(57)【要約】【課題】信頼性が高く、特性が温度変化に依存せず、しかも製造時間の短い導波路型グレーティング素子を提供する。【解決手段】石英基板１１と金属板１３との間に石英基板１１より破断強度の高い中間部材１２を挿入して三層構造とすることにより、温度変化時の金属板１３の変形に伴う応力が石英基板１１に伝わるのが中間部材１２により抑えられるので、石英基板１１の破断が防止され、特性が温度変化に依存せず、信頼性が向上する。また、石英基板１１を研磨する必要が無くなるので、製造時間がその分だけ短縮される。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
グレーティングを有する石英系光波回路が形成された石英基板に、金属板を貼り合わせて温度補償した導波路型グレーティング素子において、上記石英基板と上記金属板との間に上記石英基板より破断強度の高い中間部材を挿入して三層構造としたことを特徴とする導波路型グレーティング素子。
【請求項２】
上記中間部材に火炎研磨を用いた表面処理を施すことにより破断強度を向上させた請求項１に記載の導波路型グレーティング素子。
【請求項３】
上記金属板のエッジを、少なくとも上記中間部材のエッジと重ならないように上記石英基板、上記中間部材及び上記金属板を貼り合わせた請求項１または２に記載の導波路型グレーティング素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導波路型グレーティング素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｇｅをドープした石英ガラスに紫外光を照射すると、屈折率が変化することを利用して、光ファイバや石英系光導波路に屈折率変調型グレーティングを形成したデバイスの研究開発が盛んに行われている。特に光導波路の場合、グレーティングと光回路とを組み合わせて１つの素子に集積化できる特長を生かした高機能な製品開発が行われている。
【０００３】
図７（ａ）は導波路型グレーティング素子の従来例を示す平面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のＶＩＩｂ−ＶＩＩｂ線断面図であり、図７（ｃ）は図７（ａ）の常温でのＶＩＩｃ−ＶＩＩｃ線断面図である。
【０００４】
図７（ａ）〜（ｃ）に示す導波路型グレーティング素子１は、主に２つのＭＭＩ型３ｄＢカプラ（以下「３ｄＢカプラ」という。）２ａ、２ｂと、両３ｄＢカプラ２ａ、２ｂ間に接続されグレーティング３ａ、３ｂ（説明のため多数の縦線で示されている。）がそれぞれ形成された２本の導波路４ａ、４ｂとで構成されるマッハ・ツェンダ干渉光回路で構成され、両導波路４ａ、４ｂに形成されたグレーティング３ａ、３ｂにより、図示しない波長多重通信路から所定の波長λｋの光信号を取り出すか、或いは波長多重通信路に光信号を加える機能を有するＡｄｄ／Ｄｒｏｐフィルタを構成している。尚、４ｃ〜４ｆは導波路であり、５は石英基板であり、６は金属板である。
【０００５】
ここで、入力ポートＰｉから波長の異なる光信号（波長λ１〜λｎ）が入力されると、グレーティング３ａ、３ｂのブラッグ波長に相当する波長λｋの光信号のみＤｒｏｐポートＰｄから出力（Ｄｒｏｐ）され、それ以外の波長（λ１〜λｋ−１、λｋ＋１〜λｎ）の光信号は出力ポートＰｏから出力される。また、ＡｄｄポートＰａから入力された光信号（波長λｋ）は出力ポートＰｏへ出力される。
【０００６】
導波路型グレーティング素子１は、石英基板５上に光回路（導波路）４ａ、４ｂ等となるコアやクラッドがスパッタリング、フォトリソグラフィ、ＲＩＥ、火炎堆積法等のプロセスを経て形成されている。グレーティング３ａ、３ｂは位相マスク法によりエキシマレーザの照射により形成されている。尚、図では石英基板５とクラッドとの境界は省略されている。
【０００７】
このようにして導波路４ａ、４ｂ上に形成されたグレーティング３ａ、３ｂのブラッグ波長は、導波路４ａ、４ｂの等価屈折率に比例し、数１式で表される。
【０００８】
【数１】
λＢｒａｇｇ＝２・Λ・Ｎｅｆｆ（Ｔ）
但し、Λはグレーティング３ａ、３ｂの周期（従来例では５３０ｎｍ）であり、Ｎｅｆｆ（Ｔ）は導波路４ａ、４ｂの等価屈折率（約１．４５）である。また、ブラッグ波長λＢｒａｇｇの屈折率温度係数は数２式で表される。
【０００９】
【数２】
ｄλＢｒａｇｇ／ｄＴ＝２・Λ・（ｄＮｅｆｆ／ｄＴ＋Ｎｅｆｆ・α）
但し、ｄＮｅｆｆ／ｄＴは導波路４ａ、４ｂの等価屈折率の温度係数で約１×１０−５、αは導波路４ａ、４ｂの線膨張係数で５．５×１０−７である。このとき、導波路４ａ、４ｂは数３式で表される温度依存性を有する。
【００１０】
【数３】
ｄλＢｒａｇｇ／ｄＴ＝１．０６×１０２（ｎｍ／℃）
このようにブラッグ波長λＢｒａｇｇが変動すると、Ｄｒｏｐ（Ａｄｄ）されるべき光信号（波長λｋ）はＤｒｏｐ（Ａｄｄ）されなくなり、他の光信号がＤｒｏｐ（Ａｄｄ）されてしまうという誤動作が生じることになる。
【００１１】
そこで、従来ではこのような誤動作を防止するため、グレーティング３ａ、３ｂを形成した石英基板５に金属板６としてのアルミ板を貼り付けることが行われたのである（特開平１２−１６２４５２号公報）。
【００１２】
この導波路型グレーティング素子１は次のようにして製造される。
【００１３】
厚さ１ｍｍの石英基板５上にスパッタ法により、ＧｅＯ２−ＳｉＯ２膜を成膜し、フォトリソグラフィ、ＲＩＥにより光回路４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆのパターンを形成し、プラズマＣＶＤ法によりクラッドを形成する。コアとクラッドとの比屈折率差Δは１．５％である。その後、常温水素３００×１０５Ｐａ（約３００気圧）雰囲気中に２週間程度放置することにより、石英基板５中に水素を入り込ませる。
【００１４】
水素雰囲気容器から石英基板５を取り出した後、ＫｒＦエキシマレーザ（波長λ＝２４８ｎｍ）を位相マスクを通して石英基板５に照射し、光回路４ａ、４ｂの一部にグレーティング３ａ、３ｂをそれぞれ形成する。
【００１５】
最後にアルミ板６を紫外線硬化型の接着剤により、常温中（２５℃）で石英基板５の底面（図７（ｂ）では下側）に貼り付けることで導波路型グレーティング素子１が得られる。
【００１６】
図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、従来の導波路型グレーティング素子１は温度が常温の場合には反りが無く、導波路グレーティング素子１の歪みは略「０」である。
【００１７】
図８は図７（ａ）〜（ｃ）に示した導波路型グレーティング素子の高温でのＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。
【００１８】
しかし、導波路型グレーティング素子１の周囲温度が常温から高温に変化すると、石英基板５と金属板６との線膨張係数の差からバイメタルのように反りが生じ、高温時には図８に示すように導波路グレーティング素子１に歪みεが発生する。導波路４ａ（４ｂ）の等価屈折率の温度変化、歪みεによる光学的距離の変化、歪みεによる光弾性効果を考慮すると、このときのブラッグ波長λＢｒａｇｇの温度依存性は数４式で表される。
【００１９】
【数４】
ｄλＢｒａｇｇ／ｄＴ
＝２・Λ・（ｄＮｅｆｆ／ｄＴ＋０．７８・Ｎｅｆｆ・（ｄε／ｄＴ））
数４式において、ｄλＢｒａｇｇ／ｄＴ＝０となるように歪みεを導波路４ａ、４ｂに与えれば、λＢｒａｇｇは温度に無依存となる。
【００２０】
石英基板５にクラックが存在すると、温度変化時に石英基板５に応力がかかり、破断してしまうため、石英基板５の底面側を研磨して導波路４ａ、４ｂにクラックが発生するのを防止することが行われていた。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、石英基板５を研磨し、クラックを除去するには長時間を必要とするため、コストがかかり、量産化が難しいという問題があった。
【００２２】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、信頼性が高く、特性が温度変化に依存せず、しかも製造時間の短い導波路型グレーティング素子を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、グレーティングを有する石英系光波回路が形成された石英基板に、金属板を貼り合わせて温度補償した導波路型グレーティング素子において、石英基板と金属板との間に石英基板より破断強度の高い中間部材を挿入して三層構造としたものである。
【００２４】
請求項２の発明は、請求項１に記載の構成に加え、中間部材に火炎研磨を用いた表面処理を施すことにより破断強度を向上させてもよい。
【００２５】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の構成に加え、金属板のエッジを、少なくとも中間部材のエッジと重ならないように石英基板、中間部材及び金属板を貼り合わせるのが好ましい。
【００２６】
ここで、石英基板に金属板を貼り付けた構造は、温度変化時に石英基板の線膨張係数と金属板の線膨張係数との差によって曲がり、石英基板表面の光回路に歪みが生じる。このとき石英基板と金属板との界面付近に大きな応力が発生し、石英基板のクラックから破断してしまうため、従来は前述のように石英基板を研磨することによりクラックを除去していた。
【００２７】
しかし、研磨でクラックを除去するには、多くの時間を必要とするため、量産化に問題があった。
【００２８】
そこで、本発明では石英基板と金属板との間に石英基板より破断強度の高い中間部材を挿入することで石英基板にかかる応力を低減させて、破断を防止すると共に製造時間の短縮を行うこととしたものである。
【００２９】
すなわち、本発明によれば、石英基板と金属板との間に石英基板より破断強度の高い中間部材を挿入して三層構造とすることにより、温度変化時の金属板の変形に伴う応力が石英基板に伝わるのを中間部材により抑えるので、石英基板の破断が防止され、特性が温度変化に依存せず、信頼性が向上する。また、石英基板を研磨する必要が無くなるので、製造時間がその分だけ短縮される。
【００３０】
導波路型グレーティング素子のブラッグ波長は、ＩＴＵグリッド（波長多重通信における波長の規格）の波長から±０．１ｎｍ以内に収める必要がある。アルミ板を貼り付ける前に温度を調節してブラッグ波長をＩＴＵグリッドの波長に合わせて、その状態からブラッグ波長が変動しないように金属板を貼り付ける。このとき、接着剤として、紫外線硬化型接着剤を用いるのが好ましい。この場合、中間部材は紫外線を透過する材料からなるのが好ましい。
【００３１】
また、中間部材の強度を向上させる方法として、火炎研磨、フッ酸処理等による表面処理を施してもよい。従来、石英基板を直接金属板に貼り付けた後で表面処理を施す場合には、石英基板の導波路やグレーティングの特性を変えないように表面処理を施さなければならず作業性の面から実現が難しい問題であった。
【００３２】
しかしながら、本発明は中間部材を用いた三層構造を採用しているので、中間部材に対してのみ表面処理を施せばよいので、特性が変化してしまうことに関してはほとんど注意しなくてもよい。さらに、中間部材のエッジに大きな応力がかからないように、中間部材のエッジと金属板のエッジとが重ならないように中間部材に金属板を貼り付けることにより石英基板の破断の防止に有効となる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００３４】
図１（ａ）は本発明の導波路型グレーティング素子の平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線断面図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）の常温でのＩｃ−Ｉｃ線断面図である。尚、図７（ａ）〜（ｃ）に示した従来例と同様の部材には共通の符号を用いた。
【００３５】
本導波路型グレーティング素子１０は、主に石英系平面光波回路（導波路）４ａ、４ｂに紫外光を照射し、グレーティング３ａ、３ｂを形成したものである。２つの３ｄＢカプラ２ａ、２ｂと２本の導波路４ａ、４ｂとにより対称マッハ・ツェンダ干渉回路が構成されており、グレーティング３ａ、３ｂは２本の導波路４ａ、４ｂの同一位置に形成され、相互対称となっている。
【００３６】
一方の３ｄＢカプラ２ａ（図では左側）には、入力ポートＰｉ及びＤｒｏｐポートＰｄが導波路型グレーティング素子１０の一方の端面に位置するように形成された２本の導波路４ｃ、４ｄがそれぞれ接続されている。他方の３ｄＢカプラ２ｂ（図では右側）には、ＡｄｄポートＰａ及び出力ポートＰｏが導波路型グレーティング素子１０の他方の端面に位置するように形成された２本の導波路４ｅ、４ｆがそれぞれ接続されている。
【００３７】
入力ポートＰｉに入力された波長多重光信号（波長λ１〜λｎ）のうち、グレーティング３ａ、３ｂのブラッグ波長に相当する波長λｋの光信号のみがＤｒｏｐポートＰｄから出力され、波長λｋ以外の波長の光信号（波長λ１〜λｋ−１、λｋ＋１〜λｎ）は出力ポートＰｏから出力される。また、ＡｄｄポートＰａからグレーティング３ａ、３ｂのブラッグ波長λｋに相当する波長の光信号が入力されると、出力ポートＰｏから出力されるようになっている。
【００３８】
このような特徴を有する石英基板１１に、破断強度の高い中間部材（例えば強化ガラス「商品名ネオセラムＮ−Ｏ」）１２と、金属板１３とを貼り合わせる。石英基板１１と中間部材１２と金属板１３とを貼り合わせる際の接着剤には紫外線硬化型の接着剤を用いるのが好ましい。中間部材１２には火炎研磨を施して強度を向上させてもよい。
【００３９】
図１（ｃ）に示すように、本導波路型グレーティング素子１０は常温の場合、反りが無く、導波路型グレーティング素子１０の歪みは略「０」である。
【００４０】
図２は図１（ａ）〜（ｃ）の高温でのＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【００４１】
これに対して導波路型グレーティング素子１０は周囲温度が常温から高温に変化すると、金属板１３の線膨張係数と石英基板１１の線膨張係数との差からバイメタルのように反りが生じ、高温時には図２に示すように導波路型グレーティング素子１０に圧縮歪みが発生する。また、低温時には導波路型グレーティング素子１０には逆側に反りが生じ、引っ張り歪みが発生する。
【００４２】
しかしながら、本発明の導波路型グレーティング素子１０は、温度変化時に中間部材１２に発生する歪みにより、温度変化に伴う石英基板１１の屈折率変化が相殺され、温度無依存の導波路型グレーティング素子１０を実現することができる。
【００４３】
図６は本発明の導波路型グレーティング素子の他の実施の形態を示す断面図である。
【００４４】
図６に示す導波路型グレーティング素子と図１（ａ）〜（ｃ）に示した導波路型グレーティング素子との相違点は金属板２０のエッジ２０ａが中間部材１２のエッジ１２ａと重ならないようにした点である。
【００４５】
導波路型グレーティング素子をこのように中間部材１２及び金属板２０のエッジ１２ａ、２０ａ同士が重ならないように構成することにより、石英基板１１へのクラックの集中が回避されるので、石英基板１１の破断が防止される。
【００４６】
尚、本実施の形態では石英基板１１のエッジと中間部材１２のエッジ１２ａととが重なった場合で説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、破線で示すように石英基板１１のエッジと中間部材１２のエッジ１２ａとが重ならないように構成してもよい。この場合、石英基板１１のエッジが中間部材１２のエッジ１２ａより内側になるのが好ましい。
【００４７】
【実施例】
次に具体的な数値を挙げて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００４８】
（実施例）
図１に示す導波路型グレーティング素子１０は中間部材１２として強化ガラスを用いたものとする。すなわち、導波路型グレーティング素子１０が石英ガラス１１、強化ガラス１２及びアルミ板１３の三層構造の場合で説明する。
【００４９】
図３は図１（ａ）〜（ｃ）に示した導波路型グレーティング素子のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図であり、矢印は撓みの方向を示す（この場合Ｚ軸方向）。
【００５０】
本導波路型グレーティング素子１０はアルミ板１３の厚さを０．７ｍｍとし、強化ガラス１２の厚さを０．５ｍｍとし、石英基板１１の厚さを０．５ｍｍとし、幅を３ｍｍとした。強化ガラス１２としては例えばネオセラムＮ−Ｏを用いた。
【００５１】
図４は図１（ａ）〜（ｃ）に示した導波路型グレーティング素子の−４０℃におけるＸ軸方向の応力とＺ軸方向の撓みとの関係を示す図であり、横軸がＸ軸方向の応力を示し、縦軸がＺ軸方向の撓みを示す。
【００５２】
図５は図１（ａ）〜（ｃ）に示した導波路型グレーティング素子の８５℃におけるＸ軸方向の応力とＺ軸方向の撓みとの関係を示す図であり、横軸がＸ軸方向の応力を示し、縦軸がＺ軸方向の撓みを示す。尚、図４及び図５において、図１（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線を中心位置「０」とした。
【００５３】
図４及び図５より、石英ガラス１１の各部分にかかる応力は、−４３．１×１０６〜４５．１×１０６Ｐａ（−４．４〜４．６ｋｇｆ／ｍｍ２）、強化ガラス１２の各部分にかかる応力は、−７５．５×１０６〜６９．６×１０６Ｐａ（−７．７〜７．１ｋｇｆ／ｍｍ２）であることが分かる。ネオセラムＮ−Ｏは、曲げ強度が１３．７×１０９Ｐａ（１４００ｋｇｆ／ｍｍ２）であり、石英の曲げ強度６．８×１０９Ｐａ（７００ｋｇｆ／ｍｍ２）よりも高い強度であるので、信頼性の高い構造が得られる。
【００５４】
（比較例）
図７（ａ）〜（ｃ）に示す導波路型グレーティング素子１は、石英ガラス５及びアルミ板６の二層構造の導波路型グレーティング素子とする。
【００５５】
図９は図７（ａ）〜（ｃ）に示した導波路型グレーティング素子のＩＸ−ＩＸ線断面図であり、矢印は撓みの方向を示す（この場合Ｚ軸方向）。
【００５６】
導波路型グレーティング素子１は、アルミ板６の厚さを０．５ｍｍとし、石英ガラス５の厚さを１ｍｍとし、幅を３ｍｍとした。
【００５７】
図１０は図７（ａ）〜（ｃ）に示した導波路型グレーティング素子の−４０℃におけるＸ軸方向の応力とＺ軸方向の撓みとの関係を示す図であり、横軸がＸ軸方向の応力を示し、縦軸がＺ軸方向の撓みを示す。
【００５８】
図１１は図７（ａ）〜（ｃ）に示した導波路型グレーティング素子の８５℃におけるＸ軸方向の応力とＺ軸方向の撓みとの関係を示す図であり、横軸がＸ軸方向の応力を示し、縦軸がＺ軸方向の撓みを示す。
【００５９】
尚、図１０及び図１１において、図７（ａ）のＩＸ−ＩＸ線を中心位置「０」とした。
【００６０】
図１０及び図１１より石英ガラス５の各部分にかかる応力は、−６．４〜５．９ｋｇｆ／ｍｍ２であり、実施例と比較して大きい応力が導波路型グレーティング素子１に発生していることが分かる。
【００６１】
従って、本実施例のように石英基板１１と金属板１３との間に中間部材１２を挿入して三層構造とすることにより、信頼性が高く、特性が温度変化に依存せず、しかも製造時間の短い導波路型グレーティング素子を提供することができる。
【００６２】
以上において、従来では温度変化時に石英基板が破断するのを防止するため、石英基板を研磨していたが、石英基板を研磨して、導波路のクラックを完全に除去するのには多くの時間がかかっていた。これに対して本発明では、石英基板と金属板との間に中間部材を挿入して三層構造とすることにより、石英基板を研磨することがなく、信頼性の高い温度無依存の導波路グレーティング素子の製造時間を短縮することができる。
【００６３】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、信頼性が高く、特性が温度変化に依存せず、しかも製造時間の短い導波路型グレーティング素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の導波路型グレーティング素子の平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線断面図であり、（ｃ）は（ａ）の常温でのＩｃ−Ｉｃ線断面図である。
【図２】図１（ａ）〜（ｃ）の高温でのＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】図１（ａ）〜（ｃ）に示した導波路型グレーティング素子のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】図１（ａ）〜（ｃ）に示した導波路型グレーティング素子の−４０℃におけるＸ軸方向の応力とＺ軸方向の撓みとの関係を示す図である。
【図５】図１（ａ）〜（ｃ）に示した導波路型グレーティング素子の８５℃におけるＸ軸方向の応力とＺ軸方向の撓みとの関係を示す図である。
【図６】本発明の導波路型グレーティング素子の他の実施の形態を示す断面図である。
【図７】（ａ）は導波路型グレーティング素子の従来例を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＶＩＩｂ−ＶＩＩｂ線断面図であり、（ｃ）は（ａ）の常温でのＶＩＩｃ−ＶＩＩｃ線断面図である。
【図８】図７（ａ）〜（ｃ）に示した導波路型グレーティング素子の高温でのＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。
【図９】図７（ａ）〜（ｃ）に示した導波路型グレーティング素子のＩＸ−ＩＸ線断面図である。
【図１０】図７（ａ）〜（ｃ）に示した導波路型グレーティング素子の−４０℃におけるＸ軸方向の応力とＺ軸方向の撓みとの関係を示す図である。
【図１１】図７（ａ）〜（ｃ）に示した導波路型グレーティング素子の８５℃におけるＸ軸方向の応力とＺ軸方向の撓みとの関係を示す図である。
【符号の説明】
２ａ、２ｂ　３ｄＢカプラ（ＭＭＩ型３ｄＢカプラ）
３ａ、３ｂ　グレーティング
４ａ〜４ｆ　導波路（光回路）
１０　導波路型グレーティング素子
１１　石英基板
１２　中間部材（強化ガラス）
１３　金属板（アルミ板）
【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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