JPH03267902A - 光導波回路の特性調整方法およびその方法に使われる光導波回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野１ 本発明は、基板上に光導波路を配設した光導波回路の特
性調整方法および光導波回路に関するもので、さらに詳
細には、光導波回路材料の熱履歴現象を利用してその屈
折率を変化させることによって、光方向性結合器の結合
率や光導波路の光路長を調節することを特徴とする光導
波回路の特性調整方法および光導波回路に関するもので
ある。

［従来の技術Ｊ 平面基板上に作製される単一モード光導波路、特にシリ
コン基板や石英ガラス基板上に作製可能な石英系ガラス
単一モード光導波路は、そのコア部の断面寸法を通常使
用されている単一モード光ファイバに合わせて５〜１０
μｍ程度に設定することができるため、光ファイバとの
整合性に優れた実用的な導波型光部品（光導波回路）の
実現手段として期待されている（例えば、Ｎ、Ｔａｋａ
ｔｏ　ｅｔａｌ、　　：　　＋５ｉｌｉｃａ−Ｂａｓｅ
ｄ　　Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ　　Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ
ｓｏｎ　　５ｉｌｉｃｏｎ　　ａｎｄ　Ｔｈｅｉｒ　　
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　　ｔｏ　　ｇｕｉｄｅｄ−Ｗ
ａｖｅ　０ｐｔｉｃａｌ　　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔ
ｅｒｓ　　、Ｊ、ＬｉｇｈｔｗａｖｅＴｅｃｈ、、　ｖ
ｏｌ、６．　ｐｐ、１００３−１０１０．１９８８、あ
るいは、河内正夫：　“石英系光導波路と集積光部品へ
の応用”、光学、１８（１９８９１６８１−６８６，を
参照のこと）。

一従来例１− 第２５図および第２６図は、このような石英系単一モー
ド光導波路を用いた最も基本的な光導波回路例としての
方向性結合器の構成を説明するための、それぞれ斜視図
およびそのＡＡ’切断線に沿った拡大断面図である。石
英系単一モード光導波路１．２は、一部分で互いに近接
して方向性結合器５を構成している。

９はシリコン基板である。光導波路１，２は、シリコン
基板９上で、膜厚５０μｍ程度のＳｉＯ□系ガラメガラ
スクラッド層７埋設された断面寸法７×７ｕｍ程度の５
ｉ（ｈ−ＴｉＯｘ系あるいは５ｉ０２−ＧｅＯｚ系ガラ
スコア部からなる。方向性結合器５部分は、２本の光導
波路１．２を間隔数μｍ程度に保ち、５００μｍ程度の
距離にわたって平行に配置することにより構成されてい
る。入力ボートｌａから光導波路１に入射した信号光の
一部は、方向性結合器５部分で隣接する光導波路２に移
行し、出力ボート１ｂ、２ｂから出射される。なお、ｌ
ａ’および１ｂ′。

２ｂ’　はそれぞれ入力ファイバおよび出力ファイアで
あり、ＰＬおよびＰ２はそれぞれ出力ポートｌｂ、２ｂ
から出射される信号光強度を表す。

ここで、方向性結合器５の結合率Ｃは Ｃ＝　Ｐ２／（Ｐ１＋　Ｐ２） で定義され、所望の結合率（例えば、５０％結合）を得
るために、結合器５部分での２本の光導波路ｌおよび２
の間隔や結合距離等を正確に設定する必要がある。

一従来例２− 第２７図および第２８図は、シリコン基板上で２個の方
向性結合器を集積して構成した光導波回路の従来例とし
ての偏波ビームスプリッタの構成を説明するための、そ
れぞれ、斜視図およびそのＡＡ’切断線に沿った拡大断
面図である。

第２７図および第２８図において、上記と同様に９はシ
リコン基板、１および２はシリコン基板上に石英系ガラ
ス材料により形成された石英系単一モード光導波路であ
る。光導波路１．２は、２箇所で互いに近接して方向性
結合器５および６を構成し、その結合率はいずれも５０
％になるよう設計されている。

光導波路１．２は、膜厚５０μｍ程度の５ｉｆ２系ガラ
スクラッド層７，８に埋設された断面寸法７×７μｍ程
度のＳｉＯ□−ＴｉＯ□系またはＳｉＯ□−ＧｅＯ□系
ガラスコア部からなり、方向性結合器５，６部分は、２
本の光導波路１，２を間隔数μｍ程度に保ち、５００μ
ｍ程度の距離にわたって平行に配置することにより構成
されている。ここで、２個の方向性結合器５および６は
、光導波路１および２で連結され一種のマツハツエンダ
−光干渉計回路を構成していると見ることもできる。２
つの方向性結合器５，６を連結する２本の導波路の長さ
は等しく設定され、一方の導波路上の上部クラッド層７
表面に非晶質シリコン（ａ−Ｓｔ）を用いた応力付与膜
２２を装荷し、他方には薄膜ヒータ移相器１０が装荷さ
れている。但し、２１はａ−ＳＬ応応力付腹膜２２一部
をエネルギービームでトリミングして除去した跡である
。

この応力付与膜２２と薄膜ヒータ移相器１０とを制御す
ることによって、例えばＴＥモードの光にとっては方向
性結合器５．６を連結する２本の導波路間の光路長差が
ｎλとなり、７Ｍモードの光にとってはその光路長差が
（ｍ＋　１／２）ルとなるよう複屈折値および光路長を
調節する方法が特開昭６４−７７００２号に提案されて
いる。但しｎ、ｍは任意の整数、先は光の波長である。

この偏波ビームスプリッタでは、入力ボートｌａから入
射したＴＥモードの信号光は出力ポートｌｂから出力さ
れて、入力ボート１ａから入射された７Ｍモードの信号
光は出力ポート２ｂから出力される。

なおｌａ’　、　２ｂ’　はそれぞれ入力ファイバおよ
び出力ファイバである。

第２９図は入力ボートｌａからＴＥ、７Ｍモードの信号
光を等パワーで入力して、薄膜ヒータ移相器１０の駆動
電力を変化させたときの出力ポートｌｂおよび２ｂから
の出力の状態を示している。ここで、実線は出力ポート
１ｂからの出力光Ｐ１、破線は出カポ−）２ｂからの出
力光Ｐ２を示している。本図により本回路では、薄膜ヒ
ータ移相器１０の駆動電力Ｗｌ、Ｗ２において偏波ビー
ムスプリッタ動作となることが分かる。

［発明が解決しようとする課題１ しかしながら、上述の従来例１における方向性結合器の
結合率の設定は、いわゆるフォトリソグラフィ手法を基
本とする光導波回路製造工程において、精密マスクパタ
ーンの管理等によりなされてきたが、製造工程を如何に
精密に管理しても、上記結合率を希望値に正確に合わせ
るのは至難の技であった。例えば、５０％の結合率を狙
っても、光導波回路を作製した段階では、方向性結合器
の結合率は５０±５％程度になっているのが現状であり
、これを正確に５０％結合に作りつけるのは困難であっ
た。これは、方向性結合器が極めて構造に敏感であり、
その結合率が、上述の先導波路間隔や結合距離はもちろ
んのこと、それぞれの先導波路の幅や高さ、光導波路コ
ア部ｌおよび２と周囲のクラッド層７，８との間の屈折
率差にも敏感に依存することに起因している。

また、上述の従来例２においては、２つの方向性結合器
の結合率が正確に５０％になっていれば、複屈折率およ
び光路長を制御することによってＴＥモードと７Ｍモー
ドを完全に分離し、別々の出力ボートから出力させるこ
とができる。しかし、光導波回路作製精度の限界や光導
波路ガラスの屈折率のわずかなゆらぎ等により、光導波
回路を作製した段階では方向性結合器の結合率は上述の
ように５０±５％程度になっているのが現状であり、こ
れを正確に５０％結合に作りつけるのはやはり困難であ
る。よって、クロストークの小さな偏波ビームスプリッ
タを歩留まり良く得るためには、光導波回路作製後に方
向性結合器の結合率を５０％に微調整する必要がある。

また、偏波ビームスプリッタは基本的に受動素子である
にもかかわらず、第２９図に示したように、スプリッタ
動作を維持するために常時薄膜ヒータ移相器に電力を供
給し、２個の方向性結合器を連結する２本の導波路間の
光路長差を正確に保持しなければならないことは実用上
好ましくない。

本発明の目的は上記２つの問題点、すなわち方向性結合
器の結合率設定および光路長差設定の問題点を解決する
ための光導波回路の特性調整方法およびこれを実現する
ための光導波回路を提供することにある。

［課題を解決するための手段１ 本発明の先導波回路の特性調整方法は、基板上に配置さ
れたクラッド層またはクラッド層に埋設されて光伝搬作
用を持つ光導波路の実効的屈折率を、その材料の熱履歴
現象を利用して変化させ、その結果として光導波路の光
路長または方向性結合器の結合率を調整する方法、およ
びその熱履歴現象を起こす方法として、光導波回路全体
を電気炉で加熱処理する、または光導波回路上の所望箇
所に設けた耐熱ヒータやエネルギービーム照射により光
導波回路の所望箇所を局所的に加熱処理することを特徴
とする。ここで熱履歴現象とは、先導波路のクラッド層
またはコア部の材料の屈折率値が、高温への加熱後、冷
却条件（急冷か徐冷か）に依存して変化する現象である
。

本発明の光導波回路は、基板と、基板上に配置されたク
ラッド層およびクラッド層に埋設され光伝搬作用を持つ
コア部を有する単一モード光導波路によって構成され、
そのクラッド層またはコア部の材料の熱履歴現象を利用
して、光導波路の光路長および方向性結合器の結合率が
正確に調整されたこと、および局部的に熱履歴現象を生
じさせるための耐熱ヒータを有することを特徴とする。

［作　用］ 本発明によれば、光導波回路製造後に２本の光導波路を
近接して構成される方向性結合器の結合率を正確（例え
ば５０±１％）に調節することができる。方向性結合器
は単体で光分岐・結合器や光合分波器としての利用を期
待されているのみならず、複数個の方向性結合器を単一
基板上に集積したより複雑な集積光デバイスを構成する
上での必須の要素であり、本発明による方向性結合器の
結合率調整点は、実用的な光導波回路製造に多大の貢献
をする。この方向性結合器の１応用例として従来−２０
ｄＢ程度が一般的であった導波路型偏波ビームスプリッ
タのクロストークを定常的に−３０ｄＢ以下にすること
ができるようになる。

また、本発明によれば、光導波回路製造後に、光導波路
の光路長を任意の部分で調節することができる。その応
用の一例として、従来導波路型偏波ビームスブリ□ツタ
において薄膜ヒータ移相器を用いて行っていた光路長制
御を本発明による方法で置き換えることにより、偏波ビ
ームスブリッタへの定常供給電力が不要となる。

なお、本発明では、クラッド層あるいはコア部材料の熱
履歴現象を用いているために、可逆的である。すなわち
、調節のために変化させた結合率や光路長の変化分を、
必要とあらば元の状態戻すことができる。この可逆性に
より光導波回路の特性調節作業が容易となり、さらには
新規の光導波回路を具体化することも可能となる。

［実施例］ 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

一実施例１− まず、本発明の第１実施例として、シリコン基板上の石
英系単一モード光導波路により構成される方向性結合器
とその結合率調整方法について説明する。

本実施例で用いた方向性結合器は、見かけ上、第２５図
および第２６に示した従来例と同様の構造を有している
が、上部クラッド層７に大量のドーパント（Ｂ　（ホウ
素）、Ｐ（リン））を含んでいることを特徴とする。第
１図は、このような方向性結合器の作製工程を説明する
図である。

まず、シリコン基板９上に、ＳｉＣβ４を主成分とし僅
かにＢＣρｓ、ＰＣｆｉｉを含む混合ガスを原料とする
火炎加水分解反応でＳｉｇｈを主成分とする下部クラッ
ド用ガラス微粒子層８ａを堆積し、続いて適量のＴｉＣ
ρ４ガスを追加した混合ガスに切り替えて５ｉＯａ−Ｔ
ｉＯ□を主成分とするコア用ガラス微粒子層４０ａを堆
積する（第１図（ａ））。続いて、２層のガラス層８ａ
、　４０ａを堆積させたシリコン基板９を電気炉中で１
３５０℃程度の高温に加熱してガラス微粒子層を透明ガ
ラス化し、下部クラッド層８とコア層４０を形成する（
第１図（ｂ））。続いて、反応性イオンエツチング（Ｒ
ＩＥ）によりコア層４０のうち不要な部分を除去して、
コア部ｌおよび２を形成する（第１図（Ｃ））。次に、
再び火炎加水分解反応を利用してコア部１および２を埋
め込むようにＳｉＣβ４−ＢＣβ、−ｐｃρ５混合ガス
を原料とする火炎加水分解反応で大量にドーパント（Ｂ
、Ｐ）を含む上部クラッド用ガラス微粒子層７ａを堆積
する（第１図（ｄ））。その後、再度、基板を電気炉中
で１２５０℃程度に加熱して、上部クラッド用ガラス微
粒子層７ａを透明ガラス化して上部クラッド層７とし、
室温近傍まで徐冷（１００℃／時程度の冷却速度）して
所望の方向性結合器サンプルが製造される（第１図（ｅ
））。

このときのガラスの組成は、下部クラッド層８およびコ
ア部１．２に原料ガス仕込段階でＰ２Ｏ，とＢ２０．と
が総量で４モル％程度含まれており、上部クラッド層７
には原料ガス仕込段階でＰ２Ｏ，とＢ２Ｏ３とが総量で
２５モル％程度含まれている。また、上部クラッド層７
の屈折率と下部クラッド層８の屈折率とがほぼ等しくな
るようにドーパント濃度が調節されている。コア部１．
２には、コア部の屈折率を高め光伝搬作用を営ませるた
めに適量のＴｉＯ□あるいはＧｅＯ□が添加されている
ことはもちろんである。

第２図は本発明の第１実施例として方向性結合器の結合
率調整に用いた熱処理装置の構成図である。本熱処理装
置は縦形の管状電気炉であり、４１は石英ガラス製炉芯
管、４２は炉芯管４１を取り囲む発熱体、４３はサンプ
ル保持台、４４はサンプル保持台４３上の被熱処理サン
プル、４３ａはサンプル保持台４３を昇降するサンプル
保持台昇降装置、４５は断熱装置、４１ａは冷却室、お
よび４１ｂはサンプル取り出し扉である。

第３図は、第１図で示す上述の製造工程で得られた方向
性結合器サンプル４４を第２図のサンプル保持台４３に
セットし、発熱体４２により熱処理温度（急冷開始温度
）で１０分間加熱した後、昇降装置４３ａを駆動してサ
ンプル４４を急速に下方の冷却室４１ａに移動し、急速
冷却（クエンチ）処理した際の方向性結合器の結合率の
急冷開始温度（６００〜８００℃）依存性例を示す実測
図である。本サンプルの結合部の近接導波路間隔は４μ
ｍ、近接平行部分の長さは５００μｍであり、熱処理前
の結合率Ｃは６３％（波長１．５５μｍにおいて）であ
った。第３図により、急冷開始温度が６５０℃程度を越
えると結合率が低下し、８００℃の場合には３６％程度
にまで結合率が減少することがわかる。例えば、所望の
５０％結合率は、７３０℃で１０分間の熱処理で達成さ
れる。

このように、本実施例によれば、方向性結合器の結合率
を製造後の熱処理により比較的広い範囲で調整できるの
である。

ここで強調したい点は、本実施例の結合率調整方法は可
逆的である点である。すなわち、第３図において８００
℃の熱処理で３６％にまで結合率が減少した方向性結合
器サンプルを再び電気炉中で１０００℃程度にまで加熱
し、続いて室温近傍まで徐冷すると初期の６３％結合率
に復帰し、この操作は何度でも繰り返し実行することが
できる点である。

この事実は本実施例の結合率変化が、ガラス材料中のド
ーパントの拡散現象や揮発現象に基づくものではないこ
とを示している。

結合率の熱処理温度依存のメカニズムを知る目的で、干
渉顕微鏡観察によるサンプル断面の干渉顕微鏡観察を行
ったところ、上部クラッド層７の屈折率値が熱処理によ
って変化することが見い出された。第４図は、下部クラ
ッド層８を基準とした上部クラッド層７の屈折率変化Δ
ｎの元の屈折率値ｎに対する比率Δｎ／ｎを縦軸にとり
、急冷前の熱処理温度を横軸にとった実測グラフである
。

例えば、１０００℃からの急冷で生じる屈折率変化△ｎ
／ｎはマイナス０．１２％であった。さらにこの後、１
０００℃に加熱し引き続き徐冷を行うと、上部クラッド
層７と下部クラッド層８との屈折率の差は再びなくなっ
た。

このような上部クラッド層屈折率の熱履歴現象は、ガラ
ス材料科学の分野で、ガラスの安定化現象（「ガラス非
晶質の科学」作花済夫著Ｐ４７■内田老鶴圃発行）とし
て知られている現象として理解される。熱履歴現象が顕
著に現れるためには、ガラスの密度が温度に依存して変
化することが必要であり、石英系ガラスではＢやＰなど
のドーパントを大量に含み、熱膨張係数が純粋な石英ガ
ラスに比べて大きいガラスが熱履歴現象を起こし易いの
である。高温に加熱されその高温状態に安定化されたガ
ラスは急冷されると密度変化が間に合わず、高温での比
較的粗な状態を室温近傍において維持することになる。

これが、急冷により上部クラッド層７の屈折率値が低下
（第４図）した主な理由と考えられる。上部クラッド層
７の屈折率が相対的に低下すると、方向性結合器の光導
波路コア部１および２への光電界閉じ込めが強くなり、
結合率は減少する。すなわち第３図の結果を説明できる
。

この熱履歴現象と従来光路長制御に用いていた熱光学効
果との違いは、熱光学効果で使う温度領域が室温〜１０
０℃であり、加熱終了直後にそれまでの屈折率変化が解
消されるのに対し、熱履歴現象が使う温度領域は５００
〜１２００℃であり、加熱終了後の冷却速度（急冷か徐
冷か）により恒久的な屈折率変化（再加熱で元に戻すこ
とは可能）が残る点である。

第３図の例では、予め徐冷された方向性結合器サンプル
に加熱・急冷の熱処理を施したが、逆に、予め１０００
〜１２００℃程度の高温から急冷したサンプルを出発サ
ンプルとして６００〜７００℃程度の温度に再加熱して
、再加熱時間によって結合率を調整することも可能であ
る。以下にその例を示す。

第５図は、上述の方向性結合器サンプルを一旦１０００
℃から急冷した後、電気炉中で６００℃に再加熱後急冷
し、熱処理時間（温度保持時間）と結合率との関係をグ
ラフ化したものである。再加熱前に２３％であった結合
率が温度保持時間とともに増加し、約１０００分後に５
０％程度の結合率を横切っていることが判る。

以上の第３図および第５図の特性グラフは、本発明の熱
履歴現象を活用した特性調整方法により、方向性結合器
の結合率を所望の値（例えば５０％）に微調整できるこ
とを示している。

上記実施例１のように、サンプル全体を基板ごと電気炉
で熱処理する熱履歴法により有効に結合率調整するには
、コア部とクラッド層とのガラス組成、すなわちドーパ
ント濃度に顕著な差が必要である。実施例１では、上部
クラッド層７に多量のドーパント（Ｂ、Ｐ）を含有させ
たが、これは、ドーパントが少なく軟化温度の高いコア
部の上部に、ドーパントが多く軟化温度の低めの上部ク
ラッド層を形成するのが製造工程上容易であるからであ
る。一方、上部クラッド層の形成にＣＶＤ（化学蒸着）
法やスパッタ法等のいわゆる低温プロセスを使用し、コ
ア部の熱変形の恐れが無い場合には、コア部と上部クラ
ッド層のドーパント含有濃度を逆転させることもできる
。

上記の実施例１では、基板全体を電気炉中で熱処理して
方向性結合器の特性調整を行ったが、同一基板上に複数
個の方向性結合器を含み、それぞれの方向性結合器の結
合率調整を個別に実行したい場合には、実施例１の方法
は得策ではない。

次に、複数の方向性結合器を含む光導波回路のそれぞれ
の結合部結合率を個別に調整する実施例について説明す
る。

一実施例２− 第６図および第７図は本発明の第２の実施例として耐熱
ヒータ付き光分岐回路を示す斜視図およびそのＡＡ’切
断線における拡大断面図である。ここで、９ａは石英ガ
ラス基板、８は石英系ガラス下部クラッド層、７は石英
系ガラス上部クラッド層、５１，５２．５３および５４
はクラッド層７，８に埋設されてなる石英系先導波路（
コア部）である。光導波路５１と５２は一部で互いに近
接して方向性結合器５５ａを構成し、同様に先導波路５
１と５３とで方向性結合器５５ｂを構成し、光導波路５
２と５４とで方向性結合器５５ｃを構成している。これ
ら３個の方向性結合器５５ａ、５５ｂおよび５５ｃを覆
う上部クラッド層上には、それぞれ耐熱ヒータ５６ａ、
　５６ｂおよび５６ｃが設置されている。

上記の光分岐回路は、第１図に既述したと同等の製造工
程により石英ガラス基板９ａ上に３個の方向性結合器５
５ａ、　５５ｂ、　５５ｃを含む光回路を形成した後、
ＮｉＣｒ金属膜を電子ビーム蒸着法とりフトオフ法を用
いて上部クラッド層７上に形成して耐熱ヒータ５６ａ、
　５６ｂ、　５６ｃとしたものである。この耐熱ヒータ
発熱部の幅は５０μｍ、長さは２ｍｍである。

３個の方向性結合器５５ａ、　５５ｂおよび５５ｃの結
合率が製造誤差を伴わないで５０％に設定されていれば
、第６図の光導波回路は全体として４分岐光回路として
の動作をするが、実施例１でも説明したように方向性結
合器の結合率を再現性良（例えば５０％±１％に収める
のは実際上極めて困難である。しかし、本実施例では耐
熱ヒータ５６ａ、　５６ｂおよび５６ｃにより上部クラ
ッド層に対して適当な熱処理を施して所望の５０％結合
率に調整することが可能である。第７図の１３は上記の
耐熱ヒータによる加熱急冷（例えば、耐熱ヒータに通電
（パワーｌｏｇ）として１分程度９００℃程度に加熱し
た後、通電停止）によりヒータ熱履歴現象が生じた領域
を示す。

耐熱ヒータ５６ａ、　５６ｂおよび５６ｃにより結合率
調整が終了すると、入力光ファイバ５１ａ’を経由して
入力ボート５１ａから光導波路５１へと入射した信号光
は、方向性結合器５５ａで光パワーを正確に２等分され
、続いて方向性結合器５５ｂおよび５５ｃでそれぞれさ
らに２等分され、出力ボート５３ｂ、　５１ｂ。

５２ｂおよび５４ｂから、出力光ファイバ５３ｂ′、　
５１ｂ’　。

５２ｂ′および５４ｂ′へと取り出される。

本実施例の耐熱ヒータを利用した結合率調整法において
は、３個の方向性結合器を個別に調整でき、基板全体を
電気炉中で加熱する実施例１に比べてより自在な調整が
できる利点がある。また、耐熱ヒータによる加熱領域１
３は局所的であるので、入出力光ファイバ５１ａ’、５
３ｂ’、　５１ｂ’、５２ｂ’および５４ｂ′を基板端
面に取り付け、信号光を光回路に通したまま、加熱急冷
ができるので、迅速かつ正確な特性調整が可能である。

また耐熱ヒータ５６ａ。

５６ｂ、　５６ｃから発生する熱が入出力光ファイバ部
分にまで波及するのを極力抑制するために、基板９ａ下
部に冷却金属ブロック（図示省略）を設置しておくこと
もできる。

本実施例における耐熱ヒータは上部クラッド層７の上面
にＮｉＣｒ金属膜を形成した単純な構造を有していたが
、場合によっては多層構造を採用することによって耐熱
ヒータ自体の信頼性を向上することも可能である。第８
図（ａ）および（ｂ）の拡大断面図によりその例を説明
する。

第８図（ａ）は、ＮｉＣｒ耐熱ヒータ５６ａ上面に保護
層としてのＳｉＯ□膜５７を電子ビーム蒸着法により０
．３μｍ膜厚程度に形成したものである。このＳｉＯ□
保護膜５７は高温加熱時におけるＮｉＣｒ耐熱ヒータ５
６ａと空気との反応を防止する上で極めて効果的であっ
た。

第８図（ｂ）は、上記の保護層５７に加えて耐熱ヒータ
５６ａ下部にも予め下部保護層５８（電子ビーム蒸着法
によるやはり０．３μｍ厚のＳｉＯ□層）を設けたもの
で、上部クラッド層７に大量に含まれているドーパント
　（Ｂ、Ｐ）　とＮｉＣｒ耐熱ヒータとの高温時の反応
を完全に防止するのに有効であった。

耐熱ヒータを駆動する際には、直流電圧および交流電圧
を用いることができるが、特に高温に加熱する際には交
流駆動（例えば、１０ＫＨｚ程度の周波数）が望ましい
。これは、高温加熱状態でのヒータ材料の電気分解ある
いはイオン移動の発生を交流駆動により抑制できるから
である。

本実施例では、耐熱ヒータにより複数の方向性結合器の
結合率調整を個別に行ったが、もちろん実施例１のよう
にサンプルを基板ごと電気炉にいれて熱処理をおこなっ
て、すべての方向性結合器に一律の結合率変化を引き起
こすこともできる。

この場合、耐熱ヒータも電気炉中で高温に曝されること
になるが、例えばＮｉＣｒ耐熱ヒータの場合、１０００
℃程度の加熱には充分耐える。電気炉中にＮｉＣｒ金属
膜の酸化防止のためにアルゴンガスのような不活性ガス
を流すことも有効である。

上記実施例２においては基板として石英ガラス基板を用
いた。代わりにシリコン基板を用いる場合には、シリコ
ン結晶が石英ガラスに比べて熱伝導性が良いので、耐熱
ヒータによる加熱処理に際し、より大きな通電パワーが
必要とする点に注意する必要がある。

次に、シリコン基板上で耐熱ヒータへの供給電力を節減
する工夫を行った実施例について説明する。

一実施例３− 第９図（ａ）および（ｂ）は、実施例２の第６図、第７
図に示した導波型４分岐光回路の石英ガラス基板９ａを
シリコン基板９に置き換え、しかも方向性結合器両側に
放熱防止用溝１６を掘って放熱を小さくし、耐熱ヒータ
への供給電力を省電力化した方向性結合器５５ａ領域の
拡大平面図およびそのＡＡ’線に沿った断面図を示す。

この溝１６は例えば公知の方法（特開平１−１５８４１
３号参照）であるＲＩＥ　（反応性イオンエツチング）
とりソグラフィ技術によって実現できる。方向性結合器
５５ａ領域の２本の光導波路５１および５２はその周囲
のクラッド領域とともにシリコン結晶細柱１６ａにより
支えられている。このサンプルを用いるとシリコン基板
上の放熱防止用溝の無いサンプルに比べて１桁程度小さ
な電力で所望の結合率の変化が得られた。

また、この溝１６は基板９から光導波路にかかる応力を
解放することによって、方向性結合器のわずかな偏波依
存性を抑える働きもある。

一実施例４− 第１Ｏ図および第１１図はそれぞれ本発明の第４の実施
例としての耐熱ヒータ付き方向性結合器単体の回路構成
を示した斜視図およびそのＡＡ’　糾に沿った拡大断面
図である。ここでは熱処理面積を可変にするために耐熱
ヒータ１５を空間的に分割して複数個配列している。耐
熱ヒータの複数比に対応して、放熱防止用溝１６も導波
路に沿って複数に分割されている。本実施例では、耐熱
ヒータ１５の下部の光導波路１，２の領域は完全にシリ
コン基板９本体から分離されており、実施例３に比べて
より完全な放熱防止が達成されている例である。また、
シリコン基板９の裏面には熱バランス用に銅ブロック１
４に接着させて周囲温度等に左右されずに結合率調整作
業を進められるようにした。場合によっては、銅ブロッ
ク１４に予熱ヒータを埋め込み、基板全体の温度を４０
０℃程度にまで上昇させ、一種の温度バイアスとして、
耐熱ヒータによる加熱急冷作業の補助とすることもでき
る。

上述の実施例２，３および４では光導波回路の所望部分
に局所的に熱履歴を引き起こすために耐熱ヒータを用い
たが、次の実施例で説明するように、炭酸ガス（ＣＯ□
）レーザのようなエネルギービーム照射によって局所的
な熱履歴を引き起こすことも可能である。

一実施例５− 第１２図は本発明の第５の実施例としての石英ガラス基
板上の方向性結合器の構成とその結合率の調整方法を示
す斜視図である。ここで、１２は加熱用ＣＯ□レーザビ
ーム、１３はＣＯ□レーザビーム１２によって局部的に
熱処理されて熱履歴現象が生じた領域、１４は石英ガラ
ス基板９ａの下部に接着した放熱用銅ブロックを示す。

本実施例に用いるサンプルは、前記実施例群で述べた方
法で下部クラッド層８を石英ガラス基板９ａ上に形成し
た後、ＳｉＯ□−ＴｉＯ□を主成分とするコア層を火炎
加水分解反応で堆積させ、続いて反応性イオンエツチン
グ（ＲＩＥ）によりそのコア層のうち不要な部分を除去
して、コア部ｌおよび２を形成する。次に、再び火炎加
水分解反応を利用してコア部１および２を埋メ込むよう
にＳｉＯ□を主成分とする上部クラッド層７を形成する
。

このとき、上部クラッド層７にはＰ２Ｏ５とＢ２Ｏ３と
が多量（総量で１５〜２５モル％程度）含まれている。

また、方向性結合器５の結合率は５５±５％以内になる
よう製作されている。この方向性結合器の結合部に基板
表面から加熱用ＣＯ□レーザビーム１２（５Ｗ）を１秒
間照射してレーザ光を急激にきると、その結合率は約１
％減少した。このとき石英ガラス基板９ａの裏面は銅ブ
ロックエ４に接着させて放熱しやすいようにしておく。

このときの実験結果例を第１３図に示す。ここで、縦軸
に方向性結合器５の結合率変化、横軸に照射したＣＯ２
レーザパワーを示す。但し、ＣＯ□レーザビーム１２の
照射時間は１秒、ＣＯ□レーザビームのスポット径は約
５００μｍ、方向性結合器の結合部における導波路間隔
は４μｍであった。また、Ｃ０２レーザパワーが８Ｗ（
ワット）以上の時はガラスの変形がみられ、導波路の光
損失が増加した。この実験における結合率の減少量は方
向性結合器５の結合部における導波路間隔が広いほど大
きいし、また熱処理温度（Ｃ（１２レーザパワー）、熱
処理面積にも依存する。この後、ＣＯ□レーザ光（５Ｗ
）を１秒間照射して、引続き５時間程度で徐々に冷却す
る（ＣＯ２レーザパワーを徐々に下げてい（）と方向性
結合器の結合率は元の状態に戻る。

以下に具体的な方向性結合器の結合率の調整方法を説明
する。

第１２図において入力ボート１ａより光を入射しながら
出力ボートｌｂ、　２ｂからの出力ＰＩ、Ｐ２を常時観
察しておく。ＰＬ＜Ｐ２ならばＣＯ，レーザビーム１２
で方向性結合器の結合部分５を部分的に加熱して急冷す
る。この調整によって結合率は減少してＰｌの出力が相
対的に大きくなる。さらにＰＩ＜Ｐ２ならば熱処理領域
を増やすかまたは加熱温度を上げて急冷を繰り返す。こ
の結果、調整が行き過ぎてＰＩ＞Ｐ２となればその程度
に合わせたＣＯ□レーザパワーで加熱を行い、引続き徐
冷をおこなうことによって、最終的にＰ１＝Ｐ２の状態
を作ることができる。

ここで微調整に使うことのできるパラメータは、熱処理
する領域、熱処理温度（Ｃ０２レーザパワー）、急冷速
度（ＣＯ２レーザパワーの減少速度）、熱処理時間（Ｃ
Ｏ□レーザ照射時間）がある。これらはサンプルの形状
、材質等によって使い分けると良い。

この調節の結果として方向性結合器の結合率を５０±１
％以内にすることができた。

ここで強調すべき点は、上記のＣＯ２レーザ加熱による
方向性結合器の結合率調整作業は、上部クラッド層７中
のドーパントの拡散や蒸発を伴うものではなく、ドーパ
ントを多量に含む石英系ガラスのいわゆる「安定化現象
」に起因するために可逆的である点である。すなわち、
行き過ぎた加熱急冷作業は、その後の加熱徐冷作業によ
り元に戻すことができるのである。場合によっては、サ
ンプル全体を再度電気炉に入れて１０００’Ｃ程度のま
まで加熱し引続き徐冷すれば、それまでのＣＯ２レーザ
によ、る熱処理の履歴を解消し、初期状態戻すことがで
きる。

また、ここで注意すべきことは、上記実施例２〜５のよ
うに上部クラッド層７の表面から耐熱ヒータ加熱あるい
はＣＯ□レーザ加熱により結合率を調整する場合には、
実施例１の場合と異なり、上部クラッド層７とコア部お
よび下部クラッド層８との間にドーパント濃度の著しい
差は必ずしも必要ではない点である。これは、表面から
の加熱の場合には、仮にすべてのガラス層領域にドーパ
ントが一様かつ多量に含有されていても、表面からの加
熱により上部クラッド表面が高温で基板側が低温になる
温度分布が発生し、コア部と上部クラッド層との間の屈
折率差におのずと変化が生ずるからである。

以上の実施例では、方向性結合器の結合率調整への本発
明の適用例について説明したが、次に本発明の光導波路
の光路長制御への適用例について説明する。

一実施例６− 第１４図および第１５図は本発明の第６の実施例として
の光路長制御を行うことのできる先導波路の構成とその
調節法を示す斜視図およびそのＡＡ’線における拡大断
面図である。１は石英系クラッド層７，８に埋設された
石英系光導波路（コア部）であり、第１図と同様の製造
工程およびガラス組成でシリコン基板９上に形成された
ものである。

１５は光導波路１を覆う上部クラッド層７上に設けた耐
熱ヒータである。本実施例がこれまでの実施例と異なる
点は、これまでの実施例では上部クラッド層７の屈折率
を変化させて方向性結合器における結合率を調節したが
、本実施例では上部クラッド層７の屈折率を変化させて
光導波路１の等側屈折率を変え、その結果として光導波
路１の実効的な光路長を調節しようというものである。

本実施例においても、耐熱ヒータ１５による加熱急冷あ
るいは加熱徐冷による熱履歴現象により上部クラッド層
７の一部領域１３に屈折率変化が生じる。単一モード光
導波路においては、信号光はコア部のみならずクラッド
層にも一部しみだして伝搬されるために、コア部を覆う
上部クラッド層７の屈折率変化は、光導波路１の等側屈
折率の変化となって現れるのである。

本実施例において、加熱長（発熱部の長さ）５ｍｍの耐
熱ヒータ１５に最大１０ワット程度の電力を供給したと
ころ、０．７５μｍ程度の光路長変化を発生させること
ができた。これは、例えば波長１．５μｍの信号光に対
してｌ／２波長相当の光路長変化である。等側屈折率変
化に換算すると１．５　Ｘｌ０−’程度の屈折率変化で
あった。

ここで勘案すべき点は、シリコン基板９上の光導波路１
を耐熱ヒータ１５で局所的に加熱した際のシリコン基板
からの応力効果の存在である。すなわち、シリコン基板
９上の石英系光導波路１は、室温状態で、石英系ガラス
とシリコン基板との熱膨張係数との差から圧縮応力を受
けているのが通常である。耐熱ヒータ１５による上部ク
ラッド層７の温度上昇により、加熱領域１３が軟化する
と、シリコン基板９からの圧縮応力は光導波路コア部ｌ
により強くかかるようになり、圧縮応力増加によって光
導波路１の等側屈折率が増加することがある点である。

この増加傾向は、上部クラッド層７の安定化現象による
屈折率定化に伴う等側屈折率の減少と逆方向であり、い
ずれが支配的かは、上部クラッド層７の厚さや加熱の程
度にも依存する。いずれにしても、耐熱ヒータ１５によ
る加熱により光路長制御ができる点に変わりはなく、先
導波路１にモニタ光を通じつつ光路長調整を行うことが
できる。

なお、予め光導波路両側にシリコン基板に至る程度にま
で応力解放溝（前述文献：河内正夫“石英系光導波路と
集積光部品への応用”、光学、１８（１９８９１６８１
−６８６，を参照のこと）を掘っておき、シリコン基板
９からの応力作用を極力抑制することもできる。本実施
例のシリコン基板９を石英ガラス基板に置き換えると基
板からの応力作用が抑制されることも付記する。

本実施例の光路長制御においても、サンプル全体を１０
００℃程度にまで再加熱して徐冷すると、過去の熱履歴
がご破算される点はこれまでの実施例と同様である。

本実施例では加熱手段として耐熱ヒータを用いたが実施
例５と同様のＣ０２レーザ加熱を適用することも可能で
ある。

一実施例７− 第１６図および第１７図に本発明の第７の実施例として
の導波路型偏波ビームスプリッタの斜視図およびそのＡ
Ａ’切断線における拡大断面図を示す。

ここで、ｌＯは薄膜ヒータ移相器、Ｐｏは入力ボートｌ
ａから入力する入力光パワー、ｐ、、ｐ、はそれぞれ出
力ボートｌｂ、２ｂからの出力光パワーを示す。本実施
例で用いるサンプルは実施例１に記載の方法と同じ方法
で作製され、２個の方向性結合器５゜６とそれらを結ぶ
長さの等しい２本の導波路１゜２で構成されている。但
し、２つの方向性結合器５．６の結合率は何れも５５±
５％以内になるように設計されている。

次に、この偏波ビームスプリッタの調節手順の概略を示
す。

１）まず、２つの方向性結合器５，６の結合率を実施例
５に記載した熱履歴法によって５０％に調節する。

２）非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）応力付与膜２１をトリ
ミングして複屈折値の調節を行う。

３）薄膜ヒータ移相器ｌＯによる導波路１．２の光路長
の制御を実施例６に記載した熱履歴法による光路長の制
御で置き換える。

この結果としてクロストークが非常に小さく、しかも従
来必要であった薄膜ヒータ移相器１０への定常供給電力
が不要な導波型偏波ビームスプリッタが実現される。

さらに、上記の各調整手順の詳細を説明する。

まず、マツハツエンダ光干渉計を構成する２つの方向性
結合器５，６の結合率を熱履歴法によって５０％に調節
する方法について説明する。

第１６図において方向性結合器５と方向性結合器６の調
節前の結合率をそれぞれ５０＋α％、５０＋β％とする
。但しα、β≧０である。また方向性結合器５と方向性
結合器６の間の導波路１の光波長Ｌｌ＝（ｎπ＋φ十〇
）え／２π とする。同様に方向性結合器５と６の間の導波路２の光
路長を Ｌ２＝　（ｎπ＋φ−θ）λ／２π とする。ただしφ、θはそれぞれ０≦φくπ、０≦θ〈
π／２の条件を満たす任意の値である。えは導波路１．
２における光の波長である。

まず、入力ボートｌａからＴＥモードの光Ｐ０を入射す
ると、出力ボートｌｂおよび２ｂからの出力光パワーＰ
＋、Ｐｇは次のようになる。

ｐ＋＝ｐｏ（（ａ＋ｂ）”　−４ａｂ　ＣＯ９”θ）（
１）Ｐ＋；Ｐｏ（（ｃ−ｄ）”　＋４ｃｄ　ｃｏｓ”θ
）（２）ここで、Ｐｌが最小になるように薄膜ヒータ移
相器ＩＯで光路長を制御すると、上式（１）からθ・ｎ
πのとき、Ｐｌはその最小値Ｐ、（ｎπ）をとる。

同様にして、Ｐ２が最小になるように薄膜ヒータ移相器
１０を調節すると、上式（２）からθ＝（ｎ＋１７２）
πのときにＰ２はその最小値Ｐｇ（（ｎ＋１／２）π）
をとる。

そこで、Ｐ＋（ｎπ）−Ｐｇ（（ｎ＋１／２）π）＝ｉ
Ｐｏｌａ／１００）・（β／１００）が０、すなわち両
ボートｌｂ、２ｂからの出力がＰ＋、ｈが等しくなるよ
うに方向性結合器５の結合率をＣＯ□レーザ加熱を用い
た実施例５に記載の方法で調節する。この結果α＝０が
達成される。この状態でＰ、の最小値Ｐ＋（ｎπ）は次
式で表される。

Ｐｌ（ｎπ） よって、Ｐ＋（ｎπ）：０となるように方向性結合器６
の結合率を実施例５に記載の方法で調節すると、α、β
＝０が得られる。すなわち、これにより第１６図のマツ
ハツエンダ干渉計を構成する２つの方向性結合器の結合
率を５０％に調節することができたことになる。

つぎに公知の方法（特開昭６４−７７００２号参照）を
利用して、非晶質シリコン（ａ−５ｉ）応力付与膜のト
リミングによる複屈折値の制御方法について説明する。

まず、その原理を説明する。ＴＥモードの光と７Ｍモー
ドの光にとっての方向性結合器５と方向性結合器６とを
結ぶ導波路１の光路長をそれぞれＬ＋ｔｔ＋Ｌ＋アうと
する。

同様に、方向性結合器５と方向性結合器６とを結ぶ導波
路２の光路長をそれぞれＬｚｔｔ、Ｌｚｔｌｌとする。

ここでは△Ｌア、＝Ｌ、ア、−Ｌ２ア。とΔＬＴ１１”
ＬＩＴｌ＋１−Ｌ２Ｔ１７との差を ΔＬア、−△　　ＬＴＭ　＝（ｎ＋　−）λとなるよう
に複屈折を調節する。λは入力光の波長である。その結
果、ある薄膜ヒータ移相器ｌＯのある駆動条件で入力ボ
ートｌａから入射したＴＥモードの光は例えば出力ボー
トｌｂから、また入力ボート１ａから入射した７Ｍモー
ドの光は出力ボート２ｂから出力させることができる。

以下にその調節方法の詳細を述べる。第１８図に本実施
例の複屈折値の調節で用いたシステムの構成図を示す。

ここで、３１は第１６図で示す導波型偏波ビームスプリ
ッタ、２９．３０はその偏波ビームスプリッタの光出力
を受けて電気信号に変換する受光器（例えば、ホトトラ
ンジスタのような受光素子）、２３は偏波保持ファイバ
カップラおよび２４は偏波保持ファイバである。一方の
レーザダイオード３２からのＴＥモードの光ＬＤ　（Ｔ
Ｅ）は発振周波数ｆ＋Ｈｚで、また他方のレーザダイオ
ード３３からの７Ｍモードの光ＬＤ（ＴＭ）は発振周波
数ｆ　２Ｈｚで強度変調を受けている。受光器２９．３
０に接続する一方のロックインアンプ（バンドパスフィ
ルタ）２５および２７は周波数ｆ＋Ｈｚに同期しており
、受光器２９．３０に接続する他方のロックインアンプ
（バンドパスフィルタフ２６および２８は周波数ｆＪｚ
に同期している。ロックインアンプ２５．２Ｂ、　２７
．２８の出力をそれぞれＰＴＥｌ＋Ｐ　ＴＭＩ＋ＰＴＥ
２＋ＰＴ１１ｍとする。これらの出力ＰＴＥＩ〜ＰＴｉ
１２は例えば図示しない測定器または演算回路に出力さ
れて検知される。

まず、ｌｏｇ（Ｐｒｚ＋／Ｐｔｃ＋）が最小になるよう
に、すなわちＰＴＥ□とＰＴＥ　ｌとの差が量大となる
ように、第１６図の薄膜ヒータ移相器１０を駆動する。

次に、ｌｏｇ　（Ｐ　ＴＭ　＋／ＰＴＭｉ）が最小とな
るように、つまりＰ。ＭｌとＰＴＩＩ＋□の差が最大と
なるようにＡｒレーザでａ−３Ｌ応力付与膜２１をトリ
ミングしていく。このとき、ａ−５ｉ　トリミングの過
程によって１０ｇ（１”Ｔｉａ／Ｐｒｔ＋）が最小とな
るヒータ駆動条件が変化していくため、その変化に追随
してい（ように薄膜ヒータ移相器１０の駆動電流を微小
変調し、その微分が０になるよう駆動条件を変化させて
いる。この結果、薄膜ヒータ移相器ＩＯのある駆動条件
のもとで、クロストークの非常に小さな偏波ビームスプ
リッタが得られる。

最後に、薄膜ヒータ移相器１０による光路長の調節を熱
履歴法による光路長の調節で置き換える方法について説
明する。

今までの工程で得られた偏波ビームスプリッタ３１をｌ
ｏｇ（Ｐ丁ｚ、／ｐ丁、、）が最小になるように薄膜ヒ
ータ移相器１０を駆動する。そこで、第１６図に示す１
３′の部分をＣＯ□レーザ加熱を用いた実施例６に示す
方法で加熱および急冷してその光路長を調節してい（。

光では光路長差ｎλに関してその存在を認識することが
できないために、１３’の熱履歴現象発生領域を徐々に
加熱および急冷していくことによって、光路長変化のλ
以内の範囲で薄膜ヒータ移相器１０への定常供給電力が
Ｏで、１．ｏｇ（ＰＴ、、／ＰＴＥ、　）が最小となる
条件が求まる。

この結果、定常供給電力が不必要で、クロストークの非
常に小さな偏波ビームスプリッタが得られる。

実際には、以上の工程によってクロストーク−３１ｄＢ
（出力Ｐ　１ＴＭ／Ｔり　、　−２８ｄＢ　（出力Ｐｉ
　Ｔ１ｍ／ＴＭ）で定常供給電力不要の偏波ビームスプ
リッタが実現できた。

一実施例８− 第１９図および第２０図に本発明の第８の実施例として
の導波型波長無依存カブラの平面図およびそのＡＡ’切
断線における拡大断面図を示す。本カブラは２本の光導
波路１，２が２箇所で近接して２個の方向性結合器５，
６を構成している。２個の方向性結合器５，６を連結す
る領域の２本の光導波路１，２の上には耐熱ヒータ１０
ａ、　１０ｂが形成されている。出力ボートｌｂ、　２
ｂからの出力光パワーをＰｓｕｂ、　Ｐｍａｉｎとする
と、２個の方向性結合器５゜６間の光導波路１，２の実
効的な光路長差は、第１９図全体の光カブラとしての結
合率 Ｐｓｕｂ／　（Ｐｍａｉｎ＋　Ｐｓｕｂ）の波長依存性
が極力緩和されるように０．９μｍ近傍に設定されてい
る（本カブラの基本原理については特願平１−２２７４
４９号参照のこと）。

第２１図は、上記の耐熱ヒータ１０ａ、　ｌｏｂによる
本カブラの結合率調整例を説明する結合率・波長の関係
を示す特性図である。第２１図において、実線（ａ）は
、耐熱ヒータｌＯａ、１０ｂを駆動する前のカブラの結
合特性であり、１．２５〜１．６０μｍ程度の広い波長
域で２０％結合率が達成されている。この時の光路長差
は上述のように０．９μｍである。

次に、実施例６に既述した耐熱ヒータ加熱による熱履歴
現象を活用した光路長制御方法を用いて、耐熱ヒータ１
０ａ、　１０ｂのいずれかを駆動して、光路長差を０．
８μｍと小さくすると、第２１図の破線（ｂ）に示した
波長特性が得られる。すなわち、波長無依存の特性を維
持したまま結合率は１２％程度にまで減少する。逆に、
光路長差を１．０μｍに増大させると第２１図の一点鎖
線（ｃ）の波長特性が得られる。すなわち、この場合の
結合率は２８％程度に増加する。

第２１図の結果は、本発明の光路長調整により、波長無
依存カブラの結合率を微調節できることをボしている。

一実施例９− 第２２図に本発明の第９の実施例としての双安定光スィ
ッチの斜視図を示す。本実施例のサンプルは実施例８と
同様にシリコン基板９上に形成されている。本実施例に
おいては２個の方向性結合器５．６は、波長１．３μｍ
においてほぼ５０％結合率になるよう設定されている。

方向性結合器５，６を連結する領域の光導波路１，２の
光路長は等しくなるように、すなわち光路長差が零にな
るよう設定されている。光導波路１．２の上部には耐熱
ヒータ１０ａ、　ｌＯｂが設置されている。

これらの耐熱ヒータ１０ａ、　１０ｂを駆動しない初期
状態において、入力ボートｌａから入射された波長１．
３μｍの信号光は、出力ボート２ｂから出力される。す
なわち、初期状態において、第２２図の構成は（ｌａ−
ｍ２ｂ、　２ａ→ｉｂ）のクロス光路状態にある。

次に、耐熱ヒータ１０ａあるいは１０ｂを駆動して、い
ずれか一方の光導波路の光路長に２分の１波長相当分、
すなわち１．３μｍ／２＝０．６５μｍの光路長増加を
前述した熱履歴法により誘起すると、（１ａ−＝　ｌｂ
、　２ａ−２ｂ）のスルー光路状態に切り替わる。耐熱
ヒータｌｏａ、１０ｂの加熱急冷あるいは加熱徐冷の操
作により、上記の２状態を交互に切り替えることが可能
で、本サンプルは双安定光スィッチとして動作する。本
スイッチは、その原理上、高速で光路を切り替える分野
には向かないが、年に数回程度しか切り替えないような
分野には維持電力が不要な点で有利である。

−実施例１０− 第２３図は本発明の第１０の実施例としての光周波数多
重光合分波器の平面図である。６１．６２．６３．６４
はシリコン基板９上に実施例１と同様の方法で形成され
た光導波路であり、本実施例でのコア部断面寸法は６μ
ｍＸ６μｍであり、コア部と周囲のクラッド層との比屈
折率差は０．７５％である。シリコン基板９上で光導波
路６１と６２は２箇所で近接して方向性結合器６５ａお
よび６５ｂを構成している。

これらの方向性結合器６５ａと６５ｂとを連結する領域
の光導波路６１と６２は曲率半径５ｍｍ程度の曲線形状
を有しており、方向性結合器６５ａと６５ｂとの間でΔ
Ｌ＝１０ｍｍの導波路長差を設定され、全体で非対称形
マツハツエンダ光干渉計回路７０ａを構成している。

同様に、光導波路６１と６３は、方向性結合器６６ａと
６６ｂを含む非対称形マツハツエンダ光干渉計回路７０
ｂを構成し、さらに、光導波路６２と６４は、方向性結
合器６７ａと６７ｂを含む非対称形マツハツエンダ光干
渉計回路７０ｃを構成している。非対称形マツハツエン
ダ光干渉計回路７０ｂと７０ｃにおける２個の方向性結
合器間の導波路長差はΔＬ／２；５ｍｍに設定されてい
る。

上記の３個の非対称形マツハツエンダ光干渉形回路７０
ａ、　７０ｂ、　７０ｃの片側の光導波路上には、それ
ぞれ光導波路の複屈折性制御のための非晶質シリコン（
ａ−Ｓｉ）応力付与膜６８ａ、　６８ｂ、　６８ｃが形
成され、非対称形マツハツエンダ光干渉形回路７０ａ、
　７０ｂ。

７０ｃの他方の光導波路上には、それぞれ耐熱ヒータ６
９ａ、　６９ｂ、　６９ｃが設置されている。

次に、この光周波数多重光合分波器の特性調整方法の手
順の概略を示す。

（１）まず、非晶質シリコン（ａ−３ｉ）応力付与膜６
８ａ６８ｂ、　６８ｃをレーザトリミングして、非対称
形マツハツエンダ光干渉形回路７０ａ、　７０ｂ、　７
０ｃの偏波依存性を解消する（特開昭６４−７７００２
号参照のこと）。

（２）次に、耐熱ヒータ６９ａ、　６９ｂ、　６９ｃを
駆使して、非対称形マツハツエンダ光干渉計回路７０ａ
、　７０ｂ。

７０ｃの導波路長差を微調節して、光周波数間隔Δｆ　
＝ｌＯＧＨｚの４チヤンネルの信号光ｆ、、ｆ２．ｆ、
。

ｆ４に非対称形マツハツエンダ光干渉計回路７０ａ。

７０ｂ、　７０ｃの光周波数応答を同期させる。

第２４図は、上述の非対称形マツハツエンダ光干渉計回
路７０ａ、　７０ｂ、　７０ｃの光周波数応答特性を示
す説明図であり、同図を参照して上記（２）の手順をさ
らに詳細に説明する。第２４図において（ａ−１）は、
上記の手順（１）の完了後の非対称形マツハツエンダ光
干渉計回路７０ａの光周波数応答特性を示し、干渉原理
に基づく正弦波状の光周波数応答の山と谷の間隔は、Δ
Ｌ＝１０ｍｍにより規定されるΔｆ　＝１０ＧＨｚに設
定されているものの、山あるいは谷の絶対光周波数位置
は、導波路屈折率値や導波路長のわずかな揺らぎ等によ
り一定していない。第２３図の光合分波器に正規の動作
を営ませるためには、耐熱ヒータ６９ａの活用により、
その下部の導波路の光路長をサブミクロン以下の精度で
微調節して、本光合分波器の使用温度、例えば２５℃で
、山の位置がｆ、およびｆ３に対応し、谷の位置がｆ２
およびｆ４に対応するように、光周波数応答を光周波数
軸方向にシフトさせ、これにより第２４図の（ｂ−１）
の応答特性を実現する。

同様の手順で耐熱ヒータ６９ｂおよび６９ｃを駆使して
、第２４図の（ａ−２）および（ａ−３）に示した非対
称形マツハツエンダ光干渉計回路７０ｂおよび？０ｃの
光周波数応答特性（周期は２Δｆ　＝　２０ＧＨｚ）を
第２４図の（ｂ−２１および（ｂ−３）のように整列さ
せる。

熱履歴現象を利用した上記の整列操作により、第２３図
の光合分波器には入力ポートロ１ａから入射した光周波
数間隔△ｆ　＝　１ＯＧＨｚの４チヤンネルの信号光ｆ
、、ｆ２．ｆ３．ｆ４を出力ポートロ１ｂ、　６２ｂ、
　６３ｂ。

６４ｂから出射させるという所望の動作を営ませること
ができる。

上記の整列操作は一度遂行設定すればサンプル温度を２
５℃に保持しておく限り、耐熱ヒータ６９ａ。

６９ｂ、　６９ｃへの維持電力は不要であることはもち
ろんである。

上記実施例１Ｏでは４チヤンネル用の光周波数多重光合
分波器について説明したが、同様の構成は、さらに多段
に非対称形マツハツエンダ光干渉計回路を連結した８チ
ヤンネル用や１６チヤンネル用等の光合分波器の作製に
も拡張適用できる。

以上、本発明の構成および作用を石英ガラス基板あるい
はシリコン基板上の石英系ガラス光導波路を例に説明し
たが、熱履歴現象を起こす材料系であれば、石英系ガラ
ス以外の光導波路材料系にも適用できる。また、上記実
施例で取り上げた方向性結合器、偏波ビームスプリッタ
、双安定光スィッチ、波長無依存カブラ、および光周波
数多重光合分波器、以外の多様の光導波回路、例えば、
熱光学型マトリックス光スィッチ、光リング共振器、波
長多重合分波器、各種光フィルタ等の特性調整にも本発
明を適用できる。

（以下余白） ［発明の効果１ 以上説明したように、本発明によれば、光導波路材料の
熱履歴現象を利用することにより、導波路型方向性結合
器の結合率の調節、または光導波路の光路長の調節を行
い、ひいては光集積回路の回路特性の制御を行うことが
できる。

方向性結合器は単体で光分岐・結合器や光合分波器とし
ての利用を期待されているのみならず、複数個の方向性
結合器を単一基板上に集積したより複雑な集積光デバイ
スを構成する上でも必須の要素であり、本発明による方
向性結合器の結合率調整方法は、実用的な光導波回路製
造に多大の貢献をするものである。

また、本発明による光路長の調節方法は、波長無依存カ
ブラや光スィッチ、光周波数多重光合分岐器等の光干渉
原理を用いた集積光デバイスの特性向上や新デバイスの
創出に多いに資するものである。

さらに、熱履歴現象を利用した本発明の特性調整方法４
よ可逆的であり、この事実が特性調整を容易にしている
。

本発明のうちで耐熱ヒータ等による局部加熱の方法は、
デバイスの製作および実装後のデバイスの入出力用光フ
ァイバが取り付けられた状態で実施できるため、製作お
よび実装精度を緩和することができ、歩留まりよ（所望
の特性を有した集積光デバイスを実現することができる
利点もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例として、電気炉を用いた熱
履歴法により結合率調整をする方向性結合器サンプルの
製造工程を説明する模式的断面図、 第２図は本発明の第１実施例において方向性結合器サン
プルの熱履歴法による結合率調整に使用した熱処理炉の
断面構造を示す模式的縦断面図、 第３図は本発明の第１実施例の方向性結合器の結合率の
加熱急冷温度依存性の一例を示す特性図、 第４図は本発明の第１実施例における熱履歴現象を示す
屈折率変化の特性図、 第５図は本発明の第１実施例における方向性結合器の結
合率の別の熱処理条件下での結合率変化例を示す特性図
、 第６図は本発明の第２実施例として、耐熱ヒータを用い
た熱履歴法により結合率と分岐比を調整した導波型４分
枝光回路およびその調整方法を示す斜視図、 第７図は第６図のＡＡ’切断線に沿う拡大断面図、 第８図（ａ）と（ｂ）はそれぞれ本発明の第２実施例に
おける改良型の耐熱ヒータの構造を示す断面図、 第９図（ａ）および（ｂ）は本発明の第３実施例として
シリコン基板上の導波型４分岐光回路における放熱防止
溝を有する耐熱ヒータ付き方向性結合器の要部拡大平面
図、およびそのＡＡ’切断線に沿う断面図、 第１０図は本発明の第４実施例として、分割構造を持つ
耐熱ヒータを用いた熱履歴法により結合率を調節した導
波路型方向性結合器およびその結合率調節方法を示す斜
視図、 第１１図は第１０図のＡＡ’切断線に沿う拡大断面図、 第１２図は本発明の第５実施例として、ＣＯ□レーザを
用いた熱履歴法により結合率が調節された導波路型方向
性結合器およびその結合率調節方法を示す斜視図、 第１３図は本発明の第５実施例においてＣ０２レーザを
用いた熱履歴法の実験結果を示す特性図、第１４図は本
発明の第６実施例として、耐熱ヒータを用いた熱履歴法
により光路長が調節された光導波路およびその光路長調
整方法を示す斜視図、 第１５図は第１４図のＡＡ’　切断線に沿う拡大断面図
、 第１６図は本発明の第７実施例として、導波路型偏波ビ
ームスプリッタおよびその特性調節方法を示す斜視図、 第１７図は第１６図のＡＡ’切断線に沿う拡大断面図、 第１８図は本発明の第７実施例のａ−３ｉ応力付与膜の
トリミングに用いるモニター用システムの構成を示す模
式図、 第１９図は本発明の第８実施例として、導波型波長無依
存カブラおよびその特性調節方法を示す平面図、 第２０図は第１９図のＡＡ’切断線に沿う拡大断面図、 第２１図は本発明の第８実施例における耐熱ヒ〜りによ
る熱履歴法での結合率調整の実験結果を示す特性図、 第２２図は本発明の第９実施例として、双安定光スィッ
チおよびその特性調整方法を示す斜視図、 第２３図は本発明の第１０実施例として、光周波数多重
光合分波器およびその特性調整方法を示す平面図、 第２４図は本発明の第１０実施例において、耐熱ヒータ
を用いた熱履歴法により光周波数応答特性を調整する方
法を説明する波形図、 第２５図は従来の光導波回路としての方向性結合器の構
造を示す斜視図、 第２６図は第２５図のＡＡ’切断線に沿う拡大断面図、 第２７図は従来の光導波回路としての導波型偏波ビーム
スプリッタの構造を示す斜視図、第２８図は第２７図の
ＡＡ’切断線に沿う拡大断面図、 第２９図は第２７図の導波路型偏波ビームスプリッタの
特性を示す特性図である。 １．２・・・単一モード光導波路（コア部）、ｌａ、　
２ａ・・・入力ボート、 ｌｂ、　２ｂ・・・出力ボート、 ｌａ’、２ａ’、ｌｂ’、２ｂ’　−・・入出力光ファ
イバ５５．６・・・導波路型方向性結合器、 ７・・・上部クラッドガラス層、 ７ａ・・・上部クラッド用ガラス微粒子層、８・・・下
部タララドガラス層、 ８ａ・・・下部クラッド用ガラス微粒子層。 ９・・・シリコン基板、 ９ａ・・・石英ガラス基板、 １０・・・薄膜ヒータ移相器、 １０ａ、１０ｂ　−耐熱ヒータ。 １１・・・ａ−５ｉ応力付与膜。 １２・・・加熱用ＣＯ□レーザビーム、１３、１３′・
・・加熱急冷を行って熱履歴現象が起きた領域、 １４・・・銅ブロック、 １５・・・耐熱ヒータ、 １６・・・放熱防止用溝、 １６ａ・・・シリコン結晶支持細柱、 ２１・・・未トリミングａ−３ｉ応力付与膜、２２・・
・トリミング済みａ−３ｉ応力付与膜、２３・・・偏波
保持ファイバカブラ、 ２４・・・偏波保持ファイバ、 ２５、２７・・・ｆ、Ｈｚに同期したロックインアンプ
（バンドパスフィルタ）、 ２６、２８・・・ｆａＨｚに同期したロックインアンプ
（バンドフィルタ）、 ２９、３０・・・光電変換素子、 ３１・・・導波路型偏波ビームスプリッタ、４０・・・
コアガラス層、 ４０ａ・・・コア層用ガラス微粒子層、４１・・・炉芯
管、 ４１ａ・・・冷却室、 ４１ｂ・・・サンプル取り出し扉、 ４２・・・発熱体、 ４３・・・サンプル保持台、 ４３ａ・・・サンプル保持台昇降装置、４４・・・被熱
処理サンプル、 ４５・・・断熱装置、 ５１、５２．５３．５４・・・単一モード光導波路（コ
ア部）、 ５１ａ・・・人力ボート、 ５１ｂ、　５２ｂ、　５３ｂ、　５４ｂ・・・出力ボー
ト、５１ａ′、　５１ｂ’　、　５２ｂ’　、　５３ｂ
’　、　５４ｂ’　−入出力光ファイバ、 ５５ａ、５５ｂ、５５ｃ　＝一方向性結合器、５６ａ、
５６ｂ、５６ｃ　・−・耐熱ヒータ、５７・・・保護層
、 ５８・・・下部保護層、 ６１．６２，６３．６４・・・単一モード光導波路、６
１ａ・・・入力ボート、 ６１ｂ、　６２ｂ、　６３ｂ、　６４ｂ・・・、出力ボ
ート、６５ａ、６５ｂ、６６ａ、６６ｂ、６７ａ、６７
ｂ　・一方向性結合器、６８ａ、６８ｂ、６８ｃ　−ａ
−３ｉ応力付与膜、６９ａ、６９ｂ、６９ｃ　−−・耐
熱ヒータ、７０ａ、　７０ｂ、　７０ｃ・・・非対称型
導波型マツハツエンダ光干渉計回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）基板と、該基板上に形成されたクラッド層と、該ク
   ラッド層に埋め込まれたコア部からなる１または２以上
   の光導波路を有する光導波回路の特性を調整する方法で
   あって、前記クラッド層の前記コア部を含む領域の少な
   くとも一ヶ所に熱を加えることにより熱履歴現象を生じ
   させ、前記領域の屈折率を変化させることを特徴とする
   光導波回路の特性調整方法。 ２）前記クラッド層は組成の異なる下部クラッド層およ
   び上部クラッド層とからなり、前記コア部は上部クラッ
   ド層に埋め込まれ、前記コア部を含む上部クラッド層お
   よび下部クラッド層全体に熱を加えることにより、前記
   上部クラッド層の前記コア部を含む領域に熱履歴現象を
   生じさせ、前記領域の屈折率を変化させることを特徴と
   する請求項１に記載の光導波回路の特性調整方法。 ３）前記コア部を含むクラッド層の表面に熱を加えるこ
   とにより、前記クラッド層表面近傍の前記コア部を含む
   領域の少なくとも一ヶ所に熱履歴現象を生じさせ、前記
   領域の屈折率を変化させることを特徴とする請求項１に
   記載の光導波回路の特性調整方法。 ４）前記光導波回路は、２以上の光導波路が少なくとも
   一ヶ所で近接して配置された方向性結合器を有し、該方
   向性結合器の結合部に熱を加えることにより熱履歴現象
   を生じさせ、前記領域の屈折率を変化させ、前記方向性
   結合器の結合率を調整することを特徴とする請求項１、
   ２または３に記載の光導波回路の特性調整方法。 ５）前記領域の屈折率を変化させることにより光路長を
   調整することを特徴とする請求項１、２または３に記載
   の光導波回路の特性調整方法。 ６）エネルギービームを照射することにより熱を加え、
   熱履歴現象を生じさせることを特徴とする請求項１、２
   、３、４または５に記載の光導波回路の特性調整方法。 ７）１または複数個の耐熱ヒータにより熱を加え、熱履
   歴現象を生じさせることを特徴とする請求項１、２、３
   、４または５に記載の光導波回路の特性調整方法。 ８）基板と該基板上に形成されたクラッド層と、該クラ
   ッド層に埋め込まれたコア部からなる１または２以上の
   光導波路とを有する光導波回路であって、前記クラッド
   層の前記コア部を含む領域の少なくとも一ヶ所に熱履歴
   現象による屈折率の変化領域を有することを特徴とする
   光導波回路。 ９）前記クラッド層が上部クラッド層と下部クラッド層
   とからなり、該上部クラッド層は該下部クラッド層に比
   べて多量のドーパントを含むことを特徴とする請求項８
   に記載の光導波回路。 １０）前記領域に熱履歴現象を生じさせるための１また
   は複数個の耐熱ヒータを有することを特徴とする請求項
   ８または９に記載の光導波回路。