JP4543551B2

JP4543551B2 - 光導波路デバイス

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Publication number: JP4543551B2
Application number: JP2000391131A
Authority: JP
Inventors: 隆佐々木
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2020-12-22
Also published as: JP2002196164A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上にＧｅが添加されたコア領域及びクラッド領域を含む光導波路を備え、且つ紫外域光等の照射により回折格子が形成されてなる光導波路デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光導波路デバイスに形成される回折格子は、ゲルマニウム(Ｇｅ)が添加されたコア領域に、光が導波する方向に沿って強度が周期的に変化する紫外域光を照射することにより形成される。すなわち、Ｇｅが添加されたコア領域に紫外域光が照射されると、照射部での屈折率は高くなるので、屈折率の高い部分が周期的に形成され、これにより回折格子が形成される。
【０００３】
ところで、このような回折格子の形成方法は、光ファイバでも従来から採用されている。光ファイバにおいては、Ｇｅがコア領域にだけ添加され、クラッド領域には添加されない場合には、回折格子により反射されるべき波長より短い波長の光をも反射されてしまう、いわゆる短波長損失という問題が生じることが知られている。このような問題を解決するため、クラッド領域に対してもコア領域と等しい濃度のＧｅを添加し、紫外域光の照射による屈折率の変化量をコア領域とクラッド領域とで略同一とすることにより、短波長損失を防ぐ方法が提案されている（文献IEICE TRANS.ELECTRON.,VOL.E81-C,MO.8 AUGUST, 1998 pp.1209-1218.)。
【０００４】
光導波路デバイスにおいても、上記のような光ファイバでの知見に基づいて、コア領域とクラッド領域とにおけるＧｅ添加量の等しいものが作製されるようになってきた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
光導波路デバイスに回折格子を形成する場合には、紫外域光を光導波路デバイスの一方の面から照射する。このとき、紫外域光はクラッド領域及びコア領域内で吸収されるため、紫外域光の強度は、紫外域光が光の入射面から光導波路デバイスの内部へと進入していくとともに徐々に低下していく。
【０００６】
紫外域光の照射により生じる屈折率の変化量は紫外域光強度に比例するため、紫外域光強度が低下していくに従って、屈折率の変化量も減少していく。そのため、光導波路デバイス内では、屈折率の変化量が紫外域光の入射面から裏面の方向に対して一定とはならない事態となっていた。従って、コア領域とクラッド領域とで屈折率の変化量に相違が生じる結果となり、短波長損失を十分に抑止できない傾向にあった。
【０００７】
そこで、本発明は、上記のような事情を鑑みてなされたものであり、形成された回折格子における短波長損失が十分に抑えられる光導波路デバイスを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光導波路デバイスは、第一クラッド領域と、コア領域と、第二クラッド領域とがゲルマニウム(Ｇｅ)が添加されて順次形成され、該第一及び第二クラッド領域にはさらに屈折率低下剤が添加されており、且つ、紫外域光の照射により回折格子が形成されてなるものであって、第一クラッド領域の表面を原点とし、第一クラッド領域の表面から第二クラッド領域の方向が正の向きであり、且つ第一クラッド領域の表面に垂直な仮想的な軸ｔに対して、光導波路に添加されるＧｅの添加量Ｃ_Ge(ｔ)は、
ｄＣ _Ge (ｔ)／ｄｔ＞０ …(１)
Ｃ_Ge(Ｔ₁)＜Ｃ_Ge(Ｔ₂) …(２)
で表される(１)式と(２)式とを同時に満たすことにより、紫外域光の照射により生じる屈折率の変化量が光導波路内において略均一であることを特徴とする。ここで、Ｔ₁は０≦ｔ＜ｔ₁の何れかの位置でのｔの値、Ｔ₂はｔ₂＜ｔ≦ｔ₃の何れかの位置でのｔの値、ｔ₁は第一クラッド領域とコア領域との界面でのｔ座標値、ｔ₂はコア領域と第二クラッド領域との界面でのｔ座標値、ｔ₃は第二クラッド領域の表面でのｔ座標値である。ここで、第一クラッド領域及び第二クラッド領域の一方はオーバークラッド領域、他方はアンダークラッド領域であり、屈折率変化を誘起させるための紫外域光等は第一クラッド領域より入射される。
【０００９】
このようにすれば、光導波路デバイスの第一クラッド領域側から第二クラッド領域方向へと紫外域光等の屈折率変化誘起光を照射する場合に、短波長損失が低減された光導波路デバイスが好適に実現され得る。すなわち、Ｇｅが上記のように添加された場合には、光導波路内のＧｅ添加量は、第一クラッド領域側（ｔ＝０）から光導波路の第二クラッド領域側（ｔ＝ｔ₃）へと向かうに従って増加する。紫外域光の照射により生じる屈折率の変化量は、Ｇｅの添加量にもまた比例するため、第一クラッド領域側から入射された紫外域光の強度が光導波路の内部で低下しても、これに伴う屈折率の変化量の低下をＧｅ添加量の増加により補ない得る。そのため、光導波路内での屈折率の変化量は、基板と垂直な方向において略均一とすることができる。その結果、短波長損失が低減され得る。
【００１０】
さらに、軸ｔに対してＧｅの添加量Ｃ_Ge(ｔ)が、
Ｃ_Ge(ｔ)＝Ｃ₀exp(αｔ) …(３)
の関係を満たすと更に好適である。ここで、Ｃ₀は軸ｔの原点におけるＧｅの所定の添加量であり、αは屈折率変化を誘起し得る紫外域光の波長における光導波路デバイス内での吸収係数(α＞０)である。
【００１１】
このようにすれば、第一クラッド領域側より照射された紫外域光が、光導波路内で減衰しても、この減衰により屈折率の変化量が減少するのを効果的に補い、光導波路内での屈折率の変化量を確実に均一化できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による光導波路デバイスの好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明においては、同一の要素には同一の符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
（第１の実施形態）
【００１３】
先ず、本発明に係る光導波路デバイスの第１の実施形態について、Ｇｅ濃度が基板と垂直な方向に一定である光導波路デバイスと比較しながら説明する。なお、説明の便宜上、このＧｅ濃度が一定である光導波路デバイスを従来の光導波路デバイスと呼ぶ。
【００１４】
図１(ａ)〜(ｆ)は、第１の実施形態による光導波路デバイスの光導波路中の不純物濃度分布、及び屈折率分布等を説明するための模式図である。また、図２(ａ)〜(ｆ)は、従来の光導波路デバイスの光導波路中の不純物濃度分布、及び屈折率分布等を説明するための模式図である。
【００１５】
従来及び第１の実施形態による光導波路デバイスのどちらにおいても、アンダークラッド層２とオーバークラッド層４とには、図１(ｂ)及び図２(ｂ)に示すように、ホウ素(Ｂ)又はフッ素(Ｆ)が添加されている。ここで、第１の実施形態による光導波路デバイスにおいては、Ｂ又はＦの濃度が図１(ｂ)に示すように変化している。これにより、後述するＧｅ濃度の変化により生じる屈折率変化が相殺され、回折格子の低屈折率部(紫外域光を照射しない部分)において、図１(ｄ)に示すような屈折率分布形状Ｌ₁を実現される。これらの層２，４の屈折率は、図１(ｄ)及び図２(ｄ)にＬ₁で示すようにコア層３の屈折率よりも小さくなり、そのため、光がコア層３に閉じ込められる。
【００１６】
一方、Ｇｅの添加量の分布については、従来の光導波路デバイスでは、図２(ｃ)に示すようにオーバークラッド層４の表面から石英基板１へと向かう方向(ｔ軸方向)に一定である。ここで、回折格子を形成するために紫外域光の干渉光を光導波路デバイスに照射すると、紫外域光が照射された部分での屈折率が上昇する。しかしながら、紫外域光は光導波路内で吸収されるために、その強度は、図２(ｅ)に示すように、紫外域光の進行とともに(ｔ軸方向に沿って)減衰していく。このように紫外域光の強度が減衰していくと、図２(ｆ)に示す通り、屈折率の変化量もまた減少していく。したがって、紫外域光照射後の照射部の屈折率は、図２(ｆ)のＬ₂に示すようにｔ軸に関して非対称な分布形状をとることとなる。
【００１７】
ここで、従来の光導波路デバイスにおいて、屈折率がコア層３の上部と下部とでどの程度減少するかを簡単に見積もる。Ｇｅが４重量％添加されている酸化ケイ素における紫外域光(波長２４８ｎｍ)の吸収率は、約０．５ｄＢ/μｍである。よって、今、コア層３の厚さを６μｍ、コア層３の上部(オーバークラッド層４との界面側)での紫外光強度を２Ｗとすると、コア層３の下部(アンダークラッド層２との界面側)での紫外域光強度は１Ｗとなり、コア層３の下部では上部に比べ約２分の１にまで減少してしまう。発明者の検討から、４重量％の濃度でＧｅが添加されている酸化ケイ素に４Ｗの紫外域光を照射すると、屈折率は約１．５×１０^-3増加することが分かっているので、強度が約２分の１となる下部での屈折率の増加分は約７．５×１０^-4となる。コア層３の上下において、この程度の屈折率差がある場合には、発明者の計算によれば、３ｄＢの短波長損失が生じる。
【００１８】
これに対し、第１の実施形態の光導波路デバイスでは、Ｇｅの添加量は、式(１)及び(２)を満たすようにｔ軸方向に（すなわち、紫外域光の進行方向に沿って）増加しており（図１(ｃ)）、紫外域光が吸収されて強度が減少しても（図１(ｅ)）、屈折率の変化量の減少を補い得る。よって、屈折率の変化量は、図１(ｆ)に示すように、オーバークラッド層４、コア層３、及びアンダークラッド層２の各層を通して略一定となる。特に、紫外域光の強度は指数関数的に減衰していくことを考慮し、Ｇｅ濃度の分布を式(３)のように指数関数的に変化させると、屈折率の変化量を一層効果的に略一定とし得る。
【００１９】
以上のように、屈折率の変化量が略一定であるため、紫外域光照射後の照射部の屈折率は、図１(ｇ)に示すように、非照射部での屈折率の分布形状Ｌ₁と略同一の形状Ｌ₃で分布し、しかも、その屈折率は全体として非照射部よりも高くなる。このような屈折率分布を有する第１の実施形態による光導波路デバイスでは、発明者の測定によれば、短波長損失はわずか０．０５ｄＢであり、従来の光導波路デバイスに比べ約１/１０まで損失を減少できることが分かった。
【００２０】
続いて、第１の実施形態の光導波路デバイスの作製方法について説明する。図３は、第１の実施形態の光導波路デバイスを作製するに好適な一作製方法における作製工程と、各工程終了後の光導波路デバイスの断面を示す模式図である。この作製方法は、光導波層堆積工程、コア領域形成工程、オーバークラッド層堆積工程、及び回折格子形成工程の４つの工程より成り、これらの工程が順次実施される。
(１)光導波層堆積工程
【００２１】
まず、プラズマ気相堆積(Plasma Chemical Vapor Deposition：ＰＣＶＤ)装置を用いて、石英基板１上に、アンダークラッド層２と、コア層３とを順次堆積する。ここで、上記２つの層２，３の堆積に用いる原料としては、ＴＥＯＳ(Tetraethoxysilane)ガスとＯ₂ガスが好ましい。また、これら２つの層２，３にＧｅを添加するためのＧｅ原料としては、テトラメチルゲルマニウム(Tetra Methyl Germanium：ＴＭＧｅ)が、その取り扱いが容易である等の理由により好適である。さらに、アンダークラッド層２の堆積時には、屈折率低下剤としてＢを添加する。Ｂの原料としてはテトラメチルボロン(Tetra Methyl Boron：ＴＭＢ)が好適である。
【００２２】
まず、石英基板１をＰＣＶＤ装置のチャンバ内のサセプタ上に載置し、石英基板１を所定の温度にまで加熱する。その後、アルゴン(Ａｒ)ガス又は水素(Ｈ₂)ガス等の希釈ガスとともにＴＥＯＳガス、Ｏ₂ガス、ＴＭＧｅガス、及びＴＭＢガスをチャンバへ供給する。ここで、それぞれのガスの典型的な供給量は、ＴＥＯＳガス１００ｓｃｃｍ、Ｏ₂ガス８ｓｃｃｍ、ＴＭＧｅガス４ｓｃｃｍである。屈折率低下剤のＴＭＢガスは１０ｓｃｃｍである。
【００２３】
また、このときＴＭＧｅの供給量については、以下の通り決めると好ましい。
まず、後述する回折格子形成工程において所定強度の紫外域光を照射して高屈折率部を形成する際に、その高屈折率部を所定の屈折率とするのに必要なＧｅ濃度Ｃ₀を決定する。次に、この濃度Ｃ₀を実現するのに必要なＴＭＧｅの供給量を予備実験等から求める。その供給量をＲ₁とすると、アンダークラッド層２の堆積に先立って設定すべきＴＭＧｅの供給量は、
Ｒ₁×exp(αＴ) … （４）
で与えられる。ここで、αは紫外域光の吸収係数であり、Ｔ(μｍ)は、アンダークラッド層２、コア層３、及びオーバークラッド層４の合計膜厚である。
【００２４】
チャンバ内の圧力を圧力調整器により所定の圧力値、例えば１０^-6Ｐａ程度に調整した後、プラズマ発生用高周波電源より、例えば周波数１３．５６ＭＨｚで出力電力１０００Ｗの高周波電力をチャンバに備えられた電極に供給し、チャンバ内にプラズマを発生させる。これにより、アンダークラッド層２の堆積が開始される。
【００２５】
堆積開始直後から、ＴＭＧｅの供給量を次の式(５)に従って減少させていく。
Ｒ₁×exp(αＴ)×exp(−αＤτ) …（５）
ここで、Ｄは堆積速度(μm/min)であり、τはアンダークラッド層２の堆積の開始時を基点とした経過堆積時間(min)である。この式(５)によれば、堆積開始時(τ＝０)のＴＭＧｅ供給量は、Ｒ₁×exp(αＴ)である。また、後述のオーバークラッド層４の堆積が終了する時(τ＝τ_e)には、Ｄτ_e＝Ｔとなるので、ＴＭＧｅの供給量はＲ₁にまで減少していることとなる。しかも、ＴＭＧｅの供給量は、堆積開始時の供給量Ｒ₁×exp(αＴ)から終了時のＲ₁まで、指数関数的に減少する。これにより、光導波路膜中のＧｅ濃度は、オーバークラッド層４の表面から石英基板１へと向かう方向に、式(３)に示すような指数関数的に減少するよう分布する。
【００２６】
アンダークラッド層２の膜厚が所定の膜厚となった時点で、ＴＭＢガスの供給を停止することにより、コア層３の堆積を開始する。ここで、ＴＥＯＳガスとＯ₂ガスとは、アンダークラッド層２の堆積時と同一の供給量にて供給を継続してあり、また、ＴＭＧｅの供給量は上記の式(５)に従って継続して減少させる。屈折率低下剤であるＢ又はＦの原料ガスの供給を停止するため、コア層３の屈折率はアンダークラッド層２の屈折率よりも高くなる。
【００２７】
コア層３の膜厚が所定の膜厚となった時点で、高周波電力の供給を停止するとともに、ＴＥＯＳガスとＯ₂ガスとの供給を停止して、コア層３の堆積を終了させる。その後、石英基板１を冷却した後、アンダークラッド層２とコア層３とが形成された石英基板１をチャンバから取り出す。
(２)コア領域形成工程
【００２８】
次に、コア領域を形成する工程について説明する。まず、レジストをコア層３の上に塗布してレジスト膜を形成する。次に、所定パターンのマスクを用いたフォトリソグラフィにより、コア領域パターンをレジスト膜に露光・転写し、さらに、この転写パターン以外のレジスト膜を有機溶剤等により除去する。続けて、石英基板１を反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching：ＲＩＥ)装置内のサセプタに載置し、エッチングを行ってレジスト膜が形成されていない部分のコア層３とを除去する。これにより、光が導波されるコア領域が形成される。
(３)オーバークラッド層形成工程
【００２９】
上記コア領域形成工程によりコア領域パターンが形成された石英基板１を再びＰＣＶＤ装置のチャンバ内のサセプタ上に載置する。石英基板１を所定の温度にまで加熱し、温度が安定化した後、アルゴン(Ａｒ)ガス又は水素(Ｈ₂)ガスを供給するとともにＴＥＯＳガス、Ｏ₂ガス、ＴＭＧｅガス、及びＴＭＢガスをチャンバへ供給する。ここで、ＴＭＧｅガスの供給量は、(１)の光導波層堆積工程において、コア層３の堆積を終了した時のＴＭＧｅの供給量と同一である。チャンバ内の圧力が所定の圧力値(例えば１０^-6Ｐａ)にて安定した後、高周波電力を供給してオーバークラッド層４の堆積を開始する。オーバークラッド層４の堆積開始直後、ＴＭＧｅの供給量を式(５)に従って減少させていく。
【００３０】
オーバークラッド層４の膜厚が所定の膜厚となった時点で、高周波電力の供給を停止するとともに、ＴＥＯＳガス、Ｏ₂ガス、ＴＭＧｅガス、及びＴＭＢガスを止めて、堆積を終了させる。このときのＴＭＧｅの供給量は、Ｒ₁である。そして、石英基板１の温度を室温まで低下させた後、石英基板１をチャンバから取り出す。
(４)回折格子形成工程
【００３１】
次に、回折格子を形成する。すなわち、二光束干渉法又は位相格子法により、光導波路が形成された石英基板１に対してオーバークラッド層４の表面側から紫外域光の干渉光を照射する。干渉により強度が増加した光が照射された部分では屈折率が増加し、これにより、高屈折部が周期的に形成され、その結果、回折格子が形成される。なお、紫外域光としては、ＫｒＦエキシマレーザから放出される波長２４８ｎｍの短波長レーザ光が好適である。
【００３２】
上述の作製方法によれば、Ｇｅ濃度は、オーバークラッド層４の表面から石英基板１へと向かう方向に沿って、指数関数的に増加している。そのため、オーバークラッド層４の表面側から照射した紫外域光が光導波路膜中で減衰しても、この減衰による屈折率変化量の減少をＧｅ濃度の増加により補うことができる。
【００３３】
なお、アンダークラッド層２及びオーバークラッド層４に添加される屈折率低下剤の原料についても供給量を変化させるが、その方法は、上述のＧｅ濃度を変化させる方法と同様でよい。
（第２の実施形態）
【００３４】
次に、本発明に係る光導波路デバイスの第２の実施形態及びその作製方法について説明する。第２の実施形態の光導波路デバイスは、Ｇｅ濃度の分布形状が異なる以外は、第１の実施形態の光導波路デバイスとその構成及び作製方法とも同様である。よって、以下では第１の実施形態との相違点についてのみ説明する。
【００３５】
第２の実施形態の光導波路デバイスでは、光導波膜中に添加されたＧｅの濃度は、オーバークラッド層４の表面からアンダークラッド層２と石英基板１との界面の方向に向かって指数関数的に減少していく。すなわち、第１の実施形態の光導波路デバイスとは逆のＧｅ濃度分布を有する。そして、この第２の実施形態の光導波路デバイスに対しては、回折格子形成の際に紫外域光の干渉光を石英基板１の裏面より照射する。このとき紫外域光の強度は、この光の進行方向である石英基板１の裏面からオーバークラッド層４の表面に向かう方向に沿って、指数関数的に減衰していく。しかしながら、上述の通り、紫外光強度が減衰していく方向に沿って、Ｇｅ濃度が増加していくため、紫外域光強度の減衰による屈折率変化量の減少が補償され得る。そのため、屈折率の変化量を同方向に沿って一定とすることができる。その結果、短波長損失を低減し得る。すなわち、この第２の実施形態の光導波路デバイスは、第１の実施形態に係る光導波路デバイスが奏する効果と同様の効果を奏する。
【００３６】
次に、第２の実施形態の光導波路デバイスの作製方法について説明する。この場合にも、第１の実施形態の光導波路デバイスの作製と同様のＣＶＤ装置が用いられ、ＴＭＧｅの供給量の変化が異なる以外は、同様な手順により作製される。そこで、以下では、ＴＭＧｅの供給量をどのように変化させるかについてのみ説明する。
【００３７】
まず、後述する回折格子形成工程において所定強度の紫外域光を照射して高屈折率部を形成する際に、その高屈折率部を所定の屈折率とするのに必要なＧｅ濃度Ｃ₀を決定する。次に、この濃度Ｃ₀を実現するのに必要なＴＭＧｅの供給量Ｒ₂を予備実験等から求める。
【００３８】
そして、アンダークラッド層２の堆積を開始する時点でのＴＭＧｅの供給量をＲ₂に設定する。続いて、アンダークラッド層２の堆積を開始した直後より、
Ｒ₂×exp(αＤτ) … （６）
に従ってＴＭＧｅの供給量を増加させながらアンダークラッド層２とコア層３とを形成する。ここで、上述の通り、Ｄは堆積速度(μｍ/min)であり、τはアンダークラッド層２の堆積の開始時を基点とした経過堆積時間(min)である。
【００３９】
その後、フォトリソグラフィ及びエッチングによりコア領域を形成し、再度、ＣＶＤ法を用いてオーバークラッド層４を堆積する。この堆積に先立っては、ＴＭＧｅの供給量をコア層３の堆積を終了した時点での供給量と同一の値に設定しておく。そして、堆積開始と同時に、ＴＭＧｅ供給量を式(６)に従って増加させていく。これにより、光導波路中のＧｅ濃度は、石英基板１とアンダークラッド層２との界面で最も低くなり、オーバークラッド層４の表面で最も高くなるように指数関数的に増加することとなる。
【００４０】
上述の作製方法によれば、Ｇｅ濃度は、アンダークラッド層２と石英基板１との界面からオーバークラッド層４の表面へと向かう方向に沿って、指数関数的に増加していく。すなわち、第２の実施形態による光導波路デバイスが好適に作製され得る。
【００４１】
なお、アンダークラッド層２及びオーバークラッド層４に添加されるＢ又はＦの濃度については、上述のＧｅ濃度を変化させる方法と同様にして変化させるのが好ましい。
【００４２】
これまでは、上記第１及び第２の実施形態による光導波路デバイスをＣＶＤ法により作製する方法について説明したが、以下に説明するように、火炎堆積法(Flame Hydrolysis Deposition：ＦＨＤ)により第１及び第２の実施形態の光導波路デバイスを作製することも可能である。
【００４３】
図４は、本発明による光導波路デバイスを作製するに好適な他の作製方法において用いられるＦＨＤ装置を示す模式図である。ＦＨＤ装置１０は、反応室１１と、反応室１１の上部に設けられたトーチ１２と、石英基板１３が載置されるサセプタ１４とを備える。ここで、石英基板１３は、厚さ１ｍｍ程度、直径１０ｃｍ程度である。また、サセプタ１４は図示しない回転機構により回転可能に設けられている。ＦＨＤ装置１０は、さらに、四塩化ケイ素(ＳｉＣｌ₄)ガスが充填された原料容器２１ａと、三塩化ホウ素(ＢＣｌ₃)ガスが充填された原料容器２１ｂと、オキシ塩化リン(ＰＯＣｌ₃)ガスが充填された原料容器２１ｃと、四塩化ゲルマニウム(ＧｅＣｌ₄)ガスが充填された原料容器２１ｄとを備える。これらの原料容器２１ａ〜２１ｄは、それぞれマスフロコントローラー(Mass Flow Controller：ＭＦＣ)２２ａ〜２２ｄを備える配管２３ａ〜２３ｄと合流管２５，２６とを介してトーチ１２に接続されている。また、トーチ１２には配管２７が接続されており、図示しない酸水素混合ガス源から酸水素混合ガスがトーチ１２を通して反応室１１内部に供給される。
【００４４】
次に、ＦＨＤ装置１０を用いた光導波路デバイスの作製方法について、図４及び図５を参照して説明する。図５(ａ)〜(ｅ)は、第１の実施形態の光導波路デバイスがＦＨＤ装置を用いて作製される過程における断面を示す模式図である。
【００４５】
まず、石英基板１３をサセプタ１４上に載置し、サセプタ１４を所定の回転数で回転させる。次に、原料容器２１ａ〜２１ｄから、ＳｉＣｌ₄ガス、ＢＣｌ₃ガス、ＰＯＣｌ₃ガス、及びＧｅＣｌ₄ガスをそれぞれ所定の流量にてトーチ１２を通して反応室１１へと供給する。さらに、酸水素混合ガスをトーチ１２を通して反応室１１に供給するとともに、図示しない点火装置により酸化水素炎１５を発生させる。これにより、ＳｉＣｌ₄ガスが酸化水素炎１５により酸化され、粉末状のガラス粒子が発生する。このガラス粒子が石英基板１３上に堆積され、石英基板１３上に、後述の透明化処理によりガラス溶融されてアンダークラッド層２となるスート５１が形成される。反応室１１にはこのＳｉＣｌ₄ガスだけではなく、ＢＣｌ₃ガス、ＰＯＣｌ₃ガス及びＧｅＣｌ₄ガスもまた供給されているため、このスート５１にはＢ、Ｐ及びＧｅが混入されることとなる。
【００４６】
また、スート５１の形成開始と同時にＧｅＣｌ₄ガスの流量を減少し始める。すなわち、回折格子形成工程において、紫外域光の照射によって所望の屈折率変化量が生じるようなＧｅＣｌ₄ガスの流量Ｒ₃を予備実験等から決定しておき、まず、スート５１の形成開始時には、Ｒ₃×exp(αＴ’)なる流量を反応室１１へと供給する。その後、スート５１の堆積に従って、ＧｅＣｌ₄ガスの流量を、
Ｒ₃×exp(αＴ’)×exp(−αＤ’τ) … （７）
に従って、指数関数的に減じていく。ここで、Ｔ’(μｍ)は堆積するスート全体の膜厚（スート５１と、後述するスート５２，５３の合計膜厚）であり、Ｄ’は、スートの堆積速度(μｍ/min)である。
【００４７】
上記のスート５１の厚さが１５μｍとなった時点で、ＢＣｌ₃ガスの供給だけを停止すると、スート５１の堆積が終了されて、後にコア層３となるスート５２の堆積が開始される。スート５２の堆積中にも、ＧｅＣｌ₄ガスの流量の指数関数的な減少は継続され、これにより、スート５２が堆積されるに従って、スート５２中のＧｅ濃度が減少していく。このスート５２の厚さが８μｍとなった時に、ＳｉＣｌ₄、ＧｅＣｌ₄、及び酸水素混合ガスの供給を停止してスート５２の堆積を終了させる。（図５(ａ)）
【００４８】
その後、スート５１，５２が堆積された石英基板１３を約１１００℃の温度にまで加熱し、一定期間、その状態で放置する。これにより、スート５１，５２がガラス溶融されて透明化され、スート５１がアンダークラッド層２に、スート５２がコア層３となる。（図５(ｂ)）なお、透明化後のアンダークラッド層２の膜厚は、１４μｍ程度であり、コア層３の膜厚は、７μｍ程度である。
【００４９】
続いて、上述の(２)コア領域形成工程と同様の手順によりコア領域が形成された後(図５(ｃ))、さらにコア領域が形成された石英基板１３の上にＦＨＤ装置１０によりオーバークラッド層４が形成される。すなわち、石英基板１３をサセプタ１４上に載置し、サセプタ１４を所定の回転数で回転させた後、ＳｉＣｌ₄ガス、ＢＣｌ₃ガス、及びＧｅＣｌ₄ガスをそれぞれ所定の流量にて反応室１１へと供給する。ここで、ＧｅＣｌ₄ガスの所定の流量とは、スート５２の堆積を終了した時点での流量と同一である。次に、酸水素混合ガスを反応室１１に供給し、酸化水素炎１５を発生させる。これにより、後述の透明化処理によりガラス溶融されてオーバークラッド層４となるスート５３の形成が始まる。また、スート５３の形成開始と同時にＧｅＣｌ₄ガスの流量を式(７)の通り指数関数的に減じていく。これにより、スート５３中のＧｅ濃度はスート５３の膜厚増加とともに減少していく。（図５(ｄ)）
【００５０】
次に、スート５３が所定の膜厚となった時点で、すべてのガスの供給を停止して、スート５３の堆積を終了させる。その後、石英基板１３が再度約１１００℃の温度にて熱処理されて、スート５３が透明化され、オーバークラッド層４が形成される。（図５(ｅ)）
【００５１】
以上のように、アンダークラッド層２、コア層３、及びオーバークラッド層４となるスート５１、スート５２、及びスート５３の堆積中にＧｅＣｌ₄ガスの流量が指数関数状に減少するようにしているので、石英基板１３とアンダークラッド層２との界面からオーバークラッド層４へ向かう方向に沿って、Ｇｅ濃度が指数関数的に減少していく。そのため、紫外域光をオーバークラッド層４の表面から照射して屈折率を増加させる際、その変化量をその方向に沿って一定とすることができる。なお、ＢＣｌ₃ガスの供給量もＧｅＣｌ₄ガスと同様にして変化させる。これにより、Ｇｅ濃度の変化により紫外域光の照射の有無にかかわらず発生する屈折率の変化が補われ、屈折率の分布がスート５１，５３内で均一化される。
【００５２】
また、ＦＨＤ法により第２の実施形態の光導波路デバイスを作製する場合には、ＧｅＣｌ₄ガスの供給量をスートの堆積時間とともに指数関数的に増加させるようにすれば良い。すなわち、スート５１の形成に先立ってＧｅＣｌ₄ガスの供給量を所定の流量に設定しておき、スート５１の形成開始とともにＧｅＣｌ₄ガスの供給量を指数関数的に増加し始める。その後、ＧｅＣｌ₄ガスの供給量の増加を継続しながらスート５１，５２を形成する。続いて、スート５１，５２に対して加熱処理を行い、スート５１，５２を透明化した後、リソグラフィとエッチングとによりコア領域を形成する。そして、再びＦＨＤ法により、オーバークラッド層４となるスート５３を形成する。この形成に先立っては、ＧｅＣｌ₄ガスの供給量をスート５２の形成終了時の供給量と同一としておき、形成開始とともに同供給量を増加させていく。所定の厚さのスート５３が形成された時点で堆積を終了させ、再度熱処理を行ってスート５３を透明化させてオーバークラッド層４を形成する。なお、スート５１，５３を形成中にはＢＣｌ₃ガスの供給量を変化させるが、その方法は、上述のＧｅＣｌ₄ガスの供給量の変化方法と同様なもので良い。
【００５３】
以上のようにして作製された第２の実施形態の光導波路デバイスにおいては、Ｇｅ濃度は、石英基板１３とアンダークラッド層２との界面からオーバークラッド層４の表面へと向かう方向に、増加するように分布するので、回折格子形成の際に紫外域光を石英基板１３の裏面より照射させれば、各層２〜４における屈折率の変化量を略一定にすることができる。
【００５４】
なお、上記の各作製方法においては、アンダークラッド層２の上部でのＧｅ濃度は、オーバークラッド層４のコア領域の上部と略同一となる。そのため、このような部位では、アンダークラッド層２とオーバークラッド層４との界面においてＧｅ濃度が不連続になり得る。また、その結果、石英基板１と平行な方向でのＧｅ濃度が一定とならないことにもなり得る。しかしながら、発明者が行った評価結果によれば、本発明による光導波路デバイスは、従来の光導波路デバイスに比して短波長損失が十分に抑制されることが分かった。すなわち、本発明によれば、上記のようなＧｅ濃度の不連続にもかかわらず、顕著な効果が得られる。
【００５５】
以上、本発明に係る光導波路デバイスの実施形態について説明したが、本発明はこれらに限らず様々に変形し得る。
【００５６】
上述の通り、第１及び第２の光導波路デバイスの作製方法を説明した際には、Ｇｅ濃度の分布が指数関数状に変化させるようにとしたが、これに限られるものではない。特に、紫外域光の吸収係数がＧｅ濃度に依存することを考慮して、その分布形状を決めるようにしても良い。すなわち、第１の実施形態の光導波路デバイスのように、オーバークラッド層４からアンダークラッド層２へと向かう方向にＧｅ濃度が増加している場合には、Ｇｅ濃度の増加により、紫外域光の吸収係数もまた増加してしまう。そのため、紫外域光が光導波路層内でより大きく減衰することとなり、Ｇｅ濃度を増加させたとしても紫外域光の強度の減衰を補いきれない事態になることもあり得る。そこで、このようなＧｅ濃度の増加に伴う紫外域光強度の減衰の増加を補うようにＧｅ濃度を分布させると一層好ましい。
このような分布形状を求めるには、適宜数値計算又はシミュレーションを行うことが望ましい。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る光導波路デバイスでは、紫外域光の照射により生じる屈折率の変化量が光導波路内において均一であるため、形成される回折格子における短波長損失が十分に抑えられた光導波路デバイスを提供できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１(ａ)〜(ｆ)は、第１の実施形態による光導波路デバイスの光導波路中の不純物濃度分布、及び屈折率分布等を説明するための模式図である。
【図２】図２(ａ)〜(ｆ)は、従来の光導波路デバイスの光導波路中の不純物濃度分布、及び屈折率分布等を説明するための模式図である。
【図３】図３は、本実施形態の光導波路デバイスを作製するに好適な一作製方法における作製工程と、各工程終了後の光導波路デバイスの断面を示す模式図である。
【図４】図４は、本発明による光導波路デバイスを作製するに好適な他の作製方法において用いられるＦＨＤ装置を示す模式図である。
【図５】図５(ａ)〜(ｅ)は、第１の実施形態の光導波路デバイスがＦＨＤ装置を用いて作製される過程における断面を示す模式図である。
【符号の説明】
１…石英基板、２…アンダークラッド層、３…コア層、４…オーバークラッド層、１０…ＦＨＤ装置、１１…反応室、１２…トーチ、１３…石英基板、１４…サセプタ、１５…酸化水素炎、２１ａ〜２１ｄ…原料容器、２２ａ〜２２ｄ…ＭＦＣ、５１，５２，５３…スート。

Claims

第一クラッド領域と、コア領域と、第二クラッド領域とがゲルマニウム(Ｇｅ)が添加されて順次構成され、該第一及び第二クラッド領域にはさらに屈折率低下剤が添加されており、且つ、紫外域光の照射により回折格子が形成されてなる光導波路デバイスであって、
前記第一クラッド領域の表面を原点とし、前記第一クラッド領域の表面から前記第二クラッド領域の方向が正の向きであり、且つ前記第一クラッド領域の表面に垂直な仮想的な軸ｔに対して、前記光導波路に添加されるＧｅの添加量Ｃ_Ge(ｔ)は、
ｄＣ _Ge (ｔ)／ｄｔ＞０ …(１)
Ｃ_Ge(Ｔ₁)＜Ｃ_Ge(Ｔ₂) …(２)
ここで、
Ｔ₁：０≦ｔ＜ｔ₁の何れかの位置でのｔの値、
Ｔ₂：ｔ₂＜ｔ≦ｔ₃の何れかの位置でのｔの値、
ｔ₁：前記第一クラッド領域と前記コア領域との界面でのｔ座標値、
ｔ₂：前記コア領域と前記第二クラッド領域との界面でのｔ座標値、
ｔ₃：前記第二クラッド領域の表面でのｔ座標値、
で表される(１)式と(２)式とを同時に満たすことにより、前記紫外域光の照射により生じる屈折率の変化量が前記光導波路内において略均一である、
ことを特徴とする光導波路デバイス。
前記軸ｔに対して前記添加量Ｃ_Ge(ｔ)は、
Ｃ_Ge(ｔ)＝Ｃ₀exp(αｔ) …(３)
ここで、
Ｃ₀：前記軸ｔの原点におけるＧｅの所定の添加量、
α：屈折率変化を誘起し得る前記紫外域光の波長における
前記光導波路デバイス内での吸収係数(α＞０)、
で表される(３)式の関係を満たすことを特徴とする請求項１記載の光導波路デバイス。