ガラス導波路及びその製造方法
【目的】多孔質ガラス焼結時に正司Ｓるコア導波路の変形を防止して、低損失で、良好な伝搬特性を得る。
【構成】コア導波路１の一側と他側とで、焼結時に多孔質ガラスの収縮量が大きく異なるようなコア導波路部１ａの近傍に、コア導波路部１ａの変形を防止するダミーコア導波路６を設ける。ダミーコア導波路６は、コア導波路部１ａに対して対称に設け、その位置及び大きさはガラス導波路の目的とする伝搬特性に影響のないように配慮する。コア導波路部１ａに異方的な力が働こうとしても、その力はダミーコア導波路６によって阻止され、コア導波路部１ａへの影響を断つ。このためクラッド層形成時においてもコア導波路部１ａは変形を受けない。
【構成】コア導波路１の一側と他側とで、焼結時に多孔質ガラスの収縮量が大きく異なるようなコア導波路部１ａの近傍に、コア導波路部１ａの変形を防止するダミーコア導波路６を設ける。ダミーコア導波路６は、コア導波路部１ａに対して対称に設け、その位置及び大きさはガラス導波路の目的とする伝搬特性に影響のないように配慮する。コア導波路部１ａに異方的な力が働こうとしても、その力はダミーコア導波路６によって阻止され、コア導波路部１ａへの影響を断つ。このためクラッド層形成時においてもコア導波路部１ａは変形を受けない。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はガラス導波路及びその製造方法に係り、特にコア導波路に変形のないガラス導波路に関する。
【０００２】
【従来の技術】図４は従来のガラス導波路の断面構造である。このガラス導波路を製造するには、ガラス基板３上に基板よりも屈折率の高いコアガラス膜を形成し、ホトリソグラフィ、反応性イオンエッチングによりコア導波路１を形成した後、多孔質ガラスを基板３上に堆積させ、焼結により透明なクラッドガラス層２を形成する。なお、コア導波路１は、通常８×８μm 又は６×６μm の矩形断面をもつように形成される。
【０００３】ところで、ガラス導波路に形成されるコア導波路１は、直線状の単純パターンで構成されるよりも、むしろ複雑な回路パターンで構成され、その複雑な回路パターン上にクラッドガラスが形成されるものが多い。例えば、図５に示すパターンは、Ｙ分岐構造をもった１×１６分岐ガラス導波路パターン４であるが、このパターン上に約２５μm のクラッドガラスが形成される。この厚さのクラッドガラスを形成するためには、厚さ約２５０〜３５０μm の多孔質ガラスを堆積させて焼結する必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述したように多孔質ガラスを堆積させて焼結すると、多孔質ガラスの厚さが２５０〜３５０と厚いので、多孔質ガラスが基板の径方向（厚さと直交する方向）と軸方向（厚さ方向）とに大きく収縮することになる。このとき、特に図５R>５のａ−ａ′線上にあるＹ分岐部の根本近くのコア導波路部５は、その断面を示すと図６のように変形することがあり、その大きさは内側へ約１°近くも傾斜する場合がある。その結果、一部の光がコアより漏れて損失増になったり、あるいは均等光分配されなかったりして各ポート間の光出力がバラツクという欠点があった。
【０００５】また、このことは何も光分岐結合器だけの問題ではなく、マッハツェンダー形や図７に示すようなガラス導波路で構成される光合分波器にも当てはまる。すなわち、コア導波路１間の接近部（ｂ−ｂ′線上）が、光分岐結合器の場合と同様に図６のように変形することがある。この変形により、例えば波長１．３μm と１．５５μm 光の合分波特性において、中心波長に±２０nmと大きなズレが生じ、波長１．３μm の光出射側に波長１．５５μm の光が大きく洩れ込むという問題があった。
【０００６】このようにコア導波路間が接近している部分のコア導波路は、クラッドガラス形成時に変形を受けるため、クラッドガラス形成時においてもコア導波路が変形しない技術の開発が望まれていた。
【０００７】本発明の目的は、前記した従来技術の欠点を解消し、低損失で、伝搬特性の良好なガラス導波路及びその製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明のガラス導波路は、コア導波路とこれを覆うクラッド層とを基板上に形成したガラス導波路において、コア導波路の近傍に、クラッド層の形成時に該コア導波路の変形を防止するダミーコア導波路を有しているものである。
【０００９】この場合において、ダミーコア導波路がコア導波路に対して対称に設けられていたり、基板が石英ガラス基板または表面に石英系ガラス膜を設けたシリコン基板であることが好ましい。
【００１０】また、本発明のガラス導波路の製造方法は、基板上にコア導波路を形成すると共に、その近傍に多孔質ガラスの焼結時にコア導波路の変形を防止するダミーコア導波路を形成し、これらコア導波路及びダミーコア導波路を形成した基板上に多孔質ガラスを形成し、これを焼結して透明なクラッド層を形成するようにしたものである。
【００１１】
【作用】コア導波路の形成後、クラッド層を形成するために多孔質ガラスをコア導波路上に堆積させて多孔質ガラスを焼結ガラス化させる場合、基板上に堆積するガラスの堆積量がコア導波路の一側と他側とで異なっていると、ガラス化による収縮量が異なり、コア導波路の堆積量の少ない側よりも堆積量の多い側の収縮量が大きくなって、コア導波路に異方的な力が働き、それによりコア導波路の変形が生じるものと推定される。
【００１２】本発明では、ガラス化による収縮量が大きく異なるような、コア導波路間の間隔の狭い部分のコア導波路の近傍にダミーコア導波路を設けてあるので、コア導波路に異方的な力が働こうとしても、その力はダミーコア導波路によって阻止され、コア導波路への影響が断たれる。このためクラッド層形成時においてもコア導波路は変形を受けない。
【００１３】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。図１はＹ分岐構造をもった１×１６分岐ガラス導波路であり、図２は図１のｃ−ｃ′線断面図である。このガラス導波路は、石英ガラス基板３上にコア導波路１が形成され、その上にコア導波路１を覆うクラッド層２をガラス焼結により形成してある。
【００１４】この基板３上に形成されたコア導波路１のうち、Ｙ分岐部の根本のコア導波路部１ａにクラッド層のガラス焼結時にコア導波路部１ａに働く力によりコア導波路部１ａが変形するのを防止するダミーコア導波路６を設けている。
【００１５】このダミーコア導波路６は、図示例では入力段の１×２分岐部のコア導波路部１ａでは、その両外側にコア導波路部１ａに対して対称に設けてある。また、その後段の１×４分岐部では、これを構成する各１×２分岐部の片外側に設けている。なお、片外側に設けたダミーコア導波路６は、各１×２分岐部のコア導波路部１ａに対しては非対称に設けられることになるが、１×４分岐部全体からみれば対称に設けられていることになる。
【００１６】これらのダミーコア導波路６は、ガラス導波路の目的とする伝搬特性に影響のない場所、大きさに設ける。すなわち、ダミーコア導波路の設置場所は、コア導波路の一側と他側とでガラス堆積量が大きく異なって変形を受けやすいＹ分岐部の根本のコア導波路部１ａの近傍が最適である。また、ダミーコア導波路の大きさは、コア導波路部１ａの矩形断面８×８μm 又は６×６μm と同じ大きさでもよいが、好ましくは幅、高さ共にコア導波路部１ａよりは大きな断面で構成して、それ自体で変形に耐えられるようにする。特に、幅をコア導波路部１ａの幅の１．５倍以上とすることにより変形をほぼ完全に抑えることができる。
【００１７】このようなダミーコア導波路６を持つＹ分岐ガラス導波路のｃ−ｃ′線断面を図２に示す。ダミーコア導波路６を近傍に有すると、コア導波路部１ａに異方的な力が働こうとしても、その力はダミーコア導波路６によって阻止され、コア導波路１への影響が断たれる。このためクラッド層２の形成時においてもコア導波路は変形を受けず、クラッド２層の形成後でもコア導波路１ａの形状は保たれる。
【００１８】次に、上述したダミーコア導波路６を設けたガラス導波路の製造方法を具体的に説明する。３インチ径で１mm厚の石英ガラス基板の上に、電子ビーム蒸着法でＴｉＯ2 −ＳｉＯ2 コアガラス膜を８μm 形成した。ホトリソグラフィ、反応性イオンエッチングで８×８μm 断面を持ち、かつ図１に示すような１×１６分岐をもつコア導波路パターンを形成した。この時、併せてダミーコア導波路６も形成した。ダミーコア導波路６は１６×８μm 断面を持ち、各コア導波路部１ａから２０μm 離した。その後、火炎堆積法で多孔質ガラスを３００μm 形成し、１３００℃で焼結し、２４μm 厚のＰ2 Ｏ5 −Ｂ2 Ｏ3 −ＳｉＯ2 クラッドガラスを形成して、１×１６分岐ガラス導波路を試作した。比較のため、上記と同じ条件でダミーコア導波路のないガラス導波路も製作した。
【００１９】作った両１×１６分岐ガラス導波路において、ダミーコア導波路のあるものは、１入力ポートから１６出力ポートへの伝送損失は１３．５dB±０．３dBと良好であった。これに対してダミーコア導波路のないものは、１４．５dB±１．０dBと損失値及びバラツキともに大きかった。
【００２０】また、図３に示す双方向用光合分波器においても、コア導波路１が接近しているコア導波路部１ａの両側近傍にダミーコア導波路６を設けるようにした。このようにすると、ガラス焼結時、接近部分のコア導波路部１ａは図２と同様に変形しなかった。この光合分波器の中心波長は±５nm以内で設計値と一致した。その結果、波長１．３μm と１．５５μm 光の合分波特性において、波長１．３μmの光出射側に波長１．５５μm の光が洩れ込むのを有効に防止できた。
【００２１】
【発明の効果】
（１）請求項１または３に記載の発明によれば、ダミーコア導波路をコア導波路の近傍に有するので、低損失で、良好な伝搬特性が得られる。
【００２２】（２）請求項２に記載の発明によれば、ダミーコア導波路を対称に設けるようにしたので、集積化したガラス導波路素子の安定化が図れる。
【００２３】（３）請求項４に記載の発明によれば、ダミーコア導波路をコア導波路の近傍に形成することにより、クラッド層形成時においてもコア導波路は変形を受けず、低損失でしかも光回路のもつ機能を十分に満足するガラス導波路を再現性よく製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガラス導波路の実施例を示す１×１６分岐ガラス導波路の平面図である。
【図２】図１のｃ−ｃ′断面図である。
【図３】本発明ガラス導波路の他の実施例を示す光合分波ガラス導波路の平面図である。
【図４】コア導波路に変形のないガラス導波路の断面図である。
【図５】従来の１×１６分岐ガラス導波路の平面図である。
【図６】図５のａ−ａ′断面図である。
【図７】従来の合分波ガラス導波路の平面図である。
【符号の説明】
１ コア導波路
１ａ コア導波路部
２ クラッド層
３ 石英ガラス基板
４ コア導波路パターン
５ 変形したコア導波路部
６ ダミーコア導波路
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はガラス導波路及びその製造方法に係り、特にコア導波路に変形のないガラス導波路に関する。
【０００２】
【従来の技術】図４は従来のガラス導波路の断面構造である。このガラス導波路を製造するには、ガラス基板３上に基板よりも屈折率の高いコアガラス膜を形成し、ホトリソグラフィ、反応性イオンエッチングによりコア導波路１を形成した後、多孔質ガラスを基板３上に堆積させ、焼結により透明なクラッドガラス層２を形成する。なお、コア導波路１は、通常８×８μm 又は６×６μm の矩形断面をもつように形成される。
【０００３】ところで、ガラス導波路に形成されるコア導波路１は、直線状の単純パターンで構成されるよりも、むしろ複雑な回路パターンで構成され、その複雑な回路パターン上にクラッドガラスが形成されるものが多い。例えば、図５に示すパターンは、Ｙ分岐構造をもった１×１６分岐ガラス導波路パターン４であるが、このパターン上に約２５μm のクラッドガラスが形成される。この厚さのクラッドガラスを形成するためには、厚さ約２５０〜３５０μm の多孔質ガラスを堆積させて焼結する必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述したように多孔質ガラスを堆積させて焼結すると、多孔質ガラスの厚さが２５０〜３５０と厚いので、多孔質ガラスが基板の径方向（厚さと直交する方向）と軸方向（厚さ方向）とに大きく収縮することになる。このとき、特に図５R>５のａ−ａ′線上にあるＹ分岐部の根本近くのコア導波路部５は、その断面を示すと図６のように変形することがあり、その大きさは内側へ約１°近くも傾斜する場合がある。その結果、一部の光がコアより漏れて損失増になったり、あるいは均等光分配されなかったりして各ポート間の光出力がバラツクという欠点があった。
【０００５】また、このことは何も光分岐結合器だけの問題ではなく、マッハツェンダー形や図７に示すようなガラス導波路で構成される光合分波器にも当てはまる。すなわち、コア導波路１間の接近部（ｂ−ｂ′線上）が、光分岐結合器の場合と同様に図６のように変形することがある。この変形により、例えば波長１．３μm と１．５５μm 光の合分波特性において、中心波長に±２０nmと大きなズレが生じ、波長１．３μm の光出射側に波長１．５５μm の光が大きく洩れ込むという問題があった。
【０００６】このようにコア導波路間が接近している部分のコア導波路は、クラッドガラス形成時に変形を受けるため、クラッドガラス形成時においてもコア導波路が変形しない技術の開発が望まれていた。
【０００７】本発明の目的は、前記した従来技術の欠点を解消し、低損失で、伝搬特性の良好なガラス導波路及びその製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明のガラス導波路は、コア導波路とこれを覆うクラッド層とを基板上に形成したガラス導波路において、コア導波路の近傍に、クラッド層の形成時に該コア導波路の変形を防止するダミーコア導波路を有しているものである。
【０００９】この場合において、ダミーコア導波路がコア導波路に対して対称に設けられていたり、基板が石英ガラス基板または表面に石英系ガラス膜を設けたシリコン基板であることが好ましい。
【００１０】また、本発明のガラス導波路の製造方法は、基板上にコア導波路を形成すると共に、その近傍に多孔質ガラスの焼結時にコア導波路の変形を防止するダミーコア導波路を形成し、これらコア導波路及びダミーコア導波路を形成した基板上に多孔質ガラスを形成し、これを焼結して透明なクラッド層を形成するようにしたものである。
【００１１】
【作用】コア導波路の形成後、クラッド層を形成するために多孔質ガラスをコア導波路上に堆積させて多孔質ガラスを焼結ガラス化させる場合、基板上に堆積するガラスの堆積量がコア導波路の一側と他側とで異なっていると、ガラス化による収縮量が異なり、コア導波路の堆積量の少ない側よりも堆積量の多い側の収縮量が大きくなって、コア導波路に異方的な力が働き、それによりコア導波路の変形が生じるものと推定される。
【００１２】本発明では、ガラス化による収縮量が大きく異なるような、コア導波路間の間隔の狭い部分のコア導波路の近傍にダミーコア導波路を設けてあるので、コア導波路に異方的な力が働こうとしても、その力はダミーコア導波路によって阻止され、コア導波路への影響が断たれる。このためクラッド層形成時においてもコア導波路は変形を受けない。
【００１３】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。図１はＹ分岐構造をもった１×１６分岐ガラス導波路であり、図２は図１のｃ−ｃ′線断面図である。このガラス導波路は、石英ガラス基板３上にコア導波路１が形成され、その上にコア導波路１を覆うクラッド層２をガラス焼結により形成してある。
【００１４】この基板３上に形成されたコア導波路１のうち、Ｙ分岐部の根本のコア導波路部１ａにクラッド層のガラス焼結時にコア導波路部１ａに働く力によりコア導波路部１ａが変形するのを防止するダミーコア導波路６を設けている。
【００１５】このダミーコア導波路６は、図示例では入力段の１×２分岐部のコア導波路部１ａでは、その両外側にコア導波路部１ａに対して対称に設けてある。また、その後段の１×４分岐部では、これを構成する各１×２分岐部の片外側に設けている。なお、片外側に設けたダミーコア導波路６は、各１×２分岐部のコア導波路部１ａに対しては非対称に設けられることになるが、１×４分岐部全体からみれば対称に設けられていることになる。
【００１６】これらのダミーコア導波路６は、ガラス導波路の目的とする伝搬特性に影響のない場所、大きさに設ける。すなわち、ダミーコア導波路の設置場所は、コア導波路の一側と他側とでガラス堆積量が大きく異なって変形を受けやすいＹ分岐部の根本のコア導波路部１ａの近傍が最適である。また、ダミーコア導波路の大きさは、コア導波路部１ａの矩形断面８×８μm 又は６×６μm と同じ大きさでもよいが、好ましくは幅、高さ共にコア導波路部１ａよりは大きな断面で構成して、それ自体で変形に耐えられるようにする。特に、幅をコア導波路部１ａの幅の１．５倍以上とすることにより変形をほぼ完全に抑えることができる。
【００１７】このようなダミーコア導波路６を持つＹ分岐ガラス導波路のｃ−ｃ′線断面を図２に示す。ダミーコア導波路６を近傍に有すると、コア導波路部１ａに異方的な力が働こうとしても、その力はダミーコア導波路６によって阻止され、コア導波路１への影響が断たれる。このためクラッド層２の形成時においてもコア導波路は変形を受けず、クラッド２層の形成後でもコア導波路１ａの形状は保たれる。
【００１８】次に、上述したダミーコア導波路６を設けたガラス導波路の製造方法を具体的に説明する。３インチ径で１mm厚の石英ガラス基板の上に、電子ビーム蒸着法でＴｉＯ2 −ＳｉＯ2 コアガラス膜を８μm 形成した。ホトリソグラフィ、反応性イオンエッチングで８×８μm 断面を持ち、かつ図１に示すような１×１６分岐をもつコア導波路パターンを形成した。この時、併せてダミーコア導波路６も形成した。ダミーコア導波路６は１６×８μm 断面を持ち、各コア導波路部１ａから２０μm 離した。その後、火炎堆積法で多孔質ガラスを３００μm 形成し、１３００℃で焼結し、２４μm 厚のＰ2 Ｏ5 −Ｂ2 Ｏ3 −ＳｉＯ2 クラッドガラスを形成して、１×１６分岐ガラス導波路を試作した。比較のため、上記と同じ条件でダミーコア導波路のないガラス導波路も製作した。
【００１９】作った両１×１６分岐ガラス導波路において、ダミーコア導波路のあるものは、１入力ポートから１６出力ポートへの伝送損失は１３．５dB±０．３dBと良好であった。これに対してダミーコア導波路のないものは、１４．５dB±１．０dBと損失値及びバラツキともに大きかった。
【００２０】また、図３に示す双方向用光合分波器においても、コア導波路１が接近しているコア導波路部１ａの両側近傍にダミーコア導波路６を設けるようにした。このようにすると、ガラス焼結時、接近部分のコア導波路部１ａは図２と同様に変形しなかった。この光合分波器の中心波長は±５nm以内で設計値と一致した。その結果、波長１．３μm と１．５５μm 光の合分波特性において、波長１．３μmの光出射側に波長１．５５μm の光が洩れ込むのを有効に防止できた。
【００２１】
【発明の効果】
（１）請求項１または３に記載の発明によれば、ダミーコア導波路をコア導波路の近傍に有するので、低損失で、良好な伝搬特性が得られる。
【００２２】（２）請求項２に記載の発明によれば、ダミーコア導波路を対称に設けるようにしたので、集積化したガラス導波路素子の安定化が図れる。
【００２３】（３）請求項４に記載の発明によれば、ダミーコア導波路をコア導波路の近傍に形成することにより、クラッド層形成時においてもコア導波路は変形を受けず、低損失でしかも光回路のもつ機能を十分に満足するガラス導波路を再現性よく製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガラス導波路の実施例を示す１×１６分岐ガラス導波路の平面図である。
【図２】図１のｃ−ｃ′断面図である。
【図３】本発明ガラス導波路の他の実施例を示す光合分波ガラス導波路の平面図である。
【図４】コア導波路に変形のないガラス導波路の断面図である。
【図５】従来の１×１６分岐ガラス導波路の平面図である。
【図６】図５のａ−ａ′断面図である。
【図７】従来の合分波ガラス導波路の平面図である。
【符号の説明】
１ コア導波路
１ａ コア導波路部
２ クラッド層
３ 石英ガラス基板
４ コア導波路パターン
５ 変形したコア導波路部
６ ダミーコア導波路
【特許請求の範囲】
【請求項１】コア導波路とこれを覆うクラッド層とを基板上に形成したガラス導波路において、上記コア導波路の近傍に、クラッド層の形成時に該コア導波路の変形を防止するダミーコア導波路を有していることを特徴とするガラス導波路。
【請求項２】上記ダミーコア導波路がコア導波路に対して対称に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のガラス導波路。
【請求項３】上記基板が石英ガラス基板または表面に石英系ガラス膜を設けたシリコン基板であることを特徴とする請求項１または２に記載のガラス導波路。
【請求項４】基板上にコア導波路を形成すると共に、その近傍に該コア導波路の変形を防止するダミーコア導波路を形成し、これらコア導波路及びダミーコア導波路を形成した基板上に多孔質ガラスを形成し、これを焼結して透明なクラッド層を形成することを特徴とするガラス導波路の製造方法。
【請求項１】コア導波路とこれを覆うクラッド層とを基板上に形成したガラス導波路において、上記コア導波路の近傍に、クラッド層の形成時に該コア導波路の変形を防止するダミーコア導波路を有していることを特徴とするガラス導波路。
【請求項２】上記ダミーコア導波路がコア導波路に対して対称に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のガラス導波路。
【請求項３】上記基板が石英ガラス基板または表面に石英系ガラス膜を設けたシリコン基板であることを特徴とする請求項１または２に記載のガラス導波路。
【請求項４】基板上にコア導波路を形成すると共に、その近傍に該コア導波路の変形を防止するダミーコア導波路を形成し、これらコア導波路及びダミーコア導波路を形成した基板上に多孔質ガラスを形成し、これを焼結して透明なクラッド層を形成することを特徴とするガラス導波路の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開平７−５６０３２
【公開日】平成７年（１９９５）３月３日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平５−２００５９０
【出願日】平成５年（１９９３）８月１２日
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【公開日】平成７年（１９９５）３月３日
【国際特許分類】
【出願日】平成５年（１９９３）８月１２日
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
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