JPS5947281B2 - 光導波回路の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は伝送損失の少ない光導回路の製造方法に関する
。

本発明で述べる光導波回路とは、高屈折率部に光が伝播
する光導波路において、その高屈折率導波部が固体中に
３次元的に存在するものを云う。

このような３次元光導波路は、それらの相互位置形状等
を理論的に計算されるところに従つて形成すれば、分波
器、結合器などを構成することができる。従来このよう
な光回路に関する理論的取扱いについては、ベル研究所
のＥ．Ａ．Ｊ．Ｍａｒｃａｔｉｌｉ氏の論文（Ｂｅｌｌ
ＳｙｓｔｅｍＪｅｃｈｎｉｃａｌＪＯｕｒｎａｌ４８巻
、２０７１〜２１０２頁 １９６９年９月）など多くの
検討がなされている。しかしながら、実際に任意のパタ
ーン光導波回路を低損失で作る方法はあまり提案されて
いない。比較的損失の少ない作製法としては、特開昭４
９−１００５４が知られている。すなわち四塩化シリコ
ン、四塩化ゲルマニユーム等を火炎加水分解することに
より作られたガラス微粒子を石英ガラス基板上に吹き付
けた後、導波路を形成する部分をレーザ光等で加熱熔融
し、高屈折率部を形成し未熔部を除去した後、四塩化シ
リコンのみを反応させて作つたガラス微粒子を吹き付け
、次いで全体を加熱し、ガラス微粒子層を透明ガラス化
し、埋め込み形光導波路を作る方法である。また他の方
法としては、特公昭４８−５９７５などに開示されてい
るように、高屈折率層を形成するイオンを拡散させる方
法もある。これらの製法及び他の公知の製法は、実際に
光導波回路を作つてみると、次に示すような問題が発生
する。

（１）幅の狭い導波路を作ることが困難であり、単一モ
ードの導波路を形成し難く、前記引例の製法はいずれも
この傾向が強い。

（２）光導波路の断面形状が一定し難く、矩形または円
形等の望ましい形状を作ることが困難である０（３）高
屈折率部とその周囲の低屈折率部との境界部を直接加工
する場合が多く、境界面に散乱損失の原因となる気泡、
凹凸などを導入する可能性がある。

（４）高屈折率部の屈折率を精密に制御することが困難
であり、前記引例の特開昭４９−１００５４では、ガラ
ス微粒子をレーザ光で熔かす際、屈折率を制御するＧｅ
Ｏ２などのドーパント（添加剤）が蒸発し易く、再現性
良く作るのが難しい。

このような製作上の問題点が数多く残されているので、
提案されている分波器等種々の光回路素子は、実用的な
ものとしてはほとんど作製できないのが現状である。本
発明はこれらの欠点を解決するため、光導波路の高屈折
率部の形成方法及び回路パターンの加工法に改良を加え
、低損失化をはかつたものである。

以下図面により本発明を詳細に説明する。本発明によつ
て低損失の光導波路を形成するためには、主要な三つの
工程が必要とされる。第１の工程は基板を用意し、その
基板上に低屈折率ガラス層を形成し、第２の工程は次い
で高屈折率ガラス層を形成し、第３の工程はさらに第２
の低屈折率ガラス層を形成する工程である。ここで屈折
率の高低は相対的なものであり、その屈折率差は前記引
例等から算出されるものである。また第１の低屈折率層
は基板によつて代用することもできる。さらに第２の低
屈折率層は、後述する第３の工程で形成してもよい。第
１の工程で重要なことは、散乱損失の少ないガラス層を
屈折率及び寸法（厚さ）を正確に制御しながら形成する
ことがあるが、従来の蒸着法、化学気相成長法（ＣＶＤ
法）では、散乱損失が大きく低損失化が困難であつた。

本発明では基板を高温にして行うＣＶＤ法によつて解決
している。すなわち従来ＳｉＯ２膜を形成するＣＶＤ法
では６００〜１１００℃程度の低温で行つていたが、こ
の場合、ガラス膜中に散乱中心が多数発生し、損失が大
きい。基板温度を１２００℃〜１６５０℃にすることの
損失は低減する。一般に高温の方が散乱損失は低下する
が、１６５０℃より高温では、屈折率制御のために混入
するＧｅＯ２の添加剤が揮散し易く、制御が困難となる
。基板温度を上げる代わりに、ガラス中に屈折率制御用
添加剤のほか、ガラスの軟化温度を下げるのに有効なＰ
２Ｏ５，Ｂ２Ｏ３などの添加剤を加えることも有効であ
る。第２の工程は第１工程で形成したガラス層を、所定
のパターンに従つて加工する工程である。

従来このためにはフオトレジスト等を用い、所望のレジ
ストパターンを形成した後、化学的エツチング、バツク
スバッタリング、イオンミリングなどの手法によつてガ
ラス層を加工していた。これらの従来法では、エツチン
グによつて除去された部分の断面形状が、台形になり易
く、またその形状も一定せず、望ましい形状である矩形
または正方形断面の光導波路形成は不可能であつた。本
発明では、反応性プラズマスパツタエツチングによつて
、矩形断面を実現している。

ＣＦ４ガス雰囲気中で行う反応性スパツタエツチングで
は、通常ＳｉＯ２ガラス膜のエツチング速度が遅く、レ
ジストの働きをする適当な材料がない。Ｓ．Ｍａｔｓｕ
Ｏ氏の論文（Ｊａｐａｎ，Ｊ．Ａｐｐｌ．ＰｈｙｓＶＯ
ｌ．ｌ６，▲１，１９７７，Ｐ．１７５）によれば、エ
ツチングする基板を載せ．る電極の材料にカーボンやテ
フロンを用いることにより、ＳｉＯ２のエツチング速度
が速くなり、さらにＣ２Ｈ４などの炭化水素ガスをプラ
ズマ中に導入することにより、Ｔｉ，Ｓｉなどの数十倍
のエツチ速度が得られることが報告されている。本発明
で用いる導波路部分は、純粋なＳｉＯ２ガラスだけでな
く、ＧｅＯ２，ｐ２Ｏ５，Ｂ２Ｏ３，Ａム０３，Ｔｉ０
２のうち少なくとも１成分を１〜２０重量％含有するＳ
ｉＯ２ガラスであるが、このような組成のガラスに対し
てもこの方法は非常に有効であり、これら添加酸化物の
含有量が増加すると、さらにエツチング速度が速くなる
ことが明らかにされた。第１図は各酸化物添加量を変え
たシリカガラスのエツチング速度とチタン金属のエツチ
ング運度との比を示したものである。

前述の方法により加工すれば、比較的容易に矩形断面を
保持し、かつエツチング深さを２０μｍ以上にすること
ができるので、導波路の断面構造に実用上制限を与える
ことなく、設計することができる。

第３の工程は導波路の埋め込みのための工程である。

導波路の高屈折率部は散乱損失の低減化と表面保護のた
め、低屈折率材料で被覆されていることが望ましい。し
かしこの境界面に凹凸があると損失の原因となる。これ
をさけるため本発明では、埋め込み用ガラスを形成する
際にも高温中で行うか、あるいは高温熱処理することに
より、高屈折率部の露出表面から高屈折率にするための
添加剤（ＧｅＯ２など）を拡散揮発させ、等価的境界面
を内部に移動させることにより、埋め込みを行うもので
ある。本発明は前記３主要工程を経て始めて作られるも
ので、以下実施例について説明する。

まず石英板からなる基板２０を用意する。

寸法は５０關角、厚さ１．５ｍ薦程度の大きさである。
これを第２図ａに示すような石英、アルミナ等の耐火材
料で作られた容器２１に入れ、白金−ロジウムヒータ２
２により１６００℃に加熱する。基板２０は第２図ｂに
示すように、酸化ジルコンなどの発熱体２３を高周波コ
イル２４を介して加熱してもよい。同時に容器２１内に
四塩化シリコン（ＳｉＣｊ４）蒸気を酸素ガスと共に導
入する。この混合ガスは、１２℃に保温された四塩化シ
リコン中に、毎分３００ｃｃの酸素ガスを吹き込み、四
塩化シリコン蒸気で飽和させた酸素ガスである。この状
態を５分間保持することにより、第３図Ｂに示すように
、厚さ３０μｍ（７）ＳｉＯ２ガラス層３１が基板２０
の上に形成された。続いて四塩化シリコンに吹き込む酸
素ガス流量を毎分２５ｃｃにし、６℃に保温された四塩
化ゲルマニユーム（α℃４）に毎分１０ｃｃの酸素を吹
き込んで得られたガスと混合し、容器内に導入する。

この状態を５分保持し、第３図Ｃに示すように、厚さ６
μｍ（１）ＳｉＯ２−ＧｅＯ２ガラス層３２が形成され
た。さらに次いで１２℃に保たれた四塩化シリコンで飽
和された酸素ガスを毎分３００ｃｃ導入して１分保持し
、第３図Ｄに示すように、厚さ６μｍのＳｌＯ２ガラス
膜３３を形成した後、基板温度を室温まで下げた。

次いでＳｉＯ２ガラス層３３の上に第３図Ｅに示すよう
に、厚さ２μｍのＴｉ層３４を、電子ビーム蒸着法また
は高周波スパツタ法で付け、さらにその上に第３図Ｆに
示すようにフオトレジスト（例えばシプレ一社ＡＺ−１
３５０）を厚さ２μｍ程度に塗布し、第３図Ｇに示すよ
うに導波路パターンをレジスト膜３５の上に露光し、レ
ジストを現像する。

プラズマエツチング装置（例えばＬＦＥ社１００２型）
により、ＣＦ４と０２の１：１の混合ガスを用いて、第
３図Ｈに示すように、Ｔｉ膜３４をエツチングした後、
残つたＴｉ膜３４をレジストとして、ガラス膜３１，３
２，３３のエツチングを行う。

この際、Ｔｉ膜３４の上に残留していたレジスト膜３５
は消失する。ガラス層のエツチングには、反応性プラズ
マスパツタエツチング装置（例えば日電バリアン社ＤＥ
Ｍ−４５１型装置）が適当であり、エツチングテーブル
の上にテーブルと同寸法の高純度カーボン板を置き、そ
の上に基板をのせる。エツチング室内にＣ２Ｆ６を２５
ｃｃ／分、Ｃ２Ｈ４を４。５ｃｃ／分の割合で導入し、
排気口を調整して室内圧力を３×１０−２Ｔ０ｒｒに保
持し、高周波（１３．５６ＭＨｚ）放電を行つた。

この状態で２００分エツチングを行つた結果、第３図Ｉ
に示すように、Ｔｉ膜３４を除去した部分のみが１５μ
ｍの深さまでエツチングされ、その境界面は基板表面と
８９度以上の角度を有し、ほぼ直角であつた。第３図Ｊ
に示すように、基板上に残留しているＴｉを先に用いた
プラズマエツチング装置で完全に除去した後、再度先に
用いたガラス合成用容器に入れ、１２℃に保たれた四塩
化シリコンで飽和させた酸素ガスを毎分３００ｃｃ導入
して１６００℃に３０分間保持した。その結果、エツチ
ングで露出した第２ガラス層（ＳｉＯ２−ＧｅＯ２ガラ
ス層３２）の側面からＧｅＯ２が揮散し、第３図Ｋに示
すように、その表面から深さ約１μｍははぼＳｉＯ２の
みとなると同時に、合成反応によつて作られたＳｉＯ２
ガラス層（被覆層）３６によつて、エツチングにより形
成されたリツジに埋め込まれた。ＳｉＯ２−ＧｅＯ２ガ
ラス層３２は、表面から約２００ｔｔｍの所まで埋め込
まれた。作られた導波路の損失を測定した結果、０．０
１ｄＢ／い以下であり、他の製法で作られた光導波路に
比べ、極めて低損失であることが確認された。

前記実施例において第３ガラス層３３の形成工程のみを
省略して作ることも可能である。この場合には、ガラス
層３６を形成する際、リツジ加工されたガラス層３２の
側面だけでなく、その上面からもＧｅＯ２が揮発し、ガ
ラス層３６と３２の実効的境界は、ガラス層３２の上面
から１μｍ程下になる。このようにガラス層３３を省略
することは、幾分の損失増を生じるが、ガラス層３６を
薄くし、ガラス層３６の上部に存在する物体の影響を積
極的に利用する場合には有効な方法である。

なお前記実施例の中で示した原材料及び処理条件は、こ
れに限定するものでなく、次に示すようなものであつて
もよい。

基板は処理温度に耐えるものであればよく、水晶（Ｓｌ
Ｏ２），ＬｉＴａＯ３、サファイア（祐０３）、アルミ
ナ（ＭＰ３）などでもよく、結晶の場合には非線形光学
効果素子、偏光素子を作ることができる。

ガラス層を形成する際に使用する原料としては、ＳｉＣ
．／４の代わりにＳｉＨ４，ＳｉＨＣムなどでもよい。
またガラス層を作る際、ＢＣム，ＰＣ．／／３などＢ，
Ｐの塩化物を導入し、ガラス中にＢ２Ｏ３，Ｐ２Ｏ５を
添加すると、ガラス形成温度を低減することができる。
ガラス層３１，３２，３３，３６は前述の理論または他
の設計条件によつてその厚さが決められるが、１ｍ露以
上の厚いガラス層を形成する場合には、次に示す方法が
有効である。

厚いガラス層が必要とされることは、実際上、ガラス層
３１及び３６について多く発生する。この層を厚くする
ことにより、基板２０やガラス層３６の表面の影響を少
なくすることができ、さらに必要に応じてガラス層３６
の上に、前記製造工程を繰り返し行うことににより、多
層状に光導波路を作ることができる。以下、具体的な実
施例について説明する。ＳｉＣ．／４を１０％、ＢＣム
を１％含有するアルゴンガスを毎分３００ｃｃの割合で
酸水素炎中に吹き込み、火炎中で加水分解反応により生
成された直径５００〜１０００λのガラス微粒子を、第
３図Ｊに示すような状態まで加工した基板の上に吹き付
ける。

５分間吹き付けることにより、ガラス微粒子を５ＷＬ１
の厚さに堆積させた後、ヘリウムまたはアルゴンなどの
不活性ガス中で１６５０℃に加熱し、５分間保持した結
果、基板表面は厚さ１．２關の透明なガラス層（ガラス
層３６に相当）で被覆された。

この加熱温度は、１５００℃以下ではガラス層が透明化
されず、また１７００℃以上ではＳｉＯ２が揮発し易い
ので、１５００℃〜１７００℃が望ましい。

以上のようにこの方法によれば、短時間で厚いガラス層
を形成することができる。

特殊な目的の光導波路を作るために、前記酸化物を添加
する代わり、または共に添加することにより、次に示す
ような機能を有する素子を作ることができる。

すなわちＮｄ２Ｏ３，Ｙｂ２Ｏ３，ＨＯ２Ｏ３，Ｅｒ２
Ｏ３，Ｔｍ２Ｏ３などを添加することにより、レーザ機
能を実現でき、またＣｅＯ３，ｐｒ２Ｏ３，Ｅｕ２Ｏ３
，Ｔｂ２Ｏ３，Ｄｙ２Ｏ３，ＰｂＯ，Ｔム０，Ｂｉ２０
３，Ｓｂ２０３などを添加することにより、磁界によつ
て光の偏波面を回転させるフアラデー素子を作ることが
できる。

ガラス層３１，３２，３３にＰ２Ｏ５，Ｂ２Ｏ３などを
添加する場合には、それぞれＰＣム，Ｔ＄ｙ！，３など
の蒸気を必要量、酸素及び他のガラス原料と共に、反応
容器２１に導入すればよい。またガラスをエツチングす
るのに用いる反応性スパツタエツチング法で使用するガ
スは、ＣＦ４，Ｃ２Ｆ６などのふつ化炭素ガスとＣＨ４
Ｃ２Ｈ４などの炭化水素ガスなら何でもよく、また被エ
ツチング物をのせる電極板は、カーボンの他、ちつ化ボ
ロン（ＢＮ）ふつ化カルシユーム（ＣａＦ２）など、酸
素を含まない物質であれば何でもよい。

以上説明したように、本発明の光導波回路の製造方法は
、高温でガラス層を合成することにより、散乱損失の小
さい導波用ガラスを作り、次いで反応性スパツタエツチ
ングにより、矩形断面の導波回路パターンを形成し、さ
らに加工表面を熱的に処理した後、埋め込むことにより
加工表面の凹凸の影響を減じているので、従来にない低
損失の光導波回路を、任意のパターンに従つて再現性良
く作ることができる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は添加酸化物を含有するシリカガラスのＣ２Ｆ６
，ＣＨ４混合ガス中におけるエツチング速度とＴｉのエ
ツチング速度との比を示すグラフ、第２図は高温ＣＶＤ
装置の概略図、第３図は本発明による光導波回路の作製
工程を示す図である。 ２０・・・・・・基板、２１・・・・・・容器、２２・
・・・・化一タ、２３・・・・・・発熱体、２４・・・
・・・高周波コイル、３１・・・・・・ＳｉＯ２ガラス
層（第１ガラス層）、３２・・・・・・ＳｉＯ２−Ｇｅ
Ｏ２ガラス層（第２ガラス層）、３３・・・・・・Ｓｉ
Ｏ２ガラス膜（第３ガラス層）、３４・・・・・・Ｔｉ
層、３５・・・・・・フオトレジスト、３６・・・・・
・ＳｉＯ２ガラス層（被覆層）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 耐火性材料で作られた平らな面を有する基板の上に
   、基板温度を１２００℃〜１６５０℃に保ち、化学的気
   相成長法（ＣＶＤ法）によつて第１ガラス層を形成した
   後、第１ガラス層より屈折率の高い第２ガラス層を形成
   し、次いで第２ガラス層より屈折率の低い第３ガラス層
   を形成する工程と、反応性スパッタエッチングにより前
   記ガラス層の一部を所望のパターンに従つて除去する工
   程と、前記基板を１２００℃〜１６５０℃の温度に保持
   し、前記エッチングによつて露出した第２ガラス層の表
   面から屈折率を高めるための添加剤を揮発させる工程と
   、エッチング加工した表面を第２ガラス層よりも屈折率
   の低いガラスで被覆する工程とを有することを特徴とす
   る光導波回路の製造方法。 ２ 耐火性材料で作られた平らな面を有する基板の上に
   基板温度を１２００℃〜１６５０℃に保ち、化学的気相
   長法（ＣＶＤ法）によつて第１ガラス層を形成した後、
   第１ガラス層より屈折率の高い第２ガラス層を形成する
   工程と、反応性スパッタエッチングにより前記ガラス層
   の一部を所望のパターンに従つて除去する工程と、前記
   基板を１２００℃〜１６５０℃の温度に保持し、前記エ
   ッチングによつて露出した第２ガラス層の表面から屈折
   率を高めるための添加剤を揮発させる工程と、エッチン
   グ加工した表面を第２ガラス層よりも屈折率の低いガラ
   スで被覆する工程とを有することを特徴とする光導波回
   路の製造方法。 ３ 耐火性材料で作られた平らな面を有する基板の上に
   基板温度を１２００℃〜１６５０℃に保ち、化学的気相
   成長法（ＣＶＤ法）によつて第１ガラス層を形成した後
   、第１ガラス層より屈折率の高い第２ガラス層を形成し
   、次いで第２ガラス層より屈折率の低い第３ガラス層を
   形成する工程と、反応性スパッタエッチングにより前記
   ガラス層の一部を所望のパターンに従つて除去する工程
   と、前記基板を１２００℃〜１６５０℃の温度に保持し
   、前記エッチングによつて露出した第２ガラス層の表面
   から、屈折率を高めるための添加剤を揮発させる工程と
   、最後に、エッチング加工した表面に、ガラス微粒子を
   付着させた後、１５００℃〜１７００℃の温度で加熱す
   ることによつて第２ガラス層より屈折率の低いガラスを
   形成して、前記エッチング加工した表面を被覆する工程
   とを有することを特徴とする光導波路の製造方法。 ４ 耐火性材料で作られた平らな面を有する基板の上に
   基板温度を１２００℃〜１６５０℃に保ち、化学的気相
   成長法（ＣＶＤ法）によつて第１ガラス層を形成した後
   、第１ガラス層より屈折率の高い第２ガラス層を形成す
   る工程と、反応性スパッタエッチングにより前記ガラス
   層の一部を所望のパターンに従つて除去する工程と、前
   記基板を１２００℃〜１６５０℃の温度に保持し、前記
   エッチングによつて露出した第２ガラス層の表面から、
   屈折率を高めるための添加剤を揮発させる工程と、最後
   に、エッチング加工した表面に、ガラス微粒子を付着さ
   せた後、１５００℃〜１７００℃の温度で加熱すること
   によつて第２ガラス層より屈折率の低いガラスを形成し
   て、前記エッチング加工した表面を被覆する工程とを有
   することを特徴とする光導波路の製造方法。