JP2008008970A - 光導波路装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コアから漏れた光が再びコアに入射して再結合することを抑えることができる光導波路装置を提供する。
【解決手段】この平面光導波路装置１は、シリコン基板２と、シリコン基板２の一方の面に成膜された下部クラッド層３と、下部クラッド層３上にパターニングされたコアパターン４と、下部クラッド層３上においてコアパターン４から離れた状態でコアパターン４の両側に沿ってパターニングされた帯部５と、コアパターン４と帯部５の間を埋めるようにしてコアパターン４及び帯部５を被覆するとともに帯部５の外側で下部クラッド層３上に成膜された上部クラッド層６と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信等に用いられる光導波路装置に関する。

平面光導波路装置は、基板と、基板上に形成された下部クラッド層と、下部クラッド層上に形成されたコアと、コアを被覆した上部クラッド層と、を備える。コアの屈折率は上部クラッド層及び下部クラッド層の屈折率よりも高く、コア中に光が閉じ込められて伝播する（例えば、特許文献１参照）。

コアとしては、幾つかの分岐点で二股に分かれるようにパターニングされたものがある。例えば、図９に示された平面光導波路装置では、コアパターン２０４が７箇所の分岐点で二股に分岐し、１つの入力ポート２１１に対して８つの出力ポート２１２〜２１９がある。コアパターン２０４の両側には帯状のクラッド２０６がコアパターン２０４に沿うように形成されている。このクラッド２０６は上部クラッド層の一部である。つまり、コアパターン２０４の形成に際しては、下部クラッド層上に成膜されたべた一面の高屈折率膜（コアパターン２０４の元となる膜である。）を形状加工することによってコアパターン２０４に沿った溝を形成するとともコアパターン２０４を形成し、その上から上部クラッド層を成膜するとその溝に上部クラッド層の一部が埋まって、帯状のクラッド２０６が形成される。そのため、帯状のクラッド２０６の外側には、島状の高屈折率部２１０が残留する。

図９に示された平面光導波路装置では、入力ポート２１１に入射した光はクラッド２０６によってコアパターン２０４内に閉じ込められ、各分岐点で分岐して出力ポート２１２〜２１９から出射する。
特許第３３２７３５６号公報

しかしながら、各分岐点近傍ではコアパターン２０４内の光がクラッド２０６との境界面において全反射しないこともあり、コアパターン２０４からクラッド２０６に入射してしまい、図９の矢印で示すようにクラッド２０６から高屈折率部２１０に入射してしまう。高屈折率部２１０を伝播した光はクラッド２０６を介して再びコアパターン２０４に入射する。高屈折率部２１０からコアパターン２０４に入射した光が、コアパターン２０４に閉じ込められた光に干渉等といった悪影響を及ぼし、平面光導波路装置の特性劣化の要因となってしまう。

そこで、本発明は、コアから漏れた光が再びコアに入射して再結合することを抑えることができる光導波路装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明では、
光導波路装置が、
下部クラッドと、
前記下部クラッド上に形成され、前記下部クラッドよりも屈折率が高く、コアとなる導波路と、
前記下部クラッド上に形成され、前記導波路に連なって前記導波路から二股に分岐し、前記下部クラッドよりも屈折率が高く、コアとなる二股導波路と、
前記下部クラッド上において前記導波路及び前記二股導波路の両側に沿うよう帯状に形成され、前記導波路及び前記二股導波路よりも屈折率の低いクラッド帯部と、
前記下部クラッド上において前記クラッド帯部の外側に沿うよう帯状に形成され、前記クラッド帯部よりも屈折率の高い帯部と、
前記下部クラッド上において前記二股導波路に挟まれる領域であって前記帯部の外側の領域に形成され、前記帯部よりも屈折率の低い低屈折率部と、
を備えることを特徴とする。

請求項２に係る発明では、
光導波路装置が、
下部クラッドと、
前記下部クラッド上にパターニングされ、前記下部クラッドよりも屈折率の高いコアパターンと、
前記下部クラッド上において前記コアパターンから離れた状態で前記コアパターンの両側に沿って帯状に形成された帯部と、
前記コアパターン及び前記帯部を被覆し、前記コアパターンと前記帯部の間を埋め、前記帯部の外側で前記下部クラッド上に成膜され、前記コアパターン及び前記帯部よりも屈折率の低い上部クラッド層と、
を備えることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、クラッド帯部によって導波路に閉じ込められた光が伝播し、その光が分岐点で導波路や二股導波路から漏れ、漏れた光がクラッド帯部を介して帯部に入射する。ここで、帯部の両側にあるクラッド帯部及び低屈折率部の屈折率が帯部の屈折率よりも低いので、帯部に入射した光が帯部に閉じ込められる。そのため、コアとなる導波路や二股導波路から漏れた光が再び導波路や二股導波路に入射して再結合することを抑えることができる。

請求項２に記載の発明によれば、下部クラッド及び上部クラッド層によってコアパターンに閉じ込められた光がそのコアパターンから漏れ、漏れた光がコアパターンと帯部との間に埋め込まれた上部クラッド層の一部を介して帯部に入射する。帯部の両側に上部クラッド層があり、帯部の屈折率が上部クラッド層の屈折率よりも高いので、帯部に入射した光が帯部に閉じ込められる。そのため、コアパターンから漏れた光が再びコアパターンに入射して再結合することを抑えることができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

〔第１の実施の形態〕
図１は、本発明を適用した実施形態における平面光導波路装置１の平断面図であり、図２は、平面光導波路装置１の縦断面図である。ここで、図１は、図２に示されたI−I線に沿った面の矢視断面図であり、図２は、図１に示されたII−II線に沿った面の矢視断面図である。

この平面光導波路装置１は、１入力−８出力の８分岐スプリッタである。図１〜図２に示すように、この平面光導波路装置１は、基材となるシリコン基板２と、シリコン基板２の一方の面に成膜された下部クラッド層３と、下部クラッド層３上にパターニングされたコアパターン４と、下部クラッド層３上においてコアパターン４から離れた状態でコアパターン４の両側に沿ってパターニングされた帯部５と、コアパターン４と帯部５の間を埋めるようにしてコアパターン４及び帯部５を被覆するとともに帯部５の外側で下部クラッド層３上に成膜された上部クラッド層６と、を備える。

下部クラッド層３はフッ素化ポリイミド、感光性樹脂といった樹脂からなるものであり、シリコン基板２の一方の面にべた一面に形成されている。

図１に示すように、コアパターン４は、入力ポート１１から入力した光を伝播して、伝播する光を分岐点２１〜２７によって８つに分岐し、出力ポート１２〜１９から出射する。コアパターン４は導波路３１〜４５を有し、これら導波路３１〜４５が以下のように連なっている。入力ポート１１から１段目の分岐点２１までの導波路３１と、分岐点２１から２段目の分岐点２２までの導波路３２と、分岐点２１から２段目の分岐点２３までの導波路３３とが、分岐点２１においてＹ字状に連なり、導波路３１が二股の導波路３２，３３に分岐している。また、導波路３２と、分岐点２２から３段目の分岐点２４までの導波路３４と、分岐点２２から３段目の分岐点２５までの導波路３５とが、分岐点２２においてＹ字状に連なり、導波路３２が二股の導波路３４，３５に分岐している。また、導波路３３と、分岐点２３から３段目の分岐点２６までの導波路３６と、分岐点２３から３段目の分岐点２７までの導波路３７とが、分岐点２３においてＹ字状に連なり、導波路３３が二股の導波路３６，３７に分岐している。また、導波路３４と、分岐点２４から出力ポート１２までの導波路３８と、分岐点２４から出力ポート１３までの導波路３９とが、分岐点２４においてＹ字状に連なり、導波路３４が二股の導波路３８，３９に分岐している。また、導波路３５と、分岐点２５から出力ポート１４までの導波路４０と、分岐点２５から出力ポート１５までの導波路４１とが、分岐点２５においてＹ字状に連なり、導波路３５が二股の導波路４０，４１に分岐している。また、導波路３６と、分岐点２６から出力ポート１６までの導波路４２と、分岐点２６から出力ポート１７までの導波路４３とが、分岐点２６においてＹ字状に連なり、導波路３６が二股の導波路４２，４３に分岐している。導波路３７と、分岐点２７から出力ポート１８までの導波路４４と、分岐点２７から出力ポート１９までの導波路４５とが、分岐点２７においてＹ字状に連なり、導波路３７が二股の導波路４４，４５に分岐している。

コアパターン４はフッ素化ポリイミド、感光性樹脂といった樹脂からなる。また、コアパターン４の屈折率は下部クラッド層３の屈折率よりも高い。

帯部５は、導波路３１〜４５の両側において導波路３１〜４５との間に間隔をおいて導波路３１〜４５に沿ってパターニングされている。帯部５の屈折率は下部クラッド層３の屈折率よりも高い。帯部５がフッ素化ポリイミド、感光性樹脂といった樹脂からなり、更に詳しくは帯部５がコアパターン４と同じ材料からなるので、帯部５の屈折率とコアパターン４の屈折率が等しい。

上部クラッド層６は、導波路３１〜４５の両側において導波路３１〜４５と帯部５との間に埋め込まれたクラッド帯部６１と、帯部５の外側に形成された低屈折率部６２とを有し、導波路３１〜４５と帯部５を被覆している。ここで、導波路３２、導波路３３、導波路３５、導波路３６、導波路４１及び導波路４２によって囲まれた領域であって帯部５の外側にある低屈折率部６２が下部クラッド層３上に形成されている。また、導波路３４、導波路３５、導波路３９及び導波路４０によって囲まれた領域であって帯部５の外側にある低屈折率部６２が下部クラッド層３上に形成されている。また、導波路３８と導波路３９に挟まれた領域であって帯部５の外側にある低屈折率部６２が下部クラッド層３上に形成されている。また、導波路４０と導波路４１に挟まれた領域であって帯部５の外側にある低屈折率部６２が下部クラッド層３上に形成されている。また、導波路３６、導波路３７、導波路４３及び導波路４４に囲まれた領域であって帯部５の外側にある低屈折率部６２が下部クラッド層３上に形成されている。また、導波路４２と導波路４３に挟まれた領域であって帯部５の外側にある低屈折率部６２が下部クラッド層３上に形成されている。また、導波路４４と導波路４５に挟まれた領域であって帯部５の外側にある低屈折率部６２が下部クラッド層３上に形成されている。また、導波路３１、導波路３２、導波路３４及び導波路３８に沿った帯部５の外側にある低屈折率部６２が下部クラッド層３上に形成されている。また、導波路３１、導波路３３、導波路３７及び導波路４５に沿った帯部５の外側にある低屈折率部６２が下部クラッド層３上に形成されている。

クラッド帯部６１及び低屈折率部６２つまり上部クラッド層６はフッ素化ポリイミド、感光性樹脂といった樹脂からなり、上部クラッド層６の屈折率が導波路３１〜４５の屈折率及び帯部５の屈折率よりも低い。また、上部クラッド層６の屈折率が下部クラッド層３の屈折率に等しい。

平面光導波路装置１の製造方法について図３を用いて説明する。ここで、図３は、図２と同じ断面における工程を示した図である。
まず、図３（ａ）に示すように、シリコン基板２の一方の面に下部クラッド層３を成膜する。ここで、下部クラッド層３がネガ型の感光性樹脂の場合には、下部クラッド層３を露光する。
次に、図３（ｂ）に示すように、下部クラッド層３よりも屈折率の高い樹脂層７を下部クラッド層３上に成膜する。

次に、図３（ｃ）に示すように、樹脂層７を形状加工（パターニング）して、樹脂層７からコアパターン４及び帯部５を形成する。ここで、樹脂層７がフッ素化ポリイミドの場合には、レジストの成膜・露光・現像を経て、樹脂層７上にレジストマスクを形成し、コアパターン４及び帯部５以外の部分（クラッド帯部６１及び低屈折率部６２に対応する部分）をドライエッチングすることによって、コアパターン４及び帯部５を残留させる。また、樹脂層７がネガ型感光性樹脂の場合、コアパターン４及び帯部５に対応する部分を露光し、樹脂層７を現像することによって、コアパターン４及び帯部５を残留させる。また、樹脂層７がポジ型感光性樹脂の場合、コアパターン４及び帯部５以外の部分（クラッド帯部６１及び低屈折率部６２に対応する部分）を露光し、樹脂層７を現像することによって、コアパターン４及び帯部５を残留させる。

次に、コアパターン４及び帯部５を被覆するように上部クラッド層６を成膜する。このとき、コアパターン４と帯部５との間の間隙に上部クラッド層６の一部が埋まることによってクラッド帯部６１が形成され、帯部５の外側で上部クラッド層６の一部が下部クラッド層３上に堆積されることによって低屈折率部６２が形成される。

以上のような平面光導波路装置１においては、入力ポート１１に入射した光が下部クラッド層３とコアパターン４の境界面や上部クラッド層６とコアパターン４の境界面の全反射によってコアパターン４内に閉じ込められる。コアパターン４内に閉じ込められた光が分岐点２１〜２７で分岐し、各出力ポート１２〜１９から出射する。

ここで、分岐点２１においては、光がコアパターン４から両側のクラッド帯部６１に漏れる。クラッド帯部６１に漏れた光は帯部５に入射する。導波路３２と導波路３３に挟まれた領域では、帯部５の両側にクラッド帯部６１と低屈折率部６２があるので、帯部５に入射した光が帯部５に閉じ込められる。帯部５に閉じ込められた光は帯部５を伝播して、帯部５の端部から出射する。分岐点２１でコアパターン４の両側に漏れた光も最も外側にある帯部５に閉じ込められる。同様に、各分岐点２２〜２７で漏れた光も帯部５に閉じ込められる。そのため、コアパターン４から漏れた光が再びコアパターン４に入射して再結合することを抑えることができ、平面光導波路装置１の特性劣化を抑えることができる。

なお、帯部５の屈折率が下部クラッド層５及び上部クラッド層６の屈折率よりも高く且つコアパターン４の屈折率が下部クラッド層５及び上部クラッド層６の屈折率よりも高ければ、帯部５の屈折率がコアパターン４の屈折率に等しくなくても良い。この場合、帯部５とコアパターン４を別々にパターニングすることになる。また、上部クラッド層６の屈折率が帯部５及びコアパターン４の屈折率よりも低ければ、上部クラッド層５の屈折率と下部クラッド層３の屈折率が等しくなくても良い。

〔第２の実施の形態〕
図４及び図５を用いて、第２実施形態における平面光導波路装置１Ａについて説明する。図４は、平面光導波路装置１Ａの平断面図であり、図５は、平面光導波路装置１Ａの縦断面図である。図４は、図５に示されたIV−IV線に沿った面の矢視断面図であり、図５は、図４に示されたV−V線に沿った面の矢視断面図である。ここで、第２実施形態の平面光導波路装置１Ａと第１実施形態の平面光導波路装置１との間で互いに対応する部分が同一に設けられている場合には同一の符号を付し、第２実施形態の平面光導波路装置１Ａについては第１実施形態の平面光導波路装置１と同一に設けられている部分の説明を省略する。

上記第１実施形態では、図１に示すように、導波路３１、導波路３２、導波路３４及び導波路３８の外側にある高屈折率の帯部５が帯状に設けられており、その帯部５の外側が上部クラッド層６の低屈折率部６２とされ、その低屈折率部６２が下部クラッド層３上に形成されている。同様に、導波路３１、導波路３３、導波路３７及び導波路４５の外側にある高屈折率の帯部５が帯状に設けられており、その帯部５の外側において低屈折率部６２が下部クラッド層３上に形成されている。

それに対して、第２実施形態では、図４及び図５に示すように、導波路３１、導波路３２、導波路３４及び導波路３８の外側には帯部が形成されていないが、導波路３１、導波路３２、導波路３４及び導波路３８に沿った外側のクラッド帯部６１の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率部５１がそのクラッド帯部６１よりも外側の領域で下部クラッド層３上に形成されている。

反対の外側においても、導波路３１、導波路３３、導波路３７及び導波路４５の外側にある高屈折率の帯部が形成されていないが、導波路３１、導波路３３、導波路３７及び導波路４５に沿った外側のクラッド帯部６１の屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率部５１がそのクラッド帯部６１よりも外側の領域で下部クラッド層３上に形成されている。

以上のことを除いて、第２実施形態の平面光導波路装置１Ａは第１実施形態の平面光導波路装置１と同様に構成されている。平面光導波路装置１Ａの製造方法については、図３に示された樹脂層７をパターンニングするに際してコアパターン４及び帯部５と同時に高屈折率部５１を樹脂層７から形成し、それ以外については第１実施形態における平面光導波路装置１の製造方法と同じである。

この平面光導波路装置１Ａにおいては、各分岐点２１〜２７で漏れて帯部５に入射した光が、帯部５の両側のクラッド帯部６１と低屈折率部６２によって帯部５に閉じ込められる。帯部５に閉じ込められた光は帯部５を伝播して、帯部５の端部から出射する。また、分岐点２１でコアパターン４から高屈折率部５１に漏れた光は、コアパターン４に再結合せずに、高屈折率部５１の縁から出射する。そのため、コアパターン４から漏れた光が再びコアパターン４に入射して再結合せず、平面光導波路装置１Ａの特性劣化を抑えることができる。

〔第３の実施の形態〕
図６、図７及び図８を用いて、第３実施形態における平面光導波路装置１Ｂについて説明する。図６は、平面光導波路装置１Ｂの平断面図であり、図７は、図６に示されたVII−VII線に沿った面の矢視断面図であり、図８は、図６に示されたVIII−VIII線に沿った面の矢視断面図である。ここで、第３実施形態の平面光導波路装置１Ｂと第１実施形態の平面光導波路装置１との間で互いに対応する部分が同一に設けられている場合には同一の符号を付し、第３実施形態の平面光導波路装置１Ｂについては第１実施形態の平面光導波路装置１と同一に設けられている部分の説明を省略する。

第３実施形態では、図６、図７及び図８に示すように、導波路３１、導波路３２、導波路３４及び導波路３８に沿った帯部５の外側の低屈折率部６２が高屈折率部５２によって分断されている。その帯部５が導波路３１に沿った箇所で高屈折率部５２に連なるとともに、分岐点２２の近傍外側において高屈折率部５２に連なっている。

同様に、導波路３１、導波路３３、導波路３７及び導波路４５に沿った帯部５の外側の低屈折率部６２が高屈折率部５２によって分断されている。その帯部５が導波路３１に沿った箇所で高屈折率部５２に連なるとともに、分岐点２３の近傍外側において高屈折率部５２に連なっている。

また、導波路３２、導波路３３、導波路３５、導波路３６、導波路４１及び導波路４２によって囲まれた低屈折率部６２が高屈折率部５３によって分断されている。導波路３２、導波路３３、導波路３５、導波路３６、導波路４１及び導波路４２に沿った帯部５が分岐点２２，２３の近傍内側において高屈折率部５３に連なっている。

高屈折率部５２，５３の屈折率はクラッド帯部６１及び低屈折率部６２の屈折率よりも高い。

以上のことを除いて、第３実施形態の平面光導波路装置１Ｂは第１実施形態の平面光導波路装置１と同様に構成されている。平面光導波路装置１Ｂの製造方法については、図３に示された樹脂層７をパターンニングするに際してコアパターン４及び帯部５と同時に高屈折率部５２，５３を樹脂層７から形成し、それ以外については第１実施形態における平面光導波路装置１の製造方法と同じである。

この平面光導波路装置１Ｂにおいては、各分岐点２１〜２７で漏れて帯部５に入射した光が、帯部５の両側のクラッド帯部６１と低屈折率部６２によって帯部５に閉じ込められる。帯部５に閉じ込められた光は帯部５や高屈折率部５２，５３を伝播して、帯部５の端部や高屈折率部５２の縁から出射する。また、分岐点２１，２２，２３でコアパターン４から高屈折率部５２に漏れた光は、コアパターン４に再結合せずに、高屈折率部５２の縁から出射する。そのため、コアパターン４から漏れた光が再びコアパターン４に入射して再結合せず、平面光導波路装置１Ｂの特性劣化を抑えることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々の改良及び設計の変更をおこなっても良い。

例えば、上記各実施形態では、シリコン基板２の上に下部クラッド層３が成膜され、その下部クラッド層３上にコアパターン４、帯部５、高屈折率部５１，５２，５３、上部クラッド層６が形成されていたが、コアパターン４、帯部５、高屈折率部５１，５２，５３、上部クラッド層６が基板の上に直接形成されていても良い。この場合、基板が下部クラッドとして機能するよう、基板の屈折率をコアパターン４、帯部５、高屈折率部５１，５２，５３の屈折率よりも低くする。

また、上記各実施形態では、下部クラッド層３、コアパターン４、帯部５、高屈折率部５１，５２，５３及び上部クラッド層６が樹脂であったが、ガラスであっても良い。

第１実施形態における平面光導波路装置の平断面図である。 図１のII−II線に沿った面の矢視断面図である。 平面光導波路装置の製造方法を工程順に示した図である。 第２実施形態における平面光導波路装置の平断面図である。 図４のV−V線に沿った面の矢視断面図である。 第３実施形態における平面光導波路装置の平断面図である。 図６のVII−VII線に沿った面の矢視断面図である。 図６のVIII−VIII線に沿った面の矢視断面図である。 従来の平面光導波路装置の平断面図である。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ 平面光導波路装置
３ 下部クラッド層
４ コアパターン
３１〜４５ 導波路
５ 帯部
６１ クラッド帯部
６２ 低屈折率部

Claims (2)

1. 下部クラッドと、
   前記下部クラッド上に形成され、前記下部クラッドよりも屈折率が高く、コアとなる導波路と、
   前記下部クラッド上に形成され、前記導波路に連なって前記導波路から二股に分岐し、前記下部クラッドよりも屈折率が高く、コアとなる二股導波路と、
   前記下部クラッド上において前記導波路及び前記二股導波路の両側に沿うよう帯状に形成され、前記導波路及び前記二股導波路よりも屈折率の低いクラッド帯部と、
   前記下部クラッド上において前記クラッド帯部の外側に沿うよう帯状に形成され、前記クラッド帯部よりも屈折率の高い帯部と、
   前記下部クラッド上において前記二股導波路に挟まれる領域であって前記帯部の外側に形成され、前記帯部よりも屈折率の低い低屈折率部と、
   を備えることを特徴とする光導波路装置。
2. 下部クラッドと、
   前記下部クラッド上にパターニングされ、前記下部クラッドよりも屈折率の高いコアパターンと、
   前記下部クラッド上において前記コアパターンから離れた状態で前記コアパターンの両側に沿って帯状に形成された帯部と、
   前記コアパターン及び前記帯部を被覆し、前記コアパターンと前記帯部の間を埋め、前記帯部の外側で前記下部クラッド上に成膜され、前記コアパターン及び前記帯部よりも屈折率の低い上部クラッド層と、
   を備えることを特徴とする光導波路装置。

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