JPH0843653A - 光導波回路の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 低融点ガラス材料によりコア部を作製する際
のコアの変形と導波路サイズの制限を解決し、光導波路
の形状によらず、再現精度の高い、石英系光導波路の製
造方法を提供する。 【構成】 断面が矩形のコア部が、その周囲をコア部よ
りも屈折率の低いクラッド部に囲まれた光導波回路の製
造方法である。この方法は、１）下部クラッド層上にコ
ア層を形成する工程と、コア層を矩形コア部に加工する
工程と、コア部を中間クラッド層で埋め込む工程よりな
る凸型導波路作製工程と、２）中間クラッド層に断面が
矩形の溝を形成する工程と、溝にコア層を形成する工程
と、コア層および中間クラッド層を所望の厚さになるま
で除去する工程よりなる凹型導波路作製工程と、３）凸
型導波路作製工程と凹型導波路作製工程を行った全領域
を上部クラッド層で覆う工程よりなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信、光信号処理、
光計測の分野における導波路型光部品の製造方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】石英系導波路型光部品は石英系光ファイ
バとの整合性がよいことから、実用的な導波路型光部品
を実現できる手段として注目されている。この種の石英
系導波路を作製するには、数μｍから数十μｍ厚の石英
系ガラス膜を形成する技術と、形成された石英系ガラス
膜をフォトリソグラフィを利用して数μｍ幅のパターン
形状に加工する技術との組み合わせが用いられている。
このガラス膜形成技術と加工技術をどのように組み合わ
せるかが光導波路および最終的な光回路の構造と特性を
決定することとなる。

【０００３】図４および図５に基本となる二種類の石英
系光導波回路の作製工程を示す。図４は凸型プロセスと
称する作製手順であり、図５は凹型プロセスと称する作
製工程である。図４および図５は導波路断面を示す。図
４の凸型プロセスにおいては、最初基板１上に下部クラ
ッド層２を形成し（図４（ａ）参照）、その上にコア膜
３を形成し（図４（ｂ）参照）、コア膜２を導波路パタ
ーン（コア部）４になるように凸型に加工する（図４
（ｃ）参照）。最後に上部クラッドガラスとなるガラス
膜５を形成し、埋込型の光導波路を作製する。一方、図
５の凹型プロセスでは、最初基板６上に下部クラッド層
７を形成し（図５（ａ）参照）、下部クラッド７を凹型
に加工した後（図５（ｂ）参照）、コア膜８を形成する
（図５（ｃ）参照）。次に、下部クラッド層７上面まで
のコア膜８を除去してコア部９を形成した後（図５
（ｄ）参照）、上部クラッド層となるガラス膜１０を形
成することで埋め込み型の光導波路を作製する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、凸型プ
ロセスで作製する光導波路は上部クラッドを形成する際
にコア部が凸部になっているため、凹型プロセスに比べ
本質的にコア部が変形しやすいという問題があった。こ
のため、特に導波路間隔が２〜３μｍになる方向性結合
器では結合率の再現性が悪い。また、低軟化温度を有す
るコアガラスを用いて光導波路を作製する際に導波路幅
が２〜３μｍの狭導波路においてコア部が変形しやす
く、再現性の悪化を招いていた。さらに、一般的な加工
技術であるフォトリソグラフィと反応性イオンエッチン
グを利用した方法で光導波路に要求される数μｍのガラ
スを除去すると、マスク上でのコア幅より実際のコアの
導波路幅が小さくなるというパターンやせ現象が本質的
にある。

【０００５】一方、凹型プロセスで作製する光導波路
は、不要なコア膜をエッチングにより除去する工程にお
いて（図５（ｄ）参照）、コア膜は平坦化されている必
要がある。しかしながら、幅の広い導波路を作製する場
合、コア膜は凹部に流れ込むことでコア膜に窪みが生じ
ることから、パターンの大きさに限界がある。特に、導
波路幅５０μｍ以上の光導波路やスラブ導波路に凹型プ
ロセスを適用する場合、コアの高さを均一に作製するこ
とは不可能であった。

【０００６】従来、凸型プロセスおよび凹型プロセスを
融合することにより凸型プロセスと凹型プロセスで作製
した光導波路を用いて、低損失であるスラブ導波路を含
む光回路を実現する光導波路作製プロセスは明らかにさ
れていなかった。

【０００７】本発明は、これらの問題点を鑑みてなされ
たものであり、その目的は、低融点ガラス材料によりコ
ア部を作製する際のコアの変形と導波路サイズの制限を
解決し、光導波路の形状によらず、再現精度の高い、石
英系光導波路の製造方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の光導波回路の製造方法は、断面が矩形のコ
ア部が、その周囲を前記コア部よりも屈折率の低いクラ
ッド部に囲まれた光導波回路の製造方法において、 １）下部クラッド層上にコア層を形成する工程と、前記
コア層を断面が矩形のコア部に加工する工程と、前記コ
ア部を中間クラッド層で埋め込む工程よりなる凸型導波
路作製工程と、 ２）前記中間クラッド層に断面が矩形の溝を形成する工
程と、前記溝にコア層を形成する工程と、前記コア層お
よび中間クラッド層を所望の厚さになるまで除去する工
程よりなる凹型導波路作製工程と、 ３）前記凸型導波路作製工程と凹型導波路作製工程を行
った全領域を上部クラッド層で覆う工程よりなることを
特徴とする。

【０００９】ここで、前記凸型導波路作製工程によって
形成されたコア部の上部以外の場所に、前記溝を形成し
てもよく、さらに前記凸型導波路作製工程によって形成
されたコア部と水平面において連続して、前記溝を形成
してもよい。

【００１０】凹型導波路作製工程における溝の深さが、
中間クラッド層の厚さに等しくてもよい。

【００１１】凸型導波路作製工程におけるコア部を矩形
断面に加工する工程が、フォトリソグラフィ工程とエッ
チングよりなり、かつ、凹型導波路作製工程におけるコ
ア部を含む中間クラッド層を所望の厚さになるまで除去
する工程が、エッチングよりなってもよい。

【００１２】さらに、本発明は、スラブ導波路およびス
ラブ導波路以外の導波路からなる光導波回路の製造方法
において、前述した凸型導波路作製工程および凹型導波
路作製工程を用い、かつ、スラブ導波路作製に前記凸型
導波路作製工程を用いることを特徴とする。

【００１３】さらにまた、本発明は、チャンネル導波路
およびチャンネル導波路以外の導波路からなる光導波回
路の製造方法において、前述した凸型導波路作製工程お
よび凹型導波路作製工程を用い、かつ、チャンネル導波
路作製に前記凹型導波路作製工程を用いることを特徴と
する。

【００１４】ここで、作製される光導波回路がアレー導
波路回折格子であってもよい。

【００１５】本発明は、能動導波路を含む光導波回路の
製造方法において、前述した凸型導波路作製工程および
凹型導波路作製工程を用い、かつ、能動導波路作製に前
記凹型導波路作製工程を用いることを特徴とする。

【００１６】ここで、能動導波路が希土類元素を含んで
もよく、コア部に低融点ガラスを用いてもよい。

【００１７】

【作用】本発明によれば、方向性結合器など干渉を利用
する光回路部をパターンやせやコア変形の無い凹型プロ
セスにより形成し、コア形状の大きいスラブ導波路をコ
ア部の高さを一定にできる凸型プロセスにより作製する
こととなる。そのため、スラブ導波路を含む光回路を高
精度に作製することが可能となる。また、低軟化温度で
あるガラス材料と高軟化温度であるガラス材料をコア形
成に適用して、高精度で低損失な光導波回路を同一基板
上に実現できる。この結果、異種材料をコアに用いた機
能性の光導波回路を実現できると同時に、回路設計の自
由度も大きくすることとなる。

【００１８】本発明が特に有効であるのは、スラブ導
波路を含む光導波回路としてアレー型回折格子、軟化
温度の異なるガラス材料を含む光導波回路として希土類
添加光導波路と受動型光導波路の同一基板内への集積化
である。

【００１９】

【実施例】以下に図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。

【００２０】実施例１ 図１に、本実施例の火炎堆積法による凸凹融合型光導波
路製造工程を示す。図１（ａ）は導波路を上からみた概
略図であり、図１（ｂ）〜（ｉ），（ｄ′）〜（ｉ′）
は断面概略図である。図１（ｄ）〜（ｉ）は凸型プロセ
スの部分を、（ｄ′）〜（ｉ′）は凹型プロセスの部分
を示す。シリコン基板１１上に火炎堆積法を用いて膜厚
３０μｍである屈折率の低い下部クラッドガラス膜１２
を形成する（図１（ｂ）参照）。次に、下部クラッド層
１２上に火炎堆積法により膜厚６μｍであるコアガラス
膜１３を形成し、フォトリソグラフィ工程とエッチング
により断面が矩形状の凸型のコア部１４に加工する（図
１（ｃ），（ｄ），（ｄ′）参照）。次に、膜厚１５μ
ｍである屈折率の低い中間クラッド層１５によりコアを
埋め込むことにより第一の光導波路を作製する（図１
（ｅ），（ｅ′）参照）。次に、中間クラッド層１５に
断面が矩形の溝１５Ａをフォトリソグラフィ工程とエッ
チングにより溝の深さが１５μｍになるように作製する
（図１（ｆ），（ｆ′）参照）。次に、火炎堆積法を用
いて膜厚１５μｍである第二のコアガラス膜１６を形成
する（図１（ｇ），（ｇ′）参照）。次に、エッチング
により第一の光導波路と第二の光導波路のコア１４，１
７の高さが６μｍになるよう第二のコアガラス１６と中
間クラッドガラス１５をエッチングにより除去する（図
１（ｈ），（ｈ′）参照）。最後に、屈折率の低い上部
クラッドガラス１８を形成し、埋め込み型の光導波路を
作製する（図１（ｉ），（ｉ′）参照）。

【００２１】本実施例の光導波回路製造方法を用いて、
光周波数選択可能なアレー導波路回折格子型光合分波器
を作製した。図２に回路構成の概略を示す。１９はシリ
コン基板、２０は入力導波路、２１は入力側スラブ導波
路、２２はチャンネル導波路からなるアレー導波路回折
格子、２３は出力側スラブ導波路、２４は出力導波路で
ある。本実施例に基づき、入力導波路２０、アレー導波
路回折格子２２および出力導波路２４を凹型プロセスに
より作製し、入力側スラブ導波路２１および出力側スラ
ブ導波路２３を凸型プロセスにより作製した。すなわ
ち、凸型プロセスによるコア部と凹型プロセスの溝は水
平面において連続している。光合分波器の設計にあたっ
ては、光通信で用いられる波長１．５５μｍ帯におい
て、波長多重間隔１ｎｍが得られるよう、アレー導波路
を構成するチャンネル導波路間の光路長差ΔＬを１２２
μｍとした。

【００２２】この光合分波器を動作するには、まず、入
力導波路２０に送信側の単一モード光ファイバを接続し
周波数多重信号光を入射する。入力側スラブ導波路２１
において回折効果により広がった信号光は、アレー導波
路回折格子２２を構成する複数のチャンネル導波路に伝
搬し、出力側導波路に達し、さらに出力導波路２４に集
光される。この場合、アレー導波路回折格子２２を構成
する個々のチャンネル導波路の長さを変えて光路長差Δ
Ｌを設けることによりチャンネル導波路伝搬後の信号光
の位相にずれが生じ、この位相のずれ量に応じて出力側
スラブ導波路２３における集束光の波面が傾く。この傾
き角度により集光する位置が決定される。位相のずれ量
が信号光周波数に依存し、周波数多重信号光は光周波数
別に集光位置が決まることになり、その集光位置に出力
導波路２４を配置することによって光周波数別に信号光
を取り出すこができる。

【００２３】本実施例の光導波回路の製造方法を用いる
ことで、光路長差ΔＬを設定するアレイー導波路回折格
子をコア変形のない凹型プロセスにより作製し、コア部
面積が大きい入力側スラブ導波路および出力側スラブ導
波路をコア部の高さを均一に作製可能な凸型プロセスで
作製することができる。従って、光路長差ΔＬの精度が
向上する結果、本合分波器の重要な特性である隣合った
光導波路のクロストークを改善できる。しかも、出力側
スラブ導波路と出力導波路の接続部においてパターンや
せを回避できることより、信号光は出力導波路に低損失
で結合することができる。また、本実施例において、チ
ャンネル導波路作製に凹型プロセスを適用し、スラブ導
波路作製に凸型プロセスを適用したが、凹型プロセスと
凸型プロセスとを使い分けてＹ分岐回路や方向性結合器
等の多種多様な回路要素に適用することも可能である。

【００２４】この光合分波器の波長１．５５μｍにおけ
る透過スペクトルを測定したところ、波長間隔１ｎｍ、
多重数１３の良好な光透過特性を得た。また、隣合った
チャンネルにおけるクロストークは３５ｄＢであり、従
来の凸型プロセスのみで作製した合分波器のクロストー
ク値２５ｄＢを１０ｄＢ改善していることが判明した。
さらに、この光合分波器の挿入損失を測定したところ、
１ｄＢであった。従来の凸型プロセスで作製した同じ構
造を有する光合分波器では挿入損失は３ｄＢであり、パ
ターンやせをなくすことにより、低損失化を図れること
が明らかとなった。

【００２５】以上により、本発明で作製した光合分波器
はアレー導波路回折格子を構成するチャンネル導波路の
作製に凹型プロセスを適用することにより、導波路コア
の変形が抑制され光路長差ΔＬを精密に作製でき、高ク
ロストークを実現でき、かつ、パターンやせを抑制する
ことにより低挿入損失である合分波器を作製できること
が明らかになった。

【００２６】実施例２ 次に、本発明において、凸型プロセスを受動型光導波路
に適用し、凹型プロセスを希土類添加導波路に適用した
例を示す。希土類元素としてＥｒを用い、Ｅｒイオンを
光増幅部にのみ添加し励起光および信号光の合分波器を
有する光増幅器を作製した。図３に回路構成の概略図を
示す。シリコン基板２５上に、長さ２０ｃｍのＥｒ添加
石英系光導波路２６、励起光導入用光導波路２７、励起
光導出用光導波路２８、信号光導入用光導波路２９、信
号光導出用光導波路３０、方向性結合器Ｉ，II，III お
よびIVを構成した。この光増幅器を作製するには、光増
幅部であるＥｒ添加石英系光導波路部２６の位置にＥｒ
添加光導波膜が形成されるようなマスクを用いて、図１
に従い、凹型プロセスによりＥｒ添加光導波路を形成す
る。励起光導入用光導波路２７、励起光導出用光導波路
２８、信号光導入用光導波路２９、信号光導出用光導波
路３０、方向性結合器Ｉ，II，III ，IVは高さ６μｍ、
幅６μｍである希土類元素を含まない受動型光導波路で
凸型プロセスにより形成した。

【００２７】この光増幅器を動作するには、まず、波長
０．９８μｍの励起光および波長１．５５μｍの信号光
を単一モード光ファイバを用いて励起光導入用光導波路
２７および信号光導入用光導波路２９に入射する。励起
光は方向性結合器ＩおよびＩＩから構成されたマッハツ
ェンダ干渉計により励起光導入用光導波路２７を伝搬す
る光強度に対し９９％の光強度がＥｒ添加光導波路２６
に入射してＥｒイオンを励起し、信号光は信号光導入用
光導波路２７に対し９８％の光強度がＥｒ添加石英系光
導波路２６に伝搬する。励起されたＥｒイオンはＥｒ添
加石英系光導波路２６を伝搬する信号光を増幅する。さ
らに、励起光は方向性結合器ＩＩＩ およびIVから構成
されたマッハツェンダ干渉計により励起光信号光分波部
に使用したマッハツェンダ干渉計と同様な動作原理で９
９％の結合率で分波され励起光導出用光導波路２８に、
Ｅｒ添加導波路２６で増幅された信号光は９８％の結合
率で信号光導出用光導波路３０にそれぞれ伝搬し、信号
光のみが単一モード光ファイバによって取り出される。

【００２８】本実施例の光回路の製造方法を用いること
で、励起光および信号光の合分波器を集積した光増幅器
において、Ｅｒイオンが吸収体として働く励起光導入
部、信号光導入部、励起光信号光分波器、信号光導出部
を伝搬損失の低いＥｒ無添加光導波路により形成し、光
増幅部のみをＥｒ添加光導波路で作製することができ
る。また、本実施例において、励起光および信号光の合
分波器として、波長間隔の大きい二つの光を精度良く調
節することが可能な二つの方向性結合器を用いたマッハ
ツェンダ型干渉計を用いたが、一つの方向性結合器から
構成される合分波器の利用も好適である。また、本実施
例では凹型プロセスで作製する光導波路として希土類添
加ガラスを用いたが、軟化温度の低いガラス材料に適用
できることは言うまでもない。例えば、Ｎｄ，Ｐｒ等の
希土類イオンを添加したガラスや半導体添加ガラスに用
いることも有効である。

【００２９】この光増幅器の波長１．３μｍでの光損失
を見積もったところ、Ｅｒ添加光導波路とＥｒ無添加光
導波路間の接続損失は０．３ｄＢであり、良好な接続が
得られた。さらに、この光増幅器を用いて１．５μｍ帯
の光増幅実験を行ったところ、単一モード光ファイバ出
射励起光強度が３０ｍＷにおいて信号光の光強度が３０
ｄＢ増幅されていることがわかった。

【００３０】以上により、本発明で作製した光増幅器で
はＥｒイオンを光増幅部にのみ添加することができ、励
起光および信号光の合分波器を集積した光増幅器を作製
できることが明らかとなった。

【００３１】以上の実施例１および２では、ガラス膜作
製に火炎堆積法を用いたが、これは、この方法が、比較
的厚く高品質なガラス膜の堆積に適しているからであ
る。場合によっては、別のガラス膜合成方法、例えばＣ
ＶＤ法やスパッタ法を一部または全部に用いることもで
きる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光回路の
製造方法によれば、凸型プロセスと凹型プロセスとを組
み合わせて光導波路を作製することができ、導波路形状
によらずコア変形などゆらぎの小さい光導波路を作製す
ることが可能となる。従って、本発明は、方向性結合
器、アレー導波路またはＹ分岐導波路を安定かつ再現性
良く製造する上で極めて効果的である。また、同一基板
上の任意の位置に希土類イオンを添加した光導波路と希
土類イオンを添加しない光導波路を区分けして作製でき
るので、導波回路中の希土類添加領域を自由に設定で
き、回路設計の自由度を大きくすることが可能となる。
以上の結果、励起光と信号光を同時に導波し光増幅を行
う導波路部に希土類添加コアを用い、励起光もしくは信
号光を単独で導波した方が望ましい部分等には希土類無
添加の光導波路を用いることが可能となり、希土類イオ
ンの吸収による信号光、励起光の損失を最小限にするこ
とができ、素子特性の向上が図れる利点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光導波回路の作製過程を示す断面図で
ある。

【図２】本発明実施例１のアレー導波路回折格子型光合
分波器の回路構成を示す平面図である。

【図３】本発明実施例２のＥｒイオンを光増幅部にのみ
添加し励起光の合分波器を集積した光増幅器の回路構成
を示す平面図である。

【図４】従来の凸型プロセスによる光導波回路の作製過
程を示す断面図である。

【図５】従来の凹部プロセスによる光導波回路の作製過
程を示す断面図である。

【符号の説明】

１，６，１１，１９，２５ シリコン基板 ２，７，１２ 下部クラッド層 ３，８，１３，１６ コア層 ４，９，１４，１７ 光導波路コア部 ５，１０，１８ 上部クラッド層 １５ 中間クラッド層 ２０ 入力導波路 ２１ 入力側スラブ導波路 ２２ アレー導波路回折格子 ２３ 出力側スラブ導波路 ２４ 出力導波路 ２６ Ｅｒ添加石英系光導波路 ２７ 励起光導入用光導波路 ２８ 励起光導出用光導波路 ２９ 信号光導入用光導波路 ３０ 信号光導出用光導波路 Ｉ，II，III ，IV，Ｖ，VI 方向性結合器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小熊 学 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 断面が矩形のコア部が、その周囲を前記
   コア部よりも屈折率の低いクラッド部に囲まれた光導波
   回路の製造方法において、 １）下部クラッド層上にコア層を形成する工程と、 前記コア層を断面が矩形のコア部に加工する工程と、 前記コア部を中間クラッド層で埋め込む工程よりなる凸
   型導波路作製工程と、 ２）前記中間クラッド層に断面が矩形の溝を形成する工
   程と、 前記溝にコア層を形成する工程と、 前記コア層および中間クラッド層を所望の厚さになるま
   で除去する工程よりなる凹型導波路作製工程と、 ３）前記凸型導波路作製工程と凹型導波路作製工程を行
   った全領域を上部クラッド層で覆う工程よりなることを
   特徴とする光導波回路の製造方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の光導波回路の製造方法
   において、 前記凸型導波路作製工程によって形成されたコア部の上
   部以外の場所に、前記溝を形成することを特徴とする光
   導波回路の製造方法。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の光導波回路の製造方法
   において、 前記凸型導波路作製工程によって形成されたコア部と水
   平面において連続して、前記溝を形成することを特徴と
   する光導波回路の製造方法。
4. 【請求項４】 請求項１から３のいずれかに記載の光導
   波回路の製造方法において、 凹型導波路作製工程における溝の深さが、中間クラッド
   層の厚さに等しいことを特徴とする光導波回路の製造方
   法。
5. 【請求項５】 請求項１から４のいずれかに記載の光導
   波回路の製造方法において、 凸型導波路作製工程におけるコア部を矩形断面に加工す
   る工程が、フォトリソグラフィ工程とエッチングよりな
   り、 かつ、凹型導波路作製工程におけるコア部を含む中間ク
   ラッド層を所望の厚さになるまで除去する工程が、エッ
   チングよりなることを特徴とする光導波回路の製造方
   法。
6. 【請求項６】 スラブ導波路およびスラブ導波路以外の
   導波路からなる光導波回路の製造方法において、 請求項１から５のいずれかに記載の製造方法を用い、 かつ、スラブ導波路作製に前記凸型導波路作製工程を用
   いることを特徴とする光導波回路の製造方法。
7. 【請求項７】 チャンネル導波路およびチャンネル導波
   路以外の導波路からなる光導波回路の製造方法におい
   て、 請求項１から５のいずれかに記載の光導波回路の製造方
   法を用い、 かつ、チャンネル導波路作製に前記凹型導波路作製工程
   を用いることを特徴とする光導波回路の製造方法。
8. 【請求項８】 作製される光導波回路がアレー導波路回
   折格子であることを特徴とする請求項６または７に記載
   の光導波回路の製造方法。
9. 【請求項９】 能動導波路を含む光導波回路の製造方法
   において、 請求項１から５のいずれかに記載の製造方法を用い、 かつ、能動導波路作製に前記凹型導波路作製工程を用い
   ることを特徴とする光導波回路の製造方法。
10. 【請求項１０】 請求項９に記載の光導波路の製造方法
    において、 能動導波路が希土類元素を含むことを特徴とする光導波
    回路の製造方法。
11. 【請求項１１】 コア部に低融点ガラスを用いることを
    特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の光導波
    回路の製造方法。