JP2953173B2

JP2953173B2 - 光導波路

Info

Publication number: JP2953173B2
Application number: JP3992792A
Authority: JP
Inventors: 克之井本
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1992-02-27
Filing date: 1992-02-27
Publication date: 1999-09-27
Anticipated expiration: 2014-09-27
Also published as: JPH05241035A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はコアとクラッドとの屈折
率差の大きい光導波路に係り、特に光導波路のコアを、
屈折率制御用添加物を含有させたＳｉＯＮＨ系で構成し
たものに関する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバ通信の進展にともない、光デ
バイスには大量生産性、高信頼性、結合の無調整
化、自動組立、低損失化等が要求されるようにな
り、これらの課題も解決するために導波路型の光デバイ
スが注目されるようになってきた。

【０００３】光導波路の中で、特に石英系ガラス光導波
路は、低損失で、光ファイバとの接続損失も非常に小さ
いため、将来の光導波路として有望視されている。従
来、石英系ガラス光導波路の製造方法として、図１１に
示す火炎堆積法が知られている。これは、（Ａ）シリコ
ン基板２１上へ石英ガラスからなるバッファ用多孔質膜
２４ａ及びその膜上に屈折率制御用添加物（Ｔｉあるい
はＧｅ等）を含んだ石英ガラスからなるコア用多孔質膜
２２ａを形成し、（Ｂ）それらの加熱透明化によりバッ
ファ層２４及びコア層２２ｂをもつ平面光導波路膜を形
成する。（Ｃ）及び（Ｄ）マスク２５を用いたドライエ
ッチングプロセスによるパターン化によって凸状ないし
矩形状のコア層２２を有する３次元光導波路を形成す
る。（Ｅ）この３次元光導波路上に石英ガラスからなる
クラッド用多孔質膜２３ａを形成し、（Ｆ）その加熱透
明化によりクラッド層２３を形成することによって実現
されている（宮下：光導波路技術、１．最近の光導波路
技術、O plus E No.78 pp.59−67）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した図１
１の石英系ガラス光導波路の製造方法には次のような問
題点があった。

【０００５】（１）コアとクラッドとの屈折率差の大き
いガラス導波路を製造するために屈折率制御用添加物を
含んだ屈折率の高いコアガラス膜をバッファ層の上に形
成すると、基板全体が熱膨張係数の違いによって反りを
生じ、その反り量が１０μｍをはるかに超える大きな値
となるので、高寸法精度の光回路をパターニングするこ
とがむずかしい。この点で屈折率差を大きくするには限
界があった。

【０００６】（２）また、上記（１）の理由以外に、コ
アとクラッドとの屈折率差に限界があることがわかっ
た。すなわち、屈折率の高いコア用多孔質膜を堆積させ
ても、図１１（Ｂ）の焼結プロセスで屈折率制御用添加
物が揮散してしまい、屈折率の高いコア層を実現するこ
とがむずかしく、最大でも１．４７を超えることはなか
った。そのため、比屈折率差はたかだか１％程度が限界
であった。

【０００７】（３）屈折率制御用添加物を多く含んだコ
ア層を図１１（Ｄ）に示すように、ドライエッチングプ
ロセスによりパターニングすると、コア層を構成するＳ
ｉＯ₂と上記添加物とのエッチング速度の違いによって
エッチング側面が凹凸状に荒れ、それが原因で散乱損失
を増大させる。

【０００８】（４）透明で緻密な膜を形成するために、
焼結プロセスが２回（図１１（Ｂ）及び（Ｆ））もあ
り、そのため製造時間がかかり、電気代、ガス代、水道
代などのユーティリティコストもかかるため、低コスト
化がむずかしい。

【０００９】（５）図１１（Ａ）及び（Ｅ）の多孔質膜
形成プロセスでは膜中にＯＨ基が混入し、これによる吸
収損失によって光導波路の損失が増える。

【００１０】（６）図１２に示すように、屈折率１．４
６以上の高いコア膜を形成させようとすると、Ｔｉ、Ｇ
ｅ、Ａｌ、Ｐなどの屈折率制御用添加物を１０モル％以
上も添加させなければならない（Ａ）。しかし、それに
つれて熱膨張係数が大きく変化してくる（Ｂ）。そのた
め、コア膜形成時に基板が反りを生じ、（１）に述べた
ような問題点につながる。

【００１１】本発明の目的は、最適なコア材質を見出す
ことによって、前記した従来技術の欠点を解消し、コア
とクラッドとの屈折率差を大きくしても反りが小さく、
高寸法精度の光導波路型回路を超小型、低コストで実現
でき、かつＯＨ基の混入量が極めて少ない低損失の光導
波路を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、屈折率
がｎ_wの凸状のコアの外周を屈折率がｎ_cp（ｎ_cp＜
ｎ_w）のクラッドで覆った光導波路において、上記光導
波路は、熱膨張係数がＳｉＯ ₂ よりも大きい基板上に形
成され、上記コアは、ＳｉＯ _x Ｎ _y Ｈ _z （x,y ＞０，z
＞０の実数）の材質からなり上記基板との熱膨張係数の
整合をとるように１０モル％以下のＰ、Ｇｅ、Ａｌある
いはＴｉなどの屈折率制御用添加物を含有することにあ
る。コアの外周をクラッドで覆うことは、コアの全部が
覆われる他に一部が覆われる場合も含まれる。コアの屈
折率の大部分をＮの含有量で制御し、Ｇｅ，Ｐなどの屈
折率制御用添加物の含有量は１０モル％以下のわずかに
抑えてある。その結果、クラッドや基板に対してコアの
熱膨張係数、軟化温度等の物理的特性を大幅に変化させ
ることなく光導波路を実現することができる。また、コ
ア材となるＳｉＯ_xＮ_yＨ_zにわずかにＧｅ，Ｐなどの
屈折率制御用添加物を含有させることにより、クラッド
層、基板の材質および屈折率を自由に選ぶことができ
る。

【００１３】

【作用】本発明の光導波路は、コアにＳｉＯ_xＮ_yＨ_z
を主成分として用いるので、高屈折率比はＮの含有量に
よって容易に制御することができる。このＳｉＯ_xＮ_y
Ｈ_zにＰ，Ｇｅなど従来から用いている屈折率制御用添
加物を１０モル％以下にして含有させるのは、主にクラ
ッド、基板との熱膨張係数の整合を行わせるためであ
る。すなわち、基板としてＳｉ、あるいはホウケイ酸ガ
ラス、さらにはＳｉＯ₂にＢ，Ｐ，Ｆ，Ｇｅなどの添加
物を含有したガラスなどを用いた場合には、それらの熱
膨張係数はＳｉＯ₂よりも大きくなる。そのために、ク
ラッド、コアの熱膨張係数もそれに近づける必要があ
る。

【００１４】ＳｉＯ_xＮ_yＨ_z膜はＳｉＯ₂に近い熱膨
張係数を有しているので、上述のようにＰ，Ｇｅなどの
添加物を微量に含有させて基板に近づけるようにしたも
のである。そうすると熱膨張係数の違いがほとんどなく
なるので、反りが小さく、高寸法精度の光回路をパター
ニングすることが容易となる。また、反りが小さいから
偏波依存性の極めて少ない導波路型光回路を実現するこ
とができる。さらにＳｉＯ_xＮ_yＨ_z膜はＮの含有量を
調節することによって１．４５８から１．６０近くまで
コアの屈折率を制御することができるので、従来から用
いられているＧｅ，Ｐなどの屈折率制御用添加物は、コ
アの屈折率制御用としてではなく、上述したように熱膨
張係数の調節用として僅かな量だけ用いれば足りる。

【００１５】しかも本発明の光導波路の製造方法はプラ
ズマＣＶＤ法によって透明で緻密なコア膜を形成するこ
とができるので、従来のような焼結プロセスを必要とせ
ず、高屈折率値をそのまま保持することができる。また
従来用いていたＧｅ，Ｐなどの屈折率制御用添加物は従
来に比し、極めて微量にしか用いないので、ドライエッ
チングプロセスによりパターニングしても、ＳｉＯ₂と
上記添加物とのエッチング速度の違いによるエッチング
側面の凹凸状の荒れが小さくなり、それに起因する散乱
損失の増大も抑えられる。さらに、比屈折率差を従来よ
りも倍以上（最大８％程度）に大きくとれることから、
各種導波路型光回路（例えばマッハツェンダ型光フィル
タ）を１桁以下の小さい面積に小型化できる。その結
果、光回路損失も大幅に小さくなり、一枚のウェハ基板
から大量に光回路を作ることができるために大幅な低コ
スト化を期待できる。

【００１６】また基板として、安価なホウケイ酸ガラス
（例えば、コーニングガラス社の７０５９ガラス、７７
４０ガラス）、鉛ガラス、Ｓｉなどを用いることができ
るので、光回路の低コスト化をさらに期待することがで
きる。さらに焼結プロセスが不要となることから、製造
時間が短縮され、ユーティリティコスト（電気、ガス、
水道使用料など）も低減でき、低コスト化を図ることが
できる。

【００１７】なお、本発明で用いるＧｅ，Ｐなどを含有
したＳｉＯ_xＮ_yＨ_z膜は、プラズマＣＶＤ法で作ると
好適な膜を得ることができる。すなわち、プラズマ雰囲
気中に基板を１００〜３５０℃に範囲に加熱しておき、
このプラズマ雰囲気中に、例えば、ＳｉＨ₄、Ｇｅ
Ｈ₄、Ｎ₂Ｏ及びＮ₂ガスを送り込んで成膜する。得ら
れる膜はＳｉＯ₂以外にＮとＨが含まれていることが重
要であり、既述したようにＮの含有量を調節することに
より屈折率を制御することができる。つまり、Ｎの含有
量が多い程、屈折率は高くすることができる。

【００１８】成膜した膜はＳｉＯ_xＮ_yＨ_zであり、
ｙ，ｚの増大につれてｘは減少する。屈折率が低い程、
ｘは２に近づき、ｙが減少する。逆に屈折率が高い程ｙ
が増え、ｘは２よりも小さくなる。Ｈは低温プラズマＣ
ＶＤ法で成膜しているため含有され、屈折率が高い程減
少し、逆に屈折率が低い程増大するが、その含有量は
０．００１重量％から数重量％の範囲である。またこの
Ｈの含有量は、低温プラズマ雰囲気中で成膜する程多く
入り、高温になる程減少する。それゆえに、ＮとＨの含
有量を調節することにより、屈折率を制御することがで
きる。従って、本発明の高屈折率差、低偏波依存、低損
失、超小型、超低コスト光導波路を実現するのに好適な
Ｇｅ、Ｐなどの屈折率制御用添加物を含んだコアの屈折
率範囲は１．４６から１．６１の範囲である。なお、コ
アの屈折率が１．４６以下ではクラッドの屈折率と同じ
程度の値であり、これでは導波路構造にならないので使
用できない。また、１．６１を超えるとＮが入り過ぎて
Ｓｉ_xＮ_yに近い物性となるので好ましくない。

【００１９】

【実施例】図７に本発明の実施例に使用されるプラズマ
ＣＶＤ装置の概略図を示す。これは、屈折率がｎ_wより
も低い値をもつ基板上、あるいは基板上に形成されたク
ラッド層上に、プラズマＣＶＤ法によってＰを含有した
ＳｉＯ_xＮ_yＨ_zの膜を形成する装置である。プラズマ
ＣＶＤ装置５内には上部と下部に２つの平行平板電極と
なるシャワ電極６と下部電極７が設置され、これらの電
極６、７間に高周波電源１２から高周波電圧が印加され
ている。そしてこの装置５内は排気装置１４によって真
空に排気される。

【００２０】下部電極７上に基板１が配置され、その電
極７下にはヒータ１０に電圧１１を印加することによっ
て数百℃に加熱されている。上部シャワ電極６は図左に
示す矢印９１方向から送られてきたガス（ＳｉＨ₄、Ｐ
Ｈ₃、Ｎ₂Ｏ、及び必要に応じてＮ₂を導入してもよ
い。）を平行平板電極間に一様に噴出するために、内部
が中空で電極対向面に多数の孔の開いたシャワ構造とな
っている。またこのシャワ電極６は絶縁体１３によって
プラズマＣＶＤ装置５と絶縁されている。このような装
置構成で、Ｐを含有したＳｉＯ_xＮ_yＨ_z膜は減圧状態
の中で成膜される。なお、図７において、上部シャワ電
極６と下部電極７とは反対に取り付けられ、下方から上
方へガスを吹き付けて成膜するようにしてもよい。

【００２１】ここで、既述した高屈折率を実現するため
の成膜条件の具体例について述べる。図８はＮ₂Ｏ／Ｓ
ｉＨ₄比と屈折率（波長０．６３μｍでの値）との関係
を示したものである。同図において、○印はＰを含有さ
せない場合、×印はＰを４モル％含有させた場合、●印
はＰを８モル％含有させた場合の屈折率特性をそれぞれ
示したものである。Ｐを含有させない場合で屈折率は
１．４６〜１．６８というように、広い範囲にわたって
変えられ、比屈折率差Δを８％程度まで大きくとること
ができることを示している。ただし、上記屈折率で１．
６１を超えると主材料であるＳｉＯ_xＮ_yＨ_zが、Ｓｉ
_xＮ_yに近い物性となるので、本発明の光導波路用とし
ては好ましくない。また、Ｐをわずかに含有させること
によって屈折率はわずかしか高くなっていないが、これ
は屈折率自身はＳｉＯ_xＮ_yＨ_zによって支配的に決ま
ることを意味している。すなわち、Ｐは熱膨張係数、軟
化温度等の物理的特性の調節用として、またＨの含有量
の低減用として作用する。

【００２２】図９はＰの代わりにＧｅを含有させた場合
の屈折率特性を示したものである。Ｇｅの場合もＰと同
様にわずかに含有させることによって屈折率をわずかに
高くすることができる。このＧｅも熱膨張係数、軟化温
度等の調節用の他に、Ｈの含有量を低減させる効果をも
っており、結果的に低損失化を期待できる。またＰ、Ｇ
ｅを含有させておくと、コア内に例えばエルビウムなど
の希土類元素を添加して励起光で励起することによりレ
ーザ、増幅器、センサを実現する場合に励起効率を向上
させることができるという効果が期待できる。

【００２３】図１から図６に本実施例による種々の光導
波路の断面図を示す。図１はクラッド３の屈折率を異な
らせた光導波路構造である。即ち、基板１にＳｉを用
い、その上に屈折率がｎ_cp1の第１クラッド３１を形成
し、その上に屈折率がｎ_w（ｎ_w＞ｎ_cp1）の凸状のコ
ア２を形成し、コア２の表面を屈折率がｎ_cp2（ｎ_cp2
＜ｎ_w）の第２クラッド３２で被覆した構造である。コ
ア２にはＰ（あるいはＧｅ）を含有したＳｉＯ_xＮ_yＨ
_zを用い、第１及び第２クラッド３１及び３２にはＳｉ
基板１とコア２との熱膨張係数の整合と屈折率の調節
（ｎ_cp1，ｎ_cp2＜ｎ_w）、さらには軟化温度の低減に
よるコア２及び基板１との密着性を良くするためにＰ及
びＢを含有したＳｉＯ₂（あるいはＰ又はＢのいずれか
を含有したＳｉＯ₂）を用いてある。第１クラッド３１
の膜厚は５μｍ〜数十μｍの範囲から選ぶが、厚い方が
低損失化の上で好ましい。第２クラッド３２の膜厚も数
μｍ〜数十μｍの範囲から選ぶが、これも低損失化のた
めには厚い方が好ましい。コア２の厚みと幅はシングル
モード伝送用の場合には数μｍから１０数μｍの範囲、
マルチモード伝送用の場合には１０数μｍから数十μｍ
の範囲から選ばれる。

【００２４】図２は基板１にホウケイ酸ガラスを用い、
低コスト化をねらった光導波路構造である。図３は基板
はＳｉ基板であるが、第１クラッド３１と第２クラッド
３２との屈折率のみならず材質も異ならせた光導波路構
造である。すなわち、第１クラッド３１に無添加のＳｉ
Ｏ₂を用い、第２クラッド３２にＰ及びＢを含有したＳ
ｉＯ₂（あるいはＰ又はＢのいずれかを含有したＳｉＯ
₂）を用いたものである。図４は基板１に石英系ガラス
（例えば、Ｂ，Ｆ，Ｐなどの屈折率制御用添加物を少な
くとも１種含んだＳｉＯ₂）を用いた光導波路構造であ
り、熱膨張係数を調節するためにクラッド３１及び３２
にも屈折率制御用添加物を少なくとも１種、例えばＢを
含んだＳｉＯ₂膜が用いられる。

【００２５】図５は基板１にホウケイ酸ガラスを用いて
低コスト化を図り、第１クラッド３１及びコア２には熱
膨張係数調節用の屈折率用添加物であるＢ、Ｐがそれぞ
れ含有されている。第２クラッド３２に無添加のＳｉＯ
₂を用いたのは、凸状のコア２のパターンを形成後に第
２クラッド３２を低温でＣＶＤ法で成膜するので、第２
クラッド３２を成膜する際の反りがパターン加工上、特
に問題にならないからである。図６は基板１に石英系ガ
ラスを用い、クラッド３の膜厚を薄くしたクラッド単層
構造のリッジ型光導波路構造の実施例を示したものであ
る。このクラッド３の材質には屈折率制御用添加物を少
なくとも１種含んだＳｉＯ₂を用いてもよいが、ＳｉＯ
₂のみでもよい。すなわち、凸状のコア２のパターンを
加工後に低温ＣＶＤ法によってクラッド３を被覆するの
で、この被覆の際に発生する反りは小さく、かつ発生し
てもそれ程問題にならない位の値であるためである。

【００２６】なお、基板の反り量であるが、図３の直径
３インチのＳｉ基板１上の第１クラッド３１表面へ、図
８及び図９のＰ及びＧｅ含有のＳｉＯ_xＮ_yＨ_z膜を８
μｍ形成させて反り量を測定した結果、その反り量は５
μｍ以下であった。ちなみに従来の比屈折率差Δの上限
は１％以下であるが（図８参照）、Δが０．３４％の場
合の従来の反り量は１０数μｍから４０数μｍの範囲で
あり、Δをそれよりも大きくすると、さらに反り量が増
大する傾向にあった。このように、ＳｉＯ_xＮ_yＨ_zに
Ｐ，Ｇｅなどを少なくとも１種含有させ、その含有量を
調節することによって反りが少なく、高比屈折率差の光
導波路を実現することができる。

【００２７】図１０に本発明の光導波路の製造方法の実
施例を示す。まず基板１１上への第１クラッド膜１３１
形成をを行う（Ａ）。この第１クラッド膜１３１の形成
は、図７で例示したプラズマＣＶＤ法の他に、減圧ＣＶ
Ｄ法、常圧ＣＶＤ法、スパッタリング法などによって行
うことができる。次に、この第１クラッド膜１３１上
へ、図７のプラズマＣＶＤ法によってコア膜１２ａを成
膜する（Ｂ）。その後、このコア膜１２ａ上にスパッタ
リング法によりマスク用のメタル膜（例えばＷＳｉ）１
４を形成した後、このメタル膜をフォトリソグラフィ及
びドライエッチングプロセスによりパターニングする
（Ｃ）。

【００２８】そして、このメタルマスクをマスクにして
フォトリソグラフィ及びドライエッチングプロセスによ
り、コア膜１２ａを凸状にパターニングする（Ｄ）。そ
の後、上部のメタル膜をドライエッチングにより取り除
く（Ｅ）。次に第２クラッド膜１３２をプラズマＣＶＤ
法によって形成し、凸状パターンをしたコア１２の表面
を被覆する（Ｆ）。その後プロセスとして２通りの方法
がある。一つは（Ｇ）を飛ばして（Ｈ）に進み、基板の
面端面を切断、研磨し、光導波路素子１６とする方法で
あり、もう一つは（Ｇ）に示すようにコア及びクラッド
の軟化温度よりも低い温度（８００〜１２００℃）で不
活性ガス雰囲気あるいは還元性雰囲気で熱処理を行った
後に切断、研磨する方法である。

【００２９】なお、上記プロセスで第２クラッド膜１３
２は、プラズマＣＶＤ法で、ある程度の膜厚を形成した
後に他の成膜方法（常圧あるいは減圧ＣＶＤ法、火炎堆
積法、スパックリング法など）でガラス膜を付加するよ
うに成膜してもよい。

【００３０】またコア側面のエッチング荒れについて従
来のＧｅを１３モル％含有したＳｉＯ₂ガラスと、本実
施例のＧｅを２モル％含有したＳｉＯ_xＮ_yＨ_zガラス
とを比較した結果、従来のものはエッチング側面荒れは
３００〜４００Å程度の大きな凹凸であったのに対し、
本実施例の場合には２００Å以下の凹凸であった。これ
からも本発明の方が散乱損失の低い光導波路を実現でき
ることがわかった。

【００３１】本発明は上記実施例に限定されない。まず
コア膜形成用ガスには金属アルコオキシドの蒸気（たと
えばＳｉ（ＯＣＨ₃）₄、Ｓｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₄，ＰＯ
（ＯＣ₂Ｈ₅）₃，Ｇｅ（ＯＣ₂Ｈ₅）₄，Ｂ（ＯＣ₂
Ｈ₅）₃、等）を用いてもよい。また上記金属アルコオ
キシドの蒸気と水素化物のガスを混合して用いてもよ
い。さらにＮ₂Ｏの代わりにＮＨ₃を用いてもよい。

【００３２】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば次のよ
うな効果を発揮する。

【００３３】（１）コアの主成分として屈折率を広範囲
にかつ高い値に設定できるＳｉＯ_xＮ_yＨ_zを用い、ク
ラッドや基板との熱膨張係数の調節用にＧｅやＰなどを
含有させるようにしたので、種々の基板に対して、高屈
折率差、低偏波依存性、低損失、超小型化光導波路を実
現することができる。

【００３４】（２）熱膨張係数の調節用として用いるＧ
ｅ、Ｐなどの含有量は１０モル％以下と微量であるの
で、コアの凸状パターンにエッチングする際のエッチン
グ荒れを最小限に抑えることができる。

【００３５】（３）低コストな基板の使用が可能とな
り、一層の低コスト化を実現することができる。また、
使用目的、用途に応じて基板を選択することができるの
で、より汎用的な光導波回路を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による基板にＳｉを使用しクラ
ッドの屈折率が異なる光導波路断面図。

【図２】本発明の実施例による基板にホウケイ酸ガラス
を使用した光導波路断面図。

【図３】本発明の実施例による基板にＳｉを使用しクラ
ッドの屈折率及び材質が異なる光導波路断面図。

【図４】本発明の実施例による基板に石英系ガラスを使
用した光導波路断面図。

【図５】本発明の実施例による基板にホウケイ酸ガラス
を使用し、クラッドの屈折率及び材質が異なる光導波路
断面図。

【図６】本発明の実施例による基板に石英系ガラスを使
用したリッジ形光導波路断面図。

【図７】本発明のコア膜形成のためのプラズマＣＶＤ装
置の実施例を示す概略図。

【図８】本発明の実施例によるＰドープのコア膜の屈折
率特性図。

【図９】本発明の実施例によるＧｅドープのコア膜の屈
折率特性図。

【図１０】本発明の実施例による光導波路の製造方法を
示す概略工程図。

【図１１】従来の光導波路の製造方法を示す概略工程
図。

【図１２】従来の各種屈折率制御用添加物を含有したＳ
ｉＯ₂の屈折率特性図及び熱膨張係数特性図。

【符号の説明】

１Ｓｉ基板２コア３クラッド３１第１クラッド３２第２クラッド

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02B 6/12

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】屈折率がｎ_wの凸状のコアの外周を屈折率
ｎ_cp（ｎ_cp＜ｎ_w）のクラッドで覆った光導波路におい
て、上記光導波路は、熱膨張係数がＳｉＯ ₂ よりも大き
い基板上に形成され、上記コアは、ＳｉＯ _x Ｎ _y Ｈ
_z （x,y ＞０，z ＞０の実数）の材質からなり上記基板
との熱膨張係数の整合をとるように１０モル％以下のＰ
あるいはＧｅなどの屈折率制御用添加物を含有すること
を特徴とする光導波路。