JP2007271948A

JP2007271948A - 光導波路の製造方法

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Publication number: JP2007271948A
Application number: JP2006097721A
Authority: JP
Inventors: Haruyasu Komano; 晴保駒野
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2007-10-18

Abstract

【課題】１．３８３μｍ吸収帯を有するガラス膜中のＯＨ基を低減し、幅広い波長帯で使用可能な光導波路の製造方法を提供する。
【解決手段】基板上に、屈折率が高い石英系ガラスからなるコアを形成し、そのコアをコアよりも屈折率が低い石英系ガラスからなるクラッドで覆って光導波路を製造する方法において、基板上に、トリメトキシシラン、テトラメチルオルソシリケートのうち少なくともいずれか一方とドーパント材料を用いて、プラズマＣＶＤ法によりコアを堆積形成した後、トリメトキシシラン、テトラメチルオルソシリケートのうち少なくともいずれか一方を用いて、プラズマＣＶＤ法により上記基板と上記コアを覆うようにクラッド層を堆積形成して光導波路を形成する方法である。
【選択図】なし

Description

本発明は、基板上に石英系ガラスからなる光導波路を製造する方法に関する。

図３（ａ）に示すように、導波路型光部品（光導波路）３０は、石英基板３１上に屈折率の高い導波路コア３２と呼ばれる光の伝搬領域を形成し、このコア３２をさらに低屈折率のクラッド層３３で覆った構造をとるのが一般的である。

また、図３（ｂ）に示す光導波路４０のように、Ｓｉ基板４１上にバッファ層（下部クラッド層）４２と呼ばれる低屈折率層を形成し、その下部クラッド層４２上にコア３２を形成した後、このコア３２をさらにクラッド層３３で覆った構造のものもある。

現在、主に使用されている石英系ガラスの形成方法は火炎堆積法や常圧ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法である。火炎堆積法は塩化珪素などを加水分解したガラスのスートを基板上に堆積した後に、１４００℃以上の熱処理を加えてスートを溶融し透明化してガラス膜とする方法である。成膜速度が速いこととスートを溶融してガラス化させるため、クラッド層に適用した時はコアの埋め込みに適している反面、高温の熱処理による熱歪が発生する。しかし、原料に塩化物を使用しているため、形成されたガラス膜はＯＨ基による吸収が見られない。

常圧ＣＶＤ法は、特許文献１を参考にすると基板の大口径化に適した成膜方法であるが、成膜速度が遅く、量産向きでなく、ガラス膜密度が小さいことから膜応力が発生しやすい。主な原料にテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を使用するため、形成されたガラス膜はＯＨ基による大きな吸収が見られる。

一方、プラズマＣＶＤ法はクラッド層に適用した時の埋め込み性に優れており、かつ膜密度の調整も容易であることから、特性の優れた光導波路を製造することに適した成膜方法である。

特許第２７３９８０６号公報

しかしながら、プラズマＣＶＤ法による従来の石英系ガラスの成膜方法は、主な原料にＴＥＯＳを使用するため、形成されたガラス膜はＯＨ基による大きな吸収が見られる。

この吸収は通信波長帯の１．３８３μｍに現れるため、ＷＤＭ（波長多重）伝送では１．３６０〜１．５３０μｍが使用できないという問題がある。

そこで、本発明の目的は、１．３８３μｍ吸収帯を有するガラス膜中のＯＨ基を低減し、幅広い波長帯で使用可能な光導波路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、基板上に、屈折率が高い石英系ガラスからなるコアを形成し、そのコアをコアよりも屈折率が低い石英系ガラスからなるクラッドで覆って光導波路を製造する方法において、基板上に、トリメトキシシラン、テトラメチルオルソシリケートのうち少なくともいずれか一方とドーパント材料を用いて、プラズマＣＶＤ法によりコアを堆積形成した後、トリメトキシシラン、テトラメチルオルソシリケートのうち少なくともいずれか一方を用いて、プラズマＣＶＤ法により上記基板と上記コアを覆うようにクラッド層を堆積形成して光導波路を形成する光導波路の製造方法である。

請求項２の発明は、基板上に、屈折率が高い石英系ガラスからなるコアを形成し、そのコアをコアよりも屈折率が低い石英系ガラスからなるクラッドで覆って光導波路を製造する方法において、基板上に、トリメトキシシラン、テトラメチルオルソシリケートのうち少なくともいずれか一方を用いて、プラズマＣＶＤ法により下部クラッド層を堆積形成し、その下部クラッド層上に、トリメトキシシラン、テトラメチルオルソシリケートのうち少なくともいずれか一方とドーパント材料を用いて、プラズマＣＶＤ法によりコアを堆積形成した後、トリメトキシシラン、テトラメチルオルソシリケートのうち少なくともいずれか一方を用いて、プラズマＣＶＤ法により上記下部クラッド層と上記コアを覆うようにクラッド層を堆積形成して光導波路を形成する光導波路の製造方法である。

請求項３の発明は、上記ドーパント材料は、テトラメトキシゲルマニウム、テトラエトキシゲルマニウム、トリエチルホスフェート、トリメチルホスフェート、トリメチルホスファイト、トリエチルボレート、トリメチルボレートのうち少なくとも１種類である請求項１または２記載の光導波路の製造方法である。

上記方法によれば、プラズマＣＶＤ法により石英系ガラス膜を形成する際に、石英系ガラスの原料ソースとしてトリメトキシシラン（ＴＭＳ）少なくともいずれか一方テトラメチルオルソシリケート（ＴＭＯＳ）を用いている。ＴＭＳは従来用いられているＴＥＯＳに比べてＨ成分が半分であり、また、ＴＭＯＳは従来用いられているＴＥＯＳに比べてＨ成分が少ないため、低ＯＨ基のガラス膜を形成することが可能となる。

本発明によれば、ＯＨ基による１．３８３μｍ以上に現れる大きな吸収が見られない光導波路を得ることができる。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面にしたがって説明する。

まず、図１で本実施の形態に係る光導波路の製造方法に用いるプラズマＣＶＤ装置を説明する。

図１に示すように、プラズマＣＶＤ装置１は、装置本体２と、有機材料ソース供給源３とで主に構成される。装置本体２は、真空チャンバー４と、その真空チャンバー４内に配置され、高周波電源５に接続されると共に、基板６が載置される下部電極７と、その下部電極７の下部に設けられるヒーター８と、真空チャンバー４内に配置され、下部電極７に対向配置される上部電極９とで構成される。有機材料ソース供給源３は、各供給源１０ａ〜１０ｄと、これら各供給源１０ａ〜１０ｄと真空チャンバー４内とを結ぶ供給ライン１１とで構成される。

供給源１０ａにはドーパント材料としてＢ（ボロン）系の有機材料ソースが貯蔵され、供給源１０ｂにはドーパント材料としてＰ（燐）系の有機材料ソースが貯蔵され、供給源１０ｃにはドーパント材料としてＧｅ（ゲルマニウム）系の有機材料ソースが貯蔵され、供給源１０ｄには石英系ガラスの有機材料ソースとしてＴＭＳが貯蔵される。また、供給ライン１１には、図示しない酸素供給手段も接続される。

さて、本実施の形態に係る光導波路の製造方法は、石英系ガラスの有機材料ソースとしてＴＭＳを用い、このＴＭＳを装置１を用いたプラズマＣＶＤ法により基板６上に堆積形成する方法である。基板６としては、石英基板あるいはＳｉ基板を用いる。

基板６上に石英系ガラスからなる光導波路を形成するには、まず、真空チャンバー４内を真空引きし、基板６をヒーター８で加熱し、各供給源１０ａ〜１０ｄから有機材料ソースを酸素と共に真空チャンバー４内に供給する。この状態で、高周波電源５によって下部電極７および上部電極９に高周波を印加することで、有機材料ソースと酸素をプラズマ分解し、基板６表面に石英系ガラスを堆積形成する。

より詳細には、図３（ａ）の光導波路３０を製造する場合、真空チャンバー４内にＴＭＳと少なくとも１種類のドーパント材料と共に酸素を供給し、プラズマＣＶＤ法により石英基板３１上に、屈折率が高い導波路コア（コアガラス）３２を堆積形成した後、真空チャンバー４内にＴＭＳと共に酸素を供給し、プラズマＣＶＤ法によりその石英基板３１とコア３２を覆うように、コア３２よりも屈折率が低いクラッド層３３を堆積形成して光導波路３０を形成する。

また、図３（ｂ）の光導波路４０を製造する場合には、真空チャンバー４内にＴＭＳと共に酸素を供給し、プラズマＣＶＤ法によりＳｉ基板４１上に下部クラッド層４２（後述するコア３２よりも屈折率が低い）を堆積形成し、真空チャンバー４内にＴＭＳと少なくとも１種類のドーパント材料と共に酸素を供給し、プラズマＣＶＤ法により下部クラッド層４２上に屈折率が高いコア３２を堆積形成した後、真空チャンバー４内にＴＭＳと共に酸素を供給し、プラズマＣＶＤ法によりその下部クラッド層４２とコア３２を覆うように、コア３２よりも屈折率が低いクラッド層３３を堆積形成して光導波路４０を形成する。

ドーパント材料としては、テトラメトキシゲルマニウム（Ｇｅ（ＯＣＨ₃ ）₄ ）、テトラエトキシゲルマニウム（Ｇｅ（ＯＣ₂ Ｈ₅ ）₄ ）などのＧｅ系有機ソース材料、トリエチルホスフェート（ＰＯ（ＯＣ₂ Ｈ₅ ）₃ ）、トリメチルホスフェート（ＰＯ（ＯＣＨ₃ ）₃ ）、トリメチルホスファイト（Ｐ（ＯＣＨ₃ ）₃ ）などのＰ系有機材料ソース、トリエチルボレート（Ｂ（ＯＣ₂ Ｈ₅ ）₃ ）、トリメチルボレート（Ｂ（ＯＣＨ₃ ）₃ ）などのＢ系有機材料ソースを用いる。

ドーパント材料の使用量は、主原料のＴＭＳ等の使用量と比較してごく少量であるため、上述したどのドーパント材料を使用しても、低ＯＨ基の石英系ガラス膜の形成には影響しない。

本実施の形態の作用を説明する。

本実施の形態に係る光導波路の製造方法では、基板６上に、プラズマＣＶＤ法により石英系ガラス膜を形成する際に、石英系ガラスの原料ソースとしてＴＭＳを用いている。ＴＭＳは、図２（ａ）に示すように、従来の製造方法で用いられている図２（ｃ）に示すＴＥＯＳに比べてＨ成分が半分である。すなわち、ＴＭＳはＳｉ原子１個当たりのＨ原子数が１０個であり、ＴＥＯＳはＳｉ原子１個当たりのＨ原子数が２０個である。

これにより、本実施の形態に係る製造方法では、Ｓｉ原子１個当たりのＨ原子数が従来よりも大幅に少ない原料を用いることで、基板６上に低ＯＨ基の石英系ガラス膜を堆積形成することが可能となる。

したがって、得られた光導波路は、ＯＨ基による１．３８３μｍ以上に現れる大きな吸収が見られず、１．３８３μ吸収帯を有する石英系ガラス膜中のＯＨ基が大幅に低減されており、幅広い波長帯で使用可能な光導波路である。

上記実施の形態では、石英系ガラスの原料ソースとしてＴＭＳを用いる例で説明したが、石英系ガラスの原料ソースとしては、ＴＭＯＳを単独、あるいはＴＭＳと共にＴＭＯＳを用いてもよい。

ＴＭＯＳは、図２（ｂ）に示すように、Ｓｉ原子１個当たりのＨ原子数が１２個であり、ＴＥＯＳに比べてＨ成分が４割も少ない。したがって、ＴＭＯＳを用いた場合にも、基板６上に低ＯＨ基の石英系ガラス膜を堆積形成することが可能となる。

（実施例１）
図１において石英系ガラスを形成するための有機材料は、気体状態でヒーター８により１００℃から５００℃程度に加熱された基板６を設置した真空チャンバー４に酸素（Ｏ₂ ）と共に運ばれる。真空チャンバー４内で、気体状態の有機材料と酸素は電極７，９に高周波を印加することによりプラズマ分解され、基板６表面に石英系ガラスが堆積される。

純粋なＳｉＯ₂ を堆積させる時は、有機材料としてＴＭＳを用いる。ＳｉＯ₂ にＰ、Ｇｅ、Ｂなどをドーピングする時は、ＴＭＳとドーパント系の有機材料を混合して同時に真空チャンバー４に運びプラズマ分解させれば所望の石英系材料が得られる。

たとえば、ＧｅドープのＳｉＯ₂ 膜を形成する場合は、有機系材料をＴＭＳとテトラメトキシゲルマニウムなどのＧｅ系の有機材料を同時に真空チャンバー４に運びプラズマ分解させればＧｅドープのＳｉＯ₂ 膜を得ることができる。ＰドープＳｉＯ₂ 膜、ＢドープＳｉＯ₂ 膜、ＰＢドープＳｉＯ₂ 膜、ＰＧｅドープＳｉＯ₂ 膜、ＢＧｅドープＳｉＯ₂ 膜、ＰＢＧｅドープＳｉＯ₂ 膜も同様な手法で得ることができる。

上述したように、Ｐ系の有機材料としてはトリエチルホスフェート、トリメチルホスフェート、トリメチルホスファイトなどがあり、Ｂ系の有機材料としてはトリエチルボレート、トリメチルボレートなどがあり、Ｇｅ系の有機材料としてはテトラメトキシゲルマニウム、テトラエトキシゲルマニウムなどが用いられる。

より詳細には、真空チャンバー４内に石英基板３１を設置し、気化させたＴＭＳを２０ｓｃｃｍ、気化させたＧｅ（ＯＣＨ₃ ）₄ を２ｓｃｃｍおよび酸素を４００ｓｃｃｍ導入し、真空チャンバー４の圧力を４０Ｐａに保持し、高周波電源５より１Ｗ／ｃｍ² の高周波電力を供給し、石英基板３１上に８μｍのゲルマニウムドープＳｉＯ₂ 膜を形成した。

次に、ゲルマニウムドープＳｉＯ₂ 膜を形成した石英基板３１上にＷＳｉ膜を０．５μｍ形成し、さらに光導波路用のパターンをフォトリソグラフィにより形成した。そして、これら導波路のパターンをもとにＳＦ₆ ガスを用いたＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置によりＷＳｉ膜を光回路のパターンに、そしてＣＦＨ₃ ガスを用いたＲＩＥ装置によりゲルマニウムドープＳｉＯ₂ 膜を略矩形断面形状のコアに加工し、１１００℃の熱処理を行った。さらに、この基板を真空チャンバー４内に設置し、気化させたＴＭＳを２０ｓｃｃｍ、酸素を４００ｓｃｃｍ導入し、真空チャンバー４の圧力を４０Ｐａに保持し、高周波電源５より１Ｗ／ｃｍ² の高周波電力を供給し、コアが形成された石英基板６上に２０μｍの純粋ＳｉＯ₂ 膜を形成して図３（ａ）の光導波路３０を作製した。

（実施例２）
ＴＭＳの代わりにＴＭＯＳを用いる他は、実施例１と同様にして光導波路を作製した。

（従来例）
ＴＭＳの代わりにＴＥＯＳを用いる他は、実施例１と同様にして光導波路を作製した。

こうして作製した実施例１，２と従来例について、光導波路の損失の波長依存性を調べた。その結果、図４に示すように、実施例１，２では、光導波路の損失の波長依存性（図４中の実線）は、ＯＨ基による１．３８３μｍ上に現れる大きな吸収が見られないことが確認された。これに対し、従来例（図４中の点線）では、ＯＨ基による１．３８３μｍ上に実施例１，２に比べて約２倍もの大きな吸収損失が見られた。

本発明の好適な実施形態である光導波路の製造方法に用いるプラズマＣＶＤ装置の一例を示す概念図である。図２（ａ）はＴＭＳの化学構造式、図２（ｂ）はＴＭＯＳの化学構造式、図２（ｃ）はＴＥＯＳの化学構造式である。図３（ａ）、図３（ｂ）は光導波路の一例を示す横断面図である。本実施の形態に係る光導波路の製造方法を用いて作製した光導波路と従来の製造方法を用いて作製した光導波路との損失を評価した結果を示す図である。

符号の説明

１プラズマＣＶＤ装置
３有機材料ソース供給源
４真空チャンバー
６基板
１０ａ〜１０ｄ供給源

Claims

基板上に、屈折率が高い石英系ガラスからなるコアを形成し、そのコアをコアよりも屈折率が低い石英系ガラスからなるクラッドで覆って光導波路を製造する方法において、基板上に、トリメトキシシラン、テトラメチルオルソシリケートのうち少なくともいずれか一方とドーパント材料を用いて、プラズマＣＶＤ法によりコアを堆積形成した後、トリメトキシシラン、テトラメチルオルソシリケートのうち少なくともいずれか一方を用いて、プラズマＣＶＤ法により上記基板と上記コアを覆うようにクラッド層を堆積形成して光導波路を形成することを特徴とする光導波路の製造方法。
基板上に、屈折率が高い石英系ガラスからなるコアを形成し、そのコアをコアよりも屈折率が低い石英系ガラスからなるクラッドで覆って光導波路を製造する方法において、基板上に、トリメトキシシラン、テトラメチルオルソシリケートのうち少なくともいずれか一方を用いて、プラズマＣＶＤ法により下部クラッド層を堆積形成し、その下部クラッド層上に、トリメトキシシラン、テトラメチルオルソシリケートのうち少なくともいずれか一方とドーパント材料を用いて、プラズマＣＶＤ法によりコアを堆積形成した後、トリメトキシシラン、テトラメチルオルソシリケートのうち少なくともいずれか一方を用いて、プラズマＣＶＤ法により上記下部クラッド層と上記コアを覆うようにクラッド層を堆積形成して光導波路を形成することを特徴とする光導波路の製造方法。
上記ドーパント材料は、テトラメトキシゲルマニウム、テトラエトキシゲルマニウム、トリエチルホスフェート、トリメチルホスフェート、トリメチルホスファイト、トリエチルボレート、トリメチルボレートのうち少なくとも１種類である請求項１または２記載の光導波路の製造方法。