(57)【要約】【課題】  上部クラッド層、下部クラッド層の熱膨張係数差に起因する応力の水平方向、垂直方向での不整合を抑圧し、光学特性をＴＥ偏波及びＴＭ偏波で整合させることができる光導波路の製造方法を提供する。【解決手段】  軟化温度がＴｉである下部クラッド層２の上に形成した軟化温度がＴｃｉのコア３ｂを、温度ＴがＴｉ＜Ｔ＜Ｔｃｉとなるような温度Ｔで熱処理を行うことにより前記コア３ｂの一部又は全部を下部クラッド層２に沈み込ませる工程を有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１≦ｉ≦Ｎ、軟化温度Ｔｉ＜軟化温度Ｔｃｉとした場合の１乃至Ｎ層の光導波路の製造方法であって、
基板上に軟化温度Ｔｉの第ｉクラッド層となるガラス膜を成膜する工程と、軟化温度Ｔｃｉの第ｉコアとなるガラス膜を成膜する工程と、前記第ｉコアとなるガラス膜をパターン化して導波路パターンを形成する工程により第ｉ層導波路を作製する工程を有するとともに、
任意の第ｉ層導波路を作製する工程のうち少なくとも一工程においては、前記第ｉコアとなるガラス膜をパターン化して導波路パターンを形成する工程の後に、Ｔｉ＜Ｔ＜Ｔｃｉなる温度Ｔにて基板全体に熱処理を施し、第ｉコアを第ｉクラッド層に沈ませることを特徴とする光導波路の製造方法。
【請求項２】
１≦ｉ≦Ｎ、軟化温度Ｔｉ＜軟化温度Ｔｃｉとした場合の１乃至Ｎ層の光導波路の製造方法であって、
基板上に軟化温度Ｔｉの第ｉクラッド層となるガラス膜を成膜する工程と、軟化温度Ｔｃｉの第ｉコアとなるガラス膜を成膜する工程と、前記第ｉコアとなるガラス膜をパターン化して導波路パターンを形成する工程により第ｉ層導波路を作製する工程を有するとともに、
任意の第ｉ層導波路を作製する工程のうち少なくとも一工程においては、前記第ｉコアとなるガラス膜をパターン化して導波路パターンを形成する工程の後に、Ｔｉ＜Ｔ＜Ｔｃｉなる温度Ｔにて基板の所望箇所のみに熱処理を施し、第ｉコアの熱処理を施した当該部分を第ｉクラッド層に沈ませる工程を有することを特徴とする光導波路の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載する光導波路の製造方法において、
前記第ｉクラッド層となるガラス膜を成膜する工程と、前記第ｉコアとなるガラス膜を成膜する工程と、前記第ｉコアとなるガラス膜をパターン化して導波路パターンを形成する工程をＮ（≧２）回繰り返し、さらに第Ｎ＋１クラッド層となるガラス膜を成膜する工程を有することを特徴とする光導波路の製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３に記載する何れか一つの光導波路の製造方法において、
前記熱処理を施し第ｉコアを第ｉクラッド層に沈ませる処理の際、
ある時間τの熱処理で第ｉコアの沈み込みが停止する温度をＴｕとするとき、Ｔｉ＜Ｔ＜Ｔｕなる温度Ｔにて熱処理を施すことを特徴とする光導波路の製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４に記載する何れか一つの光導波路の製造方法において、
前記熱処理を施し第ｉコアを第ｉクラッド層に沈ませる処理の際、
ある温度Ｔの熱処理で第ｉコアの沈み込みがはじまる時間をτ１、第ｉコアの沈み込みが停止する時間をτ２とするとき、τ１＜τ＜τ２なる時間τにて熱処理を施すことを特徴とする光導波路の製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５に記載する何れか一つの光導波路の製造方法において、
１≦ｉ≦Ｎのすべてのｉに対して、
前記第ｉクラッド層の熱膨張係数と前記基板の熱膨張係数を等しく設定したことを特徴とする光導波路の製造方法。
【請求項７】
請求項３乃至請求項６に記載する何れか一つの光導波路の製造方法において、
２≦ｉ≦Ｎの少なくともひとつのｉに対して、
前記第ｉクラッド層と前記第ｉ＋１クラッド層の熱膨張係数を等しく設定した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、光通信分野において光信号処理に用いられる導波路型光部品に係り、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光回路の更なる高集積化・高機能化が望まれており、その手段のひとつとして導波路の積層化が挙げられる。導波路の積層化を図った従来技術を開示する文献として非特許文献１及び非特許文献２がある。
【０００３】
非特許文献１に記載する光導波路は、石英系平面光導波路（ＰＬＣ）に研磨技術を用いて層間方向性結合器を作製して良好な層間光結合を実現したものである。すなわち、積層光導波路においては層間の光結合が必須であるが、結合器を実現するには層間クラッドの堆積時に生じる段差を除去し平坦化する必要がある。非特許文献１は、かかる必要性に鑑みて提案されたものである。
【０００４】
さらに詳言すると、図１４に示すように、当該積層光導波路は上下層導波路が結合領域で上下に重なる構造であり、次のような手順で作製したものである。まず、Ｓｉ基板１００上に下部クラッド層１０１、下部コア膜１０２を形成して下部導波路のパターン化を行う。その後、中間クラッド層１０３で下部導波路コアを埋め込む。次に、中間クラッド層１０３を研磨により平坦化し、その後上部コア膜１０４の形成とその導波路パターン化を行い、最後に上部クラッド層１０５による埋め込みを行う。上部及び下部コア膜１０２、１０４のサイズは６μｍ×６μｍであり、比屈折率差は０．７５％、層間ギャップ１０６を３μｍとしてある。
【０００５】
この結果、層間方向性結合器は波長１．５５μｍＴＥ偏波に対して、完全結合長、３ｄＢ結合長がそれぞれ１２００μｍ、５００μｍとなる積層光導波路を得ている。これは３Ｄ−ＢＰＭによる計算結果と良好な一致を示した。
【０００６】
一方、非特許文献２は、前記非特許文献１に開示する積層光導波路における結合率の偏波依存性を低減するように工夫したものである。具体的には、図１４における下部コア膜１０２の幅を上部コア膜１０４の幅よりも狭くすることで、上部及び下部コア膜１０２、１０４に働く応力を基板水平、垂直方向ともに不整合を解消して偏波依存性低減を図ったものである。この積層光導波路では、導波路比屈折率差を０．７５％、上部及び下部コア膜１０２、１０４の高さをともにＨ＝５μｍ、下部コア膜１０２の幅をＷ１＝５（Ｗ）μｍ、上部コア膜の幅をＷｕ＝５．５μｍ、層間ギャップ１０６を２．５μｍとした。
【０００７】
この結果、層間方向性結合器の５０％結合長はＴＭ・ＴＥ両偏波に対して０．２ｍｍ、最大結合率がＴＭ偏波９７％、ＴＥ偏波に対して９１％であり、偏波依存性の小さい良好な結合特性を得ることができた。
【０００８】
【非特許文献１】第６２回応用物理学会学術講演会  講演予稿集  １２Ｐ−Ｙ−６
【非特許文献２】第６４回応用物理学会学術講演会  講演予稿集  １Ｐ−ＹＫ−１３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述の如き従来技術に係る光導波路の製造方法における火炎堆積法では、下層のガラス膜ほど添加物濃度を調整することで軟化温度を高くする必要があった。これは、上部クラッド層１０５の成膜時において施される熱処理により下部クラッド層１０１及び下部コア膜１０２を形成するコアガラスの軟化による変形を防ぐためであり不可欠な工程である。
【００１０】
しかしながら、従来の方法で製造した光導波路では、コアにはたらく基板水平方向と垂直方向での応力の違いが、光方向性結合器などの回路要素の偏波依存性を誘起していた。これは、下部クラッド層１０１と上部クラッド層１０５の熱膨張係数の違いに起因する。すなわち、コアは基板水平方向には上部クラッド層１０５からの応力のみを受けるのに対して、基板垂直方向には下部クラッド層１０１と上部クラッド層１０５からの応力を受ける。したがって、ＴＭ／ＴＥ両偏波モードに対して、異なる比屈折率差をもつようになり、結果として偏波依存性を生じていた。
【００１１】
さらに、積層光導波路においては、隣接する光導波路層間の光結合を安定的に得るために、間のクラッド層の研磨が不可欠である。また、各層のコアは、それぞれ異なる熱膨張係数を有するクラッド層と接することになり、層間光方向性結合器の結合特性も偏波依存性・非対称性を有していた。
【００１２】
本発明は、上記従来技術に鑑み、上部クラッド層、下部クラッド層の熱膨張係数差に起因する応力の水平方向、垂直方向での不整合を抑圧し、光学特性をＴＥ偏波およびＴＭ偏波で整合させる光導波路の製造方法を提供することを目的とする。また、中間クラッド層の研磨工程を省き、その生産性を向上させる光導波路の製造方法を提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明の構成は、次の点を特徴とする。
【００１４】
１）  １≦ｉ≦Ｎ、軟化温度Ｔｉ＜軟化温度Ｔｃｉとした場合の１乃至Ｎ層の光導波路の製造方法であって、
基板上に軟化温度Ｔｉの第ｉクラッド層となるガラス膜を成膜する工程と、軟化温度Ｔｃｉの第ｉコアとなるガラス膜を成膜する工程と、前記第ｉコアとなるガラス膜をパターン化して導波路パターンを形成する工程により第ｉ層導波路を作製する工程を有するとともに、
任意の第ｉ層導波路を作製する工程のうち少なくとも一工程においては、前記第ｉコアとなるガラス膜をパターン化して導波路パターンを形成する工程の後に、Ｔｉ＜Ｔ＜Ｔｃｉなる温度Ｔにて基板全体に熱処理を施し、第ｉコアを第ｉクラッド層に沈ませること。
【００１５】
２）  １≦ｉ≦Ｎ、軟化温度Ｔｉ＜軟化温度Ｔｃｉとした場合の１乃至Ｎ層の光導波路の製造方法であって、
基板上に軟化温度Ｔｉの第ｉクラッド層となるガラス膜を成膜する工程と、軟化温度Ｔｃｉの第ｉコアとなるガラス膜を成膜する工程と、前記第ｉコアとなるガラス膜をパターン化して導波路パターンを形成する工程により第ｉ層導波路を作製する工程を有するとともに、
任意の第ｉ層導波路を作製する工程のうち少なくとも一工程においては、前記第ｉコアとなるガラス膜をパターン化して導波路パターンを形成する工程の後に、Ｔｉ＜Ｔ＜Ｔｃｉなる温度Ｔにて基板の所望箇所のみに熱処理を施し、第ｉコアの熱処理を施した当該部分を第ｉクラッド層に沈ませる工程を有すること。
【００１６】
３）  上記１）又は２）に記載する光導波路の製造方法において、
前記第ｉクラッド層となるガラス膜を成膜する工程と、前記第ｉコアとなるガラス膜を成膜する工程と、前記第ｉコアとなるガラス膜をパターン化して導波路パターンを形成する工程をＮ（≧２）回繰り返し、さらに第Ｎ＋１クラッド層となるガラス膜を成膜する工程を有すること。
【００１７】
４）  上記１）乃至３）に記載する何れか一つの光導波路の製造方法において、
前記熱処理を施し第ｉコアを第ｉクラッド層に沈ませる処理の際、
ある時間τの熱処理で第ｉコアの沈み込みが停止する温度をＴｕとするとき、Ｔｉ＜Ｔ＜Ｔｕなる温度Ｔにて熱処理を施すこと。
【００１８】
５）  上記１）乃至４）に記載する何れか一つの光導波路の製造方法において、
前記熱処理を施し第ｉコアを第ｉクラッド層に沈ませる処理の際、
ある温度Ｔの熱処理で第τコアの沈み込みがはじまる時間をτ１、第τコアの沈み込みが停止する時間をτ２とするとき、τ１＜τ＜τ２なる時間τにて熱処理を施すこと。
【００１９】
６）  上記１）乃至５）に記載する何れか一つの光導波路の製造方法において、
１≦ｉ≦Ｎのすべてのｉに対して、
前記第ｉクラッド層の熱膨張係数と前記基板の熱膨張係数を等しく設定したこと。
【００２０】
７）  上記３）乃至６）に記載する何れか一つの光導波路の製造方法において、
２≦ｉ≦Ｎの少なくともひとつのｉに対して、
前記第ｉクラッド層と前記第ｉ＋１クラッド層の熱膨張係数を等しく設定したこと。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に期待される効果は次の通りに要約される。すなわち、本発明によれば、下部クラッド層と上部クラッド層の熱膨張係数を等しく設定でき、結果として光信号が感じる光導波路の比屈折率差をＴＥ偏波とＴＭ偏波で等しく設定することができ、光方向性結合器などの回路要素の偏波依存性を安定的に低減することができる。
【００２２】
また、本発明を積層光導波路に適用する場合においても、各クラッド層同士の熱膨張係数を等しく設定でき、層間の相互作用を必要とする回路要素において偏波依存性を低減できる。
【００２３】
さらに、積層光導波路において、第ｉ層（ｉ≧２）を製造する際に必要な研磨による平坦化の工程を省略することができる。加えて局所的に熱処理をほどこすことでレイアウトの柔軟性に富んだ積層光導波路も実現することができる。また、クラッド層の研磨による平坦化も不要になる。
【００２４】
特に、請求項４に記載する発明によれば温度制御によって、また請求項５に記載する発明によれば熱処理時間を制御することによって、それぞれ第ｉコアの沈み込み量を制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。各実施の形態は石英系光導波路の製造方法である。また、各実施の形態中同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００２６】
＜実施の形態１＞
本実施の形態１におけるコアには二酸化ゲルマニウムを添加した石英系ガラスを用い、上部クラッド層および下部クラッド層には、三酸化ホウ素、五酸化リンを添加した石英系ガラスを適用する例について説明する。ただ、コアには二酸化チタンや五酸化タンタルを添加した石英系ガラス、上部クラッド層および下部クラッド層には、フッ素を添加した石英系ガラスなどを用いても、同様の効果を得ることは可能である。
【００２７】
また、本実施の形態１では火炎堆積法によるガラス成膜方法を適用する例について説明するが、熱処理を必要とするその他のガラス成膜方法（たとえば、ＣＶＤ法、スパッタ法若しくはゾルゲル法）により実施することも可能である。ＣＶＤ法、スパッタ法によるガラス成膜においては、一般には高温の熱処理は必要とされないが、光導波路としての光学特性、信頼性などを向上するために熱処理を必要とする場合がある。
【００２８】
図１は、本実施の形態１に係る石英系光導波路の製造方法を示す説明図である。同図に示すように、まず、工程１においてシリコン基板１上にガラス微粒子を火炎堆積法により堆積した後、１０００℃以上の高温Ｔ１で焼結することで透明なガラス膜とし、下部クラッド層２を成膜する。下部クラッド層２の堆積においては、添加物として三酸化ホウ素、五酸化リンを添加して、その軟化温度Ｔｇ１および屈折率を調整する。
【００２９】
さらに、下部クラッド層２および後の工程で成膜される上部クラッド層４に比べて高い屈折率を有するように、所望の量にてゲルマニウム酸化物を添加したガラス微粒子を、同様に火炎堆積法にて堆積し、１０００℃以上の高温Ｔ２にて接続することでコア層３ａを成膜する。
【００３０】
工程２では、工程１で成膜したコア層３ａを反応性イオンエッチングにて加工し、所望の回路パターンを形成する。
【００３１】
次に工程３において、温度Ｔｓ、時間τにて基板全体に熱処理を施す。ここで、熱処理温度Ｔｓは、下部クラッド層１の軟化温度をＴｇ１、コア３ｂの軟化温度をＴｇｃ１とするとき、
Ｔｇ１＜Ｔｓ＜Ｔｇｃｌ
となる温度とする。本工程により、工程２で作成した回路パターン３ｂはその形状を変えることなく、下部クラッド層２へ沈み込む。
【００３２】
最後に、工程４で上部クラッド層４を下部クラッド層２と同様の条件、組成にて成膜する。
【００３３】
本発明の発明者等の検討によれば、十分長い時間τにわたって過熱する場合、沈み込み沈下量Ｈは熱処理温度によって決まり、τ以上の長い時間加熱してもそれ以上沈み込みは進まないことがわかった。すなわち、図２に示すように、ある一定温度Ｔｓ０未満の熱処理温度Ｔｓ１にて熱処理を施す場合、十分長い時間熱処理を加えてもある一定量Ｈ１よりも沈下は進まない。さらに、Ｔｓ０以上の温度Ｔｓ２にて十分長い時間熱処理を加えても、コアの高さＨcoreより深くは沈まない。これは、沈み込み現象が、当初は、コアの自重により下部クラッド層へと沈みだすが、若干でも沈むとそれ以降はコア側面に付着したクラッドガラスの表面張力により、コアが下部クラッド層２に引きずり込まれることによる。
【００３４】
図３に沈み込み時の張力の概要を示す。沈み込みの過程において、当初はコア３ｂがその自重により、下部クラッド層２へと沈みだす。これは、下部クラッドガラスが軟化し、その流動性が増すためである。コア３ｂがある程度沈むと、その側面には下部クラッド層２のガラスが表面張力により盛り上がり５を形成する。この盛り上がり５がコア３ｂに表面張力を引き起こし、コア３ｂが下部クラッド２へ引きずり込まれることにより沈み込みが生じる。さらにＴｓ０以上の温度にて熱処理を加えて、コア３ｂの上面と下部クラッド層２の表面が同じ高さになると、盛り上がり５も消失して沈み込みがとまる。
【００３５】
一方、Ｔｓ０未満の温度にて熱処理を加える場合、下部クラッド層２のガラスの流動性が制限されるため、盛り上がり５がコア３ｂを下方へと引きずる力と下部クラッド層２の粘性がつりあい、沈み込みは一定の位置Ｈ１でとまる。以上が沈み込みのメカニズムである。したがって、熱処理温度Ｔｓによりコアの沈み込み量を調整することができる。
【００３６】
本実施の形態１では、下部クラッド層２および上部クラッド層４は、石英に対して三酸化ホウ素および五酸化リンを８ｍｏｌ％の割合で添加し、コア層３ａおよびコア３ｂには二酸化ゲルマニウムを６．３ｍｏｌ％の割合で添加した。この組み合わせでは、導波路の比屈折率差は０．７％であった。
【００３７】
図４は本実施の形態１の組成のガラスおよび構造を組み合わせて製造した石英系光導波路によって作製した光方向性結合器の上面図である。図４において、石英系光導波路６上に作製された光方向性結合器は、２本の入力導波路７ａおよび７ｂ、２本の結合直線部９ａおよび９ｂ、さらに２本の出力導波路８ａおよび８ｂからなり、２本の結合直線部９ａおよび９ｂは、間隔Ｇを有しつつ、長さＬに渡って平行に延在する。
【００３８】
本実施の形態１では、間隔Ｇを３μｍ、２本の入力導波路７ａおよび７ｂ、２本の結合直線部９ａおよび９ｂの幅を７μｍとして、結合直線部９ａおよび９ｂの長さＬを変化させて、その結合特性、すなわち入力導波路７ａから光信号を入力したときの、出力導波路８ｂへ出力される光信号強度の割合を測定した。
【００３９】
作製した光方向性結合器の特性を図５に示す。図５から明らかなように、光方向性結合器の偏波依存性は良好に解消され、５０％近傍での結合率のＴＭ偏波、ＴＥ偏波間での差は従来ではおよそ３．５％であったのが、本実施の形態に係る石英系光導波路によりおよそ０．１％まで低減された。
【００４０】
特に、本発明に係る製造方法によれば、上下クラッド層の組成、すなわち熱膨張係数を等しく設定して光導波路を製造する場合においても、その結合特性のばらつきは無く安定に光回路を製造可能である。図６は本実施の形態１における５０個の光方向性結合器の３ｄＢ結合長の４インチウエハ内でのばらつきを示すヒストグラムである。全サンプルとも３ｄＢ結合長は、９５０μｍから１０５０μｍの間に収まっており、従来技術に係る製造方法による光方向性結合器に比べて安定性の点で改善が図られた。改善の理由は、本実施の形態１の製造方法では、工程３において、あらかじめコア３ｂを下部クラッド層２に沈み込ませているため、上部クラッド層４の成膜時の透明化において必要な熱処理を加えた場合にも、コア３ｂの移動が少なく、安定に製造できることに起因する。このように、本実施の形態１によれば、偏波依存性の小さい光回路を安定に製造することができる。
【００４１】
＜実施の形態２＞
本実施の形態２では、コアには二酸化ゲルマニウムを添加した石英系ガラスを用い、上部クラッド層および下部クラッド層には、シリコン基板との熱膨張係数を等しく設定された三酸化ホウ素、五酸化リンを添加した石英系ガラスを適用する例について説明する。ただ、コアには二酸化チタンや五酸化タンタルを添加した石英系ガラス、上部クラッド層および下部クラッド層には、フッ素を添加した石英系ガラスなどを用いても、同様の効果を得ることは可能である。
【００４２】
また、本実施の形態２では火炎堆積法によるガラス成膜方法を適用する例について説明するが、熱処理を必要とするその他のガラス成膜方法（たとえば、ＣＶＤ法、スパッタ法若しくはゾルゲル法）により実施することも可能である。ＣＶＤ法、スパッタ法によるガラス成膜においては、一般には高温の熱処理は必要とされないが、光導波路としての光学特性、信頼性などを向上するために熱処理を必要とする場合がある。
【００４３】
図７は、前記実施の形態１で説明した製造方法で作製した光導波路におけるアレイ導波路格子の透過スペクトルである。
【００４４】
図７よりアレイ導波路格子の透過スペクトルは偏波依存性のない良好な特性を示している。アレイ導波路格子の偏波依存性はそのアレイ導波路の複屈折に依存するが、本実施の形態２によれば、その複屈折は良好に解消されていることが明らかである。すなわち、本形態に係る光導波路では上下クラッド層の熱膨張係数と基板の熱膨張係数が等しく設定されているため、コアに働く応力は、基板垂直方向と水平方向で等しく設定される。したがって、光弾性効果の寄与が両方向で等しく設定される。この結果、アレイ導波路の複屈折はゼロに漸近し、アレイ導波路格子の透過スペクトルの偏波依存性も解消される。
【００４５】
＜実施の形態３＞
本実施の形態３においては、コアには添加物を含まない純粋石英を用いるとともに、上部クラッド層および下部クラッド層には、フッ素を添加した石英系ガラスを適用する例について説明する。ただ、コアには二酸化ゲルマニウム、二酸化チタンや五酸化タンタルを添加した石英系ガラス、上部クラッド層および下部クラッド層には、三酸化ホウ素、五酸化リンを添加した石英系ガラスなどを用いても、同様の効果を得ることは可能である。
【００４６】
図８は、本実施の形態３にかかる積層光導波路の製造方法を示す説明図である。同図に示すように、まず工程１においてシリコン基板１１上にガラス微粒子を火炎堆積法により堆積した後、１０００℃以上の高温Ｔ１で焼結することで透明なガラス膜とし、第１クラッド層１２を成膜する。第１クラッド層１２の堆積においては、添加物としてフッ素を添加して、その屈折率が、後の工程で成膜される第1コア層１３ａよりも小さくなるように調整する。
【００４７】
次に、工程２において、純粋石英からなるガラス微粒子を、同様に火炎堆積法にて堆積し、１０００℃以上の高温Ｔ２にて焼結することで第１コア層１３ａを成膜する。
【００４８】
工程３では、工程２で成膜したコア層１３ａを反応性イオンエッチングにて加工し、所望の第１回路パターンを形成する。
【００４９】
次に、工程４において、温度Ｔｓ、時間τにて基板全体に熱処理を施す。ここで、熱処理温度Ｔｓは、第１クラッド層１２の軟化温度をＴｇ１、第１コア１３ｂの軟化温度をＴｇｃ１とするとき、
Ｔｇ１＜Ｔｓ＜Ｔｇｃｌ
なる温度とする。また、熱処理時間τは、前記実施の形態１で説明した十分長い時間以上を確保する。本工程により、工程３で形成した第１回路パターン１３ｂはその形状を変えることなく、第１クラッド層１２へ沈み込む。また、第１回路パターン１３ｂの上面は第１クラッド層１２の表面位置と一致し、平坦化が図られる。
【００５０】
工程５では、再び火炎堆積法によりガラス微粒子を堆積した後、１０００℃以上の高温Ｔ２で焼結することで透明なガラス膜とし、第２クラッド層１４を成膜する。第２クラッド層１４の堆積においては、添加物としてフッ素を添加して、その屈折率を調整する。ここで、第２クラッド層１４は、第1クラッド層１２と同じ屈折率条件を持つようにフッ素が添加されるため、その軟化温度Ｔｇ２は、
Ｔｇ１＝Ｔｇ２
と設定される。本設定により、偏波依存性等の光学特性の改良を図ることができる。また、ここで、第２クラッド層１４の厚みは、後の工程８において沈み込みの工程を経る第２コア１５ｂの下面との距離Ｇが所望の値となるように設定される。
【００５１】
次の工程６では、再び純粋石英からなるガラス微粒子を、同様に火炎堆積法にて堆積し、１０００℃以上の高温Ｔ３にて焼結することで第２コア層１５ａを成膜する。ここで、第２コア層１５ａは第１コア層１３ａと同じ純粋石英で構成されるため、
Ｔｇｃ１＝Ｔｇｃ２
なる軟化温度Ｔｇｃ２を持つように設定される。
【００５２】
工程７では、前記工程６で成膜したコア層１５ａを反応性イオンエッチングにて加工し、所望の第２回路パターン１５ｂを形成する。
【００５３】
工程８では、工程４と同様に、温度Ｔｓ、時間τにて基板全体に熱処理を施す。ここで、熱処理温度Ｔｓは、第２クラッド層１４の軟化温度をＴｇ２、第２コア１５ｂの軟化温度をＴｇｃ２とするとき、
Ｔｇ１＝Ｔｇ２＜Ｔｓ＜Ｔｇｃ１＝Ｔｇｃ２
なる温度とする。また、熱処理時間τは、前記実施の形態１で説明した十分長い時間以上を確保する。本工程により、工程７で形成した第２回路パターン１５ｂはその形状を変えることなく、第２クラッド層１４へ沈み込む。また、第２回路パターン１５ｂの上面は第２クラッド層１４の表面位置と一致し、平坦化が図られる。また、本工程にて第２回路パターン１５ｂの下面と第１回路パターン１３ｂの上面の間の距離はＧとなる。
【００５４】
最後に工程９において、再び火炎堆積法によりガラス微粒子を堆積した後、１０００℃以上の高温Ｔ３で焼結することで透明なガラス膜とし、第３クラッド層１６を成膜する。第３クラッド層１６の堆積においては、添加物としてフッ素を添加して、その軟化温度Ｔｇ３および屈折率を調整する。ここで、第３クラッド層は、第１及び第２クラッド層１２、１４と同じ屈折率を持つようフッ素が添加されるため、その軟化温度Ｔｇ３は、
Ｔｇ１＝Ｔｇ２＝Ｔｇ３
なる温度に設定される。本設定により、偏波依存性等の光学特性の改良を図ることができる。
【００５５】
かかる製造方法における工程７で第２層コア１５ｂの沈み込みを施す際に、第２クラッド層１４のみならず、第１クラッド層１２も軟化するが、すでに沈んだ第１コア１３ｂはそれ以上沈むことはない。これは、沈み込みが表面張力に起因するためである。また、工程６において、第２コア層１５ａを成膜する際の焼結温度がＴｇｃ１を大きく超えない限りは、第１コア１３ｂの変形も無視できるほど小さい。
【００５６】
本実施の形態３では、τ＝３時間、Ｔｇ１＝Ｔｇ２＝Ｔｇ３＝９１０℃、Ｔｓ＝１０５０℃、Ｔｇｃ１＝Ｔｇｃ２＝１１４０℃として、積層光導波路を製造した。また、第１、第２コアの高さは６μｍ、第２クラッド層の厚みは９μｍ、Ｇは３μｍとし、導波路の比屈折率差が０．７５％となるように設定した。
【００５７】
図９は本実施の形態３の製造方法により作製した積層光導波路における層間光方向性結合器の結合特性である。同図から明らかなように、光方向性結合器の偏波依存性は良好に解消され、５０％結合を与える結合長近傍での結合率のＴＭ偏波、ＴＥ偏波間での差は従来では１０％以上あったのが、１．５％まで低減された。また、上下導波路の非対称性に起因する非完全結合性も低減され、最大でＴＭ偏波に対して９４％、ＴＥ偏波に対して９５％が得られた。
【００５８】
本実施の形態３によれば、積層光導波路において、異なる層の光導波路の応力を基板水平方向および垂直方向で等しく設定することができ、非対称性・偏波依存性の小さい光回路要素を実現可能である。
【００５９】
また、本実施の形態３では、第１層コア、第２層コアともに沈み込ませる方式の積層光導波路の製造方法について述べたが、第２層コアのみを沈ませて、第１層と第２層の相互作用を得ることも可能である。加えて、本実施の形態３では、２層の積層光導波路の製造方法を説明したが、工程５から工程８を繰り返すことで、３層以上の積層光導波路を製造することも可能である。
【００６０】
＜実施の形態４＞
本実施の形態４では、積層光導波路の製造方法について説明するが、特に基板上の所望の箇所のみを局所的に過熱して、沈み込みを施す工程を有する積層光導波路の製造方法について説明する。
【００６１】
図１０は、本実施の形態４における積層光導波路の製造方法の工程の一部を示す説明図である。同図は前記実施の形態３における図８に示す積層光導波路の製造工程の第８工程を置き換えたものである。したがって、本実施の形態４において、実施の形態３の既出の機能を有するものは同一符号をつけ、その繰り返しの説明は省略する。
【００６２】
図１０の工程８ａにおいては、温度Ｔｓ、時間τにて第２コアの所望の箇所１５ｃのみに熱処理を施す。ここで、熱処理温度Ｔｓは、第２クラッド層１４の軟化温度をＴｇ２、第２コアの所望の箇所１５ｃの軟化温度をＴｇｃ２とするとき、
Ｔｇ１＝Ｔｇ２＜Ｔｓ＜Ｔｇｃ１＝Ｔｇｃ２
なる温度とする。すなわち、図１０中に白抜き矢印で示すように、加熱源を移動させ、所定箇所を加熱して沈み込ませる。本工程により、工程７で形成した第２コアの所望の箇所１５ｃはその断面形状を変えることなく、第２クラッド層１４へ沈み込む。ここで、図９中に白抜き矢印で示すように、加熱源を移動させ、所定箇所を加熱して沈み込ませる。
【００６３】
図１１は工程８ａにおいて局所的に熱処理を施す装置の概略構成図である。同図において、ランプ２１から出た赤外線は、レンズ２２で絞られて試料２３に照射される。特に、所望の箇所のみを過熱するために、背面に冷却水２５が流れる遮光板２４にて、一部の光パワーのみが試料に到達できる構造を有する。本実施例では、遮光板として５×５ｍｍ2のスリットを有するシリコン基板を冷却することで遮光板として使用した。また、熱処理温度、各ガラスの組成等は前記実施の形態３と同一のパラメータを用いた。
【００６４】
図１０では、熱処理を加えた部分がその上面と第２クラッド層の上面が一致する位置まで沈み込む例を示しているが、本工程にて第２回路パターン１５ｂの下面と第１回路パターン１３ｂの上面の間の距離Ｇは、熱処理温度を適切に設定することで制御可能である。特に、層間光方向性結合器などの層間の相互作用を有する光回路要素等においては、このＧを制御することで任意の特性を実現できる。
【００６５】
本実施の形態例４では、熱処理温度を制御して沈み込み量を調節する例について示したが、図２にも示したように、Ｔｓ０以上の温度にて熱処理を施すときは、熱処理時間を変えて沈み込み量を調節することも可能である。加えて、距離Ｇの制御は、第２クラッド層の膜厚設定と熱処理条件を組み合わせて設定することも可能である。
【００６６】
さらに、本実施の形態４の方式では、特定の箇所のみの沈み込みを実現することができ、不要部分での層間相互作用を引き起こすことなく、柔軟性に富んだ層間相互作用要素の構築が可能である。また、本実施例４では、第２コアの所望の箇所１５ｃ以外の領域は沈んでいないため、それ以降の工程を適用する場合、従来例で述べたように倒れこみ等の不確定要素が入るが、この領域においては、層間の相互作用は誘起されないため、光回路全体としての特性を大きく劣化させることはない。
【００６７】
＜実施の形態５＞
図１２は本実施の形態５において、基板の所用箇所を局所的に加熱する方法を示す説明図である。前記実施の形態４では、ランプアニールによる局所過熱の方法を説明したが、本実施の形態５では、ＣＯ２レーザにより局所加熱を施す。
【００６８】
ＣＯ2レーザ３１から出力されるレーザ光は反射ミラー３２およびレンズ３３からなる光学系を介して所望のスポットサイズに絞られる。このスポットサイズの大きさ、および平均照射パワーによりレーザが照射された試料の所望部分の温度上昇が決定され、局所的な沈み込みを誘起できる。また、沈み込みを施す導波路位置は、図１２に示すように、試料３４を水平方向に移動することで任意に調整できる。
【００６９】
本実施の形態５では、ＣＷ発振のＣＯ2レーザを用いて、光学系を最適化することによりスポットサイズを３６μｍ2として、第２層コアの所望部分に光を照射した。
【００７０】
図１３は照射パワーと沈み込み量Ｈの関係である。照射パワーに対して、沈み込み量Ｈはほぼ線形に増大し、およそ１．７Ｗの照射パワーにて、前記実施の形態３で設定した第２コアの高さ６μｍ分がすべて沈み込んだ。図１２を参照すれば、その照射パワーを制御することで、沈み込み量を調節することができ、所望の回路特性の光導波路を実現することができることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は大容量光通信システムに好適に利用し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる石英系光導波路の製造方法を示す説明図である。
【図２】前記実施の形態１において熱処理時間と沈下量との関係を示す特性図である。
【図３】沈み込み時の張力の概要を示す説明図である。
【図４】前記実施の形態１の組成のガラスおよび構造を組み合わせて製造した石英系光導波路によって作製した光方向性結合器を示す上面図である。
【図５】前記実施の形態１の光方向性結合器の特性を示す特性図である。
【図６】前記実施の形態１における５０個の光方向性結合器の３ｄＢ結合長の４インチウェハ内でのバラツキを示すヒストグラムである。
【図７】前記実施の形態１で作製した光導波路におけるアレイ導波路格子の透過スペクトルを示す特性図である。
【図８】本発明の実施の形態３に係る積層光導波路の製造方法を示す説明図である。
【図９】前記実施の形態３で作製した積層光導波路における層間光方向性結合器の結合特性を示す特性図である。
【図１０】本発明の実施の形態４に係る積層光導波路の製造方法の工程の一部を示す説明図である。
【図１１】図１０に示す工程８ａにおいて局所的に熱処理を施す装置の概略構成図である。
【図１２】本発明の実施の形態５において、基板の所要箇所を局所的に加熱する方法を示す説明図である。
【図１３】照射パワーと沈み込み量Ｈの関係を示す特性図である。
【図１４】従来技術に係る製造方法により得る光導波路を示す構造図である。
【符号の説明】
【００７３】
１      シリコン基板
２      下部クラッド層
３ａ      コア層
３ｂ      コア
４      上部クラッド層
５      盛り上がり
１１      シリコン基板
１２      第1クラッド層
１３ａ      第1コア層
１３ｂ      第1コア
１４      第２クラッド層
１５ａ      第２コア層
１５ｂ      第２コア
１５ｃ      所望の箇所
１６      第３クラッド層
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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