(57)【要約】【課題】  デルタを１０％以上として低損失特性を有する超々高デルタ導波路及びその製造方法を提供する。【解決手段】  基板１上の高屈折率の略矩形状コア層２の外周が空気層４ａで覆われ、該コア層２の少なくとも入力端面側、出力端面側が低屈折率のクラッド層３Ａ〜３Ｂで部分的に覆われて基板１に固定されている。【選択図】      図１
2005070324.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上の高屈折率の略矩形状コア層の外周が空気で覆われ、該コア層の少なくとも入力端面側及び出力端面側が、低屈折率のクラッド層を介して基板に固定されていることを特徴とする超々高デルタ導波路。
【請求項２】
高屈折率の略矩形状コア層はガラス層からなる請求項１記載の超々高デルタ導波路。
【請求項３】
コア層は光信号処理を実現するための所望の光信号処理回路パターンを有している請求項１又は２記載の超々高デルタ導波路。
【請求項４】
請求項１〜３の超々高デルタ導波路のコア層の入力端面側と出力端面側に光ファイバを接続し、そのコア層の入力端面側と出力端面側にスポットサイズ変換回路部を形成した請求項１〜３いずれかに記載の超々高デルタ導波路。
【請求項５】
コア層の外周にコア層の屈折率よりも低い値の屈折率を有するガラス薄膜層が形成されている請求項１〜４いずれかに記載の超々高デルタ導波路。
【請求項６】
基板上にＳｉ層を形成する工程、該基板の両端面上のＳｉ層を該端面から所望位置までカット加工すると共に残されたＳｉ層を所望の光信号処理回路パターン形状に加工し、その加工面全面に低屈折率のクラッド層を形成し、ついで化学研磨によりＳｉ層とクラッド層を平坦化加工した後にその加工面全面を覆うようにコア層用ガラス層を形成する工程、該クラッド層及びコア層を該光信号処理回路パターン形状に加工する工程、該コア層の下のＳｉ層パターンをエッチングにより選択的に除去し、基板の両端面以外のコア層外周を空気層とする工程からなることを特徴とする超々高デルタ導波路の製造方法。
【請求項７】
クラッド層及びコア層を該光信号処理回路パターン形状に加工する工程の際に、コア層の入力端面側、出力端面側にスポットサイズ変換回路部を設けるようにした請求項６記載の超々高デルタ導波路の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コア層の外周を空気層とすることにより、比屈折率差が１０％以上の超々高デルタ導波路及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、導波路は図６に示すように、基板２０上の低屈折率のクラッド層２１内に高屈折率の略矩形状コア層２２が形成された構造を有しており、コア層及びクラッド層は通常、ガラス、ポリマ、半導体などの固体からなり、コア層とクラッド層との比屈折率差（デルタ）は０．数％から数％のものが用いられている。この比屈折率差は大きいほど導波路のサイズを小型化することができる。
【０００３】
そこで、この比屈折率差を１０％以上にするために、例えば、図７に示すように、スラブ状のコア層２３表面に空孔２５を周期的に設け、光信号２４が伝搬する領域に上記空孔の欠落部２６Ａから２６Ｃを形成することによって光伝搬路を形成し、光信号を２４Ａから２４Ｇ及び２４Ｈ方向に等分配する光回路を形成した、いわゆるフォトニツク結晶導波路が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３１４８１５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、上記従来の導波路には次のような課題が存在していた。
【０００６】
（１）図６の導波路構造ではデルタが１０％以上の超高デルタ化は難しい。なぜならば、デルタが１０％以上の超高デルタ化を実現しようとすると、コア層、クラッド層、基板に用いるそれぞれの材料の軟化温度、熱膨張係数の極端なミスマッチングが生じることになり、そのために導波路に過大な応力が発生し、導波路に反りを生じたりして導波路構造を実現することが極めて難しい。また、光学的に偏波依存損失の大きい導波路になるなどの問題点も発生するためである。さらに導波路の損失を低くすることが極めて難しい。
【０００７】
（２）図７のフォトニツク結晶構造の導波路は極めて小型にできる可能性を有しているが、空孔の周期構造、空孔のサイズなどにわずかの乱れがあっても導波路の損失は大きくなり、また所望の光学特性を得ることが難しいという問題点があり、未だに実用化の可能性が見出されていない。
【０００８】
そこで、本発明の目的は前記した従来の問題点を解決し、デルタを１０％以上とした低損失特性を有する超々高デルタ導波路及び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】
【０００９】
すなわち、まず第１の発明は、基板上の高屈折率の略矩形状コア層の外周が空気で覆われ、該コア層の少なくとも入力端面側、出力端面側が低屈折率のクラッド層を介して基板に固定されていることを特徴とする超々高デルタ導波路である。
【００１０】
第２の発明は高屈折率の略矩形状コア層にガラス層を用いたものである。
【００１１】
第３の発明はコア層に光信号処理を実現するための所望の光信号処理回路パターンを有した構造である。
【００１２】
また上記コア層の入力端面側、出力端面側には光ファイバが接続され、該光ファイバと該コア層との間にスポットサイズ変換回路部が設けられていてもよい。
【００１３】
また上記コア層の外周にコア層の屈折率よりも低い値の屈折率を有するガラス薄膜層が形成されていてもよい。
【００１４】
本発明の超々高デルタ導波路の製造方法は、基板上にＳｉ層を形成する工程、該基板の両端面上のＳｉ層を該端面から所望位置までカット加工すると共に残されたＳｉ層を所望の光信号処理回路パターン形状に加工し、その加工面全面に低屈折率のクラッド層を形成し、ついで化学研磨によりＳｉ層とクラッド層を平坦化加工した後にその加工面全面を覆うようにコア層用ガラス層を形成する工程、該クラッド層及びコア層を該光信号処理回路パターン形状に加工する工程、該コア層の下のＳｉ層パターンをエッチングにより選択的に除去し、基板の両端面以外のコア層外周を空気層とする工程からなることを特徴とする超々高デルタ導波路の製造方法である。
【００１５】
クラッド層及びコア層を該光信号処理回路パターン形状に加工する工程の際にコア層の入力端面側、出力端面側にスポットサイズ変換回路部を設けるようにして製造してもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、次のような効果を期待することができる。
【００１７】
（１）コア層の外周が空気層からなるクラッド層であるため、デルタを１０％以上にすることができる。この構造により、導波路を超々小型化することができる。またコア層の外周が空気層からなるクラッド層であることから、従来の埋め込み型導波路のようなコア層とクラッド層との界面の構造不整がほとんど生じることなく、散乱損失の極めて小さな低損失特性を期待することができる。
【００１８】
（２）第２の発明によれば、コア層に低損失なガラス層を用いる構造であるので、損失はこのガラス層の損失特性に依存していることから、低損失特性を期待することができる。
【００１９】
（３）コア層に光信号処理を実現するための所望の光信号処理回路パターンを形成することが容易にできるので、直線状、曲線状パターンを組み合わせることにより、種々の光信号処理回路（光分岐結合回路、光フィルタ、光合分波回路、光タップ回路など）を実現することが可能である。
【００２０】
（４）コア層の入力端面側、出力端面側には光信号を入力させたり、取り出したりするために光ファイバを接続し、その光ファイバとコア層との間に低接続損失で結合させるためのスポットサイズ変換回路部を設けることが可能であるので、低接続損失の導波路型光デバイスを期待することができる。
【００２１】
（５）本発明の超々高デルタ導波路の製造方法は、基板上にＳｉ層を形成する工程、該基板の両端面上のＳｉ層を該端面から所望位置までカット加工すると共に残されたＳｉ層を所望の光信号処理回路パターン形状に加工し、その加工面全面に低屈折率のクラッド層を形成し、ついで化学研磨によりＳｉ層とクラッド層を平坦化加工した後にその加工面全面を覆うようにコア層用ガラス層を形成する工程、該クラッド層及びコア層を該光信号処理回路パターン形状に加工する工程、該コア層の下のＳｉ層パターンをエッチングにより選択的に除去し、基板の両端面以外のコア層外周を空気層とする工程からなることを特徴とする超々高デルタ導波路の製造方法である。この方法により、コア層の外周を容易に空気層にすることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１に、本発明の超々高デルタ導波路を用いた光回路（Ｙ分岐型光回路）の第１の実施の形態を示す。
【００２３】
図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は正面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図をそれぞれ示したものである。
【００２４】
この光回路は矢印５−１から入射した光信号を矢印５−２及び５−３に等分配する光回路であり、その特徴とするところは、超小型構造で実現することができること、超低損失で光信号を分配することができること、非常に広い波長帯域にわたって等分配するができることである。すなわち、波長依存性が極めて少ない光分岐回路を超低損失、超小型で実現することができることである。
【００２５】
この光回路の構成について述べると、１は基板であり、ガラス、半導体、磁性体、高分子材料などを用いることができる。３Ａ〜３Ｃは低屈折率の下部クラッド層であり、基板１の一側に設けられた入口側クラッド層３Ｃと、基板１の他側に設けられた出口側クラッド層３Ａ，３Ｂからなる。これらクラッド層３Ａ〜３Ｃ上には、光信号の伝搬するコア層２が設けられる。４は空隙部であり、コア層２の周りは、入、出力端面以外は空気層４ａで覆われている。すなわち、光信号は空気層４ａで覆われたコア層３（たとえば、ＳｉＯ2 層）内にほぼ完全に閉じ込められて伝搬する構造であるので、サイズを極めて小さくすることができる。特に、曲がり部を有する光回路の曲率半径を１ｍｍ以下にすることができるので、超小型光回路を実現することができる。ここで、コア層２のサイズは光信号の入、出力端に接続する光ファイバのコアサイズに近いサイズに構成される。
【００２６】
このコア層２の材質は、ガラス以外に、高分子材料、半導体材料などでも良いが、低損失特性を実現する上では、ガラスが好ましい。下部クラッド層３Ａ〜３Ｃは、コア層と同じ材料で構成することができる。この屈折率はコア層２の屈折率よりも０．数％から数％低い値であればよい。
【００２７】
図２に本発明の超々高デルタ導波路を用いた光回路（方向性結合器型光回路）の第２の実施の形態を示す。
【００２８】
図２（ａ）は上面図、図２（ｂ）は正面図、図２（ｃ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ線断面図をそれぞれ示したものである。
【００２９】
この光回路は矢印５−１から入射した光信号を矢印５−２及び５−３に所望分配比で分配する光回路である。この光回路の構成は基板１の上に低屈折率の層６を設け、その層６上に下部クラッド層３Ａ〜３Ｃを設け、そのクラッド層３Ａ〜３Ｃ上に空隙部４を介してコア層２を形成したものである。
【００３０】
図３、図４に本発明の超々高デルタ導波路の製造方法を示す。
【００３１】
この図３、図４において、（Ｉ）〜（Ｖ）は製造工程を示し、各工程の（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図を示したものである。
【００３２】
まず、図３（Ｉ）に示すように、基板１上にＳｉ膜１０を形成する。このＳｉ膜はプラズマＣＶＤ法、スパッタリング法などで形成することができる。
【００３３】
このＳｉ膜は、後述するように、このＳｉ膜をエッチングにより除去して空隙層４（図３（III ））とするので、その膜厚は０．５μｍから５μｍの範囲が好ましい。あまり厚いとエッチング時間がかかりすぎ、あまり薄いと空隙層４としての効果が小さくなる。
【００３４】
次に図３（II）に示すように、上記Ｓｉ膜１０を光回路パターン形状に近いＳｉパターン１１のごとくエッチングする。このＳｉエッチングガスには、例えば、ＳＦ6 ガス、ＣＣｌ3 Ｆガス、ＸｅＦ2 ガスなどを用いる。ただし、光信号の入出力端近傍の領域１２Ａ及び１２ＢのＳｉ膜はエッチングにより取り除く。なぜならば、上記領域１２Ａ及び１２Ｂには、図１に示したように、下部クラッド層３Ａ、３Ｂを形成する必要があるためである。
【００３５】
次に図３（III ）に示すように、上記Ｓｉ膜のエッチング面を覆うように下部クラッド層３を形成し、その下部クラッド層３上にコア層２を形成する。
【００３６】
なお、Ｓｉ膜のエッチング面を覆うように下部クラッド層３を形成した後、下部クラッド層３の表面を平坦に保つために、その表面を化学研磨して平坦化しておく。その後で、その平坦化した下部クラッド層３上にコア層２を形成するのが好ましい。
【００３７】
ここで、下部クラッド層３は上記領域１２Ａ及び１２Ｂ内にも埋め込まれる。その後で図３（IV）に示すように、下部クラッド層３及びコア層２をエッチングにより光回路パターンを形成するように、矩形状にパターン化する。上記下部クラッド層３及びコア層２のエッチングは、ＣＨＦ3 ガスを用いることによって実現することができる。
【００３８】
最後に図４（Ｖ）に示すように、コア層２の下のＳｉパターン１１をエッチングにより除去し、空隙層４を形成することによって本発明の超々高デルタ導波路を実現することができる。
【００３９】
ここでＳｉパターン１１をエッチングするには、Ｓｉは高速でエッチングするが、ＳｉＯ2 のような酸化物層はエッチングしにくいエッチングガス（例えば、ＳＦ6 ガス、ＣＣｌ3 Ｆガス、ＸｅＦ2 ガスなど）を用いることにより、コア層２の下のＳｉパターン１１をエッチングにより除去することができる。このようなエッチング技術は、半導体技術やマイクロマシン技術ではよく用いられ、Ｓｉパターンは、いわゆる犠牲層と呼ばれているものである。
【００４０】
図５に本発明のスポットサイズ変換回路付き超々高デルタ導波路の実施の形態例を示す。
【００４１】
これは、光信号の入出力端近傍にスポットサイズ変換回路部１３Ａ及び１３Ｂを設けることによってその端面に接続するコア１５Ａ、１５Ｂとクラッド１６Ａ、１６Ｂからなる光ファイバ１４Ａ及び１４Ｂとモード整合を取るようにしたものである。
【００４２】
すなわち、超々高デルタ導波路のコア層２の幅は光ファイバ１４Ａ及び１４Ｂのコア１５Ａ、１５Ｂより小さく形成され、スポットサイズ変換回路部１３Ａ及び１３Ｂは、接続する光ファイバ１４Ａ及び１４Ｂのコア１５Ａ、１５Ｂと同じサイズとなるようにそのコア幅を変えることで、光ファイバ１４Ａ及び１４Ｂとモード整合を取るようにしたものである。
【００４３】
本発明は上記実施の形態に限定されるものでなく、コア層２の外周を低屈折率のガラス層で覆うように構成しても良い。
【００４４】
以上のように、本発明は下記に示すような効果を有している。
【００４５】
（１）導波路のコア層の外周が空気層からなるクラッド層であるため、デルタを１０％以上にすることができる。この構造により、導波路を超々小型化することができる。またコア層の外周が空気層からなるクラッド層であることから、従来の埋め込み型導波路のようなコア層とクラッド層との界面の構造不整がほとんど生じることなく、散乱損失の極めて小さな低損失特性を期待することができる。
【００４６】
（２）第２の発明によれば、導波路のコア層に低損失なガラス層を用いる構造であるので、損失はこのガラス層の損失特性に依存していることから、低損失特性を得ることができる。
【００４７】
（３）導波路のコア層に光信号処理を実現するための所望の光信号処理回路パターンを形成することが容易にできるので、直線状、曲線状パターンを組み合わせることにより、種々の光信号処理回路（光分岐結合回路、光フィルタ、光合分波回路、光タップ回路など）を実現することができる。
【００４８】
（４）導波路のコア層の入力端面側及び出力端面側には光信号を入力及び出力するための光ファイバを接続し、その光ファイバとコア層との間に低接続損失で結合させるためにスポットサイズ変換回路を設けることができるので、低接続損失の導波路型光デバイスを得ることができる。
【００４９】
（５）導波路のコア層の入出力端が基板に低屈折率のクラッド層を介して局部的に固定され、それ以外のコア層部分は空間に浮いているので、コア層への応力がほとんどかからない。そのために、偏波依存特性が生じにくい。
【００５０】
（６）本発明の超々高デルタ導波路の製造方法は、基板上にＳｉ層を形成する工程、該基板の両端面上のＳｉ層を該端面から所望位置までカット加工すると共に残されたＳｉ層を所望の光信号処理回路パターン形状に加工し、その加工面全面を覆うようにコア層用ガラス層を形成する工程、ついでその上に低屈折率のクラッド層を覆う工程、該クラッド層及びコア層を該光信号処理回路パターン形状に加工する工程、該コア層の下のＳｉ層パターンをエッチングにより選択的に除去し、基板の両端面以外のコア層外周を空気層とする工程からなることを特徴とする超々高デルタ導波路の製造方法である。この製造方法により、入出力端以外のコア層の外周を空気層にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の超々高デルタ導波路の一実施の形態を示す図である。
【図２】本発明の超々高デルタ導波路の他の実施の形態を示す図である。
【図３】本発明の超々高デルタ導波路の製造方法を示す図である。
【図４】図３の製造方法の続きを示す図である。
【図５】本発明の超々高デルタ導波路のさらに他の実施の形態を示す図である。
【図６】従来の導波路構造を示す図である。
【図７】従来のフォトニック結晶導波路の構造を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  基板
２  コア層
３Ａ〜３Ｃ  クラッド層
４  空隙層
【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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