JPH04113302A - 導波型光回路およびその製造方法 - 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導波型光回路お
よびその製造方法に関するものであり、さらに詳細には
、光導波路の複屈折性を調節することにより所望の偏波
依存性あるいは偏波無依存性をもつ導波型光回路および
その製造方法に関するものである。

［従来の技術１ 光通信や光信号処理分野では、各種の光回路部品が必要
とされている。光回路部品は、その形態により、１）バ
ルク型、２）ファイバ型、３）導波型に大別することが
できる。

バルク型は、マイクロレンズやプリズム、干渉膜フィル
タ等を組み合わせて構成するものであるが、組み立て調
整に長時間を要することや価格やサイズの点に問題を残
している。

ファイバ型は、光フアイバ自身を構成材料として研磨や
融着・延伸工程を経て構成されるものであり、比較的小
形に構成できる利点はあるものの、生産性や規模拡張性
に欠ける等の問題がある。

これらに対して、導波型は、フォトリソグラフィ工程に
より、平面基板上に一括大量生産できる利点があり、再
現性や小型集積可能性等の点で将来型の光回路部品とし
て注目されている。

導波型光回路は、平面基板上に形成された光導波路を基
本として構成される。一般に、平面基板上の光導波路は
、基板面に垂直な偏光（ＴＭモード）の屈折率ｎＴＭと
基板面に水平な偏光（狂モードの屈折率ｎＴＥが僅かに
異なる複屈折性を呈しており、導波型光回路の多くにお
いては、所望の偏波特性を実現するために、この複屈折
性を高精度に調節することが要求される。

例えば、シリコン基板上に作製可能な石英系光導波路は
、そのコア部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〜ＩＯμｍ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
集積光回路の実現手段として期待されているが、シリコ
ン基板と石英系ガラスとの熱膨張係数差を反映して、４
　Ｘ　１０−’程度の複屈折値Ｂ・（＋１ｔＭ−Ｔ＋＋
）を示す。偏波依存性の無い導波型光回路、あるいは場
合によっては、所望の偏波依存性のある導波型光回路を
実現するために、従来から上記の石英系先導波路の複屈
折を調整し得る導波型光回路構成が特願昭６３−１１６
９３８号において提案されている。

第４図（ａ）および（ｂ）は、かかる従来の導波型光回
路の一例としての石英系導波型光リング共振器の、それ
ぞれ平面図およびこの平面図のＡＡ’線に沿った拡大断
面図である。ここで、１はシリコン基板、２はシリコン
基板上に石英系ガラスクラッド層１ｂに埋設されるよう
形成されたリング状先導波路部（コア部）、３および４
は、それぞれ人力光導波路（コア部）および出力光導波
路（コア部）である。リング状光導波路２と入出力光導
波路３，４とはそれぞれ結合率５〜２０％程度の方向性
結合器５ａおよび５ｂにより光結合されている。

リング状光導波路２に沿ったクラット層１１〕上にば、
熱光学効果移相器としての薄膜ヒータ６か設置されてい
る。リング状光導波路２に沿っては、さらに応力付与膜
７が装荷され、その一部分が、本リング共振器の光共振
特性が７Ｍ偏光とＴＥ偏光で一致するようにトリミング
されている。

第４図（ａ）において、入力ボート３ａから入力光導波
路３に入射した信号光の一部は、方向性結合器５ａを経
由してリング状光導波路２に導かれる。

リング−周の光路長が、信号光波長の整数倍に一致する
と共振現象が起こり、方向性結合器５ｂを経由して、出
力光導波路４の出力ボート４ａから共振波長信号光が取
り出される。ここで、共振条件は、薄膜ヒータ移相器６
に通電して、石英系ガラスの屈折率の温度依存性を利用
してリングの実効的光周長を微調することにより制御可
能である。

シリコン基板１上の石英系光導波路からなるリング状光
導波路２は、上述した複屈折性により光周長が７Ｍ偏光
と丁Ｅ偏光とで僅かに異なり、　Ｒ９に７Ｍ偏光の共振
条件とＴＥ偏光の共振条件が一致しないので、リング共
振器は一般には偏波依存性を示すが、第４図の従来例で
は、応力付与膜７の装荷とそのトリミングによりかかる
偏波依存性を解消しているのである。すなわち、第４図
（ｂ）のごとくリング状光導波路２の上部のクラッド層
１ｂ上に装荷された応力付与膜６は、その下部に位置す
るリング状光導波路コア部２に応力を及ぼし、基板１か
らこのコア部２に及ぼされている応力の一部を補償し、
この、光導波路２が被っている応力誘起複屈折値を調節
する作用をもっている。必要に応じて応力付与膜７の一
部をレーザビーム照射によりトリミングして複屈折値を
微調節することができる。この応力付与膜７による複屈
折調節方法については、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　第１８巻　第　
１２号（１９８９）［）［）、　６８１−６８６）に開
示されているところである。

［発明が解決しようとする課題］ 上記の応力付与膜を備えた導波型リング共振器の構成に
おいては、なるほど偏波依存性を解消した共振器を提供
できるが、実際上は、次のような問題点があった。すな
わち、従来の複屈折制御可能な導波型光回路とその製造
方法では、応力付与膜の形成に、エツチング加工や膜堆
積等の煩雑な付加プロセスを必要とし、集積光回路の製
造工程が複雑になる問題点を抱えていた。

そこで、本発明の目的は、従来技術の上記の欠点を解消
して光導波路のより簡便な複屈折制御が可能な導波型光
回路およびその製造方法を提供し、導波型光回路に所望
の偏波依存性を付与したり、逆に偏波依存性の無い導波
型光回路を提供できるようにすることにある。

１課題を解決するための手段１ このような目的を達成するために、本発明導波型光回路
は、基板上に単一モード光導波路を配置してなる導波型
光回路において、前記単一モード光導波路は、前記基板
上のクラッド層と、該クラッド層に埋設されて光伝搬作
用をもつコア部とを有し、前記基板の表面のうち、前記
コア部の近傍の基板表面にレーザ光照射により変成され
た領域を設け、この変成領域の形状および分布により前
記基板から前記コア部に作用する応力を非可逆的に変化
させて前記単一モード光導波路の応力複屈折値を調節す
るように構成したことを特徴とする。

ここで、前記基板はシリコン基板であり、前記単一モー
ド光導波路は、５ｉ０２を主成分とする石英系光導波路
であるを可とする。

本発明製造方法は、基板上に単一モード光導波路を配置
してなる導波型光回路の製造方法において、前記基板上
にクラッド層に埋設され、光伝搬作用をもつコア部を含
む単一モード光導波路を形成する工程と、前記基板の所
望部分をレーザ照射により変成し、前記基板が前記コア
部に及ぼす応力を非可逆的に変化させて、前記単一モー
ド光導波路の応力複屈折値を調節する工程とを具えたこ
とを特徴とする。

［作　用］ 本発明では、複屈折制御のために、光導波路コア部近傍
の基板をレーザビーム照射により変成し、これにより基
板から光導波路コア部に及ぼす応力を非可逆的に変化さ
せることによって、従来の技術とは異なり、特別な応力
解放溝や応力付与膜を設けることなく、レーザトリミン
グによって基板を変成させるのみで、光導波路の複屈折
値を調節でき、従って、特別な応力付与膜等を必要とし
ないので、簡便な偏波特性制御が可能である。

［実施例１ 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

第１図（ａ）および（ｂ）は本発明の導波型光回路の一
実施例としての導波型リング共振器の構成を示す、それ
ぞれ、平面図およびこの平面図のＡＡ’線に沿った拡大
断面図である。

第１図（ａ）および（ｂ）において、シリコン基板１上
のクラッド層１ｂは厚さ５０μｍ程度の８１０２系ガラ
ス、リング状光導波路２および入出力光導波路３４のコ
ア部は、クラッド層１ｂに埋設されてなる断面寸法６μ
ｍＸ６μｍのＳｉＯ□−ＧｅＯ３系ガラスである。直径
１３闘程度のリング状光導波路２の上部には、第４図（
ａ）および（ｂ）に示した従来例と同様に、薄膜ヒータ
移相器６が設置されているが、本発明では、従来例と異
なり、応力付与膜は装荷されていない点が特徴的である
。応力付与膜の代わりに、本実施例では、リング状光導
波路２の下部においてシリコン基板１の表面近傍に基板
変成領域１１を設け、この変成領域１１の形状や分布を
適切に定めることによりリング状光導波路２の複屈折値
を調節し、所望の偏波無依存リング共振特性を達成して
いる。

ここで、変成領域】１は、クラッド層１ｂを透過して基
板１の上方からエネルギー密度の高いレーザビームを照
射することにより基板１の表面の所望部分に変成を引き
起こさせて形成した領域である。この変成領域１１では
、シリコン基板の結晶性がレーザビーム照射により破壊
され、未変成の基板領域と異なる材料状態となり、周囲
に応力分布変化を引き起こすことを本発明者らは見い出
した。応力分布変化の結果として、変成領域上部の光導
波路コア部が被る応力誘起複屈折値か変化し、所望の複
屈折調整を従来例の応力付与膜を用いることなく達成で
きるのである。

次に本発明の導波型光回路の製造工程の一実施例につい
て、上記のリング共振器の場合を例にとって詳細に説明
する。

まず、リング共振器の本体となる石英系光導波路は、火
炎加水分解反応によるガラス膜の堆積と反応性イオンエ
ツチングによる微細加工との公知の組合せにより形成し
た。すなわち、まず、シリコン基板１上に３１０２系ガ
ラスからなる下部クラッド層と５ｉＯ３−ＧｅＯ３系ガ
ラスからなるコア層を順次に堆積した。この堆積には、
四塩化シリコン等のガラス形成原料ガスの火炎加水分解
反応を利用した火炎堆積法を用いた。次にコア層のうち
不要部分を反応性イオンエッヂングを用いたフォトリソ
グラフイエ程により除去し、所望の光導波路コア］　］ 部パターンを残した。続いて、コア部パターンを埋め込
むように上部クラッド層を再び火炎加水分解反応堆積法
により形成した。下部クラッド層と上部クラッド層との
合計厚さは５０μｍ程度であり、コア部の断面寸法は６
μｍＸ６ｇｍであり、コア・クラッド間の比屈折率差△
は０．７５％とした。

このようにして形成された直径１３ｍｍのリング状光導
波路２の上部に幅５０μｍ、長さ１０μｍの薄膜ヒータ
６をＮｉおよびＣｒを蒸着源とする真空蒸着法により形
成して移相器とした。

第２図は、リング状光導波路２の下部のシリコン基板１
の所望部分に変成を生じさせて変成領域１１を形成する
ために本発明で用いたレーザトリミング装置の説明図で
ある。ここで、２１は、シリコン基板１上の導波型光リ
ング共振器試料であり、２２ばＸＹ移動台、２３はＹＡ
Ｇ　レーザ光源、２４はレーザビームである。

ＹＡＧ　レーザ光源２３からのレーザビーム２４は、リ
ング状先導波路２に沿って照射される。シリコン基板１
のうちレーザビーム２４により照射された部分はレーザ
加熱作用により瞬間的に高温となり、変成が進行する。

そこで、ＸＹ移動台２２を駆動しつつレーザビーム２４
の照射を続けることにより変成領域１１を形成した。こ
こで、用いたＹＡＧレーザば、顕微鏡搭載型Ｑスイッチ
ＹＡＧレーザ光源Ｌ−１，１Ａ　（ＨＯＹＡ株式会社製
）であり、倍率５０倍の長焦点レンズを経由してシリコ
ン基板１面に照射した。変成領域１］の幅が３０μｍ程
度になるように、レーザ光源２３に備えイ」けのアイリ
スを調整した。

レーザビーム照射と同時に、入力ファイバ３ｂを経由し
て、試料２１に波長１．５５μｍのチューナプルＤＦＢ
半導体レーザ光を診断光として導入し、出力ファイバ４
ｂを経て取り出される信号光の共振波長特性をモニタし
た。

レーザビーム２４の照射前の段階では、リング状光導波
路２の複屈折性を反映して、共振波長特性においては、
ＴＥ偏光とＴＭ偏光の共振ピークは一致していない。レ
ーザビーム２４の照射によってシリコン基板１の変成が
進むと、やがてＴＥ偏光と７Ｍ偏光の共振ピークが近づ
き始める。共振ピークが波長軸上で完全に重なったとこ
ろでレーザビーム２４の照射を中止することにより、リ
ング共振器の偏波依存性を完全に除去できた。最終的な
変成領域１１の長さは、試料の初期状態に依存するが、
概ね数ｍｍ長程度であった。

ＹＡＧレーザ光源２３の発振波長は１．０６μｍである
ので、石英系ガラスからなる光導波路２の領域で吸収さ
れることはな（、シリコン基板１のみに効率的に吸収さ
れる。本実施例で用いたＹＡＧレーザ光源２３の本体の
光出力は９ｍＪ／パルス、パルス幅は８ｎｓｅｃ　、ピ
ークパワーは１．ＩＭＷであるが、レーザ光強度が強す
ぎるとシリコン基板１の変成が急激に進み過ぎて、光導
波路コア部２にまで損傷を与える恐れがあるので、レー
ザビーム２４の照射に当たっては、アイリスやアテニュ
エータの調節によリレーザ光強度を必要最小限にとどめ
てお（ことが肝要である。

第３図（ａ）および（ｂ）は、本発明におけるレーザビ
ーム照射部の変成領域の様子を示す断面図である。第３
図（ａ）は、コア部２の直下部分にレーザビーム２４を
照射した場合であり、ビーム直径１０μｍのレーザビー
ム２４を３回スキャンして幅３０μｍの変成領域１１を
形成している。このようにコア部２の直下に変成領域を
設けた場合には、ＴＥ偏光の共振ピークが波長軸上を移
動する傾向が見られた。

第３図（ｂ）はコア部２の近傍の両側にレーザビーム２
４を照射した場合である。ビーム直径１０μｍのレーザ
ビーム２４をそれぞれ１回ずつスキャンして変成領域１
１ａとｌｌｂを形成した。第３図（ｂ）の場合には逆に
７Ｍ偏光が波長軸上を移動する傾向が見られた。

このように変成を施すことにより、光導波路２の複屈折
値は、第３図（ａ）の場合にはＩ　Ｘ　１０−’程度変
化し、第３図（ｂ）の場合には０．５　Ｘｌ０−’程度
変化することが認められた。いずれにしても、共振波長
特性をモニタしつつレーザトリミングすることにより所
望の偏波無依存共振特性を達成できた。

以上の実施例では、本発明の対象とする光回路の一例と
してリング共振器の場合を取り上げたが、本発明はこれ
に限定されるものではな（、マツハツエンダ光干渉計型
の光周波数多重フィルタの偏波無依存化や、あるいは逆
に導波型偏波ビームスプリッタを構成する場合にも適用
できる。

また、対象とする導波路系もシリコン基板上の石英系光
導波路に必ずしも限定されるものではな（、多成分系ガ
ラス光導波路等にも適用できる。

要は、基板から応力複屈折を受けている光導波路であり
、基板がレーザビームを吸収し変成を受ける組みあわせ
であれば、本発明の対象範囲内である。

［発明の効果１ 以上説明したように、本発明では、光導波路コア部近傍
の基板をレーザビーム照射により変成して応力状態を変
化させ、光導波路の応力誘起複屈折値を変化させ、これ
によって導波型光回路の偏波特性を正確に制御すること
ができる。本発明では、レーザトリミングによって基板
そのものの応力状態を変化させており、特別な応力付与
膜等を必要としないので、簡便な偏波特性制御が可能で
ある。

本発明は、偏波特性が重要な役割を果たす光通信用や光
センサ用、光信号処理用などの導波型光回路を精度良く
構成するのに極めて有効である。

本発明によれば、複屈折値を正確に設定できるので、光
波をマイクロ波のように扱うコヒーレント光通信用集積
光デバイスの提供等に特に大きな役割を果たすと期待さ
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）および（ｂｌは、本発明の導波型光回路の
一実施例である導波型リング共振器を示す、それぞれ、
平面図およびこの平面図の線分ＡＡ′　に沿った拡大断
面図、 第２図は、本発明の導波型光回路の製造方法を用いたレ
ーザトリミング装置の概略構成を示す斜視図、 第３図（ａ）および（ｂ）は、本発明におけるシー４１
ｆ、久幽午面 ザビーム照射の２例の様子を示すｖｍ砿大図、第４図（
ａ）および（ｂ）は、従来の導波型光回路例としての応
力付与膜付きリング共振器を示す、それぞれ、平面図お
よびこの平面図の線分ＡＡ′　に沿った拡大断面図であ
る。 ７・・・応力付与膜、 １１、　ｌｌａ、　１ｌｂ−変成領域、２１・・・導波
型光回路試料、 ２２・・・ＸＹ移動台、 ２３・・・ＹＡＧレーザ光源、 ２４・・・レーザビーム。 １・・・シリコン基板、 １ｂ・・・クラッド層、 ２・・・リング状光導波路、 ３・・・入力光導波路、 ４・・・出力光導波路、 ３ａ・・・入力ボート、 ４ａ・・・出力ボート、 ３ｂ・・・人力光ファイバ、 ４ｂ・・・出力光ファイバ、 ５ａ、　５ｂ・・・方向性結合器、 ６・・・薄膜ヒータ移相器、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）基板上に単一モード光導波路を配置してなる導波型
   光回路において、 前記単一モード光導波路は、前記基板上のクラッド層と
   、該クラッド層に埋設されて光伝搬作用をもつコア部と
   を有し、前記基板の表面のうち、前記コア部の近傍の基
   板表面にレーザ光照射により変成された領域を設け、こ
   の変成領域の形状および分布により前記基板から前記コ
   ア部に作用する応力を非可逆的に変化させて前記単一モ
   ード光導波路の応力複屈折値を調節するように構成した
   ことを特徴とする導波型光回路。 ２）前記基板はシリコン基板であり、前記単一モード光
   導波路は、ＳｉＯ＿２を主成分とする石英系光導波路で
   あることを特徴とする請求項１に記載の導波型光回路。 ３）基板上に単一モード光導波路を配置してなる導波型
   光回路の製造方法において、前記基板上にクラッド層に
   埋設され、光伝搬作用をもつコア部を含む単一モード光
   導波路を形成する工程と、前記基板の所望部分をレーザ
   照射により変成し、前記基板が前記コア部に及ぼす応力
   を非可逆的に変化させて、前記単一モード光導波路の応
   力複屈折値を調節する工程と を具えたことを特徴とする導波型光回路の製造方法。