JPH03265802A - 埋め込み型石英系光導波路およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、導波型光回路部品分升に用いるｌＪｊめ込み
型石英系光導波路に関するものである。さらに訂、シ＜
は、外部応力に強い石英系光導波路構造とその製造方法
に関するものである。

（従来の技術） 光通信システムのより−・層の昔及のためには小形、低
価格かつ信頼性のある光部品の開発が急務となっている
。

光通信分野等で使用される光部品は、その形態により、
■バルク型、■ファイバ型、■導波型に大別することが
できる。バルク型は、マイクロレンスやプリスム、「−
渉膜フィルタ等を組み合わせて構成するものて、実用レ
ー、ルにあるものの、組立二）ム１整に長時間を要し、
長期信頼度や価格の面で問題を残している。ファイバ型
は、光フアイバ自体を構成材料として研磨や融着　延伸
工程を経−ζ）持戒されるものであるが、その製作には
職人芸を要し仕度性に劣るという問題かある。これらに
対して、導波型は、フォトグラフイエ程により、平面基
板上に−括大量形成できる利点があり、将来の光集積回
路につながる部品形態として注目されている。

導波型光部品を作製するには、平面基板上にＬ１的に沿
ったパターン形状の光導波路を形成することが基本とな
っている。これまでにガラス、プラス千ツク、酸化物結
晶、半導体結晶等を相料系とする様々な光導波路の作製
が試みられてきたが、これらの中にあって、石英ガラス
払板やシリ：フン基板上に石英系ガラス＋Ａ料を基本と
して構成される石英系光導波路は、伝送路としての石英
系光ファイバとの接続特性にも優れていることから、実
用的な導波型光部品群を提供できるものと期待されてい
る。

第４図は、従来の石英系光導波路の構造例の説明図であ
って、シリコン基板上に８個の方向性結合器２１．、２
２．・・・、２８が配置された例を示す。（ａ＞は平面
図、（１））は平面図（ａ）のＡ　　Ａ’におＬＪる（
析面拡犬図であり、ｌは直径３インチのシリコン基板、
２は石英系ガラスバッファ層、３は石英系ガラスクラッ
ド層であり、ｌｌａ、　ｌｌｂ、　１２ａ、　１２ｂ・
・　１８ａ　　１．８ｂは、ハソファＮ２とクララｌ−
層３の間に埋め込まれた石英系ガラスコア部である。

これらの隣接する２木のコア部が対となり、その一部が
近接して方向性結合器の結合部２１．２２．・・２８を
構成している。石英系先導波路の本体は光圧１般作用を
するコア部１１ａ、　Ｉｌｂ、　１２ａ、　１２ｂ、　
−＝、　１８ａ１８１〕にあることばもち論であるが、
バッファ層２に１信号光がシリコン基板Ｉに吸い込まれ
るのを防止する役割があり、またクラッド層３はコア部
を伝１般する信号光のモートを整え、例えば単一・モー
ド条件にする役割のほかに、コア部を保護する重要な役
割も果している。コア部の断面寸法は、単一・モート条
件に合わせた場合、８μｍ角前後であり、バッファ層２
とクラット層３の厚さは、それぞれ２０μｍ〜３０７ｚ
ｍ程度である。第４図の光導波路は、第４図（ａ）で破
線で囲んだ方１ｈＪ性結合器単位ごとに光導波路チップ
として切り出されて、必要に応して入出力光ファイバを
、光導波路コア部端０こ接続し、光分岐　合流等の作用
をする導波型光部品としての体裁を整えることになる。

第４図の１（１１め込ゐ型石英系光導波路を製造するに
は、四塩化シリコン等の火炎加水分解反応を利用する石
英系ガラス膜堆積技術と、反応性イオンエンチングによ
るガラス膜の微細加工技術との公知の組み合わせにより
形成できる。すなわちシリコン基板］の上にバッファ層
とコア層からなる石英系光導波膜を、火炎加水分解反応
堆積法により堆積した後、光導波膜コア層の不要部分を
反応性イオンエツチングにより除去して、所望のコア部
のみを残し、再び火炎加水分解反心ｔｌｆＩ積法により
、コア部を覆うように厚いクランド層を堆積して形成で
きる。

ところで、第４図に示した従来の埋め込み型石英系光導
波路の構造とその製造方法では、クラッド層３の表面ば
完全に平坦にならず、コア部の−Ｌ部に位置するクラン
ド層の表面がコア部形状を反映して凸状になるという事
実があった。このような凸部４が存在すると、光導波路
チップに入出力光ファイバを接続する等の実装工程時に
、光導波路チップの上面に実装治具を装着すると、凸部
４に応力集中が発生し、その下部のコア部の屈折率植が
光弾性効果により変化し、例えば方向性結合器の結合率
が設計初期値からずれてしまうという深刻な問題を引き
起こしていた。時にシリコン基板上の石英系先導波路に
は、シリコン結晶と石英系ガラスとの熱膨張係数差によ
り、光導波路側が１１１１になる反りが存在し、この反
りを外部からの機械的圧力により解消しないと、入出力
用の光フアイバアレイとの接続が困難になるという事情
があり、コア部の上部の凸部構造は、光導波路チップの
ケーシング（パンケージング）等の実装工程上の大きな
障害になっていた。

ゲージングに先立ち、光導波路チンブの凸部４を機械研
磨により除去することも考えられるが、もともと反りや
凹凸の存在するクラッドガラス膜の表面を平坦化するに
は、クラッド層そのものを相当程度研磨する必要があり
、研磨精度や研磨の均一性を維持するのも難しく、本質
的な解決策になり得なかった。また研磨工程を付加する
ことは導波型光部品のコスＩ・アンプを招く欠点もあっ
た。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、上記の欠点に鑑みなされたもので、外部応力
に強く、実装工程時の取り扱いが容易な埋め込み型石英
系光導波路と、その製造方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明の埋め込み型石英系光導波路は、基板と、該基板
上に形成された石英系ガラスからなり、光信１１作用を
するコア部および該コア部と光結合が生じない位置に配
置されたテラス部と、前記コア部およびテラス部を埋め
込む石英系ガラスクラッド層とにより構成し、 前記テラス部の真上の前記石英系ガラスクラッド層の上
面の前記基板からの高さを、前記コア部の真上の前記石
英系ガラスクラッド層の上面のｉＩＩ記基板基板の高さ
に等しいか、またはそれより高くする。

また本発明の埋め込み型石英系光導波路の製造方法は、
基板上にコア層を含む石英系ガラス光導波膜を形成する
光導波膜形成工程と、前記コア層の不要部分をエンチン
グにより除去して光伝搬作用をするコア部を形成するエ
ツチング工程と、前記コア部を埋め込むように石英系ガ
ラスクラッド層を形成する埋め込み工程とからなり、前
記エツチング工程において、前記コア層の一部をコア部
と光結合を生じない位置にテラス状に残し、これを引き
続く埋め込み工程において、コア部と同時に石英系ガラ
スクラッド層内に埋め込む。

（作　用） このような構造を有する埋め込み型石英系光導波路およ
びその製造方法では、テラス部の」二部のクランド層の
高さがコア部の上部のクラッド層の高さに等しいか、ま
たはそれより高くなっているので、外部応力はテラス部
で受は止められ、コア部への応力集中を避けることがで
きる。

従来の埋め込み型光導波路とは、コア部と同一層に光伝
搬作用ではなく応力受は止め作用を有する言わばダミー
が埋め込まれている点で大きく異なる。

（実施例） 以下、図面により本発明の実施例を詳細に説明する。

第１図は本発明の埋め込み型石英系光導波路の一実施例
を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は第１図（ａ）のＢ−
Ｂ’における断面拡大図である。第４図に示した従来例
との相違点は、方向性結合器２１２２２３、２４．２５
．２６．２７．２８を構成するコア部１１．　ａｌｌｂ
、・・・、　１８ａ、　１８ｂに加えて、コア部と光結
合が生じない位置に、テラス部５〔第１図（ａ）におい
てハツチングを施した部分］がコア部とともにクラッド
層３に埋設されている点である。この実施例のテラス部
５はコア部に沿って約５０μｍの間隔を保って配置され
ている。コア部とテラス部を覆うクラッド層３には、コ
ア部とテラス部の形状を反映した凹凸が存在するが、こ
こで肝要なことは、第１図（ｂ）においてテラス部５の
上部のクラッド層の表面の高さの方が、コア部の上部の
クラツ［−層の表面の凸部４の高さに等しいか、または
それよりも高くなっていることである。このために、０ 本発明の光導波路の構造においては、光導波路の表面を
治具等で押さえて機械圧力を光導波路チップに加えても
、コア部の上部の凸部４に応力集中が発生ずることを防
止することができる。ずなわら外部応力はテラス部５の
上部の台形状部６で受ＬＪ止められ、直接コア部に及ぶ
ことがない。

第２図は、本発明の光導波路の上記の特徴を活用した導
波型光部品の組立例の説明図であり、（ａ）は第１図の
光導波路チップを切り出し両端〔第２Ｉ９．１（ａ）で
は片側のみを図示〕に入出力光ファイバを１対ずつ接続
した導波型方向性結合器の断面斜視図であり、（１））
は第２図（ａ）に対応する断面拡大図である。ここで第
２図（ａ）および（ｂ）の断面は、第１図（ａ）のＢ−
Ｂ’における断面を示している。光導波路チップ３０は
、金属ケース３１に収められ、金属製ふた３２で押さえ
られている。光導波路ヂンブ３０と金属ケース３１、金
属製ふた３２との隙間には接着＋Ａ（図示を省略）を介
在させ、金属製ふた３２を上部から強く押しつＬ）るこ
とにより、光導波路チップ３０を固定している。一方、
入出力用光ファイバ３４ａ　と３４ｂは金属製ファイバ
ボルダ３３に高精度に保持されている。この金属製ファ
イバホルダ３３と金属ケース３１および金属製ふた３２
とは、ＹＡＧレーザン容接機によるスポット？容接部３
５．３６をもって結合され、光導波路端と入出力光ファ
イバとの光結合が遠戚されている。

第２図において、光導波路チップ３０は、金属製ふた３
２からの強い応力を受けた状態で金属ケース３１の中に
保持されているが、本発明の光導波路構造では、方向性
結合器の結合率や損失特性に、前述のケーシングによる
悪影響は見られなかった。

本発明の光導波路構造では、前述したように、テラス部
５の存在により、金属製ふた３２からの圧力が光導波路
コア部１５ａ、　１５ｂに直接加わることが避けられて
いるからである。ちなみにテラス部を１もたない従来の
構造（第４図）の光導波路チップを同様にケーシングし
たところ、凸部４を経由して強い圧縮応力が光導波路コ
ア部１．５ａ、　１５ｂに及び、方向性結合器の結合率
がケーソング前の値から１０％〜３０％もずれてしまう
ことがＧＶ　認され、本発明の光導波路構造の優位性が
立証された。光導波路チップは、シリコン基板とその上
に堆積された石英系ガラスとの熱膨張係数差により、ガ
ラス側が巴１Ｊに反っており、この反りを解消するよう
に、金属製ふたで強く圧して金属ケース中にチップを押
し込みると、テラス部なしではケーシング工程の影響を
避けられないのである。

第３図（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）　、　（ｃｌ）
　、　（ｅ）は、第１図に対応する本発明の光導波路の
製造工程例を説明するための断１ＴＩｉ拡大図群を示す
。第３図（、］）では最初にシリコン基板１に四塩化シ
リコン等の火炎力ロ水分解反応を利用して、バッファ用
石英系ガラス微粒子層２ａおよびコア用石英系ガラス微
粒子層１ｈを堆積する。続いて、第３図（ｈ）ではガラ
ス微粒子層を基板と一緒に電気炉Φて高温（約１２５０
°Ｃ）ニ加熱して、透明ガラス化して石英系ガラスバッ
ファ層２およびコア層１０からなる光導波膜とする。

次に第３図（（１）では、コア層１０の不要部分を反応
性イオンエノチング工程により除去して、所望の二１７
部とテラス部を残す。次に第３図（ｔ３）では、再度、
火炎加水分解反応を利用して、クラッド用石英系ガラス
微粒子層３ａを堆積する。第３図（ｅ）では再度、電気
炉中で加熱して、クラッド用石英系ガラス微粒子層３ａ
を透明ガラス化して石英系ガラスクラッド層３を得る。

このうようにして、第１図に対応する埋め込み型石英系
光導波路を作製することができる。この実施例で作製し
た光導波路の諸元は、バッファ層２５μｍ、コア部寸法
８μｍ×８１１ｍ、クラッド層［２５ｕ　ｍ　、コア・
クラッド間比屈折率０．２５％、方向性結合器の結合部
のコア間隔４μｍ、結合長０．５ｍｍであった。このよ
うにして作製した光導波路付きシリコンウェハを、ダイ
シングソーにより切り出し光導波路チップとした。

以」二、方向性結合器を例にとり、本発明の埋め込み型
石英系光導波路の構造と製造方法について説明したが、
本発明は方向性結合器に限定されることなく、導波型光
分岐・結合器、光スイフチ、光合分波器、等の多種、多
様な導波型光部品メニューに適用できることは言うまで
もない。

３ ４ また前記の実施例では、石英系光導波路を支える基板と
してシリコン基板を用いた例を示したが、石英ガラス基
板上の石英系光導波路にも適用できる。石英ガラス基板
上では、前記の実施例におけるバッファ層２を省略して
、基板上に直接、コア部とテラス部を形成することも可
能であるが、基板との界面不整による光散乱損失を抑制
するためには、少なくとも１０１１ｍ厚程度のハシファ
層を設けることが望ましい。

テラス部の形状は第１図（ａ）に限定されるものでなく
、要は、光導波路コア部の幅よりも幅広なテラス部を設
けて、光導波路コア部の上部に外部応力が集中しないよ
うにすればよいのである。テラス部は、コア部に近いほ
ど効果的ではあるが、テラス部の在在しているコア層残
部と光導波路コア部との間で光結合が生しては不都合で
ある。光導波路コア部の寸法やコア・クラット間の比屈
折率差にも依存するが、テラス部とコア部との間は３０
／ｊｍ〜１００／１ｍ程度離すことが望ましい。

以上の実施例では、石英系ガラス膜を火炎加水分解反応
を利用して堆積したか、これはこの方法が、高品質なガ
ラス膜を比較的厚（堆積するのに適しているからである
。場合によっては、別のガラス膜堆積方法、例えばＣＶ
Ｄ法やスバ、り法を一部または全部に用いることもでき
る。

以上の実施例では、光導波路チップを金属ケスに収容し
、別の金属ホルダに収容された光ファイバと接続する実
装例を示したが、本発明の特徴はこのような光導波路・
光フアイバ接続に限定されることなく、光導波路・受発
光素子間の接続や光導波路間の接続も含めて、光導波路
に機械的な外部応力を印加せざるを得ない一般的な場合
にも活かされる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明では、光導波路コア部と同
時にその近傍に外部応力を受は止めるテラス部をクラッ
ド層で埋め込むことにより、ゲージング等の実装工程に
より外部応力が光導波路に及ぶことを避けることができ
、導波型光部品を安定かつ再現性よく製造するうえに、
極めて効果的である。テラス部の形成はコア部の形成と
同時に実行でき、１枚のマスクパターン上にコア部とテ
ラス部の形状を描いておけるので、マスクバタン合わせ
や、別工程などを必要としないプロセスにおける利点も
見逃せない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の埋め込み型石英系光導波路の実施例を
示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は第１図（ａ）のＢ−Ｂ
’における断面拡大図、 第２図は本発明の光導波路を用いた導波型光部品の組立
例の説明図であり、（ａ）は断面を含む斜視図、（ｂ）
は断面拡大図、 第３図（ａ）、　（ｂ）、　（ｃ）、　（ｄＬ　（ｅ）
は本発明の光導波路の製造工程例の説明図、 第４図は従来の埋め込み型石英系光導波路の構造を説明
し、（ａ）は平面図、（ｂ）は第４図（ａ）のＡ−Ａ’
における断面拡大図である。 １・・・シリコン基板 ２・・石英系ガラスバッファ層 ２ａ・・・ハンファ用ガラス微粒子層 ３・・・石英系ガラスクラッド層 ３ａ・・・クラッド用ガラス微粒子層 ４・・・凸部 ５・・・テラス部 ６・・・テラス上部の台形状部 １０・・・石英系ガラスコア層 １０ａ・・・コア用ガラス微粒子層 １１ａ、　ｌｌｂ、　１２ａ、　１２ｂ、　１３ａ、　
１３ｂ、　１４ａ、　１４ｂ、　１５ａ１５ｂ　　１６
ａ、　１６ｂ、　１．７ａ、　１７ｂ、　１８ａ、　１
８ｂ　＝−石英系ガラス光導波路コア部 ２１、２２．２３．２４．２５．２６．２７．２８・・
・方向性結合器の結合部 ３０・・・光導波路チップ ３１・・・金属ケース ３２・・・金属製ふた ３３・・・金属製光フアイバホルダ ３４ａ、　３４ｂ・・・入出力光ファイバ３５、３６・
・・スポット溶接部 ７ 〕　８ ３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板と、 該基板上に形成された石英系ガラスからな り、光伝搬作用をするコア部および該コア部と光結合が
   生じない位置に配置されたテラス部と、 前記コア部およびテラス部を埋め込む石英 系ガラスクラッド層とからなる埋め込み型石英系光導波
   路であって、 前記テラス部の真上の前記石英系ガラスク ラッド層の上面の前記基板からの高さが、前記コア部の
   真上の前記石英系ガラスクラッド層の上面の前記基板か
   らの高さに等しいか、またはそれより高くなっているこ
   とを特徴とする埋め込み型石英系光導波路。 ２、前記コア部およびテラス部が前記基板上に堆積され
   た石英系ガラスバッハァ層の上に形成されていることを
   特徴とする請求項１に記載の埋め込み型石英系光導波路
   。 ３、基板上に少なくともコア層を含む石英系ガラス光導
   波膜を形成する工程と、前記コア層の不要部分をエッチ
   ングにより除去して光伝搬作用をするコア部を形成する
   とともに、前記コア層の前記コア部以外で、かつ前記コ
   ア部と光結合を生じない部分をテラス部として残す工程
   と、前記コア部およびテラス部を同時に埋め込み石英系
   ガラスクラッド層を形成する工程とからなることを特徴
   とする埋め込み型石英系光導波路の製造方法。 ４、前記石英系ガラス光導波膜を形成する工程では、基
   板上に石英系ガラスバッファ層を堆積し、その上にコア
   層を形成することを特徴とする請求項３に記載の埋め込
   み型石英系光導波路の製造方法。