JPH0651145A

JPH0651145A - 光回路及びその製造方法

Info

Publication number: JPH0651145A
Application number: JP20788292A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Abe; 淳阿部; Yoshinori Hibino; 善典日比野; Yasuji Omori; 保治大森; Hiroaki Yamada; 裕朗山田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1992-08-04
Filing date: 1992-08-04
Publication date: 1994-02-25
Anticipated expiration: 2015-09-18
Also published as: JP3090293B2

Abstract

(57)【要約】【目的】光回路の屈折率及び複屈折を効果的かつ局所
的に調節し、生産性を向上させる。偏波制御機能を有す
る光回路を提供する。【構成】平面基板上に、光を伝搬する石英系ガラスを
素材として作成されたコア部と、該コア部の周りの屈折
率の低いクラッド部からなる光導波路を有する光回路に
おいて、前記導波路に可視又は紫外領域の光を照射して
当該導波路の複屈折値を所定値に設定した。また、前記
光導波路の一部がＭＺ干渉計回路を構成し、干渉計を構
成する少なくとも片方の導波路コア部に可視又は紫外線
領域の光を照射して当該導波路コア部の複屈折値を所定
値に設定した。また、基板上にクラッド層に埋没された
光伝搬作用をもつコア部を含む単一モード光導波路を形
成する工程と、前記単一モード光導波路に可視又は紫外
光レーザ光を照射して前記コア部の複屈折値を調整する
工程とを有する光回路の製造方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、基板上に光導波路を配
置した光回路及びその製造方法に関するものであり、詳
しくは、光導波路の複屈折性を調整することにより所望
の偏波依存性、あるいは偏波無依存性を持つ様に構成し
た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】石英系ガラス基板やシリコン基板上に形
成可能な石英系ガラス導波路は、損失が低い、安定性が
高い、加工性がよい、石英系ファイバとの整合性がよい
などの特徴があり、光合分波回路などの実用的な導波型
光部品を構成する上で非常に有用であるため、研究開発
が進められている。

【０００３】最近では、その特性を生かしてより高機能
高集積化した平面型光回路の製造が進められている。そ
の中で、光の位相を利用した光回路は、電子回路では実
現できにくい回路を可能にするため、重要性が高い。

【０００４】石英系光導波路では、シリコン基板上にア
ンダークラッド層堆積→コア層堆積→コアエッチング→
オーバークラッド堆積の製造プロセスによりコア・クラ
ッド構造が構成されるが、光の位相を利用した高機能高
集積化光回路では、光の位相は導波路の屈折率と伝搬長
に依存するので、製造上の微小な屈折率や導波路形状の
変動、及び導波路に加わる応力が素子特性に大きく影響
する。従って、高集積光回路において生産性を向上させ
るためには、製造上の微小な変動等を修正する必要があ
り、局所的に屈折率及び複屈折を制御した光回路が望ま
れてきた。

【０００５】このような平面型光回路を構成する重要な
要素部品である、ＭＺ（Ｍach-Ｚehnder）干渉計を一例
として挙げる。ＭＺ干渉計は、２つの方向性結合器とそ
の方向性結合器を結ぶ２本の導波路からなるものであ
り、光スイッチや光分波器を構成する上で欠かすことの
できない部品である。

【０００６】しかし、ＭＺ干渉計では、石英系光導波路
に限らず、わずかな屈折率や導波路形状の変動及び導波
路に加わる応力が素子特性に大きく影響する。

【０００７】いま、このＭＺ干渉計が光路長差Ｌ１を持
つとき、このＭＺ干渉計の出力強度は、入射光の周波数
ｆ（又は波長λ）に関して

【０００８】

【数１】

【０００９】を周期とする特性を有することが知られて
おり、この出力光強度の周期特性を利用して、光スイッ
チ、光周波数合分波器等として動作する光デバイスが実
現されている。

【００１０】しかし、導波路が有する複屈折は、光干渉
計の周期特性の位相に偏光方向によるずれをもたらし、
入射光の偏光方向を基板に水平（ＴＥ偏光）もしくは垂
直（ＴＭ偏光）のいずれか一方に予め調整しておかない
と、光スイッチ、光周波数合分波器としての動作特性に
著しい劣化を生じさせることになる。

【００１１】従って、ＭＺ干渉計を用いた光回路におい
て、生産性を向上させるためには、作製上の微小な変動
を修正する必要性があり、効果的な調節法が望まれてい
た。

【００１２】現在は、複屈折を局所的に微調整する方法
として、非晶質シリコン等の応力付与膜を適当な形状に
加工し、導波路の近傍につけ、複屈折を調整するかもし
くは、導波路近傍に、溝を彫り複屈折を調整することが
行われている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の方法は、導波路作製の工程数が増し、且つ煩雑である
という問題があった。

【００１４】本発明は、前記問題点を解決するためにな
されたものであり、本発明の目的は、屈折率及び複屈折
を効果的かつ局所的に調節し、生産性を向上させた光回
路を提供することにある。

【００１５】本発明の他の目的は、偏波制御機能を有す
る光回路を提供することにある。

【００１６】本発明の前記ならびにその他の目的及び新
規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明ら
かにする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の（１）の手段は、平面基板上に、光を伝搬
する石英系ガラスを素材として作成されたコア部と、該
コア部の周りの屈折率の低いクラッド部からなる光導波
路を有する光回路において、前記導波路に可視又は紫外
領域の光を照射して当該導波路の複屈折値を所定値に設
定したことを最も主要な特徴とする。

【００１８】本発明の（２）の手段は、前記光導波路に
紫外領域の光に敏感なドーパントを添加していることを
特徴とし、紫外線に敏感なドーパントとしてＧｅＯ₂を
用いる。

【００１９】本発明の（３）の手段は、前記光導波路の
一部がＭＺ干渉計回路を構成し、干渉計を構成する少な
くとも片方の導波路コア部に可視又は紫外線領域の光を
照射して当該導波路コア部の複屈折値を所定値に設定し
たことを特徴とする。

【００２０】本発明の（４）の手段である光回路の製造
方法は、基板上にクラッド層に埋没された光伝搬作用を
もつコア部を含む単一モード光導波路を形成する工程
と、前記単一モード光導波路に可視又は紫外光レーザ光
を照射して前記コア部の複屈折値を調整する工程とを有
することを特徴とする。

【００２１】

【作用】前述の手段の主要部は、石英系ガラス導波路に
より構成された導波型ＭＺ干渉計の製造法において、少
なくともＭＺ干渉計の片方の導波路に可視又は紫外領域
の光を照射することによってコアの複屈折を制御し、Ｍ
Ｚ干渉計等の偏波に依る位相、すなわち出力を調節する
ものである。

【００２２】導波路の屈折率制御に関し、類似の報告と
してＭａｌｏらによる光ファイバの屈折率の変化に関す
るものがある（B.Malo, et al., Opt. Lett. 15, 953，
1990）。それによれば、ＧｅＯ₂添加石英系光ファイバ
において紫外線照射によりコアの屈折率が３×１０~⁵だ
け変化することが観測されたと報告されている。

【００２３】シリコン基板上に形成された石英系光導波
路においても同様な光誘起屈折率変化Δｎが観測される
が、この時、導波路のＴＥ，ＴＭ方向に光を入射して測
定した屈折率変化をそれぞれΔｎ_TE，Δｎ_TMとすると、
Δｎ_TEとΔｎ_TMの大きさは異なっている。

【００２４】本発明は、この原理を用いることにより、
ＧｅＯ₂添加石英系ガラス導波路のＭＺ干渉計等の複屈
折を調節するものである。

【００２５】まず、ＧｅＯ₂添加石英系ガラス導波路の
ＭＺ干渉計の位相が調節できる原理を以下に説明する。

【００２６】図１は、ＧｅＯ₂添加石英系ガラス導波路
のＭＺ干渉計の位相が調節できる原理を説明するための
図であり、１ａ，１ｂは方向性結合器、２ａ，２ｂは２
つの方向性結合器を結ぶ導波路、１〜４はポートであ
る。ここでは、簡単のためＭＺ干渉計の２つの方向性結
合器を同一のものとし、方向性結合器の結合長をＬ₀と
する。そのとき、図１のＭＺ干渉計において片方の導波
路（２ａ）の長さΔＬ₁の部分において屈折率がΔｎ変
化したとする。このとき、波長λの光がこのＭＺ干渉計
のポート１に入射したとすると、ポート３と４からの出
力比Ｉ₄／（Ｉ₃＋Ｉ₄）は、次式で表される。

【００２７】

【数２】

【００２８】ここで、Ｌ_c（λ）は方向性結合器の完全
結合長である。式（２）から明らかなように、

【００２９】

【数３】

【００３０】を満たすときに、出力が反転する。波長
１.３μｍにおいて、Δｎが３×１０~⁵変化したとする
と、ΔＬ₁の値として３.３cmが得られる。従って、ＭＺ
干渉計を構成する導波路長が充分であれば、ＭＺ干渉計
の特性を調節することができる。

【００３１】ここで、コアの屈折率変化は、波長２４５
nmのＧｅＯ₂に関連した吸収に起因する。従って、屈折
率変化のために用いるレーザは、２４５nm付近に発振波
長を有するものであればよい。また、可視域に発振波長
を有するレーザも使用可能である。それは、可視域のレ
ーザでも２光子吸収により同様の変化を誘起するからで
ある。すなわち、本発明では、使用するレーザに関して
は、Ｈｅ-Ｃｄレーザ、Ｎ₂レーザ、各種エキシマレー
ザ、Ａｒイオンレーザ、Ｎｄ³⁺：ＹＡＧレーザ、アレキ
サンドライト（Ｃｒ³⁺：ＢｅＡｌ₂Ｏ₃）レーザの第２
次、３次、４次高調波、など紫外・可視領域の波長を有
するものであればよい。

【００３２】以上のような、光照射に起因する屈折率変
化Δｎは、照射光の偏光状態及び照射条件により、導波
路のＴＥ方向成分に関する屈折率変化Δｎ_TEとＴＭ方向
成分に関する屈折率変化Δｎ_TMが異なる。

【００３３】従って、紫外もしくは可視レーザ光の照射
強度、照射時間等を適当に取ることにより導波路が有す
る複屈折を調整することができる。

【００３４】なお、本発明は、紫外もしくは可視レーザ
光の照射を止めてもその効果は永続するものである。

【００３５】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００３６】（実施例１）本発明の実施例１では、石英
系光導波路においてエキシマレーザによりＭＺ干渉計の
特性を調節した。

【００３７】図２は、本実施例１において作製したＭＺ
干渉計光回路の構成図であって、１ｃ，１ｄは方向性結
合器、２ｃ，２ｄは導波路、３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは
光ファイバ、４ａはシリコン基板、５は遮蔽用の金属マ
スク、６はエキシマレーザ、７はミラー、８ａ，８ｂは
レンズである。

【００３８】図２のＭＺ干渉計は非対称型であり、導波
路２ｃが２ｄより長くなっている。このタイプのＭＺ干
渉計は、周波数又は波長分波器として動作するものであ
る。図２のＭＺ干渉計では２つの導波路２ｃ，２ｄの光
路長差ΔＬ₂を約１cmとし、周波数１０GHz間隔で入射光
を分波できるように設計した。

【００３９】まず、通常の方法でシリコン基板上にＧｅ
Ｏ₂添加石英系ガラス導波路型ＭＺ干渉計を作製した。
導波路のコアは矩形であり、サイズは７×７μｍであ
る。コアとクラッドの屈折率差は０.７５％とした。方
向性結合器１ｃと１ｄでは結合率が波長１.３μｍでほ
ぼ５０％になるようにした。

【００４０】作製したＭＺ干渉計に波長２４８nmのＫｒ
Ｆエキシマレーザを照射し、照射前後の特性変化を調べ
た。ＫｒＦエキシマレーザ光は、導波路上部より、図２
に示すように、金属マスクで覆われていない部分を照射
した。従って、エキシマレーザ光は、導波路２ｅの一部
分だけに屈折率変化を誘起することになる。ＫｒＦエキ
シマレーザの照射パワーは、１００mJ／cm²、パルス繰
り返し５０Hz、照射時間は２０minとした。

【００４１】ＭＺ干渉計の特性を調べるため、中心波長
１.３μｍの電流掃引型半導体レーザをファイバ３ｅか
ら光回路に導入した。本実施例１では、エキシマレーザ
の照射中にＭＺ干渉計の特性変化をモニターすることが
できた。

【００４２】図３に、２０分間照射後におけるファイバ
３ｃからの出力の波長依存性を照射前と比較して示す。
図３において、縦軸は挿入損失（Ｉnsertion loss）、
横軸は波長（Ｗavelength）である。

【００４３】ＫｒＦエキシマレーザ照射前では、ファイ
バ３ｃと３ｄからの出力光スペクトル特性が、図３に示
すように、ＴＥ偏光とＴＭ偏光では、異なっており、こ
のＭＺ干渉計は偏波依存性を有していた。

【００４４】照射後、図３に示すように、ＴＥ偏光とＴ
Ｍ偏光の光スペクトル特性が一致し、１.３μｍ付近の
信号光における偏波依存性をエキシマレーザ光照射によ
り解消することができた。

【００４５】以上の結果により、本実施例１によれば、
ＭＺ干渉計の複屈折が調節可能であることが確認され
た。

【００４６】なお、ＧｅＯ₂濃度に関しては、ＭＺ干渉
計の長さにより調節が可能であるから、特に制限するも
のではない。また、前記実施例１では、ドーパントとし
てＧｅＯ₂を用いたが、そのほかにＴｉＯ₂，Ｃｅ₂Ｏ₃な
ど紫外領域に吸収を有し、紫外線に敏感なドーパントと
して用いてもよい。

【００４７】（実施例２）本実施例２では、石英系ガラ
ス導波路により、ＭＺ干渉計光回路を構成し、ＫｒＦエ
キシマレーザ光を照射することにより、偏波分離光回路
を作製した。

【００４８】図４は、本実施例２の偏波分離光回路の製
造装置の構成概念図であって、１ｅ，１ｆは方向性結合
器、２ｅ，２ｆは導波路、３ｅ，３ｆ，３ｇ，３ｈは光
ファイバ、４ｂはシリコン基板、６はエキシマレーザ、
７はミラー、８ａ，８ｂはレンズである。

【００４９】まず、通常の方法でシリコン基板上にＧｅ
Ｏ₂添加石英系ガラス導波路型ＭＺ干渉計を作製した。
導波路のコアは矩形であり、サイズは７×７μｍであ
る。コアとクラッドの屈折率差は０.７５％とした。方
向性結合器１ｅと１ｆでは結合率が波長１.３μｍでほ
ぼ５０％になるようにした。

【００５０】本実施例２では、７のミラーと８ａ，８ｂ
のレンズを駆使することにより、導波路２ｅに局所的
に、エキシマレーザ光を照射し、導波路２ｅの複屈折を
調整し、光ファイバ３ｅからＴＥ偏波の光を入射したと
きには光ファイバ３ｈ、ＴＭ偏波の光を入射したときに
は光ファイバ３ｇから出力光が得られるようにした。

【００５１】図５は、光ファイバ３ｅから光を入射した
時の光ファイバ３ｈからの出力光の挿入損失（Ｉnserti
on loss）特性を示す。図５において、ＴＥ’、ＴＭ’
は照射後の光出力である。光ファイバ３ｈからの出力光
は所望の光周波数（相対光周波数：Ｒelative frequenc
y ：２４ＧＨz）において、ＴＥ偏波の光がＴＭ偏波の
光に比べ２０ｄＢ以上の強度で得られていることが示さ
れている。

【００５２】以上の説明からわかるように、本実施例２
によれば、このＭＺ干渉計光回路は、ＴＥ，ＴＭの偏波
分離機能を付加することができる。

【００５３】本発明は、光ファイバ３ｅ，３ｆ，３ｇ，
３ｈに偏波保持性を有する光ファイバを用いることを妨
げるものではない。

【００５４】以上、本発明を実施例に基づき具体的に説
明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではな
く、その要旨を逸脱しない範囲において変更し得ること
はいうまでもない。

【００５５】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれ
ば、従来の光回路の製造法の変更を必要とせずに効果的
かつ簡便に特性が調節された光回路を提供することがで
きる。また、本発明はすでに作製された光回路を対象と
して実施されるため規格外の出力特性の回路を所望の特
性にすることができ、光回路の生産性が向上する利点が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明するためのＭＺ干渉計光
回路の概略構成図、

【図２】本発明の実施例１で使用した光学系と導波路
の配置図、

【図３】本実施例１で使用した導波路の出力光波長ス
ペクトル特性を示す図、

【図４】本発明の実施例２で使用した光学系と導波路
の配置図、

【図５】本実施例２の相対光周波数ー挿入損失特性を
示す図。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ…方向性結合器、
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ…光導波路、３ａ，３ｂ，３
ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ，３ｇ，３ｈ…光ファイバ、４
ａ，４ｂ…導波路付きシリコン基板、５…レーザ光遮蔽
マスク、６…エキシマレーザ、７…ミラー、８ａ…レン
ズ、８ｂ…シリンドリカルレンズ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山田裕朗東京都千代田区内幸町一丁目１番６号日本電信電話株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平面基板上に、光を伝搬する石英系ガラ
スを素材として作成されたコア部と、該コア部の周りの
屈折率の低いクラッド部からなる光導波路を有する光回
路において、前記導波路に可視又は紫外領域の光を照射
して当該導波路の複屈折値を所定値に設定したことを特
徴とする光回路。
【請求項２】紫外領域の光に敏感なドーパントを、前
記光導波路に添加していることを特徴とする請求項１記
載の光回路。
【請求項３】紫外線に敏感なドーパントとしてＧｅＯ
₂を用いることを特徴とする請求項２記載の光回路。
【請求項４】前記光導波路の一部がＭＺ干渉計回路を
構成し、干渉計を構成する少なくとも片方の導波路コア
部に可視又は紫外線領域の光を照射して当該導波路コア
部の複屈折値を所定値に設定したことを特徴とする請求
項１乃至３のうちいずれか１項に記載の光回路。
【請求項５】基板上にクラッド層に埋没された光伝搬
作用をもつコア部を含む単一モード光導波路を形成する
工程と、前記単一モード光導波路に可視又は紫外光レー
ザ光を照射して前記コア部の複屈折値を調整する工程と
を有することを特徴とする光回路の製造方法。