JP2005234319A

JP2005234319A - 光結合器及び光結合器の製造方法

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Publication number: JP2005234319A
Application number: JP2004044718A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Shimoda; 毅下田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2004-02-20
Filing date: 2004-02-20
Publication date: 2005-09-02

Abstract

【課題】比屈折率差の大きい平面集積回路と光ファイバを低損失で接続する光結合器を提供する。
【解決手段】コア部１、クラッド部２からなり、光信号の伝搬方向に対してコア幅が縮小するように形成されたテーパ導波路４ａを備える光結合器において、コア部を組成する元素のうちの少なくとも一つの元素の濃度を低減し、実質的にテーパ導波路４ａ先端のコア断面積を縮小することにより、スポットサイズを拡大して光ファイバとの結合損失の低減を図る。
【選択図】図１

Description

本発明は光通信等に用いられる平面光波回路と光ファイバとを接続する光結合器とその製造方法に関する。

平面光波回路（ＰｌａｎａｒＬｉｇｈｔｗａｖｅＣｉｒｃｕｉｔ：以下、「ＰＬＣ」という。）は近年の光通信ネットワークシステムを支えるキーデバイスとして盛んに用いられている。最近ではＰＬＣデバイスの小型化、高機能化を目指して、ＰＬＣデバイスのコア部とクラッド部の比屈折率差Δを高く設定した、いわゆる高ΔＰＬＣの開発が盛んに行われている。
ここで、比屈折率差Δ＝（コア部の屈折率―クラッド部の屈折率）／クラッド部の屈折率、で求められる。

この比屈折率差Δが大きいほど、コア部での光の閉じ込めが強くなり、その結果、曲率半径を小さくしても曲げ損失が増加しにくくなる。したがって、ＰＬＣデバイスを小型化することができる。
また、ＰＬＣを用いた高機能分散補償器では、きわめて小さい曲率半径が必要となり、そのため高ΔＰＬＣデバイスが必要とされる。

しかし、比屈折率差Δを大きくすると、ＰＬＣ導波路の伝搬光のスポットサイズが縮小するため、光ファイバと結合する際にスポットサイズの不整合が生じる。したがって、ＰＬＣデバイスと光ファイバとの結合損失が増大するといった問題が発生する。
そこで、ＰＬＣデバイスの入出力端のスポットサイズを拡大することにより、ＰＬＣデバイスと光ファイバのスポットサイズの不整合を是正するスポットサイズ変換器が提案されている。

例えば、ＰＬＣデバイスの入出力端面近傍の比屈折率差Δを低減することによりスポットサイズを拡大し、光ファイバのスポットサイズに整合させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
しかし、この方法でスポットサイズ変換機を製造する場合には、コア部の屈折率だけを、光信号の伝搬方向に対して、漸減しなければならない。そのため、局部的なレーザ光を、光信号の伝搬方向に対して、移動速度やその強度を変えながら照射することが必要であり、製造工程が大幅に増大するといった問題を生じる。

一方、光信号の伝搬方向で比屈折率差Δを一定にしたまま、スポットサイズを拡大するスポットサイズ変換器が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。このスポットサイズ変換機は、図３に示すように、光ファイバ結合部に向かって光導波路幅を徐々に狭くしてテーパ導波路を製造するものであり、マスクパターンを変更するだけで製造することができる優れた特徴がある。

特開平７−３１８７３５号公報特許第２９２９４８１号公報

しかしながら、スポットサイズ変換器の導波路幅を狭くしてスポットサイズを拡大する方法を用いたとしても、実際には、フォトリソグラフィやエッチング精度によりコア先端幅ｗは約１．５μｍ以下に加工することは困難である。
図４に示すように、光ファイバとの結合損失はスポットサイズ変換器のコア先端幅ｗに影響するため、結合損失の最小となるコア先端幅ｗの値は、比屈折率差Δが大きくなるほど小さくなる傾向がある。例えば、比屈折率差Δが１．５％の場合には、コア幅ｗを約０．９μｍ、５％の場合には、コア幅ｗを約０．５μｍまで狭くしないと光ファイバとの結合損失は最低値にならない。
したがって、１．５％以上の高い比屈折率差Δに対しては、光ファイバとの結合損失を十分に低減させることはできなかった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためのものであり、比屈折率差Δの大きい導波路を有するＰＬＣデバイスと光ファイバとの結合損失を低減する光結合器とその製造方法を実現することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１記載の光結合器は、コア部及びクラッド部からなり、光信号の伝搬方向に対してコア断面積が縮小するように形成されたテーパ導波路を備える光結合器であって、前記コア部は、前記クラッド部と接する界面の少なくとも一部に、前記コア部を組成する元素のうちの少なくとも一つの元素の濃度を低減して形成した低屈折率領域を有する構成としてある。
このような構成にすると、コア部に組成元素の濃度を低減させた低屈折率領域を設けることにより、実質的にコア断面積を小さくして、スポットサイズを大きくすることが可能となる。これにより、高比屈折率差の光結合機の導波路と光ファイバとのスポットサイズの不整合を是正して、光ファイバとの結合損失を減少させることができる。
具体的には、従来、コア幅を１．５μｍ以下に加工することは困難であったが、コア部に低屈折率領域を設けることにより、実質的にコア幅を１．５μｍ以下にすることが可能となる。

また、本発明の光結合器は、コア部の組成元素の濃度が低減されても、低減された組成元素は、クラッド部へ拡散されない。したがって、例えば、コア材の添加共存物質であるドーパントをコア部からクラッド部に拡散させることによって、比屈折率差Δを低減させる光結合器とは、本質的に相違する。
また、本発明の光結合器は、テーパ導波路を採用することにより、コア断面積を減少させて、スポットサイズを拡大するとともに、コア部に低屈折率領域を設けることにより、実質的にコア断面積を小さくさせて、さらにスポットサイズを拡大することができるため、従来のテーパ導波路を使用した光結合器の、光ファイバとの結合損失を、さらに小さくすることができる有利な効果がある。

本発明の請求項２記載の光結合器は、前記テーパ導波路は、光信号の伝搬方向における前記コア部と前記クラッドの比屈折率差が、一定である構成としてある。
このような構成にすると、光信号の伝搬方向で、比屈折率差が一定であり、コア部の屈折率を変化させる製造工程が不要であるため、コア部に均一な熱処理を施すだけで、低屈折率領域を設けることができ、スポットサイズを拡大することができる。したがって、従来、提案されていた光信号の伝搬方向で、コア部の屈折率を低減するために、局部的なレーザ光を、光信号の伝搬方向に対して、移動速度やその強度を変えながら照射する工程を必要とする光結合器の発明と比較して、有利な効果がある。

本発明の請求項３記載の光結合器は、前記コア部の組成元素が、ケイ素、酸素、窒素、水素を少なくとも含み、前記低屈折率領域におけるコア部の濃度の低減された組成元素が、窒素または水素を含むものである構成となっている。
このような構成にすると、コア部はケイ素、酸素、窒素、水素を少なくとも組成元素として含むことになり、コア部の低減された組成元素は窒素または水素を含むことになる。

本発明の請求項４記載の光結合器の製造方法は、前記コア部及び前記クラッド部からなり、光信号の伝搬方向に対して、前記コア部の幅が縮小するように形成されたテーパ導波路を備える光結合器の製造方法において、前記コア部の前記クラッド部と接する界面の少なくとも一部において、前記コア部の表面から、所定の幅だけコア部の組成元素の少なくとも一つの濃度を低減させる工程を含むことを特徴とする方法となっている。
このような方法とすると、コア部のクラッド部と接する界面から、所定の幅だけ、コアの屈折率より低い屈折率領域を設けることができる。したがって、実質的にコア断面積を縮小することができるため、スポットサイズを拡大して、結合損失を減少させることが可能となる。
本発明の光結合器の製造方法は、コアの組成元素の濃度を低減させる工程を有することに特徴があり、例えば、コア部の添加共存物質ドーパントをクラッド部に拡散させることによって、比屈折率差を低減させる工程を含む光結合器の製造方法とは本質的に相違する。
また、このような方法にすると、コアの屈折率より低い屈折率領域を、コア部に設けることができる。したがって、実質的にコア断面積を小さくすることができるため、従来のテーパ導波路を使用した光結合器の、光ファイバとの結合損失を、さらに小さくすることができる有利な効果がある。

本発明の請求項５記載の光結合器の製造方法は、前記コア部の組成元素の少なくとも一つの濃度を低減させる低屈折率領域を形成する工程が、前記コア部の前記クラッド部と接する界面の少なくとも一部において、前記コア部の表面から、所定の幅だけコア部の組成元素の少なくとも一つの元素の結合状態を、熱エネルギーを加えることにより、疎に変化させる工程を含むことを特徴とする方法となっている。
このような方法とすると、結合状態を疎に変化させる工程によっても、屈折率領域を設けることができる。したがって、実質的にコア断面積を縮小することができるため、スポットサイズを拡大して、結合損失を減少させることが可能となる。

本発明の請求項６記載の光結合器の製造方法は、前記コア部の組成元素の少なくとも一つの濃度を低減させる低屈折率領域を形成する工程が、コアパターン形成後、上クラッドを形成する前に、酸化ガス雰囲気中で熱処理することを含む方法となっている。
このような方法にすると、熱処理による組成元素の濃度変化の影響は、コア部のみに及び、クラッド部に熱処理による影響は、及ばない。
一方、コア部の添加共存物質ドーパントをクラッド部に拡散させて、コア部とクラッド部の屈折率を変化させる工程を含む光結合器の製造方法では、コア部とクラッド部の屈折率の両方が変化する。したがって、本発明による光結合器の製造方法は、所定目標値の比屈折率差Δの光結合器を製造するのが容易になる有利な効果がある。

本発明により、コア部に低屈折率領域を設けることにより、実質的にコア断面積を小さくして、光の閉じ込めを弱くすることによってスポットサイズを拡大することができる。したがって、高比屈折率差Δの光結合機の導波路と、光ファイバとのスポットサイズの不整合を是正して、結合損失を減少させることができる。
これにより、従来、コア幅を１．５μｍ以下に加工することは困難であったが、コア部に低屈折率領域を設けることにより、実質的にコア幅を１．５μｍ以下にすることが可能となる。

また、本発明は光信号の伝搬方向で比屈折率差Δを変化させずに、コア部に均一な熱処理を施すだけで低屈折率領域を設けて、スポットサイズを拡大することができる。したがって、従来、提案されていた光信号の伝搬方向で、コア部の屈折率を低減するために、局部的なレーザ光を、光信号の伝搬方向に対して、移動速度やその強度を変えながら照射する工程は、本発明では不要である。これにより、比較的簡易な工程によって、光ファイバとの結合損失の少ない光結合器を製造することが可能となる。

さらに、熱処理による組成元素の濃度変化の影響がコア部のみにおよび、クラッド部に熱処理による影響が及ばない。したがって、コア部の添加共存物質ドーパントをクラッド部に拡散させて、コア部とクラッド部の屈折率を変化させる工程を含む光結合器の製造方法と比較して、所定目標値の比屈折率差Δの光結合器を製造するのが容易になる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る光結合器のコア部の平面図（ａ）、Ａ−Ａ断面図（ｂ）、Ａ−Ａ断面の屈折率分布図（ｃ）及びＢ−Ｂ断面の屈折率分布図（ｄ）を示している。
図（ａ）に示すように、コア部１は、ファイバ結合部である光導波路端面に向かってコア幅が縮小されている。コア幅が縮小されることにより、光の閉じ込めは徐々に弱くなり、スポットサイズが徐々に拡大され、その結果、光ファイバとの結合損失が低減される。また、図（ｂ）に示すように、テーパ導波路４ａは、基板５上に載設されたコア部１とクラッド部２、及びその間の低屈折率領域３とによって形成されている。

ここで、コア部の組成を変化させるとは、コア材を構成する添加元素の濃度を拡散、置換などの処理や工程によって低減させること、または、元素の結合状態を熱エネルギー等によって疎に変化させることなどをいう。

また、低屈折率領域３はクラッド部２と接する境界を含み、コアの断面積が実質的に減少することでスポットサイズを拡大できることから、低屈折率領域３は、コア部の全部の面又は、いずれかの面に形成してもよい。また、この場合、低屈折率領域３は、各面の全面、あるいは各面の一部に形成してもよい。
好適には、低屈折率領域３はコア部１の両側面であって、かつ、面の全面にわたって設けるのがよい。片面側より両面側に低屈折率領域３を有する方がコア幅をより狭くすることができ、また、面の一部より全面に低屈折率領域３を形成した方が、コア断面積をさらに減少させることができるからである。

低屈折率領域を形成した後のＡ−Ａ断面における屈折率は、図１（ｃ）に示すように、コア部１の中央付近で最大値を示し、コア部１と低屈折率領域３との境界部付近から急激に低下する。そして、低屈折率領域３とクラッド部２の境界付近からクラッド部２まで一定の最低値を示す。
また、図１（ｄ）に示すように、Ｂ−Ｂ断面におけるコア部１の屈折率は、テーパ導波路４ａの前後を通して一定である。ここで、クラッド部２の屈折率が一定ならば、比屈折率差Δは、光信号の伝搬方向に対して、一定である。本発明は、実質的にコア断面積を縮小することによってスポットサイズを拡大し、光ファイバとの結合損失の低減を図ることに特徴があるから、比屈折率差Δが一定であってもよい。
したがって、光信号の伝搬方向に対してコア部の比屈折率差Δを低減させてスポットサイズを拡大させる光結合器とは相違する。

また、テーパ導波路４ａのみならずコア同径部４ｂのコア部に、低屈折率領域３があってもよい。テーパ導波路４ａのコア断面積を徐々に減少させて、光結合器の端面の断面積を最小にすることによって、スポットサイズを最大に拡大し、結合損失を低下させることが本発明の目的だからである。
なお、コア同径部４ｂのコア部にも、テーパ導波路４ａと同様に低屈折率領域を設ける方が、設計や製造工程において容易である。
さらに、低屈折率領域３の屈折率ｎは、コア部の屈折率をｎ１、クラッド部の屈折率をｎ２とすると、ｎ＜ｎ１が条件であるが、好適にはｎ２≦ｎ＜ｎ１とするのがよい。ｎをｎ１未満にすることによりコア幅を縮小するのと同じような効果が得られるからであり、また、ｎをｎ２未満にすると光の閉じ込めが強くなるためコア幅を縮小する効果が低下するからである。

本実施形態によってフォトリソグラフィ及びエッチング等のパターニング工程を経た後に、コア部１側面のコア材の組成を変化させた場合には、テーパ導波路４ａのコア幅はパターニング工程を経た後と比較してコア幅が狭くなる。したがって、コア幅が縮小することによってコア断面積が減少する結果、スポットサイズを拡大することができ、光ファイバとの結合損失を減少させることが可能となる。

［実施例１］
次に、具体的な実施例を用いて本発明の実施形態に係る光結合器及びその製造方法を説明する。
図２は、本実施例の光結合器の平面図（ａ）、Ａ−Ａ断面図（ｂ）及びＡ−Ａ断面における窒素（Ｎ）または水素（Ｈ）の原子濃度を表す図（ｃ）である。
シリコン基板上に、下クラッド層として二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜を１５μｍ、コア層として酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）膜をｔ１＝４．３μｍの厚さで成膜した。成膜には、化学気層堆積（ＣＶＤ）法を用いた。
次に、コア層上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィ及びリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）により、コアパターンを形成した。このとき、テーパ導波路以外の領域のコア幅は４．６μｍとし、テーパ導波路端面でのコア幅ｗ１＝１．５μｍまでテーパ状に縮小するように設計し、パターニングした。

次に、フォトレジスト剥離後、露出しているコア表面であるコア上面及び両側面から、それぞれ深さ０．３μｍの領域を低屈折率化した。低屈折率化には、加熱によりコア中の元素の一部を外部に拡散する方法を採用した。具体的には、ウェハ全体を１０５０℃の酸素ガス雰囲気中に１時間投入した。
熱処理後、成分分析した結果、ＳｉＯＮ膜の表面から０．３μｍの深さの窒素（Ｎ）原子と水素（Ｈ）原子は拡散され、これらの原子の低濃度化が明らかになった。具体的には、コア部の窒素（Ｎ）及び水素（Ｈ）濃度は、熱処理前にはそれぞれ約１．７×１０^２１個／ｃｍ^３、約１．５×１０^２０個／ｃｍ^３でほぼ均一であったものが、低屈折率領域ではそれぞれ１．０×１０^２０個／ｃｍ^３以下、１．０×１０^１９個／ｃｍ^３以下に低減され、また、コア表面に近い部分ほど、より低減されていた。
なお、コア表面から０．３μｍ以下の深い部分でのこれらの濃度は、熱処理前後でほとんど変化なく均一だった。

上記熱処理により、コア表面からΔｔ＝０．３μｍ、Δｗ＝０．３μｍの低屈折率領域を設けることができた。窒素原子、水素原子は、ともにコア部の屈折率を増加させる作用があるので、これらの原子濃度を低減させることにより屈折率を低減させることが可能となる。特に、窒素原子は水素原子と比較して屈折率の増減に大きな影響を与えるため、窒素元素の減少は、水素元素の減少よりコア部の屈折率を低下させる効果が大きい。
また、ここで熱処理時の雰囲気ガスとして酸素ガスを用いたのは、酸化作用のあるガスを用いることでコア内部の添加物の拡散を強めるためである。なお、同一条件で熱処理の雰囲気ガスとして窒素ガスやヘリウムガスにした場合には、窒素原子はほとんど低減せず、低屈折率領域は形成されなかった。
以上の熱処理により、低屈折率領域を形成後、上クラッドとしてホウ素酸化物（Ｂ_２Ｏ_３）と燐酸化物（Ｐ_２Ｏ_５）を添加したＳｉＯ_２（ＢＰＳＧ）膜をＣＶＤ法により１５μｍ成膜して、光結合器を完成した。

完成後の各層の波長１．５５μｍにおける屈折率は下クラッド、上クラッド、低屈折率領域がいずれも１．４５０となるようにし、コアが１．４７２、すなわちΔ＝１．５％となるように設定した。
以上、低屈折率領域を形成することで、コアは実質的にテーパ導波路以外の領域で４μｍ、テーパ導波路先端の幅ｗ２＝０．９μｍ、厚さｔ２＝４μｍとなった。また、コアが露出していないコア底面は低屈折率化されなかった。
本実施例の効果として、従来のテーパ導波路構造、すなわちΔ１．５％でコア先端幅が１．５μｍのものでは光ファイバとの結合損失は、０．８ｄＢ／ヶ所であったが、本実施例によると０．４ｄＢ／ヶ所にまで低減された。これは、コア先端幅及びコア厚の縮小によりコア断面積が縮小し、スポットサイズを拡大することができたことによるものである。

［実施例２］
次に、別の実施例を図２にもとづいて説明する。
コアの屈折率を１．５２６（比屈折率差Δ＝５％）、低屈折率化前のコア厚ｔ１＝１．５μｍ、テーパ導波路以外の領域のコア幅を４μｍ、テーパ導波路端面のコア幅をｗ１＝１．５μｍとした。コアパターニング後、酸素ガス雰囲気中での熱処理により窒素原子および水素元素濃度を所定の深さだけ低減する工程を行ったのは実施例１の場合と同一であるが、処理温度を１１５０℃、処理時間を１時間とした。
これにより、低濃度領域の深さはΔｔ＝０．５μｍ、Δｗ＝０．５μｍとなり、熱処理後の実質的なコア厚ｔ２＝１．０μｍ、コア幅ｗ２＝０．５μｍとなった。

本実施例の効果として、従来のテーパ導波路構造、すなわちコア先端幅が１．５μｍのものでは光ファイバとの結合損失はΔ５％の場合３．５ｄＢ／ヶ所であったが、本実施例によると０．９ｄＢ／ヶ所にまで低減された。これは、実施例１と同様に、コア先端幅及びコア厚の縮小によりコア断面積が縮小したことによりスポットサイズが拡大したため、光ファイバとの結合損失が減少したためである。本発明はこのように極めて大きい比屈折率差Δに対して特に有効である。
なお、上記の構成、材料、製造方法等は一例に過ぎない。例えば、コア底面部に低屈折率領域を設けてもよい。また、加熱温度、加熱時間等も実施例に限られないことは当然である。

また上記実施例では、テーパ導波路以外の領域についても低屈折率領域を設置する構成としたが、テーパ導波路端面のコア幅、厚さを縮小するのが目的であるから、テーパ導波路以外の領域に低屈折率領域を設けなくてもよい。
例えば、コアパターン形成後、低屈折率化のための熱処理を行う前に、低屈折率化させない領域をマスクして、コア内部の元素の拡散を防止することにより低屈折率領域を設けないようすることができる。マスク材としては、例えば、窒化シリコン膜を使用することができる。また、低屈折率化したい領域は、フォトリソグラフィおよびウェットエッチング等を施すことにより部分的にマスク材を除去することができる。エッチングとしては、例えば、燐酸等を使用することができる。
低屈折率化のための熱処理をした後、マスク材を全面除去して、上クラッドを成膜することによって光結合器を完成させることができる。

本発明により、コアパターン形成後、コア部とクラッド部の界面からコア方向へ低屈折率領域を設けることにより、テーパ導波路の先端部の実質的なコア断面積を縮小できる。これによりスポットサイズを拡大することができ、光ファイバとの結合損失を低減できる。
また、本発明は光信号の伝搬方向でコア部の屈折率を変化させずに、比較的容易な、コア部に均一な熱処理を施すだけで低屈折率領域を設けて、スポットサイズを拡大することができる。
さらに、熱処理による組成元素の濃度変化の影響がコア部のみにおよび、クラッド部に熱処理による影響が及ばないため、所定目標値の比屈折率差Δの光結合器を製造するのが容易になる。

本発明の一実施形態に係る光結合機の平面図（ａ）、断面図（ｂ）、Ａ−Ａ断面の屈折率分布図（ｃ）及びＢ−Ｂ断面の屈折率分布図（ｄ）である。本発明の一実施形態に係る光結合機の平面図（ａ）、断面図（ｂ）及びＡ−Ａ断面における元素濃度分布図（ｃ）である。従来のテーパ導波路を有する光結合器（スポットサイズ変換器）を示す図である。テーパ導波路の先端幅と光ファイバとの結合損失との関係を示す図である。

符号の説明

１コア部
２クラッド部
３低屈折率領域
４ａテーパ導波路
４ｂコア同径部
５基板

Claims

コア部及びクラッド部からなり、光信号の伝搬方向に対してコア断面積が縮小するように形成されたテーパ導波路を備える光結合器であって、
前記コア部は、前記クラッド部と接する界面の少なくとも一部に、前記コア部を組成する元素のうちの少なくとも一つの元素の濃度を低減して形成した低屈折率領域を有することを特徴とする光結合器。
前記テーパ導波路は、
光信号の伝搬方向における前記コア部と前記クラッドの比屈折率差が、一定である請求項１記載の光結合器。
前記コア部の組成元素が、ケイ素、酸素、窒素、水素を少なくとも含み、
前記低屈折率領域におけるコア部の濃度の低減された組成元素が、窒素または水素を含むものである請求項１又は２記載の光結合器。
前記コア部及び前記クラッド部からなり、光信号の伝搬方向に対して、前記コア部の幅が縮小するように形成されたテーパ導波路を備える光結合器の製造方法において、
前記コア部の前記クラッド部と接する界面の少なくとも一部において、前記コア部の表面から、所定の幅だけコア部の組成元素の少なくとも一つの濃度を低減させる工程を含むことを特徴とする光結合器の製造方法。
前記コア部の組成元素の少なくとも一つの濃度を低減させる低屈折率領域を形成する工程が、
前記コア部の前記クラッド部と接する界面の少なくとも一部において、前記コア部の表面から、所定の幅だけコア部の組成元素の少なくとも一つの元素の結合状態を、熱エネルギーを加えることにより、疎に変化させる工程を含む請求項４記載の光結合器の製造方法。
前記コア部の組成元素の少なくとも一つの濃度を低減させる低屈折率領域を形成する工程が、
コアパターン形成後、上クラッドを形成する前に、酸化ガス雰囲気中で熱処理することを含む請求項４記載の光結合器の製造方法。