JP2013210623A - 光導波路素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型且つ低コストの光導波路素子およびその製造方法を提供すること。
【解決手段】石英系ガラスからなるクラッド部と、前記クラッド部内に形成され、ＺｒＯ_２の微粒子が分散した石英系ガラスからなる光導波路と、を備える光導波路素子。石英系ガラスからなるクラッド部を形成するクラッド部形成工程と、前記クラッド部内に形成され、ＺｒＯ_２の微粒子が分散した石英系ガラスからなる光導波路を形成する光導波路形成工程と、を含む光導波路素子の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、光導波路素子およびその製造方法に関する。

石英系ガラスからなる平面光波回路（Planar Lightwave Circuit：ＰＬＣ）素子を構成する光導波路において、屈折率を高めるドーパントとして、ジルコニア（ＺｒＯ_２）を使う技術が開示されている（特許文献１参照）。ＺｒＯ_２は、ゲルマニア（ＧｅＯ_２）と比較して屈折率が高く、熱膨張係数が小さい材料である。そのため、ＰＬＣ部品等を小型化しつつ、導波路に残る応力を低減できる材料として期待されている。

従来、ゾルゲル法を用いてＺｒＯ_２を含む光導波路を形成する技術が開示されている（非特許文献１、２参照）。

特表２００５−５３１０３０号公報

R.Sara el al. "Photolithography Fabrication of Sol-Gel Ridge Waveguide" SPIE vol.3469 p.118-123（1998）. S.Iraj et al. "Sol-Gel Glass Waveguide and Grating on Silicon" J. LIGHTWAVE TECH. VOL.16, NO.9,（1998）.

しかしながら、ＺｒＯ_２は、エッチングが困難な材料として知られている。たとえば、ＺｒＯ_２は、通常の石英系ガラス系ＰＬＣ素子の加工プロセスにおいて用いられるフッ素系のエッチング材に対して、エッチングレートが遅い。その結果、ＺｒＯ_２を用いた光導波路素子は、加工性が低く、製造に要する時間が長くなるので、高コスト化するという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、小型且つ低コストの光導波路素子およびその製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光導波路素子は、石英系ガラスからなるクラッド部と、前記クラッド部内に位置し、ＺｒＯ_２の微粒子が分散した石英系ガラスからなる光導波路と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る光導波路素子は、上記の発明において、前記微粒子の粒径は１００ｎｍ以下であり、前記微粒子の平均粒子間距離は、１００ｎｍ以上であり、前記光導波路に入力される光の波長以下であることを特徴とする。

また、本発明に係る光導波路素子は、上記の発明において、前記結晶微粒子の平均粒子間距離は、１．６２μｍ以下であることを特徴とする。

また、本発明に係る光導波路素子の製造方法は、石英系ガラスからなるクラッド部を形成するクラッド部形成工程と、前記クラッド部内に位置し、ＺｒＯ_２の微粒子が分散した石英系ガラスからなる光導波路を形成する光導波路形成工程と、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る光導波路素子の製造方法は、上記の発明において、前記微粒子の粒径は１００ｎｍ以下であり、前記微粒子の平均粒子間距離は、１００ｎｍ以上であり、前記光導波路に入力される光の波長以下であることを特徴とする。

また、本発明に係る光導波路素子の製造方法は、上記の発明において、前記結晶微粒子の平均粒子間距離は、１．６２μｍ以下であることを特徴とする。

また、本発明に係る光導波路素子の製造方法は、上記の発明において、前記クラッド部形成工程は、基板上に下部クラッド層を形成する工程を含み、前記光導波路形成工程は、前記下部クラッド層上に、ＺｒＯ_２を分散させた光導波路形成層を形成する工程と、前記光導波路形成層を熱処理してＺｒＯ_２の微粒子を形成する工程と、前記微粒子が分散した光導波路形成層をエッチングして前記光導波路を形成する工程と、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る光導波路素子の製造方法は、上記の発明において、前記クラッド部形成工程は、前記形成した下部クラッド層および光導波路を覆うように上部クラッド部を形成する工程を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る光導波路素子の製造方法は、上記の発明において、前記ＺｒＯ_２の微粒子を形成する工程は、１０００℃以上の熱処理温度で行うことを特徴とする。

また、本発明に係る光導波路素子の製造方法は、上記の発明において、前記ＺｒＯ_２の微粒子を形成する工程は、酸素を含む雰囲気下で行うことを特徴とする。

また、本発明に係る光導波路素子の製造方法は、上記の発明において、前記光導波路形成層を形成する工程は、ＳｉＯ_２もしくはＺｒＯ_２を含む１元系のターゲット、またはＳｉＯ_２およびＺｒＯ_２を含む２元系のターゲットを用いて、スパッタ法によって行うことを特徴とする。

本発明によれば、小型且つ低コストの光導波路素子を実現できるという効果を奏する。

図１は、実施の形態に係る光導波路素子の模式的な斜視図である。 図２は、図１に示す光導波路素子の製造方法の一例を説明する図である。 図３は、図１に示す光導波路素子の製造方法の一例を説明する図である。 図４は、図１に示す光導波路素子の製造方法の一例を説明する図である。 図５は、従来のＺｒＯ_２を含む石英系ガラスのエッチングを説明する図である。 図６は、図４におけるエッチングを説明する図である。 図７は、図１に示す光導波路素子の製造方法の一例を説明する図である。 図８は、異なる熱処理温度におけるＸＲＤパターンを示す図である。 図９は、アニール温度と屈折率との関係を示す図である。 図１０は、比較例、実施例、参考例のエッチングレートを示す図である。 図１１は、実施例の光導波路素子の伝搬損失の評価結果を示す図である。 図１２は、実施例の光導波路素子の伝搬損失スペクトルを示す図である。 図１３は、実施例の光導波路素子の曲げ半径と挿入損失との関係を示す図である。 図１４は、実施例のＭＭＩ光カプラの模式的な平面図である。 図１５は、実施例のＭＭＩ光カプラのＭＭＩ長と結合効率との関係を示す図である。 図１６は、実施例のＭＭＩ光カプラのＭＭＩ長と過剰損失との関係を示す図である。

以下に、図面を参照して本発明に係る光導波路素子およびその製造方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態に係る光導波路素子の模式的な斜視図である。図１に示すように、光導波路素子１０は、シリコンや石英ガラスなどの基板１１上に形成された、石英系ガラスからなるクラッド部１２と、クラッド部１２内に位置する光導波路１３とを備えている。

この光導波路素子１０は、たとえば、マッハツェンダー型干渉計（Mach-Zehnder Interferometer：ＭＺＩ）などの導波路型光干渉計や、差動四値位相変調（Differential Quadrature Phase Shift Keying：ＤＱＰＳＫ）、または差動位相変調（ＤＰＳＫ）通信方式において、Ｄ(Ｑ)ＰＳＫ光信号を復調するための復調素子を構成する要素として使用することができる。

光導波路１３は、屈折率を高めるドーパントであるＺｒＯ_２を含む石英系ガラスからなる。これによって、光導波路１３はクラッド部１２よりも屈折率が高くなるので、光を閉じ込めて導波する光導波路として機能する。光導波路１３は、クラッド部１２に対する比屈折率差がたとば５％〜１０％であり、断面のサイズは、３．０μｍ×３．０μｍ〜２．５μｍ×２．５μｍ〜１．５μｍ×１．５μｍである。光導波路１３の断面は基本的には正方形だが、長方形でもよい。

光導波路１３は、ＺｒＯ_２を含むので、屈折率を高めるドーパントとしてＧｅＯ_２を使用した場合に比べて、屈折率を高くすることができる。光導波路１３の、クラッド部１２に対する比屈折率差は、ＺｒＯ_２の含有量の調整によって、たとえば１．５％〜３０％にすることができる。これに対して、ＧｅＯ_２を使用した光導波路の比屈折率差は、一般的には１．５％未満であり、最大でも２．５％程度である。したがって、光導波路素子１０を光干渉素子等の構成要素として使用する際に、所望の光干渉を発生させるために必要な導波路長が、屈折率の高さに比例して短くなる。その結果、光導波路素子１０は小型になる。

また、光導波路１３に含まれるＺｒＯ_２の多くは、微粒子の状態で分散している。ＺｒＯ_２の微粒子の粒径は、１００ｎｍ以下であり、ＺｒＯ_２の微粒子の平均粒子間距離は、１００ｎｍ以上である。その結果、光導波路１３において、ＺｒＯ_２の微粒子が、光導波路１３に入力された光を散乱することが抑制されるので、光導波路素子１０の導波路光損失の増大が抑制されるので好ましい。また、ＺｒＯ_２の微粒子の平均粒子間距離は、光導波路１３に入力される光の波長以下であることが好ましい。ＺｒＯ_２の微粒子の平均粒子間距離が大きすぎると、場所により屈折率が異なることによる揺らぎが発生する。屈折率の揺らぎがあると、レイリー散乱が発生し、光導波路素子１０の導波路光損失の増大することがある。
ここで、微粒子の粒径は、たとえばＸ線回折パターンから、シェラーの式を用いて求められる値である。また、微粒子の平均粒子間距離は、ＴＥＭを用いて観察することにより求められる値である。
なお、本明細書における「ＺｒＯ_２の微粒子」とはＺｒＯ_２の結晶微粒子、またはＺｒＯ_２の非結晶微粒子を意味するものである。

入力される光の波長は特に限定されないが、たとえば、光導波路素子１０が、通信波長帯である１．５μｍ波長帯（およそ１．５μｍ〜１．６２μｍ）の光に対して使用する素子の場合は、ＺｒＯ_２の平均粒子間距離を、波長帯の上限の波長である１．６２μｍ以下とすることが好ましい。光導波路素子１０が使用される光の波長帯が、他の波長帯、たとえば、１．３μｍ波長帯（およそ１．２６μｍ〜１．３６μｍ）、１．０μｍ波長帯（およそ１．０μｍ〜１．１μｍ）、０．８μｍ波長帯（およそ０．７９μｍ〜０．８３μｍ）の場合は、ＺｒＯ_２の平均粒子間距離を、各波長帯の上限の波長以下とすることが好ましい。

また、ＺｒＯ_２は、熱膨張係数が小さいので、製造時の温度変化や環境温度の変化があった場合でも、光導波路１３に発生する残留応力は小さくなる。その結果、光導波路素子１０の導波路光損失の増大が抑制され、かつ信頼性の低下も防止されるので好ましい。

また、光導波路１３は、ＺｒＯ_２の微粒子を含むので、後述するようにエッチングによる加工性が高く、従来よりも短い時間で製造できるものである。その結果、光導波路素子１０は低コストで製造できるものである。

つぎに、図１に示す光導波路素子１０の製造方法の一例について説明する。はじめに、図２に示すように、たとえばプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いて、基板１１上に石英系ガラスからなる下部クラッド層１２ａを形成し、その後アニールして透明ガラス化する。つぎに、１元系のターゲットであるＳｉＯ_２ターゲットとＺｒＯ_２ターゲットとを用いて、スパッタ法によって、下部クラッド層１２ａ上に、光導波路を形成するための光導波路形成層１４を形成する。なお、ＳｉＯ_２とＺｒＯ_２とを混合した成分からなる２元系のターゲットを用いてもよい。形成された光導波路形成層１４は、ＳｉＯ_２とＺｒＯ_２とがネットワークを形成したアモルファス状態となっていると考えられる。

つぎに、図３に示すように、光導波路形成層１４を熱処理する。これによって、光導波路形成層１４がアニールされて、ＺｒＯ_２の結晶微粒子が析出形成され、光導波路形成層１４ａとなる。形成されたＺｒＯ_２の結晶微粒子は光導波路形成層１４ａにほぼ一様に分散する。ＺｒＯ_２の結晶微粒子の粒径は、熱処理温度および熱処理時間で調整することができる。たとえば、熱処理温度を高くするか、熱処理時間を長くすると、より大きなＺｒＯ_２の結晶微粒子を形成することができる。また、光導波路形成層１４は、形成時はアモルファス状態となっており、当初はＺｒＯ_２の結晶微粒子は含まれないと考えられる。したがって、ＺｒＯ_２の結晶微粒子は当該熱処理によって析出形成されると考えてよいため、粒径の制御は非常に容易である。したがって、ＺｒＯ_２の濃度の調整と、熱処理温度および熱処理時間の調整によって、ＺｒＯ_２の結晶微粒子の粒径を１００ｎｍ以下に、結晶微粒子の平均粒子間距離を１００ｎｍ以上であり使用する光の波長以下に容易に制御することができる。
なお、上記製造方法で製造した場合は、ＺｒＯ_２は結晶微粒子の状態で分散しているが、ＺｒＯ_２が非結晶微粒子の状態であっても同様に作用する。

なお、上記の光導波路形成層１４を形成する際のスパッタ法では、光導波路形成層１４内に酸素の欠乏による欠陥ができる場合がある。しかし、光導波路形成層１４をアニールして、ＺｒＯ_２の結晶微粒子を形成する工程を、酸素雰囲気、または空気などの、酸素を含む雰囲気下で行えば、光導波路形成層１４ａに酸素が導入されて欠陥が減少し、屈折率が安定する。熱処理温度が１０００℃以上の場合に酸素が導入され易いので好ましい。

ところで、たとえば非特許文献１、２のように、ゾルゲル法を用いてＺｒＯ_２を含む光導波路を形成する場合、光導波路中に溶媒等の有機物が残留する場合がある。このため、１０００℃以上の熱処理を行うと、残留した有機物がガス化して光導波路中に気泡が発生する場合がある。また、有機物は、赤外線の特定の波長の光を吸収するので、光導波路に含まれる場合、導波路損失の増大の原因となる。

これに対して、上記のようにスパッタ法を用いた場合は、有機物が含まれない光導波路形成層１４を形成することができる。したがって、気泡を発生させることなく、１０００℃以上の熱処理を行って、光導波路形成層１４ａにおけるＺｒＯ_２の結晶微粒子の粒径、および結晶微粒子の平均粒子間距離を制御することができる。また、光導波路１３の導波路損失の増大も防止される。

つぎに、図４に示すように、光導波路形成層１４ａを、フォトリソグラフィ技術およびエッチングによってパターニングし、光導波路１３を形成する。エッチングについては、たとえば石英系ガラスの加工プロセスにおいて用いられるフッ素系ガス（たとえばＣＦ_４）を用いたドライエッチングによって行う。

光導波路形成層１４ａには、ＺｒＯ_２の多くが、結晶微粒子の状態で分散している。これによって、光導波路形成層１４ａはエッチングによる加工がし易くなっている。

図５は、従来のＺｒＯ_２を含む石英系ガラスのエッチングを説明する図である。図５に示すように、従来のＺｒＯ_２を含む石英系ガラスの場合は、ＳｉＯ_２とＺｒＯ_２とがネットワークを形成したアモルファス状態となっている。このとき、Ｏ原子とＳｉ原子との結合（Ｓｉ−Ｏ結合）は、フッ素系ガスのプラズマによって、線Ｌ１で示すように容易に切断できるので、エッチングが容易である。一方、結合Ｂ２のようなＯ原子とＺｒ原子との結合（Ｚｒ−Ｏ結合）は、フッ素系ガスのプラズマによって容易には切断できない。石英系ガラス中で、ＳｉＯ_２とＺｒＯ_２とがネットワークを形成している場合は、Ｚｒ−Ｏ結合がネットワーク中に散在しているので、エッチングのためにはこのＺｒ−Ｏ結合を切断する必要がある。したがって、エッチングレートは遅くなるので、所定量のエッチングを行うには時間が掛かる。

これに対して、図６は、図４におけるエッチングを説明する図である。図４の場合は、ＺｒＯ_２の多くが、ＳｉＯ_２のネットワーク中に結晶微粒子ＭＣの状態で分散している。この場合、結晶微粒子ＭＣの内部に含まれるＺｒ−Ｏ結合を切断しなくても、一点鎖線で示すようにＳｉ−Ｏ結合を切断することで、全体をエッチングできる。このとき、結晶微粒子ＭＣは、矢印Ａｒ１のように、結晶微粒子のまま容易にＳｉＯ_２のネットワークから脱離する。したがって、エッチングレートは、Ｚｒ−Ｏ結合を切断する必要がある場合よりも早くなるので、所定量のエッチングを行うために要する時間が短縮される。この場合、通常の石英系ガラス系ＰＬＣ素子の加工プロセスを好適に適用し、十分なエッチングができるので、設備費も節約できる。したがって、さらに低コストの光導波路素子を製造できる。
なお、ＺｒＯ_２の結晶微粒子の粒径が１００ｎｍ以下であり、結晶微粒子の平均粒子間距離が１００ｎｍ以上であり、使用する光の波長以下であれば、エッチングレートを早める効果を充分得ることができる。

つぎに、図７に示すように、下部クラッド層１２ａおよび光導波路１３を覆うように上部クラッド部１２ｂを形成し、下部クラッド層１２ａと上部クラッド部１２ｂとからなるクラッド部１２を形成する。上部クラッド部１２ｂは、たとえば公知の火炎堆積（Flame Hydrolysis Deposition：ＦＨＤ）法により、下部クラッド層１２ａおよび光導波路１３を覆うように石英系ガラスからなる微粒子を堆積し、微粒子を加熱溶融して透明ガラス化することによって形成できる。

上記のようにＦＨＤ法によって上部クラッド部１２ｂを形成する場合は、たとえば１０００℃程度での熱処理を行う。上述したように、光導波路中に有機物が残留している場合は、この熱処理によって残留した有機物がガス化して気泡が発生する場合がある。これに対して、上記のようにスパッタ法により光導波路を形成する場合は、気泡を発生させることなく、ＦＨＤ法によって上部クラッド部１２ｂを形成することができる。

また、ＦＨＤ法における熱処理温度以上の温度にて、ＺｒＯ_２の結晶微粒子を形成する熱処理を行えば、ＦＨＤ法における熱処理によってＺｒＯ_２の結晶微粒子の変化が殆ど変化しないので好ましい。すなわち、ＺｒＯ_２の結晶微粒子を形成するための熱処理温度が、製造工程における熱履歴の最高温度であれば、その後に当該温度以下の温度での熱処理を行っても、ＺｒＯ_２の結晶微粒子の変化が殆ど変化しないので好ましい。そのような熱処理としては、クラッド部１２の表面にＳｉＮｘからなる絶縁膜を形成するための、約４００℃で行う工程がある。

以上説明した製造方法によれば、光導波路形成層１４ａをエッチングして光導波路１３を形成するための時間が短縮されるので、図１に示す光導波路素子１０を低コストで製造することができる。

つぎに、図２〜図４を用いて説明した工程にしたがって、シリコン基板上に石英ガラスからなる下部クラッド層を形成し、さらにＳｉＯ_２ターゲットとＺｒＯ_２ターゲットとを用いて、酸素雰囲気下において、スパッタ法によって、下部クラッド層上に光導波路形成層を形成したサンプルを作製した。なお、光導波路形成層の下部クラッド層に対する比屈折率差が４．７％、９．２７％、１１．６０％、１３．９４％になるように、ＺｒＯ_２の濃度を調整した。つぎに、作製したサンプルを、光導波路形成層を８００℃〜１３００℃までの１００℃おきに設定したアニール温度で１時間熱処理した。熱処理したサンプルについて、光導波路形成層のＸ線回折（ＸＲＤ）パターンと屈折率とを測定し、ＴＥＭ観察を行った。

図８は、異なるアニール温度におけるＸＲＤパターンを示す図である。図８は、光導波路形成層の比屈折率差が１１．６０％のサンプルのデータである。「ａｓ−ｄｅｐｏ」とは、アニールをしないサンプルのデータを示している。図８に示すように、ａｓ−ｄｅｐｏの状態ではピークが無いので、光導波路形成層がアモルファス状態であると考えられる。１０００℃〜１３００℃で熱処理したサンプルでは、ＺｒＯ_２結晶に起因するピークが、アニール温度が高いほど鋭くなった。図８の結果は、アニール温度が高いほど、粒径が大きいＺｒＯ_２の結晶微粒子が析出していることを示している。シェラーの式を用いて、図８に示すデータから、各アニール温度のサンプルにおけるＺｒＯ_２の結晶微粒子の粒径を見積もったところ、アニール温度が１０００℃、１１００℃、１３００℃のサンプルについて、粒径はそれぞれ約１．２ｎｍ、約２ｎｍ、約５ｎｍであった。

図９は、アニール温度と屈折率との関係を示す図である。図９は、光導波路形成層の比屈折率差が１１．６０％のサンプルのデータである。図９に示すように、ａｓ−ｄｅｐｏの状態では屈折率が高いが、アニール温度が１０００℃以上のサンプルでは、屈折率が１．６９〜１．７の範囲に安定した。図９の結果は、アニール温度を１０００℃以上とすると、光導波路形成層に酸素が導入されるため、屈折率が安定することを示すと考えられる。
また、各アニール温度のサンプルにおけるＺｒＯ_２の結晶微粒子の平均粒子間距離をＴＥＭ観察した。
アニール温度が１０００℃、１１００℃、１３００℃のサンプルについて、ＺｒＯ_２の結晶微粒子が分散して存在していることが観察でき、平均粒子間距離は、いずれのサンプルにおいても１００ｎｍ以上１．６２μｍ以下であった。なお、ここで平均粒子間距離とは、隣接する粒子の外縁同志の最短距離を意味する。

つぎに、図８に示したａｓ−ｄｅｐｏのサンプル（比較例）、およびアニール温度が１１００℃のサンプル（実施例）に対して、フッ素系ガスによるドライエッチングを行い、そのエッチングレートを測定した。

図１０は、比較例、実施例、参考例のエッチングレートを示す図である。ここで、参考例とは、ＧｅＯ_２をドープした石英ガラスのサンプルに対して、フッ素系ガスによるドライエッチングを行った場合のエッチングレートを示している。なお、ＧｅＯ_２は、石英ガラスに対する比屈折率差が、１．５％になるようにドープした。

図１０に示すように、ＺｒＯ_２の微粒子を含まない比較例のサンプルの場合、エッチングレートは１．９ｎｍ／ｓｅｃであり、典型的な光導波路の構成材料である参考例のサンプルのエッチングレートである９．５ｎｍ／ｓｅｃの１／５と低い値であった。これに対して、ＺｒＯ_２の結晶微粒子を含む実施例のサンプルの場合、エッチングレートは６．２ｎｍ／ｓｅｃであり、比較例の場合の約３．３倍と大幅に高い値となった。

つぎに、ＳｉＯ_２およびＺｒＯ_２を含む２元系のターゲットを用いて、図２〜図４を用いて説明した工程にしたがって、本発明の実施例としての光導波路素子を製造した。なお、光導波路は、クラッド部に対する比屈折率差を５％とし、断面のサイズは、３．０μｍ×３．０μｍとした。また、伝搬損失評価のために、光導波路は、長さの異なる曲げ半径５００μｍの渦巻き型回路とした。製造の際には、ＺｒＯ_２の結晶微粒子を析出形成するためのアニール温度を１３００℃とした。

図１１は、実施例の光導波路素子の伝搬損失の評価結果を示す図である。横軸は光導波路長であり、縦軸は挿入損失である。図１１に示す測定点の結果から線形フィッティングにより算出した光導波路の伝搬損失は０．１３ｄＢ／ｃｍであった。

図１２は、実施例の光導波路素子の波長１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍの範囲での伝搬損失スペクトルを示す図である。図１２に示すように、製造した光導波路素子の伝搬損失は、ＴＭ偏光およびＴＥ偏光のいずれにおいても、１５５０ｎｍ波長帯（波長１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍ）にわたって０．２ｄＢ／ｃｍ以下であった。

ところで、光導波路のクラッド部に対する比屈折率差を増加すると、光の閉じ込めが強くなり、最小曲げ半径は小さくなる。ゆえに、比屈折率差の増加は光導波路素子の小型化をする上で効果的である。そこで、本発明の実施例として、様々な曲げ半径の光導波路素子を製造し、その挿入損失を測定した。なお、光導波路は、クラッド部に対する比屈折率差を５％とし、断面のサイズは、３．０μｍ×３．０μｍとした。図１３は、実施例の光導波路素子の曲げ半径と挿入損失との関係を示す図である。データ点は測定値、実線はシミュレーション結果を示す。ここで、ＧｅＯ２をドープした石英ガラスからなる光導波路を有する光導波路素子の場合、最小曲げ半径は１ｍｍ程度に制限される。一方、図１３に示すように、製造した光導波路素子の最小曲げ半径は３００μｍ程度ときわめて低減され、かつシミュレーション結果とも一致していた。

つぎに、本発明の実施例として、ＭＭＩ（Multi-Mode Interference）光カプラを製造した。図１４は、実施例のＭＭＩ光カプラの模式的な平面図である。このＭＭＩ光カプラ１００は、石英ガラスからなるクラッド部１０１と、クラッド部１０１内に位置し、ＺｒＯ_２の微粒子が分散した石英ガラスからなる光導波路であるＭＭＩ部１０２および光入出力部１０３、１０４、１０５、１０６とを備える。なお、光導波路は、いずれもクラッド部に対する比屈折率差を５％とした。断面のサイズは、光入出力部１０３、１０４、１０５、１０６については３．０μｍ×３．０μｍとした。ＭＭＩ部１０２については厚さ３．０μｍ、幅２４μｍとした。光入出力部１０３と１０４との間隔および光入出力部１０５と１０６との中心間距離はいずれも８．０μｍとした。ＭＭＩ部１０２の長さ（ＭＭＩ長Ｌ）を３１０μｍ〜５１０μｍの範囲で変更したＭＭＩ光カプラ１００を複数製造した。

図１５は、実施例のＭＭＩ光カプラのＭＭＩ長と結合効率との関係を示す図である。図１６は、実施例のＭＭＩ光カプラのＭＭＩ長と過剰損失との関係を示す図である。図中のデータ点はＴＭ偏光またはＴＥ偏光での測定結果を示し、実線はシミュレーション結果を示す。図１４、１５に示すように、測定結果とシミュレーション結果とは良く一致していた。また、過剰損失の最低値は０．２ｄＢであった。

なお、上記実施の形態では、プラズマＣＶＤ法を用いて下部クラッド層を形成し、ＦＨＤ法を用いて上部クラッド部を形成している。しかしながら、下部クラッド層および上部クラッド部の形成方法は特に限定されず、たとえば、熱酸化、プラズマＣＶＤ、スパッタ法およびＦＨＤ法から選択された任意の方法によって形成することができる。

また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１０ 光導波路素子
１１ 基板
１２、１０１ クラッド部
１２ａ 下部クラッド層
１２ｂ 上部クラッド部
１３ 光導波路
１４、１４ａ 光導波路形成層
１００ ＭＭＩ光カプラ
１０２ ＭＭＩ部
１０３、１０４、１０５、１０６ 光入出力部
Ａｒ１ 矢印
Ｂ２ 結合
Ｌ１ 線
ＭＣ 微粒子

Claims (11)

1. 石英系ガラスからなるクラッド部と、
   前記クラッド部内に位置し、ＺｒＯ_２の微粒子が分散した石英系ガラスからなる光導波路と、
   を備えることを特徴とする光導波路素子。
2. 前記微粒子の粒径は１００ｎｍ以下であり、前記微粒子の平均粒子間距離は、１００ｎｍ以上であり、前記光導波路に入力される光の波長以上であることを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
3. 前記結晶微粒子の平均粒子間距離は、１．６２μｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の光導波路素子。
4. 石英系ガラスからなるクラッド部を形成するクラッド部形成工程と、
   前記クラッド部内に位置し、ＺｒＯ_２の微粒子が分散した石英系ガラスからなる光導波路を形成する光導波路形成工程と、
   を含むことを特徴とする光導波路素子の製造方法。
5. 前記微粒子の粒径は１００ｎｍ以下であり、前記微粒子の平均粒子間距離は、１００ｎｍ以上であり、前記光導波路に入力される光の波長以下であることを特徴とする請求項４に記載の光導波路素子の製造方法。
6. 前記結晶微粒子の平均粒子間距離は、１．６２μｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の光導波路素子の製造方法。
7. 前記クラッド部形成工程は、基板上に下部クラッド層を形成する工程を含み、
   前記光導波路形成工程は、前記下部クラッド層上に、ＺｒＯ_２を分散させた光導波路形成層を形成する工程と、前記光導波路形成層を熱処理してＺｒＯ_２の微粒子を形成する工程と、前記微粒子が分散した光導波路形成層をエッチングして前記光導波路を形成する工程と、を含むことを特徴とする請求項４〜６のいずれか一つに記載の光導波路素子の製造方法。
8. 前記クラッド部形成工程は、前記形成した下部クラッド層および光導波路を覆うように上部クラッド部を形成する工程を含むことを特徴とする請求項７に記載の光導波路素子の製造方法。
9. 前記ＺｒＯ_２の微粒子を形成する工程は、１０００℃以上の熱処理温度で行うことを特徴とする請求項７または８に記載の光導波路素子の製造方法。
10. 前記ＺｒＯ_２の微粒子を形成する工程は、酸素を含む雰囲気下で行うことを特徴とする請求項７〜９のいずれか一つに記載の光導波路素子の製造方法。
11. 前記光導波路形成層を形成する工程は、ＳｉＯ_２もしくはＺｒＯ_２を含む１元系のターゲット、またはＳｉＯ_２およびＺｒＯ_２を含む２元系のターゲットを用いて、スパッタ法によって行うことを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一つに記載の光導波路素子の製造方法。

Images