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【発明の名称】 光導波回路
【発明者】 【氏名】奈良 一孝

【氏名】中島 毅

【氏名】柏原 一久
【要約】 【課題】半波長板を設けなくても偏波依存性損失の影響を抑制可能なアレイ導波路型回折格子を提供する。

【解決手段】シリコン基板１１上に下部クラッドを形成し、その上に、複数の入射導波路１２の出射側に入力側スラブ導波路を接続し、その出射側に互いに異なる長さの複数のアレイ導波路１４を並設して接続し、その出射側に出力側スラブ導波路１５を接続し、その出射側に複数の出射導波路１６を接続した導波路構成を有するコアを形成し、コアの上を上部クラッドで覆う。コアに入射する互いに波長が異なる複数の多重入力された光を波長ごとに分離して出力する。クラッドとコアは石英系ガラスにより形成し、光導波路部に発生する複屈折Ｂの値を｜Ｂ｜≦５．３４×１０−５とし、上部クラッドの熱膨張係数をαｇとし、シリコン基板の熱膨張係数をαｓとしたとき、αｓ−２．０×１０−７≦αｇ≦αｓ＋２．０×１０−７と成す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 石英系ガラスによって形成された下部クラッドとコアと上部クラッドとを有する光導波路部をシリコン基板上に形成してなる光導波回路であって、前記光導波路部に発生する複屈折Ｂの値が｜Ｂ｜≦５．３４×１０−５であることを特徴とする光導波回路。
【請求項２】 上部クラッドの熱膨張係数をαｇとし、シリコン基板の熱膨張係数をαｓとしたとき、αｓ−２．０×１０−７≦αｇ≦αｓ＋２．０×１０−７と成していることを特徴とする請求項１記載の光導波回路。
【請求項３】 １本以上の並設された光入力導波路の出射側に第１のスラブ導波路が接続され、該第１のスラブ導波路の出射側には該第１のスラブ導波路から導出された光を伝播する互いに異なる長さの複数の並設されたアレイ導波路が接続され、該複数のアレイ導波路の出射側には第２のスラブ導波路が接続され、該第２のスラブ導波路の出射側には複数の並設された光出力導波路が接続されて成る導波路構成をコアによって形成し、前記光入力導波路から入力された互いに異なる波長の複数の光信号を、前記アレイ導波路によって各波長ごとに位相差をつけて伝播させて各波長ごとに異なる光出力導波路に入射させ、互いに異なる波長の光を異なる光出力導波路から出力するアレイ導波路型光回折格子と成していることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の光導波回路。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光通信などに使用されるアレイ導波路型回折格子などの光導波回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、光通信においては、その伝送容量を飛躍的に増加させる方法として、光波長多重通信の研究開発が盛んに行なわれ、実用化が進みつつある。光波長多重通信は、例えば互いに異なる波長を有する複数の光を波長多重化して伝送させるものであり、このような光波長多重通信のシステムにおいては、伝送される複数の光から、光受信側で波長ごとの光を取り出すために、予め定められた波長の光のみを透過する光透過素子等を、システム内に設けることが不可欠である。
【０００３】光透過素子の一例として、例えば図６に示すようなアレイ導波路型回折格子(ＡＷＧ；Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ)がある。アレイ導波路型回折格子は、基板１１上に、同図に示すような導波路構成を形成したものであり、この導波路構成は、１本以上の並設された光入力導波路としての入射導波路１２の出射側に、第１のスラブ導波路としての入力側スラブ導波路１３が接続され、入力側スラブ導波路１３の出射側には、複数の並設されたアレイ導波路１４が接続され、複数のアレイ導波路１４の出射側には第２のスラブ導波路としての出力側スラブ導波路１５が接続され、出力側スラブ導波路１５の出射側には複数の並設された光出力導波路としての出射導波路１６が接続されて形成されている。
【０００４】前記アレイ導波路１４は、入力側スラブ導波路１３から導出された光を伝播するものであり、互いに異なる長さに形成されている。なお、入射導波路１２や出射導波路１６は、例えばアレイ導波路型回折格子によって分波される互いに異なる波長の信号光の数に対応させて設けられるものであり、アレイ導波路１４は、通常、例えば１００本といったように多数設けられるが、同図においては、図の簡略化のために、これらの各導波路１２，１４，１６の本数を簡略的に示してある。
【０００５】入射導波路１２には、例えば送信側の光ファイバが接続されて、波長多重光が導入されるようになっており、入射導波路１２を通って入力側スラブ導波路１３に導入された光は、その回折効果によって広がって複数の各アレイ導波路１４に入射し、各アレイ導波路１４を伝播する。
【０００６】この各アレイ導波路１４を伝播した光は、出力側スラブ導波路１５に達し、さらに、出射導波路１６に集光されて出力されるが、各アレイ導波路１４の長さが互いに異なることから、各アレイ型導波路１４を伝播した後に個々の光の位相にずれが生じ、このずれ量に応じて集束光の波面が傾き、この傾き角度により集光する位置が決まるため、波長の異なった光の集光位置は互いに異なることになり、その位置に出射導波路１６を形成することによって、波長の異なった光を各波長ごとに異なる出射導波路１６から出力できる。
【０００７】例えば、同図に示すように、１本の入射導波路１２から波長λ１，λ２，λ３，・・・λｎ(ｎは整数)の波長多重光を入力させると、これらの光は、入力側スラブ導波路１３で広げられ、アレイ導波路１４に到達し、出力側スラブ導波路１５を通って、前記の如く、波長によって異なる位置に集光され、互いに異なる出射導波路１６に入射し、それぞれの出射導波路１６を通って、出射導波路１６の出射端から出力される。そして、各出射導波路１６の出射端に光出力用の光ファイバを接続することにより、この光ファイバを介して、前記各波長の光が取り出される。
【０００８】このアレイ型導波路回折格子においては、回折格子の波長分解能が回折格子を構成する各アレイ導波路１４の長さの差（ΔＬ）に比例するために、ΔＬを大きく設計することにより、従来の回折格子では実現できなかった波長間隔の狭い波長多重光の光合分波が可能となり、高密度の光波長多重通信の実現に必要とされている、複数の信号光の光合分波機能、すなわち、波長間隔が１ｎｍ以下の複数の光信号を分波または合波する機能を果たすことができる。
【０００９】上記アレイ導波路型回折格子は、石英系ガラスによって形成された下部クラッドとコアと上部クラッドとを有する光導波路部１０を、シリコンの基板１１上に形成してなる光導波回路であり、シリコン基板１１上に下部クラッドを形成し、その上側に上記導波路構成のコアを形成し、コアの上側にはコアを覆う上部クラッドを設けて形成されている。また、上部クラッドは、従来は、例えば、純石英にＢ２Ｏ３とＰ２Ｏ５をそれぞれ５ｍｏｌｅ％ずつ添加した石英系ガラスによって形成されていた。
【００１０】図７には、アレイ導波路型回折格子の製造工程が示されており、以下、同図に基づいて光導波回路の製造方法について説明する。まず、同図の（ａ）に示すように、シリコン基板１１上に下部クラッド１ｂの膜とコア２の膜とを順に形成し、次に、同図の（ｂ）に示すように、マスク８を用いて、フォトリソグラフィーとリアクティブイオンエッチング法を適用し、それによって、同図の（ｃ）に示すように、コア２の膜を加工してアレイ導波路型回折格子の光導波路パターンを形成し、前記光導波路構成のコア２を形成する。
【００１１】次に、同図の（ｄ）に示すように、コア２の上部側に、コア２を覆う態様で上部クラッド１ａの膜を形成する。なお、上部クラッド１ａの膜は、火炎加水分解堆積法によって上部クラッドガラス微粒子５を堆積し、この上部クラッドガラス微粒子５を例えば１２００℃〜１２５０℃で焼結することによって形成される。
【００１２】ところで、本来、上記のような光波長多重通信用の光透過素子として適用されるアレイ導波路型回折格子において、ＴＥモード（ＴＥ ｍｏｄｅ）とＴＭモード（ＴＥ ｍｏｄｅ）の偏波依存性損失（ＰＤＬ）は零に近いほど好ましいものであるが、従来のアレイ導波路型回折格子においては、中心波長λＢ±０．１ｎｍの範囲における前記偏波依存性損失（ＰＤＬ）が、３ｄＢはあった。
【００１３】そこで、この偏波依存性損失を補うために、従来のアレイ導波路型回折格子においては、図８に示すように、全てのアレイ導波路１４を横切る態様で、アレイ導波路１４の途中に、ポリイミドなどによって形成された半波長板３を挿入し、この半波長板３の入射側と出射側とで偏波を９０度回転させることにより、前記偏波依存性損失の影響を回避していた。なお、半波長板３は、ポリイミドに限らず、石英系のものも用いられているが、ポリイミドにすると、その厚みを薄くできるため、従来のアレイ導波路型回折格子に設ける半波長板３としてはポリイミド製のものが最も優れている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記のように、半波長板３を挿入してアレイ導波路型回折格子を形成すると、半波長板３に入射した光の一部が入射導波路１２の入射側に戻る、いわゆるリターンロスが生じる。半波長板３をアレイ導波路１４に対して直交するように挿入した場合には、このリターンロスの値が約―３５ｄＢにもなり、光波長多重通信システムに用いられる素子において、−４０ｄＢよりも大きいリターンロスが生じると、光通信に支障を来すために、アレイ導波路型回折格子を光波長多重通信用として適用できなくなってしまう。
【００１５】なお、半波長板３をアレイ導波路１４と直交する軸対して８度傾けて斜めに挿入した場合は、リターンロスを−４０ｄＢ程度にすることも可能であるが、その場合、たとえ厚みが薄いポリイミド製の半波長板３を適用するにしても、半波長板３を挿入するための溝（スリット）の形成や半波長板３の挿入が技術的に難しくなって、アレイ導波路型回折格子の歩留まりが低下してしまうことになる。
【００１６】また、現在用いられているポリイミド製の半波長板３は、その長さが約８ｍｍであり、例えば２５μｍ間隔でアレイ導波路１４を並設しようとすると、最大３２０本のアレイ導波路１４しか配設できない。したがって、将来、波長間隔の狭いアレイ導波路型回折格子を実現するためにアレイ導波路１４の本数を増加しようとしても、アレイ導波路１４の本数に制約が生じ、対応が困難になるといった問題が生じることになる。また、ポリイミド製の半波長板３の長さを長くしようとすると、半波長板３自体の製造歩留まりが低下し、それに伴ってアレイ導波路型回折格子のコストアップが生じることになる。
【００１７】さらに、半波長板３を挿入してアレイ導波路型回折格子を形成するためには、ダイサーなどによって半波長板３の挿入スリットを加工し、そのスリットに半波長板３を挿入し、さらに、接着剤等を用いて半波長板３を固定しなければならないため、アレイ導波路型回折格子の作製工程数が多くなり、その分だけアレイ導波路型回折格子のコストが高くなってしまうといった問題もあった。
【００１８】本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、少ない工程で作製することが可能でコストが安く、しかも、リターンロス特性に優れ、偏波依存性損失の影響を抑制可能で、さらに、２５μｍ間隔でアレイ導波路を３２０本以上並設可能とする優れたアレイ導波路型回折格子などの光導波回路を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明は次のような構成をもって課題を解決するための手段としている。すなわち、第１の発明は、石英系ガラスによって形成された下部クラッドとコアと上部クラッドとを有する光導波路部をシリコン基板上に形成してなる光導波回路であって、前記光導波路部に発生する複屈折Ｂの値が｜Ｂ｜≦５．３４×１０−５である構成をもって課題を解決する手段としている。
【００２０】また、第２の発明は、上記第１の発明の構成に加え、前記上部クラッドの熱膨張係数をαｇとし、シリコン基板の熱膨張係数をαｓとしたとき、αｓ−２．０×１０−７≦αｇ≦αｓ＋２．０×１０−７と成している構成をもって課題を解決する手段としている。
【００２１】さらに、第３の発明は、上記第１又は第２の発明の構成に加え、１本以上の並設された光入力導波路の出射側に第１のスラブ導波路が接続され、該第１のスラブ導波路の出射側には該第１のスラブ導波路から導出された光を伝播する互いに異なる長さの複数の並設されたアレイ導波路が接続され、該複数のアレイ導波路の出射側には第２のスラブ導波路が接続され、該第２のスラブ導波路の出射側には複数の並設された光出力導波路が接続されて成る導波路構成を前記コアによって形成し、前記光入力導波路から入力された互いに異なる波長の複数の光信号を、前記アレイ導波路によって各波長ごとに位相差をつけて伝播させて各波長ごとに異なる光出力導波路に入射させ、互いに異なる波長の光を異なる光出力導波路から出力するアレイ導波路型光回折格子と成している構成をもって課題を解決する手段としている。
【００２２】例えば前記アレイ導波路型回折格子を光波長多重通信システムに適用する場合、偏波モードであるＴＥモードとＴＭモードの偏波依存性損失（ＰＤＬ）は零に近いほど好ましいものであり、このＰＤＬの値をどの程度にしたら光波長多重通信用として適切かを本発明者が検討したところ、ＰＤＬを０．５ｄＢ以下にすることが望ましいことが分かった。そして、本発明者は、ＰＤＬを０．５ｄＢ以下にするためは、アレイ導波路型回折格子におけるＴＥモードとＴＭモードの中心波長シフト量をどのような値にしたら適切かを模擬実験により検討した。
【００２３】この検討に際し、まず、アレイ導波路型回折格子の各偏波モード（ＴＥモードおよびＴＭモード）での光通過スペクトルをそれぞれ測定し、ＴＥモードの中心波長±β（βは予め定めた値であり、例えば０．８ｎｍ）におけるＴＭモードの通過損失値とＴＭモードの中心波長±βにおけるＴＭモードの通過損失値との差の最大値を偏波依存性損失とする。そして、例えばＴＥモードの通過スペクトルを固定して、擬似的にＴＭモードの通過スペクトルをＴＥモード側にずらしていき、このずらした量を偏波モードによる中心波長シフト量とし、この中心波長シフト量に対し前記偏波依存性損失をプロットし、グラフ化して、偏波モードによる中心波長シフト量と前記偏波依存性損失との関係を求めた。
【００２４】その結果が図２に示されており、同図に示すように、アレイ導波路型回折格子における偏波モードであるＴＥモードとＴＭモードの中心波長シフト量を０．０５ｎｍ以下にすることにより、前記ＰＤＬを０．５ｄＢ以下にできることが確認された。そこで、本発明者は、光波長多重通信用としてアレイ導波路型回折格子を用いる場合に適切なＴＥモードとＴＭモードの中心波長のシフト量ΔλＢは０．０５ｎｍ以下の値であると決定した。
【００２５】また、アレイ導波路型回折格子などの光導波回路において、上記偏波モードによる光透過中心波長のシフトは、光導波路部に発生する複屈折の値により影響されると考えられている。そして、上記偏波モードによる中心波長シフト量ΔλＢは、光導波路部に発生する複屈折の値Ｂと、コアの屈折率ｎｃと、コアを伝播する光の中心波長λ０とによって、次式（１）によって表わせる。
【００２６】
ΔλＢ＝｜Ｂ・λ０／ｎｃ｜・・・・・（１）
【００２７】ここで、λ０を現在検討されている光波長多重通信システムにおける中心波長である１５５０ｎｍとし、コアの屈折率は、正確にはコアの組成によって決まるものであるが、純石英の屈折率により近似できるものであるため、λ０の波長の光を入射させたときの純石英の屈折率である１．４５をｎｃとして、光導波路部に発生する複屈折の値Ｂの範囲を求めたところ、｜Ｂ｜≦５．３４×１０−５の範囲とすれば、偏波モードによる中心波長シフト量ΔλＢの値を前記範囲内として、前記偏波依存性損失をアレイ導波路型回折格子に求められる損失範囲内にできることが分かった。
【００２８】以上の検討結果に基づき、上記構成の本発明おいては、石英系ガラスによって形成された下部クラッドとコアと上部クラッドとを有する光導波路部をシリコン基板上に形成してなる光導波回路において前記光導波路部に発生する複屈折Ｂの値を｜Ｂ｜≦５．３４×１０−５としたものであるから、この光導波回路における前記ＴＥモードとＴＭモードの中心波長シフト量を０．０５ｎｍ以下の適切な値とすることができ、それにより、偏波依存性損失（ＰＤＬ）の値を０．５ｄＢ以下の適切な値にすることが可能となる。
【００２９】したがって、本発明の光導波回路を例えば波長１．５５μｍ帯の光波長多重通信システムに適用すれば、半波長板を設けなくても偏波依存性損失の影響を抑制できるアレイ導波路型回折格子等とすることが可能となり、このアレイ導波路型回折格子は、半波長板を必要としない分だけ作製工程数を少なくできるし、歩留まりも向上でき、コストの低減や、チャンネル数の増加も図ることが可能となる。
【００３０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、本実施形態例の説明において、従来例と同一名称部分には同一符号を付し、その重複説明は省略する。
【００３１】まず、本発明に係る光導波回路の第１実施形態例について説明する。本実施形態例の光導波回路は、図１に示すアレイ導波路型回折格子であり、図６に示したアレイ導波路型回折格子と同様に、シリコン基板１１と光導波路部１０を有しており、光導波路部１０のコアの導波路構成も図６に示したアレイ導波路型回折格子と同様である。本実施形態例のアレイ導波路型回折格子の特徴的なことは、光導波路部１０（上部クラッド１ａとコア２と下部クラッド１ｂ）に発生する複屈折Ｂの値を、特徴的な値、すなわち、｜Ｂ｜≦５．３４×１０−５とし、それにより、図８に示した従来のアレイ導波路型回折格子に設けた半波長板３を設けなくても偏波依存性損失の影響を低減できるようにし、光波長多重通信用として適した光導波回路としたことである。
【００３２】本実施形態例において、上部クラッド１ａは、純石英にＢ２Ｏ３とＰ２Ｏ５をそれぞれ約８ｍｏｌｅ％ずつ添加した石英系ガラス（ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｐ２Ｏ５系）によって形成されており、上部クラッド１ａをこのような組成にすることにより、上記のように、光導波路部１０に発生する複屈折Ｂの値を、｜Ｂ｜≦５．３４×１０−５としている。
【００３３】また、上部クラッド１ａの組成を上記のようにすることによって、本実施形態例では、上部クラッド１ａの熱膨張係数をαｇとし、シリコン基板１１の熱膨張係数をαｓとしたとき、αｓ−２．０×１０−７≦αｇ≦αｓ＋２．０×１０−７と成している。
【００３４】さらに、本実施形態例において、上部クラッド１ａの厚みは、約３０μｍとしており、コア２は、下部クラッド１ｂを形成する石英系ガラスにＧｅＯ２をドープすることによって形成されており、コア２の屈折率は、ＧｅＯ２のドープによって、クラッド１の屈折率よりも大きく形成されている。
【００３５】なお、本発明者は以下のような検討を行なって本実施形態例の構成を決定した。まず、前記の如く、アレイ導波路型回折格子において、前記図２に基づく検討結果から、アレイ導波路型回折格子における偏波モードであるＴＥモードとＴＭモードの中心波長シフト量ΔλＢの範囲を０．０５ｎｍ以下とすれば、偏波依存性損失（ＰＤＬ）の値を０．５ｄＢ以下の適切な値にすることができること、すなわち、前記ΔλＢの範囲を０．０５ｎｍ以下にすることにより、半波長板３を設けなくても、光波長多重通信システムに適用した場合の偏波依存性損失の影響を抑制できるアレイ導波路型回折格子とできることを確認した。
【００３６】そして、前記ΔλＢの範囲を０．０５ｎｍ以下とするために、前記式（１）と、現在検討中の光波長多重通信システムの信号光波長の中心波長波長１５５０ｎｍと、この波長の光を入射したときの純石英の屈折率１．４５とに基づいて光導波路部１０に発生する複屈折Ｂの範囲を求めた。
【００３７】その結果、｜Ｂ｜≦５．３４×１０−５とすればよいことが分かったので、光導波路部１０に発生する複屈折Ｂの値を｜Ｂ｜≦５．３４×１０−５とした。
【００３８】また、本発明者が、図７の（ａ）〜（ｃ）に示す工程により、シリコン基板１１上に下部クラッド１ｂとコア２を形成した回路において、上部クラッド１ａを設ける代わりに、上部クラッド１ａと同様の屈折率を持つマッチングオイルを滴下して、このマッチングオイルを疑似上部クラッドとし、偏波依存性の測定を行なったところ、ＴＥモードとＴＭモードの偏波の差による光透過中心波長のずれ量が０となった。なお、このずれ量は、従来のアレイ導波路型回折格子においては、０．２ｎｍ程度の大きいものであった。
【００３９】この現象は、マッチングオイルを室温で滴下した疑似上部クラッドは、コア２に熱歪みを加えることがなく、また、液体であるためにコア２に応力歪みを加えることもないために、マッチングオイルによってコア２の変形を招くことがなく、コア２の変形に伴う中心波長ずれが生じないのに対し、光導波路部１０に発生する複屈折が大きい従来例においては、この複屈折によって上記のようなＴＥモードとＴＭモードの偏波の差による光透過中心波長の大きなずれが生じるためであると考えられる。
【００４０】すなわち、本発明者の検討により、偏波の差による光透過中心波長のずれを抑制し、偏波依存性損失を抑制するためには、上部クラッド１ａの組成を最適化し、光導波路部１０の複屈折の値が上記範囲となるようにすればよいことが分かった。
【００４１】また、アレイ導波路型回折格子を作製に際し、従来は、前記の如く、上部クラッド１ａ形成時に上部クラッド１ａとなるクラッドガラス微粒子を１２００〜１２５０℃で焼結していたが、この焼結温度はコア２のガラス転移温度以上であったため、この焼結時にコア２が変形を起こしたり、上部クラッド１ａの冷却過程で熱歪みがコア２に加わり、これらの変形や歪みによって、アレイ導波路型回折格子の偏波依存性が生じることが分かった。
【００４２】そこで、本実施形態例では、前記上部クラッド１ａは純石英にＢ２Ｏ３とＰ２Ｏ５をそれぞれ約８ｍｏｌ％ずつ添加することにより、上記焼結温度をコア２のガラス転移温度である約１１５０℃よりも低い約１１００℃としてアレイ導波路型回折格子を作製した。なお、上部クラッド１ａとなるガラス微粒子厚を約３００μｍとして、このガラス微粒子を約１１００℃で焼結したところ、厚み約３０μｍの上部クラッド１ａが形成された。
【００４３】次に、前記複屈折Ｂの値が、次式（２）により表わせることに注目し、上部クラッド１ａの熱膨張係数の最適化を検討した。
【００４４】
Ｂ＝（Ｃ２−Ｃ１）Ｅｇ（αｇ−αｓ）ΔＴ・・・・・（２）
【００４５】なお、上記式（２）において、Ｃ１は、入射光の偏光方向に平行な上部クラッド１ａの光弾性定数であり、Ｃ２は、入射光の偏光方向に垂直な上部クラッド１ａの光弾性定数であり、Ｅｇは上部クラッド１ａのヤング率であり、αｇ，αｓはそれぞれ上部クラッド１ａ、シリコン基板の熱膨張係数であり、ΔＴは、上部クラッド１ａを形成する石英系ガラスが固化してから室温までの温度低下分である。
【００４６】そこで、式（２）におけるＣ１に、入射光の偏光方向に平行な石英ガラスの光弾性定数である−０．６５×１０−１２（Ｐａ−１）を代入し、Ｃ２に、入射光の偏光方向に垂直な石英の光弾性定数である−４．２２×１０−１２（Ｐａ−１）を代入し、Ｅｇに石英のヤング率である７．２９×１０１０（Ｐａ）を代入し、ΔＴには、前記上部クラッド１ａの焼結温度から求められる値１０００℃を代入し、｜Ｂ｜≦５．３４×１０−５となるようにする上部クラッド１ａの熱膨張係数αｇを求めたところ、αｓ−２．０×１０−７≦αｇ≦αｓ＋２．０×１０−７とすると、｜Ｂ｜≦５．３４×１０−５とできることが分かった。
【００４７】そこで、本実施形態例では、上記のように、αｓ−２．０×１０−７≦αｇ≦αｓ＋２．０×１０−７となるようにした。なお、光導波路部１０の複屈折Ｂの値を｜Ｂ｜≦５．３４×１０−５とし、上部クラッド１ａの熱膨張係数αｇを、αｓ−２．０×１０−７≦αｇ≦αｓ＋２．０×１０−７とするために、図４の（ａ）、（ｂ）に示すグラフデータに基づいて、上部クラッド１ａを形成するために純石英にドープするドーパントとそのドープ量とを求めた。
【００４８】すなわち、図４の（ａ）に示す、ドーパントの種類に対応するドーパント添加量と屈折率との関係から、上部クラッド１ａとなる石英系ガラスを形成するために純石英にドープするドーパントドープ量と、形成される石英系ガラスの屈折率との関係を求め、一方、同図の（ｂ）に示す、ドーパント添加量と熱膨張係数との関係から、上部クラッド１ａとなる石英系ガラスを形成するために純石英にドープするドーパントドープ量と、形成される石英系ガラスの熱膨張係数との関係を求めた。
【００４９】なお、同図の（ａ）に示す屈折率は、Ｎａ−Ｄ線の光を入射したときの屈折率であり、光波長多重通信用として用いる波長帯の中心波長である波長１５５０ｎｍよりも短波長の光を入射したときの屈折率であるため、屈折率が全体的に高めの値となっており、ドーパントがゼロの純石英の屈折率が約１．４５８となっているが、前記の如く、波長１５５０ｎｍの光を入射させたときの純石英の屈折率は約１．４５である。したがって、上部クラッド１ａにドープするドーパントドープ量と、形成される石英系ガラスの屈折率との関係を求めるときには、このような屈折率シフト量を考慮して前記関係を求めた。
【００５０】そして、これらの関係に基づき、本実施形態例では、上部クラッド１ａを形成するために純石英にドープするドーパントをＢ２Ｏ３とＰ２Ｏ５とし、これらのドープ量を共に約８ｍｏｌ％とすることによって、上部クラッド１ａの屈折率が純石英と同じ値になるようにし、かつ、上部クラッド１ａの熱膨張係数αｇが、αｓ−２．０×１０−７≦αｇ≦αｓ＋２．０×１０−７となるように設計した。
【００５１】そして、上部クラッド１ａを形成するクラッドガラス微粒子の堆積時に、上記のようにして求めたドーパントを添加した。なお、実際は、合成中（堆積中）のドーパントの揮発などが考えられるため、試行錯誤によって、上記値（Ｂ２Ｏ３とＰ２Ｏ５のドープ量が共に約８ｍｏｌ％）となる前後でドーパントの添加量の適量を調整し、光導波路部１０の複屈折Ｂの値が｜Ｂ｜≦５．３４×１０−５、上部クラッド１ａの熱膨張係数αｓが、αｓ−２．０×１０−７≦αｇ≦αｓ＋２．０×１０−７となるように、上部クラッド１ａの組成を決定した。
【００５２】また、実際に作製した本実施形態例の光導波回路について、以下の計算により、第１のクラッド１ａの熱膨張係数を求めた。
【００５３】光導波回路に発生する内部応力σは、光導波回路の基板面方向の反り半径をＲとしたとき、次式（３）により表わされるものである。
【００５４】
σ＝｛Ｅｓｂ２｝／｛６（１−γｓ）Ｒ・ｄ｝・・・・・（３）
【００５５】なお、上記式（２）において、Ｅｓはシリコン基板１１のヤング率であり、その値は１．３×１０１１（Ｐａ）、ｂはシリコン基板１１の厚さであり、本実施形態例において、その値は１．０×１０−３（ｍ）、γｓはシリコン基板１１のポアソン比であり、その値は０．２８、ｄは上部クラッド１ａの厚み（下部クラッド１ｂの上面から上部クラッド１ａの上面までの距離）であり、その値は０．０３×１０−３（ｍ）である。
【００５６】また、光導波回路に発生する熱応力σＴは、次式（４）により表わされるものである。
【００５７】
σＴ＝Ｅｇ（αｇ−αｓ）ΔＴ・・・・・（４）
【００５８】なお、式（４）において、Ｅｇは上部クラッド１ａのヤング率であり、その値を純石英の値により近似すると、７．２９×１０１０（Ｐａ）であり、Ｅｇ、αｇ、αｓ、ΔＴはそれぞれ、前記式（２）と同様のものを示し、同様の値である。
【００５９】ここで、前記内部応力がすべて熱応力で発生したとすると、σ＝σＴとなるから、前記式（３）、（４）より、次式（５）が導かれる。
【００６０】
αｇ＝αｓ＋［｛Ｅｓｂ２｝／｛６Ｅｇ（１−γｓ）ｄ・Ｒ・ΔＴ｝］・・・・・（５）
【００６１】そこで、前記のようにして作製した光導波回路の反り量を、接触式の表面形状測定器を用いて測定し、この測定反り量を前記式（５）に代入することにより、上部クラッド１ａの熱膨張係数の実際の値を求めた。このとき、シリコン基板の熱膨張係数はαｓ＝３．０×１０−６℃−１を用いている。
【００６２】その結果、光導波回路の反り半径Ｒが２５８ｍとなったため、上部クラッド１ａの熱膨張係数αｇは、２．９５×１０−６℃―１となることが確認された。なお、このときの光導波回路は、シリコン基板１１を下側にしたときに、上に凸（シリコン基板１１側が凹）となるように反っており、上部クラッド１ａの熱膨張係数αｇの値２．９５×１０−６℃―１を式（２）に代入することにより、複屈折Ｂの値を求めた。その結果、前記複屈折Ｂの値は１．２６×１０−５の正の値であった。
【００６３】本実施形態例によれば、上記検討結果に基づき、光導波路部１０に発生する複屈折Ｂの値を｜Ｂ｜≦５．３４×１０−５とし、上部クラッド１ａの熱膨張係数αｇとシリコン基板の熱膨張係数αｓとの差を２．０×１０−７以下の値（２．９５×１０−６℃―１）としたために、アレイ導波路型回折格子におけるＴＥモードとＴＭモードの中心波長シフト量を０．０５ｎｍ以下の適切な値とすることができ、それにより、偏波依存性損失（ＰＤＬ）の値を０．５ｄＢ以下の適切な値にすることができる。
【００６４】そのため、本実施形態例のアレイ導波路型回折格子を波長１．５５μｍ帯の光波長多重通信システムに適用した場合に、半波長板３を設けなくても偏波依存性損失の影響を抑制でき、半波長板３を必要としない分だけ、作製工程数を少なくできるし、コストの低減も図ることができる。また、本実施形態例によれば、半波長板３を設けないために、半波長板３による反射光が入射導波路１２の入射側の戻ることもなく、リターンロスの増大を抑制することができるし、半波長板３挿入用の溝の形成や半波長板３の挿入固定を行なうときのミスにより、歩留まりが低下することも抑制できる。また、２５μｍ間隔でアレイ導波路を３２０本以上設計可能となる。
【００６５】また、一般に、ガラス系材料は引張り応力を受けると、その応力を開放するためにクラックを発生しやすいことが知られており、本実施形態例のように、シリコン基板１１側が凸となり、ガラス系材料により形成した光導波路部側にかかる応力は圧縮応力であり、引張り応力によってクラックが発生する虞を回避できる。
【００６６】なお、実際に、本実施形態例のアレイ導波路型回折格子のＴＥモードとＴＭモードの偏波ごとの通過スペクトルを測定したところ、図３に示すようなスペクトルとなり、ＴＥモードのスペクトルの中心波長とＴＭモードのスペクトルの中心波長とのずれは、０．０１ｎｍ以下となり、本実施形態例によれば、従来のアレイ導波路型回折格子におけるＴＥモードスペクトルの中心波長とＴＭモードスペクトルの中心波長とのずれ量（約０．２ｎｍ）の２０分の１以下に抑制できることが確認された。
【００６７】次に、本発明に係る光導波回路の第２実施形態例について説明する。本第２実施形態例は上記第１実施形態例とほぼ同様に構成されており、本第２実施形態例が上記第１実施形態例と異なる特徴的なことは、コア２および上部クラッド１ａの組成を上記第１実施形態例と異なるものとし、それにより、コア２のガラス転移温度や上部クラッド１ａの熱膨張係数を上記第１実施形態例と異なるものとしたことである。
【００６８】具体的には、本第２実施形態例では、コア２をＴｉＯ２ドープ石英（ＳｉＯ２−ＴｉＯ２）により形成し、それにより、コア２のガラス転移温度を約１２００℃とした。さらに、上部クラッド１ａは、石英にＢ２Ｏ３を１０ｍｏｌ％、Ｐ２Ｏ５を１ｍｏｌ％、ＧｅＯ２を１０ｍｏｌ％ドープして形成した。それにより、上部クラッド１ａの焼結温度は約１１５０℃とした。なお、これらの組成の決定も、上記第１実施形態例と同様にして行なった。
【００６９】本第２実施形態例の光導波回路において、上記第１実施形態例と同様にして反り量を求めたところ、反り半径Ｒが１２０ｍであり、この反り半径Ｒの値に基づいて、上記式（５）から求めた上部クラッド１ａの熱膨張係数は、３．１×１０−６℃―１であった。なお、本第２実施形態例では、上記第１実施形態例と異なり、シリコン基板１１を下側にして上に凹（光導波路部側が凹）となるように反っており、上部クラッド１ａの熱膨張係数αｇの値３．１×１０−６℃―１を用い、式（２）から前記複屈折率Ｂの値は、−２．７×１０−５の負の値であった。
【００７０】本第２実施形態例も上記第１実施形態例とほぼ同様の効果を奏することができる。
【００７１】また、実際に、本実施形態例のアレイ導波路型回折格子のＴＥモードとＴＭモードの偏波ごとの通過スペクトルを測定したところ、図５に示すようなスペクトルとなり、ＴＥモードのスペクトルの中心波長とＴＭモードのスペクトルの中心波長とのずれは、０．０２ｎｍ以下となり、ＴＥモードスペクトルの中心波長とＴＭモードスペクトルの中心波長とのずれ量を従来例に比べて格段に抑制できることが確認された。
【００７２】なお、本発明は上記実施形態例に限定されることはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば、上記第１実施形態例では、上部クラッド１ａは、純石英にＢ２Ｏ３とＰ２Ｏ５をそれぞれ約８ｍｏｌｅ％ずつ添加した石英系ガラス（ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｐ２Ｏ５系）によって形成し、コア２は、下部クラッド１ｂを形成する石英系ガラスに、さらに、ＧｅＯ２をドープすることによって形成し、上記第２実施形態例では、上部クラッド１ａは、石英にＢ２Ｏ３を１０ｍｏｌ％、Ｐ２Ｏ５を１ｍｏｌ％、ＧｅＯ２を１０ｍｏｌ％ドープして形成し、コア２はＴｉＯ２ドープ石英（ＳｉＯ２−ＴｉＯ２）により形成したが、上部クラッド１ａ、コア２の組成は特に限定されるものではなく、適宜設定されるものである。
【００７３】すなわち、本発明において、光導波路部１０（上部クラッド１ａ、コア２および下部クラッド１ｂ）に発生する複屈折Ｂの値が｜Ｂ｜≦５．３４×１０−５となり、上部クラッド１ａの熱膨張係数αｇは、シリコン基板１１の熱膨張係数をαｇとして、αｓ−２．０×１０−７≦αｇ≦αｓ＋２．０×１０−７となるように、上部クラッド１ａの組成を決定し、クラッド１よりも屈折率が大きくなるようにコア２の組成を決定すればよい。
【００７４】また、上記各実施形態例の光導波回路は、アレイ導波路型回折格子としたが、本発明の光導波回路は、必ずしもアレイ導波路型回折格子とするとは限らず、石英系ガラスによって形成された下部クラッド１ｂとコア２と上部クラッド１ａとを有する光導波路部をシリコン基板上に形成してなる様々な光導波回路に適用できるものである。
【００７５】
【発明の効果】本発明によれば、光導波路部に発生する複屈折Ｂの値を｜Ｂ｜≦５．３４×１０−５の適切な値とし、クラッドからコアに与える応力によってコアに与える歪みを小さくしたものであるから、この光導波回路における前記ＴＥモードとＴＭモードの中心波長シフト量を０．０５ｎｍ以下の適切な値とすることができ、それにより、偏波依存性損失の値を０．５ｄＢ以下の適切な値にすることができる。
【００７６】そのため、本発明の光導波回路を例えば第３の発明のようにアレイ導波路型回折格子として、波長１．５５μｍ帯の光波長多重通信システムに適用した場合に、半波長板を設けなくても偏波依存性損失の影響を抑制できるアレイ導波路型回折格子とすることが可能となり、半波長板を必要としない分だけ、作製工程数を少なくできるし、それにより、歩留まりを向上させ、コストの低減も図ることができる。また、２５μｍ間隔でアレイ導波路を３２０本以上設計可能となる。
【００７７】また、上部クラッドの熱膨張係数をαｇとし、シリコン基板の熱膨張係数をαｓとしたとき、αｓ−２．０×１０−７≦αｇ≦αｓ＋２．０×１０−７と成している構成のものにあっては、上部クラッドの熱膨張係数を最適化し、確実に上記優れた効果を奏する光導波回路を得ることができる。
【出願人】 【識別番号】０００００５２９０
【氏名又は名称】古河電気工業株式会社
【出願日】 平成１２年１月５日（２０００．１．５）
【代理人】 【識別番号】１０００９３８９４
【弁理士】
【氏名又は名称】五十嵐 清
【公開番号】 特開２００１−１９４５４１（Ｐ２００１−１９４５４１Ａ）
【公開日】 平成１３年７月１９日（２００１．７．１９）
【出願番号】 特願２０００−３８０（Ｐ２０００−３８０）