JPH0875940A - 光導波路の作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 透明ガラス化の際に導波路層の内部に生じた
応力を均一化して、偏波特性の優れた光導波路を作製す
る方法を提供する。 【構成】 基板上に火炎堆積法を用いてガラス微粒子層
を堆積し、これを焼結してから徐冷して透明ガラス化す
ることにより導波路層を形成した後、基板を除去する。
これにより、基板と導波路層との熱膨張係数の差に起因
して導波路層に生じていた応力を低減し、ＴＥモードと
ＴＭモードとの間の光伝送特性の差を低減して、良好な
偏波特性を有する光導波路を作製することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、火炎堆積法を用いた光
導波路の作製方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】特開昭５８−１０５１１１に記載されて
いるような従来の火炎堆積法を用いた光導波路の作製方
法では、まず、火炎バーナから供給されるＳｉＣｌ₄ 、
ＢＢｒ₃ およびＰＯＣｌ₃ によってシリコン基板上に下
部クラッド層となるべき多孔質のガラス微粒子層（Ｓｉ
Ｏ₂ ＋Ｂ₂ Ｏ₃ ＋Ｐ₂ Ｏ₅ ）が形成される。次に、バー
ナから供給されるＳｉＣｌ₄ 、ＧｅＣｌ₄ 、ＢＣｌ₃ お
よびＰＯＣｌ₃ によって、下部クラッド層上にコア層と
なるべき多孔質のガラス微粒子層（ＳｉＯ₂ ＋ＧｅＯ₂
＋Ｂ₂ Ｏ₃ ＋Ｐ₂ Ｏ₅ ）が形成される。続いて、二つの
ガラス微粒子層を焼結してから徐冷して透明ガラス化す
る。この後、透明化したコア層に適当なパターニング加
工を施して、その上に上部クラッド層を下部クラッド層
と同様にして形成する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このようにし
て形成されたガラス導波路層とシリコン基板とでは熱膨
脹係数が異なるため、ガラス層の内部に不均一な応力が
発生する。これにより、ガラス層の内部で屈折率が不均
一となり、ＴＥモードおよびＴＭモードの伝送特性に影
響を与えて偏波特性が劣化するという問題点があった。

【０００４】本発明は、上記の問題点を解決するために
なされたもので、ガラス微粒子層の透明化の際に導波路
層の内部に生ずる応力を均一化して、偏波特性の優れた
光導波路を作製する方法を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の問題点を解決する
ために、本発明の第１の光導波路の作製方法は、基板上
に火炎堆積法を用いてガラス微粒子層を堆積するととも
にこれを透明ガラス化して、光導波部であるコア層とこ
のコア層を包囲しこのコア層よりも低屈折率のクラッド
層とからなる導波路層を基板上に形成する第１の工程
と、基板を除去する第２の工程とを備えている。基板と
してはシリコンウェーハを用いことができ、このシリコ
ンウェーハをエッチングにより除去しても良い。

【０００６】また、本発明の第２の光導波路の作製方法
は、シリコンウェーハ上にＳｉＯ₂からなる熱酸化膜が
積層された熱酸化シリコン基板上に火炎堆積法を用いて
ガラス微粒子層を堆積するとともにこれを透明ガラス化
して、光導波部であるコア層とこのコア層を包囲しこの
コア層よりも低屈折率のクラッド層とからなる導波路層
を熱酸化シリコン基板上に形成する第１の工程と、熱酸
化シリコン基板のうち、少なくともシリコンウェーハを
エッチングにより除去する第２の工程とを備えている。

【０００７】第１および第２の作製方法において、エッ
チングはガスエッチングとすると良い。また、導波路層
は１００μｍ以上の厚さを有する層として形成すると良
く、特に、１００〜１０００μｍの範囲とすると適当で
ある。

【０００８】

【作用】火炎堆積法により基板上にガラス微粒子層を堆
積し、これを焼結してから徐冷して透明ガラス化するに
あたって、基板材料と導波路層との熱膨張係数の違いか
ら、基板から導波路層に応力が加わり層の内部に不均一
な応力が発生する。この応力の大きさは、層厚方向に沿
って層表面に近付くほど大きくなるので、導波モードに
よって光伝送特性に与える影響が異なる。

【０００９】本発明の第１の作製方法では、基板上に火
炎堆積法を用いて導波路層を形成した後、導波路層に応
力を付与している基板を除去するので、導波路層に生じ
ていた応力が低減し、導波モード間での伝送特性の差が
低減する。

【００１０】本発明の第２の作製方法も第１の作製方法
とほぼ同様であり、熱酸化シリコン基板上に導波路層を
形成した後で、熱酸化シリコン基板の大部分を構成し導
波路層に応力を付与しているシリコンウェーハを除去す
るので、導波路層に生じていた応力が低減し、導波モー
ド間での伝送特性の差が低減する。

【００１１】本発明者らの知見によれば、基板上に形成
する導波路層の厚さを１００μｍ以上とすると、基板や
シリコンウェーハを除去しても、光導波路は十分な強度
を有する。また、導波路層を１０００μｍより厚くする
のは、導波路層の形成時間が長くなって適当でない。

【００１２】

【実施例】以下、添付図面を参照しながら本発明の実施
例を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の
要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

【００１３】実施例１（図１〜図８） 本実施例では、厚さ１ｍｍのシリコンウエーハ１０上に
ＳｉＯ₂ を主成分とすコア層およびクラッド層からなる
導波路層を形成した後、シリコンウエーハ１０をガスエ
ッチングして除去して光導波路を完成させる。ここで、
図１〜図６は、本実施例の作製工程を示す図である。

【００１４】まず、図１のように、火炎堆積法により下
部クラッド層２１となるべき第１のガラス微粒子層２０
を堆積する。これは、酸水素炎バーナ９０を用い、酸水
素炎中にガラス微粒子２０の原料となるＳｉＣｌ₄ 等の
ガスをキャリアガスであるＡｒとともに送り込み、シリ
コンウエーハ１０上に吹き付けることにより行う（図
１）。次に、同様の方法により、ガラス微粒子層２０上
にコア層３１となるべき第２のガラス微粒子層３０を堆
積する（図２）。

【００１５】第１のガラス微粒子層２０を形成するとき
には、ドーパント原料たるＢＣｌ₃およびＰＯＣｌ₄ の
ガスをＳｉＣｌ₄ とともに酸水素火炎に送り込む。第２
のガラス微粒子層３０を形成するときは、ＢＣｌ₃ およ
びＰＯＣｌ₄ に加え、コア層３１の屈折率を高めるべく
ＧｅＣｌ₄ のガスを送り込む。

【００１６】次に、ガラス微粒子層２０および３０が積
層されたシリコンウエーハ１０を焼結炉で加熱溶融した
後、徐冷して、ガラス微粒子層２０および３０を透明ガ
ラス化する。これにより、シリコンウエーハ１０上に下
部クラッド層２１およびコア層３１が形成される（図
３）。

【００１７】次いで、多分岐の光導波路を作製すべく、
反応性イオンエッチングによりコア層３１にパターニン
グ加工を施し、１本のコアから光伝搬方向に沿って複数
本のコア３３に分岐しているコア層３２を形成する（図
４）。図４では、１本のコアから分岐した４本のコア３
３が示されているが、実際には、１本のコアから順次に
分岐し、分岐部が全てＹ字状の１×８分岐のコア層３２
を形成した。

【００１８】次に、火炎堆積法により上部クラッド層と
なるべき第３のガラス微粒子層４０を積層する。これ
は、酸水素火炎にドーパント原料たるＢＣｌ₃ およびＰ
ＯＣｌ₄ のガスをＳｉＣｌ₄ とともに送り込み、コア層
３２および下部クラッド層２１の上面に吹き付けて行
う。この後、このガラス微粒子層４０を焼結炉で加熱し
てから徐冷して透明ガラス化すると上部クラッド層４１
が形成される（図５）。この上部クラッド層４１は、下
部クラッド層２１と組み合わさってコア層３２を包囲し
ている。

【００１９】下部クラッド層２１および上部クラッド層
４１は層厚がともに１００μｍとし、１×８分岐のコア
層３２は各コアが８×８μｍの断面を有するように形成
した。これにより、シリコンウェーハ１０上には層厚２
００μｍの導波路層５０が形成される。

【００２０】石英（ＳｉＯ₂ ）ガラスからなるコア層３
２には、１．４ｗｔ％のＢ₂ Ｏ₃ 、１．２ｗｔ％のＰ₂
Ｏ₅ および５．４ｗｔ％のＧｅＯ₂ がドープされてい
る。また、石英ガラスからなる下部クラッド層２１は
１．４ｗｔ％のＢ₂ Ｏ₃ および１．２ｗｔ％のＰ₂ Ｏ₅
がドープされており、石英ガラスからなる上部クラッド
層４１には６．３ｗｔ％のＢ₂ Ｏ₃ および７．５ｗｔ％
のＰ₂ Ｏ₅ がドープされている。コア層３２とクラッド
層との比屈折率差を０．３％とするために、上部および
下部クラッド層２１の屈折率が１．４５７８、コア層３
２の屈折率が１．４６２２となるように設定した。

【００２１】本実施例で特徴的なことは、シリコンウェ
ーハ１０上に導波路層５０を形成した後に、シリコンウ
ェーハ１０を除去することである。この除去は、ガスエ
ッチングにより行う。このガスエッチングはドライエッ
チングの一種であり、被加工材料の上にガスを供給し、
反応を熱的に起こさせてエッチングを行う方法である。

【００２２】本実施例では、焼結炉で加熱して上部クラ
ッド層４１を形成した後、焼結炉に反応ガスである塩素
ガスをヘリウムガスで希釈しながらを導入してガスエッ
チングを行う。塩素およびヘリウムの流量はそれぞれ１
リットル／ｍｉｎ、１５リットル／ｍｉｎとし、塩素お
よびヘリウムからなる混合雰囲気中の塩素濃度を約６．
２５ｖｏｌ％とした。なお、塩素濃度が低すぎるとシリ
コンと塩素との反応が進行せず十分なエッチングレート
を確保することができない。また、塩素濃度が高すぎる
と導波路層５０に塩素イオンが浸透し拡散して、導波路
層５０の屈折率分布を不均一にする。したがって、塩素
濃度は２〜１０ｖｏｌ％とするのが好ましく、さらに、
十分な反応速度を確保する観点から、５〜１０ｖｏｌ％
とするのが好ましい。

【００２３】塩素およびヘリウムからなる混合雰囲気の
温度は１０００℃とし、圧力は大気圧とした。なお、混
合雰囲気の温度が低すぎると塩素とシリコンとの反応が
十分に行われず、高すぎるとコアのドーパントが拡散し
て導波路層５０の屈折率分布が変化してしまうので、混
合雰囲気の温度は４００〜１０００℃とするのが好まし
く、より好ましくは７００〜８００℃とするのがよい。
さらに、混合雰囲気の温度が導波路層５０を構成するガ
ラスの軟化温度付近であると、導波路層５０のコア等に
変形が生じて各コア間で伝送損失の不均一が生じるの
で、混合雰囲気の温度は導波路層５０を構成するガラス
の軟化温度より２００℃以下とするのが好ましく、より
好ましいのは、ガラスの軟化温度より４００〜５００℃
以下とするのがよい。

【００２４】本実施例では、導波路層５０の形成された
シリコンウェーハ１０を上記の混合雰囲気中に３時間放
置してエッチングを行った。雰囲気中の塩素ガスとウェ
ーハ１０を構成するシリコンとは以下に示すような反応
を起こす。

【００２５】Ｓｉ＋２Ｃｌ₂ → ＳｉＣｌ₄ ↑ この反応によりシリコンウェーハ１０はエッチングされ
て完全に除去される。シリコンウェーハ１０が除去され
ると導波路層５０の表面が露出するが、導波路層５０を
構成する石英系ガラスと塩素ガスとの反応速度はシリコ
ンとの反応速度に比べて極めて遅いので、シリコンウェ
ーハ１０のみを除去することは容易である。これによ
り、本実施例の光導波路６０が完成する（図６）。この
光導波路６０は２００μｍの層厚を有しており、十分な
強度を有している。

【００２６】上述したガラス微粒子層の透明ガラス化に
あたって加熱したガラス微粒子層を徐冷する際に、シリ
コンの方が導波路層５０を構成する石英系ガラスよりも
熱膨張係数が大きいことから、シリコンウェーハ１０が
強く収縮する。これにより、導波路層５０の内部には、
導波路層５０の積層面に平行な応力が発生する。この応
力は主として上部クラッド層４１に発生し、導波路層５
０の表面に近いほど大きい。

【００２７】一般に、ガラス内部に応力が発生すると、
光弾性効果により応力発生部の屈折率が変化する。図７
は、シリコンウェーハ１０の除去前における導波路層５
０の層厚方向の屈折率分布を示すグラフであり、横軸に
は層厚が、縦軸には導波路層５０の屈折率がクラッド層
の屈折率の設定値１．４５７８との比屈折率差によって
示されている。

【００２８】図７のように、上部クラッド層４１の屈折
率は層の表面に近いほど大きくなり、最大で比屈折率差
が０．４％上昇している。これにより、コア層３２と上
部クラッド層４１との屈折率差が低くなるので、光の閉
じ込め作用が弱まり、放射損失が増大する。

【００２９】上部クラッド層４１の屈折率は層厚方向に
沿って変化しているので、導波モードであるＴＥモード
とＴＭモードとでは放射損失の増加量が異なる。このた
め、ＴＥモードとＴＭモードとの間で伝送損失の差が大
きくなり、偏波方向による伝送特性の差が増大して偏波
特性（ＴＥモードとＴＭモードとの伝送損失の差）が劣
化する。本実施例においてシリコンウェーハ１０の除去
前の偏波特性を測定したところ、８分岐している各コア
において、最大で１．８ｄＢ、最小で０．２ｄＢであっ
た。

【００３０】これに対し、応力付与部であるシリコンウ
ェーハ１０を除去すると、上記の応力は緩和され、導波
路層５０の積層方向の屈折率変化が低減される。図８は
シリコンウェーハ１０の除去後における導波路層５０の
層厚方向の屈折率分布を示している。図８のように、シ
リコンウェーハ１０を除去した後は、屈折率の変化量は
最大でも０．０５％に抑えられている。除去後の偏波特
性も、最大で０．５ｄＢ、最小で０．１ｄＢと、シリコ
ンウェーハ１０の除去前より大きく減少していた。この
ように、本実施例によれば偏波特性が十分に低減された
光導波路を作製することができる。

【００３１】さらに、光導波路６０を光ファイバが保持
された光コネクタと接続する場合には、上部クラッド層
４１に生じていた応力が低減されることで光導波路６０
の変形も小さくなるので、接続の際に生じる芯ずれが抑
えられ、接続損失が低減されるという効果もある。

【００３２】実施例２（図９） 本実施例では、厚さ１ｍｍのシリコンウェーハ１０上に
厚さ５μｍの熱酸化膜（ＳｉＯ₂ ）７０が積層された熱
酸化シリコン基板８０上に導波路層を形成する点で実施
例１と異なる。なお、熱酸化シリコン基板８０は、シリ
コンウェーハ１０を石英管式電気炉を用いて流通酸素雰
囲気中の下で一定温度で低時間加熱することで作製する
ことができる。

【００３３】この熱酸化膜は、直接、シリコンウェーハ
１０上にガラス微粒子層を堆積すると、透明ガラス化の
ための加熱時にガラス微粒子とシリコンが反応し、下部
クラッド層２１に気泡が生じる可能性があることに鑑み
て、これを防止するためのものである。

【００３４】図９は、本実施例の光導波路の作製工程を
示す図である。作製工程では、ガスエッチングの際の混
合雰囲気の温度を８００℃としたことが実施例１と異な
っている。ガスエッチングを行うと、シリコンウェーハ
１０のみが除去され、熱酸化膜（ＳｉＯ₂ ）７０は導波
路層５０下に残存する。

【００３５】作製した光導波路６１の表面にある上部ク
ラッド層４１の層厚方向の屈折率変化は０．０５％であ
った。また、光導波路６１の偏波特性を測定したとこ
ろ、最大で０．５ｄＢ、最小で０．１ｄＢと、良好な結
果を得た。また、実施例１と同様に、光導波路６１の変
形が小さくなるので、光コネクタとの接続損失が低減さ
れるという効果も得られる。

【００３６】熱酸化膜７０は導波路層５０を構成する石
英系ガラスとほぼ等しい熱膨張係数を有しており、しか
も極めて薄い層なので、導波路層５０にほとんど応力を
付与しない。したがって、本実施例のように、熱酸化シ
リコン基板８０のうちシリコンウェーハ１０を除去する
だけで、偏波特性の優れた光導波路を作製することがで
きる。但し、熱酸化膜７０がなくても光導波路の機能に
影響はないので、シリコンウェーハ１０と同時に熱酸化
膜７０を除去しても構わない。

【００３７】本発明は上記実施例に限定されるものでは
なく、様々な変形が可能である。例えば、実施例では基
板の除去をガスエッチングにより行ったが、プラズマエ
ッチングやスパッタエッチングなど、他のエッチング技
術を用いて行うこともできる。また、エッチングによら
ず、平面研削加工により基板を除去することもできる。
また、本実施例のように基板を完全に除去しなくても、
一部を除去して基板を薄くするだけで、導波路層に付与
される応力は低減されるので、十分に良好な偏波特性を
有する光導波路を得ることができる。

【００３８】

【発明の効果】以上、詳細に説明した通り、本発明の作
製方法では、火炎堆積法を用いて導波路層を形成する際
に導波路層を構成するガラスと基板との熱膨張係数の差
に起因して導波路層の内部に発生した応力を、導波路層
に応力を付与している基板を導波路層の形成後に除去す
ることで低減することができる。これにより、導波モー
ド間での伝送特性の差が低減するので、良好な偏波特性
を有する光導波路を作製することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の作製工程を示す第１の図である。

【図２】実施例１の作製工程を示す第２の図である。

【図３】実施例１の作製工程を示す第３の図である。

【図４】実施例１の作製工程を示す第４の図である。

【図５】実施例１の作製工程を示す第５の図である。

【図６】実施例１の作製工程を示す第６の図である。

【図７】シリコンウェーハ１０の除去前における導波路
層５０の層厚方向の屈折率分布を示すグラフである。

【図８】シリコンウェーハ１０の除去後における導波路
層５０の層厚方向の屈折率分布を示すグラフである。

【図９】実施例２の作製工程を示す図である。

【符号の説明】

１０…シリコンウェーハ、２０…第１のガラス微粒子
層、２１…下部クラッド層、３０…第２のガラス微粒子
層、３１…コア層、３２…多分岐のコア層、３３…コ
ア、４０…第３のガラス微粒子層、４１…上部クラッド
層、５０…導波路層、６０、６１…光導波路、７０…熱
酸化膜、８０…熱酸化シリコン基板、９０…酸水素炎バ
ーナ。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に火炎堆積法を用いてガラス微粒
   子層を堆積するとともにこれを透明ガラス化して、光導
   波部であるコア層とこのコア層を包囲しこのコア層より
   も低屈折率のクラッド層とからなる導波路層を前記基板
   上に形成する第１の工程と、 前記基板を除去する第２の工程と、 を備える光導波路の作製方法。
2. 【請求項２】 前記基板としてシリコンウェーハを用
   い、 前記第２の工程は、このシリコンウェーハをエッチング
   により除去する工程であることを特徴とする請求項１記
   載の光導波路の作製方法。
3. 【請求項３】 シリコンウェーハ上にＳｉＯ₂ からなる
   熱酸化膜が積層された熱酸化シリコン基板上に火炎堆積
   法を用いてガラス微粒子層を堆積するとともにこれを透
   明ガラス化して、光導波部であるコア層とこのコア層を
   包囲しこのコア層よりも低屈折率のクラッド層とからな
   る導波路層を前記熱酸化シリコン基板上に形成する第１
   の工程と、 前記熱酸化シリコン基板のうち、少なくとも前記シリコ
   ンウェーハをエッチングにより除去する第２の工程と、 を備える光導波路の作製方法。
4. 【請求項４】 前記エッチングは、ガスエッチングであ
   ることを特徴とする請求項２または３記載の光導波路の
   作製方法。
5. 【請求項５】 前記導波路層を１００μｍ以上の厚さを
   有する層として形成することを特徴とする請求項１から
   ４のいずれか記載の光導波路の作製方法。