JP6634053B2 - 光導波路 - Google Patents

Description

本発明は、可視光波長帯の光の吸収を回避しつつ、ドーパントの結晶体による光の散乱を抑制して光損失を低減可能な光導波路に関する。

石英系ＰＬＣデバイスは、光通信・光信号処理システムを中心に用いられている。石英系ＰＬＣデバイスを構成する石英系導波路は、通信波長用に設計・作製されており、そのコア材料には、ＳｉＯ₂にＧｅＯ₂をドープしたＳｉＯ₂−ＧｅＯ₂が用いられている（例えば特許文献１参照）。石英系導波路のコア材料としてＳｉＯ₂−ＧｅＯ₂を用いた場合、通信波長帯では、大きな吸収損失もなく、極めて低損失で、実績ある光導波路を作製することができる。

特開２０１３−１７１２６１号公報

近年、石英系ＰＬＣデバイスは、光通信・光信号処理システムだけでなく、映像・センサデバイスとしても用いられており、可視光波長用に設計された石英系ＰＬＣデバイスも開発されている。

しかしながら、石英系導波路のコア材料として用いられるＳｉＯ₂−ＧｅＯ₂は、通信波長帯では吸収端を有さないものの、可視光波長帯では吸収端を有するため、可視光が石英系ＰＬＣデバイスに入力されて導波路を伝搬すると、電子励起に起因した光吸収により光学特性が劣化するという問題があった。

そこで、石英系導波路のコア材料のドーパントとして、ＧｅＯ₂の代わりに、可視光波長帯に吸収端を有さないＡｌ₂Ｏ₃、Ｔａ₂Ｏ₅、ＺｒＯ₂、ＨｆＯ₂、ＭｇＯ、Ｙ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅などを用いる方法がある。しかし、このような材料をドーパントとして用いた場合、導波路作製過程にてコア膜の膜質安定化およびクラッド層の平坦化のために火炎堆積法を用いて１０００℃程度の熱処理をすると、ドーパント成分が凝集して結晶化し、当該結晶体がコア膜内全体にわたって生じて光の散乱体となるため、光損失が生じるという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、可視光波長帯の光の吸収を回避しつつ、熱処理によって生じたドーパントの結晶体による光の散乱を抑制して光損失を低減可能な光導波路を提供する。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、基板と、前記基板上に形成されたＳｉＯ₂アンダークラッド層と、前記ＳｉＯ₂アンダークラッド層上に形成された積層コアと、前記積層コア上に形成されたＳｉＯ₂オーバークラッド層と、を備えた光導波路であって、前記積層コアは、可視光波長帯に吸収端を有さない金属酸化物を含まず、可視光波長帯に吸収端を有さない材料で構成されたＳｉＯ₂膜と、前記金属酸化物をドーパントとして用いた膜厚１００ｎｍ以下のＳｉＯ₂−金属酸化物膜とが交互に堆積されて構成されていることを特徴とする。

本発明に係る光導波路によれば、可視光波長帯の光の吸収を回避しつつ、ドーパントの結晶体による光の散乱を抑制して光損失を低減することが可能となる。

本発明に係る光導波路を例示する図である。 本発明に係る積層コア膜の詳細図である。

図１は、本発明に係る光導波路を例示する。図１には、例えばＳｉで構成された基板１と、基板１上に形成されたＳｉＯ₂アンダークラッド層２と、ＳｉＯ₂アンダークラッド層２上に形成された積層コア膜３と、積層コア膜３上に形成されたＳｉＯ₂オーバークラッド層４と、を備えた導波路構造が示されている。

図２は、本発明に係る積層コア膜３の詳細図である。図２に示されるように、積層コア膜３は、可視光波長帯に吸収端を有さない材料で構成されたＳｉＯ₂膜３ａと、可視光波長帯に吸収端を有さない金属酸化物をドーパントとして用いたＳｉＯ₂−金属酸化物膜３ｂとが数ｎｍ〜数１０ｎｍオーダーで交互に堆積されて構成されている。

ＳｉＯ₂膜３ａを構成する可視光波長帯に吸収端を有さない材料としては、例えば、純粋石英、又はＢ₂Ｏ₃及びＰ₂Ｏ₅のいずれか若しくはその両方を屈折率調整のために添加したＳｉＯ₂などを用いることができる。ＳｉＯ₂−金属酸化物膜３ｂのドーパントとして用いる金属酸化物としては、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｔａ₂Ｏ₅、ＺｒＯ₂、ＨｆＯ₂、ＭｇＯ、Ｙ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅などを用いることができる。

本発明は、可視光波長帯に吸収端を有さない材料で構成されたＳｉＯ₂膜３ａと可視光波長帯に吸収端を有さない金属酸化物をドーパントとして用いたＳｉＯ₂−金属酸化物膜３ｂとを交互に堆積した積層コア膜３を用いている。それにより、火炎堆積法を用いて１０００℃程度の熱処理をして、ＳｉＯ₂−金属酸化物膜３ｂのドーパント成分が凝集して結晶化したとしても、当該結晶体がＳｉＯ₂−金属酸化物膜３ｂ内のみにしか生じないため、ＳｉＯ₂膜３ａに入射した可視光は損失なく伝搬する一方で、ＳｉＯ₂−金属酸化物膜３ｂに入射した可視光の散乱を低減することができる。そのため、可視光用導波路における光損失を低減することが可能となる。

ＳｉＯ₂−金属酸化物膜３ｂの膜厚は、熱処理時に生成される金属酸化膜結晶（散乱体）の粒径が入力可視光の波長に比べて十分に短くなるように、１００ｎｍ以下とすることが好ましい。散乱の程度を示す散乱係数はレイリーの式により与えられる。光散乱の強度は粒子半径の６乗に比例するため、光散乱を低減するためには膜中の粒子サイズを小さくすることが効果的であり、コア膜の透明性を確保する上で重要となる。また、ＳｉＯ₂膜３ａの膜厚は、光が積層コア膜３を一様な媒質とみなすことができるように、入力光波長の１／１０以下とすることが好ましい。ここで、ＳｉＯ₂膜３ａ及びＳｉＯ₂−金属酸化物膜３ｂの各膜厚は、異なっていてもよい。

また、積層コア膜３においてＳｉＯ₂膜３ａ及びＳｉＯ₂−金属酸化物膜３ｂを積層した積層構造の繰り返し回数は、少なくとも１０回とすることができる。当該積層構造が光のフィールドで１０回未満である場合、光がこれを周期構造を有する媒質とし、積層コア膜３内で光の散乱が生じるが、光のフィールド内で少なくとも１０回の積層構造の繰り返しがあれば光はこれを一様な媒質とみなすため、光を積層コア膜３内に閉じ込めることができる。

（実施例）
以下、本発明の実施例について説明する。まず、１ｍｍの厚さを有する基板１上に火炎堆積法によってＳｉＯ₂アンダークラッド層２を２０μｍ堆積した。

続いて、スパッタ成膜法を用いて、複数の材料ターゲット（所望の組成のもの）を使用することにより、ＳｉＯ₂膜３ａとＳｉＯ₂−金属酸化物膜３ｂとを交互に堆積した積層コア膜３をＳｉＯ₂アンダークラッド層２上に４μｍ堆積した。ＳｉＯ₂膜３ａとしては、純粋石英を用い、ＳｉＯ₂−金属酸化物膜３ｂとしては、ＳｉＯ₂にＡｌ₂Ｏ₃をドープしたＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃膜を用いた。ここでは、ＳｉＯ₂膜３ａ及びＳｉＯ₂−金属酸化物膜３ｂをそれぞれ交互に４０ｎｍ堆積し、この交互に堆積する工程を５０回繰り返すことによって総膜厚が４μｍの積層コア膜３を形成した。なお、ＳｉＯ₂アンダークラッド層２上に堆積するのは、ＳｉＯ₂膜３ａ及びＳｉＯ₂−金属酸化物膜３ｂのいずれでもよい。

続いて、積層コア膜３の膜質安定化のために１０００℃の熱処理を行い、次に、フォトリソグラフィーとドライエッチングにより光導波路パターンのコア加工を行った。その後、火炎堆積法によってＳｉＯ₂オーバークラッド層４を２０μｍ堆積し、引き続き９００℃で熱処理を行うことによって、実施例に係る光導波路を作製した。

なお、上記実施例で用いた各数値はあくまで例示であり、これに限定されず、本発明の原理に逸脱しない程度に実施態様に応じて変更可能である。

Claims (3)

1. 基板と、
   前記基板上に形成されたＳｉＯ₂アンダークラッド層と、
   前記ＳｉＯ₂アンダークラッド層上に形成された積層コアと、
   前記積層コア上に形成されたＳｉＯ₂オーバークラッド層と、
   を備えた光導波路であって、
   前記積層コアは、可視光波長帯に吸収端を有さない金属酸化物を含まず、可視光波長帯に吸収端を有さない材料で構成されたＳｉＯ₂膜と、前記金属酸化物をドーパントとして用いた膜厚１００ｎｍ以下のＳｉＯ₂−金属酸化物膜とが交互に堆積されて構成されていることを特徴とする光導波路。
2. 前記ＳｉＯ₂−金属酸化物膜においてドーパントとして用いる前記金属酸化物は、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｔａ₂Ｏ₅、ＺｒＯ₂、ＨｆＯ₂、ＭｇＯ、Ｙ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、又はＮｂ₂Ｏ₅であることを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
3. 前記ＳｉＯ₂膜は、純粋石英、又はＢ₂Ｏ₃及びＰ₂Ｏ₅のいずれか若しくはその両方を添加したＳｉＯ₂であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光導波路。

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