JP2005043497A - Optical waveguide - Google Patents

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JP2005043497A
JP2005043497A JP2003200980A JP2003200980A JP2005043497A JP 2005043497 A JP2005043497 A JP 2005043497A JP 2003200980 A JP2003200980 A JP 2003200980A JP 2003200980 A JP2003200980 A JP 2003200980A JP 2005043497 A JP2005043497 A JP 2005043497A
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cladding layer
core
refractive index
upper cladding
layer
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JP2003200980A
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Japanese (ja)
Inventor
Naoki Hanajima
直樹 花島
Reio Mochida
励雄 持田
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TDK Corp
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TDK Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical waveguide for improving productivity of the optical waveguide and attaining proper propagation mode refractive index and for improving the propagation loss. <P>SOLUTION: The refractive index of a second upper clad layer is set smaller than that of a first upper clad layer, constituting an upper clad layer covering a core of the optical waveguide. Furthermore, by setting the thickness of the second upper clad layer to be 1/3 or smaller of the thickness, from the upper face of the core to the upper face of the second upper clad layer, the optical waveguide of superior productivity and optical propagation characteristics can be provided. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明が属する技術分野】
本発明は、通信、計測、情報処理の分野に適した低損失の石英系材料を主成分とする光導波路に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、光通信システムにおいては、石英系材料を用いた光導波路が、光伝送での低損失および信頼性が高く、かつ複雑な回路を平面基板に一括形成可能であることから、注目されている。これら光導波路は下部クラッド上にこの下部クラッドよりも屈折率の大きいコアと呼ばれる光の伝搬領域を形成し、さらにコアをコアより屈折率の小さい上部クラッド層で覆った構造をとるのが一般的である。
【0003】
そして、このような光導波路は、化学気相蒸着(CVD)や火炎堆積法(FHD)などを用いて、下部クラッド膜、次いでコア膜を成膜し、コア膜をパターニングすることによって所望の導波路パターンのコア部分を凸状に残し、さらに、上部クラッド層を形成することにより製造される(特許文献1参照)。また上部クラッド層を2層以上の多層構造とすることにより、偏光依存性損失や過剰損失を小さくしつつ、かつコアの狭間隙部の埋め込み特性を良好とした光導波路およびその製造方法が開示されている(特許文献2参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開2001−337241号公報
【0005】
【特許文献2】
特開2000−155229号公報
【0006】
【発明が解決する課題】
一般に、光導波路を伝搬する光はコア内だけでなく上下クラッド領域にも広がっている。しかしながら、この光の広がりが上下クラッド領域からさらに広がり、クラッド領域の外にまで達すると、そこに配置される媒質の性質によって、光が散乱したり、吸収されることにより、光導波路の伝搬特性が影響を受け劣化してしまう。そのゆえ、特に上部クラッド領域においては、この影響による光伝搬特性の劣化を避けるため、コアを覆う上部クラッド層を30μm以上堆積しなければならなかった。
【0007】
一方、上部クラッド層を形成する際は、成膜時に蓄積される応力を取り除いたり、或いはガラスを軟化させて導波路間ギャップへの埋め込みを行なったりするため、成膜後に熱処理が必要とされる。そのため、上部クラッド層が厚い場合にはこの熱処理時間が長くなってしまうことや、また成膜時間そのものが長くなってしまい生産性が著しく劣化してしまうという問題があった。
【0008】
上述の特許文献1や特許文献2には、上部クラッド層を多層構造にする構成が開示されているものの、複数の層からなる上部クラッド層の各層の屈折率と厚さとを適切な関係に保つことによって、生産性や光伝搬特性を向上させることついては何ら示唆されていない。
【0009】
そこで、本発明の目的は、上部クラッド層を構成する各層の屈折率と厚さとを、適切な関係に維持することによって、光導波路の生産性および伝搬特性の向上を両立させた光導波路を提供することにある。
【0010】
【課題を解決する手段】
上部クラッド層外への光の広がりは、コアと上部クラッド層との屈折率分布によって決まるが、それらの屈折率差が大きいとコア内への光の閉じ込めは強くなり、上部クラッド層外への光の広がりは小さくなる。しかし一方で、屈折率差が大きくなるにつれ、光導波路をシングルモードとするためには、コアのサイズを小さくする必要がある。コアのサイズを小さくすると、光導波路とそれを繋ぐ入出力光ファイバとの光軸合わせが難しくなるため、コアと上部クラッド層の屈折率差はある一定の範囲の値に抑える必要がある。
【0011】
従来知られている技術によると、光導波路をシングルモードとするためには、コアと上部クラッド層との屈折率差を0.3%から1.5%程度の範囲に保つ必要がある。屈折率差がこれ以上大きくなると、入出力光ファイバとの接続損が大きくなり、実用に供することが困難になる。逆に、屈折率差がこれ以上小さくなると、光導波路の許容しうる曲率半径が大きくなり、光導波路デバイスの大型化を招いてしまう。
【0012】
それゆえ、光導波路のシングルモードを維持しつつ、上部クラッド層外への光の広がりを小さくするには、上部クラッド層を構成する複数の層のうち、コアを覆う層の屈折率とコアの屈折率との屈折率差を上記の範囲に保ちながら、コアから離れた部位の層の屈折率をこのコアを覆う層の屈折率よりも小さくすればよい。
【0013】
そこで、請求項1の発明のように、コアを覆う第一の上部クラッド層の屈折率よりも、この第一の上部クラッド層を覆う第二のクラッド層の屈折率を小さくすることにより、上部クラッド層外への光の広がりを効率的に抑えることができ、光導波路の伝搬特性を良好に保つことができる。また、屈折率をこのような関係にすることにより、上部クラッド層全体を適切な厚みに抑えることができ、生産性を良好に保つことができる。
【0014】
また、上述の構成に加えて、請求項2の発明のように、第二の上部クラッド層の厚さを、コアの上面から第二の上部クラッド層の上面までの厚さの3分の1以下にすることによって、さらに良好な生産性を実現でき、本発明の効果は一層顕著になる。
【0015】
そして、請求項3の発明のように、コアの上面から、第二の上部クラッド層の下面までの厚さを5μm以上とすると光の広がりをより効果的に抑えることができる。
【0016】
さらに、第二の上部クラッド層に屈折率を低下させる働きのあるフッ素を添加することによって、本件発明の効果はさらに向上する。
【0017】
上部クラッド層は、成膜中に連続的にドーパント濃度が変わるようにして、屈折率が段階的に小さくなるような構造としてもよい。この場合、上部クラッド層は、各層の境界が存在しない構成となる。
【0018】
現在実用化されている光導波路に適用される技術では、通常、波長が1.3μmおよび1.5μmの光が用いられ、本発明はそれらいずれの波長の光にも対応できる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態の一例を図面を参照して詳細に説明する。図1に本発明の実施形態の一例である光導波路の断面図を示す。この実施形態の例に係る光導波路10は、基板100とこの基板上に設けた下部クラッド101と、下部クラッド101よりも大きい屈折率を有するコア102と、そのコアを覆う上部クラッド層105を有する。
【0020】
基板100には石英を用い、その上面に石英からなる下部クラッド101をプラズマCVD法により成膜する。さらに、下部クラッド上にコア膜を成膜し、コア膜の不要部分をドライエッチングにより除去し、コア102を形成する。
【0021】
コア102は、下部クラッドよりも大きい屈折率を有する材質により構成される。具体的には、GeOをドープしたSiOや、TiOをドープしたSiOを用いることができる。
【0022】
次に、このコア102を覆うように上部クラッド層の第一層目である第一の上部クラッド層を形成する。第一の上部クラッド層103の屈折率は、主成分であるSiOにBおよびPをドーパントとして添加することで制御できる。このように屈折率を制御することで、第一の上部クラッド層103と下部クラッド101とをほぼ等しい屈折率とすることができ、光を効率的にコアに閉じこめることができる。
【0023】
このとき、SiO膜に添加されるBは、その膜の屈折率を下げる効果を有し、一方、Pは屈折率を上げる効果を有する。そして、Pは、ガラスの軟化温度あるいは透明ガラス化温度を低下させることができる。すなわち、B、Pのドーパント量を適宜調整することにより、上部クラッド層の屈折率を制御すると同時にガラスの軟化温度を低下させることができる。
【0024】
次に、この第一の上部クラッド層を覆うように第二の上部クラッド層を形成する。第二の上部クラッド層104の屈折率は、第一の上部クラッド層103の屈折率よりも小さくなるようB、Pが添加されている。このように屈折率を調整することで、光を効率的にコアに閉じこめることができる。
【0025】
上部クラッド層を多層とする場合、たとえば3層とする場合は、コアを覆う第一の上部クラッド層と第二の上部クラッド層の間に別の層を堆積してもよい。ただし、この別の層の屈折率は、第一の上部クラッド層103の屈折率よりも小さく、かつ第二の上部クラッド層104の屈折率よりも大きくなければならない。
【0026】
このように上部クラッド層は、SiOを主成分とする複数の層からなり、各層には屈折率の調整のためB、Pなどが添加されている。このとき、上部クラッド層を形成する複数の層のうち、第一の上部クラッド層の屈折率が、その他の層の屈折率よりも大きくなるよう構成されている。
【0027】
本発明において、コア上面から上部クラッド層の表面までの厚さは、15μm〜25μmであることが好ましい。15μmよりも薄いとコアを覆うカバレッジ性やコアに光を閉じこめる効果も劣る。上部クラッド層が25μmより厚くなると、上部クラッド層の成膜や熱処理に時間を要し、光導波路の生産性を劣化させてしまう。また、コアの熱膨張係数と第一の上部クラッド層の熱膨張係数との差は、0.5×10−6以下が好ましく、これより大きいと偏光依存性損失が大きくなってしまう。
【0028】
以上の構成が本発明の目的は達成できることを検証するために、2次元スラブ導波路の上部クラッド層が2層からなる構造(図1)を用い、上部クラッド層外への光の広がりを調べた。
【0029】
図1において、コア上面から第一の上部クラッド層の上面までの厚さをd1、第二の上部クラッド層の厚さをd2とし、常にd1+d2=16μmとなるように、第一上部クラッド層と第二の上部クラッド層の厚さとをそれぞれ変え、その固有導波モードに与える影響を計算した。
【0030】
このとき、上部クラッド層のうち、第二の上部クラッド層の屈折率を第一の上部クラッド層の屈折率より0.002小さくした。
【0031】
図2にTEモードに対する固有導波モードの光振幅分布をd1、d2の値を変化させて計算した結果を示す。計算は次のように行なった。
【0032】
CFM(相関関数法)によって固有モードにおける電界分布を求め、コア直上における第二の上部クラッド層の上側表面での光振幅分布を、相対値で表した。このとき、コアの厚さと幅は共に7μmとし、コアと第一の上部クラッド層の屈折率は、それぞれ、1.4517、1.4460とした。
【0033】
この結果より、上部クラッド層表面での光振幅は、第二の上部クラッド層d2が厚くなるにつれて減少することが分かる。このことは、上部クラッド層を超えて広がる光が減少し、上部クラッド層上に配置される材料の影響を受けにくくなることを示している。
【0034】
図3には、コアの上面から第一の上部クラッド層の上面までの厚さd1と第二の上部クラッド層の厚さd2とを変えたときの伝搬モード屈折率の変化を計算した結果を示す。計算モデルは簡略化のため、スラブ導波路によるものとし、d1、d2の値を変えたときの基本モードの伝搬定数をモード固有値方程式によって求めた。このとき、コアの厚さと幅は共に7μmとし、コアと第一の上部クラッド層の屈折率は、それぞれ、1.4517、1.4460とした。
【0035】
L5とL6は各々コアと上部クラッド層の屈折率差が、それぞれ0.4%、0.3%に対する曲線である。上部クラッド層が一層(d1=16μm)のみからなるときの伝搬モード屈折率を基準とし、第二の上部クラッド層に第一の上部クラッド層よりも小さい屈折率の層を設けたときの導波モードに与える影響を示している。
【0036】
この結果から分かるとおり、d1が概ね5μmよりも小さくなると、第二の上部クラッド層がコアに近接してくることによる影響が大きくなり、光の伝搬状態は、屈折率差を一定の範囲に抑えるために設けた第一の上部クラッド層と第二の上部クラッド層とを設けた場合と異なってくる。従って、コアの上面から第二の上部クラッド層の下面までの厚さは、少なくとも5μm以上でなければならない。
【0037】
以上の結果より、上部クラッド層が、下部クラッドと同じ屈折率を有する第一の上部クラッド層とそれよりも低い屈折率を有する第二の上部クラッド層とを含む複数の層で構成されている場合、第二の上部クラッド層をコアの上面から5μm以上離れた領域に配置しなければならないことが分かる。これにより、上部クラッド層を超えた光の拡がりを抑制できる。その結果、上部クラッド層上に配置する材料が光導波路に与える影響を低減することが可能となり、光伝搬特性を良好に維持することができる。
【0038】
すなわち、上部クラッド層を構成する第二の上部クラッド層の下面が、コアの上面から5μm以上離れていれば、コアを伝搬する光が第二の上部クラッド層の存在によって大きな影響を受けないということが理解できる。
【0039】
第一の上部クラッド層103から第二の上部クラッド層104までは、連続的に組成が変化する一つの上部クラッド層105であってもよい。すなわち、上部クラッド層105は、BおよびPを含むSiOにより構成される第一の上部クラッド層と、この第一の上部クラッド層を覆う第二のクラッド層とが連続的に成膜され、各層の境界が存在しない構成であってもよい。第一の上部クラッド層と第二の上部クラッド層の間に別の層を設ける場合であっても、このような構成は可能である。これは、成膜時のガスを制御することによって徐々に組成を変化させ、上部クラッド層の各層の屈折率を適宜調整することで達成できる。
【0040】
次に、本発明の実施形態の一例である光導波路の製造方法を説明する。
【0041】
まず、図6(a)に示されるように基板100上に設けた下部クラッド101上にコア膜102aを成膜する。基板は、石英ガラスを用いて基板自体を下部クラッドとしてもよい。また、シリコン等の基板を用いて基板表面を熱酸化させ、下部クラッド101としたものや、シリコン基板上にSiOをCVDや火炎堆積法により堆積させたものを下部クラッド101としてもよい。
【0042】
コア膜102aの成膜は、下部クラッドよりも高い屈折率を有する材質、具体的には、GeOをドープしたSiOや、TiOをドープしたSiOをCVD(化学蒸着法)等の方法により行なうことができる。
【0043】
次に、図6(b)に示すように、ドライエッチング加工によりコア膜102aの不用部分を除去してコア102をパターニングする。
【0044】
また、コア102の屈折率を安定化するため、コア102のパターニング後、熱処理を行なうことが好ましい。熱処理条件は、熱処理温度700℃〜1,100℃、O雰囲気にて、約2〜24時間とすればよい。
【0045】
次に、上部クラッド層の形成工程について述べる。上部クラッド層の形成は、プラズマCVD法で行なうことが好ましい。図6(c)に示すように、まず、矩形断面形状のコア102上にこのコアを覆うようにBおよびPを含むSiOからなる第一の上部クラッド層103を形成する。
【0046】
プラズマCVD法による第一の上部クラッド層103の形成は、原料ガスとして、TEOS(テトラエトキシオルソシリケート)に、TMB(テトラメトキシボレート)、TMP(テトラメトキシフォスファ)、およびOを混合させた混合ガスを用いて行なえばよい。これらの原料ガスをプラズマ中で反応させることにより、BおよびPが添加されたSiO膜を成膜することができる。
【0047】
ついで、図6(d)に示すように、第二の上部クラッド層104を形成する。第二の上部クラッド層104は、第一の上部クラッドと同様に原料ガスとして、TEOSに、TMB、TMP、およびOを混合させた混合ガスを用いて、プラズマCVD法により形成される。これらの原料ガスをプラズマ中で反応させることにより、BおよびPが添加されたSiO膜を成膜することができる。このとき、混合ガスの流量比を調整することにより、第一の上部クラッド層の屈折率よりも第二の上部クラッド層の屈折率が小さくなるように組成を制御すればよい。
【0048】
第二の上部クラッド層の形成は第一の上部クラッド層の形成に連続して行なうこともできる。その場合は、第一の上部クラッド層を形成後、成膜装置のチャンバーを大気開放することなく、原料ガスを切り替えることのみで第二の上部クラッド層を形成することができる。つまり、第一の上部クラッド層103から第二の上部クラッド層104までを、連続的に組成が変化する一つの上部クラッド層105として形成することもできる。この場合上部クラッド層は、成膜プロセス中に、TEOSに混合するTMB、TMPおよびOの量を経時的に変化させ、BおよびPが添加されたSiO膜の屈折率が、上述の関係を満たすようにドーパントの量を調整しながら形成される。
【0049】
また、第一から第二の上部クラッド層の屈折率を安定化するため、上部クラッド層を形成したのち熱処理を行なうことが好ましい。熱処理条件は、熱処理温度500℃〜1100℃、O雰囲気にて、約3時間行えばよい。熱処理は、第二の上部クラッド層を形成する前に行ってもよいし、第二の上部クラッド層を形成したのちに行なってもよい。すなわち、第一、二の上部クラッド層の屈折率を安定化するために、各層の形成後に熱処理を行ってもよいし、すべての層を形成後に行なってもよい。
【0050】
以上の工程により本発明の光導波路は完成する。
【0051】
【実施例】
次に実施例を基に本発明をさらに詳しく説明する。
厚さ1mmの石英基板上に厚さ10μmの石英膜からなる下部クラッドをプラズマCVD法により成膜した。このとき、下部クラッドの屈折率は1.446で、コアの屈折率が1.4517となり、その差は0.0057となった。同様に、Geを添加した石英ガラスをコア膜として成膜した。このとき、コア膜の厚さは7μmとした。次にコア膜の不要部分をドライエッチング加工により除去し、幅7μmのコアを形成した。
【0052】
この後、成膜時の膜の内部応力を緩和するために1100℃、O雰囲気中で3時間熱処理を行なった。
【0053】
次にこのコアを覆うように、第一の上部クラッド層をプラズマCVDで形成した。この第一の上部クラッド層は、屈折率が下部クラッドと同じになるように、Bが2mol%、Pが7mol%含まれたBPSG(Boro−Phosphor Silicate Glassの略)とした。
【0054】
第一の上部クラッド層は、TEOS、TMB、TMPおよびOの流量をそれぞれ、16.0、5.0、0.5、680sccm(standard cc/min)とし、約3.5時間で成膜した。
【0055】
成膜後、軟化リフローと応力緩和のための熱処理を1100℃、Oの雰囲気中で24時間行なった。ここで、軟化リフローとは、温度を上げてクラッドを軟らかくし、隣接するコアとの隙間を埋める工程をいう。
【0056】
第一の上部クラッド層の膜厚は、熱処理後にコア上部分において10μmとなるように形成した。熱処理することで、上部クラッド層が成膜直後の厚さよりも薄くなるため、あらかじめその分を考慮し、成膜時は、約2μmほど厚く形成した。
【0057】
その後、第一の上部クラッド層を覆うようにフッ素を添加した石英からなる厚さ6.0μmの第二の上部クラッド層を形成した。第二の上部クラッド層を形成後、同様に500℃、O雰囲気中で2時間熱処理を行った。第二の上部クラッド層も、熱処理工程を考慮して成膜してあるため、熱処理後の厚さは5.0μmとなった。
【0058】
第二の上部クラッド層であるフッ素添加石英膜には、その屈折率が第一の上部クラッド層の屈折率よりも小さくなるように、SiOにFが含有されている。この第二の上部クラッド層は、TEOS、CF、およびOの混合ガスの流量を、それぞれ7、10、193sccmとし、プラズマCVDにて約2時間で成膜した。
【0059】
第一の上部クラッド層と第二の上部クラッド層を屈折率が連続的に変化する一つの層として形成したときは次のように行った。
【0060】
始めに、TEOS、TMB、TMP、およびOの混合ガス流量をそれぞれ、16.0、5.0、0.5、680sccmとし、プラズマCVDを行った。約2時間ほどガス流量を変化させずに成膜した後、TMPのみを4時間かけて漸減し、その間、他のガスの流量を変えずに成膜を続けた。4時間後、TMPの流量が零になったところで成膜は完了した。このとき、コア上部分の上部クラッド層の厚さは、約21μmとなった。また、上記の成膜工程は、プラズマCVD装置のチャンバーを開放することなく、混合ガスの流量のみを調整することで行った。
【0061】
成膜時のTMPを漸減させたことにより、屈折率を上げる効果のあるPの、上部クラッド層に占める割合が徐々に下がるため、屈折率が次第に小さくなる。
【0062】
上部クラッド層外への光の広がりの影響を見るために、第一の上部クラッド層の屈折率(屈折率:Nf)を1.446、第二の上部クラッド層の屈折率を1.444となるように、それぞれの層の屈折率を調整した。このとき、コア上面から第二の上部クラッド層の表面までの厚さが15μmとなるように一定に保ちながら、第二の上部クラッド層の厚さのみを変え、直線導波路の損失の変化を測定した。
【0063】
その結果を図4のL7に示す。損失の変化は、第二の上部クラッド層上に吸収性の樹脂を塗布し、その塗布前後の直線導波路の損失を実測することで知ることができる。
【0064】
同様に、第一の上部クラッド層の屈折率を1.446、第二の上部クラッド層の屈折率を1.441とし、その直線導波路の損失の変化を調べた。その結果を図4のL8に示す。
【0065】
これらの結果によると、いずれの場合であっても、第二の上部クラッド層の厚みが0〜5μmの範囲において、損失が徐々に小さくなることが分かる。これは、第二の上部クラッド層の屈折率が第一の上部クラッド層の屈折率よりも小さければ、光の広がりを抑えることができることを示している。
【0066】
また、図4に示す結果によれば、第二の上部クラッド層の厚さが同じ場合、0〜5μmの範囲において、第二の上部クラッド層の屈折率が1.441のときのほうが、1.444のときよりも損失が小さいことがわかる。これは第一の上部クラッド層の屈折率と第二の上部クラッド層の屈折率との差が大きい方が、より効率的に上部クラッド層外への光の広がりを抑えることができることを示している。
【0067】
しかしながら、屈折率が1.441の場合、第二の上部クラッド層が上部クラッド層全体を占める割合が大きくなると、次第に損失が増加してしまう。これはコア近傍まで低屈折率の領域が形成されていることにより、実質的なコアとクラッド間との屈折率差が増大する結果、高次モードが生じ、損失を大きくしてしまうためであると考えられる。
【0068】
従って、上部クラッド層を構成する第二の上部クラッド層の厚みは、コアの上面から第二の上部クラッド層の上面までの厚さの3分の1以下となるようにしなければならない。
【0069】
以上のことより、コアの上面から第二の上部クラッド層の下面までを5μm以上離間させ、さらにその厚みをコアの上面から第二の上部クラッド層の上面までの厚さの3分の1以下にすればよい。こうすることによって、光導波路の伝搬特性である伝搬モード屈折率および伝搬損失共に良好な特性を達成でき、さらには上部クラッド層を必要以上に厚くする必要がなくなることから、良好な生産性を実現できる。
【0070】
【発明の効果】
上部クラッド層を複数の層から構成し、この層を構成する第二の上部クラッド層の屈折率を、第一の上部クラッド層の屈折率よりも小さくすることにより、生産性が良好で、光伝搬特性に優れた光導波路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理を示す光導波路の断面図である。
【図2】光導波路の光振幅分布を示す図である。
【図3】本発明の光導波路の伝搬モード屈折率の変化を示す図である。
【図4】本発明の光導波路の伝搬損失を示す図である。
【図5】本発明の光導波路を示す断面図である。
【図6】本発明の光導波路の製造方法を示す断面図である。
【符号の説明】
10 光導波路
100 基板
101 下部クラッド
102 コア
102a コア膜
103 第一の上部クラッド層
104 第二の上部クラッド層
105 上部クラッド層
[0001]
[Technical field to which the invention belongs]
The present invention relates to an optical waveguide mainly composed of a low-loss quartz-based material suitable for the fields of communication, measurement, and information processing.
[0002]
[Prior art]
In recent years, in optical communication systems, optical waveguides using quartz-based materials are attracting attention because they have low loss and high reliability in optical transmission, and complex circuits can be formed on a flat substrate at once. . These optical waveguides generally have a structure in which a light propagation region called a core having a higher refractive index than that of the lower cladding is formed on the lower cladding, and the core is covered with an upper cladding layer having a refractive index lower than that of the core. It is.
[0003]
Such an optical waveguide is formed by forming a lower clad film and then a core film by using chemical vapor deposition (CVD) or flame deposition (FHD), and patterning the core film. It is manufactured by leaving the core portion of the waveguide pattern in a convex shape and further forming an upper cladding layer (see Patent Document 1). Also disclosed is an optical waveguide that has a multilayer structure of two or more upper clad layers, which reduces polarization-dependent loss and excess loss, and has good filling characteristics in a narrow gap portion of the core, and a method for manufacturing the same. (See Patent Document 2).
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-337241
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 2000-155229
[Problems to be solved by the invention]
In general, light propagating through the optical waveguide spreads not only in the core but also in the upper and lower cladding regions. However, when this light spreads further from the upper and lower cladding regions and reaches the outside of the cladding region, the light is scattered or absorbed depending on the properties of the medium disposed there, so that the propagation characteristics of the optical waveguide Will be affected and deteriorate. Therefore, particularly in the upper clad region, an upper clad layer covering the core has to be deposited in an amount of 30 μm or more in order to avoid deterioration of light propagation characteristics due to this influence.
[0007]
On the other hand, when forming the upper clad layer, heat treatment is required after the film formation in order to remove stress accumulated during film formation or to soften the glass and embed it in the gap between the waveguides. . For this reason, when the upper clad layer is thick, there is a problem that this heat treatment time becomes long, and the film formation time itself becomes long, and the productivity is remarkably deteriorated.
[0008]
Although the above-described Patent Document 1 and Patent Document 2 disclose a configuration in which the upper clad layer has a multilayer structure, the refractive index and thickness of each layer of the upper clad layer composed of a plurality of layers are maintained in an appropriate relationship. Therefore, there is no suggestion of improving productivity and light propagation characteristics.
[0009]
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical waveguide in which both the productivity and propagation characteristics of the optical waveguide are improved by maintaining an appropriate relationship between the refractive index and thickness of each layer constituting the upper cladding layer. There is to do.
[0010]
[Means for solving the problems]
The spread of light outside the upper cladding layer is determined by the refractive index distribution between the core and the upper cladding layer. However, if the refractive index difference between the core and the upper cladding layer is large, the confinement of light inside the core becomes stronger, and The spread of light is reduced. However, on the other hand, as the refractive index difference increases, the core size needs to be reduced in order to make the optical waveguide a single mode. If the size of the core is reduced, it becomes difficult to align the optical axis between the optical waveguide and the input / output optical fiber connecting the optical waveguide. Therefore, the refractive index difference between the core and the upper cladding layer must be kept within a certain range.
[0011]
According to a conventionally known technique, in order to set the optical waveguide to a single mode, it is necessary to maintain the refractive index difference between the core and the upper cladding layer in a range of about 0.3% to 1.5%. If the difference in refractive index becomes larger than this, the connection loss with the input / output optical fiber increases, making it difficult to put it to practical use. On the other hand, if the difference in refractive index is further reduced, the allowable radius of curvature of the optical waveguide is increased, leading to an increase in the size of the optical waveguide device.
[0012]
Therefore, in order to reduce the spread of light to the outside of the upper cladding layer while maintaining the single mode of the optical waveguide, among the layers constituting the upper cladding layer, the refractive index of the layer covering the core and the core What is necessary is just to make the refractive index of the layer of the site | part away from the core smaller than the refractive index of the layer which covers this core, keeping the refractive index difference with a refractive index in said range.
[0013]
Therefore, as in the first aspect of the invention, the refractive index of the second cladding layer covering the first upper cladding layer is made smaller than the refractive index of the first upper cladding layer covering the core. The spread of light to the outside of the cladding layer can be efficiently suppressed, and the propagation characteristics of the optical waveguide can be kept good. Further, by making the refractive index in such a relationship, the entire upper clad layer can be suppressed to an appropriate thickness, and productivity can be kept good.
[0014]
In addition to the above-described configuration, as in the invention of claim 2, the thickness of the second upper cladding layer is set to one third of the thickness from the upper surface of the core to the upper surface of the second upper cladding layer. By making the following, better productivity can be realized, and the effect of the present invention becomes more remarkable.
[0015]
As in the third aspect of the present invention, when the thickness from the upper surface of the core to the lower surface of the second upper cladding layer is 5 μm or more, the spread of light can be more effectively suppressed.
[0016]
Furthermore, the effect of the present invention is further improved by adding fluorine having a function of lowering the refractive index to the second upper cladding layer.
[0017]
The upper cladding layer may have a structure in which the refractive index decreases stepwise by continuously changing the dopant concentration during film formation. In this case, the upper cladding layer has a configuration in which there is no boundary between the layers.
[0018]
In the technology applied to the optical waveguide currently in practical use, light having wavelengths of 1.3 μm and 1.5 μm is usually used, and the present invention can deal with light of any of these wavelengths.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a cross-sectional view of an optical waveguide which is an example of an embodiment of the present invention. The optical waveguide 10 according to the example of this embodiment includes a substrate 100, a lower clad 101 provided on the substrate, a core 102 having a refractive index larger than that of the lower clad 101, and an upper clad layer 105 covering the core. .
[0020]
Quartz is used for the substrate 100, and a lower clad 101 made of quartz is formed on the upper surface by plasma CVD. Further, a core film is formed on the lower clad, and unnecessary portions of the core film are removed by dry etching to form the core 102.
[0021]
The core 102 is made of a material having a refractive index larger than that of the lower cladding. Specifically, it is possible to use SiO 2 or doped with GeO 2, the SiO 2 doped with TiO 2.
[0022]
Next, a first upper clad layer that is the first layer of the upper clad layer is formed so as to cover the core 102. The refractive index of the first upper cladding layer 103 can be controlled by adding B and P as dopants to the main component SiO 2 . By controlling the refractive index in this way, the first upper clad layer 103 and the lower clad 101 can have substantially the same refractive index, and light can be efficiently confined in the core.
[0023]
At this time, B added to the SiO 2 film has an effect of lowering the refractive index of the film, while P has an effect of raising the refractive index. And P can reduce the softening temperature or transparent vitrification temperature of glass. That is, by appropriately adjusting the dopant amounts of B and P, the softening temperature of the glass can be lowered at the same time as controlling the refractive index of the upper cladding layer.
[0024]
Next, a second upper cladding layer is formed so as to cover the first upper cladding layer. B and P are added so that the refractive index of the second upper cladding layer 104 is smaller than the refractive index of the first upper cladding layer 103. By adjusting the refractive index in this way, light can be efficiently confined in the core.
[0025]
When the upper clad layer is a multilayer, for example, when the upper clad layer is three layers, another layer may be deposited between the first upper clad layer and the second upper clad layer covering the core. However, the refractive index of this other layer must be smaller than the refractive index of the first upper cladding layer 103 and larger than the refractive index of the second upper cladding layer 104.
[0026]
Thus, the upper clad layer is composed of a plurality of layers containing SiO 2 as a main component, and B, P, etc. are added to each layer for adjusting the refractive index. At this time, among the plurality of layers forming the upper cladding layer, the refractive index of the first upper cladding layer is configured to be higher than the refractive indexes of the other layers.
[0027]
In the present invention, the thickness from the upper surface of the core to the surface of the upper cladding layer is preferably 15 μm to 25 μm. If it is thinner than 15 μm, the coverage property covering the core and the effect of confining light in the core are also poor. If the upper clad layer is thicker than 25 μm, it takes time for the upper clad layer to be formed or heat-treated, thereby deteriorating the productivity of the optical waveguide. Further, the difference between the thermal expansion coefficient of the core and the thermal expansion coefficient of the first upper clad layer is preferably 0.5 × 10 −6 or less, and if it is larger than this, the polarization dependence loss becomes large.
[0028]
In order to verify that the above-described configuration can achieve the object of the present invention, a structure in which the upper cladding layer of the two-dimensional slab waveguide is composed of two layers (FIG. 1) is used, and the spread of light outside the upper cladding layer is examined. It was.
[0029]
In FIG. 1, the thickness from the upper surface of the core to the upper surface of the first upper clad layer is d1, the thickness of the second upper clad layer is d2, and the first upper clad layer is always d1 + d2 = 16 μm. The thickness of the second upper cladding layer was changed, and the influence on the intrinsic waveguide mode was calculated.
[0030]
At this time, the refractive index of the second upper cladding layer out of the upper cladding layer was made 0.002 smaller than the refractive index of the first upper cladding layer.
[0031]
FIG. 2 shows the result of calculating the light amplitude distribution of the eigenwaveguide mode with respect to the TE mode by changing the values of d1 and d2. The calculation was performed as follows.
[0032]
The electric field distribution in the eigenmode was obtained by CFM (correlation function method), and the light amplitude distribution on the upper surface of the second upper cladding layer immediately above the core was expressed as a relative value. At this time, the thickness and width of the core were both 7 μm, and the refractive indexes of the core and the first upper cladding layer were 1.4517 and 1.4460, respectively.
[0033]
From this result, it can be seen that the light amplitude on the surface of the upper cladding layer decreases as the thickness of the second upper cladding layer d2 increases. This indicates that the light spreading beyond the upper cladding layer is reduced and is less susceptible to the material disposed on the upper cladding layer.
[0034]
FIG. 3 shows the calculation result of the change in the propagation mode refractive index when the thickness d1 from the upper surface of the core to the upper surface of the first upper cladding layer and the thickness d2 of the second upper cladding layer are changed. Show. For the sake of simplification, the calculation model is assumed to be a slab waveguide, and the propagation constant of the fundamental mode when the values of d1 and d2 are changed is obtained by a mode eigenvalue equation. At this time, the thickness and width of the core were both 7 μm, and the refractive indexes of the core and the first upper cladding layer were 1.4517 and 1.4460, respectively.
[0035]
L5 and L6 are curves with respect to the difference in refractive index between the core and the upper cladding layer of 0.4% and 0.3%, respectively. Waveguide when a layer having a refractive index smaller than that of the first upper clad layer is provided on the second upper clad layer on the basis of the propagation mode refractive index when the upper clad layer is composed of only one layer (d1 = 16 μm). The effect on the mode is shown.
[0036]
As can be seen from this result, when d1 is smaller than about 5 μm, the influence of the second upper cladding layer approaching the core increases, and the propagation state of light keeps the refractive index difference within a certain range. This is different from the case where the first upper clad layer and the second upper clad layer provided for this purpose are provided. Therefore, the thickness from the upper surface of the core to the lower surface of the second upper cladding layer must be at least 5 μm or more.
[0037]
From the above results, the upper cladding layer is composed of a plurality of layers including a first upper cladding layer having the same refractive index as the lower cladding and a second upper cladding layer having a lower refractive index. In this case, it is understood that the second upper cladding layer must be disposed in a region separated by 5 μm or more from the upper surface of the core. Thereby, the spread of light beyond the upper cladding layer can be suppressed. As a result, the influence of the material disposed on the upper cladding layer on the optical waveguide can be reduced, and the light propagation characteristics can be maintained well.
[0038]
That is, if the lower surface of the second upper cladding layer constituting the upper cladding layer is separated from the upper surface of the core by 5 μm or more, the light propagating through the core is not greatly affected by the presence of the second upper cladding layer. I understand that.
[0039]
The first upper clad layer 103 to the second upper clad layer 104 may be one upper clad layer 105 whose composition changes continuously. That is, in the upper cladding layer 105, a first upper cladding layer composed of SiO 2 containing B and P and a second cladding layer covering the first upper cladding layer are continuously formed, A configuration in which the boundary between the layers does not exist may be used. Such a configuration is possible even when another layer is provided between the first upper clad layer and the second upper clad layer. This can be achieved by changing the composition gradually by controlling the gas during film formation and appropriately adjusting the refractive index of each layer of the upper cladding layer.
[0040]
Next, a method for manufacturing an optical waveguide, which is an example of an embodiment of the present invention, will be described.
[0041]
First, as shown in FIG. 6A, a core film 102a is formed on a lower clad 101 provided on a substrate 100. The substrate may be made of quartz glass and the substrate itself may be a lower clad. Alternatively, the lower clad 101 may be formed by thermally oxidizing the substrate surface using a substrate such as silicon or the like, or by depositing SiO 2 on the silicon substrate by CVD or flame deposition.
[0042]
Depositing of the core layer 102a is a material having a higher refractive index than the lower cladding, specifically, SiO 2 or doped with GeO 2, the SiO 2 doped with TiO 2 CVD (chemical vapor deposition) or the like method Can be performed.
[0043]
Next, as shown in FIG. 6B, the core 102 is patterned by removing unnecessary portions of the core film 102a by dry etching.
[0044]
In order to stabilize the refractive index of the core 102, it is preferable to perform heat treatment after the patterning of the core 102. The heat treatment conditions may be a heat treatment temperature of 700 ° C. to 1,100 ° C. and an O 2 atmosphere for about 2 to 24 hours.
[0045]
Next, the process for forming the upper cladding layer will be described. The upper cladding layer is preferably formed by plasma CVD. As shown in FIG. 6C, first, a first upper cladding layer 103 made of SiO 2 containing B and P is formed on a core 102 having a rectangular cross section so as to cover the core.
[0046]
The formation of the first upper clad layer 103 by the plasma CVD method was performed by mixing TEMB (tetraethoxy orthosilicate), TMB (tetramethoxy borate), TMP (tetramethoxy phosphate), and O 2 as a source gas. What is necessary is just to carry out using mixed gas. By reacting these source gases in plasma, an SiO 2 film to which B and P are added can be formed.
[0047]
Next, as shown in FIG. 6D, a second upper cladding layer 104 is formed. Similar to the first upper clad, the second upper clad layer 104 is formed by a plasma CVD method using a mixed gas obtained by mixing TMB, TMP, and O 2 with TEOS as a source gas. By reacting these source gases in plasma, an SiO 2 film to which B and P are added can be formed. At this time, the composition may be controlled by adjusting the flow ratio of the mixed gas so that the refractive index of the second upper cladding layer is smaller than the refractive index of the first upper cladding layer.
[0048]
The formation of the second upper cladding layer can also be performed continuously with the formation of the first upper cladding layer. In that case, after forming the first upper cladding layer, the second upper cladding layer can be formed only by switching the source gas without opening the chamber of the film forming apparatus to the atmosphere. That is, the first upper cladding layer 103 to the second upper cladding layer 104 can be formed as one upper cladding layer 105 whose composition changes continuously. In this case, during the film forming process, the amount of TMB, TMP, and O 2 mixed with TEOS is changed over time, and the refractive index of the SiO 2 film to which B and P are added is related to the upper cladding layer. It is formed while adjusting the amount of dopant so as to satisfy.
[0049]
Further, in order to stabilize the refractive index of the first to second upper cladding layers, it is preferable to perform heat treatment after forming the upper cladding layer. The heat treatment may be performed for about 3 hours in a heat treatment temperature of 500 ° C. to 1100 ° C. in an O 2 atmosphere. The heat treatment may be performed before the second upper cladding layer is formed, or may be performed after the second upper cladding layer is formed. That is, in order to stabilize the refractive indexes of the first and second upper cladding layers, heat treatment may be performed after each layer is formed, or may be performed after all layers are formed.
[0050]
The optical waveguide of the present invention is completed through the above steps.
[0051]
【Example】
Next, the present invention will be described in more detail based on examples.
A lower clad made of a 10 μm thick quartz film was formed on a 1 mm thick quartz substrate by a plasma CVD method. At this time, the refractive index of the lower cladding was 1.446, the refractive index of the core was 1.4517, and the difference was 0.0057. Similarly, quartz glass to which Ge was added was formed as a core film. At this time, the thickness of the core film was 7 μm. Next, unnecessary portions of the core film were removed by dry etching to form a core having a width of 7 μm.
[0052]
Thereafter, heat treatment was performed at 1100 ° C. in an O 2 atmosphere for 3 hours in order to relieve internal stress of the film during film formation.
[0053]
Next, a first upper cladding layer was formed by plasma CVD so as to cover the core. The first upper cladding layer was made of BPSG (abbreviation of Boro-Phosphor Silicate Glass) containing 2 mol% B and 7 mol% P so that the refractive index was the same as that of the lower cladding.
[0054]
The first upper cladding layer is formed in about 3.5 hours with TEOS, TMB, TMP, and O 2 flow rates of 16.0, 5.0, 0.5, and 680 sccm (standard cc / min), respectively. did.
[0055]
After film formation, heat treatment for softening reflow and stress relaxation was performed in an atmosphere of 1100 ° C. and O 2 for 24 hours. Here, the softening reflow is a process of increasing the temperature to soften the clad and filling a gap between adjacent cores.
[0056]
The film thickness of the first upper clad layer was formed to be 10 μm in the upper part of the core after the heat treatment. By performing the heat treatment, the upper clad layer becomes thinner than the thickness immediately after the film formation. Therefore, in consideration of this, the film was formed thicker by about 2 μm.
[0057]
Thereafter, a second upper clad layer having a thickness of 6.0 μm made of quartz added with fluorine so as to cover the first upper clad layer was formed. After forming the second upper cladding layer, heat treatment was similarly performed at 500 ° C. in an O 2 atmosphere for 2 hours. Since the second upper clad layer was also formed in consideration of the heat treatment step, the thickness after the heat treatment was 5.0 μm.
[0058]
The fluorine-added quartz film as the second upper cladding layer contains F in SiO 2 so that the refractive index thereof is smaller than the refractive index of the first upper cladding layer. The second upper cladding layer was formed by plasma CVD in about 2 hours with the mixed gas flow rates of TEOS, CF 4 , and O 2 being 7, 10, and 193 sccm, respectively.
[0059]
When the first upper clad layer and the second upper clad layer were formed as one layer whose refractive index continuously changed, it was performed as follows.
[0060]
First, plasma CVD was performed by setting the mixed gas flow rates of TEOS, TMB, TMP, and O 2 to 16.0, 5.0, 0.5, and 680 sccm, respectively. After film formation without changing the gas flow rate for about 2 hours, only TMP was gradually reduced over 4 hours, and during that time, film formation was continued without changing the flow rates of other gases. After 4 hours, the film formation was completed when the TMP flow rate became zero. At this time, the thickness of the upper clad layer on the upper portion of the core was about 21 μm. In addition, the film forming process described above was performed by adjusting only the flow rate of the mixed gas without opening the chamber of the plasma CVD apparatus.
[0061]
By gradually decreasing the TMP during film formation, the proportion of P, which has the effect of increasing the refractive index, in the upper cladding layer gradually decreases, so that the refractive index gradually decreases.
[0062]
In order to see the effect of light spreading outside the upper cladding layer, the refractive index (refractive index: Nf) of the first upper cladding layer is 1.446, and the refractive index of the second upper cladding layer is 1.444. Thus, the refractive index of each layer was adjusted. At this time, while keeping the thickness from the upper surface of the core to the surface of the second upper cladding layer constant at 15 μm, only the thickness of the second upper cladding layer is changed, and the change of the loss of the linear waveguide is changed. It was measured.
[0063]
The result is shown by L7 in FIG. The change in loss can be known by applying an absorbent resin on the second upper cladding layer and measuring the loss of the linear waveguide before and after the application.
[0064]
Similarly, the refractive index of the first upper cladding layer was 1.446, the refractive index of the second upper cladding layer was 1.441, and the change in the loss of the linear waveguide was examined. The result is shown as L8 in FIG.
[0065]
According to these results, it can be seen that in any case, the loss gradually decreases when the thickness of the second upper cladding layer is in the range of 0 to 5 μm. This indicates that if the refractive index of the second upper cladding layer is smaller than the refractive index of the first upper cladding layer, the spread of light can be suppressed.
[0066]
Further, according to the results shown in FIG. 4, when the thickness of the second upper cladding layer is the same, the refractive index of the second upper cladding layer is 1.441 in the range of 0 to 5 μm. It can be seen that the loss is smaller than that of .444. This indicates that the larger the difference between the refractive index of the first upper cladding layer and the refractive index of the second upper cladding layer, the more efficiently the spread of light outside the upper cladding layer can be suppressed. Yes.
[0067]
However, when the refractive index is 1.441, the loss gradually increases as the ratio of the second upper cladding layer to the entire upper cladding layer increases. This is because the low refractive index region is formed up to the vicinity of the core, and as a result, the refractive index difference between the core and the clad increases, resulting in a higher-order mode and increased loss. it is conceivable that.
[0068]
Therefore, the thickness of the second upper clad layer constituting the upper clad layer must be less than one third of the thickness from the upper surface of the core to the upper surface of the second upper clad layer.
[0069]
From the above, the distance from the upper surface of the core to the lower surface of the second upper cladding layer is 5 μm or more, and the thickness is one third or less of the thickness from the upper surface of the core to the upper surface of the second upper cladding layer. You can do it. By doing so, both the propagation mode refractive index and propagation loss, which are the propagation characteristics of the optical waveguide, can be achieved, and the upper cladding layer does not need to be thicker than necessary, thus realizing good productivity. it can.
[0070]
【The invention's effect】
The upper clad layer is composed of a plurality of layers, and the refractive index of the second upper clad layer constituting this layer is made smaller than the refractive index of the first upper clad layer. An optical waveguide having excellent propagation characteristics can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of an optical waveguide showing the principle of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a light amplitude distribution of an optical waveguide.
FIG. 3 is a graph showing a change in propagation mode refractive index of the optical waveguide of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing the propagation loss of the optical waveguide of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing an optical waveguide of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing an optical waveguide according to the present invention.
[Explanation of symbols]
10 optical waveguide 100 substrate 101 lower clad 102 core 102a core film 103 first upper clad layer 104 second upper clad layer 105 upper clad layer

Claims (5)

下部クラッドと、この下部クラッドよりも大きい屈折率を有するコアと、このコアを覆う上部クラッド層を有する光導波路であって、
前記上部クラッド層は、少なくともコアを覆う第一の上部クラッド層とこの第一の上部クラッド層上に形成された第二の上部クラッド層とを含む複数の層を有し、前記第二の上部クラッド層の屈折率は、前記第一の上部クラッド層の屈折率よりも小さいことを特徴とする光導波路。
An optical waveguide having a lower clad, a core having a refractive index larger than that of the lower clad, and an upper clad layer covering the core,
The upper clad layer has a plurality of layers including at least a first upper clad layer covering the core and a second upper clad layer formed on the first upper clad layer, and the second upper clad layer An optical waveguide, wherein a refractive index of the cladding layer is smaller than a refractive index of the first upper cladding layer.
前記第二の上部クラッド層の厚さは、前記コアの上面から前記第二の上部クラッド層の上面までの厚さの3分の1以下であることを特徴とする請求項1に記載の光導波路。2. The light guide according to claim 1, wherein the thickness of the second upper cladding layer is equal to or less than one third of the thickness from the upper surface of the core to the upper surface of the second upper cladding layer. Waveguide. 前記コアの上面から、前記第二の上部クラッド層の下面までの厚さが5μm以上であることを特徴とする請求項1または2に記載の光導波路。3. The optical waveguide according to claim 1, wherein a thickness from an upper surface of the core to a lower surface of the second upper cladding layer is 5 μm or more. 前記第二の上部クラッド層はフッ素を含むことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の光導波路。The optical waveguide according to any one of claims 1 to 3, wherein the second upper cladding layer contains fluorine. 下部クラッドと、この下部クラッドよりも大きい屈折率を有するコアと、このコアを覆う上部クラッド層を有する光導波路であって、
前記上部クラッド層は複数の層から構成され、この複数の層は屈折率が連続的に変化することを特徴とする光導波路。
An optical waveguide having a lower clad, a core having a refractive index larger than that of the lower clad, and an upper clad layer covering the core,
The upper clad layer is composed of a plurality of layers, and the refractive index of the plurality of layers continuously changes.
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