(57)【要約】【課題】  動作速度の速い導波路型光可変減衰器を提供する。【解決手段】  石英基板２１上に、入力導波路２４と出力導波路２５間に一対のチャネル導波路２８，２９を有するマッハツェンダ型光導波路２２を形成し、一方のチャネル導波路２８表面に薄膜ヒータ３１を設け、その薄膜ヒータ３１に通電して信号光を減衰させる導波路型光可変減衰器において、  一方或いは両方のチャネル導波路２８が基板に対して隆起して形成され、そのチャネル導波路の一側面３３ａにヒータ３１を設け、その他側面３４ａに熱伝導用膜３２を設けた。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
石英基板上に、コアと、コアの周囲を覆うクラッドとからなる光導波路を形成し、その光導波路の表面に加熱手段を設けた光回路において、
上記光導波路は、基板または基板上に形成される下部クラッド層に対して隆起して形成され、その光導波路の一側面に加熱手段を設け、他側面に熱伝導用膜を設けたことを特徴とする光回路。
【請求項２】
上記光導波路の一側面或いは両側面が傾斜している請求項１記載の光回路。
【請求項３】
上記熱伝導用膜は、金、銀、銅、アルミニウム、シリコン、ニッケルのいずれかで形成される請求項１または２記載の光回路。
【請求項４】
石英基板上に、入力導波路と出力導波路間に一対のチャネル導波路を有するマッハツェンダ型光導波路を形成し、一方のチャネル導波路上方に薄膜ヒータを設け、その薄膜ヒータに通電して信号光を減衰させる導波路型光可変減衰器において、
一方或いは両方のチャネル導波路が基板に対して隆起して形成され、そのチャネル導波路の一側面にヒータを設け、その他側面に熱伝導用膜を設けたことを特徴とする導波路型光可変減衰器。
【請求項５】
上記チャネル導波路の一側面或いは両側面が傾斜している請求項４記載の導波路型光可変減衰器。
【請求項６】
上記熱伝導用膜は、金、銀、銅、アルミニウム、シリコン、ニッケルのいずれかで形成される請求項４または５記載の導波路型光可変減衰器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路に加熱手段を設けた光回路に係り、特に、マッハツェンダ型導波路にヒータを設けた導波路型光可変減衰器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
コア埋込型光導波路とヒータ等の加熱手段を備えた光回路の一つに光可変減衰器がある。光通信で用いられる光可変減衰器は、ある強度Ｐinの光を任意の強度Ｐout（Ｐin＞Ｐout）に減衰させる機能を有するものである。
【０００３】
図６に従来の一般的な導波路型光可変減衰器を示す。図６に示すように、導波路型光可変減衰器８０は、基板上に形成された入力導波路８２と、出力導波路８３と、入力導波路８２及び出力導波路８３にそれぞれ接続される光カプラ部８４，８５と、それら光カプラ部８４，８５間に接続される一対のチャネル導波路８６，８７とで構成される対称マッハツェンダ型光導波路８８を備える。一方のチャネル導波路８６上方のクラッド表面には、金属膜のヒータ８９が設けられ、ヒータ８９には電力供給用の電源９０が接続されている。
【０００４】
入力側の光カプラ部８４は、入力導波路８２を伝送してきた光を分波し、分波した光を各チャネル導波路８６，８７にそれぞれ伝送する。また、出力側の光カプラ部８５は、各チャネル導波路８６，８７を伝送してきた光を合波し、合波した光を出力導波路８３に出射する。
【０００５】
ヒータ８９は、電源９０からの供給電力が大きいほどに高熱を発生し、その熱でチャネル導波路８６を温め、チャネル導波路８６の屈折率を変化させる。
【０００６】
このような構成によれば、一方のチャネル導波路８６を温めてチャネル導波路８６の屈折率を変化させることで、入力側の光カプラ部８４で分岐され、両チャネル導波路８６，８７を伝搬する信号光に位相差がつき、出力側の光カプラ部８５において干渉により信号光は減衰されて出力される。チャネル導波路８６の温度をヒータで制御すれば、チャネル導波路８６の屈折率、すなわち信号光の位相を制御でき、出力導波路８３を出射する光の減衰量を制御することができる。
【０００７】
また、従来の導波路型光可変減衰器の他の例として、導波路型光可変減衰器を２段連結したものがある。
【０００８】
図７に示すように、導波路型光可変減衰器９１は、前段の導波路型光可変減衰器９２と後段の導波路型光可変減衰器９３とが１／２波長板９４を介して連結して構成される。
【０００９】
各導波路型光可変減衰器９２，９３は、一対の光カプラ部９５，９６及びそれら光カプラ部９５，９６間に接続される一対のチャネル導波路９７，９８とで構成されるマッハツェンダ型導波路９９を備え、各チャネル導波路９７，９８上にそれぞれヒータ１００，１０１が形成されてなる。
【００１０】
前段の減衰器９２を出射し後段の減衰器９３に入射する信号光は、１／２波長板９４により、信号光の水平偏波が垂直偏波に変換され、垂直偏波が水平偏波に変換される。したがって、前段の導波路型光可変減衰器９２で発生した偏光依存性損失（ＰＤＬ）が、後段の導波路型光可変減衰器９３で相殺され、導波路型光可変減衰器９１ではＰＤＬを低減できるといった利点がある（特許文献１参照）。
【００１１】
【特許文献１】特開平１１−１３３３６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
図８に示すように、上述の導波路型光可変減衰器８０は、基板１０２、アンダークラッド１０３、コア８６、アッパークラッド８１、ヒータ８９の順に積層されてなり、コア及びクラッドを形成する材料としてＳｉＯ2 ガラスが用いられている。すなわち、ヒータ８９はチャネル導波路８６の上面に設けられると共に、ＳｉＯ2 ガラスの熱伝導率が低いため、ヒータ８９の熱がコア８６に伝わりにくく、動作速度が遅いといった欠点があった。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、コアの温度変化速度の速い光回路、及び動作速度の速い導波路型光可変減衰器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、石英基板上に、コアと、コアの周囲を覆うクラッドからなる光導波路を形成し、その光導波路の表面に加熱手段を設けた光回路において、上記光導波路は、基板または基板上に形成される下部クラッド層に対して隆起して形成され、その光導波路の一側面に加熱手段を設け、他側面に熱伝導用膜を設けた光回路である。
【００１５】
請求項２の発明は、上記光導波路の一側面或いは両側面が傾斜している請求項１記載の光回路である。
【００１６】
請求項３の発明は、上記熱伝導用膜は、金、銀、銅、アルミニウム、シリコン、ニッケルのいずれかで形成される請求項１または２記載の光回路である。
【００１７】
請求項４の発明は、石英基板上に、入力導波路と出力導波路間に一対のチャネル導波路を有するマッハツェンダ型光導波路を形成し、一方のチャネル導波路上方に薄膜ヒータを設け、その薄膜ヒータに通電して信号光を減衰させる導波路型光可変減衰器において、一方或いは両方のチャネル導波路が基板に対して隆起して形成され、そのチャネル導波路の一側面にヒータを設け、その他側面に熱伝導用膜を設けた導波路型光可変減衰器である。
【００１８】
請求項５の発明は、上記チャネル導波路の一側面或いは両側面が傾斜している請求項４記載の導波路型光可変減衰器である。
【００１９】
請求項６の発明は、上記熱伝導用膜は、金、銀、銅、アルミニウム、シリコン、ニッケルのいずれかで形成される請求項４または５記載の導波路型光可変減衰器である。
【００２０】
本発明者は種々の実験を行い、光導波路の温度をある目標値まで上昇させるために、より大きな消費電力、つまり、より大きな発熱を必要とするような物質をヒータと異なる位置に形成することにより、より高速な応答を実現できることを見出し本発明に至った。すなわち、ＳｉＯ2 ガラスよりも高い熱伝導率を有する材料で膜を形成し、放熱量を大きくすることにより高速応答を実現することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、動作速度を高速にできるといった優れた効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２３】
図１は本発明に係る光回路の好適な一実施の形態を示した断面図である。
【００２４】
図１に示すように、光回路１０は、基板１１と、基板１１上に設けられる光導波路１２とを備える。光導波路１２は、断面が矩形状のコア１３と、コア１３を覆うクラッド１４とからなり、光導波路１２の側面１５，１６が形成されるように、基板１１に対して隆起して形成されている。基板１１及びクラッド１４は、純粋石英で形成され、コア１３は石英に添加物が添加された石英系材料で形成される。
【００２５】
本実施の形態の光回路１０では、光導波路１２の両側面１５，１６が傾斜しており、光導波路１２が所謂メサ形に形成されている。それらの両傾斜面１５，１６はコア１３に対して対称に傾斜し、光導波路１２の一側面１５には加熱手段１７が設けられ、他側面１６には熱伝導用膜１８が設けられている。光導波路１２の側面１５，１６は、基板１１に垂直に形成されてもよい。加熱手段１７としては、例えば、電源に接続された金属製の薄膜ヒータ等が挙げられる。熱伝導用膜１８は、熱伝導性の良い材料で形成され、その材料はクラッドの熱伝導率より高い熱伝導率を有する材料であればよく、金属であることが好ましい。より好ましくは、金、銀、銅、アルミニウム、シリコン、ニッケルのいずれかで形成されるのがよい。
【００２６】
本実施の形態の光回路の作用について説明する。
【００２７】
図５に示すように、加熱手段１７が熱を発すると、熱伝導用膜１８は加熱手段１７の近傍に設けられていると共に、熱伝導用膜１８の熱伝導率がクラッドの熱伝導率より高いので、発生した熱の大半は熱伝導用膜１８へ伝導される。このとき、コア１３は、クラッド１４を介して加熱手段１７と熱伝導用膜１８間に設けられているので、加熱手段１７から熱伝導用膜１８へ伝導する熱はコアを加熱している状態になり、コアを効率よく加熱させることができる。
【００２８】
また、熱伝導用膜１８は、クラッド１４に比べて外気に放熱しやすいため、熱伝導用膜１８をコア１３の近傍に設けることで、加熱手段１７を停止または減熱させたときには、コアの熱は主に熱伝導用膜１８に伝導して放熱されやすい。
【００２９】
すなわち、従来の光回路における薄膜ヒータ→コア→基板といった熱の流れ（図８参照）を、本実施の形態の光回路１０では、コア１３の近傍に熱伝導用膜１８を設けることで光導波路１２を熱しやすく冷めやすい構造とし、薄膜ヒータ１７より発する熱が基板１１と平行方向に、薄膜ヒータ→コア→熱伝導用膜と流れるようにして、コア１３の加熱や放熱のスピードを速めたものである。
【００３０】
さらに、熱伝導用膜１８の膜厚を厚く形成して、その熱容量を大きくすることで、より大きな発熱を促進させる（薄膜ヒータの消費電力を上げる）ようになり、コア１３の加熱、放熱速度をより高速にすることができる。
【００３１】
このように、本実施の形態の光回路１０では、コア１３の温度調節を高速に行うことができるので、熱光学効果によるコア１３の屈折率制御の高速応答を実現することができる。
【００３２】
本実施の形態の光回路１０は、コア１３の温度を制御して熱光学効果を利用する光回路を含む光学素子に適用することができる。
【００３３】
次に、導波路型光可変減衰器について説明する。
【００３４】
図２は本発明に係る導波路型光可変減衰器の好適な実施の形態を示した平面図であり、図３は図２の３Ａ−３Ａ線断面図である。
【００３５】
図２及び図３に示すように、導波路型光可変減衰器２０は、基板２１と、基板２１上に設けられる光導波路２２と、その表面に設けられる薄膜ヒータ３１及び熱伝導用膜３２とを有する。光導波路２２は、断面が矩形状のコアと、そのコアを覆うクラッドからなり、例えば図３中では、チャネル導波路２８，２９はそれぞれコア２８ａ，２９ａと、クラッド２８ｂ，２９ｂとからなる。光導波路２２は、入力導波路２４と出力導波路２５と、それらの間に光カプラ部２６，２７を介して接続された一対のチャネル導波路２８，２９とからなるマッハツェンダ型光導波路を構成している。
【００３６】
基板１１及びクラッド１４は、純粋石英で形成され、コア１３は石英に添加物が添加された石英系材料で形成される。
【００３７】
本実施の形態では、光カプラ部２６，２７としてＹ分岐導波路を形成したが、方向性結合器型３ｄＢカプラや多モード干渉型３ｄＢカプラを形成してもよい。
【００３８】
さて、導波路型光可変減衰器２０は、チャネル導波路２８を伝搬する信号光の位相を制御する位相制御部２３を上述の光回路１０で構成したことに特徴がある。すなわち、位相制御部２３として、少なくとも一方のチャネル導波路２８が基板２１に対して隆起して形成され、そのチャネル導波路２８の一側面３３ａに加熱手段である薄膜ヒータ３１が設けられ、他側面３４ａに熱伝導用膜３２が設けられている。
【００３９】
具体的には、一対のチャネル導波路２８，２９の両側にそれぞれ溝３３，３４，３５を形成して、溝の底面に対してチャネル導波路２８，２９が隆起している構造となっている。両チャネル導波路２８，２９の両側に溝を形成したのは、両チャネル導波路２８，２９の構造を等しくして、導波路構造に起因する特性の差を排除するためである。
【００４０】
溝３３，３４，３５の長さ（チャネル導波路長手方向）は、いずれも同じ長さに形成され、溝の側壁の傾斜角も等しく形成されている。薄膜ヒータ３１と熱伝導用膜３２は、同じ形状で形成され、かつチャネル導波路２８に対して対称に配置されている。
【００４１】
薄膜ヒータ３１及び熱伝導用膜３２は、それぞれチャネル導波路２８の側面（溝の側壁）３３ａ，３４ａの他に、チャネル導波路２８上面の一部及び溝３３、３４の底面の一部に掛かって設けられている。ただし、チャネル導波路２８の上面の一部において、薄膜ヒータ３１及び熱伝導用膜３２は、チャネル導波路２８のコア２８ａ上方の表面を避けて配置されている。
【００４２】
薄膜ヒータ３１には通電するための電源（図示せず）が接続されている。チャネル導波路２８と薄膜ヒータ３１との間隔は、従来の導波路型光可変減衰器におけるヒータとコアの間隔と同程度にしてよい。また、本実施の形態では熱伝導用膜３２の膜厚を３μｍ程度とした。
【００４３】
熱伝導用膜３２としては、クラッドを形成する材料であるＳｉＯ2 より熱伝導率が高い材料で形成された膜であればよく、金属膜であることが好ましい。さらに、放熱用膜２２は、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル及びＳｉのいずれかで形成された膜であることがより好ましい。
【００４４】
次に、導波路型光可変減衰器２０の製造方法について説明する。
【００４５】
図４（ａ）に示すように、まず、石英基板２１上にコアを形成し、コア２８ａ，２９ａを覆うクラッド２８ｂ，２９ｂを形成して、断面矩形コア埋込型の光導波路２８，２９を形成する。この光導波路２８，２９は、慣用の光導波路の製造方法で形成される。このとき形成される光導波路のパターンは、図２に示したマッハツェンダ型光導波路２２である。
【００４６】
図４（ｂ）に示すように、チャネル導波路２８，２９のコア上方のクラッド表面にエッチングマスク４１を設ける。エッチングマスク４１を設けた後、チャネル導波路２８，２９の両側のクラッドをエッチングして溝３３，３４，３５を形成する。このとき、エッチング装置内で基板温度を１０℃以下に制御することにより、溝３３，３４，３５の側壁は垂直でなくなり、図中破線のように傾斜して形成される。本実施の形態では、隆起して形成されたチャネル導波路２８，２９の側面３３ａ，３４ａの傾斜角度を７０〜７５°とした。
【００４７】
図４（ｃ）に示すように、一方のチャネル導波路２８の一側面３３ａに薄膜ヒータ３１を形成する。ここで、薄膜ヒータ３１の材料を、抵抗値の経時変化が小さく長期信頼性に優れているＴａ2Ｎとした。
【００４８】
図４（ｄ）に示すように、一方のチャネル導波路２８の他側面３４ａに、薄膜ヒータ３１と熱伝導用膜３２がチャネル導波路２８に対して対称に配置されるように、熱伝導用膜３２を形成して導波路型光可変減衰器２０が得られる。
【００４９】
次に、本実施の形態の作用について説明する。
【００５０】
導波路型光可変減衰器２０によれば、薄膜ヒータ３１への印加電圧を変化させることで薄膜ヒータ３１の温度を変化させ、その熱光学効果によりチャネル導波路２８の屈折率（光路長）を変化させており、ヒータ温度、即ち、印加電圧を調整することにより信号光の減衰量を自在に制御することができる。
【００５１】
本実施の形態の導波路型光可変減衰器２０では、位相制御部２３として上述の光回路１０を構成しているため、コアの加熱、放熱速度を速くすることができる。ひいては、コアの温度変化による屈折率変化速度が速くなり、信号光の減衰量を制御する動作速度を速くすることができる。
【００５２】
ところで、導波路型光可変減衰器の動作速度を速くするために、コアの上方のクラッドにヒータを設け、コアの下方に熱伝導用膜を設けた導波路型光可変減衰器が考えられる。
【００５３】
しかしながら、コアの下方に熱伝導用膜を形成する場合、基板上に熱伝導用膜、アンダークラッド、コア、アッパークラッド、ヒータの順に各層を形成するプロセスとなり、非常に工程数の多い製造方法で製造される。そのため、製造コストが高くなってしまう。
【００５４】
また、基板とアンダークラッド層の間に熱伝導用膜としてＳｉ膜を形成すると、Ｓｉ膜のスパッタリングにより基板の反りが大きくなる。この反りをコントロールしたとしても、アンダークラッド層の成膜、または成膜した層のアニールにより反りが発生する可能性がある。
【００５５】
さらに、アンダークラッドには２０〜８０μｍの膜厚が必要であり、このような厚い膜を形成するためには、成膜及びアニールの工程を数回繰り返す必要がある。そのため、それらの工程を繰り返すたびに、基板の反りが大きくなり、表面の平坦性が悪くなってしまう。
【００５６】
要するに、コアの下方にＳｉ層を形成した導波路型光可変減衰器は、優れた特性が得られず、かつ、製造工程が複雑になってしまう。
【００５７】
これに対して、本実施の形態の導波路型光可変減衰器２０は、製造方法で説明したように、従来の導波路型光可変減衰器の製造方法を少しだけ改良した方法で製造することができるので、容易に低コストで製造することができる。また、光可変減衰器２０はＳｉＯ2 ガラス（石英）基板２１を用いて形成されるので膜厚の厚いアンダークラッドを形成する必要がなく、そのためアンダークラッドの形成によって生じる反りが殆どなく、素子表面の平坦性のよい導波路型光可変減衰器を作製することができる。したがって、良好な特性を有する光可変減衰器を得ることができる。
【００５８】
また、基板２１を石英基板とし、かつ基板２１上の光導波路２２をＳｉＯ2 ガラスを用いて形成しているので、基板２１と光導波路２２は同じ材料ゆえ熱膨張係数が等しい。したがって、熱駆動による減衰器の内部応力を低減させることができ、応力による偏光依存性損失を低減させることができる。
【００５９】
さらに、熱伝導用膜３２を、その形状を薄膜ヒータ３１と同じく形成し、チャネル導波路２８に対して対称に設けることで、薄膜ヒータ３１及び熱伝導用膜３２の金属膜成膜による光導波路への残留応力を小さくしている。したがって、信号光の偏光依存損失を小さくすることができる。
【００６０】
本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されない。
【００６１】
本実施の形態では、側壁を傾斜させて溝３３，３４を形成し、その傾斜面３３ａ，３４ａにヒータ３１及び熱伝導用膜３２を設けたが、側壁が基板に垂直である溝を形成し、その側壁に沿ってヒータ及び熱伝導用膜を設けてもよい。この場合、薄膜ヒータと熱伝導用膜とがチャネル導波路を挟んで略平行に設けられることになる。
【００６２】
本実施の形態では、図３に示したように溝の側壁３３ａ，３４ａを傾斜面とすることで、溝の側壁を垂直面とするよりも、薄膜の形成やパターニングを容易にして、薄膜ヒータ３１及び熱伝導用膜３２とするスパッタ膜の均一性の良化、及びフォトリソグラフィによるパターニングの安定化等を図っている。
【００６３】
また、本実施の形態の導波路型光可変減衰器２０では、石英基板２１上にコア１３を形成したが、石英基板２１の上層に下部クラッド層を形成し、下部クラッド層の上層にコア１３を形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の好適な一実施形態に係る光回路の断面図である。
【図２】本発明の好適な一実施形態に係る導波路型光可変減衰器の平面図である。
【図３】図２の３Ａ−３Ａ線断面図である。
【図４】図４（ａ）〜図４（ｄ）は、図２の導波路型光可変減衰器の製造方法を説明する断面図である。
【図５】図３の導波路型光可変減衰器の熱伝導を説明する断面図である。
【図６】従来の導波路型光可変減衰器を示す平面図である。
【図７】従来の導波路型光可変減衰器の他の例を示す平面図である。
【図８】図６の８Ａ−８Ａ線断面図である。
【符号の説明】
【００６５】
１０  光回路
１１  基板
１２  光導波路
１３  コア
１４  クラッド
１７  加熱手段
１８  熱伝導用膜
２０  導波路型光可変減衰器
２２  マッハツェンダ型光導波路
２３  位相制御部
２４  入力導波路
２５  出力導波路
２６，２７  光カプラ部
２８，２９  チャネル導波路
３１  薄膜ヒータ
３２  熱伝導用膜
３３，３４，３５  溝
【図１】
2006259104.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2006259104.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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