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JP2988515B2 - 光導波路 - Google Patents

光導波路

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JP2988515B2
JP2988515B2 JP8329427A JP32942796A JP2988515B2 JP 2988515 B2 JP2988515 B2 JP 2988515B2 JP 8329427 A JP8329427 A JP 8329427A JP 32942796 A JP32942796 A JP 32942796A JP 2988515 B2 JP2988515 B2 JP 2988515B2
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JP
Japan
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optical
groove
core
waveguide
quartz
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正昭 舟橋
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NEC Corp
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Nippon Electric Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光通信用光デバイ
スに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ファイバグレーティングは、ファイバグ
レーティング中を伝搬する光の一部の波長を反射する特
性を持っており、フィルタとして利用できる。
【０００３】従来、ファイバグレーティングを利用する
場合、ファイバグレーティングに方向性結合器、Ｙ分岐
等の個別部品と光ファイバを介して接続されて利用され
ていた。上記の中で方向性結合器、Ｙ分岐は石英導波路
で形成できるが、ファイバグレーティングは、ファイバ
状態の方が良い特性が得られている。
【０００４】また、Ｅｒ（エルビウム）ドープファイバ
は、数十ｍの長さがあり、リールに巻かれた状態で使わ
れ、その端に方向性結合器又はＹ分岐を接続し、その一
端から１．４８μｍ又は０．９８μｍの励起光を入射
し、他端から１．５５μｍ帯の信号光を通して使用し、
これらのデバイス間は、それぞれ融着接続している。
【０００５】この中で方向性結合器、Ｙ分岐は、石英導
波路で形成できるが、エルビウムドープファイバは、フ
ァイバ状態の方が良い特性が得られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】従来のファイバグレー
ティング又はエルビウムドープファイバを光デバイスと
して使用する場合、ファイバグレーティング又はエルビ
ウムドープファイバと方向性結合器又はＹ分岐と融着接
続するため、融着接続部分を接続作業後、補強する必要
があり、その部分がかさばっていた。そのため小型化を
困難にしていた。
【０００７】また、ファイバグレーティングのように波
長を抑制するデバイスでは、ファイバを伸ばしたり、曲
げたりすると、特性が変化する欠点があった。一方、石
英導波路で光分岐機能、分波機能が実現されており、そ
れらの機能を集積できる技術が確立されている。しかし
石英導波路では、光増幅機能、アイソレータ機能が実現
できていない。
【０００８】即ち、ファイバ型デバイスと石英導波路型
デバイスには、それぞれ利点があるが、通常ファイバを
介して結合される。
【０００９】そのため、光ファイバの余長処理の煩わし
さがつきまとう。また、小型化が困難である。
【００１０】そこで、本発明は、前記従来の技術の欠点
を改良し、光ファイバの機能と石英導波路の機能を集積
することができ、また、光デバイスを小型化することも
でき、更に、種々の光機能を有する光導波路を提供しよ
うとするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するため、次の手段を採用する。
【００１２】（１）シリコン基板上に低屈折率のクラッ
ドと高屈折率のコアを有する石英導波路を形成し、前記
シリコン基板の結晶方位即ちシリコン結晶の＜１１０＞
方位と前記コアの方向が一致する部分のクラッドとコア
を除去し、露出した前記シリコン基板にウェットエッチ
ング又はドライエッチングにて前記シリコン基板の前記
結晶方位に沿って溝を作製し、前記溝に載せた光ファイ
バの両端面と前記石英導波路の残った部分を近接配置し
て、前記石英導波路のコアと前記光ファイバのコアを光
学的に結合した光導波路。
【００１３】（２）前記溝上に載せている前記光ファイ
バが光ファイバグレーティングである前記（１）記載の
光導波路。
【００１４】（３）前記シリコン基板上に形成された前
記溝にグレーデッドインデックス型マルチモードファイ
バを２本載せ光コリメータとして利用し、前記両グレー
デッドインデックス型マルチモードファイバの間隙に光
アイソレータを挿入した前記（１）記載の光導波路。
【００１５】（４）前記溝上に載せている前記光ファイ
バがエルビウムドープファイバである前記（１）記載の
光導波路。
【００１６】
【発明の実施の形態】本発明の３つの実施の形態例につ
いて図面を参照して説明する。
【００１７】本発明の第１実施の形態例を説明する。
【００１８】図１は、本発明の第１実施の形態例の光フ
ァイバグレーティングと光導波路を複合した状態を示す
斜視図である。
【００１９】シリコン（Ｓｉ）基板１上に石英導波路を
形成しており、中央の部分では石英導波路部分を除去し
た後、Ｖ溝２を形成し、その上に光ファイバグレーティ
ング６を載せている。
【００２０】製造の手順は、シリコン基板１上への溝の
形成用マスク材の形成、石英導波路の形成、溝となる部
分の石英導波路の削除、エッチングによる溝の形成、溝
上への光ファイバグレーティング６の搭載、となる。
【００２１】まず、エッチングで溝を形成するためのマ
スクをパターニングする。溝は、ドライエッチングで
は、矩形溝３が形成されるが、ウェットエッチングで
は、Ｖ溝２が形成される。ここでは、ウェットエッチン
グを利用し、Ｖ溝２を形成する。
【００２２】Ｖ溝２を形成するマスクの位置は、後の工
程で形成される石英導波路のコアの位置と合わせる必要
がある。
【００２３】また、Ｖ溝２の方向も基板となるシリコン
の結晶方位即ちシリコン結晶の＜１１０＞方位と合わせ
る必要がある。
【００２４】シリコン基板１上へのＶ溝２の形成用マス
クの材料は、１０００℃に近い温度にも耐える金属で、
形成方法は、スパッタで行ったが、蒸着でも問題ない。
【００２５】次にシリコン基板１上に石英導波路の形成
を行う。石英導波路の形成では、まずシリコン（Ｓｉ）
１上にクラッドとなる屈折率の低い石英を堆積させ、引
続き屈折率の高い石英を堆積させる。屈折率の高い部分
はコアとなる。堆積方法はＴＥＯＳ−ＣＶＤを用いた
が、火炎堆積法又はスパッタ法でも可能である。
【００２６】この屈折率の高い石英の堆積層を所要のコ
ア形状にするため、フォトリソグラフィーの技術を用い
る。即ち、屈折率の高い石英層の上面にコアとして残す
部分にフォトリソグラフィーでマスクを残す。マスクさ
れない高い屈折率の石英部分を反応性イオンエッチング
（ＲＩＥ）等のドライエッチングで除去する。残った部
分を覆い隠すように再度低い屈折率の石英を形成する。
これらの手法は、石英導波路を形成する常套手段として
用いられる。
【００２７】次にＶ溝２を形成するためのマスク材の上
及び将来Ｖ溝となる部分の上に形成された石英導波路を
除去する。まず、石英導波路として残す部分をフォトリ
ソグラフィー技術でマスクする。引続き反応性イオンエ
ッチングで石英導波路部分にエッチングを行い、シリコ
ン基板１の表面を露出させる。
【００２８】次にＶ溝を形成するため、シリコン結晶の
異方性を利用したウェットエッチングを行う。具体的に
は、フォトリソグラフィーの技術でＶ溝２となるべき部
分以外の部分を水酸化カリウム水溶液等のシリコンエッ
チャントに耐えるマスクで覆う。マスクとして例えばシ
リコンの熱酸化膜を用いる方法もあるが、本実施の形態
例では高温に耐える金属を使用している。次に約３５重
量％の水酸化カリウム溶液中でＶ溝２のエッチングを行
う。Ｖ溝２の幅は、シリコン基板１からのコアの高さと
載せる光ファイバグレーティング６の直径により決定さ
れるが、本実施の形態例では、コアの高さがシリコン基
板１から１５μｍの位置で光ファイバグレーティング６
の直径が１２５μｍであり、Ｖ溝２の幅は１３２μｍと
している。
【００２９】石英導波路の端面とシリコン基板１上に形
成されたＶ溝２の境界部分では、端面を垂直に整形する
こと、及び、Ｖ溝２の不要部分を除去、整形するため、
ダイシングソーにてＶ溝２に対して垂直に矩形溝３の加
工を行う。
【００３０】Ｖ溝２に載せる光ファイバグレーティング
６は、直径１２５μｍで、１．５５μｍの波長の光を９
９％反射する特性を有する。
【００３１】このデバイスに石英導波路コア５Ａのポー
トから入射した白色光に近い光は、Ｙ分岐部分を経由し
て光ファイバグレーティング６に入射する。入射した光
の内、１．５５μｍの波長の光は反射して、その５０％
は石英導波路コア５Ａのポートに戻り、残り５０％は石
英導波路コア５Ｂのポートに出射する。入射光の内、透
過する光は、石英導波路コア５Ｃのポートに出る。
【００３２】本発明の第２実施の形態例を説明する。
【００３３】図２は、本発明の第２実施の形態例の光ア
イソレータと光導波路を複合した状態を示す斜視図であ
る。前述の図１の方法と同じ手法にて、Ｖ溝２の両端に
石英導波路を形成する。即ち石英導波路の中央の光路部
分をエッチングにて除去し、シリコン基板１を露出さ
せ、Ｖ溝２を形成する。
【００３４】次に石英導波路クラッド４と石英導波路コ
ア５の端面を整形するため、ダイシングソーにて端面を
垂直かつ平滑にする。
【００３５】Ｖ溝２上には、適切に２分割されたグレー
デッドインデックス型マルチモードファイバ７，８を載
せる。その際、マルチモードファイバ７，８の端面は、
石英導波路の端面に接するように固定する。マルチモー
ドファイバ７とマルチモードファイバ８の間隙は、数ｍ
ｍ空ける。マルチモードファイバ７，８は、コア部の屈
折率が外周に向かって２乗分布的に減少する構造であ
り、適切な長さで切断することで、コリメータレンズと
して使用できる。従ってマルチモードファイバ７とマル
チモードファイバ８との間では平行光線が通過するコリ
メート系を形成でき、その間隙での光損失を緩和するこ
とができる。
【００３６】本実施の形態例では、マルチモードファイ
バ７とマルチモードファイバ８の間に光アイソレータ９
を挿入している。
【００３７】本発明の第３実施の形態例を説明する。
【００３８】図３は、本発明の第３実施の形態例のエル
ビウムドープ光ファイバと光導波路を複合した状態を示
す斜視図である。
【００３９】前述の図１の方法と同じ手法にて、Ｖ溝２
の両端に石英導波路を形成する。即ち石英導波路の中央
の光路部分をエッチングにて除去し、シリコン基板１を
露出させ、Ｖ溝２を形成する。
【００４０】次に石英導波路クラッド４と石英導波路コ
ア５の端面を整形するため、ダイシングソーにて端面を
垂直かつ平滑にする。
【００４１】Ｖ溝２の近傍の石英導波路コアは、１３０
μｍのピッチにて、Ｖ溝２の長手方向と同一方向に形成
されている。この石英導波路コアはＶ溝２から遠ざかる
に従い、隣の石英導波路コアと近接する構造にすること
により、隣の石英導波路コアの光パワーが移行するよう
にし、５０％のパワーの移行が起こる点で端面となる設
計にしている。
【００４２】端面には、誘電体多層膜フィルタ１１，１
２を貼り付け、所要の波長のみ反射するようにしてい
る。こうすることで、反射点において入射した石英導波
路とは反対の石英導波路に光が反射される。
【００４３】隣接する石英導波路コアは、光が九十九折
れに進行するように設計されており、Ｖ溝２上に配置さ
れた複数のエリビウムドープファイバ１０すべてを光が
通過する。
【００４４】即ち入射した光は、石英導波路を経由して
エルビウムドープファイバ１０に入射される。エルビウ
ムドープファイバ１０を透過した光は、他方の石英導波
路に入射され、端面の誘電体多層膜フィルタ１１，１２
で反射されて、次のエルビウムドープファイバ１０に入
射される。この光の往復を繰り返しながら、複数のエル
ビウムドープファイバ１０を通過しながら、石英導波路
出射端から出射される。
【００４５】誘電体多層膜フィルタ１１，１２には、信
号光のみ反射する特性を持たせることで、増幅時自然放
出光によるＳ／Ｎ比の劣化を抑制できる。
【００４６】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、次の効果を奏することができる。
【００４７】（１）光ファイバのコアと石英導波路のコ
アを光学的に結合したことにより、光デバイスを小型化
することができる。
【００４８】（２）光ファイバグレーティングの持つフ
ィルタ特性と石英導波路の持つＹ分岐機能を集積するこ
とで、光フィルタを実現することができる。
【００４９】（３）グレーデッドインデックス型マルチ
モードファイバを２個のコリメータレンズとして使用す
ることで、その間隙に種々の光機能を営む要素即ち、光
アイソレータ、光バンドパスフィルタ、波長板を挿入す
ることができる。
【００５０】（４）エルビウムドープファイバの光増幅
機能と石英導波路の持つ方向性結合機能を集積すること
で、光アンプを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施の形態例の光ファイバグレー
ティングを挿入した光導波路の斜視図である。
【図２】本発明の第２実施の形態例の光フアイソレータ
を挿入した光導波路の斜視図である。
【図３】本発明の第３実施の形態例のエルビウムドープ
ファイバを挿入した光導波路の斜視図である。
【符号の説明】
１ シリコン基板 ２ Ｖ溝 ３ 矩形溝 ４ 石英導波路クラッド ５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ 石英導波路コア ６ 光ファイバグレーティング ７，８ グレーデッドインデックス型マルチモードフ
ァイバ ９ 光アイソレータ １０ エルビウムドープファイバ １１，１２ 誘電体多層膜フィルタ

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 シリコン基板上に低屈折率のクラッドと
    高屈折率のコアを有する石英導波路を形成し、前記シリ
    コン基板の結晶方位即ちシリコン結晶の＜１１０＞方位
    と前記コアの方向が一致する部分のクラッドとコアを除
    去し、露出した前記シリコン基板にエッチングにて前記
    シリコン基板の前記結晶方位に沿って溝を作製し、前記
    溝に載せた光ファイバの両端面と前記石英導波路の残っ
    た部分を近接配置して、前記石英導波路のコアと前記光
    ファイバのコアを光学的に結合したことを特徴とする光
    導波路。
  2. 【請求項２】 前記溝上に載せている前記光ファイバが
    光ファイバグレーティングであることを特徴とする請求
    項１記載の光導波路。
  3. 【請求項３】 前記シリコン基板上に形成された前記溝
    にグレーデッドインデックス型マルチモードファイバを
    ２本載せ光コリメータとして利用し、前記両グレーデッ
    ドインデックス型マルチモードファイバの間隙に光アイ
    ソレータを挿入したことを特徴とする請求項１記載の光
    導波路。
  4. 【請求項４】 前記溝上に載せている前記光ファイバが
    エルビウムドープファイバであることを特徴とする請求
    項１記載の光導波路。
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