JP3551895B2 - 石英系光導波路及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野で使用される基板上にコア導波路と上部クラッド部を設けた石英系光導波路及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
石英、シリコン等からなる基板上に横断面矩形又は正方形のＧｅＯ２等の屈折率上昇用ドーパントが添加された石英系ガラスからなる屈折率の比較的高いコア導波路を設け、そのコア導波路を覆うように基板上にコア導波路よりも屈折率の低い石英系ガラスからなる上部クラッド部を形成した石英系光導波路は良く知られている。また、この石英系光導波路の上部クラッド部は、通常火炎堆積法によってコア導波路を設けた基板上に石英系ガラス微粒子を堆積させて多孔質ガラス層を形成し、それを焼結して透明化することによって製造している。
【０００３】
また、多孔質ガラス層の焼結時の加熱によってコア導波路が変形をしないようにするため、上部クラッド部の軟化温度がコア導波路の軟化温度よりも低くなるように、上部クラッド部では、ＳｉＯ２にＰ２Ｏ５、Ｂ２Ｏ３等のドーパントを軟化温度を低下させるために添加している。なお、上部クラッド部の屈折率はコア導波路の屈折率よりも低くして基板の屈折率と同程度の屈折率にする必要があるので、Ｐ２Ｏ５の屈折率上昇効果とＢ２Ｏ３の屈折率低下効果とで打ち消し合うようにしている。
【０００４】
この石英系光導波路においては、コア導波路を取り囲む基板及び上部クラッド部の熱膨張係数の差によって、コア導波路に異方性の熱歪みが発生し、偏波依存性が生じる。石英系光導波路で構成された光波長合分波器においては、その偏波依存性によって合分波特性が変化するので、出来るだけ偏波依存性の少ない石英系光導波路が求められている。特開平６−２７３４２号公報、特開平７−３１８７３４号公報には、石英系光導波路の偏波依存性を少なくする方法が記載されている。
【０００５】
特開平６−２７３４２号公報に記載された方法は、上部クラッド部のＰ２Ｏ５及びＢ２Ｏ３の総ドープ量を１〜３％にすることによって偏波依存性を少なくしようとするものである。また、特開平７−３１８７３４号公報に記載された方法は、基板及びコア導波路と上部クラッド部との境界面にコア導波路の屈折率よりも小さくかつ基板の屈折率と同じかそれ以上の屈折率を有する薄膜ガラス層を形成することによって偏波依存性を少なくしようとするものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、偏波依存性を少なくするために上部クラッド部のＰ２Ｏ５及びＢ２Ｏ３の総ドープ量を低減させた場合、発明者は、コア導波路と上部クラッド部との界面に結晶が発生することがあることを見出した。この結晶の発生は光導波路としての伝送損失に大きな悪影響をもたらすので避ける必要がある。また、特開平７−３１８７３４号公報に記載された方法では、薄膜ガラス層の屈折率が上部クラッド部の屈折率よりも大きくなる。従って、薄膜ガラス層の厚さが大きいと光導波路のおいて複数のコア導波路を平行して狭い間隔で配置することが出来ず、光導波路の全体の大きさを小さくすることが困難である。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の問題点、即ちコア導波路と上部クラッド部の界面に発生する結晶を無くし、かつコア導波路と上部クラッド部との界面に屈折率が上部クラッド部の他の部分よりも大きな薄膜層が出来ないようにしてコア導波路の高密度配列を可能にし、かつ屈折率の高い偏析層が形成されることで生じる偏波依存性を小さくできる光導波路及びその製造方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の石英系光導波路は、基板上にコア導波路が形成され、該コア導波路を覆うように前記基板上に屈折率低下用ドーパント及び屈折率上昇用ドーパントが添加された石英系ガラスからなる上部クラッド部が形成された石英系光導波路において、前記上部クラッド部の前記基板及び前記コア導波路に接する部分に、前記屈折率上昇用ドーパントの濃度が前記上部クラッド部の表面よりも高くなった偏析層が形成されており、前記屈折率上昇用ドーパントによる前記上部クラッド部の偏析層以外の部分に対する該偏析層の屈折率の上昇分が、該偏析層において添加された前記屈折率低下用ドーパントの添加量の増加又は／及び別の屈折率低下用ドーパントの添加による屈折率の低下によって相殺され、前記上部クラッド部の屈折率分布が厚み方向でほぼ均一であるものである。
【０００９】
これによって、上部クラッド部の基板及びコア導波路に接する部分には屈折率上昇用ドーパントの濃度が高くなった偏析層が形成されているので、結晶の発生を抑制することが出来る。また、その偏析層の屈折率の上昇分の少なくとも一部は、屈折率低下用ドーパントの添加量の増加又は／及び別の屈折率低下用ドーパントの添加による屈折率の低下によって相殺されているので、上部クラッド部のコア導波路に接する部分の屈折率は上部クラッド部の他の部分とあまり変わらないものとすることが可能で、複数本のコア導波路を平行に狭い間隔で高密度配列を行なっても互いに伝送光が干渉することは少なくなる。
【００１０】
また、本発明に係る光導波路は次のようにして製造することが出来る。まず、基板上にコアガラス膜を形成した後、該コアガラス膜からフォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチング等によって横断面が矩形又は正方形のコア導波路を形成する。そして、該コア導波路が形成された基板を５００℃〜７００℃の温度に維持しながら該コア導波路を覆うように前記基板上に火炎堆積法にて屈折率低下用ドーパント及びＰ２Ｏ５を添加した石英ガラスからなるガラス微粒子を堆積させることによって、基板及びコア導波路と接する部分にＰ２Ｏ５が偏析して濃度の高くなった偏析層を有する多孔質ガラス層を形成する。
【００１１】
次いで、該多孔質ガラス層をフッ素ガス雰囲気中で加熱することによってフッ素を添加し前記偏析層のＰ２Ｏ５の偏析による屈折率の上昇分をフッ素の偏析による屈折率の低下によって相殺し、続いて該多孔質ガラス層を焼結して透明ガラス化された上部クラッド部とする。また、偏析層のＰ２Ｏ５の偏析による屈折率の上昇をフッ素による屈折率低下で相殺する代わりに、その部分の屈折率低下用ドーパントの原料供給量を調整してそのドーパントの添加量を増加させることによって、Ｐ２Ｏ５の偏析による屈折率の上昇分を屈折率低下用ドーパントの添加量の増加によって相殺することも出来る。また、フッ素による相殺と屈折率低下用ドーパントの添加量の増加による相殺の両方を併せることによってＰ２Ｏ５偏析層の偏析による屈折率の上昇の全部を相殺するようにしても良い。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の石英系光導波路の実施形態を示す横断面図であって、１は基板、２はコア導波路、３は上部クラッド部、３ａは偏析層、３ｂは上部クラッド部の偏析層以外の部分である。基板１は、石英ガラス又はシリコンからなる平板又はそれらの平板の表面にＳｉＯ２ガラス膜を形成した平板である。コア導波路２は、基板１上にＧｅＯ２等の屈折率を上昇させるドーパントを含んだ石英ガラスからなるコアガラス膜をプラズマＣＶＤ法、火炎堆積法等によって形成し、そのコアガラス膜からフォトリソグラフィー及び反応性イオンエッチングによって横断面が矩形又は正方形の長手方向に延びる回路として形成したものである。
【００１３】
また、上部クラッド部３は、コア導波路２を覆うように基板１上に形成した石英ガラスを主成分とするガラス層であって、その屈折率はコア導波路２の屈折率よりも低く基板１の屈折率とほぼ同等になっている。上部クラッド部３は、コア導波路２を覆うように基板１上に火炎堆積法にてＢ２Ｏ３等の屈折率低下用ドーパントとＰ２Ｏ５等の屈折率上昇用ドーパントを含んだ石英ガラスからなるガラス微粒子を堆積させて多孔質ガラス層を形成し、多孔質ガラス層を焼結して透明ガラス化することによって製造する。また、多孔質ガラス層の形成は、ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法によることも可能である。
【００１４】
この多孔質ガラス層の形成に当たっては、コア導波路２を設けた基板１を５００℃〜７００℃に加熱した状態で上記のガラス微粒子の堆積を行なうことによって、基板及びコア導波路に接する部分に屈折率上昇用ドーパントであるＰ２Ｏ５の濃度が他の部分よりも高くなった偏析層を有する多孔質ガラス層が形成される。なおこの時、屈折率上昇用ドーパントであるＰ２Ｏ５は部分的に濃度が高くなった偏析層が出来るが、屈折率低下用ドーパントであるＢ２Ｏ３の濃度は一様で偏析を起こさない。
【００１５】
また、Ｐ２Ｏ５偏析層におけるＰ２Ｏ５濃度及び偏析層の厚さは、原料ガスの供給量及び基板の加熱温度によって調整することが出来る。また、基板１上への多孔質ガラス層の形成に当たって用いられるターンテーブルの全体又はその主要部分をシリコンで形成し、基板１をシリコンからなるホルダで支持してそれを回転するターンテーブルのシリコンで形成された部分の上に載置して、ターンテーブルの下側に配置したヒータで加熱することとすれば、シリコンの良好な熱伝導性によって、基板が均一に加熱されるので、Ｐ２Ｏ５の偏析層の濃度及び厚さを均一なものとすることが出来る。
【００１６】
次いで、その多孔質ガラス層が形成された基板をＳｉＦ４、ヘリウムガスを含むフッ素ガス雰囲気中で加熱する。そうすると多孔質ガラス層の中にフッ素が取り込まれる。そうしておいて、ＳｉＦ４の供給を停めてヘリウムガスだけにして加熱を続け、多孔質ガラス層を透明ガラス化して上部クラッド部３とする。これによって、上部クラッド部の表面付近に一旦入ったフッ素は、ヘリウムガス雰囲気での加熱中に上部クラッド部の表面から出るので、上部クラッド部の表面よりも遠い部分であるＰ２Ｏ５の偏析層部分のフッ素濃度を高め、その他の部分のフッ素濃度を低くしてフッ素も偏析させることが出来る。
【００１７】
このようにして、上部クラッド部３の基板１及びコア導波路２に接する部分にＰ２Ｏ５の濃度が高くなった厚さ１．５μｍ〜５μｍ程度の偏析層３ａを形成する。また、フッ素濃度及びフッ素が偏析した部分の厚さは、フッ素ガス雰囲気のＳｉＦ４の濃度及びＳｉＦ４存在下、不存在下での加熱温度、加熱時間の調整によって、それらの調整を行なうことが出来るので、そのようにしてその厚さをＰ２Ｏ５の偏析層の厚さに合せる。また、Ｐ２Ｏ５偏析層のＰ２Ｏ５の濃度は１重量％〜１５重量％とし、そこでのフッ素の濃度は、Ｐ２Ｏ５による屈折率の上昇分をＢ２Ｏ３及びそのフッ素による屈折率の低下によって打ち消すのに十分な程度とする。
【００１８】
図２（Ａ）（Ｂ）は、それぞれ上部クラッド部の各ドーパントの濃度の分布と各ドーパントによる屈折率の変化を説明するグラフである。縦軸は上部クラッド部における基板又はコア導波路からの距離を示し、横軸は図２（Ａ）の場合はドーパント濃度を、図２（Ｂ）の場合は屈折率変化を示す。上部クラッド部の基板又はコア導波路に近い部分には偏析層が出来ており、偏析層では他の部分に比較してＰ２Ｏ５及びフッ素の濃度は高くなっている。また、Ｂ２Ｏ３の濃度は他の部分と変わらない。
【００１９】
また、Ｐ２Ｏ５によって屈折率は、偏析層部分では＋側に大きく、それ以外の部分では＋側に少し変化する。フッ素によって屈折率は、偏析層部分では−側に大きく、それ以外の部分では−側に少し変化する。また、Ｂ２Ｏ３によって屈折率は、一様に−側に変化する。Ｐ２Ｏ５、フッ素、Ｂ２Ｏ３を合わせた屈折率の変化は、偏析層部分及びそれ以外の部分でそれぞれほぼ零となるようにそれぞれのドーパント濃度を調整する。
【００２０】
以上、上部クラッド部のＰ２Ｏ５の濃度が高くなった偏析層の屈折率の他の部分の屈折率に対する上昇分をフッ素の偏析によって相殺し、上部クラッド部全体のＰ２Ｏ５による屈折率の上昇をＢ２Ｏ３とフッ素の添加によって相殺する方法を示したが、フッ素を使わずにＢ２Ｏ３だけで偏析層の屈折率を相殺することも可能である。
【００２１】
Ｂ２Ｏ３による相殺を行なう場合は、火炎堆積法で多孔質ガラス層を形成するに当たって、Ｂ２Ｏ３を生成する原料ガスの供給量を当初は多く途中で減少させることによってＢ２Ｏ３の添加量を変化させ、Ｐ２Ｏ５の偏析層でのＢ２Ｏ３の添加量を他の部分でのＢ２Ｏ３の添加量よりも増量する。これによって、Ｐ２Ｏ５の偏析層でのＰ２Ｏ５の濃度が高くなっていることに伴う屈折率の上昇分をＢ２Ｏ３の添加量の増加に伴う屈折率の低下によって相殺することが出来る。
【００２２】
図３（Ａ）（Ｂ）は、それぞれその場合の上部クラッド部の各ドーパントの濃度の分布と各ドーパントによる屈折率の変化を説明するグラフである。縦軸は上部クラッド部における基板又はコア導波路からの距離を示し、横軸は図３（Ａ）の場合はドーパント濃度を、図３（Ｂ）の場合は屈折率変化を示す。上部クラッド部の基板又はコア導波路に近い部分にはＰ２Ｏ５の偏析層が出来ており、偏析層では他の部分に比較してＰ２Ｏ５及びＢ２Ｏ３の濃度が高くなっている。
【００２３】
これによって図３（Ｂ）に示すように、Ｐ２Ｏ５によって屈折率は、偏析層部分では＋側に大きく、それ以外の部分では＋側に少し変化する。そして、Ｂ２Ｏ３によって屈折率は、偏析層部分では−側に大きく、それ以外の部分では−側に少し変化させる。Ｐ２Ｏ５、Ｂ２Ｏ３を合わせた屈折率の変化は、偏析層部分及びそれ以外の部分でそれぞれほぼ零となるようにそれぞれのドーパント濃度を調整する。
【００２４】
また、Ｐ２Ｏ５の偏析層での屈折率変化をフッ素の添加又はＢ２Ｏ３の増量によってそれぞれ単独で相殺することも出来るが、フッ素の添加及びＢ２Ｏ３の増量を併せて行い、フッ素及びＢ２Ｏ３の両方でもってＰ２Ｏ５の偏析層の屈折率変化を相殺し、偏析層の屈折率を上部クラッド部の他の部分の屈折率とほぼ同等にすることも可能である。また、フッ素の添加は熱膨張係数を下げる方向に作用し、上部クラッド部と基板との熱膨張係数の差を小さくするので、熱歪み発生に伴う偏波依存性が小さくなるという更なる効果を奏することが出来る。
【００２５】
また、Ｐ２Ｏ５の偏析層のＰ２Ｏ５の濃度は、上部クラッド部と基板及びコア導波路との界面における結晶の成長に影響することが分かった。図４は、偏析層のＰ２Ｏ５の濃度と結晶の発生個数の関係を示すグラフである。これによれば、Ｐ２Ｏ５偏析層におけるＰ２Ｏ５の濃度を１重量％以上にすると結晶の発生個数を零にすることが出来る。なお、結晶の発生を抑えるためのＰ２Ｏ５の偏析層の厚さは幾らでも良いが、製造の容易性から１．５μｍ以上が好ましい。また、図５は、Ｐ２Ｏ５偏析層の厚さとＴＥ偏波・ＴＭ偏波における透過中心波長のずれ（ＰＤλ）との関係を示すグラフである。これによると偏析層の厚さが小さいほど、ＰＤλは小さくなり、偏波依存性は良くなる。また、偏析層の厚さが５μｍ以下なら、ＰＤλは０．０３ｎｍ以下であり実用上は支障は生じない。
【００２６】
なお、基板１のコア導波路２に接する部分は、基板１のそれ以外の部分より、少なくとも偏析層３ａの厚みだけ突出させると好都合である。この様にすると、コア導波路近くにあって、Ｐ２Ｏ５濃度の大きな部分が、さらに減少するので、コア導波路を取り囲む基板及び上部クラッド部の熱膨張係数の差に基づくコア導波路に異方性の熱歪みによる偏波依存性をさらに抑制することが出来る。
【００２７】
【実施例】
「実施例１」として、次の石英系光導波路を製作した。厚さ０．５ｍｍ、直径１０ｃｍの石英ガラスからなる基板上に、プラズマＣＶＤ法にてＧｅＯ２をドープしたＳｉＯ２からなるコアガラス膜を形成した。コアガラス膜の厚さは６μｍ、石英ガラス基板との比屈折率差は０．７５％であった。そのコアガラス膜からフォトリソグラフィー及び反応性イオンエッチングによってアレイ導波型合分波器（ＡＷＧ）の回路からなるコア導波路を作成した。
【００２８】
次いでそのコア導波路が形成された基板をシリコンからなるホルダにて把持し、それをターンテーブルのシリコンで形成された部分の上に載置して、ターンテーブルの下側に配置したヒータでターンテーブルを６００℃に加熱し回転させながら、基板上に火炎堆積法にてＰ２Ｏ５及びＢ２Ｏ３をドープしたＳｉＯ２からなる多孔質ガラス層を形成した。次に、多孔質ガラス層が形成された基板を焼結炉内に入れてＳｉＦ４／ヘリウムガスの混合ガスを流しながらその雰囲気下で１０００℃で１時間加熱した。その後、ＳｉＦ４の供給を停止し、ヘリウムガスのみを流しながらその雰囲気下で１３００℃で１時間加熱し、多孔質ガラス層を透明ガラス化した。
【００２９】
それによってコア導波路を覆って基板上に厚さ３０μｍの上部クラッド部が形成されたアレイ導波型合分波器（ＡＷＧ）の回路を有する石英系光導波路を得た。その石英系光導波路の上部クラッド部とコア導波路との界面に結晶の成長が見られるか調べたが結晶の成長は無かった。また、石英系光導波路の一部を切断して上部クラッド部の各ドーパント濃度の測定を行なった。その結果、上部クラッド部の基板及びコア導波路に接する部分には、Ｐ２Ｏ５の濃度が高くなった偏析層が出来ており、その厚さは４μｍ、Ｐ２Ｏ５の濃度は１．８重量％であった。また、同じ箇所にフッ素の偏析層も出来ており、その厚さは４μｍ、フッ素の濃度は０．５重量％であった。また、偏析層以外の部分ではＰ２Ｏ５の濃度は１．２重量％、フッ素の濃度は０．１重量％以下であった。なお、Ｂ２Ｏ３の濃度は、上部クラッド部全体にわたって１．５重量％で偏析はしていなかった。
【００３０】
また、そのアレイ導波型合分波器（ＡＷＧ）の回路を有する石英系光導波路について、光学特性を評価したところ、挿入損失は３ｄＢ〜４ｄＢ、クロストークは−２８ｄＢ〜−３５ｄＢ、ＴＥ偏波・ＴＭ偏波における透過中心波長のずれ（ＰＤλとも呼ばれる）は０．０１５ｎｍで非常に良好な値であった。
【００３１】
「実施例２」として、次の石英系光導波路を製作した。厚さ１．０ｍｍ、直径１０ｃｍのシリコンからなる平板上にプラズマＣＶＤ法にてＳｉＯ２からなるガラス膜を形成したものを基板として使用し、その基板上に、プラズマＣＶＤ法にてＧｅＯ２をドープしたＳｉＯ２からなるコアガラス膜を形成した。コアガラス膜の厚さは６μｍ、石英ガラス基板との比屈折率差は０．７５％であった。そのコアガラス膜からフォトリソグラフィー及び反応性イオンエッチングによってアレイ導波型合分波器（ＡＷＧ）の回路からなるコア導波路を作成した。
【００３２】
次いでそのコア導波路が形成された基板をシリコンからなるホルダにて把持し、それをターンテーブルのシリコンで形成された部分の上に載置して、ターンテーブルの下側に配置したヒータでターンテーブルを５００℃に加熱し回転させながら、基板上に火炎堆積法にてＰ２Ｏ５及びＢ２Ｏ３をドープしたＳｉＯ２からなる多孔質ガラス層を形成した。その際、コア導波路及び基板付近ではＢ２Ｏ３の添加濃度が高くなるように最初のバーナトラバース４回分はＢ原料投入量をそれ以降のバーナトラバース４０回分のＢ原料投入量の８倍に設定した。次に、多孔質ガラス層が形成された基板を焼結炉内に入れてヘリウムガス雰囲気下で１１００℃で２時間加熱し、多孔質ガラス層を透明ガラス化し上部クラッド部とした。
【００３３】
それによってコア導波路を覆って基板上に厚さ３０μｍの上部クラッド部が形成されたアレイ導波型合分波器（ＡＷＧ）の回路を有する石英系光導波路を得た。その石英系光導波路の上部クラッド部とコア導波路及び基板との界面に結晶の成長が見られるか調べたが結晶の成長は無かった。また、石英系光導波路の一部を切断して上部クラッド部の各ドーパント濃度の測定を行なった。その結果、上部クラッド部の基板及びコア導波路に接する部分には、Ｐ２Ｏ５の濃度が高くなった偏析層が出来ており、その厚さは約５μｍ、Ｐ２Ｏ５の濃度は１０重量％であった。また、コア導波路及び基板に近い側ではＢ２Ｏ３の濃度も高くなっておりその部分でのＢ２Ｏ３濃度は１５重量％、その部分の厚さは約５μｍであった。また、その他の部分でのＰ２Ｏ５濃度は８重量％、Ｂ２Ｏ３濃度は１２重量％であった。
【００３４】
また、そのアレイ導波型合分波器（ＡＷＧ）の回路を有する石英系光導波路について、光学特性を評価したところ、挿入損失は３ｄＢ〜４ｄＢ、クロストークは−２５ｄＢ〜−３２ｄＢ、ＴＥ偏波・ＴＭ偏波における透過中心波長のずれ（ＰＤλとも呼ばれる）は０．０３ｎｍで実用上良好な値であった。
【００３５】
「比較例１」として次の石英系光導波路を製造した。基板上への多孔質ガラス層の形成までは、実施例１と同じとした。多孔質ガラス層を形成した基板を焼結炉内に入れて、ヘリウムガス雰囲気として１３００℃で１時間加熱し、多孔質ガラス層を透明ガラス化した。それによってコア導波路を覆って基板上に厚さ３０μｍの上部クラッド部が形成されたアレイ導波型合分波器（ＡＷＧ）の回路を有する石英系光導波路を得た。その石英系光導波路の上部クラッド部とコア導波路との界面に結晶の成長が見られるか調べたが結晶の成長は無かった。
【００３６】
また、石英系光導波路の一部を切断して上部クラッド部の各ドーパント濃度の測定を行なった。その結果、上部クラッド部の基板及びコア導波路に接する部分には、Ｐ２Ｏ５の濃度が高くなった偏析層が出来ており、その厚さは４μｍ、Ｐ２Ｏ５の濃度は１．８重量％であった。また、偏析層以外の部分ではＰ２Ｏ５の濃度は１．２重量％、であった。なお、Ｂ２Ｏ３の濃度は、上部クラッド部全体にわたって１．５重量％で偏析はしていなかった。
【００３７】
また、そのアレイ導波型合分波器（ＡＷＧ）の回路を有する石英系光導波路について、光学特性を評価したところ、挿入損失は３ｄＢ〜４ｄＢ、クロストークは−２０ｄＢ〜−２７ｄＢ、ＴＥ偏波・ＴＭ偏波における透過中心波長のずれ（ＰＤλとも呼ばれる）は０．０４ｎｍで、実施例１及び実施例２に比べるとクロストーク、透過中心波長のずれ共に大きかった。
【００３８】
「比較例２」として次の石英系光導波路を製造した。基板上へのコア導波路の形成までは実施例１と同じとした。また、基板上への多孔質ガラス層の形成に当たっては、ターンテーブルの加熱温度を３００℃としたほかは、実施例１と同じとした。また、多孔質ガラス層を形成した基板を焼結炉内に入れて、ヘリウムガス雰囲気として１３００℃で１時間加熱し、多孔質ガラス層を透明ガラス化した。それによってコア導波路を覆って基板上に厚さ３０μｍの上部クラッド部が形成されたアレイ導波型合分波器（ＡＷＧ）の回路を有する石英系光導波路を得た。
【００３９】
その石英系光導波路の上部クラッド部とコア導波路との界面調べたところ、結晶の点在が見られた。また、石英系光導波路の一部を切断して上部クラッド部の各ドーパント濃度の測定を行なった。その結果、上部クラッド部全体にわたってＰ２Ｏ５の濃度は１．３重量％で偏析はしていなかった。また、Ｂ２Ｏ３の濃度は、上部クラッド部全体にわたって１．５重量％で偏析はしていなかった。また、そのアレイ導波型合分波器（ＡＷＧ）の回路を有する石英系光導波路について、光学特性を評価したところ、挿入損失は５ｄＢ〜８ｄＢ、クロストークは−１５ｄＢ〜−２０ｄＢで光学特性は実施例１及び実施例２に比べてかなり劣っていた。また、比較例１と比較しても良くなかった。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の石英系光導波路は、基板上のコア導波路を覆うように設けた上部クラッド部の基板及びコア導波路に接する部分に、屈折率上昇用ドーパントの濃度が高くなった偏析層を形成し、その偏析層の偏析層以外の部分に対する屈折率の上昇分の少なくとも一部を、偏析層において添加された屈折率低下用ドーパントの添加量の増加又は／及び別の屈折率低下用ドーパントの添加による屈折率の低下によって相殺したものであるので、上部クラッド部の偏析層の屈折率をその他の部分と同じ程度に低下させることが出来る。従って、偏析層による屈折率の高さは緩和されるので、コア導波路の間隔が狭くても回路間の干渉が起こり難くなる。
【００４１】
また、Ｐ２Ｏ５の偏析層があることによって、コア導波路を取り囲む基板及び上部クラッド部の熱膨張係数の差に基づくコア導波路に異方性の熱歪みによる偏波依存性を抑制することが出来、更に上部クラッド部とコア導波路の界面での結晶の成長を抑制して伝送損失の小さい光導波路とすることが出来る。また、Ｐ２Ｏ５偏析層の屈折率上昇分をフッ素添加によって相殺することにすれば、フッ素の添加は熱膨張係数を下げる方向に作用し、上部クラッド部と基板との熱膨張係数の差を小さくするので、熱歪み発生に伴う偏波依存性が更に小さくすることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の石英系光導波路の実施形態を示す横断面図である。
【図２】（Ａ）（Ｂ）は、Ｐ２Ｏ５偏析層の屈折率の上昇分をフッ素の添加で相殺する場合の、上部クラッド部の各ドーパントの濃度の分布と各ドーパントによる屈折率の変化を説明するグラフである。
【図３】（Ａ）（Ｂ）は、Ｐ２Ｏ５偏析層の屈折率の上昇分をＢ２Ｏ３の増量で相殺する場合の、上部クラッド部の各ドーパントの濃度の分布と各ドーパントによる屈折率の変化を説明するグラフである。
【図４】偏析層のＰ２Ｏ５の濃度と結晶の発生個数の関係を示すグラフである。
【図５】Ｐ２Ｏ５偏析層の厚さとＴＥ偏波・ＴＭ偏波における透過中心波長のずれ（ＰＤλ）との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１：基板
２：コア導波路
３：上部クラッド部
３ａ：偏析層
３ｂ：上部クラッド部の偏析層以外の部分
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分野で使用される基板上にコア導波路と上部クラッド部を設けた石英系光導波路及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
石英、シリコン等からなる基板上に横断面矩形又は正方形のＧｅＯ２等の屈折率上昇用ドーパントが添加された石英系ガラスからなる屈折率の比較的高いコア導波路を設け、そのコア導波路を覆うように基板上にコア導波路よりも屈折率の低い石英系ガラスからなる上部クラッド部を形成した石英系光導波路は良く知られている。また、この石英系光導波路の上部クラッド部は、通常火炎堆積法によってコア導波路を設けた基板上に石英系ガラス微粒子を堆積させて多孔質ガラス層を形成し、それを焼結して透明化することによって製造している。
【０００３】
また、多孔質ガラス層の焼結時の加熱によってコア導波路が変形をしないようにするため、上部クラッド部の軟化温度がコア導波路の軟化温度よりも低くなるように、上部クラッド部では、ＳｉＯ２にＰ２Ｏ５、Ｂ２Ｏ３等のドーパントを軟化温度を低下させるために添加している。なお、上部クラッド部の屈折率はコア導波路の屈折率よりも低くして基板の屈折率と同程度の屈折率にする必要があるので、Ｐ２Ｏ５の屈折率上昇効果とＢ２Ｏ３の屈折率低下効果とで打ち消し合うようにしている。
【０００４】
この石英系光導波路においては、コア導波路を取り囲む基板及び上部クラッド部の熱膨張係数の差によって、コア導波路に異方性の熱歪みが発生し、偏波依存性が生じる。石英系光導波路で構成された光波長合分波器においては、その偏波依存性によって合分波特性が変化するので、出来るだけ偏波依存性の少ない石英系光導波路が求められている。特開平６−２７３４２号公報、特開平７−３１８７３４号公報には、石英系光導波路の偏波依存性を少なくする方法が記載されている。
【０００５】
特開平６−２７３４２号公報に記載された方法は、上部クラッド部のＰ２Ｏ５及びＢ２Ｏ３の総ドープ量を１〜３％にすることによって偏波依存性を少なくしようとするものである。また、特開平７−３１８７３４号公報に記載された方法は、基板及びコア導波路と上部クラッド部との境界面にコア導波路の屈折率よりも小さくかつ基板の屈折率と同じかそれ以上の屈折率を有する薄膜ガラス層を形成することによって偏波依存性を少なくしようとするものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、偏波依存性を少なくするために上部クラッド部のＰ２Ｏ５及びＢ２Ｏ３の総ドープ量を低減させた場合、発明者は、コア導波路と上部クラッド部との界面に結晶が発生することがあることを見出した。この結晶の発生は光導波路としての伝送損失に大きな悪影響をもたらすので避ける必要がある。また、特開平７−３１８７３４号公報に記載された方法では、薄膜ガラス層の屈折率が上部クラッド部の屈折率よりも大きくなる。従って、薄膜ガラス層の厚さが大きいと光導波路のおいて複数のコア導波路を平行して狭い間隔で配置することが出来ず、光導波路の全体の大きさを小さくすることが困難である。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の問題点、即ちコア導波路と上部クラッド部の界面に発生する結晶を無くし、かつコア導波路と上部クラッド部との界面に屈折率が上部クラッド部の他の部分よりも大きな薄膜層が出来ないようにしてコア導波路の高密度配列を可能にし、かつ屈折率の高い偏析層が形成されることで生じる偏波依存性を小さくできる光導波路及びその製造方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の石英系光導波路は、基板上にコア導波路が形成され、該コア導波路を覆うように前記基板上に屈折率低下用ドーパント及び屈折率上昇用ドーパントが添加された石英系ガラスからなる上部クラッド部が形成された石英系光導波路において、前記上部クラッド部の前記基板及び前記コア導波路に接する部分に、前記屈折率上昇用ドーパントの濃度が前記上部クラッド部の表面よりも高くなった偏析層が形成されており、前記屈折率上昇用ドーパントによる前記上部クラッド部の偏析層以外の部分に対する該偏析層の屈折率の上昇分が、該偏析層において添加された前記屈折率低下用ドーパントの添加量の増加又は／及び別の屈折率低下用ドーパントの添加による屈折率の低下によって相殺され、前記上部クラッド部の屈折率分布が厚み方向でほぼ均一であるものである。
【０００９】
これによって、上部クラッド部の基板及びコア導波路に接する部分には屈折率上昇用ドーパントの濃度が高くなった偏析層が形成されているので、結晶の発生を抑制することが出来る。また、その偏析層の屈折率の上昇分の少なくとも一部は、屈折率低下用ドーパントの添加量の増加又は／及び別の屈折率低下用ドーパントの添加による屈折率の低下によって相殺されているので、上部クラッド部のコア導波路に接する部分の屈折率は上部クラッド部の他の部分とあまり変わらないものとすることが可能で、複数本のコア導波路を平行に狭い間隔で高密度配列を行なっても互いに伝送光が干渉することは少なくなる。
【００１０】
また、本発明に係る光導波路は次のようにして製造することが出来る。まず、基板上にコアガラス膜を形成した後、該コアガラス膜からフォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチング等によって横断面が矩形又は正方形のコア導波路を形成する。そして、該コア導波路が形成された基板を５００℃〜７００℃の温度に維持しながら該コア導波路を覆うように前記基板上に火炎堆積法にて屈折率低下用ドーパント及びＰ２Ｏ５を添加した石英ガラスからなるガラス微粒子を堆積させることによって、基板及びコア導波路と接する部分にＰ２Ｏ５が偏析して濃度の高くなった偏析層を有する多孔質ガラス層を形成する。
【００１１】
次いで、該多孔質ガラス層をフッ素ガス雰囲気中で加熱することによってフッ素を添加し前記偏析層のＰ２Ｏ５の偏析による屈折率の上昇分をフッ素の偏析による屈折率の低下によって相殺し、続いて該多孔質ガラス層を焼結して透明ガラス化された上部クラッド部とする。また、偏析層のＰ２Ｏ５の偏析による屈折率の上昇をフッ素による屈折率低下で相殺する代わりに、その部分の屈折率低下用ドーパントの原料供給量を調整してそのドーパントの添加量を増加させることによって、Ｐ２Ｏ５の偏析による屈折率の上昇分を屈折率低下用ドーパントの添加量の増加によって相殺することも出来る。また、フッ素による相殺と屈折率低下用ドーパントの添加量の増加による相殺の両方を併せることによってＰ２Ｏ５偏析層の偏析による屈折率の上昇の全部を相殺するようにしても良い。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の石英系光導波路の実施形態を示す横断面図であって、１は基板、２はコア導波路、３は上部クラッド部、３ａは偏析層、３ｂは上部クラッド部の偏析層以外の部分である。基板１は、石英ガラス又はシリコンからなる平板又はそれらの平板の表面にＳｉＯ２ガラス膜を形成した平板である。コア導波路２は、基板１上にＧｅＯ２等の屈折率を上昇させるドーパントを含んだ石英ガラスからなるコアガラス膜をプラズマＣＶＤ法、火炎堆積法等によって形成し、そのコアガラス膜からフォトリソグラフィー及び反応性イオンエッチングによって横断面が矩形又は正方形の長手方向に延びる回路として形成したものである。
【００１３】
また、上部クラッド部３は、コア導波路２を覆うように基板１上に形成した石英ガラスを主成分とするガラス層であって、その屈折率はコア導波路２の屈折率よりも低く基板１の屈折率とほぼ同等になっている。上部クラッド部３は、コア導波路２を覆うように基板１上に火炎堆積法にてＢ２Ｏ３等の屈折率低下用ドーパントとＰ２Ｏ５等の屈折率上昇用ドーパントを含んだ石英ガラスからなるガラス微粒子を堆積させて多孔質ガラス層を形成し、多孔質ガラス層を焼結して透明ガラス化することによって製造する。また、多孔質ガラス層の形成は、ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法によることも可能である。
【００１４】
この多孔質ガラス層の形成に当たっては、コア導波路２を設けた基板１を５００℃〜７００℃に加熱した状態で上記のガラス微粒子の堆積を行なうことによって、基板及びコア導波路に接する部分に屈折率上昇用ドーパントであるＰ２Ｏ５の濃度が他の部分よりも高くなった偏析層を有する多孔質ガラス層が形成される。なおこの時、屈折率上昇用ドーパントであるＰ２Ｏ５は部分的に濃度が高くなった偏析層が出来るが、屈折率低下用ドーパントであるＢ２Ｏ３の濃度は一様で偏析を起こさない。
【００１５】
また、Ｐ２Ｏ５偏析層におけるＰ２Ｏ５濃度及び偏析層の厚さは、原料ガスの供給量及び基板の加熱温度によって調整することが出来る。また、基板１上への多孔質ガラス層の形成に当たって用いられるターンテーブルの全体又はその主要部分をシリコンで形成し、基板１をシリコンからなるホルダで支持してそれを回転するターンテーブルのシリコンで形成された部分の上に載置して、ターンテーブルの下側に配置したヒータで加熱することとすれば、シリコンの良好な熱伝導性によって、基板が均一に加熱されるので、Ｐ２Ｏ５の偏析層の濃度及び厚さを均一なものとすることが出来る。
【００１６】
次いで、その多孔質ガラス層が形成された基板をＳｉＦ４、ヘリウムガスを含むフッ素ガス雰囲気中で加熱する。そうすると多孔質ガラス層の中にフッ素が取り込まれる。そうしておいて、ＳｉＦ４の供給を停めてヘリウムガスだけにして加熱を続け、多孔質ガラス層を透明ガラス化して上部クラッド部３とする。これによって、上部クラッド部の表面付近に一旦入ったフッ素は、ヘリウムガス雰囲気での加熱中に上部クラッド部の表面から出るので、上部クラッド部の表面よりも遠い部分であるＰ２Ｏ５の偏析層部分のフッ素濃度を高め、その他の部分のフッ素濃度を低くしてフッ素も偏析させることが出来る。
【００１７】
このようにして、上部クラッド部３の基板１及びコア導波路２に接する部分にＰ２Ｏ５の濃度が高くなった厚さ１．５μｍ〜５μｍ程度の偏析層３ａを形成する。また、フッ素濃度及びフッ素が偏析した部分の厚さは、フッ素ガス雰囲気のＳｉＦ４の濃度及びＳｉＦ４存在下、不存在下での加熱温度、加熱時間の調整によって、それらの調整を行なうことが出来るので、そのようにしてその厚さをＰ２Ｏ５の偏析層の厚さに合せる。また、Ｐ２Ｏ５偏析層のＰ２Ｏ５の濃度は１重量％〜１５重量％とし、そこでのフッ素の濃度は、Ｐ２Ｏ５による屈折率の上昇分をＢ２Ｏ３及びそのフッ素による屈折率の低下によって打ち消すのに十分な程度とする。
【００１８】
図２（Ａ）（Ｂ）は、それぞれ上部クラッド部の各ドーパントの濃度の分布と各ドーパントによる屈折率の変化を説明するグラフである。縦軸は上部クラッド部における基板又はコア導波路からの距離を示し、横軸は図２（Ａ）の場合はドーパント濃度を、図２（Ｂ）の場合は屈折率変化を示す。上部クラッド部の基板又はコア導波路に近い部分には偏析層が出来ており、偏析層では他の部分に比較してＰ２Ｏ５及びフッ素の濃度は高くなっている。また、Ｂ２Ｏ３の濃度は他の部分と変わらない。
【００１９】
また、Ｐ２Ｏ５によって屈折率は、偏析層部分では＋側に大きく、それ以外の部分では＋側に少し変化する。フッ素によって屈折率は、偏析層部分では−側に大きく、それ以外の部分では−側に少し変化する。また、Ｂ２Ｏ３によって屈折率は、一様に−側に変化する。Ｐ２Ｏ５、フッ素、Ｂ２Ｏ３を合わせた屈折率の変化は、偏析層部分及びそれ以外の部分でそれぞれほぼ零となるようにそれぞれのドーパント濃度を調整する。
【００２０】
以上、上部クラッド部のＰ２Ｏ５の濃度が高くなった偏析層の屈折率の他の部分の屈折率に対する上昇分をフッ素の偏析によって相殺し、上部クラッド部全体のＰ２Ｏ５による屈折率の上昇をＢ２Ｏ３とフッ素の添加によって相殺する方法を示したが、フッ素を使わずにＢ２Ｏ３だけで偏析層の屈折率を相殺することも可能である。
【００２１】
Ｂ２Ｏ３による相殺を行なう場合は、火炎堆積法で多孔質ガラス層を形成するに当たって、Ｂ２Ｏ３を生成する原料ガスの供給量を当初は多く途中で減少させることによってＢ２Ｏ３の添加量を変化させ、Ｐ２Ｏ５の偏析層でのＢ２Ｏ３の添加量を他の部分でのＢ２Ｏ３の添加量よりも増量する。これによって、Ｐ２Ｏ５の偏析層でのＰ２Ｏ５の濃度が高くなっていることに伴う屈折率の上昇分をＢ２Ｏ３の添加量の増加に伴う屈折率の低下によって相殺することが出来る。
【００２２】
図３（Ａ）（Ｂ）は、それぞれその場合の上部クラッド部の各ドーパントの濃度の分布と各ドーパントによる屈折率の変化を説明するグラフである。縦軸は上部クラッド部における基板又はコア導波路からの距離を示し、横軸は図３（Ａ）の場合はドーパント濃度を、図３（Ｂ）の場合は屈折率変化を示す。上部クラッド部の基板又はコア導波路に近い部分にはＰ２Ｏ５の偏析層が出来ており、偏析層では他の部分に比較してＰ２Ｏ５及びＢ２Ｏ３の濃度が高くなっている。
【００２３】
これによって図３（Ｂ）に示すように、Ｐ２Ｏ５によって屈折率は、偏析層部分では＋側に大きく、それ以外の部分では＋側に少し変化する。そして、Ｂ２Ｏ３によって屈折率は、偏析層部分では−側に大きく、それ以外の部分では−側に少し変化させる。Ｐ２Ｏ５、Ｂ２Ｏ３を合わせた屈折率の変化は、偏析層部分及びそれ以外の部分でそれぞれほぼ零となるようにそれぞれのドーパント濃度を調整する。
【００２４】
また、Ｐ２Ｏ５の偏析層での屈折率変化をフッ素の添加又はＢ２Ｏ３の増量によってそれぞれ単独で相殺することも出来るが、フッ素の添加及びＢ２Ｏ３の増量を併せて行い、フッ素及びＢ２Ｏ３の両方でもってＰ２Ｏ５の偏析層の屈折率変化を相殺し、偏析層の屈折率を上部クラッド部の他の部分の屈折率とほぼ同等にすることも可能である。また、フッ素の添加は熱膨張係数を下げる方向に作用し、上部クラッド部と基板との熱膨張係数の差を小さくするので、熱歪み発生に伴う偏波依存性が小さくなるという更なる効果を奏することが出来る。
【００２５】
また、Ｐ２Ｏ５の偏析層のＰ２Ｏ５の濃度は、上部クラッド部と基板及びコア導波路との界面における結晶の成長に影響することが分かった。図４は、偏析層のＰ２Ｏ５の濃度と結晶の発生個数の関係を示すグラフである。これによれば、Ｐ２Ｏ５偏析層におけるＰ２Ｏ５の濃度を１重量％以上にすると結晶の発生個数を零にすることが出来る。なお、結晶の発生を抑えるためのＰ２Ｏ５の偏析層の厚さは幾らでも良いが、製造の容易性から１．５μｍ以上が好ましい。また、図５は、Ｐ２Ｏ５偏析層の厚さとＴＥ偏波・ＴＭ偏波における透過中心波長のずれ（ＰＤλ）との関係を示すグラフである。これによると偏析層の厚さが小さいほど、ＰＤλは小さくなり、偏波依存性は良くなる。また、偏析層の厚さが５μｍ以下なら、ＰＤλは０．０３ｎｍ以下であり実用上は支障は生じない。
【００２６】
なお、基板１のコア導波路２に接する部分は、基板１のそれ以外の部分より、少なくとも偏析層３ａの厚みだけ突出させると好都合である。この様にすると、コア導波路近くにあって、Ｐ２Ｏ５濃度の大きな部分が、さらに減少するので、コア導波路を取り囲む基板及び上部クラッド部の熱膨張係数の差に基づくコア導波路に異方性の熱歪みによる偏波依存性をさらに抑制することが出来る。
【００２７】
【実施例】
「実施例１」として、次の石英系光導波路を製作した。厚さ０．５ｍｍ、直径１０ｃｍの石英ガラスからなる基板上に、プラズマＣＶＤ法にてＧｅＯ２をドープしたＳｉＯ２からなるコアガラス膜を形成した。コアガラス膜の厚さは６μｍ、石英ガラス基板との比屈折率差は０．７５％であった。そのコアガラス膜からフォトリソグラフィー及び反応性イオンエッチングによってアレイ導波型合分波器（ＡＷＧ）の回路からなるコア導波路を作成した。
【００２８】
次いでそのコア導波路が形成された基板をシリコンからなるホルダにて把持し、それをターンテーブルのシリコンで形成された部分の上に載置して、ターンテーブルの下側に配置したヒータでターンテーブルを６００℃に加熱し回転させながら、基板上に火炎堆積法にてＰ２Ｏ５及びＢ２Ｏ３をドープしたＳｉＯ２からなる多孔質ガラス層を形成した。次に、多孔質ガラス層が形成された基板を焼結炉内に入れてＳｉＦ４／ヘリウムガスの混合ガスを流しながらその雰囲気下で１０００℃で１時間加熱した。その後、ＳｉＦ４の供給を停止し、ヘリウムガスのみを流しながらその雰囲気下で１３００℃で１時間加熱し、多孔質ガラス層を透明ガラス化した。
【００２９】
それによってコア導波路を覆って基板上に厚さ３０μｍの上部クラッド部が形成されたアレイ導波型合分波器（ＡＷＧ）の回路を有する石英系光導波路を得た。その石英系光導波路の上部クラッド部とコア導波路との界面に結晶の成長が見られるか調べたが結晶の成長は無かった。また、石英系光導波路の一部を切断して上部クラッド部の各ドーパント濃度の測定を行なった。その結果、上部クラッド部の基板及びコア導波路に接する部分には、Ｐ２Ｏ５の濃度が高くなった偏析層が出来ており、その厚さは４μｍ、Ｐ２Ｏ５の濃度は１．８重量％であった。また、同じ箇所にフッ素の偏析層も出来ており、その厚さは４μｍ、フッ素の濃度は０．５重量％であった。また、偏析層以外の部分ではＰ２Ｏ５の濃度は１．２重量％、フッ素の濃度は０．１重量％以下であった。なお、Ｂ２Ｏ３の濃度は、上部クラッド部全体にわたって１．５重量％で偏析はしていなかった。
【００３０】
また、そのアレイ導波型合分波器（ＡＷＧ）の回路を有する石英系光導波路について、光学特性を評価したところ、挿入損失は３ｄＢ〜４ｄＢ、クロストークは−２８ｄＢ〜−３５ｄＢ、ＴＥ偏波・ＴＭ偏波における透過中心波長のずれ（ＰＤλとも呼ばれる）は０．０１５ｎｍで非常に良好な値であった。
【００３１】
「実施例２」として、次の石英系光導波路を製作した。厚さ１．０ｍｍ、直径１０ｃｍのシリコンからなる平板上にプラズマＣＶＤ法にてＳｉＯ２からなるガラス膜を形成したものを基板として使用し、その基板上に、プラズマＣＶＤ法にてＧｅＯ２をドープしたＳｉＯ２からなるコアガラス膜を形成した。コアガラス膜の厚さは６μｍ、石英ガラス基板との比屈折率差は０．７５％であった。そのコアガラス膜からフォトリソグラフィー及び反応性イオンエッチングによってアレイ導波型合分波器（ＡＷＧ）の回路からなるコア導波路を作成した。
【００３２】
次いでそのコア導波路が形成された基板をシリコンからなるホルダにて把持し、それをターンテーブルのシリコンで形成された部分の上に載置して、ターンテーブルの下側に配置したヒータでターンテーブルを５００℃に加熱し回転させながら、基板上に火炎堆積法にてＰ２Ｏ５及びＢ２Ｏ３をドープしたＳｉＯ２からなる多孔質ガラス層を形成した。その際、コア導波路及び基板付近ではＢ２Ｏ３の添加濃度が高くなるように最初のバーナトラバース４回分はＢ原料投入量をそれ以降のバーナトラバース４０回分のＢ原料投入量の８倍に設定した。次に、多孔質ガラス層が形成された基板を焼結炉内に入れてヘリウムガス雰囲気下で１１００℃で２時間加熱し、多孔質ガラス層を透明ガラス化し上部クラッド部とした。
【００３３】
それによってコア導波路を覆って基板上に厚さ３０μｍの上部クラッド部が形成されたアレイ導波型合分波器（ＡＷＧ）の回路を有する石英系光導波路を得た。その石英系光導波路の上部クラッド部とコア導波路及び基板との界面に結晶の成長が見られるか調べたが結晶の成長は無かった。また、石英系光導波路の一部を切断して上部クラッド部の各ドーパント濃度の測定を行なった。その結果、上部クラッド部の基板及びコア導波路に接する部分には、Ｐ２Ｏ５の濃度が高くなった偏析層が出来ており、その厚さは約５μｍ、Ｐ２Ｏ５の濃度は１０重量％であった。また、コア導波路及び基板に近い側ではＢ２Ｏ３の濃度も高くなっておりその部分でのＢ２Ｏ３濃度は１５重量％、その部分の厚さは約５μｍであった。また、その他の部分でのＰ２Ｏ５濃度は８重量％、Ｂ２Ｏ３濃度は１２重量％であった。
【００３４】
また、そのアレイ導波型合分波器（ＡＷＧ）の回路を有する石英系光導波路について、光学特性を評価したところ、挿入損失は３ｄＢ〜４ｄＢ、クロストークは−２５ｄＢ〜−３２ｄＢ、ＴＥ偏波・ＴＭ偏波における透過中心波長のずれ（ＰＤλとも呼ばれる）は０．０３ｎｍで実用上良好な値であった。
【００３５】
「比較例１」として次の石英系光導波路を製造した。基板上への多孔質ガラス層の形成までは、実施例１と同じとした。多孔質ガラス層を形成した基板を焼結炉内に入れて、ヘリウムガス雰囲気として１３００℃で１時間加熱し、多孔質ガラス層を透明ガラス化した。それによってコア導波路を覆って基板上に厚さ３０μｍの上部クラッド部が形成されたアレイ導波型合分波器（ＡＷＧ）の回路を有する石英系光導波路を得た。その石英系光導波路の上部クラッド部とコア導波路との界面に結晶の成長が見られるか調べたが結晶の成長は無かった。
【００３６】
また、石英系光導波路の一部を切断して上部クラッド部の各ドーパント濃度の測定を行なった。その結果、上部クラッド部の基板及びコア導波路に接する部分には、Ｐ２Ｏ５の濃度が高くなった偏析層が出来ており、その厚さは４μｍ、Ｐ２Ｏ５の濃度は１．８重量％であった。また、偏析層以外の部分ではＰ２Ｏ５の濃度は１．２重量％、であった。なお、Ｂ２Ｏ３の濃度は、上部クラッド部全体にわたって１．５重量％で偏析はしていなかった。
【００３７】
また、そのアレイ導波型合分波器（ＡＷＧ）の回路を有する石英系光導波路について、光学特性を評価したところ、挿入損失は３ｄＢ〜４ｄＢ、クロストークは−２０ｄＢ〜−２７ｄＢ、ＴＥ偏波・ＴＭ偏波における透過中心波長のずれ（ＰＤλとも呼ばれる）は０．０４ｎｍで、実施例１及び実施例２に比べるとクロストーク、透過中心波長のずれ共に大きかった。
【００３８】
「比較例２」として次の石英系光導波路を製造した。基板上へのコア導波路の形成までは実施例１と同じとした。また、基板上への多孔質ガラス層の形成に当たっては、ターンテーブルの加熱温度を３００℃としたほかは、実施例１と同じとした。また、多孔質ガラス層を形成した基板を焼結炉内に入れて、ヘリウムガス雰囲気として１３００℃で１時間加熱し、多孔質ガラス層を透明ガラス化した。それによってコア導波路を覆って基板上に厚さ３０μｍの上部クラッド部が形成されたアレイ導波型合分波器（ＡＷＧ）の回路を有する石英系光導波路を得た。
【００３９】
その石英系光導波路の上部クラッド部とコア導波路との界面調べたところ、結晶の点在が見られた。また、石英系光導波路の一部を切断して上部クラッド部の各ドーパント濃度の測定を行なった。その結果、上部クラッド部全体にわたってＰ２Ｏ５の濃度は１．３重量％で偏析はしていなかった。また、Ｂ２Ｏ３の濃度は、上部クラッド部全体にわたって１．５重量％で偏析はしていなかった。また、そのアレイ導波型合分波器（ＡＷＧ）の回路を有する石英系光導波路について、光学特性を評価したところ、挿入損失は５ｄＢ〜８ｄＢ、クロストークは−１５ｄＢ〜−２０ｄＢで光学特性は実施例１及び実施例２に比べてかなり劣っていた。また、比較例１と比較しても良くなかった。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の石英系光導波路は、基板上のコア導波路を覆うように設けた上部クラッド部の基板及びコア導波路に接する部分に、屈折率上昇用ドーパントの濃度が高くなった偏析層を形成し、その偏析層の偏析層以外の部分に対する屈折率の上昇分の少なくとも一部を、偏析層において添加された屈折率低下用ドーパントの添加量の増加又は／及び別の屈折率低下用ドーパントの添加による屈折率の低下によって相殺したものであるので、上部クラッド部の偏析層の屈折率をその他の部分と同じ程度に低下させることが出来る。従って、偏析層による屈折率の高さは緩和されるので、コア導波路の間隔が狭くても回路間の干渉が起こり難くなる。
【００４１】
また、Ｐ２Ｏ５の偏析層があることによって、コア導波路を取り囲む基板及び上部クラッド部の熱膨張係数の差に基づくコア導波路に異方性の熱歪みによる偏波依存性を抑制することが出来、更に上部クラッド部とコア導波路の界面での結晶の成長を抑制して伝送損失の小さい光導波路とすることが出来る。また、Ｐ２Ｏ５偏析層の屈折率上昇分をフッ素添加によって相殺することにすれば、フッ素の添加は熱膨張係数を下げる方向に作用し、上部クラッド部と基板との熱膨張係数の差を小さくするので、熱歪み発生に伴う偏波依存性が更に小さくすることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の石英系光導波路の実施形態を示す横断面図である。
【図２】（Ａ）（Ｂ）は、Ｐ２Ｏ５偏析層の屈折率の上昇分をフッ素の添加で相殺する場合の、上部クラッド部の各ドーパントの濃度の分布と各ドーパントによる屈折率の変化を説明するグラフである。
【図３】（Ａ）（Ｂ）は、Ｐ２Ｏ５偏析層の屈折率の上昇分をＢ２Ｏ３の増量で相殺する場合の、上部クラッド部の各ドーパントの濃度の分布と各ドーパントによる屈折率の変化を説明するグラフである。
【図４】偏析層のＰ２Ｏ５の濃度と結晶の発生個数の関係を示すグラフである。
【図５】Ｐ２Ｏ５偏析層の厚さとＴＥ偏波・ＴＭ偏波における透過中心波長のずれ（ＰＤλ）との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１：基板
２：コア導波路
３：上部クラッド部
３ａ：偏析層
３ｂ：上部クラッド部の偏析層以外の部分
Claims (8)
- 基板上にコア導波路が形成され、該コア導波路を覆うように前記基板上に屈折率低下用ドーパント及び屈折率上昇用ドーパントが添加された石英系ガラスからなる上部クラッド部が形成された石英系光導波路において、前記上部クラッド部の前記基板及び前記コア導波路に接する部分に、前記屈折率上昇用ドーパントの濃度が前記上部クラッド部の表面よりも高くなった偏析層が形成されており、前記屈折率上昇用ドーパントによる前記上部クラッド部の偏析層以外の部分に対する該偏析層の屈折率の上昇分が、該偏析層において添加された前記屈折率低下用ドーパントの添加量の増加又は／及び別の屈折率低下用ドーパントの添加による屈折率の低下によって相殺され、前記上部クラッド部の屈折率分布が厚み方向でほぼ均一であることを特徴とする石英系光導波路。
- 前記屈折率上昇用ドーパントはＰ２Ｏ５であって、前記屈折率低下用ドーパントはＢ２Ｏ３であって、前記別の屈折率低下用ドーパントはフッ素であることを特徴とする請求項１に記載の石英系光導波路。
- 前記偏析層におけるＰ２Ｏ５の添加濃度は１重量％以上、１５重量％以下であって、偏析層の厚さは１．５μｍ以上、５μｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の石英系光導波路。
- 前記基板の前記コア導波路に接する部分は、前記基板のそれ以外の部分より、少なくとも偏析層の厚みだけ突出していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の石英系光導波路。
- 横断面が矩形又は正方形のコア導波路が上に形成された基板を５００℃〜７００℃の温度に維持しながら該コア導波路を覆うように前記基板上に火炎堆積法にて屈折率低下用ドーパント及びＰ２Ｏ５を添加した石英ガラスからなるガラス微粒子を堆積させることによって、基板及びコア導波路と接する部分にＰ２Ｏ５が偏析して濃度の高くなった偏析層を有する多孔質ガラス層を形成し、しかる後該多孔質ガラス層をフッ素ガス雰囲気中で加熱することによって前記偏析層のＰ２Ｏ５の偏析による屈折率の上昇分の少なくとも一部をフッ素の偏析による屈折率の低下によって相殺し、続いて該多孔質ガラス層を焼結して透明ガラス化した上部クラッド部となすことを特徴とする石英系導波路の製造方法。
- 横断面が矩形又は正方形のコア導波路が上に形成された基板を５００℃〜７００℃の温度に維持しながら該コア導波路を覆うように前記基板上に火炎堆積法にて屈折率低下用ドーパント及びＰ２Ｏ５を添加した石英ガラスからなるガラス微粒子を堆積させることによって、基板及びコア導波路と接する部分にＰ２Ｏ５が偏析して濃度が高くなった偏析層を有する多孔質ガラス層を形成し、かつその間において前記屈折率低下用ドーパントの原料ガス供給量を調整することによって前記偏析層での屈折率低下用ドーパントの添加量を他の部分に比べて増加させ、しかる後該多孔質ガラス層を焼結して透明ガラス化して前記Ｐ２Ｏ５の偏析による偏析層における屈折率の上昇分の少なくとも一部を屈折率低下用ドーパントの添加量の増加による屈折率の低下によって相殺した偏析層を有する上部クラッド部となすことを特徴とする石英系導波路の製造方法。
- 前記屈折率低下用ドーパントは、Ｂ２Ｏ３であることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の石英系導波路の製造方法。
- 前記コア導波路が形成された基板の５００℃〜７００℃の温度での維持は、該基板をシリコンからなるホルダにて保持し、該ホルダを回転するターンテーブルのシリコンで形成された部分の上に載置して該ターンテーブルの下に配置したヒータにて加熱することによって行なうことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の石英系導波路の製造方法。
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