JP7846424B2 - 平面光波回路 - Google Patents

Description

本開示は、平面光波回路に関する。

光通信分野で発展してきた石英系の平面光波回路（Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ：以下、ＰＬＣという）はクラッドの内部にコアが埋め込まれた埋め込み型の導波路であり、ガラスの成膜技術や半導体微細加工技術を用いて製造される（例えば、非特許文献１参照）。このようなＰＬＣは、コアの形状によって、光の分岐、波長の合分波、光路のスイッチングなどの機能をワンチップで実現できるという特徴を有することから、光通信デバイス用の光回路として実用化が進んでいる。

また、近年では、ＰＬＣは光通信で用いる赤外光だけでなく、三原色（可視光の波長領域における、赤色、緑色、青色）に相当する波長の光を合波するＲＧＢカプラ（例えば、特許文献１参照）や、光格子時計の原子冷却に用いる光の合波回路など、可視光の波長領域の光も取り扱うようになっていきてる。これに伴い、ＰＬＣの入射端には、光通信でしばしば用いられるような光ファイバが光結合される構造だけでなく、レーザダイオード（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：以下、ＬＤという）が直接光結合される構造も増えている。

図１は、ＰＬＣ１１０にＬＤ１２０ａ－ｃを直接光結合した光デバイス１００の構造を概略的に示す上面図である。ここでは例として、光デバイス１００はＲＧＢカプラとして図示されている。光デバイス１００は、ＰＬＣ１１０の入射端側に設置されるコア１１１ａ－ｃの各々に、６４０ｎｍの波長（赤色に相当）を有する光を送出するＬＤ１２０ａ、５２０ｎｍの波長（緑色に相当）を有する光を送出するＬＤ１２０ｂ、及び、４５０ｎｍの波長（青色に相当）を有する光を送出するＬＤ１２０ｃが、それぞれ直接光結合された構造を有する。ＬＤ１２０ａ－ｃの各々からＰＬＣ１１０に対して入射された各波長を有する光は、ＰＬＣ１００に設置される分波器１１２ａ－ｃの各々において分岐される。分岐された各々の光の一方は、合波器１１３に入射され、各波長の光を合波した信号光がコア１１４を導波し、ＰＬＣ１１０の外部に直接出射される。一方、分岐されたもう一方の各々の波長を有する光は、コア１１５ａ－ｃの各々を導波し、モニタ光としてＰＬＣ１００の外部に直接出射される。

このような構成を有する光デバイス１００では、コア１１１ａ－ｃとＬＤ１２０ａ－ｃとの結合部において、モードフィールド径のミスマッチ等により発生する非結合光等がクラッド内をさまよう迷光となり、当該迷光がクロストーク成分となって信号光を劣化させるという問題が生じ得る。このような問題は、光ファイバを結合したＰＬＣデバイスでも生じ得るが、光デバイス１００のような、ＰＬＣにＬＤを直接光結合させ、ＰＬＣからの直接出射を利用するような光デバイスでは、空間フィルタとしての役割を果たす光ファイバが無いため、より深刻な問題となる。

このような迷光による信号光の劣化を抑制する技術として、従来までに、いくつかの技術が提案されている。例えば、ＰＬＣのクラッドに遮光溝を形成し、ガラスと空気の界面における反射を利用して、迷光が出射端近傍に入射することを抑制する技術が知られている。しかしながら、このような遮光溝は、迷光の進行方向を変えることが主目的であるため、迷光自体を抑制するわけではない。このため、クラッド外部に放射された迷光がパッケージ化するための筐体の内壁等で反射し、出射端近傍に入射することによって信号光の劣化が生じ得る。加えて、遮光溝側面の表面粗さによっては、一部の迷光は想定外の方向に散乱されるという問題も生じ得る。

別の例として、クラッドに形成した遮光溝に遮光材を充填し、当該遮光材に入射した光を吸収させる技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。遮光材は、例えば、カーボンブラック（ナノからサブナノサイズの炭素粒子）を混ぜ込んだシリコーン樹脂等であり得る。この技術は、上述の遮光溝のみの場合とは異なり、遮光材が迷光を吸収するため、反射や散乱により迷光が出射端近傍へ入射することを、効率的に抑制することができる。しかしながら、遮光材の充填は、大きな製造への負荷（工期の長期化等）の要因となる。また、光デバイス１００のようなＲＧＢカプラ等、パッケージ化されることを前提とした光デバイスでは、アウトガスの観点から適用が困難である。

さらに別の例として、ＰＬＣのクラッドの表面に金属膜を形成し、当該金属膜に迷光を吸収させる技術が知られている（例えば、特許文献３参照）。しかしながら、ＰＬＣのガラス部分と金属膜界面では、迷光のほとんどは反射されるため、高い吸収効率は望めない。

ＰＬＣを導波する信号光が通信波長の光である場合、Ｓｉ基板の電気比抵抗を０．１Ωｃｍ以下にし、基板側に迷光を吸収させるという方法も知られている。しかしながら、光デバイス１００のような可視光の波長領域の光は、ほとんど吸収されないため、迷光成分は、そのほとんどが外部に放射されることとなり、パッケージ化するための筐体の内壁等における反射により、出射端近傍に入射し得る。

このように、ＰＬＣを使用した光デバイス、とりわけ、光デバイス１００のようなＲＧＢカプラでは、迷光による信号光の劣化を効率的に抑制する方法が確立されていないという課題がある。

特開２００６－１７８３９５号公報 国際公開第２０１１／０６５０１４号 特開平１１－２４８９５４号公報 特開２００２－３５０６１０号公報

A. Himeno, et al., "Silica-Based Planar Lightwave Circuits" J. Sel. Top. Q.E., vol.4, pp.913-924 (1998)

本開示は、上記のような課題に対して鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、迷光による信号光の劣化を抑制することが可能な平面光波回路を提供することである。

上記のような課題に対し、本開示では、平面光波回路であって、基板と、基板上に形成され、厚さが２５μｍ以下であるクラッドと、クラッド内に埋め込まれた１つまたは複数のコアと、クラッド上に形成され、吸収型のＮＤフィルタである第１の吸収層と、を含む平面光波回路を提供する。

ＰＬＣ１１０にＬＤ１２０ａ－ｃを直接光接続した光デバイス１００の構造を概略的に示す上面図である。 本開示の第１の実施形態におけるＰＬＣ２００の構造を概略的に示す断面図である。 クラッド２０２の厚さと、クラッド２０２内を伝搬する光の減衰率との関係を示した表である。 本開示の第２の実施形態におけるＰＬＣ４００の構造を概略的に示す断面図である。 本開示の第２の実施形態におけるＰＬＣ４００において、遮光溝４０１及び吸収層４０２が形成される位置を例示する上面図である。 本開示の第３の実施形態におけるＰＬＣ６００の構造を概略的に示す断面図である。 本開示の第２の実施形態におけるＰＬＣ６００において、散乱体６０１が形成される形成される位置を例示する上面図である。 本開示の第２の実施形態におけるＰＬＣ８００の構造を概略的に示す断面図である。

以下に、図面を参照しながら本開示の種々の実施形態について詳細に説明する。同一又は類似の参照符号は同一又は類似の要素を示し重複する説明を省略する場合がある。材料及び数値は例示を目的としており本開示の技術的範囲の限定を意図していない。以下の説明は、一例であって本開示の一実施形態の要旨を逸脱しない限り、一部の構成を省略若しくは変形し、又は追加の構成とともに実施することができる。

本開示によるＰＬＣは、導波路を構成するクラッド上に形成された吸収層を含む。この吸収層が迷光を吸収することにより、当該迷光による信号光の劣化を抑制することが可能となる。

吸収層は、吸収型のＮｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ（以下、ＮＤという）フィルタで
ある。一般に、吸収型のＮＤフィルタは、吸収層と誘電体層が交互に積層された構造を有し、積層方向に対して直行方向に入射した光に対して高い吸収率を示す（例えば、特許文献４参照）。一方、本開示によるＰＬＣは、吸収層の入射面に対して斜めに入射する光を効率的に吸収するように設定されている。これは、ＰＬＣにおいて生じた迷光が吸収層に入射する場合、入射面に対して斜めとなる頻度が高いことに起因する。

いくつかの例では、本開示によるＰＬＣは、吸収層及びクラッドに形成された遮光溝をさらに含み得る。この遮光溝の内側面には、少なくとも部分的に、吸収層が形成される。このような構成を有するＰＬＣは、吸収層の実効的な領域が増加するため、より効率的に迷光を吸収することが可能となる。また、迷光が遮光溝からクラッド外部に放射されることも抑制できるため、当該放射された迷光がパッケージ化するための筐体の内壁における反射等により、出射端近傍に入射されることも抑制できる。

さらに、いくつかの例では、本開示によるＰＬＣは、クラッド内をさまよう迷光を効率的に吸収層に入射、及び吸収させるための追加の構成要素を含み得る。当該構成要素は、クラッド内に形成された散乱体や、クラッド及び吸収層に形成された微細なピット（穴）であり得る。

以下に、本開示の種々の実施形態について、図面を参照して、詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図２は、本開示の第１の実施形態におけるＰＬＣ２００の構造を概略的に示す断面図である。図２に示される通り、本実施形態におけるＰＬＣ２００は、基板２０１と、基板上に形成されたクラッド２０２と、クラッド２０２の内部に埋め込まれたコア２０３と、クラッド２０２上に形成された吸収層２０４と、を含む。

吸収層２０４は、上述の通り、吸収型のＮＤフィルタであり、例えば、Ｓｉ及びＮｂが適用される吸収層と、ＳｉＯ₂及びＮｂ₂Ｏ₅が適用される誘電体層とが交互に積層された
多層膜であり得る。また、吸収層２０４の形成方法には、例えば、スパッタリング法が適用され得る。

クラッド２０２の厚さは２５μｍ以下に制御される。これは、上述した斜めに入射する迷光を効率的に吸収することを意図している。

図３は、クラッド２０２の厚さと、クラッド２０２内を伝搬する光の減衰率との関係を示した表である。図３における減衰率は、吸収層２０４を成膜したＰＬＣ２００に対し、カットバック法によって得られた三原色の波長（６４０ｎｍ、５２０ｎｍ、及び４５０ｎｍ）を有する各々の光の減衰率である。また、ここでは例として、クラッド２０２の厚さが１２μｍと２５μｍの場合の減衰率の比較結果が示されている。図３に示される通り、クラッド２０２の厚さが１２μｍの場合、三原色の波長を有する各々の光の減衰率は、それぞれ、－７．８２、－６．４５、－３．２６ｄＢ／ｍｍと高い値を示している。クラッド２０２の厚さの増加に伴い、この減衰率は低下し、クラッド２０２の厚さが２５μｍでは、－０．３９、－０．４２、－０．４９ｄＢ／ｍｍとなる。クラッド２０２の厚さがこれ以上厚くなると、吸収層２０４による効果的な吸収は期待できないと考えられることから、本実施形態におけるクラッド２０２の厚さは、２５μｍ以下に制御される。

このように構成されるＰＬＣ２００では、入射端における非結合光等に起因して発生する迷光が効率的に吸収層２０４に吸収される。そのため、迷光による信号光の劣化を抑制することが可能となる。

（第２の実施形態）
図４は、本開示の第２の実施形態におけるＰＬＣ４００の構造を概略的に示す断面図である。図４に示される通り、本実施形態におけるＰＬＣ４００は、図２に示されるＰＬＣ２００の構成に加え、クラッド２０２及び吸収層２０４に形成された遮光溝４０１と、当該遮光溝４０１の内側面に、少なくとも部分的に形成された吸収層４０２とをさらに含む。遮光溝４０１は、コア２０３を導波する信号光の影響を及ぼさない位置に形成される。また、図４に示される通り、遮光溝４０１の内側面には、少なくとも部分的に吸収層４０２が形成される。

ＰＬＣ２００において、遮光溝４０１及び吸収層４０２が形成される位置は、クラッド２０２とコア２０３との比屈折率差、コア２０３の幅、コア２０３の厚さ、導波する光の波長に応じて決定される。例えば、クラッド２０２とコア２０３との比屈折率差が１％、コア２０３の幅が２μｍ、コア２０３の厚さが２μｍ、導波する光の波長が６４０ｎｍだとすると、遮光溝４０１及び吸収層４０２が形成される位置は、コア２０３から５μｍ以上離れた位置であればよい。

吸収層４０２は、図２における吸収層２０４と同様に、吸収型のＮＤフィルタである。また、図４では、吸収層４０２は、遮光溝４０１の内側面の一部のみに形成されるように描写されているが、形成される範囲は、一部であっても全面であってもよい。

このような構成を有するＰＬＣ４００では、ＮＤフィルタが厚さ方向に対しても形成され、当該ＮＤフィルタが占有する領域が拡大されるため、迷光の実効的な吸収領域の増大に伴い、より効率的にクラッド２０２内の迷光を吸収することが可能となる。

加えて、遮光溝４０１の内側面にＮＤフィルタ（吸収層４０２）を形成することは、クラッド２０２内の迷光のクラッド外部への放射を抑制する効果も奏する。上述した従来技術のように、吸収層４０２を含まない遮光溝４０１のみ形成した場合、遮光溝４０１の内側面に対し、入射角が臨界角より大きい角度で迷光が入射した場合、この迷光は全反射されず、クラッド２０２の外部に放射される。この放射された迷光は、上述の通り、パッケージ化するための筐体の内壁における反射等により出射端近傍に入射し、結果として信号光の劣化を引き起こし得る。しかしながら、ＰＬＣ４００では、迷光がクラッドの外部に放射される前に吸収層４０２に吸収されるため、クラッド２０２の外部に放射された迷光に起因する信号光の劣化を抑制することが可能となる。

このような、クラッド２０２の外部に放射される迷光の影響を考慮すると、吸収層４０２を含む遮光溝４０１は、図５に示されるように、入射端において生成した非結合光（図５において、一点鎖線の矢印で描写）が直接的にＰＬＣ４００の側面から放射されることを抑制するという観点から、ＰＬＣ４００の入射側の端面と側面との間に形成されることが望ましい。

（第３の実施形態）
図６は、本開示の第３の実施形態におけるＰＬＣ６００の構造を概略的に示す断面図である。図６に示される通り、本実施形態におけるＰＬＣ６００は、図２に示されるＰＬＣ２００の構成に加え、クラッド２０２の内部に形成された複数の散乱体６０１をさらに含む。

散乱体６０１は、迷光を散乱させるという観点から、微小であり、且つ多数がクラッド２０２内に散在していることが望ましい。例えば、散乱体６０１の寸法は幅、厚さともに１０μｍ以下であり得る。また、散乱体の形状は、同様に迷光を散乱させるという観点から、多面体であることが望ましい。

散乱体６０１は、クラッド２０２と屈折率差を有し、且つ光を散乱させる効果を有する材料が適用される。例えば、散乱体６０１は、金属やクラッド２０２と屈折率差を有する誘電体が適用され得る。或いは、散乱体６０１は、コア２０３と同じ材料であってもよい。このような場合、散乱体６０１は、ＰＬＣ６００の光回路を形成するパターニングにおいて、散乱体６０１となる部分を残すように当該パターニングを行えばよい。

この散乱体６０１がクラッド２０２内に散在することにより、クラッド２０２内の迷光は散乱され、当該迷光は吸収層２０４により多く入射されることとなり、その結果、迷光は効率的に吸収層２０４に吸収される。このため、散乱体６０１を含むＰＬＣ６００では、効率的に迷光による信号光の劣化が抑制される。

散乱体６０１は、ＰＬＣ４００における遮光溝４０１及び吸収層４０２と同様に、コア２０３を導波する光に対して影響を及ぼさない位置に形成される。当該位置は、クラッド２０２とコア２０３との比屈折率差、コア２０３の幅、コア２０３の厚さ、導波する光の波長に応じて決定される。

なお、ＰＬＣ６００が適用される光デバイスが、図１に示されるようなＲＧＢカプラである場合、迷光の密度が高くなる場所は、ＬＤ１２０ａ－ｃとコア１１１ａ－ｃとの光結合部近傍及び分波器１１２ａ－ｃの出射部近傍である。したがって、散乱体６０１は、ＲＧＢカプラに適用される場合、図７において破線で示されるように、ＬＤ１２０ａ－ｃとコア１１１ａ－ｃとの光結合部近傍及び分波器１１２ａ－ｃの出射部近傍に設置されることが望ましい。

さらに、合波器１１３には、信号光とは別に生成される、光デバイスの機能に関係のない不要な光を吸収、又は外部に放出するための、捨てポート７０１が設置され得る。このような場合、図７に示される通り、捨てポート７０１に散乱体６０１を設置することにより、当該不要な光の終端処理を代替させることも可能となる。

（第４の実施形態）
図８は、本開示の第２の実施形態におけるＰＬＣ８００の構造を概略的に示す断面図である。図８に示される通り、本実施形態におけるＰＬＣ８００は、図２に示されるＰＬＣ２００の構成に加え、クラッド２０２及び吸収層２０４に形成された複数のピット８０１をさらに含む。ピット８０１は、遮光溝４０１や散乱体６０１と同様に、コア２０３を導波する信号光の影響を及ぼさない位置に形成される。

ピット８０１が形成されることにより、図６に示される散乱体６０１と同様に、クラッド２０２内の迷光は散乱され、当該迷光は吸収層２０４より多く入射されることとなる。このような観点から、ピット８０１は、図４に示される遮光溝４０１とは異なり、微小であり、且つ多数がクラッド２０２に散在していることが望ましい。例えば、ピット８０１の穴径は、１０μｍ以下であり得る。

また、ピット８０１の形状は、迷光を散乱させるという観点から、クラッド２０２の深さ方向（厚さ方向であって、上面から基板２０１との界面に向かう方向）に対して、徐々に穴径が小さくなるような形状であることが望ましい。例えば、ピット８０１の穴形状が円形である場合、ピット８０１の形状は、先端部分が基板２０１との界面に向いた円錐形状であることが望ましい。

このような構成を有するＰＬＣ８００では、ピット８０１によって散乱された迷光が、効率的に吸収層２０４に入射、及び吸収され、結果として信号光の劣化を抑制することが可能となる。

なお、ＰＬＣ８００が適用される光デバイスが、図１に示されるようなＲＧＢカプラである場合、ＰＬＣ６００と同様に、迷光の密度が高くなる場所は、ＬＤ１２０ａ－ｃとコア１１１ａ－ｃとの光結合部近傍及び分波器１１２ａ－ｃの出射部近傍である。したがって、ピット８０１は、ＲＧＢカプラに適用される場合、ＰＬＣ６００の散乱体６０１と同様に、ＬＤ１２０ａ－ｃとコア１１１ａ－ｃとの光結合部近傍及び分波器１１２ａ－ｃの出射部近傍に設置されることが望ましい。

加えて、ＰＬＣ６００と同様に、合波器１１３には、信号光とは別に生成される、光デバイスの機能に関係のない不要な光を吸収、又は外部に放出するための、捨てポート７０１が設置され得る。このような場合、図７における捨てポート７０１対応する位置にピット８０１を設置することにより、当該不要な光の終端処理を代替させることも可能となる。

以上述べた通り、本開示によるＰＬＣは、クラッド内をさまよう迷光及びクラッドの外部に放射される迷光を吸収層が効率的に吸収できるように構成されており、その結果、当該迷光による信号光の劣化を抑制することが可能である。このようなＰＬＣは、光通信システムで用いられる赤外光のみならず、ＲＧＢカプラ等の可視光の波長領域を扱う光デバイスへの適用が見込まれる。

Claims (8)

1. 平面光波回路であって、
   基板と、
   前記基板上に形成され、厚さが２５μｍ以下であるクラッドと、
   前記クラッド内に埋め込まれた１つまたは複数のコアと、
   前記クラッド上に形成され、吸収型のＮＤフィルタである第１の吸収層であって、前記吸収型のＮＤフィルタは、Ｓｉ及びＮｂが適用される層と、ＳｉＯ ₂ 及びＮｂ ₂ Ｏ ₅ が適用される層とが交互に積層された多層膜である、該第１の吸収層と、
   を備える、平面光波回路。
2. 前記クラッド及び前記吸収層に形成された遮光溝と、
   前記遮光溝の内側面の少なくとも一部に形成された、吸収型のＮＤフィルタである第２の吸収層と、
   を備える、請求項１に記載の平面光波回路。
3. 前記遮光溝及び前記第２の吸収層は、光が入射される入射側の端面の近傍に形成される、請求項２に記載の平面光波回路。
4. 前記クラッド内に散在し、前記１つまたは複数のコアを導波する信号光に対し影響を及ぼさない位置に形成された散乱体をさらに備える、請求項１に記載の平面光波回路。
5. 前記散乱体は、金属、誘電体、又は前記１つまたは複数のコアと同じ材料である、請求項４に記載の平面光波回路。
6. 前記１つまたは複数のコアは、複数のコアであり、
   前記平面光波回路は、
   前記複数のコアと接続された複数の分波器と、
   前記複数の分波器によって分岐された光を合波する合波器と、
   前記合波器で生成される不要な光を吸収する捨てポートと、
   をさらに備え、
   前記散乱体は、前記複数のコアの入射側の端面の近傍、前記複数の分波器の出射端の近傍、及び前記捨てポートに形成される、請求項４に記載の平面光波回路。
7. 前記吸収層の上面から前記クラッド内に至るまで形成され、前記１つまたは複数のコアを導波する信号光に対し影響を及ぼさない位置に形成される複数のピットをさらに備える、請求項１に記載の平面光波回路。
8. 前記１つまたは複数のコアは、複数のコアであり、
   前記平面光波回路は、
   前記複数のコアと接続された複数の分波器と、
   前記複数の分波器によって分岐された光を合波する合波器と、
   前記合波器で生成される不要な光を吸収する捨てポートと、
   をさらに備え、
   前記ピットは、前記複数のコアの入射側の端面の近傍、前記複数の分波器の出射端の近傍、及び前記捨てポートに形成される、請求項７に記載の平面光波回路。