JP4085638B2 - 平面導波路型光回路及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板と、基板上に形成された光導波路とを有して構成される平面導波路型光回路、及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高度情報化社会の到来による社会的ニーズから、光ファイバ伝送路に多波長の信号光を伝送させる波長多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）伝送システムの開発など、光伝送路網を利用した大容量高速通信や長距離通信に関する研究開発が盛んに行われている。また、このような光通信技術の進展と利用の拡大に伴い、平面導波路型光回路を用いた様々な光回路の開発が進められている。
【０００３】
平面導波路型光回路において、光が導波される光導波路の光路長を可変に制御する方法として、熱光学効果が用いられている。すなわち、光導波路に用いられる材料中での屈折率は、熱光学効果によって温度に依存して変化する。したがって、光導波路の温度を調整することによって屈折率を変化させれば、光導波路の実効的な光路長を可変に制御することができる。このような熱光学効果を用いた平面導波路型光回路は、例えば、マッハツェンダ干渉計型の光スイッチ（熱光学スイッチ）などに利用されている（文献１「郷隆司 他：ＮＴＴ Ｒ＆Ｄ Vol.50 No.4, pp.272-279 (2001)」を参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
熱光学効果を用いて光路長制御を行う上述の光回路では、平面導波路型光回路において光導波路の材料として通常用いられている石英ガラスの熱光学効果が小さいため、その消費電力が大きいという問題がある。
【０００５】
例えば、マッハツェンダ干渉計型の光スイッチでは、２つの方向性結合器間にある２本のアーム導波路の少なくとも一方にヒータなどの温度調整手段が設けられ、アーム導波路の温度を調整することによってアーム導波路間での実効的な光路長差を変化させて、光の分岐比を可変に制御する。
【０００６】
このような構成の光スイッチでは、アーム導波路の光路長制御によって光回路のスイッチ動作を実現するためには、アーム導波路間での光路長差を光の波長に対して半波長分変化させる必要がある。上記文献１に記載の熱光学スイッチによれば、このときの消費電力は０．３５〜０．５Ｗ程度であり、その消費電力は大きい。したがって、熱光学スイッチを光回路に複数集積した場合を考えると、光回路全体での消費電力は非常に大きい電力となる。また、このように消費電力が大きくなると、光回路からの発熱量も大きくなるので、熱に対して弱い発光素子や受光素子などの他の光学素子と、熱光学スイッチとを平面導波路型光回路に集積することが困難となる。
【０００７】
また、文献１には、シリコントレンチ付き断熱溝構造を用いて光路長制御に必要な消費電力を低減することが記載されているが、この構成でも、その消費電力は０．１３Ｗ程度と大きい。また、トレンチを形成する工程及び断熱溝を形成する工程が必要となるため、製造工程が複雑化する。
【０００８】
一方、マッハツェンダ干渉計型の光スイッチにおいて、アーム導波路の一部に熱光学効果による屈折率の温度依存性が石英ガラスよりも大きい材料を用いた構成が提案されている。例えば、特開２０００−２９０７９号公報（文献２）に記載された熱光学スイッチでは、アーム導波路の所定部位を横切る溝を形成し、この溝内に熱光学効果が大きい有機材料を充填している。また、特開２０００−６６２５２号公報（文献３）に記載された熱光学スイッチでは、アーム導波路の所定部分について、熱光学効果が大きいポリマーを材料としてクラッドを形成している。
【０００９】
しかしながら、このようにアーム導波路の一部で他の部分とは異なる材料を用いる構成では、通常の製造工程によって熱光学スイッチを作製した後、さらに、溝形成などの工程を行う必要があり、製造工程が複雑化するとともに、光スイッチの製造コストが高くなるという問題を生じる。このような問題は、光スイッチ以外の熱光学効果を用いた平面導波路型光回路においても同様である。
【００１０】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、熱光学効果を用いた光回路において、その消費電力が低減されるとともに、光回路の構成及び製造工程が簡単化される平面導波路型光回路、及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明による平面導波路型光回路の製造方法は、（ａ）基板上に、第１光導波路を構成する第１コア層、及び第２光導波路を構成する第２コア層を含み、第１コア層と第２コア層とが近接して方向性結合器として機能するコア近接部を有する導波路パターンによってコア層を形成するコア層形成工程と、（ｂ）基板上に、基板及びコア層を覆うとともに、コア近接部において第１コア層と第２コア層との間の所定部位が空洞部となるように、コア層よりも低い屈折率を有するクラッド層を形成することで、クラッド層の形成と同時に空洞部を形成するクラッド層形成工程と、（ｃ）空洞部内を、クラッド層よりも大きい屈折率の温度依存性を有する充填材料で充填する充填工程と、（ｄ）コア近接部に対して、コア近接部の温度を調整することが可能な温度調整手段を設置する設置工程とを備えることを特徴とする。
【００１５】
このように、熱光学効果による屈折率の温度依存性が大きい材料をコア近接部の空洞部に充填することにより、温度調整手段によるコア近接部での光導波路の屈折率及び光路長制御の効率を向上することができる。これにより、その消費電力及び光回路からの発熱量をさらに低減することが可能となる。また、クラッド層の形成と同時に空洞部を形成して、その空洞部に熱光学効果が大きい材料を充填する製造方法によれば、上記構成の光回路の製造工程を簡単化することができる。
【００１６】
コア近接部での空洞部に充填する熱光学効果が大きい充填材料としては、マッチングオイル、熱硬化樹脂、または紫外線硬化樹脂の少なくとも１つからなる材料を用いることが好ましい。これらの材料は、粘性が比較的低い材料であり、空洞部が狭い場合でも容易かつ良好に充填することができる。あるいは、これ以外の有機材料などの材料を用いても良い。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面とともに本発明による平面導波路型光回路、及びその製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１８】
図１は、本発明による平面導波路型光回路の一実施形態の構成を示す平面図である。また、図２は、図１に示した平面導波路型光回路の断面構造を示すＩ−Ｉ矢印断面図である。
【００１９】
平面導波路型光回路１は、基板１０と、基板１０上に所定の導波路パターンで形成された光導波路とからなる。光回路１の光導波路は、基板１０上に形成されたコア層と、基板１０上に基板１０及びコア層を覆うように形成されたクラッド層（オーバクラッド層）とから構成される。
【００２０】
本実施形態におけるコア層は、第１光導波路１１を構成する第１コア層２１、及び第２光導波路１２を構成する第２コア層２２を含む導波路パターンによって形成されている。第１光導波路１１及び第２光導波路１２の２本の光導波路は、図１に示すように、光伝送方向に対して入力側の端面１ａ（図中の左側の端面）と、入力端面１ａとは反対側で出力側の端面１ｂ（図中の右側の端面）との間にそれぞれ設けられている。
【００２１】
これらの第１光導波路１１、第２光導波路１２は、入力端面１ａ及び出力端面１ｂの間の所定部分が、第１コア層２１と第２コア層２２とが近接したコア近接部１３となる導波路パターンによって形成されている。このコア近接部１３は、本平面導波路型光回路１において方向性結合器として機能する光回路部分である。図２は、このコア近接部１３における光回路１の、光伝送方向に対して垂直な面での断面構造を示している。
【００２２】
基板１０上に形成された第１コア層２１及び第２コア層２２からなるコア層に対して、基板１０及びコア層を覆うようにクラッド層３０が形成されている。このクラッド層３０はコア層よりも低い屈折率を有しており、これによって、第１コア層２１及び第２コア層２２が、それぞれ第１光導波路１１及び第２光導波路１２として機能する。
【００２３】
図１及び図２に示した光回路１では、さらに、コア近接部１３において、第１コア層２１と第２コア層２２との間にあるクラッド層３０の所定部位に、空洞部３１が形成されている。そして、この空洞部３１には、クラッド層３０を構成している材料よりも熱光学効果による屈折率の温度依存性が大きい充填材料２５が充填されている。
【００２４】
また、クラッド層３０の上面側でコア近接部１３の上方に位置する面上には、ペルチェ素子４０が設置されている。このペルチェ素子４０は、第１コア層２１、第２コア層２２、及び空洞部３１に充填された充填材料２５を含むコア近接部１３を加熱または冷却して、その温度を調整する温度調整手段である。このペルチェ素子４０を用いてコア近接部１３の温度を調整することによって、光回路１での方向性結合器として機能するコア近接部１３において、第１光導波路１１と第２光導波路１２との間での光の分岐比が可変に制御される。
【００２５】
本実施形態による平面導波路型光回路の効果について説明する。
【００２６】
図１及び図２に示した平面導波路型光回路１においては、光導波路の温度を調整して熱光学効果によって屈折率を変化させる温度調整手段であるペルチェ素子４０を、２本の光導波路１１、１２が近接して方向性結合器として機能するコア近接部１３の光回路部分に対して設置している。
【００２７】
このような構成によれば、例えばマッハツェンダ干渉計型光回路でのアーム導波路などの通常の光導波路部分に対して温度調整手段を設ける構成に比べて、温度調整手段による光回路の加熱面積及び加熱個所数を小さくすることができる。また、光導波路の屈折率を制御することによる第１光導波路１１と第２光導波路１２との間での光の分岐比の可変制御を効率的に行うことができるので、その消費電力及び光回路からの発熱量を低減することが可能となる。同時に、コア近接部１３の温度を制御する構成により、光回路１の構成及び製造工程が簡単化されるので、その製造コストを低くすることができる。
【００２８】
また、方向性結合器が用いられているマッハツェンダ干渉計型光回路などの光回路では、一般に、その光学特性がコア幅の設計からのずれなどの製造誤差に対して敏感である。このため、このような光回路では、基板上に光導波路を作製した後に、光学特性を微調整するため、コア層に紫外レーザなどを照射して光導波路の光路長を調整する作業が必要となる場合がある。これに対して、本実施形態の平面導波路型光回路１によれば、方向性結合器であるコア近接部１３に対して設けられたペルチェ素子４０での温度調整によって光学特性を微調整することが可能である。したがって、光導波路を作製した後での光路長の調整工程が不要となる。
【００２９】
また、本実施形態の光回路１においては、コア近接部１３においてクラッド層３０に空洞部３１を形成し、空洞部３１内に充填材料２５を充填している。このように、熱光学効果が大きい材料２５を空洞部３１に充填することにより、温度調整手段によるコア近接部１３での光導波路の屈折率及び光路長制御の効率を向上することができる。これにより、その消費電力及び光回路からの発熱量をさらに低減することが可能となる。
【００３０】
ここで、コア近接部１３においてクラッド層３０の空洞部３１に充填する熱光学効果が大きい充填材料２５としては、その屈折率が光導波路の材料として用いられる石英ガラスの屈折率に近い（略等しい）材料を用いることが好ましい。具体的な材料としては、マッチングオイルを用いることができる。この場合のマッチングオイルには、例えば、屈折率ｎが石英ガラスに略等しく、かつ、熱光学効果の大きさを示す屈折率ｎの温度依存係数ｄｎ／ｄＴが石英ガラスよりも３０倍程度大きいものが用いられる。
【００３１】
マッチングオイルの具体的な例としては、波長５８９ｎｍの光に対する２５℃での屈折率がｎ＝１．４５８７、屈折率の温度依存係数がｄｎ／ｄＴ＝−０．０００４のマッチングオイルが挙げられる。
【００３２】
あるいは、マッチングオイル以外にも、屈折率の温度依存性が大きいポリマー材料でも良く、熱硬化樹脂または紫外線硬化樹脂を充填材料２５として用いても良い。
【００３３】
熱硬化樹脂の具体的な例としては、波長１５５０ｎｍの光に対する室温での屈折率がｎ＝１．４９５のエポキシ系熱硬化樹脂（ＮＴＴ−ＡＴ製）が挙げられる。この熱硬化樹脂は、樹脂を空洞部に充填した後、１００℃で２時間の加熱によって硬化させることができる。また、紫外線硬化樹脂の具体的な例としては、波長１５５０ｎｍの光に対する室温での屈折率がｎ＝１．４５５のＵＶ硬化樹脂（協立化学製）が挙げられる。このＵＶ硬化樹脂は、樹脂を空洞部に充填した後、ＵＶランプからの紫外光を照射することによって硬化させることができる。これらの熱硬化樹脂や紫外線硬化樹脂での屈折率の温度依存係数ｄｎ／ｄＴは、一般には石英ガラスの１０〜３０倍程度である。
【００３４】
マッチングオイル、熱硬化樹脂、紫外線硬化樹脂などの材料は、粘性が比較的低い材料であり、コア近接部１３に形成された空洞部３１が狭い場合でも容易かつ良好に充填することができる。また、熱硬化樹脂や紫外線硬化樹脂を用いた場合には、上記したように、粘性が低い状態で空洞部３１に充填した後に硬化させることが可能である。
【００３５】
また、上記以外で屈折率の温度依存性が大きい有機材料などの材料を充填材料２５として用いても良い。あるいは、このような充填材料２５を用いなくても光導波路の屈折率及び光路長を充分な範囲で可変に制御することが可能な場合には、コア近接部１３において、充填材料２５が充填された空洞部３１を設けない構成としても良い。
【００３６】
図３（ａ）〜（ｄ）は、図１に示した平面導波路型光回路の製造方法の一実施形態を概略的に示す工程図である。以下、図１〜図３を参照しつつ、平面導波路型光回路の製造方法について説明する。
【００３７】
まず、石英基板などの基板１０上に、プラズマＣＶＤ法などを用いてコア層となる光導波膜２０を形成する（図３（ａ））。そして、フォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などを用い、所定の導波路パターンによって光導波膜２０を加工して、第１コア層２１及び第２コア層２２からなるとともにコア近接部１３を有するコア層を形成する（図３（ｂ）、コア層形成工程）。
【００３８】
次に、基板１０上に、基板１０と、第１コア層２１及び第２コア層２２からなるコア層とを覆うように、コア層よりも低い屈折率を有するオーバクラッドとなるクラッド層３０を、プラズマＣＶＤ法などを用いて形成する（図３（ｃ）、クラッド層形成工程）。このとき、クラッド層３０の形成は、コア近接部１３において第１コア層２１と第２コア層２２との間の所定部位が空洞部３１として残るような条件で行う（文献４「田中啓之 他：信学技報 TECHNICAL REPORT OF IEICE., EMD97-55, pp.1-6 (1997-09)」を参照）。
【００３９】
続いて、コア近接部１３のクラッド層３０に形成された空洞部３１に対し、クラッド層３０よりも大きい屈折率の温度依存性を有するマッチングオイルなどの充填材料２５を空洞部３１内に充填する（図３（ｄ）、充填工程）。上記した空洞部３１は、その大部分で上面側が閉じているが、長手方向の両端では上面側に開いた状態で形成される。このため、空洞部３１近傍のクラッド層３０の上面に対してマッチングオイルを塗布するだけで、空洞部３１内にマッチングオイルが充填される。
【００４０】
そして、得られた平面導波路型光回路をペルチェ素子４０の上に載せることにより、コア近接部１３に対して温度調整手段であるペルチェ素子４０を設置する（設置工程）。以上により、図１及び図２に示した構成を有する平面導波路型光回路１が作製される。
【００４１】
上記した平面導波路型光回路１の製造方法においては、クラッド層３０の形成と同時に空洞部３１を形成した後、その空洞部３１に対して熱光学効果が大きい充填材料２５を充填している。このような製造方法によれば、通常の製造工程によって光回路を作製した後に溝形成の工程を行う方法などに比べて、光回路の製造工程を簡単化することができ、その製造コストを低くすることができる。
【００４２】
なお、平面導波路型光回路１の各製造工程に用いられる具体的な製造方法に関しては、適宜上記以外の方法を用いて良い。例えば、基板１０上でのコア層となる光導波膜２０の形成については、プラズマＣＶＤ法以外にも、ＦＨＤ法やスパッタ法などを用いても良い。
【００４３】
また、クラッド層３０の形成についても、同様に、プラズマＣＶＤ法以外にも、ＥＣＲプラズマや常圧などの他のＣＶＤ法やＦＨＤ法、スパッタ法などを用いても良い。ここで、プラズマＣＶＤ法以外のＣＶＤ法やスパッタ法を用いた場合でのクラッド層の空洞部については、その成膜レートや原料ガスの種類の選定などで形成条件を調整することによって、空洞部を形成することが可能である。また、ＦＨＤ法を用いた場合については、クラッド層へのＢ、Ｐの添加量を低めにし、炉の温度、焼結時に使用する基板搭載ジグの材質、昇温速度、ガス流量などの焼結条件を調整することによって、空洞部を形成することが可能である（文献５：特開平７−３１８７３４号公報を参照）。
【００４４】
また、光導波路を形成する基板１０としては、石英基板以外にもＳｉ（シリコン）基板などを用いても良い。ただし、シリコン基板を用いた場合には、最初に基板上にアンダークラッド層を形成し、アンダークラッド層上にコア層およびオーバクラッド層を形成することが好ましい。
【００４５】
また、コア近接部１３に対して設置する温度調整手段については、ペルチェ素子以外のものを用いても良い。例えば、クラッド層上にヒータを形成し、温度調整手段として用いる構成が可能である。この場合、コア近接部の空洞部内に充填した充填材料がヒータ形成工程中に揮散しないように、空洞部の両端を封止することが好ましい。
【００４６】
図１に示した平面導波路型光回路１は、上述したように、方向性結合器に対して設けられた温度調整手段によって光の分岐比を可変に制御可能な可変光分岐器として利用することができる。また、このような光回路１は、光伝送路を切り換える光スイッチとして利用することができる。
【００４７】
すなわち、図１に示すように、２本の光導波路１１、１２のそれぞれの端部について、第１光導波路１１の入力端面１ａ側の端部を入力ポート１６とするとともに、第２光導波路１２の出力端面１ｂ側の端部を第１出力ポート１７、第１光導波路１１の出力端面１ｂ側の端部を第２出力ポート１８とする。そして、コア近接部１３に対して設けられたペルチェ素子４０によってコア近接部１３の温度を調整すれば、入力ポート１６から入力された光について、第２光導波路１２の第１出力ポート１７、及び第１光導波路１１の第２出力ポート１８への光の分岐比を可変に制御することが可能となる。また、これを利用すれば、光回路１を光スイッチとして動作させることができる。
【００４８】
図４は、第１出力ポート及び第２出力ポートでの出力光パワーの温度依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸はペルチェ素子４０によって調整されるコア近接部１３の温度（℃）、縦軸は出力光パワーを示している。また、実線のグラフは、第１出力ポート１７からの出力光パワーの温度依存性を示し、点線のグラフは、第２出力ポート１８からの出力光パワーの温度依存性を示している。なお、図示している出力光パワーは、適当に規格化されたものである。
【００４９】
また、光スイッチとしては、図１に示した構成を有する平面導波路型光回路を用いた。その具体的な構成については、コア層の屈折率を１．４５４、クラッド層の屈折率を１．４４４、コアサイズを６×６μｍ、コア近接部での２つのコア間の間隔を７μｍ、コア近接部の長さを２００μｍ、コア近接部の２つのコア間でのマッチングオイルの充填幅を５．５μｍ、充填長を８００μｍとした。
【００５０】
図４のグラフに示すように、図１に示した構成の光回路１によれば、ペルチェ素子４０を用いてコア近接部１３の温度を１５℃から３５℃とわずか２０℃程度変化させることにより、光回路１の入力ポート１６から入力された光に対する出力ポートが、第１出力ポート１７から第２出力ポート１８へと切り換えられている。したがって、このような光回路を利用すれば、消費電力が極めて小さく、かつ、応答速度が速い可変光分岐器や光スイッチなどの光回路を実現することができる。
【００５１】
本発明による平面導波路型光回路、及びその製造方法は、上述した実施形態に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、平面導波路型光回路の構成については、図１に示した光回路以外にも、マッハツェンダ干渉計型光回路での方向性結合器の光回路部分など、様々な光回路において上述した構成を適用することが可能である。
【００５２】
【発明の効果】
本発明による平面導波路型光回路、及びその製造方法は、以上詳細に説明したように、次のような効果を得る。すなわち、光導波路の温度を調整して熱光学効果によって屈折率を変化させる温度調整手段を、２本の光導波路が近接して方向性結合器として機能するコア近接部に対して設置した平面導波路型光回路によれば、温度調整手段による光回路の加熱面積及び加熱個所数を小さくすることができ、その消費電力及び光回路からの発熱量を低減することが可能となる。同時に、光回路の構成及び製造工程が簡単化されるので、その製造コストを低くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】平面導波路型光回路の一実施形態の構成を示す平面図である。
【図２】図１に示した平面導波路型光回路の断面構造を示すＩ−Ｉ矢印断面図である。
【図３】図１に示した平面導波路型光回路の製造方法を概略的に示す工程図である。
【図４】第１出力ポート及び第２出力ポートでの出力光パワーの温度依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
１…平面導波路型光回路、１ａ…入力端面、１ｂ…出力端面、１０…基板、１１…第１光導波路、１２…第２光導波路、１３…コア近接部、１６…入力ポート、１７…第１出力ポート、１８…第２出力ポート、２０…光導波膜、２１…第１コア層、２２…第２コア層、２５…充填材料、３０…クラッド層、３１…空洞部、４０…ペルチェ素子（温度調整手段）。

Claims (2)

1. 基板上に、第１光導波路を構成する第１コア層、及び第２光導波路を構成する第２コア層を含み、前記第１コア層と前記第２コア層とが近接して方向性結合器として機能するコア近接部を有する導波路パターンによってコア層を形成するコア層形成工程と、
   前記基板上に、前記基板及び前記コア層を覆うとともに、前記コア近接部において前記第１コア層と前記第２コア層との間の所定部位が空洞部となるように、前記コア層よりも低い屈折率を有するクラッド層を形成することで、前記クラッド層の形成と同時に前記空洞部を形成するクラッド層形成工程と、
   前記空洞部内を、前記クラッド層よりも大きい屈折率の温度依存性を有する充填材料で充填する充填工程と、
   前記コア近接部に対して、前記コア近接部の温度を調整することが可能な温度調整手段を設置する設置工程と
   を備えることを特徴とする平面導波路型光回路の製造方法。
2. 前記充填材料は、マッチングオイル、熱硬化樹脂、または紫外線硬化樹脂の少なくとも１つからなることを特徴とする請求項１記載の平面導波路型光回路の製造方法。

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