JPH0727934A

JPH0727934A - 三次元テーパ構造を有する光導波路およびその製造方法

Info

Publication number: JPH0727934A
Application number: JP19272493A
Authority: JP
Inventors: Kenji Akiba; 健次秋葉; Naoto Uetsuka; 尚登上塚; Kenichi Morosawa; 健一諸沢
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1993-07-08
Filing date: 1993-07-08
Publication date: 1995-01-31

Abstract

(57)【要約】【目的】入出力端およびその近傍で光導波路のコア高
さおよびコア幅が光の伝搬方向にテーパ状に変化する三
次元テーパ光導波路およびその製造方法を提供する。【構成】平板であるガラス基板または半導体基板上に
形成する光導波路において、光を伝搬するコアの高さお
よび幅が、上記光導波路の入出力端およびその近傍で光
の伝搬方向にテーパ状に変化させ、接続損失を最小限と
し、かつ接続の際に簡易にアライメントできるようにし
たことを特徴とする三次元テーパ構造を有する光導波路
である。また、その製法として、基板上に、まず上記入
出力端およびその近傍で上記コア層の高さが光の進行方
向にテーパ状となるようにコア層を形成した後、エッチ
ング等により上記入出力端およびその近傍で光導波路の
コア幅が光の進行方向にテーパ状となるようなパターン
を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は光導波路について、入
出力端およびその近傍において光導波路のコア高さおよ
びコア幅が光の伝搬方向にテーパ状に変化するような三
次元テーパ光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】従来は光導波路のコア高さを変化させる
ことが困難であり、コア幅のみ光の伝搬方向にテーパ状
である光導波路しか作製することができなかった。図９
に従来のテーパ光導波路形成方法の一例を示す。即ち、
この作製方法は図９（Ａ）に示すように、まずガラスま
たは半導体等の基板２０１上を用意し、この上に図９
（Ｂ）に示すように光を伝搬する膜厚一定のコア層２０
２を成膜する。このコア層２０２上には図９（Ｃ）に示
すようにスピンコーティング法により一面に有機材料系
のフォトレジスト２０３を塗布する。その後、図９
（Ｄ）に示すように入出力端およびその近傍において光
導波路のコア幅が光の伝搬方向にテーパ状に変化するよ
うなコアのパターン２０８を有するフォトマスク２０４
を用いて、フォトリソグラフィ技術により露光しエッチ
ングして、図９（Ｅ）に示すレジストパターン２０５を
コア層２０２上に形成する。次に、図９（Ｆ）に示すよ
うにガスによるドライエッチングを行い、コア層２０２
上にコアパターン２０６を形成する。このとき、フォト
レジスト２０３，コア層２０２にフォトマスク２０４の
パターン２０８が転写されるので、入出力端およびその
近傍において光導波路のコア幅がテーパ状部２１０とな
った光導波路を形成することができる。このように形成
された基板２０１上のコアパターン２０６上にクラッド
層２０７を形成してコアパターン２０６を埋め込み、コ
ア層がコア幅方向に拡大したテーパ部を有する光導波路
が得られる。

【０００３】一般に石英系光導波路は、石英系材料にゲ
ルマニウムやチタン，リン，ボロン等をドープすること
により屈折率を制御し、低損失の光導波路を構成するこ
とができる。これまで石英あるいはシリコンを基板とし
て、チタンあるいはゲルマニウムをドープしたコアおよ
び、リン，ボロン等をドープしたクラッドにより伝送損
失０．１ｄｂ／ｃｍ² 以下の光導波路が開発されてい
る。この石英系光導波路を用いて形成した波長合分波器
や光分岐器等の光回路は、小型で量産性に優れている等
の利点を有し、光通信の実用化に不可欠な部品として近
年非常に期待されている。

【０００４】従来、石英系光導波路の製造は、平坦な基
板の上にコア層およびクラッド層を堆積し、随時燒結を
行って堆積層を透明ガラス化している。光回路の形成
は、フォトリソグラフィ技術によりマスクパターンを形
成し、ドライエッチング等により導波路を加工してい
た。石英系光導波路のコアおよびクラッドの構造（屈折
率，寸法）は、一般に光ファイバとのマッチングを考慮
して最適値に設定される。図１０を参照して、１．３μ
ｍ帯用シングルモード光ファイバと石英系導波路のモー
ドフィールドのマッチングについて説明する。即ち、
１．３μｍ帯用シングルモード光ファイバ４０から伝送
される光信号４７は、石英基板４５上に形成された光導
波路コア４４に入射される。光ファイバ４０の端部での
モードフィールド４２はコア４１のように形成される。
一方、石英基板４５上の光導波路コア４４は、光ファイ
バコア４１とほぼ同じ大きさの断面四角形に形成されて
おり、この光導波路コア４４のモードフィールド４６は
光ファイバ４０のモードフィールド４２よりも小さくな
っている。従って、この接続部では光導波路に結合した
光信号４８は光導波路に結合しない信号４９，５０がク
ラッド層４３に散乱する分だけ結合損失が生じることに
なる。このモードフィールドのミスマッチによる損失
は、例えば、１．３μｍ帯用シングルモード光ファイバ
と結合する場合は、屈折率ｎ₁ ＝１．４７１，８×８μ
ｍのコアの周りに、屈折率ｎ₂ ＝１．４６７のクラッド
を形成してモードフィールド径をほぼ同一とし、ミスマ
ッチによる損失を０．０３ｄｂ／１か所程度にしてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来は、コア幅方向に
ついてはテーパ状の光導波路を形成することが可能であ
ったが、コア高さ方向にもテーパ状である三次元テーパ
導波路を作製することができなかった。そのため、従来
のコア幅のみのテーパ導波路では以下のような問題があ
った。

【０００６】コアとクラッドの屈折率差が大きい光導波
路では、シングルモード導波路を形成したときに、光の
スポットサイズが小さく、光ファイバと接続する際な
ど、大きな接続損失が生じるようになっていた。また、
接続する際のアライメントも非常に困難であった。その
ため、入射端およびその近傍において、導波路のコア寸
法を拡大させ、光導波路におけるスポットサイズと光フ
ァイバにおけるスポットサイズとを整合させる必要があ
った。

【０００７】しかし、従来の技術では、入射端およびそ
の近傍で光導波路のコア幅をテーパ状に横に拡大するだ
けで、光導波路のコア高さをテーパ状に拡大することが
できなかった。そのため、高さ方向について光導波路と
光ファイバとで十分な整合を取ることができず、大きな
接続損失を生じることとなっていた。また、接続の際の
アライメントも非常に困難であった。

【０００８】さらに、石英系導波路型光部品を小型化し
量産性を高めるため、コアの屈折率をより大きくする製
造方法が検討されている。現状では、コア層中にチタ
ン，ゲルマニウムをドープすることにより屈折率ｎ＝
１．４７８までの高屈折率コアが得られている。このよ
うな屈折率の高いコアを用いた光導波路は光の閉じ込み
が強いため、曲線導波路における光の放射量を低減する
ことができる。このため、光回路の設計上、導波路の曲
げ半径を小さくすることができ、より小さな範囲で回路
を構成することができる。その結果、光回路の集積度が
向上するとともに、基板１枚当りから製造できる光素子
の数が増加するため、量産化，低コスト化が可能とな
る。しかし、屈折率の高いコアで光導波路を形成した場
合、光信号をシングルモードで伝送するためには、光の
閉じ込め効果が向上した分に応じてコア寸法を小さくす
る必要がある。例えば、屈折率ｎ＝１．４７８の場合
は、コア寸法を５×５μｍ程度にする必要がある。この
ため光導波路のモードフィールド径も小さくなる。この
光導波路を１．３μｍ帯用シングルモード光ファイバに
結合させると、モードフィールド径の違いにより０．５
（ｄｂ／１か所）の結合損失が発生するという問題があ
った。

【０００９】この発明の目的は、上述した従来技術の欠
点を解消し、光導波路と光ファイバとを簡単なアライメ
ントで、かつ低損失で接続できるような三次元テーパ導
波路およびその製造方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明は、平板である
ガラス基板または半導体基板上に形成する光導波路にお
いて、光を伝搬するコアの高さおよび幅が、上記光導波
路の入出力端およびその近傍で光の伝搬方向にテーパ状
に変化させ、接続損失を最小限とし、かつ接続の際に簡
易にアライメントできるようにしたことを特徴とする三
次元テーパ導波路である。また、基板上に、まず入出力
端およびその近傍で上記コア層の高さが光の進行方向に
テーパ状となるようにコア層を形成した後、エッチング
等により上記入出力端およびその近傍で光導波路のコア
幅が光の進行方向にテーパ状となるようなパターンを形
成することを特徴とした三次元テーパ導波路の製造方法
である。さらに、上記コア層の膜厚を上記入出力端およ
びその近傍で、光の伝搬方向にテーパ状に変化させる方
法として、まず膜厚一定のコア層を成形した後、感光剤
であるフォトレジストの膜厚を上記入出力端およびその
近傍で厚くし、そのフォトレジストの膜厚の差を利用
し、ガスを用いたドライエッチング等によりコア層の膜
厚を光の伝搬方向にテーパ状に変化させることを特徴と
した三次元テーパ導波路の製造方法である。

【００１１】また、この発明は、コアのパターニングの
際に、写真技術を応用したフォトリソグラフィ技術，お
よび上記ドライエッチング技術等により上記入出力端お
よびその近傍で光導波路のコア幅が光の進行方向にテー
パ状となるようなパターンを形成することを特徴とした
三次元テーパ光導波路の製造方法である。さらに、レジ
スト膜厚を上記入出力端およびその近傍で、光の伝搬方
向にテーパ状にする方法として、光導波路の端面となる
部分に横方向に溝を形成した後、光導波路素子を回転さ
せながらレジストを塗布するスピンコーティング法でレ
ジストを塗布し、表面張力により溝の付近でレジスト膜
厚を厚くすることを特徴とした三次元テーパ光導波路の
製造方法である。そして、溝を形成した基板を化学エッ
チングにより溝近傍の端部に『だれ』を形成し、しかる
後にコア層を形成し、燒結させたことを特徴とする三次
元テーパ光導波路の製造方法である。また、三次元テー
パ状コアの形成後、溝部付近のコア上にＣＯ₂ レーザ光
を照射して、コア層およびクラッド層中に含まれたドー
パントを熱拡散させ、部分的に屈折率を低下させるよう
にしたことを特徴とする三次元テーパ光導波路の製造方
法である。

【００１２】

【作用】この発明の要旨は、入出力端における膜厚が光
の進行方向にテーパ状となるようなコア層を形成した
後、エッチング等によりコア幅がテーパ状である光導波
路を作製したことにあり、これによって、コア幅だけで
なく高さもテーパ状に変化するような三次元テーパ光導
波路の形成方法を確立したことにある。さらに、そのこ
とにより光導波路と光ファイバとの接続の際に、アライ
メントを容易にしただけでなく、低損失で接続すること
が可能となる。

【００１３】

【実施例】以下、図面に基づいてこの発明の実施例を説
明する。図１は、三次元テーパ導波路の一実施例の形成
方法の慨略図である。即ち、図１（Ａ）に示すようにガ
ラスあるいは半導体材料の平板である基板１０１を用意
し、この上に図１（Ｂ）に示すようにゲルマニウムまた
はチタンがドープされたコア層１０２を火炎堆積法ある
いはＥＢ蒸着法により均一に成膜する。コア層１０２の
膜厚は５μｍ程度とする。そして、このコア層１０２の
両側に図１（Ｃ）に示すように導波路端面部分の溝１０
３を形成する。

【００１４】次に、上記溝１０３を形成したコア層１０
２上に、基板１０１を回転させるスピンコーティング法
により感光剤である有機材料系のフォトレジスト膜１０
４を塗布する。フォトレジストは粘性の強いものを用
い、スピンコーティングの回転数は３０００回転／分と
する。このとき、図１（Ｄ）に示すように左右の溝１０
３部分にはフォトレジストの膜厚がテーパ部分１１２と
なるようにレジスト膜１０４の膜厚を厚く塗布するので
ある。フォトレジスト膜１０４の厚さは、基板１０１の
中央付近では３μｍ，溝１０３の付近では５μｍ程度と
テーパ状になっている。そして、フッ素系ガスを用いた
ドライエッチング法により全体を６μｍエッチングす
る。すると、図１（Ｅ）に示すように基板１０１中央の
コア層１０５の膜厚が３μｍ，溝１０３つまり導波路端
面となる部分１１３のコア層１０５の膜厚が５μｍと徐
々にテーパ状に厚くなるように加工する。次に、上記コ
ア層１０５の上に粘性の強いフォトレジストをスピンコ
ーティング法により回転数３０００回転／分で塗布し、
レジスト膜１０６を形成する。この状態を図１（Ｆ）に
示す。このとき、レジスト膜１０６の膜厚は中央部１１
４で３μｍ，テーパ部１１５で６μｍである。

【００１５】次に、入射端およびその近傍におけるコア
層１０２をテーパ状に加工するため、図１（Ｇ）に示す
ようにコア層１０２上のフォトレジスト膜１０６にマス
クパターンの中央１１６で幅３μｍ，外側１１７で幅６
μｍであるような幅方向にテーパ状のマスクパターンを
有するマスク１０７を密着し、上から露光してフォトリ
ソグラフィ技術により図１（Ｈ）に示すようなレジスト
パターン１０８を形成する。さらにフッ素系のガスでド
ライエッチングしてコア層１０２が高さ，幅方向ともに
テーパ状に拡大しているコア層１０９を有する図１
（Ｉ）に示す導波路が形成される。このとき、コア幅お
よび高さは中央付近で３μｍ×３μｍ，端面で６μｍ×
６μｍとテーパ状になっている。

【００１６】最後に、図１（Ｊ）に示すように火炎堆積
法などによりこの上にクラッド膜１１０を形成し、コア
１０９を埋め込み、素子を導波路端面でカットして、図
１（Ｋ）に示すような高さ方向および幅方向に三次元テ
ーパ状光導波路が形成することができる。

【００１７】次に、この発明の他の実施例を図２〜図５
に基づいて説明する。図２（Ａ）に示す３インチの純粋
石英（ＳｉＯ₂ ）基板３０１の表面にフォトリソグラフ
ィにより幅２ｍｍのストライブ３０２を形成し、図２
（Ｂ）に断面図を示すようにドライエッチングにより深
さ２０μｍの溝３０３を形成した。この基板３０４に図
２（Ｃ）に示すようにゲルマニウム（Ｇｅ）３１２をド
ープした石英コア膜３０５を形成する。従って、石英コ
ア膜３０５は溝３０３付近で成長が促進され、溝３０３
の方向に向かって次第に厚さが増大したテーパ状の石英
コア膜３０５が形成される。このように形成された基板
３０６を熱処理した後、図２（Ｄ）の上面図に示すよう
にフォトリソグラフィの技術により溝３０３側に向かっ
て導波路幅がテーパ状に広くなる光回路３０７をパター
ンニングし、ドライエッチングしてリッジ導波路３０８
を形成するのである。図２（Ｅ）にその一部分を拡大斜
視図で示す。この後、図２（Ｆ）に示すようにリッジ導
波路３０８上にクラッド層３０９を堆積法により形成
し、リッジ導波路３０８を埋め込み、導波路を切り出し
てチップ化するのである。その様子を図３に一部分を拡
大して斜視図で示す。光導波路３１０は端部に向かって
高さおよび幅方向ともテーパ状に拡大したものが得られ
る。

【００１８】この導波路３１０の溝３０３付近のテーパ
状部に、図４に示すようにＣＯ₂ ガスレーザ光３１１を
収束して照射する。レーザ光３１１が照射された部分で
は、コア３０５にドープされたゲルマニウム３１２が熱
拡散して屈折率が低下するため、テーパ状部での光の閉
じ込めが弱くなり、モードフィールドを大きくすること
ができる。ＣＯ₂ ガスレーザ光３１１は端部に行く程多
くなるように照射して、図５に示すようにモードフィー
ルド３１３，３１３ａ，３１３ｂが周辺に行くに従い次
第に大きくなるように制御した。その結果、光導波路３
１０のテーパ側でモードフィールドが８μｍ，矩形導波
路側で５μｍとなるモードフィールド変換導波路を形成
することができた。

【００１９】次に、この発明の他の実施例を説明する。
上記図２に示した第２の実施例において、純粋石英基板
３０１の表面に幅２ｍｍ，深さ２０μｍの溝を形成する
ところまでは同じである。次に、図６（Ａ）に示すよう
に溝３０３を形成した石英基板３０４をフッ化水素系の
エッチャント３２１に浸漬する。すると、図６（Ｂ）に
示すように溝３０３付近のエッチングが促進され、溝３
０３の両側に『だれ』が形成される。このように『だ
れ』の形成された石英基板３２２の上にゲルマニウム
（Ｇｅ）３２３をドープした石英コア膜３２４を図６
（Ｃ）に示すように形成する。この石英コア膜３２４は
溝３０３付近で成長が速いため、『だれ』を埋め込み、
さらに溝部３０３に向かって膜厚が次第に増加するよう
に形成することができる。この基板３２２を熱処理した
後、図６（Ｄ）の上面図に示すようにフォトリソグラフ
ィにより溝部３０３に向かって導波路幅がテーパ状に広
くなるパターニング３２６を施し、ドライエッチングに
よりリッジ導波路３２７を形成する。この形成されたリ
ッジ導波路３２７の一部を拡大して図６（Ｅ）に示す。

【００２０】その後、上記図３に示す実施例と同様にク
ラッド層３２８を堆積して埋め込んだ後、光導波路を図
７に示すように切り出してチップ化する。そして、この
切り出した光導波路のテーパ部にＣＯ₂ ガスレーザ光を
照射してモードフィールド３３０を制御し、テーパ側で
モードフィールドが１０μｍ，矩形導波路側で５μｍと
なる図８に拡大して示したモードフィールド変換導波路
を作成した。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したとおり、この発明の三次元
テーパ構造を持つ光導波路は、光ファイバ等との接続端
付近において、導波路のコアの高さおよび幅がテーパ状
に拡大するものであるから、接続損失を低減させること
ができ、かつアライメントが非常に容易になる。また、
光軸方向にモードフィールドが変化する石英系光導波路
であるので、異なるモードフィールド有する導波路を低
損失結合をさせることが容易となる。そして、その製造
方法が簡単に、かつ精度良く形成することができるよう
になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）〜（Ｋ）は、この発明の一実施例の三次
元テーパ導波路の形成方法を示す順次工程を示す説明
図、

【図２】（Ａ）〜（Ｆ）は、この発明の他の実施例の三
次元テーパ導波路の形成方法を示す順次工程を示す説明
図、

【図３】図２の工程により製造された三次元テーパ導波
路の構造説明図、

【図４】図３の三次元テーパ導波路のモードフィールド
拡大方法の説明図、

【図５】モードフィールド分布概念図、

【図６】（Ａ）〜（Ｆ）は、他の実施例の三次元テーパ
導波路の形成方法を示す順次工程を示す説明図、

【図７】図６の製造方法で作成したチップの上面図、

【図８】図６の製造方法で作成した石英系三次元テーパ
導波路のモードフィールド分布概念図、

【図９】（Ａ）〜（Ｇ）は、従来のテーパ導波路の形成
方法を示す順次工程を示す説明図、

【図１０】１．３μｍ帯用光ファイバと石英系導波路の
モードフィールド比較図である。

【符号の説明】

１０１，２０１，３０１基板１０２，１０５，２０２，３０５コア層１０３，３０２，３０３溝１０４，１０６，２０３フォトレジスト１０７，２０４フォトマスク１０８，２０５，３０７レジストのパターン１０９，２０６コア１１０，２０７，３０９クラッド層１１２レジストの膜厚テーパ部１１３コア層の膜厚テーパ部１１４フォトレジストの中央部１１５フォトレジストのテーパ部１１６フォトマスクの中央部１１７フォトマスクのテーパ部３０８リッジ導波路３１１ＣＯ₂ ガスレーザ光３１２ゲルマニウム３２１エッチャント

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平板であるガラス基板または半導体基板
上に形成する光導波路において、光を伝搬するコアの高
さおよび幅が、上記光導波路の入出力端およびその近傍
で光の伝搬方向にテーパ状に変化させ、接続損失を最小
限とし、かつ接続の際に簡易にアライメントできるよう
にしたことを特徴とする三次元テーパ構造を有する光導
波路。
【請求項２】上記基板上に、まず上記入出力端および
その近傍で上記コア層の高さが光の進行方向にテーパ状
となるようにコア層を形成した後、エッチング等により
上記入出力端およびその近傍で光導波路のコア幅が光の
進行方向にテーパ状となるようなパターンを形成するこ
とを特徴とした三次元テーパ光導波路の製造方法。
【請求項３】上記コア層の膜厚を上記入出力端および
その近傍で、光の伝搬方向にテーパ状に変化させる方法
として、まず膜厚一定のコア層を成形した後、感光剤で
あるフォトレジストの膜厚を上記入出力端およびその近
傍で厚くし、そのフォトレジストの膜厚の差を利用し、
ガスを用いたドライエッチング等によりコア層の膜厚を
光の伝搬方向にテーパ状に変化させることを特徴とした
三次元テーパ光導波路の製造方法。
【請求項４】上記コアのパターニングの際に、写真技
術を応用したフォトリソグラフィ技術，および上記ドラ
イエッチング技術等により上記入出力端およびその近傍
で光導波路のコア幅が光の進行方向にテーパ状となるよ
うなパターンを形成することを特徴とした三次元テーパ
光導波路の製造方法。
【請求項５】上記レジスト膜厚を上記入出力端および
その近傍で、光の伝搬方向にテーパ状にする方法とし
て、光導波路の端面となる部分に横方向に溝を形成した
後、光導波路素子を回転させながらレジストを塗布する
スピンコーティング法でレジストを塗布し、表面張力に
より溝の付近でレジスト膜厚を厚くすることを特徴とし
た三次元テーパ光導波路の製造方法。
【請求項６】溝を形成した基板を化学エッチングによ
り溝近傍の端部に『だれ』を形成し、しかる後にコア層
を形成し、燒結させたことを特徴とする三次元テーパ光
導波路の製造方法。
【請求項７】三次元テーパ状コアの形成後、溝部付近
のコア上にＣＯ₂ レーザ光を照射して、コア層およびク
ラッド層中に含まれたドーパントを熱拡散させ、部分的
に屈折率を低下させるようにしたことを特徴とする三次
元テーパ光導波路の製造方法。