JP3746776B2 - 導波路型光波長合分波器 - Google Patents

Description

本発明は、平面光導波路で構成された導波路型光波長合分波器に関する。更に詳しくは、導波路複屈折がコアおよびコア直下の下部クラッドから構成されるリッジ形状に依存すること、および導波路複屈折が導波路コア幅に依存することの２つを利用して、光波長合分波器の偏波依存性を補償する技術に関する。

現在、通信容量の拡大のために複数の光波長を用いた光波長多重通信システム(ＷＤＭシステム)の開発が盛んである。この光波長多重通信システムにおいて、送信側で複数の波長の光信号を合波し、受信側で１本の光ファイバ中の複数の光信号を異なるポートに分波する光波長合分波器として、アレイ導波路格子型光波長合分波器(以下、ＡＷＧと略す)が広く使用されている。

従来のＡＷＧの回路構成を図９に示す。入力導波路３０１に入射された光は、第１のスラブ導波路３０２でシリコン基板３０３と水平方向に回折し、複数のアレイ導波路３０４に結合する。隣接するアレイ導波路３０４はそれぞれ一定の光路長差を有しているため、第２のスラブ導波路３０５に結合する際に、複数の光ビームは波長に依存する位相差を持つ。この結果として、複数の光ビームの干渉で生じる焦点は波長に依存して位置が変化する。その焦点位置に予め複数の出力導波路３０６を配置しておくことにより、ＡＷＧは複数光波長を一括して合分波する光波長合分波器として機能する。

これまで報告されたＡＷＧでは、複数のアレイ導波路４のコア幅は互いに等しく設計されていた。ＡＷＧはガラス、ポリマー、半導体など様々な材料の導波路を用いて作製され、その結果が報告されている（非特許文献１参照）。
一般に、平面基板上に作製した光導波路は、基板に垂直な方向に電界成分を持つＴＭ光と、基板に平行な方向に電界成分を持つＴＥ光との間で実効屈折率が異なる。これら実効屈折率の差分を導波路複屈折と呼び、以下の式（１）で定義する。

ここで、λ_TMおよびλ_TEはＴＭ光とＴＥ光のＡＷＧ中心波長、Ｌ₁およびＬ₂は隣接するアレイ導波路の物理的な長さ、ｎ_1TM(TE)およびｎ_{2 TM(TE)}は隣接する２本のアレイ導波路のＴＭ（ＴＥ）の実効屈折率、ｍは回折次数（整数）を表す。
隣接するアレイ導波路の物理的な長さの差をΔＬ（＝Ｌ₂−Ｌ₁）、また実効屈折率がアレイ導波路の中で一様だと仮定すると、式（２）、（３）は式（４）、（５）のように簡潔に書き表せる。

上記の式（１）〜（３）からわかるように、導波路複屈折Ｂが存在する場合、ＡＷＧの中心波長λ_TM、λ_TEはＴＭ光とＴＥ光とで異なる値になる。この差分を偏波依存波長シフト（以下ＰＤλと略す）:PDλ＝λ_TM−λ_TE と定義する。ＰＤλは式（４）、（５）と式（１）より、次式（６）に示すとおり導波路複屈折Ｂに比例する値になることが分かる。

本来、石英系ガラス光導波路は伝搬損失の偏波依存性はほとんどない。しかしながら波長合分波器では、上述の通り中心波長がＴＭ光とＴＥ光とで導波路複屈折Ｂに比例して異なるため、入射光の偏光状態で透過損失が変化するという偏波依存性の問題が生じてしまう。
この偏波依存性を解消する方法として最も広く採用されているのがＡＷＧ中央部に主軸を45°傾けた波長板を挿入する方法である（非特許文献２参照）。
しかし、この方法は波長板挿入に伴う作製工程の増加、部品点数の増加、過剰損失の増加が避けられないという問題を有している。

ＡＷＧの上記偏波依存性を解消する別の方法として、石英系ガラスにドーパントを多量に入れて、シリコン基板と同等の熱膨張係数を持たせることにより、ＡＷＧの作製時に生じる熱応力を低減し、結果的に偏波依存性を解消する報告もなされている（非特許文献３参照）。
具体的には、石英系ガラス層にシリコン基板からかかる応力を−１MPa以上１MPa以下に調整することにより、導波路複屈折の絶対値を２×１０^−５以下に抑制している（ここで、負符号は圧縮応力、正符号は引っ張り応力を表す。）。

この従来技術の第２例の方法は、上記の従来技術の第１例の方法に比べて、１／２波長板７の挿入に伴う付加的な作業がなく、且つ過剰損失も生じないため、有用な方法である。しかし、ガラスの圧縮応力が非常に弱いかもしくは引っ張り応力が発生しているため、ＡＷＧ作製時の作業工程において石英系ガラス層に容易にクラックが発生したり、石英系ガラス層のドーパント量が多いために長期的な耐候性が低く結晶化が生じて導波路の光挿入損失が増加するという問題があった。この信頼性の低さは、通信用光部品として致命的な問題である。

第３の方法として、導波路複屈折が導波路コア幅に依存することを利用して回路設計により偏波依存性を解消する方法が提案されている（特許文献１参照）。以下にその原理を簡単に説明する。石英系ガラス導波路では、コア幅が広くなると応力分布が変化して、導波路複屈折が大きくなる。一方、ＰＤλの値は、式（２）と（３）の引き算であるから次式にように書き表せる。

ここでＢ₁およびＢ₂は隣接するアレイ導波路の複屈折を表す。
式（７）より、隣接する導波路１と導波路２の導波路複屈折を、コア幅を変化させることにより式（７）の右辺を０にすればＰＤλを解消することができる。すなわち、ＡＷＧの偏波依存性を解消することができる。
この方法は、ガラス材料は従来と同じ圧縮応力がかかったガラスを用いて、アレイ導波路部のコア幅のみを設計マスク上で変化させることによりＡＷＧの偏波依存性を解消する方法である。

この方法は波長板挿入のような付加工程もなく、且つガラス信頼性の問題もないため極めて優れた方法である。但し、この方法には一つだけ欠点がある。それは、コア幅を変化させて導波路複屈折を制御しているため、大きな偏波依存性を解消するためには相対的に細いコア幅と太いコア幅を使用する必要がある。しかし、細いコア幅では曲げ損失が発生し、太いコア幅では高次モードが発生する。このため光学特性を劣化させずに適用できるコア幅には限界がある。その結果として、光学特性を劣化させずに制御できるＰＤλの値に限界があった。

第４の方法として、導波路複屈折がコアとコア直下の下部クラッドで構成されるリッジ形状に依存することを利用して、ＰＤλを低減する方法が提案されている（特許文献２参照）。これは第３の方法で、コア幅を広げることで複屈折を増加させる代わりに、下部クラッドのリッジまで含めたコア高さを大きくすることで複屈折を低減するものである。この方法は、波長板挿入のような付加工程もなく、且つガラス信頼性の問題もないため優れた方法である。残された課題は、コア加工及び下部クラッドのリッジ加工に要するエッチング時間が長いこと、および導波路複屈折の面内分布がこの方法では解消できないことの２点である。
M. K. Smit,″New focusing and dispersive planar component based on an optical phased array,″Electronics Letters, vol. 24， no. 7，pp. 385-386, Mar. 1988. Y. Inoue他″Polarization sensitivity elimination in silica-based wavelength-division multiplexer using polyimide half waveplate,″IEEE J. Lightwave Technol., vol. 15,no. 10, pp. 1947-1957, Oct. 1997 S. Suzuki 他，″Polarization-insensitive arrayed-waveguidegratings using dopant-rich silica-based glass with thermal expansion adjusted to Si substrate, ″TEE Electron. Lett.，vol. 33，no. 13, pp.1173-1174, Jun. 1997 特願２００１−５５８７６９号明細書 特許第３４２３２９７号明細書

一般的に導波路複屈折は作製条件により僅かに面内分布を持っている。この面内分布は前述の特許文献２に示された第４の方法では解消することは非常に困難である。なぜならば同じウエハの面内で制御するＰＤλの値を変化させようとすると、面内でエッチング量を分布させる必要があるためである。
本発明の目的は、前記第３の方法もしくは第４の方法単独では実現できなかったことを、両者の方法を組み合わせることにより実現することにある。すなわち、第３の方法だけでは充分な補償が出来なかったPDλを、第４の方法を併用することにより充分なPDλの補償を実現する。更には、第４の方法のみでは解消できなかったPDλの面内分布を、第４の方法に第３の方法を祖み合わせることにより、面内分布を有する回路のPDλをウエハ全面にわたり補償することが可能となる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、上記に示す第３と第４の方法を併用した新たな方法を用いることにより、低コストで信頼性の高い偏波無依存の導波路型波長合分波器を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、基板上の光導波路で構成される光波長合分波器において、前記光波長合分波器が入力光導波路、光分岐部、複数の長さの異なる光導波路、光結合部、および出力光導波路から構成されており、前記複数の長さの異なる光導波路の各々はコア幅の狭い導波路部分とコア幅の広い導波路部分とを含み、長さの短い光導波路から長さの長い光導波路に向かって前記コア幅の狭い導波路部分の長さが順次長くなるとともに前記コア幅の広い導波路部分の長さが順次短くなることによって、各々の長手方向に平均したコア幅が互いに異なっており、且つ、前記コアの直下の下部クラッドがコア幅とほぼ同じ幅でリッジ形状を有しており、該コアとリッジ形状の下部クラッドは同一の上部クラッドに埋め込まれており、前記コア幅の狭い導波路部分と前記コア幅の広い導波路部分のコア幅の差が、高次モードに起因するサイドピークが生じない範囲に設定されるとともに、前記リッジ形状の下部クラッドの高さが、下部クラッドをリッジ形状にすることのみで偏波無依存化するのに必要な高さよりは低く設定されることによって、偏波無依存化されていことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の導波路型光波長合分波器において、前記リッジ形状の高さが１．５ミクロン乃至３ミクロンであることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１乃至２に記載の導波路型光波長合分波器において、作製するウエハ面内にほぼ同等の導波路型光波長合分波器が複数配置されており、且つ、前記複数の光導波路のコア幅変化量が、複数の導波路型光波長合分波器に対して異なるように設計および作製されたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３に記載の導波路型光波長合分波器において、前記導波路型光波長合分波器が、第１のスラブ導波路、第２のスラブ導波路、それらを結ぶ互いに長さの異なる複数のアレイ導波路、第１のスラブ導波路に接続された１本あるいは複数本の入力導波路、第２のスラブ導波路に接続された１本あるいは複数本の出力導波路からなるアレイ導波路格子型光波長合分波器であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至３に記載の導波路型光波長合分波器において、前記導波路型光波長合分波器が、２つの光カプラとそれらを結ぶ互いに長さの異なる２本の導波路からなるマッハツェンダ光干渉計であることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５に記載の導波路型光波長合分波器において、前記導波路型光波長合分波器が、シリコン基板上の石英系ガラス光導波路で構成されていることを特徴とする。

上記構成の本発明では、付加的な作製工程を用いず、且つ、信頼性劣化を生じないで、導波路型光波長合分波器の偏波依存性を解消する。更には、作製工程により生じる導波路複屈折の面内分布に起因する偏波依存性の面内分布も同時に解消する。

以上説明したように、本発明によれば、プロセス負担が小さく光学特性劣化を引き起こさずに波長合分波器などの偏波依存性が解消できる。また導波路複屈折が面内分布を有する場合においても、その偏波依存性を解消することが可能になる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１に本発明の第１実施形態に係る偏波無依存のアレイ導波路格子型光波長合分波器（ＡＷＧ）のウエハレイアウト構成を示す。ウエハ１には、複数のＡＷＧ１０が隣接して形成されている。各ＡＷＧ１０には入力側スラブ導波路と出力側スラブ導波路との間に長さの異なる約１００本のアレイ導波路が並列に接続されている。各アレイ導波路は入力側スラブ導波路および出力側スラブ導波路との接続部は同一のテーパ導波路（図示せず）で接続されている。

これはスラブ導波路とアレイ導波路との間で生じる結合損失を抑制するためである。各アレイ導波路は、前記テーパ部を除き２種類のコア幅の導波路で構成されている。図２に図１のアレイ導波路部分のコア幅がわかるように強調した上面図を示す。図２において、ＡＷＧ１０は、複数の入力導波路１０１と、複数の出力導波路１０２と、複数のアレイ導波路１０５と、複数の入力導波路１０１と複数のアレイ導波路１0５とを接続する入力側スラブ導波路１０３と、複数のアレイ導波路１０５と複数の出力導波路１０２とを接続する出力側スラブ導波路１０４とを有している。

図２において、本実施形態では、アレイ導波路は、コア幅w₁=５．５ミクロンの導波路１０５Ａと、コア幅w₂=８．５ミクロンの導波路１０５Ｂを用いて構成した。同図に示すように、各アレイ導波路において長手方向に平均化したコア幅は、短いアレイ導波路で太く、長いアレイ導波路で細くなるように形成されている。

２種類のコア幅の導波路間での接続損失を抑制するため、両者の間に連続的に幅が変化するテーパを挿入している。また、今回作製した１００GHz 間隔１×１６チャンネルのＡＷＧでは、隣接アレイ導波路間での長さの差を△L(w₁)=１４９ミクロン、△L(w₂)=−８６ミクロンと設計した。すなわち、短いアレイ導波路から長いアレイ導波路に向かって、コア幅w₁の導波路１０５Ａは１４９μmずつ長くなり、一方コア幅w₂の導波路１０５Ｂは８６μmずつ短くなるように設計した。

本実施形態に係るＡＷＧにおける導波路の作製は、図３に示す手順で次のように行った。まず、シリコン基板１１上に火炎堆積法でSi0₂を主体にした下部クラッドガラススート１２１１、Si0₂にGe0₂を添加したコアガラススート１３１１を堆積する(図３(Ａ))。
その後、１０００℃以上の高温でガラス透明化を行う。この時に、下部クラッドガラス層１２１は３０ミクロン厚、コアガラス１３１は７ミクロン厚となるように、ガラスの堆積を行っている(図３(Ｂ))。

引き続き、フォトリソグラフィ技術を用いてコアガラス１３１上にエッチングマスク１６を形成し(図３(Ｃ))、反応性イオンエッチングによってコアガラス１３１のパターン化を行う(図３(Ｄ))。ここでコアガラス１３１の加工に引き続き下部クラッドガラス１２１を更に２ミクロンエッチングし、高さＨのリッジ１５を形成する。本実施例と特許文献１に記
載の発明（従来技術第３の方法）との差異はこの下部クラッドガラス１２１の加工によるリッジ１５（リッジ形状）の形成にある。
エッチングマスク１６を除去した後、上部クラッドガラス１４を再度火炎堆積法で形成する。上部クラッドガラス１４にはB₂0₃やP₂0₅などのドーパントを添加してガラス転移温度を下げ、それぞれのコアガラス１３とコアガラス１３の狭い隙間にも上部クラッドガラス１４が入り込むようにしている(図３(Ｅ))。

従来技術第２例に述べたようにガラスに大量のドーパントを添加すると、シリコン基板からガラス層にかかる圧縮応力が緩和され、導波路複屈折が減少する。
しかし、それと共にガラスの耐候性が劣化する。このため、本実施形態では、信頼性が十分に確保できる条件として、クラッドガラスに添加するドーパント量を抑制し、シリコン基板からガラス層ヘ−１０MPa以下の応力(１０MPa以上の圧縮応力)を発生させている。
上記の設計を用いて作製したＡＷＧの透過スペクトルを図４に示す。同図から明らかなように、λ_TMとλ_TEのズレは０．０１nm 以下（測定限界以下）であった。

本実施形態は、特許文献１に記載の発明（従来技術第３の方法）と類似している。その差異を明確にするため、コア幅を変化させることのみによって偏波無依存化を図った比較結果を図５に示す。ここではコア幅w₁=４．０ミクロンの導波路と、コア幅w₂=１０．０ミクロンの導波路を用いた。図５に示すように高次モードに起因するサイドピークが生じており、波長合分波フィルタとしてのクロストーク劣化になっている。このように特許文献１に記載の発明による方法（従来技術第３の方法）のみで偏波無依存化を図ると、２種類のコア幅の差を大きく取る必要があり、その結果としてクロストークの劣化を引き起こしてしまう。

この光学特性の劣化を抑制する方法として、本実施形態では、特許文献２に提案されたコア直下の下部クラッドのリッジ形状を利用して導波路複屈折を制御する方法（従来技術第４の方法）を併用することで、必要とする２種類のコア幅の差を抑制し、クロストークの劣化を防いでいる。
他方、本実施形態と特許文献２に記載された発明（従来技術第４の方法）との差は、下部クラッドをリッジ形状とすることのみで導波路複屈折を０にするためには、下部クラッドのリッジ高さを４ミクロンにする必要がある。しかしコア高さ７ミクロンと合わせて１１ミクロンものガラスエッチング加工は、プロセス時間が長くなりコスト増加を引き起こす。

本実施形態のように特許文献１に提案された設計法（従来技術第３の方法）を併用することで、下部クラッドのリッジ高さを２ミクロンに低減して、プロセス負担を低減している。
ここで従来技術の第３の方法と第４の方法を併用する際に、そのPDλ低減効果の比率は任意の比率を摂ることができる。しかしプロセス負担を考えると、下部クラッドのリッジ高さとしては１．５〜３ミクロンが好ましい。

（第２実施形態）
図６に本発明の第２実施形態に係る偏波無依存のＡＷＧのウエハレイアウト構成を示す。図６示すＡＷＧと図１に示すＡＷＧとの相異は、図１に示すＡＷＧのウエハレイアウト構成ではウエハ１全面にわたり複数のＡＷＧが同じ設計がなされていたのに対して、図６に示すＡＷＧのウエハレイアウト構成では複数のＡＷＧがウエハの位置に依存して異なるコア幅の設計がなされている点である。図７と図８にこの設計の差を誇張して示す。図７は、図６の中央に位置する偏波無依存ＡＷＧ２０−１の拡大図を、図８は、図６におけるＡＷＧ２０−１の周辺に位置する偏波無依存ＡＷＧ２０−２の拡大図をそれぞれ，示している。

図７、図８において、ＡＷＧ２０−１（２０−２）は、複数の入力導波路２０１と、複数の出力導波路２０２と、複数のアレイ導波路２０５（２０５Ａ，２０５Ｂ）と、複数の入力導波路２０１と複数のアレイ導波路２０５とを接続する入力側スラブ導波路２０３と、複数のアレイ導波路２０５と複数の出力導波路２０２とを接続する出力側スラブ導波路２０４とを有している。

図３に示した火炎堆積法でガラス膜を作製すると、ウエハ位置に依存して僅かな導波路複屈折の分布が生じてしまう。この現象は、程度の差こそあれ、他のプロセスで光導波路を作製する場合でも生じる現象である。本実施形態ではこの導波路複屈折の面内分布を補正するために設計による導波路複屈折制御法（特許文献１に提案された従来技術第３の方法）を用いて、全体的な導波路複屈折の低減を特許文献２に提案された従来技術ＮＯ第４の方法を用いて実現した。

本実施形態の場合は、図６に示す９つのＡＷＧにおいて、中央のＡＷＧ２０−１は周辺のＡＷＧ２０−２に比べてＰＤλが小さかった。このため、隣接アレイ導波路間での長さの差を△L(w₁)=１２９ミクロン、△L(w₂)=−６６ミクロンと設計した。ここではコア幅w₁=５．５ミクロンの導波路と、コア幅w₂=８．５ミクロンの導波路を用いた。一方周辺の８個のＡＷＧでは隣接アレイ導波路間での長さの差を△L(w₁)=１４９ミクロン、△L(w₂)=−８６ミクロンと設計した。この結果、図４に示すのと同様の偏波無依存特性が、ウエハ全面にわたり実現された。

図６では複数のＡＷＧが個別回路としてウエハ全面に配置されているが、複数のＡＷＧを直列に接続して構成される回路においても本実施例の方法は有効である。
第１実施形態および第２実施形態では、光回路としてＡＷＧを例に挙げて説明をした。しかし、同じ石英系ガラス導波路で構成されたマッハツェンダ干渉計、トランスバーサルフィルタなどの干渉計回路では全く同じ理屈で偏波無依存化が実現される。

本発明の第１の実施形態の偏波無依存ＡＷＧ(アレイ導波路格子型光波長合分波器)の構成を示す平面図である。 図１の偏波無依存ＡＷＧのアレイ導波路部分のコア幅がわかるように強調した拡大図である。 本発明の第１の実施形態の偏波無依存ＡＷＧの作製工程を示す工程図である。 本発明の第１の実施形態の偏波無依存ＡＷＧの透過スペクトル特性を透過率と波長との関係で示すグラフである。 本発明の第１の実施形態の比較例としての偏波無依存ＡＷＧの透過スペクトル特性を透過率と波長との関係で示すグラフである。 本発明の第２の実施形態の偏波無依存ＡＷＧ（アレイ導波路格子型光波長合分波器）の構成を示す平面図である。 図６中央の偏波無依存ＡＷＧのアレイ導波路部分のコア幅がわかるように強調した拡大図である。 図６周辺の偏波無依存ＡＷＧのアレイ導波路部分のコア幅がわかるように強調した拡大図である。 従来技術のＡＷＧ（アレイ導波路格子型波長合分波器）の構成を説明するための斜視図である。

符号の説明

１…ウエハ
１０、２０−１、２０−２…ＡＷＧ
１１…シリコン基板
１２…下部クラッドガラス
１３…コアガラス
１４…上部クラッドガラス
１５…リッジ
１６…エッチングマスク
１０１、２０１…入力導波路
１０２、２０２…出力導波路
１０３、２０３…入力側スラブ導波路
１０４、２０４…出力側スラブ導波路
１０５Ａ，１０５Ｂ，２０５Ａ，２０５Ｂ…アレイ導波路

Claims (6)

1. 基板上の光導波路で構成される光波長合分波器において、
   前記光波長合分波器が入力光導波路、光分岐部、複数の長さの異なる光導波路、光結合部、および出力光導波路から構成されており、
   前記複数の長さの異なる光導波路の各々はコア幅の狭い導波路部分とコア幅の広い導波路部分とを含み、長さの短い光導波路から長さの長い光導波路に向かって前記コア幅の狭い導波路部分の長さが順次長くなるとともに前記コア幅の広い導波路部分の長さが順次短くなることによって、各々の長手方向に平均したコア幅が互いに異なっており、
   且つ、前記コアの直下の下部クラッドがコア幅とほぼ同じ幅でリッジ形状を有しており、該コアとリッジ形状の下部クラッドは同一の上部クラッドに埋め込まれており、
   前記コア幅の狭い導波路部分と前記コア幅の広い導波路部分のコア幅の差が、高次モードに起因するサイドピークが生じない範囲に設定されるとともに、前記リッジ形状の下部クラッドの高さが、下部クラッドをリッジ形状にすることのみで偏波無依存化するのに必要な高さよりは低く設定されることによって、偏波無依存化されていることを特徴とする導波路型光波長合分波器。
2. 前記リッジ形状の高さが１．５ミクロン乃至３ミクロンであることを特徴とする請求項１に記載の導波路型光波長合分波器。
3. 作製するウエハ面内にほぼ同等の導波路型光波長合分波器が複数配置されており、
   且つ、前記複数の光導波路のコア幅変化量が、複数の導波路型光波長合分波器に対して異なるように設計および作製されたことを特徴とする請求項１乃至２に記載の導波路型光波長合分波器。
4. 前記導波路型光波長合分波器が、第１のスラブ導波路、第２のスラブ導波路、それらを結ぶ互いに長さの異なる複数のアレイ導波路、第１のスラブ導波路に接続された１本あるいは複数本の入力導波路、第２のスラブ導波路に接続された１本あるいは複数本の出力導波路からなるアレイ導波路格子型光波長合分波器であることを特徴とする請求項１乃至３に記載の導波路型光波長合分波器。
5. 前記導波路型光波長合分波器が、２つの光カプラとそれらを結ぶ互いに長さの異なる２本の導波路からなるマッハツェンダ光干渉計であることを特徴とする請求項１乃至３に記載の導波路型光波長合分波器。
6. 前記導波路型光波長合分波器が、シリコン基板上の石英系ガラス光導波路で構成されていることを特徴とする請求項１乃至５に記載の導波路型光波長合分波器。

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