JP3715206B2

JP3715206B2 - 干渉計光回路製造方法

Info

Publication number: JP3715206B2
Application number: JP2001015575A
Authority: JP
Inventors: 隆司郷; 淳阿部; 靖之井上; 将之奥野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2001-01-24
Filing date: 2001-01-24
Publication date: 2005-11-09
Anticipated expiration: 2021-01-24
Also published as: JP2002221631A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、干渉計光回路製造方法に関する。詳しくは、光通信分野で用いる平面光波回路型の干渉計に関するものであり、更に詳細には、光路長（位相）が恒久的に調整された干渉計及びその偏光無依存な調整方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
基板上に作製される単一モード導波路を用いた光回路は集積性・量産性に優れると云った特徴を持ち、経済的な光ネットワークノード構築する上で必要不可欠な部品である。
特にＳiＯ₂を主成分とした石英系導波路を用いた光回路は、低損失であり、石英系光ファイバーとの親和性に優れ、また、長期安定性に優れるなどの特徴を持っており、アレイ導波路格子合分波器に代表される数多くの光部品が実用化され、商用システムで使用されるに至っている。
【０００３】
これら光部品は、例えば、火炎堆積法（ＦＨＤ）や化学気相堆積法（ＣＶＤ）などのガラス膜堆積技術と反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ）などの微細加工技術を組み合わせて作製される。
具体的には、シリコンウェハー等の基板上に下部クラッド層となるガラス膜を堆積し、引き続き、屈折率がクラッド層よりもやや高いコア層を堆積する。
そして、光回路となるコアパターンを微細加工技術によりパターン化し、最後に上部クラッド層となるガラス膜を堆積する事で、埋め込み型の光導波路から成る光回路が作製される。
【０００４】
このような製法で作製される光回路は、作製誤差により導波路の実効屈折率がウェハー面内において微妙にばらついているため、十分な光回路特性を得るためには、光回路個別に且つ回路の局所別に導波路の実効屈折率を調整する必要がある。
従来の局所的な導波路の実効屈折率調整技術の例としては、アモルファスシリコン薄膜による応力付与膜を用いる方法（特開平１−７７００２号）や局所加熱トリミング法（例えば、特開平３−２６７９０２号）などがある。
【０００５】
アモルファスシリコン薄膜を用いる方法は、アモルファスシリコン薄膜を導波路上に装荷すると導波路に強い引っ張り応力が入り、ガラスの光弾性効果を介して導波路の実効屈折率が変化する現象を利用しているものである。
アモルファスシリコン薄膜の形状を適切に選ぶと、偏光に無依存な屈折率変化を得ることができる。
また、このアモルファスシリコン薄膜はＡrレーザー等により除去する事が可能なので、装荷されている長さを光回路特性に合わせて微調整することで導波路の実効屈折率を調整することができる。
【０００６】
一方、局所加熱トリミング法は、導波路上にパターン化された薄膜ヒーターを用いて導波路を局所的に比較的高い電力で加熱処理することにより、恒久的に導波路の実効屈折率を変化させ、光回路の光路長（位相）調整を行うものである。
薄膜ヒーターはフォトマスクを用いた微細加工技術で形成するため、加熱時に高精度の位置あわせは不要であり単に所定の薄膜ヒーターに通電を行うだけでよい。
よって、調整作業は比較的簡易な装置で行うことが出来、また自動化も比較的容易である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの実効屈折率調整方法には以下のような問題があった。
アモルファスシリコン応力付与膜を用いた方法はレーザーを用いて最終調整を行っており、数１０μｍの精度でレーザー照射の位置あわせを行う必要がある。
そのため装置が複雑化し高価になると云った問題がある。
また、局所加熱トリミング法は、条件によっては屈折率の変化に偏光依存性が生じてしまうなど、実効屈折率変化の原理や偏光依存性に関しては系統的には未解明であったため、導波路の実効屈折率を完全に制御する方法としては不十分であった。
【０００８】
研究所の研究員は、鋭意研究の結果、上記局所加熱トリミング法の原理が局所加熱によって主にヒーターとコアの間のクラッド、特にヒーター直下近接のクラッドが変質し（言い換えれば、クラッド表面近傍の膜質が変質する）、その結果、導波路に応力が加わるためであることを見いだした。
そして、局所加熱領域の幅Ｗを調整し応力分布を変えることで、この偏光依存性をほぼ制御できることを実験的に明らかにした。
具体的には、図２に示すように、局所加熱領域の幅がオーバークラッド表面からコア中心までの距離の約２倍ｗ₀付近（±３０％）の場合には実効屈折率の変化はほぼ偏光無依存となり、局所加熱領域の幅がこれよりも広い場合はＴＭ偏光の方が、これよりも狭い場合はＴＥ偏光の方が、優勢に屈折率変化する。
【０００９】
従って、図１に示すように、オーバークラッドの厚さｄに応じて局所加熱領域の幅ｗをオーバークラッド表面からコア中心までの距離の約２倍ｗ₀にして局所加熱処理を行えば、偏光無依存で導波路の実効屈折率を恒久的に調整できる。
尚、図１において、１はシリコン基板、２は導波路コア、３はクラッド層、４は薄膜ヒーター、５は給電配線及び給電パッドである。
加熱処理の手段は上述したように、薄膜ヒーター４による方法が装置コストを考慮すると好ましいが、これに限るものではなく、クラッドを局所的に加熱する手段で有れば良く、例えば、ＣＯ₂レーザーのような局所的加熱手段であっても構わない。
【００１０】
上述したように、コア及びクラッドからなる光導波路において、局所加熱により導波路の屈折率を恒久的に変える事ができるのは、被加熱部分の変成によりコアに応力が加わるためであり、加熱によって変成する領域の幅や、導波路に対する距離や位置を変える事で、ＴＥ偏光の屈折率をＴＭ偏光の屈折率に比して大きく変化させたり、その逆にＴＭ偏光の屈折率を大きく変化させたり、または２つの偏光の屈折率を等しく変化させたりすることが可能であると言う新しい知見が得られた。
本発明の光路長調整方法は、上記知見のうち、２つの偏光の屈折率を等しく変化させる方法に関し、加熱処理領域の幅を、光導波路からクラッド表面までの距雛の約２倍としたことを特徴とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の請求項１に係る干渉計光回路製造方法は、基板上でクラッド層に屈折率の高いコア部が埋設されたＳ i Ｏ ₂ を主成分とする石英系ガラスから成る光導波路を用いて形成される干渉計光回路で、光導波路近傍の局所的な加熱処理による被加熱部分の変成によりコアに応力が加わることにより光導波路の実効屈折率が部分的に恒久的に変化する現象を利用して、この干渉計光回路を構成する光導波路の光路長が調整されている干渉計光回路において、この加熱処理領域の幅が、オーバークラッド表面からコア中心までの距離の１．４〜２．６倍であることを特徴とする。
【００１２】
上記課題を解決する本発明の請求項２に係る干渉計光回路製造方法は、請求項１記載の前記局所的な加熱処理が、光導波路上に形成された薄膜ヒーターを用いていることを特徴とする。
【００１３】
上記課題を解決する本発明の請求項３に係る干渉計光回路製造方法は、請求項１記載の前記局所的な加熱処理が、クラッドを加熱するレーザー照射を用いていることを特徴とする。
【００１５】
上記課題を解決する本発明の請求項４に係る干渉計光回路製造方法は、請求項１，２又は３記載の前記基板が、シリコン基板であることを特徴とする。
【００１６】
上記課題を解決する本発明の請求項５に係る干渉計光回路製造方法は、請求項１，２，３又は４記載の前記干渉計光回路が、２つの２×２光カプラーとこれら光カプラを接続する２本の導波路アームからなり、少なくとも一方の導波路アームに位相シフターが備えられていることを特徴とする。
【００１７】
〔作用〕
クラッドの厚さは光回路の仕様によって様々であるが、いかなる厚さ条件においても、局所加熱領域の幅ｗをオーバークラッド表面からコア中心までの距離ｄの約２倍ｗ₀付近（±３０％）とすることで、局所加熱トリミングによる実効屈折率の変化をほぼ偏光無依存とする事ができる。
また、特に、薄膜ヒーターを用いて局所加熱トリミングを行うことにより、調整作業は比較的簡易な装置で行うことが出来る。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、具体的な実施例を用いて本発明を説明する。
尚、以下の実施例では、シリコン基板上に作製された石英系の単一モード光導波路を用いた構成としているが、これは冒頭述べたように、石英系の導波路が極めて低損失で長期安定性に優れ、通信用石英ファイバーとの親和性に優れているためである。
しかしながら、本発明は、クラッドの局所加熱による応力制御が可能なすべての材料に適用可能であることは明白であり、例えば、基板材料として石英基板やサファイヤ基板など、また光導波路として多成分ガラスや高分子材料、ニオブ酸リチウムなど、他の材料の組み合わせても構わないことは勿論である。
【００１９】
〔実施例１〕
本発明の第一の実施例である熱光学スイッチの構成例を図３に示す。
図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は同図（ａ）における線分Ｂ−Ｂ′に沿った断面図である。
図３に示すように、この熱光学スイッチは、シリコン基板１上にクラッド層３を形成すると共にクラッド層３上に２個の５０％光結合器（３ｄＢカプラー）７を配置し、更に、クラッド３中に二つの導波路コア２ａ，２ｂを、これら３ｄＢカプラー７を結ぶ等光路長の２本の導波路アームとして、また、入出力導波路端１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂと３ｄＢカプラー７を結ぶ入出力導波路として埋設されたＭＺＩ干渉計を基本的な構成としている。
【００２０】
そして、局所加熱手段として、幅３０μｍ（≒ｗ₀：オーバークラッド表面からコア中心までの距離の約２倍）、長さ５ｍｍの薄膜ヒーター（これは熱光学位相シフターも兼ねている）４１ａ，４１ｂを両側の導波路アームに備えている。
また、２本の導波路アームのアーム長は約１５ｍｍでアーム長差は０とし、導波路アーム間隔は２００μｍとした。
この実施例の熱光学スイッチは、厚さ１ｍｍ直径４インチのシリコン基板１上に公知の従来技術を用いて作製した。
【００２１】
石英系導波路はＳiＣl₄やＧeＣl₄などの原料ガスの加水分解反応を利用した火炎加水分解反応堆積技術による石英系ガラス膜の堆積技術と反応性イオンエッチング技術の組み合わせにより作製し、局所加熱用の薄膜ヒータは真空蒸着法及びエッチングにより作製した。
コアの断面寸法は６μｍ角であり、コアは約４０μｍのクラッドに取り囲まれ、クラッド上部表面から１５μｍの位置にコア中心がある。
コアとクラッド間の比屈折率差は０．７５％である。
【００２２】
このウェハーをダイシングにより切り出してセラミック基板に固定し、入出力導波路端１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂにはシングルモードファイバーを接続し、各薄膜ヒータ４には給電配線及び給電パッド５を介して給電リードを接続し、熱光学スイッチモジュールとした。
この熱光学スイッチは、導波路アームの光路長差が（ＴＥ偏光とＴＭ偏光共に）０に設計されているので、入力ポートである入出力導波路端１１ｂに入射された光はクロスポートである入出力導波路端１２ａへ導波する（ＯＦＦ状態）。
薄膜ヒーター４１ａ，４１ｂに通電し、熱光学効果により導波路アームにλ／２の位相差を与えると、入力ポートである入出力導波路端１１ｂに入射された光はバーポートである入出力導波路端１２ｂへ導波し、スイッチ動作する（ＯＮ状態）。
【００２３】
このような光回路は作製誤差により光路長差は設計値とずれるのが普通であるので、何らかの位相調整を行い光路長差を設計値に合わせることが必要となる。
一般に、光スイッチではスイッチ動作等において偏光依存性が無い特性を持つことが好ましいので、局所加熱処理によって光路長を調整する場合は、出来るだけ偏光依存性の少ない光路長調整手段で調整を行うことが望ましい。
今回の回路では幅Ｗ₀の薄膜ヒーター４１ａ，４１ｂを用いているので、ほぼ偏光無依存の屈折率調整が可能である。
【００２４】
薄膜ヒーター４１ａ，４１ｂを熱光学位相シフターとして用いて、光路長ずれを想定したところ、光路長差（＝上側アームー下側アーム）はΔＬ₍₀₎＝−０．１・λ／２（λ：波長）であった。
従って、長さ５ｍｍの局所加熱領域で必要な屈折率変化は１．６×１０^-5となる。
この屈折率変化が得られるよう、薄膜ヒーター４１ｂに６Ｗの電力を数秒間ずつ数回に分けて加え、その都度ΔＬの変化を見ながら局所加熱処理を行った。
その結果、合計１４秒間加えたところ、恒久的にＴＥ偏光、ＴＭ偏光共にΔＬ＝０となり、ＯＦＦ状態で微調整バイアス電力を加えることなしに、何れの偏光状態においても挿入損失１ｄＢ程度、スイッチ消光比は３０ｄＢ程度の十分な特性となった。
【００２５】
今回の調整では正確を期するために加熱時間を分割して局所加熱処理を行い、ΔＬの変化に合わせて総加熱時間を調節したが、ある程度の誤差を許せば一回の時間にまとめて加熱処理を行っても良い。
また、今回の熱光学スイッチでは、３ｄＢカプラーに二本の導波路を数μｍまで近接して構成される方向性結合器を用いた。
これは方向性結合器が他の手段に比べて挿入損失が低いためである。
しかしながら、３ｄＢカプラーはこの構成に限定されるものではなく、他の手段、例えばマルチモード導波路を用いたマルチモード干渉計（ＭＭＩ）カプラーやこれらカプラーを複数個従属接続して構成される波長無依存カプラー（ＷＩＮＣ）などであってももちろん良い。
【００２６】
［実施例２］
第二の実施例として、コアとクラッド間の比屈折率差が０．３％でコア寸法が９μｍの導波路を用いた熱光学スイッチを作製した。
基本的な構成は第一の実施例と同じであるが、主要な相違点は、コアは約５０μｍのクラッドに取り囲まれ、クラッド上部表面から２０μｍの位置にコア中心がある点と、局所加熱手段の薄膜ヒーターの幅が４０μｍである点である。
この実施例の熱光学スイッチも第一の実施例と同様な方法で作製されモジュール化されている。
【００２７】
薄膜ヒーター４１ａと４１ｂを熱光学位相シフターとして用いて、光路長ずれを想定したところ、光路長差（＝上側アーム−下側アーム）はΔＬ₍₀₎＝−０．１・λ／２（λ：波長）であったので、長さ５ｍｍの局所加熱領域で必要な屈折率変化は１．６×１０^-5となる。
この屈折率変化が得られるよう、薄膜ヒーター４１ｂに６．５Ｗの電力を数秒間ずつ数回に分けて加え、その都度ΔＬの変化を見ながら局所加熱処理を行った。
その結果、合計２３秒間加えたところ、恒久的にＴＥ偏光、ＴＭ偏光共にΔＬ＝０となり、ＯＦＦ状態で微調整バイアス電力を加えることなしに、何れの偏光状態においても挿入損失１ｄＢ程度、スイッチ消光比は３０ｄＢ程度の十分な特性となった。
【００２８】
今回の実施例でも、局所加熱領域の幅Ｗをオーバークラッド表面からコア中心までの距離ｄの約２倍ｗ₀とすることで、ほぼ偏光無依存で光路長調整を行うことができた。
以上に述べた実施例では、光路長差が０のマッハツェンダー干渉計型光スイッチに本発明を適用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、導波路アームに所望の光路長差を設けたマッハツェンダー干渉計フィルターや、マイケルソン干渉計フィルター、ファブリペロー干渉計フィルター、リング干渉計フィルター等の干渉計回路の光路長調整や、マッハツェンダー干渉計を多段に接続されているラティス型フィルターや、多光束干渉フィルターであるアレイ導波路格子等にも適用可能であることはもちろんである。
【００２９】
また、今回、局所加熱の手段はクラッド上に作製した薄膜ヒーターを用いたが、ＣＯ₂レーザーを局所的に照射しクラッドを加熱する方法でも同様な効果が得られた。
なお、局所加熱領域の幅は、オーバークラッド表面からコア中心までの距離の２倍±４０％程度でもほぼ偏光無依存が達成されるが、２倍±３０％程度に抑えることが望ましく、２倍±２０％に抑えられれば最も望ましい。
【００３０】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明は、局所加熱トリミング法において、局所加熱領域の幅をオーバークラッド表面からコア中心までの距離の約２倍付近（±３０％）にすることにより、オーバークラッドの厚みを設計上変更した場合でも、偏光無依存で光路長調整（位相調整）を行うことが可能となった。
その結果、様々な干渉計光回路において高い光学特性をが得ることが出来ようになった。
これら局所加熱処理において、特に薄膜ヒーターを用いることにより局所加熱時に高精度の照射位置合わせなどは不要となり、単に所定の薄膜ヒーターに通電を行うだけ、すなわち、調整作業は比較的簡易な装置で行うことが出来きた。このことは本技術を実用化を図る上で極めて有効である。
また、本発明により熱光学効果等の駆動電力が必要な位相調整を行うことが不要となり、低消費電力な干渉計光回路が実現できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本構成を示す説明図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は同図（ａ）中のＢ−Ｂ′線断面図である。
【図２】局所加熱処理による恒久的屈折率変化の様子を示したグラフである。
【図３】本発明の実施例としての熱光学スイッチの説明図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は同図（ａ）中のＢ−Ｂ′線断面図である。
【符号の説明】
１シリコン基板
２，２ａ，２ｂ導波路コア
３クラッド層
４，４１ａ，４１ｂ薄膜ヒーター（局所加熱領域、ｗ≒ｗ₀）
５給電配線及び給電パッド
７５０％光結合器（３ｄＢカプラー）
１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ入出力導波路端

Claims

基板上でクラッド層に屈折率の高いコア部が埋設されたＳ i Ｏ ₂ を主成分とする石英系ガラスから成る光導波路を用いて形成される干渉計光回路で、光導波路近傍の局所的な加熱処理による被加熱部分の変成によりコアに応力が加わることにより光導波路の実効屈折率が部分的に恒久的に変化する現象を利用して、この干渉計光回路を構成する光導波路の光路長が調整されている干渉計光回路において、この加熱処理領域の幅が、オーバークラッド表面からコア中心までの距離の１．４〜２．６倍であることを特徴とする干渉計光回路製造方法。
前記局所的な加熱処理が、光導波路上に形成された薄膜ヒーターを用いていることを特徴とする請求項１記載の干渉計光回路製造方法。
前記局所的な加熱処理が、クラッドを加熱するレーザー照射を用いていることを特徴とする請求項１記載の干渉計光回路製造方法。
前記基板が、シリコン基板であることを特徴とする請求項１，２又は３記載の干渉計光回路製造方法。
前記干渉計光回路が、２つの２×２光カプラーとこれら光カプラを接続する２本の導波路アームからなり、少なくとも一方の導波路アームに位相シフターが備えられていることを特徴とする請求項１，２，３又は４記載の干渉計光回路製造方法。