JP2003207660A

JP2003207660A - 光導波路

Info

Publication number: JP2003207660A
Application number: JP2002004370A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Takahashi; 浩高橋; Mikitaka Itou; 幹隆井藤; Ryoichi Kasahara; 亮一笠原
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2002-01-11
Filing date: 2002-01-11
Publication date: 2003-07-25
Anticipated expiration: 2022-01-11
Also published as: JP3963255B2

Abstract

(57)【要約】【課題】偏光依存性のない光導波路デバイスを提供す
る。【解決手段】下部クラッド層３の上に設けられた導波
路コア４の上面もしくは下面の少なくとも一方に熱膨張
係数の低い応力調整膜６、７を設け、導波路コア４の歪
みを抑制することにより、複屈折の発現を防止し、偏光
依存性のない光導波路を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主に光通信あるい
は光情報処理などに用いられる光導波路に関する。

【０００２】

【従来の技術】平面基板上に形成される光導波路を用い
たデバイスは、光通信や光情報処理の分野で幅広く用い
られている。図４に従来の光導波路の一例の断面構造を
示す。図に示すように光導波路１は基板２から順に下部
クラッド層３、導波路コア４、上部クラッド層５の積層
構造からなり、前記上部クラッド層５は前記導波路コア
４を覆うように下部クラッド層３の上に積層されてい
る。前記各層及び導波路コア４に使用される材料として
は、量産性、光ファイバとの接続性、信頼性の観点から
基板２にはシリコンが用いられ、下部クラッド層３、導
波路コア４及び上部クラッド層５には石英系ガラスが用
いられることが多い。

【０００３】この光導波路を用いて製作される光デバイ
スの一例として、波長分割多重光通信システムに広く用
いられているアレイ導波路回折格子型光合分波器（以
下、「ＡＷＧ」という）がある。ＡＷＧは、回折格子ほ
どの精密な機械加工や、干渉膜ほどの精密な多層膜形成
が不要で、フォトリソグラフィやエッチングなどの通常
の光集積プロセスで実現でき、他の光導波路素子との集
積の可能性とも併せて、今後の高密度波長多重（ＷＤ
Ｍ）ネットワークの中心エレメントとして大きく発展し
ていくことが期待されている光デバイスの一つである。

【０００４】このＡＷＧの概略外観図を図５に示す。図
に示すようにＡＷＧ１１は基板２の上に、入力導波路１
２、入力側スラブ導波路１３、アレイ導波路回折格子１
４、出力側スラブ導波路１５、出力導波路１６からなる
パターンが形成されている。また、前記各導波路は図４
に示す断面構造をもって形成されている。

【０００５】以下、ＡＷＧ１１の機能の概略を入力光の
流れに沿って説明する。ＡＷＧ１１には入力ファイバ１
７が接続され、波長多重光１８が入力導波路１２中のあ
る１本に入射される。入力導波路１２に入射された波長
多重光１８は入力側スラブ導波路１３において回折によ
り広がり、アレイ導波路回折格子１４を構成する多数の
導波路を同位相で励振する。アレイ導波路回折格子１４
の個々の導波路は相互に結合しないように離されて配置
され、その長さが一定値ずつ異なるようになっているた
め、アレイ導波路回折格子１４を伝搬後の各導波路の出
力端における光の位相が一定量ずつずれることになる。
この後、位相差が生じた光は、出力側スラブ導波路１５
において、この位相のずれを加味して同位相条件が成立
する特定の方向に回折する。ここで、この回折角は波長
に依存するため、波長ごとに異なる出力導波路１６に結
合する。結果的に、入力導波路１２に入射された波長多
重光１８は波長ごとに分波されて出力導波路１６に接続
する出力ファイバ１９から取り出される（分波された光
２０を参照）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、図４に示す
従来の構造の光導波路１によりＡＷＧ１１を作製した場
合、入力光の偏光状態によってデバイス特性が変化する
問題がある。図６はその典型的な例を示したものであ
り、複数ある出力導波路１６の内の一つの導波路につい
て、入力光の電界の振動方向が基板２に対して水平の場
合（以下、「ＴＥモード」という）と垂直の場合（以
下、「ＴＭモード」という）とにおける透過率の波長依
存性を測定した結果である。なお、ここで透過率とは入
力光の量と出力光の量との比をいう。

【０００７】図６によれば、ＴＥモードとＴＭモードと
でピーク波長がずれていることが分かる。これは、導波
路コア４が複屈折を有し、前記各モードに対する導波路
コア４の屈折率がそれぞれ異なるためである。すなわ
ち、ピーク波長λは、導波路コア４の屈折率ｎとアレイ
導波路回折格子１４における隣接導波路同士の長さの差
△Ｌ及び回折次数ｍを用いλ＝ｎ△Ｌ／ｍで表される。
ここで、ＴＥモードとＴＭモードに対する導波路コア４
の屈折率ｎが異なる結果、ピーク波長が各モードにより
異なる。

【０００８】複屈折の原因は、基板２及び導波路コア４
等の熱膨張係数の違いにより生じる応力であることが知
られている。例えば基板２にシリコン、導波路コア４に
石英ガラスを用いた場合、シリコンの方が石英ガラスよ
りも熱膨張係数が大きいため、熱変化に伴い基板２の体
積の方が大きく変化する。光導波路を構成する各層の境
界面と平行な方向を水平方向ｆとすると、導波路形成工
程における加熱処理後の冷却の際、基板２が導波路コア
４よりも収縮度が大きいため、導波路コア４に水平方向
ｆの圧縮応力がかかる。この応力により生じる導波路コ
ア４の圧縮ひずみが、複屈折の原因となっている。

【０００９】導波路コア４に複屈折を生じさせない方法
として、上記材料を例にすると、添加剤を加えた石英ガ
ラスを用いて導波路コア４を形成する方法がある。これ
は、添加剤により導波路コア４の熱膨張係数を変化させ
ることで、導波路コア４の熱膨張係数をシリコンの基板
２に一致させるという方法である。しかし、添加剤によ
り熱膨張係数のみならず屈折率も変化するため、それを
補正するための別の添加剤を入れる必要がある。その結
果、過剰な添加剤の使用により石英ガラスの耐湿性が劣
化したり、添加剤濃度のばらつきにより複屈折が発生し
てしまう場合もあり、実用的でない。

【００１０】また、特許第２６１４３６５号に記載され
ているように、複屈折を解消する代わりに、アレイ導波
路回折格子の中央に半波長板を挿入し偏光角を９０度回
転することでピーク波長の偏光依存性を解消する方法も
提案されている。しかし、この方法では、導波路を横切
る溝を形成し、そこに薄片状の半波長板を挿入するとい
う複雑な形成工程が必要となる。また導波路が溝で分断
されるため光の損失を受けるなどの問題点がある。

【００１１】本発明は上記状況に鑑みてなされたもので
あり、複雑な形成工程等を必要とせず、光の損失等の問
題が改善された、偏光依存性のない光導波路デバイスを
提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する第１
の発明に係る光導波路は、基板上に形成される下部クラ
ッド層と、前記下部クラッド層の上に形成される導波路
コアと、前記導波路コアを覆うようにして形成される上
部クラッド層とを有する光導波路であって、前記導波路
コアに働く応力を抑制する応力調整膜を設けたことを特
徴とする光導波路である。

【００１３】また、第２の発明に係る光導波路は、第１
の発明において、前記応力調整膜が、前記基板、前記上
部クラッド層及び前記導波路コアよりも低い熱膨張係数
を有することを特徴とする光導波路である。

【００１４】また、第３の発明に係る光導波路は、第１
又は第２の発明において、前記応力調整膜が、前記導波
路コアの上面と前記上部クラッド層の間に設けられてい
ることを特徴とする光導波路である。なお、導波路コア
の上面とは、導波路コアとそれを覆うように形成された
上部クラッド層との間の、下部クラッド層と平行な面を
いう。

【００１５】また、第４の発明に係る光導波路は、第１
ないし第３のいずれかの発明において、前記応力調整膜
が、前記導波路コアの下面と前記下部クラッド層の間に
設けられていることを特徴とする光導波路である。すな
わち、前記応力調整膜は、導波路コアの下面のみに設け
られている場合と、上面と下面の両方に設けられる場合
とがある。なお、導波路コアの下面とは、導波路コアと
下部クラッド層の間の面をいう。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に基づき詳細
に説明する。図１は本発明の第１の実施例に係る光導波
路の断面図である。図に示すように、光導波路１は、基
板２の上に順に、下部クラッド層３、導波路コア４及び
前記導波路コア４の上面にのみ応力調整膜６が設けら
れ、さらに上部クラッド層５が前記導波路コア４及び応
力調整膜６を覆うように下部クラッド層３の上に設けら
れている。

【００１７】また、前述した各部材の材質及び大きさに
ついては、基板２は厚さ１ｍｍのシリコン、下部クラッ
ド層３は厚さ１５μｍの石英ガラス、導波路コア４はゲ
ルマニウムが添加された厚さ及び幅が６μｍの石英ガラ
ス、応力調整膜６は厚さ４μｍの石英ガラス、上部クラ
ッド層５はホウ素及びリンが添加された石英ガラスから
なる。ここで、応力調整膜６を形成する石英ガラスは、
基板２、上部クラッド層５及び導波路コア４よりも熱膨
張係数が小さく、熱変化に伴う膨張及び収縮が少なくな
っている。なお上部クラッド層５の屈折率は、下部クラ
ッド層３の屈折率と同じになるように、添加剤のホウ素
及びリンの量によって調整されている。また、導波路コ
ア４と各クラッド層（３及び５）との比屈折率差は０．
７５％である。

【００１８】本発明の効果を確認するため、第１の実施
例に係る光導波路でＡＷＧ（図５参照）を作製した。そ
の作製工程は以下の通りであった。まず、１ｍｍのシリ
コン基板２の上に薄膜堆積装置により石英ガラスからな
る厚さ１５μｍの下部クラッド層３を堆積させた。次に
導波路コア４となるゲルマニウム添加の石英ガラスを同
様の薄膜堆積装置により６μｍ堆積させ、その直後に応
力調整膜６となる石英ガラスを４μｍ堆積させた。その
後、フォトリソグラフィとドライエッチングにより、図
５の光導波路パターンを形成した。ここで、導波路コア
４及び応力調整膜６の厚みが６μｍ及び４μｍであるた
め、エッチング量は１０μｍとした。その後、薄膜堆積
装置によりホウ素及びリンが添加された石英ガラスから
なる上部クラッド層５を２０μｍ堆積させることによ
り、第１の実施例に係る光導波路を有するＡＷＧを作製
した。なお、上記各堆積工程の中には加熱処理工程（膜
質を安定化させるためのアニーリング及び透明度を上げ
るための高温処理等）が含まれる。

【００１９】図３は上記方法で作製したＡＷＧにおい
て、出力導波路１６のうちある一つの導波路の透過率の
波長依存性を測定した結果である。前述した従来の光導
波路の場合である図６の結果と異なり、入力光の偏光が
ＴＥモード及びＴＭモードのどちらの場合でもピーク波
長は一致し、偏光依存性の無いことが確認された。ま
た、他の出力導波路についても同様に各モードによるピ
ーク波長の違いはなく、本実施例に係る光導波路を用い
れば偏光依存性の解消が可能であることが分かる。さら
に、本実施例においては、光の損失が増加することもな
く優れた特性を有するＡＷＧを作製することができた。

【００２０】本発明に係る応力調整膜の作用について
は、前記加熱処理工程の後、室温に戻る際に導波路コア
４に働く応力と共に、以下のように説明することができ
る。光導波路を構成する各層の境界面と平行な方向を水
平方向ｆとすると、冷却工程においては石英ガラスから
なる導波路コア４よりも熱膨張係数の大きなシリコン基
板２の収縮が大きいため、導波路コア４には水平方向ｆ
の圧縮応力が働く。この圧縮応力が複屈折の原因となる
が、本発明においては、基板２、導波路コア４及び上部
クラッド層５よりも熱膨張係数の小さい応力調整膜６を
導波路コア４の上面に設けているため、応力調整膜６と
導波路コア４の境界付近において導波路コア４に水平方
向ｆの引っ張り応力を付与することができる。また、光
導波路を構成する各層の境界面と垂直な方向について考
えてみても、応力調整膜６は上部クラッド層５よりも収
縮が小さいため、導波路コア４が垂直方向に圧迫される
結果、導波路コア４には水平方向ｆの引っ張り応力が発
生する。以上のように、応力調整膜６により付与された
水平方向ｆの引っ張り応力と、シリコン基板２から受け
ていた水平方向ｆの圧縮応力とが相殺するため、複屈折
が解消される。

【００２１】図２は本発明の第２の実施例に係る光導波
路の断面図である。第１の実施例と比較すると、導波路
コア４の下面に第２の応力調整膜７を設けたことが特徴
である。図に示すように、第２の実施例に係る光導波路
１は、基板２の上に順に、下部クラッド層３、応力調整
膜６及び第２の応力調整膜７により上面と下面を挟まれ
た導波路コア４が設けられ、さらに上部クラッド層５が
前記導波路コア４及び応力調整膜６、７を覆うように下
部クラッド層３の上に設けられている。

【００２２】また、前述した各部材の材質及び大きさに
ついては、基板２は厚さ１ｍｍのシリコン、下部クラッ
ド層３は厚さ１５μｍの石英ガラス、導波路コア４はゲ
ルマニウムが添加された厚さ及び幅が６μｍの石英ガラ
ス、応力調整膜６、７は共に厚さ２μｍの石英ガラス、
上部クラッド層５はホウ素及びリンが添加された石英ガ
ラスからなる。ここで、応力調整膜６、７を形成する石
英ガラスは、基板２、上部クラッド層５及び導波路コア
４よりも熱膨張係数が小さく、熱変化に伴う膨張及び収
縮が少なくなっている。なお上部クラッド層５の屈折率
は、下部クラッド層３の屈折率と同じになるように、添
加剤のホウ素及びリンの量によって調整されている。ま
た、導波路コア４と各クラッド層（３及び５）との比屈
折率差は０．７５％である。

【００２３】本発明の効果を確認するため、第２の実施
例に係る光導波路でＡＷＧを作製した。その作製工程は
以下の通りであった。まず、１ｍｍのシリコン基板２の
上に薄膜堆積装置により石英ガラスからなる厚さ１５μ
ｍの下部クラッド層３を堆積させた。次に、第２の応力
調整膜７となる厚さ２μｍの石英ガラス、導波路コア４
となる厚さ６μｍのゲルマニウム添加の石英ガラス、応
力調整膜６となる厚さ２μｍの石英ガラスを同様の薄膜
堆積装置により堆積させた。その後、フォトリソグラフ
ィとドライエッチングにより、図５の光導波路パターン
を形成した。ここで、第２の応力調整膜７、導波路コア
４及び応力調整膜６の厚みがそれぞれ２μｍ、６μｍ及
び２μｍであるため、エッチング量は１０μｍとした。
その後、薄膜堆積装置によりホウ素及びリンが添加され
た石英ガラスからなる上部クラッド層５を２０μｍ堆積
させることにより、第２の実施例に係る光導波路を有す
るＡＷＧを作製した。なお、上記各堆積工程の中には加
熱処理工程（膜質を安定化させるためのアニーリング及
び透明度を上げるための高温処理等）が含まれる。

【００２４】上記作製したＡＷＧについても、透過率の
波長依存性を測定した結果、入力光の偏光がＴＥモード
及びＴＭモードのどちらの場合でもピーク波長は一致
し、偏光依存性の無いことが確認された。また、他の出
力導波路についても同様に各モードによるピーク波長の
違いはなく、本発明に係る光導波路を用いれば偏光依存
性の解消が可能であることが分かった。さらに、第１の
実施例と同様に、光の損失が増加することもなく優れた
特性を有するＡＷＧを作製することができた。

【００２５】なお、下部クラッド層３が第２の応力調整
膜７と同じ材質を使用する場合、応力調整膜７の厚さ分
だけ通常より余分に下部クラッド層３を厚く堆積させて
おけば、改めて応力調整膜７を堆積させる必要はない。
すなわち、下部クラッド層３を堆積させる際には、応力
調整膜７の厚さ分だけ通常より厚く堆積させ、導波路パ
ターン形成の際のエッチングを応力調整膜７の厚さ分だ
け下部クラッド層３にまで及ぼせばよい。このように作
製しても応力調整膜を導波路コア４の上下面に設けたと
きと同様の効果が得られる。

【００２６】また、下部クラッド層３の形成には火炎加
水分解堆積法、スパッタ法、真空蒸着法、化学気相堆積
法等を利用した各種薄膜堆積装置を使用することが可能
であるが、それ以外にもシリコン基板２の表面を酸化し
て石英ガラス層を形成できる高圧熱酸化装置を使用する
こともできる。

【００２７】前述した二つの実施例では、基板２にはシ
リコン、クラッド層３及び５には石英系ガラス、導波路
コア４にはゲルマニウムが添加された石英ガラス、応力
調整膜６、７には石英ガラスを使用したが、本発明は前
記材料に限定されるものではない。すなわち、熱膨張係
数の比較的小さい応力調整膜を導波路コアに設けるとい
う本発明の要点に鑑みれば、各部材同士の熱膨張係数の
大小関係が同様であれば、異なる材料でも偏光依存性の
ない光デバイスを作製することができる。

【００２８】応力調整膜を設ける場所については、第１
の実施例では導波路コアの上面、第２の実施例では導波
路コアの上面及び下面としたが、導波路コアの下面のみ
に設けてもよい。

【００２９】また、本実施形態では、アレイ導波路回折
格子型光合分光器（ＡＷＧ）１１に適用した例を示した
が、本発明はこれに限定されるものではなく、マッハツ
ェンダー干渉計、リング共振器等の光の干渉を利用する
導波路型光デバイスや、それらを複数集積した光回路に
も適用することができる。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、基板上に形成される下
部クラッド層と、前記下部クラッド層の上に形成される
導波路コアと、前記導波路コアを覆うようにして形成さ
れる上部クラッド層とを有する光導波路において、導波
路コアの上面もしくは下面の少なくとも一方に応力調整
膜を設けることにより、前記各部材の熱膨張係数の差に
起因する導波路コアの歪みを抑制し複屈折の発現を防止
する結果、入力光の偏光状態に依存しない導波路型光デ
バイスを容易に実現することができる。これにより、再
現性良く、低コストで、波長分割多重通信用の光合分光
器を始め様々な光デバイスを製造することが可能とな
り、光通信や光情報処理の分野に多大な貢献をすること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る光導波路の断面図
である。

【図２】本発明の第２の実施例に係る光導波路の断面図
である。

【図３】本発明に係る光導波路により作製したＡＷＧの
出力特性図である。

【図４】従来の光導波路の一例の断面図である。

【図５】アレイ導波路回折格子型光合分波器（ＡＷＧ）
の概略外観図である。

【図６】従来の光導波路により作製したＡＷＧの出力特
性図である。

【符号の説明】

１光導波路２基板３下部クラッド層４導波路コア５上部クラッド層６応力調整膜７第２の応力調整膜１１アレイ導波路回折格子型光合分波器（ＡＷＧ）１２入力導波路１３入力側スラブ導波路１４アレイ導波路回折格子１５出力側スラブ導波路１６出力導波路１７入力ファイバ１８波長多重光１９出力ファイバ２０分波された光ｆ水平方向

フロントページの続き (72)発明者笠原亮一東京都千代田区大手町二丁目３番１号日本電信電話株式会社内Ｆターム(参考） 2H047 KA04 QA07 TA22 TA36

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に形成される下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に形成される導波路コアと、前
記導波路コアを覆うようにして形成される上部クラッド
層とを有する光導波路であって、前記導波路コアに働く応力を抑制する応力調整膜を設け
たことを特徴とする光導波路。
【請求項２】前記応力調整膜が、前記基板、前記上部
クラッド層及び前記導波路コアよりも低い熱膨張係数を
有することを特徴とする請求項１に記載の光導波路。
【請求項３】前記応力調整膜が、前記導波路コアの上
面と前記上部クラッド層の間に設けられていることを特
徴とする請求項１又は２に記載の光導波路。
【請求項４】前記応力調整膜が、前記導波路コアの下
面と前記下部クラッド層の間に設けられていることを特
徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光導波
路。