WO2011078033A1 - 平面光波回路及び平面光波回路の製造方法 - Google Patents

平面光波回路及び平面光波回路の製造方法 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a planar lightwave circuit in which an optical waveguide is formed on a planar substrate and a method of manufacturing the same.
  • the stress birefringence of the optical waveguide differs depending on the density of the pattern.
  • stress birefringence differs between a sparse pattern such as a Mach-Zehnder interferometer (MZI) and a dense pattern such as an arrayed waveguide grating (AWG).
  • MZI Mach-Zehnder interferometer
  • AWG arrayed waveguide grating
  • an object of the present invention is to provide a planar lightwave circuit capable of reducing the stress birefringence difference due to the circuit and simultaneously making all the interferometers polarization independent by overetching, and a method of manufacturing the same. Do.
  • dummy patterns are provided on both sides of the optical waveguide having a small optical waveguide density.
  • the planar lightwave circuit according to the present invention comprises at least two interferometers comprising a plurality of optical waveguides, and the above-mentioned interferometers having an optical waveguide density smaller than the maximum optical waveguide density among the interferometers. And Dummy patterns disposed on both sides of the optical waveguide.
  • the present invention reduces the stress birefringence difference due to the circuit by providing dummy patterns on both sides of the optical waveguide having a low optical waveguide density, and simultaneously makes all the interferometers polarization independent by over-etching.
  • a possible planar lightwave circuit can be provided.
  • the dummy pattern of the planar lightwave circuit according to the present invention is characterized in that it is made of the same material as the optical waveguide of the interferometer.
  • a dummy pattern can also be formed in the step of forming the optical waveguide, and the manufacturing cost can be reduced.
  • the dummy pattern of the planar lightwave circuit according to the present invention may have substantially the same optical waveguide density as the interferometer having the maximum optical waveguide density.
  • a film forming step of sequentially forming a lower cladding layer and a core layer on a substrate, a portion to be an optical waveguide after the film forming step, and the light guide And an etching step of partially removing the lower cladding layer under the core layer which is removed by etching when etching leaving portions to be dummy patterns disposed on both sides of the waveguide.
  • Dummy patterns can be provided on both sides of the optical waveguide having a low optical waveguide density in the etching process for forming the optical waveguide.
  • the present invention can provide a manufacturing method that reduces the stress birefringence difference due to the circuit and makes it possible to simultaneously make all interferometers polarization independent by over-etching.
  • the present invention can provide a planar lightwave circuit and its manufacturing method capable of reducing stress birefringence difference due to the circuit and making it possible to simultaneously make all interferometers polarization independent by overetching.
  • the planar lightwave circuit according to the present embodiment includes at least two interferometers comprising a plurality of optical waveguides, and on both sides of the optical waveguides of the interferometers having an optical waveguide density smaller than the maximum optical waveguide density among the interferometers. And a dummy pattern disposed.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining a planar lightwave circuit 101 which is an example of the present embodiment.
  • the planar lightwave circuit 101 includes an interferometer A1 and an interferometer A2.
  • the interferometer A1 is an AWG in which two slab waveguides (12, 14) are connected by a plurality of optical waveguides 13, the interferometer A2 is an MZI configured by two optical waveguides 13, and the planar lightwave circuit 101 is an AWG MZI is disposed in the previous stage to widen the transmission band of is there.
  • FIG. 3A is a view for explaining the entire planar light wave circuit 101, and FIG. 3B is an enlarged view of the MZI portion.
  • the optical waveguide density of the interferometer A2 is smaller than the optical waveguide density of the interferometer A1.
  • the planar lightwave circuit 101 includes dummy patterns 17 on both sides of the optical waveguide 13 of the interferometer A2.
  • the dummy pattern 17 is the same material as the optical waveguide 13 of the interferometer A2.
  • a linear dummy pattern 17 having a predetermined width may be disposed on both sides of a part of the optical waveguide 13 branched by the MZI coupler.
  • FIG. 8 is a view for explaining another example of the interferometer A2.
  • a linear dummy pattern 17 having a predetermined width may be disposed on all the MZI couplers and the optical waveguide 13 branched by the couplers.
  • a plurality of optical waveguides may be arranged so that the dummy patterns 17 have the same optical waveguide density as the optical waveguides 13 of the interferometer A1.
  • a film forming step of sequentially forming a lower cladding layer and a core layer on a substrate, and after the film forming step, the core layer is a portion to be an optical waveguide and both sides of the optical waveguide.
  • an etching step of partially removing the lower cladding layer under the core layer which is removed by etching when etching leaving a portion to be a dummy pattern disposed in the.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining a method of manufacturing the planar lightwave circuit 101.
  • FIG. (A) is a film forming process
  • (b) to (d) are etching processes.
  • the lower cladding layer 52 mainly composed of SiO 2 is deposited on a Si substrate (flat substrate) 51 by a flame deposition method, and then the core layer 53 mainly composed of SiO 2 doped with GeO 2 as a dopant is deposited. After annealing, it is annealed to be transparent and vitrified (FIG. 7 (a)).
  • a resist pattern 54 of an optical waveguide pattern and a dummy pattern is formed by photolithography (FIG. 7B). Then, an unnecessary portion of the core layer 53 is first removed by its thickness (FIG. 7C), and the lower cladding layer 52 is continuously etched to a depth of 4 ⁇ m to form a ridge 57 (FIG. 7 (d).
  • the resist pattern 54 is removed to form an upper cladding layer 55 mainly composed of SiO 2 (FIG. 7E).
  • the planar lightwave circuit 101 manufactured by the above manufacturing method has a core cross-sectional size of 4.5 ⁇ 4.5 ⁇ m, a relative refractive index of 1.5%, and a ridge height of 4.0 ⁇ m of the lower clad.
  • the distance between the optical waveguides 13 of the interferometer A1 (AWG) is 13.7 ⁇ m inside the array and 8.1 ⁇ m outside the array. Further, the distance between the optical waveguides of the interferometer A2 (MZI) (the distance between the two arms) is at most 1500 ⁇ m.
  • the length of the dummy pattern 17 is from the coupler constituting the MZI to the coupler, and the width of the dummy pattern 17 is 500 ⁇ m.
  • the distance between the optical waveguides is set to be about the interval (8.1 to 13.7 ⁇ m) of the optical waveguides 13.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a conventional planar lightwave circuit 100
  • FIG. 2 is a diagram for explaining polarization dependence of the planar lightwave circuit 100
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the polarization dependency of the planar lightwave circuit 101.
  • the horizontal axis of FIG. 2 and FIG. 4 is the wavelength (nm), and the vertical axis is the light loss amount (dB).
  • a center wavelength difference occurs between TE polarization and TM polarization, and it is understood that one or both of the interferometer A1 and the interferometer A2 have polarization dependence.
  • the center wavelength difference is matched between TE polarization and TM polarization, and the polarization dependency of the interferometer A1 and the interferometer A2 can be eliminated simultaneously.
  • FIG. 5 is an enlarged view of a portion B of the interferometer A2 of FIG. 3 (b).
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the relationship between the gap G of the interferometer A2 and the polarization dependency.
  • An interferometer A2 with a gap G of 10 ⁇ m to 40 ⁇ m was made, and its polarization dependency was investigated.
  • the polarization dependency was evaluated by the center wavelength difference PD ⁇ ( ⁇ m) between the TE polarization and the TM polarization.
  • the gap G changed from 10 ⁇ m to 40 ⁇ m
  • the polarization dependence (PD ⁇ ) changed from 0.063 ⁇ m to ⁇ 0.027 ⁇ m. Therefore, the polarization dependency can be adjusted by changing the gap G of the interferometer A2.
  • VOA variable optical attenuator
  • AWG variable optical attenuator
  • FIG. 9 is a view for explaining the interferometer A2 of the planar lightwave circuit according to another embodiment.
  • Interferometer A2 in FIG. 9 connects two MZI, and arranges a dummy pattern 17 having a linear shape of a predetermined width at the two MZI couplers, all of the optical waveguides 13 branched by the couplers, and both MZI junctions. ing.
  • the transmission band of the AWG is further expanded than that of the MZI's having one interferometer A2.

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Abstract

　本発明に係る平面光波回路は、複数の光導波路からなる少なくとも２つの干渉計と、前記干渉計のうち、最大の光導波路密度より小さい光導波路密度をもつ前記干渉計の前記光導波路の両側に配置されたダミーパターンと、を備える。干渉計Ａ１の光導波路密度は干渉計Ａ２の光導波路密度より大きい。このため、平面光波回路１０１は、干渉計Ａ１の光導波路１３の両側にダミーパターン１７を備える。

Description

平面光波回路及び平面光波回路の製造方法
　本発明は、平面基板上に光導波路が形成された平面光波回路及びその製造方法に関する。
　石英系光導波路は応力複屈折に起因する偏波依存性を持つため、光導波路下まで深くエッチング（オーバーエッチング）することによって応力複屈折を解消して偏波依存性を改善していた（例えば、特許文献１を参照。）。
特開２００２－１３９６４０号公報
　しかし、光導波路の応力複屈折はパターンの粗密によって異なる。例えば、マッハツエンダ干渉計（ＭＺＩ）のような疎なパターンとアレイ導波路グレーティング（ＡＷＧ）のように密なパターンとでは応力複屈折が異なる。このため、１つの基板上に複数の干渉計を有する平面光波回路の場合、応力複屈折が回路によって異なり、オーバーエッチングで全ての干渉計を同時に偏波無依存化することが困難である。
　そこで、本発明は、回路による応力複屈折差を減少させ、オーバーエッチングで全ての干渉計を同時に偏波無依存化することを可能とする平面光波回路及びその製造方法を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明では光導波路密度の違いによる応力複屈折差を解消するため、光導波路密度が小さい光導波路の両側にダミーパターンを設けた。
　具体的には、本発明に係る平面光波回路は、複数の光導波路からなる少なくとも２つの干渉計と、前記干渉計のうち、最大の光導波路密度より小さい光導波路密度をもつ前記干渉計の前記光導波路の両側に配置されたダミーパターンと、を備える。
　光導波路の両側にダミーパターンを設けることで応力複屈折を変化させることができる。従って、本発明は、光導波路密度が小さい光導波路の両側にダミーパターンを設けることで、回路による応力複屈折差を減少させ、オーバーエッチングで全ての干渉計を同時に偏波無依存化することを可能とする平面光波回路を提供することができる。
　本発明に係る平面光波回路の前記ダミーパターンは、前記干渉計の前記光導波路と同じ材質であることを特徴とする。光導波路を形成する工程でダミーパターンも形成でき、製造コストを低減することができる。
　本発明に係る平面光波回路の前記ダミーパターンは、最大の光導波路密度を持つ前記干渉計と略同じ光導波路密度であってもよい。
　本発明に係る平面光波回路の製造方法は、基板上に下部クラッド層及びコア層を順に形成する成膜工程と、前記成膜工程の後、前記コア層を、光導波路となる部分及び前記光導波路の両側に配置されるダミーパターンとなる部分を残してエッチングするときに、エッチングで除去される前記コア層下の下部クラッド層も厚み方向に一部除去するエッチング工程と、を有する。
　光導波路を形成するエッチング工程で光導波路密度が小さい光導波路の両側にダミーパターンを設けることができる。従って、本発明は、回路による応力複屈折差を減少させ、オーバーエッチングで全ての干渉計を同時に偏波無依存化することを可能とするその製造方法を提供することができる。
　本発明は、回路による応力複屈折差を減少させ、オーバーエッチングで全ての干渉計を同時に偏波無依存化することを可能とする平面光波回路及びその製造方法を提供することができる。
従来の平面光波回路を説明する図である。 従来の平面光波回路の偏波依存性を説明する図である。 本発明に係る平面光波回路を説明する図である。（ａ）は平面光波回路の全体を説明する図であり、（ｂ）はＭＺＩ部分を拡大した図である。 本発明に係る平面光波回路の偏波依存性を説明する図である。 本発明に係る平面光波回路を説明する図である。 ギャップ間隔と偏波依存性との関係を説明する図である。 本発明に係る平面光波回路の製造方法を説明する図である。（ａ）は成膜工程、（ｂ）～（ｄ）はエッチング工程である。 本発明に係る平面光波回路を説明する図である。 本発明に係る平面光波回路を説明する図である。
　添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
（実施形態１）
　本実施形態の平面光波回路は、複数の光導波路からなる少なくとも２つの干渉計と、前記干渉計のうち、最大の光導波路密度より小さい光導波路密度をもつ前記干渉計の前記光導波路の両側に配置されたダミーパターンと、を備える。図３は、本実施形態の一例である平面光波回路１０１を説明する図である。平面光波回路１０１は、干渉計Ａ１及び干渉計Ａ２を備える。干渉計Ａ１は２つのスラブ導波路（１２、１４）を複数の光導波路１３で接続したＡＷＧ、干渉計Ａ２は２本の光導波路１３で構成されるＭＺＩであり、平面光波回路１０１は、ＡＷＧの透過帯域を広げるために前段にＭＺＩを配置したものである。ある。図３（ａ）は平面光波回路１０１の全体を説明する図であり、図３（ｂ）はＭＺＩ部分を拡大した図である。
　干渉計Ａ２の光導波路密度は干渉計Ａ１の光導波路密度より小さい。このため、平面光波回路１０１は、干渉計Ａ２の光導波路１３の両側にダミーパターン１７を備える。このダミーパターン１７は、干渉計Ａ２の光導波路１３と同じ材質である。図３の干渉計Ａ２のように、ＭＺＩのカプラで分岐した光導波路１３の一部の両側に所定の幅の線形状のダミーパターン１７を配置してもよい。
　図８は、干渉計Ａ２の他の例を説明する図である。図８の干渉計Ａ２のように、ＭＺＩの２つのカプラ及びカプラで分岐した光導波路１３の全てに所定の幅の線形状のダミーパターン１７を配置してもよい。なお、ダミーパターン１７は、干渉計Ａ１の光導波路１３と略同じ光導波路密度となるように光導波路を複数並べてもよい。
　平面光波回路１０１の製造方法は、基板上に下部クラッド層及びコア層を順に形成する成膜工程と、前記成膜工程の後、前記コア層を、光導波路となる部分及び前記光導波路の両側に配置されるダミーパターンとなる部分を残してエッチングするときに、エッチングで除去される前記コア層下の下部クラッド層も厚み方向に一部除去するエッチング工程と、を有する。
　図７は、平面光波回路１０１の製造方法を説明する図である。（ａ）は成膜工程、（ｂ）～（ｄ）はエッチング工程である。まず、成膜工程を説明する。Ｓｉ基板（平板基板）５１上に火炎堆積法によってＳｉＯ２を主成分とする下部クラッド層５２を堆積し、次に、ＧｅＯ２をドーパントとして添加したＳｉＯ２を主成分とするコア層５３を堆積した後に、アニールを行い透明ガラス化する（図７（ａ））。
　次にエッチング工程を説明する。フォトリソグラフィー技術により光導波路パターン及びダミーパターンのレジストパターン５４を形成する（図７（ｂ））。そして、まずコア層５３の不要部分をその厚さ分だけ除去し（図７（ｃ））、さらに、連続して下部クラッド層５２を４μｍの深さまでエッチングすることによりリッジ５７を形成する（図７（ｄ））。
　エッチング工程終了後、レジストパターン５４を除去し、ＳｉＯ２を主成分とする上部クラッド層５５を形成する（図７（ｅ））。
　上記製造方法で作成された平面光波回路１０１は、コア断面サイズ４．５×４．５μｍ、比屈折率１．５％、下部クラッドのリッジ高さ４．０μｍである。そして、干渉計Ａ１（ＡＷＧ）の光導波路１３の間隔は、アレイ内側で１３．７μｍ、アレイ外側で８．１μｍである。また、干渉計Ａ２（ＭＺＩ）の光導波路の間隔（２本のアーム間の距離）は最大１５００μｍである。ダミーパターン１７の長さは、ＭＺＩを構成するカプラからカプラまであり、ダミーパターン１７の幅は５００μｍとした。ダミーパターン１７が複数の並べた光導波路である場合、この光導波路の間隔は光導波路１３の間隔（８．１～１３．７μｍ）程度となるようにしておく。
　このように作成される平面光波回路１０１とダミーパターンのない従来の平面光波回路１００との偏波依存性を比較する。図１は従来の平面光波回路１００を説明する図であり、図２は平面光波回路１００の偏波依存性を説明する図である。図４は、平面光波回路１０１の偏波依存性を説明する図である。
　図２及び図４の横軸は波長（ｎｍ）であり、縦軸は光損失量（ｄＢ）である。図２のように、平面光波回路１００はＴＥ偏波とＴＭ偏波とで中心波長差が生じ、干渉計Ａ１と干渉計Ａ２のいずれかまたは両者に偏波依存性があることがわかる。一方、図４のように、平面光波回路１０１はＴＥ偏波とＴＭ偏波とで中心波長差が一致しており、干渉計Ａ１と干渉計Ａ２の偏波依存性を同時に解消できている。
　図５は、図３（ｂ）の干渉計Ａ２のＢ部を拡大した図である。図６は、干渉計Ａ２のギャップＧと偏波依存性との関係を説明する図である。ギャップＧが１０μｍから４０μｍの干渉計Ａ２を作成し、偏波依存性を調査した。ここで、偏波依存性は、ＴＥ偏波とＴＭ偏波とで中心波長差ＰＤλ（μｍ）で評価した。ギャップＧが１０μｍから４０μｍに変化すると、偏波依存性（ＰＤλ）は０．０６３μｍから－０．０２７μｍへ変化した。従って、干渉計Ａ２のギャップＧを変化させることで偏波依存性を調整できる。
　上記は本実施形態の一例であって、可変光減衰器（ＶＯＡ：Ｖａｒｉａｂｌｅ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ）とＡＷＧを組み合わせた場合や、平面光波回路に３つ以上の干渉計がある場合でも、光導波路密度が最大の干渉計以外の干渉計について、それぞれの光導波路密度に応じたギャップＧを設けてダミーパターンを作成してそれぞれの偏波依存性を調整することで、全ての干渉計を同時に偏波無依存化することが可能である。
（実施形態２）
　図９は、他の実施形態の平面光波回路の干渉計Ａ２部分を説明する図である。図９の干渉計Ａ２はＭＺＩを２つ接続し、ＭＺＩの２つのカプラ、カプラで分岐した光導波路１３の全て、及び両ＭＺＩの接続部に所定の幅の線形状のダミーパターン１７を配置している。ＭＺＩを二つ備える干渉計Ａ２を干渉計Ａ１の前段に配置することでＭＺＩが一つの干渉計Ａ２を備えるよりＡＷＧの透過帯域がさらに拡大する。
１１：入力用チャネル導波路
１２：入力側スラブ導波路
１３：光導波路
１４：出力側スラブ導波路
１５：出力用チャネル導波路
１７：ダミーパターン
５１：Ｓｉ基板
５２：下部クラッド層
５３：コア層
５４：レジストパターン
５５：上部クラッド層
５７：リッジ
１００、１０１：平面光波回路

Claims (4)

  1. 　複数の光導波路からなる少なくとも２つの干渉計と、
    　前記干渉計のうち、最大の光導波路密度より小さい光導波路密度をもつ前記干渉計の前記光導波路の両側に配置されたダミーパターンと、
    を備える平面光波回路。
  2. 　前記ダミーパターンは、前記干渉計の前記光導波路と同じ材質であることを特徴とする請求項１に記載の平面光波回路。
  3. 　前記ダミーパターンは、最大の光導波路密度を持つ前記干渉計と略同じ光導波路密度であることを特徴とする請求項１又は２に記載の平面光波回路。
  4. 　基板上に下部クラッド層及びコア層を順に形成する成膜工程と、
    　前記成膜工程の後、前記コア層を、光導波路となる部分及び前記光導波路の両側に配置されるダミーパターンとなる部分を残してエッチングするときに、エッチングで除去される前記コア層下の下部クラッド層も厚み方向に一部除去するエッチング工程と、
    を有する平面光波回路の製造方法。
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