(57)【要約】【課題】負の熱光学係数を有する光学材料を用いてＳ字型光導波路を構成することにより、光減衰量の可変範囲を従来より広くすると共に、低消費電力で且つ低コストの可変光減衰器、アレイ型可変光減衰器を提供する。【解決手段】平面基板上に形成されたコアとクラッドから成る光導波路とヒータ電極により構成された可変光減衰器で、コアとクラッドは負の熱光学係数を有する感光性ポリマー材料からなり、光導波路は、少なくとも２つ以上の彎曲部を有することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面基板上に形成されたコア及びクラッドから成る光導波路と、該光導波路上に形成されたヒータ電極とを有する可変光減衰器であって、
前記コア及び前記クラッドは、いずれも熱光学係数が負の感光特性を有する感光性ポリマー材料から成り、
前記光導波路は、少なくとも２つ以上の彎曲部を有することを特徴とする可変光減衰器。
【請求項２】
前記ヒータ電極は、前記彎曲部の内縁側斜め上方に配置され、且つ該彎曲部の曲線に沿って配置されることを特徴とする請求項１記載の可変光減衰器。
【請求項３】
請求項１または２記載の可変光減衰器を複数並列配置させてなることを特徴とするアレイ型可変光減衰器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光伝送システムの伝送路中に設けられ、波長毎に異なる光信号のレベルを調節することに用いられる可変光減衰器、アレイ型可変光減衰器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のインターネットの普及に伴い、波長の異なる複数の光信号を多重化して１本の光ファイバで伝送する高密度波長分割多重伝送（ＤＷＤＭ）方式が実用化されている。ＤＷＤＭシステムにおいては、光増幅器の使用が必要不可欠となるが、光増幅器で増幅される光信号の波長数や入力レベルが変動しても出力レベルを一定にするために光伝送システムの伝送路中に可変光減衰器（ＶＯＡ：Variable Optical Attenuator ）を設け、波長毎に信号レベルを調整する方法が実用化されている。
【０００３】
このようなＶＯＡには、電気光学効果（ＥＯ効果）や、磁気光学効果（ＭＯ効果）、熱光学効果（ＴＯ効果、温度変化により屈折率が変化する現象）を用いた非機械式ＶＯＡが提案されている。特許文献１記載の可変光減衰器は、電気光学効果を利用したものである。これは電気光学効果を有する基板上に光導波路型の光減衰器を構成し、この基板に構成された彎曲型光導波路の曲線部外側に設けられた電極に電界を印加することで、電気光学効果の作用により光導波路内の屈折率を低減させ、光信号強度を減衰させるものである。これによれば小型で且つ電気的制御により減衰量を調節可能なＶＯＡを提供することができる。しかしこのＶＯＡは、温度に対する安定性に欠けるという問題があった。
【０００４】
そこで特許文献２記載のＶＯＡが提案された。このＶＯＡは、減衰器の材質を熱光学効果に対して反応性の良いポリマー系材料で構成すると共に、Ｙ分岐光導波路を設け、このＹ分岐光導波路の近傍に電極を配置したものである。この電極に供給する電流値を制御することで熱光学効果を用いてＹ分岐光導波路の一方の光導波路を伝搬する光を減衰させ、他方の光信号の強度を可変させ、２つの光導波路間における相対的温度の違いにより減衰量を制御するものである。これにより減衰器を設置する環境温度が変化しても、その特性を大きく変化させることなく安定した動作を得ることができる。しかしこのＶＯＡは、特性の再現性の問題や光回路が長くなるという問題があった。
【０００５】
なお、ここで、熱光学効果とは、加熱することにより、導波路材料の屈折率が変わることを指し、この熱光学効果は、通常、熱光学係数dn/dT（n：屈折率、T：温度）で表される。
【０００６】
石英の熱光学係数dn/dTは＋1.0*10^(-6)程度であり、ポリマーの熱光学係数は−1.3*10^(-4)程度である。
【０００７】
そこで特性の再現性が良く、更に高密度波長多重通信において重要な問題である消光比を小さくするＶＯＡが提案された。特許文献３記載のＶＯＡは、光導波路を挟んで一方の面に電極が配置され、他方の面に放熱基板が設けた構成を有している。ここで電極を加熱し、放熱基板との間に温度勾配及び熱光学効果によりクラッドの一部に、この周囲より屈折率の高い熱誘起コア部を生じさせ、
光導波路のコアの導波モードを熱励起コア部の反射モードに光結合させることにより光導波路のコア中の導波光を減衰させることができる。これによれば電極に流す電流を制御することで、光信号の光結合を効率よく減衰させ、消光比の小さいＶＯＡを提供することができる。しかし、このＶＯＡは、消光比特性は優れているものの、放熱基板を設けるためにコストが高くつくという問題があった。
【０００８】
また非特許文献１記載のＶＯＡは、消費電力が高く、波長特性に問題があった。
【特許文献１】特開平６−１８６５１３号公報
【特許文献２】特開平１０−２0３４８号公報
【特許文献３】特開２０００−２４１７７４号公報
【非特許文献１】Variable Optical  Attenuator for Large−Scale Integration，pp.1560-1562,IEEE Photonics Technology Letters，Vol.14，No.11, Nov.2002
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱光学係数が負の感光特性を有する感光性ポリマー材料を用いてＳ字型光導波路を構成することにより、光減衰量の可変範囲を従来より広くすると共に、低消費電力で且つ低コストの可変光減衰器、アレイ型可変光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】
【００１０】
請求項１記載の可変光減衰器は、平面基板上に形成されたコア及びクラッドから成る光導波路と、該光導波路上に形成されたヒータ電極とを有する可変光減衰器であって、前記コア及び前記クラッドは、いずれも熱光学係数が負の感光特性を有する感光性ポリマー材料から成り、前記光導波路は、少なくとも２つ以上の彎曲部を有することを特徴とする。
【００１１】
なお、ここで、感光性ポリマー材料とは、ある強度の紫外光（UV光）、あるいは特定波長の光を照射することにより、導波路パターンが転写できる材料と定義する。
【００１２】
請求項２記載の可変光減衰器は、請求項１記載の可変光減衰器であって、ヒータ電極は、彎曲部の内縁側斜め上方に配置され、且つ該彎曲部の曲線に沿って配置されることを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載のアレイ型可変光減衰器は、請求項１または２に記載の可変光減衰器を複数並列配置させてなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、コア及びクラッドに高い熱光学効果を有し、かつ感光性を有するポリマー材料を用いてＳ字型光導波路を構成することにより、光減衰量の可変範囲を従来より広くすると共に、低消費電力で且つ低コストの可変光減衰器、アレイ型可変光減衰器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。
【００１６】
図１を参照して、本発明の実施の形態に係る可変光減衰器１の構成を説明する。図１は、実施の形態に係る可変光減衰器１の平面図であり、図２は、図１におけるＡ−Ａ断面図である。
【００１７】
この可変光減衰器１は、平面基板６と、この平面基板６上に形成される、熱光学係数が負の感光特性を有する感光性ポリマー材料から成る下部クラッド層７ａと、この下部クラッド層７ａ上に設けられ、熱光学係数が負の感光特性を有する感光性ポリマー材料で構成されコアとなるＳ字型光導波路２と、このコア２を覆うように設けられ、熱光学係数が負の感光特性を有する感光性ポリマー材料からなる上部クラッド層７ｂと、この上部クラッド層７ｂの表面であって、上記コア２の曲線に沿って、この曲線の内側に配置されるヒータ電極３で構成されている。
【００１８】
ここで、コア２は、少なくとも２つ以上の彎曲部を有するＳ字型であり、Ｓ字型導波路を構成している。ここで、一例として第１の彎曲部Ｒ１の曲率半径Ｒと第２の彎曲部Ｒ２の曲率半径Ｒは、１０〜１００ｍｍが望ましい。曲率半径Ｒは小さすぎると挿入損失が大きくなり、大きすぎると導波路の彎曲による放射モード効果が得られなくなり、消費電力も高くなるからである。
【００１９】
また、ここで基板６とは、シリコン基板、ガラス基板、若しくは高分子ポリマーからなる基板とする。
【００２０】
上記コア２及びクラッド７ａ及び７ｂの材料は、熱光学係数が負の感光特性を有する感光性ポリマー材料を用いるのが好ましく、望ましくは熱光学係数の高いフッ素化ポリイミド、アクリル、エポキシ、ポリシランやポリシロキサンなどを用いるのが最適である。こうした感光性ポリマーを用いると、プロセス工程が簡易になり、ドライエッチングなどの高価装置が必要なくなるため、プロセス時間の短縮及び低コスト化を図ることができるからである。
【００２１】
ヒータ電極３は、第１のヒータ電極３ａの一部が、第１の彎曲部Ｒ１に重なるように配置されている。この重なりの範囲は、図２に示す断面図において、Ｓ字型光導波路２の長手方向であってヒータ電極３に隣接する側の側線、即ちｄ０を基準としたときに、ヒータ電極３の長手方向のＳ字型光導波路２に隣接する側の側線、即ちＸ０が、基準ｄ０を中心として「−Ｘ」から「＋Ｘ」の範囲内とする。
【００２２】
ここで具体的にＸは、Ｓ字型光導波路２の幅ｄｗが４．０μｍであり、Ｓ字型光導波路２の高さhが７．５μｍであるときに、「−３」〜「＋３」の範囲内とする。即ち、Ｓ字型光導波路２の幅ｄｗの約１／２までをヒータ電極３の重なり許容範囲とする。尚、このケースにおいては下部クラッド層７aの層厚を２０μｍ、上部クラッド層７ｂの層厚を２０μｍ（Ｓ字型クラッド層の層厚を含む）とした。
【００２３】
次に、図３、図４を参照して本実施形態に係る可変光減衰器１の製造方法を説明する。
【００２４】
まず図３（ａ）に示すように、シリコン（Ｓｉ）、又はガラス（石英）を主原材料とする基板６を用意し、図３（ｂ）に示すように、この基板６上に感光性ポリマー材料をスピンコート法にて均一厚となるように成膜する。これにより基板６上に下部クラッド層７aが形成される。
【００２５】
次いで図３（ｃ）に示すように、下部クラッド層７a上に、感光性ポリマー材料からなるコア剤を同じくスピンコート法により均一厚となるように成膜する。これによりコア（Ｓ字型光導波路）２が形成される。
【００２６】
そして図３（ｄ）に示すように、コア（Ｓ字型光導波路）層の上に導波路パターンを有するマスク２０を被せ、その上から紫外光（ＵＶ光）を照射し、マスク２０で覆われた部分以外を露光・現像により除去して、マスク２０により転写された導波路パターンを加熱処理（ベイク）して硬化させ、図３（ｅ）に示すコア２を完成させる。
【００２７】
次いで、図３（ｆ）に示すように、このコア２を覆うように、下部クラッド層７aと同原材料からなる感光性ポリマー材料をスピンコート法により塗布して成膜し、表面が平坦面を有する上部クラッド層７bを形成する。これにより下部クラッド層７a及び上部クラッド層７bからなるクラッドと、コア２で構成される光導波路が完成する。
【００２８】
次に、上述した光導波路上にヒータ電極を設ける。
【００２９】
まず図４（ａ）に示すように、光導波路の表面（すなわち上部クラッド層７aの表面）に導電性材料をスパッタ法、真空蒸着法の何れかから、成膜させる導電性材料に合った方法を選んで成膜する。
【００３０】
次に図４（ｂ）に示すように、上記工程で形成されたヒータ電極３を構成する導電層の上にマスク２１を配置する。
【００３１】
次に図４（ｃ）に示すように、エッチング法によりマスク２１で覆われた導電層以外の導電層を除去する。エッチング法にはドライエッチングとウェットエッチングの２つの方法があるが、設計要求に応じて上記２つの方法を使い分けるものとする。
【００３２】
そして最後に図４（ｄ）に示すように、レジスト２２を除去してヒータ電極３を得る。以上の工程により本発明の可変光減衰器１が完成する。
【００３３】
次に上記製造方法で作製された可変光減衰器１の作用及び効果を説明する。
【００３４】
ここで、図１において、可変光減衰器１の第１のヒータ電極３aに加熱電流が流れると、Ｓ字型光導路２の横方向に温度差が発生し、ポリマー材料の負の熱光学係数により光導波路の横方向及び深さ方向に屈折率差が発生し、Ｓ字型光導波路２の彎曲外縁側への光輻射によりエネルギー漏洩が大きくなる。
【００３５】
これによってＳ字型光導波路２を伝搬する光信号レベルを減衰させることができる。
【００３６】
更に第２のヒータ電極３ｂに電流が流れると、同様にして、第１の彎曲部Ｒ１で減衰した光信号レベルを更に減衰させることができる。即ち、熱光学効果を倍増させることができ、ひいては入出力光導波路５から出力する伝搬光をほぼ消光状態にまで減衰させることができる。
【００３７】
また本発明の製造方法による効果は、図３に示した光導波路を製造する工程において、コアの材料を感光性ポリマー材料としたことで、従来のレジスト塗布工程、レジストの露光・現像工程、及びドライエッチング工程を不要にすることができるので、この製造工程分の時間が短縮される。換言すれば、この工程に要していた製造時間を削減できるので、その分の人件費コストを低減し、結果として製造コストを低滅することができる。また上記工程が不要になることにより、この工程で使用していた材料費の負担が軽減され、材料コストを低減することができるので、結果として低コスト化に寄与することができる。
【００３８】
次に、本発明の可変光減衰器１の一実施例を説明する。製造方法は、図３、図４に示した工程と同じため詳細説明は省略する。まず、平坦面を有するシリコン基板（又はガラス基板）上に感光性ポリシロキサンのクラッド剤をスピンコートにより塗布して下部クラッド層７aを形成した。
【００３９】
次いで、この下部クラッド層７a上に感光性を有するポリシロキサンのコア剤をスピンコートし、コア層を成膜して、このコア層の上に導波路パターンを有するマスクを被せ、紫外光を照射（露光）・現像して導波路パターンを転写し、これを加熱処理することでＳ字型光導波路２のコアを形成した。
【００４０】
そして、上記パターンニングにより形成されたＳ字型光導波路２のコアを覆うように、再度感光性を有するポリシロキサンのクラッド剤をスピンコートで塗布して上部タラッド層７ｂを形成した。以上の工程により光導波路が形成した。本実施例において使用した感光性を有するポリシロキサンは、波長１．５５μｍの場合、コア屈折率は１．４４６であり、コアとクラッドの屈折率差は０．００５である。また熱光学効果係数は、−１．３×１０−４、線膨張率は９×１０−５、耐半田熱は３００℃以上のものを使用した。またこのときの下部クラッド層厚は２０μｍ、コア層厚は７μｍ、コア層を含む上部クラッド層厚は２０μｍである。Ｓ字型光導波路２の幅は４μｍ、Ｓ字型光導波路２の曲率半径は５０ｍｍである。
【００４１】
次いで、スパッタ装置を用いて上部クラッド層７ｂ上に導電性膜を形成させた。この導電性膜上にヒータ電極パターンを有するマスクを被せ、ヒータ電極パターンを転写させ、それ以外の部分をエッチングにより除去し、上部クラッド層７ｂ上にヒータ電極３を形成した。ここでヒータ電極３は、クロム（Ｃｒ）／金（Ａｕ）の２層薄膜構造を採用した。また、このときのヒータ電極幅はＳ字型光導波路２のコア幅とほぼ同じ幅とし、膜厚は１００〜３００ｎｍとした。
【００４２】
上記実施例に基づき作製した可変光減衰器について、光減衰量の可変範囲、波長特性、挿入損失、消費電力について測定した。測定にはＲｓｏｆｔ社のＢＥＡＭＰＲＯＰソフトを用いて光減衰量可変範囲の数値シミュレーションを行った。
【００４３】
その結果、光減衰量の可変範囲は４０ｄＢであり、図５のグラフ（１）に示すように波長特性は１５３０〜１５６０nmの範囲内においてほぼ平坦な特性を示した。
【００４４】
また本発明の可変光減衰器において挿入損失は０．３ｄＢ以下であり、消費電力は、図６グラフ（ａ）に示すように４０ｍＷ／４０ｄＢであった。この結果は、非特許文献１記載の可変光減衰器（グラフ（ｂ）に示す）と比較して、約２０％も消費電力が低減されていることを示している。
【００４５】
次に、図７〜図９を参照して本発明の他の実施形態を説明する。前述した図１に示した本発明の可変光減衰器１は、平坦な波長特性とコンパクトで集積し易い構造を有するので、これをアレイ化することが可能である。
【００４６】
また図８に示すように、一枚の基板上に複数の可変光減衰器１を平行に配置することができる。
【００４７】
更に図９に示すように、Ｓ字型光導波路２は、第１の彎曲部Ｒ１と第２の彎曲部Ｒ２を連結するのみならず、更に第３の彎曲部Ｒ３〜第Ｎの彎曲部ＲＮを連結するようにしてもよい。これにより更に減衰量範囲を広くすることができる。また必要に応じて第１の彎曲部Ｒ１と第２の彎曲部Ｒ２の間に直線光導波路を設けるようにしてもよい。
【００４８】
以上、詳述したように、本発明の実施形態によれば、コア及びクラッドに高い熱光学効果を有し、かつ感光性を有するポリマー材料を用いることにより、製造プロセスが容易であると共に製造歩留まりが向上される。また高価で高精密な製造設備を使用する必要がないから製造コストを低減することができる。
【００４９】
さらに光導波路は少なくとも２つ以上の彎曲部を有し、該彎曲部の内縁側斜め上方にヒータ電極が設けられているため彎曲部の外側への光放射が促進される。このため光減衰量の可変範囲を従来より広くでき、且つ低消費電力の可変光減衰器、及びアレイ型可変光減衰器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の形態に係る可変光減衰器１の構成を示す平面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ断面図である。
【図３】本実施形態に係る可変光減衰器１の製造方法一例を説明するための工程図（その１）である。
【図４】本実施形態に係る可変光減衰器１の製造方法一例を説明するための工程図（その２）である。
【図５】本発明の可変光減衰器の波長特性である。
【図６】本発明の可変光減衰器の消費電力に対する減衰量である。
【図７】本発明のアレイ型可変光減衰器（その１）の構成を示す図である。
【図８】本発明のアレイ型可変光減衰器（その２）の構成を示す図である。
【図９】本発明のアレイ型可変光減衰器（その３）の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１…可変光減衰器
２…Ｓ字型光導波路（コア）
３…ヒータ電極
３ａ…第１のヒータ電極
３ｂ…第２のヒータ電極
４…テーパ型結合光導波路
５…入出力光導波路
６…基板
７a…下部クラッド層
７b…上部クラッド層
２０・・・導波路パターンを有するマスク
２１…ヒータ電極パターンを有するマスク
【図１】
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【図２】
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【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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