JP3203178B2 - 光導波路、光モジュール及び光システム - Google Patents
光導波路、光モジュール及び光システムInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光回路部品として
好適な平板状の光導波路及びこの光導波路を用いた光モ
ジュール並びに光システムに関する。
好適な平板状の光導波路及びこの光導波路を用いた光モ
ジュール並びに光システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、光加入者システム、光ＣＡＴＶ、
光海底ケーブルシステム、光情報処理システム等（以
下、これらを総称して本発明では「光システム」とい
う）の実現に向けた技術開発が活発に行われており、こ
れらの光システム構築には光スターカプラ、光合分波
器、光スイッチ、光変調器、波長無依存型カプラ等の光
回路部品及びこれらの光回路部品と半導体レーザやフォ
トダイオード等の光素子をアセンブルした光伝送モジュ
ールなどがキーデバイスとして不可欠である。
光海底ケーブルシステム、光情報処理システム等（以
下、これらを総称して本発明では「光システム」とい
う）の実現に向けた技術開発が活発に行われており、こ
れらの光システム構築には光スターカプラ、光合分波
器、光スイッチ、光変調器、波長無依存型カプラ等の光
回路部品及びこれらの光回路部品と半導体レーザやフォ
トダイオード等の光素子をアセンブルした光伝送モジュ
ールなどがキーデバイスとして不可欠である。
【０００３】光回路部品としては、光ファイバ型デバイ
ス、光導波路型デバイスがあるが、光導波路型デバイス
は光ファイバ型デバイスの複数の機能を集積化すること
ができ、また小型化、低コスト化と共に量産化が期待で
きる。
ス、光導波路型デバイスがあるが、光導波路型デバイス
は光ファイバ型デバイスの複数の機能を集積化すること
ができ、また小型化、低コスト化と共に量産化が期待で
きる。
【０００４】光導波路には、シリコン等の半導体基板を
基板としたもの、石英ガラス基板を使用したものがある
が、後者の石英ガラス基板を使用した光導波路は光ファ
イバとの融着接続が可能、偏光依存性損失が小さいとい
う点で有利である。
基板としたもの、石英ガラス基板を使用したものがある
が、後者の石英ガラス基板を使用した光導波路は光ファ
イバとの融着接続が可能、偏光依存性損失が小さいとい
う点で有利である。
【０００５】図４は石英ガラス基板を使用した光導波路
の構造の一例を示す断面図であり、４１は石英ガラス基
板、４２は石英ガラス基板４１上に形成された矩形状の
コア導波路、４３はコア導波路４２を覆うように石英ガ
ラス基板４１上に形成されたクラッドであり、コア導波
路４２の屈折率がクラッド４３の屈折率よりも高くなる
ように、コア導波路４２及びクラッド４３のそれぞれに
屈折率制御用のドーパントが添加されている。
の構造の一例を示す断面図であり、４１は石英ガラス基
板、４２は石英ガラス基板４１上に形成された矩形状の
コア導波路、４３はコア導波路４２を覆うように石英ガ
ラス基板４１上に形成されたクラッドであり、コア導波
路４２の屈折率がクラッド４３の屈折率よりも高くなる
ように、コア導波路４２及びクラッド４３のそれぞれに
屈折率制御用のドーパントが添加されている。
【０００６】図５は図４に示した光導波路の製造方法の
一例を示す説明図である。まず、直径３インチ、厚さ１
mm程度の石英ガラスウエハ５１を準備し、その上に電子
ビーム蒸着法により最終的にコア導波路となるドーパン
ト添加ＳｉＯ2 系ガラス膜５４を形成する（図５
（ａ））。次に、スパッタリング法により金属マスク５
５を形成し（図５（ｂ））、更にその上にフォトリソグ
ラフィによりフォトレジスト５６を形成する（図５
（ｃ））。次に、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）に
よりコア導波路５２をパターン化する（図５（ｄ））。
ここで、コア導波路５２の屈折率の安定化を図る目的で
１２００℃以上での高温熱処理を施しておく。次に火炎
堆積法により原料ガスを加水分解反応させてクラッドと
なるべき多孔質ＳｉＯ2 系ガラス膜５７を堆積させる
（図５（ｅ））。その後、１２００℃以上に加熱して多
孔質ガラス膜５７を焼結し、透明ガラス化したクラッド
５３を得る（図５（ｆ））。次に、各光導波路５８毎に
ブレード５９によりダイシングを行い（図５（ｇ））、
図４に示した光導波路を得る。
一例を示す説明図である。まず、直径３インチ、厚さ１
mm程度の石英ガラスウエハ５１を準備し、その上に電子
ビーム蒸着法により最終的にコア導波路となるドーパン
ト添加ＳｉＯ2 系ガラス膜５４を形成する（図５
（ａ））。次に、スパッタリング法により金属マスク５
５を形成し（図５（ｂ））、更にその上にフォトリソグ
ラフィによりフォトレジスト５６を形成する（図５
（ｃ））。次に、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）に
よりコア導波路５２をパターン化する（図５（ｄ））。
ここで、コア導波路５２の屈折率の安定化を図る目的で
１２００℃以上での高温熱処理を施しておく。次に火炎
堆積法により原料ガスを加水分解反応させてクラッドと
なるべき多孔質ＳｉＯ2 系ガラス膜５７を堆積させる
（図５（ｅ））。その後、１２００℃以上に加熱して多
孔質ガラス膜５７を焼結し、透明ガラス化したクラッド
５３を得る（図５（ｆ））。次に、各光導波路５８毎に
ブレード５９によりダイシングを行い（図５（ｇ））、
図４に示した光導波路を得る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】図５に示す製造方法に
より２入力×１６出力の導波路型光スターカプラを試作
し、この導波路型光スターカプラの１６個の出力側ポー
トに、ブロック表面に所定ピッチで形成されたＶ溝に光
ファイバの端部を固定した光ファイバアレイを接続した
ところ、その接続損失が極めて大きいものが数多く存在
し、歩留りが極めて悪いものであった。
より２入力×１６出力の導波路型光スターカプラを試作
し、この導波路型光スターカプラの１６個の出力側ポー
トに、ブロック表面に所定ピッチで形成されたＶ溝に光
ファイバの端部を固定した光ファイバアレイを接続した
ところ、その接続損失が極めて大きいものが数多く存在
し、歩留りが極めて悪いものであった。
【０００８】その原因について検討した結果、製造工程
中の高温熱処理によってコア導波路間ピッチが設計値に
対して大幅に収縮していただけでなく、ものによっては
パッケージへの実装が不可能になる等、ほとんどのもの
に反りが発生していたため、これらの変形がコア導波路
と光ファイバとの軸ずれを起こす要因となっていた。こ
れらの変形は、光導波路面内、石英ガラスウエハ面内及
びウエハ間でもかなりばらつきがあり、単純に収縮量、
反り量を見込んだ設計によって解決できるものではなか
った。
中の高温熱処理によってコア導波路間ピッチが設計値に
対して大幅に収縮していただけでなく、ものによっては
パッケージへの実装が不可能になる等、ほとんどのもの
に反りが発生していたため、これらの変形がコア導波路
と光ファイバとの軸ずれを起こす要因となっていた。こ
れらの変形は、光導波路面内、石英ガラスウエハ面内及
びウエハ間でもかなりばらつきがあり、単純に収縮量、
反り量を見込んだ設計によって解決できるものではなか
った。
【０００９】また、光導波路の変形は上記した光ファイ
バとの接続不良を引き起こすだけでなく、コア導波路の
長さによって特性が左右される光合分波器、波長無依存
型カプラ等の光回路にあっては、所望の光学特性が得ら
れないという問題があった。
バとの接続不良を引き起こすだけでなく、コア導波路の
長さによって特性が左右される光合分波器、波長無依存
型カプラ等の光回路にあっては、所望の光学特性が得ら
れないという問題があった。
【００１０】更に、上記の２入力×１６出力の導波路型
光スターカプラに限らず、従来の光導波路では、水酸基
の存在によるものと認められる波長１．３９μｍの光の
吸収損失が存在していた。この原因はコア導波路膜形成
条件に起因するものと考え、その形成条件について種々
検討してみたものの、波長１．３９μｍの光吸収損失を
なくすことができなかった。
光スターカプラに限らず、従来の光導波路では、水酸基
の存在によるものと認められる波長１．３９μｍの光の
吸収損失が存在していた。この原因はコア導波路膜形成
条件に起因するものと考え、その形成条件について種々
検討してみたものの、波長１．３９μｍの光吸収損失を
なくすことができなかった。
【００１１】本発明の目的は、上記した従来技術の課題
を解消し、軸ずれを起すことなく光ファイバと高精度に
接続することができ、しかも所望の光学特性を達成でき
ると共に波長１．３９μｍの光吸収損失を低減すること
のできる光導波路を提供することにある。
を解消し、軸ずれを起すことなく光ファイバと高精度に
接続することができ、しかも所望の光学特性を達成でき
ると共に波長１．３９μｍの光吸収損失を低減すること
のできる光導波路を提供することにある。
【００１２】また、本発明の他の目的は、光導波路と光
ファイバの高精度な接続を可能とすることにより、製造
歩留まりの向上及び低価格化を達成できる光モジュール
及び光学部品を提供すると共に、信頼性の高い光システ
ムを提供することにある。
ファイバの高精度な接続を可能とすることにより、製造
歩留まりの向上及び低価格化を達成できる光モジュール
及び光学部品を提供すると共に、信頼性の高い光システ
ムを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、石英ガラス基板の表面上にシリカ系ガラ
スからなるコア導波路が形成され、該コア導波路を覆う
ように前記石英ガラス基板の前記表面上に前記コア導波
路より低い屈折率を有するシリカ系ガラスからなるクラ
ッドが形成され、前記コア導波路の一端側に光ファイバ
が接続される光導波路において、前記石英ガラス基板
は、純粋ＳｉＯ2からなり、水酸基濃度が３００ppm以
下、１０14.5ポイズの粘度となる歪点温度が１０００℃
以上の無水合成石英ガラス基板を用いることにより、製
造工程中の高温熱処理による光導波路の収縮および反り
に基づく前記コア導波路と前記光ファイバとの間の軸ず
れが前記石英ガラス基板の前記表面に平行な方向で２μ
ｍ以下、前記表面に垂直な方向で０．８μｍ以下となる
ようにしたことを特徴とする光導波路を提供する。
に、本発明は、石英ガラス基板の表面上にシリカ系ガラ
スからなるコア導波路が形成され、該コア導波路を覆う
ように前記石英ガラス基板の前記表面上に前記コア導波
路より低い屈折率を有するシリカ系ガラスからなるクラ
ッドが形成され、前記コア導波路の一端側に光ファイバ
が接続される光導波路において、前記石英ガラス基板
は、純粋ＳｉＯ2からなり、水酸基濃度が３００ppm以
下、１０14.5ポイズの粘度となる歪点温度が１０００℃
以上の無水合成石英ガラス基板を用いることにより、製
造工程中の高温熱処理による光導波路の収縮および反り
に基づく前記コア導波路と前記光ファイバとの間の軸ず
れが前記石英ガラス基板の前記表面に平行な方向で２μ
ｍ以下、前記表面に垂直な方向で０．８μｍ以下となる
ようにしたことを特徴とする光導波路を提供する。
【００１４】本発明者らは、純粋ＳｉＯ2からなる合成
石英ガラス基板にあっては、水酸基濃度が低下いほど耐
熱性が高くなることを見出した。そこで水酸基を実質的
に含まない純粋ＳｉＯ2 からなる合成石英ガラス基板を
用いれば光導波路の収縮及び反りが極めて小さくなり、
光ファイバとの接続を高精度に行うことができると共
に、設計値通りの回路寸法のものが得られるため所望の
光学特性を達成できる。
石英ガラス基板にあっては、水酸基濃度が低下いほど耐
熱性が高くなることを見出した。そこで水酸基を実質的
に含まない純粋ＳｉＯ2 からなる合成石英ガラス基板を
用いれば光導波路の収縮及び反りが極めて小さくなり、
光ファイバとの接続を高精度に行うことができると共
に、設計値通りの回路寸法のものが得られるため所望の
光学特性を達成できる。
【００１５】更に、本発明者らは、コア導波路の波長
１．３９μｍの光吸収損失は、基板から拡散する水酸基
の存在によることを突き止めた。そこで基板中の水酸基
を実質的になくすことで、コア導波路の波長１．３９μ
ｍの光吸収損失を低減することができる。
１．３９μｍの光吸収損失は、基板から拡散する水酸基
の存在によることを突き止めた。そこで基板中の水酸基
を実質的になくすことで、コア導波路の波長１．３９μ
ｍの光吸収損失を低減することができる。
【００１６】なお、上記目的を達成できる合成石英ガラ
ス基板中の水酸基濃度としては、３００ppm より小さい
ことが必要であり、好ましくは１００ppm より小さく、
更に好ましくは５０ppm より小さくすることが望まし
い。
ス基板中の水酸基濃度としては、３００ppm より小さい
ことが必要であり、好ましくは１００ppm より小さく、
更に好ましくは５０ppm より小さくすることが望まし
い。
【００１７】また、合成石英ガラスを製造する場合、四
塩化けい素を酸水素火炎やプラズマ炎中で分解させてシ
リカを堆積させる方法があり、また合成石英ガラス中の
水酸基を低減する手段として塩素を用いた脱水処理方法
があるが、これらの製造方法及び脱水処理方法では、ガ
ラス中に塩素が１０ppm 〜１００ppm 残留する。しかし
ながらこの残留塩素は、ガラスの軟化温度、即ち耐熱性
を低下させる要因となるため、本発明の合成石英ガラス
基板中には塩素が実質的に含まれていないことも重要な
条件である。
塩化けい素を酸水素火炎やプラズマ炎中で分解させてシ
リカを堆積させる方法があり、また合成石英ガラス中の
水酸基を低減する手段として塩素を用いた脱水処理方法
があるが、これらの製造方法及び脱水処理方法では、ガ
ラス中に塩素が１０ppm 〜１００ppm 残留する。しかし
ながらこの残留塩素は、ガラスの軟化温度、即ち耐熱性
を低下させる要因となるため、本発明の合成石英ガラス
基板中には塩素が実質的に含まれていないことも重要な
条件である。
【００１８】更に、前記合成石英ガラス基板は、１０
14.5ポイズの粘度となる歪点温度が１０００℃以上であ
ることが要求され、より好ましくは１０５０℃以上であ
ることが望ましい。なお、歪点温度とは、直径が６イン
チで厚さが０．８mmのウエハを加熱炉にセットし、５０
０ｇの荷重をかけ各温度における伸び量を測定し、試料
の粘度が１０14.5ポイズとなるときの温度をいう。歪点
温度は水酸基量の減少と共に高くなり、この歪点温度が
高いほど基板の熱変形が小さい。
14.5ポイズの粘度となる歪点温度が１０００℃以上であ
ることが要求され、より好ましくは１０５０℃以上であ
ることが望ましい。なお、歪点温度とは、直径が６イン
チで厚さが０．８mmのウエハを加熱炉にセットし、５０
０ｇの荷重をかけ各温度における伸び量を測定し、試料
の粘度が１０14.5ポイズとなるときの温度をいう。歪点
温度は水酸基量の減少と共に高くなり、この歪点温度が
高いほど基板の熱変形が小さい。
【００１９】なお、本発明において、「純粋ＳｉＯ2 」
とは、基板に含まれるＦｅ，Ｃｕ等の重金属やＮａ，Ｃ
ａ，Ｋ等のアルカリ金属，アルカリ土類金属などの金属
不純物濃度が１０ppm 以下のＳｉＯ2 をいう。これら金
属不純物濃度はガラスの歪点温度，軟化温度を低下させ
たり、コア導波路に拡散してその屈折率に影響を及ぼす
ため、１０ppm 以下、好ましくは１ppm 以下にしなけれ
ばならない。
とは、基板に含まれるＦｅ，Ｃｕ等の重金属やＮａ，Ｃ
ａ，Ｋ等のアルカリ金属，アルカリ土類金属などの金属
不純物濃度が１０ppm 以下のＳｉＯ2 をいう。これら金
属不純物濃度はガラスの歪点温度，軟化温度を低下させ
たり、コア導波路に拡散してその屈折率に影響を及ぼす
ため、１０ppm 以下、好ましくは１ppm 以下にしなけれ
ばならない。
【００２０】また、上記した無水合成石英ガラス基板を
用いた光導波路を用いて、一端側コア導波路に発光素子
または受光素子からなる光素子を接続し、他端側コア導
波路に光ファイバを接続した光モジュールを構成すれ
ば、光導波路の変形に起因した光ファイバまたは光素子
との接続不良が起きないため、歩留まりを向上させるこ
とができると共に低価格化を図ることができる。更に、
このような光モジュールを光送信器や光受信器に搭載す
れば、信頼性の高い光システムを構築することができ
る。
用いた光導波路を用いて、一端側コア導波路に発光素子
または受光素子からなる光素子を接続し、他端側コア導
波路に光ファイバを接続した光モジュールを構成すれ
ば、光導波路の変形に起因した光ファイバまたは光素子
との接続不良が起きないため、歩留まりを向上させるこ
とができると共に低価格化を図ることができる。更に、
このような光モジュールを光送信器や光受信器に搭載す
れば、信頼性の高い光システムを構築することができ
る。
【００２１】また、光スターカプラ、光合分波器、光ス
イッチ、光変調器、波長無依存型カプラ等の光回路部品
が、例えば光ファイバ線路などの光路途中に介挿される
ような光システムにおいても、光回路部品が優れた光学
特性を有し、しかも光ファイバとの接続を高精度に行え
るため、信頼性の高い光システムを構築することができ
る。
イッチ、光変調器、波長無依存型カプラ等の光回路部品
が、例えば光ファイバ線路などの光路途中に介挿される
ような光システムにおいても、光回路部品が優れた光学
特性を有し、しかも光ファイバとの接続を高精度に行え
るため、信頼性の高い光システムを構築することができ
る。
【００２２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて詳述する。
図面に基づいて詳述する。
【００２３】図１は本発明の一実施形態である光導波路
の構造を示す断面図である。１は石英ガラス基板、２は
石英ガラス基板１上に形成された矩形状のコア導波路、
３はコア導波路２より低い屈折率を有しコア導波路２を
覆うように石英ガラス基板１上に形成されたクラッドで
ある。コア導波路２は、例えば幅、高さが８μｍ×８μ
ｍの寸法を有し、材質として例えばＴｉＯ2 −ＳｉＯ2
系ガラス等が用いられる。クラッド３は、材質として例
えばＢ2 Ｏ3 −Ｐ2 Ｏ5 −ＳｉＯ2 系ガラス等が用いら
れ、コア導波路２との比屈折率差が０．３％程度となる
よう組成比が調整されている。
の構造を示す断面図である。１は石英ガラス基板、２は
石英ガラス基板１上に形成された矩形状のコア導波路、
３はコア導波路２より低い屈折率を有しコア導波路２を
覆うように石英ガラス基板１上に形成されたクラッドで
ある。コア導波路２は、例えば幅、高さが８μｍ×８μ
ｍの寸法を有し、材質として例えばＴｉＯ2 −ＳｉＯ2
系ガラス等が用いられる。クラッド３は、材質として例
えばＢ2 Ｏ3 −Ｐ2 Ｏ5 −ＳｉＯ2 系ガラス等が用いら
れ、コア導波路２との比屈折率差が０．３％程度となる
よう組成比が調整されている。
【００２４】この図１に示す本発明の一実施形態である
光導波路において、石英ガラス基板１は、水酸基を実質
的に含まない純粋ＳｉＯ2 からなる合成石英ガラス基板
（以下、無水合成石英ガラス基板という）である。
光導波路において、石英ガラス基板１は、水酸基を実質
的に含まない純粋ＳｉＯ2 からなる合成石英ガラス基板
（以下、無水合成石英ガラス基板という）である。
【００２５】従来の石英ガラスウエハにあっては、光導
波路製造工程で高温熱処理を受けることにより変形が発
生していたものであるが、その従来の石英ガラスウエハ
の水酸基濃度を測定したところ、全てのウエハが１００
０ppm 程度の水酸基濃度を有し、ウエハ面内で最も低い
部分でも４００ppm 以上の有水合成石英ガラスであっ
た。
波路製造工程で高温熱処理を受けることにより変形が発
生していたものであるが、その従来の石英ガラスウエハ
の水酸基濃度を測定したところ、全てのウエハが１００
０ppm 程度の水酸基濃度を有し、ウエハ面内で最も低い
部分でも４００ppm 以上の有水合成石英ガラスであっ
た。
【００２６】そこで、本発明者らは基板中の水酸基濃度
が基板そのものの耐熱性に関与しているものと考え、基
板中の水酸基濃度が低いものを使用したところ、水酸基
濃度が低下するに従い、製造工程中の高温熱処理を経て
も光導波路の収縮及び反りを極めて小さくできることが
わかった。これは水酸基が減少することで高温に晒され
ても基板が軟化しにくくなる、即ち耐熱性が向上するか
らである。
が基板そのものの耐熱性に関与しているものと考え、基
板中の水酸基濃度が低いものを使用したところ、水酸基
濃度が低下するに従い、製造工程中の高温熱処理を経て
も光導波路の収縮及び反りを極めて小さくできることが
わかった。これは水酸基が減少することで高温に晒され
ても基板が軟化しにくくなる、即ち耐熱性が向上するか
らである。
【００２７】実際に、従来の有水合成石英ガラスウエハ
１０枚と無水合成石英ガラスウエハ１０枚を用いて２入
力×１６出力の導波路型光スターカプラを各ウエハから
７素子ずつ試作した。なお出力側の１６ポート全体の幅
は５mmである。その結果、有水合成石英ガラス基板のも
のはコア導波路間ピッチが設計値に対して平均で約４．
５μｍ以上も収縮しており、ウエハ面内及びウエハ間で
もかなりのばらつき（１〜９μｍ）があった。これに対
し、無水合成石英ガラス基板のものは、水酸基濃度が２
００ppm 以上３００ppm 未満でも収縮を２μｍ以下に抑
えることができ、１００ppm 以下では１μｍ以下、５０
ppm 以下では０．５μｍ以下に収縮を抑えることができ
た。また、反りについては有水合成石英ガラス基板のも
のは平均で１μｍ以上の反りがあるばかりでなく実装が
不可とされている反り量２μｍ以上のものが１割程度も
あったのに対し、無水合成石英ガラス基板のものは、水
酸基濃度が２００ppm 以上３００ppm 未満で０．８μｍ
以下、１００ppm 以下では０．５μｍ以下、５０ppm 以
下では０．２μｍ以下に反り量を抑えることができた。
１０枚と無水合成石英ガラスウエハ１０枚を用いて２入
力×１６出力の導波路型光スターカプラを各ウエハから
７素子ずつ試作した。なお出力側の１６ポート全体の幅
は５mmである。その結果、有水合成石英ガラス基板のも
のはコア導波路間ピッチが設計値に対して平均で約４．
５μｍ以上も収縮しており、ウエハ面内及びウエハ間で
もかなりのばらつき（１〜９μｍ）があった。これに対
し、無水合成石英ガラス基板のものは、水酸基濃度が２
００ppm 以上３００ppm 未満でも収縮を２μｍ以下に抑
えることができ、１００ppm 以下では１μｍ以下、５０
ppm 以下では０．５μｍ以下に収縮を抑えることができ
た。また、反りについては有水合成石英ガラス基板のも
のは平均で１μｍ以上の反りがあるばかりでなく実装が
不可とされている反り量２μｍ以上のものが１割程度も
あったのに対し、無水合成石英ガラス基板のものは、水
酸基濃度が２００ppm 以上３００ppm 未満で０．８μｍ
以下、１００ppm 以下では０．５μｍ以下、５０ppm 以
下では０．２μｍ以下に反り量を抑えることができた。
【００２８】このように、光導波路素子の変形を抑制す
るためには、合成石英ガラス基板中の水酸基濃度は３０
０ppm 未満、好ましくは水酸基濃度が１００ppm より小
さく、更に好ましくは５０ppm より小さいことが望まし
い。
るためには、合成石英ガラス基板中の水酸基濃度は３０
０ppm 未満、好ましくは水酸基濃度が１００ppm より小
さく、更に好ましくは５０ppm より小さいことが望まし
い。
【００２９】次に、図６に示すＭＺ（マッハ・ツエンダ
ー）型光干渉計及び図７に示すＷＤＭ（Wavelength div
ision Multi/demultiplexer)フィルターをそれぞれ試作
した。
ー）型光干渉計及び図７に示すＷＤＭ（Wavelength div
ision Multi/demultiplexer)フィルターをそれぞれ試作
した。
【００３０】図６に示すＭＺ型光干渉計６０は、第１コ
ア導波路６１と第２コア導波路６２が２カ所で近接して
２個のカプラ６３，６４が形成され、カプラ６３とカプ
ラ６４間の第１コア導波路６１と第２コア導波路６２の
長さが異なるように設計されている。このＭＺ型光干渉
計６０は、例えば長距離光伝送システムや光ファイバセ
ンサの光増幅器などに用いられ、この光増幅器に用いら
れる場合には、増幅媒体から出射された例えば励起光
０．９８μｍと信号光１．５５μｍの重畳光を第１コア
導波路６１の入射端に入射したとき、信号光１．５５μ
ｍを第１コア導波路６１の出射端から出力し、励起光
０．９８μｍを第２コア導波路の出射端から出力するよ
うに光を波長ごとに分波するものである。
ア導波路６１と第２コア導波路６２が２カ所で近接して
２個のカプラ６３，６４が形成され、カプラ６３とカプ
ラ６４間の第１コア導波路６１と第２コア導波路６２の
長さが異なるように設計されている。このＭＺ型光干渉
計６０は、例えば長距離光伝送システムや光ファイバセ
ンサの光増幅器などに用いられ、この光増幅器に用いら
れる場合には、増幅媒体から出射された例えば励起光
０．９８μｍと信号光１．５５μｍの重畳光を第１コア
導波路６１の入射端に入射したとき、信号光１．５５μ
ｍを第１コア導波路６１の出射端から出力し、励起光
０．９８μｍを第２コア導波路の出射端から出力するよ
うに光を波長ごとに分波するものである。
【００３１】図７に示すＷＤＭフィルター７０は、入力
導波路７１と複数本の出力導波路７２（図では８本）と
を、長さが異なる複数の導波路からなるアレイ導波路７
５により連結したものであり、入力導波路７１及び出力
導波路７２とアレイ導波路７５との間にはそれぞれ入力
スラブ導波路７３、出力スラブ導波路７４が連結されて
いる。このＷＤＭフィルター７０は、波長多重光伝送シ
ステムなどの送信機の光源部や受信機の受光部に設けら
れるものであり、入力導波路７１に入射したλ１〜λ８
の信号光を分波して各波長ごとに出力導波路７２の各導
波路から出射するか、もしくは出力導波路７２の各導波
路から入射したλ１〜λ８の信号光を合波して入力導波
路７１から出射するものである。
導波路７１と複数本の出力導波路７２（図では８本）と
を、長さが異なる複数の導波路からなるアレイ導波路７
５により連結したものであり、入力導波路７１及び出力
導波路７２とアレイ導波路７５との間にはそれぞれ入力
スラブ導波路７３、出力スラブ導波路７４が連結されて
いる。このＷＤＭフィルター７０は、波長多重光伝送シ
ステムなどの送信機の光源部や受信機の受光部に設けら
れるものであり、入力導波路７１に入射したλ１〜λ８
の信号光を分波して各波長ごとに出力導波路７２の各導
波路から出射するか、もしくは出力導波路７２の各導波
路から入射したλ１〜λ８の信号光を合波して入力導波
路７１から出射するものである。
【００３２】これら図６に示すＭＺ型光干渉計及び図７
に示すＷＤＭフィルターをそれぞれ試作した結果、いず
れの光導波路においても、有水合成石英ガラス基板のも
のは収縮により回路寸法が小さくなり、所望の光学特性
を満足するものが３０％以下であった。これに対し、無
水合成石英ガラス基板のものは収縮がほとんどないた
め、水酸基濃度が３００ppm 未満で８５％以上、１００
ppm 以下で９５％以上、５０ppm 以下ではほぼ１００％
のものが所望の光学特性を満足していた。
に示すＷＤＭフィルターをそれぞれ試作した結果、いず
れの光導波路においても、有水合成石英ガラス基板のも
のは収縮により回路寸法が小さくなり、所望の光学特性
を満足するものが３０％以下であった。これに対し、無
水合成石英ガラス基板のものは収縮がほとんどないた
め、水酸基濃度が３００ppm 未満で８５％以上、１００
ppm 以下で９５％以上、５０ppm 以下ではほぼ１００％
のものが所望の光学特性を満足していた。
【００３３】このように、光導波路素子の光学特性の面
からも、合成石英ガラス基板中の水酸基濃度は３００pp
m 未満、好ましくは水酸基濃度が１００ppm より小さ
く、更に好ましくは５０ppm より小さいことが望まし
い。
からも、合成石英ガラス基板中の水酸基濃度は３００pp
m 未満、好ましくは水酸基濃度が１００ppm より小さ
く、更に好ましくは５０ppm より小さいことが望まし
い。
【００３４】なお、合成石英ガラスを製造する際に、四
塩化けい素を使用したり、塩素ガス含有雰囲気に晒し脱
水処理を行うとガラス中に塩素が取り込まれ、この残留
塩素が、ガラスの軟化温度、即ち歪点温度を低下させる
要因となる。そこで、本実施の形態では、合成石英ガラ
スを堆積する際にはメトキシシランなどの塩素を含まな
い原料ガスを使用し、また脱水処理を塩素を用いずに真
空中或いは不活性ガス雰囲気中で行うことにより、基板
中に塩素が実質的に含まれないようにしている。
塩化けい素を使用したり、塩素ガス含有雰囲気に晒し脱
水処理を行うとガラス中に塩素が取り込まれ、この残留
塩素が、ガラスの軟化温度、即ち歪点温度を低下させる
要因となる。そこで、本実施の形態では、合成石英ガラ
スを堆積する際にはメトキシシランなどの塩素を含まな
い原料ガスを使用し、また脱水処理を塩素を用いずに真
空中或いは不活性ガス雰囲気中で行うことにより、基板
中に塩素が実質的に含まれないようにしている。
【００３５】また、Ｆｅ，Ｃｕ等の重金属やＮａ，Ｃ
ａ，Ｋ等のアルカリ金属，アルカリ土類金属もガラスの
歪点温度を低下させたり、コア導波路に拡散してその屈
折率に影響を及ぼす。そこで、本発明では合成石英ガラ
スの製造において高純度の原料を使用して金属不純物濃
度を１０ppm 以下、好ましくは１ppm 以下に抑制した。
ａ，Ｋ等のアルカリ金属，アルカリ土類金属もガラスの
歪点温度を低下させたり、コア導波路に拡散してその屈
折率に影響を及ぼす。そこで、本発明では合成石英ガラ
スの製造において高純度の原料を使用して金属不純物濃
度を１０ppm 以下、好ましくは１ppm 以下に抑制した。
【００３６】図２は各種石英ガラスにおける歪点温度と
水酸基濃度との関係を示す説明図である。ここで、歪点
温度とは、上述した通り直径が６インチで厚さが０．８
mmのウエハを加熱炉にセットし、５００ｇの荷重をかけ
各温度における伸び量を測定し、試料の粘度が１０14.5
ポイズとなる温度をいう。図２からわかる通り、従来基
板として用いられていた水酸基濃度が４００ppm 以上の
有水合成石英ガラスは歪点温度が１０００℃以下である
のに対し、水酸基濃度が１００ppm 以下の無水合成石英
ガラスは１０５０℃以上である。このように水酸基濃度
による差が歪点温度すなわち耐熱性に大きく影響を及ぼ
すものであり、高温熱処理を経ても熱変形を小さくする
には、１０14.5ポイズの粘度となる歪点温度が１０００
℃以上、より好ましくは１０５０℃以上、更に好ましく
は１１００℃以上（水酸基濃度が１０ppm 以下）の無水
合成石英ガラスを使用すれば良い。なお、天然石英ガラ
スは、無水合成石英ガラスよりも歪点温度が高いが、数
十ppm 以上の金属不純物濃度が存在し、その金属不純物
がコア導波路に拡散して屈折率を変化させるなどの光学
特性上好ましくない影響を及ぼすため、光導波路用の基
板としては不適当である。
水酸基濃度との関係を示す説明図である。ここで、歪点
温度とは、上述した通り直径が６インチで厚さが０．８
mmのウエハを加熱炉にセットし、５００ｇの荷重をかけ
各温度における伸び量を測定し、試料の粘度が１０14.5
ポイズとなる温度をいう。図２からわかる通り、従来基
板として用いられていた水酸基濃度が４００ppm 以上の
有水合成石英ガラスは歪点温度が１０００℃以下である
のに対し、水酸基濃度が１００ppm 以下の無水合成石英
ガラスは１０５０℃以上である。このように水酸基濃度
による差が歪点温度すなわち耐熱性に大きく影響を及ぼ
すものであり、高温熱処理を経ても熱変形を小さくする
には、１０14.5ポイズの粘度となる歪点温度が１０００
℃以上、より好ましくは１０５０℃以上、更に好ましく
は１１００℃以上（水酸基濃度が１０ppm 以下）の無水
合成石英ガラスを使用すれば良い。なお、天然石英ガラ
スは、無水合成石英ガラスよりも歪点温度が高いが、数
十ppm 以上の金属不純物濃度が存在し、その金属不純物
がコア導波路に拡散して屈折率を変化させるなどの光学
特性上好ましくない影響を及ぼすため、光導波路用の基
板としては不適当である。
【００３７】次に、本発明者らは、基板の水酸基濃度が
コア導波路の波長１．３９μｍにおける光吸収損失に及
ぼす影響を究明するために、有水合成石英ガラス基板及
び無水合成石英ガラス基板を用いて８μｍ×８μｍの断
面矩形で長さ６cmの直線導波路を試作し、損失波長特性
を測定した。その結果を図３（ａ），（ｂ）に示す。
コア導波路の波長１．３９μｍにおける光吸収損失に及
ぼす影響を究明するために、有水合成石英ガラス基板及
び無水合成石英ガラス基板を用いて８μｍ×８μｍの断
面矩形で長さ６cmの直線導波路を試作し、損失波長特性
を測定した。その結果を図３（ａ），（ｂ）に示す。
【００３８】図３（ａ），（ｂ）は、それぞれ有水合成
石英ガラス基板（水酸基濃度：４２０ppm ）、無水合成
石英ガラス基板（水酸基濃度：５０ppm ）を用いた直線
導波路の損失波長特性を示す説明図であり、横軸は光の
波長、縦軸は吸収損失である。図３（ａ）に示されてい
る通り、有水合成石英ガラス基板を用いた場合には、波
長１．３９μｍにおいて１dB以上の吸収ピークが現れて
いる。これに対し、図３（ｂ）の無水有水合成石英ガラ
ス基板を用いた場合にはこの吸収ピークが認められなか
った。従って、コア導波路の波長１．３９μｍにおける
光吸収損失を低減するためには、コア導波路の形成条件
だけでなく、基板の水酸基濃度を低減させなければなら
ない。
石英ガラス基板（水酸基濃度：４２０ppm ）、無水合成
石英ガラス基板（水酸基濃度：５０ppm ）を用いた直線
導波路の損失波長特性を示す説明図であり、横軸は光の
波長、縦軸は吸収損失である。図３（ａ）に示されてい
る通り、有水合成石英ガラス基板を用いた場合には、波
長１．３９μｍにおいて１dB以上の吸収ピークが現れて
いる。これに対し、図３（ｂ）の無水有水合成石英ガラ
ス基板を用いた場合にはこの吸収ピークが認められなか
った。従って、コア導波路の波長１．３９μｍにおける
光吸収損失を低減するためには、コア導波路の形成条件
だけでなく、基板の水酸基濃度を低減させなければなら
ない。
【００３９】なお、以上の説明において、各水酸基濃度
の数値は、赤外分光光度計（日本分光社製）により測定
した値である。
の数値は、赤外分光光度計（日本分光社製）により測定
した値である。
【００４０】
【発明の効果】以上詳細に説明した通り、本発明の光導
波路によれば、製造工程中に光導波路がほとんど変形し
ないため、軸ずれを起すことなく光ファイバと高精度に
接続することができ、しかも所望の光学特性を達成でき
る。
波路によれば、製造工程中に光導波路がほとんど変形し
ないため、軸ずれを起すことなく光ファイバと高精度に
接続することができ、しかも所望の光学特性を達成でき
る。
【００４１】また、基板からコア導波路へ水酸基が拡散
することがないため、波長１．３９μｍの光吸収損失を
低減することができる。
することがないため、波長１．３９μｍの光吸収損失を
低減することができる。
【００４２】更に、光導波路と光ファイバの高精度な接
続を可能とすることにより、光モジュールの製造歩留ま
りを向上できると共に低価格化を達成でき、しかもこの
ような光モジュールを光送信器や光受信器に搭載すれ
ば、信頼性の高い光システムを構築することができる。
続を可能とすることにより、光モジュールの製造歩留ま
りを向上できると共に低価格化を達成でき、しかもこの
ような光モジュールを光送信器や光受信器に搭載すれ
ば、信頼性の高い光システムを構築することができる。
【００４３】また、光回路部品が優れた光学特性を有
し、しかも光ファイバとの接続を高精度に行えるため、
例えば光ファイバ線路などの光路途中に光回路部品を介
挿した光システムを、信頼性の高いシステムとして構築
することができる。
し、しかも光ファイバとの接続を高精度に行えるため、
例えば光ファイバ線路などの光路途中に光回路部品を介
挿した光システムを、信頼性の高いシステムとして構築
することができる。
【図１】本発明の一実施形態である光導波路の構造を示
す断面図である。
す断面図である。
【図２】各種石英ガラスにおける歪点温度と水酸基濃度
との関係を示す説明図である。
との関係を示す説明図である。
【図３】（ａ），（ｂ）はそれぞれ有水合成石英ガラス
基板、無水合成石英ガラス基板を用いた直線導波路の損
失波長特性を示す説明図である。
基板、無水合成石英ガラス基板を用いた直線導波路の損
失波長特性を示す説明図である。
【図４】石英ガラス基板を使用した光導波路の構造の一
例を示す断面図である。
例を示す断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｆ）はそれぞれ光導波路の製造方法
の工程の一例を示す説明図である。
の工程の一例を示す説明図である。
【図６】ＭＺ型光干渉計の一例を示す断面図である。
【図７】ＷＤＭフィルターの一例を示す断面図である。
１ 無水石英ガラス基板 ２ コア導波路 ３ クラッド
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鴨志田 敏和 茨城県日立市日高町５丁目１番１号 日 立電線株式会社オプトロシステム研究所 内 (56)参考文献 特開 平５−181031（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−241035（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−67198（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−97466（ＪＰ，Ａ)
Claims (4)
- 【請求項１】石英ガラス基板の表面上にシリカ系ガラス
からなるコア導波路が形成され、該コア導波路を覆うよ
うに前記石英ガラス基板の前記表面上に前記コア導波路
より低い屈折率を有するシリカ系ガラスからなるクラッ
ドが形成され、前記コア導波路の一端側に光ファイバが
接続される光導波路において、 前記石英ガラス基板は、純粋ＳｉＯ2からなり、水酸基
濃度が３００ppm以下、１０14.5ポイズの粘度となる歪
点温度が１０００℃以上の無水合成石英ガラス基板を用
いることにより、製造工程中の高温熱処理による光導波
路の収縮および反りに基づく前記コア導波路と前記光フ
ァイバとの間の軸ずれが前記石英ガラス基板の前記表面
に平行な方向で２μｍ以下、前記表面に垂直な方向で
０．８μｍ以下となるようにしたことを特徴とする光導
波路。 - 【請求項２】光導波路のコア導波路の一端側に発光素子
または受光素子からなる光素子が接続され、前記コア導
波路の他端側に光ファイバが接続された光モジュールに
おいて、 前記光導波路は、石英ガラス基板の表面上にシリカ系ガ
ラスからなる前記コア導波路が形成され、該コア導波路
を覆うように前記石英ガラス基板の前記表面上に前記コ
ア導波路より低い屈折率を有するシリカ系ガラスからな
るクラッドが形成され、 前記石英ガラス基板は、純粋ＳｉＯ 2 からなり、水酸基
濃度が３００ppm以下、１０ 14.5 ポイズの粘度となる歪
点温度が１０００℃以上の無水合成石英ガラス基板を用
いることにより、製造工程中の高温熱処理による前記光
導波路の収縮および反りに基づく前記コア導波路と前記
光ファイバとの間の軸ずれが前記石英ガラス基板の前記
表面に平行な方向で２μｍ以下、前記表面に垂直な方向
で０．８μｍ以下となるようにした ことを特徴とする光
モジュール。 - 【請求項３】光送信器と光受信器を光ファイバにより結
んだ光システムにおいて、前記光送信器は、光導波路のコア導波路の一端側に発光
素子が接続され、前記 コア導波路の他端側に前記光ファ
イバが接続され、 前記光受信器は、光導波路のコア導波路の一端側に受光
素子が接続され、前記コア導波路の他端側に前記光ファ
イバが接続され、 前記光送信器および前記光受信器の前記光導波路は、石
英ガラス基板の表面上にシリカ系ガラスからなる前記コ
ア導波路が形成され、該コア導波路を覆うように前記石
英ガラス基板の前記表面上に前記コア導波路より低い屈
折率を有するシリカ系ガラスからなるクラッドが形成さ
れ、 前記石英ガラス基板は、純粋ＳｉＯ 2 からなり、水酸基
濃度が３００ppm以下、１０ 14.5 ポイズの粘度となる歪
点温度が１０００℃以上の無水合成石英ガラス基板を用
いることにより、製造工程中の高温熱処理による前記光
導波路の収縮および反りに基づく前記コア導波路と前記
光ファイバとの間の軸ずれが前記石英ガラス基板の前記
表面に平行な方向で２μｍ以下、前記表面に垂直な方向
で０．８μｍ以下となるようにした ことを特徴とする光
システム。 - 【請求項４】光路途中に光回路を形成した光導波路が介
挿されている光システムにおいて、 前記光回路を形成した光導波路は、石英ガラス基板の表
面上にシリカ系ガラスからなるコア導波路が形成され、
該コア導波路を覆うように前記石英ガラス基板の前記表
面上に前記コア導波路より低い屈折率を有するシリカ系
ガラスからなるクラッドが形成され、前記コア導波路の
一端側に光ファイバが接続され、 前記石英ガラス基板は、純粋ＳｉＯ 2 からなり、水酸基
濃度が３００ppm以下、１０ 14.5 ポイズの粘度となる歪
点温度が１０００℃以上の無水合成石英ガラス基板を用
いることにより、製造工程中の高温熱処理による光導波
路の収縮および反りに基づく前記コア導波路と前記光フ
ァイバとの間の軸ずれが前記石英ガラス基板の前記表面
に平行な方向で２μｍ以下、前記表面に垂直な方向で
０．８μｍ以下となるようにした ことを特徴とする光シ
ステム。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03936696A JP3203178B2 (ja) | 1996-02-27 | 1996-02-27 | 光導波路、光モジュール及び光システム |
| EP96306239A EP0793122A3 (en) | 1996-02-27 | 1996-08-28 | Optical waveguide, optical module and optical system using it |
| US08/703,630 US5949945A (en) | 1996-02-27 | 1996-08-29 | Optical waveguide, optical module and optical system using the same |
| CA002184452A CA2184452C (en) | 1996-02-27 | 1996-08-29 | Optical waveguide, optical module and optical system using the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03936696A JP3203178B2 (ja) | 1996-02-27 | 1996-02-27 | 光導波路、光モジュール及び光システム |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000046750A Division JP2000193836A (ja) | 2000-01-01 | 2000-02-18 | 光導波路、光モジュ―ル及び光システム |
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|---|---|
| JPH09230150A JPH09230150A (ja) | 1997-09-05 |
| JP3203178B2 true JP3203178B2 (ja) | 2001-08-27 |
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ID=12551068
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03936696A Expired - Fee Related JP3203178B2 (ja) | 1996-02-27 | 1996-02-27 | 光導波路、光モジュール及び光システム |
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|---|---|
| US (1) | US5949945A (ja) |
| EP (1) | EP0793122A3 (ja) |
| JP (1) | JP3203178B2 (ja) |
| CA (1) | CA2184452C (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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| US6775453B1 (en) * | 1998-12-21 | 2004-08-10 | Lsi Logic Corporation | On-chip graded index of refraction optical waveguide and damascene method of fabricating the same |
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