JPS63249804A - 石英系光導波膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、導波形光部品の構成要素である石英系光導波
路の出発材料である石英系光導波膜及びその製造方法に
関する。

〔従来の技術〕

石英ガラス基板やシリコン基板上に形成可能な石英系光
導波路は、石英系光ファイバとの整合性が良いことから
実用的な導波形光部品の実現手段として期待されている
。第５図は、石英系光導波路の従来の製造方法を説明す
るための工程図である（河内正夫「石英系光導波路の微
細加工」応用物理学会光学懇話会　微小光学研究グルー
プ機関誌１９８４．４７第１４巻、第２号、第３３〜３
８頁）。第５図において符号１１はＶリコン基板あるい
は石英ガラス基板、１２ａはバッファ用ガラス微粒子層
、１２ｂはバッファ層、１３ａはコア用ガラス微粒子層
、１３ｂはコア層、１３ｃはコア路、１４はクラッド層
ガラスを意味する。

以下、工程順に説明すると、（５Ｌ）基板１１上に５ｉ
ＣＬ４を主成分とするガラス形成原料ガスの火炎加水分
解反応によりパツファ用ガラス微粒子層１２ａ、コア用
ガラス微粒子層１３ａを順次堆積する。（ｂ）ガラス微
粒子膜を基板と共に電気炉中で加熱透明化して、バッフ
ァ層１２ｂ１コア層１５ｂから成る石英系光導波膜とす
る。（ｃ）コア層１３ｂの不要部分を反応性シメンエツ
チング法により除去して、リッジ状のコア路１５ｃを形
成する。（ｄ）コア路１３ｃを覆うようにバッファ層と
同等の屈折率値を有するクラッド層ガラス１４を堆積す
る。クラッド層ガヲスの堆積には、再度、火炎加水分解
反応を利用する、又は８１０！板をターゲットとするス
パッタ法を利用する等の方法が用いられる。

第５図記載の方法により、ＣＬ　１　ｄＢ／ｍオーダー
の比較的低損失な石英系光導波路を得ることはできるが
、更にα１ｄＢ／ａ１１以下のより高品質な石英系先導
波路を再現性良く央現することが困難であった。本発明
者らが、その理由を鋭意検討した結果、原因の大中は、
反応性イオンエツチングによるｇｋ細加工前の石英系光
導波膜にあることが判明した。石英系光導波膜は、ガラ
ス微粒子膜を電気炉中で加熱透明化することにより得ら
れる膜厚数１０μｍの石英系ガラス厚膜であるが、透明
化が不十分であシ、わずかな「曇シ」が石英系先導波膜
に残っているのである。

このｇｈシの無い完全に透明に石英系光導波膜を得るに
は、加熱透明化時の最終到達温度を充分高温に設定する
ことが有効であるが、従来、基板材質に起因する次のよ
うな問題点があった。

すなわち、石英ガラス基板では、加熱透明化温度が約１
２５０℃を越えると、基板の軟化が生じ、基板のそシや
ゆがみ等の塑性変形が生じ、その後のフォトリソグツフ
ィ一工程等の微細加工による光導波路の形成に支障が生
じ、実際には、１３５０℃を越える透明化温度を設定す
ることは不可能であった。

ｙｙコン基板の場合には、石英ガラス基板に見られた塑
性変形を生ずるととな（１４０００近くまで透明化温度
を上げることができるが、クリコン基板の融点が１４１
２℃であることから、１４００℃を越えて透明化温度を
設定することは危険であシ、不可能であった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このように、従来、透明化温度は実質的に１０００℃〜
１４００℃を上限とされていた丸め、完全に透明な石英
系光導波膜が得られなかったのである。この事情は、基
板による制約が無く、２０００℃に近い高温に加熱され
た状態で線引きファイバ化される低損失石英系光ファイ
バと対照的である。

本発明の目的は、基板材質に起因する上記の問題点を解
決した高品質な石英系光導波膜及びその製造方法を提供
することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明を概説すれば、本発明の第１の発明は石英系光導
波膜に関する発明であって、高融点酸化物単結晶基板と
、該基板上で高温で焼結された、コア層を含む石英系ガ
ラス厚膜とを包含することを特徴とする。

そして、本発明の第２の発明は石英系光導波膜の製造方
法に関する発明であって、高融点酸化物単結晶基板上に
、ガラス形成原料ガスの火炎加水分解反応により生成し
たガラス微粒子を吹付けて堆積させ、コア用ガラス微粒
子層１＆むガラス微粒子膜とし、その後、基板ごと高温
に加熱し、該ガラス微粒子膜を透明ガラス化することを
特徴とする。

本発明は、石英系光導波膜の基板としてに融点酸化物単
結晶板を用い、高温、例えば１４００℃以上の高温で、
更に望ましくは１５００℃以上の高温でガラス微粒子膜
を加熱透明化することにより、完全透明な高品質石英系
光導波膜と２： することを最も主要な特徴とする。従来の技術とは、基
板の大幅な変形や溶解を伴うこと無く高品質石英系光導
波膜を提供できる点で大きく異なる。

高融点酸化物単結晶基板の融点は透明ガラス化温度よシ
も高い必要があることはもちろんであるが、更にアルカ
リ金属等の石英系ガラスの結晶化を招き易い構成元素を
含ｔａいことが必要である。

更に透明ガラス化温度から室温までの間に結晶変態温度
などを含まないことが望ましい。

また、実用土の観点からは、基板が比較的安価であるこ
とが望ましい。上記の観点から、本発明者らが選定した
高融点酸化物単結晶基板は、サファイア（ＡＩ４ｏｓ単
結晶）基板である。サファイア基板の融点は２０４９℃
と高く、耐熱性や機械的強度が高く、また安価に入手す
ることができる。

以下、サファイア基板を用いた例について、本発明の実
施例を詳述するが、価格さえいとわなければ、本発明の
目的には、弛め高融点酸化物単結晶基板（ＹＡ（）単結
晶板など）を用いることもできる。

また、後記の実施例における光導波膜は、基板上のバッ
ファ層、コア層とから成っているが、コア層の上部に更
にクラッド層を設は大構造も本発明に含まれることはい
うまでもない。また、コア層の厚みが数Ｐ輌〜ＩＱｐ鯛
程度の単一モード用先導波喚ばかシでなく、５ｏｐｖｎ
程度のコア層厚をもつ多毛−ド用光導波膜も本発明に含
まれることも、もちろんである。更に、このような石英
系光導波膜を加工して得られるチャネル状光導波路も、
本発明の応用例である。

サファイア基板上の石英系先導波膜には、室温状朗で、
膜側が凸になるわずかなそシが見られたが、従来の石英
ガラス基板を用いた場合と異なシ、そシは塑性変形によ
るものではなく、−？７アイア基板と石英系先導波膜の
熱膨張係数差に基づく弾性変形であ〕、真空ステ〒ジ上
で基板下部から真空吸引するとそシは完全に解消される
性質のものである。したがって、Ｖシスト塗付、露光等
のフォ）！ソグラフィ一工程による光導波膜の微細加工
には全く支障がない。

同様の弾性変形そシは、Ｖリコン基板を用いた場合（但
し透明ガラス化温度は１３５０’Ｃ）にも観察されたが
、基板厚が同一の場合、七シはサファイア基板の場合の
方が小さかった。また、サファイア基板上ではＶリコン
基板上と同様に石英系光導波膜には圧縮応力が作用する
が、石英系ガラスは、圧縮応力には強いため光導波膜に
ひび割れ等の発生は皆無であった。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、
本発明はこれら実施例に限定されない。

実施例１ 第１図は本発明の石英系光導波１１ｆｉ（単一モード用
）の一実施例の断面図であり、１は高融点酸化物単結晶
基板としてのサファイア（ＡＴＯｓ単結晶）基板、２は
石英系ガラスバッファ層、３は石英系ガラスコア層であ
る。

サファイア基板１の直径は７５ｍ、厚みはａ５■である
。「Ｒ面」でも「０面」でもよい。バッファ層２の厚み
は２０１１ｍ、コア層３の厚みは８μｍである。コア層
には、屈折率制御用ドーパ／、）　トＬ／てＴｉｅ、が
添加されておシ、コア・クラッド間の比屈折率差はΔ＝
ａ２５ＸＫｉｌ！ｍ節されている。バッファ層２及びコ
ア層３はサファイア基板ＩＫ堆積したガラス微粒子膜を
１５００℃の高温で透明ガラス化することＫよ〕形成し
た。

本実施例において、コア層３と基板１の間にバッファ層
２を設けた理由は次の通シである。

すなわちサファイア基板の屈折率は石英系ガフスコア層
３の屈折率よ一シも大きく、バッファ層なしで杜、コア
層を伝搬する光は、基板側に移行し、光導波膜としての
機能を果さないためである。バッファ層２の厚さは、お
おむねコア層Ｓの厚さ程度以上あれば充分である。バッ
ファ層２の別の役割は、基板１とガラス層の間にわずか
に存在すると考えられる界面不整（基板の表面研磨きず
等）の影響がコア層に及ばないようにすることである。

第２図は、サファイア基板上にガラス微粒子膜を堆積す
る装置の一構成例を示す模式図であり、２１はターンテ
ーブル、１はターンテーブル上に配置されたサファイア
基板、２３はテーブル駆動装置、２４はガラス微粒子合
成トーチ、２５はトーチ駆動装置、２６は原料ガス供給
装置、２７は排気管、２８は排ガス処理装置、２９は中
央制御装置である。これを動作させるには、原料ガス供
給装置２６から、ガラス微粒子合成トーチ２４にＳ　ｉ
　Ｃ１４を主成分とするガラス原料ガスと、酸・水緊ガ
ヌを供給し、トーチ先端の酸水素炎中でのガラス原料ガ
スの火炎加水分解反応によｉ、ｓｔｏ、を主成分とする
ガラス微粒子を合成し、これをターンテープ／Ｉ／２１
上に配置されたサファイア基板１上に堆積する。

堆積期間中にガラス形成原料ガス中の屈折率制御用ドー
バン）　（ＴｉＣ／４）の濃度を変化させることにより
、バッファ層とコア層を区別して形成することができる
。

以下、具体的な作製条件を示す。戻動直径１ｍのターン
テーブル上に直径７５ｍのサファイア基板を複数枚前べ
て、まず次の条件でバッファ層を堆積した。

テーブル回伝速度　　１０ｒｐｍ ｔ−チ移動速度　　５ｏａｋ／分 原料ガス供給速度　ＳｉＣ／４　１００叫／分ＢＣｔｓ
　　　Ｓ羊／分 ＰＣ／４　　　５１分 堆積時間　　　５０分 続いて屈折率制御用ドーパントとしてＴｉＣ４を１ｃｃ
Ｚ分の割合で原料ガスに追加して、更に２０分間コア層
を堆積した。

このようにして堆積したガラス微粒子膜を基板ごと電気
炉中に入れ、１５００℃まで５００℃／時のＪ！＋温速
変速度温度を上げ、１５００℃で１時間保持することに
より、透明ガラス化した。その後、室温付近まで炉冷す
ることにより第１図の石英糸光導波襖とした。

上記の工程を経て作製された第１図の構造の石英系光導
波膜は、極めて透明であり、失透（結晶化）等の望まし
くない現象は見られなかった。基板である人１４０３結
晶と石英系ガラス膜が直接、接して高温にまで加熱され
ているにもかかわらす失透現象が見られないのは驚異的
ともいえるが、石英系ガラス膜にわずかに添加されてい
るＢ、ｏｓ酸成分Ｐ、　ｏ、成分が失透“防止の役割を
果しているとも推察される。

実施例２ 第３図は、本発明の作用をより明確に説明するために、
透明ガラス化温度を故意に変化させて光導波膜を作製し
、光伝搬損失との相関を調べ九結果を透明ガラス化温度
（℃、横軸）と光伝搬損失（ｄＢ／ａｍ、縦軸）との関
係で示すグラフである。

本実施例に使用したサファイア基板は直径１２５＋ｗ、
厚さ１−のものであシ、光導波膜の形成条件は実施例１
と同等である。作製した透明ガラス化温度の異なる光導
波膜に反応性イオンエツチングによる微細加工を施し、
幅１諺、長さ１１〜１０５１の直線状のテスト光導波路
をそれぞれ形成し、光伝搬損失を測定した。

測定波長は１．５２μｍである。

第５図から明らかなように、光伝搬損失は、透明ガラス
化温度の上昇と共に小さくなシ１３５０℃でα１ｄＢ／
ａ＋を切シ、１５５０℃では１０１　ｄＢ／ｍ程度にま
で低減されておシ、本発明の効果が良くわかる。第３図
よ、ｉｊ）、ｌ１０５ｄＢ／、を目安とすると透明ガラ
ス化温度は１４００℃以上であることが望ましい。本実
施例では、透明ガラス化温度は１６５０℃が上限となっ
ているが、これは用いた電気炉の能力により制約された
ものである。しかし、１７００℃を越える温度では、石
英系ガラスの蒸発現象が発生するので、透明ガラス化温
度は１４００℃〜１６５０℃の範囲に設定することが望
ましい。従来の石英ガラス基板、シリコン基板では、こ
のような透明ガラス化温度を設定することが事東上不可
能であることは、前述した通シである。

実施例５ 第４図は、コア層とクラッド層の比屈折率差Δの異なる
光導波膜をサファイア基板上に作製（透明ガラス化温度
１５５０℃）シ、実施例２と同様の手法で光伝搬損失を
測定し、光伝搬損失と比屈折率差との相関を調べた結果
である。

比較のためにシリコン基板上に基板の融点以下の透明ガ
ラス化温度（１５５０℃）で光導波膜を作製した例につ
いても示した。

すなわち第４図は光伝搬損失特性を比屈折率差Δ（％、
横軸）と光伝搬損失（ｄＢ／ｅａｒ、縦軸）との関係で
示すグラフである。

なお、光導波膜のコア層の厚みｈは、単一モード条件を
満たすよう、すなわち正規化周波数値が一定となるよう
、ｈｉ’７−の値を一定に保つよう設定した。すなわち
ノ＝１２５％の際のｈ＝８μｍに対し、Δ＝１％ではｈ
　”　４　ｐｍとした。

バッファ層の厚みはΔに依らず２０ｐｍとした。

シリコン基板の場合には、Ａの増加、すなわちドーバン
）（？−こでは’１”１０．）添加量の増加と共に光伝
搬損失が急増し、Δ＝１％以上では、１ｄＢＺ−程度以
上に達してしまう。これは、シリコン基板上では、透明
ガラス化温度が低いため、ドーパン）　Ｔｉｅ、　（高
融点）が、８１０．母体中に充分に拡散固溶せず、「曇
シ」が残っておシ、そのために光散乱損失の急増を招い
ているためと推定される。これに対し、透明ガラス化温
度を高く設定できたサファイア基板゛上では、ノ＝２％
の領域までα１６Ｂ／ｌｘ以下の低損失値が夾現されて
いる。

石英系先導波膜を微細加工して最終的に単一モード光導
波路を作製した場合、許容される最小的がシ路半径は、
Ａが大きい程小さいことが知られている。すなわち、高
Δ値光導波路は急激な曲がシに耐え、所望の光回路を小
さい占有面積で英現できる。本実施例よシ、サファイア
基板上の石英系先導波膜は、このような高ｌ値先回路の
夾現に特に有利であることがわかる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、高融点酸化物単
結晶基板（特にサファイア基板）を用いるととＫよル、
高温で石英系先導波膜を透明ガラス化できるので、導波
形光部品の挿入損失の低減等の性能向上に貢献するとこ
ろが大である。また上記の基板上に、更に必要に応じて
、受発光素子等の機能素子を搭載する等して、混成光集
積回路分野にも広範な応用を見出すことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の石英系先導波膜の一実施例の断面図、
第２図は、本発明の石英系先導波膜作製工程で用いるが
ラス微粒子膜堆積装置の構成例を示す模式図、第３図及
び第４図は本発明の石英系光導波膜の光伝搬損失特性を
示すグラフ、第５図は従来の石英系光導波路作製の工程
図である。 １：サファイア基板、２：石英系ガラスパッツァ層、３
：石英系ガラスコア層、１１：シリコン基板あるいは石
英ガラス基板、１２ａ：バッファ用ガラス微粒子層、１
２ｂ：バッファ層、１３＆：コア用ガラス徽粒子層、１
３ｂ：コア層、１３ｃ：コアＫ、１４：クラッド層ガラ
ス、２１：ターンテーブル、２３：テープ〃駆動装置、
２４ニガラス微粒子合成Ｆ−チ、２５：）−チ駆動装置
、２６：原料ガス供給装置、２７：排気管、２８：排気
ガス処理装置、２９：中央制御装置

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、高融点酸化物単結晶基板と、該基板上で高温で焼結
   された、コア層を含む石英系ガラス厚膜とを包含するこ
   とを特徴とする石英系光導波膜。 ２、該高融点酸化物単結晶基板が、サファイア基板であ
   る特許請求の範囲第１項記載の石英系光導波膜。 ３、高融点酸化物単結晶基板上に、ガラス形成原料ガス
   の火炎加水分解反応により生成したガラス微粒子を吹付
   けて堆積させ、コア用ガラス微粒子層を含むガラス微粒
   子膜とし、その後、基板ごと高温に加熱し、該ガラス微
   粒子膜を透明ガラス化することを特徴とする石英系光導
   波膜の製造方法。 ４、該透明ガラス化を、１４００℃以上の高温に加熱す
   ることにより行う特許請求の範囲第３項記載の石英系光
   導波膜の製造方法。