JPS63180910A - Flush type light guide - Google Patents

Flush type light guide

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JPS63180910A
JPS63180910A JP1302587A JP1302587A JPS63180910A JP S63180910 A JPS63180910 A JP S63180910A JP 1302587 A JP1302587 A JP 1302587A JP 1302587 A JP1302587 A JP 1302587A JP S63180910 A JPS63180910 A JP S63180910A
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JP
Japan
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refractive index
cladding layer
layer
core
core part
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Application number
JP1302587A
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Japanese (ja)
Inventor
Masafumi Seki
雅文 関
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Nippon Sheet Glass Co Ltd
Original Assignee
Nippon Sheet Glass Co Ltd
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Abstract

PURPOSE:To form a low-loss light guide by using the light guide which has a refractive index difference between a core and clad as a distribution type and is decreased in the refractive index difference at the boundary face thereof as the light guide on a semiconductor substrate. CONSTITUTION:After a transparent material layer to serve as a 1st clad layer 2 is formed on the substrate 1, a core layer 3 consisting of multi-component glass is formed thereon and is made into a core part 3A having a high refractive index by channeling. Said core part is then embedded by the 2nd clad layer consisting of multi-component glass. The refractive indices of the distribution type are thereafter formed to the core part 3A and the 2nd clad layer 4 by the ion exchange of the ion A to increase the refractive index and the ion B to lower the refractive index between the core part 3A and the 2nd clad layer 4. A method of preparing the core part by a sputtering method using the same glass layer as the clad layer 4 as a target, then bringing said part into contact with a fused salt contg. the ion A and increasing at least part of the refractive index in the core part by the ion exchange with the ion B in the core part is used as the method for forming the core part 3B. The flush type light guide of a small propagation loss is thereby realized on the semiconductor substrate.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光フアイバ通信、光フアイバセンサ等に用い
る光導波路デバイスに関し、特に発光受光素子を含む電
気素子との集積化が可能な複合集積用埋込み光導波路デ
バイスに関する。
Detailed Description of the Invention [Field of Industrial Application] The present invention relates to an optical waveguide device used for optical fiber communication, optical fiber sensors, etc., and in particular to a composite integrated device that can be integrated with electric elements including light emitting and receiving elements. Embedded optical waveguide device.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

光7アイパ通信用および光フアイバセンサ用等に用いら
れる各種導波路と受発光素子および電気素子とを集積化
する方法としては、例えば第2図に示すものが知られて
いる。これはAppliedPhysics Lett
ers (/り73年、第2λ巻、≠63頁)にり、 
B、 0STROWSKYらが報告したもので、シリコ
ン基板(21)上に、SiO2のクラッド層(22)と
ガラスのコア層(23)を形成し、回折格子結合器(2
4)により入射された光をP+領域(25)K導いて受
光する光−電気複合集積光導波路デバイスである。第2
図において(26)は電極、(27)はバイアス電圧電
源を示している。この装置においては、光導波路(28
)とその終端にある受光素子(2つ)とを形成するため
の基板として、電気素子の作!+が容易なシリコン基板
を用いているため、複合集積化が可能である利点をもっ
ていた。この光導波路は埋込み型ではないが、複合集積
化に適した埋込み導波路を形成する方法としては、例え
ば第3図に示すものが知られている。これは昭和67年
度電子通信学会総合全国大会(予稿集AqO/)に安ら
か報告したもので、シリコン基板(31)にクラッド層
としてSio2 g (32)とコア部として5iTi
02層(33)を形成した徒に、該5iTi02層をチ
ャンネル化し埋込み用クラッドの8102層(34)で
埋込む方法である。Si○2N(32)、(34)と5
iTi○2N(33)の形成には、5iCJ4−Ti(
J4系を原料とする火炎堆積法が使われており、一つの
層の比屈折率差△を適当な値に設定することができる。
For example, the method shown in FIG. 2 is known as a method for integrating various waveguides, light receiving and emitting elements, and electric elements used for optical 7-eye communication, optical fiber sensors, and the like. This is Applied Physics Lett
ers (1973, Volume 2, page ≠63),
B. 0STROWSKY et al. reported that a SiO2 cladding layer (22) and a glass core layer (23) are formed on a silicon substrate (21), and a diffraction grating coupler (2) is formed on the silicon substrate (21).
4) is an optical-electrical composite integrated optical waveguide device that guides the incident light to the P+ region (25)K and receives the light. Second
In the figure, (26) represents an electrode, and (27) represents a bias voltage power source. In this device, an optical waveguide (28
) and the light-receiving element (two) at its end, as a substrate to create an electric element! Since it uses a silicon substrate that is easy to add, it has the advantage of being able to be integrated into multiple structures. Although this optical waveguide is not a buried type, a method shown in FIG. 3, for example, is known as a method of forming a buried waveguide suitable for complex integration. This was reported peacefully at the 1988 IEICE General Conference (Proceedings AqO/), and it is based on a silicon substrate (31) with Sio2 g (32) as the cladding layer and 5iTi as the core part.
In this method, after forming the 02 layer (33), the 5iTi02 layer is made into a channel and embedded with the 8102 layer (34) of the embedding cladding. Si○2N (32), (34) and 5
For the formation of iTi○2N (33), 5iCJ4-Ti (
A flame deposition method using J4-based material is used, and the relative refractive index difference Δ of one layer can be set to an appropriate value.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

しかしながら、上記従来のシリコン基板上の導波路作製
法においては、複雑で高価な火炎堆積装置が不可欠であ
るという点、および形成された導波路の屈折率分布がス
テップ型であるため、チャンネル化した5iTi○2層
(33)とSiO2層(34)と間の境界面のゆらぎに
より散乱損失が大きくなりがちで低損失な導波路が得に
くいという点等の重大な問題点があった。このため、複
合集積化が可能なシリコン基板上に低損失な導波路を形
成するだめの簡便な方法が希求されていた。
However, in the conventional method for fabricating waveguides on silicon substrates, a complicated and expensive flame deposition device is essential, and the refractive index distribution of the formed waveguide is step-shaped. There were serious problems such as scattering loss tending to increase due to fluctuations in the interface between the 5iTi○2 layer (33) and the SiO2 layer (34), making it difficult to obtain a low-loss waveguide. Therefore, there has been a need for a simple method for forming a low-loss waveguide on a silicon substrate that allows for multiple integration.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

上記従来の問題点を解決するために、本発明は半導体基
板上の導波路として、コアとクラッドの間の屈折率差を
分布型とし、その境界面での屈折率差を減少させた導波
路を用いた。
In order to solve the above conventional problems, the present invention provides a waveguide on a semiconductor substrate in which the refractive index difference between the core and the cladding is distributed, and the refractive index difference at the interface is reduced. was used.

すなわち本発明は、基板上に作成された低屈折率誘電体
からなる第1のクラッド層と、該第1のクラッド層上の
一部分に作成された高屈折率誘電体からなるコア部と、
該第1のクラッド層上及び該コア部上に作成された低屈
折率誘電体からなる第2のクラッド層とからなる光導波
路において、少なくとも該コア部と該第2のクラッド層
の間で屈折率への寄与穴なるイオンと屈折率への寄与小
なるイオンの交換を生ぜしめ該コア部と該第2のクラッ
ド層の間の屈折率変化をなめらかな分布とした。
That is, the present invention includes a first cladding layer made of a low refractive index dielectric material created on a substrate, a core part made of a high refractive index dielectric material created on a part of the first cladding layer,
In an optical waveguide consisting of the first cladding layer and a second cladding layer made of a low refractive index dielectric formed on the core part, refraction occurs at least between the core part and the second cladding layer. This causes the exchange of ions, which are holes contributing to the refractive index, and ions, which make a small contribution to the refractive index, and makes the change in refractive index between the core portion and the second cladding layer smooth.

本発明に使用出来る半導体基板としてはシリコン基板の
他、GaAS基板やInP基板がある。
Semiconductor substrates that can be used in the present invention include silicon substrates, GaAS substrates, and InP substrates.

本発明の導波路を作製するには、まず基板に第1のクラ
ッド層となる透明物質層を形成した後に、多成分ガラス
のコア層を形成してチャンネル化により屈折率の高いコ
ア部とし、次いで多成分ガラスの第2のクラッド層で埋
込み、その徒歩なくともコア部と第2のクラッド層の間
において屈折率を高めるAイオンと屈折率を低めるBイ
オンとのイオン交換によりコア部と第2のクラッド層に
分布型の屈折率を形成する。
To fabricate the waveguide of the present invention, first, a transparent material layer serving as a first cladding layer is formed on a substrate, and then a core layer of multi-component glass is formed to form a core portion with a high refractive index by channeling. Next, a second cladding layer of multi-component glass is embedded, and the core and the second cladding layer are bonded by ion exchange between A ions, which increase the refractive index, and B ions, which decrease the refractive index, at least between the core and the second cladding layer. A distributed refractive index is formed in the second cladding layer.

コア部を形成する方法としては、屈折率の高いガラスを
ターゲットとしたスパッタ法や、クラッド層と同一のガ
ラス層をターゲットとしてスパッタ法で作製した後にA
イオンを含む溶融塩と接触させ、コア部のBイオンとの
間のイオン交換によりコア部の屈折率を少なくとも一部
分高める方法が使用できる。
The core part can be formed by sputtering using glass with a high refractive index as a target, or by sputtering using the same glass layer as the cladding layer as a target and then forming the core by sputtering.
A method can be used in which the refractive index of the core portion is at least partially increased by contacting with a molten salt containing ions and ion exchange with B ions in the core portion.

〔作 用〕[For production]

本発明によれば半導体基板上の埋込み導波路が屈折率分
布型となっているため、コア部とクラッド部の境界面に
ゆらぎがあっても散乱損失やモード変換の影響を小さく
抑えることができ、この埋込み導波路は低損失な半導体
基板上の導波路として機能する。また、実施例の説明で
示した方法を用いればこの導波路は簡便な装置で作製す
ることができる。
According to the present invention, since the buried waveguide on the semiconductor substrate is of a gradient index type, even if there is fluctuation at the interface between the core part and the cladding part, the effects of scattering loss and mode conversion can be suppressed to a small level. , this buried waveguide functions as a low-loss waveguide on the semiconductor substrate. Further, by using the method shown in the explanation of the embodiment, this waveguide can be manufactured with a simple device.

〔実 施 例〕〔Example〕

次に図面を用いて本発明のl実施例を説明する。 Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

第7図は本発明による埋込み光導波路の作製プロセス及
び最終構造を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing the fabrication process and final structure of a buried optical waveguide according to the present invention.

第1図(alにおいて、/は研磨表面をもつシリコン基
板であり、コはシリコン基板/を熱酸化して得られた二
〇化シリコンの第1のクラッド層であり、3はスパッタ
で形成された多成分ガラスのコア用ガラス層である。上
記の熱酸化工程は、水蒸気を含んだ空気を70−させた
高m′rIt気炉にシリコン基板lを入れて高温にさら
すこと等で実現される。第1のクラッド層コは導波され
る光がシリコン基板lに達しない様に引能することが必
要であり、少なくとも′f&ioμmの厚みを持つこと
が望ましい。コア用ガラスN3は以下に説明する工程に
おいてイオン交換法により屈折率を高める必要があるの
で、少なくとも一種以上のアルカリ金属イオン(例えば
Li、に+Naイオン等)を少量含有していなければな
らない。1例としては、SiO2゜B2O3,AJ20
3.に20.Na2O及び2価(7)フルカリ土類酸化
物等からなるアルミノボロシリケートガラスが有効であ
る。コア用ガラス層3の厚みは数〜lOμm程度である
ことが望ましい。
In Figure 1 (al), / is a silicon substrate with a polished surface, ko is the first cladding layer of silicon dioxide obtained by thermally oxidizing the silicon substrate /, and 3 is a silicon substrate formed by sputtering. This is a glass layer for the core of multi-component glass.The above thermal oxidation process is achieved by placing the silicon substrate l in a high m'rIt furnace containing air containing water vapor and exposing it to high temperature. The first cladding layer is required to prevent the guided light from reaching the silicon substrate, and it is desirable to have a thickness of at least 'f&ioμm.The core glass N3 is as follows. In the process described, it is necessary to increase the refractive index by an ion exchange method, so it is necessary to contain a small amount of at least one kind of alkali metal ion (for example, Li, +Na ion, etc.).As an example, SiO2゜B2O3 ,AJ20
3. 20. Aluminoborosilicate glass made of Na2O, divalent (7) flukaline earth oxide, etc. is effective. The thickness of the core glass layer 3 is preferably about several to 10 μm.

第3図(b)は、コア用ガラス層3をフォトリングラフ
ィとエツチングによりチャンネル化した後、溶融塩等の
イオン交換用媒質中のAイオンとコア用ガラス層3中の
Bイオンとのイオン交換によりした状態を示しているっ
上記のイオン交換プロセスのためには、7例としてAイ
オンがTlイオンである様な溶融塩、即ちTl2SO4
:に2SO4:Zn5O4−io : tts : I
Irの割合にした混合塩を用いることができる。屈折率
を上昇させるためのイオン交換の方法については、例え
ば経営システム研究所発行の「新しいガラスとその物性
」に記述されている。中間段階コア部3Aの屈折率分布
は完全にイオン交換が完了し、ステップ型分布となって
いることが望ましく、またコア部3Aのイオン交換後の
屈折率は、目的とする光導波路の設計に応じて適切な値
となっていることが望ましい。
FIG. 3(b) shows ions of A ions in an ion exchange medium such as molten salt and B ions in the core glass layer 3 after the core glass layer 3 is made into channels by photolithography and etching. For the above ion exchange process, for example, a molten salt in which the A ion is a Tl ion, that is, Tl2SO4
:ni2SO4:Zn5O4-io : tts : I
A mixed salt proportioned to Ir can be used. The ion exchange method for increasing the refractive index is described, for example, in ``New Glass and its Physical Properties'' published by Management System Research Institute. It is desirable that the refractive index distribution of the intermediate stage core portion 3A is a step-type distribution after complete ion exchange, and the refractive index of the core portion 3A after ion exchange is determined according to the design of the intended optical waveguide. It is desirable that the value is appropriate.

第3図(C)は、第3図(blの工程のあとコア部3A
及び第1のクラッド層λ上に多成分ガラスの第2のクラ
ッド層lを形成し、その後コア部3Aと第2のクラッド
層弘との間のイオン交換により、コア53にと第2のク
ラッド層lとの間の境界付近に分布型の屈折率分布が形
成された状態を示している。上記のイオン交換工程は第
一のクラッド層ダの形成されたシリコン基板lをある温
度以上にすることで容易に実現される。このイオン交換
により、コア部3Aは屈折率が少なくとも一部分下がっ
た分布型になった最終コア部3Bとなり、同時に第一の
クラッド彫りの中のコア部3BVCm接した領域に屈折
率が上がった分布型のクラッド部4(/が形成される。
Figure 3 (C) shows the core part 3A after the process of Figure 3 (bl).
A second cladding layer l of multi-component glass is formed on the first cladding layer λ, and then the core 53 and the second cladding layer are formed by ion exchange between the core portion 3A and the second cladding layer λ. This shows a state in which a distributed refractive index distribution is formed near the boundary between the layer 1 and the layer 1. The above ion exchange step is easily realized by heating the silicon substrate l on which the first cladding layer is formed to a certain temperature or higher. As a result of this ion exchange, the core part 3A becomes a final core part 3B with a distributed type in which the refractive index is at least partially lowered, and at the same time, the region in contact with the core part 3BVCm in the first clad carving becomes a distributed type with an increased refractive index. A cladding portion 4 (/) is formed.

この工程によりコア部3Bとクラッド部tIlの境界の
屈折率差はイオン交換前より小さくすることができる。
Through this step, the refractive index difference at the boundary between the core portion 3B and the cladding portion tIl can be made smaller than before ion exchange.

第2のクラッド層ψに用いられる多成分ガラスとしては
コア用ガラス層3と同一のものが使用可能であるが、A
イオンと交換して屈折率が上がる様な1価イオンを含ん
でいれば他の多成分ガラスでも使用可能である。特に第
2のクラッド層ゲとコア用ガラス層3を同一にして、イ
オン交換条件を適切に定めれば両者の間の屈折率差を実
質上ゼロにすることかで宜る。
As the multi-component glass used for the second cladding layer ψ, the same glass as the core glass layer 3 can be used, but A
Other multi-component glasses can also be used as long as they contain monovalent ions that can be exchanged with ions to increase the refractive index. In particular, if the second cladding layer and the core glass layer 3 are made the same and the ion exchange conditions are appropriately determined, the difference in refractive index between them can be made substantially zero.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明によれば従来不可能であった連続的な屈折率分布
を有して伝搬損失の小さな埋込み導波路を半導体基板上
に実現することができる。
According to the present invention, a buried waveguide with a continuous refractive index distribution and low propagation loss, which was previously impossible, can be realized on a semiconductor substrate.

本発明の導波路を用いると低損失で半導体基板上の受光
・発光素子間および外部との間を結合させることができ
、複合集積導波路デノぐイスを構成するのに有効である
By using the waveguide of the present invention, it is possible to couple between the light receiving and light emitting elements on the semiconductor substrate and the outside with low loss, and it is effective for constructing a composite integrated waveguide device.

なお、半導体基板がシリコン基板以外である時は第1の
クラッド層として、スパッタ法で形成したSiO2層等
を用いればよい。
Note that when the semiconductor substrate is other than a silicon substrate, a SiO2 layer formed by sputtering or the like may be used as the first cladding layer.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の実施例の内部構造及び作製工程を示す
断面図であり、第2図は従来の光導波路−受光素子複合
集積デバイス、第3図は従来の半導体基板上埋込み光導
波路である。 l・・・・・シリコン基板 2・・・・・・第1クラッ
ド層3・・・・・・コア用ガラスFf/j3A・・・・
・・中間段階コア部3B・・・・・・tgコア部 ダ・
・・・・・第2クラッド層L/・・・・・・屈折率分布
クラッド部第1図 第2図 第3図 手  続  補  正  書 昭和Ω年り月十日
FIG. 1 is a sectional view showing the internal structure and manufacturing process of an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a conventional optical waveguide-light receiving element composite integrated device, and FIG. 3 is a conventional optical waveguide embedded on a semiconductor substrate. be. l... Silicon substrate 2... First cladding layer 3... Core glass Ff/j3A...
...Intermediate stage core part 3B...tg core part Da-
...Second cladding layer L/...Refractive index distribution cladding part Fig. 1 Fig. 2 Fig. 3 Procedure Correction Book Showa Ω Year Month 10th

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)基板上に作成された低屈折率誘電体からなる第1
のクラッド層と、該第1のクラッド層上の一部分に作成
された高屈折率誘電体からなるコア部と、該第1のクラ
ッド層上及び該コア部上に作成された低屈折率誘電体か
らなる第2のクラッド層とからなる光導波路において、
少なくとも該コア部と該第2のクラッド層の間で屈折率
への寄与大なるイオンと屈折率への寄与小なるイオンの
交換を生ぜしめ該コア部と該第2のクラッド層の間の屈
折率変化をなめらかな分布型としたことを特徴とする埋
込み光導波路。
(1) A first layer made of a low refractive index dielectric material created on a substrate.
a cladding layer, a core portion made of a high refractive index dielectric material formed on a portion of the first cladding layer, and a low refractive index dielectric material formed on the first cladding layer and the core portion. In an optical waveguide consisting of a second cladding layer consisting of,
refraction between the core portion and the second cladding layer, causing exchange of ions having a large contribution to the refractive index and ions having a small contribution to the refractive index between the core portion and the second cladding layer; A buried optical waveguide characterized by a smooth distribution type of rate change.
(2)前記コア部がアルカリ一価金属およびタリウムイ
オンからなるイオン群より選ばれた1種以上のイオン種
を含むガラスであり、前記クラッド層が多成分ガラスで
ある特許請求の範囲第1項記載の埋込み光導波路。
(2) Claim 1, wherein the core portion is a glass containing one or more types of ions selected from the ion group consisting of alkali monovalent metals and thallium ions, and the cladding layer is a multicomponent glass. Embedded optical waveguide described.
(3)前記基板が単結晶のシリコン基板であり、前記第
1のクラッド層が該シリコン基板の熱酸化により得られ
たSiO_2層である特許請求の範囲第1項記載の埋込
み光導波路。
(3) The buried optical waveguide according to claim 1, wherein the substrate is a single-crystal silicon substrate, and the first cladding layer is a SiO_2 layer obtained by thermal oxidation of the silicon substrate.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS57202505A (en) * 1981-06-06 1982-12-11 Nippon Sheet Glass Co Ltd Production of optical circuit

Patent Citations (1)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS57202505A (en) * 1981-06-06 1982-12-11 Nippon Sheet Glass Co Ltd Production of optical circuit

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