JP3971524B2

JP3971524B2 - Manufacturing method of optical waveguide

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Publication number: JP3971524B2
Application number: JP33145698A
Authority: JP
Inventors: 博行大久保
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1998-11-20
Filing date: 1998-11-20
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2018-11-20
Also published as: JP2000155229A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信、計測、情報処理の分野に適した低損失の石英系材料を主成分とする光導波路あるいは非線形効果を用いた光導波路の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光を用いた通信システムの普及に伴い、より低損失で信頼性の高い光部品の開発が進められている。特に石英系材料を用いた導波路型の光部品は、その低損失性に加え複雑な回路を平面基板上に一括して形成できる可能性があることから最も注目を集めている。
【０００３】
これら導波路型光部品は、Ｓｉ基板やバッファ層（下側クラッド層）と呼ばれる低屈折率層を有するＳｉ基板や石英基板上に屈折率の高いコアと呼ばれる光の伝搬領域を形成し、コアをコアより低屈折率のクラッド層で覆った構造をとるのが一般的である。特にコア部分の材料組成は、ＳｉＯ₂−ＴｉＯ₂組成ガラスが有効とされている。なお、Ｔｉは屈折率を増加させる目的で添加されている。
【０００４】
図６はＳｉＯ₂−ＴｉＯ₂組成のコアを有する従来の光導波路の断面図である。
【０００５】
石英基板６０１上にＥＢ電子ビーム蒸着法によりＴｉＯ₂ドープＳｉＯ₂膜を成膜した後、ドライエッチング加工によりコアガラス膜の不用部分を除去し、リッジ状のコア６０２を形成する。続いて、リッジ化したコア６０２の屈折率を安定化するため、熱処理温度１，０００〜１，３４０℃、Ｏ₂雰囲気で３時間熱処理する。
【０００６】
次に、火炎堆積法により石英基板６０１及びコア６０２を覆うようにクラッド６０３を成膜する。火炎堆積法は、火炎加水分解反応によるＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｐ₂Ｏ₅系多孔質ガラス膜及び１，２００℃以上の高温焼結による透明ガラス化を利用してクラッド膜６０３を形成する方法である。
【０００７】
具体的に図７を用いて説明する。図７は図６に示した光導波路の製造方法の説明図である。
【０００８】
容器７１０に収容されたＳｉＣｌ₄、容器７１１に収容されたＢＣｌ₃、容器７１２に収容されたＰＣｌ₃などの液状の原料をそれぞれＡｒでバブリングしてガス状態にした原料を、配管を介して矢印７０１方向に酸水素バーナー用ノズル７０２に供給して吹き出させる。別系統のガスボンベ７１３、７１４から酸素及び水素７０３を酸水素バーナー用ノズル７０２に供給する。その状態で、酸水素バーナー用ノズル７０２の先端７０４に点火し、火炎７０５を発生させ、その火炎７０５中で原料ガスを分解、反応させる。この分解、反応によってできたＢ、Ｐを含んだＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｐ₂Ｏ₅系多孔質ガラス膜７０６を、リッジ化したコア６０２が形成された石英基板６０１上に堆積させる。そのＢ、Ｐを含んだＳｉＯ₂微粒子が成膜された基板をＨｅ気流中、１，３４０℃で１時間焼結し、透明なＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｐ₂Ｏ₅クラッド膜６０３とすることで、埋め込み型の光導波路が得られる。
【０００９】
ここで、Ｐは主にガラスの軟化湿度あるいは透明ガラス化温度を低下させる目的で、Ｂは膜の屈折率を下げると同時に内部応力を調整する目的で添加される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来技術においては以下のような問題がある。
【００１１】
図８（ａ）は火炎堆積法により微粒子を形成し１，２００℃以上で高温焼結させた後の斜視図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【００１２】
図８（ａ）、（ｂ）からコア間隔の狭い部分、すなわちコア８０２の狭間隙部に気泡８０４が多数発生する現象が頻繁に起きていたことが分かる。気泡８０４の屈折率は約１．０であり、コア８０２の屈折率の１．４７０に比べて大きな差があるため光の過剰損失が大きくなってしまう。
【００１３】
そこで、コアの狭間隙部における気泡の発生を防止しつつ、光特性を十分な値に維持させる必要がある。
【００１４】
次に、維持しなければならない光特性について説明する。
【００１５】
火炎堆積法は従来技術で述べたことと重複するが、添加するＢのドーパント濃度が大きいと、クラッド膜の熱膨張係数と石英ガラス基板の熱膨張係数との差が大きくなり、内部応力が発生する。光特性の一つである偏光依存性損失は膜の内部応力に依存し、内部応力が増加すると偏光依存性損失は大きくなることが従来の光ファイバ製造技術で知られている。
【００１６】
そこで、その光導波路の偏光依存性損失を低減するためには、クラッド膜のＢのドーパント濃度をできるだけ小さくする必要がある。また、ＳｉＯ₂膜内のＢはその膜の屈折率を下げる機能を有し、Ｐは屈折率を上げる機能を有しているので、ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｐ₂Ｏ₅ガラス膜の屈折率をノンドープ石英と同じ１．４５８とするためにはＰのドーパント濃度も小さくしなければならない。Ｂ、Ｐのドーパント濃度をできるだけ小さくした場合、火炎堆積法で形成されるＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｐ₂Ｏ₅系多孔質ガラス膜の焼結にはＢ、Ｐのドーパント濃度が大きい場合よりも高い焼結温度が必要となる。この場合、ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｐ₂Ｏ₅系多孔質ガラス膜の焼結時に、コアが変形しコア導波路の過剰損失が増加したり、光回路特性が劣化してしまう。すなわち、Ｂ、Ｐのドーパント量が適度な量であることが必要となる。上記より、ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｐ₂Ｏ₅系多孔質ガラス膜内のＢ、Ｐのドーパント量がある範囲で決められる。具体的には、Ｂ、Ｐともその重量濃度は１〜１０ｗｔ％である。つまり、維持しなければならない光特性は内部応力が起因する偏光依存性損失、過剰損失である。
【００１７】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、偏光依存性損失や過剰損失を小さくしつつ、かつコアの狭間隙部の埋め込み特性の良好なクラッド膜を有する光導波路の製造方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明は、基板と、基板上に形成されＳｉＯ_２を主成分とする矩形断面形状のコアと、該コアを覆うと共にＳｉＯ_２を主成分とする第１のクラッド層と、該第１のクラッド層を覆うと共にＳｉＯ_２を主成分とする第２のクラッド層とからなる光導波路の製造方法において、上記第１のクラッド層を、ガラス膜を成膜して焼結することにより上記コアの高さの１〜１．５倍の膜厚に形成し、この後に、上記第２のクラッド層を、ガラス膜を成膜して焼結することにより上記コアの高さの１〜５倍の膜厚に形成する光導波路の製造方法である。
【００１９】
上記構成に加え本発明の光導波路の製造方法は、第１と第２のクラッドの各層のうち少なくとも一層にＦドープのＳｉＯ_２膜を形成する製造方法であることが好ましい。
【００２０】
上記構成に加え本発明の光導波路の製造方法は、火炎堆積法、プラズマＣＶＤ法、高真空・高密度プラズマが生成可能なＥＣＲ−ＣＶＤ法あるいはスパッタリング法によって第１と第２のクラッド層を形成する製造方法であることが好ましい。
【００２８】
ここで、本発明者は、コアの狭間隙部の埋め込みを良好とするためにクラッド膜を２層以上に分けて製造することを提案した。コアの狭間隙部において気泡が多数発生した原因について考えてみると、狭間隙部におけるアスペク卜比（コア高さｔとコア間隔ｗとの比でｔ／ｗで表される。）と、埋め込み特性との関係について調べる必要がある。
【００２９】
まず、クラッド膜の膜厚と埋め込み特性との関係について調べた。その結果を図９（ａ）〜（ｄ）に示す。
【００３０】
図９（ａ）〜（ｄ）はアスペクト比２のリッジ状のコア上に形成される多孔質ガラス膜の膜厚を変化させ成膜・焼結した光導波路の断面図である。図９（ａ）に示す多孔質ガラス膜の膜厚をコア高さの１倍とし、図９（ｂ）に示す多孔質ガラス膜の膜厚をコア高さの１．５倍とし、図９（ｃ）に示す多孔質ガラス膜の膜厚をコア高さの２．０倍とし、図９（ｄ）に示す多孔質ガラス膜の膜厚をコア高さの３．０倍とした。
【００３１】
図９（ａ）〜（ｄ）より、クラッド９０２の膜厚をコア９０１の高さの２倍以上とするとコア９０１の狭間隙部に気泡９０３、９０４が発生した。このことから、クラッド膜９０２の膜厚が薄ければ薄い程、アスペクト比が２のコアリッジの埋め込みやすくなることが分かった。なお、９０５は基板である。
【００３２】
次に、コアの狭間隙部におけるアスペクト比と埋め込み特性とについて検討した。その結果を図１０に示す。
【００３３】
図１０（ａ）〜（ｄ）はクラッド膜厚をコア高さの１．５倍として、アスペクト比を変化させた多孔質ガラス膜を成膜・焼結した光導波路の断面図である。
【００３４】
図１０（ａ）に示したコアのアスペクト比を１とし、図１０（ｂ）に示したコアのアスペクト比を２とし、図１０（ｃ）に示したコアのアスペクト比を３とし、図１０（ｄ）に示したコアのアスペクト比を４とした。
【００３５】
図１０（ａ）〜（ｄ）より、アスペクト比を３以上とすると狭間隙部に気泡９０６、９０７が発生した。このことから、アスペクト比３以上の狭間隙部はコアを埋め込むことができないことが分かった。
【００３６】
このようにクラッド膜９０２を厚く成膜した場合、焼結時に多孔質ガラス膜の下部が溶けて狭間隙部を埋め込んでいくが、多孔質ガラス膜の上部が焼結時に熱伝導率が悪いため、多孔質ガラス膜の上部の温度がその融点に達せず、それによって多孔質ガラス膜の上部が十分に溶融しなくなり気泡９０６、９０７が発生すると考えられる。
【００３７】
そこで、本発明者は多孔質ガラス膜を、下部多孔質ガラス膜と上部多孔質ガラス膜との２つに分けて、下部多孔質ガラス膜を成膜・焼結した後、上部多孔質ガラス膜を成膜・焼結すれば埋め込み不良は解決されると考えた。
【００３８】
すなわち、はじめに上述のＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｐ₂Ｏ₅系多孔質ガラス膜内のＢ、Ｐのドーパント量の適用可能範囲で火炎堆積法により下部多孔質ガラス膜を成膜し、電気炉により焼結を行って下部ガラス膜を作製する。
【００３９】
次に、再び上述したＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｐ₂Ｏ₅系多孔質ガラス膜内のＢ、Ｐのドーパント量の適用可能範囲で火炎堆積法により上部多孔質ガラス膜を成膜し、電気炉により焼結を行って上部ガラス膜を作製することにより、偏光依存性損失や過剰損失を小さくしつつ、かつコアの狭間隙部の埋め込み特性の良好なクラッド膜を有する光導波路が得られる。
【００４０】
【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。
【００４１】
図１は本発明の光導波路の製造方法を適用した光導波路の一実施の形態を示す断面図である。
【００４２】
本光導波路の特徴は、Ｓｉ、低屈折率層を有するＳｉあるいは石英からなる基板１０１と、基板１０１の上に形成されたＳｉＯ₂を主成分とする矩形状のコア１０２と、ＳｉＯ₂を主成分としコア１０２を覆うように形成されたクラッド１０５とを有する光導波路のクラッド１０５を２層以上の多層構造とした点である。
【００４３】
すなわち本光導波路は、アスペクト比の大きい矩形断面形状のコア１０２の狭隙間部に気泡が発生しないように、クラッド１０５を２層以上の多層構造としたものである。
【００４４】
本光導波路は、クラッド１０５の各層１０３、１０４の内少なくとも一層にはＦドープのＳｉＯ₂膜を形成してもよい。ＦドープのＳｉＯ₂膜は屈折率が１．４００〜１．４６０のＳｉＯ₂膜を作製することができるので、コア１０２の屈折率とクラッド１０５の屈折率との差が大きくなり、それによってコア１０２内に伝搬光を強く閉じ込めることができるという効果がある。
【００４５】
本光導波路は、クラッド１０５が２層からなり、第１クラッド１０３はコア１０２の高さよりも０〜５０％厚い膜厚とし、その第１クラッド１０３の上に第２クラッド１０４を形成してもよい。第１クラッド１０３の膜厚をコア１０２の高さよりも０〜５０％厚い膜厚としたのは、コア１０２の上面のすべての領域をクラッド１０５で埋め尽くし、また膜厚をコア１０２の高さの１．５倍以上とするとクラッド１０５内で気泡が発生しやすくなるからである。
【００４６】
本光導波路は、クラッド１０５が２層からなり、第１クラッド１０３はコア１０２の高さよりも０〜５０％厚い膜厚とし、その第１クラッド１０３の上に第２クラッド１０４が形成され、第２クラッド１０４の膜厚はコア１０２の高さの１〜５倍の膜厚であることが好ましい。
【００４７】
ここで、第２クラッド１０４の膜厚をコア１０２の高さの１〜５倍としたのは、コア１０２内に伝搬光を閉じ込めるため、クラッド１０５の第１クラッド１０３と第２クラッド１０４とを合わせてコア１０２の高さの少なくとも２．０倍であることが必要だからである。
【００４８】
本光導波路は、クラッド１０５の各層１０３、１０４が火炎堆積法、プラズマＣＶＤ法、高真空・高密度プラズマが生成可能なＥＣＲ−ＣＶＤ法あるいはスパッタリング法の中からそれぞれーつの方法を選択して作製されることが好ましい。
【００４９】
一般的にはクラッドの成膜には火炎堆積法かプラズマＣＶＤ法が用いられるが、アスペクト比２以上のコア間の狭間隙の埋め込みを可能にするＥＣＲ−ＣＶＤ法、あるいはターゲットと同一の膜特性で大面積に成膜が可能なスパッタリング法を用いることができる。
【００５０】
本光導波路は、クラッド１０５の各層１０３、１０４はすべて火炎堆積法を用いて、多孔質ガラス膜形成と焼結とを繰り返すことにより作製することができる。すなわち、はじめにＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｐ₂Ｏ₅系多孔質ガラス膜内のＢ、Ｐのドーパント量の適用可能範囲で火炎堆積法により第１クラッド１０３の多孔質ガラス膜を成膜し、電気炉により焼結を行い、第１クラッド１０３のガラス膜を作製する。
【００５１】
次に、ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｐ₂Ｏ₅系多孔質ガラス膜内のＢ、Ｐのドーパント量の適用可能範囲で火炎堆積法により第２クラッド１０４の多孔質ガラス膜を成膜し、電気炉により焼結を行い、第２クラッド１０４のガラス膜を作製することにより光導波路が形成される。
【００５２】
本光導波路は、クラッド１０５の第１クラッド１０３はプラズマＣＶＤ法あるいはＥＣＲ−ＣＶＤ法により作製し、第２クラッド１０４は火炎堆積法により作製することもできる。クラッド１０５の第１クラッド１０３にプラスマＣＶＤ法あるいはＥＣＲ−ＣＶＤ法を適用するのは、コア１０２間の狭間隙の埋め込みに適した成膜方法を火炎堆積法を除いて順に挙げると、ＥＣＲ−ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法となるからである。
【００５３】
本光導波路は、クラッド１０５の第１クラッド１０２はＦドープのＳｉＯ₂膜とし、プラズマＣＶＤ法あるいはＥＣＲ−ＣＶＤ法により作製され、その場合には第２クラッド１０４は火炎堆積法により作製することが好ましい。上述と同じように、ＦドープのＳｉＯ₂膜は屈折率が１．４００〜１．４６０のＳｉＯ₂膜を作製できるので、コア１０２とクラッド１０５との屈折率差が大きくなり、それによってコア１０２内に伝搬光を強く閉じ込めることができるという効果がある。また、ＦドープＳｉＯ₂膜中のＦの脱離を阻止する目的で、ＦドープＳｉＯ₂膜の上に保護膜としてＳｉＯ₂を主成分とする膜を火炎堆積法により作製することが好ましい。
【００５４】
本光導波路は、クラッド１０５の各層１０３、１０４の内少なくとも一層は熱処理することが好ましい。これは、ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｐ₂Ｏ₅系多孔質ガラス膜がそのままの状態で光導波路を作製すると過剰損失が１ｄＢ／ｃｍ以上と大きな値になってしまい、光導波路として使用に耐えない。
【００５５】
【実施例】
本発明の実施例について図１、２を参照して説明する。
【００５６】
（実施例１）
図２（ａ）〜（ｄ）は本発明の光導波路の製造方法の一実施例を示す工程図である。
【００５７】
図１に示す光導波路は、例えば石英からなる基板１０１と、基板１０１の上に形成されＳｉＯ₂を主成分とする矩形断面形状のコア１０２と、基板１０１の上にコア１０２を覆うように形成されＳｉＯ₂を主成分とするクラッド１０４とで構成されている。
【００５８】
クラッド１０５は２層１０３、１０４からなり、クラッド１０５の第１クラッド１０３及び第２クラッド１０４は、Ｂ、ＰドープのＳｉＯ₂膜である。第１クラッド１０３及び第２クラッド１０４は同一組成であっても異なる組成であってもよい。コア１０２はクラッド１０５よりも屈折率が高く、信号光は屈折率が高いコア１０２中を伝搬する。コア１０２とクラッド１０５の屈折率及び外径は波長１．３１μｍあるいは１．５５μｍにおいてシングルモードを満足するように決定される。
【００５９】
具体的には、コア１０２の寸法は６．０μｍ角で屈折率１．４７０、クラッド１０５は第１クラッドが膜厚６．０μｍで屈折率１．４５８、第２クラッド１０４が膜厚２０μｍで屈折率１．４５８である。但し数値は限定されるものではない。
【００６０】
次に本発明の光導波路の製造方法について図２（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。
【００６１】
図２（ａ）に示すように石英からなる基板１０１上に、ＥＢ電子ビーム蒸着法によりコアガラス膜１０２ａとしてＴｉＯ₂ドープＳｉＯ₂膜を６．０μｍ成膜する。なお、コアガラス膜１０２ａにドープするドーパントはＴｉＯ₂だけではなく、ＧｅＯ₂を用いてもよい。
【００６２】
図２（ｂ）に示すようにコアガラス膜１０２ａの成膜後、ドライエッチング加工によりコアガラス膜１０２ａの不用部分を除去して６．０μｍ角のリッジ状のコア１０２とする。リッジ状のコア１０２の屈折率を安定化するため、熱処理温度１，０００〜１，３４０℃、Ｏ₂雰囲気で約３時間熱処理する。
【００６３】
次に、クラッド成膜工程について述べる。
【００６４】
図２（ｃ）に示すように、まず、矩形断面形状のコア１０２上にＳｉＯ₂を主成分とするクラッド１０５のうちの第１クラッド１０３を火炎堆積法により作製する。
【００６５】
火炎堆積法は、火炎加水分解反応によるＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｐ₂Ｏ₅系多孔質ガラス膜形成及び１，２００℃以上の高温焼結による透明ガラス化を利用してクラッド膜を作製する方法である。
【００６６】
ここで、火炎堆積装置の構成について図３及び図４を用いて説明する。
【００６７】
図３は火炎堆積装置の概念図であり、図４は火炎堆積法の説明図である。
【００６８】
図３に示す火炎堆積装置は、主に酸水素バーナ３０１と、複数の円盤状の基板１０１が装着され、矢印Ｂ方向（逆方向でもよい）に回転自在で矢印Ｃ方向に並進自在な大口径のテーブル３０３と、反応ガスを排気するための排気装置３０４とで構成されている。
【００６９】
テーブル３０３及び基板１０１には、基板１０１を加熱するためのヒータ（図示せず）がテーブル３０３下部に設置されている。また、テーブル３０３の上方には火炎雰囲気を形成するための酸水素バーナ３０１が設けられている。
【００７０】
このような装置構成において、テーブル３０３の下部に設置されたヒータでテーブル３０３と基板１０１を３００〜８００°まで加熱して、テーブル３０３を回転及び並進運動させる。
【００７１】
次に、ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｐ₂Ｏ₅系多孔質ガラス膜の成膜プロセスを図４を参照して詳述する。
【００７２】
容器４０５に収容されたＳｉＣｌ₄、容器４０６に収容されたＢＣｌ₃、容器４０７に収容されたＰＣｌ₃などの液状の原料をそれぞれＡｒでバブリングし、ガス状態にした原料を配管を介して矢印４０１方向に酸水素バーナー用ノズル４０２に供給して吹き出させる。別系統のガスボンベ４０８、４０９からＯ₂、Ｈ₂を酸水素バーナー用ノズル４０２に配管を介して矢印４０３方向に供給する。
【００７３】
ＳｉＣｌ₄、ＢＣｌ₃、ＰＣｌ₃、Ｏ₂、Ｈ₂の各ガス流量はそれぞれ１５５ｓｃｃｍ、２０ｓｃｃｍ、５ｓｃｃｍ、６，０００ｓｃｃｍ、２，５００ｓｃｃｍである。このような状態で、酸水素バーナー用ノズル４０２の先端を点火し、火炎４１０を発生させ、火炎中で原料ガスを分解・反応させる。この反応によってできたＢ、Ｐを含んだＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｐ₂Ｏ₅系多孔質ガラス膜４０４を、リッジ化されたコア１０２が形成された基板１０１上に堆積させる。
【００７４】
堆積膜厚は焼結後の膜厚が７．０μｍとなるように設定する。そのＳｉＯ₂微粒子を含めた基板１０１をＨｅ気流中、１，３４０℃で１時間焼結することによりＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｐ₂Ｏ₅ガラス膜１０３が得られる。
【００７５】
次に、図２（ｄ）に戻って、クラッド１０５の第１クラッド１０３上に、ＳｉＯ₂を主成分とする第２クラッド１０４を火炎堆積法により作製する。具体的な成膜方法は以下に示すガス流量と堆積膜厚とを除いて、クラッド１０５の第２クラッド１０４を作製する方法と全く同じなので省略する。
【００７６】
ＳｉＣｌ₄、ＢＣｌ₃、ＰＣｌ₃、Ｏ₂、Ｈ₂の各ガス流量はそれぞれ１５５ｓｃｃｍ、１３ｓｃｃｍ、３ｓｃｃｍ、６，０００ｓｃｃｍ、２，５００ｓｃｃｍ、堆積膜厚は焼結後の膜厚が２０μｍとなるように設定する。
【００７７】
（実施例２）
ここでクラッド１０５の層数は２層に限定されず、クラッド１０５を３層以上以上とすることができる。また、コア１０２の高さとコア１０２間隔の比であるアスペクト比の大きい複数の矩形断面形状のコア１０２を気泡が発生することなく埋め込むことを主目的として、クラッド１０５を２層以上として成膜してもよい。また、クラッド１０５の各層１０３、１０４の内少なくとも一層にはＦドープのＳｉＯ₂膜を適用してもよい。ＦドープのＳｉＯ₂膜は屈折率が１．４００〜１．４６０のＳｉＯ₂膜を作製できるので、コア１０２とクラッド１０５との屈折率差が大きくなり、それによってコア１０２内に伝搬光を強く閉じ込めることができるという効果がある。
【００７８】
また、クラッド１０５を２層とし、第１クラッド１０３をコア１０２の高さよりも０〜５０％厚い膜厚に設定して、その第１クラッド１０３の上に第２クラッド１０４を形成してもよい。第１クラッド１０３の膜厚をコア１０２の高さよりも０〜５０％厚い膜厚としたのは、コア１０２の上面のすべての領域をクラッド１０５で埋めつくすのに十分に厚い膜厚で、かつ気泡が発生しやすくなるのはクラッド１０５の膜厚がコア１０２の高さの１．５倍以上となる場合だからである。また、クラッド１０５を２層とし、第１クラッド１０３をコア１０２の高さよりも０〜５０％厚い膜厚に設定して、第１クラッド１０３の上に第２クラッド１０４が形成され、第２クラッド１０４の膜厚はコア１０２の高さの１〜５倍の膜厚としてもよい。
【００７９】
ここで、第２クラッド１０４の膜厚をコア１０２の高さの１〜５倍としたのは、コア１０２内に伝搬光を閉じ込めるためにクラッド１０５の第１クラッド１０３と第２クラッド１０４とを合わせてコア１０２の高さの少なくとも２．０倍であることが必要だからである。
【００８０】
また、クラッド１０５の各層１０３、１０４は火炎堆積法、プラズマＣＶＤ法、高真空・高密度プラズマが生成可能なＥＣＲ−ＣＶＤ法あるいはスパリング法の中からそれぞれーつの方法を選択して作製してもよい。
【００８１】
一般に、クラッドの作製には火炎堆積法かプラズマＣＶＤ法が用いられるが、アスペクト比が２以上のコア間の狭間隙部の埋め込みを可能にするＥＣＲ−ＣＶＤ法、あるいはターゲットと同一の大面積に成膜が可能なスパッタリング法を用いてもよい。
【００８２】
また、クラッド１０５の各層１０３、１０４は全て火炎堆積法を用いて、多孔質ガラス膜形成と焼結とを繰り返すことにより作製することもできる。すなわち、はじめにＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｐ₂Ｏ₅系多孔質ガラス膜内のＢ、Ｐのドーパント量の適用可能範囲で火炎堆積法により第１クラッド１０３の多孔質ガラス膜を成膜し、電気炉（図示せず）により焼結を行い、第１クラッド１０３のガラス膜を作製する。
【００８３】
次に、ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｐ₂Ｏ₅系多孔質ガラス膜内のＢ、Ｐのドーパント量の適用可能範囲で火炎堆積法により第２クラッド１０４の多孔質ガラス膜を成膜し、電気炉により焼結を行い、第２クラッド１０４のガラス膜を作製することにより光導波路が得られる。
【００８４】
また、クラッド１０５の第１クラッド１０３はプラズマＣＶＤ法あるいはＥＣＲ−ＣＶＤ法により作製し、第２クラッド１０４は火炎堆積法により作製することもできる。クラッド１０５の第１クラッド１０３にプラズマＣＶＤ法あるいはＥＣＲ−ＣＶＤ法を適用するのは、コア間の狭間隙部の埋め込みに適した成膜方法を火炎堆積法を除いて順に挙げると、ＥＣＲ−ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法となるからである。
【００８５】
（実施例３）
以下、クラッド１０５の第１クラッド１０３をプラズマＣＶＤ法により作製する場合について説明する。
【００８６】
本プラズマＣＶＤ法では原料ガスとしてＳｉＨ₄、Ｏ₂、Ａｒを用いているので、クラッド１０５の第１クラッド１０３であるガラス膜の組成はＳｉＯｘＨｙ（以下「ＳｉＨ」という。）となる。
【００８７】
図５は成膜に用いられるプラズマＣＶＤ装置の概念図である。
【００８８】
本プラズマＣＶＤ装置は、一般的な平行平板型のプラズマＣＶＤ装置である。その構成は大きく分けてチャンバ５０１、ヒータ５０２、チャンバ５０１内にガスを導入するガス導入部を含み、高周波電圧を印加するための１３．５６ＭＨｚのＲＦ電源５０３が接続された下部電極５０４、試料が設置されかつ高周波電圧を印加するための１３．５６ＭＨｚのＲＦ電源５０５が接続された上部電極５０６、チャンバ５０１内のガスを排気するロータリーポンプ５０７−１、メカニカルブースターポンプ５０７−２から成っている。
【００８９】
次に、各構成要素を詳しく説明する。
【００９０】
上部電極５０６は直径３〜４インチの基板５０８を１〜２０枚設置することができ、つり下げ棒５０９を中心に回転させることができる。上部電極５０６と下部電極５０４との間隔は３０〜５０ｍｍの間で可変であり、本実施例では電極間隔を３５ｍｍとした。また、上部電極５０６及び下部電極５０４の直径は約７００ｍｍである。
【００９１】
この装置構成において、１．５μｍのガラス膜の成膜を行う工程を説明する。
【００９２】
まず、チャンバ５０１内を真空引きして１０^-1ｐａ以下にする。
【００９３】
次に、成膜条件をＳｉＨ₄の流量：６０ｓｃｃｍ、Ｏ₂の流量：８０ｓｃｃｍ、Ａｒの流量：１，７６０ｓｃｃｍ、成膜圧力：５３ｐａ、基板温度：３００℃、下部電極５０４のＲＦパワー：６００Ｗ、上部電極５０６のＲＦパワー：１ｋＷとなるように設定して、プラズマ５１０を生じさせ、成膜を開始する。
【００９４】
本成膜条件で１２０ｍｉｎ成膜した場合、ａｓ−ｄｅｐｏ（成膜直後）のＳｉＯ₂膜の膜特性は以下のようになる。
【００９５】
膜厚は７．２μｍ、屈折率は１．４６２０、膜密度は２．０ｇ／ｃｍ³であった。なお、成膜速度は約６００Ａ／ｍｉｎであった。
【００９６】
クラッドの各層の内少なくとも一層は熱処理することが好ましい。これは、ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｐ₂Ｏ₅系ガラス膜は、そのままの状態で光導波路を作製すると過剰損失が１ｄＢ／ｃｍ以上と大きな値になってしまい、光導波路として使用に耐えないからである。
【００９７】
以上において本発明は、クラッドを２層以上の多層構造とすることにより、クラッドに気泡のない光導波路を作製することができる。また光回路において重要な光特性については、偏光依存性損失や過剰損失を十分に低減することが可能である。さらに、アスペクト比の大きい狭間隙のコアであっても、クラッドを２層以上の多層構造とすることにより気泡を無くしながら、狭間隙を埋め込むことができる。
【００９８】
【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。
【００９９】
偏光依存性損失や過剰損失を小さくしつつ、かつコアの狭間隙部の埋め込み特性の良好なクラッド膜を有する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】本発明の光導波路の製造方法を適用した光導波路の一実施の形態を示す断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は本発明の光導波路の製造方法の一実施例を示す工程図である。
【図３】火炎堆積装置の概念図である。
【図４】火炎堆積法の説明図である。
【図５】成膜に用いられるプラズマＣＶＤ装置の概念図である。
【図６】ＳｉＯ₂−ＴｉＯ₂組成のコアを有する従来の光導波路の断面図である。
【図７】図６に示した光導波路の製造方法の説明図である。
【図８】（ａ）は火炎堆積法により微粒子を形成し１，２００℃以上で高温焼結させた後の斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図９】（ａ）〜（ｄ）はアスペクト比２のリッジ状のコア上に形成される多孔質ガラス膜の膜厚を変化させ成膜・焼結した光導波路の断面図である。
【図１０】（ａ）〜（ｄ）はクラッド膜厚をコア高さの１．５倍として、アスペクト比を変化させた多孔質ガラス膜を成膜・焼結した光導波路の断面図である。
【符号の説明】
１０１石英基板
１０２コア
１０３第１クラッド
１０４第２クラッド
１０５クラッド[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical waveguide mainly composed of a low-loss silica-based material suitable for the fields of communication, measurement, and information processing, or an optical waveguide using a nonlinear effect. Road It relates to a manufacturing method.
[0002]
[Prior art]
With the spread of communication systems using light, development of optical components with lower loss and higher reliability is being promoted. In particular, a waveguide type optical component using a quartz-based material has attracted the most attention because of its low loss and the possibility of forming a complicated circuit on a flat substrate in a lump.
[0003]
These waveguide-type optical components form a light propagation region called a core having a high refractive index on a Si substrate or a quartz substrate having a low refractive index layer called a Si substrate or a buffer layer (lower clad layer). In general, the structure is covered with a cladding layer having a lower refractive index than the core. In particular, the material composition of the core part is SiO ₂ -TiO ₂ Composition glass is considered effective. Ti is added for the purpose of increasing the refractive index.
[0004]
Figure 6 shows SiO ₂ -TiO ₂ It is sectional drawing of the conventional optical waveguide which has a core of a composition.
[0005]
A TiO electron beam evaporation method is applied on a quartz substrate 601. ₂ Doped SiO ₂ After the film is formed, unnecessary portions of the core glass film are removed by dry etching to form a ridge-shaped core 602. Subsequently, in order to stabilize the refractive index of the ridged core 602, a heat treatment temperature of 1,000 to 1,340 ° C., O ₂ Heat treatment is performed for 3 hours in an atmosphere.
[0006]
Next, a clad 603 is formed to cover the quartz substrate 601 and the core 602 by flame deposition. The flame deposition method uses SiO by flame hydrolysis reaction. ₂ -B ₂ O _Three -P ₂ O _Five This is a method of forming a clad film 603 by using a porous glass film and transparent vitrification by high-temperature sintering at 1,200 ° C. or higher.
[0007]
This will be specifically described with reference to FIG. FIG. 7 is an explanatory diagram of a method for manufacturing the optical waveguide shown in FIG.
[0008]
SiCl contained in container 710 _Four BCl contained in container 711 _Three PCl contained in container 712 _Three A raw material that is made into a gas state by bubbling each of the liquid raw materials, such as Ar, is supplied to the oxyhydrogen burner nozzle 702 in the direction of arrow 701 through a pipe and blown out. Oxygen and hydrogen 703 are supplied to the oxyhydrogen burner nozzle 702 from separate gas cylinders 713 and 714. In this state, the tip 704 of the oxyhydrogen burner nozzle 702 is ignited to generate a flame 705, and the raw material gas is decomposed and reacted in the flame 705. SiO containing B and P formed by this decomposition and reaction ₂ -B ₂ O _Three -P ₂ O _Five A system porous glass film 706 is deposited on a quartz substrate 601 on which a ridged core 602 is formed. SiO containing B and P ₂ The substrate on which the fine particles are formed is sintered in a He stream at 1,340 ° C. for 1 hour, and transparent SiO 2 ₂ -B ₂ O _Three -P ₂ O _Five By using the clad film 603, an embedded optical waveguide can be obtained.
[0009]
Here, P is mainly added for the purpose of lowering the softening humidity or transparent vitrification temperature of the glass, and B is added for the purpose of adjusting the internal stress while simultaneously reducing the refractive index of the film.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-described conventional technology has the following problems.
[0011]
FIG. 8A is a perspective view after fine particles are formed by flame deposition and sintered at a high temperature of 1,200 ° C. or higher, and FIG. 8B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. It is.
[0012]
8 (a) and 8 (b), it can be seen that a phenomenon in which many bubbles 804 are frequently generated in a portion having a narrow core interval, that is, a narrow gap portion of the core 802 occurs. Since the refractive index of the bubble 804 is about 1.0 and there is a large difference compared to the refractive index of 1.470 of the core 802, the excess loss of light becomes large.
[0013]
Therefore, it is necessary to maintain the optical characteristics at a sufficient value while preventing the generation of bubbles in the narrow gap portion of the core.
[0014]
Next, the optical characteristics that must be maintained will be described.
[0015]
Although the flame deposition method overlaps with that described in the prior art, if the dopant concentration of B to be added is large, the difference between the thermal expansion coefficient of the clad film and the thermal expansion coefficient of the quartz glass substrate increases, and internal stress is generated. To do. It is known in the conventional optical fiber manufacturing technology that polarization dependent loss, which is one of optical characteristics, depends on the internal stress of the film, and that the polarization dependent loss increases as the internal stress increases.
[0016]
Therefore, in order to reduce the polarization-dependent loss of the optical waveguide, it is necessary to make the dopant concentration of B in the cladding film as small as possible. In addition, SiO ₂ B in the film has a function of decreasing the refractive index of the film, and P has a function of increasing the refractive index. ₂ -B ₂ O _Three -P ₂ O _Five In order to set the refractive index of the glass film to 1.458, which is the same as that of non-doped quartz, the dopant concentration of P must also be reduced. When the dopant concentration of B and P is made as small as possible, SiO formed by the flame deposition method ₂ -B ₂ O _Three -P ₂ O _Five Sintering of the porous glass membrane requires a higher sintering temperature than when the B and P dopant concentrations are high. In this case, SiO ₂ -B ₂ O _Three -P ₂ O _Five When the porous glass membrane is sintered, the core is deformed, the excess loss of the core waveguide is increased, and the optical circuit characteristics are deteriorated. That is, it is necessary that the dopant amounts of B and P are appropriate. From the above, SiO ₂ -B ₂ O _Three -P ₂ O _Five The amount of dopants B and P in the system porous glass film is determined within a certain range. Specifically, the weight concentration of both B and P is 1 to 10 wt%. In other words, the optical characteristics that must be maintained are polarization-dependent loss and excess loss due to internal stress.
[0017]
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, reduce the polarization-dependent loss and excess loss, and provide an optical waveguide having a cladding film with good filling characteristics in the narrow gap portion of the core. Road It is to provide a manufacturing method.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above purpose The present invention A substrate and SiO formed on the substrate; ₂ A core having a rectangular cross-section mainly composed of ₂ A first clad layer containing as a main component, and covering the first clad layer and SiO 2 ₂ A second cladding layer mainly composed of Consist of Optical waveguide Manufacturing method In the first clad layer By forming a glass film and sintering it Film thickness 1 to 1.5 times the height of the core After this, Second clad layer By forming a glass film and sintering it Film thickness 1-5 times the height of the core For manufacturing optical waveguide It is.
[0019]
In addition to the above configuration, the optical waveguide of the present invention Manufacturing method Is at least one of the first and second cladding layers In F-doped SiO ₂ film It is a manufacturing method that forms Is preferred.
[0020]
In addition to the above configuration, the optical waveguide of the present invention Manufacturing method The flame deposition method, plasma CVD method, ECR-CVD method or sputtering method that can generate high vacuum and high density plasma. A manufacturing method for forming the first and second cladding layers; Is preferred.
[0028]
Here, the present inventor has proposed that the clad film is divided into two or more layers in order to improve the filling of the narrow gap portion of the core. Considering the cause of the generation of many bubbles in the narrow gap portion of the core, the aspect ratio in the narrow gap portion (expressed as t / w by the ratio of the core height t to the core interval w) and the embedding. It is necessary to investigate the relationship with characteristics.
[0029]
First, the relationship between the film thickness of the cladding film and the embedding characteristics was examined. The results are shown in FIGS. 9 (a) to 9 (d).
[0030]
FIGS. 9A to 9D are cross-sectional views of an optical waveguide formed and sintered by changing the film thickness of a porous glass film formed on a ridge-shaped core having an aspect ratio of 2. FIG. The film thickness of the porous glass film shown in FIG. 9 (a) is set to 1 times the core height, and the film thickness of the porous glass film shown in FIG. 9 (b) is set to 1.5 times the core height. The film thickness of the porous glass film shown in (c) was 2.0 times the core height, and the film thickness of the porous glass film shown in FIG. 9 (d) was 3.0 times the core height.
[0031]
9A to 9D, bubbles 903 and 904 were generated in the narrow gap portion of the core 901 when the thickness of the clad 902 was set to be twice or more the height of the core 901. From this, it was found that the thinner the cladding film 902, the easier it is to embed a core ridge having an aspect ratio of 2. Reference numeral 905 denotes a substrate.
[0032]
Next, the aspect ratio and the embedding characteristics in the narrow gap portion of the core were examined. The result is shown in FIG.
[0033]
10A to 10D are cross-sectional views of an optical waveguide obtained by forming and sintering a porous glass film having a cladding film thickness of 1.5 times the core height and changing the aspect ratio.
[0034]
The core aspect ratio shown in FIG. 10A is 1, the core aspect ratio shown in FIG. 10B is 2, the core aspect ratio shown in FIG. The aspect ratio of the core shown in FIG.
[0035]
10A to 10D, bubbles 906 and 907 were generated in the narrow gap portion when the aspect ratio was 3 or more. From this, it was found that the narrow gap portion having an aspect ratio of 3 or more cannot embed the core.
[0036]
In this way, when the clad film 902 is thickly formed, the lower part of the porous glass film melts and fills the narrow gap during sintering, but the upper part of the porous glass film has poor thermal conductivity during sintering. It is considered that the temperature of the upper part of the porous glass film does not reach its melting point, whereby the upper part of the porous glass film is not sufficiently melted and bubbles 906 and 907 are generated.
[0037]
Therefore, the inventor divided the porous glass film into two parts, a lower porous glass film and an upper porous glass film, and formed and sintered the lower porous glass film, and then the upper porous glass film. We thought that the imbedding failure would be solved if the film was formed and sintered.
[0038]
That is, first, the above-mentioned SiO ₂ -B ₂ O _Three -P ₂ O _Five A lower porous glass film is formed by a flame deposition method within the applicable range of the dopant amounts of B and P in the system porous glass film, and sintered by an electric furnace to produce a lower glass film.
[0039]
Next, again the above-mentioned SiO ₂ -B ₂ O _Three -P ₂ O _Five The upper porous glass film is formed by the flame deposition method within the applicable range of the dopant amounts of B and P in the system porous glass film, and sintered by an electric furnace to produce the upper glass film. An optical waveguide having a clad film with good embedding characteristics in a narrow gap portion of the core can be obtained while reducing dependency loss and excess loss.
[0040]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0041]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of an optical waveguide to which an optical waveguide manufacturing method of the present invention is applied.
[0042]
The feature of this optical waveguide is that the substrate 101 is made of Si, Si having a low refractive index layer, or quartz, and the SiO formed on the substrate 101. ₂ A rectangular core 102 containing as a main component, and SiO. ₂ The clad 105 of the optical waveguide having the clad 105 formed so as to cover the core 102 with a main component is made into a multilayer structure of two or more layers.
[0043]
That is, this optical waveguide has a clad 105 having a multilayer structure of two or more layers so that bubbles are not generated in a narrow gap portion of the core 102 having a rectangular cross section having a large aspect ratio.
[0044]
In the present optical waveguide, at least one of the layers 103 and 104 of the clad 105 is F-doped SiO. ₂ A film may be formed. F-doped SiO ₂ The film is SiO with a refractive index of 1.400 to 1.460. ₂ Since the film can be manufactured, the difference between the refractive index of the core 102 and the refractive index of the clad 105 is increased, thereby having an effect that the propagating light can be strongly confined in the core 102.
[0045]
In this optical waveguide, the clad 105 is composed of two layers, the first clad 103 has a thickness 0 to 50% thicker than the height of the core 102, and the second clad 104 is formed on the first clad 103. Good. The reason why the thickness of the first clad 103 is 0 to 50% thicker than the height of the core 102 is that the entire area of the upper surface of the core 102 is filled with the clad 105, and the film thickness is the height of the core 102. This is because bubbles are likely to be generated in the clad 105 when the ratio is 1.5 times or more.
[0046]
In this optical waveguide, the clad 105 is composed of two layers, the first clad 103 has a thickness 0 to 50% thicker than the height of the core 102, the second clad 104 is formed on the first clad 103, The film thickness of the 2 clad 104 is preferably 1 to 5 times the height of the core 102.
[0047]
Here, the film thickness of the second clad 104 is set to 1 to 5 times the height of the core 102 because the first clad 103 and the second clad 104 of the clad 105 are confined in order to confine propagating light in the core 102. This is because it is necessary that the height of the core 102 is at least 2.0 times.
[0048]
This optical waveguide is manufactured by selecting one method from the flame deposition method, plasma CVD method, ECR-CVD method capable of generating high vacuum / high density plasma, or sputtering method for each layer 103, 104 of the clad 105. It is preferred that
[0049]
Generally, flame deposition or plasma CVD is used to form the cladding, but ECR-CVD that enables filling of narrow gaps between cores with an aspect ratio of 2 or more, or the same film characteristics as the target A sputtering method capable of forming a film over a large area can be used.
[0050]
This optical waveguide can be manufactured by repeating the formation and sintering of the porous glass film using the flame deposition method for all the layers 103 and 104 of the clad 105. That is, first, SiO ₂ -B ₂ O _Three -P ₂ O _Five A porous glass film of the first cladding 103 is formed by flame deposition within the applicable range of the dopant amounts of B and P in the system porous glass film, sintered in an electric furnace, and the glass of the first cladding 103 A film is prepared.
[0051]
Next, SiO ₂ -B ₂ O _Three -P ₂ O _Five The porous glass film of the second cladding 104 is formed by a flame deposition method within the applicable range of the dopant amounts of B and P in the system porous glass film, sintered by an electric furnace, and the glass of the second cladding 104 An optical waveguide is formed by producing a film.
[0052]
In the present optical waveguide, the first clad 103 of the clad 105 can be produced by a plasma CVD method or an ECR-CVD method, and the second clad 104 can also be produced by a flame deposition method. The plasma CVD method or the ECR-CVD method is applied to the first clad 103 of the clad 105 because the film forming methods suitable for filling the narrow gaps between the cores 102 are sequentially listed except for the flame deposition method. This is because it becomes a plasma CVD method.
[0053]
In this optical waveguide, the first clad 102 of the clad 105 is made of F-doped SiO. ₂ The film is formed by a plasma CVD method or an ECR-CVD method. In that case, the second cladding 104 is preferably formed by a flame deposition method. As above, F-doped SiO ₂ The film is SiO with a refractive index of 1.400 to 1.460. ₂ Since a film can be produced, the difference in refractive index between the core 102 and the clad 105 is increased, thereby having an effect that propagation light can be strongly confined in the core 102. F-doped SiO ₂ F-doped SiO for the purpose of preventing desorption of F in the film ₂ SiO as a protective film on the film ₂ It is preferable to produce a film containing as a main component by flame deposition.
[0054]
In the present optical waveguide, at least one of the layers 103 and 104 of the clad 105 is preferably heat-treated. This is SiO ₂ -B ₂ O _Three -P ₂ O _Five If an optical waveguide is produced with the system porous glass film as it is, the excess loss becomes a large value of 1 dB / cm or more, which cannot be used as an optical waveguide.
[0055]
【Example】
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0056]
Example 1
2A to 2D are process diagrams showing an embodiment of the method for manufacturing an optical waveguide of the present invention.
[0057]
The optical waveguide shown in FIG. 1 is formed on a substrate 101 made of, for example, quartz, and the substrate 101, and is made of SiO. ₂ And a core 102 having a rectangular cross-sectional shape with a main component as a main component and SiO 2 formed on the substrate 101 so as to cover the core 102. ₂ And a clad 104 containing as a main component.
[0058]
The clad 105 is composed of two layers 103 and 104. The first clad 103 and the second clad 104 of the clad 105 are made of B and P-doped SiO. ₂ It is a membrane. The first cladding 103 and the second cladding 104 may have the same composition or different compositions. The core 102 has a higher refractive index than the clad 105, and the signal light propagates through the core 102 having a higher refractive index. The refractive index and the outer diameter of the core 102 and the clad 105 are determined so as to satisfy a single mode at a wavelength of 1.31 μm or 1.55 μm.
[0059]
Specifically, the core 102 has a size of 6.0 μm square and a refractive index of 1.470, and the cladding 105 has a first cladding having a thickness of 6.0 μm and a refractive index of 1.458, and the second cladding 104 has a thickness of 20 μm. The rate is 1.458. However, the numerical values are not limited.
[0060]
Next, the manufacturing method of the optical waveguide of this invention is demonstrated with reference to Fig.2 (a)-(d).
[0061]
As shown in FIG. 2A, TiO as a core glass film 102a is formed on a substrate 101 made of quartz by EB electron beam evaporation. ₂ Doped SiO ₂ A film of 6.0 μm is formed. The dopant doped into the core glass film 102a is TiO. ₂ Not only GeO ₂ May be used.
[0062]
As shown in FIG. 2B, after the core glass film 102a is formed, unnecessary portions of the core glass film 102a are removed by dry etching to form a 6.0 μm square ridge-shaped core 102. In order to stabilize the refractive index of the ridge-shaped core 102, a heat treatment temperature of 1,000 to 1,340 ° C., O ₂ Heat treatment is performed for about 3 hours in an atmosphere.
[0063]
Next, the cladding film forming process will be described.
[0064]
As shown in FIG. 2C, first, SiO 2 is formed on the core 102 having a rectangular cross section. ₂ The first clad 103 of the clad 105 containing as a main component is produced by a flame deposition method.
[0065]
The flame deposition method uses SiO by flame hydrolysis reaction. ₂ -B ₂ O _Three -P ₂ O _Five This is a method for producing a clad film using the formation of a porous glass film and transparent vitrification by high-temperature sintering at 1,200 ° C. or higher.
[0066]
Here, the structure of a flame deposition apparatus is demonstrated using FIG.3 and FIG.4.
[0067]
FIG. 3 is a conceptual diagram of the flame deposition apparatus, and FIG. 4 is an explanatory diagram of the flame deposition method.
[0068]
The flame deposition apparatus shown in FIG. 3 is mainly equipped with an oxyhydrogen burner 301 and a plurality of disc-like substrates 101, and can rotate in the direction of arrow B (or in the opposite direction) and can translate in the direction of arrow C. The table 303 and an exhaust device 304 for exhausting the reaction gas.
[0069]
On the table 303 and the substrate 101, a heater (not shown) for heating the substrate 101 is installed below the table 303. Further, an oxyhydrogen burner 301 for forming a flame atmosphere is provided above the table 303.
[0070]
In such an apparatus configuration, the table 303 and the substrate 101 are heated to 300 to 800 ° by a heater installed at the lower part of the table 303 to rotate and translate the table 303.
[0071]
Next, SiO ₂ -B ₂ O _Three -P ₂ O _Five The film forming process of the porous glass membrane will be described in detail with reference to FIG.
[0072]
SiCl contained in container 405 _Four BCl contained in container 406 _Three PCl contained in container 407 _Three Each of the liquid raw materials is bubbled with Ar, and the gaseous raw material is supplied to the oxyhydrogen burner nozzle 402 in the direction of the arrow 401 through the pipe and blown out. O from separate gas cylinders 408, 409 ₂ , H ₂ Is supplied in the direction of arrow 403 to the oxyhydrogen burner nozzle 402 through a pipe.
[0073]
SiCl _Four , BCl _Three , PCl _Three , O ₂ , H ₂ These gas flow rates are 155 sccm, 20 sccm, 5 sccm, 6,000 sccm, and 2500 sccm, respectively. In this state, the tip of the oxyhydrogen burner nozzle 402 is ignited to generate a flame 410, and the raw material gas is decomposed and reacted in the flame. SiO containing B and P formed by this reaction ₂ -B ₂ O _Three -P ₂ O _Five A system porous glass film 404 is deposited on the substrate 101 on which the ridged core 102 is formed.
[0074]
The deposited film thickness is set so that the film thickness after sintering is 7.0 μm. The SiO ₂ By sintering the substrate 101 including the fine particles in a He stream at 1,340 ° C. for 1 hour, SiO 2 ₂ -B ₂ O _Three -P ₂ O _Five A glass film 103 is obtained.
[0075]
Next, returning to FIG. 2 (d), on the first clad 103 of the clad 105, SiO 2 ₂ The second clad 104 containing as a main component is produced by a flame deposition method. A specific film forming method is the same as the method for manufacturing the second clad 104 of the clad 105 except for the gas flow rate and the deposited film thickness described below, and therefore will be omitted.
[0076]
SiCl _Four , BCl _Three , PCl _Three , O ₂ , H ₂ Each gas flow rate is set to 155 sccm, 13 sccm, 3 sccm, 6,000 sccm, 2,500 sccm, and the deposited film thickness is set to 20 μm after sintering.
[0077]
(Example 2)
Here, the number of layers of the clad 105 is not limited to two, and the clad 105 can be three or more layers. In addition, the clad 105 is formed as two or more layers with the main purpose of embedding a plurality of rectangular cross-sectional cores 102 having a large aspect ratio, which is the ratio of the height of the core 102 and the interval between the cores 102, without generating bubbles. May be. Further, at least one of the layers 103 and 104 of the clad 105 is F-doped SiO. ₂ A membrane may be applied. F-doped SiO ₂ The film is SiO with a refractive index of 1.400 to 1.460. ₂ Since a film can be produced, the difference in refractive index between the core 102 and the clad 105 is increased, thereby having an effect that propagation light can be strongly confined in the core 102.
[0078]
Alternatively, the clad 105 may be formed in two layers, the first clad 103 may be set to a thickness that is 0 to 50% thicker than the height of the core 102, and the second clad 104 may be formed on the first clad 103. . The film thickness of the first clad 103 is 0 to 50% thicker than the height of the core 102 because the film thickness is sufficiently thick to fill the entire area of the upper surface of the core 102 with the clad 105, and Air bubbles are likely to be generated when the thickness of the clad 105 is 1.5 times or more the height of the core 102. Further, the clad 105 is made into two layers, the first clad 103 is set to a film thickness that is 0 to 50% thicker than the height of the core 102, the second clad 104 is formed on the first clad 103, and the second clad The film thickness of 104 may be 1 to 5 times the height of the core 102.
[0079]
Here, the reason why the thickness of the second cladding 104 is set to 1 to 5 times the height of the core 102 is that the first cladding 103 and the second cladding 104 of the cladding 105 are confined in order to confine the propagation light in the core 102. This is because it is necessary that the height of the core 102 is at least 2.0 times.
[0080]
Each layer 103, 104 of the clad 105 is produced by selecting one of a flame deposition method, a plasma CVD method, an ECR-CVD method capable of generating high vacuum / high density plasma, or a sparing method. Also good.
[0081]
Generally, a flame deposition method or a plasma CVD method is used for producing a clad, but an ECR-CVD method that enables embedding of a narrow gap between cores having an aspect ratio of 2 or more, or a large area same as a target. A sputtering method capable of forming a film may be used.
[0082]
Moreover, all the layers 103 and 104 of the clad 105 can also be manufactured by repeating the porous glass film formation and sintering by using the flame deposition method. That is, first, SiO ₂ -B ₂ O _Three -P ₂ O _Five The porous glass film of the first cladding 103 is formed by a flame deposition method within the applicable range of the dopant amounts of B and P in the system porous glass film, and sintered by an electric furnace (not shown). A glass film of 1 clad 103 is produced.
[0083]
Next, SiO ₂ -B ₂ O _Three -P ₂ O _Five The porous glass film of the second cladding 104 is formed by a flame deposition method within the applicable range of the dopant amounts of B and P in the system porous glass film, sintered by an electric furnace, and the glass of the second cladding 104 An optical waveguide can be obtained by producing a film.
[0084]
Further, the first clad 103 of the clad 105 can be produced by a plasma CVD method or an ECR-CVD method, and the second clad 104 can be produced by a flame deposition method. The plasma CVD method or the ECR-CVD method is applied to the first clad 103 of the clad 105 when the film forming methods suitable for filling the narrow gap portion between the cores are sequentially listed except for the flame deposition method. This is because it becomes a plasma CVD method.
[0085]
(Example 3)
Hereinafter, a case where the first clad 103 of the clad 105 is produced by a plasma CVD method will be described.
[0086]
In this plasma CVD method, SiH is used as a source gas. _Four , O ₂ Since Ar is used, the composition of the glass film which is the first clad 103 of the clad 105 is SiOxHy (hereinafter referred to as “SiH”).
[0087]
FIG. 5 is a conceptual diagram of a plasma CVD apparatus used for film formation.
[0088]
This plasma CVD apparatus is a general parallel plate type plasma CVD apparatus. The configuration is roughly divided into a chamber 501, a heater 502, a gas introduction part for introducing gas into the chamber 501, a lower electrode 504 connected to a 13.56 MHz RF power source 503 for applying a high frequency voltage, and a sample. The upper electrode 506 is connected to an RF power source 505 of 13.56 MHz for applying a high frequency voltage, a rotary pump 507-1 for exhausting gas in the chamber 501, and a mechanical booster pump 507-2.
[0089]
Next, each component will be described in detail.
[0090]
The upper electrode 506 can be provided with 1 to 20 substrates 508 having a diameter of 3 to 4 inches, and can be rotated around a hanging rod 509. The distance between the upper electrode 506 and the lower electrode 504 is variable between 30 and 50 mm. In this embodiment, the electrode distance is set to 35 mm. The diameters of the upper electrode 506 and the lower electrode 504 are about 700 mm.
[0091]
A process for forming a 1.5 μm glass film in this apparatus configuration will be described.
[0092]
First, the chamber 501 is evacuated to 10 ^-1 Pa or less.
[0093]
Next, the film formation condition is SiH. _Four Flow rate: 60 sccm, O ₂ Flow rate: 80 sccm, Ar flow rate: 1,760 sccm, deposition pressure: 53 pa, substrate temperature: 300 ° C., lower electrode 504 RF power: 600 W, upper electrode 506 RF power: 1 kW, Plasma 510 is generated and film formation is started.
[0094]
As-depo (immediately after deposition) SiO when deposited for 120 min under these deposition conditions ₂ The film properties of the film are as follows.
[0095]
The film thickness is 7.2 μm, the refractive index is 1.4620, and the film density is 2.0 g / cm. ^Three Met. The deposition rate was about 600 A / min.
[0096]
At least one of the cladding layers is preferably heat treated. This is SiO ₂ -B ₂ O _Three -P ₂ O _Five This is because when the optical waveguide is produced as it is, the system glass film has a large excess loss of 1 dB / cm or more and cannot be used as an optical waveguide.
[0097]
In the above, the present invention can produce an optical waveguide having no bubbles in the clad by forming the clad into a multilayer structure of two or more layers. In addition, for the optical characteristics important in the optical circuit, it is possible to sufficiently reduce the polarization-dependent loss and the excess loss. Further, even a narrow gap core having a large aspect ratio can be filled with a narrow gap while eliminating bubbles by providing a clad with a multilayer structure of two or more layers.
[0098]
【The invention's effect】
In short, according to the present invention, the following excellent effects are exhibited.
[0099]
It is possible to provide an optical waveguide having a clad film with good filling characteristics in a narrow gap portion of the core and a manufacturing method thereof while reducing polarization-dependent loss and excess loss.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of an optical waveguide to which an optical waveguide manufacturing method of the present invention is applied.
FIGS. 2A to 2D are process diagrams showing one embodiment of a method of manufacturing an optical waveguide according to the present invention.
FIG. 3 is a conceptual diagram of a flame deposition apparatus.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a flame deposition method.
FIG. 5 is a conceptual diagram of a plasma CVD apparatus used for film formation.
FIG. 6 SiO ₂ -TiO ₂ It is sectional drawing of the conventional optical waveguide which has a core of a composition.
7 is an explanatory diagram of a manufacturing method of the optical waveguide shown in FIG. 6. FIG.
8A is a perspective view after fine particles are formed by flame deposition and sintered at a high temperature of 1,200 ° C. or higher, and FIG. 8B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. .
9A to 9D are cross-sectional views of an optical waveguide formed and sintered by changing the film thickness of a porous glass film formed on a ridge-shaped core having an aspect ratio of 2. FIG.
FIGS. 10A to 10D are cross-sectional views of an optical waveguide obtained by forming and sintering a porous glass film having a clad film thickness of 1.5 times the core height and changing an aspect ratio. .
[Explanation of symbols]
101 Quartz substrate
102 core
103 1st cladding
104 Second cladding
105 clad

Claims

A substrate, a rectangular cross-sectional core formed on the substrate, the main component of which is SiO ₂ , a first cladding layer that covers the core and has SiO ₂ as a main component, and covers the first cladding layer And a method of manufacturing an optical waveguide comprising a second cladding layer mainly composed of SiO ₂ ,
The first clad layer is formed to a film thickness of 1 to 1.5 times the height of the core by forming a glass film and sintering , and then the second clad layer is A method for producing an optical waveguide , wherein a glass film is formed and sintered to form a film having a thickness of 1 to 5 times the height of the core .

The first and the manufacturing method of the optical waveguide of claim 1 wherein at least the more of the second clad layers, characterized in that it consists of SiO ₂ film of F-doped.

3. The first and second clad layers are formed by a flame deposition method, a plasma CVD method, an ECR-CVD method or a sputtering method capable of generating a high vacuum / high density plasma. The manufacturing method of the optical waveguide of description.