(57)【要約】 【課題】  偏光変化および特にコア層の作成時に起こる望ましくない膜厚変化、屈折率変化に強い高分子光導波路回路を提供する。 【解決手段】  光導波路カプラ回路デバイスにおいて、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個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、前記複数個の方向性結合器のうちの隣り合う任意の2 個の方向性結合器の間を連結する前記2 本の光導波路の実効光路長に差ΔL を設け、 この実効光路長差ΔL を0.28 乃至0.39 μm に設定する。 【選択図】  図１
2005062756.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個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、
前記複数個の方向性結合器のうちの隣り合う任意の2 個の方向性結合器の間を連結する前記2 本の光導波路の実効光路長に差ΔL を設け、
この実効光路長差ΔL を0.28 乃至0.39 μm に設定した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】
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個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、
前記複数個の方向性結合器のうちの隣り合う任意の2 個の方向性結合器の間を連結する前記2 本の光導波路の実効光路長に差ΔL を設けるとともに、この実効光路長差ΔL を0.28 乃至0.39 μm に設定し、
前記各方向結合器は、それぞれ2 本の光導波路の平行部分を具え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３】
前記高分子光導波路を1550nm 波長において、1.508 〜1.568 の屈折率を有する高分子材料で構成したことを特徴とする請求項１又は２記載の光導波路カプラ回路デバイス。
【請求項４】
前記高分子光導波路を1550nm の波長において、0.008 〜0.01 の複屈折を有する高分子材料で構成したことを特徴とする請求項１又は２記載の光導波路カプラ回路デバイス。
【請求項５】
前記高分子光導波路を1550nm 波長において、1.508 〜1.568 の屈折率と1550nm 波長において、0.008 〜0.01 の複屈折とを有する高分子材料で構成したことを特徴とする請求項１又は２記載の光導波路カプラ回路デバイス
【請求項６】
前記高分子下部クラッド層を1550nm の波長において、1.503 〜1.562 の屈折率を有する高分子材料で構成したことを特徴とする請求項1 又は２記載の光導波路カプラ回路デバイス。
【請求項７】
前記高分子上部クラッド層を1550nm 波長において、1.503 〜1.562 の屈折率を有する高分子材料で構成したことを特徴とする請求項1 又は２記載の光導波路カプラ回路デバイス。
【請求項８】
前記高分子下部クラッド層を1550nm の波長において、0.008 〜0.01 の複屈折を有する高分子材料で構成したことを特徴とする請求項1 又は２記載の光導波路カプラ回路デバイス
【請求項９】
前記高分子上部クラッド層を1550nm の波長において、0.008 〜0.01 の複屈折を有する高分子材料で構成したことを特徴とする請求項1 又は２記載の光導波路カプラ回路デバイス
【請求項１０】
前記高分子下部クラッド層を1550nm 波長において、1.503 〜1.562 の屈折率と1550nm 波長において、0.008 〜0.01 の複屈折を有する高分子材料で構成したことを特徴とする請求項1 又は２記載の光導波路カプラ回路デバイス
【請求項１１】
前記高分子上部クラッド層を1550nm 波長において、1.503 〜1.562 の屈折率と1550nm の波長において、0.008 〜0.01 の複屈折を有する高分子材料で構成したことを特徴とする請求項1 又は２記載の光導波路カプラ回路デバイス
【請求項１２】
前記高分子下部クラッド層及び前記高分子上部クラッド層を1550nm 波長において、1.503 〜1.562 の屈折率と1550nm の波長において、0.008 〜0.01 の複屈折を有する高分子材料で構成したことを特徴とする請求項1 又は２記載の光導波路カプラ回路デバイス
【請求項１３】
前記一方の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を0.702 〜0.979mm 、前記他方の方向性結合器における平行部分の長さを1.956 〜2.539mm にそれぞれ選定したことを特徴とする請求項1 乃至１２の何れか１項記載の光導波路カプラ回路デバイス。
【請求項１４】
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4.7 〜5.1 μm にそれぞれ選定したことを特徴とする請求項１乃至１３の何れか１項記載の光導波路カプラ回路デバイス。
【請求項１５】
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１４何れか１項記載の光導波路回路デバイス。
【請求項１６】
前記光導波路の断面形状を方形とし、その一辺の長さを8 μm としたことを特徴とする請求項１５記載の光導波路カプラ回路デバイス。
【請求項１７】
前記光導波路の断面形状を方形とし、その厚さt を７〜８μm としたことを特徴とする請求項１５記載の光導波路カプラ回路デバイス。
【請求項１８】
前記光導波路の断面形状を方形とし、幅W を8 μm とし、厚さt を７〜８μm としたことを特徴とする請求項１５記載の光導波路カプラ回路デバイス。
【請求項１９】
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１８の何れか１項記載の光導波路カプラ回路デバイス。
【請求項２０】
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１８の何れか１項記載の光導波路カプラ回路デバイス。
【請求項２１】
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１８の何れか１項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、高分子光導波路回路デバイスに関するものである。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、偏光変化および特にコア層の作成時に起こる望ましくない膜厚変化、屈折率変化に強い高分子光導波路回路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。
波長無依存光導波路カプラは、図7 に例示されるような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。）。
【０００３】
【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
【０００４】
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 ）からなる場合に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には高分子光導波路と呼ばれている 。
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。
【０００５】
このマッハツェンダ干渉計型光回路17 の1 つの応用例として、図2 に例示されるような2 ×2 Ｎスプリッ タが挙げられる。この2 ×2 Ｎ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 、と横に並んだ二つの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 ×2 Ｎ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。
例えば、図2 に示された2 ×2 Ｎスプリッ タは、前記波長無依存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λ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】
【０００６】
図2 に示されるような高分子導波路を用いた2 ×2 Ｎ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 ×2 Ｎ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 ×2 Ｎスプリッ タを得る。
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 に示す2 ×2 Ｎスプリッ タの導波光の特性に影響を与えてしまう。
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よく起こる。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他に、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 ×2 Ｎ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 ×2 Ｎスプリッ タの偏光依存損失特性（PDL ）は悪くなる 。
但し、図2 に示す2 ×2 Ｎ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特性上はコア層の膜厚変化、比屈折率差変化と偏光変化に依存し難いので、 コア層の膜厚変化、比屈折率差変化と偏光変化による影響をあまり受けない（例えば、特許文献２参照。）。
【０００７】
【特許文献２】Bao-Xue Chen et al, ”Optical Coupler”, US Patent 5757995
【０００８】
従って、問題となるの は図2 に示す2 ×2 Ｎスプリッ タの前半部 を構成する前記 波長無依存3dB カプラ9で ある。
【０００９】
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プリズムカプッラー法で測定した結果によると、その範囲は、約0.7 μｍの変動幅をもっていた。また、同時に比屈折率差の変化は約±10 ％であった。この大きさで導波路コアの厚さ、比屈折率差もしくは 光の偏光面が変わると、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ことになる。
【００１０】
前記波長無依存3dB カプラ9 と同じ構造を持つ 図7 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 の厚さか、若しくは、それら導波路コアの周りのクラッドとの比屈折率差が変わると、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 よりずれてしまうことになる。
【００１１】
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ることになり当然、製造コストは高くなることになる。
【００１２】
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の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、様々な複雑かつ多くの要因が影響してくるために、実際上、そのような精密に制御は非常に困難である。
【００１３】
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。
【００１４】
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 依存性の問題を一括的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且つ 導波路コア層の膜厚変化と比屈折率差変化に無依存となる、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】
【００１５】
上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と比屈折率差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。
【００１６】
図１に示すように、クラッド層6 、7 によって覆われた光導波路コア2 、3 を二本有し、二本の光導波路コア2 、3 を互いに接近させて形成した方向性結合器4 、5 をこれら光導波路の長手方向に二つ設け、二本の光導波路コア2 、3 の長さを互いに異なるようにした 導波路回路において、その回路特性が波長変化だけではなく偏光変化、導波路コア厚さと比屈折率差の変化に対しても一定に保たれるように最適化した各要素が次に記述したパラメータを有することを特徴とする光導波路回路である。
【００１７】
この手法は、以下に示すように説明することが出来る。
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ηは
2005062756.tif 000003
ここで
2005062756.tif 000004
2005062756.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 から出力する光の振幅、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ΔL 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βは偏光方向により異なる値を持っている。
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
2005062756.tif 000006
2005062756.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
2005062756.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λとの関数
2005062756.tif 000009
2005062756.tif 000010
である。通常、比屈折率差Δを
2005062756.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、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
2005062756.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15 までの連立方程式
2005062756.tif 000013
2005062756.tif 000014
2005062756.tif 000015
2005062756.tif 000016
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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、比屈折率差依存性と偏光依存性をともに解消することが出来る。ここでδη≦2% となるようにσλ 、σΔ とσt 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、導波路コア厚さおよび 比屈折率差を 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。
【００１８】
次に、上述の計算により得られた波長、導波路コア厚さおよび 比屈折率差を 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ηlmn 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、Dlmno はηlmno とQ の差
2005062756.tif 000018
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 とo はそれぞれ波長、導波路コア厚さと比屈折率差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
2005062756.tif 000019
で表示することが出来る。数値計算法により 式17 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、導波路コア厚さ依存性、比屈折率差依存性それに波長依存性を共に解消することが出来る。
【発明の効果】
【００１９】
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と比屈折率差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のバラツキ、比屈折率差の変化と複屈折から引き起こされる 偏光依存性によるパワー分配比 率の影響が明らかに低減される。
従って、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要らずに使える高分子光導波路カプラ回路を製造する時に、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
上述の手法を用いた本発明の偏光、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、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1550nm 波長では1.508 〜1.568 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8 μm  の幅と7 〜8 μm の厚さを有する方形であり、方向性結合器4 の平行部長さL1 は0.702 〜0.979mm 或いは1.956 〜2.539mm 、方向性結合器5 の平行部長さL2 は1.956 〜2.539mm 或いは0.702 〜0.979mm 、方向性結合器4 の平行部間隔s1 は4.7 〜5.1 μm 、方向性結合器5 の平行部間隔s2 は4.7 〜5.1 μm および光導波路コア2 と3 の長さの差ΔL は0.28 〜0.39 μm であることを特徴としている。
【００２１】
本発明は，光導波路カプラ回路デバイスにおいて、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個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、前記複数個の方向性結合器のうちの隣り合う任意の2 個の方向性結合器の間を連結する前記2 本の光導波路の実効光路長に差ΔL を設け、この実効光路長差ΔL を0.28 乃至0.39 μm に設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、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個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、前記複数個の方向性結合器のうちの隣り合う任意の2 個の方向性結合器の間を連結する前記2 本の光導波路の実効光路長に差ΔL を設けるとともに、この実効光路長差ΔL を0.28 乃至0.39 μm に設定し、前記各方向結合器は、それぞれ2 本の光導波路の平行部分を具え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、前記高分子光導波路を1550nm 波長において、1.508 〜1.568 の屈折率を有する高分子材料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、前記高分子光導波路を1550nm の波長において、0.008 〜0.01 の複屈折を有する高分子材料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、前記高分子光導波路を1550nm 波長において、1.508 〜1.568 の屈折率と1550nm 波長において、0.008 〜0.01 の複屈折とを有する高分子材料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、前記高分子下部クラッド層を1550nm の波長において、1.503 〜1.562 の屈折率を有する高分子材料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、前記高分子上部クラッド層を1550nm 波長において、1.503 〜1.562 の屈折率を有する高分子材料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、前記高分子下部クラッド層を1550nm の波長において、0.008 〜0.01 の複屈折を有する高分子材料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、前記高分子上部クラッド層を1550nm の波長において、0.008 〜0.01 の複屈折を有する高分子材料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、前記高分子下部クラッド層を1550nm 波長において、1.503 〜1.562 の屈折率と1550nm 波長において、0.008 〜0.01 の複屈折を有する高分子材料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、前記高分子上部クラッド層を1550nm 波長において、1.503 〜1.562 の屈折率と1550nm の波長において、0.008 〜0.01 の複屈折を有する高分子材料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、前記高分子下部クラッド層及び前記高分子上部クラッド層を1550nm 波長において、1.503 〜1.562 の屈折率と1550nm の波長において、0.008 〜0.01 の複屈折を有する高分子材料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、前記一方の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を0.702 〜0.979mm 、前記他方の方向性結合器における平行部分の長さを1.956 〜2.539mm 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4.7 〜5.1 μm 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、その一辺の長さを8 μm 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、前記光導波路の断面形状を方形とし、その厚さ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、前記光導波路の断面形状を方形とし、幅W を8 μm とし、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】
【００２２】
図１に示すように、本発明の偏光、導波路コア厚さの変化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、石英板からなる基板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1.508 〜1.568 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8 μm  の幅と7 〜8 μm の厚さを有する方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。
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0.702 〜0.979mm （或いは1.956 〜2.539mm ）であり、平行部間隔s1 が4.7 〜5.1 μm であるように作成される。方向性結合器5 は、その平行部長さL2 が1.956 〜2.539mm （或いは0.702 〜0.979mm ）であり、平行部間隔s2 が4.7 〜5.1 μm であるように作成される。
光導波路コア2 と3 の長さの差ΔL は、0.28 〜0.39 μm 範囲に形成されるのが好適である。
【００２３】
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以下に述べる。
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20 μm 厚の高分子下部 クラッド層6 を形成する。
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 〜8 μm 厚さの高分子コア層を形成する。
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、再び上述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。
【００２４】
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。
【００２５】
上記の本発明に係る高分子光導波路カプラ回路8 の作用について、実験を行った。その結果は以下の通りである。
まず、導波路コア厚さを7 μm、 比屈折率差を0.24% 〜0.30% の間で変化させて、図１に示す本発明の偏光変化、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 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3 と図５に示した。結果では120nm のバンド幅上の波長変化と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 ±1.91 ％と50 ±1.75 ％の範囲に入っている。
【００２６】
次に、導波路コア厚さを8 μm、 比屈折率差を0.24% 〜0.30% の間で変化させて、上述のと同じ実験を行った。TE とTM 偏光のパワー分配比 率をそれぞれ図４と図６に示した。波長変化と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 ±1.91 ％と50 ±1.75 ％の範囲に入っており、偏光、導波路コア厚さ、比屈折率差そして波長の変化による影響はほとんどない。
したがって、本発明の偏光、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、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、且つプロセス誤差により出来た導波路コア厚さと比屈折率差がそれぞれ7 〜8 μm、0.24% 〜0.30% の範囲で変化しても、その特性は変わらない。したがって、本発明の偏光、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 ×2 Ｎ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を無依存化し、且つ製造プロセスでの生じる幾何的および物性的変化に無依存となるために製造が容易なカプラ9 となる。
【００２７】
本発明は、前記の最適化方法によって、偏光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 ×2 Ｎスプリッ タの偏光を無依存化するために使われることが出来る。
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】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態を示すカプラ回路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】コア厚さが、７μｍ、比屈折率差の変動範囲が0.24 〜0.30 ％である時に、本発明に係る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に対するパワー分配比率の変化を示す図。
【図４】コア厚さが、８μｍ、比屈折率差の変動範囲が0.24 〜0.30 ％である時に、本発明に係る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に対するパワー分配比率の変化を示す図。
【図５】コア厚さが、７μｍ、比屈折率差の変動範囲が0.24 〜0.30 ％である時に、本発明に係る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に対するパワー分配比率の変化を示す図。
【図６】コア厚さが、８μｍ、比屈折率差の変動範囲が0.24 〜0.30 ％である時に、本発明に係る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に対するパワー分配比率の変化を示す図。
【図７】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。
【符号の説明】
【００２９】
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
９  波長無依存３ｄB カプラ
１０  導波路分路回路
１３  光導波路コア
１４  光導波路コア
１５  方向性結合器
１６  方向性結合器
１８  下部クラッド
１９  上部クラッド
【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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