JP3279270B2 - 光導波路及びその作製方法 - Google Patents
光導波路及びその作製方法Info
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Description
られる光導波路及びその作製方法に関し、更に詳細に
は、スポットサイズ変換部付き光導波路に最適な光導波
路及びその作製方法に関するものである。
い、光通信システムの商用化展開が非常な勢いで進んで
いる。例えば、通常の電話回線で3万回線以上を伝送で
きる2.5Gb/sシステムなどが、多くの地域で導入
されている。また、情報伝送容量の拡大にあわせて、波
長多重方式によって多重数倍の大容量化を図る方式が、
既に実用化されるに到っている。初期の数波レベルの波
長多重から、現在では、80波レベルまでの高密度波長
多重方式が商用化されるようになってきた。
は、異なる波長を有する複数の信号光を1本の光ファイ
バに導入するための合波器が、また波長多重された光信
号から、異なる波長の信号に切り分けるための分波器
が、重要な装置となり、その一例として、アレイ導波路
格子(AWG)が注目されている。
間に、同じ光路長差を有するアレイ状の光導波路が形成
されたものであり、アレイ導波路が高次の回折格子の役
割を担うことによって、合分波の機能を果たすものであ
る。Si基板ないし石英ガラス基板上に石英系の光導波
路を形成したAWGは、すでに商用化されており、実際
の光通信システムに用いられている。現在商用化されて
いるAWGは、3cmx4cm程度のサイズのものが一
般的であり、温調機能が必要であることから、パルチエ
素子に貼り付けて、パッケージに収容されており、パッ
ケージ全体のサイズは5cmx6cm程度となるため、
伝送装置のボード内で少なからぬスペースを占有すると
いう問題があって、デバイスの小型化が重要な課題の一
つとなっている。
方向の通信が要求されるアクセス系システムでも、小型
の光導波路デバイスが、強く求められている。合波、分
波、分岐などの機能を有する光導波路デバイスの素子サ
イズは、概略、曲線導波路部分の曲率半径によって制限
される。より小さな曲率半径であって、低損失な曲線導
波路を形成するには、コア層とクラッド層との比屈折率
差Δを大きく設定してやればよい。例えば、通常、石英
系の光導波路で採用される、0.4%程度の比屈折率差
Δの導波路の場合、曲がり損失を0.1dB以内にする
には、曲率半径を40mm以上とする必要があるが、比
屈折率差Δを1%とすることにより、曲率半径を10m
m以下にすることが可能となる。
ングルモード条件を満たすためにコア径を小さくする必
要があり、それに伴い光ファイバのスポットサイズとの
違いによる結合損失が増加してしまい、素子サイズの小
型化は図れても、光モジュールとしての損失増加を招く
という問題が生じる。したがって、小型でかつ低損失な
光モジュールを作製するために、曲線領域を高比屈折率
差Δにして、かつファイバ結合部のスポットサイズを拡
大してファイバとの結合損失を小さくすることが必要で
ある。
法として、導波路幅のみをテーパ状に小さくしていく方
法が知られている。本方法は、非常に簡便な方法ではあ
るが、導波路の高さ方向は一定であるので、伝搬光のT
MモードとTEモードとでシングルモード光ファイバと
の結合損失差が大きくなる、すなわち結合損失の偏向依
存性が大きくなるという問題がある。」
プ状に変化させていく方法が例えば特開平8−1710
20号公報に開示されている。本方法によればコアの
幅、厚さ方向共に小さくしていくことができるので結合
損失の偏向依存性は小さくなると考えられる。しかしな
がら、数μmに及ぶ厚さを高々数段のステップで大きく
変化させることにより、放射による過剰損失は大きくな
る。さらにステップ段数を増やすことにより過剰損失は
低減可能であるが、パターニング工程と膜堆積を繰り返
すことになり、工程が非常に増えるため量産向きとは言
えない。
熱し、コア中のドーパントをクラッドに拡散させること
によってスポットサイズを拡大する方法が例えば特開平
4−220609号公報に開示されている。本方法によ
れば、結合損失の偏向依存性は小さく、かつ、5μmか
ら10μmと大きくスポットサイズを拡大することが可
能となる。しかしながら、レーザにより一ヶ所ずつ加熱
するため例えば数十本にもおよぶアレイ導波路を加熱処
理するのに数時間かかるため、スループットは必ずしも
高いとは言えない。
は、従来例で示した課題を解決して、偏向依存性及び過
剰損失が小さく、工程が簡単で、低コストで量産が可能
な、スポットサイズ変換部付き光導波路に最適な光導波
路及びその作製方法を提供することである。
に、本発明に係る光導波路は、基板上にコアおよびクラ
ッドを有する光導波路において、前記コアの先端部の幅
及び厚さの双方が、コアの先端に向かってテーパー状に
縮小してることを特徴としている。好適には、前記基板
が、Si又は石英ガラスであり、前記コア層およびクラ
ッド層が、P、Ge、及びBのうちの少なくとも一つを
ドーパントとして含有する石英ガラスである。本発明で
は、光導波路のコアが、先端部で幅方向及び厚さ方向と
も、滑らかなテーパー形状になっているので、コア先端
部は、従来より過剰損失の小さいスポットサイズ変換部
として機能する。
係る光導波路の作製方法は、基板上にコアおよびクラッ
ドを有し、かつ前記コアの先端部の幅および厚さをテー
パー状に縮小させた光導波路の作製方法であって、前記
コアの一部を階段状に除去して段差を形成する段差形成
工程と、前記段差上に薄膜を堆積し、段差を滑らかな斜
面に成形する斜面成形工程とを少なくとも有することを
特徴としている。
を、P、Ge、及びBのうちの少なくとも一つをドーパ
ントとして含有する石英ガラスで形成し、斜面成形工程
では、前記薄膜をPおよびBをドーパントとして含む石
英ガラスで形成し、熱処理によるリフローによって、薄
膜を流動化させ、段差を滑らかな斜面に成形する。リフ
ローさせる際の熱処理温度は、800℃以上である。
も一つをドーパントとして含有する石英ガラスで前記コ
ア層およびクラッド層を形成し、斜面成形工程では、ポ
リマーまたはスピンオングラス材を段差上にスピンコー
トして前記薄膜を形成しつつ段差を滑らかな斜面に成形
するようにしても良い。
m 以下の薄膜を段差上に成膜する。また、斜面形成工程
に次いで、段差上の斜面の領域以外の領域の薄膜を除去
する工程を備えている。
相堆積法により、それぞれ、基板上に下部クラッド層を
成膜し、次いで下部クラッド層の上面から所定距離離し
て所定位置にテイパー状のストッパ膜を埋め込みつつコ
ア層を成膜する工程を有し、次いで、段差形成工程で、
ストッパ膜の基端に接する位置でコア層上にエッチング
用マスクを形成し、次いでマスクを使って、ストッパ膜
領域では、ストッパ膜までコア層をエッチングし、スト
ッパ膜以外の領域ではストッパ膜より下方の位置までコ
ア層をエッチングして、コア層に段差を形成する。
示すようなコアの厚さおよび幅がステップ状に減少する
ような形状ではなく、滑らかなテーパー形状のコア先端
部が得られるので、従来より過剰損失の小さいスポット
サイズ変換部として機能する先端部を形成できる。さら
に、本発明による作製方法は、簡便なウェハプロセスの
みで構成されているので、量産性及び低コスト化にも優
れているという特長も有している。
照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明す
る。光導波路の実施形態例 本実施形態例は、スポットサイズ変換部付き光導波路に
本発明に係る光導波路を適用した実施形態の一例であっ
て、図1は本実施形態例のスポットサイズ変換部付き光
導波路の構成を示す斜視図である。本実施形態例の方法
で作製するスポットサイズ変換部付き光導波路10は、
図1に示すように、石英系材料からなるコア1およびク
ラッド層4、5を基板3上に有する光導波路である。光
導波路の端面6付近のコア1の一部は、端面6に近づく
につれて、幅、厚さともに徐々に縮小するテーパ部2を
備えるように加工されている。コア1は、先ず、厚さ方
向でステップ状に薄くなる段差を有するように加工さ
れ、次いで、ステップ状の段差は、第2のコア材料によ
り埋めて、滑らかなテーパー形状のテーパー部2となる
ように成形されている。これにより、テーパー部2がス
ポットサイズ変換部2として機能する。
2、T2(W1>W2、T1>T2)に減少させること
により、コア1中を伝搬する導波光の閉じこめが弱くな
るので、光導波路端面6でのスポットサイズは拡大され
る。また、スポットサイズ変換部2は滑らかなテーパー
形状であるので、放射による損失を低く抑えることがで
きる。
施形態の一例であって、 以下に、図2(a)〜(e)
及び図3(a)〜(e)を参照して、上述のスポットサ
イズ変換部付き光導波路10を作製する方法を説明す
る。図2(a)〜(e)は本実施形態例の光導波路の製
作方法に従ってスポットサイズ変換部付き光導波路10
を作製した際の工程毎の基板断面を示す側面断面図、図
3(a)〜(e)は図2(a)〜(e)に対応する上面
図である。
を用いて、図2(a)に示すように、シリコン(Si)
基板3上に下層クラッド4およびコア層12として石英
系膜を成膜する。下層クラッド4の膜厚は15μm程
度、コア層12の膜厚は4μmである。クラッド4およ
びコア層12の成膜材料には、P、Ge、Bなどをドー
ピングした石英系膜を用いる。屈折率の制御は、各ドー
パントの濃度を変えることにより行う。後の工程でコア
層12の厚さをステップ状に変化させるために、ここ
で、金属膜7をコア層12中に埋め込んでおく。金属膜
7は、下層クラッド4との界面から1.5μm上に形成
する。また、金属膜7は、図3(a)に示すように、先
端に向かって幅が徐々に狭くなるテーパー状として形成
する。コア幅(W1)は4μm、テーパー部の先端部の
幅(W2)は1μmとなるようにする。金属膜7の材料
には、例えばタングステンシリサイド(WSi)などを
用いることができる。
ロセスで、下層クラッド4およびコア層12を成膜する
ことにより、良好な石英系膜を成膜できるので、金属膜
7が熱によって大きなダメージを受けるようなことはな
い。さらに、レジストもしくは金属膜などにより、コア
形成のためのマスク8を形成する。
うに、金属膜7及びマスク8の下で、RIE法によっ
て、コア層12をエッチングして、テーパー部13を先
端に有する階段状のコア1を形成する。その際、金属膜
7がエッチングストップ層となり、コア1の一部にステ
ップ状の段差を形成する。
ように、コア1のうちテーパー状に加工された部分13
を除いて金属膜9を形成する。
ように、次にAPCVDにより膜厚2〜3μm程度の石
英系膜11を全面に成膜し、さらに石英系膜11を熱に
よるリフローさせてコア1の段差が滑らかに埋まるよう
に成形する。更に、石英系膜11上にコア1のテーパ領
域を含むようにマスクを形成する。なお、石英系膜11
は、BPSGは、800℃以上の温度でのアニールによ
り良好なリフロー形状を得ることができるので、少なく
ともPおよびBをドーピングしたもの(BPSG)とす
る。また、P、BとともにGeをドーピング(GBPS
G)してもよい。GBPSGは、BPSGよりもさらに
低温でリフローすることができる。
ように、コア1のテーパー部13以外の余分な石英系膜
をエッチングにより除去する。以上の工程により、幅、
厚さともにテーパー上に滑らかに変化できるようなスポ
ットサイズ変換部2を得ることが可能となる。
m、テーパー先端部のコア幅(W2)および厚さ(T
2)を1μmに設定し、テーパー部13の伝搬軸方向の
長さを500μm、コアとクラッドの比屈折率差Δを1
%とし、本実施形態例の方法に従って、実施形態例のス
ポットサイズ変換部付き光導波路10と同じ構成の試料
導波路を試作した。そして、ファイバとの結合損失を測
定したところ、0.3dBであり、スポットサイズ変換
しない場合の結合損失1.5dBから1.2dBの改善
が見られた。また、比較のためにステップ状のままのコ
ア(リフロー層によって滑らかなテーパー形状にしてな
いもの)を有する試料を試作して、測定したところ、結
合損失は1.0dBであるから、本発明により0.7d
Bの改善が見られたことが分かる。なお、上記の各寸
法、パラメータの値は、本発明の理解のための一例であ
り、この限りではないことは、言うまでもない。
波路の作製方法は、通常の光導波路プロセスとほとんど
変わらないプロセスで構成されているので、量産化につ
いては問題ない。ここで、石英系膜の成膜には、APC
VDを用いたが、これはプラズマCVDであっても、減
圧CVDであっても構わない。また、導波路材料は、石
英系以外にもポリマー系であっても構わない。特に、石
英系膜11(リフロー層)は、ポリマーやSOG(スピ
ンオングラス)などを用いて、スピンコートによって滑
らかなテーパー形状を得ることも可能である。
英ガラスやセラミックなどであってもまったく問題な
い。また、金属膜7には、WSiの代わりにチタンやク
ロムなどでもよい。また、上記実施例ではコア1にステ
ップ状の段差を1段設けたが、この段差をなくして、す
なわち金属膜7を形成するプロセスを含まずにリフロー
層だけでテーパーを形成することも可能である。また逆
に段差を増やしてステップをより細かくしテーパー角が
より浅くなるように設定することも可能である。
かって幅方向、厚さ方向とも縮小されたスポットサイズ
変換部を備えた光導波路を構成することにより、光ファ
イバとの結合損失の小さいスポットサイズ変換部付き光
導波路を実現することができる。また、本発明に係る光
導波路を用いることにより、光導波路デバイスの小型化
が可能になる。また、本発明方法は、本発明に係る光導
波路を簡便な方法で量産できる作製方法を実現してい
る。
路の斜視図である。
の製作方法に従ってスポットサイズ変換部付き光導波路
を作製した際の工程毎の基板断面を示す側面断面図であ
る。
〜(e)に対応する上面図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 基板上にコア層およびクラッド層を有
し、かつ前記コア層の先端部の幅および厚さを前記コア
層の先端に向かってテーパー状に縮小させた光導波路の
作製方法であって、 前記コア層の一部を横断面でテーパー状にかつ縦断面で
階段状に除去して、前記コア層がテーパー状面を上面と
して有する段差を備えるように形成されたコア層段差を
設ける段差形成工程と、 前記コア層段差上に薄膜を堆積し、前記コア層段差を滑
らかな斜面に成形する斜面成形工程と、 前記滑らかな斜面の領域を除いて、前記コア層上の薄膜
をエッチングにより除去する薄膜除去工程とを少なくと
も有することを特徴とする、光導波路の作製方法。 - 【請求項2】 P、Ge、及びBのうちの少なくとも一
つをドーパントとして含有する石英ガラスで前記コア層
およびクラッド層を形成し、 斜面成形工程では、PおよびBをドーパントとして含む
石英ガラスで前記薄膜を形成し、熱処理によるリフロー
によって薄膜を流動化させ、前記コア層段差を滑らかな
斜面に成形することを特徴とする、請求項1に記載の光
導波路の作製方法。 - 【請求項3】 リフローさせる際の熱処理温度は、80
0℃以上であることを特徴とする、請求項2に記載の光
導波路の作製方法。 - 【請求項4】 P、Ge、及びBのうちの少なくとも一
つをドーパントとして含有する石英ガラスで前記コア層
およびクラッド層を形成し、 斜面成形工程では、ポリマーまたはスピンオングラス材
を前記コア層段差上にスピンコートして前記薄膜を形成
しつつ前記コア層段差を滑らかな斜面に成形することを
特徴とする、請求項3に記載の光導波路の作製方法。 - 【請求項5】 斜面形成工程では、膜厚が2μm 以上3
μm 以下の薄膜を前記コア層段差上に成膜することを特
徴とする請求項1から4のうちのいずれか1項に記載の
光導波路の作製方法。 - 【請求項6】 斜面形成工程に次いで、前記コア層段差
上の斜面の領域以外の領域の薄膜を除去する工程を備え
ていることを特徴とする請求項1から5のうちのいずれ
か1項に記載の光導波路の作製方法。 - 【請求項7】 常圧化学気相堆積法により、それぞれ、
基板上に下部クラッド層を成膜し、次いで下部クラッド
層の上面から所定距離離して所定位置にテイパー状のス
トッパ膜を埋め込みつつコア層を成膜する工程を有し、 次いで、段差形成工程で、ストッパ膜の基端に接する位
置でコア層上にエッチング用マスクを形成し、次いでマ
スクを使って、ストッパ膜領域では、ストッパ膜までコ
ア層をエッチングし、ストッパ膜以外の領域ではストッ
パ膜より下方の位置までコア層をエッチングして、コア
層に前記コア層段差を形成することを特徴とする請求項
1から6のうちのいずれか1項に記載の光導波路の作製
方法。
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- 1998-11-04 JP JP31332698A patent/JP3279270B2/ja not_active Expired - Fee Related
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