JPH103016A - 導波路型光部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コアを変形させることなくコア内に安全、か
つ効率よく水素を充填することができる導波路型光部品
の製造方法を提供する。 【解決手段】 スパッタリング法は、熱的な気化・蒸発
機構を伴わない成膜方法であるため、Ａｒ等のスパッタ
リングガスにＨ₂ ガスを混合して真空チャンバ１０内で
スパッタリングを行うことにより、容易にコアガラス膜
内に水素を取り込ませることができる。スパッタリング
による成膜方法は、非常に高温な雰囲気に晒されるもの
ではないので、一度コアガラス膜中に取り込まれた水素
が外部に拡散したり、消え出たりすることが少ない。こ
のため水素ローディング法やフレームブラッシング法の
場合と同程度の水素を安全、かつ効率的にコアガラス内
に充填することができる。また、水素を充填したＳｉＯ
₂ −ＧｅＯ₂ コアガラスに紫外光を照射すれば、高感度
で光誘起屈折率変化を起こさせることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光部品の製造方法
に関し、特に導波路型光部品の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】光を利用した通信システムの普及に伴
い、より低損失で信頼性の高い光部品の開発が盛んに進
められている。特に平面光導波路型の光部品は、その低
損失性に加え複雑な回路を一括して基板上に形成できる
ことから高集積光回路素子として最も注目を集めてい
る。

【０００３】これら平面光導波路型光部品は、熱酸化膜
付きＳｉ基板や石英基板の上に屈折率の高いコアと呼ば
れる光の伝搬領域を形成し、さらにコアを低屈折率のク
ラッド領域で覆った構造をとるのが一般的である。特に
コア領域の材料組成は、光ファイバとの整合性に優れ、
低損失材料として実績のあるゲルマニウム（以下「Ｇ
ｅ」）を添加した酸化ケイ素ガラスが有効であるとされ
ている。

【０００４】一方、Ｇｅ添加石英系光ファイバを用い
て、紫外線を照射することによりコアの屈折率を局所的
に変化させる研究が活発に行われている。紫外線照射に
よる屈折率変化のメカニズムは未だ不明な点が多いが、
屈折率変化の原因として以下の２点が考えられる。

【０００５】1) まずＧｅを添加した酸化ケイ素ガラス
において、Ｓｉの方がＧｅよりも酸化しやすいため酸素
と結合できずにＧｅの一部がＧｅ同士で弱く結合した酸
素欠乏欠陥ができる。この部分に高エネルギーの紫外線
を照射すると、Ｇｅ同士の結合が切れ、Ｇｅの電子が価
電子帯から伝導帯に移動する。すると電子の移動により
酸化ゲルマニウムの吸収波長とは異なる波長の光を吸収
するようになり、クラマース・クローニッヒの関係に従
い屈折率の変化が生じる。

【０００６】しかしこの理論だけでは１０^-3にも及ぶ屈
折率変化は説明できない。

【０００７】2) そこで最近では欠陥の変化による密度
変化による影響が主たるメカニズムであるという考え方
が一般的である。すなわち紫外線吸収によりＧｅ同士で
弱く結合した酸素欠乏欠陥の結合が切れ、この付近のガ
ラスの網目構造が収縮し密度が局所的に高くなる。その
結果この密度変化分だけ屈折率が高くなると考えられて
いる。

【０００８】コアに周期的に屈折率の変化を与えればグ
レーティング（回折格子）となり特定の波長のみを反射
するフィルタとして利用できる。このような光部品はフ
ァイバグレーティングと呼ばれ、従来のバルク型の回折
格子に比べて極めて小型であるうえ、他の光ファイバと
の接続も容易である。この技術を応用すれば単に波長を
分別するフィルタとしての機能以外にも、単一周波数発
振のレーザや光パルスの圧縮・整形、分散補償等様々な
機能をもった光部品として利用できる。また光通信の分
野以外でもセンサやメモリとして計測や情報処理の分野
でも幅広く応用されるものと考えられている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来技術においては以下のような問題がある。

【００１０】まず、Ｇｅを添加した酸化ケイ素ガラス導
波路（ファイバ）の自然感光性は、応用に必要な光誘起
屈折率変化Δｎ（＞１０^-3）を与えるにはあまりにも小
さすぎる。そこで光ファイバ固有の感光性を増加させる
ために水素ローディング法やフレームブラッシング法等
の方法が提案された。

【００１１】これらの方法はいずれもコア内部に水素を
拡散させたり、充填させたりすることによって感光性を
増加させるものである。

【００１２】水素ローディング法は、光ファイバを高
圧、高純度の水素雰囲気中に長期間晒すことによって光
ファイバ中に水素を拡散・充填させる方法である。この
方法は通常、光ファイバを１００〜２００気圧のもとで
約１週間程保持しなければならないので生産効率が悪
く、安全上慎重に行う必要がある。

【００１３】フレームブラッシング法は、酸水素バーナ
ーの火炎で光ファイバをブラッシングすることにより光
ファイバ中に水素を拡散させる方法である。この方法は
短時間で水素拡散・充填を行うことができるが、コアが
高温に晒されるためコアの形状そのものが変形したり、
或いはドーパントであるＧｅが熱により周辺部へ拡散
し、これによってコアの屈折率分布が大きく変化してし
まうおそれがある。このようになってしまった光導波路
では損失が増加したり、所望の特性を得ることができな
い。

【００１４】これら水素ローディング法やフレームブラ
ッシング法を用いてコア内への水素充填により実用上十
分な光誘起屈折率変化を得ることができる。しかしこれ
らの水素処理方法には上記のような生産性、安全性、変
形等の問題がある。

【００１５】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、コアを変形させることなくコア内に安全、かつ効率
よく水素を充填することができる導波路型光部品の製造
方法を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、ＳｉＯ₂ 、ＧｅＯ₂ 或いはＳｉＯ₂ とＧｅ
Ｏ₂ との混合物をスパッタリングターゲット材として、
低屈折率層を有する基板上にスパッタリング法によりＳ
ｉＯ₂ −ＧｅＯ₂ 組成のコアガラス膜を形成する工程
と、コアガラス膜をフォトリソグラフィ及びドライエッ
チングにより略矩形断面形状のコアに加工する工程と、
基板上のコア全体を低屈折率のクラッドガラス膜で被覆
する工程とからなる導波路型光部品の製造方法におい
て、スパッタリング法によるコアガラス膜の形成を、不
活性ガスと水素ガスとの混合ガス中で行うものである。

【００１７】上記構成に加え本発明のスパッタリング法
によりコアガラス膜を形成する工程は、スパッタリング
時に導入する全ガス量中の水素ガスの混合比を３〜３０
％の範囲内とし、スパッタリング時のガス圧力を０．０
１〜１Ｐａの範囲内とし、基板にバイアス電力を印加し
ながら行うのが好ましい。

【００１８】上記構成に加え本発明は、コアの少なくと
も一部に紫外光を照射することによりコアの屈折率を変
化させるのが好ましい。

【００１９】スパッタリング法は、熱的な気化・蒸発機
構を伴わない成膜方法であるため、アルゴン等のスパッ
タリングガスに水素ガスを混合してスパッタリングを行
うことにより、容易にコアガラス膜内に水素を取り込ま
せることができる。スパッタリングによる成膜方法は、
非常に高温な雰囲気に晒されるものではないので、一度
コアガラス膜中に取り込まれた水素が外部に拡散した
り、消え出たりすることが少ない。このため水素ローデ
ィング法やフレームブラッシング法の場合と同程度の水
素を安全、かつ効率的にコアガラス内に充填することが
できる。

【００２０】このように本発明によるコアへの水素の充
填は、長期間かつ安全上細心の注意を要するような製造
工程や導波路の光学的特性を劣化させるような過剰加熱
の製造工程を省略することができる。またスパッタリン
グ法によるコア膜形成時に水素を充填することは、Ｇｅ
同士で弱く結合した酸素欠乏欠陥を効率よく形成でき
る。従って水素ローディング法やフレームブラッシング
法等の後処理として水素を充填する方法よりも感光性の
増強に効果がある。このようにして水素を充填したＳｉ
Ｏ₂ −ＧｅＯ₂ コアガラスに紫外光を照射すれば、高感
度で光誘起屈折率変化Δｎを起こさせることができる。

【００２１】ここで、成膜されるコア膜の組成比及び屈
折率は、主にＳｉＯ₂ 酸化物粉体とＧｅＯ₂ 酸化物粉体
の混合割合によって制御でき、水素の含有量には大きく
依存しないのでスパッタリング時に水素ガスを混合する
ことはコアの屈折率を制御する上で大きな障害にはなら
ない。

【００２２】また、スパッタリング法により形成された
ＳｉＯ₂ −ＧｅＯ₂ コア膜は、水素充填を促進する目的
で水素を過剰に導入すると成膜速度が極端に低下するこ
とからμｍオーダの膜付け方法としては不適である。こ
のため、上述した方法によりＳｉＯ₂ −ＧｅＯ₂ コア膜
を形成する場合には、導入する全ガス量中の水素ガスの
混合比は３〜３０％の範囲内となるように設定すること
が好ましい。

【００２３】さらに、スパッタリング時のガス圧力は、
アルゴン等のスパッタリングガスや水素ガス導入量と共
に成膜速度、膜の密度及び膜中の水素含有量を制御する
ための重要なパラメータである。

【００２４】本発明者らの検討結果ではＳｉＯ₂ −Ｇｅ
Ｏ₂ コア膜を形成するための適切な圧力範囲は０．０１
〜１Ｐａであった。この範囲外では密度の低い膜とな
り、屈折率、膜厚、基板の反り量の変動が大きな膜しか
得られなかった。

【００２５】さらに真空チャンバ内に導入される水素ガ
スの流量或いは混合の割合が同じでも、基板にバイアス
電圧を印加すればより多くの水素をコア膜内に取り込む
ことができる。すなわち基板に印加するバイアス電圧を
調整することにより膜への水素の取り込み率を制御しな
がら膜形成することができる。このようにスパッタリン
グ条件は、製造効率、導波路の光学的性能を維持しなが
ら、かつ水素をコア膜内に効率よく充填するうえで重要
である。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて詳述する。

【００２７】図１は本発明の導波路型光部品の製造方法
を適用したスパッタリング装置の平面概略図である。

【００２８】同図に示すように、真空チャンバ１０内に
１２角形（図では１２角形であるが限定されない）の基
板ホルダ１１が中心軸１２の回りに回転自在に設けられ
ており、その基板ホルダ１１の外周側面には複数（図で
は１２枚であるが限定されない）の基板１３が取り付け
られている。真空チャンバ１０の４つの内壁にはスパッ
タリングターゲット（以下「ターゲット」）１４ａ，１
４ｂ，１４ｃ，１４ｄが取り付けられており、各ターゲ
ットはそれぞれ高周波電源１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１
５ｄに接続されている。

【００２９】このようなスパッタリング装置を用いた導
波路型光部品の製造方法について述べる。

【００３０】まず真空チャンバ１０内を１×１０^-5Ｐａ
以下の真空度まで排気する。基板１３には石英基板を用
いたが、低屈折率層を有したＳｉ基板等を用いてもよ
い。

【００３１】次に真空チャンバ１０内にスパッタリング
ガスであるアルゴンガス（以下「Ａｒガス」）を１００
ｓｃｃｍ及び水素ガス（以下「Ｈ₂ ガス」）を１０ｓｃ
ｃｍ導入し、真空チャンバ１０内のガス圧力を０．３Ｐ
ａに保持し、基板ホルダ１１を矢印Ａ方向（逆でもよ
い）に回転させながら、各ターゲット１４ａ，１４ｂ，
１４ｃ，１４ｄに各高周波電源１５ａ，１５ｂ，１５
ｃ，１５ｄより８Ｗ／ｃｍ² の高周波電力を供給し成膜
を行った。

【００３２】ここで各ターゲット１４ａ，１４ｂ，１４
ｃ，１４ｄには全てＧｅＯ₂ を１０ｍｏｌ％含有する同
一形状のＳｉＯ₂ 板を用いたが、本実施の形態のように
複数のターゲット１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄを装
着できる装置の場合には、ＧｅＯ₂ 或いはＳｉＯ₂ がそ
れぞれ１００％のターゲットを用いてそれぞれのターゲ
ットに独立に高周波電圧を印加すれば、基板上に形成さ
れるコア膜の屈折率を任意の値に調整することができ
る。

【００３３】本実施の形態では導波路コア用のガラス膜
の厚さは、光ファイバとの結合を考慮して光ファイバの
コア径と略等しい６μｍに設定することとした。

【００３４】また、上述したスパッタリング法により形
成されたＳｉＯ₂ −ＧｅＯ₂ コア膜は、水素充填を促進
する目的でＨ₂ ガスを過剰に導入すると成膜速度が極端
に低下することからμｍオーダの膜付け方法としては適
さない。このため、上述した方法によりＳｉＯ₂ −Ｇｅ
Ｏ₂ コア膜を形成する場合には導入する全ガス量中のＨ
₂ ガスの混合比は３〜３０％の範囲内となるように設定
した。

【００３５】また、スパッタリング時のガス圧力はＡｒ
ガスやＨ₂ ガスの導入量と共に成膜速度、膜の密度及び
膜の酸化状態を制御するために重要なパラメータであ
る。検討の結果ＳｉＯ₂ −ＧｅＯ₂ コア膜を形成するた
めの適切な圧力範囲は０．０１〜１Ｐａであった。この
範囲外では密度の低い膜となり、屈折率、膜厚、基板の
反り量の変動が大きな膜しか得られなかった。

【００３６】さらに成膜時にそれぞれのターゲットに印
加する高周波電圧は、成膜速度を直接制御する要因であ
るが、ＳｉＯ₂ −ＧｅＯ₂ コア膜を形成する場合には、
内部応力や屈折率も印加電圧によって変化する。高温熱
処理時に内部応力や屈折率変動の少ない膜を形成するた
めには、１ターゲット当たり２〜１０（Ｗ／ｃｍ² ）の
範囲の電力で成膜されることが好ましい。

【００３７】図２は本発明の導波路型光部品の製造方法
を示す工程図である。

【００３８】まず図１に示したスパッタリング装置を用
いて基板１３上にＳｉＯ₂ −ＧｅＯ₂ 組成のコアガラス
膜１６ａを形成する。このコアガラス膜１６ａ上に導波
路用のパターンをフォトリソグラフィにより形成した
後、これら導波路のパターンをもとにＣＨＦ₃ ガスを用
いた反応性イオンエッチング（ドライエッチング）によ
りコアガラス膜１６ａを略矩形断面形状のコア１６に加
工する。さらに基板１３上の略矩形断面形状に加工され
たコア１６全体にプラズマＣＶＤ法又はスパッタリング
法によりＧｅを含まない低屈折率のＳｉＯ₂ ガラス膜を
積層させて上側クラッド層１７を形成した。

【００３９】以上において、コア１６のサイズ６μｍ×
６μｍのＳｉＯ₂ −ＧｅＯ₂ 導波路を評価した結果、伝
送損失０．０５ｄＢ／ｃｍ以下の低損失な導波路型光部
品が実現できることが確認できた。

【００４０】これにより水素をコア膜形成時に充填して
も本実施の形態によれば伝送損失に大きな影響を与えな
いことが分かった。

【００４１】図３は図１に示した装置によって形成され
た導波路型光部品に光誘起屈折率変化をもたらす方法を
示す模式図である。

【００４２】同図に示す方法は、導波路型光部品２０に
紫外線（エキシマレーザ光）２１を照射してグレーティ
ングを形成するものである。前述したような構造及び材
料組成からなる導波路型光部品２０上にグレーティング
のパターンが書き込まれたフェイズマスク２２を置き、
その上からレンズ２３によって適当なビーム形状に整形
された波長２４８ｎｍのエキシマレーザ光２１を照射す
る。感光による屈折率変化によって得られるグレーティ
ング長はミラー２４及びレンズ２３を移動してエキシマ
レーザ光２１を走査したり、導波路型光部品２０を移動
したりして調節される。このようにして導波路型光部品
２０のコアにグレーティングを形成した結果、長さ５ｍ
ｍ、波長１５３５ｎｍにおける反射率９９．８％以上、
光誘起屈折率変化Δｎが１０^-3以上のグレーティングが
得られた。

【００４３】以上において本発明によれば、紫外線照射
による屈折率変化を増加させるために水素ローディング
やフレームブラッシング等による水素充填を必要としな
い。その結果、長期間かつ安全上細心の注意を要するよ
うな製造工程、或いは導波路の光学的特性を劣化させる
ような過剰加熱の製造工程を必要としない。また、本発
明によれば、基板にバイアス電圧を印加したため、紫外
光照射時の屈折率変化に寄与する酸素欠乏欠陥の量も制
御することができる。さらに本発明は、従来の製造装置
によって成し得るものであり、特に様々な機能を有する
平面光導波路型光部品にも容易に適用できる。

【００４４】

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、次のよう
な優れた効果を発揮する。

【００４５】スパッタリング法によるコアガラス膜の形
成を、不活性ガスと水素ガスとの混合ガス中で行うこと
により、コアを変形させることなくコア内に安全、かつ
効率よく水素を充填することができる導波路型光部品の
製造方法の提供を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の導波路型光部品の製造方法を適用した
スパッタリング装置の平面概略図である。

【図２】本発明の導波路型光部品の製造方法を示す工程
図である。

【図３】図１に示した装置によって形成された導波路型
光部品に光誘起屈折率変化をもたらす方法を示す模式図
である。

【符号の説明】

１０ 真空チャンバ １１ 基板ホルダ １３ 基板 １４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ スパッタリングター
ゲット（ターゲット） １５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ 高周波電源

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＳｉＯ₂ 、ＧｅＯ₂ 或いはＳｉＯ₂ とＧ
   ｅＯ₂ との混合物をスパッタリングターゲット材とし
   て、低屈折率層を有する基板上にスパッタリング法によ
   りＳｉＯ₂ −ＧｅＯ₂ 組成のコアガラス膜を形成する工
   程と、該コアガラス膜をフォトリソグラフィ及びドライ
   エッチングにより略矩形断面形状のコアに加工する工程
   と、基板上のコア全体を低屈折率のクラッドガラス膜で
   被覆する工程とからなる導波路型光部品の製造方法にお
   いて、上記スパッタリング法によるコアガラス膜の形成
   を、不活性ガスと水素ガスとの混合ガス中で行うことを
   特徴とする導波路型光部品の製造方法。
2. 【請求項２】 上記スパッタリング法によりコアガラス
   膜を形成する工程は、スパッタリング時に導入する全ガ
   ス量中の水素ガスの混合比を３〜３０％の範囲内とし、
   スパッタリング時のガス圧力を０．０１〜１Ｐａの範囲
   内とし、基板にバイアス電力を印加しながら行う請求項
   １記載の導波路型光部品の製造方法。
3. 【請求項３】 上記コアの少なくとも一部に紫外光を照
   射することによりコアの屈折率を変化させる請求項１記
   載の導波路型光部品の製造方法。