JP3963255B2

JP3963255B2 - 光導波路

Info

Publication number: JP3963255B2
Application number: JP2002004370A
Authority: JP
Inventors: 浩高橋; 幹隆井藤; 亮一笠原
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2002-01-11
Filing date: 2002-01-11
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2022-01-11
Also published as: JP2003207660A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に光通信あるいは光情報処理などに用いられる光導波路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
平面基板上に形成される光導波路を用いたデバイスは、光通信や光情報処理の分野で幅広く用いられている。図４に従来の光導波路の一例の断面構造を示す。図に示すように光導波路１は基板２から順に下部クラッド層３、導波路コア４、上部クラッド層５の積層構造からなり、前記上部クラッド層５は前記導波路コア４を覆うように下部クラッド層３の上に積層されている。前記各層及び導波路コア４に使用される材料としては、量産性、光ファイバとの接続性、信頼性の観点から基板２にはシリコンが用いられ、下部クラッド層３、導波路コア４及び上部クラッド層５には石英系ガラスが用いられることが多い。
【０００３】
この光導波路を用いて製作される光デバイスの一例として、波長分割多重光通信システムに広く用いられているアレイ導波路回折格子型光合分波器（以下、「ＡＷＧ」という）がある。ＡＷＧは、回折格子ほどの精密な機械加工や、干渉膜ほどの精密な多層膜形成が不要で、フォトリソグラフィやエッチングなどの通常の光集積プロセスで実現でき、他の光導波路素子との集積の可能性とも併せて、今後の高密度波長多重（ＷＤＭ）ネットワークの中心エレメントとして大きく発展していくことが期待されている光デバイスの一つである。
【０００４】
このＡＷＧの概略外観図を図５に示す。図に示すようにＡＷＧ１１は基板２の上に、入力導波路１２、入力側スラブ導波路１３、アレイ導波路回折格子１４、出力側スラブ導波路１５、出力導波路１６からなるパターンが形成されている。また、前記各導波路は図４に示す断面構造をもって形成されている。
【０００５】
以下、ＡＷＧ１１の機能の概略を入力光の流れに沿って説明する。ＡＷＧ１１には入力ファイバ１７が接続され、波長多重光１８が入力導波路１２中のある１本に入射される。入力導波路１２に入射された波長多重光１８は入力側スラブ導波路１３において回折により広がり、アレイ導波路回折格子１４を構成する多数の導波路を同位相で励振する。アレイ導波路回折格子１４の個々の導波路は相互に結合しないように離されて配置され、その長さが一定値ずつ異なるようになっているため、アレイ導波路回折格子１４を伝搬後の各導波路の出力端における光の位相が一定量ずつずれることになる。この後、位相差が生じた光は、出力側スラブ導波路１５において、この位相のずれを加味して同位相条件が成立する特定の方向に回折する。ここで、この回折角は波長に依存するため、波長ごとに異なる出力導波路１６に結合する。結果的に、入力導波路１２に入射された波長多重光１８は波長ごとに分波されて出力導波路１６に接続する出力ファイバ１９から取り出される（分波された光２０を参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図４に示す従来の構造の光導波路１によりＡＷＧ１１を作製した場合、入力光の偏光状態によってデバイス特性が変化する問題がある。図６はその典型的な例を示したものであり、複数ある出力導波路１６の内の一つの導波路について、入力光の電界の振動方向が基板２に対して水平の場合（以下、「ＴＥモード」という）と垂直の場合（以下、「ＴＭモード」という）とにおける透過率の波長依存性を測定した結果である。なお、ここで透過率とは入力光の量と出力光の量との比をいう。
【０００７】
図６によれば、ＴＥモードとＴＭモードとでピーク波長がずれていることが分かる。これは、導波路コア４が複屈折を有し、前記各モードに対する導波路コア４の屈折率がそれぞれ異なるためである。すなわち、ピーク波長λは、導波路コア４の屈折率ｎとアレイ導波路回折格子１４における隣接導波路同士の長さの差△Ｌ及び回折次数ｍを用いλ＝ｎ△Ｌ／ｍで表される。ここで、ＴＥモードとＴＭモードに対する導波路コア４の屈折率ｎが異なる結果、ピーク波長が各モードにより異なる。
【０００８】
複屈折の原因は、基板２及び導波路コア４等の熱膨張係数の違いにより生じる応力であることが知られている。例えば基板２にシリコン、導波路コア４に石英ガラスを用いた場合、シリコンの方が石英ガラスよりも熱膨張係数が大きいため、熱変化に伴い基板２の体積の方が大きく変化する。光導波路を構成する各層の境界面と平行な方向を水平方向ｆとすると、導波路形成工程における加熱処理後の冷却の際、基板２が導波路コア４よりも収縮度が大きいため、導波路コア４に水平方向ｆの圧縮応力がかかる。この応力により生じる導波路コア４の圧縮ひずみが、複屈折の原因となっている。
【０００９】
導波路コア４に複屈折を生じさせない方法として、上記材料を例にすると、添加剤を加えた石英ガラスを用いて導波路コア４を形成する方法がある。これは、添加剤により導波路コア４の熱膨張係数を変化させることで、導波路コア４の熱膨張係数をシリコンの基板２に一致させるという方法である。しかし、添加剤により熱膨張係数のみならず屈折率も変化するため、それを補正するための別の添加剤を入れる必要がある。その結果、過剰な添加剤の使用により石英ガラスの耐湿性が劣化したり、添加剤濃度のばらつきにより複屈折が発生してしまう場合もあり、実用的でない。
【００１０】
また、特許第２６１４３６５号に記載されているように、複屈折を解消する代わりに、アレイ導波路回折格子の中央に半波長板を挿入し偏光角を９０度回転することでピーク波長の偏光依存性を解消する方法も提案されている。しかし、この方法では、導波路を横切る溝を形成し、そこに薄片状の半波長板を挿入するという複雑な形成工程が必要となる。また導波路が溝で分断されるため光の損失を受けるなどの問題点がある。
【００１１】
本発明は上記状況に鑑みてなされたものであり、複雑な形成工程等を必要とせず、光の損失等の問題が改善された、偏光依存性のない光導波路デバイスを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する第１の発明に係る光導波路は、基板上に形成される下部クラッド層と、前記下部クラッド層の上に形成される導波路コアと、前記導波路コアを覆うようにして形成される上部クラッド層とを有する光導波路であって、前記基板、前記上部クラッド層及び前記導波路コアよりも低い熱膨張係数を有し、前記導波路コアに働く応力を抑制する応力調整膜を、前記導波路コアの上面と前記上部クラッド層の間に設けたことを特徴とする光導波路である。
【００１４】
なお、導波路コアの上面とは、導波路コアとそれを覆うように形成された上部クラッド層との間の、下部クラッド層と平行な面をいう。
【００１５】
また、第２の発明に係る光導波路は、第１の発明において、前記応力調整膜を、前記導波路コアの下面と前記下部クラッド層の間に設けたことを特徴とする光導波路である。すなわち、前記応力調整膜は、導波路コアの上面のみに設けられている場合と、上面と下面の両方に設けられる場合とがある。なお、導波路コアの下面とは、導波路コアと下部クラッド層の間の面をいう。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に基づき詳細に説明する。
図１は本発明の第１の実施例に係る光導波路の断面図である。図に示すように、光導波路１は、基板２の上に順に、下部クラッド層３、導波路コア４及び前記導波路コア４の上面にのみ応力調整膜６が設けられ、さらに上部クラッド層５が前記導波路コア４及び応力調整膜６を覆うように下部クラッド層３の上に設けられている。
【００１７】
また、前述した各部材の材質及び大きさについては、基板２は厚さ１ｍｍのシリコン、下部クラッド層３は厚さ１５μｍの石英ガラス、導波路コア４はゲルマニウムが添加された厚さ及び幅が６μｍの石英ガラス、応力調整膜６は厚さ４μｍの石英ガラス、上部クラッド層５はホウ素及びリンが添加された石英ガラスからなる。
ここで、応力調整膜６を形成する石英ガラスは、基板２、上部クラッド層５及び導波路コア４よりも熱膨張係数が小さく、熱変化に伴う膨張及び収縮が少なくなっている。なお上部クラッド層５の屈折率は、下部クラッド層３の屈折率と同じになるように、添加剤のホウ素及びリンの量によって調整されている。また、導波路コア４と各クラッド層（３及び５）との比屈折率差は０．７５％である。
【００１８】
本発明の効果を確認するため、第１の実施例に係る光導波路でＡＷＧ（図５参照）を作製した。その作製工程は以下の通りであった。まず、１ｍｍのシリコン基板２の上に薄膜堆積装置により石英ガラスからなる厚さ１５μｍの下部クラッド層３を堆積させた。次に導波路コア４となるゲルマニウム添加の石英ガラスを同様の薄膜堆積装置により６μｍ堆積させ、その直後に応力調整膜６となる石英ガラスを４μｍ堆積させた。その後、フォトリソグラフィとドライエッチングにより、図５の光導波路パターンを形成した。ここで、導波路コア４及び応力調整膜６の厚みが６μｍ及び４μｍであるため、エッチング量は１０μｍとした。その後、薄膜堆積装置によりホウ素及びリンが添加された石英ガラスからなる上部クラッド層５を２０μｍ堆積させることにより、第１の実施例に係る光導波路を有するＡＷＧを作製した。なお、上記各堆積工程の中には加熱処理工程（膜質を安定化させるためのアニーリング及び透明度を上げるための高温処理等）が含まれる。
【００１９】
図３は上記方法で作製したＡＷＧにおいて、出力導波路１６のうちある一つの導波路の透過率の波長依存性を測定した結果である。前述した従来の光導波路の場合である図６の結果と異なり、入力光の偏光がＴＥモード及びＴＭモードのどちらの場合でもピーク波長は一致し、偏光依存性の無いことが確認された。また、他の出力導波路についても同様に各モードによるピーク波長の違いはなく、本実施例に係る光導波路を用いれば偏光依存性の解消が可能であることが分かる。
さらに、本実施例においては、光の損失が増加することもなく優れた特性を有するＡＷＧを作製することができた。
【００２０】
本発明に係る応力調整膜の作用については、前記加熱処理工程の後、室温に戻る際に導波路コア４に働く応力と共に、以下のように説明することができる。
光導波路を構成する各層の境界面と平行な方向を水平方向ｆとすると、冷却工程においては石英ガラスからなる導波路コア４よりも熱膨張係数の大きなシリコン基板２の収縮が大きいため、導波路コア４には水平方向ｆの圧縮応力が働く。この圧縮応力が複屈折の原因となるが、本発明においては、基板２、導波路コア４及び上部クラッド層５よりも熱膨張係数の小さい応力調整膜６を導波路コア４の上面に設けているため、応力調整膜６と導波路コア４の境界付近において導波路コア４に水平方向ｆの引っ張り応力を付与することができる。また、光導波路を構成する各層の境界面と垂直な方向について考えてみても、応力調整膜６は上部クラッド層５よりも収縮が小さいため、導波路コア４が垂直方向に圧迫される結果、導波路コア４には水平方向ｆの引っ張り応力が発生する。以上のように、応力調整膜６により付与された水平方向ｆの引っ張り応力と、シリコン基板２から受けていた水平方向ｆの圧縮応力とが相殺するため、複屈折が解消される。
【００２１】
図２は本発明の第２の実施例に係る光導波路の断面図である。第１の実施例と比較すると、導波路コア４の下面に第２の応力調整膜７を設けたことが特徴である。図に示すように、第２の実施例に係る光導波路１は、基板２の上に順に、下部クラッド層３、応力調整膜６及び第２の応力調整膜７により上面と下面を挟まれた導波路コア４が設けられ、さらに上部クラッド層５が前記導波路コア４及び応力調整膜６、７を覆うように下部クラッド層３の上に設けられている。
【００２２】
また、前述した各部材の材質及び大きさについては、基板２は厚さ１ｍｍのシリコン、下部クラッド層３は厚さ１５μｍの石英ガラス、導波路コア４はゲルマニウムが添加された厚さ及び幅が６μｍの石英ガラス、応力調整膜６、７は共に厚さ２μｍの石英ガラス、上部クラッド層５はホウ素及びリンが添加された石英ガラスからなる。
ここで、応力調整膜６、７を形成する石英ガラスは、基板２、上部クラッド層５及び導波路コア４よりも熱膨張係数が小さく、熱変化に伴う膨張及び収縮が少なくなっている。なお上部クラッド層５の屈折率は、下部クラッド層３の屈折率と同じになるように、添加剤のホウ素及びリンの量によって調整されている。また、導波路コア４と各クラッド層（３及び５）との比屈折率差は０．７５％である。
【００２３】
本発明の効果を確認するため、第２の実施例に係る光導波路でＡＷＧを作製した。その作製工程は以下の通りであった。まず、１ｍｍのシリコン基板２の上に薄膜堆積装置により石英ガラスからなる厚さ１５μｍの下部クラッド層３を堆積させた。次に、第２の応力調整膜７となる厚さ２μｍの石英ガラス、導波路コア４となる厚さ６μｍのゲルマニウム添加の石英ガラス、応力調整膜６となる厚さ２μｍの石英ガラスを同様の薄膜堆積装置により堆積させた。その後、フォトリソグラフィとドライエッチングにより、図５の光導波路パターンを形成した。ここで、第２の応力調整膜７、導波路コア４及び応力調整膜６の厚みがそれぞれ２μｍ、６μｍ及び２μｍであるため、エッチング量は１０μｍとした。その後、薄膜堆積装置によりホウ素及びリンが添加された石英ガラスからなる上部クラッド層５を２０μｍ堆積させることにより、第２の実施例に係る光導波路を有するＡＷＧを作製した。なお、上記各堆積工程の中には加熱処理工程（膜質を安定化させるためのアニーリング及び透明度を上げるための高温処理等）が含まれる。
【００２４】
上記作製したＡＷＧについても、透過率の波長依存性を測定した結果、入力光の偏光がＴＥモード及びＴＭモードのどちらの場合でもピーク波長は一致し、偏光依存性の無いことが確認された。また、他の出力導波路についても同様に各モードによるピーク波長の違いはなく、本発明に係る光導波路を用いれば偏光依存性の解消が可能であることが分かった。さらに、第１の実施例と同様に、光の損失が増加することもなく優れた特性を有するＡＷＧを作製することができた。
【００２５】
なお、下部クラッド層３が第２の応力調整膜７と同じ材質を使用する場合、応力調整膜７の厚さ分だけ通常より余分に下部クラッド層３を厚く堆積させておけば、改めて応力調整膜７を堆積させる必要はない。すなわち、下部クラッド層３を堆積させる際には、応力調整膜７の厚さ分だけ通常より厚く堆積させ、導波路パターン形成の際のエッチングを応力調整膜７の厚さ分だけ下部クラッド層３にまで及ぼせばよい。このように作製しても応力調整膜を導波路コア４の上下面に設けたときと同様の効果が得られる。
【００２６】
また、下部クラッド層３の形成には火炎加水分解堆積法、スパッタ法、真空蒸着法、化学気相堆積法等を利用した各種薄膜堆積装置を使用することが可能であるが、それ以外にもシリコン基板２の表面を酸化して石英ガラス層を形成できる高圧熱酸化装置を使用することもできる。
【００２７】
前述した二つの実施例では、基板２にはシリコン、クラッド層３及び５には石英系ガラス、導波路コア４にはゲルマニウムが添加された石英ガラス、応力調整膜６、７には石英ガラスを使用したが、本発明は前記材料に限定されるものではない。すなわち、熱膨張係数の比較的小さい応力調整膜を導波路コアに設けるという本発明の要点に鑑みれば、各部材同士の熱膨張係数の大小関係が同様であれば、異なる材料でも偏光依存性のない光デバイスを作製することができる。
【００２９】
また、本実施形態では、アレイ導波路回折格子型光合分光器（ＡＷＧ）１１に適用した例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、マッハツェンダー干渉計、リング共振器等の光の干渉を利用する導波路型光デバイスや、それらを複数集積した光回路にも適用することができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、基板上に形成される下部クラッド層と、前記下部クラッド層の上に形成される導波路コアと、前記導波路コアを覆うようにして形成される上部クラッド層とを有する光導波路において、少なくとも導波路コアの上面に応力調整膜を設けることにより、前記各部材の熱膨張係数の差に起因する導波路コアの歪みを抑制し複屈折の発現を防止する結果、入力光の偏光状態に依存しない導波路型光デバイスを容易に実現することができる。これにより、再現性良く、低コストで、波長分割多重通信用の光合分光器を始め様々な光デバイスを製造することが可能となり、光通信や光情報処理の分野に多大な貢献をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る光導波路の断面図である。
【図２】本発明の第２の実施例に係る光導波路の断面図である。
【図３】本発明に係る光導波路により作製したＡＷＧの出力特性図である。
【図４】従来の光導波路の一例の断面図である。
【図５】アレイ導波路回折格子型光合分波器（ＡＷＧ）の概略外観図である。
【図６】従来の光導波路により作製したＡＷＧの出力特性図である。
【符号の説明】
１光導波路
２基板
３下部クラッド層
４導波路コア
５上部クラッド層
６応力調整膜
７第２の応力調整膜
１１アレイ導波路回折格子型光合分波器（ＡＷＧ）
１２入力導波路
１３入力側スラブ導波路
１４アレイ導波路回折格子
１５出力側スラブ導波路
１６出力導波路
１７入力ファイバ
１８波長多重光
１９出力ファイバ
２０分波された光
ｆ水平方向

Claims

基板上に形成される下部クラッド層と、前記下部クラッド層の上に形成される導波路コアと、前記導波路コアを覆うようにして形成される上部クラッド層とを有する光導波路であって、前記基板、前記上部クラッド層及び前記導波路コアよりも低い熱膨張係数を有し、前記導波路コアに働く応力を抑制する応力調整膜を、前記導波路コアの上面と前記上部クラッド層の間に設けたことを特徴とする光導波路。
前記応力調整膜を、さらに前記導波路コアの下面と前記下部クラッド層の間に設けたことを特徴とする請求項１に記載の光導波路。