JP3563376B2

JP3563376B2 - 光合分波器の製造方法

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Publication number: JP3563376B2
Application number: JP2001230371A
Authority: JP
Inventors: 健佐久間; 紫文石川; 朋子四方; 弘晋小川; 英行細谷; 朗和田
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2000-08-01
Filing date: 2001-07-30
Publication date: 2004-09-08
Anticipated expiration: 2021-07-30
Also published as: JP2002116337A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光合分波器の製造方法と、光合分波器を含む基板型光導波路部品の光学特性の調整方法に関し、特に光通信分野全般に利用され、通信回線から信号光を分離してモニタリング用フォトダイオードに入射するためのデバイスなどとして有用な光合分波器などに好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光合分波器としては、光ファイバカプラを利用したものや基板型のものが提案されている。
基板型のものとしては、例えばＹ型導波路、マッハツェンダ干渉系、アレイドウェーブガイドグレーティング（略称ＡＷＧ）などの各種の形状の導波路を用いた光合分波器が実用化されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
光ファイバカプラを利用した光合分波器においては、製造時に分岐比などの光学特性を調整することが比較的容易であるため、種々の分岐比のものを設計、製造でき、多品種少量生産に向いている。その一方、複数本の光ファイバから形成されているため、集積化が困難であるという問題があった。
これに対して基板型の光合分波器は集積化が容易である。しかし、同一特性のものを大量に生産する用途には適しているが、多品種少量生産には対応できないという問題があった。
【０００４】
図６（ａ）は従来の基板型の光合分波器の一例を示した平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）に示したＡ−Ａにおける断面図である。
図中符号２は基板であり、この基板２の上にクラッド層３が形成され、その内部にＹ型導波路４が設けられている。
基板２としては、例えばシリコン基板などが用いられる。クラッド層３、Ｙ型導波路４は、例えば石英系ガラスから形成されている。
Ｙ型導波路４は光を導波するように、クラッド層３よりも高屈折率の材料から形成されている。例えばクラッド層３を純粋石英ガラスから形成した場合は、Ｙ型導波路４の材料は、ゲルマニウム添加石英ガラスなどが用いられる。
【０００５】
この例において、Ｙ型導波路４は、１本の柱状の導波路が途中で２本に分岐しており、入射側から伸びる１本の入射側直線部４ａと、その出射側に形成された、この入射側直線部４ａの幅が徐々に拡大している分岐部４ｂと、この分岐部４ｂから伸びる２本の分岐導波路５ａ、５ｂが相互に離れるように曲線状、または直線状に配置された分離部４ｃと、さらにこれらの分岐導波路５ａ、５ｂが平行に配置された出射側直線部４ｄとから構成されている。
Ｙ型導波路４の入射側のポート６ａと、出射側のふたつのポート６ｂ、６ｃは、基板２の上下面と平行な同一平面上に配置されている。
そして、ポート６ａに信号光を入射すると、所望の分岐比でふたつに分岐した信号光が、ポート６ｂ、６ｃのそれぞれから出射する。
【０００６】
従来の基板型の光合分波器は、例えば、Ｙ型導波路４のパターンを設計し、このパターンに基づいてフォトマスクを作製し、フォトリソグラフ法によって、このフォトマスクのパターンを転写してＹ型導波路４を形成するという工程を経て製造されている。しかし、このフォトマスクが高価であるため、種々の特性に対応したフォトマスクを作製することができなかった。
また、フォトマスクのパターンどおりに導波路を形成するため、光学特性をモニターしながら分岐比などの特性の微調整を行うことができなかった。
なお、Ｙ型導波路以外のＡＷＧやマッハツェンダ型干渉系を利用した導波路を用いたものにおいても、導波路の形状は異なるが、同様にして形成されるため、同様の問題があった。
また、光合分波器の製造時のみならず、製造後においても、光学特性を微調整することができれば、製品歩留まりの向上に寄与する。そのため、製造後に光学特性の微調整を行い得る技術が要望されていた。この様な製品の光学特性を製造後に事後的に調整する技術は、光合分波器のみならず、マッハツェンダ型干渉系などを利用した、例えば利得等化器、分散補償器などの他の基板型光導波路部品についても求められていた。
【０００７】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、集積化が容易で、かつ製造時に分岐比などの光学特性を調整できる光合分波器の製造方法と、製造後に光学特性を調整可能な基板型光導波路部品の光学特性の調整方法を提供することを課題とする。
具体的には、基板型の光合分波器を含む基板型光導波路部品において、製造時や製造後に光学特性の微調整を行うことができる光合分波器の製造方法と基板型光導波路部品の光学特性の製造方法を提供することを課題とする。
また、できるだけ低コストでこれらの課題を解決できる光合分波器の製造方法と基板型光導波路部品の光学特性の調整方法を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明においては以下の様な提案をする。
第１の発明は、ガラス材料からなるクラッド層内に、光の入射と出射を行う複数のポートを備え、かつ当該ポート間が光学的に接続された導波路を形成する光合分波器の製造方法であって、
該ポート間の少なくとも一部を屈折率調整領域とし、当該導波路の、屈折率調整領域以外の部分をフェムト秒レーザー光の集光照射によって形成する工程と、
一方のポートから信号光を入射し、他方のポートから出射する信号光をモニターしながら前記屈折率調整領域にフェムト秒レーザ光を集光照射して、当該光合分波器の光学特性を調整しながら導波路を形成する工程と、を備えていることを特徴とする光合分波器の製造方法である。
第２の発明は、前記第１の発明の光合分波器の製造方法におい
て、当該光合分波器がＹ分岐光スプリッタであることを特徴とする光合分波器の
製造方法である。
第３の発明は、前記第１の発明の光合分波器の製造方法において、前記光合分波器がタップカプラであることを特徴とする光合分波器の製造方法である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）、図１（ｂ）は本発明の光合分波器の一例を示したものである。図６（ａ）、図６（ｂ）に示した構成と同様のものは同符号を付して説明を省略する。以下、この光合分波器の製造方法について説明する。
まず、石英系ガラス、フッ化ガラス、カルコゲナイトガラス、リン酸塩ガラス、ホウ酸塩ガラス、塩化物ガラス、硫化物ガラスなどのガラス材料からなるガラス基板を用意し、これをクラッド層３とする。石英系ガラスとしては、例えば純粋石英ガラス、ゲルマニウム添加石英ガラスなどを例示することができる。
【００１０】
ついで、このクラッド層３の外部から、レンズなどを用いてＹ型導波路４を形成する位置に焦点をあわせてレーザ光を集光照射する。レーザ光を集光照射した部分は、屈折率が上昇する。
レーザ光は、特開平９−３１１２３７号公報、”超短パルスレーザにより永続的な誘起構造をつくる”（ＨｉｒａｏＡｃｔｉｖｅＧｌａｓｓＮＥＷＳＦｉｎａｌ（Ａｕｇ．１９９９），ｐｐ５−１４）などに開示されている高いピーク出力を備えたものが好ましい。具体的には、例えば１０ＫＨｚ以上、好ましくは１００ＫＨｚ以上の繰り返し周波数をもち、集光点における１０^５Ｗ／ｃｍ^２以上のピークパワー強度が確保される、いわゆるフェムト秒レーザなどが好ましい。
これらの文献には、このように高いピークパワーを備えたレーザ光を、石英ガラスなどのガラス材料の外側から、その内部に集光照射することによって、この集光位置の屈折率を１０^−２〜１０^−３オーダで上昇させ、導波路（コア）を形成できることが開示されている。
なお、図１（ｂ）に示したように、レーザ光の照射によって形成される導波路の断面形状は通常略円形である。また、導波路の屈折率を所望の値に調整するためには、通常、複数回にわたってレーザ光を照射する。
【００１１】
そして、好ましくはＹ型導波路４のパターンにあわせてクラッド層３を移動させることにより、レーザ光の集光照射位置を走査させると、Ｙ型導波路４が形成される。
このとき、２本の分岐導波路５ａ、５ｂのうち、一方の分岐導波路５ａの分離部４ｃを屈折率調整領域７とし、この部分にはレーザ光を照射しないでおく。したがって、この時点では、分岐導波路５ａ側は、分岐部４ｂから出射側直線部４ｄの途中が屈折率調整領域７によって分断された状態となっている。一方、屈折率調整領域７を形成しない分岐導波路５ｂ側は、分岐部４ｂから出射側直線部４ｄまで連続した１本の導波路から構成されている。
【００１２】
ついで、入射側のひとつのポート６ａを光源に接続し、出射側のふたつのポート６ｂ、６ｃを光パワーメータなどの測定装置に接続する。
そして、ポート６ａから信号光を入射し、ポート６ｂ、６ｃから出射する信号光のパワーをモニターしながら屈折率調整領域７にレーザ光を集光照射し、好ましくはクラッド層３を移動してレーザ光の集光照射位置を走査させ、分岐部４ｂから出射側直線部４ｄにかけて連続した分岐導波路５ａを形成していく。はじめは信号光の多くが分岐導波路５ｂ側のポート６ｃから出射するが、屈折率調整領域７の屈折率が上昇するにしたがって分岐導波路５ａ側のポート６ｂから光が出射するようになる。
なお、ポート６ａとそれぞれのポート６ｂ、６ｃとの間は、光学的に接続され、連続していれば必ずしも物理的に連続している必要はない。導波路が途中で物理的に分断されていても、分断された端部どうしが比較的近接配置されていれば、信号光は一方の端部から他方の端部との間を導波し、ポート６ａからそれぞれのポート６ｂ、６ｃに光を伝搬させることができるためである。
そして、所望の分岐比が得られた時点でレーザ光の照射を終了する。
【００１３】
このように本発明においては、好ましくは高いピークパワーを備えたレーザ光を用いて光学特性をモニターしながら導波路を形成することができ、基板型の光合分波器であっても製造過程で光学特性を調整することができる。
なお、光学特性をモニターするためには少なくとも入射側のポート６ａと出射側のポート６ｂ、６ｃが形成されている必要があるが、光学特性の調整が可能であれば、屈折率調整領域７の長さ、位置、数などは特に限定することはない。しかし、分岐比を調整するには、この例に示したように、分岐導波路５ａ、５ｂのいずれか一方に設けると好ましい。
【００１４】
光合分波器の入射用、出射用のポートの数は、少なくともいずれか一方が２つ以上設けられていれば特に限定せず、必要に応じて３つ以上設けることもできる。なお、光合分波器は、ひとつのポートに複数の信号光の合波光を入射し、複数のポートのそれぞれから信号光を出射する場合は光分波器（スプリッタ）として働き、反対に複数のポートのそれぞれから信号光を入射し、ひとつのポートからこれらの信号光の合波光を出射する場合は光合波器（カプラ）として働くものである。なお、スプリッタは光を分岐する動作を行い、カプラは光を合波する動作を行うデバイスの意味であるが、一般に光の入射方向により、同一のデバイスで両方の動作が可能であるため、区別しない。
そして本発明においては、光の入射と出射を行う複数のポートを備え、これらの間が光学的に接続された導波路であれば、導波路の形状は特に限定するものではない。すなわち、本発明は、Ｙ型導波路の他、マッハツェンダ干渉系、ＡＷＧなどの各種の形態の導波路を備えた、好ましくは基板型の光合分波器に適用可能である。
なお、Ｙ分岐光スプリッタは、Ｙ分岐型の導波路をもち、光を二手に分割する光合分波器であり、光のパワーを半分ずつに分割するものの他、用途によって分岐比を適切に設定して用いるものである、本発明は、分岐比を所望の値に調整することができるため、Ｙ分岐光スプリッタに適用すると好適である。
タップカプラとは、例えば一方のポートから出射する光のパワーに対して、他方のポートから出射する光のパワーが、後述する様に１０ｄＢ、あるいは２０ｄＢといった大きな分岐比を有するもので、いわゆるタップ用途に用いるものの総称である。タップカプラは、Ｙ型導波路を用いたものや方向性結合器、マッハツェンダ型干渉系を用いたものなどが提案されている。本発明は、この様に分岐比が大きい場合であっても適切に分岐比を調整することができるため、タップカプラに適用すると好適である。
また、レーザ光の集光照射により、導波路の屈折率が上昇すると、導波路の実効光路長を長くすることができる。
本発明においては、実質的には屈折率の上昇を用いた、この実効光路長の調整によって、光合分波器の光学特性を調整することができる。そのため、本発明は、実効光路長の調整が重要な要素となるマッハツェンダ干渉系あるいはＡＷＧなどの導波路を用いた光合分波器や他の基板型光導波路部品において、実効光路長を調整して、その光学特性を調整することに、好適に用いることができる。
【００１５】
なお、本発明においてはクラッド層３の外部からレーザ光を照射することによりクラッド層３の内部に導波路を形成することができるため、図６（ａ）、図６（ｂ）に示した従来の例のようにクラッド層３の下に配置する基板２を設ける必要はないが、必要に応じてクラッド層３の下に基板２を設けた構成とすることもできる。
【００１７】
また、この例においては、屈折率調整領域７以外の部分の導波路を形成した後に屈折率調整領域７を形成したが、以下のような製造方法も可能である。
すなわち、屈折率調整領域７を含む導波路全体を形成した後、ポート６ａから光を入射し、ポート６ｂ、６ｃから出射する光をモニターしながら屈折率調整領域７にレーザ光を集光照射して光合分波器の光学特性を調整して光合分波器を得る。
【００１８】
また、屈折率調整領域７を含む導波路全体を形成した後、好ましくは導波路のポート６ｂ側あるいは、ポート６ｃ側の分岐導波路５ａ、５ｂの一方あるいは両方を走査する様に（好ましくは導波路の中心軸付近に集光し、当該導波路の長さ方向にそって集光位置が移動する様に）レーザ光を集光照射する。
そして、この走査回数を変更することによって、光合分波器の光学特性を調整することもできる。
１回の走査の操作で照射する導波路の範囲（長さ）は特に限定するものではなく、目的などに応じて適宜変更可能である。
【００１９】
この場合は、例えば光学特性をモニターしながら行うのではなく、以下の様な方法も可能である。
すなわち、事前に、導波路形成後に、光学特性をモニターしながらレーザ光を走査することによって、レーザ光の走査回数と光学特性との関係を求めておく。
そして、新たに光合分波器を製造するときに、導波路を形成した後、前記走査回数と光学特性の関係にしたがってレーザ光を集光照射すると、走査回数を変更することにより、光学特性をモニターしなくても、所望の光学特性を備えた光合波分波器を製造することができる。
【００２０】
よって、導波路の形成までは同じ工程によって製造するものであっても、この後の光学特性の調整時に、レーザ光の走査回数を変更することにより、異なる光学特性を備えた複数種類の光合分波器を提供することができる。
【００２１】
また、この方法は、製品として完成された光合分波器を含む基板型光導波路部品の光学特性を後から調整する手段として用いることもできる。
ここで、本発明における基板型光導波路部品とは、主にマッハツェンダ型干渉系などの光合分波器に用いられている形態の導波路を用いたもので、光合分波器の他に、利得等化器、分散補償器などの多種多様なものを含むものとする。
そして、このとき、光学特性をモニターしながら行うこともできるし、予め求めておいた走査回数と光学特性との関係から、走査回数を変更、決定することにより、光学特性を調整し、所望の光学特性を備えたものを得ることもできる。
例えば、予め求めておいた走査回数と光学特性の関係から、走査回数を決定し、この走査回数に基づいて、レーザ光を集光照射（走査）して、光学特性を調整することにより、所望の光学特性を備えた光合分波器などの基板型光導波路部品を得ることができる。
なお、このときに用いるレーザ光は、フェムト秒レーザが好ましいことも同様である。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明を実施例を示して詳しく説明する。
（実施例１）
以下のようにして図１（ａ）、図１（ｂ）に示した光合分波器と同様の構造のＹ分岐光スプリッタを製造した。
ＳｉＯ_２：９５重量％、ＧｅＯ_２：５重量％の組成をもつ石英ガラスから１０ｍｍ×１０ｍｍ×５ｍｍの直方体状のガラス基板（クラッド層）を切り出した。
ついで、モードロックＴｉ：Ａｌ_２Ｏ_３レーザから発振されたパルス幅１５０フェムト秒、繰り返し周波数２００ｋＨｚ、波長８００ｎｍ、平均出力６００ｍＷのレーザを集光照射して、屈折率調整領域を残してＹ型導波路を形成した。
【００２３】
ついで、入射側のポートを波長１．３μｍの光源に接続し、出射側のふたつのポートを、それぞれ光パワーメータに接続し、信号光を入射して分岐比をモニターしながら再び屈折率調整領域にレーザ光を集光照射した。そして、ふたつの出射側のポートから出射する信号光の分岐比が１：１になった時点でレーザ光の照射を終了してＹ分岐光スプリッタを得た。
【００２４】
図２は、屈折率調整領域にレーザ光を集光照射して、この部分の屈折率を徐々に上昇させたときの状態をコンピュータシミュレーションによって求めた結果を示したグラフであって、Ｙ型導波路において、他の部分の比屈折率差に対する屈折率調整領域の比屈折率差の比率と、屈折率調整領域を形成した分岐導波路の出射用のポートから出射する信号光のパワーの、他方の分岐導波路の出射用のポートから出射する信号光のパワーの比率との関係が示されている。
このグラフより、屈折率調整領域の屈折率の上昇に伴って、徐々に屈折率調整領域を透過した光がこの屈折率調整領域を設けた分岐導波路の出射端から出射するようになり、このような光学特性をモニターしながらレーザ光の照射を調節することによって、所望の分岐比が得られることが明らかとなった。
【００２５】
（実施例２）
以下のようにして、分岐比が大きく、タップカプラとして利用可能なＹ分岐光スプリッタを製造した。
ＶＡＤ法で作成したＯＨ基含有量が１００ｐｐｍ以下の石英ガラスから、１０ｍｍ×２０ｍｍ×１ｍｍ×の直方体状のガラス基板（クラッド層）を切り出した。
ついで、モードロックＴｉ：Ａｌ_２Ｏ_３レーザから発振されたパルス幅１７０フェムト秒、繰り返し周波数２００ｋＨｚ、波長８００ｎｍ、平均出力７８０ｍＷのレーザを集光照射して、図３（ａ）、図３（ｂ）に示した様な形状のＹ型導波路を形成した。なお、このとき、１本の略Ｓ字の導波路をレーザ光の集光照射により形成し、ついで、この１本目の導波路の入射側のポート６ａ側が重なり、出射側のポート６ｂ、６ｃ側は重ならない様に、２本目の略Ｓ字の導波路をレーザ光の集光照射により形成し、図３（ａ）に示した様な形状の導波路とした。
【００２６】
ついで、ポート６ｂ側の分岐導波路５ａと、ポート６ｃ型の分岐導波路５ｂについて、走査回数の比率を変更してレーザ光を照射し、光学特性を調整した。そして、得られた光合分波器について、光学特性を測定した。
図４は、一方の導波路の光学特性調整時のレーザ光の走査回数と、他方の光学特性調整時のレーザ光の走査回数との比率を１：２にした場合の光学特性の測定結果を示したグラフである。
図５は、一方の導波路の光学特性調整時時のレーザの走査回数と、他方の導波路の光学特性調整時のレーザの走査回数との比率を１：５にした場合の光学特性測の定結果を示したグラフである。
なお、これらのグラフにおいて、縦軸は走査回数の比率が１のポートから出力する光のパワーの、他方のポートから出力する光のパワーに対する比率を求めたものである。例えば分岐比１０ｄＢの場合は、一方のポートから出力する光のパワーと、他方のポートから出力する光のパワーとの比率が１：１０であることを示し、分岐比２０ｄＢの場合はこの比率が１：１００であることを示している。
これらのグラフより、いずれにおいても光学特性の波長依存性が殆ど無く、分岐比が大きい、良好な特性を有するタップカプラが得られた。また、図３、図４に示したグラフを比較すると、走査回数の変更によって、分岐比を調整することができ、所望の光学特性が得られることが明らかとなった。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明においては、ガラス材料からなるクラッド層内に形成された導波路を備えた光合分波器の製造において、製造時に光学特性を調整することができる。したがって、集積化が容易な基板型の光合分波器においても、少量多品種生産が可能となる。
また、製造時と製造後に光合分波器を含む基板型光導波路部品の光学特性の調整を行って製品歩留まりを向上させることができる。また、高価なフォトマスクを用いずに製造することができるため、低コストである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は本発明の光合分波器の製造方法の一例を示した平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示したＡ−Ａにおける断面図である。
【図２】実施例１において、屈折率調整領域の比屈折率差と出射側のポートから出射する信号光のパワーとの関係を示したグラフである。
【図３】図３（ａ）は、それぞれ実施例２において形成したＹ分岐光スプリッタ（タップカプラ）を示した平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）に示したＡ−Ａにおける断面図である。
【図４】実施例２において、走査回数の比率を１：２にしたときの光学特性の測定結果を示したグラフである。
【図５】実施例２において、走査回数の比率を１：５にしたときの光学特性の測定結果を示したグラフである。
【図６】図６（ａ）は従来の光合分波器の一例を示した平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）に示したＡ−Ａにおける断面図である。
【符号の説明】
３…クラッド層、４…Ｙ型導波路、６ａ…ポート、６ｂ，６ｃ…ポート、７…屈折率調整領域。

Claims

ガラス材料からなるクラッド層内に、光の入射と出射を行う複数のポートを備え、かつ当該ポート間が光学的に接続された導波路を形成する光合分波器の製造方法であって、
該ポート間の少なくとも一部を屈折率調整領域とし、当該導波路の、屈折率調整領域以外の部分をフェムト秒レーザー光の集光照射によって形成する工程と、
一方のポートから信号光を入射し、他方のポートから出射する信号光をモニターしながら、前記屈折率調整領域にフェムト秒レーザ光を集光照射して、当該光合分波器の光学特性を調整しながら導波路を形成する工程と、を備えていることを特徴とする光合分波器の製造方法。
請求項１に記載の光合分波器の製造方法において、当該光合分波器がＹ分岐光スプリッタであることを特徴とする光合分波器の製造方法。
請求項１に記載の光合分波器の製造方法において、前記光合分波器がタップカプラであることを特徴とする光合分波器の製造方法。