JP3943149B2 - 光導波路およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、コア外周面を屈折率のより高いクラッドで被覆した構成の光導波路と、その製造方法とに関する
【０００２】
【従来技術】
光通信の実用化に伴ない、光導波路が注目されている。光導波路は、高屈折率材からなるコアの周囲を低屈折率材からなるクラッドで被覆したものである。コア材には、従来、ＬｉＮｂＯ3 が使用されてきたが、高価であることが問題であった。このため、安価な石英系材料を用いる各種の提案がなされている。
【０００３】
特開平４−２２９０６号公報には、低屈折率層を有する基板上に希土類元素を含むＳｉＯ2 のコア用ガラス膜を形成する工程と、基板全体を高温熱処理する工程と、上記コア用ガラス膜をフォトリソグラフィおよびドライエッチングにより断面略矩形のコアに加工する工程と、基板上のコア全体に低屈折率のガラス膜を被覆する工程とを有する導波路の製造方法が記載されている。
【０００４】
同公報記載の製造方法では、希土類元素、屈折率制御用酸化物およびＳｉＯ2 の粉末を混合し、ホットプレスで焼き固めた後、さらに焼結してタブレットとし、このタブレットを用いて電子ビーム蒸着法によりコア用ガラス膜を形成する。この方法ではタブレットの製造に手間がかかるため低コスト化が難しい。
【０００５】
また、同公報の実施例１では、石英ガラス基板上に、Ｅｒイオンを含むＳｉＯ2 −ＴｉＯ2 のコア（波長０．６３μm での屈折率が１．４６５１）を形成し、このコアの上に、ＳｉＯ2 −Ｐ2 Ｏ5 −Ｂ2 Ｏ3 系のガラス膜（波長０．６３μm での屈折率が１．４５８０）を被覆して埋め込み型導波路を作製しているが、このようにＳｉＯ2 ベースではコアとその被覆（クラッド）との間に十分な屈折率差をもたせることが難しく、また、屈折率差を大きくすると基板に反りが生じて、高い寸法精度が得られなくなる。また、コアは、膜として形成した後にエッチングして断面矩形状とされるが、ＳｉＯ2 系材料はエッチング面が荒れやすいため、損失が大きくなってしまうという問題がある。
【０００６】
特開平５−１５７９２５号公報には、石英系ガラスからなる下側クラッド膜と、石英系ガラスからなるコア部と、石英ガラスからなる上側クラッド膜とを積層した光導波路が記載されている。
【０００７】
同公報の実施例では、ＦＨＤ堆積法によって形成したＳｉＯ2 −Ｐ2 Ｏ5 −Ｂ2 Ｏ3 膜とＥＣＲ堆積法によって形成したＳｉＯ2 膜とを下側クラッド膜とし、ＥＣＲ堆積法によって形成したＳｉＯ2 −ＧｅＯ2 をコア部とし、ＦＨＤ堆積法によって形成したＳｉＯ2 −Ｐ2 Ｏ5 −Ｂ2 Ｏ3 膜を上側クラッド膜としている。同公報においても、各部をＳｉＯ2 ベースの材料で構成しているため、上述した問題が生じる。しかも、同公報の実施例では、後述する比屈折率差が０．７５％にすぎず、このときの開口数は０．１７７と小さいので、光回路との接合部における損失を少なくすることが困難である。
【０００８】
特開平５−１８１０３１号公報には、屈折率がｎw の凸状のコアの外周を屈折率がｎc （ｎc ＜ｎw ）のクラッドで覆った光導波路において、上記コアの材質にＳｉＯx Ｎy Ｈz （ｘ，ｙ＞０、ｚ≧０の実数）を用いた光導波路が記載されている。
【０００９】
同公報では、コアとクラッドとの屈折率差が大きく、しかも反りが小さく、低損失である光導波路を安価に製造することを目的としている。同公報では、ＳｉＯ2 基板の上に、プラズマＣＶＤ法によってＳｉＯＮＨのコアを形成し、さらに、比屈折率差の増大化と熱膨張係数の調節用としてＢ、Ｐ、Ｆ等の屈折率制御用添加物を含むＳｉＯ2 のクラッドを積層して光導波路としている。同公報には、ＳｉＯＮＨのコアの屈折率が１．４６〜１．５７の範囲から選べる旨の記載がある。しかし、同公報記載のＳｉＯＮＨのコアは屈折率の調整範囲が狭い。同公報には、比屈折率差が７％以下である旨の記載がある。また、ＳｉＯＮＨ膜もエッチング面の荒れによる損失の増大がある。
【００１０】
特開平５−２４１０３５号公報には、上記特開平５−１８１０３１号公報記載の光導波路のコアに、ＰやＧｅなどの屈折率制御用添加物を含有させたものが記載されている。同公報では、コアとクラッドとの物理的特性（熱膨張係数、軟化温度等）の調節のために、コアにＰやＧｅなどの屈折率制御用添加物を含有させるとしている。しかし、同公報記載の光導波路も上記特開平５−１８１０３１号公報記載のものと同様に、エッチング面の不良による損失の増大という問題がある。また、屈折率制御用添加物は、光吸収を増大させて損失を大きくするという問題がある。
【００１１】
特開平６−５９１４７号公報には、基板上にプラズマＣＶＤ法により、屈折率が１．４６〜１．６０の範囲にあるＳｉＯx （ｘ＝１．５〜１．９）を用いて略矩形状のコアを形成し、該コアをそれよりも屈折率の低い材料からなる低屈折率材で覆った光導波路が記載されている。
【００１２】
同公報では、コアに屈折率制御用添加物を添加する必要がないため添加物の揮散による屈折率変化がほとんどなく、また、コアとクラッドとで熱膨張係数に大きな違いがないので高寸法精度の光回路をパターニングできる、としている。しかし、同公報記載のコアもＳｉＯ2 系であるため、屈折率制御範囲が狭く、また、エッチング面の不良による損失の増大という問題がある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、内部での損失が小さく、開口数が大きいために光回路との接合部での損失が小さく、しかも寸法精度が良好な光導波路を、安価に提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
このような目的は、下記（１）〜（５）のいずれかの構成により達成される。
（１）屈折率ｎ1のコアの周面が、屈折率ｎ2（ｎ1＞ｎ2）の下部クラッド層と屈折率ｎ3（ｎ1＞ｎ3）の上部クラッド層とで被覆されており、コアがＳｉ、ＣおよびＨを主成分とし、この主成分の組成が
式Ｉ ＳｉＣX1ＨY1
（上記式ＩにおいてＸ１およびＹ１は原子比を表わし、
０．１≦Ｘ１≦４、
１≦Ｙ１／（１＋Ｘ１）≦２．１５
である）
で表わされる光導波路を製造する方法であって、
コアをプラズマＣＶＤ法により形成するか、
コアならびに上部クラッド層および／または下部クラッド層をバイアス印加プラズマＣＶＤ法により形成するものである光導波路の製造方法。
（２） 下部クラッド層がＳｉ、ＣおよびＨを主成分とし、この主成分の組成が
式ＩＩ ＳｉＣX2ＨY2
（上記式ＩＩにおいてＸ２およびＹ２は原子比を表わし、
０．１≦Ｘ２≦４、
１．１３≦Ｙ２／（１＋Ｘ２）≦２．７５
である）
で表わされ、その屈折率がｎ 1 ＞ｎ 2 になるように調整されている上記（１）の光導波路の製造方法。
（３）上部クラッド層がＳｉ、ＣおよびＨを主成分とし、この主成分の組成が
式ＩＩＩ ＳｉＣX3ＨY3
（上記式ＩＩＩにおいてＸ３およびＹ３は原子比を表わし、
０．１＜Ｘ３≦４、
１．１３≦Ｙ３／（１＋Ｘ３）≦２．７５
である）
で表わされ、その屈折率がｎ 1 ＞ｎ 3 に調整されている上記（１）または（２）の光導波路の製造方法。
（４）上部クラッド層および／または下部クラッド層がＳｉＯx（１．５≦ｘ≦２．５）を主成分とする上記（１）の光導波路の製造方法。
（５）コアの屈折率ｎ1が波長１３１０ｎｍにおいて１．４〜３．０である上記（１）〜（４）のいずれかの光導波路の製造方法。
【００１５】
【作用および効果】
本発明では、光導波路のコアをＳｉＣＨ系の非晶質材料で構成する。ＳｉＣＨ系材料のコアは、バイアス印加プラズマＣＶＤ法などで形成することにより、波長１３１０nmにおける屈折率を１．４〜３．０程度の範囲内で容易に制御できる。このため、クラッドをＳｉＯ2 系材料で構成した場合でも、また、クラッドをＳｉＣＨ系材料で構成した場合でも、コアとクラッドとの間の屈折率差を大きくすることができる。このように両者間の屈折率差が大きいため光導波路を小型化でき、これにより損失の低減と生産性の向上とが可能となる。また、前記屈折率差が大きいため、導波路としての開口数が大きくなるので、光回路との接合部における損失を小さくすることが容易である。
【００１６】
しかも、屈折率制御用の金属元素をコアに添加する必要がないため、高価でかつ毒性や爆発性が高く蒸発しにくいガスを用いないですむ。このため、損失が小さく均質なコアが低コストで得られる。
【００１７】
また、ＳｉＣＨ系材料は熱膨張係数がＳｉＯ2 系材料に近いため、クラッドにＳｉＯ2 系材料を用いた場合でも素子の反りが小さく、このため寸法精度が高く、特性も良好な光回路が実現する。クラッドにもＳｉＣＨ系材料を用いた場合には、素子の反りは実質的に生じない。
【００１８】
また、ＳｉＣＨ系材料からなる膜を形成し、これをドライエッチングによりコア形状に加工したとき、エッチング面の平滑度は極めて良好となるので、損失が著しく小さくなる。
【００１９】
また、ＳｉＣＨ系材料は吸収係数が小さいため、高性能な光導波路が実現する。本発明では、ＳｉＣＨ系材料からなるコアの波長１３１０nmにおける吸収係数を、０〜０．０５程度とすることができる。
【００２０】
【具体的構成】
以下、本発明の具体的構成について詳細に説明する。
【００２１】
本発明の光導波路の構成例の断面図を、図１および図２に示す。図１に示す光導波路は、基板２上に、下部クラッド層２１を有し、下部クラッド層２１上に矩形状断面をもつコア３を有し、コア３の両側面および上面を、上部クラッド層２２で被覆している。図２に示す光導波路は、基板としての機能も有する下部クラッド層２１上に、矩形状断面をもつコア３を有し、コア３の両側面および上面を、上部クラッド層２２で被覆している。
【００２２】
図１および図２において、コアの屈折率をｎ1 、下部クラッド層の屈折率をｎ2 、上部クラッド層の屈折率をｎ3 としたとき、ｎ1 ＞ｎ2 かつｎ1 ＞ｎ3 である。なお、ｎ1 、ｎ2 およびｎ3 の関係は、目的とする使用波長、例えば２００〜５０００nm程度の範囲から選択される使用波長において成立すればよい。
【００２３】
コアは、Ｓｉ、ＣおよびＨを主成分とし、この主成分の組成は、
式Ｉ ＳｉＣX1ＨY1
で表わされる。上記式ＩにおいてＸ１およびＹ１は原子比を表わし、
０＜Ｘ１≦１０、
０．１≦Ｙ１／（１＋Ｘ１）≦４
であり、好ましくは
０．１≦Ｘ１≦４、
０．２≦Ｙ１／（１＋Ｘ１）≦２．５
である。Ｘ１が小さすぎると屈折率が高めとなって低くすることができなくなるため、屈折率の制御が困難となる。一方、Ｘ１が大きすぎると吸収係数が大きくなって損失が増大してしまう。Ｙ１／（１＋Ｘ１）が小さすぎると内部応力が大きくなりすぎ、コア−クラッド界面での剥離が生じやすくなる。また、コア−クラッド界面での損失が大きくなる。一方、Ｙ１／（１＋Ｘ１）が大きすぎると屈折率が低めとなって高くすることができなくなるため、屈折率の制御が困難となる。
【００２４】
コアの組成を上記式Ｉで表わされるものとすることにより、波長１３１０nmにおけるｎ1 を１．４〜３．０程度の範囲内で自在に制御することが可能である。そして、上部クラッド層や下部クラッド層を後述する組成とすることにより、比屈折率差を１％以上、特に１０％以上とすることが容易にできる。なお、本発明の光導波路の比屈折率差は、通常、２００％以下である。比屈折率差Δとは、コアと下部クラッド層との間では
Δ＝（ｎ1 2 −ｎ2 2 ）／２ｎ1 2
であり、ｎ1 とｎ2 との差が小さい場合には
Δ≒（ｎ1 −ｎ2 ）／ｎ1
である。また、コアと上部クラッド層との間では
Δ＝（ｎ1 2 −ｎ3 2）／２ｎ1 2
であり、ｎ1 とｎ3 との差が小さい場合には
Δ≒（ｎ1 −ｎ3 ）／ｎ1
である。比屈折率差は、光導波路において重要なパラメータである。比屈折率差が大きければ、コアに入射した光の全反射角が大きくなるため、光導波路が受け入れることのできる光の入射角度（受光角）が大きくなる。受光角に関する性能を表わすパラメータとしては、開口数ＮＡがあり、
ＮＡ＝ｎ1 ｓｉｎθc ＝ｎ1 （２Δ）1/2
（θc は全反射角）である｛「光ファイバ通信入門」（末松安晴・伊賀健一著、オーム社発行）参照｝。本発明の光導波路では、開口数を０．２１以上、特に０．６４以上とすることが容易にできる。なお、本発明の光導波路の開口数は、通常、２．５０以下である。
【００２５】
下部クラッド層および／または上部クラッド層も、Ｓｉ、ＣおよびＨを主成分とすることが好ましい。
【００２６】
下部クラッド層の主成分は、
式II ＳｉＣX2ＨY2
で表わされるものであることが好ましい。上記式IIにおいてＸ２およびＹ２は原子比を表わし、
０＜Ｘ２≦１０、
０．１≦Ｙ２／（１＋Ｘ２）≦４
であり、好ましくは
０．１≦Ｘ２≦４、
０．２≦Ｙ２／（１＋Ｘ２）≦３
である。Ｘ２が小さすぎると屈折率が高めとなって低くすることができなくなるため、屈折率の制御が困難となる。一方、Ｘ２が大きすぎると吸収係数が大きくなって損失が増大してしまう。Ｙ２／（１＋Ｘ２）が小さすぎると内部応力が大きくなりすぎ、コア−クラッド界面での剥離が生じやすくなる。また、コア−クラッド界面での損失が大きくなる。一方、Ｙ２／（１＋Ｘ２）が大きすぎると屈折率が低めとなって高くすることができなくなるため、屈折率の制御が困難となる。Ｘ２およびＹ２の具体的値は、所望の比屈折率差が得られるように、コアの組成に応じて適宜決定すればよい。
【００２７】
上部クラッド層の主成分は、
式III ＳｉＣX3ＨY3
で表わされるものであることが好ましい。上記式III においてＸ３およびＹ３は原子比を表わし、
０＜Ｘ３≦１０、
０．１≦Ｙ３／（１＋Ｘ３）≦４
であり、好ましくは
０．１≦Ｘ３≦４、
０．２≦Ｙ３／（１＋Ｘ３）≦３
である。Ｘ３が小さすぎると屈折率が高めとなって低くすることができなくなるため、屈折率の制御が困難となる。一方、Ｘ３が大きすぎると吸収係数が大きくなって損失が増大してしまう。Ｙ３／（１＋Ｘ３）が小さすぎると内部応力が大きくなりすぎ、コア−クラッド界面での剥離が生じやすくなる。また、コア−クラッド界面での損失が大きくなる。一方、Ｙ３／（１＋Ｘ３）が大きすぎると屈折率が低めとなって高くすることができなくなるため、屈折率の制御が困難となる。Ｘ３およびＹ３の具体的値は、所望の比屈折率差が得られるように、コアの組成に応じて適宜決定すればよい。
【００２８】
下部クラッド層および上部クラッド層のいずれもがＳｉＣＨ系材料から構成される場合、両者の組成および屈折率は等しいことが好ましいが、異なっていてもよい。
【００２９】
コア、上部クラッド層および下部クラッド層は、上記主成分だけから構成した場合でも十分な比屈折率差が得られ、しかもこの場合、原料が安価で製造も容易であるが、必要に応じて各種元素を添加してもよい。このような元素としては、例えばＢ、Ｐ、Ｆ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｐｂ等の少なくとも１種が挙げられる。ただし、コアやクラッド層中におけるこれらの元素の総量は、５原子％以下であることが好ましい。これらの元素の総量が多すぎると損失が大きくなる。
【００３０】
下部クラッド層および／または上部クラッド層は、ＳｉＯx （１．５≦ｘ≦２．５）を主成分とするものであってもよい。下部クラッド層が基板としての機能も有する図２に示す構成では、通常、下部クラッド層２１にＳｉＯ2 等のＳｉＯx を用いる。クラッド層がＳｉＯx を主成分とする場合、クラッド層はＢ、Ｐ、Ｆ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｍｏ、ＡｌおよびＦｅから選択される少なくとも１種の元素を含んでいてもよい。これらの元素は、屈折率制御用として必要に応じて添加される。クラッド層中におけるこれらの元素の合計量は、好ましくは１０原子％以下、より好ましくは５原子％以下である。添加量が多すぎると損失が大きくなる。
【００３１】
なお、コアおよびクラッド層の組成は、化学分析などにより測定することができる。
【００３２】
下部クラッド層や上部クラッド層の主成分を、上記式IIや上記式III で表わされるものとすることにより、波長１３１０nmにおけるｎ2 やｎ3 も１．４〜３．０程度の範囲内で自在に制御できるので、コアとクラッド層との比屈折率差を大きくすることができる。また、クラッド層の主成分をＳｉＯx とした場合、屈折率を１．４〜１．６程度とすることができるので、この場合でも比屈折率差を大きくすることができる。
【００３３】
ｎ2 とｎ3 とは、通常、同等とするが、用途によっては適当な差をもたせてもよい。
【００３４】
光導波路の形状および寸法は特に限定されないが、通常、コアの断面形状はほぼ矩形状とし、コア断面の高さは１〜１００μm 程度、コア断面の幅は１〜１００μm 程度、図１に示すように基板上に下部クラッド層を設ける場合の下部クラッド層の厚さは５μm 程度以上、図２に示すように基板としての機能を有する下部クラッド層の厚さも５μm 程度以上とする。
【００３５】
なお、図１に示すように基板上に下部クラッド層を設ける場合、基板はＳｉ、ＬｉＮｂＯ3 、ガラス等から構成すればよい。
【００３６】
次に、光導波路の製造方法を説明する。
【００３７】
本発明では、コアをプラズマＣＶＤ法により形成するか、コアならびに上部クラッド層および／または下部クラッド層をプラズマＣＶＤ法により形成することが好ましい。特に、ＳｉＣＨ系のコアやクラッド層の形成には、プラズマＣＶＤ法を用いることが好ましい。プラズマＣＶＤ法については、例えば特開平４−４１６７２号等に記載されている。プラズマＣＶＤ法におけるプラズマは、直流、交流のいずれであってもよく、交流としては数ヘルツからマイクロ波まで可能である。また、ダイヤモンド薄膜技術（総合技術センター発行）などに記載されているＥＣＲプラズマも使用可能である。
【００３８】
本発明では、プラズマＣＶＤ法としてバイアス印加プラズマＣＶＤ法を用いることが好ましい。バイアス印加プラズマＣＶＤ法では、被堆積物（基板、下部クラッド層、コア等）に負のバイアス電圧を印加する。バイアス電圧は、直流でも交流（例えば５０Hz〜２．４５GHz ）でもよい。また、バイアス電圧を印加せずにセルフバイアスを利用してもよい。電気的に絶縁されている電極に直流または交流の電圧を印加すると、電極表面にプラズマ中の電子が付着して負の電位となる。これをセルフバイアス電圧という。この方法については、例えば本発明者らによる M.Nakayama et al, Journal of the Ceramic Society of Japan Int. Edition Vol 98 607-609 (1990) 等に詳細に記載されている。バイアス印加プラズマＣＶＤ法において、バイアス電圧を例えば−１０〜−２０００ Vの範囲で変化させることによりＳｉＣＨ系材料の組成や緻密さなどを制御して、屈折率を上記のように変化させることができる。
【００３９】
ＳｉＣＨ系材料からなるコアやクラッド層をプラズマＣＶＤ法により形成する場合、原料ガスには、下記▲１▼〜▲３▼の各グループに属する化合物を使用することが好ましい。▲１▼の化合物はＳｉ、ＣおよびＨを含み、▲２▼の化合物はＳｉ、またはＳｉおよびＨを含み、▲３▼の化合物はＣおよびＨを含む。これらのうち、▲１▼の化合物だけを用いてもよく、▲１▼の化合物に加え、▲２▼の化合物および／または▲３▼の化合物を用いてもよい。また、▲２▼の化合物と▲３▼の化合物とを併用してもよい。なお、一つのグループから２種以上の化合物を選択してもよい。
【００４０】
▲１▼有機シラン系化合物：
（ＣＨ3 ）ＳｉＨ3 、
（ＣＨ3 ）2 ＳｉＨ2 、
（ＣＨ3 ）3 ＳｉＨ、
（ＣＨ3 ）4 Ｓｉ、
（Ｃ2 Ｈ5 ）2 ＳｉＨ2 、
（Ｃ2 Ｈ5 ）4 Ｓｉ、
（Ｃ4 Ｈ9 ）4 Ｓｉ、
（ＣＨ3 ）2 （Ｃ2 Ｈ5 ）2 Ｓｉ、
（Ｃ6 Ｈ5 ）4 Ｓｉ、
（Ｃ6 Ｈ5 ）3 （ＣＨ3 ）Ｓｉ、
（Ｃ6 Ｈ5 ）2 （ＣＨ3 ）2 Ｓｉ、
（Ｃ6 Ｈ5 ）（ＣＨ3 ）3 Ｓｉ、
（ＣＨ3 ）3 ＳｉＳｉ（ＣＨ3 ）3 、
（ＣＨ3 ）3 ＳｉＣＨ2 Ｓｉ（ＣＨ3 ）3
など。
【００４１】
▲２▼水素化ケイ素およびフッ化ケイ素：ＳｉＨ4 、Ｓｉ2 Ｈ6 、ＳｉＦ4 など。
【００４２】
▲３▼炭化水素：ＣＨ4 、Ｃ2 Ｈ6 、Ｃ3 Ｈ8 、Ｃ2 Ｈ4 、Ｃ2 Ｈ2 など。
【００４３】
上記各原料ガスの流量比は、原料ガスの種類や目的とする膜組成などに応じて適宜決定すればよい。
【００４４】
ＳｉＯx 系材料をプラズマＣＶＤ法により形成する場合、原料ガスとしては、上記▲２▼の化合物とＯ2 とを用いればよい。また、ＳｉＯx 系材料に屈折率制御用の上記元素を添加する場合、さらに、これらの元素を含む各種有機金属化合物、例えば、Ｂ2 Ｈ6 、ＰＨ3 、Ｆ2 、トリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウム、テトラメチルゲルマニウム、テトラエチルゲルマニウム、テトラメチル鉛、テトラメチルスズ、テトラエチルスズ、ジメチル亜鉛などを原料ガスとして用いればよい。
【００４５】
図１に示す構成の本発明の光導波路は、通常、図３に示す手順で作製される。
【００４６】
▲１▼ 図３（ａ）：基板２上に下部クラッド層２１を形成する。下部クラッド層は、上述したようにプラズマＣＶＤ法により形成することが好ましいが、常圧ＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法、スパッタ法等の他の方法により形成してもよい。
【００４７】
▲２▼ 図３（ｂ）：下部クラッド層２１を被覆するコア層３１を形成する。
【００４８】
▲３▼ 図３（ｃ）：コア層３１を被覆するマスクパターン４を形成する。マスクパターン４は、コア層３１をエッチング等によりコア３とする際のマスクとなるものであり、Ｗ等の各種金属から構成されることが好ましい。マスクパターン４は、まず、コア層３１全面を被覆するマスク層をスパッタ法などにより形成し、このマスク層をドライエッチングやフォトリソグラフィーなどによりパターニングして形成すればよい。
【００４９】
▲４▼ 図３（ｄ）：コア層３１のマスクパターン４で被覆された領域以外を選択的に除去し、コア３を形成する。コア層３１の選択的除去は、ドライエッチングやフォトリソグラフィーなどにより行なえばよい。ＳｉＣＨ系のコア層は、ＣＦ4 ＋Ｏ2 の混合ガスを用いるリアクティブイオンエッチング等により容易にエッチングでき、また、リフトオフによりエッチングすることもできる。コア３形成後、エッチング等によりマスクパターン４を除去する。
【００５０】
▲５▼ 図３（ｅ）：上部クラッド層２２を形成する。上部クラッド層は、上述したようにプラズマＣＶＤ法により形成することが好ましいが、常圧ＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法、スパッタ法等の他の方法により形成してもよい。
【００５１】
上部クラッド層形成後、基板と各層との積層体を所定の寸法に切断し、端面を研磨して光導波路素子とする。
【００５２】
なお、上部クラッド層形成後、必要に応じて熱処理を施してもよい。
【００５３】
【実施例】
以下、本発明の具体的実施例を示し、本発明をさらに詳細に説明する。
【００５４】
＜実施例１＞
表１に示す光導波路サンプルを以下の手順で作製した。
【００５５】
サンプル No. １０１
ＣＶＤ装置のチャンバ内を１０-5Torr以下まで減圧した後、（ＣＨ3 ）ＳｉＨ3 （流量１０SCCM）とＣＨ4 （流量２SCCM）とを原料ガスとして導入し、圧力を０．５Torrとした。そして、バイアス印加プラズマＣＶＤ法により、Ｓｉ（１００）基板上に厚さ１０μm の下部クラッド層を形成した。プラズマＣＶＤの条件は、ＲＦ電源パワー５５Ｗ、周波数１３．５６MHz とし、対向電極にはＳｉＯ2 板を用いた。ＤＣバイアス電圧を表１に示す。下部クラッド層の組成を化学分析により測定し、また、下部クラッド層の波長１３１０nmにおける屈折率ｎ2 および吸収係数ｋ2 を測定した。結果を表１に示す。
【００５６】
次に、下部クラッド層上に厚さ５μm のコア層を形成した。プラズマＣＶＤの条件は、ＲＦ電源パワー２２０Ｗとし、ＤＣバイアス電圧を表１に示す値とした以外は下部クラッド層形成条件と同様とした。コア層の組成、波長１３１０nmにおける屈折率ｎ1 および吸収係数ｋ1 を、表１に示す。
【００５７】
次に、リアクティブイオンエッチング法を用いて、ＣＦ4 ＋Ｏ2 の混合ガスでコア層をエッチングし、断面矩形状（断面の高さ５μm 、幅５μm ）のコアとした。
【００５８】
次に、下部クラッド層形成条件と同条件で、コア上面からの高さが１０μm となるように上部クラッド層を形成し、光導波路サンプルとした。上部クラッド層の組成、屈折率および吸収係数は、下部クラッド層と同一である。
【００５９】
このサンプルの波長１３１０nmにおける挿入損失を測定した。また、前記した比屈折率差および開口数を算出した。結果を表１に示す。
【００６０】
サンプル No. １０２
ＲＦ電源パワーを２００Ｗとし、ＤＣバイアス電圧を表１に示す値とした以外はサンプルNo. １０１と同様にして下部クラッド層を形成した。
【００６１】
次いで、ＲＦ電源パワーを２００Ｗとし、ＤＣバイアス電圧を表１に示す値とした以外はサンプルNo. １０１と同様にしてコア層を形成した。
【００６２】
サンプルNo. １０１と同様にしてコア層をエッチングした後、下部クラッド層と同条件で上部クラッド層を形成し、光導波路サンプルとした。このサンプルの光学特性および挿入損失を表１に示す。
【００６３】
サンプル No. １０３
ＣＨ4 （流量２SCCM）に替えてＣ2 Ｈ2 （流量５SCCM）を用い、ＲＦ電源パワーを３００Ｗとし、ＤＣバイアス電圧を表１に示す値とした以外はサンプルNo. １０１と同様にしてコア層を形成した。下部クラッド層および上部クラッド層は、サンプルNo. １０１と同様にして形成した。このサンプルの光学特性および挿入損失を表１に示す。
【００６４】
サンプル No. １０４
ＣＨ4 の流量を５０SCCMとし、ＲＦ電源パワーを７５Ｗとし、ＤＣバイアス電圧を表１に示す値とした以外はサンプルNo. １０１と同様にしてコア層を形成した。下部クラッド層および上部クラッド層は、サンプルNo. １０１と同様にして形成した。このサンプルの光学特性および挿入損失を表１に示す。
【００６５】
サンプル No. １０５
下部クラッド層および上部クラッド層の形成に際して、原料ガスとしてＳｉＨ4 （流量５SCCM）およびＯ2 （流量１２SCCM）を用い、ＲＦ電源パワーを２５０Ｗとし、ＤＣバイアス電圧を表１に示す値とした。これら以外はサンプルNo. １０１と同様にして、光導波路サンプルを作製した。このサンプルの光学特性および挿入損失を表１に示す。
【００６６】
サンプル No. １０６
コア形成に際して、ＤＣバイアス電圧を表１に示す値とし、下部クラッド層および上部クラッド層形成に際して、原料ガスとしてＳｉＨ4 （流量７SCCM）、Ｏ2 （流量１５SCCM）およびテトラメチルスズ（流量３SCCM）を用い、ＲＦ電源として１MHz 、１００Ｗのものを用い、ＤＣバイアス電圧を表１に示す値とした以外は、サンプルNo. １０１と同様にして光導波路サンプルを作製した。このサンプルの光学特性および挿入損失を表１に示す。
【００６７】
サンプル No. １０７
下部クラッド層および上部クラッド層の形成には、ＳｉＯ2 をターゲットとしたスパッタ法を用いた。コア層は組成がＳｉＯＮＨであり、その形成には、原料ガスとしてＳｉ（ＯＣ2 Ｈ5 ）4 （流量１０SCCM）、Ｎ2 （流量５SCCM）およびＯ2 （流量２SCCM）を用い、ＲＦ電源パワーを２００ＷとしたプラズマＣＶＤ法を利用した。これら以外はサンプルNo. １０１と同様とした。
【００６８】
【表１】
【００６９】
表１に示される結果から、本発明の効果が明らかである。すなわち、コア、またはコアおよびクラッド層を所定組成のＳｉＣＨ系材料から構成することにより、挿入損失を小さくでき、しかも開口数を大きくすることができる。
【００７０】
なお、Ｘ線回折により、コアおよびクラッド層が非晶質であることが確認された。
【００７１】
＜実施例２＞
原料ガスとして（ＣＨ3 ）4 Ｓｉを用い、チャンバ内圧力を０．０２５Torrとし、ＲＦ電源パワーを５００Ｗとし、ＤＣバイアス電圧を表２に示す値とした以外はサンプルNo. １０１と同様にしてコア層を形成した。表２に示すコア層について、サンプルNo. １０１と同様にしてｎ1 およびｋ1 を測定した。結果を表２に示す。
【００７２】
【表２】
【００７３】
表２から、バイアス電圧を変更することにより屈折率を広い範囲内で制御できること、また、吸収係数を常に小さくできることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光導波路の構成例を示す断面図である。
【図２】本発明の光導波路の構成例を示す断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｅ）は、光導波路の製造工程を説明するための断面図である。
【符号の説明】
２ 基板
２１ 下部クラッド層
２２ 上部クラッド層
３ コア
３１ コア層
４ マスクパターン
【産業上の利用分野】
本発明は、コア外周面を屈折率のより高いクラッドで被覆した構成の光導波路と、その製造方法とに関する
【０００２】
【従来技術】
光通信の実用化に伴ない、光導波路が注目されている。光導波路は、高屈折率材からなるコアの周囲を低屈折率材からなるクラッドで被覆したものである。コア材には、従来、ＬｉＮｂＯ3 が使用されてきたが、高価であることが問題であった。このため、安価な石英系材料を用いる各種の提案がなされている。
【０００３】
特開平４−２２９０６号公報には、低屈折率層を有する基板上に希土類元素を含むＳｉＯ2 のコア用ガラス膜を形成する工程と、基板全体を高温熱処理する工程と、上記コア用ガラス膜をフォトリソグラフィおよびドライエッチングにより断面略矩形のコアに加工する工程と、基板上のコア全体に低屈折率のガラス膜を被覆する工程とを有する導波路の製造方法が記載されている。
【０００４】
同公報記載の製造方法では、希土類元素、屈折率制御用酸化物およびＳｉＯ2 の粉末を混合し、ホットプレスで焼き固めた後、さらに焼結してタブレットとし、このタブレットを用いて電子ビーム蒸着法によりコア用ガラス膜を形成する。この方法ではタブレットの製造に手間がかかるため低コスト化が難しい。
【０００５】
また、同公報の実施例１では、石英ガラス基板上に、Ｅｒイオンを含むＳｉＯ2 −ＴｉＯ2 のコア（波長０．６３μm での屈折率が１．４６５１）を形成し、このコアの上に、ＳｉＯ2 −Ｐ2 Ｏ5 −Ｂ2 Ｏ3 系のガラス膜（波長０．６３μm での屈折率が１．４５８０）を被覆して埋め込み型導波路を作製しているが、このようにＳｉＯ2 ベースではコアとその被覆（クラッド）との間に十分な屈折率差をもたせることが難しく、また、屈折率差を大きくすると基板に反りが生じて、高い寸法精度が得られなくなる。また、コアは、膜として形成した後にエッチングして断面矩形状とされるが、ＳｉＯ2 系材料はエッチング面が荒れやすいため、損失が大きくなってしまうという問題がある。
【０００６】
特開平５−１５７９２５号公報には、石英系ガラスからなる下側クラッド膜と、石英系ガラスからなるコア部と、石英ガラスからなる上側クラッド膜とを積層した光導波路が記載されている。
【０００７】
同公報の実施例では、ＦＨＤ堆積法によって形成したＳｉＯ2 −Ｐ2 Ｏ5 −Ｂ2 Ｏ3 膜とＥＣＲ堆積法によって形成したＳｉＯ2 膜とを下側クラッド膜とし、ＥＣＲ堆積法によって形成したＳｉＯ2 −ＧｅＯ2 をコア部とし、ＦＨＤ堆積法によって形成したＳｉＯ2 −Ｐ2 Ｏ5 −Ｂ2 Ｏ3 膜を上側クラッド膜としている。同公報においても、各部をＳｉＯ2 ベースの材料で構成しているため、上述した問題が生じる。しかも、同公報の実施例では、後述する比屈折率差が０．７５％にすぎず、このときの開口数は０．１７７と小さいので、光回路との接合部における損失を少なくすることが困難である。
【０００８】
特開平５−１８１０３１号公報には、屈折率がｎw の凸状のコアの外周を屈折率がｎc （ｎc ＜ｎw ）のクラッドで覆った光導波路において、上記コアの材質にＳｉＯx Ｎy Ｈz （ｘ，ｙ＞０、ｚ≧０の実数）を用いた光導波路が記載されている。
【０００９】
同公報では、コアとクラッドとの屈折率差が大きく、しかも反りが小さく、低損失である光導波路を安価に製造することを目的としている。同公報では、ＳｉＯ2 基板の上に、プラズマＣＶＤ法によってＳｉＯＮＨのコアを形成し、さらに、比屈折率差の増大化と熱膨張係数の調節用としてＢ、Ｐ、Ｆ等の屈折率制御用添加物を含むＳｉＯ2 のクラッドを積層して光導波路としている。同公報には、ＳｉＯＮＨのコアの屈折率が１．４６〜１．５７の範囲から選べる旨の記載がある。しかし、同公報記載のＳｉＯＮＨのコアは屈折率の調整範囲が狭い。同公報には、比屈折率差が７％以下である旨の記載がある。また、ＳｉＯＮＨ膜もエッチング面の荒れによる損失の増大がある。
【００１０】
特開平５−２４１０３５号公報には、上記特開平５−１８１０３１号公報記載の光導波路のコアに、ＰやＧｅなどの屈折率制御用添加物を含有させたものが記載されている。同公報では、コアとクラッドとの物理的特性（熱膨張係数、軟化温度等）の調節のために、コアにＰやＧｅなどの屈折率制御用添加物を含有させるとしている。しかし、同公報記載の光導波路も上記特開平５−１８１０３１号公報記載のものと同様に、エッチング面の不良による損失の増大という問題がある。また、屈折率制御用添加物は、光吸収を増大させて損失を大きくするという問題がある。
【００１１】
特開平６−５９１４７号公報には、基板上にプラズマＣＶＤ法により、屈折率が１．４６〜１．６０の範囲にあるＳｉＯx （ｘ＝１．５〜１．９）を用いて略矩形状のコアを形成し、該コアをそれよりも屈折率の低い材料からなる低屈折率材で覆った光導波路が記載されている。
【００１２】
同公報では、コアに屈折率制御用添加物を添加する必要がないため添加物の揮散による屈折率変化がほとんどなく、また、コアとクラッドとで熱膨張係数に大きな違いがないので高寸法精度の光回路をパターニングできる、としている。しかし、同公報記載のコアもＳｉＯ2 系であるため、屈折率制御範囲が狭く、また、エッチング面の不良による損失の増大という問題がある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、内部での損失が小さく、開口数が大きいために光回路との接合部での損失が小さく、しかも寸法精度が良好な光導波路を、安価に提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
このような目的は、下記（１）〜（５）のいずれかの構成により達成される。
（１）屈折率ｎ1のコアの周面が、屈折率ｎ2（ｎ1＞ｎ2）の下部クラッド層と屈折率ｎ3（ｎ1＞ｎ3）の上部クラッド層とで被覆されており、コアがＳｉ、ＣおよびＨを主成分とし、この主成分の組成が
式Ｉ ＳｉＣX1ＨY1
（上記式ＩにおいてＸ１およびＹ１は原子比を表わし、
０．１≦Ｘ１≦４、
１≦Ｙ１／（１＋Ｘ１）≦２．１５
である）
で表わされる光導波路を製造する方法であって、
コアをプラズマＣＶＤ法により形成するか、
コアならびに上部クラッド層および／または下部クラッド層をバイアス印加プラズマＣＶＤ法により形成するものである光導波路の製造方法。
（２） 下部クラッド層がＳｉ、ＣおよびＨを主成分とし、この主成分の組成が
式ＩＩ ＳｉＣX2ＨY2
（上記式ＩＩにおいてＸ２およびＹ２は原子比を表わし、
０．１≦Ｘ２≦４、
１．１３≦Ｙ２／（１＋Ｘ２）≦２．７５
である）
で表わされ、その屈折率がｎ 1 ＞ｎ 2 になるように調整されている上記（１）の光導波路の製造方法。
（３）上部クラッド層がＳｉ、ＣおよびＨを主成分とし、この主成分の組成が
式ＩＩＩ ＳｉＣX3ＨY3
（上記式ＩＩＩにおいてＸ３およびＹ３は原子比を表わし、
０．１＜Ｘ３≦４、
１．１３≦Ｙ３／（１＋Ｘ３）≦２．７５
である）
で表わされ、その屈折率がｎ 1 ＞ｎ 3 に調整されている上記（１）または（２）の光導波路の製造方法。
（４）上部クラッド層および／または下部クラッド層がＳｉＯx（１．５≦ｘ≦２．５）を主成分とする上記（１）の光導波路の製造方法。
（５）コアの屈折率ｎ1が波長１３１０ｎｍにおいて１．４〜３．０である上記（１）〜（４）のいずれかの光導波路の製造方法。
【００１５】
【作用および効果】
本発明では、光導波路のコアをＳｉＣＨ系の非晶質材料で構成する。ＳｉＣＨ系材料のコアは、バイアス印加プラズマＣＶＤ法などで形成することにより、波長１３１０nmにおける屈折率を１．４〜３．０程度の範囲内で容易に制御できる。このため、クラッドをＳｉＯ2 系材料で構成した場合でも、また、クラッドをＳｉＣＨ系材料で構成した場合でも、コアとクラッドとの間の屈折率差を大きくすることができる。このように両者間の屈折率差が大きいため光導波路を小型化でき、これにより損失の低減と生産性の向上とが可能となる。また、前記屈折率差が大きいため、導波路としての開口数が大きくなるので、光回路との接合部における損失を小さくすることが容易である。
【００１６】
しかも、屈折率制御用の金属元素をコアに添加する必要がないため、高価でかつ毒性や爆発性が高く蒸発しにくいガスを用いないですむ。このため、損失が小さく均質なコアが低コストで得られる。
【００１７】
また、ＳｉＣＨ系材料は熱膨張係数がＳｉＯ2 系材料に近いため、クラッドにＳｉＯ2 系材料を用いた場合でも素子の反りが小さく、このため寸法精度が高く、特性も良好な光回路が実現する。クラッドにもＳｉＣＨ系材料を用いた場合には、素子の反りは実質的に生じない。
【００１８】
また、ＳｉＣＨ系材料からなる膜を形成し、これをドライエッチングによりコア形状に加工したとき、エッチング面の平滑度は極めて良好となるので、損失が著しく小さくなる。
【００１９】
また、ＳｉＣＨ系材料は吸収係数が小さいため、高性能な光導波路が実現する。本発明では、ＳｉＣＨ系材料からなるコアの波長１３１０nmにおける吸収係数を、０〜０．０５程度とすることができる。
【００２０】
【具体的構成】
以下、本発明の具体的構成について詳細に説明する。
【００２１】
本発明の光導波路の構成例の断面図を、図１および図２に示す。図１に示す光導波路は、基板２上に、下部クラッド層２１を有し、下部クラッド層２１上に矩形状断面をもつコア３を有し、コア３の両側面および上面を、上部クラッド層２２で被覆している。図２に示す光導波路は、基板としての機能も有する下部クラッド層２１上に、矩形状断面をもつコア３を有し、コア３の両側面および上面を、上部クラッド層２２で被覆している。
【００２２】
図１および図２において、コアの屈折率をｎ1 、下部クラッド層の屈折率をｎ2 、上部クラッド層の屈折率をｎ3 としたとき、ｎ1 ＞ｎ2 かつｎ1 ＞ｎ3 である。なお、ｎ1 、ｎ2 およびｎ3 の関係は、目的とする使用波長、例えば２００〜５０００nm程度の範囲から選択される使用波長において成立すればよい。
【００２３】
コアは、Ｓｉ、ＣおよびＨを主成分とし、この主成分の組成は、
式Ｉ ＳｉＣX1ＨY1
で表わされる。上記式ＩにおいてＸ１およびＹ１は原子比を表わし、
０＜Ｘ１≦１０、
０．１≦Ｙ１／（１＋Ｘ１）≦４
であり、好ましくは
０．１≦Ｘ１≦４、
０．２≦Ｙ１／（１＋Ｘ１）≦２．５
である。Ｘ１が小さすぎると屈折率が高めとなって低くすることができなくなるため、屈折率の制御が困難となる。一方、Ｘ１が大きすぎると吸収係数が大きくなって損失が増大してしまう。Ｙ１／（１＋Ｘ１）が小さすぎると内部応力が大きくなりすぎ、コア−クラッド界面での剥離が生じやすくなる。また、コア−クラッド界面での損失が大きくなる。一方、Ｙ１／（１＋Ｘ１）が大きすぎると屈折率が低めとなって高くすることができなくなるため、屈折率の制御が困難となる。
【００２４】
コアの組成を上記式Ｉで表わされるものとすることにより、波長１３１０nmにおけるｎ1 を１．４〜３．０程度の範囲内で自在に制御することが可能である。そして、上部クラッド層や下部クラッド層を後述する組成とすることにより、比屈折率差を１％以上、特に１０％以上とすることが容易にできる。なお、本発明の光導波路の比屈折率差は、通常、２００％以下である。比屈折率差Δとは、コアと下部クラッド層との間では
Δ＝（ｎ1 2 −ｎ2 2 ）／２ｎ1 2
であり、ｎ1 とｎ2 との差が小さい場合には
Δ≒（ｎ1 −ｎ2 ）／ｎ1
である。また、コアと上部クラッド層との間では
Δ＝（ｎ1 2 −ｎ3 2）／２ｎ1 2
であり、ｎ1 とｎ3 との差が小さい場合には
Δ≒（ｎ1 −ｎ3 ）／ｎ1
である。比屈折率差は、光導波路において重要なパラメータである。比屈折率差が大きければ、コアに入射した光の全反射角が大きくなるため、光導波路が受け入れることのできる光の入射角度（受光角）が大きくなる。受光角に関する性能を表わすパラメータとしては、開口数ＮＡがあり、
ＮＡ＝ｎ1 ｓｉｎθc ＝ｎ1 （２Δ）1/2
（θc は全反射角）である｛「光ファイバ通信入門」（末松安晴・伊賀健一著、オーム社発行）参照｝。本発明の光導波路では、開口数を０．２１以上、特に０．６４以上とすることが容易にできる。なお、本発明の光導波路の開口数は、通常、２．５０以下である。
【００２５】
下部クラッド層および／または上部クラッド層も、Ｓｉ、ＣおよびＨを主成分とすることが好ましい。
【００２６】
下部クラッド層の主成分は、
式II ＳｉＣX2ＨY2
で表わされるものであることが好ましい。上記式IIにおいてＸ２およびＹ２は原子比を表わし、
０＜Ｘ２≦１０、
０．１≦Ｙ２／（１＋Ｘ２）≦４
であり、好ましくは
０．１≦Ｘ２≦４、
０．２≦Ｙ２／（１＋Ｘ２）≦３
である。Ｘ２が小さすぎると屈折率が高めとなって低くすることができなくなるため、屈折率の制御が困難となる。一方、Ｘ２が大きすぎると吸収係数が大きくなって損失が増大してしまう。Ｙ２／（１＋Ｘ２）が小さすぎると内部応力が大きくなりすぎ、コア−クラッド界面での剥離が生じやすくなる。また、コア−クラッド界面での損失が大きくなる。一方、Ｙ２／（１＋Ｘ２）が大きすぎると屈折率が低めとなって高くすることができなくなるため、屈折率の制御が困難となる。Ｘ２およびＹ２の具体的値は、所望の比屈折率差が得られるように、コアの組成に応じて適宜決定すればよい。
【００２７】
上部クラッド層の主成分は、
式III ＳｉＣX3ＨY3
で表わされるものであることが好ましい。上記式III においてＸ３およびＹ３は原子比を表わし、
０＜Ｘ３≦１０、
０．１≦Ｙ３／（１＋Ｘ３）≦４
であり、好ましくは
０．１≦Ｘ３≦４、
０．２≦Ｙ３／（１＋Ｘ３）≦３
である。Ｘ３が小さすぎると屈折率が高めとなって低くすることができなくなるため、屈折率の制御が困難となる。一方、Ｘ３が大きすぎると吸収係数が大きくなって損失が増大してしまう。Ｙ３／（１＋Ｘ３）が小さすぎると内部応力が大きくなりすぎ、コア−クラッド界面での剥離が生じやすくなる。また、コア−クラッド界面での損失が大きくなる。一方、Ｙ３／（１＋Ｘ３）が大きすぎると屈折率が低めとなって高くすることができなくなるため、屈折率の制御が困難となる。Ｘ３およびＹ３の具体的値は、所望の比屈折率差が得られるように、コアの組成に応じて適宜決定すればよい。
【００２８】
下部クラッド層および上部クラッド層のいずれもがＳｉＣＨ系材料から構成される場合、両者の組成および屈折率は等しいことが好ましいが、異なっていてもよい。
【００２９】
コア、上部クラッド層および下部クラッド層は、上記主成分だけから構成した場合でも十分な比屈折率差が得られ、しかもこの場合、原料が安価で製造も容易であるが、必要に応じて各種元素を添加してもよい。このような元素としては、例えばＢ、Ｐ、Ｆ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｐｂ等の少なくとも１種が挙げられる。ただし、コアやクラッド層中におけるこれらの元素の総量は、５原子％以下であることが好ましい。これらの元素の総量が多すぎると損失が大きくなる。
【００３０】
下部クラッド層および／または上部クラッド層は、ＳｉＯx （１．５≦ｘ≦２．５）を主成分とするものであってもよい。下部クラッド層が基板としての機能も有する図２に示す構成では、通常、下部クラッド層２１にＳｉＯ2 等のＳｉＯx を用いる。クラッド層がＳｉＯx を主成分とする場合、クラッド層はＢ、Ｐ、Ｆ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｍｏ、ＡｌおよびＦｅから選択される少なくとも１種の元素を含んでいてもよい。これらの元素は、屈折率制御用として必要に応じて添加される。クラッド層中におけるこれらの元素の合計量は、好ましくは１０原子％以下、より好ましくは５原子％以下である。添加量が多すぎると損失が大きくなる。
【００３１】
なお、コアおよびクラッド層の組成は、化学分析などにより測定することができる。
【００３２】
下部クラッド層や上部クラッド層の主成分を、上記式IIや上記式III で表わされるものとすることにより、波長１３１０nmにおけるｎ2 やｎ3 も１．４〜３．０程度の範囲内で自在に制御できるので、コアとクラッド層との比屈折率差を大きくすることができる。また、クラッド層の主成分をＳｉＯx とした場合、屈折率を１．４〜１．６程度とすることができるので、この場合でも比屈折率差を大きくすることができる。
【００３３】
ｎ2 とｎ3 とは、通常、同等とするが、用途によっては適当な差をもたせてもよい。
【００３４】
光導波路の形状および寸法は特に限定されないが、通常、コアの断面形状はほぼ矩形状とし、コア断面の高さは１〜１００μm 程度、コア断面の幅は１〜１００μm 程度、図１に示すように基板上に下部クラッド層を設ける場合の下部クラッド層の厚さは５μm 程度以上、図２に示すように基板としての機能を有する下部クラッド層の厚さも５μm 程度以上とする。
【００３５】
なお、図１に示すように基板上に下部クラッド層を設ける場合、基板はＳｉ、ＬｉＮｂＯ3 、ガラス等から構成すればよい。
【００３６】
次に、光導波路の製造方法を説明する。
【００３７】
本発明では、コアをプラズマＣＶＤ法により形成するか、コアならびに上部クラッド層および／または下部クラッド層をプラズマＣＶＤ法により形成することが好ましい。特に、ＳｉＣＨ系のコアやクラッド層の形成には、プラズマＣＶＤ法を用いることが好ましい。プラズマＣＶＤ法については、例えば特開平４−４１６７２号等に記載されている。プラズマＣＶＤ法におけるプラズマは、直流、交流のいずれであってもよく、交流としては数ヘルツからマイクロ波まで可能である。また、ダイヤモンド薄膜技術（総合技術センター発行）などに記載されているＥＣＲプラズマも使用可能である。
【００３８】
本発明では、プラズマＣＶＤ法としてバイアス印加プラズマＣＶＤ法を用いることが好ましい。バイアス印加プラズマＣＶＤ法では、被堆積物（基板、下部クラッド層、コア等）に負のバイアス電圧を印加する。バイアス電圧は、直流でも交流（例えば５０Hz〜２．４５GHz ）でもよい。また、バイアス電圧を印加せずにセルフバイアスを利用してもよい。電気的に絶縁されている電極に直流または交流の電圧を印加すると、電極表面にプラズマ中の電子が付着して負の電位となる。これをセルフバイアス電圧という。この方法については、例えば本発明者らによる M.Nakayama et al, Journal of the Ceramic Society of Japan Int. Edition Vol 98 607-609 (1990) 等に詳細に記載されている。バイアス印加プラズマＣＶＤ法において、バイアス電圧を例えば−１０〜−２０００ Vの範囲で変化させることによりＳｉＣＨ系材料の組成や緻密さなどを制御して、屈折率を上記のように変化させることができる。
【００３９】
ＳｉＣＨ系材料からなるコアやクラッド層をプラズマＣＶＤ法により形成する場合、原料ガスには、下記▲１▼〜▲３▼の各グループに属する化合物を使用することが好ましい。▲１▼の化合物はＳｉ、ＣおよびＨを含み、▲２▼の化合物はＳｉ、またはＳｉおよびＨを含み、▲３▼の化合物はＣおよびＨを含む。これらのうち、▲１▼の化合物だけを用いてもよく、▲１▼の化合物に加え、▲２▼の化合物および／または▲３▼の化合物を用いてもよい。また、▲２▼の化合物と▲３▼の化合物とを併用してもよい。なお、一つのグループから２種以上の化合物を選択してもよい。
【００４０】
▲１▼有機シラン系化合物：
（ＣＨ3 ）ＳｉＨ3 、
（ＣＨ3 ）2 ＳｉＨ2 、
（ＣＨ3 ）3 ＳｉＨ、
（ＣＨ3 ）4 Ｓｉ、
（Ｃ2 Ｈ5 ）2 ＳｉＨ2 、
（Ｃ2 Ｈ5 ）4 Ｓｉ、
（Ｃ4 Ｈ9 ）4 Ｓｉ、
（ＣＨ3 ）2 （Ｃ2 Ｈ5 ）2 Ｓｉ、
（Ｃ6 Ｈ5 ）4 Ｓｉ、
（Ｃ6 Ｈ5 ）3 （ＣＨ3 ）Ｓｉ、
（Ｃ6 Ｈ5 ）2 （ＣＨ3 ）2 Ｓｉ、
（Ｃ6 Ｈ5 ）（ＣＨ3 ）3 Ｓｉ、
（ＣＨ3 ）3 ＳｉＳｉ（ＣＨ3 ）3 、
（ＣＨ3 ）3 ＳｉＣＨ2 Ｓｉ（ＣＨ3 ）3
など。
【００４１】
▲２▼水素化ケイ素およびフッ化ケイ素：ＳｉＨ4 、Ｓｉ2 Ｈ6 、ＳｉＦ4 など。
【００４２】
▲３▼炭化水素：ＣＨ4 、Ｃ2 Ｈ6 、Ｃ3 Ｈ8 、Ｃ2 Ｈ4 、Ｃ2 Ｈ2 など。
【００４３】
上記各原料ガスの流量比は、原料ガスの種類や目的とする膜組成などに応じて適宜決定すればよい。
【００４４】
ＳｉＯx 系材料をプラズマＣＶＤ法により形成する場合、原料ガスとしては、上記▲２▼の化合物とＯ2 とを用いればよい。また、ＳｉＯx 系材料に屈折率制御用の上記元素を添加する場合、さらに、これらの元素を含む各種有機金属化合物、例えば、Ｂ2 Ｈ6 、ＰＨ3 、Ｆ2 、トリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウム、テトラメチルゲルマニウム、テトラエチルゲルマニウム、テトラメチル鉛、テトラメチルスズ、テトラエチルスズ、ジメチル亜鉛などを原料ガスとして用いればよい。
【００４５】
図１に示す構成の本発明の光導波路は、通常、図３に示す手順で作製される。
【００４６】
▲１▼ 図３（ａ）：基板２上に下部クラッド層２１を形成する。下部クラッド層は、上述したようにプラズマＣＶＤ法により形成することが好ましいが、常圧ＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法、スパッタ法等の他の方法により形成してもよい。
【００４７】
▲２▼ 図３（ｂ）：下部クラッド層２１を被覆するコア層３１を形成する。
【００４８】
▲３▼ 図３（ｃ）：コア層３１を被覆するマスクパターン４を形成する。マスクパターン４は、コア層３１をエッチング等によりコア３とする際のマスクとなるものであり、Ｗ等の各種金属から構成されることが好ましい。マスクパターン４は、まず、コア層３１全面を被覆するマスク層をスパッタ法などにより形成し、このマスク層をドライエッチングやフォトリソグラフィーなどによりパターニングして形成すればよい。
【００４９】
▲４▼ 図３（ｄ）：コア層３１のマスクパターン４で被覆された領域以外を選択的に除去し、コア３を形成する。コア層３１の選択的除去は、ドライエッチングやフォトリソグラフィーなどにより行なえばよい。ＳｉＣＨ系のコア層は、ＣＦ4 ＋Ｏ2 の混合ガスを用いるリアクティブイオンエッチング等により容易にエッチングでき、また、リフトオフによりエッチングすることもできる。コア３形成後、エッチング等によりマスクパターン４を除去する。
【００５０】
▲５▼ 図３（ｅ）：上部クラッド層２２を形成する。上部クラッド層は、上述したようにプラズマＣＶＤ法により形成することが好ましいが、常圧ＣＶＤ法、減圧ＣＶＤ法、スパッタ法等の他の方法により形成してもよい。
【００５１】
上部クラッド層形成後、基板と各層との積層体を所定の寸法に切断し、端面を研磨して光導波路素子とする。
【００５２】
なお、上部クラッド層形成後、必要に応じて熱処理を施してもよい。
【００５３】
【実施例】
以下、本発明の具体的実施例を示し、本発明をさらに詳細に説明する。
【００５４】
＜実施例１＞
表１に示す光導波路サンプルを以下の手順で作製した。
【００５５】
サンプル No. １０１
ＣＶＤ装置のチャンバ内を１０-5Torr以下まで減圧した後、（ＣＨ3 ）ＳｉＨ3 （流量１０SCCM）とＣＨ4 （流量２SCCM）とを原料ガスとして導入し、圧力を０．５Torrとした。そして、バイアス印加プラズマＣＶＤ法により、Ｓｉ（１００）基板上に厚さ１０μm の下部クラッド層を形成した。プラズマＣＶＤの条件は、ＲＦ電源パワー５５Ｗ、周波数１３．５６MHz とし、対向電極にはＳｉＯ2 板を用いた。ＤＣバイアス電圧を表１に示す。下部クラッド層の組成を化学分析により測定し、また、下部クラッド層の波長１３１０nmにおける屈折率ｎ2 および吸収係数ｋ2 を測定した。結果を表１に示す。
【００５６】
次に、下部クラッド層上に厚さ５μm のコア層を形成した。プラズマＣＶＤの条件は、ＲＦ電源パワー２２０Ｗとし、ＤＣバイアス電圧を表１に示す値とした以外は下部クラッド層形成条件と同様とした。コア層の組成、波長１３１０nmにおける屈折率ｎ1 および吸収係数ｋ1 を、表１に示す。
【００５７】
次に、リアクティブイオンエッチング法を用いて、ＣＦ4 ＋Ｏ2 の混合ガスでコア層をエッチングし、断面矩形状（断面の高さ５μm 、幅５μm ）のコアとした。
【００５８】
次に、下部クラッド層形成条件と同条件で、コア上面からの高さが１０μm となるように上部クラッド層を形成し、光導波路サンプルとした。上部クラッド層の組成、屈折率および吸収係数は、下部クラッド層と同一である。
【００５９】
このサンプルの波長１３１０nmにおける挿入損失を測定した。また、前記した比屈折率差および開口数を算出した。結果を表１に示す。
【００６０】
サンプル No. １０２
ＲＦ電源パワーを２００Ｗとし、ＤＣバイアス電圧を表１に示す値とした以外はサンプルNo. １０１と同様にして下部クラッド層を形成した。
【００６１】
次いで、ＲＦ電源パワーを２００Ｗとし、ＤＣバイアス電圧を表１に示す値とした以外はサンプルNo. １０１と同様にしてコア層を形成した。
【００６２】
サンプルNo. １０１と同様にしてコア層をエッチングした後、下部クラッド層と同条件で上部クラッド層を形成し、光導波路サンプルとした。このサンプルの光学特性および挿入損失を表１に示す。
【００６３】
サンプル No. １０３
ＣＨ4 （流量２SCCM）に替えてＣ2 Ｈ2 （流量５SCCM）を用い、ＲＦ電源パワーを３００Ｗとし、ＤＣバイアス電圧を表１に示す値とした以外はサンプルNo. １０１と同様にしてコア層を形成した。下部クラッド層および上部クラッド層は、サンプルNo. １０１と同様にして形成した。このサンプルの光学特性および挿入損失を表１に示す。
【００６４】
サンプル No. １０４
ＣＨ4 の流量を５０SCCMとし、ＲＦ電源パワーを７５Ｗとし、ＤＣバイアス電圧を表１に示す値とした以外はサンプルNo. １０１と同様にしてコア層を形成した。下部クラッド層および上部クラッド層は、サンプルNo. １０１と同様にして形成した。このサンプルの光学特性および挿入損失を表１に示す。
【００６５】
サンプル No. １０５
下部クラッド層および上部クラッド層の形成に際して、原料ガスとしてＳｉＨ4 （流量５SCCM）およびＯ2 （流量１２SCCM）を用い、ＲＦ電源パワーを２５０Ｗとし、ＤＣバイアス電圧を表１に示す値とした。これら以外はサンプルNo. １０１と同様にして、光導波路サンプルを作製した。このサンプルの光学特性および挿入損失を表１に示す。
【００６６】
サンプル No. １０６
コア形成に際して、ＤＣバイアス電圧を表１に示す値とし、下部クラッド層および上部クラッド層形成に際して、原料ガスとしてＳｉＨ4 （流量７SCCM）、Ｏ2 （流量１５SCCM）およびテトラメチルスズ（流量３SCCM）を用い、ＲＦ電源として１MHz 、１００Ｗのものを用い、ＤＣバイアス電圧を表１に示す値とした以外は、サンプルNo. １０１と同様にして光導波路サンプルを作製した。このサンプルの光学特性および挿入損失を表１に示す。
【００６７】
サンプル No. １０７
下部クラッド層および上部クラッド層の形成には、ＳｉＯ2 をターゲットとしたスパッタ法を用いた。コア層は組成がＳｉＯＮＨであり、その形成には、原料ガスとしてＳｉ（ＯＣ2 Ｈ5 ）4 （流量１０SCCM）、Ｎ2 （流量５SCCM）およびＯ2 （流量２SCCM）を用い、ＲＦ電源パワーを２００ＷとしたプラズマＣＶＤ法を利用した。これら以外はサンプルNo. １０１と同様とした。
【００６８】
【表１】
表１に示される結果から、本発明の効果が明らかである。すなわち、コア、またはコアおよびクラッド層を所定組成のＳｉＣＨ系材料から構成することにより、挿入損失を小さくでき、しかも開口数を大きくすることができる。
【００７０】
なお、Ｘ線回折により、コアおよびクラッド層が非晶質であることが確認された。
【００７１】
＜実施例２＞
原料ガスとして（ＣＨ3 ）4 Ｓｉを用い、チャンバ内圧力を０．０２５Torrとし、ＲＦ電源パワーを５００Ｗとし、ＤＣバイアス電圧を表２に示す値とした以外はサンプルNo. １０１と同様にしてコア層を形成した。表２に示すコア層について、サンプルNo. １０１と同様にしてｎ1 およびｋ1 を測定した。結果を表２に示す。
【００７２】
【表２】
表２から、バイアス電圧を変更することにより屈折率を広い範囲内で制御できること、また、吸収係数を常に小さくできることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光導波路の構成例を示す断面図である。
【図２】本発明の光導波路の構成例を示す断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｅ）は、光導波路の製造工程を説明するための断面図である。
【符号の説明】
２ 基板
２１ 下部クラッド層
２２ 上部クラッド層
３ コア
３１ コア層
４ マスクパターン
Claims (5)
- 屈折率ｎ1のコアの周面が、屈折率ｎ2（ｎ1＞ｎ2）の下部クラッド層と屈折率ｎ3（ｎ1＞ｎ3）の上部クラッド層とで被覆されており、コアがＳｉ、ＣおよびＨを主成分とし、この主成分の組成が
式Ｉ ＳｉＣX1ＨY1
（上記式ＩにおいてＸ１およびＹ１は原子比を表わし、
０．１≦Ｘ１≦４、
１≦Ｙ１／（１＋Ｘ１）≦２．１５
である）
で表わされる光導波路を製造する方法であって、
コアをプラズマＣＶＤ法により形成するか、
コアならびに上部クラッド層および／または下部クラッド層をバイアス印加プラズマＣＶＤ法により形成するものである光導波路の製造方法。 - 下部クラッド層がＳｉ、ＣおよびＨを主成分とし、この主成分の組成が
式ＩＩ ＳｉＣX2ＨY2
（上記式ＩＩにおいてＸ２およびＹ２は原子比を表わし、
０．１≦Ｘ２≦４、
１．１３≦Ｙ２／（１＋Ｘ２）≦２．７５
である）
で表わされ、その屈折率がｎ1＞ｎ2になるように調整されている請求項１の光導波路の製造方法。 - 上部クラッド層がＳｉ、ＣおよびＨを主成分とし、この主成分の組成が
式ＩＩＩ ＳｉＣX3ＨY3
（上記式ＩＩＩにおいてＸ３およびＹ３は原子比を表わし、
０．１＜Ｘ３≦４、
１．１３≦Ｙ３／（１＋Ｘ３）≦２．７５
である）
で表わされ、その屈折率がｎ1＞ｎ3に調整されている請求項１または２の光導波路の製造方法。 - 上部クラッド層および／または下部クラッド層がＳｉＯx（１．５≦ｘ≦２．５）を主成分とする請求項１の光導波路の製造方法。
- コアの屈折率ｎ1が波長１３１０ｎｍにおいて１．４〜３．０である請求項１〜４のいずれかの光導波路の製造方法。
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