JP2008096670A - 光導波路 - Google Patents

Abstract

【課題】放射損失を低減可能な光導波路を提供すること。
【解決手段】光導波路１のコア１２は、下部クラッド１１にはめ込まれ、Ｙ分岐形状かつ断面矩形状である。コア１２において、下部クラッド１１に覆われた互いに対向する側面１２Ｓ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Ｓが形成されている。これにより、コア１２の分岐先部分において光の結合が促進され、コア１２の分岐部分における分岐した２つのコア１２の間から放射される光を低減し、光の放射損失を低減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｙ分岐形状のコアが形成された光導波路に関する。

Ｙ分岐形状のコアが形成された光導波路は、光通信等の分野において、光パワーを分岐する光分岐器または光パワーを合波する光合波器として用いられる。

下記特許文献１には、この種の光導波路の製造方法として、基板にＹ分岐形状の溝をフォトリソグラフィー及びリアクティブイオンエッチングプロセスにより形成し、溝にコアを形成する方法が記載されている。
特開２００１−１３３６４８号公報

しかしながら、フォトリソグラフィー及びリアクティブイオンエッチングプロセスでは、分岐先部分の２つのコアを形成する２つの溝の間に約１μm以上の間隔が必要である。よって、形成された分岐先部分の２つのコア間には、約１μm以上の間隔が存在することとなる。そのため、上記光導波路を光分岐器として用いた場合、コアの分岐元側から入射された光が、コアの分岐部分において分岐した２つのコアの間から放射される。これにより、放射損失が発生する。

そこで本発明は、放射損失を低減可能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Ｙ分岐形状かつ断面矩形状のコアが形成された光導波路であって、光を入射させるための入射端を含む一つのコアを有する分岐元部分と、分岐元部分に入射した光を出射させるための出射端をそれぞれ含む二つのコアを有する分岐先部分と、分岐元部分と分岐先部分とを連結すると共にテーパー状に形成されたコアを有するテーパー部分とを備え、分岐先部分には、少なくとも一方のコアにおける他方のコア側の側面と、他方のコアにおける一方のコア側の側面とに、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ことを特徴とする。

本発明の光導波路の分岐先部分には、少なくとも一方のコアにおける他方のコア側の側面と、他方のコアにおける一方のコア側の側面とに、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、分岐先部分の二つのコアの内側側面は、屈折率が高くなる。よって、コアの分岐先部分において光の結合が促進され、コアの分岐部分において分岐した２つのコアの間から放射される光を低減することができる。従って、光の放射損失を低減することができる。
好ましくは、テーパー部分のコアにおける互いに対向する側面に、更に、偏析部分が形成されている。これにより、テーパー部分のコアの両側面の屈折率が高くなるので、導波する光の波面が拡大し易くなる。すなわち、波面の拡大が、導波距離に対して速くなる。これにより、テーパー部分における光の進行方向の長さを短縮することでき、光導波路を小型化することができる。

本発明の光導波路によれば、分岐先部分における光の結合が促進され、光の放射損失を低減することができる。

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、本発明の実施形態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の形状を示す図である。図１は、コアの上面と平行で高さ方向中央の断面を示す。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、石英ガラスを主成分とする材料からなる。

コア１２は、断面矩形状かつＹ分岐形状を有する。そして、光導波路１は、分岐元部分、テーパー部分、及び分岐先部分を備える。図２（ａ）は、コア１２の分岐元部分を含み、光導波路の長手方向に垂直な断面を示す。図２（ｂ）は、コア１２の分岐元部分と分岐先部分とをつなぐテーパー部分を含み、光導波路の長手方向に垂直な断面を示す。図２（ｃ）は、コア１２の分岐先部分を含み、光導波路の長手方向に垂直な断面を示す。図２（ｄ）は、分岐元部分のコア１２において下部クラッド１１に覆われて互いに対向する側面と平行な断面を示す。

分岐元部分には、光を入射させるための入射端を含む第１コア１２ａが形成されている。この第１コア１２ａは、コア幅がほぼ一定の直線状に形成されている。分岐先部分には、第１コア１２ａに入射した光を出射させるための出射端をそれぞれ含む第３コア１２ｃ及び第４コア１２ｄが形成されている。この第３コア１２ｃ及び第４コア１２ｄは、互いに平行でコア幅がほぼ一定の直線状に形成されている。第３コア１２ｃと第４コア１２ｄとの間には、１μｍ程度の隙間があり、下部クラッド１１の一部が存在する。テーパー部分には、第２コア１２ｂが形成されている。この第２コア１２ｂは、第１コア１２ａと第３コア１２ｃ及び第４コア１２ｄとを連結すると共に、分岐元部分から分岐先部分へテーパー状にコア幅が広がるように形成されている。なお、コア１２の高さ寸法は、一定である。

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に覆われ互いに対向する２つの側面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。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。

以上説明した光導波路１を光分岐器として用いる場合、第１コア１２ａの端部から入射した入射光Ｇ１は、第１コア１２ａを導波し、第２コア１２ｂのテーパー状に広がるコア幅に応じて波面を拡大させながら第２コア１２ｂを導波する。第２コア１２ｂを導波した導波光は、分岐されて、出射光Ｇ２，Ｇ３として第３コア１２ｃ及び第４コア１２ｄの端部からそれぞれ出射する。なお、図１に、第１コア１２ａを導波する導波光の波面ｆ１、第２コア１２ｂを導波する導波光の波面ｆ２，ｆ３、第３，第４コア１２ｃ，１２ｄを導波する導波光の波面ｆ４，ｆ５を示す。

本実施形態の光導波路１の分岐先部分には、第３コア１２ｃにおける第４コア１２ｄ側の側面１２Ｓと、第４コア１２ｄにおける第３コア１２ｃ側の側面１２Ｓとに、屈折率を高めるＧｅＯ_２の偏析部分Ｓが形成されているので、分岐先部分の二つのコアの内側側面１２Ｓは、屈折率が高くなる。よって、分岐した第３，第４コア１２ｃ，１２ｄにおける光の結合が促進される。従って、コアの分岐部分における分岐した第３，第４コア１２ｃ，１２ｄの間から放射される光Ｌ１を低減し、光の放射損失を低減することができる。

また、第３コア１２ｃ及び第４コア１２ｄのそれぞれの外側の側面１２Ｓにも偏析部分Ｓが形成されているので、導波光が分岐して第３，第４コア１２ｃ，１２ｄから外側方向へ放射される光Ｌ２，Ｌ３を低減し、更に放射損失を低減することができる。

また、第２コア１２ｂにおいて、互いに対向する側面１２Ｓに偏析部分Ｓが形成されているので、両側面１２Ｓの屈折率が高くなることにより、波面が拡大し易くなる。すなわち、波面の拡大が、導波距離に対して速くなる。これにより、テーパー部分をより短くすることができ、光導波路１を小型化することができる。なお、偏析部分Ｓが形成された光導波路１を導波する光の波面ｆ１〜ｆ５は、偏析部分Ｓが形成されていない光導波路を導波する場合と比較して、波面が拡大し易くなる。

引き続き、図３及び図４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工程図である。図４は、第１コア１２ａとなる部分の断面を示す。

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）に示す石英ガラス基板１１Ａの上面に、図４（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Ｙ分岐形状の溝を形成し、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３コア１２ｃと第４コア１２ｄとの間には、１μｍ程度の距離がある。

ガラス層形成工程Ｓ２では、図４（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）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）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）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が形成される。

上部クラッド形成工程Ｓ５では、図４（ｇ）に示すように、下部クラッド１１およびコア１２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、ガラス層形成工程Ｓ２において、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。

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のコア１２の深さは６．０μｍ程度で一定である。第１コア１２ａの開口幅（コア幅）Ｗ１は６．０μｍ程度、第２コア１２ａの終端部分の開口幅Ｗ２は１３．０μｍ程度、第３及び第４コア１２ｃ，１２ｄの開口幅Ｗ３，Ｗ４は６．０μ程度である。第３コア１２ｃと第４コア１２ｄとの間の幅Ｗ５は１．０μｍ程度であった。また、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１．０μｍ程度であった。

実施例に係る光導波路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。この成膜条件で、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。

実施例に係る光導波路１の分岐損失は、０．１０ｄＢであり、良好な特性を示した。

本実施形態に係る光導波路のコアの形状を示す図である。 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コア、１２ｂ…第２コア、１２ｃ…第３コア、１２ｄ…第４コア、１３…上部クラッド、Ｓ…偏析部分。

Claims (2)

1. 基板にＹ分岐形状かつ断面矩形状のコアが形成された光導波路であって、
   光を入射させるための入射端を含む一つのコアを有する分岐元部分と、
   前記分岐元部分に入射した光を出射させるための出射端をそれぞれ含む二つのコアを有する分岐先部分と、
   前記分岐元部分と前記分岐先部分とを連結すると共にテーパー状に形成されたコアを有するテーパー部分と
   を備え、
   前記分岐先部分には、少なくとも一方のコアにおける他方のコア側の側面と、前記他方のコアにおける前記一方のコア側の側面とに、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ことを特徴とする光導波路。
2. 前記テーパー部分のコアにおける互いに対向する側面に、更に、前記偏析部分が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光導波路。

Images