(57)【要約】【課題】  光導波路と光ファイバとの接続損失を低減し、かつ、方向性結合器の結合率の基板面内ばらつきを小さくすることができる光導波路及びその製造方法を提供する。【解決手段】  基板１１上にアンダクラッド１２を形成し、アンダクラッド１２上にコア層を形成し、コア層からフォトリソグラフィ及びエッチングによりコア１３を形成する際に、コア層のエッチング深さを、コア１３の厚さより小さくして、矩形断面の上部コア１３ａと所定厚さＤの平板部からなる下部コア１３ｂとを形成し、火炎堆積法により堆積させたスートを焼結させることで、コア１３を埋め込むオーバクラッド１４を形成して作製した光導波路及びその製造方法。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された下部クラッド層と、
前記下部クラッド層上に形成され、所定厚さの平板部からなる下部コア及び前記下部コアから凸設された矩形断面の上部コアからなるコアと、
前記コアの周囲に形成された上部クラッド層とを有することを特徴とする光導波路。
【請求項２】
基板上に形成された下部クラッド層と、
前記下部クラッド層上に形成された２層以上の積層から構成され、前記下部クラッド層に接する層が所定厚さの平板部を有し、前記平板部から凸設された矩形断面部を有するコアと、
前記コアの周囲に形成された上部クラッド層とを有することを特徴とする光導波路。
【請求項３】
請求項１記載の光導波路において、
前記コアが単層からなる場合、前記平板部の厚さを、前記コアの厚さの１７％以下としたことを特徴とする光導波路。
【請求項４】
請求項２記載の光導波路において、
前記平板部の厚さを、前記コアの厚さの３０％以下としたことを特徴とする光導波路。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光導波路において、
前記平板部の厚さを、少なくとも、前記コアの厚さの５％以上としたことを特徴とする光導波路。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の光導波路において、
前記コアは、その変形が誘起される温度が前記上部クラッド層の焼結温度よりも高い材料からなることを特徴とする光導波路。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の光導波路において、
前記平板部及びその近傍は、前記コアにおける他の部分より屈折率の小さい材料からなることを特徴とする光導波路。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の光導波路において、
前記平板部は、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層より屈折率の大きい材料からなることを特徴とする光導波路。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の光導波路において、
前記平板部は、前記基板の全面に配置されたものであることを特徴とする光導波路。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の光導波路において、
前記下部クラッド層、前記上部クラッド層及び前記コアを、石英系材料から構成したことを特徴とする光導波路。
【請求項１１】
請求項１０に記載の光導波路において、
前記コアのうち最も屈折率が大きい部分と前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層との比屈折率差を０．７５％とし、前記コアの厚さを６μｍとする場合、前記平板部の厚さを０．３μｍ以上、かつ、単層のコアの場合、１．０μｍ以下、又は、複数層のコアの場合、１．８μｍ以下としたことを特徴とする光導波路。
【請求項１２】
基板上に下部クラッド層を形成する工程と、
前記下部クラッド層上に、１層又は２層以上の積層からなるコア層を形成する工程と、
前記コア層からフォトリソグラフィ及びエッチングによりコアを形成する工程と、
火炎堆積法により堆積させたスートを焼結させることで、前記コアを埋め込む上部クラッド層を形成する工程とを有し、
前記コア層をエッチングにより加工を行う際に、前記コア層のエッチング深さを、前記コア層の厚さより小さくして、前記コアの下部に平板部を残すことを特徴とする光導波路の製造方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の光導波路の製造方法において、
前記コアが単層からなる場合、前記平板部の厚さを、前記コアの厚さの１７％以下とすることを特徴とする光導波路の製造方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載の光導波路の製造方法において、
前記コアが複数層からなる場合、前記平板部の厚さを、前記コアの厚さの３０％以下とすることを特徴とする光導波路の製造方法。
【請求項１５】
請求項１２乃至請求項１４のいずれかに記載の光導波路の製造方法において、
前記平板部の厚さを、少なくとも、前記コアの厚さの５％以上とすることを特徴とする光導波路の製造方法。
【請求項１６】
請求項１２乃至請求項１５のいずれかに記載の光導波路の製造方法において、
前記コアの変形が誘起される温度が、前記上部クラッド層の焼結温度よりも高いことを特徴とする光導波路の製造方法。
【請求項１７】
請求項１２乃至請求項１６のいずれかに記載の光導波路の製造方法において、
前記平板部及びその近傍は、前記コアにおける他の部分より屈折率の小さい材料からなることを特徴とする光導波路の製造方法。
【請求項１８】
請求項１２乃至請求項１７のいずれかに記載の光導波路の製造方法において、
前記平板部は、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層より屈折率の大きい材料からなることを特徴とする光導波路の製造方法。
【請求項１９】
請求項１２乃至請求項１８のいずれかに記載の光導波路の製造方法において、
前記下部クラッド層、前記上部クラッド層及び前記コアを、石英系材料から構成することを特徴とする光導波路の製造方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の光導波路の製造方法において、
前記コアのうち最も屈折率が大きい部分と前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層との比屈折率差を０．７５％とし、前記コアの厚さを６μｍとする場合、前記平板部の厚さを０．３μｍ以上、かつ、単層のコアの場合、１．０μｍ以下、又は、複数層のコアの場合、１．８μｍ以下とすることを特徴とする光導波路の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信、光信号処理を行う平面光波回路に用いられる光導波路及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光導波路による平面光波回路が光通信、光信号処理等の分野で盛んに用いられている。平面光波回路では、光導波路により構成される方向性結合器、マッハ・ツェンダ干渉計或いはＡＷＧ(Arrayed Waveguide Grating)等の要素回路を、単独若しくは組み合わせることにより、光の分波、合波或いは光路の切り換え等の機能を実現している。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−５６４１５号公報
【特許文献２】特開２００３−３５８３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、光導波路による平面光波回路には、特性上の課題として、以下の２点がある。
【０００５】
１つは、平面光波回路と光ファイバの接続部で生じる損失（接続損失）の問題である。
接続損失の原因は、光のモードフィールドが光ファイバ中と光導波路中とで異なっていることである。例えば、石英系光導波路と石英光ファイバの接続を行う場合、一般的に光導波路のコアの寸法は数μｍ角若しくはこれに近い矩形であるのに対し、光ファイバ（ここではシングルモード光ファイバを例にとる）のコアの寸法は約１０μｍφである。この形状の違いに対応して光のモードフィールド径も異なり、この不一致によって光ファイバと光導波路の接続部分で光が漏れてしまい、接続損失を生じる。
【０００６】
上記接続損失を低減するには、光導波路中のモードフィールドを大きくして、光ファイバのモードフィールドに近づければよい。この観点から、光ファイバとの接続箇所のみコアを広くかつ厚くし、光導波路中のモードフィールドの大きさを光ファイバ中のそれに近づけることにより、接続損失の低減を実現している方法（以下、縦横テーパ法と呼ぶ。）が提案されている（特許文献１参照）。しかしながら、この縦横テーパ法は、光ファイバとの接続部のコアを厚くするため、コアの堆積及びエッチングに時間がかかり、又、コアの堆積若しくはエッチング時にシャドウマスクを用いるため工程が複雑になるという問題がある。
【０００７】
上記縦横テーパ法の改良法として、接続部のコアを厚さ方向に途中までしかエッチングしないことにより、エッチング時間の短縮化を図る方法が提案されている（特許文献２参照）。この改良法では、コアを途中までしかエッチングしなかった場合でも、エッチング深さを適切に設定すれば、完全にエッチングした場合とほぼ同等の低減効果が得られることが述べられている。しかしながら、この改良法においても、シャドウマスクを使用する工程を省けるわけではないため、工程の複雑さは本質的に変わらない。
【０００８】
もう１つの問題は、基板（ウェハ）面内における方向性結合器の結合率のばらつきの問題である。この問題は、以下に説明するように、光導波路の作製中にコアの倒れこみが発生することが原因の１つである。
【０００９】
図７（ａ）を参照して、光導波路の基本的構造を説明すると、基板２１上に形成された光導波路の構造としては、コア２３の形状を矩形とし、かつコア２３の周囲が完全にクラッド（アンダクラッド２２及びオーバクラッド２４）で囲まれている構造、所謂、チャネル型構造とすることが多い。これは、この構造が平面光波回路の設計の面でも、又、光導波路の作製の面でも簡単なためである。
【００１０】
通常、チャネル構造の光導波路の作製にあたっては、コア２３をエッチングする際、エッチング断面を垂直とし、かつエッチングした箇所にコア２３が残らないように、エッチング深さをコア２３の厚さよりも若干大きくする。例えば、コア２３の厚さが６μｍの場合には、エッチング探さを７μｍ（即ち、オーバエッチング量を１μｍ）程度とする。この際、コア２３の下方側には、凸状のアンダクラッド２２ａが残されることになる。そして、このコア２３をオーバクラッド２４で埋め込む際、火炎堆積法によりオーバクラッド２４を堆積し、これを焼結するという方法が良く用いられる。このとき、アンダクラッド２２、２２ａの変形がなければ、図７（ａ）に示すように、コア２３に倒れこみは発生しない。
【００１１】
ところが、現実的には、オーバクラッド２４の焼結時に、アンダクラッド２２、２２ａの変形がおこり、コア２３に倒れこみが発生するおそれがある。具体的に説明すると、火炎堆積法で堆積されるオーバクラッド２４は、スート（微粉末）状になっており、これを高温で焼結することにより透明なガラス膜が形成される。焼結時の加熱過程で、オーバクラッド２４のスートは一旦軟化し、エッチングにより形成された表面の凹凸を埋め込み、続く室温への冷却過程を経て透明なガラス膜となる。オーバクラッド２４の焼結の際には、１０００℃以上の高温に上げる必要があり、この高温のため、アンダクラッド２２、２２ａも変形するおそれがあった。
【００１２】
例えば、方向性結合器は、２本のコア２３が１〜３μｍ程度の距離で近接して並設された構造であるが、焼結の際、アンダクラッド２２（特に、アンダクラッド２２ｂ）が変形し、変形したアンダクラッド２２ｂ上に配置されたコア２３が倒れこみ、この状態で、近接した２本のコア２３の間にオーバクラッド２４が流れ込むことになるため、コア２３が倒れこんだ状態で光導波路が形成されることになる（図７（ｂ）参照）。コア２３の倒れこみが起こると、方向性結合器のコア２３間の距離（ギャップ）が変わってしまう。又、コア２３の倒れこみの度合いはウェハ面内で必ずしも一様ではないため、ギャップの変化もウェハ面内で一様でなく、方向性結合器の結合率がウェハ面内でばらつきを生じることとなる。平面光波回路の中でも、インターリーバ等のフィルタ回路や光スイッチは、方向性結合器における光の結合率が回路特性を決定するため、結合率のばらつきは、これらの平面光波回路の歩留まりを上げることを困難にしている。
【００１３】
なお、オーバクラッド２４の堆積法としては化学気相成長法等も用いられるが、加工したコア２３の凹凸を隙間なく埋め込むのが困難である、埋め込み後の表面がコア２３の凹凸を反映して平坦にならない等の問題があり、現実的には火炎堆積法の方が実用的である。従って、オーバクラッド２４の堆積法として、火炎堆積法を用いても、上記課題を解決するものが望まれている。
【００１４】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、上記課題を解決するべく、以下の２点を実現する光導波路及びその製造方法を提供することを目的とする。
１）光ファイバと光導波路との接続損失を低減する。
２）方向性結合器の結合率の基板面内のばらつきを小さくする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決する本発明の請求項１に係る光導波路は、
基板上に形成された下部クラッド層と、
前記下部クラッド層上に形成され、所定厚さの平板部からなる下部コア及び前記下部コアから凸設された矩形断面の上部コアからなるコアと、
前記コアの周囲に形成された上部クラッド層とを有することを特徴とする。
つまり、下部コア及び上部コアからなるコアが、逆Ｔ字形状になるように、一体に形成され、平板部の下部コア自体がコアの残し厚さとなる構造である。
【００１６】
上記課題を解決する本発明の請求項２に係る光導波路は、
基板上に形成された下部クラッド層と、
前記下部クラッド層上に形成された２層以上の積層から構成され、前記下部クラッド層に接する層が所定厚さの平板部を有し、前記平板部から凸設された矩形断面部を有するコアと、
前記コアの周囲に形成された上部クラッド層とを有することを特徴とする。
つまり、積層構造のコアが逆Ｔ字形状に形成され、コアの最下層（下部クラッド層に接する層）の平板部が、コアの残し厚さとなる構造である。
【００１７】
上記課題を解決する本発明の請求項３に係る光導波路は、
上記光導波路において、
前記コアが単層からなる場合、前記平板部の厚さを、前記コアの厚さの１７％以下としたことを特徴とする。
つまり、単層コア構造のコア下部の平板部を、コアの厚さの１７％以下の厚さにすることで、モードフィールドが平板部へ広がり過ぎないようにして、接続損失が増大しないようにすることができる。
【００１８】
上記課題を解決する本発明の請求項４に係る光導波路は、
上記光導波路において、
前記平板部の厚さを、前記コアの厚さの３０％以下としたことを特徴とする。
つまり、積層コア構造のコア下部の平板部を、コアの厚さの３０％以下の厚さにすることで、モードフィールドが平板部へ広がり過ぎないようにして、接続損失が増大しないようにすることができる。
【００１９】
上記課題を解決する本発明の請求項５に係る光導波路は、
上記光導波路において、
前記平板部の厚さを、少なくとも、前記コアの厚さの５％以上としたことを特徴とする。
つまり、コア下部に、コアの厚さの５％以上の厚さの平板部を備えることで、コアの倒れこみを抑止することができる。
【００２０】
上記課題を解決する本発明の請求項６に係る光導波路は、
上記光導波路において、
前記コアは、その変形が誘起される温度（以下、変形温度と呼ぶ。）が前記上部クラッド層の焼結温度よりも高い材料からなることを特徴とする。
つまり、上部クラッド層の焼結時に、高い変形温度を有するコアが変形しにくい状態であるので、コア自体の変形を抑止することができる。なお、コアの倒れこみを考慮した場合、少なくとも、コアの平板部の部分が高い変形温度を有していればよい。
【００２１】
上記課題を解決する本発明の請求項７に係る光導波路は、
上記光導波路において、
前記平板部及びその近傍は、前記コアにおける他の部分より屈折率の小さい材料からなることを特徴とする。
特に、平板部（コアの残し厚さ）を厚くしたい場合、平板部の屈折率を他の部分よりの小さくする構成は好適である。例えば、積層コア構造の場合、平板部となる層の添加材料（ドーパント）の濃度を変えることにより、平板部及びその近傍の屈折率を小さくさせる。
【００２２】
上記課題を解決する本発明の請求項８に係る光導波路は、
上記光導波路において、
前記平板部は、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層より屈折率の大きい材料からなることを特徴とする。
【００２３】
上記課題を解決する本発明の請求項９に係る光導波路は、
上記光導波路において、
前記平板部は、前記基板の全面に配置されたものであることを特徴とする。
コアの残し厚さとなる平板部を、基板全面に残して配置することで、光導波路の作製時の工程を簡略にすることができる。
【００２４】
上記課題を解決する本発明の請求項１０に係る光導波路は、
上記光導波路において、
前記下部クラッド層、前記上部クラッド層及び前記コアを、石英系材料から構成したことを特徴とする
【００２５】
上記課題を解決する本発明の請求項１１に係る光導波路は、
上記光導波路において、
前記コアのうち最も屈折率が大きい部分と前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層との比屈折率差を０．７５％とし、前記コアの厚さを６μｍとする場合、前記平板部の厚さを０．３μｍ以上、かつ、単層のコアの場合、１．０μｍ以下、又は、複数層のコアの場合、１．８μｍ以下としたことを特徴とする。
【００２６】
上記課題を解決する本発明の請求項１２に係る光導波路の製造方法は、
基板上に下部クラッド層を形成する工程と、
前記下部クラッド層上に、１層又は２層以上の積層からなるコア層を形成する工程と、
前記コア層からフォトリソグラフィ及びエッチングによりコアを形成する工程と、
火炎堆積法により堆積させたスートを焼結させることで、前記コアを埋め込む上部クラッド層を形成する工程とを有し、
前記コア層をエッチングにより加工を行う際に、前記コア層のエッチング深さを、前記コア層の厚さより小さくして、前記コアの下部に平板部を残すことを特徴とする。
【００２７】
上記課題を解決する本発明の請求項１３に係る光導波路の製造方法は、
上記光導波路の製造方法において、
前記コアが単層からなる場合、前記平板部の厚さを、前記コアの厚さの１７％以下とすることを特徴とする。
【００２８】
上記課題を解決する本発明の請求項１４に係る光導波路の製造方法は、
上記光導波路の製造方法において、
前記コアが複数層からなる場合、前記平板部の厚さを、前記コアの厚さの３０％以下とすることを特徴とする。
【００２９】
上記課題を解決する本発明の請求項１５に係る光導波路の製造方法は、
上記光導波路の製造方法において、
前記平板部の厚さを、少なくとも、前記コアの厚さの５％以上とすることを特徴とする。
【００３０】
上記課題を解決する本発明の請求項１６に係る光導波路の製造方法は、
上記光導波路の製造方法において、
前記コアの変形が誘起される温度が、前記上部クラッド層の焼結温度よりも高いことを特徴とする。
【００３１】
上記課題を解決する本発明の請求項１７に係る光導波路の製造方法は、
上記光導波路の製造方法において、
前記平板部及びその近傍は、前記コアにおける他の部分より屈折率の小さい材料からなることを特徴とする。
【００３２】
上記課題を解決する本発明の請求項１８に係る光導波路の製造方法は、
上記光導波路の製造方法において、
前記平板部は、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層より屈折率の大きい材料からなることを特徴とする。
【００３３】
上記課題を解決する本発明の請求項１９に係る光導波路の製造方法は、
上記光導波路の製造方法において、
前記下部クラッド層、前記上部クラッド層及び前記コアを、石英系材料から構成することを特徴とする。
【００３４】
上記課題を解決する本発明の請求項２０に係る光導波路の製造方法は、
上記光導波路の製造方法において、
前記コアのうち最も屈折率が大きい部分と前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層との比屈折率差を０．７５％とし、前記コアの厚さを６μｍとする場合、前記平板部の厚さを０．３μｍ以上、かつ、単層のコアの場合、１．０μｍ以下、又は、複数層のコアの場合、１．８μｍ以下とすることを特徴とする。
【００３５】
以下に、本発明により上記課題が解決可能な理由を説明する。
なお、以下の説明では、コアが複数のガラス層の積層構造となっている場合は、コアの厚さとは各ガラス層の厚さの和を意味する。
【００３６】
まず、光ファイバと光導波路との接続損失を低減可能な理由について説明する。
コアのエッチング深さをコアの厚さよりも小さくすると、エッチングされた箇所においても、コアがスラブ（平板）状に残る。このスラブ状コア（平板部）部分にも光が導渡されるので、モードフィールドが広がり、光ファイバとの接続損失が低減されることになる。但し、スラブ状コアの厚さ（コアの残し厚さ）が、コアの厚さの３０％を超えると、水平方向の光の閉じ込めが弱くなり、スラブ状コア部分へモードフィールドが広がりすぎるため、却って接続損失は増大する。従って、コア下部にスラブ状コアを形成すると共に、そのスラブ状コアの厚さを適切に設定すれば、光ファイバとの接続損失が低減可能となる。
【００３７】
次に、方向性結合器の結合率の面内ばらつきを小さくできる理由について説明する。
本発明では、エッチングされた箇所においても、コアがスラブ状に残る構造であり、又、コア自体の変形温度はオーバクラッド（上部クラッド層）の焼結温度よりも高いので、オーバクラッド焼結時の高温下においても変形しない。つまり、コア自体がコア下方のアンダクラッド（下部クラッド層）の変形の影響を受けにくく、従って、コアの倒れこみは起こりにくくなる。その結果、コア間のギャップが適正に保たれ、方向性結合器の結合率のウェハ面内のばらつきを小さくすることができる。但し、スラブ状コアの厚さ（コアの残し厚さ）が、コアの厚さの５％未満の場合には、コアの残し厚さが少なすぎ、コア倒れこみ抑止効果が得られない。又、方向性結合器の結合率の安定化という観点からは、コアの残し厚さは大きい方が望ましいが、コア残し厚さがコアの厚さの３０％を超えると、上述のように光導波路での損失の増大を招くので、コアの残し厚さはコアの厚さの３０％以下にする必要がある。
【００３８】
又、コアが複数のガラス層の積層構造となっている場合には、それらのガラス層の全ての層の変形温度がオーバクラッドの焼結温度よりも高ければ、コアの倒れこみの抑止効果が得られる。例えば、オーバクラッドの焼結温度を１２００℃で行う場合、変形温度が１３００℃以上、望ましくは１４００℃以上である材料を、コアを形成するガラス層として用いる。このように、コアの倒れこみを防ぐ方法としては、オーバクラッドの焼結温度よりも高い変形温度を有するコアを用いるという方法が最も実用的である。なお、コアを積層構造とする場合、光閉じ込めの観点から、コアを構成している層のうち最も屈折率の小さい層をコアの最下層とするのがよい。
【００３９】
なお、コアの倒れこみを防ぐ方法としては、上述したオーバクラッドの焼結温度よりも高い変形温度を有するコアを用いるという方法以外にも、以下の２通りの方法が考えられる。
【００４０】
１つ目は、コアだけでなくアンダクラッドについても、オーバクラッドの焼結温度よりも高い変形温度を有する膜を用いるという方法である。
火炎堆積法で作製したオーバクラッドの焼結温度よりも変形温度の高いガラス膜を作製できる方法として、例えば、熱酸化法や化学気相成長法がある。但し、これらの方法で作製できるガラス膜の厚さは、最大１０〜２０μｍの程度であり、又、厚い膜を作製する場合には、作製時間が長くなる。例えば、石英系光導波路の場合、必要なアンダクラッドの厚さは、回路の種類、比屈折率差Δによって異なるが、ＡＷＧならば１５〜２０μｍ、光スイッチのように熱光学効果を利用する回路の場合には、熱光学効果誘起用の薄膜ヒータの消費電力を抑えるため３５μｍ以上必要である。従って、アンダクラッドの変形温度を高くする方法は、ＡＷＧのようにアンダクラッドが薄くても良い場合に好適なものである。
【００４１】
２つ目は、オーバクラッドの作製温度をアンダクラッドの変形温度よりも下げるという方法である。
化学気相成長法では、火炎堆積法とは異なり、スートの堆積とこれに続く焼結という過程を踏まないので、数百℃程度の加熱温度でガラス膜を堆積することができる。しかも、堆積したガラス膜の変形温度は高い。但し、化学気相成長法では、一般的に、凹凸が形成された表面を隙間なく埋め込んで平坦化することが困難であり、例えば、平坦化のためのＣＭＰ(Chemical Mechanical Polish)等、特殊な工程が要求される。なお、熱酸化法はシリコンの表面を酸化して酸化膜を形成する方法であるため、オーバクラッドの作製には適用できない。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によれば、光導波路のコア下部にスラブ状コア（平板部）を設けたので、光ファイバとの接続損失を低減でき、かつ、方向性結合器の結合率の基板面内のばらつきを小さくでき、更に、作製工程上の負荷の低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
本発明は、光導波路及びその製造方法に関するものであり、凸型（逆Ｔ字型）構造のコアを用いることにより、光導波路のモードフィールドを光ファイバのモードフィールドに近づけて、光ファイバとの接続損失を図り、又、オーバクラッドの形成の際の倒れこみを抑止することにより、方向性結合器の結合率のばらつきを小さくして歩留まり向上を図るものである。
【００４４】
以下、図１〜図６を用いて、本発明の実施形態を説明する。
以下の実施例では、実用性の観点から両クラッドを火炎堆積法により、コアを化学気相成長法により作製する場合を例にして説明するが、コアの変形温度がオーバクラッドの焼結温度よりも高ければ、本発明での各ガラス層の作製方法は、原理的には上記方法に限定されるものではない。
【実施例１】
【００４５】
図１は、本発明係る光導波路の実施形態の一例を示すものであり、光導波路の構造の断面を示す模式図である。
【００４６】
図１に示すように、本実施例の光導波路は、シリコン基板１１上に形成されたアンダクラッド１２と、アンダクラッド１２上に形成され、所定厚さＤのスラブ状コア（平板部）からなる下部コア１３ｂ及び下部コア１３ｂから凸設された矩形断面の上部コア１３ａからなるコア１３と、コア１３の周囲に形成されたオーバクラッド１４とを有するものである。
【００４７】
図１に示す光導波路の製造方法を説明すると、まず、シリコン基板１１上に火炎堆積法によりＳｉＯ2を主成分とするアンダクラッド１２を堆積し、電気炉で透明ガラス化する。次に、ＧｅＯ2をドーパントとして添加したＳｉＯ2を主成分とするコア層を化学気相成長法により堆積する。次に、フォトリソグラフィと反応性イオンエッチングにより、コア層をパターンニングし、所望の回路パターン（コア１３）を形成する。最後に、アンダクラッド１２と同じ屈折率のオーバクラッド１４を火炎堆積法により堆積し、焼結を行い、コア１３を埋め込むようにして光導波路を作製する。ここで、本発明に係る光導波路の製造方法では、コア層をエッチングする際に、コア層のエッチング深さを、コア１３（若しくはコア層）の厚さより小さくして、コア１３の下部にスラブ状の下部コア１３ｂを残すようにすることに特徴がある。つまり、コア層のうち、エッチングによりパターン化された部分が上部コア１３ａとなり、エッチング後に残ったコア層がスラブ状の下部コア１３ｂとなり、その下部コア１３ｂの厚さがＤとなる。なお、本実施例では、下部コア１３ｂを含め、コア１３を単層構造としている。
【００４８】
ここで、比較実験のため、アンダクラッド１２、コア１３、オーバクラッド１４の厚さを、それぞれ４０μｍ、６μｍ、３０μｍとし、コア層のエッチング深さを７．０μｍ、６．０μｍ、５．５μｍ、５．０μｍ、４．５μｍ、４．０μｍの５通りに変化させて光導波路を形成してみた。このとき、コア１３のエッチング残し厚さ（下部コア１３ｂの厚さ）Ｄは、それぞれ−１．０μｍ、０．０μｍ、０．５μｍ、１．０μｍ、１．５μｍ、２．０μｍとなる。当然であるが、Ｄ≦０μｍの場合には、下部コア１３ｂは実際には存在しない。なお、上部コア１３ａの部分の光導波路の幅を７μｍ、コア１３と両クラッド１２、１４との比屈折率差Δは０．７５％とし、下部コア１３ｂを含め、コア１３の屈折率が、両クラッド１２、１４より大きくなるように設定した。
【００４９】
上記条件で作製した光導波路を用い、その光導波路と光ファイバの１接続点あたりの接続損失のＤ（コアの残し厚さ）依存性を図２の実線で示す。
【００５０】
ここで、接続損失を測定する際、入射光は波長１．５５μｍのＴＥ偏光を用いた。
図２からわかるように、０μｍ＜Ｄ≦１．０μｍの範囲では、接続損失はＤの増加と共に徐々に減少し、Ｄ＝０μｍのときに０．４ｄＢ程度であり、Ｄ＝１．０μｍでは接続損失は０．３ｄＢ以下になっている。しかし、Ｄ＞１．０μｍの範囲では、Ｄの増加と共に接続損失が急激に増加し、Ｄ＝２．０μｍでは約２．０ｄＢとなっている。これは、前述したように、０μｍ＜Ｄ≦１．０μｍの範囲ではＤが大きくなるにつれ、光導波路のコア１３のモードフィールドが増大して、光ファイバ中のモードフィールドに近づいていっているためであり、又、Ｄ＝２．０μｍではモードフィールドが広がりすぎたためである。この結果より、本実施例の場合、コアの残し厚さが１．０μｍ以内であれば、接続損失の低減が可能であることが示された。
【実施例２】
【００５１】
本実施例では、実施例１と同じ製造方法、同じ条件で作製した光導波路を用いて、チャンネル数３２、周波数間隔１００ＧＨｚのＡＷＧを作製し、実施例１と同じ条件の入射光を用いて、挿入損失（接続損失と伝搬損失の和）のＤ依存性を調べた。
【００５２】
図３の実線は、ＡＷＧの挿入損失とコアの残し厚さＤとの依存性を示すグラフである。
図３に示すように、実施例１の接続損失の結果と同様、０μｍ＜Ｄ≦１．０μｍの範囲ではＤが大きくなるにつれ、挿入損失が漸減するのに対し、Ｄ＝２．０μｍでは急激に挿入損失が増大しており、コアの残し厚さが１．０μｍ以内であれば、挿入損失の低減が可能であることが示された。
【００５３】
上記実施例１、実施例２においては、損失の低減は、単にエッチング深さを少なくするだけでもたらされており、従来技術（例えば、特許文献１、２等）とは異なり、付加的なプロセスは一切必要ない。つまり、エッチングされるコア層を完全にエッチングせず、基板全面に所定厚さのコア層（つまり、図１における下部コア１３ｂ）を残すことで、損失の低減を可能としている。むしろ、エッチングされるコア層を完全にエッチングしないため、エッチング深さを少なくする分だけエッチングに要する時間は短くて済み、プロセス負荷が軽減されるという効果も得られる。
【実施例３】
【００５４】
本実施例では、実施例１、２と同じ製造方法で、ウェハ毎に、コアの残し厚さＤを−１．０μｍから２．０μｍまで変化させ、一面に同一の方向性結合器のパターンを配列したマスクを用いて、方向性結合器を構成する光導波路を作製した。なお、方向性結合器の光導波路間のギャップは２μｍとしている。又、入射光として実施例１、２と同じ波長１．５５μｍのＴＥ偏光を用い、ウェハ毎に各々１００個の方向性結合器を測定して、方向性結合器の結合率のウェハ面内分布（ばらつき）を調べた。
【００５５】
測定結果のうち、図４（ａ）にＤ＝−１．０μｍ（コアの残し厚さ無し）の場合、図４（ｂ）にＤ＝１．０μｍの場合の結合率分布のヒストグラムを示す。又、他のコアの残し厚さＤの条件についても、同様のヒストグラムを作成し、コアの残し厚さＤと結合率の標準偏差の関係を調べて、図５に示した。
【００５６】
図４（ａ）と図４（ｂ）のヒストグラムの比較から、図４（ｂ）に示すＤ＝１．０μｍの場合、方向性結合器の結合率のウェハ面内分布のばらつきが小さいことがわかる。又、図５のグラフから、コアの残し厚さＤが０以上の場合、標準偏差が急速に小さくなり、０．３μｍ以上では小さくなった状態で安定することがわかる。つまり、エッチング時にコアを残すことによって、方向性結合器の結合率のウェハ面内分布のばらつきを小さくすることができ、コアを残すことによる有効性が認められた。
【実施例４】
【００５７】
図６は、本発明に係る光導波路の実施形態の他の一例を示すものであり、光導波路のコアを二層構造とした場合の断面の模式図である。
なお、図６において、図１に示したものと同等のものには、同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
【００５８】
図６に示すように、本実施例の光導波路は、図１に示した実施例１と略同等の構成を有するものであるが、コア１３が、実施例１では単層であるのに対して、本実施例では２層以上（本実施例では２層のガラス層）の積層構造を有する点が異なるものである。具体的には、コア１３では、コア１３を構成する層のうちアンダクラッド１２に接する下層コア１３ｄが所定厚さＤの平板部を有し、コア１３を構成する下層コア１３ｄの一部及び上層コア１３ｃを平板部から凸設するように形成することで、矩形断面部を構成している。なお、本実施例では、平板部を１つの下層コア１３ｄにより構成したが、この平板部も複数の積層で構成してもよい。
【００５９】
図６に示した構成の光導波路を、実施例１〜３と同じ製造方法、同じ条件で作製し、実施例１〜３と同様の検討を行った。なお、本実施例においては、上下層コアとも化学気相成長法で作製した。又、下層コア１３ｄの比屈折率差、厚さを、それぞれ０．４５％、２μｍ、上層コア１３ｃについては、それぞれ０．７５％、４μｍとした。平板部を有する下層コア１３ｄの屈折率は、ドーパントＧｅＯ2の濃度を変えることにより、上層コア１３ｃの屈折率より小さくなるように構成される。
【００６０】
具体的には、上層コア１３ｃの上面からのエッチング深さを変えて光導波路を形成し、本実施例の光導波路と光ファイバとの接続損失、本実施例の光導波路を用いたＡＷＧの挿入損失を測定した。その結果、コア１３を積層構造にした場合には、コア１３の残し厚さＤ＝１．８μｍ、つまり、下層コア１３ｄの残し厚さが１．８μｍ残っている状態まで、損失低減の効果が見られた（図２、図３における点線のグラフ参照）。
【００６１】
実施例１〜３の測定結果から、コア１３が単層構造の場合は、コアの残し厚さＤの有効範囲をコア１３の厚さの１７％以下（コア厚さが６μｍの場合、Ｄ＝１μｍ以下に相当）とすると、本発明の効果が得られる。又、実施例４の結果から、コア１３を多層構造とすることにより、コアの残し厚さの許容値の拡大が可能である。実際、多層構造のコア１３を有する光導波路において、コアの残し厚さＤを１．８μｍとした方向性結合器のウェハとコアの残し厚さＤを−１．０μｍとした方向性結合器のウェハを作製し、各ウェハの方向性結合器の結合率の面内分布を測定したところ、前者の方が結合率のばらつきが小さかったことから、本実施例においても、コアを残すことにより、結合率分布のばらつきを小さくする効果が認められた。
【００６２】
つまり、実施例１〜４の結果から、コア厚さを６μｍとし、コアと両クラッドとの比屈折率差Δを０．７５％とする場合、単層コアの残し厚さが１．０μｍ以下の場合、そして、複数層コアの残し厚さが１．８μｍ以下の場合に接続損失が低減でき、０．３μｍ以上の場合には方向性結合器の結合率の面内ばらつきを小さくできることがわかった。即ち、単層コアを用いた場合は、コア全体の厚さに対するコアの残し厚さの割合が５％以上、１７％以下の範囲であれば、接続損失を低減しかつ方向性結合器の結合率の面内ばらつきを小さくできることが示された。更に、複数層コアを用いた場合は、コア全体の厚さに対するコアの残し厚さの割合が、３０％以下まで拡大できる。
【００６３】
なお、上記実施例１〜４では、全て比屈折率差Δ＝０．７５％の光導波路についてのものであるが、前述した本発明で効果が得られる理由から、コア残し厚さを適当に設定すれば本発明が他のΔの光導波路についても有効であることは容易に類推される。
【００６４】
又、上記実施例１〜４では、光導波路の一例として、石英系のものを用いて説明したが、本発明は、石英系光導波路に限らず、例えば、ポリマー系の光導波路へも適用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明に係る光導波路の実施形態の一例を示すものであり、その構造の断面の模式図である。
【図２】光導波路と光ファイバとの接続における１接続点あたりの接続損失とコアの残し厚さとの依存性を示すグラフである。
【図３】ＡＷＧの挿入損失とコアの残し厚さとの依存性を示すグラフである。
【図４】方向性結合器の結合率のウェハ面内のばらつきを示すグラフであり、図４（ａ）は、従来の光導波路（コアの残し厚さ：−１．０μｍ）による方向性結合器の結合率のばらつき、図４（ｂ）は、本発明に係る光導波路（コアの残し厚さ：１．０μｍ）による方向性結合器の結合率のばらつきを示すものである。
【図５】方向性結合器の結合率の標準偏差とコアの残し厚さとの関係を示すグラフである。
【図６】本発明に係る光導波路の実施形態の他の一例を示すものであり、その構造の断面の模式図である。
【図７】方向性結合器におけるコアの倒れこみを説明する図であり、図７（ａ）は、倒れこみの起こっていない場合の断面図、図７（ｂ）は、倒れこみの起こっている場合の断面図である。
【符号の説明】
【００６６】
１１    基板
１２    アンダクラッド
１３    コア
１４    オーバクラッド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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