JPH10227930A - 温度無依存光導波路およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従って、本発明の目的は、温度制御装置を必
要としない信頼性の高い温度無依存光導波路およびその
製造方法を提供すること。 【解決手段】 シリコン基板１上に下部クラッド２を設
け、この下部クラッド２上にコア３，３をアーム状に設
け、これらのコア３，３を上部側クラッド４で覆い、一
方のアーム導波路のコア３をその長さ方向の一部分にお
いて上部クラッド４をエッチングにより削って溝を形成
し、露出したコア３の上面に上側部クラッドの上面に達
するまで充填材５を設け、充填材５の上面にアルミニウ
ム蒸着膜１１を設ける。コア３，３の両端部は、同じく
基板上に設けられた入射ポート９と出射ポート１０に３
ｄＢカップラを介してそれぞれ接続している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、オプトエレクトロ
ニクス分野、光通信分野において使用される光導波路型
フィルターなどの平面光波回路において、光導波路その
ものが温度補償効果を有する光導波路およびその製造方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】シリコン（Ｓｉ）に代表される基板上に
設けられた、コア・クラッド構造を持つ光導波路（ＰＬ
Ｃ：Ｐｌａｎｅｒ ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉ
ｔ）は、次世代の光通信、光コンピューティングを支え
る基本技術の一つである。

【０００３】このＰＬＣは複数の光導波路を組み合わせ
て、平面上に光導波路を構成したものである。これらの
回路として、３ｄＢカップラ，ＭＺ型光スイッチ，アレ
イ導波路格子型の波長合分波器、ＭＺ型波長フィルタ
ー、グレーティング型波長フィルター、リング共振器な
ど、多種類に及ぶ。これらの光素子をさらに数多く混載
したプログラマブル波長フィルター、ループバック形ア
レイ導波路格子回路、光分散等化器などの多数の波長を
扱える複雑で規模の大きいＰＬＣが現在開発されようと
している。

【０００４】これらの複雑な規模の大きなＰＬＣでも基
本は光導波路であり、その構造は数μｍのコァとそのま
わりに低い屈折率を持つクラッド構造が存在するもので
ある。屈折率の差は０．３〜１％程度のものが多い。こ
の光導波路を光がシングルモードで伝搬する場合、コア
とクラッドを一体としてみるような実効的な屈折率が存
在する。ＰＬＣは通常、石英ガラスでできているため
に、コア、クラッドとともに石英ガラスで構成された光
導披路の実効屈折率は石英ガラスの実際の屈折率の温度
依存性の影響を受けて、変化することがすでに知られて
いる。一般にガラスや半導体は正の屈折率の温度依存
性、すなわち、△ｎ／△Ｔ＞０（ここで、ｎは屈折率、
Ｔは温度である。）を持っている。

【０００５】そのために石英ガラスでコア、クラッドが
形成されている光導波路の実効屈折率も正の温度依存性
を持つことになる。例えば、このガラス導波路で非対称
マッハツェンダー回路による波長フィルターを作製した
場合、２本の非対称アーム導波路の長さの差分、△Ｌの
導波路の実効屈折率の温度依存性によりフィルタリング
波長がシフトすることになる。この波長は１．５５μｍ
波長域のバンドパスフィルターで０．０１ｎｍ／℃と大
きな値になる。従って、ペルチェ素子による厳密な温度
制御による動作が必要であった。

【０００６】これを避けるために、米川ら（電子情報通
信学会エレクトロニクスソサイェティ大会Ｃ−１６６，
１９９６年）はストリップ装荷型光導波路で装荷層に負
の屈折率温度係数を持つポリメチルメタクリレート（Ｐ
ＭＭＡ）を用い、負の実効屈折率と基板の正の熱膨張に
よって、実効的に導波路の光路長温度係数を零にした温
度無依存光導波路を報告している。その結果、温度幅６
℃と極めて狭い温度範囲ながら０．０００７ｎｍ／℃と
いう温度変動の少ない開放型リング共振器を得ている。

【０００７】また、田野部ら（電気情報通信学会春期総
合大会Ｃ−２５１ １９９６年）は半導体による非対称
マッハッェンダー回路を用いた波長フィルターで２本の
非対称アーム導波路の短い方にのみ実効屈折率の温度係
数のより大きな半導体材料を用いることで、両アーム導
波路の光路長温度係数を同じにして、波長の温度依存性
を零にしている。この原理に基づいて、ＩｎＧａＡｓＰ
／ＩｎＰ系半導体による非対称マッハツェンダー干渉回
路による１．５５μｍの波長フィルターを作製し、波長
の温度依存性として、０．０１ｎｍ／℃の値を得てい
る。通常の方法で作製された半導体波長フィルターでは
波長の温度依存性は０．１ｎｍ／℃であるので１０倍程
度温度特性が改善されたことになる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】導波路の温度無依存化
を図らない従来の光導波路では、実効屈折率が環境温度
によって変化するために、波長フィルターの温度による
波長シフトを押さえるためには、ぺルチェ素子などの温
度制御装置を組み込んだ方法に頼らざるを得なかった。
この方法は、装置の大型化および電力の継続的な消費、
さらにこれによる信頼性の低下などの多くの欠点があっ
た。

【０００９】半導体の光導波路を利用した波長フィルタ
ーでは屈折率の温度係数の異なる２つの材料を非対称な
アーム導波路として用いることでフィルター波長の温度
依存性の低減化に成功したが、ガラスの光導波路では既
存の製造技術では実現が困難であるという欠点がある。

【００１０】一方、ガラス導波路では導波路自体の光路
長温度係数を実効的に零にして、温度依存性をなくそう
とした試みがあるが、この報告で用いられている誘電体
装荷型の光導波路は導波路部分とクラッド部の屈折率差
を大きくすることが困難であり分岐や曲がりを合む実用
的な二次元光導波路の構成には適していないという欠点
があった。本発明にもっとも近い従来の技術として、誘
電体装荷型の光導波路による導波路自体の光路長の温度
依存性を無くする方法があった。しかし、ここで示され
た光導波路の構造は、誘電体装荷型であり、開放型であ
るために伝搬損失が安定しないことや曲げ損失が大きい
ことなどにより実用的な導波路として適さない。また、
厚さ１μｍ程度で幅の細い高分子フィルム（幅３〜４μ
ｍ）がガラス平面板に張り付いているだけなので極めて
不安定な状態であり、実際に温度を高温（例えば１００
℃前後）にした場合、このフィルムが外れて、温度無依
存化以前に光導波路としての用を足さなくなるという欠
点がある。

【００１１】従って、本発明の目的は、温度制御装置を
必要としない信頼性の高い温度無依存光導波路およびそ
の製造方法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、基板上に形成
された石英系のコア，クラッド構造を有する完全埋め込
み型光導波路において、コアの一面あるいは三面に近
接、あるいは接する部分に負の屈折率温度係数を有し、
かつ伝搬する光に対して透明性の高い有機物質をクラッ
ドとして用いることをもっとも主要な特徴とする。

【００１３】すなわち、請求項１に記載の温度無依存光
導波路は、基板上に形成された石英系のコア、クラッド
構造を有する完全埋め込み型光導波路において、前記ク
ラッドの少なくとも一部に、前記コアに接するように配
された負の屈折率温度係数を有する物質を設けたことを
特徴とする。

【００１４】請求項２に記載の温度無依存光導波路は、
請求項１において、前記負の屈折率温度係数を有する物
質が、前記コアの上部面の一つの面の少なくとも一部に
接していることを特徴とする。

【００１５】請求項３に記載の温度無依存光導波路は、
請求項１において、前記負の屈折率温度係数を有する物
質が、前記コアの上部面と側部面の３つの面の少なくと
も一部に接していることを特徴とする。

【００１６】請求項４に記載の温度無依存光導波路は、
請求項１において、前記負の屈折率温度係数を有する物
質が、前記コアの上部に形成された、前記物質の温度係
数および導波路長に応じて設定された長さを持つ溝内に
埋め込まれていることを特徴とする。

【００１７】請求項５に記載の温度無依存光導波路は、
請求項１において、前記負の屈折率温度係数を有する物
質が、フッ素化ポリメチルメタクリレート、フッ素化ポ
リカーボネート、ポリスチレン、ゴム状ＥＶＡ樹脂、シ
ロキサンゲル、ポリシロキサン、ジエチレングリコール
ビス、アクリルカーボネート、ポリ塩化ビニル、ポリ
（４−メチルペンテン−１）、メチルメタクリレート／
スチレン共重合体、およびアクリロニトリル／スチレン
共重合体から選ばれる少なくとも一種の有機化合物であ
ることを特徴とする。

【００１８】請求項６に記載の温度無依存光導波路は、
基板上に形成された石英系のコア、クラッド構造を有す
る完全埋め込み型光導波路において、前記クラッドは、
前記コアに接する部分に配された石英ガラスクラッド
と、該石英ガラスクラッドの少なくとも一部の外側に配
された負の屈折率温度係数を有する物質とを備えること
を特徴とする。

【００１９】請求項７に記載の温度無依存光導波路は、
請求項６において、前記負の屈折率温度係数を有する物
質が、前記コアの上部面の一つの面の少なくとも一部に
近接していることを特徴とする。

【００２０】請求項８に記載の温度無依存光導波路は、
請求項６において、前記負の屈折率温度係数を有する物
質が、前記コアの上部面と側部面の３つの面の少なくと
も一部に近接していることを特徴とする。

【００２１】請求項９に記載の温度無依存光導波路は、
請求項６において、前記負の屈折率温度係数を有する物
質が、前記コアの上部に形成された、前記物質の温度係
数および導波路長に応じて設定された長さを持つ溝内に
埋め込まれていることを特徴とする。

【００２２】請求項１０に記載の温度無依存光導波路
は、請求項６において、前記負の屈折率温度係数を有す
る物質が、フッ素化ポリメチルメタクリレート、フッ素
化ポリカーボネート、ポリスチレン、ゴム状ＥＶＡ樹
脂、シロキサンゲル、ポリシロキサン、ジエチレングリ
コールビス、アクリルカーボネート、ポリ塩化ビニル、
ポリ（４−メチルペンテン−１）、フッ素化ポリメチル
メタクリレート、フッ素化ポリカーボネート、ポリスチ
レン、ゴム状ＥＶＡ樹脂、シロキサンゲル、ポリシロキ
サン、ジエチレングリコールビス、アクリルカーボネー
ト、ポリ塩化ビニル、ポリ（４−メチルペンテン−
１）、メチルメタクリレート／スチレン共重合体、およ
びアクリロニトリル／スチレン共重合体から選ばれる少
なくとも一種の有機化合物であることを特徴とする。

【００２３】請求項１１に記載の温度無依存光導波路
は、請求項１〜１０のいずれかにおいて、前記溝に埋め
込まれた前記有機物の上部に金属膜あるいはガラス膜を
備えることを特徴とする。

【００２４】請求項１２に記載の温度無依存光導波路の
製造方法は、基板上に形成されたコア、クラッド構造を
有する完全埋め込み型光導波路を形成し、この光導波路
のコアの一部に対して、コア直上部まで上部クラッドを
エッチングし、該エッチング部に負の屈折率温度係数を
有する充填材を埋め込んで作製することを特徴とする。

【００２５】請求項１３に記載の温度無依存光導波路の
製造方法は、請求項１２において、前記エッチング工程
において、コア上部の石英ガラスクラッドを残すことを
特徴とする。

【００２６】請求項１４に記載の温度無依存光導波路の
製造方法は、基板上に形成された下部クラッドおよびコ
アに上部クラッドを形成する工程において、上部クラッ
ドを形成する前に温度無依存化したい導波路部分に金属
マスクを置き、それ以外の部分を通常の上部クラッドの
膜厚までクラッドを形成させ、しかる後に金属マスクを
置いたことにより溝となった部分に負の屈折率温度係数
を有する充填材で通常の上部クラッドの膜厚までクラッ
ドを形成させることを特徴とする。

【００２７】請求項１５に記載の温度無依存光導波路の
製造方法は、請求項１４において、前記金属マスクを置
いて上部クラッドを形成する工程の前の工程として、最
終のクラッド膜厚よりも少なくとも薄い任意の膜厚の上
側部クラッドを形成することを特徴とする。

【００２８】

【発明の実施の形態】従来の技術の高分子装荷型光導波
路の温度無依存化と異なる点は、本発明では完全埋め込
み型の光導波路を用いることで導波路自体の安定性が改
善されるとともにトレンチ（溝）に有機化合物を埋め込
み、さらに上部からガラスや金属膜による封止が可能な
ために、従来技術に比べて非常に安定性が改善され、十
分に実用に耐えるようになっていることである。

【００２９】光導波路のコア、クラッド材料の屈折率温
度係数が仮に零でかつ膨張係数が零であれば、この光導
波路で構成された非対称マッハツェンダー型の波長フィ
ルターのバンドパス波長は温度によって変化せず、実用
上何ら問題を生じないはずである。しかし、実際にガラ
スで作製された波長フィルターではフィルター波長は
０．０１ｎｍ／℃という温度依存性を、半導体で作製さ
れた波長フィルターでは０．１ｎｍ／℃という温度依存
性をそれぞれ有している。本発明は、このフィルター波
長の温度依存性を低減化し、実用上問題の無い程度にす
るためにクラッドの一部に負の屈折率温度係数を持つ有
機化合物を用いることで正の屈折率温度係数を持つガラ
スの屈折率の温度係数を相殺して、零に近づけようとし
たものである。コアとクラッドの屈折率はそれぞれ異な
るが、伝搬する光からみると一つの実効屈折率が与えら
れる。ほとんどの光がコアを伝搬するので、負の温度係
数を持つクラッドでこの実効屈折率の温度係数を零に近
づけようとした場合、クラッドの負の温度係数はガラス
の温度係数の絶対値の１０倍程度が要求される。石英ガ
ラスの屈折率の温度係数は＋１×１０^-5、有機化合物は
１〜４×１０^-4とおよそ１０倍程度であるため、この組
み合わせは都合がよい。

【００３０】また、これらの光導波路では、有機化合物
とガラスの接着性が問題となるために、接着性に問題の
ある材料は使用できない場合がある。その結果、温度係
数も限定された他のものを使用せざるを得ないことがあ
る。この問題を解決するために、薄いガラスの上部クラ
ッドあるいは上側部クラッドをコアに接して形成し、こ
の厚みを調整して、この薄いガラスの上部クラッド、ま
たは上側部クラッドの上にさらに通常のクラッドの厚さ
まで有機化合物を形成した。上部クラッドあるいは上側
部クラッドの負の屈折率温度係数を持つ有機化合物の温
度係数によらず、この薄いガラスの上部クラッドあるい
は上側部クラッドの厚さを適宜制御することでフィルタ
ー波長の温度依存性をさらに零に近づけることができ
る。

【００３１】

【実施例】

（実施例１）図１は、本発明の第一の実施例を説明する
温度無依存光導波路を長い方のアーム導波路に採用した
非対称マッハツェンダー干渉回路による波長フィルター
を示す構造図であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）はアーム
導波路上の断面線Ｉ−Ｉ′による断面図である。図中、
１はシリコン基板、２は下部クラッド、３はコア、４は
上側部クラッド、５は充填材（上部クラッドを兼ね
る）、６は３ｄＢカップラ、７は長いアーム導波路、８
は短いアーム導波路、９は入射ポート、１０は出射ポー
ト、１１はアルミニウム蒸着膜である。

【００３２】図１に示すように、シリコン基板１上に下
部クラッド２が設けられ、この下部クラッド２上にコア
３，３をアーム状に設け、これらのコア３，３を上部ク
ラッド４で覆い、一方のアーム導波路のコア３をその長
さ方向の一部分において上部クラッド４をエッチングに
より削って溝を形成し、露出したコア３の上面に上側部
クラッドの上面に達するまで充填材５を設け、充填材５
の上面にアルミニウム蒸着膜１１を設けてある。コア
３，３の両端部は、同じく基板上に設けられた入射ポー
ト９と出射ポート１０に３ｄＢカップラを介してそれぞ
れ接続している。

【００３３】作製した波長フィルターは、波長１．５５
μｍの帯域で動作し、コア径６．５μｍ，クラッド２、
４の屈折率１．４４４，コア３の屈折率１．４５５の導
波路で２本の非対称アーム導波路を２つの３ｄＢカップ
ラ６で挟んだ構造を持っている。アーム導波路７、８の
光路長差は８．３ｍｍである。溝は長いアーム導波路に
作製され、導波路に沿って長さ８．３ｍｍ、幅０．２ｍ
ｍとした。アルミニウム蒸着膜１１は充填材の上に長さ
９ｍｍ、幅０．４ｍｍとして形成した。充填材として、
フッ素化されたエポキシ樹脂を用いた。この樹脂の１．
５５μｍでの温度係数は−３×１０^-4である。これ以外
の充填材として、フッ素化ポリメチルメタクリレート、
フッ素化ポリカーボネート、ポリスチレン、ゴム状エチ
レン／酢酸ビニル樹脂（ＥＶＡ樹脂）、シロキサンゲ
ル、ポリシロキサン、ジエチレングリコールビスアクリ
ルカーボネート、ポリ塩化ビニル、ポリ（４−メチルペ
ンテン−１）、ＭＳ樹脂（メチルメタクリテート／スチ
レン共重合体（ＭＭＡ−Ｓｔ樹脂））、ＡＳ樹脂（アク
リロニトリル／スチレン共重合体（ＡＮ−Ｓｔ共重合
体））（表１）を樹脂として用いることができる。

【００３４】

【表１】

【００３５】作製した波長フィルターの動作は、入射ポ
ート９にレーザー光を入射させ、フィルタ波長を出射ポ
ート１０から光ファイバーで取り出して行う。フィルタ
ー波長は１．５５２μｍであり、このフィルター波長の
温度特性を次のようにして調べた。素子全体を温度湿度
を正確に制御できる環境試験器に入れ、波長フィルター
の温度をステップ的に十分に熱平衡状態になるようにし
て少しずつ変化させ、そのフィルター波長のシフトを調
べた。その結果を図２に示した。比較のために同図に温
度無依存導波路をアーム導波路に用いていない波長フィ
ルターのフィルター波長のシフトの温度依存性も示し
た。従来の技術で作製した波長フィルターでは波長シフ
トは０．０１ｎｍ／℃であったが、本実施例ではアーム
導波路の一部を温度無依存光導波路としたために、この
温度依存性がおよそ１０分の１程度に低減化されたこと
がわかった。

【００３６】表１に示したように、充填材の屈折率の温
度係数が異なる場合は、以下のような若干の設計変更を
行うことで、図２と同等の特性が得られるようになっ
た。例えば充填材の屈折率の温度係数がフッ素化エポキ
シ樹脂のそれより大きいシロキサンゲルの場合には、コ
アの上部に厚さ０．５μｍの薄い石英ガラス上部クラッ
ドを設けその上に充填材を入れることで、図５と同じ特
性が得られた。また、充填材の屈折率の温度係数がフッ
素化エポキシ樹脂のそれより小さいポリ（４−メチルペ
ンテン−１）を用いた場合には、コアに直接充填材が接
するようにした構造で充填溝の長さをエポキシ樹脂の場
合に比べて１３ｍｍと長くすることで、図２と同じ特性
が得られた。

【００３７】以上のことから、本発明の波長フィルター
は、従来の波長フィルターのようにそのフィルター波長
を一定に維持するために電力を常時必要とするペルチェ
素子などによる厳しい温度管理をする必要が無く、簡易
な温度制御装置で、あるいは制御装置なしで、その役割
を十分に果たすことができる。

【００３８】（実施例２）図３は温度無依存光導波路を
長い方のアーム導波路に採用した温度無依存波長フィル
ターの製造方法を示した断面図であって、１はシリコン
基板、２は下部クラッド、３はコア、４は上側部クラッ
ド、５は充填材、１１はアルミニウム蒸着膜、１２は溝
である。製造プロセスを順に（Ａ）から（Ｃ）に示し
た。

【００３９】はじめに、（Ａ）のプロセスでは、シリコ
ン基板上１に火炎堆積法により石英ガラススートを堆積
させ、さらに加熱溶融して下部クラッド２（屈折率１．
４４４、波長１．５５μｍ）を厚さ３０μｍに作製し
た。次にわずかに屈折率を大きくしたコア層３（屈折率
１４５５、波長１．５５μｍ）を厚さ６μｍに形成し
た。次に、フォトリソグラフィー法と反応性イオンエッ
チングにより、３ｄＢ方向性結合器を２つ持った非対称
アーム型マッハツェンダー干渉回路を形成するようにコ
アを加工した。このとき、コア幅を７μｍとした。さら
に上側部クラッド４を火炎堆積法で３６μｍの厚さに形
成した。この時点までは従来の波長フィルターの製造方
法と同じである。

【００４０】つぎに、温度無依存波長フィルターにする
ために（Ｂ）のプロセスでは長い方のアーム導波路のア
ーム導波路長差である８．３ｍｍの長さに幅０．１ｍｍ
で導波路のコア直上まで反応性イオンエッチングにより
削り、溝を形成した。この溝の長さを調整することで、
屈折率の温度係数の違う充填材を用いて、実効的に、フ
ィルター波長の温度依存性を最小にするように最適化で
きる。エポキシ樹脂の屈折率の温度係数−３×１０^-4で
は、この溝長を８．３ｍｍにすることで、フィルター波
長の温度依存性を最小にすることができた。もし、充填
材の温度係数が小さければこの溝長を長くすることで、
逆に温度係数が大きい材料であれば短くすることで、フ
ィルター波長の温度係数を最小にすることが可能であ
る。

【００４１】さらに、プロセス（Ｃ）を行うために、こ
の溝を超音波洗浄で十分に洗浄した後に、ここに紫外線
硬化型のエポキシ樹脂を塗布した。続けて、その直上部
から紫外線（水銀キセノンランプ、２００Ｗ）で５分間
照射した後に８０℃で３時間熱処理を行い、エポキシ樹
脂を十分に硬化させた。

【００４２】また、一般に充填材として高分子を用いた
場合、吸湿によりその屈折率が変化することが知られて
いる。そこで、これによるフィルター波長のシフトを避
けるために、ここではさらにエポキシ樹脂の上部から真
空蒸着装置でアルミニウムを３００ｎｍの厚さに蒸着し
た。この膜はスパッタ法などでも形成可能である。この
結果、素子の環境温度を変化させてもフィルター波長は
まったく変化しないことが観測できた。

【００４３】以上のように、従来の作製方法に引き続い
て、溝の作製、充填材（エポキシ樹脂）層の形成、防湿
金属膜の形成と短い工程で製造できるために、従来に比
べて、大きな価格の上昇を伴わずに、温度無依存波長フ
ィルターが作製できるようになった。

【００４４】（実施例３）図４は、本発明の第三の実施
例を説明する温度無依存光導波路を長い方のアーム導波
路に採用した非対称マッハツェンダー干渉回路による波
長フィルターを示す構造図であり、（Ａ）は上面図、
（Ｂ）はアーム導波路上の断面線ＩＩ−ＩＩ′による断
面図である。図中、１はシリコン基板、２は下部クラッ
ド、３はコア、４は上側部クラッド、５は充填材、６は
３ｄＢカップラ、７は長いアーム導波路、８は短いアー
ム導波路、９は入射ポート、１０は出射ポート、１１は
アルミニウム蒸着膜、１３はコアの周りに薄く形成した
石英ガラスの上側部クラッドである。本実施例に従う温
度無依存光導波路の断面構造は実施例１と異なってい
る。本実施例ではコアの上側部の周りに厚さ１μｍの石
英ガラスクラッドが残してあり、この上部が溝になって
いる。

【００４５】作製した波長フィルターは、波長１．５５
μｍの帯域で動作し、コア径６．５μｍ×６．５μｍ，
クラッド２，４の屈折率１．４４４，コア３の屈折率
１．４５５の導波路で２本の非対称アーム導波路７、８
を２つの３ｄＢカップラ６で挟んだ構造を持っている。
アーム導波路７、８の光路長差は８．３ｍｍである。石
英ガラスの薄い上側部クラッド１３をコアに直接接触す
るように設けた。その厚さは１μｍである。溝は長いア
ーム導波路に作製され、導波路に沿って良さ８．３ｍ
ｍ、幅０．２ｍｍとした。アルミニウム蒸着膜１１は充
填材の上に長さ９ｍｍ、幅０．４ｍｍとして形成した。
充填材として、フッ素化されたエポキシ樹脂を用いた。
この樹脂の１．５５μｍでの屈折率の温度係数は−３×
１０^-4である。この充填材の他に表１に示した充填材も
使用できることを確認した。

【００４６】入射ポートに波長可変レーザーを接続し、
フィルター波長を出射ポートからの光をモニターして調
べた。素子全体を温度湿度を正確に制御できる環境試験
器に入れ、波長フィルターの温度をステップ的に十分に
熱平衡状態になるようにして少しずつ変化させ、そのフ
ィルター波長のシフトの温度依存性を調べた。その結果
を図５に示した。実施例１とほぼ同じようにフィルター
波長の温度依存性が小さくなった。

【００４７】表１に示したように、充填材の屈折率の温
度係数が異なる場合は、コアの上側部の周りの薄い石英
ガラスクラッド層１３の厚さを変更することで図５と同
等の特性が得られた。充填材の屈折率の温度係数がフッ
素化エポキシ樹脂のそれよりも大きい場合には、コア周
りの上側部クラッド１３の厚さを１μｍより大きくし
（例えばシロキサンゲルではコア周りの上側部クラッド
１３の厚さを１．２μｍにした）、一方、充填材の屈折
率の温度係数がフッ素化エポキシ樹脂のそれよりも小さ
い場合には、１μｍよりも小さくすること（例えばポリ
（４メチルペンテン−１）の場合はコア周りの上側部ク
ラッド１３の厚さを０．５μｍとした）で図５と同じ特
性が得られた。さらに小さいフッ素化ポリメチルメタク
リレート樹脂の場合には、コアに接する上側部の石英ガ
ラスクラッド１３の厚さを０．２μｍとすることで図５
と同じ特性が得られた。

【００４８】（実施例４）図６は、温度無依存光導波路
を長い方のアーム導波路に採用した温度無依存波長フィ
ルターの製造方法を示した断面図であって、１はシリコ
ン基板、２は下部クラッド、３はコア、４は上側部クラ
ッド、５は充填材、１１はアルミニウム蒸着膜、１２は
溝、１３はコアの周りに薄く形成した石英ガラスの上側
部クラッドである。シリコン基板１の代わりに同等の厚
みを持つ石英ガラス基板を用いても同じ結果が得られて
いる。温度無依存波長フィルターの製造プロセスを順に
（Ａ）から（Ｃ）に示した。

【００４９】はじめに（Ａ）のプロセスでは、シリコン
基板１上に火炎堆積法により石英ガラススートを堆積さ
せ、さらに加熱溶融して下部クラッド２（屈折率１．４
４４、波長１．５５μｍ）を厚さ３０μｍに作製した。
次にわずかに屈折率を大きくしたコア層３（屈折率１４
５５、波長１．５５μｍ）を厚さ６μｍに形成した。次
にフォトリソグラフィー法と反応性イオンエッチングに
より、３ｄＢ方向性結合器を２つ持った非対称アーム型
マッハッェンダ干渉回路を形成するようにコアの加工を
おこなった。この時、コア幅を７μｍとした。この上に
電子ビーム蒸着法により厚さ１μｍの上側部ガラスクラ
ッド１３を形成した。

【００５０】つぎの（Ｂ）のプロセスでは、長い方のア
ーム導波路コア上に沿った長さ８．３ｍｍ、幅２ｍｍ、
厚さ２ｍｍの金属マスク（図示しない）を置き、この状
態で火炎堆積法により石英ガラススートを堆積させた。
金属マスクを取り除き、加熱溶融して上側部クラッド４
を厚さ３０μｍで形成した。金属マスクを置いた部分は
ガラススートが無いために、溝１２として残った。

【００５１】さらに（Ｃ）のプロセスではこの溝１２に
紫外線硬化型のエポキシ樹脂を塗布して、その直上部か
ら紫外線（水銀キセノンランプ、２００Ｗ）を５分間照
射した後に８０℃で３時間熱処理を行い、エポキシ樹脂
を十分に硬化させた。

【００５２】実施例２と同様に吸湿によるエポキシ樹脂
の屈折率が変化することを避けるために、樹脂の上部か
ら真空蒸着装置でアルミニウムを３００ｎｍの厚さに蒸
着した。

【００５３】以上のように、従来の作製方法に、厚さの
薄い上側部クラッドを形成する工程、金属マスクを設置
する工程、エポキシ樹脂を入れ硬化させる工程、樹脂上
に金属蒸着膜を形成する工程を加えるだけで温度無依存
波長フィルターが作製できるようになった。

【００５４】（実施例５）図７は、アレイ導波路格子型
光波長分波器のアレイ導波路に本発明の温度無依存光導
波路を用いた温度無依存光波長分波器の構造を示す上面
図であり、図８は、図７に示すアーム導波路上の断面線
ＩＩＩ−ＩＩＩ′による断面図である。図中、１はシリ
コン基板、２は下部クラッド、３はコア、４は上側部ク
ラッド、５は充填材、９は入射ポート、１０は出射ポー
ト、１１はアルミニウム蒸着膜、１４は第一のスラブ導
波路、１５はアレイ導波路、Ｉ６は第二のスラブ導波路
である。本実施例の場合は、アレイ導波路１５の最短の
光路長をもつ導波路以外の導波路を覆うように一連の充
填材５を実施例１と同様の方法で設けてある。ただし、
ここでは、充填材５は、光路長が増加するにつれてこれ
に覆われる導波路の部分の長さが増加するように、図示
の例では二等辺三角形状に配してある。

【００５５】作製したアレイ導波路格子型の波長合波器
は、波長１．５５μｍの帯域で動作し、コア径７μｍ×
６μｍ，クラッドの屈折率１．４４４，コアの屈折率
１．４５５の導波路で構成され、２個のスラプ導波路で
７０本の長さの異なるアレイ導波路を両側から挟んだ構
造を持っている。チャンネル数は１６チャンネル、チャ
ンネル間隔は２００ＧＨｚ、ＦＳＲ（Ｆｒｅｅ Ｓｐｅ
ｃｔｒｕｍ Ｒａｎｇｅ）は３２００ＧＨｚ、導波路間
光路長差は６３μｍ、最大光路長差は４４１０μｍであ
る。

【００５６】充填材として、フッ素化されたエポキシ樹
脂を用いた。この樹脂の１．５５μｍでの屈折率の温度
係数は−３×１０^-4である。表１に示した樹脂も利用可
能である。

【００５７】一本の入射ポートに波長可変レーザーを接
続し、ある１本の出射ポートからフィルター光をモニタ
ーした。素子全体を温度湿度を正確に制御できる環境試
験器に入れ、温度をステップ的に上昇させ、十分に熱平
衡状態になってからフィルター光の波長を調べた。その
観測結果を図９に示した。比較のために、同図に、温度
無依存導波路をアーム導波路に用いていない時のデータ
を示した。温度無依存光導波路を用いたことによって、
その温度依存性はおよそ１０分の１以下に改善されたこ
とがわかった。このことで、従来の素子で必要であった
温度制御装置が不要に、あるいは簡易な温度制御で済む
ようになり、信頼性の改善、システム価格の低減に寄与
できる。

【００５８】なお、本実施例１〜５では、アルミニウム
蒸着膜を湿度、酸素などの影響を避けるために用いた
が、アルミニウム蒸着膜でなくても湿度、酸素などの影
響を抑える封止技術、封止材料を用いることができる。
また、特に湿度、酸素など外気の影響を受けにくい充填
材であれば、封止なしでも用いることができる。

【００５９】

【発明の効果】本発明の温度無依存光導波路を用いれ
ば、波長フィルター、アレイ導波路格子型の波長合分波
器において、温度変化による波長シフトが非常に少なく
なり、温度変動の大きな場所でも温度制御装置による温
度管理を必要とせずに使用でき、温度制御装置の排除に
よる信頼性の改善、温度制御装置の排除による部品さら
にシステムの小型化や低価格化を実現できる利点があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例を説明する温皮無依存光
導波路を長い方のアーム導波路に採用した非対称マッハ
ツェンダー干渉回路による波長フィルターの構造図であ
り、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は断面図である。

【図２】従来技術による波長フィルターのデータと実施
例１の波長フィルターの波長シフトの温度依存性を示す
グラフである。

【図３】温度無依存光導波路を長い方のアーム導波路に
採用した温度無依存波長フィルターの製造方法を示す断
面図であり、（Ａ）は基板上に下部クラッド、コア、上
側部クラッドを設けた段階、（Ｂ）は上側部クラッドに
溝を形成した段階、（Ｃ）は溝に充填材を充填し、その
上面を封止した段階をそれぞれ示す。

【図４】温度無依存光導波路を長い方のアーム導波路に
採用した波長フィルターの構造図であり、（Ａ）は上面
図、（Ｂ）は断面図を示す。

【図５】従来技術による波長フィルターの波長シフトの
温度依存性と実施例３の波長フィルターの波長シフトの
温度依存性を示すグラフである。

【図６】温度無依存光導波路を長い方のアーム導波路に
採用した温度無依存波長フィルターの製造方法を示す断
面図であり、（Ａ）は基板上に下部クラッド、コア、薄
い石英ガラスクラッド層を設けた段階、（Ｂ）は一方の
コアの上部をマスクして溝付上側部クラッドを形成した
段階、（Ｃ）は溝に充填材を充填し、その上面を封止し
た段階をそれぞれ示す。

【図７】アレイ導波路格子型波長合分波器のアレイ導波
路に本発明の温度無依存光導波路を用いた温度無依存光
波長合分波器の上面図である。

【図８】アレイ導波路格子型波長合分波器のアレイ導波
路に本発明の温度無依存光導波路を用いた温度無依存光
波長合分波器の断面図である。

【図９】温度無依存光波長合分波器の一つの波長の温度
依存性を示したグラフである。

【符号の説明】

１ シリコン基板 ２ 下部クラッド ３ コア ４ 上側部クラッド ５ 充填材 ６ ３ｄＢカップラ ７ 長いアーム導波路 ８ 短いアーム導波路 ９ 入射ポート １０ 出射ポート １１ アルミニウム蒸着膜 １２ 溝 １３ コアの周りに薄く形成した石英ガラスの上側部ク
ラッド １４ 第一のスラブ導波路 １５ アレイ導波路 １６ 第二のスラブ導波路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 星野 光利 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日本 電信電話株式会社内 (72)発明者 横山 健児 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日本 電信電話株式会社内 (72)発明者 助川 健 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日本 電信電話株式会社内 (72)発明者 岡本 勝就 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日本 電信電話株式会社内

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に形成された石英系のコア、クラ
   ッド構造を有する完全埋め込み型光導波路において、前
   記クラッドの少なくとも一部に、前記コアに接するよう
   に配された負の屈折率温度係数を有する物質を設けたこ
   とを特徴とする温度無依存光導波路。
2. 【請求項２】 前記負の屈折率温度係数を有する物質
   が、前記コアの上部面の一つの面の少なくとも一部に接
   していることを特徴とする請求項１に記載の温度無依存
   光導波路。
3. 【請求項３】 前記負の屈折率温度係数を有する物質
   が、前記コアの上部面と側部面の３つの面の少なくとも
   一部に接していることを特徴とする請求項１に記載の温
   度無依存光導波路。
4. 【請求項４】 前記負の屈折率温度係数を有する物質
   が、前記コアの上部に形成された、前記物質の温度係数
   および導波路長に応じて設定された長さを持つ溝内に埋
   め込まれていることを特徴とする請求項１に記載の温度
   無依存光導波路。
5. 【請求項５】 前記負の屈折率温度係数を有する物質
   が、フッ素化ポリメチルメタクリレート、フッ素化ポリ
   カーボネート、ポリスチレン、ゴム状ＥＶＡ樹脂、シロ
   キサンゲル、ポリシロキサン、ジエチレングリコールビ
   ス、アクリルカーボネート、ポリ塩化ビニル、ポリ（４
   −メチルペンテン−１）、メチルメタクリレート／スチ
   レン共重合体、およびアクリロニトリル／スチレン共重
   合体から選ばれる少なくとも一種の有機化合物であるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の温度無依存光導波路。
6. 【請求項６】 基板上に形成された石英系のコア、クラ
   ッド構造を有する完全埋め込み型光導波路において、前
   記クラッドは、前記コアに接する部分に配された石英ガ
   ラスクラッドと、該石英ガラスクラッドの少なくとも一
   部の外側に配された負の屈折率温度係数を有する物質と
   を備えることを特徴とする温度無依存光導波路。
7. 【請求項７】 前記負の屈折率温度係数を有する物質
   が、前記コアの上部面の一つの面の少なくとも一部に近
   接していることを特徴とする請求項６に記載の温度無依
   存光導波路。
8. 【請求項８】 前記負の屈折率温度係数を有する物質
   が、前記コアの上部面と側部面の３つの面の少なくとも
   一部に近接していることを特徴とする請求項６に記載の
   温度無依存光導波路。
9. 【請求項９】 前記負の屈折率温度係数を有する物質
   が、前記コアの上部に形成された、前記物質の温度係数
   および導波路長に応じて設定された長さを持つ溝内に埋
   め込まれていることを特徴とする請求項６に記載の温度
   無依存光導波路。
10. 【請求項１０】 前記負の屈折率温度係数を有する物質
    が、フッ素化ポリメチルメタクリレート、フッ素化ポリ
    カーボネート、ポリスチレン、ゴム状ＥＶＡ樹脂、シロ
    キサンゲル、ポリシロキサン、ジエチレングリコールビ
    ス、アクリルカーボネート、ポリ塩化ビニル、ポリ（４
    −メチルペンテン−１）、フッ素化ポリメチルメタクリ
    レート、フッ素化ポリカーボネート、ポリスチレン、ゴ
    ム状ＥＶＡ樹脂、シロキサンゲル、ポリシロキサン、ジ
    エチレングリコールビス、アクリルカーボネート、ポリ
    塩化ビニル、ポリ（４−メチルペンテン−１）、メチル
    メタクリレート／スチレン共重合体、およびアクリロニ
    トリル／スチレン共重合体から選ばれる少なくとも一種
    の有機化合物であることを特徴とする請求項６に記載の
    温度無依存光導波路。
11. 【請求項１１】 前記溝に埋め込まれた前記有機物の上
    部に金属膜あるいはガラス膜を備えることを特徴とする
    請求項１〜１０のいずれかに記載の温度無依存光導波
    路。
12. 【請求項１２】 基板上に形成されたコア、クラッド構
    造を有する完全埋め込み型光導波路を形成し、この光導
    波路のコアの一部に対して、コア直上部まで上部クラッ
    ドをエッチングし、該エッチング部に負の屈折率温度係
    数を有する充填材を埋め込んで作製することを特徴とす
    る温度無依存光導波路の製造方法。
13. 【請求項１３】 前記エッチング工程において、コア上
    部の石英ガラスクラッドを残すことを特徴とする請求項
    １２に記載の温度無依存光導波路の製造方法。
14. 【請求項１４】 基板上に形成された下部クラッドおよ
    びコアに上部クラッドを形成する工程において、上部ク
    ラッドを形成する前に温度無依存化したい導波路部分に
    金属マスクを置き、それ以外の部分を通常の上部クラッ
    ドの膜厚までクラッドを形成させ、しかる後に金属マス
    クを置いたことにより溝となった部分に負の屈折率温度
    係数を有する充填材で通常の上部クラッドの膜厚までク
    ラッドを形成させることを特徴とする温度無依存光導波
    路の製造方法。
15. 【請求項１５】 前記金属マスクを置いて上部クラッド
    を形成する工程の前の工程として、最終のクラッド膜厚
    よりも少なくとも薄い任意の膜厚の上側部クラッドを形
    成することを特徴とする請求項１４に記載の温度無依存
    光導波路の製造方法。