JP4732806B2 - 石英系ｙ分岐光回路およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光通信システムの基本素子として重要な光分岐素子に関し、特に導波型で量産性や安定性に優れた低損失のＹ分岐回路およびその製造方法に関する。

インターネットや映像分配など様々なネットワークサービスの需要を背景に、各家庭まで光ファイバを敷設するＦＴＴＨ（Ｆｉｂｅｒ Ｔｏ Ｔｈｅ Ｈｏｍｅ）が急速に普及しつつある。ＦＴＴＨにはいくつかのネットワーク構成があるが、その中の１つであるＰＯＮ（Ｐａｓｓｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ）構成は局社内の高価な伝送装置や局社からユーザ宅近所までの光ファイバを複数のユーザ間で共有するため、経済的である。このＰＯＮ構成のキーデバイスとして、１本の光ファイバの光信号を複数の光ファイバに分配する光分岐素子があり、Ｙ分岐回路を多段に縦列して構成される導波型分岐回路は量産性や安定性に優れ、広く用いられている。

図１４にＹ分岐回路の基本構成を示す。図１４（ａ）は平面図で、図１４（ｂ）から（ｅ）は図１４（ａ）の断面線ＢＢ′，ＣＣ’，ＤＤ′およびＥＥ′でそれぞれ切断した断面図である。

図１４に示すＹ分岐回路は、下部クラッド１０、下部クラッド１０上に形成された、主コア１３と主コア１３に接続される２本の分岐コア１４および１５とからなる回路コア１６、および、回路コア１６を埋め込む上部クラッド１１を備える。主コア１３と、分岐コア１４および１５とは、接続部２１において隙間１８を設けて、接続される。分岐コア１４および１５は、接続部２１において互いに隙間１７を有する。また、分岐コア１４および１５は、互いに接続部２１からの距離が長くなるにしたがって徐々に離れる。

図１４（ａ）の断面線ＢＢ′は、主コア１３の接続部２１側の端面の位置、断面線ＣＣ’は分岐コア１４および１５の接続部２１側の端面の位置、断面線ＤＤ′および断面線ＥＥ′は分岐コア１４および１５の接続部２１から離れた位置を示す。

主コア１３の接続部２１側の端と異なる端から入射した導波光は、主コア１３を伝搬し、接続部２１で分岐コア１４および１５に分配される。このＹ分岐回路をツリー状にＮ段（Ｎは正の整数）に縦列接続することで２^Ｎ分岐回路を構成できる。

Ｙ分岐回路の特性は過剰損失Ｌ（ｄＢ）と分岐比Ｒ（％）で評価される。主コア１３を伝搬する光パワーをＰ０、分岐コア１４および１５を伝搬する光パワーをそれぞれＰ１およびＰ２と置くと、Ｙ分岐回路の過剰損失Ｌ（ｄＢ）と分岐比Ｒ（％）はそれぞれ、

で与えられる。回路形状を主コア１３の中心軸に対して線対称にすることにより、Ｒ＝５０％は原理的には実現可能である。ただし、分岐コア１４および１５が変形すると分岐比が５０％からずれたり、再現性が悪くなったりすることが知られている（例えば、特許文献１乃至３参照）。そこで、後述するように、分岐コア１４および１５の変形を防ぐために隙間１７および１８を設けることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

以下に導波光の分岐について詳述する。主コア１３を伝搬した導波光は接続部２１で分岐コア１４および１５に伝搬される。分岐コア１４および１５が接続部２１（断面線ＣＣ′）で近接しているので、それぞれの導波光は強く結合している。この結合状態の導波光は分岐コア１４および１５を伝搬しながら、徐々に各分岐コアに分離されてゆく。

接続部２１において、分岐コア１４および１５を伝搬する結合状態の導波光の界分布と主コア１３の導波光界分布とができるだけ一致しているのが望ましい。なぜなら、両界分布の不一致がＹ分岐回路の過剰損失となるからである。すなわち、隙間１７および１８は配設されないのが理想的である。しかしながら、特許文献１で開示されているように、分岐コア１４および１５が癒着すること、分岐コア１４と１５と間に空隙が生じることを防止するように、一般的に隙間１７および１８が配設されるのが望ましい。

次に図１５（ａ）〜（ｄ）を参照して、一般的なＹ分岐回路の製造方法を説明する。図１５（ａ）〜（ｄ）は分岐コア１４および１５の接続部２１側の端部断面を示し、図１５（ｄ）が図１４（ｃ）に対応する。

まず、図１５（ａ）に示すように、下部クラッド１０となる石英ガラス基板上に石英系ガラスでコア層１２が形成される。この石英系ガラスの層は火炎堆積法（ＦＨＤ法：Ｆｉａｍｅ Ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）で形成できることが知られている（例えば、特許文献４参照）。すなわち、ＳｉＣｌ_４を主成分とする原料ガスを酸水素雰囲気中で燃焼することにより、石英系ガラスの微粒子が下部クラッド１０上に堆積される。この微粒子をその軟化温度以上の高温で処理（焼結）することにより透明な石英系ガラスの層が形成される。原料ガスにゲルマニウム（Ｇｅ）、硼素（Ｂ）、燐（Ｐ）などの塩化物ガスを混合することにより、石英系ガラスの軟化温度や屈折率が調整される。ＧｅやＰは屈折率を高くし、Ｂは屈折率を低くする。また、Ｇｅ、Ｂ、Ｐのすべてが石英系ガラスの軟化温度を下げる。

コア層１２の屈折率は導波路構造となるために下部クラッド１０の屈折率より０．２〜５％高く設定される。この値は比屈折率差と呼ばれ、
比屈折率差（％）＝（コア層の屈折率−下部クラッドの屈折率）÷コア層の屈折率×１００
で計算される。また、コア層１２の石英系ガラスの軟化温度は、ガラス形成時の処理（加熱）工程で下部クラッド１０が変形しないように、下部クラッド１０の石英ガラスの軟化温度より低く設定される。

次に、図１５（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー工程を通して回路形状が転写されたエッチングマスク３１がコア層１２の上に形成される。この際、エッチングマスク３１の解像度に限界があり、１μｍ以下の細かなパターンを再現性良く作ることが一般的に困難である。

その後、図１５（ｃ）に示すように、エッチングマスク３１を保護層にして、回路コア以外の不要なコア層１２がエッチング加工により除去され、コアリッジ３４および３５が形成される。このとき、コアリッジは横方向（下部クラッド１０の堆積面に対して水平方向）にも削られ、その幅はエッチングマスク３１の幅よりも１．５μｍほど狭くなる（サイドエッチング）。これにより、２本のコアリッジ３４および３５の間隔Ｄ２は、２本のエッチングマスク３１の間隔Ｄ１より１．５μｍ程度広くなる。

最後に、図１５（ｄ）に示すように、コア層１２の場合と同様の方法を用いて、石英系ガラスで上部クラッド１１が形成される。上部クラッド１１の屈折率はコア層１２より低く設定され、できれば下部クラッド１１の屈折率と等しくなるようにするのが望ましい。また、上部クラッド１１の軟化温度は、ガラス形成時の加熱工程でコア層１２（コアリッジ３４および３５）が変形しないように、コア層１２の石英系ガラスの軟化温度より低く設定される。分岐コア間隔Ｄは２本のコアリッジ３４および３５の間隔Ｄ２とほぼ等しくなる。

特開平４−７０６０５号公報（第２頁第２欄ないし第３頁第１欄、第１，４図） 特開平５−１５７９２５号公報（第１１段落、第１５図） 特開平８−２２０３５９号公報（第５段落、第５図） 特開昭５８−１０５１１１号公報

前述したように、再現性良く製造するために接続部２１に隙間１７が配設される。しかしながら、この部分で導波光の一部が散逸し、Ｙ分岐回路の過剰損失となっていた。図１６はこの隙間１７の幅である分岐コア間隔ＤとＹ分岐回路の過剰損失のシミュレーション結果である。分岐コア間隔Ｄが広いほど２次関数的に損失が増加する。通常の作製方法では、エッチングマスクの解像度限界により隙間１７を再現性良く作るにはエッチングマスク隙間Ｄ１は１μｍ以上必要であり、コア加工時のサイドエッチングでコアリッジの隙間はさらに１．５μｍ増加する。すなわち、従来の技術では、分岐コア間隔Ｄは２．５μｍ以上あり、そのため、Ｙ分岐回路の過剰損失は０．２ｄＢあった。例えば、このようなＹ分岐回路を５段縦列に接続して、３２分岐回路を作製した場合、過剰損失は１ｄＢとなる。光ファイバの損失は１ｋｍあたり０．２ｄＢであるので、１ｄＢの過剰損失はＦＴＴＨのサービス域が５ｋｍも減少することになる。そのため、分岐回路の損失は０．１ｄＢでも低いことが要求されている。

本発明の目的は、過剰損失が小さく再現性の良いＹ分岐回路を提供することにある。また、本発明の目的は、過剰損失が小さく再現性の良いＹ分岐回路の製造方法を提供することにある。

本発明に係る石英系Ｙ分岐光回路は、過剰損失が０．１ｄＢ以下となる石英系Ｙ分岐光回路であって、下部クラッド、該下部クラッド上に形成された、主コアと該主コアに接続された２本の分岐コアとからなる回路コア、および前記回路コアを埋め込む上部クラッドを備え、前記主コアと前記２本の分岐コアとは２．５μｍ以上の間隔を有して接続され、前記２本の分岐コアは、高さに対する幅の比が５０％から１５０％であり、前記２本の分岐コアは、前記主コア側の端部において、前記下部クラッド側よりも前記上部クラッド側が狭い隙間を有し、前記２本の分岐コアの前記隙間は、前記上部クラッド側が１．５μｍ以下であり、前記上部クラッドは前記コア層の軟化温度よりも１００℃から２５０℃低い軟化温度の石英ガラスまたは石英系ガラスであり、前記上部クラッドは、前記コア層の軟化温度より５０℃から２００℃高い温度で処理されており、前記上部クラッドは、該上部クラッドの軟化温度より２００℃以上高い温度で透明化処理して形成されていることを特徴とする。

また、本発明に係る石英系Ｙ分岐光回路の製造方法は、過剰損失が０．１ｄＢ以下となる石英系Ｙ分岐光回路の製造方法であって、下部クラッド上に該下部クラッドより屈折率の高いコア層を形成する工程と、前記コア層の一部を除去し、１本の主コアと、該主コアと間隔を有して接続される、互いに隙間を有する２本の分岐コアと、からなる回路コアを形成する工程と、前記回路コアより屈折率の低い上部クラッドで前記回路コアを覆う工程であって、前記２本の分岐コアの前記隙間が前記上部クラッド側で前記下部クラッド側より狭くする工程とを含み、前記回路コアを形成する工程は、前記主コアと前記２本の分岐コアとの前記間隔を２．５μｍ以上とする工程と、前記２本の分岐コアを高さに対する幅の比が５０％から１５０％とする工程とを含み、前記回路コアを覆う工程は、前記回路コアを覆う前記上部クラッドが、前記コア層の軟化温度よりも１００℃から２５０℃低い軟化温度の石英ガラスまたは石英系ガラスであって、前記コア層の軟化温度より５０℃から２００℃高い温度で前記上部クラッドを処理する工程を含み、前記回路コアを覆う工程は、前記上部クラッド側の前記隙間を１．５μｍ以下にする工程と、前記上部クラッドの軟化温度より２００℃以上高い温度で前記上部クラッドを透明化処理する工程を含むことを特徴とする。

主コアと２本の分岐コアとを間隔を有する接続部で接続することにより、接続部付近で安定して分岐コアを変形させることができる。そして、エッチングマスクの解像度限界やコア加工時のサイドエッチングで制限された間隔よりも狭い間隔が形成され、Ｙ分岐回路の過剰損失を低くすることができる。さらに、下部クラッド、回路コア、上部クラッドの軟化温度および処理温度の関係、ならびに分岐コアの高さと幅の比を定めることにより、分岐コアを適切に再現性良く変形させることが可能となる。これにより、低損失で再現性の良いＹ分岐回路を提供することができる。

以上のように、本発明のＹ分岐回路では、分岐コアが２．５μｍ以上の間隔で離れていたコアリッジにおいて、下部クラッド側より上部クラッド側で狭くすることにより０．１ｄＢ以下の低損失な特性を実現することができる。

また、主コアと分岐コアとを隙間で分離して分岐コアを安定に変形できるようにし、コア層と上部クラッドを構成する材料に、上部クラッドの軟化温度がコア層の軟化温度より１００から２５０℃の範囲で低くした石英系ガラスを用い、分岐コアの幅と高さの比を５０％から１５０％にすることにより、分岐コアの間隔が下部クラッド側より上部クラッド側で狭くなるＹ分岐構造を再現性良く実現することができる。

さらに、上部クラッドをコア層の軟化温度より５０℃から２００℃の範囲で高い温度で処理することにより、分岐コアが適切に変形したＹ分岐回路を製造することが可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明に係るＹ分岐回路およびその製造方法の実施形態について詳細に説明する。

図１は本発明のＹ分岐回路の実施形態を示す。図１（ａ）は平面図で、図１（ｂ）から図１（ｅ）は図１（ａ）の断面線ＢＢ′，ＣＣ’，ＤＤ′およびＥＥ′でそれぞれ切断した断面図である。

図１に示すＹ分岐回路は、下部クラッド１０、下部クラッド１０上に形成された、主コア１３と主コア１３に接続される２本の分岐コア１４および１５とからなる回路コア１６、および、回路コア１６を埋め込む上部クラッド１１を備える。主コア１３と分岐コア１４および１５とは、接続部２１において隙間１８を設けて接続される。分岐コア１４および１５は、接続部２１側の端部（断面線ＣＣ′）において互いに隙間１７を有する（図１（ｃ）参照）。また、分岐コア１４および１５は、互いに接続部２１からの距離が長くなるにしたがって徐々に離れる（図１（ｄ）および（ｅ）参照）。主コア１３の接続部２１側の端部（断面線ＢＢ′）の幅は分岐コア１４および１５の接続部２１側の端部（断面線ＣＣ′）の全幅程度に拡大される。

回路コア１６は下部クラッド１０上に配置され、上部クラッド１１に覆われる。下部クラッド１０には石英ガラス基板が用いられる。光が伝搬できるように、回路コア１６は下部クラッド１０の屈折率より高い石英系ガラスで形成される。上部クラッド１１は分岐回路コア１２の屈折率より低い石英系ガラスで形成される。上部クラッド１１と下部クラッド１０の屈折率は等しくするのが望ましい。

分岐コア１４および１５の接続部２１側の端部における隙間１７は、下部クラッド１０側よりも上部クラッド１１側で狭く形成される。これは、接続部２１付近で分岐コア１４および１５に変形し互いに寄り添うように倒れ込む変形領域２２を形成することで実現される。このような分岐コアの製造方法はこの後のＹ分岐回路の製造方法の実施形態で記述する。

図２は分岐コア１４および１５の接続部２１側の端部における隙間１７の上部クラッド側間隔とＹ分岐回路の過剰損失の関係である。分岐コア１４および１５の幅が６，８，１０μｍの場合の結果である。分岐コア１４および１５の高さは８μｍである。分岐コア１４および１５の接続部２１側の端部における隙間１７は下部クラッド１０側で２．５μｍである。図中の白抜き丸印、白抜き三角印、中黒丸印はそれぞれ後述の図４における幅と高さの比Ａが７５％、１００％、１２５％の結果と対応する。分岐コア１４および１５の接続部２１側の端部における隙間１７の上部クラッド側の間隔が０μｍの場合、分岐コア１４および１５は上部クラッド１１側で接触することになる。倒れ込みがない場合の分岐損失は０．２ｄＢであったが、分岐コア１４および１５の隙間１７の上部クラッド側の間隔が１．５μｍ以下となるように変形することで分岐損失は０．１ｄＢ以下となった。従来技術のＹ分岐回路ではフォトレジストの解像度とコアリッジのサイドエッチングにより２．５μｍ以下の隙間１７を作製することは困難であったが、分岐コア１４および１５が倒れ込むことにより分岐コア１４および１５の接続部２１側の端部における隙間１７の上部クラッド１１側の間隔を１．５μｍ以下とすることができ、Ｙ分岐回路の低損失化を達成できた。

次に図３（ａ）〜（ｅ）を参照して、本発明のＹ分岐回路の製造方法の実施形態を説明する。図３（ａ）〜（ｄ）は分岐コア１４および１５の接続部２１側端部の断面を示し、図３（ｄ）が図１（ｃ）に対応する。図３（ｅ）は、図３（ｄ）の分岐コア１４を拡大して実線で示すとともに、変形領域における分岐コア１４（コアリッジ３５）の変形前の状態を破線で示す。

工程の概略は、従来技術（図１５）と同様である。すなわち、下部クラッド１０となる石英ガラス基板上に石英系ガラスでコア層１２が形成される（図３（ａ））。次に、フォトリソグラフィー工程でＹ分岐回路の形状がエッチングマスク３１に転写され（図３（ｂ））、このエッチングマスク３１を保護層にしてエッチング加工でコアリッジ３４および３５が形成される（図３（ｃ））。最後に、コアリッジ２２を覆うように石英系ガラスで上部クラッド１１が形成される（図３（ｄ））。

発明者は、上部クラッド１１を形成する際に、接続部２１付近で分岐コア１４および１５を倒れ込ませて変形領域２２を形成することにより、過剰損失の低いＹ分岐回路が製造できることを発見した。そして、Ｙ分岐回路の形状や製造方法を吟味し、適切な条件を見出した。以下にその条件をまとめる。
［１］主コアと分岐コアとが２．５μｍ以上の隙間で分離されていること。
［２］分岐コアの幅が高さに対して５０％から１５０％の範囲であること。
［３］上部クラッドの軟化温度はコア層の軟化温度より低く、その差が１００℃から２５０℃であること。
［４］上部クラッドは、コア層の軟化温度より５０℃から２００℃の範囲で高い温度で処理して形成されること。

上記条件［１］と同様の技術が特許文献１に開示されている。特許文献１には、主コア１３と分岐コア１４および１５に隙間１８を設けることにより、分岐コア間の隙間１７に十分な量のガラスが供給され、分岐コア１４および１５の倒れ込みが防止されることが記述されている。本発明は、これとは逆で、上記条件［１］は分岐コアを安定的に倒れ込ませるための必要条件となる。なぜならば、主コア１３と分岐コア１４および１５とが切れ目なく接続していると、主コア１３は分岐コア１４および１５の倒れ込みを抑制するからである。すなわち、本発明と特許文献１とでは隙間１８を設けることの目的と効果が全く異なる。

上記条件［２］〜［４］は、分岐コアの倒れ込みに関する条件である。従来、Ｙ分岐回路に限らず隣接するコアの倒れ込みは解決すべき課題として認識されていた。前述の特許文献１では上部クラッドとなる石英系ガラス微粒子の供給不足により隣接するコアの倒れ込みが生じることが述べられている。また、特許文献２では上部クラッドとコアの透明ガラス化温度の差が最大で２００℃程度しかないことが隣接するコアの倒れ込みの理由とされている。特許文献３では、火炎堆積法を用いた上部クラッドガラス形成において、ガラス透明化時のガラス微粒子の収縮により隣接するコアの倒れ込みが生じることが報告されている。いずれの特許文献においても、隣接するコアの倒れ込みは解決すべき課題とされ、その解決の方法が記述されている。

発明者は、従来課題となっていた隣接するコアの倒れ込みが、Ｙ分岐回路の低損失化に有効であることを発見した。そして、Ｙ分岐回路を構成する回路コアが前記条件［１］を満たす場合、さらに前記条件［２］〜［４］を備えることにより、Ｙ分岐回路の分岐比を再現性良く５０％にでき、分岐損失を従来よりも小さくできることを見出した。

以下に前記条件［２］〜［４］を見出した過程をまとめる。
発明者は、分岐コアの変形に影響を与えるものとして、分岐コアの幅と高さの比Ａ（％）（＝幅÷高さ×１００）と上部クラッドとコア層のガラス軟化温度の差ΔＴｓ（＝コア層の軟化温度Ｔｓｃ−上部クラッドの軟化温度Ｔｓｏ）に着目し、それらと変形の様子を調べた。

調査したＹ分岐回路は以下のように作製された。まず、下部クラッド１０である軟化温度１７００℃の石英基板上に、火炎堆積法で軟化温度１０５０℃の石英系ガラス微粒子が堆積され、１３５０℃で透明化されて厚さ８μｍのコア層１２が形成された。コア層１２の屈折率は下部クラッド１０より０．３％高くなるように調整された（比屈折率差＝０．３％）。次にフォトリソグラフィー工程とエッチング加工を用いて、接続部２１で２．５μｍ間隔の２本の分岐コアリッジ３４および３５を有するＹ分岐回路形状のコアリッジが形成された。このとき、幅２，４，６，８，１０，１２，１４，および１６μｍのコアリッジが同一基板上に形成された。この方法で回路コアリッジ付き基板が７枚用意された。そして各コアリッジ上にそれぞれ軟化温度が６５０，７５０，８００，８５０，９００，９５０，および１０００℃の石英系ガラス微粒子が火炎堆積法で堆積された。そして、それぞれ石英系ガラス微粒子の軟化温度より３００℃高温で処理（透明化）されて上部クラッド１１が形成された。上部クラッド１１の屈折率は下部クラッド１０と等しくなるように調整された。

図４に先端部における分岐コア１４および１５の倒れ込み量の評価結果を示す。横軸は分岐コアの幅と高さの比Ａを、縦軸はコア層１２と上部クラッド１１との軟化温度差ΔＴｓを表す。図中の白抜き丸印、白抜き三角印、中黒丸印、およびばつ印は、分岐コア１４および１５の倒れ込み量の違いを表す。白抜き丸印は倒れ込み量が０．５μｍ以上、白抜き三角印は倒れ込み量が０．５μｍ未満、中黒丸印は倒れ込みがなかった結果を表す。ばつ印はコアが不適切に変形した結果を表す。図３（ｃ）において、コアリッジ３４と３５の間隔が２．５μｍであり、倒れ込み量が０．５μｍであるならば、図２の上部クラッド側間隔が１．５μｍの場合に相当する。

概して、分岐コアの幅と高さの比Ａが小さいほど、また、軟化温度差ΔＴｓが小さいほど倒れ込み量が大きくなった。しかし、Ａ＜５０％では、分岐コア１４および１５が非対称に変形したり、接続部２１から十分に離れた位置においても倒れたりしていた。また、ΔＴｓ＝５０℃では、分岐コア１４および１５が丸まるように変形した。これらの状態（図４中のばつ印）では分岐比が５０％からずれたり、過大な過剰損失が生じたりしてＹ分岐回路として不適切であった。一方、Ａ≧１７５％やΔＴｓ≧３００℃のＹ分岐回路では、分岐コア１４および１５の顕著な倒れ込みは観測されなかった（図４中の中黒丸印）。白抜き丸印、白抜き三角印で示す条件では、分岐コア１４および１５は変形領域２２で倒れ込み、それ以外では変形せず、Ｙ分岐回路の分岐コアとして適用できた。

図２に示すように、分岐コアが上部クラッド側で接近すると過剰損失が減少する。そのため、図４の白抜き丸印で示す範囲が低損失なＹ分岐の分岐コアとして適切な領域を表す。すなわち、分岐コアの幅と高さの比Ａが５０％から１５０％であり（条件［２］）、軟化温度差ΔＴｓが１００℃から２５０℃の範囲であった（条件［３］）。

図５に上記条件［１］を満たさない例として、隙間１８を配設せずに作製したＹ分岐回路の平面図を示す。

石英基板上に軟化温度１０５０℃、比屈折率０．３％の石英系ガラスで回路コア１６が形成された。上部クラッド１１の軟化温度は９００℃であった。分岐コア１４および１５の高さと幅はともに８μｍであった。

この例では、隙間１８がないために、二つの問題点が生じた。一つは接続部２１付近で分岐コア１４および１５が自由に変形できず、隙間１７がなだらかに狭く形成されなかった。もう一つは、石英系ガラス微粒子の供給不足により、分岐コア１４および１５が接続部２１から離れた領域で、急激に変形した。これら不良変形領域のために、分岐比は５０％からずれ、損失も大きくなった。

発明者はさらに厚さ６μｍで比屈折率差０．７％のコア層や厚さ７μｍで比屈折率差０．４％のコアに関しても同様の調査が実施した。そして、分岐コアの幅と高さの比Ａが５０％から１５０％、軟化温度差ΔＴｓが１００℃から２５０℃の範囲で、分岐コア１４および１５が適切に倒れ込み、Ｙ分岐回路の過剰損失が低減できることを見出した。

さらに、発明者はコア層１２の軟化温度Ｔｓｃと、上部クラッド１１の軟化温度Ｔｓｏおよび高温による処理（透明化）の温度Ｔｔｏについて調査し、コアの状態や、Ｙ分岐回路の過剰損失を評価した。図６から図１２に各温度と評価結果を示す。ΔＴｓはコア層１２の軟化温度と上部クラッド１１の軟化温度の差（Ｔｓｃ−Ｔｓｏ）を表す。なお、図６は図４の結果に対応するものである。

ここで、白抜き丸印は分岐コア１４および１５が適切に変形して上部クラッド１１側でその隙間１７が１．５μｍ以下となり、Ｙ分岐回路の過剰損失が０．１ｄＢ以下であったことを表す。中黒丸印は変形がない場合や変形不足の場合で、過剰損失が０．１ｄＢより高かったことを表す。ばつ印はコアが不適切に変形した結果を表す。また、中黒四角印は上部クラッド１１の透明化が不完全で良好な導波路が得られなかったことを表す。

これら図６から図１２に示す結果は、コアの軟化温度Ｔｓｃ、上部クラッドの軟化温度Ｔｓｏ、上部クラッドの透明化温度Ｔｔｏの間に適切な関係があることを示している
その中で特に図８の結果は、コアの軟化温度Ｔｓｃが上部クラッドの軟化温度Ｔｓｏより３００℃以上高いと、どの上部クラッドの軟化温度であっても分岐コアの良好な変形が得られないことを示している。ＴｔｏがＴｓｃより低い場合は、コアは軟化せず変形しないのは明らかである。一方、ＴｔｏがＴｓｃより高い場合には、コアは軟化するが、その透明化温度では上部クラッドは粘度がかなり下がって分岐コアの隙間に容易に入ることができ、分岐コアを変形することができない。Ｔｔｏが一層高くなると（Ｔｔｏ＝１３００℃）、分岐コアが自ら丸まるように変形する。

図６から図１２に示す結果から、コア層と上部クラッドの軟化温度の差ΔＴｓ（＝Ｔｓｃ−Ｔｓｏ）、および上部クラッドの高温による処理（透明化）の温度と軟化温度との差ΔＴｔ（＝Ｔｔｏ−Ｔｓｏ）をパラメータにして、評価結果を図１３に示す。この図より、図中の５点Ａ，Ｂ，Ｃ，ＤおよびＥで囲まれた五角形の領域内で、良好なＹ分岐回路が実現できることがわかる。この領域を数式で表すと、
１００℃≦ΔＴｓ≦２５０℃ 式（１）
ΔＴｓ＋５０℃≦ΔＴｔ≦ΔＴｓ＋２００℃ 式（２）
ΔＴｔ≧２００℃ 式（３）
の３式が同時に満たされる場合となる。式（１）は、
Ｔｓｃ−２５０℃≦Ｔｓｏ≦Ｔｓｃ−１００℃ 式（１’）
と同義で、前記条件［３］に相当する。また式（２）は、
Ｔｓｃ＋５０℃≦Ｔｔｏ≦Ｔｓｃ＋２００℃ 式（２’）
と同義で、前記条件［４］に相当する。式（３）は、上部クラッドの透明化温度をその軟化温度より２００℃以上高くする必要があることを示している。

また、以上の調査では、下部クラッド１０に軟化温度１７００℃の石英基板を使用したが、下部クラッドの材料やその軟化温度はこれに限定されるものではない。一般的な火炎堆積法による石英系ガラスを用いた導波型光回路の製造方法と同様に、下部クラッドの軟化温度がコア層の透明化温度より高ければ本発明のＹ分岐回路を作製することができる。

なお、本発明のＹ分岐回路およびその製造方法における石英系ガラスの製造方法は、火炎堆積法に限定されるものではなく、軟化温度と高温熱処理温度の関係が本発明の温度関係を満たせばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、スパッタ法、蒸着法、ゾルゲル法など他の製造方法であっても適用できる。

また、本発明のＹ分岐回路およびその製造方法は、Ｙ分岐回路単体のみの適用に限定されるものではなく、Ｙ分岐回路を多段に従属接続した光分岐回路や、Ｙ分岐回路の２本の分岐コアに別のＹ分岐回路の２本の分岐コアをそれぞれつないで構成したマッハ・ツェンダ干渉計など、Ｙ分岐回路を含むすべての導波型回路に適用できるものである。

本発明のＹ分岐回路の実施形態を説明する図である。 Ｙ分岐回路の分岐コアの上部クラッド側間隔と過剰損失の関係を説明する図である。 本発明のＹ分岐回路の製造方法の実施形態を説明する図である。 本発明のＹ分岐回路およびその製造方法に関して、分岐コアの倒れ込み量の評価結果を示す図である。 接続部に隙間を配設しない場合のＹ分岐回路の平面図である。 本発明のＹ分岐回路およびその製造方法に関して、コア層の軟化温度、上部クラッドの軟化温度、および上部クラッドの高温による処理の温度と、コアの状態およびＹ分岐回路の過剰損失との関係を評価した結果を示す図である。 本発明のＹ分岐回路およびその製造方法に関して、コア層の軟化温度、上部クラッドの軟化温度、および上部クラッドの高温による処理の温度と、コアの状態およびＹ分岐回路の過剰損失との関係を評価した結果を示す図である。 本発明のＹ分岐回路およびその製造方法に関して、コア層の軟化温度、上部クラッドの軟化温度、および上部クラッドの高温による処理の温度と、コアの状態およびＹ分岐回路の過剰損失との関係を評価した結果を示す図である。 本発明のＹ分岐回路およびその製造方法に関して、コア層の軟化温度、上部クラッドの軟化温度、および上部クラッドの高温による処理の温度と、コアの状態およびＹ分岐回路の過剰損失との関係を評価した結果を示す図である。 本発明のＹ分岐回路およびその製造方法に関して、コア層の軟化温度、上部クラッドの軟化温度、および上部クラッドの高温による処理の温度と、コアの状態およびＹ分岐回路の過剰損失との関係を評価した結果を示す図である。 本発明のＹ分岐回路およびその製造方法に関して、コア層の軟化温度、上部クラッドの軟化温度、および上部クラッドの高温による処理の温度と、コアの状態およびＹ分岐回路の過剰損失との関係を評価した結果を示す図である。 本発明のＹ分岐回路およびその製造方法に関して、コア層の軟化温度、上部クラッドの軟化温度、および上部クラッドの高温による処理の温度と、コアの状態およびＹ分岐回路の過剰損失との関係を評価した結果を示す図である。 本発明のＹ分岐回路およびその製造方法に関して、コア層の軟化温度、上部クラッドの軟化温度および透明化温度とＹ分岐回路の評価結果の関係を示す図である。 従来のＹ分岐回路を説明する図である。 従来のＹ分岐回路の製造方法を説明する図である。 先端部における分岐コアの隙間とＹ分岐回路の過剰損失を説明する図である。

符号の説明

１０ 下部クラッド
１１ 上部クラッド
１２ コア層
１３ 主コア
１４，１５ 分岐コア
１６ 回路コア
１７，１８ 隙間
２１ 接続部
２２ 変形領域
３１ エッチングマスク
３４，３５ コアリッジ

Claims (2)

1. 過剰損失が０．１ｄＢ以下となる石英系Ｙ分岐光回路であって、
   下部クラッド、該下部クラッド上に形成された、主コアと該主コアに接続された２本の分岐コアとからなる回路コア、および前記回路コアを埋め込む上部クラッドを備え、
   前記主コアと前記２本の分岐コアとは２．５μｍ以上の間隔を有して接続され、
   前記２本の分岐コアは、高さに対する幅の比が５０％から１５０％であり、
   前記２本の分岐コアは、前記主コア側の端部において、前記下部クラッド側よりも前記上部クラッド側が狭い隙間を有し、
   前記２本の分岐コアの前記隙間は、前記上部クラッド側が１．５μｍ以下であり、
   前記上部クラッドは、前記コア層の軟化温度よりも１００℃から２５０℃低い軟化温度の石英ガラスまたは石英系ガラスであり、
   前記上部クラッドは、前記コア層の軟化温度より５０℃から２００℃高い温度で処理されており、
   前記上部クラッドは、該上部クラッドの軟化温度より２００℃以上高い温度で透明化処理して形成されていることを特徴とする石英系Ｙ分岐光回路。
2. 過剰損失が０．１ｄＢ以下となる石英系Ｙ分岐光回路の製造方法であって、
   下部クラッド上に該下部クラッドより屈折率の高いコア層を形成する工程と、
   前記コア層の一部を除去し、１本の主コアと、該主コアと間隔を有して接続される、互いに隙間を有する２本の分岐コアと、からなる回路コアを形成する工程と、
   前記回路コアより屈折率の低い上部クラッドで前記回路コアを覆う工程であって、前記２本の分岐コアの前記隙間が前記上部クラッド側で前記下部クラッド側より狭くする工程とを含み、
   前記回路コアを形成する工程は、
   前記主コアと前記２本の分岐コアとの前記間隔を２．５μｍ以上とする工程と、
   前記２本の分岐コアを高さに対する幅の比が５０％から１５０％とする工程と
   を含み、
   前記回路コアを覆う工程は、
   前記回路コアを覆う前記上部クラッドが、前記コア層の軟化温度よりも１００℃から２５０℃低い軟化温度の石英ガラスまたは石英系ガラスであって、
   前記コア層の軟化温度より５０℃から２００℃高い温度で前記上部クラッドを処理する工程を含み、
   前記回路コアを覆う工程は、前記上部クラッド側の前記隙間を１．５μｍ以下にする工程と、前記上部クラッドの軟化温度より２００℃以上高い温度で前記上部クラッドを透明化処理する工程を含むことを特徴とする石英系Ｙ分岐光回路の製造方法。
   

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