(57)【要約】【課題】本発明の目的は、例えば光通信などにおいて、光分波器及び合波器などに適用される、偏光変化、コア層の作成時に起こる望ましくない膜厚変化、屈折率変化及び温度変化に強い高分子光導波路回路デバイスを得ることである。【解決手段】基板の表面上に作られ、光導波路コアは、マイナスの屈折率温度係数を有し、且つその値が-2×10-4/℃〜-1×10-4/℃の範囲に入っており、1.506〜1.567の屈折率ngと0.008〜0.01の複屈折を有する高分子であり、光導波路コアを覆う下部クラッド層と上部クラッド層の材料はマイナスの屈折率温度係数を有し、且つその値が-2×10-4/℃〜-1×10-4/℃の範囲に入っており、1550nm波長では1.503〜1.562の屈折率ncと0.008〜0.01の複屈折を有する高分子である。また光導波路コアの長さの差ΔLは0.37〜0.45μmに構成される。【選択図】図１
2006267263.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
該基板上に形成された高分子下部クラッド層と、
該高分子下部クラッド層上に形成された少なくとも2本の高分子光導波路と、
該高分子光導波路を被覆する高分子上部クラッド層と、
前記少なくとも2本の高分子光導波路のうちの2本の光導波路を複数箇所で互いに近接させて構成した複数個の方向性結合器とを具え、
前記2本の高分子光導波路の各一方の端部を入力端、各他方の端部を出力端とする光導波路カプラ回路デバイスであって、
前記各方向性結合器は、それぞれ2本の光導波路の平行部分を具えるとともにこの平行部長さをL1、L2とし、
前記各方向性結合器は、それぞれ2本の光導波路の平行部分の間隔を具えるとともにこの平行部分の間隔をｓ1、s2とし、
前記複数個の方向性結合器のうちの隣り合う各方向性結合器の間を連結する前記2本の光導波路の一方にアーク部を構成して、実効光路長に差ΔLを設けるとともに、この実効光路長差をΔLを0.37〜0.45μmに選定することを特徴とする光導波路カプラ回路デバイス。
【請求項２】
前記高分子光導波路をマイナスの屈折率温度係数を有し、且つその値が-2×10-4/℃〜-1×10-4/℃の範囲に入っており、1550nm波長に対して、1.506〜1.567の屈折率と0.008〜0.01の複屈折を有する高分子材料で構成することを特徴とする請求項１記載の光導波路カプラ回路デバイス。
【請求項３】
前記高分子下部クラッド層をマイナスの屈折率温度係数を有し、且つその値が-2×10-4/℃〜-1×10-4/℃の範囲に入っており、1550nm波長に対して、1.503〜1.562の屈折率と0.008〜0.01の複屈折を有する高分子材料で構成することを特徴とする請求項１又２に記載の光導波路カプラ回路デバイス。
【請求項４】
前記高分子上部クラッド層をマイナスの屈折率温度係数を有し、且つその値が-2×10-4/℃〜-1×10-4/℃の範囲に入っており、1550nm波長に対して、1.503〜1.562の屈折率と0.008〜0.01の複屈折を有する高分子材料で構成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つの請求項に記載の光導波路カプラ回路デバイス。
【請求項５】
前記各方向性結合器における2本の光導波路の平行部分の長さ  L1＝0.691〜0.841mm又は1.924〜 2.381mm、 L2＝1.924〜 2.381mm 又は0.691〜0.841mmにそれぞれ選定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つの請求項に記載の光導波路カプラ回路デバイス。
【請求項６】
前記各方向性結合器における2本の光導波路の平行部分における間隔ｓ１、ｓ２を4.5〜5.2μmにそれぞれ選定したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つの請求項に記載の光導波路カプラ回路デバイス。
【請求項７】
前記光導波路の断面形状を幅ｗ及び厚さｔを有する方形に形成したことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一つの請求項に記載の光導波路カプラ回路デバイス。
【請求項８】
前記光導波路の断面形状を方形とし、幅wを８μm、厚さtを７〜８μmとしたことを特徴とする請求項１乃至7のいずれか一つの請求項に記載の光導波路カプラ回路デバイス。
【請求項９】
前記一方の方向性結合器の入力端と出力端に繋がれた曲線導波路コアの曲率半径は50〜55mmであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一つの請求項に記載の光導波路カプラ回路デバイス。
【請求項１０】
前記他方の方向性結合器の入力端と出力端に繋がれる曲線導波路コアの曲率半径は50〜55mmであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一つの請求項に記載の光導波路カプラ回路デバイス。
【請求項１１】
前記一方の方向性結合器の入力端と出力端に繋がれた曲線導波路コアの曲率半径は50〜55mmであり、前記他方の方向性結合器の入力端と出力端に繋がれる曲線導波路コアの曲率半径も50〜55mmであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一つの請求項に記載の光導波路カプラ回路デバイス。
【請求項１２】
前記基板を石英板で構成したことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一つの請求項に記載の光導波路カプラ回路デバイス。
【請求項１３】
前記基板をシリコン板で構成したことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一つの請求項に記載の光導波路カプラ回路デバイス。
【請求項１４】
前記基板をポリイミド樹脂板で構成したことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一つの請求項に記載の光導波路カプラ回路デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、光通信などにおいて、光分波器および合波器などに適用される、偏光変化、コア層の作成時に起こる望ましくない膜厚変化、屈折率変化および温度変化に強い高分子光導波路回路デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
Ｓ、ＣそしてＬ波長バンドの光を用いた高密度波長多重（ＤＷＤＭ）通信システムにおいて、1550nm波長を中心とする80-100nmバンドの光と、低密度波長多重（CＷＤＭ）通信システムにおいて、20nmの波長間隔で数本の光が波長の変化によらず一定の分配比率で、二つチャンネルに分けられるように出力される光デバイスとして、波長無依存光導波路カプラがある。その分配比率が1：1であるカプラは3dBカプラと呼ばれ、多くの場面で使われている。
【０００３】
波長無依存光導波路カプラは、図3に例示されたマッハツェンダ干渉計型光回路17で構成され、石英或いはシリコンウェーハ等からなる基板20の表面に形成された2本の光導波路コア13、14を備えている（例えば、非特許文献1、特許文献１参照。）。
【０００４】
【非特許文献１】K.JINGUJI et al, ”MACH-ZEHNDER INTERFEROMETER TYPE OPTICAL WAVEGUIDE COUPLER WITH WAVELENGTH-FLATTENED COUPLING RATIO”, Electron. Lett., 1990, Vol.26, No.17, pp.1326-1327
【特許文献１】特開平3-213829号公報
【０００５】
光導波路コア13、14は、基板20上に形成された下部クラッド層18と上部クラッド層19で覆われている。そのコアとクラッドの主成分が二酸化珪素（SiO2）からなる場合は石英光導波路と称されるに対して、高分子材料からなる場合は高分子光導波路と呼ばれている。
【０００６】
このマッハツェンダ干渉計型光回路17は、前記光導波路コア13、14を互いに平行に接近させることによって形成した二つの方向性結合器15、16を備えている。マッハツェンダ干渉計型光回路17は、前記光導波路コア13、14のうち、一方の光導波路コア13或いは14の一端部、13a或いは14aに入力した1550nm波長を中心とする80-100nm波長バンドを有する信号光のパワーを1：1の分配比率で分離し、前記光導波路コア13、14の別端13b、14bにそれぞれ入力の50％で出力している。
【０００７】
このマッハツェンダ干渉計型光回路17の重要な応用例として、図2に例示された2×2Ｎスプリッタが挙げられる。この2×2Ｎスプリッタは、マッハツェンダ干渉計型光回路17と同様な導波路配線を有する波長無依存3dBカプラ9、と横並んだ二つの1×Ｎスプリッタから構成した導波路分岐回路10との長手方向の接続により構成される。このような特徴的な配線構造を持つ図2に示される2×2Ｎスプリッタは、ＤＷＤＭに要求された波長バンドを有しながら光パワースプリッタ機能を実現している。
【０００８】
例えば、図2に示す2×2Ｎスプリッタは、波長無依存3dBカプラ9の入力口9aと9bのうち一方の入力口9aに入力した1550nm波長を中心とする80-100nmの波長バンドを有する信号光lを前記導波路分岐回路10のそれぞれの出力口101、102、....、102Nから、入力光パワーを均等に分配し出力させる働きを持つ。入力口9 b に入力しても効果が全く同じであるが、通常の通信システムでは通信回路の安全性を考慮し、入力口9aと9bのうち何れか一つが予備としての役割を果たすことになっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図2に示される高分子導波路を用いた2×2Ｎスプリッタを製造するには、基板の上に、下部クラッド層をスピンコーティングすることにより作成し、その上に導波路コア層を同様な方法により作る。その後、図2に示す2×2Ｎスプリッタを一つのセルとして、同じ形状の多数のセルを並べたパターンを有するマスクを用いて、フォトリソグラフィ技術と反応性イオンエッチング技術で、前記導波路コア層をドライエッチングして導波路回路を形成する。その上に、さらにスピンコーティングで上部クラッド層を作成する。その後、各セルをダイシングで切断分離し、端面研磨を行って図2に示す2×2Ｎスプリッタを得る。
【００１０】
上述のように、下部クラッド層、導波路コア層および上部クラッド層をそれぞれスピンコーティングで成膜するときに、中心から半径方向の位置での慣性力（或いは遠心力）が異なり、また製膜過程で膜の表面張力の作用によって、作成後の基板上で半径方向に膜厚のバラツキによる変化が生じるのが一般的である。導波路コアの厚みが変化すると、導波モードの伝搬定数が変わるため、このコア厚みのバラツキは図2に示した2×2Ｎスプリッタの導波光の特性に影響を与えてしまう。
【００１１】
一方、導波路コア層を反応性イオンエッチングでドライエッチングしてパターン化をした後、導波路コアに掛かる応力が変わり、それにより導波路コアとその周囲のクラッドとの比屈折率差が変わってしまうことが良く起こる。この変化はコアとクラッド用原材料の屈折率と関連している外に、導波路パターンにも微妙に関係しているので、精密な制御は困難となる。導波路コアとその周囲のクラッドとの比屈折率差が変わると、この場合も導波モードの伝搬定数が変わるため、図2に示す2×2Ｎスプリッタの光特性が変わってしまう。
また、高分子材料は複屈折性が有り、使用される光の偏光方向が変わると特性の変化も大きくなるため、図2に示す2×2Ｎスプリッタの偏光依存損失特性（PDL）は悪くなる。
【００１２】
それに加えて、図2に示す2×2Ｎスプリタは、高分子光導波路を用いているので、使用温度が変化すると屈折率などの特性の変動が大きいため、適用できる温度範囲は比較的狭くなる。
但し、図2に示す2×2Ｎスプリッタの後半部を構成する前記導波路分岐回路10は、高分子光導波路を用いても構造上はコア層の膜厚変化、比屈折率差変化、偏光変化および温度変化に依存しにくいので、コア層の膜厚変化、比屈折率差変化、偏光変化および温度変化の影響をあまり受けない。従って、問題となるのは図2に示す2×2Ｎスプリッタの前半部を構成する波長無依存3dBカプラ9である（特許文献２参照。）。
【００１３】
【特許文献２】Bao-Xue Chen et al, ”Optical Coupler”, US Patent 5757995。
【００１４】
光導波路に用いられる代表的な高分子材料であるフッ素化ポリイミドの複屈折は約0.0082となるなど、石英がほぼゼロであるのに比べて高分子材料では一般的にこの値は大きい。膜厚変化については、8μｍの導波路コア層を上述の方法で作成しようとして、実際に作成された導波路コア層の厚みの変化は触針式表面形状測定器で測定した結果によると、その範囲は約0.7μｍの変動幅をもっていた。また、また比屈折率差の変化はプリズムカップラ法で測定した結果では約±10％であった。さらに光導波路に用いられる高分子材料の屈折率-温度係数は石英のその値の十数倍以上である。この大きさで導波路コアの厚さ、比屈折率差、光の偏光面および周囲の温度が変わると前記波長無依存3dBカプラ9を伝播する導波モードの伝搬定数もしくは実効屈折率が大きく変わり、設計したパラメータのバランスが崩れて特性は設計目標から外れてしまう。
【００１５】
前記波長無依存3dBカプラ9と同じ構造を持つ図3に例示されるマッハツェンダ干渉計型光回路17を用いて分析すると、導波路コア13、14の厚さ、またはそれら導波路コアの周りのクラッドとの比屈折率差もしくは温度が変わると、導波路を伝搬する光の伝搬定数が変わり、それにより引き起こされる特性劣化は主に二つの原因による。一番目の原因としては、前記二つの方向性結合器15、16の完全結合長が変わってしまい、設計した結合率を達成することが出来なくなることである。二番目のものとしては、前記の導波路コア13と14の光路長差より生じる位相差が変わり、これによりパワー分配比率が変化してしまうことである。また、入力する信号光の偏光面が変化すると、複屈折の影響を受けて光導波路の等価屈折率が変わってしまう。これにより前記の二つの方向性結合器15、16の完全結合長と前記の導波路コア13と14の光路長差より生じた位相差が変わってしまい、パワー分配比率が設計値よりずれてしまう。
【００１６】
上述の導波路コア層の膜厚変化から起こる問題を解決するためには、基板中心部のコア層膜の厚さを精密に制御し、基板中心部とその近辺の領域のみを使えば良いのであるが、使える基板の有効面積が小さくなり当然、製造コストは高くなる。
また、導波路コアとその周りのクラッドとの比屈折率差の変化を押さえるためには、コアとクラッドを形成するに使われるそれぞれの高分子原材料の屈折率を精密に制御することが必要である。しかしながら、それは高分子原材料の製造条件、保存状態とそれに伴う経時変化に加えてコア層の作成条件および導波路パターンなど、様々な複雑でかつ多くの要因が影響してくるために、現実ではそのような精密に制御は非常に困難である。また、高分子薄膜の硬化処理により引き起こされた膜面内の残留応力も屈折率変動に影響を与え、その影響はパターンに依存した局所的に不確定性を持つものとなるので、この精密制御は非常に困難なものとなる。
【００１７】
偏光依存性の問題については、これを解決するために、導波路断面に溝を掘ってその溝に薄膜波長板を挿し入れ、これにより偏光面を直角方向に回転させ、回転前後の影響が相殺することにより偏光依存性をキャンセルする方法がある。しかしこの効果を果たすためには鏡面対称的な光導波路回路配線が必要なので、AWGのような対称構造のものに使われているが、光導波路回路の非対称性により波長無依存化を実現するようなカプラにはこの方法は適用できない。また、導波路に溝を掘りその溝に薄膜波長板を挿し入れる等の製造工程に課せられる条件が煩雑であることから厳しくなり、顕微鏡作業が要るなどの理由で歩留まりが悪く、コスト高となる等の不利な面もある。
【００１８】
また、温度依存性の問題を解決するためには、導波路を構成する各材料の物性を生かして構造上工夫をする必要がある。これと似た問題は一部の石英光導波路回路においても生じる。石英材料の場合にはその屈折率温度係数は正の値であり且つ小さいので、石英光導波路コアの上に負の屈折率温度係数を有する高分子薄膜をコーテングし、この温度依存性をキャンセルする方法などが知られている。しかし高分子材料の屈折率温度係数はほとんどが負の値であり且つその絶対値が大きいので、この方法は高分子光導波路の場合には適用できない。
高分子光導波路の温度特性を改善するために、熱膨張率の大きい高分子材料から成る基板を使う方法もある。この方法は、要するに基板が持つ大きな熱線膨張を活かして、高分子光導波路が持つ負の温度特性を相殺するというものである。しかしこの方法は、大きな熱線膨張率を有する材料に限定され、シリコンや石英基板等の熱膨張率の値が小さいものでは、シリコン基板の上に他の半導体デバイスを集積するように、その上に高分子光導波路回路を作製することは出来ない。
【００１９】
従って上述のような幾何的なパラメータと物性的なパラメータ依存性の問題を同時に解決するにあたっては、より全体的な導波路回路構造の改良が必要である。本発明の目的は、高分子光導波路を採用した最も重要な理由である低コストというメリットを保持しつつ、既存の技術でシリコンや石英基板等の上に偏光無依存、導波路コア層の膜厚変化と比屈折率差変化に無依存および温度に対しても無依存となる、広い波長バンドを有する高分子光導波路型マッハツェンダ型干渉計光回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
前記課題を解決し目的を達成するために、図1に示す本発明の偏光変化、導波路コア層の膜厚変化、屈折率差変化および温度変化に強い高分子光導波路カプラ回路8は、石英或いはシリコンウェーハ等からなる基板1の表面に形成された2本の光導波路コア2、3からなる。この光導波路コア2、3が基板1上に形成された下部クラッド層6と上部クラッド層7に覆われ、光導波路コア2、3を互いに平行に接近させることによって形成した二つの方向性結合器4、5を持ち、光導波路コア2、3の断面形状および回路配線に関わる各ファクタを、回路特性が波長変化、偏光変化、導波路コアの厚さ変化と比屈折率差の変化によっても一定に保たれるように最適化することを特徴としている。
【００２１】
この手法は、以下に示すように説明することが出来る。
いま、図１に示す光回路8の光導波路コア2の一端部2aにTE偏光或いはTM偏光の光信号を入力しているとして、図1の光導波路2、3の別端2b、3bを出力している光のパワー分配比率hは
【数１】
2006267263.tif 000003
ここで
【数２】
2006267263.tif 000004
【数３】
2006267263.tif 000005
のように表せる。ここにAoutとBoutはそれぞれ光導波路コア2、3の別端2b、3bを出力している光の振幅、Lc1とLc2はそれぞれ方向性結合器4、5の完全結合長、L1とL2はそれぞれ方向性結合器4、5の平行部の長さ、Le1とLe2はそれぞれ方向性結合器4、5の等価平行部増加長、βは光導波路コア2、3を伝播する導波モードの伝播定数およびDLは光導波路コア2と3の長さの差である。但し、前記Lc1、Lc2 とLe1、Le2およびbは偏光方向により異なる値を持っている。
【００２２】
前記のLc1、Lc2とLe1、Le2は偏光のみに依存するのではなく、ともに波長λ、光導波路コア2、3の幅wと厚さt、光導波路コア2、3の屈折率ng、クラッド6、7の屈折率nc、方向性結合器4、5の平行部間隔s1、s2との関数
【数４】
2006267263.tif 000006
【数５】
2006267263.tif 000007
である。それらと同じく、伝播定数βも波長λと、光導波路コア2、3の幅wと厚さtと、光導波路コア2、3の屈折率ngと、クラッド6、7の屈折率ncとの関数
【数６】
2006267263.tif 000008
である。光導波路コア2、3の屈折率ngとクラッド6、7の屈折率ncはともに偏光モード（TE mode or TM mode）と波長lと環境温度Tとの関数
【数７】
2006267263.tif 000009
【数８】
2006267263.tif 000010
である。通常、比屈折率差Δを
【数９】
2006267263.tif 000011
で定義する。式4から式9を式1に代入すると、パワー分配比率ηは波長λ、環境温度T、比屈折率差Δ、導波路コアの厚さtと偏光モードとの関数
【数１０】
2006267263.tif 000012
である。偏光モードを考慮して、使用波長バンドと、想定する環境温度T、導波路コア厚さtと比屈折率差Δの変化範囲で、次の式11から式16までの連立方程式
【数１１】
2006267263.tif 000013
【数１２】
2006267263.tif 000014
【数１３】
2006267263.tif 000015
【数１４】
2006267263.tif 000016
【数１５】
2006267263.tif 000017
【数１６】
2006267263.tif 000018
を満足するように、光導波路コア2、3の幅w、方向性結合器4、5の平行部間隔s1、s2、クラッド6、7の屈折率nc、方向性結合器4、5の平行部の長さL1、L2および光導波路2と3の長さの差ΔLという各パラメータを最適化することにより、波長依存性、導波路コア厚さ依存性、比屈折率差依存性、偏光依存性および温度依存性をともに解消することが出来る。ここで
2006267263.tif 000019
となるように
2006267263.tif 000020
を設定した。但し、図１に示す光回路8の出力特性は周期性を持つので、一つ偏光モードに対して波長、導波路コア厚さ、比屈折率差および温度を共に無依存化した最適化パラメータのセット数は多数存在する。これによりTEモードとTMモードをそれぞれ計算し得る最適化パラメータのセット数はその二倍となる。
【００２３】
次に、上述の計算により得られた波長、導波路コア厚さ、比屈折率差および温度を共に無依存化した導波路回路パラメータを更に偏光無依存化するために、統計的最適化方法を用いた。ここで
2006267263.tif 000021
は上述の計算により得られた光のパワー分配比率、Qは設計の目標値とされ、
2006267263.tif 000022
は
2006267263.tif 000023
とQの差
【数１７】
2006267263.tif 000024
として設定される。ここに添字l=1,2はそれぞれTEとTMモードを指し、m、n、oとpはそれぞれ波長、導波路コア厚さ、比屈折率差および温度のサンプリング値を示す。従って計算値と目標値との一致の程度を統計的に表す評価関数δを
【数１８】
2006267263.tif 000025
で表示することが出来る。数値計算法により式18のδを最小化することによって選ばれた各パラメータを使った高分子光導波路カプラ回路は偏光依存性、波長依存性、導波路コア厚さ依存性、比屈折率差依存性それに温度依存性を共に解消することが出来る。
【００２４】
上述の手法を用いた本発明の偏光、導波路コア厚さ、比屈折率差および温度の変化に強い高分子光導波路カプラ回路8は、次のように各要素を最適化したことを特徴としている。即ち、図１に示すように基板1の材質は石英或いはシリコン等であり、光導波路コア2、3の材料は、マイナスの屈折率温度係数を有し、且つその値が-2×10-4/℃〜-1×10-4/℃の範囲に入っており、1550nm波長では1.506〜1.567の屈折率ngと0.008〜0.01の複屈折を有する高分子であり、光導波路コア2、3を覆う下部クラッド層6と上部クラッド層7の材料は、マイナスの屈折率温度係数を有し、且つその値が-2×10-4/℃〜-1×10-4/℃の範囲に入っており、1550nm波長では1.503〜1.562の屈折率ncと0.008〜0.01の複屈折を有する高分子である。またその光導波路コア2、3の断面形状は8μm の幅と7〜8μmの厚さを有する矩形であり、方向性結合器4の平行部長さL1は0.691〜0.841mm或いは1.924〜2.381mm、方向性結合器5の平行部長さL2は1.924〜2.381mm或いは0.691〜0.841mm、方向性結合器4の平行部間隔s1は4.5〜5.2μm、方向性結合器5の平行部間隔s2は4.5〜5.2μmおよび光導波路コア2と3の長さの差DLは0.37〜0.45μmであることを特徴としている。
また方向性結合器4の入力端と出力端に繋がれる曲線導波路コアの曲率半径は50〜55mmであり、それに対して、方向性結合器5の入力端と出力端に繋がれる曲線導波路コアの曲率半径も50〜55mmになるように作成される。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は、図１に示す高分子光導波路カプラ回路8のコア断面形状、屈折率それに回路配線に関わる各ファクタを、回路特性が波長変化だけではなく偏光変化、導波路コア厚さ変化、比屈折率差および温度の変化に対しても一定に保たれるように最適化されたので、高分子光導波路の製造プロセスにより発生する導波路コア厚さ誤差、比屈折率差の変化と複屈折から引き起こされる偏光依存性、それに周囲温度の変化等の原因によるパワー分配比率の影響が明らかに低減される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明は、基板と、該基板上に形成された高分子下部クラッド層と、該高分子下部クラッド層上に形成された少なくとも2本の高分子光導波路と、該高分子光導波路を被覆する高分子上部クラッド層と、前記少なくとも2本の高分子光導波路のうちの2本の光導波路を複数箇所で互いに近接させて構成した複数個の方向性結合器とを具え、前記2本の高分子光導波路の各一方の端部を入力端、各他方の端部を出力端とする光導波路インタリーバ回路デバイスであって、前記各方向性結合器は、それぞれ2本の光導波路の平行部分を具えるとともにこの平行部長さをL１、L2とし、前記各方向性結合器は、それぞれ2本の光導波路の平行部分の間隔を具えるとともにこの平行部分の間隔をｓ１、ｓ２とし、前記複数個の方向性結合器のうちの隣り合う各方向性結合器の間を連結する前記2本の光導波路の一方にアーク部を構成して、実効光路長に差ΔLを設けるとともに、この実効光路長差をΔLを0.37〜0.45μmに選定することを特徴とする。
【００２７】
本発明は、光導波路カプラ回路デバイスにおいて、前記高分子光導波路をマイナスの屈折率温度係数を有し、且つその値が-2×10-4/℃〜-1×10-4/℃の範囲に入っており、1550nm波長に対して、1.506〜1.567の屈折率と0.008〜0.01の複屈折を有する高分子材料で構成することを特徴とする。
本発明は、光導波路カプラ回路デバイスにおいて、前記高分子下部クラッド層をマイナスの屈折率温度係数を有し、且つその値が-2×10-4/℃〜-1×10-4/℃の範囲に入っており、1550nm波長に対して、1.503〜1.562の屈折率と0.008〜0.01の複屈折を有する高分子材料で構成することを特徴とする。
本発明は、光導波路カプラ回路デバイスにおいて、前記高分子上部クラッド層をマイナスの屈折率温度係数を有し、且つその値が-2×10-4/℃〜-1×10-4/℃の範囲に入っており、1550nm波長に対して、1.503〜1.562の屈折率と0.008〜0.01の複屈折を有する高分子材料で構成することを特徴とする。
本発明は、光導波路カプラ回路デバイスにおいて、前記各方向性結合器における2本の光導波路の平行部分の長さ  L1＝0.691〜0.841mm又は1.924〜 2.381mm、 L2＝1.924〜 2.381mm 又は0.691〜0.841mmにそれぞれ選定することを特徴とする。
【００２８】
本発明は、光導波路カプラ回路デバイスにおいて、前記各方向性結合器における2本の光導波路の平行部分における間隔を4.5〜5.2μmにそれぞれ選定したことを特徴とする。
本発明は、光導波路カプラ回路デバイスにおいて、前記光導波路の断面形状を幅ｗ及び厚さｔを有する方形に形成したことを特徴とする。
本発明は、光導波路カプラ回路デバイスにおいて、前記光導波路の断面形状を方形とし、幅wを８μm、厚さtを７〜８μmとしたことを特徴とする。
本発明は、光導波路カプラ回路デバイスにおいて、前記一方の方向性結合器の入力端と出力端に繋がれた曲線導波路コアの曲率半径は50〜55mmであることを特徴とする。
本発明は、光導波路カプラ回路デバイスにおいて、前記他方の方向性結合器の入力端と出力端に繋がれる曲線導波路コアの曲率半径は50〜55mmであることを特徴とする。
本発明は、光導波路カプラ回路デバイスにおいて、前記一方の方向性結合器の入力端と出力端に繋がれた曲線導波路コアの曲率半径は50〜55mmであり、前記他方の方向性結合器の入力端と出力端に繋がれる曲線導波路コアの曲率半径も50〜55mmであることを特徴とする。
本発明は、光導波路カプラ回路デバイスにおいて、前記基板を石英板で構成したことを特徴とする。
本発明は、光導波路カプラ回路デバイスにおいて、前記基板をシリコン板で構成したことを特徴とする。
本発明は、光導波路カプラ回路デバイスにおいて、前記基板をポリイミド樹脂板で構成したことを特徴とする。
【実施例】
【００２９】
図１に示すように、本発明の偏光、導波路コア厚さ、比屈折率差および温度の変化に強い高分子光導波路カプラ回路8は、石英或いはシリコンウェーハ等からなる基板1の表面に形成された2本の光導波路コア2、3を備えたものである。図のように光導波路コア2、3は、-2×10-4/℃〜-1×10-4/℃の屈折率温度係数を有しながら、1.506〜1.567の屈折率ngと0.008〜0.01の複屈折を有する高分子材料からなり、その断面形状が8μm の幅と7〜8μmの厚さを有する矩形となるように作成される。光導波路コア2、3を覆った下部クラッド層6と上部クラッド層7の材料は、-2×10-4/℃〜-1×10-4/℃の屈折率温度係数を有しながら、1.503〜1.562の屈折率ncと0.008〜0.01の複屈折を有する高分子である。
【００３０】
光導波路コア2、3は、互いに平行に接近されて形成した二つの方向性結合器4、5を備えている。この方向性結合器4は、その平行部長さL1が0.691〜0.841mm（或いは1.924〜2.381mm）であり、平行部間隔s1が4.5〜5.2μm であるように製作される。方向性結合器5は、その平行部長さL2が1.924〜2.381mm（或いは0.691〜0.841mm）であり、平行部間隔s2が4.5〜5.2μm であるように製作される。また方向性結合器4の入力端と出力端に繋がれる曲線導波路コアの曲率半径Rは50〜55mmであり、それに対して、方向性結合器5の入力端と出力端に繋がれる曲線導波路コアの曲率半径Rも50〜55mmになるように作成される。
光導波路コア2と3の長さの差DLは0.37〜0.45μm μm範囲に形成されるのが望ましい。
【００３１】
次に、本発明に係る高分子光導波路カプラ回路8の製造方法の一例を述べる。基板1として石英板を用い、その表面に、下部クラッド層を形成する高分子の溶液（4,4’−（ヘキサフルオロイソプロピリデン）ジフタル酸無水物（4,4’-(Hexafluoroisopropylidene) diphthalic anhydride）と2,2’-ビス（トリフルオロメチル）4,4’-ジアミノビフェニル（2,2’-Bis(trifluoromethyl)-4,4’-diaminobiphenyl）の等モル量をN,N,-ジメチルアセトアミド（N,N,-Dimethylacetamide）に溶解し、25℃で24時間、窒素雰囲気下で攪拌した溶液）をスピンコート法により薄膜を形成させ、その後、脱溶媒および熱処理などによって、約20μm厚の高分子下部クラッド層6を形成する。
【００３２】
そして、この下部クラッド層6の上に、上記クラッド層を形成する高分子を作成する際に用いるジアミンの2,2’-ビス（トリフルオロメチル）4,4’-ジアミノビフェニル（2,2’-Bis(trifluoromethyl)-4,4’-diaminobiphenyl）の一部に代わり4,4’-ジアミノジフェニルエーテル（4,4’-Diaminodiphenyl ether）を用いて、そのジアミン量の合計が4,4’−（ヘキサフルオロイソプロピリデン）ジフタル酸無水物（4,4’-(Hexafluoroisopropylidene) diphthalic anhydride）と等モルになるように添加し、同様な手段によって作成した高分子溶液用いて、先の高分子下部クラッド層上にスピンコート法により薄膜を形成させ、その後、脱溶媒および熱処理などによって、屈折率を下部クラッド層6よりも0.24%〜0.30%程度高めた7〜8μm厚さの高分子コア層を形成する。
【００３３】
そして、前記コア層の表面にフォトレジストによって所定の光導波路パターンを形成したのち、酸素ガスの雰囲気で反応性イオンエッチングによってコア層の選択的エッチングを行うことにより、所定パターンを有する光導波路コア2、3を形成する。その後、再び先ほどの下部クラッドを形成させるために用いたものと同じ高分子溶液を用いて、スピンコートする方法とそれに続く脱溶媒および熱処理などの方法によって、光導波路コア2、3を埋め込むように高分子上部クラッド層7を形成する。なお、上部クラッド層7の屈折率はコアのものより低いが、必ずしも下部クラッド層6と等しくする必要はない。
【００３４】
なお、上記の実施例においては、前記基板１として、石英板を用いたが、シリコン板或いはポリイミド樹脂板を用いることもできる。
上記の本発明に係る高分子光導波路カプラ回路8について、実験を行った。
その結果は以下の通りである。
【００３５】
まず、温度を−10℃として、導波路コア厚さを7μm〜8μmで、比屈折率差を0.24%〜0.30%で変化させて、図１に示す本発明の偏光、導波路コア厚さ、比屈折率差および温度の変化に強い高分子光導波路カプラ回路8の光導波路コア2の一端部2aに7種類の波長、1490nm、1510nm、1530nm、1550nm、1570nm、1590nmと1610nmの光をそれぞれTE偏光とTM偏光で入力し、前記の光導波路コアの別端2b 、3bから出てきた光パワーの比率、即ちパワー分配比率を各波長についてプロットしたグラフを図4と図5に示した。
【００３６】
図4は、温度が-10℃、コア厚さがの変動範囲が7〜8μm、比屈折率差の変動範囲が0.24%〜0.3%である時に、図１に示された本発明に係る光導波路カプラデバイスにおけるTEモード信号光の波長変化に対するパワー分配比率の変化を示す。曲線番号1、2、3はt=7μmである時それぞれΔ=0.24%、0.27%、0.30%の場合の特性を示す。これと類似し、曲線番号（4、5、6）と（7、8、9）はそれぞれt=7.5μmとt=8μmの場合の特性を示す。
【００３７】
図５は、温度が-10℃、コア厚さがの変動範囲が7~8μm、比屈折率差の変動範囲が0.24%〜0.3%である時に、図１に示された本発明に係る光導波路カプラデバイスにおけるTMモード信号光の波長変化に対するパワー分配比率の変化を示す。曲線番号1、2、3はt=7μmである時それぞれΔ=0.24%、0.27%、0.30%の場合の特性を示す。これと類似し、曲線番号（4、5、6）と（7、8、9）はそれぞれt=7.5μmとt=8μmの場合の特性を示す。
【００３８】
結果では120nmのバンド幅上の波長変化、7μm〜8μmの導波路コア厚さ変化と0.24%〜0.30%の比屈折率差変化によるTE偏光とTM偏光のパワー分配比率はそれぞれ50±2.6％と50±2.6％の範囲に入っている。
【００３９】
次に、温度をそれぞれ0℃、10℃、20℃、30℃および40℃として、導波路コア厚さを7μm〜8μmで、比屈折率差を0.24%〜0.30%で変化する下で、上と同じ実験を行った。各環境温度でのTEとTM偏光のパワー分配比率をそれぞれ図6〜図15に示した。
【００４０】
図６は、温度が０℃、コア厚さがの変動範囲が7~8μm、比屈折率差の変動範囲が0.24%〜0.3%である時に、図１に示された本発明に係る光導波路カプラデバイスにおけるTEモード信号光の波長変化に対するパワー分配比率の変化を示す。曲線番号1、2、3はt=7μmである時それぞれΔ=0.24%、0.27%、0.30%の場合の特性を示す。これと類似し、曲線番号（4、5、6）と（7、8、9）はそれぞれt=7.5μmとt=8μmの場合の特性を示す。
【００４１】
図７は、温度が０℃、コア厚さがの変動範囲が7〜8μm、比屈折率差の変動範囲が0.24%〜0.3%である時に、図１に示された本発明に係る光導波路カプラデバイスにおけるTMモード信号光の波長変化に対するパワー分配比率の変化を示す。曲線番号1、2、3はt=7μmである時それぞれΔ=0.24%、0.27%、0.30%の場合の特性を示す。これと類似し、曲線番号（4、5、6）と（7、8、9）はそれぞれt=7.5μmとt=8μmの場合の特性を示す。
【００４２】
図８は、温度が10℃、コア厚さがの変動範囲が7~8μm、比屈折率差の変動範囲が0.24%〜0.3%である時に、図１に示された本発明に係る光導波路カプラデバイスにおけるTEモード信号光の波長変化に対するパワー分配比率の変化を示す。曲線番号1、2、3はt=7μmである時それぞれΔ=0.24%、0.27%、0.30%の場合の特性を示す。これと類似し、曲線番号（4、5、6）と（7、8、9）はそれぞれt=7.5μmとt=8μmの場合の特性を示す。
【００４３】
図９は、温度が10℃、コア厚さがの変動範囲が7〜8μm、比屈折率差の変動範囲が0.24%〜0.3%である時に、図１に示された本発明に係る光導波路カプラデバイスにおけるTMモード信号光の波長変化に対するパワー分配比率の変化を示す。曲線番号1、2、3はt=7μmである時それぞれΔ=0.24%、0.27%、0.30%の場合の特性を示す。これと類似し、曲線番号（4、5、6）と（7、8、9）はそれぞれt=7.5μmとt=8μmの場合の特性を示す。
【００４４】
図１０は、温度が20℃、コア厚さがの変動範囲が7〜8μm、比屈折率差の変動範囲が0.24%〜0.3%である時に、図１に示された本発明に係る光導波路カプラデバイスにおけるTEモード信号光の波長変化に対するパワー分配比率の変化を示す。曲線番号1、2、3はt=7μmである時それぞれΔ=0.24%、0.27%、0.30%の場合の特性を示す。これと類似し、曲線番号（4、5、6）と（7、8、9）はそれぞれt=7.5μmとt=8μmの場合の特性を示す。
【００４５】
図１１は、温度が20℃、コア厚さがの変動範囲が7~8μm、比屈折率差の変動範囲が0.24%〜0.3%である時に、図１に示された本発明に係る光導波路カプラデバイスにおけるTMモード信号光の波長変化に対するパワー分配比率の変化を示す。曲線番号1、2、3はt=7μmである時それぞれΔ=0.24%、0.27%、0.30%の場合の特性を示す。これと類似し、曲線番号（4、5、6）と（7、8、9）はそれぞれt=7.5μmとt=8μmの場合の特性を示す。
【００４６】
図１２は、温度が30℃、コア厚さがの変動範囲が7~8μm、比屈折率差の変動範囲が0.24%〜0.3%である時に、図１に示された本発明に係る光導波路カプラデバイスにおけるTEモード信号光の波長変化に対するパワー分配比率の変化を示す。曲線番号1、2、3はt=7μmである時それぞれΔ=0.24%、0.27%、0.30%の場合の特性を示す。これと類似し、曲線番号（4、5、6）と（7、8、9）はそれぞれt=7.5μmとt=8μmの場合の特性を示す。
【００４７】
図１３は、温度が30℃、コア厚さがの変動範囲が7〜8μm、比屈折率差の変動範囲が0.24%〜0.3%である時に、図１に示された本発明に係る光導波路カプラデバイスにおけるTMモード信号光の波長変化に対するパワー分配比率の変化を示す。曲線番号1、2、3はt=7μmである時それぞれΔ=0.24%、0.27%、0.30%の場合の特性を示す。これと類似し、曲線番号（4、5、6）と（7、8、9）はそれぞれt=7.5μmとt=8μmの場合の特性を示す。
【００４８】
図１４は、温度が40℃、コア厚さがの変動範囲が7〜8μm、比屈折率差の変動範囲が0.24%〜0.3%である時に、図１に示された本発明に係る光導波路カプラデバイスにおけるTEモード信号光の波長変化に対するパワー分配比率の変化を示す。曲線番号1、2、3はt=7μmである時それぞれΔ=0.24%、0.27%、0.30%の場合の特性を示す。これと類似し、曲線番号（4、5、6）と（7、8、9）はそれぞれt=7.5μmとt=8μmの場合の特性を示す。
【００４９】
図１５は、温度が40℃、コア厚さがの変動範囲が7~8μm、比屈折率差の変動範囲が0.24%〜0.3%である時に、図１に示された本発明に係る光導波路カプラデバイスにおけるTMモード信号光の波長変化に対するパワー分配比率の変化を示す。曲線番号1、2、3はt=7μmである時それぞれΔ=0.24%、0.27%、0.30%の場合の特性を示す。これと類似し、曲線番号（4、5、6）と（7、8、9）はそれぞれt=7.5μmとt=8μmの場合の特性を示す。
【００５０】
波長変化、7μm〜8μmの導波路コア厚さ変化と0.24%〜0.30%の比屈折率差変化によるパワー分配比率はそれぞれ50±2.5％（図6）、50±2.6％（図7）、50±2.4％（図8）、50±2.7％（図9）、50±2.4％（図10）、50±2.8％（図11）、50±2.5％（図12）、50±2.7％（図13）、50±2.5％（図14）および50±2.8％（図15）の範囲に入っており、偏光、導波路コア厚さ、比屈折率差および温度、そして波長の変化による影響はほとんどない。
【００５１】
したがって、本発明の偏光、導波路コア厚、比屈折率差および温度の変化に強い高分子光導波路カプラ回路8は、高密度波長多重通信に用いられる1550nm波長を中心とする120nmバンドを有する信号光の波長の変化および信号光の偏光変化に対する影響が非常に少なく、且つプロセスにより生じる導波路コア厚さ、比屈折率差および使用される周りの温度がそれぞれ7〜8μmと0.24%〜0.30%および−10〜40℃の範囲で変動しても、その特性は変わらない。したがって、本発明の偏光、温度、導波路コア厚さと比屈折率差の変化に強い高分子光導波路カプラ回路8は、1例として図2に示された高分子光導波路2×2Ｎスプリッタを構成する広い波長バンドを有しながら、偏光および温度に対して無依存となり、且つ製造プロセスで生じる幾何的および物性的変化にも無依存となるために製造が容易なカプラ9として使われることが可能となる。
【００５２】
本発明は、高密度波長多重通信に用いられる1550nm波長を中心とする120nmの波長バンドを有しながら、入力光信号に対する偏光保持手段が不要で、また−10℃から40℃の温度が変化する環境でも恒温手段が要らずに使える高分子光導波路カプラ回路を提供する。また、この高分子光導波路カプラ回路を製造する時には、そのプロセス条件を大幅に緩和し、歩留まりを向上することが出来る。
【００５３】
本発明は、前記の最適化方法によって、偏光変化、温度変化と波長変化に対する依存性がほぼゼロの近くに抑えられるので、１つの応用例として高分子光導波路2×2Ｎスプリッタの偏光と温度を無依存化するために使われることが出来る。
【００５４】
本発明は、従来使ってきた材料をそのまま変えずに最適化をする方法を提供するため、これまで開発されてきた高分子光導波路製造プロセスを変える必要がない。したがって、高分子を材料として用いる場合の光導波路の製造コストが低いというメリットを保有しながら、回路特性における偏光、温度と波長無依存化を達成することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明に係る高分子光導波路カプラ回路デバイスの平面図とその側面図。
【図２】高分子光導波路２×２Nスプリッタの平面図。
【図３】マッハツェンダ干渉計型光回路１７の上面図とその側面図。
【図４】使用温度が-１０℃の時に図１に示された本発明に係る高分子光導波路カプラ回路デバイスにおけるTEモード信号光の波長変化と偏光変化に対するパワー分配率の変化を示す図。
【図５】使用温度が-１０℃の時に図１に示された本発明に係る高分子光導波路カプラ回路デバイスにおけるTMモード信号光の波長変化と偏光変化に対するパワー分配率の変化を示す図。
【図６】使用温度が０℃の時に図１に示された本発明に係る高分子光導波路カプラ回路デバイスにおけるTEモード信号光の波長変化と偏光変化に対するパワー分配率の変化を示す図。
【図７】使用温度が０℃の時に図１に示された本発明に係る高分子光導波路カプラ回路デバイスにおけるTMモード信号光の波長変化と偏光変化に対するパワー分配率の変化を示す図。
【図８】使用温度が１０℃の時に図１に示された本発明に係る高分子光導波路カプラ回路デバイスにおけるTEモード信号光の波長変化と偏光変化に対するパワー分配率の変化を示す図。
【図９】使用温度が１０℃の時に図１に示された本発明に係る高分子光導波路カプラ回路デバイスにおけるTMモード信号光の波長変化と偏光変化に対するパワー分配率の変化を示す図。
【図１０】使用温度が２０℃の時に図１に示された本発明に係る高分子光導波路カプラ回路デバイスにおけるTEモード信号光の波長変化と偏光変化に対するパワー分配率の変化を示す図。
【図１１】使用温度が２０℃の時に図１に示された本発明に係る高分子光導波路カプラ回路デバイスにおけるTMモード信号光の波長変化と偏光変化に対するパワー分配率の変化を示す図。
【図１２】使用温度が３０℃の時に図１に示された本発明に係る高分子光導波路カプラ回路デバイスにおけるTEモード信号光の波長変化と偏光変化に対するパワー分配率の変化を示す図。
【図１３】使用温度が３０℃の時に図１に示された本発明に係る高分子光導波路カプラ回路デバイスにおけるTMモード信号光の波長変化と偏光変化に対するパワー分配率の変化を示す図。
【図１４】使用温度が４０℃の時に図１に示された本発明に係る高分子光導波路カプラ回路デバイスにおけるTEモード信号光の波長変化と偏光変化に対するパワー分配率の変化を示す図。
【図１５】使用温度が４０℃の時に図１に示された本発明に係る高分子光導波路カプラ回路デバイスにおけるTMモード信号光の波長変化と偏光変化に対するパワー分配率の変化を示す図。
【符号の説明】
【００５６】
１  基板
２  光導波路コア
３  光導波路コア
４  方向性結合器
５  方向性結合器
６  下部クラッド層
７  上部クラッド層
【図１】
2006267263.tif 000026
【図２】
2006267263.tif 000027
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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