JP2004295043A

JP2004295043A - 光導波路

Info

Publication number: JP2004295043A
Application number: JP2003090964A
Authority: JP
Inventors: Akira Nakamura; 明中村
Original assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2004-10-21

Abstract

【課題】光導波路の許容曲げ半径の縮小と接続損失の低減の両立を図る。
【解決手段】正方形のコア１５の上下両面に接する下部クラッド層１２及び上部クラッド層１４の組成と、コアの左右両面に接する中間クラッド層１３の組成を相違させ、水平方向の比屈折率差Δ_１と垂直方向の比屈折率差Δ_２をΔ_１＞Δ_２の関係とする。水平方向の比屈折率差Δ_１を大きく設定することにより許容曲げ半径が小径化し、垂直方向の接続損失が相対的に小さいので接続損失の増加が抑制される。また、比屈折率差を小さく設定して接続損失の減少を図る場合に、水平方向の比屈折率差Δ_１が相対的に大きいことから許容曲げ半径の大径化を抑制でき、光導波路を備える素子の小型化および低損失化に効果を奏する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光導波路に関するものであり、特に、埋込み型の光導波路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、光通信用部品に使用される光導波路の構造は、正方形のコアを有する埋込み型が主流となっている。図５は埋込み型光導波路を示し、１は基板、２は下部クラッド層、３は上部クラッド層、４はコアである。正方形のコア４の上下左右を覆う下部クラッド層２と上部クラッド層３の組成は同一であり、コア４よりも低屈折率となるように形成されていて、光ファイバ等を通してコア４の端面へ入射された光は全反射の原理によりコア４内に閉じ込められて伝搬し、もう一方の端面から光ファイバ等へ出力される。その際、光は特定のモードでのみ導波路中を伝搬し、伝搬が許容されるモードの数はコア寸法およびコアとクラッドの比屈折率差Δによって決定されるが、光通信用部品では通常一つのモードのみの伝搬が許容されるように設計する。
【０００３】
光導波路の形成工程の一例を図６にしたがって説明する。先ず、シリコン（Ｓｉ）などの基板１上に下部クラッド層２を形成し（ａ）、下部クラッド層２の上にコア層４ａを形成する（ｂ）。そして、コア層４ａの上にフォトレジスト５を塗布し（ｃ）、フォトリソグラフィによってマスクパターンを形成する（ｄ）。次に、エッチング処理によりコア層４ａの不要部分を除去してコア４を形成し（ｅ）、マスク５を除去し（ｆ）、その後にコア４の側面及び上面を覆う上部クラッド層３を形成して（ｇ）、図５に示す埋込み型単一モード光導波路ができあがる（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１２７３４８号公報（図１、図２）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
光導波路の許容曲げ半径にはコアとクラッドの比屈折率差Δが関係しており、比屈折率差Δを大きくすることでコアの許容曲げ半径を小さくできる。図７の（ａ）と（ｂ）はコア４の許容曲げ半径Ｒの大小による導波路素子寸法の違いを示し、（ａ）における比屈折率差Δよりも（ｂ）の比屈折率差Δを大きくすることによって、（ｂ）の光導波路は（ａ）の光導波路よりも全長を短縮することができて、特に多出力スプリッタや合分波器などを構成する際に有利である。
【０００６】
しかし、比屈折率差Δと接続損失は背反する関係にあり、比屈折率差Δを大きくすると、単一モード条件を満足する為にコア寸法を小さくする必要があり、その結果、図８に示すようにコア４から出力された円状のモードｂの径は光ファイバＢの径に比べ小さくなるため、接続損失が増大するという問題が生じる。また、接続損失の改善には、図９に示すようにコア４の光ファイバとの接点となる端面断面積を増大させたスポットサイズ変換機構を設けることが有効であるが、これには正方形断面のコアの端部をピラミッド形に拡大しなければならず、工作が容易ではなく製造工程が複雑になるという問題がある。
【０００７】
そこで、許容曲げ半径の小径化と接続損失の低下を両立させるために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明は上記課題を解決することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記目的を達成するために提案するものであり、正方形のコアを有する埋込み型光導波路において、コアの上下両面に接するクラッドの屈折率とコアの左右両面に接する少なくともどちらか一方のクラッドの屈折率を相違させ、水平方向の比屈折率差Δ_１と垂直方向の比屈折率差Δ_２をΔ_１＞Δ_２の関係としたことを特徴とする光導波路を提供するものである。
【０００９】
また、上記クラッドは、コアの下面に接する下部クラッド層と、コアの左右両面に接する中間クラッド層と、コアの上面に接する上部クラッド層とからなる横型三層構造である光導波路を提供するものである。
【００１０】
また、上記クラッドは、コアの左側面に接する左クラッド層と、コアの上下両面に接する中間クラッド層と、コアの右側面に接する右クラッド層とからなる縦型三層構造である光導波路を提供するものである。
【００１１】
また、上記コアの端部の横幅をテーパ形に拡大してスポットサイズ変換機構を構成した光導波路を提供するものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を図に従って詳述する。図１は、光導波路を示し、１１は例えばシリコン（Ｓｉ）材料からなる基板、１２は下部クラッド層、１３は中間クラッド層、１４は上部クラッド層、１５はコアである。本発明の特徴は、クラッドを三層構成とし、下部クラッド層１２と上部クラッド層１４の屈折率よりも中間クラッド層１３の屈折率を低くしていることにある。つまり、コア１５の屈折率をｎ_１、下部クラッド層１２と上部クラッド層１４の屈折率をｎ_２、中間クラッド層１４の屈折率をｎ_３とすると、ｎ_１＞ｎ_２＞ｎ_３の関係にあり、コア１５と中間クラッド層１４の比屈折率差をΔ_１（（ｎ_１ ^２−ｎ_２ ^２）／２ｎ_１ ^２）コア１５と下部クラッド層１２ならびに上部クラッド層１４の比屈折率差をΔ_２（（ｎ_２ ^２−ｎ_３ ^２）／２ｎ_２ ^２）とするとΔ_１＞Δ_２の関係となる。
【００１３】
すなわち、湾曲パターンのコアを配置する場合に、コアは基板面に対して水平にカーブする形状とするので、基板と平行な水平方向の比屈折率差Δ_１を垂直方向の比屈折率差Δ_２よりも大きくすることによって、クラッドの組成が均一な従来の光導波路よりも水平面上の許容曲げ半径をより小さくすることができる。また、垂直方向の比屈折率差Δ_２はΔ_１より相対的に小さいことから、図１（ｄ）に示すようにコア１５から出力されたモードａは、従来のモードｂに比べ縦方向に伸びた楕円状であるため光ファイバ等との接続損失の増加を抑制することができ、従来は両立させることが困難であった許容曲げ半径の小径化と接続損失の低下を達成できる。
【００１４】
次に、光導波路の形成工程の一例を図２にしたがって説明する。エッチングによるコア層形成工程（ｅ）及びフォトレジスト除去工程（ｆ）までは、従来例として述べた工程と同一であり、まず例えばシリコン材料からなる基板１１上に下部クラッド層１２を形成し（ａ）、下部クラッド層１２上にコア層１５ａを形成する（ｂ）。次に、コア層１５ａ上にマスク１６を塗布し（ｃ）、フォトリソグラフィ、及びエッチング処理によりコアパターンを形成する（ｄ）。そして、エッチングによりコア層１５ａの不要部分を除去してコア１５を形成し（ｅ）、不要なマスクを除去する（ｆ）。
【００１５】
次に、下部クラッド層１２の材料よりも光屈折率の低い材料で中間クラッド層１３を形成して、中間クラッド層１３とコア層１５の上面が揃うように平滑化し（ｇ）、その上に下部クラッド層１２と同一組成の材料により上部クラッド層１４を形成して光導波路ができあがる（ｈ）。
【００１６】
尚、基板１１にＳｉウェーハを用い、クラッドとコアに石英（ＳｉＯ２）（ドーパント濃度の差によって屈折率を相違させる）を用いて、ＦＨＤ法（ＦｌａｍｅＨｙｄｒｏｌｙｓｉｓＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：火炎堆積法）によってクラッドとコアを形成する手法が一般的であるが、アルミナ基板やジルコニア基板なども用いることができ、ＦＨＤ法以外にプラズマＣＶＤ法や電子ビーム蒸着法などによる形成方法も知られている。また、基板やクラッドとコアにポリイミドなどのポリマー樹脂を用いることもでき、材料や形成方法については限定するものではない。
【００１７】
図３は、スポットサイズ変換機構を設けた光導波路を示し、コア１５の端部の横幅がテーパ形に拡大する形状とすることによりスポットサイズを変換する。本発明の光導波路の構造は、下部クラッド層１２ならびに上部クラッド層１４とコア１５との比屈折率差Δ_２が、中間クラッド層１３とコア１５との比屈折率差Δ_１よりも小さく、基板１１に対して垂直方向の接続損失が小さいので、コア１５の平面形状のみをテーパ形として水平方向の接続損失を減少すれば、図３（ｄ）に示すようにスポットサイズが拡大したモードＣとなって全体としての接続損失が減少し、コア１５の端部をピラミッド型のように三次元テーパ形としなくてもよい。したがって、図２（ｄ）（ｅ）のフォトリソグラフィ工程及びエッチング工程によって図示の平面テーパ形状に形成することができるので、図１の光導波路とコア形成工程は同じであり、形状変更によって工程が複雑化することはなく、スポットサイズ変換機構を設けるにあたって製作が容易である。
【００１８】
図４は他の実施形態を示し、２１は基板であり、クラッドは左クラッド層２２と右クラッド層２３と、左右のクラッド層に挟まれた中間クラッド層２４の縦型三層構造となっていて、コア２５の左右側面に接する左クラッド層２２と右クラッド層２３の比屈折率差Δを大きくしてコア２５の水平方向の許容曲げ半径を小径化しており、中間クラッド層２４の比屈折率差Δを小さく形成することによって垂直方向の接続損失を減少させており、図１の光導波路と同様に接続損失と許容曲げ半径の減少を両立させている。
【００１９】
この場合の作成工程の一例を以下に述べる。先ず基板２１上に比屈折率差Δが小さい原料によって十分な厚さのクラッド層を形成し、クラッド層の左右中間部をエッチングにより除去して左クラッド層２２と右クラッド層２３を形成する。そして、左クラッド層２２と右クラッド層２３の間に、より比屈折率差Δが大きい原料によって下部中間クラッド層２４ａを形成し、下部中間クラッド層２４ａの上に高屈折率の原料によってコア２５を形成し、その上に下部中間クラッド層２４ａと同一原料によって上部中間クラッド層２４ｂを形成する。また、ポリマー樹脂とスタンパーを用いた型押し成形法によれば、エッチングによらずに左クラッド層２２と右クラッド層２３を形成できて、より製造が容易である。
【００２０】
尚、この発明は上記の実施形態に限定するものではなく、この発明の技術的範囲内において種々の改変が可能であり、この発明がそれらの改変されたものに及ぶことは当然である。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の光導波路は、水平方向の比屈折率差と垂直方向の比屈折率差とを相違させ、水平方向の比屈折率差Δ_１と垂直方向の比屈折率差Δ_２をΔ_１＞Δ_２の関係としたので、比屈折率差を大きく設定して許容曲げ半径の小径化を図る場合に、Δ_１よりもΔ_２が小さいことから接続損失の増加を抑制できる。また、比屈折率差を小さく設定して接続損失の減少を図る場合に、水平方向の比屈折率差Δ_１が相対的に大きいことから許容曲げ半径の大径化を抑制でき、光導波路を備える素子の小型化および低損失化に効果を奏する。
【００２２】
また、垂直方向の接続損失が相対的に小さいため、スポットサイズ変換機構を構成する場合に水平方向の接続損失低減のみを考慮すればよく、コアの横幅のみをテーパ形に拡大した構造で有効性を確保できる。このような平面テーパ形状のコアは、通常のフォトリソグラフィ及びエッチングによるコア形成工程で容易に形成できて特別な追加工程を必要としないので、低損失で小型の光導波路素子を簡単に作製できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光導波路の構造を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ線断面図、（ｄ）は光導波路の出力モードを示す解説図である。
【図２】（ａ）乃至（ｈ）は図１の光導波路の作成工程図である。
【図３】光導波路の他の実施形態の構造を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ線断面図、（ｄ）は光導波路の出力モードを示す解説図である。
【図４】光導波路の他の実施形態の構造を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図５】従来の光導波路の構造を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図６】（ａ）乃至（ｇ）は図５の光導波路の作成工程図である。
【図７】（ａ）（ｂ）は光導波路のコアパターンの形状例を示す解説図である。
【図８】光導波路の出力モードと光ファイバの接続損失を示す解説図である。
【図９】スポットサイズ変換機構を示す斜視図である。
【符号の説明】
１１シリコン基板
１２下部クラッド層
１３中間クラッド層
１４上部クラッド層
１５コア
２１シリコン基板
２２左クラッド層
２３右クラッド層
２４中間クラッド層
２５コア

Claims

正方形のコアを有する埋込み型光導波路において、コアの上下両面に接するクラッドの屈折率とコアの左右両面に接する少なくともどちらか一方のクラッドの屈折率を相違させ、水平方向の比屈折率差Δ_１と垂直方向の比屈折率差Δ_２をΔ_１＞Δ_２の関係としたことを特徴とする光導波路。
上記クラッドは、コアの下面に接する下部クラッド層と、コアの左右両面に接する中間クラッド層と、コアの上面に接する上部クラッド層とからなる横型三層構造である請求項１記載の光導波路。
上記クラッドは、コアの左側面に接する左クラッド層と、コアの上下両面に接する中間クラッド層と、コアの右側面に接する右クラッド層とからなる縦型三層構造である請求項１記載の光導波路。
上記コアの端部の横幅をテーパ形に拡大してスポットサイズ変換機構を構成した請求項１または２記載の光導波路。