JP2855832B2 - 石英系光導波路の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は石英系光導波路の製造方法に関し、特に光導
波路の導波損失が減少するように工夫したものである。

＜従来の技術＞ 光導波路の中で石英ガラスを主成分とした石英系光導
波路は、光伝送損失が低く、また、石英系光ファイバと
の低損失な接続が可能であることから、注目を集めてい
る。そして、この石英系光導波路の製造方法としては、
火炎堆積法（FHD:flame hydrolysis deposition）によ
るガラス膜形成と反応性イオンエッチング（RIE:reacti
ve ion etching）によるガラス膜微細加工と組合せた方
法が最も一般的である（河内正夫、「石英系光導波路と
集積光部品への応用」光学第18巻第12号（1989年12月）
P681〜686参照）。

かかる方法による石英系光導波路の製造例を第８図を
参照しながら説明する。同図に示すように、この方法で
は、まず、バーナ１にSiCl₄,TiCl₄などのガラス原料を
供給して酸水素火炎２中で加水分解反応及び酸化反応に
よりガラス微粒子３を得、これをSiウェハなどの基板４
上に堆積させて、ガラス微粒子膜5a,5bを順次形成する
〔（ａ）〕。ここで、ガラス微粒子膜5a,5bの両者の組
成は異なるものとする。そして、これを高温に加熱する
ことにより、ガラス微粒子膜5a,5bを透明ガラス化して
バッファ層6a及びコア層6bとする〔（ｂ）〕。以上が火
炎堆積法である。次に、反応性エッチングにより、コア
層6bの不要な部分の除去してリッジ状のコア部6cを残す
〔（ｃ）〕。そして、再び火炎堆積法によりコア部6cを
覆うようにクラッド層6dを形成することにより、埋め込
み型の石英系光導波路７とする〔（ｄ）〕。

＜発明が解決しようとする課題＞ ところで前述した石英系光導波路における導波損失は
約0.1 dB/cmまで低減してきているものの、同材質で構
成されている光ファイバの損失が1 dB/km以下まで低減
されていることを考えると、さらなる石英系光導波路の
低損失化が望まれている。

また光導波路を用いた素子の高性能化に伴い、要求さ
れる導波路長が長くなってきており、より一層の低損失
化を図ることは、石英系光導波路における重要な課題で
ある。

この光導波路の導波損失として、コア部とこのコア部
を取り囲む低屈折率部（例えばクラッド部やバッファ
部）との境界面の凹凸などの不整構造に起因する散乱が
考えられる。

これに対して光ファイバの場合に損失の低減化が図ら
れているのは、一旦プリフォームを作成し、それを125
μｍφの直径に細く線引きするため、プリフォーム加工
工程でできたコア部とクラッド層、バッファ層との境界
面の凹凸も線引き工程で引き延ばされ実質的に悪影響を
及ぼさないものと考えられる。

一方、石英系光導波路の場合には、第８図に示したよ
うな導波路の作り方では、導波路形成時に生じた不整構
造がそのまま残ってしまうという問題がある。特に反応
性イオンエッチング工程でコア層の不整部分を削り取る
時、垂直方向の平滑度を長手方向にも均一に高精度で作
製することは極めて難かしいものと考えられる。

第７図は、一般的な導波路内の屈折率分布を示すもの
で、コア部とクラッド層、バッファ層にわたる屈折率が
境界面で実質的に不連続に変化している、所謂ステップ
型分布を示している。このため、例えば光ファイバのよ
うに光導波路とモードフィールドの異なる光部品と結合
する場合に、接合損失が大となるという問題がある。

本発明は以上述べた事情に鑑み、光導波路の低損失化
を図ると共に、例えば光ファイバのように光導波路とモ
ードフィールドの異なる光部品との結合損失を低減する
ように図った石英系光導波路の製造方法を提供すること
を目的とする。

＜課題を解決するための手段＞ 前記目的を達成する本発明に係る石英系光導波路の製
造方法は、基板上に設けられた石英を主成分とし、反応
性エッチングにより、コア層の不要な部分を除去してリ
ッジ状のコア部を残し、リッジ状のコア部と該コア部を
取り囲む低屈折率部とからなる石英系光導波路を加熱処
理し、該石英系光導波路内の屈折率を変化させる成分を
拡散させることを特徴とする。

以下、本発明の内容を説明する。

本発明の石英系光導波路の製造方法により製造された
石英系光導波路は、第１図に示すように基板上にリッジ
状のコア部と、該コア部を取り囲む低屈折率部（クラッ
ド層，バッファ層）とからなるものであって、このコア
部と低屈折率部との屈折率分布が第２図に示すように、
ガウス分布状或いは誤差関数状に滑めらかに連続して変
化するようにしたものである。

このような屈折率分布を有する石英系光導波路を従来
法で形成する場合、膜面に垂直な方向（Ｂ−Ｂ′方向）
については、ガウス微粒子堆積の際、時間とともに、徐
々に原料組成を変化させることにより、実現はできる
が、一方の膜面に平行な方向（Ａ−Ａ′方向）に対して
は、垂直にコア層の不要部分を削り取ってしまい、クラ
ッド層を形成するだけとなるので難かしい。

そこで、本発明に係る石英系光導波路は、第８図に示
した従来法と同様にして基板４上にガラス微粒子によっ
てガラス微粒子膜5a,5bを形成した際、透明ガラス化し
てバッファ層6a、コア層6bを形成し、反応性エッチング
法により、コア層6bの不要な部分を除去してリッジ状の
コア部6cを形成し、火炎堆積法によりコア部を覆うよう
にクラッド層6dを形成した後、更に、得られた石英系光
導波路を加熱処理して、該石英系光導波路内で屈折率の
変化を生じせしめている成分によって実質的に屈折率分
布を形成するように拡散させることにより、第２図に示
すような屈折率分布を有する石英系光導波路10を得るよ
うにしている。

本発明で屈折率の変化を生じせしめている成分として
は、例えばGeO₂,F等の屈折率調整添加剤を挙げることが
できるが、その他石英系光導波路内を拡散し易いもの
（例えばTiO₂,P₂O₅,B₂O₃等）であればいずれも用いても
よい。上記GeO₂やＦは、石英ガラス中の拡散速度が比較
的大きく且つ導波路損失に悪影響を及ぼさないので特に
好ましい。

本発明ではこのようなGeO₂,F等の屈折率調整添加剤を
加熱処理によって導波路内で実質的に屈折率分布を形成
するようにして、コア部と低屈折率部（バッファ層，ク
ラッド層）との分布をガウス分布状や誤差関数状となる
ように滑らかに連続して変化させている。

上記屈折率調整添加剤としてGeO₂を用いる場合には、
従来と同様の第８図に示す火炎堆積法において、ガウス
微粒子合成工程で原料ガスとして、SICl₄にGeCl₄を加え
るようにすればよい。但し、ガラス微粒子内に形成され
たGeC₂は熱処理での揮散が早いため、透明ガラス化工程
での加熱処理中で揮散し、一部はバッファ層用ガラス微
粒子層に再付着するため、バッファ層とコア層との区別
が十分につかなくなる。このため一旦バッファ層のみを
形成し、透明ガラス化した後、改めてGeO₂を含むコア層
を形成して透明ガラス化するというように、バッファ層
とコア層とのガラス微粒子堆積工程を分離する必要があ
る。

一方、上記屈折率調整添加剤としてＦを用いる場合に
は、該Ｆにはガラスの屈折率を下げる効果があるため、
コア部以外の低屈折率部となる部分（クラッド層，バッ
ファ層）に添加する必要がある。またガラス微粒子形成
工程で原料ガス中に添加するよりも、Ｆを含む雰囲気中
でガラス微粒子膜を加熱処理することにより、Ｆ成分が
ガラス微粒子膜内に拡散し、その結果Ｆ添加がなされる
こととなる。このＦ添加加熱処理は、透明ガラス化に先
立ち、透明ガラス化よりやや低い温度で実施しても良い
し、透明ガラス化と同時に実施するようにしてもよい。

また本発明では、コア部と該コア部を取り囲む低屈折
率部との屈折率がその境界面で連続的に変化させる部分
を、光導波路の全体に亙って加熱処理するのではなく、
導波路の一部のみを加熱することにより、導波路のモー
ドフィールド形状を長手方向に連続して変化させること
にも応用できる。

例えば光導波路を限られた範囲内でより長く作製する
には、より小さく導波路を曲げる必要がある。一方、光
ファイバによって光を導波路の結合させる際には、導波
路のモードフィールド形状が光ファイバのモードフィー
ルド形状とできるだけ近づけておくことが低損失な結合
をする場合必要なこととなる。そこで、光ファイバとの
接合部分近傍のみを局所的に加熱し、屈折率調整用添加
剤を拡散させておくことにより、その部分のモードフィ
ールド径を拡大し、光ファイバのモードフィールド径と
一致させておき、徐々に拡散の度合が小さくなるにつれ
てモードフィールド径が連続的に小さくしていくことが
可能となる。

この局所的な加熱手段としては、CO₂レーザーや小型
の電気炉，マイクロトーチ等があるが、後の実施例で示
すように、電気炉内の温度分布を利用することにより、
簡便に行うことができる。

＜実 施 例＞ 以下、本発明の好適な一実施例について説明する。

実施例 １ 第３図（ａ）を参照して製造工程を説明する。

シリコン基板14上に火炎堆積法により、SiO₂−P₂O₅−
B₂O₃からなるバッファ用ガラス微粒子膜15aを作成し
た。P₂O₅及びB₂O₃はSiCl₄と共にPOCl₃,BCl₃を加えるこ
とにより添加した。このガラス微粒子膜15aを1250℃の
温度及びHe:90％,O₂:10％の雰囲気下で２時間加熱して
透明ガラス化し、約20μｍのバッファ層16aを得た。

次に、このバッファ層16aの上にGeO₂−SiO₂−P₂O₅−B
₂O₃からなるコア層用ガラス微粒子膜15aを形成し、前記
バッファ層16aと同様に透明ガラス化し、約８μｍ厚の
コア層16bを得た。この際、コア層16bとバッファ層16a
との光屈折率差は0.4％であった。また、厚み方向の屈
折率分布は第３図（ｂ）に示すようなものであった。

次いでコア層16bをリソグラフィーを使ってパターン
化し、反応性イオンエッチング法により、７μｍ×７μ
ｍの断面矩形状のリッジ型導波路としてのコア部16cを
形成した。この際、コア部上部の屈折率変動部を約１μ
ｍ削っており、その結果コア部16c中の屈折率はバッフ
ァ層16aに比べ、0.4％高い均一なものになった。

最後に、上記バッファ層16aと同様の組成のクラッド
層16dを火炎堆積法により形成した後透明化し、バッフ
ァ層16a及びクラッド層16bからなる低屈折率部18と、７
μｍ×７μｍのリッジ状のコア部16cとを有する石英系
の埋め込み型導波路17を得た。

この得られた石英系光導波路の導波損失は波長1.3μ
ｍで0.15 dB/cmであった。

次に、この導波路の不活性ガス雰囲気下、1200℃で12
時間に亙って加熱したところ、第４図に示すようにコア
径が約９μｍまで拡がった。この状態で導波損失を測定
した結果は、波長1.3μｍで0.09 dB/cmであり、改善効
果が見られた。

実施例 ２ 前述した実施例１と同様に操作してシリコン基板14上
にバッファ層用ガラス微粒子膜15aを形成した後、この
ガラス微粒子膜をSiF₄:10％,O₂:10％,He:80％の雰囲気
下、1200℃で３時間加熱し、透明ガラス化した。

次にバッファ層用ガラス微粒子と同じ組成でコア層用
ガラス微粒子膜15bを形成し、He:90％,O₂:10％の雰囲気
下、1250℃で２時間加熱し、約７μｍのコア層16bを得
た。

形成されたバッファ層16aの厚さは20μｍであり、こ
のバッファ層16aにはＦが添加されており、コア層に比
べて比屈折率が0.4％下っていた。

その後、コア層16bをリソグラフィーを使ってパター
ン化し、反応性イオンエッチング法により、７μｍ×７
μｍの断面矩形状のリッジ型導波路を形成した。

最後にクラッド層16dをバッファ層16aと同様に火炎堆
積法により形成し、バッファ層16a及びクラッド層16bか
らなる低屈折率部18と、７μｍ×７μｍのリッジ状のコ
ア部16cとを有する石英系の埋め込み型導波路17を得
た。

この得られた石英系光導波路17の導波損失は波長1.3
μｍで0.2 dB/cmであった。

次に、この石英系光導波路を不活性ガス雰囲気下、12
00℃で４日間に亙って加熱処理した。この結果第５図に
示すようにコア径が８μｍにまで拡がった。この状態で
導波損失を測定した結果は0.07 dB/cmであり、改善効果
が発現された。

実施例 ３ 実施例１と同様に操作して第１図に示す導波路と同寸
法の石英系光導波路17を形成した。この導波路17を用い
て、通常のシングルモード光ファイバ20（比屈折率差0.
3％，モードフィールド径9.5μｍ）を、その端面でつき
合せ、この状態での結合損失を測定したところ、波長1.
3μｍで0.2 dBであった（第６図（ａ）参照）。

次にこの導波路を第６図（ｂ）に示す一対のヒータ2
1,21を有する電気炉22中に挿入し、導波路17の中央部を
電気炉内の最高温度部に置き、最高温度を1200℃とし、
12時間加熱した（電気炉22内の温度分布を第６図（ｃ）
に示す）。

加熱して得られた導波路のモードフィールド径は第６
図（ｄ）に示すように長手方向に連続的に変化してい
た。

その後、この導波路を中央部から二分割して導波路20
A,20Bとし、一方の導波路20Aのその加熱した導波路の端
面部23とシングルモード光ファイバ20との結合損失を測
定したところ1.3μｍで0.1 dB以下に低減していた。

＜発明の効果＞ 以上、実施例とともに詳しく述べたように、本発明に
よれば石英系導波路の低損失化を実現できると共に、例
えば光ファイバのように光導波路とモードフィールドの
異なる光部品と光導波路との結合損失を低減することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の石英系光導波路の製造方法により製造
された石英系光導波路の斜視図、第２図は光導波路を加
熱処理した後の導波路断面の屈折率分布図、第３図
（ａ）は実施例１に係る石英系光導波路の製造工程図、
第３図（ｂ）は実施例１に係るバッファ部とコア部まで
を形成した段階での膜面に垂直方向の屈折率分布図、第
４図は実施例１に係る光導波路断面の屈折率分布図、第
５図は実施例２に係る光導波路断面の屈折率分布図、第
６図は実施例３に係る光導波路の説明図、第７図は従来
例に係る光導波路の断面の屈折率分布図、第８図は火炎
堆積法を用いた石英系光導波路の製造工程図である。 図面中、 １はバーナ、 ２は酸水素火炎、 ３はガス微粒子、 ４は基板、 5a,5bはガラス微粒子膜、 6aはバッファ層、 6bはコア層、 6cはコア部、 6dはクラッド層、 ７は光導波路、 14はシリコン基板、 15aはバッファ層用ガラス微粒子膜、 15bはコア層用ガラス微粒子膜、 16aはバッファ層、 16bはコア層、 16cはコア部、 16dはクラッド層、 17は石英系光導波路、 18は低屈折率部、 20は光ファイバ、 21はヒータ、 22は電気炉、 23は加熱した導波路の端面部である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 相川 晴彦 神奈川県横浜市栄区田谷町１番地 住友 電気工業株式会社横浜製作所内 (72)発明者 星野 寿美夫 神奈川県横浜市栄区田谷町１番地 住友 電気工業株式会社横浜製作所内 (56)参考文献 特開 昭63−70205（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−280810（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02B 6/12

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上に設けられて石英を主成分とし、反
   応性エッチングにより、コア層の不要な部分を除去して
   リッジ状のコア部を残し、該リッジ状のコア部と該コア
   部を取り囲む低屈折率部とからなる石英系光導波路を加
   熱処理し、該石英系光導波路内の屈折率を変化させる成
   分を拡散させることを特徴とする石英系光導波路の製造
   方法。
2. 【請求項２】請求項１の石英系光導波路の製造方法にお
   いて、 石英系光導波路の一部を局所的に加熱処理し、該石英系
   光導波路内の屈折率を変化させる成分を拡散させ、モー
   ドフィールド形状を連続的に変化せしめることを特徴と
   する石英系光導波路の製造方法。