JP2007163658A - 光導波路素子 - Google Patents

Abstract

【課題】光導波路素子において、変曲点近傍における光の損失を小さく抑えられ、さらに精度および再現性良く作製することが容易な、光導波路素子を提供する。
【解決手段】本発明の光導波路素子は、互いに異なる曲率のコアをもつ第１の曲線光導波路と第２の曲線光導波路とが接続され備えられている光導波路素子であって、第１の曲線光導波路と第２の曲線光導波路は、第１の曲線光導波路のコアと第２の曲線光導波路のコアとが、それぞれの接続端面における中心軸が互いに平行かつ軸ずれ量ｄだけずらされるとともに、それぞれの接続端面が互いに平行かつ間隔Ｌだけ離されて配置され、それぞれの曲線光導波路のコアに対して前記接続端面において中心軸が一致するように構成された直線状のコアをもつ直線光導波路を介して接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光導波路素子に関する。

光導波路素子の小型化、高集積化のため、様々な曲率を持つ曲線光導波路や、直線光導波路を組み合わせた光導波路素子が開発されている。このような光導波路素子においては、曲率が異なる光導波路が接続された点、すなわち変曲点の前後で光導波路中の横モード分布が異なるため光の損失が生じる問題があり、このような変曲点近傍における光の損失を低減する技術が強く求められている。

例えば特許文献１では、シリカ系光導波路素子作製において、分岐光導波路の変曲点および出力光導波路との接続部に軸ずれを設けることで光の漏れを抑制し、低い光の損失を実現する技術が示されている。特許文献２では、変曲点で光導波路を分割し、軸ずれさせるとともに両光導波路間に間隙（光導波路の無い部分）を設けることで、光の伝播損失が小さい光導波路素子を再現性良く製造する技術が提案されている。また、特許文献３では、変曲点で光導波路を分割し、分割した光導波路間を軸ずれを設けずに間隔を設けて配置し、該間隔を直線光導波路で接続した構成とすることにより、光の伝播損失が小さい光導波路素子を設計通り、再現性良く製造できる技術が提案されている。

特許第２８０９５１７号公報 特開２００４−８６０８０号公報 特開２００４−１３８８６０号公報

前述の軸ずれや間隙の寸法は典型的には０．２〜０．６μｍであり、このような軸ずれや間隙を設けた特許文献１や２に記載された構成の光導波路素子のコア形状を精度および再現性良く作製することは容易ではない。例えば、光導波路を形成する方法として下部クラッド上にコアとなる層をべたに形成し、これをフォトリソグラフィおよびドライエッチングにより所望のコア形状にパターニングし、上部クラッドを積層する方法を用いようとすると、フォトリソグラフィ工程においてレジストを露光するときに、マスクパターンの角の部分で顕著な回折を生じてマスクパターン形状をそのままレジストに転写することが困難である。そのため、所望のコア形状が得られず、作製された光導波路素子は、変曲点近傍において光の損失を生じる問題がある。また、軸ずれを設けずに設けた間隔を直線光導波路で接続した特許文献３に記載された構成の光導波路素子は作製は容易であるが、光の伝播損失を充分小さく抑えることが難しい。

本発明は、前述の課題を解決し、互いに異なる曲率の光導波路が接続された変曲点前後での光の播損失が小さい光導波路素子を提供する。すなわち本発明は、互いに異なる曲率のコアをもつ第１の曲線光導波路と第２の曲線光導波路とが接続され備えられている光導波路素子であって、第１の曲線光導波路と第２の曲線光導波路は、第１の曲線光導波路のコアと第２の曲線光導波路のコアとが、それぞれの接続端面における中心軸が互いに平行かつ軸ずれ量ｄだけずらされるとともに、それぞれの接続端面が互いに平行かつ間隔Ｌだけ離されて配置され、それぞれの曲線光導波路のコアに対して前記接続端面において中心軸が一致するように構成された直線状のコアをもつ直線光導波路を介して接続されていることを特徴とする光導波路素子を提供する。

この場合、それぞれの曲線光導波路の前記接続端面が、前記接続端面における曲線光導波路の中心軸と直交することが好ましい。

また、前記軸ずれ量ｄが、０．２μｍ以上、コア幅の１／３以下であって、前記間隔Ｌが０．１μｍ以上であることが好ましい。

さらに、コアとクラッドの屈折率差をコアの屈折率で除した値Δが０．０００３〜０．１であることが好ましい。

本発明にかかる光導波路素子は、前記コアが、Ｂｉ_２Ｏ_３、Ｓｂ_２Ｏ_３、ＰｂＯ、ＳｎＯ_２およびＴｅＯ_２からなる群から選ばれた１種以上の酸化物を質量百分率表示で３５％以上含有する酸化物ガラスからなることが好ましい。

前記コアは、質量百分率表示でＢｉ_２Ｏ_３を３５％以上含有する酸化物ガラスからなることが好ましく、Ｅｒ_２Ｏ_３およびＴｍ_２Ｏ_３の少なくともいずれか一種を含有する酸化物ガラスからなることが特に好ましい。

また、本発明にかかる光導波路素子は、前記コアがフォトリソグラフィ法およびドライエッチング法により形成されていることが好ましい。

本発明の光導波路素子の構成によれば、曲率が異なる曲線光導波路を備えた光導波路素子において、変曲点近傍における光の損失が小さく抑えられ、またこのような低い光の伝播損失の光導波路素子が精度および再現性良く作製することが容易な構成で実現される。

以下、本発明の光導波路素子１を図を用いて説明するが、本発明は以下の説明に限定されない。図１は、本発明の光導波路素子の変曲点近傍の平面図であって、互いに異なる曲率のコアをもつ２本の曲線光導波路１０、２０が、直線光導波路３０を介して接続された構成を有する。直線は曲率半径が無限大の曲線とみなせるので、コアの曲率が互いに異なる２本の曲線光導波路のうちの一方は直線形状のコアをもつ直線光導波路であってもよい。図１の構成では、一方の曲線光導波路１０が直線光導波路とされているが、説明の都合上、以下単に「曲線光導波路」という。また、互いに異なる曲率のコアをもつ２本の曲線光導波路は、同じ曲率で曲がる方向が異なるコアをもつ曲線光導波路の組合せであってもよい。なお、これらのコア１１、２１、３１は、コアと所定の屈折率差をもつクラッド（図示せず）に埋設されている。

曲線光導波路１０と曲線光導波路２０とは、それぞれの曲線光導波路のコア１１と２１とが、それぞれの接続端面１２、２２における中心軸を互いに平行かつ軸ずれ量ｄ［μｍ］だけずらされるとともに、それぞれの接続端面が互いに平行かつ間隔Ｌ［μｍ］だけ離されて配置され、それぞれの曲線光導波路のコアに対して前記接続面において中心軸が一致するように構成された直線状のコア３１をもつ直線光導波路３０を介して接続されている。異なる曲率の曲線光導波路のコアの接続端面１２、２２は、接続端面におけるコアの中心軸に対して垂直とされていることが好ましいが、本発明の効果を損なわない限りにおいて、傾けられていてもよい。

コアの材料は、導波させる光の波長において吸収を持たない材料であれば特に限定されない。また、クラッドの材料は、コア内に光を閉じ込めることができるものであれば特に限定されないが、効率よくコアに光を閉じ込めるためには、クラッドの屈折率ｎ_２は、コアとクラッドの屈折率差Δｎをコアの屈折率ｎ_１（ｎ_１＞ｎ_２）で除した値Δｎ／ｎ_１すなわちΔが０．０００３〜０．１となるようにすることが好ましい。Δが０．０００３未満ではコア内への光閉込めが不十分となり、伝搬光の一部が放射して光の伝搬損失が増大するおそれがある。Δはより好ましくは０．００１以上、特に好ましくは０．００３以上である。一方、Δが０．１超では光導波路に入射したシングルモードの光が、伝播中にマルチモードに変化して高速伝送ができなくなるおそれがある。そのためΔは０．１以下で、より好ましくは０．０８以下、特に好ましくは０．０５以下である。なお、本明細書中における屈折率とは、本発明の光導波路素子を用いる波長帯域における屈折率をいうものとする。コアの断面形状は、通常矩形または正方形であるが、本発明の効果を損なわない限りにおいて、台形、円形や楕円形など、これ以外の形状であってもよい。

図２は従来技術の、異なる曲率の曲線光導波路が接続された光導波路素子の模式的構成の平面図であって、それぞれのコア４１、５１の曲率が互いに異なる２本の曲線光導波路４０、５０が、それぞれのコアの中心軸４６と５６とが、接続端面４２および５２において軸ずれｄを設けたのみで配置され直接接続されていて、間隔Ｌおよびこの間隔部分を接続する直線光導波路が設けられていない。コアの接続端面４２、５２は、接続端面におけるコアの中心軸と垂直とされている。また、これらのコア４１、５１は、図１の構成と同様にコアと所定の屈折率差をもつクラッド（図示せず）に埋設されている。なお、図２では、異なる曲率のコアをもつ２本の曲線光導波路のうちの一方が直線形状のコアをもつ直線光導波路とされているが、説明の都合上、以下、単に「曲線光導波路」という。

図１および図２の構成の光導波路素子について、波長１５５０ｎｍの光を伝播させ、軸ずれ量ｄおよび間隔Ｌを変化させたときの、変曲点近傍における光の損失をＢＰＭ計算により求めた。ＢＭＰ計算については、例えば「光導波路の基礎」（コロナ社刊、岡本勝就著）に記載されている。

まず、間隔Ｌがゼロの場合すなわち図２の軸ずれのみが設けられた構成の光導波路素子についてＢＭＰ計算をおこなって、変曲点近傍において光の損失が実質的に発生しない最小曲率半径とそのときの軸ずれ量ｄとを求めた。なお、実質的に発生しないとは、変曲点において発生する光の損失が０．０５ｄＢ以下であることをいう。なお、コア幅は５μｍ、クラッドの屈折率は１．９０とし、コアとクラッドとの屈折率差Δｎが０．０１、０．０２、０．０３の場合について計算をおこなった。その結果、Δｎが０．０１の場合は、最小曲率半径は３．０ｍｍでそのときの軸ずれ量ｄが０．５μｍ、Δｎが０．０２の場合は、最小曲率半径は１．５ｍｍでそのときの軸ずれ量ｄが０．４μｍ、Δｎが０．０３の場合は、最小曲率半径は１．０ｍｍでそのときの軸ずれ量ｄが０．５μｍであった。

図１および図２の構成の光導波路素子について、軸ずれ量ｄを変化させたときの変曲点近傍における光の損失をＢＭＰ計算により求め、結果を図３のグラフにプロットした。コア幅は５μｍ、クラッドの屈折率は１．９０、Δｎは０．０３とし、曲線光導波路２０、５０の曲率半径は１．０ｍｍとした。図１の光導波路素子における間隔Ｌは２μｍとした。

このグラフからわかるように、図１の本発明の構成では、図２の軸ずれのみの構成と同様、軸ずれ量ｄ０．５μｍで光の損失が最も小さい。図３にプロットした０〜１μｍの範囲を超える１μｍ以上の軸ずれ量ｄでは、光の損失がさらに増大する。本発明の光導波路素子における好ましい軸ずれ量ｄは、接続するそれぞれの曲線光導波路の曲率、コアの径および屈折率、コアとクラッドとの屈折率差Δｎ、等により異なるが、０．２μｍ以上、コア幅の１／３以下の範囲から、光の損失が最小となるように選ぶことが好ましい。０．２μｍ未満あるいはコア幅の１／３超では軸ずれの効果が充分得られないおそれがある。

次に、間隔Ｌについて説明する。間隔Ｌは、所望のコア形状を精度および再現性良く容易に加工できるようにするためには０．１μｍ以上とすることが好ましい。間隔Ｌが０．１μｍ未満では所望のコア形状を精度および再現性良く得られないおそれがある。すなわち、例えば、フォトリソグラフィグラフィを用いる作製法では、フォトリソグラフィによりマスクパターンをレジストに露光、転写しようとするときに、軸ずれｄと間隔Ｌによって形作られるマスクパターンの角の部分で回折が顕著に生じ、マスクパターン形状がそのまま転写されないおそれがある。所望のコア形状が得られないと、得られる光導波路素子は変曲点近傍における光の損失が大きくなり好ましくない。

間隔Ｌを変化させたときの、本発明の光導波路素子の波長１５５０ｎｍの光に対する変曲点近傍における光の損失をＢＰＭ計算により求めた結果を図４に示す。Δｎ、曲線光導波路の曲率半径、および軸ずれ量ｄは上記の構成と同様とした。図４は、得られた結果をＬ／ｄを横軸としてプロットしたグラフである。図４からわかるように、光の損失を小さく抑えるためにはＬ／ｄを小さくすることが好ましいが、本発明の効果を損なわない限りにおいて上限は限定されない。軸ずれを設けた効果により光の損失を特に小さく抑えるためにはＬ／ｄを２０以下、すなわち間隔Ｌを２０・ｄ以下とするとで好ましい。

本発明の光導波路素子の構成を用いると、種々の機能をもつ光導波路素子を小型化、高集積化することができる。このような小型化、高集積化された光導波路素子に本発明の光導波路素子の構成を適用する場合には、コアの材料として、屈折率ｎ_１が１．７以上である高屈折率ガラスを用いることが好ましい。特に光増幅機能をもつ光導波路素子として用いる場合には、大きい利得係数を得るために、コアの屈折率ｎ_１を大きくすることが好ましく、コアの屈折率ｎ_１は、１．７以上であることが好ましく、より好ましくは１．８以上である。１．７未満では光増幅率または非線形性が低下するおそれがある。また、通常は２．３以下である。

光増幅機能をもつ光導波路のコアガラスとして用いる高屈折率のガラスとしては、Ｂｉ_２Ｏ_３、Ｓｂ_２Ｏ_３、ＰｂＯ、ＳｎＯ_２およびＴｅＯ_２からなる群から選ばれた１種以上の酸化物を質量百分率表示で３５％以上含有する組成を有するガラスが例示される。以下、単に％と記載した場合は、質量百分率表示をいうこととする。光増幅導をおこなわせる場合には、Ｂｉ_２Ｏ_３を３５％以上含有するガラスとすることが好ましい。３５％未満では光増幅率または非線形性が低下する。より好ましくは４０％以上であり、特に好ましくは６０％以上である。９０％超ではガラス化しにくくなる。より好ましくは８５％以下である。このようなガラスとしては、Ｂｉ_２Ｏ_３が３５〜９０％、ＳｉＯ_２が２〜４０％、Ｇａ_２Ｏ_３が５〜２５％、Ａｌ_２Ｏ_３が０〜５％から本質的になる組成であるガラスが好ましい。このとき、その他の成分を合計で２５％以下、好ましくは１５％以下の範囲で含有してもよい。光増幅をおこなわせるときにはＥｒ_２Ｏ_３とＴｍ_２Ｏ_３のいずれか一種または両方を０．０１％以上含有することが必要である。Ｅｒ_２Ｏ_３とＴｍ_２Ｏ_３のいずれかを単独で含有するときはその含有量、両方を含有するときはそれらの合計の含有量は、１０％超ではガラス化しにくくなるので１０％以下であることが好ましい。また５％超では濃度消光が起きて光増幅率が低下し易いので、より好ましくは５％以下である。さらに好ましくは０．１〜２％である。

クラッドは、Ｅｒ_２Ｏ_３およびＴｍ_２Ｏ_３のいずれも含有しない点を除き前記組成範囲と同じ組成範囲のガラスとすることが好ましい。コアガラスとクラッドガラスとで組成範囲が異なると、素子作製工程における加熱や冷却の過程で熱応力を生じ、光導波路を作製する過程で膜剥がれが生じたり、残留応力が発生したりする可能性があるためである。しかしながら、熱的性質が大きく相違せず、かつ屈折率を前記範囲内に調整できれば、クラッドは前記組成範囲に限定ない。

本発明の光導波路素子において、コアの屈折率は高屈折率ガラスの屈折率である１．９０近傍に限定されず、例えば石英ガラスやフッ素樹脂の屈折率近傍においても、同様の優れた効果が得られる。本発明の図１の構成の光導波路素子において、コアおよびクラッドの屈折率を１．４５０、１．４７３（Δｎ＝０．０２３、Δ＝１．５５％）とした場合、および１．３２０５、１．３０００（Δｎ＝０．０２０５、Δ＝１．５５％）とした場合について、波長１５５０ｎｍの光に対する、変曲点近傍における光の損失をＢＰＭ計算により求めた。このとき、異なる曲率の曲線光導波路の一方を曲率半径無限大の直線光導波路とし、他方を曲率半径１ｍｍの曲線光導波路として、軸ずれ量ｄを０．５μｍ、間隔Ｌを２μｍとして配置し、間隔Ｌを直線光導波路を介して接続した構成とした。それぞれの構成の変曲点近傍における光の損失は０．０２１ｄＢ、および０．０１８ｄＢであった。

また、異なる曲率の曲線光導波路が軸ずれを設けたのみで直接接続された以外は同様とした、図２の構成の光導波路素子について、変曲点近傍における光の損失を同様に計算すると、０．０２１ｄＢ、および０．０１７ｄＢであった。すなわち、図１の構成の光導波路素子では、図２の構成と同等に低い光の伝播損失を実現できることがわかる。

本発明の光導波路素子の構成は、クラッド上に積層したコアとされるコア膜をフォトリソグラフィグラフィおよびドライエッチングにより所望のコア形状に加工し、必要に応じてさらにクラッドを積層して光導波路を作製する場合に、好ましく用いることができる。作製方法はこれに限定されず、例えばガラスを、所望のパターンのマスクを用いてイオン交換をおこなってコアパターンを形成する方法や、モールド、機械加工等によりコアパターンを形成する方法を用いる場合においても、好ましく用いることができる。

以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明するが、以下の説明が本願発明を限定するものではない。例１、例２は実施例、例３は比較例である。

まず、表１に質量百分率表示で示す組成物を、高純度化学研究所社製の粉末状試薬Ｂｉ_２Ｏ_３（純度９９．９９９％、粒度２０μｍ）、ＳｉＯ_２（純度９９．９％、粒度４μｍ）、Ｇａ_２Ｏ_３（純度９９．９％）、Ａｌ_２Ｏ_３（純度９９．９％）、Ｂ_２Ｏ_３（純度９９．９％）、Ｌａ_２Ｏ_３（純度９９．９％）、Ｅｒ_２Ｏ_３（純度９９．９％）、ＣｅＯ_２（純度９９．９％）を用いて調合後らいかい機により乾式混合し、１１５０℃に加熱した電気炉中にて溶解して、ステンレス板上に流し出し、直径１０１．６ｍｍのＢｉ系多成分ガラスを得る。得られた円板状のＢｉ系多成分ガラスを厚さ３ｍｍまで研削し、その後スパッタ用バッキングプレートにインジウムを接着剤として用いてボンディングして、コア用スパッタリングターゲット（組成：Ｔ１）と、クラッド用スパッタリングターゲット（組成：Ｔ２）が得られた。このターゲットを用いて、以下に述べる手順で光導波路を作製し、評価をおこなった。

まず、ソーダライムシリカガラス製の円形基板１１（厚さ１ｍｍ、直径７６．２ｍｍ）の上に厚さ６．６μｍの下地クラッド膜を形成する。すなわち、クラッド用ターゲットを用いて、スパッタリング用ガスとしてアルゴンおよび酸素をそれぞれ標準状態換算で流量３０ｃｍ^３／分、０．５ｃｍ^３／分導入し、圧力は０．３Ｐａ、投入高周波電力は１００Ｗの条件で６６時間スパッタリングをおこなって、基板温度２０℃の基板上にＢｉ系多成分ガラスからなる下地クラッド膜を形成する。以上により、Ｘ線回折測定によって回折ピークが認められない非晶質膜が得られた。

次に、下地クラッド膜の上に、厚さ３．３μｍのＢｉ系多成分ガラスからなるコア膜を形成する。すなわち、コア用ターゲットを用いて、スパッタリング用ガスとしてアルゴンおよび酸素をそれぞれ標準状態換算で流量３０ｃｍ^３／分、０．７５ｃｍ^３／分導入し、圧力は０．３Ｐａ、投入高周波電力は１００Ｗの条件で２１時間スパッタリングをおこなう。基板温度は２０℃とする。得られたコア膜は、Ｘ線回折測定によって回折ピークが認められない非晶質であった。また、含有するＢｉ_２Ｏ_３の量は質量百分率表示で７４．１％であった。

次に、コア膜の上にＢｉ系多成分ガラスからなる保護膜（上地クラッドとなる膜）を３００ｎｍ形成する。すなわち、クラッド用ターゲットを用いて、スパッタリング用ガスとしてそれぞれ標準状態換算で流量３０ｃｍ^３／分、０．５ｃｍ^３／分のアルゴンおよび酸素を導入し、圧力は０．３Ｐａ、投入高周波電力は１００Ｗの条件でスパッタリングをおこなう。基板温度は２０℃、スパッタリング時間は３時間である。

次に、直径１０１．６ｍｍのＷ_６Ｓｉ_４ターゲットを用いて、厚さ１．３μｍのマスク膜を形成する。すなわち、スパッタリング用ガスとしてアルゴンを標準状態換算で流量１０ｃｍ^３／分導入し、圧力は２Ｐａ、投入ＤＣ電力は３００Ｗの条件でスパッタリングをおこなう。基板温度は２０℃、スパッタリング時間は１００分である。

次に、マスク膜の上にスピンコート法を用いて厚さ２．４μｍのポジレジスト膜を形成する。ポジレジスト膜を９６℃のホットプレート上で仮焼した後、マスクアライナを用いて波長４３６ｎｍの紫外線を照射し、前記ポジレジスト膜の上にコアパターンを露光する。例１では、異なる曲率の曲線光導波路がそれぞれ、軸ずれｄおよび間隔Ｌを設けて配置され直線光導波路を介して接続されている図１に示すコア形状、例２では、間隔Ｌを設けずに軸ずれｄのみを設けて接続されている図２に示すコア形状、例３では、異なる曲率の曲線光導波路が、接続面６２および７２においてそれぞれの中心軸６６および７６を一致させて、軸ずれｄおよび間隔Ｌを設けずに接続されている図８に示すコア形状の、それぞれのパターンのマスクを用いた。各例において、異なる曲率の曲線光導波路一方を直線状で、他方を曲率半径１ｍｍとし、コア幅は５μｍで共通とした。また、例１および例２のパターンにおける軸ずれ量は０．５μｍとし、例１における間隔Ｌは２μｍとした。次いで、ポジレジスト膜の紫外線照射された不要部分を現像液により除去して、それぞれのレジストパターンを得た。

次にＩＣＰエッチング装置ＮＥ５５０（（株）アルバック製）を用いて、ドライエッチングによりマスク膜のパターニングをおこなう。ドライエッチング条件は、ＣＨＦ_３ガスおよびＳＦ_６ガスの流量をそれぞれ標準状態換算で２５ｃｍ^３／分および５ｃｍ^３／分、圧力を０．５Ｐａ、アンテナパワー８００Ｗ、バイアスパワー２０Ｗ、基板温度２０℃、とし、ドライエッチング時間は９分間とする。

次に、剥離液により、レジストパターンをマスク膜上から除去した後、前述のＩＣＰエッチング装置により以下の条件で灰化処理をおこなって、レジストを除去する。灰化処理条件は、灰化用ガスとして酸素を標準状態換算で２０ｃｍ^３／分導入し、圧力１Ｐａ、アンテナパワー３００Ｗ、バイアスパワー１０Ｗ、基板温度２０℃とし、灰化処理時間は５分間とする。

次に、磁気中性線放電プラズマ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｌｏｏｐ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）エッチング（以下ＮＬＤエッチングという）装置ＮＬＤ５００（（株）アルバック製）を用いて、コアガラス膜をドライエッチングによりパターニングする。ＮＬＤエッチングによるドライエッチングは、Ａｒガスにフッ化物ガスを流量比で１０％加えた混合ガス気流中でおこなう。ＡｒガスとＣ_３Ｆ_８ガスの流量はそれぞれ標準状態換算で４５ｃｍ^３／分、５ｃｍ^３／分である。またそのときの圧力は０．２Ｐａで、放電電力はアンテナパワー１２００Ｗ、バイアスパワー２５０Ｗ、チャンバー縦方向に３つある中性磁場生成コイルの電流を上から１０Ａ、１６．７Ａ、１０Ａ、基板温度を２５℃とする。

上記条件で１０分間のドライエッチング処理をおこなった後、試料を一旦取出す。次いで、Ｓｉ基板を装置にセットし、Ｏ_２ガスとＣ_３Ｆ_８ガスの流量をそれぞれ１００ｃｍ^３／分、５ｃｍ^３／分とし、アンテナパワー１０００Ｗ、バイアスパワー０Ｗでの３０分間のプラズマ処理後、バイアス２０Ｗを印加する以外は、前述と同様の条件で３０分プラズマ処理をおこない、次にＮ_２ガスによる真空破壊と真空引きを３０回繰り返す。次いで、１０分間エッチングした試料を再度装置へセットし、前述のコアエッチング条件と同条件でコアのエッチングを１０分間おこなう。

次に、前述のＩＣＰエッチング装置により、金属マスク除去をおこなう。エッチング条件は、ＳＦ_６ガス２０ｃｍ^３／分、圧力０．５Ｐａ、アンテナパワー８００Ｗ、バイアスパワー２０Ｗ、基板温度２０℃、とし、エッチング時間は４分間とする。

次に、下地クラッド膜およびコアパターンの上に６．６μｍ厚のＢｉ系多成分ガラスからなる上地クラッド膜を形成する。すなわち、クラッド用ターゲットを用いて、スパッタリング用ガスとしてアルゴンおよび酸素をそれぞれ標準状態換算で流量３０ｃｍ^３／分および０．５ｃｍ^３／分導入し、圧力は０．３Ｐａ、投入高周波電力は１００Ｗ、として６６時間スパッタリングをおこなう。基板温度は２０℃とする。

以上の工程により得られた積層体を真空炉にセットし、標準状態換算で流量５ｃｍ^３／分の酸素ガスを流しながら圧力を０．２ｔｏｒｒに保たれた雰囲気中で、昇温速度５℃／分で５００℃まで加熱し、３時間保持した後、降温速度５℃／分で冷却する熱処理をおこなう。次いで、ダイシング装置で切断して光導波路素子部分を切り出した後、端面を研磨加工し、鏡面加工をおこなって、例１、例２および例３の光導波路素子が得られた。以上の工程により得られたコア膜とクラッド膜の屈折率は、それぞれ１．９３０、１．９００であった。

例１および例２で得られたコア部の模式的な図を、図６および図７に示す。図中の破線は、フォトリソグラフィグラフィで形成されたレジストパターンを表したものである。

図１のマスクパターンを用いて形成されたＢｉ系多成分ガラスからなる、例１の光導波路素子のコア部は、断面１９が図６（ａ）に示すように上辺が１９ａ、下地クラッド膜と接する下辺が１９ｂ（１９ａ＜１９ｂ）、コア膜厚すなわち高さが１９ｃの、両側面が傾斜した台形であった。また、平面図である図６（ｂ）では、１５、３５、２５の、異なる曲率の曲線光導波路のコア部および該コア部を接続する直線光導波路のコア部のマスクパターンに対して、曲線光導波路１０、直線光導波路３０、曲線光導波路２０の上面がそれぞれ１３、３３、２３であって、側面がそれぞれ１４、３４、２４であって、マスクパターン形状が精度よくコア形状に再現された。

図２のマスクパターンを用いて上述の工程でドライエッチングによりパターニングされた、Ｂｉ系多成分ガラスからなる例２の光導波路素子のコア部は、図７（ａ）に示すように例１と同様に上辺４９ａ、下辺４９ｂ、高さ４９ｃの両側面が傾斜した台形形状の断面４９をもつ。また、図７（ｂ）の平面図でみると、マスクパターン４５および５５に対して、曲線光導波路４０および５０の上面がそれぞれ４３および５３であって、側面が４４、５４である。このとき、マスクパターンの角４５ａ、５５ａにより生じる回折により、コア部に欠けが生じる部分４０ａ、５０ａや、エッチングされない部分４０ｂ、５０ｂが生じて、マスクパターンどおりにコア膜をエッチングしパターニングをおこなうことができなかった。
例３の光導波路素子では、図示していないが、マスクパターンと同様の形状のコア部が得られた。

得られた例１、例２および例３の光導波路素子の変曲点近傍における光の損失を評価すると、それぞれ０．１０ｄＢ、０．１５ｄＢ、０．４０ｄＢであった。これらの評価結果を、本発明の光導波路素子の構成に対する、変曲点近傍における光の損失のＢＭＰ計算結果とともに図５のグラフにまとめた。計算をおこなった構成は、Δｎは作成した光導波路素子と同様に０．０３とし、軸ずれｄを０〜１．０μｍの範囲で変化させ、間隔Ｌを２μｍで固定とした。すなわち例１の構成によれば、所望のコア形状を容易にまた再現性良く形成することができて、ＢＭＰ計算から求めた光の損失値と同等の低損失を実現できることがわかる。

本発明によれば、光の伝播損失が低く、精度および再現性良くまた容易に製造可能な、光導波路素子を実現することができる。特にフォトリソグラフィおよびドライエッチングにより形成するときに、生産性に優れたマスクアライナを用いたフォトリソグラフィグラフィによりパターン形成することが可能であり、装置が高価なステッパを用いる必要がないため、工業的に好ましい。

また、本発明の軸ずれと間隔、および間隔を接続する直線光導波路を備えた、光導波路素子は、０．４〜２μｍの波長帯における光導波路素子の小型化に好適であり、たとえばＣバンド（１５３０〜１５６５ｎｍ）の信号光など、１．４５〜１．６４μｍの波長帯の光増幅に用いる光増幅光導波路素子に用いると、コンパクト化、高性能化が実現される。

本発明の光導波路素子の構成は、フォトリソグラフィグラフィおよびドライエッチングにより形成する光導波路素子に限定されず、イオン交換法により形成する光導波路素子に対しても、好ましく適用することができる。

さらに、本発明の軸ずれと間隔、および間隔を接続する直線光導波路を備えた、光導波路素子は、Ｂｉ_２Ｏ_３系高屈折率ガラスからなる光導波路素子に限定されず、石英ガラスやフッ素樹脂からなる光導波路素子に対しても好適に適用することができて、変曲点近傍における光の損失を低く抑えることができる。

異なる曲率の曲線光導波路が、軸ずれｄおよび間隔Ｌを設けて配置され直線光導波路を介して接続されている本発明の光導波路素子の、変曲点近傍のコア形状の平面図、および該コアパターンを形成するためのマスクパターン。 異なる曲率の曲線光導波路が、間隔Ｌを設けずに軸ずれｄのみを設けて接続されている光導波路素子の、変曲点近傍のコア形状の平面図、および該コアパターンを形成するためのマスクパターン。 軸ずれｄおよび間隔Ｌと、間隔を接続する直線光導波路とを備える本発明の構成と、軸ずれｄのみを備える構成の、それぞれの光導波路素子の、ｄに対する変曲点近傍における光の損失の変化を示すグラフ。 軸ずれｄおよび間隔Ｌと、間隔を接続する直線光導波路とを備える本発明の変曲点を持つ光導波路素子の、Ｌ／ｄに対する変曲点近傍における光の損失の変化を示すグラフ。 例１、例２および例３の光導波路素子の、変曲点近傍における光の損失を示すグラフ。 図１のマスクパターンを用いたフォトリソグラフィグラフィおよびドライエッチングにより形成された、例１のコア部の模式的な平面図。 図２のマスクパターンを用いたフォトリソグラフィグラフィおよびドライエッチングにより形成された、例２のコア部の模式的な平面図。 異なる曲率の曲線光導波路が、軸ずれｄおよび間隔Ｌを設けずに接続されている光導波路素子の、変曲点近傍のコア形状の平面図、および該コアパターンを形成するためのマスクパターン。

符号の説明

１０、２０：曲線光導波路
３０：間隔Ｌを接続する直線光導波路
１１、２１：曲線光導波路のコア
３１：間隔Ｌを接続する直線光導波路
１２、２２：曲線光導波路と間隔Ｌを接続する直線光導波路の接続端面
１６、２６：曲線光導波路の中心軸
３６：直線光導波路の中心軸
４０、５０：曲線光導波路
４１、５１：曲線光導波路のコア
４２、５２：曲線光導波路の接続端面
４６、５６：曲線光導波路の中心軸
１３、２３：曲線光導波路の上面
３３：直線光導波路の上面
１４、２４：曲線光導波路の側面
３４：直線光導波路の側面
１５、２５：曲線光導波路部分のマスクパターン
３５：直線光導波路部分のマスクパターン
１９：コア部の断面
１９ａ、１９ｂ、１９ｃ：コアの上辺、下辺、および高さ（コア膜厚）
４３、５３：曲線光導波路の上面
４４、５４：曲線光導波路の側面
４５、５５：曲線光導波路部分のマスクパターン
４９：コア部の断面
４９ａ、４９ｂ、４９ｃ：コアの上辺、下辺、および高さ（コア膜厚）
４５ａ、５５ａ：マスクパターンの角
４０ａ、５０ａ：マスクパターンの角の回折によりコア部に生じた欠け
４０ｂ、５０ｂ：マスクパターンの角の回折によりエッチングされないコア部
６０、７０：曲線光導波路
６１、７１：曲線光導波路のコア
６２、７２：曲線光導波路の接続端面
６６、７６：曲線光導波路の中心軸

Claims (8)

1. 互いに異なる曲率のコアをもつ第１の曲線光導波路と第２の曲線光導波路とが接続され備えられている光導波路素子であって、
   第１の曲線光導波路と第２の曲線光導波路は、第１の曲線光導波路のコアと第２の曲線光導波路のコアとが、それぞれの接続端面における中心軸が互いに平行かつ軸ずれ量ｄだけずらされるとともに、それぞれの接続端面が互いに平行かつ間隔Ｌだけ離されて配置され、それぞれの曲線光導波路のコアに対して前記接続端面において中心軸が一致するように構成された直線状のコアをもつ直線光導波路を介して接続されていることを特徴とする光導波路素子。
2. それぞれの曲線光導波路の前記接続端面が、前記接続端面における曲線光導波路の中心軸と直交する請求項１に記載の光導波路素子。
3. 前記軸ずれ量ｄが、０．２μｍ以上、コア幅の１／３以下であって、前記間隔Ｌが０．１μｍ以上である請求項１または２に記載の光導波路素子。
4. コアとクラッドの屈折率差をコアの屈折率で除した値Δが０．０００３〜０．１である請求項１、２または３記載の光導波路素子。
5. 前記コアが、Ｂｉ_２Ｏ_３、Ｓｂ_２Ｏ_３、ＰｂＯ、ＳｎＯ_２およびＴｅＯ_２からなる群から選ばれた１種以上の酸化物を質量百分率表示で３５％以上含有する酸化物ガラスからなる請求項１〜４のいずれか１項記載の光導波路素子。
6. 前記コアが、質量百分率表示でＢｉ_２Ｏ_３を３５％以上含有する酸化物ガラスからなる請求項５記載の光導波路素子。
7. 前記コアが、Ｅｒ_２Ｏ_３およびＴｍ_２Ｏ_３の少なくともいずれか一種を含有する酸化物ガラスからなる請求項５または６記載の光導波路素子。
8. 前記コアがフォトリソグラフィ法およびドライエッチング法により形成されている請求項１〜７のいずれか１項に記載の光導波路素子。
   

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