JP2726424B2

JP2726424B2 - 光素子およびその製造方法

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Publication number: JP2726424B2
Application number: JP63026644A
Authority: JP
Inventors: 博久佐野; 克之井本; 尚登上塚
Original assignee: Hitachi Cable Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 1988-02-09
Filing date: 1988-02-09
Publication date: 1998-03-11
Anticipated expiration: 2013-03-11
Also published as: JPH01202702A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、光導波路を有する光素子およびその製造方
法に係り、特に、高屈折率の基板上に光導波路を作製す
るのに好適な光素子およびその製造方法に関する。

〔従来の技術〕

従来の光導波路を有する光素子およびその製造方法に
ついては、西原他による「光集積回路」オーム社（198
5）第174〜176頁に詳しく記載されている。この文献に
述べられているように、シリコン（以下、Siと記す。）
等の半導体材料を基板として用いる場合には、光の基板
への漏れに起因する光損失を防ぐために、例えばSiO₂膜
からなる低屈折率を有するバッファ層を設ける必要があ
る。

第２図（ａ）は、従来の光導波路を有する光素子の概
略断面図、第２図（ｂ）は、第２図（ａ）の光素子の各
層の屈折率を示す図である。図において、５は基板、６
は基板５上に形成されたバッファ層、１−１および１−
２はそれぞれコア層、２はクラッド層、n_sは基板５の屈
折率、n_bはバッファ層６の屈折率、n_cはコア層１−１、
１−２の屈折率、n_clはクラッド層２の屈折率、Δｎは
コア層の屈折率n_cとクラッド層の屈折率n_clとの差であ
る。すなわち、コア層の屈折率は、クラッド層の屈折率
よりΔｎ（１％前後）だけ高くなっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術では、バッファ層６が１層で構成されて
いるため、低屈折率を有するバッファ層の所要膜厚が厚
くなる。特に、単一モード光ファイバとの整合性を考え
てコア部の径を大きくした場合（例えば10μｍ程度）、
その傾向は著しくなり、その所要膜厚値は、10μｍにも
厚くなってしまう。このことは、以下の点で素子の製造
を難しくする。

まず、第１は、バッファ層の形成プロセスの長時間化
である。例えば、基板材料としてSiを、また、バッファ
層の材料として熱酸化SiO₂膜を使用するという通常の手
順で素子を作製しようとした場合、10μｍの熱酸化膜を
得るには、長短でも数千時間にも及ぶ処理時間が必要と
なり、生産性が大幅に低下する。また、数千時間にもわ
たって膜作製条件を一定に保つことは難しいので、膜中
に屈折率のばらつきが生じ易く、光導波路の光学特性が
変化し易いという問題も生じる。

第２は、膜内応力に起因してバッファ層内にクラック
が発生する問題である。一般に、応力は、膜厚の増加に
伴って増加するため、バッファ層の厚膜化は、クラック
発生の増加につながってしまう。本発明者らの行なった
実験でも、厚さ３〜５μｍの膜を形成した場合は、クラ
ックはほとんど発生しなかったにもかかわらず、８〜10
μｍに膜厚を厚くした場合、ほとんどの膜にクラックが
発生してしまった。クラックの生じた膜を光素子に用い
ることはできない。また、たとえクラックが発生しない
場合でも、膜内応力の増加は、バッファ層内で屈折率の
異方性を生じさせる。この屈折率の異方性は、光導波路
に偏波面依存性を与え、結果的に光学特性を劣化させ
る。例えば、膜内応力が増加した状態で、光分波器を作
製すると、光合分波特性が光の励振条件によってランダ
ムに変動した。これは、信号対雑音比の劣化につなが
る。また、温度変化に対して分波特性が変動し、波長間
のクロストークが増大するという問題が生じた。

第３は、基板と膜の熱膨張率の差による基板の反りの
問題である。反りの大きさは、基板上に積層する膜の厚
さが増えるに従って増加し、膜厚が10μｍにも及ぶ場合
には、反りの大きさは、以下のプロセスの進行が困難に
なる程の値となる場合が多い。また、反りの発生に伴う
熱応力は、上記屈折率の異方性を生じさせ、光学的特性
を劣化させる。さらに、この反りは、光導波路のコア
層、クラッド層を形成するときの高温熱処理工程によっ
てさらに増加することがわかった。結果的に、このよう
に反りが生じた状態で作製した光導波路の特性は、光学
的特性がよくなかった。

本発明の目的は、バッファ層の膜厚の低減を可能とす
ることにより、上記の課題をすべて解決することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、本発明の光素子は、基板
上に、バッファ層と、コア層と、クラッド層とを順次積
層してなる光導波路を有する光素子において、上記クラ
ッド層の屈折率が、上記コア層の屈折率よりも小さく、
上記バッファ層が、屈折率の異なる少なくとも２層、ま
たは屈折率が連続的に変化する少なくとも１層を含んで
構成され、上記バッファ層の屈折率が、上記コア層の屈
折率よりも小さく、上記バッファ層の少なくとも１層ま
たは一部の屈折率が、上記クラッド層の屈折率よりも小
さいことを特徴とする。

また、本発明の光素子の製造方法は、基板上に、屈折
率の異なる少なくとも２層、または屈折率が連続的に変
化する少なくとも１層を含んで構成されるバッファ層を
形成する工程と、上記バッファ層の上に、屈折率が、上
記バッファ層の屈折率よりも大きいコア層を形成し、該
コア層をパターニングする工程と、上記コア層の上に、
屈折率が、上記コア層の屈折率よりも小さく、かつ、上
記バッファ層の少なくとも１層または一部の屈折率より
も大きいクラッド層を埋め込む工程を含むことを特徴と
する。

〔作用〕

基板への光の漏れ込みによる光損失を小さく抑えるた
めには、バッファ層の厚さをバッファ層への導波光の浸
出し深さよりも十分に大きくする必要があり、これによ
りバッファ層の膜厚の所要値が決まる。従って、バッフ
ァ層を薄くするためには、導波光の浸出し深さを小さく
する必要がある。バッファ層を多層化し、各層間に屈折
率の差を設けることにより、導波路の光の閉じ込め度が
改善され、浸出し深さを小さくすることが可能となるの
で、バッファ層の所要膜厚を薄く抑えることが可能とな
る。また、多層化によって、設計の自由度も上がり、熱
膨張係数の整合をも考慮した設計が可能となる。

所要膜厚が減少することによって、膜の作製時間は大
幅に短縮され、従来の第１の問題が解決される。

また、膜厚が減少し、かつ、熱膨張係数の他層との整
合が可能となることによって、膜内応力を小さく抑える
ことが可能となり、バッファ層内でのクラック、屈折率
の異方性等の従来の第２の問題、および基板の反りの発
生の第３の問題が解決される。

また、バッファ層の少なくとも１層または一部の屈折
率を、上記クラッド層の屈折率よりも小さくすることに
より、光のパワー分布に沿った形で屈折率分布を構成で
き、界面の不均一性（界面不整）による伝搬光損失を低
減できる。

〔実施例〕

実施例１第１図（ａ）は、本発明の第１の実施例の上面図、第
１図（ｂ）は、第１図（ａ）のＡ−Ａ′断面図、第１図
（ｃ）は、第１図（ｂ）のＢ−Ｂ′間の各層の屈折率分
布を示す図である。（ａ）、（ｂ）において、２は屈折
率n_clを有するクラッド層、１−１および１−２は屈折
率n_cを有するコア層である。コア層の屈折率n_cは、クラ
ッド層の屈折率よりΔｎ（１％前後）だけ高くなってい
る。（ｂ）において、５は基板、３および４はそれぞれ
異なる屈折率（n_b1、n_b2、…、n_bN、Ｎ≧２、n_b1≠n_b2
≠…≠n_bN＜n_c）を有するバッファ層である。基板５の
材料としては、例えば、シリコン（Si）のような半導体
を、また、コア層、クラッド層、バッファ層等の材料と
しては、例えば、ガラス、SiO₂膜、LiNbO₃等の誘電体、
およびYIG等の磁性体を用いる。本実施例の特徴は、バ
ッファ層を、３および４の２層で構成している点であ
る。従来の光導波路を有する光素子では、第２図に示し
たように、バッファ層が１層で構成されているので、光
損失を小さく保ったまま、バッファ層の厚さを薄くしよ
うとすれば、バッファ層の屈折率n_bを下げるしかない。
しかし、n_bを小さくすると、コア層とバッファ層との境
界面での散乱損失が増加するという課題が生じる。ま
た、光導波路の偏波面依存性が増加するという課題も派
生する。このため、n_bを小さくすることは難しく、従っ
て、バッファ層の厚さを薄くすることは困難であった。
本実施例の２層構成のバッファ層により、以上の課題を
解決できる。以下、その作用、効果について説明する。

まず、第１のバッファ層（上層）３の屈折率n_b1は、
クラッド層２の屈折率n_clと同等に選んでいるため、コ
ア層１−１、１−２とバッファ層３との境界面での散乱
損失、偏波面依存性等の問題は生じない。また、第２の
バッファ層（下層）４は、コア層１−１、１−２から離
れた位置にあるため、該バッファ層４の屈折率n_b2を大
幅に下げても上記の種々の問題は生じない。すなわち、
屈折率n_b2を大幅に下げてもバッファ効果を高めること
ができる。

第３図は、本発明の効果を示すための計算結果を示す
図である。横軸には、第１のバッファ層３の厚さをと
り、縦軸には、導波光の光損失をとっている。計算モデ
ルでは、第１のバッファ層の屈折率は、クラッド層と同
一としている。また、コア層の大きさは、８×10μm²、
コア層とクラッド層間の屈折率の差は、0.25％とし、素
子と接続される単一モード光ファイバと同程度のスポッ
ト径が得られるようにパラメータを設定した。光導波路
の光損失としては、通常0.1dB/cm程度の値が要求され
る。この値を達成するには、第２図に示した従来の構成
（Δｎ＝０％の場合）では、膜厚８μｍ（第１のバッフ
ァ層３の厚さ３μｍ＋第２のバッファ層４の厚さ５μ
ｍ）のバッファ層が必要になる。これに対し、本実施例
のように、２層構成では、Δｎ＝0.2％とした場合で
も、5.7μｍ（第２のバッファ層の厚さ0.7μｍ）の厚さ
のバッファ層で、同一の光損失が達成されている。さら
に、設計の最適化を行なえば、いっそうの膜厚低減効果
を得ることが可能である。

実施例２第４図は、本発明の第２の実施例を示す図である。本
実施例は、バッファ層の屈折率を連続的に変化させるこ
とにより、上記第１の実施例と同様の効果を達成するも
のである。すなわち、バッファ層の所要膜厚を従来構造
に比べて薄くできると共に、バッファ層間の散乱損失も
低減させることができる。屈折率の連続的な変化は、例
えば、ガラスを導波路材料に用いた場合であれば、ドー
パント量を連続的に変化させることで容易に実現可能で
ある。

第５図〜第７図は、本発明によるバッファ層の屈折率
の構成例をまとめたものである。

第５図は、バッファ層を２層構成にした場合で、
（ａ）は第１のバッファ層（上層）の屈折率n_b1をクラ
ッド層の屈折率n_clと同一としたもの、（ｂ）は第１の
バッファ層の屈折率n_b1をクラッド層の屈折率n_clと異な
るものである。

第６図は、３層構成にした場合で、（ａ）は第１のバ
ッファ層の屈折率n_b1がクラッド層の屈折率n_clと同一の
場合、（ｂ）は第１のバッファ層の屈折率n_b1と同一の
場合、（ｂ）は第１のバッファ層の屈折率n_b1がクラッ
ド層の屈折率n_clと異なる場合、（ｃ）は第３のバッフ
ァ層の屈折率n_b3が第２のバッファ層の屈折率n_b2よりも
高い場合である。（ｃ）の場合は、第３のバッファ層
は、基板と第２のバッファ層間の熱膨張係数の差を緩和
させる役目を果たしている。

第７図は、屈折率を連続的に変化させた場合で、
（ａ）は第１のバッファ層に相当する部分の屈折率は均
一にし、その他のバッファ層の屈折率を連続的に変化さ
せた場合、（ｂ）はバッファ層すべての屈折率を連続的
に変化させた場合、（ｃ）はバッファ層において屈折率
が連続的に変化する部分を２段階にし、第６図（ｃ）と
同じく基板との境界に熱膨張係数整合部を設けた場合で
ある。

第８図（ａ）〜（ｅ）は、第１図に示した第１の実施
例で、バッファ層が２層構造の光素子の製造方法を示す
工程断面図である。

本実施例では、基板材料としてSiを、光導波路材料と
しては、ガラスを用いた。

まず、（ａ）に示すように、Siからなる基板５を用意
する。

次に、（ｂ）に示すように、Si基板５の表面を熱酸化
してSiO₂膜を形成し、下層の（第２の）バッファ層４を
形成する。

次に、（ｃ）に示すように、バッファ層４の上に上層
の（第１の）バッファ層３と、コア層８を形成する。積
層プロセスとしては、CVD（化学気相成長）法、スパッ
タ法、蒸着法、火炎堆積法等の任意の方法が適用可能で
ある。なお、第１のバッファ層３およびコア層８の材料
としては、TiO₂、GeO₂、P₂O₅、B₂O₅等のドーパントを混
入させた石英系ガラスを用いることができ、また、これ
らの層の屈折率の制御は、これらのドーパントの量を制
御することにより行なう。

次に、（ｄ）に示すように、コア層８をドライエッチ
ング等の手法を用いてパターニングする。

次に、上記（ｃ）の積層プロセスを用いて、コア層８
をクラッド層２で埋め込んで、製造プロセスを完了す
る。

なお、基板５の材料としては、Siの他、石英、コーニ
ング7059ガラスなどのガラス基板、あるいはLiN₆O₃等を
用いることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、バッファ層の
光閉じ込め効果を高めることができるので、バッファ層
の所要膜厚を大幅に薄くすることが可能となる。これに
より、製造プロセスの所要時間を短縮でき、経済性を向
上できる効果がある。また、厚膜化による応力集中を低
減することが可能となり、バッファ層内でのクラック、
基板の反りの発生を抑制できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は、本発明の第１の実施例の上面図、第１
図（ｂ）は、第１図（ａ）のＡ−Ａ′断面図、第１図
（ｃ）は、第１図（ｂ）のＢ−Ｂ′間の各層の屈折率分
布を示す図、第２図（ａ）は、従来の光導波路を有する
光素子の断面図、第２図（ｂ）は、第２図（ａ）の光素
子の各層の屈折率を示す図、第３図は、本発明の効果を
示すための計算結果を示す図、第４図（ａ）は本発明の
第２の実施例の断面図、第４図（ｂ）は、第４図（ａ）
のＢ−Ｂ′間の各層の屈折率分布を示す図、第５図〜第
７図は、それぞれ本発明によるバッファ層の屈折率の構
成例を示す図、第８図（ａ）〜（ｅ）は、本発明の光素
子の製造方法を示す工程断面図である。１−１、１−２……コア層２……クラッド層３……第１のバッファ層（上層）４……第２のバッファ層（下層）５……基板７……屈折率が連続的に変化するバッファ層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者上塚尚登茨城県日立市日高町５丁目１番１号日立電線株式会社電線研究所内 (56)参考文献特開昭56−85710（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−303305（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に、バッファ層と、コア層と、クラ
ッド層とを順次積層してなる光導波路を有する光素子に
おいて、上記クラッド層の屈折率が、上記コア層の屈折率よりも
小さく、上記バッファ層が、屈折率の異なる少なくとも２層、ま
たは屈折率が連続的に変化する少なくとも１層を含んで
構成され、上記バッファ層の屈折率が、上記コア層の屈折率よりも
小さく、上記バッファ層の少なくとも１層または一部の屈折率
が、上記クラッド層の屈折率よりも小さいことを特徴と
する光素子。
【請求項２】上記基板としてシリコンを用いたことを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の光素子。
【請求項３】基板上に、屈折率の異なる少なくとも２
層、または屈折率が連続的に変化する少なくとも１層を
含んで構成されるバッファ層を形成する工程と、上記バッファ層の上に、屈折率が、上記バッファ層の屈
折率よりも大きいコア層を形成し、該コア層をパターニ
ングする工程と、上記コア層の上に、屈折率が、上記コア層の屈折率より
も小さく、かつ、上記バッファ層の少なくとも１層また
は一部の屈折率よりも大きいクラッド層を埋め込む工程
を含むことを特徴とする光素子の製造方法。