JP3552592B2

JP3552592B2 - 光導波路の製造方法

Info

Publication number: JP3552592B2
Application number: JP17112299A
Authority: JP
Inventors: 克之井本
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1999-06-17
Filing date: 1999-06-17
Publication date: 2004-08-11
Anticipated expiration: 2019-06-17
Also published as: JP2001004852A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光デバイスの小型化、集積化、低コスト化のために、導波路型構造の光デバイスの研究開発が活発に行われている。
【０００３】
図６（ａ）は従来の光導波路の断面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＡ−Ａ線断面内の屈折率分布を示し、図６（ｃ）は図６（ａ）のＢ−Ｂ線断面内の屈折率分布を示す図である。
【０００４】
図６（ｂ）において横軸は幅方向の位置を示し、縦軸は屈折率を示す。図６（ｃ）において横軸は屈折率を示し、縦軸は厚さ方向の位置を示す。
【０００５】
導波路は基板１上に形成された低屈折率のクラッド層３内に略矩形断面形状の高屈折率のコア層２が埋め込まれた構造である。コア層２の幅及び厚さ方向の屈折率分布は略一様の値を有する平坦な分布を有している。
【０００６】
図７（ａ）は図６に示した導波路のうち、９０°に曲がった導波路の曲率半径Ｒと導波路放射損失（曲線部での放射損失）をコア層とクラッド層との比屈折率差Δをパラメータにして計算した結果を示し、図７（ｂ）は図６に示した導波路のうち、Ｓ字状の曲線導波路の曲率半径Ｒと導波路放射損失をコア層とクラッド層との比屈折率差Δをパラメータにして計算した結果を示す図である。両図において横軸が曲率半径を示し、縦軸が結合損失を示している。
【０００７】
両図より、放射損失は比屈折率差Δが小さい程、あるいは曲率半径Ｒが小さい程大きくなることが分かる。放射損失を０．０２ｄＢ以下にするためには曲率半径Ｒを０．８ｃｍ以上にしなければならず、導波路型光デバイスの小型化を困難にしている。これとは逆に曲率半径Ｒを小さくして小型化すると損失の大きな光デバイスになってしまう。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来の導波路型光デバイスには以下のような問題点がある。
【０００９】
(1) 小型で低損失な導波路型光デバイスを実現することが困難である。
【００１０】
(2) 製造プロセスに起因してコア層とクラッド層との界面が不均一になりやすく、散乱損失が非常に大きな値を示している。特に図７に示したような曲線導波路部からのコア層とクラッド層との界面の不均一による散乱損失が非常に大きい。
【００１１】
(3) 略矩形断面形状のコア層をドライエッチングで形成するため、コア層の両側面、コア層のエッジ面の荒れに起因した散乱損失や放射損失が大きい。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、小型で散乱損失や放射損失の小さい低損失光導波路及びその製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の光導波路の製造方法は、基板上に第１クラッド層を形成する工程と、第１クラッド層の上にＵＶ光の照射量に応じて屈折率が低下するフォトブリーチング層を形成する工程と、該フォトブリーチング層の上にコア層のパターンを有する第１フォトマスクを配置し、第１フォトマスクの上からＵＶ光を照射して略矩形断面形状で少なくとも１か所に曲線部を有する高屈折率のコア層を形成すると共にコア層の両側に低屈折率の側面クラッド層を形成する工程と、該側面クラッド層及びコア層の上に中央コア層のパターンを有する第２フォトマスクを配置し、第２フォトマスクの上からＵＶ光を照射してコア層の中央部を高屈折率の中央コア層に形成すると共に、中央コア層の両側部を中央コア層よりも屈折率の低い側面コア層を形成する工程と、上記中央コア層、上記側面コア層及び上記側面クラッド層の上に第２クラッド層を積層する工程とを有するものである。
【００１４】
上記構成に加え、上記第２クラッド層の上にＵＶカット層あるいはＵＶ吸収層を積層する工程を有するものである。
【００１５】
本発明によれば、コア層が幅方向に少なくとも２段型の屈折率分布を有するので、コア層中を伝搬する光の大部分が屈折率の高い部分に閉じ込められて伝搬する。コア層及びクラッド層がフォトブリーチング材料からなるため、界面が均一である。その結果、小型で散乱損失や放射損失の小さい低損失光導波路及びその製造方法の提供を実現することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１７】
図１（ａ）は本発明の低損失光導波路の一実施の形態を示す断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＣ−Ｃ線断面内での屈折率分布を示し、図１（ｃ）は図１（ａ）のＤ−Ｄ線断面内での屈折率分布を示す図である。図１（ｂ）において横軸が中心からの幅方向の位置を示し、縦軸が屈折率を示している。図１（ｃ）において横軸が屈折率を示し、縦軸が厚さ方向の位置を示している。
【００１８】
基板１はＳｉ基板である（但し、ガラス、ＧａＡｓやＩｎＰ等の半導体、磁性体、ポリマ材料、強誘電体材料あるいはこれらの材料を組み合わせた材料からなる基板を用いてもよい。）。
【００１９】
基板１上には第１クラッド層（屈折率ｎ_Ｃ１）４が形成されている。この第１クラッド層４は膜厚が５μｍ以上のＳｉＯ_２からなっている（但し、ＳｉＯ_２にＦ、Ｂ、Ｐ、Ｔｉ、Ｇｅ等の屈折率制御用ドーパントを少なくとも１種類添加したもの、ＰＭＭＡ、ポリフッ化ビニリデン、ポリスチレン、ポリイミド、シリコーン、ポリシラン等のポリマ材料を用いてもよい。）。
【００２０】
第１クラッド層４の上にはフォトブリーチング材料からなる第２コア層５ａ、側面コア層５ｂ及び側面クラッド層６ａ、６ｂが形成されている。このフォトブリーチング材料からなるフォトブリーチング層はＵＶ光の照射量を増加させることによって略連続的に屈折率を低くすることができるものである。この、フォトブリーチング材料には例えばポリシランが用いられる。
【００２１】
側面クラッド層６ａ、６ｂはＵＶ光が長い時間照射されて第１クラッド層４の屈折率ｎ_Ｃ１と同程度の屈折率ｎ_ＣＰとなるように調節されたものである。図１（ｂ）に示すように側面クラッド層６ａ、６ｂは通常のクラッド層として作用する。
【００２２】
側面コア層５ｂはＵＶ照射光量を側面クラッド層６ａ、６ｂよりも少なくすることにより、コア層として作用するように屈折率ｎ_ＣＰよりも高い屈折率ｎ_ＷＳに調節されている。
【００２３】
第２コア層５ａはＵＶ光を照射しないかあるいはＵＶ光の照射光量が少ない層であり、その屈折率ｎ_ＷＣは最も高い値に調節され、光が支配的に伝搬するコア層として作用する。
【００２４】
次に第２コア層５ａ、側面コア層５ｂ及び側面クラッド層６ａ、６ｂの上には第２クラッド層（屈折率ｎ_Ｃ２、ｎ_Ｃ２≒ｎ_Ｃ１）７が形成され、第２クラッド層７の上にはＵＶカット層（あるいはＵＶ吸収層）８が形成されている。
【００２５】
第２クラッド層７には前述した第１クラッド層４の材料と同等のものを用いることができる。ＵＶカット層８にはＺｒＯ_２（あるいはＴａＯ_５）とＳｉＯ_２とを１２０℃の温度で交互に数十層、多層状に蒸着した多重層が用いられる。この多重層は波長３００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲で反射率が８０％以上の特性を有する多層膜蒸着層である。なお、このＵＶ光カット層８の代わりにＵＶ光吸収層を用いてもよい。ＵＶ光吸収層は例えば、ポリマ材料にベンゾフェノン系、サリチレート系、ベンゾトリアゾール系の添加剤を添加したもの、あるいはポリマ材料に二酸化チタン、酸化鉄、酸化亜鉛等の金属酸化物顔料を添加したものを用いることができる。
【００２６】
図１（ｂ）に示したように、第２コア層５ａ及び側面コア層５ｂの幅方向に２段型の屈折率分布を持たせ、第２コア層５ａ及び側面コア層５ｂからなるコア層の中央部、つまり第２コア層５ａを高屈折率層とすることにより、図７（ａ）、（ｂ）に示したような曲線部内を伝搬する光信号の放射損失を大幅に低減することができる。すなわち、光信号の大部分がコア層の中央部に閉じ込められて伝搬するので、曲線部での製造プロセスに起因する構造不均一による放射及び散乱損失を低減することができる。
【００２７】
特に、第２コア層５ａ、側面コア層５ｂ及び側面クラッド層６ａ、６ｂはフォトブリーチング材料によって形成されているので界面が均一であり、この界面での散乱損失も小さいので、より効果的に放射及び散乱損失を低減することができる。この結果、図７（ａ）、（ｂ）に示したような９０°の曲線パターン及びＳ字曲線パターンの曲率半径Ｒを小さくすることができ、小型の導波路デバイスを実現することができる。
【００２８】
また、第２コア層５ａ及び側面コア層５ｂは、その厚さ方向に対してコア層パターンが曲線状パターンに形成されないので、第２コア層５ａ、側面コア層５ｂ内の厚さ方向の屈折率分布は一様に平坦に形成される。また厚さ方向の屈折率分布の段差はほとんど生じないので、より一層の低損失化が可能となる。
【００２９】
図２（ａ）〜（ｄ）は図１に示した低損失導波路の製造方法の一実施の形態を示す工程図である。図３（ａ）、（ｂ）は図２（ａ）〜（ｄ）に示した工程中に用いられるフォトマスクの平面図である。
【００３０】
Ｓｉ基板１上にＳｉＯ_２からなる第１クラッド層４を約１０μｍの厚さに形成する。第１クラッド層４の上にフォトブリーチング層５を形成する。
【００３１】
ここで、フォトブリーチング層５は次のように形成する。第１クラッド層４の上にヘキサメチルジシラザン（ＣＨ_３ＳｉＮＨＳｉＣＨ_３）を塗布する。ヘキサメチルジシラザンを１２０℃で約１時間べーキングして疎水化した後、１０重量％の濃度でトルエンに溶解したポリシランをスピンコーティングし、１２０℃で約１時間べーキングする（図２（ａ））。
【００３２】
フォトブリーチング層５の上に、第１フォトマスク９を配置し、第１フォトマスク９の上から波長３７０ｎｍのＵＶ光１０を照射する。第１フォトマスク９には図３（ａ）に示すような第１コア層のパターンを有するマスクを用いる。第１フォトマスク９は例えば直線状のコアパターン（ＵＶ光反射領域）１２を形成するためのマスクであり、ＵＶ光反射領域１２とＵＶ光透過領域１３とを有している。このような第１フォトマスク９を用い、第１フォトマスク９の上からＵＶ光を照射すると、ＵＶ光透過領域１３の下のフォトブリーチング層５はＵＶ光照射によって屈折率が低下する（屈折率：１．４６０）。
【００３３】
他方、ＵＶ光反射領域１２の下のフォトブリーチング層５はＵＶ光が照射されないので、屈折率の低下は生じない（屈折率値：１．４７５）。
【００３４】
以上より、図２（ｂ）に示すように、高屈折率の第１コア層５´と、第１コア層５´の両側面に低屈折率の側面クラッド層６ａ´、６ｂ´が形成される。
【００３５】
次に図２（ｃ）に示すように第１コア層５´及び側面クラッド層６ａ´、６ｂ´の上に第２フォトマスク１１を配置し、ＵＶ光１０を照射する。
【００３６】
第２フォトマスク１１は図３（ｂ）に示すようなマスクが用いられる。第２フォトマスク１１は、ＵＶ光反射領域１２´とＵＶ光透過領域１３とを有するマスクが用いられる。この第２フォトマスク１１の上からＵＶ光１０を照射すると、ＵＶ光透過領域１３の下の側面クラッド層６ａ´、６ｂ´の屈折率はさらに低下する（屈折率値：１．４５０）。ＵＶ光反射領域１２´の下の第１コア層５´の中央部にはＵＶ光が照射されないので、屈折率の低下は生じない（屈折率値：１．４７５）。
【００３７】
しかし、ＵＶ光反射領域１２の中のＵＶ光反射領域１２´に相当する部分以外の部分（第１コア層５´の両側部）にはＵＶ光が照射されるので、第１コア層５´の両側部の屈折率は１．４７５から１．４６０へ低下する。
【００３８】
すなわち、図２（ｄ）に示すように第２コア層５ａの屈折率は１．４７５となり側面コア層５ｂの屈折率は１．４６０になり、側面クラッド層６ａ、６ｂの屈折率は１．４５０になる。
【００３９】
第２コア層５ａ、側面コア層５ｂ、側面クラッド層６ａ、６ｂの上に第２クラッド層７（シリコーン樹脂、屈折率１．４５０）を形成し、第２クラッド層７の上にＵＶ光吸収層８を形成することにより図１に示した低損失光導波路が得られる。
【００４０】
図４（ａ）は本発明の低損失光導波路の他の実施の形態を示す断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＥ−Ｅ線断面内での屈折率分布を示し、図４（ｃ）は図４（ａ）のＦ−Ｆ線断面内での屈折率分布を示す図である。図４（ｂ）において横軸が中心からの幅方向の位置を示し、縦軸が屈折率を示している。図４（ｃ）において横軸が屈折率を示し、縦軸が厚さ方向の位置を示している。
【００４１】
この光導波路は第１クラッド層４の上に、二つのコア層（一方（図では左側）の第２コア層５ａａ、一方の側面コア層５ｂａ、他方（図では右側）の第２コア層５ａｂ、他方の側面コア層５ｂｂ）を並列に配置した構造を有している。
【００４２】
高屈折率の一方の第２コア層５ａａがこの第２コア層５ａａより低屈折率の一方の側面コア層５ｂａの間に設けられ、高屈折率の他方の第２コア層５ａｂがこの第２コア層５ａｂより低屈折率の他方の側面コア層５ｂｂの間に設けられ、両コア層の間に低屈折率のフォトブリーチング層からなる側面クラッド層６ｃが設けられている。
【００４３】
一方の側面コア層５ｂａの外側（図では左側）には低屈折率のフォトブリーチング層からなる側面クラッド層６ａが形成されている。他方の側面コア層５ｂｂ外側（図では右側）には低屈折率のフォトブリーチング層からなる側面クラッド層６ｂが形成されている。
【００４４】
この光導波路は、並置コア層、９０°曲線パターン及びＳ字曲線パターン等を有しているので、方向性結合器、合分波器、フィルタ、スイッチ、変調器等のデバイスを低損失で実現する上で有効となる。また、これらのデバイスは幅方向に図７に示したような９０°曲線パターンやＳ字曲線パターンを多用するので、本発明の導波路を用いて低損失が図られ、小型化を実現することができる。
【００４５】
図５（ａ）は本発明の低損失光導波路の他の実施の形態を示す断面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＧ−Ｇ線断面内での屈折率分布を示し、図５（ｃ）は図５（ａ）のＨ−Ｈ線断面内での屈折率分布を示す図である。図５（ｂ）において横軸が中心からの幅方向の位置を示し、縦軸が屈折率を示している。図５（ｃ）において横軸が屈折率を示し、縦軸が厚さ方向の位置を示している。
【００４６】
この光導波路は、基板１上に第１導波路１４−１が形成され、第１導波路１４−１の上に第２導波路１４−２が形成された積層構造の多機能、高集積型の光導波路である。
【００４７】
第１導波路１４−１は、第１クラッド層４−１と、第１クラッド層４−１の上に形成された第２コア層５ａ−１、側面コア層５ｂ−１及び側面クラッド層６ａ−１、６ｂ−１と、第２コア層５ａ−１、側面コア層５ｂ−１及び側面クラッド層６ａ−１、６ｂ−１の上に形成された第２クラッド層７−１と、第２クラッド層７−１の上に形成されたＵＶカット（あるいはＵＶ吸収）層８−１とで構成されている。
【００４８】
第２導波路１４−２は、第１クラッド層４−２と、第１クラッド層４−２の上に形成された第２コア層５ａ−２、側面コア層５ｂ−２及び側面クラッド層６ａ−２、６ｂ−２と、第２コア層５ａ−２、側面コア層５ｂ−２及び側面クラッド層６ａ−２、６ｂ−２の上に形成された第２クラッド層７−２と、第２クラッド層７−２の上に形成されたＵＶカット（あるいはＵＶ吸収）層８−２とで構成されている。
【００４９】
この積層型の光導波路は第１導波路１４−１及び第２導波路１４−２にそれぞれ同一、あるいは別々の光信号処理回路を形成してもよい。
【００５０】
本発明は上記実施の形態に限定されない。
【００５１】
まず、第１クラッド層４−１、４−２と第２クラッド層７−１、７−２との屈折率は等しくてもよく、異なっていてもよい。側面クラッド層６ａ−１、６ｂ−１、６ａ−２、６ｂ−２の屈折率も第１クラッド層４−１、４−２及び第２クラッド層７−１、７−２の屈折率と等しくてもよく、異なっていてもよい。光導波路はシングルモード伝送用以外に、マルチモード伝送用であってもよい。フォトブリーチング材料にはシリコーン系、エポキシ系等の材料を用いることができる。また、上記実施の形態以外の具体例としては、ｄｙｅｐｏｌｙｍｅｒ，４−ｄｉａｌｋｙｌａｍｉｎｏ−４´−ｎｉｔｒｏ−ｓｔｉｌｂｅｎｅ，ＤＭＡＰＮ，２−ｎｉｔｒｏｓｔｉｌｂｅｎｅ等を用いることができる。コア層は基板の幅方向に１個、２個、さらには３個以上並べて配置してもよい。また基板１上には導波路を１層、２層、３層、４層、…のように多層状に形成し、高集積化、多機能化を図るようにすることができる。
【００５２】
基板１の表面、裏面あるいは中に電子回路、電子部品、電気配線が実装されていてもよい。また導波路の上面、下面、両端面あるいは中に光回路以外の光部品、電子回路、電子部品、電気配線等が実装されていてもよい。さらに導波路の入出力端面側には光ファイバが接続されていてもよい。またフォトブリーチング材料として、ポリマ材料以外に無機材料（例えばＳｉＯ_２系材料にＧｅＯ_２を添加したもの等）を用いてもよい。
【００５３】
コア層内の屈折率分布は２段型以外に、３段型、４段型等であってもよい。これらの多段型屈折率分布の製造方法は、複数のフォトマスクを用いることによって容易に実現することができる。
【００５４】
以上において本発明によれば、
(1) 導波路のコア層の幅方向の光パワー分布に類似の屈折率分布を形成することができ、かつそれぞれのコア層の界面を均一に形成することができるので、低損失な導波路が得られる。
【００５５】
(2) 放射損失や散乱損失を低減した低損失導波路を簡単なプロセスで実現することができる。
【００５６】
(3) 基板の幅方向に９０°曲線パターンやＳ字曲線パターンを多用した光信号処理回路を曲率半径を小さくして形成することができ、小型で、高集積な光デバイスを実現することができる。
【００５７】
(4) コア層をフォトブリーチング層で形成することにより、屈折率分布の各段階の境界部を均一に形成することができ、屈折率はＵＶ光の照射パワーと照射時間とを制御することで変化させることができるので、低損失化、低コスト化の他に、光信号処理回路の設計を容易に行うことができる。
【００５８】
(5) 各層の厚さ方向の段差もほとんど無いので、さらに低損失化を図ることができる。また、光部品、電気部品、電気回路、電気配線等を基板の表面（あるいは裏面）、基板中あるいは導波路の上面（あるいは裏面）、あるいは導波路中に実装することが容易になる。
【００５９】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【００６０】
小型で散乱損失や放射損失の小さい低損失光導波路及びその製造方法の提供を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の低損失光導波路の一実施の形態を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面内での屈折率分布を示し、（ｃ）は（ａ）のＤ−Ｄ線断面内での屈折率分布を示す図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は図１に示した低損失導波路の製造方法の一実施の形態を示す工程図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は図２（ａ）〜（ｄ）に示した工程中に用いられるフォトマスクの平面図である。
【図４】（ａ）は本発明の低損失光導波路の他の実施の形態を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ線断面内での屈折率分布を示し、（ｃ）は（ａ）のＦ−Ｆ線断面内での屈折率分布を示す図である。
【図５】（ａ）は本発明の低損失光導波路の他の実施の形態を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＧ−Ｇ線断面内での屈折率分布を示し、（ｃ）は（ａ）のＨ−Ｈ線断面内での屈折率分布を示す図である。
【図６】（ａ）は従来の光導波路の断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面内の屈折率分布を示し、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面内の屈折率分布を示す図である。
【図７】（ａ）は図６に示した導波路のうち、９０°に曲がった導波路の曲率半径Ｒと導波路放射損失をコア層とクラッド層との比屈折率差Δをパラメータにして計算した結果を示し、（ｂ）は図６に示した導波路のうち、Ｓ字状の曲線導波路の曲率半径Ｒと導波路放射損失をコア層とクラッド層との比屈折率差Δをパラメータにして計算した結果を示す図である。
【符号の説明】
１基板
５ａ、５ｂコア層
４、６ａ、６ｂ、７クラッド層
８ＵＶカット層（ＵＶ吸収層）

Claims

基板上に第１クラッド層を形成する工程と、第１クラッド層の上にＵＶ光の照射量に応じて屈折率が低下するフォトブリーチング層を形成する工程と、該フォトブリーチング層の上にコア層のパターンを有する第１フォトマスクを配置し、第１フォトマスクの上からＵＶ光を照射して略矩形断面形状で少なくとも１か所に曲線部を有する高屈折率のコア層を形成すると共にコア層の両側に低屈折率の側面クラッド層を形成する工程と、該側面クラッド層及びコア層の上に中央コア層のパターンを有する第２フォトマスクを配置し、第２フォトマスクの上からＵＶ光を照射してコア層の中央部を高屈折率の中央コア層に形成すると共に、中央コア層の両側部を中央コア層よりも屈折率の低い側面コア層を形成する工程と、上記中央コア層、上記側面コア層及び上記側面クラッド層の上に第２クラッド層を積層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。
上記第２クラッド層の上にＵＶカット層あるいはＵＶ吸収層を積層する工程を有する請求項１に記載の光導波路の製造方法。