JP7510079B2 - 光回路 - Google Patents

Description

本発明は基板上に形成された埋め込み型光導波路による光回路に関し、より詳細には、温度変化に対して光回路の特性変化を補償する温度補償構造を有する光回路に関する。

波長多重光通信の更なる大容量化に伴い、これを支える光波長合分波回路や光スイッチ回路などの石英系平面光波回路に関する研究開発が盛んに行われている。多くの場合、これら光回路の構成要素には光路長の異なる複数の光信号経路と合分波素子が含まれ、光波の干渉を利用した波長合分波及びスイッチング機能を実現している。

光波の干渉特性は信号経路間の光路長差に依存しており、光路長を決定する実効屈折率は温度依存性を有するため、従来は温度変化に対して透過特性を一定に保持するために、温度変化による実効屈折率の変化が、導波路材料とは異なる変化傾向を有する温度補償材料を、導波路の溝に充填していた。

従来技術では、温度補償材料を充填した溝の深さは一定であり、溝の幅と温度補償材料の種類を変更することで、温度補償特性を調節していた（特許文献１及び非特許文献１）。しかし、溝がコア層を貫通した形状をなす場合においては、特に高温又は低温環境においてコア層と溝との界面で光の散乱が生じるため、光損失が増大する要因となっていた。

特開２００９－２６５４１８号公報

S.Kamei，Y.Inoue，T.Shibata，A.Kaneko，"Low-Loss and Compact Silica-Based Athermal Arrayed Waveguide Grating Using Resin-Filled Groove"JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL.27, NO.17, SEPTEMBER 1, 2009．

経路長が異なる複数の導波路と合分波構造を有する従来のアサーマル（ATHERMAL：温度無依存化、熱的補償）光回路においては、信号波長帯での使用可能温度領域を広くするために、温度補償材料を充填した溝を導波路に形成していたが、溝の加工形成技術上の制限から光損失を抑えたものを作製するのは困難であった。

また、温度補償特性が温度補償材料の種類と溝の幅のみで決定されていたため、特に高温または低温環境においては導波路クラッドと溝との界面で散乱が生じ、透過光強度の波長依存性を劣化させる等の問題があった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、温度補償特性の微細な調整を可能とする光回路構造を提供することを目的とする。

本発明では、導波路を伝搬する光波を温度補償構造へ断熱的に遷移させ、低損失かつ透過特性の劣化が少ない温度補償構造を有する光回路を提供する。さらに、温度補償構造を導波路のコアから所定の距離だけ離して設置することで、少なくともコアからの距離と溝の幅のパラメータを用いて、温度補償特性の微細な調整を可能とする光回路構造を提供する。

このような目的を達成するために、本発明の一実施形態は、温度補償材料を充填した温度補償構造を有する光導波路を備えた光回路であって、光導波路を伝搬する光波を、温度補償材料を充填した温度補償構造へ断熱的に遷移させる断熱遷移構造を有することを特徴とする。

以上記載した本発明の光回路の温度補償構造によれば、光損失を低減し、温度補償特性の微細な調整が可能な光回路構造を提供することができる。

本発明の一実施形態の光回路の温度補償構造の基本を説明する上面図（ａ）と、長手方向の基板断面図（ｂ）である 本発明の一実施形態の光回路の温度補償構造を、マッハツェンダ干渉計光回路において説明する上面図（ａ）、上面拡大図（ｂ）、基板断面図（ｃ）である。 本発明の一実施形態の温度補償構造の、短手方向の基板断面図の２例（ａ）および（ｂ）を示す図である。 本発明の一実施形態の光回路の温度補償構造として、複数のセグメントが連続するセグメント構造を含む例を説明する上面図（ａ）、基板断面図（ｂ）である。 本発明の他の実施形態の光回路の温度補償構造を、ＡＷＧにおいて説明する上面図（ａ）と、基板断面拡大図（ｂ）である。 本発明の他の実施形態の温度補償構造を、ＡＷＧのスラブ導波路に設けた例を説明する上面図（ａ）と、基板断面拡大図（ｂ）である。

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。

＜基本構造＞
図１は、本発明の実施形態の光回路の温度補償構造の概念を示す基本構造を説明する上面図（ａ）と、コアを通過する伝搬光に沿った長手方向の基板断面図（ｂ）である。

図１（ａ）の上面図で、光回路のチップの上部クラッド１０２に埋め込まれたコア１０１の例えば左端から入射した伝搬光は、コア１０１の上部クラッド１０２に設けられた温度補償構造１０３の下を取り、温度補償されて右端側に出射する。

図１（ｂ）の基板断面図に示すように、基板１０５上で上部クラッド１０２と下部クラッド１０４の間に埋め込まれたコア１０１が形成されて、光回路の光導波路を構成している。上部クラッド１０２の上面側に形成された溝（窪み、ウェル）に温度補償材料を埋め込んで、温度補償構造１０３が形成されている。

温度補償構造１０３の入射側および出射側には、温度補償材料の厚みが断熱的（実効屈折率の急激な変化なく連続的な）変化となるよう、入射側で徐々に厚みが厚くなり、また出射側で徐々に厚みが薄くなるテーパ部１０７が、断熱遷移構造として形成されている。テーパ部１０７の厚み変化は直線的に変化するものを例示しているが、これに限らず光損失を生じない断熱条件を満たす連続的な変化であれば良い。この断熱遷移構造で、温度補償構造１０３による光の損失を抑えることができる。温度補償構造１０３の中央部（温度補償部）１０８では、温度補償材料の厚みはほぼ一定に形成されており、コア１０１と温度補償材料の間の上部クラッド１０２も一定の厚みを有している。この部分の上部クラッド１０２の厚みを調整することで、温度補償特性を細かく調整することができる。

本発明では、光回路の光導波路を伝搬する光波を、温度補償材料を充填した温度補償構造へ断熱的に遷移させる断熱遷移構造を有することで、温度補償特性を細かく調整可能とするとともに、光の損失を抑えることができる。

＜実施形態１＞
本発明の実施形態１を示す図２は、第１のアーム２１０および第２のアーム２２０を有するマッハツェンダ干渉計を含む光回路について、温度補償構造を介して透過特性の温度依存性を補償する態様を示す図である。図２を用いて本実施形態における温度補償について説明する。

図２（ａ）において、マッハツェンダ干渉計は、入射側で光路長の短い第１のアーム２１０と光路長の長い第２のアーム２２０に分岐して、出射側で合波する構造を有する。このとき、環境温度の変化に起因する実効屈折率変化による光位相変化量は、第２のアームの方が大きい値をとるため、温度補償構造２０３は第２のアーム２２０の途中に作製される。

図２の（ｂ）は第２のアーム２２０の温度補償構造２０３の上面拡大図であり、図２（ｃ）は長手方向の基板断面拡大図であり、図１の（ａ）、（ｂ）に対応する。図２（ｂ）および（ｃ）に示すように、基板（不図示）上で上部クラッド２０２と下部クラッド２０４の間に埋め込まれたコア２０１が形成されて、光回路の光導波路を構成している。上部クラッド２０２の上面側に形成された溝（窪み、ウェル）に温度補償材料を埋め込んで、温度補償構造２０３が形成されている。

図２（ｃ）の長手方向基板段面図において、温度補償構造２０３の温度補償材料の厚みが一定となる中央部２０８の導波方向の長さを作用長Ｌｃｏｍ、テーパ部２０７の長さをＬｔａｐとしている。また、温度補償構造２０３の中央部２０８の温度補償材料の底面から上部クラッド２０２とコア２０１の境界面までの上部クラッド２０２の厚みを距離ｈ_２（ｘ）、コア２０１の厚みをｈ_１としている。ただし、ｘは光伝搬方向(図２（ｃ）の左
右、光は左から右へ伝搬すると仮定する)の座標である。

図２（ｃ）に示すように、関数ｈ_２（ｘ）は左の入射側のテーパ部２０７のＬ_ｃｏｍの区間において、上部クラッド２０２の厚みから徐々に連続的に断熱的に減少し、中央部２０８で最小値となり、長さＬ_ｃｏｍの区間にわたり、最小値ｈ_２となる。そして光が右の出射側のテーパ部２０７のＬtapの区間に入ると、ｈ_２（ｘ）は逆の変化をして徐々に連
続的に断熱的に増加する。伝搬光はこのような断熱遷移構造による断熱的な光の変化のおかげで、光エネルギーの損失が最小限に抑えられ、温度補償構造による光のロスが抑えられると共に、Ｌ_ｃｏｍやＬtap、ｈ_２などの構造パラメータの調整により温度補償特性の
微小な調整が可能となる。

図３（ａ）には、光回路の温度補償構造の短手方向の（光導波方向に垂直な面の）基板断面図を示す。図３の左右方向は、図２（ａ）のｙ軸方向にあたる。基板２０５上で上部クラッド２０２と下部クラッド２０４に埋め込まれたコア２０１が形成されて、上部クラッドの上面側に温度補償構造２０３が形成されている。

温度補償構造２０３は温度補償材料が充填された溝で構成され、温度補償材料には単位温度変化あたりの屈折率変化量ｄｎ／ｄＴが、コア及びクラッド材料に対して異符号かつ絶対値の大きい材料が選択されている。

ここで、溝の深さはテーパ部２０７と中央部２０８の温度補償部で異なり、テーパ部２０７においてはコア２０１と温度補償材料との間の距離ｈ_２（ｘ）はｘ軸方向に断熱的に変化（光損失がない連続的な変化）し、温度補償部の中央部２０８では一定であることを特徴とする。コアと温度補償材料との距離ｈ_２（ｘ）を設計することで、単位長さあたりの位相シフト補償量を微小に調節できる。

クラッド層が十分に厚い条件において、埋め込み型光導波路における実効屈折率ｎ_{ｅｆ ｆ}の単位温度あたり変化量ｄｎ_ｅｆｆ／ｄＴは、以下の（式１）で示すことができる。

ここで、Ｔは環境温度、ｎ_ｃｏｒｅはコアの屈折率、ｎ_ｃｌａｄはクラッドの屈折率、ｈ_１はコアの高さ、ｗはコアの幅、α_ｈ１はｈ_１の線膨張係数、α_ｗはｗ（幅方向）の線膨張係数を示している。

第２のアームに作製した温度補償構造の温度補償部における実効屈折率ｎ_ｅｆｆの単位温度変化あたり補償量ｄｎ_ｃｏｍ／ｄＴは、以下の（式２）で示すことができる。

ここで、Ｔは環境温度、ｎ_ｍは温度補償材料の屈折率、ｈ_２はコアと温度補償構造との距離、ｗはコアの幅、α_ｈ２はｈ_２の線膨張係数を示している。また、通常ｈ_２は正の値をとるが、単位伝搬長あたりの温度補償効果を高めることを目的として、ｈ_２を負の値としてもよい。ｈ_２の負の値は、例えば温度補償構造２０３の溝を深くして溝の底で上部クラッド２０２の部分をなくしてコア２０１の厚さを削る、あるいはコア２０１の幅を削ることで実現できる。この場合、コア２０１は、厚さ又は幅が所定の値だけ減少し、温度補償材料と接していてもよい。ｈ_２が負の値をとる場合、コアの高さｈ_１’をｈ_１＋ｈ_２とすると、単位温度変化あたり補償量ｄｎ_ｃｏｍ／ｄＴは、以下の（式３）で示すことができる。

テーパ部２０７において（式２）又は（式３）の第２項はｈ_２が伝搬軸（本実施形態ではｘ軸）に沿って断熱的に変化するため、単位温度変化あたり位相シフト補償量Δφ_{ｔａ ｐ}は、以下の（式４）又は（式５）で示すことができる。

ここで、Ｌ_ｔａｐはテーパ部２０７の長さ、ｋ_０は真空中の波数である。また、光信号を温度補償部へ低損失に遷移させる目的から、通常テーパ部における実効屈折率変化量は伝搬長１μｍあたり０．１以下に設定する。

環境温度Ｔの変化が第１のアームと第２のアームとの光路長差ΔＬに対して与える位相シフト変化量を補償するように、実効屈折率の補償量及び構造パラメータを、以下の（式６）の条件式が成り立つように設定する。

（式６）について、回路設計に用いた基準環境温度をＴ_０としたとき、高次(Ｎ次まで)の温度特性を補償するように、以下の（式７）の条件式が成り立つように構造を設計してもよい。

ここで、Ａ_ｉ、Ｂ_ｉ、Ｃ_ｉはi次の温度特性および温度補償に対応する定数である。

実施形態１では基板の材料としてＳｉを用いており、α_ｗは基板の熱膨張の影響を受ける場合がある。また、実施形態１において光導波路はＳｉＯ_２から成り、屈折率調整材料を添加することでコアとクラッドの屈折率差Δを約１％としている。実施形態１では、膜厚方向距離ｈ_２及び幅方向距離ｈ_３、ｈ_４は、通常０．５μｍ以下の値であり、またｈ_２、ｈ_３、ｈ_４が負の値をとる場合、すなわち伝搬モードが存在する限りコアの高さｈ_１’等の値に下限はない。温度補償材料の屈折率は、回路設計時に基準とした温度でクラッドと同じ値となるように調整されることを特徴とする。これは使用環境の温度に加えて、コアとクラッドの屈折率差が高くなるほど散乱が生じ、透過光強度の波長依存性が劣化するからである。コアとクラッドの屈折率差を小さくすることで、透過光強度の波長依存性の劣化を低減することが可能となる。

上記の構造は、通常の光回路プロセスで作製後、局所エッチング装置等で上部クラッドの厚さ分布を調節することで実現可能である。

図３（ｂ）には、本実施形態１において導波路の側面まで温度補償材料を充填した場合における、温度補償構造の短手方向の（光導波方向に垂直な面の）基板断面図を示す。短手方向の基板断面図３（ｂ）において、コア３０１は上部クラッド３０２および下部クラッド３０４に囲まれて基板３０５の上に形成され、さらに上面と側面を温度補償材料で覆われて温度補償構造３０３を形成し、さらに、上部３０２クラッド３０２および下部クラッド３０４に埋め込まれた形となっている。

ここで、コアと温度補償材料との膜厚方向距離ｈ_２及び幅方向距離ｈ_３、ｈ_４はテーパ部と温度補償部で値が異なり、テーパ部においては導波路パターンに沿って断熱的に変化し、温度補償部では一定であることを特徴とする。また、幅方向距離は通常左右対称でありｈ_３＝ｈ_４を満たすが、光回路パターン設計自由度の担保等が求められる場合は、異なる値を設定してもよい。コアと温度補償材料との膜厚方向距離ｈ_２及び幅方向距離ｈ_３、ｈ_４（構造パラメータと総称する）を設計することで、偏光モード毎の単位長さあたり位相シフト補償量をさらに微小に調節できる。

本実施例において導波路断面が図３（ｂ）の構造である場合、第２のアームに作製した温度補償構造の温度補償部における実効屈折率ｎ_ｅｆｆの単位温度変化あたり補償量ｄｎ_ｃｏｍ／ｄＴは、以下の（式８）で示すことができる。

テーパ部において（式８）の第２項から第４項はｈ_２、ｈ_３、ｈ_４が伝搬軸（本実施形態ではｘ軸）に沿って変化するため、単位温度変化あたり位相シフト補償量Δφ_ｔａｐは、以下の（式９）で示すことができる。

図４には、光信号を温度補償部へ断熱的に遷移させる構造（断熱遷移構造）として、上述したテーパ構造に替えて、セグメント（ｉ番目のセグメントの溝幅がｌ_ｓｅｇｉの、狭い溝構造）を複数、連続して有するセグメント構造４０７を用いる例を示す。図４（ａ）および（ｂ）に示すように、基板４０５上で上部クラッド４０２と下部クラッド４０４の間に埋め込まれたコア４０１が形成されて、光回路の光導波路を構成している。上部クラッド４０２の上面側に形成された溝（窪み、ウェル）に温度補償材料を埋め込んで、温度補償構造４０３が形成されている。温度補償構造４０３は、中央部４０８に両側にセグメント構造４０７が形成されている。中央部４０８は、中央部１０８または２０８に相当する。セグメント構造４０７内のセグメントから次のセグメントまでの周期（セグメントの溝幅と次の導波路部分の幅を含む）を、ピッチｐ_ｓｅｇｉとする。

図４（ｂ）の基板断面図に示すように、セグメント構造４０７では、コアとセグメントとの間の厚み方向の距離ｈ_２は一定であり、各セグメントの幅とピッチの比（いわゆるデューティ比ｌ_ｓｅｇｉ／ｐ_ｓｅｇｉ）が光伝搬軸ｘ方向に沿って断熱的に変化していることを特徴とする。

テーパ構造を用いた場合と同様に、光信号を温度補償部へ低損失に遷移させる目的から、通常セグメント部における実効屈折率変化量は伝搬長１μｍあたり０．１以下に設定する。

断熱的な変化とするため、各セグメントの幅とピッチの比（デューティ比）を構造パラメータとして、平均的な実効屈折率の急激な変化がなく連続的な断熱的変化となるように設定する。

セグメント構造４０７の全体の長さＬ_ｓｅｇは、セグメントの数Ｎとｉ番目のセグメントのピッチｐ_ｉを決定することで以下の（式１０）で示すことができる。

また、セグメント構造における単位温度変化あたり位相シフト補償量Δφ_ｓｅｇは、以下の（式１１）で示すことができる。

ここで、ｌ_ｓｅｇｉはｉ番目のセグメントの長さを示している。セグメント構造の設計パラメータ決定式は、（式４）から（式６）のφ_ｔａｐとＬ_ｔａｐを、それぞれφ_ｓｅｇとＬ_ｓｅｇに置き換えることで成り立つ。
＜実施形態２＞
実施形態２は、図５に示す１以上の入力導波路が接続されたスラブ導波路５１０及び１以上の出力導波路が接続されたスラブ導波路５２０並びにこれらの２つのスラブ導波路を接続するＭ本のアレイ導波路５０１を有するアレイ導波路回折格子型波長合分波回路（ＡＷＧ）５００について、光回路構造を介して透過特性の温度依存性を補償する態様である。図５（ａ）の平面図と、アレイ導波路５０１の中央部における基板断面図５（ｂ）を用いて本実施形態２における温度補償について説明する。ＡＷＧ５００は、基板５０５上で上部クラッド５０２と下部クラッド５０４に埋め込まれた複数のアレイ導波路５０１のコアが形成されて、上部クラッド５０２の上面側に温度補償材料を充填した温度補償構造５０３が形成されている。

図５において、アレイ導波路５０１は長さがΔＬずつ異なるＭ本の導波路を有する。このとき、環境温度の変化に起因する実効屈折率変化による光位相変化量は、曲率半径の大きいアレイ導波路の方が大きい値をとるため、温度補償構造５０３は各アレイ導波路に対応した補償量を与える形状が求められる。

図５（ａ）の平面図では温度補償構造５０３として、上に開いた扇形の平面形状を例示するが、実際の形状は必要とする補償量に応じて変化する。温度補償構造５０３の中央部の断面Ｖｂ－Ｖｂにおける基板断面図を図５（ｂ）に示す。温度補償構造５０３とアレイ導波路５０１のコアの間の厚み方向の距離の関数は、ｈ_２（ｘ、ｙ）のように図５（ａ）の平面座標で決まることに留意されたい。

図６には、実施形態２の別例における光回路構造の平面図（ａ）と断面図（ｂ）を示す。本例の光回路構造は、図５を参照して説明したＡＷＧが有するスラブ導波路５１０または５２０に温度補償構造を設けた光回路構想である。スラブ導波路６１０または６２０は、基板６０５上で上部クラッド層６０２と下部クラッド層６０４に埋め込まれたスラブ導波路６１０のコア層６０１が形成されて、上部クラッド層６０２の上面側に温度補償材料を充填した温度補償構造６０３が形成されている。スラブ導波路６１０および６２０はそれぞれ、図５のスラブ導波路５１０および５２０に対応する。スラブ導波路６１０（または６２０）のコア層６０１は、１以上の入力導波路（出力導波路）及びアレイ導波路のコア層６０１と接続されている。図６（ｂ）は、入力導波路とアレイ導波路のうちの１つとを結ぶ断面線（図６（ａ）に示す点線）における断面図である。図６（ｂ）の断面図に示すように、温度補償構造６０３は、ＡＷＧのスラブ導波路６１０または６２０の上部クラッド層６０２に形成された溝に温度補償材料が充填されて設けられている。

図６（ａ）の平面図に示すように、温度補償構造６０３の溝は、スラブ導波路６１０または６２０のアレイ導波路に至る光経路上に、例示的に湾曲した三角形状で示されている。図６（ｂ）の断面図に示すように、温度補償材料を充填した温度補償構造６０３とコア層６０１との間の上部クラッド層６０２の厚みは、光経路の光伝搬方向に沿って長さＬ_{ｃ ｏｍ}の区間に渡り一定の厚みになるように形成され、前後の長さＬ１，Ｌ２の区間は断熱遷移構造部として例えばテーパをなすように形成されている。

実施形態２でも実施形態１と同様に、温度補償構造６０３に充填される温度補償材料は、単位温度変化あたりの屈折率変化量ｄｎ／ｄＴがコア及びクラッド材料に対して異符号かつ絶対値の大きい材料が選択されている。さらに、実施形態１と同様に温度補償構造６０３は、断熱遷移構造としてテーパ部に替えてセグメント部を温度補償構造６０３の前後に設けることもできる。スラブ導波路６１０または６２０のコア層６０１と温度補償材料を充填した温度補償構造６０３との距離ｈ_２を設計することで、単位長さあたりの位相シフト補償量を微小に調節できる。

アレイ導波路回折格子の中心出力ポートの透過中心波長λ_０は以下の（式１２）で決定される。

ここで、ｍは回折次数、ΔＴはＴ－Ｔ_０を示す。よって、各アレイ導波路に対して（式６）が成り立つように温度補償構造を設計することで、アサーマル波長合分波回路が設計可能となる。光路長が短い方からi番目のアレイ導波路に対する光回路構造パラメータの決
定式は以下の（式１３）で示される。

ここで、Ｃは任意の定数で通常０であるが、アレイ導波路の損失一定化を目的にｉ＝１のアレイ導波路に温度補償構造のテーパ部又はセグメント部を挿入するなど、オフセット値を設定しても良い。

また、前記の機能はアレイ導波路でなくスラブ導波路で実現しても良い。図６（ｂ）に示すように温度補償構造をスラブ導波路へ作製する場合、温度補償構造の前後でパワー密度が異なることから、入力側と出力側で異なるテーパ長を設定しても良い。

上記の構造は、実施形態１に記載の方法と同様の方法で作製することができる。

以上のように、本発明の光回路では、光の損失を抑えつつ、温度補償特性の微細な調整が可能な光回路構造を提供することができる。

Claims (4)

1. 温度補償材料を充填した温度補償構造を有する光導波路を備えた光回路において、
   前記光導波路を伝搬する光波を、前記温度補償材料を充填した前記温度補償構造へ断熱的に遷移させる断熱遷移構造を有し、
   前記光導波路は、上部クラッドおよび下部クラッドに囲まれたコアを有し、上面および側面が前記温度補償材料で覆われて前記温度補償構造を形成し、
   前記断熱遷移構造として、前記温度補償材料の厚みを連続的に変化させるテーパ構造を有し、前記テーパ構造において、前記コアと前記温度補償材料との前記コアの高さ方向の距離および前記コアの幅方向の距離が断熱的に変化する、
   ことを特徴とする光回路。
2. 前記光導波路のコアと前記温度補償材料が所定の距離だけ離れていること
   を特徴とする請求項１に記載の光回路。
3. 前記温度補償構造において、前記光導波路のコアの厚さ又は幅が所定の値だけ減少し、前記光導波路のコアと前記温度補償材料が接していること
   を特徴とする請求項１に記載の光回路。
4. 前記光導波路のコアと前記温度補償材料との間の距離を設計することで単位長さあたりの温度補償量を調節できること
   を特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光回路。

Images