JP2012068499A - 光導波回路 - Google Patents

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    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/1221—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths made from organic materials

Abstract

【課題】サイズや損失を増加させることなく、簡単な構成により、波長合分波器の透過中心波長の温度変化の２次成分を補償する。
【解決手段】屈折率の温度係数が２次成分を有する材料からなる導波路と、前記導波路の一部に形成された溝と、前記溝に充填された、前記導波路の屈折率の温度係数と異なる屈折率の温度係数を有する補償材料とを備え、前記溝と前記導波路との界面の法線と、前記導波路を伝搬する光の光軸とが所定の交差角で交差しており、前記所定の交差角は、導波路の屈折率の温度係数の２次成分による導波路の光路長変化の２次成分を低減するように定められていることを特徴とする光導波回路を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信で用いられる光導波回路に関する。より詳細には、光導波回路を構成する導波路の一部に、導波路を構成する材料とは異なる屈折率の温度依存性を有する材料を充填することにより、温度依存性を制御した光導波回路に関する。
平面光波回路(ＰＬＣ)を用いた波長合分波器は、一般に光波長合分波特性の温度依存性を有する。例えば、石英系ガラスを材料とする石英系ＰＬＣによるマッハツェンダー干渉計(ＭＺＩ)やアレイ導波路回折格子(ＡＷＧ)を用いた波長合分波器においては、石英系ガラスの屈折率の温度係数ｄｎ(SiO2)／ｄＴが約１ｘ１０−５ (１／℃)であり、波長合分波器の透過中心波長λｃの温度係数ｄλｃ／ｄＴが約０．０１(ｎｍ／℃)である。
特許文献１には、ＭＺＩのアーム導波路を横切る溝を形成し、屈折率の温度係数が石英系ガラスと異なる補償材料(樹脂)を挿入することによって、干渉計全体としてのλｃの温度依存性を制御し、例えば光干渉計を構成する材料の屈折率の温度依存性を相殺するような補償材料・溝設計を適用することで温度によるλｃの変化をほぼ無くした温度無依存波長合分波器が開示されている。
例えば、ＭＺＩの２本のアーム導波路長差ΔＬ、２本のアーム導波路に補償材料(樹脂)を充填した溝長の差ΔＬ(resin)、アーム導波路の石英ガラスの屈折率の温度係数をｄｎ(SiO2)／ｄＴ、補償材料の屈折率の温度係数をｄｎ(resin)／ｄＴとすると、
を満たすことで、石英ガラスの屈折率の温度依存性による光路長変化を、補償材料の屈折率の温度依存性による光路長変化によって補償し、温度変化に伴う中心波長λｃの変化を低減した温度無依存化が実現できる。
しかしながら、特許文献１に記載の波長合分波器であっても、λｃの温度依存性を完全に補償できるわけではない。
実際の石英ガラス導波路の屈折率の温度係数ｄｎ(SiO2)／ｄＴには、１次のみならず２次の成分が存在し、それは、
のように表すことができる。特許文献１に記載の温度無依存化した波長合分波器は、使用温度範囲のほぼ中央の温度において１次の温度依存性のみが補償されるように設計されているため、２次の成分が残留し、使用温度範囲全体でみると僅かな温度依存性が残留する。図１４は、波長合分波器の温度補償していない場合の温度変化による相対中心波長の変化の計算結果１４００と、特許文献１に記載のように使用温度範囲のほぼ中央の温度において１次の温度依存性のみを補償した場合の温度変化による相対中心波長の変化の計算結果１４０１を示すグラフである。計算結果１４０１に示すように使用温度範囲全体でみると僅かな温度依存性が残留していることがわかる。
そこで、例えば、特許文献２および３では、従来の方法で温度無依存化したＡＷＧのスラブ導波路にマルチモード導波路を接続し、１次モードを励振してスラブ導波路への入力光のフィールド形状（位置）を温度によって変調することが開示されている。特許文献４および非特許文献１では、ＡＷＧとＭＺＩの周波数特性を同期させて平坦な透過スペクトルおよび低い損失特性を得たＭＺＩ同期ＡＷＧにおいて、ＭＺＩを構成する光カプラの一方のカプラをポート間位相差が温度によって変調する温度依存型位相差生成カプラに変更する方法によって、残留温度依存性を補償することが開示されている。
ＷＯ９８／３６２９９号 特開２０１０−０２６３０２ 特開２０１０−０４４３５０ 特開２０１０−０４４３４９
Kamei S, et al., Photonics Technology Letters, IEEE, Vol.21, No.17,Sep. 1, 2009 P.1205
従来提案されている残留温度依存性を補償する提案にはいくつか問題点がある。特許文献２および特許文献３に提案された方法は、いずれもＡＷＧのスラブ導波路への入力光の位置を変化させることで残留温度依存性を補償するという方法である。この場合、入力光位置によって透過波長が変化するというＡＷＧ型波長合分波器特有の構成を必要とするため、ＭＺＩなどＡＷＧ以外の回路構成からなる波長合分波器には適用できない。また、マルチモード導波路部分や１次モードを励振する部分の付加によりサイズが増大する。
特許文献４、非特許文献１に提案された方法は、ＭＺＩを構成する光カプラのポート間位相差が温度によって変化する機構を与えることで、ＭＺＩ−ＡＷＧの残留温度依存性補償のほか、ＭＺＩ単独の残留温度依存性補償にも用いることが可能である。しかし、ＭＺＩを構成する光カプラの少なくとも一方を温度依存型位相差生成カプラに変更することが必要となり、サイズや損失の増大を招く点で問題がある。
本発明は、簡単な構成により、導波路の屈折率の温度係数の２次成分による導波路の光路長変化の２次成分を低減することを目的とする。
本発明は上記問題点を解決するために成されたもので、温度補償樹脂を充填した溝と、導波路との界面における伝搬光の屈折による光路長変化に着目したものである。
本発明は、屈折率の温度係数が２次成分を有する導波路と、前記導波路の一部に形成された溝と、前記溝に充填された、前記導波路の屈折率の温度係数と異なる屈折率の温度係数を有する補償材料とを備え、前記溝と前記導波路との界面の法線と、前記導波路を伝搬する光の光軸とが所定の交差角で交差しており、前記所定の交差角は、導波路の屈折率の温度係数の２次成分による導波路の光路長変化の２次成分を低減するように定められていることを特徴とする光導波回路を提供する。
また、本発明は、屈折率の温度係数が２次成分を有する長さの異なる複数の導波路と、前記複数の導波路のうち第１の導波路に形成された第１の溝と、前記複数の導波路のうち第２の導波路に形成された第２の溝と、前記第１および第２の溝に充填された、前記導波路の屈折率の温度係数と異なる屈折率の温度係数を有する補償材料とを備え、前記第１の溝と前記第１の導波路との界面の法線と、前記第１の導波路を伝搬する光の光軸とが第１の交差角で交差しており、前記第２の溝と前記第２の導波路との界面の法線と、前記第２の導波路を伝搬する光の光軸とが第２の交差角で交差していることを特徴とする光導波回路を提供する。
本発明によれば、サイズや損失を増加させることなく、導波路の屈折率の温度係数の２次成分による導波路の光路長変化を低減することが可能となり、広い温度範囲で使用可能な光導波回路を得ることができる。また、サイズや損失を増加させることなく、波長合分波器の透過中心波長λｃの温度変化の２次成分を補償することが可能となり、広い温度範囲で使用可能な波長合分波器を得ることができる。
本発明の実施形態にかかる温度補償樹脂を充填した溝を有する導波路を示す模式図である。 （ａ）導波路の屈折率と温度補償樹脂の屈折率が等しい場合、（ｂ）導波路の屈折率が温度補償樹脂の屈折率より大きい場合、（ｃ）導波路の屈折率が温度補償樹脂の屈折率より小さい場合における、本発明の実施形態にかかる温度変化に伴う屈折率変化による光路の変化を示す模式図である。 本発明の第１実施形態にかかる（ａ）波長合分波器、（ｂ）温度補償樹脂を充填した溝を有する導波路を示す模式図である。 本発明の第１実施形態にかかる（ａ）中心波長λｃの温度依存性計算結果を示す図および（ｂ）そのＸ軸近傍の拡大図である。 本発明の実施例にかかる波長合分波器のＢＰＭシミュレーション用回路を示す模式図である。 本発明の実施例にかかる波長合分波器のＢＰＭシミュレーションによる中心波長λｃの温度依存性を示す図である。 本発明の第２実施形態にかかる（ａ）波長合分波器の中心波長λｃの温度依存性計算結果を示す図および（ｂ）そのＸ軸近傍の拡大図である。 本発明の第３実施形態にかかる波長合分波器の模式図を示す図である。 本発明の第３実施形態にかかる波長合分波器の中心波長λｃの温度依存性計算結果を示す図である。 本発明の第４実施形態にかかる波長合分波器の模式図を示す図である。 本発明の第５実施形態にかかる波長合分波器の導波路の模式図を示す図である。 本発明の第６実施形態にかかる波長合分波器の導波路の模式図を示す図である。 本発明の第６実施形態にかかる光路長変化量の温度依存性計算結果を示す図である。 従来の方法で温度無依存化した波長合分波器の中心波長の温度依存性計算結果を示す図である。
図１は、本発明の実施形態にかかる光導波回路１００を示す模式図である。光導波回路１００は、導波路１０１を有し、導波路１０１にはほぼ一定の幅を有する溝１０２が形成されており、溝１０２には温度補償樹脂１０３が充填されている。
ここで、本実施形態および下記全ての実施形態では、導波路はコア部とクラッド部を含む。導波路の材料として石英系ガラス（SiO2）を、温度補償樹脂の材料としてシリコーン樹脂（resin）を使用するが、本発明は、これらの材料を用いた光導波回路に限定されるものではく、屈折率の温度係数の２次成分を有する光導波回路に広く適用することができる。また、限定されないが、導波路に形成される溝は、設計段階から該溝を導波路にあらかじめ組み込んだマスクを用いてフォトリソグラフィー技術により形成したり、作製された導波路基板に直接溝を機械的に削り出すことによって形成することができる。また、溝に樹脂を充填する方法に関しても、半導体プレーナ技術等、当業者に良く知られた技術を用いることができる。
光導波回路１００において、温度補償樹脂１０３と導波路１０１との界面の法線と導波路１０１を伝搬する光（伝搬光のパワー中心）の光軸との間の交差角は交差角θ１だけ傾いている。この交差角θ１により、温度変化に伴う導波路の屈折率変化による伝搬光の中心波長λｃの温度依存性を補償することができる。以下にさらに詳細に説明する。
温度変化に伴って、温度補償樹脂１０３の屈折率と導波路１０１の屈折率が変化し、それにより温度補償樹脂１０３と導波路１０１との界面での屈折角θ２も変化する。この屈折角θ２は、スネルの法則より、
とあらわすことができる。
例えば、温度Ｔ０で温度補償樹脂の屈折率ｎ(resin)と石英系ガラスで作られた導波路の屈折率ｎ(SiO2)が等しく、温度補償樹脂の屈折率の温度係数ｄｎ(resin)／ｄＴが導波路の屈折率の温度係数ｄｎ(SiO2)／ｄＴよりも小さい場合、Ｔ＞Ｔ０のときはｎ(SiO2)＞ｎ(resin)となるため温度Ｔにおける屈折角θ２は大きくなり、Ｔ＜Ｔ０のときはｎ(SiO2)＜ｎ(resin)となるため温度Ｔにおける屈折角θ２は小さくなる。
図２は、図１に示す導波路１０１における、温度変化による屈折率変化に伴う光路の変化を模式的に表した図である。温度Ｔ０で温度補償樹脂１０３の屈折率ｎ(resin)と石英系ガラスで作られた導波路１０１の屈折率ｎ(SiO2)が等しく、温度補償樹脂１０３の屈折率の温度係数ｄｎ(resin)／ｄＴが導波路１０１の屈折率の温度係数ｄｎ(SiO2)／ｄＴよりも小さい場合、Ｔ＝Ｔ０のときは、図２（ａ）に示すように、導波路１０１を伝搬する光は屈折せずに温度補償樹脂１０３を直線的に通過する。Ｔ＞Ｔ０、即ちｎ(SiO2)＞ｎ(resin)になるほど、図２（ｂ）に示すように、屈折角θ２は大きくなり、樹脂内を光が通過する距離Ｌresinが長くなることになる。そして、Ｔ＜Ｔ０、即ちｎ(SiO2)＜ｎ(resin)になるほど、図２（ｃ）に示すように、屈折角θ２は小さくなり、Ｌresinが短くなることになる。このように、温度変化に伴う屈折率変化によって、光が温度補償樹脂１０３を通過する距離の変化が生じる。同時に、図１に示されるように、ＡＢ間の光の幾何学上の伝搬距離は、温度Ｔ０でｎ(resin)＝ｎ(SiO2)の時は温度補償樹脂１０３が充填された溝幅Ｌ１であるが、温度Ｔのときには光が温度補償樹脂１０３中を通過する距離Ｌresinと温度補償樹脂１０３を貫けてからＢまでの光が導波路１０１を通過する距離Ｌcoreとの和である。そして、温度変化に伴いθ２が変化すると、Ｌcoreも変化する。
このＬresinおよびＬcoreは、図１より導波路の光軸方向にそった溝幅Ｌ１を用いて、
とあらわすことができ、よって、図１のＡＢ間光路長ＬＡＢは、
と交差角θ１、温度補償樹脂の屈折率ｎ(resin)、導波路の屈折率ｎ(SiO2)の関数としてあらわすことができる。
屈折率ｎ（resin）、屈折率ｎ（SiO2）は材料固有のパラメータであるので、材料が決まれば基本的に変化させることができないが、交差角θ１は任意に変化させることができる。ここで、屈折率ｎ（resin）と屈折率ｎ（SiO2）が温度に対して非線形性を有するため、ＡＢ間の光路長ＬＡＢは、式（６）より温度に対して非線形な変化をするが、交差角θ１に応じて該非線形変化の挙動を変えることができる。
従って、導波路１０１の光路長の温度変化を一定、あるいは低減する場合においては、導波路１０１の導波路部分（温度補償樹脂１０３が充填されない部分）における非線形な屈折率変化（すなわち、１次成分、２次成分を含む屈折率変化）を相殺または低減するような非線形変化の挙動を示す光路長ＬＡＢとなるように交差角θ１を設定する。これにより、導波路１０１の温度変化による光路長変化の２次成分を補償することができる。
また、導波路１０１がＭＺＩ等の波長合分波器のアーム導波路の１つである場合は、該ＭＺＩが備える複数のアーム導波路のうち、温度補償樹脂１０３が充填されていない部分（導波路１０１の導波路部分、およびＭＺＩの他のアーム導波路）における非線形な屈折率変化を相殺または低減するような非線形変化の挙動を示す光路長ＬＡＢとなるように交差角θ１を設定することにより、アーム導波路間の温度変化による光路長差の２次成分を補償することができる。
よって、本実施形態において、ＡＢ間光路長ＬＡＢは式(６)より温度に対して非線形な変化をするため、導波路の屈折率変化の２次成分を相殺または低減するように交差角θ１を適切に設定することによって、波長合分波器の透過中心波長λｃの温度変化の２次成分を補償することが可能となる。すなわち、本実施形態によれば、溝に充填した温度補償樹脂の屈折率変化による光路長変化に加えて、溝と導波路との界面における伝搬光の屈折による伝搬経路変化による光路長変化を制御することができる。
また、本実施形態では、屈折率の温度係数が２次成分を有する材料からなる導波路で形成された光導波回路を製造する方法であって、前記導波路が形成された光導波回路を用意するステップと、前記導波路の一部に溝を形成するステップと、前記溝に、前記導波路の屈折率の温度係数と異なる屈折率の温度係数を有する補償材料を充填するステップとを備え、前記溝と前記導波路との界面の法線と、前記導波路を伝搬する光の光軸とが所定の交差角で交差しており、前記所定の交差角は、導波路の屈折率の温度係数の２次成分による導波路の光路長変化の２次成分を少なくとも低減するように定められていることを特徴とする光導波回路の製造方法も含まれる。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態では、少なくとも２つの導波路を含むＭＺＩ等の波長合分波器の透過中心波長λｃの温度変化の２次成分を補償する。
ＭＺＩ等のアーム導波路を伝搬した信号光を干渉させる形態の光干渉計においては、アーム間の光路長差Δ(ｎＬ)で透過中心波長等の特性が定められるため、必ずしも各アーム導波路の光路長の変化の２次成分をそれぞれ補償する必要は無く、アーム間の光路長差Δ(ｎＬ)の変化の２次成分を相殺するように各導波路の溝の交差角θ１を設定すればよい。ここで、各導波路の溝部における屈折による光路長変化は各アームで同一方向(温度が上がると図２ｂのようにＬresinが長くなり、温度が下がると図２ｃのようにＬresinが短くなる方向)となるので、アーム間の光路長差Δ(ｎＬ)の変化に寄与するのは各アームでの屈折による光路長変化の差分となる。
そこで、本発明の第１実施形態では、少なくとも２つの導波路を含むＭＺＩ等の波長合分波器において、各導波路に温度補償樹脂を組み込み、各導波路の溝の交差角θ１を導波路毎に異ならせることで（例えば、第１および第２の導波路を含むＭＺＩにおいて、第１の導波路では第１の交差角を０度より大きい値とし、第２の導波路では第２の交差角を０度とする。）、各アームでの屈折による光路長変化の差を大きくし、温度変化に伴う各導波路の屈折率変化による伝搬光の中心波長の温度依存性を効率的に補償し、少なくとも２つの導波路間の光路長の差を温度によらず一定に保つことに向けられる。なお、少なくとも２つの導波路の一方にだけ温度補償樹脂を入れてもよいが、本実施形態のように、全ての導波路に温度補償樹脂を組み込むことにより、２つの導波路の伝送損失の差がより小さく、製造誤差にも強いＭＺＩ等の波長合分波器が作製できる。
本実施形態では、ＭＺＩの複数のアームの導波路に上記のような温度補償樹脂を設け、アームの導波路間で前記交差角θ１を異なる値に設定し、導波路の屈折率変化による干渉計の光路長差の変化の２次成分を相殺するように、即ちアーム間の光路長差Δ(ｎＬ)が温度によらず一定になるように、複数のアームにおける各交差角θ１を適切に設定することによって、より効果的な補償が可能となる。
図３(ａ)は本発明の第１実施形態にかかる波長合分波器の模式図である。本実施形態の波長合分波器３００は、基板上に形成された石英系ガラス製の平面光波回路（ＰＬＣ）として形成され、２つの方向性結合器からなる２ｘ２光カプラ３０５と、それらを結合する第１のアーム導波路３０１と第２のアーム導波路３０２を有するマッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）とを備える。第１のアーム導波路３０１には該第１のアーム導波路と交差するように形成された第１の溝３０６が設けられている。該第１の溝には、温度補償樹脂（シリコーン樹脂）３０３が充填されている。同様に、第２のアーム導波路３０２には該第二のアーム導波路と交差するように形成された第２の溝３０７が設けられている。該第２の溝には、温度補償樹脂（シリコーン樹脂）３０４が充填されている。
第１のアーム導波路３０１は第２のアーム導波路３０２よりも導波路長差ΔＬだけ長く形成されている。第１および第２の溝はそれぞれほぼ一定の幅を有するＮgroove個の単位溝に等分割され、各アーム導波路を伝搬する光の光軸方向にピッチｐで配置されている。
図１に示した温度補償樹脂が充填された溝を形成した導波路と同様に、第１の溝の各単位溝は、第１の溝の単位溝と前記第一のアーム導波路３０１との界面の法線と、前記第１のアーム導波路を伝搬する光の光軸とが、基板に対して水平方向に交差角θ１だけ傾いて形成されている（図３ｂ）。一方、第２の溝の各単位溝は、前記第２の溝の各単位溝と前記第２のアーム導波路３０２との界面の法線と、前記第二のアーム導波路を伝搬する光の光軸とが基板に対して水平方向で一致するように（交差角＝０度）形成されている。
前記第１のアーム導波路３０１と第２のアーム導波路３０２にそれぞれ形成された各単位溝の、各アーム導波路を伝搬する光の光軸方向に沿った溝幅Ｌ１、Ｌ２は、溝形成前のＭＺＩの２本のアーム導波路長差をΔＬ、２本のアーム導波路に温度補償樹脂を充填した溝長の差ΔＬ(resin)=Ｎgroove・(Ｌ１−Ｌ２)、コアおよびクラッドを構成する石英系ガラスで作られた導波路の屈折率の温度係数をｄｎ(SiO2)／ｄＴ、温度補償樹脂の屈折率の温度係数をｄｎ(resin)／ｄＴとするとき、使用温度範囲の中央付近の温度において式(１)を満たすように決定される。導波路の屈折率の温度依存性による光路長変化を、温度補償樹脂の屈折率の温度依存性による光路長変化によって補償し、使用温度範囲の中央付近の温度において温度無依存化を実現する。また、図示しないが、各アーム導波路に設けられた溝での放射損失を低減するため、および、屈折による光路長変化が起こりやすくするために、第１のアーム導波路３０１および第２のアーム導波路３０２は、溝との交差部において、導波路幅が太く形成されている。
本実施形態の波長合分波器における透過中心波長λｃの温度変化を確認するため、表１に示すパラメータを用い、λｃの温度依存性を計算した。
透過中心波長λｃの計算方法を具体的に示すと、以下のようになる。
１．式(４)を用いて、所定のθ１、チップ温度ＴにおけるＬresinを算出。
２．同様に式(５)を用いて、Ｌcoreを算出。
３．算出したＬresinを用いて、両アーム間の光が温度補償樹脂中を伝搬する距離の差ΔＬ(resin)’を式(７)で算出。Ｎgrooveはアーム導波路の単位溝の数。
４．算出したＬcoreを用いて、両アーム間の光が導波路中を伝搬する距離の差ΔＬ(SiO2)’を式(８)で算出。
５．ΔＬ(resin)’ とΔＬ(SiO2)’、および、温度Ｔにおける樹脂と石英ガラスの屈折率ｎ(resin)、ｎ(SiO2)を用いて、両アーム間の光路長差Δ(ｎＬ)を下式で算出。
６．算出したΔ(ｎＬ)と、ＭＺＩ回路の回折次数ｍ＝７９を用いて、波長１５５０ｎｍ付近の透過中心波長λｃを下式で算出。
このような手順を、交差角θ１が０度〜２５度、チップ温度が−５０〜＋７５℃の範囲で繰り返し、求めた中心波長λｃの温度依存性計算結果を図４に示す。図４の曲線４０１はθ１＝０度の、曲線４０２はθ１＝５度の、曲線４０３はθ１＝１０度の、曲線４０４はθ１＝１５度の、曲線４０５はθ１＝２０度の、そして、曲線４０６はθ１＝２５度のλｃの温度依存性を示す。また、比較のため、温度補償樹脂を設けない場合のλｃの温度依存性の曲線４００も合わせて示す。
図４より、符号４００と符号４０１のλｃの温度依存性を比較すると、交差角θ１＝０度の温度補償樹脂を導波路に組み込むことで、λｃの温度依存性の一次成分が補償されるが、λｃの温度依存性の２次成分が残ったままであることが理解される。そして、交差角θ１を０度から増加させるに従って、λｃの温度依存性が下に凸型〜平坦〜上に凸型と変化することがわかる。交差角θ１＝０度のときには、上記温度範囲において０．０５ｎｍ程度の中心波長の変動があるが、交差角θ１＝約１５度とすることで、中心波長の変動を０．０１ｎｍ程度に抑制できることが分かる。
なお、このような手順を用いて求めた交差角θ１が非常に大きな値になると、作製すべき溝の幅Ｌ１cosθ１が非常に小さな値となり、作製工程上の問題で実現が困難になる可能性がある。そのような場合は、単位溝数Ｎgrooveを増加させて屈折による光路長変化の効果を増大させたり、単位溝幅Ｌ１、Ｌ２を増大させたりするなどして、実現可能な溝幅になるように適宜パラメータを選択して再度計算を行えば良い。
また、本実施形態では、屈折率の温度係数が２次成分を有する材料からなる長さの異なる複数の導波路で形成された光導波回路を製造する方法であって、前記複数の導波路が形成された光導波回路を用意するステップと、前記複数の導波路のうち第１の導波路に第１の溝を形成し、前記複数の導波路のうち第２の導波路に第２の溝を形成するステップと、前記第１および第２の溝に、前記導波路の屈折率の温度係数と異なる屈折率の温度係数を有する補償材料を充填するステップとを備え、前記第１の溝と前記第１の導波路との界面の法線と、前記第１の導波路を伝搬する光の光軸とが第１の交差角で交差しており、前記第２の溝と前記第２の導波路との界面の法線と、前記第２の導波路を伝搬する光の光軸とが第２の交差角で交差しており、前記第１の交差角と前記第２の交差角とはそれぞれ異なり、前記第１の交差角は、前記第１および第２の導波路の屈折率の温度係数の２次成分による前記第１および第２の導波路間の光路長差の温度変化の２次成分を低減するように定められていることを特徴とする光導波回路の製造方法も含まれる。
（実施例）
本発明の実施例では、図５に示すような波長合分波器のＢＰＭシミュレーション用回路と、表１のパラメータを用いて、ビーム伝搬法によるシミュレーションを行った。図５の回路は、第１の導波路に設けられた第１の導波路を伝搬する光の光軸との間の第１の交差角を交差角θ１だけ傾けて設けられた溝５０１と、第２の導波路に設けられた第２の導波路を伝搬する光の光軸との間の交差角θ１が０度の第２の交差角の溝５０２を有する。第１の交差角θ１を０度〜２５度の範囲で変化させたときの、チップ温度−６０℃、０℃、＋６０℃におけるλｃの温度依存性を計算した結果を図６に示す。
図６の曲線６００はθ１＝０度の、曲線６０１はθ１＝８度の、曲線６０２はθ１＝１２．５度の、曲線６０３はθ１＝１８度の、そして、曲線６０４はθ１＝２２度のλｃの温度依存性を示す。図６より、図４と同様に交差角θ１を０度から増加させるに従って、λｃの温度依存性が下に凸型〜平坦〜上に凸型と変化し、θ１＝１２．５度付近にて、ほぼ平坦なλｃの温度依存性が得られることが確認できた。
以上の本実施例にかかるシミュレーション結果からも、温度補償樹脂を充填する溝と導波路との交差角度θ１を調整するという、簡便でサイズの増大を招くことがほとんど無い手法にて、導波路の屈折率の温度依存性の２次成分によるλｃの温度依存性の２次成分を補償することが可能となることが確認できた。
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態にかかる波長合分波器のＭＺＩパラメータを表２に示す。
本実施形態における波長合分波器は、第１実施形態における波長合分波器と略同一のものであるが、４０Ｇｂｐｓ差動位相変調方式による光通信システムでの受信器用１ビット遅延器への適用を念頭に置いたものである。シンボルレート５０Ｇｂｐｓの位相変調光の隣接するビット同士を干渉させ、位相変調された信号を強度信号に復調する働きを有している。そのため、ＭＺＩの遅延量を１ビット分に相当する２０ｐｓとし、この遅延量に対応するＭＺＩのアーム導波路長差ΔＬを４０４０ｕｍに設定している。また、ΔＬが大きい分、補償すべきアーム間の光路長差ｎ(SiO2)・ΔＬが大きくなるため、溝数を６０本に増加させ、補償効果の積算効果を増大させている。
図７（ａ）に、第１の交差角θ１を０度〜５０度の範囲で変化させたときの、チップ温度−５０〜＋７５℃におけるλｃの温度依存性を計算した結果を示す。図７（ｂ）には、そのＸ軸近傍の拡大図を示す。図７の曲線７０１はθ１＝０度の、曲線７０２はθ１＝１０度の、曲線７０３はθ１＝２０度の、曲線７０４はθ１＝３０度の、曲線７０５はθ１＝４０度の、そして、曲線７０６はθ１＝５０度のλｃの温度依存性を示す。また、比較のため、温度補償樹脂を設けない場合のλｃの温度依存性の曲線７００も合わせて示す。
図７より、交差角θ１＝４０度とすることで、中心波長λｃの波長変動をほぼ平坦にできることが分かる。このように、本発明の構成による波長合分波器は、適切な溝数、交差角度等を適宜選定することによって、ＭＺＩの遅延量の大小に関わらず、広く適用可能であることが分かる。
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態にかかる波長合分波器の模式図を図８に示す。図８の符号８００は溝に充填された温度補償樹脂を、符号８０１はＭＺＩを、符号８０２はＡＷＧを示す。本実施形態の波長合分波器は、特許文献５と同様の基本設計をしたＭＺＩ同期ＡＷＧ型の波長合分波器を構成するＭＺＩ部分に、表３に示すパラメータを有するＭＺＩを適用したものである。
本実施形態にかかるＭＺＩは第２実施形態における波長合分波器と略同一のものであるが、第１の交差角θ１を６０度と固定している点が異なっている。このＭＺＩのチップ温度−５から＋６５℃におけるλｃの温度依存性を計算した結果を図９に示す。
図９に示すように、ＡＷＧの中心波長の温度依存性をＭＺＩの中心波長の温度依存性によって相殺することが可能となり、ＭＺＩ同期ＡＷＧ型波長合分波器全体として温度無依存特性を得ることができた。
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態にかかる波長合分波器の模式図を図１０に示す。図１０は、波長合分波器１００１、溝に充填された温度補償樹脂１００２、ＭＺＩ１００３、温度補償板１００４、ＡＷＧ１００５、スラブ切断部１００６、および、入力（出力）スラブ導波路１００７を示す。
本実施形態において、ＭＺＩ１００３に接続された入力（出力）スラブ導波路１００６の一部分を分離し、ＭＺＩチップとＡＷＧチップとを使用環境温度の変化に応じて伸縮する温度補償板１００４で接続することにより、使用環境温度変化に応じて両チップの相対的な位置を変化させ、温度変化に伴う入力スラブ導波路端における焦点位置の変動に導波路を追従させる。この際、分離されたチップ間には屈折率整合材を充填し、反射や放射損失を抑制する技術を用いてもよい。また、導波路ガラスの湿気からの保護など信頼性確保を目的に、チップ全体を屈折率整合材に浸漬し、気密封止したモジュールを用いてもよい。
本実施形態の波長合分波器１００１は、第３実施形態に掛かる波長合分波器と略同一であるが、ＡＷＧの入力（出力）スラブ導波路１００６を切断し、温度補償板１００４の熱膨張による焦点位置の温度変化を利用してＡＷＧの温度無依存化を図っている点で異なっている。
本実施形態の波長合分波器１００１に適用された温度無依存ＡＷＧにおいても、石英ガラスの屈折率の温度係数の２次成分に起因する中心波長の温度依存性の２次成分を有することから、第３実施形態と同様の方法でＭＺＩの温度依存性と相殺することによって全体としての中心波長の温度依存性の２次成分を相殺することが可能である。
（第５実施形態）
本発明の第５実施形態にかかる波長合分波器の導波路の模式図を図１１に示す。図１１は、導波路１１００、温度補償樹脂１１０１、および、溝１１０２を示す。本実施形態の波長合分波器は、上記一実施形態に掛かる波長合分波器と略同一であるが、隣接する各単位溝の交差角度を交互（図１１(ａ)）に、または、一定数ごと（図１１(ｂ)）に反転させた点で異なっている。
本実施形態の波長合分波器によると、各単位溝での屈折による伝搬光の光軸の導波路中心からのズレ方向を交互に、または、一定数ごとに反転させることができるため、溝形成部全体としての導波路内における光軸のズレ量を低減することができるというさらなる効果が得られる。
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態にかかる光導波回路の模式図を図１２に示す。図１２は、導波路１２００、温度補償樹脂１２０１、および、溝１２０２を示す。図１２の導波路１２００は、上記一実施形態にかかる導波路と略同一の構成であるが、１つの導波路に複数の単位溝を組み込んだ構成をとる。本実施形態においては単一の導波路における光路長ｎＬが一定となるように設計する。そして、上記一実施形態と同様に、１つの導波路において、交差角θ１で複数の単位溝を形成し、そこへ温度補償樹脂を充填することで、温度変化に伴う導波路の屈折率変化による伝搬光の中心波長の温度依存性を補償することに向けられる。
即ち、図１２のＡＣ間の導波路長をＬ０、単位溝幅をＬ１、単位溝数をＮgrooveとしたとき、使用温度範囲の中心付近の温度域において、
を満たすようにＬ１、およびＮgrooveを決定している。
次に、図１２において、ＡＣ間の導波路長をＬ０、単位溝長をＬ１、単位溝数をＮgrooveとすると、樹脂中を光が通過する距離Ｌresinと、ＡＢ間に於いてコア内を光が伝搬する距離Ｌcoreは第一の実施形態の場合と同様に式(４)および式(５)で表すことができる。従って、ＡＣ間の光路長ｎＬは、
となり、交差角θ1を変化させてｎＬの温度変化を計算することで、上記一実施形態と同様に最適なθ１を求めることが出来る。
表４に示すパラメータを用いて計算したＡＣ間の光路長ｎＬの温度変化（符号１３０２）を図１３に示す。
比較として、温度補償無しの場合（符号１３００）、および交差角が０度の場合（符号１３０１）も合わせて示す。図１３より、交差角θ１を６８度に設定することで、光路長ｎＬをほぼ一定にでき、式(１０)から中心波長λｃも一定となる。
本発明は上記実施形態例に限定されること無く、導波路の屈折率の温度係数と異なる屈折率の温度係数を有する補償材料が、前記導波路の一部に形成された溝に充填されている各種光導波回路に適用可能である。また、導波路構成材料や補償材料も記実施形態例に限定されること無く、半導体、ガラス、セラミックス、樹脂等、光学的に透明な各種材料を適用可能であるが、損失が低く、導波路構成材料と補償材料との屈折率が近く、両者の屈折率の温度係数が大きく異なる組み合わせが好ましく、屈折率の温度係数が逆符号であると更に好ましい。
上記実施形態例では、各導波路に形成された単位溝は同一の幅を有し且つ同一の角度で各導波路と交差しているが、これに限定されること無く、異なる幅、異なる角度の単位溝を組み合わせて温度補償用の溝と成しても良い。この場合、各導波路に形成された各単位溝部に於ける光路長変化量を積算して設計すればよい。
１００ 光導波回路
１０１ 導波路
１０２ 溝
１０３ 温度補償樹脂

Claims (16)

  1. 屈折率の温度係数が２次成分を有する導波路と、
    前記導波路の一部に形成された溝と、
    前記溝に充填された、前記導波路の屈折率の温度係数と異なる屈折率の温度係数を有する補償材料とを備え、
    前記溝と前記導波路との界面の法線と、前記導波路を伝搬する光の光軸とが所定の交差角で交差しており、
    前記所定の交差角は、導波路の屈折率の温度係数の２次成分による導波路の光路長変化の２次成分を低減するように定められていることを特徴とする光導波回路。
  2. 前記溝は、複数の単位溝からなり、
    前記所定の交差角は、全ての単位溝において同一であることを特徴とする請求項１に記載の光導波回路。
  3. 前記溝は、複数の単位溝からなり、
    前記所定の交差角は、各単位溝の交差角を交互にまたは一定数ごとに反転させた構造をとることを特徴とする請求項１または２に記載の光導波回路。
  4. 屈折率の温度係数が２次成分を有する長さの異なる複数の導波路と、
    前記複数の導波路のうち第１の導波路に形成された第１の溝と、
    前記複数の導波路のうち第２の導波路に形成された第２の溝と、
    前記第１および第２の溝に充填された、前記導波路の屈折率の温度係数と異なる屈折率の温度係数を有する補償材料とを備え、
    前記第１の溝と前記第１の導波路との界面の法線と、前記第１の導波路を伝搬する光の光軸とが第１の交差角で交差しており、
    前記第２の溝と前記第２の導波路との界面の法線と、前記第２の導波路を伝搬する光の光軸とが第２の交差角で交差していることを特徴とする光導波回路。
  5. 前記第１の交差角と前記第２の交差角とはそれぞれ異なることを特徴とする請求項４に記載の光導波回路。
  6. 前記第１の交差角は、前記第１および第２の導波路の屈折率の温度係数の２次成分による前記第１および第２の導波路間の光路長差の温度変化の２次成分を低減するように定められていることを特徴とする請求項５に記載の光導波回路。
  7. 前記溝は、複数の単位溝からなり、
    前記第１の交差角は、全ての単位溝において同一であり、
    前記第２の交差角は、全ての単位溝において同一であることを特徴とする請求項４ないし６のいずれか１項に記載の光導波回路。
  8. 前記溝は、複数の単位溝からなり、
    前記第１の交差角および、または前記第２の交差角は、各単位溝の交差角を交互にまたは一定数ごとに反転させた構造をとることを特徴とする請求項４ないし７のいずれか１項に記載の光導波回路。
  9. 前記光導波回路は、前記長さの異なる複数の導波路のいずれか一方の端を光カプラで接続した光干渉計であることを特徴とする請求項４ないし８のいずれか１項に記載の光導波回路。
  10. 前記光導波回路は、前記長さの異なる２本の導波路の両端を光カプラで接続したマッハツェンダー干渉計であることを特徴とする請求項９に記載の光導波回路。
  11. 請求項１０に記載されたマッハツェンダー干渉計と、
    アレイ導波路回折格子とを備え、
    前記マッハツェンダー干渉計は前記アレイ導波路回折格子の入力導波路に接続されていることを特徴とするマッハツェンダー干渉計同期アレイ導波路回折格子型の光干渉計。
  12. 前記光導波回路は波長合分波器であることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の光導波回路。
  13. 屈折率の温度係数が２次成分を有する材料からなる導波路で形成された光導波回路を製造する方法であって、
    前記導波路が形成された光導波回路を用意するステップと、
    前記導波路の一部に溝を形成するステップと、
    前記溝に、前記導波路の屈折率の温度係数と異なる屈折率の温度係数を有する補償材料を充填するステップとを備え、
    前記溝と前記導波路との界面の法線と、前記導波路を伝搬する光の光軸とが所定の交差角で交差しており、
    前記所定の交差角は、導波路の屈折率の温度係数の２次成分による導波路の光路長変化の２次成分を少なくとも低減するように定められていることを特徴とする光導波回路の製造方法。
  14. 屈折率の温度係数が２次成分を有する材料からなる長さの異なる複数の導波路で形成された光導波回路を製造する方法であって、
    前記複数の導波路が形成された光導波回路を用意するステップと、
    前記複数の導波路のうち第１の導波路に第１の溝を形成し、前記複数の導波路のうち第２の導波路に第２の溝を形成するステップと、
    前記第１および第２の溝に、前記導波路の屈折率の温度係数と異なる屈折率の温度係数を有する補償材料を充填するステップとを備え、
    前記第１の溝と前記第１の導波路との界面の法線と、前記第１の導波路を伝搬する光の光軸とが第１の交差角で交差しており、
    前記第２の溝と前記第２の導波路との界面の法線と、前記第２の導波路を伝搬する光の光軸とが第２の交差角で交差していることを特徴とする光導波回路の製造方法。
  15. 前記第１の交差角と前記第２の交差角とはそれぞれ異なることを特徴とする請求項１４に記載の光導波回路の製造方法。
  16. 前記第１の交差角は、前記第１および第２の導波路の屈折率の温度係数の２次成分による前記第１および第２の導波路間の光路長差の温度変化の２次成分を低減するように定められていることを特徴とする請求項１４または１５に記載の光導波回路の製造方法。
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