JPH11287917A

JPH11287917A - 平面導波路型光回路およびその製造方法

Info

Publication number: JPH11287917A
Application number: JP9160198A
Authority: JP
Inventors: Makoto Katayama; 誠片山; Tomohiko Kanie; 智彦蟹江
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1998-04-03
Filing date: 1998-04-03
Publication date: 1999-10-19

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単な工程によって製造することができかつ
高い精度で配置された光回路を有する平面導波路型光回
路を提供する。【解決手段】平面導波路型光回路は、シリカガラス基
板１と、基板１中に作り込まれた光導波路７とを備え
る。光導波路７は、基板１にＸ線４を照射することによ
り周囲よりも屈折率が高められた基板１の部分である。
光導波路７を形成するため、Ｘ線マスク６を介してシリ
カガラス基板１に照射されるＸ線４の光子エネルギは、
１．８ｋｅＶ〜２０ｋｅＶである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光分岐器、光結合
器、スターカプラ、方向性結合器等を含み得る平面導波
路型光回路およびその製造方法に関し、特に、高い精度
を有する光導波路が簡略な工程で作製することのできる
平面導波路型光回路およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光通信システムの発展に伴って、
高い精度を有する平面導波路型光回路を簡略な工程で形
成し得る方法の開発が望まれている。そのような平面導
波路型光回路は、光通信システムに必要な光分岐器、光
結合器、スターカプラ、方向性結合器などを含み得る。

【０００３】図１６において、平面導波路型光回路の先
行技術による製造方法の一例が模式的に示されている。
図６（ａ）に示すように、まず、下部クラッド層として
働くシリカガラス基板１６１上において、添加元素とし
てゲルマニウムを含むシリカガラスのコア層１６２が形
成される。コア層１６２は、たとえば、四塩化シリコン
と四塩化ゲルマニウムの火炎加水分解を行なってガラス
微粒子層を堆積し、この微粒子層を高温に加熱して透明
ガラス層に変えることによって形成され得る。なお、下
部クラッド層として働く基板１６１は、他の基板上に形
成されたシリカガラス層であってもよい。図６（ｂ）に
示すように、コア層１６２の上に、光回路に対応したパ
ターンを有するレジストパターン３がフォトリソグラフ
ィを用いて形成される。フォトリソグラフィは、コア層
１６２上へのレジスト層の塗布、光マスクを介する露
光、およびその露光されたレジスト層の現像処理などの
工程を含む。図６（ｃ）に示すように、レジストパター
ン３をマスクとして、反応性イオンエッチングを用いて
コア層１６２がエッチングされ、光回路パターンに対応
したコアリッジ１６２ａが形成される。図６（ｄ）に示
すように、光回路に対応したパターンを有するコアリッ
ジ１６２ａを覆うように、火炎加水分解堆積法によって
上部クラッド層１６４が形成される。これによって、平
面導波路型光回路が得られる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】以上に示す先行技術
は、複雑なフォトリソグラフィや反応性イオンエッチン
グのような多くの工程を必要とする。また、先行技術に
よれば、形成される平面導波路型光回路の精度はフォト
リソグラフィと反応性イオンエッチングによる加工精度
に依存する。

【０００５】さらに、先行技術によれば、コア部を形成
するために、基板調製工程において、ゲルマニウムなど
の他の元素を含有した煤を吹き付ける工程、およびこの
煤を結合させる工程が必要である。これらの工程のため
に、制御の困難な火炎加水分解堆積法（ＦＨＤ法）など
を使用せざるを得ない。

【０００６】本発明の１つの目的は、より高い精度で形
成された光導波路を有する平面導波路型光回路を提供す
ることである。

【０００７】本発明のもう１つの目的は、より高い精度
の平面導波路型光回路を簡略な工程で形成し得る方法を
提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による平面導波路
型光回路は、シリカ系ガラスからなる基板と、該基板中
に作り込まれた光導波路とを備え、該光導波路は、該基
板にＸ線を照射することにより周囲よりも屈折率が高め
られた該基板の部分であることを特徴とする。

【０００９】本発明による光回路において、光導波路に
おける高められた屈折率は、基板の表面から内部に向か
って連続的に減少させることができる。

【００１０】本発明において、シリカ系ガラスはＯＨ基
を含有していることが好ましい。また、シリカ系ガラス
はシリコン同士の共有結合を含んでいることが好まし
い。

【００１１】本発明による光回路において、光導波路が
作り込まれた基板の表面は、空気の屈折率よりも大きく
かつシリカ系ガラスの屈折率よりも小さい屈折率を有す
るコーティングによって覆われていることが好ましい。
このようなコーティングは、紫外線硬化樹脂、有機シリ
コン化合物およびシリカ系ガラスからなる群より選ばれ
る少なくとも１種の材料からなることができる。

【００１２】本発明によれば、基板の表面と裏面との両
方に、光導波路を作り込むことができる。

【００１３】本発明による平面導波路型光回路の製造方
法は、１．８ｋｅＶ〜２０ｋｅＶの光子エネルギを有す
るＸ線をシリカ系ガラスからなる基板に部分的に照射す
る工程を備え、そこにおいて、Ｘ線が照射された基板の
部分は、Ｘ線が照射されなかった基板の部分よりも高い
屈折率を有し、かつ高い屈折率を有する当該部分が光導
波路となることを特徴とする。

【００１４】本発明による方法において、Ｘ線の照射に
より高められた屈折率は、基板の表面から内部に向かっ
て連続的に減少させることができる。

【００１５】本発明による方法において、ＯＨ基を含有
するシリカ系ガラスを基板として用いることが好まし
く、また、シリコン同士の共有結合を含むシリカ系ガラ
スを基板として用いることが好ましい。

【００１６】本発明による方法は、Ｘ線が部分的に照射
された基板の表面を、空気の屈折率よりも大きくかつシ
リカ系ガラスの屈折率よりも小さい屈折率を有する材料
によってコーティングする工程を備えることができる。
コーティングのための材料は、紫外線硬化樹脂、有機シ
リコン化合物およびシリカ系ガラスからなる群より選ぶ
ことができる。

【００１７】さらに本発明による方法において、Ｘ線を
照射する工程の前に、シリカ系ガラスからなる基板に水
素を添加する工程を備えることができる。また、Ｘ線を
照射する工程の前に、シリカ系ガラスからなる基板に紫
外線を照射してもよい。

【００１８】本発明による方法において、基板の表面に
Ｘ線を照射して光導波路を形成し、さらに基板の裏面に
Ｘ線を照射して光導波路を形成することができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明によれば、気相軸付法（Va
por Phase Axial Deposion、ＶＡＤ法）などの非常に安
価な製法で作られたシリカガラス基板そのものにＸ線に
よって光回路パターンを作り込むことができる。たとえ
ば、所定の光回路パターンを有するＸ線マスクを基板上
に配置し、このＸ線マスクを介して基板中にＸ線を照射
すれば、光回路パターンに対応した高屈折率の領域を基
板中に形成できる。この高屈折率領域が、光導波路とな
る。本発明によれば、数百回の使用の間、歪みなどがな
く安定に維持できるＸ線マスクを介してＸ線を基板に照
射することにより、光回路パターンを基板中に直接作り
込むことができる。Ｘ線の照射により変質した基板の部
分はコア部となり、Ｘ線が照射されなかった部分はクラ
ッド部となる。本発明では、たとえばＦＨＤ法を用いた
多層膜の形成工程、複雑なフォトリソグラフィ工程およ
び反応性イオンエッチング工程のいずれも用いずに簡単
に平面型光回路を得ることができる。また、本発明で
は、一般のフォトリソグラフィで用いられる光の波長よ
りはるかに短い波長を有するＸ線が用いられる。このた
め、光回路の精度に対する回折による悪影響を低減する
ことができ、高精度の平面導波路型光回路を得ることが
できる。

【００２０】図１は、基板自体に光導波路が作り込まれ
る様子を示している。シリカガラス基板１の上には光回
路パターン５を有するＸ線マスク６が配置される。Ｘ線
マスク６は、Ｘ線透過性の窒化シリコン支持膜２および
Ｘ線吸収性のタングステン層３からなる。タングステン
層３は、形成すべき光回路のパターンに相当するパター
ンを有する。Ｘ線４は、Ｘ線マスク６を介してシリカガ
ラス基板１上に照射される。Ｘ線の照射によって、シリ
カガラス基板１の光回路パターン５に対応した領域に、
屈折率が上昇した部分７が形成される。部分７における
屈折率は、所定の深さにおいてその周囲（Ｘ線が照射さ
れなかった部分）よりも高い屈折率を有する。この部分
７がコアとなり、屈折率の低いその周囲はクラッドとな
る。

【００２１】Ｘ線が照射されたシリカガラスの部分は、
たとえば図２に示すような分布の屈折率を有する。Ｘ線
が照射された部分において、その表面の屈折率（ｎ₁）
が最も高くなっている。図に示すように、表面から内部
にいくに従って、屈折率はＸ線が照射されていないシリ
カガラスの屈折率（ｎ₂）まで連続的に減少する。この
ような分布において、屈折率の最大増加率（（ｎ₁−ｎ
₂）×１００（％）／ｎ₂）は、たとえば０．１％〜２
％とすることができ、好ましくは０．３％〜０．８％と
することができる。このような連続的に減少する屈折率
の分布において、屈折率の平均値を有する部分の深さ
は、たとえば１μｍ〜５０μｍとすることができ、好ま
しくは２μｍ〜２０μｍとすることができる。また、基
板上に形成される導波路の幅、すなわちＸ線が照射され
る部分の幅は、たとえば１〜５０μｍとすることがで
き、好ましくは２〜２０μｍとすることができる。

【００２２】なお、図１ではＸ線マスク６がシリカガラ
ス基板１と隔てられて配置されているが、Ｘ線マスク６
はシリカガラス１と接して配置されてもよい。

【００２３】Ｘ線は物質中で吸収されるため、シリカガ
ラスを透過するＸ線の量（光子数）は、透過深さが増す
につれて徐々に減ってくる。また、Ｘ線のエネルギによ
って単位深さあたりに吸収される光子数は異なってく
る。定性的には、エネルギの大きいＸ線ほど単位深さあ
たりの吸収光子数が少ない。すなわち、図３に示すよう
に、シリカガラスにおける透過深さが増すにつれ、Ｘ線
のスペクトルは徐々に高エネルギ側にピークがシフト
し、かつ全体の光子数は減少していく。

【００２４】さて、シリカガラスにおけるＸ線の吸収量
とＸ線の吸収によって起こる屈折率上昇との関係は、本
発明者らによって明らかにされている（特開平８−１６
９７３１号公報参照）。この知見、および上述したスペ
クトルに基づく計算（物質のＸ線吸収係数は公知）よ
り、任意の照射Ｘ線スペクトルに対して深さ方向にどの
ような屈折率分布が形成されるかを見積もることができ
る。

【００２５】たとえば、光通信に用いられている単一モ
ード光ファイバの場合、コア直径は１０μｍであり、コ
アとクラッドの屈折率の差は０．３％（コアの方が屈折
率が大きい）であるが、光導波の理論によると、光通信
に要求される単一モード導波の条件はこのような完全対
称型のみではなく、いろいろな形状が存在する。本発明
者は、光導波に必要な条件を検討した結果、所定の形状
のスペクトルを有するＸ線をシリカガラス基板に照射す
ることによって、光通信での要求を満足する屈折率の空
間分布をガラス基板内に形成し得ることを見いだした。
より具体的には、基板の表面から内部にいくに従って屈
折率の増加率が減少していく系において、基板表面の最
大屈折率、その系における平均屈折率、その系の深さ、
その系の幅（導波路の幅）を調節することによって、光
通信での要求を満足する導波路を形成し得ることを見い
だした。また、本発明者らは、シリカガラス基板に１．
８ｋｅＶ〜２０ｋｅＶの光子エネルギを有するＸ線を照
射することにより、そのような導波路を効率的に形成で
きることを見出した。従来技術では、クラッドの屈折率
とコアの屈折率は不連続であり、それらの間には明確な
境界面が存在する。一方、本願発明では、コアからクラ
ッドにいくに従って屈折率が連続的に変化（減少）し、
そのような明確な境界面を持たない構造により、光通信
に要求される性能の光回路を形成することができる。本
発明によれば、ＦＨＤ法に代表される複雑な多層膜形成
工程を経ることなくよりシンプルなプロセスによって光
回路を形成することができる。

【００２６】また、ＦＨＤ工程は、コア形成およびクラ
ッド形成時に、それぞれ１０００℃〜１５００℃の高温
を経験する。この熱履歴は、基板に反りを生じさせ得
る。この反りは、典型的には幅１００ｍｍあたり１０μ
ｍ以上である。多数の光回路を並べた集積型回路では、
そのような大きな反りのため、直線状に配列された光フ
ァイバアレイと光回路との接続が困難になり得る（この
ときの反りの許容値は０．５μｍ程度以下である）。一
方、本発明によれば、母材より切出され、平滑に研磨さ
れたシリカガラス基板はそのような高温を経験すること
がなく、初期の平坦度を保っている。そのため、回路の
寸法を所望の範囲に維持することができ、光ファイバア
レイとの接続が容易にできる光回路を得ることができ
る。

【００２７】二酸化硅素（ＳｉＯ₂）からなるシリカガ
ラスの分子構造において、１つのシリコン原子の周りに
４つの酸素原子が２つの電子を共有しながら結合する正
四面体構造が配列されている。シリカガラスにＸ線を照
射すると、Ｘ線は主にシリコン原子のＫ殻電子に作用
し、この電子を放出させる。放出された電子（光電子）
は、他の電子と作用し、あるいは近隣の原子核に捕らわ
れることによって、Ｘ線照射前とは違う電子配列を形成
する。また、Ｋ殻電子を失ったシリコン原子は、この空
席（空孔）を埋めるためにオージェ崩壊などを起こし、
その結果新たな電子配列を形成する。この新たな状態に
おいて、シリコン原子を中心として結合する２つの酸素
原子の角度は、Ｘ線照射前の角度より小さくなるため、
シリカガラスの密度が大きくなる（高密度化）。また、
この新たな状態において、シリコン原子と酸素原子との
結合のいくつかは切れた状態になる（ＳｉＥ′センター
またはシリコンＥプライムセンターの生成）。このよう
な状態の変化を図４に模式的に示す。この高密度化およ
びＳｉＥ′センターの生成により屈折率が上昇すること
は、個体物理学における知見より明らかにされてきた。

【００２８】Ｘ線照射による電子配列の変遷については
未知の部分が多いが、本発明者らの研究によれば、１度
シリコン原子核が電子を捕獲した状態（図４に示す状態
Ａ）が生じ、その後、さらに電子やＸ線の作用を受けて
シリコンと酸素との結合が切れた状態（図４に示す状態
ＢすなわちＳｉＥ′センターが生成した状態）が生じる
と考えられる。状態Ａと状態Ｂとは、元来熱的平衡関係
にあり、すなわち、状態Ａ→状態Ｂの遷移も状態Ｂ→状
態Ａの遷移もともに存在する。そのため、ＳｉＯ₂のみ
から実質的になるシリカガラスの場合、屈折率は上昇す
るものの、状態Ａのうちいくらかは状態Ｂに戻されるた
め、その分屈折率の上昇効率は低くなり得る。

【００２９】シリカガラスにＯＨ基が入っている場合、
ＯＨ基はシリコン原子と結合した状態になっている。こ
のようなシリカガラスがＸ線により状態Ａから状態Ｂに
変化するとき、Ｓｉ−Ｏ結合が切れ、より結合力の大き
いＳｉ−Ｈ結合が生じる。このような変化を図５に模式
的に示す。Ｓｉ−Ｈ結合の方がより安定であるため、状
態Ｂから状態Ａに戻る確率は顕著に低減される。したが
って、ＯＨ基を導入したシリカガラスの方が、効率よく
屈折率の上昇を起こすことができる。ＯＨ基を含有する
シリカガラスは、市販品として入手することができる。

【００３０】また、本発明において、シリコン同士の共
有結合を含むシリカガラスを好ましく用いることができ
る。シリカガラスの製造において、シリコン原子同士の
共有結合を生成させる方法は公知である。そのような公
知方法によって製造されるシリカガラスは、容易に入手
することができる。図６に示すとおり、シリカガラスに
おいてシリコン原子同士の共有結合が切断されると、少
なくとも２つのＳｉＥ′センターが生成される。シリコ
ン原子同士の共有結合が増えれば、生成されるＳｉＥ′
センターの数も増える。ＳｉＥ′センターの生成により
屈折率が上昇するため、シリカガラス中にシリコン原子
同士の共有結合が多数存在すれば、屈折率の上昇効率は
高くなり得る。

【００３１】本発明において、Ｘ線照射により光回路を
形成した基板部分は、空気に露出されていてもよいが、
コーティングによって覆われることが好ましい。空気の
屈折率は、１であり、これは通常使用されるクラッド材
料の屈折率（典型的には１．４〜１．６程度）に比べて
顕著に小さい。このような場合、シリカガラス中の光回
路部分と空気層との界面で光は強く光回路側へ押し返さ
れることになり、光回路側での若干の光漏れを生じさせ
得る。光ＬＡＮなど通信距離が比較的短い用途に対して
はこれでも光回路として十分な性能が得られるが、長距
離通信に使用する場合、より光漏れのない低損失の光回
路が必要とされる。そこで、屈折率が１より大きく、シ
リカガラスの元々の屈折率以下の屈折率を有する材料を
シリカガラス表面に設ければ、より光漏れの小さい光回
路を形成できる。図７は、そのようなコーティングが形
成された一具体例を示している。光回路１７がその中に
作り込まれたシリカガラス基板１上にはコーティング３
１が設けられている。コーティング３１は、空気の屈折
率（１）より大きくかつシリカガラス基板１の元々の屈
折率以下の屈折率を有する。コーティングの厚みは、た
とえば１〜１０００μｍ、好ましくは１０〜５０μｍと
することができる。

【００３２】本発明者は、導波理論解析および試作試験
によって、図８に示すような状態を作り、長距離通信に
必要となる０．１ｄＢ／ｃｍ未満の損失の光回路を実現
した。図８において、ｎ₁はＸ線照射により形成された
光回路の最大屈折率であり、ｎ₂はシリカガラス本来の
屈折率であり、ｎ₃はコーティングの屈折率である。屈
折率ｎ₃は、空気の屈折率（１）よりも大きく、シリカ
ガラス本来の屈折率ｎ ₂よりも小さい。このようなコー
ティングのための材料には、紫外線硬化樹脂、有機シリ
コン化合物およびシリカ系ガラスからなる群より選ばれ
る少なくとも１種を用いることができる。紫外線硬化樹
脂には、たとえばフッ素化アクリル樹脂がある。

【００３３】さらに本発明において、シリカガラスに水
素分子を予め導入しておくと、図９に示すように、Ｓｉ
Ｅ′センターの生成時に添加された水素分子が水素原子
に分かれ、Ｓｉ−Ｈ結合を生じさせる。これにより、状
態Ｂから状態Ａへの遷移を抑えることができ、効率よく
シリカガラスの屈折率を上昇させることができる。

【００３４】シリカガラスに４００ｎｍ程度から１９０
ｎｍ程度の波長の紫外線を照射すると、上述した状態Ａ
が生成されることが知られている。したがって、この手
法により状態Ａを増加させ、その結果屈折率の上昇効率
を上げることができる。

【００３５】本発明によれば、均質なシリカ系ガラス基
板に光回路を作り込むことができる。したがって、ガラ
ス基板の任意の部分に光回路を形成することが可能であ
る。たとえば、１対の主表面（表面および裏面）を有す
る１枚の均質なシリカ系ガラス基板において、表裏の両
側に光回路を作り込むことができる。

【００３６】本発明において基板材料として用いられる
シリカ系ガラスは、不可避的不純物以外の不純物を実質
的に含まないシリカガラス（石英ガラス）、屈折率や他
の特性を調節するために不純物が添加されたシリカガラ
ス、その他、ＯＨ基の導入、Ｓｉ−Ｓｉ結合の導入な
ど、その特性を調節するため部分的に変更されたシリカ
ガラス等を含む。シリカ系ガラス基板の厚みは、たとえ
ば０．１〜２０ｍｍとすることができる。

【００３７】本発明において、シリカ系ガラスに照射す
るＸ線のための光子エネルギは１．８ｋｅＶ〜２０ｋｅ
Ｖの範囲にある。この範囲の光子エネルギを有するＸ線
は、シリカ系ガラスに効率的に吸収され、その屈折率を
効果的に高める。以下、実施例によって本発明をより詳
細に説明する。

【００３８】

【実施例】実施例１図１０に模式的に示すような装置を用いて、平面導波路
型光回路を作製した。Ｘ線としてシンクロトロン放射光
（ＳＲ光）を用いた。ＳＲ光源には、住友電気工業株式
会社播磨研究所虹ＩＩＩ号が用いられた。図１０に示す
ように、シンクロトロン放射光（Ｘ線）４は、ベリリウ
ム膜１０３を介して、シリカガラス基板１上に照射され
る。シリカガラス基板１の上方には、スペーサ１０２を
介して光回路パターンを有するＸ線マスク６が設けられ
ている。Ｘ線４の照射は、ヘリウム雰囲気１０１下で行
なわれる。シンクロトロン放射光装置（図示せず）は、
５９０ＭｅＶの電子エネルギで運転され、Ｘ線の発光点
とシリカガラス基板との距離は１３００ｍｍであった。
Ｘ線マスク６およびシリカガラス基板１が配置されたＳ
Ｒ光照射室内には、大気圧のヘリウムが充填された。Ｘ
線マスク６およびシリカガラス基板１は、それらの間に
厚さ５０μｍのスペーサ１０２を挿入して固定された。
これらのユニットを上下に±０．５ｍｍの範囲で０．１
ｍｍ／秒の速度でスキャンし、上下１ｍｍの領域を均一
に照射した。照射室とシンクロトロン放射光装置との間
に厚さ１００μｍのベリリウム膜１０３を配置し、照射
室の大気圧とシンクロトロン放射光装置の高真空との分
離を行なった。また、ベリリウム膜１０３により、シリ
カガラス基板１側に照射されるＸ線のスペクトル形状を
図３においてＳで示されるような形状にした。用いたＸ
線マスクの概略を図１１に示す。Ｘ線マスク６は、タン
グステン層に形成された直線光回路パターン１１１、１
×２分岐光回路パターン１１２、および波長無依存型カ
プラ用パターン１１３を含んでいる。これらの光回路の
パターン幅は９μｍであった。Ｘ線マスクにおいて、窒
化シリコン支持膜の厚みは１μｍであり、タングステン
層の厚みは３μｍであった。また、Ｘ線マスク窓部の全
長は３０ｍｍであった。

【００３９】シリカガラス基板１には、ＶＡＤ法により
製造された市販のものが用いられた。シリカガラス基板
の含有不純物を測定したところ、２０ｐｐｂ以下のＡ
ｌ、Ｃａ、Ｆｅ、Ｋ、Ｍｇ、Ｎａ、Ｔｉと、１ｐｐｍ以
下のＣｌ、Ｆと、５０ｐｐｍ以下のＯＨが測定された。
基板の厚みは１ｍｍであり、その表面および裏面は鏡面
研磨されていた。

【００４０】Ｘ線マスクを介して４００ｍＡ・ｈの照射
量でＳＲ光をシリカガラス基板に照射した。ここでｍＡ
はシンクロトロン内の蓄積電流を表わし、ｈは照射時間
を表わしている。Ｘ線マスクを通過した後、基板に照射
されるＸ線の光子エネルギは、３ｋｅＶをピークとした
スペクトル形状であった。その結果、図２に示すような
屈折率の分布を有する光回路が得られた。基板表面の最
大屈折率ｎ₁は１．４６８であり、基板本来の屈折率ｎ
₂は１．４５８であった。なお、屈折率は５８９ｎｍの
波長の光に対する値である。屈折率の最大増加率（（ｎ
₁−ｎ₂）×１００（％）／ｎ₂）は、０．６９％であ
った。基板表面から約２０μｍの深さまで屈折率が連続
的に減少する領域が得られた。そこにおいて、平均屈折
率は１．４６２であり、その平均屈折率が得られる表
面からの深さは９μｍであった。また、形成された光回
路の幅は９μｍであった。

【００４１】このようにして作製された平面導波路型光
回路の直線部分における光伝送特性を評価したところ、
１．５５μｍの試験波長に対して伝送損失は０．４ｄＢ
／ｃｍであり、偏波依存性損失は０．０５ｄＢであっ
た。

【００４２】さらに、シリカガラス基板において光回路
側の表面にフッ素化アクリル樹脂を常温で塗布し、約３
５０ｎｍのピーク波長を有する紫外線ランプを用いて硬
化させた。硬化させたときの当該樹脂のＮａ−Ｄ線に対
する２５℃における屈折率は１．４３０であった。樹脂
コーティングを有する光回路の光伝送特性を評価したと
ころ、１．５５μｍの試験波長に対して伝送損失は０．
１ｄＢ／ｃｍであり、偏波依存性損失は０．０１ｄＢ未
満であった。また、１×２分岐光回路の伝送特性を測定
したところ、１．５５μｍおよび１．３１μｍのいずれ
の試験波長に対しても、３．３ｄＢ以下の過剰損失、お
よび０．３ｄＢ以下の偏波依存性損失を得た。波長無依
存型カプラの伝送損失を１２００ｎｍから１７００ｎｍ
の試験波長に対して連続的に測定したところ、本線側で
１．５ｄＢ±０．２ｄＢ、支線側で８．０±０．５ｄＢ
の値が得られた。

【００４３】実施例２ＳＲ光の照射量を変化させた以外は、実施例１と同様に
して平面導波路型光回路を作製した。得られた光回路に
ついて、１．５５μｍに対する導波損失を測定した。そ
の結果、図１２に示すような関係が得られた。図１２に
おいて、縦軸は光回路の伝送損失を表わし、横軸はＳＲ
光の照射量を表わしている。図に示すように、伝送損失
が極小となるＳＲ光の照射量が存在することが明らかに
なった。

【００４４】実施例３ＶＡＤ法によって作製されたＯＨ基を５００ｐｐｍ含む
シリカガラス基板を用い、１５０ｍＡ・ｈのＳＲ光を照
射した以外は、実施例１と同様にして平面導波路型光回
路を作製した。光回路が形成された基板に樹脂を塗布し
硬化させた後、光伝送特性を評価した。１．５５μｍの
試験波長に対して、伝送損失は０．１ｄＢ／ｃｍであ
り、偏波依存性損失は０．０１ｄＢ未満であった。

【００４５】実施例４ＶＡＤ法の工程で脱水処理を施すことによって製造され
たシリコン同士の共有結合を約１０¹⁷個／ｃｍ³の密度
で含むシリカガラス基板を用い、ＳＲ光を２００ｍＡ・
ｈで照射した以外は、実施例１と同様にして平面導波路
型光回路を作製した。光回路が形成された基板上に樹脂
を塗布し硬化させた後、光伝送特性を評価した。１．５
５μｍの試験波長に対して、伝送損失は０．１ｄＢ／ｃ
ｍであり、偏波依存性損失は０．０１ｄＢ未満であっ
た。

【００４６】実施例５実施例１で用いたものと同じロットのシリカガラス基板
を、１４０気圧の水素を充填した圧力保持容器中に常温
で１週間保持した。このようして水素を取込ませたシリ
カガラス基板を用いて、実施例１と同様に平面導波路型
光回路を作製した。ＳＲ光の照射量は５０ｍＡ・ｈであ
った。光回路を形成した基板上に樹脂を塗布した後硬化
させた。得られた光回路について光伝送特性を評価した
ところ、１．５５μｍの試験波長に対して伝送損失は
０．１ｄＢ／ｃｍであり、偏波依存性損失は０．０１ｄ
Ｂ未満であった。

【００４７】実施例６実施例１で用いたものと同ロットのシリカガラス基板に
約３５０ｎｍのピーク波長を有する紫外線ランプを６０
時間照射した。紫外線照射されたシリカガラス基板を用
いて実施例１と同様に平面導波路型光回路を作製した。
ＳＲ光の照射量は２００ｍＡ・ｈであった。光回路を有
する基板上に樹脂を塗布し硬化させた後、光伝送特性を
評価した。１．５５μｍの試験波長に対して、０．１ｄ
Ｂ／ｃｍの伝送損失、および０．０１ｄＢ未満の偏波依
存性損失が得られた。

【００４８】実施例７Ｘ線源として、最大出力が１０ｋＶ×１．５Ａ、ターゲ
ットが銅である管球を用いた。管球は１０ｋＶの電子エ
ネルギで運転され、Ｘ線の発光点とシリカガラスとの距
離は２５０ｍｍであった。大気圧のヘリウムを含むＸ線
照射室内に、Ｘ線マスク、スペーサおよびシリカガラス
基板を配置した。スペーサの厚みは５０μｍであり、Ｘ
線マスクとシリカガラス基板は、それらの間にスペーサ
を挿入して固定された。照射室と管球装置の間に２０μ
ｍの厚みのベリリウム膜を配置し、照射室の大気圧と管
球装置の真空との分離を行なった。Ｘ線マスクは、図１
３に示すような直線光回路パターンを有するものであっ
た。Ｘ線マスクのタングステン層に、１６本の直線光回
路パターンが形成され、隣り合う各パターンの中心と中
心との間の間隔は１２７μｍであった。各光回路のパタ
ーン幅は９μｍであった。Ｘ線マスクにおいて、窒化シ
リコン支持膜の厚みは３μｍであり、タングステン層の
厚みは５μｍであった。Ｘ線マスクの窓部の全長は３０
ｍｍであった。管球装置よりＸ線マスクを介してシリカ
ガラス基板に３Ｍｗ・ｈのＸ線を照射した。マスクを通
過した後のＸ線の光子エネルギは５ｋｅＶにピークを有
する形状であった。次いで、実施例１と同様に樹脂を塗
布し、硬化させた。得られた光回路について伝送損失を
測定したところ、１．５５μｍの試験波長に対して伝送
損失は０．１ｄＢ／ｃｍであり、偏波依存性損失は０．
０１ｄＢ未満であった。

【００４９】実施例８実施例７で得られた光回路を有する基板の裏面に、さら
に光回路を形成した。シリカガラスの光回路部が偏光顕
微鏡にて目視できることを利用し、スペーサを介してシ
リカガラス基板上に配置されるＸ線マスクの位置合わせ
を行なった。０．５μｍを下回る精度で、基板裏面の上
方に配置されるＸ線マスクと、既に形成された光回路部
とを位置合わせした。Ｘ線マスク、スペーサおよびシリ
カガラス基板を固定したものを管球装置の照射室にセッ
トし、実施例７と同様にして基板の裏面にＸ線マスクを
介してＸ線を照射した。次いで、光回路が形成された裏
面に実施例７と同様に樹脂を塗布し硬化させた。得られ
た平面導波路型光回路は、表面および裏面のそれぞれに
１２７μｍの間隔で１６本の直線光回路が形成されたも
のである。このようにして得られた平面導波路型光回路
を、図１４に示すような光ファイバアレイと接続した。
図１４に示すように、光ファイバアレイ１４１は、光フ
ァイバ１４２が直線状に２列配列された３次元ファイバ
アレイである。隣り合う光ファイバ１４２のコア１４３
同士の間隔は１２７μｍである。各列において、１６本
の光ファイバが直線状に配置されている。２つの列の間
隔は９９０μｍであった。図１５に示すように、光ファ
イバアレイ１４１と平面導波路型光回路１５１とを接続
した。図に示すＡおよびＢの２本のみについて、アレイ
１４１の光ファイバと回路１５１の直線光回路との位置
合わせを行ない、ファイバアレイと平面導波路型光回路
との隙間に紫外線硬化樹脂を注入して硬化させ、両者を
接合した。接合体について導波性能の評価を行なったと
ころ、３２本全部の直線光回路に関して０．１〜０．１
５ｄＢ／ｃｍの伝送損失を得た。

【００５０】

【発明の効果】本発明によれば、Ｘ線マスクを介する簡
単な工程によって高精度の平面導波路型光回路を得るこ
とができる。本発明によれば、ＦＨＤ法を用いた多層膜
の形成工程、複雑なフォトリソグラフィ工程および反応
性イオンエッチング工程を行なわずに光回路を形成する
ことができる。本発明によれば、Ｘ線の照射により、高
い精度で均質な基板中に光回路を作り込むことができ
る。さらに、光回路が形成された基板の表面を樹脂等の
適当な材料によってコーティングすれば、より損失が低
い導波路が得られる。また、ＯＨ基および／またはシリ
コン原子同士の共有結合を含む基板を用いることによっ
て、あるいは、水素分子を基板に予め導入するかまたは
紫外線を基板に照射することによって、より短い時間で
所望の平面導波路型回路を得ることができる。これらの
屈折率を上昇させるための手段は、光回路の作製時間を
さらに短くするため、必要に応じて適宜組合せることが
できる。また、基板の両面に高い精度で光回路を形成す
ることができる。これによって、従来と同一のサイズで
２倍の集積化が可能となる。本発明によれば、反りの非
常に小さい基板に精度よく光回路を配置することができ
る。そのような光回路は、他の光ファイバアレイ等の光
導波手段と容易に接続することができる。たとえば、上
述したように、光回路と他の光導波手段との接続におい
て、最低２本の光導波を調整するだけで、多数の光結合
を確立することができる。これにより、実装のためのコ
ストは劇的に低減され得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による平面導波路型光回路の一例を製造
するための方法を示す概略断面図である。

【図２】本発明による平面導波路型光回路の一例におい
て、Ｘ線が照射された基板部分の深さ方向に対する屈折
率の分布を示す図である。

【図３】本発明による平面導波路型光回路を製造する際
に照射されるＸ線のスペクトルを示す概略図である。

【図４】シリカガラスにおいてＸ線の照射により屈折率
が上昇するメカニズムを説明するための図である。

【図５】ＯＨ基を含有するシリカガラスにおいて、Ｘ線
の照射により屈折率が上昇するメカニズムを説明するた
めの図である。

【図６】Ｓｉ−Ｓｉ結合を有するシリカガラスにおい
て、Ｘ線の照射により屈折率が上昇するメカニズムを説
明するための図である。

【図７】伝送損失を低減するためのコーティングが設け
られた本発明による平面導波路型光回路の一例を示す概
略断面図である。

【図８】伝送損失を低減するためのコーティングが設け
られた本発明による平面導波路型光回路の一例におい
て、屈折率の分布を示す図である。

【図９】水素が添加されたシリカガラスにＸ線を照射す
ることによって屈折率が上昇するメカニズムを説明する
ための図である。

【図１０】実施例で用いられた、シリカガラス基板にＸ
線を照射するための装置を示す概略断面図である。

【図１１】実施例で用いられるＸ線マスクパターンの一
例を模式的に示す平面図である。

【図１２】ＳＲ光の照射量と、その照射によって形成さ
れた光回路の伝送損失との関係を示す図である。

【図１３】本発明による実施例で用いられたＸ線マスク
パターンのもう１つの例を模式的に示す平面図である。

【図１４】本発明による実施例において光回路との接続
のために用いられた光ファイバアレイの部分構造を示す
概略断面図である。

【図１５】本発明による実施例において、得られた平面
導波路型光回路と光ファイバアレイとを接続する様子を
概略的に示す斜視図である。

【図１６】従来技術による平面導波路型光回路の形成方
法を示す概略断面図である。

【符号の説明】

１シリカガラス基板２窒化シリコン支持膜３タングステン層４Ｘ線５光回路パターン６Ｘ線マスク７、１７屈折率が上昇された基板の部分３１コーティング

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリカ系ガラスからなる基板と、前記基板中に作り込まれた光導波路とを備え、前記光導波路は、前記基板にＸ線を照射することにより
周囲よりも屈折率が高められた前記基板の部分であるこ
とを特徴とする、平面導波路型光回路。
【請求項２】前記光導波路における前記高められた屈
折率は、前記基板の表面から内部に向かって連続的に減
少していることを特徴とする、請求項１に記載の平面導
波路型光回路。
【請求項３】前記シリカ系ガラスはＯＨ基を含有して
いることを特徴とする、請求項１または２に記載の平面
導波路型光回路。
【請求項４】前記シリカ系ガラスはシリコン同士の共
有結合を含んでいることを特徴とする、請求項１〜３の
いずれか１項に記載の平面導波路型光回路。
【請求項５】前記光導波路が作り込まれた前記基板の
表面が、空気の屈折率よりも大きくかつ前記シリカ系ガ
ラスの屈折率よりも小さい屈折率を有するコーティング
によって覆われていることを特徴とする、請求項１〜４
のいずれか１項に記載の平面導波路型光回路。
【請求項６】前記コーティングは、紫外線硬化樹脂、
有機シリコン化合物およびシリカ系ガラスからなる群よ
り選ばれる少なくとも１種の材料からなることを特徴と
する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の平面導波路
型光回路。
【請求項７】前記基板が表面およびそれに対向する裏
面を有するものであり、前記光導波路は、前記基板の前記表面と前記裏面との両
方に作り込まれていることを特徴とする、請求項１〜６
のいずれか１項に記載の平面導波路型光回路。
【請求項８】１．８ｋｅＶ〜２０ｋｅＶの光子エネル
ギを有するＸ線をシリカ系ガラスからなる基板に部分的
に照射する工程を備え、そこにおいて、前記Ｘ線が照射された前記基板の部分
は、前記Ｘ線が照射されなかった前記基板の部分よりも
高い屈折率を有し、かつ前記高い屈折率を有する前記基
板の部分が光導波路となることを特徴とする、平面導波
路型光回路の製造方法。
【請求項９】前記Ｘ線の照射により高められた屈折率
は、前記基板の表面から内部に向かって連続的に減少し
ていることを特徴とする、請求項８に記載の製造方法。
【請求項１０】前記シリカ系ガラスはＯＨ基を含有し
ていることを特徴とする、請求項８または９に記載の製
造方法。
【請求項１１】前記シリカ系ガラスはシリコン同士の
共有結合を含んでいることを特徴とする、請求項８〜１
０のいずれか１項に記載の製造方法。
【請求項１２】前記Ｘ線が部分的に照射された前記基
板の表面を、空気の屈折率よりも大きくかつ前記シリカ
系ガラスの屈折率よりも小さい屈折率を有する材料によ
ってコーティングする工程を備える、請求項８〜１１の
いずれか１項に記載の製造方法。
【請求項１３】前記材料が、紫外線硬化樹脂、有機シ
リコン化合物およびシリカ系ガラスからなる群より選ば
れる少なくともいずれか１種であることを特徴とする、
請求項１２に記載の製造方法。
【請求項１４】前記Ｘ線を照射する工程の前に、前記
シリカ系ガラスからなる基板に水素を添加する工程を備
えることを特徴とする、請求項８〜１３のいずれか１項
に記載の製造方法。
【請求項１５】前記Ｘ線を照射する工程の前に、前記
シリカ系ガラスからなる基板に紫外線を照射する工程を
備えることを特徴とする、請求項８〜１４のいずれか１
項に記載の製造方法。
【請求項１６】前記シリカ系ガラスからなる基板が、
表面およびそれに対向する裏面を有するものであり、前
記表面に前記Ｘ線を照射する工程および前記裏面に前記
Ｘ線を照射する工程を備えることを特徴とする、請求項
８〜１５のいずれか１項に記載の製造方法。