JPH10206911A

JPH10206911A - 光モニター回路およびその製造方法

Info

Publication number: JPH10206911A
Application number: JP654197A
Authority: JP
Inventors: Fumihiro Ebisawa; 文博海老澤; Takuji Yoshida; 卓史吉田; Koichi Arishima; 功一有島; Mitsutoshi Hoshino; 光利星野; Kenji Yokoyama; 健児横山; Takeshi Sukegawa; 健助川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1997-01-17
Filing date: 1997-01-17
Publication date: 1998-08-07

Abstract

(57)【要約】【課題】光モニター回路の光導波路型方向性結合器
が、分岐比を容易に変更することができ、かつ、光モニ
ターの挿入損失を低減させることができるものであるこ
と。【解決手段】光導波路型方向性結合器を有する光モニ
ター回路は、光導波路型方向性結合記の結合部の直上部
に、コアに達するかあるいはそれより浅い深さのトレン
チ部と、トレンチ部に充填された充填材と、結合部の上
方に位置するヒーターとを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光通信装置、光集積
回路および光ファイバー網の状態の調整、検査、監視に
用いられる光モニター回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】従来、光通信装置、光集積回路および光
ファイバー網の状態を調整、検査、監視するための光モ
ニター回路には一定の分岐比を持つ方向性結合器やＹ分
岐回路が用いられてきた。これらの方向性結合器やＹ分
岐比回路は一定の分岐比で光出力を取り出すことがで
き、その分岐において光モニターができる。

【０００３】方向性結合器は光回路を分割したり、結合
するための重要な素子であり、近接して配置した２本の
平行な光導波路を相互に結合し、一方の光導波路を伝搬
する光のエネルギーを他方の光導波路へ伝搬させるもの
である。方向性結合器は用途に応じて一定の分岐比を有
する必要があるが、この分岐比は２本の平行な光導波路
の間隔、およびその結合した光導波路の長さによって変
化する。一般に、間隔を狭くすると分岐が大きくなり、
広くすると小さくなる。また、結合した光導波路の長さ
を長くしていくと分岐は大きくなるが、最大の分岐を与
える長さ（この時の長さを結合長Ｌと呼ぶ）を越えると
また、分岐が小さくなる。結合長Ｌの２倍の長さで分岐
比は最小になり、３倍の長さでまた最大になる。このよ
うに分岐比は結合の長さに関して周期的に変動する。

【０００４】結合長Ｌは式（１）のように表される。

【０００５】

【数１】式（１）Ｌ＝π／（２χ）ここでχ
は結合係数であり、２本の平行な光導波路間の光のパワ
ー移行の度合いを表している。

【０００６】何らかの方法で、２本の光導波路の間隔お
よび／または結合した光導波路の長さを変えることがで
きれば、分岐比を変えることができる。しかし、２本の
光導波路の間隔および結合した光導波路の長さは方向性
結合器の中で形状が固定されているため、これを任意の
間隔や長さに変更して調整することは困難である。

【０００７】また、従来の光モニター回路では、光通信
装置、光集積回路および光ファイバー網の状態を調整し
たり、検査、監視を行っていない場合でも、一定の分岐
光出力が出されたままになってしまう。従って、光通信
装置、光集積回路および光ファイバー網全体としてはモ
ニター光は一種の漏れ光となり、損失の増加要因となっ
てきた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記問題点を
解決すべくなされたものであり、本発明の目的は、光モ
ニター回路において、容易に方向性結合器の分岐比を変
更調製することができ、かつ、モニター中のみモニター
光を取り出し、必要がないときはモニター光の取り出し
を中止して、光通信装置、光集積回路あるいは光ファイ
バー網などに損失を与えないようにした光モニター回路
およびその製造方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、光導
波路型方向性結合器を有する光モニター回路において、
光導波路型方向性結合器の結合部の直上部に、コアに達
するかあるいはそれより浅い深さのトレンチ部と、トレ
ンチ部に充填された充填材と、結合部の上方に位置する
ヒーターとを具備することを特徴とする。

【００１０】請求項２の発明は、基板上に２本の光導波
路を近接させた光導波路型方向性結合器を形成し、光導
波路型方向性結合器の結合部の直上部にコアに達するか
あるいはそれより浅い深さのトレンチ部をエッチングに
よって形成した後、トレンチ部に充填材を充填し、結合
部の上方にヒータを形成することを特徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明では方向性結合器の結合部
の直上部に微小な溝部（トレンチ部）を形成し、ここに
充填材を埋め込み、この充填材の屈折率を変化させるこ
とによって、２本の光導波路の間隔および結合した導波
路の長さを実際に変更したのと同じ効果が出るようにし
た。すなわち、この充填材の屈折率を変化させると光導
波路のクラッドへのエバネッセント光のしみだしが変化
し、その結果、２本の光導波路の結合係数χが変化す
る。結合係数χが変化すると、式（１）からも明らかな
ように、χの値に反比例して光導波路の結合長が実効的
に変化する。前述のごとく、結合長の長さによって分岐
比は変化するので、充填材の屈折率を変えれば、分岐比
も変えることができる。なお、溝部はコアに達する深さ
でも、それより浅い深さでもよい。

【００１２】本発明では屈折率の可変幅を大きくとるた
めに熱光学効果による充填材の屈折率変化を利用するこ
とにした。このためにクラッド（例えば石英ガラス（屈
折率の温度係数＋0.00001 ））よりも大きな屈折率の温
度係数を有する有機材料を充填材として用いることが好
ましい。但し、屈折率の温度係数の大小は絶対値の値で
比較する。

【００１３】以下に本発明において充填材として好まし
く用いられる、屈折率の温度変化の大きいものの主成分
を挙げ、その屈折率および屈折率の温度係数を示す。

【００１４】

【表１】

【００１５】なお、本発明においては、屈折率の温度変
化は小さいが、波長１．５５μｍにおける屈折率が石英
ガラスクラッドよりも小さい透明材料と、上記表１の材
料とを適宜組み合わせて、室温における屈折率が石英ガ
ラスの屈折率と同じ１．４４４となるように調整したも
のを、充填材として用いてもよい。

【００１６】溝に充填した充填材の屈折率の変化が分岐
比に及ぼす効果は、２本の平行な導波路の長さが長く、
それとともに溝の長さも長ければ、それだけ結合係数に
与える影響が大きくなり、従って効果が大きくなる。本
発明の光モニター回路では、例えば光導波路の結合の長
さを結合長Ｌの２倍の長さとして、分岐比０％の石英系
方向性結合器をベースとして作製する。さらにこの結合
部の直上部に微小な溝を設けて、ここに石英ガラスクラ
ッドと同じ屈折率を持った充填材を埋め込み、この充填
材の上部にヒーターを設ける。ここでヒーターは薄膜ヒ
ーター（回路）であってもよい。なお、ヒーターは充填
材の屈折率を制御するための一つの手段であり、充填材
の温度を上げることができれば、赤外線の直接照射など
他の手段によってでもよい。また、ヒーターの形状につ
いても本発明の実施態様の形状に限定されることはな
い。

【００１７】埋め込んだ充填材に例えば屈折率の温度係
数が大きな有機材料を用いると、ヒーターによる温度上
昇で充填材の屈折率が大きく変化し、分岐比が０％より
大きくなり、モニター光を取り出すことができるように
なる。ヒーターを切ると、室温では分岐比が元の０％に
なるので、モニター光は出力されない。従って、モニタ
ーしていないときにはヒーターを切っておけば、光回
路、光回線に損失を与えず、しかもヒーターが切られて
いるために、光モニター回路の長寿命化や省電力化が期
待できる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明を実施例を用いて具体的に説明
するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではな
い。

【００１９】（実施例１）図１（ａ），（ｂ）は、本発
明の光モニター回路の構造を示す図であって、図１
（ａ）に光モニター回路の平面図を、図１（ｂ）にＡ
Ａ′の線で切ったときの断面図を示してある。本発明の
モニター回路は、シリコン基板１上に下部側クラッド２
および上部側クラッド４が設けられており、下部側クラ
ッドの上にはコア３、溝５、ヒーター７が設けられてい
る。また、溝５は充填材６で埋められている。

【００２０】図２は光モニター回路の斜視図であって、
８は入力ポートａ、９は入力ポートｂ、１０は出力ポー
トａ′、１１は出力ポートｂ′である。

【００２１】作製した光モニター回路は波長１．５５μ
ｍで動作し、コア径６．５μｍ×６．５μｍ、クラッド
の屈折率１．４４４、コアの屈折率１．４５５、結合部
のギャップ３μｍ、結合部の長さ３０００μｍである。
また、溝は結合部の２本の導波路の中心線に沿って、幅
１０μｍ、長さ３０００μｍ、深さ３０μｍ（上部側ク
ラッドの厚みに相当）である。この上部側クラッドには
幅２５μｍ、長さ３０００μｍのクロム／金のヒーター
が配置されている。

【００２２】入力ポートａへ光を入射した場合の分岐比
を以下のように定義する。

【００２３】分岐比（％）＝（出力ポートｂ′の出力）
／（出力ポートｂ′の出力＋出力ポートａ′の出力）×
１００入力ポートａへ入力された通信光（波長１．５５μｍ）
の光は、室温（２５度）で出力ポートａ′に全部出力さ
れ、分岐比０％である。ここで、モニター光を出力ポー
トｂ′から取り出すために、ヒーターに電流を流して結
合部の温度を５０℃にすると、出力ポートｂ′から光が
分岐比１１％で出力された。次いでヒーターの電流を切
って結合部を室温に戻すと、分岐比はまた元の０％に戻
った。この時の応答速度は数ミリ秒から数十ミリ秒であ
った。この操作は何回でも繰り返すことができ、すべて
に再現性が認められた。ここでは１００００回繰り返し
て、モニター光を取り出したが分岐比の値に変化はなか
った。

【００２４】従来の分岐比固定型の方向性結合器を用い
てモニター光を取り出した場合は、モニターが必要でな
い場合も光は分岐された状態となり、その結果、入力ポ
ートに入れられた光のパワーが失われることになり、大
きな挿入損失を与えていた。一方、実施例１で示した光
モニター回路ではモニターしたい時にのみヒーター電流
を流してモニターし、必要がなくなれば分岐比０％の状
態に簡単に戻すことができた。従って、モニターによる
回路全体、あるいはファイバー網の挿入損失を低減させ
ることができるように改善された。

【００２５】（実施例２）図３（ａ）〜（ｄ）は、順に
光モニター回路の製造方法を示した模式図である。以
下、図３（ａ）〜（ｄ）を用いて、本発明の光モニター
回路の製造方法を具体的に説明する。

【００２６】まず、シリコン基板１上に火炎堆積法を用
いて、石英ガラススートを堆積させた後加熱溶融して、
下部側クラッド２（屈折率１．４４４、波長１．５５μ
ｍ）を厚さ３０μｍとなるように形成した。次いで、コ
ア層（屈折率１．４５５、波長１．５５μｍ）を厚さ６
μｍとなるように形成した。但し、コア層の屈折率は下
部側クラッド２の屈折率よりわずかに大きくなるように
した。その後、ホトリソグラフィー法により、ホトレジ
ストをマスクに反応性イオンエッチングを行った後、マ
スクを除去して、コア幅が７μｍとなるように方向性結
合器のコア部分３を加工した。ヒーターで加熱しない状
態のときには方向性結合器の分岐比が０％となるよう
に、結合部をギャップ３μｍ、結合の長さを３０００μ
ｍとした。次いで、火炎堆積法を用いて上部側クラッド
を厚さが３６μｍとなるまで堆積して、ウエハーを形成
した。この時点でのウエハーの状態の断面を図３（ａ）
に示す。分岐比を測定するため、この時点でのウエハー
の１枚についてチップを切り出して、分岐比を測定した
ところ、その分岐比はおよそ０％であった。

【００２７】得られたウェハーについて、方向性結合器
の結合部上方に溝を形成した状態のウエハー断面を図３
（ｂ）に示す。溝５は幅１０μｍ、長さ３０００μｍ、
深さ３０μｍの大きさである。溝５はホトリソグラフィ
ーを用いて、コア３の直上部にホトレジストをマスクに
反応性イオンエッチングを行った後、マスクを除去して
溝５を形成した。

【００２８】溝に充填材６を埋め込んだ状態のチップの
断面を図３（ｃ）に示す。溝５の形成されたウエハーを
チップ状態に切り出した。但し、チップ切り出し時に削
りかすが溝に入らないように保護シールを被せてから切
断を行った。溝５に充填材６としてエポキシ樹脂を入れ
て、その直上部から紫外線（水銀キセノンランプ、２０
０Ｗ）で５分間照射した後、８０℃で３時間熱処理を行
った。但し、エポキシ樹脂の組成を調整し、さらに硬化
条件を一定に定めて、前もって硬化後のエポキシ樹脂の
屈折率を石英ガラスと同じ１．４４４となるようにし
た。

【００２９】上部側クラッド上に、溝５に埋められた充
填材を覆うように、ヒーターが形成された状態のチップ
の断面を図３（ｄ）に示す。埋め込んだ充填材の上を覆
うように、真空蒸着装置を用いて、上部側クラッド上に
クロムを１０ｎｍの厚さに蒸着した後、続けて金を１０
０ｎｍの厚さに蒸着してヒーター７を形成した。但し、
ヒーターは溝を覆ってコア３の上方に幅２０μｍ、長さ
３０００μｍの大きさとなるように作製した。

【００３０】従来と同様に火炎堆積法を用いて方向性結
合器を作製した後、引き続いて、溝の作製と、エポキシ
樹脂の溝埋め形成と、ヒーターの形成との３工程を追加
するだけで本発明の光モニター回路を製造できるので、
従来の分岐比固定型の光モニター回路と比較しても、大
した価格の上昇なしに、分岐比可変型の光モニター回路
を作製することができた。

【００３１】

【発明の効果】本発明は光導波路型方向性結合器の結合
部の直上部に溝を形成し、ここに屈折率変化の温度係数
がクラッドより大きな充填材を入れて、その上部にヒー
ターを設け、室温ではモニター光が現れず、ヒーター加
熱を行うことで分岐において光モニターができるように
したので、必要な時にのみモニター光を取り出すことが
できた。

【００３２】また、本発明の光モニター回路を用いれ
ば、光ファイバー網の検査、調整後にはヒーターを切る
ことにより、光ファイバー網に余分な挿入損失を与えな
くてすむので、光ファイバー網自体の損失が少なくな
り、より伝送距離を延ばすことができた。また、新たな
光デバイスを付加したり、光ファイバー網の設計、設備
において損失に対するゆとりを持たせることができるよ
うになった。

【００３３】波長分割多重（ＷＤＭ）方式では様々な波
長の信号を用いるので、プログラマブル波長フィルタ、
ループバック形アレイ導波路格子回路、光分散等化器な
ど多数の波長を扱える複雑な光集積回路が要求されてく
る。これらの光集積回路では回路調整や検査のために回
路内に光モニター回路が必要となる場合が多い。本発明
の分岐可変型の光モニター回路を用いれば、従来のよう
な過剰損失を与えないため、実用に適した本来の性能を
発揮することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）本発明の光モニター回路の構造を示す平
面図、（ｂ）本発明の光モニター回路の構造を示す断面
図である。

【図２】本発明の光モニター回路の斜視図である。

【図３】本発明の光モニター回路の製造方法を示す図で
ある。

【符号の説明】

１シリコン基板２下部側クラッド３コア４上部側クラッド５溝６充填材７ヒーター８入力ポートａ９入力ポートｂ１０出力ポートａ′ １１出力ポートｂ′

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＨ０４Ｂ 10/08 Ｈ０４Ｂ 9/00 Ｗ 17/02 Ｋ (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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光導波路型方向性結合器を有する光モニ
ター回路において、前記光導波路型方向性結合器の結合
部の直上部に、コアに達するかあるいはそれより浅い深
さのトレンチ部と、トレンチ部に充填された充填材と、
前記結合部の上方に位置するヒーターとを具備すること
を特徴とする光モニター回路。
【請求項２】基板上に２本の光導波路を近接させた光
導波路型方向性結合器を形成し、前記光導波路型方向性
結合器の結合部の直上部にコアに達するかあるいはそれ
より浅い深さのトレンチ部をエッチングによって形成し
た後、前記トレンチ部に充填材を充填し、前記結合部の
上方にヒータを形成することを特徴とするモニター回路
の製造方法。