JP3840835B2

JP3840835B2 - 石英系ガラス導波路素子の製造方法

Info

Publication number: JP3840835B2
Application number: JP12787299A
Authority: JP
Inventors: 広明岡野; 秀夫大槻; 晴保駒野
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1999-05-10
Filing date: 1999-05-10
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2019-05-10
Also published as: JP2000321448A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石英系ガラス導波路素子及びその製造方法に係り、特に石英ガラス基板の変形や反りを改善したものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
石英系ガラス導波路素子は、機能性、量産性に優れ、さらに低価格化が期待できるため、光通信網など幅広い分野に適用されつつある。
【０００３】
従来の石英系ガラス導波路素子は、図３に示すように、石英ガラス基板１１とコア導波路１３とクラッド層１５とからなる。その製造方法は、図４に示すように、まず石英ガラス基板１１上に電子ビーム蒸着法により組成ＳｉＯ₂−ＴｉＯ₂のコアガラス層１２を形成する。ここに、石英系ガラス導波路素子の光学的特性を良好なものとする観点から、石英ガラス基板には合成シリカを出発原料とした方法により得られた合成石英ガラス基板を用いる。
【０００４】
次に、フォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチングを用いてコアガラス層１２からコア導波路１３を形成し、さらにコア導波路１３を含む石英ガラス基板１１上に、火炎堆積法によりＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｐ₂Ｏ₅系多孔質ガラス層１４を３００〜４００μｍ堆積させる。次に、電気炉内に移しＨｅガス雰囲気中で熱処理を施して透明ガラス化し、ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｐ₂Ｏ₅系ガラスで構成されたクラッド層１５とする。熱処理の温度は１３３０℃である。Ｂ₂Ｏ₃及びＰ₂Ｏ₅のドーパント剤は透明ガラス温度を下げる目的で添加するものであり、またクラッド層の屈折率は光学特性上、石英ガラス基板１１すなわちシリカと同等にする必要がある。
【０００５】
ここで、多孔質ガラス層１４の透明ガラス化に際し、石英ガラス基板１１は電気炉内で１３３０℃の高温熱処理にかけられる。その結果、高温熱処理の際に石英ガラス基板１１に変形及び反りが生じ、その反り量は大きく、１５μｍ〜１００μｍほどにもなる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
火炎堆積法で形成されるＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｐ₂Ｏ₅系多孔質ガラス層は、透明ガラス化時において１２００℃以上の高温熱処理を施す必要がある。その結果、高温熱処理の際に石英ガラス基板１１に変形及び反りが生じる。この基板１１の変形及び反りの主要因は、石英系ガラス導波路素子の製造に用いる石英ガラス基板の耐熱温度と関係があり、合成石英ガラス基板の変形温度領域は９９０〜１０８０℃とされている。このことから、上述した従来の製造プロセスでは、石英ガラス基板１１に変形及び反りが生じるのは当然のことと考えられる。基板の変形及び反りが生じるため、得られた石英系ガラス導波路素子の伝搬損失が大きくなり、光学的特性は良好とは言えなかった。
【０００７】
また、この石英ガラス基板１１の変形及び反りにより、石英系ガラス導波路素子端面、すなわち光入力部及び光出力部のコア導波路１３のピッチ間隔は設計値と大幅にずれる。よって、複数の光ファイバ心線を一定の間隔で配列された光ファイバアレイなどと石英系ガラス導波路素子を接続固定する際には、コア導波路１３と光ファイバアレイの間にピッチずれが生じ、これにより光ファイバアレイと石英系ガラス導波路素子との接続損失が増加した。
【０００８】
本発明の目的は、前記した従来技術の欠点を解消し、クラッド層形成時の焼結過程終了後の石英ガラス基板の変形及び反り量が小さく、且つ伝搬損失及び光ファイバアレイとの接続損失の小さい石英系ガラス導波路素子及びその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の石英系ガラス導波路素子の製造方法は、図１に示すように、天然水晶を出発原料とした電気炉溶融法等により石英ガラス基板１を形成する（ａ）。そして、石英系ガラス導波路素子の光学的特性を良好なものとするために、石英ガラス基板１上にドーパントを含まない純粋石英ガラス層２を低温合成法により形成する（ｂ）。純粋石英ガラス層２上にｎ ₁ の屈折率を有する組成ＳｉＯ ₂ −ＴｉＯ ₂ 系のコアガラス層３を形成し（ｃ）、コアガラス層３上にＷＳｉ膜４を蒸着した後（ｄ）、ホトリソグラフィ及び反応性イオンエッチングを用いてコア導波路５を形成する（ｅ）。コア導波路５を含む純粋石英ガラス層２上に火炎堆積法により組成ＳｉＯ ₂ −Ｂ ₂ Ｏ ₃ −Ｐ ₂ Ｏ ₅ 系の多孔質ガラス層６を形成し（ｆ）、さらに多孔質ガラス層６を１２００℃以上で焼結して透明ガラス化したｎ ₀ の屈折率を有するＳｉＯ ₂ −Ｂ ₂ Ｏ ₃ −Ｐ ₂ Ｏ ₅ 系のクラッド層７を形成するものである（ｇ）。
【００１１】
合成ガラス基板に比べ天然水晶は耐熱温度が高く、変形温度範囲は１１００〜１２００℃とされている。このため、本発明のように天然水晶を出発原料とした電気炉溶融法等により得られた石英ガラス基板を用いることで、石英ガラス基板の変形及び反り量を小さく抑えることができる。なお、天然水晶を出発原料として得た石英ガラス基板を用いると、合成石英ガラス基板を用いた場合には問題にならなかった出発原料の純度及び微量に含まれる気泡等が問題となるが、本基板上に低温合成法によるドーパントを含まない薄膜の純粋石英ガラス層を設けることで、出発原料の純度及び微量に含まれる気泡等の影響を断つことができ、石英系ガラス導波路素子の光学的特性を良好なものとすることができる。
【００１２】
特に、本発明の石英系ガラス導波路素子の製造方法において、低温合成法により形成する純粋石英ガラス層の成膜温度を５００℃以下とすることが、天然水晶を出発原料として得た石英ガラス基板の純度及び微量に含まれる気泡等の影響をより有効に断つことができる。
【００１３】
この際、低温合成法により形成する純粋石英ガラス層の膜厚を０．１〜１０μｍとすることが石英ガラス基板の変形、反り量、及び石英系ガラス導波路素子の伝搬素子を極めて小さく抑えることができる。膜厚が０．１μｍ未満であると、石英系ガラス導波路素子の伝搬損失が増加し、膜厚が１０μｍを越えると成膜による圧縮応力が増加し、石英基板の反り量が１０μｍ以上に増加するからである。また、多孔質ガラス層の焼結温度を１２００℃以上とすることが、多孔質ガラス層をより確実に透明ガラス化することができる。
【００１４】
なお、本発明の石英系ガラス導波路素子は、例えば１×Ｎスプリッタに好適であり、加入者用導波路型光伝送モジュールなどに使用できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
外径３インチ、厚さ１mmの天然水晶を出発原料とした石英ガラス基板１上に、５μｍ厚の純粋石英ガラス層２を電子ビーム蒸着法で形成した。なお、純粋石英ガラス層２の成膜温度は５００℃以下とした。次に、純粋石英ガラス層２上に、８μｍ厚で屈折率ｎ₁のＴｉＯ₂−ＳｉＯ₂のコアガラス層３を同じく電子ビーム蒸着法で形成した。次に、コアガラス層３の表面上に、マグネトロン・スパッタリング法によりＷＳｉ膜４を１μｍ形成した。さらに、レジストを塗布後、マスクアライナでコアパターンを転写し、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）でコアガラス層３をエッチングし、コア導波路５を形成した。
【００１６】
コア導波路５が形成された石英ガラス基板１を、加熱されたターンテーブルに置き、火炎堆積法を用いてコア導波路５を含む純粋石英ガラス層２上に、ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｐ₂Ｏ₅系多孔質ガラス層６を３００〜４００μｍ堆積させる。最後に、電気炉内に移しＨｅガス雰囲気中で熱処理を施して透明ガラス化し、屈折率ｎ₀のＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｐ₂Ｏ₅系ガラスで構成されたクラッド層７を形成し、石英系ガラス導波路素子を得た。なお、電気炉内での熱処理の温度は１３３０℃である。
【００１７】
得られた石英ガラス基板１の反り量を、表面粗さ測定装置により評価した。３インチ石英ガラス基板全体の反り量は５μｍ以下であった。また、得られた石英系ガラス導波路素子の伝搬損失を評価したところ、波長１．３μｍ及び１．５μｍ帯において、いずれも０．０５ｄＢ／cm以下と良好な特性を得た。さらに、本ガラス導波路素子の入力部、出力部のコアピッチ間隔も設計値に対し±０．０１μｍ以下であり、既述した光ファイバアレイとの接続において損失増加はなかった。
【００１８】
（実施例２）
天然水晶を出発原料とした石英ガラス基板１上に成膜する純粋石英ガラス層２を膜厚を０．１μｍとした点を除いて、実施例１と同じ条件で石英系ガラス導波路素子を製造した。このときの石英ガラス基板１の反り量は５μｍ以下であった。また、石英系ガラス導波路素子の伝搬損失を評価したところ、波長１．３μｍ及び１．５μｍ帯において、いずれも０．２０ｄＢ／cmと実施例１に比べやや光学的特性が劣化したが、実用上許容できる値であった。
【００１９】
（実施例３）
天然水晶を出発原料とした石英ガラス基板１上に成膜する純粋石英ガラス層２の膜厚を１０μｍとした点を除いて、実施例１と同じ条件で石英系ガラス導波路素子を製造した。このときの石英ガラス基板１の反り量は５μｍ以下であった。また、石英系ガラス導波路素子の伝搬損失を評価したところ、波長１．３μｍ及び１．５μｍ帯において、いずれも０．０５ｄＢ／cmと実施例１と同じであった。
【００２０】
（比較例１）
天然水晶を出発原料とした石英ガラス基板１上に成膜する純粋石英ガラス層２の膜厚を０．０５μｍ未満とした点を除いて、実施例１と同じ条件で石英系ガラス導波路素子を製造した。このときの石英ガラス基板１の反り量を、表面粗さ測定装置により評価した。反り量は５μｍ以下であった。また、石英系ガラス導波路素子の伝搬損失を評価したところ、波長１．３μｍ及び１．５μｍ帯において、いずれも０．５０ｄＢ／cmと実施例１よりも大きかった。
【００２１】
（比較例２）
天然水晶を出発原料とした石英ガラス基板１上に成膜する純粋石英ガラス層２の膜厚を１５μｍとした点を除いて、実施例１と同じ条件て石英系ガラス導波路素子を製造した。このときの石英ガラス基板１の反り量を、表面粗さ測定装置により評価した。反り量は１０μｍ以上でった。しかし、石英系ガラス導波路素子の伝搬損失を評価したところ、波長１．３μｍ及び１．５μｍ帯において、いずれも０．０５ｄＢ／cmと実施例１及び実施例２と同等であった。しかし、基板の反り量が１０μｍ以上あるため、既述した光ファイバアレイとの接続損失が増加した。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、高温熱処理過程における石英ガラス基板の変形及び反り量を小さく抑えることができるため、高精度の石英系ガラス導波路素子を製造できる。また、伝搬損失及び光ファイバアレイとの接続損失を低減できるので、光学特性、モジュール実装を良好にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の石英系ガラス導波路素子の製造方法を説明する工程図である。
【図２】本発明の石英系ガラス導波路素子の構造を説明する横断面図である。
【図３】従来例の石英系ガラス導波路素子の構造を説明する横断面図である。
【図４】従来例のガラス導波路素子の製造方法を説明する工程図である。
【符号の説明】
１石英ガラス基板
２純粋石英ガラス層
３コアガラス層
５コア導波路
６多孔質ガラス層
７クラッド層

Claims

天然水晶を出発原料とした溶融法により石英ガラス基板を形成し、該石英ガラス基板上にドーパントを含まない純粋石英ガラス層を低温合成法により形成し、該純粋石英ガラス層上にコアガラス層を形成し、該コアガラス層をホトリソグラフィ及び反応性イオンエッチングを用いてコア導波路を形成し、該コア導波路を含む純粋石英ガラス層上に火炎堆積法により多孔質ガラス層を形成し、さらに該多孔質ガラス層を焼結して透明ガラス化したクラッド層を形成した石英系ガラス導波路素子の製造方法。
前記低温合成法により形成する純粋石英ガラス層の成膜温度を５００℃以下とした、請求項１に記載の石英系ガラス導波路素子の製造方法。
前記低温合成法により形成する純粋石英ガラス層の膜厚を０．１〜１０μｍとした、請求項１または２に記載の石英系ガラス導波路素子の製造方法。
前記多孔質ガラス層の焼結温度を１２００℃以上とした、請求項１〜３のいずれかに記載の石英系ガラス導波路素子の製造方法。