(57)【要約】【課題】チャネル型光導波路を低コストで製造するための新たな技術を提供することを主な目的とする。【解決手段】基板上にコア層とクラッド層とを積層してなる光導波路であって、光照射により屈折率が変化しない透明材料からなり、基板上に積層されたクラッド層、屈折率がクラッド層材料よりも高くかつ光照射により屈折率が変化する透明材料からなり、前記クラッド層上に積層されたコア層、および前記コア層中の所定のコアパターン部以外を遮光するための金属マスクを備えており、かつ上記金属マスク上方から前記コアパターン部に予め光が照射されていて当該コアパターン部の屈折率が増大している光導波路、およびその製造方法。【選択図面】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にコア層とクラッド層とを積層してなる光導波路であって、
（１）光照射により屈折率が変化しない透明材料からなり、基板上に積層されたクラッド層、
（２）屈折率がクラッド層材料よりも高くかつ光照射により屈折率が変化する透明材料からなり、前記クラッド層上に積層されたコア層、および
（３）前記コア層中の所定のコアパターン部以外を遮光するための金属マスク
を備えており、かつ上記金属マスク上方から前記コアパターン部に予め光が照射されていて当該コアパターン部の屈折率が増大している光導波路。
【請求項２】
コア層形成材料およびクラッド層形成材料が、ＳｉＯ２系ガラス材料であり、コア層形成材料がさらにＧｅＯ２、Ｐ２Ｏ５、ＳｎＯ２およびＳｂ２Ｏ３の少なくとも１種からなる添加成分を含む請求項１に記載の光導波路。
【請求項３】
コア層形成材料中の添加成分含有量が、１モル％≦ＧｅＯ２≦５０モル％、１モル％≦Ｐ２Ｏ５≦１５モル％、０．０５モル％≦ＳｎＯ２≦１０モル％、０．０５モル％≦Ｓｂ２Ｏ３≦１０モル％の範囲内にあり、全添加成分の合計量が５０モル％以下である請求項１または２に記載の光導波路。
【請求項４】
コア層形成材料中の添加成分が、１８モル％を超えない量のＢ２Ｏ３により置換されている請求項２〜３のいずれかに記載の光導波路。
【請求項５】
金属マスクが、クロム、チタン、タングステンおよび銅の少なくとも１種からなる請求項１に記載の光導波路。
【請求項６】
コアパターン部の屈折率を増大させるために、金属マスク上方からコア層に照射する光が、波長１５０〜３６０ｎｍの紫外レーザーである請求項１〜５に記載の光導波路。
【請求項７】
コア層と金属マスクとの間に、さらにクラッド層材料と同一の透明材料からなる中間層を備えた請求項１に記載の光導波路。
【請求項８】
透明材料からなる中間層の厚みが、得られる光導波路に導波する光の波長以下である請求項７に記載の光導波路。
【請求項９】
光照射によるコアの屈折率変化量が、得られる光導波路に導波する光の波長帯において０．００１〜０．０６の範囲にある請求項１〜８のいずれかに記載の光導波路。
【請求項１０】
コアパターン内にさらに紫外レーザー照射により形成されたブラッグ回折格子を備えた請求項１〜９のいずれかに記載の光導波路。
【請求項１１】
基板上にコア層とクラッド層とを積層してなる光導波路の製造方法において、
（１）基板上に、光照射により屈折率が変化しない透明材料からなるクラッド層を設ける工程、
（２）前記クラッド層上に、屈折率がクラッド層材料よりも高くかつ光照射により屈折率が変化する透明材料からなるコア層を形成する工程、
（３）前記コア層中に所定のコアパターンを形成するための金属マスクを設ける工程、および
（４）金属マスク上方から前記コア層に光を照射することにより、所定のコアパターンを形成する工程
を備えたことを特徴とする光導波路の製造方法。
【請求項１２】
コア層形成材料およびクラッド層形成材料が、ＳｉＯ２系ガラス材料であり、コア層形成材料がさらにＧｅＯ２、Ｐ２Ｏ５、ＳｎＯ２およびＳｂ２Ｏ３の少なくとも１種からなる添加成分を含む請求項１１に記載の光導波路の製造方法。
【請求項１３】
コア層形成材料中の添加成分含有量が、１モル％≦ＧｅＯ２≦５０モル％、１モル％≦Ｐ２Ｏ５≦１５モル％、０．０５モル％≦ＳｎＯ２≦１０モル％、０．０５モル％≦Ｓｂ２Ｏ３≦１０モル％の範囲内にあり、全添加成分の合計量が５０モル％以下である請求項１１または１２に記載の光導波路の製造方法。
【請求項１４】
コア層形成材料が、さらに１８モル％を超えない量のＢ２Ｏ３により置換されている請求項１２〜１３のいずれかに記載の光導波路の製造方法。
【請求項１５】
金属マスクが、クロム、チタン、タングステンおよび銅の少なくとも１種からなる請求項１１に記載の光導波路の製造方法。
【請求項１６】
金属マスク上方からコア層に照射する光が、波長１５０〜３６０ｎｍの紫外レーザーである請求項１１〜１５に記載の光導波路の製造方法。
【請求項１７】
コア層と金属マスクとの間に、さらにクラッド層材料と同一の透明材料からなる中間層を形成する請求項１１に記載の光導波路の製造方法。
【請求項１８】
透明材料からなる中間層の厚みが、得られる光導波路に導波する光の波長以下である請求項１７に記載の光導波路の製造方法。
【請求項１９】
光照射によるコアの屈折率変化量が、得られる光導波路に導波する光の波長帯において０．００１〜０．０６の範囲にある請求項１１〜１８のいずれかに記載の光導波路の製造方法。
【請求項２０】
光照射により形成されたコアパターンにさらに紫外線を照射することにより、ブラッグ回折格子を形成させる請求項１１〜１９のいずれかに記載の光導波路の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信ネットワークなどにおいて使用される光導波路およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信技術の急速な発展と平行して、光ファイバを用いるネットワークの整備が急速に進行している。この光ファイバ系ネットワークにおいては、１本の光ファイバに波長の異なる複数種の光を通して、チャンネルを多重化することにより、大容量のデータを双方向で伝送することが可能となりつつある（ＷＤＭ通信）。このため、波長の異なる複数種の光を選択的に処理するフィルター型デバイスの重要性が増大している。現在のＷＤＭ通信においては、基板上に導波層を設けた光導波路が、信号処理能力に優れているので、広く使用されている。
【０００３】
通常、光導波路は、基板上に火炎堆積法により成膜したガラス薄膜をフォトリソグラフィーにより微細加工してコア部を形成した後、さらに火炎堆積法によりクラッド層をオーバーコートすることにより、作製されている。この様な従来技術においては、フォトリソグラフィー工程におけるコア部の形成に際し、精密でかつ手間のかかるドライエッチングを行う必要があり、光導波路の製造コストを高める主な要因となっている。
【０００４】
また、金属マスクを介して、溶融塩中でイオン交換を行ってコア層を形成した後、熱処理を行うことにより、コア部を内部に埋め込む技術も知られている。しかしながら、この方法では、イオン交換操作自体に長時間を要するのみならず、コア部の形状制御が困難であり、さらに、コア部とクラッド層との屈折率差も制御困難である。
【０００５】
今後の急速な需要増大が見込まれている都市内部での光通信を考慮すると、光導波路を低コストで製造するための新たな技術の開発が是非とも必要である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は、光導波路を低コストで製造するための新たな技術を提供することを主な目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の課題を解決するために、光導波路について研究を重ねた結果、基板上に設けるコア層およびクラッド層をそれぞれ特定の物性を有するガラス材料の組合せにより形成する場合には、従来技術におけるドライエッチング或いはイオン交換などを必要とすることなく、簡素化された工程からなる方法により、その目的を達成しうることを見出した。
【０００８】
すなわち、本発明は、下記の光導波路およびその製造方法を提供する。
１．基板上にコア層とクラッド層とを積層してなる光導波路であって、
（１）光照射により屈折率が変化しない透明材料からなり、基板上に積層されたクラッド層、
（２）屈折率がクラッド層材料よりも高くかつ光照射により屈折率が変化する透明材料からなり、前記クラッド層上に積層されたコア層、および
（３）前記コア層中の所定のコアパターン部以外を遮光するための金属マスク
を備えており、かつ上記金属マスク上方から前記コアパターン部に予め光が照射されていて当該コアパターン部の屈折率が増大している光導波路。
２．コア層形成材料およびクラッド層形成材料が、ＳｉＯ２系ガラス材料であり、コア層形成材料がさらにＧｅＯ２、Ｐ２Ｏ５、ＳｎＯ２およびＳｂ２Ｏ３の少なくとも１種からなる添加成分を含む上記項１に記載の光導波路。
３．コア層形成材料中の添加成分含有量が、１モル％≦ＧｅＯ２≦５０モル％、１モル％≦Ｐ２Ｏ５≦１５モル％、０．０５モル％≦ＳｎＯ２≦１０モル％、０．０５モル％≦Ｓｂ２Ｏ３≦１０モル％の範囲内にあり、全添加成分の合計量が５０モル％以下である上記項１または２に記載の光導波路。
４．コア層形成材料中の添加成分が、１８モル％を超えない量のＢ２Ｏ３により置換されている上記項２〜３のいずれかに記載の光導波路。
５．金属マスクが、クロム、チタン、タングステンおよび銅の少なくとも１種からなる上記項１に記載の光導波路。
６．コアパターン部の屈折率を増大させるために、金属マスク上方からコア層に照射する光が、波長１５０〜３６０ｎｍの紫外レーザーである上記項１〜５に記載の光導波路。
７．コア層と金属マスクとの間に、さらにクラッド層材料と同一の透明材料からなる中間層を備えた上記項１に記載の光導波路。
８．透明材料からなる中間層の厚みが、得られる光導波路に導波する光の波長以下である上記項７に記載の光導波路。
９．光照射によるコアの屈折率変化量が、得られる光導波路に導波する光の波長帯において０．００１〜０．０６の範囲にある上記項１〜８のいずれかに記載の光導波路。
１０．コアパターン内にさらに紫外レーザー照射により形成されたブラッグ回折格子を備えた上記項１〜９のいずれかに記載の光導波路。
１１．基板上にコア層とクラッド層とを積層してなる光導波路の製造方法において、
（１）基板上に、光照射により屈折率が変化しない透明材料からなるクラッド層を設ける工程、
（２）前記クラッド層上に、屈折率がクラッド層材料よりも高くかつ光照射により屈折率が変化する透明材料からなるコア層を形成する工程、
（３）前記コア層中に所定のコアパターンを形成するための金属マスクを設ける工程、および
（４）金属マスク上方から前記コア層に光を照射することにより、所定のコアパターンを形成する工程
を備えたことを特徴とする光導波路の製造方法。
１２．コア層形成材料およびクラッド層形成材料が、ＳｉＯ２系ガラス材料であり、コア層形成材料がさらにＧｅＯ２、Ｐ２Ｏ５、ＳｎＯ２およびＳｂ２Ｏ３の少なくとも１種からなる添加成分を含む上記項１１に記載の光導波路の製造方法。
１３．コア層形成材料中の添加成分含有量が、１モル％≦ＧｅＯ２≦５０モル％、１モル％≦Ｐ２Ｏ５≦１５モル％、０．０５モル％≦ＳｎＯ２≦１０モル％、０．０５モル％≦Ｓｂ２Ｏ３≦１０モル％の範囲内にあり、全添加成分の合計量が５０モル％以下である上記項１１または１２に記載の光導波路の製造方法。
１４．コア層形成材料が、さらに１８モル％を超えない量のＢ２Ｏ３により置換されている上記項１２〜１３のいずれかに記載の光導波路の製造方法。
１５．金属マスクが、クロム、チタン、タングステンおよび銅の少なくとも１種からなる上記項１１に記載の光導波路の製造方法。
１６．金属マスク上方からコア層に照射する光が、波長１５０〜３６０ｎｍの紫外レーザーである上記項１１〜１５に記載の光導波路の製造方法。
１７．コア層と金属マスクとの間に、さらにクラッド層材料と同一の透明材料からなる中間層を形成する上記項１１に記載の光導波路の製造方法。
１８．透明材料からなる中間層の厚みが、得られる光導波路に導波する光の波長以下である上記項１７に記載の光導波路の製造方法。
１９．光照射によるコアの屈折率変化量が、得られる光導波路に導波する光の波長帯において０．００１〜０．０６の範囲にある上記項１１〜１８のいずれかに記載の光導波路の製造方法。
２０．光照射により形成されたコアパターンにさらに紫外線を照射することにより、ブラッグ回折格子を形成させる上記項１１〜１９のいずれかに記載の光導波路の製造方法。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態の概要を示す図面を参照しつつ、本発明をより詳細に説明する。
【００１０】
図１は、本発明による光導波路とその製造工程を概念的に示す模式的な斜面図である。
【００１１】
本発明による光導波路を製造するに際しては、先ず、基板上に、光照射により屈折率が変化しない透明材料からなるクラッド層を形成する。基板材料としては、特に限定されず、公知の基板用ガラスが使用でき、代表的な組成としてＳｉＯ２系ガラス、シリコンなどが例示される。基板の厚さは、通常の光導波路と同様であり、通常０．５〜１ｍｍ程度である。
【００１２】
クラッド層は、公知のＣＶＤ法、ＶＡＤ法、ＦＨＤ法、スパッタ法などにより、形成することができる。クラッド層材料は、後述のコア層に対する光照射に際して屈折率が変化しない限り、特に限定されず、ＳｉＯ２系ガラスなどが挙げられる。シリカ系ガラスとしては、１８〜０モル％Ｂ２Ｏ３−８２〜１００モル％ＳｉＯ２、１０〜０モル％Ｆ２−９０〜１００モル％ＳｉＯ２などが例示される。クラッド層の厚さも、通常の光導波路と同様であり、通常１０〜３０μｍ程度である。
【００１３】
次いで、上記の様にして形成されたクラッド層上に、クラッド層材料よりも屈折率が高く、かつ光照射により屈折率が変化する透明材料（光感応性材料）からなるコア層を形成する。コア層は、公知のＣＶＤ法、ＶＡＤ法、ＦＨＤ法、スパッタ法などにより、形成することができる。コア層材料としては、ＳｉＯ２の含有量が５０モル％以上であり、かつＧｅＯ２、Ｐ２Ｏ５、ＳｎＯ２およびＳｂ２Ｏ３の少なくとも１種を含有するＳｉＯ２系ガラスを使用する。これらの添加成分は、このガラス材料からなるコア層に紫外線を照射した場合に、ガラス材料の屈折率変化を誘起する。これら添加成分の含有量（以下“％”とあるのは、“モル％”を意味する）は、１％≦ＧｅＯ２≦５０％、１％≦Ｐ２Ｏ５≦１５％、０．０５％≦ＳｎＯ２≦１０％、０．０５％≦Ｓｂ２Ｏ３≦１０％の範囲内にあることが好ましく、２％≦ＧｅＯ２≦３５％、２％≦Ｐ２Ｏ５≦７％、１％≦ＳｎＯ２≦５％、０．１≦％≦Ｓｂ２Ｏ３≦５％の範囲内にあることがより好ましい。
【００１４】
コア層の厚さは、通常の光導波路と同様であり、通常３〜１０μｍ程度である。
【００１５】
次いで、上記の様にして形成されたコア層上に、クロム、チタン、タングステン、銅などからなる金属層を積層する。金属層は、これらの金属の単独で構成されていても良く、或いは２種以上の合金により構成されていても良い。金属層は、公知の蒸着法、スパッタ法などにより、形成することができる。金属層の厚さは特に限定されるものではないが、通常１０〜５００ｎｍ程度であり、より好ましくは５０〜３００ｎｍ程度である。次いで、金属層を公知のエッチング処理に供し、コアを形成すべき部分のみを除去して、金属マスクを形成する（但し、このエッチング工程は図示していない）。エッチングは、ウェット法（例えば、クロムマスクを形成する場合には、硝酸第２セリウム＋過塩素酸を使用する）およびドライ法（例えば、Ａｒプラズマ中で金属層をスパッタリングして削る）のいずれの方法で行っても良い。
【００１６】
次いで、上記の手法で形成された金属マスクの上方から、光感応性コア材料の非被覆部分に対し、光を照射する。照射光は、波長３６０〜１５０ｎｍ程度の紫外レーザーであることが好ましく、波長１９３ｎｍ（ＡｒＦ）および２４８ｎｍ（ＫｒＦ）のエキシマレーザーが実用的に好適である。この光照射により、光感応性コア材料の非被覆部分の屈折率変化が誘起されて、コア部が形成され、所望の光導波路が得られる。このコア部における屈折率変化量は、光導波路を導波する波長帯において、０．００１〜０．０６の範囲内であることが必要であり、０．０１〜０．０５の範囲内にあることがより好ましい。屈折率変化量が小さすぎる場合には、伝搬光を効率よくコア内に閉じこめて、低損失で伝送することが困難となる。
【００１７】
なお、金属マスクの設置により、得られる光導波路の透過損失が高くなる場合がある。従って、図示はしていないが、コア層と金属マスクとの間に、クラッド層材料と同じ透明材料からなる中間層を設けることが好ましい。緩衝層の厚さは、光導波路に導波される光の波長以下であることが望ましい。
【００１８】
本発明においては、上記の様にして作製した光導波路のコア部に対して、さらに位相マスクを介して紫外レーザーの干渉光を照射することにより、光通信の主要デバイスである回折格子フィルターを形成することができる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明方法によれば、従来技術による光導波路の作製時に不可欠であったドライエッチング工程或いはイオン交換工程が不要となるので、新規な構成の光導波路を安価に作製することができる。
【００２０】
【実施例】
以下に、実施例を示し、本発明の特徴とするところをさらに明確にする。各実施例の材料組成において、“％”とあるのは、“モル％”を示す。
実施例１
ＳｉＯ２からなる基板（厚さ１ｍｍ）上に、ＣＶＤ法により、厚さ２０μｍのクラッド層（ＳｉＯ２）および厚さ５μｍのコア層（９０％ＳｉＯ２−１０％ＧｅＯ２）を順次形成した。ＣＶＤ原料としては、Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）４および　Ｇｅ（ＯＣＨ３）４を使用した。
【００２１】
次いで、上記で得られた２層構造の上に、スパッタ法により、厚さ３００ｎｍのクロム被覆層を成膜した後、その上にポジ型フォトレジストをスピンコーティングし、Ｈｇランプを用いるマスク露光法でレジストに５μｍ巾のラインを形成した。次いで、ウェットエッチング処理により、コアを形成すべき部分を被覆するクロム被覆層部分のみを除去して、金属マスクを形成した。
【００２２】
次いで、上記で得られたクロムマスク付積層体の上面から、エネルギー密度１００ｍＪ／ｃｍ２のＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）を１００００ショット照射した。その結果、光照射されたコア層部分の屈折率が０．００８上昇した。
【００２３】
得られた光導波路に１．５５μｍ帯レーザーを導波したところ、損失は、１ｄＢ／ｃｍ以下であった。
実施例２
コア層の組成を８０％ＳｉＯ２−１０％ＧｅＯ２−１０％Ｂ２Ｏ３とするとともに、マスク形成用金属としてチタンを使用して、実施例１の手法に準じて、チタンマスク付積層体を得た。なお、ＳｉＯ２およびＧｅＯ２源は、実施例１と同じであり、Ｂ２Ｏ３源としては、Ｂ（ＯＣ２Ｈ５）３を使用した。
【００２４】
次いで、上記で得られたチタンマスク付積層体の上面から、エネルギー密度８０ｍＪ／ｃｍ２のＡｒＦエキシマレーザー（波長１９３ｎｍ）を１００００ショット照射した。その結果、光照射されたコア層部分の屈折率が０．００７上昇した。
得られた光導波路に１．５５μｍ帯レーザーを導波したところ、損失は、、１ｄＢ／ｃｍ以下であった。
実施例３
コア層の組成を８０％ＳｉＯ２−１０％ＧｅＯ２−１０％Ｂ２Ｏ３とする以外は実施例１の手法に準じて、クロムマスク付積層体を得た。
【００２５】
次いで、上記で得られたクロムマスク付積層体の上面から、エネルギー密度１００ｍＪ／ｃｍ２のＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）を１００００ショット照射した後、形成されたコアの長手方向中央部分に位相マスクを介してピッチ０．５μｍ、長さ１００ｍｍの回折格子を形成した。
【００２６】
得られた回折格子の回折ピークは、波長１．５５μｍにおいて、３０ｄＢであり、情報通信に十分な特性を示した。
実施例４〜９
コア層の組成を変えるとともに、クロムマスク付積層体上面から照射するレーザーの波長を適宜選択する以外は、実施例１と同様にして光導波路を作製した。下記の表１にコア層の組成と照射レーザーの波長を示す。
【００２７】
それぞれの光導波路に１．５５μｍ帯レーザーを照射したところ、いずれの光導波路においても、損失は１ｄＢ／ｃｍ以下であった。
実施例１０
実施例１の手法に準じて基板上にクラッド層およびコア層を形成した後、さらにコア層上に厚さ０．１μｍのＳｉＯ２からなる中間層を形成し、次いで実施例１の手法に準じてクロムマスクを形成した。下記の表１に本実施例による光導波路のコア層の組成と照射レーザーの波長を示す。
【００２８】
本実施例による光導波路においても、１．５５μｍ帯レーザーを照射した場合の損失は０．９ｄＢ／ｃｍ以下であった。
【００２９】
【表１】
2004029600.tif 000002
【００３０】
比較例１
コア層の組成を９０％ＳｉＯ２−１０％Ｂ２Ｏ３とする以外は実施例１の手法に準じて、クロムマスク付積層体を得た。得られたクロムマスク付積層体の上面から、エネルギー密度１００ｍＪ／ｃｍ２のＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）を１００００ショット照射したが、コア層の屈折率が上昇しなかったので、コア層に光が導波しなかった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光導波路の製造過程の一例を示す模式的な斜面図である。
【図１】
2004029600.tif 000003