JP2862625B2 - 埋め込み型石英系光導波路およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、導波型光回路部品分野に用いる埋め込み型
石英系光導波路に関するものである。さらに詳しくは、
外部応力に強い石英系光導波路構造とその製造方法に関
するものである。

（従来の技術） 光通信システムのより一層の普及のためには小形、低
価格かつ信頼性のある光部品の開発が急務となってい
る。

光通信分野等で使用される光部品は、その形態によ
り、バルク型、ファイバ型、導波型に大別するこ
とができる。バルク型は、マイクロレンズやプリズム、
干渉膜フィルタ等を組み合わせて構成するもので、実用
レベルにあるものの、組立調整に長時間を要し、長期信
頼度や価格の面で問題を残している。ファイバ型は、光
ファイバ自体を構成材料として研磨や融着・延伸工程を
経て構成されるものであるが、その製作には職人芸を要
し生産性に劣るという問題がある。これらに対して、導
波型は、フォトグラフィ工程により、平面基板上に一括
大量形成できる利点があり、将来の光集積回路につなが
る部品形態として注目されている。

導波型光部品を作製するには、平面基板上に目的に沿
ったパターン形状の光導波路を形成することが基本とな
っている。これまでにガラス、プラスチック、酸化物結
晶、半導体結晶等を材料系とする様々な光導波路の作製
が試みられてきたが、これらの中にあって、石英系ガラ
ス基板やシリコン基板上に石英系ガラス材料を基本とし
て構成される石英系光導波路は、伝送路としての石英系
光ファイバとの接続特性にも優れていることから、実用
的な導波型光部品群を提供できるものと期待されてい
る。

第４図は、従来の石英系光導波路の構造例の説明図で
あって、シリコン基板上に８個の方向性結合器21,22,
…,28が配置された例を示す。（ａ）は平面図、（ｂ）
は平面図（ａ）のＡ−Ａ′における断面拡大図であり、
１は直径３インチのシリコン基板、２は石英系ガラスバ
ッファ層、３は石英系ガラスクラッド層であり、11a,11
b,12a,12b,…,18a,18bは、バッファ層２とクラッド層３
の間に埋め込まれた石英系ガラスコア部である。これら
の隣接する２本のコア部が対となり、その一部が近接し
て方向性結合器の結合部21,22,…,28を構成している。
石英系光導波路の本体は光伝搬作用をするコア部11a,11
b,12a,12b,…,18a,18bにあることはもち論であるが、バ
ッファ層２は信号光がシリコン基板１に吸い込まれるの
を防止する役割があり、またクラッド層３はコア部を伝
搬する信号光のモードを整え、例えば単一モード条件に
する役割のほかに、コア部を保護する重要な役割も果し
ている。コア部の断面寸法は、単一モード条件に合わせ
た場合、８μｍ角前後であり、バッファ層２とクラッド
層３の厚さは、それぞれ20μｍ〜30μｍ程度である。第
４図の光導波路は、第４図（ａ）で破線で囲んだ方向性
結合器単位ごとに光導波路チップとして切り出されて、
必要に応じて入出力光ファイバを、光導波路コア部端に
接続し、光分岐・合流等の作用をする導波型光部品とし
ての体裁を整えることになる。

第４図の埋め込み型石英系光導波路を製造するには、
四塩化シリコン等の火炎加水分解反応を利用する石英系
ガラス膜堆積技術と、反応性イオンエッチングによるガ
ラス膜の微細加工技術との公知の組み合わせにより形成
できる。すなわちシリコン基板１の上にバッファ層とコ
ア層からなる石英系光導波膜を、火炎加水分解反応堆積
法により堆積した後、光導波膜コア層の不要部分を反応
性イオンエッチングにより除去して、所望のコア部のみ
を残し、再び火炎加水分解反応堆積法により、コア部を
覆うように厚いクラッド層を堆積して形成できる。

ところで、第４図に示した従来の埋め込み型石英系光
導波路の構造とその製造方法では、クラッド層３の表面
は完全に平坦にならず、コア部の上部に位置するクラッ
ド層の表面がコア部形状を反映して凸状になるという事
実があった。このような凸部４が存在すると、光導波路
チップに入出力光ファイバを接続する等の実装工程時
に、光導波路チップの上面に実装治具を装着すると、凸
部４に応力集中が発生し、その下部のコア部の屈折率値
が光弾性効果により変化し、例えば方向性結合器の結合
率が設計初期値からずれてしまうという深刻な問題を引
き起こしていた。特にシリコン基板上の石英系光導波路
には、シリコン結晶と石英系ガラスとの熱膨張係数差に
より、光導波路側が凸になる反りが存在し、この反りを
外部からの機械的圧力により解消しないと、入出力用の
光ファイバアレイトとの接続が困難になるという事情が
あり、コア部の上部の凸部構造は、光導波路チップのケ
ーシング（パッケージング）等の実装工程上の大きな障
害になっていた。

ケーシングに先立ち、光導波路チップの凸部４を機械
研磨により除去することも考えられるが、もともと反り
や凹凸の存在するクラッドガラス膜の表面を平坦化する
には、クラッド層そのものを相当程度研磨する必要があ
り、研磨精度や研磨の均一性を維持するのも難しく、本
質的な解決策になり得なかった。また研磨工程を付加す
ることは導波型光部品のコストアップを招く欠点もあっ
た。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、上記の欠点に鑑みなされたもので、外部応
力に強く、実装工程時の取り扱いが容易な埋め込み型石
英系光導波路と、そ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） 本発明の埋め込み型石英系光導波路は、基板と、 該基板上に形成された石英系ガラスからなり、光伝搬
作用をするコア部および該コア部と光結合が生じない位
置に配置されたテラス部と、 前記コア部およびテラス部を埋め込む石英系ガラスク
ラッド層とにより構成し、 前記テラス部の真上の前記石英系ガラスクラッド層の
上面の前記基板からの高さを、前記コア部の真上の前記
石英系ガラスクラッド層の上面の前記基板からの高さよ
り高くなるように、前記テラス部の幅が前記コア部の幅
より幅広にする。

また本発明の埋め込み型石英系光導波路の製造方法
は、基板上にコア層を含む石英系ガラス光導波膜を形成
する光導波膜形成工程と、前記コア層の不要部分をエッ
チングにより除去して光伝搬作用をするコア部を形成す
るエッチング工程と、前記コア部を埋め込むように石英
系ガラスクラッド層を形成する埋め込み工程とからな
り、前記エッチング工程において、前記コア層の一部を
コア部と光結合を生じない位置に該コア部の幅より幅広
のテラス状に残し、これを引き続く石英系ガラス微粒子
層を堆積した後加熱して透明化する埋め込み工程におい
て、コア部と同時に石英系ガラスクラッド層内に埋め込
む。

（作用） このような構造を有する埋め込み型石英系光導波路お
よびその製造方法では、テラス部の上部のクラッド層の
高さがコア部の上部のクラッド層の高さより高くなって
いるので、外部応力はテラス部で受け止められ、コア部
への応力集中を避けることができる。

（実施例） 以下、図面により本発明の実施例を詳細に説明する。

第１図は本発明の埋め込み型石英系光導波路の一実施
例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は第１図（ａ）のＢ
−Ｂ′における断面拡大図である。この場合、方向性結
合器21,22,23,24,25,26,27,28を構成するコア部11a,11
b,…,18a,18bに加えて、コア部と光結合が生じない位置
に、テラス部５〔第１図（ａ）においてハッチングを施
した部分〕がコア部とともにクラッド層３に埋設されて
いる。この実施例のテラス部５はコア部に沿って約50μ
ｍの間隔を保って配置されている。コア部とテラス部を
覆うクラッド層３には、コア部とテラス部の形状を反映
した凹凸が存在するが、ここで肝要なことは、第１図
（ｂ）においてテラス部５の上部のクラッド層の表面の
高さの方が、コア部の上部のクラッド層の表面の凸部４
の高さよりも高くなっていることである。このために、
本発明の光導波路の構造においては、光導波路の表面を
治具等で押さえて機械圧力を光導波路チップに加えて
も、コア部の上部の凸部４に応力集中が発生することを
防止することができる。すなわち外部応力はテラス部５
の上部の台形状部６で受け止められ、直接コア部に及ぶ
ことがない。

第２図は、本発明の光導波路の上記の特徴を活用した
導波型光部品の組立例の説明図であり、（ａ）は第１図
の光導波路チップを切り出し両端〔第２図（ａ）では片
側のみを図示〕に入出力光ファイバを１対ずつ接続した
導波型方向性結合器の断面斜視図であり、（ｂ）は第２
図（ａ）に対応する断面拡大図である。ここで第２図
（ａ）および（ｂ）の断面は、第１図（ａ）のＢ−Ｂ′
における断面を示している。光導波路チップ30は、金属
ケース31に収められ、金属製ふた32で押さえられてい
る。光導波路チップ30と金属ケース31、金属製ふた32と
の隙間には接着材（図示を省略）を介在させ、金属製ふ
た32を上部から強く押しつけることにより、光導波路チ
ップ30を固定している。一方、入出力用光ファイバ34a
と34bは金属製ファイバホルダ33に高精度に保持されて
いる。この金属製ファイバホルダ33と金属ケース31およ
び金属製ふた32とは、YAGレーザ溶接機によるスポット
溶接部35,36をもって結合され、光導波路端と入出力光
ファイバとの光結合が達成されている。

第２図において、光導波路チップ30は、金属製ふた32
からの強い応力を受けた状態で金属ケース31の中に保持
されているが、本発明の光導波路構造では、方向性結合
器の結合率や損失特性に、前述のケーシングによる悪影
響は見られなかった。本発明の光導波路構造では、前述
したように、テラス部５の存在により、金属製ふた32か
らの圧力が光導波路コア部15a,15bに直接加わることが
避けられているからである。ちなみにテラス部を持たな
い従来の構造（第４図）の光導波路チップを同様にケー
シングしたところ、凸部４を経由して強い圧縮応力が光
導波路コア部15a,15bに及び、方向性結合器の結合率が
ケーシング前の値から10％〜30％もずれてしまうことが
確認され、本発明の光導波路構造の優位性が立証され
た。光導波路チップは、シリコン基板とその上に堆積さ
れた石英系ガラスとの熱膨張係数差により、ガラス側が
凸に反っており、この反りを解消するように、金属製ふ
たで強く圧して金属ケース中にチップを押し込めると、
テラス部なしではケーシング工程の影響を避けられない
のである。

第３図（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、
第１図に対応する本発明の光導波路の製造工程例を説明
するための断面拡大図群を示す。第３図（ａ）では最初
にシリコン基板１に四塩化シリコン等の火炎加水分解反
応を利用して、バッファ用石英系ガラス微粒子層2aおよ
びコア用石英系ガラス微粒子層10aを堆積する。続い
て、第３図（ｂ）ではガラス微粒子層を基板と一緒に電
気炉中で高温（約1250℃）に加熱して、透明ガラス化し
て石英系ガラスバッファ層２およびコア層10からなる光
導波膜とする。次に第３図（ｃ）では、コア層10の不要
部分を反応性イオンエッチング工程により除去して、所
望のコア部とテラス部を残す。次に第３図（ｄ）では、
再度、火炎加水分解反応を利用して、クラッド用石英系
ガラス微粒子層3aを堆積する。第３図（ｅ）では再度、
電気炉中で加熱して、クラッド用石英系ガラス系微粒子
層3aを透明ガラス化して石英系ガラスクラッド層３を得
る。このようにすれば、石英系ガラス微粒子層を堆積し
た後加熱して透明化しクラッド層を形成する際、コア部
の上に堆積されたガラス微粒子層が溶融する時にエッチ
ングされた部分に流れて固化するので、固化した後では
コア部の上のクラッド層の厚さは幅広のテラス部の上の
クラッド層の厚さより薄くなる。従って、幅広のテラス
部の上のクラッド層は、自動的にコア部の上のクラッド
層より高くなり、第１図に対応する埋め込み型石英系光
導波路を作製することがてきる。この実施例で作製した
光導波路の諸元は、バッファ層25μｍ、コア部寸法８μ
ｍ×８μｍ、クラッド層厚25μｍ、コア・クラッド間比
屈折率差0.25％、方向性結合器の結合部のコア間隔４μ
ｍ、結合長0.5mmであった。このようにして作製した光
導波路付きシリコンウェハを、ダイシングソーにより切
り出し光導波路チップとした。

以上、方向性結合器を例にとり、本発明の埋め込み型
石英系光導波路の構造と製造方法について説明したが、
本発明は方向性結合器に限定されることなく、導波型光
分岐・結合器、光スイッチ、光合分波器、等の多種、多
様な導波型光部品メニューに適用できることは言うまで
もない。

また前記の実施例では、石英系光導波路を支える基板
としてシリコン基板を用いた例を示したが、石英系ガラ
ス基板上の石英系光導波路にも適用できる。石英系ガラ
ス基板上では、前記の実施例におけるバッファ層２を省
略して、基板上に直接、コア部とテラス部を形成するこ
とも可能であるが、基板との界面不整による光散乱損失
を抑制するためには、少なくとも10μｍ厚程度のバッフ
ァ層を設けることが望ましい。

テラス部の形状は第１図（ａ）に限定されるものでな
く、要は、光導波路コア部の幅よりも幅広なテラス部を
設けて、光導波路コア部の上部に外部応力が集中しない
ようにすればよいのである。テラス部は、コア部に近い
ほど効果的ではあるが、テラス部の存在しているコア層
残部と光導波路コア部との間で光結合が生じては不都合
である。光導波路コア部の寸法やコア・クラッド間の比
屈折率差にも依存するが、テラス部とコア部との間は30
μｍ〜100μｍ程度離すことが望ましい。

以上の実施例では、石英系ガラス膜を火炎加水分解反
応を利用して堆積したが、これはこの方法が、高品質な
ガラス膜を比較的厚く堆積するのに適しているからであ
る。場合によっては、別のガラス膜堆積方法、例えばCV
D法やスパッタ法を一部または全部に用いることもでき
る。

以上の実施例では、光導波路チップを金属ケースに収
容し、別の金属ホルダに収容された光ファイバと接続す
る実装例を示したが、本発明の特徴はこのような光導波
路・光ファイバ接続に限定されることなく、光導波路・
受発光素子間の接続や光導波路間の接続も含めて、光導
波路に機械的な外部応力を印加せざるを得ない一般的な
場合にも活かされる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明では、光導波路コア部と
同時にその近傍に外部応力を受け止めるテラス部をクラ
ッド層で埋め込むことにより、ケーシング等の実装工程
により外部応力が光導波路に及ぶことを避けることがで
き、導波型光部品を安定かつ再現性よく製造するうえ
に、極めて効果的である。テラス部の形成はコア部の形
成と同時に実行でき、１枚のマスクパターン上にコア部
とテラス部の形状を描いておけるので、マスクパターン
合わせや、別工程などを必要としないプロセスにおける
利点も見逃せない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の埋め込み型石英系光導波路の実施例を
示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は第１図（ａ）のＢ−
Ｂ′における断面拡大図、 第２図は本発明の光導波路を用いた導波型光部品の組立
例の説明図であり、（ａ）は断面を含む斜視図、（ｂ）
は断面拡大図、 第３図（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は本発
明の光導波路の製造工程例の説明図、 第４図は従来の埋め込み型石英系光導波路の構造を説明
し、（ａ）は平面図、（ｂ）は第４図（ａ）のＡ−Ａ′
における断面拡大図である。 １…シリコン基板 ２…石英系ガラスバッファ層 2a…バッファ用ガラス微粒子層 ３…石英系ガラスクラッド層 3a…クラッド用ガラス微粒子層 ４…凸部 ５…テラス部 ６…テラス上部の台形状部 10…石英系ガラスコア層 10a…コア用ガラス微粒子層 11a,11b,12a,12b,13a,13b,14a,14b,15a,15b,16a,16b,17
a,17b,18a,18b…石英系ガラス光導波路コア部 21,22,23,24,25,26,27,28…方向性結合器の結合部 30…光導波路チップ 31…金属ケース 32…金属製ふた 33…金属製光ファイバホルダ 34a,34b…入出力光ファイバ 35,36…スポット溶接部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮 哲雄 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (72)発明者 鈴木 扇太 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 昭57−185405（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−97907（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02B 6/12

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板と、 該基板上に形成された石英系ガラスからなり、光伝搬作
   用をするコア部および該コア部と光結合が生じない位置
   に配置されたテラス部と、 前記コア部およびテラス部を埋め込む石英系ガラスクラ
   ッド層とからなる埋め込み型石英系光導波路であって、 前記テラス部の真上の前記石英系ガラスクラッド層の上
   面の前記基板からの高さが、前記コア部の真上の前記石
   英系ガラスクラッド層の上面の前記基板からの高さより
   高くなるように、前記テラス部の幅が前記コア部の幅よ
   り幅広になっていることを特徴とする埋め込み型石英系
   光導波路。
2. 【請求項２】前記コア部およびテラス部が前記基板上に
   堆積された石英系ガラスバッファ層の上に形成されてい
   ることを特徴とする請求項１に記載の埋め込み型石英系
   光導波路。
3. 【請求項３】基板上に少なくともコア層を含む石英系ガ
   ラス光導波膜を形成する工程と、前記コア層の不要部分
   をエッチングにより除去して光伝搬作用をするコア部を
   形成するとともに、前記コア層の前記コア部以外で、か
   つ前記コア部と光結合を生じない部分をテラス部とし
   て、該テラス部を覆うクラッド層の厚さが前記コア部を
   覆うクラッド層の厚さより厚くなるように、該テラス部
   の幅を前記コア部の幅より幅広に残す工程と、石英系ガ
   ラス微粒子層を堆積した後加熱して透明化することによ
   り前記コア部およびテラス部を同時に埋め込み石英系ガ
   ラスクラッド層を形成する工程とからなることを特徴と
   する埋め込み型石英系光導波路の製造方法。
4. 【請求項４】前記石英系ガラス光導波膜を形成する工程
   では、基板上に石英系ガラスバッファ層を堆積し、その
   上にコア層を形成することを特徴とする請求項３に記載
   の埋め込み型石英系光導波路の製造方法。