JP2747352B2 - 光導波路用ガラス膜の形成方法及び光導波路の製造方法 - Google Patents

光導波路用ガラス膜の形成方法及び光導波路の製造方法

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JP2747352B2 JP2016732A JP1673290A JP2747352B2 JP 2747352 B2 JP2747352 B2 JP 2747352B2 JP 2016732 A JP2016732 A JP 2016732A JP 1673290 A JP1673290 A JP 1673290A JP 2747352 B2 JP2747352 B2 JP 2747352B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、希土類元素を添加した光導波路用ガラス膜
の形成方法及び光導波路の製造方法に関する。
[従来の技術] 従来、希土類元素を添加した光ファイバにより光レー
ザ、光ファイバアンプ、光ファイバセンサ等のアクティ
ブ光ディバイスを開発する研究が活発になってきてい
る。
このアクティブ光ディバイスは、石英系光ファイバの
持つ低損失性、広帯域性、細径、無誘導性を保持したま
ま、希土類元素の添加による発振特性、増幅特性、螢光
及び吸収特性を利用しようとするものである。
従来、希土類元素を添加した光ファイバはMCVD法(mo
dified chemical vapor deposition:内付け化学的気相
析出法)、VAD法(vapor−phaseaxial deposition:気相
軸付け法)等の光通信用ファイバ製造技術と同じ方法で
作られていた。すなわち、MCVD法では、NdClあるいはEr
Clの塩化物を熱分解し、GeCl4、SiCl4と共に堆積させて
おり、VAD法では、コア用多孔質母材をNdCl3等の雰囲気
中で透明ガラス化することによって作製されている。
[発明が解決しようとする課題] しかし、上記希土類元素添加光ファイバの製造方法と
して用いられているMCVD法及びVAD法は、いずれも高温
反応プロセスであるため、光ファイバ中に希土類元素イ
オンを高濃度に添加することが難しく、従来報告されて
いる添加濃度は数100ppmから2000ppm程度である。ま
た、高温反応プロセスであるため、反応温度分布による
ガラス堆積速度依存性、添加濃度依存性が生じ易く、不
均一な光ファイバになり易いという問題があった。更
に、希土類元素を添加した光ファイバによるアクティブ
光ディバイスを実現しようとすると、小形化が難しく、
また光フィルタ、光スイッチ、光変調器、光合分波器等
の光回路と一体化した多機能光ディバイスを実現しよう
とすると、小形化が難しいばかりでなく、高信頼性、結
合の無調整化、多量生産性等の課題も克服することが難
しい。
そこで、本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解
消し、小形低損失、多機能性の光ディバイスを実現する
ために、プレーナ構造のガラス導波路の光伝搬部分であ
るコア導波路に希土類元素を2000ppm以上の高濃度かつ
均一に添加させることが可能な光導波路用ガラス膜の形
成方法及び光導波路の製造方法を提供することにある。
[課題を解決するための手段] ガラス導波路の光伝搬部分であるコア部分に希土類元
素を添加してレーザ、増幅器、あるいは増幅機能付きの
各種光り回路を実現する場合には、光ファイバのように
長さを長くできないので、希土類元素を高濃度に添加す
る必要がある。また、低損失化を図るためには希土類元
素を均一に添加する必要がある。
しかしながら、ガラス導波路中に希土類元素を高濃度
かつ均一に添加させる方法は、未だ報告されていない。
そこで、本発明はこれを達成するために、真空に保た
れたハウジング内の上部電極及び下部電極間に13.56Mz
の高周波電力を供給し、400℃以下の低温プラズマ雰囲
気中で、電極上に載置され、表面が低屈折率ガラス層で
覆われた基板上に、有機金属化合物の蒸気からなる屈折
率制御用ドーパントと希土類元素とSiO2との原料を、酸
素を含むガスと共に吹き付けて、2000ppm以上の希土類
元素と屈折率制御用ドーパントとを共添加したSiO2膜を
形成するものである。
また本発明の光導波路の製造方法は、ハウジング内の
上部電極及び下部電極間に13.56Mzの高周波電力を供給
し、真空に保たれた400℃以下の低温プラズマ雰囲気中
で、電極上に載置され、表面が低屈折率ガラス層で覆わ
れた基板上に、有機金属化合物の蒸気からなる屈折率制
御用ドーパントと希土類元素とSiO2の原料とを、酸素を
含むガスと共に吹き付けて、2000ppm以上の希土類元素
と屈折率制御用ドーパントとを共添加したSiO2膜を形成
して得られた膜付の基板を、少なくとも800℃の高温で
熱処理し、上記膜表面にメタル膜を形成した後、フォト
リソグラフィ及びドライエッチングによりメタル膜及び
膜のパターニングを施し、余分なメタル膜を剥離し、パ
ターニングした膜上面に上記膜の屈折率よりも低い膜を
形成するものである。
[作用] かかる方法によれば、低温プラズマ反応プロセスであ
るため、希土類元素の気化が少なく、基板のガラス層表
面に形成されるガラス膜に屈折率制御用ドーパントは勿
論のこと、希土類元素を2000ppm以上の高濃度に添加す
ることが可能となる。しかも、真空に保たれたハウジン
グ内の上部電極及び下部電極間に13.56Mzの高周波電力
を供給して行うプラズマ反応であるため、上下電極間で
の電気力線の密度が略均等となりプラズマ中の希土類元
素イオンが均等に加速されて基板に照射され、しかも低
温でプラズマ反応プロセスを行うので、希土類元素の気
化が少なく、ガラス膜上に2000ppm以上の希土類元素を
高濃度に添加することができる。
従って、この方法で得られたガラス膜付き基板を用い
て光導波路を作ることにより、小形低損失、多機能性の
光ディバスを実現することが可能となる。
[実施例] 以下、本発明の一実施例を添付図面に基づいて詳述す
る。
本発明の光導波路用ガラス膜の形成方法を実施するた
めの装置を示す第1図において、1はプラズマCVD装置
であり、その密閉ハウジング2内には円板状の上部電極
3と下部電極4とが設けられ、これら電極3,4間に高周
波電力(周波数13.56MHz)を供給することによりプラズ
マ5が発生するように構成されている。下部電極4の上
面には表面が低屈折率ガラス層で覆われた基板6が複数
枚載置される。下部電極4の下部にはヒータ7が取付け
られ、基板6を400℃以下の温度に加熱するようになっ
ている。
また、ハウジング2内には下部電極4を囲繞するよう
に環状のガス噴出管8が配置され、このガス噴出管8に
形成した図示しない多数のガス噴出孔からガスが基板に
均一に吹き付けられるようになっている。本実施例では
上記ガスは三種類の蒸気を混合したもので、ガス噴出管
8にはハウジング2外に載置した三個のガス供給タンク
9,10,11がバルブ12を有する共通のガス導入管13を介し
て接続されている。これらのタンク9,10,11は恒温槽か
らなり、各タンク9,10,11にはO2ガスを導入するための
管14が挿入されている。第1のタンク9は希土類元素を
含んだアルコール溶液15、例えばErCl3をアルコールに
溶かした液を収容しており、その溶液をO2ガスで気泡化
させて蒸気を発生するようになっている。第2のタンク
10は屈折率制御用ドーパントを含んだ有機金属化合物の
溶液16、例えばPO(OC2H5、B(OC2H5、Ge(OC
2H5、Sb(OC2H5、Al(OC2H5等を少なくと
も一種含んだ液を収容しており、その溶液をO2ガスで気
泡化させて蒸気を発生するようになっている。第3のタ
ンクは有機オキシシラン17、例えばSi(OC2H5、、S
i(COH3等を収容しており、その有機オキシシラン
をO2ガスで気泡化させて蒸気を発生するようになってい
る。
上記ハウジング2の底部中央には排気口18が形成さ
れ、この排気口18と下部電極4の中央部に形成した開口
部19とが短管20で連通され、ハウジング2内を真空排気
すべく排気口18には液体窒素トラップ21、ロータリポン
プ22及び排気装置23が排気管24を介して順に接続されて
いる。
次に上記装置を用いて光導波路用ガラス膜の形成方法
を説明する。
プラズマCVD装置1のハウジング2内において、下部
電極4上に載置した基板6をヒータ7により400℃以下
の温度に加熱し、上下部の電極3,4間に高周波電力を供
給してプラズマ5を発生させると共に、液体窒素トラッ
プ装置21、ロータリポンプ22及び排気装置23の駆動によ
りハウジング2内を真空排気する。かかる状態でタンク
9,10,11で発生する蒸気を混合状態でバルブ12を介して
ガス噴出管8からハウジング2内に噴出させて上記基板
6に吹き付け、基板6のガラス層表面にこれよりも屈折
率の高い屈折率制御用ドーパントと希土類元素を含んだ
ガラス膜を形成する。
それぞれの蒸気の量は、それぞれのO2ガスの流量ある
いはタンク9,10,11の温度によって調節され、これによ
りガラス膜、例えばErとPを含んだSiO2膜、ErとPとB
を含んだSiO2膜、ErとPとGeを含んだSiO2膜等の屈折率
が制御される。
かかる方法によれば、400℃以下の低温プラズマ反応
プロセスであるため、希土類元素の気化が少なく、基板
6のガラス層表面に形成されるガラス膜に屈折率制御用
ドーパントは勿論のこと、希土類元素を2000ppm以上の
高濃度に添加することができる。しかも、減圧状態下で
のプラズマ反応であるため、ガラス膜中に希土類元素を
均一に添加することができる。
従って、この方法で得られたガラス膜付き基板6を用
いて光導波路を作ることにより、小形低損失、多機能性
の光ディバイスを実現することが可能となる。
その光導波路の作製プロセスを第2図により説明する
と、先ず上述の方法で低屈折率ガラス層を有する基板表
面にこれよりも屈折率が高く、希土類元素と屈折率制御
用ドーパントを含んだSiO2膜を形成した後(S1)、その
基板を高温(800〜1300℃)で熱処理する(S2)。この
熱処理はO2ガス雰囲気中で行うことが好ましく、より好
ましくは塩素ガス、Heガス及びO2ガスを含んだ雰囲気中
で行うことが脱OHの点で適している。この熱処理によ
り、より緻密で透明なガラス膜にすることができる。
次いで、そのガラス膜表面にメタルマスク用のメタル
膜、例えばW、Cr、WSi等を形成させ(S3)、そのメタ
ル膜の上にフォトレジストパターンを形成するためのフ
ォトリソグラフィを行った後(S4)、ドライエッチング
プロセスを行う(S5)。この場合、先ず上記フォトレジ
ストパターンをマスクにしてメタルのエッチングを行
い、次いで上記フォトレジスト及びメタルのパターンを
マスクにしてガラス膜をエッチングし、略矩形状のパタ
ーンを得、最後にフォトレジスタ及びメタルを剥離すれ
ばよい。
次いで、クラッド膜形成プロセス(S6)において、上
記略矩形状のガラス膜のエッチングパターン全面にガラ
ス膜の屈折率よりも低く、低屈折率ガラス層の屈折率と
略等しい屈折率のガラス膜を形成させることにより、押
込型あるいはリッジ型の光導波路が実現される。
第3図は本発明方法を実施するための別の装置例を示
している。この装置はプラズマCVD装置1に供給する蒸
気の種類が上記実施例と異なる。
すなわち、ガス導入管13には二つのタンク9,25が接続
され、その第1のタンク9には希土類元素を含んだアル
コール溶液15、例えばErCl3をアルコールに溶かした
液、NdCl3をアルコールに溶かした液などを収容し、そ
の溶液をO2ガスで気泡化させて蒸気を発生するようにな
っている。第2のタンク25には屈折率制御用ドーパント
を含んだ有機オキシラン26、例えばSi(OC2H5とPO
(OC2H5の混合溶液を収容し、その溶液をO2ガスで
気泡化させて蒸気を発生するようになっている。また、
ガス導入管13にはO2ガス導入管27が接続され、上記二種
の蒸気にO2ガスを重畳させてプラズマCVD装置1に供給
するようになっている。このO2ガスはガラス膜中へのOH
イオンの混入をできるだけ少なくするために用いられて
いる。なお、O2ガスに代えてN2Oを用いてもよい。この
装置においても、上記実施例と同様の作用効果を発揮す
る。
なお、屈折率制御用ドーパントとしては、Ge、P、
B、Al、As、Zn、Ti、Snなどを少なくとも一種含んでい
ればよく、また希土類元素としては、Er、Nd、Yb、Ho、
Tm、Sm、Ceなどを少なくとも一種含んでいればよい。
[発明の効果] 以上要するに本発明によれば、真空に保たれたハウジ
ング内の上部電極及び下部電極間に13.56Mzの高周波電
力を供給し、減圧状態での低温プラズマ反応を行うた
め、基板のガラス層表面に形成されるガラス膜に希土類
元素を2000ppm以上の高濃度にかつ均一に添加すること
ができ、このガラス膜付き基板を用いて光導波路を作る
ことにより、小形低損失、多機能性の光ディバイスを実
現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の光導波路用ガラス膜の形成方法を実施
するための装置を示す図、第2図はその光導波路用ガラ
ス膜を有する基板を用いて光導波路を作製するプロセス
を示す図、第3図は他の実施装置を示す図である。図
中、1はプラズマCVD装置、3は上部電極、4は下部電
極、5はプラズマ、6は基板、7はヒータ、8はガス噴
出管、15はアルコール溶液、16は屈折率制御用ドーパン
トを含んだ溶液、17は有機オキシシラン、18は排出口を
示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 井本 克之 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62−279303(JP,A) 特開 昭64−2005(JP,A) 特開 昭62−111208(JP,A) 特開 平1−145881(JP,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】真空に保たれたハウジング内の上部電極及
    び下部電極間に13.56Mzの高周波電力を供給し、400℃以
    下の低温プラズマ雰囲気中で、上記電極上に載置され、
    表面が低屈折率ガラス層で覆われた基板上に、有機金属
    化合物の蒸気からなる屈折率制御用ドーパントと希土類
    元素とSiO2との原料を、酸素を含むガスと共に吹き付け
    て、2000ppm以上の希土類元素と屈折率制御用ドーパン
    トとを共添加したSiO2膜を形成することを特徴とする光
    導波路用ガラス膜の形成方法。
  2. 【請求項2】ハウジング内の上部電極及び下部電極間に
    13.56Mzの高周波電力を供給し、真空に保たれた400℃以
    下の低温プラズマ雰囲気中で、上記電極上に載置され、
    表面が低屈折率ガラス層で覆われた基板上に、有機金属
    化合物の蒸気からなる屈折率制御用ドーパントと希土類
    元素とSiO2の原料とを、酸素を含むガスと共に吹き付け
    て、2000ppm以上の希土類元素と屈折率制御用ドーパン
    トとを共添加したSiO2膜を形成して得られた膜付の基板
    を、少なくとも800℃の高温で熱処理し、上記膜表面に
    メタル膜を形成した後、フォトリソグラフィ及びドライ
    エッチングによりメタル膜及び膜のパターニングを施
    し、余分なメタル膜を剥離し、パターニングした膜上面
    に上記膜の屈折率よりも低い膜を形成することを特徴と
    する光導波路の製造方法。
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