JP2006053522A - ガラス光導波路 - Google Patents

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Abstract

【課題】Ｂｉ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ３、ＰｂＯ、ＳｎＯ２およびＴｅＯ２の群からなるガラス構成酸化物のうち少なくともいずれか１つの酸化物をコアに含むガラス光導波路において、コアの断面形状が矩形のときに発生する光の大きな伝搬損失を低減する。
【解決手段】上記ガラス構成酸化物のうち少なくともいずれか１つを合計３５％以上含有し、コアの断面形状が台形であって、かつ台形の平行な２辺のうち長辺が基板側にあることを特徴とするガラス光導波路とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガラス光導波路に関する。
波長分割多重方式（ＷＤＭ）の光通信分野で用いられる光増幅器を目的として、希土類元素が添加されたコアを有するガラスファイバの研究開発が盛んに行われているが、Ｅｒ添加石英系ガラスをコアとする光ファイバでは、所望の伝送容量を得ることが困難、小型化が困難、アレイ化が困難などの問題があり、Ｅｒ添加Ｂｉ２Ｏ３系ガラス材料によるコアを用いた光ファイバ（たとえば、特許文献１参照）や、基板上に同ガラス材料による光増幅コアを形成した光導波路が提案され、開発が進められている。
ガラス導波路としては石英ガラス系ガラス導波路が一般的に知られている。石英ガラス膜などに微細な導波路パターンを形成する方法としてはドライエッチング技術が用いられており、通常レジストまたは金属膜をマスクとしてパターニングが行われる。すなわち微細加工する石英ガラス膜上にレジストを塗布、パターン露光、現像による不要レジスト除去プロセスにより形成されたレジストパターンをそのままマスクとして、ドライエッチングが行われる。または石英ガラス膜上に金属膜を形成した後、前述のレジストのパターニングを行い、レジストをマスクとして金属膜をドライエッチングし、これを石英ガラス膜のエッチング用マスクとしてドライエッチングが行われる。
図３は従来の光導路の作製方法を示す概念的断面図であり、これを用いて説明する。ここでは、金属膜をマスクとして石英ガラス膜をドライエッチングする。石英ガラスまたはＳｉからなる基板１１上に、まず下地クラッド膜１２が形成され、続いて下地クラッド膜１２上に厚さ５〜１０μｍの石英ガラスからなるコア膜１３を形成する（図３（ａ））。その後、コア膜１３上に金属膜１４を形成し（図３（ｂ））、その上にレジスト１５が均一塗布され、マスクアライナでコア回路パターンを露光、現像して回路パターンが転写されたレジストパターンが生成される（図３（ｃ））。そのレジストパターンをマスクとして、図３（ｄ）に示すように反応性イオンエッチングにより金属膜１４をドライエッチングし、金属マスクパターンを形成し、レジストを除去する（図３（ｅ））。次に、金属マスクパターンをマスクとしてコア膜１３がエッチングされ（図３（ｆ））、その後、金属マスクパターンが除去され（図３（ｇ））、上地クラッド膜１６がコア上に被せられ、光導波路が作製される（図３（ｈ））。
図２は、図３の石英ガラス導波路におけるコア周辺部の拡大図で、光導波路断面概念図である。２１はコア、２２はクラッド、２２ａは下地クラッド膜、２２ｂは上地クラッド膜、２３は基板である。コアの断面形状は、通常矩形であり、通常は正方形である。これは、以下の理由による。導波路における光損失原因は、光の入出力端部での結合損失と導波路自体の伝搬損失である。導波路自体の損失は、膜自体の損失、エッチング後のコア側壁の荒れ、導波路の構造設計などが原因で生じるものであり、コアの断面形状には関係しない。これに対し、結合部での損失はコアの断面形状に密接に関係する。入力用ファイバなどの入出力素子の中における光の伝搬モード（以下、「光の伝搬モード」のことを単に「モード」という）と導波路のモードの重なりが大きいと損失は小さくなるが、重なりが小さいと損失は大きくなる。通常入出力素子中のモードは円形状であるため、導波路のモードも円形状に設計する。導波路の形状が正方形であるとモードは円形になるため、結合損失が小さくなる。上記理由により、通常のガラス導波路のコア形状は矩形であることが多い。
一方、石英ガラス導波路を用いたアレイ導波路グレーティング光合分波器（ＡＷＧ）において、導波路の一部を矩形ではなく台形にする検討が行われている（特許文献２参照）。ＡＷＧにおける光損失は、入出力素子とＡＷＧ素子の結合損失、ＡＷＧ自身の損失、ＡＷＧを構成するスラブ導波路とアレイ導波路の接続部分における放射損失の和である。この損失の大半を占めるのは、スラブ導波路部とアレイ導波路部との接続部分における放射損失である。
スラブ導波路部からアレイ導波路部に光が入射する際、接続部分における等価屈折率が急激に変化するため、伝搬した光の一部はクラッドに漏れ出る。これが原因で放射損失が大きくなる。等価屈折率の急激な変化を緩和するために、アレイ導波路の接続部近傍のコア形状を台形にすることが好ましいとされている。
特開２００１−１０２６６１号公報 特開２００３−４９５８号公報
しかし、光導波路の光増幅コアに用いられるＥｒ添加Ｂｉ２Ｏ３系ガラスなど、Ｂｉ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ３、ＰｂＯ、ＳｎＯ２およびＴｅＯ２からなる群から選ばれた１種以上の酸化物を質量百分率表示で合計３５％以上含有するガラス膜（以下、Ｂｉ２Ｏ３等含有ガラス膜と呼ぶ）に対して、ドライエッチングによりコア形状を矩形にするとパターンの側壁が平滑にならないという新たな問題が発生することがわかった。これは、石英系ガラスをドライエッチングしたときの反応生成物は揮発性が高く、速やかにエッチング系外へ排出されるのに対して、Ｂｉ２Ｏ３等含有ガラス膜の場合は、ドライエッチングの際にガラス膜の成分とエッチングガスとの反応で生成する物質の揮発性が乏しいため、コア形状を矩形にすると、反応生成物がコア側壁に付着し、垂直に近い角度のある側壁ではエッチングできないため、表面荒れを起こすためと考えられる。平滑なコア側壁が得られないと、導波路としたときにコアとクラッドとの界面で信号光が散乱して伝搬損失が大きくなるという致命的な問題を生じるので、実用化が難しい。
本発明は前述の課題を解決するためになされたものであり、平面基板上に形成されたガラスからなるコアとクラッドとを備える光導波路であって、コアのガラス構成酸化物としてＢｉ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ３、ＰｂＯ、ＳｎＯ２およびＴｅＯ２からなる群から選ばれた１種以上の酸化物を質量百分率表示で合計３５％以上含有し、コアの断面形状が基板側に長辺を有する台形であって、かつ台形を構成する４辺のうち長辺と２つの斜辺のいずれともなす角度がそれぞれ６０〜８０°の範囲にあることを特徴とするガラス光導波路を提供する。
この構成により請求項１に係る発明は、上記のＢｉ２Ｏ３等含有ガラス膜、すなわちＢｉ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ３、ＰｂＯ、ＳｎＯ２およびＴｅＯ２からなる群から選ばれた１種以上の酸化物を質量百分率表示で合計３５％以上含有するガラス膜、に対してドライエッチングによりパターンの側壁が平滑にならないという問題を解決し、導波路としたときのコアとクラッドとの界面での信号光の散乱に基づく伝搬損失を抑えることができる。
また、前記クラッドのガラス構成酸化物は、Ｂｉ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ３、ＰｂＯ、ＳｎＯ２およびＴｅＯ２からなる群から選ばれた１種以上の酸化物からなり、コアとクラッドの屈折率差をコアの屈折率で除した値が０．０００３から０．１までの範囲にある上記のガラス光導波路を提供する。
この構成により、１．５５μｍを中心とする通信波長帯においてシングルモード伝搬が可能な低損失の光導波路とできる。除した値が０．０００３を下回るとコアとクラッドの屈折率差が小さくなりすぎるために、光を十分にコア内に閉じ込めておくことができないおそれがある。一方、除した値が０．１を超えると、導波路内を伝搬可能なモードが単一ではなく、複数になりマルチモード導波路となる場合がある。
また、コアのガラス構成酸化物が、Ｂｉ２Ｏ３を質量百分率表示で合計３５％以上含有したガラス構成酸化物である上記のガラス光導波路を提供する。
この構成により、非線形光導波路などに用いる場合、その非線形性を増加させることができる。
また、コアのガラス構成酸化物が、ＥｒおよびＴｍの少なくともいずれか一方を含有する上記のガラス光導波路を提供する。
この構成によって、ＥｒおよびＴｍの少なくともいずれか一方を含有することによって、光増幅導波路を提供できる。
さらに、上記のガラス光導波路のコアが、ドライエッチング法により形成されていることを特徴とするガラス光導波路の製造方法を提供する。
この構成によりガラス光導波路のコアが、Ｂｉ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ３、ＰｂＯ、ＳｎＯ２およびＴｅＯ２からなる群から選ばれた１種以上の酸化物からなるとき、ドライエッチング法によってコアを形成することにより、コアの側壁周辺への付着物を除去し側壁を平滑にできる。
本発明の光導波路によれば、Ｂｉ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ３、ＰｂＯ、ＳｎＯ２およびＴｅＯ２からなる群から選ばれた１種以上の酸化物を質量百分率表示で合計３５％以上含有したガラス材料をコアとする伝搬損失の少ない光導波路が得られる。
本発明のガラス光導波路は、０．４〜２μｍの波長帯における光増幅導波路、非線形光導波路などに好適であり、たとえばＣバンド（１５３０〜１５６５ｎｍ）の信号光など、１．４５〜１．６４μｍの波長帯の光を増幅できる。また、本発明により、コンパクトな光導波路が得られる。
＜基板とガラス膜の形成方法＞
本発明における微細加工を行うガラスは、基板上に種々の方法によって形成されたガラス膜でもよいし、ガラス基板そのものでもよい。
基板については、５０ＧＰａ以上のヤング率を有することが下記の理由により好ましい。すなわち、基板のヤング率が５０ＧＰａより低いと、基板上に形成した膜に応力が発生したとき、その応力により基板の反りや変形が生じ、導波路の形状が設計値から外れ易くなるためである。このようなヤング率が５０ＧＰａ以上の物質として、Ｓｉ、ＧａＡｓ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、サファイアなどの結晶、石英ガラス、ソーダライムシリカガラス、無アルカリガラス、プラズマディスプレー用ガラスなどのガラスが例示できる。
基板の材料は、上記した材料からなるものに限定されるものではないが、一連の工程中に、コアガラス膜をアニールしたり、同一基板上に他の素子を形成する工程で高温を要したりするなど、高温処理工程が含まれる場合には、この工程に耐える必要がある。
また、本発明における基板の形状は限定されないが、ガラス薄膜が形成される面は通常平面である。また通常、基板の大きさと形状はそれぞれ２ｍｍ×１０ｍｍ〜２００ｍｍ×２００ｍｍである矩形基板、直径が５０〜２０５ｍｍの円形基板であって、厚さは０．３〜２ｍｍである。ガラス膜の厚さは通常３〜７０μｍであるが、これに限定されるものではない。
基板上へのガラス膜の形成は、例えば物理的蒸気凝縮法（ＰＶＤ）または化学的蒸気凝縮法（ＣＶＤ）によって行われる。物理的蒸気凝縮法としてはスパッタリング法、レーザーアブレーション法、電子ビーム蒸着法、真空蒸着法が例示され、また化学的蒸気凝縮法としてはプラズマＣＶＤ法、ＭＯＣＶＤ法が例示される。
成分数が４または５以上であるガラス薄膜を作製する場合、スパッタリング法を用いることが以下の理由により好ましい。
プラズマＣＶＤやＭＯＣＶＤ、蒸着法を用いて成分数の多い膜を作製すると、原料の熱的性質が異なったり、あるいは、元素成分によって熱的性質が異なったりするため、反応容器内での原料混合や膜の組成調整が困難となる。これに対して、スパッタリング法では多成分であっても、成分ごとにターゲットを用意し、印加するＲＦパワーを調整することにより組成調整が容易である。また、膜成分と同一の組成を有するターゲットを作製しても成膜することも可能である。ただし、この場合、膜の組成がターゲット組成と一致しないことがあるので、その場合は所望の膜組成が得られるように組成を調整したターゲットを用いることが望ましい。
ターゲットは、例えば、構成する酸化物の粉末を所望の組成比で調合し、らいかい機により乾式混合し、１１５０℃に加熱した電気炉中にて溶解し、その後ステンレス板上に流し出したものを、所望の厚さ、外形寸法に加工し、バッキングプレートにインジウムなどを用いてボンディングして作製される。また、電気炉中で溶解せずに、単に酸化物粉末を混合したものや、電気炉で溶解したガラスを粉砕したものを、ホットプレスなどの方法で焼結、成形して用いてもよい。
＜ガラス膜の組成＞
本発明で微細加工されるガラス膜、すなわちコアのガラス構成酸化物は、Ｂｉ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ３、ＰｂＯ、ＳｎＯ２およびＴｅＯ２からなる群から選ばれた１種以上の酸化物、より好ましくはＢｉ２Ｏ３を質量百分率表示で３５％以上含有する組成を有する。以下、単に％と記載した場合は、質量百分率表示をいうこととする。さらに好ましくは、本質的にＢｉ２Ｏ３ ３５〜９０％、ＳｉＯ２ ２〜４０％、Ｇａ２Ｏ３ ０〜５５％、Ａｌ２Ｏ３ ０〜５０％、Ｅｒ２Ｏ３ ０〜１０％、Ｔｍ２Ｏ３ ０〜１０％、Ｙｂ２Ｏ３ ０〜１０％なる組成であることが好ましい。また、その他の成分を合計で２５％以下、好ましくは１５％以下の範囲で含有してもよい。
Ｂｉ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ３、ＰｂＯ、ＳｎＯ２およびＴｅＯ２は屈折率を高くするための成分であり、少なくともこれら５成分の中のいずれか１種は含有しなければならない。Ｂｉ２Ｏ３の含有量、Ｓｂ２Ｏ３の含有量、ＰｂＯの含有量、ＳｎＯ２の含有量およびＴｅＯ２の含有量の合計が３５％未満では光増幅率または非線形性が低下する。また、前記合計は９０％以下であることが好ましい。９０％超ではガラス化しにくくなるおそれがある。
本発明導波路を光増幅導波路、非線形光導波路などに適用する場合、コアのガラス構成酸化物として、Ｂｉ２Ｏ３を３５〜９０％含有することが好ましい。３５％未満では光増幅率または非線形性が低下する。より好ましくは４０％以上であり、特に好ましくは６０％以上である。９０％超ではガラス化しにくくなる。より好ましくは８５％以下である。
ＳｉＯ２は必須ではないが、ガラス安定性を高めるために含有することが好ましく、その含有量は２〜４０％であることがより好ましい。２％未満ではガラスを安定化させる効果が小さい。より好ましくは３％以上である。４０％超では屈折率が小さくなって光増幅率または非線形性が低下するおそれがある。
Ｇａ２Ｏ３は必須ではないが、含有させるとガラスの耐失透性を向上できて好ましい。とくに熱的安定性を高めるために５５％まで含有してもよい。５５％超では結晶化しやすくなる。また、Ｇａ２Ｏ３量が２５％を超えると、導波路をドライエッチングで作製する際に側壁の平滑性が低下させ、導波路の損失を大きくするおそれがあるので、２５％以下が好ましい。また、本発明のガラス光導波路を光増幅導波路として用いる場合にＧａ２Ｏ３量を５％以上含有させると、利得が得られる波長幅が広がるので好ましい。
Ａｌ２Ｏ３は必須ではないが、熱的安定性を高めるために５０％まで含有してもよい。５０％超では結晶化しやすくなる。導波路をドライエッチングで作製する際に側壁の平滑性を向上させるためには、Ａｌ２Ｏ３量は５％以下とすることが好ましい。これにより、導波路の損失を大きく低減することができる。
Ｅｒ２Ｏ３およびＴｍ２Ｏ３は単なるガラス成分としてはいずれも必須ではないが、光増幅を行わせるときにはいずれか一種または両方を０．０１％以上含有することが必要である。Ｅｒ２Ｏ３とＴｍ２Ｏ３のいずれかを単独で含有するときはその含有量、両方を含有するときはそれらの合計の含有量は、１０％超ではガラス化しにくくなるので０．０１〜１０％であることが好ましい。また５％超では濃度消光が起きて光増幅率が低下し易いので、より好ましくは０．０１〜５％である。さらに好ましくは０．１〜２％である。すなわちコアのガラス構成酸化物がＥｒまたはＴｍのいずれか一方を含有することが好ましい。光増幅器を構成する場合は必須である。
Ｙｂ２Ｏ３は必須ではないが、濃度消光を抑制するために、または、Ｅｒ２Ｏ３またはＴｍ２Ｏ３と併用して光増幅率を大きくするために１０％まで含有してもよい。１０％超ではガラス化しにくくなる。より好ましくは０．１〜５％である。
光増幅導波路のコアガラス膜の組成は典型的には、Ｂｉ２Ｏ３が３５〜９０％、ＳｉＯ２が２〜４０％、Ｇａ２Ｏ３が５〜２５％、Ａｌ２Ｏ３が０〜５％、Ｅｒ２Ｏ３とＴｍ２Ｏ３の合計が０．０１〜１０％、Ｙｂ２Ｏ３が０〜１０％から本質的になる組成である。より好ましくは、Ｂｉ２Ｏ３が４０〜８５％、ＳｉＯ２が２〜４０％、Ｇａ２Ｏ３が５〜２５％、Ａｌ２Ｏ３が０〜５％、Ｅｒ２Ｏ３とＴｍ２Ｏ３の合計が０．０１〜１０％、Ｙｂ２Ｏ３が０〜１０％から本質的になる組成である。また、その他の成分を合計で２５％以下、好ましくは１５％以下の範囲で含有してもよい。
光増幅導波路のコアガラス膜は、前述の組成に加えてＬａ２Ｏ３を０．５％以上含有させると、光増幅活性であるＥｒイオンまたはＴｍイオンなどの分散性が向上するので好ましい。また、５％超では失透し易くなるので、５％以下とすることが好ましい。
本発明のガラスまたはガラス膜には結晶は析出していない。すなわち、Ｘ線回折パターンに回折ピークが認められない。
＜ガラス膜またはガラスのパターニング＞
ガラス膜のパターニングをドライエッチングにより行うとして説明する。パターニングするためのマスクは、ＷとＳｉの合金からなる膜を用い、前記ガラス膜の上に形成される。前記マスク膜を形成する方法としては、スパッタリング法が好ましく用いられるが、他の膜形成方法を用いることもできる。続いてマスク膜の上に、スピンコート法などによりレジスト膜が形成され、紫外線を照射して所望のパターンを露光、現像して、レジスト膜に所望パターンが形成される。このレジストパターンを用いて、ドライエッチングによりマスク膜をパターニングして、酸素ガスを利用したドライエッチング（灰化処理）、または剥離液などによる湿式除去によりレジスト膜を除去する工程を経て、所望のパターンに形成されたマスクが得られる。
前記マスク膜の組成は、ＷとＳｉの総原子に対するＷの原子％で２５〜６５％である。
Ｗの量が６５原子％を超える組成ではマスク膜と前記ガラス膜との間の密着性が不十分となり、マスク膜の応力により膜が基板から剥がれたり、膜にクラックが入ったりする問題が生じるおそれがある。また、Ｗの地金は高価なため材料費が嵩み、コスト的にも好ましくない。
前記Ｗ量が２５原子％未満では選択比、すなわち前記ガラス膜とマスク膜とのエッチングレートの比が小さいため、前記ガラス膜のパターニング中に、マスク膜がエッチングされる損耗量が大きくなる。そのため、マスク膜の膜厚を厚くする必要があり、マスク膜の形成に長時間を要したり、厚膜のため材料コストが嵩んだりする問題が生じるおそれがある。
選択比は２以上であることが好ましい。より好ましくは２．５以上である。
スパッタリングにより前記ＷとＳｉの合金からなるマスク膜を形成する場合、使用するターゲットの純度は９９．５％以上が好ましい。不純物としてドライエッチングしにくい元素が含まれると、ガラスのパターニングを平滑かつ設計通りにできなくなるおそれがあるためである。より好ましくは９９．９％以上である。
スパッタリングによるマスク膜形成はアルゴンガス中で行うことが好ましいが、不活性ガス中であれば問題ない。酸化性のガスが混入すると合金が酸化され、前記ガラス膜をドライエッチングする際にマスク膜がエッチングされて損耗が増大し、所望の選択比が得られなくなるおそれがある。使用するガスの純度は、９９．９９５％以上が好ましい。より好ましくは９９．９９９％以上である。
成膜圧力は０．２〜１０Ｐａが好ましい。０．２Ｐａを下回るとプラズマが不安定になり易かったり、また、膜応力が大きくなって膜剥がれを起こし易くなったりするおそれがある。１０Ｐａを越えると膜質が低下し、マスク膜の前記損耗が増えて所望の選択比が得られなくなるおそれがある。
スパッタは、ＲＦスパッタよりＤＣスパッタの方が好ましい。ＤＣスパッタの方が、膜剥がれが起こりにくいためである。また、投入電力密度（ターゲットサイズに対して印加する電力）は、２．５〜７Ｗ／ｃｍ２が好ましい。２．５Ｗ／ｃｍ２を下回ると、所望の膜厚を得るための時間が非常に長くなり実用的でなくなることがある。また、７Ｗ／ｃｍ２を超えると異常放電が起こり易くなり、マスク膜にピンホールが発生してパターニング欠点となる場合がある。
マスク膜を形成するときの基板温度は、室温（２５℃）から３００℃までの範囲が好ましい。３００℃超に加熱すると、冷却過程で膜剥がれを起こしやすくなるおそれがある。
マスク膜の厚さは、ドライエッチングを行うガラスの加工深さと選択比とから必然的に決まるが、マスク膜の厚さが０．１μｍ未満だと、ガラス膜のドライエッチング中にプラズマによる加熱の影響を受け易く、マスク材のエッチングによる損耗が加速されてパターニング不良が起こり易くなる場合がある。また、マスク膜の厚さが３μｍを超えると、マスク膜のパターニングに必要なレジスト厚さが厚くなって設計通りのパターニングが難しくなる場合がある。したがってマスク膜の厚さは０．１〜３μｍが好ましい。
前記のマスク膜のドライエッチングは、Ｃｌ２、ＣＦ４、ＣＨＦ３、Ｃ３Ｆ８、Ｃ４Ｆ８、ＮＦ３、ＳＦ６などの塩素系またはフッ化物ガスを用いて、反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｈｃｉｎｇ）、反応性イオンビームエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｅｔｈｃｉｎｇ）、誘導結合型プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング（以下ＩＣＰエッチングという）、磁気中性線放電プラズマ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｌｏｏｐ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）エッチング（以下ＮＬＤエッチングという）などによって行うことができる。
引き続ドライエッチングにより、前記ガラス膜またはガラスに所望のパターニングを行う。
前記ガラス膜またはガラスのエッチングは、ＮＬＤエッチングにより、ＣＦ４、ＣＨＦ３、Ｃ３Ｆ８、Ｃ４Ｆ８などのフッ化物ガスとＡｒガスとの混合ガス雰囲気中でドライエッチングすることが好ましい。このときフッ化物ガスとＡｒガスとの合計の全流量に対するフッ化物ガスの流量比は、５〜２２％が好ましい。フッ化物ガスの流量比が２２％より大きいとパーティクルが増えて光導波路としたときの光散乱が増えたり、ドライエッチング速度が減少したりする恐れがある。一方、５％より小さいと、ドライエッチングされた側面に筋状の荒れが生じ、光導波路としたときの光散乱を起こす恐れがある。
前記ガラスまたはガラス膜におけるドライエッチングの条件の例としては以下のようなものがある。使用した装置は（株）アルバック製プラズマエッチング装置ＮＬＤ５００であって、ＡｒガスおよびＣ３Ｆ８ガスの流量がそれぞれ標準状態換算で４５ｃｍ３／分、５ｃｍ３／分、圧力が０．２Ｐａ、アンテナパワー１２００Ｗ、バイアスパワー２５０Ｗ、チャンバー縦方向に３つある中性磁場生成コイルの電流が上から１０、１６．７および１０Ａ、基板温度２０℃などである。この条件で、厚さ４μｍの前記ガラス膜を１５分間でエッチングすることができた。もちろんここに挙げた条件は一例であって、これに限定されるものではない。
本発明のガラス光導波路コア近傍の拡大断面図を図１に示す。３１はコア、３２はクラッド、３２ａは下地クラッド膜、３２ｂは上地クラッド膜、３３は基板である。エッチング後のコア断面形状は台形である。矩形でなく、台形にする理由は以下の通りである。本発明のＢｉ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ３、ＰｂＯ、ＳｎＯ２およびＴｅＯ２の少なくともいずれか１つのガラス構成酸化物を含有するガラスまたはガラス膜は、ドライエッチングにより揮発性の低い反応物が生成する。このため、Ａｒイオンを利用し物理的に削り取るエッチングを反応性イオンエッチングと並行して行う。エッチング中には、ガラスのエッチングと反応生成物のコア側壁への付着が繰り返し起こる。
コア形状を台形にすると、反応生成物がコア側壁に付着してもＡｒイオンによる物理的エッチングが可能なため、平滑な側壁が得られるが、コア形状を矩形のように反り立った構造にすると、コア側壁に付着した反応生成物を物理的に削り取ることができなくなり、パターンの側壁が平滑にならない。台形の形状は、台形を構成する４辺のうち長辺と斜め２辺の角度ＡおよびＢがいずれも６０〜８０°の範囲にある。より好ましくは、６５〜７６°である。８０°を超えるとコア側壁に付着した、ガラス膜を構成する成分とエッチングガスとの反応生成物が除去できないため、平滑なエッチングができなくなるおそれがある。６０°を下回ると、入出力素子との結合損失が大きくなるおそれがある。
コアの形成方法には、ドライエッチング法の他に、プレス法などがある。プレス法は、基板が変形する程度の温度まで加熱し金型で基板をプレスしコア加工を行う。このため、基板が反ったり、応力が入ったりする問題がある。また、下地クラッドとコアを基板上に形成した後にプレス成型するため、凹凸形状は得られるが、コアの側部にプレスされたコア膜が残存するため、コアとクラッドの屈折率構造が複雑になり導波路としては十分でない。これに対し、ドライエッチング法は基板の変形や反りの問題はなく、また、コアとして残す箇所を除きコア膜はエッチングにより取り除かれるため、コアとクラッドの構造は単純なものとすることができる。とくに、上記の角度ＡおよびＢがいずれも６０〜８０°の範囲にあるようにしているため、コアの側壁周辺への付着物である、ガラス膜の成分とエッチングガスとの反応生成物が充分に除去され、極めて平滑な側壁を得ることができる。
前記ガラスまたはガラス膜をパターンニングした後、マスク膜は、塩素系またはフッ化物系のガスを用いてドライエッチングにより除去される。ドライエッチングは、反応性イオンエッチング、反応性イオンビームエッチング、ＩＣＰエッチング、ＮＬＤエッチングなどによって、Ｃｌ２、ＣＦ４、ＣＨＦ３、Ｃ３Ｆ８、Ｃ４Ｆ８、ＮＦ３、ＳＦ６などの塩素系またはフッ化物系のガス雰囲気中で行う。エッチングガスに酸素を加えてもよい。
＜ガラス光導波路の形成＞
本願発明における微細加工方法により、Ｂｉ２Ｏ３など含有ガラス膜をパターニングしてコアを形成し、ＷＤＭ光通信に用いられるガラス光増幅導波路を形成できる。この光増幅導波路においては、励起光の存在下、コアガラス中を伝播する例えば１．４５〜１．６４μｍの波長の信号光が増幅される。本発明の微細加工方法により形成される光導波路はこれに限定されず、例えば非線形光導波路の形成に適用してもよいが、以下は、光増幅導波路の形成について述べる。
コアとなるガラス膜の屈折率ｎ１は、１．７以上であることが好ましい。これは、前述のガラスによる光増幅は、励起光により誘導されて起こる、信号光波長の光の誘導放出によるものであり、屈折率が大きい方が、利得係数が大きいためである。屈折率が１．７未満では光増幅率または非線形性が低下するおそれがある。より好ましくは、ｎ１は１．８以上である。また、通常は２．３以下である。なお、本明細書中における屈折率とは本発明の光導波路を用いる波長帯域における屈折率をいうものとする。
クラッドは、コア内に光を閉じ込めることができるものであれば特に限定されないが、クラッドの屈折率ｎ２は、コアとクラッドの屈折率差ｎ１−ｎ２をΔｎとしたときに、０．０００３≦Δｎ／ｎ１≦０．１を満足することが好ましい。コアとクラッドの屈折率差をコアの屈折率で除した値、すなわちΔｎ／ｎ１が０．０００３未満では光をコア内に閉じ込めることが困難になる場合がある。このため、光は伝搬するにつれ拡がり、出力端において出力素子（例えば、出力用シングルモードファイバー）との接続で大きな損失が生じてしまう。また、曲げ導波路（曲線部を有する導波路）を作製する場合、伝搬する光を導波路内に閉じ込められないと、曲げることにより伝搬光の一部が放射していき、伝搬損失が増大するおそれがある。Δｎ／ｎ１は、０．０００３以上でより好ましくは０．００１以上、特に好ましくは０．００３以上である。
一方Δｎ／ｎ１が０．１超ではシングルモードで光を伝播することが困難になり、マルチモードとなる場合がある。マルチモードとなると、これらのモードは各モードごとに軸方向に伝搬する速度（群速度）が異なるため、同じ長さを伝搬してもモードによって出力端に到着する時間が異なり、光のパワーが分散する。分散が大きいと高速のパルス信号を送った時にパルスの形がなまってしまい、前後のパルスと区別がつかなくなる。このため、高速伝送ができなくなるおそれがある。Δｎ／ｎ１は０．１以下でより好ましくは０．０８以下、特に好ましくは０．０５以下である。
コアが先に述べた典型的な組成範囲にある場合、クラッドは、Ｅｒ２Ｏ３およびＴｍ２Ｏ３のいずれも含有しない点を除き前記組成範囲と同じ範囲にあることが好ましい。コアとクラッドとで組成範囲が異なると、ガラス転移点、膨張係数、軟化点などが異なるため加熱や冷却の過程で熱応力を生じ、導波路を作製する過程で膜剥がれが生じたり、残留応力が発生したりする可能性がある。熱的性質が大きく相違せず、かつ屈折率を前記範囲内に調整できれば、クラッドは前記組成範囲に限定されるものではない。
光増幅導波路では、コアは下地クラッドの上に形成され、本願発明における方法によりコアが微細加工された後、上地クラッドがその上に形成される。コアとクラッドの厚さはそれぞれ０．３〜１０μｍ、２〜６０μｍであることが好ましく、典型的には、下地クラッドの厚さは１〜３０μｍ、上地クラッドの厚さは１〜３０μｍであるが、上記範囲に限定されるものではない。
下地クラッド膜および上地クラッド膜を形成する方法としては、コアガラス膜を形成する方法で挙げた種々の手法が適用できるが、コアガラス膜と同様、成分数が４または５以上であるガラス膜であるので、スパッタリング法が好ましい。
すなわち、基板の上に、スパッタリング法によりまず下地クラッド膜（図１のガラス薄膜３２ａに相当）となるべき第１の膜が形成され、次にコア（図１のコア３１に相当）となるべき第２の膜が形成される。このとき、所望の膜組成が得られるように組成調整したターゲットを用いる。また、コア膜をドライエッチングプロセスによるダメージから保護するために、コアの上に後述の上地クラッド膜を保護膜として形成してもよい。保護膜を用いる場合は、その厚さは２５〜１０００ｎｍが好ましい。１０００ｎｍより厚いと、ドライエッチングでコア膜と保護膜をエッチングする厚さが厚くなり、ドライエッチング時間が大幅に増加する場合がある。２５ｎｍより薄いと、コア膜をダメージから保護する必要があるときに、その効果が十分得られないおそれがある。
第２の膜または保護膜の上に、ＷとＳｉとの合金からなるマスク膜が形成される。
ＷとＳｉとの合金からなるマスク膜を形成する方法としては、スパッタリング法が好ましく用いられる。引き続いてマスク膜の上にスピンコート法を用いてレジスト膜が形成され、所望パターンのフォトマスクを用いて紫外線を照射、現像してレジスト膜に所望のパターンが形成され、このレジスト膜のパターンを用いてマスク膜をドライエッチングし、最後に酸素ガスを利用したドライエッチングまたは剥離液によるレジスト膜の除去処理を経て、所望のパターンに形成されたマスクが得られる。
前記のマスク膜のドライエッチングは、Ｃｌ２、ＣＦ４、ＣＨＦ３、Ｃ３Ｆ８、Ｃ４Ｆ８、ＮＦ３、ＳＦ６などの塩素系またはフッ化物系のガスを用いて、反応性イオンエッチング、反応性イオンビームエッチング、ＩＣＰエッチング、ＮＬＤエッチング等によって行う。
続いて前記第２の膜を、先に述べたガラス膜のエッチングの場合と同様にしてドライエッチングし、所望のコアのパターンを形成する。前記保護膜が用いられている場合には、保護膜も一緒にドライエッチングしてパターニングを行う。ガラス膜を微細加工してコアを作製する場合、コア用に形成したコア膜のみならずコア膜の下に形成した下地クラッドにも入り込むまでエッチングが行われることが好ましい。また、コア膜に保護膜が被覆されていてコアを作製する場合、エッチングは保護膜から始めて、コア膜を経て下地クラッドに入り込むまで行われることが好ましい。下地クラッドに入り込むまでエッチングを行う場合には、下地クラッドの削り量は２μｍ以下が好ましい。２μｍ以上エッチングすると、コアを覆うための上地クラッドの厚さが不必要に厚くなるため好ましくない。
さらに、先に述べたガラス膜のエッチングの場合と同様にしてマスク膜をドライエッチング法により除去し、さらに、スパッタリング法を用いて上地クラッド膜（図１のガラス薄膜３２ｂに相当）を形成する。上地クラッド膜を成膜した後に、酸素雰囲気中でアニール処理を行ってもよい。
必要に応じ、基板上に他の素子を形成するなど行って、最後に所望の寸法に切断する。
コアのガラス構成酸化物としてＥｒおよびＴｍの少なくともいずれか一方を含有する本発明のガラス光導波路は、レーザー発振させるためのレーザー媒体として用いることができる。本発明のガラス光導波路をレーザー発振させるためのレーザー媒体として用いてレーザー発振させるためには、レーザー媒体として用いられる本発明のガラス光導波路（以下、本発明の光導波路型レーザー媒体という）の両方の端面に、レーザー発振させる波長の光に対する反射率が高いミラーが形成され備えられているファブリ・ペロー型の共振器の構成を用いることができるが、他の構成を適用することも可能である。ファブリ・ペロー型の共振器の構成とする場合には、一方の端面に、外部の光源から励起光を入射させ（以下この端面を励起光入力端面という）、本発明の光導波路型レーザー媒体のコアに含有されるＥｒおよびＴｍの少なくともいずれか一方がレーザー活性イオンとして作用して励起光を受けて発光し、レーザー発振して、他方の端面（以下、レーザー光出力端面という）からレーザー光が取り出される。
励起光入力端面に形成されるミラーは、発振光に対する反射率は高いほど発振し易くなるので好ましい。好ましくは９０％以上、より好ましくは９９％以上である。また、励起光に対する透過率を高くすると、反射による励起光の損失を減らしてレーザー媒体に入力される励起エネルギーを増すことができて好ましい。好ましくは９９％以上、より好ましくは９９．５％以上である。
レーザー光出力端面に形成されるミラーは、発振光に対する反射率は典型的には４０％以上であるが、レーザー媒質の利得などによって最適に調整されることが好ましい。
かかるミラーは、低屈折率層材料としてＳｉＯ２、高屈折率層材料としてＴａ２Ｏ５をそれぞれ用いて、励起光の光源波長およびレーザー発振波長に対して前述の光学特性が得られるように各層の膜厚が設計され積層された誘電体多層膜が好ましく例示されるが、これに限定されない。
励起光源から光導波路へ励起光を入力させる方法は、空間出力の励起光源からレンズ等により集光させ入力させてもよく、あるいは、ファイバ出力型の励起光源を用いてファイバにより導波路へ入力してもよく、特に制限はない。
本発明の光導波路型レーザー媒体に用いるコアのガラス構成組成物として、Ｂｉ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ３、ＰｂＯ、ＳｎＯ２およびＴｅＯ２からなる群から選ばれた１種以上の酸化物、より好ましくはＢｉ２Ｏ３、を質量百分率表示で３５％以上含有する組成に対して、レーザー活性イオンとして前述のＥｒを含有させる場合には、前述のミラーを、波長９８０ｎｍの光に対して高透過率であって波長１５３０ｎｍの光に対して所望の反射率をもつミラーとするとともに、励起光として波長９８０ｎｍ帯を用いると、波長１５３０ｎｍの発振光が得られる。この励起光を出射する光源としては、波長９８０ｎｍ帯の発振波長をもつ半導体レーザー光が例示される。レーザー活性イオンとしてＥｒイオンに代えてＴｍイオンを用いる場合は、励起光の波長を８００ｎｍ帯として、波長１８００ｎｍ帯のレーザー光が得られる。このとき、ミラーの光学特性は用いる励起光波長および発振光波長に合わせたものとする。レーザー活性イオンとして前述のＥｒイオン、Ｔｍイオンに代えて、Ｙｂイオンを用いると、励起光として半導体レーザーから出射される９８０ｎｍ帯を用いて１０６０ｎｍ帯のレーザー発振を、Ｈｏイオンを用いると、励起光としてラマンファイバーレーザーやＹｂファイバーレーザーから出射される１１００ｎｍ帯の光を用いて２０００ｎｍ帯および３０００ｎｍ帯のレーザー発振を、それぞれ行わせて、それぞれの波長のレーザー光が得られる。
本発明のガラス光導波路を、レーザー発振させるためのレーザー媒体として用いる場合には、コアのガラス構成酸化物として前述のＢｉ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｇａ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３から本質的になるガラス組成に対して、ＥｒおよびＴｍの少なくともいずれか一方を含有するガラス組成が用いられる。また、Ｅｒ、Ｔｍに代えてＹｂ、Ｈｏを含有させてもよい。すなわち、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｈｏからなる群から選ばれた元素の酸化物を、いずれか１種のみを含有させてもよく、あるいは２種以上を同時に含有させてもよい。Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｈｏの含有量（２種以上を同時に含有させる場合はその合計含有量）は、０．０１〜１０％とすることが好ましい。充分な強度のレーザー発振を行わせるためには、０．０１％以上とされる。１０％超ではガラス化しにくくなるので１０％以下が好ましい。また５％超では濃度消光が起きて光増幅率が低下し易いので、より好ましくは０．０１〜５％である。さらに好ましくは０．１〜２％である。
レーザー発振させるためのレーザー媒体として用いるコアガラス膜は、前述の組成に加えてＬａ２Ｏ３を０．５％以上含有させると、レーザー活性であるＥｒイオン、Ｔｍイオン、Ｙｂイオン、またはＨｏイオンの分散性が向上するので好ましい。また、５％超では失透し易くなるので、５％以下とすることが好ましい。
以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明するが、以下の説明が本願発明を限定するものではない。
表１に質量百分率表示で示す組成物を、高純度化学研究所社製の粉末状試薬Ｂｉ２Ｏ３（純度９９．９９９％、粒度２０μｍ）、ＳｉＯ２（純度９９．９％、粒度４μｍ）、Ｇａ２Ｏ３（純度９９．９％）、Ａｌ２Ｏ３（純度９９．９％）、Ｂ２Ｏ３（純度９９．９％）、Ｌａ２Ｏ３（純度９９．９％）、Ｅｒ２Ｏ３（純度９９．９％）、ＣｅＯ２（純度９９．９％）を用いて調合後らいかい機により乾式混合し、１１５０℃に加熱した電気炉中にて溶解し、その後ステンレス板上に流し出し、直径１０１．６ｍｍのガラスを得た。得られたガラスを厚さ３ｍｍまで研削し、その後スパッタ用バッキングプレートにインジウムを接着剤として用いてボンディングすることによりスパッタリング用ターゲットＴ１およびＴ２を作製した。
このターゲットを用いて形成したガラス膜をドライエッチングによりパターニングし、導波路を作製し評価を行った。例１、２、５、６は実施例、例３、４は比較例である。
Figure 2006053522
「例１］
ソーダライムシリカガラス円形基板１１（厚さ１ｍｍ、直径７６．２ｍｍ）の上に厚さ６．６μｍのクラッド膜１２を形成した。すなわち、Ｔ２ターゲットを用い、基板温度は２０℃、スパッタリング用ガスとしてアルゴンおよび酸素をそれぞれ標準状態換算で流量３０ｃｍ３／分、０．５ｃｍ３／分、圧力は０．３Ｐａ、投入高周波電力は１００Ｗ、スパッタリング時間は６６時間、の条件でスパッタリングを行った。基板上に形成されたガラス膜のＸ線回折測定をしたところ回折パターンにピークは認められず、非晶質であることが確認された。
次に、下地クラッド膜の上に厚さ３．３μｍのコア膜１３を形成した。すなわち、Ｔ１ターゲットを用い、基板温度は２０℃、スパッタリング用ガスとしてアルゴンおよび酸素をそれぞれ標準状態換算で流量３０ｃｍ３／分、０．７５ｃｍ３／分、圧力は０．３Ｐａ、投入高周波電力は１００Ｗ、スパッタリング時間は２１時間の条件でスパッタリングを行った。基板上に形成されたガラス膜のＸ線回折測定をしたところ回折パターンにピークは認められず、非晶質であることが確認された。また、質量百分率表示でのＢｉ２Ｏ３の量は７４．１％であった。
次に、コア膜１３の上に保護膜（上地クラッドとなる膜）を３００ｎｍ形成した。すなわち、Ｔ２ターゲットを用い、基板温度は２０℃、スパッタリング用ガスとしてアルゴンおよび酸素をそれぞれ標準状態換算で流量３０ｃｍ３／分、０．５ｃｍ３／分、圧力は０．３Ｐａ、投入高周波電力は１００Ｗ、スパッタリング時間は３時間の条件でスパッタリングを行った。
次に、直径１０１．６ｍｍのＷ６Ｓｉ４ターゲットを用いて厚さ１．３μｍのマスク膜１４を形成した。すなわち、基板温度は２０℃、スパッタリング用ガスとしてアルゴンを標準状態換算で流量１０ｃｍ３／分、圧力は２Ｐａ、投入ＤＣ電力は３００Ｗ、スパッタリング時間は１００分の条件でスパッタリングを行った。
次に、マスク膜１４の上にスピンコート法を用いて厚さ２．４μｍのポジレジスト膜を形成した。ポジレジスト膜を９６℃のホットプレート上で仮焼した後、マスクアライナを用いて波長４３６ｎｍの紫外線を照射し、前記ポジレジスト膜の上に、幅３〜８μｍ、長さ５０〜７６ｍｍの直線状コアパターンがピッチ１２５μｍで３０個形成されたパターンを形成した。ポジレジスト膜の紫外線照射部分は現像液により除去し、次にＩＣＰエッチング装置ＮＥ５５０（（株）アルバック製）によってドライエッチングを行った。該ドライエッチングは、ＣＨＦ３ガスおよびＳＦ６ガスの流量がそれぞれ標準状態換算で２５ｃｍ３／分、５ｃｍ３／分、圧力が０．５Ｐａ、アンテナパワー８００Ｗ、バイアスパワー２０Ｗ、基板温度２０℃、の条件下で９分間行い、マスク膜１４のパターニングを行った。
次に、レジストを剥離液によりマスク膜１４上から除去した後、前述のＩＣＰエッチング装置により以下の条件で灰化処理を行った。すなわち、基板温度２０℃、灰化用ガスとして酸素を標準状態換算で２０ｃｍ３／分、圧力１Ｐａ、アンテナパワー３００Ｗ、バイアスパワー１０Ｗ、の条件下で５分間灰化処理を行い、レジストを除去した。
次に磁気中性線放電プラズマエッチング装置ＮＬＤ５００を用いてドライエッチングを行い、コアガラス膜をパターニングした。該ドライエッチングは、Ａｒガスにフッ化物ガスを流量比で１０％加えた混合ガス気流中で行った。すなわちＡｒガスとＣ３Ｆ８ガスの流量はそれぞれ標準状態換算で４５ｃｍ３／分、５ｃｍ３／分とした。またそのときの圧力は０．２Ｐａで、放電電力はアンテナパワー１２００Ｗ、バイアスパワー２５０Ｗ、チャンバー縦方向に３つある中性磁場生成コイルの電流を上から１０Ａ、１６．７Ａ、１０Ａ、基板温度を２５℃とした。
ドライエッチング処理は上記条件で１０分間行った。その後、試料を一旦取出し、Ｓｉ基板を装置にセットし、Ｏ２ガスとＣ３Ｆ８ガスの流量をそれぞれ１００ｃｍ３／分、５ｃｍ３／分とし、アンテナパワー１０００Ｗ、バイアスパワー０Ｗで３０分プラズマ処理をした後、バイアス２０Ｗを印加する以外は、前述の条件で３０分プラズマ処理を行った後、Ｎ２ガスによる真空破壊と真空引きを３０回繰り返した。１０分間エッチングした試料を再度装置へセットし、前述のコアエッチング条件と同じ条件でコアのエッチングを１０分間行った。ドライエッチング後のコアパターンの側壁および断面のＳＥＭ観察を行ったところ、側壁周辺に付着物がなく平滑にエッチングが行われていた。また、マスク膜１４を含まないコアパターンの形状は、上辺、下辺、高さ（エッチング深さ）の順に、３．１μｍ、６．０μｍ、４．２μｍであり、図１のＡおよびＢの角度はともに７１°であった。すなわち、上辺、下辺、高さがそれぞれ３．３μｍ、５．５μｍ、３．３μｍで、図１のＡおよびＢの角度はともに７１°の台形断面のコアが形成された。
次に、前述のＩＣＰエッチング装置により、以下の条件で金属マスク除去を行った。すなわち、ＳＦ６ガス２０ｃｍ３／分、圧力０．５Ｐａ、アンテナパワー８００Ｗ、バイアスパワー２０Ｗ、基板温度２０℃、の条件下で４分間行い、マスク膜を除去した。
次に、凹凸加工したガラスの上に６．６μｍ厚の上地クラッド膜を形成した。すなわち、Ｔ２ターゲットを用いて、基板温度は２０℃、スパッタリング用ガスとしてアルゴンおよび酸素をそれぞれ標準状態換算で流量３０ｃｍ３／分、０．５ｃｍ３／分、圧力は０．３Ｐａ、投入高周波電力は１００Ｗ、スパッタリング時間は６６時間、の条件でスパッタリングを行った。
作製した直線導波路を真空チャンバーにセットし、酸素ガスを標準状態換算で流量５ｃｍ３／分の割合で流しながら圧力を０．２ｔｏｒｒに保ち、昇温速度５℃／分で５００℃まで加熱し、３時間保持した後、降温速度５℃／分で冷却する熱処理を行った。このとき、コア膜とクラッド膜の屈折率は、それぞれ１．９２１、１．９１１であった。得られた導波路をダイシング装置で切断した後、端面を研磨加工し、鏡面加工まで行った。導波路の長さを変え、それぞれの導波路で損失を測定した結果、導波路自体の損失は０．２ｄＢ／ｃｍであった。
「例２」
ソーダライムシリカガラス円形基板１１（厚さ１ｍｍ、直径７６．２ｍｍ）の上に厚さ８．４μｍのクラッド膜１２を形成した。すなわち、Ｔ２ターゲットを用い、基板温度は２０℃、スパッタリング用ガスとしてアルゴンおよび酸素をそれぞれ標準状態換算で流量３０ｃｍ３／分、０．７５ｃｍ３／分、圧力は０．３Ｐａ、投入高周波電力は１００Ｗ、スパッタリング時間は６０時間、の条件でスパッタリングを行った。基板上に形成されたガラス膜のＸ線回折測定をしたところ回折パターンにピークは認められず、非晶質であることが確認された。
次に、下地クラッド膜の上に厚さ３．３μｍのコア膜１３を形成した。すなわち、Ｔ２ターゲットを用い、基板温度は２０℃、スパッタリング用ガスとしてアルゴンおよび酸素をそれぞれ標準状態換算で流量３０ｃｍ３／分、０．５ｃｍ３／分、圧力は０．３Ｐａ、投入高周波電力は１００Ｗ、スパッタリング時間は３５時間、の条件でスパッタリングを行った。基板上に形成されたガラス膜のＸ線回折測定をしたところ回折パターンにピークは認められず、非晶質であることが確認された。また、質量百分率表示でのＢｉ２Ｏ３の量は７５．６％であった。
次に、コア膜１３の上に保護膜（上地クラッドとなる膜）を３００ｎｍ形成した。すなわち、Ｔ２ターゲットを用い、基板温度は２０℃、スパッタリング用ガスとしてアルゴンおよび酸素をそれぞれ標準状態換算で流量３０ｃｍ３／分、０．７５ｃｍ３／分、圧力は０．３Ｐａ、投入高周波電力は１００Ｗ、スパッタリング時間は２時間１０分の条件でスパッタリングを行った。
次に、直径１０１．６ｍｍのＷ６Ｓｉ４ターゲットを用いて厚さ１．３μｍのマスク膜１４を形成した。すなわち、基板温度は２０℃、スパッタリング用ガスとしてアルゴンを標準状態換算で流量１０ｃｍ３／分、圧力は２Ｐａ、投入ＤＣ電力は３００Ｗ、スパッタリング時間は１００分の条件でスパッタリングを行った。
次に、マスク膜１４の上にスピンコート法を用いて厚さ２．４μｍのポジレジスト膜を形成した。ポジレジスト膜を９６℃のホットプレート上で仮焼した後、マスクアライナを用いて波長４３６ｎｍの紫外線を照射し、前記ポジレジスト膜の上に、幅３〜８μｍ、長さ５０〜７６ｍｍの直線状コアパターンがピッチ１２５μｍで３０個形成されたパターンを形成した。ポジレジスト膜の紫外線照射部分は現像液により除去し、次にＩＣＰエッチング装置ＮＥ５５０（（株）アルバック製）によってドライエッチングを行った。該ドライエッチングは、ＣＨＦ３ガスおよびＳＦ６ガスの流量がそれぞれ標準状態換算で２５ｃｍ３／分、５ｃｍ３／分、圧力が０．５Ｐａ、アンテナパワー８００Ｗ、バイアスパワー２０Ｗ、基板温度２０℃、の条件下で９分間行い、マスク膜１４のパターニングを行った。
次に、レジストを剥離液によりマスク膜１４上から除去した後、前述のＩＣＰエッチング装置により以下の条件で灰化処理を行った。すなわち、基板温度２０℃、灰化用ガスとして酸素を標準状態換算で２０ｃｍ３／分、圧力１Ｐａ、アンテナパワー３００Ｗ、バイアスパワー１０Ｗ、の条件下で５分間灰化処理を行い、レジストを除去した。
次に磁気中性線放電プラズマエッチング装置ＮＬＤ５００を用いてドライエッチングを行い、コアガラス膜をパターニングした。該ドライエッチングは、Ａｒガスにフッ化物ガスを流量比で１０％加えた混合ガス気流中で行った。すなわちＡｒガスとＣ３Ｆ８ガスの流量はそれぞれ標準状態換算で４９．５ｃｍ３／分、５．５ｃｍ３／分とした。またそのときの圧力は０．２Ｐａで、放電電力はアンテナパワー１２００Ｗ、バイアスパワー２５０Ｗ、チャンバー縦方向に３つある中性磁場生成コイルの電流を上から１０Ａ、１２．５Ａ、１０Ａ、基板温度を２５℃とした。ドライエッチング処理は上記条件で３５分間行った。
ドライエッチング後のコアパターンの側壁および断面のＳＥＭ観察を行ったところ、側壁周辺に付着物がなく平滑にエッチングが行われていた。また、マスク膜１４を含まないコアパターンの形状は、上辺、下辺、高さ（エッチング深さ）の順に、５．８μｍ、７．５μｍ、３．５μｍであり、図１のＡおよびＢの角度はともに７１°であった。すなわち、上辺、下辺、高さがそれぞれ５．９μｍ、７．５μｍ、３．３μｍで、図１のＡおよびＢの角度はともに７１°の台形断面のコアが形成された。
次に、前述のＩＣＰエッチング装置により、以下の条件で金属マスク除去を行った。すなわち、ＳＦ６ガス２０ｃｍ３／分、圧力０．５Ｐａ、アンテナパワー８００Ｗ、バイアスパワー２０Ｗ、基板温度２０℃、の条件下で５分間行い、マスク膜を除去した。
次に、凹凸加工したガラスの上に６．６μｍ厚の上地クラッド膜を形成した。すなわち、Ｔ２ターゲットを用いて、基板温度は２０℃、スパッタリング用ガスとしてアルゴンおよび酸素をそれぞれ標準状態換算で流量３０ｃｍ３／分、０．７５ｃｍ３／分、圧力は０．３Ｐａ、投入高周波電力は１００Ｗ、スパッタリング時間は６０時間、の条件でスパッタリングを行った。
作製した直線導波路を真空チャンバーにセットし、酸素ガスを標準状態換算で流量５ｃｍ３／分の割合で流しながら圧力を０．２ｔｏｒｒに保ち、昇温速度５℃／分で５００℃まで加熱し、３時間保持した後、降温速度５℃／分で冷却する熱処理を行った。このとき、コア膜とクラッド膜の屈折率は、それぞれ１．９１５、１．８９９であった。得られた導波路をダイシング装置で切断した後、端面を研磨加工し、鏡面加工まで行った。導波路の長さを変え、それぞれの導波路で損失を測定した結果、導波路自体の損失は０．２ｄＢ／ｃｍであった。
「例３」
ターゲットＴ２を用い、例２と同じ条件でスパッタリングを行いソーダライムシリカガラス基板の上に下地クラッド、コア、上地クラッドとなる保護膜を形成し、厚さ１．３μｍのマスク膜を同じ条件で形成し、例２と同条件でエッチングを行い、マスクのパターニングを行った。
続いて、マスク膜上からレジストを例２と同じ条件で除去した後、パターニングされたマスク膜を用いて、ガラス膜を以下の条件でＮＬＤエッチングした。すなわちＡｒガスとＣ３Ｆ８ガスの流量はそれぞれ標準状態換算で４９．５ｃｍ３／分、５．５ｃｍ３／分とした。またそのときの圧力は０．２Ｐａで、放電電力はアンテナパワー１０００Ｗ、バイアスパワー２５０Ｗ、チャンバー縦方向に３つある中性磁場生成コイルの電流を上から２０Ａ、２５．５Ａ、２０Ａ、基板温度を２５℃とした。ドライエッチング処理は上記条件で１０分間行った。ドライエッチング後のコア断面のＳＥＭ観察を行ったところ、側壁周辺に付着物があり、エッチング側面が荒れており、光散乱の原因になり得る状態であることが確認できた。また、マスク膜１４を含まないコアパターンの形状は、上辺、下辺、高さ（エッチング深さ）の順に、３．６μｍ、４．０μｍ、１．９μｍであり、図１のＡおよびＢの角度はともに８４°であった。
次に、前述のＩＣＰエッチング装置により、以下の条件で金属マスク除去を行った。すなわち、ＳＦ６ガス２０ｃｍ３／分、圧力０．５Ｐａ、アンテナパワー８００Ｗ、バイアスパワー２０Ｗ、基板温度２０℃、の条件下で５分間行い、マスク膜を除去した。
次に、凹凸加工したガラスの上に６．６μｍ厚の上地クラッド膜を形成した。すなわち、Ｔ２ターゲットを用いて、基板温度は２０℃、スパッタリング用ガスとしてアルゴンおよび酸素をそれぞれ標準状態換算で流量３０ｃｍ３／分、０．７５ｃｍ３／分、圧力は０．３Ｐａ、投入高周波電力は１００Ｗ、スパッタリング時間は６０時間、の条件でスパッタリングを行った。
作製した直線導波路を真空チャンバーにセットし、酸素ガスを標準状態換算で流量５ｃｍ３／分の割合で流しながら圧力を０．２ｔｏｒｒに保ち、昇温速度５℃／分で５００℃まで加熱し、３時間保持した後、降温速度５℃／分で冷却する熱処理を行った。このとき、コア膜とクラッド膜の屈折率は、それぞれ１．９１５、１．８９９であった。得られた導波路をダイシング装置で切断した後、端面を研磨加工し、鏡面加工まで行った。導波路の長さを変え、それぞれの導波路で損失を測定した結果、導波路自体の損失は３ｄＢ／ｃｍであった。
「例４」
例１と同じ条件でスパッタリングを行いソーダライムシリカガラス基板の上に下地クラッド、コア、上地クラッドとなる保護膜を形成し、厚さ１．３μｍのマスク膜を同じ条件で形成し、例１と同条件でエッチングを行い、マスクのパターニングを行った。
続いて、マスク膜上からレジストを例１と同じ条件で除去した後、パターニングされたマスク膜を用いて、ガラス膜を以下の条件でＮＬＤエッチングを行った。すなわちＡｒガスとＣＨＦ３ガスの流量はそれぞれ標準状態換算で９０ｃｍ３／分、１０ｃｍ３／分とした。またそのときの圧力は０．４Ｐａで、放電電力はアンテナパワー１０００Ｗ、バイアスパワー２６０Ｗ、チャンバー縦方向に３つある中性磁場生成コイルの電流を上から１０Ａ、１６．７Ａ、１０Ａ、基板温度を２５℃とした。ドライエッチング処理は上記条件で１０分間行った。ドライエッチング後のコア断面のＳＥＭ観察を行ったところ、側壁周辺に付着物があり、エッチング側面が荒れており、光散乱の原因になり得る状態であることが確認できた。また、マスク膜１４を含まないコアパターンの形状は、上辺、下辺、高さ（エッチング深さ）の順に、６．１μｍ、６．７μｍ、１．８μｍであり、図１のＡおよびＢの角度はともに８１°であった。
次に、前述のＩＣＰエッチング装置により、以下の条件で金属マスク除去を行った。すなわち、ＳＦ６ガス２０ｃｍ３／分、圧力０．５Ｐａ、アンテナパワー８００Ｗ、バイアスパワー２０Ｗ、基板温度２０℃、の条件下で５分間行い、マスク膜を除去した。
次に、凹凸加工したガラスの上に６．６μｍ厚の上地クラッド膜を形成した。すなわち、Ｔ２ターゲットを用いて、基板温度は２０℃、スパッタリング用ガスとしてアルゴンおよび酸素をそれぞれ標準状態換算で流量３０ｃｍ３／分、０．５ｃｍ３／分、圧力は０．３Ｐａ、投入高周波電力は１００Ｗ、スパッタリング時間は６６時間、の条件でスパッタリングを行った。
作製した直線導波路を真空チャンバーにセットし、酸素ガスを標準状態換算で流量５ｃｍ３／分の割合で流しながら圧力を０．２ｔｏｒｒに保ち、昇温速度５℃／分で５００℃まで加熱し、３時間保持した後、降温速度５℃／分で冷却する熱処理を行った。このとき、コア膜とクラッド膜の屈折率は、それぞれ１．９２１、１．９１１であった。得られた導波路をダイシング装置で切断した後、端面を研磨加工し、鏡面加工まで行った。導波路の長さを変え、それぞれの導波路で損失を測定した結果、導波路自体の損失は５ｄＢ／ｃｍであった。
「例５］
ソーダライムシリカガラス円形基板１１（厚さ１ｍｍ、直径７６．２ｍｍ）の上にガラス薄膜を形成し、パターニングを行って導波路を作製する。
まず６６時間スパッタリングして厚さ７．２μｍの下地クラッド膜１２を形成し、次いで、下地クラッド膜の上に、２０時間１５分スパッタリングして厚さ３．３μｍのコア膜１３を、３時間スパッタリ２ングして３００ｎｍの（上地クラッドとなる膜）を形成した。基板上に形成されたこれらのガラス膜は、Ｘ線回折測定により非晶質であることが確認された。なお、本例においてガラス膜を成膜する条件は、コア膜成膜時のガス流量をＡｒ３０ｃｍ３／分、酸素０．５ｃｍ３／分とした以外は例１と同様とした。また、スパッタリングによりガラス膜が形成される成膜速度は、ターゲットの損耗状態により変化するので適宜校正を行って成膜を行った。
次いで、Ｗ６Ｓｉ４ターゲットを用いてマスク膜１４を形成し、ポジレジスト膜を用いて幅５μｍ、長さ５．０〜７．６ｃｍの直線状コアパターンがピッチ１２５μｍで３０個形成されたパターンを形成し、例１と同様にしてマスク膜１４のパターニングを行った。ドライエッチング後のコアをＳＥＭ観察すると、直線状コアは、側壁が周辺に付着物がなく表面性状が平滑であって、マスク膜１４を含まないコアパターンの形状は、上辺、下辺、高さ（エッチング深さ）の順に、２．８μｍ、５．４μｍ、４．２μｍであり、図１のＡおよびＢの角度はともに７３°であった。すなわち、上辺、下辺、高さがそれぞれ３．０μｍ、５．０μｍ、３．３μｍで、図１のＡおよびＢの角度はともに７３°の台形断面のコアが形成された。次いで例１と同様にしてＩＣＰエッチングにより金属マスクを除去した後、凹凸加工したガラスの上に６６時間スパッタリングして７．２μｍ厚の上地クラッド膜を形成し、熱処理を行い、それぞれのコアパターンごとに切断し端面を研磨加工、鏡面加工して本例のガラス光導波路を得た。
以上の工程で作製されたコア膜とクラッド膜の屈折率は、それぞれ１．９４２、１．９１３であった。長さを変えた導波路で損失を測定した結果から、波長１３１０ｎｍにおける本例のガラス光導波路の導波路自体の損失は０．１３ｄＢ／ｃｍであった。
溶融延伸型の波長多重（ＷＤＭ）ファイバカプラを２つ用意し、このＷＤＭファイバカプラを、本例で作成した長さ６ｃｍのガラス光導波路の両端にカップリングさせ、双方向励起の光学系を構成した。すなわち、本例のガラス光導波路の両端にカップリングされたそれぞれのＷＤＭファイバカプラの励起光ポートに対して、外部に置かれた半導体レーザーダイオードから波長９８０ｎｍ、パワー１４０ｍＷの励起光を入力するとともに、一方のＷＤＭファイバカプラの信号光ポートに対して、波長間隔が２．５ｎｍで波長範囲１５２０〜１６００ｎｍであって、パワー−１０ｄＢｍの信号光を入力し、他方のＷＤＭファイバカプラの信号光ポートから出力された信号光を光スペクトラムアナライザーに入力し、信号光強度を測定した。この構成により、本例のガラス光導波路を双方向励起させて増幅特性を評価することができる。
このときに測定された信号光強度ＳＡを、あらかじめ光スペクトラムアナライザーにより測定した本例のガラス光導波路以外の光学系の光損失ＳＢにより補正してネットゲインが求められる。このようにして求められたネットゲインを図４に示す。波長１５３０ｎｍにおいておよそ８ｄＢの利得が得られていることがわかる。
［例６］
前述と同様の方法で、円盤状のガラスを形成し、スパッタリング用バッキングプレートにボンディングして、それぞれ前述のターゲットＴ１およびＴ２と同組成のスパッタリング用ターゲットＴ３およびＴ４を作製する。ただし本例では、溶解して形成するガラスの直径は１５２．４ｍｍとし、得られたガラスを研削・研磨する厚さは５ｍｍとする。このターゲットを用いて例１と同様の方法、条件でソーダライムシリカガラス円形基板３３上にガラス膜を形成し、パターニングして導波路を作製する。
すなわち、Ｔ４ターゲットを用いて厚さ６．４μｍの下地クラッド膜３２ａ、Ｔ３ターゲットを用いて厚さ３．３μｍのコア膜３１、Ｔ４ターゲットを用いて厚さ３００ｎｍの上地クラッドとなる膜である保護膜を順次形成し、例１と同様に、磁気中性線放電プラズマエッチング装置ＮＬＤ５００によるドライエッチング、プラズマ処理、Ｎ２ガスによる真空破壊と真空引きを３０回繰り返した後、再度ドライエッチングを行う工程により、コアガラス膜のパターニングを行って、長さ２ｃｍの直線状コアパターンを形成する。下地クラッド膜３２ａ、コア膜３１、上地クラッドとなる膜である保護膜を形成するスパッタリング時間はそれぞれ３８時間、１３時間３０分、１時間４５分である。このようにして形成された直線状コアは、側壁が周辺に付着物がなく表面性状が平滑であって、マスク膜１４を含まないコアパターンの形状は、上辺、下辺、高さ（エッチング深さ）の順に、２．８μｍ、５．４μｍ、４．２μｍであり、図１のＡおよびＢの角度はともに７３°であった。すなわち、上辺、下辺、高さがそれぞれ３．０μｍ、５．０μｍ、３．３μｍで、図１のＡおよびＢの角度はともに７３°の台形断面のコアが形成された。
次に、マスク膜を除去し、凹凸加工したガラスの上に厚さ６．４μｍの上地クラッド膜３２ｂをＴ４ターゲットを用いて３８時間スパッタリングを行い形成する。以上の工程により形成された直線導波路を真空チャンバー中で酸素ガスを流しながら熱処理を行い、ガラス光導波路が得られる。
なお、ガラス膜をスパッタリングで形成するときの投入高周波電力は２８０Ｗとし、スパッタリング用ガスであるアルゴンおよび酸素の標準状態換算流量を、下地クラッド膜１２、上地クラッドとなる膜である保護膜、および上地クラッド膜を形成するときは１２０ｃｍ３／分および０．７ｃｍ３／分、コア膜１３を形成するときは２００ｃｍ３／分および０．７ｃｍ３／分である。上記以外の条件は、例１と同様である。
また、以上の工程により形成された各ガラス膜は、Ｘ線回折測定による回折ピークは認められず非晶質であって、質量百分率表示でのＢｉ２Ｏ３の量は７４．１％である。得られたコア膜とクラッド膜の屈折率は、それぞれ１．９７８、１．９５０で、導波路の損失は０．１３ｄＢ／ｃｍである。
以上の工程で得られた長さ２ｃｍのガラス光導波路を光導波路型レーザー媒体として用いるファブリ・ペロー型の共振器を作製する
得られたガラス光導波路の一方の端面を励起光入力端面とし、他方の端面をレーザー光出射端面とし、これらの端面に、低屈折率層材料としてＳｉＯ２、高屈折率層材料としてＴａ２Ｏ５を用いた誘電体多層膜によるミラーを蒸着により形成する。このとき、励起光入力端面に形成するミラー３４は、励起光として用いる波長９８０ｎｍの光に対する透過率を９９．５％、レーザー発振させる波長１５３０ｎｍの光に対する反射率を９９％とし、レーザー光出射端面に形成するミラー３５は、波長９８０ｎｍの光に対する透過率を９９．５％、波長１５３０ｎｍの光に対する反射率を６０％とする。
このようにして得られた共振器の励起光入力端面に対して、波長９８０ｎｍ帯の発振波長を有する半導体レーザーを用いて、パワー１００ｍＷのレーザー光の励起光３６を集光レンズにより入射させる。入射された励起光により励起されるＥｒイオンの発光帯のうち、入出力端に備えられたミラーにより反射される１５３０ｎｍの波長の光が光導波路型レーザー媒体中で増幅され、レーザー光出射端面からレーザー光３７として出力される。出射された光がレーザー光であることは、出力された光を集光レンズによりシングルモード光ファイバに入射させて光スペクトラムアナライザーに導き、スペクトルを測定すると、スペクトル幅の狭い１５３０ｎｍの波長の光だけが出力されていることから確認される。
本発明のガラス光導波路は、０．４〜２μｍの波長帯における光増幅導波路、非線形光導波路などに好適である。
また、本発明のガラス光導波路は、レーザー発振させるためのレーザー媒体としても好適用いることが可能であり、その場合、レーザー活性イオンと励起光波長を適宜選ぶことにより１０６０〜３０００ｎｍ帯のレーザー発振を行わせることができる。
本発明による光導波路のコア近傍の拡大断面図。 一般的な光導波路のコア近傍の拡大断面図。 一般的な光導波路の作製方法を示す図。 本発明によるガラス光導波路を用いた光増幅導波路の増幅特性のグラフ。 本発明による光導波路を光導波路型レーザー媒体として用いるレーザー共振器の概略断面図。
符号の説明
１１ ：基板
１２、２２ａ、３２ａ：下地クラッド膜
１３ ：コア膜
１４ ：金属膜
１５ ：レジスト
１６、２２ｂ、３２ｂ：上地クラッド膜
２１ ：コア
２２ ：クラッド
２３ ：基板
３１ ：コア
３２ ：クラッド
３３ ：基板
３４ ：励起光入射端面に形成されたミラー
３５ ：レーザー光出射端面に形成されたミラー
３６ ：励起光
３７ ：レーザー光

Claims (5)

  1. 平面基板上に形成されたガラスからなるコアとクラッドとを備える光導波路であって、コアのガラス構成酸化物としてＢｉ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ３、ＰｂＯ、ＳｎＯ２およびＴｅＯ２からなる群から選ばれた１種以上の酸化物を質量百分率表示で合計３５％以上含有し、コアの断面形状が基板側に長辺を有する台形であって、かつ台形を構成する４辺のうち長辺と２つの斜辺のいずれともなす角度がそれぞれ６０〜８０°の範囲にあることを特徴とするガラス光導波路。
  2. 前記クラッドのガラス構成酸化物は、Ｂｉ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ３、ＰｂＯ、ＳｎＯ２およびＴｅＯ２からなる群から選ばれた１種以上の酸化物からなり、コアとクラッドの屈折率差をコアの屈折率で除した値が０．０００３から０．１までの範囲にある請求項１に記載のガラス光導波路。
  3. コアのガラス構成酸化物が、Ｂｉ２Ｏ３を質量百分率表示で合計３５％以上含有したガラス構成酸化物である請求項１または２記載のガラス光導波路。
  4. コアのガラス構成酸化物が、ＥｒおよびＴｍの少なくともいずれか一方を含有する請求項１、２または３記載のガラス光導波路。
  5. 請求項１から４に記載のガラス光導波路のコアが、ドライエッチング法により形成されていることを特徴とするガラス光導波路。
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