JP3823770B2

JP3823770B2 - Optical waveguide and method for manufacturing the same

Info

Publication number: JP3823770B2
Application number: JP2001231092A
Authority: JP
Inventors: 克之井本
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2001-07-31
Filing date: 2001-07-31
Publication date: 2006-09-20
Anticipated expiration: 2021-07-31
Also published as: JP2003043286A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高屈折率のコア層内に超短パルスレーザービームを照射することにより、コア層内の屈折率をさらに高めた高屈折率領域を形成することにより、コア層内への光信号の閉じ込めを良くすると共に、コア層側面の荒れによる散乱損失を大幅に低減するようにした光導波路及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガラス板の表面、あるいはその内部にフェムト秒パルスレーザービームを集光、照射させることにより、その照射された微小領域の屈折率を高め、その高屈折率領域をガラス板のＸ，Ｙ，あるいはＺ方向に連続的に形成する事によって光の伝搬する導波路を実現する方法が提案されている。上記ガラス板として、合成石英ガラス、フッ化物ガラス、光学ガラス等が用いられ、シングルモード伝送用の導波路の作成が試みられている。
【０００３】
また、従来から低屈折率層内に略矩形状の高屈折率のコア層を埋め込んだ埋め込み導波路が開発され実用に供されている。この埋め込み型導波路のコア層として、ガラス、あるいはポリマ材料が用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の導波路には次のような課題が残されている。
（１）従来の埋め込みガラス導波路は実用化されているが、まだ損失が大きい、という課題が有る。すなわち、略矩形状のコア層をフォトリソグラフィ、エッチングプロセスによって作成しているので、そのコア層の側面荒れに伴う散乱損失が大きい。
（２）ポリマ材料を用いた導波路はポリマ材料自身の損失が大きいために、ガラス導波路よりもさらに損失が大きい。また耐熱性にすぐれた低損失ポリマ導波路はまだ実現していない。
（３）上記埋め込み導波路はコア層とその周囲の低屈折率層との比屈折率差Δを大きくしていくと、損失が増大する。たとえば、ガラス導波路の場合、Δが０．３％程度では０．０１dB／cmが得られているが、Δを２％にすると、損失は増大し、０．１dB／cmになっている。この損失増大は、コア層側面の荒れに依存するものがΔを大きくするほど顕著になるためである。また、Δを上記よりもさらに大きくすることが難しい。なぜならば、コア層内に屈折率制御用添加物をたくさん添加して屈折率を高くしていくと、上記コア層と基板や低屈折率層等との熱膨張係数のミスマッチングが大きくなり、基板の反りが発生して導波路パターン精度が大幅に劣化してしまうからである。
（４）ガラス板の表面、あるいはその内部にフェムト秒パルスレーザービームを集光、照射させることにより作成した導波路はΔを大きくすることが難しく、現状では０．３％程度である。このようにΔが小さいと、導波路の小型化が難しい。また損失も現状では低くすることが難しい。
【０００５】
そこで、本発明の目的は前記した従来技術の問題点を解決し、コア層とクラッド層との比屈折率差Δが大きいにもかかわらず、コア層側面の荒れに依存する光損失が小さい新しい構造の光導波路及びその製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の光導波路は、屈折率がｎbのコア層とその外側に設けられた該コア層よりも低い屈折率ｎcのクラッド層とを有し、前記コア層は、その中心部に前記屈折率ｎbよりも０．２％から１％高くした高屈折率化領域を有し、前記コア層の屈折率分布を２段構造としたものであり、前記高屈折率化領域は、１０００フェムト秒以下５０フェムト秒以上のパルス幅の超短パルスレーザービームがそのビームスポット径を３μｍ以下に集光して照射されて形成されたものであり、前記コア層に、希土類元素が添加されており、前記クラッド層、コア層、高屈折率化領域からなる光導波路がシングルモード伝送用であることを特徴とするものである。
【０００７】
また、上記コア層の材質は、Ｔｉ，Ｇｅ，Ｐ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｔａ等の高屈折率添加物を含んだＳｉＯ₂ガラス、あるいはポリシラン化合物からなるポリマであることが好ましい。
【０００８】
本発明の光導波路の製造方法は、屈折率がｎbのコア層とその外側に設けられた該コア層よりも低い屈折率ｎcのクラッド層とを有する光導波路基板を準備し、前記コア層の中心部に１０００フェムト秒以下５０フェムト秒以上のパルス幅の超短パルスレーザービームを、前記コア層を２５０℃よりも高い温度に加熱しながら、そのビームスポット径を３μｍ以下に集光して照射しつつ、前記超短パルスレーザービームを光伝搬方向に沿って移動して、前記コア層の中心部に前記屈折率ｎbよりも０．２％から１％高くした高屈折率化領域を形成し、前記クラッド層、コア層、高屈折率化領域からなる光導波路がシングルモード伝送用であることを特徴とする。
この場合、前記光導波路基板は、基板上に前記コア層となるコア膜を形成する工程、該コア膜を略矩形状の前記コア層に加工する工程、該コア層を覆うように前記クラッド層を形成する工程により製造されたものを用いることができる。
【０００９】
また、本発明の光導波路の製造方法は、基板上に屈折率がｎbのコア層となるコア膜を形成し、該コア膜の中心部に１０００フェムト秒以下５０フェムト秒以上のパルス幅の超短パルスレーザービームを、前記コア膜を２５０℃よりも高い温度に加熱しながら、そのビームスポット径を３μｍ以下に集光して照射しつつ、前記超短パルスレーザービームを光伝搬方向に沿って移動して、前記コア膜の中心部に前記屈折率ｎbよりも０．２％から１％高くした高屈折率化領域を形成し、前記コア膜を略矩形状の前記コア層に加工し、該コア層を覆うように該コア層の屈折率ｎbよりも低い屈折率ｎcのクラッド層を形成し、前記クラッド層、コア層、高屈折率化領域からなる光導波路がシングルモード伝送用であることを特徴とする。
【００１０】
また、上記超短パルスレーザーの波長は、２５０nmから１６００nmの範囲から選ばれることが望ましい。
【００１１】
また、上記コア層又は上記コア膜の内部への上記超短パルスレーザーの照射は、２回以上繰り返されてもよい。
【００１２】
また、上記コア層又は上記コア膜内にその入力端から信号光を入力し、出力端で上記信号光を取り出してモニタしつつ上記超短パルスレーザーを照射し、上記モニタ光に応じて上記超短パルスレーザーの照射エネルギーを調節することが望ましい。
【００１３】
【発明の実施の態様】
本発明は、１）例えば、コア層がガラス材料、あるいはポリマ材料からなる埋め込み型導波路の損失を大幅に低減することができる導波路構造、２）コア層とクラッド層との比屈折率差Δが大きい導波路、及び３）コア層内への光閉じ込めの良い導波路構造を実現することを狙いとして創出されたものである。
【００１４】
上記３つの従来にはない効果は、低屈折率層内に添加物を含んだ略矩形状の高屈折率のコア層の埋め込まれた導波路の該コア層の厚み及び幅方向の中心部に、パルス幅が１０００ｆｓ（フェムト秒）以下の超短パルスレーザービームをそのビームスポット径をコア層の断面積よりも十分に小さい面積の領域にしぼって集光して照射し、該コア層内の中心近傍の屈折率を高くすることによって得ることができる。なお、コア層全体をカバーするように照射すると、コア層の屈折率が全体的に高くなり、コア層側面の荒れが一層強調されて散乱損失がさらに大きくなるので好ましくない。
【００１５】
上記レーザービームを照射された領域のコア層の屈折率ｎaと照射されなかった領域のコア層の屈折率ｎbとの比屈折率差Δを０．２％よりも高くなるように整形することにより、照射されたコア層中心部の屈折率ｎaと低屈折率層の屈折率ｎcとの比屈折率差Δaは、照射前のコア層の屈折率ｎbと低屈折率層の屈折率ｎcとの比屈折率差Δbに比して大幅に大きくすることができる。
【００１６】
また、上記コア層の中心部領域の屈折率を超短パルスレーザービーム照射による光学的方法で高くすることにより、従来のフォトリソグラフィ、エッチングプロセスで形成したコア層側面の荒れに比して上記高屈折率領域の側面部の荒れは小さく、且つΔaが大きいので、光信号はコア層中心部の高屈折率領域に強く閉じ込められ、それにより、その領域での散乱損失を小さくすることができる。また、この高屈折率領域への光の閉じ込めが一層強くなることから、コア層周辺部のフォトリソグラフィ、ドライエッチング工程で作成した側面部での荒れによる散乱損失は支配的でなくなる。
【００１７】
本発明に用いるガラス、あるいはポリマ材料からなる埋め込み導波路のコア層用材料については下記に示すようなものを用いることができる。
【００１８】
まず、ガラス材料としては、ＳｉＯ₂にＴｉ，Ｇｅ，Ｐ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｔａ等の高屈折率添加物を少なくとも１種類添加したものを用いることができる。これらの添加物を含んだＳｉＯ₂コア層はレーザービーム照射で緻密化されやすい状態になるように、予め成膜されていることが好ましい。たとえば、上記コア層の成膜温度、アニール温度は低い方が好ましい。また上記添加物には−Ｓｉ−Ｓｉ−結合系に結合しにくい添加物、たとえば、Ｔｉが好ましい。また上記結合系と結合しにくい成膜方法、低温成膜、低温アニールが好ましい。また上記ガラス中に希土類元素が少なくとも１種添加されていてもよい。希土類元素としては、Ｅｒ，Ｎｄ，Ｔｍ，Ｓｍ，Ｙｂ，Ｐｒ等である。このような希土類元素を共添加することにより、光増幅器用や光発信器用導波路を実現することができる。
【００１９】
次に、ポリマ材料としては、ポリシラン化合物にシリコーン化合物、あるいはシリコーン化合物と光酸発生剤を添加したもの等を用いることができる。
【００２０】
本発明においては、上記の超短パルスレーザービームを用いているので、照射されたガラス層、あるいはポリマ層は熱的なダメージを受けることなく、瞬間的に高い光強度を持ちながら平均強度が低いので、短時間で集光部分（コア層中心部）の狭い領域で屈折率変化を生じさせることができる。すなわち、短時間でコア層内部を更に高屈折率に変質させることが可能となる。なお、上記屈折率変化を起こさせる度合いは超短パルスレーザービームのパワー、被加工物（光導波路）と超短パルスレーザービームの相対的移動速度を調節することにより制御することができる。また同じ領域か少しずらした領域に超短パルスレーザービームを複数回照射するようにしてもよい。
【００２１】
また、光回路の光学特性のチェックを行ないながら超短パルスレーザービームを照射するようにしてもよい。すなわち、導波路のコア層内に光信号を入力させ、その出力側から光信号を検出しながらのインラインでモニタしつつ超短パルスレーザービーム照射量を調節するようにすることにより、種々の光回路パターンを形成した導波路型光回路の光学特性のチェック以外に、上記光回路のトリミングによる光学特性の改善も可能となる。
【００２２】
上記超短パルスレーザービームとして、波長は２５０nmから１６００nmの範囲から選び、パルス幅として、千ｆｓから数十ｆｓの範囲を選び、パルスの繰り返し周波数を１０Ｈｚから２００ｋＨｚの範囲から選ぶ。平均出力は数十ｍｗから数百ｍｗの範囲から選ぶのが好ましい。コア層がポリマ層の場合には、上記超短パルスレーザービームの波長は、上記ポリマ層の紫外線吸収波長から外れた波長域、可視及び近赤外域から選ぶのが好ましい。このようにコア層の中心部の屈折率を高くすることは、その領域、すなわち、光伝搬層内への光の閉じ込めを一層良好にすることができる。
【００２３】
またコア層にポリシラン化合物からなるポリマ材料を用いた場合には、上記超短パルスレーザービームを照射することにより、光伝搬層層内の有機物が取り除かれて無機化され、且つ高密度で光散乱中心の少ない光伝搬層層へ改質することができる。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図示した図面に基づいて詳細に説明する。
【００２５】
図１に本発明の光導波路の第１の実施例を示す。同図(a)は側面図、同図(b)は(a)のＢ−Ｂ線断面内屈折率分布、同図(c)は(a)のＡ−Ａ線断面内屈折率分布を示したものである。これは、基板１の上に形成された低屈折率層（クラッド層）２（屈折率ｎc）内に略矩形状の高屈折率のコア層３（屈折率ｎb）が埋め込まれた構造である。そして上記コア層３内の中心部には所望径Ｄ（３μｍ以下）の超短パルスレーザービームが照射されて屈折率が高くなった高屈折率領域４（屈折率ｎa）を有している。
【００２６】
ｎbとｎcとの比屈折率差Δｂは通常の方法では、低屈折率層２、コア層３の形成プロセス及び熱処理プロセスで生じる基板１の反りを考慮に入れると、２％程度が上限である。ところが、本発明の構成では、コア層３の中心部に超短パルスレーザービームを照射することにより、その照射された領域の屈折率を０．２％から１％程度高くすることができる。
【００２７】
この高屈折率化は上記レーザービームのエネルギーで制御することができる。たとえば、レーザーパワー、基板の移動速度、複数回の繰り返し照射等である。すなわち、コア層３の中心部の屈折率をｎbからｎaに高くすることができる。これにより、低屈折率層２と上記コア層中心部の高屈折率領域４との比屈折率差Δaを２．２％以上、３％程度にまで高くすることができる。その結果、この構造を用いた導波路型光回路を大幅に小型化することができる。
【００２８】
またコア層３の中心部の高屈折率領域４の側面部はレーザービーム照射により、滑らかな側面を形成し、散乱損失の低い導波路構造にすることができる。また高屈折率領域４への光の閉込め効果が増し、より低散乱損失で伝搬させることができる。またレーザービーム照射により、高屈折率領域４はより緻密な層になるので、吸収損失も低減させることができる。
【００２９】
図２は本発明の光導波路の第２の実施例を示したものである。同図(a)は側面図、同図(b)は(a)のＣ−Ｃ線断面内屈折率分布、同図(c)は(a)のＤ−Ｄ線断面内屈折率分布を示したものである。これは、基板１とコア層３、低屈折率層２との間に低屈折率nl（nl<nc）のバッファ層５を設けた構造である。このバッファ層５を設けることにより、コア層４内への光の閉じ込めを一層強くすることができる。
【００３０】
図３は本発明の光導波路の第３の実施例を示したものである。同図(a)は側面図、同図(b)は(a)のＥ−Ｅ線断面内屈折率分布、同図(c)は(a)のＦ−Ｆ線断面内屈折率分布を示したものである。これは、コア層３の中心部４内に超短パルスレーザービームを細径ビームスポット径（１μｍ以下）に集光して少しずつずらして照射したものである。上記複数回の照射は同じ領域を照射するか、少しずつずらして照射するようにしても良い。
【００３１】
図４は本発明の光導波路の第４の実施例を示したものである。同図(a)は側面図、同図(b)は(a)のＧ−Ｇ線断面内のコア層パターン図、同図(c)は(a)のＧ−Ｇ線断面内屈折率分布を示したものである。これは、光方向性結合器の実施例を示したものである。すなわち、２つのコア層３−１，３−２を所望の結合長ｌにわたって所望の間隔Ｓで平行結合させることにより、矢印７−１のごとく入射した光信号を矢印７−２，７−３のごとく光信号を等分配する回路である。そして、上記コア層３−１，３−２の中心部に超短パルスレーザービームを照射することにより、屈折率をｎbからｎaへ高屈折率化したものである。
【００３２】
図５は光方向性結合器のコアとクラッドとの比屈折率差を変化させたときの、コア間距離と完全結合長との関係を示す説明図である。上記のように、コア層の中心部を高屈折率化すると、完全結合長Ｌは短くなるため、結合長ｌをより短くすることができ、光回路の小型化を図ることができる。
【００３３】
図６に本発明の光導波路の製造方法の実施例を示す。これは、図２に示す光導波路の製造方法の工程を示したものである。まず(a)に示すように、基板１上に低屈折率層５、コア層３を順次成膜する。ついで(b)に示すように、上記コア層３を略矩形状に加工するプロセスを行なう。すなわち、コア層上にメタルマスク用のＷＳｉ膜をスパッタリング法で成膜する。そのＷＳｉ膜の上にフォトレジスト膜を塗布し、そのフォトレジスト膜上にフォトマスクを置いて紫外線照射により上記フォトマスクパターンをフォトレジスト膜上に転写する。ついで、焼き付け、現像処理により、フォトレジストパターンを得る。このフォトレジストパターンをマスクにして上記ＷＳｉ膜をドライエッチングする。その後、上記ＷＳｉパターンをマスクにして上記コア層をドライエッチングして略矩形状コアパターンを得る。次に(c)に示すように、上記略矩形状コアパターンを覆うように低屈折率の上部クラッド層２を形成する。ここまでは従来の導波路の製造方法である。その後に(d)に示すように、コア層中心部へコア層パターンに沿って超短パルスレーザービームを集光、照射することにより、コア層中心部の高屈折率化を行なう。以上の様にして、(e)に示すように、本発明の光導波路を実現することができる。
【００３４】
なお、図６において、コア層中心部へコア層パターンに沿って超短パルスレーザービームを集光して照射することにより、コア層中心部の高屈折率化を行なう工程をコア層をドライエッチングして略矩形状コアパターンを得た後に行なうようにしてもよい。このようにすると、レーザービーム照射時の雰囲気を制御することができるので、酸化性ガス雰囲気か不活性ガス雰囲気かによって添加物の価数を調製したり、フッ素化雰囲気で行なうことにより、脱ＯＨ基化させることもできる。またコア層内に含まれている不純物（たとえば、有機物）を除去することもできる。
【００３５】
なお、上記した各実施例において、基板１には、ガラス、セラミックス、プラスチック、半導体、強誘電体、ガラスとプラスチックの複合材、さらには上記材料の組み合わせ材料等を用いることができる。
【００３６】
低屈折率層２には、ＳｉＯ₂, ＳｉＯ₂にＧｅ，Ｐ，Ｔｉ，Ｂ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｔａ、Ｆ等の屈折率制御用ドーパントを少なくとも一種添加したもの、ポリマ層、有機と無機の複合層等を用いることができる。
【００３７】
ポリシラン化合物からなるポリマ層３については、ポリシラン化合物にシリコーン化合物、あるいはシリコーン化合物と光酸発生剤を添加したもの等を用いる。
【００３８】
ここで、まず本発明に適用できるポリシラン化合物について述べる。本発明のコア層に適用できるポリシラン化合物としては、直鎖型及び分岐型のポリシラン化合物を挙げることができる。分岐型と直鎖型は、ポリシラン中に含まれるＳｉ原子の結合状態によって区別される。すなわち、分岐型ポリシランとは、隣接するＳｉ原子と結合している数（結合数）が、３または４であるＳｉ原子を含むポリシランである。これに対して、直鎖型のポリシランは、Ｓｉ原子の、隣接するＳｉ原子との結合数は２である。通常、Ｓｉ原子以外に、炭化水素基、アルコキシ基または水素原子と結合している。このような炭化水素基としては、炭素数１〜１０のハロゲンで置換されていてもよい脂肪族炭化水素基、炭素数６１〜１４の芳香族炭化水素基が好ましい。脂肪族炭化水素基の具体例として、メチル基、プロピル基、ブチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、トリフルオロプロピル基及びノナフルオロヘキシル基等の鎖状のもの、及びシクロヘキシル基、メチルシクロヘキシル基のような脂環式のもの等が挙げられる。また芳香族炭化水素基の具体例としては、フェニル基、ｐ−トリル基、ビフェニル基及びアントラシル基等が挙げられる。アルコキシ基としては、炭素数１〜８のものが挙げられる。具体例としては、メトキシ基、エトキシ基、フェノキシ基、オクチルオキシ基等が挙げられる。合成の容易さを考慮すると、これらの中でメチル基及びフェニル基が特に好ましい。
【００３９】
分岐型ポリシランの場合には、隣接するＳｉ原子との結合数が３または４であるＳｉ原子は、分岐型ポリシラン中の全体のＳｉ原子数の２％以上であることがより好ましい。２％未満のものや直鎖型のポリシランは結晶性が高く、膜中で微結晶が生成し易いことにより光散乱の原因となり、光透明性が低下し易い。
【００４０】
上記したポリシラン化合物は、ハロゲン化シラン化合物をナトリウムのようなアルカリ金属の存在下、ｎ−デカンやトルエンのような有機溶媒中において８０℃以上に加熱することによる重縮合反応によって製造することができる。また電解重合法や、金属マグネシウムと金属塩化物を用いた方法でも合成可能である。
【００４１】
分岐型ポリシランの場合には、オルガノトリハロシラン化合物、テトラハロシラン化合物、及びジオルガノジハロシラン化合物からなり、オルガノトリハロシラン化合物及びテトラハロシラン化合物が全体量の２モル％以上であるハロシラン混合物を加熱して重縮合することにより、目的とする分岐型ポリシランが得られる。ここで、オルガノトリハロシラン化合物は、隣接するＳｉ原子との結合数が３であるＳｉ原子源となり、一方のテトラハロシラン化合物は、隣接するＳｉ原子との結合数が４であるＳｉ原子源となる。なお、ネットワーク構造の確認は、紫外線吸収スペクトルや珪素の核磁気共鳴スペクトルの測定により確認することができる。
【００４２】
ポリシラン化合物の原料として用いられるオルガノトリハロシラン化合物、テトラハロシラン化合物、及びジオルガノジハロシラン化合物がそれぞれ有するハロゲン原子は、塩素原子であることが好ましい。オルガノトリハロシラン化合物及びジオルガノハロシラン化合物が有するハロゲン原子以外の置換基としては、上記炭化水素基、アルコキシ基または水素原子が挙げられる。
【００４３】
次に本発明のポリシラン化合物に添加するシリコーン化合物としては、図７に示されるものを用いることが望ましい。ただし、式中、R₁からR₁₂は、炭素数１〜１０のハロゲンまたはグリシジルオキシ基で置換されていてもよい脂肪族炭化水素基、炭素数６〜１２の芳香族炭化水素基、炭素数１〜８のアルコキシ基からなる群から選択される基であり、同一でも異なっていてもよい。
【００４４】
図７中、ａ、ｂ、ｃ及びｄは０を含む整数であり、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ≧１を満たすものである。このシリコーン化合物が有する脂肪族炭化水素基の具体例として、メチル基、プロピル基、ブチル基、ヘキシル基、オクチル基、デシル基、トリフルオロプロピル基、グリシジルオキシプロピル基等のような脂環式のものが挙げられる。
【００４５】
またアルコキシ基の具体例としては、メトキシ基、エトキシ基、フェノキシ基、オクチルオキシ基、ｔｅｒ−ブトキシ基等が挙げられる。
【００４６】
上記のＲ１からＲ１２の種類及びａ、ｂ、ｃ、ｄの値は特に重要ではなく、ポリシラン及び有機溶媒と相溶し、膜が透明なものであれば特に限定されない。相溶性を考慮した場合には、使用するポリシランが有する炭化水素基と同じ基を有していることが好ましい。例えば、ポリシランとして、フェニルメチル系のものを使用する場合には、同じフェニルメチル系またはジフェニル系のシリコーン化合物を使用することが好ましい。またＲ１からＲ１２のうち、少なくとも２つが炭素数１〜８のアルコキシ系であるような、１分子中にアルコキシ基を２つ以上有するシリコーン化合物は、架橋材として利用可能である。そのようなものとしては、アルコキシ基を１５から３５重量％含んだメチルフェニルメトキシシリコーンやフェニルメトキシシリコーン等を挙げることができる。分子量としては、１００００以下、好ましくは３０００以下のものが好適である。
【００４７】
なお、膜中のＣＨ基やＯＨ基による光吸収を低減するために、ポリシラン化合物やシリコーン化合物に重水素化、あるいは一部または全てがハロゲン化、特にフッ素化したものを用いれば、上記吸収基による光損失を大幅に低減することができる。これにより、波長依存性の少ない低光損失のポリマ膜を実現可能となり、高性能導波路型光部品及び光デバイス用として幅広い範囲に用途を拡大することが可能となる。
【００４８】
またシリコーン化合物に架橋性、あるいはアルコキシ基からなるものを用いることによって分岐型ポリシラン化合物の中に均一に添加することができ、しかもトルエンのような有機溶媒中に容易に可溶してナノメータレベルの超微粒子状溶液となり、上記ポリマ溶液を用いることによって光散乱中心のない均一な構造体や膜を形成することができる。
【００４９】
次に上記低屈折率層２上へのポリマ層の成膜方法について説明する。上記ポリマ化合物を有機溶媒に溶かしてポリマ溶液とし、その溶液を上記低屈折率層２上へスピンコーテイング法、押し出しコーテイング法などで塗布する。ついで８０℃から１５０℃の温度範囲で２０分から４０分程度プリベークする。その後に２００℃から３００℃の温度範囲で２０分から６０分程度のポストベークを行ない、ポリマ層とする。なお、上記プリベーク及びポストベークはプログラム式温度制御型電気炉内で昇温、定温保持、昇温、定温保持、降温工程を連続的に行なうようにしても良い。
【００５０】
ここで、本実施例に用いる有機溶媒としては、炭素数５〜１２の炭化水素系、ハロゲン化炭化水素系及びエーテル系等が挙げられる。炭化水素の例としては、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、シクロヘキサン、ｎ−デカン、ｎ−ドデカン、ベンゼン、トルエン、キシレン、メトキシベンゼン等を用いることができる。ハロゲン化炭化水素系の例としては、四塩化炭素、クロロホルム、１，２−ジクロロエタン、ジクロロメタン、クロロベンゼン等を用いることができる。エーテル系の例としては、ジエチルエーテル、ジブチルエーテル、テトラハイドロフラン等を用いることができる。
【００５１】
また低屈折率層２及び上部クラッド層８については以下のような材料を用いて構成しても良い。すなわち、分岐度が２０％の分岐状ポリメチルフェニルシラン化合物にシリコーン化合物を５０ｗｔ％添加したポリマを有機溶媒トルエンに溶かしてフォトブリーチング用ポリマ溶液を作成し、この溶液に予め紫外線（１５０ｗ水銀キセノンランプからの光を直径２０mmのイメージファイババンドル内を伝搬させて出力させた光を約１０cm離して照射、その出力は約１２００ｍｗ／cm²）を１３５分照射することによって屈折率を低下（波長６３２．８nmにおける屈折率を紫外線照射前には１．６４５から１．６２に低下）させ、この溶液を基板１上に塗布し、１５０℃、２０分のプリベークの後に、２００℃、２０分のポストベークを行なって低屈折率層２用のポリマ層とする方法である。上部クラッド層８も同様の方法で形成することができる。
【００５２】
本発明は上記実施例に限定されない。たとえば、上記シリコーン化合物を添加したポリシラン化合物に光酸発生剤（融点１９２℃、最大吸収波長７７nmのパラメトキシスチルトリアジン）を２％から５％添加したポリマ層を用いてもよい。この場合には導波路損失は多少増加傾向にあったが、紫外線レーザービーム照射による低屈折率変化領域のパターンの深さ方向の均一性が一層良くなり、より寸法精度の良い矩形状コア層を実現することができた。上記光酸発生剤としては、トリアジン系のものが良いことが分かった。
【００５３】
上部クラッド層の上には紫外線カット層を設けて長期的にコア層５の屈折率が変化しない様にしてもよい。
【００５４】
本発明のコア層に用いるポリマ材料のポリシラン化合物、シリコーン化合物、トリアジン系化合物、光酸発生剤等は種々のものを適用することができる。例えば、ポリシラン化合物には分岐度が２％以上の分岐状ポリシラン化合物が光透明度の点から好ましい。光酸発生剤にはトリアジン系が好ましく、その中でも長波長での光透明度の高いもの、融点の高いものが好ましい。シリコーン化合物も光透明度の高いもの、融点の高いものなどが好ましい。
【００５５】
上記超短パルスレーザービームとして、波長は２５０nmから１６００nmの範囲（好ましくは８００nmの波長）から選び、パルス幅として、数千ｆｓから数十ｆｓの範囲から選び、パルスの繰り返しを１０Ｈｚから２００ｋＨｚの範囲から選ぶ。平均出力は数十ｍｗから数百ｍｗの範囲から選ぶのが好ましい。このようにコア層の中心部の屈折率を高くすることはコア層内への光の閉じ込めを一層強くし、且つ、上記超短パルスレーザービーム照射でコア層内の有機物が一層取り除かれて無機化され、且つ高密度で光散乱中心の少ない高均質なコア層へ改質することができる。なお、上記超短パルスレーザービームのパルス幅を狭くすればするほどそのパルス幅内のエネルギーは非常に高くなり、熱的なダメージを全く受けないで高屈折率化を実現することができる。また上記超短パルスレーザービームの照射は基板を少なくとも２５０℃よりも高い温度で加熱しながら行なうようにすることが望ましい。このようにすると、より低損失なコア層に改質させることができる。
【００５６】
【発明の効果】
以上のように、本発明は以下に示すような効果を奏することができる。
（１）コア層がガラス材料、あるいはポリマ材料からなる埋め込み型導波路の損失を大幅に低減することができる。
（２）コア層（高屈折率化領域）とクラッド層との比屈折率差Δが２％以上の高Δ導波路を実現することができる。
（３）コア層内への光閉じ込めの良い導波路構造を実現することができる。
（４）上記３つの従来にない効果は、低屈折率層内に添加物を含んだ略矩形状の高屈折率コア層の埋め込まれた導波路の該コア層の厚み及び幅方向の中心部に、パルス幅が１０００ｆｓ以下の超短パルスレーザービームをそのビームスポット径をコア層の断面積よりも十分に小さい面積の領域にしぼって集光、照射し、該コア層内の中心近傍の屈折率のみを高くすることによって得ることができる。なお、コア層全体をカバーするように照射すると、コア層の屈折率が全体的に高くなり、コア層側面の荒れに依存した散乱損失が一層大きくなるので、好ましくない。上記レーザービームを照射された領域のコア層の屈折率ｎaと照射されなかった領域のコア層の屈折率ｎbとの比屈折率差Δを０．２％よりも高くなるように整形することにより、照射されたコア層中心部の屈折率ｎaと低屈折率層の屈折率ｎcとの比屈折率差Δaは、照射前のコア層の屈折率ｎbと低屈折率層の屈折率ｎcとの比屈折率差Δbに比して大幅に大きくすることができる。
（５）上記コア層の中心部領域の屈折率を超短パルスレーザービーム照射による光学的方法で高くしてもその高屈折率領域の側面部の荒れは小さく、従来のフォトリソグラフィ、エッチングプロセスで形成したコア層側面の荒れに比してはるかに小さいので、この領域での散乱損失を小さくすることができる。また上記高Δaにより、この高屈折率領域への光の閉じ込めが一層強くなり、逆にフォトリソグラフィ、エッチングプロセスで形成したコア層側面近傍の光強度は弱まり、その側面荒れ部での散乱損失も極めて小さくなる。なお、本発明に用いるガラス材料としては、ＳｉＯ₂にＴｉ，Ｇｅ，Ｐ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｔａ等の高屈折率添加物を少なくとも１種類添加したものを用いるが、これらの添加物を含んだＳｉＯ₂コア層はレーザービーム照射で緻密化されやすい状態になるように、予め成膜されていることが好ましい。たとえば、上記コア層の成膜温度、アニール温度は低い方が好ましい。また―Ｓｉ−Ｓｉ―結合系に結合しにくい添加物、たとえば、Ｔｉ添加物を用いるのがよい。また上記添加物が上記系に結合しにくい成膜方法が好ましい。またＥｒ，Ｎｄ，Ｔｍ，Ｓｍ，Ｙｂ，Ｐｒ等の希土類元素を共添加することにより、高効率な光増幅や光発振用導波路を構成することができる。
（６）ポリマ材料として、ポリシラン化合物にシリコーン化合物、あるいはシリコーン化合物と光酸発生剤を共添加したもの等を用いることにより、低コストな光回路を実現することができる。またコア層にポリシラン化合物からなるポリマ材料を用いた場合には、上記超短パルスレーザービーム照射で光伝搬層層内の有機物が取り除かれて無機化され、且つ高密度で光散乱中心の少ない光伝搬層層へ改質することができる。
（７）超短パルスレーザービームを用いているので、照射されたガラス層、あるいはポリマ層の熱的なダメージを受けることなく、瞬間的に高い光強度を持ちながら平均強度が低いので、短時間でコア層中心部の狭い領域の屈折率変化を生じさせることができる。すなわち、短時間で高屈折率のコア層に変質させることが可能となる。なお、上記屈折率変化を起こさせる度合いはレーザービームのパワー、被加工物（光導波路）と超短パルスレーザービームとの相対的移動速度を調節することにより制御することができる。また同じ領域に超短パルスレーザービームを複数回照射するようにして高屈折率化することも容易にできる。
（８）光回路の光学特性のチェックを行ないながら超短パルスレーザービーム照射をすることができる。すなわち、導波路のコア層（或いはコア膜）内に光信号を入力させ、その出力側から光信号を検出しながらのインラインでモニタしつつ超短パルスレーザービーム照射量を調節することが出来るので、光回路の光学特性のチェック以外に、その回路のトリミングによる光学特性の改善も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光導波路の第１実施例を示す説明図である。
【図２】本発明の光導波路の第２実施例を示す説明図である。
【図３】本発明の光導波路の第３実施例を示す説明図である。
【図４】本発明の光導波路の第４実施例を示す説明図である。
【図５】光方向性結合器のコアとクラッドとの比屈折率差を変化させたときの、コア間距離と完全結合長との関係を示す説明図である。
【図６】本発明の光導波路の製造方法の実施例を示す説明図である。
【図７】本発明のポリシラン化合物コア層に添加するシリコーン化合物の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１基板
２クラッド層
３コア層
４高屈折率化領域[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention irradiates an ultrashort pulse laser beam in a core layer having a high refractive index, thereby forming a high refractive index region in which the refractive index in the core layer is further increased, thereby providing an optical signal into the core layer. The present invention relates to an optical waveguide and a method for manufacturing the same, in which the confinement of the core layer is improved and the scattering loss due to the roughness of the side surface of the core layer is greatly reduced.
[0002]
[Prior art]
  In recent years, by condensing and irradiating a femtosecond pulse laser beam on the surface of the glass plate or inside thereof, the refractive index of the irradiated minute region is increased, and the high refractive index region is changed to X, Y, Alternatively, a method for realizing a waveguide through which light propagates by forming continuously in the Z direction has been proposed. Synthetic quartz glass, fluoride glass, optical glass or the like is used as the glass plate, and an attempt has been made to create a waveguide for single mode transmission.
[0003]
  Conventionally, an embedded waveguide in which a substantially rectangular core layer having a high refractive index is embedded in a low refractive index layer has been developed and put into practical use. Glass or polymer material is used as the core layer of the embedded waveguide.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
  However, the following problems remain in the conventional waveguide.
(1) Although the conventional embedded glass waveguide has been put into practical use, there is a problem that the loss is still large. That is, since the substantially rectangular core layer is formed by photolithography and etching processes, the scattering loss due to the side surface roughness of the core layer is large.
(2) A waveguide using a polymer material has a larger loss than the glass waveguide because the loss of the polymer material itself is large. In addition, a low-loss polymer waveguide excellent in heat resistance has not been realized yet.
(3) The loss increases as the relative refractive index difference Δ between the core layer and the surrounding low refractive index layer increases. For example, in the case of a glass waveguide, 0.01 dB / cm is obtained when Δ is about 0.3%, but when Δ is 2%, the loss increases to 0.1 dB / cm. This increase in loss is dependent on the roughness of the side surface of the core layer, and becomes more prominent as Δ is increased. In addition, it is difficult to make Δ larger than the above. This is because when the refractive index is increased by adding a lot of refractive index control additives in the core layer, the mismatch of the thermal expansion coefficient between the core layer and the substrate, the low refractive index layer, etc. increases. This is because the substrate pattern warps and the waveguide pattern accuracy is greatly deteriorated.
(4) It is difficult to increase Δ in a waveguide created by condensing and irradiating a femtosecond pulse laser beam on the surface of a glass plate or inside thereof, and is currently about 0.3%. Thus, when Δ is small, it is difficult to miniaturize the waveguide. Also, it is difficult to reduce the loss at present.
[0005]
  Therefore, the object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and the optical loss depending on the roughness of the side surface of the core layer is small despite the large relative refractive index difference Δ between the core layer and the cladding layer. An object of the present invention is to provide an optical waveguide having a structure and a manufacturing method thereof.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
  That is, the optical waveguide of the present invention has a core layer having a refractive index nb and a clad layer having a refractive index nc lower than the core layer provided on the outer side, and the core layer has the core layer at the center. It has a high refractive index region that is 0.2% to 1% higher than the refractive index nb, and the refractive index distribution of the core layer has a two-stage structure, and the high refractive index region is 1000 femto An ultra-short pulse laser beam with a pulse width of 50 femtoseconds or less is formed by focusing and irradiating the beam spot diameter to 3 μm or less.In addition, rare earth elements are added to the core layer, and the optical waveguide including the cladding layer, the core layer, and the high refractive index region is used for single mode transmission.It is characterized by that.
[0007]
  The material of the core layer is SiO containing a high refractive index additive such as Ti, Ge, P, Al, Sn, and Ta.₂A polymer made of glass or a polysilane compound is preferred.Yes.
[0008]
  An optical waveguide manufacturing method of the present invention provides an optical waveguide substrate having a core layer having a refractive index nb and a cladding layer having a refractive index nc lower than that of the core layer provided on the outer side thereof,SaidAn ultrashort pulse laser beam with a pulse width of 1000 femtoseconds or less and 50 femtoseconds or more in the center of the core layerWhile heating the core layer to a temperature higher than 250 ° C.,While condensing and irradiating the beam spot diameter to 3 μm or less,SaidMove the ultrashort pulse laser beam along the light propagation direction,SaidA high-refractive index region having a refractive index higher by 0.2% to 1% than the refractive index nb is formed at the center of the core layer.The optical waveguide comprising the cladding layer, the core layer, and the high refractive index region is for single mode transmission.It is characterized by that.
  in this case,SaidThe optical waveguide substrate is on the substrate.SaidForming a core film to be a core layer, the core film having a substantially rectangular shapeSaidThe step of processing into a core layer, so as to cover the core layerSaidWhat was manufactured by the process of forming a clad layer can be used.
[0009]
  In the optical waveguide manufacturing method of the present invention, a core film serving as a core layer having a refractive index of nb is formed on a substrate, and a pulse width exceeding 1000 femtoseconds or more and 50 femtoseconds or more is formed at the center of the core film. Short pulse laser beamWhile heating the core film to a temperature higher than 250 ° C.,The ultrashort pulse laser beam is moved along the light propagation direction while condensing and irradiating the beam spot diameter to 3 μm or less, and 0.2% of the refractive index nb at the center of the core film. The core layer is processed into a substantially rectangular core layer, and the refractive index nc is lower than the refractive index nb of the core layer so as to cover the core layer. Form a cladding layerThe optical waveguide comprising the cladding layer, the core layer, and the high refractive index region is for single mode transmission.It is characterized by that.
[0010]
  The wavelength of the ultrashort pulse laser is preferably selected from the range of 250 nm to 1600 nm.
[0011]
  Moreover, irradiation of the ultrashort pulse laser into the core layer or the core film may be repeated twice or more.
[0012]
  Further, signal light is input from the input end into the core layer or the core film, the signal light is extracted from the output end and monitored, and the ultrashort pulse laser is irradiated. It is desirable to adjust the irradiation energy of the short pulse laser.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  The present invention relates to 1) a waveguide structure capable of greatly reducing the loss of an embedded waveguide whose core layer is made of a glass material or a polymer material, and 2) a relative refractive index difference between the core layer and the cladding layer. It was created with the aim of realizing a waveguide with a large Δ and 3) a waveguide structure with good optical confinement in the core layer.
[0014]
  The three unprecedented effects are as follows. The thickness of the core layer and the center in the width direction of the waveguide embedded with the substantially rectangular high refractive index core layer containing the additive in the low refractive index layer are as follows. , An ultrashort pulse laser beam having a pulse width of 1000 fs (femtosecond) or less is focused and irradiated to a region having an area sufficiently smaller than the cross-sectional area of the core layer. It can be obtained by increasing the refractive index near the center. In addition, it is not preferable to irradiate so as to cover the entire core layer because the refractive index of the core layer is increased as a whole, the roughness of the side surface of the core layer is further emphasized, and the scattering loss is further increased.
[0015]
  By shaping the relative refractive index difference Δ between the refractive index na of the core layer in the region irradiated with the laser beam and the refractive index nb of the core layer in the region not irradiated with the laser beam to be higher than 0.2%. The relative refractive index difference Δa between the refractive index na at the center of the irradiated core layer and the refractive index nc of the low refractive index layer is the difference between the refractive index nb of the core layer and the refractive index nc of the low refractive index layer before irradiation. The relative refractive index difference Δb can be significantly increased.
[0016]
  In addition, by increasing the refractive index of the central region of the core layer by an optical method by irradiation with an ultrashort pulse laser beam, the refractive index is higher than the roughness of the side surface of the core layer formed by conventional photolithography and etching processes. Since the roughness of the side surface of the refractive index region is small and Δa is large, the optical signal is strongly confined in the high refractive index region at the center of the core layer, whereby the scattering loss in that region can be reduced. In addition, since the light confinement in the high refractive index region is further strengthened, the scattering loss due to the roughness at the side surface created by the photolithography and dry etching processes around the core layer is not dominant.
[0017]
  As the core layer material of the embedded waveguide made of glass or polymer material used in the present invention, the following materials can be used.
[0018]
  First, as a glass material, SiO₂Further, at least one kind of high refractive index additive such as Ti, Ge, P, Al, Sn, Ta or the like can be used. SiO containing these additives₂The core layer is preferably formed in advance so as to be easily densified by laser beam irradiation. For example, the core layer preferably has a lower film formation temperature and lower annealing temperature. The additive is preferably an additive that is difficult to bond to the —Si—Si— bond system, for example, Ti. In addition, a film formation method, low temperature film formation, and low temperature annealing that are difficult to bond with the above bonding system are preferable. Further, at least one rare earth element may be added to the glass. Examples of rare earth elements include Er, Nd, Tm, Sm, Yb, Pr, and the like. By co-adding such rare earth elements, waveguides for optical amplifiers and optical transmitters can be realized.
[0019]
  Next, as a polymer material, a silicone compound or a material obtained by adding a silicone compound and a photoacid generator to a polysilane compound can be used.
[0020]
  In the present invention, since the above ultrashort pulse laser beam is used, the irradiated glass layer or polymer layer is not thermally damaged, and has a low average intensity while having a high light intensity instantaneously. Therefore, it is possible to change the refractive index in a narrow region of the condensing part (core layer center) in a short time. That is, it becomes possible to change the inside of the core layer to a higher refractive index in a short time. The degree of the refractive index change can be controlled by adjusting the power of the ultrashort pulse laser beam and the relative movement speed of the workpiece (optical waveguide) and the ultrashort pulse laser beam. Further, the ultrashort pulse laser beam may be irradiated a plurality of times to the same region or a region slightly shifted.
[0021]
  Further, the ultrashort pulse laser beam may be irradiated while checking the optical characteristics of the optical circuit. That is, by inputting an optical signal into the core layer of the waveguide and monitoring the in-line while detecting the optical signal from the output side, the amount of ultrashort pulse laser beam irradiation can be adjusted and adjusted. In addition to checking the optical characteristics of the waveguide type optical circuit on which the circuit pattern is formed, the optical characteristics can be improved by trimming the optical circuit.
[0022]
  The wavelength of the ultrashort pulse laser beam is selected from the range of 250 nm to 1600 nm, the pulse width is selected from the range of 1000 fs to several tens of fs, and the pulse repetition frequency is selected from the range of 10 Hz to 200 kHz. The average output is preferably selected from the range of several tens mw to several hundred mw. When the core layer is a polymer layer, the wavelength of the ultrashort pulse laser beam is preferably selected from a wavelength region that is out of the ultraviolet absorption wavelength of the polymer layer, a visible region, and a near infrared region. Increasing the refractive index of the central portion of the core layer in this way can make light confinement in that region, that is, the light propagation layer better.
[0023]
  When a polymer material composed of a polysilane compound is used for the core layer, the organic matter in the light propagation layer is removed and mineralized by irradiating the ultrashort pulse laser beam, and light scattering is performed at a high density. It can be modified to a light propagation layer with few centers.
[0024]
【Example】
  Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
[0025]
  FIG. 1 shows a first embodiment of the optical waveguide of the present invention. The figure (a) is a side view, the figure (b) shows the refractive index distribution in the cross section BB line of (a), the figure (c) shows the refractive index distribution in the cross section AA line of (a). It is a thing. This is a structure in which a substantially rectangular high refractive index core layer 3 (refractive index nb) is embedded in a low refractive index layer (cladding layer) 2 (refractive index nc) formed on the substrate 1. . The central portion of the core layer 3 has a high refractive index region 4 (refractive index na) which is irradiated with an ultrashort pulse laser beam having a desired diameter D (3 μm or less) and has a high refractive index.
[0026]
  In the usual method, the relative refractive index difference Δb between nb and nc has an upper limit of about 2% in consideration of the warp of the substrate 1 caused by the formation process of the low refractive index layer 2 and the core layer 3 and the heat treatment process. . However, in the configuration of the present invention, by irradiating the central portion of the core layer 3 with the ultrashort pulse laser beam, the refractive index of the irradiated region can be increased by about 0.2% to 1%.
[0027]
  This increase in refractive index can be controlled by the energy of the laser beam. For example, laser power, substrate moving speed, multiple times of repeated irradiation, and the like. That is, the refractive index at the center of the core layer 3 can be increased from nb to na. As a result, the relative refractive index difference Δa between the low refractive index layer 2 and the high refractive index region 4 at the center of the core layer can be increased to about 2.2% or more and about 3%. As a result, a waveguide type optical circuit using this structure can be greatly reduced in size.
[0028]
  Further, the side surface portion of the high refractive index region 4 in the central portion of the core layer 3 can form a smooth side surface by laser beam irradiation, and a waveguide structure with low scattering loss can be obtained. Further, the effect of confining light in the high refractive index region 4 is increased, and the light can be propagated with lower scattering loss. Further, since the high refractive index region 4 becomes a denser layer by laser beam irradiation, absorption loss can be reduced.
[0029]
  FIG. 2 shows a second embodiment of the optical waveguide of the present invention. The figure (a) is a side view, the figure (b) shows the refractive index distribution in the CC line cross section of (a), and the figure (c) shows the refractive index distribution in the DD line cross section of (a). It is a thing. This is a structure in which a buffer layer 5 having a low refractive index nl (nl <nc) is provided between the substrate 1, the core layer 3, and the low refractive index layer 2. By providing the buffer layer 5, light confinement in the core layer 4 can be further strengthened.
[0030]
  FIG. 3 shows a third embodiment of the optical waveguide of the present invention. The figure (a) is a side view, the figure (b) shows the refractive index distribution in the EE line cross section of (a), and the figure (c) shows the refractive index distribution in the FF line cross section of (a). It is a thing. In this case, an ultrashort pulse laser beam is condensed into a small beam spot diameter (1 μm or less) in the central portion 4 of the core layer 3 and is irradiated while being shifted little by little. The plurality of irradiations may be performed on the same region or may be performed by shifting little by little.
[0031]
  FIG. 4 shows a fourth embodiment of the optical waveguide of the present invention. The figure (a) is a side view, the figure (b) is a core layer pattern figure in the GG line section of (a), and the figure (c) is the refractive index distribution in the GG line section in (a). Is shown. This shows an embodiment of an optical directional coupler. In other words, the two core layers 3-1 and 3-2 are coupled in parallel at a desired interval S over a desired coupling length l, so that the incident optical signal as indicated by the arrow 7-1 is converted to the arrows 7-2 and 7-3. In this way, the optical signal is equally distributed. Then, the refractive index is increased from nb to na by irradiating the central portion of the core layers 3-1 and 3-2 with an ultrashort pulse laser beam.
[0032]
  FIG. 5 is an explanatory diagram showing the relationship between the distance between the cores and the complete coupling length when the relative refractive index difference between the core and the clad of the optical directional coupler is changed. As described above, when the refractive index of the central portion of the core layer is increased, the complete coupling length L is shortened, so that the coupling length l can be further shortened and the optical circuit can be miniaturized.
[0033]
  FIG. 6 shows an embodiment of the optical waveguide manufacturing method of the present invention. This shows the steps of the method of manufacturing the optical waveguide shown in FIG. First, as shown in (a), a low refractive index layer 5 and a core layer 3 are sequentially formed on a substrate 1. Next, as shown in (b), a process of processing the core layer 3 into a substantially rectangular shape is performed. That is, a WSi film for a metal mask is formed on the core layer by a sputtering method. A photoresist film is applied on the WSi film, a photomask is placed on the photoresist film, and the photomask pattern is transferred onto the photoresist film by ultraviolet irradiation. Next, a photoresist pattern is obtained by baking and development processing. Using the photoresist pattern as a mask, the WSi film is dry etched. Thereafter, the core layer is dry-etched using the WSi pattern as a mask to obtain a substantially rectangular core pattern. Next, as shown in (c), an upper cladding layer 2 having a low refractive index is formed so as to cover the substantially rectangular core pattern. Up to this point, the conventional waveguide manufacturing method has been described. Thereafter, as shown in (d), the core layer central portion is focused and irradiated with an ultrashort pulse laser beam along the core layer pattern to increase the refractive index of the core layer central portion. As described above, as shown in (e), the optical waveguide of the present invention can be realized.
[0034]
  In FIG. 6, the core layer is dry-etched in the process of increasing the refractive index of the core layer center by condensing and irradiating the core layer with the ultrashort pulse laser beam along the core layer pattern. Then, it may be performed after obtaining a substantially rectangular core pattern. In this way, the atmosphere at the time of laser beam irradiation can be controlled. Therefore, by adjusting the valence of the additive depending on whether it is an oxidizing gas atmosphere or an inert gas atmosphere, or by performing it in a fluorinated atmosphere, de-OH It can also be basified. Impurities (for example, organic substances) contained in the core layer can also be removed.
[0035]
  In each of the above-described embodiments, the substrate 1 can be made of glass, ceramics, plastic, semiconductor, ferroelectric, a composite material of glass and plastic, a combination material of the above materials, or the like.
[0036]
  The low refractive index layer 2 includes SiO₂, SiO₂In addition, a material obtained by adding at least one dopant for controlling the refractive index such as Ge, P, Ti, B, Zn, Sn, Ta, and F, a polymer layer, an organic-inorganic composite layer, and the like can be used.
[0037]
  For the polymer layer 3 made of a polysilane compound, a silicone compound or a compound obtained by adding a silicone compound and a photoacid generator to the polysilane compound is used.
[0038]
  Here, a polysilane compound applicable to the present invention will be described first. Examples of the polysilane compound applicable to the core layer of the present invention include linear and branched polysilane compounds. The branched type and the straight type are distinguished by the bonding state of Si atoms contained in the polysilane. That is, the branched polysilane is a polysilane containing Si atoms having 3 or 4 bonds to adjacent Si atoms (number of bonds). On the other hand, in the linear polysilane, the number of bonds between Si atoms and adjacent Si atoms is two. Usually, it is bonded to a hydrocarbon group, an alkoxy group or a hydrogen atom in addition to the Si atom. As such a hydrocarbon group, an aliphatic hydrocarbon group which may be substituted with a halogen having 1 to 10 carbon atoms and an aromatic hydrocarbon group having 61 to 14 carbon atoms are preferable. Specific examples of the aliphatic hydrocarbon group include a chain group such as a methyl group, a propyl group, a butyl group, a hexyl group, an octyl group, a decyl group, a trifluoropropyl group, and a nonafluorohexyl group, a cyclohexyl group, and a methylcyclohexyl group. Examples include alicyclic groups such as groups. Specific examples of the aromatic hydrocarbon group include a phenyl group, a p-tolyl group, a biphenyl group, and an anthracyl group. Examples of the alkoxy group include those having 1 to 8 carbon atoms. Specific examples include methoxy group, ethoxy group, phenoxy group, octyloxy group and the like. Among these, a methyl group and a phenyl group are particularly preferable in view of ease of synthesis.
[0039]
  In the case of a branched polysilane, the number of Si atoms having 3 or 4 bonds with adjacent Si atoms is more preferably 2% or more of the total number of Si atoms in the branched polysilane. Less than 2% or linear polysilane has high crystallinity, and microcrystals are easily generated in the film, thereby causing light scattering, and light transparency is likely to be lowered.
[0040]
  The polysilane compound described above can be produced by a polycondensation reaction by heating a halogenated silane compound to 80 ° C. or higher in an organic solvent such as n-decane or toluene in the presence of an alkali metal such as sodium. . It can also be synthesized by an electrolytic polymerization method or a method using metal magnesium and metal chloride.
[0041]
  In the case of a branched polysilane, a halosilane mixture comprising an organotrihalosilane compound, a tetrahalosilane compound, and a diorganodihalosilane compound, wherein the organotrihalosilane compound and the tetrahalosilane compound are 2 mol% or more of the total amount. The target branched polysilane is obtained by polycondensation by heating. Here, the organotrihalosilane compound is a Si atom source having a bond number of 3 with an adjacent Si atom, and one tetrahalosilane compound is an Si atom source having a bond number of 4 with an adjacent Si atom. Become. The network structure can be confirmed by measuring an ultraviolet absorption spectrum or a silicon nuclear magnetic resonance spectrum.
[0042]
  It is preferable that the halogen atom which each of the organotrihalosilane compound, the tetrahalosilane compound, and the diorganodihalosilane compound used as the raw material of the polysilane compound has is a chlorine atom. Examples of the substituent other than the halogen atom that the organotrihalosilane compound and the diorganohalosilane compound have include the hydrocarbon group, the alkoxy group, and the hydrogen atom.
[0043]
  Next, as the silicone compound added to the polysilane compound of the present invention, it is desirable to use the one shown in FIG. Where R₁To R₁₂Is an aliphatic hydrocarbon group optionally substituted with a halogen having 1 to 10 carbon atoms or a glycidyloxy group, an aromatic hydrocarbon group having 6 to 12 carbon atoms, or an alkoxy group having 1 to 8 carbon atoms. The groups selected may be the same or different.
[0044]
  In FIG. 7, a, b, c, and d are integers including 0, and satisfy a + b + c + d ≧ 1. Specific examples of the aliphatic hydrocarbon group of the silicone compound include alicyclic groups such as methyl group, propyl group, butyl group, hexyl group, octyl group, decyl group, trifluoropropyl group, and glycidyloxypropyl group. Things.
[0045]
  Specific examples of the alkoxy group include a methoxy group, an ethoxy group, a phenoxy group, an octyloxy group, and a ter-butoxy group.
[0046]
  The types of R1 to R12 and the values of a, b, c and d are not particularly important as long as they are compatible with polysilane and an organic solvent and the film is transparent. In consideration of compatibility, it is preferable that the polysilane used has the same group as the hydrocarbon group. For example, when a phenylmethyl type polysilane is used, it is preferable to use the same phenylmethyl type or diphenyl type silicone compound. Moreover, the silicone compound which has 2 or more of alkoxy groups in 1 molecule so that at least 2 is a C1-C8 alkoxy type | system | group among R1 to R12 can be utilized as a crosslinking material. Examples thereof include methylphenylmethoxysilicone and phenylmethoxysilicone containing 15 to 35% by weight of alkoxy groups. The molecular weight is 10,000 or less, preferably 3000 or less.
[0047]
  In order to reduce light absorption due to CH groups and OH groups in the film, if the polysilane compound or silicone compound is deuterated or partially or completely halogenated, particularly fluorinated, the above absorbing group is used. The optical loss due to can be greatly reduced. As a result, it is possible to realize a polymer film with low wavelength loss and low optical loss, and it is possible to expand the application to a wide range for high performance waveguide type optical components and optical devices.
[0048]
  In addition, by using a silicone compound having a crosslinkable or alkoxy group, it can be uniformly added to the branched polysilane compound, and it can be easily dissolved in an organic solvent such as toluene and can be nanometer level. By using the polymer solution, a uniform structure or film having no light scattering center can be formed.
[0049]
  Next, a method for forming a polymer layer on the low refractive index layer 2 will be described. The polymer compound is dissolved in an organic solvent to form a polymer solution, and the solution is applied onto the low refractive index layer 2 by a spin coating method, an extrusion coating method, or the like. Next, pre-baking is performed for 20 to 40 minutes in the temperature range of 80 to 150 ° C. Thereafter, post-baking is performed at a temperature range of 200 ° C. to 300 ° C. for about 20 to 60 minutes to form a polymer layer. Note that the pre-bake and post-bake may be performed in a programmed temperature control type electric furnace in which the temperature raising, constant temperature holding, temperature raising, constant temperature holding, and temperature lowering steps are continuously performed.
[0050]
  Here, as an organic solvent used for a present Example, C5-C12 hydrocarbon type, halogenated hydrocarbon type, ether type, etc. are mentioned. Examples of the hydrocarbon include pentane, hexane, heptane, cyclohexane, n-decane, n-dodecane, benzene, toluene, xylene, methoxybenzene, and the like. As examples of halogenated hydrocarbons, carbon tetrachloride, chloroform, 1,2-dichloroethane, dichloromethane, chlorobenzene, and the like can be used. Examples of ethers that can be used include diethyl ether, dibutyl ether, tetrahydrofuran and the like.
[0051]
  Further, the low refractive index layer 2 and the upper cladding layer 8 may be configured using the following materials. That is, a polymer obtained by adding 50 wt% of a silicone compound to a branched polymethylphenylsilane compound having a branching degree of 20% is dissolved in toluene as an organic solvent to prepare a polymer solution for photobleaching, and ultraviolet (150 w mercury xenon) is added to this solution in advance. Light from the lamp propagates through the image fiber bundle with a diameter of 20 mm and is output at a distance of about 10 cm. The output is about 1200 mw / cm²) For 135 minutes to reduce the refractive index (the refractive index at a wavelength of 632.8 nm is reduced from 1.645 to 1.62 before ultraviolet irradiation), and this solution is applied onto the substrate 1 at 150 ° C. In this method, after 20 minutes of pre-baking, post-baking is performed at 200 ° C. for 20 minutes to form a polymer layer for the low refractive index layer 2. The upper cladding layer 8 can also be formed by a similar method.
[0052]
  The present invention is not limited to the above embodiments. For example, a photoacid generator (melting point: 192 ° C., maximum absorption) to a polysilane compound to which the silicone compound is addedwaveA polymer layer to which 2% to 5% of paramethoxytrizylazine (long 77 nm) is added may be used. In this case, the waveguide loss tended to increase somewhat, but the uniformity of the pattern in the depth direction of the low-refractive index change region by irradiation with an ultraviolet laser beam was further improved, and a rectangular core layer with higher dimensional accuracy was formed. Could be realized. It was found that the photoacid generator is preferably a triazine-based one.
[0053]
  An ultraviolet cut layer may be provided on the upper cladding layer so that the refractive index of the core layer 5 does not change over the long term.
[0054]
  Various materials such as a polysilane compound, a silicone compound, a triazine compound, a photoacid generator and the like of the polymer material used for the core layer of the present invention can be applied. For example, the polysilane compound is preferably a branched polysilane compound having a branching degree of 2% or more from the viewpoint of light transparency. The photoacid generator is preferably a triazine, and among them, those having high light transparency at a long wavelength and those having a high melting point are preferred. A silicone compound having a high light transparency and a high melting point is also preferable.
[0055]
  The wavelength of the ultrashort pulse laser beam is selected from a range of 250 nm to 1600 nm (preferably a wavelength of 800 nm), the pulse width is selected from a range of several thousand fs to several tens of fs, and the repetition of the pulse is from 10 Hz to 200 kHz. Choose from. The average output is preferably selected from the range of several tens mw to several hundred mw. Increasing the refractive index in the center of the core layer in this way makes the light confinement in the core layer stronger, and the organic matter in the core layer is further removed by the above-mentioned ultrashort pulse laser beam irradiation, resulting in an inorganic structure. And can be modified into a highly homogeneous core layer with high density and few light scattering centers. Note that the narrower the pulse width of the ultrashort pulse laser beam, the higher the energy within the pulse width, and the higher refractive index can be realized without any thermal damage. Further, it is desirable that the ultrashort pulse laser beam is irradiated while heating the substrate at a temperature higher than at least 250 ° C. In this way, the core layer can be modified to a lower loss.
[0056]
【The invention's effect】
As described above, the present invention can achieve the following effects.
(1) The loss of the embedded waveguide whose core layer is made of glass material or polymer material can be greatly reduced.
(2) A high Δ waveguide having a relative refractive index difference Δ of 2% or more between the core layer (high refractive index region) and the cladding layer can be realized.
(3) A waveguide structure with good optical confinement in the core layer can be realized.
(4) The three unprecedented effects are that the thickness of the core layer and the central portion in the width direction of the waveguide embedded with a substantially rectangular high refractive index core layer containing an additive in the low refractive index layer In addition, an ultrashort pulse laser beam having a pulse width of 1000 fs or less is condensed and irradiated by narrowing the beam spot diameter to an area having an area sufficiently smaller than the cross-sectional area of the core layer, and refraction near the center in the core layer. It can be obtained by increasing only the rate. In addition, it is not preferable to irradiate so as to cover the entire core layer, because the refractive index of the core layer is increased as a whole and the scattering loss depending on the roughness of the side surface of the core layer is further increased. By shaping the relative refractive index difference Δ between the refractive index na of the core layer in the region irradiated with the laser beam and the refractive index nb of the core layer in the region not irradiated with the laser beam to be higher than 0.2%. The relative refractive index difference Δa between the refractive index na at the center of the irradiated core layer and the refractive index nc of the low refractive index layer is the difference between the refractive index nb of the core layer and the refractive index nc of the low refractive index layer before irradiation. The relative refractive index difference Δb can be significantly increased.
(5) Even if the refractive index of the central region of the core layer is increased by an optical method using ultra-short pulse laser beam irradiation, the roughness of the side surface of the high refractive index region is small, and the conventional photolithography and etching processes are used. Since it is much smaller than the roughness of the side surface of the formed core layer, the scattering loss in this region can be reduced. In addition, the high Δa makes the light confinement in the high refractive index region stronger, and conversely, the light intensity in the vicinity of the side surface of the core layer formed by photolithography and etching processes is weakened, and the scattering loss at the rough side surface is also reduced. Extremely small. The glass material used in the present invention is SiO.₂At least one kind of high-refractive index additive such as Ti, Ge, P, Al, Sn, Ta is used, and SiO containing these additives is used.₂The core layer is preferably formed in advance so as to be easily densified by laser beam irradiation. For example, the core layer preferably has a lower film formation temperature and lower annealing temperature. Further, it is preferable to use an additive that is difficult to bond to the —Si—Si— bond system, for example, a Ti additive. Further, a film forming method in which the additive is difficult to bond to the system is preferable. Further, by co-adding rare earth elements such as Er, Nd, Tm, Sm, Yb, and Pr, a highly efficient optical amplification and optical oscillation waveguide can be configured.
(6) A low-cost optical circuit can be realized by using, as the polymer material, a polysilane compound in which a silicone compound or a silicone compound and a photoacid generator are added together. When a polymer material composed of a polysilane compound is used for the core layer, the organic matter in the light propagation layer is removed by the above-mentioned ultrashort pulse laser beam irradiation to make it inorganic, and light with a high density and few light scattering centers. The propagation layer can be modified.
(7) Since an ultrashort pulse laser beam is used, the average intensity is low while instantaneously having high light intensity without suffering thermal damage to the irradiated glass layer or polymer layer, so that it takes a short time. Thus, it is possible to cause a change in the refractive index in a narrow region at the center of the core layer. That is, it becomes possible to change into a high refractive index core layer in a short time. The degree of the refractive index change can be controlled by adjusting the power of the laser beam and the relative moving speed of the workpiece (optical waveguide) and the ultrashort pulse laser beam. Further, it is possible to easily increase the refractive index by irradiating the same region with an ultrashort pulse laser beam a plurality of times.
(8) Ultrashort pulse laser beam irradiation can be performed while checking the optical characteristics of the optical circuit. In other words, an optical signal can be input into the core layer (or core film) of the waveguide, and the amount of ultrashort pulse laser beam irradiation can be adjusted while monitoring inline while detecting the optical signal from the output side. Besides the optical characteristic check of the optical circuit, the optical characteristic can be improved by trimming the circuit.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view showing a first embodiment of an optical waveguide of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory view showing a second embodiment of the optical waveguide of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory view showing a third embodiment of the optical waveguide of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory view showing a fourth embodiment of the optical waveguide of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the relationship between the distance between the cores and the complete coupling length when the relative refractive index difference between the core and the clad of the optical directional coupler is changed.
FIG. 6 is an explanatory view showing an embodiment of a method of manufacturing an optical waveguide according to the present invention.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing an example of a silicone compound added to the polysilane compound core layer of the present invention.
[Explanation of symbols]
  1 Substrate
  2 Clad layer
  3 Core layer
  4 High refractive index region

Claims

屈折率がｎbのコア層とその外側に設けられた該コア層よりも低い屈折率ｎcのクラッド層とを有し、
前記コア層は、その中心部に前記屈折率ｎbよりも０．２％から１％高くした高屈折率化領域を有し、前記コア層の屈折率分布を２段構造としたものであり、
前記高屈折率化領域は、１０００フェムト秒以下５０フェムト秒以上のパルス幅の超短パルスレーザービームがそのビームスポット径を３μｍ以下に集光して照射されて形成されたものであり、
前記コア層に、希土類元素が添加されており、
前記クラッド層、コア層、高屈折率化領域からなる光導波路がシングルモード伝送用であることを特徴とする光導波路。A core layer having a refractive index nb and a cladding layer having a refractive index nc lower than that of the core layer provided outside the core layer;
The core layer has a high-refractive index region that is 0.2% to 1% higher than the refractive index nb at the center, and the refractive index distribution of the core layer has a two-stage structure.
The high refractive index region is state, and are not ultra-short pulse laser beam with a pulse width of more than 1000 femtoseconds than 50 femtoseconds is formed by irradiation by condensing the beam spot diameter 3μm or less,
A rare earth element is added to the core layer,
The clad layer, the core layer, the optical waveguide optical waveguide comprising a high refractive index region is characterized Rukoto der for single mode transmission.

前記コア層の材質が、高屈折率添加物を含んだＳｉＯ₂ガラス、あるいはポリシラン化合物からなるポリマであることを特徴とする請求項１に記載の光導波路。 _2. The optical waveguide according to claim 1, wherein the material of the core layer is SiO2 glass containing a high refractive index additive or a polymer made of a polysilane compound.

屈折率がｎbのコア層とその外側に設けられた該コア層よりも低い屈折率ｎcのクラッド層とを有する光導波路基板を準備し、
前記コア層の中心部に１０００フェムト秒以下５０フェムト秒以上のパルス幅の超短パルスレーザービームを、前記コア層を２５０℃よりも高い温度に加熱しながら、そのビームスポット径を３μｍ以下に集光して照射しつつ、前記超短パルスレーザービームを光伝搬方向に沿って移動して、前記コア層の中心部に前記屈折率ｎbよりも０．２％から１％高くした高屈折率化領域を形成し、
前記クラッド層、コア層、高屈折率化領域からなる光導波路がシングルモード伝送用であることを特徴とする光導波路の製造方法。Preparing an optical waveguide substrate having a core layer having a refractive index nb and a cladding layer having a refractive index nc lower than that of the core layer provided outside the core layer;
An ultrashort pulse laser beam having a pulse width of 1000 femtoseconds or less and 50 femtoseconds or more is collected at the center of the core layer, and the beam spot diameter is collected to 3 μm or less while heating the core layer to a temperature higher than 250 ° C. While irradiating with light, the ultrashort pulse laser beam is moved along the light propagation direction, and the refractive index is increased by 0.2% to 1% higher than the refractive index nb at the center of the core layer. Forming a region ,
An optical waveguide manufacturing method, wherein the optical waveguide comprising the cladding layer, the core layer, and the high refractive index region is for single mode transmission .

前記光導波路基板は、基板上に前記コア層となるコア膜を形成する工程、
該コア膜を略矩形状の前記コア層に加工する工程、
該コア層を覆うように前記クラッド層を形成する工程により製造されたものであることを特徴とする請求項３に記載の光導波路の製造方法。The optical waveguide substrate is a step of forming a core film to be the core layer on the substrate;
Processing the core film into the substantially rectangular core layer;
4. The method of manufacturing an optical waveguide according to claim 3 , wherein the optical waveguide is manufactured by a step of forming the cladding layer so as to cover the core layer.

基板上に屈折率がｎbのコア層となるコア膜を形成し、
該コア膜の中心部に１０００フェムト秒以下５０フェムト秒以上のパルス幅の超短パルスレーザービームを、前記コア膜を２５０℃よりも高い温度に加熱しながら、そのビームスポット径を３μｍ以下に集光して照射しつつ、前記超短パルスレーザービームを光伝搬方向に沿って移動して、前記コア膜の中心部に前記屈折率ｎbよりも０．２％から１％高くした高屈折率化領域を形成し、
前記コア膜を略矩形状の前記コア層に加工し、
該コア層を覆うように該コア層の屈折率ｎbよりも低い屈折率ｎcのクラッド層を形成し、
前記クラッド層、コア層、高屈折率化領域からなる光導波路がシングルモード伝送用であることを特徴とする光導波路の製造方法。Forming a core film to be a core layer having a refractive index of nb on the substrate;
An ultrashort pulse laser beam having a pulse width of 1000 femtoseconds or more and 50 femtoseconds or more is collected in the center of the core film, and the beam spot diameter is collected to 3 μm or less while heating the core film to a temperature higher than 250 ° C. While irradiating with light, the ultrashort pulse laser beam is moved along the light propagation direction, and the refractive index is increased by 0.2% to 1% higher than the refractive index nb at the center of the core film. Forming a region,
Processing the core film into a substantially rectangular core layer;
Forming a cladding layer having a refractive index nc lower than the refractive index nb of the core layer so as to cover the core layer;
An optical waveguide manufacturing method, wherein the optical waveguide comprising the cladding layer, the core layer, and the high refractive index region is for single mode transmission .

前記超短パルスレーザーの波長が、２５０nmから１６００nmの範囲から選ばれることを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれかに記載の光導波路の製造方法。The ultrasonic wave of the short pulse laser, a method of manufacturing an optical waveguide according to any one of claims 3 to 5 characterized in that it is selected from the range of 1600nm from 250 nm.

前記コア層又は前記コア膜の内部への前記超短パルスレーザーの照射が、２回以上繰り返されることを特徴とする請求項３乃至請求項６のいずれかに記載の光導波路の製造方法。The method of manufacturing an optical waveguide according to any one of claims 3 to 6 radiation of the ultra-short pulse laser to the inside of the core layer or the core layer, characterized in that repeated two or more times.

前記コア層又は前記コア膜内にその入力端から信号光を入力し、出力端で前記信号光を取り出してモニタしつつ前記超短パルスレーザーを照射し、前記モニタ光に応じて前記超短パルスレーザーの照射エネルギーを調節することを特徴とする請求項３乃至請求項７のいずれかに記載の光導波路の製造方法。The signal light is input from the input end into the core layer or the core film, and the signal light is taken out and monitored at the output end while irradiating the ultrashort pulse laser, and the ultrashort pulse according to the monitor light the method of manufacturing an optical waveguide according to any one of claims 3 to 7, characterized in that adjusting the irradiation energy of the laser.