JPH06281827A

JPH06281827A - 石英導波路型光部品の製造方法

Info

Publication number: JPH06281827A
Application number: JP6793293A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ueki; 健植木; Hisaharu Yanagawa; 久治柳川; Guriin Maino; グリーンマイノ; Rodonii Ansonii Shimusu Richiyaado; ロドニーアンソニーシムスリチャード; Shiin Horumuzu Andoriyuu; シーンホルムズアンドリュー
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1993-03-26
Filing date: 1993-03-26
Publication date: 1994-10-07

Abstract

(57)【要約】【目的】導波路の伝搬損失が小さい石英導波路型光部
品を高い歩留りで製造する方法を提供する。【構成】下部クラッドの上に段差をなして形成されて
いる導波路コアを上部クラッドで埋め込んで石英導波路
型光部品を製造する際に、前記上部クラッドの形成に先
立ち、一旦、前記導波路コアにその軟化点以上の温度で
加熱処理を施す石英導波路型光部品の製造方法であり、
とくに、ゾル−ゲル法を適用して埋込み型導波路を形成
するときに採用して有効である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、埋込み型石英導波路を
有する石英導波路型光部品の製造方法に関し、更に詳し
くは、その導波路に光を伝搬させたときの伝搬損失は大
幅に低減し、上部クラッドの形成時におけるクラック発
生も抑制され、もって製造時の歩留りを向上させること
ができる石英導波路型光部品の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信の分野においては、今後加入する
であろう利用者の通信系への光ファイバの導入が増加す
るにつれて、既に使用されている光ファイバと同質の材
料で構成された石英導波路型光部品が重要な位置を占め
る。この石英導波路型光部品は、一般に、次のようにし
て製造されている。それを、まず、スラブ導波路の場合
について説明する。

【０００３】例えばＳｉからなる所定厚みの基板の上
に、ＳｉＯ₂を主成分とする所定膜厚と所定屈折率を有
する石英ガラス薄膜が下部クラッドとして形成される。
その後、この下部クラッドの上に、ＳｉＯ₂に例えばＴ
ｉＯ₂の所定量がドープされて前記下部クラッドより高
屈折率である石英ガラス薄膜がコアスラブとして積層さ
れる。ついで、このコアスラブの上に下部クラッドと同
質の材料で所定の膜厚と屈折率を有する石英ガラス薄膜
が上部クラッドとして積層され、光が伝搬するコアがス
ラブ状で上部クラッドと下部クラッドにサンドウィッチ
された構造のスラブ導波路型光部品を得る。

【０００４】また、埋込み型導波路の場合は、前記した
コアスラブの形成後、そこにホトリソグラフィー法や反
応性イオンエッチング法などを適用して、コアスラブの
不要部分をエッチング除去し、所定パターンの導波路コ
アを形成し、更にその上を前記した上部クラッドの石英
ガラス薄膜で被覆することにより、前記導波路コアのパ
ターンを埋設して製造される。

【０００５】上記した石英導波路型光部品の製造に当た
っては、基板の上に石英ガラス薄膜を積層することが必
須の工程となる。この場合、上記した石英ガラス薄膜を
製造する方法としては、例えば火炎堆積法，プラズマＣ
ＶＤ法，電子ビーム蒸着法，ゾル−ゲル法などが適用さ
れているが、これらの方法のうち、ゾル−ゲル法は簡単
な装置で石英ガラス薄膜を成膜することができるという
ことから注目を集めている。

【０００６】このゾル−ゲル法は概ね次のようにして行
われる。まず、例えば、Ｓｉ（ＯＣ₂Ｈ₅)₄のようなガ
ラス源を主成分とし、これをエタノールなどの溶媒で希
釈することにより、適切な粘度に調整されたクラッド用
ゾルが調整される。コアを成膜する場合には、上記ゾル
に更に例えばＴｉ（ＯＣ ₃Ｈ₇ ⁱ)₄のようなドープ源が
所定量配合されたコア用ゾルが調整される。

【０００７】ついで、例えばＳｉ基板の上に、スピンコ
ーティング法やディッピング法などを適用して上記した
クラッド用ゾルが均一に塗布される。この塗布過程では
ゾルの溶媒が揮発してゾルの各粒子が相互に結合してゲ
ル化する。または、塗布後の塗布層を比較的低温で加熱
して溶媒の揮発を進め、ゲル化することもできる。この
ゲル化した塗布層は、石英ガラスの微粒子が集合した多
孔質ガラス層になっている。

【０００８】その後、酸素雰囲気中において、上記塗布
層を一般に１０００℃以上の温度で加熱して、石英ガラ
ス微粒子相互の焼結を進めることにより、透明な石英ガ
ラス薄膜にする。そして、この石英ガラス薄膜の上に再
びゾルを塗布して塗布層を形成したのち、再び焼結処理
を行い、第２層目の石英ガラス薄膜を第１層の石英ガラ
ス薄膜の上に積層する。

【０００９】この塗布層の形成→塗布層のガラス化のた
めの加熱処理を所定の回数反復することにより、所定厚
みの下部クラッドのスラブが形成される。コアスラブ，
上部クラッドのスラブに関しても上記した処理を反復す
ることにより、それぞれの石英ガラス薄膜が形成され
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記した一
連の製造工程において、コアスラブに反応性イオンエッ
チング法などでエッチングして所定パターンの導波路コ
アを形成すると、その導波路コアの側面には微細な凹凸
が発生することがある。そのため、この導波路コアを上
部クラッドで埋め込んで製造された埋込み型導波路を有
する光部品においては、上記した導波路コア側面の微細
凹凸によって伝搬光の散乱が起こり、光の伝搬損失の著
増という問題が発生する。

【００１１】また、ゾル−ゲル法を適用して埋込み型導
波路を有する光部品を製造した場合には、上記した問題
に加えて、次のような事態も発生する。すなわち、上部
クラッドを形成する場合には、下部クラッドの上に既に
形成されている導波路コアのパターン上に所定のゾルを
塗布することが必要になるが、そのとき、ゾルが塗布さ
れる表面は、導波路コアのパターンが突設しているため
平坦ではなく下部クラッドの表面との間に段差が形成さ
れている。そのため、ゾルの塗布時には、導波路コアの
パターンの表面全体を被覆する塗布層は均一な厚みで形
成されず、例えば、導波路コアの側面部と下部クラッド
の表面とが形成する凹角部に相対的に多量のゾルが塗布
されることになり、全体としての塗布層の厚みは導波路
コアのパターンに沿う個所で厚くなる。

【００１２】したがって、このような塗布層に対してガ
ラス化のための加熱処理を行うと、１０回程度の塗布−
加熱処理を反復した時点で、導波路コアのパターンに沿
って上部クラッドにクラックが発生したり、また、下部
クラッドの表面との剥離が顕著になり、歩留りは大幅に
低下するようになる。本発明は、埋込み型の石英導波路
型光部品の製造時における上記した問題、とりわけ、ゾ
ル−ゲル法を適用して埋込み型導波路を有する光部品を
製造するときの上記問題を解決することにより、伝搬損
失が小さい石英導波路型光部品を高い歩留りで製造する
方法の提供を目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明においては、下部クラッドの上に段差を
なして形成されている導波路コアを上部クラッドで埋め
込んで石英導波路型光部品を製造する際に、前記上部ク
ラッドの形成に先立ち、一旦、前記導波路コアにその軟
化点以上の温度で加熱処理を施すことを特徴とする石英
導波路型光部品の製造方法が提供される。

【００１４】本発明方法は、コアスラブに対するエッチ
ングによって形成された導波路コアを被覆して上部クラ
ッドを形成するに先立ち、前記導波路コアに後述する加
熱処理を施すことを最大の特徴とする。この加熱処理に
よって、導波路コアの断面形状は適切に確保されたまま
の状態で、導波路コアの側面に発生している微細凹凸が
消去されてそこは平滑面となり、また導波路コアの表層
部のエッジは若干の丸みを帯びるようになる。

【００１５】加熱処理における適用温度（Ｔ℃）は、導
波路コアの軟化点（Ｔ₀℃）以上に設定される。Ｔ＜Ｔ
₀であると、導波路コアは軟化しないため、側面に存在
する微細凹凸を消去できないからである。しかし、Ｔが
Ｔ₀に対して高すぎる温度である場合には、側面の微細
凹凸は消去されるものの、他方では導波路コアの全体が
軟化しすぎてその断面形状が崩れるというような事態が
発生する。

【００１６】このようなことから、Ｔは、Ｔ₀≦Ｔ≦Ｔ
＋２５の関係を満足するような温度であることが好まし
い。加熱時間は、上記したＴ（℃）との関係で決められ
るが、あまり短い時間であると、導波路コアの軟化は不
充分であるため側面の微細凹凸は消去されない。また、
過度に長い時間の場合は、導波路コアに添加されている
ドーパントが下部クラッドに拡散し、導波路コアの光学
的な断面形状が変形するという事態が起こりはじめると
ともに、Ｔの値によっては導波路コアの断面形状が変形
することも起こりうる。

【００１７】このようなことから、上記したＴが、Ｔ₀
≦Ｔ≦Ｔ＋２５の範囲にある場合、その温度における処
理時間は、概ね、数秒〜３０分であることが好ましい。
とくに、ＴがＴ₀＋１０（℃）程度で、処理時間が１０
分程度の場合には、導波路コア側面の微細凹凸は完全に
消去され、また表層部のエッジも適当に丸みを帯びるよ
うになり、しかもドーパントの拡散もほとんど起こらな
いので好適である。

【００１８】なお、上記した加熱温度Ｔは、下部クラッ
ドの軟化点（Ｔ’）よりも低くなるように、導波路コア
の組成を選定することが有効である。このようにしてお
くと、導波路コアを温度Ｔで加熱した場合、その導波路
コアは軟化してもその下に位置する下部クラッドは軟化
に伴う変形を全く起こさないからである。すなわち、下
部クラッドの変形によって起こる導波路コアのパターン
崩れなどを回避することができるからである。

【００１９】導波路コアにこのような性質を付与するた
めには、ドーパントとして常用されるＴｉＯ₂に代えて
ＧｅＯ₂，Ｐ₂Ｏ₅，Ａｌ₂Ｏ₃などをドーパントして
用いたり、または、ＴｉＯ₂に加えて上記ドーパントを
更に多量に添加したりして、導波路コアの軟化点を低下
させればよい。このような導波路コアを温度Ｔで加熱す
ると、その側面の微細凹凸が消去されるだけではなく、
導波路コアの表層部を構成する石英ガラスはわずかに流
動状態を呈するようになるので、前記したように、導波
路コアのエッジは取れ、そこが若干丸みを帯びるように
なる。

【００２０】このような状態にある導波路コアの上か
ら、例えば上部クラッド用のゾルを塗布すると、前記し
た従来の塗布時のように、導波路コアの側面部と下部ク
ラッドの表面との間で形成されている凹角部における塗
布層の厚みが厚くなるという問題が解消される。その結
果、形成される上部クラッドにおいては、導波路コアの
パターンに沿うクラックの発生は抑制され、歩留りの向
上が達成される。

【００２１】

【実施例】

実施例１純度９9.９９％のＳｉ（ＯＣ₂Ｈ₅)₄を１：１の体積比
でエタノール希釈し、ここに0.１モル％の塩酸を、水と
Ｓｉ（ＯＣ₂Ｈ₅)₄とのモル比が１：１となるように混
合した。混合液を７０℃で２時間還流させて加水分解を
進め、ガラス源のゾルとした。

【００２２】また、同じく純度９9.９９％のＴｉ（ＯＣ
₃Ｈ₇)₄ を１：１の体積比でエタノール希釈してドープ
源のゾルとした。上記ガラス源のゾルにドープ源のゾル
を添加して、ＴｉＯ₂濃度として、それぞれ6.２５モル
％，7.５モル％のゾル（１），ゾル（２）を調製した。
表面を清浄にした厚み５００μｍのＳｉ単結晶基板の表
面に、ゾル（１）を用いて１００回の塗布−ガラス化処
理を行って下部クラッドを形成し、つづけてゾル（２）
を用いて３３回の塗布−ガラス化処理を行い、厚み約２
０μｍで屈折率1.４８のバッファ層と厚み約８μｍで屈
折率1.４８４のコアスラブを形成した。このバッファ
層，コアスラブにはクラックも下層薄膜との剥離も全く
認められず、いずれも透明な一体ガラス層になってい
た。

【００２３】ついで、このコアスラブにホトリソグラフ
ィー法を適用して、幅８μｍ，高さ８μｍであり、断面
形状は矩形である導波路コアのパターンを形成した。こ
の導波路コアの表層部のエッジは非常にシャープであ
り、またその側面には、振幅約0.１μｍの微細凹凸が高
さ方向に無数に発生していた。なお、この導波路コアの
軟化点は約１２５０℃であった。

【００２４】その後、酸素雰囲気下において、温度１２
６０℃で１０分間の加熱処理を施したのち、導波路コア
の状態を観察した。その結果、導波路コア側面の上記微
細凹凸は測定限界以下の振幅に緩和され、走査電顕によ
る観察でも顕著な凹凸は認められなかった。また、導波
路コアの幅や高さは加熱処理前とほとんど変化せず、表
層部のエッジは半径約１μｍ程度の曲線を描くように丸
みを帯びていた。更に、導波路コアのドーパントである
ＴｉＯ₂のバッファ層への拡散もほとんど起こっていな
かった。

【００２５】ついで、この導波路コアの上からゾル
（１）を用いて１７回の塗布−ガラス化処理を行い、厚
み約１０μｍで屈折率1.４８の上部クラッドを形成し埋
込み型導波路を製造した。上部クラッドの表面はほとん
ど段差がなく平坦であり、またクラックも全く発生して
いなかった。

【００２６】得られた埋込み型導波路の伝搬損失は約１
dB／cmであった。比較のために、導波路コアへの加熱処
理を施すことを除いては、実施例１と同様の条件で埋込
み型導波路を製造した。この導波路の伝搬損失は約５dB
／cmであった。なお、実施例１において、導波路コアの
加熱処理を、温度１２７５℃で３０分間行ったところ、
導波路コア側面の微細凹凸は消去されて平滑面は形成さ
れたが、一方では、導波路コアの幅が若干広くなり、高
さが若干低くなって断面形状に崩れが生じた。

【００２７】実施例２Ｔｉ（ＯＣ₂Ｈ₅)₄に代えてＧｅ（ＯＣ₂Ｈ₅)₄を用い
たことを除いては、実施例１と同様にして、バッファ層
と導波コアのパターンを形成した。バッファ層の軟化点
は１２５０℃，導波路コアの軟化点は１１５０℃であっ
た。ついで酸素雰囲気下において、温度１２５０℃で１
０分間の加熱処理を施した。バッファ層は軟化すること
なく、また、導波路コアは実施例１とほとんど同じ状態
になった。

【００２８】実施例３実施例１，実施例２の条件で、ピッチ２５０μｍで並設
する２本の導波路コアを形成し、それぞれに対し、実施
例１，実施例２の条件で加熱処理を施した。実施例１の
条件で加熱された導波路コアにおいては、導波路コア間
のピッチが２４9.５μｍに減少した。これは、加熱温度
が１２６０℃であるため、バッファ層が一度軟化したか
らである。これに反し、実施例２の条件で加熱処理した
場合には、導波路コア間のピッチの変化は認められなか
った。

【００２９】また、実施例１において、加熱温度を１３
１０℃（５０℃上昇），処理時間を２０分（１０分延
長）とし、実施例２において、加熱時間を１３００℃
（５０℃上昇），処理時間を２０分（１０分延長）とし
てそれぞれの導波路コアに加熱処理を施した。実施例２
に関する場合には、導波路コア，ドーパントのバッファ
層への拡散などに変化は認められなかった。

【００３０】しかし、実施例１に関する場合には、バッ
ファ層に約１μｍの深さで導波路コアのドーパントであ
るＴｉＯ₂が拡散していた。これは、Ｔｉの固相拡散だ
けではなく、バッファ層と導波路コアとの界面でそれぞ
れのガラス材料が混合していることを示している。

【００３１】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明方
法によれば、コアスラブのエッチング時に発生する導波
路コア側面の微細凹凸を消去することができるので、導
波路の伝搬損失を大幅に低減することができる。また、
導波路コアの表層部のエッジが適当な丸みを帯びるの
で、例えばゾル−ゲル法でこの上に上部クラッドを形成
するときにクラックなどが発生しなくなり、歩留りは大
幅に向上する。

【００３２】更に、導波路コア側面の微細凹凸が消去さ
れる過程では、下部クラッドに応々にして形成される柱
状欠陥なども緩和されるようになり、このことによって
も、導波路の伝搬損失は低減する。なお、本発明方法に
おいては、導波路コアの軟化点をその下に位置する下部
クラッドの軟化点よりも低くすることにより、加熱処理
後においても導波路コアのパターン崩れを防ぐと同時
に、導波路コアのドーパントが下部クラッドへ拡散する
ことを防止できる。

フロントページの続き (72)発明者マイノグリーンイギリス国ロンドンエスダブリュ７２ビーティエキシビションロード（番地なし) (72)発明者リチャードロドニーアンソニーシムスイギリス国ロンドンエスダブリュ７２ビーティエキシビションロード（番地なし) (72)発明者アンドリューシーンホルムズイギリス国ロンドンエスダブリュ７２ビーティエキシビションロード（番地なし)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下部クラッドの上に段差をなして形成さ
れている導波路コアを上部クラッドで埋め込んで石英導
波路型光部品を製造する際に、前記上部クラッドの形成
に先立ち、一旦、前記導波路コアにその軟化点以上の温
度で加熱処理を施すことを特徴とする石英導波路型光部
品の製造方法。
【請求項２】前記下部クラッド，前記導波路コア，前
記上部クラッドがゾル−ゲル法を適用して形成される請
求項１の石英導波路型光部品の製造方法。
【請求項３】前記導波路コアへの加熱処理が、導波路
コアの軟化点をＴ₀℃，加熱温度をＴ℃としたとき、Ｔ
は、Ｔ₀≦Ｔ≦Ｔ₀＋２５であり、かつ加熱処理時間は
３０分以下の条件下で行われる請求項１の石英導波路型
光部品の製造方法。
【請求項４】前記導波路コアの軟化点が、前記下部ク
ラッドの軟化点よりも低い請求項１の石英導波路型光部
品の製造方法。
【請求項５】前記導波路コアが、ＧｅＯ₂，Ｐ
₂Ｏ₅，Ａｌ₂Ｏ₃の少なくとも１種をドーパントとし
て含有している請求項４の石英導波路型光部品の製造方
法。