JP2009053425A - 光導波路波長フィルタの形成方法および光導波路波長フィルタ - Google Patents
光導波路波長フィルタの形成方法および光導波路波長フィルタ Download PDFInfo
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Abstract
【課題】振動面が互いに直交する2つの偏光について、中心波長における温度特性を調整して、同一温度において同一の中心波長を得る。
【解決手段】光導波路は、光導波路の内部に残留応力を持たせることによって、光導波路の共振波長の温度無依存化を図り、また、光導波路を伝播する直交する偏光の共振波長の温度特性が異なることを用い、温度制御を行うことによって両偏光の共振波長差を制御して共振波長の偏光無依存化依を図る。さらに、この温度無依存存化および偏光無依存化において、コアに紫外線を照射することによって共振波長をトリミングし、共振波長を所望の波長に制御する。
【選択図】図4
【解決手段】光導波路は、光導波路の内部に残留応力を持たせることによって、光導波路の共振波長の温度無依存化を図り、また、光導波路を伝播する直交する偏光の共振波長の温度特性が異なることを用い、温度制御を行うことによって両偏光の共振波長差を制御して共振波長の偏光無依存化依を図る。さらに、この温度無依存存化および偏光無依存化において、コアに紫外線を照射することによって共振波長をトリミングし、共振波長を所望の波長に制御する。
【選択図】図4
Description
本発明は、光導波路波長フィルタに関し、特に、光導波路波長フィルタの中心波長の特性を所望特性とする光導波路波長フィルタの形成方法、および所望の中心波長の特性を有する光導波路波長フィルタに関する。
波長によって光経路を制御するフォトニックネットワークには、Add/Dropフィルタが不可欠である。このAdd/Dropフィルタとして、クラッド上にコアを積層して形成される積層マイクロリング共振器が提案されている。この積層マイクロリング共振器は、入力側光導波路および出力側光導波路(ここでは両者を併せてバスラインと呼ぶ)を下層のクラッドに互いに交差するように埋め込み、その交差部においてリング共振器を積層する。
この光導波路波長フィルタをはじめとして一般の光導波路型波長フィルタでは、波長フィルタの中心波長が温度によって変動しないという温度無依存性(アサーマル)や、波長フィルタの中心波長が偏光方向によって変動しないという偏光無依存性が求められている。
光通信においてマイクロリング共振器フィルタを含めた波長フィルタなどの光導波路デバイスは温度依存性を有していることが知られている。例えば、一般的に波長フィルタなどは温度依存性を有しており、温度変化に伴ってフィルタ特性が変化する。半導体で製作した波長フィルタの温度依存性は0.1[nm/K]程度であり,石英系においても0.01[nm/K]程度の温度依存性がある。
シングルモードファイバの低損失波長帯である1.55μm帯の40〜100nmの波長帯域に、光信号を0.8nm(100GHz)あるいは0.4nm(50GHz)の狭い波長間隔で32波〜160波多重化する高密度波長分割多重方式(Dense Wavelength Division Multiplexing: DWDM)では、光信号を前記した狭い波長間隔で通信を行っており、光通信システムでは約80℃〜100 ℃の温度範囲での安定動作が要求されるので、温度依存性は非常に大きな問題である。
一般に,干渉あるいは共振を利用した波長フィルタとしてファブリ・ペロー型共振器、分布帰還型共振器、マッハツェンダー干渉計型フィルタ、アレイ導波路格子(AWG)型波長フィルタ等が知られているが、これらの中心波長λoは光路長Sの温度依存性のために変化する。
中心波長λoはいずれの種類のフィルタの場合も次式のようになる。
λo=neqL/N
ただし、Lは光導波路の長さ(マッハツェンダー型やAWG型では光路の長さの差)であり、neq(=β/κo)は等価屈折率、Nは共振(あるいは干渉)次数である。この式を用いて中心波長λoの温度依存性を求めると次式が得られる。
dλo/dT=(1/L)・(dS/dT)・(λo/neq)
ここで、上記式中の(1/L)・(dS/dT)は「光路長温度係数」と呼ばれる値である。この式は、フィルタの中心波長の温度依存性は光路長温度係数に比例していることを表している。例えば,中心波長λo=1.55μmの場合、ガラス光導波路や半導体光導波路の光路長温度係数は(1/L)・(dS/dT)≒10-4〜10-5[1/K]程度であるので、中心波長の温度依存性はdλo/dT≒0.01〜0.1[nm/K]程度となる。
このことから、高密度な波長多重光通信を実用化するためには、この光路長の温度依存性が非常に大きな問題となる。現在、素子加熱によって温度を一定に保つことにより温度に対してフィルタ特性の無依存化がなされているが、コストおよび省電力化の点で不利である。
そこで、波長フィルタを温度無依存化する方法として,屈折率温度係数が負の材料を導波路の一部に挿入する方法(非特許文献1)や, dn/dTの異なる材料を用いる方法(非特許文献2,3)、一般の誘電体導波路材料がdn/dT>0に対してdn/dT<0であるポリマー材料を用いる方法(非特許文献4)などが提案されている。また、本出願の発明者は、光導波路に応力分布を持たせることによって光導波路の中心波長の温度無依存化を図る光導波路を提案している(特許文献1、非特許文献5)。
また、偏光は光導波路中を伝播する間に楕円偏光になるため、波長フィルタの中心波長に偏光依存性がある場合には、偏光によって中心波長にずれが生じてクロストークが発生するという問題があり、高密度波長多重用合分波器では、偏光無依存性が求められている。高屈折差光導波路ではコア断面のアスペクト比制御によって偏光無依存化が図られるが、この偏光無依存化の条件は、光導波路の製作における許容範囲が小さいという問題がある。
また、コアに溝を形成してλ/2板を挿入することによって、偏光無依存化を図ることも提案されているが、デバイスサイズを小型化することが困難であるという問題がある。
これに対して、本出願の発明者は、上記した応力制御を用いた温度無依存化あるいは温度依存性の低減化(特許文献1)をマイクロリング共振器に適用した場合、その共振波長の温度依存性が入射偏光によって大きく異なることを利用して、温度制御によりマイクロリング共振器の偏光無依存化を図ることについて提案している(非特許文献6)
Y.Inoue, A.Kaneko, F.Hanawa, H.Takahashi, K.Hattori, and S.Sumida, "Athermal silica-based arrayed-waveguide grating multiplexer," Electron. Lett., vol.33, no.23, pp.1945-1947 (1997)
H.Tanobe, et al., "A Temperature Insensitive InGaAsInP Optical Filter."IEEE Phton. Technol. Lett., vol.8, no.11, pp.1489-1491 (1998)
H.Tanobe, et al., "Temperature Insensitive Arrayed Waveguide Grating on InP Substrates,"IEEE Phton. Technol. Lett., vol.10. no.2, pp.235-237 (1998)
Y.Kokubun, N.Funato, and M.Takizawa,"Athermal waveguides for temperature independent lightwave devices,"IEEE Photonics Technol. Lett., vol.5, no.11, pp.1297-1300 (Nov.1993)
N.Zaizen, N.Kobayashi, Y.Kokubun, "Athermal microring resonator filter by stress control", MOC’06, Seoul, G-3(pp.200-201), Sep. 2006
小林直樹,財前宣浩,國分泰雄,"応力と温度制御を用いたマイクロリング共振器フィルタの偏光無依存化", 第54回応用物理学関係連合講演会, 27p-SG-8,(2007年3月27日)
特願2006−071730
特開2004−264611
光導波路波長フィルタでは、上記した応力制御を用いたマイクロリング共振器フィルタの共振波長温度依存性の制御(非特許文献5)や、応力と温度制御を用いたマイクロリング共振器フィルタの偏光無依存化(非特許文献6)によって、高屈折率差光導波路を用いた微小デバイスに対して温度無依存化および偏光無依存化が提案されているが、実際のマイクロリング共振器フィルタの製作では、フォトマスクの作製分解能やコア膜厚の不均一性等に起因する作製誤差によって共振波長が設計値からずれる場合がある。
本出願の発明者は、この共振波長を所定値に合わせるために、UV感光性ポリマーをクラッドに用いたトリミング方法を提案し、さらに、経時変化の少ない安定した共振波長トリミングとして、Ta2O5−SiO2をコアに用いた波長フィルタを用い、このコアに水素ローディングを行った後、コアに紫外線を照射して導波モードの等価屈折率を変化させることで共振波長をトリミングする方法を提案している(特許文献2)。
しかしながら、上記した文献に示される共振波長トリミングにおいて用いるTa2O5−SiO2のコアでは、紫外線照射によるトリミング効果が小さいという課題がある。
光導波路波長フィルタでは、光導波路波長フィルタの中心波長の温度無依存化や偏光無依存化が求められる他に、中心波長を所定の波長に効率的にトリミングすることが求められている。
より詳細には、光導波路を通過する、振動面が互いに直交する2つの偏光について、中心波長における温度特性を同一の波長で調整することが求められ、さらに、温度無依存化や偏光無依存化が求められ、また、その中心波長を所定の波長に効率的にトリミングすることが求められる。
そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、振動面が互いに直交する2つの偏光について、中心波長における温度特性を調整して、ある温度において同一の中心波長を得ることを目的とする。
さらに、振動面が互いに直交する2つの偏光について、中心波長における温度特性を調整して、少なくとも一方の偏光に対する温度無依存化や、偏光無依存化を行うことを目的とし、また、その中心波長を所定の波長に効率的にトリミングすることを目的とする。
また、光導波路形波長フィルタの中心波長の温度無依存化や偏光無依存化と、中心波長の大きなトリミング効果の両方を得ることができる光導波路波長フィルタを提供することを目的とする。
本発明の光導波路は、光導波路の内部に残留応力を持たせることによって、光導波路型波長フィルタを通過する、振動面が互いに直交する2つの偏光について、何れか一方の偏光の中心波長における温度特性を調整して、ある温度において同一の中心波長を得る。
中心波長の温度特性の調整によって、光導波路型波長フィルタの振動面が互いに直交する偏光(TE偏光およびTM偏光)の少なくとも一方の偏光の中心波長の温度無依存化を図ることができる。また、光導波路を伝播する、振動面が互いに直交する偏光の中心波長の温度特性が異なることを利用して、温度制御を行うことによって両偏光の中心波長差を制御して中心波長の偏光無依存化を図る。
さらに、この温度無依存存化および偏光無依存化において、コアに紫外線を照射することによって中心波長をトリミングし、中心波長を所望の波長に制御する。
中心波長のトリミングは、一つの光導波路波長フィルタに一方の偏光の温度無依存存化と偏光無依存化の両無依存化を適用したものに適用する他に、温度無依存化および偏光無依存化に対してそれぞれ単独で適用してもよい。
温度無依存化において、本出願の発明者は、材料固有の屈折率の温度係数が正のコアおよびクラッドを有する光導波路において、導波路材料のdn/dTが正である誘電体系では、中心波長λoの温度依存性dλo/dTは正となって通常はレッドシフトするが、内部応力を有する光導波路ではブルーシフトすることを見出した。ブルーシフトは中心波長λoの温度依存性dλo/dTが負であることを意味している。
また、本出願の発明者は、コア材料としてSiONを用いて、PE−CVD法によってクラッド上にSiONのコアを有する光導波路型波長フィルタを生成したとき、中心波長は温度上昇に伴ってブルーシフトし、中心波長λoの温度依存性dλo/dTが負となることを見出した。
本発明の光導波路は、材料固有の屈折率の温度係数が正のコアおよびクラッドを有する光導波路であり、コアは、膜厚方向に、コアとクラッドとを跨ぐ光導波路の導波モードの等価屈折率の温度係数を負にする応力分布を持つ。光導波路の導波モードの等価屈折率の温度係数は、この応力分布による負の温度係数と、コアおよびクラッドの材料に固有の正の屈折率温度係数とにより定まる。
光導波路に応力分布を持たせる態様として、本発明の光導波路は、クラッド上にコアを成膜して生成する。クラッド上にSiONのコアを化学的気相成長法によって成膜生成すると、基板の線膨張係数と光導波膜の線膨張係数の差や成膜時の条件(成膜温度,投入電力,圧力など)および膜厚等に依存してコアの膜厚方向に応力分布が発生する。
本出願の発明者は、内部応力により温度依存性が影響を受けること、内部応力は温度依存性を負の方向に影響を与えること、強い内部応力によって正の温度係数を負の温度係数に変えること、および振動面を異にする偏光は、内部応力による温度係数への影響の大きさに差異があること等を見出した。
本発明は、これらに知見に基づいて、振動面を異にする偏光の少なくとも一方の偏光に対して、内部応力によって温度依存性を変えることで、二つの偏光の温度係数を異ならせて中心波長の温度依存性を調整する。
例えば、正の温度係数の大きさの調整、正の温度係数から負の温度係数への変更、あるいは負の温度係数の大きさの調整を行うことができる。
一般に、内部応力を有していない場合には、各偏光の中心波長にずれがあり、それぞれの偏光に対する中心波長の温度依存性は、ほぼ同じ大きさの温度係数を有している。この場合には、各偏光の中心波長について、同一温度において同一の中心波長を得るように調整することは困難である。
これに対して、本発明によれば、内部応力によって、振動面を異にする偏光の少なくとも一方の偏光の温度依存性を変え、これによって、振動面が互いに直交する偏光(TE偏光およびTM偏光)の温度係数がほぼ等しい状態から、温度係数が異なる状態に温度特性を変えることができる。温度特性が交差する点では、ある温度において同一の中心波長を得ることが可能となる。
したがって、クラッド上にコアを成膜してなる光導波路において、応力分布によって、コアとクラッドとを跨ぐ光導波路の導波モードの内で、少なくとも一方の偏光について等価屈折率の温度係数を調整し、ある温度において同一の中心波長を得るようにすることができる。
さらに、内部応力の大きさを制御することによって互いの偏光の温度係数の傾きを調整し、温度無依存化を行う他、偏光無依存化を行うことができる。また、その中心波長を所定の波長にトリミングすることで、所望の中心波長において温度無依存化や偏光無依存化を行うことができる。
本発明の光導波路は、クラッド上に成膜したコアの一部をエッチバックすることによってコアの応力分布状態を調整し、これによって、等価屈折率の温度係数を調整することができる。
本発明は、光導波路波長フィルタの形成方法の態様と光導波路波長フィルタの態様の態様とすることができる。
本発明の光導波路波長フィルタの形成方法の態様は、クラッド上にコアを形成して成る光導波路を有する波長フィルタの形成方法であって、各工程の組み合わせによって3つの態様を備える。クラッド上に形成するコアはSiONを用いることができる。
本発明の光導波路波長フィルタの形成方法の第1の態様は、光導波路に内部応力を付与することによって、振動面が互いに直交する2つの偏光の少なくとも一方の偏光の中心波長の温度依存性を制御する温度依存性制御工程と、光導波路に紫外線を照射することによって波長フィルタの中心波長を制御する中心波長制御工程と、光導波路の温度を制御することによって光導波路を伝播する直交する偏光間の中心波長差を制御する中心波長差制御工程とを含むものである。
第1の態様によれば、温度依存性制御工程によって少なくとも一方の偏光に対して波長フィルタの中心波長の温度依存性を変えて、両偏光はある温度において同一の中心波長を有するようにすることができる。中心波長の温度依存性の傾きは、内部応力によって調整することができる。例えば、温度上昇に伴って中心波長が上昇する正の傾きや、温度上昇に伴って中心波長が下降する負の傾きにおいてその大きさを調整したり、正の傾きから負の傾きに変更したり、あるいは温度依存性の傾きを零とすることができる。
この第1の態様において、少なくとも一方の偏光の中心波長の温度依存性の傾きを零とすることによって温度無依存化することができる。
また、中心波長差制御工程によって波長フィルタを偏光無依存化し、中心波長制御工程によって波長フィルタの中心波長を所定波長に定めることができる。
第1の態様によれば、温度依存性制御工程によって少なくとも一方の偏光に対して波長フィルタを温度無依存化し、中心波長差制御工程によって波長フィルタを偏光無依存化し、中心波長制御工程によって波長フィルタの中心波長を所定波長に定めることができる。
本発明の光導波路波長フィルタの形成方法の第2の態様は、光導波路に内部応力を付与することによって、振動面が互いに直交する2つの偏光の少なくとも一方の偏光の中心波長温度依存性を制御する温度依存性制御工程と、光導波路に紫外線を照射することによって波長フィルタの中心波長を制御する中心波長制御工程とを含むものである。
第2の態様の温度依存性制御工程は、第1の態様と同様に、少なくとも一方の偏光の中心波長の温度依存性の傾きについて、正の傾きの大きさ、負の傾きの大きさ、正の傾きから負の傾きへの変更、および零とすることができる。
第2の態様によれば、温度依存性制御工程によって、少なくとも一方の偏光に対して波長フィルタの中心波長の温度依存性を変えて、両偏光はある温度において同一の中心波長を有するようにすることができる。また、波長フィルタを温度無依存化し、中心波長制御工程によって波長フィルタの中心波長を所定波長に定めることができる。
本発明の光導波路波長フィルタの形成方法の第3の態様は、光導波路に紫外線を照射することによって波長フィルタの中心波長を制御する中心波長制御工程と、光導波路の温度を制御することによって前記光導波路を通過する直交する偏光間の中心波長差を制御する中心波長差制御工程とを含むものである。
第3の態様によれば、中心波長差制御工程によって波長フィルタを偏光無依存化し、中心波長制御工程によって波長フィルタの中心波長を所定波長に定めることができる。
各態様において、温度依存性制御工程は、SiOのクラッド上にPE−CVD(プラズマCVD)によりSiONのコアを生成することにより内部応力を有した光導波路を形成する。生成されるコアの内部応力は、クラッドの線膨張係数とコアの線膨張係数の差や成膜時における成膜温度,投入電力,圧力などの成膜条件や膜厚等に依存する。
本発明の中心波長制御工程は、紫外線をコアに照射することによって波長フィルタのTE偏光の中心波長を所定波長に調整する。紫外線の照射による中心波長のシフト量は、照射時間に依存する。
本発明の中心波長差制御工程は、波長フィルタのTE偏光の中心波長温度特性とTM偏光の中心波長温度特性が交差する交差点に向けて温度制御する。TE偏光の中心波長特性とTM偏光の中心波長特性が交差する交差点付近では、同一温度において、TE偏光の中心波長とTM偏光の中心波長の波長差は低減され、偏光無依存性が達成される。
本発明の光導波路波長フィルタの態様は、本発明の光導波路波長フィルタの形成方法によって形成される光導波路波長フィルタである。
また、本発明の光導波路波長フィルタの態様は、クラッド上にコアを形成して成る光導波路を有する波長フィルタであり、この波長フィルタは、振動面が互いに直交する2つの偏光の少なくとも一方の偏光の中心波長について負の温度特性を有し、波長フィルタの中心波長は紫外線照射によって所定波長に制御され、光導波路の温度を制御することによって光導波路を伝播する直交する偏光間の中心波長差を制御する温度制御手段を備える。クラッド上に形成するコアはSiONを用いることができる。波長フィルタは、少なくとも一方の偏光の中心波長についてコアやクラッドの材料が固有に備える正の屈折率温度係数と、内部応力と光弾性効果および基板とコアの線膨張係数差の組み合わせによって、波長フィルタを温度無依存性とすることができる。
また、温度制御手段は、波長フィルタの温度を制御することによって、光導波路を伝播する直交する偏光間の中心波長差を低減して、波長フィルタを偏光無依存性とすることができる。
以上説明したように、本発明によれば、振動面が互いに直交する2つの偏光について、中心波長における温度特性を調整して、ある温度において同一の中心波長を得ることができる。
また、本発明によれば、振動面が互いに直交する2つの偏光について、中心波長における温度特性を調整して、温度無依存化や偏光無依存化を行うことができ、また、その中心波長を所定の波長に効率的にトリミングすることができる。
光導波路波長フィルタにおいて、光導波路波長フィルタの中心波長の温度無依存化や偏光無依存化と、中心波長の有効的なトリミング効果とを得ることができる。
以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。
以下、本発明の光導波路をリング共振器に適用した例について説明する。図1は、本発明の光導波路をリング共振器に適用した光導波フィルタを説明するための図である。
図1において、光導波路波長フィルタ1は、Siの基板5上にSiO2のクラッド2を形成し、このクラッド2上にSiONのリングコア3を備える。また、クラッド2内に、リングコア3との間で光信号の授受を行うバスラインコア4を備える。
リングコア3は、リングコア厚tr、リングコア幅wr、リング径Rとし、クラッド2上にオーバーエッチtoeを介在させて備える。また、バスラインコア4は、バスラインコア厚tb、バスラインコア幅wbとし、リングコア3との間に分離層膜厚tsepを挟んで備える。
上記した構成の光導波路波長フィルタ1は、クラッド2と、このクラッド2上において応力分布を有するリングコア3、バスラインコア4とにより構成される。クラッド2は例えばSiO2とし、リングコア3、バスラインコア4はSiONとする。この構成の光導波路波長フィルタ1において、リングコア3は空気層を上部クラッドとしているが、リングコア3の上層に保護クラッドを設ける構成としてもよい。
クラッド2上にPE−CVDによって成膜することによって、コア3には膜厚方向に応力分布が生じる。この膜厚方向の内部応力は、コア3とクラッド2とを跨ぐ光導波路の導波モードの等価屈折率の温度係数を負にする。この等価屈折率の温度係数は内部応力に依存し、さらに、この内部応力はコア3の膜厚に依存する。したがって、コア3の膜厚を調整することによって、等価屈折率の温度係数を調整する。
コア3の膜厚調整は、クラッド2上に成膜したコアをエッチバックすることで行うことができる。エッチバックは、例えばイオンエッチングにより行うことができる。イオンエッチングはドライエッチング法の一種で,プラズマ中のイオンを加速、衝突させる物理的なエッチングである。また、ガスを選択して反応性のイオンを用いる反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching:RIE)によって,物理的な反応に加え、化学的な反応をエッチングに関与させることができる。反応性イオンエッチングに用いるガスとしては、例えば、SiO2やSiON等のガラス系材料に対してはC2F6のガスを用いることができる。
また、等価屈折率の温度係数を調整する他の態様として、コアを所定温度に加熱してアニールする方法がある。
応力によって屈折率が変化する現象は、光弾性効果として知られている。通常、誘電体の屈折率温度依存性は正の特性であり、温度上昇に伴って屈折率は増加する。これにより、誘電体導波路波長フィルタの共振波長は正の温度依存性を示し、温度上昇に伴って共振波長は長くなりレッドシフトを示す。
なお、一般に波長フィルタは、マッハツェンダー型やAWG型等の干渉現象を利用するものや、ファブリ・ペロー共振器やリング共振器等の共振現象を利用するものがあり、これらフィルタの分波波長は一般に中心波長と呼ばれ、共振現象を利用するものについては共振波長と呼ばれている。
ここでは、光導波路をリング共振器に適用した例について説明するため、中心波長に代えて共振波長の用語を用いて説明する。
上記したように、誘電体導波路波長フィルタは応力が無い場合には正の温度依存性を示すのに対して、本願の発明者は、誘電体の導波路波長フィルタに内部応力が存在する場合には、その共振波長が負の温度依存性を示し、温度上昇に伴って共振波長は短くなりブルーシフトを示すことを見出した。
この現象を説明するためのモデルとして、ヤング率が直交する方向の応力によって以下の式で表される非線形モデルを仮定する。この現象は、ストレススティフニングとして知られている。
Ex=(1+kyσy)E
ここで、座標軸を光導波膜の面内にy軸とz軸を,また光導波膜に垂直な方向にx軸をとるとき、Exはx方向のヤング率、kyは非線形係数、σyはy方向の応力、Eは通常のヤング率とする。ここでは、y方向の初期応力が強いほどヤング率Exが大きくなり、基板の熱膨張分だけ圧縮するに必要となる応力が増大すると仮定すると、図2に示す関係が得られる。この関係は、実験結果と一致するものである。
図2は、初期応力と温度依存性との関係を説明するための図である。図2において、初期応力が108Pa程度までは、基板の熱膨張に伴う熱応力による光弾性効果はTO効果(熱光学効果)よりも十分に小さく、無視できる程度であるが、初期応力が109Paよりも大きくなると、光弾性効果はTO効果(熱光学効果)よりも大きくなる。
したがって、光導波路波長フィルタに大きな初期応力がある場合には、TO効果(熱光学効果)による正の温度依存性よりも光弾性効果による負の温度依存性が優勢となり、誘電体導波路波長フィルタの共振波長は負の温度依存性を示す。
この導波路波長フィルタの共振波長の負の温度依存性は内部応力に依存するため、内部応力を制御することによって、導波路波長フィルタの共振波長の温度依存性を制御することができる。内部応力の制御は、前記したように、PE−CVDで成膜した膜厚をエッチバックによって制御したり、コアの厚みを最適化することで行うことができる。
図3は、内部応力の大きさと温度依存性との関係の概略を示している。さらに、詳細には、内部応力の大きさと、振動面が互いに直交する2つの偏光(TE偏光およびTM偏光)の温度依存性との関係を示している。なお、ここで、温度依存性は温度に対する共振波長λの変化によって示している。
図3(a)は、内部応力が無い場合の温度依存性を示している。この場合には、TE偏光の共振波長とTM偏光の共振波長にはずれがあり、その温度依存性の係数(図中の傾き)はほぼ同じであり、所定の温度範囲では交差していない。
本願の発明者は、内部応力による温度依存性が、TE偏光およびTM偏光に与える影響の大きさについて、TM偏光に与える影響とTE偏光に与える影響とのは差異があり、TM偏光に与える影響はTE偏光に与える影響よりも大きいことを見出した。より詳細には、共振波長の温度依存性は、内部応力がなければ屈折率温度係数が正値であるため正の依存性を示し、温度上昇に伴って共振波長が長くなるという特性を示す。一方、内部応力が残留する場合には、温度依存性の負の方向に影響し、さらに、この負の方向の影響はTE偏光よりもTM偏光の方が大きくなる。
図3(b)〜図3(f)は、内部応力の大きさによる共振波長の温度依存性の特性の変化を模式的に示している。なお、図3では、図3(b)から図3(f)の順で内部応力が大きくなる場合を示している。
図3(a)に示すように、内部応力が無い場合には温度依存性の係数(図中の傾き)はほぼ同じであって、所定の温度範囲では交差しない。これに対して、図3(b)〜図3(f)に示されている内部応力がある場合にはTE偏光の温度依存性とTM偏光の温度依存性との差異によって、所定の温度範囲では交差し、ある温度において同じ共振波長を有することができる。
図3(b)は内部応力が小さい場合を示している。内部応力によるTM偏光の温度依存性に対する影響はTE偏光の温度依存性に対する影響より大きく、その方向は負の方向である。そのため、内部応力が小さい場合には、TM偏光とTE偏光の温度依存性は共に正で、TE偏光の温度依存性はTM偏光の温度依存性よりも正の方向で大きくなる。
TE偏光の温度依存性は、TM偏光の温度依存性に対して所定の温度範囲内において交差し、この交差点の温度において同じ共振波長を有する。
図3(c)は内部応力が次に大きい場合を示している。TM偏光の温度依存性の変化はTE偏光の温度依存性の変化よりも大きいため、TE偏光の温度依存性が正のままの状態でTM偏光の温度依存性は零となる。TM偏光の温度依存性が零となる状態では、温度が変化してもTM偏光の共振波長は変化しないという温度無依存性を意味している。なお、TE偏光の温度依存性が正のままの状態であるため、TE偏光の共振波長は、温度が変化すると長くなる方向に変化する。
TE偏光の温度依存性は、TM偏光の温度依存性に対して所定の温度範囲内において交差し、この交差点の温度において同じ共振波長を有する。
図3(d)は内部応力がさらに大きい場合を示している。TM偏光の温度依存性の変化はTE偏光の温度依存性の変化よりも大きいため、TE偏光の温度依存性が正のままの状態でTM偏光の温度依存性は負の温度依存性を有する。この状態では、TE偏光とTM偏光とは正方向と負方向の逆方向の温度依存性を有し、温度が上昇すると、TE偏光の共振波長は長くなる方向に変化し、TM偏光の共振波長は短くなる方向に変化する。
TE偏光の温度依存性とTM偏光の温度依存性とは、所定の温度範囲内において交差し、この交差点の温度において同じ共振波長を有する。
図3(e)は内部応力がさらに大きい場合を示している。TM偏光の温度依存性の変化はTE偏光の温度依存性の変化よりも大きいため、TE偏光の温度依存性は零となり、TM偏光の温度依存性は負の温度依存性を有する。TE偏光の温度依存性が零となる状態では、温度が変化してもTE偏光の共振波長は変化しないという温度無依存性を意味している。なお、TM偏光の温度依存性は負の状態であるため、TM偏光の共振波長は、温度が変化すると短くなる方向に変化する。
TE偏光の温度依存性とTM偏光の温度依存性とは、所定の温度範囲内において交差し、この交差点の温度において同じ共振波長を有する。
図3(f)は内部応力がさらに大きい場合を示している。内部応力によるTM偏光の温度依存性に対する影響はTE偏光の温度依存性に対する影響より大きく、その方向は負の方向であるため、TM偏光とTE偏光の温度依存性は共に負で、TM偏光の温度依存性はTE偏光の温度依存性よりも負の方向で大きくなる。
TE偏光の温度依存性とTM偏光の温度依存性とは、所定の温度範囲内において交差し、この交差点の温度において同じ共振波長を有する。
図3で示したように、内部応力の大きさに応じて温度依存性は変化し、さらに、詳細には、内部応力の大きさに応じて、振動面が互いに直交する2つの偏光(TE偏光およびTM偏光)の温度依存性の関係が変化する。図3(b)〜図3(f)に示すように、内部応力の大きさに応じてTE偏光とTM偏光との関係が変化するとともに、TE偏光とTM偏光の温度係数を異ならせ、所定の温度範囲内において交差させ、この交差点の温度において同じ共振波長を有するようにする。
次に、本発明の光導波路波長フィルタの形成方法について、図4のフローチャートを用いて説明する。本発明の光導波路波長フィルタの形成は、図3(b)〜図3(f)で示した各温度依存性の態様について適用することができる。
はじめに、温度依存性制御工程によって光導波路波長フィルタの温度依存性を制御し、振動面が直交する2つの偏光の共振波長(中心波長)の温度係数を異ならせる。
この温度依存性は、前記図3(b)〜図3(f)に示すように、内部応力の大きさによって制御することができる。例えば、図3(b)に示すように小さな内部応力を付与した場合には、TM偏光およびTE偏光の温度依存性を共に正の傾きとなるように制御することができる。また、付与する内部応力の大きさを制御することで、図3(c)に示すようにTM偏光を温度無依存化したり、図3(e)に示すようにTE偏光を温度無依存化性することができる。
温度依存性制御工程では、SiO2のクラッド上にPE−CVD(プラズマCVD)によりSiONのコアを生成して光導波路を形成する際に、コアに付与される内部応力の大きさによって温度依存性を制御する。生成されるコアの内部応力は、クラッドの線膨張係数とコアの線膨張係数の差や成膜時における成膜温度,投入電力,圧力などの成膜条件や膜厚等によって調整する(S1)。
次に、中心波長制御工程によって光導波路波長フィルタの共振波長をトリミングし、設計値に合わせる。この中心波長制御工程では、紫外線をコアに照射することによって共振波長(中心波長)を所定波長に調整する。紫外線の照射による中心波長のシフト量は、照射時間を調整することで制御する(S2)。
次に、中心波長差制御工程によって、振動面が直交する2つの偏光の共振波長(中心波長)の波長差を減少させ、共振波長を合わせる。波長フィルタの2つの偏光は、温度依存性制御工程によってその共振波長(中心波長)の温度係数が異なることによって、温度特性が交差する交差点を持つ。
波長フィルタのTE偏光の共振波長(中心波長)温度特性とTM偏光の共振波長(中心波長)温度特性が交差する交差点に向けて温度制御する。TE偏光の中心波長特性とTM偏光の中心波長特性が交差する交差点付近では、同一温度において、TE偏光の中心波長とTM偏光の中心波長の波長差は低減され、偏光無依存性が達成される。この温度制御による偏光無依存化を用いることによって、光導波路波長フィルタの製造誤差に伴う偏光依存性を補償することができる(S3)。
以下、図5〜図12を用いて光導波路波長フィルタの形成方法の一形態について説明する。ここでは、図3で示した温度依存性の変化の各態様において、図3(e)に示した態様の例について示す。図3(e)は、内部応力によって一方の偏光(TE偏光)について温度無依存化することができ、さらに、共振波長を所定波長に調整し、その波長において偏光無依存性化することができる態様である。
図5は光導波路波長フィルタの形成方法の一形態を説明するためのフローチャートであり、図6は光導波路波長フィルタの形成方法の一形態の各工程における共振波長の温度特性を示す図であり、図7は本発明の光導波路波長フィルタのTE偏光とTM偏光の共振波長の温度特性を示す図であり、図8は本発明の光導波路波長フィルタのトリミング工程の概略構成を示す図であり、図9は本発明の光導波路波長フィルタにおいて、紫外線を5分間照射した場合の共振波長のシフトを示す図であり、図10は本発明の光導波路波長フィルタにおいて、紫外線を10分間照射した場合の共振波長のシフトを示す図である。
はじめに、光導波路波長フィルタの温度依存性制御の工程によって温度無依存化する。
TE偏光およびTM偏光において、TO効果(熱光学効果)の温度係数を制御することによって温度依存性を制御し、温度無依存化あるいは温度依存の低減化を図る。この温度依存性は、コアに内部応力を付与することで行う。この内部応力は、クラッド上にPE−CVDによってSiONのコアを成膜することによって形成することができる。
図6(a)は温度依存性制御の工程による温度無依存化を説明するための概略図である。図6(a)において、光導波路波長フィルタを伝播する光は、互いに振動面が直交するTE偏光とTM偏光を含んでいる。このTE/TM偏光は、内部応力によって温度依存性の差異が拡大する。ここで、内部応力を制御することによって、TE偏光の温度に対する共振波長の変動を減少させ、温度無依存化、あるいは温度依存性を低減化するように制御する。
これによって、TE偏光の共振波長は、温度が変化しても変動せず、ほぼ同じ波長を維持する。一方、TM偏光の共振波長は、温度依存性が残存して、負の依存性をもつ。
通常のTO効果(熱光学効果)は、TE/TM偏光でほぼ同じ温度依存性を示すが、内部応力による光弾性効果によって、偏光間の温度依存性の差が大きくなる。図7は、TE偏光とTM偏光の共振波長の温度特性の実測結果を示している(S11)。
次に、光導波路波長フィルタをトリミングして共振波長(中心波長)を所定波長に調整する。
本発明の光導波路波長フィルタにおいて、成膜して生成された光導波路波長フィルタの共振波長は必ずしも所望の波長と一致しているとは限らず、設計値からずれている場合がある。このように、共振波長が設計値からずれている場合には、トリミングの工程によって、光導波路波長フィルタの共振波長を設計値に合わせる。このトリミングは、コアに紫外線を照射することによって行う。
図6(b)はトリミングによる共振波長の制御工程を説明するための概略図である。図6(b)において、細い実線および破線はトリミングを行う前のTE偏光の共振波長温度依存性およびTM偏光の共振波長温度依存性を示し、太い実線および破線はトリミングを行った後のTE偏光の共振波長温度依存性およびTM偏光の共振波長温度依存性を示している。紫外線照射によるUVトリミングによって、TE偏光の共振波長を所望の波長λoに合わせる。
図8は、光導波路波長フィルタのトリミング工程の概略構成を示している。この工程では、図示しない光源から紫外線を光導波路波長フィルタの上面に向かって照射することで行うことができる。
トリミングによる共振波長のシフト量は、紫外線の照射時間によって制御することができる。図9は紫外線を5分間照射した場合を示し、図10は紫外線を10分間照射した場合の実測結果を示している。この例では、TE偏光の共振波長温度依存性およびTM偏光の共振波長温度依存性は、ほぼ同じ関係を保持したまま共振波長がシフトし、照射時間が長いほど短波長側に大きくシフトしている。
また、図11は、紫外線照射によるトリミングの他の例であり、紫外線を5分間照射した場合を示している。この例においても、TE偏光の共振波長温度依存性およびTM偏光の共振波長温度依存性は、ほぼ同じ関係を保持したまま共振波長がシフトしている。
なお、図11に示す例では、紫外線の波長λは254nm、照射パワーは42.6mW/cm2、照射時間は5分である。
したがって、紫外線の照射時間を制御することによって、共振波長を制御することができる(S12)。
次に、光導波路波長フィルタの共振波長(中心波長)差制御の工程によって偏光無依存化する。
TE偏光およびTM偏光において、温度を制御することによって偏光依存性を制御し、偏光無依存化あるいは偏光依存の低減化を図る。この偏光依存性は、例えば、ペルチェ素子等の温度制御手段によって光導波路波長フィルタの温度を制御することで行う。
図6(c)は偏光無依存化の工程を説明するための概略図である。なお、図6(c)では、共振波長を設計値に合わせた状態において行っているが、共振波長が設計値からずれた状態で行ってもよい。したがって、TE偏光とTM偏光のいずれか一方の温度無依存化の工程の後に偏光無依存化の工程を行って、その後、トリミングによって共振波長の制御工程を行って共振波長を設計値に合わせてもよい。
図6(c)において、TE偏光とTM偏光の共振波長の温度特性は交差しており、この交差点においてTE偏光とTM偏光は同じ共振波長を有する。この交差点への移動は、交差点における温度Toよりも光導波路波長フィルタの温度が低温である場合には、温度制御手段によって光導波路波長フィルタを加熱することで行うことができ、一方、交差点における温度Toよりも高温である場合には、温度制御手段によって光導波路波長フィルタを冷却することで行うことができる。
なお、図6(c)では、トリミングによってTE偏光の共振波長が設計値λoに合わせられた状態で偏光無依存化を行うことによって、TE偏光とTM偏光の共振波長を共に設計値λoに合わせることができる。
図12は、紫外線照射によるトリミングの前後の状態を示している。トリミングによりTE偏光を設計値に合わせた後、温度制御によってTE偏光の共振波長とTM偏光の共振波長とを合わせることで、偏光無依存化あるいは、偏光依存性の低減化を行う。
この温度制御による偏光無依存化を用いることによって、光導波路波長フィルタの製造誤差に伴う偏光依存性を補償することができる(S13)。
以下、図13〜図16を用いて、光導波路波長フィルタの形成方法の他の形態について説明する。図13〜図16は、内部応力の差によって温度依存性が異なる場合の形態例であり、それぞれ図3(b)、図3(c)、図3(d)、図3(f)に対応するものである。
図13に示す形態例は、TM偏光およびTE偏光は共に正の傾きの温度依存性を持つ例である。
はじめに、図13(a)に示す温度依存性制御の工程において、内部応力を付与することによってTE偏光の共振波長とTM偏光の共振波長に正の異なる温度依存性を持たせる。
次に、光導波路波長フィルタをトリミングして共振波長(中心波長)を所定波長に調整する。図13(b)に示すトリミングによる共振波長の制御工程において、細い実線および破線はトリミングを行う前の偏光の共振波長温度依存性を示し、太い実線および破線はトリミングを行った後の偏光の共振波長温度依存性を示している。紫外線照射によるUVトリミングによって、TE偏光とTM偏光とが交差する共振波長を所望の波長λoに合わせる。
次に、光導波路波長フィルタの共振波長(中心波長)差を制御する。TE偏光およびTM偏光において温度を制御することによって両共振波長の波長差を減少させ、偏光依存の低減化あるいは偏光無依存化する。
図13(c)に示す偏光無依存化の工程において、TE偏光とTM偏光の共振波長の温度特性は交差しており、この交差点においてTE偏光とTM偏光は同じ共振波長を有する。図示しない温度制御手段によって光導波路波長フィルタを加熱るいは冷却することによって、TE偏光とTM偏光の共振波長を交差点で定まる所望の波長λoに合わせる。
図14に示す形態例は、TM偏光は零の温度依存性を持ち、TE偏光は正の傾きの温度依存性を持つ例である。
はじめに、図14(a)に示す温度依存性制御の工程において、内部応力を付与することによってTM偏光の共振波長に零の温度依存性を持たせ、TE偏光の共振波長に正の温度依存性を持たせる。
次に、光導波路波長フィルタをトリミングして共振波長(中心波長)を所定波長に調整する。図14(b)に示すトリミングによる共振波長の制御工程において、細い実線および破線はトリミングを行う前の偏光の共振波長温度依存性を示し、太い実線および破線はトリミングを行った後の偏光の共振波長温度依存性を示している。紫外線照射によるUVトリミングによって、TM偏光の共振波長を所望の波長λoに合わせる。
次に、光導波路波長フィルタの共振波長(中心波長)差を制御して、偏光無依存化する。TE偏光およびTM偏光において、温度を制御することによって偏光依存性を制御し、偏光無依存化あるいは偏光依存の低減化を図る。
図14(c)に示す偏光無依存化の工程において、TE偏光とTM偏光の共振波長の温度特性は交差しており、この交差点においてTE偏光とTM偏光は同じ共振波長を有する。図示しない温度制御手段によって光導波路波長フィルタを加熱るいは冷却することによって、TE偏光とTM偏光の共振波長を交差点で定まる所望の波長λoに合わせる。
図15に示す形態例は、TM偏光は負の傾きの温度依存性を持ち、TE偏光は正の傾きの温度依存性を持つ例である。
はじめに、図15(a)に示す温度依存性制御の工程において、内部応力を付与することによってTE偏光の共振波長に正の温度依存性を持たせ、TM偏光の共振波長に負の異なる温度依存性を持たせる。
次に、光導波路波長フィルタをトリミングして共振波長(中心波長)を所定波長に調整する。図15(b)に示すトリミングによる共振波長の制御工程において、細い実線および破線はトリミングを行う前の偏光の共振波長温度依存性を示し、太い実線および破線はトリミングを行った後の偏光の共振波長温度依存性を示している。紫外線照射によるUVトリミングによって、TE偏光とTM偏光とが交差する共振波長を所望の波長λoに合わせる。
次に、光導波路波長フィルタの共振波長(中心波長)差を制御する。TE偏光およびTM偏光において温度を制御することによって両共振波長の波長差を減少させ、偏光依存の低減化あるいは偏光無依存化する。
図15(c)に示す偏光無依存化の工程において、TE偏光とTM偏光の共振波長の温度特性は交差しており、この交差点においてTE偏光とTM偏光は同じ共振波長を有する。図示しない温度制御手段によって光導波路波長フィルタを加熱るいは冷却することによって、TE偏光とTM偏光の共振波長を交差点で定まる所望の波長λoに合わせる。
図16に示す形態例は、TM偏光は負の傾きの温度依存性を持ち、TE偏光は負のTM偏光よりも小さい傾きの温度依存性を持つ例である。
はじめに、図16(a)に示す温度依存性制御の工程において、内部応力を付与することによってTE偏光の共振波長とTM偏光の共振波長に負の異なる温度依存性を持たせる。
次に、光導波路波長フィルタをトリミングして共振波長(中心波長)を所定波長に調整する。図16(b)に示すトリミングによる共振波長の制御工程において、細い実線および破線はトリミングを行う前の偏光の共振波長温度依存性を示し、太い実線および破線はトリミングを行った後の偏光の共振波長温度依存性を示している。紫外線照射によるUVトリミングによって、TE偏光とTM偏光とが交差する共振波長を所望の波長λoに合わせる。
次に、光導波路波長フィルタの共振波長(中心波長)差を制御する。TE偏光およびTM偏光において温度を制御することによって両共振波長の波長差を減少させ、偏光依存の低減化あるいは偏光無依存化する。
図16(c)に示す偏光無依存化の工程において、TE偏光とTM偏光の共振波長の温度特性は交差しており、この交差点においてTE偏光とTM偏光は同じ共振波長を有する。図示しない温度制御手段によって光導波路波長フィルタを加熱るいは冷却することによって、TE偏光とTM偏光の共振波長を交差点で定まる所望の波長λoに合わせる。
本発明は、導波路型光波長フィルタや光センサ等に適用することができる。
1…光導波路波長フィルタ
2…クラッド
3…リングコア
4…バスラインコア
5…基板
2…クラッド
3…リングコア
4…バスラインコア
5…基板
Claims (10)
- クラッド上にコアを形成して成る光導波路を有する波長フィルタの形成方法において、
前記光導波路に内部応力を付与することによって、振動面が互いに直交する2つの偏光の少なくとも一方の偏光の中心波長の温度依存性を制御して、2つの偏光の温度係数を異ならせる温度依存性制御工程と、
前記光導波路に紫外線を照射することによって前記波長フィルタの中心波長を制御する中心波長制御工程と、
前記光導波路の温度を制御することによって前記光導波路を伝播する振動面が互いに直交する偏光間の中心波長差を制御する中心波長差制御工程とを含むことを特徴とする、光導波路波長フィルタの形成方法。 - クラッド上にコアを形成して成る光導波路を有する波長フィルタの形成方法において、
前記光導波路に内部応力を付与することによって、振動面が互いに直交する2つの偏光の少なくとも一方の偏光の中心波長の温度依存性を制御して、2つの偏光の温度係数を異ならせる温度依存性制御工程と、
前記光導波路に紫外線を照射することによって前記波長フィルタの中心波長を制御する中心波長制御工程とを含むことを特徴とする、光導波路波長フィルタの形成方法。 - クラッド上にコアを形成して成る光導波路を有する波長フィルタの形成方法において、
前記光導波路に紫外線を照射することによって前記波長フィルタの中心波長を制御する中心波長制御工程と、
前記光導波路の温度を制御することによって前記光導波路を通過する振動面が互いに直交する偏光間の中心波長差を制御する中心波長差制御工程とを含むことを特徴とする、光導波路波長フィルタの形成方法。 - 前記コアはSiONであることを特徴とする、請求項1から3の何れか一つに記載の光導波路波長フィルタの形成方法。
- 前記温度依存性制御工程は、SiO2のクラッド上にPE−CVDによりSiONのコアを生成することにより内部応力を有した光導波路を形成し、TE偏光とTM偏光の少なくとも一方の中心波長の温度依存性を制御することを特徴とする、請求項1又は2に記載の光導波路波長フィルタの形成方法。
- 前記中心波長制御工程は、前記波長フィルタのTE偏光とTM偏光の少なくとも一方の中心波長を所定波長に調整することを特徴とする請求項1から4の何れか一つに記載の光導波路波長フィルタの形成方法。
- 前記中心波長差制御工程は、波長フィルタのTE偏光の中心波長温度特性とTM偏光の中心波長の温度特性が交差する交差点に向けて温度制御することにより、TE偏光の中心波長とTM偏光の中心波長との波長差を低減させることを特徴とする請求項1又は3の何れか一つに記載の光導波路波長フィルタの形成方法。
- 請求項1から請求項7の何れか一つに記載される形成方法によって形成されることを特徴とする光導波路波長フィルタ。
- クラッド上にコアを形成して成る光導波路を有する波長フィルタにおいて、
前記波長フィルタは、振動面が互いに直交する2つの偏光の中心波長の温度依存性において互いに異なる温度係数を有し、
前記波長フィルタの中心波長は、紫外線照射によって所定波長に制御され、
前記光導波路の温度を制御することによって前記光導波路を伝播する直交する偏光間の中心波長差を制御する温度制御手段を備えることを特徴とする、光導波路波長フィルタ。 - 前記コアはSiONであることを特徴とする、請求項9に記載の光導波路波長フィルタ。
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