JP2599488B2 - 光導波回路の特性調整方法およびその方法に使われる光導波回路 - Google Patents

光導波回路の特性調整方法およびその方法に使われる光導波回路

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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、基板上に光導波路を配設した光導波回路の
特性調整方法および光導波回路に関するもので、さらに
詳細には、光導波回路材料の熱履歴現象を利用してその
屈折率を変化させることによって、光方向性結合器の結
合率や光導波路の光路長を調節することを特徴とする光
導波回路の特性調整方法および光導波回路に関するもの
である。
［従来の技術］ 平面基板上に作製される単一モード光導波路、特にシ
リコン基板や石英ガラス基板上に作製可能な石英系ガラ
ス単一モード光導波路は、そのコア部の断面寸法を通常
使用されている単一モード光ファイバに合わせて５〜10
μｍ程度に設定することができるため、光ファイバとの
整合性に優れた実用的な導波型光部品（光導波回路）の
実現手段として期待されている（例えば、N.Takato et
al.:“Silica−Based Single−Mode Waveguides on Sil
icon and Their Application to guided−Wave Optical
Interferometers",J.Lightwave Tech.,vol.6,pp.1003
−1010,1988、あるいは、河内正夫：“石英系光導波路
と集積光部品への応用”、光学、18（1989）681−686.
を参照のこと）。
−従来例１− 第25図および第26図は、このような石英系単一モード
光導波路を用いた最も基本的な光導波回路例としての方
向性結合器の構成を説明するための、それぞれ斜視図お
よびそのAA′切断線に沿った拡大断面図である。石英系
単一モード光導波路1,2は、一部分で互いに近接して方
向性結合器５を構成している。
９はシリコン基板である。光導波路1,2は、シリコン
基板９上で、膜厚50μｍ程度のSiO2系ガラスクラッド層
7,8に埋設された断面寸法７×７μｍ程度のSiO2−TiO2
系あるいはSiO2−GeO2系ガラスコア部からなる。方向性
結合器５部分は、２本の光導波路1,2を間隔数μｍ程度
に保ち、500μｍ程度の距離にわたって平行に配置する
ことにより構成されている。入力ポート1aから光導波路
１に入射した信号光の一部は、方向性結合器５部分で隣
接する光導波路２に移行し、出力ポート1b,2bから出射
される。なお、1a′および1b′,2b′はそれぞれ入力フ
ァイバおよび出力ファイアであり、P1およびP2はそれぞ
れ出力ポート1b,2bから出射される信号光強度を表す。
ここで、方向性結合器５の結合率Ｃは Ｃ＝P2/（P1＋P2） で定義され、所望の結合率（例えば、50％結合）を得る
ために、結合器５部分での２本の光導波路１および２の
間隔や結合距離等を正確に設定する必要がある。
−従来例２− 第27図および第28図は、シリコン基板上で２個の方向
性結合器を集積して構成した光導波回路の従来例として
の偏波ビームスプリッタの構成を説明するための、それ
ぞれ、斜視図およびそのAA′切断線に沿った拡大断面図
である。
第27図および第28図において、上記と同様に９はシリ
コン基板、１および２はシリコン基板上に石英系ガラス
材料により形成された石英系単一モード光導波路であ
る。光導波路1,2は、２箇所で互いに近接して方向性結
合器５および６を構成し、その結合率はいずれも50％に
なるよう設計されている。
光導波路1,2は、膜厚50μｍ程度のSiO2系ガラスクラ
ッド層7,8に埋設された断面寸法７×７μｍ程度のSiO2
−TiO2系またはSiO2−GeO2系ガラスコア部からなり、方
向性結合器5,6部分は、２本の光導波路1,2を間隔数μｍ
程度に保ち、500μｍ程度の距離にわたって平行に配置
することにより構成されている。ここで、２個の方向性
結合器５および６は、光導波路１および２で連結され一
種のマッハツェンダー光干渉計回路を構成していると見
ることもできる。２つの方向性結合器5,6を連結する２
本の導波路の長さは等しく設定され、一方の導波路上の
上部クラッド層７表面に非晶質シリコン（ａ−Si）を用
いた応力付与膜22を装荷し、他方には薄膜ヒータ移相器
10が装荷されている。但し、21はａ−Si応力付与膜22の
一部をエネルギービームでトリミングして除去した跡で
ある。
この応力付与膜22と薄膜ヒータ移相器10とを制御する
ことによって、例えばTEモードの光にとっては方向性結
合器5,6を連結する２本の導波路間の光路長差がｎλと
なり、TMモードの光にとってはその光路長差が（ｍ＋1/
2）λとなるよう複屈折値および光路長を調節する方法
が特開昭64−77002号に提案されている。但しn,mは任意
の整数、λは光の波長である。
この偏波ビームスプリッタでは、入力ポート1aから入
射したTEモードの信号光は出力ポート1bから出力され
て、入力ポート1aから入射されたTMモードの信号光は出
力ポート2bから出力される。なお1a′,2b′はそれぞれ
入力ファイバおよび出力ファイバである。
第29図は入力ポート1aからTE,TMモードの信号光を等
パワーで入力して、薄膜ヒータ移相器10の駆動電力を変
化させたときの出力ポート1bおよび2bからの出力の状態
を示している。ここで、実線は出力ポート1bからの出力
光P1、破線は出力ポート2bからの出力光P2を示してい
る。本図により本回路では、薄膜ヒータ移相器10の駆動
電力W1,W2において偏波ビームスプリッタ動作となるこ
とが分かる。
［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上述の従来例１における方向性結合器
の結合率の設定は、いわゆるフォトリソグラフィ手法を
基本とする光導波回路製造工程において、精密マスクパ
ターンの管理等によりなされてきたが、製造工程を如何
に精密に管理しても、上記結合率を希望値に正確に合わ
せるのは至難の技であった。例えば、50％の結合率を狙
っても、光導波回路を作製した段階では、方向性結合器
の結合率は50±５％程度になっているのが現状であり、
これを正確に50％結合に作りつけるのは困難であった。
これは、方向性結合器が極めて構造に敏感であり、その
結合率が、上述の光導波路間隔や結合距離はもちろんの
こと、それぞれの光導波路の幅や高さ、光導波路コア部
１および２と周囲のクラッド層7,8との間の屈折率差に
も敏感に依存することに起因している。
また、上述の従来例２においては、２つの方向性結合
器の結合率が正確に50％になっていれば、複屈折率およ
び光路長を制御することによってTEモードとTMモードを
完全に分離し、別々の出力ポートから出力させることが
できる。しかし、光導波回路作製精度の限界や光導波路
ガラスの屈折率のわずかなゆらぎ等により、光導波回路
を作製した段階では方向性結合器の結合率は上述のよう
に50±５％程度になっているのが現状であり、これを正
確に50％結合に作りつけるのはやはり困難である。よっ
て、クロストークの小さな偏波ビームスプリッタを歩留
まり良く得るためには、光導波回路作製後に方向性結合
器の結合率を50％に微調整する必要がある。
また、偏波ビームスプリッタは基本的に受動素子であ
るにもかかわらず、第29図に示したように、スプリッタ
動作を維持するために常時薄膜ヒータ移相器に電力を供
給し、２個の方向性結合器を連結する２本の導波路間の
光路長差を正確に保持しなければならないことは実用上
好ましくない。
本発明の目的は上記２つの問題点、すなわち方向性結
合器の結合率設定および光路長差設定の問題点を解決す
るための光導波回路の特性調整方法およびこれを実現す
るための光導波回路を提供することにある。
［課題を解決するための手段］ 本発明の光導波回路の特性調整方法は、基板上に配置
されたクラッド層またはクラッド層に埋設されて光伝搬
作用を持つ光導波路の実効的屈折率を、その材料の熱履
歴現象を利用して変化させ、その結果として光導波路の
光路長または方向性結合器の結合率を調整する方法、お
よびその熱履歴現象を起こす方法として、光導波回路全
体を電気炉で加熱処理する、または光導波回路上の所望
箇所に設けた耐熱ヒータやエネルギービーム照射により
光導波回路の所望箇所を局所的に加熱処理することを特
徴とする。ここで熱履歴現象とは、光導波路のクラッド
層またはコア部の材料の屈折率値が、高温への加熱後、
冷却条件（急冷か徐冷か）に依存して変化する現象であ
る。
本発明の光導波回路は、基板と、基板上に配置された
クラッド層およびクラッド層に埋設され光伝搬作用を持
つコア部を有する単一モード光導波路によって構成さ
れ、そのクラッド層またはコア部の材料の熱履歴現象を
利用して、光導波路の光路長および方向性結合器の結合
率が正確に調整されたこと、および局部的に熱履歴現象
を生じさせるための耐熱ヒータを有することを特徴とす
る。
［作 用］ 本発明によれば、光導波回路製造後に２本の光導波路
を近接して構成される方向性結合器の結合率を正確（例
えば50±１％）に調節することができる。方向性結合器
は単体で光分岐・結合器や光合分波器としての利用を期
待されているのみならず、複数個の方向性結合器を単一
基板上に集積したより複数な集積光デバイスを構成する
上での必須の要素であり、本発明による方向性結合器の
結合率調整点は、実用的な光導波回路製造に多大の貢献
をする。この方向性結合器の１応用例として従来−20dB
程度が一般的であった導波路型偏波ビームスプリッタの
クロストークを定常的に−30dB以下にすることができる
ようになる。
また、本発明によれば、光導波回路製造後に、光導波
路の光路長を任意の部分で調節することができる。その
応用の一例として、従来導波路型偏波ビームスプリッタ
において薄膜ヒータ移相器を用いて行っていた光路長制
御を本発明による方法で置き換えることにより、偏波ビ
ームスプリッタへの定常供給電力が不要となる。
なお、本発明では、クラッド層あるいはコア部材料の
熱履歴現象を用いているために、可逆的である。すなわ
ち、調節のために変化させた結合率や光路長の変化分
を、必要とあらば元の状態戻すことができる。この可逆
性により光導波回路の特性調節作業が容易となり、さら
には新規の光導波回路を具体化することも可能となる。
［実施例］ 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明す
る。
−実施例１− まず、本発明の第１実施例として、シリコン基板上の
石英系単一モード光導波路により構成される方向性結合
器とその結合率調整方法について説明する。
本実施例で用いた方向性結合器は、見かけ上、第25図
および第26に示した従来例と同様の構造を有している
が、上部クラッド層７に大量のドーパント（Ｂ（ホウ
素）,P（リン））を含んでいることを特徴とする。第１
図は、このような方向性結合器の作製工程を説明する図
である。
まず、シリコン基板９上に、SiCl4を主成分とし僅か
にBCl3,PCl3を含む混合ガスを原料とする火炎加水分解
反応でSiO2を主成分とする下部クラッド用ガラス微粒子
層8aを堆積し、続いて適量のTiCl4ガスを追加した混合
ガスに切り替えてSiO2−TiO2を主成分とするコア用ガラ
ス微粒子層40aを堆積する（第１図（ａ））。続いて、
２層のガラス層8a,40aを堆積させたシリコン基板９を電
気炉中で1350℃程度の高温に加熱してガラス微粒子層を
透明ガラス化し、下部クラッド層８とコア層40を形成す
る（第１図（ｂ））。続いて、反応性イオンエッチング
（RIE）によりコア層40のうち不要な部分を除去して、
コア部１および２を形成する（第１図（ｃ））。次に、
再び火炎加水分解反応を利用してコア部１および２を埋
め込むようにSiCl4−BCl3−PCl5混合ガスを原料とする
火炎加水分解反応で大量にドーパント（B,P）を含む上
部クラッド用ガラス微粒子量7aを堆積する（第１図
（ｄ））。その後、再度、基板を電気炉中で1250℃程度
に加熱して、上部クラッド用ガラス微粒子層7aを透明ガ
ラス化して上部クラッド層７とし、室温近傍まで徐冷
（100℃／時程度の冷却速度）して所望の方向性結合器
サンプルが製造される（第１図（ｅ））。
このときのガラスの組成は、下部クラッド層８および
コア部1,2に原料ガス仕込段階でP2O5とB2O3とが総量で
４モル％程度含まれており、上部クラッド層７には原料
ガス仕込段階でP2O5とB2O3とが総量で25モル％程度含ま
れている。また、上部クラッド層７の屈折率と下部クラ
ッド層８の屈折率とがほぼ等しくなるようにドーパント
濃度が調節されている。コア部1,2には、コア部の屈折
率を高め光伝搬作用を営ませるために適量のTiO2あるい
はGeO2が添加されていることはもちろんである。
第２図は本発明の第１実施例として方向性結合器の結
合率調整に用いた熱処理装置の構成図である。本熱処理
装置は縦形の管状電気炉であり、41は石英ガラス製炉芯
管、42は炉芯管41を取り囲む発熱体、43はサンプル保持
台、44はサンプル保持台43上の被熱処理サンプル、43a
はサンプル保持台43を昇降するサンプル保持台昇降装
置、45は断熱装置、41aは冷却室、および41bはサンプル
取り出し扉である。
第３図は、第１図で示す上述の製造工程で得られた方
向性結合器サンプル44を第２図のサンプル保持台43にセ
ットし、発熱体42により熱処理温度（急冷開始温度）で
10分間加熱した後、昇降装置43aを駆動してサンプル44
を急速に下方の冷却室41aに移動し、急速冷却（クエン
チ）処理した際の方向性結合器の結合率の急冷開始温度
（600〜800℃）依存性例を示す実測図である。本サンプ
ルの結合部の近接導波路間隔は４μｍ、近接平行部分の
長さは500μｍであり、熱処理前の結合率Ｃは63％（波
長1.55μｍにおいて）であった。第３図により、急冷開
始温度が650℃程度を越えると結合率が低下し、800℃の
場合には36％程度にまで結合率が減少することがわか
る。例えば、所望の50％結合率は、730℃で10分間の熱
処理で達成される。
このように、本実施例によれば、方向性結合器の結合
率を製造後の熱処理により比較的広い範囲で調整できる
のである。
ここで強調したい点は、本実施例の結合率調整方法は
可逆的である点である。すなわち、第３図において800
℃の熱処理で36％にまで結合率が減少した方向性結合器
サンプルを再び電気炉中で1000℃程度にまで加熱し、続
いて室温近傍まで徐冷すると初期の63％結合率に復帰
し、この操作は何度でも繰り返し実行することができる
点である。この事実は本実施例の結合率変化が、ガラス
材料中のドーパントの拡散現象や揮発現象に基づくもの
ではないことを示している。
結合率の熱処理温度依存のメカニズムを知る目的で、
干渉顕微鏡観察によるサンプル断面の干渉顕微鏡観察を
行ったところ、上部クラッド層７の屈折率値が熱処理に
よって変化することが見い出された。第４図は、下部ク
ラッド層８を基準とした上部クラッド層７の屈折率変化
Δｎの元の屈折率値ｎに対する比率Δn/nを縦軸にと
り、急冷前の熱処理温度を横軸にとった実測グラフであ
る。例えば、1000℃からの急冷で生じる屈折率変化Δn/
nはマイナス0.12％であった。さらにこの後、1000℃に
加熱し引き続き徐冷を行うと、上部クラッド層７と下部
クラッド層８との屈折率の差は再びなくなった。
このような上部クラッド層屈折率の熱履歴現象は、ガ
ラス材料科学の分野で、ガラスの安定化現象（「ガラス
非晶質の科学」作花済夫著P47（株）内田老鶴圃発行）
として知られている現象として理解される。熱履歴現象
が顕著に現れるためには、ガラスの密度が温度に依存し
て変化することが必要であり、石英系ガラスではＢやＰ
などのドーパンドを大量に含み、熱膨張係数が純粋な石
英ガラスに比べて大きいガラスが熱履歴現象を起こし易
いのである。高温に加熱されその高温状態に安定化され
たガラスは急冷されると密度変化が間に合わず、高温で
の比較的粗な状態を室温近傍において維持することにな
る。これが、急冷により上部クラッド層７の屈折率値が
低下（第４図）した主な理由と考えられる。上部クラッ
ド層７の屈折率が相対的に低下すると、方向性結合器の
光導波路コア部１および２への光電界閉じ込めが強くな
り、結合率は減少する。すなわち第３図の結果を説明で
きる。
この熱履歴現象と従来光路長制御に用いていた熱光学
効果との違いは、熱光学効果で使う温度領域が室温〜10
0℃であり、加熱終了直後にそれまでの屈折率変化が解
消されるのに対し、熱履歴現象が使う温度領域は500〜1
200℃であり、加熱終了後の冷却速度（急冷か徐冷か）
により恒久的な屈折率変化（再加熱で元に戻すことは可
能）が残る点である。
第３図の例では、予め徐冷された方向性結合器サンプ
ルに加熱・急冷の熱処理を施したが、逆に、予め1000〜
1200℃程度の高温から急冷したサンプルを出発サンプル
として600〜700℃程度の温度に再加熱して、再加熱時間
によって結合率を調整することも可能である。以下にそ
の例を示す。
第５図は、上述の方向性結合器サンプルを一旦1000℃
から急冷した後、電気炉中で600℃に再加熱後急冷し、
熱処理時間（温度保持時間）と結合率との関係をグラフ
化したものである。再加熱前に23％であった結合率が温
度保持時間とともに増加し、約1000分後に50％程度の結
合率を横切っていることが判る。
以上の第３図および第５図の特性グラフは、本発明の
熱履歴現象を活用した特性調整方法により、方向性結合
器の結合率を所望の値（例えば50％）に微調整できるこ
とを示している。
上記実施例１のように、サンプル全体を基板ごと電気
炉で熱処理する熱履歴法により有効に結合率調整するに
は、コア部とクラッド層とのガラス組成、すなわちドー
パント濃度に顕著な差が必要である。実施例１では、上
部クラッド層７に多量のドーパント（B,P）を含有させ
たが、これは、ドーパントが少なく軟化温度の高いコア
部の上部に、ドーパントが多く軟化温度の低めの上部ク
ラッド層を形成するのが製造工程上容易であるからであ
る。一方、上部クラッド層の形成にCVD（化学蒸着）法
やスパッタ法等のいわゆる低温プロセスを使用し、コア
部の熱変形の恐れが無い場合には、コア部と上部クラッ
ド層のドーパント含有濃度を逆転させることもできる。
上記の実施例１では、基板全体を電気炉中で熱処理し
て方向性結合器の特性調整を行ったが、同一基板上に複
数個の方向性結合器を含み、それぞれの方向性結合器の
結合率調整を個別に実行したい場合には、実施例１の方
法は得策ではない。
次に、複数の方向性結合器を含む光導波回路のそれぞ
れの結合部結合率を個別に調整する実施例について説明
する。
−実施例２− 第６図および第７図は本発明の第２の実施例として耐
熱ヒータ付き光分岐回路を示す斜視図およびそのAA′切
断線における拡大断面図である。ここで、9aは石英ガラ
ス基板、８は石英系ガラス下部クラッド層、７は石英系
ガラス上部クラッド層、51,52,53および54はクラッド層
7,8に埋設されてなる石英系光導波路（コア部）であ
る。光導波路51と52は一部で互いに近接して方向性結合
器55aを構成し、同様に光導波路51と53とで方向性結合
器55bを構成し、光導波路52と54とで方向性結合器55cを
構成している。これら３個の方向性結合器55a,55bおよ
び55cを覆う上部クラッド層上には、それぞれ耐熱ヒー
タ56a,56bおよび56cが設置されている。
上記の光分岐回路は、第１図に既述したと同等の製造
工程により石英ガラス基板9a上に３個の方向性結合器55
a,55b,55cを含む光回路を形成した後、NiCr金属膜を電
子ビーム蒸着法とリフトオフ法を用いて上部クラッド層
７上に形成して耐熱ヒータ56a,56b,56cとしたものであ
る。この耐熱ヒータ発熱部の幅は50μｍ、長さは2mmで
ある。
３個の方向性結合器55a,55bおよび55cの結合率が製造
誤差を伴わないで50％に設定されていれば、第６図の光
導波回路は全体として４分岐光回路としての動作をする
が、実施例１でも説明したように方向性結合器の結合率
を再現性良く例えば50％±１％に収めるのは実際上極め
て困難である。しかし、本実施例では耐熱ヒータ56a,56
bおよび56cにより上部クラッド層に対して適当な熱処理
を施して所望の50％結合率に調整することが可能であ
る。第７図の13は上記の耐熱ヒータによる加熱急冷（例
えば、耐熱ヒータに通電（パワー10W）として１分程度9
00℃程度に加熱した後、通電停止）によりヒータ熱履歴
現象が生じた領域を示す。
耐熱ヒータ56a,56bおよび56cにより結合率調整が終了
すると、入力光ファイバ51a′を経由して入力ポート51a
から光導波路51へと入射した信号光は、方向性結合器55
aで光パワーを正確に２等分され、続いて方向性結合器5
5bおよび55cでそれぞれさらに２等分され、出力ポート5
3b,51b,52bおよび54bから、出力光ファイバ53b′,51
b′,52b′および54b′へと取り出される。
本実施例の耐熱ヒータを利用した結合率調整法におい
ては、３個の方向性結合器を個別に調整でき、基板全体
を電気炉中で加熱する実施例１に比べてより自在な調整
ができる利点がある。また、耐熱ヒータによる加熱領域
13は局所的であるので、入出力光ファイバ51a′,53b′,
51b′,52b′および54b′を基板端面に取り付け、信号光
を光回路に通したまま、加熱急冷ができるので、迅速か
つ正確な特性調整が可能である。また耐熱ヒータ56a,56
b,56cから発生する熱が入出力光ファイバ部分まで波及
するのを極力抑制するために、基板9a下部に冷却金属ブ
ロック（図示省略）を設置しておくこともできる。
本実施例における耐熱ヒータは上部クラッド層７の上
面にNiCr金属膜を形成した単純な構造を有していたが、
場合によっては多層構造を採用することによって耐熱ヒ
ータ自体の信頼性を向上することも可能である。第８図
（ａ）および（ｂ）の拡大断面図によりその例を説明す
る。
第８図（ａ）は、NiCr耐熱ヒータ56a上面に保護層と
してのSiO2膜57を電子ビーム蒸着法により0.3μｍ膜厚
程度に形成したものである。このSiO2保護膜57は高温加
熱時におけるNiCr耐熱ヒータ56aと空気との反応を防止
する上で極めて効果的であった。
第８図（ｂ）は、上記の保護層57に加えて耐熱ヒータ
56a下部にも予め下部保護層58（電子ビーム蒸着法によ
るやはり0.3μｍ厚のSiO2層）を設けたもので、上部ク
ラッド層７に大量に含まれているドーパント（B,P）とN
iCr耐熱ヒータとの高温時の反応を完全に防止するのに
有効であった。
耐熱ヒータを駆動する際には、直流電圧および交流電
圧を用いることができるが、特に高温に加熱する際には
交流駆動（例えば、10KHz程度の周波数）が望ましい。
これは、高温加熱状態でのヒータ材料の電気分解あるい
はイオン移動の発生を交流駆動により抑制できるからで
ある。
本実施例では、耐熱ヒータにより複数の方向性結合器
の結合率調整を個別に行ったが、もちろん実施例１のよ
うにサンプルを基板ごと電気炉にいれて熱処理をおこな
って、すべての方向性結合器に一律の結合率変化を引き
起こすこともできる。この場合、耐熱ヒータも電気炉中
で高温に曝されることになるが、例えばNiCr耐熱ヒータ
の場合、1000℃程度の加熱には充分耐える。電気炉中に
NiCr金属膜を酸化防止のためにアルゴンガスのような不
活性ガスを流すことも有効である。
上記実施例２においては基板として石英ガラス基板を
用いた。代わりにシリコン基板を用いる場合には、シリ
コン結晶が石英ガラスに比べて熱伝導性が良いので、耐
熱ヒータによる加熱処理に際し、より大きな通電パワー
が必要とする点に注意する必要がある。
次に、シリコン基板上で耐熱ヒータへの供給電力を節
減する工夫を行った実施例について説明する。
−実施例３− 第９図（ａ）および（ｂ）は、実施例２の第６図、第
７図に示した導波型４分岐光回路の石英ガラス基板9aを
シリコン基板９に置き換え、しかも方向性結合器両側に
放熱防止用溝16を掘って放熱を小さくし、耐熱ヒータへ
の供給電力を省電力化した方向性結合器55a領域の拡大
平面図およびそのAA′線に沿った断面図を示す。この溝
16は例えば公知の方法（特開平１−158413号参照）であ
るRIE（反応性イオンエッチング）とリソグラフィ技術
によって実現できる。方向性結合器55a領域の２本の光
導波路51および52はその周囲のクラッド領域とともにシ
リコン結晶細柱16aにより支えられている。このサンプ
ルを用いるとシリコン基板上の放熱防止用溝の無いサン
プルに比べて１桁程度小さな電力で所望の結合率の変化
が得られた。また、この溝16は基板９から光導波路にか
かる応力を解放することによって、方向性結合器のわず
かな偏波依存性を抑える働きもある。
−実施例４− 第10図および第11図はそれぞれ本発明の第４の実施例
としての耐熱ヒータ付き方向性結合器単体の回路構成を
示した斜視図およびそのAA′線に沿った拡大断面図であ
る。ここでは熱処理面積を可変にするために耐熱ヒータ
15を空間的に分割して複数個配列している。耐熱ヒータ
の複数比に対応して、放熱防止用溝16も導波路に沿って
複数に分割されている。本実施例では、耐熱ヒータ15の
下部の光導波路1,2の領域は完全にシリコン基板９本体
から分離されており、実施例３に比べてより完全な放熱
防止が達成されている例である。また、シリコン基板９
の裏面には熱バランス用に銅ブロック14に接着させて周
囲温度等に左右されずに結合率調整作業を進められるよ
うにした。場合によっては、銅ブロック14に予熱ヒータ
を埋め込み、基板全体の温度を400℃程度にまで上昇さ
せ、一種の温度バイアスとして、耐熱ヒータによる加熱
急冷作業の補助とすることもできる。
上述の実施例2,3および４では光導波回路の所望部分
に局所的に熱履歴を引き起こすために耐熱ヒータを用い
たが、次の実施例で説明するように、炭酸ガス（CO2）
レーザのようなエネルギービーム照射によって局所的な
熱履歴を引き起こすことも可能である。
−実施例５− 第12図は本発明の第５の実施例としての石英ガラス基
板上の方向性結合器の構成とその結合率の調整方法を示
す斜視図である。ここで、12は加熱用CO2レーザビー
ム、13はCO2レーザビーム12によって局部的に熱処理さ
れて熱履歴現象が生じた領域、14は石英ガラス基板9aの
下部に接着した放熱用銅ブロックを示す。本実施例に用
いるサンプルは、前記実施例群で述べた方法で下部クラ
ッド層８を石英ガラス基板9a上に形成した後、SiO2−Ti
O2を主成分とするコア層を火炎加水分解反応で堆積さ
せ、続いて反応性イオンエッチング（RIE）によりその
コア層のうち不要な部分を除去して、コア部１および２
を形成する。次に、再び火炎加水分解反応を利用してコ
ア部１および２を埋め込むようにSiO2を主成分とする上
部クラッド層７を形成する。
このとき、上部クラッド層７にはP2O5とB2O3とが多量
（総量で15〜25モル％程度）含まれている。また、方向
性結合器５の結合率は55±５％以内になるよう製作され
ている。この方向性結合器の結合部に基板表面から加熱
用CO2レーザビーム12（5W）を１秒間照射してレーザ光
を急激にきると、その結合率は約１％減少した。このと
き石英ガラス基板9aの裏面は銅ブロック14に接着させて
放熱しやすいようにしておく。このときの実験結果例を
第13図に示す。ここで、縦軸に方向性結合器５の結合率
変化、横軸に照射したCO2レーザパワーを示す。但し、C
O2レーザビーム12の照射時間は１秒、CO2レーザビーム
のスポット径は約500μｍ、方向性結合器の結合部にお
ける導波部間隔は４μｍであった。また、CO2レーザパ
ワーが8W（ワット）以上の時はガラスの変形がみられ、
導波部の光損失が増加した。この実験における結合率の
減少量は方向性結合器５の結合部における導波路間隔が
広いほど大きいし、また熱処理温度（CO2レーザパワ
ー）、熱処理面積にも依存する。この後、CO2レーザ光
（5W）を１秒間照射して、引続き５時間程度で徐々に冷
却する（CO2レーザパワーを徐々に下げていく）と方向
性結合器の結合率は元の状態に戻る。
以下に具体的な方向性結合器の結合率の調整方法を説
明する。
第12図において入力ポート1aより光を入射しながら出
力ポート1b,2bからの出力P1,P2を常時観察しておく。P1
＜P2ならばCO2レーザビーム12で方向性結合器の結合部
分５を部分的に加熱して急冷する。この調整によって結
合率は減少してP1の出力が相対的に大きくなる。さらに
P1＜P2ならば熱処理領域を増やすかまたは加熱温度を上
げて急冷を繰り返す。この結果、調整が行き過ぎてP1＞
P2となればその程度に合わせてCO2レーザパワーで加熱
を行い、引続き徐冷をおこなうことによって、最終的に
P1＝P2の状態を作ることができる。
ここで微調整に使うことのできるパラメータは、熱処
理する領域、熱処理温度（CO2レーザパワー）、急冷速
度（CO2レーザパワーの減少速度）、熱処理時間（CO2レ
ーザ照射時間）がある。これらはサンプルの形状、材質
等によって使い分けると良い。
この調整の結果として方向性結合器の結合率を50±１
％以内にすることができた。
ここで強調すべき点は、上記のCO2レーザ加熱による
方向性結合器の結合率調整作業は、上部クラッド層７中
のドーパントの拡散や蒸発を伴うものではなく、ドーパ
ントを多量に含む石英系ガラスのいわゆる「安定化現
象」に起因するために可逆的である点である。すなわ
ち、行き過ぎた加熱急冷作業は、その後の加熱徐冷作業
により元に戻すことができるのである。場合によって
は、サンプル全体を再度電気炉に入れて1000℃程度のま
まで加熱し引続き徐冷すれば、それまでのCO2レーザに
よる熱処理の履歴を解消し、初期状態戻すことができ
る。
また、ここで注意すべきことは、上記実施例２〜５の
ように上部クラッド層７の表面から耐熱ヒータ加熱ある
いはCO2レーザ加熱により結合率を調整する場合には、
実施例１の場合と異なり、上部クラッド層７とコア部お
よび下部クラッド層８との間にドーパント濃度の著しい
差は必ずしも必要ではない点である。これは、表面から
の加熱の場合には、仮にすべてのガラス層領域にドーパ
ントが一様にかつ多量に含有されていても、表面からの
加熱により上部クラッド表面が高温で基板側が低温にな
る温度分布が発生し、コア部と上部クラッド層との間の
屈折率差におのずと変化が生ずるからである。
以上の実施例では、方向性結合器の結合率調整への本
発明の適用例について説明したが、次に本発明の光導波
路の光路長制御への適用例について説明する。
−実施例６− 第14図および第15図は本発明の第６の実施例としての
光路長制御をを行うことのできる光導波路の構成とその
調整法を示す斜視図およびそのAA′線における拡大断面
図である。１は石英系クラッド層7,8に埋設された石英
系光導波路（コア部）であり、第１図と同様の製造工程
およびガラス組成でシリコン基板９上に形成されたもの
である。15は光導波路１を覆う上部クラッド層７上に設
けた耐熱ヒータである。本実施例がこれまでの実施例と
異なる点は、これまでの実施例では上部クラッド層７の
屈折率を変化させて方向性結合器における結合率を調節
したが、本実施例では上部クラッド層７の屈折率を変化
させて光導波路１の等価屈折率を変え、その結果として
光導波路１の実効的な光路長を調節しようというもので
ある。
本実施例においても、耐熱ヒータ15による加熱急冷あ
るいは加熱徐冷による熱履歴現象により上部クラッド層
７の一部領域13に屈折率変化が生じる。単一モード光導
波路おいては、信号光はコア部のみならずクラッド層に
も一部しみだして伝搬されるために、コア部を覆う上部
クラッド層７の屈折率変化は、光導波路１の等価屈折率
の変化となって現われるのである。
本実施例において、加熱長（発熱部の長さ）5mmの耐
熱ヒータ15に最大10ワット程度の電力を供給したとこ
ろ、0.75μｍ程度の光路長変化を発生させることができ
た。これは、例えば波長1.5μｍの信号光に対して1/2波
長相当の光路長変化である。等価屈折率変化に換算する
と1.5×10-4程度の屈折率変化であった。
ここで勘案すべき点では、シリコン基板９上の光導波
路１を耐熱ヒータ15で局所的に加熱した際のシリコン基
板からの応力効果の存在である。すなわち、シリコン基
板９上の石英系光導波路１は、室温状態で、石英系ガラ
スとシリコン基板との熱膨張係数との差から圧縮応力を
受けているのが通常である。耐熱ヒータ15による上部ク
ラッド層７の温度上昇により、加熱領域13が軟化する
と、シリコン基板９からの圧縮応力は光導波路コア部１
により強くかかるようになり、圧縮応力増加によって光
導波路１の等価屈折率が増加することがある点である。
この増加傾向は、上部クラッド層７の安定化現象による
屈折率定化に伴う等価屈折率の減少と逆方向であり、い
ずれが支配的かは、上部クラッド層７の厚さや加熱の程
度にも依存する。いずれにしても、耐熱ヒータ15による
加熱により光路長制御ができる点に変わりはなく、光導
波路１にモニタ光を通じつつ光路長調整を行うことがで
きる。
なお、予め光導波路両側にシリコン基板に至る程度に
まで応力解放溝（前述文献：河内正夫“石英系光導波路
と集積光部品への応用”、光学、18（1989）681−686.
を参照のこと）を掘っておき、シリコン基板９からの応
力作用を極力抑制することもできる。本実施例のシリコ
ン基板９を石英ガラス基板に置き換えると基板からの応
力作用が抑制されることも付記する。
本実施例の光路長制御においても、サンプル全体を10
00℃程度にまで再加熱して徐冷すると、過去の熱履歴が
ご破算される点はこれまでの実施例と同様である。
本実施例では加熱手段として耐熱ヒータを用いたが実
施例５と同様のCO2レーザ加熱を適用することも可能で
ある。
−実施例７− 第16図および第17図に本発明の第７の実施例としての
導波路型偏波ビームスプリッタの斜視図およびそのAA′
切断線における拡大断面図を示す。ここで、10は薄膜ヒ
ータ移相器、P0は入力ポート1aから入力する入力光パワ
ー、P1,P2はそれぞれ出力ポート1b,2bからの出力光パワ
ーを示す。本実施例で用いるサンプルは実施例１に記載
の方法と同じ方法で作製され、２個の方向性結合器5,6
とそれらを結ぶ長さの等しい２本の導波路1,2で構成さ
れている。但し、２つの方向性結合器5,6の結合率は何
れも55±５％以内になるように設計されている。
次に、この偏波ビームスプリッタの調節手順の概略を
示す。
１）まず、２つの方向性結合器5,6の結合率を実施例５
に記載した熱履歴法によって50％に調節する。
２）非晶質シリコン（ａ−Si）応力付与膜21をトリミン
グして複屈折値の調節を行う。
３）薄膜ヒータ移相器10による導波路1,2の光路長の制
御を実施例６に記載した熱履歴法による光路長の制御で
置き換える。
この結果としてクロストークが非常に小さく、しかも
従来必要であった薄膜ヒータ移相器10への定常供給電力
が不要な導波型偏波ビームスプリッタが実現される。
さらに、上記の各調整手順の詳細を説明する。
まず、マッハツェンダ光干渉計を構成する２つの方向
性結合器5,6の結合率を熱履歴法によって50％に調節す
る方法について説明する。
第16図において方向性結合器５と方向性結合器６の調
節前の結合率をそれぞれ50＋α％,50＋β％とする。但
しα，β≧０である。また方向性結合器５と方向性結合
器６の間の導波路１の光波長を L1＝（ｎπ＋φ＋θ）λ/2π とする。同様に方向性結合器５と６の間の導波路２の光
路長を L2＝（ｎπ＋φ−θ）λ/2π とする。ただしφ，θはそれぞれ０≦φ＜π,0≦θ＜π
/2の条件を満たす任意の値である。λは導波路1,2にお
ける光の波長である。
まず、入力ポート1aからTEモードの光P0を入射する
と、出力ポート1bおよび2bからの出力光パワーP1,P2は
次のようになる。
P1＝P0｛（ａ＋ｂ）２−4ab cos2φ｝ （１） P1＝P0｛（ｃ−ｄ）２−4cd cos2φ｝ （２） ここで、P1が最小になるように薄膜ヒータ移相器10で
光路長を制御すると、上式（１）からθ＝ｎπのとき、
P1はその最小値P1（ｎπ）をとる。
同様にして、P2が最小になるように薄膜ヒータ移相器
10を調節すると、上式（２）からθ＝（ｎ＋1/2）πの
ときにP2はその最小値P2（（ｎ＋1/2）π）をとる。
そこで、P1（ｎπ）−P1（（ｎ＋1/2）π）＝４・P0
・（α/100）・（β/100）が０、すなわち両ポート1b,2
bからの出力がP1,P2が等しくなるように方向性結合器５
の結合率をCO2レーザ加熱を用いた実施例５に記載の方
法で調節する。この結果α＝０が達成される。この状態
でP1の最小値P1（ｎπ）は次式で表される。
よって、P1（ｎπ）＝０となるように方向性結合器６
の結合率を実施例５に記載の方法で調節すると、α、β
＝０が得られる。すなわち、これにより第16図のマッハ
ツェンダ干渉計を構成する２つの方向性結合器の結合率
を50％に調節することができたことになる。
つぎに公知の方法（特開昭64−77002号参照）を利用
して、非晶質シリコン（ａ−Si）応力付与膜のトリミン
グによる複屈折値の制御方法について説明する。
まず、その原理を接する。TEモードの光とTMモードの
光にとっての方向性結合器５と方向性結合器６とを結ぶ
導波路１の光路長をそれぞれL1TE,L1TMとする。
同様に、方向性結合器５と方向性結合器６とを結ぶ導
波路２の光路長をそれぞれL2TE,L2TMとする。ここでは
ΔLTE＝L1TE−L2TEとΔLTM＝L1TM−L2TMとの差を となるように複屈折を調節する。λは入力光の波長であ
る。その結果、ある薄膜ヒータ移相器10のある駆動条件
で入力ポート1aから入射したTEモードの光は例えば出力
ポート1bから、また入力ポート1aから入射したTMモード
の光は出力ポート2bから出力させることができる。
以下にその調節方法の詳細を述べる。第18図に本実施
例の複屈折値の調節で用いたシステムの構成図を示す。
ここで、31は第16図で示す導波型偏波ビームスプリッ
タ、29,30はその偏波ビームスプリッタの光出力を受け
て電気信号に変換する受光器（例えば、ホトトランジス
タのような受光素子）、23は偏波保持ファイバカップラ
および24は偏波保持ファイバである。一方のレーザダイ
オード32からのTEモードの光LD（TE）は発振周波数f1Hz
で、また他方のレーザダイオード33からのTMモードの光
LD（TM）は発振周波数f2Hzで強度変調を受けている。受
光器29,30に接続する一方のロックインアンプ（バンド
パスフィルタ）25および27は周波数f1Hzに同期してお
り、受光器29,30に接続する他方のロックインアンプ
（バンドパスフィルタ）26および28は周波数f2Hzに同期
している。ロックインアンプ25,26,27,28の出力をそれ
ぞれPTE1,PTM1,PTE2,PTM2とする。これらの出力PTE1〜P
TM2は例えば図示しない測定器または演算回路に出力さ
れて検知される。
まず、log（PTE1/PTE1）が最小になるように、すなわ
ちPTE2とPTE1との差が最大となるように、第16図の薄膜
ヒータ移相器10を駆動する。
次に、log（PTM1/PTM2）が最小となるように、つまり
PTM1とPTM2の差が最大となるようにArレーザでａ−Si応
力付与膜21をトリミングしていく。このとき、ａ−Siト
リミングの過程によってlog（PTE2/PTE1）が最小となる
ヒータ駆動条件が変化していくため、その変化に追随し
ていくように薄膜ヒータ移相器10の駆動電流を微小変調
し、その微分が０になるよう駆動条件を変化させてい
る。この結果、薄膜ヒータ移相器10のある駆動条件のも
とで、クロストークの非常に小さな偏波ビームスプリッ
タが得られる。
最後に、薄膜ヒータ移相器10による光路長の調節を熱
履歴法による光路長の調節で置き換える方法について説
明する。
今までの工程で得られた偏波ビームスプリッタ31をlo
g（PTE2/PTE1）が最小になるように薄膜ヒータ移相器10
を駆動する。そこで、第16図に示す13′の部分をCO2レ
ーザ加熱を用いた実施例６に示す方法で加熱および急冷
してその光路長を調節していく。光では光路長差ｎλに
関してその存在を認識することができないために、13′
の熱履歴現象発生領域を徐々に加熱および急冷していく
ことによって、光路長変化のλ以内の範囲で薄膜ヒータ
移相器10への定常供給電力が０で、log（PTE2/PTE1）が
最小となる条件が求まる。
この結果、定常供給電力が不必要で、クロストークの
非常に小さな偏波ビームスプリッタが得られる。
実際には、以上の工程によってクロストーク−31dB
（出力P1 TM/TE）、−28dB（出力P2 TE/TM）で定常供給
電力不要の偏波ビームスプリッタが実現できた。
−実施例８− 第19図および第20図に本発明の第８の実施例としての
導波型波長無依存カプラの平面図およびそのAA′切断線
における拡大断面図を示す。本カプラは２本の光導波路
1,2が２箇所で近接して２個の方向性結合器5,6を構成し
ている。２個の方向性結合器5,6を連結する領域の２本
の光導波路1,2の上には耐熱ヒータ10a,10bが形成されて
いる。出力ポート1b,2bからの出力光パワーをPsub,Pmai
nとすると、２個の方向性結合器5,6間の光導波路1,2の
実効的な光路長差は、第19図全体の光カプラとしての結
合率 Psub/（Pmain/Psub） の波長依存性が極力緩和されるように0.9μｍ近傍に設
定されている（本カプラの基本原理については特開平３
−213829号参照のこと）。
第21図は、上記の耐熱ヒータ10a,10bによる本カプラ
の結合率調整例を説明する結合率・波長の関係を示す特
性図である。第21図において、実線（ａ）は、耐熱ヒー
タ10a,10bを駆動する前のカプラの結合特性であり、1.2
5〜1.60μｍ程度の広い波長域で20％結合率が達成され
ている。この時の光路長差は上述のように0.9μｍであ
る。
次に、実施例６に既述した耐熱ヒータ加熱による熱履
歴現象を活用した光路長制御方法を用いて、耐熱ヒータ
10a,10bのいずれかを駆動して、光路長差を0.8μｍと小
さくすると、第21図の破線（ｂ）に示した波長特性が得
られる。すなわち、波長無依存の特性を維持したまま結
合率は12％程度にまで減少する。逆に、光路長差を1.0
μｍに増大させると第21図の一点鎖線（ｃ）の波長特性
が得られる。すなわち、この場合の結合率は28％程度に
増加する。
第21図の結果は、本発明の光路長調整により、波長無
依存カプラの結合率を微調節できることを示している。
−実施例９− 第22図に本発明の第９の実施例として双安定光スイッ
チの斜視図を示す。本実施例のサンプルは実施例８と同
様にシリコン基板９上に形成されている。本実施例にお
いては２個の方向性結合器5,6は、波長1.3μｍにおいて
ほぼ50％結合率になるよう設定されている。方向性結合
器5,6を連結する領域の光導波路1,2の光路長は等しくな
るように、すなわち光路長差が零になるように設定され
ている。光導波路1,2の上部には耐熱ヒータ10a,10bが設
置されている。
これらの耐熱ヒータ10a,10bを駆動しない初期状態に
おいて、入力ポート1aから入射された波長1.3μｍの信
号光は、出力ポート2bから出力される。すなわち、初期
状態において、第22図の構成は（1a→2b,2a→1b）のク
ロス光路状態にある。
次に、耐熱ヒータ10aあるいは10bを駆動して、いずれ
か一方の光導波路の光路長に２分の１波長相当分、すな
わち1.3μm/2＝0.65μｍの光路長増加を前述した熱履歴
法により誘起すると、（1a→1b,2a→2b）のスルー光路
状態に切り替わる。耐熱ヒータ10a,10bの加熱急冷ある
いは加熱徐冷の操作により、上記の２状態を交互に切り
替えることが可能で、本サンプルは双安定光スイッチと
して動作する。本スイッチは、その原理上、高速で光路
を切り替える分野には向かないが、年に数回程度しか切
り替えないような分野には維持電力が不要な点で有利で
ある。
−実施例10− 第23図は本発明の第10の実施例としての光周波数多重
光合分波器の平面図である。61,62,63,64はシリコン基
板９上に実施例１と同様の方法で形成された光導波路で
あり、本実施例でのコア部断面寸法は６μｍ×６μｍで
あり、コア部と周囲のクラッド層との比屈折率差は0.75
％である。シリコン基板９上で光導波路61と62は２箇所
で近接して方向性結合器65aおよび65bを構成している。
これらの方向性結合器65aと65bとを連結する領域の光導
波路61と62は曲率半径5mm程度の曲線形状を有してお
り、方向性結合器65aと65bとの間でΔＬ＝10mmの導波路
長差を設定され、全体で非対称形マッハツェンダ光干渉
計回路70aを構成している。
同様に、光導波路61と63は、方向性結合器66aと66bを
含む非対称形マッハツェンダ光干渉計回路70bを構成
し、さらに、光導波路62と64は、方向性結合器67aと67b
を含む非対称形マッハツェンダ光干渉計回路70cを構成
している。非対称形マッハツェンダ光干渉計回路70bと7
0cにおける２個の方向性結合器間の導波路長差はΔL/2
＝5mmに設定されている。
上記の３個の非対称形マッハツェンダ光干渉形回路70
a,70b,70cの片側の光導波路上には、それぞれ光導波路
の複屈折性制御のための非晶質シリコン（ａ−Si）応力
付与膜68a,68b,68cが形成され、非対称形マッハツェン
ダ光干渉形回路70a,70b,70cの他方の光導波路上には、
それぞれ耐熱ヒータ69a,69b,69cが設置されている。
次に、この光周波数多重光合分波器の特性調整方法の
手順の概略を示す。
（１）まず、非晶質シリコン（ａ−Si）応力付与膜68a,
68b,68cをレーザトリミングして、非対称形マッハツェ
ンダ光干渉形回路70a,70b,70cの偏波依存性を解消する
（特開昭64−7702号参照のこと）。
（２）次に、耐熱ヒータ69a,69b,69cを駆使して、非対
称形マッハツェンダ光干渉計回路70a,70b,70cの導波路
長差を微調節して、光周波数間隔Δｆ＝10GHzの４チャ
ンネルの信号光f1,f2,f3,f4に非対称形マッハツェンダ
光干渉計回路70a,70b,70cの光周波数応答を同期させ
る。
第24図は、上述の非対称形マッハツェンダ光干渉計回
路70a,70b,70cの光周波数応答特性を示す説明図であ
り、同図を参照して上記（２）の手順をさらに詳細に説
明する。第24図において（ａ−１）は、上記の手順
（１）の完了後の非対称形マッハツェンダ光干渉計回路
70aの光周波数応答特性を示し、干渉原理に基づく正弦
波状の光周波数応答の山と谷の間隔は、ΔＬ＝10mmによ
り規定されるΔｆ＝10GHzに設定されているものの、山
あるいは谷の全体光周波数位置は、導波路屈折率値や導
波路長のわずかな揺らぎ等により一定していない。第23
図の光合分波器に正規の動作を営ませるためには、耐熱
ヒータ69aの活用により、その下部の導波路の光路長を
サブミクロン以下の精度で微調節して、本光合分波器の
使用温度、例えば25℃で、山の位置がf1およびf3に対応
し、谷の位置がf2およびf4に対応するように、光周波数
応答を光周波数軸方向にシフトさせ、これにより第24図
の（ｂ−１）の応答特性を実現する。
同様の手順で耐熱ヒータ69bおよび69cを駆使して、第
24図の（ａ−２）および（ａ−３）に示した非対称形マ
ッハツェンダ光干渉計回路70bおよび70cの光周波数応答
特性（周期は２Δｆ＝20GHz）を第24図の（ｂ−２）お
よび（ｂ−３）のように整列させる。
熱履歴現象を利用した上記の整列操作により、第23図
の光合分波器には入力ポート61aから入射した光周波数
間隔Δｆ＝10GHzの４チャンネルの信号光f1,f2,f3,f4を
出力ポート61b,62b,63b,64bから出射させるという所望
の動作を営ませることができる。
上記の整列操作は一度遂行設定すればサンプル温度を
25℃に保持しておく限り、耐熱ヒータ69a,69b,69cへの
維持電力は不要であることはもちろんである。
上記実施例10では４チャンネル用の光周波数多重光合
分波器について説明したが、同様の構成は、さらに多段
に非対称形マッハツェンダ光干渉計回路を連結した８チ
ャンネル用や16チャンネル用等の光合分波器の作製にも
拡張適用できる。
以上、本発明の構成および作用を石英ガラス基板ある
いはシリコン基板上の石英系ガラス光導波路を例に説明
したが、熱履歴現象を起こす材料系であれば、石英系ガ
ラス以外の光導波路材料系にも適用できる。また、上記
実施例で取り上げた方向性結合器、偏波ビームスプリッ
タ、双安定光スイッチ、波長無依存カプラ、および光周
波数多重光合分波器、以外の多様の光導波回路、例え
ば、熱光学型マトリックス光スイッチ、光リング共振
器、波長多重合分波器、各種光フィルタ等の特性調整に
も本発明を適用できる。
［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、光導波路材料
の熱履歴現象を利用することにより、導波路型方向性結
合器の結合率の調節、または光導波路の光路長の調節を
行い、ひいては光集積回路の回路特性の制御を行うこと
ができる。
方向性結合器は単体で光分岐・結合器や光合分波器と
しての利用を期待されているのみならず、複数個の方向
性結合器を単一基板上に集積したより複雑な集積光デバ
イスを構成する上でも必須の要素であり、本発明による
方向性結合器の結合率調整方法は、実用的な光導波回路
製造に多大の貢献をするものである。
また、本発明による光路長の調節方法は、波長無依存
カプラや光スイッチ、光周波数多重光合分波器等の光干
渉原理を用いた集積光デバイスの特性向上や新デバイス
の創出に多いに資するものである。
さらに、熱履歴現象を利用した本発明の特性調整方法
は可逆的であり、この事実が特性調整を容易にしてい
る。
本発明のうちで耐熱ヒータ等による局部加熱の方法
は、デバイスの製作および実装後のデバイスの入出力用
光ファイバが取り付けられた状態で実施できるため、製
作および実装精度を緩和することができ、歩留まりよく
所望の特性を有した集積光デバイスを実現することがで
きる利点もある。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の第１実施例として、電気炉を用いた熱
履歴法により結合率調整をする方向性結合器サンプルの
製造工程を説明する模式的断面図、 第２図は本発明の第１実施例において方向性結合器サン
プルの熱履歴法による結合率調整に使用した熱処理炉の
断面構造を示す模式的縦断面図、 第３図は本発明の第１実施例の方向性結合器の結合率の
加熱急冷温度依存性の一例を示す特性図、 第４図は本発明の第１実施例における熱履歴現象を示す
屈折率変化の特性図、 第５図は本発明の第１実施例における方向性結合器の結
合率の別の熱処理条件下での結合率変化例を示す特性
図、 第６図は本発明の第２実施例として、耐熱ヒータを用い
た熱履歴法により結合率と分岐比を調整した導波型４分
岐光回路およびその調整方法を示す斜視図、 第７図は第６図のAA′切断線に沿う拡大断面図、 第８図（ａ）と（ｂ）はそれぞれ本発明の第２実施例に
おける改良型の耐熱ヒータの構造を示す断面図、 第９図（ａ）および（ｂ）は本発明の第３実施例として
シリコン基板上の導波型４分岐光回路における放熱防止
溝を有する耐熱ヒータ付き方向性結合器の要部拡大平面
図、およびそのAA′切断線に沿う断面図、 第10図は本発明の第４実施例として、分割構造を持つ耐
熱ヒータを用いた熱履歴法により結合率を調節した導波
路型方向性結合器およびその結合率調節方法を示す斜視
図、 第11図は第10図のAA′切断線に沿う拡大断面図、 第12図は本発明の第５実施例として、CO2レーザを用い
た熱履歴法により結合率が調節された導波路型方向性結
合器およびその結合率調節方法を示す斜視図、 第13図は本発明の第５実施例においてCO2レーザを用い
た熱履歴法の実験結果を示す特性図、 第14図は本発明の第６実施例として、耐熱ヒータを用い
た熱履歴法により光路長が調節された光導波路およびそ
の光路長調整方法を示す斜視図、 第15図は第14図のAA′切断線に沿う拡大断面図、 第16図は本発明の第７実施例として、導波路型偏波ビー
ムスプリッタおよびその特性調節方法を示す斜視図、 第17図は第16図のAA′切断線に沿う拡大断面図、 第18図は本発明の第７実施例のａ−Si応力付与膜のトリ
ミングに用いるモニター用システムの構成を示す模式
図、 第19図は本発明の第８実施例として、導波型波長無依存
カプラおよびその特性調節方法を示す平面図、 第20図は第19図のAA′切断線に沿う拡大断面図、 第21図は本発明の第８実施例における耐熱ヒータによる
熱履歴法での結合率調整の実験結果を示す特性図、 第22図は本発明の第９実施例として、双安定光スイッチ
およびその特性調整方法を示す斜視図、 第23図は本発明の第10実施例として、光周波数多重光合
分波器およびその特性調整方法を示す平面図、 第24図は本発明の第10実施例において、耐熱ヒータを用
いた熱履歴法により光周波数応答特性を調整する方法を
説明する波形図、 第25図は従来の光導波回路としての方向性結合器の構造
を示す斜視図、 第26図は第25図のAA′切断線に沿う拡大断面図、 第27図は従来の光導波回路としての導波型偏波ビームス
プリッタの構造を示す斜視図、 第28図は第27図のAA′切断線に沿う拡大断面図、 第29図は第27図の導波路型偏波ビームスプリッタの特性
を示す特性図である。 1,2……単一モード光導波路（コア部）、 1a,2a……入力ポート、 1b,2b……出力ポート、 1a′,2a′,1b′,2b′……入出力光ファイバ、 5,6……導波路型方向性結合器、 ７……上部クラッドガラス層、 7a……上部クラッド用ガラス微粒子層、 ８……下部クラッドガラス層、 8a……下部クラッド用ガラス微粒子層、 ９……シリコン基板、 9a……石英ガラス基板、 10……薄膜ヒータ移相器、 10a,10b……耐熱ヒータ、 11……ａ−Si応力付与膜、 12……加熱用CO2レーザビーム、 13,13′……加熱急冷を行って熱履歴現象が起きた領
域、 14……銅ブロック、 15……耐熱ヒータ、 16……放熱防止用溝、 16a……シリコン結晶支持細柱、 21……未トリミングａ−Si応力付与膜、 22……トリミング済みａ−Si応力付与膜、 23……偏波保持ファイバカプラ、 24……偏波保持ファイバ、 25,27……f1Hzに同期したロックインアンプ（バンドパ
スフィルタ）、 26,28……f2Hzに同期したロックインアンプ（バンドフ
ィルタ）、 29,30……光電変換素子、 31……導波路型偏波ビームスプリッタ、 40……コアガラス層、 40a……コア層用ガラス微粒子層、 41……炉芯管、 41a……冷却室、 41b……サンプル取り出し扉、 42……発熱体、 43……サンプル保持台、 43a……サンプル保持台昇降装置、 44……被熱処理サンプル、 45……断熱装置、 51,52,53,54……単一モード光導波路（コア部）、 51a……入力ポート、 51b,52b,53b,54b……出力ポート、 51a′,51b′,52b′,53b′,54b′……入出力光ファイ
バ、 55a,55b,55c……方向性結合器、 56a,56b,56c……耐熱ヒータ、 57……保護層、 58……下部保護層、 61,62,63,64……単一モード光導波路、 61a……入力ポート、 61b,62b,63b,64b……出力ポート、 65a,65b,66a,66b,67a,67b……方向性結合器、 68a,68b,68c……ａ−Si応力付与膜、 69a,69b,69c……耐熱ヒータ、 70a,70b,70c……非対称型導波型マッハツェンダ光干渉
計回路。

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基板と、該基板上に形成されたクラッド層
    と、該クラッド層に埋め込まれたコア部からなる１また
    は２以上の光導波路を有する光導波回路の特性を調整す
    る方法であって、前記クラッド層の前記コア部を含む領
    域の少なくとも一ヶ所に熱を加えることにより熱履歴現
    象を生じさせ、前記領域の屈折率を変化させることを特
    徴とする光導波回路の特性調整方法。
  2. 【請求項２】前記クラッド層は組成の異なる下部クラッ
    ド層および上部クラッド層とからなり、前記コア部は上
    部クラッド層に埋め込まれ、前記コア部を含む上部クラ
    ッド層および下部クラッド層全体に熱を加えることによ
    り、前記上部クラッド層の前記コア部を含む領域に熱履
    歴現象を生じさせ、前記領域の屈折率を変化させること
    を特徴とする請求項１に記載の光導波回路の特性調整方
    法。
  3. 【請求項３】前記コア部を含むクラッド層の表面に熱を
    加えることにより、前記クラッド層表面近傍の前記コア
    部を含む領域の少なくとも一ヶ所に熱履歴現象を生じさ
    せ、前記領域の屈折率を変化させることを特徴とする請
    求項１に記載の光導波回路の特性調整方法。
  4. 【請求項４】前記光導波回路は、２以上の光導波路が少
    なくとも一ヶ所で近接して配置された方向性結合器を有
    し、該方向性結合器の結合部に熱を加えることにより熱
    履歴現象を生じさせ、前記領域の屈折率を変化させ、前
    記方向性結合器の結合率を調整することを特徴とする請
    求項１、２または３に記載の光導波回路の特性調整方
    法。
  5. 【請求項５】前記領域の屈折率を変化させることにより
    光路長を調整することを特徴とする請求項１、２または
    ３に記載の光導波回路の特性調整方法。
  6. 【請求項６】エネルギービームを照射することにより熱
    を加え、熱履歴現象を生じさせることを特徴とする請求
    項１、２、３、４または５に記載の光導波回路の特性調
    整方法。
  7. 【請求項７】１または複数個の耐熱ヒータにより熱を加
    え、熱履歴現象を生じさせることを特徴とする請求項
    １、２、３、４または５に記載の光導波回路の特性調整
    方法。
  8. 【請求項８】基板と該基板上に形成されたクラッド層
    と、該クラッド層に埋め込まれたコア部からなる１また
    は２以上の光導波路とを有する光導波回路であって、前
    記クラッド層の前記コア部を含む領域の少なくとも一ヶ
    所に熱履歴現象による屈折率の変化領域を有することを
    特徴とする光導波回路。
  9. 【請求項９】前記クラッド層が上部クラッド層と下部ク
    ラッド層とからなり、該上部クラッド層は該下部クラッ
    ド層に比べて多量のドーパントを含むことを特徴とする
    請求項８に記載の光導波回路。
  10. 【請求項１０】前記領域に熱履歴現象を生じさせるため
    の１または複数個の耐熱ヒータを有することを特徴とす
    る請求項８または９に記載の光導波回路。
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