JP2953173B2 - Optical waveguide - Google Patents

Optical waveguide

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JP2953173B2
JP2953173B2 JP3992792A JP3992792A JP2953173B2 JP 2953173 B2 JP2953173 B2 JP 2953173B2 JP 3992792 A JP3992792 A JP 3992792A JP 3992792 A JP3992792 A JP 3992792A JP 2953173 B2 JP2953173 B2 JP 2953173B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[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。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical waveguide having a large difference in refractive index between a core and a clad.
The present invention relates to an SiONH-based additive containing a refractive index control additive.

【0002】[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。
2. Description of the Related Art With the development of optical fiber communication, optical devices are required to have high productivity, high reliability, no adjustment of coupling, automatic assembly, low loss, and the like. In order to solve the problem, attention has been paid to a waveguide type optical device.

【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)。
[0003] Among the optical waveguides, a silica glass optical waveguide is particularly promising as a future optical waveguide because of its low loss and very small connection loss with an optical fiber. Conventionally, a flame deposition method shown in FIG. 11 has been known as a method for manufacturing a silica glass optical waveguide. This is because (A) a porous film for a buffer 24a made of quartz glass on a silicon substrate 21 and a porous film for a core made of quartz glass containing a refractive index control additive (Ti or Ge, etc.) on the film. 22B are formed, and (B) a planar optical waveguide film having a buffer layer 24 and a core layer 22b is formed by heating and making them transparent. (C) and (D) A three-dimensional optical waveguide having a convex or rectangular core layer 22 is formed by patterning by a dry etching process using a mask 25. (E) This is realized by forming a clad porous film 23a made of quartz glass on the three-dimensional optical waveguide and (F) forming the clad layer 23 by heating and transparency (Miyashita: Optical waveguide technology). 1. Recent optical waveguide technology, O plus E No.78 pp.59-67).

【0004】[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。
However, as shown in FIG.
The method for manufacturing the silica-based glass optical waveguide of No. 1 has the following problems.

【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。
(1) When a core glass film having a high refractive index containing a refractive index control additive is formed on a buffer layer in order to manufacture a glass waveguide having a large refractive index difference between a core and a clad, Since the entire structure is warped due to the difference in the coefficient of thermal expansion, and the amount of warpage is a large value far exceeding 10 μm, it is difficult to pattern an optical circuit with high dimensional accuracy. At this point, there is a limit in increasing the refractive index difference.

【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。
(2) Except for the reason (1), it has been found that there is a limit to the difference in the refractive index between the core and the clad. In other words, even when a porous film for a core having a high refractive index is deposited, the additive for controlling the refractive index is volatilized in the sintering process of FIG. Difficult, at most not exceeding 1.47. Therefore, the relative refractive index difference is limited to at most about 1%.

【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。
(3) When the core layer containing a large amount of the additive for controlling the refractive index is patterned by a dry etching process as shown in FIG.
Due to the difference in the etching rate between iO 2 and the above-mentioned additive, the etching side surface is roughened in an uneven shape, which increases scattering loss.

【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。
(4) In order to form a transparent and dense film,
Since the sintering process is performed twice (FIGS. 11B and 11F), it takes a long time to manufacture and a utility cost such as an electricity bill, a gas bill, and a water bill, so that it is difficult to reduce the cost.

【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。
(5) In the porous film forming process shown in FIGS. 11A and 11E, OH groups are mixed in the film, and the loss of the optical waveguide increases due to absorption loss due to the OH group.

【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。
(6) As shown in FIG. 12, the refractive index is 1.4.
When trying to form a high core film of 6 or more, Ti, G
e, Al, P, and other additives for controlling the refractive index must be added in an amount of 10 mol% or more (A). However, the coefficient of thermal expansion changes greatly with that (B). Therefore, the substrate is warped when the core film is formed, which leads to the problem described in (1).

【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。
An object of the present invention is to solve the above-mentioned drawbacks of the prior art by finding an optimum core material. Even if the refractive index difference between the core and the clad is increased, the warpage is small.
An optical waveguide type circuit with high dimensional accuracy can be realized at ultra-small size and low cost, and a low-loss optical waveguide with very little OH group contamination.
To provide a wave path .

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、屈折率
がnw の凸状のコアの外周を屈折率がncp(ncp
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 y 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SiOx y 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。
SUMMARY OF THE INVENTION The gist of the present invention is that the outer circumference of a convex core having a refractive index of n w has a refractive index of n cp (n cp <
in the optical waveguide covered with a cladding of n w), the optical guide
Waveguides, thermal expansion coefficient form a larger substrate than SiO 2
Made, the core is, SiO x N y H z ( x, y> 0, z
> 0 real number)
10 mol% or less of P, Ge, and Al for matching
Or the inclusion of a refractive index control additive such as Ti.
You. Covering the outer periphery of the core with the clad includes the case where the core is partially covered in addition to the entire core. Most of the refractive index of the core is controlled by the content of N, and the content of additives for controlling the refractive index such as Ge and P is slightly suppressed to 10 mol% or less. As a result, an optical waveguide can be realized without significantly changing physical characteristics such as a coefficient of thermal expansion and a softening temperature of a core with respect to a clad or a substrate. Further, by slightly adding a refractive index control additive such as Ge or P to SiO x N y H z serving as the core material, the material and the refractive index of the clad layer and the substrate can be freely selected.

【0013】[0013]

【作用】本発明の光導波路は、コアにSiOx y 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SiOx y
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。
[Action] The optical waveguide of the present invention, SiO x N y H z in the core
Is used as a main component, so that the high refractive index ratio can be easily controlled by the N content. This SiO x N y
The reason why the conventional refractive index control additives such as P and Ge are contained in H z at 10 mol% or less is mainly to match the thermal expansion coefficient with the cladding and the substrate. That is, when Si or borosilicate glass is used as the substrate, or glass containing additives such as B, P, F, and Ge in SiO 2 is used, their thermal expansion coefficients are larger than those of SiO 2. Become. For that purpose, the thermal expansion coefficients of the clad and the core need to be close to that.

【0014】SiOx y 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SiOx y 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。
Since the SiO x N y H z film has a thermal expansion coefficient close to that of SiO 2 , as described above, a small amount of an additive such as P or Ge is contained so as to approach the substrate. is there. Then, since there is almost no difference in the coefficient of thermal expansion, it is easy to pattern an optical circuit with small warpage and high dimensional accuracy. Further, since the warpage is small, a waveguide type optical circuit having extremely little polarization dependence can be realized. Further, in the SiO x N y H z film, the refractive index of the core can be controlled from 1.458 to nearly 1.60 by adjusting the N content. It is sufficient that the refractive index controlling additive is used not for controlling the refractive index of the core but for controlling the coefficient of thermal expansion in a small amount as described above.

【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
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。
Moreover, the method for manufacturing an optical waveguide of the present invention can form a transparent and dense core film by a plasma CVD method, so that a conventional sintering process is not required and a high refractive index value is maintained. can do. In addition, the conventional refractive index controlling additives such as Ge and P are used in a very small amount as compared with the conventional ones. Therefore, even if patterning is performed by a dry etching process, the etching rate between SiO 2 and the above-mentioned additives is reduced. The roughness of the etched side surface due to the difference is reduced, and the resulting increase in scattering loss is also suppressed. Furthermore, since the relative refractive index difference can be increased to twice or more (up to about 8%) as compared with the related art,
Various waveguide type optical circuits (for example, Mach-Zehnder type optical filters) can be miniaturized to a small area of one digit or less. As a result, optical circuit loss is significantly reduced, and a large amount of optical circuits can be formed from one wafer substrate, so that significant cost reduction can be expected.

【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。
As the substrate, inexpensive borosilicate glass (for example, 7059 glass, 77
40 glass), lead glass, Si, or the like can be used, so that further cost reduction of the optical circuit can be expected. In addition, the sintering process is not required, which reduces manufacturing time and utility costs (electricity, gas,
Water usage fees) can be reduced, and costs can be reduced.

【0017】なお、本発明で用いるGe,Pなどを含有
したSiOx y 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
4 、N2 O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。
It should be noted that a suitable film can be obtained as the SiO x N y H z film containing Ge, P and the like used in the present invention by forming it by a plasma CVD method. That is, the substrate is heated to 100 to 350 ° C. in a plasma atmosphere,
In this plasma atmosphere, for example, SiH 4 , Ge
H 4 , N 2 O and N 2 gas are fed to form a film. It is important that the resulting film contains N and H in addition to SiO 2 , and the refractive index can be controlled by adjusting the N content as described above. That is, the higher the N content, the higher the refractive index can be.

【0018】成膜した膜はSiOx y 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
Six y に近い物性となるので好ましくない。
The formed film is SiO x N y H z ,
x decreases as y and z increase. The lower the refractive index,
x approaches 2 and y decreases. Conversely, the higher the refractive index, the more y
Increase, and x becomes smaller than 2. H is low temperature plasma C
It is contained because it is formed by the VD method, and decreases as the refractive index increases, and increases as the refractive index decreases, but the content is in the range of 0.001% by weight to several% by weight. The H content increases as the film is formed in a low-temperature plasma atmosphere, and decreases as the temperature increases. Therefore, the refractive index can be controlled by adjusting the contents of N and H. Therefore, the refractive index of the core including a refractive index controlling additive such as Ge or P suitable for realizing the high refractive index difference, low polarization dependence, low loss, ultra-small, ultra-low cost optical waveguide of the present invention. The rate range is from 1.46 to 1.61. When the refractive index of the core is 1.46 or less, the refractive index is about the same as the refractive index of the clad, and since it does not form a waveguide structure, it cannot be used. Also, undesirably becomes close physical properties to Si x N y too contains the N exceeds 1.61.

【0019】[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nw 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
SiOx y 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。
FIG. 7 is a schematic view of a plasma CVD apparatus used in an embodiment of the present invention. This is an apparatus for forming a P x -containing SiO x N y H z film by a plasma CVD method on a substrate having a refractive index lower than n w or on a cladding layer formed on the substrate. is there. A shower electrode 6 and a lower electrode 7 serving as two parallel plate electrodes are provided in an upper part and a lower part in the plasma CVD apparatus 5, and a high-frequency voltage is applied between these electrodes 6 and 7 from a high-frequency power supply 12. Then, the inside of the device 5 is evacuated to a vacuum by the exhaust device 14.

【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
3 、N2 O、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SiOx y 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。
The substrate 1 is disposed on the lower electrode 7, and is heated to a temperature of several hundred degrees by applying a voltage 11 to the heater 10 under the electrode 7. The upper shower electrode 6 is provided with a gas (SiH 4 , P
H 3 , N 2 O and, if necessary, N 2 may be introduced. ) Is uniformly ejected between the parallel plate electrodes, so that it has a shower structure in which the inside is hollow and a large number of holes are formed in the electrode facing surface. The shower electrode 6 is insulated from the plasma CVD device 5 by an insulator 13. With such an apparatus configuration, the SiO x N y H z film containing P is formed under reduced pressure. In FIG. 7, the upper shower electrode 6 and the lower electrode 7 may be mounted opposite to each other, and a film may be formed by blowing gas from below to above.

【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N2 O/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SiOx y z が、Si
x 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SiOx y 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。
Here, specific examples of the film forming conditions for realizing the above-described high refractive index will be described. FIG. 8 shows N 2 O / S
It shows the relationship between the iH 4 ratio and the refractive index (value at a wavelength of 0.63 μm). In the same figure, the mark ○ indicates the refractive index characteristic when P is not contained, the mark X indicates the refractive index characteristic when P is contained at 4 mol%, and the mark ● indicates the refractive index characteristic when P is contained at 8 mol%. In the case where P is not contained, the refractive index can be changed over a wide range from 1.46 to 1.68, indicating that the relative refractive index difference Δ can be increased to about 8%. However, when the refractive index is 1.
If it exceeds 61, the main material SiO x N y H z
Since the close physical properties to x N y, it is not preferable for the optical waveguide of the present invention. Although not become little higher refractive index by slightly containing P, which is the refractive index itself means that determined dominant by SiO x N y H z. That is, P acts to adjust physical properties such as thermal expansion coefficient and softening temperature, and to reduce the H content.

【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。
FIG. 9 shows the refractive index characteristics when Ge is contained instead of P. In the case of Ge, the refractive index can be slightly increased by making it slightly contained like P. This Ge also has the effect of reducing the H content in addition to adjusting the thermal expansion coefficient, the softening temperature, and the like, and as a result, low loss can be expected. P, G
When e is contained, an effect is expected that the excitation efficiency can be improved when a laser, amplifier, or sensor is realized by adding a rare earth element such as erbium into the core and exciting with excitation light. it can.

【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ncp1 の第1クラッド31を形成
し、その上に屈折率がnw (nw >ncp1 )の凸状のコ
ア2を形成し、コア2の表面を屈折率がncp2 (ncp2
<nw )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SiOx y
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
(ncp1 ,ncp2 <nw )、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。
FIGS. 1 to 6 show sectional views of various optical waveguides according to the present embodiment. FIG. 1 shows an optical waveguide structure in which the cladding 3 has a different refractive index. That is, a Si substrate 1, the refractive index to form a first clad 31 of n cp1, refractive index to form a n w (n w> n cp1 ) convex core 2 thereon thereon , The refractive index of the surface of the core 2 is n cp2 (n cp2
<N w ) is a structure covered with the second cladding 32. The core 2 is made of SiO x N y H containing P (or Ge).
z and the first and second claddings 31 and 32 are made of Si.
In order to improve the adhesiveness between the core 2 and the substrate 1 by adjusting the coefficient of thermal expansion between the substrate 1 and the core 2 and adjusting the refractive index (n cp1 , n cp2 <n w ) and further reducing the softening temperature. and it is used (SiO 2 containing either a or P or B) SiO 2 containing the B. First clad 31
Is selected from the range of 5 μm to several tens μm, but a thicker film is preferable in terms of reducing loss. The thickness of the second cladding 32 is also selected from the range of several μm to several tens μm, and it is preferable that the thickness is also large in order to reduce the loss. The thickness and width of the core 2 are in the range of several μm to ten and several μm for single mode transmission,
In case of multi-mode transmission, 10 to several tens μm
Is selected from the range.

【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
2 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。
FIG. 2 shows a borosilicate glass substrate 1
This is an optical waveguide structure aimed at reducing costs. FIG. 3 shows an optical waveguide structure in which not only the refractive index of the first clad 31 and the material of the second clad 32 but also the material are different, although the substrate is a Si substrate. That is, the first clad 31 has no added Si
Using O 2 and S containing P and B in the second cladding 32
SiO 2 (or SiO containing either P or B)
2 ). FIG. 4 shows an optical waveguide structure using a quartz glass (for example, SiO 2 containing at least one kind of additive for controlling the refractive index such as B, F, P) for the substrate 1. Claddings 31 and 32
Also, an SiO 2 film containing at least one kind of additive for controlling the refractive index, for example, B, is used.

【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。
FIG. 5 shows that the cost is reduced by using borosilicate glass for the substrate 1. The first clad 31 and the core 2 contain B and P, which are additives for refractive index for adjusting the coefficient of thermal expansion, respectively. ing. No SiO added to the second cladding 32
The reason why 2 is used is that the second clad 32 is formed by CVD at a low temperature after the pattern of the convex core 2 is formed.
This is because warpage when forming the clad 32 does not pose a particular problem in pattern processing. FIG. 6 shows an embodiment of a ridge type optical waveguide structure having a clad single layer structure in which a quartz glass is used for the substrate 1 and the thickness of the clad 3 is reduced. The clad 3 may be made of SiO 2 containing at least one additive for controlling the refractive index.
Only 2 is acceptable. That is, since the clad 3 is coated by the low-temperature CVD method after processing the pattern of the convex core 2, the warpage generated at the time of this coating is small, and even if it occurs, it is a value that does not cause much problem. is there.

【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SiOx y 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、SiOx y z
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。
The amount of warpage of the substrate is shown in FIG. 3 on the surface of the first clad 31 on the Si substrate 1 having a diameter of 3 inches, and the SiO x N y H z film containing P and Ge shown in FIGS. 8
As a result of measuring the amount of warpage with the formation of μm, the amount of warpage was 5
μm or less. Incidentally The upper limit of the conventional relative refractive index difference delta is less than 1% (see Fig. 8), delta is the conventional warp amount in the range of 10 number μm of 40 number μm in the case of 0.34%, delta Is larger than that, the amount of warpage tends to further increase. As described above, at least one kind of P, Ge, or the like is contained in SiO x N y H z, and by adjusting the content thereof, an optical waveguide having less warpage and a high relative refractive index difference can be realized.

【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)。
FIG. 10 shows an embodiment of a method for manufacturing an optical waveguide according to the present invention. First, the first cladding film 131 on the substrate 11
The formation is performed (A). The first clad film 131 is formed by a low pressure CV method in addition to the plasma CVD method illustrated in FIG.
It can be performed by a D method, a normal pressure CVD method, a sputtering method, or the like. Next, a core film 12a is formed on the first clad film 131 by the plasma CVD method of FIG. 7 (B). Thereafter, a mask metal film (for example, WSi) 1 is formed on the core film 12a by a sputtering method.
After forming 4, the metal film is patterned by photolithography and dry etching processes (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。
Then, using the metal mask as a mask, the core film 12a is patterned into a convex shape by photolithography and dry etching processes (D). Thereafter, the upper metal film is removed by dry etching (E). Next, the second cladding film 132 is formed by plasma CVD.
The surface of the core 12 formed by the method and having a convex pattern is covered (F). Thereafter, there are two methods as a process. One is a method of skipping (G) and proceeding to (H), and cutting and polishing the end face of the substrate to obtain an optical waveguide device 16, and the other is a method of forming a core and a clad as shown in (G). This is a method of performing a heat treatment in an inert gas atmosphere or a reducing atmosphere at a temperature lower than the softening temperature (800 to 1200 ° C.), and then cutting and polishing.

【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。
In the above process, the second clad film 13 is formed.
2 is a plasma CVD method in which a certain film thickness is formed, and then a glass film is added by another film forming method (normal pressure or reduced pressure CVD method, flame deposition method, sprinkling method, etc.). Is also good.

【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SiOx y 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。
The etching roughness on the side surface of the core was compared with the conventional SiO 2 glass containing 13 mol% of Ge and the SiO x N y H z glass containing 2 mol% of Ge of the present example. Although the etched side roughness was large irregularities of about 300 to 400 °,
In the case of this embodiment, the unevenness was 200 ° or less. From this, it was found that the present invention can realize an optical waveguide having a lower scattering loss.

【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(OC2 5 4 ,PO
(OC2 5 3 ,Ge(OC2 5 4 ,B(OC2
5 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N2 Oの代わりにNH3 を用いてもよい。
The present invention is not limited to the above embodiment. First, metal alkoxide vapors (for example, Si (OCH 3 ) 4 , Si (OC 2 H 5 ) 4 , PO
(OC 2 H 5 ) 3 , Ge (OC 2 H 5 ) 4 , B (OC 2
H 5) 3, etc.) may be used. The vapor of the metal alkoxide and the hydride gas may be mixed and used. Further, NH 3 may be used instead of N 2 O.

【0032】[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。
As described above, according to the present invention, the following effects are exhibited.

【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SiOxy 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。
(1) SiO x N y H z whose refractive index can be set to a wide range and a high value is used as a main component of the core, and Ge or P is contained for adjusting a thermal expansion coefficient with a clad or a substrate. As a result, a high-refractive index difference, low polarization dependence, low loss, and ultra-miniaturized optical waveguide can be realized for various substrates.

【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。
(2) G used for adjusting the coefficient of thermal expansion
Since the contents of e, P and the like are as small as 10 mol% or less, it is possible to minimize the etching roughness when etching the convex pattern of the core.

【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。
(3) A low-cost substrate can be used, and further cost reduction can be realized. Also,
Since the substrate can be selected according to the purpose of use and use, a more general-purpose optical waveguide circuit can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【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。
FIG. 1 is a cross-sectional view of an optical waveguide using Si for a substrate and having different cladding refractive indexes according to an embodiment of the present invention.

【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。
FIG. 2 is a sectional view of an optical waveguide using borosilicate glass for a substrate according to an embodiment of the present invention.

【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。
FIG. 3 is a cross-sectional view of an optical waveguide using Si for a substrate and having different cladding refractive indices and materials according to an embodiment of the present invention.

【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。
FIG. 4 is a cross-sectional view of an optical waveguide using quartz-based glass for a substrate according to an embodiment of the present invention.

【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。
FIG. 5 is a cross-sectional view of an optical waveguide that uses borosilicate glass for a substrate according to an embodiment of the present invention and has different cladding refractive indexes and materials.

【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。
FIG. 6 is a cross-sectional view of a ridge-type optical waveguide using quartz glass for a substrate according to an embodiment of the present invention.

【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。
FIG. 7 is a schematic view showing an embodiment of a plasma CVD apparatus for forming a core film according to the present invention.

【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。
FIG. 8 is a refractive index characteristic diagram of a P-doped core film according to an embodiment of the present invention.

【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。
FIG. 9 is a refractive index characteristic diagram of a Ge-doped core film according to an embodiment of the present invention.

【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。
FIG. 10 is a schematic process diagram showing a method for manufacturing an optical waveguide according to an embodiment of the present invention.

【図11】従来の光導波路の製造方法を示す概略工程
図。
FIG. 11 is a schematic process diagram showing a conventional method for manufacturing an optical waveguide.

【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。
FIG. 12 shows a conventional S containing various refractive index controlling additives.
refractive index characteristic diagram and thermal expansion coefficient characteristic diagram of iO 2.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 Si基板 2 コア 3 クラッド 31 第1クラッド 32 第2クラッド DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Si substrate 2 Core 3 Cladding 31 First cladding 32 Second cladding

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 Continuation of the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) G02B 6/12

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】屈折率がnw の凸状のコアの外周を屈折率
cp(ncp<nw )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 y
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。
(1) the refractive index is nwThe outer circumference of the convex core of
ncp(Ncp<Nw) Optical waveguide covered with cladding
hand,The optical waveguide has a thermal expansion coefficient of SiO. Two Larger than
And the core is made of SiO 2 x N y H
z (Real number of x, y> 0, z> 0)
Of 10 mol% or less so as to match the coefficient of thermal expansion with
Or contains an additive for controlling the refractive index such as Ge.thing
An optical waveguide characterized by the above.
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