JP3796183B2 - 石英系光導波路部品 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムに用いられる石英系光導波路部品に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、光通信システムの大容量化、高度化、多機能化が進み、その機構部品となる光ファイバや光導波路部品には、高性能化、高機能化が求められている。中でも石英系ガラス材料を用いた光ファイバは、低損失、高信頼性の点から最も多用されている。この石英系光ファイバとマッチングが容易な、同じ石英系材料を用いた石英系光導波路部品もその応用が広がりつつある。この石英系光導波路部品は、半導体製造プロセスで用いられる成膜・加工プロセスを応用し、基板上に任意の光導波路パターンを作り込んだもので、主な応用例としては波長分割多重(WDM)システムの光合分波器に用いるアレイ導波路などがある。このアレイ導波路は複雑な回路パターンを必要とするが、半導体製造プロセスの適用により、優れた特性のものを一括して再現性良く製造することができ、量産性と製造コストの点で極めて有利である。
【0003】
次に、一般的な光導波路部品の構成について説明する。光導波路部品は、基板上に光導波路層を積層して作製される。このため、光導波路部品は、例えば、図10の断面図に示すように、基板51と、該基板51の上に形成された下部クラッド層52、コア53、及び上部クラッド層54からなる光導波路層とから構成される。ここで、コア53の屈折率を、該コア53を収容している下部クラッド層52及び上部クラッド層54(合せてクラッド層55という)の屈折率より僅かに大きくすることにより、光をコア53内に閉じ込めて導波させることができる。また、この光導波路の材料として、一般的な光ファイバと同じ石英系ガラス材料を用いることにより、石英系光導波路部品となる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のように、石英系光導波路部品は基板上に導波路を作り込むという手法ゆえに、基板と導波路膜との熱膨張率の差に起因した偏波依存性が避けられなかった。これは、石英系光導波路部品の膜面方向と膜厚方向の残留応力、あるいは加熱あるいは冷却時の発生応力に差が生じるために、導波路が複屈折性をもつことによる。つまり、膜厚方向の応力は常にほぼ解放状態であるのに対して、膜面方向は基板と導波路膜との熱膨張率の差に起因する引っ張り、あるいは圧縮応力が働き、環境温度によりその傾向が変化する。従来、この複屈折性を低減するために基板を導波路膜の材料に合わせることにより、あるいは逆に基板の熱膨張率に合わせた導波路膜を形成することにより、その低減が図られてきた。例えば、基板と、導波路膜とにそれぞれ石英を用いる方法や、基板としてシリコンウエハを用い、リンを高濃度添加した導波路膜を用いる方法などがある。しかし、これらの場合、基板材料が限られたり、導波路膜に過剰な添加元素が導入されることからガラス材料として不安定になるなどの問題があった。また、別の方法として、導波路上面に応力付与膜を設ける方法もあるが、低減の効果は小さい。
【0005】
そこで、本発明の目的は、偏波依存性を小さくした石英系光導波路部品を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る石英系光導波路部品は、基板と、前記基板上に塗布法によって形成されたシリコン酸化膜多孔質層からなる中間層と、前記中間層の上に石英系材料で形成されたコアと該コアを収容する石英系材料で形成されたクラッド層とからなる石英系光導波路層と
を備え、前記中間層のヤング率は、前記石英系光導波路層及び前記基板のそれぞれのヤング率よりも小さいことを特徴とする。
【0007】
【0008】
【0009】
【0010】
【0011】
【0012】
【0013】
【0014】
【0015】
【0016】
【0017】
【0018】
【0019】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態に係る石英系光導波路部品について、添付図面を用いて説明する。なお、実質的に同一の部材には同一符号を付している。
【0020】
実施の形態1.
本発明の実施の形態1に係る石英系光導波路部品について、図1を用いて説明する。この石英系光導波路部品10は、基板1と、該基板1の上に形成された中間層12と、該中間層12の上に形成された下部クラッド層2、コア3及び上部クラッド層4とからなる石英系導波路層7とを備えている。中間層12は、そのヤング率が、石英系光導波路層7と基板1のそれぞれのヤング率よりも小さい材料により形成している。この中間層12を設けることによって、光導波路層7と基板1との熱膨張率差に起因して発生する応力を緩和し、その結果、光導波路層7における複屈折性が低減され、偏波依存性を低減することができる。
【0021】
この石英系光導波路部品10では、中間層12の材料等を適宜選択することにより、光導波路層7の複屈折性を低減しつつ、光導波路層7および基板1の材料の選択の幅を広げることができる。ヤング率が石英系光導波路層7と基板1のヤング率よりも小さい中間層12としては、例えばシリコンの多孔質膜、シリコン酸化物(石英膜)の多孔質膜などが好ましい。これらの中間層であれば、石英系材料の合成温度でも変質することがないので、その上部に石英系光導波路層7の形成をそのまま行なうことができる。ただし、これらの材料は一例であって、この二つに限るものではない。
【0022】
以下に、上記実施の形態1に係る石英系光導波路部品について、実施例1においてさらに詳細に説明する。
【0023】
実施例1.
本発明の実施例1に係る石英系光導波路部品について、図1を用いて説明する。この石英系光導波路部品10は、シリコンウエハからなる基板1と、該基板1の上に形成されたシリコン多孔質膜からなる中間層12と、該中間層12の上に形成された下部クラッド層2、コア3及び上部クラッド層4とからなる石英系導波路層7とを備えている。この中間層12には、ヤング率が石英系光導波路層7と基板1のそれぞれのヤング率よりも小さいシリコン多孔質膜を用いている。このように中間層12を設けることによって、光導波路層7と基板1との熱膨張率差に起因して発生する応力を緩和し、その結果、光導波路層7における複屈折性が低減され、偏波依存性を低減することができる。
【0024】
この石英系光導波路部品10では、中間層12の材料又は形態を適宜選択することにより、光導波路層7の複屈折性を低減しつつ、光導波路層7および基板1の材料の選択の幅を広げることができる。ヤング率が石英系光導波路層7と基板1のヤング率よりも小さい中間層12としては、上記シリコンの多孔質膜に限られず、シリコン酸化物(石英膜)の多孔質膜等を用いることができる。これらの中間層であれば、石英系材料の合成温度でも変質することがないので、その上部に石英系光導波路層7の形成をそのまま行なうことができる。
【0025】
次に、この石英系光導波路部品10の製造方法について説明する。この製造方法では、基板1に中間層12を形成し、その中間層12の上に石英系光導波路層7を形成している。
(a)先ず、基板1として外形寸法15.24cm(6インチ)、厚さ0.6mmのシリコンウエハを用意し、該基板1の裏面に絶縁皮膜を形成した。
(b)そして、シリコンウエハ1の表面側に、陽極酸化法により厚さ20〜100μmのシリコン多孔質膜を形成した。この陽極酸化の条件を制御して表面近傍の孔径が小さくなるようにし、多孔質膜の孔径がおよそ0.05〜1μmとなるようにした。
(c)その後、裏面の絶縁膜を除去し、多孔質膜の表面にCVD法によりシリコン膜を形成し、さらに該シリコン膜の表面の平坦化処理を行った。これによってシリコン多孔質膜を中間層12とした。平坦化処理は、水素中での高温アニール又は化学機械研磨法のどちらで行なってもよい。
(d)次に平坦化したシリコン多孔質膜12の上部に石英系光導波路層7を形成した。まず、厚さ15μmの下部クラッド層2をCVD法により形成し、引き続きその上部に厚さ6μm、屈折率差0.7%のコア層3をCVD法により形成した。次に、写真製版法とエッチング工程によりコア層3を幅6μmの直線パターンとした後、そのコアパターンを覆うように厚さ15μmの上部クラッド層4をCVD法により形成した。これによって、コア3と、該コア3を収容するクラッド層5とからなる光導波路層7を形成した。
【0026】
さらに、作製した石英系光導波路部品の評価方法及び評価結果について説明する。ここでは、グレーティングフィルタにおける偏波依存性を評価している。まず、作製した石英系光導波路部品のコア3に水素添加処理と紫外線照射を行なって1.5μm帯用グレーティングフィルタを形成した。このグレーティングフィルタについて、互いに直交する二つの異なる偏波光(TM光とTE光)による反射の中心波長のずれを測定し偏波依存性を評価した。その結果、中間層12のシリコン多孔質層の厚さが厚くなるほど中心波長のずれは小さくなり、厚さが20μm程度で0.01nm、厚さが100μmで0.005nmとすることができた。なお、比較として、中間層を設けないで基板の上に直接光導波路層を形成している従来の石英系光導波路部品の場合について、上記と同様にグレーティングフィルタを形成し、その偏波依存性を評価した。その結果、中心波長のずれは0.1nmと非常に大きかった。従来のように、基板にシリコンウエハを用い、光導波路に石英系材料を用いた場合には、両材料の熱膨張率の違いからくる複屈折性を避けられなかったが、この石英系光導波路部品では、基板と光導波路層との間に熱膨張率差による歪みを緩和するための中間層を設けることによって、偏波依存性を大幅に改善することができた。
【0027】
ここで用いる中間層について検討する。この中間層は、基板と光導波路層の材料よりもヤング率が小さければよい。例えば、材料固有のヤング率が小さい材料をそのままバルクとして用いるか、または材料固有のヤング率が高い材料であっても見かけのヤング率を減少させた構造体、例えば、内部に空孔等の間隙を多く含む多孔質膜等を用いることができる。この中間層の厚さが厚くなるほど、また多孔質膜の空孔率が大きいほど歪みを緩和する効果が大きくなる。ただし、膜厚を厚くするほど、また空孔率を大きくするほど光導波路部品全体としての機械的な強度は弱くなる。
【0028】
また、この中間層として、上記シリコン多孔質膜以外の中間層を形成する場合について説明する。まず、中間層として、上記シリコン多孔質膜よりもさらに材料的にヤング率を小さいシリコン酸化膜とする方法がある。この場合、上記シリコン多孔質及びシリコン膜を形成した後に当該部分を熱酸化し、シリコン酸化膜(石英)とする。このシリコン酸化膜を中間層として用いた石英系光導波路部品に上記と同様に1.5μm帯用グレーティングフィルタを形成し、互いに直交する二つの異なる偏波光による中心波長のずれを測定した。その結果、中間層の厚さが20μm程度で0.01nm、厚さが50μmで0.005nmとシリコン多孔質膜を形成した場合よりも歪みを緩和する効果が大きくなった。
【0029】
さらに、中間層として、上記シリコン酸化膜よりもさらに構造的にヤング率を低くできるシリコン酸化物多孔質膜を形成する方法について説明する。このシリコン酸化物多孔質膜は、半導体用途の塗布型低誘電率層間絶縁膜を形成する方法によって得られる。これは塗布法によりペーストの皮膜を形成し、熱処理により発泡させながらシリコン系の多孔質膜とするものである。なお、形成工程は簡単であるが厚膜の形成がやや困難な場合がある。このような構成で作製した本発明の光導波路部品に上記と同様に1.5μm帯用グレーティングフィルタを形成し、互いに直交する二つの異なる偏波光による中心波長のずれを測定した。その結果、中間層の厚さが10μm程度の場合、中心波長のずれは0.01nm、厚さが20μmの場合で0.005nmが得られた。このように、基板と光導波路の間にヤング率が両者よりも小さい中間層を設けることにより、熱膨張率差による歪みが緩和され、光導波路部品の複屈折性が減少し、偏波依存性が大きく改善される。
【0030】
参考の形態2.
本発明の参考の形態2に係る石英系光導波路部品について図2を用いて説明する。この石英系光導波路部品20は、実施の形態1に係る石英系光導波路部品と比較すると、基板1の両面に熱膨張率を制御する基板制御膜14を形成され、基板制御膜14の少なくとも一つの面に石英系光導波路層7が形成されている点で相違する。ここで、両面に基板制御膜14を有する基板の全体の熱膨張率、いわゆる見かけの基板11の熱膨張率は、石英系光導波路層7の熱膨張率と実質的に同一に調整されている。これによって、見かけの基板11と石英系光導波路層7との熱膨張率の差がないので、温度変化を受けた場合にも石英系光導波路層7への応力が発生せず、導波路の複屈折性を低減し、偏波依存性を小さくすることができる。
【0031】
また、この石英系光導波路部品では、熱膨張率を制御する基板制御膜14が基板1の両面に形成された見かけの基板11を実質的な基板としてみることができる。この見かけの基板11の熱膨張率は、基板1と基板制御膜14の厚さの比と、それぞれの部分の熱膨張率とを適宜選択することにより決定することができる。最も単純な例としては、基板1の両面に同じ材質で同じ膜厚の基板制御膜14を形成した場合である。また、複雑な例としては熱膨張率の異なる基板制御膜14を基板1のそれぞれの面に形成し、それぞれの基板制御膜14の厚さを変える場合である。どちらの場合でも、基板1と基板制御膜14を含めた見かけの基板11でのそりが発生しない。また、見かけの基板11の熱膨張率を、その上に成膜する石英系光導波路層7の熱膨張率と実質的に同じとすることによって石英系光導波路膜への応力が発生せず、光導波路層7における複屈折性を低減し、偏波依存性を小さくすることができる。
【0032】
以下に、上記参考の形態2に係る石英系光導波路部品について、参考例2においてさらに詳細に説明する。
【0033】
参考例2.
本発明の参考例2に係る石英系光導波路部品について、図2を用いて説明する。この石英系光導波路部品20は、実施例1に係る石英系光導波路部品と比較すると、基板1の両面に熱膨張率を制御する基板制御膜14として熱酸化膜が形成され、基板制御膜14の少なくとも一つの面に石英系光導波路層7が形成されている点で相違する。ここで、両面に基板制御膜14としての熱酸化膜を有する基板の全体の熱膨張率、いわゆる見かけの基板11の熱膨張率は、石英系光導波路層7の熱膨張率と実質的に同一に制御されている。これによって、見かけの基板11と石英系光導波路層7との熱膨張率の差がないので、温度変化を受けた場合にも石英系光導波路層7への応力が発生せず、導波路の複屈折性を低減し、偏波依存性を小さくすることができる。なお、基板制御膜14は、上記熱酸化膜に限られず、石英薄板等を貼付して用いてもよい。
【0034】
この石英系光導波路部品20では、熱膨張率を制御する基板制御膜14が基板1の両面に形成された見かけの基板11を実質的な基板としてみることができる。この見かけの基板11の熱膨張率は、基板1と基板制御膜14の厚さの比と、それぞれの部分の熱膨張率とを適宜選択することにより決定することができる。最も単純な例としては、基板1の両面に同じ材質で同じ膜厚の基板制御膜14を形成した場合である。また、複雑な例としては熱膨張率の異なる基板制御膜14を基板1のそれぞれの面に形成し、それぞれの基板制御膜14の厚さを変える場合である。どちらの場合でも、基板1と基板制御膜14を含めた見かけの基板11でのそりが発生しない。また、見かけの基板11の熱膨張率を、その上に成膜する石英系光導波路層7の熱膨張率と実質的に同じとすることによって石英系光導波路層7への応力が発生せず、光導波路層7における複屈折性を低減し、偏波依存性を小さくすることができる。
【0035】
次に、この石英系光導波路部品20の製造方法について説明する。この製造方法では、基板1の両面に基板制御膜14として熱酸化膜を形成した後、光導波路層7を形成している。
(a)まず、基板1として外形寸法10.16cm(4インチ)、厚さ0.15mmのシリコンウエハを用意した。
(b)シリコンウエハ1の両面を熱酸化によって厚さ15〜30μmの熱酸化膜14を形成した。この熱酸化の方法は、通常用いられる方法で行なうことができる。なお、熱酸化膜なので、基板1の両面に均一な膜厚で形成することができる。
(c)次いで、基板の両面に形成した熱酸化膜14のうち、片面の熱酸化膜14の上に光導波路層7を形成した。まず、厚さ20μmの下部クラッド層2をCVD法で形成し、引き続きその上部に厚さ8μm、屈折率差0.3%のコア層3をCVD法により形成した。次に、写真製版法とエッチング工程によりコア層3を幅8μmの直線パターンとした後、そのコアパターンを覆うように厚さ20μmの上部クラッド層4をCVD法により形成した。これによって、コア3と、該コア3を収容するクラッド層5とからなる光導波路層7を形成した。
【0036】
さらに、作製した石英系光導波路部品20の評価方法及び評価結果について説明する。ここでは、グレーティングフィルタにおける偏波依存性を評価している。まず、作製した石英系光導波路部品20のコア3に水素添加処理と紫外線照射を行なって1.5μm帯用グレーティングフィルタを形成した。このグレーティングフィルタについて、互いに直交する二つの異なる偏波光(TM光とTE光)による反射の中心波長のずれを測定し偏波依存性を評価したところ、0.02〜0.005nmと小さな値が得られた。
【0037】
また、この石英系光導波路部品20の製造方法の別の例について説明する。この場合には基板制御膜14として石英薄板を用いて、基板1の両面に貼付している。
(a)まず、基板1として外形寸法10.16cm(4インチ)、厚さ0.5mmのシリコンウエハを用意する。
(b)次に、接着用ガラスとして厚さ15〜30μmの硼素添加(3〜10wt%)ガラス膜をCVD法により両面に形成した。
(c)そして、シリコン基板1の両面に形成された接着用ガラスの上に、外形寸法10.16cm(4インチ)、厚さ0.1〜0.2mmの石英薄板14を被着し、
(d)真空中で900〜1200℃の範囲の温度で熱処理を施し、シリコン基板1と石英薄板14の被着を行った。
(e)このシリコン基板1の両面に被着した石英薄板14のうち、一方の石英薄板の上に石英系光導波路層7を形成した。まず、厚さ15μmの下部クラッド層2をCVD法で形成し、引き続きその上部に厚さ6μm、屈折率差0.7%のコア層3をCVD法により形成した。次に写真製版法とエッチング工程によりコア層3を幅6μmの直線パターンとした後、そのコアパターンを覆うように厚さ15μmの上部クラッド層4をCVD法により形成した。これによって、コア3と、該コア3を収容するクラッド層5とからなる光導波路層7を形成した。
【0038】
さらに、作製した石英系光導波路部品の評価方法及び評価結果について説明する。ここでは、グレーティングフィルタにおける偏波依存性を評価している。まず、作製した本発明による光導波路部品に水素添加処理と紫外線照射を行なって1.5μm帯用グレーティングフィルタを形成した。このグレーティングフィルタについて、互いに直交する二つの異なる偏波光(TM光とTE光)による反射の中心波長のずれを測定し、偏波依存性を評価したところ、0.01〜0.005nmと小さな値が得られた。
【0039】
このように、シリコン基板1の両面に熱膨張率を制御する基板制御膜14を形成することにより、見かけの基板11の熱膨張率を光導波路層7の熱膨張率と同等にすることができる。これにより、基板1と光導波路層7の熱膨張率差に起因する偏波依存性を小さく抑えることができる。また、本参考例では、基板1の両面に同一の基板制御膜14を形成したが、例えば異なる膜種の組み合わせであってもよい。例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、多結晶シリコン膜などの任意の組み合わせでも良い。また、基板制御膜の熱膨張率と膜厚との最適化により、基板と基板制御膜の組み合わせとして基板の両面に働く応力を等しくすることでそりを生じることなく、しかも見かけの基板11の熱膨張率を光導波路層7の熱膨張率と実質的に等しくすることができる。
【0040】
参考の形態3.
本発明の参考の形態3に係るフィルム状石英系光導波路部品について、図3を用いて説明する。このフィルム状石英系光導波路部品17は、実施の形態1及び参考の形態2に係る石英系光導波路部品と比較すると、基板を有することなく、コア3と該コア3を収納するクラッド層5とからなる光導波路層のみのフィルム状石英系光導波路部品である点で相違する。また、このフィルム状石英系光導波路部品17は、光ファイバと比較すると、クラッド層5が平板状、換言すればフィルム状である点で相違する。このように基板に積層されていないので、基板側から受ける応力に起因する複屈折性を解消でき、偏波依存性を改善できる。さらに、クラッド層5内に複数のコア3からなる光回路を構成してもよい。なお、このフィルム状石英系光導波路部品は、基板上に石英系光導波路層を積層形成した後、基板の部分を除去することによってフィルム状の石英系光導波路層のみとしたものである。その製造方法の詳細は参考例3において述べる。
【0041】
以下に、上記参考の形態3に係るフィルム状石英系光導波路部品について、参考例3及び参考例4においてさらに詳細に説明する。
【0042】
参考例3.
本発明の参考例3に係るフィルム状石英系光導波路部品について説明する。このフィルム状石英系光導波路部品17は、実施例1及び参考例2に係る石英系光導波路部品と比較すると、基板を有することなく、コア3と該コア3を収納するクラッド層5とからなる光導波路層のみのフィルム状石英系光導波路部品である点で相違する。また、このフィルム状石英系光導波路部品17は、光ファイバと比較すると、クラッド層5が平板状、換言すればフィルム状である点で相違する。なお、厚みはクラッド層の厚みを適宜制御することによって、20μm〜100μmの範囲、好ましくは30〜50μmの範囲にすることができる。このように基板に積層されていないので、基板側から受ける応力に起因する複屈折性を解消でき、偏波依存性を改善できる。さらに、クラッド層5内に複数のコア3からなる光回路を構成することができる。
【0043】
さらに、このフィルム状石英系光導波路部品をアクリル系、エポキシ系、シリコンゴム系、およびポリイミド系樹脂等の樹脂膜で被覆してもよい。このように樹脂膜で被覆することで保護することができる。また、光ファイバとの接続部分のみに基板を接着することにより、偏波依存性、および温度依存性のさらに小さな石英系光導波路部品が実現できる。
【0044】
次に、このフィルム状石英系光導波路部品の製造方法について説明する。
(a)先ず、基板1として外形寸法10.16cm(4インチ)、厚さ1mmのシリコンウエハ((100)面)を用意した。
(b)次に、基板1の片面に光導波路層を形成した。まず、厚さ15μmの下部クラッド層2をCVD法で形成し、引き続きその上部に厚さ6μm、屈折率差0.7%のコア層3をCVD法により形成した。次いで、写真製版法とエッチング工程によりコア層3を幅6μmの直線パターンとした後、そのコアパターンを覆うように厚さ15μmの上部クラッド層4をCVD法により形成した。これによって、コア3と、該コア3を収容するクラッド層5とからなる光導波路層7を形成した。
(d)その後、所望の大きさに切り出してから、基板1を裏面研削することにより全体の厚さを0.1〜0.2mmとし、さらに、加熱した苛性カリ系エッチング液に浸し、シリコン基板1を溶解除去して、フィルム状の石英系光導波路層17とした。
上記手順によってフィルム状石英系光導波路部品を得ることができた。その形状は平板状、あるいはフィルム状であって、厚みは約36μmである。
【0045】
参考例4.
本発明の参考例4に係るフィルム状アレイ導波路フィルタ(AWG)について図9を用いて説明する。このアレイ導波路フィルタは、参考例3に係るフィルム状石英系光導波路部品と比較すると、複数のコアで構成されるアレイ導波路フィルタの光回路が構成されている点で相違する。このようにフィルム状石英系光導波路部品を用いることによって、基板との間の熱膨張率差に起因する応力を受けないので、偏波依存性を大幅に低減できる。また、フィルム状であるため、熱容量が小さく、例えば、薄膜ヒータ等を用いて容易に加熱でき、フィルタ中心波長を容易にシフトさせることができる。なお、薄膜ヒータはこのアレイ導波路フィルタに必須ではないので任意に用いることができる。
【0046】
次に、このフィルム状アレイ導波路フィルタの各構成要素について、図9を用いて説明する。このフィルム状アレイ導波路フィルタ40は、入力光側から出力光側にわたって、入力光ファイバアレイ固定用治具31、一括波長調整用ヒータ33、一括波長調整用ヒータ端子34、個別波長調整用ヒータ35、個別波長調整用ヒータ端子36、出力光ファイバアレイ固定治具32を含んでいる。このうち、フィルム状であるため、各端子部分は機械的に補強するのが好ましいので、入力光ファイバアレイ固定用治具31、一括波長調整用ヒータ端子34、個別波長調整用ヒータ端子36、出力光ファイバアレイ固定治具32をフィルム状光導波路部品37の片面又は両面に被着している。なお、これらは装架することが好ましい。さらに、このフィルム状アレイ導波路フィルタ40の全体をゲル状またはゴム状の充填物を用いてケース内に封入したり、樹脂被膜等で全体を被覆して、保護することができる。
【0047】
参考の形態4.
本発明の参考の形態4に係る石英系光導波路部品について、図4を用いて説明する。この石英系光導波路部品30は、参考の形態3に係るフィルム状石英系光導波路部品17が基板21の上に接着層22で接着されている。このようにフィルム状石英系光導波路部品17を用い、接着層22と基板21の材料を選択することによって、光導波路層17には応力が及ばないようにすることで、複屈折性を低減した石英系光導波路部品とすることができる。また、温度変化による特性の変動をうち消す方向に応力をかけることもできる。
【0048】
また、このフィルム状石英系光導波路部品17を用いた石英系光導波路部品30aの別の例について、図5を用いて説明する。この石英系光導波路部品30aは、図4に示した上記石英系光導波路部品と比較すると、フィルム状石英系光導波路17の一部のみを基板21に接着層22で接着し、接着層22にはフィルム状石英系光導波路17と基板21との間に中空部分23を設けている点で相違する。例えば、この石英系導波路部品は、光導波路層17の周辺部分のみを接着層22で基板21に接着し、コア3の直下の基板21との間に中空部分23を設けている。このようにフィルム状石英系光導波路17を接着する面積を少なくすることによって、光導波路17が受ける応力に起因する複屈折性を低減できる。
【0049】
以下に、上記参考の形態4に係る石英系光導波路部品について、参考例5及び参考例6においてさらに詳細に説明する。
【0050】
参考例5.
本発明の参考例5に係る石英系光導波路部品について、図4を用いて説明する。この石英系光導波路部品30は、参考例3に係るフィルム状石英系光導波路部品17が基板21の上に接着層22で接着されている。このようにフィルム状石英系光導波路部品17を用い、接着層22と基板21の材料を選択することによって、光導波路層17には応力が及ばないようにすることで、複屈折性を低減した石英系光導波路部品とすることができる。また、温度変化による特性の変動をうち消す方向に応力をかけることもできる。
【0051】
また、上記フィルム状石英系光導波路部品17を用いた石英系光導波路部品の別の例について、図5を用いて説明する。この石英系光導波路部品30aは、図4に示した上記石英系光導波路部品と比較すると、フィルム状石英系光導波路17の一部のみを基板21に接着層22で接着し、フィルム状石英系光導波路17と基板21との間に中空部分23を設けている点で相違する。例えば、この石英系導波路部品は、光導波路層17の周辺部分のみを接着層22で基板21に接着し、接着層22にはコア3の直下の基板21との間に中空部分23を設けている。このようにフィルム状石英系光導波路17を接着する面積を少なくすることによって、光導波路17が受ける応力に起因する複屈折性を低減できる。特に、図5に示すように、フィルム状石英系光導波路部品17と基板21との接着部分を周辺部のみに限定し、導波路のコア3の直下を中空とすることで、基板と導波路層の熱膨張率差に起因する偏波依存性、および温度依存性を小さくできる。
【0052】
次に、この石英系光導波路部品の製造方法について説明する。
(a)まず、上記フィルム状石英系光導波路部品17を用意する。なお、この製造方法は参考例3で説明した製造方法と同様である。
(b)次に、フィルム状石英系光導波路部品17のコア3に水素添加処理と紫外線照射を行なって1.5μm帯用グレーティングフィルタを形成する。
(c)次いで、接着層8として樹脂系接着剤のシリコンゴム系接着剤を用いて、フィルム状石英系光導波路部品17を実質的に同じ大きさのシリコン基板21に接着した。
【0053】
さらに、作製した石英系光導波路部品の評価方法及び評価結果について説明する。ここでは、グレーティングフィルタにおける偏波依存性を評価している。まず、作製した石英系光導波路部品30,30aに対して、互いに直交する二つの異なる偏波光(TM光とTE光)による反射の中心波長のずれを測定し偏波依存性を評価したところ、0.005nm〜0.001nmと非常に小さい値が得られた。なお、比較として、基板上にそのまま光導波路層を積層した従来の石英系光導波路部品について、1.5μm帯用グレーティングフィルタを形成し、中心波長のずれを測定したところ、0.1nmと非常に大きかった。このように、基板にシリコン、光導波路に石英系材料を用いた場合は、両材料の熱膨張率の違いからくる複屈折性が避けられなかったが、この石英系光導波路部品では、フィルム状石英系光導波路部品を、樹脂系接着剤で基板に接着することにより、光導波路層にかかる応力を非常に小さくすることができ、その結果として偏波依存性が大幅に改善された。
【0054】
また、ここでは、接着層8に樹脂系接着剤のシリコンゴム系接着剤を用いたが、他の種々の接着剤を使用してもよい。例えば、アクリル樹脂系、エポキシ樹脂系、合成ゴム系接着剤等の樹脂系接着剤、高ナトリウムガラス系又は鉛ガラス系の低融点ガラス、インジウムやはんだ等の低融点金属、およびこれらを組み合わせて用いてもよい。例えば、光ファイバーとの接合により、機械強度が必要な端面部分は硬度の高い紫外線硬化樹脂接着剤を用い、低応力であることが必要なグレーティングフィルタ部分は柔らかい合成ゴム系接着剤を用いる方法などがある。
【0055】
参考例6.
本発明の参考例6に係るフィルム状石英系光導波路部品及び石英系光導波路部品について説明する。このフィルム状石英系光導波路部品27は、参考例3に係るフィルム状石英系光導波路部品と比較すると、図6に示すように、クラッド層5中に複数のコア3への分岐部分を備えた光回路を含んでいる点で相違する。このフィルム状石英系光導波路部品27では、フィルム状のクラッド層5内にあらかじめ光回路を構成することができるので、複数本の光ファイバを組み合わせて光回路を構成する場合よりもコンパクトに光回路を構成することができる。
【0056】
次に、上記フィルム状石英系光導波路部品27を用いた石英系光導波路部品30bについて図7及び図8を用いて説明する。この石英系光導波路部品30bは、複数の異なる波長のレーザダイオード24と上記フィルム状石英系光導波路部品27を組み合わせた合波モジュールである。この合波モジュールは、上記フィルム状石英系光導波路部品27を基板21の上に接着層で接着し、コア3の端部にレーザチップ24をマウントしている。この石英系光導波路部品30bでは、レーザチップ24を放熱性の良好な基板21にマウントした場合でも、導波路層の偏波依存性を小さくできる。また、図8は、この石英系光導波路部品30bの出射光側の端部の構成を示す端面図である。この端面には、光ファイバとの融着を可能とする石英ブロック25が面一となるように固着されているので、中空の光導波路モジュールでありながら光ファイバの融着が可能となる。
【0057】
参考の形態5.
本発明の参考の形態5に係る石英系光導波路部品について、図4を用いて説明する。この石英系光導波路部品は、参考の形態4に係る石英系光導波路部品と比較すると、基板21として、伸縮あるいは屈曲状態の制御が可能な伸縮制御基板を用いる点で相違する。この伸縮制御基板を用いることによって、光導波路への応力を制御することができる。例えば、光導波路層21のコア3にグレーティングフィルタを形成している場合には、中心波長の温度依存性を制御することができる。この伸縮制御基板としては、例えば、圧電体基板、バイメタル板、あるいは任意の基板の裏面に機械的な伸縮機構を配置した基板等の機械的伸縮制御基板、熱膨張率の大きな金属板や樹脂板とヒータ又はペルティエ素子とを組み合わせた温度制御による温度制御型伸縮制御基板、又はこれらを複合したものなどを使用することができる。さらに、金属、ガラス、セラミックス、樹脂等の基板材料を組み合わせてもよい。また、石英系光導波路部分は薄いガラス膜であるので、保護のための樹脂膜で被覆したものも使用可能である。
【0058】
以下に、上記参考の形態5に係る石英系光導波路部品について、参考例7においてさらに詳細に説明する。
【0059】
参考例7.
本発明の参考例7に係る石英系光導波路部品について説明する。この石英系光導波路部品は、参考例5及び6に係る石英系光導波路部品と比較すると、フィルム状石英系光導波路部品を接着している基板21が伸縮を制御できる伸縮制御基板である点で相違する。この伸縮の制御が可能な伸縮制御基板を用いることによって、石英系光導波路部品の偏波依存性及びグレーティングフィルタの中心波長の能動あるいは受動制御が可能となる。例えば、基板21に圧電体基板を光の導波方向と直角方向に伸縮を制御できるように配置することによって、偏波依存性の調整が可能となる。また、光導波路部品にグレーティングフィルタを設け、光の導波方向と平行に伸縮を制御できるように配置することによって、フィルタの中心波長の調整が可能となる。
【0060】
ここで、基板21として、上記圧電体基板の他、バイメタル板、裏面に機械的な伸縮機構を配置した基板等の機械的伸縮制御基板、ヒータ又はペルチェ素子等を備えた温度制御型伸縮制御基板、又はこれらの組み合わせを用いてもよい。さらに、一般的な樹脂材料のように熱膨張率の大きな材料、負膨張性ガラスセラミックスのような熱膨張率が負の材料、低熱膨張ガラスのように熱膨張率がゼロに近い材料、あるいはそれらの組み合わせた基板を用いてもよい。これにより、光導波路の温度依存性を任意に制御する事が可能となる。また、バイメタル板のように温度に応じて屈曲する基板を用い、屈曲の凸面か凹面のどちらかの面に張り付ける事により、グレーティングフィルタの中心波長の温度依存性任意に受動制御することが可能となる。
【0061】
なお、上記参考例では主にグレーティングフィルタやアレイ導波路フィルタ(AWG)を形成することにより本発明の効果を説明したが、本発明の石英系光導波路部品はグレーティングフィルタ、AWGの他、方向性結合器、カプラ型光合分波器、および導波路型光スイッチなど、光導波路を使用する全ての光部品に対して適用することができる。また、従来、偏波依存性が悪かったために光導波路が用いられなかった光部品に対しても、光導波路化が可能となり生産性の向上が期待できる。
【0062】
【発明の効果】
以上、詳述したように、本発明に係る石英系光導波路部品は、コアと、該コアを収容する上部クラッド層及び下部クラッド層からなる石英系光導波路層が、塗布法によって形成されたシリコン酸化膜多孔質層からなる中間層を介して基板に積層されている。この中間層のヤング率を石英系光導波路層と基板よりも小さくすることにより、光導波路層と基板との熱膨張率差に起因して発生する応力を緩和する。その結果、光導波路層における複屈折性が低減され、偏波依存性を低減することができ、光導波路の複屈折性を低減した偏波依存性の小さな光導波路部品が実現できる。
【0063】
【0064】
【0065】
【0066】
【0067】
【0068】
【0069】
【0070】
【0071】
【0072】
【0073】
【0074】
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態1及び実施例1に係る石英系光導波路部品の導波方向に垂直な断面構造を示す断面図である。
【図2】 本発明の参考の形態2及び参考例2に係る石英系光導波路部品の導波方向に垂直な断面構造を示す断面図である。
【図3】 本発明の参考の形態3及び参考例3に係るフィルム状の石英系光導波路部品の導波方向に垂直な断面構造を示す断面図である。
【図4】 参考の形態4及び参考例5に係る石英系光導波路部品の導波方向に垂直な断面構造を示す断面図である。
【図5】 参考の形態4及び参考例6に係る石英系光導波路部品の別の例の導波方向に垂直な断面構造を示す断面図である。
【図6】 本発明の参考例7に係るフィルム状石英系光導波路部品の導波方向に垂直な断面構造を示す断面図である。
【図7】 図6のフィルム状石英系光導波路部品を基板の上に接着した場合の導波方向に垂直な断面構造を示す断面図である。
【図8】 図7の合波モジュールにおける出射光側の端面部分を示す図である。
【図9】 参考例4に係るアレイ導波路フィルタ(AWG)の平面図である。
【図10】 従来の光導波路部品の導波方向に垂直な断面構造を示す断面図である。
【符号の説明】
1 基板、2 下部クラッド層、3 コア、4 上部クラッド層、5 クラッド層、7 石英系光導波路層、10、20、30、30a、30b 石英系光導波路部品、11 見かけの基板、12 中間層、14 基板制御膜、17、27、37 フィルム状石英系光導波路部品、21 基板、22 接着層、23 中空部分、24 レーザダイオードチップ、25 光ファイバ融着用石英ブロック、31 入力光ファイバ固定用治具、32 出力光ファイバ固定用治具
33 一括波長調整用薄膜ヒータ、34 一括波長調整用ヒータ端子、35 個別波長調整用薄膜ヒータ、36 個別波長調整用ヒータ端子、40 アレイ導波路フィルタ、50 光導波路部品、51 基板、52 下部クラッド層、53 コア、54 上部クラッド層、55 クラッド層、57 光導波路層
Claims (1)
- 基板と、
前記基板上に塗布法によって形成されたシリコン酸化物多孔質層からなる中間層と、
前記中間層の上に石英系材料で形成されたコアと該コアを収容する石英系材料で形成されたクラッド層とからなる石英系光導波路層と
を備え、
前記中間層のヤング率は、前記石英系光導波路層及び前記基板のそれぞれのヤング率よりも小さいことを特徴とする石英系光導波路部品。
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