(57)【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0.6乃至0.8μmに設定した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1.5182〜1.5667の屈折率を有する高分子材料で構成し、
前記高分子下部クラッド層を1.5136〜1.5620の屈折率を有する高分子材料で構成し、
前記高分子上部クラッド層を1.5136〜1.5620の屈折率を有する高分子材料で構成し、
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0.031〜0.072mm、前記他方の方向性結合器における平行部分の長さを0.982〜1.741mmにそれぞれ選定し、
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4.1〜6.4μmにそれぞれ選定するとともに、
前記光導波路の断面形状を正方形とし、その一辺の長さを6〜8μmと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】
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に記載の光導波路カプラ回路デバイス。
【請求項３】
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に記載の光導波路カプラ回路デバイス。
【請求項４】
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に記載の光導波路カプラ回路デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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温度変化に強い高分子光導波路回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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、多くの場面において使われている（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）。
【０００３】
波長無依存光導波路カプラは、図8に例示される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。
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層の主成分が二酸化珪素（SiO2）からなる場合は、石英光導波路と称され、高分子材料からなる場合は、高分子光導波路と呼ばれている。
【０００４】
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の一端子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の他端子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の応用例として、図2に示されるようなインタリーバが挙げられる。このインタリーバは、2本の高分子光導波路9、10から構成され、且つ前記図8に示されるようなマッハツェンダ干渉計型光回路17を2個用い、逆対称のように設ける回路11、12を備えている。このような配線特徴を持つ前記図2に示すインタリーバは、100nmの波長バンドを有する波長スプリッタ機能を実現するために調整を必要とするファクタは、前記2本の光導波路9と10の光路長差のみであるので、デバイス設計に大きな簡便性を与えている。
【０００６】
例えば、図2に示されるインタリーバは、前記2本の光導波路9と10の光路長差を適切に設計すれば、前記光導波路9、10のうち一方の光導波路9の一端子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λ1からλnまでの信号光を一定の波長間隔に分けて、前記の光導波路9、10の他端子9b、10bからそれぞれ交互に波長を分離し出力する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図2に示すインタリーバは、高分子光導波路を用いているので、使用温度が変化すると特性の変動が大きいため、適用できる温度範囲は、比較的狭い。光導波路に用いる高分子材料の屈折率温度係数は、石英の十数倍以上なので、周囲温度が変わると前記光導波路9、10そしてそれら光導波路の周りのクラッドの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、特性は設計目標から外れてしまう。温度変化により引き起こされる特性劣化は主に二つの原因が考えられる。第一番目の原因としては、前記の光導波路9と10の光路長差より生じた位相差が周囲の温度変化によって変わり、これにより中心波長がずれてしまうことである。第二番目の原因としては、二つのマッハツェンダ干渉計型光回路11、12の波長バンドが周囲の温度変化により短波長側か、もしくは長波長側へシフトすることである。例えば、光導波路に用いられる高分子材料の屈折率温度係数の実測値は約-(1.1〜1.8)×10-4/Kで、あり、環境温度変化を40℃とすればそれに対応する波長バンドのシフト量は、約6.5nmである。この値は、0.8nm波長間隔のインタリーバにとって、バンドサイドの付近で８つの波長チャンネルがずれてしまうことを意味している。実験によれば、温度変化が40℃であれば、前記二つマッハツェンダ干渉計型光回路11、12の波長バンドサイドでの出力変化が±2％以上となり、これによりクロストークを-30dB以下に押さえることが不可能となる。
【０００８】
上述の一番目の問題を解決するためには、波長バンド上で次式の関係
【数１】
0003790177.tif 000002
を満たすように前記光導波路9と10の一部の物理パラメータを最適化設計すれば良い。式（1）でβ9とβ10は、それぞれ光導波路9と10を伝播する導波モードの伝播定数であり、L9とL10は、光導波路9と10の、二つのマッハツェンダ干渉計型光回路11、12に挟まれた部分の長さであり、Ｔは、温度を示す。
【０００９】
上述の第二番目の原因の問題を解決するにあたっては、前記インタリーバの２つのマッハツェンダ干渉計型光回路11、12の構造が複雑なために、より全体的な構造の改良が必要である。これと似た問題は、一部の石英光導波路回路においても生じる。石英材料の場合には、その屈折率温度係数は、正の値であり且つ小さいので、石英光導波路コアの上に負の屈折率温度係数を有する高分子薄膜をコーテングし、この温度依存性をキャンセルする方法などが知られている。しかし高分子材料の屈折率温度係数はほとんどが負の値であり且つその絶対値が大きいので、この方法は、高分子光導波路の場合には適用できない。
【００１０】
高分子光導波路の温度特性を改善するために、熱膨張率の大きい高分子材料から成る基板を使う方法もある。この方法は、要するに基板が持つ大きな熱線膨張を活かして、高分子光導波路が持つ負の光路長温度特性を相殺するというものである。しかしこの方法は、大きな熱線膨張率を有する材料に限定され、シリコンや石英基板等の熱膨張率の値が小さいものでは、シリコン基板の上に他の半導体デバイスを集積するように、その上に高分子光導波路回路を作製することは出来ない。
【００１１】
従って本発明の目的は、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守りながら、既存の技術でシリコンや石英基板等の上に温度無依存な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。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
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0.6乃至0.8μmに設定した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1.5182〜1.5667の屈折率を有する高分子材料で構成し、
前記高分子下部クラッド層を1.5136〜1.5620の屈折率を有する高分子材料で構成し、
前記高分子上部クラッド層を1.5136〜1.5620の屈折率を有する高分子材料で構成し、
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0.031〜0.072mm、前記他方の方向性結合器における平行部分の長さを0.982〜1.741mmにそれぞれ選定し、
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4.1〜6.4μmにそれぞれ選定するとともに、
前記光導波路の断面形状を正方形とし、その一辺の長さを6〜8μmとしたことを特徴とする。
【００１３】
本発明は、前記基板を石英板で構成したことを特徴とする。
【００１４】
本発明は、前記基板をシリコン板で構成したことを特徴とする。
【００１５】
本発明は、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。
【００１６】
前記課題を解決し目的を達成するために、図1に示す本発明の温度変化に強い高分子光導波路カプラ回路デバイス8は、石英板、シリコンウェーハ或いはポリイミド樹脂板等からなる基板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２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、屈折率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と温度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。
【００１７】
この手法は、以下に示すように説明することが出来る。
いま、図１に示す光回路8の光導波路コア2の一端子2aに光を入力しているとして、図の光導波路2、3の他端子2b、3bを出力している光のパワー分配比率ηは、
【数２】
0003790177.tif 000003
ここで、
【数３】
0003790177.tif 000004
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の他端子2b、3bを出力している光の振幅、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。
【００１８】
前記のLc1、Lc2とLe1、Le2はともに波長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
【数４】
0003790177.tif 000005
であり、伝播定数βは波長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
【数５】
0003790177.tif 000006
であり、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、ともに環境温度Tと波長λとの関数
【数６】
0003790177.tif 000007
である。使用波長バンドと想定する温度変化範囲で、次の式（10）から式（13）までの連立方程式
【数７】
0003790177.tif 000008
を満足するように、光導波路コア2、3の幅wと厚さt、方向性結合器4、5の平行部間隔s1、s2、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、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、波長依存性と温度依存性をともに解消することが出来る。
ここで、δη≦1%となるようにσλとσTを設定した。
【００１９】
上述の手法を用いた本発明の温度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。
図１に示すように基板1の材質は、石英、シリコン或いはポリイミド樹脂等であり、光導波路コア2、3の材料は、1.5182〜1.5667の屈折率ng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、1.5136〜1.5620の屈折率nc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、6〜8μmの辺の長さを有する正方形であり、方向性結合器4の平行部長さL1は、0.031〜0.072mm或いは0.982〜1.741mm、方向性結合器5の平行部長さL2は、0.982〜1.741mm或いは0.031〜0.072mm、方向性結合器4の平行部間隔s1は、4.1〜6.4μm、方向性結合器5の平行部間隔s2は、4.1〜6.4μmおよび光導波路コア2と3の長さの差ΔLは、0.6〜0.8μmであることを特徴としている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
実施例
以下，図面を参照して、本発明の実施例を説明する。
図１は、本発明の光導波路カプラ回路デバイスを示す。
【００２１】
図１に示すように、本発明の温度変化に強い高分子光導波路カプラ回路デバイス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を備えている。図のように光導波路コア2、3は、1.5182〜1.5667の屈折率ngを有する高分子材料からなり、その断面形状が6〜8μmの辺の長さを有する正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、1.5136〜1.5620の屈折率ncを有する高分子である。
【００２２】
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0.031〜0.072mmであり、平行部間隔s1が4.1〜6.4μm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0.982〜1.741mmであり、平行部間隔s2が4.1〜6.4μmであるように作成される。
なお、反対に、L1を0.982〜1.741mmとし、L2を0.031〜0.072mmと選定することもできることは勿論である。
【００２３】
光導波路コア2と3の長さの差ΔLは、0.6〜0.8μm範囲に形成される。
次に、前記本発明の温度変化に強い高分子光導波路カプラ回路デバイス8の製造方法の一例を以下に述べる。
前記基板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,即ち、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の等モル量をＮ，Ｎ，−ジメチルアセトアミドに溶解し、２５℃で２４時間、窒素雰囲気下で攪拌した溶液、（4,4’-(Hexafluoroisopropylidene)diphthalic anhydrideと2,2’-Bis(trifluoromethyl)-4,4’-diaminobiphenylの等モル量を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によって、約20mm厚の高分子下部クラッド層6を形成する。
【００２４】
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0.25%〜0.45%程度高めた約8μm厚の高分子コア層を形成する。
【００２５】
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、再び先ほど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。
【００２６】
なお上記実施例では、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。また光導波路コアの断面形状は、幅ｗ及び厚さｔを有する方形に形成できる。
【００２７】
前記の実施例の温度変化に強い高分子光導波路カプラ回路デバイス8についての実験の結果は、以下の通りである。
まず、使用温度を20℃とする環境で、図１に示す本発明の温度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の一端子2aに7種類の波長、1490nm、1510nm、1530nm、1550nm、1570nm、1590nmと1610nmの光を入力し、前記の光導波路コアの他端子2b、3bから出力される光パワーの比率、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に示した。結果では120nmのバンド幅上の波長変化によるパワー分配比率は、全て50±0.69％の範囲に入っている。
【００２８】
次に、使用温度をそれぞれ０℃、10℃、30℃、40℃とした場合について、20℃の時と同じシミュレーションを行った。各温度での波長ごとのパワー分配比率をそれぞれ図4、図5、図6、図7に示した。図に示されるように、波長変化によるパワー分配比率は、それぞれ50±0.67％、50±0.70％、50±0.69％、50±0.68％の範囲に入っており、また温度の変化による影響はほとんどない。
【００２９】
また図3から図7に示すように、バンドサイドの波長、即ち1490nmと1610nmの波長にとっては、０℃から40℃までの温度変化に対応する分配比率の変動範囲はそれぞれ0.06％と0.002％以内に抑えられ、温度変化によるバンドシフトがほとんど見られない。
【００３０】
したがって、本発明の温度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に対する影響が非常に少なく、且つ使用温度が０℃から40℃まで変化してもその特性は変わらない。したがって、本発明の温度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インタリーバを構成する温度無依存カプラ11、12として使われることが可能となる。
【００３１】
又、本発明は、高分子光導波路インタリーバに使用されるのみに制約されるものでなく、二つの1×Ｎチャンネルの光導波路スプリタと接続して、2×2Ｎチャンネルの温度無依存光導波路スプリタを構成することも出来る。
【００３２】
【発明の効果】
本発明は、高分子光導波路カプラ回路デバイスの光導波路コア断面の形状、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温度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、光導波路の高い温度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。
したがって、本発明の高分子光導波路カプラ回路デバイスは、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、0℃から40℃の温度が変化する範囲でも特に恒温手段を付加しなくても使える。
【００３３】
本発明は、前記の最適化方法によって、波長バンドの両サイドでの波長の温度依存性がほぼゼロの近くに抑えられ、温度変化によるバンドシフトの影響がなくなるので、１つの応用例として高分子光導波路インタリーバの温度無依存化の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、回路特性における温度無依存化を達成することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態を示す温度変化に伴い高分子光導波路カプラ回路デバイスの平面図とその側面図。
【図２】  高分子光導波路インタリーバの平面図。
【図３】  使用温度が２０℃の時に図１に示された実施形態における信号光の波長の変化に対するパワー分配率の変化を示す図。
【図４】  使用温度が０℃の時に図１に示された実施形態における信号光の波長の変化に対するパワー分配率の変化を示す図。
【図５】  使用温度が１０℃の時に図１に示された実施形態における信号光の波長の変化に対するパワー分配率の変化を示す図。
【図６】  使用温度が３０℃の時に図１に示された実施形態における信号光の波長の変化に対するパワー分配率の変化を示す図。
【図７】  使用温度が４０℃の時に図１に示された実施形態における信号光の波長の変化に対するパワー分配率の変化を示す図。
【図８】  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】
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  光導波路
１０  光導波路
１１  マッハツェンダ干渉計型光回路
１２  マッハツェンダ干渉計型光回路
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  下部クラッド層
１９  上部クラッド層
２０  基板
【図１】
0003790177.tif 000009
【図２】
0003790177.tif 000010
【図３】
0003790177.tif 000011
【図４】
0003790177.tif 000012
【図５】
0003790177.tif 000013
【図６】
0003790177.tif 000014
【図７】
0003790177.tif 000015
【図８】
0003790177.tif 000016