JP2000321454A

JP2000321454A - 多モード干渉光カプラおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2000321454A
Application number: JP13033699A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Okuno; 将之奥野; Takashi Saida; 隆志才田; Akira Himeno; 明姫野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1999-05-11
Filing date: 1999-05-11
Publication date: 2000-11-24

Abstract

(57)【要約】【課題】積層導波路において結合率が作製誤差に強い
多モード干渉光カプラを提供する。【解決手段】基板の一面上にクラッド層，コアを複数
回繰り返して形成して複数の光導波路を形成するととも
に前記各コアが光学的な結合が行われる結合領域を有す
るように構成した多モード干渉光カプラであって、前記
各光導波路のコアは前記結合領域において各コア間のク
ラッド層を貫通して設けられた多モード導波路コアに接
続されている。多モード導波路コアで光学的な結合が行
われる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信の分野にお
いて光信号を分岐あるいは結合するために用いられる多
モード干渉光カプラの製造技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光通信の進展に伴い各種の光部品が研究
開発されているが、中でも平面基板上の光導波路を基本
とした導波路型光部品が最も重要な部品となっている。
これは、導波路型光部品がフォトリソグラフィ技術及び
微細加工技術によって光波長以下の精度で再現良く量産
可能という特徴を有するからである。そして、アレイ導
波路格子型フィルタや導波路型光スイッチなどは実用シ
ステムへの導入が進みつつある。

【０００３】しかし、これらの部品の規模は通信システ
ムの規模に比べて小さく、システムを構築するためには
極めて多数の部品を組み合わせる必要がある。例えば、
実用化が進みつつある２５６の入力線と２５６の出力線
を任意の組み合わせで接続するクロスコネクトシステム
では、現在最も規模の大きな８×８マトリックススイッ
チで構成した場合でも1000個以上のスイッチが必要であ
る。そのため光部品に更なる大規模化が要求されてい
る。

【０００４】規模を大きくするためには、回路チップの
サイズを大きくして集積する素子数を増加させる方法
や、要素素子を小型化して基板上に多数集積する方法が
ある。チップサイズの拡大には、導波路などを作製する
ための製造装置を大きくする必要があるが、その開発に
は多くの時間が必要であり短期間での対応は難しい。更
にチップサイズの拡大は、チップを搭載したモジュール
サイズの拡大を招くが、モジュールを搭載する回路基板
は規定の大きさがあり、無尽蔵に拡大させることは出来
ない。

【０００５】一方、要素素子を小型にするためには、光
導波路（導波路）におけるコアとその周囲のクラッドと
の屈折率の違い（比屈折率差）を大きくすることで、コ
ア中への光の閉じ込め効果を強くして導波路の曲がり半
径を小さくすることが有効である。

【０００６】しかし、比屈折率差を大きくするに従っ
て、同じ量の作製誤差（例えばコアの大きさのずれや屈
折率差のずれなど）による光路長（光が感じる実効的な
導波路の長さ）の誤差が大きくなる。比屈折率差が変わ
っても作製精度は同じであることから、光の干渉効果を
主に使う導波路型光部品では、比屈折率差が大きくなる
程光の干渉状態を大きく狂わせてしまい、部品の性能低
下を招いてしまう。そのため、比屈折率差の大きさにも
限界がある。

【０００７】集積度を上げるもう一つの方法として、基
板と垂直な方向に複数の光導波路構造を多層に形成し、
回路を基板と垂直に積み上げていく積層回路構造があ
る。積層回路構造を用いる場合、上下の層の異なる導波
路で光の受渡しを行う１００％カプラや上下の導波路間
で干渉計を組むためのカプラ、例えば５０％カプラなど
が必要となる。

【０００８】図１４および図１５は従来から用いられて
いる２層構成の積層型方向性結合器に係わる図である。
図１４は平行に延在する２本の光導波路が途中で曲がっ
て相互に上下で重なり合う状態を示す模式的平面図であ
り、図１５（ａ）〜（ｃ）は図１４のＡＢ，ＣＤ，ＥＦ
の各線に沿う積層型方向性結合器の断面図である。

【０００９】積層型方向性結合器は、図１５に示すよう
に、基板４、例えばシリコンからなる基板（シリコン基
板）４の表面上に下部クラッド層（クラッド層）５，中
間クラッド層（クラッド層）７，上部クラッド層（クラ
ッド層）９を順次積層形成した構造となるとともに、前
記下部クラッド層５上に一方の光導波路を形成するため
のコア６を形成した後前記中間クラッド層７を形成し、
前記中間クラッド層７上に他方の光導波路を形成するた
めのコア８を形成した後前記上部クラッド層９を形成し
た構造になっている。従って、コア６の上面には薄く中
間クラッド層７が延在している。なお、コア６はコア８
よりも下の層に形成されていることから、コア６を下部
コア６と、コア８を上部コア８とも呼称する。

【００１０】２本の光導波路は、図１４において左側か
ら右側に向かって相互に平行に延在するが、途中部分で
相互に近接するように曲がるとともに、上下で重なり合
い、その後再び離反するように曲がり、再び平行に延在
する。このような光導波路のパターンは、コアの延在す
るパターンによって形成される。

【００１１】図１４において、１ａ，１ｂは入力導波路
部、１６は直線導波路で構成された結合領域、３ａ，３
ｂは出力導波路部、１０ａ，１０ｂは入力導波路部１
ａ，１ｂから結合領域１６に至る曲がり導波路部分、１
１ａ，１１ｂは結合領域１６から出力導波路部３ａ，３
ｂに至る曲がり導波路部分である。

【００１２】この構造は、下部コア６と上部コア８の間
に中間クラッド層７からなる薄い層を介在させた構造に
なり、前記中間クラッド層７の厚さと結合領域１６の長
さを調節することで、所望の結合率を得ることが可能と
なる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】前記のような従来の積
層型方向性結合器には以下のような問題があった。

【００１４】すなわち、方向性結合器は、導波路コアの
形状、コア及びクラッドの屈折率、導波路間の距離など
が僅かにずれても結合率が大きく異なってしまう。図１
６に方向性結合器のコア（導波路コア）間距離に対する
結合率を示す。この導波路コア間距離から導波路コア厚
さを引いた値が結合領域１６における下部コア６と上部
コア８の間の中間クラッド層の厚さである。これは、石
英系導波路における値であり、導波路コアとクラッド層
の比屈折率差０．３％、コアサイズ１０μｍ×１０μ
ｍ、結合領域の直線導波路が無い場合（長さ０μｍ）で
の値である。

【００１５】この図からわかる通り、例えば、導波路間
隔が１２μｍから１２．５μｍへと変動しただけで、つ
まり中間クラッド層の厚さが０．５μｍ異なっただけ
で、結合率は２４％から１７％へと大きく変動する。こ
のことから、基板全面に渡って再現良く、且つ、均一に
導波路を作製する必要があり、高度な作製技術や作製精
度を要求するという問題があった。

【００１６】更に、中間クラッド層７が薄いため上下の
導波路コアが不用意に近接して配置された場合、そこで
不必要な結合が生じてしまう。例えば、図１４では、そ
の不用意な結合を避けるためにカプラの入出力導波路部
を曲がり導波路部分１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂに
よって構成し、結合しない距離まで導波路を離す必要が
ある。そのため、２本のコア（光導波路）を大きく離す
ため、回路機能とは無関係な余計な領域が必要となって
いる。また、このカプラの周囲も含めて、不必要な結合
を避けるために導波路を近接させることが出来ず、自由
な導波路レイアウトが出来ないばかりか、集積密度に制
限を与えてしまう。このように、カプラを構成するため
に必要な薄い中間クラッド層が、導波路レイアウトの自
由度及び集積度の向上を阻害してしまうという問題もあ
った。

【００１７】本発明は、前記の問題を解決するためにな
されたものであり、本発明の目的は、積層導波路におい
て結合率が作製誤差に強いカプラ（多モード干渉光カプ
ラ）の製造技術を提供することにある。

【００１８】本発明の他の目的は、導波路レイアウトの
自由度を高くできる多モード干渉光カプラおよびその製
造方法を提供することにある。

【００１９】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らか
にする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。

【００２１】（１）基板の一面上にクラッド層，コアを
複数回繰り返して形成して複数の光導波路を形成すると
ともに前記各コアが光学的な結合が行われる結合領域を
有するように構成した多モード干渉光カプラであって、
前記各光導波路のコアは前記結合領域において各コア間
のクラッド層を貫通して設けられた多モード導波路コア
に接続されている。少なくとも一つの入力導波路部及び
前記基板面からの距離が相互に異なる少なくとも二つの
出力導波路部または前記基板面からの距離が相互に異な
る少なくとも二つの入力導波路部及び少なくとも一つの
出力導波路部と、前記入力導波路部と出力導波路部の間
に配置された前記結合領域とを有する。前記結合領域か
ら外れたコアは相互に光学的に結合しない距離だけ離れ
た位置にある。前記導波路はガラス導波路で構成されて
いる。

【００２２】このような多モード干渉光カプラは以下の
方法で製造される。

【００２３】基板の一面上にクラッド層，コアを複数回
繰り返して形成して複数の光導波路を形成するとともに
前記各コアが光学的な結合が行われる結合領域を有する
ように形成する多モード干渉光カプラの製造方法であっ
て、前記結合領域は所定のクラッド層とこのクラッド層
に重なるコア形成層または所定のコアとこのコアに重な
るクラッド層もしくは複数のクラッド層に亘って溝を形
成した後前記溝にコアを形成する材質を埋め込むことに
よって前記結合領域としての多モード導波路コアを形成
する。前記溝にガラスを埋め込んで前記多モード導波路
コアを形成する。

【００２４】前記（１）の手段によれば、（ａ）多モー
ド干渉光カプラの特徴であるコアの形状、下方のコアと
上方のコアとの間に形成されるクラッド層（中間クラッ
ド層）の厚さや屈折率のゆらぎなどの作製誤差があって
も結合領域では下方のコアと上方のコアは相互に接触
し、かつ同一材質で形成された多モード導波路コアとな
っていることから常に所望の結合率が得られるカプラの
実現が達成出来る。

【００２５】（ｂ）又、上下の光導波路間に結合が生じ
ない積層導波路に適用した場合、自由度の高い導波路レ
イアウトが確保でき、集積度の高い光回路が実現出来
る。

【００２６】（ｃ）更に、導波路はガラス導波路で形成
されていることから、作製が容易でかつ作製コストも安
価になり、多モード干渉光カプラのコストの低減が達成
できる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。なお、発明の実施の形態を
説明するための全図において、同一機能を有するものは
同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。

【００２８】本実施形態１では光導波路（導波路）とし
てシリコン基板上に形成した石英系光導波路を使用した
二入力二出力構成の積層型多モード干渉光カプラに本発
明を適用した例について説明する。これは、この組み合
わせが単一モード光ファイバとの接続に優れた積層型多
モード干渉光カプラを提供出来るからである。また、説
明を簡単にするためにもっとも簡単な例として導波路コ
アが上下二層の二入力二出力の積層光導波路に限定して
説明する。しかしながら、本発明はこの例に限定される
ものではない。

【００２９】（実施形態１）図１乃至図６は本発明の一
実施形態（実施形態１）である二入力二出力の積層型多
モード干渉光カプラおよびその製造方法に係わる図であ
る。

【００３０】図１は平行に延在する２本の光導波路が途
中で曲がって相互に上下で重なり合う状態を示す模式的
平面図であり、図２（ａ）〜（ｃ）は図１のＡＢ，Ｃ
Ｄ，ＥＦの各線に沿う多モード干渉光カプラの断面図で
ある。

【００３１】多モード干渉光カプラは、図２に示すよう
に、基板４、例えばシリコンからなる基板（シリコン基
板）４の一面（表面）上に下部クラッド層（クラッド
層）５，中間クラッド層（クラッド層）７，上部クラッ
ド層（クラッド層）９を順次積層形成した構造となると
ともに、前記下部クラッド層５上に一方の光導波路を形
成するためのコア６を形成した後前記中間クラッド層７
を形成し、前記中間クラッド層７上に他方の光導波路を
形成するためのコア８を形成し、さらに前記上部コア８
を上部クラッド層９で被った構造になっている。

【００３２】又、これが本発明の特徴の一つであるが、
図１に示すように、２本の光導波路Ｐ，Ｑが途中で曲が
って相互に上下で重なり合う光結合を行う結合領域に
は、図２（ｂ）に示すように多モード導波路コア２が形
成されている。この多モード導波路コア２はコア間のク
ラッド層を貫通するように設けられている。すなわち、
多モード導波路コア２は中間クラッド層７の全高さ域と
上部クラッド層９の下部分まで上下に延在している。上
部クラッド層９の下部部分が結合領域１６から外れた部
分での上部コア８と連なる部分であり、中間クラッド層
７の下部部分が結合領域１６から外れた部分での下部コ
ア６と連なる部分である。

【００３３】なお、平面図および断面図において、光導
波路Ｐはハッチングを施して示してあり、光導波路Ｑは
薄墨を施してある。このような表示は以下の製造方法に
おいても同様である。

【００３４】又、コア６はコア８よりも下の層に形成さ
れていることから、コア６を下部コア６と、コア８を上
部コア８とも呼称する。

【００３５】２本の光導波路Ｐ，Ｑは、図１において左
側から右側に向かって相互に平行に延在するが、その途
中で相互に近接するように曲がるとともに、上下で重な
り合い、その後再び離反するように曲がり、再び平行に
延在する。このような光導波路のパターンは、コアの延
在するパターンによって形成される。

【００３６】図１において、１ａ，１ｂは入力導波路
部、１６は直線導波路で構成された結合領域、２ａは結
合領域１６を形成する多モード導波路、３ａ，３ｂは出
力導波路部、１０ａ，１０ｂは入力導波路部１ａ，１ｂ
から多モード導波路２ａに至る曲がり導波路部分、１１
ａ，１１ｂは多モード導波路２ａから出力導波路部３
ａ，３ｂに至る曲がり導波路部分である。

【００３７】本実施形態１の多モード干渉光カプラで
は、多モード導波路コア２は下部コア６や上部コア８と
は別に形成される。そして、光導波路Ｐは入力導波路部
１ａ，曲がり導波路部分１０ａ，多モード導波路２ａ，
曲がり導波路部分１１ａ，出力導波路部３ａと連なり、
光導波路Ｑは入力導波路部１ｂ，曲がり導波路部分１０
ｂ，多モード導波路２ａ，曲がり導波路部分１１ｂ，出
力導波路部３ｂと連なる。換言するならば、図１に示す
ように、下部コア６である入力導波路部１ａと出力導波
路部３ａ、そして上部コア８である入力導波路部１ｂと
出力導波路部３ｂは、それそれ同じ方向に展開してい
る。つまり、線分ＣＤに対し線対称な構造になってい
る。

【００３８】このような構成では、多モード導波路２ａ
が曲がり導波路部分１０ａ，１０ｂ及び曲がり導波路部
分１１ａ，１１ｂに接続されていることから、中間クラ
ッド層７の厚さが薄く、下部コア６と上部コア８が近接
した場合に光結合が生じる構造であっても、多モード導
波路以外の部分で光結合をほとんど起こすことのないカ
プラが構成できる。

【００３９】つぎに、本実施形態１の多モード干渉光カ
プラの製造方法について説明する。多モード干渉光カプ
ラは、図３の工程１乃至工程３と図４および図５の工程
４乃至工程７を経て作製される。

【００４０】すなわち、例えば、工程１として、直径４
インチ，厚さ１ｍｍのシリコン基板４の一面上に火炎加
水分解堆積法（ＦＨＤ法）によって、まず、下部クラッ
ド層５となる組成がＳｉＯ₂−Ｐ₂Ｏ₅−Ｂ₂Ｏ₃の石英系
ガラス微粒子層と、下部コア６となる組成がＳｉＯ₂−
ＧｅＯ₂−Ｐ₂Ｏ₅−Ｂ₂Ｏ₃の石英系ガラス微粒子層を堆
積する。これらの石英系ガラス微粒子層を温度１４００
℃程度のＨｅとＯ₂の混合雰囲気中に置くことで、透明
な下部クラッド層５（厚さ１０μｍ程度）と下部コア形
成層（厚さ６μｍ程度）とする。更に、反応性イオンエ
ッチング（ＲＩＥ）法によって下部コア形成層の不要な
部分を除去し、下部コア６を形成する。

【００４１】工程１では下部コアとして２本の下部コア
６を形成するが、一方の下部コア６は光導波路のコアと
して使用するものであるが、他方の下部コア６は多モー
ド導波路を形成する位置に設けられるものである。な
お、下部コア６は光導波路のコアとして使用するものの
みを形成してもよい。

【００４２】工程２として、中間クラッド層７となる組
成がＳｉＯ₂−Ｐ₂Ｏ₅−Ｂ₂Ｏ₃の石英系ガラス微粒子を
ＦＨＤ法によって堆積し、再度、温度１３００℃程度の
ＨｅとＯ₂の混合雰囲気中で透明なガラスにする。

【００４３】工程３として、上部コアとなる組成がＳｉ
Ｏ₂−ＧｅＯ₂−Ｐ₂Ｏ₅−Ｂ₂Ｏ₃の石英系ガラス微粒子を
堆積する。この石英系ガラス微粒子層を温度１２５０℃
程度のＨｅとＯ₂の混合雰囲気中に置くことで、透明な
上部コア形成層１２（厚さ６μｍ程度）とする。

【００４４】工程４以降は、例えば、図４又は図５など
の工程による方法が考えられる。

【００４５】まず、図４の工程４乃至工程７について解
説する。

【００４６】工程４として、ＲＩＥ法によって上部コア
形成層１２，中間クラッド層７，下部コア６、そして場
合によっては下部クラッド層５を上下に連ねて除去し、
多モード導波路用溝１３を形成する。

【００４７】工程５として、平坦な多モード導波路用ガ
ラス層１４を堆積する。平坦なガラス層の堆積に多くの
方法があるが、一つは、多モード導波路となる組成がＳ
ｉＯ₂−ＧｅＯ₂−Ｐ₂Ｏ₅−Ｂ₂Ｏ₃の石英系ガラス微粒子
をＦＨＤ法によって平坦化が達成される厚さまで堆積し
た後に温度１２００℃程度のＨｅとＯ₂の混合雰囲気中
に置くことで透明で、且つ、平坦な多モード導波路用ガ
ラス層１４とする方法である。その他の方法としては、
スパッタ法やＥＣＲ−ＣＶＤ法でＲＥバイアスを基板に
かけて逆スパッタしながら堆積することで、平坦な多モ
ード導波路用ガラス層１４とする方法もある。

【００４８】工程６として、上部コア形成層１２上に堆
積された不要な多モード導波路用ガラス部分を除去す
る。この方法は、例えば、ＲＩＥ法によってエッチング
する方法や研磨によって除去する方法などがある。これ
により多モード導波路コア２が形成されることになる。

【００４９】工程７として、ＥＣＲ法により、上部コア
形成層１２の不要な部分を除去し、上部コア８及び多モ
ード導波路コア２を形成し、更にＦＨＤ法によって上部
クラッド層９となる組成ＳｉＯ₂−Ｐ₂Ｏ₅−Ｂ₂Ｏ₃の石
英系ガラス微粒子を堆積し、再度、温度１１５０℃程度
のＨｅとＯ₂の混合雰囲気中で透明なガラスにする。こ
れにより多モード導波路２ａが形成される。

【００５０】図４では、多モード導波路コア２の左側に
下部コア６と上部コア８を配した構造になっているが、
図１のパターンのようにするためには、多モード導波路
コア２を挟んで下部コア６と上部コア８を配置するよう
にする。これは、図５でも同様である。

【００５１】次に、図５の工程４乃至工程７について解
説する。

【００５２】工程４として、ＲＩＥ法によって上部コア
形成層１２の不要な部分を除去し、上部コア８を形成す
る。この場合も上部コア８を２本形成し、一方の上部コ
ア８は光導波路のコアとして使用し、他方の上部コア８
は多モード導波路を形成する位置に設けられるものであ
る。

【００５３】更に、ＦＨＤ法によって上部クラッド層９
となる組成ＳｉＯ₂−Ｐ₂Ｏ₅−Ｂ₂Ｏ₃の石英系ガラス微
粒子をＦＨＤ法によって堆積し、再度、温度１１５０℃
程度のＨｅとＯ₂の混合雰囲気中で透明なガラスにす
る。

【００５４】工程５として、ＲＩＥ法によって上部クラ
ッド層９，上部コア８，中間クラッド層７，下部コア
６、そして場合によっては下部クラッド層５を上下に連
ねて除去し、多モード導波路用溝１３を形成する。

【００５５】工程６として、多モード導波路用ガラス層
１４を堆積する。堆積方法は、ＦＨＤ法、スパッタ法、
ＥＣＲ−ＣＶＤ法などで行う。ただし、図４の工程５と
異なり、堆積膜の平坦化は行わない。

【００５６】工程７として、ＲＩＥ法によって、上部ク
ラッド層９の上の多モード導波路用ガラス層を除去す
る。この際、多モード導波路用ガラス層１４はその上層
側が一定厚さ均一に除去されるため、多モード導波路用
溝１３に埋め込まれた多モード導波路用ガラス層の上面
は多モード導波路用溝１３内に位置するようになる。

【００５７】更に、ＦＨＤ法によって第二の上部クラッ
ド層１５となる組成ＳｉＯ₂−Ｐ₂Ｏ₅−Ｂ₂Ｏ₃の石英系
ガラス微粒子をＦＨＤ法によって堆積し、再度、加熱し
て透明なガラスにする。第二の上部クラッド層１５は多
モード導波路用溝１３内の多モード導波路コア２を被う
ため、多モード導波路コア２を含む光導波路（多モード
導波路２ａ）が形成される。

【００５８】上部クラッド層が必要以上に厚くなった場
合は、ＲＩＥ法や研磨によって、第二の上部クラッド層
を必要量だけ除去する。

【００５９】ここでは、ＦＨＤ法とＲＩＥ法を主に用い
た作製工程について説明したが、コアやクラッドを堆積
する方法やエッチングする方法はこれらに限定されたも
のではない。

【００６０】作製する多モード干渉光カプラにおいて、
コア６，８の厚さ及び幅を例えばそれぞれ７μｍ、比屈
折率差Δを０．７５％、各入力導波路部１ａ，１ｂおよ
び出力導波路部３ａ，３ｂの厚さ方向の中心位置での間
隔をそれぞれ１４μｍとする。

【００６１】このとき、例えば、多モード導波路コア２
の幅を７μｍ、厚さを２１μｍとして計算した、多モー
ド導波路コア（多モード導波路２ａ）２の長さに対する
結合率を図６に示す。この条件では、多モード導波路の
長さが長くなるに従って結合率は基本的に増加する。た
だし、長さが０．９ｍｍ〜１．３５ｍｍでは結合率がほ
ぼ５０％で一定となる。つまり、これは、方向性結合器
が所望の結合率を得るために結合器の長さを正確に設定
しなければならないのに対し、多モード干渉光カプラで
は、多モード導波路２の長さを０．９ｍｍ〜１．３５ｍ
ｍという広い範囲で適当に設定すれば良いことを意味し
ている。

【００６２】また、これを別の観点からみれば、作製誤
差による屈折率差Δ、入出力導波路間隔、導波路幅など
の多少のばらつきは、この多モード導波路の長さが多少
ずれたことに等価である。従って、回路作製は作製誤差
が必ず発生するが、その作製誤差が発生しても所望の結
合率を常に得ることが出来るカプラを提供出来ることを
意味している。

【００６３】すなわち、結合率が作製誤差に強いカプラ
（多モード干渉光カプラ）を提供することができる。

【００６４】この様に、積層構造を有する光導波路にお
いて、カプラを本発明の積層型多モード干渉光カプラと
することで、種々の構造パラメータ、例えば、ガラスの
屈折率，導波路幅や厚さ，そして積層導波路固有の中間
層の厚さなどに作製誤差が発生しても、所望のカプラ特
性を得ることが出来る。

【００６５】更に、これは、カプラの構造パラメータと
設計パラメータのずれを許容することを示しており、本
発明の多モード干渉光カプラによって設計への負担が大
幅に軽減される。

【００６６】つまり、この多モード干渉光カプラによっ
て、設計から作製までの様々な工程で誤差を許容するこ
とから、光回路の作製歩留りを大幅に向上させることが
出来る。

【００６７】本実施形態では多モード導波路のコアの断
面が入出力導波路コアの断面に丁度重なり、且つ、包含
するようになっているが、所望の結合率が得られるので
あれば必ずしも重なり、且つ包含せずに一部重なるある
いは内包するようになっていてもよい。

【００６８】更に、導波路はガラス導波路で形成されて
いることから、作製が容易でかつ作製コストも安価にな
り、多モード干渉光カプラのコストの低減が達成でき
る。

【００６９】（実施形態２）図７および図８（ａ）〜
（ｃ）は本発明の他の実施形態（実施形態２）である多
モード干渉光カプラに係わる図であり、図７は多モード
干渉光カプラの光導波路Ｐ，Ｑを示す模式的平面図、図
８（ａ）〜（ｃ）は図７のＡＢ，ＣＤ，ＥＦの各線に沿
う多モード干渉光カプラの断面図である。

【００７０】本実施形態２は光導波路Ｐ，Ｑの出力導波
路部３ａ，３ｂが前記実施形態１のように入力導波路部
１ａ，１ｂと同様に同じ側に位置するものではなく、反
対側に位置する例である。すなわち、図７に示すよう
に、下部コア６である入力導波路部１ａと出力導波路部
３ａ、そして上部コア８である入力導波路部１ｂと出力
導波路部３ｂが、それぞれ異なった方向に展開してい
る。つまり、多モード導波路２ａを挟んで下部コア６と
上部コア８が上から見た時に交差した構造になってい
る。

【００７１】このような構成のものも前記実施形態１と
同様な効果を有する。

【００７２】（実施形態３）図９および図１０（ａ）〜
（ｃ）は本発明の他の実施形態（実施形態３）である二
入力二出力の積層型多モード干渉光カプラに係わる図で
あり、図９は多モード干渉光カプラの光導波路を示す模
式的平面図、図１０（ａ）〜（ｃ）は図９のＡＢ，Ｃ
Ｄ，ＥＦの各線に沿う多モード干渉光カプラの断面図で
ある。

【００７３】図９において、１ａ及び１ｂは入力導波路
部（ただし、１ａは１ｂの下方にあり重なって表示され
ている）、２ａは多モード導波路、３ａ，３ｂは出力導
波路部（ただし、３ａは３ｂの下方にあり重なって表示
されている）、４はシリコン基板、５は下部クラッド
層、６は下部コア、７は中間クラッド層、８は上部コ
ア、９は上部クラッド層である。

【００７４】多モード導波路２ａは、入力導波路部１
ａ，１ｂ及び出力導波路部３ａ，３ｂと接続され、これ
らの導波路部及びコアの中心は、水平方向、垂直方向の
どちらに対しても同一直線上に配置されていることを特
徴としている。更に、中間クラッド層の厚さが十分厚
く、多モード導波路２ａを除いては下部コア６と上部コ
ア８に光結合が生じない構造を有していることが特徴で
ある。

【００７５】作製する多モード干渉光カプラの石英系光
導波路コアの厚さ及び幅はそれぞれ７μｍであり、比屈
折率差Δは０．７５％、各入力導波路部１ａ，１ｂ及び
出力導波路部３ａ，３ｂの厚さ方向の中心位置での間隔
は結合が生じない距離としてそれぞれ１８μｍであると
する。

【００７６】このとき、例えば、多モード導波路コア２
の幅を７μｍ、厚さを２５μｍとして計算した、多モー
ド導波路２ａ（多モード導波路コア２）の長さに対する
結合率を図１１に示す、この条件では、多モード導波路
の長さが長くなるに従って、結合率は基本的に減少す
る。ただし、長さが１．３５ｍｍ〜１６．５ｍｍで結合
率がほぼ５０％で一定となる。つまり、これは、上下の
導波路間で結合が生じない距離だけ離れた積層導波路構
造でも結合器が作製出来ることを示していると共に、実
施形態１のカプラと同様に、設計から作製までの様々な
誤差を許容できるカプラが作製でき、光回路の作製歩留
りを大幅に向上させることが出来ることを意味してい
る。

【００７７】一方、多モード導波路２ａを除く部分では
上下の導波路コア間で結合が生じないことから、図１に
あるような曲がり導波路部分が必要なくなり、カプラの
小型化及びカプラを用いた機能素子、例えばマッハツェ
ンダ干渉計などの小型化が図れる。

【００７８】更に、本実施形態の多モード干渉光カプラ
の採用によって上下のコア間で結合が生じない積層導波
路構造が適用出来ることから、コアを上下に重ねたり交
差させても不必要な導波路間の結合による特性劣化が起
こらないため、上下のコアの配置に対する制約が大幅に
減少し、自由なレイアウトが可能となると共に、コアの
集積密度を向上させることも可能となる。

【００７９】本実施形態の図９では、カプラの入出力導
波路は直線導波路で記述されているが、入出力導波路の
形状はこれに限ったものではなく、曲がり導波路であっ
ても同様の効果が得られることはいうまでもない。

【００８０】（実施形態４）図１２および図１３（ａ）
〜（ｃ）は本発明の他の実施形態（実施形態４）である
四入力四出力の積層型多モード干渉光カプラに係わる図
であり、図１２は多モード干渉光カプラの光導波路を示
す模式的平面図、図１３（ａ）〜（ｃ）は図１２のＡ
Ｂ，ＣＤ，ＥＦの各線に沿う多モード干渉光カプラの断
面図である。

【００８１】前記各実施形態では、入出力導波路数は二
入力二出力としたが、これもこの数に限ったものではな
く１以上の数に対応出来る。本実施形態４では、図１３
（ａ）〜（ｃ）に示したような空間的に複数の入出力導
波路（四入力四出力）を配したカプラも、本発明の範疇
に属する。

【００８２】すなわち、本実施形態４では、下部クラッ
ド層５および中間クラッド層７上にそれぞれ２本の下部
コア６と上部コア８を形成した構造になっている。ま
た、各下部コア６の真上に上部コア８が位置するととも
に、各下部コア６および上部コア８の途中にこれら下部
コア６および上部コア８が光学的に結合される多モード
導波路コア２を形成して多モード導波路２ａを構成する
ものである。

【００８３】従って、本実施形態４の積層型多モード干
渉光カプラは、図１２に示すように、４本の入力導波路
部１ａ〜１ｄと４本の出力導波路部３ａ〜３ｄが多モー
ド導波路コア２で光学的に接続された構成の多モード干
渉光カプラとなる。

【００８４】多モード導波路のコア部の断面と入出力導
波路のコア断面との関係については、実施形態１と同様
である。すなわち、本実施形態では多モード導波路のコ
アの断面が入出力導波路コアの断面に丁度重なり、且
つ、包含するようになっているが、所望の結合率が得ら
れるのであれば必ずしも重なり、且つ包含せずに一部重
なるあるいは内包するようになっていてもよい。

【００８５】本実施形態４の多モード干渉光カプラも前
記各実施形態の多モード干渉光カプラと同様な効果を奏
することになる。

【００８６】以上本発明を実施形態に基づき具体的に説
明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものでは
ない。例えば、積層導波路数はコアが２層になる２層コ
ア構造について説明したが、層数は更に多くても本発明
の適用は可能である。すなわち、本発明の要旨を逸脱し
ない範囲において種々変更し得ることはいうまでもな
い。

【００８７】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。

【００８８】（１）本発明によれば、積層構造を有する
光導波路において、上下の導波路の結合を多モード導波
路を用いる積層型多モード干渉光カプラとすることで、
作製誤差があっても所望の結合率が得られる結合器（多
モード干渉光カプラ）が実現出来る。

【００８９】（２）更に、上下の光導波路間の結合がな
い積層導波路において、本発明の積層型多モード干渉光
カプラを適用することで、自由度の高い導波路レイアウ
トが確保でき、集積度の高い光回路が実現することが出
来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態（実施形態１）である積層
型多モード干渉光カプラの構成を示す模式的平面図であ
る。

【図２】本実施形態１の積層型多モード干渉光カプラの
各部の断面を示す断面図である。

【図３】本実施形態１の積層型多モード干渉光カプラの
作製において、下部クラッド層，下部コア，中間クラッ
ド層および上部コア形成層を形成する工程１乃至工程３
の各断面図である。

【図４】本実施形態１の積層型多モード干渉光カプラの
作製において、多モード導波路，上部コアおよび上部ク
ラッド層を形成する工程４乃至工程７の各断面図であ
る。

【図５】本実施形態１の積層型多モード干渉光カプラの
他の作製方法において、多モード導波路，上部コアおよ
び上部クラッド層を形成する工程４乃至工程７の各断面
図である。

【図６】本実施形態１の積層型多モード干渉光カプラに
おける多モード導波路長に対する結合率を示すグラフで
ある。

【図７】本発明の他の実施形態（実施形態２）である積
層型多モード干渉光カプラを示す模式的平面図である。

【図８】本実施形態２の積層型多モード干渉光カプラの
各部の断面を示す断面図である。

【図９】本発明の他の実施形態（実施形態３）である積
層型多モード干渉光カプラの構成を示す模式的平面図で
ある。

【図１０】本実施形態３の積層型多モード干渉光カプラ
の各部の断面を示す断面図である。

【図１１】本実施形態２の積層型多モード干渉光カプラ
における多モード導波路長に対する結合率を示すグラフ
である。

【図１２】本発明の他の実施形態（実施形態４）である
積層型多モード干渉光カプラの構成を示す模式的平面図
である。

【図１３】本実施形態４の積層型多モード干渉光カプラ
の各部の断面を示す断面図である。

【図１４】従来の積層型方向性結合器の構成を示す模式
的平面図である。

【図１５】従来の積層型方向性結合器の各部の断面を示
す断面図である。

【図１６】従来の積層型方向性結合器の中間クラッド層
厚に対する結合率を示すグラフである。

【符号の説明】

１ａ〜１ｄ…入力導波路部、２…多モード導波路コア、
２ａ…多モード導波路、３ａ〜３ｄ…出力導波路部、４
…基板（シリコン基板）、５…クラッド層（下部クラッ
ド層）、６…コア（下部コア）、７…クラッド層（中間
クラッド層）、８…コア（上部コア）、９…クラッド層
（上部クラッド層）、１０ａ，１０ｂ…曲がり導波路部
分、１１ａ，１１ｂ…曲がり導波路部分、１２…上部コ
ア形成層、１３…多モード導波路用溝、１４…多モード
導波路用ガラス層、１５…第二の上部クラッド層、１６
…結合領域。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者姫野明東京都新宿区西新宿三丁目19番２号日本電信電話株式会社内Ｆターム(参考） 2H047 KA04 KA12 LA11 PA01 PA24 QA04 TA00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板の一面上にクラッド層，コアを複数
回繰り返して形成して複数の光導波路を形成するととも
に前記各コアが光学的な結合が行われる結合領域を有す
るように構成した多モード干渉光カプラであって、前記
各光導波路のコアは前記結合領域において各コア間のク
ラッド層を貫通して設けられた多モード導波路コアに接
続されていることを特徴とする多モード干渉光カプラ。
【請求項２】少なくとも一つの入力導波路部及び前記
基板面からの距離が相互に異なる少なくとも二つの出力
導波路部または前記基板面からの距離が相互に異なる少
なくとも二つの入力導波路部及び少なくとも一つの出力
導波路部と、前記入力導波路部と出力導波路部の間に配
置された前記結合領域とを有することを特徴とする請求
項１に記載の多モード干渉光カプラ。
【請求項３】前記結合領域から外れたコアは相互に光
学的に結合しない距離だけ離れた位置にあることを特徴
とする請求項１または請求項２に記載の多モード干渉光
カプラ。
【請求項４】前記導波路はガラス導波路で構成されて
いることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか
１項に記載の多モード干渉光カプラ。
【請求項５】基板の一面上にクラッド層，コアを複数
回繰り返して形成して複数の光導波路を形成するととも
に前記各コアが光学的な結合が行われる結合領域を有す
るように形成する多モード干渉光カプラの製造方法であ
って、前記結合領域は所定のクラッド層とこのクラッド
層に重なるコア形成層または所定のコアとこのコアに重
なるクラッド層もしくは複数のクラッド層に亘って溝を
形成した後前記溝にコアを形成する材質を埋め込むこと
によって前記結合領域としての多モード導波路コアを形
成することを特徴とする多モード干渉光カプラの製造方
法。
【請求項６】前記溝にガラスを埋め込んで前記多モー
ド導波路コアを形成することを特徴とする請求項５に記
載の多モード干渉光カプラ。