JP2005274757A - 石英系光導波路素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高さ及び幅が異なるコアを設計値通り再現性よく形成でき、モードフィールド径を効果的に変化させることができる石英系光導波路素子を提供する。
【解決手段】 石英基板２と、その石英基板２上に形成される光信号を伝搬するコア３と、そのコア３を覆うクラッド４とからなる石英系光導波路素子１において、石英基板２の一端部に埋め込み形成され、幅及び高さが光導波路素子１の長さ方向で異なる第１コア５と、その第１コア５上から石英基板２の他端部上まで形成される第２コア６とでコア３を構成したものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光通信分野で広く用いられる石英系光導波路素子及びその製造方法に係り、特に、モードフィールド径を変化させるためのコア径変換光導波路素子及びその製造方法に関するものである。

一般に光通信分野において、様々な石英系光導波路素子が用いられているが、特に、モードフィールド径を変化させるための光導波路素子として、コア径が徐々に変化した部分を有するコアが同一平面内に形成されたコア径変換光導波路素子が用いられている。これは、光導波路素子においてモードフィールド径を変化させるために、コア径を変化させることが有効であるためである。

このようなコア径が変化した光導波路素子は、モードフィールド径が異なる部品同士、例えば、モードフィールド径が約２μｍのＬＤ（半導体レーザ）と、モードフィールド径が約１０μｍのシングルモード光ファイバとを光結合するために使用される。

コア径が変化した光導波路素子の一例として、光導波路コアを幅方向にテーパ状に広げた光導波路素子がある。この光導波路素子は、石英系基板上にコア材料を堆積させ、その堆積膜をエッチングしてコアを形成し、その上にクラッド膜を形成することで製造される（例えば、特許文献１参照）。

また、プロトン交換後のアニールを用いて光導波路素子の基板下方向にコア径を拡大する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平８−２３４０６２号公報 特開平６−７５１３１号公報

しかしながら、特許文献１のような光導波路素子は、コアの幅方向をテーパ状に広げることは可能であるが、コアの高さ方向は堆積させるコア膜の厚さで決定されるため、コアの高さ方向のテーパ構造を製作することができない。そのため、光導波路素子のコア形状はコア幅のみしか変化させることができず、モードフィールド径を変化させるのに十分な効果が得られない。

また、特許文献２のような光導波路素子は、基板材料がＬｉＮｂ_x Ｔａ_1-x Ｏ₃ による強誘電体に限定されることや、アニールによる有効屈折率の低下現象を利用したものであるため、光導波路コア形状の正確な制御や再現性が容易ではない。

そこで、本発明の目的は、高さ及び幅が異なるコアを設計値通り再現性よく形成でき、モードフィールド径を効果的に変化させることができる石英系光導波路素子及びその製造方法を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、石英基板と、その石英基板上に形成される光信号を伝搬するコアと、そのコアを覆うクラッドとからなる石英系光導波路素子において、上記石英基板の一端部に埋め込み形成され、幅及び高さが上記光導波路素子の長さ方向で異なる第１コアと、その第１コア上から上記石英基板の他端部上まで形成される第２コアとで上記コアを構成した石英系光導波路素子である。

請求項２の発明は、上記第１コアの屈折率ｎ_c1と、上記第２コアの屈折率ｎ_c2とは、ｎ_c1≦ｎ_c2である請求項１記載の石英系光導波路素子である。

請求項３の発明は、石英基板と、その石英基板上に形成される光信号を伝搬するコアと、そのコアを覆うクラッドとからなる石英系光導波路素子の製造方法において、上記石英基板の一端部に幅及び高さが上記光導波路素子の長さ方向で異なる第１コアを埋め込み形成し、その第１コア上から上記石英基板の他端部上まで第２コアを形成する石英系光導波路素子の製造方法である。

本発明によれば、高さ及び幅が異なるコアを設計値通り再現性よく形成でき、モードフィールド径を効果的に変化させることができる、という優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の好適実施の形態を示す石英系光導波路素子の斜視図である。図１では、導波路素子の幅方向、長さ方向、高さ（厚さ）方向をそれぞれｘ方向、ｙ方向、ｚ方向とする。

図１に示すように、本実施の形態に係る石英系光導波路素子１は、石英基板（下部クラッド、あるいはアンダークラッド）２と、その石英基板２上に長さ方向に沿って形成される光信号を伝搬するコア３と、そのコア３を覆う上部クラッド（オーバークラッド）４とからなる。

コア３は、石英基板２の一端部（図１では手前側の部分）の中央に埋め込み形成され、幅及び高さが光導波路素子１の長さ方向で異なる第１のコア（埋め込みコア）５と、その第１コア５上から石英基板２の他端部（図１では奥側の部分）上まで連続して一体形成され、第１コア５と光学的に結合される第２コア（光導波路コア）６とで構成される。

光導波路素子１の一端面１ｉは光入射側、例えば、ＬＤが光結合される側であり、光導波路素子１の他端面１ｏは出射側、例えば、シングルモード光ファイバが光結合される側である。

第１コア５は、光導波路素子１の一端面１ｉでは幅が広くて高さが大きく、光導波路素子１の長さ方向で徐々に幅が狭くて高さが小さくなり、石英基板２の一端部と他端部との境界では第２のコア６と段差なく連続するテーパ状に形成される。また、第１コア５は、その表面が石英基板２の表面と一致するように形成される。

さらに、この第１コア５は、第１コア５の屈折率ｎ_c1と、第２コア６の屈折率ｎ_c2とがｎ_c1≦ｎ_c2を満たすように形成される。

第２コア６の高さは一定である。第２コア６の一端部は、第１コア５の真上に位置して第１コア５に重ね合わせられ、第１コア５のコア幅と同じく、光導波路素子１の一端面１ｉでは幅が広く、光導波路素子１の長さ方向で徐々に幅が狭くなるテーパ状に形成される。第２コア６の他端部は、石英基板２の一端部と他端部との境界から光導波路素子１の他端面１ｏまでは一定の幅になるように形成される。すなわち、第２コア６の他端部は慣用のコアに相当する直線導波路である。

本実施の形態では、第２コア６を上述のように形成したが、第２コアとしては、幅の変化しない直線導波路としてもよい。また、第２コアの一端部のコア幅が光導波路素子１の一端面１ｉに向かって狭くなるテーパ構造としてもよい。これらの場合、第１コア５は上述と同じ形状である。

次に、石英系光導波路素子１の製造方法を図２を用いて説明する。この製造方法は、第１コア５の屈折率ｎ_c1と、第２コア６の屈折率ｎ_c2とが異なる場合の製造方法である。

まず、図２（ａ）に示す石英基板２上に、図２（ｂ）に示すようにＷＳｉ膜２１をスパッタリング法を用いて成膜する。このＷＳｉ膜２１の一端部の中央に、フォトリソグラフィ技術と反応性イオンエッチングを用いて、図２（ｃ）に示すように埋め込みコアを形成すべく、第１コアパターン２２を転写（パターニング）する。このとき、第１コアパターン２２を上面から見た場合、図２（ｃ１）に示すように、石英基板２の一端部と他端部との境界から石英基板２の一端面２ｉに向かって幅が広がるテーパ状（楔形状）にする。

第１コアパターン２２を形成した後、ＷＳｉ膜２１をマスク材とし、フロロカーボン系ガスを用いた反応性イオンエッチングを用いて、第１コアパターン２２に合わせて図２（ｄ）に示すように石英基板２の一端部の中央を加工して除去し、基板除去部２３を形成する。

このとき、反応性イオンエッチングにおける基板温度、プラズマ電力、水素、Ａｒ等の添加ガス等の条件を最適化することにより、第１コアパターン２２のパターン幅ｗが狭い場所ではエッチング深さｈが浅く、パターン幅ｗが広い場所ではエッチング深さｈが深くなる形状を形成することができる。これにより、図２（ｃ１）のような幅ｗのみがテーパ状に形成された楔形状の第１コアパターン２２に対して、石英基板２の一端面に向かってエッチング深さｈが深くなるような図２（ｄ）に示す幅及び高さがテーパ状に形成された基板除去部２３を容易に形成することができる。

基板除去部２３を形成した後、反応性イオンエッチングにおいてマスク材となったＷＳｉ膜２１を図２（ｅ）に示すように剥離し、基板除去部２３上及び石英基板２上に、スパッタリング法またはプラズマＣＶＤ法などを用いて、図２（ｆ）に示すように第１コア膜２４を成膜する。

第１コア膜２４を成膜した後、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）技術を用いて、図２（ｇ）に示すように、第１コア膜２４を石英基板２の表面よりも下側に埋め込まれている部分のみを残して平らに研磨し、石英基板２の一端部の中央に第１コア５を埋め込み形成する。

第１コア５を形成した後、第１コア５上及び石英基板２上に、スパッタリング法またはプラズマＣＶＤ法などを用いて、図２（ｈ）に示すように第２コア膜２５を成膜する。成膜した第２コア膜２５上にＷＳｉ膜２６をスパッタリング法を用いて成膜し、そのＷＳｉ膜２６に、フォトリソグラフィ技術を用いて光導波路コアを形成すべく、第２コアパターンをパターニングする。

このとき、第２コアパターンを上面から見た場合、図２（ｈ１）に示したＷＳｉ膜２６と同じ形状、すなわち、楔形形状と、その幅が狭い部分に結合した一定幅の直線とで構成される形状にする。

第２コアパターンを形成した後、ＷＳｉ膜２６をマスク材とし、フロロカーボン系ガスを用いた反応性イオンエッチングを用いて、図２（ｉ）に示すように第２コア膜２５を加工し、反応性イオンエッチングにおいてマスク材となったＷＳｉ膜２６を剥離し、第１コア５上から石英基板２の他端部上まで連続して第２コア６を一体形成する。

最後に、スパッタリング法またはプラズマＣＶＤ法などを用いて、図２（ｊ）に示すように第２コア６上及び石英基板２上を上部クラッド４で覆うと、図１に示した石英系光導波路素子１が得られる。

次に、第１コア５の屈折率ｎ_c1と、第２コア６の屈折率ｎ_c2とが同じ場合の石英系光導波路素子１の製造方法を図３を用いて説明する。この製造方法では、図３（ｇ）の工程以外、すなわち、図３（ａ）〜図３（ｆ）の工程、図３（ｈ）〜図３（ｊ）の工程は、図２（ａ）〜図２（ｆ）の工程、図２（ｈ）〜図２（ｊ）の工程とほぼ同様である。

図３（ａ）〜図３（ｆ）の工程により第２コア膜２５を成膜した後、ＣＭＰ技術を用いて、図３（ｇ）に示すように光導波路コアを形成すべく、第２コア膜２５の上面を平らに研磨する。その後、図３（ｈ）、図３（ｉ）の工程を経て、同じ屈折率の第１コア３５と第２コア６とで構成されるコア３３が同時に一括形成され、図３（ｊ）の工程において、コア３３を有する石英系光導波路素子３１が得られる。

本実施の形態の作用を説明する。

モードフィールド径が異なる光部品同士は、光導波路素子１を介して光結合される。例えば、光導波路素子１の光入射側となる一端面１ｉにはモードフィールド径が約２μｍのＬＤが光結合され、光導波路素子の光出射側となる他端面１ｏにはモードフィールド径が約１０μｍのシングルモード光ファイバが光結合される。

光導波路素子１は、石英基板２の一端部に第１コア５を埋め込み形成し、その第１コア上から石英基板２の他端部上まで第２コア６を形成することで、光入射側ではコア３の幅が広くて高さが大きく、光出射側ではコア３の幅が狭くて高さが小さいため、モードフィールド径を十分効果的に変化させることができる。

このように、光導波路素子１の一端面１ｉに近づくに従い、第１コア５の寸法が大きくなり、さらに第１コア５の屈折率ｎ_c1を第２コア６の屈折率ｎ_c2以下にすることにより、第１コア５と第２コア６の全体の等価屈折率を小さくすることができ、例えば、ＬＤとシングルモード光ファイバとを接続するときの接続損失を低減することができる。

また、本実施の形態に係る製造方法によれば、石英基板２を適宜加工することで、石英基板２に第１コア５を容易に埋め込み形成できるため、高さ及び幅が異なるコア３を１チップで設計値通り再現性よく形成できる。

上記実施の形態では、第１コア５（あるいは３５）上に第２コア６を形成した例で説明したが、第１コア５（あるいは３５）と第２コア６間に、例えば上部クラッド４と同じ屈折率を有する材料を挟んだ構造として、入射光を２つに分波する構造とすることで、モードフィールド径を実質的に拡大することも可能である。

本発明の好適実施の形態を示す石英系光導波路素子の斜視図である。 図２（ａ）〜（ｊ）は、図１に示した石英系光導波路素子の製造工程の一例を示す縦断面図、図２（ｃ１）は図２（ｃ）の工程における平面図、図２（ｈ１）は図２（ｈ）の工程における平面図である。 図３（ａ）〜（ｊ）は、図１に示した石英系光導波路素子の製造工程の一例を示す縦断面図、図３（ｃ１）は図３（ｃ）の工程における平面図、図３（ｈ１）は図３（ｈ）の工程における平面図である。

符号の説明

１ 石英系光導波路素子
２ 石英基板
３ コア
４ 上部クラッド（クラッド）
５ 第１コア
６ 第２コア

Claims (3)

1. 石英基板と、その石英基板上に形成される光信号を伝搬するコアと、そのコアを覆うクラッドとからなる石英系光導波路素子において、上記石英基板の一端部に埋め込み形成され、幅及び高さが上記光導波路素子の長さ方向で異なる第１コアと、その第１コア上から上記石英基板の他端部上まで形成される第２コアとで上記コアを構成した特徴とする石英系光導波路素子。
2. 上記第１コアの屈折率ｎ_c1と、上記第２コアの屈折率ｎ_c2とは、ｎ_c1≦ｎ_c2である請求項１記載の石英系光導波路素子。
3. 石英基板と、その石英基板上に形成される光信号を伝搬するコアと、そのコアを覆うクラッドとからなる石英系光導波路素子の製造方法において、上記石英基板の一端部に幅及び高さが上記光導波路素子の長さ方向で異なる第１コアを埋め込み形成し、その第１コア上から上記石英基板の他端部上まで第２コアを形成することを特徴とする石英系光導波路素子の製造方法。
   

Images