JP3616549B2 - 光回路の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信、光情報処理、光計測分野に於いて有用な平面基板上に光導波路を配置した光回路の製造方法に関する。詳しくは、これらの分野にて汎用される偏波分離機能を有する光回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
石英系光導波路は、損失が低く、また安定性、信頼性の点に関し、優れた物理的・化学的特質を有し、更に、光通信の伝送路である石英系ファイバとほぼ同一の屈折率値を有するためファイバとの整合性が良いなどの特徴を持つ。
この石英系光導波路を用いて平面基板上に作製される、光波長合分波器、光スイッチなどの光回路は、光通信、光情報処理、光計測などの分野で実用的に有望な導波型光部品として研究開発が進められている。
石英系光導波路は、多くの場合、Si基板上に、下部クラッド膜層堆積→コア膜層堆積及びコア部分パターン化加工→上部クラッド層堆積の製造工程により、製造されている。
【0003】
この石英系光導波路を用い、光パワースプリッタ、波長合分波器、フィルタ、スイッチなど実用的に有望な様々な光回路に関する研究開発が行われている。
この導波路に於いて、可視、或いは紫外光、及び各種波長の高強度レーザ光の照射により誘起される局所的屈折率変化は、光回路に、光誘起グレーティングの様に新機能を付加したり、光回路の特性の微調整・補償を行う手段として、有望なものとなっている。
一方、光通信システムや光情報処理システムなどを構築する上で、しばしば、光の偏光方向によって空間的に分離を行うこと(偏波分離)が求められる場合があり、この偏波分離機能を有する光部品は、汎用光部品として重要なものである。
【0004】
偏波分離機能を有する光部品としては、グランデーラープリズム、グラントムソンプリズムなどのプリズムを主としてバルク型部品を組み合わせて構成したもの(例えば、応用光電社製品)がある他、導波路型デバイスとして、アモルファスシリコン(a−Si)膜を装荷することにより、導波路の複屈折を調整し、マッハツェンダ干渉計(Mach−Zhender:MZI)構成を利用して実現しているものや(例えば、「M.Okuno,et al.,J.Lightwave Technol.,Vol.12,No.4,pp.625−633,1994.」)、紫外光照射により導波路に誘起される光誘起複屈折を利用したもの(例えば、「特願平4−207882号」)などが提案、実現されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、バルク型部品により構成された光部品は、部品点数が多く、また、部品組立コストの低減が困難であり、高価であるという問題があった。
また、導波路型デバイスで実現されている偏波分離光デバイスのうち、アモルファスシリコン膜を装荷したタイプでは、アモルファスシリコン膜の製膜、パターン化加工といったプロセスを行うことが必要であり、且つ、パターン化されたアモルファスシリコン膜を光学特性にあわせてトリミングを図るプロセスも必要であるなど、付加プロセスが多く、デバイスを安価に供給することが困難であるという問題があった。
【0006】
紫外光照射により導波路に誘起される光誘起複屈折を利用したタイプでは、付加的プロセスを必要としないため、安価で、偏波分離光デバイスを供給する可能性を有してはいるが、マッハツェンダ干渉計の位相(マッハツェンダ干渉計のアーム導波路の光路長差)を光回路設計段階であらかじめ所定の値に設定しておく必要があり、設計の自由度が限定されるほか、導波路作製誤差による光路長誤差を補償することが困難であるという問題点を有していた。
本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであり、低損失で高い安定性及び信頼性を有し、且つ、製造が容易で安価な偏波分離機能を有する光回路を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決する為に、本発明では、石英系導波路に紫外レーザ光を照射したときに誘起される複屈折の値が、照射するレーザのビーム幅(照射領域幅)によってかわる現象を利用するもので、光回路中の2カ所以上複数箇所の導波路に対し異なったビーム幅で光照射を行うことにより光回路中の導波路における複屈折と光路長を自在に制御することにより、偏波分離を行うことを可能ならしめるものにした構成を含むことを特徴とした光回路を提案する。
【0008】
〔作用〕
本発明によれば、安定性並びに実用性に優れた石英系光回路に対し、付加的に加工プロセスを行うことなく、紫外或いは可視領域の光を照射することのみによって、偏波分離機能を付加できるため、簡便且つ安価に偏波分離機能を有する光デバイスを製造、提供することが可能となる。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について、図面に示す実施例を参照して詳細に説明する。
【0010】
〔実施例1〕
本発明の第1の実施例に係るマッハツェンダ干渉計を図1に示す。
図1において、11はシリコン(Si)基板、12a,12b,13a及び13bは入出力導波路、14,15は方向性光結合器、16,17は2つの方向性光結合器を結ぶアーム導波路である。
各導波路12a〜13bは、GeO2を添加した石英系コアと、その周りの該コアよりも屈折率の低い石英系クラッドによって構成されている。
コア寸法は、7μm×7μmとし、コアとクラッドの比屈折率差Δは0.7%にした。
【0011】
方向性光結合器14,15は、その分岐比が1:1に設定されている(3dB結合器)。
このマッハツェンダ干渉計のアーム導波路16,17の一方の導波路上に、図2に示すように、長さL1、幅w1にわたって紫外レーザ光の照射を行った。
図2において、21はアーム導波路、22は石英系クラッド部分、23はArFレーザの照射領域である。
このとき、照射した長さL1とコア部分に誘起された実効屈折率変化量Δn1により、光路長の変化量Δn1・L1に応じてマッハツェンダ干渉計の位相が変化し、導波路12a或いは12bより光を入力したときの、導波路13aと導波路13bからの光出力強度が変化する。
【0012】
その変化は、入力光の波長をλ1として一般に下式で表すことができる。
I3a=I0(1/2)[1−cos(2π(Δn1・L1/λ1)+φ0)]
I3b=I0(1/2)[1+cos(2π(Δn1・L1/λ1)+φ0)]
但し、I0は導波路13aと導波路13bからの出力光強度の和に相当した実数であり、φ0はマッハツェンダ干渉計の初期位相を定めた実数である。
実際に、紫外レーザとしてArFエキシマレーザ(レーザの波長:193nm)を用い、レーザ光照射長L1=10mm、照射域幅w1=2mmとして導波路上部より光照射を行い、マッハツェンダ干渉計の位相変化量を評価して、光が照射された導波路の実効屈折率変化Δnを評価した。
【0013】
その結果、TE偏波にて評価を行った屈折率変化量ΔnTEとTM偏波にて評価を行った変化量ΔnTMの大きさには、差異がみられ、ΔnTEの方がΔnTMよりも大きく変化した。即ち「ΔnTE>ΔnTM」であった。
図3にレーザ光の照射時間に対する屈折率変化量Δnを示す。
このときのレーザ光強度は100mJ/cm2/pulse、パルス線り返し20ppsであった。
また、照射域幅w1=0.02mmとして、同様にレーザ光照射を行ったときに誘起された屈折率変化Δnを図3にあわせて示す。
このときのレーザ光強度は150mJ/cm2/pulseであった。
【0014】
光照射にあたっては、レーザからのビームを金属スリットを用いて、ビームの一部だけを透過させ、その後で、凸型円筒レンズを用いて導波路に対し平行な方向に縦長に集光して行った。
今回は、凸型円筒レンズを用いたが、凸レンズ、凹型円筒レンズ、凹レンズを組み合わせて、集光光学系を組み立てることも可能である。
照射域幅w1が0.02mmのときには、TE偏波とTM偏波、それぞれの屈折率変化量はほぼ同じ値であった(ΔnTE≒ΔnTM)。
屈折率変化量がTE偏波とTM偏波で等しくなる照射域幅w1は、導波路幅、クラッド厚、導波路組成、クラッド組成によって異なるもので、おおよそ、0.05mm以下0.005mm以上の値をとる。
【0015】
以上の実験結果に基づき、図1に示すマッハツェンダ干渉計石英系光回路をもとに偏波分離光回路の作製を行った。
このマッハツェンダ干渉計のアーム導波路16,17は等長であるように設計した。
このマッハツェンダ干渉計に対し、先ず1.55μmレーザダイオード光を用いて、その初期特性を評価した後、アーム導波路16に対し、ArFエキシマレーザ光を、強度100mJ/cm2/pulse、パルス線り返し20pps、照射領域幅w1=2mm、長さL1=10mmとして55分間照射した。
【0016】
引き続き、アーム導波路17に対し、光強度は150mJ/cm2/pulse、パルス線り返し20pps、照射領域幅w1=0.02mm、長さL1=10mmで70分間、光照射を行った。
光照射後、1.55μmレーザダイオード光を導波路12bより入力し、特性を評価した。
先ず、TE偏波の光を導波路12bより入力したとき、ほとんど全ての光は導波路13bより出力した。
これは、TM偏波光に対しては、マッハツェンダ干渉計のアーム導波路に於いて光路長差が無く、TE偏波光に対しては、λ1/2相当の位相差を有していることを示す。
光学特性を評価しつつ、照射領域幅w1=0.02mmでアーム導波路に光を照射し、特性の微調整を行った。
【0017】
最終的に、導波路13aからの出射光強度I3aと導波路13bからの出射光強度I3bの強度比I3a/I3bは約300倍、25dBであった。
また、TM偏波の光を入射すると、ほとんど全ての光は導波路13aから出射し、導波路13bからの出射光強度との比は約800倍、29dBであった。
最後に、偏波分離機能を確認するために、TE偏波とTM偏波の光を同強度で同時に入力したところ、導波路13aからは、TM偏波の光が出力し、導波路13bからはTE偏波の光が出力し、偏波分離機能が確認された。
尚、このときの導波路13aに於ける偏波消光比(TM偏波出力光強度I3aTMのTE偏波出力光強度I3aTEに対する比;I3aTM/I3aTE)は28dB、導波路13bに於ける偏波消光比(TM偏波出力光強度I3bTMのTE偏波出力光強度I3bTEに対する比;I3bTM/I3bTE)は24dBであった。
以上、この光回路が偏波分離機能を有することが確認できた。
【0018】
〔実施例2〕
本発明の第2の実施例に用いた偏波分離光回路の斜視図を図4に示す。
図4において、41はシリコン基板、42a、42b、42c、42d、43a、43b、43c及び43dは入出力導波路である。
光回路の構成は、実施例1に用いたマッハツェンダ干渉計と全く同様な対称マッハツェンダ干渉計であり、その後段に、全く同様なマッハツェンダ干渉計が2個縦列に配置されている。
【0019】
実施例1で行ったのと同様に、各マッハツェンダ干渉計のアーム導波路部分にレーザビーム幅w1=2mm、w1=0.02mmで光照射を行い、光学特性の調整を行った。
その結果、入出力導波路42bから入力した光に対し、TE偏波の光は導波路43aから、TM偏波の光は入出力導波路43dから出力し、その偏波消光比は、50dB以上を確保することができた。
以上の実施例では、マッハツェンダ干渉計についてのみ記載しているが、光グレーティングなどにも本発明を適用することは勿論可能である。
【0020】
【発明の効果】
以上、実施例に基づいて具体的に説明したように、本発明では、石英系導波路に対し、ビーム幅を制御して紫外レーザ光照射を行うことにより、光誘起屈折率変化Δnの偏波依存性、即ちΔnTEとΔnTMの大きさを個別に制御することにより、石英系導波路により構成された光回路に於ける光路長、及び偏波特性を自在に調整することが可能となるため、石英系光回路をもとに、ウェハプロセスの必要なアモルファスシリコン膜や薄膜ヒーターなどの付加を行うことなく、光照射を行うだけで、偏波分離機能を有する光回路を実現することができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例に係るマッハツェンダ干渉計石英系光回路の斜視図である。
【図2】本発明の第1の実施例に係るマッハツェンダ干渉計アーム導波路部分の上面図である。
【図3】本発明の第1の実施例に於ける紫外レーザ光誘起屈折率変化Δnの照射時間依存性を示すグラフである。
【図4】本発明の第2の実施例に係る偏波分離光回路の斜視図である。
【符号の説明】
11 Si基板
12a,12b,13a,13b 入出力導波路
14,15 方向性光結合器
16,17,21 アーム導波路
22 石英系クラッド部分
23 ArFレーザ光照射領域
41 Si基板
42a〜42d,43a〜43d 入出力導波路
Claims (4)
- 平面基板上に、石英系を主たる素材として作製された光が伝播するコア部と、該コア部の周りのコア部より屈折率の低いクラッド部からなる光導波路を有し、該光導波路により形成された、光結合器と、該光結合器に縦列する2導波路であるアーム導波路と、光結合器により構成されたマッハツェンダ干渉計よりなる光回路の製造方法において、
該マッハツェンダ干渉計の2本のアーム導波路に対し、
一方のアーム導波路には、紫外或いは可視領域の光を前記アーム導波路のコアが延在する方向と直交する方向の照射領域幅をTE偏波とTM偏波の光誘起屈折率変化量がほぼ等しくなるときの幅で照射し、
他方のアーム導波路には、紫外或いは可視領域の光を前記アーム導波路のコアが延在する方向の照射領域幅は変えずに、前記アーム導波路のコアが延在する方向と直交する方向の照射領域幅をTE偏波とTM偏波の光誘起屈折率変化量がTE偏波の方が大きいときの幅で照射することを特徴とする光回路の製造方法。 - 請求項1に記載の光回路の製造方法において、
前記TE偏波とTM偏波の光誘起屈折率変化量がほぼ等しくなるときの幅は、0.05mm以下0.005mm以上であることを特徴とする光回路の製造方法。 - 請求項1又2に記載の光回路の製造方法において、
前記コア部にGeを添加することを特徴とする光回路の製造方法。 - 請求項1,2又は3に記載のマッハツェンダ干渉計からの出力光のある偏波に於ける光強度が、該偏波方向に対し垂直方向の偏波に於ける光強度に対し5倍以上の強度を有することを特徴とする光回路の製造方法。
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