JP2003262748A - 光導波路カプラ回路デバイス - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 回路特性が波長変化と温度変化によっても一
定に保たれるように最適化すること。 【解決手段】 本発明は、光導波路カプラ回路デバイス
に係り、図1に示すように、光導波路カプラ回路デバイ
ス8は、基板1の表面に形成された2本の光導波路コア2、
3からなる 。この光導波路コア2、3が基板1上に形成さ
れた下部 クラッド層 6と上部クラッド層 7に覆われ、
光導波路コア2、3を互いに平行に接近させることによっ
て形成した２つの方向性結合器4、5を具え、光導波路コ
ア2、3の断面形状、屈折率及び回路配線に関わる各ファ
クタを、回路特性が波長変化と温度変化によっても一定
に保たれるように最適化することを特徴としている。
定に保たれるように最適化すること。 【解決手段】 本発明は、光導波路カプラ回路デバイス
に係り、図1に示すように、光導波路カプラ回路デバイ
ス8は、基板1の表面に形成された2本の光導波路コア2、
3からなる 。この光導波路コア2、3が基板1上に形成さ
れた下部 クラッド層 6と上部クラッド層 7に覆われ、
光導波路コア2、3を互いに平行に接近させることによっ
て形成した２つの方向性結合器4、5を具え、光導波路コ
ア2、3の断面形状、屈折率及び回路配線に関わる各ファ
クタを、回路特性が波長変化と温度変化によっても一定
に保たれるように最適化することを特徴としている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、光通信な
どにおいて、光分波器および合波器などに適用される温
度変化に強い高分子光導波路回路に関するものである。
どにおいて、光分波器および合波器などに適用される温
度変化に強い高分子光導波路回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】Ｓ、Ｃ、そしてＬ波長バンドの光を用い
た高密度波長多重（ＤＷＤＭ）通信システムにおいて、
1550nm波長を中心とする80-100nmバンドの光が波長の変
化によらず一定の分配比率で、二つチャンネルに分けら
れるように出力される光デバイスとして、波長無依存光
導波路カプラがある。その分配比率が、1：1であるカプ
ラは、3dBカプラと呼ばれ、多くの場面において使われ
ている（K.JINGUJI et al, ”MACH-ZEHNDER INTERFEROM
ETER TYPE OPTICAL WAVEGUIDE COUPLER WITH WAVELENGT
H-FLATTENED COUPLING RATIO”, Electron. Lett., 199
0, Vol.26, No.17,pp.1326-1327）。
た高密度波長多重（ＤＷＤＭ）通信システムにおいて、
1550nm波長を中心とする80-100nmバンドの光が波長の変
化によらず一定の分配比率で、二つチャンネルに分けら
れるように出力される光デバイスとして、波長無依存光
導波路カプラがある。その分配比率が、1：1であるカプ
ラは、3dBカプラと呼ばれ、多くの場面において使われ
ている（K.JINGUJI et al, ”MACH-ZEHNDER INTERFEROM
ETER TYPE OPTICAL WAVEGUIDE COUPLER WITH WAVELENGT
H-FLATTENED COUPLING RATIO”, Electron. Lett., 199
0, Vol.26, No.17,pp.1326-1327）。
【０００３】波長無依存光導波路カプラは、図8に例示
されるマッハツェンダ干渉計型光回路17で構成され、石
英或いはシリコンウェーハ等からなる基板20の表面に形
成された2本の光導波路コア13、14を備えている。光導
波路コア13、14は、基板20上に形成された下部クラッド
層18と上部クラッド層19で覆われている。そのコアとク
ラッド層の主成分が二酸化珪素（SiO2）からなる場合
は、石英光導波路と称され、高分子材料からなる場合
は、高分子光導波路と呼ばれている。
されるマッハツェンダ干渉計型光回路17で構成され、石
英或いはシリコンウェーハ等からなる基板20の表面に形
成された2本の光導波路コア13、14を備えている。光導
波路コア13、14は、基板20上に形成された下部クラッド
層18と上部クラッド層19で覆われている。そのコアとク
ラッド層の主成分が二酸化珪素（SiO2）からなる場合
は、石英光導波路と称され、高分子材料からなる場合
は、高分子光導波路と呼ばれている。
【０００４】このマッハツェンダ干渉計型光回路17は、
前記光導波路コア13、14を互いに平行に接近させること
によって形成した二つの方向性結合器15、16を備えてい
る。マッハツェンダ干渉計型光回路17は、前記光導波路
コア13、14のうち、一方の光導波路コア13或いは14の一
端子13a或いは14aに入力した1550nm波長を中心とする80
-100nm波長バンドを有する信号光のパワーを1：1の分配
比率で分離し、前記光導波路コア13、14の他端子13b、1
4bにそれぞれ入力の50％で出力している。
前記光導波路コア13、14を互いに平行に接近させること
によって形成した二つの方向性結合器15、16を備えてい
る。マッハツェンダ干渉計型光回路17は、前記光導波路
コア13、14のうち、一方の光導波路コア13或いは14の一
端子13a或いは14aに入力した1550nm波長を中心とする80
-100nm波長バンドを有する信号光のパワーを1：1の分配
比率で分離し、前記光導波路コア13、14の他端子13b、1
4bにそれぞれ入力の50％で出力している。
【０００５】このマッハツェンダ干渉計型光回路17の応
用例として、図2に示されるようなインタリーバが挙げ
られる。このインタリーバは、2本の高分子光導波路9、
10から構成され、且つ前記図8に示されるようなマッハ
ツェンダ干渉計型光回路17を2個用い、逆対称のように
設ける回路11、12を備えている。このような配線特徴を
持つ前記図2に示すインタリーバは、100nmの波長バンド
を有する波長スプリッタ機能を実現するために調整を必
要とするファクタは、前記2本の光導波路9と10の光路長
差のみであるので、デバイス設計に大きな簡便性を与え
ている。
用例として、図2に示されるようなインタリーバが挙げ
られる。このインタリーバは、2本の高分子光導波路9、
10から構成され、且つ前記図8に示されるようなマッハ
ツェンダ干渉計型光回路17を2個用い、逆対称のように
設ける回路11、12を備えている。このような配線特徴を
持つ前記図2に示すインタリーバは、100nmの波長バンド
を有する波長スプリッタ機能を実現するために調整を必
要とするファクタは、前記2本の光導波路9と10の光路長
差のみであるので、デバイス設計に大きな簡便性を与え
ている。
【０００６】例えば、図2に示されるインタリーバは、
前記2本の光導波路9と10の光路長差を適切に設計すれ
ば、前記光導波路9、10のうち一方の光導波路9の一端子
9aに入力した1550nm波長を中心とする80-100nmの波長バ
ンドを有するλ1からλnまでの信号光を一定の波長間隔
に分けて、前記の光導波路9、10の他端子9b、10bからそ
れぞれ交互に波長を分離し出力する。
前記2本の光導波路9と10の光路長差を適切に設計すれ
ば、前記光導波路9、10のうち一方の光導波路9の一端子
9aに入力した1550nm波長を中心とする80-100nmの波長バ
ンドを有するλ1からλnまでの信号光を一定の波長間隔
に分けて、前記の光導波路9、10の他端子9b、10bからそ
れぞれ交互に波長を分離し出力する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】図2に示すインタリー
バは、高分子光導波路を用いているので、使用温度が変
化すると特性の変動が大きいため、適用できる温度範囲
は、比較的狭い。光導波路に用いる高分子材料の屈折率
温度係数は、石英の十数倍以上なので、周囲温度が変わ
ると前記光導波路9、10そしてそれら光導波路の周りの
クラッドの屈折率が大きく変わり、設計したパラメータ
のバランスが崩れ、特性は設計目標から外れてしまう。
温度変化により引き起こされる特性劣化は主に二つの原
因が考えられる。第一番目の原因としては、前記の光導
波路9と10の光路長差より生じた位相差が周囲の温度変
化によって変わり、これにより中心波長がずれてしまう
ことである。第二番目の原因としては、二つのマッハツ
ェンダ干渉計型光回路11、12の波長バンドが周囲の温度
変化により短波長側か、もしくは長波長側へシフトする
ことである。例えば、光導波路に用いられる高分子材料
の屈折率温度係数の実測値は約-(1.1〜1.8)×10-4/K
で、あり、環境温度変化を40℃とすればそれに対応する
波長バンドのシフト量は、約6.5nmである。この値は、
0.8nm波長間隔のインタリーバにとって、バンドサイド
の付近で８つの波長チャンネルがずれてしまうことを意
味している。実験によれば、温度変化が40℃であれば、
前記二つマッハツェンダ干渉計型光回路11、12の波長バ
ンドサイドでの出力変化が±2％以上となり、これによ
りクロストークを-30dB以下に押さえることが不可能と
なる。
バは、高分子光導波路を用いているので、使用温度が変
化すると特性の変動が大きいため、適用できる温度範囲
は、比較的狭い。光導波路に用いる高分子材料の屈折率
温度係数は、石英の十数倍以上なので、周囲温度が変わ
ると前記光導波路9、10そしてそれら光導波路の周りの
クラッドの屈折率が大きく変わり、設計したパラメータ
のバランスが崩れ、特性は設計目標から外れてしまう。
温度変化により引き起こされる特性劣化は主に二つの原
因が考えられる。第一番目の原因としては、前記の光導
波路9と10の光路長差より生じた位相差が周囲の温度変
化によって変わり、これにより中心波長がずれてしまう
ことである。第二番目の原因としては、二つのマッハツ
ェンダ干渉計型光回路11、12の波長バンドが周囲の温度
変化により短波長側か、もしくは長波長側へシフトする
ことである。例えば、光導波路に用いられる高分子材料
の屈折率温度係数の実測値は約-(1.1〜1.8)×10-4/K
で、あり、環境温度変化を40℃とすればそれに対応する
波長バンドのシフト量は、約6.5nmである。この値は、
0.8nm波長間隔のインタリーバにとって、バンドサイド
の付近で８つの波長チャンネルがずれてしまうことを意
味している。実験によれば、温度変化が40℃であれば、
前記二つマッハツェンダ干渉計型光回路11、12の波長バ
ンドサイドでの出力変化が±2％以上となり、これによ
りクロストークを-30dB以下に押さえることが不可能と
なる。
【０００８】上述の一番目の問題を解決するためには、
波長バンド上で次式の関係
波長バンド上で次式の関係
【数１】
を満たすように前記光導波路9と10の一部の物理パラメ
ータを最適化設計すれば良い。式（1）でβ9とβ10は、
それぞれ光導波路9と10を伝播する導波モードの伝播定
数であり、L9とL10は、光導波路9と10の、二つのマッハ
ツェンダ干渉計型光回路11、12に挟まれた部分の長さで
あり、Ｔは、温度を示す。
ータを最適化設計すれば良い。式（1）でβ9とβ10は、
それぞれ光導波路9と10を伝播する導波モードの伝播定
数であり、L9とL10は、光導波路9と10の、二つのマッハ
ツェンダ干渉計型光回路11、12に挟まれた部分の長さで
あり、Ｔは、温度を示す。
【０００９】上述の第二番目の原因の問題を解決するに
あたっては、前記インタリーバの２つのマッハツェンダ
干渉計型光回路11、12の構造が複雑なために、より全体
的な構造の改良が必要である。これと似た問題は、一部
の石英光導波路回路においても生じる。石英材料の場合
には、その屈折率温度係数は、正の値であり且つ小さい
ので、石英光導波路コアの上に負の屈折率温度係数を有
する高分子薄膜をコーテングし、この温度依存性をキャ
ンセルする方法などが知られている。しかし高分子材料
の屈折率温度係数はほとんどが負の値であり且つその絶
対値が大きいので、この方法は、高分子光導波路の場合
には適用できない。
あたっては、前記インタリーバの２つのマッハツェンダ
干渉計型光回路11、12の構造が複雑なために、より全体
的な構造の改良が必要である。これと似た問題は、一部
の石英光導波路回路においても生じる。石英材料の場合
には、その屈折率温度係数は、正の値であり且つ小さい
ので、石英光導波路コアの上に負の屈折率温度係数を有
する高分子薄膜をコーテングし、この温度依存性をキャ
ンセルする方法などが知られている。しかし高分子材料
の屈折率温度係数はほとんどが負の値であり且つその絶
対値が大きいので、この方法は、高分子光導波路の場合
には適用できない。
【００１０】高分子光導波路の温度特性を改善するため
に、熱膨張率の大きい高分子材料から成る基板を使う方
法もある。この方法は、要するに基板が持つ大きな熱線
膨張を活かして、高分子光導波路が持つ負の光路長温度
特性を相殺するというものである。しかしこの方法は、
大きな熱線膨張率を有する材料に限定され、シリコンや
石英基板等の熱膨張率の値が小さいものでは、シリコン
基板の上に他の半導体デバイスを集積するように、その
上に高分子光導波路回路を作製することは出来ない。
に、熱膨張率の大きい高分子材料から成る基板を使う方
法もある。この方法は、要するに基板が持つ大きな熱線
膨張を活かして、高分子光導波路が持つ負の光路長温度
特性を相殺するというものである。しかしこの方法は、
大きな熱線膨張率を有する材料に限定され、シリコンや
石英基板等の熱膨張率の値が小さいものでは、シリコン
基板の上に他の半導体デバイスを集積するように、その
上に高分子光導波路回路を作製することは出来ない。
【００１１】従って本発明の目的は、高分子光導波路を
採用した最も重要な理由である低コストというメリット
を守りながら、既存の技術でシリコンや石英基板等の上
に温度無依存な高分子光導波路型マッハツェンダ型干渉
計光回路を提供することにある。
採用した最も重要な理由である低コストというメリット
を守りながら、既存の技術でシリコンや石英基板等の上
に温度無依存な高分子光導波路型マッハツェンダ型干渉
計光回路を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明は、基板と、該基
板上に形成された高分子下部クラッド層と、該高分子下
部クラッド層上に形成された少なくとも2本の高分子光
導波路と、該高分子光導波路を被覆する高分子上部クラ
ッド層と、前記少なくとも2本の高分子光導波路のうち
の2本の光導波路を複数個所で互いに近接させて構成し
た複数個の方向性結合器とを具え、前記2本の高分子光
導波路の各一方の端部を入力端，各他方の端部を出力端
とする光導波路カプラ回路デバイスであって、前記複数
個の方向性結合器のうちの隣り合う任意の2個の方向性
結合器の間を連結する前記2本の光導波路の実効光路長
に差ΔLを設け、この実効光路長差ΔLを0.6乃至0.8μm
に設定したことを特徴とする。
板上に形成された高分子下部クラッド層と、該高分子下
部クラッド層上に形成された少なくとも2本の高分子光
導波路と、該高分子光導波路を被覆する高分子上部クラ
ッド層と、前記少なくとも2本の高分子光導波路のうち
の2本の光導波路を複数個所で互いに近接させて構成し
た複数個の方向性結合器とを具え、前記2本の高分子光
導波路の各一方の端部を入力端，各他方の端部を出力端
とする光導波路カプラ回路デバイスであって、前記複数
個の方向性結合器のうちの隣り合う任意の2個の方向性
結合器の間を連結する前記2本の光導波路の実効光路長
に差ΔLを設け、この実効光路長差ΔLを0.6乃至0.8μm
に設定したことを特徴とする。
【００１３】本発明は、基板と、該基板上に形成された
高分子下部クラッド層と、該高分子下部クラッド層上に
形成された少なくとも2本の高分子光導波路と、該高分
子光導波路を被覆する高分子上部クラッド層と、前記少
なくとも2本の高分子光導波路のうちの2本の光導波路を
複数個所で互いに近接させて構成した複数個の方向性結
合器とを具え、前記複数個の方向性結合器のうちの隣り
合う任意の2個の方向性結合器の間を連結する前記2本の
光導波路の実効光路長に差ΔLを設けるとともに、この
実効光路長差ΔLを0.6乃至0.8μmに設定し、前記各方向
結合器は、それぞれ2本の光導波路の平行部分を具える
ことを特徴とする。
高分子下部クラッド層と、該高分子下部クラッド層上に
形成された少なくとも2本の高分子光導波路と、該高分
子光導波路を被覆する高分子上部クラッド層と、前記少
なくとも2本の高分子光導波路のうちの2本の光導波路を
複数個所で互いに近接させて構成した複数個の方向性結
合器とを具え、前記複数個の方向性結合器のうちの隣り
合う任意の2個の方向性結合器の間を連結する前記2本の
光導波路の実効光路長に差ΔLを設けるとともに、この
実効光路長差ΔLを0.6乃至0.8μmに設定し、前記各方向
結合器は、それぞれ2本の光導波路の平行部分を具える
ことを特徴とする。
【００１４】本発明は、前記高分子光導波路を1.5182〜
1.5667の屈折率を有する高分子材料で構成したことを特
徴とする。本発明は、前記高分子下部クラッド層を1.51
36〜1.5620の屈折率を有する高分子材料で構成したこと
を特徴とする。本発明は、前記高分子上部クラッド層を
1.5136〜1.5620の屈折率を有する高分子材料で構成した
ことを特徴とする。
1.5667の屈折率を有する高分子材料で構成したことを特
徴とする。本発明は、前記高分子下部クラッド層を1.51
36〜1.5620の屈折率を有する高分子材料で構成したこと
を特徴とする。本発明は、前記高分子上部クラッド層を
1.5136〜1.5620の屈折率を有する高分子材料で構成した
ことを特徴とする。
【００１５】本発明は、前記一方の方向性結合器におけ
る2本の光導波路の平行部分の長さを0.031〜0.072mm、
前記他方の方向性結合器における平行部分の長さを0.98
2〜1.741mmにそれぞれ選定したことを特徴とする。本発
明は、前記各方向性結合器における2本の光導波路の平
行部分における間隔を4.1〜6.4μmにそれぞれ選定した
ことを特徴とする。本発明は、前記光導波路の断面形状
を幅ｗ及び厚さｔを有する方形に形成したことを特徴と
する。本発明は、前記光導波路の断面形状を正方形に形
成したことを特徴とする。本発明は、前記光導波路の断
面形状を正方形とし、その一辺の長さを6〜8μmとした
ことを特徴とする。本発明は、前記基板を石英板で構成
したことを特徴とする。本発明は、前記基板をシリコン
板で構成したことを特徴とする。本発明は、前記基板を
ポリイミド樹脂板で構成したことを特徴とする。
る2本の光導波路の平行部分の長さを0.031〜0.072mm、
前記他方の方向性結合器における平行部分の長さを0.98
2〜1.741mmにそれぞれ選定したことを特徴とする。本発
明は、前記各方向性結合器における2本の光導波路の平
行部分における間隔を4.1〜6.4μmにそれぞれ選定した
ことを特徴とする。本発明は、前記光導波路の断面形状
を幅ｗ及び厚さｔを有する方形に形成したことを特徴と
する。本発明は、前記光導波路の断面形状を正方形に形
成したことを特徴とする。本発明は、前記光導波路の断
面形状を正方形とし、その一辺の長さを6〜8μmとした
ことを特徴とする。本発明は、前記基板を石英板で構成
したことを特徴とする。本発明は、前記基板をシリコン
板で構成したことを特徴とする。本発明は、前記基板を
ポリイミド樹脂板で構成したことを特徴とする。
【００１６】前記課題を解決し目的を達成するために、
図1に示す本発明の温度変化に強い高分子光導波路カプ
ラ回路デバイス8は、石英板、シリコンウェーハ或いは
ポリイミド樹脂板等からなる基板1の表面に形成された2
本の光導波路コア2、3からなる。この光導波路コア2、3
が基板1上に形成された下部クラッド層6と上部クラッド
層7に覆われ、光導波路コア2、3を互いに平行に接近さ
せることによって形成した２つの方向性結合器4、5を持
ち、光導波路コア2、3の断面形状、屈折率および回路配
線に関わる各ファクタを、回路特性が波長変化と温度変
化によっても一定に保たれるように最適化することを特
徴としている。
図1に示す本発明の温度変化に強い高分子光導波路カプ
ラ回路デバイス8は、石英板、シリコンウェーハ或いは
ポリイミド樹脂板等からなる基板1の表面に形成された2
本の光導波路コア2、3からなる。この光導波路コア2、3
が基板1上に形成された下部クラッド層6と上部クラッド
層7に覆われ、光導波路コア2、3を互いに平行に接近さ
せることによって形成した２つの方向性結合器4、5を持
ち、光導波路コア2、3の断面形状、屈折率および回路配
線に関わる各ファクタを、回路特性が波長変化と温度変
化によっても一定に保たれるように最適化することを特
徴としている。
【００１７】この手法は、以下に示すように説明するこ
とが出来る。いま、図１に示す光回路8の光導波路コア2
の一端子2aに光を入力しているとして、図の光導波路
2、3の他端子2b、3bを出力している光のパワー分配比率
ηは、
とが出来る。いま、図１に示す光回路8の光導波路コア2
の一端子2aに光を入力しているとして、図の光導波路
2、3の他端子2b、3bを出力している光のパワー分配比率
ηは、
【数２】
ここで、
【数３】
のように表せる。ここにAoutとBoutはそれぞれ光導波路
コア2、3の他端子2b、3bを出力している光の振幅、Lc1
とLc2はそれぞれ方向性結合器4、5の完全結合長、L1とL
2はそれぞれ方向性結合器4、5の平行部の長さ、Le1とL
e2はそれぞれ方向性結合器4、5の等価平行部増加長、β
は光導波路コア2、3を伝播する導波モードの伝播定数お
よびΔLは光導波路コア2と3の長さの差である。
コア2、3の他端子2b、3bを出力している光の振幅、Lc1
とLc2はそれぞれ方向性結合器4、5の完全結合長、L1とL
2はそれぞれ方向性結合器4、5の平行部の長さ、Le1とL
e2はそれぞれ方向性結合器4、5の等価平行部増加長、β
は光導波路コア2、3を伝播する導波モードの伝播定数お
よびΔLは光導波路コア2と3の長さの差である。
【００１８】前記のLc1、Lc2とLe1、Le2はともに波長
λ、光導波路コア2、3の幅wと厚さt、光導波路コア2、3
の屈折率ng、クラッド6、7の屈折率nc、方向性結合器
4、5の平行部間隔s1、s2との関数
λ、光導波路コア2、3の幅wと厚さt、光導波路コア2、3
の屈折率ng、クラッド6、7の屈折率nc、方向性結合器
4、5の平行部間隔s1、s2との関数
【数４】
であり、伝播定数βは波長λと、光導波路コア2、3の幅
wと厚さtと、光導波路コア2、3の屈折率ngと、クラッド
6、7の屈折率ncとの関数
wと厚さtと、光導波路コア2、3の屈折率ngと、クラッド
6、7の屈折率ncとの関数
【数５】
であり、光導波路コア2、3の屈折率ngとクラッド6、7の
屈折率ncは、ともに環境温度Tと波長λとの関数
屈折率ncは、ともに環境温度Tと波長λとの関数
【数６】
である。使用波長バンドと想定する温度変化範囲で、次
の式（10）から式（13）までの連立方程式
の式（10）から式（13）までの連立方程式
【数７】
を満足するように、光導波路コア2、3の幅wと厚さt、方
向性結合器4、5の平行部間隔s1、s2、光導波路コア2、3
の屈折率ngとクラッド6、7の屈折率nc、方向性結合器
4、5の平行部の長さL1、L2および光導波路2と3の長さの
差ΔLという各パラメータを最適化することにより、波
長依存性と温度依存性をともに解消することが出来る。
ここで、δη≦1%となるようにσλとσTを設定した。
向性結合器4、5の平行部間隔s1、s2、光導波路コア2、3
の屈折率ngとクラッド6、7の屈折率nc、方向性結合器
4、5の平行部の長さL1、L2および光導波路2と3の長さの
差ΔLという各パラメータを最適化することにより、波
長依存性と温度依存性をともに解消することが出来る。
ここで、δη≦1%となるようにσλとσTを設定した。
【００１９】上述の手法を用いた本発明の温度変化に強
い高分子光導波路カプラ回路8は、次のように各要素を
最適化したことを特徴としている。図１に示すように基
板1の材質は、石英、シリコン或いはポリイミド樹脂等
であり、光導波路コア2、3の材料は、1.5182〜1.5667の
屈折率ngを有する高分子であり、光導波路コア2、3を覆
う下部クラッド層6と上部クラッド層7の材料は、1.5136
〜1.5620の屈折率ncを有する高分子である。またその光
導波路コア2、3の断面形状は、6〜8μmの辺の長さを有
する正方形であり、方向性結合器4の平行部長さL1は、
0.031〜0.072mm或いは0.982〜1.741mm、方向性結合器5
の平行部長さL2は、0.982〜1.741mm或いは0.031〜0.072
mm、方向性結合器4の平行部間隔s1は、4.1〜6.4μm、方
向性結合器5の平行部間隔s2は、4.1〜6.4μmおよび光導
波路コア2と3の長さの差ΔLは、0.6〜0.8μmであること
を特徴としている。
い高分子光導波路カプラ回路8は、次のように各要素を
最適化したことを特徴としている。図１に示すように基
板1の材質は、石英、シリコン或いはポリイミド樹脂等
であり、光導波路コア2、3の材料は、1.5182〜1.5667の
屈折率ngを有する高分子であり、光導波路コア2、3を覆
う下部クラッド層6と上部クラッド層7の材料は、1.5136
〜1.5620の屈折率ncを有する高分子である。またその光
導波路コア2、3の断面形状は、6〜8μmの辺の長さを有
する正方形であり、方向性結合器4の平行部長さL1は、
0.031〜0.072mm或いは0.982〜1.741mm、方向性結合器5
の平行部長さL2は、0.982〜1.741mm或いは0.031〜0.072
mm、方向性結合器4の平行部間隔s1は、4.1〜6.4μm、方
向性結合器5の平行部間隔s2は、4.1〜6.4μmおよび光導
波路コア2と3の長さの差ΔLは、0.6〜0.8μmであること
を特徴としている。
【００２０】
【発明の実施の形態】実施例
以下，図面を参照して、本発明の実施例を説明する。図
１は、本発明の光導波路カプラ回路デバイスを示す。
１は、本発明の光導波路カプラ回路デバイスを示す。
【００２１】図１に示すように、本発明の温度変化に強
い高分子光導波路カプラ回路デバイス8は、石英板から
なる基板1の表面に形成された2本の光導波路コア2、3を
備えている。図のように光導波路コア2、3は、1.5182〜
1.5667の屈折率ngを有する高分子材料からなり、その断
面形状が6〜8μmの辺の長さを有する正方形となるよう
に作成される。光導波路コア2、3を覆った下部クラッド
層6と上部クラッド層7の材料は、1.5136〜1.5620の屈折
率ncを有する高分子である。
い高分子光導波路カプラ回路デバイス8は、石英板から
なる基板1の表面に形成された2本の光導波路コア2、3を
備えている。図のように光導波路コア2、3は、1.5182〜
1.5667の屈折率ngを有する高分子材料からなり、その断
面形状が6〜8μmの辺の長さを有する正方形となるよう
に作成される。光導波路コア2、3を覆った下部クラッド
層6と上部クラッド層7の材料は、1.5136〜1.5620の屈折
率ncを有する高分子である。
【００２２】光導波路コア2、3は、互いに平行に接近さ
れて形成した二つの方向性結合器4、5を備えている。こ
の方向性結合器4は、その平行部長さL1が0.031〜0.072m
mであり、平行部間隔s1が4.1〜6.4μmであるように作成
される。方向性結合器5は、その平行部長さL2が0.982〜
1.741mmであり、平行部間隔s2が4.1〜6.4μmであるよう
に作成される。なお、反対に、L1を0.982〜1.741mmと
し、L2を0.031〜0.072mmと選定することもできることは
勿論である。
れて形成した二つの方向性結合器4、5を備えている。こ
の方向性結合器4は、その平行部長さL1が0.031〜0.072m
mであり、平行部間隔s1が4.1〜6.4μmであるように作成
される。方向性結合器5は、その平行部長さL2が0.982〜
1.741mmであり、平行部間隔s2が4.1〜6.4μmであるよう
に作成される。なお、反対に、L1を0.982〜1.741mmと
し、L2を0.031〜0.072mmと選定することもできることは
勿論である。
【００２３】光導波路コア2と3の長さの差ΔLは、0.6〜
0.8μm範囲に形成される。次に、前記本発明の温度変化
に強い高分子光導波路カプラ回路デバイス8の製造方法
の一例を以下に述べる。前記基板１として石英板を用
い、その表面に、下部クラッド層を形成する高分子の溶
液,即ち、4,4’-（ヘキサフルオロイソプロピリデン）
ジフタル酸無水物と2,2’-ビス（トリフルオロメチル）
-4,4’-ジアミノビフェニルの等モル量をＮ，Ｎ，−ジ
メチルアセトアミドに溶解し、２５℃で２４時間、窒素
雰囲気下で攪拌した溶液、（4,4’-(Hexafluoroisoprop
ylidene)diphthalic anhydrideと2,2’-Bis(trifluorom
ethyl)-4,4’-diaminobiphenylの等モル量をＮ，Ｎ，−
Dimethylacetamideに溶解し、25℃で24時間、窒素雰囲
気下で攪拌した溶液）、をスピンコート法により薄膜を
形成させ、その後、脱溶媒および熱処理によって、約20
mm厚の高分子下部クラッド層6を形成する。
0.8μm範囲に形成される。次に、前記本発明の温度変化
に強い高分子光導波路カプラ回路デバイス8の製造方法
の一例を以下に述べる。前記基板１として石英板を用
い、その表面に、下部クラッド層を形成する高分子の溶
液,即ち、4,4’-（ヘキサフルオロイソプロピリデン）
ジフタル酸無水物と2,2’-ビス（トリフルオロメチル）
-4,4’-ジアミノビフェニルの等モル量をＮ，Ｎ，−ジ
メチルアセトアミドに溶解し、２５℃で２４時間、窒素
雰囲気下で攪拌した溶液、（4,4’-(Hexafluoroisoprop
ylidene)diphthalic anhydrideと2,2’-Bis(trifluorom
ethyl)-4,4’-diaminobiphenylの等モル量をＮ，Ｎ，−
Dimethylacetamideに溶解し、25℃で24時間、窒素雰囲
気下で攪拌した溶液）、をスピンコート法により薄膜を
形成させ、その後、脱溶媒および熱処理によって、約20
mm厚の高分子下部クラッド層6を形成する。
【００２４】そして、この下部クラッド層6の上に、上
記クラッド層を形成する高分子を作成する際に用いるジ
アミンの2,2’-ビス(トリフルオロメチル)-4,4’-ジア
ミノビフェニル（2,2’-Bis(trifluoromethyl)-4,4’-d
iaminobiphenyl）の一部に代わり4,4’-ジアミノジフェ
ニルエーテル（4,4’-Diaminodiphenyl ether）を用い
て、そのジアミン量の合計が、4,4’-(ヘキサフルオロ
イソプロピリデン) ジフタル酸無水物（4,4’-(Hexaflu
oroisopropylidene) diphthalic anhydride）と等モル
になるように添加し、同様な手段によって作成した高分
子溶液用いて、先の高分子下部クラッド層上にスピンコ
ート法により薄膜を形成させ、その後、脱溶媒および熱
処理などによって、屈折率を下部クラッド層6よりも0.2
5%〜0.45%程度高めた約8μm厚の高分子コア層を形成す
る。
記クラッド層を形成する高分子を作成する際に用いるジ
アミンの2,2’-ビス(トリフルオロメチル)-4,4’-ジア
ミノビフェニル（2,2’-Bis(trifluoromethyl)-4,4’-d
iaminobiphenyl）の一部に代わり4,4’-ジアミノジフェ
ニルエーテル（4,4’-Diaminodiphenyl ether）を用い
て、そのジアミン量の合計が、4,4’-(ヘキサフルオロ
イソプロピリデン) ジフタル酸無水物（4,4’-(Hexaflu
oroisopropylidene) diphthalic anhydride）と等モル
になるように添加し、同様な手段によって作成した高分
子溶液用いて、先の高分子下部クラッド層上にスピンコ
ート法により薄膜を形成させ、その後、脱溶媒および熱
処理などによって、屈折率を下部クラッド層6よりも0.2
5%〜0.45%程度高めた約8μm厚の高分子コア層を形成す
る。
【００２５】そして、前記コア層の表面にフォトレジス
トによって所定の光導波路パターンを形成したのち、酸
素ガスの雰囲気で反応性イオンエッチングによってコア
層の選択的エッチングを行うことにより、所定パターン
を有する光導波路コア2、3を形成する。その後、再び先
ほどの下部クラッドを形成させるために用いたものと同
じ高分子溶液を用いて、スピンコートする方法とそれに
続く脱溶媒および熱処理の方法によって、光導波路コア
2、3を埋め込むように高分子上部クラッド層7を形成す
る。なお、上部クラッド層7の屈折率はコアのものより
低いが、必ずしも下部クラッド層6と等しくする必要は
ない。
トによって所定の光導波路パターンを形成したのち、酸
素ガスの雰囲気で反応性イオンエッチングによってコア
層の選択的エッチングを行うことにより、所定パターン
を有する光導波路コア2、3を形成する。その後、再び先
ほどの下部クラッドを形成させるために用いたものと同
じ高分子溶液を用いて、スピンコートする方法とそれに
続く脱溶媒および熱処理の方法によって、光導波路コア
2、3を埋め込むように高分子上部クラッド層7を形成す
る。なお、上部クラッド層7の屈折率はコアのものより
低いが、必ずしも下部クラッド層6と等しくする必要は
ない。
【００２６】なお上記実施例では、前記基板1として，
石英板を用いたが、シリコン板或いはポリイミド樹脂板
を用いることもできる。また光導波路コアの断面形状
は、幅ｗ及び厚さｔを有する方形に形成できる。
石英板を用いたが、シリコン板或いはポリイミド樹脂板
を用いることもできる。また光導波路コアの断面形状
は、幅ｗ及び厚さｔを有する方形に形成できる。
【００２７】前記の実施例の温度変化に強い高分子光導
波路カプラ回路デバイス8についての実験の結果は、以
下の通りである。まず、使用温度を20℃とする環境で、
図１に示す本発明の温度変化に強い高分子光導波路カプ
ラ回路8の光導波路コア2の一端子2aに7種類の波長、149
0nm、1510nm、1530nm、1550nm、1570nm、1590nmと1610n
mの光を入力し、前記の光導波路コアの他端子2b、3bか
ら出力される光パワーの比率、即ち、パワー分配比率を
各波長についてプロットしたグラフを図3に示した。結
果では120nmのバンド幅上の波長変化によるパワー分配
比率は、全て50±0.69％の範囲に入っている。
波路カプラ回路デバイス8についての実験の結果は、以
下の通りである。まず、使用温度を20℃とする環境で、
図１に示す本発明の温度変化に強い高分子光導波路カプ
ラ回路8の光導波路コア2の一端子2aに7種類の波長、149
0nm、1510nm、1530nm、1550nm、1570nm、1590nmと1610n
mの光を入力し、前記の光導波路コアの他端子2b、3bか
ら出力される光パワーの比率、即ち、パワー分配比率を
各波長についてプロットしたグラフを図3に示した。結
果では120nmのバンド幅上の波長変化によるパワー分配
比率は、全て50±0.69％の範囲に入っている。
【００２８】次に、使用温度をそれぞれ０℃、10℃、30
℃、40℃とした場合について、20℃の時と同じシミュレ
ーションを行った。各温度での波長ごとのパワー分配比
率をそれぞれ図4、図5、図6、図7に示した。図に示され
るように、波長変化によるパワー分配比率は、それぞれ
50±0.67％、50±0.70％、50±0.69％、50±0.68％の範
囲に入っており、また温度の変化による影響はほとんど
ない。
℃、40℃とした場合について、20℃の時と同じシミュレ
ーションを行った。各温度での波長ごとのパワー分配比
率をそれぞれ図4、図5、図6、図7に示した。図に示され
るように、波長変化によるパワー分配比率は、それぞれ
50±0.67％、50±0.70％、50±0.69％、50±0.68％の範
囲に入っており、また温度の変化による影響はほとんど
ない。
【００２９】また図3から図7に示すように、バンドサイ
ドの波長、即ち1490nmと1610nmの波長にとっては、０℃
から40℃までの温度変化に対応する分配比率の変動範囲
はそれぞれ0.06％と0.002％以内に抑えられ、温度変化
によるバンドシフトがほとんど見られない。
ドの波長、即ち1490nmと1610nmの波長にとっては、０℃
から40℃までの温度変化に対応する分配比率の変動範囲
はそれぞれ0.06％と0.002％以内に抑えられ、温度変化
によるバンドシフトがほとんど見られない。
【００３０】したがって、本発明の温度変化に強い高分
子光導波路カプラ回路8は、高密度波長多重通信に用い
られる1550nm波長を中心とする120nmバンドを有する信
号光の波長の変化に対する影響が非常に少なく、且つ使
用温度が０℃から40℃まで変化してもその特性は変わら
ない。したがって、本発明の温度変化に強い高分子光導
波路カプラ回路8は、1例として図2に示された高分子光
導波路インタリーバを構成する温度無依存カプラ11、12
として使われることが可能となる。
子光導波路カプラ回路8は、高密度波長多重通信に用い
られる1550nm波長を中心とする120nmバンドを有する信
号光の波長の変化に対する影響が非常に少なく、且つ使
用温度が０℃から40℃まで変化してもその特性は変わら
ない。したがって、本発明の温度変化に強い高分子光導
波路カプラ回路8は、1例として図2に示された高分子光
導波路インタリーバを構成する温度無依存カプラ11、12
として使われることが可能となる。
【００３１】又、本発明は、高分子光導波路インタリー
バに使用されるのみに制約されるものでなく、二つの1
×Ｎチャンネルの光導波路スプリタと接続して、2×2Ｎ
チャンネルの温度無依存光導波路スプリタを構成するこ
とも出来る。
バに使用されるのみに制約されるものでなく、二つの1
×Ｎチャンネルの光導波路スプリタと接続して、2×2Ｎ
チャンネルの温度無依存光導波路スプリタを構成するこ
とも出来る。
【００３２】
【発明の効果】本発明は、高分子光導波路カプラ回路デ
バイスの光導波路コア断面の形状、屈折率それに回路配
線に関わる各ファクタを、回路特性が波長変化だけでは
なく温度変化に対しても一定に保たれるように最適化さ
れたので、光導波路の高い温度依存性によるパワー分配
比率の影響が明らかに低減される。したがって、本発明
の高分子光導波路カプラ回路デバイスは、高密度波長多
重通信に用いられる1550nm波長を中心とする120nmの波
長バンドを有しながら、0℃から40℃の温度が変化する
範囲でも特に恒温手段を付加しなくても使える。
バイスの光導波路コア断面の形状、屈折率それに回路配
線に関わる各ファクタを、回路特性が波長変化だけでは
なく温度変化に対しても一定に保たれるように最適化さ
れたので、光導波路の高い温度依存性によるパワー分配
比率の影響が明らかに低減される。したがって、本発明
の高分子光導波路カプラ回路デバイスは、高密度波長多
重通信に用いられる1550nm波長を中心とする120nmの波
長バンドを有しながら、0℃から40℃の温度が変化する
範囲でも特に恒温手段を付加しなくても使える。
【００３３】本発明は、前記の最適化方法によって、波
長バンドの両サイドでの波長の温度依存性がほぼゼロの
近くに抑えられ、温度変化によるバンドシフトの影響が
なくなるので、１つの応用例として高分子光導波路イン
タリーバの温度無依存化のために使われることが出来
る。本発明は、従来使ってきた材料をそのまま変えずに
最適化をする方法を提供するため、これまで開発されて
きた高分子光導波路製造プロセスを変える必要がない。
したがって、高分子を材料として用いる場合の光導波路
の製造コストが低いというメリットを保有しながら、回
路特性における温度無依存化を達成することが出来る。
長バンドの両サイドでの波長の温度依存性がほぼゼロの
近くに抑えられ、温度変化によるバンドシフトの影響が
なくなるので、１つの応用例として高分子光導波路イン
タリーバの温度無依存化のために使われることが出来
る。本発明は、従来使ってきた材料をそのまま変えずに
最適化をする方法を提供するため、これまで開発されて
きた高分子光導波路製造プロセスを変える必要がない。
したがって、高分子を材料として用いる場合の光導波路
の製造コストが低いというメリットを保有しながら、回
路特性における温度無依存化を達成することが出来る。
【図１】 本発明の一実施形態を示す温度変化に伴い高
分子光導波路カプラ回路デバイスの平面図とその側面
図。
分子光導波路カプラ回路デバイスの平面図とその側面
図。
【図２】 高分子光導波路インタリーバの平面図。
【図３】 使用温度が２０℃の時に図１に示された実施
形態における信号光の波長の変化に対するパワー分配率
の変化を示す図。
形態における信号光の波長の変化に対するパワー分配率
の変化を示す図。
【図４】 使用温度が０℃の時に図１に示された実施形
態における信号光の波長の変化に対するパワー分配率の
変化を示す図。
態における信号光の波長の変化に対するパワー分配率の
変化を示す図。
【図５】 使用温度が１０℃の時に図１に示された実施
形態における信号光の波長の変化に対するパワー分配率
の変化を示す図。
形態における信号光の波長の変化に対するパワー分配率
の変化を示す図。
【図６】 使用温度が３０℃の時に図１に示された実施
形態における信号光の波長の変化に対するパワー分配率
の変化を示す図。
形態における信号光の波長の変化に対するパワー分配率
の変化を示す図。
【図７】 使用温度が４０℃の時に図１に示された実施
形態における信号光の波長の変化に対するパワー分配率
の変化を示す図。
形態における信号光の波長の変化に対するパワー分配率
の変化を示す図。
【図８】 マッハツェンダ干渉計型光回路１７の上面図
とその側面図。
とその側面図。
１ 基板
２ 光導波路コア
３ 光導波路コア
４ 方向性結合器
５ 方向性結合器
６ 下部クラッド層
７ 上部クラッド層
９ 光導波路
１０ 光導波路
１１ マッハツェンダ干渉計型光回路
１２ マッハツェンダ干渉計型光回路
１３ 光導波路コア
１４ 光導波路コア
１５ 方向性結合器
１６ 方向性結合器
１８ 下部クラッド層
１９ 上部クラッド層
２０ 基板
Claims (13)
- 【請求項１】基板と、 該基板上に形成された高分子下部クラッド層と、 該高分子下部クラッド層上に形成された少なくとも2本
の高分子光導波路と、 該高分子光導波路を被覆する高分子上部クラッド層と、 前記少なくとも2本の高分子光導波路のうちの2本の光導
波路を複数個所で互いに近接させて構成した複数個の方
向性結合器とを具え、 前記2本の高分子光導波路の各一方の端部を入力端，各
他方の端部を出力端とする光導波路カプラ回路デバイス
であって、 前記複数個の方向性結合器のうちの隣り合う任意の2個
の方向性結合器の間を連結する前記2本の光導波路の実
効光路長に差ΔLを設け、 この実効光路長差ΔLを0.6乃至0.8μmに設定したことを
特徴とする光導波路カプラ回路デバイス。 - 【請求項２】基板と、 該基板上に形成された高分子下部クラッド層と、 該高分子下部クラッド層上に形成された少なくとも2本
の高分子光導波路と、 該高分子光導波路を被覆する高分子上部クラッド層と、 前記少なくとも2本の高分子光導波路のうちの2本の光導
波路を複数個所で互いに近接させて構成した複数個の方
向性結合器とを具え、 前記複数個の方向性結合器のうちの隣り合う任意の2個
の方向性結合器の間を連結する前記2本の光導波路の実
効光路長に差ΔLを設けるとともに、この実効光路長差
ΔLを0.6乃至0.8μmに設定し、 前記各方向結合器は、それぞれ2本の光導波路の平行部
分を具えることを特徴とする光導波路カプラ回路デバイ
ス。 - 【請求項３】前記高分子光導波路を1.5182〜1.5667の屈
折率を有する高分子材料で構成したことを特徴とする請
求項１又は２記載の光導波路カプラ回路デバイス。 - 【請求項４】前記高分子下部クラッド層を1.5136〜1.56
20の屈折率を有する高分子材料で構成したことを特徴と
する請求項1乃至３記載の光導波路カプラ回路デバイ
ス。 - 【請求項５】前記高分子上部クラッド層を1.5136〜1.56
20の屈折率を有する高分子材料で構成したことを特徴と
する請求項1乃至４記載の光導波路カプラ回路デバイ
ス。 - 【請求項６】前記一方の方向性結合器における2本の光
導波路の平行部分の長さを0.031〜0.072mm、前記他方の
方向性結合器における平行部分の長さを0.982〜1.741mm
にそれぞれ選定したことを特徴とする請求項1乃至５記
載の光導波路カプラ回路デバイス。 - 【請求項７】前記各方向性結合器における2本の光導波
路の平行部分における間隔を4.1〜6.4μmにそれぞれ選
定したことを特徴とする請求項１乃至６記載の光導波路
カプラ回路デバイス。 - 【請求項８】前記光導波路の断面形状を幅ｗ及び厚さｔ
を有する方形に形成したことを特徴とする請求項１乃至
７記載の光導波路回路デバイス。 - 【請求項９】前記光導波路の断面形状を正方形に形成し
たことを特徴とする請求項１乃至８記載の光導波路回路
デバイス。 - 【請求項１０】前記光導波路の断面形状を正方形とし、
その一辺の長さを6〜8μmとしたことを特徴とする請求
項９記載の光導波路カプラ回路デバイス。 - 【請求項１１】前記基板を石英板で構成したことを特徴
とする請求項１乃至１０記載の光導波路カプラ回路デバ
イス。 - 【請求項１２】前記基板をシリコン板で構成したことを
特徴とする請求項１乃至１０記載の光導波路カプラ回路
デバイス。 - 【請求項１３】前記基板をポリイミド樹脂板で構成した
ことを特徴とする請求項１乃至１０記載の光導波路カプ
ラ回路デバイス。
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