JP2005062538A - 光導波路及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 基板上に下クラッド層，コア層，上クラッド層を有し、コア層が上クラッド層及び下クラッド層に埋め込まれるように形成される光導波路において、膜質の低下を抑えながら、低損失で、比屈折率差の大きくするとともに、Ｓｉ基板との線膨張係数差をできるだけ小さくして応力を低く抑え、偏波モード分散（ＰＭＤ）を低減させて、光導波路の特性（偏波特性）を向上させる。
【解決手段】 クラッド層をボロフォスフォシリケートガラス（ＢＰＳＧ）膜又はボロシリケートガラス（ＢＳＧ）膜によって構成するとともに、コア層をゲルマニウム濃度を２０ｗｔ％以上としたシリカガラス系材料によって構成する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、光通信分野において各種の光伝送システム［例えば波長分割多重（ＷＤＭ）光伝送システム］に適用される光導波路及びその製造方法に関する。

近年、インターネットの普及などによるデータトラフィックの爆発的増大に対応しうるフォトニックネットワークの実現に向けて、波長分割多重（ＷＤＭ）光通信網（ＷＤＭ光伝送システム）の構築が進められている。
このＷＤＭ光伝送システムでは、低コスト化を図るべく、光導波路を用いて種々の光部品や電子部品の機能を集積化しうる平面光波回路(ＰＬＣ：Planer Lightwave Circuit)技術を適用し、種々の機能を集積化するのが有効とされている。そして、このような種々の機能を集積化したＰＬＣデバイスの小型化・高集積化を簡易に実現することが望まれている。

ここで、ＷＤＭ光伝送システムにおいて用いられる石英系の埋込型光導波路（シリカガラス系光導波路）について、図９を参照しながら説明する。
図９に示すように、石英系の埋込型光導波路は、Ｓｉ基板１００上に下クラッド層１０１及び上クラッド層１０３によって周囲を取り囲まれたコア層１０２を備えて構成される。

このような石英系の埋込型光導波路は、以下のようにして作製される。
まず、下クラッド層１０１及びコア層１０２の材料であるシリカガラスを例えば火炎堆積（ＦＨＤ）法などによって順に堆積させ、熱処理を行なって透明ガラス化することで、Ｓｉ基板１００上に下クラッド層１０１及びコア層１０２を順に形成する。
次いで、例えばフォトリソグラフィー法によってマスクパターンを形成した後、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ；reactive ion etching）法によるドライエッチングを行なってコア層１０２の不要部分を除去することで、所望のパターン（導波路パターン）を有するストライプ状（線状）のコア層（導波路コア）１０２を形成する。

そして、下クラッド層１０１及び導波路コア１０２上に上クラッド層１０３の材料となるシリカガラスを堆積させ、熱処理を行なって透明ガラス化することで、コア層１０２の周囲が下クラッド層１０１及び上クラッド層１０３によって埋め込まれた埋込型光導波路が作製される。
ところで、光導波路デバイスの小型・高集積化に向けて、導波路の曲がり損失を小さくする必要があり、クラッド層１０１，１０３とコア層１０２の比屈折率差Δを大きくすること（高比屈折率構造，高Δ構造）が要求されている。

そこで、高比屈折率構造の光導波路の実現に向け、シリカガラスに窒素をドープしたＳｉＯＮをコア層１０２に用いることで、コア層１０２の屈折率を上げて、クラッド層１０１，１０３とコア層１０２の比屈折率差Δを大きくする方法が用いられている。
しかしながら、ＳｉＯＮを用いて形成したコア層（導波路コア）１０２は、コア層１０２に含まれるＮＨ基による吸収によって光伝送システムで用いられる１．５０μｍ帯において伝播損失が大きくなってしまうという課題がある。

また、コア層１０２に含まれる燐（Ｐ）の濃度を増加させることでコア層１０２の屈折率を上げて、クラッド層１０１，１０３とコア層１０２の比屈折率差Δを大きくすることも考えられるが、コア層１０２に含まれる燐濃度を増加させると、膜質が低下してしまうことになる。
さらに、Ｓｉ基板１００上にクラッド層１０１，１０３やコア層１０２を積層させて光導波路を形成する場合、Ｓｉ基板１００の線膨張係数とクラッド層１０１，１０３やコア層１０２の線膨張係数との差が大きいと、応力が大きくなってしまい、この結果、光導波路の偏波モード分散（ＰＭＤ；polarization Mode Dispersion）が大きくなってしまうことになる。

なお、ゲルマニウム濃度を調整する技術としては、例えば特許文献１〜３に開示されたものがある。
特開平７−２１８７１２号公報 特開２００２−３１１２６１号公報 特開２０００−３２３７８６号公報

本発明は、以上のような課題に鑑み創案されたもので、膜質の低下を抑えながら、低損失で、比屈折率差の大きい光導波路を実現できるようにするとともに、Ｓｉ基板との線膨張係数差をできるだけ小さくし、応力を低く抑えて、偏波モード分散（ＰＭＤ）を低減させ、光導波路の特性（偏波特性）を向上させることができるようにした、光導波路及びその製造方法を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明の光導波路は、基板上に下クラッド層，コア層，上クラッド層を有し、コア層が上クラッド層及び下クラッド層に埋め込まれるように形成される光導波路であって、クラッド層が、ボロフォスフォシリケートガラス（ＢＰＳＧ）膜又はボロシリケートガラス（ＢＳＧ）膜によって構成され、コア層が、ゲルマニウム濃度を２０ｗｔ％以上としたシリカガラス系材料によって構成されることを特徴としている。

好ましくは、コア層を、燐濃度２ｗｔ％以下のゲルマノフォスフォシリケートガラス（ＧＰＳＧ）膜によって構成する。
また、コア層を、ゲルマニウム濃度３０ｗｔ％以上のゲルマノシリケートガラス（ＧＳＧ）膜によって構成するのも好ましい。
本発明の光導波路の製造方法は、上記の構造を有する光導波路を製造する光導波路の製造方法であって、化学気相堆積法（以下、ＣＶＤ法という）によって有機ソースを用いて堆積させてクラッド層及びコア層を成膜する工程を含むことを特徴としている。

好ましくは、ＣＶＤ法として、有機ソースをオゾンにより分解して堆積させる常圧ＣＶＤ法を用いる。
また、有機ソースとしてトリス（トリメチルシリル）ボレート（ＳｉＯＢ）を用いるのが好ましい。
さらに、有機ソースとしてテトラメトキシゲルマン（ＴＭＧ）を用いるのも好ましい。

したがって、本光導波路によれば、２０ｗｔ％以上の高濃度のゲルマニウム（Ｇｅ）を添加したシリカガラス系材料を用いてコア層を形成することでコア層の屈折率を上げることができ、また、ＳｉＯＮを用いないことでＮＨ基による吸収をなくすことができるため、低損失で、比屈折率差の大きい光導波路を実現できることになる。
特に、Ｇｅ濃度を増加させることによってコア層の高屈折率化を実現するため、燐（Ｐ）濃度の増加による膜質の低下を抑えることができる。

また、上述のようにＧｅ濃度を増加させると、コア層の線膨張係数がＳｉ基板やクラッド層の線膨張係数に近づき、また、クラッド層としてＢＰＳＧ膜又はＢＳＧ膜を用いると、Ｓｉ基板とクラッド層との間の線膨張係数差をできるだけ小さくすることができるため、光導波路全体に生じる応力を低く抑えることができ、この結果、偏波モード分散（ＰＭＤ）を低減させ、光導波路の特性（偏波特性）を向上させることができる。

以下、本発明の一実施形態にかかる光導波路及びその製造方法について、図１〜図８を参照しながら説明する。
図１に示すように、本光導波路は、基板１０上に形成したクラッド層１１，１３によって周囲を取り囲まれたコア層１２を備えて構成される。つまり、本光導波路は、ストライプ状（線状）のコア層１２がクラッド層１１，１３で埋め込まれた埋込型光導波路（例えば石英系の埋込型光導波路，シリカガラス系光導波路）として構成される。

ここで、基板１０は、例えば、シリコン基板（Ｓｉ基板），石英・ガラス基板，ガラス基板等が使用される。
クラッド層は、基板１０上に形成された下クラッド層１１と、その下クラッド層１１上で所望の形状にパターニングされたストライプ状のコア層（導波路コア）１２の周囲を取り囲むように形成された上クラッド層１３からなる。

クラッド層１１，１３は、基板１０との線膨張係数差を低減し、応力による複屈折を低減するために、例えばＢＰＳＧ（ボロフォスフォシリケートガラス；シリカガラス系材料）又はＢＳＧ（ボロシリケートガラス；シリカガラス系材料）によって形成する。
本実施形態では、クラッド層１１，１３をＢＰＳＧ膜又はＢＳＧ膜として形成するための有機ソースとしてトリアルキルシリル系化合物を使用している。

以下、クラッド層１１，１３の有機ソースとして用いるトリアルキルシリル系化合物について具体的に説明する。
まず、一般にクラッド層の有機ソースとして用いられるアルコキシ系化合物に代えて、トリアルキルシリル系化合物を用いることにした理由を説明する。
ここで、図８は、有機ソースとしてアルコキシ系化合物（ここではＴＥＯＳ，ＴＭＯＰ，ＴＥＢを組み合わせた有機ソース）を用い、常圧ＣＶＤ法によってクラッド層を形成した場合のホウ素（Ｂ）及び燐（Ｐ）の各組成（ｗｔ％）に対するクラック及び気泡の関係を例示した組成チャートである。

なお、ここでは、１ｍｍ厚で直径６インチのシリコン基板上に、４５０℃の成膜温度で２０μmの膜厚のクラッド層を形成し、成膜後に８８０℃の熱処理を施したときの測定結果を示してある。
図８に示すように、燐（Ｐ）の組成が実線で示した直線よりも小さな値（下側の領域）になるとクラックが発生し、ホウ素（Ｂ）の組成が破線で示した直線よりも大きな値（右側の領域）になると気泡が発生するようになる。つまり、クラックや気泡（成膜欠陥）が発生しないフリー組成領域は、図８中の斜線で示す領域に限られ、これ以外の領域はクラックや気泡が発生しやすい成膜欠陥発生組成領域となり、クラッド層に含まれるホウ素（Ｂ）及び燐（Ｐ）の各濃度の設定には制約があることがわかる。

この場合、ホウ素（Ｂ）及び燐（Ｐ）の濃度設定によってクラッド層の屈折率が決定されることになるので、設計自由度の高い光導波路を実現するためには、組成選択範囲をより広くすることが望まれる。また、光導波路の屈折率に関しては、例えば方向性結合器などの光導波路デバイスにおいて屈折率のばらつき低減に対する要求が高まっている。さらに、光導波路に作用する内部応力等が要因となって発生する偏波モード分散（ＰＭＤ；polarization Mode Dispersion）を低減させ、光導波路の特性（偏波特性）を向上させることも要求される。

しかしながら、アルコキシ系化合物を用いる一般的な有機ソースでは、成膜中にホウ素（Ｂ）元素をドーピングしなければならず、成膜時の熱の影響が大きい。また、ドーピングの不均一性のためにウェハの面内や複数のウェハ間で組成が変動してしまうため、屈折率のばらつきを低減するにも限界があった。
また、光導波路の偏波特性を向上させるべく、偏波モード分散（ＰＭＤ）を低減させるには、クラッド層を形成するのに有機ソースとして用いられるアルコキシ系化合物のＢ組成を増加させれば良いことが知られているが、Ｂ組成を増加させると、クラッド層は膜厚が厚いため、クラックが発生し易くなり、また、成膜後の熱処理（例えば８００℃以上）によって気泡が生じるなどの影響を受けることになり、このようなクラックや気泡の発生は光導波路の損失等の要因となるため好ましくない。

また、クラックの発生を抑制するため、膜厚の薄いクラッド層を複数回に分けて形成する分割成膜を行なうことも考えられるが、これでは、工程が増えることになるため好ましくない。
そこで、本実施形態にかかる光導波路では、クラッド層１１，１３を形成するのに、有機ソースとしてトリアルキルシリル系化合物を用いている。

このようにクラッド層１１，１３の有機ソースとしてトリアルキルシリル系化合物を用いることで、成膜時の熱の影響が少なくなるため、クラッド層１１，１３の組成変動が抑えられるようになり、屈折率のばらつきを低減した高品質の光導波路を実現できるようになる。また、トリアルキルシリル系化合物を用いることでダングリングボンド（未結合手）等も減少するため、クラックや気泡の発生が抑えられてクラッド層１１，１３の組成選択範囲を拡大させることも可能になる。

次に、本実施形態においてクラッド層１１，１３の有機ソースとして用いられるトリアルキルシリル系化合物について、具体的に説明する。
本実施形態では、クラッド層１１，１３はＢＰＳＧ膜又はＢＳＧ膜として形成するため、クラッド層１１，１３の有機ソースとして用いるトリアルキルシリル系化合物は、例えばトリス（トリメチルシリル）ボレート［ＳｉＯＢ；tris(trimethylsilyl)borate，Ｂ（ＯＳｉ（ＣＨ₃）₃）₃］としている。

例えば図２に示すように、トリス(トリメチルシリル)ボレート（ＳｉＯＢ）は、分子構造内にトリメチルシリル結合［Ｓｉ（ＣＨ₃）₃−Ｏ−Ｂ］を持ち（即ち、図２に示すようにＳｉ−Ｏ−Ｂ結合が最初から有機ソースに含まれており）、Ｓｉ−Ｏの結合エネルギは高いため、Ｓｉ−Ｏ−Ｂの構造がＢＰＳＧ膜又はＢＳＧ膜中に安定的に取り込まれるという特長を有する。

このため、成膜時の熱の影響や不均一なドーピングが要因となって面内やウェハ間で組成にばらつきが生じることがなく、屈折率のばらつきを抑えることができ、均一な屈折率分布を実現できるようになる。
さらに、トリアルキルシリル系化合物を有機ソースとする場合、アルコキシ系化合物を有機ソースとする場合に比べてダングリングボンド（未結合手）が少なくなるため、ダングリングボンドへの応力集中によるクラックの発生や炭素（Ｃ）や水素（Ｈ）との反応による気泡の発生を抑えることができ、この結果、コア及びクラッドの組成選択範囲を拡大することが可能となる。

ここで、クラッド層１１，１３の有機ソースをトリメチルシリル系化合物のみによって構成する場合、シリカガラスに含まれる添加物の割合を調整し難いという欠点がある。
具体的には、例えばクラッド層１１，１３の有機ソースにＳｉＯＢを用いる場合、Ｓｉに対するＢの割合は上述の図２からも明らかなように３：１で一定となる。シリカガラスに含まれる添加物の割合の調整を容易にするための１つの方法として、トリアルキルシリル系化合物にアルコキシ系化合物を組み合わせて有機ソースを構成し、トリアルキルシリル系化合物をアルコキシ系化合物とともに成膜する方法があり、このようにしても上述のようにトリアルキルシリル系化合物のみを用いる場合と同様の効果が得られる。

この場合、クラッドの有機ソースとしては、ＳｉＯＢのほか、ＴＥＯＳ，ＴＭＯＳ，ＴＥＧ（テトラエトキシゲルマン），ＴＭＧ（テトラメトキシゲルマン），ＴＥＯＰ，ＴＭＯＰ，ＴＥＢ及びＴＭＢのうちの少なくとも１種類以上を成膜条件に応じて任意に組み合わせたものを使用すれば良い。
具体的には、添加物組成を低減するには例えばＴＥＯＳ，ＴＭＯＳを用い、Ｂ組成を増加する場合には例えばＴＥＢ，ＴＭＢを用い、Ｐ組成を増加する場合にはＴＥＯＰ，ＴＭＯＰを用い、Ｇｅ組成を増加する場合にはＴＥＧ，ＴＭＧなどを用いるのが好ましい。

ここで、図３は、ＳｉＯＢ，ＴＥＢ及びＴＭＯＰを組み合わせた有機ソースを常圧ＣＶＤ法によりオゾンで分解してクラッド層（ＢＰＳＧ膜，シリカガラス膜）を形成した場合について、ホウ素および燐の各組成（ｗｔ％）に対するクラックおよび気泡の関係を例示した図である。
なお、ここでは１ｍｍ厚で直径６インチのシリコン基板上に、４５０℃の成膜温度で２０μmの膜厚のクラッド層を形成し、成膜後に８８０℃の熱処理を施したときの測定結果が示してある。

図３に示すように、ＳｉＯＢ，ＴＥＢ及びＴＭＯＰを組み合わせた有機ソースを用いた場合には、アルコキシ系化合物のみを用いた場合（例えばＴＥＯＳ，ＴＭＯＰ及びＴＥＢを組み合わせた有機ソースを用いた場合；図８参照）と比較すると明らかなように、クラック発生領域及び気泡発生領域が大幅に縮小され、図中の斜線部分に示すクラックや気泡の発生がないクラック・気泡フリー領域が拡大されて、ホウ素および燐の各組成の選択範囲が格段に広がることが分かる。

なお、本実施形態では、クラッド層１１，１３をＢＰＳＧ膜又はＢＳＧ膜として形成するため、クラッド層１１，１３の有機ソースに含まれるトリアルキルシリル系化合物としてＳｉＯＢを用いているが、これ以外の添加物を含むトリアルキルシリル系化合物［分子構造内にＳｉＲ₃−Ｏ−ａ結合（ただし、Ｒはアルキル基であり、ａはＢ，Ｐ，Ｇ，Ｔｉ，Ｔａ等の添加物に相当する物質である）を有する化合物］を用いても良い。

例えば、テトラキス（トリメチルシリル）ゲルマニウム［ＳｉＯＧ；tetrakis(trimethylsilyl)germanium，Ｇｅ（ＯＳｉ（ＣＨ₃）₃）₄］，トリス(トリメチルシリル)フォスフェイト［ＳｉＯＰ；tris(trimethy1si1yl)phosphate，Ｐ（ＯＳｉ（ＣＨ₃）₃）₃］，テトラキス（トリメチルシリル）チタニウム［ＳｉＯＴｉ；tetrakis(trimethylsilyl)titanium，Ｔｉ（ＯＳｉ（ＣＨ₃）₃）₄］，テトラキス(トリメチルシリル)タンタル［ＳｉＯＴａ；tetrakis(trimethylsilyl)tantalum，Ｔａ（ＯＳｉ（ＣＨ₃）₃）₄］などのトリアルキルシリル系化合物を用いることができる。なお、ＳｉＯＰは、ＳｉＯＢと合わせて用いることで、ＢＰＳＧ膜を形成できる。

つまり、クラッド層１１，１３の有機ソースとしては、Ｓｉ−Ｏ−Ｂ結合，Ｓｉ−Ｏ−Ｇｅ結合，Ｓｉ−Ｏ−Ｐ結合，Ｓｉ−Ｏ−Ｔｉ結合及びＳｉ−Ｏ−Ｔａ結合のうちの少なくとも１つ以上の結合を含むトリアルキルシリル系化合物を用いることができる。
ここで、図４は、有機ソースとしてトリメチルシリル系化合物を用い、常圧ＣＶＤ法によってシリコン基板上にクラッド層（ＢＰＳＧ膜）を形成する場合のホウ素（Ｂ）及び燐（Ｐ）の各組成（ｗｔ％）に対するクラック及び気泡の関係を例示した組成チャートである。

図４中、斜線領域はクラックや気泡（成膜欠陥）が発生しやすい成膜欠陥発生組成領域を示しており、斜線領域以外の領域はクラックや気泡が発生しないフリー組成領域を示している。
図４に示すように、有機ソースとしてトリメチルシリル系化合物を用いると、クラックや気泡の発生がないフリー組成領域が広がるため、クラッド層（トリメチルシリル系化合物）に含まれるホウ素（Ｂ）及び燐（Ｐ）の組成（ｗｔ％）を決める際に、組成設計の自由度が増すことになる。

また、Ｓｉ基板１０上にクラッド層１１，１３を形成する場合、Ｓｉ基板１０の線膨張係数とクラッド層１１，１３の線膨張係数とに差があると、クラッド層１１，１３に応力（内部応力）が生じることになる。
ここで、図４中、破線は、応力がゼロ（応力＝０）の場合の等応力線を示している。例えば、Ｂ組成とＰ組成とを足したものが１１ｗｔ％（Ｂ組成＋Ｐ組成＝１１ｗｔ％）程度になるようにすると応力がゼロ（応力＝０）になる。なお、応力の大きさに応じてそれぞれの応力毎の等応力線を応力ゼロの場合の等応力線に平行な線として表すことができる。

そして、図４中、破線の左側（下側）では、ホウ素組成（Ｂ組成），燐組成（Ｐ組成）の減少に応じて、応力は圧縮方向に大きくなり（逆に言うと、Ｂ組成，Ｐ組成の増加に応じて、応力は圧縮方向に小さくなる）、破線の右側（上側）では、ホウ素組成（Ｂ組成），燐組成（Ｐ組成）の増加に応じて、応力は引張方向に大きくなる（逆に言うと、Ｂ組成，Ｐ組成の減少に応じて、応力は引張方向に小さくなる）傾向がある。つまり、応力は、図４中、破線で示す等応力線のところで最も小さくなり、この等応力線から離れるにしたがって大きくなる。

ここで、応力がゼロになるということは、クラッド層の線膨張係数とＳｉ基板の線膨張係数とが同じ（線膨張係数差がゼロ；線膨張係数差＝０）になることを意味する。このため、応力ゼロの場合の等応力線は等線膨張係数線と見ることもできる。
そして、図４中、破線の左側（下側）では、ホウ素組成（Ｂ組成），燐組成（Ｐ組成）の減少に応じて、線膨張係数は小さくなり、破線の右側（上側）では、ホウ素組成（Ｂ組成），燐組成（Ｐ組成）の増加に応じて、線膨張係数は大きくなる傾向がある。このため、Ｓｉ基板との線膨張係数差（ｄ_clad−ｄ_Si）は、図４中、破線の左側（下側）では、Ｂ組成，Ｐ組成の減少に応じて大きくなり（即ち、負の値が大きくなり）、破線の右側（上側）では、ホウ素組成（Ｂ組成），燐組成（Ｐ組成）の増加に応じて大きくなる（即ち、正の値が大きくなる）傾向がある。つまり、クラッド層の線膨張係数は、図４中、破線で示す等線膨張係数線のところでＳｉ基板１０の線膨張係数に最も近くなり（等しくなり）、この等線膨張係数線から離れるにしたがってＳｉ基板１０の線膨張係数との差が大きくなる。

また、図４に示すように、屈折率はＰ組成が支配的であり、Ｐ組成が多いほど［即ち、ＢＰＳＧ組成中のＰ組成の割合（ｗｔ％）が高いほど］、屈折率が高くなり、Ｐ組成が少ないほど［即ち、ＢＰＳＧ組成中のＰ組成の割合（ｗｔ％）が低いほど］、屈折率が低くなる。なお、図４中、一点鎖線は、上クラッド層１３の目標屈折率と等しい屈折率の等屈折率線を示している。

ここで、コア層（導波路コア）１２の複屈折は、その側面を覆う上クラッド層１３の応力が支配的であるため、上クラッド層１３は応力がゼロ（応力＝０）となる（Ｓｉ基板１０との線膨張係数差がゼロ；線膨張係数差＝０となる）組成とするのが望ましい。
このため、上クラッド層１３の組成は、所望の目標屈折率となるようにＰ組成を調整するとともに、応力がゼロ（応力＝０）になるように決定する。つまり、上クラッド層１３は、Ｓｉ基板１０の線膨張係数とほぼ等しい線膨張係数を持つものとして構成される。

具体的には、図４中、一点鎖線で示す等屈折率線と、図４中、破線で示す応力ゼロの場合の等応力線とが交わる点のＢ組成及びＰ組成の割合（ｗｔ％）となるように、上クラッド層１３の組成を決定する。
また、下クラッド層１１の組成は、下クラッド層１１の屈折率が上クラッド層１３の屈折率と同じになるように、上クラッド層１３とほぼ同じＰ組成になるように決定する。つまり、下クラッド層１１の組成は、例えば図４中、一点鎖線で示す等屈折率線上になるように決定する。

なお、本実施形態では、下クラッド層１１及び上クラッド層１３の双方のクラックや気泡の発生を抑えるべく、下クラッド層１１及び上クラッド層１３の有機ソースとしてトリアルキルシリル系化合物を含むものを用いているが、例えば有機ソースとしてアルコキシ系化合物を含むものを用いることもできる。
ところで、コア層１２は、クラッド層１１，１３に対して光の導波に必要とされる所要の屈折率差が得られるような屈折率を有し、所望のパターン（コアパターン，導波路パターン）を有するものとして形成される。

ここで、コア層１２は、クラッド層１１，１３に比べて屈折率の高い材料を適用し、例えばＧＰＳＧ（ゲルマノフォスフォシリケートガラス；シリカガラス系材料）又はＧＳＧ（ゲルマノシリケートガラス；シリカガラス系材料）を用いる。
本実施形態では、コア層１２をＧＰＳＧ膜又はＧＳＧ膜として形成するための有機ソースとしてアルコキシ系化合物を使用している。例えば、コア層１２を形成する有機ソースとして、ＴＥＯＳ，ＴＭＯＳ，ＴＥＯＰ，ＴＭＯＰ，ＴＥＧ及びＴＭＧのうちの少なくとも１種類以上を組み合わせたアルコキシ系化合物を使用している。

なお、本実施形態では、コア層１２の有機ソースとしてアルコキシ系化合物を用いているが、これに限られるものではなく、例えば、ＳｉＯＧ，ＳｉＯＴｉ，ＳｉＯＴａ，ＳｉＯＢ，ＳｉＯＰ等のトリアルキルシリル系化合物を含むものを有機ソースとして用いることもできる。
次に、本光導波路の製作プロセスについて、図５（Ａ）〜（Ｄ）を参照しながら詳しく説明する。

本光導波路の製作プロセスは、図５（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、基板（例えばＳｉ基板）１０上に下クラッド層１１及びコア層１２の成膜を行なう第１工程と、所望のパターンを持つ導波路コア１２の形成を行なう第２工程と、上クラッド層１２の一部の成膜を行なう第４工程と、上クラッド層１２の残り部分の成膜を行なう第４工程とに大別される。
これらの第１〜第４工程は、クラッド層１１，１３及びコア層１２を形成する有機ソースとしてトリアルキルシリル系化合物を用いる点を除いて、アルコキシ系化合物を用いる一般的な光導波路の製作プロセスと同様であり、使用する製造装置や成膜条件は基本的に共通であるため、既存の設備をそのまま利用することが可能である。

以下、各工程で行われる処理について、図５（Ａ）〜（Ｄ）を参照しながら具体的に説明する。
第1工程（下板成膜工程）では、図５（Ａ）に示すように、まず、少なくともトリアルキルシリル系化合物（例えばＳｉＯＢ）を含むものを有機ソースとし、常圧ＣＶＤ装置を用いて有機ソースをオゾンで分解することにより、Ｓｉ基板１０上にボロフォスフォシリケートガラス（ＢＰＳＧ）膜又はボロシリケートガラス（ＢＳＧ）膜を成膜することで下クラッド層１１が形成される（下クラッド層形成工程）。

この下クラッド層１１の成膜には、熱応力低減の観点から、低温成膜が可能な常圧化学気相堆積(ＡＰ−ＣＶＤ，ＣＶＤ；chemical vapor deposition)法を用いるのが好適である。また、有機ソースとしてトリアルキルシリル系化合物（例えばＳｉＯＢ）を用いることにより、クラック耐性を向上させ、成膜欠陥が生じるのを抑えることができる。
なお、ＢＰＳＧ膜又はＢＳＧ膜としての下クラッド層１１を形成するのに用いられる有機ソースは、トリアルキルシリル系化合物（例えばＳｉＯＢ）のほかに、成膜条件に応じて、アルコキシ系化合物（例えばＴＥＯＰ，ＴＭＯＰ，ＴＥＢ，ＴＭＢ）の中から任意に組み合わせたものを使用すれば良い。

具体的には、例えば１ｍｍ厚で直径６インチのＳｉ基板１０上に、ＳｉＯＢ，Ｏ₃を原料とし、常圧ＣＶＤ装置を用いて、例えば１５〜２０μmの膜厚のＢＰＳＧ膜又はＢＳＧ膜を例えば３８０〜４５０℃の成膜温度にて堆積させて、下クラッド層１１とすることが可能である。この下クラッド層１１は、さらに、水分やカーボンを除去するために、８００〜１０００℃のファーネスタイプの熱処理炉にて例えば１時間程度のアニール処理が施される。

特に、第1工程により形成される下クラッド層１１（ＢＰＳＧ膜又はＢＳＧ膜）については、偏波モード分散（ＰＭＤ）の低減を図るために、Ｂ組成の割合（ホウ素の濃度）を１ｗｔ％以上とするのが良い。また、屈折率を下げ、コア１２との屈折率差を大きくするためにはＰ組成の割合（燐の濃度）を下げる必要があるが、クラックの発生を防ぐことを考慮するとＰ組成の割合は１ｗｔ％以上とするのが望ましい。

具体的には、クラックや気泡の発生がないフリー組成領域内でホウ素および燐の各組成を選択して下クラッド層１１を形成することになる。
特に、下クラッド層１１を、Ｓｉ基板１０の線膨張係数とほぼ等しい線膨張係数を持つようにＢＰＳＧ膜又はＢＳＧ膜によって構成することで、コア層１２への応力を低減することができ、偏波モード分散（ＰＭＤ）を低く抑えることが可能となる。

次に、図５（Ａ）に示すように、アルコキシ系化合物（例えばＴＭＧ）を有機ソースとし、常圧ＣＶＤ法を用いて有機ソースをオゾンで分解することにより、下クラッド層１１上にコア層（ＧＰＳＧ膜又はＧＳＧ膜）１２が形成される（コア層形成工程）。このように、下クラッド層１１及びコア層１２の成膜には、熱応力低減観点から、低温成膜が可能な常圧ＣＶＤ（化学気相堆積）法を用いるのが好適である。

ここで、ＧＰＳＧ膜又はＧＳＧ膜としてのコア層１２を形成するのに用いられる有機ソースは、成膜条件に応じて、アルコキシ系化合物（例えばＴＥＯＳ，ＴＭＯＳ，ＴＥＯＰ，ＴＭＯＰ，ＴＥＧ，ＴＭＧ）の中から任意に組み合わせたものを使用すれば良い。
具体的には、常圧ＣＶＤ装置を用いて、例えば３８０〜４５０℃の成膜温度にて、２〜７μmの膜厚のＧＰＳＧ膜又はＧＳＧ膜を下クラッド層１１上に堆積させてコア層１２とすることが可能である。このコア層１２についても下クラッド層１１と同様のアニール処理が施される。

ここで、コア層１２のＧｅ組成（ゲルマニウム濃度，Ｇｅ濃度）は、下クラッド層１１に対して光の導波に必要とされる所望の屈折率差が得られるように調整される。
特に、本実施形態では、図６に示すように、Ｇｅ濃度（Ｇｅ組成）を２０ｗｔ％以上（好ましくは３０ｗｔ％以上、さらに好ましくは４０ｗｔ％以上）にしたシリカガラス系材料（例えばＧＰＳＧ，ＧＳＧ）によってコア層１２を形成している。このように、高濃度のＧｅをドープすることで、下クラッド層１１に対する比屈折率差Δを大きくしている。

例えばコア層１２をＧＰＳＧ膜として形成する場合は、図６に示すように、Ｇｅ濃度を２０ｗｔ％以上にすれば、比屈折率差Δを２％以上にすることができ、Ｇｅ濃度を３０ｗｔ％以上にすれば、比屈折率差Δを３％以上にすることができる。
また、例えばコア層１２をＧＳＧ膜として形成する場合は、図６に示すように、Ｇｅ濃度を３０ｗｔ％以上にすれば、比屈折率差Δを２％以上にすることができ、Ｇｅ濃度を４０ｗｔ％以上にすれば、比屈折率差Δを３％以上にすることができる。

一方、このように、コア層１２を、高濃度のＧｅをドープしたシリカガラス系材料（例えばＧＰＳＧ，ＧＳＧ）によって形成することで、Ｓｉ基板１０の線膨張係数とコア層１２の線膨張係数とを近づけることができ、コア層１２に生じる応力を小さくすることができる。つまり、コア層１２を、高濃度のＧｅをドープしたシリカガラス系材料（例えばＧＰＳＧ，ＧＳＧ）によって形成することで、低応力のコア層１２を形成できることになる。

例えばコア層１２をＧＰＳＧ膜として形成する場合は、図７に示すように、Ｇｅ濃度を１５ｗｔ％以上３５ｗｔ％以下にすれば、コア層１２に生じる応力を±５０ＭＰａの範囲内にすることができ、Ｇｅ濃度を２０ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下にすれば、コア層１２に生じる応力を±２５ＭＰａの範囲内にすることができる。特に、Ｇｅ濃度を２５ｗｔ％程度にすると、図７に示すように、コア層１２に生じる応力をほぼゼロにすることができる一方、図６に示すように、比屈折率差Δを２．５％程度にすることができる。

また、例えばコア層１２をＧＳＧ膜として形成する場合は、図７に示すように、Ｇｅ濃度を３０ｗｔ％以上５５ｗｔ％以下にすれば、コア層１２に生じる応力を±５０ＭＰａの範囲内にすることができ、Ｇｅ濃度を４０ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下にすれば、コア層１２に生じる応力を±２５ＭＰａの範囲内にすることができる。特に、Ｇｅ濃度を４５ｗｔ％程度にすると、図７に示すように、コア層１２に生じる応力をほぼゼロにすることができる一方、図６に示すように、比屈折率差Δを４％程度にすることができる。

また、コア層１２をＧＰＳＧ膜によって形成する場合、Ｐ濃度（燐濃度）を２ｗｔ％以下にしたＧＰＳＧ膜にすれば、気泡などの成膜欠陥が生じるのを抑えることもできる。
このように、下クラッド層１１を低応力のＢＰＳＧ膜又はＢＳＧ膜によって形成し、コア層１２をＧｅ濃度２０ｗｔ％以上（好ましくは３０ｗｔ％以上）のＧＰＳＧ膜によって形成することで、例えば２％以上（好ましくは３％以上）の比屈折率差Δを持ち、光伝送システムで用いられる１．５０μｍ帯において伝播損失の小さい光導波路を実現できることになる。

同様に、下クラッド層１１を低応力のＢＰＳＧ膜又はＢＳＧ膜によって形成し、コア層１２をＧｅ濃度３０ｗｔ％以上（好ましくは４０ｗｔ％以上）のＧＳＧ膜によって形成することで、例えば２％以上（好ましくは３％以上）の比屈折率差Δを持ち、光伝送システムで用いられる１．５０μｍ帯において伝播損失の小さい光導波路を実現することが可能となる。

また、上述のように、下クラッド層１１をＢＰＳＧ膜又はＢＳＧ膜によって形成することで、Ｓｉ基板１０の線膨張係数と下クラッド層１１の線膨張係数とをほぼ等しくすることができる。また、コア層１２をＧｅ濃度２０ｗｔ％以上（好ましくは３０ｗｔ％以上）のＧＰＳＧ膜によって形成するか、又は、コア層１２をＧｅ濃度３０ｗｔ％以上（好ましくは４０ｗｔ％以上）のＧＳＧ膜によって形成することで、Ｓｉ基板１０の線膨張係数とコア層１２の線膨張係数とをほぼ等しくすることができる。

このため、下クラッド層１１をＢＰＳＧ膜又はＢＳＧ膜によって形成し、コア層１２をＧｅ濃度２０ｗｔ％以上（好ましくは３０ｗｔ％以上）のＧＰＳＧ膜によって形成するか、又はコア層１２をＧｅ濃度３０ｗｔ％以上（好ましくは４０ｗｔ％以上）のＧＳＧ膜によって形成することで、Ｓｉ基板１０の線膨張係数，コア層１２の線膨張係数，下クラッド層１１の線膨張係数をほぼ同等にすることができ、この結果、コア層１２に生じる応力を小さくすることができるため、応力による偏波モード分散を低減することが可能となり、また、光導波路の複屈折を低減することも可能となる。

第２工程（コア層加工工程，導波路コア形成工程）では、図５（Ｂ）に示すように、コア層１２上に所望のコアパターンがフォトリソグラフィー法によりパターニングされる。そして、ＲＩＥ法（ＲＩＥ装置）によって選択的にエッチング（ドライエッチング）を行なうことでコア層１２の不要部分が除去されて、図５（Ｂ）に示すような線状（ストライプ状）のコア層（導波路コア）１２が形成される。

第３工程（埋込成膜第１工程，上クラッド層形成工程）では、図５（Ｃ）に示すように、上述の第１工程と同一の条件にて、下クラッド層１１及び導波路コア１２上に、ストライプ状の導波路コア１２が埋め込まれるように、上クラッド層１３の一部が形成される（埋込成膜）。
具体的には、上クラッド層１３の一部を所定の厚さの薄膜として成膜すべく、下クラッド層１１や導波路コア１２上にシリカガラス系材料（例えばＢＰＳＧ，ＢＳＧ）を堆積させた後、熱処理によってリフローさせる。これにより、ストライプ状の導波路コア１２間にボイドが生じないように、例えば隣接するストライプ状の導波路コア１２間に形成されている溝がシリカガラス系材料（例えばＢＰＳＧ，ＢＳＧ）によって確実に埋め込まれる。

第４工程（埋込成膜第２工程，上クラッド層形成工程）では、図５（Ｄ）に示すように、上述の第１工程と同一の条件にて、上述の第３工程において形成された上クラッド層１３の一部の上に、上クラッド層１３全体の厚さが所望の厚さになるように上クラッド層１３の残りの部分が形成される。なお、下クラッド層１１と同一の条件で形成された上クラッド層１３の屈折率は、下クラッド層１１の屈折率と一致させる。

具体的には、少なくともトリアルキルシリル系化合物（例えばＳｉＯＢ）を含むものを有機ソースとし、常圧ＣＶＤ法（常圧ＣＶＤ装置）を用いて有機ソースをオゾンで分解することにより、下クラッド層１１及びコア層１２上に、例えば２０μｍのＢＰＳＧ膜又はＢＳＧ膜を成膜することで上クラッド層１３が形成される。なお、上クラッド層１３の組成（Ｂ組成及びＰ組成；堆積条件）は、上クラッド層１３の屈折率と下クラッド層１１の屈折率とが一致するように調整する。

このように、上クラッド層１３の成膜には、熱応力低減観点から、低温成膜が可能な常圧ＣＶＤ（化学気相堆積）法を用いるのが好適である。
特に、上クラッド層１３をＢＰＳＧ膜又はＢＳＧ膜として構成する場合、ＢＰＳＧ膜又はＢＳＧ膜は融点が低いため、常圧ＣＶＤ法においてもリフローしやすく（リフロー性が高く）、ボイドなどが発生しないように導波路コア１２の埋め込みを行なうことができ、また、ＦＨＤ法などの高温成膜法に比べて上クラッド層１３の成膜時に発生する導波路コア１２の流動化を防ぐことができる。

ここで、ＢＰＳＧ膜又はＢＳＧ膜としての上クラッド層１３を形成するのに用いられる有機ソースは、トリアルキルシリル系化合物（例えばＳｉＯＢ）のほかに、成膜条件に応じて、アルコキシ系化合物（例えばＴＥＯＰ，ＴＭＯＰ，ＴＥＢ，ＴＭＢ）の中から任意に組み合わせたものを使用すれば良い。
したがって、本実施形態にかかる光導波路及びその製造方法によれば、例えば２０ｗｔ％以上（好ましくは３０ｗｔ％以上、より好ましくは４０ｗｔ％以上）の高濃度のゲルマニウム（Ｇｅ）を添加したシリカガラス系材料を用いてコア層１２を形成することでコア層１２の屈折率を上げることができ、また、ＳｉＯＮを用いないことでＮＨ基による吸収をなくすことができるため、低損失で、比屈折率差の大きい光導波路を実現できることになる。

特に、Ｇｅ濃度を増加させることによってコア層１２の高屈折率化を実現するため、燐（Ｐ）濃度の増加による膜質の低下を抑えることができる。
また、上述のようにＧｅ濃度を増加させると、コア層１２の線膨張係数がＳｉ基板１０やクラッド層１１，１３の線膨張係数に近づき、また、クラッド層１１，１３としてＢＰＳＧ膜又はＢＳＧ膜を用いると、Ｓｉ基板１０とクラッド層１１，１３との間の線膨張係数差をできるだけ小さくすることができるため、光導波路全体に生じる応力を低く抑えることができ、この結果、偏波モード分散（ＰＭＤ）を低減させ、光導波路の特性（偏波特性）を向上させることができる。

さらに、コア及びクラッドを形成する有機ソースとしてトリアルキルシリル系化合物を用いることにより（例えば新規成膜ソースであるＳｉＯＢを用いることにより）、クラック及び気泡の発生が抑えられてコア及びクラッドの組成選択範囲を拡大することが可能となり、クラッド層１１，１３及びコア層１２の各屈折率を高い自由度で設計することが可能になる。

また、クラッド層１１，１３の成膜の際にクラックが発生するのを抑えることができるため、一括成膜が可能となる。

以上のように、本発明によれば、膜質の低下を抑えながら、低損失で、比屈折率差の大きい光導波路を実現でき、さらに、偏波モード分散（ＰＭＤ）を低減させ、光導波路の特性（偏波特性）を向上させることで、各種の光伝送装置に適用される光導波路として十分に耐え得る特性を実現できるようになるので、その有用性は極めて高いと考えられる。

本発明の一実施形態にかかる光導波路の全体構成を示す模式的断面図である。 本発明の一実施形態にかかる光導波路において有機ソースとして用いられるトリアルキルシリル系化合物の一例としてトリス（トリメチルシリル）ボレート（ＳｉＯＢ）の構造を示す図である。 本発明の一実施形態にかかる光導波路において有機ソースとしてトリアルキルシリル系化合物を用いてクラッド（ＢＰＳＧ膜）を形成する場合のホウ素及び燐の各組成に対するクラック及び気泡の発生領域を説明するための組成チャートである。 本発明の一実施形態にかかる光導波路において有機ソースとして用いられるトリアルキルシリル系化合物の組成チャートである。 （Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の一実施形態にかかる光導波路の製造方法における製作プロセスを説明するための図である。 本発明の一実施形態にかかる光導波路のＧｅ濃度と比屈折率差との関係を示す図である。 本発明の一実施形態にかかる光導波路のＧｅ濃度と応力との関係を示す図である。 一般的な光導波路において有機ソースとしてアルコキシ系化合物を用いてクラッド（ＢＰＳＧ膜）を形成する場合のホウ素及び燐の各組成に対するクラック及び気泡の発生領域を説明するための組成チャートである。 一般的な光導波路の全体構成を示す模式的断面図である。

符号の説明

１０ 基板
１１ 下クラッド層
１２ コア層（導波路コア）
１３ 上クラッド層

Claims (7)

1. 基板上に下クラッド層，コア層，上クラッド層を有し、前記コア層が前記上クラッド層及び前記下クラッド層に埋め込まれるように形成される光導波路であって、
   前記クラッド層が、ボロフォスフォシリケートガラス（ＢＰＳＧ）膜又はボロシリケートガラス（ＢＳＧ）膜によって構成され、
   前記コア層が、ゲルマニウム濃度を２０ｗｔ％以上としたシリカガラス系材料によって構成されることを特徴とする、光導波路。
2. 前記コア層が、燐濃度２ｗｔ％以下のゲルマノフォスフォシリケートガラス（ＧＰＳＧ）膜によって構成されることを特徴とする、請求項１記載の光導波路。
3. 前記コア層が、ゲルマニウム濃度３０ｗｔ％以上のゲルマノシリケートガラス（ＧＳＧ）膜によって構成されることを特徴とする、請求項１記載の光導波路。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の光導波路を製造する光導波路の製造方法であって、
   化学気相堆積法（以下、ＣＶＤ法という）によって有機ソースを用いて堆積させて前記クラッド層及び前記コア層を成膜する工程を含むことを特徴とする、光導波路の製造方法。
5. 前記ＣＶＤ法が、有機ソースをオゾンにより分解して堆積させる常圧ＣＶＤ法であることを特徴とする、請求項４記載の光導波路の製造方法。
6. 前記有機ソースとしてトリス（トリメチルシリル）ボレート（ＳｉＯＢ）を用いることを特徴とする、請求項４又は５記載の光導波路の製造方法。
7. 前記有機ソースとしてテトラメトキシゲルマン（ＴＭＧ）を用いることを特徴とする、請求項４又は５記載の光導波路の製造方法。

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