JP2008090177A - 光導波路 - Google Patents

Abstract

【課題】曲げ損失を低減可能かつ製造が容易な光導波路を提供すること。
【解決手段】光導波路１では、断面矩形状のコア１２が下部クラッド１１及び上部クラッド１３に側面を覆われている。コア１２の互いに対向する２つの側面１２Ｓそれぞれの側に屈折率を高めるＧｅＯ_２の偏析部分Ｓが形成されている。また、コア１２には、中央部の第１範囲１２ａ及び端部を含む第２範囲１２ｂがあり、第１範囲１２ａのコア幅は第２範囲１２ｂのコア幅より狭く、第１範囲１２ａにおける偏析部分Ｓの領域と第２範囲１２ｂにおける偏析部分Ｓの領域とは同程度の大きさである。
【選択図】図２

Description

本発明は、光導波路に関する。

光導波路のコアを小さい曲げ半径で曲げることにより、光導波路を小型化することがなされている。このためには、光導波路の曲げ損失を低減することが求められる。それには、コア層とクラッド層との比屈折率差を大きくすればよいことが知られている。しかし、比屈折率差を大きくすると、伝搬光のモード条件を満たすためにコア断面を小さくする必要がある。コア断面を小さくすると、光導波路とそれに接続する光ファイバとのスポットサイズが異なるために結合損失を招く。

この問題を解決する光導波路として、下記特許文献１には、コア長手方向に沿って端部側ほどコアの厚さが徐々に薄くなり幅が広くなるテーパー導波路が記載されている。
特開２００５−３２６８７６号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されたテーパー導波路の製造には、コアの厚さを徐々に薄くするための複雑な工程を複数必要とし、製造プロセスが煩雑になる。

そこで本発明は、曲げ損失を低減可能かつ製造が容易な光導波路を提供することを目的とする。

本発明の光導波路は、基板に形成された断面矩形状のコアを有する光導波路であって、コアにおいて互いに対向する２つの側面それぞれに沿って屈折率を高めるドーパントの偏析部分が形成されていることを特徴とする。

本発明の光導波路では、互いに対向する２つの側面それぞれの側に屈折率を高めるドーパントの偏析部分が形成されているので、２つの偏析部分の間の領域に対して偏析部分は屈折率が高くなる。つまり、コアの２つの側面の屈折率が高くなり、この部分がガイド導波路として機能する。これにより、曲げ損失を低減することができる。

好ましくは、コアの軸方向に沿った第１範囲におけるコア幅が他の第２範囲におけるコア幅より狭く、第１範囲における偏析部分の領域と第２範囲における偏析部分の領域とは同程度の大きさである。

この場合、第１範囲のコア領域に対する偏析部分の領域が、第２範囲のコア領域に対する偏析部分の領域より大きくなるので、第２範囲と比較して第１範囲のコア領域の屈折率が高くなる。これにより、第１範囲では第２範囲より更に曲げ損失を低減することができる。

好ましくは、第２範囲はコアの端部を含む。この場合、第２範囲に含まれる端部は、コア幅が第１範囲より広いので、光導波路に接続する光ファイバのスポットサイズに適合し、結合損失を低減することができる。

本発明の光導波路によれば、曲げ損失を低減することができる。また、この光導波路は容易に製造することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素に同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

先ず、図１および図２を用いて、本発明に係る光導波路の構造について説明する。図１は、本実施形態に係る光導波路のコア及び下部クラッドの形状を示す平面図である。図２は、本実施形態に係る光導波路の断面図である。

光導波路１は、下部クラッド１１、コア１２、及び上部クラッド１３を備える。コア１２は、断面矩形状で、その三つの側面が下部クラッド１１に覆われている。下部クラッド１１及びコア１２の上面と上部クラッド１３の下面とが互いに接している。下部クラッド１１、コア１２、及び上部クラッド１３それぞれは、例えば石英ガラスを主成分とする材料からなる。

コア１２は、石英ガラスに屈折率を高めるドーパントとしてＧｅＯ_２が添加され、コア１２を取り囲む下部クラッド１１及び上部クラッド１３の屈折率より高い屈折率を有する。また、コア１２は、下部クラッド１１に覆われた側面のうち、互いに対向する側面１２Ｓそれぞれに沿ってＧｅＯ_２濃度が他の部分より高い偏析部分Ｓを含む。２つの偏析部分Ｓは、コア１２におけるその他の部分より屈折率が高い。この偏析部分Ｓは、側面１２Ｓに接する側面を有し、断面が三角形状の領域である。このような偏析部分Ｓが形成されていることにより、コア１２における側面１２Ｓの対向方向の屈折率分布は、側面１２Ｓ側が高く、中央部が低くなる。

また、コア１２は、中央部がＳｉｎＳ字曲線状に形成され（第１範囲１２ａ）、両端部が直線状に形成され（第２範囲１２ｂ）ている。両端部の２つの第２範囲１２ｂは、互いに平行で、長手方向に対して垂直な方向にずれて配置されている。この２つの第２範囲１２ｂをつなぐように第１範囲１２ａが配置されている。第１範囲１２ａの長手方向に対して垂直なＩ−Ｉ断面（第１範囲１２ａ）を図２（ａ）に示す。第２範囲１２ｂの長手方向に対して垂直なＩＩ−ＩＩ断面（第２範囲１２ｂ）を図２（ｂ）に示す。

第１範囲１２ａの高さ寸法ｈ１と第２範囲１２ｂの高さ寸法ｈ２とは、同程度である。第１範囲１２ａの幅寸法（コア幅）ｗ１は、第２範囲１２ｂの幅寸法（コア幅）ｗ２より狭い。

第１範囲１２ａおよび第２範囲１２ｂにおいて、２つの偏析部分Ｓの断面形状は同形状で同程度の大きさである。よって、第２範囲１２ｂにおいて偏析部分Ｓが占める割合より第１範囲１２ａにおいて偏析部分Ｓが占める割合の方が大きくなり、第１範囲１２ａの屈折率が第２範囲１２ｂの屈折率より高くなる。

本実施形態の光導波路１では、側面１２Ｓそれぞれの側に屈折率を高めるＧｅＯ_２の濃度が他の部分より高い偏析部分Ｓが形成されているので、２つの偏析部分Ｓの間の領域に対して偏析部分Ｓは、屈折率が高くなる。つまり、コア１２の側面１２Ｓ側の屈折率が高くなり、この部分がガイド導波路として機能し、曲げ損失を低減することができる。

また、第１範囲１２ａのコア領域に対する偏析部分Ｓの領域が、第２範囲１２ｂのコア領域に対する偏析部分Ｓの領域より大きくなるので、第２範囲１２ｂと比較して第１範囲１２ａのコア領域の屈折率が高くなる。これにより、第１範囲１２ａでは第２範囲１２ｂより曲げ損失を低減することができる。

更に、軸方向両端に位置する第２範囲１２ｂでは、コア幅が第１範囲１２ａより大きいので、両端に接続する光ファイバのスポットサイズに適合し、結合損失を低減することができる。

引き続き、図３〜図５を用いて、光導波路１の製造方法について説明する。図３は、本実施形態に係る光導波路の製造方法を示すフロー図である。図４は、本実施形態に係る光導波路の製造方法を示すＩ−Ｉ断面部分の工程図である。図５は、本実施形態に係る光導波路の製造方法を示すＩＩ−ＩＩ断面部分の工程図である。

図３に示されるように、光導波路１の製造方法は、溝形成工程Ｓ１、ガラス層形成工程Ｓ２、レジスト層形成工程Ｓ３、除去工程Ｓ４、及び上部クラッド形成工程Ｓ５を有する。

溝形成工程Ｓ１では、図４（ａ）及び図５（ａ）に示す石英ガラス基板１１Ａの上面に、図４（ｂ）及び図５（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィーとリアクティブイオンエッチングにより導波路パターンの溝を形成し、下部クラッド１１を形成する。溝は、光導波路１のコア１２の形状と同形状となるように形成される。すなわち、第１範囲１２ａに対応する部分の溝深さと第２範囲１２ｂに対応する部分の溝深さとは同程度、第１範囲１２ａに対応する部分の溝幅は、第２範囲１２ｂに対応する溝幅より狭い。溝幅の調整は、フォトマスクのパターン幅を変更するだけで簡易に調整することができる。

ガラス層形成工程Ｓ２では、図４（ｃ）及び図５（ｃ）に示すように、溝が形成された下部クラッド１１の上面に、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＯ_２のガラス膜１２Ａを成膜する。ガラス膜１２Ａの溝に堆積された部分がコア１２となる。原料ガスとして、酸素、テトラメトキシシラン（ＴＭＯＳ）及びテトラメチルゲルマニウム（ＴＭＧｅ）を用いる。成膜条件は、通常（バイアスパワー６００Ｗ程度）よりバイアスパワーを低下させる。

このように通常とは異なる条件でガラス膜１２Ａを形成することにより、ＧｅＯ_２が添加された石英ガラスからなる層が形成されると共に、その溝内にはＧｅＯ_２濃度が他の部分より高い偏析部分Ｓを形成することができる。偏析部分Ｓは、溝の側面１２Ｓから成長していき、最終的に長手方向に対して垂直な断面が三角形状となる。

ＧｅＯ_２濃度が他の部分より高く偏析した部分は、溝の側面１２Ｓに沿ってほぼ一様に成長していくので、溝幅が大きい部分と小さい部分とにおいて、形成される偏析部分Ｓの大きさは同程度となる。

なお、ガラス膜１２Ａは、下部クラッド１１の溝だけでなく、平坦部にも形成される。下部クラッド１１の平坦部におけるガラス膜１２Ａの上面は平坦であるが、下部クラッド１１の溝におけるガラス膜１２Ａの上面は窪んでいる。

レジスト層形成工程Ｓ３では、図４（ｄ）及び図５（ｄ）に示すように、ガラス膜１２Ａの上面に厚膜レジスト１４が形成される。具体的には、スピンコート法でポリイミド系樹脂、紫外線硬化樹脂、ノボラック系樹脂等からなる膜を形成し、下部クラッド１１を円盤に載せて回転させることにより、厚膜レジスト１４の上面を平坦化する。

除去工程Ｓ４では、まず、図４（ｅ）及び図５（ｅ）に示すように、ガラス膜１２Ａが露出するまで、酸素ガスで厚膜レジスト１４をドライエッチングする。その後、図４（ｆ）及び図５（ｆ）に示すように、下部クラッド１１が露出するまで、厚膜レジスト１４の一部及びガラス膜１２Ａをドライエッチングする。このとき、溝の上部に残った厚膜レジスト１４の一部とガラス膜１２Ａとのエッチング速度が同程度になるように、エッチングガスをＣ_２Ｆ_６と酸素の混合ガスに切り替えて、上面が平坦化するようにエッチングを行う。こうして、コア１２（第１範囲１２ａ，第２範囲１２ｂ）が形成される。

上部クラッド形成工程Ｓ５では、図４（ｇ）及び図５（ｇ）に示すように、下部クラッド１１およびコア１２（第１範囲１２ａ，第２範囲１２ｂ）の上面にプラズマＣＶＤ法により石英ガラス膜を堆積して上部クラッド１３を形成する。

以上のように、ガラス膜１２Ａの成膜条件をコントロールすることにより、コア１２の両側面１２Ｓ側にＧｅＯ_２の偏析部分Ｓを簡易に形成することができる。よって、両側面１２Ｓ側の屈折率が高く、曲げ損失の低い光導波路１を簡易に製造することができる。

また、第１範囲１２ａと第２範囲１２ｂとの溝幅の変化は、フォトマスク上のコアパターン幅を変更して、下部クラッド１１に形成する導波路パターンの幅を変化させることにより、容易に可能である。また、一様にガラス膜１２Ａを形成することにより、偏析部分Ｓの断面領域の大きさはほぼ一様となる。よって、第１範囲１２ａでは、コア領域に対する偏析部分Ｓの領域が第２範囲１２ｂより大きくなるので、第２範囲１２ｂと比較してコア領域の屈折率が高くなる。これにより、第１範囲１２ａでは第２範囲１２ｂより曲げ損失が小さくなる。このように、曲げ損失が小さい部分を、所望の箇所に簡易に形成することができる。

本実施形態に係る光導波路１及びその製造方法の具体的な実施例について説明する。実施例の光導波路１の最小曲率半径は１５ｍｍ程度、２つの第２範囲１２ｂの変位（長手方向と垂直方向の距離）は１２７μｍ程度であった。第１範囲１２ａの深さ寸法ｈ１は７．５μｍ、幅寸法ｗ１は５．０μｍであった。第２範囲１２ｂの深さ寸法ｈ２は７．５μｍ、幅寸法ｗ２は７．５μｍ程度であった。偏析部分Ｓは、その三角形状の断面において、側面１２Ｓに接する底辺から頂点までの距離が、２．５μｍ程度であった。

実施例の光導波路１は、コア１２となるガラス膜１２Ａを形成するガラス層形成工程Ｓ２において、成膜条件をバイアスパワー５００Ｗ、基板温度３００℃、酸素流量１２０ｓｃｃｍとした。石英ガラスを基準とした比屈折率差が偏析部分Ｓで０．５０％、コア１２の偏析部分Ｓ以外の領域で０．３５％であった。

コア形状が光導波路１と同形状で偏析部分のない光導波路では、曲げ損失が発生したが、上記実施例の光導波路１では曲げ損失の発生が認められず、曲げ損失について良好な特性が得られた。上記実施例の光導波路１の導波損失は０．０５ｄＢ／ｃｍ、シングルモードファイバとの結合損失が０．１ｄＢ／Ｆａｃｅｔ以下であり、上記偏析部分のない光導波路と同程度であった。

本実施形態に係る光導波路のコア及び下部クラッドの形状を示す平面図である。 本実施形態に係る光導波路の断面図である。 本実施形態に係る光導波路の製造方法を示すフロー図である。 本実施形態に係る光導波路の製造方法を示すＩ−Ｉ断面部分の工程図である。 本実施形態に係る光導波路の製造方法を示すＩＩ−ＩＩ断面部分の工程図である。

符号の説明

１…光導波路、１１…下部クラッド、１２…コア、１２Ｓ…側面、１２ａ…第１範囲、１２ｂ…第２範囲、１３…上部クラッド、Ｓ…偏析部分。

Claims (3)

1. 基板に形成された断面矩形状のコアを有する光導波路であって、
   前記コアにおいて互いに対向する２つの側面それぞれに沿って屈折率を高めるドーパントの偏析部分が形成されていることを特徴とする光導波路。
2. 前記コアの軸方向に沿った第１範囲におけるコア幅が他の第２範囲におけるコア幅より狭く、
   前記第１範囲における前記偏析部分の領域と前記第２範囲における前記偏析部分の領域とは同程度の大きさであることを特徴とする請求項１記載の光導波路。
3. 前記第２範囲は、前記コアの端部を含むことを特徴とする請求項２記載の光導波路。
   

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