(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜技術によりガラスコアとクラッドから成るアレイ導波路回折格子型合分波器を形成する光導波回路を形成した後、この光導波回路の中心波長を測定し、測定された中心波長の値と目標値の差から加熱処理条件を設定し、設定された加熱温度と加熱時間により導波路コアのＧｅドーパントを拡散させた後、冷却する光導波回路の製造方法であって、前記加熱温度は１０００℃〜１１５０℃であり、前記加熱時間は１時間〜３時間であることを特徴とする光導波回路の製造方法。
【請求項２】
前記アレイ導波路回折格子型合分波器は、対称的に形成された同一形状の１対のアレイ導波路素子から成り、１対のアレイ導波路素子各々の透過中心波長が隣接チャンネル導波路の波長間隔の１／２だけ相対的にずらせてあることを特徴とする請求項１に記載の光導波回路の製造方法。
【請求項３】
薄膜技術によりガラスコアとクラッドから成る光分岐結合器を形成する光導波回路を形成した後、この光導波回路の結合率を測定し、測定された結合率の値と目標値の差から加熱処理条件を設定し、設定された加熱温度と加熱時間により導波路コアのＧｅドーパントを拡散させた後、冷却する光導波回路の製造方法であって、前記加熱温度は１０００℃〜１１５０℃であり、前記加熱時間は１時間〜３時間であることを特徴とする光導波回路の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多波長信号光を合波または分岐するのに用いられるアレイ導波路回折格子型合分波器や光分岐結合器を形成する光導波回路の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アレイ導波路回折格子（Ａｒｒａｙｅｄ−Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｇｒａｔｉｎｇ  以下、ＡＷＧと言う）型合分波器は、一般に、シリコン基板または石英ガラス基板上に、薄膜技術を用いて形成される平面形の光導波回路部品である。その構造としては、基板上に少なくとも１本の入力用チャンネル導波路と、この入力用チャンネル導波路に接続された入力側スラブ導波路と、この入力側スラブ導波路に接続された導波路長がそれぞれ異なる複数のチャンネル導波路からなるアレイ導波路と、このアレイ導波路に接続された出力側スラブ導波路と、この出力側スラブ導波路に接続された複数本の出力用チャンネル導波路を形成して構成される。
【０００３】
また、光分岐結合器は、光ファイバで形成する以外に光電子集積回路の発展と共に光回路の回路素子として、薄膜技術を用いた平面型光導波回路形のものが多用されている。これらの光導波回路部品は、その製造において精密なマスクパターン管理のもとに作成されるが、製造工程を如何に厳密に管理しても、膜厚の均一性、光導波回路の光路長、コアとクラッドの屈折率およびそれらの間の屈折率差を目標値に正確に合わすことは困難である。
【０００４】
特にＡＷＧ型合分波器では、素子を通過させる光の波長成分を０．１ｎｍオーダで精密に調整する必要がある。ＡＷＧ型合分波器の透過中心波長λｃは、以下の式で示すようにＡＷＧ部のコアの実効屈折率ｎｅと光路差ΔＬに依存して決まる特性である。
ｎｅ・ΔＬ／λｃ＝Ｃｏｎｓｔ．
【０００５】
波長分割多重（ＷＤＭ）システムにおいて、ＩＴＵ−Ｇｒｉｄ標準規格では、中心波長が規格で定められた波長を通り、隣接チャンネル間で０．８ｎｍ（１００ＧＨｚ）ずつずらして波長多重するように定められている。そこで、中心波長λｃをＩＴＵ−Ｇｒｉｄに合わせるには、導波路製造後の調整が比較的困難な光路差ΔＬを一定とすると、コアの実効的屈折率ｎｅを調整することが必要になる。
【０００６】
また、光分岐結合器では、例えば結合率５０％を狙って作成しても、５０±５％程度になってしまうのが実状である。これは、光分岐結合器の結合率が結合距離、導波路の幅や高さ、コアとクラッドとの屈折率差等に依存し、また光導波路ガラスの屈折率のゆらぎ等の影響も受けやすいからである。そこで、これらの光導波回路部品は、製造後に特性の微調整を行う必要がある。
【０００７】
特性の調整方法には、種々の方法が提案されているが、特許第２５９９４８８号公報には、光導波回路の製造後に、材料の熱履歴現象を利用して光導波路の実効的屈折率を変化させ、その結果として光導波路の光路長や結合率を調整する技術が開示されている。
【０００８】
同公報に開示の技術を説明すると、光導波回路を所定の温度、例えば１０００℃に加熱した後、急冷するか徐冷するかにより、光導波路の上部クラッドの屈折率変化を起こさせ、上部クラッド層に埋設された光伝播作用を持つ光導波路の実効的屈折率を変えて、結合率等を調整するものである。光導波路の上部クラッドの熱履歴現象が顕著に現れるためには、ガラスの密度が温度に依存して変化することが必要で、そのため、上部クラッドにはＢ（ホウ素）、Ｐ（リン）などのドーパントを大量に含んでいる方が良い。
【０００９】
高温に加熱され、その高温状態で安定化されたガラスが急冷されると、ガラスの密度変化が間に合わず、高温の比較的粗な状態を室温近傍で維持することになる。これが急冷による上部クラッドの屈折率値が低下した主な理由であると考えられる。そして、上部クラッドの屈折率が低下すると、導波路コア部への光電界閉じこめが強くなり、光分岐結合器では結合率が低下する。
【００１０】
しかし、屈折率変化は加熱から急冷して特性を変化させた後に、再度加熱し徐冷すると元の状態に戻すことも可能で可逆性を有している。これは、屈折率変化の現象がガラス材料のドーパントの拡散や揮発に基づくものでないことを示している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
一方、光導波回路では、導波路コアに発生する複屈折が小さい等の理由から、基板に石英ガラスを使用することが多い。その場合、ＡＷＧ型合分波器のように基板と上部クラッド間の線膨張差に起因する応力複屈折差によって偏波依存性を生じる導波回路では、可能な限り上部クラッドの不純物を減らし、上部クラッドの線膨張率を石英ガラス基板に近づけるような工夫が必要となる。
【００１２】
従って、ＡＷＧ型合分波器の中心波長調整に、前記公報で開示する技術を適用するには適切でなく、上部クラッドの屈折率を変えるのではなく、直接に光導波路コアの実効的屈折率ｎｅを変えることが必要である。また、光分岐結合器においても、光導波路コアの実効的屈折率ｎｅを変えることで、結合率を変えることができる。
【００１３】
本発明は、以上の点に鑑みてなされたもので、光導波回路の製造において、その特性調整に導波路コアの屈折率を直接変えることができる光導波回路の製造方法を提供するものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
薄膜技術によりガラスコアとクラッドから成る光導波回路を形成した後、この光導波回路の特性値を測定する。この特性値とは、光導波回路部品がＡＷＧ型合分波器である場合は、中心波長であり、光分岐結合器である場合は、結合率である。測定された特性値と目標値の差から加熱処理条件を設定する。加熱処理の加熱温度を１０００℃〜１１５０℃の範囲で設定し、加熱時間を１時間〜３時間の範囲で設定する、この加熱処理により導波路コアのＧｅドーパントを拡散させ、この後冷却することで、導波路コアの実効的屈折率を変化させる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明を図１の製造工程示す概略図により説明する。まず、平面型の光導波回路は、石英ガラス基板上に周知の薄膜技術を用い、精密なマスクパターンの厳密な管理のもとにコア部とクラッド部からなる回路素子が作成される（Ａ工程）。次いで、製造された光導波回路部品の特性測定が行われる。この光導波回路部品がＡＷＧ型合分波器である場合は、その中心波長が測定され、光分岐結合器である場合は、その結合率が測定される（Ｂ工程）。
【００１６】
次に、この測定値と目標値の差から、加熱処理条件を設定する（Ｃ工程）。この後、加熱条件の設定に基づいて、光導波回路部品全体を所定の温度（１０００℃〜１１５０℃）と所定の時間（１時間〜３時間）で、ヒータ或いは誘導加熱等の加熱手段を用いて加熱し、導波路コアのＧｅド−パントをクラッドコア側に拡散させる（Ｄ工程）。所定の加熱が終えたら、これを常温〜１００℃位の温度に冷却する（Ｅ工程）。
【００１７】
本発明は、以上のＡ〜Ｅに至る工程、この内の加熱工程Ｄと冷却工程Ｅを経ることにより光導波回路部品の導波路コアの実効的屈折率ｎｅを変えるようにしたものであるが、以下にそのメカニズムについて説明する。
【００１８】
図２は、光導波路でのコア部１１とクラッド部１２の屈折率差Δｎの関係を示す図で、導波路に熱を加えることにより、コアに屈折率を高めるためにドープされているＧｅが拡散し、実線の屈折率差のプロファイルは、点線で示すように変化することを示している。点線のように変化することで、コアの実効的屈折率ｎｅが変化する。この図２のコアの下部１４におけるＧｅの拡散距離はｄは、加熱温度と加熱時間から次の式により推定することができる。
【００１９】
【数１】
0004424455.tif 000002
ただし、
Ｅ：活性エネルギー（Ｊ／ｍｏｌ）
Ｔ：加熱温度（Ｋ）
Ｒ：気体定数
ｔ：加熱時間（ｓ）
（註：Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｇｌａｓｓ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｐ．５００）
Ｄ0＝３．６×１０-8
Ｅ＝２．５×１０5 
とする。
【００２０】
前記の数式から図３で示すような、加熱温度（Ｔ）−加熱時間（ｓ）−平均拡散距離（ｄ）のシミュレーション図が得られる。加熱時間３Ｈで見ると、加熱温度９２０℃（ｄ＝０．１μｍ），同１０００℃（ｄ＝０．２μｍ），同１１００℃（ｄ＝０．５μｍ）となり、１０００℃を超える加熱温度で平均拡散距離ｄが大きく増加し、拡散が急激に生じると言える。なお、加熱後の冷却は、急冷であっても徐冷であっても良い。
【００２１】
図４は、ＡＷＧ型合分波器に本発明の加熱−冷却の処理を適用した試験結果を示すもので、加熱時間を３Ｈとし、加熱温度を変化させた時のＡＷＧ型合分波器の中心波長の変化量Δλｃの変化を示している。また参考値として、図３のシミュレーション値から、実効的屈折率ｎｅ、中心波長λｃ、Δλｃを計算した結果を、点線でプロットしてある。
【００２２】
この試験結果によると、データに多少のばらつきはあるものの加熱処理により中心波長を変化させることが出来ることを示している。そして、１０００℃を超える当たりで中心波長の変化量が大きくなり、それ以下では、変化量が少なく中心波長を大きく変えることは出来ない。なお、計算で示した参考値と多少のずれはあるが、傾向としては近似しており、サンプル品によるばらつきもあるので、補正係数で一致させることも出来る。
【００２３】
なお、上部クラッドの歪点が、ドーパントの含有量にもよるが、大体１１９０℃であるので、加熱温度の上限として安全を見込んだ１１５０℃としている。この１１５０℃で、透過中心波長のシフト量を目標とする０．２ｎｍ分変えることが可能となる。
【００２４】
また、加熱時間は、導波路コアのドーパントがクラッド側に拡散して、その拡散が安定するのに１時間位の加熱を必要とする。また３時間以上の加熱は、図３から明らかなように時間による変化は、ほぼ飽和状態となり特性調整にあまり影響はなく無意味である。
【００２５】
以上の試験は、ＡＷＧ型合分波器について行ったが、その実効的屈折率ｎｅを加熱−冷却処理により変えることができれば、同じ方法で光分岐結合器にも適用し、その結合率を調整することが出来ることは明らかである。図５に、その光分岐結合器の実効的屈折率差Δｎに対する結合率の変化量を示すように、結合率は屈折率の変化に対してほほ直線的な関係で変化させることができ、製造後の調整も容易である。また、その他の光導波回路部品である光スイッチ、光可変アッテネータや損失スロープ補償器などへの適用も可能である。
【００２６】
なお、本発明は光導波回路部品を所定の時間と所定の加熱温度で、導波路コア内のＧｅドーパントをクラッド側に拡散させることで導波路コアの実効的屈折率を変えるものである。従って、本発明の光導波回路部品は、再度の加熱処理で元に戻すことは出来ず、非可逆的である。
【００２７】
これに対し、本発明と同様に、加熱−冷却処理を行う従来技術として提示した特許第２５９９４８８号公報は、再度の加熱−徐冷処理により元に戻すことができる可逆的な処理技術を開示するものである。従って、同公報の実施例として示されているのは、加熱温度は１０００℃以下で、加熱時間も１０分程度である。これは、上述した図３で示す、拡散距離が一番下の０．１μｍラインの下方で、熱拡散が不安定領域であり、仮に拡散があったとしても無視し得る程度のものであり、可逆性を示しているものと推定できる。また、１０００〜１２００℃の加熱と１０4（分）の加熱時間を示す開示もあるが、温度と加熱時間の関係については開示がなく、拡散が生じない可逆性を示す範囲でのものである。
【００２８】
次に、本発明をＡＷＧ型合分波器に適用する具体例について説明する。ＡＷＧ型合分波器は、図６に示すように石英ガラス等の平面基板２１上に、１対のＡＷＧ素子ＷａとＷｂを対称に設けたものを１つの合分波器素子として形成する。そして、多数の合分波器素子を大きな基板に同時に形成しておき、後にこれを各素子単位で分割する。
【００２９】
１対のＡＷＧ素子ＷａとＷａは、それぞれに少なくとも１本の入力用チャンネル導波路２２と，この入力用チャンネル導波路に接続された入力側スラブ導波路２３と、この入力側スラブ導波路に接続された導波路長がそれぞれ異なる複数のチャンネル導波路からなるアレイ導波路２４と、このアレイ導波路に接続された出力側スラブ導波路２５と、この出力側スラブ導波路に接続された複数本の出力用チャンネル導波路２６を形成して構成され、この構成自体は公知のものである。なお、入力用と出力用のチャンネル導波路を同じに形成することで、入出力を入れ替えて使用することも出来る。
【００３０】
ＡＷＧ素子Ｗａ、Ｗｂは、何れも出力用のチャンネル導波路側で、隣接するチャンネル間の透過中心波長をＩＴＵ−Ｇｒｉｄ標準規格の０，８ｎｍずつずらせて形成してある。更に、ＡＷＧ素子ＷａとＡＷＧ素子Ｗｂとで、透過中心波長が相対的に０．４ｎｍ（０．８ｎｍの１／２）ずれるように形成しておく。
【００３１】
１対のＡＷＧ素子Ｗａ、Ｗｂからなる合分波器素子は、実際の使用に際して、ＩＴＵ−Ｇｒｉｄ標準規格の透過中心波長に、ＡＷＧ素子ＷａとＷｂの何れの側が近いかを測定し、近い方の素子の使用を選定することが出来る。そして、ＡＷＧ素子ＷａとＷｂとの透過中心波長間に０．４ｎｍの相対的ずれがあるので、ＩＴＵ−Ｇｒｉｄ標準規格の透過中心波長とのずれがあるとしても最大で０．４ｎｍであり、この分の調整が行えれば良いことになる。
【００３２】
また、石英ガラス系のＡＷＧ型合分波器は、透過中心波長に通常０．０１ｎｍ／℃の温度依存性があるため、使用温度範囲を６５〜８５℃として２０℃分、すなわち０．２ｎｍ相当分の透過中心波長は、温度調整で微調整することが可能である。従って、加熱処理による大幅な透過中心波長の調整は最大で０．２ｎｍで良いということになり、本発明の製造法の適用で、十分目的を達成することが出来る。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、導波路コアのドーパントをクラッド側に拡散させる構成であるため、クラッド側に添加するドーパントを増やす必要はなく、基板とクラッド間の線膨張差により導波路コアに発生する複屈折を小さく押さえることができる。また、加熱温度と加熱時間から実効的屈折率を推定することができ、調整範囲の設定が容易に行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光導波回路の製造工程を示す図である。
【図２】本発明の熱拡散作用を説明する図である。
【図３】本発明の熱拡散作用のシミュレーション図である。
【図４】本発明の加熱温度に対する中心波長シフト量の試験結果を示す図である。
【図５】屈折率変化に対する結合率の関係を示す図である。
【図６】本発明によるＡＷＧ合分波器の製造方法の具体例を示す図である。
【符号の説明】
２１…平面基板、２２…入力用チャンネル導波路、２３…入力側スラブ導波路、２４…アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ部）、２５…出力側スラブ導波路、２６…出力用チャンネル導波路、Ｗａ，Ｗｂ…ＡＷＧ素子。
【図１】
0004424455.tif 000003
【図２】
0004424455.tif 000004
【図３】
0004424455.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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