JPH10288714A

JPH10288714A - 光導波路グレーティングおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH10288714A
Application number: JP9941297A
Authority: JP
Inventors: Michihiro Nakai; 道弘中居
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1997-04-16
Filing date: 1997-04-16
Publication date: 1998-10-27

Abstract

(57)【要約】【課題】低コストで製造効率のよい基板型の光導波路
グレーティングとその製造方法を提供する。さらには、
シリコン基板からなる基板型光導波路を用いても、紫外
光の照射によって気泡が発生したり、反射光と入射光の
干渉が発生することがない基板型の光導波路グレーティ
ングとその製造方法を提供する。【解決手段】基板型光導波路に紫外光を照射してコア
１４の屈折率に周期的な変化を形成する光導波路グレー
ティングの製造方法において、シリコン基板１１とクラ
ッド層１３との間に高ゲルマニウム層１２が設けられた
基板型光導波路を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光導波路グレーティ
ングに関し、特にシリコン基板を用いた基板型の光導波
路グレーティングに関する。

【０００２】

【従来の技術】光導波路グレーティングは、各種センサ
や光フィルタに用いられている。一般にグレーティング
には、放射モード結合型と反射モード結合型があり、放
射モード結合型グレーティングは、コアを伝搬するモー
ドとクラッドを伝搬するモードとを結合させることによ
って、特定波長の光を光導波路外に放射して減衰させる
特性が得られるようにしたものである。また反射モード
結合型グレーティングは、コアを正の方向に伝搬するモ
ードと、コアをこれとは反対の方向（負の方向）に伝搬
するモードとを結合させることによって、特定波長の光
を反射させる特性が得られるようにしたものである。

【０００３】このような伝搬モードの結合を可能として
いるのはコアに生じる摂動である。そしてこの摂動は、
放射モード結合型グレーティングの場合は、導波路の構
造において、コア径（コアの幅）の周期的変化を形成す
る方法により比較的簡単に実現されている。反射モード
結合型グレーティングの場合はグレーティングピッチ
（コアの屈折率変化の周期）が短いために、導波路のコ
ア屈折率の周期的変化を形成する方法により実現されて
いる。放射モード結合型グレーティングは、コア屈折率
に周期的変化を形成することによっても作製することが
できる。

【０００４】図３は基板型光導波路の一例を示したもの
で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）に示されたコア４
の長手方向（Ｚ方向）に対して直交方向（Ｘ，Ｙ方向）
そって切断した断面図である。図中符号１は基板であ
り、ここでは便宜上長方形に示されているが、実際は円
板状のものが一般的に用いられる。基板１上にはクラッ
ド層３が設けられ、クラッド層３内にはコア４が形成さ
れ、光導波路が構成されている。すなわち、コア４の周
囲にクラッド層３が形成された構造となっている。この
コア４の屈折率はクラッド層３の屈折率よりも大きくな
っている。

【０００５】導波路のコア径の周期的変化を形成するに
は、コア４のＸ方向あるいはＹ方向の幅を周期的に変化
させた構造とする。この場合は、コア４におけるＸ方向
とＹ方向のどちらか一方のみの屈折率を変化させること
になるので、伝搬する光のＸ偏波とＹ偏波の屈折率が異
なる光導波路グレーティングが得られ、その特性に偏波
依存性があるという問題がある。

【０００６】光導波路にコア屈折率の周期的変化を生じ
させてグレーティングを作製する方法としては、ゲルマ
ニウムが添加されたＳｉＯ₂（石英ガラス）に強い紫外
光を照射すると、その照射量に応じて屈折率が上昇する
現象を利用する方法が知られている。このため、この方
法によって図３に示した基板型光導波路を用いて基板型
光導波路グレーティングを製造する場合、コア４が酸化
ゲルマニウムが添加されたＳｉＯ₂からなるものを用い
る。図４は図３に示した基板型光導波路のコア４に屈折
率変化を形成している状態を示したもので、図３に示し
た基板型光導波路を、コア４の長手方向（図３（ａ）中
Ｚ方向）にそった断面図として示したものである。

【０００７】コア４に周期的な屈折率変化を形成するに
は、基板型光導波路を水素加圧容器中（１００ａｔｍ）
で水素添加処理した後、一定の間隔で複数のスリットを
形成した位相マスク５を介してクラッド層３側から基板
型光導波路に紫外光６を照射する方法が知られている。
この方法によれば、位相マスク５の上面に対して垂直に
紫外光６を照射すると、回折光による干渉縞が形成さ
れ、この干渉縞の影響によって基板型光導波路に照射さ
れる紫外光６の強度が周期的に変化するので、コア４の
屈折率が周期的に変化しているグレーティング部４ａが
形成される（以下紫外光６が位相マスク５を介して基板
型光導波路に入射した光のことを入射光とよぶことがあ
る）。前記紫外光６の光源としては、ＫｒＦエキシマレ
ーザ（波長２４８ｎｍ）が好適に用いられている。この
他にはアルゴンレーザの２次高調波（波長２４４ｎｍ）
などが用いられる。この場合は、導波路のコア径の周期
的変化を形成する方法と異なり、コア４のＸ方向、Ｙ方
向のどちらにも等しく屈折率を変化させることができる
ので、特性に偏波依存性がないという利点がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、一般的な基
板型光導波路においては基板１としてシリコン基板が用
いられている。しかしながら、シリコン基板を用いた基
板型光導波路に高強度の紫外光６を照射すると、シリコ
ン（基板１）が入射光を吸収し、発熱して基板１の温度
が上昇し、図５に示すように基板１とクラッド層３との
境界面に気泡３ａが発生するという問題がある。また、
入射光に対して発生する基板１表面の反射光が入射光と
干渉をおこし、コア４の屈折率変化の形成に影響を与え
るという問題がある。これらの問題は、入射光のエネル
ギー密度（強度）が、例えば２ｍＪ／ｍｍ²以下程度に
十分に小さければ発生しない。しかし、入射光のエネル
ギー密度が低下するとコア４の屈折率の変化速度が低下
するため、作業時間が長くなり、製造効率が低下する。
また、基板１として石英基板を用いると、石英は通常用
いられる紫外光６の波長域（例えば２４８ｎｍ）では透
明で、入射光を吸収しないため、入射光のエネルギー密
度が大きくても気泡３ａは発生せず、上述の問題を解決
することができる。しかし、現在用いられている石英基
板はその直径が最大３インチと小さく、このように小さ
な基板１を用いると製造効率が低くなる。また、石英基
板は高価なので、コストが上昇するという問題がある。

【０００９】よって、本発明の課題は、低コストで製造
効率のよい基板型の光導波路グレーティングとその製造
方法を提供することにある。さらには、シリコン基板か
らなる基板型光導波路に紫外光を照射しても、気泡が発
生したり、反射光と入射光の干渉が発生することがない
基板型の光導波路グレーティングと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】前記課題を解決するため
に、本発明においては、基板型光導波路に紫外光を照射
してコアの屈折率に周期的な変化を形成する基板型光導
波路グレーティングの製造方法において、シリコン基板
とクラッド層との間に高ゲルマニウム層が設けられた基
板型光導波路を用いた光導波路グレーティングの製造方
法を提案する。また、シリコン基板とクラッド層との間
に高ゲルマニウム層が設けられ、前記クラッド層内には
その屈折率に周期的な変化が形成されたグレーティング
部を有するコアが設けられていることを特徴とする光導
波路グレーティングを提供する。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の基板型光導波路グ
レーティングの製造方法の一例について詳細に説明す
る。図１は本発明に用いる基板型光導波路の一例を示し
たもので、図３（ｂ）と同様にコアの長手方向の直交方
向（Ｘ，Ｙ方向）にそって切断した断面図である。図２
は、図１に示した基板型光導波路を用いたグレーティン
グ部形成工程を示したものであり、図４と同様に、コア
の長手方向（Ｚ方向）にそって切断した断面図である。
図中符号１１は基板、１２は高ゲルマニウム層、１３は
クラッド層、１４はコア、１５は位相マスク、１６は紫
外光をそれぞれ示す。基板型光導波路は、基板１１の上
に高ゲルマニウム層１２が設けられ、この上にクラッド
層１３が設けられ、このクラッド層１３内にコア１４が
設けられて構成されている。すなわち、コア１４の周囲
にクラッド１層３が形成された構造となっている。

【００１２】基板１１は平板状のもので、シリコン基板
が好適に用いられる。高ゲルマニウム層１２は、酸化ゲ
ルマニウムが添加されたＳｉＯ₂からなっている。酸化
ゲルマニウムの添加量は好ましくは５〜２０Ｍｏｌ％で
ある。また、高ゲルマニウム層１２の厚さは１μｍ以
上、実質的には３〜５μｍが好ましい。つまり高ゲルマ
ニウム層１２の層厚と、添加される酸化ゲルマニウム量
とによって、後述する紫外光の吸収効果が決定される。
これらの関係は下記の式に示すとおりである。

【００１３】

【数１】

【００１４】基盤型光導波路の厚さを必要以上に増加さ
せるのは好ましくないので、高ゲルマニウム層１２の厚
さは薄い方が好ましい。このとき上記の式から明らかな
ように、高ゲルマニウム層１２の厚さを薄くする程酸化
ゲルマニウムの添加量を増加させる必要がある。具体的
には高ゲルマニウム層１２の厚さが１μｍで、酸化ゲル
マニウム添加量が５Ｍｏｌ％以上の場合に効果が得られ
ることが確認されている。

【００１５】コア１４は、紫外光１６が照射されたとき
に、その紫外光１６の強度および照射時間に応じて屈折
率が変化する材料で構成され、好ましくは、少なくとも
酸化ゲルマニウムが添加されたＳｉＯ₂からなってい
る。コア１４には酸化ゲルマニウム以外にアルミニウ
ム、エルビニウム、チタンなどが適宜添加されていても
よい。クラッド層１３はコア１４よりも低屈折率のもの
で、例えばＳｉＯ₂、あるいはフッ素添加ＳｉＯ₂などが
好ましく用いられる。コア１４およびクラッド層１３は
所定の比屈折率差および屈折率分布形状（プロファイ
ル）を有するように、周知の各種手法を用いて製造され
る。一般に光導波路グレーティングに用いられる場合、
コア１４には酸化ゲルマニウムが３〜４０重量％程度添
加されており、コア−クラッド層比屈折率差は０．３〜
６重量％程度に設定される。

【００１６】位相マスク１５は、石英ガラス板の一面に
周期的に一定幅の複数のスリットが一定間隔で平行に形
成されている。位相マスク１５におけるスリットの幅お
よび隣り合うスリット間の間隔は、これによってグレー
ティング部１４ａのグレーティングピッチが変化するの
で、得ようとするグレーティング特性に応じて適宜設定
される。位相マスク５におけるスリットの周期をΛmと
するとき、形成されるグレーティングピッチΛは、Λ＝
Λm／２で求められる。位相マスク１５は、複数のスリ
ットの配列方向がコア１４の長さ方向（Ｚ方向）にそう
ように、かつこれらのスリットがコア１４の上方に正確
に位置するように設置される。

【００１７】紫外光１６の波長は２００〜３００ｎｍ程
度が好ましく、光源としては、例えばＫｒＦエキシマレ
ーザ（波長２４８ｎｍ）が好適に用いられる。この他に
は、アルゴンレーザの２次高周波波長（波長２４４ｎ
ｍ）を用いる場合もある。ここから出射される紫外光は
適宜の光学系（図示せず）を用いてスポット径を調整し
た後、位相マスク１５の上面に対して垂直に照射される
ように構成されている。紫外光のスポット径は、これに
よって干渉縞が形成される領域すなわちグレーティング
長が変化するので、得ようとするグレーティング特性に
よって適宜設定される。反射モード結合型としての特性
を得るためには、例えば、グレーティングピッチは３４
０〜７２０ｎｍ程度の範囲内で好ましく設定される。ま
たグレーティング長は５〜２０ｍｍ程度に好ましく設定
される。放射モード結合型としての特性を得るために
は、例えば、グレーティングピッチは１００〜４００μ
ｍ程度の範囲内で好ましく設定される。またグレーティ
ング長は５〜２０ｍｍ程度に好ましく設定される。

【００１８】さて、基板型光導波路グレーティングを製
造するには、まず基板型光導波路を用意し、好ましくは
前処理として水素添加処理を行う。コア１４中のゲルマ
ニウム濃度がせいぜい数重量％以下である基板型光導波
路にあっては、紫外光照射によるコア屈折率変化を十分
に得るためには予め水素添加処理を行うことが好まし
い。この水素添加処理は、例えば基板型光導波路を、１
００ａｔｍ、５０℃程度に調整された水素加圧容器中に
６０時間程度保持することによって達成される。ただし
この水素添加処理は必須ではなく、コア１４中のゲルマ
ニウム濃度が３０％程度で、基板型光導波路グレーティ
ングの阻止率が比較的低くてもよい場合などには、これ
を行わない構成とすることもできる。

【００１９】ついで図２に示すように、コア１４が位相
マスク１５の直下になるように基板型光導波路を設置す
る。このとき基板型光導波路の表面（クラッド層１３上
面）と位相マスク１５との距離は０〜１５ｍｍ程度に好
ましく設定される。次に位相マスク１５の上面に対して
垂直に紫外光１６を照射すると、回折光による干渉縞が
形成され、この干渉縞の影響によって基板型光導波路に
照射される紫外光１６の強度が周期的に変化し、コア１
４の屈折率が周期的に変化しているグレーティング部１
４ａが形成される。そして、このようにコア１４にグレ
ーティング部１４ａが形成されたものは、必要に応じ
て、コア１４の周囲を所望の形状に切断され、光フィル
タなどの光部品となる。

【００２０】上述の基板型光導波路においては、基板１
１の上に高ゲルマニウム層１２が設けられているので、
基板型光導波路に入射した紫外光１６（入射光）は基板
１１に到達する前に高ゲルマニウム層１２に吸収され
る。高ゲルマニウム層１２は、光導波路グレーティング
に用いられる紫外光１６の波長においては、入射光を高
い吸収率で吸収した後、再発光という形で放出する特性
を有している。このため紫外光１６の照射に伴う発熱量
が少ない。したがって、紫外光１６を照射しても基板１
１と高ゲルマニウム層１２の温度が上昇しにくく、気泡
の発生を抑制することができる。この結果、基板１１と
してシリコン基板を用いても、入射光のエネルギー密度
を３〜６ｍＪ／ｍｍ²程度に高くすることができ、製造
速度が向上する。

【００２１】また、基板１１として用いられるシリコン
基板は現在直径４インチ程度の円板状ものが製造可能で
ある。このように大きな基板１１を用いることができる
ことからも製造速度が向上し、製造効率の向上とコスト
低減につながる。また、シリコン基板は石英基板よりも
安価であるので、このことからもコスト低減を図ること
ができる。

【００２２】本発明に用いられる基板型光導波路の特徴
である高ゲルマニウム層１２は、従来の基板型光導波路
において、基板上にクラッド層やコア層を形成する周知
の方法と同様にして形成することができる。すなわち、
ＦＨＤ法（火炎加水分解堆積法）により基板１１上に高
ゲルマニウム層１２となるガラススートを堆積させた
後、このガラススートが堆積された基板１１をヘリウム
（Ｈｅ）および酸素（Ｏ₂）雰囲気下で１２９０℃で焼
結してガラススートを透明ガラス化することによって形
成することができる。

【００２３】またこの例では位相マスク１５を用いてグ
レーティング部１４ａを形成する方法を用いたが、これ
以外のグレーティング部形成方法においても可能であ
る。また、基板１１の厚さ、クラッド層１３の厚さ、コ
ア１４の厚さと幅などの寸法、グレーティング部１４ａ
の長さ（グレーティング長）、クレーティングピッチな
どは、要求される性質機能などに応じて適宜変更可能で
ある。

【００２４】

【実施例】

（実施例）図１に示した基板型光導波路を用い、図２に
示した方法で基板型光導波路グレーティングを作製し
た。基板１１としてはシリコン基板を用い、高ゲルマニ
ウム層１２は酸化ゲルマニウムを５Ｍｏｌ％添加したＳ
ｉＯ₂、クラッド層１３は酸化ボロンを５Ｍｏｌ％、酸
化リンを４Ｍｏｌ％添加したＳｉＯ₂（屈折率１．４４
９）、コア１４は酸化ゲルマニウムを３Ｍｏｌ％添加し
たＳｉＯ₂（屈折率１．４５３）で構成した。基板１
１の厚さは１ｍｍ、高ゲルマニウム層１２の厚さは５μ
ｍ、クラッド層１３の厚さは２０μｍ、コア１４の厚さ
は８μｍ、幅は８μｍとした。コア１４の屈折率の変調
周期は０．５３５μｍ、グレーティング長は１０ｍｍと
した。紫外光１６の光源としては、ＫｒＦエキシマレー
ザ（波長２４８ｎｍ）を用い、入射光のエネルギー密度
は１〜５ｍＪ／ｍｍ²になるようにした。作製した基板
型光導波路グレーティングを観察したところ、クラッド
層１３と高ゲルマニウム層１２との境界面および、高ゲ
ルマニウム層１２と基板１１との境界面に気泡の発生は
確認されなかった。

【００２５】（比較例）高ゲルマニウム層を設けない以
外は実施例１と同様にして基板型光導波路グレーティン
グを作製した。作製した基板型光導波路グレーティング
を観察したところ、クラッド層と基板との境界面に気泡
が確認された。これらの結果より、本発明に係る実施例
ではシリコン基板を用いても、気泡の発生が抑制され、
また、反射光のグレーティング部形成過程における影響
も殆どないことが確認された。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、基板型光
導波路に紫外光を照射してコアの屈折率に周期的な変化
を形成するにおいて、シリコン基板とクラッド層の間
に、酸化ゲルマニウムを高濃度で含むＳｉＯ₂からなる
高ゲルマニウム層が設けられた基板型光導波路を用いる
ので、クラッド層側から照射された紫外光は基板型光導
波路に入射し、基板に到達する前に前記高ゲルマニウム
層に吸収される。光導波路グレーティングに用いられる
紫外光の波長においては、前記高ゲルマニム層は、吸収
した入射光（紫外光）を再発光という形で放出するた
め、紫外光の照射に伴う発熱量が少ない。このため、基
板と高ゲルマニウム層の温度が上昇しにくく、従来のよ
うな気泡の発生を抑制することができる。また、入射光
（紫外光）を吸収した後に高ゲルマニウム層から発生す
る光の波長は用いる紫外光の波長とはかけ離れているの
で、入射光と干渉をおこすことがなく、コアの屈折率変
化の形成に影響を与える心配がない。この結果、シリコ
ン基板を用いても入射光を比較的高エネルギー密度に設
定することができ、製造速度が向上する。また、シリコ
ン基板は石英基板よりも大きなものを用いることができ
ので、製造速度が向上し、製造効率の向上とコスト低減
につながる。また、シリコン基板は石英基板よりも安価
であるので、このことからもコスト低減を図ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に用いる基板型光導波路の一例を示す
断面図である。

【図２】本発明の光導波路グレーティングの製造方法
を示す説明図である。

【図３】光導波路グレーティングに用いられる従来の
基板型光導波路の断面図である。

【図４】図３に示した基板型光導波路を用いた光導波
路グレーティングの製造方法を示した説明図である。

【図５】シリコン基板からなる従来の基板型光導波路
グレーティングにおいて気泡が発生した状態を示す図３
と同方向の断面図である。

【符号の説明】

１１…基板、１２…高ゲルマニウム層、１３…クラッド
層、１４…コア、１４ａ…グレーティング部、１６…紫
外光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板型光導波路に紫外光を照射してコア
の屈折率に周期的な変化を形成する光導波路グレーティ
ングの製造方法において、シリコン基板とクラッド層と
の間に高ゲルマニウム層が設けられた基板型光導波路を
用いることを特徴とする光導波路グレーティングの製造
方法。
【請求項２】シリコン基板とクラッド層との間に高ゲ
ルマニウム層が設けられ、前記クラッド層内にはその屈
折率に周期的な変化が形成されたグレーティング部を有
するコアが設けられていることを特徴とする光導波路グ
レーティング。