JP3552592B2 - Manufacturing method of optical waveguide - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
光デバイスの小型化、集積化、低コスト化のために、導波路型構造の光デバイスの研究開発が活発に行われている。
【0003】
図6(a)は従来の光導波路の断面図であり、図6(b)は図6(a)のA−A線断面内の屈折率分布を示し、図6(c)は図6(a)のB−B線断面内の屈折率分布を示す図である。
【0004】
図6(b)において横軸は幅方向の位置を示し、縦軸は屈折率を示す。図6(c)において横軸は屈折率を示し、縦軸は厚さ方向の位置を示す。
【0005】
導波路は基板1上に形成された低屈折率のクラッド層3内に略矩形断面形状の高屈折率のコア層2が埋め込まれた構造である。コア層2の幅及び厚さ方向の屈折率分布は略一様の値を有する平坦な分布を有している。
【0006】
図7(a)は図6に示した導波路のうち、90°に曲がった導波路の曲率半径Rと導波路放射損失(曲線部での放射損失)をコア層とクラッド層との比屈折率差Δをパラメータにして計算した結果を示し、図7(b)は図6に示した導波路のうち、S字状の曲線導波路の曲率半径Rと導波路放射損失をコア層とクラッド層との比屈折率差Δをパラメータにして計算した結果を示す図である。両図において横軸が曲率半径を示し、縦軸が結合損失を示している。
【0007】
両図より、放射損失は比屈折率差Δが小さい程、あるいは曲率半径Rが小さい程大きくなることが分かる。放射損失を0.02dB以下にするためには曲率半径Rを0.8cm以上にしなければならず、導波路型光デバイスの小型化を困難にしている。これとは逆に曲率半径Rを小さくして小型化すると損失の大きな光デバイスになってしまう。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来の導波路型光デバイスには以下のような問題点がある。
【0009】
(1) 小型で低損失な導波路型光デバイスを実現することが困難である。
【0010】
(2) 製造プロセスに起因してコア層とクラッド層との界面が不均一になりやすく、散乱損失が非常に大きな値を示している。特に図7に示したような曲線導波路部からのコア層とクラッド層との界面の不均一による散乱損失が非常に大きい。
【0011】
(3) 略矩形断面形状のコア層をドライエッチングで形成するため、コア層の両側面、コア層のエッジ面の荒れに起因した散乱損失や放射損失が大きい。
【0012】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、小型で散乱損失や放射損失の小さい低損失光導波路及びその製造方法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の光導波路の製造方法は、基板上に第1クラッド層を形成する工程と、第1クラッド層の上にUV光の照射量に応じて屈折率が低下するフォトブリーチング層を形成する工程と、該フォトブリーチング層の上にコア層のパターンを有する第1フォトマスクを配置し、第1フォトマスクの上からUV光を照射して略矩形断面形状で少なくとも1か所に曲線部を有する高屈折率のコア層を形成すると共にコア層の両側に低屈折率の側面クラッド層を形成する工程と、該側面クラッド層及びコア層の上に中央コア層のパターンを有する第2フォトマスクを配置し、第2フォトマスクの上からUV光を照射してコア層の中央部を高屈折率の中央コア層に形成すると共に、中央コア層の両側部を中央コア層よりも屈折率の低い側面コア層を形成する工程と、上記中央コア層、上記側面コア層及び上記側面クラッド層の上に第2クラッド層を積層する工程とを有するものである。
【0014】
上記構成に加え、上記第2クラッド層の上にUVカット層あるいはUV吸収層を積層する工程を有するものである。
【0015】
発明によれば、コア層が幅方向に少なくとも2段型の屈折率分布を有するので、コア層中を伝搬する光の大部分が屈折率の高い部分に閉じ込められて伝搬する。コア層及びクラッド層がフォトブリーチング材料からなるため、界面が均一である。その結果、小型で散乱損失や放射損失の小さい低損失光導波路及びその製造方法の提供を実現することができる。
【0016】
【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。
【0017】
図1(a)は本発明の低損失光導波路の一実施の形態を示す断面図であり、図1(b)は図1(a)のC−C線断面内での屈折率分布を示し、図1(c)は図1(a)のD−D線断面内での屈折率分布を示す図である。図1(b)において横軸が中心からの幅方向の位置を示し、縦軸が屈折率を示している。図1(c)において横軸が屈折率を示し、縦軸が厚さ方向の位置を示している。
【0018】
基板1はSi基板である(但し、ガラス、GaAsやInP等の半導体、磁性体、ポリマ材料、強誘電体材料あるいはこれらの材料を組み合わせた材料からなる基板を用いてもよい。)。
【0019】
基板1上には第1クラッド層(屈折率nC1)4が形成されている。この第1クラッド層4は膜厚が5μm以上のSiOからなっている(但し、SiOにF、B、P、Ti、Ge等の屈折率制御用ドーパントを少なくとも1種類添加したもの、PMMA、ポリフッ化ビニリデン、ポリスチレン、ポリイミド、シリコーン、ポリシラン等のポリマ材料を用いてもよい。)。
【0020】
第1クラッド層4の上にはフォトブリーチング材料からなる第2コア層5a、側面コア層5b及び側面クラッド層6a、6bが形成されている。このフォトブリーチング材料からなるフォトブリーチング層はUV光の照射量を増加させることによって略連続的に屈折率を低くすることができるものである。この、フォトブリーチング材料には例えばポリシランが用いられる。
【0021】
側面クラッド層6a、6bはUV光が長い時間照射されて第1クラッド層4の屈折率nC1と同程度の屈折率nCPとなるように調節されたものである。図1(b)に示すように側面クラッド層6a、6bは通常のクラッド層として作用する。
【0022】
側面コア層5bはUV照射光量を側面クラッド層6a、6bよりも少なくすることにより、コア層として作用するように屈折率nCPよりも高い屈折率nWSに調節されている。
【0023】
第2コア層5aはUV光を照射しないかあるいはUV光の照射光量が少ない層であり、その屈折率nWCは最も高い値に調節され、光が支配的に伝搬するコア層として作用する。
【0024】
次に第2コア層5a、側面コア層5b及び側面クラッド層6a、6bの上には第2クラッド層(屈折率nC2、nC2≒nC1)7が形成され、第2クラッド層7の上にはUVカット層(あるいはUV吸収層)8が形成されている。
【0025】
第2クラッド層7には前述した第1クラッド層4の材料と同等のものを用いることができる。UVカット層8にはZrO(あるいはTaO)とSiOとを120℃の温度で交互に数十層、多層状に蒸着した多重層が用いられる。この多重層は波長300nm〜500nmの範囲で反射率が80%以上の特性を有する多層膜蒸着層である。なお、このUV光カット層8の代わりにUV光吸収層を用いてもよい。UV光吸収層は例えば、ポリマ材料にベンゾフェノン系、サリチレート系、ベンゾトリアゾール系の添加剤を添加したもの、あるいはポリマ材料に二酸化チタン、酸化鉄、酸化亜鉛等の金属酸化物顔料を添加したものを用いることができる。
【0026】
図1(b)に示したように、第2コア層5a及び側面コア層5bの幅方向に2段型の屈折率分布を持たせ、第2コア層5a及び側面コア層5bからなるコア層の中央部、つまり第2コア層5aを高屈折率層とすることにより、図7(a)、(b)に示したような曲線部内を伝搬する光信号の放射損失を大幅に低減することができる。すなわち、光信号の大部分がコア層の中央部に閉じ込められて伝搬するので、曲線部での製造プロセスに起因する構造不均一による放射及び散乱損失を低減することができる。
【0027】
特に、第2コア層5a、側面コア層5b及び側面クラッド層6a、6bはフォトブリーチング材料によって形成されているので界面が均一であり、この界面での散乱損失も小さいので、より効果的に放射及び散乱損失を低減することができる。この結果、図7(a)、(b)に示したような90°の曲線パターン及びS字曲線パターンの曲率半径Rを小さくすることができ、小型の導波路デバイスを実現することができる。
【0028】
また、第2コア層5a及び側面コア層5bは、その厚さ方向に対してコア層パターンが曲線状パターンに形成されないので、第2コア層5a、側面コア層5b内の厚さ方向の屈折率分布は一様に平坦に形成される。また厚さ方向の屈折率分布の段差はほとんど生じないので、より一層の低損失化が可能となる。
【0029】
図2(a)〜(d)は図1に示した低損失導波路の製造方法の一実施の形態を示す工程図である。図3(a)、(b)は図2(a)〜(d)に示した工程中に用いられるフォトマスクの平面図である。
【0030】
Si基板1上にSiOからなる第1クラッド層4を約10μmの厚さに形成する。第1クラッド層4の上にフォトブリーチング層5を形成する。
【0031】
ここで、フォトブリーチング層5は次のように形成する。第1クラッド層4の上にヘキサメチルジシラザン(CHSiNHSiCH)を塗布する。ヘキサメチルジシラザンを120℃で約1時間べーキングして疎水化した後、10重量%の濃度でトルエンに溶解したポリシランをスピンコーティングし、120℃で約1時間べーキングする(図2(a))。
【0032】
フォトブリーチング層5の上に、第1フォトマスク9を配置し、第1フォトマスク9の上から波長370nmのUV光10を照射する。第1フォトマスク9には図3(a)に示すような第1コア層のパターンを有するマスクを用いる。第1フォトマスク9は例えば直線状のコアパターン(UV光反射領域)12を形成するためのマスクであり、UV光反射領域12とUV光透過領域13とを有している。このような第1フォトマスク9を用い、第1フォトマスク9の上からUV光を照射すると、UV光透過領域13の下のフォトブリーチング層5はUV光照射によって屈折率が低下する(屈折率:1.460)。
【0033】
他方、UV光反射領域12の下のフォトブリーチング層5はUV光が照射されないので、屈折率の低下は生じない(屈折率値:1.475)。
【0034】
以上より、図2(b)に示すように、高屈折率の第1コア層5´と、第1コア層5´の両側面に低屈折率の側面クラッド層6a´、6b´が形成される。
【0035】
次に図2(c)に示すように第1コア層5´及び側面クラッド層6a´、6b´の上に第2フォトマスク11を配置し、UV光10を照射する。
【0036】
第2フォトマスク11は図3(b)に示すようなマスクが用いられる。第2フォトマスク11は、UV光反射領域12´とUV光透過領域13とを有するマスクが用いられる。この第2フォトマスク11の上からUV光10を照射すると、UV光透過領域13の下の側面クラッド層6a´、6b´の屈折率はさらに低下する(屈折率値:1.450)。UV光反射領域12´の下の第1コア層5´の中央部にはUV光が照射されないので、屈折率の低下は生じない(屈折率値:1.475)。
【0037】
しかし、UV光反射領域12の中のUV光反射領域12´に相当する部分以外の部分(第1コア層5´の両側部)にはUV光が照射されるので、第1コア層5´の両側部の屈折率は1.475から1.460へ低下する。
【0038】
すなわち、図2(d)に示すように第2コア層5aの屈折率は1.475となり側面コア層5bの屈折率は1.460になり、側面クラッド層6a、6bの屈折率は1.450になる。
【0039】
第2コア層5a、側面コア層5b、側面クラッド層6a、6bの上に第2クラッド層7(シリコーン樹脂、屈折率1.450)を形成し、第2クラッド層7の上にUV光吸収層8を形成することにより図1に示した低損失光導波路が得られる。
【0040】
図4(a)は本発明の低損失光導波路の他の実施の形態を示す断面図であり、図4(b)は図4(a)のE−E線断面内での屈折率分布を示し、図4(c)は図4(a)のF−F線断面内での屈折率分布を示す図である。図4(b)において横軸が中心からの幅方向の位置を示し、縦軸が屈折率を示している。図4(c)において横軸が屈折率を示し、縦軸が厚さ方向の位置を示している。
【0041】
この光導波路は第1クラッド層4の上に、二つのコア層(一方(図では左側)の第2コア層5aa、一方の側面コア層5ba、他方(図では右側)の第2コア層5ab、他方の側面コア層5bb)を並列に配置した構造を有している。
【0042】
高屈折率の一方の第2コア層5aaがこの第2コア層5aaより低屈折率の一方の側面コア層5baの間に設けられ、高屈折率の他方の第2コア層5abがこの第2コア層5abより低屈折率の他方の側面コア層5bbの間に設けられ、両コア層の間に低屈折率のフォトブリーチング層からなる側面クラッド層6cが設けられている。
【0043】
一方の側面コア層5baの外側(図では左側)には低屈折率のフォトブリーチング層からなる側面クラッド層6aが形成されている。他方の側面コア層5bb外側(図では右側)には低屈折率のフォトブリーチング層からなる側面クラッド層6bが形成されている。
【0044】
この光導波路は、並置コア層、90°曲線パターン及びS字曲線パターン等を有しているので、方向性結合器、合分波器、フィルタ、スイッチ、変調器等のデバイスを低損失で実現する上で有効となる。また、これらのデバイスは幅方向に図7に示したような90°曲線パターンやS字曲線パターンを多用するので、本発明の導波路を用いて低損失が図られ、小型化を実現することができる。
【0045】
図5(a)は本発明の低損失光導波路の他の実施の形態を示す断面図であり、図5(b)は図5(a)のG−G線断面内での屈折率分布を示し、図5(c)は図5(a)のH−H線断面内での屈折率分布を示す図である。図5(b)において横軸が中心からの幅方向の位置を示し、縦軸が屈折率を示している。図5(c)において横軸が屈折率を示し、縦軸が厚さ方向の位置を示している。
【0046】
この光導波路は、基板1上に第1導波路14−1が形成され、第1導波路14−1の上に第2導波路14−2が形成された積層構造の多機能、高集積型の光導波路である。
【0047】
第1導波路14−1は、第1クラッド層4−1と、第1クラッド層4−1の上に形成された第2コア層5a−1、側面コア層5b−1及び側面クラッド層6a−1、6b−1と、第2コア層5a−1、側面コア層5b−1及び側面クラッド層6a−1、6b−1の上に形成された第2クラッド層7−1と、第2クラッド層7−1の上に形成されたUVカット(あるいはUV吸収)層8−1とで構成されている。
【0048】
第2導波路14−2は、第1クラッド層4−2と、第1クラッド層4−2の上に形成された第2コア層5a−2、側面コア層5b−2及び側面クラッド層6a−2、6b−2と、第2コア層5a−2、側面コア層5b−2及び側面クラッド層6a−2、6b−2の上に形成された第2クラッド層7−2と、第2クラッド層7−2の上に形成されたUVカット(あるいはUV吸収)層8−2とで構成されている。
【0049】
この積層型の光導波路は第1導波路14−1及び第2導波路14−2にそれぞれ同一、あるいは別々の光信号処理回路を形成してもよい。
【0050】
本発明は上記実施の形態に限定されない。
【0051】
まず、第1クラッド層4−1、4−2と第2クラッド層7−1、7−2との屈折率は等しくてもよく、異なっていてもよい。側面クラッド層6a−1、6b−1、6a−2、6b−2の屈折率も第1クラッド層4−1、4−2及び第2クラッド層7−1、7−2の屈折率と等しくてもよく、異なっていてもよい。光導波路はシングルモード伝送用以外に、マルチモード伝送用であってもよい。フォトブリーチング材料にはシリコーン系、エポキシ系等の材料を用いることができる。また、上記実施の形態以外の具体例としては、dye polymer,4−dialkylamino−4´−nitro−stilbene,DMAPN,2−nitrostilbene等を用いることができる。コア層は基板の幅方向に1個、2個、さらには3個以上並べて配置してもよい。また基板1上には導波路を1層、2層、3層、4層、…のように多層状に形成し、高集積化、多機能化を図るようにすることができる。
【0052】
基板1の表面、裏面あるいは中に電子回路、電子部品、電気配線が実装されていてもよい。また導波路の上面、下面、両端面あるいは中に光回路以外の光部品、電子回路、電子部品、電気配線等が実装されていてもよい。さらに導波路の入出力端面側には光ファイバが接続されていてもよい。またフォトブリーチング材料として、ポリマ材料以外に無機材料(例えばSiO系材料にGeOを添加したもの等)を用いてもよい。
【0053】
コア層内の屈折率分布は2段型以外に、3段型、4段型等であってもよい。これらの多段型屈折率分布の製造方法は、複数のフォトマスクを用いることによって容易に実現することができる。
【0054】
以上において本発明によれば、
(1) 導波路のコア層の幅方向の光パワー分布に類似の屈折率分布を形成することができ、かつそれぞれのコア層の界面を均一に形成することができるので、低損失な導波路が得られる。
【0055】
(2) 放射損失や散乱損失を低減した低損失導波路を簡単なプロセスで実現することができる。
【0056】
(3) 基板の幅方向に90°曲線パターンやS字曲線パターンを多用した光信号処理回路を曲率半径を小さくして形成することができ、小型で、高集積な光デバイスを実現することができる。
【0057】
(4) コア層をフォトブリーチング層で形成することにより、屈折率分布の各段階の境界部を均一に形成することができ、屈折率はUV光の照射パワーと照射時間とを制御することで変化させることができるので、低損失化、低コスト化の他に、光信号処理回路の設計を容易に行うことができる。
【0058】
(5) 各層の厚さ方向の段差もほとんど無いので、さらに低損失化を図ることができる。また、光部品、電気部品、電気回路、電気配線等を基板の表面(あるいは裏面)、基板中あるいは導波路の上面(あるいは裏面)、あるいは導波路中に実装することが容易になる。
【0059】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【0060】
小型で散乱損失や放射損失の小さい低損失光導波路及びその製造方法の提供を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は本発明の低損失光導波路の一実施の形態を示す断面図であり、(b)は(a)のC−C線断面内での屈折率分布を示し、(c)は(a)のD−D線断面内での屈折率分布を示す図である。
【図2】(a)〜(d)は図1に示した低損失導波路の製造方法の一実施の形態を示す工程図である。
【図3】(a)、(b)は図2(a)〜(d)に示した工程中に用いられるフォトマスクの平面図である。
【図4】(a)は本発明の低損失光導波路の他の実施の形態を示す断面図であり、(b)は(a)のE−E線断面内での屈折率分布を示し、(c)は(a)のF−F線断面内での屈折率分布を示す図である。
【図5】(a)は本発明の低損失光導波路の他の実施の形態を示す断面図であり、(b)は(a)のG−G線断面内での屈折率分布を示し、(c)は(a)のH−H線断面内での屈折率分布を示す図である。
【図6】(a)は従来の光導波路の断面図であり、(b)は(a)のA−A線断面内の屈折率分布を示し、(c)は(a)のB−B線断面内の屈折率分布を示す図である。
【図7】(a)は図6に示した導波路のうち、90°に曲がった導波路の曲率半径Rと導波路放射損失をコア層とクラッド層との比屈折率差Δをパラメータにして計算した結果を示し、(b)は図6に示した導波路のうち、S字状の曲線導波路の曲率半径Rと導波路放射損失をコア層とクラッド層との比屈折率差Δをパラメータにして計算した結果を示す図である。
【符号の説明】
1 基板
5a、5b コア層
4、6a、6b、7 クラッド層
8 UVカット層(UV吸収層)
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a manufacturing method of the optical waveguide path.
[0002]
[Prior art]
In order to reduce the size, integration, and cost of optical devices, research and development of optical devices having a waveguide structure have been actively conducted.
[0003]
FIG. 6A is a cross-sectional view of a conventional optical waveguide, FIG. 6B shows a refractive index distribution in a cross section taken along line AA of FIG. 6A, and FIG. It is a figure which shows the refractive index distribution in the BB line cross section of a).
[0004]
In FIG. 6B, the horizontal axis indicates the position in the width direction, and the vertical axis indicates the refractive index. In FIG. 6C, the horizontal axis indicates the refractive index, and the vertical axis indicates the position in the thickness direction.
[0005]
The waveguide has a structure in which a high refractive index core layer 2 having a substantially rectangular cross section is embedded in a low refractive index cladding layer 3 formed on a substrate 1. The refractive index distribution in the width and thickness directions of the core layer 2 has a flat distribution having substantially uniform values.
[0006]
FIG. 7A shows the curvature radius R and the waveguide radiation loss (radiation loss at the curved portion) of the waveguide bent at 90 ° among the waveguides shown in FIG. 6, and the relative refraction between the core layer and the cladding layer. FIG. 7B shows the result of calculation using the index difference Δ as a parameter. FIG. 7B shows the curvature radius R and the radiation loss of the S-shaped curved waveguide among the waveguides shown in FIG. FIG. 9 is a diagram showing a result of calculation using a relative refractive index difference Δ with a layer as a parameter. In both figures, the horizontal axis shows the radius of curvature, and the vertical axis shows the coupling loss.
[0007]
Both figures show that the radiation loss increases as the relative refractive index difference Δ decreases or as the radius of curvature R decreases. In order to reduce the radiation loss to 0.02 dB or less, the radius of curvature R must be 0.8 cm or more, which makes it difficult to miniaturize the waveguide type optical device. Conversely, if the radius of curvature R is reduced to reduce the size, an optical device with a large loss will be obtained.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the conventional waveguide type optical device has the following problems.
[0009]
(1) It is difficult to realize a small and low-loss waveguide type optical device.
[0010]
(2) The interface between the core layer and the cladding layer tends to be non-uniform due to the manufacturing process, and the scattering loss shows a very large value. In particular, the scattering loss due to the unevenness of the interface between the core layer and the cladding layer from the curved waveguide portion as shown in FIG. 7 is very large.
[0011]
(3) Since the core layer having a substantially rectangular cross-sectional shape is formed by dry etching, scattering loss and radiation loss due to roughness of both side surfaces of the core layer and edge surfaces of the core layer are large.
[0012]
Therefore, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a small-sized low-loss optical waveguide having small scattering loss and radiation loss, and a method for manufacturing the same.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the method of manufacturing an optical waveguide according to the present invention, a step of forming a first clad layer on a substrate and a step of reducing a refractive index on the first clad layer in accordance with an irradiation amount of UV light are performed. Forming a photobleaching layer, disposing a first photomask having a pattern of a core layer on the photobleaching layer, and irradiating UV light from above the first photomask to form a substantially rectangular cross-sectional shape Forming a high-refractive-index core layer having at least one curved portion and forming a low-refractive-index side cladding layer on both sides of the core layer; and a central core layer on the side cladding layer and the core layer. A second photomask having the following pattern is arranged, and UV light is irradiated from above the second photomask to form a central portion of the core layer on the central core layer having a high refractive index. Refractive index better than the central core layer Forming a low profile core layer, said central core layer, and a step of laminating a second cladding layer on the side core layer and the side cladding layer.
[0014]
In addition to the above configuration, a step of laminating a UV cut layer or a UV absorption layer on the second clad layer is provided.
[0015]
According to the present invention, since the core layer has a refractive index distribution of at least two steps in the width direction, most of the light propagating in the core layer is confined in the high refractive index portion and propagates. Since the core layer and the cladding layer are made of a photobleaching material, the interface is uniform. As a result, it is possible to provide a small-sized low-loss optical waveguide having small scattering loss and radiation loss and a method of manufacturing the same.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0017]
FIG. 1A is a cross-sectional view showing one embodiment of the low-loss optical waveguide of the present invention, and FIG. 1B shows a refractive index distribution in a cross section taken along line CC of FIG. 1A. FIG. 1C is a diagram showing a refractive index distribution in a section taken along line DD of FIG. 1A. In FIG. 1B, the horizontal axis indicates the position in the width direction from the center, and the vertical axis indicates the refractive index. In FIG. 1C, the horizontal axis indicates the refractive index, and the vertical axis indicates the position in the thickness direction.
[0018]
The substrate 1 is a Si substrate (however, a substrate made of glass, a semiconductor such as GaAs or InP, a magnetic material, a polymer material, a ferroelectric material, or a combination of these materials may be used).
[0019]
On the substrate 1, a first cladding layer (refractive index n C1 ) 4 is formed. The first cladding layer 4 is made of SiO 2 having a thickness of 5 μm or more (provided that at least one kind of refractive index controlling dopant such as F, B, P, Ti, Ge, etc. is added to SiO 2 , PMMA Or a polymer material such as polyvinylidene fluoride, polystyrene, polyimide, silicone, or polysilane.).
[0020]
On the first cladding layer 4, a second core layer 5a, a side core layer 5b, and side cladding layers 6a and 6b made of a photobleaching material are formed. The photobleaching layer made of this photobleaching material can reduce the refractive index substantially continuously by increasing the irradiation amount of UV light. As the photobleaching material, for example, polysilane is used.
[0021]
Side cladding layer 6a, 6b are those adjusted to have a refractive index n CP comparable with the refractive index n C1 of the first cladding layer 4 is irradiated UV light a long time. As shown in FIG. 1B, the side cladding layers 6a and 6b function as ordinary cladding layers.
[0022]
The side core layer 5b is adjusted to have a refractive index n WS higher than the refractive index n CP so as to function as a core layer by making the amount of UV irradiation smaller than that of the side cladding layers 6a and 6b.
[0023]
The second core layer 5a is a layer that is not irradiated with UV light or has a small amount of UV light irradiation, and its refractive index nWC is adjusted to the highest value, and acts as a core layer through which light predominantly propagates.
[0024]
Next, a second cladding layer (refractive index n C2 , n C2 ≒ n C1 ) 7 is formed on the second core layer 5a, the side core layer 5b, and the side cladding layers 6a and 6b. A UV cut layer (or UV absorption layer) 8 is formed on the upper surface.
[0025]
For the second cladding layer 7, a material equivalent to the material of the first cladding layer 4 described above can be used. As the UV cut layer 8, a multi-layer in which several tens of layers of ZrO 2 (or TaO 5 ) and SiO 2 are alternately deposited at a temperature of 120 ° C. in a multilayer shape is used. This multi-layer is a multilayer deposited layer having a characteristic of a reflectance of 80% or more in a wavelength range of 300 nm to 500 nm. Note that a UV light absorbing layer may be used instead of the UV light cut layer 8. The UV light absorbing layer is, for example, a material obtained by adding a benzophenone-based, salicylate-based, benzotriazole-based additive to a polymer material, or a material obtained by adding a metal oxide pigment such as titanium dioxide, iron oxide, or zinc oxide to a polymer material. Can be used.
[0026]
As shown in FIG. 1B, a core layer composed of the second core layer 5a and the side core layer 5b is provided with a two-stage refractive index distribution in the width direction of the second core layer 5a and the side core layer 5b. The radiation loss of the optical signal propagating in the curved portion as shown in FIGS. 7A and 7B can be greatly reduced by using the central portion of Can be. That is, most of the optical signal propagates while being confined in the central portion of the core layer, so that radiation and scattering loss due to structural nonuniformity due to the manufacturing process in the curved portion can be reduced.
[0027]
In particular, since the second core layer 5a, the side core layer 5b, and the side cladding layers 6a and 6b are formed of a photobleaching material, the interface is uniform, and the scattering loss at the interface is small. Radiation and scattering losses can be reduced. As a result, the radius of curvature R of the 90 ° curve pattern and the S-curve pattern as shown in FIGS. 7A and 7B can be reduced, and a small waveguide device can be realized.
[0028]
Further, since the core layer pattern is not formed in a curved pattern in the thickness direction of the second core layer 5a and the side core layer 5b, refraction in the thickness direction in the second core layer 5a and the side core layer 5b is performed. The rate distribution is formed uniformly and flat. Further, since there is almost no step in the refractive index distribution in the thickness direction, it is possible to further reduce the loss.
[0029]
2A to 2D are process diagrams showing one embodiment of a method for manufacturing the low-loss waveguide shown in FIG. FIGS. 3A and 3B are plan views of a photomask used during the steps shown in FIGS. 2A to 2D.
[0030]
A first cladding layer 4 made of SiO 2 is formed on a Si substrate 1 to a thickness of about 10 μm. A photobleaching layer 5 is formed on the first cladding layer 4.
[0031]
Here, the photobleaching layer 5 is formed as follows. Hexamethyldisilazane (CH 3 SiNHSiCH 3 ) is applied on the first cladding layer 4. Hexamethyldisilazane is baked at 120 ° C. for about 1 hour to make it hydrophobic, then polysilane dissolved in toluene at a concentration of 10% by weight is spin-coated, and baked at 120 ° C. for about 1 hour (FIG. 2 (a) )).
[0032]
A first photomask 9 is arranged on the photobleaching layer 5, and UV light 10 having a wavelength of 370 nm is irradiated from above the first photomask 9. As the first photomask 9, a mask having a pattern of a first core layer as shown in FIG. The first photomask 9 is a mask for forming, for example, a linear core pattern (UV light reflection region) 12, and has a UV light reflection region 12 and a UV light transmission region 13. When the first photomask 9 is used and the first photomask 9 is irradiated with UV light from above, the photobleaching layer 5 below the UV light transmission region 13 has a lower refractive index due to the UV light irradiation (refractive). Rate: 1.460).
[0033]
On the other hand, since the photobleaching layer 5 below the UV light reflection region 12 is not irradiated with UV light, the refractive index does not decrease (refractive index value: 1.475).
[0034]
As described above, as shown in FIG. 2B, the first core layer 5 ′ having a high refractive index and the side cladding layers 6 a ′ and 6 b ′ having a low refractive index are formed on both side surfaces of the first core layer 5 ′. You.
[0035]
Next, as shown in FIG. 2C, a second photomask 11 is arranged on the first core layer 5 'and the side cladding layers 6a' and 6b ', and the UV light 10 is irradiated.
[0036]
As the second photomask 11, a mask as shown in FIG. 3B is used. As the second photomask 11, a mask having a UV light reflection region 12 'and a UV light transmission region 13 is used. When the second photomask 11 is irradiated with UV light 10 from above, the refractive index of the side cladding layers 6a 'and 6b' below the UV light transmitting region 13 further decreases (refractive index value: 1.450). Since the central portion of the first core layer 5 'below the UV light reflection region 12' is not irradiated with UV light, the refractive index does not decrease (refractive index value: 1.475).
[0037]
However, since the UV light is applied to the portion (both sides of the first core layer 5 ') other than the portion corresponding to the UV light reflection region 12' in the UV light reflection region 12, the first core layer 5 ' Decreases from 1.475 to 1.460.
[0038]
That is, as shown in FIG. 2D, the refractive index of the second core layer 5a is 1.475, the refractive index of the side core layer 5b is 1.460, and the refractive indexes of the side cladding layers 6a and 6b are 1. 450.
[0039]
A second clad layer 7 (silicone resin, refractive index: 1.450) is formed on the second core layer 5a, the side core layer 5b, and the side clad layers 6a and 6b, and a UV light is absorbed on the second clad layer 7. By forming the layer 8, the low-loss optical waveguide shown in FIG. 1 is obtained.
[0040]
FIG. 4A is a cross-sectional view showing another embodiment of the low-loss optical waveguide of the present invention, and FIG. 4B shows a refractive index distribution in a cross section taken along line EE of FIG. 4A. FIG. 4C is a diagram showing a refractive index distribution in a cross section taken along line FF of FIG. 4A. In FIG. 4B, the horizontal axis indicates the position in the width direction from the center, and the vertical axis indicates the refractive index. In FIG. 4C, the horizontal axis represents the refractive index, and the vertical axis represents the position in the thickness direction.
[0041]
This optical waveguide is provided on the first cladding layer 4 by two core layers (one (left side in the figure) second core layer 5aa, one side core layer 5ba, and the other (right side in the figure) second core layer 5ab). , And the other side core layer 5bb) is arranged in parallel.
[0042]
One high refractive index second core layer 5aa is provided between the one side core layer 5ba having a lower refractive index than the second core layer 5aa, and the other second core layer 5ab having a higher refractive index is provided in the second core layer 5ab. The side cladding layer 6c is provided between the other side core layers 5bb having a lower refractive index than the core layer 5ab, and a photo-bleaching layer having a low refractive index is provided between the two core layers.
[0043]
Outside the one side core layer 5ba (left side in the figure), a side cladding layer 6a made of a low refractive index photobleaching layer is formed. Outside the other side core layer 5bb (the right side in the figure), a side cladding layer 6b made of a low refractive index photobleaching layer is formed.
[0044]
Since this optical waveguide has a juxtaposed core layer, 90 ° curve pattern, S-curve pattern, etc., devices such as directional couplers, multiplexers / demultiplexers, filters, switches, and modulators can be realized with low loss. It is effective in doing. In addition, since these devices frequently use a 90 ° curve pattern or an S-shaped curve pattern as shown in FIG. 7 in the width direction, low loss can be achieved by using the waveguide of the present invention, and miniaturization can be realized. Can be.
[0045]
FIG. 5A is a cross-sectional view showing another embodiment of the low-loss optical waveguide according to the present invention, and FIG. 5B shows a refractive index distribution in a cross section taken along line GG of FIG. FIG. 5C is a diagram showing a refractive index distribution in a cross section taken along line HH of FIG. 5A. In FIG. 5B, the horizontal axis indicates the position in the width direction from the center, and the vertical axis indicates the refractive index. In FIG. 5C, the horizontal axis represents the refractive index, and the vertical axis represents the position in the thickness direction.
[0046]
This optical waveguide has a multi-functional, highly integrated type of laminated structure in which a first waveguide 14-1 is formed on a substrate 1 and a second waveguide 14-2 is formed on the first waveguide 14-1. Is an optical waveguide.
[0047]
The first waveguide 14-1 includes a first cladding layer 4-1, a second core layer 5a-1, a side core layer 5b-1, and a side cladding layer 6a formed on the first cladding layer 4-1. -1, 6b-1, the second core layer 5a-1, the side core layer 5b-1, and the second cladding layer 7-1 formed on the side cladding layers 6a-1, 6b-1; And a UV cut (or UV absorbing) layer 8-1 formed on the clad layer 7-1.
[0048]
The second waveguide 14-2 includes a first cladding layer 4-2, a second core layer 5a-2, a side core layer 5b-2, and a side cladding layer 6a formed on the first cladding layer 4-2. -2, 6b-2, a second cladding layer 7-2 formed on the second core layer 5a-2, the side core layer 5b-2, and the side cladding layers 6a-2, 6b-2; And a UV cut (or UV absorption) layer 8-2 formed on the clad layer 7-2.
[0049]
In this laminated optical waveguide, the same or different optical signal processing circuits may be formed in the first waveguide 14-1 and the second waveguide 14-2.
[0050]
The present invention is not limited to the above embodiment.
[0051]
First, the refractive indices of the first cladding layers 4-1 and 4-2 and the second cladding layers 7-1 and 7-2 may be equal or different. The refractive indices of the side cladding layers 6a-1, 6b-1, 6a-2 and 6b-2 are also equal to the refractive indices of the first cladding layers 4-1 and 4-2 and the second cladding layers 7-1 and 7-2. Or may be different. The optical waveguide may be for multi-mode transmission other than for single-mode transmission. Silicone-based or epoxy-based materials can be used as the photobleaching material. Further, as specific examples other than the above-described embodiment, dye polymer, 4-dialkylamino-4′-nitro-stillene, DMAPN, 2-nitrostillene, and the like can be used. One, two, or three or more core layers may be arranged in the width direction of the substrate. On the substrate 1, waveguides can be formed in a multilayer structure such as one layer, two layers, three layers, four layers,... To achieve high integration and multifunctionality.
[0052]
Electronic circuits, electronic components, and electric wiring may be mounted on the front surface, the back surface, or inside the substrate 1. An optical component other than the optical circuit, an electronic circuit, an electronic component, an electric wiring, or the like may be mounted on the upper surface, the lower surface, both end surfaces, or inside the waveguide. Further, an optical fiber may be connected to the input / output end face side of the waveguide. Further, as the photobleaching material, an inorganic material (for example, a material obtained by adding GeO 2 to a SiO 2 material, etc.) may be used in addition to the polymer material.
[0053]
The refractive index distribution in the core layer may be a three-stage type, a four-stage type, or the like, other than the two-stage type. These multi-step refractive index distribution manufacturing methods can be easily realized by using a plurality of photomasks.
[0054]
As described above, according to the present invention,
(1) A low-loss waveguide can be formed because a refractive index distribution similar to the optical power distribution in the width direction of the core layer of the waveguide can be formed and the interface between the core layers can be formed uniformly. Is obtained.
[0055]
(2) A low-loss waveguide with reduced radiation loss and scattering loss can be realized by a simple process.
[0056]
(3) An optical signal processing circuit that makes extensive use of a 90 ° curve pattern or an S-shaped curve pattern in the width direction of the substrate can be formed with a small radius of curvature, realizing a compact, highly integrated optical device. it can.
[0057]
(4) By forming the core layer with a photobleaching layer, it is possible to uniformly form the boundary of each step of the refractive index distribution, and the refractive index controls the irradiation power and irradiation time of UV light. Therefore, it is possible to easily design an optical signal processing circuit in addition to reducing the loss and the cost.
[0058]
(5) Since there is almost no step in the thickness direction of each layer, the loss can be further reduced. Further, it becomes easy to mount an optical component, an electric component, an electric circuit, an electric wiring, or the like on the front surface (or the back surface) of the substrate, in the substrate or on the upper surface (or the back surface) of the waveguide, or in the waveguide.
[0059]
【The invention's effect】
In short, according to the present invention, the following excellent effects are exhibited.
[0060]
It is possible to provide a small-sized low-loss optical waveguide having small scattering loss and radiation loss and a method for manufacturing the same.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a cross-sectional view showing one embodiment of a low-loss optical waveguide of the present invention, and FIG. 1B shows a refractive index distribution in a cross section taken along line CC of FIG. (c) is a diagram showing a refractive index distribution in a section taken along line DD of (a).
FIGS. 2A to 2D are process diagrams showing one embodiment of a method for manufacturing the low-loss waveguide shown in FIG.
FIGS. 3A and 3B are plan views of a photomask used during the steps shown in FIGS. 2A to 2D.
4A is a cross-sectional view showing another embodiment of the low-loss optical waveguide of the present invention, FIG. 4B shows a refractive index distribution in a cross section taken along line EE of FIG. (C) is a diagram showing a refractive index distribution in a cross section taken along line FF of (a).
FIG. 5A is a cross-sectional view showing another embodiment of the low-loss optical waveguide of the present invention, and FIG. 5B shows a refractive index distribution in a cross section taken along line GG of FIG. (C) is a diagram showing a refractive index distribution in a cross section taken along line HH in (a).
6A is a cross-sectional view of a conventional optical waveguide, FIG. 6B shows a refractive index distribution in a cross section taken along the line AA in FIG. 6A, and FIG. 6C shows a BB in FIG. It is a figure which shows the refractive index distribution in a line cross section.
FIG. 7A is a graph showing the radius of curvature R of the waveguide bent at 90 ° and the radiation loss of the waveguide in the waveguide shown in FIG. 6 using the relative refractive index difference Δ between the core layer and the cladding layer as parameters. FIG. 6B shows the result of calculation, and FIG. 6B shows the relative radius difference Δ between the core layer and the cladding layer, where the curvature radius R and the waveguide radiation loss of the S-shaped curved waveguide among the waveguides shown in FIG. FIG. 9 is a diagram showing a result of calculation using as a parameter.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1 substrate 5a, 5b core layer 4, 6a, 6b, 7 cladding layer 8 UV cut layer (UV absorption layer)

Claims (2)

基板上に第1クラッド層を形成する工程と、第1クラッド層の上にUV光の照射量に応じて屈折率が低下するフォトブリーチング層を形成する工程と、該フォトブリーチング層の上にコア層のパターンを有する第1フォトマスクを配置し、第1フォトマスクの上からUV光を照射して略矩形断面形状で少なくとも1か所に曲線部を有する高屈折率のコア層を形成すると共にコア層の両側に低屈折率の側面クラッド層を形成する工程と、該側面クラッド層及びコア層の上に中央コア層のパターンを有する第2フォトマスクを配置し、第2フォトマスクの上からUV光を照射してコア層の中央部を高屈折率の中央コア層に形成すると共に、中央コア層の両側部を中央コア層よりも屈折率の低い側面コア層を形成する工程と、上記中央コア層、上記側面コア層及び上記側面クラッド層の上に第2クラッド層を積層する工程とを有することを特徴とする光導波路の製造方法 A step of forming a first cladding layer on the substrate, a step of forming a photobleaching layer whose refractive index is reduced in accordance with the irradiation amount of UV light on the first cladding layer, and a step of forming a photobleaching layer on the photobleaching layer A first photomask having a pattern of a core layer is disposed on the first photomask, and UV light is irradiated from above the first photomask to form a high refractive index core layer having a substantially rectangular cross-sectional shape and having at least one curved portion. Forming a low refractive index side cladding layer on both sides of the core layer, and disposing a second photomask having a pattern of a central core layer on the side cladding layer and the core layer; Irradiating UV light from above to form a central portion of the core layer in the central core layer having a high refractive index, and to form side core layers on both sides of the central core layer having a lower refractive index than the central core layer; , The central core layer, the above Method of manufacturing an optical waveguide, characterized by a step of laminating a second cladding layer on the surface the core layer and the side cladding layer. 上記第2クラッド層の上にUVカット層あるいはUV吸収層を積層する工程を有する請求項1に記載の光導波路の製造方法The method for manufacturing an optical waveguide according to claim 1, further comprising a step of laminating a UV cut layer or a UV absorption layer on the second clad layer .
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