JPH05164932A - Si基板を用いたガラス導波路およびその製造方法 - Google Patents

Si基板を用いたガラス導波路およびその製造方法

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JPH05164932A
JPH05164932A JP33221591A JP33221591A JPH05164932A JP H05164932 A JPH05164932 A JP H05164932A JP 33221591 A JP33221591 A JP 33221591A JP 33221591 A JP33221591 A JP 33221591A JP H05164932 A JPH05164932 A JP H05164932A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 反りがほとんどなく、コアとクラッドの間の
屈折率差が大きく、かつ低損失なガラス導波路を実現す
る。 【構成】 Si基板1表面に形成された溝10と、その
溝10の内面に熱酸化処理を施して形成されたSi酸化
膜2と、上記溝10に埋め込ようにして設けられた高屈
折率ガラスのコア3と、そのコア3を被覆するようにし
て基板1上に設けられたクラッド層4とを備えているこ
とを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はSi基板を用いたガラス
導波路およびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】光ファイバ通信の進展に伴い、光デバイ
スには(1) 大量生産性、(2) 高信頼性(3) 結合の無調整
化、(4) 自動組立、(5) 低損失化などが要求されるよう
になり、これらの課題を解決するために導波路型の光デ
バイスが注目されるようになってきた。光導波路の中で
も石英系ガラス光導波路は低損失であり、また光ファイ
バとの接続損失も非常に小さいため、将来の光導波路と
して有望視されている。
【0003】従来、石英系ガラス光導波路の製造方法と
して、図5に示す火炎堆積法が知られている。これは、
(a) Si基板1上への石英ガラス多孔質膜(バッファ
層)15の形成およびそのバッファ層15上への屈折率
制御用ド−パント(TiあるいはGeなど)を含んだ石
英ガラス多孔質膜(コアガラス膜)16の形成、(b) 多
孔質石英ガラスの加熱透明化による平面光導波膜の形
成、(c) コアガラス膜16上へのコアマスク17の形
成、(d) コアマスク17をマスクにしたエッチングによ
る3次元光導波路(コア)18の形成、(e) クラッドと
なる石英ガラス多孔質膜19の形成、(f) その加熱透明
化によるクラッド20の形成、によって実現されている
(宮下:光導波路技術,1.最近の光導波路技術,Opl
usE,NO.78 ,PP.59-67)。
【0004】また、Si基板上に光導波路を形成する別
の方法として、Si基板表面に熱酸化により酸化膜を形
成してこれをクラッド層とし、このクラッド層の上に略
矩形状のコアパタ−ンを形成し、最後に全体をクラッド
層で覆う方法が提案されている(特開昭57-176006
号)。さらに、上記酸化膜を形成した後、酸化膜中にコ
アを形成する方法も提案されている(特開平3-10205
号,特開平3-13907 号)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の石英系
ガラス光導波路の製造方法には次のような問題点があっ
た。
【0006】(1) コア18とクラッド20の屈折率差の
大きいガラス導波路を製造するために屈折率の高いコア
ガラス膜16をバッファ層(あるいはクラッド層)15
の上に形成すると、熱膨張係数の違いによって基板全体
に反りが生じ、高寸法精度の光回路をパタ−ニングする
ことが難しい。
【0007】(2) 上記製造方法は、(1) の理由以外に次
の理由によりコア18とクラッド20の屈折率差に限界
があることがわかった。すなわち、屈折率の高いコア用
多孔質膜16を堆積させても図5(b) の焼結プロセスで
屈折率制御用ド−パントが揮散してしまい、屈折率の高
いコア18を実現するのが難しい。
【0008】(3) 屈折率制御用ド−パントを多く含んだ
コア層を図5(d) に示すようにドライエッチングプロセ
スによりパタ−ニングすると、SiO2 と上記ド−パン
トのエッチング速度の違いによってエッチング側面が凸
凹に荒れ、散乱損失が増大する。
【0009】(4) 焼結プロセスが2回もあり時間がかか
るため、ユ−ティリティコストがかかり低コスト化が難
しい。
【0010】(5) Si酸化膜中に拡散によって屈折率の
高いコアを形成する方法では、コア形状は矩形状に形成
することができない。そのために、2つのコアを平行に
配置させた光方向性結合器や光分波器、光フィルタなど
の光回路を設計することが難しく、かつ再現性良く実現
することが難しい。また、コア内の屈折率分布が不均一
であるためにコア内への光の閉じ込めが悪く、低損失化
が難しい。
【0011】本発明の目的は、前記した従来技術の欠点
を解消し、Si基板を用い、反りがほとんどなく、コア
とクラッドの屈折率差が大きく、かつ低損失なガラス導
波路を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明のSi基板を用いたガラス導波路は、Si基板表
面に形成された溝と、その溝の内面に熱酸化処理を施し
て形成されたSi酸化膜と、上記溝に埋め込むようにし
て設けられた高屈折率ガラスのコアと、そのコアを被覆
するようにして基板上に設けられたクラッド層とを備え
て構成される。上記クラッド層は屈折率の異なった複数
の層で構成されてもよい。また、上記Si酸化膜には
B,Fなどの屈折率制御用ド−パントが添加されている
ことが望ましい。
【0013】上記Si基板を用いたガラス導波路を製造
するため、本発明の製造方法においては、Si基板を用
いたガラス導波路Si基板表面にコア部となる溝を形成
し、その溝の内面に熱酸化処理を施した後、溝内に高屈
折率ガラスを埋め込んで基板表面を平坦化し、その平坦
化された基板表面にクラッドガラス膜を形成するように
した。
【0014】また、本発明に係る別の製造方法は、一対
のSi基板の表面にコア部となる溝をそれぞれ形成し、
それぞれの溝の内面に熱酸化処理を施した後、溝に高屈
折率ガラスを埋め込んで基板表面を平坦化し、その後両
基板を互いのコア部を突き合わせるようにして接合させ
るようにしたものである。
【0015】本発明に係るこれらの製造方法にあって
は、上記高屈折率のガラスとしてアルカリ族シリケ−ト
の水溶液を乾燥、固化させたものを用いることが望まし
い。上記溝はSi基板表面に形成したSi酸化膜をマス
クにしてエッチングにより形成してもよい。
【0016】
【作用】本発明のガラス導波路は、そのコア表面の大部
分(下面及び両側面)が低屈折率のSi酸化膜によって
取り囲まれて被覆され、残りのコア表面部分(上面)が
クラッド層によって被覆された構造になっている。Si
酸化膜は、Si基板表面の溝内面に熱酸化処理を施すこ
とによって形成されるので、コアを取り囲む部分は基板
の内側に膨出させて設けられることになり、光が伝搬す
る際のコア内電界分布の均一化に寄与する。したがっ
て、本発明のガラス導波路構造によれば、TEモ−ドと
TMモ−ドによる伝搬特性の違いが少ない低損失な光導
波路を構成することができ、光方向性結合器、光分波
器、光フィルタなどの波長依存型光回路を偏波依存性を
少なく実現することができる。
【0017】次に、本発明の製造方法によれば、従来技
術のように屈折率制御用のド−パントを多く含んだコア
層をバッファ層上に形成し、ドライエッチングプロセス
により矩形状にパタ−ニングする必要がないため、Si
2 と上記ド−パントとのエッチング速度の違いによっ
て生じるエッチング側面の凸凹の荒れがなく、散乱損失
の低い導波路を得ることが可能である。また、コア形状
を再現性良く矩形状に実現可能であるため、たとえば、
光方向性結合器、光合分波器などのような二つのコア導
波路間の結合した光回路の特性を再現性よく得ることが
可能である。
【0018】また、高屈折率のコア用ガラス膜を溝内に
埋め込むだけで、その後、コア用ガラス膜を焼結プロセ
スにより焼結させる必要なくクラッドガラス膜を被覆す
るだけでよい。そのため従来のように焼結プロセスによ
る熱膨張係数の違いによって生ずる基板全体の反り現象
とか、屈折率制御用ド−パントの揮散といった不都合は
生じない。また、焼結プロセスはクラッド膜を形成した
後に1回行うだけでよいため、ユ−ティリティコストは
従来法に比して安い。
【0019】
【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。
【0020】図1に本発明に係るガラス導波路の断面構
造を示す。同図(a) はクラッド層が一層の場合、(b) は
クラッド層が二層の場合である。いずれの場合もSi基
板1の表面にSi酸化膜2を有し、そのSi酸化膜2の
中に高屈折率ガラスからなる断面略矩形状のコア3が形
成されており、コア3の下方部7のSi酸化膜2が基板
1の内側に膨出しているところに特徴がある。このガラ
ス導波路構造を採用することによりコアの電界分布を均
一に保ち、偏波依存性の少ない光回路を実現できる。S
i酸化膜2の厚みは数μmから20μmの範囲内に設定さ
れ、これが厚い程、導波路の伝搬損失を低減することが
できる。このSi酸化膜2は後述するように、Si基板
1表面の高温熱酸化によって得られる。コア3の屈折率
w はSi酸化膜の屈折率ns 、クラッド層4および第
1クラッド5の屈折率n1 第2クラッド6の屈折率n2
のどれよりも高い値に設定される。このコア3の高屈折
率ガラスは、SiO2 にP、Ge、Ti、Al、Ta、
Zn、Zr、Li、K、Na、Ln、Er、Nd、など
のド−パントを少なくとも1 種含んだもので構成され
る。コア3の幅Wおよび厚みTは、シングルモ−ド伝送
用の場合、数μmから20μmの範囲内、マルチモ−ド伝
送用の場合、数十μmから100 μmの範囲内にそれぞれ
設定される。クラッド層4および第1クラッド層5には
SiO2 、あるいはSiO2 にB、F、P、Ge、T
i、Al、Li、K、Naなどのド−パントを少なくと
も1 種含んだものが用いられ、その屈折率ns はSi酸
化膜2の屈折率ns と等しいか、僅かに低い、あるいは
僅かに高い値となるように選ぶことができる。また、そ
の厚みは数μmから数十μmの範囲より選ばれる。第2
クラッド層6はコア3内への光の閉じ込め状態を調整す
るための層であり、その光の閉じ込め状態は第2クラッ
ド層6の屈折率n2 によって変えられる。このn2 の値
は第1クラッド層5の屈折率n1 よりも低い値か僅かに
高い値となるように設定される。Si酸化膜2の膨出部
2aはコア3内を伝搬する光信号の伝搬損失を小さくす
る上で重要である。すなわち、コア3内からのしみだし
光がSi基板1内に及ばないようにするために設けられ
たものである。このようにコア3の周りをns およびn
1 (あるいはn2 )の層で略等方的に囲むことにより、
しみだし光による損失が抑えられる。
【0021】図2に、図1(a) に示したクラッド層が一
層構造のガラス導波路の製造方法の一実施例を示す。ま
ず(a) に示すようにSi基板1の表面にメタル膜(たと
えばWSi、W、Mo、など)8を形成し、その上に、
溝状パタ−ンを形成するためのフォトレジスト膜9のパ
タ−ンを形成する。上記メタル膜8は通常よく用いられ
るスパッタリング法、真空蒸着法、電子ビ−ム蒸着法な
どを用いて形成する。フォトレジスト膜9のパタ−ニン
グはフォトリソグラフィプロセスによって実現すること
ができる。次に(b) に示すように、フォトレジスト膜9
のパタ−ンをマスクにしてエッチングプロセスによりメ
タル膜8のパタ−ニングを行い、その後、これら2つの
膜8,9をマスクにしてエッチングプロセスによりSi
基板1の表面にコア部となる溝10を形成する。上記エ
ッチングプロセスにはドライあるいはウエットエッチン
グを用いることができる。次に(c) に示すように、Si
基板1の表面のフォトレジスト膜9およびメタル膜8を
除去する。その後(d) に示すように、高温(1200℃程
度)下でSi基板1を加熱し、溝4が形成されている基
板表面にSi酸化膜2を形成する。この熱酸化プロセス
も半導体集積回路の製造の際によく用いられている方法
を用いることができる。次に(e) に示すように、Si酸
化膜2の表面に高屈折率ガラス膜11を形成し、溝4内
を高屈折率ガラスで埋め込む。この高屈折率ガラス膜1
1はプラズマCVD法、電子ビ−ム蒸着法、イオンプレ
−ティング法などによって形成することができる。さら
にはアルカリ金属シリケ−トの水溶液Me2 O・nSi
2 ・xH2 O(Me:アルカリ金属)をSi酸化膜2
の表面に塗布後、これを乾燥させることによってガラス
膜を形成する方法を用いてもよい。ここで、Meとして
はNa,K,Li,N+ R4,などを少なくとも一種含
んだものを用いる。また、上記水溶液に屈折率制御用ド
−パントとしてP,B,Ti,Ge,Alなどを含んだ
水溶液、あるいは希土類元素を含んだ水溶液を添加して
用いることもできる。たとえば、P2 5 ,Na 2
3 ,Li2 CO3 ,H3 BO3 ,BCl3 などの水溶
液を用いることができる。上記高屈折率ガラス膜11の
形成プロセスは低温(800 ℃以下)プロセスであるの
で、屈折率制御用ド−パントの揮散はほとんどない。次
に、溝4の中のみに高屈折率ガラス膜11が存在するよ
う、(f) に示すようにSi酸化膜2の平坦面上の不要な
高屈折率ガラスは取り除かれる。すなわち、この工程に
より溝4内に残された高屈折率ガラスがコア3を構成す
ることになる。上記不要な高屈折率ガラスの取り除き
は、ドライあるいはウエットエッチング、さらには表面
研磨などによって行われる。最後に(g) に示すように、
クラッド層4がSi酸化膜2およびコア3の表面全体を
覆うようにして基板上に形成される。このクラッド層4
は、先に述べたプラズマCVD法、電子ビ−ム蒸着法、
イオンプレ−ティング法、火炎堆積法、などによって形
成することができる。なお、このクラッド層4を形成し
た後、最後に焼結プロセスを行ってこれがよりち密なガ
ラスとなるようにしてもよい。
【0022】図3に、本発明に係る製造方法の他の実施
例を示す。これは図2のメタル膜8の代わりにSiO2
膜12を用いた構成である。まず(a) に示すように、S
i基板1の表面上にSiO2 膜12を形成し、その上に
フォトレジスト膜9のパタ−ンを形成する。次に(b) に
示すようにフォトレジスト膜9をマスクにしてSiO2
膜12をパタ−ニングし、その後、これら2つの膜9,
12をマスクにしてSi基板1の表面をエッチングし、
コア部となる溝10を形成する。次に、(c) に示すよう
にフォトレジスト膜9を除去する。その後、(d) に示す
ように高温雰囲気下でSi基板1の溝4の内面に熱酸化
処理を施し断面U字状のSi酸化膜13を形成させる。
このU字状のSi酸化膜13は、先に基板1表面に形成
された平坦状のSi酸化膜12と連続しており、図1で
説明したSi酸化膜2の膨出部7に相当する。次に、
(e) に示すように基板1上に高屈折率ガラス膜11を形
成させ、溝10を高屈折率ガラスで埋め込む。その後
(f) に示すように、コア3となる高屈折率ガラスのみを
溝10内に残すよう、不要な高屈折率ガラスをエッチン
グ、あるいは表面研磨などによって取り除く。最後に
(g) に示すように、クラッドガラス膜14を形成してコ
ア3を被覆する。この構成では、SiO2 膜12はマス
クとして作用する以外に第2クラッド層としても作用す
る。
【0023】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではない。高屈折率ガラスからなるコア3はSi基板
1の表面以外に裏面にも形成してあってもよい。また図
3(f) の基板を2枚張り合わせることによって、図4に
示すようなコア3をSi酸化膜13で略対称的に取り囲
んだ構造の導波路を実現することもできる。コアの断面
形状は矩形状以外に三角形状、逆三角形状、楕円形状、
などでもよい。また、Si酸化膜2,12,13を形成
する際にこれにBやFなどのド−パントを含ませてもよ
い。このようにすると、コアの屈折率nw とSi酸化膜
の屈折率ns の屈折率差をさらに大きくすることができ
る。また図3において、Si酸化膜12の代わりに、
B,Fなどの屈折率制御用ド−パント含んだSi酸化膜
を用いれば、コア3とSi酸化膜12との間の屈折率差
を上記ド−パントでも制御することができる。さらに、
クラッド層は3層以上の多層状に構成されてもよい。
【0024】
【発明の効果】以上要するに、本発明のガラス導波路お
よびその製造方法によれば次の如き優れた効果が発揮で
きる。
【0025】(1) コアの側面荒れが極めて少なく、散乱
損失の低い導波路を得ることができ、結果的に低損失導
波路を実現できる。
【0026】(2) コアに高屈折率のガラスを用いても基
板の反り現象がほとんどなく、また屈折率制御用ド−パ
ントの揮散も非常に少ない。
【0027】(3) 焼結プロセスは1回でよく、かつ簡易
に製造できるので導波路の低コスト化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るガラス導波路の実施例を示す断面
図であり、(a) はクラッド層が一層の場合、(b) はクラ
ッド層が二層の場合である。
【図2】本発明に係る製造方法の一実施例を示す一連の
工程図である。
【図3】本発明に係る製造方法の他の実施例を示す一連
の工程図である。
【図4】本発明に係るガラス導波路の他の実施例を示す
断面図である。
【図5】従来の製造方法を示す一連の工程図である。
【符号の説明】
1 Si基板 2 Si酸化膜 3 コア 4 クラッド層 5 第1クラッド層 7 コアの下方部 8 メタル膜 9 フォトレジスト膜 10 溝 11 高屈折率ガラス膜 12 Si酸化膜 13 Si酸化膜

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Si基板表面に形成された溝と、その溝
    の内面に熱酸化処理を施して形成されたSi酸化膜と、
    上記溝に埋め込ようにして設けられた高屈折率ガラスの
    コアと、そのコアを被覆するようにして基板上に設けら
    れたクラッド層とを備えていることを特徴とするSi基
    板を用いたガラス導波路。
  2. 【請求項2】 上記クラッド層は屈折率の異なった複数
    の層からなる請求項1記載のガラス導波路。
  3. 【請求項3】 上記Si酸化膜にB,Fなどの屈折率制
    御用ド−パントが添加されている請求項1または2記載
    のガラス導波路。
  4. 【請求項4】 Si基板表面にコア部となる溝を形成
    し、その溝の内面に熱酸化処理を施した後、溝内に高屈
    折率ガラスを埋め込んで基板表面を平坦化し、その平坦
    化された基板表面にクラッドガラス膜を形成するように
    したことを特徴とするSi基板を用いたガラス導波路の
    製造方法。
  5. 【請求項5】 一対のSi基板の表面にコア部となる溝
    をそれぞれ形成し、それぞれの溝の内面に熱酸化処理を
    施した後、溝に高屈折率ガラスを埋め込んで基板表面を
    平坦化し、その後両基板を互いのコア部を突き合わせる
    ようにして接合させるようにしたことを特徴とするSi
    基板を用いたガラス導波路の製造方法。
  6. 【請求項6】 上記高屈折率のガラスとしてアルカリ族
    シリケ−トの水溶液を乾燥、固化させたものを用いた請
    求項5記載のガラス導波路の製造方法。
  7. 【請求項7】 上記溝はSi基板表面に形成したSi酸
    化膜をマスクにしてエッチングにより形成される請求項
    5または6記載の製造方法。
  8. 【請求項8】 上記Si酸化膜にB,Fなどの屈折率制
    御用ド−パントが添加されている請求項6または7記載
    の製造方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8394705B2 (en) 2009-12-09 2013-03-12 Electronics And Telecommunications Research Institute Method of manufacturing semiconductor device having optical devices

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