JP5027031B2 - アレイ導波路回折格子型光合分波器 - Google Patents

Description

本発明は、波長合分波器の機能を果たすアレイ導波路回折格子型光合分波器に関し、特にアサーマル化（温度無依存化）を図ったアレイ導波路回折格子型光合分波器に関する。

波長合分波器（合波／分波）として重要な役割を担うＡＷＧ（Arrayed Waveguide Grating）では、石英系ガラスの屈折率の温度依存性のために、中心波長（透過中心波長）に温度依存性がある。石英系ガラスで作製されたＡＷＧの中心波長の温度依存性は、0.011nm/℃であり、Ｄ-ＷＤＭ（Dense-Wavelength Division Multiplexing）伝送システムで使用するためには、無視できない大きな値となっている。そのため、近年、多様化が進むＤ-ＷＤＭ伝送システムにおいて、ＡＷＧは、電源を必要としないアサーマル化（温度無依存化）が強く求められている。

従来、補償板を用いてアサーマル化を図ったアレイ導波路回折格子型光合分波器（アサーマルＡＷＧモジュール）が特許文献１に記載されている（図６参照）。図６に示すアレイ導波路回折格子型光合分波器１００は、入力導波路１０１と、入力導波路１０１に接続された入力スラブ導波路１０２と、出力導波路１０３と、出力導波路１０３に接続された出力スラブ導波路１０４と、入力スラブ導波路１０２と出力スラブ導波路１０４の間に接続されたアレイ導波路１０５とを備えている。このアレイ導波路回折格子型光合分波器１００では、入力スラブ導波路１０２部分で回路ごと切断されて、２つに分離された入力スラブ導波路１０２の一部１０２ａと入力導波路１０１を含む第１の部分と、入力スラブ導波路１０２の他部１０２ｂを含む第２の部分に２分割されている。これら２つの部分１０２ａ、１０２ｂが補償板１０６で接続されている。この構成により、例えば光が図６の矢印１１０で示すように入力され、矢印１１１で示すように出力される場合を考えると、温度が変化すると入力スラブ導波路１０２による集光位置は変化するが、その変化した位置に補償板１０６の伸縮によって入力スラブ導波路１０２の一部１０２ａを移動させることができる。このため、温度が変化しても、同一の入力導波路１１１から同一の波長の光を取り出すことができる。これがアサーマルＡＷＧの原理である。
特開２００６−２８４６３２号公報

ところで、図６に示す上記従来技術では、補償板１０６の長さに応じた補償板１０６の貼り付けスペースを基板１０７に設ける必要があるため、アレイ導波路回折格子型光合分波器１００のチップサイズが大きくなる傾向があり、１ウエハ当たりのチップ（ＡＷＧチップ）の取り数が制限されてしまう。これにより、製造コストが増大してしまうといった問題があった。また、アレイ導波路回折格子型光合分波器１００のチップサイズが大きくなると、アレイ導波路回折格子型光合分波器１００のＡＷＧチップに光ファイバアレイを接続し、パッケージングを行ってアレイ導波路回折格子型光合分波器モジュール（アサーマルＡＷＧモジュール）を作製すると、そのモジュールのパッケージサイズが大きくなってしまう。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、その目的は、透過中心波長の温度依存性を補償することができ、コストの低減と小型化を図れるアレイ導波路回折格子型光合分波器を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、基板上に形成されたアレイ導波路回折格子を有するアレイ導波路回折格子型光合分波器であって、前記アレイ導波路回折格子の輪郭に沿って曲線状に切断された外形を有し、前記アレイ導波路回折格子の２つのスラブ導波路の一方で、該一方のスラブ導波路の光軸に対して斜めに切断されて分割されたＡＷＧチップと、前記一方のスラブ導波路の一部と該一方のスラブ導波路の一部に接続された入力導波路を有する第１の部分と、前記アレイ導波路回折格子の前記第１の部分を除く部分とを接続する一つの補償板と、を備え、温度が変化すると前記補償板の伸縮によって、前記一方のスラブ導波路の一部が前記一方のスラブ導波路の他部に対して移動するように構成したことを特徴とする。

この構成によれば、温度が変化すると、一方のスラブ導波路による集光位置は変化するが、その変化した位置に補償板の伸縮によって、一方のスラブ導波路の一部を移動させることができる。このため、温度が変化しても、入力導波路或いは出力導波路から同一の波長の光を取り出すことができ、透過中心波長の温度依存性を補償することができる。

また、アレイ導波路回折格子の２つのスラブ導波路の一方で分割されたＡＷＧチップの第１の部分と該第１の部分を除く部分とを補償板で接続している。つまり、補償板は、アレイ導波路回折格子の輪郭に沿って曲線状に切断された外形（ブーメラン形状）を有するＡＷＧチップにできる空間内で、ＡＷＧチップの第１の部分と該第１の部分を除く部分を接続する。このため、補償板の貼り付けスペースを基板に設ける必要が無く、アレイ導波路回折格子型光合分波器のチップサイズが大きくならず、１ウエハ当たりのチップ（ＡＷＧチップ）の取り数を上記従来技術よりも多くすることができる。

上記課題を解決するために、請求項２に記載の発明は、基板上に形成されたアレイ導波路回折格子を有するアレイ導波路回折格子型光合分波器であって、前記アレイ導波路回折格子の輪郭に沿って曲線状に切断された外形を有するＡＷＧチップで、前記アレイ導波路回折格子の２つのスラブ導波路の一方で、該一方のスラブ導波路の光軸に対して斜めに切断されて、前記一方のスラブ導波路の一部と該一方のスラブ導波路の一部に接続された入力導波路を有する第１の部分と、前記一方のスラブ導波路の他部を有する第２の部分に２分割されたＡＷＧチップと、前記第１の部分と前記第２の部分を接続する補償板と、を備え、温度が変化すると前記補償板の伸縮によって、前記一方のスラブ導波路の一部が前記一方のスラブ導波路の他部に対して移動するように構成したことを特徴とする。

この構成によれば、温度が変化すると、一方のスラブ導波路による集光位置は変化するが、その変化した位置に補償板の伸縮によって、一方の入力スラブ導波路の一部を移動させることができる。このため、温度が変化しても、入力導波路或いは出力導波路から同一の波長の光を取り出すことができ、透過中心波長の温度依存性を補償することができる。

また、２つのスラブ導波路の一方で２分割されたＡＷＧチップの第１の部分と第２の部分を補償板で接続している。つまり、補償板は、アレイ導波路回折格子の輪郭に沿って曲線状に切断された外形（ブーメラン形状）を有するＡＷＧチップにできる空間内で、第１の部分と第２の部分を接続する。このため、補償板の貼り付けスペースを基板に設ける必要が無く、アレイ導波路回折格子型光合分波器のチップサイズが大きくならず、１ウエハ当たりのチップ（ＡＷＧチップ）の取り数を上記従来技術よりも多くすることができる。

請求項３に記載の発明は、前記補償板は、前記ＡＷＧチップの前記第１の部分の上面と、前記第２の部分のうち、前記第１の部分と間隔を置いて対向する部分の上面とに貼り付けられていることを特徴とする。

この構成によれば、補償板は、ＡＷＧチップの第１の部分の上面と、第２の部分のうち、第１の部分と間隔を置いて対向する部分の上面とに貼り付けられる。つまり、補償板は、ＡＷＧチップにできる空間内で、第１の部分と第２の部分を接続する。このため、補償板の貼り付けスペースを基板に設ける必要が無く、アレイ導波路回折格子型光合分波器のチップサイズが大きくならず、１ウエハ当たりのチップ（ＡＷＧチップ）の取り数を上記従来技術よりも多くすることができる。

請求項４に記載の発明は、前記補償板は長方形の金属板であり、該金属板の長辺が前記一方のスラブ導波路を前記第１の部分と前記第２の部分とに２分割する切断面と平行になるように、前記第１の部分の上面と前記第２の部分の上面とに貼り付けられていることを特徴とする。

この構成によれば、補償板の伸縮方向と、一方の入力スラブ導波路の一部を移動させる方向とが一致するので、透過中心波長の温度依存性を精度良く補償することができる。

請求項５に記載の発明は、前記補償板は、銅製或いは純アルミニウム（ＪＩＳ：Ａ1050）製の金属板であることを特徴とする。

本発明によれば、透過中心波長の温度依存性を補償することができ、コストの低減と小型化を図れるアレイ導波路回折格子型光合分波器を実現することができる。

次に、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づいて説明する。
（実施形態）
図１は本発明の一実施形態に係るアレイ導波路回折格子型光合分波器を示す平面図、図２はアレイ導波路回折格子型光合分波器の側面図である。図３は多数のアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）が形成された一つのウエハの一部を示す平面図、図４は図３に示すウエハから切断された一つのアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を示す平面図である。

図１および図２に示すように、アレイ導波路回折格子型光合分波器１は、アサーマル化（温度無依存化）を図ったアサーマルＡＷＧモジュールに用いるアレイ導波路回折格子型光合分波器である。このアレイ導波路回折格子型光合分波器１は、シリコン基板２上に一つのアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）３が形成されたＡＷＧチップ１０と、補償板２０とを備えている。

アレイ導波路回折格子３は、１本の入力導波路４と、入力導波路４に接続された入力スラブ導波路５と、複数本の出力導波路６と、出力導波路６に接続された出力スラブ導波路７と、入力スラブ導波路５と出力スラブ導波路７の間に接続されたアレイ導波路８とを備えている。入力導波路４は１本以上の導波路を含む構成であっても良い。

入力導波路４の端部は、入力スラブ導波路５の入力側端面に接続されている。入力スラブ導波路５の出力側端面には、アレイ導波路８を構成する複数本の導波路の各一端部が接続されている。一方、複数本の出力導波路６の各端部は、出力スラブ導波路７の出力側端面に接続されている。出力スラブ導波路７の入力側端面には、アレイ導波路８を構成する複数本の導波路の各他端部が接続されている。

アレイ導波路回折格子３は、シリコン基板２上に、火炎堆積法（FHD法）、光ファイバ製造技術、および半導体微細加工技術を組み合わせてコアとクラッドからなる光導波路が作られた平面光波回路（PLC: Planer Lightwave Circuit)である。基板として、シリコン基板に代えて、石英基板を用いても良い。

ＡＷＧチップ１０は、アレイ導波路回折格子３の輪郭に沿って曲線状に切断された外形（ブーメラン形状）を有し、入力スラブ導波路５部分で、この入力スラブ導波路５の光軸（中心線）に対して斜めに切断されて、第１の部分１０ａと第２の部分１０ｂに２分割されたＡＷＧチップである。本実施形態では、入力スラブ導波路５は、その光軸に対して４５度の角度で切断されている。

図１に示す符号「９」は、第１の部分１０ａと第２の部分１０ｂに２分割されたＡＷＧチップ１０の切断面である。第１の部分１０ａは、入力スラブ導波路５の一部である分離スラブ導波路５ａとこの分離スラブ導波路５ａに接続された入力導波路４を有する。第２の部分１０ｂは、入力スラブ導波路５の他部である分離スラブ導波路５ｂ、アレイ導波路８、出力スラブ導波路７、および出力導波路６を有する。

補償板２０は、第１の部分１０ａと第２の部分１０ｂを接続する部材であり、分離スラブ導波路５ａがある第１の部分１０ａの上面と、第２の部分１０ｂのうち、第１の部分１０ａと間隔を置いて対向する部分の上面とに跨って配置されている。補償板２０の一端側は第１の部分１０ａの上面に、その他端部は第１の部分１０ａの上面にそれぞれ固定されている。例えば、補償板２０は、それらの上面に接着剤で貼り付けられている。補償板２０は、銅製或いは純アルミニウム（ＪＩＳ：Ａ1050）製の長方形の金属板である。

また、補償板２０は、その長辺が入力スラブ導波路５を２分割する切断面９と平行になるように、第１の部分１０ａの上面と第２の部分１０ｂの上面とに貼り付けられている。つまり、このアレイ導波路回折格子型光合分波器１では、入力スラブ導波路５は、貼り付けた補償板２０と平行に（入力スラブ導波路５の光軸に対して４５度の角度を保ち）、切断面９で切断されている。

図１に示すＡＷＧチップ１０を作製する際には、１ウエハ当たりのＡＷＧチップ１０の取り数を増やすために、図３に示すように、一つのウエハ（シリコン基板２）上に複数のアレイ導波路回折格子３を凝縮して形成するようにした。一つのウエハ上に形成された複数のアレイ導波路回折格子３は、レーザ加工機を用いて、各アレイ導波路回折格子３の輪郭に沿って、つまり、図３の切断線１２に沿って曲線状に切断される。この切断により出来たＡＷＧチップ１０が図４で示されている。このＡＷＧチップ１０は、ブーメランのような形状を有する。

このようにして、ＡＷＧチップ１０を作製した後、ＡＷＧチップ１０を、入力スラブ導波路５部分で、この入力スラブ導波路５の光軸に対して斜めに切断して、第１の部分１０ａと第２の部分１０ｂに２分割する。このとき、図４に示す一つのＡＷＧチップ１０を、ベースプレート（図示省略）に仮固定し、その後ＡＷＧチップ１０を、入力スラブ導波路５部分で切断する。

次に、２分割されたＡＷＧチップ１０に、補償板２０を接着剤で貼り付ける。
次に、上記ベースプレートをＡＷＧチップ１０から取り外す。

このようにして、図１に示すアレイ導波路回折格子型光合分波器１のＡＷＧチップ１０が作製される。

次に、アレイ導波路回折格子型光合分波器１の動作を説明する。
合波（MUX）に用いる場合：
光が図１の矢印１３で示すように入力され、矢印１４で示すように出力される場合を説明する。つまり、アレイ導波路回折格子型光合分波器１を、波長の異なる複数の光信号（λ１〜λn）の各光信号を出力導波路６の各導波路から個別に入力し、これら複数の光信号を多重して入力導波路４から出力させる合波（MUX）に用いる場合を説明する。

この場合、温度が変化すると入力スラブ導波路５による集光位置（入力スラブ導波路５の分離スラブ導波路５ｂによる集光位置）は変化するが、その変化した位置に補償板２０の伸縮によって入力スラブ導波路５の分離スラブ導波路５ａを移動させることができる。このため、温度が変化しても、入力導波路４から同一の波長の光を取り出すことができる。つまり、入力された複数の光信号（λ１〜λn）とそれぞれ同一の波長（λ１〜λn）を有する複数の光信号が多重されて入力導波路４から出力される。

分波（DEMUX）に用いる場合：
次に、アレイ導波路回折格子型光合分波器１を、波長の異なる複数の光信号が多重された光信号（λ１〜λn）を波長ごとに分けて出力する分波（DEMUX）に用いる場合を説明する。この場合、波長の異なる複数の光信号が多重された光信号（λ１〜λn）が入力導波路４に入力される。

温度が変化すると出力スラブ導波路５による集光位置（入力スラブ導波路５の分離スラブ導波路５ａによる集光位置）は変化するが、その変化した位置に、補償板２０の伸縮によって入力スラブ導波路５の分離スラブ導波路５ｂを移動させることができる。このため、温度が変化しても、出力導波路６から同一の波長の光を取り出すことができる。つまり、入力された複数の光信号（λ１〜λn）とそれぞれ同一の波長（λ１〜λn）を有する複数の光信号（λ１〜λn）の各光信号が、出力導波路６の各導波路から個別に出力される。
[実施例]
実際に図３に示すような一つのウエハ（シリコン基板２）上に複数のアレイ導波路回折格子３を凝縮して配置したチップを作製した。その後、ＣＯ_２レーザを用いて、ウエハを図３に示す切断線１２に沿ってブーメラン形状にチップを切断した。切断された一つのＡＷＧチップ１０を図４に示している。その後、ＡＷＧチップ１０の２つのスラブ導波路の一方（入力スラブ導波路５）の部分で、ＡＷＧチップ１０を２分割した。

その後、ＡＷＧチップ１０に、補償板２０として純アルミニウム（ＪＩＳ：Ａ1050）製の長方形の金属板を接続させた。補償板２０を、図１に示すように、入力スラブ導波路５の光軸に対して４５度の角度でＡＷＧチップ１０に貼り付けた。これにより、図１に示すアレイ導波路回折格子型光合分波器１が出来る。

その後、図１に示すアレイ導波路回折格子型光合分波器１に、光ファイバアレイ（図示省略）を接続し、パッケージングを行い、アサーマルＡＷＧモジュールを作製した。

なお、補償板２０の長さは、下記の（式１）および表１に示すＡＷＧの回路パラメータにより算出しており、24.9ｍｍである。これは、補償板２０を、入力スラブ導波路５の光軸に対して４５度の角度でＡＷＧチップ１０に貼り付けたために、スラブ導波路を光軸に垂直に切断した図６に示す従来技術の補償板よりも√２倍長くなっている。

図５に実際に作製したアサーマルＡＷＧモジュールの温度特性のグラフを示す。−３０〜−７０度の温度範囲において、中心波長変動±0.015nmを実現しており、従来のものと比較して、同等の結果を得ることができた。

以上の構成を有する一実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

○温度が変化すると、入力スラブ導波路５による集光位置（入力スラブ導波路５の分離スラブ導波路５ｂによる集光位置）は変化するが、その変化した位置に補償板２０の伸縮によって入力スラブ導波路５の分離スラブ導波路５ａを移動させることができる。このため、温度が変化しても、入力導波路４から同一の波長の光を取り出すことができ、透過中心波長の温度依存性を補償することができる。

○入力スラブ導波路５部分で２分割されたＡＷＧチップ１０の第１の部分１０ａと第２の部分１０ｂを補償板２０で接続している。つまり、補償板２０は、アレイ導波路回折格子３の輪郭に沿って曲線状に切断された外形（ブーメラン形状）を有するＡＷＧチップ１０にできる空間３０（図１参照）内で、第１の部分１０ａと第２の部分１０ｂを接続する。このため、補償板２０の貼り付けスペースをシリコン基板２に設ける必要が無く、アレイ導波路回折格子型光合分波器のチップサイズ（ＡＷＧチップ１０のサイズ）が大きくならず、１ウエハ当たりのＡＷＧチップ１０の取り数を上記従来技術よりも多くすることができる。

○補償板２０は、ＡＷＧチップ１０の第１の部分１０ａの上面と、第２の部分１０ｂのうち、第１の部分１０ａと間隔を置いて対向する部分の上面とに貼り付けられる（図１参照）。つまり、補償板２０は、ＡＷＧチップ１０にできる空間３０内で、第１の部分１０ａと第２の部分１０ｂを接続する。このため、補償板２０の貼り付けスペースをシリコン基板２に設ける必要が無く、アレイ導波路回折格子型光合分波器のチップサイズが大きくならず、１ウエハ当たりのＡＷＧチップ１０の取り数を上記従来技術よりも多くすることができる。

○補償板２０は、その長辺が切断面９と平行になるように、第１の部分１０ａの上面と第２の部分１０ｂの上面とに貼り付けられている。この構成により、補償板２０の伸縮方向（図１で左右方向）と、入力スラブ導波路５の分離スラブ導波路５ａを移動させる方向とが一致するので、透過中心波長の温度依存性を精度良く補償することができる。

なお、本実施例では、ＣＯ_２レーザを用いてチップを切断したが、これに限ることなく、種々のレーザ若しくはウォータジェット等を用いてチップを切断しても良い。

また、本実施例では、光軸に対して４５度の角度で、スラブ導波路を切断し、補償板を貼り付けたが、これに限ることなく、ＡＷＧチップ１０上でのＡＷＧのレイアウトに依存して、スラブ導波路の切断角並びに補償板の長さを変えても良い。

また、チップを切断するのにダイシング装置を用いた場合、図６に示すライン１２０，１２１をカットする際には、カットを途中で止めるために必ずチップにはカットラインが残っていたが、レーザを用いた場合、ブーメラン形状にチップを切断するためにラインをフルカットすることができ、作製されたＡＷＧチップ１０では、衝撃及び振動などに対する機械特性がより向上するものと考えられる。

一実施形態に係るアレイ導波路回折格子型光合分波器を示す平面図。 一実施形態に係るアレイ導波路回折格子型光合分波器の側面図 多数のアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）が形成された一つのウエハの一部を示す平面図。 図３に示すウエハから切断された一つのアレイ導波路回折格子を示す平面図。 実際に作製したアサーマルＡＷＧモジュールの温度特性のグラフ。 アレイ導波路回折格子型光合分波器の従来技術を示す平面図。

符号の説明

１…アレイ導波路回折格子型光合分波器
２…シリコン基板
３…アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）
４…入力導波路
５…入力スラブ導波路
５ａ…分離スラブ導波路（入力スラブ導波路の一部）
５ｂ…分離スラブ導波路（入力スラブ導波路の他部）
６…出力導波路
７…出力スラブ導波路
８…アレイ導波路
１０…ＡＷＧチップ
１０ａ…第１の部分
１０ｂ…第２の部分
２０…補償板

Claims (3)

1. 基板上に形成されたアレイ導波路回折格子を有するアレイ導波路回折格子型光合分波器であって、
   前記アレイ導波路回折格子の輪郭に沿って曲線状に切断された外形を有するＡＷＧチップと、
   補償板と、を備え、
   前記ＡＷＧチップは、前記アレイ導波路回折格子の２つのスラブ導波路の一方のみが、該一方のスラブ導波路の光軸に対して斜めに切断されて、前記一方のスラブ導波路の一部と該一方のスラブ導波路の一部に接続された入力導波路を有する第１の部分と、前記一方のスラブ導波路の他部を有する第２の部分に２分割されており、
   前記一方のスラブ導波路を前記第１の部分と前記第２の部分とに２分割する切断面は、１本の直線からなり、
   前記補償板は長方形であり、前記補償板の長辺が前記切断面と平行であり、かつ長辺側の２つの端部が、前記第１の部分と、前記第２の部分のうち前記第１の部分と間隔を置いて対向する部分とに、それぞれ貼り付けられており、
   温度が変化すると前記補償板の伸縮によって、前記一方のスラブ導波路の一部が前記一方のスラブ導波路の他部に対して移動するように構成したことを特徴とするアレイ導波路回折格子型光合分波器。
2. 前記補償板は金属板であることを特徴とする請求項１に記載のアレイ導波路回折格子型光合分波器。
3. 前記補償板は、銅製或いは純アルミニウム（ＪＩＳ：Ａ1050）製の金属板であることを特徴とする請求項２に記載のアレイ導波路回折格子型光合分波器。
   

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