JP2017009918A - 光導波路デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】光干渉回路を有する基板に、薄膜素子を挿入する複数の溝を形成しても、溝が回路配置上の制約となることがなく、溝ごとに充填剤量の調整が必要とせず、製造工程が煩雑にならない光導波路型デバイスを提供する。
【解決手段】光導波路型デバイスは、少なくとも１つの溝２５、２６、２７は、薄膜素子を挿入する対応する１本の光導波路２３、２４、２８ａのみを横切り、対応する１本の光導波路に隣接する他の光導波路を横切らないよう構成される。溝２５、２６、２７は概ね矩形状で、溝２５、２６、２７内に薄膜素子を安定して保持・固定できるように、挿入される薄膜素子のサイズに適合した最小のものとする。矩形状の溝２５、２６、２７の少なくともいずれかの端部には、溝２５、２６、２７から連続して形成された拡張部を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、光導波路型デバイスの基板に挿入された薄膜素子を持つ光回路およびそれを用いて実現する光デバイスに関する。

スマートフォン・携帯型タブレット端末などの爆発的普及や、映像配信サービスの開始を背景として、光ネットワークの伝送容量増大への要求が日増しに高まっている。光通信技術はこの要求に対応してさらに発展することが求められており、光通信システムで使用される部品の小型化、低コスト化を実現する技術が益々重要となっている。光通信システム用の部品を実現するのに重要な役割を果たしてきた技術として、導波路型デバイスが挙げられる。導波路型デバイスでは、光の干渉原理を応用することによって、光信号の分岐結合器、波長合分波器、インターリーブフィルタ、光スイッチ、可変光減衰器（ＶＯＡ：Variable Optical Attenuator）などさまざまな基本的機能が実現されている。これらデバイスは導波路型の構造を持つことから、回路設計に柔軟性があり、大規模化かつ高集積化が容易であるという特徴を持つ。さらに、導波路型デバイスはＬＳＩなどの半導体部品製造プロセスを流用して製造されるため、量産性に優れたデバイスとしても大きく期待されている。導波路部分の材料としては、半導体や高分子材料などさまざまなものが実用化されている。特に、シリコン基板上に作製された石英系光導波路は、低損失であって安定性および光ファイバとの整合性に優れるといった特徴を持っており、実用化が最も進んだ導波路型デバイスの一つである。

上述の光ネットワークの伝送容量増大の要求に応えるため、デジタルコヒーレント光伝送技術が普及してきている。導波路型デバイスを用いて構成される光通信用部品の中で、デジタルコヒーレント光伝送に用いられる光送受信器がとりわけ着目される。この光送受信器は、波長多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）された光信号において、１波長当たりの伝送レートが１００Ｇｂ／ｓの高速動作を実現するに至っている。

デジタルコヒーレント光伝送技術において主に用いられる光信号変調方式は、位相変調である。具体的には、位相シフトキーイング（ＰＳＫ：Phase Shift Keying）、または、強度変調と組み合わせられた位相変調方式である直角位相振幅変調（ＱＡＭ：Quadrature Amplitude Modulation）方式が用いられている。さらにデジタルコヒーレント光伝送技術では、位相変調に加えて、位相変調された複数の光信号を直交する２つの光偏波によって多重化する偏波多重方式を組み合わせることによって、上述の高速の伝送レートを実現している。

デジタルコヒーレント光伝送システムにおける光受信器は、そのフロントエンドに光信号のままで信号処理を行う光干渉回路を備えている。光干渉回路から得られた干渉光を受光素子（ＰＤ：Photo Detector）によって検出して電気信号に変換し、受信信号が得られる。光干渉回路からの受信信号は、さらに後続のデジタル信号処理を経て、偏波多重された位相変調信号の復調が実現される。

上述の光干渉回路には光導波路型デバイスが広く用いられており、信号光の光強度を調整するＶＯＡ、信号光の偏波を分離する偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ：Polarization Beam Splitter）、信号光または局所光の偏波を回転する偏波ローテータ（偏波回転器）、信号光および局所光の間の干渉によって位相差を検波する９０度ハイブリッドなどの基本要素から構成される。取り分け、石英系光導波路を用いた光導波路型デバイスは一般に平面光波回路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuit）とも呼ばれる。今後のさらなるデジタルコヒーレント光伝送システムの普及および大容量化を実現するにあたって、ＰＬＣを含む光受信器は鍵になる部品となっている。

図１は、ＰＬＣによって構成された従来技術の光受信器における光干渉回路の構成を示した図であって、光干渉回路が構成されたシリコン基板の基板面を見た上面図である。ここではその詳細な動作説明は省略するが、光干渉回路の異なる機能を実現する光導波路型デバイスの各基本要素の実際の形状に概ねしたがって描かれている。光干渉回路１００は、主な基本要素として、ＶＯＡ１５、ＰＢＳ１２、偏波ローテータ１３、９０度ハイブリッド１６ａ、１６ｂなどを備えている。さらに、信号光の入力導波路１１、局部光の入力導波路１４、干渉光の出力導波路１８ａ、１８ｂ、信号光モニタ導波路１７なども備えている。図１に示したようなＰＬＣで構成され、異なる機能を実現する各基本要素の組み合わせを含む光干渉回路では、小型化が非常に重要な技術課題となっている。

ＰＬＣにおいてＰＢＳまたは偏波ローテータを実現するために、光導波路を横切るように、光波長板を光干渉回路内に挿入する構成を用いることができる。光波長板は、これを通過する光信号の偏波に応じて、光信号に位相差を生じさせる素子であり、例えばポリイミドフィルムを用いて作製されたものが広く知られている。

図１を再び参照すれば、ＰＢＳ１２および偏波ローテータ１３では、光導波路を横切るようにして光波長板を挿入するための溝３が形成されている。それぞれの光導波路を伝搬する光が光波長板を通過するように、この溝３の内部に光波長板が挿入される。このような基板面上に溝を備えた構成によって、光波長板を透過した光偏波に回転を生じさせることが可能となる。例えば、ＰＢＳ１２を構成するためには、２本の光導波路によって構成されるマッハ・ツェンダー光干渉回路で、各光導波路にそれぞれλ／４波長板を互いの複屈折光学軸が直交するように挿入すれば良い。また、偏波ローテータ１３を実現するためには、対象となる光導波路中に複屈折光学軸が４５度となるような向きでλ／２波長板をすれば良い（非特許文献１）。

特許第２６１４３６５号公報 明細書

S. Tsunashima, et. al., "Silica-based, compact and variable-optical-attenuator integrated coherent receiver with stable optoelectronic coupling system", November 19, 2012/Vol. 20, No. 24/OPTICS EXPRESS 27174

しかしながら、上述の光波長板を溝内に挿入する構成の光導波路型デバイスにおいては、デバイスの小型化および製造工程の効率化において、以下に述べるような問題があった。ＰＬＣにおいて光波長板を挿入するための溝は、例えば特許文献１にも記載されているように、ダイシング装置を用いた機械加工によって形成されていた。図１の下方には、光干渉回路１００の基板面および溝３の長手方向に対して垂直な断面を見たときの溝３近傍の構造を示している。溝３は、光干渉回路の最上面から、光導波路が形成されるコア層およびクラッド層を含む導波路層２を越えて、シリコン基板１にまで達するように、所定の値まで切断深さを調整しながら加工されていた。しかしながらこのような機械加工による方法では、ダイシングブレードの大きさによって決まる溝加工を行うための作業エリア内（ワークサイズ）には、他の回路を構成することができない。ダイシング装置自体の加工精度、加工作業に必要なワークサイズを考慮すると、溝の周辺では、１ｍｍ×５ｍｍ程度の面積にわたって回路配置の禁止領域が必要となってしまう。

ダイシングブレードは光導波路に対して非常に大きく、作業エリアと各基本要素とのレイアウトの干渉のため、異なる大きさの多数の溝を基板上に形成することはできなかった。基板上に形成した溝のために、本来溝が不要な光導波路が切断されてしまえば、無駄な光損失を生じてしまう。結局、溝加工を行うための作業エリア内には、波長板挿入が必要な光導波路を除いた他の回路を近接して柔軟に配置することができなかった。このような状況下ではまず溝の配置が優先され、図１に示したように単一の共通の溝を形成し、これに合わせて単一の溝内の異なる部分を利用して異なる機能の光回路を構成していた。

図１の溝３の他の形成方法として、レーザ加工を利用することもできる。しかしながら、レーザ加工ではガラス（ＳｉＯ₂）を熱で溶かして溝を形成するため、加工された部分の熱収縮によって応力が発生したり、溝内面が荒れたりするなどの問題が生じ得る。波長板挿入部における光損失を最小限に留める形状に加工することが難しく、加工によって生じる光導波路部分の歪による光学特性劣化も懸念される。ダイシングおよびレーザのいずれの機械加工手段によっても、その加工精度やワークサイズの点から光回路の小型化の制約となっていた。

光干渉回路の基板上に溝を形成する技術としては、ドライエッチングまたはウェットエッチングによるウェハプロセスを用いることもできる。これらのエッチング方法は、加工精度および形状制御のいずれの点でも、光波長レベルでの制御が可能なため、溝形成の方法として有望である。しかしながら、光波長板などの薄膜を挿入する深い溝を形成するのに適した加工方法である必要がある。具体的には、加工形状については溝の深さ方向への垂直性が求められ、光導波路と溝の境界面の粗さを抑えおよび溝開口の加工トレランスが精緻な技術が必要である。引用文献１記載された光干渉回路の構成例では、水平方向と深さ方向との間でエッチングされる比率（選択比）の差のため、十分な精度で深い溝を加工する時には溝の長さおよび幅のサイズを一定値以上の大きさにする必要があった。光導波路を作製する一般的なエッチング技術では、基板面に垂直な深さ方向のエッチング速度は、基板面に平行な水平方向のエッチング速度に比べて遅い。このため、光波長板を挿入するのに十分な深い垂直な溝を形成するには、溝の幅または長さを、光波長板を挿入するために本来必要なサイズよりも大きくする必要があった。結局、光波長板を溝内に挿入するための小さな溝を形成することは、光導波路を作製する一般的なドライエッチングまたはウェットエッチングでは難しかった。

したがって特許文献１に記載されているように、例えば隣接する光導波路との距離を５００μｍ以下に近づけて配置する場合には、複数の光導波路に渡って１つの連続した溝を配置するなどの工夫が必要となる。特に光回路の小型化が必要な場合では、損失を止むを得ないものとして許容して本来溝を必要としない光導波路にまで渡って溝を形成するか、溝を避けるようなレイアウト上の工夫をしながら光回路を配置する必要があり、回路設計の柔軟性および光学的な性能上での大きな制約があった。

従来技術の光波長板を溝内に挿入する構成の光導波路型デバイスにおいては、光波長板を挿入し固定する製造工程の上でも、次に述べるような問題があった。特許文献１に記載されているように、複数の光導波路に渡った共通の大きな溝を形成した場合は、溝の内部に余分な接着剤を収容する空間が確保されている。このため、実装時に光波長板の固定のための適量を超えた充填剤が導入されても、余分な充填剤が溝から流れ出し、基板内の他の光素子に影響を与える可能性はなかった。

しかしながら、溝の形成方法として適切な手段が実現され、隣接する光導波路同士の距離を近づけて配置して個々の光導波路ごとに小さな溝を形成が可能となったとしても、大きさの異なる小さな溝に対しては組み立て工程上の別の問題が生じる。具体的には、大きさの異なる複数の小さな溝に対しては、それぞれの波長板の接着・固定のために、適量の接着剤または充填剤の量を設定する必要があり、製造工程が煩雑化する問題がある。溝のサイズを大きめに設定して、接着剤などを収容する溝の容積を確保できれば、接着剤の量を共通にして製造工程を簡単化できるが、これでは溝および光干渉回路の小型化の要請にそもそも反する。

近年、ディープエッチングと呼ばれる深さ方向のエッチング速度を向上させたシリコン深堀り技術が実現されている。このようなエッチング技術の向上によって光導波路ごとに別個の溝を作ることが可能になったとしても、光波長板を固定する際の接着剤などを個々の溝で適切に収容するためには、個々に製造工程の最適化および調整が必要である。光波長板を挿入し固定する製造工程においても、依然として小型の溝を形成して光干渉回路を小型化する上の障害となっていた。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、光波長板などの薄膜素子を挿入する溝を有する光干渉回路の小型化を実現し、同時に製造組み立て時における煩雑な調整工程が不要な溝の構成を提案することにある。より集積度の高い光干渉回路、光導波路型デバイスを提供するができる。

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、基板上に構成された複数の光導波路を持ち、１つ以上の薄膜素子が光導波路を横切って概ね基板面に対して垂直に挿入された光導波路デバイスにおいて、前記複数の光導波路の内のいずれかの光導波路を横切る溝であって、前記いずれかの光導波路の各々に対して対応する別個の溝を備え、前記溝の各々は、対応する１本の光導波路のみを横切り、前記対応する１本の光導波路に隣接する他の光導波路は横切らないように構成され、前記溝は、薄膜素子が挿入される矩形部分と、前記矩形部分の端部から連続して形成された少なくとも１つの拡張部とを有することを特徴とする光導波路デバイスである。

請求項２に記載の発明は、請求項１の光導波路デバイスであって、前記拡張部は、前記薄膜素子を固定するために寄与しない余分な接着剤を収容することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２の光導波路デバイスであって、前記拡張部は、前記矩形部分の一端から前記矩形部分の長手方向に向かって連続して形成された第１の拡張部、または、前記矩形部分の他端から前記対応する１本の光導波路が構成された方向に向かって連続して形成された第２の拡張部を有することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３の光導波路デバイスであって、前記第１の拡張部は、少なくとも一部に、前記一端から離れるにしたがって幅が広がる形状を持ち、前記対応する１本の光導波路の導波路に最も隣接する他の光導波路は、前記第２の拡張部の側に形成されることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項３または４の光導波路デバイスであって、前記第１の拡張部は、前記一端から離れた側に幅の広い底辺を持つ概ね台形の形状を有しており、前記第２の拡張部は、前記矩形部分の長辺上の前記他端近傍の一部を一辺とする三角形の形状を有していることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項２乃至５いずれかの光導波路デバイスであって、前記拡張部の形状の頂点に相当する部分が、半径５０μｍ以下の円弧状に形成されていることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６いずれかの光導波路デバイスであって、前記溝および前記拡張部は、前記複数の光導波路を構成する材料に関して、前記基板面に垂直な深さ方向に選択比が大きいディープエッチングプロセスによって形成されることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７いずれかの光導波路デバイスであって、前記矩形部分の長さは２ｍｍ以下であって、前記矩形部分および前記拡張部の前記基板面に垂直な方向の深さは３００μｍ以下であることを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項１乃至８いずれかの光導波路デバイスであって、前記溝に挿入される薄膜素子によって、偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、偏波ビームコンバイナまたは偏波ローテータのいずれかの機能が実現されることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によって光波長板などの薄膜素子を挿入する溝を有する光干渉回路の小型化を実現する。また、薄膜素子を固定する製造組み立て工程における煩雑な調整を不要とすることもできる。

図１は、ＰＬＣによって構成された従来技術の光受信器における光干渉回路の構成を示した図である。 図２は、本発明の実施例１の光導波路デバイスの構成を示す図である。 図３は、本発明の光導波路デバイスにおける溝のより詳細な形状を説明する図である。 図４は、本発明の光導波路デバイスにおける溝の他の形状を説明する図である。 図５は、本発明の実施例２の光導波路デバイスの構成を示す図である。

本発明の光導波路型デバイスは、溝の形成のために近年のウェハプロセス技術の進展に伴って可能となったディープエッチング技術を用いる。これまで光導波路型デバイスで使用されてきたウェットエッチングまたはドライエッチング技術は、基板面に水平方向のエッチング速度に比べて垂直方向のエッチング速度（深さ方向の選択比）が非常に小さいものであった。近年では、基板面の垂直方向、すなわち深さ方向に選択比の高いエッチングプロセスが開発されており、ボッシュプロセスとしてシリコン基板に広く適用されている。本発明の光導波路型デバイスでは導波路の構成材料であるＳｉＯ₂に対して深さ方向の選択比が大きいディープエッチング技術を使用して、薄膜素子を挿入するための溝を形成する。ディープエッチング技術によって、薄膜素子を適切に挿入できる必要最小限の開口部のサイズと、十分な垂直深さを確保した溝を形成することができる。

本発明の光導波路型デバイスでは、少なくとも１つの溝は、薄膜素子を挿入する対応する１本の光導波路のみを横切り、この対応する１本の光導波路に隣接する他の光導波路を横切らないよう構成される。この溝は、概ね矩形状をしており、溝内に薄膜素子を安定して保持・固定できるように、挿入される薄膜素子のサイズに適合した最小のものとすることができる。本発明の光導波路型デバイスでは、矩形状の溝の少なくともいずれかの端部に、溝から連続して形成された拡張部を備える。溝および拡張部に対して、適切な形状の選択および光導波路に対する配置を行うことによって、光回路内の複数の光導波路毎に溝を形成することが可能となる。本発明により作製される光導波路デバイスのより一層の小型化を実現できる。拡張部は溝内の余った充填剤、接着剤などを収容するように働き、薄膜素子を挿入して固定する製造工程において、煩雑な調整プロセスを簡略化できる。

以下、図面を参照しながら本発明の光導波路型デバイスの実施例を詳細に説明する。以下の実施例では、シリコン基板上に形成した石英系材料の単一モード光導波路を使用した光導波路デバイスを例として説明する。これは、この構成がＰＬＣに現在広く利用されており集積化が容易であって、さらに石英系光ファイバとの整合性に優れ、低損失な光デバイスを提供できるためである。しかしながら、以下に述べる溝の構成は、シリコン基板および石英系材料の単一モード光導波路だけに限定されず、基板面上に溝を形成して、薄膜素子を基板上に挿入する構成を持つ光デバイスに適用できる。

［実施例１］
図２は、本発明の実施例１の光導波路デバイスの構成を示す図である。図２の光導波路型デバイスは、ＰＬＣによって構成されたデジタルコヒーレント光伝送用受信器の光干渉回路２００である。光干渉回路２００は、信号光入力導波路３０、局発光入力導波路３２、干渉光の出力導波路３３ａ、３３ｂ、信号光モニタ導波路３４を備える。また、光干渉回路２００は、信号光の伝搬する順に、ＶＯＡ３１、ＰＢＳ２１、偏波ローテータ２２、および２つの９０度ハイブリッド２９ａ、２９ｂを備える。ＰＢＳ２１および偏波ローテータ２２は、薄膜素子である波長板を各々の光導波路を横切るように各溝に挿入して実現される。

ＰＢＳ２１は、マッハ・ツェンダー干渉計の２つのアーム導波路２３、２４上にそれぞれ形成された溝２５、２６の中に、２つのλ／４波長板を互いの複屈折軸が直交するような向きで挿入して構成される。ＰＢＳ２１は、入力された信号光を２つの偏波に分離するよう動作する。また偏波ローテータ２２は、２つの光導波路２８ａ、２８ｂの内の一方の光導波路２８ａに形成された溝２７の中に、λ／２波長板を挿入して構成される。偏波ローテータ２２は、ＰＢＳ２１の後段側に配置され、一方の光の偏波を９０度回転させる。偏波ローテータ２２において隣接して配置される光導波路２８ａ、２８ｂは、お互いの間隔が５００μｍとなるように近接して配置した。

薄膜素子が挿入される溝２５、２６、２７は、ＳｉＯ₂の深堀りエッチングのために最適化されたディープエッチング技術を使用して形成された。各々の機能に応じて挿入される波長板のサイズに応じて、溝のサイズを設計した。ＰＢＳ２１の溝２５については、その長さを１ｍｍとして、長さ０．７５ｍｍのλ／４波長板を挿入した。溝２６については、その長さを２ｍｍとして、長さ１．８ｍｍのλ／４波長板を挿入した。２つのλ／４波長板の長さが異なるのは、長方形のλ／４波長板の長さ方向に相当する光学軸に対して一方のλ／４波長板は垂直に、他方のλ／４波長板は平行に挿入して、直交する偏波にそれぞれ光学軸に応じた位相差を生じさせるためである。また、偏波ローテータ２２の溝２７についてはその長さを１．５ｍｍとして、長さ１．０ｍｍのλ／２波長板を挿入した。いずれの波長板も、組み立て時の作業の容易性を考慮して、最小でも概ね１ｍｍ程度の長さとしている。

図２では、光導波路のレイアウトは概ね実際のデバイスのイメージに近いが、光導波路に対する溝の幅や長さなどは実際の構成とは異なる点に留意されたい。実際の寸法関係で記載すると、溝および波長板などは視認できなくなるので、溝の幅、波長板の厚さを相対的に拡大して誇張して描いてある。

波長板として用いた薄膜素子はポリイミドフィルムで構成されており、厚さ１０μｍ程度のものを使用した。挿入する薄膜素子の厚さに応じて、溝の幅は１５〜３０μｍ程度とした。溝内に挿入された薄膜素子を、石英ガラスに近い屈折率を持つ樹脂を溝内の薄膜素子との隙間に充填して、接着固定することにより、溝が横切る光導波路の過剰損失を最小限に抑えた。溝の深さは１００μｍ以上３００μｍ以下とし、光導波路部分のエッチング断面は基板面に対して垂直方向に垂直性を保ち、かつその表面は平滑である。薄膜素子は、組み立て時の扱いやすさを考慮して、基板表面よりも上方に５００μｍ程度はみ出る高さを持つ。

本発明の光導波路デバイスの溝を作製するディープエッチングプロセスは、光導波路部分のＳｉＯ₂に対して深堀りエッチングを行うのに最適化されたプロセスである。したがって、光導波路部分以外のエッチング断面、特にＳｉＯ₂の光導波路部分を越えてシリコン基板部に達した溝のエッチング断面においては、基板面に対する厳密な垂直性は必ずしも必要ない。信号光に対して位相変化を生じさせるＳｉＯ₂の光導波路部分のエッチング断面で垂直性が確保されていれば、ＳｉＯ₂の溝で十分に薄膜素子を保持できる。したがって、溝の奥深くにあるシリコン基板のエッチング断面については垂直状態からやや外れていても許容できる。波長板を挿入するために必要十分な開口部の大きさ（溝の幅）、並びに、光導波路部分のエッチング断面での垂直性および平滑性を得られる溝を実現するディープエッチングプロセスを利用することで、薄膜素子を保持し固定するのに十分な作製トレランスを有する構造を実現できる。

図３は、本発明の光導波路デバイスにおける溝のより詳細な形状を説明する図である。図３の（ａ）は、光導波路デバイスの基板面上を見た溝の形状を示しており、溝の中央部を省略して溝の両端部を示している。図２の全体構成図では詳細を示していなかったが、本発明の光導波路デバイスにおいて、薄膜素子が挿入される溝は、薄膜素子４４が挿入され収まる矩形部分４２と、矩形部分４２の少なくとも一方の端部から連続して形成された１つ以上の拡張部とを備える。具体的には、矩形部分４２の一方の端部には、矩形部分４２の長手方向に沿って伸びた概ね台形状の第１の拡張部４１が形成されている。さらに、溝のもう一方の端部には、この溝が横切る光導波路と概ね同じ方向４９に向かって伸びた三角形状の第２の拡張部４３を形成することができる。

したがって、本発明の光導波路デバイスにおける溝は、薄膜素子が挿入される矩形部分４２と、前記矩形部分の端部から連続して形成された少なくとも１つの拡張部を有する。さらに拡張部は、前記矩形部分の一端から前記矩形部分の長手方向に向かって連続して形成された第１の拡張部（４１）、または、前記矩形部分の他端から前記対応する１本の光導波路が構成された方向に向かって連続して形成された第２の拡張部（４３）を有する。また、第１の拡張部は、前記一端から離れた側に幅の広い底辺を持つ概ね台形の形状を有しており、第２の拡張部は、前記矩形部分の長辺上の前記他端近傍の一部を一辺とする三角形の形状を有している。

矩形部分４２の端部から延長され、連続して形成された第１の拡張部４１、第２の拡張部４３は、それぞれ、溝に挿入される波長板４４などを固定する際に充填される接着剤（充填剤）を収容するためのものである。従来技術の光導波路デバイスにおける溝は、非常に大きなサイズであって複数の薄膜素子が挿入される共通の溝であったため、溝の内部には、余った接着剤を収容するのに十分な空間（容積）があった。本発明の光導波路デバイスにおける溝は、溝が必要な光導波路の各々に対して、薄膜素子を挿入・固定できる範囲で、できる限りコンパクトなサイズとなるように形成される。したがって、各々の溝は薄膜素子を固定するために寄与しない余分な接着剤を収容する材料収容機能を備えていることが望ましい。

第１の拡張部４１および第２の拡張部４３の形状を、使用する薄膜素子の形状や矩形部分の容積に基づいて決定することで、各拡張部を含めた溝全体の接着剤または充填剤の収容容積を設定できる。各拡張部の容積は、回路に形成する個々の溝の矩形部分４２の大きさにより決められる。溝の矩形部分４２の大きさは、溝に挿入される薄膜素子の形状（溝内に収まる部分の長さおよび厚さ）と、溝を形成するエッチング工程に生じる容積バラツキ（深さ、幅Ｗ₁など）を考慮して決められる。各拡張部のサイズは、上記で決定された矩形部分４２の容積に基づいて、さらに充填する接着剤の特性（粘性、チクソ性）、量なども考慮しながら、各拡張部を含む溝内の全容積が、光回路内の各溝でほぼ同じくらいになるように設定する。接着剤の特性を適切に選択すれば、薄膜素子が保持される矩形部分に接着固定に必要十分な接着剤が行き渡った上で、余った接着剤が拡張部に収まり、接着剤の量のバッファすなわち材料の収容機能を果たすことができる。

このように第１の拡張部４１および第２の拡張部４３の形状を決定することで、個々の溝に対する薄膜素子のサイズが異なり、また、溝のエッチング形成時に容積のばらつきがあっても、溝ごとに個別に接着剤の量を調整する必要が無い。予め決めた充填接着剤の量を溝ごとに変更する必要がないので、接着剤を充填する工程が簡略化され、接着剤の過不足に起因する不良が減って、光導波路デバイスの歩留まり向上を実現することができる。本発明の光導波路デバイスにおける溝に少なくとも１つの拡張部を設けて、接着剤のバッファすなわち材料収容機能を備えることで、溝自体の小型化を実現しながら、製造工程の煩雑化を防ぐことができる。

したがって、本発明の光導波路デバイスは、基板上に構成された複数の光導波路を持ち、１つ以上の薄膜素子が光導波路を横切って概ね基板面に対して垂直に挿入された光導波路デバイスにおいて、前記複数の光導波路の内のいずれかの光導波路を横切る溝であって、前記いずれかの光導波路の各々に対して対応する別個の溝を備え、前記溝の各々は、対応する１本の光導波路のみを横切り、前記対応する１本の光導波路に隣接する他の光導波路は横切らないように構成され、前記溝は、薄膜素子が挿入される矩形部分と、前記矩形部分の端部から連続して形成された少なくとも１つの拡張部であって、その形状が、前記挿入される薄膜素子の形状および前記矩形部分の容積に少なくとも基づいて決定される拡張部とを有するものとして実施できる。

それぞれの拡張部４１、４３は、矩形部分４２をエッチングで形成するのと同時に形成し、挿入する薄膜素子４４に対して入射する信号光に対して影響を与えないような形状を選択し配置される。溝は、その溝に挿入される薄膜素子が光導波路を横切るような向きに形成される。溝が形成される光導波路と、これに最も隣接する他の光導波路とは、これら２つの光導波路の間隔ができる限り小さくなるよう配置される。したがって、隣接する他の光導波路は、光導波路が構成された方向４９に向かって伸びる第２の拡張部４３が形成される端部側に配置されるのが好ましい。矩形部分４２の長手方向に向かって伸びる第１の拡張部４１は、隣接する光導波路に向かって伸びているので、光導波路間の間隔を詰めたい場合には適さない。隣接する導波路が、光導波路が構成された方向４９に向かって伸びる第２の拡張部側に配置されるよう、光干渉回路の全体レイアウトを決定すれば良い。

図３の（ｂ）は、複数の溝を近接させる場合の配置方法を示す図である。２つの溝４５、４６を近接させる場合、それぞれの第２の拡張部４７、４８が背中合わせとなるような向きに配置すれば良い。第２の拡張部４７は相対する溝４６の反対側に、第２の拡張部４８は、相対する溝４５の反対側にそれぞれ形成される。このため、第２の拡張部４７、４８は２つの溝４５、４６を近接させて配置する際の障害とはならない。

図３の（ａ）において、第１の拡張部４１および第２の拡張部４３は、余分な接着剤を収容する材料収容機能を実現できる限り、１つの溝に両方の拡張部を備えても良いし、いずれか一方だけを備えていても良い。適切な収容容積を確保できる限り、どのような組み合わせも可能である。また、矩形部分の長手方向に伸びる第１の拡張部４１は、台形形状のものとして説明したが、後述するようなクラックの問題が生じず光回路の小型化に反しない範囲であれば、その形状には何ら制限がない。したがって、余分な接着剤の収容ができる限り、矩形部を除いた第１の拡張部４１の形状は、図３のような台形状だけに限られず、３角形、正方形、四角形、五角形などの３辺以上を持つ多角形、さらには少なくとも一部に曲面を含む形状であっても良い。同様に、光導波路の構成される方向に伸びる第２の拡張部４３も、薄膜素子４４の溝内の固定に影響を及ぼさない限り、三角形状に限られずどのような形状も可能である。すなわち、矩形部を除いた第２の拡張部４３の形状は、図３のような三角形状だけに限られず、正方形、四角形、五角形などの３辺以上を持つ多角形、さらには少なくとも一部に曲面を含む形状であっても良い。また、第１の拡張部は、矩形部分４２の長手方向に沿って伸びたものとして説明したが、矩形部分４２と台形部分４１との間に、方向を曲げる中間部を備えて、台形部分４１の伸びる方向を曲げて、隣接する光導波路との距離を取ることもできる。

第１の拡張部は、接着剤を収容するための容量を確保するために、前記第１の拡張部は、少なくとも一部に、前記一端から離れるにしたがって幅が広がる形状を持ち、前記対応する１本の光導波路の導波路に最も隣接する他の光導波路は、前記第２の拡張部の側に形成されるのが好ましい。

図４は、本発明の光導波路デバイスにおける溝の別の形状を説明する図である。図４の構成例では、溝の矩形部分５２に対して、一端から溝の長手方向に沿って拡張部５１が形成される。拡張部５１は概略台形の形状をしているが、角の頂点部分が滑らかに丸まっている。例えば溝の最も端にある頂点部５５ａ、５５ｂは、半径１０〜５０μｍの円弧に近い形状を持つ。溝の輪郭に急激な形状変動があると、この部分からクラックが生じる場合がある。図４のように頂点部を丸めた形状とすることによって、デバイスの信頼性を向上させる。円弧状の丸めた形状は、図３の（ａ）に示した第２の拡張部４３の頂点部に適用できることは言うまでもない。

光波長板の機能を持つ薄膜素子は、概ね矩形または正方形に近い形状を持つ。薄膜素子は、取り扱いの容易さから、溝に沿った方向に概ね１〜２ｍｍの長さ、１０μｍ程度の厚さを持つ。溝の矩形部分４２、５２の幅Ｗ₁は１５〜３０μｍ程度、溝の深さは１００〜３００μｍ程度である。図３、図４に例示的に示した形状の各拡張部は、以下のような大きさで実現できる。第１の拡張部４１、５１の長さＬ₂は、５０〜４００μｍ程度、台形の長い辺の幅Ｗ₂は３０〜３００μｍ程度、また第２の拡張部４３の長さＬ₃、幅Ｗ₃とも５０〜２００μｍ程度となる。上記の各数値は、薄膜素子の大きさ、ディープエッチングの条件、溝の深さ、接着剤の性状などによって変動し得るものであって、上記の数値範囲のものだけに限定する趣旨ではない。

ここで、再び図２を参照すれば、本発明の光導波路デバイスでは、ＰＢＳ２１、偏波ローテータ２２および９０度ハイブリッド２９を、それぞれを接続する光導波路を折り返しながら配置する。折り返し曲線光導波路の半径を放射損失が発生しない最小値とすることで、３つの基本要素を大きく縦方向に並べて、互いに近接して配置した。溝２５、２６とともに、ＰＢＳ２１におけるマッハ・ツェンダー干渉計のアーム部分に相当する２本の光導波路２３、２４の間隔を５００μｍ以下になるように近接させて配置することで、回路全体のサイズを大幅に縮小することが可能である。従来技術で問題となった、溝の通過を避けるための光回路のレイアウト制限や、溝の通過を許容することによる望まない損失の発生を解消することができる。

具体的には、図１に示したデジタルコヒーレント光伝送システムにおける光受信器で、光干渉回路内に共通の１つの大きな溝を形成した場合、チップサイズは１７×９ｍｍであった。一方、図２に示した本発明の光導波路デバイスで、必要な光導波路に対して個々に別個の溝を形成した場合、図１と同じ機能を実現するためのチップサイズは１２×７ｍｍであった。本発明の光導波路デバイスの特徴的な構成の溝を利用することで、回路面積の比較で従来技術の構成よりも４５％の削減を実現できる。

本発明の光導波路デバイスでは光回路サイズが小さくなったことに伴って、光導波路と薄膜を挿入する溝との境界面で発生する光反射が光受信器としての性能に影響を及ぼす可能性がある。光反射減衰量を十分抑制するため、図２に示したように、各溝２５、２６、２７の光導波路と溝の境界面の角度が９８度となるように溝を構成した。溝の向きを直角よりも所定の角度を付けて設定することで、隣り合う溝２５、２６を光導波路に垂直な軸上で一部重複させ、各溝はそれぞれが横切る対応する光導波路のみを横切るようにレイアウトされている。１つの溝は、１つの光導波路のみを横切る様に構成される。言い換えると、本発明における溝は、対応する光導波路のみを横切り、近接して配置されている他の光導波路を横切らない。

本発明の光導波路デバイスは、従来技術の光導波路設計技術を用いたままで、ディープエッチング技術を使用しながら溝の形状を変更するだけで、光回路のサイズの縮小を可能とする。一方で、光干渉回路の光学特性、すなわち挿入損失、ＰＢＳにおける偏波消光比、９０度ハイブリッドにおける位相誤差、同相信号除去比などは、従来技術による光回路の場合と全く同等の性能を得ることが可能である。

上述のように、本発明の光導波路デバイスでは、特徴的な溝の構成を備えることによって、溝の構成に関する回路設計の柔軟性および光学的な性能上での大きな制約を解消し、光回路のサイズの大幅な小型化を実現する。同時に、溝の数が増えても製造組み立て工程の煩雑化の問題を生じない。次の実施例でも、本発明の光導波路デバイスにおける特徴的な溝を有効に利用できる光干渉回路の構成例を示す。

［実施例２］
図５は、本発明の実施例２の光導波路デバイスの構成を示す図である。図５は、アレイ化された複数のＰＢＳ６１ａ〜６１ｄ、並びに、各ＰＢＳの両脇に用途を特定しないスルー接続の複数の光導波路６２ａ〜６２ｅを備えたえＰＢＳアレイ回路５００を示す。各ＰＢＳの入力導波路には信号光６７が入力され、ＰＢＳによってそれぞれ基板水平方向と基板垂直方向の２つの偏波に分離して、２本の出力光導波路から光出力６８ａ、６８ｂを出力する。１つのＰＢＳにおいて、マッハ・ツェンダー干渉計のアーム導波路に相当する２本の光導波路６５、６６の間隔を３００μｍとした。

本実施例の光導波路デバイスでは、各ＰＢＳの２つの光導波路６５、６６にそれぞれλ／４波長板を挿入する。波長板を挿入する溝６３、６４における反射に起因する光反射減衰量を抑制するため、光導波路と矩形状の溝の境界面の角度が９８度となるように配置した。溝６３、６４はいずれも、それぞれ通過をするアーム導波路の一方の光導波路のみを横切るように構成されており、近接して配置されているアーム導波路の他方の光導波路、さらにはスルー接続の複数の光導波路６２ａ〜６２ｅを横切ることはない。

溝６３、６４は、導波路部分のＳｉＯ₂に対して深堀りエッチングを行うのに最適化されたプロセスであるディープエッチング技術を使用して形成される。一方の溝６３についてはその長さを１ｍｍとし、長さ０．７５ｍｍのλ／４波長板を挿入した。他方の溝６４についてはその長さを２ｍｍとし、長さ１．８ｍｍのλ／４波長板を挿入した。波長板として使用した薄膜素子はポリイミドフィルムを使用しており、厚さ１０μｍ程度のものを使用した。薄膜を挿入する溝の幅は１５〜３０μｍ程度とし、石英ガラスに近い屈折率を持つ樹脂を用いて薄膜素子を溝内に接着固定することによって、溝を通過する光導波路の過剰損失を最小限に抑えた。溝の深さは１００μｍ以上３００μｍ以下とし、光導波路部分のＳｉＯ₂のエッチング断面は基板面に対して垂直性を保ち、かつその表面は平滑である。

図５でも、光導波路に対する溝の幅や長さなどは実際のパターン構成イメージとは異なる点に留意されたい。実際の寸法関係で描くと、溝および波長板などは視認できなくなるので、溝の幅、波長板の厚さを相対的に拡大して誇張して描いてある。

本実施例の光回路では、ＰＢＳアレイ６１ａ〜６１ｄを構成する場合において、ＰＢＳとＰＢＳの間に、ＰＢＳと接続されない別の光導波路６２ａ〜６２ｅを接近して配置する必要が生じた場合でも、溝６３、６４は、それぞれ必要な光導波路に対して横切るように配置される。したがって、溝を必要とする光導波路と、対応する溝とが１対１に対応している。溝が不要な光導波路６２ａ〜６２ｅには、当然、溝は形成されない。アーム導波路である光導波路６５および光導波路６６については、それぞれの溝の影響が同等に及ぶため導波路間隔についての制限は特にない。それぞれの溝の影響を同じとするために、アーム導波路を構成する対となる２つの導波路では、各溝から隣接する各光導波路６２ａ〜６２ｅまでの距離は、同じとするのが好ましい。

図５のＰＢＳアレイおよびスルー接続の複数の光導波路６２ａ〜６２ｅが交互に配置された構成を、従来技術によって実現するためには、図５に示したように個々のＰＢＳの溝が形成された位置に、貫通する１本の共通の溝を形成するしかなかった。このような場合、アーム導波路６５、６６に対して異なるλ／４波長板を挿入するためには、アーム導波路６５、６６の間隔を十分広く取る必要があった。その上、本来溝を形成する必要がなかった別の光導波路６２ａ〜６２ｅに対しても、溝が横切ることになる。これらの導波路では損失を減らすために接着剤または屈折率整合剤を充填するか、無用な過剰損失を許容するしかなく、光回路の性能上でも著しく不利となっていた。

図５の本発明の光導波路デバイスでは、最小限の長さの溝を、溝を必要とする光導波路に対してそれぞれ別個に備える特徴的な構成の溝によって、アーム導波路の間隔も狭く設定できる。さらに、ＰＢＳアレイ６１ａ〜６１ｄに接続されない他の光導波路６２ａ〜６２ｅに対して過剰損失の発生を考慮する必要もない。回路基板上に無駄なスペースを生じることなく、効率的に基本要素を配置して光干渉回路を実現できる。従来技術の共通の溝を利用する場合と比べて、光干渉回路をよりコンパクトに構成することができる。

本実施例では、図５の左側の入力導波路より信号光６７を入力して光出力６８ａ、６８ｂを偏波分離するＰＢＳとしての機能を説明したが、図５の右側の光出力６８ａ、６８ｂが出力された導波路から、基板に対して水平方向、垂直方向の直線偏波をそれぞれ入力することによって、偏波ビームコンバイナとして動作することも可能である。この場合、本実施例における信号光６７が入力された入力導波路から直交偏波多重された光が出力される。

本実施例における溝は薄膜素子が挿入される矩形部分４２（図３）に加えて、図３で説明したような台形状または三角形状の拡張部を設けるのが好ましい。薄膜素子を溝内に固定するための樹脂（または接着剤）を導入するため、やや大きめの台形状の拡張部４１（図３）を矩形部分の一端に備え、さらに、導入した樹脂（接着剤）を溝全体に十分行き渡らせるために樹脂溜まりとして三角形状の溝４３（図３）を矩形部分の他端に配置できる。これらの拡張部は溝の形成と同時に、ディープエッチング技術を利用して形成が可能であって、図５の本実施例の構成でも、光回路のサイズを十分に小型化できる範囲で適用することが可能である。拡張部の形状が様々に変形可能なことは言うまでもない。例えば、台形状の拡張部は、溝の矩形部分の長手方向に連続して形成されるものとして説明したが、矩形部分の端部から緩やかに９０度曲げる中間部を経て、光導波路の同じ方向に台形状の拡張部を構成しても良い。どのような構成でも、溝内に薄膜素子を接着固定するための材料を導入可能であって、矩形部分を含めた溝の容量を予め適切な量に設定して、余った材料を収容する材料収容機能を実現できれば良い。

また、四角形または多角形状に形成した拡張部を持つ溝の場合、溝の頂点部分に基板の応力が集中してクラック等が発生する可能性もある。図４に示したように、頂点部分を半径１０〜５０μｍ程度の円弧状として角が丸い形状とすることが可能である。

上述の実施例１、実施例２では、シリコン基板上に構成された石英系ガラス導波路型デバイスを例として説明したが、本発明は、光導波路を構成する他の材料、例えば高分子、半導体、シリコン、イオン拡散型のニオブ酸リチウムなどを用いた光導波路デバイスすべてに対しても適用可能である。ＳｉＯ₂以外の各々の光導波路材料においても、基板の水平方向に対して垂直な深さ方向に選択比の高いディープエッチング技術を利用することは可能である。ディープエッチング技術を利用して、溝を必要とする光導波路に対して、対応する溝を１対１に構成することで、溝の構成に関する回路設計の柔軟性および光学的な性能に対する制約を解消し、光回路の小型化を実現できる。さらに本発明に特有の拡張部を持つ溝構成を採用することで、溝の数が増えても製造組み立て工程の煩雑化の問題を生じない。本発明の光導波路デバイスは、光干渉回路を含むデジタルコヒーレント光伝送に用いられる光送受信器に非常に有効である。

以上、詳細に説明してきたように、本発明の光導波路デバイスにより、光波長板などの薄膜素子を挿入する溝を有する光干渉回路の小型化を実現し、同時に製造組み立て時における煩雑な調整工程が不要な光干渉回路を提供することができる。

本発明は、一般的に通信システムに利用することができる。特に、光通信システムの光導波路型デバイスに利用できる。

１ 基板
２ 導波路部
３、２５、２６、２７、６３、６４ 溝
１１、１４、３０、３２ 入力導波路
１２、２１、６１ａ〜６１ｄ ＰＢＳ
１３、２２ 偏波ローテータ
１５、３１ ＶＯＡ
１６ａ、１６ｂ、２９、２９ａ、２９ｂ ９０度ハイブリッド
１７、３４ 信号光モニタ導波路
１８ａ、１８ｂ、３３ａ、３３ｂ 出力導波路
２３、２４、６５、６６ アーム導波路
２８ａ、２８ｂ、６２ａ〜６２ｅ 光導波路
４１、４３、４７、４８、５１ 拡張部
４２、４５、４６、５２ 矩形部分
４４、５４ 波長板
４９ 導波方向
５５ａ、５５ｂ 頂点部
６７ 信号光
６８ａ、６８ｂ 出力光
１００、２００、５００ 光干渉回路

Claims (9)

1. 基板上に構成された複数の光導波路を持ち、１つ以上の薄膜素子が光導波路を横切って概ね基板面に対して垂直に挿入された光導波路デバイスにおいて、
   前記複数の光導波路の内のいずれかの光導波路を横切る溝であって、前記いずれかの光導波路の各々に対して対応する別個の溝を備え、
   前記溝の各々は、対応する１本の光導波路のみを横切り、前記対応する１本の光導波路に隣接する他の光導波路は横切らないように構成され、
   前記溝は、
   薄膜素子が挿入される矩形部分と、
   前記矩形部分の端部から連続して形成された少なくとも１つの拡張部と
   を有することを特徴とする光導波路デバイス。
2. 前記拡張部は、前記薄膜素子を固定するために寄与しない余分な接着剤を収容することを特徴とする請求項１に記載の光導波路デバイス。
3. 前記拡張部は、
   前記矩形部分の一端から前記矩形部分の長手方向に向かって連続して形成された第１の拡張部、または、
   前記矩形部分の他端から前記対応する１本の光導波路が構成された方向に向かって連続して形成された第２の拡張部
   を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光導波路デバイス。
4. 前記第１の拡張部は、少なくとも一部に、前記一端から離れるにしたがって幅が広がる形状を持ち、
   前記対応する１本の光導波路の導波路に最も隣接する他の光導波路は、前記第２の拡張部の側に形成されることを特徴とする請求項３に記載の光導波路デバイス。
5. 前記第１の拡張部は、前記一端から離れた側に幅の広い底辺を持つ概ね台形の形状を有しており、
   前記第２の拡張部は、前記矩形部分の長辺上の前記他端近傍の一部を一辺とする三角形の形状を有していることを特徴とする請求項３または４に記載の光導波路デバイス。
6. 前記拡張部の形状の頂点に相当する部分が、半径５０μｍ以下の円弧状に形成されていることを特徴とする請求項２乃至５いずれかに記載の光導波路デバイス。
7. 前記溝および前記拡張部は、前記複数の光導波路を構成する材料に関して、前記基板面に垂直な深さ方向に選択比が大きいディープエッチングプロセスによって形成されることを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の光導波路デバイス。
8. 前記矩形部分の長さは２ｍｍ以下であって、前記矩形部分および前記拡張部の前記基板面に垂直な方向の深さは３００μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至７いずれかに記載の光導波路デバイス。
9. 前記溝に挿入される薄膜素子によって、偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、偏波ビームコンバイナまたは偏波ローテータのいずれかの機能が実現されることを特徴とする請求項１乃至８いずれかに記載の光導波路デバイス。