(57)【要約】【課題】  消費電量を低減し、損失を抑制可能な熱光学光変調器および光回路を提供すること。【解決手段】  石英系材料からなるコア３と、コア３上に形成された、コア３よりも屈折率が高く、コア３よりも屈折率温度係数が大きい材料からなるコア４と、コア３とコア４とを接続するスポットサイズ変換器としてのテーパー部５と、コア４に温度を加えるようにクラッド２上に形成されたヒータ６とを備える。【選択図】  図１
2007047326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアをクラッド層で埋め込んだ形状の埋め込み型光導波路を備える熱光学光変調器であって、
第一のコアと、
前記第一のコア上または前記第一のコアの内部に形成された、前記第一のコアと屈折率が異なり、前記第一のコアよりも屈折率の温度係数が大きい材料からなる第二のコアと、
前記第一のコアと前記第二のコアとを接続するスポットサイズ変換器と、
前記第二のコアに温度を加えるように前記クラッド層上に形成されたヒータとを備え、
前記第一のコアは、前記第二のコアよりも伝搬損失が小さい材料からなり、
前記コアは、前記第一のコアおよび前記第二のコアを含み、
前記第一のコアおよび前記第二のコアのうち、屈折率が高い方のコアの、屈折率の低い方のコアとの光学的な接続部に前記スポットサイズ変換器が形成されており、
前記クラッド層に形成されたヒータの下部には少なくとも前記第二のコアが形成されていることを特徴とする熱光学光変調器。
【請求項２】
入力側に形成された第一の３ｄＢ結合器と、
出力側に形成された第二の３ｄＢ結合器とをさらに備え、
前記第一の３ｄＢ結合器と前記第二の３ｄＢ結合器とは、２本の前記埋め込み型光導波路にて連結されていることを特徴とする請求項１記載の熱光学光変調器。
【請求項３】
前記第一のコアは、Ｂ、Ｐ、Ｇｅを含む石英系材料からなることを特徴とする請求項１または２記載の熱光学光変調器。
【請求項４】
前記第二のコアは、Ｓｉ、アモルファスＳｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＯｘ（０＜ｘ＜２）、ＴｉＯ２、ＳｉＯＮのいずれか１つを含む材料からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の熱光学光変調器。
【請求項５】
前記第二のコアは、Ｔｉ酸化物を少なくとも５０ｍｏｌ％以上含む材料からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の熱光学光変調器。
【請求項６】
請求項１乃至５に記載の熱光学光変調器と、
前記熱光学光変調器と同一の基板に形成された、前記第二のコアよりも小さい屈折率の温度係数を有する材料からなるコアを含むアレイ導波路を有する、アレイ導波路回折格子と
を備えることを特徴とする光回路。
【請求項７】
請求項１乃至５に記載の熱光学光変調器と、
前記熱光学光変調器と同一の基板に形成された、前記第一のコアよりも大きく、かつ負の屈折率の温度係数を有する材料からなるコアを含むアレイ導波路を有する、アレイ導波路回折格子とを備え、
前記アレイ導波路の両端には、スポットサイズ変換器が形成されていることを特徴とする光回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱光学光変調器および光回路に関し、より詳細には、光通信分野で用いられる光導波路回路である、熱光学効果を利用し、低損失かつ低消費電力を実現する熱光学光変調器および光回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
平面光回路技術を用いたデバイスは、光通信分野においてキーデバイスとなっている。その中でも、熱位相変調器を用いた光スイッチ、光減衰器は特に注目されている。これらのデバイスに用いられる熱光学光変調器では、導波路上部に形成された薄膜ヒータに電力を印加してコアの温度を上昇さることで光の位相制御を行う。ヒータからの熱により、変調領域の温度を上昇させることで、上記変調領域の屈折率が増大し、その変化量と長さに対応した光路長が変化することで出射端での位相が変調される。
【０００３】
熱位相変調器を用いた回路で、最も用いられる回路構成は、導波路内に入射した光を３ｄＢカップラーにて分岐し、分岐した少なくとも一方の導波路上にヒータを設けることによって構成された熱光学光変調器に接続し、該熱光学光変調器から出射した光を、再度カップラーにて結合させるマッハツェンダー干渉計回路(ＭＺＩ回路)である。分岐した少なくとも一方を位相変調器に接続し、他方に比べ波長の半波長に対応する位相差を与えることで、出射端での光強度変調を行う。
【０００４】
この平面光回路技術を用いた熱光学光変調器の最大の問題点は、消費電力にある。一つの熱光学光変調器によって消費される電力は、典型的な構造では４５０ｍＷ程度になる。これを用いて、１×３２、１６×１６等の大規模スイッチを実現しようとすると、回路全体の消費電力は非常に大きなものとなってしまう。そこで、消費電力を下げることが強く求められている。
【０００５】
さまざまな方法が提案されているなか、消費電力を下げる一つの方法として、変調領域に屈折率の温度係数（屈折率温度係数とも呼ぶ）の大きな材料を用いることが考えられる。  
上記ＭＺＩ回路において、２つの連結導波路間の位相差をΔψとすると、Δψは、  
Δψ＝２π・Ｌ・ｄｎ／ｄＴ・ΔＴ／λ        （１）  
で与えられる。
【０００６】
ここで、Ｌはヒータ下部にある連結導波路長、ｄｎ／ｄＴは連結導波路の屈折率の温度係数、ΔＴは、２本の連結導波路間の温度差、λは光の波長である。熱光学光変調器では、ヒータにより加えられた熱により、式（１）中のΔＴが上昇することで位相差を与えている。ここで消費電力を下げるためには、ｄｎ／ｄＴを大きなものにすることが有効といえる。一般的な石英材料の場合、ｄｎ／ｄＴは約１×１０‐５／℃程度であるのに対し、例えば結晶Ｓｉの場合、ｄｎ／ｄＴは１６×１０‐５／℃程度と一桁以上も大きい。石英系材料からのみ構成される構造の熱光学光変調器において、ある波長で位相をπ回転させるのに必要な電力が１００ｍＷであったとすると、単純に計算すればＳｉに材料を置き換えれば６ｍＷ程度の消費電力でよいことになり、大幅に消費電力を低減することが可能である。
【０００７】
また近年、アレイ導波路回折格子は、波長多重伝送を実現する上でキーデバイスとなっている。このテバイスにおいて、近年各チャンネルの光強度の平坦化が必須であり、多チャンネルの光可変減衰器と共に集積されることが多い。特に平面光回路を用いて作製した熱光学型光可変減衰器は、熱光学光変調器を用いて出力光強度を調整するデバイスであり、アレイ導波路回折格子との集積が容易であることから広く用いられている。さらに、これらの集積回路では、コストを抑え作製するために、一括してウエハー内に同時に作製することで、コストダウンと回路の小型化を行うことが強く求められている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、ｄｎ／ｄＴの絶対値が大きな材料を用いて熱光学光変調器を作製すれば、消費電力に対して大きなメリットがある。単純には、ｄｎ／ｄＴがｎ倍の材料を用いれば、同じ構造の熱光学光変調器であれば消費電力は１／ｎ倍にすることが可能となる。導波路としてＢｉ酸化物を用いた場合、石英に比べて３倍ほど大きなｄｎ／ｄＴを示す。よって、単純には、消費電力を１／３にすることが可能である。
【０００９】
しかしながら、研究レベルでは存在するものの、これまでｄｎ／ｄＴの絶対値が大きな材料を用いた熱光学光変調器が市販されているデバイスに応用される例は少ない。回路すべてを、ｄｎ／ｄＴの絶対値が大きい材料を用いて作製すると伝播損失が増大し、回路損失が大きくなる問題があるためである。また、石英系平面光回路は、一般的にシングルモードファイバーとの接続に優れているが、ｄｎ／ｄＴの大きな材料は一般的に屈折率も高く、シングルモードファイバーとの結合損失が大きい、さらに反射が発生するといった問題がある。屈折率が高いということは、シングルモードを達成する導波路コアのサイズも小さくなることを意昧する。
【００１０】
そのため、加工トレランスも厳しくなり、安定して作製できないという問題がある。コアサイズが小さい場合は、ＭＺＩ回路を構成する３ｄＢカップラーを安定的に作製することが難しくなるといった問題がある。３ｄＢカップラーとして方向性結合器を用いたものが石英系平面光回路では多く用いられる。原理損がなく、石英系材料のディメンジョンサイズのコアでは作製が容易であるためである。一方、多モード干渉導波路(ＭＭＩ)が考えられているが、原理損があり、安定的に製造することが困難である、という問題がある。
【００１１】
また、ｄｎ／ｄＴが大きくとも屈折率が高い材料のみで回路を構成すると、ファイバー接続点での反射が発生し問題となる。さらに近年、石英系材料を用いた平面光回路の集積化が進むなか、熱光学光変調器をアレイ導波路回析格子等の回路と集積し一括して作製する際、ｄｎ／ｄＴの絶対値が大きな材料だけを用いて一括集積することは非常に困難である。
【００１２】
回路長さがｌで、導波路の実行屈折率がｎの導波路を考えた場合、光路長Ｌ１は、  
Ｌ１＝ｎ×ｌ        （２）  
で与えられる。この光路長の温度に対する変化量は式（２）を温度Ｔにて微分することで得られ、  
ｄＬ１／ｄＴ＝ｎ・ｄｌ／ｄＴ＋ｌ・ｄｎ／ｄＴ        （３）  
となる。石英系導波路をＳｉ基板上に作製した場合、この光路長の温度に対する変化量は正の値となり、アレイ導波路回折格子を作製した場合、中心波長は環境温度の変化と共に変化する。
【００１３】
光可変減衰器だけを考慮すると、先に述べたように消費電力低減の観点からｄｎ／ｄＴの大きな材料を用いて光可変減衰器を作製するのが好ましい。しかしながら、アレイ導波路回析格子は、式（３）より光可変減衰器と背反するｄｎ／ｄＴの小さな材料を用いてアレイ導波路回折格子を作製するのが中心波長の変動を抑えられる点で好ましい。
【００１４】
以上説明したように、アレイ導波路回析格子を作製する材料としては、熱光学光変調器とは相反するｄｎ／ｄＴの絶対値の小さな材料を用いることが好ましい。例え、材料の吸収、散乱等による損失が小さく、ｄｎ／ｄＴが大きい材料であっても、その材料のみを用いて、アレイ導波路回折格子と熱光学光変調器とを同一基板に集積することは難しいのである。石英系材料からなるアレイ導波路回析格子の場合、中心波長は、温度が１℃変わると０．０１ｎｍ程度変化してしまう。そこで、通常、温度が変化しないように、ペルチェ素子を用いて温度制御しながらアレイ導波路回路格子を使用しているが、温度無依存化して、温度制御なしにアレイ導波路回折格子を用いるのが、消費電力やデバイスのコスト面からも望ましい。
【００１５】
そこで、温度無依存化の方法として、非特許文献１に示されるような石英にくらべ符号が逆で、大きなｄｎ／ｄＴをもつシリコーン樹脂を、アレイ導波路部分に設けた溝に流しこみ、光路長の温度変化を補償する技術が知られている。しかしながら、この従来方法を、熱光学光変調器の低消費電力化を目的にｄｎ／ｄＴの大きな材料からなるアレイ導波路回析格子に適用すると、損失が増大してしまう。材料損失もさることながら、大きなｄｎ／ｄＴを打ち消すためにより多くのシリコーン樹脂が必要となるのでシリコーン樹脂溝の幅は広くなり、該箇所での損失が著しく増大してしまう。また、先述したように、ｄｎ／ｄＴの大きな材料の多くは、屈折率も大きく、上記樹脂溝箇所に導波路より放射した際の回折損失がさらに大きくなってしまう。
【００１６】
また、特許文献１には、温度無依存化の方法として、ＴｉＯ２／ＳｉＯ２系材料を用いたアサーマルアレイ導波路回折格子が示されている。この方法は、ＴｉＯ２／ＳｉＯ２系材料が負の屈折率温度係数を持つということから、Ｓｉ基板上に作製した石英系のアレイ導波路回折格子の中心波長の温度依存性をキャンセルすることが可能である点に着目したものである。
【００１７】
先に示した式（３）の右辺の第一項目は、基板が温度により伸びることに対応する。そして第二項は、屈折率が温度によって変化することに対応する。Ｓｉ基板上に形成された石英系導波路では、第一項は、Ｓｉ基板の熱膨張に支配され正の値を持つ。そこで第二項を負の値として、膨張による光路長の変化をキャンセルし、式（３）の右辺を０または０に近づけることで温度無依存アレイ導波路回析格子となる。
【００１８】
ＴｉＯ２／ＳｉＯ２系ガラスは、ｄｎ／ｄＴが負ではあるが、その絶対植も石英に比べ大きい。そこで、該材料を用いて熱光学光変調器を作製すれば、熱光学光変調器の消費電力低減と、アレイ導波路回折格子の温度無依存化とを両立した回路を、単一基板上に作製可能となる。よって、ＴｉＯ２／ＳｉＯ２系材料は、非常に有力な材料系であるといえる。
【００１９】
しかしながら、単一材料としてＴｉＯ２／ＳｉＯ２系ガラスだけを用いてアレイ導波路回折格子を作製するとどうしても、石英系材料にて作製した場合に比べて、材料損失の増大、反射増大の問題を回避することが困難となる。また、ＴｉＯ２／ＳｉＯ２系材料の屈折率はｄｎ／ｄＴが負になる濃度範囲では、１．７以上となり、導波路コアサイズが小さくなる。よって、高い加工技術が必要な上、安定性を確保したカップラーを作製するのが困難であるといった問題がある。さらに、単一基板上へのＴｉＯ２／ＳｉＯ２系材料を用いたアサーマルアレイ導波路回折格子と熱光学光変調器を用いた光減衰器との集積が困難であった。
【００２０】
以上に述べたように、従来からあるｄｎ／ｄＴの大きな材料を用いた熱光学光変調器では、１）該材料を用いることによる材料的な吸収、散乱損失の増加、２）該材料の屈折率が一般には高く、導波路コアサイズが小さくなることにより、安定的にカップラーが作製できない、３）熱光学光変調器を用いた熱光学型光可変減衰器とアレイ導波路回折格子とを単一基板に集積化した場合、ｄｎ／ｄＴの絶対値が大きいことを生かした光可変減衰器の低消費電力化と、アレイ導波路回折格子の温度無依存化との両立を、損失を抑えて実現するのが因難である、といった問題点があった。
【００２１】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、消費電量を低減し、損失を抑制可能な熱光学光変調器および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】
【００２２】
本発明はこのような目的を達成するために、請求項１記載の発明は、コアをクラッド層で埋め込んだ形状の埋め込み型光導波路を備える熱光学光変調器であって、第一のコアと、前記第一のコア上または前記第一のコアの内部に形成された、前記第一のコアと屈折率が異なり、前記第一のコアよりも屈折率の温度係数が大きい材料からなる第二のコアと、前記第一のコアと前記第二のコアとを接続するスポットサイズ変換器と、前記第二のコアに温度を加えるように前記クラッド層上に形成されたヒータとを備え、前記第一のコアは、前記第二のコアよりも伝搬損失が小さい材料からなり、前記コアは、前記第一のコアおよび前記第二のコアを含み、前記第一のコアおよび前記第二のコアのうち、屈折率が高い方のコアの、屈折率の低い方のコアとの光学的な接続部に前記スポットサイズ変換器が形成されており、前記クラッド層に形成されたヒータの下部には少なくとも前記第二のコアが形成されていることを特徴とする。
【００２３】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、入力側に形成された第一の３ｄＢ結合器と、出力側に形成された第二の３ｄＢ結合器とをさらに備え、前記第一の３ｄＢ結合器と前記第二の３ｄＢ結合器とは、２本の前記埋め込み型光導波路にて連結されていることを特徴とする。
【００２４】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、前記第一のコアは、Ｂ、Ｐ、Ｇｅを含む石英系材料からなることを特徴とする。
【００２５】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明において、前記第二のコアは、Ｓｉ、アモルファスＳｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＯ２（０＜ｘ＜２）、ＴｉＯ２、ＳｉＯＮのいずれか１つを含む材料からなることを特徴とする。
【００２６】
請求項５記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明において、前記第二のコアは、Ｔｉ酸化物を少なくとも５０ｍｏｌ％以上含む材料からなることを特徴とする。
【００２７】
請求項６記載の発明は、請求項１乃至５に記載の熱光学光変調器と、前記熱光学光変調器と同一の基板に形成された、前記第二のコアよりも小さい屈折率の温度係数を有する材料からなるコアを含むアレイ導波路を有する、アレイ導波路回折格子とを備えることを特徴とする。
【００２８】
請求項７記載の発明は、請求項１乃至５に記載の熱光学光変調器と、前記熱光学光変調器と同一の基板に形成された、前記第一のコアよりも大きく、かつ負の屈折率の温度係数を有する材料からなるコアを含むアレイ導波路を有する、アレイ導波路回折格子とを備え、前記アレイ導波路の両端には、スポットサイズ変換器が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
以上説明したように、本発明によれば、第一のコアは、従来から実績のある石英系材料から構成し、第二のコアは、第一のコアよりも、屈折率の温度係数が大きい材料から構成し、第一のコアと第二のコアとをスポットサイズ変換器にて接続しているので、消費電量を低減し、かつ損失を抑制することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。  
本発明の一実施形態は、少なくとも必要箇所、好ましくは必要箇所のみに屈折率温度係数（ｄｎ／ｄＴ）の絶対値の大きな材料にて導波路コアを作製し、該当しない部分は、例えば、これまで実績のある石英系の材料など、上記ｄｎ／ｄＴの絶対値が大きな材料からなる導波路コアよりも伝播損失が小さい材料にて作製する。両者の接続を低損失に実施するため、屈折率温度係数の絶対値が大きな材料からなる導波路コアと、石英系材料からなる導波路コアとの光学的な接続部にスポットサイズ変換器を設けて、低損、かつ反射の少ない回路を提供する。
【００３１】
また、熱光学光変調器を用いた光可変減衰器とアレイ導波路回析格子とを同一の基板に集積した回路の場合、少なくとも光可変減衰器の変調領域を、ｄｎ／ｄＴの絶対値が大きな材料で作製すれば、損失が大きくなってしまう問題に対し有効である。すなわち、光可変減衰器のヒータ下部（変調領域）のみｄｎ／ｄＴの大きな材料からなるコア（本明細書において、「第二のコア」とも呼ぶ）を具備し、スポットサイズ変換器を介して第二のコアに接続される、石英系材料からなるコア（本明細書において、「第一のコア」とも呼ぶ）と、アレイ導波路回折格子とは石英系材料にて作製する。こうすることで、損失を抑え、光可変減衰器部の低消費電力化を可能とする。また、上記アレイ導波路回折格子のアレイ導波路部分を、ｄｎ／ｄＴの絶対値が大きな材料で作製すれば、損失が大きくなるという問題だけでなく、波長の温度無依存化が困難になるという問題に対しても有効となる。すなわち、アレイ導波路回折格子の温度無依存化には、従来からある方法による対策が可能となる。
【００３２】
さらには、負の屈折率温度係数を持ち、さらにその絶対植が大きいＴｉＯ２／ＳｉＯ２系ガラスを利用して、可変減衰器の低消費電力化とアレイ導波路回析格子の温度無依存化との両立を、上記回路を一枚の基板上で一括して作製することで実現し、かつ、低損失な石英系材料にて回路の大部分を作製することで、低損失化をも可能とする。
【００３３】
（第１の実施形態）  
本実施形態では、従来からある石英系材料を用いたＭＺＩ回路を作製し、その連結部であるアーム導波路の上に、ＳｉＯｘ（０＜ｘ＜２）からなる屈折率温度係数（ｄｎ／ｄＴ）の絶対値が大きな材料からなる導波路を、スポットサイズ変換器を介して接続し作製している。
【００３４】
図１は、本実施形態に係る熱光学光変調器を示す鳥瞰図であり、図２（ａ）は、図１のＡ−Ａ’線切断断面図であり、図２（ｂ）は、図１のＢ−Ｂ’線切断断面図であり、図２（ｃ）は、図１のＣ−Ｃ’線切断断面図である。また、図３は、本実施形態に係る熱光学光変調器を用いた１×２光スイッチの構成図である。本実施形態では、光スイッチを作製したが、同じ構成にて、光減衰器の作製も無論可能である。すなわち、本実施形態に係る熱光学光変調器は、熱光学光変調器を用いる回路であればいずれの回路にも適用可能である。
【００３５】
図１において、Ｓｉ基板１には、石英系材料からなるコア（第一のコア）３、第一のコアよりも、屈折率が高く、屈折率温度係数が大きいＳｉＯｘからなるコア（第二のコア）４、およびコア４の両端に形成された、コア４と同一の材料からなり、その幅が、コア４とは反対側に向かって徐々に狭くなるようなテーパー部５が埋め込まれたクラッド２が形成されている。なお、本実施形態では、コア４の材料として、ＳｉＯｘを用いているが、これに限定されず、例えば、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＯｘとＴｉＯ２との混合物等を用いても良い。また、コア４の材料として、Ｔａ、Ｂｉ、Ｎａ、Ａｌ、Ｃｅ、Ｇａ、Ｌｉ等の酸化物の少なくとも１つを含むガラスからなる材料としても良い。すなわち、コア４の材料として、コア３に用いる石英系材料の屈折率温度係数よりも大きな、屈折率温度係数を有する材料を用いれば良いのである。
【００３６】
なお、本実施形態では、第一のコアとしてのコア３として、石英系材料を用いているが、これに限定されず、用いられる第二のコアとしてのコア４の伝搬損失よりも小さな伝搬損失である材料であればいずれの材料であっても良い。
【００３７】
図１、図２（ａ）〜（ｃ）において、コア３上の所定の部分には、コア４およびテーパー部５が形成されている。コア４の両端にはそれぞれテーパー部５が形成されている。コア３（コア４）を伝搬する光は、テーパー部５を介してコア４（コア３）へとスポットサイズを変換しながら移行するので、仮想線部８がスポットサイズ変換器となる。よって、コア３とコア４とを伝搬する光は、スポットサイズ変換器８を介して光学的に接続されることになる。図１および図２（ｃ）に示される通り、コア４の上部のクラッド２には、ヒータ６が形成されており、ヒータ６の両端には、金属等からなる接続配線７が形成されている。この接続配線７によって、外部からの電力をヒータ６へと供給することができる。このような構成によって、ヒータ６は、少なくとも変調領域となるコア４に熱を加えて、コア４を伝搬する光を変調するのである。このとき、変調領域となるコア４の両端部、すなわち、コア４の、コア３と光学的に接続する部分には、スポットサイズ変換器としてのテーパー部５が形成されているので、モードフィールドが異なるコア３とコア４とを良好に接続することができる。
【００３８】
図１に示した、本実施形態に係る熱光学光変調器を用いた１×２光スイッチの構成図を図３に示す。なお、図３では、ヒータ、配線（電極）は図が煩雑になるのを防ぐために省略してある。また、図３では、図面を見やすくするために、コアを細線で示している。  
図３において、３ｄＢカップラー３１Ａの出力ポートにはそれぞれ、アーム導波路としてのコア３が接続されている。アーム導波路としてのコア３にはそれぞれ、図１および図２（ａ）〜（ｃ）にて説明した、コア４、テーパー部５、ヒータ６などにより熱光学光変調器が形成されている。アーム導波路としてのコア３の他方端はそれぞれ、方向性結合器３１Ｂの入力ポートに接続されている。
【００３９】
以下で、図３に示す、光スイッチの作製方法について述べる。ここで示す数値、作製方法は一例であり、他の値、作製方法であっても差し支えない。  
まず、Ｓｉからなる基板上に、火炎堆積法を用いて下部クラッド５０μｍ、第一のコア層（コア３）となるコア層４．５μｍを順に堆積する。ここで火炎堆積法とは、ＳｉＣｌ４等の塩化物を酸水素炎の中で燃焼させ、基板上に高速にガラス膜を製膜する方法である。この火炎堆積法は、比較的厚い膜を堆積するのに適しており、埋め込み特性に優れているため光導波路の作製に広く用いられている方法である。堆積直後は、形成された膜は微粒子の集まりであるため可視光を散乱し、白色を示すが、熱処理を実施することで透明な膜を得ることができる。一般的には透明化温度降下のため、例えば、Ｐ２Ｏ５、Ｂ２Ｏ３などを適量添加したガラスを堆積し、さらにコア層には屈折率を上げるためにＧｅＯ２等を添加する。ここでは、堆積したコア層の比屈折率差Δがクラッド層に対し０．７５％となるようにする。
【００４０】
次いで、第一のコア層上に第二のコア層（コア４）となるＳｉＯｘ（０＜ｘ＜２）膜をＳｉＨ４とＯ２とを用いて、ＥＣＲ−ＣＶＤ（electron-cyclotron-resonance plasma-enhanced chemical vapor deposition）を用いて堆積する。ここで、ＳｉＯｘ膜とは、Ｓｉが過剰に添加されたＳｉＯ２膜であり、ＳｉＯ２のマトリックスの中に粒径が数ｎｍのＳｉナノ結晶が分散して埋め込まれている膜である。該膜は、ＳｉＯ２にＳｉの性質を足し合わせた膜が得られる。通常は、Ｓｉのｄｎ／ｄＴ＝１６×１０‐５／℃であり、ＳｉＯ２のｄｎ／ｄＴは１×１０‐５／℃程度である。従って、Ｓｉの過剰程度を関数に、ｄｎ／ｄＴもその間の値を取る。すなわち、０＜ｘ＜２の範囲でｘが変化すると、ＳｉＯｘの屈折率温度係数は、１×１０‐５／℃と１６×１０‐５／℃との間で変化する。また、マトリックスのＳｉＯ２は、平面光回路、光ファイバーと同じ材料であり、通信帯１．５μｍの波長領域で最も透過率が高い。また、Ｓｉナノ結晶では、波長１．５μｍはバンドギャップエネルギー以下の波長であり、Ｓｉナノ結晶は、この領域の光に対し透明である。また、粒径が伝播する光の波長に比べて小さいため、散乱源として働かない。よって、透過率が良いというメリットがある。  
以上のことは、ＴｉＯ２についても同様のことが言える。
【００４１】
本実施形態では、過剰Ｓｉ濃度を４０ａｔ．%としている。この時のｄｎ／ｄＴは６×１０‐５／℃であり、通常の石英より６倍程度大きな値である。  
ついで、レジストを塗布し、一般的なフォトリソグラフィー技術と反応性イオンエッチングを用いて、ＳｉＯｘ膜を回路形状に加工する。第二のコアとして長さ２ｍｍ幅２μｍの直線導波路の両端に、５００μｍの三角形の形状をしたテーパーを施す。このテーパー部は、第一の導波路（第一のコア）内を伝播する光のモードフィールドを断熱的に、第二のコアのそれに変換する。そのため、モードフィールドの変換に伴う損失は非常に小さくできる(1箇所あたり０．１ｄＢ以下)。
【００４２】
再度、レジストの塗布を実施し、位置合わせを行って、第一の導波路のフォトリソグラフィーとエッチングとを実施する。第一の導波路として作製した光回路は、図に示されるような直線アーム導波路３ｍｍの両端に接続された、2つの３ｄＢ方向性結合器からなるＭＺＩ回路である。導波路の輻は６．０μｍとしている。これらのエッチングした回路をさらに、オーバークラッドとなるガラス１５μｍで埋め込み、そのクラッド上にＣｒからなるヒータを形成後、金配線を形成する。ここで、ヒータは、幅３μｍ、長さ２ｍｍとし、ＳｉＯｘからなる第二のコア上のクラッドの表面に形成する。
【００４３】
本実施形態では、第二のコア（コア４）としてＳｉＯｘ膜を用いている。これは、ＳｉＯｘ膜は、石英ＳｉＯ２の組成に近く、屈折率(約１．６)と通信帯１．５μｍでの透過率が高いことによる。無論、ｄｎ／ｄＴの大きな材料(例えば、単結晶ＳｉやアモルファスＳｉ、他金属酸化物を含むガラスでｄｎ／ｄＴの大きな材料)を用いて第二のコアとしてもよい。例えばＴｉＯ２または、その酸化物との混合膜においては、ｄｎ／ｄＴは負の値ではあるが、その絶対値は大きく本実施形態の用途に適している。
【００４４】
先述したように、これまで従来のｄｎ／ｄＴの大きな材料だけを用いて熱光学光変調器を作製した場合、材料損失が大きい、ファイバーとの結合損失が大きくなるという問題があった。さらに、ｄｎ／ｄＴの絶対値が大きい場合は屈折率も高い場合が多く、シングルモード導波路を達成するには高精度の加工が必要であり、歩留まりが悪いという問題がある。さらに他の機能を持つ平面光回路との集積化が困難であった。
【００４５】
しかしながら、本実施形態では、スポットサイズ変換器を用いて、３ｄＢカップラーについては既存の実績ある低損失な石英系光平面回路で形成し、また、光ファイバーとの結合も該石英系材料からなる導波路で実施する。そして、熱光学効果が必要となる箇所（上部にヒータが形成される領域）のみに、ｄｎ／ｄＴの大きな材料で作製された導波路を一括作製し、石英系材料からなる導波路と、該導波路を構成する石英系材料の屈折率温度係数よりも大きい屈折率温度係数を有する材料からなる導波路とをスポットサイズ変換器で接続している。
【００４６】
この場合、実績ある石英系の材料で回路の大部分は構成される。そのため、石英系の材料による伝播損失は非常に小さいので、回路全体の伝搬損失を抑えることができる。また、ｄｎ／ｄＴの大きな材料で作製された第二の導波路（第二のコア）の長さは、スポットサイズ変換部と、ヒータ下部のみで僅かに３ｍｍ程度である。この場合、ｄｎ／ｄＴの大きな材料で材料損失が多少ある材料で第二の導波路を作製したとしても、伝播距離は非常に短いため大きな損失増加にはいたらない。
【００４７】
ｄｎ／ｄＴの大きな材料の場合、往々にして、屈折率そのもののも石英のそれに比べ大きい。本実施形態のＳｉＯｘ膜の場合は、屈折率ｎ＝１．６程度であり、石英の屈折率１．４５程度に比べかなり大きい。さらに、単結晶Ｓｉを用いた場舎は、屈折率ｎ＝３．４程度にもなる。つまり、第二の導波路がシングルモードを達成する導波路寸法は、第一の導波路の上記寸法に比べて小さくなる。よって、それらを単に接続しただけでは、モードフィールドの不整合により損失が生じる。そこで、第二の導波路の一部にテーパー形状のスポットサイズ変換器を設け、第一の導波路を伝播してきた光を徐々に第二の導波路に断熱的に移行させる。
【００４８】
図４は、本実施形態に係る、テーパーを成すスポットサイズ変換器部の動作を説明する図である。図４では、一方のアーム導波路のみを拡大して示している。また、図４の円は、伝播する光のモードフィールドの大きさを簡単に示したものである。
【００４９】
第一の導波路であるコア３を伝播してきた光は、テーパー部５に達すると屈折率の高い第二の導波路であるコア４に徐々にモードフィールドを小さくしながら移行していく。モードフィールドを小さくしながらコア４に移行した光は、コア４内を伝播した後、再度、コア４の入射端に形成されたテーパー部５の対向位置に形成されたスポットサイズ変換器（テーパー部５）にてモードフィールドを広げながらコア３に戻る。
【００５０】
このテーパー部５は、上述のようにスポットサイズ変換器として働く。該箇所にスポットサイズ変換を設けることで、ｄｎ／ｄＴの大きな異種の材料の導波路同士を低損失、低反射に接続するのである。スポットサイズ変換による損失を、別途テスト回路を用いて測定した結果、一箇所あたり０．１ｄＢ以下と非常に小さくできていることが確認できた。つまり、従来、屈折率温度係数が大きな材料だけで作製された導波路を用いて熱光学光変講器を作製すると、損失の増加が問題となっていたが、本実施形態によれば、石英系材料のみで作製した熱光学光変調器と遜色なく作製することが可能となる。
【００５１】
すなわち、本実施形態によれば、少なくとも変調領域（ヒータにより熱を加えられる領域）のコア（第二のコア）の材料に、屈折率温度係数が大きい材料を用いているので、消費電力を低減することが可能となる。このとき、伝搬損失の低減を考慮すると、変調領域のコアのみに上記屈折率温度係数が大きい材料を適用するのが好ましい。さらに、変調を行う領域（必要な領域）以外のコア（第一のコア）は、従来から実績のある石英系材料からなるコアを用いているので、消費電力の低減と、損失の低減とを両立できる。また、上記コアを含む光回路と、光ファイバとの接続も良好となる。さらに、第一のコアと第二のコアとの接続を、スポットサイズ変換器を介して行っているので、第一のコアと第二のコアとのモードフィールドの不整合による損失を低減することが可能となる。従って、消費電力の低減と損失の低減を実現可能な熱光学光変調器を提供することが可能となる。
【００５２】
本実施形態では、図５（ａ）に示されるように、石英系材料で構成される第一のコア５３上に、屈折率温度係数の絶対値が大きな材料で作製された第二のコア５４を積層させている。この第一のコア５３および第二のコア５４は、下部クラッド５１および上部クラッド５２によって囲まれている。同じように、第一のコアの内部に第二のコアを設けても先に述べた効果と同じ効果が期待できる。しかしながら、熱光学効果を利用した熱光学光変調器では、コアとヒータとの間の距離が短い方が消費電力を低減することが可能である。それは、同じ電力を加えた際、ヒータに近いほど、コアの上昇温度が高くなるためである。よって、第二のコアを第一のコア上に積層した形状の方が、熱を加えるべきコアである第二のコアをヒータに近づけることができるため、より消費電力を下げることが可能となる。
【００５３】
一方、図５（ｂ）および（ｃ）のような、第二のコアを第一のコア内に内包した場合は、スポットサイズ変換器部でのモードフィールド変換損失をさらに小さくすることができるというメリットがある。図５（ｂ）は、第一のコア５５内に第二のコア５６を形成した形状である。また、図５（ｃ）は、図５（ｂ）と同様に、第一のコア５７内に第二のコア５７を形成した形状であるが、下部クラッド５１のリッジ部５１Ａ上に第二のコア５８を形成し、リッジ部５１Ａと第二のコア５８とを包むように第一のコア５７が形成されている形状である。
【００５４】
また、本実施形態では、テーパー部５のように、単なる三角形のテーパー構造のスポットサイズ変換器を用いているが、スポットサイズ変換器の形状は何も二等辺三角形である必要性はなく、多段階に徐々に狭まっている(広まっている)または、曲線にて狭まって(広がって)いても良い。つまり、本実施形態に係るスポットサイズ変換器は、第一のコアから第二のコアへ、または第二のコアから第一のコアへと、モードフィールドが徐々に変化して移行後のモードフィールドが適切なモードフィールドになるような機能を有していれば良いのである。
【００５５】
本実施形態では、第二のコアの方が、屈折率が高いという前提にて記載しているが、第ニのコアは、第一のコアよりもｄｎ／ｄＴが大きければ(他のカップラー等を構成するガラスに対し少なくとも２倍以上)よく、第二のコアの方が、第一のコアよりも屈折率が低くてもよい。その場合、テーパー部、すなわちスポットサイズ変換器は、第二のコアではなく、第一のコアに設ければ良い。
【００５６】
実際作製した、本実施形態に係る光スイッチの消費電力を測定した結果、位相がπ回転するのに要した電力はわずかに１４０ｍＷであり、同様の構造の従来のスイッチの消費電力４５０ｍＷの実に１／３の電力まで低減できた。また挿入損失においても、従来技術にて作製したものと０．２ｄＢの増加のみで収まっていた。これは、従来技術で課題であった損失の問題が本実施形態を用いることで解決できていることを示すものである。
【００５７】
本実施形態では、第二のコアとしてＳｉＯｘを用いた形態について説明したが、ＴｉＯ２やシリコンの酸化窒化物であるＳｉＯＮを第二のコアとして用いて上記実験を行ったところ、ＳｉＯｘの場合と同様な効果が得られた。
【００５８】
（第２の実施形態）  
本実施形態では、従来からある石英系材料を用いたＭＺＩ回路を作製し、その連結部であるアーム導波路の上に、ＴｉＯ２とＳｉＯ２との混合膜を用いて第二のコアを作製し、スポットサイズ変換器を介して、第一のコアと第二のコアとを接続した熱光学スイッチを作製している。本実施形態では、第二のコアはＴｉＯ２とＳｉＯ２との２種の材料の混合膜であるが、他材料が添加物として入っていても問題とはならず、同じ効果が得られる。
【００５９】
ここで、ＴｉＯ２とＳｉＯ２との混合膜とは、結晶性の粒径がナノメートルサイズのＴｉＯ２微粒子がＳｉＯ２マトリックス中に分散して埋め込まれている材料を指す。ＴｉＯ２結晶のサイズは散乱損失を低減するため粒子サイズが小さい方が好ましい。先に示したＳｉＯ２膜では過剰に添加しているＳｉの結晶性はあまり問われず、アモルファス状でもｄｎ／ｄＴの絶対値が大きくなるという効果は得られる。しかしながら、単に混合しただけでは効果は得られずＴｉＯ２とＳｉＯ２との混合膜では、効果を得るためには、ＴｉＯ２微粒子は結晶構造を有する必要がある。このような膜の作製方法としては、ＴｉＯ２とＳｉＯ２とを同時に基板に付着させ、熱処理を実施することで、結晶性ＴｉＯ２領域と、非結晶性ＳｉＯ２に分相させることで作製することができる。無論、この方法は一例であり、その他の方法で作製しても差し支えない。
【００６０】
まず、本実施形態にて用いた、ＴｉＯ２とＳｉＯ２との混合膜の屈折率温度係数について述べる。  
図６は、Ｓｉ基板上にＴｉＯ２濃度の異なる薄膜を用意し、屈折率温度係数(ｄｎ／ｄＴ)を測定した結果を示している。上記混合膜は、Ｓｉ基板上に、ＴｉＯ２とＳｉＯ２とのタ一ゲットを用いて同時にスパッタリング法を用いて混合膜を作製した後、１０００℃の熱処理を実施したものである。各試料の濃度は、X線マイクロアナライザ(ＥＰＭＡ：Electron Probe Micro-Analysis)を用いて測定した値である。屈折率温度係数の測定は、プリズムカップルを用いた屈折率測定装置を用いて、試料の温度を室温から１５０℃まで屈折率測定し、その傾きより求めた。傾きは、一次関数によるフィティングにより決定した。
【００６１】
測定結果によると、図６に示される通り、通常のＳｉＯ２のｄｎ／ｄＴは、８．５×１０‐６／℃であった（ＴｉＯ２＝０ｍｏｌ％）。ＴｉＯ２濃度が５０ｍｏｌ％程度までは、ＳｉＯ２の屈折率温度係数とほとんど差がないが、ＴｉＯ２濃度が増加し５０ｍｏｌ％以上になると、絶対値が負となり、濃度がさらに高くなると、その絶対値も大きくなっている。８０ｍｏｌ%では、−６０×１０‐６／℃であった。これは、通常の石英に比べて、屈折率温度係数の絶対値は7倍も大きな値である。  
つまり、８０ｍｏｌ％のＴｉＯ２とＳｉＯ２との混合膜（ＴｉＯ２／ＳｉＯ２膜とも呼ぶ）を本発明の第二のコアに用いれば、単純には消費電力を１／７程度まで削減することが可能である。
【００６２】
図７は、本実施形態に係る、第二のコアとしてＴｉＯ２／ＳｉＯ２膜を用いた熱光学スイッチの概略図である。図７（ａ）は、一つのＭＺＩ回路の上面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）の破線で示したアーム導波路部分を拡大した図である。いずれの図も、ヒータ、配線（電極）は図が煩雑になるのを防ぐために省略してある。また、図７（ａ）では、図面を見やすくするために、コアを細線で示している。
【００６３】
第二のコアとしてのコア４に用いた膜のＴｉＯ２濃度は、７２ｍｏ１としている。また、コア４の厚さは、０．８μｍとし、幅を０．６μｍとしている。屈折率は、２．１である。図７（ａ）および（ｂ）は、第１の実施形態の図３に示した構造とほぼ同様であるが、本実施形態では、コア４の材料としてＳｉＯｘ膜の代わりに、ＴｉＯ２／ＳｉＯ２膜を用いている。さらに、本実施形態で作製した回路は、第１の実施形態では採用しなかった断熱溝７１をヒータの両側面に設けている。
【００６４】
本実施形態に係るＭＺＩ回路の作製方法は、第１の実施形態のそれとほぼ等しいためここでは詳しくは述べない。また、第一のコアとしてのコア３の寸法等も第１の実施形態のそれと等しいものを作製している。本実施形態において、断熱溝７１は、第１の実施形態に挙げた作製方法にてＭＺＩ回路を作製した後、断熱溝７１を形成すべき箇所のクラッドをエッチングにて除去して形成すれば良い。ここで断熱溝７１の幅は５０μｍとし、それぞれの間隔は７５μｍとしている。深さは、基板までの６５μｍとしている。また、比較のため、第１の実施形態で作製した回路にも同様の断熱溝を形成した。
【００６５】
図６より、ＴｉＯ２の濃度が７２ｍｏｌ％の場合は、コア４の屈折率温度係数としてｄｎ／ｄＴ＝−３９×１０‐６／℃が得られる。問題となるのは、ＭＺＩ回路を構成する両アーム導波路間に生じる位相差であり、ＭＺＩ回路としてはｄｎ／ｄＴの符号は問題とはならない。
【００６６】
作製した本実施形態に係る回路の測定結果について以下に述べる。  
比較のため作製した、石英系の材料からのみなる光スイッチの測定をしたところ、断熱溝を形成しただけでも低消費電力の効果は大きく、位相をπ回転させるのに必要な電力は、５２ｍＷとなった(断熱溝形成しない場合(第１の実施形態)は１００ｍＷ以上)。しかし、さらに、本実施形態にて作製した第二のコアにｄｎ／ｄＴの大きなＴｉＯ２／ＳｉＯ２膜を用いた場合、消費電力をさらに下げることができ、９ｍＷとなった。ＴｉＯ２／ＳｉＯ２膜を用いない場合に対して１７％まで消費電力を削減できた。この時に、認められた過剰損失は０．３ｄＢ程度と非常に小さな値であった。これはスポットサイズ変換部での損失であると考えられる。
【００６７】
以上に述べたように、ＴｉＯ２／ＳｉＯ２の混合膜を第二のコアとして用いることで、低損失でかつ消費電力の小さな光スイッチを実現することが可能となる。この時、消費電力の低減効果を得るためには、ＴｉＯ２／ＳｉＯ２の濃度は少なくとも５０ｍｏｌ％以上必要である。５０ｍｏｌ％以上、ＴｉＯ２を含むガラスの屈折率は、１．８以上となり高くなる。そのためコアサイズがサブミクロンサイズになる。サブミクロンサイズで単なる直線や曲線導波路を作製することは可能であっても、従来構造のように単一材料でサブミクロンサイズのコアの３ｄＢカップラーを作製すると、損失が大きくなったり、製造トレランスが低く、歩留まりが悪いという問題があった。本実施形態のように、必要箇所(ヒータ下部)のみをスポットサイズ変換器を用いてＴｉＯ２／ＳｉＯ２系材料とすることで、カップラー部を安定的に作製できるだけでなく、回路の伝播損失も小さくすることが可能である。
【００６８】
（第３の実施形態）  
本実施形態では、光可変減衰器とアレイ導波路回折格子とを集積した場合について述べる。  
本実施形態では、熱光学光変調器を用いた光可変減衰器の、少なくとも熱光学効果を用いる箇所、好ましくは該箇所のみにスポットサイズ変換器を介し、屈折率温度係数（ｄｎ／ｄＴ）の大きな材料を用いた第二のコアを形成し、他のＭＺＩ回路を構成する３ｄＢカッブラー、アレイ導波路回折格子、シングルモードファイバーとの結合箇所は、既存の石英系材料からなる第一のコアを用いて作製している。
【００６９】
図８は、本実施形態に係る、同一基板上に、熱光学光変調器とアレイ導波路回折格子とを集積した光回路を示す図である。なお、図８では、ヒータ、配線（電極）は図が煩雑になるのを防ぐために省略してある。また、図８では、図面を見やすくするために、コアを細線で示している。
【００７０】
図８において、基板８０には、熱光学光変調器８１と、５％タップ回路８２と、アレイ導波路回折格子８３とが形成されている。図８において、熱光学光変調器８１のそれぞれの出力端は、５％タップ回路８２のそれぞれの入力端に接続されており、５％タップ回路８２のそれぞれの出力端は、アレイ導波路回折格子８３のそれぞれの入力端８４に接続されている。入力端８４は、スラブ導波路８５Ａの一方に接続されており、スラブ導波路８５Ａの他方には、１６チャンネルのアレイ導波路８６の一方端が接続されている。アレイ導波路８６の他方端には、スラブ導波路８５Ｂの一方が接続されており、スラブ導波路８５Ｂの他方には、アレイ導波路回折格子８３の出力端８７が接続されている。このとき、アレイ導波路８６に含まれるコア（第三のコアとも呼ぶ）の材料は、第二のコアとしてのコア４よりも小さい屈折率温度係数を有する材料である。第三のコアは、第一のコアと同一の材料であっても、異なる材料であっても良い。
【００７１】
本実施形態に係る熱光学光変調器の作製方法は、第１の実施形態に示した方法と同じである。まず、Ｓｉ基板上に、火炎堆積法を用いてＳｉＯ２、Ｐ２Ｏ５、Ｂ２Ｏ３からなる下部クラッド４０μｍ、第一のコア（コア３）となるコア層６μｍを堆積する。ここで、第一のコアのクラッドに対する比屈折率は、上記クラッドにＧｅＯ２を添加し０．７５％とする。ついで、該第一のコア層上に第二のコア（コア４）となるＳｉＯ２（０＜ｘ＜２）膜を、ＥＣＲ−ＣＶＤ用いて堆積する。本実施形態では、過剰Ｓｉ濃度を４０ａｔ．％としている。
【００７２】
次いで、ＳｉＯ２膜上にレジストを塗布し、一般的なフォトリソグラフィー技術と反応性イオンエッチングとを用いてＳｉＯ２膜を回路形状に加工する。第二のコアとして長さ２ｍｍ、幅２μｍの直線導波路の両端に、５００μｍの三角形の形状をしたテーパー部５を施した導波路を、後に第一のコアにおいて、ＭＺＩ回路のアーム導波路上の所定の位置となるように作製する。  
再度、第二のコアをエッチングした面にレジストの塗布を実施し、アライメントを行って、第一のコアについてのフォトリソグラフィーを行い、ついでエッチングを実施する。
【００７３】
ここで、第一のコアとして作製した光回路は、図８に示されるような直線アーム導波路３ｍｍの両端に接続された２つの３ｄＢ方向性結舎器からなるＭＺＩ回路からなる光可変減衰器とアレイ導波路回折格子である。ここでアレイ導波路回折格子は、１６チャンネルからなる１００ＧＨｚ間隔のものを作製している。各アレイ導波路回折格子のチャンネルは、光可変減衰器の制御に用いられるタップ回路を経て、１６チャンネルの光可変減衰器に接続されている。これらのエッチングした回路をさらに、オーバークラッドとなるガラス１５μｍで埋め込み、そのクラッド上にＣｒを用いて光可変減衰器のアーム部の第ニのコアが存在する箇所上方のクラッド上にヒータを形成後、金配線を形成する。
【００７４】
本実施形態では、低消費電力化の方法として用いられる断熱溝を形成していない。この断熱溝は、ヒータの両側に深い溝を形成し、基板水平方向への熱の拡散を抑制する働きがあり、消費電力を下げることが可能である。無論断熱溝を形成した方がより低消費電力の熱光学位彬変講器が実現可能である。
【００７５】
さらにここでは、第二のコアに用いる、ｄｎ／ｄＴの大きな材料として、ＳｉＯｘ膜を用いたが、第一のコアに用いる石英系材料よりも数倍ｄｎ／ｄＴの絶対値が大きな材料であれば効果は同じである。
【００７６】
従来のように、ｄｎ／ｄＴの大きな材料のみでこのような集積回路を作製すると、ファイバーとの結合損失、反射の増加や、材料損失による伝播損失の増加等の問題があり、実用的な回路への応用ができないという課題があった。しかし、本実施形態のように集積回路を作製し、ｄｎ／ｄＴの絶対値が大きな材料を光可変減衰器の熱光学効果が働く箇所のみに、スポットサイズ変換器を介して導入することで、低損失で低消費電力の光可変減衰器が実現可能である。さらに、集積したアレイ導波路合分波器は、従来どおりの特性を維持したまま集積が可能である。
【００７７】
また、本実施形態では、ｄｎ／ｄＴの絶対値が大きな材料だけで集積した際に生じるアレイ導波路合分波器のスラブ−アレイ接続部の損失も抑えられるだけでなく、安定して３ｄＢカップラー等を作製でき、それらを集積化しても歩留まり良く作製することが可能となる。そもそも、熱光学光変調器とアレイ導波路回折格子とを別々に作製して後に接続する手間もなく、コスト削滅が可能である。また、アレイ導波路回折格子部分は、従来から実績のある石英系材料にて作製してあるため、これまで開発されてきた、中心波長の温度無依存化の方法がそのまま適応することが可能となる。
【００７８】
（第４の実施形態）  
本実施形態では、ＴｉＯ２／ＳｉＯ２系材料を第二のコアとして持つ、本発明の熱光学光変調器を有する多チャンネル光可変減衰器と、アレイ導波路回折格子とを単一基板に集積した回路であって、アレイ導波路回折格子においても、中心波長の温度無依存化を達成するためＴｉＯ２／ＳｉＯ２系材料を用いる光回路について述べる。
【００７９】
そこで、少なくとも必要箇所、ここではつまり、熱光学光変調器のヒータ下部と、アレイ導波路回折格子の光路差を与えるアレイ導波路部、好ましくは上記必要箇所のみに、ｄｎ／ｄＴが異なる材料のコアをスポットサイズ変換器を介し配置し、その他の回路部分は石英系の材料を用いて作製することで回路全体の低損失化を図る。
【００８０】
ペルチェ素子などの温度調節器を用いずに、アレイ導波路回折格子において温度無依存化を実現するためには、式（３）の右辺をなるべく０に近づければ良い。そのために、本実施形態では、アレイ導波路回折格子のアレイ導波路は、屈折率温度係数の絶対値が大きく、かつ負の符号を有する屈折率温度係数を有する材料よりなるコアを含んでいるのである。
【００８１】
本実施形態の光回路の作製方法はほぼ第１の実施形態に示した方法と同じであるので、ここでは、詳細は省略する。  
図９（ａ）および（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る、同一基板上に、熱光学光変調器とアレイ導波路回折格子とを集積した光回路の作製方法を説明する図である。なお、図９（ａ）および（ｂ）では、ヒータ、配線（電極）は図が煩雑になるのを防ぐために省略してある。また、図９（ａ）および（ｂ）では、図面を見やすくするために、コアを細線で示している。
【００８２】
まず、基板９１上に、アンダークラッド、第一のコアとなるガラス９２(ＧｅＯ２を添加したＳｉＯ２)を堆積後、負の大きな絶対値を有する屈折率温度係数を有するＴｉＯ２／ＳｉＯ２の混合膜をガラス９２上に堆積する。その後、後に形成されるヒータ下部に、両端部がテーパー部９４となるように、第二のコアとしてのコア９３を形成する。それと共に、基板９１に集積するアレイ導波路回折格子９７のアレイ部の一部にもスポットサイズ変換器とともに、第二のコアを形成する。すなわち、両端部がテーパー部９６となるように、第二のコアとしてのコア９５を形成するのである（図９（ａ））。図９（ａ）において、テーパー部９４、９６がスポットサイズ変換器として機能する。
【００８３】
さらに、ガラス９２を加工して第一のコア９８およびスラブ導波路９９を形成後、クラッドでこれらを埋め込み、ヒータを含む電気配線を形成することで、同一基板上に光可変減衰器とアレイ導波路回折格子とを集積した光回路を得ることができる（図９（ｂ））。
【００８４】
以上のように作製した光可変減衰器とアレイ導波路回析格子とを集積した光回路について、回路評価を実施した。アレイ導波路回折格子の中心波長温度依存性を調べたところ、１ｐｍ／℃の変化しか認められなかった。これは、通常の石英からなるアレイ導波路回折格子の１／１０以下である。また、光可変減衰器を完全に消光するのに必要な電力は９ｍＷであった。これは、石英系導波路のみで作製した同じ構造に必要な電力に比べ６分の１程度であった。また損失については、石英系導波路のみで作製した同じ構造に比べ、過剰損失は０．６ｄＢと僅かな損失増加であることを確認した。
【００８５】
以上説明したように、従来、単一基板上に、単一材料のみを用いて、光可変減衰器とアレイ導波路回折格子とを集積した光回路を作製した場合、材料損失が大きい、また、導波路コアサイズが小さくなることによる安定したカップラーの作製が困難であった。これらの問題に対し、本実施形態で作製したように、必要な箇所のみに負の大きな屈折率温度係数を持つ材料からなるコアをスポットサイズ変換器を介し配置し、それ以外の箇所を実績ある石英系の材料とすることで、光可変減衰器の低消費電力化と同時に、同一基板上にて、アレイ導波路回折格子の温度無依存化を同時に果たし、かつ低損失であるという光回路が実現可能となる。
【００８６】
以上説明したように、本発明の一実施形態によれば、熱光学光変調器の消費電力の低減を目的に、石英ガラスよりもｄｎ／ｄＴの絶対値が大きな材料を用いて熱光学光変調器を作製しようとするとファイバーとの接続損が増大し、材料損失による伝播損失が増大するといった問題に対し、少なくとも熱光学効果を利用する箇所、具体的には、ヒータ下部の部分、好ましくは該部分のみに、スポットサイズ変換器を用いてｄｎ／ｄＴの絶対値が大きな材料の導波路を設置する。これによって、ファイバーとの接続損、材料損失による伝播損失の増大を抑制し低消費電力化が実現できる効果がある。
【００８７】
また、従来技術では、ｄｎ／ｄＴの絶対値が大きな材料だけを用いて、アレイ導波路回折格子回路と、熱光学光変調器とを用いた回路を集積して一度に作製しようとすると、アレイ導波路回折格子回路の温度無依存化が困難であった。しかしながら、本発明の一実施形態によると、少なくとも必要な箇所、好ましくは該必要な箇所のみにスポットサイズ変換器を介し負のｄｎ／ｄＴの絶対値が大きな材料からなる導波路を形成できるため、既存のアレイ導波路回折格子回路の特性を維持したまま、低消費電力が可能な熱光学光変調器を用いた光減衰器と、温度無依存化なアレイ導波路回折格子回路とを同一基板に集積可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の一実施形態に係る熱光学光変調器を示す鳥瞰図である。
【図２】（ａ）は、図１のＡ−Ａ’線切断断面図であり、（ｂ）は、図１のＢ−Ｂ’線切断断面図であり、（ｃ）は、図１のＣ−Ｃ’線切断断面図である。
【図３】本発明の一実施形態係る熱光学光変調器を用いた１×２光スイッチの構成図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る、スポットサイズ変換器の動作の説明図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の一実施形態に係る、第一のコアと第二のコアとの配置の様子を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る、ＴｉＯ２とＳｉＯ２との混合膜における、ＴｉＯ２の添加濃度を変化させたときの、屈折率温度係数の変化を示す図である。
【図７】（ａ）は、本発明の一実施形態に係る、熱光学スイッチの概略図であり、（ｂ）は、（ａ）の破線で示したアーム導波路部分を拡大した図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る、同一基板上に、熱光学光変調器とアレイ導波路回折格子とを集積した光回路を示す図である。
【図９】（ａ）および（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る、同一基板上に、熱光学光変調器とアレイ導波路回折格子とを集積した光回路の作製方法を説明する図である。
【符号の説明】
【００８９】
１    基板
２    クラッド
３    第一のコア
４    第二のコア
５    テーパー部
６    ヒータ
７    配線
８    スポットサイズ変換器
【図１】
2007047326.tif 000003
【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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