(57)【要約】【課題】  同一基板上において、各基本光回路をその特性を損なうことなく接続した光導波路素子とその製造方法を提供する。【解決手段】  光合分波部１４を介して入力導波路１２と出力導波路１３とが光学的に接続された光導波路素子において、上記入力導波路１２のコアの断面を矩形状に形成し、上記出力導波路１３，１３のコアの互いに対向する側の側壁１８，１８を仰角を設けてテーパ状に形成すると共に、他方のコアの側壁１９，１９を垂直に形成した。【選択図】  図１
2006330245.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光合分波部を介して入力導波路と出力導波路とが光学的に接続された光導波路素子において、上記入力導波路のコアの断面を矩形状に形成し、上記光合分波部近傍の出力導波路のコアの互いに対向する側の側壁を仰角を設けてテーパ状に形成すると共に、他方のコアの側壁を垂直または仰角を設けてテーパ状に形成することを特徴とする光導波路素子。
【請求項２】
上記出力導波路の光合分波部近傍のコアの互いに対向する側の側壁をテーパ状に形成した請求項１記載の光導波路素子。
【請求項３】
テーパ状に形成された側壁のテーパ部の仰角が７５±１０度に形成される請求項１または２記載の光導波路素子。
【請求項４】
上記出力導波路の光合分波部直近の各テーパ部を上記仰角を保った状態で重なり合わせた請求項３記載の光導波路素子。
【請求項５】
上記出力導波路のコア断面が矩形状の矩形状出力導波路と、コアがテーパ状に形成されたテーパ状出力導波路との境界に、ダミー導波路を形成し、そのダミー導波路の入力導波路側のコアの側壁がテーパ状に形成されると共に、その反対側のコアの側壁が垂直またはテーパ状に形成される請求項１〜４いずれかに記載の光導波路素子。
【請求項６】
上記出力導波路のコア幅の平均と上記矩形状出力導波路のコア幅とが略等しく形成される請求項５記載の光導波路素子。
【請求項７】
光合分波部を介して入力導波路と出力導波路とが光学的に接続された光導波路素子の製造方法において、基板上に、コアを形成するためのコア膜を設け、そのコア膜上に第１のマスクを設け、そのマスクが設けられたコア膜の非マスク部分をエッチングして、上記出力導波路のコアの互いに対向する側の側壁を仰角を設けてテーパ状に形成すると共に、上記コア膜上に第２のマスクを設け、そのマスクが設けられたコア膜の非マスク部分をエッチングして、上記出力導波路のコアの他側の側壁及び上記入力導波路のコアの両側壁を垂直に形成することを特徴とする光導波路素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信に用いられる平面型の光導波路素子及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信で用いられる平面型光導波路素子は、光波長合分波器、光可変減衰器、Ｙ分岐導波路、方向性結合器などの基本回路と、それら基本回路同士を接続する複数の光導波路とを備える。各基本回路の回路自体の特性を最適にするために、各基本回路が有するチャネル型の光導波路のコアの形状は、コアの側壁の傾斜角に関して２種類に分類される。
【０００３】
一方はコアの両側壁をテーパ状に形成するものであり、他方はコアの両側壁を基板に対して垂直に形成するものである。テーパ状の各コア側壁は、アレイ導波路型光波長合分波器におけるアレイ導波路や、Ｙ分岐導波路の分岐部での損失を低減するために形成されている。垂直状の各コア側壁は、方向性結合器、ＭＭＩカプラ、マッハツェンダ型光導波路等干渉光回路での損失を低減するために形成される。基本光回路同士を接続する光導波路、或いは基本光回路の入出力用導波路のコアは、その断面が矩形状に形成されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−７７８５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、コア側壁の形状において、各基本光回路ごとに望ましい形状があるが、多種類の基本光回路を同一基板上にモノリシックに集積して作製する場合には、テーパ状のコアまたは矩形状コアのどちらか一方を選択しなければならない。テーパ状コアが望ましい基本光回路と矩形状コアが望ましい基本光回路が混在する平面型光導波路素子を形成する場合、その平面型光導波路素子を構成するすべての基本光回路の特性を損なうことなく接続することは困難であった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、同一基板上において、各基本光回路をその特性を損なうことなく接続した光導波路素子とその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、光合分波部を介して入力導波路と出力導波路とが光学的に接続された光導波路素子において、上記入力導波路のコアの断面を矩形状に形成し、上記光合分波部近傍の出力導波路のコアの互いに対向する側の側壁を仰角を設けてテーパ状に形成すると共に、他方のコアの側壁を垂直または仰角を設けてテーパ状に形成する光導波路素子である。
【０００８】
請求項２の発明は、上記出力導波路の光合分波部近傍のコアの互いに対向する側の側壁をテーパ状に形成した請求項１記載の光導波路素子である。
【０００９】
請求項３の発明は、テーパ状に形成された側壁のテーパ部の仰角が７５±１０度に形成される請求項１または２記載の光導波路素子である。
【００１０】
請求項４の発明は、上記出力導波路の光合分波部直近の各テーパ部を上記仰角を保った状態で重なり合わせた請求項３記載の光導波路素子である。
【００１１】
請求項５の発明は、上記出力導波路のコア断面が矩形状の矩形状出力導波路と、コアがテーパ状に形成されたテーパ状出力導波路との境界に、ダミー導波路を形成し、そのダミー導波路の入力導波路側のコアの側壁がテーパ状に形成されると共に、その反対側のコアの側壁が垂直またはテーパ状に形成される請求項１〜４いずれかに記載の光導波路素子である。
【００１２】
請求項６の発明は、上記出力導波路のコア幅の平均と上記矩形状出力導波路のコア幅とが略等しく形成される請求項５記載の光導波路素子である。
【００１３】
請求項７の発明は、光合分波部を介して入力導波路と出力導波路とが光学的に接続された光導波路素子の製造方法において、基板上に、コアを形成するためのコア膜を設け、そのコア膜上に第１のマスクを設け、そのマスクが設けられたコア膜の非マスク部分をエッチングして、上記出力導波路のコアの互いに対向する側の側壁を仰角を設けてテーパ状に形成すると共に、上記コア膜上に第２のマスクを設け、そのマスクが設けられたコア膜の非マスク部分をエッチングして、上記出力導波路のコアの他側の側壁及び上記入力導波路のコアの両側壁を垂直に形成する光導波路素子の製造方法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、複数の基本光回路を接続した光導波路の損失を低減することができるといった優れた効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１６】
図１は本発明に係る光導波路素子の好適な実施の形態を示した平面図である。
【００１７】
図１、図２（ａ）〜図２（ｅ）に示すように、光導波路素子１０は、基板１１と、その基板１１上に形成されるコアと、そのコアを覆うクラッドとからなる。基板１１、コア及びクラッドは石英系ガラスで形成され、コアはクラッド及び基板より高屈折率となっている。
【００１８】
光導波路素子は、光合分波部を介して入力導波路と出力導波路とが光学的に接続されたものであり、本実施の形態の光導波路素子１０では、入力導波路１２と、その入力導波路１２の一端に接続される２本の出力導波路１３，１３と、入力導波路１２に出力導波路１３，１３が分岐接続されて形成される光合分波部１４とでＹ分岐導波路素子を形成している。
【００１９】
入力導波路１２は、外部より伝送された光信号を光合分波部１４に入射させる或いは、光合分波部１４で合流された光信号を外部に伝送する光導波路であり、コアの両側壁１７，１７が基板１１に垂直に、すなわちコアの断面が矩形状に形成されている。
【００２０】
出力導波路１３は、テーパ状出力導波路１５と矩形状出力導波路１６とからなる。テーパ状出力導波路１５は、光合分波部１４の近傍において、コアの一方の側壁１９が基板１１に対して垂直に形成され、他方の側壁１８が仰角を設けてテーパ状に形成された光導波路である。矩形状出力導波路１６は、コアの両側壁２０，２０が基板に垂直に形成された断面矩形状の光導波路であり、テーパ状出力導波路１５を介して入力導波路１２に接続されている。
【００２１】
具体的には、テーパ状出力導波路１５，１５の互いに対向する側のコアの側壁１８，１８がそれぞれテーパ状に形成され、その反対側の側壁１９，１９がそれぞれ垂直に形成されている。テーパ状に形成された側壁１８の下方のコアはテーパ部２１とする。テーパ部２１の仰角は７５±１０度に形成されるのが好ましい。テーパ部２１の仰角を８５度を超えて形成すると、光合分波部１４で損失を低減することが困難となるためである。また、テーパ部２１の仰角の下限を６５度としたのは、現在、テーパエッチングのプロセス条件を種々検討しても、テーパ部２１の仰角を６５度未満に形成することは困難なためである。
【００２２】
光合分波部１４の直近のテーパ状出力導波路１５では、両テーパ状出力導波路１５，１５のテーパ部２１，２１がその仰角を保ったまま相互に重なり合うように形成される。すなわち、両テーパ状出力導波路１５，１５が互いに離れるに従い、コアの上面中央から徐々に互いに接触する部分が小さくなってテーパ部２１，２１が互いに離れている。換言すれば、両テーパ部２１，２１の下縁２２，２２の交点と両テーパ部２１，２１の上縁２３，２３の交点とを結ぶ線（谷線）２４を境に両テーパ部２１，２１が結合している。ここで、光合分波部１４の直近とは、光合分波部１４に連続して形成された出力導波路１３が光の伝搬方向（図１右側）に進むに従ってコア幅が徐々に広がり、入力導波路１２のコア幅と略等しくなる付近までを表す。
【００２３】
出力導波路１３において、テーパ状出力導波路１５のコア幅の平均と矩形状出力導波路１６のコア幅は、略等しく形成され、共に垂直に形成された外側のコア側壁１９，２０同士が直線的に接している。ここで、テーパ状出力導波路１５のコア幅の平均とは、（コア上面の幅ｌ1＋コア下面ｌ2の幅）÷２で表される長さのことを示す（図２（ｃ）参照）。
【００２４】
さらに、テーパ状出力導波路１５と矩形状出力導波路１６との各境界２５には、他方の境界２５に向かうダミー導波路２６が形成されている。ダミー導波路２６は、入力導波路１２側のコアの側壁２７がテーパ状に形成され、その反対側の側壁２８が基板１１に対して垂直に形成されている。ダミー導波路２６は、テーパ状出力導波路１５及び矩形状出力導波路１６を伝搬する光信号の特性に影響を付与しないように、テーパ状出力導波路１５及び矩形状出力導波路１６に対して９０°に近い角度で（略直角に）接続して形成される。ダミー導波路２６を略直角に接続することで、テーパ状出力導波路１５から伝搬する光信号或いは矩形状出力導波路１６から伝搬する光信号が、ダミー導波路２６に伝搬することがない。また、本実施の形態では、一方の境界２５と他方の境界２５とを一本のダミー導波路２６で接続、連結しているが、一方の境界２５と他方の境界２５を必ずしも連結させなくともよい。
【００２５】
尚、図１では、縦のスケールと横のスケールとが大幅に異なり、光伝搬方向（図中横方向）に圧縮して表示しているが、本実施の形態における分岐角は非常に小さいものであり、例えば、１°未満に形成されている。
【００２６】
次に、図１の光導波路素子１０の製造方法を２Ｃ−２Ｃ断面部を例に挙げ、図３（ａ）〜図３（ｇ）に基づいて説明する。
【００２７】
図３（ａ）に示すように、まず基板１１上に、慣用の成膜方法を用いて、膜厚が一様のコア膜３１を設ける。次に、そのコア膜３１上に、エッチングマスクとするためのマスク材３２を設ける。本実施の形態では、マスク材３２をWSiで形成した。
【００２８】
図３（ｂ）に示すように、マスク材３２にフォトリソグラフィ及びエッチングを施して光導波路のパターンを有する第１のマスク３３を形成する。第１のマスク３３の有するパターンは、図３（ｃ）で述べるコア側壁１８を形成するためのパターンである。その後、コア膜３１の非マスク部分３８をエッチングする（第１エッチング）。このとき、エッチング条件、例えば、基板加熱温度、エッチャントガスの種類、そのガスの混合比、エッチャントガスのガス圧、プラズマ発生用の高周波電力等を適宜選定することで、コア膜３１を所望の傾斜角度でエッチングすることができ、図３（ｃ）に示すように、テーパ状のコア側壁１８が形成される。本実施の形態では傾斜角度を７５度とするようにエッチング条件を設定してエッチングした。
【００２９】
第１エッチングした後、コア膜３４上の第１のマスク３３を剥離する。
【００３０】
図３（ｄ）に示すように、コア側壁１８が形成されたコア膜３４及び基板１１上にマスク材３５を設ける。マスク材３５はマスク材３２と同様に、WSiで形成した。ここで、マスク材３５の厚さは、後に行う第２エッチングによるサイドエッチに耐えるために、コア膜３４の膜厚×0.05以上とするのが好ましい。
【００３１】
図３（ｅ）に示すように、マスク材３５にフォトリソグラフィ及びエッチングを施して光導波路のパターンを有する第２のマスク３６を形成する。第２のマスク３６の有するパターンは次に述べる図３（ｆ）のコア側壁１９を形成するためのパターンである。その後、コア膜３４の非マスク部分３９をエッチングする（第２エッチング）。第２エッチングでは第１エッチングの時とエッチング条件を変更して、基板１１に対して垂直な方向にエッチングを行ってコア側壁１９を形成し、図３（ｆ）に示すように、テーパ状出力導波路１５のコアが得られる。
【００３２】
第２エッチングした後、マスク３６を剥離する。
【００３３】
図３（ｇ）に示すように、テーパ状出力導波路１５のコアが形成された基板１１上に、そのコアを覆うようにクラッド３７を形成して光導波路素子１０が得られる。
【００３４】
図３（ａ）〜図３（ｇ）では、テーパ状出力導波路１５の断面図を示して説明したが、コア膜３１をテーパ状にエッチングする際に、ダミー導波路２６のコア側壁２７が同時に形成され、コア膜３４を垂直にエッチングする際に、入力導波路１２の両コア側壁１７、矩形状出力導波路１６の両コア側壁２０及びダミー導波路２６の反対側のコア側壁２８が同時に形成されて、光導波路素子１０が得られる。
【００３５】
本実施の形態の光導波路素子１０は、入力導波路１２及び矩形状出力導波路１６においては、コアを矩形状に形成して、長距離を伝送する光信号の伝送損失を低減していると共に、互いに内側にテーパ部２１，２１を有するテーパ状出力導波路１５，１５を形成して、光合分波部１４で徐々にコアが分岐する構造としているので、光信号が分岐或いは結合するときに生じる放射損失を低減している。
【００３６】
すなわち、各光導波路において、コアを光信号が最も低損失で伝送できる構造としているので、これら各光導波路を備える光導波路素子１０では、光信号の損失を低減することができる。
【００３７】
また、テーパ状出力導波路１５と矩形状出力導波路１６との境界２５にダミー導波路２６を設けずに、テーパ部２１と垂直状のコア側壁２０とが接する光導波路では、テーパ部２１と垂直のコア側壁２０とが接続されたコアを形成する際に、２度のエッチングを行うため、製作誤差上、境界２５ではテーパエッチングと垂直エッチングの両方が行われ、テーパ部２１と矩形状出力導波路１６のコアとの間に溝等が形成される可能性が高い。それにより、伝搬する光信号が境界２５で放射、反射されてしまう。
【００３８】
そこで、境界２５でテーパ部２１と垂直状のコア側壁２０とを所定の距離を隔てるダミー導波路２６を設けることにより、矩形状出力導波路１６のコア側壁２０とダミー導波路２６の一方のコア側壁２８とが接し、テーパ状出力導波路１５のコア側壁１８とダミー導波路２６の他方のコア側壁２７とが接するので、テーパ部２１と垂直状のコア側壁２０は直接接しない。従って、境界２５において２度エッチングされることなく、側壁形状の異なるコアが接続された出力導波路１３を形成することができ、境界２５における損失を低減することができる。
【００３９】
ここで、本実施の形態の光導波路素子の損失について説明する。
【００４０】
一例として、コア断面が矩形状の光導波路のみで形成したＹ分岐構造の光導波路素子を５段縦続接続した光回路（矩形状分岐光回路と称する）、及び、図１の光導波路素子１０を５段縦続接続した光回路（テーパ状分岐光回路と称する）にそれぞれ1.3μｍ波長帯の光信号を伝送させたときの損失を測定した。その結果、テーパ状分岐光回路の損失は15.75ｄＢ、矩形状分岐光回路の損失は16.18ｄＢであった。これらの損失から伝搬損失を除いた光合分波部の１段当りの付加損失は、テーパ状分岐光回路では0.15ｄＢ、矩形状分岐光回路では0.24ｄＢとなる。
【００４１】
したがって、テーパ状分岐光回路は矩形状分岐光回路に比べて光合分波部１段当りの付加損失を約0.1ｄＢ低減することができる。
【００４２】
また、本実施の形態の製造方法では、図３（ｄ）の工程において、テーパ状にエッチングされたコア膜上に液状のレジストを塗布して形成されるレジスト膜をフォトリソグラフィ時の感光膜として用いている。
【００４３】
マスク材３５をパターニングして第２のマスク３６を形成するときには、第１エッチングによりコア膜３４に凹凸が形成されているので、マスク材３５は凹凸が形成された面上に成膜される。したがって、このマスク材３５上にレジスト液を塗布する際、レジストに塗りムラが生じる。特に、エッチングされた箇所とエッチングされていない箇所の境界付近ではマスク材３５の高低差が大きくレジストの厚さが一定になりにくい。このような塗りムラのあるレジスト膜を露光すると現像後に形成されるパターンの精度が悪くなり、それ故エッチングにより形成されるコアのパターンの精度が悪くなってしまう。
【００４４】
そこで、第１エッチングにより形成するパターン及び第２エッチングにより形成するパターンに、ダミー導波路２６を設けるようにマスクのパターンを設計して光導波路素子１０を作製することで、レジストの塗りムラに起因するエッチングのムラはダミー導波路２６の側壁に表れる。そのダミー導波路２６は光信号が伝搬しないように設けられているため、境界付近で光信号への影響を及ぼさない。
【００４５】
以上、テーパ状出力導波路１５と矩形状出力導波路１６との接続部２５にダミー導波路２６を設けた構造とすることにより、基板上に２つの異なるコア側壁を有するコアが接続された光導波路素子１０を、精度高く形成することができる。これにより、光信号が境界２５を伝搬する際の、導波路構造に起因する損失を低減することができる。
【００４６】
フォトリソグラフィ及びエッチングによる製作誤差等を考慮するとダミー導波路２６の幅は１μｍ以上とするのが好ましい。また、ダミー導波路２６の幅の上限は、光伝送損失が要求される光学仕様に影響を及ぼさない適度の幅とすればよい。
【００４７】
本実施の形態では、第１エッチングにより、テーパ状のコア側壁１８を先に形成してから、後に第２エッチングにより、垂直状のコア側壁１９を形成して光導波路素子１０を作製したが、第１エッチングとして垂直状のコア側壁１９を先に形成してから、後に第２エッチングとしてテーパ状のコア側壁１８を形成してもよい。その際、第２のマスクの厚さは、コアの膜厚×0.07以上、コアの膜厚×0.2以下とするのが好ましい。第２のマスクの厚さをコアの膜厚×0.07以上とする理由は、先に形成された垂直状のコア側壁１９を第２エッチングから十分保護するためである。第２のマスクの厚さをコアの膜厚×0.2以下とする理由は、エッチングによるマスク厚さの目減り量を小さくするためである。目減りが大きいと設計マスクの厚さとの差が大きくなり、所望の光導波路の作製が困難になってしまう。
【００４８】
さらに、光導波路素子１０では、テーパ状出力導波路１５のコアの一方の側壁１８をテーパ状に形成し、他方の側壁１９を垂直に形成したが、コアの両側壁１８，１９をテーパ状に形成してもよい。
【００４９】
次に、本発明に係る光導波路の好適な他の実施の形態を図４に基づいて説明する。
【００５０】
図４に示すように、本実施の形態の光導波路４０は、一基板上に図１の光導波路素子１０を２つ接続して設けたマッハツェンダ型光導波路である。具体的には、光導波路４０は、一方の光導波路素子１０の両矩形状出力導波路１６，１６と他方の光導波路の両矩形状出力導波路１６，１６とを、両出力導波路１３，１３の経路長差が等しくなるよう接続して形成し、各入力導波路１２，１２を入出力用の光導波路としたものである。ここで、テーパ状出力導波路１５とダミー導波路２６とで囲まれた部分を領域４５とし、矩形状出力導波路１６とダミー導波路２６とで囲まれた部分を領域４６とする。
【００５１】
次に、本実施の形態の光導波路の製造方法を図５（ａ）及び図５（ｂ）に基づいて説明する。
【００５２】
本実施の形態の光導波路４０は、図１の光導波路素子１０を２つ用いたものであるので、基本的な製造方法は上述した図１の光導波路素子１０の製造方法と同じであるが、形成するマスクの導波路パターンが異なる点、及び垂直エッチングとテーパエッチングの順序を逆にした点において異なる。
【００５３】
図５（ａ）に示すように、第１のマスク４１は、図３（ｂ）の工程において形成されるマスク３３のことである。
【００５４】
第１のマスク４１はコアの側壁を垂直に形成するためのパターンである。そのパターンは、入力導波路形成部４２と、出力導波路形成部４３と、ダミー導波路形成部４４と、出力導波路形成部４３及びダミー導波路形成部４４で囲まれる光合分波部近傍の領域４５とを有し、それらがコア膜３１上に形成されている。
【００５５】
マスク４１を形成した後、非マスク部分のコア膜３１を垂直にエッチングして、入力導波路１２のコア、矩形状出力導波路１６のコア、テーパ状出力導波路１５の外側のコア側壁１９及びダミー導波路２６の非入力導波路側（図５中の領域４６側）のコア側壁２８を形成する。
【００５６】
図５（ｂ）に示すように、第２のマスク４７は、図３（ｅ）の工程において形成されるマスク３６のことである。第２のマスク４７は、図４で示した領域４５を除いた部分を覆うものである。
【００５７】
コア膜３４上に第２のマスク４７を形成し、領域４５のコア膜をテーパエッチングして、テーパ状出力導波路１５の内側のコア側壁１７及びダミー導波路２６の入力導波路１２側のコア側壁２７を形成する。
【００５８】
本実施の形態の光導波路４０も、図１の光導波路と同様な作用効果を有する。
【００５９】
本実施の形態では、２つの光導波路素子１０を出力導波路１３，１３同士で接続してマッハツェンダ型光導波路素子を形成したが、ある光導波路素子１０の出力導波路１３に他の光導波路素子１０の入力導波路１２を接続して、複数の光導波路素子１０を多段に接続した入出力１×２nカプラ型光導波路素子を形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明に係る好適な一実施形態の光導波路素子の平面図である。
【図２】図２（ａ）は図１の２Ａ−２Ａ線断面図であり、図２（ｂ）は図１の２Ｂ−２Ｂ線断面図であり、図２（ｃ）は図１の２Ｃ−２Ｃ線断面図であり、図２（ｄ）は図１の２Ｄ−２Ｄ線断面図であり、図２（ｅ）は図１の２Ｅ−２Ｅ線断面図である。
【図３】図３（ａ）〜図３（ｇ）は、それぞれ図１の光導波路素子の製造方法を説明する断面図である。
【図４】好適な他の実施の形態の光導波路素子の平面図である。
【図５】図５（ａ）は、図４の光導波路素子を形成するための第１のマスクを示す平面図であり、図５（ｂ）は、図４の光導波路素子を形成するための第２のマスクを示す平面図である。
【符号の説明】
【００６１】
１０  光導波路素子
１２  入力導波路
１３  出力導波路
１４  光合分波部
１５  テーパ状出力導波路
１６  矩形状出力導波路
２１  テーパ部
２６  ダミー導波路
【図１】
2006330245.tif 000003
【図２】
2006330245.tif 000004
【図３】
2006330245.tif 000005
【図４】
2006330245.tif 000006
【図５】
2006330245.tif 000007