JP2007101719A - 光導波路装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は８分岐光導波路装置において、ポートの損失の不均一性の改善を図ることを目的とする。
【解決手段】 シリコン基板１０３上に、コアパターン１０１と、コアパターン１０１に沿うクラッド帯１５０と、クラッド帯１５０の外側の領域を占める高屈折率領域１６０と、漏れ光伝播阻止用帯１７０とを有する。クラッド帯１５０は、コア部１１１〜１４８のＸ１側のクラッド帯部１５１Ｘ１とＸ２側のクラッド帯部１５１Ｘ２とを有する。クラッド帯部１５１Ｘ１、１５１Ｘ２の幅は２〜３０μｍ程度である。光が蛇行すると蛇行した側の裾野部のエネルギが高屈折率領域部に吸収され、光は強度の中心がコアパターン１０１の中心側に寄せられて、蛇行が補正される。漏れ光伝播阻止用帯１７０は分岐点から漏れ出した光がコア部に到ることを制限して漏れ出した光が分岐側コア部を伝播している光と結合してしまうことを防止する。
【選択図】 図１

Description

本発明は光導波路装置に関する。

高分子材料を使用した分岐光導波路を備えた構造の分岐光導波路装置は、生産性が格段に良く、製造コストも格段に安価であるという利点を有しており、光モジュールを構成する部品として多く利用されている。

光ファイバを利用した光通信システムは、局から光ファイバケーブルが延びており、この光ファイバケーブルの端に分岐機器が接続され、この分岐機器から複数の細い光ファイバケーブルが延びて、各光ファイバケーブルが各家庭に導かれている構成である。光信号の通信は双方向であり、局から各家庭へ送るだけでなく、光信号が各家庭から局へ送られる。

分岐光導波路装置は、上記の分岐機器の内部に組み込まれて使用され、各ポートの損失ができるだけ均一であることが求められる。通常、局から各家庭への通信には基本的には波長が１５５０ｎｍの赤外光が使用され、各家庭から局への通信には基本的には波長が１３１０ｎｍの赤外光が使用される。実際の通信ではＤＷＤＭ分割されており、通信には所定の帯域の赤外光が使用される。よって、分岐光導波路装置は、所定の帯域に亘って各ポートの損失ができるだけ均一であることが求められる。さらに、今後は、画像の送信などに伴い、帯域の拡張が図られることは、確実で、さらに広帯域での損失の均一化が求められる。

図１１は従来の１例の８分岐光導波路装置１の平面図、図１２は図１１中、XII-XII線に沿う拡大断面図である。Ｚ１−Ｚ２は長手方向、Ｘ１−Ｘ２は幅方向、Ｙ１−Ｙ２は厚さ方向である。８分岐光導波路装置１は、シリコン基板２上に８分岐光導波路を有する構成、即ち、シリコン基板２上に、下部クラッド層５を有し、この下部クラッド層５上にコアパターン１０を有し、下部クラッド層５上にコアパターン１０を覆って上部クラッド層６を有する構成である。コアパターン１０は、７つの分岐点１２−１〜１２−７を有し、合流側コア部１１と、第１段階の分岐側コア部２１，２２と、第２段階の分岐側コア部３１，３２、３３，３４と、第４段階の分岐側コア部４１〜４８とを有する。Ｑは光が入射されるポート、Ｐ１〜Ｐ８は光が出射されるポートである。コアパターン１０は、入射側コア部１１を通る中心線ＣＬに関して対称である。

ここで、光信号が局から家庭へ送られる場合について説明する。光はポートＱに入射され、合流側コア部１１を伝播し、分岐されて、ポートＰ１〜Ｐ８より出射される。

図１３及び図１４は、上記の８分岐光導波路装置１の特性を示す。共にシミュレーションの結果である。本発明者はシミュレーションの結果が実測の結果に近いことを確認した。図１３は、ポートＰ１〜Ｐ４の損失の波長依存性を示す。即ち、線ＬＰ１〜ＬＰ４は、ポートＰ１〜Ｐ４の損失が入射する光の波長によって変動する様子を示す。ポートＰ８〜Ｐ５は、ポートＰ１〜Ｐ４の損失と同様である。
特開平７−９２３３８号公報

理想的には８分岐光導波路装置１の各ポートの損失は入射する光の波長が変化してもおよそ９ｄＢに一定していることがよい。しかし、実際には、図１３に示すように、各ポートの損失は入射する光の波長に応じて変化しており、ポートの損失の波長依存性の傾向がポートによって相違している。

図１４の線IAは、ポートの損失の不均一性の波長依存性を示す。即ち、光の波長毎に最大ポート損失と最小ポート損失との差を示す。図１３より、ポート損失の差が、０．２ｄＢから０．３ｄＢ程度の範囲で変化しており、波長が１４５０ｎｍ付近ではポート損失の差が、０．３７ｄＢと多くなっている。

図１４の線IIAは、分岐に伴う損失の波長依存性を示す。

そこで、本発明は、上記課題を解決してポートの損失の不均一性の改善を図った光導波路装置を提供することを目的とする。

そこで、上記課題を解決するため、本発明は、基板（１０３）上に、コア（１０１）と前記コアを覆うクラッドとによって形成された光導波路を有する光導波路装置において、
前記コアは、合流側コア部（１１１）と、分岐点で前記合流側コア部から分岐してある分岐側コア部（１２１，１２２，１３１〜１３４、１４１〜１４８）とを有する構成であり、
前記クラッドは、帯形状であり、前記合流側コア部の両側及び前記分岐側コア部の両側に沿うクラッド帯部（１５１Ｘ１，１５１Ｘ２）を有する構成であり、
且つ、前記クラッドの前記クラッド帯部の外側に、前記クラッドの屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率領域（１６０−１〜１６０−９）を有する構成としたことを特徴とする。

本発明によれば、光がコアを伝搬中に蛇行した場合には、クラッドが帯状であることによって、外側のコア部にかかった光を吸い込み、伝搬中の光は、コアの中心側をピークとする成分のみが残るようになる。これにより分岐点での不均一性が改善され、ポート損失の不均一性が改善される。

また、請求項４及び請求項５に記載のＶ字形状の漏れ光伝播阻止部を設けることにより、この吸い込まれた光が、再度、コアを伝搬中の光との結合を起こさせないようにすることができ、さらにスプリッタの均一性が改善される。

次に本発明の実施の形態について説明する。
［８分岐光導波路装置１００の構成］
図１乃至図４は本発明の実施例１になる８分岐光導波路装置１００を示す。Ｚ１−Ｚ２は長手方向、Ｘ１−Ｘ２は幅方向、Ｙ１−Ｙ２は厚さ方向である。図１は８分岐光導波路装置１００の平面図である。図２は８分岐光導波路装置１００の一部を拡大して示す。図３はポートＱの付近を拡大して示す。図４は図１中、IV-IV線に沿う拡大断面図である。

８分岐光導波路装置１００は、８つのポートＰ１〜Ｐ８を有しており、ポートＱに入射した光がコアパターン１０１内を伝播し８つに分岐されて、ポートＰ１〜Ｐ８より出射される構成のものである。

８分岐光導波路装置１００は、シリコン基板１０３上に８分岐光導波路を有する構成、即ち、シリコン基板１０３上に、コアパターン１０１と、コアパターン１０１に沿うクラッド帯１５０と、残りの領域、即ち、クラッド帯１５０の外側の領域を占める高屈折率領域１６０と、高屈折率領域部１６０−４を横切っている漏れ光伝播阻止用帯１７０とを有する構成である。

コアパターン１０１は、７つの分岐点１０２−１〜１０２−７を有し、合流側コア部１１１と、第１段階の分岐側コア部１２１，１２２と、第２段階の分岐側コア部１３１，１３２、１３３，１３４と、第４段階の分岐側コア部１４１〜１４８とを有する。コアパターン１０１は、ポートＱを通る中心線ＣＬに関して対称である。合流側コア部１１１及び各分岐側コア部１２１〜１４８の幅Ｗ１は５μｍ程度と極く狭い。コアパターン１０１は、高分子材料製の例えばフッ素化ポリイミド樹脂製であり、屈折率はｎ１である。

クラッド帯１５０は、コア部１１１〜１４８の幅よりも広い所定の幅Ｗ２を有する帯状であり、合流側コア部１１１及び分岐側コア部１２１〜１４８を覆うと共に合流側ア部１１１及び分岐側コア部１２１〜１４８の両側を占めており、合流側ア部１１１及び分岐側コア部１２１〜１４８に沿って存在している。クラッド帯１５０は、高分子材料製の例えばフッ素化ポリイミド樹脂製であり、屈折率はｎ２（＜ｎ１）である。

クラッド帯１５０はコア部１１１〜１４８のＸ１側に沿うクラッド帯部１５１Ｘ１とコア部１１１〜１４８のＸ２側に沿うクラッド帯部１５１Ｘ２とを有する。クラッド帯部１５１Ｘ１、１５１Ｘ２の幅Ｗ３は２〜３０μｍ程度である。

高屈折率領域１６０は、コアパターン１０１と同じく屈折率がｎ１であり、コアパターン１０１及びクラッド帯１５０以外の領域であり、クラッド帯１５０の両側に沿って且つクラッド帯１５０より外側の領域を占めている。高屈折率領域１６０は、コアパターン１０１及びクラッド帯１５０によって、９つの高屈折率領域部１６０−１〜１６０−９に分けられている。１６０−４は分岐側コア部１２１，１３２、１４４と分岐側コア部１２２，１３３、１４５との間の高屈折率領域部である。高屈折率領域１６０は、コアパターン１０１と同じく、高分子材料製の例えばフッ素化ポリイミド樹脂製である。

漏れ光伝播阻止用帯１７０は、上記の高屈折率領域部１６０−４を横切って、且つ、その端が分岐側コア部１３２のクラッド帯１５０と分岐側コア部１３３のクラッド帯１５０に接続されている。漏れ光伝播阻止用帯１７０は、分岐側コア部１３２側の帯部１７０−１と分岐側コア部１３３側の帯部１７０−２とよりなり、分岐点１０２−１の側とは反対のＺ２方向に凸のＶ字形状である。漏れ光伝播阻止用帯１７０は、クラッド帯１５０と同じく、高分子材料製の例えばフッ素化ポリイミド樹脂製であり、屈折率はｎ２（＜ｎ１）である。
［８分岐光導波路装置１００の製造方法］
次に、上記の８分岐光導波路装置１００の製造方法について説明する。

８分岐光導波路装置１００は、従来と同じく、シリコンウェハ上に積層技術及びフォトリソグラフィー技術を使用して多数の８分岐光導波路をマトリクス状に作り込み、最後にシリコンウェハをスクライブすることによって個片化して製造される。図５は、図４に示す断面と同じ個所の断面を示す。図５（Ａ）に示すように、先ず、シリコン基板１０３上に屈折率ｎ２のフッ素化ポリイミド樹脂膜１８０を形成する。このフッ素化ポリイミド樹脂膜１８０は最終的には下部クラッド層１８１となる。次いで、図５（Ｂ）に示すように、フッ素化ポリイミド樹脂膜１８０上に、屈折率ｎ１のフッ素化ポリイミド樹脂膜１８３を形成する。このフッ素化ポリイミド樹脂膜１８３は、最終的には、コアパターン１０１と高屈折率領域１６０となる。次いで、図５（Ｃ）に示すように、マスク部材（図示せず）を利用してフッ素化ポリイミド樹脂膜１８３上にレジストマスク（図示せず）を形成し、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置によってドライエッチングして、コアパターン１０１に沿う両側の部分に幅がＷ３の溝部１８４、１８５を形成し、更に、上記の漏れ光伝播阻止用帯１７０に対応する溝部１８６を形成する。溝部１８４、１８５が形成されたことによって、溝部１８４、１８５の間に、コアパターン１０１が相対的に形成され、残りの部分、即ち、溝部１８４、１８５の外側の部分に高屈折率領域１６０が形成される。ここで、ドライエッチングする部分は帯状の部分に限られ、面積が狭く、よって、ドライエッチングは効率良く行なわれる。また、高屈折率領域１６０はコアパターン１０１と同時に形成され、高屈折率領域１６０のみを形成する専用の工程は不要である。最後に、図５（Ｄ）に示すように、屈折率ｎ２のフッ素化ポリイミド樹脂膜１８７を形成する。フッ素化ポリイミド樹脂膜１８７は、コアパターン１０１を覆い、溝部１８４、１８５を埋め、高屈折率領域１６０を覆い、且つ、溝部１８６を埋めるように形成される。フッ素化ポリイミド樹脂膜１８７のうちコアパターン１０１を覆い、溝部１８４、１８５を埋めている部分が、上部クラッド層１８８となる。フッ素化ポリイミド樹脂膜１８７のうち、溝部１８６を埋めている部分が、漏れ光伝播阻止用帯１７０となる。

コアパターン１０１は下部クラッド層１８１と上部クラッド層１８８とによって囲まれて光導波路を形成する。上部クラッド層１８８及び下部クラッド層１８１は、前記のクラッド帯１５０を形成する。
［８分岐光導波路装置１００の作用、特性］
次に上記構成の８分岐光導波路装置１００の作用、特性について説明する。
（１）コアパターン１０１のクラッドを帯状にして、帯状のクラッドの外側を高屈折率領域１６０とした構成の作用
ここで、光信号が局から家庭へ送られる場合について説明する。ポートＱに入射した光は、コアパターン１０１内を伝播し、各分岐点で二つに分岐されて、ポートＰ１〜Ｐ８より出射される。種々の原因で、光はコアパターン１０１内を揺らいで蛇行しつつ伝播する。この蛇行が原因で、分岐点での光の分岐が不均一となり、これが各ポートの損失の不均一となり、最終的にポートの損失の不均一性を招いていると考えられる。

図６及び図７は、合流側ア部１１１内をＺ１方向に伝播する光の蛇行を補正する動作を模式的に示す。光は強度の分布で示す。合流側ア部１１１内を伝播する光はその裾野部がクラッド帯部１５１Ｘ１、１５１Ｘ２に染み出した状態となる。

図６は、ポートＱから入射されて合流側ア部１１１内をＺ１方向に伝播し始めた光２００が例えばＸ１方向に蛇行した場合を示す。光２００がＸ１方向に蛇行して光２０１となった場合には、矢印２５０で示すように、光２０１のうちＸ１側の裾野部のエネルギが高屈折率領域部１６０−２に吸収され、コアの中心側をピークとする成分のみが残るようになって、光２０１は強度の中心がＸ２側に寄せられて、強度の中心が合流側ア部１１１の中心と略一致した光２０２とされ、光の蛇行が補正される。

図７は、ポートＱから入射されて合流側ア部１１１内をＺ１方向に伝播し始めた光２１０が例えばＸ２方向に蛇行した場合を示す。光２１０がＸ２方向に蛇行して光２１１となった場合には、矢印２５１で示すように、光２１１のうちＸ２側の裾野部のエネルギが高屈折率領域部１６０−１に吸収され、コアの中心側をピークとする成分のみが残るようになって、光２１１は強度の中心がＸ２側に寄せられて、強度の中心が合流側ア部１１１の中心と略一致した光２１２とされ、光の蛇行が補正される。

よって、合流側ア部１１１の終端では、光はその強度の中心が合流側ア部１１１の中心と略一致した状態となって、分岐点１０２−１での不均一性が改善され、光は分岐点１０２−１では等しく分岐されて第１段階の分岐側コア部１２１，１２２内に入る。

上記の光の蛇行を補正する動作は、光が各分岐側コア部１２１〜１４８を伝播している間にも行なわれる。よって、光は分岐点１０２−２〜１０２−７では等しく分岐されて夫々下流側の分岐側コア部内に入って伝播される。

よって、後述するようにポートの損失の不均一性が改善される。

また、光の蛇行が補正されることによって、ポートＱから分岐点１０２−１までの距離を短くすることも可能となる。
（２）漏れ光伝播阻止用帯１７０の作用
光は各分岐点１０２−１〜１０２−７においてコア部から外に一部漏れ出す。図８中、３００，３０１は最初の分岐点１０２−１の個所で外に漏れ出した光である。３０２，３０３は次の分岐点１０２−２の個所で外に漏れ出した光である。３０４，３０５は別の分岐点１０２−３の個所で外に漏れ出した光である。

漏れ光３００，３０１、３０２，３０５はコアパターン１０１の外側に向かうので問題は起こさない。

漏れ光３０３はクラッド帯１５０を横切り、高屈折率領域部１６０−４内に入り、高屈折率領域部１６０−４内を分岐側コア部１３３に向かって進む。しかし、分岐側コア部１３３に到る前に帯部１７０−２でもって反射され、光の分岐側コア部１３３に向かう伝播が遮蔽される。反射された光は、場合によっては別の帯部１７０−１で反射され、高屈折率領域部１６０−４内を伝播する間に次第に吸収される。よって、漏れ光３０３が分岐側コア部１３３を伝播している光と無用に結合してしまうことが防止される。

漏れ光３０４はクラッド帯１５０を横切り、高屈折率領域部１６０−４内に入り、高屈折率領域部１６０−４内を分岐側コア部１３２に向かって進む。しかし、分岐側コア部１３３に到る前に帯部１７０−１でもって反射され、光の分岐側コア部１３２に向かう伝播が遮蔽される。反射された光は、場合によっては別の帯部１７０−２で反射され、高屈折率領域部１６０−４内を伝播する間に次第に吸収される。よって、漏れ光３０３が分岐側コア部１３２を伝播している光と無用に結合してしまうことが防止される。

即ち、分岐点１０２−２、１０２−３で個所で外に漏れ出して分岐側コア部１３３、１３２に向かう光は、漏れ光伝播阻止用帯１７０よりＺ２側の領域に閉じ込められて、高屈折率領域部１６０−４内を伝播している間に吸収される。

このことによっても、後述するようにポートの損失の不均一性が改善される。なお、この漏れ光伝播阻止用帯１７０の作用は補助的なものである。
（３）図９及び図１０は、上記の８分岐光導波路装置１００の特性を示す。共にシミュレーションの結果である。本発明者はシミュレーションの結果が実測の結果に近いことを確認した。図９は、ポートＰ１〜Ｐ４の損失の波長依存性を示す。即ち、線ＬＰ１〜ＬＰ４は、ポートＰ１〜Ｐ４の損失が入射する光の波長によって変動する様子を示す。ポートＰ８〜Ｐ５は、ポートＰ１〜Ｐ４の損失と同様である。

図９より、入射する光の波長に応じた各ポートの損失の変動が、図１３に示す従来に比較して小さくなっていることが分かる。

図１０の線Ｉは、ポートの損失の不均一性の波長依存性を示す。即ち、光の波長毎に最大ポート損失と最小ポート損失との差を示す。図１０より、ポート損失の差が、最大でも０．２ｄＢであり、図１４に示す従来の０．３７ｄＢよりも小さくなっている。

図１０の線IIは、分岐に伴う損失の波長依存性を示す。分岐に伴う損失は従来と同じ程度である。
［変形例］
次に変形例について説明する。

上記実施例では高屈折率領域１６０はコアパターン１０１とクラッド帯１５０の部分を除いて全面に形成してあるけれども、部分的に設けてもよい。例えば、図１中、高屈折率領域部１６０−１のうちＸ２側の部分、高屈折率領域部１６０−２のうちＸ１側の部分については高屈折率領域が形成されていない構成でもよい。高屈折率領域１６０はクラッド帯部１５１Ｘ１及びクラッド帯部１５１Ｘ２に沿う領域に存在していればよい。

漏れ光伝播阻止用帯１７０の形状はＺ１側が凸のＵ字形状でもよい。また、漏れ光伝播阻止用帯１７０は、溝内をフッ素化していないポリイミド等の吸収材料で埋めて形成してもよい。この場合には、漏れ光３０３、３０４は漏れ光伝播阻止用帯に到るとここで吸収される。

また、本発明は光回路にも、分岐点を有しない光導波路装置にも適用が可能である。

本発明の実施例１になる８分岐光導波路装置の平面図である。 図１の８分岐光導波路装置の一部を拡大して示す図である。 ポート及び合流側ア部の付近を拡大して示す図である。 図１中、IV-IV線に沿う拡大断面図である。 図１の８分岐光導波路装置の製造工程を示す図である。 合流側ア部内を伝播している光がＸ１方向に蛇行した場合の補正動作を説明する図である。 合流側ア部内を伝播している光がＸ２方向に蛇行した場合の補正動作を説明する図である。 漏れ光伝播阻止用帯の作用を説明する図である。 図１の８分岐光導波路装置のポートの損失の波長依存性を示す図である。 図１の８分岐光導波路装置のポートの損失の不均一性の波長依存性を示す図である。 従来の８分岐光導波路装置の平面図である。 図１１中、XII-XII線に沿う拡大断面図である。 図１１の８分岐光導波路装置のポートの損失の波長依存性を示す図である。 図１１の８分岐光導波路装置のポートの損失の不均一性の波長依存性を示す図である。

符号の説明

１００ ８分岐光導波路装置
１０１ コアパターン
１０２−１〜１０２−７ 分岐点
１０３ シリコン基板
１１１ 合流側ア部
１２１，１２２ 第１段階の分岐側コア部
１３１〜１３４ 第２段階の分岐側コア部
１４１〜１４８ 第４段階の分岐側コア部
１５０ クラッド帯
１５１Ｘ１，１５１Ｘ２ クラッド帯部
１６０ 高屈折率領域
１６０−１〜１６０−９ 高屈折率領域部
１７０ 漏れ光伝播阻止用帯
Ｐ１〜Ｐ８ ポート

Claims (5)

1. 基板上に、コアと前記コアを覆うクラッドとによって形成された光導波路を有する光導波路装置において、
   前記コアは、合流側コア部と、分岐点で前記合流側コア部から分岐してある分岐側コア部とを有する構成であり、
   前記クラッドは、帯形状であり、前記合流側コア部の両側及び前記分岐側コア部の両側に沿うクラッド帯部を有する構成であり、
   且つ、前記クラッドの前記クラッド帯部の外側に、前記クラッドの屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率領域を有する構成としたことを特徴とする光導波路装置。
2. 請求項１に記載の光導波路装置において、
   前記高屈折率領域は、前記コアの高分子材料と同じ高分子材料であり、前記コアを形成する露光現像工程において除去されずに残された部分である構成としたことを特徴とする光導波路装置。
3. 請求項１に記載の光導波路装置において、
   前記高屈折率領域のうち、前記分岐点より後ろ側の部分に、前記分岐点より漏れ出して別の分岐側コア部に向かう光の伝播を阻止する漏れ光伝播阻止部を有する構成としたことを特徴とする光導波路装置。
4. 請求項３に記載の光導波路装置において、
   前記漏れ光伝播阻止部は、前記分岐点で分岐された一つの分岐側コア部側の帯部と別の分岐側コア部側の帯部よりなり、前記分岐点の側とは反対の方向に凸のＶ字形状である構成としたことを特徴とする光導波路装置。
5. 基板上に、コアと前記コアを覆うクラッドとによって形成された光導波路を有する光導波路装置において、
   前記クラッドは、帯形状であり、前記コアの両側に沿うクラッド帯部を有する構成であり、
   且つ、前記クラッドの前記クラッド帯部の外側に、前記クラッドの屈折率よりも高い屈折率を有する高屈折率領域を有する構成としたことを特徴とする光導波路装置。

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