相違する同一材料によってグレ
ーティング等を有する光導波路を形成することができ、
モノシックな光導波路の形成が可能となる。

【００１１】なお、本明細書において、「誘起光」と
は、窒素を含む光導波材料に照射されたときに、光誘起
による屈折率変化を発生可能となるエネルギーを有する
光を意味し、具体的には、紫外光及び当該紫外光よりも
波長の短い光を含む概念として用いる。

【００１２】また、「光導波路」とは、光の通路が形成
された光デバイス部品の総称として用い、例えば、光フ
ァイバーや複数の板状材料を積層してなる平面光導波路
の他に光集積回路等をも含む。

【００１３】更に、「原子％」とは、物質全体の原子数
を１００としたときの所定元素の原子数、すなわち、原
子百分率を意味する。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図面を参照
しながら説明する。

【００１５】図１には、本実施例に係る光導波路として
の光ファイバーの断面図が示されている。この図におい
て、光ファイバー１０は、コア１１と、このコア１１の
周囲に設けられたクラッド１２とにより構成されてい
る。これらコア１１及びクラッド１２は、それぞれシリ
コン酸窒化物（ＳiＯ_ｘＮ_ｙ）により形成されている。
コア１１は、クラッド１２よりも窒素の含有率が高く設
定され、これによって、クラッド１２よりも屈折率が高
くなっている。

【００１６】なお、光ファイバー１０の形成に際して
は、ＣＶＤ法等の公知の各種方法を用いて行うことがで
きる。

【００１７】この光ファイバー１０に、誘起光としての
紫外光を照射し、周囲に対して屈折率の異なる部分とな
るグレーティングを形成する場合には、図２に示される
ように、貫通穴Ｈが所定のピッチで形成されたマスクＭ
を光ファイバー１０の外側から被せ、貫通穴Ｈの上方か
ら紫外光Ｌを照射することによって行われる。この際、
貫通穴Ｈが形成されていないマスクＭの部分に相対する
光ファイバー１０の部分には、紫外光Ｌが当たらず、当
該紫外光Ｌを照射する前の状態から殆ど変化しない。一
方、貫通穴Ｈに相対する光ファイバー１０の部分は、紫
外光Ｌが当たるため、当該紫外光Ｌにより誘起されて屈
折率が増加し、これによって、紫外光Ｌが照射されたコ
ア１１の部分に、その周囲よりも高屈折率のグレーティ
ング部１３が形成される。すなわち、貫通穴Ｈのピッチ
に応じたグレーティング部１３がコア１１に形成される
ことになる。ここで、コア１１及びクラッド１２は、そ
れぞれシリコン酸窒化物（ＳiＯ_ｘＮ_ｙ）によって形成
されているが、窒素の含有率に差があるため、紫外光Ｌ
が照射される部分における屈折率の増加量は、コア１１
及びクラッド１２間で差が生じ、具体的には、コア１１
の屈折率増加量がクラッド１２よりも大きくなる。ま
た、シリコン酸窒化物の窒素含有量を６原子％以下とし
た場合には、後述するように、紫外光Ｌを照射しても屈
折率が殆ど増加しないため、クラッド１２の窒素含有量
を６原子％以下とすると、クラッド１２との屈折率の差
がより高いグレーティング部１３を形成することができ
る。なお、以上の窒素含有量は、例えば、光電子分光法
によって測定される。

【００１８】次に、本発明の作用を奏し得る範囲を確認
するために、以下の実験を行った。

【００１９】本実験は、窒素含有率がそれぞれ異なる六
種類のシリコン酸窒化物に紫外光を照射し、それによる
光誘起屈折率の変化量をエリプソメータで測定したもの
である。ここでのシリコン酸窒化物の窒素含有率は、
３．６原子％、６．０原子％、６．１原子％、７．０原
子％、７．７原子％、９．６原子％とした。また、紫外
光の光源としては、ＫrＦエキシマレーザを用い、その
照射条件として、レーザパワー密度を１パルス当たり３
００mＪ／ｃｍ²とし、繰り返し周波数を１０Ｈｚとし
た。なお、シリコン酸窒化物の窒素含有率は、光電子分
光法によって測定した数値である。

【００２０】以上の実験の結果、図３に示されるよう
に、６．０原子％以下の窒素含有率のシリコン酸窒化物
では、照射パルス数が２．５×１０⁵以下で光誘起屈折
率の変化が殆ど見られなかった。一方、６．０原子％を
超える窒素含有率のシリコン酸窒化物では、照射パルス
数が２．５×１０⁵以下で窒素含有率の増加に伴い１パ
ルス当たりの屈折率変化量が増加することが実証され
た。すなわち、６．０原子％を超える窒素含有率のシリ
コン酸窒化物では、窒素含有率の増加に伴って紫外光感
度が増加する。このように、シリコン酸窒化物の屈折率
が変化する要因としては、光誘起欠陥による要因と高密
度化による要因とが考えられるが、シリコン酸窒化物の
場合には、高密度化による屈折率変化が支配的であるこ
とが今回の実験に付随して行った実験により分かった。
一般的には、光誘起欠陥による屈折率変化よりも、高密
度化による屈折率変化の方が熱処理に対して耐性が強い
とされるため、紫外光誘起によって屈折率が増大された
シリコン酸窒化物は、熱に対して高い安定性を有してい
ることが明らかに理解されるであろう。なお、高密度化
が屈折率変化に寄与する割合は、窒素含有率によって変
わり、窒素含有率が７．０原子％のシリコン酸窒化物で
９８％程度となる一方、窒素含有率が９．６原子％のシ
リコン酸窒化物で７０％程度となり、窒素含有率の増大
に伴って減少することも分かった。

【００２１】従って、このような実施例によれば、シリ
コン酸窒化物のバンドギャップが、従来の光ファイバー
のコアに用いられるゲルマニウム（Ｇe）ドープの石英
（ＳiＯ_２）よりも狭く紫外光感度が高いため、一定以
上の窒素含有率のシリコン酸窒化物からなる光ファイバ
ー１０に紫外光Ｌを当ててグレーティング１３を形成し
たときに、当該グレーティング１３の形成を従来の石英
系光ファイバーよりも早く行うことができるという効果
を得る。

【００２２】また、窒素の含有率の相違によって光誘起
屈折率の増加量が変わるため、窒素の含有量を増減させ
ることで、光誘起屈折率の変化量を簡単に調整すること
ができるという効果をも得る。

【００２３】なお、前記実施例では、グレーティング１
３を有する光ファイバー１０の形成について説明した
が、本発明はこれに限らず、グレーティング１３を有し
ない光ファイバー１０の形成に適用することもできる。
すなわち、図４に示されるように、６．０原子％を超え
る一定の窒素含有率のシリコン酸窒化物で略円柱状の基
材Ｂを形成し、略中央に平面視円形状の貫通穴Ｈが形成
されたマスクＭを、基材Ｂにおける軸線方向一端面側に
対向させ、マスクＭの外側から紫外光Ｌを照射する。す
ると、貫通穴Ｈに対向する基材Ｂの部分から図中下方に
向かって紫外光Ｌが照射され、当該照射部分の屈折率が
増加してコア１１を形成することができ、紫外光Ｌが照
射されずに屈折率が変化しない残り部分をクラッド１２
とすることができる。従って、このような場合には、従
来よりも簡単且つ迅速に光ファイバー１０を形成するこ
とが可能になる。

【００２４】また、図５に示されるように、本発明を平
面光導波路２０に適用することも可能である。この平面
光導波路２０は、シリコン基板Ｂと、このシリコン基板
Ｂに積層されるシリコン酸窒化物製の表層２１とからな
る。この表層２１は、上下一対のクラッド層２２，２２
と、これらクラッド層２２，２２の間に挟みこまれたコ
ア層２３とからなり、このコア層２３の一部に、紙面直
交方向に延びる光伝送路２４が形成されている。クラッ
ド層２２は、６．０原子％以下となる窒素含有率のシリ
コン酸窒化物によって形成される一方、コア層２３は、
６．０原子％を超える窒素含有率のシリコン酸窒化物に
よって形成されている。光伝送路２４は、周囲のクラッ
ド層２２やコア層２３よりも高屈折率となっており、こ
れによって、光伝送路２４に入射した光は、光伝送路２
４に沿って伝播することとなる。この光伝送路２４は、
シリコン基板Ｂに表層２１を積層した後で、所望する光
伝送路２４の平面形状に対応した平面形状の貫通穴Ｈが
形成されたマスクＭを光導波路２０の上方に配置し、マ
スクＭの上方から紫外光Ｌを照射することによって形成
される。この際、紫外光Ｌは、貫通穴Ｈに相対する平面
光導波路２０の部分に照射されるが、クラッド層２２
は、６．０原子％以下となる窒素含有率のシリコン酸窒
化物によって形成されるため、紫外光Ｌが照射されるク
ラッド層２２の部分の屈折率は殆ど変化しない。一方、
コア層２３は、６．０原子％を超える窒素含有率のシリ
コン酸窒化物によって形成されるため、貫通穴Ｈの下方
に位置して紫外光Ｌが照射されるコア層２３の部分は、
紫外光Ｌの照射前よりも屈折率が増加し、これによっ
て、周囲よりも屈折率の高い光伝送路２４の形成が可能
となる。

【００２５】ところで、シリコン基板Ｂに表層２１を積
層する工程は、例えば、以下の手順で行われる。

【００２６】すなわち、平行平板型のプラズマ化学気相
堆積装置を用い、三種類のガス（ＳiＨ_４、Ｎ_２Ｏ、Ｎ
_２）を原料として、ＳiＨ_４ガスの流量を変えること
で、窒素含有率の異なるシリコン酸窒化物（表層２１）
をシリコン基板Ｂに堆積する。ここでは、上部電極に最
高周波数を印加することで、デポガス（ＳiＨ_４、Ｎ_２
Ｏ、Ｎ_２）を分解する一方、下部電極に最低周波数を印
加することで、膜質ストレスをコントロールする。な
お、この際の各種条件としては、以下の条件が例示でき
る。最高周波数（１３．５６ＭＨｚ）：０．５４ＫＷ最低周波数（４００ＫＨｚ）：０．３８ＫＷ圧力：１．８Ｔｏｒｒ基板温度：４００℃ ＳiＨ_４ガスの流量：１５０ｓｃｃｍ、２５０ｓｃｃ
ｍ、３５０ｓｃｃｍ、４５０ｓｃｃｍ、５５０ｓｃｃｍＮ_２Ｏガスの流量：９４００ｓｃｃｍ（一定）Ｎ_２ガスの流量：５４００ｓｃｃｍ（一定）

【００２７】なお、平面光導波路２０の形成に際して
は、前述したプラズマ化学気相堆積法（ＰＥＣＶＤ法）
の他に、他のＣＶＤ法等、公知の各種方法を用いて行う
ことができる。

【００２８】この場合では、平面光導波路２０における
光伝送路２４を、紫外光Ｌの照射によって描画するよう
に形成でき、従来の一般的な手法であるエッチングによ
って形成する必要がなくなって光伝送路２４をより簡単
に形成することができる。

【００２９】なお、以上の説明において、シリコン酸窒
化物の屈折率を調整するために、シリコン酸窒化物に紫
外光Ｌを照射しているが、本発明はこれに限らず、紫外
光Ｌよりも波長の短い他の誘起光をシリコン酸窒化物に
照射することも可能である。要するに、本発明に適用さ
れる誘起光としては、窒素を含む光導波材料に照射した
ときに、光誘起による屈折率変化を発生し得る高エネル
ギーの光であれば何でも良い。

【００３０】また、誘起光が照射される光導波材料とし
て、シリコン酸窒化物を用いたが、前述と同様の作用を
奏し得る限りにおいて、珪素、酸素及び窒素を含む他の
光導波材料を適用することも可能である。

【００３１】更に、前述した光ファイバー１０或いは平
面光導波路２０の形成において、マスクＭを用いたが、
紫外光Ｌ等の誘起光を集光することで当該誘起光を所望
の場所にスポット的に照射できれば、マスクＭを省略す
ることも可能である。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
窒素を含む光導波材料に所定の誘起光を照射することに
より屈折率変化をさせて光導波路を形成したから、当該
光導波路を従来よりも短時間で形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例における光ファイバーの概略断面図。

【図２】図１の光ファイバーにグレーティングを形成す
る方法を説明するための概略断面図。

【図３】光誘起屈折率が変化する窒素含有率の範囲を確
認するための実験結果を示す表。

【図４】本実施例の他の変形例を説明するための概略斜
視図。

【図５】本実施例の更に他の変形例を説明するための概
略断面図。

【符号の説明】

１０光ファイバー（光導波路）１１コア１２クラッド２０平面光導波路２２クラッド層２３コア層Ｌ紫外光（誘起光）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者野間崇岡山県岡山市大供表町10番３号Ｆターム(参考） 2H047 KA04 LA02 PA05 PA11 PA22 QA02 QA04 TA43 2H050 AB02Z AB18Z AC82 AC84

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】珪素、酸素及び窒素を含む光導波材料に
所定の誘起光を照射し、当該照射部分の屈折率を変化さ
せることにより、周囲に対して屈折率の異なる部分を形
成することを特徴とする光導波路形成方法。
【請求項２】前記光導波材料として、シリコン酸窒化
物を用いることを特徴とする請求項１記載の光導波路形
成方法。
【請求項３】前記窒素の含有率を変化させて、前記照
射部分の屈折率変化量を調整することを特徴とする請求
項１又は２記載の光導波路形成方法。
【請求項４】窒素の含有率が６原子％を超える光導波
材料を用いることを特徴とする請求項１、２又は３記載
の光導波路形成方法。
【請求項５】前記光導波材料を光導波路のコア及びク
ラッドに用い、コアの窒素の含有率をクラッドよりも高
く設定し、前記コア及びクラッドに前記誘起光を照射し
てコアの屈折率変化量をクラッドの屈折率変化量よりも
増大させることにより、周囲に対して屈折率が最も高く
なる部分を形成することを特徴とする請求項１〜４の何
れかに記載の光導波路形成方法。
【請求項６】珪素、酸素及び窒素を含む光導波材料に
よって形成された光導波路であって、所定の誘起光を照
射したときに、当該照射部分の屈折率が変化することを
特徴とする光導波路。
【請求項７】前記窒素の含有率によって、前記照射部
分の屈折率変化量を調整可能に設けられていることを特
徴とする請求項６記載の光導波路。