(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、石英系ガラスを主たる材料として形成されたコア及びクラッドからなる光導波路で構成される光回路の製造方法において、
前記光回路を、不活性ガスを主成分とする気体で加圧された炉内で昇温する第１工程と、
前記炉内を高温、高圧で一定時間保持した後、圧力を保持して炉内温度を常温に下げてから、炉内圧力を常圧に下げる第２工程と、
前記光回路の少なくとも一部に、紫外光または可視光を照射することにより、前記光回路の光学特性を調整する第３工程と
を備えたことを特徴とする光回路の製造方法。
【請求項２】
前記基板は、シリコン基板、石英ガラス基板のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の光回路の製造方法。
【請求項３】
前記不活性ガスは、Ａｒ、Ｈｅのいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の光回路の製造方法。
【請求項４】
前記第１工程は、前記炉内に設置されたカーボンヒータにより昇温することを特徴とする請求項１、２または３に記載の光回路の製造方法。
【請求項５】
前記第１工程は、４００℃以上であり、かつ前記石英系ガラスの融点温度以下に昇温することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光回路の製造方法。
【請求項６】
前記第３工程は、前記光回路の導波路に照射することにより、前記導波路の屈折率を変化させて、光学特性を調整することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の光回路の製造方法。
【請求項７】
前記第１工程は、前記光回路とともに、カーボン、あるいはカーボンを主たる成分とした還元剤が前記炉内に配置されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の光回路の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光回路作製方法に関し、より詳細には、基板上に形成された光導波路で構成される光回路を作製する際に、光回路の光学特性を調整する工程を含む光回路作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光回路を構成するための光導波路は、石英ガラス基板、シリコン基板上に石英系ガラスを主たる材料として作製されている。この光導波路は、損失が低い、信頼性・安定性が高い、加工性が良い、石英系光ファイバとの整合性が良い等の特徴を有している。この光導波路で構成したＹ分岐パワースプリッタ、マッハ・ツェンダ干渉計（ＭＺＩ：Mach-Zehnder Interferometer）、ＭＺＩを利用した光スイッチ、アレイ導波路型波長合分波器（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating）などの光回路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuits）の開発が進められている。これらの光回路は、近年、構築が進められつつある波長分割多重（ＷＤＭ）光伝送システムを基盤とした、フォトニックネットワークシステムの重要なキーデバイスとなっている（例えば、非特許文献１，２参照）。
【０００３】
例えば、ＭＺＩを適用した光回路は、入力された光信号を、特性の異なる２つのアーム導波路に分岐し、アーム導波路の出力を再び合波する際の干渉を利用している。干渉は、合波される光信号の位相に依存するので、光信号が通るアーム導波路の屈折率、長さ、すなわち光路長を制御することにより、所望の機能を実現することができる。
【０００４】
石英系光導波路は、以下のように作製される。最初に、石英基板またはシリコン基板上に、アンダークラッド層を堆積し、コア層を堆積する。次に、コアパターンを加工して、オーバークラッド層を堆積する。このようにして、コア・クラッド構造の光導波路が形成される。この光導波路を、所望のパターンに加工することにより，Ｙ分岐パワースプリッタ、ＭＺＩ、ＡＷＧなど多彩な光回路を作製することができる。
【０００５】
【非特許文献１】M. KAWACHI, “Silica waveguides on silicon and their application to integrated-optic components”, Opt. Quantum. Electron., 1990, 22, pp.391-416
【非特許文献２】Y. HIBINO, “An array of photonic filtering advantages”, IEEE Circuits Devices Mag., 2000, 16, pp.21-27
【非特許文献３】M. Abe, et al., “Optical path length trimming technique using thin film heaters for silica-based waveguides on Si”, Electron. Lett., 1996, vol.32, pp.1818-1820
【非特許文献４】M. Abe, et al., “Mach-Zehnder interferometer and arrayed waveguide-grating integrated multi/demultiplexer with photosensitive wavelength tuning”, 2001, vol.37, pp.376-377
【非特許文献５】K. D. Simmons, et al., “Photosensitivity of solgel-derived germanosilicate planar waveguides”, Opt. Lett., vol.18, 1993, pp.25-27
【非特許文献６】G. D. Maxwell, et al., “UV WRITTEN 1.5μm REFLECTION FILTERS IN SINGLE MODE PLANAR SILICA GUIDES”, Electron Lett., (28), 1992, pp.2106-2107
【非特許文献７】K. O. Hill, et al. OFC‘93
【非特許文献８】井上亨，“ファイバグレーティング”，レーザー研究，第２３巻１０月（1995）pp.68-77
【非特許文献９】Raman Kashyap，“FIBER BRAGG GRATINGS”，ACADEMIC PRESS，1999
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、光回路を作製する上で、微小な屈折率の変動、微小な導波路形状の変動および導波路にかかる応力は、素子特性に大きな影響を及ぼし、光回路の所望の光学特性が得られない場合がある。特に、近年、高機能化、高性能化および高集積化した光回路において、生産性を向上させるためには、作製上の微小な変動等を修正する必要があり、局部的な屈折率の制御を可能とする光回路の作製方法が重要となっている。そこで、光導波路上に設置された薄膜ヒータにより、ＭＺＩの位相調整を行う手法が知られている（例えば、非特許文献３参照）。
【０００７】
また、可視光または紫外光を照射することによって生じる屈折率変化を利用する手法も検討されている。このうち、紫外光照射による屈折率変化を利用する方法は、位相調整のための薄膜ヒータを作製するための付加プロセスを必要とせず簡便であり、複数の光導波路に対して一括で処理することができ、実用上有望な手法である（例えば、非特許文献４参照）。この方法においては、可視光または紫外光を照射することによって生じる屈折率変化の感度を増大させることが、光照射時間の短縮、工程時間の短縮、ひいては素子の安定性、再現性にも寄与する。
【０００８】
屈折率変化の感度を増大させるために、水素雰囲気下において、５００℃程度の高温の熱処理を行うことにより、光誘起屈折率変化の効率を高めることが知られている（以下、高温水素化処理法という）（例えば、非特許文献５参照）。しかしながら、水素雰囲気で高温熱処理を行うことは、安全性に欠け、作製された光導波路は、近赤外領域における損失が数ｄＢ以上増加するという問題を有していた（例えば、非特許文献６参照）。常温高圧水素含侵処理（水素ローディング）法（例えば、非特許文献８、９参照）は、ファイバ光誘起グレーティングの作製においては、優れた実績を上げている。しかし、屈折率の絶対値の調整が重要となる光回路においては、光照射前後における水素ガスの拡散の影響により、導波路の屈折率が変化するので、次工程の光路長の調整が非常に煩雑となるという問題を有していた。
【０００９】
また、水素バーナー、ＬＰＧバーナー等の火炎で光導波路を炙ることにより、光誘起屈折率変化の効率を高めることが知られている（以下、火炎掃引法という）（例えば、非特許文献７参照）。火炎掃引法は、簡便に屈折率変化の効率を高めることができる点で優れているが、その制御性および再現性に問題があった。
【００１０】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、光誘起屈折率変化の感度を増大させるとともに、安全性、制御性および再現性に優れた光学特性の制御を効率良く行うことができる光回路作製方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、基板上に、石英系ガラスを主たる材料として形成されたコア及びクラッドからなる光導波路で構成される光回路の製造方法において、前記光回路を、不活性ガスを主成分とする気体で加圧された炉内で昇温する第１工程と、前記炉内を高温、高圧で一定時間保持した後、圧力を保持して炉内温度を常温に下げてから、炉内圧力を常圧に下げる第２工程と、前記光回路の少なくとも一部に、紫外光または可視光を照射することにより、前記光回路の光学特性を調整する第３工程とを備えたことを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の前記基板は、シリコン基板、石英ガラス基板のいずれかであることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の前記基板は、シリコン基板、石英ガラス基板のいずれかであることを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記不活性ガスは、Ａｒ、Ｈｅのいずれかであることを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１、２または３に記載の前記第１工程は、前記炉内に設置されたカーボンヒータにより昇温することを特徴とする。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の前記第１工程は、４００℃以上であり、かつ前記石英系ガラスの融点温度以下に昇温することを特徴とする。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の前記第３工程は、前記光回路の導波路に照射することにより、前記導波路の屈折率を変化させて、光学特性を調整することを特徴とする。
【００１７】
請求項７に記載の発明は、請求項１ないし６のいずれかに記載の前記第１工程は、前記光回路とともに、カーボン、あるいはカーボンを主たる成分とした還元剤が前記炉内に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明によれば、ＨＩＰ処理（第１工程、第２工程）を行った後に、光回路の光学特性を調整する（第３工程）ので、光誘起屈折率変化の感度を増大させることが可能となる。また、本発明によれば、不活性ガスを用いる点で、安全性に優れ、ＨＩＰ処理後の屈折率の変動が少なく、制御性および再現性に優れた光学特性の制御を効率良く行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態においては、石英系ガラスを主たる材料として形成された光導波路で構成される光回路に対して、熱間静水圧成形（ＨＩＰ：Hot Isostatic Press）処理を行う。ＨＩＰ処理は、粉末焼結成形技術の一つであり、機械的なプレスを使わずに、ガス圧で圧縮して成形する。一般的には、高温（１５００℃）、高圧（１５００Ｋｇｆ／ｃｍ2）のアルゴン（Ａｒ）またはヘリウム（Ｈｅ）ガスを媒体として、被処理物を等方的に圧縮する。ＨＩＰ処理により、組織が緻密化され、曲げ強度などの機械的性質が大幅に改善される。
【００２０】
発明者等は、作製された光回路にＨＩＰ処理を適用することにより，可視光または紫外光を照射することによって生じる屈折率変化の感度を増大させることができることを見出した。これは、不活性ガスと圧力とにより、石英系ガラス中の酸素がガラスから抜け出し、すなわち還元されることにより、屈折率変化の感度が増大すると考えられる。ＨＩＰ処理は、不活性ガスを使用するので、水素を用いる高温水素化処理法や常温高圧水素含侵処理法と比較して、爆発などの危険性が著しく低い。また、水素ガスの拡散による屈折率の変化もなく、制御性および再現性に優れている。
【実施例１】
【００２１】
図１に、本発明の実施例１にかかる光回路の構成を示す。実施例１は、石英系光導波路により構成されたＡＷＧである。ＡＷＧは、シリコン基板６上に、入力導波路１に接続されたスラブ導波路２と、出力導波路３に接続されたスラブ導波路４と、スラブ導波路３，４の間を接続するアレイ導波路５とが構成されている。アレイ導波路５の各々の導波路の光路長差は、１００ＧＨｚ間隔に設定されている。
【００２２】
ＡＷＧは、以下のように作製される（例えば、非特許文献１，２参照）。最初に、シリコン基板６上に、アンダークラッド層とコア層とを、火炎堆積法（ＦＨＤ：Flame Hydrolysis Deposition）により順に堆積する。次に、フォトリソグラフィ技術、及び反応性イオンエッチング（ＲＩＥ:Reactive Ion Etching）技術などを用いて、コア層をパターン化し、最後に、ＦＨＤ法によりオーバークラッド層を堆積する。
【００２３】
なお、シリコン基板のみならず、石英ガラス基板上に、石英系光導波路を形成することもできる。
【００２４】
作製されたＡＷＧの初期光学特性として、透過波長スペクトルなどを測定する。結果については後述する。光学特性の測定は、エルビウム添加光ファイバから広帯域に放出されるＡＳＥ（amplified spontaneous emission）光を光源とし、光スペクトラムアナライザ（ＳＡ）を用いて行う。ＡＳＥ光は、偏光子（ポーラライザー）を通して直線偏光とし、偏波保持ファイバを用いてＡＷＧに導くことにより、ＴＥモード、ＴＭモードのそれぞれの偏光について光学特性を測定する。なお、光学特性の測定は、狭帯域で波長を可変することができる外部共振器レーザを利用して、波長域を帚引し、光パワーメータにより透過光強度を測定してもよい。
【００２５】
測定後に、作製されたＡＷＧに対してＨＩＰ処理を行う。図２に、実施例１におけるＨＩＰ処理の概略を示す。ＨＩＰ処理炉１１内には、試料を入れる容器１２と、加熱用のヒータ１３ａ，１３ｂが備えられている。ＨＩＰ処理炉１１内に高圧のＡｒガスを導入するために、加圧ポンプ１４とＡｒガスボンベ１５とが接続されている。実施例１では、容器１２に作製されたＡＷＧ１６を入れ、炉内をＡｒ雰囲気で５０ＭＰａに加圧するとともに、１０００℃まで昇温する（第１工程）。この状態を１時間保持した後、圧力をほぼ一定に保ちつつ、炉内温度を室温近くまで徐々に降下させ、炉内を常圧に下げる（第２工程）。なお、炉内の温度は、４００℃以上であり、かつ石英系ガラスの融点温度以下に昇温する。
【００２６】
なお、本発明の実施例１に係る光回路の製造方法では、容器１２としてカーボンを主成分とする容器を使用した。これは、このような還元能力の強い容器を用いることで、後述する第３工程で得られる屈折率変化を大きくできることを見出したからである。類似の効果は、白金容器を用いて別途カーボンを光回路とともに設置しても得ることができる。
【００２７】
しかしながら本発明はこの例に限定されるものではなく、上述のカーボン還元剤を用いなくても、もちろん構わない。
【００２８】
さらに、以下に説明する本発明の実施例２に係る光回路の製造方法では、第２工程において、圧力をほぼ一定に保ちつつ、炉内温度を室温近くまで徐々に降下させ、その後炉内を常圧に下げるとした。これは、圧力と温度をこのような順序で降下させることで、後述の第３工程で大きな屈折率変化が得られることを見出したからである。さらに発明者等は、室温近くの炉内温度としては、その後圧力低下に伴う温度低下を見込んで１００℃程度にすることが望ましいことも見出した。しかしながら本発明はこの例に限定されるものではなく、上述の圧力、温度降下順序を用いなくても、もちろん構わない。
【００２９】
ＨＩＰ処理を行った後、処理後のＡＷＧの光学特性を再度測定する。測定後に、アレイ導波路の光学特性の調整を行う。図３に、実施例１におけるＡＷＧの光学特性の調整方法を示す。最初に、測定系について説明する。初期光学特性の測定で述べたように、エルビウム添加光ファイバ（ＥＤＦ）を用いたＡＳＥ光源２２と偏光子２３と偏波保持ファイバ２４とが縦続接続され、光軸調芯系２５ａを介して、処理後のＡＷＧ２１の入力導波路に接続されている。ＡＷＧ２１の出力導波路には、光スペクトラムアナライザ（ＳＡ）２６が接続されている。
【００３０】
次に、調整系について説明する。光回路の少なくとも一部に、紫外光または可視光を照射して、光回路の光学特性を調整する（第３工程）。具体的には、ＡＷＧ２１のアレイ導波路に紫外レーザ光を照射して、導波路の屈折率を所望の値に変化させ、ＡＷＧの中心波長λｃをシフト量Δλｃだけ変化させる。調整系は、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ２７からの出力されたレーザ光が、ミラー２８とレンズ２９とシリンドリカルレンズ３０とを介して、ＡＷＧ２１のアレイ導波路部分全体に、均一に照射するように配置する。ＡＷＧ２１には、アレイ導波路部分全体が露出し、それ以外の部分には、レーザ光が照射されないように、金属の遮光板３１を設置しておく。レーザ光の強度は、１パルス当たりのエネルギー約１００ｍＪ／ｃｍ２とする。調整系によるレーザ光の照射は、測定系により、ＡＷＧ２１の光学特性をモニタにしながら行う。
【００３１】
図４に、レーザ光の照射時間に対するＡＷＧの中心波長λｃのシフト量Δλｃを示す。ＨＩＰ処理を行わないＡＷＧの初期光学特性として、照射時間に対する波長シフト量を、ＴＥモードの場合を小さい丸印４１、ＴＭモードの場合を小さい角印４２で示す。ＨＩＰ処理を行った後のＡＷＧの光学特性を、ＴＥモードの場合を大きい丸印４３、ＴＭモードの場合を大きい角印４４で示す。レーザ光の照射時間６０分間の時点で比較すると、約１０倍の波長シフト量が得られており、屈折率変化の感度が大幅に増大していることがわかる。なお、ＨＩＰ処理を行う際の圧力、温度、処理時間により、屈折率変化の感度、制御性および再現性が維持されることを確認している。図４に示したように、波長シフト量Δλｃは、レーザ光の照射時間または積算照射光エネルギー量にほぼ比例して増大する。従って、照射時間を調整することによって、容易に、ＡＷＧの中心波長λｃを所望の値に調整することができる。
【００３２】
図５に、ＡＷＧの中心ポートにおける透過スペクトルの変化を示す。細線は、ＨＩＰ処理を行わない初期光学特性を示し、太線は、ＨＩＰ処理後の光学特性を示す。６０分間のレーザ光の照射により、所望の波長に中心波長λｃを調整することができることがわかる。なお、ＡＷＧの中心波長の調整を、安定化させるために、熱処理を行うこともできる。このとき、熱処理を行う工程で緩和する屈折率の変化量を見込み、レーザ光の照射時間を調整する。具体的には、光回路を３００℃で１時間熱処理することにより、中心波長の安定性を大幅に改善できることを確認した。
【００３３】
このように、ＨＩＰ処理は、既に作製された光回路を対象として実施できるので、例えば、規格外の光学特性を有する光回路を、作製後に所望の光学特性に補正することができ、光回路の生産性向上に寄与することができる。
【実施例２】
【００３４】
実施例２は、光誘起グレーティングを有する光回路である。実施例１のＡＷＧと同様にして作製された光回路に対してＨＩＰ処理を行う。ＨＩＰ処理は、炉内温度を１０００℃まで昇温し、Ａｒ雰囲気で１００ＭＰａまで昇圧する。この状態を１時間保持した後、圧力をほぼ一定に保ちつつ、炉内温度を室温まで徐々に降下させる。ＨＩＰ処理を行った後、光回路の光導波路の直線部分に対して、レーザ光を照射する。
【００３５】
図６に、実施例２における光回路の光学特性の調整方法を示す。ここでは、調整系について説明する。Ａｒイオンレーザ５１の出力光を、非線形光学素子５２に入射して第２次高調波光（波長２４４ｎｍ）を得る。ここで、非線形光学素子５２としてＢＢＯ（ＢａＢ２Ｏ４）結晶を用いる。第２次高調波光を、分波器５３、ミラー５４、レンズ５５およびシリンドリカルレンズ５６からなる光学系で集光する。ハーフミラー５７にて第２次高調波光を２分岐して、ミラー５８，５９，６０からなる光学系による干渉光を光回路６１の導波路に照射して露光する。第２次高調波光の強度は、２００ｍＷである。
【００３６】
図７に、実施例２における光回路の透過スペクトルの変化を示す。太線は、ＨＩＰ処理を行わない初期光学特性を示し、細線は、ＨＩＰ処理後の光学特性を示す。ＨＩＰ処理を行わない場合には、光誘起による屈折率変化がほとんどなく、グレーティングが形成されていない。一方、ＨＩＰ処理後は、屈折率変化の感度が大幅に増大し、反射率がほぼ９０％に至るグレーティングが形成されていることがわかる。このように、短時間のレーザ光の照射によって、より大きな屈折率変化が得られるため、光誘起グレーティングの特性向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施例１にかかる光回路の構成を示す図である。
【図２】実施例１におけるＨＩＰ処理の概略を示す図である。
【図３】実施例１におけるＡＷＧの光学特性の調整方法を示す図である。
【図４】レーザ光の照射時間に対するＡＷＧの中心波長λｃのシフト量Δλｃを示す図である。
【図５】ＡＷＧの中心ポートにおける透過スペクトルの変化を示す図である。
【図６】実施例２における光回路の光学特性の調整方法を示す図である。
【図７】実施例２における光回路の透過スペクトルの変化を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  入力導波路
２，４  スラブ導波路
３  出力導波路
５  アレイ導波路
６  シリコン基板
１１  ＨＩＰ炉
１２  容器
１３  ヒータ
１４  加圧ポンプ
１５  Ａｒガスボンベ
１６，２１  ＡＷＧ
２２  ＥＤＦ−ＡＳＥ光源
２３  偏光子
２４  偏波保持ファイバ
２５  光軸調芯系
２６  光スペクトラムアナライザ
２７  ＡｒＦエキシマレーザ
２８，５４，５８，５９，６０  ミラー
２９，５５  レンズ
３０，５６  シリンドリカルレンズ
３１  遮光板
５１  Ａｒイオンレーザ
５２  非線形光学素子
５３  分波器
５７  ハーフミラー
６１  光回路
【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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