JP2004045696A

JP2004045696A - 光導波回路および光導波回路モジュール

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Publication number: JP2004045696A
Application number: JP2002202387A
Authority: JP
Inventors: Hideki Sato; 佐藤　秀樹
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2002-07-11
Filing date: 2002-07-11
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2022-07-11
Also published as: JP3941613B2

Abstract

【課題】実効屈折率が温度に依存しない導波路を複雑な工程を設けることなく、簡単に製造できる構造の光導波回路よびこの光導波回路を用いた光導波回路モジュールを提供する。
【解決手段】本発明の光導波回路１０は、コア材１１ｂの屈折率の温度係数とクラッド材１１ｃの屈折率の温度係数は互いに符号が異なる材料からなるコア材１１ｂとクラッド材１１ｃを組み合わせている。屈折率の温度係数の符号が互いに異なるコア材１１ａとクラッド材１１ｃを用いて光導波回路を形成した場合、光導波路の幅が広くなるにしたがって光導波路の伝搬定数の温度係数が負から正の方向に移動して、ある幅のところで伝搬定数の温度係数が０になる。これにより、実効屈折率が温度に依存しない光導波回路を簡単に得ることができる。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、周囲がクラッド材で被覆されて該クラッド材よりも屈折率が大きいコア材からなる長さの異なる複数の導波路を備えた光導波回路、およびこれらの複数の導波路をシリコン基板上に備えた光導波回路モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インターネットの急速な発展に伴って、大容量のデータ（情報）を高速に伝送する必要性が益々増大している。そこで、既に敷設されている光ファイバー網を使用してデータ（情報）を伝送すると、データ（情報）の高速伝送が可能になることから、ここ数年において、光ファイバー網の利用が急激に増加するようになった。この場合、１本の光ファイバに異なる波長の光を通してチャネルを多重化する、いわゆるＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：波長分割多重）あるいはＤＷＤＭ（Ｄｅｎｓｅ　Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：高密度波長分割多重）等の広帯域の光ネットワーク技術を利用することにより、大容量のデータを双方向で高速伝送することが可能になる。
【０００３】
ところで、この種のＷＤＭやＤＷＤＭ等の光ネットワーク技術においては、それぞれの波長を分割、統合するための合分波デバイス（波長フィルタ）が極めて重要となる。そこで、ＩｎＰまたは石英などの基板上に石英系のクラッドとコアを堆積し、光導波路を集積化したＰＬＣ（Ｐｌａｎａｒ　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）の一種であるアレイ導波路回析格子（ＡＷＧ：Ａｒｒａｙｅｄ　Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ　Ｇｒａｔｉｎｇ；以下では単にＡＷＧという）が用いられるようになった。このＡＷＧは、多チャンネルの波長の合分波を一括して行うことができ、かつチャンネル数や波長間隔に対する設計の自由度が大きく、量産化、小型化、信頼性の面で優れていることから、今後の多チャンネルのＷＤＭやＤＷＤＭシステムにおいて活躍が期待されるキーデバイスである。
【０００４】
この種のＡＷＧ４０は、例えば図８に示すように、入射導波路４２、入射側スラブ導波路４３、アレイ導波路４４、出射側スラブ導波路４５、出射導波路４６からなる導波回路が基板４１上に形成されて構成されるものである。そして、石英系ガラス膜の基板上への堆積、フォトリソグラフィー、エッチング技術による導波路パターンの形成といった微細加工技術を用いて作製されるものである。ここで、このようなＡＷＧ４０が波長分波器として使用される場合の分波の仕組みついて以下に説明する。
【０００５】
まず、図８に示すように、複数の波長λ_１〜λ_ｎが多重化された波長多重光が入射導波路４２に入射されると、入射側スラブ導波路４３で回折されて拡がってアレイ導波路４４に入射する。アレイ導波路４４は入射側スラブ導波路４３から導出された光を伝搬する複数の併設された光導波路であり、隣接する導波路はある一定の光路長差ΔＬをもって配列されている。このため、アレイ導波路４４の出力端では各導波路を伝搬した光はΔＬに相当する分だけ位相にずれが生じる。通常、アレイ導波路４４は、例えば１００本といったように多数の導波路よりなるが、図８においては簡略化のために本数を減らして示している。
【０００６】
そして、アレイ導波路４４を通過した光は出射側スラブ導波路４５に到達し、回折により広がるが、それぞれの導波路を通過した光は互いに干渉し、結果的に全体として波面の揃う方向に回折することとなる。ここで、波面の揃う方向である回折角は波長に依存することから、異なる波長の光はそれぞれ別の方向に回折されることになる。このため、波長の異なる光が出射側スラブ導波路４５の出射導波路４６側で集光する位置は互いに異なり、それぞれの位置に出射導波路４６を配設することにより、波長の異なった光を各波長毎に異なる出射導波路４６から出力できる。即ち、波長λ_１〜λ_ｎの光を別々に取り出すことが可能となる。
【０００７】
以上においては、波長分波器として機能する場合のＡＷＧ４０の仕組みについて説明したが、同一のＡＷＧ４０を用いて波長合波器として使用することも可能である。この場合、波長分波器として使用するときの出射導波路４６から各々の波長の光を入射すると、波長分波器として使用するときの入射導波路４２から、これらの光が一括して出力されることとなる。
【０００８】
ところで、この種のＡＷＧ回路はアレイ導波路の光路長および光路長差を利用した回折格子であるので、アレイ導波路の隣り合う導波路の光路長差ΔＬは精密に制御される必要がある。しかしながら、実際には、温度変化による導波路材料の屈折率の変化や基板および導波路の熱膨張、収縮が存在するため、温度によって光路長が変化し、光路長差ΔＬも変化する。この結果、出射側スラブ導波路の出射導波路側における焦点位置が変化し、出射導波路に入射する光の波長が変化することになる。
【０００９】
例えば、石英ガラスの屈折率の温度依存特性（温度係数）は８×１０^−６／℃、シリコン基板の線膨張係数は３×１０^−６／℃であるから、中心波長の変化はλ＝１．５５μｍ帯では約０．０１３ｎｍ／℃となる。このような温度特性を安定化させるための一つの方法として、高精度な温度制御装置を素子に付加するという方法もあるが、この方法ではデバイスの低コスト化、小型化の障害になり、さらに装置全体の信頼性を低下させることにもつながる。
【００１０】
この問題を解決するためには、デバイス自体の温度依存性を解消することが必要になる。そこで、温度無依存波長合分波器が、例えばＷＯ９８／３６２９９号公報において提案されるようになった。このＷＯ９８／３６２９９号公報において提案された温度無依存波長合分波器においては、導波路の上部クラッドとコアを除去した溝、または上部クラッドとコアと下部クラッドを除去した溝に、導波路の実効屈折率と温度係数と異なる符号の異なる屈折率温度係数を有する材料（シリコーン樹脂）を充填するようにしている。これにより、温度無依存波長合分波器を得ることができるようになる。
【００１１】
また、特開２０００−１２１８５０号公報においては、コアおよびクラッドの一方または両方の一箇所または複数箇所を、特定の温度領域で吸熱域を示すポリオレフィン系材料を充填した温度補償型光導波路部品が提案されている。この特開２０００−１２１８５０号公報において提案された温度補償型光導波路部品においては、コアおよびクラッドの一方または両方に充填された特定の温度領域で吸熱域を示すポリオレフィン系材料により、大きな負の屈折率温度変化率が調整されるようになる。
【００１２】
さらに、特開２０００−３５２６３３号公報においては、コアおよびクラッドで構成される光導波路のコアおよびクラッドを形成する基板材料として、負の線膨張係数を有する材料を用いた光導波路が提案されている。この特開２０００−３５２６３３号公報において提案された光導波路においては、基板材料の負の線膨張係数の歪みの効果で光導波路の屈折率の温度変化をなくすようになされている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したＷＯ９８／３６２９９号公報において提案された温度無依存波長合分波器においては、上部クラッドとコアを除去した溝、または上部クラッドとコアと下部クラッドを除去した溝を形成し、これらの溝に導波路の実効屈折率と温度係数と異なる符号の異なる屈折率温度係数を有する材料（シリコーン樹脂）を充填する必要がある。このため、溝内に充填されたシリコーン樹脂により光の損失が大きくなるという問題を生じた。また、上部クラッドとコアを除去した溝、または上部クラッドとコアと下部クラッドを除去した溝を形成する必要がある。このため、その製造が複雑で工程数も増加するため、得られた波長合分波器が高価になるという問題も生じた。
【００１４】
また、特開２０００−１２１８５０号公報において提案された温度補償型光導波路部品においては、コアおよびクラッドの一方または両方の一箇所または複数箇所にポリオレフィン系材料を充填する工程が必要になる。このため、ポリオレフィン系材料により光の損失が大きくなるとともに、その製造工程も増大することにより、得られた温度補償型光導波路部品が高価になるという問題も生じた。
【００１５】
更に、特開２０００−３５２６３３号公報において提案された光導波路においては、負の線膨張係数を有する基板とするために、線膨張係数が光導波路材料に近いか等しい基板上に光導波路を形成した後、負の線膨張係数を有する材料からなる基板を当初の基板の反対側に接着し、その後、当初の基板をエッチングなどにより除去するようにしている。このため、その製造が複雑で製造工程数も増加して簡単には製造できないという問題を生じた。
【００１６】
本発明は上述したような問題点を解消するためになされものであって、実効屈折率が温度に依存しない光導波回路を複雑な工程を設けることなく、簡単に製造できる構造の光導波回路よびこの光導波回路を用いた光導波回路モジュールを提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記の如き目的を達成するため、本発明の光導波回路は、コア材の屈折率の温度係数とクラッド材の屈折率の温度係数が互いに符号が異なる材料からなるコア材とクラッド材を組み合わせている。あるいは、コア材の周囲を覆うクラッド材は該コア材の一面を覆う第１のクラッド材と該コア材の一面を除く他面を覆う第２のクラッド材からなる２種類の材料から構成されていて、コア材の屈折率の温度係数と第２のクラッド材の屈折率の温度係数が互いに符号が異なるようにしている。
【００１８】
ここで、屈折率の温度係数の符号が互いに異なるコア材とクラッド材（あるいは、コア材と第２のクラッド材）とを用いて光導波回路を形成した場合、コア材の厚みを一定にして導波路の幅を変化させると、例えば、図３，図４あるいは図７に示すように、光導波路の幅が広くなるにしたがって光導波路の伝搬定数の温度係数（α）が負から正の方向に移動して、ある幅のところで伝搬定数の温度係数（α）が０になることが明らかになった。これは、導波路を伝搬する光は主にコア内に束縛されているが、一部はクラッドに染み出している。この染み出しの具合がコア幅によって異なるため、ある特定のコア幅のときにコアの屈折率の温度係数がクラッドの屈折率の温度係数によりキャンセルされることとなって、伝搬定数の温度係数（α）が０になったと考えられる。
【００１９】
即ち、屈折率の温度係数の符号が互いに異なるコア材とクラッド材（あるいは、コア材と第２のクラッド材）とを用いて光導波回路を形成した場合に、コア材の厚みを一定にして導波路の幅を調整することにより、光導波路の伝搬定数の温度係数（α）が０、即ち、温度無依存性の光導波回路が得られることとなる。この場合、コア材としては屈折率の温度係数が正のセラミック材料を用い、クラッド材としては屈折率の温度係数が負の合成樹脂材料を用いるのが望ましい。また、コア材としては屈折率の温度係数が正のセラミック材料で、第１のクラッド材としてはコア材と同様に屈折率の温度係数が正のセラミック材料で、第２のクラッド材としては屈折率の温度係数が負の合成樹脂材料であるのが望ましい。
【００２０】
そして、セラミック材料としては、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）にゲルマニュウム（Ｇｅ）をドープした材料（屈折率が１．４９で、屈折率の温度係数が８×１０^−６／℃のもの）、あるいは二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）（屈折率が１．４９で、屈折率の温度係数が８×１０^−６／℃のもの）を用いるのが好ましい。また、合成樹脂材料としてはセルロースとフェノールの混合体（屈折率が１．４６で、屈折率の温度係数が−３×１０^−４／℃のもの）、ポリイミド樹脂（屈折率が１．４０で、屈折率の温度係数が−１．５×１０^−４／℃のもの）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）（屈折率が１．４８で、屈折率の温度係数が−１．１×１０^−４／℃のもの）、シリコン樹脂（屈折率が１．４７で、屈折率の温度係数が−７．７×１０^−４／℃のもの）等の合成樹脂材料から選択して用いるのが好ましい。
【００２１】
一方、本発明の光導波回路モジュールにおいては、第１基板上にコア材の屈折率の温度係数とクラッド材の屈折率の温度係数が互いに符号が異なる材料からなるコア材とクラッド材を組み合わせて形成されたＴＥ波（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｍｏｄｅ：横電場）用光導波回路と、第２基板上にコア材の屈折率の温度係数とクラッド材の屈折率の温度係数は互いに符号が異なる材料からなるコア材とクラッド材を組み合わせて形成されたＴＭ波（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｍｏｄｅ：横磁場）用光導波回路とを備えるようにしている。
【００２２】
また、本発明の光導波回路モジュールにおいては、コア材の周囲を覆うクラッド材は該コア材の一面を覆う第１のクラッド材と該コア材の一面を除く他面を覆う第２のクラッド材からなる２種類の材料から構成されていて、コア材の屈折率の温度係数と第２のクラッド材の屈折率の温度係数は互いに符号が異なる材料を組み合わせて第１基板上に形成されたＴＥ波用光導波回路と、コア材の周囲を覆うクラッド材は該コア材の一面を覆う第１のクラッド材と該コア材の一面を除く他面を覆う第２のクラッド材からなる２種類の材料から構成されていて、コア材の屈折率の温度係数と第２のクラッド材の屈折率の温度係数は互いに符号が異なる材料を組み合わせて第２基板上に形成されたＴＭ波用光導波回路とを備えるようにしている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
ついで、本発明の一実施の形態を図１〜図５に基づいて説明する。なお、図１は本発明の光導波回路を備えた光導波回路モジュールを模式的に示す図であり、図１（ａ）は上面図であり、図１（ｂ）は正面図である。図２は本発明の光導波回路を作製する工程を模式的に示す断面図である。また、図３はコアの厚みが３μｍの場合のアレイ導波路の幅（μｍ）と伝搬定数の温度係数（α）の関係を示す図である。図４はコアの厚みが４μｍの場合のアレイ導波路の幅（μｍ）と伝搬定数の温度係数（α）の関係を示す図である。図５は本発明のＡＷＧにＴＥ波を導入した場合の出射端中央部での光の透過率スペクトルを示す図である。
【００２４】
１．光導波回路モジュール
本実施の形態の光導波回路モジュールは、図１に示すように、ＴＥ波（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｍｏｄｅ：横電場）用光導波回路１０と、ＴＭ波（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　Ｍａｇｎｅｔｉｃｍｏｄｅ：横磁場）用光導波回路２０とから構成される。ＴＥ波用光導波回路１０はシリコン基板１１を備えていて、シリコン基板１１上に入射導波路１２、入射側スラブ導波路１３、アレイ導波路１４、出射側スラブ導波路１５および出射導波路１６がコア材の周囲がクラッド材により被覆されることにより形成されている。一方、ＴＭ波用光導波回路２０は、シリコン基板２１を備えていて、ＴＥ波用光導波回路１０と同様に、シリコン基板２１上に入射導波路、入射側スラブ導波路、アレイ導波路、出射側スラブ導波路および出射導波路がコア材の周囲がクラッド材により被覆されることにより形成されている。
【００２５】
ここで、ＴＥ波用光導波回路１０およびＴＭ波用光導波回路２０の光の入射側には、入射側光ファイバ３０と、入射側光ファイバ３０の前方に配置される偏光ビームスプリッタ３１と、偏光ビームスプリッタ３１の前後に配置されるレンズ３１ａ，３１ｂと、偏光ビームスプリッタ３１の下方に配置されるミラー３２と、ミラー３２の前方に配置されるレンズ３１ｃとが配設されている。なお、偏光ビームスプリッタ３１はＴＥ波とＴＭ波の偏光成分に分離して、ＴＥ波は透過させるとともにＴＭ波を反射させて、進路を９０°回転させるものである。
【００２６】
このため、入射側光ファイバ３０からの出射された光がレンズ３１ａにより集光されて偏光ビームスプリッタ３１に入射すると、この偏光ビームスプリッタ３１により、ＴＥ波とＴＭ波の偏光成分に分離されて、ＴＥ波は透過してレンズ３１ｂを通してＴＥ波用光導波回路１０の入射導波路１２に入射する。また、偏光ビームスプリッタ３１により分離されたＴＭ波は進路を９０°回転させられた後、ミラー３２にて方向が９０°反射され、ＴＥ波と平行光線となってレンズ３１ｃを通してＴＭ波用光導波回路２０の入射導波路に入射する。
【００２７】
一方、ＴＥ波用光導波回路１０およびＴＭ波用光導波回路２０の光の出射側には、偏光ビームスプリッタ３３と、偏光ビームスプリッタ３３の前後に配置されるレンズアレイ３３ａ，３３ｂと、偏光ビームスプリッタ３３の下方に配置されるミラー３４と、ミラー３４の前方に配置されるレンズアレイ３３ｃと、偏光ビームスプリッタ３３の前方に配置される出射側ファイバーアレイ３５とが配設されている。なお、偏光ビームスプリッタ３３はこの偏光ビームスプリッタ３３に入射したＴＥ波とＴＭ波とを合波するものである。
【００２８】
このため、ＴＭ波用光導波回路２０の出射導波路から出射されたＴＭ波は、レンズアレイ３３ｃを通してミラー３４に入射し、進路を９０°回転させられた後、偏光ビームスプリッタ３３に入射する。また、ＴＥ波用光導波回路１０の出射導波路１６から出射されたＴＥ波はレンズアレイ３３ａを通して偏光ビームスプリッタ３３に入射する。そして、偏光ビームスプリッタ３３に入射したＴＥ波とＴＭ波はここで合波された後、レンズアレイ３３ｂにより出射側ファイバーアレイ３５に集光される。
【００２９】
このように構成される光導波回路モジュールにおいて、まず、複数の波長λ_１〜λ_ｎが多重化された波長多重光が入射側光ファイバ３０から出射すると、レンズ３１ａを介して偏光ビームスプリッタ３１に入射する。すると、偏光ビームスプリッタ３１により、波長がλ_１〜λ_ｎの光をＴＥ波とＴＭ波に分離して、ＴＥ波は偏光ビームスプリッタ３１を透過してレンズ３１ｂに入射し、ＴＥ波用光導波回路１０の入射導波路１２に入射する。一方、偏光ビームスプリッタ３１により９０°反射されたＴＭ波は、ミラー３２により９０°反射されてレンズ３１ｃに入射し、ＴＭ波用光導波回路２０の入射導波路に入射する。
【００３０】
複数の波長λ_１〜λ_ｎが多重化された波長多重光のＴＥ波がＴＥ波用光導波回路１０の入射導波路１２に入射すると、入射側スラブ導波路１３で回折されて拡がってアレイ導波路１４に入射する。アレイ導波路１４の出力端では各導波路を伝搬した光は光路長差ΔＬ（約７５μｍ）に相当する分だけ位相にずれが生じて、出射側スラブ導波路１５に到達し、回折により広がるが、それぞれの導波路を通過した光は互いに干渉し、結果的に全体として波面の揃う方向に回折することとなる。
【００３１】
このため、波長の異なる光が出射側スラブ導波路１５の出射導波路側で集光する位置は互いに異なり、それぞれの位置に出射導波路１６を配設することにより、波長の異なったＴＥ波は各波長毎に異なる出射導波路１６から出力されることとなる。一方、ＴＭ波用光導波回路２０においてもＴＥ波用光導波回路１０と同様にして、波長の異なったＴＭ波は各波長毎に異なるＴＭ波用光導波回路２０の出射導波路から出力されることとなる。そして、これらのＴＥ波とＴＭ波は偏光ビームスプリッタ３３で合波されて、波長λ_１〜λ_ｎの光を別々に出射側ファイバーアレイ３５から取り出されることとなる。
【００３２】
２．光導波回路の作製
ついで、上述のような構成となるＴＥ波用光導波回路１０あるいはＴＭ波用光導波回路２０の作製方法について以下に説明するが、ＴＭ波用光導波回路２０においてはＴＥ波用光導波回路１０と同様に作製されるので、ここではＴＥ波用光導波回路１０の作製方法のみを図２に基づいて以下に説明する。
【００３３】
まず、図２（ａ）に示すように、シリコンウェハ（シリコン基板）１１を用意し、このシリコン基板１１を空気中で９５０℃に加熱して、図２（ｂ）に示すように、シリコン基板１１の表面を熱酸化して、厚みが約１μｍの二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）層１１ａを形成した。なお、この二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）層１１ａは屈折率が１．４６で、屈折率の温度係数は＋８×１０^−６／℃の下クラッドとなる。この後、この基板１１を蒸着槽内に配置して、ゲルマニウム（Ｇｅ）をドープした二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）（ＳｉＯ_２に対して２０質量％のＧｅＯ_２を添加したもの）を電子ビーム蒸着で所定の厚み（ｔμｍ）になるまで蒸着した。
【００３４】
これにより、図２（ｃ）に示すように、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）層１１ａの上にＧｅドープのＳｉＯ_２の蒸着層１１ｂが形成される。このＧｅドープのＳｉＯ_２の蒸着層１１ｂは屈折率が１．４９で屈折率の温度係数は＋８×１０^−６／℃のコアとなる。ここで、ＧｅドープのＳｉＯ_２の蒸着時間を調整して、この蒸着層１１ｂの厚み（コアの厚みｔ）が３μｍになるものａと、４μｍになるものｂとをそれぞれ作製した。ついで、形成されたＧｅドープのＳｉＯ_２の蒸着層１１ｂを、図１に示すように、入射導波路１２と、入射側スラブ導波路１３と、アレイ導波路１４と、出射側スラブ導波路１５と、出射導波路１６とが形成されるようにパターンニングして、図２（ｄ）に示すような各導波路１１ｂを形成した。
【００３５】
このとき、アレイ導波路１４の相隣接する導波路間の光路長差ΔＬが約７５μｍになるようにするとともに、各導波路の幅（Ｌ）が３．０μｍ、３．２μｍ、３．４μｍ、３．６μｍ、３．８μｍ、４．０μｍになるように調製した。ここで、コアの厚みが３μｍでアレイ導波路１４の幅（Ｌ）が３．０μｍのものをａ１とした。同様に、Ｌが３．２μｍのものをａ２とし、Ｌが３．４μｍのものをａ３とし、Ｌが３．６μｍのものをａ４とし、Ｌが３．８μｍのものをａ５とし、Ｌが４．０μｍのものをａ６とした。
【００３６】
また、コアの厚みが４μｍでアレイ導波路１４の幅（Ｌ）が３．０μｍのものをｂ１とした。同様に、Ｌが３．２μｍのものをｂ２とし、Ｌが３．４μｍのものをｂ３とし、Ｌが３．６μｍのものをｂ４とし、Ｌが３．８μｍのものをｂ５とし、Ｌが４．０μｍのものをｂ６とした。ついで、これらの基板１１上にセルロースとフェノールとの混合体１１ｃを塗布した後、真空中で３時間の焼成を行った。これにより、図２（ｅ）に示すように、各導波路１１ｂを覆うように、セルロースとフェノールとの混合体１１ｃからなる屈折率が１．４６で屈折率の温度係数が−３×１０^−４／℃の上クラッドが形成されることとなる。
【００３７】
これにより、シリコン基板１１上に二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）層１１ａからなる屈折率が１．４６で屈折率の温度係数が＋８×１０^−６／℃の下クラッドが形成され、この下クラッド１１ａの上に、ＧｅドープのＳｉＯ_２の蒸着層１１ｂからなる厚みが３μｍあるいは４μｍで、アレイ導波路１４の幅（Ｌ）が３．０μｍ、３．２μｍ、３．４μｍ、３．６μｍ、３．８μｍ、４．０μｍのいずれかで、屈折率が１．４９で屈折率の温度係数が＋８×１０^−６／℃のコア１１ｂが形成され、これらのコアの下面を除く周囲がセルロースとフェノールとの混合体からなる屈折率が１．４６で屈折率の温度係数が−３×１０^−４／℃の上クラッド１１ｃが形成されることとなる。
【００３８】
３．光導波回路の伝搬定数の温度係数の測定
ここで、上述のように作製された各光導波回路ａ１〜ａ６（コアの厚みｔが３μｍのもの）にそれぞれＴＥ波（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｍｏｄｅ：横電場）およびＴＭ波（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｍｏｄｅ：横磁場）を伝搬させた場合の伝搬定数の温度係数（α）を測定すると、下記の表１に示すような結果が得られた。同様に、各光導波回路ｂ１〜ｂ６（コアの厚みｔが４μｍのもの）にそれぞれＴＥ波およびＴＭ波を伝搬させた場合の伝搬定数の温度係数（α）を測定すると、下記の表２に示すような結果が得られた。
【００３９】
【表１】

【００４０】
【表２】

【００４１】
そして、表１の結果からアレイ導波路１４の幅（Ｌμｍ）を横軸とし、伝搬定数の温度係数（α）を縦軸としてグラフに表すと、図３に示すような結果が得られた。また、表２の結果からアレイ導波路１４の幅（Ｌμｍ）を横軸とし、伝搬定数の温度係数（α）を縦軸としてグラフに表すと、図４に示すような結果が得られた。
【００４２】
図３および図４の結果から明らかなように、導波路の幅が広くなるにしたがって伝搬定数の温度係数（α）が負から正の方向に移動し、ある幅のところで伝搬定数の温度係数（α）が０になることが分かる。例えば、図３においては、コアの厚みｔが３μｍのＴＥ波用光導波回路１０においては、アレイ導波路１４の幅（Ｌ）が約３．７１μｍのときに伝搬定数の温度係数（α）が０になり、ＴＭ波用光導波回路２０においては、アレイ導波路１４の幅（Ｌ）が約３．６１μｍのときに伝搬定数の温度係数（α）が０になることが分かる。一方、図４においては、コアの厚みｔが４μｍのＴＥ波用光導波回路１０においては、アレイ導波路１４の幅（Ｌ）が約３．４５μｍのときに伝搬定数の温度係数（α）が０になり、ＴＭ波用光導波回路２０においては、アレイ導波路１４の幅（Ｌ）が約３．３１μｍのときに伝搬定数の温度係数（α）が０になることが分かる。
【００４３】
このことから、シリコン基板１１上に、ＧｅドープのＳｉＯの蒸着層１１ｂからなる所定厚みで所定のアレイ導波路１４の幅（Ｌ）を有する屈折率が１．４９で屈折率の温度係数が＋８×１０^−６／℃のコア１１ｂの下面を、屈折率が１．４６で屈折率の温度係数が＋８×１０^−６／℃の二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）層１１ａからなる下クラッドを配置し、このコアの周囲をセルロースとフェノールとの混合体からなる屈折率が１．４６で屈折率の温度係数が−３×１０^−４／℃の上クラッド１１ｃで被覆した光導波路を形成するとともに、コアの厚みｔとアレイ導波路１４の幅（Ｌ）とを調整することにより、伝搬定数の温度係数（α）が０、即ち、温度無依存性のＴＥ波用光導波回路１０あるいはＴＭ波用光導波回路２０が得られることが分かる。
【００４４】
４．透過率スペクトルの測定
そこで、上述と同様にして、アレイ導波路１４の相隣接する導波路間の光路長差ΔＬが約７５μｍになるようにするとともに、各導波路の厚み（コアの高さ）が３μｍで幅（Ｌ）が３．７μｍになるようなＴＥ波用光導波回路を作製した。この後、このＴＥ波用光導波回路を２５℃、４０℃および６０℃の環境温度に配置して、ＴＥ波を導入した場合のＴＥ波用光導波回路の出射端での中央部の透過率スペクトルを測定すると、図５に示すような結果が得られた。図５の結果から明らかなように、環境温度が２５℃、４０℃および６０℃であっても中心波長が変化しないことが分かる。このことから、本発明の光導波回路を用いれば、環境温度が変化しても出射チャンネルが変化しないＡＷＧが得られることが分かる。
【００４５】
５．変形例
上述した実施の形態においては、下クラッド１１ａの材料を屈折率の温度係数がコアの屈折率の温度係数と同符号の二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）とし、上クラッド１１ｇの材料を屈折率の温度係数がコアの屈折率の温度係数と異符号のセルロースとフェノールとの混合体で形成する例について説明したが、下クラッド１１ａおよび上クラッド１１ｇの材料を屈折率の温度係数がコアの屈折率の温度係数と異符号のポリイミド樹脂で形成することも可能である。ついで、このような構成となる光導波回路の作製方法の変形例について、図６および図７に基づいて以下に説明する。なお、図６は本発明の変形例の光導波回路を作製する工程を模式的に示す断面図である。図７は図６の光導波回路のアレイ導波路の幅と伝搬定数の温度係数の関係を示す図である。
【００４６】
まず、図６（ａ）に示すように、シリコンウェハ（シリコン基板）１１を用意し、このシリコン基板１１の表面にポリイミド樹脂（屈折率が１．４０で、屈折率の温度係数が−１．５×１０^−４／℃のもの）を塗布した後、真空中で２００℃の温度で３時間焼成して、図６（ｂ）に示すように、シリコン基板１１の表面に厚みが約５μｍの有機膜１１ｄを形成した。なお、この有機膜１１ｄは屈折率が１．４０で、屈折率の温度係数が−１．５×１０^−４／℃の下クラッドとなる。この後、この基板１１をプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置内に配置して、図６（ｃ）に示すように、有機膜１１ｄの表面に二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）層１１ｅが所定の厚み（コアの厚みｔ）になるように成膜した。この二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）層１１ｅは屈折率が１．４９で屈折率の温度係数は＋８×１０^−６／℃のコアとなる。
【００４７】
ついで、成膜された二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）層１１ｅを、図１に示すように、入射導波路１２と、入射側スラブ導波路１３と、アレイ導波路１４と、出射側スラブ導波路１５と、出射導波路１６とが形成されるようにパターンニングして、図６（ｄ）に示すような各導波路１１ｆを形成した。このとき、アレイ導波路１４の相隣接する導波路間の光路長差ΔＬが約７５μｍになるようにするとともに、各導波路の幅（Ｌ）とコアの厚み（ｔ）が等しくなるように形成した。ここで、アレイ導波路１４の幅（Ｌ）およびコアの厚み（ｔ）が１．５μｍのものをｃ１とした。同様に、Ｌおよびｔが２．０μｍのものをｃ２とし、Ｌおよびｔが２．２μｍのものをｃ３とし、Ｌおよびｔが３．０μｍのものをｃ４とした。
【００４８】
ついで、これらの基板１１上にポリイミド樹脂（屈折率が１．４０で、屈折率の温度係数が−１．５×１０^−４／℃のもの）を塗布した後、真空中で２００℃の温度で３時間焼成して、図６（ｅ）に示すように、上クラッド層となる厚みが約１０μｍの有機膜１１ｇを形成した。これにより、シリコン基板１１上にポリイミド樹脂の有機膜１１ｄからなる屈折率が１．４０で屈折率の温度係数が−１．５×１０^−４／℃の下クラッドが形成され、この下クラッドの上に、屈折率が１．４９で屈折率の温度係数は＋８×１０^−６／℃の二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）層１１ｅからなるコアが形成され、これらのコアの周囲が下クラッドと同材質の屈折率が１．４０で屈折率の温度係数が−１．５×１０^−４／℃の上クラッドが形成されることとなる。
【００４９】
上述のように作製された各光導波回路ｃ１〜ｃ４にそれぞれＴＥ波およびＴＭ波を伝搬させて、上述と同様に伝搬定数の温度係数（α）を測定した後、アレイ導波路１４の幅（Ｌμｍ）を横軸とし、伝搬定数の温度係数（α）を縦軸としてグラフに表すと、図７に示すような結果が得られた。図７の結果から明らかなように、導波路の幅が広くなるにしたがって伝搬定数の温度係数（α）が負から正の方向に移動し、コアの厚みｔおよびアレイ導波路１４の幅Ｌが約２．１μｍのときに、ＴＥ波用光導波回路１０およびＴＭ波用光導波回路２０の伝搬定数の温度係数（α）が０になることが分かる。
【００５０】
このことから、シリコン基板１１上に、屈折率が１．４９で屈折率の温度係数は＋８×１０^−６／℃の二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）層からなるコア１１ｆの周囲を、屈折率が１．４０で屈折率の温度係数が−１．５×１０^−４／℃の屈折率が１．４６で屈折率の温度係数が−１．５×１０^−４のポリイミド樹脂からなる下クラッド１１ｄおよび上クラッド１１ｇで被覆した光導波路を形成するとともに、コアの厚みｔとアレイ導波路１４の幅（Ｌ）とを調整することにより、伝搬定数の温度係数（α）が０、即ち、温度無依存性のＴＥ波用光導波回路１０あるいはＴＭ波用光導波回路２０が得られることが分かる。
【００５１】
【発明の効果】
以上に詳述したように、本発明においては、シリコン基板１１上に、ＧｅドープのＳｉＯの蒸着層１１ｂからなる所定厚みｔで所定のアレイ導波路１４の幅Ｌを有する屈折率が１．４９で屈折率の温度係数が＋８×１０^−６／℃のコア１１ｂの下面に、屈折率が１．４６で屈折率の温度係数が＋８×１０^−６／℃の二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）層１１ａからなる下クラッドを配置し、このコアの周囲をセルロースとフェノールとの混合体からなる屈折率が１．４６で屈折率の温度係数が−３×１０^−４／℃の上クラッド１１ｃで被覆した光導波路を形成するようにしている。そして、コアの厚みｔとアレイ導波路１４の幅Ｌとを、導波路の伝搬定数の温度係数（α）が０になるように調整している。これにより、温度無依存性のＴＥ波用光導波回路１０あるいはＴＭ波用光導波回路２０が得られるようになる。
【００５２】
また、本発明の変形例においては、シリコン基板１１上に、屈折率が１．４９で屈折率の温度係数は＋８×１０^−６／℃の二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）層からなるコア１１ｆの周囲を、屈折率が１．４０で屈折率の温度係数が−１．５×１０^−４／℃のポリイミド樹脂からなる下クラッド１１ｄおよび上クラッド１１ｇで被覆した光導波路を形成するようにしている。そして、コアの厚みｔとアレイ導波路１４の幅（Ｌ）を伝搬定数の温度係数（α）が０になるように調整している。これにより、温度無依存性のＴＥ波用光導波回路１０あるいはＴＭ波用光導波回路２０が得られるようになる。
【００５３】
なお、上述した実施の形態および変形例においては、屈折率の温度係数が負の樹脂材料として、屈折率が１．４６で屈折率の温度係数が−３×１０^−４／℃のクラッド、あるいは屈折率が１．４６で屈折率の温度係数が−１．５×１０^−４／℃のクラッドを用いる例について説明したが、これらに代えて、屈折率が１．４８で屈折率の温度係数が−１．１×１０^−４／℃のポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、あるいは屈折率が１．４７で屈折率の温度係数が−７．７×１０^−４／℃のシリコン樹脂等の合成樹脂材料から選択して用いるようにしてもよい。また、上述した実施の形態および変形例においては、本発明の光導波路をＡＷＧ（Ａｒｒａｙｅｄ　Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ　Ｇｒａｔｉｎｇ）に適用する例について説明したが、本発明の光導波路は、光導波路中を伝搬する光を干渉または共振させることにより、特定の波長を共振、反射、透過または分岐する導波路型光デバイスに用いることができる。
【００５４】
例えば、２本の光導波路を波長オーダーで近接させることによって光導波路間で光パワーが移行する現象を利用した方向性結合器や、光路長の異なる２本の光導波路を導波する光に付与される位相差を利用して波長選択性を得るマッハツェンダ干渉器や、リング部を周回する光のうち共振条件（リング１周分の光路長が波長の整数倍）を満たす光のみを選択的に取り出すリング共振器や、導波路の端面部に２枚のミラー（劈開面、屈折率の異なる膜等の反射機能を有するもの）を対向させて共振器とするファブリーペロ共振器等、様々な導波路型光デバイスに用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光導波回路を備えた光導波回路モジュールを模式的に示す図であり、図１（ａ）は上面図であり、図１（ｂ）は正面図である。
【図２】本発明の光導波回路を作製する工程を模式的に示す断面図である。
【図３】コアの厚みが３μｍの場合のアレイ導波路の幅と伝搬定数の温度係数の関係を示す図である。
【図４】コアの厚みが４μｍの場合のアレイ導波路の幅と伝搬定数の温度係数の関係を示す図である。
【図５】本発明のＡＷＧにＴＥ波を導入した場合の出射端中央部での光の透過率スペクトルを示す図である。
【図６】本発明の変形例の光導波回路を作製する工程を模式的に示す断面図である。
【図７】図６の光導波回路のアレイ導波路の幅と伝搬定数の温度係数の関係を示す図である。
【図８】従来例のＡＷＧを模式的に示す正面図である。
【符号の説明】
１０…ＰＥ波用光導波回路、１１…シリコン基板、１１ａ…下クラッド、１１ｂ…コア、１１ｃ…上クラッド、１１ｄ…有機膜、１１ｆ…コア、１１ｇ…上クラッド、１２…入射導波路、１３…入射側スラブ導波路、１４…アレイ導波路、１５…出射側スラブ導波路、１６…出射導波路、２０…ＰＭ波用光導波回路、２１…シリコーン基板、３０…入射側光ファイバ、３１…偏光ビームスプリッタ、３１ａ…レンズ、３１ｂ…レンズ、３１ｃ…レンズ、３２…ミラー、３３…偏光ビームスプリッタ、３３ａ…レンズアレイ、３３ｂ…レンズアレイ、３３ｃ…レンズアレイ、３４…ミラー、３５…出射側ファイバーアレイ

Claims

周囲がクラッド材で被覆されて該クラッド材よりも屈折率が大きいコア材からなる長さの異なる複数の導波路を備えた光導波回路であって、
前記コア材の屈折率の温度係数と前記クラッド材の屈折率の温度係数は互いに符号が異なることを特徴とする光導波回路。
前記コア材はセラミック材料で、前記クラッド材は合成樹脂材料であることを特徴とする請求項１に記載の光導波回路。
周囲がクラッド材で被覆されて該クラッド材よりも屈折率が大きいコア材からなる長さの異なる複数の導波路を備えた光導波回路であって、
前記コア材の周囲を覆う前記クラッド材は該コア材の一面を覆う第１のクラッド材と該コア材の前記一面を除く他面を覆う第２のクラッド材とで構成されていて、
前記コア材の屈折率の温度係数と前記第２のクラッド材の屈折率の温度係数は互いに符号が異なることを特徴とする光導波回路。
前記コア材はセラミック材料で、前記第１のクラッド材はセラミック材料で、前記第２のクラッド材は合成樹脂材料であることを特徴とする請求項３に記載の光導波回路。
前記コア材は二酸化珪素（ＳｉＯ_２）にゲルマニュウム（Ｇｅ）がドープされた材料であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の光導波回路。
前記合成樹脂材料はセルロースとフェノールの混合体、ポリイミド樹脂、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、シリコン樹脂のいずれかから選択される合成樹脂材料であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の光導波回路。
シリコン基板上に周囲がクラッド材で被覆されて該クラッド材よりも屈折率が大きいコア材からなる長さの異なる複数の導波路を備えた光導波回路モジュールであって、
第１シリコン基板上に前記コア材の屈折率の温度係数と前記クラッド材の屈折率の温度係数は互いに符号が異なる材料からなるコア材とクラッド材を組み合わせて形成されたＴＥ波用光導波回路と、
第２シリコン基板上に前記コア材の屈折率の温度係数と前記クラッド材の屈折率の温度係数は互いに符号が異なる材料からなるコア材とクラッド材を組み合わせて形成されたＴＭ波用光導波回路とを備えたことを特徴とする光導波回路モジュール。
シリコン基板上に周囲がクラッド材で被覆されて該クラッド材よりも屈折率が大きいコア材からなる長さの異なる複数の導波路を備えた光導波回路モジュールであって、
前記コア材の周囲を覆う前記クラッド材は該コア材の一面を覆う第１のクラッド材と該コア材の前記一面を除く他面を覆う第２のクラッド材からなる２種類の材料から構成されていて、前記コア材の屈折率の温度係数と前記第２のクラッド材の屈折率の温度係数は互いに符号が異なる材料を組み合わせて第１シリコン基板上に形成されたＴＥ波用光導波回路と、
前記コア材の周囲を覆う前記クラッド材は該コア材の一面を覆う第１のクラッド材と該コア材の前記一面を除く他面を覆う第２のクラッド材からなる２種類の材料から構成されていて、前記コア材の屈折率の温度係数と前記第２のクラッド材の屈折率の温度係数は互いに符号が異なる材料を組み合わせて第２シリコン基板上に形成されたＴＭ波用光導波回路とを備えたことを特徴とする光導波回路モジュール。