JP3692752B2 - 平面導波路型光回路の製作方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光分岐器，光結合器，スターカプラ，方向性結合器等を含み得る平面導波路型光回路の製作方法の改善に関し、特に、高い精度を有する平面導波路型光回路を簡略な工程で製作し得る方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信システムの発展に伴って、高い精度を有する平面導波路型光回路を簡略な工程で形成し得る方法の開発が望まれている。そのような平面導波路型光回路は、光通信システムに必要な光分岐器，光結合器，スターカプラ，方向性結合器などを含み得るものである。
【０００３】
図６において、平面導波路型光回路の先行技術による形成方法の一例が概略的な断面図で図解されている。
【０００４】
図６（Ａ）において、まず、下部クラッド層として働くシリカガラス基板１上において、添加元素としてゲルマニウムを含むシリカガラスのコア層２が形成される。このコア層２は、たとえば、四塩化シリコンと四塩化ゲルマニウムの火炎加水分解を行なってガラス微粒子層を堆積し、この微粒子層を高温に加熱して透明ガラス層に変えることによって形成され得る。なお、下部クラッド層として働く基板１は、他の基板上に形成されたシリカガラス層であってもよいことは言うまでもない。
【０００５】
図６（Ｂ）においては、コア層２の上に、光回路に対応したパターンを有するレジストパターン３がフォトリソグラフィを用いて形成される。このフォトリソグラフィは、コア層２上へのレジスト層の塗布，光マスクを介する露光，およびその露光されたレジスト層の現像処理などの複雑な工程を含むものである。
【０００６】
図６（Ｃ）において、レジストパターン３をマスクとして、反応性イオンエッチングを用いてコア層２がエッチングされ、光回路パターンに対応したコアリッジ２ａが形成される。
【０００７】
図６（Ｄ）において、光回路に対応したパターンを有するコアリッジ２ａを覆うように、火炎加水分解堆積法によって上部クラッド層４が形成される。これによって、平面導波路型光回路が完成する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、平面導波路型光回路の先行技術による製作方法においては、複雑なフォトリソグラフィや反応性イオンエッチングのような多くの工程を必要とする。また、先行技術による製作方法によれば、形成される平面導波路型光回路の精度はフォトリソグラフィと反応性イオンエッチングによる加工精度に依存する。
【０００９】
したがって、本発明は、より高い精度を有する平面導波路型光回路を簡略な工程で形成し得る方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
平面導波路型光回路の本発明による製作方法は、シリカ系ガラスの下部クラッド層を用意し、その下部クラッド層上にコア層を形成し、そのコア層は第１の添加元素と第２の添加元素とを含むシリカ系ガラスからなり、第１の添加元素はシリカ系ガラスの屈折率を増大させかつ第２の添加元素は第１の添加元素によるシリカ系ガラスの屈折率の増大を打消すように作用するものであり、コア層の深い位置においては浅い位置に比べて高濃度の第１と第２の添加元素が添加され、コア層上にシリカ系ガラスの上部クラッド層をさらに形成し、所定の光回路パターンを有するＸ線マスクを上部クラッド層上に配置し、コア層にＸ線マスクを介してＸ線を照射し、これにより、コア層中に光回路パターンに対応した高屈折領域を形成することを特徴としている。
【００１１】
なお、上部クラッド層は、Ｘ線照射によってコア層中に高屈折領域を形成した後にそのコア層上に形成されてもよいことは言うまでもない。
【００１２】
平面導波路型光回路の本発明による製作方法によれば、光回路パターンを有するＸ線マスクを介してコア層にＸ線を照射するという工程を用いることによって、先行技術の方法においては必要とされた複雑なフォトリソグラフィ工程および反応性エッチング工程を用いることなく簡略に平面導波路型光回路を得ることができる。さらに、本発明による製作方法においては、フォトリソグラフィで用いられる光の波長よりはるかに短い波長を有するＸ線が用いられるので、光回路の精度に対する回折による悪影響を低減することができて高精度の平面導波路型光回路を得ることができ、深さに依存して増大する添加物濃度を有するコア層を含む平面導波路型光回路において極めて良好な偏波特性が得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、シリカを主成分として含むシリカ系ガラスの基板材料を用いた場合における、平面導波路型光回路の本発明による製作方法の一例を概略的な断面図で図解している。
【００１４】
図１（Ａ）において、まず、下部クラッド層として働くシリカ系ガラス基板１上にコア層１２が形成される。このコア層１２は、第１の添加元素としてのゲルマニウム，チタン，ジルコン，リンまたはアルミニウムを含むのみならず、第２の添加元素をも含むように形成される。第２の添加元素は、第１の添加元素によるシリカ系ガラスの屈折率の増大を打消すように作用するものであり、たとえば、ホウ素またはフッ素を用いることができる。すなわち、コア層１２は、下部クラッド層として働くシリカ系ガラス基板１と同じ屈折率を有するように形成される。このようなコア層１２は、火炎加水分解堆積法，スパッタリング法，またはＣＶＤ法等を用いて形成することができる。
【００１５】
図２は、シリカガラスに種々の元素を添加した場合の屈折率変化を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸はシリカガラスに対する屈折率変化の割合を絶対値（％）で表わし、縦軸は添加物濃度（モル％）を表わしている。すなわち、横軸は、第１添加元素のゲルマニウム，チタン，ジルコン，リンおよびアルミニウムに関するＧｅＯ2 ，ＴｉＯ2 ，ＺｒＯ2 ，Ｐ2 Ｏ5 およびＡｌ2 Ｏ3 については屈折率の増大割合を表わし、第２添加元素のホウ素とフッ素に関するＢ2 Ｏ3 とＦについては屈折率の減少割合を表わしている。図２に示されているような添加物と屈折率変化割合との関係を利用して、第１と第２の添加元素の種類と濃度を適宜に選択することによって、下部クラッド層として働くシリカ系ガラス基板１と同じ屈折率を有しかつ第１添加元素を含むコア層１２を形成することができる。
【００１６】
図１（Ｂ）においては、コア層１２上に、さらにシリカ系ガラスの上部クラッド層１４が形成される。この上部クラッド層１４も、火炎加水分解堆積法，スパッタリング法，またはＣＶＤ法等を用いて形成され得ることは言うまでもない。なお、上部クラッド層１４は、シリカ系ガラス以外に樹脂で形成されてもよい。但し、その樹脂は所定の波長の光に対して透光性のものでなければならない。たとえば、完成された平面導波路型光回路において信号光としての赤外線が用いられる場合には、上部クラッド層１４を形成している樹脂も赤外線に対して透光性でなければならない。
【００１７】
図１（Ｃ）において、上部クラッド層１４の上方にＸ線マスク２０が配置される。なお、図１（Ｃ）においては図面の明瞭化のためにＸ線マスク２０が上部クラッド層１４と隔てられて配置されているが、Ｘ線マスク２０は上部クラッド層１４に接して配置されてもよいことは言うまでもない。さらに図１では上部クラッド層１４が形成された後にＸ線２２が照射される例が示されているが、これとは逆に、Ｘ線２２が照射された後に上部クラッド層１４が形成されてもよいことも言うまでもない。
【００１８】
Ｘ線マスク２０は、Ｘ線を透過する支持膜２０Ａとその上にパターン化されて形成されたＸ線シールド層２０Ｂとを含んでいる。支持膜２０Ａとして、窒化ケイ素膜，炭化ケイ素膜，ダイヤモンド膜等が好ましく用いられ得る。なぜならば、窒化ケイ素膜等は大きな機械的強度と大きなＸ線透過能を有しているからである。他方、Ｘ線シールド層２０Ｂとしては、タングステン層，タンタル層，金層等を好ましく用いることができる。タングステン等は、Ｘ線に対して大きな遮蔽能力を有しているからである。タングステン層２０Ｂは、コア層１２内において形成されるべき光回路に対応したパターンを有している。
【００１９】
このようなＸ線マスク２０を介して、コア層１２へＸ線２２を照射することによって、コア層１２内において、光回路パターンに対応した高屈折率領域１２ａが形成される。すなわち、コア層１２内に第１添加元素として含まれるゲルマニウム，チタン，ジルコン，リンまたはアルミニウムはＸ線照射によってシリカ系ガラスの屈折率を増大させるように作用し、Ｘ線２２の照射を受けた領域１２ａは屈折率が増大するのである。こうして、フォトリソグラフィや反応性イオンエッチングを必要とすることなく、単にＸ線マスクを介してＸ線を照射するだけで簡略に高い精度を有する平面導波路型光回路を得ることができる。また、Ｘ線はフォトリソグラフィにおいて用いられる光の波長よりはるかに短い波長を有しているので、光回路はサブミクロンの精度で形成することができる。
【００２０】
なお、第１添加元素を含むシリカ系ガラス中のＸ線照射による屈折率の増大は、その第１添加元素またはシリコンのＫ殻またはＬ殻の電子がＸ線エネルギを吸収することによって起こる。各種元素がＸ線を吸収する度合は、たとえば、ACADEMIC PRESS社から出版されたAtomic Data and Nuclear Data Tables, Vol.54, 1993, pp.181-342 において述べられている。
【００２１】
ここで、ゲルマニウム，チタン，ジルコンまたはリンを第１添加元素として含むシリカ系ガラスの場合、これらの元素のいずれのＫ殻吸収端もシリコンの場合の１．８３８９ｋｅＶより高エネルギ側にあるので、この１．８３８９ｋｅＶより高いエネルギのＸ線を用いることによって大きなＸ線吸収率が得られ、効率よく屈折率を増大させることができる。一方、アルミニウムを第１添加元素として含むシリカ系ガラスの場合では、アルミニウムのＫ殻吸収端はシリコンの場合より低エネルギ側の１．５５９ｋｅＶにあるので、この場合は１．５５９ｋｅＶより高いエネルギのＸを用いることにより効率よく屈折率を高めることができる。
【００２２】
他方、Ｘ線エネルギが大きくなるほど、各殻中の電子によるＸ線の吸収量が減少する。たとえば、Ｘ線エネルギが１０ｋｅＶの場合、シリコンによるＸ線吸収率は１．８３８９ｋｅＶのＸ線の場合に比べて約１／１０に減少する。すなわち、１０ｋｅＶより大きなエネルギのＸ線を照射しても、それは屈折率の増大にはほとんど寄与せず、無駄なものとなる。
【００２３】
また、コア層１２中のＸ線吸収量は、その上側表面から深くなるに従って減少する傾向にある。このようなＸ線吸収量の減少に伴ってコア層１２中の屈折率の増大割合も減少するので、これを補償するように、コア層１２中の深い位置においては、浅い位置に比べて高濃度の第１添加元素を含めることが好ましい。
【００２４】
図３は、Ｘ線マスク２０が有するパターンの一例を示す概略的な平面図である。このＸ線マスクは、タングステン層２０Ｂ内に形成された直線光回路パターン２３と１×２分岐光回路パターン２４を含んでいる。これらの光回路パターンの各ラインは、たとえば１０μｍの幅を有している。窒化シリコンの支持膜２０Ａは約２μｍの厚さに形成することができ、約２μｍの厚さを有するタングステン層をＸ線遮蔽層２０Ｂとして用いることができる。また、このＸ線マスク全体の長さは、たとえば約４０ｍｍに形成され得る。
【００２５】
【実施例】
［参考例］
図４は、平面導波路型光回路の本発明の参考例による形成方法において、Ｘ線としてシンクロトロン放射光（ＳＲ光）を用いた例を概略的な断面図で図解している。シンクロトロン放射光装置としては、住友電工播磨研究所虹ＩＩＩ号が用いられた。すなわち、図４において左方にシンクロトロン放射光装置（図示せず）が配置されている。大気圧のヘリウムを含むＳＲ光照射室３０内に、Ｘ線マスク２０を介してＸ線照射されるべきコア層１２が配置される。
【００２６】
図４において矢印ＳＲで示されているように、シンクロトロン放射光は左方のシンクロトロン放射光装置からのＳＲ光導入管３１を通してＳＲ光照射室３０内へ導かれる。このとき、照射室３０は大気圧のヘリウムを含んでいるのに対して、導入管３１のシンクロトロン放射光装置側は超高真空に維持されているので、導入管３１の途中に隔膜３２が設けられている。隔膜３２は、高いＸ線透過能と高い機械的強度を有するベリリウム膜で形成されている。
【００２７】
図４に示されているような参考例において、下部クラッド層１の厚さは２ｍｍであり、コア層１２と上部クラッド層１４はいずれも１０μｍであった。また、ＳＲ光源とコア層１２との距離は１．３ｍに設定された。そして、コア層１２には第１添加元素としての３．５モル％ＧｅＯ2 と第２の添加元素としての１３モル％Ｂ2 Ｏ3 が含められ、Ｘ線マスク２０を介して５００ｍＡ・ｈの照射量でＳＲ光が照射された。ここで、ｍＡはシンクロトロン内の蓄積電流を表わし、ｈは照射時間を表している。
【００２８】
このようにして製作された参考例による平面導波路型光回路における光伝送特性を評価したところ、直線回路において約０．１ｄＢ／ｃｍの小さな伝送損失と０．１ｄＢ以下の偏波特性が得られ、光通信システムにおいて用いるに十分な性能を有する平面導波路型光回路を得ることができた。
【００２９】
［実施例］
参考例に類似して、実施例による平面導波路型光回路が製作された。この実施例による製作において参考例と異なる点は、コア層１２中の深さ方向において第１と第２の添加元素の濃度が図５のグラフに示されているように変化させられたことだけである。
【００３０】
すなわち、図５のグラフにおいて横軸はコア層１２の上面からの深さ（μｍ）を表わし、縦軸は添加物濃度（モル％）を表わしている。コア層１２は火炎加水分解堆積法で形成され、その堆積中の燃料ガスの噴射量を時間に依存して変化させることによって添加物の濃度が制御された。
【００３１】
図５のグラフに示されているように、実施例のコア層１２は、その上面において第１の添加元素のゲルマニウムとしての２．８モル％ＧｅＯ2 と第２の添加元素のホウ素としての１０．４モル％Ｂ2 Ｏ3 を含み、その下面においては３．５モル％ＧｅＯ2 と１３モル％Ｂ2 Ｏ3 を含んでいる。すなわち、実施例のコア層１２においては、その上面から深くなるに従って、第１と第２の添加元素の濃度がともに増大させられている。
【００３２】
このようにして製作された実施例による平面導波路型光回路における光伝送特性を参考例の場合と同様に評価したところ、直線回路において約０．１ｄＢ／ｃｍの小さな伝送損失と０．０１ｄＢ以下の極めて良好な偏波特性が得られた。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、平面導波路型光回路の本発明による製作方法によれば、Ｘ線マスクを介する簡略なＸ線照射によって、従来の方法で必要であった複雑なフォトリソグラフィ工程や反応性イオンエッチング工程の必要性を排除することができる。また、本発明によれば、従来の方法で用いられていたフォトリソグラフィにおける光の波長よりはるかに短い波長を有するＸ線が用いられるので、より高い精度を有する平面導波路型光回路を製作することができ、深さに依存して増大する添加物濃度を有するコア層を含む平面導波路型光回路において、極めて良好な偏波特性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの実施の形態による平面導波路型光回路の形成方法を図解する概略的な断面図である。
【図２】シリカガラスに各種元素を添加した場合の屈折率変化割合を示すグラフである。
【図３】本発明の形成方法において用いられるＸ線マスクのパターンの一例を示す概略的な平面図である。
【図４】 本発明の参考例による平面導波路型光回路の形成方法におけるＳＲ光照射の工程を概略的に図解する断面図である。
【図５】 本発明の実施例によるコア層内の深さ方向における添加物の濃度変化を示すグラフである。
【図６】先行技術による平面導波路型光回路の形成方法を図解する概略的な断面図である。
【符号の説明】
１ シリカ系ガラスの下部クラッド層
１２ 第１と第２の添加元素を含むシリカ系ガラスのコア層
１４ シリカ系ガラスの上部クラッド層
２０ Ｘ線マスク
２０Ａ 窒化シリコンの支持膜
２０Ｂ パターン化されたタングステン層
２２ Ｘ線
２３ 直線光回路パターン
２４ １×２分岐光回路パターン
３０ ＳＲ光照射室
３１ ＳＲ光導入管
３２ ベリリウム隔膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、光分岐器，光結合器，スターカプラ，方向性結合器等を含み得る平面導波路型光回路の製作方法の改善に関し、特に、高い精度を有する平面導波路型光回路を簡略な工程で製作し得る方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信システムの発展に伴って、高い精度を有する平面導波路型光回路を簡略な工程で形成し得る方法の開発が望まれている。そのような平面導波路型光回路は、光通信システムに必要な光分岐器，光結合器，スターカプラ，方向性結合器などを含み得るものである。
【０００３】
図６において、平面導波路型光回路の先行技術による形成方法の一例が概略的な断面図で図解されている。
【０００４】
図６（Ａ）において、まず、下部クラッド層として働くシリカガラス基板１上において、添加元素としてゲルマニウムを含むシリカガラスのコア層２が形成される。このコア層２は、たとえば、四塩化シリコンと四塩化ゲルマニウムの火炎加水分解を行なってガラス微粒子層を堆積し、この微粒子層を高温に加熱して透明ガラス層に変えることによって形成され得る。なお、下部クラッド層として働く基板１は、他の基板上に形成されたシリカガラス層であってもよいことは言うまでもない。
【０００５】
図６（Ｂ）においては、コア層２の上に、光回路に対応したパターンを有するレジストパターン３がフォトリソグラフィを用いて形成される。このフォトリソグラフィは、コア層２上へのレジスト層の塗布，光マスクを介する露光，およびその露光されたレジスト層の現像処理などの複雑な工程を含むものである。
【０００６】
図６（Ｃ）において、レジストパターン３をマスクとして、反応性イオンエッチングを用いてコア層２がエッチングされ、光回路パターンに対応したコアリッジ２ａが形成される。
【０００７】
図６（Ｄ）において、光回路に対応したパターンを有するコアリッジ２ａを覆うように、火炎加水分解堆積法によって上部クラッド層４が形成される。これによって、平面導波路型光回路が完成する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、平面導波路型光回路の先行技術による製作方法においては、複雑なフォトリソグラフィや反応性イオンエッチングのような多くの工程を必要とする。また、先行技術による製作方法によれば、形成される平面導波路型光回路の精度はフォトリソグラフィと反応性イオンエッチングによる加工精度に依存する。
【０００９】
したがって、本発明は、より高い精度を有する平面導波路型光回路を簡略な工程で形成し得る方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
平面導波路型光回路の本発明による製作方法は、シリカ系ガラスの下部クラッド層を用意し、その下部クラッド層上にコア層を形成し、そのコア層は第１の添加元素と第２の添加元素とを含むシリカ系ガラスからなり、第１の添加元素はシリカ系ガラスの屈折率を増大させかつ第２の添加元素は第１の添加元素によるシリカ系ガラスの屈折率の増大を打消すように作用するものであり、コア層の深い位置においては浅い位置に比べて高濃度の第１と第２の添加元素が添加され、コア層上にシリカ系ガラスの上部クラッド層をさらに形成し、所定の光回路パターンを有するＸ線マスクを上部クラッド層上に配置し、コア層にＸ線マスクを介してＸ線を照射し、これにより、コア層中に光回路パターンに対応した高屈折領域を形成することを特徴としている。
【００１１】
なお、上部クラッド層は、Ｘ線照射によってコア層中に高屈折領域を形成した後にそのコア層上に形成されてもよいことは言うまでもない。
【００１２】
平面導波路型光回路の本発明による製作方法によれば、光回路パターンを有するＸ線マスクを介してコア層にＸ線を照射するという工程を用いることによって、先行技術の方法においては必要とされた複雑なフォトリソグラフィ工程および反応性エッチング工程を用いることなく簡略に平面導波路型光回路を得ることができる。さらに、本発明による製作方法においては、フォトリソグラフィで用いられる光の波長よりはるかに短い波長を有するＸ線が用いられるので、光回路の精度に対する回折による悪影響を低減することができて高精度の平面導波路型光回路を得ることができ、深さに依存して増大する添加物濃度を有するコア層を含む平面導波路型光回路において極めて良好な偏波特性が得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、シリカを主成分として含むシリカ系ガラスの基板材料を用いた場合における、平面導波路型光回路の本発明による製作方法の一例を概略的な断面図で図解している。
【００１４】
図１（Ａ）において、まず、下部クラッド層として働くシリカ系ガラス基板１上にコア層１２が形成される。このコア層１２は、第１の添加元素としてのゲルマニウム，チタン，ジルコン，リンまたはアルミニウムを含むのみならず、第２の添加元素をも含むように形成される。第２の添加元素は、第１の添加元素によるシリカ系ガラスの屈折率の増大を打消すように作用するものであり、たとえば、ホウ素またはフッ素を用いることができる。すなわち、コア層１２は、下部クラッド層として働くシリカ系ガラス基板１と同じ屈折率を有するように形成される。このようなコア層１２は、火炎加水分解堆積法，スパッタリング法，またはＣＶＤ法等を用いて形成することができる。
【００１５】
図２は、シリカガラスに種々の元素を添加した場合の屈折率変化を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸はシリカガラスに対する屈折率変化の割合を絶対値（％）で表わし、縦軸は添加物濃度（モル％）を表わしている。すなわち、横軸は、第１添加元素のゲルマニウム，チタン，ジルコン，リンおよびアルミニウムに関するＧｅＯ2 ，ＴｉＯ2 ，ＺｒＯ2 ，Ｐ2 Ｏ5 およびＡｌ2 Ｏ3 については屈折率の増大割合を表わし、第２添加元素のホウ素とフッ素に関するＢ2 Ｏ3 とＦについては屈折率の減少割合を表わしている。図２に示されているような添加物と屈折率変化割合との関係を利用して、第１と第２の添加元素の種類と濃度を適宜に選択することによって、下部クラッド層として働くシリカ系ガラス基板１と同じ屈折率を有しかつ第１添加元素を含むコア層１２を形成することができる。
【００１６】
図１（Ｂ）においては、コア層１２上に、さらにシリカ系ガラスの上部クラッド層１４が形成される。この上部クラッド層１４も、火炎加水分解堆積法，スパッタリング法，またはＣＶＤ法等を用いて形成され得ることは言うまでもない。なお、上部クラッド層１４は、シリカ系ガラス以外に樹脂で形成されてもよい。但し、その樹脂は所定の波長の光に対して透光性のものでなければならない。たとえば、完成された平面導波路型光回路において信号光としての赤外線が用いられる場合には、上部クラッド層１４を形成している樹脂も赤外線に対して透光性でなければならない。
【００１７】
図１（Ｃ）において、上部クラッド層１４の上方にＸ線マスク２０が配置される。なお、図１（Ｃ）においては図面の明瞭化のためにＸ線マスク２０が上部クラッド層１４と隔てられて配置されているが、Ｘ線マスク２０は上部クラッド層１４に接して配置されてもよいことは言うまでもない。さらに図１では上部クラッド層１４が形成された後にＸ線２２が照射される例が示されているが、これとは逆に、Ｘ線２２が照射された後に上部クラッド層１４が形成されてもよいことも言うまでもない。
【００１８】
Ｘ線マスク２０は、Ｘ線を透過する支持膜２０Ａとその上にパターン化されて形成されたＸ線シールド層２０Ｂとを含んでいる。支持膜２０Ａとして、窒化ケイ素膜，炭化ケイ素膜，ダイヤモンド膜等が好ましく用いられ得る。なぜならば、窒化ケイ素膜等は大きな機械的強度と大きなＸ線透過能を有しているからである。他方、Ｘ線シールド層２０Ｂとしては、タングステン層，タンタル層，金層等を好ましく用いることができる。タングステン等は、Ｘ線に対して大きな遮蔽能力を有しているからである。タングステン層２０Ｂは、コア層１２内において形成されるべき光回路に対応したパターンを有している。
【００１９】
このようなＸ線マスク２０を介して、コア層１２へＸ線２２を照射することによって、コア層１２内において、光回路パターンに対応した高屈折率領域１２ａが形成される。すなわち、コア層１２内に第１添加元素として含まれるゲルマニウム，チタン，ジルコン，リンまたはアルミニウムはＸ線照射によってシリカ系ガラスの屈折率を増大させるように作用し、Ｘ線２２の照射を受けた領域１２ａは屈折率が増大するのである。こうして、フォトリソグラフィや反応性イオンエッチングを必要とすることなく、単にＸ線マスクを介してＸ線を照射するだけで簡略に高い精度を有する平面導波路型光回路を得ることができる。また、Ｘ線はフォトリソグラフィにおいて用いられる光の波長よりはるかに短い波長を有しているので、光回路はサブミクロンの精度で形成することができる。
【００２０】
なお、第１添加元素を含むシリカ系ガラス中のＸ線照射による屈折率の増大は、その第１添加元素またはシリコンのＫ殻またはＬ殻の電子がＸ線エネルギを吸収することによって起こる。各種元素がＸ線を吸収する度合は、たとえば、ACADEMIC PRESS社から出版されたAtomic Data and Nuclear Data Tables, Vol.54, 1993, pp.181-342 において述べられている。
【００２１】
ここで、ゲルマニウム，チタン，ジルコンまたはリンを第１添加元素として含むシリカ系ガラスの場合、これらの元素のいずれのＫ殻吸収端もシリコンの場合の１．８３８９ｋｅＶより高エネルギ側にあるので、この１．８３８９ｋｅＶより高いエネルギのＸ線を用いることによって大きなＸ線吸収率が得られ、効率よく屈折率を増大させることができる。一方、アルミニウムを第１添加元素として含むシリカ系ガラスの場合では、アルミニウムのＫ殻吸収端はシリコンの場合より低エネルギ側の１．５５９ｋｅＶにあるので、この場合は１．５５９ｋｅＶより高いエネルギのＸを用いることにより効率よく屈折率を高めることができる。
【００２２】
他方、Ｘ線エネルギが大きくなるほど、各殻中の電子によるＸ線の吸収量が減少する。たとえば、Ｘ線エネルギが１０ｋｅＶの場合、シリコンによるＸ線吸収率は１．８３８９ｋｅＶのＸ線の場合に比べて約１／１０に減少する。すなわち、１０ｋｅＶより大きなエネルギのＸ線を照射しても、それは屈折率の増大にはほとんど寄与せず、無駄なものとなる。
【００２３】
また、コア層１２中のＸ線吸収量は、その上側表面から深くなるに従って減少する傾向にある。このようなＸ線吸収量の減少に伴ってコア層１２中の屈折率の増大割合も減少するので、これを補償するように、コア層１２中の深い位置においては、浅い位置に比べて高濃度の第１添加元素を含めることが好ましい。
【００２４】
図３は、Ｘ線マスク２０が有するパターンの一例を示す概略的な平面図である。このＸ線マスクは、タングステン層２０Ｂ内に形成された直線光回路パターン２３と１×２分岐光回路パターン２４を含んでいる。これらの光回路パターンの各ラインは、たとえば１０μｍの幅を有している。窒化シリコンの支持膜２０Ａは約２μｍの厚さに形成することができ、約２μｍの厚さを有するタングステン層をＸ線遮蔽層２０Ｂとして用いることができる。また、このＸ線マスク全体の長さは、たとえば約４０ｍｍに形成され得る。
【００２５】
【実施例】
［参考例］
図４は、平面導波路型光回路の本発明の参考例による形成方法において、Ｘ線としてシンクロトロン放射光（ＳＲ光）を用いた例を概略的な断面図で図解している。シンクロトロン放射光装置としては、住友電工播磨研究所虹ＩＩＩ号が用いられた。すなわち、図４において左方にシンクロトロン放射光装置（図示せず）が配置されている。大気圧のヘリウムを含むＳＲ光照射室３０内に、Ｘ線マスク２０を介してＸ線照射されるべきコア層１２が配置される。
【００２６】
図４において矢印ＳＲで示されているように、シンクロトロン放射光は左方のシンクロトロン放射光装置からのＳＲ光導入管３１を通してＳＲ光照射室３０内へ導かれる。このとき、照射室３０は大気圧のヘリウムを含んでいるのに対して、導入管３１のシンクロトロン放射光装置側は超高真空に維持されているので、導入管３１の途中に隔膜３２が設けられている。隔膜３２は、高いＸ線透過能と高い機械的強度を有するベリリウム膜で形成されている。
【００２７】
図４に示されているような参考例において、下部クラッド層１の厚さは２ｍｍであり、コア層１２と上部クラッド層１４はいずれも１０μｍであった。また、ＳＲ光源とコア層１２との距離は１．３ｍに設定された。そして、コア層１２には第１添加元素としての３．５モル％ＧｅＯ2 と第２の添加元素としての１３モル％Ｂ2 Ｏ3 が含められ、Ｘ線マスク２０を介して５００ｍＡ・ｈの照射量でＳＲ光が照射された。ここで、ｍＡはシンクロトロン内の蓄積電流を表わし、ｈは照射時間を表している。
【００２８】
このようにして製作された参考例による平面導波路型光回路における光伝送特性を評価したところ、直線回路において約０．１ｄＢ／ｃｍの小さな伝送損失と０．１ｄＢ以下の偏波特性が得られ、光通信システムにおいて用いるに十分な性能を有する平面導波路型光回路を得ることができた。
【００２９】
［実施例］
参考例に類似して、実施例による平面導波路型光回路が製作された。この実施例による製作において参考例と異なる点は、コア層１２中の深さ方向において第１と第２の添加元素の濃度が図５のグラフに示されているように変化させられたことだけである。
【００３０】
すなわち、図５のグラフにおいて横軸はコア層１２の上面からの深さ（μｍ）を表わし、縦軸は添加物濃度（モル％）を表わしている。コア層１２は火炎加水分解堆積法で形成され、その堆積中の燃料ガスの噴射量を時間に依存して変化させることによって添加物の濃度が制御された。
【００３１】
図５のグラフに示されているように、実施例のコア層１２は、その上面において第１の添加元素のゲルマニウムとしての２．８モル％ＧｅＯ2 と第２の添加元素のホウ素としての１０．４モル％Ｂ2 Ｏ3 を含み、その下面においては３．５モル％ＧｅＯ2 と１３モル％Ｂ2 Ｏ3 を含んでいる。すなわち、実施例のコア層１２においては、その上面から深くなるに従って、第１と第２の添加元素の濃度がともに増大させられている。
【００３２】
このようにして製作された実施例による平面導波路型光回路における光伝送特性を参考例の場合と同様に評価したところ、直線回路において約０．１ｄＢ／ｃｍの小さな伝送損失と０．０１ｄＢ以下の極めて良好な偏波特性が得られた。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、平面導波路型光回路の本発明による製作方法によれば、Ｘ線マスクを介する簡略なＸ線照射によって、従来の方法で必要であった複雑なフォトリソグラフィ工程や反応性イオンエッチング工程の必要性を排除することができる。また、本発明によれば、従来の方法で用いられていたフォトリソグラフィにおける光の波長よりはるかに短い波長を有するＸ線が用いられるので、より高い精度を有する平面導波路型光回路を製作することができ、深さに依存して増大する添加物濃度を有するコア層を含む平面導波路型光回路において、極めて良好な偏波特性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの実施の形態による平面導波路型光回路の形成方法を図解する概略的な断面図である。
【図２】シリカガラスに各種元素を添加した場合の屈折率変化割合を示すグラフである。
【図３】本発明の形成方法において用いられるＸ線マスクのパターンの一例を示す概略的な平面図である。
【図４】 本発明の参考例による平面導波路型光回路の形成方法におけるＳＲ光照射の工程を概略的に図解する断面図である。
【図５】 本発明の実施例によるコア層内の深さ方向における添加物の濃度変化を示すグラフである。
【図６】先行技術による平面導波路型光回路の形成方法を図解する概略的な断面図である。
【符号の説明】
１ シリカ系ガラスの下部クラッド層
１２ 第１と第２の添加元素を含むシリカ系ガラスのコア層
１４ シリカ系ガラスの上部クラッド層
２０ Ｘ線マスク
２０Ａ 窒化シリコンの支持膜
２０Ｂ パターン化されたタングステン層
２２ Ｘ線
２３ 直線光回路パターン
２４ １×２分岐光回路パターン
３０ ＳＲ光照射室
３１ ＳＲ光導入管
３２ ベリリウム隔膜
Claims (10)
- シリカ系ガラスの下部クラッド層を用意し、
前記下部クラッド層上にコア層を形成し、前記コア層は第１の添加元素と第２の添加元素とを含むシリカ系ガラスからなり、前記第１の添加元素はシリカ系ガラスの屈折率を増大させかつ前記第２の添加元素は前記第１の添加元素によるシリカ系ガラスの屈折率の増大を打消すように作用するものであり、前記コア層の深い位置においては浅い位置に比べて高濃度の前記第１と前記第２の添加元素が添加され、
前記コア層上に上部クラッド層を形成し、
所定の光回路パターンを有するＸ線マスクを前記上部クラッド層上に配置し、
前記コア層に前記Ｘ線マスクを介してＸ線を照射し、これにより、前記コア層中に前記光回路パターンに対応した高屈折率領域を形成することを特徴とする平面導波路型光回路の製作方法。 - シリカ系ガラスの下部クラッド層を用意し、
前記下部クラッド層上にコア層を形成し、前記コア層は第１の添加元素と第２の添加元素とを含むシリカ系ガラスからなり、前記第１の添加元素はシリカ系ガラスの屈折率を増大させかつ前記第２の添加元素は前記第１の添加元素によるシリカ系ガラスの屈折率の増大を打消すように作用するものであり、前記コア層の深い位置においては浅い位置に比べて高濃度の前記第１と前記第２の添加元素が添加され、
所定の光回路パターンを有するＸ線マスクを前記コア上に配置し、
前記コア層に前記Ｘ線マスクを介してＸ線を照射し、これにより、前記コア層中に前記光回路パターンに対応した高屈折率領域を形成することを特徴とする平面導波路型光回路の製作方法。 - 前記高屈折領域を形成した後に、前記コア層上に上部クラッド層を形成することを特徴とする請求項２に記載の平面導波路型光回路の製作方法。
- 前記コア層は、前記第１の添加元素としてゲルマニウム，チタン，ジルコン，リンおよびアルミニウムからなるグループから選択された少なくとも１つを含み、前記第２添加元素としてホウ素とフッ素とからなるグループから選択された少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載の平面導波路型光回路の製作方法。
- 前記第１添加元素としてゲルマニウム，チタン，ジルコンおよびリンからなるグループから選択された少なくとも１つを含み、前記コア層に屈折率変化を生じさせるために用いられるＸ線は１．８３８９〜１０ｋｅＶの範囲内のエネルギを含むことを特徴とする請求項４に記載の平面導波路型光回路の製作方法。
- 前記第１添加元素としてアルミニウムを含み、前記コア層に屈折率変化を生じさせるために用いられるＸ線は１．５５９〜１０ｋｅＶの範囲内のエネルギを含むことを特徴とする請求項４に記載の平面導波路型光回路の製作方法。
- 前記コア層は、火炎加水分解堆積法，スパッタリング法，およびＣＶＤ法からなるグループから選択された少なくとも１つの方法を用いて形成されることを特徴とする請求項１から６のいずれかの項に記載の平面導波路型光回路の製作方法。
- 前記上部クラッド層は、火炎加水分解法，スパッタリング法，およびＣＶＤ法からなるグループから選択された少なくとも１つの方法を用いて形成されたシリカ系ガラス、または所定の波長の光に対して透光性の樹脂であることを特徴とする請求項１および３から７のいずれかの項に記載の平面導波路型光回路の製造方法。
- 前記Ｘ線マスクは、支持膜と、その支持膜上のパターン化されたＸ線シールド層とを含み、
前記支持膜は窒化ケイ素，炭化ケイ素およびダイヤモンドから選択された材料を含み、
前記Ｘ線シールド層はタングステン，タンタルおよび金から選択された材料を含むことを特徴とする請求項１から８のいずれかの項に記載の平面導波路型光回路の製作方法。 - 前記Ｘ線は、シンクロトロン放射光装置とＸ線管球とからなるグループから選択されたＸ線源から得られることを特徴とする請求項１から９のいずれかの項に記載の平面導波路型光回路の製作方法。
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