JP2006133798A - 石英系光導波路部品 - Google Patents

Abstract

【課題】偏波依存性を小さくした石英系光導波路部品を提供する。
【解決手段】フィルム状石英系光導波路部品は、石英系材料で形成されたコアと、該コアを収容する石英系材料で形成されたクラッド層とを備え、前記クラッド層は、平板状である。また、石英系光導波路部品は、基板と、前記フィルム状石英系光導波路部品と、前記基板と前記フィルム状石英系光導波路部品の少なくとも一部とを接着する接着層とを備える。さらに、前記接着層は、前記石英系光導波路部品の前記コアと、該コアと対向する前記基板との間に中空部分を備えてもよい。
【選択図】図３

Description

本発明は、光通信システムに用いられる石英系光導波路部品に関する。

近年、光通信システムの大容量化、高度化、多機能化が進み、その機構部品となる光ファイバや光導波路部品には、高性能化、高機能化が求められている。中でも石英系ガラス材料を用いた光ファイバは、低損失、高信頼性の点から最も多用されている。この石英系光ファイバとマッチングが容易な、同じ石英系材料を用いた石英系光導波路部品もその応用が広がりつつある。この石英系光導波路部品は、半導体製造プロセスで用いられる成膜・加工プロセスを応用し、基板上に任意の光導波路パターンを作り込んだもので、主な応用例としては波長分割多重（ＷＤＭ）システムの光合分波器に用いるアレイ導波路などがある。このアレイ導波路は複雑な回路パターンを必要とするが、半導体製造プロセスの適用により、優れた特性のものを一括して再現性良く製造することができ、量産性と製造コストの点で極めて有利である。

次に、一般的な光導波路部品の構成について説明する。光導波路部品は、基板上に光導波路層を積層して作製される。このため、光導波路部品は、例えば、図１０の断面図に示すように、基板５１と、該基板５１の上に形成された下部クラッド層５２、コア５３、及び上部クラッド層５４からなる光導波路層とから構成される。ここで、コア５３の屈折率を、該コア５３を収容している下部クラッド層５２及び上部クラッド層５４（合せてクラッド層５５という）の屈折率より僅かに大きくすることにより、光をコア５３内に閉じ込めて導波させることができる。また、この光導波路の材料として、一般的な光ファイバと同じ石英系ガラス材料を用いることにより、石英系光導波路部品となる。

特開平１１−２０２１４２号公報

ところが、上記のように、石英系光導波路部品は基板上に導波路を作り込むという手法ゆえに、基板と導波路膜との熱膨張率の差に起因した偏波依存性が避けられなかった。これは、石英系光導波路部品の膜面方向と膜厚方向の残留応力、あるいは加熱あるいは冷却時の発生応力に差が生じるために、導波路が複屈折性をもつことによる。つまり、膜厚方向の応力は常にほぼ解放状態であるのに対して、膜面方向は基板と導波路膜との熱膨張率の差に起因する引っ張り、あるいは圧縮応力が働き、環境温度によりその傾向が変化する。従来、この複屈折性を低減するために基板を導波路膜の材料に合わせることにより、あるいは逆に基板の熱膨張率に合わせた導波路膜を形成することにより、その低減が図られてきた。例えば、基板と、導波路膜とにそれぞれ石英を用いる方法や、基板としてシリコンウエハを用い、リンを高濃度添加した導波路膜を用いる方法などがある。しかし、これらの場合、基板材料が限られたり、導波路膜に過剰な添加元素が導入されることからガラス材料として不安定になるなどの問題があった。また、別の方法として、導波路上面に応力付与膜を設ける方法もあるが、低減の効果は小さい。

そこで、本発明の目的は、偏波依存性を小さくした石英系光導波路部品を提供することである。

本発明に係る石英系光導波路部品は、基板と、
前記基板上に形成された中間層と、
前記中間層の上に石英系材料で形成されたコアと該コアを収容する石英系材料で形成されたクラッド層とからなる石英系光導波路層と
を備え、
前記中間層のヤング率は、前記石英系光導波路層及び前記基板のそれぞれのヤング率よりも小さいことを特徴とする。

また、本発明に係る石英系光導波路部品は、本発明に係る石英系光導波路部品は、前記中間層は、シリコンまたはシリコン酸化物を主成分とする多孔質層からなることを特徴とする。

本発明に係る石英系光導波路部品は、両面に膜を有する基板と、
前記少なくとも一方の膜の上に石英系材料で形成されたコアと該コアを収容する石英系材料で形成されたクラッド層とからなる石英系光導波路層と
を備え、
前記両面に膜を有する基板の全体の熱膨張率は、前記石英系光導波路層の熱膨張率と実質的に同一であることを特徴とする。

また、本発明に係る石英系光導波路部品は、前記石英系光導波路部品であって、前記膜は、シリコンを含む材料からなることを特徴とする。

本発明に係るフィルム状石英系光導波路部品は、石英系材料で形成されたコアと、該コアを収容する石英系材料で形成されたクラッド層とを備え、
前記クラッド層は、平板状であることを特徴とする。

また、本発明に係るフィルム状石英系光導波路部品は、前記フィルム状石英系光導波路部品であって、前記クラッド層内に複数のコアで構成される光回路を備えることを特徴とする。

さらに、本発明に係るフィルム状石英系光導波路部品は、前記フィルム状石英系光導波路部品であって、前記クラッド層の周囲を保護する保護膜をさらに備えたことを特徴とする。

本発明に係る石英系光導波路部品は、基板と、
請求項５から７のいずれか一項に記載の前記フィルム状石英系光導波路部品と、
前記基板と前記フィルム状石英系光導波路部品の少なくとも一部とを接着する接着層と
を備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る石英系光導波路部品は、前記石英系光導波路部品であって、前記接着層は、前記石英系光導波路部品の前記コアと、該コアと対向する前記基板との間に中空部分を備えたことを特徴とする。

さらに、本発明に係る石英系光導波路部品は、前記石英系光導波路部品であって、前記基板は、伸縮制御可能であることを特徴とする。

またさらに、本発明に係る石英系光導波路部品は、前記石英系光導波路部品であって、前記基板は、圧電体基板又はバイメタル板からなることを特徴とする。

また、本発明に係る石英系光導波路部品は、前記石英系光導波路部品であって、前記基板は、ヒータ又はペルティエ素子を備えることを特徴とする。

さらに、本発明に係る石英系光導波路部品は、前記石英系光導波路部品であって、前記接着層は、樹脂系接着剤、低融点ガラス及び低融点金属の群から選ばれる少なくとも１つからなることを特徴とする。

以上、詳述したように、本発明に係る石英系光導波路部品は、コアと、該コアを収容する上部クラッド層及び下部クラッド層からなる石英系光導波路層が、中間層を介して基板に積層されている。この中間層のヤング率を石英系光導波路層と基板よりも小さくすることにより、光導波路層と基板との熱膨張率差に起因して発生する応力を緩和する。その結果、光導波路層における複屈折性が低減され、偏波依存性を低減することができ、光導波路の複屈折性を低減した偏波依存性の小さな光導波路部品が実現できる。

また、本発明に係る石英系光導波路部品は、中間層としてシリコンまたはシリコン酸化物を主成分とする多孔質層を用いることにより、石英系材料の合成温度でも変質することがないので、その上部に石英系光導波路層７の形成をそのまま行なうことができる。

本発明に係る石英系光導波路部品は、両面に基板制御膜を有する基板を用い、その基板制御膜の上に石英系光導波路層を形成している。この両面に基板制御膜を有する基板の全体の熱膨張率、いわゆる見かけの基板の熱膨張率は、石英系光導波路層の熱膨張率と実質的に同一に制御されている。これによって、見かけの基板と石英系光導波路層との熱膨張率の差がないので、温度変化を受けた場合にも石英系光導波路層への応力が発生せず、導波路の複屈折性を低減し、偏波依存性を小さくすることができる。

また、本発明に係る石英系光導波路部品は、基板の両面に有する膜がシリコンを含む材料からなるので、例えば、シリコン基板の両面を熱酸化して得られる熱酸化膜を基板制御膜とすることができる。これによって、熱酸化により基板の両面に容易に同じ膜厚の基板制御膜を形成することができ、導波路の複屈折性を低減し、偏波依存性を小さくすることができる。

本発明に係るフィルム状石英系光導波路部品は、コアと該コアを収容する平板状のクラッド層とを備えている。このように基板を有しないので、基板から受ける応力がなく、光導波路における複屈折性を低減し、偏波依存性を小さくすることができる。

また、本発明に係るフィルム状石英系光導波路部品は、クラッド層内に複数のコアで構成される光回路を備えているので、光ファイバに比べてコンパクトに光回路を構成することができる。

さらに、本発明に係るフィルム状石英系光導波路部品は、クラッド層の周囲を保護する保護膜をさらに備えるので、基板を用いることなく使用できる。

本発明に係る石英系光導波路部品は、フィルム状石英系光導波路部品の一部を接着層で基板に接着している。このようにフィルム状石英系光導波路を基板に接着しているので使用しやすく、また、光導波路への応力を考慮して接着できるので、複屈折性を低く抑えることができる。

また、本発明に係る石英系光導波路部品は、接着層がコアの直下に中空部分を設けているので、フィルム状石英系導波路の基板への接着によってコアが受ける応力の影響を低く抑えることができる。これにより、光導波路における複屈折性を低減することができる。

さらに、本発明に係る石英系光導波路部品は、伸縮の制御が可能な基板を用いているので、光導波路の複屈折性を能動的又は受動的に制御することができ、これによって偏波依存性を制御できる。

またさらに、本発明に係る石英系光導波路部品は、伸縮制御できる基板が圧電体基板又はバイメタル板からなるので、機械的に基板の伸縮を制御でき、光導波路の複屈折性を能動的又は受動的に制御することができ、これによって偏波依存性を制御できる。

また、本発明に係る石英系光導波路部品は、伸縮制御できる基板がヒータ又はペルティエ素子を備えるので、温度によって基板の伸縮を制御でき、光導波路の複屈折性を能動的又は受動的に制御することができ、これによって偏波依存性を制御できる。

さらに、本発明に係る石英系光導波路部品は、接着層は、樹脂系接着剤、低融点ガラス及び低融点金属の群から選ばれる少なくとも１つからなる。これによって、基板に接着した場合にも光導波路に加わる応力を低く抑えることができ、光導波路の複屈折性を抑制することができる。

本発明の実施の形態に係る石英系光導波路部品について、添付図面を用いて説明する。なお、実質的に同一の部材には同一符号を付している。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る石英系光導波路部品について、図１を用いて説明する。この石英系光導波路部品１０は、基板１と、該基板１の上に形成された中間層１２と、該中間層１２の上に形成された下部クラッド層２、コア３及び上部クラッド層４とからなる石英系導波路層７とを備えている。中間層１２は、そのヤング率が、石英系光導波路層７と基板１のそれぞれのヤング率よりも小さい材料により形成している。この中間層１２を設けることによって、光導波路層７と基板１との熱膨張率差に起因して発生する応力を緩和し、その結果、光導波路層７における複屈折性が低減され、偏波依存性を低減することができる。

この石英系光導波路部品１０では、中間層１２の材料等を適宜選択することにより、光導波路層７の複屈折性を低減しつつ、光導波路層７および基板１の材料の選択の幅を広げることができる。ヤング率が石英系光導波路層７と基板１のヤング率よりも小さい中間層１２としては、例えばシリコンの多孔質膜、シリコン酸化物（石英膜）の多孔質膜などが好ましい。これらの中間層であれば、石英系材料の合成温度でも変質することがないので、その上部に石英系光導波路層７の形成をそのまま行なうことができる。ただし、これらの材料は一例であって、この二つに限るものではない。

以下に、上記実施の形態１に係る石英系光導波路部品について、実施例１においてさらに詳細に説明する。

実施例１．
本発明の実施例１に係る石英系光導波路部品について、図１を用いて説明する。この石英系光導波路部品１０は、シリコンウエハからなる基板１と、該基板１の上に形成されたシリコン多孔質膜からなる中間層１２と、該中間層１２の上に形成された下部クラッド層２、コア３及び上部クラッド層４とからなる石英系導波路層７とを備えている。この中間層１２には、ヤング率が石英系光導波路層７と基板１のそれぞれのヤング率よりも小さいシリコン多孔質膜を用いている。このように中間層１２を設けることによって、光導波路層７と基板１との熱膨張率差に起因して発生する応力を緩和し、その結果、光導波路層７における複屈折性が低減され、偏波依存性を低減することができる。

この石英系光導波路部品１０では、中間層１２の材料又は形態を適宜選択することにより、光導波路層７の複屈折性を低減しつつ、光導波路層７および基板１の材料の選択の幅を広げることができる。ヤング率が石英系光導波路層７と基板１のヤング率よりも小さい中間層１２としては、上記シリコンの多孔質膜に限られず、シリコン酸化物（石英膜）の多孔質膜等を用いることができる。これらの中間層であれば、石英系材料の合成温度でも変質することがないので、その上部に石英系光導波路層７の形成をそのまま行なうことができる。

次に、この石英系光導波路部品１０の製造方法について説明する。この製造方法では、基板１に中間層１２を形成し、その中間層１２の上に石英系光導波路層７を形成している。
（ａ）先ず、基板１として外形寸法１５．２４ｃｍ（６インチ）、厚さ０．６ｍｍのシリコンウエハを用意し、該基板１の裏面に絶縁皮膜を形成した。
（ｂ）そして、シリコンウエハ１の表面側に、陽極酸化法により厚さ２０〜１００μｍのシリコン多孔質膜を形成した。この陽極酸化の条件を制御して表面近傍の孔径が小さくなるようにし、多孔質膜の孔径がおよそ０．０５〜１μｍとなるようにした。
（ｃ）その後、裏面の絶縁膜を除去し、多孔質膜の表面にＣＶＤ法によりシリコン膜を形成し、さらに該シリコン膜の表面の平坦化処理を行った。これによってシリコン多孔質膜を中間層１２とした。平坦化処理は、水素中での高温アニール又は化学機械研磨法のどちらで行なってもよい。
（ｄ）次に平坦化したシリコン多孔質膜１２の上部に石英系光導波路層７を形成した。まず、厚さ１５μｍの下部クラッド層２をＣＶＤ法により形成し、引き続きその上部に厚さ６μｍ、屈折率差０．７％のコア層３をＣＶＤ法により形成した。次に、写真製版法とエッチング工程によりコア層３を幅６μｍの直線パターンとした後、そのコアパターンを覆うように厚さ１５μｍの上部クラッド層４をＣＶＤ法により形成した。これによって、コア３と、該コア３を収容するクラッド層５とからなる光導波路層７を形成した。

さらに、作製した石英系光導波路部品の評価方法及び評価結果について説明する。ここでは、グレーティングフィルタにおける偏波依存性を評価している。まず、作製した石英系光導波路部品のコア３に水素添加処理と紫外線照射を行なって１．５μｍ帯用グレーティングフィルタを形成した。このグレーティングフィルタについて、互いに直交する二つの異なる偏波光（ＴＭ光とＴＥ光）による反射の中心波長のずれを測定し偏波依存性を評価した。その結果、中間層１２のシリコン多孔質層の厚さが厚くなるほど中心波長のずれは小さくなり、厚さが２０μｍ程度で０．０１ｎｍ、厚さが１００μｍで０．００５ｎｍとすることができた。なお、比較として、中間層を設けないで基板の上に直接光導波路層を形成している従来の石英系光導波路部品の場合について、上記と同様にグレーティングフィルタを形成し、その偏波依存性を評価した。その結果、中心波長のずれは０．１ｎｍと非常に大きかった。従来のように、基板にシリコンウエハを用い、光導波路に石英系材料を用いた場合には、両材料の熱膨張率の違いからくる複屈折性を避けられなかったが、この石英系光導波路部品では、基板と光導波路層との間に熱膨張率差による歪みを緩和するための中間層を設けることによって、偏波依存性を大幅に改善することができた。

ここで用いる中間層について検討する。この中間層は、基板と光導波路層の材料よりもヤング率が小さければよい。例えば、材料固有のヤング率が小さい材料をそのままバルクとして用いるか、または材料固有のヤング率が高い材料であっても見かけのヤング率を減少させた構造体、例えば、内部に空孔等の間隙を多く含む多孔質膜等を用いることができる。この中間層の厚さが厚くなるほど、また多孔質膜の空孔率が大きいほど歪みを緩和する効果が大きくなる。ただし、膜厚を厚くするほど、また空孔率を大きくするほど光導波路部品全体としての機械的な強度は弱くなる。

また、この中間層として、上記シリコン多孔質膜以外の中間層を形成する場合について説明する。まず、中間層として、上記シリコン多孔質膜よりもさらに材料的にヤング率を小さいシリコン酸化膜とする方法がある。この場合、上記シリコン多孔質及びシリコン膜を形成した後に当該部分を熱酸化し、シリコン酸化膜（石英）とする。このシリコン酸化膜を中間層として用いた石英系光導波路部品に上記と同様に１．５μｍ帯用グレーティングフィルタを形成し、互いに直交する二つの異なる偏波光による中心波長のずれを測定した。その結果、中間層の厚さが２０μｍ程度で０．０１ｎｍ、厚さが５０μｍで０．００５ｎｍとシリコン多孔質膜を形成した場合よりも歪みを緩和する効果が大きくなった。

さらに、中間層として、上記シリコン酸化膜よりもさらに構造的にヤング率を低くできるシリコン酸化物多孔質膜を形成する方法について説明する。このシリコン酸化物多孔質膜は、半導体用途の塗布型低誘電率層間絶縁膜を形成する方法によって得られる。これは塗布法によりペーストの皮膜を形成し、熱処理により発泡させながらシリコン系の多孔質膜とするものである。なお、形成工程は簡単であるが厚膜の形成がやや困難な場合がある。このような構成で作製した本発明の光導波路部品に上記と同様に１．５μｍ帯用グレーティングフィルタを形成し、互いに直交する二つの異なる偏波光による中心波長のずれを測定した。その結果、中間層の厚さが１０μｍ程度の場合、中心波長のずれは０．０１ｎｍ、厚さが２０μｍの場合で０．００５ｎｍが得られた。このように、基板と光導波路の間にヤング率が両者よりも小さい中間層を設けることにより、熱膨張率差による歪みが緩和され、光導波路部品の複屈折性が減少し、偏波依存性が大きく改善される。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る石英系光導波路部品について図２を用いて説明する。この石英系光導波路部品２０は、実施の形態１に係る石英系光導波路部品と比較すると、基板１の両面に熱膨張率を制御する基板制御膜１４を形成され、基板制御膜１４の少なくとも一つの面に石英系光導波路層７が形成されている点で相違する。ここで、両面に基板制御膜１４を有する基板の全体の熱膨張率、いわゆる見かけの基板１１の熱膨張率は、石英系光導波路層７の熱膨張率と実質的に同一に調整されている。これによって、見かけの基板１１と石英系光導波路層７との熱膨張率の差がないので、温度変化を受けた場合にも石英系光導波路層７への応力が発生せず、導波路の複屈折性を低減し、偏波依存性を小さくすることができる。

また、この石英系光導波路部品では、熱膨張率を制御する基板制御膜１４が基板１の両面に形成された見かけの基板１１を実質的な基板としてみることができる。この見かけの基板１１の熱膨張率は、基板１と基板制御膜１４の厚さの比と、それぞれの部分の熱膨張率とを適宜選択することにより決定することができる。最も単純な例としては、基板１の両面に同じ材質で同じ膜厚の基板制御膜１４を形成した場合である。また、複雑な例としては熱膨張率の異なる基板制御膜１４を基板１のそれぞれの面に形成し、それぞれの基板制御膜１４の厚さを変える場合である。どちらの場合でも、基板１と基板制御膜１４を含めた見かけの基板１１でのそりが発生しない。また、見かけの基板１１の熱膨張率を、その上に成膜する石英系光導波路層７の熱膨張率と実質的に同じとすることによって石英系光導波路膜への応力が発生せず、光導波路層７における複屈折性を低減し、偏波依存性を小さくすることができる。

以下に、上記実施の形態２に係る石英系光導波路部品について、実施例２においてさらに詳細に説明する。

実施例２．
本発明の実施例２に係る石英系光導波路部品について、図２を用いて説明する。この石英系光導波路部品２０は、実施例１に係る石英系光導波路部品と比較すると、基板１の両面に熱膨張率を制御する基板制御膜１４として熱酸化膜が形成され、基板制御膜１４の少なくとも一つの面に石英系光導波路層７が形成されている点で相違する。ここで、両面に基板制御膜１４としての熱酸化膜を有する基板の全体の熱膨張率、いわゆる見かけの基板１１の熱膨張率は、石英系光導波路層７の熱膨張率と実質的に同一に制御されている。これによって、見かけの基板１１と石英系光導波路層７との熱膨張率の差がないので、温度変化を受けた場合にも石英系光導波路層７への応力が発生せず、導波路の複屈折性を低減し、偏波依存性を小さくすることができる。なお、基板制御膜１４は、上記熱酸化膜に限られず、石英薄板等を貼付して用いてもよい。

この石英系光導波路部品２０では、熱膨張率を制御する基板制御膜１４が基板１の両面に形成された見かけの基板１１を実質的な基板としてみることができる。この見かけの基板１１の熱膨張率は、基板１と基板制御膜１４の厚さの比と、それぞれの部分の熱膨張率とを適宜選択することにより決定することができる。最も単純な例としては、基板１の両面に同じ材質で同じ膜厚の基板制御膜１４を形成した場合である。また、複雑な例としては熱膨張率の異なる基板制御膜１４を基板１のそれぞれの面に形成し、それぞれの基板制御膜１４の厚さを変える場合である。どちらの場合でも、基板１と基板制御膜１４を含めた見かけの基板１１でのそりが発生しない。また、見かけの基板１１の熱膨張率を、その上に成膜する石英系光導波路層７の熱膨張率と実質的に同じとすることによって石英系光導波路層７への応力が発生せず、光導波路層７における複屈折性を低減し、偏波依存性を小さくすることができる。

次に、この石英系光導波路部品２０の製造方法について説明する。この製造方法では、基板１の両面に基板制御膜１４として熱酸化膜を形成した後、光導波路層７を形成している。
（ａ）まず、基板１として外形寸法１０．１６ｃｍ（４インチ）、厚さ０．１５ｍｍのシリコンウエハを用意した。
（ｂ）シリコンウエハ１の両面を熱酸化によって厚さ１５〜３０μｍの熱酸化膜１４を形成した。この熱酸化の方法は、通常用いられる方法で行なうことができる。なお、熱酸化膜なので、基板１の両面に均一な膜厚で形成することができる。
（ｃ）次いで、基板の両面に形成した熱酸化膜１４のうち、片面の熱酸化膜１４の上に光導波路層７を形成した。まず、厚さ２０μｍの下部クラッド層２をＣＶＤ法で形成し、引き続きその上部に厚さ８μｍ、屈折率差０．３％のコア層３をＣＶＤ法により形成した。次に、写真製版法とエッチング工程によりコア層３を幅８μｍの直線パターンとした後、そのコアパターンを覆うように厚さ２０μｍの上部クラッド層４をＣＶＤ法により形成した。これによって、コア３と、該コア３を収容するクラッド層５とからなる光導波路層７を形成した。

さらに、作製した石英系光導波路部品２０の評価方法及び評価結果について説明する。ここでは、グレーティングフィルタにおける偏波依存性を評価している。まず、作製した石英系光導波路部品２０のコア３に水素添加処理と紫外線照射を行なって１．５μｍ帯用グレーティングフィルタを形成した。このグレーティングフィルタについて、互いに直交する二つの異なる偏波光（ＴＭ光とＴＥ光）による反射の中心波長のずれを測定し偏波依存性を評価したところ、０．０２〜０．００５ｎｍと小さな値が得られた。

また、この石英系光導波路部品２０の製造方法の別の例について説明する。この場合には基板制御膜１４として石英薄板を用いて、基板１の両面に貼付している。
（ａ）まず、基板１として外形寸法１０．１６ｃｍ（４インチ）、厚さ０．５ｍｍのシリコンウエハを用意する。
（ｂ）次に、接着用ガラスとして厚さ１５〜３０μｍの硼素添加（３〜１０ｗｔ％）ガラス膜をＣＶＤ法により両面に形成した。
（ｃ）そして、シリコン基板１の両面に形成された接着用ガラスの上に、外形寸法１０．１６ｃｍ（４インチ）、厚さ０．１〜０．２ｍｍの石英薄板１４を被着し、
（ｄ）真空中で９００〜１２００℃の範囲の温度で熱処理を施し、シリコン基板１と石英薄板１４の被着を行った。
（ｅ）このシリコン基板１の両面に被着した石英薄板１４のうち、一方の石英薄板の上に石英系光導波路層７を形成した。まず、厚さ１５μｍの下部クラッド層２をＣＶＤ法で形成し、引き続きその上部に厚さ６μｍ、屈折率差０．７％のコア層３をＣＶＤ法により形成した。次に写真製版法とエッチング工程によりコア層３を幅６μｍの直線パターンとした後、そのコアパターンを覆うように厚さ１５μｍの上部クラッド層４をＣＶＤ法により形成した。これによって、コア３と、該コア３を収容するクラッド層５とからなる光導波路層７を形成した。

さらに、作製した石英系光導波路部品の評価方法及び評価結果について説明する。ここでは、グレーティングフィルタにおける偏波依存性を評価している。まず、作製した本発明による光導波路部品に水素添加処理と紫外線照射を行なって１．５μｍ帯用グレーティングフィルタを形成した。このグレーティングフィルタについて、互いに直交する二つの異なる偏波光（ＴＭ光とＴＥ光）による反射の中心波長のずれを測定し、偏波依存性を評価したところ、０．０１〜０．００５ｎｍと小さな値が得られた。

このように、シリコン基板１の両面に熱膨張率を制御する基板制御膜１４を形成することにより、見かけの基板１１の熱膨張率を光導波路層７の熱膨張率と同等にすることができる。これにより、基板１と光導波路層７の熱膨張率差に起因する偏波依存性を小さく抑えることができる。また、本実施例では、基板１の両面に同一の基板制御膜１４を形成したが、例えば異なる膜種の組み合わせであってもよい。例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、多結晶シリコン膜などの任意の組み合わせでも良い。また、基板制御膜の熱膨張率と膜厚との最適化により、基板と基板制御膜の組み合わせとして基板の両面に働く応力を等しくすることでそりを生じることなく、しかも見かけの基板１１の熱膨張率を光導波路層７の熱膨張率と実質的に等しくすることができる。

実施の形態３．
本発明の実施の形態４に係るフィルム状石英系光導波路部品について、図３を用いて説明する。このフィルム状石英系光導波路部品１７は、実施の形態１及び２に係る石英系光導波路部品と比較すると、基板を有することなく、コア３と該コア３を収納するクラッド層５とからなる光導波路層のみのフィルム状石英系光導波路部品である点で相違する。また、このフィルム状石英系光導波路部品１７は、光ファイバと比較すると、クラッド層５が平板状、換言すればフィルム状である点で相違する。このように基板に積層されていないので、基板側から受ける応力に起因する複屈折性を解消でき、偏波依存性を改善できる。さらに、クラッド層５内に複数のコア３からなる光回路を構成してもよい。なお、このフィルム状石英系光導波路部品は、基板上に石英系光導波路層を積層形成した後、基板の部分を除去することによってフィルム状の石英系光導波路層のみとしたものである。その製造方法の詳細は実施例３において述べる。

以下に、上記実施の形態３に係るフィルム状石英系光導波路部品について、実施例３及び実施例４においてさらに詳細に説明する。

実施例３．
本発明の実施例３に係るフィルム状石英系光導波路部品について説明する。このフィルム状石英系光導波路部品１７は、実施例１及び２に係る石英系光導波路部品と比較すると、基板を有することなく、コア３と該コア３を収納するクラッド層５とからなる光導波路層のみのフィルム状石英系光導波路部品である点で相違する。また、このフィルム状石英系光導波路部品１７は、光ファイバと比較すると、クラッド層５が平板状、換言すればフィルム状である点で相違する。なお、厚みはクラッド層の厚みを適宜制御することによって、２０μｍ〜１００μｍの範囲、好ましくは３０〜５０μｍの範囲にすることができる。このように基板に積層されていないので、基板側から受ける応力に起因する複屈折性を解消でき、偏波依存性を改善できる。さらに、クラッド層５内に複数のコア３からなる光回路を構成することができる。

さらに、このフィルム状石英系光導波路部品をアクリル系、エポキシ系、シリコンゴム系、およびポリイミド系樹脂等の樹脂膜で被覆してもよい。このように樹脂膜で被覆することで保護することができる。また、光ファイバとの接続部分のみに基板を接着することにより、偏波依存性、および温度依存性のさらに小さな石英系光導波路部品が実現できる。

次に、このフィルム状石英系光導波路部品の製造方法について説明する。
（ａ）先ず、基板１として外形寸法１０．１６ｃｍ（４インチ）、厚さ１ｍｍのシリコンウエハ（（１００）面）を用意した。
（ｂ）次に、基板１の片面に光導波路層を形成した。まず、厚さ１５μｍの下部クラッド層２をＣＶＤ法で形成し、引き続きその上部に厚さ６μｍ、屈折率差０．７％のコア層３をＣＶＤ法により形成した。次いで、写真製版法とエッチング工程によりコア層３を幅６μｍの直線パターンとした後、そのコアパターンを覆うように厚さ１５μｍの上部クラッド層４をＣＶＤ法により形成した。これによって、コア３と、該コア３を収容するクラッド層５とからなる光導波路層７を形成した。
（ｄ）その後、所望の大きさに切り出してから、基板１を裏面研削することにより全体の厚さを０．１〜０．２ｍｍとし、さらに、加熱した苛性カリ系エッチング液に浸し、シリコン基板１を溶解除去して、フィルム状の石英系光導波路層１７とした。
上記手順によってフィルム状石英系光導波路部品を得ることができた。その形状は平板状、あるいはフィルム状であって、厚みは約３６μｍである。

実施例４．
本発明の実施例４に係るフィルム状アレイ導波路フィルタ（ＡＷＧ）について図９を用いて説明する。このアレイ導波路フィルタは、実施例３に係るフィルム状石英系光導波路部品と比較すると、複数のコアで構成されるアレイ導波路フィルタの光回路が構成されている点で相違する。このようにフィルム状石英系光導波路部品を用いることによって、基板との間の熱膨張率差に起因する応力を受けないので、偏波依存性を大幅に低減できる。また、フィルム状であるため、熱容量が小さく、例えば、薄膜ヒータ等を用いて容易に加熱でき、フィルタ中心波長を容易にシフトさせることができる。なお、薄膜ヒータはこのアレイ導波路フィルタに必須ではないので任意に用いることができる。

次に、このフィルム状アレイ導波路フィルタの各構成要素について、図９を用いて説明する。このフィルム状アレイ導波路フィルタ４０は、入力光側から出力光側にわたって、入力光ファイバアレイ固定用治具３１、一括波長調整用ヒータ３３、一括波長調整用ヒータ端子３４、個別波長調整用ヒータ３５、個別波長調整用ヒータ端子３６、出力光ファイバアレイ固定治具３２を含んでいる。このうち、フィルム状であるため、各端子部分は機械的に補強するのが好ましいので、入力光ファイバアレイ固定用治具３１、一括波長調整用ヒータ端子３４、個別波長調整用ヒータ端子３６、出力光ファイバアレイ固定治具３２をフィルム状光導波路部品３７の片面又は両面に被着している。なお、これらは装架することが好ましい。さらに、このフィルム状アレイ導波路フィルタ４０の全体をゲル状またはゴム状の充填物を用いてケース内に封入したり、樹脂被膜等で全体を被覆して、保護することができる。

実施の形態４．
本発明の実施の形態４に係る石英系光導波路部品について、図４を用いて説明する。この石英系光導波路部品３０は、実施の形態３に係るフィルム状石英系光導波路部品１７が基板２１の上に接着層２２で接着されている。このようにフィルム状石英系光導波路部品１７を用い、接着層２２と基板２１の材料を選択することによって、光導波路層１７には応力が及ばないようにすることで、複屈折性を低減した石英系光導波路部品とすることができる。また、温度変化による特性の変動をうち消す方向に応力をかけることもできる。

また、このフィルム状石英系光導波路部品１７を用いた石英系光導波路部品３０ａの別の例について、図５を用いて説明する。この石英系光導波路部品３０ａは、図４に示した上記石英系光導波路部品と比較すると、フィルム状石英系光導波路１７の一部のみを基板２１に接着層２２で接着し、接着層２２にはフィルム状石英系光導波路１７と基板２１との間に中空部分２３を設けている点で相違する。例えば、この石英系導波路部品は、光導波路層１７の周辺部分のみを接着層２２で基板２１に接着し、コア３の直下の基板２１との間に中空部分２３を設けている。このようにフィルム状石英系光導波路１７を接着する面積を少なくすることによって、光導波路１７が受ける応力に起因する複屈折性を低減できる。

以下に、上記実施の形態４に係る石英系光導波路部品について、実施例５及び実施例６においてさらに詳細に説明する。

実施例５．
本発明の実施例５に係る石英系光導波路部品について、図４を用いて説明する。この石英系光導波路部品３０は、実施例３に係るフィルム状石英系光導波路部品１７が基板２１の上に接着層２２で接着されている。このようにフィルム状石英系光導波路部品１７を用い、接着層２２と基板２１の材料を選択することによって、光導波路層１７には応力が及ばないようにすることで、複屈折性を低減した石英系光導波路部品とすることができる。また、温度変化による特性の変動をうち消す方向に応力をかけることもできる。

また、上記フィルム状石英系光導波路部品１７を用いた石英系光導波路部品の別の例について、図５を用いて説明する。この石英系光導波路部品３０ａは、図４に示した上記石英系光導波路部品と比較すると、フィルム状石英系光導波路１７の一部のみを基板２１に接着層２２で接着し、フィルム状石英系光導波路１７と基板２１との間に中空部分２３を設けている点で相違する。例えば、この石英系導波路部品は、光導波路層１７の周辺部分のみを接着層２２で基板２１に接着し、接着層２２にはコア３の直下の基板２１との間に中空部分２３を設けている。このようにフィルム状石英系光導波路１７を接着する面積を少なくすることによって、光導波路１７が受ける応力に起因する複屈折性を低減できる。特に、図５に示すように、フィルム状石英系光導波路部品１７と基板２１との接着部分を周辺部のみに限定し、導波路のコア３の直下を中空とすることで、基板と導波路層の熱膨張率差に起因する偏波依存性、および温度依存性を小さくできる。

次に、この石英系光導波路部品の製造方法について説明する。
（ａ）まず、上記フィルム状石英系光導波路部品１７を用意する。なお、この製造方法は実施例３で説明した製造方法と同様である。
（ｂ）次に、フィルム状石英系光導波路部品１７のコア３に水素添加処理と紫外線照射を行なって１．５μｍ帯用グレーティングフィルタを形成する。
（ｃ）次いで、接着層８として樹脂系接着剤のシリコンゴム系接着剤を用いて、フィルム状石英系光導波路部品１７を実質的に同じ大きさのシリコン基板２１に接着した。

さらに、作製した石英系光導波路部品の評価方法及び評価結果について説明する。ここでは、グレーティングフィルタにおける偏波依存性を評価している。まず、作製した石英系光導波路部品３０，３０ａに対して、互いに直交する二つの異なる偏波光（ＴＭ光とＴＥ光）による反射の中心波長のずれを測定し偏波依存性を評価したところ、０．００５ｎｍ〜０．００１ｎｍと非常に小さい値が得られた。なお、比較として、基板上にそのまま光導波路層を積層した従来の石英系光導波路部品について、１．５μｍ帯用グレーティングフィルタを形成し、中心波長のずれを測定したところ、０．１ｎｍと非常に大きかった。このように、基板にシリコン、光導波路に石英系材料を用いた場合は、両材料の熱膨張率の違いからくる複屈折性が避けられなかったが、この石英系光導波路部品では、フィルム状石英系光導波路部品を、樹脂系接着剤で基板に接着することにより、光導波路層にかかる応力を非常に小さくすることができ、その結果として偏波依存性が大幅に改善された。

また、ここでは、接着層８に樹脂系接着剤のシリコンゴム系接着剤を用いたが、他の種々の接着剤を使用してもよい。例えば、アクリル樹脂系、エポキシ樹脂系、合成ゴム系接着剤等の樹脂系接着剤、高ナトリウムガラス系又は鉛ガラス系の低融点ガラス、インジウムやはんだ等の低融点金属、およびこれらを組み合わせて用いてもよい。例えば、光ファイバーとの接合により、機械強度が必要な端面部分は硬度の高い紫外線硬化樹脂接着剤を用い、低応力であることが必要なグレーティングフィルタ部分は柔らかい合成ゴム系接着剤を用いる方法などがある。

実施例６．
本発明の実施例６に係るフィルム状石英系光導波路部品及び石英系光導波路部品について説明する。このフィルム状石英系光導波路部品２７は、実施例３に係るフィルム状石英系光導波路部品と比較すると、図６に示すように、クラッド層５中に複数のコア３への分岐部分を備えた光回路を含んでいる点で相違する。このフィルム状石英系光導波路部品２７では、フィルム状のクラッド層５内にあらかじめ光回路を構成することができるので、複数本の光ファイバを組み合わせて光回路を構成する場合よりもコンパクトに光回路を構成することができる。

次に、上記フィルム状石英系光導波路部品２７を用いた石英系光導波路部品３０ｂについて図７及び図８を用いて説明する。この石英系光導波路部品３０ｂは、複数の異なる波長のレーザダイオード２４と上記フィルム状石英系光導波路部品２７を組み合わせた合波モジュールである。この合波モジュールは、上記フィルム状石英系光導波路部品２７を基板２１の上に接着層で接着し、コア３の端部にレーザチップ２４をマウントしている。この石英系光導波路部品３０ｂでは、レーザチップ２４を放熱性の良好な基板２１にマウントした場合でも、導波路層の偏波依存性を小さくできる。また、図８は、この石英系光導波路部品３０ｂの出射光側の端部の構成を示す端面図である。この端面には、光ファイバとの融着を可能とする石英ブロック２５が面一となるように固着されているので、中空の光導波路モジュールでありながら光ファイバの融着が可能となる。

実施の形態５．
本発明の実施の形態５に係る石英系光導波路部品について、図４を用いて説明する。この石英系光導波路部品は、実施の形態４に係る石英系光導波路部品と比較すると、基板２１として、伸縮あるいは屈曲状態の制御が可能な伸縮制御基板を用いる点で相違する。この伸縮制御基板を用いることによって、光導波路への応力を制御することができる。例えば、光導波路層２１のコア３にグレーティングフィルタを形成している場合には、中心波長の温度依存性を制御することができる。この伸縮制御基板としては、例えば、圧電体基板、バイメタル板、あるいは任意の基板の裏面に機械的な伸縮機構を配置した基板等の機械的伸縮制御基板、熱膨張率の大きな金属板や樹脂板とヒータ又はペルティエ素子とを組み合わせた温度制御による温度制御型伸縮制御基板、又はこれらを複合したものなどを使用することができる。さらに、金属、ガラス、セラミックス、樹脂等の基板材料を組み合わせてもよい。また、石英系光導波路部分は薄いガラス膜であるので、保護のための樹脂膜で被覆したものも使用可能である。

以下に、上記実施の形態５に係る石英系光導波路部品について、実施例７においてさらに詳細に説明する。

実施例７．
本発明の実施例７に係る石英系光導波路部品について説明する。この石英系光導波路部品は、実施例５及び６に係る石英系光導波路部品と比較すると、フィルム状石英系光導波路部品を接着している基板２１が伸縮を制御できる伸縮制御基板である点で相違する。この伸縮の制御が可能な伸縮制御基板を用いることによって、石英系光導波路部品の偏波依存性及びグレーティングフィルタの中心波長の能動あるいは受動制御が可能となる。例えば、基板２１に圧電体基板を光の導波方向と直角方向に伸縮を制御できるように配置することによって、偏波依存性の調整が可能となる。また、光導波路部品にグレーティングフィルタを設け、光の導波方向と平行に伸縮を制御できるように配置することによって、フィルタの中心波長の調整が可能となる。

ここで、基板２１として、上記圧電体基板の他、バイメタル板、裏面に機械的な伸縮機構を配置した基板等の機械的伸縮制御基板、ヒータ又はペルチェ素子等を備えた温度制御型伸縮制御基板、又はこれらの組み合わせを用いてもよい。さらに、一般的な樹脂材料のように熱膨張率の大きな材料、負膨張性ガラスセラミックスのような熱膨張率が負の材料、低熱膨張ガラスのように熱膨張率がゼロに近い材料、あるいはそれらの組み合わせた基板を用いてもよい。これにより、光導波路の温度依存性を任意に制御する事が可能となる。また、バイメタル板のように温度に応じて屈曲する基板を用い、屈曲の凸面か凹面のどちらかの面に張り付ける事により、グレーティングフィルタの中心波長の温度依存性任意に受動制御することが可能となる。

なお、上記実施例では主にグレーティングフィルタやアレイ導波路フィルタ（ＡＷＧ）を形成することにより本発明の効果を説明したが、本発明の石英系光導波路部品はグレーティングフィルタ、ＡＷＧの他、方向性結合器、カプラ型光合分波器、および導波路型光スイッチなど、光導波路を使用する全ての光部品に対して適用することができる。また、従来、偏波依存性が悪かったために光導波路が用いられなかった光部品に対しても、光導波路化が可能となり生産性の向上が期待できる。

本発明の実施の形態１及び実施例１に係る石英系光導波路部品の導波方向に垂直な断面構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態２及び実施例２に係る石英系光導波路部品の導波方向に垂直な断面構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態３及び実施例３に係るフィルム状の石英系光導波路部品の導波方向に垂直な断面構造を示す断面図である。 実施の形態４及び実施例５に係る石英系光導波路部品の導波方向に垂直な断面構造を示す断面図である。 実施の形態４及び実施例６に係る石英系光導波路部品の別の例の導波方向に垂直な断面構造を示す断面図である。 本発明の実施例７に係るフィルム状石英系光導波路部品の導波方向に垂直な断面構造を示す断面図である。 図６のフィルム状石英系光導波路部品を基板の上に接着した場合の導波方向に垂直な断面構造を示す断面図である。 図７の合波モジュールにおける出射光側の端面部分を示す図である。 実施例４に係るアレイ導波路フィルタ（ＡＷＧ）の平面図である。 従来の光導波路部品の導波方向に垂直な断面構造を示す断面図である。

符号の説明

１ 基板、２ 下部クラッド層、３ コア、４ 上部クラッド層、５ クラッド層、７ 石英系光導波路層、１０、２０、３０、３０ａ、３０ｂ 石英系光導波路部品、１１ 見かけの基板、１２ 中間層、１４ 基板制御膜、１７、２７、３７ フィルム状石英系光導波路部品、２１ 基板、２２ 接着層、２３ 中空部分、２４ レーザダイオードチップ、２５ 光ファイバ融着用石英ブロック、３１ 入力光ファイバ固定用治具、３２ 出力光ファイバ固定用治具、３３ 一括波長調整用薄膜ヒータ、３４ 一括波長調整用ヒータ端子、３５ 個別波長調整用薄膜ヒータ、３６ 個別波長調整用ヒータ端子、４０ アレイ導波路フィルタ、５０ 光導波路部品、５１ 基板、５２ 下部クラッド層、５３ コア、５４ 上部クラッド層、５５ クラッド層、５７ 光導波路層

Claims (9)

1. 石英系材料で形成されたコアと、該コアを収容する石英系材料で形成されたクラッド層とを備え、
   前記クラッド層は、平板状であることを特徴とするフィルム状石英系光導波路部品。
2. 前記クラッド層内に複数のコアで構成される光回路を備えることを特徴とする請求項１に記載のフィルム状石英系光導波路部品。
3. 前記クラッド層の周囲を保護する保護膜をさらに備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のフィルム状石英系光導波路部品。
4. 基板と、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の前記フィルム状石英系光導波路部品と、
   前記基板と前記フィルム状石英系光導波路部品の少なくとも一部とを接着する接着層と
   を備えたことを特徴とする石英系光導波路部品。
5. 前記接着層は、前記石英系光導波路部品の前記コアと、該コアと対向する前記基板との間に中空部分を備えたことを特徴とする請求項４に記載の石英系光導波路部品。
6. 前記基板は、伸縮制御可能であることを特徴とする請求項４又は５に記載の石英系光導波路部品。
7. 前記基板は、圧電体基板又はバイメタル板からなることを特徴とする請求項６に記載の石英系光導波路部品。
8. 前記基板は、ヒータ又はペルティエ素子を備えることを特徴とする請求項６に記載の石英系光導波路部品。
9. 前記接着層は、樹脂系接着剤、低融点ガラス及び低融点金属の群から選ばれる少なくとも１つからなることを特徴とする請求項４から８のいずれか一項に記載の石英系光導波路部品。

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