JPS6053904A - リッジ型光導波路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、光通信や光情報分野で用いられる光集積回路
に必要な光導波路に関し、特に屈折率分布が連続的に変
化する光導波路からなるリッジ型光導波路の構造に関す
るものである。

〔発明の背景〕

近年、光通信の実用化が急速に進展しており。

光部品の小形化、高信頼化が望まれている。

この要求に答えるものが光集積回路（光Ｉ’Ｃ）であり
、また光ＩＣの主要構成要素が光導波路である。

この光導波路は、従来、気相成長法、液相成長法、熱拡
散法、イオン注入法、形状加工法等によって製造されて
いる。

この中で、特に熱拡散法は、光導波路に屈折率分布を持
たすことが出来るので光の集束性を良（することが出来
るという大きな利点がある。

第１図は、従来の熱拡散法による光導波路の製造方法の
一例を示す工程図である。

第１図において、まず工程■で、　ＬｉＮｂＯ３からな
る基板１１の上に、レジストパターン１２を形成スる。

次に工程■で、全体に、ドープ材である金属Ｔｉ１３を
蒸着する。

次に工程■で、レジストパターン１２の部分をエツチン
グすると、必要な部分にだけ金属Ｔｉ１３が残る。

次に工程■刃、全体を加熱すると、基板上の金属Ｔｉ　
１３が基板内部に拡散し２元の基板より屈折率の大きな
光導波路１４が形成される。

上記第１図の方法においては、金属Ｔ１の拡散が不必要
な部分すなわち工程■でレジストツクターン１２があっ
た部分にも多少はみ出すので、先導波路間隔の小さな微
細パターンの製造には不向きであるという欠点がある。

上記の欠点を解決するため、第２図に示すごときリッジ
型光導波路を製造する方法がある。

第２図において、まず工程■で、　ＬｉＮｂＯ３からな
る基板２１の上に、ドープ材である金属Ｔｉ　２２を蒸
着する。

次に工程■で、全体を加熱して基板全面に金属Ｔ１を内
部拡散させ１元の基板２１より屈折率の大きな光導波層
２３を形成する。

次に工程■で、光導波路に対応するレジストパターン２
４を形成する。

次に工程■で、イオンミリング装置を用いてドライエツ
チングし、光導波路部分２５が凸状になつたリッジ型先
導波路を形成する。

この方法は、リソグラフィ技術やドライエッチへ　ング
技術が非常に進歩しているため２例えば光導波路間隔が
１μｍ程度の場合でも適用することが出来、微細化が可
能であるという大きな長所をもっている。

第３図は、上記のようにして製造したりッジ型光導波路
の断面図である。

まず第３図（Ａ）は、前記第２図の工程■で光導波路を
形成したのちに、その上に屈折率の小さいクラッド層３
３（例えばＳｉ３Ｎ４　）を形成したもの。

（Ｂ）は前記第２図の工程■の次に全面にクラッド層３
４を形成し、その後、工程■、■を行なったものである
。

なお第３図において、３１は基板、３２は光導波路を示
す。

また特別なりラッド層を設けず、空気をクラッド層とし
て用いることも出来る。

上記のとと（、熱拡散法によるリッジ型光導波路は優れ
た特性を有しているが、熱拡散法゛では光導波層の屈折
率が連続的に変化い　ステップ型の屈折率分布とはなら
ないため、前記第２図の工程■でエツチングする深さｄ
の値を精密に設定することが困難であるという問題があ
った。

以下詳細に説明する。

第４図は、熱拡散法によって形成した光導波層の屈折率
分布図であり、第４図（Ａ）の光導波層の屈折率分布を
第４図（Ｂ）に示している。

第４図において＋　ｎｌは基板４１の屈折率、ｎｚは光
導波層４２の表面（深さＸ＝Ｏの面）の屈折率＋　ｎ３
はクラッド層４３の屈折率を示し、またａは屈折率が基
板の屈折率ｎ１と等しくなる深さを示す。

第４図に示すごとく、熱拡散法による屈折率分布ｎ（ｘ
、）は、下記（１）式のごときガウス分布となる。

ｎ（ｘ）−（ｎｚ−ｎｌ）ｅｘｐ［−（−Ｔｈ）２］＋
ｎ１−・・−＝−＝−＝１１）なお（１）式において、
αは分布定数であり、屈折率がｎ２ｅ’になる深さに等
しい。

上記のように熱拡散法による光導波層は、屈折率が表面
からの深さによって変化するため、前記第２図の工程■
でエツチングする深さｄをどの程度の値にしたら所望の
特性が得られるかを精密に設定することが困難であった
。

そのため従来は、トライアンドエラーで深さｄを設定し
ていたため、所望の特性を有する単一モードの光導波路
を得ることが困難であり、製造歩留まりが悪く実用的で
ないという問題があった。

また従来は、屈折率がほぼ基板の屈折率ｎ】と等しくな
る深さａ（第４図参照）までエツチングをすることも行
なわれていたが１通常２μｍ以上エツチングをすると、
基板材料（どもよるが加工時間がかなり長くなり、また
深（エツチングすることによって微細化が損なわれやす
いという問題も生じるので、あまり深いエツチングを行
なうことは好ましくない。

〔発明の目的〕

本発明は」二記のごとき従来技術の問題を解決するため
になされたものであり、所望の伝送特性を実現するため
に必要なエツチングの深さｄを定量的に精密に設定した
リッジ型光導波蕗を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

上記の目的を達成するため本発明においては。

前記（１）式のごとき任意の屈折率分布と等価なステッ
プ型の屈折率分布すなわち等価ステップ型屈折率分布を
計算でめ、その等価ステップ型のコア径ｄ’　（ステッ
プ型光導波路の直径）と等しい深さｄまでエツチングす
るように構成している。

以下詳細に説明する。

前記第４図に示した屈折率分布をもつ光導波層を伝搬す
るＴＥモードを考える。

伝搬定数βは、ＷＫＢ近似を用いて下記（２）式でめら
れる。

ｋ　ｆｑ９百四Ｋ）”　ｄｘ なお（２）式において、には波数であり、光の波長をλ
とすればに＝２９である。またｍはモード次数であり、
単一モードの場合はｍ＝１　となる。またｑはｎ（ｘ）
＝＃Ａを満足するＸの値（表面からの深さ）である。

前記（１）式を（２）式に代入すると、単一モード光導
波の条件は２ｍ−１すなわち１≦ｍ＜２であるから。

ｎｌ　ｌ　ｎ２．　ｎ３を一定とすれば下記（３）式で
与えられる。

（ただしｎ２）ｎ１≧ｎ３） すなわち（３）式を満足するαの値ａ、が単一モード伝
送を与える条件である。

次に、第５図に示すように、（１）式の屈折率分布５１
を伝搬するモードと、均一な屈折率をもつステップ型屈
折率分布５２を伝搬するモードとがほぼ同じ伝送特性を
もつならば、（１）式の屈折率分布をステップ型屈折率
分布に置換えることが出来る。そしてこの置換えた等価
ステ・ノブ型屈折率分布をめることが出来れば、その等
価ステップ型のコア径ｄ’　（光導波路の径）と同じ値
だけエツチングしてやれば、所望の伝送特性をもったリ
ッジ型光導波路を実現できることになる。

上記のごとき等価ステップ型のコア径ｄ′をめ。

エツチングの深さｄの値を上記ｄ′と同じ値にしてやれ
ば、無駄なエツチングをする必要がなくなり。

微細化が可能になると共に製造歩留まりが飛躍的に向上
し、かつエツチングの加工時間も短縮することが出来る
。

上記のごとき等価ステップ型のコア径ｄ′は、（２）式
でめられた伝搬定数βを用いて下記（４）式で。

められる。

第６図は、（４）式でめた分布定数αと等価ステツブ型
屈折率分布のコア径ｄ′との関係図である。

第６図の特性は、基板（ＬｉＮｂＯ３）の屈折率ｎ１＝
２．２２　、クラッド層（Ｓｉ３Ｎ４）の屈折率ｎａ＝
２．２０　。

波長λ−０，６３３μｍとした場合の特性を示す。また
パラメータとしては２表面の屈折率ｎ２と上記ｎ１との
差１　ｎ２−ｎ１＝０．００５及び０．００７を用いた
。

第６図において、斜線部分が（３）式の領域外であり、
斜線部分に挾まれた部分が単一モード伝送領域である。

第６図から判るように、上記の例におけるコア径ｄ′す
なわちエツチングすべき深さｄは、ドライエツチングが
充分可能な２μｍ以下の領域にある。

次に２以上の説明では、（１）式の屈折率分布を有する
光導波路について述べたが、一般的な屈折率分布ｎ（Ｘ
）を有するものについても同様な等価ステップ型屈折率
分布を定義できることは勿論である。

次に一般的な場合についての算出方法を説明する。

一般に屈折率分布を。

ｎ（ｘ）＝（ｎ２−ｎｌ）ｆ（ｘ）＋ｎ】・−−（５）
ただしくＰ窩ツぜ二°ｆ　（−））　＝　０とする。

この場合、前記（２）式に相当する伝搬定数βは。

ＷＫＢ近似を用いて下記（６）式でめられる。

ｋｆ語司コｌ）”　ｄｘ＝（ｍ−４）・−また前記（３
）式に相当する単一モード条件となるためには、（６）
式から、下記＋７１．　（８１式を同時に満足する屈折
率分布が必要である。

ｋＳＩ■ｄｘ＝ムーＷ・・・・（７） ｋｆす両回ｄｘ−÷π−Ｗ・・・　・・・・（８）上記
の条件を満足し、かつｍ−＝ｌとした場合の（６）式を
解いて得られる伝搬定数βを（４）式に代入することに
より１等価ステップ型屈折率分布のコア径ｄ′が得られ
る。

なお上記の計算は、コンピュータを用いて容易に算出す
ることが出来る。

また以上の説明は、　ＴＥモードについてのみ述べたが
、ＴＭモードについても同様の取扱いが可能である。

〔発明の実施例〕

次に本発明の詳細な説明する。

前記第３図（Ａ）のリッジ型光導波路において。

基板３１としてＬｉＮｂＯ３のＹカット（光方向Ｘ軸）
を用い、ドープ材として金属Ｔ１を５０ＯＡ蒸着したの
ち、　１０４０℃で酸素雰囲気中で８０時間熱拡散させ
た。

この試料の屈折率分布は、け）式で示したガウス型であ
り、そのときの分布定数α＝２．２μｍｌ　ｎ２＝２．
２０７１ｎ１＝２．２０　（いずれも実測値）であった
。

次に、上記の試料にＡｚレジストパターンヲ幅３μｍ、
厚さ３μｍのストライプ状に形成した後。

イオンミリング装置を用いて２時間工・ノチンク゛し。

深さｄ＝　１．５μｍ（算出値）のり・ンジ型光導波路
を形成した。

この導波路上に、クラ・ンド層として屈折率ｎ３−２．
１８のＳｉ３Ｎ４膜をスノク・ンタリンク゛法で形成し
た。

上記のリッジ型導波路について、　Ｈｅ−Ｎｅレーザを
用いて光の伝送特性を検査したところ、エツチングの深
さを１５μｍより深くした場合と（江（ホ同様の特性が
得られた。

この結果から１本発明によってめた深さｄだけエツチン
グすれば、従来のように２μｍ以上もエツチングするこ
となしに、十分な特性を１尋られることが判る。

なお、特別のクラ・ンド層を設けず、空気をクラッド層
（ｎ３＝１）として用いることも出来る力≦、散乱損失
が大きくなるので、実用的でな（１゜またクラッド層の
屈折率ｎ３の値（ま、基板の屈折率ｎ１よりやや小さい
値が望ましし）。

また前記第３図（Ｂ）に示すごとく、光導波路３２の上
面にだけクラ・リド層３４が設けられてｔＩ）るものは
、側面３５（空気がクラッド層となる）からの光の散乱
損失が大きくなる。したがって第３図（Ａ）に示すごと
（、光導波路を形成したのちに、その全面にクラッド層
を設けたものの方がより優れている。

〔発明の効果〕

以上説明したごとく本発明によれば、エツチングすべき
深さｄを精密にめることが出来る。

そのため無駄なエツチングをする必要がなくなり、微細
化が可能になると共に製造歩留まりが飛躍的に向上し、
かつエツチングの時間も短縮できる等の優れた効果があ
り、光ＩＣの実用化に極めて有効なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、それぞれ従来の熱拡散法・による
光導波路製造工程図、第３図はリッジ型光導波路の断面
図、第４図は光導波層の屈折率分布特性図、第５図は任
意の屈折率分布特性と同等の特性を与える等価ステップ
型屈折率分布特性図。 第６図は分布定数αと等価ステップ型屈折率分布のコア
径ｄ′との関係図である。 符号の説明 ３１・・・基板　Ｊ・・・分布定数 ３２・・・光導波路　β・・・伝搬定数３３・・・クラ
ッド層　ｄ・・・エツチングする深さｎｌ・・・基板の
屈折率　ｄ′・・・コア径ｎ２・・・表面の屈折率 ｎ３・・・クラッド層の屈折率 代理人弁理士　中村純之助 ２ 画一 図　第３　図 ２１ １？５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板上にドープ材を付着させたのち、全体を加熱し
   てドープ材を基板に内部拡散させることにより１元の基
   板より屈折率の大きな光導波層を形成し、該光導波層の
   所定部分をエツチングすることにより、凸状の光導波層
   を形成し、かつ該光導波層を覆うクラッド層を備えたリ
   ッジ型光導波路において、上記光導波層の基板表面から
   の深さＸにおける屈折率分布ｎ　（ｘ）をｎ（ｘ）−（
   ｎ２−ｎ４）ｆ、（ｘ）＋ｎ１　。 ただしｆ（０）＝１．　ｆ（→＝０とした場合に、単一
   モード伝搬条件を満足し、かつ ｋｆ■閥”（／’Ａ）”ｄｘ を満足するβを用いて。 でめられる深さｄまで基板表面からエツチングしてなる
   リッジ型光導波路。 ただし上記各式において、　ｎｌは基板の屈折率。 ｎ２は光導波層表面の屈折率、　ｎ３はクラッド層の屈
   ２π　ｋ 折率、に＝−、λは光の波長、ｑはｎ　（ｘ　）　−ｐ
   を満λ 足するＸの値。 ２　上記の深さｄまでエツチングしたのちに一定の屈折
   率ｎ３のクラッド層を形成したことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載のリッジ型光導波路。