(57)【要約】【課題】  曲率半径を１０μｍ以下まで小さくすることが可能でかつ伝搬損失が小さく、かつ光ファイバーとの良好な結合が可能な光導波路の構造とその作製方法とを提供し、導波路構造を用いて構成される各種光導波素子において、素子の諸特性が偏波方向に依存しない特性を実現するための光導波路の構造を提供する。【解決手段】  光導波路構造１００は、基板上に形成する光導波路において、ＳｉＯ２ガラスからなる下部クラッド層１を有し、その上にＳｉからなるコア２を有し、コア２を含む全体がＳｉＯ２ガラスまたはポリマー材料からなるクラッド層３で覆われていることを特徴とする光導波路構造。さらに、温度無依存にするため、上部クラッド層３がＳｉＯ２ガラスと屈折率がほぼ等しいが、屈折率の温度係数がＳｉＯ２ガラスとは反対の符号を有するポリマー材料（ＰＭＭＡ、ポリイミド等）で覆われている。【選択図】      図１
2005128419.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉが中心に有り、その周りをＳｉＯ２によって取り囲まれている断面の構造を備えていることを特徴とする光導波路構造。
【請求項２】
Ｓｉをコアとし、ＳｉＯ２をクラッド層として機能させることを特徴とする光導波路構造。
【請求項３】
Ｓｉが中心に有り、その周りをポリマー材料によって取り囲まれている断面の構造を備えていることを特徴とする光導波路構造。
【請求項４】
Ｓｉをコアとし、ポリマー材料をクラッド層として機能させることを特徴とする光導波路構造。
【請求項５】
基板上に形成する光導波路において、ＳｉＯ２ガラスからなる下部クラッド層を有し、その上にＳｉからなるコアを有し、コアを含む全体がＳｉＯ２ガラスで覆われていることを特徴とする光導波路構造。
【請求項６】
基板上に形成する光導波路において、ＳｉＯ２ガラスからなる下部クラッド層を有し、その上にＳｉからなるコアを有し、前記コアを含む全体がＳｉＯ２ガラスと屈折率がほぼ等しいポリマー材料で覆われていることを特徴とする光導波路構造。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の光導波路構造において、前記Ｓｉからなるコアの断面形状が正方形または円であることを特徴とする光導波路構造。
【請求項８】
請求項７記載の光導波路構造において、Ｓｉからなるコアの断面が、一辺０．３μｍ以下の正方形または、直径が０．３μｍ以下の円であることを特徴とする光導波路構造。
【請求項９】
請求項３〜６の内のいずれか一つに記載の光導波路構造において、コアを覆うポリマー材料の屈折率の温度係数が、Ｓｉコアの温度係数と逆符号となるような材料を用いることを特徴とする光導波路構造。
【請求項１０】
基板上に形成する光導波路において、ＳｉＯ２ガラスからなる下部クラッド層を有し、その上にＳｉからなるコアを有し、コアを含む全体がＳｉＯ２ガラスからなる層と、さらにその上にＳｉＯ２ガラスと屈折率がほぼ等しいが、屈折率の温度係数がＳｉＯ２ガラスとは反対の符号を有するポリマー材料からなる層で２重に覆われていることを特徴とする光導波路構造。
【請求項１１】
請求項１０記載の光導波路構造において、光の強度分布がコアを含む全体を覆うＳｉＯ２ガラスからなる層と、その上のＳｉＯ２ガラスと屈折率がほぼ等しいが、屈折率の温度係数がＳｉＯ２ガラスとは反対の符号を有するポリマー材料からなる層の両方に及んでいることを特徴とする光導波路構造。
【請求項１２】
請求項１〜１１の内のいずれか一つに記載の光導波路構造において、前記光導波路のコアを２本平行に０．２μｍ〜０．３μｍ程度隔てて配置させた結合光導波路構造を備えていることを特徴とする光導波路構造。
【請求項１３】
請求項１〜１２の内のいずれか一つに示す光導波路のコアの長さ方向に周期的な凹凸を設けて、光のブラッグ反射を実現することを特徴とする光導波路構造。
【請求項１４】
請求項１〜１３の内のいずれか一つに記載の光導波路構造を作製する方法において、Ｓｉからなるコアの太さを、高温水蒸気中の熱酸化によって細くし、光の閉じ込めの強さを調節することを特徴とする光導波路構造作製方法。
【請求項１５】
請求項５記載の光導波路構造を作製する方法において、Ｓｉからなるコアの太さを、光導波路構造形成後の高温雰囲気中のアニールによって細くし、光の閉じ込めの強さを調節することを特徴とする光導波路構造作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光導波路の新しい構造と作製方法に関し、特に光集積回路として用いることが可能な光導波路の構造と作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光集積回路用の光導波路としては、（イ）石英系光導波路、（ロ）ポリマー系光導波路、（ハ）Ｓｉ細線光導波路などが挙げられる。
【０００３】
（イ）の石英系光導波路１１０は図１３に示すように、基板１１１上に形成された石英ガラス（ＳｉＯ２）からなるコア１１２とクラッド層１１３を有し、コア部分１１２にＧｅ等をドープすることにより、クラッド層１１３との間に０．２〜５％程度の屈折率差を生じさせて光を導波するもので、Ｐｌａｎｅｒ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔ（ＰＬＣ）として広く用いられている。
【０００４】
通信用途として広く用いられているＡＷＧは、この技術を用いたものである。
【０００５】
（ロ）のポリマー系光導波路１１５は、図１４に示すように、コア１１６とクラッド層１１７が共に、ＰＭＭＡやポリイミドなどのポリマー材料からなるもので、コア１１６とクラッド層１１７を構成する材料に僅かに屈折率差を持たせて光を導波するものである。一方、（ハ）のＳｉ細線光導波路１２０は、図１５に示すように、ＳｉＯ２基板１２１上に形成されたコア１２２がＳｉからなり、クラッド層としては空気または一部が石英ガラス材料からなることを特徴とする。
【０００６】
上に述べた従来の光導波路は、夫々一長一短がある。まず、（イ）石英系光導波路は、ＰＬＣ技術として広く用いられているものの、曲げ半径が１ｍｍ程度必要となる。これは、コアとクラッド層の屈折率の差が１％以下と比較的小さい（その分伝搬損失は小さいが）ために、屈折率差によるコアへの光の閉じ込め効果が弱く、１ｍｍ以下程度の曲率半径で光導波路を曲げようとすると大きな曲げ損失が発生する。従って、光集積回路に用いる場合には、導波路の曲げの大きさの制約があり、光回路をあまり小さく作ることができないという問題があった。また、（ロ）のポリマー系光導波路も、近年実用化に向けて盛んに研究開発が為されているが、コアとクラッド層の屈折率差に関しては石英系光導波路の場合と同じく１％以下であるため、小さな曲率で曲げることは不可能である。これに対して、（ハ）のＳｉ細線光導波路は、コアがＳｉでその屈折率は約３．５、クラッド層は空気またはＳｉＯ２ガラスでその屈折率は１乃至１．５であるため、コアとクラッド層間で非常に大きな屈折率差を有している。このため、Ｓｉ細線光導波路では、数μｍ程度の非常に小さい曲率半径で光導波路を曲げることが可能である。
【０００７】
しかし、導波路コアの断面積が０．２μｍ×０．５μｍと小さく、外部から効率良く光を入れることが難しかった。このため、単一モード光ファイバーとの結合損失は通常１０ｄＢ以上ある。また、Ｓｉ細線光導波路では、基本的に断面の構造が縦横で異なるため、偏波依存性を有しており、光ファイバー等の偏波依存性を持たない光導波路の途中に挿入して用いることができなかった。さらに、これら光導波路構造を用いてＡＷＧ等の光導波素子を構成する場合、導波路の等価屈折率が温度依存性を有するため、それらデバイスの諸特性も温度依存性を有することとなり、それらデバイスを使用するにあたり温度調節機構が必要であった。さらに、従来の光導波路構造を用いて結合導波路を作ると、結合導波路の完全結合長が最短でも数百μｍ程度にしかならないため、これを利用する方向性結合器や光スイッチを作るとどうしても数ｍｍ程度と長くなってしまう。さらに、従来の光導波路に分布反射機構を持たせて波長フィルターとして機能させることは、石英系光導波路でも行われているが、通常はクラッド層上に周期的な凹凸の溝を形成するか或いは、紫外線による屈折率の変化を利用して、ブラッグ反射を生じさせるような屈折率分布を形成する方法が一般的である。このため、分布反射機構を付加するための特別な工程が必要であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の一技術的課題は、上記のような従来の光導波路構造の欠点を除去し、曲率半径を１０μｍ以下まで小さくすることが可能でかつ伝搬損失が小さく、かつ光ファイバーとの良好な結合が可能な光導波路の構造とその作製方法とを提供することにある。
【０００９】
さらに、本発明のもう一つの技術的課題は、導波路構造を用いて構成される各種光導波素子において、素子の諸特性が偏波方向に依存しない特性を実現するための光導波路の構造を提供することにある。
【００１０】
さらに、本発明のさらにもう一つの技術的課題は、導波路構造を用いて構成される各種光導波路素子において、素子の特性が温度に依存しない（温度無依存）ことを特徴とする光導波路構造を提供することにある。
【００１１】
さらに、完全結合長の短い（数十μｍ程度）結合導波路を提供することにより、それを用いたデバイス（方向性結合器や光スイッチ）の長さを著しく短くすることにある。さらに、特別な工程を必要とせずに、分布反射（ブラッグ反射）機構を実現できる光導波路構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、Ｓｉが中心に有り、その周りをＳｉＯ２によって取り囲まれている断面の構造を備えていることを特徴とする光導波路構造が得られる。
【００１３】
また、本発明によれば、Ｓｉをコアとし、ＳｉＯ２をクラッド層として機能させることを特徴とする光導波路構造が得られる。
【００１４】
また、本発明によれば、Ｓｉが中心に有り、その周りをポリマー材料によって取り囲まれている断面の構造を備えていることを特徴とする光導波路構造が得られる。
【００１５】
また、本発明によれば、Ｓｉをコアとし、ポリマー材料をクラッド層として機能させることを特徴とする光導波路構造が得られる。
【００１６】
また、本発明によれば、基板上に形成する光導波路において、ＳｉＯ２ガラスからなる下部クラッド層を有し、その上にＳｉからなるコアを有し、コアを含む全体がＳｉＯ２ガラスで覆われていることを特徴とする光導波路構造が得られる。
【００１７】
また、本発明によれば、基板上に形成する光導波路において、ＳｉＯ２ガラスからなる下部クラッド層を有し、その上にＳｉからなるコアを有し、前記コアを含む全体がＳｉＯ２ガラスと屈折率がほぼ等しいポリマー材料（ＰＭＭＡ、ポリイミド等）で覆われていることを特徴とする光導波路構造が得られる。
【００１８】
また、本発明によれば、前記いずれか一つの光導波路構造において、前記Ｓｉからなるコアの断面形状が正方形または円であることを特徴とする光導波路構造が得られる。
【００１９】
また、本発明によれば、前記光導波路構造において、Ｓｉからなるコアの断面が、一辺０．３μｍ以下の正方形または、直径が０．３μｍ以下の円であることを特徴とする光導波路構造が得られる。
【００２０】
また、本発明によれば、前記いずれか一つの光導波路構造において、コアを覆うポリマー材料の屈折率の温度係数が、Ｓｉコアの温度係数と逆符号となるような材料を用いることを特徴とする光導波路構造が得られる。
【００２１】
また、本発明によれば、基板上に形成する光導波路において、ＳｉＯ２ガラスからなる下部クラッド層を有し、その上にＳｉからなるコアを有し、コアを含む全体がＳｉＯ２ガラスからなる層と、さらにその上にＳｉＯ２ガラスと屈折率がほぼ等しいが、屈折率の温度係数がＳｉＯ２ガラスとは反対の符号を有するポリマー材料（ＰＭＭＡ、ポリイミド等）からなる層で２重に覆われていることを特徴とする光導波路構造が得られる。
【００２２】
また、本発明によれば、前記光導波路構造において、光の強度分布がコアを含む全体を覆うＳｉＯ２ガラスからなる層と、その上のＳｉＯ２ガラスと屈折率がほぼ等しいが、屈折率の温度係数がＳｉＯ２ガラスとは反対の符号を有するポリマー材料（ＰＭＭＡ、ポリイミド等）からなる層の両方に及んでいることを特徴とする光導波路構造が得られる。
【００２３】
また、本発明によれば、前記いずれか一つの光導波路構造において、前記光導波路のコアを２本平行に０．２μｍ〜０．３μｍ程度隔てて配置させた結合光導波路構造を備えていることを特徴とする光導波路構造が得られる。
【００２４】
また、本発明によれば、前記いずれか一つに示す光導波路のコアの長さ方向に周期的な凹凸を設けて、光のブラッグ反射を実現することを特徴とする光導波路構造が得られる。
【００２５】
また、本発明によれば、前記いずれか一つの光導波路構造を作製する方法において、Ｓｉからなるコアの太さを、高温水蒸気中の熱酸化によって細くし、光の閉じ込めの強さを調節することを特徴とする光導波路構造作製方法。
【００２６】
また、本発明によれば、前記光導波路構造を作製する方法において、Ｓｉからなるコアの太さを、光導波路構造形成後の高温雰囲気中のアニールによって細くし、光の閉じ込めの強さを調節することを特徴とする光導波路構造作製方法が得られる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、光がコアに強く閉じ込められているから、急峻に曲げても損失が小さい光導波路を実現できる。
【００２８】
また、本発明によれば、コアとクラッド層で互いに屈折率の温度係数の符号が逆の材料を用いることにより、温度依存性を打ち消すことができるので、本導波路構造を用いて温度無依存なデバイスを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００３０】
図１は、本発明の第１の実施の形態による光導波路構造を示す図である。図１を参照すると、光導波路構造１００は、ガラスや半導体、プラスチックなどの基板１１１上に、１．５程度の屈折率の値を有する媒質（ＳｉＯ２やＰＭＭＡ、ポリイミド、ポリマー、樹脂等）からなる層を下部クラッド層１として有し、その上に断面サイズが０．２μｍ×０．２μｍ程度と非常に細いＳｉのコア２を有し、その周りを屈折率が１．５程度の媒質（ＳｉＯ２やＰＭＭＡ、ポリイミド、ポリマー、樹脂等）３で覆った構造である。
【００３１】
基板１１１としては、ガラスや、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどの半導体基板でも何でも良いが、製造面からはＳＯＩウエハなどを用いることが好ましい。
【００３２】
図２（ａ），（ｂ），（ｃ），及び（ｄ）は、ＳＯＩウエハを用いた本発明の光導波路の製造工程を示している。図３は図２の工程による光導波路の完成図である。
【００３３】
図２（ａ）に示すように、Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ＳＯＩ）ウエハ６は、Ｓｉからなる基板１１１上に、下部クラッド層としてのＳｉＯ２層１、コア２となるＳｉ層５を有するもので、工業用として市販されている。このＳＯＩ基板６の最上部のＳｉ層５の膜厚が、０．２μｍ〜０．３μｍ程度のものを用いれば、図２（ｂ）に示すように、最上部のＳｉ層５を幅０．２μｍ〜０．３μｍの細線状に加工して導波路のコア２を形成し、コア２を含む全体をＳｉＯ２やＰＭＭＡ等のポリマー材料で覆えば簡単に光導波路が形成できる。導波路コアの加工は、レジスト等をマスクにしてドライエッチングを行えば良い。下部クラッド層およびコア全体を覆う上部クラッド層の厚さは、Ｓｉコアの断面サイズにも依るが、２μｍ程度は必要である。これが薄いと、クラッド層部分に染み出している光の強度分布が基板に達することとなり、大きな損失要因と成りかねない。
【００３４】
本発明の光導波路では、後述の「動作の説明」のところで述べる様に、Ｓｉコア２の断面サイズによって光導波路としての特性が大きく異なる。従って、コアを形成した後にコアの断面サイズを調節（トリミング）する必要が有る。
【００３５】
図２（ｃ）はコアの断面サイズをトリミングする方法をも示している。トリミングの方法は、コア２を形成した後に、高温水蒸気雰囲気中に一定時間晒すことにより、コア２の外側部分から酸化が進みＳｉがＳｉＯ２に変化する。
【００３６】
従って、図２（ｄ）又は図３に示すように、Ｓｉコア２がＳｉＯ２２ｂに変化した分だけＳｉコア２が細くなりコアの断面サイズを調節することができる。ＳｉがＳｉＯ２に変化する量は、温度と時間で調節できる。この後、コア全体を覆うように上部クラッド層３を形成すれば良い。上部クラッド層３がＳｉＯ２の場合には、コアをＳｉＯ２で覆ってから、高温水蒸気雰囲気中で酸化を行うことも可能である。この場合は、温度を多少高めに、時間を長めに設定する必要がある。このような高温でのコアのアニールは、コアとクラッド層の界面を滑らかにする効果も有り、コアとクラッド層の界面で生じる光散乱による伝搬損失を低減する効果もある。
【００３７】
次に、本発明の他の実施の形態として、温度無依存化の手法について示す。
【００３８】
図４はその実現形態としての光導波路の構造を示す図である。図４の屈折率が正の温度係数を有するＳｉコア１２を屈折率が負の温度係数を有するポリマー材料（ＰＭＭＡや特殊シリコン樹脂等）１３で覆った構造を有している。このような構造の光導波路を光が伝搬する場合、導波されている光は、コア１２とクラッド層１３に広がって伝搬するため、コア１２とクラッド層１３の屈折率を共に感じる。従って、両者の屈折率の温度依存性が逆であればお互いに打ち消し合い、温度依存性は小さくなる。導波モードの等価屈折率の温度依存性を完全に無くすためには、伝搬モードの電界強度分布に応じてクラッド層の温度依存性を適当に調節してやれば良い。
【００３９】
図５はこの方法の具体的な一例を示した図である。図５を参照すると、正の屈折率温度係数を有するＳｉコア１２を覆う上側クラッド層として、屈折率の温度係数が正のＳｉＯ２などの材料１４と、負の材料１３を適当な膜厚で積層した構造を有している。この場合、導波モードの光は、モードの電界分布が及ぶ範囲内に存在する媒質の屈折率の値を、電界強度の重み付けに応じて感じることになる。つまり、モードの電界強度の強い部分が正の大きな屈折率係数を有する媒質内に多く存在すれば、その伝搬モードの温度係数は正になるし、逆に、モードの電界強度の強い部分が負の大きな屈折率係数を有する媒質内に多く存在すれば、その伝搬モードの温度係数は負となる。
【００４０】
従って、与えられた伝搬モードの強度分布に対して、積層する上部クラッド層１３，１４の屈折率の温度係数が正の材料と負の材料を適当な膜厚で積層してやれば、温度依存性を完全に無くすことも可能である。
【００４１】
次に、本発明の他の実施の形態として、結合導波路について説明する。
【００４２】
本発明の光導波路の長所を最もうまく活かす応用の一つが結合導波路である。ここで、結合導波路とは、複数本の光導波路コアを備えているものを呼び、例えば、２本の光導波路コアを平行に接近させて配置すると、導波路間に光学的結合が生じ、光が導波路を伝搬するにつれて、一方の光導波路からもう一方の光導波路に乗り移ったり、さらに伝搬すると、再び元の導波路に戻ってきたりして、光が２本の導波路間を行ったり来たりするような動作を実現できる導波路である。
【００４３】
この原理を利用して、方向性結合器や光スイッチなどの機能素子が実現できることも知られている。しかし、従来の光導波路（石英系やポリマー導波路）で結合導波路を作ると、完全結合長（光が他方の導波路に完全に乗り移るために必要な結合導波路の長さ）が最短でも数百μｍと長くなる。
【００４４】
これに対して、本発明の光導波路構造により結合導波路を作ると、完全結合長を１０μｍと短くすることも可能となる。その原理については、後述の「動作の説明」のところで説明する。
【００４５】
図６は本発明の導波路を用いた結合導波路の構造を示す図である。図６を参照すると、結合導波路１０５では、２本のコアが平行に設けられている他は、図５の導波路構造と同じで有る。この結合導波路１０５において、２本のコア１２ａ，１２ｂを隔てている間隔は０．２μｍ〜０．３μｍ程度である。計算によれば、コアの間隔が０．３μｍの時完全結合長は２５μｍ、コアの間隔が０．３μｍの時完全結合長は１０μｍとなる。
【００４６】
次に、本発明の他の実施の形態として、分布反射機構を有する光導波路を示す。図７はその構造を示すが、Ｓｉのコア２の上部あるいは側壁にブラッグ反射を生じさせる回折格子１５として周期的な凹凸を直接形成するのみで、後は通常通りに断面コアのサイズをトリミングした後に、上部クラッド層３で覆うだけである。そのため、特別な工程は特に必要としない。
【００４７】
（動作の説明）
次に、本発明の光導波路の動作について説明する。
【００４８】
初めに、本発明による新しい光導波路の光導波原理について示す。
【００４９】
チャネル光導波路は、コアの周りをそれよりも屈折率の小さい媒質で取り囲んだ構造を有しており、コアとクラッド層間での屈折率の差によって全反射を繰り返しながら伝搬することで知られている。この場合、コアとクラッド層の屈折率差が大きければ光はコアに強く閉じ込められ、導波路を小さな曲率半径で急激に曲げても光はそれに沿って導波される。
【００５０】
本発明の光導波路構造は、０．２μｍ角程度と非常に細い断面積を有するＳｉのコアを、１．５程度の屈折率を有するクラッド層材料で取り囲んだ構造を有しており、光はコアとクラッド層間の大きな屈折率差によりコア内に閉じ込められようとするが、コアが（波長１．５５μｍに比べて）非常に小さいため、強度分布のかなりの部分がクラッド層に染み出して伝搬する。
【００５１】
実際には、図１に示すように、導波路コア２の断面サイズが０．２μｍ×０．２μｍ程度と非常に小さく、その周りを上部クラッド層３として屈折率が１．５程度の媒質（ＳｉＯ２やＰＭＭＡ、ポリイミド、ポリマー、樹脂等）で覆った構造である。このような構造の光導波路においては、コア２であるＳｉと、クラッド層３であるＳｉＯ２やポリマーとの屈折率差が２と大きいが、コア２の断面サイズが波長に比べて小さいために、導波光はＳｉコア２の中に完全に閉じ込められることなく、クラッド層３部分にもかなり染み出しながら伝搬する。このクラッド層への光の染み出しの大きさは、コアの断面サイズに大きく依存する。
【００５２】
図８は、このような光導波路における導波基本モードの電界強度分布と等価屈折率を、図９は断面が正方形のコアの一辺のサイズに対して計算した結果を夫々示す図で、図８のａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ点は、図９（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）に夫々対応している。導波基本モードの等価屈折率は、図８に示すように、コアの断面サイズが比較的大きい場合は、コアの材料であるＳｉの屈折率の値３．５に近い値を有するが、コアの断面サイズが小さくなると、導波モードの等価屈折率は、クラッド層の材料であるＳｉＯ２の屈折率の値１．５に近づく。従って、コアの断面サイズによって導波モードの等価屈折率の値を自由に選ぶことができる。また、導波モードの電磁界強度分布は図９に示すように、コアのサイズが比較的大きい場合はコアの中に殆ど閉じ込められているが、コアのサイズが小さくなると、クラッド層部分にも大きく広がった分布となっている。従って、コアのサイズによって導波モードの電界強度分布をある程度自由に選ぶことができるので、単一モード光ファイバーなどの外部光学系との結合が最適な値となるように、導波モードの電磁界強度分布をコアの断面サイズによって選ぶことができる。このように、本発明の光導波路では、コアの断面サイズの大きさを選ぶことにより、導波モードの等価屈折率の値、外部光学系との結合の状態を自由に設定することが可能である。
【００５３】
図１０は、本発明の光導波路の曲げ損失を計算で求めた結果を示す図である。図１０には、コアの断面サイズが０．２μｍ×０．２μｍ、０．２５μｍ×０．２５μｍ、０．３μｍ×０．３μｍの３種類の光導波路を直角に曲げた場合の曲げ損失を示す。曲げの曲率半径が小さくなると、曲げ損失は増加する。また、断面サイズが小さくなると、コアへの光閉じ込め効果が小さくなるので、曲げに対して弱くなる。曲げ当たり１ｄＢの損失を許容すると、断面サイズが０．３μｍ×０．３μｍの光導波路では、曲率半径は２μｍ以上でなければならない。また、断面サイズが０．２５μｍ×０．２５μｍの光導波路では、曲率半径は４μｍ以上でなければならない。さらに、断面サイズが０．２μｍ×０．２μｍの光導波路では、曲率半径は１０μｍ以上でなければならない。この様に、導波路断面のサイズによって許容できる曲げ半径が決まる。
【００５４】
さらに、このような光導波路のコア断面の形状が縦、横同じになるようにすると、伝搬特性の偏波方向による依存性が無くなる。つまり、ＴＥモードとＴＭモードによる依存性が無くなるので、偏波無依存となる。例えば、偏波無依存にするためには、コア断面形状を正方形或いは円になるようにすれば良い。
【００５５】
また、このような構造の光導波路においては、導波特性の温度依存性は、光の強度分布が存在するコアとクラッド層の材質に強く依存する。特にコアとクラッド層材料の屈折率の温度依存性により、伝搬定数他の値が温度依存性を有することとなる。ところで、コアを形成するＳｉの屈折率の温度係数（Δｎ／ΔＴ）は１．４×１０−４程度の正の値を有する。これに対して、クラッド層がＳｉＯ２だと、ＳｉＯ２の屈折率の温度係数も１．５×１０−５程度の正の値を有するので、この光導波路の導波モードの等価屈折率は正の温度依存性を有することとなる。これに対して、クラッド層の材料として、屈折率の温度係数が負になるような材料（ＰＭＭＡや特殊シリコン樹脂等）を選んでやれば、コアとクラッド層で、屈折率の温度係数が逆符号になるため、光導波路の温度依存性を無くする或いは小さくすることが可能となる。実際、ＰＭＭＡや特殊シリコン樹脂の中には、屈折率の温度係数が−１〜５×１０−５程度のものが存在する。
【００５６】
さらに、本発明の光導波路では、光が断面サイズ０．２〜０．３μｍと非常に狭いコア領域に閉じ込められていながら、クラッド層にも適度に染み出しているため、結合導波路を構成する場合、コアの大きさと同程度の０．２〜０．３μｍくらいのコア間隔でも導波路間に強い光学結合を得ることができる。これに対して、石英系光導波路やポリマー系光導波路では、コアの断面サイズが３〜５μｍ程度と大きいため、コアの間隔を１μｍ程度以下にすることは困難である。そのため、導波路間での強い光学結合を得ることができず、完全結合長は数百μｍ程度と長くなってしまう。また、Ｓｉ細線導波路では、光は断面サイズ０．２×０．５μｍと非常に狭いコア領域に閉じ込められていながら、クラッド層には殆ど染み出していないため、０．２〜０．３μｍ程度のコア間距離では十分な結合を得ることができない。そのためやはり、結合導波路を構成する場合、完全結合長が長くなってしまう。本発明の光導波路は、短い結合長の結合導波路を得るのに適したコアのサイズと、コアへの適度な光閉じ込めを実現できている構造でもある。
【００５７】
図１１および図１２は、コアの間隔が各々０．３μｍと０．２μｍの場合の結合導波路の動作の計算結果を示す図である。図１１及び図１２から分かるように、コアの間隔が０．３μｍの時完全結合長は２５μｍ、コアの間隔が０．３μｍの時完全結合長は１０μｍと非常に短い結合導波路を実現できることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明の活用例としては、光集積回路用の光導波路が挙げられる。本発明の光導波路構造を用いてａｒｒａｙｅｄ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｇｒａｔｉｎｇ  （ＡＷＧ）素子を作れば、従来の石英系光導波路ベースの光回路（ＰＬＣ）技術に比べて、面積比で１／１０００の超小型ＡＷＧ素子が実現できる。当然、コストも低く抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明による第１の実施の形態としての光導波路の構造を示す図である。
【図２】本発明の光導波路の製造方法を示す図である。
【図３】本発明の光導波路の原理を説明する図である。
【図４】本発明の他の実施の形態として、温度無依存化の手法の説明に供せられる図である。
【図５】図５の手法の具体的一例を示す図である。
【図６】本発明の導波路を用いた結合導波路の構造を示す図である。
【図７】本発明の他の実施の形態として、分布反射機構を有する光導波路を示す図である。
【図８】図７の光導波路における導波基本モードの電界強度分布と等価屈折率を示す図である。
【図９】図８の断面が正方形のコアの一辺のサイズに対して計算した結果を夫々示す図である。
【図１０】本発明の光導波路の曲げ損失を計算で求めた結果を示す図である。
【図１１】コアの間隔が０．３μｍの場合の結合導波路の動作の計算結果を示す図である。
【図１２】コアの間隔が０．２μｍの場合の結合導波路の動作の計算結果を示す図である。
【図１３】従来技術の一例による光導波路の構造を示す図である。
【図１４】従来技術の他の例による光導波路の構造を示す図である。
【図１５】従来技術の別の例による光導波路の構造を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１    下部クラッド層
２，１２，１２ａ，１２ｂ    コア
２ａ    酸化されずに残ったコア
２ｂ    ＳｉＯ２
３，１３，１４    クラッド層
５    Ｓｉ層
６    ＳＯＩウエハ（基板）
１００，１１０，１１５    光導波路構造
１０５    結合導波路
１１１    基板
１１３    ＳｉＯ２クラッド
１１６    ポリマーコア
１１７    ポリマークラッド
【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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【図８】
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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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【図９】
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