(57)【要約】【課題】結合率の偏波依存性を低減した溝付き積層光導波路とする。【解決手段】積層光導波路は、シリコン基板１上に、下部クラッド層２、下部コア２１、中間クラッド層４、上部コア２２、上部クラッド層６を積層して構成されている。そして、上下のコア２１，２２により、光結合直線部７を有する層間光方向性結合器が構成されている。光結合直線部７において、コア２１，２２に沿ってその両脇に、溝２３，２４を形成している。溝２３，２４の溝深さは、上部クラッド層６の表面から下部クラッド層２の底面に達している。これにより基板水平方向の応力を開放でき、ＴＭ偏波であってもＴＭ偏波であっても、同様な結合率となる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、下部クラッド層、下部コア、中間クラッド層、上部コア、上部クラッド層を順次積層してなる積層光導波路であって、
下部コアおよび上部コアに沿ってその両脇に、前記上部クラッド層表面から前記下部クラッド層底面までの溝を形成したことを特徴とする溝付き積層光導波路。
【請求項２】
基板上に、下部クラッド層、下部コア、中間クラッド層、上部コア、上部クラッド層を順次積層してなる積層光導波路であって、
入力湾曲部において上部コアと下部コアがそれぞれの存在する平面上で光結合を生じる距離まで徐々に湾曲しながら接近し、一定長の光結合直線部において前記上部コアが前記下部コアの真上に位置しながら平行に延在し、再び出力湾曲部において前記上部コアと前記下部コアがそれぞれの存在する平面上で両コア間の光結合を生じない距離まで徐々に湾曲しながら離れていく構造の層間光方向性結合器を有し、
前記層間光方向性結合器は、前記一定長の光結合直線部に沿って、その両脇に前記上部クラッド層表面から前記下部クラッド層底面までの溝を有することを特徴とする溝付き積層光導波路。
【請求項３】
前記一定長の光結合直線部においては、前記上部コアの高さおよび前記下部コアの高さが等しく、前記上部コアの幅および前記下部コアの幅が等しいことを特徴とする請求項２に記載の溝付き積層光導波路。
【請求項４】
前記積層光導波路はシリコン基板上に構成されたガラス導波路によることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の溝付き積層光導波路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溝付き積層光導波路に関するものである。更に詳述すると、高密度集積を可能にする積層型光導波路において、基板水平方向の応力を開放して上下導波路の偏波依存性を解消できるように工夫したものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信技術の急速な発達により、各種光部品が研究開発されているが、中でも平面基板上の光導波路を基本とした導波路型光部品が最も重要な位置を占めている。これは、導波路型光部品がフォトリソグラフィ技術および微細加工技術により光波長以下の精度で再現性良く量産可能という特徴を有するからである。
【０００３】
しかしながら、これらの導波路型光部品の規模は通信システムの規模に比べて小さく、多数の部品を組み合わせてシステムを実現する必要がある。例えば、実用化が進みつつある２５６の入力線と２５６の出力線を任意の組み合わせで実現するクロスコネクトシステムでは、８×８マトリックススイッチを用いた場合でも、１０００個以上ものモジュールが必要となる。したがって、個々の光部品の大規模化が切望されている。
【０００４】
光回路の規模を大きくするには、回路基板のサイズを大きくして集積する方法や、回路を構成する要素素子を小型化して集積度を高める方法が挙げられる。チップサイズを大きくするには導波路作製装置の大型化が必要であり、その開発には多くの時間が必要であり短時間での対応は困難である。また、チップサイズの大型化はそのチップを搭載したモジュールサイズの大型化を招くが、モジュールに搭載可能な基板には規定の大きさがあり、チップサイズを無限に大型化することはできない。
【０００５】
一方、要素素子を小型化するためには、光導波路におけるコアとその周囲のクラッドの比屈折率差を大きくすることで、コア中の光の閉じ込め効果を強くして導波路の曲げ半径を小さくすることが有効である。しかしながら、比屈折率差を大きくするに従って、同じ量の作製誤差に対する光路長の誤差も大きくなる。比屈折率差が変わっても幾何的な作製精度は同じであるから、光の干渉によりその制御を行う導波路型光部品においては比屈折率差が大きくなるほど、光の干渉状態を大きく狂わせてしまい、部品の性能低下を招いてしまう。そのため、比屈折率差を大きくし、集積度を高める方式にも限界がある。
【０００６】
集積度を上げるもうひとつの方法として、基板と垂直な方向に複数の光導波路構造を多層に形成し、回路を基板に対して垂直に積み上げていく積層回路構造がある。積層回路構造を用いる場合、上下層の異なる導波路で光の受け渡しを行う層間光方向性結合器の実現が不可欠である。層間光方向性結合器の例として、発明者らによる報告（第６２回応用物理学会学術講演会  講演予稿集（２００１．９．愛知工業大学）、Ｐ９００、講演番号：１２ｐ−Ｙ−６、“研磨を用いた石英系ＰＬＣの積層化”鈴木他）がある（図８参照）。
【０００７】
この報告によれば、下部クラッド、中間クラッド、上部クラッド、下部コアおよび上部コアを火炎堆積法（ＦＨＤ法）により成膜し、中間クラッド層堆積直後に、中間クラッド層表面を研磨することで層間光方向性結合器を作製できることが示されている。
【０００８】
図８においては、シリコン基板１上に下部クラッド層２、下部コア３、中間クラッド層４、上部コア５、上部クラッド層６を有し、光結合直線部７において一定のギャップ８を有する層間光方向性結合器が示されている。
【０００９】
なお理解を容易にするため、図８の層間光方向性結合器の上面図を図９に、図９の位置ＡＡ−ＡＡ’、ＢＢ−ＢＢ’、ＣＣ−ＣＣ’における断面図を図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）にそれぞれ示す。
【００１０】
図１１は、前記報告において示された層間光方向性結合器の結合特性である。図１１において横軸は光結合直線部７の長さ、縦軸はＴＥ，ＴＭ両偏波に対する結合率である。上部コア５、下部コア３ともに比屈折率差０．７５％の導波路で構成され、そのサイズ（断面の縦寸法及び横寸法）は６μｍ×６μｍ、上下コア間のギャップ８は３μｍであった。この報告の層間光方向性結合器では、ＴＥ偏波に対しては、光結合直線部７の長さが１４００μｍでほぼ１００％の結合が得られているのに対し、ＴＭ偏波に対しては、最大でも７０％程度の結合しか得られていない。
【００１１】
【非特許文献１】
第６２回応用物理学会学術講演会  講演予稿集（２００１．９．愛知工業大学）、Ｐ９００、講演番号：１２ｐ−Ｙ−６、“研磨を用いた石英系ＰＬＣの積層化”
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように従来の積層光導波路（層間光方向性結合器）は、ＴＥ偏波に対してはほぼ１００％の結合率が得られているものの、ＴＭ偏波に対しては高々７０％程度の結合率しか得られていなかった。
【００１３】
一般に、石英系光導波路では、その成膜工程において高温の熱処理を必要とする。この工程は、導波路コアに対して基板水平方向の圧縮応力を誘起するが、積層光導波路においては、上部コアおよび下部コアのシリコン基板からの距離が異なるため、その圧縮応力も上部コア、下部コアで異なる。一般に、光導波路の伝搬定数は偏波方向と垂直な応力成分が大きく影響する。したがって、この基板水平方向の応力の違いはＴＭ偏波に対して、上下コア間での伝搬定数の不整合を生み、層間光方向性結合器においてはＴＭ偏波に対して非対称方向性結合器を生み出し、その偏波依存性を誘起する。
【００１４】
本発明は、光通信用デバイスである積層光導波路の偏波依存性を低減する溝付き積層光導波路を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明において開示される発明の概要を簡単に説明すれば次の通りである。
本発明の溝付き積層光導波路は、基板上の下部クラッド層、下部コア、中間クラッド層、上部コアと上部クラッド層からなる積層光導波路であって、下部コアおよび上部コアに沿ってその両脇に、上部クラッド層表面から下部クラッド層底面までの溝を有する積層光導波路である。
【００１６】
さらに、本発明の溝付き積層光導波路は、
入力湾曲部において上部コアと下部コアがそれぞれの存在する平面上で光結合を生じる距離まで徐々に湾曲しながら接近し、一定長の光結合直線部において前記上部コアが前記下部コアの真上に位置しながら平行に延在し、再び出力湾曲部において前記上部コアと前記下部コアがそれぞれの存在する平面上で両コア間の光結合を生じない距離まで徐々に湾曲しながら離れていく構造の層間光方向性結合器を有し、
その層間光方向性結合器は、前記一定長の光結合直線部に沿って、その両脇に上部クラッド層表面から下部クラッド層底面までの溝を有してもよい。
【００１７】
さらに、前記一定長の光結合直線部においては、前記上部コアの高さおよび前記下部コアの高さが等しく、前記上部コアの幅および前記下部コアの幅が等しくてもよい。
さらに、本出願の溝付き積層光導波路はシリコン基板上に構成されたガラス導波路を用いて構成されても良い。
【００１８】
上述のように、上部コア、下部コアの両脇に溝を形成することで、基板水平方向の応力を開放することができ、上部コア、下部コアの複屈折を解消することが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、発明の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号をつけ、その繰り返しの説明は省略する。
【００２０】
［実施例１］
図１は本発明の実施例１にかかる、層間光方向性結合器を有する溝付き積層光導波路を示す斜視図、図２は溝付き積層光導波路における層間光方向性結合器を示す上面図、図３は図２のＣ−Ｃ’断面図である。
【００２１】
図１に示すように、この溝付き積層光導波路は、シリコン基板１上に、火炎積層法（ＦＨＤ法）による成膜により、下部クラッド層２、下部コア２１、中間クラッド層４、上部コア２２、上部クラッド層６を順次積層して構成された石英系光導波路である。なお、７は予め設定された長さ（一定長さ）となっている光結合直線部、８はギャップである。さらに溝２３，２４が形成されている。
【００２２】
図１及び図２に示されるように、層間光方向性結合器は、下部コア２１と上部コア２２により構成されている。
【００２３】
このうち、下部コア２１は、下部入力導波路１１、下部入力導波路１１に接続された下部入力湾曲部１３、下部入力湾曲部１３に接続された下部光結合直線部１５、下部光結合直線部１５に接続された下部出力湾曲部１７、および下部出力湾曲部１７に接続された下部出力導波路１９により構成される。
【００２４】
また、上部コア２２は、上部入力導波路１２、上部入力導波路１２に接続された上部入力湾曲部１４、上部入力湾曲部１４に接続された上部光結合直線部１６、上部光結合直線部１６に接続された上部出力湾曲部１８、上部出力湾曲部１８に接続された上部出力導波路２０から構成される。
【００２５】
さらに、図２のＣ−Ｃ’断面図である図３に示すように、光結合直線部１５，１６においてはその両脇に、光結合直線部１５，１６の中心からＤの位置に幅Ｗｇの溝２３および溝２４が形成されている。
【００２６】
溝２３，２４の溝深さは、上部クラッド層６の表面から下部クラッド層２の底面に達するまで深さとなっている。そして、溝２３，２４は、光結合直線部１５，１６の両脇の位置において、光結合直線部１５，１６（光結合直線部７）の長さ方向に沿って形成されている。
【００２７】
本実施例１では、下部コア２１と上部コア２２のギャップＧは３μｍ、下部コア２１と上部コア２２の高さＨはともに６μｍ、下部コア２１と上部コア２２の幅Ｗはともに７．５μｍ、溝２３，２４の位置Ｄ＝２０μｍ、幅Ｗｇ＝１００μｍとした。
【００２８】
また、下部入力導波路１１と上部入力導波路１２との間の水平方向距離（幅方向に沿う距離）は、互いに光結合を生じないようにするため、本実施例１では２００μｍとした。
同様に、下部出力導波路１９と上部出力導波路２０との間の水平距離（幅方向に沿う距離）は、互いに光結合を生じないようにするため、本実施例１では２００μｍとした。
【００２９】
図４は火炎堆積法による作製した石英系光導波路による本実施例１の層間光方向性結合器の光結合直線部７の長さＬに対する結合率の変化を示すグラフである。図４に示すように、ＴＭ，ＴＥ両偏波に対して偏波依存性なく良好な結合特性が得られている。また、ＴＭ，ＴＥ両偏波に対して、５０％結合長は２４０μｍ、最大結合率は８８０μｍのときに９６％とほぼ完全な結合が得られた。
【００３０】
これは、本実施例１においては、光結合直線部１５，１６において、その両脇に溝２３，２４が形成されているため、基板水平方向の応力が開放され、下部光結合直線部１５と上部光結合直線部１６の複屈折が低減されて、層間光方向性結合器の偏波依存性が解消されたことを示している。
【００３１】
［実施例２］
図５は本発明の実施例２における積層光導波路における層間マッハツェンダ干渉計の概略図であり、図６（ａ）は図５のＡ−Ａ’，Ｄ−Ｄ’断面図、図６（ｂ）は図５のＢ−Ｂ’断面図である。
【００３２】
本実施例２においても実施例１と同様に、積層光導波路は火炎堆積法による石英系光導波路によって作製した。
【００３３】
図５，図６に示す層間マッハツェンダ干渉計は、層間光方向性結合器５１，５２と、下部導波路層に形成された下部アーム導波路５６と、上部導波路層に形成された上部アーム導波路５５と、上部アーム導波路５５の真上に配置された薄膜ヒータ５７と、下部アーム導波路５６の真上に配置された薄膜ヒータ５８からなる。
【００３４】
また、上部コア５４および下部コア５３の両脇には、層間光方向性結合器５１から上部アーム導波路５５、下部アーム導波路５６、さらには層間光方向性結合器５２にかけて伸びるとともに、溝深さが上部クラッド表面から下部クラッド底面に達している溝５９，６０，６１が形成される。ここで、溝５９，６０，６１は上部コア５４、下部コア５３の中心からＤの位置に幅Ｗｇにて形成される。
【００３５】
本実施例２では、層間ギャップＧ＝３μｍ、上下コア５３，５４の幅Ｗ＝７．５μｍ、上下コア５３，５４の高さＨ＝６μｍ、溝５９，６０，６１の位置Ｄ＝２０μｍ、中心の溝幅Ｗｇｃ＝１６０μ、両脇の溝幅Ｗｇ＝１００μｍとして、層間マッハツェンダ干渉計を含む積層光導波路を火炎堆積法による石英光導波路にて構成した。
【００３６】
図７は層間マッハツェンダ干渉計の薄膜ヒータ５７への印加電力と出力導波路６２への出力強度の関係である。ここで、入射光は上部コア５４に対して入射した。図７に示されるように、ＯＦＦ電力はＴＭ偏波、ＴＥ偏波ともに０．２Ｗであり、偏波依存性は全く見られなかった。また、消光比に関しても、ＴＭ偏波に対して２９．９ｄＢ、ＴＥ偏波に対して３０．４ｄＢであり、十分な値が得られた。
【００３７】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば次のとおりである。すなわち、本発明によれば、積層光導波路において、下部コアおよび上部コアに沿ってその両脇に、上部クラッド層表面から下部クラッド層底面までの溝を形成したので、積層光導波路において上下導波路層の偏波依存性を解消することができる。
【００３８】
また本発明によれば、層間光方向性結合器を有する積層光導波路において、層間光方向性結合器の光結合直線部に沿って、その両脇に上部クラッド層表面から下部クラッド層底面までの溝を有するので、その結合率の偏波依存性は低減でき、ＴＭ，ＴＥ両偏波に対して良好に完全結合が得られる。
【００３９】
また、層間マッハツェンダ干渉計に適用した場合においても、そのスイッチング電力、消光比ともに偏波依存性が低減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１にかかる、層間光方向性結合器を含む溝付き積層光導波路を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施例１にかかる、層間光方向性結合器を含む溝付き積層光導波路を示す上面図である。
【図３】図２のＣ−Ｃ’断面を示す断面図である。
【図４】本発明の実施例１の層間光方向性結合器の光結合直線部の長さＬに対する結合率の変化を示すグラフである。
【図５】本発明の実施例２にかかる層間マッハツェンダ干渉計を示す上面図である。
【図６】本発明の実施例２にかかる層間マッハツェンダ干渉計を示す断面図であり、図６（ａ）は図５のＡ−Ａ’，Ｄ−Ｄ’断面図、図６（ｂ）は図５のＢ−Ｂ’断面図である。
【図７】本発明の実施例２の層間マッハツェンダ干渉計の印加電力に対する出力強度の関係を示すグラフである。
【図８】従来の層間光方向性結合器を含む積層光導波路を示す斜視図である。
【図９】従来の層間光方向性結合器を含む積層光導波路を示す上面図である。
【図１０】従来の層間光方向性結合器を含む積層光導波路を示す断面図であり、図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）は図９のＡＡ−ＡＡ’、ＢＢ−ＢＢ’、ＣＣ−ＣＣ’断面図である。
【図１１】従来の層間光方向性結合器の結合特性を示す特性図である。
【符号の説明】
１  シリコン基板
２  下部クラッド層
３，２１  下部コア
４  中間クラッド層
５，２２  上部コア
６  上部クラッド層
７  光結合直線部
８  ギャップ
２３，２４  溝
５１，５２  層間光方向性結合器
５５  上部アーム導波路
５６  下部アーム導波路
５７，５８  薄膜ヒータ
５９，６０，６１  溝
【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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【図１０】
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【図１１】
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