JP2011253012A

JP2011253012A - 積層コアを有する光導波回路の作製方法およびこの光導波回路を含む光信号処理装置

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Publication number: JP2011253012A
Application number: JP2010126110A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Mori; 淳森; Toshimi Kominato; 俊海小湊; Masayuki Ito; 雅之伊東; Atsushi Abe; 淳阿部; Mikitaka Itou; 幹隆井藤; Toshio Watanabe; 俊夫渡辺
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2010-06-01
Filing date: 2010-06-01
Publication date: 2011-12-15

Abstract

【課題】従来の３次元積層型導波回路においては、全体の作製プロセスが複雑であるという問題点があった。さらに、有機系の接着剤を用いてスタック構造を形成する場合の長期的な信頼性の問題や、クラッドに使用される材料の軟化点温度の低さのために、各層に渡って一貫して精度の良い回路を作製できない問題もあった。
【解決手段】本発明による光導波回路の作製方法においては、基板上に、アンダークラッド、コア、中間クラッド、コアのように順次積み重なった２層以上のコア層を、フォトマスクを用いて露光し、それら多層コア層を含むガラス膜を一括してエッチングすることによって形成する。同一構造の光導波回路を３次元的に一括して加工形成することを特徴とする。さらに、上述の方法により作製した２つの積層型ＡＷＧをオーバークラッド層を向かい合わせにしてスタックさせる構造により、等価的により多くの層を積層可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、大容量かつフレキシビリティ性の高いフォトニックネットワークに適用できる光導波型デバイスの作製方法およびこの方法により作成された光導波型デバイスを含む光信号処理装置に関する。

近年、光導波路による平面光波回路が光通信や光信号処理等の分野で盛んに用いられている。光導波路により構成されている方向性結合器、マッハツェンダ干渉計、またはＡＷＧ（Arrayed Waveguide Grating)等の要素回路を単独若しくは組み合わせて用いることによって、光の合波・分波または光路の切り換え等の機能を実現している。

この平面光波回路は、基本的に回路基板面内で２次元的に形成された導波回路の組み合わせから構成されている。一方、回路基板の厚み方向も含めて３次元的に形成された積層コアを用いた構成（以下、３次元積層型導波回路と言う）も採用されている。この３次元積層型導波回路の例としては、スポットサイズを変換し、平面光波回路とファイバとを接続する際にモードフィールド径を合わせるためにコアガラス高さを徐々に高く積み増す技術や、コアのガラス材料を空間的に変化させるため、薄膜化したコアを積層させる技術等があった。

より具体的には、３次元的に形成された積層コアは、層間光結合器の製造方法として用いられている。層間光結合器に対しては、下層の光回路と上層の光回路とをそれぞれ別々にフォトリソグラフィとエッチング加工し作製する方法、および、下層の光回路と上層の光回路の結合部のみを上下一括して加工する方法が用いられてきた。（特許文献１、特許文献２）
また、波長選択スイッチ（Wavelength selective switch : ＷＳＳ）や可変分散補償器（Tunable optical dispersion compensator : ＴＯＤＣ）などの光信号処理装置において、ＡＷＧを垂直方向に多段にスタックして高集積化を図り、空間光学系と組み合わせた構成のデバイス例も報告されている。これらの報告では、基板を含むチップ全体を、有機系の透明接着剤等によって張り合わせる方法でスタック構造を実現している（非特許文献１、特許文献３）。

特開平０７−０２７９４０号明細書特開２００３−００４９６５号明細書特開２００９−１９８５９３号明細書特開２００９−０４２５５７号明細書国際公開特許ＷＯ９８／３６２９９号公報

R. Ryf, et al. ‘Scalable wavelength-selective crossconnect switch based on MEMS and planar waveguides’, ECOC2001 vol.6 p.76-77 S. Kamei, ‘Low-loss, wide and low-ripple passband arrayed-waveguide grating with tandem MZI-synchronized configuration’, ECOC2009 PDP-

しかしながら、従来技術の３次元積層型導波回路には、以下に述べるような問題点があった。従来の３次元積層型導波回路においては、上層および下層の間で回路が同一ではないため、上層および下層それぞれについて別々に、フォトリソグラフィおよびエッチング加工を使用して回路を作製していた。このため、全体の作製プロセスが複雑であるという問題点があった。上層および下層の間で同一回路を含む場合には、上層および下層の間で回路が同一である部分のみを一括して作製することによって、上下層の回路間で作製精度を一致させることが可能である。しかし、上下層の間で回路が異なる部分と回路が同一である部分とを、別々に作製する必要があり、やはり全体の作製工程が複雑になるという問題点があった。

チップを垂直方向に重ねたスタック構造によって３次元積層型導波回路を作製する方法では、厚い基板がコアとコアの間に必ず挿入される構成となる。この構成のため、コアとコアとの間隔は、数百ミクロン以上となってしまう。このような場合、例えば、導波路回路の外部の空間光学系の光素子と組み合わせて、ビーム偏向型のスイッチを作製しようとすると、信号光に対する偏向角が大きくなる。このとき、空間光学系と導波路との間の損失を減らすためには、導波路側に角度を付けるなど複雑な工程が必要となり、精度良く導波路を作製することが難しくなるという問題点があった。また、有機系の接着剤を用いてスタック構造を形成する場合には、長期的な信頼性に問題が生じる可能性もあった。

３次元的に光導波回路を作製する他の方法として、基板にアンダークラッドおよびコアを積み重ね、フォトグラフィとエッチング加工を使用して、さらにオーバークラッド堆積する方法を繰り返し、垂直に積み上げていく方法もある。しかし、この方法で使用されるオーバークラッドは、コアを十分に覆うことが必要なため、クラッドの材料として軟化点の温度の低いガラスを使用する必要がある。そのため、２段目、３段目に積んだコアガラスを熱処理する際には陥没・変形などが生じてしまい、底面（１段目）に作製した回路のように精度の良い回路を作製できない問題もあった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、コンパクトな積層光導波回路を、精度良く一括して作製する方法を提供することにある。さらに、本発明の方法を使用して作製した積層光導波路と、液晶などの反射型の信号処理素子とを組み合わせることによって、小型でかつ高精度な光信号処理装置（デバイス）を実現することを目的とする。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、基板上に、少なくとも一部に同一形状の光回路が前記基板面の垂直方向に２層以上積み重なって配置された構造を有する積層型光導波回路を作製する方法において、前記基板上に、第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層上に形成された第１のコア層と、前記第１のコア層上に形成された第２のクラッド層と、前記第２のクラッド層上に形成された第２のコア層とを含み、少なくともコア層が２層以上含まれるようにコア層およびクラッド層を交互に積層したガラス膜を形成ステップと、前記積層したガラス膜を前記第１のクラッド層の一部を含む深さまで、一括して加工して前記同一形状の光回路を形成するステップと、前記同一形状の光回路を覆うオーバークラッド層を形成するステップとを備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、前記請求項１に記載の方法による第１の積層型光集積回路と、前記第１の積層型光集積回路と鏡面対称の形状の光回路を少なくとも一部に含む第２の積層型光集積回路とを備えた光導波回路において、前記第１の積層型光集積回路と前記第２の積層型光集積回路とを、それぞれの前記オーバークラッド層同士を向かい合わせ、前記鏡面対称の形状の回路同士の位置が一致するように重ね合わせて固定するステップをさらに備えることを特徴とするを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２の方法であって、前記積層型光導波回路において、前記各コア層の間で光結合が生じないように、前記コア層の中間にある前記クラッド層の厚さが調整されていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３いずれかの方法であって、前記同一形状の光回路を形成する前記ステップにおいて、同一のフォトマスクを用いることによって、前記各コア層の形状を同一とすることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、前記請求項１乃至４いずれかの方法であって、前記各クラッド層および前記各コア層は、石英系ガラスからなることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項２の方法であって、前記重ね合わせて固定する前記ステップは、前記オーバークラッド層同士を圧着しまたは真空チャックした状態で加熱融着するステップを含むことを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、前記請求項１に記載された方法により作製された第１の積層型光集積回路と、前記第１の積層型光集積回路と鏡面対称の形状の光回路を少なくとも一部に含む第２の積層型光集積回路とを備えた光導波回路において、前記第１の積層型光集積回路と前記第２の積層型光集積回路とを、それぞれの前記オーバークラッド層同士を向かい合わせ、前記鏡面対称の形状の回路同士の位置が一致するように重ね合わせて固定されて作製されたことを特徴とする光集積回路である。

請求項８に記載の発明は、前記請求項１乃至６のいずれかの方法により作製された積層型光導波回路と、ＬＣＯＳ、ＭＥＭＳまたはバルク型分光素子の少なくとも１つ含む空間光学素子を組み合わせて構成されたことを特徴とする光信号処理装置である。

以上説明したように、本発明によれば、光結合の無い同一の積層型光導波回路を一括した加工プロセスによって形成できるため、プロセスパラメータのばらつきによる回路特性のばらつきを抑えることができる。同時に、光導波回路全体のプロセス工程数を大幅に減らすことができる。

また、液晶やＭＥＭＳ等の反射型の光素子と、本発明の方法を使用した積層型光導波回路とを組み合わせることによって、ビーム偏向型の波長選択スイッチ等の光信号処理装置において、積層したコア間の間隔を小さくすることができる。このため、偏向角を小さくすることができ、小型でかつ精度良くデバイスを作製できる。

本発明の実施例１である４層積層型ＡＷＧの製造方法を説明する図である。実施例１の４層積層型ＡＷＧのスラブ導波路からアレイ導波路への変換部分近傍の構造を示した図である。実施例１の４層積層型ＡＷＧを用いた、１×４ＷＳＳの構成の概略を示した図である。実施例２のスタック構造の積層型ＡＷＧチップの作製方法を説明する図である。実施例２のスタック構造における各ＡＷＧチップの回路形状を示した図である。実施例２のスタック構造による積層型ＡＷＧチップを利用した、１×４ＷＳＳの構成の概略を示した図である。実施例３の、積層型ＡＷＧチップとＫＴＮ結晶を透過型ビームスキャナーとを利用した１×４ＷＳＳの構成の概略を示した図である。周周回性ＡＷＧの動作を説明するための図である。実施例４の２層積層型ＡＷＧを使用した可変分散補償器の構成を示した概念図である。

本発明による光導波回路の作製方法においては、基板上に、順次、アンダークラッド、コア、中間クラッド、コアのように積み重なった２層以上のコア層を、フォトマスクを用いて露光し、それら多層コア層を含むガラス膜を一括してエッチングすることによって、同一構造の光導波回路を３次元的に一括して加工形成することを特徴とする。以下、図面を参照しながら本発明の方法および光信号処理装置の実施形態について詳細に説明する。

本実施例１では、本発明の方法によって、シリコン基板上に形成した石英系光導波路を垂直に積層して作製した光導波路を使用して、１×４波長選択スイッチ（ＷＳＳ)に適用した例について説明する。このＷＳＳは、本発明の方法により作製された多層型の光導波路およびアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）と、液晶素子（ＬＣＯＳ：Liquid crystal on silicon）とを組み合わせて構成される。

図１は、本発明による、垂直にコアを４層積層したＡＷＧの製造方法を説明する図である。である。図１は、本発明の方法における３つの工程を説明しており、（ａ）および（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）、（ｅ）および（ｆ）が、それぞれ１つの工程における基板面を見た上面図および導波路部分の断面図を示している。

図１の（ａ）および（ｂ）を参照して、工程１について説明する。工程１では、まず、シリコン基板１１の一面上に火炎加水分解堆積（ＦＨＤ）法により、アンダークラッド層１２となる石英系ガラス微粒子層を堆積する。石英系ガラス微粒子は三塩化ボロン（ＢＣｌ₃)、三塩化リン（ＰＣｌ₃）、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ₄)を火炎加水分解することによって堆積する。この石英系ガラス微粒子層を高温炉（１３５０℃）で溶融固化することによって、透明なアンダークラッド層１２（厚さ３０μｍ）を形成する。さらに、アンダークラッド層１２で使用したのと同様なＦＨＤ法によって三塩化ボロン（ＢＣｌ₃）、三塩化リン（ＰＣｌ₃）、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ₄）、四塩化ゲルマニウム（ＧｅＣｌ₄)の火炎加水分解により石英系ガラス微粒子を堆積した後、高温炉において溶融固化して第１コア層１４（厚さ３μｍ）を形成する。

さらにアンダークラッド層１２で使用したのと同じ方法および組成で、第１中間クラッド層１５（厚さ８μｍ)を形成し、以下、第２コア層１６（厚さ３μｍ）、第２中間クラッド層１７（厚さ８μｍ)、第３コア層１８（厚さ３μｍ）、第３中間クラッド層１９（厚さ８μｍ)および第４コア層２０（厚さ３μｍ）の順で、堆積および溶融固化を繰り返した。

次に、図１の（ｃ）および（ｄ）を参照して、工程２を説明する。（ｃ）および（ｄ）では、以下述べる各工程によって、入出力導波路１０１、スラブ導波路１０２およびアレイ導波路１０３が形成された後の構造を示していることに留意されたい。

工程２では、フォトマスクを用いて、第４コア層２０上に塗布したレジストを露光・現像した後、反応性イオンエッチング（以下ＲＩＥ）法によって、一括して垂直エッチングを行なう。すなわち、第４コア層２０、第３中間クラッド層１９、第３コア層１８、第２中間クラッド層１７、第２コア層１６、第１中間クラッド層１５および第１コア層１４の全体について、全厚さ３６μｍを一括して垂直エッチングする。さらに、アンダークラッド層１２も１μｍオーバーエッチングして、オーバーエッジアンダークラッド層１３を形成した。エッチングによって形成した各導波路の幅は、通常の導波路（入出力導波路１０１およびアレイ導波路１０３）が４．７μｍであり、スラブ導波路１０２からアレイ導波路１０３への変換部分では７μｍから４．７μｍまで変化させた。工程２の完了後、エッチングで形成された各導波路以外の部分では、アンダークラッド層１２が露出していることになる。

最後に、図１の（ｅ）および（ｆ）を参照して、工程３を説明する。工程３では、工程２で形成された垂直方向に積層された層状のコア・クラッドを覆うように、オーバークラッド層２１を形成する。オーバークラッド層２１は、アンダークラッド層１２と同じ屈折率であるが、軟化温度の低い組成の石英ガラス微粒子層を、アンダークラッド層１２と同様にＦＨＤ法で堆積した後、高温炉で溶融固化して形成される。

図２は、実施例１のＡＷＧにおけるスラブ導波路とアレイ導波路近傍の構造を示した図である。（ａ）は基板面を見た上面図を示し、（ｂ）はスラブ導波路１０２からアレイ導波路１０３への変換部分において導波路間のギャップが狭い部分Ｃ−Ｄの断面を示す。工程３において堆積したオーバークラッド層２１（ガラス）は軟化温度が低いため、導波路間のギャップの底部分も十分に覆い、隙間無くカバーすることができる。

図３は、本発明の方法により作製されたＡＷＧを利用して構成した１×４波長選択スイッチ（ＷＳＳ）の構成を示す概念図である。作製した積層ＡＷＧチップをダイシングにより切り離して、空間光学系の部品と組み合わせて構成した。図３は概念図であり、必ずしも実際のデバイスの形状や寸法比を忠実に表現してはいないことに注意されたい。例えば、レンズ３３、ＬＣＯＳ３４の形状は、図３の表現に関係なく様々なものがある。

積層型ＡＷＧチップ３１は、入出力導波路１０１、スラブ導波路１０２、アレイ導波路１０３を備えている。入出力導波路１０１、スラブ導波路１０２、アレイ導波路１０３は、いずれも、図１または図２で示したように基板面の垂直方向に積層された４層のコアを持っている。ＡＷＧチップ３１の一端において、ファイバ型ファンアウト３５を介して、入出力導波路１０２と４本の光ファイバ３２１、３２２、３２３、３２４が接続されている。

一方、積層型ＡＷＧチップ３１のもう一端では、積層されたアレイ導波路１０３から空間に信号光が出射される。出射光は、レンズ３３によって集光され、信号光の波長に応じてＬＣＯＳ３４上の対応する所定の位置に集光する。集光された光信号は、ＬＣＯＳ３４表面上の波長に対応した液晶要素素子によって位相を変化させ、ＬＣＯＳ３４内のミラーによって反射され、進行方向を反転させる。反射された信号光は、再びレンズ３３を通して積層型ＡＷＧチップ３１へ戻る。アレイ導波路１０３、スラブ導波路１０２、入出力導波路１０１を経て、ファイバ型ファンアウト３５へ出射する。ＬＣＯＳ３４において、波長ごとに信号光の透過率を変える（ＯＮまたはＯＦＦする）ことによって、波長選択スイッチ（ＷＳＳ)として機能させることができる。

ファイバ型ファンアウト３５は、４本の光ファイバと、入出力導波路１０１の４つのコアの接続インタフェースとして機能し、内部に４本のコアを有するマルチコアファイバである。光ファイバ３２１は入出力ファイバとして機能し、他の３本の光ファイバ３２２、３２３、３２４は出力ファイバとして機能する。

ファンアウト３５と光ファイバ３２１〜３２４との組み合わせには、２通りの構成が考えられる。１つは、ファンアウト３５にピッチ変換機能を持たせ、通常の光ファイバ３２１〜３２４と接続する場合である。もう１つは、ファンアウト３５は単なるマルチコアファイバとして、光ファイバ３２１〜３２４のファンアウト３５との接続端が融着延伸によって束ねられ、接続端部の各光ファイバの外径およびコア径をファンアウト３５のコア径と同一とする場合である。図３には、後者の場合を例示的に示している。

入出力ファイバ３２１は、図３には示されていないサーキュレータを介して、装置入力ポートおよび出力ポート１に接続される。出力ファイバ３２２、３２３、３２４は、装置出力ポート２、出力ポート３、出力ポート４に接続される。

本発明の積層型ＡＷＧチップと光ファイバとを接続する方法には様々な方法が考えられ、図３に示した方法だけに限定されない。例えば、信号光を一旦空間に出射させて、レンズ等でピッチを拡大してから光ファイバへ結合する方法等も可能である。

図３では、典型的な構成例として１×４（１入力４出力）の波長選択スイッチの例を示した。本発明の方法により作製した多層型ＡＷＧは、様々な構成の波長選択スイッチに適用できる。例えば、図３の構成において、各光ファイバにおける光信号の入出力の方向を逆にして、光の進行方向を逆にすれば、４×１（４入力１出力）のＷＳＳとして動作させることもできる。さらに、１つのＡＷＧチップの基板面内に並べて形成するＡＷＧの個数や、ＡＷＧチップの基板ごと垂直に重ねるコアの層数を変化させるとともに、対応する２次元ＬＣＯＳのカラム数を変化させることによって、１×２から１×９、１×１６等の異なる入出力ポート数のＷＳＳを構成することができる。また、一部のポートを省略することにより、１×Ｎ（Ｎは２以上の整数）または、Ｎ×１のＷＳＳを構成することもできる。

１つのＡＷＧの基板面内に並べて形成できるＡＷＧの個数は、上述の工程１−３による制限を受けない。しかし、一般にＬＣＯＳの偏向角はＭＥＭＳに比べて小さい。このため、同一の基板面上に並置するＡＷＧの数は５個程度を上限としたほうが、より低損失で消光比の良いＷＳＳを構成できる。

一方、基板面に垂直方向に重ねて形成できるコアの層数は、工程２において垂直にエッチング可能な深さに依存する。比屈折率差Δｎ（＝（ｎ_core−ｎ_clad）／ｎ_core 、ここでｎ_core：コアの屈折率、ｎ_clad：クラッドの屈折率）が大きい導波路の方が、コア厚が薄く、コア間隔も狭くできる。このため、比屈折率差Δｎを大きくすることによって、コアの層数を増やすことができる。

本実施例においては、比屈折率差Δｎ＝２．５％として層数を４層としたため、隣り合うコアとコアとの間隔（コアの中心から中心まで）が１０μｍ程度となり、必要なエッチング深さは３６μｍとなった。３６μｍ程度の深さを、基板の垂直方向にエッチングする技術は、最近のエッチング装置の性能から十分実現可能である。さらに５０μｍ程度をエッチングする場合も、最適のプロセス条件へ調整することによって十分実現可能なレベルである。また、比屈折率差Δｎ＝１．５％の場合は、コア間の間隔が１５μｍ程度となり、最大でそれぞれ垂直方向に３層の積層が可能である。また、比屈折率差Δｎ＝５％の場合は、コア間の間隔が６μｍ程度となるため、最大で９層程度の垂直方向の積層が可能である。

一般に、本実施例におけるＷＳＳの場合、偏波依存性を解消することが１つの課題である。特許文献４に開示された偏波ビームディスプレーサまたは複屈折率結晶を利用した方法などを取り入れることによって、本発明により作成した積層型ＡＷＧチップにおけるこの課題を解決することができる。

また、ＡＷＧの構成材料である石英系ガラスは、他の材料と比較して屈折率の変化量は小さいものの、温度によってその屈折率が変化し、ＡＷＧの透過スペクトルも温度依存性を有する。本実施例に対しても、特許文献５に記載されているように、アレイ導波路あるいはスラブ導波路の一部のクラッドおよびコアを除去した溝を形成し、その溝にアレイ導波路の実効屈折率の温度係数と異なる屈折率温度係数を有する材料（以下「温度補償材料」と称する）を挿入することによって、温度無依存化を実現することができる。

さらに、ＡＷＧの前段にマッハツェンダ干渉計を配置することによって、矩形度の高い透過スペクトルを得ることができる（非特許文献２を参照）。これによって、温度変動に起因したＡＷＧの透過スペクトル中心波長のずれに対する耐性を、向上することができる。本実施例の本発明により作製した積層型ＡＷＧチップに対しても、上述のＡＷＧの各高性能化技術を応用することによって、ＷＳＳのより高性能化を実現することができる。

以上説明したように、本発明の４層積層型ＡＷＧの作製方法によれば、光結合の無い同一の積層型光導波回路を一括した加工プロセスによって形成できるため、プロセスパラメータのばらつきによる回路特性のばらつきを抑えることができる。同時に、光導波回路全体のプロセス工程数を大幅に減らすことができる。

本実施例では、実施例１と同様な本発明の方法によってコアを２層積層した積層型ＡＷＧを用い、微小電気機械素子（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical Systems）と組み合わせて１×４波長選択スイッチ（ＷＳＳ)に適用した例について説明する。本実施例においては、積層型ＡＷＧを２段に重ねた、スタック構造を利用している点に特徴がある。

図４は、本実施例におけるスタック構造を持つＡＷＧチップの作製方法を説明する図である。（ａ）にはスタック構造を作製する第１の工程が説明されている。図４の（ａ）においては、積層型ＡＷＧチップ４１ａは、図１で説明した工程１〜３によって作製されたものであって、スラブ導波路近傍のアレイ導波路の断面が示されている。第１の工程では、まずオーバークラッド層２１の表面の凹凸を、鏡面研磨によって高平滑度に研磨する。

その後、（ｂ）に示した第２の工程において、同様に研磨された２つの積層型ＡＷＧチップ４１ａ、４１ｂを、それぞれのオーバークラッド層２１ａ、２１ｂを向かい合わせにして位置決めをする。例えば、２つのチップのうち１つ４１ａを反転させて各導波路のコアが上下で精度良く並ぶように位置決めをする。同じ組成のオーバークラッド層２１ａ、２１ｂを重ね合わせて、７００℃に保持することによって、熱融着させた。図４の（ａ）の第１の工程において、オーバークラッド層のガラスが平滑であってかつウエハのそりが十分に小さい場合には研磨を省略することもできる。さらに、（ｂ）の第２の工程で熱融着するとき、チップ同士を押し付けたり、接着面を真空に引いたりすること（真空チャック）によって、熱融着をより容易にすることもできる。

図５は、本実施例のスタック構造による各ＡＷＧチップの回路形状を示した図である。スタックする各チップの回路は、向かい合わせて重ねたときに導波路位置が一致するように、図５の（ａ）のＡＷＧチップ５１ａおよび（ｂ）のＡＷＧチップ５１ｂに示すように互いに鏡面対称の関係にある必要がある。図５の場合、入出力導波路１０１ａ、１０１ｂ、スラブ導波路１０２ａ、１０２ｂおよびアレイ導波路１０３ａ、１０３ｂの各々の導波路が、それぞれチップの長辺に対して鏡面対称となっている。

図４の（ｂ）に示したように、２つのＡＷＧチップをオーバークラッド層２１ａ、２１ｂを向かい合わせにしてスタックすることによって、垂直方向に積層した多層コアのブロック同士の距離を短くできる。このスタック構造によって、コアを垂直方向により多く積層させたのと同様な効果を得ることができる。さらには、オーバークラッド層２１ａ、２１ｂを向かい合わせにして、接着剤を使用せずに熱融着で接着できるので、従来技術で有機系の接着剤を用いてスタック構造を形成した場合のようにＡＷＧチップの信頼性の問題を生じさせることもない。

尚、重ね合わせる２つの積層型ＡＷＧにおいて、積層コアの層数は同じであっても良いし、異なっていても良い。また、２つの積層型ＡＷＧにおいて全ての光回路が、必ず鏡面対称の関係にある必要は無い。

図６は、本実施例のスタック構造の積層型ＡＷＧチップを利用した、１×４ＷＳＳの構成の概念図を示す。上述の２段スタック構造の積層型ＡＷＧチップ６１は、一端をＰＬＣ型ファンアウト６５を介して、入出力ファイバ６２１および３本の出力ファイバ６２２、６２３、６２４と接続されている。スタック構造の積層型ＡＷＧチップ６１のもう一端では、信号光がアレイ導波路の端面から空間に向かって出射され、レンズ６３を通してＭＥＭＳ６４上へ集光する。信号光の波長に応じた位置に集光された光信号は、ＭＥＭＳ６４のミラー面において反射方向を変化させられ、レンズ６３を通してＡＷＧチップ６１のアレイ導波路に再び戻る。ＭＥＭＳによって波長ごとに光路を変更することができるため、波長選択スイッチ（ＷＳＳ)として機能する。装置の入力ポートは、図６には示されない光サーキュレータを介して出力ポート１とともに入出力ファイバ６２１に接続される。出力ポート２〜４は、光ファイバ６２２、６２３、６２４にそれぞれ接続される。

本実施例のＷＳＳによれば、ＡＷＧ間でスタック構造を採用することで、信号光に対する偏向角を小さく抑えることができる。ＡＷＧ層間の距離が、１０から数１０μｍ程度に抑えられるため、空間光学系と導波路との間の損失を減らすための導波路の角度形成などの複雑な工程が不要となり、より緩い精度で導波路を作製することができる。

本実施例では、実施例２と同様な本発明の方法で作製された２段スタック構造の積層型ＡＷＧチップを用い、透過型ビームスキャナーと組み合わせて１×４ＷＳＳに適用した例を示す。本実施例では、１つのＡＷＧチップの基板面内に、同一構成の２つのＡＷＧがレイアウトされている。２つのＡＷＧチップが配置された２つの基板を、さらに図４に示した方法によりスタック構造として、最終的に、合計４つ（２×２）のＡＷＧを１つのチップ内に作製した。

図７は、本実施例のタンタル酸ニオブ酸カリウム（以下ＫＴＮ）結晶を透過型ビームスキャナーとして利用した１×４ＷＳＳの構成を示す。本実施例のＷＳＳは、入力ファイバ７８０が接続された入力側のＡＷＧ７１と出力ファイバ７８１〜７８４が接続された出力側のＡＷＧ７７との間に、空間光学部品を配置した透過型のＷＳＳ構成となっている。図７の（ａ）は、ＡＷＧの基板面（ｘ−ｚ面）を垂直に見た上面図を示し、（ｂ）は、基板の厚さ方向（ｙ方向）を見た側面図を示している。

（ａ）を参照して構成の概要を説明すると、入力側の周回性ＡＷＧ７１から出射した信号光は、バルク型回折格子７２でｙ方向に分波される。分波された信号光は、集光レンズ７３によって集光されて、６×８の二次元マトリックス状の信号光群として透過型ＫＴＮビームスキャナー７４に到達する。ＫＴＮスキャナ７４によって所定の方向に偏向された各信号光は、集光レンズ７５を経て、本発明の方法によって作製した４つのＡＷＧを含む２段スタック構造の積層型ＡＷＧチップ７７のいずれかのＡＷＧのアレイ導波路へ入力される。ＡＷＧチップ７７の端面には、コリメータレンズアレイ７６が配置されている。図７の（ｂ）の側面図を参照すればわかるように、信号光は、バルク型回折格子７２によってｙ方向にも分波されるため、周回性ＡＷＧ７１のｘ方向への分波作用と合わせて、ＫＴＮビームスキャナー７４の位置において、マトリクス状に配置された複数の信号点に分波される。ここで、周回性ＡＷＧの動作について簡単に説明する。

図８は、周回性ＡＷＧの動作を説明するための図である。図８の（ａ）は、周回性ＡＷＧの透過強度特性を示している。ＷＤＭ入力信号が入力された周回性ＡＷＧ７１からの出射光は、集光レンズで集光されると、自由スペクトルレンジ（ＦＳＲ：Free Spectral Range）内に含まれる波長に応じた異なる位置に分離する。さらに次の次数のＦＳＲでは、次の波長のセットが同様な位置へ分離される。すなわち、周回性ＡＷＧ７１からの出力光信号は集光レンズ７３を経て、４８ｃｈの波長分割多重化された信号を、周回的に、８つの波長に対応した集光位置に分離して出力する。

図８の（ｂ）を参照すればわかるように、例えば、Ｃｈ９（Ｃｈ１７、２５、３３、４１）の信号光は、周回性ＡＷＧを出射して、集光レンズを通った後、Ｃｈ１の信号光の集光位置と同じ位置に集光する。

図７のＷＳＳの構成では、周回性ＡＷＧ７１からの信号光は、バルク型回折格子７２に入力されるので、ｘ軸方向に８つのｃｈに分離された信号光は、ｙ軸方向にもＦＳＲ毎に繰り返して６つの列に分離する。分離された光信号は、集光レンズ７３で平行ビームにされ、８×６の二次元マトリックス状の信号光として、ｚ軸上のＫＴＮビームスキャナー７４の位置で集光する。集光した信号光は、ＫＴＮビームスキャナー７４で所定の方向に偏向され、レンズ７５、７６を通して、積層型ＡＷＧチップ７７内の任意のいずれかのＡＷＧのアレイ導波路に入力される。その後、各ＡＷＧに対応する４本の出力ファイバ７８１、７８２、７８３、７８４のいずれか１つへ出力することができる。

本実施例では、ＫＴＮビームスキャナー７４を利用して対向する２つのＡＷＧ（周回性ＡＷＧ７１と積層型ＡＷＧチップ７７）により透過型のＷＳＳを構成したが、光路中にミラーを組み込むことにより、反射型のＷＳＳを構成することもできる。その場合、２段２列積層型ＡＷＧを入力ＡＷＧとすることにより、同様に１×４ＷＳＳを構成することができる。反射型の構成では、出力された信号は、サーキュレータを用いて分離することができ、デバイスの小型化を図ることができる。

本実施例では、２層構造の積層型ＡＷＧを使用した可変分散補償器（ＴＯＤＣ）の例を示す。本実施例では、１つの基板上に、マスク上の１つのＡＷＧが転写形成され、２層のコアが積層された積層型ＡＷＧを作製する。２層構造のうちの上層側ＡＷＧのアレイ導波路とスラブ導波路の接続部に、ミラーを形成した。

図９は、２層積層型ＡＷＧを使用した可変分散補償器（ＴＯＤＣ）の構成を示す概念図である。２層積層型ＡＷＧ９１は、本発明の方法によって、入力導波路、スラブ導波路、アレイ導波路を一括エッチングにより加工し、オーバークラッド層を堆積（図１の工程１〜３）する。

ミラー９５は上層のアレイ導波路１０３ａの分光作用を利用して形成される。ミラー９５は、アレイ導波路１０３ａとスラブ導波路１０２ａの接続部分に、エッチングよって、波長に依存しない等位相面に合わせた溝を形成した後、この溝内面に金を蒸着することにより形成された。本実施例におけるＴＯＤＣは、ミラー９５の形成面を中心として、面対称に２つのＴＯＤＣが直列に接続された場合と同様の動作をする。以下、図９の（ａ）ＡＷＧ基板面（ｘ−ｚ面）を見た上面図と、（ｂ）ＡＷＧ基板の厚さ方向（ｙ軸方向）を見た側面図によって、動作概要を説明する。

図９の（ａ）では、入出力ファイバ１００から信号光が下層のＡＷＧに入力される。下層のスラブ導波路１０２ａ、アレイ導波路１０３ａを経て、下層のＡＷＧ９１の端面から出射した光信号はｚ方向に沿って進む。集光レンズ９３および反射型ＬＣＯＳ９４によって空間光学系が構成される。

２層構造のＡＷＧ９１の下層ＡＷＧの端面から出射した光信号は、まずシリンドリカルレンズ９２によって厚さ方向（ｙ軸方向）にコリメートされる。シリンドリカルレンズ９２を透過した光信号は、集光レンズ９３により信号光の波長に対応した位置に集光される。集光された光信号は、反射型のＬＣＯＳ９４を介して所定の位相差が付与される。位相差を付与された光信号は、ＬＣＯＳ９４内のミラーによって光路を反転し、再び集光レンズ９３およびシリンドリカルレンズ９２を経て、今度は上層のＡＷＧ９１端面へ入射する。上層ＡＷＧのアレイ導波路１０３ｂに入射した光信号はミラー９５で反射され、それまで辿ってきた光路を逆方向に進む。

すなわち、信号光は、再びＬＣＯＳ９４で所定の位相差が付与された後、入射時と逆の光路を進んで再び下層のＡＷＧ９１に入射し、同じ入出力ファイバ１００に出力される。このＷＳＳへの入力信号と出力信号は、図９には示されないサーキュレータを用いて分離される。

ＴＯＤＣとしての機能は、光信号がＬＣＯＳ９４を透過することによって、ｘ軸に対して２次関数のプロファイルを持つ位相差が光信号に付与されることで可能となる。全光路を通じて、往路および復路で位相差が２回付与されるため、ミラー９５の形成面を中心として、面対称に２つのＴＯＤＣが直列に接続された場合と同様の動作をすることになる。

本実施例のＴＯＤＣでは、別個のＡＷＧ基板を垂直方向に配置する従来のスタック型構成に比べて、上下２つのアレイ導波路の入出力位置が極めて近い。このため、ＡＷＧの製造誤差などにより、その透過中心波長に誤差があっても、集光レンズ９３とＬＣＯＳ９４との距離を微調整することによって、容易に空間光学系との結合を回復することができる。従って、装置調整が簡単に済むと共に、レンズの小型化、結合距離の短縮ができるため、デバイスのより小型化が可能となる。

本発明の方法により作製された積層型ＡＷＧについて、具体的にいくつかの光信号処理装置へ適用した実施形態について説明した。本発明の原理を適用できる多くの実施可能な形態に鑑み、ここに記載した実施形態は、単に例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。

本発明は、光通信装置に利用することができる。

１１シリコン基板
１２アンダークラッド層
１４、１６、１８、２０コア層
２１、２１ａ、２１ｂオーバークラッド層
３１、４１、５１、６１、７７、９１積層型ＡＷＧ
３４、９４ＬＣＯＳ
６４ＭＥＭＳ
９５ミラー
１０１入出力導波路
１０２、１０２ａ、１０２ｂスラブ導波路
１０３、１０３ａ、１０３ｂアレイ導波路
３２１、３２２、３２３、３２４、６２１、６２２、６２３、６２４、７８１、７８２、７８３、７８４光ファイバ

Claims

基板上に、少なくとも一部に同一形状の光回路が前記基板面の垂直方向に２層以上積み重なって配置された構造を有する積層型光導波回路を作製する方法において、
前記基板上に、
第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層上に形成された第１のコア層と、
前記第１のコア層上に形成された第２のクラッド層と、
前記第２のクラッド層上に形成された第２のコア層とを含み、
少なくともコア層が２層以上含まれるようにコア層およびクラッド層を交互に積層したガラス膜を形成ステップと、
前記積層したガラス膜を前記第１のクラッド層の一部を含む深さまで、一括して加工して前記同一形状の光回路を形成するステップと、
前記同一形状の光回路を覆うオーバークラッド層を形成するステップと
を備えることを特徴とする方法。
前記請求項１に記載の方法による第１の積層型光集積回路と、
前記第１の積層型光集積回路と鏡面対称の形状の光回路を少なくとも一部に含む第２の積層型光集積回路とを備えた光導波回路において、
前記第１の積層型光集積回路と前記第２の積層型光集積回路とを、それぞれの前記オーバークラッド層同士を向かい合わせ、前記鏡面対称の形状の回路同士の位置が一致するように重ね合わせて固定するステップ
をさらに備えることを特徴とする方法。
前記積層型光導波回路において、前記各コア層の間で光結合が生じないように、前記コア層の中間にある前記クラッド層の厚さが調整されていることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
前記同一形状の光回路を形成する前記ステップにおいて、同一のフォトマスクを用いることによって、前記各コア層の形状を同一とすることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の方法。
前記各クラッド層および前記各コア層は、石英系ガラスからなることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の方法。
前記重ね合わせて固定する前記ステップは、前記オーバークラッド層同士を圧着しまたは真空チャックした状態で加熱融着するステップを含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
前記請求項１に記載された方法により作製された第１の積層型光集積回路と、
前記第１の積層型光集積回路と鏡面対称の形状の光回路を少なくとも一部に含む第２の積層型光集積回路とを備えた光導波回路において、
前記第１の積層型光集積回路と前記第２の積層型光集積回路とを、それぞれの前記オーバークラッド層同士を向かい合わせ、前記鏡面対称の形状の回路同士の位置が一致するように重ね合わせて固定されて作製されたことを特徴とする光集積回路。
前記請求項１乃至６のいずれかの方法により作製された積層型光導波回路と、ＬＣＯＳ、ＭＥＭＳまたはバルク型分光素子の少なくとも１つ含む空間光学素子を組み合わせて構成されたことを特徴とする光信号処理装置。