JP2005140821A

JP2005140821A - 光導波路とその製造方法

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Publication number: JP2005140821A
Application number: JP2003374120A
Authority: JP
Inventors: Kazunari Nishihara; 和成西原; Toshinari Noda; 俊成野田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-11-04
Filing date: 2003-11-04
Publication date: 2005-06-02

Abstract

【課題】光導波路のコアの断面形状が略円形状または楕円形状にすることで、光ファイバーとの接続損失の小さい光導波路を安価に提供することを目的とするものである。
【解決手段】光を閉じ込め導波するコア２と、このコア２を覆うように形成された第一および第二のクラッド層３，４とからなり、コア２の断面形状が略円形とした光導波路１であり、これにより入出力部に接続する光ファイバーとの接続損失が小さい光導波路１を提供できる作用効果を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は光通信分野において用いられる光導波路およびその製造方法に係り、特にコアの断面形状を略円形または略楕円形とした光導波路およびその製造方法に関するものである。

本発明の説明に先立ち、従来から一般的に行われている光導波路の製造方法である火炎堆積法について簡単に説明する。火炎堆積法（Flame Hydrolysis Deposition 以下ＦＨＤ法と略称する）が石英系光導波路の製造方法として従来から用いられている。

ＦＨＤ法は四塩化シリコンなどを酸水素バーナーの酸水素炎中で加水分解して得られた酸化シリコンの微粒子を、シリコンなどの基板上に堆積させてクラッドおよびコアを形成する方法である。最初に下部クラッド層となるガラス微粒子層を堆積させ、続いてコア層となるガラス微粒子層を堆積させる。その際、コアの屈折率はクラッド層のそれよりも若干高くする必要があるため、コア層となるガラス微粒子層にゲルマニウムやチタンを含有させるようにしてもよいし、あるいは下部クラッド層となるガラス微粒子層に屈折率を低くするフッ素やホウ素などの物質を含有させてもよい。

次に、下部クラッド層となるガラス微粒子層を透明ガラス化するために、電気炉を用いて高温（約１２００℃）で加熱処理する。この加熱処理によって、それぞれのガラス微粒子層が、下部クラッド層およびコア層に変わる。

そして、コア層を加工するためにフォトリソグラフィーによりレジストパターンを形成した後、反応性イオンエッチング法などを用いてエッチングを行う。この反応性イオンエッチングにより、その断面形状が矩形のコアを形成する。

次に、前述したＦＨＤ法によりコアと下部クラッドを覆うように上部クラッド層となるガラス微粒子層を堆積させる。

最後に、上部クラッド層となるガラス微粒子層を前述と同じように電気炉中で加熱処理して、上部クラッド層となるガラス微粒子層を透明ガラス化する。

なお、この光導波路の製造方法に関連する先行技術文献情報としては、例えば、非特許文献１が知られている。ところで、光ファイバーや上述した光導波路で構成される光伝送システムなどにおいて、光の伝送損失を低減させることが望まれている。光ファイバーと光導波路との接続部における光の接続損失が伝送損失の大きな要因となっている。

接続損失は、以下に挙げる３種類の損失に大別される。すなわち、
（１）光ファイバーおよび光導波路接続時の光軸ずれに起因する損失
（２）それぞれの断面形状の相違による光の漏れに起因する損失
（３）それぞれの断面形状の相違に起因するモード不整合による損失
である。

矩形の断面形状のコアを有する光導波路と、一般的に広く用いられている円形形状の断面形状のコアを有する光ファイバーとの接続においては、コアどうしの断面形状の相違により上述した３種類の光の接続損失が生じる。

例えば、光ファイバーのコアの直径をＤ（＝２ｒ）、光導波路のコアの断面形状が正方形でその一辺の長さをｃとし、またｃ／Ｄ＝ｐとすると、光導波路の出入り口での接続損失Ｌ_in，Ｌ_outはそれぞれ（数１）、（数２）で表すことができる。

接続損失のＬ_in＋Ｌ_outの最小値はｐ＝０．９１のときで、最小接続損失は０．８ｄＢとなる。

すなわち、従来の製造方法で形成された矩形断面形状のコアを有する光導波路では、光ファイバーと接続する際に、０．８ｄＢ以上の接続損失が避けられないという問題があった。

上述した課題を解決する従来の光導波路としては、図５（Ａ），（Ｂ）、図６（Ａ）〜（Ｅ）がある。

図５（Ａ），（Ｂ）は従来の楕円形断面形状のコアを有する光導波路の断面図、図６（Ａ）〜（Ｅ）は従来の楕円形断面形状のコアを有する光導波路の製造工程を示す断面図である。

図５（Ａ），（Ｂ）に示すように光導波路は基板２６の上側に下部クラッド層２５、コア２３および上部クラッド２４を有する。この基板２６の表面にコア２３の下側に沿った溝２２が設けられている。下部クラッド層２５は、基板２６とは反対側の表面に谷状のくぼみ２１が設けられている。この場合、このくぼみ２１は溝２２と対向して、この溝２２に沿って設けられている。コア２３は、その谷状のくぼみ２１に上側に沿って設けられていることにより、コア下側部分（コア２３の一部であって下部クラッド層２５と対向する部分）が下部クラッド層２５の表面のその谷状のくぼみ２１の形状を反映した曲面となっている。

このような光導波路は、例えば以下の製造方法により得られる。図６（Ａ）に示すように溝２２を基板２６の表面に形成する第一の工程と、図６（Ｂ）に示すようにその溝２２を含む基板２６の表面上にこの溝２２に沿った谷状のくぼみ２１を有する下部クラッド層２５を形成する第二の工程と、図６（Ｃ）に示すようにその下部クラッド層２５の上にコア層２３とエッチング用のマスクとなるマスク材料２８を形成する第三の工程と、図６（Ｄ）に示すようにコア層２３をマスク材料２８に沿ってエッチングすることにより、前述の谷状のくぼみ２１に沿ったリッジ状のコア２３を形成する第四の工程と、図６（Ｅ）に示すようにその下部クラッド層２５およびそのコア２３を覆うように、上部クラッド層２４を形成する第五の工程とからなる製造方法である。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、以下の文献が知られている。
特開平１１−３２６６６５号公報プレーナ光波回路技術 NTT R&D Vol.40 No.2,1991,P199-204.

しかしながら、上記従来の光導波路の製造方法では、コアの下部のみが略円形となっているため、コアの上側の形状による損失が低減できず、またその製造方法においてもフォトリソグラフィーや反応性イオンエッチング法など高価な装置を必要とするため光導波路が高価になるという課題があった。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、光導波路のコアの断面形状が略円形状または楕円形状にすることで、光ファイバーとの接続損失の小さい光導波路を安価に提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有する。

本発明の請求項１に記載の発明は、光を閉じ込め導波するコアと、このコアを覆うように形成された第一および第二のクラッド層とからなり、前記コアの断面形状が略円形とした光導波路であり、これにより入出力部に接続する光ファイバーとの接続損失が小さい光導波路を提供できる作用効果を有する。

請求項２に記載の発明は、第一および第二のクラッド層の少なくともいずれか一方をコアの機械的硬度よりも低くした請求項１に記載の光導波路であり、これによりコアの上側の形状を略円形に加工できる作用効果を有する。

請求項３に記載の発明は、第一のクラッド層の主表面に半円状となる溝を形成する工程と、この溝を含む前記第一のクラッド層の主表面全体にコア材を形成する工程と、前記コア材の一部を除去して前記溝を露出させる工程と、弾性体と研磨材を用いるポリシングにより前記溝内のコア材を第一のクラッド層の主表面より突出させる工程と、この突出させたコア材を覆うように第二のクラッド層を一面に形成する工程とからなる光導波路の製造方法であり、これにより反応性イオンエッチングなどの高価な製造装置を用いない安価な光導波路の製造方法を提供できる作用効果を有する。

請求項４に記載の発明は、第一のクラッド層の主表面に半円状となる溝を形成する工程を異形砥石を用いて溝を形成するようにした請求項３に記載の光導波路の製造方法であり、これによりフォトリソグラフィーを用いない安価な光導波路の製造方法を提供できる作用効果を有する。

請求項５に記載の発明は、第一のクラッド層の主表面に半円状となる溝を形成する工程をフォトリソグラフィーおよびブラスト法により溝を形成するようにした請求項３に記載の光導波路の製造方法であり、これによりコアパターン形成の自由度が高い光導波路の製造方法を提供できる作用効果を有する。

請求項６に記載の発明は、突出させたコア材を覆うように第二のクラッド層を一面に形成する工程を熱プレス法またはスピンコート法により形成するようにした請求項３に記載の光導波路の製造方法であり、これにより安価に上部クラッドを形成できる導波路の製造方法を提供できる作用効果を有する。

本発明は光を閉じ込め導波するコアと、このコアを覆うように形成された第一および第二のクラッド層とからなる光導波路において、前記コアの断面形状が略円形とした光導波路であり、これにより入出力部に接続する光ファイバーとの接続損失が小さい光導波路を提供できる作用効果を有する。

以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１（Ａ）は本発明の実施の形態１における光導波路の構成を示す斜視図、図１（Ｂ）は本発明の実施の形態１における光導波路の構成を示す平面図、図１（Ｃ）は本発明の実施の形態１における光導波路の構成を示す断面図である。

図１（Ａ），（Ｂ）に示すように１は光導波路（Ｙ分岐：スプリッター）、２は光導波路１のコア、３は第一のクラッド（上部クラッド）、４は第二のクラッド（下部クラッド）である。

光導波路１のコア２は第一のクラッド３および第二のクラッド４により覆われた構造となっている。第一および第二のクラッド３，４の材料は必ずしも同一材料である必要はないが、少なくともコア２の屈折率よりもわずかに小さいものを選択する。また第一および第二のクラッド３，４の屈折率を同じとすることで、コア２の内部の光の閉じ込め状態を対称形状とすることができるため、例えば光ファイバーと結合させる場合にはモードの整合性をとるのに有利となる。

石英系の光導波路の場合、クラッド材の石英にフッ素あるいはホウ素を含有させることにより屈折率を低下させる。またはコア材の石英にゲルマニウムやチタンを含有させることにより屈折率を高くする。このようにコア２と第一および第二のクラッド３，４との間に屈折率差をもたせることによりコア２に光を閉じ込め低損失で導波路内を伝搬することが可能となる。石英系光導波路の場合、この屈折率差（比屈折率差）は約０．３〜０．４％程度である。

本発明による光導波路１のコア形状は図１（Ｃ）に示すように略円形あるいは楕円形状となる。従来の光導波路は円形の断面形状のコアを有する光ファイバーとの接続において、そのコアの断面形状が矩形であるため前述した接続損失が大きくなる。すなわちコア２の断面形状の違いによる必然的に生じる非衝合面からの光の漏れによる損失と、それらコア２の間の断面形状の違いに起因するモード変換による損失である。

コア２の断面形状の違いによる光の漏れに関しては真円に対する矩形形状を最大に衝合させても、非衝合面の面積の和のその真円形の全面積に対する割合が１８．３４％よりも大きくなる。これは非衝合面からの光の漏れの程度を示していると考えることができる。

また、コア２の断面形状が異なることで、光導波路１および光ファイバーのモードフィールド分布が異なり、接続時の重ね合わせで接続損失が生じることになる。その接続損失の程度は前述した（数１）および（数２）より最小でも約０．８ｄＢとなる。

これらの損失を低減する有効な手段として、本発明の光導波路１ではそのコア２の断面形状を接続する光ファイバーの断面形状とほぼ等しく、略円形または楕円形状とした。コア２の断面形状を略円形とすることで、モード不整合および衝合面の不一致による接続損失を０．１ｄＢ以下とすることが可能となる。

（実施の形態２）
図２（Ａ）〜（Ｆ）は本発明の実施の形態２における光導波路の製造工程の一例を示す断面図である。

図２に示すように５はレジスト、６は第二のクラッド（下部クラッド）、７はブラスト装置の噴射ノズル、８は噴射ノズル７から噴射される砥粒、９はブラストにより第二のクラッド６の主表面に形成される溝、１０は溝９の底部、１２は溝９および第二のクラッド６の主表面に堆積、形成されたコア材、１１は光導波路のコア、１３は第一のクラッド（上部クラッド）である。

本発明による光導波路の製造工程の一例では、図２（Ａ）に示すように第二のクラッド６の主表面にレジスト５を形成する。レジスト５は通常のフォトリソグラフィーに使用する液体レジストをスピンコートを用いて形成してもよく、またフィルム状のレジストを用いてもよい。そして形成したレジスト５をフォトリソグラフィーにより所定のパターンに形成する。

次に図２（Ｂ）に示すように形成した所定のパターンのレジスト５を介してブラスト法により溝９を形成する。このとき、ブラスト用のノズル７から噴射する砥粒８は第二のクラッド６よりも機械的に硬度の高い材料を選択する。第二のクラッド６がガラスの場合、砥粒８はアルミナ、ＳｉＣ、ＳｉＯ₂微粒子などを選択すればよい。また形成する溝９の幅を考慮して砥粒８の粒子径を選択する。通常の光導波路のコア幅は約１０μｍ以下であるため、ブラストに使用する砥粒８の粒子径は１μｍ以下を選択すべきである。これはメッシュサイズで表現すると＃８０００以上となる。

ブラストを用いることで、形成した溝９の断面形状は砥粒８の噴射速度分布や溝９の内部での砥粒８の捕捉により半円形状となる。溝９の深さＤ１は最終のコア直径Ｄ２よりも大きくなるようにブラストにより形成する。砥粒８の粒子径を１μｍ以下で選択することにより溝９の側面の荒れも低減することができる。もしも使用する砥粒８の材質により荒れが大きくなる場合には研磨法やエッチング法により溝９の側面荒れを低減させる。

次に、図２（Ｃ）に示すように形成した溝９の内部および第二のクラッド６の主表面全体にコア材１２を一面に形成する。コア材１２の形成方法としてスパッタ法やＣＶＤ法、ＦＨＤ法などを用いる。スパッタ法により第二のクラッド層６の上にコア材１２を形成してもよい。この場合はコア材１２のガラス素材として軟化点の高い材料でも用いることが可能になるという利点がある。また被成膜材料である第二のクラッド層６にＲＦバイアスを印加しながら成膜を行うことにより、コアパターンへのスパッタ粒子の埋め込み性を向上させることができる。

次に、図２（Ｄ）に示すように形成したコア材１２の一部を除去して、第二のクラッド６の表面を露出させる。コア材１２を除去する方法としてエッチング法や研磨法、研削法などが挙げられる。除去方法として研磨法や研削法を用いた場合、その除去速度は速く、加工時間を大幅に短縮できる利点がある。

そして、図２（Ｅ）に示すように第二のクラッド６を選択的に除去して溝９に埋め込まれたコア材１２を突出させる。このとき除去方法としては弾性体パッドと遊離砥粒を用いる研磨法を選択する。コア材１２の機械的硬度が第二のクラッド材６よりも高いため、弾性体パッドを用いた研磨法（図示せず）で図２（Ｄ）に示す第二のクラッド６の主表面を加工すると、第二のクラッド６が選択的に研磨されて除去される。これは硬度の異なる異種材料を研磨するときに生じるリセス（段差）現象を利用したものである。このリセス現象を利用して第二のクラッド６の一部を研磨法により除去することにより、その断面形状がほぼ楕円形状でかつコア径Ｄ２（短辺側）のコア１１を形成することが可能となる。このときコア材１２も研磨により多少除去されるため溝９の深さＤ１は最終的に形成されるコア１１のコア径Ｄ２よりも大きくなるように形成する。また研磨法に弾性体パッドを用いるのは溝９から突出したコア材１２の角部をその弾性変形によりだれさせ、円形に研磨するためである。

なお、実施の形態２ではコア１１の断面形状は楕円形状となるが、溝９の底面形状１０の曲率に合わせて溝９の幅を適宜形成することにより真円に近い断面形状を得ることが可能となる。

最後に、図２（Ｆ）に示すように第一のクラッド１３を形成して光導波路を作製する。第一のクラッド１３の形成方法として樹脂材料を用いる。例えばフッ素化ポリイミド等を用いることができる。フッ素化ポリイミドを用いた場合の第一のクラッド１３の層の作製工程を以下に説明する。

まず、フッ素化ポリイミドをスピンコート法または滴下法にて第二のクラッド層６の上に塗布する。次に加熱を行うことによりフッ素化ポリイミドにより第１のクラッド層１３を形成することができる。

なお、本実施の形態２で第二のクラッド１３に樹脂を用いる場合、フッ素化ポリイミドを例にして説明したが本材料に限るものではなく、ＰＭＭＡや感光性ポリシラン等の様々な樹脂を用いることもできる。

このように、第一のクラッド１３に樹脂材料を用いることによりスピンコート法などで比較的安価でかつ短時間に形成が可能であり、安価な光導波路を提供することができる。

（実施の形態３）
図３（Ａ）〜（Ｅ）は本発明の実施の形態３における光導波路の製造工程の一例を示す断面図である。

図３に示すように１４および１５がプレス成形用の一対の金型である以外は実施の形態２と同じであるため説明は省略する。実施の形態３では第一のクラッド１３の材料にガラス材料を用いる場合の例である。最終工程である第一のクラッド１３の形成工程以外は実施の形態２と同じであるためここでは説明を省略する。

図３（Ｅ）に示すように第一のクラッド１３をプレス成形により形成する。そして図３（Ｄ）に示すように第二のクラッド６の主表面に形成した断面形状が略円形あるいは楕円形のコア１１を有する面に第一のクラッド１３を重ね合わせ、軟化点温度以上に加熱して加圧する。そしてコア１１を覆うように第一のクラッド１３を変形させ、隙間無く充填されるまで加熱および加圧を維持する。その後徐冷し第一および第二のクラッド６および１３、コア１１からなる光導波路を取り出す。

ここで、金型１４および１５の材料は少なくともプレス成形する第一のクラッド１３および第二のクラッド６よりも機械的硬度の高いものを選択する。一例を挙げると超硬（ＷＣ）材料、ＳｉＣなどのセラミック材料、ＮｉＰなどのめっき材料などである。

熱プレスする第一のクラッド１３の機械的硬度は少なくともコア１１よりも低いものを選択する。また第一のクラッド１３と第二のクラッド６とは必ずしも同一の材料でなくてもよいが、その屈折率はほぼ等しいものを選択することで出射端でのモードフィールド分布が対称となり接続損失の低減に有利である。

（実施の形態４）
図４（Ａ）〜（Ｄ）は本発明の実施の形態４における光導波路の製造工程の一例を示す断面図である。

図４に示すように１６がその先端を曲面に加工した異形砥石である以外は実施の形態３と同じであるため説明は省略する。実施の形態４では第二のクラッド材６の主表面にコア１１を形成するための溝９を形成する方法として異形砥石１６を用いた場合の一例である。第一の工程である図４（Ａ）以外は実施の形態３と同じであるためここでは説明を省略する。

図４（Ａ）に示すように異形砥石１６を用いて第二のクラッド６の主表面に所定の深さＤ１の溝９を形成する。このとき異形砥石１６の先端は最終のコア１１の形状を鑑みて予め整形されているものを用いる。その整形方法の一例としては放電加工により砥石の先端を任意の形状に加工が可能な放電ツルアーなどである。この整形された異形砥石１６を第二のクラッド６の所定位置に高速回転させて切り込み、溝９を形成する。本発明では溝９を形成するためにレジストやフォトリソグラフィーの工程が不要であり、特に直線の光導波路を安価に製造するために有利である。

異形砥石１６はその主剤が樹脂、セラミックス、金属など任意の材料を選択すればよいが、溝９の内側面の荒れや溝９の幅を狭くするためには樹脂あるいは電鋳の異形砥石を選択するほうが有利である。

本発明にかかる光導波路とその製造方法は、光導波路のコアの断面形状が略円形状または楕円形状に等しい光導波路を安価に作製することができるため、入出力部に結合する光ファイバーとの接続損失を小さくする光導波路を提供することができるという効果を有し、一心双方向光送受信モジュール、光変調器、ＡＷＧ、カップラー、スプリッター等に有用である。

（Ａ）本発明の実施の形態１における光導波路の構成を示す斜視図、（Ｂ）本発明の実施の形態１における光導波路の構成を示す平面図、（Ｃ）本発明の実施の形態１における光導波路の構成を示す断面図（Ａ）〜（Ｆ）本発明の実施の形態２における光導波路の製造工程の一例を示す断面図（Ａ）〜（Ｅ）本発明の実施の形態３における光導波路の製造工程の一例を示す断面図（Ａ）〜（Ｄ）本発明の実施の形態４における光導波路の製造工程の一例を示す断面図（Ａ），（Ｂ）従来の略円形断面形状のコアを有する光導波路の断面図（Ａ）〜（Ｅ）従来の略円形断面形状のコアを有する光導波路の製造工程を示す断面図

符号の説明

１光導波路（Ｙ分岐）
２コア
３第一のクラッド
４第二のクラッド
５レジスト
６第二のクラッド
７噴射ノズル
８砥粒
９溝
１０溝底部
１１コア
１２コア材
１３第一のクラッド
１４，１５金型
１６異形砥石
２１谷状のくぼみ
２２溝
２３コア
２４上部クラッド
２５下部クラッド
２６基板

Claims

光を閉じ込め導波するコアと、このコアを覆うように形成された第一および第二のクラッド層とからなり、前記コアの断面形状を略円形または楕円形状とした光導波路。
第一および第二のクラッド層の少なくともいずれか一方をコアの機械的硬度よりも低くした請求項１に記載の光導波路。
第一のクラッド層の主表面に半円状となる溝を形成する工程と、この溝を含む前記第一のクラッド層の主表面全体にコア材を形成する工程と、前記コア材の一部を除去して前記溝を露出させる工程と、弾性体と研磨材を用いるポリシングにより前記溝内のコア材を第一のクラッド層の主表面より突出させる工程と、この突出させたコア材を覆うように第二のクラッド層を一面に形成する工程とからなる光導波路の製造方法。
第一のクラッド層の主表面に半円状となる溝を形成する工程を異形砥石を用いて溝を形成するようにした請求項３に記載の光導波路の製造方法。
第一のクラッド層の主表面に半円状となる溝を形成する工程をフォトリソグラフィーおよびブラスト法により溝を形成するようにした請求項３に記載の光導波路の製造方法。
突出させたコア材を覆うように第二のクラッド層を一面に形成する工程を熱プレス法またはスピンコート法により形成するようにした請求項３に記載の光導波路の製造方法。