(57)【要約】【課題】  作製方法が容易であり、かつ制御性に優れ、結合損失の低減が可能なモードフィールド径変換を実現した導波路型光デバイス、および導波路型光デバイスの製造方法を提供することである。【解決手段】  少なくとも基板と、該基板の表面に形成された下部クラッド層と、該下部クラッド層の表面形成された前記下部クラッド層よりも屈折率が高く導波路を構成するコア層と、を有する導波路型光デバイスであって、前記コア層が、光の伝搬方向の光入力部において外部から光を結合する領域Ｉ、光を閉じ込め導波する領域II、及び光出力部において外部に光を結合する領域IIIからなり、前記領域IIの屈折率よりも、前記領域Ｉ及び領域IIIのうち少なくとも１つの領域の屈折率が低いことを特徴とする導波路型光デバイスである。【選択図】    図１
2005115017.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも基板と、該基板の表面に形成された下部クラッド層と、該下部クラッド層の表面形成された前記下部クラッド層よりも屈折率が高く導波路を構成するコア層と、を有する導波路型光デバイスであって、
前記コア層が、光の伝搬方向の光入力部において外部から光を結合する領域Ｉ、光を閉じ込め導波する領域II、及び光出力部において外部に光を結合する領域IIIからなり、前記領域IIの屈折率よりも、前記領域Ｉ及び領域IIIのうち少なくとも１つの領域の屈折率が低いことを特徴とする導波路型光デバイス。
【請求項２】
前記領域IIの屈折率と、前記領域Ｉ及び領域IIIのうちの少なくとも１つの領域の屈折率との屈折率差が、０．０２５以下であることを特徴とする請求項１に記載の導波路型光デバイス。
【請求項３】
前記領域Ｉ及び領域IIIのうちの少なくとも１つの領域において、該領域と領域IIとの界面から導波路端部にかけて、屈折率を連続的に屈折率を低下させたことを特徴とする請求項１に記載の導波路型光デバイス。
【請求項４】
前記導波路の層厚が、一定であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の導波路型光デバイス。
【請求項５】
前記コア層が、フォトブリーチング型のポリマーを含む材料により形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の導波路型光デバイス。
【請求項６】
前記領域Ｉ及び領域IIIのうちの少なくとも１つの領域に、紫外線を照射して屈折率を低下させたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の導波路型光デバイス。
【請求項７】
前記コア層の表面に、さらに上部クラッド層を設けたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の導波路型光デバイス。
【請求項８】
少なくとも基板の表面に下部クラッド層を形成する工程と、該下部クラッド層の表面に下部クラッド層よりも屈折率が高く導波路を構成するコア層を形成する工程と、該コア層の光入出力部の屈折率を低下させる工程と、を有する導波路型光デバイスの製造方法であって、
前記コア層の光入出力部の屈折率を低下させる工程が、該光入出力部に紫外線を照射する工程であることを特徴とする導波路型光デバイスの製造方法。
【請求項９】
前記コア層の光入出力部の屈折率を低下させる工程が、該光入出力部に紫外線を一括露光することにより、光入出力部の導波路中央部との界面から導波路端部にかけて連続的に屈折率を低下させる工程であることを特徴とする請求項８に記載の導波路型光デバイスの製造方法。
【請求項１０】
前記コア層の光入出力部の屈折率を低下させる工程が、フォトマスクを用いて光入出力部に紫外線を一括露光する工程であることを特徴とする請求項８または９に記載の導波路型光デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導波路型光デバイスおよびその製造方法に関し、より詳細には、コア層を加工して形成される導波路型光デバイス及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、通信システムにおけるデータの大容量化の要求から、光を伝送媒体に用いた光通信システムの普及が、従来の長距離伝送分野から、中距離伝送分野や地域伝送網、小規模ネットワーク、さらには家庭内、装置内へと加速している。光を通信媒体としたシステムにおいては、伝送路としての光ファイバと、光を合波・分波したり、スイッチするための光導波路デバイスが不可欠である。特に光導波路（以下、単に「導波路」と略す場合がある）への高性能化、低コスト化の要求は高く、研究・開発が鋭意行われている。
【０００３】
このような光導波路デバイスとしては、従来、石英系光導波路、ポリマー系光導波路が知られている。しかし、これらの材料を用いた光導波路は、静的な光回路としては有用であるものの、外部信号により屈折率を変化させて、光を動的に制御する場合、熱による屈折率変化を用いるため、応答速度が遅く、また消費電力も大きいことから、限られた分野での応用に留まっていた。
【０００４】
一方、動的に屈折率を変化させて光を制御する光導波路デバイスとしては、電気光学（Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ、以下「ＥＯ」と略す）効果で導波光を制御する導波路型光デバイスの開発が盛んに行われるようになってきた。例えば大きなＥＯ効果を示し、駆動電圧を低くすることが可能な材料として、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3、以下「ＬＮ」と略す）による光変調器が実用化されている。このＬＮを用いた導波路型光デバイスでは、ＥＯ効果を有する単結晶ＬＮ基板にＴｉなどの不純物を拡散させて導波路の形成が行われているが、このデバイスは、上記基板が高価なこと、不純物拡散に高温が必要なことなどから、高コストであり、長距離伝送網などの高価なシステムにしか適用することができなかった。
【０００５】
ところで、前記ポリマー系光導波路において、２次の非線形光学材料をポリマー中に添加することにより、ＥＯ効果が得られることが知られている。ポリマー系光導波路は、基板材料および導波路材料が低コストであり、かつ作製プロセスが簡便であること、材料選択の幅が広いことから、光導波路として有望であると考えられていたが、従来、低いＥＯ効果から実用に供されなかった。これに対し、最近高いＥＯ効果と高速応答とを示すポリマー光導波路変調器が報告され、再び注目を集めるようになった（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
しかし、前記報告においてはトータルの挿入損失が９〜１０ｄＢと大きく、実用化するうえでの大きな障害になっていた。この挿入損失は、導波損失（約５ｄＢ）と結合損失（４〜５ｄＢ）とに分けられる。上記導波損失は主にポリマーの吸収損失による。また、上記結合損失は、導波路と光ファイバーとのモードフィールド径の不整合により生じる。そしてこのモードフィルド径の不整合を低減するため、光入出力部のモードフィールド径を変換するためのテーパ状導波路が提案されている（例えば、非特許文献２参照）。この報告では、コア層をテーパ状に加工した後、高屈折率のクラッド層をその表面に付加することにより、１．８ｄＢの結合損失の低減を実現している。
【０００７】
導波路型光デバイスの分野においては、種々の機能を１素子上で実現することが求められている。従来、石英系導波路においては、クラッド層とコア層との屈折率差を小さくすることにより、光ファイバとの結合損失を小さくするように作製されてきたが、高機能化の要求から、導波路の曲率半径を小さくして、高密度に各機能部を素子上に実現するために、前記屈折率差を大きくして最小曲げ半径を低減しようという試みがなされている。
【０００８】
しかし、前記屈折率差を大きくすると、コア層への光の閉じ込めが強く、モードフィールド径が小さくなるために、結合損失が増大してしまう。このため、コア層の光入出力部に、テーパ形状の加工をして光の閉じ込めを弱め、モードフィールド径を変換するスポットサイズ変換器が提案されている。
【０００９】
これらの例としては，例えば、光入出力部に２種のテーパ状コア層を用いた２重コア構造が提案されてる（例えば、特許文献１参照）。また、平坦化効果の大きなフッ素化ポリイミドを用いて、クラッド層をテーパ状に加工することにより、垂直方向および水平方向にテーパ状のスポットサイズ変換器を設ける手段が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
しかし、このようなテーパ状導波路は、複雑な作製プロセスが必要であり、形状を均一化することも難しいことから、結果的にデバイスのコストを下げることが難しかった。
【００１０】
また、複雑な形状を加工によって実現する代わりに、コア層の屈折率を変化させてスポットサイズを変換する手段が提案されており（例えば、特許文献３参照），具体的には，レーザ照射により、コア中のドーパントをクラッドに拡散させることによって、屈折率差を調整し、スポットサイズを変換する手段が開示されている。しかし、各光入出力部をレーザにより加熱する方法は、形状の均一性を低下させるだけでなく、スループットが悪いため、より簡単な手法により、生産性が高く、低コストで素子を作製できる方法が求められていた。
【非特許文献１】Ｈｕａ Ｚｈａｎｇ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．７８，ｐ．３１３６（２００１）
【非特許文献２】Ａｎｔａｏ Ｃｈｅｎ ｅｔ ａｌ．，Ｏｐｔ．Ｅｎｇ．，Ｖｏｌ．３９，ｐ．１５０７（２０００）
【特許文献１】特開平６−１７４９８０号公報
【特許文献２】特開２０００−３０４９５５号公報
【特許文献３】特開平４−２２０６０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決することを目的とする。
すなわち、本発明は、作製方法が容易であり、かつ制御性に優れ、結合損失の低減が可能なモードフィールド径変換を実現した導波路型光デバイス、および導波路型光デバイスの製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題は、以下の本発明により達成される。すなわち本発明は、
＜１＞  少なくとも基板と、該基板の表面に形成された下部クラッド層と、該下部クラッド層の表面形成された前記下部クラッド層よりも屈折率が高く導波路を構成するコア層と、を有する導波路型光デバイスであって、
前記コア層が、光の伝搬方向の光入力部において外部から光を結合する領域Ｉ、光を閉じ込め導波する領域II、及び光出力部において外部に光を結合する領域IIIからなり、前記領域IIの屈折率よりも、前記領域Ｉ及び領域IIIのうち少なくとも１つの領域の屈折率が低いことを特徴とする導波路型光デバイスである。
【００１３】
＜２＞  前記領域IIの屈折率と、前記領域Ｉ及び領域IIIのうちの少なくとも１つの領域の屈折率との屈折率差が、０．０２５以下であることを特徴とする＜１＞に記載の導波路型光デバイスである。
【００１４】
＜３＞  前記領域Ｉ及び領域IIIのうちの少なくとも１つの領域において、該領域と領域IIとの界面から導波路端部にかけて、屈折率を連続的に屈折率を低下させたことを特徴とする＜１＞に記載の導波路型光デバイスである。
【００１５】
＜４＞  前記導波路の層厚が、一定であることを特徴とする＜１＞〜＜３＞のいずれかに記載の導波路型光デバイスである。
【００１６】
＜５＞  前記コア層が、フォトブリーチング型のポリマーを含む材料により形成されることを特徴とする＜１＞〜＜４＞のいずれかに記載の導波路型光デバイスである。
【００１７】
＜６＞  前記領域Ｉ及び領域IIIのうちの少なくとも１つの領域に、紫外線を照射して屈折率を低下させたことを特徴とする＜１＞〜＜５＞のいずれかに記載の導波路型光デバイスである。
【００１８】
＜７＞  前記コア層の表面に、さらに上部クラッド層を設けたことを特徴とする＜１＞〜＜６＞のいずれかに記載の導波路型光デバイスである。
【００１９】
＜８＞  少なくとも基板の表面に下部クラッド層を形成する工程と、該下部クラッド層の表面に下部クラッド層よりも屈折率が高く導波路を構成するコア層を形成する工程と、該コア層の光入出力部の屈折率を低下させる工程と、を有する導波路型光デバイスの製造方法であって、
前記コア層の光入出力部の屈折率を低下させる工程が、該光入出力部に紫外線を照射する工程であることを特徴とする導波路型光デバイスの製造方法である。
【００２０】
＜９＞  前記コア層の光入出力部の屈折率を低下させる工程が、該光入出力部に紫外線を一括露光することにより、光入出力部の導波路中央部との界面から導波路端部にかけて連続的に屈折率を低下させる工程であることを特徴とする＜８＞に記載の導波路型光デバイスの製造方法である。
【００２１】
＜１０＞  前記コア層の光入出力部の屈折率を低下させる工程が、フォトマスクを用いて光入出力部に紫外線を一括露光する工程であることを特徴とする＜８＞または＜９＞に記載の導波路型光デバイスの製造方法である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、光入出力部領域（領域Ｉ及び領域III）の屈折率を、光を閉じ込めて導波する領域（領域II）の屈折率よりも低くすることにより、容易にモードフィールド径変換を実現する光導波路型光デバイスを、制御性に優れ、かつ容易な方法により得ることが可能である。そして、これにより、挿入損失の低い光デバイスを、低コストに提供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】
【００２３】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の導波路型光デバイスは、少なくとも基板と、該基板の表面に形成された下部クラッド層と、該下部クラッド層の表面に形成された前記下部クラッド層よりも屈折率が高く導波路を構成するコア層と、を有する導波路型光デバイスであって、前記コア層が、光の伝搬方向の光入力端部において外部から光を結合する領域Ｉ、光を閉じ込め導波する領域II、及び光出力端部において外部に光を結合する領域IIIからなり、前記領域IIの屈折率よりも、前記領域Ｉ及び領域IIIのうち少なくとも１つの領域の屈折率が低いことを特徴とする。
【００２４】
図１に、本発明の導波路型光デバイスの一例を概念図として示す。
図１において、上段はリッジ型導波路型光デバイス（上部クラッド層は設けられていない）を導波路側から見た正面概略図であり、４０は下部クラッド層表面に形成されたコア層、４１は導波路を示す。また、下段は上段に示す導波路の各々の位置に対応する屈折率変化を示すグラフである。
【００２５】
まず、図１（Ａ）に示す導波路型光デバイスでは、図の上段に示すように矢印で示す光の伝搬方向に対し、コア層４０が図面における左側の光入力部において外部から光を結合する領域Ｉ、光を閉じ込め導波する領域II、及び図面における右側の光出力部において外部に光を結合する領域IIIに分けられ、これら各々の領域について、図の下段に示すように屈折率がステップ状に変化している。
【００２６】
このように光入出力部（領域Ｉ及び領域III）の屈折率を領域IIの屈折率より低下させることにより、領域Ｉ及び領域IIIとクラッド層との屈折率差を相対的に小さくすることができる。これにより、光を外部信号により制御する導波路中央部（領域II）では、光の閉じ込め効果が高く、高効率の動作が可能となる。一方、光入出力部（領域Ｉ及び領域III）では、光の閉じ込めが低くなってモードフィールド径が拡大し、結合損失を低減することが可能となる。
【００２７】
また、図１（Ａ）に示すような、領域IIと領域Ｉ及びIIIとの屈折率差をステップ状に設けた場合においては、このステップを光が通過する時に、モード結合損失が生じる。本発明者等は、前記屈折率差を０．０２５以下とすれば、端面での結合損失の改善の割合に比較して、ステップでのモード結合損失は無視できるほど小さくすることができ、トータルの挿入損失を低減することができることを見出した。この結果については後述する。
なお、前記屈折率差は０．０１０以上０．０２４以下の範囲であることが好ましい。また、上記屈折率差は領域Ｉ及び領域IIIのうちの少なくとも１つの領域で満たされれば本発明の効果を得ることができる。
【００２８】
本発明においては、上記のようなモード結合損失をさらに低減させる観点から、前記領域Ｉ及び領域IIIのうちの少なくとも１つの領域において、該領域と領域IIとの界面から導波路端部にかけて、屈折率を連続的に屈折率を低下させることが好ましい。具体的には、図１（Ｂ）の下段に示すように、領域IIの左右の端部（界面）から導波路の両端面にかけて徐々に屈折率が低下するように設計することが好ましい。
【００２９】
このように屈折率を導波路中央部（領域II）から導波路端部にかけて連続的に変化させることにより、前記図１（Ａ）の場合のような、光がステップを通過する時に生じるモード結合損失をなくすことが可能となり、さらに挿入損失を低減することが可能となる。
【００３０】
以上のように、本発明では、コア層の屈折率を変化させて、モードフィールド径を変換していることから、従来のテーパ状導波路のように、膜厚方向に複雑な形状を加工する必要がない。すなわち、コア層を加工して得られる導波路部分の膜厚を一定にすることができる。また、導波路中央部（領域II）においては、コア層とクラッド層の閉じ込めを強くすることが可能となることから、曲がり導波路の曲率半径を小さくして、素子の小型化が可能となるばかりではなく、モードの閉じ込めが強くできるために、電極部での導波光の吸収を低減でき、導波損失を改善することが可能となる。さらに、作用部の膜厚を薄くできるため、実効的な電圧を高めることができることから、より高効率な素子の実現が可能となる。
【００３１】
本発明の導波路型光デバイスの製造方法は、少なくとも基板の表面に下部クラッド層を形成する工程と、該下部クラッド層の表面に下部クラッド層よりも屈折率が高く導波路を構成するコア層を形成する工程と、該コア層の光入出力部の屈折率を低下させる工程と、を有する導波路型光デバイスの製造方法であって、前記コア層の光入出力部の屈折率を低下させる工程が、該光入出力部に紫外線を照射する工程であることを特徴とする。
以下、各工程ごとに説明する。
【００３２】
（下部クラッド層を形成する工程）
本発明に用いられる基板としては、導波路用薄膜を形成するための一般的な基板を用いることが可能である。例えば、Ｓｉなどの半導体基板、あるいはＳｉ表面にさらに金属などの電極を設けた構成をとることができる。また、パイレックス（Ｒ）ガラスや石英ガラスなどのガラス基板表面に電極を設けたものを使用することも可能である。さらに、デバイスに柔軟性を持たせる手段として、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）などのプラスチック材料を用いることも可能である。
なお、本発明においては、上記基板材料の特性が満たされる場合には、基板がそのまま下記下部クラッド層となることもある。
【００３３】
本発明の導波路型光デバイスを作製するためには、前記基板表面に、下部クラッド層、さらにその表面に下部クラッド層よりも屈折率の高いコア層を積層する。下部クラッド層の材料としては、基板への成膜性や、コア層との整合性を考慮して選択されるが、例えば、ＳｉＯ2のような無機材料に屈折率制御用の添加物（例えば、Ｐ、Ｂ、Ｆ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｚｎ等）を少なくとも１種添加したもの、あるいは高分子材料（アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ポリシロキサン、ベンゾシクロブテン、導電性ポリマー等）が用いられるが、これらに限られるわけではない。
【００３４】
下部クラッド層を形成する手段としては、高分子材料であれば、スピンコート法、ディップ法などの一般的な溶液塗布方法が用いられる。また、無機材料であれば、電子ビーム蒸着法、フラッシュ蒸着法、イオン・プレーティング法、ＲＦ（高周波）−マグネトロン・スパッタリング法、ＤＣ（直流）−マグネトロン・スパッタリング法、イオン・ビーム・スパッタリング法、レーザー・アブレーション法、ＭＢＥ（分子線エピタキシャル法）、ＣＶＤ（気相成長法）、プラズマＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ（有機気相成長法）などより選ばれる気相成長法、またはゾルゲル法、ＭＯＤ法などのウエット・プロセスによって作製が可能であるが、これらに限られるわけではない。
【００３５】
下部クラッド層の屈折率の範囲は、コア層に光を閉じ込めるために、コア層よりも低いことが必要であり、コア層に用いられる材料によって組み合わせられるものであるが、１．４〜１．７の範囲のものが好ましく用いられ、より好ましくは１．４５〜１．６の範囲である。
【００３６】
また、下部クラッド層の膜厚は、コア層との屈折率差と、基板の吸収との関係から決められるものであるが、１〜２０μｍの範囲が好ましく、２〜１０μｍの範囲がより好ましい。下部クラッド層の膜厚が薄すぎる場合には、下部クラッド層に染み出した光が基板に吸収され、伝搬損失を悪化させる原因となる。また、膜厚が厚すぎる場合には、デバイスに電界を印加して光を制御する際に、作用部にかかる実効的な電界が低下して、応答特性を悪化させる。
【００３７】
（コア層を形成する工程）
次いで本発明におけるコア層について説明する。
コア層の材料としては、光導波路が形成可能なものであり、下部クラッド層よりも屈折率の高い材料であれば、本発明の意図を損なうものではないが、好ましくはフォトブリーチング型のポリマーを含むものであることが望ましい。ここで、上記フォトブリーチング型のポリマーとは、紫外線などの光が照射されることにより屈折率が変化する高分子材料をいう。
【００３８】
上記フォトブリーチング型のポリマーは、例えばアクリル樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリシラン、ベンゾシクロブテンなどの高分子材料に、紫外線により分解される色素を添加したもの、例えば、下式（１−１）〜（１−４）で表されるＤｅｓｐｅｒｓｅ  Ｒｅｄ類やシクロブテンジオン化合物などの色素を添加したもの、さらに、高分子の側鎖または主鎖に、紫外線により分解される色素を結合させたものを用いることができる。
【００３９】
【化１】
2005115017.tif 000003
【００４０】
また、コア層を構成する材料は、非線形効果を付与したポリマー（非線形光学ポリマー）を含むものであることが好ましい。
ここで、上記非線形光学ポリマーとは、高分子マトリックス中に前記Ｄｅｓｐｅｒｓｅ  Ｒｅｄ類等に代表される非線形光学特性を有する有機化合物を添加した有機非線形光学ポリマーや、高分子の主鎖あるいは側鎖に、非線形光学特性を有する構造（クロモフォア構造）を導入した主鎖型有機非線形光学ポリマーあるいは側鎖型有機非線形光学ポリマーなどをいう。
【００４１】
コア層の成膜手段としては、前記下部クラッド層の場合と同様に一般的な手段を用いることが可能である。
コア層の膜厚は、導波路の設計により異なるが、１〜１０μｍの範囲が好ましく、１〜６μｍの範囲がより好ましい。膜厚が薄すぎる場合には、光ファイバとの光入出力結合をする際に、モードフィールド径の差が大きくなりすぎるために、結合損失を悪化させる原因となる。また、厚すぎる場合には、作用部にかかる実効的な電界が低下して、応答特性を悪化させる。
【００４２】
コア層の屈折率は、コア層に光を閉じ込めるために、前記下部クラッド層よりも高いことが必要であり、１．５〜１．８の範囲が好ましく、１．５１〜１．６８の範囲がより好ましい。また、本発明において光入出力部（領域Ｉ、領域III）の屈折率を低下させた場合に、効率的に挿入損失を低減させるためには、コア層と前記下部クラッド層との屈折率差は０．０２５以下であることが好ましく、０．０１０〜０．０２４の範囲であることがより好ましい。
【００４３】
上記コア層を形成する前の下部クラッド層に対して、またはコア層は成膜された後、フォトマスクにより所望の機能を実現させるための光導波路のパターンを形成する。光導波路のパターンは、直線型、Ｓ字型、Ｙ分岐型、Ｘ交差型、あるいはそれらの組み合わせの導波路パターンがあげられ、一般的に適用される埋め込み型、リッジ型、リブ型のいずれかの導波路方式を用いることができるが、導波路のパターンおよび方式はこれに限定されるものではない。
【００４４】
図２に、コア層を加工することによりリッジ型の導波路が形成された本発明の導波路型光デバイスの断面を示す。図２に示す導波路型光デバイスでは、基板１０の表面に下部電極２０が設けられ、その表面に下部クラッド層３０、コア層４０、及び上部クラッド層５０が形成され、さらに上部クラッド層５０の表面に上部電極６０が設けられている。
【００４５】
上記導波路型光デバイスでは、コア層４０の一部がリッジ導波路４１を構成している。リッジ幅とリッジ高さとは、導波路の屈折率と膜厚との組み合わせにより異なるが、リッジ高さ（段差）は一般的には５０〜２０００ｎｍの範囲が好ましく、５００〜１２００ｎｍの範囲がより好ましい。段差が５０ｎｍに満たないと、十分な屈折率差が得られず光の閉じ込めができなくなる場合がある。２０００ｎｍを越えると、マルチモードとなって目的とする素子の機能を十分に発揮できなくなる場合がある。また、リッジ幅としては、１〜１０μｍの範囲が好ましく、３〜７μｍの範囲がより好ましい。
【００４６】
前記導波路パターンを形成する手段としては、ドライエッチングによる方法、不純物を拡散して屈折率を変化させる方法、あるいはフォトブリーチングにより屈折率を変化させる方法などを用いることができるが、精度良く導波路パターンを形成するのにもっとも適している方法としてドライエッチングによるものが好ましく用いられる。
【００４７】
上記ドライエッチングプロセスについて、図３を用いて簡単に説明する。図３は、コア層形成からリッジ型光導波路が形成されるまでのプロセスを模式的に示したものである。
【００４８】
まず、図３（Ａ）に示す基板１０に形成されたコア層４０の表面に、（Ｂ）に示すように、エッチングマスク層７０を形成する。エッチングマスク層７０としては、コア層４０のエッチングレートに対して、低いエッチングレートの材料が好ましく、シリコン、ＳｉＯｘ、ＳｉＮｘ、ＳｉＯｘＮｙ（ｘは１〜２の整数、ｙは１〜２の整数を表す）といったシリカ系材料、アルミニウム、チタン、タングステン、クロム、モリブデン、ニッケル、銅などの金属材料等を用いることができる。
【００４９】
次いで、図３（Ｃ）に示すように、エッチングマスク層７０の表面にフォトレジスト８０をコーティングする。フォトレジスト８０としてはノボラック樹脂系のレジストを用いることができ、コーティング膜厚は、７００〜３０００ｎｍの範囲程度が好ましい。
【００５０】
続いて、図３（Ｄ）のように、フォトリソグラフィーによりフォトレジスト８０を導波路パターン８１に形成する。この時、エッチングマスク層７０を形成する前に、同一のスパッタ装置内で、プラズマ処理を行うことにより、エッチングマスク層７０とポリマーのコア層４０との密着性が大幅に向上し、フォトリソグラフィー工程でのエッチングマスクのクラック発生を防止することが可能となる。プラズマ処理に用いられるガスとしては、アルゴンに代表される不活性ガスや、酸素ガス、窒素ガスを用いることができる。
【００５１】
次に、図３（Ｅ）に示すように、エッチングマスク層７０表面に塗布された導波路パターン８１をマスクとして、第１のエッチングガス９１でエッチングマスク層７０を導波路パターン形状のエッチングマスク７１にエッチング加工する。
【００５２】
続いて、このエッチングマスク７１をマスクとして、図３（Ｆ）に示すように、第２のエッチングガス９２を用いてポリマーコア層４０のエッチングを行う。このときのエッチングガスとしては、酸素ガスが好ましいが、非線形効果を付与する材料によってはハロゲン系ガスの添加なども行われるが、特にこれらに限定されるわけではない。
【００５３】
最後に、図３（Ｇ）に示すように、第３のエッチングガス９３でエッチングマスク７１の除去を行い、ポリマーコア層４０にリッジ形状の転写が完了する。第３のエッチングガス９３としては、特に制限はないが、ポリマーコア層４０にダメージを与えずに、エッチングマスク７１の除去が可能であるエッチングガスを用いることができる。
【００５４】
前記光導波路を形成するためのドライエッチングには、一般的な装置、エッチングガスを用いることが可能である。例えば、装置としては、ダウンフローエッチング、平行平板型の反応性イオンエッチングやマグネトロン反応性イオンエッチング、ＩＣＰ（誘導結合型プラズマ）エッチング、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）エッチング、イオンビームエッチング、スパッタエッチングなどが可能である。
これらの中では、プラズマエッチング法が好ましく、被加工層を高速及び平滑にエッチングできる観点から、ＩＣＰエッチングが特に好ましい。
【００５５】
エッチング用ガスとしては、ハロゲンガスや不活性ガス、あるいはそれらの組み合わせが好ましく、具体的には、Ｃｌ2、ＢＣｌ3、ＳｉＣｌ4といった塩素系ガス、ＣＦ4、ＣＨＦ3、Ｃ2Ｆ6、Ｃ3Ｆ8といったフッ素系ガス、あるいはＨＢｒといった臭素系ガス、さらにはＮ2、Ｏ2、Ａｒ、Ｘｅ、Ｈｅといったガス、またはこれらのガスの組み合わせ等が好ましく用いられる。コア層が高分子樹脂による場合には、好ましくはＯ2ガスを用いて行う。
【００５６】
（光入出力部の屈折率を低下させる工程）
本発明における光入出力部（領域Ｉ及び領域III）と導波路中央部（領域II）との間に屈折率差を設ける方法としては、特に制限されないが、コア層に添加した不純物を熱拡散によって濃度を変化させる方法、電子線照射により屈折率が変化する材料、例えばフッ素化ポリイミドにより作製されたコア層に、電子線を照射する方法、フォトブリーチング材料をコア層に用いて、紫外線を照射することにより屈折率を変化させるなどの方法などを用いることができる。
【００５７】
前記光入出力部（領域Ｉ及び領域III）と導波路中央部（領域II）との間に屈折率差を設ける場合、方法によっては導波路の形状が変化してしまうことがあり、また、上記屈折率差を設けることに加えて、さらに導波路端部をテーパ状としてモードフィールド径を変換することも考えられる。しかし、テーパ状の導波路端部を形成するためには、端部の層厚を変化させることが必要であり、複雑な加工プロセスを必要とすることから、素子の製造コストが高くなる点で好ましくなく、導波路を作製する上での精度を確保するためにも好ましくない。
したがって、本発明においては光入出力部の屈折率を低下させた導波路の層厚が一定であることが好ましい。
【００５８】
以上のような観点から、前記各種方法のうち、本発明においては、前記のようにコア層がフォトブリーチング型のポリマーを含む材料により形成され、光入出力部の少なくとも一方に紫外線を照射して屈折率を低下させる方法が好ましく用いられる。この方法によれば、導波路の形状を変化させる必要がなく簡単にモードフィルド径を変換させることができ、スループットが良好な導波路型光デバイスを得ることができる。また、後述するような紫外線の一括露光により、複数のデバイスを効率よく作製できるため、生産性が高く低コストのデバイスを得ることができる。
【００５９】
本発明の構成においては、光入出力部のみの屈折率を低下させる必要があることから、紫外線ビームを光入出力部のみに照射するか、あるいは紫外線光源と導波路型光デバイスとの間にフォトマスクを挿入し、屈折率を変化させたい部分にのみ紫外線が照射されるようにするか、または紫外線保護層を形成した後、フォトリソグラフィーにより、紫外線を照射する部位の該紫外線保護層を除去し、紫外線を照射することにより、選択的に光入出力部の屈折率を変化させることが可能である。
本発明においては、前記フォトマスクを用いて光入出力部に紫外線を一括露光することが好ましい。この方法によれば、紫外線ビームをスキャンさせる必要がなく、また紫外線吸収層を設けて加工する必要がないため、工程を簡略化することができる。
【００６０】
このような方法により、光入出力部の少なくとも一方の屈折率を低下させる場合でも、本発明においては前述のように、光入出力部の導波路中央部との界面から導波路端部にかけて屈折率を連続的に低下させることが好ましい。光入出力部の屈折率を連続的に低下させる方法としては、特に限定されないが、前記フォトマスクとしてグレイトーンマスクを用いることにより行うことが好ましい。グレイトーンマスクを用いて紫外線を照射することにより、照射される紫外線の強度が連続的に変化し、屈折率も連続的な変化を起こすことが可能となる。
【００６１】
そしてこの場合においても、紫外線ビームの強度を連続的に変化させてスキャンしたり、紫外線吸収層を設けて加工する必要がなく、工程を簡略化できるため、高スループットでデバイスが作製可能であり、製造コストを下げることが可能となる。
なお、以上述べた光入出力部の屈折率を低下させる工程は、導波路パターンが形成される前に行ってもよく、形成後に行ってもよい。
【００６２】
導波路パターンが形成された後、コア層表面には直接に制御用の電極を設けることも可能であるが、導波路を保護する観点から、上部クラッド層を設けた構成とすることが好ましい。上部クラッド層は、前記下部クラッド層の形成において例示した材質、形成手段の中から選択されるものを用いて同様に形成される。したがって、下部クラッド層と上部クラッド層とで、同一なもの、または異なるものを選択することが可能である。
【００６３】
基板表面に下部クラッド層、コア層を形成した後、または基板表面に下部クラッド層、コア層、上部クラッド層を順次積層した後、光を動的に制御する手段として、電極を形成することが可能である。
【００６４】
上記電極の材料としては、Ａｕ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏといった金属材料、スズ添加の酸化インジウム（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ、以下「ＩＴＯ」と略す）、ＺｎＯ、Ａｌ添加のＺｎＯ、Ｇａ添加のＺｎＯ、Ｂ添加のＺｎＯ、ＲｕＯ2、ＩｒＯ2、ＲｈＯ2、ＬＳＣＯ（Ｌａ0.5Ｓｒ0.5ＣｏＯ3）といった酸化物導電材料を用いることができる。
【００６５】
これらの制御用の電極は、公知の方法、例えば電子ビーム蒸着法、フラッシュ蒸着法、イオン・プレーティング法、ＲＦ（高周波）−マグネトロン・スパッタリング法、ＤＣ（直流）−マグネトロン・スパッタリング法、イオン・ビーム・スパッタリング法、レーザー・アブレーション法、ＭＢＥ（分子線エピタキシャル法）、ＣＶＤ（気相成長法）、プラズマＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ（有機気相成長法）などより選ばれる気相成長法、またはゾルゲル法、ＭＯＤ法などのウエット・プロセスによって、導波路層表面もしくはバッファ層表面から薄膜成長を行うことができる。
【００６６】
本発明における電極としては、導波光を吸収せず透明で導電性を有する酸化物材料が制御電極として好ましく、ＤＣ−マグネトロン・スパッタリングにより成膜したＩＴＯを好ましく用いることができるが、これに限定されるわけではない。また、前記電極の厚さとしては、５０〜５０００００ｎｍの範囲が好ましい。
【００６７】
上部電極を形成した後、必要に応じてポーリング処理を行う。ここで該ポーリング処理とは、成膜した後に、ポリマーのガラス転移温度（Ｔｇ）以上に加熱した状態で電場を印加して配向処理することにより、前記非線形光学ポリマーの分極方向、あるいは、前記クロモフォアを有する非線形光学ポリマーのクロモフォア部分の分極方向、に配向させ、これを維持した状態で、Ｔｇ以下に温度を下げた後に電場を取り除く処理をいう。
【００６８】
このようなポーリング処理としては、電場の印加方法として、非線形光学ポリマーを２つ以上の電極で直接挟み込んで電場を印加する方法、非線形光学ポリマーと電極との間に液体などの媒体を介して電場を印加する方法、あるいは、コロナ放電により間接的な方法で非線形光学ポリマーに対して電場を印加する方法などが公知である。
【実施例】
【００６９】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
（実施例１）
本実施例においては、本発明の効果を計算結果から確認した。
デバイスとしては、図２に示す断面構造を有するリッジ型導波路デバイスを仮定し、下部クラッド層３０の屈折率をｎ１、上部クラッド層５０の屈折率をｎ２、コア層４０の屈折率をｎ３とした。モードフィールド径はこれらｎ１、ｎ２、ｎ３（ｎ３＞ｎ１、ｎ２）の組み合わせにより決定されることから、ｎ１＝ｎ２とした時の、クラッド層の屈折率を変化させた場合における、モードフィールド径が１０．５μｍのシングルモード光ファイバとの結合損失を、コア層４０の屈折率をパラメータとして、計算により求めた。
【００７０】
結果を図４に示す。図４はクラッド層の屈折率変化（横軸）に対するシングルモードとなるコア層の臨界膜厚変化（縦軸）を、コア層４０の屈折率ｎ３をパラメータとして表したものである。図中、○印をつけたプロットには結合損失の数値が併記されている。図からわかるように、コア層４０の屈折率が低下する、すなわちクラッド層との屈折率差が小さくなることにより、前記臨界膜厚が大きくなり、前記光ファイバとの結合損失が減少することが明らかである。例えば、クラッド層の屈折率を１．５３とした場合、コア層の屈折率が１．５９から１．５７に０．０２変化した場合においては、結合損失は、光ファイバとの片側の結合で３．２ｄＢから２．６ｄＢに０．６ｄＢ改善する。すなわち、結合を両側にした時には、１．２ｄＢの改善が可能であることがわかる。
【００７１】
次に、コア層４０における光入出力部の屈折率の変化に対して、トータルの損失がどの程度となるかを見積った。図５に、光入出力部（領域Ｉ及び領域III）と導波路中央部（領域II）との間にステップ状の屈折率差を設けたと仮定し、この屈折率差Δｎ変化（横軸）に対する結合損失、モード結合損失の変化（縦軸）示した。
【００７２】
図中に示す破線が、この時のトータルの損失である。図５からもわかるように、屈折率差Δｎが０．０２５以下であれば、初期の状態（屈折率差を設けない状態、Δｎ＝０）よりも、明らかにトータルの損失が改善していることがわかる。
【００７３】
（実施例２）
本実施例では、実際に導波路型光デバイスを作製し、結合損失を測定することにより、本発明の効果を確認した。
まず、コア層の材料として、下記一般式で表されるポリカーボネート樹脂を、ＴＨＦ１質量部とシクロヘキサノン４質量部とを混合した溶媒中に溶解し、１５質量％の樹脂溶液を作製した。次いで、この樹脂溶液中に、前記式（１−１）で示される化合物を固形分比として２０質量％となる量だけ添加して溶解し、コア層用塗布液とした。
【００７４】
【化２】
2005115017.tif 000004
【００７５】
自然酸化膜を有するシリコン基板（直径：５０．８ｍｍ、厚さ：０．５ｍｍ）表面に、スパッタ法により下部電極としてＡｕを厚さ０．３μｍ設けたものを、基板として用いた。次いで、この下部電極表面に、フッ素化ポリイミド原料（日立化成製、ＯＰＩ−Ｎ３４０５）を、スピンコート法により塗布した後、加熱によりイミド化しフッ素化ポリイミド膜として下部クラッド層を形成した。該下部クラッド層の膜厚は２．８μｍ、屈折率は１．５３であった。
【００７６】
次いで、上記下部クラッド層の表面に、先に作製したコア層用塗布液滴下し、スピンコートにより製膜し、溶媒を乾燥してコア層とした。該コア層の膜厚は、２．４μｍ、屈折率は１．５８であった。このコア層に、前記図３のプロセスフローにより、フォトリソグラフィーを用いて導波路パターンを作製した後、ドライエッチングにより、導波路として幅が４．１μｍで、０．８μｍの段差を有するリッジ型のチャネル導波路を作製した。
【００７７】
この導波路の光入出力部（領域Ｉ及び領域III）にあたる部分（導波路長として約５００μｍ）に対してのみ、紫外線が露光されるマスクを用い、キセノンＵＶ露光装置により、１００ｍＷ／ｃｍ2の紫外線を１時間露光し、光入出力部の屈折率を低下させた。この時の、光入出力部の屈折率は１．５６であった。
【００７８】
さらに、導波路を形成した前記コア層の表面に、エポキシ樹脂をスピンコートにより塗布して上部クラッド層形成した。該上部クラッド層の膜厚は３μｍ、屈折率は１.５３であった。
【００７９】
このようにして上部クラッド層まで形成したシリコンウェハを、ダイサにより、５ｍｍ×２０ｍｍに切り出して導波路型光デバイスとした。この導波路型光デバイスを用い、波長が１.５５μｍの半導体レーザを光源とする光挿入損失評価装置により、モードフィールド径１０．５μｍのシングルモード光ファイバーに対する挿入損失を評価した結果、挿入損失は８．２ｄＢであった。
【００８０】
（比較例１）
導波路（コア層）に対して紫外線照射を行わなかった以外は、実施例２とまったく同様にして導波路型光デバイスを作製した。この導波路型光デバイスを用いて、同様に挿入損失を測定した結果、挿入損失は９．７ｄＢであった。この結果から、実施例２における結合損失の改善は、導波路の片端（光入力部または光出力部）当たり０．７５ｄＢであると見積もることができる。
【００８１】
（実施例３）
実施例２とまったく同様にしてコア層まで形成したのち、同様にドライエッチングによりリッジ型のチャネル導波路を作製した。この導波路の光入出力部にあたる部分（導波路長として約５００μｍ）に対して透過率が連続的に変化するグレイトーンマスクを用い、キセノンＵＶ露光装置により、１００ｍＷ／ｃｍ2の紫外線を１時間露光し、光入出力部の屈折率を導波路端部にかけて連続的に低下させた。さらに、コア層の表面に上部クラッド層を実施例２と同様にして形成した後、ダイサにより切断して、５ｍｍ×２０ｍｍの導波路型光デバイスを作製した。
【００８２】
この導波路型光デバイスを用いて、実施例２と同様に光挿入損失評価装置により、挿入損失を評価した結果、この導波路型光デバイスの光挿入損失は８．１ｄＢであった。この結果を比較例１すると結合損失差は１．６ｄＢであり、本実施例における結合損失の改善は、導波路の片端当たり０．８ｄＢであると見積もることができる。
【００８３】
（実施例４）
自然酸化膜を有するシリコン基板（直径：５０．８ｍｍ、厚さ：０．５ｍｍ）表面に、スパッタ法により下部電極としてＡｕを厚さ０．３μｍ設けたものを、基板として用いた。次いで、この下部電極表面に、ベンゾシクロブテン（ダウケミカル社製、製品名Ｃｙｃｌｏｔｅｎｅ３０２２）を、スピンコート法により塗布した後、加熱により製膜して下部クラッド層を形成した。該下部クラッド層の膜厚は２．９μｍ、屈折率は１．５４であった。
【００８４】
この下部クラッド層表面に、実施例２で用いたコア層用塗布液により同様にスピンコートしてコア層まで形成した。さらにドライエッチングによりリッジ型のチャネル導波路を作製した。この導波路の光入出力部にあたる部分（導波路長として約５００μｍ）に対して透過率が連続的に変化するグレイトーンマスクを用い、キセノンＵＶ露光装置により、１００ｍＷ／ｃｍ2の紫外線を１時間露光し、光入出力部の屈折率を導波路端部にかけて連続的に低下させた。さらに、コア層の表面に上部クラッド層を実施例２と同様にして形成した後、ダイサにより切断して、５ｍｍ×２０ｍｍの導波路型光デバイスを作製した。
【００８５】
この導波路型光デバイスを用いて、実施例２と同様に光挿入損失評価装置により、挿入損失を評価した結果、この導波路型光デバイスの光挿入損失は６．７ｄＢであった。
【００８６】
（比較例２）
導波路（コア層）に対して紫外線照射を行わなかった以外は、実施例４とまったく同様にして導波路型光デバイスを作製した。この導波路型光デバイスを用いて、同様に挿入損失を測定した結果、挿入損失は８．１ｄＢであった。この結果から、実施例４における結合損失の改善は、導波路の片端（光入力部または光出力部）当たり０．７ｄＢであると見積もることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の導波路型光デバイスの概念図である。
【図２】本発明の導波路型光デバイスの一例を示す断面図である。
【図３】リッジ型導波路を作製するためのドライエッチングプロセスを示す模式図である。
【図４】クラッド層の屈折率を変化させたときのシングルモード光ファイバとの結合損失を示す図である。
【図５】シングルモード光ファイバとの結合損失変化と屈折率のステップ状変化によるモード結合損失変化を示す図である。
【符号の説明】
【００８８】
１０  基板
２０  下部電極
３０  下部クラッド層
４０  コア層
４１  導波路
５０  上部クラッド層
６０  上部電極
７０  エッチングマスク層
７１  エッチングマスク
８０  フォトレジスト
８１  導波路パターン
９１  第１のエッチングガス
９２  第２のエッチングガス
９３  第３のエッチングガス
【図１】
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【図２】
2005115017.tif 000006
【図３】
2005115017.tif 000007
【図４】
2005115017.tif 000008
【図５】
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