JP4168910B2 - 光導波路および光導波路の製造方法 - Google Patents

Description

本発明はプレーナ光回路等のような光導波路および光導波路の製造方法に係わり、特に成膜によって光の伝送される領域としてのコアを形成する光導波路および光導波路の製造方法に関する。

インターネット等の各種通信の需要がますます増大している。通信ネットワークがこれに応じて拡大し、ノード構成が複雑化する傾向にある。これにより、各ノードで各種の高度な処理が要求されている。このような状況で、光信号を電気信号に変換することなく処理することのできる光スイッチング技術が注目を集めている。光を主体とした通信システムを実現するためには、集積化に適したプレーナ光回路（PLC：Planar Lightwave Circuit）技術が有望である。

この集積化に適したプレーナ光回路技術では、光波長合分波器、分散補償器、光ファイバアンプ用利得等化器、光スイッチ等の受動的な光導波路を幾つも通過させる構成となるのが通常である。したがって、光の伝播する距離が長くなり、これらの受動デバイスの低損失化が必要不可欠となる。しかしながら、プレーナ光回路を用いた光導波路は、光ファイバと比較すると伝搬損失が非常に大きいのが現状である。このため、これらの光導波路を幾つも直列に接続して使用するには伝搬損失で大きな問題が生じる。

図６は、従来のプレーナ光回路を用いた光導波路の要部を示したものである。基板１１上には所定の厚さでクラッドの下半分を構成する下クラッド１２が形成されている。この下クラッド１２の上には、コア１３が形成され、上クラッド１４がこのコア１３の周囲を覆うように形成されている。

このような光導波路では、基板１１の表面が十分な平滑度を有していても、下クラッド１３をある程度の厚さで形成すると、その表面は平坦ではなく、微小な凹凸が存在する状態となる。そこで、この下クラッド１２の上にコア１３を形成すると、これらの境界部分でミー散乱（Mie scattering）を発生させる。ミー散乱は、この凹凸のように波長に比べて無視できないようなミクロンサイズの物体表面についての光の散乱をいう。下クラッド１２とコア１３の境界部分におけるこの散乱損失は、伝搬損失の大きな要因となる。そこで、従来では下クラッド１２の表面を光学研磨して平滑面に仕上げ、この研磨工程の後にコア１４を形成している。

しかしながら光学研磨を行うと光導波路の製造効率が低下して量産性に劣るようになるだけでなく、光学研磨による表面粗さがそれぞれの光導波路で均一となるように製品管理を行うことが必要となり、管理業務が困難になる。そこで、クラッドとコアの境界に平滑化層を形成して、光の散乱を防止するようにした技術が第１の提案として提案されている（たとえば特許文献１参照）。

図７は、この第１の提案による光導波路の断面構造の要部を表わしたものである。この光導波路のクラッドとしてのガラス基板２１は屈折率がｎ₁であり、その表面に微小な凹凸２２が存在している。ガラス基板２１を乾燥させた後に焼成炉に入れて、所定の温度でゾルゲルガラス材料を焼成して硬化させ、これにより表面が平滑でガラス基板２１と一体となった平滑化層２３を形成する。平滑化層２３の屈折率ｎ₂は屈折率ｎ₁とほぼ等しい。この平滑化層２３の表面に、スパッタ法でコーニングガラス７０５９（商品名）を成膜して、屈折率ｎ₁および屈折率ｎ₂よりも大きな屈折率ｎ₃のコア２４を形成するようにしている。

特開平６−２３５８３７号公報（第００１７、第００１８段落、図４Ａ）

この図７に示した光導波路では、ガラス基板２１の表面の微小な凹凸２２の中にゾルゲルガラス材料をスピンコート法等で入り込ませることで表面を平滑化している。しかしながら、このような手法の光導波路では偏光依存性が大きいという問題があった。

そこで本発明の目的は、クラッドとコアの境界で光の散乱を防止し、しかも偏光依存性を低減することのできる光導波路を提供することにある。

本発明の光導波路は、（イ）基板と、（ロ）前記した基板と一体に、または前記した基板の上に形成された下クラッド層と、（ハ）前記した下クラッド層の上に、この下クラッド層と同等の屈折率を有し、溶融温度が高い第１のガラス層と、溶融温度がこの第１のガラス層よりも低い第２のガラス層とが任意の開始順序で合計複数組積層され、かつ１組ずつの厚さは前記した下クラッド層に近いものほど薄くなるように形成された多層膜と、（ニ）アニール処理後の前記した多層膜の最上層上に形成され、前記した下クラッド層および前記した多層膜よりも屈折率の大きいコアと、（ホ）前記したコアの側部および上部を覆うように形成され、前記したコアよりも屈折率が小さく、かつ前記した下クラッド層と同等の屈折率を有する上クラッド層とを備え、（へ）前記した第１のガラス層は前記したアニール処理による加熱状態で膜形状を保持し加熱後の冷却時に面方向に働く引っ張り応力が生じる一方、前記した第２のガラス層は前記したアニール処理による加熱で溶融してその膜形状を変形させることを特徴としている。

また、本発明では、（イ）基板上にクラッドの下層部分として所定の層厚を有する下クラッド層を形成する下クラッド層形成ステップと、（ロ）この下クラッド層形成ステップで形成した下クラッド層の上に、下クラッド層と同等の屈折率を有し、溶融温度が高い第１のガラス層と溶融温度が低い第２のガラス層とが任意の開始順序で合計複数組積層され、かつ１組ずつの厚さは前記した下クラッド層に近いものほど薄くなるようにして多層膜を形成する多層膜形成ステップと、（ハ）この多層膜形成ステップで形成された多層膜における前記した第１のガラス層については、アニール処理による加熱時に膜形状を保持させたこの層の冷却時に面方向に働く引っ張り応力を生じさせる一方、前記した第２のガラス層については、前記したアニール処理による加熱時に溶融させてその膜形状を変形させるようにしたアニール処理ステップと、（ニ）このアニール処理後の多層膜の最上層の所定箇所に、前記した下クラッド層および多層膜よりも屈折率の大きなコアを形成するコア形成ステップと、（ホ）このコア形成ステップで形成したコアの側部および上部を覆うように前記した下クラッド層と同等の屈折率を有する上クラッド層を形成する上クラッド層形成ステップとを光導波路の製造方法に具備させる。

以上説明したように本発明によれば、下クラッドの上に溶融温度の異なる第１および第２のガラス層を交互に複数組形成することにしたので、層が多層となっても２種類の層材料を用意すればよく、多層膜の形成を簡易に行うことができる。

以下実施例につき本発明を詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施例における光導波路の要部を表わしたものである。この光導波路１００は、基板１０１の上に下クラッド１０２を形成している。下クラッド１０２の表面は図示しないが微細な凹凸が存在している。下クラッド１０２の上には多層膜１０３が形成されており、その上の所定位置にはコア１０４が形成されている。このコア１０４の周囲および上部には、上クラッド１０５が形成されている。コア１０４の周辺の下クラッド１０２、多層膜１０３および上クラッド１０５により光導波路が形成される。

図２は、この光導波路の多層膜の周辺を拡大して示したものである。多層膜１０３は、高温アニール処理に強い第１の膜１１１と、溶融温度の低い第２の膜１１２とを複数回交互に積層した構造となっている。本実施例では、第１の膜１１１と第２の膜１１２のペアが３組積層されている。第１の膜１１１は第２の膜１１２よりも薄い膜であり、かつ高温アニール処理に強い材料で構成されている。第２の膜１１２は溶融温度の低い材料で構成されている。ここでアニール処理とは一定温度に加熱して成形によるひずみを除去する処理をいう。本実施例ではＯ₂雰囲気中で約８００℃〜１１００℃程度で加熱処理を行った。

本実施例では図１に示した基板１０１がＳｉ（シリコン）で構成されており、その厚さは０．８ｍｍである。基板１０１はＳｉ以外の半導体あるいは石英ガラス等の絶縁体で構成されていてもよい。下クラッド１０２および上クラッド１０５は、ＢＰＳＧ、すなわちＢ（ボロン）、Ｐ（リン）、ＳＧ（シリカガラス：ＳｉＯ₂）の混合物で構成されている。第１の膜１１１は、ＮＳＧ（ノンドープＳｉＯ₂）あるいはＰＳＧすなわちＰ（リン）、ＳＧ（シリカガラス：ＳｉＯ₂）の混合物でＰの濃度が低いもので構成されたシリカ系ガラス層であり、膜厚はたとえば０．１５μｍとなっている。第２の膜１１２は、ＢＰＳＧ、ＢＳＧあるいはＧＰＳＧすなわちＧｅ（ゲルマニウム）、Ｐ（リン）、ＳＧ（シリカガラス：ＳｉＯ₂）の混合物で構成されたシリカ系ガラス層である。第２の膜１１２の膜厚はたとえば０．５μｍとなっている。また、第１の膜１１１および第２の膜１１２は、下クラッド１０２および上クラッド１０５とほぼ等しい屈折率を有しており、コア１０４に比べるとその値が低くなっている。コア１０４はたとえば高さおよび幅がそれぞれ５．５μｍの矩形の断面をしており、一例としてはＧＰＳＧで構成されている。コア１０４と下クラッド１０２および上クラッド１０５の比屈折率差は、たとえば０．６５パーセントである。

ＮＳＧ等によって構成される第１の膜１１１は、高温アニール処理に強いので、加熱によっても溶融しにくくその膜形状を良好に保持する。これに対してＢＰＳＧ等によって構成される第２の膜１１２は、高温アニール処理に弱いので、加熱によって溶融しやすく溶融状態でその膜形状を変形させやすい。また、同じ膜厚では第１の膜１１１には加熱後の冷却時に面方向に働く引っ張り応力が生じる。

したがって、図２に示すように下クラッド１０２の上の微小な凹凸は、この形状によくなじむ第２の膜１１２と、膜形状の保持および冷却時の表面の緊張によって平坦化に寄与する第１の膜１１１の組み合わせによって、効果的に平坦化する。そして、これら第１および第２の膜１１１、１１２のペアを繰り返し積層することで、それぞれのペアで生じる表面平滑化の効果を積み上げることかできる。

次にこの実施例の光導波路の製造方法を説明する。まず、厚さが０．８ｍｍのシリコンの基板１０１上に、常圧化学気相成膜法（ＡＰ−ＣＶＤ）により、石英を主成分とするガラス膜として、たとえばＢＰＳＧが１４μｍの厚さに成膜された下クラッド１０２が形成される。

この下クラッド１０２の上に、第１の膜１１１が０．１５μｍで成膜され、その上に第２の膜１１２が０．５μｍで成膜される。以上の第１の膜１１１および第２の膜１１２の成膜プロセスが３回繰り返され、その後にＯ₂雰囲気中で約８００℃〜１１００℃程度で高温アニール処理が行われる。これにより、多層膜１０３の上面が平滑化される。

このようにして形成された多層膜１０３の上に高さ５．５μｍのコア層が形成される。そして、フォトリソグラフィおよび反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりコア１０４が形成される。コアの幅は５．５μｍである。次にコア１０４を埋め込むように、ＢＰＳＧの上クラッド１０５がＡＰ−ＣＶＤにより、たとえば１５μｍの膜厚に形成されて、たとえば埋め込み型の光導波路からなる光導波路１００が形成される。

図３は、以上説明した実施例と対比するために、参考として、第１の膜と第２の膜を１層ずつ用いた多層膜を下クラッドの上に形成した光導波路の要部を表わしたものである。この光導波路１００Ａの場合には、下クラッド１０２の上に配置する第２の膜１１２Ａは１層だけなので、凹凸を効果的に吸収させるためにその膜厚をある程度厚くする必要が生じる。しかしながら、第２の膜１１２Ａの厚さを厚くしても、下クラッド１０２と同様の特性の材料で構成されているため、それだけで表面の平滑化が達成できるものではない。そこで、第１の膜１１１Ａについても、トータルの表面形状を保持するために厚くする必要がある。ところが第１の膜１１１Ａの厚さをある程度以上厚くすると、その面方向に働く引っ張り応力が大きくなりすぎて、光導波路１００Ａの冷却時に面が反ってしまうという現象が発生する。反りが生じるとコア１０４が下クラッド１０２の面方向に受ける応力と、これと垂直方向に受ける応力が異なってきて屈折率の異方性が発生する。これにより、光導波路に偏光依存性が生じ、光の伝搬損失が大きくなる等の問題が起こる。

図２に示した本実施例の場合には、このような反りを発生させない上限値に達しない所定の膜厚を３分割して、それぞれ均等の厚さの第１の膜１１１としている。しかも２種類の膜１１１、１１２のペアが積層されて、平坦化の効果を順次増幅している。このため、図３に示した光導波路１００Ａよりも同一量の材料を使用するときには平坦化が良好になる。もちろん、第１の膜１１１Ａの膜厚が光導波路１００Ａの反りを発生させない程度、あるいはそのデバイスにとって許容できる範囲のものになる厚さであれば、このような多層膜１０３Ａを設けること自体は有効である。実施例の光導波路１００と比較して層構造が単純な分だけ製造プロセスも簡単になる。

＜第１の変形例＞

図４は、本発明の第１の変形例における光導波路の要部を表わしたものである。この第１の変形例の光導波路１００Ｂの場合には、下クラッド１０２の上に第２の膜１１２Ｂ₁を形成し、その上に第１の膜１１１Ｂ₁を形成している。そしてこの２種類の膜のペアの上に第２の膜１１２Ｂ₂と第１の膜１１１Ｂ₂のペアを形成し、更にその上に第２の膜１１２Ｂ₃と第１の膜１１１Ｂ₃のペアを形成している。ただし、中間のペアのそれぞれの膜厚は１番下のペアの膜厚の２倍であり、１番上のペアの膜厚は、１番下のペアの膜厚の３倍となっている。このように図で上側ほどそれぞれ膜厚が厚くなる多層膜１００Ｂを形成すると、コア１０４および上クラッド１０５を形成する前にアニール処理を行った場合、図で下の層ほど加熱による平坦化の効果が大きいので、多層膜１０３Ｂの効果的な平坦化を行うことができる。

＜第２の変形例＞

図５は、本発明の第２の変形例における光導波路の要部を表わしたものである。この第２の変形例の光導波路１００Ｃの場合には、下クラッド１０２の上に第１の膜１１１Ｃ₁を形成し、その上に第２の膜１１２Ｃ₁を形成している。そしてこの２種類の膜のペアの上に第１の膜１１１Ｃ₂と第２の膜１１２Ｃ₂のペアを形成し、更にその上に第１の膜１１１Ｃ₃と第２の膜１１２Ｃ₃のペアを形成している。このように膜の配列順序が今までのものと逆になっている。第１の膜１１１Ｃ₁の直下の下クラッド１０２は第２の膜１１２と同様に加熱によって溶融しやすいので、高温アニール処理後の冷却時に第１の膜１１１Ｃ₁の面方向の引っ張り応力が表面の平坦化に寄与することになる。

このように第１の膜１１１と第２の膜１１２の配列の順序は、図１に示した実施例と逆の関係になっていてもよい。また、第１の膜１１１と第２の膜１１２は必ずしも対となって同数ずつ存在する必要はない。たとえば第２の変形例では下クラッド１０２と接して第１の膜１１１Ｃ₁を形成したが、この例で第２の膜１１２Ｃ₃の上に更に図示しない第１の膜１１１Ｃ₄を形成して、これによって更に平坦化された多層膜１０３Ｃの上にコア１０４が形成されるようにしてもよい。

次に、第１の膜１１１の膜厚を変動させるとき、膜厚はどの程度の範囲で有効かについて考察する。第１の膜１１１の１層の厚さの上限は、すでに説明したように、アニール処理後の冷却によって基板１０１（図１）に偏光依存性を引き起こすような反りを発生させない程度のものとなる。第１の膜１１１の１層の厚さの下限は本実施例および変形例の場合、０．０１μｍ程度となる。これ以下の場合にはアニール処理で膜の形状を保持することが困難であり、表面の平坦化に寄与しないからである。

一方、第２の膜１１２の方は本実施例および変形例の場合に、１層について０．１μｍ以上の膜厚であることが好ましい。これ以下の膜厚では薄すぎて溶融による平坦化に寄与せず、また多層構造にしたときに層の数を多くしなければ平坦化の効果を出しにくく、製造を非効率としてしまうからである。

次に本実施例および変形例では第１の膜１１１よりも第２の膜１１２の方を厚くしたが、両者の厚さの好ましい範囲について考察する。ＮＳＧまたはＰＳＧにより構成される第１の膜１１１の厚さと、ＢＳＧまたはＢＰＳＧにより構成される第２の膜１１２の厚さの比は、実験によれば１対３から１対２０の範囲に存在することが好ましいことが分かった。１対３以下では応力緩和の点から好ましくなく、１対２０よりも比率が大きくなると膜形状の維持上で好ましくない。

なお、以上説明した実施例および変形例では基板１０１上に下クラッド１０２を形成し、その上に多層膜１０３（１０３Ｂ、１０３Ｃ）を形成したが、基板１０１そのものが下クラッド１０２を形成する構成であってもよい。また、実施例および変形例では第１の膜１１１（１１１Ｂ、１１１Ｃ）と第２の膜１１２（１１２Ｂ、１１２Ｃ）のペアを３組積層する構成としたが、層の数はこれらに限定されるものでないことは当然である。

本発明の第１の実施の形態における光導波路の要部を表わした断面図である。 第１の実施例における多層膜の周辺を拡大して示した要部断面図である。 第１の膜と第２の膜を１層ずつ用いた多層膜を下クラッドの上に形成した光導波路の要部断面図である。 本発明の第１の変形例における光導波路の要部断面図である。 本発明の第２の変形例における光導波路の要部断面図である。 従来のプレーナ光回路を用いた光導波路の要部を示す断面図である。 第１の提案による光導波路の断面構造の要部を表わした断面図である。

符号の説明

１００ 光導波路
１０１ 基板
１０２ 下クラッド
１０３ 多層膜
１０４ コア
１０５ 上クラッド
１１１ 第１の膜
１１２ 第２の膜

Claims (7)

1. 基板と、
   前記基板と一体に、または前記基板の上に形成された下クラッド層と、
   前記下クラッド層の上に、この下クラッド層と同等の屈折率を有し、溶融温度が高い第１のガラス層と、溶融温度がこの第１のガラス層よりも低い第２のガラス層とが任意の開始順序で合計複数組積層され、かつ１組ずつの厚さは前記下クラッド層に近いものほど薄くなるように形成された多層膜と、
   アニール処理後の前記多層膜の最上層上に形成され、前記下クラッド層および前記多層膜よりも屈折率の大きいコアと、
   前記コアの側部および上部を覆うように形成され、前記コアよりも屈折率が小さく、かつ前記下クラッド層と同等の屈折率を有する上クラッド層とを備え、
   前記第１のガラス層は前記アニール処理による加熱状態で膜形状を保持し加熱後の冷却時に面方向に働く引っ張り応力が生じる一方、前記第２のガラス層は前記アニール処理による加熱で溶融してその膜形状を変形させる
   ことを特徴とする光導波路。
2. 前記第１のガラス層と第２のガラス層は応力特性が異なることを特徴とする請求項１記載の光導波路。
3. 前記第１のガラス層の厚さは、前記多層膜に前記第１のガラス層と前記第２のガラス層が１層ずつ存在するときの多層膜が形状を保持する上限値に達しない前記第１のガラス層についての所定の膜厚を、前記第１のガラス層と第２のガラス層の繰り返しの回数で分割した値としての膜厚となっていることを特徴とする請求項２記載の光導波路。
4. 前記下クラッド層はＢ（ボロン）、Ｐ（リン）、ＳＧ（シリカガラス：ＳｉＯ₂）の混合物により構成されており、前記第１のガラス層はノンドープＳｉＯ₂またはＰ（リン）、ＳＧ（シリカガラス：ＳｉＯ₂）の混合物により構成されており、前記第２のガラス層はＢ（ボロン）、ＳＧ（シリカガラス：ＳｉＯ₂）の混合物または前記Ｂ（ボロン）、Ｐ（リン）、ＳＧ（シリカガラス：ＳｉＯ₂）の混合物により構成されていることを特徴とする請求項１記載の光導波路。
5. 前記第１のガラス層と前記第２のガラス層の厚さの比が１対３から１対２０の間であることを特徴とする請求項２記載の光導波路。
6. 前記第１のガラス層は、無添加あるいはリンのみが添加されたシリカ系ガラス層であり、前記第２のガラス層は、ボロンまたはゲルマニウムが添加されたシリカ系ガラス層であることを特徴とする請求項１記載の光導波路。
7. 基板上にクラッドの下層部分として所定の層厚を有する下クラッド層を形成する下クラッド層形成ステップと、
   この下クラッド層形成ステップで形成した下クラッド層の上に、下クラッド層と同等の屈折率を有し、溶融温度が高い第１のガラス層と溶融温度が低い第２のガラス層とが任意の開始順序で合計複数組積層され、かつ１組ずつの厚さは前記下クラッド層に近いものほど薄くなるようにして多層膜を形成する多層膜形成ステップと、
   この多層膜形成ステップで形成された多層膜における前記第１のガラス層については、アニール処理による加熱時に膜形状を保持させたこの層の冷却時に面方向に働く引っ張り応力を生じさせる一方、前記第２のガラス層については、前記アニール処理による加熱時に溶融させてその膜形状を変形させるようにしたアニール処理ステップと、
   このアニール処理後の多層膜の最上層の所定箇所に、前記下クラッド層および多層膜よりも屈折率の大きなコアを形成するコア形成ステップと、
   このコア形成ステップで形成したコアの側部および上部を覆うように前記下クラッド層と同等の屈折率を有する上クラッド層を形成する上クラッド層形成ステップ
   とを具備することを特徴とする光導波路の製造方法。

Images