JP2004145167A - 光可変減衰器及び光可変減衰器モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】偏波依存性を解消した光可変減衰器を提供する。
【解決手段】光可変減衰器を自由伝搬領域5と、屈折率変調器6と、入力用の光導波路である入力導波路1及び第1接続導波路2と、出力用の光導波路である第2接続導波路3及び出力導波路4とから構成し、入力用の光導波路から自由伝搬領域5に光波を入力すると共に、屈折率変調器6により自由伝搬領域5の有する屈折率n2 を変化させることにより、第1接続導波路2から自由伝搬領域5に入力される光波の伝搬方向θtを変化させ、第2接続導波路3へ光波の結合効率を変化させて出力する。
【選択図】 図1
【解決手段】光可変減衰器を自由伝搬領域5と、屈折率変調器6と、入力用の光導波路である入力導波路1及び第1接続導波路2と、出力用の光導波路である第2接続導波路3及び出力導波路4とから構成し、入力用の光導波路から自由伝搬領域5に光波を入力すると共に、屈折率変調器6により自由伝搬領域5の有する屈折率n2 を変化させることにより、第1接続導波路2から自由伝搬領域5に入力される光波の伝搬方向θtを変化させ、第2接続導波路3へ光波の結合効率を変化させて出力する。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光強度を減衰させる光可変減衰器に関し、例えば、光ファイバ通信に用いられる導波路光部品に適用することができる。
【0002】
【従来の技術】
光通信技術の急速な発達により、各種光部品が研究開発されているが、中でも平面基板上の光導波路を基本とした導波路型光部品が最も重要な位置を占めている。これは、フォトリソグラフィ技術および微細加工技術により、光波長以下の精度で再現性良く導波路型光部品を量産することができるという特徴を有するからである。
【0003】
各種導波路型光部品の中でも、光可変減衰器は波長分割多重通信におけるチャネル間の信号強度のばらつきの補正や光ファイバアンプの利得等化などに用いられ、その低価格化、歩留まり及び量産性の向上が望まれている光部品である。特に、光ファイバアンプの利得等化については、可変減衰量が15dB以上、偏波依存性が0.2dB以下という厳しいスペックが要求されている。
【0004】
以下に図を用いて従来の光可変減衰器を説明する。図8は従来型の光可変減衰器の概略構成図である。同図に示すように、光可変減衰器100において、入力導波路101より入射した光波は、第1光方向性結合器102により、第1アーム導波路103および第2アーム導波路104へと等強度に2つに分岐される。次に、第1アーム導波路103および第2アーム導波路104を伝搬した光波は第2方向性結合器107により合波され出力導波路108および出力導波路109から出力される。ここで、第1アーム導波路103と第2アーム導波路104の長さは等しく設定される。
【0005】
第1アーム導波路103を伝搬する光波の位相は、その上部に配置された薄膜ヒータ105から供給される熱によって制御される。すなわち、電流源106から薄膜ヒータ105に供給される電流Iを制御することにより、第1アーム導波路103を伝搬する光波の位相を連続的に変化させることができる。
【0006】
出力導波路108における光波の減衰量Att(Δφ)は、第1アーム導波路103を伝搬する光波に与えられた位相シフト量Δφにより、入力光強度をP0として下記数1に示す式で与えられる。
【0007】
【数1】
【0008】
図9は、前述する従来の光可変減衰器を石英系光導波路を用いて作製した場合の減衰量特性の一例を示した特性図である。同図において、横軸は印加電力(W)であり、縦軸は上記数1に示す式で表される減衰量(dB)である。光可変減衰器の作製にあたっては、火炎堆積法および反応性イオンエッチングによる一般的な石英系光導波路の作製方法が用いられている。同図に示すように、0.5Wの印加電圧で減衰量は最大(すなわち出力強度は最小)の約25dBであり、良好な特性を示している(例えば、下記非特許文献1参照)。
【0009】
【非特許文献1】
Okuno et al ,“8x8 Optical Matrix Switch Using Silica−Based Planar Lightwave Circuits”,IEICE Trans. Electron.,日本,1993年 7月,Vol.E7−C,No.7,p1215−p1223
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光可変減衰器では、減衰量が大きくなるにつれて入力光の偏波依存性も大きくなり、例えば、TM偏波に対して最大減衰量が得られる条件(図9において印加電力0.5W)では、TM偏波とTE偏波とで最大6dBもの差が発生してしまう。これは、第1アーム導波路103がTM偏波とTE偏波に対して異なる熱光学定数を有するため、ある電力を薄膜ヒータ105に印加した状態において、TM偏波とTE偏波とで位相シフト量が異なることが原因であった。
【0011】
したがって、従来の導波路型の光可変減衰器においては、低電力で作動すると共に最大減衰量も十分確保され、良好な光学特性を実現しているものの、偏波依存性が大きいという問題が生じていた。特に、減衰量が大きくなる領域では、偏波依存性も極端に大きくなるため、実際のシステムへ適用する際の大きな障害となっていた。
【0012】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、偏波依存性を解消した光可変減衰器を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決する第1の発明は、入力用の光導波路と、自由伝搬領域と、出力用の光導波路と、屈折率変調手段とからなり、
前記入力用の光導波路は、前記自由伝搬領域に接続され、前記自由伝搬領域に光波を入力し、
前記屈折率変調手段は、前記入力用の光導波路の有する屈折率n1 又は前記自由伝搬領域の有する屈折率n2 の少なくとも一方を変化させ、
前記自由伝搬領域は、前記入力用の光導波路から入力される光波の伝搬方向を変化させると共に、当該自由伝搬領域に接続される前記出力用の光導波路へ光波の結合効率を変化させて出力することを特徴とする光可変減衰器である。
【0014】
屈折率変調手段により自由伝搬領域の屈折率を変化させ、自由伝搬領域において、入力用の光導波路から入力される光波の伝搬方向を変化させることにより、出力用の導波路に対する光波の結合効率を変化させ、出力用の導波路から出力される光波の減衰率を変化させる。
【0015】
前記課題を解決する第2の発明は、第1の発明に係る光可変減衰器において、
前記入力用の光導波路または前記出力用の光導波路の少なくとも一方は、前記自由伝搬領域との開口数が小さくなるモード変換構造を有することを特徴とする光可変減衰器である。
自由伝搬領域との開口数が小さくなるモード変換構造を有する光導波路とすることで、伝搬する光波の広がりを抑え、効果的な光減衰効果を得る。
【0016】
前記課題を解決する第3の発明は、第1又は第2の発明に係る光可変減衰器において、
前記入力用の光導波路から前記自由伝搬領域に光波を入力する際に、入射角θ1(0°≦θ1<90°)で入射するように、前記入力用の光導波路が前記自由伝搬領域に接続されていることを特徴とする光可変減衰器である。
【0017】
前記課題を解決する第4の発明は、第1ないし第3のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、
前記自由伝搬領域は、前記入力用の光導波路と前記出力用の光導波路との間に形成された溝と、前記溝に充填された充填剤とにより構成されることを特徴とする光可変減衰器である。
【0018】
例えば、同一の基板上に入力用の光導波路と出力用の光導波路とを作製し、入出力用の光導波路の間に溝を形成すると共に、充填剤を充填して自由伝搬領域を作製することにより、光可変減衰器の製造工程を簡便にする。
【0019】
前記課題を解決する第5の発明は、第1ないし第4のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、
前記入力用の光導波路及び前記出力用の光導波路は、石英系光導波路であることを特徴とする光可変減衰器である。
【0020】
前記課題を解決する第6の発明は、第1ないし第5のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、
前記自由伝搬領域は、シリコーン樹脂からなることを特徴とする光可変減衰器である。
【0021】
入出力用の光導波路を石英系光導波路とし、自由伝搬領域をシリコーン樹脂から形成することにより、両者の屈折率比の制御を容易にする。
【0022】
前記課題を解決する第7の発明は、第1ないし第6のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、
前記入力用の光導波路の有する熱光学定数と、前記自由伝搬領域の有する熱光学定数とが異なることを特徴とする光可変減衰器である。
【0023】
入力用の光導波路と自由伝搬領域とを熱光学定数が異なる材料で作製することにより、両者の屈折率比の制御を容易にする。
【0024】
前記課題を解決する第8の発明は、第1ないし第7のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、
前記入力用の光導波路の有する屈折率n1 の電界依存性と、前記自由伝搬領域の有する屈折率n2 の電界依存性とが異なることを特徴とする光可変減衰器である。
【0025】
入力用の光導波路と自由伝搬領域とを屈折率の電界依存性が異なる材料で作製することにより、両者の屈折率比の制御を容易にする。
【0026】
前記課題を解決する第9の発明は、第1ないし第8のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、
前記入力用の光導波路の有する屈折率n1 の機械的な応力依存性と、前記自由伝搬領域の有する屈折率n2 の機械的な応力依存性とが異なることを特徴とする光可変減衰器である。
【0027】
入力用の光導波路と自由伝搬領域とを屈折率の機械的応力依存性が異なる材料で作製することにより、両者の屈折率比の制御を容易にする。
【0028】
前記課題を解決する第10の発明は、第1ないし第7のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、
前記屈折率変調手段は、前記入力用の光導波路又は前記自由伝搬領域の少なくとも一方を加熱又は冷却することにより前記入力用の光導波路の有する屈折率n1 又は前記自由伝搬領域の有する屈折率n2 の少なくとも一方を変化させる装置、ヒーター又はペルチェ素子であることを特徴とする光可変減衰器である。
【0029】
前記課題を解決する第11の発明は、第1ないし第6のいずれか又は第8の発明に係る光可変減衰器において、
前記屈折率変調手段は、前記入力用の光導波路又は前記自由伝搬領域の少なくとも一方に電界を作用させることにより前記入力用の光導波路の有する屈折率n1 又は前記自由伝搬領域の有する屈折率n2 の少なくとも一方を変化させることを特徴とする光可変減衰器である。
【0030】
前記課題を解決する第12の発明は、第1ないし第6のいずれか又は第9の発明に係る光可変減衰器において、
前記屈折率変調手段は、前記入力用の光導波路又は前記自由伝搬領域の少なくとも一方に機械的な応力を作用させることにより前記入力用の光導波路の有する屈折率n1 又は前記自由伝搬領域の有する屈折率n2 の少なくとも一方を変化させることを特徴とする光可変減衰器である。
【0031】
前記課題を解決する第13の発明は、第10の発明に係る光可変減衰器を有し、前記屈折率変調手段にヒートシンクを密接させたことを特徴とする光可変減衰器モジュールである。
【0032】
高い応答性で屈折率を制御することができる光可変減衰器とした光可変減衰器モジュールを実現する。
【0033】
本発明に係る光可変減衰器では、自由伝搬領域の屈折率を変化させることにより、入力用の光導波路から自由伝搬領域に入力される伝搬光の進路を変化させる。このようにして伝搬光の進路を変化させることにより、自由伝搬領域から出力用の光導波路への光の結合効率を変化させ、光可変減衰器としての動作を実現する。また、自由伝搬領域の屈折率を変化させることにより、光導波路と自由伝搬領域の間の開口数を変化させ、光可変減衰器としての動作を実現する。
【0034】
図1は本発明に係る光可変減衰器の一例の概略構成図であるが、以下の説明は本発明を限定するものではない。同図に示すように、光可変減衰器9は、自由伝搬領域5と、自由伝搬領域5に一定の角度θ1(0°≦θ1<90°)をもって接続される第1接続導波路2と、第1接続導波路2に接続される入力導波路1と、自由伝搬領域5の所定の位置に一定の角度θ2(0°≦θ2<90°)をもって接続される第2接続導波路3と、第2接続導波路3に接続される出力導波路4と、自由伝搬領域5の直近に配設された屈折率変調器6とからなる。入力導波路1と第1接続導波路2とから「入力用の光導波路」が構成され、出力導波路4と第2接続導波路3とから「出力用の光導波路」が構成される。
【0035】
光可変減衰器9において、入力導波路1から入射した光波は、第1接続導波路2を経由して自由伝搬領域5へと入射される。このとき、第1接続導波路2と自由伝搬領域5とは、第1接続導波路2と自由伝搬領域5との接続点P1において、入射角θ1(0°≦θ1<90°)の角度をもって接続されている。ここで、入射角θ1とは、入射された光波の光軸と自由伝搬領域5から垂直に引いた仮想線とがなす角度である。
【0036】
ここで、第1接続導波路2の屈折率をn1 、自由伝搬領域5の屈折率をn2 とすると、自由伝搬領域5において伝搬する光波の伝搬方向θtは、θ1(0°<θ1<90°)との関係で、スネルの法則より下記数2に示す式で与えられる。ここで、伝搬方向θtとは、自由伝搬領域5において伝搬する光波の光軸と自由伝搬領域5から垂直に引いた仮想線とがなす角度である。
【0037】
【数2】
【0038】
更に、自由伝搬領域5の直近に配設された屈折率変調手段である屈折率変調器6により、自由伝搬領域5の屈折率n2 を変化させることができるようになっている。屈折率変調器6としては、例えば、温度を変化させて屈折率を変調させるもの、電界をかけて屈折率を変調させるもの、機械的な応力(ひずみ)をかけることで屈折率を変調させるもの等が考えられる。
【0039】
屈折率変調器6により自由伝搬領域5の屈折率n2 を変化させることにより、上記数2に示す式に基づいて、自由伝搬領域5における光波の伝搬方向θtを変化させることができる。
【0040】
ここで、自由伝搬領域5と第2接続導波路3とは、自由伝搬領域5と第2接続導波路3との接続点P2において、出射角θ2の角度をもって接続されている。また、接続点P2は、自由伝搬領域5と第2接続導波路3との界面と、初期状態の伝搬方向θtで自由伝搬領域5内を伝搬する光波とが交差する点に位置している。
【0041】
なお、初期状態の伝搬方向θtとは、屈折率変調器6を作動させない状態における自由伝搬領域5の屈折率n2 に基づく伝搬方向のことである。また、図1における自由伝搬領域5には、初期状態の光波の伝搬方向を点線で示してある。この状態においては、入力導波路1から入力された光波は、ほぼ完全な結合効率で出力導波路4から出力されている。
【0042】
前述する構成を有する光可変減衰器9において、屈折率変調器6を作動させることにより、入力導波路1から入力され自由伝搬領域5を伝搬する光波の接続点P2における第2接続導波路3への結合効率を変化させることが可能となり、光可変減衰器としての動作を実現することができる。
【0043】
なお、入射角θ1について0°<θ1<90°の範囲では、上記原理により光強度を減衰させることができるが、θ1=0°の場合には、上記原理とは異なった原理に基づいて光強度が減衰する。θ1=0°の場合には、以下の原理に基づく。すなわち、自由伝搬領域5の屈折率を変化させることにより、自由伝搬領域5と第1接続導波路2の間の開口数、もしくは自由伝搬領域5と第2接続導波路3の間の開口数を変化させることができる。開口数を変化させることにより、第1接続導波路2から出射する光波の自由伝搬領域5におけるビームの広がりを変化させることができ、この結果、第2接続導波路3への光波の結合効率を変化させ、光可変減衰器としての動作を実現することができる。
【0044】
【発明の実施の形態】
以下に図面および数値を挙げて本発明の実施形態を詳細に説明するが、以下の実施形態は本発明を限定するものではない。
【0045】
[第1の実施形態]
図2は、第1の実施形態に係る光可変減衰器の概略構成図である。同図に示すように、第1の実施形態に係る光可変減衰器10は、自由伝搬領域15と、自由伝搬領域15に一定の角度θ1をもって接続される第1接続導波路12と、第1接続導波路12に接続される入力導波路11と、自由伝搬領域15の所定の位置に一定の角度θ2をもって接続される第2接続導波路13と、第2接続導波路13に接続される出力導波路14と、自由伝搬領域15の直近に配設された屈折率変調手段である薄膜ヒータ16とからなる。入力導波路11と第1接続導波路12とから「入力用の光導波路」が構成され、出力導波路14と第2接続導波路13とから「出力用の光導波路」が構成される。
【0046】
第1の実施形態に係る光可変減衰器10では、幅W1の入力導波路11を第1接続導波路12に、第1接続導波路12を自由伝搬領域15へと接続した。自由伝搬領域15は、第1接続導波路12と角度θ1で交差する幅Dsの溝17に充填剤としてシリコーン樹脂を充填することで形成した。
【0047】
更に、第1接続導波路12と自由伝搬領域15の接続点から自由伝搬領域15の長さ方向にSの距離だけ離れた位置において、自由伝搬領域15に第2接続導波路13を接続した。なお、自由伝搬領域15の長さ方向とは、自由伝搬領域15において第1接続導波路12と第2接続導波路13とが接続される面の間の距離を示す幅Dsに対して直行する方向である。
【0048】
図3は、第1接続導波路12と自由伝搬領域15との接続部分の拡大図である。第1接続導波路12には、自由伝搬領域15とのモード不整合により生じる不要損失、すなわち光可変減衰器として動作していないときに生じる損失を低減するためにモード変換構造を設けた。すなわち、同図に示すように、第1接続導波路12の入力導波路11側の領域から自由伝搬領域15側に向かい、長さL1にわたって、導波路幅がW1からW2へと広くなると共に、自由伝搬領域15との境界まで、長さL2にわたって導波路幅W2を維持するモード変換構造を作製した。本構造により、自由伝搬領域15に対する導波路の開口数を小さく設定することができ、前述した不要損失を低減することができる。また、第2接続導波路13に対しても、同様のモード変換構造を作製した。
【0049】
本実施形態においては、W1=6μm、W2=10μm、L1=250μm、L2=250μm、θ1=θ2=60°、S=211.5μm、導波路コアの厚みH=6μm、自由伝搬領域15である溝17の幅Ds=50μmとし、光可変減衰器を作製した。導波路コアとは、入出力導波路11、14、第1及び第2接続導波路12、13のコアをいう。これらの導波路としては、一般的な火炎堆積法と反応性イオンエッチングにより作製した石英系光導波路とした。
【0050】
本実施形態に係る光可変減衰器10において、25℃における石英系光導波路の屈折率n1 は1.452であり、自由伝搬領域15を形成するシリコーン樹脂の屈折率n2 は1.391である。また、石英系光導波路の熱光学定数は 0.00001/℃であり、シリコーン樹脂の熱光学定数は−0.0004/℃である。
【0051】
したがって、温度25℃の場合には、第1接続導波路12から自由伝搬領域15へと入射角θ1で入射された光波は、上記数2に示すスネルの法則により石英系光導波路の屈折率n1 とシリコーン樹脂の屈折率n2 との差に基づき屈折し、θt=64.7°の角度で自由伝搬領域15を伝搬し、第2接続導波路13から出射される。
【0052】
なお、光波が伝搬方向θt=64.7°の角度で自由伝搬領域15を伝搬する状態(温度25℃における光路)を初期状態とする。図2における自由伝搬領域15には、初期状態の光波の伝搬方向を点線で示してある。この状態においては、入力導波路11から入力された光波は、ほぼ完全な結合効率で出力導波路14から出力されている。
【0053】
ここで、薄膜ヒータ16に電力を印加すると、自由伝搬領域15を形成するシリコーン樹脂の屈折率n2 が温度依存性を有し変化するため、スネルの法則に基づき、自由伝搬領域15を伝搬する光波の伝搬方向θtが変化する。ここで、伝搬方向θtの変化率は、0.035°/℃である。
【0054】
すなわち、光波が自由伝搬領域15と第2接続導波路の界面に到達する位置は、0.33μm/℃の割合で移動する。この結果、入力導波路11から入力され自由伝搬領域15を伝搬する光波の第2接続導波路13への結合効率を変化させることが可能となり、光可変減衰器としての動作を実現することができる。
【0055】
なお、薄膜ヒータ16の加熱により、自由伝搬領域15だけでなく光導波路も加熱され屈折率が変化してしまう場合がある。この場合には、本実施形態のように両部材を構成する材料について熱光学定数が大きく異なるものを使用することにより、一方のみの屈折率を大きく変化させ、両者の屈折率比を変化させることができる。
【0056】
図4は、本実施形態に係る光可変減衰器の薄膜ヒータ16への印加電力と減衰量との関係を測定した結果を示す関係図である。同図に示すように、薄膜ヒータ16へ0.23Wの電力を印加した場合には、約18dBの減衰量を得ることができた。また、このとき偏波依存性PDLは0.1dBと非常に小さく、TM偏波及びTE偏波共に同等の減衰量を得ることができるという、良好な特性であることが分かった。
【0057】
従来の光減衰方式においては、干渉計アームにおいて熱光学効果により生じる屈折率の変化には偏波依存性が存在していたため、光可変減衰器としてのPDLが生じていた。すなわち、光可変減衰器としてのPDLが生じるのは、干渉計アームにおいて、基板に対して垂直方向及び水平方向に加わる応力が異なることが原因であった。一方、本実施形態に係る光減衰方式では、自由伝搬領域において熱光学効果により生じる屈折率の変化を利用している。ここで、自由伝搬領域では特定の導波路構造を有しないため垂直方向及び水平方向での応力に差はなく、この結果、本実施形態においては熱光学効果による屈折率変化には偏波依存性を生じない。
【0058】
以上説明する特性から、本実施形態に係る光可変減衰器は、減衰量15dB以上、偏波依存性0.2dB以下という厳しいスペックが要求される光ファイバアンプの利得等化に対しても十分適用することが可能である。
【0059】
[第2の実施形態]
図5は、第2の実施形態に係る光可変減衰器モジュールの概略外観図である。また、図6は、第2の実施形態に係る光可変減衰器モジュールの内部に配設された光可変減衰器チップの概略外観図である。なお、図6に示す光可変減衰器チップについては、機能の説明のため、部分的に透視図とした。
【0060】
図5に示すように、光可変減衰器モジュール20は、主として筺体21と、入力光ファイバ22と、出力光ファイバ23と、ヒートシンク25とからなる。また、図6に示すように、光可変減衰器チップ30は、シリコン基板31と、シリコン基板31の上部に形成した石英32と、石英32の中央部に形成した溝33に充填したシリコーン樹脂34と、石英32に形成した入出力導波路36、37と、シリコン基板31の下部に密接させた屈折率変調手段であるペルチェ35とからなる。
【0061】
入力光ファイバ22は、そのコアが入力導波路36に一致するように接続され、出力光ファイバ23は出力導波路37に一致するように接続されている。また、自由伝搬領域となるシリコーン樹脂34を充填した溝33は、シリコン基板31が現れる深さまで形成した。また、入出力導波路36、37とシリコーン樹脂34とは接続導波路を介して接続されており、これらの接続部分は第1の実施形態と同様にして接続されている。更に、接続導波路はモード変換構造とした。
【0062】
筺体21にはペルチェ電極24が配線されており、内部の光可変減衰器チップ30のペルチェ35に接続され、光可変減衰器チップの温度を制御するようになっている。更に、光可変減衰器モジュール20の内部においては、光可変減衰器チップ30のペルチェ35がヒートシンク25に密着するように光可変減衰器チップ30を配置した。
【0063】
本実施形態においては、ペルチェ電極24からの給電によりペルチェ35から発生した熱は、熱伝導に優れたシリコン基板31を介してシリコーン樹脂34に伝わる。この結果、第1の実施形態と同様の作用により、シリコーン樹脂の屈折率n2 と導波路の屈折率n1 との比を変化させることができ、光可変減衰器として作動させることができる。なお、第1の実施形態で説明したように、シリコーン樹脂34と石英32との熱光学定数が大きく異なるため、本実施形態においても、主としてシリコーン樹脂34の屈折率を大きく変化させることができる。
【0064】
更に、本実施形態に係る光可変減衰器モジュール20のサイズは3cm(W)×2cm(D)×1cm(H)であり、非常に小型のモジュールとすることができた。
【0065】
本実施形態では、ペルチェ35の設定温度を変化させることにより光可変減衰器としての効果を実現した。図7は、環境温度が25℃の場合におけるペルチェ印加電力と光可変減衰器モジュールの減衰量の関係を示した関係図である。同図に示すように、ペルチェ35へ0.23Wの電力を印加した場合には、約18dBの減衰量を得ることができた。また、このとき偏波依存性PDLは0.1dBと非常に小さく、TM偏波及びTE偏波共に同等の減衰量を得ることができるという、良好な特性であることが分かった。偏波依存性が生じなくなった理由は、第1の実施形態で説明するとおりである。
【0066】
本発明に係る光可変減衰器は、自由伝搬領域の屈折率n2 と導波路の屈折率n1 との比を変化させて、光減衰機能を発現させている。
【0067】
例えば、自由伝搬領域の屈折率n2 と導波路の屈折率n1 との比を変化させる手段としては、例えば、温度を変化させて屈折率を変調させるもの(第1の実施形態に係る薄膜ヒータ、第2の実施形態に係るペルチェ等)、電界をかけて屈折率を変調させるもの、機械的な応力(ひずみ)をかけることで屈折率を変調させるもの等が考えられる。
【0068】
また、自由伝搬領域の屈折率n2 と導波路の屈折率n1 との比を変化させる方法としては、自由伝搬領域の屈折率n2 を一定に保持すると共に導波路の屈折率n1 を変化させる方法、自由伝搬領域の屈折率n2 を変化させると共に導波路の屈折率n1 を一定に保持する方法、自由伝搬領域の屈折率n2 と導波路の屈折率n1 とを共に変化させる方法が考えられる。
【0069】
また、自由伝搬領域の屈折率n2 と導波路の屈折率n1 との比を変化させるには、それぞれの部材を形成する材料の有する屈折率の環境依存性が大きく異なる方が良い。
【0070】
例えば、どちらか一方の部材を環境変化により屈折率が大きく変化する材料で形成すると共に、他方を環境変化により屈折率がほとんど変化しない材料で形成する。また、どちらか一方の部材を環境変化によって屈折率が大きくなる材料で形成すると共に、他方を環境変化により屈折率が小さくなる材料で形成する。屈折率の環境依存性とは、前述した温度変化(加熱及び冷却)、電界変化、機械的ひずみ等の環境変化によってその環境下に置かれた材料の屈折率が変化することで、環境変化が温度変化である場合には熱光学定数(屈折率の温度依存性)となる。
【0071】
また、上記実施形態では、自由伝搬領域の対向する面(図1,2では自由伝搬領域の左右)に入力用の光導波路と出力用の光導波路とを接続したが、本発明はこれに限られず、入出力光導波路を自由伝搬領域の同じ面に接続してもよい。この場合には、入出力光導波路が接続されない面にミラー等を設置し、入力用の光導波路から入射された光波がミラーで反射され出力用の光導波路から出力されるようにすること等が考えられる。更に、複数の波長の光波を一つの光可変減衰器で減衰させたい場合には、複数の入力用の光導波路と出力用の光導波路と接続することで対応することができる。
【0072】
【発明の効果】
本発明の主たる効果は、大きな減衰量と低い偏波依存性とを両立する光可変減衰器を実現することができるということである。
【0073】
第1の発明によれば、屈折率変調手段により自由伝搬領域の屈折率を変化させ、自由伝搬領域において、入力用の光導波路から入力される光波の伝搬方向を変化させることにより、出力用の導波路に対する光波の結合効率を変化させ、出力用の導波路から出力される光波の減衰率を変化させることができ、大きな減衰量と低い偏波依存性とを両立させた光可変減衰器を実現することができる。
【0074】
第2の発明によれば、第1の発明に係る光可変減衰器において、前記入力用の光導波路または前記出力用の光導波路の少なくとも一方を、前記自由伝搬領域との開口数が小さくなるモード変換構造を有することとしたので、伝搬する光波の広がりを抑え、効果的な光減衰効果を得ることができる。
【0075】
第3の発明によれば、第1又は第2の発明に係る光可変減衰器において、前記入力用の光導波路から前記自由伝搬領域に光波を入力する際に、入射角θ1(0°≦θ1<90°)で入射するように、前記入力用の光導波路を前記自由伝搬領域に接続したので、さらに効果的に大きな減衰量と低い偏波依存性とを両立させた光可変減衰器を実現することができる。
【0076】
第4の発明によれば、第1ないし第3のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、前記自由伝搬領域を、前記入力用の光導波路と前記出力用の光導波路との間に形成された溝と、前記溝に充填された充填剤とにより構成したので、例えば、同一の基板上に入力用の光導波路と出力用の光導波路とを作製し、入出力用の光導波路の間に溝を形成すると共に、充填剤を充填して自由伝搬領域を作製することにより、光可変減衰器の製造工程を簡便にすることができる。
【0077】
第5の発明によれば、第1ないし第4のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、前記入力用の光導波路及び前記出力用の光導波路を、石英系光導波路としたことにより、一般的な材料系において本発明に係る光可変減衰器を適用することができる。
【0078】
第6の発明によれば、第1ないし第5のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、前記自由伝搬領域を、シリコーン樹脂から構成したことにより、一般的、かつ安価な材料系において本発明に係る光可変減衰器を適用することができる。
【0079】
更に、入出力用の光導波路を石英系光導波路とし、自由伝搬領域をシリコーン樹脂から形成することにより、両者の屈折率比の制御を容易にすることができる。
【0080】
第7の発明によれば、第1ないし第6のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、前記入力用の光導波路の有する熱光学定数と、前記自由伝搬領域の有する熱光学定数とが異なる構成すなわち、入力用の光導波路と自由伝搬領域とを熱光学定数が異なる材料で作製することにより、両者の屈折率比の制御を容易にすることができる。
【0081】
第8の発明によれば、第1ないし第7のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、前記入力用の光導波路の有する屈折率n1 の電界依存性と、前記自由伝搬領域の有する屈折率n2 の電界依存性とが異なる構成、すなわち、入力用の光導波路と自由伝搬領域とを屈折率の電界依存性が異なる材料で作製することにより、両者の屈折率比の制御を容易にすることができる。
【0082】
第9の発明によれば、第1ないし第8のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、前記入力用の光導波路の有する屈折率n1 の機械的な応力依存性と、前記自由伝搬領域の有する屈折率n2 の機械的な応力依存性とが異なる構成、すなわち、入力用の光導波路と自由伝搬領域とを屈折率の機械的応力依存性が異なる材料で作製することにより、入力用の光導波路と自由伝搬領域の屈折率比の制御を容易にすることができる。
【0083】
第10の発明によれば、第1ないし第7のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、前記屈折率変調手段を、前記入力用の光導波路又は前記自由伝搬領域の少なくとも一方を加熱又は冷却することにより前記入力用の光導波路の有する屈折率n1 又は前記自由伝搬領域の有する屈折率n2 の少なくとも一方を変化させる装置、ヒーター又はペルチェ素子としたので、さらに入力用の光導波路と自由伝搬領域の屈折率比の制御を容易にし、光可変減衰器の性能を向上させることができる。
【0084】
第11の発明によれば、第1ないし第6のいずれか又は第8の発明に係る光可変減衰器において、前記屈折率変調手段を、前記入力用の光導波路又は前記自由伝搬領域の少なくとも一方に電界を作用させることにより前記入力用の光導波路の有する屈折率n1 又は前記自由伝搬領域の有する屈折率n2 の少なくとも一方を変化させる装置としたので、光可変減衰器に熱的ダメージを与えることなく、入力用の光導波路と自由伝搬領域の屈折率比の制御を行い、光可変減衰器の性能を向上させることができる。
【0085】
第12の発明によれば、第1ないし第6のいずれか又は第9の発明に係る光可変減衰器において、前記屈折率変調手段を、前記入力用の光導波路又は前記自由伝搬領域の少なくとも一方に機械的な応力を作用させることにより前記入力用の光導波路の有する屈折率n1 又は前記自由伝搬領域の有する屈折率n2 の少なくとも一方を変化させる装置としたので、光可変減衰器に熱的ダメージを与えることなく、入力用の光導波路と自由伝搬領域の屈折率比の制御を行い、光可変減衰器の性能を向上させることができる。
【0086】
第13の発明によれば、第10の発明に係る光可変減衰器を用いると共に、前記屈折率変調手段にヒートシンクを密接させた光可変減衰器モジュールとしたので、高い応答性で屈折率の制御が可能な光可変減衰器モジュールを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る光可変減衰器の一例の概略構成図である。
【図2】第1の実施形態に係る光可変減衰器の概略構成図である。
【図3】モード変換構造を有する第1接続導波路と自由伝搬領域との接続部分の拡大図である。
【図4】第1の実施形態に係る光可変減衰器の薄膜ヒータへの印加電力と減衰量との関係図である。
【図5】第2の実施形態に係る光可変減衰器モジュールの概略外観図である。
【図6】第2の実施形態に係る光可変減衰器モジュールの内部に配設された光可変減衰器チップの概略外観図である。
【図7】第2の実施形態に係る光可変減衰器モジュールにおけるペルチェ印加電力と光可変減衰器モジュールの減衰量との関係図である。
【図8】従来の光可変減衰器の一例の概略構成図である。
【図9】従来の光可変減衰器の減衰量特性の一例を示した特性図である。
【符号の説明】
1 入力導波路
2 第1接続導波路
3 第2接続導波路
4 出力導波路
5 自由伝搬領域
6 屈折率変調器
9 光可変減衰器
10 光可変減衰器
11 入力導波路
12 第1接続導波路
13 第2接続導波路
14 出力導波路
15 自由伝搬領域
16 薄膜ヒータ
17 溝
20 光可変減衰器モジュール
21 筺体
22 入力光ファイバ
23 出力光ファイバ
24 ペルチェ電極
25 ヒートシンク
30 光可変減衰器チップ
31 シリコン基板
32 石英
33 溝
34 シリコーン樹脂
35 ペルチェ
36 入力導波路
37 出力導波路
100 光可変減衰器
101 入力導波路
102 第1光方向性結合器
103 第1アーム導波路
104 第2アーム導波路
105 薄膜ヒータ
106 電流源
107 第2光方向性結合器
108、109 出力導波路
【発明の属する技術分野】
本発明は、光強度を減衰させる光可変減衰器に関し、例えば、光ファイバ通信に用いられる導波路光部品に適用することができる。
【0002】
【従来の技術】
光通信技術の急速な発達により、各種光部品が研究開発されているが、中でも平面基板上の光導波路を基本とした導波路型光部品が最も重要な位置を占めている。これは、フォトリソグラフィ技術および微細加工技術により、光波長以下の精度で再現性良く導波路型光部品を量産することができるという特徴を有するからである。
【0003】
各種導波路型光部品の中でも、光可変減衰器は波長分割多重通信におけるチャネル間の信号強度のばらつきの補正や光ファイバアンプの利得等化などに用いられ、その低価格化、歩留まり及び量産性の向上が望まれている光部品である。特に、光ファイバアンプの利得等化については、可変減衰量が15dB以上、偏波依存性が0.2dB以下という厳しいスペックが要求されている。
【0004】
以下に図を用いて従来の光可変減衰器を説明する。図8は従来型の光可変減衰器の概略構成図である。同図に示すように、光可変減衰器100において、入力導波路101より入射した光波は、第1光方向性結合器102により、第1アーム導波路103および第2アーム導波路104へと等強度に2つに分岐される。次に、第1アーム導波路103および第2アーム導波路104を伝搬した光波は第2方向性結合器107により合波され出力導波路108および出力導波路109から出力される。ここで、第1アーム導波路103と第2アーム導波路104の長さは等しく設定される。
【0005】
第1アーム導波路103を伝搬する光波の位相は、その上部に配置された薄膜ヒータ105から供給される熱によって制御される。すなわち、電流源106から薄膜ヒータ105に供給される電流Iを制御することにより、第1アーム導波路103を伝搬する光波の位相を連続的に変化させることができる。
【0006】
出力導波路108における光波の減衰量Att(Δφ)は、第1アーム導波路103を伝搬する光波に与えられた位相シフト量Δφにより、入力光強度をP0として下記数1に示す式で与えられる。
【0007】
【数1】
【0008】
図9は、前述する従来の光可変減衰器を石英系光導波路を用いて作製した場合の減衰量特性の一例を示した特性図である。同図において、横軸は印加電力(W)であり、縦軸は上記数1に示す式で表される減衰量(dB)である。光可変減衰器の作製にあたっては、火炎堆積法および反応性イオンエッチングによる一般的な石英系光導波路の作製方法が用いられている。同図に示すように、0.5Wの印加電圧で減衰量は最大(すなわち出力強度は最小)の約25dBであり、良好な特性を示している(例えば、下記非特許文献1参照)。
【0009】
【非特許文献1】
Okuno et al ,“8x8 Optical Matrix Switch Using Silica−Based Planar Lightwave Circuits”,IEICE Trans. Electron.,日本,1993年 7月,Vol.E7−C,No.7,p1215−p1223
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光可変減衰器では、減衰量が大きくなるにつれて入力光の偏波依存性も大きくなり、例えば、TM偏波に対して最大減衰量が得られる条件(図9において印加電力0.5W)では、TM偏波とTE偏波とで最大6dBもの差が発生してしまう。これは、第1アーム導波路103がTM偏波とTE偏波に対して異なる熱光学定数を有するため、ある電力を薄膜ヒータ105に印加した状態において、TM偏波とTE偏波とで位相シフト量が異なることが原因であった。
【0011】
したがって、従来の導波路型の光可変減衰器においては、低電力で作動すると共に最大減衰量も十分確保され、良好な光学特性を実現しているものの、偏波依存性が大きいという問題が生じていた。特に、減衰量が大きくなる領域では、偏波依存性も極端に大きくなるため、実際のシステムへ適用する際の大きな障害となっていた。
【0012】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、偏波依存性を解消した光可変減衰器を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決する第1の発明は、入力用の光導波路と、自由伝搬領域と、出力用の光導波路と、屈折率変調手段とからなり、
前記入力用の光導波路は、前記自由伝搬領域に接続され、前記自由伝搬領域に光波を入力し、
前記屈折率変調手段は、前記入力用の光導波路の有する屈折率n1 又は前記自由伝搬領域の有する屈折率n2 の少なくとも一方を変化させ、
前記自由伝搬領域は、前記入力用の光導波路から入力される光波の伝搬方向を変化させると共に、当該自由伝搬領域に接続される前記出力用の光導波路へ光波の結合効率を変化させて出力することを特徴とする光可変減衰器である。
【0014】
屈折率変調手段により自由伝搬領域の屈折率を変化させ、自由伝搬領域において、入力用の光導波路から入力される光波の伝搬方向を変化させることにより、出力用の導波路に対する光波の結合効率を変化させ、出力用の導波路から出力される光波の減衰率を変化させる。
【0015】
前記課題を解決する第2の発明は、第1の発明に係る光可変減衰器において、
前記入力用の光導波路または前記出力用の光導波路の少なくとも一方は、前記自由伝搬領域との開口数が小さくなるモード変換構造を有することを特徴とする光可変減衰器である。
自由伝搬領域との開口数が小さくなるモード変換構造を有する光導波路とすることで、伝搬する光波の広がりを抑え、効果的な光減衰効果を得る。
【0016】
前記課題を解決する第3の発明は、第1又は第2の発明に係る光可変減衰器において、
前記入力用の光導波路から前記自由伝搬領域に光波を入力する際に、入射角θ1(0°≦θ1<90°)で入射するように、前記入力用の光導波路が前記自由伝搬領域に接続されていることを特徴とする光可変減衰器である。
【0017】
前記課題を解決する第4の発明は、第1ないし第3のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、
前記自由伝搬領域は、前記入力用の光導波路と前記出力用の光導波路との間に形成された溝と、前記溝に充填された充填剤とにより構成されることを特徴とする光可変減衰器である。
【0018】
例えば、同一の基板上に入力用の光導波路と出力用の光導波路とを作製し、入出力用の光導波路の間に溝を形成すると共に、充填剤を充填して自由伝搬領域を作製することにより、光可変減衰器の製造工程を簡便にする。
【0019】
前記課題を解決する第5の発明は、第1ないし第4のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、
前記入力用の光導波路及び前記出力用の光導波路は、石英系光導波路であることを特徴とする光可変減衰器である。
【0020】
前記課題を解決する第6の発明は、第1ないし第5のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、
前記自由伝搬領域は、シリコーン樹脂からなることを特徴とする光可変減衰器である。
【0021】
入出力用の光導波路を石英系光導波路とし、自由伝搬領域をシリコーン樹脂から形成することにより、両者の屈折率比の制御を容易にする。
【0022】
前記課題を解決する第7の発明は、第1ないし第6のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、
前記入力用の光導波路の有する熱光学定数と、前記自由伝搬領域の有する熱光学定数とが異なることを特徴とする光可変減衰器である。
【0023】
入力用の光導波路と自由伝搬領域とを熱光学定数が異なる材料で作製することにより、両者の屈折率比の制御を容易にする。
【0024】
前記課題を解決する第8の発明は、第1ないし第7のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、
前記入力用の光導波路の有する屈折率n1 の電界依存性と、前記自由伝搬領域の有する屈折率n2 の電界依存性とが異なることを特徴とする光可変減衰器である。
【0025】
入力用の光導波路と自由伝搬領域とを屈折率の電界依存性が異なる材料で作製することにより、両者の屈折率比の制御を容易にする。
【0026】
前記課題を解決する第9の発明は、第1ないし第8のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、
前記入力用の光導波路の有する屈折率n1 の機械的な応力依存性と、前記自由伝搬領域の有する屈折率n2 の機械的な応力依存性とが異なることを特徴とする光可変減衰器である。
【0027】
入力用の光導波路と自由伝搬領域とを屈折率の機械的応力依存性が異なる材料で作製することにより、両者の屈折率比の制御を容易にする。
【0028】
前記課題を解決する第10の発明は、第1ないし第7のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、
前記屈折率変調手段は、前記入力用の光導波路又は前記自由伝搬領域の少なくとも一方を加熱又は冷却することにより前記入力用の光導波路の有する屈折率n1 又は前記自由伝搬領域の有する屈折率n2 の少なくとも一方を変化させる装置、ヒーター又はペルチェ素子であることを特徴とする光可変減衰器である。
【0029】
前記課題を解決する第11の発明は、第1ないし第6のいずれか又は第8の発明に係る光可変減衰器において、
前記屈折率変調手段は、前記入力用の光導波路又は前記自由伝搬領域の少なくとも一方に電界を作用させることにより前記入力用の光導波路の有する屈折率n1 又は前記自由伝搬領域の有する屈折率n2 の少なくとも一方を変化させることを特徴とする光可変減衰器である。
【0030】
前記課題を解決する第12の発明は、第1ないし第6のいずれか又は第9の発明に係る光可変減衰器において、
前記屈折率変調手段は、前記入力用の光導波路又は前記自由伝搬領域の少なくとも一方に機械的な応力を作用させることにより前記入力用の光導波路の有する屈折率n1 又は前記自由伝搬領域の有する屈折率n2 の少なくとも一方を変化させることを特徴とする光可変減衰器である。
【0031】
前記課題を解決する第13の発明は、第10の発明に係る光可変減衰器を有し、前記屈折率変調手段にヒートシンクを密接させたことを特徴とする光可変減衰器モジュールである。
【0032】
高い応答性で屈折率を制御することができる光可変減衰器とした光可変減衰器モジュールを実現する。
【0033】
本発明に係る光可変減衰器では、自由伝搬領域の屈折率を変化させることにより、入力用の光導波路から自由伝搬領域に入力される伝搬光の進路を変化させる。このようにして伝搬光の進路を変化させることにより、自由伝搬領域から出力用の光導波路への光の結合効率を変化させ、光可変減衰器としての動作を実現する。また、自由伝搬領域の屈折率を変化させることにより、光導波路と自由伝搬領域の間の開口数を変化させ、光可変減衰器としての動作を実現する。
【0034】
図1は本発明に係る光可変減衰器の一例の概略構成図であるが、以下の説明は本発明を限定するものではない。同図に示すように、光可変減衰器9は、自由伝搬領域5と、自由伝搬領域5に一定の角度θ1(0°≦θ1<90°)をもって接続される第1接続導波路2と、第1接続導波路2に接続される入力導波路1と、自由伝搬領域5の所定の位置に一定の角度θ2(0°≦θ2<90°)をもって接続される第2接続導波路3と、第2接続導波路3に接続される出力導波路4と、自由伝搬領域5の直近に配設された屈折率変調器6とからなる。入力導波路1と第1接続導波路2とから「入力用の光導波路」が構成され、出力導波路4と第2接続導波路3とから「出力用の光導波路」が構成される。
【0035】
光可変減衰器9において、入力導波路1から入射した光波は、第1接続導波路2を経由して自由伝搬領域5へと入射される。このとき、第1接続導波路2と自由伝搬領域5とは、第1接続導波路2と自由伝搬領域5との接続点P1において、入射角θ1(0°≦θ1<90°)の角度をもって接続されている。ここで、入射角θ1とは、入射された光波の光軸と自由伝搬領域5から垂直に引いた仮想線とがなす角度である。
【0036】
ここで、第1接続導波路2の屈折率をn1 、自由伝搬領域5の屈折率をn2 とすると、自由伝搬領域5において伝搬する光波の伝搬方向θtは、θ1(0°<θ1<90°)との関係で、スネルの法則より下記数2に示す式で与えられる。ここで、伝搬方向θtとは、自由伝搬領域5において伝搬する光波の光軸と自由伝搬領域5から垂直に引いた仮想線とがなす角度である。
【0037】
【数2】
【0038】
更に、自由伝搬領域5の直近に配設された屈折率変調手段である屈折率変調器6により、自由伝搬領域5の屈折率n2 を変化させることができるようになっている。屈折率変調器6としては、例えば、温度を変化させて屈折率を変調させるもの、電界をかけて屈折率を変調させるもの、機械的な応力(ひずみ)をかけることで屈折率を変調させるもの等が考えられる。
【0039】
屈折率変調器6により自由伝搬領域5の屈折率n2 を変化させることにより、上記数2に示す式に基づいて、自由伝搬領域5における光波の伝搬方向θtを変化させることができる。
【0040】
ここで、自由伝搬領域5と第2接続導波路3とは、自由伝搬領域5と第2接続導波路3との接続点P2において、出射角θ2の角度をもって接続されている。また、接続点P2は、自由伝搬領域5と第2接続導波路3との界面と、初期状態の伝搬方向θtで自由伝搬領域5内を伝搬する光波とが交差する点に位置している。
【0041】
なお、初期状態の伝搬方向θtとは、屈折率変調器6を作動させない状態における自由伝搬領域5の屈折率n2 に基づく伝搬方向のことである。また、図1における自由伝搬領域5には、初期状態の光波の伝搬方向を点線で示してある。この状態においては、入力導波路1から入力された光波は、ほぼ完全な結合効率で出力導波路4から出力されている。
【0042】
前述する構成を有する光可変減衰器9において、屈折率変調器6を作動させることにより、入力導波路1から入力され自由伝搬領域5を伝搬する光波の接続点P2における第2接続導波路3への結合効率を変化させることが可能となり、光可変減衰器としての動作を実現することができる。
【0043】
なお、入射角θ1について0°<θ1<90°の範囲では、上記原理により光強度を減衰させることができるが、θ1=0°の場合には、上記原理とは異なった原理に基づいて光強度が減衰する。θ1=0°の場合には、以下の原理に基づく。すなわち、自由伝搬領域5の屈折率を変化させることにより、自由伝搬領域5と第1接続導波路2の間の開口数、もしくは自由伝搬領域5と第2接続導波路3の間の開口数を変化させることができる。開口数を変化させることにより、第1接続導波路2から出射する光波の自由伝搬領域5におけるビームの広がりを変化させることができ、この結果、第2接続導波路3への光波の結合効率を変化させ、光可変減衰器としての動作を実現することができる。
【0044】
【発明の実施の形態】
以下に図面および数値を挙げて本発明の実施形態を詳細に説明するが、以下の実施形態は本発明を限定するものではない。
【0045】
[第1の実施形態]
図2は、第1の実施形態に係る光可変減衰器の概略構成図である。同図に示すように、第1の実施形態に係る光可変減衰器10は、自由伝搬領域15と、自由伝搬領域15に一定の角度θ1をもって接続される第1接続導波路12と、第1接続導波路12に接続される入力導波路11と、自由伝搬領域15の所定の位置に一定の角度θ2をもって接続される第2接続導波路13と、第2接続導波路13に接続される出力導波路14と、自由伝搬領域15の直近に配設された屈折率変調手段である薄膜ヒータ16とからなる。入力導波路11と第1接続導波路12とから「入力用の光導波路」が構成され、出力導波路14と第2接続導波路13とから「出力用の光導波路」が構成される。
【0046】
第1の実施形態に係る光可変減衰器10では、幅W1の入力導波路11を第1接続導波路12に、第1接続導波路12を自由伝搬領域15へと接続した。自由伝搬領域15は、第1接続導波路12と角度θ1で交差する幅Dsの溝17に充填剤としてシリコーン樹脂を充填することで形成した。
【0047】
更に、第1接続導波路12と自由伝搬領域15の接続点から自由伝搬領域15の長さ方向にSの距離だけ離れた位置において、自由伝搬領域15に第2接続導波路13を接続した。なお、自由伝搬領域15の長さ方向とは、自由伝搬領域15において第1接続導波路12と第2接続導波路13とが接続される面の間の距離を示す幅Dsに対して直行する方向である。
【0048】
図3は、第1接続導波路12と自由伝搬領域15との接続部分の拡大図である。第1接続導波路12には、自由伝搬領域15とのモード不整合により生じる不要損失、すなわち光可変減衰器として動作していないときに生じる損失を低減するためにモード変換構造を設けた。すなわち、同図に示すように、第1接続導波路12の入力導波路11側の領域から自由伝搬領域15側に向かい、長さL1にわたって、導波路幅がW1からW2へと広くなると共に、自由伝搬領域15との境界まで、長さL2にわたって導波路幅W2を維持するモード変換構造を作製した。本構造により、自由伝搬領域15に対する導波路の開口数を小さく設定することができ、前述した不要損失を低減することができる。また、第2接続導波路13に対しても、同様のモード変換構造を作製した。
【0049】
本実施形態においては、W1=6μm、W2=10μm、L1=250μm、L2=250μm、θ1=θ2=60°、S=211.5μm、導波路コアの厚みH=6μm、自由伝搬領域15である溝17の幅Ds=50μmとし、光可変減衰器を作製した。導波路コアとは、入出力導波路11、14、第1及び第2接続導波路12、13のコアをいう。これらの導波路としては、一般的な火炎堆積法と反応性イオンエッチングにより作製した石英系光導波路とした。
【0050】
本実施形態に係る光可変減衰器10において、25℃における石英系光導波路の屈折率n1 は1.452であり、自由伝搬領域15を形成するシリコーン樹脂の屈折率n2 は1.391である。また、石英系光導波路の熱光学定数は 0.00001/℃であり、シリコーン樹脂の熱光学定数は−0.0004/℃である。
【0051】
したがって、温度25℃の場合には、第1接続導波路12から自由伝搬領域15へと入射角θ1で入射された光波は、上記数2に示すスネルの法則により石英系光導波路の屈折率n1 とシリコーン樹脂の屈折率n2 との差に基づき屈折し、θt=64.7°の角度で自由伝搬領域15を伝搬し、第2接続導波路13から出射される。
【0052】
なお、光波が伝搬方向θt=64.7°の角度で自由伝搬領域15を伝搬する状態(温度25℃における光路)を初期状態とする。図2における自由伝搬領域15には、初期状態の光波の伝搬方向を点線で示してある。この状態においては、入力導波路11から入力された光波は、ほぼ完全な結合効率で出力導波路14から出力されている。
【0053】
ここで、薄膜ヒータ16に電力を印加すると、自由伝搬領域15を形成するシリコーン樹脂の屈折率n2 が温度依存性を有し変化するため、スネルの法則に基づき、自由伝搬領域15を伝搬する光波の伝搬方向θtが変化する。ここで、伝搬方向θtの変化率は、0.035°/℃である。
【0054】
すなわち、光波が自由伝搬領域15と第2接続導波路の界面に到達する位置は、0.33μm/℃の割合で移動する。この結果、入力導波路11から入力され自由伝搬領域15を伝搬する光波の第2接続導波路13への結合効率を変化させることが可能となり、光可変減衰器としての動作を実現することができる。
【0055】
なお、薄膜ヒータ16の加熱により、自由伝搬領域15だけでなく光導波路も加熱され屈折率が変化してしまう場合がある。この場合には、本実施形態のように両部材を構成する材料について熱光学定数が大きく異なるものを使用することにより、一方のみの屈折率を大きく変化させ、両者の屈折率比を変化させることができる。
【0056】
図4は、本実施形態に係る光可変減衰器の薄膜ヒータ16への印加電力と減衰量との関係を測定した結果を示す関係図である。同図に示すように、薄膜ヒータ16へ0.23Wの電力を印加した場合には、約18dBの減衰量を得ることができた。また、このとき偏波依存性PDLは0.1dBと非常に小さく、TM偏波及びTE偏波共に同等の減衰量を得ることができるという、良好な特性であることが分かった。
【0057】
従来の光減衰方式においては、干渉計アームにおいて熱光学効果により生じる屈折率の変化には偏波依存性が存在していたため、光可変減衰器としてのPDLが生じていた。すなわち、光可変減衰器としてのPDLが生じるのは、干渉計アームにおいて、基板に対して垂直方向及び水平方向に加わる応力が異なることが原因であった。一方、本実施形態に係る光減衰方式では、自由伝搬領域において熱光学効果により生じる屈折率の変化を利用している。ここで、自由伝搬領域では特定の導波路構造を有しないため垂直方向及び水平方向での応力に差はなく、この結果、本実施形態においては熱光学効果による屈折率変化には偏波依存性を生じない。
【0058】
以上説明する特性から、本実施形態に係る光可変減衰器は、減衰量15dB以上、偏波依存性0.2dB以下という厳しいスペックが要求される光ファイバアンプの利得等化に対しても十分適用することが可能である。
【0059】
[第2の実施形態]
図5は、第2の実施形態に係る光可変減衰器モジュールの概略外観図である。また、図6は、第2の実施形態に係る光可変減衰器モジュールの内部に配設された光可変減衰器チップの概略外観図である。なお、図6に示す光可変減衰器チップについては、機能の説明のため、部分的に透視図とした。
【0060】
図5に示すように、光可変減衰器モジュール20は、主として筺体21と、入力光ファイバ22と、出力光ファイバ23と、ヒートシンク25とからなる。また、図6に示すように、光可変減衰器チップ30は、シリコン基板31と、シリコン基板31の上部に形成した石英32と、石英32の中央部に形成した溝33に充填したシリコーン樹脂34と、石英32に形成した入出力導波路36、37と、シリコン基板31の下部に密接させた屈折率変調手段であるペルチェ35とからなる。
【0061】
入力光ファイバ22は、そのコアが入力導波路36に一致するように接続され、出力光ファイバ23は出力導波路37に一致するように接続されている。また、自由伝搬領域となるシリコーン樹脂34を充填した溝33は、シリコン基板31が現れる深さまで形成した。また、入出力導波路36、37とシリコーン樹脂34とは接続導波路を介して接続されており、これらの接続部分は第1の実施形態と同様にして接続されている。更に、接続導波路はモード変換構造とした。
【0062】
筺体21にはペルチェ電極24が配線されており、内部の光可変減衰器チップ30のペルチェ35に接続され、光可変減衰器チップの温度を制御するようになっている。更に、光可変減衰器モジュール20の内部においては、光可変減衰器チップ30のペルチェ35がヒートシンク25に密着するように光可変減衰器チップ30を配置した。
【0063】
本実施形態においては、ペルチェ電極24からの給電によりペルチェ35から発生した熱は、熱伝導に優れたシリコン基板31を介してシリコーン樹脂34に伝わる。この結果、第1の実施形態と同様の作用により、シリコーン樹脂の屈折率n2 と導波路の屈折率n1 との比を変化させることができ、光可変減衰器として作動させることができる。なお、第1の実施形態で説明したように、シリコーン樹脂34と石英32との熱光学定数が大きく異なるため、本実施形態においても、主としてシリコーン樹脂34の屈折率を大きく変化させることができる。
【0064】
更に、本実施形態に係る光可変減衰器モジュール20のサイズは3cm(W)×2cm(D)×1cm(H)であり、非常に小型のモジュールとすることができた。
【0065】
本実施形態では、ペルチェ35の設定温度を変化させることにより光可変減衰器としての効果を実現した。図7は、環境温度が25℃の場合におけるペルチェ印加電力と光可変減衰器モジュールの減衰量の関係を示した関係図である。同図に示すように、ペルチェ35へ0.23Wの電力を印加した場合には、約18dBの減衰量を得ることができた。また、このとき偏波依存性PDLは0.1dBと非常に小さく、TM偏波及びTE偏波共に同等の減衰量を得ることができるという、良好な特性であることが分かった。偏波依存性が生じなくなった理由は、第1の実施形態で説明するとおりである。
【0066】
本発明に係る光可変減衰器は、自由伝搬領域の屈折率n2 と導波路の屈折率n1 との比を変化させて、光減衰機能を発現させている。
【0067】
例えば、自由伝搬領域の屈折率n2 と導波路の屈折率n1 との比を変化させる手段としては、例えば、温度を変化させて屈折率を変調させるもの(第1の実施形態に係る薄膜ヒータ、第2の実施形態に係るペルチェ等)、電界をかけて屈折率を変調させるもの、機械的な応力(ひずみ)をかけることで屈折率を変調させるもの等が考えられる。
【0068】
また、自由伝搬領域の屈折率n2 と導波路の屈折率n1 との比を変化させる方法としては、自由伝搬領域の屈折率n2 を一定に保持すると共に導波路の屈折率n1 を変化させる方法、自由伝搬領域の屈折率n2 を変化させると共に導波路の屈折率n1 を一定に保持する方法、自由伝搬領域の屈折率n2 と導波路の屈折率n1 とを共に変化させる方法が考えられる。
【0069】
また、自由伝搬領域の屈折率n2 と導波路の屈折率n1 との比を変化させるには、それぞれの部材を形成する材料の有する屈折率の環境依存性が大きく異なる方が良い。
【0070】
例えば、どちらか一方の部材を環境変化により屈折率が大きく変化する材料で形成すると共に、他方を環境変化により屈折率がほとんど変化しない材料で形成する。また、どちらか一方の部材を環境変化によって屈折率が大きくなる材料で形成すると共に、他方を環境変化により屈折率が小さくなる材料で形成する。屈折率の環境依存性とは、前述した温度変化(加熱及び冷却)、電界変化、機械的ひずみ等の環境変化によってその環境下に置かれた材料の屈折率が変化することで、環境変化が温度変化である場合には熱光学定数(屈折率の温度依存性)となる。
【0071】
また、上記実施形態では、自由伝搬領域の対向する面(図1,2では自由伝搬領域の左右)に入力用の光導波路と出力用の光導波路とを接続したが、本発明はこれに限られず、入出力光導波路を自由伝搬領域の同じ面に接続してもよい。この場合には、入出力光導波路が接続されない面にミラー等を設置し、入力用の光導波路から入射された光波がミラーで反射され出力用の光導波路から出力されるようにすること等が考えられる。更に、複数の波長の光波を一つの光可変減衰器で減衰させたい場合には、複数の入力用の光導波路と出力用の光導波路と接続することで対応することができる。
【0072】
【発明の効果】
本発明の主たる効果は、大きな減衰量と低い偏波依存性とを両立する光可変減衰器を実現することができるということである。
【0073】
第1の発明によれば、屈折率変調手段により自由伝搬領域の屈折率を変化させ、自由伝搬領域において、入力用の光導波路から入力される光波の伝搬方向を変化させることにより、出力用の導波路に対する光波の結合効率を変化させ、出力用の導波路から出力される光波の減衰率を変化させることができ、大きな減衰量と低い偏波依存性とを両立させた光可変減衰器を実現することができる。
【0074】
第2の発明によれば、第1の発明に係る光可変減衰器において、前記入力用の光導波路または前記出力用の光導波路の少なくとも一方を、前記自由伝搬領域との開口数が小さくなるモード変換構造を有することとしたので、伝搬する光波の広がりを抑え、効果的な光減衰効果を得ることができる。
【0075】
第3の発明によれば、第1又は第2の発明に係る光可変減衰器において、前記入力用の光導波路から前記自由伝搬領域に光波を入力する際に、入射角θ1(0°≦θ1<90°)で入射するように、前記入力用の光導波路を前記自由伝搬領域に接続したので、さらに効果的に大きな減衰量と低い偏波依存性とを両立させた光可変減衰器を実現することができる。
【0076】
第4の発明によれば、第1ないし第3のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、前記自由伝搬領域を、前記入力用の光導波路と前記出力用の光導波路との間に形成された溝と、前記溝に充填された充填剤とにより構成したので、例えば、同一の基板上に入力用の光導波路と出力用の光導波路とを作製し、入出力用の光導波路の間に溝を形成すると共に、充填剤を充填して自由伝搬領域を作製することにより、光可変減衰器の製造工程を簡便にすることができる。
【0077】
第5の発明によれば、第1ないし第4のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、前記入力用の光導波路及び前記出力用の光導波路を、石英系光導波路としたことにより、一般的な材料系において本発明に係る光可変減衰器を適用することができる。
【0078】
第6の発明によれば、第1ないし第5のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、前記自由伝搬領域を、シリコーン樹脂から構成したことにより、一般的、かつ安価な材料系において本発明に係る光可変減衰器を適用することができる。
【0079】
更に、入出力用の光導波路を石英系光導波路とし、自由伝搬領域をシリコーン樹脂から形成することにより、両者の屈折率比の制御を容易にすることができる。
【0080】
第7の発明によれば、第1ないし第6のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、前記入力用の光導波路の有する熱光学定数と、前記自由伝搬領域の有する熱光学定数とが異なる構成すなわち、入力用の光導波路と自由伝搬領域とを熱光学定数が異なる材料で作製することにより、両者の屈折率比の制御を容易にすることができる。
【0081】
第8の発明によれば、第1ないし第7のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、前記入力用の光導波路の有する屈折率n1 の電界依存性と、前記自由伝搬領域の有する屈折率n2 の電界依存性とが異なる構成、すなわち、入力用の光導波路と自由伝搬領域とを屈折率の電界依存性が異なる材料で作製することにより、両者の屈折率比の制御を容易にすることができる。
【0082】
第9の発明によれば、第1ないし第8のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、前記入力用の光導波路の有する屈折率n1 の機械的な応力依存性と、前記自由伝搬領域の有する屈折率n2 の機械的な応力依存性とが異なる構成、すなわち、入力用の光導波路と自由伝搬領域とを屈折率の機械的応力依存性が異なる材料で作製することにより、入力用の光導波路と自由伝搬領域の屈折率比の制御を容易にすることができる。
【0083】
第10の発明によれば、第1ないし第7のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、前記屈折率変調手段を、前記入力用の光導波路又は前記自由伝搬領域の少なくとも一方を加熱又は冷却することにより前記入力用の光導波路の有する屈折率n1 又は前記自由伝搬領域の有する屈折率n2 の少なくとも一方を変化させる装置、ヒーター又はペルチェ素子としたので、さらに入力用の光導波路と自由伝搬領域の屈折率比の制御を容易にし、光可変減衰器の性能を向上させることができる。
【0084】
第11の発明によれば、第1ないし第6のいずれか又は第8の発明に係る光可変減衰器において、前記屈折率変調手段を、前記入力用の光導波路又は前記自由伝搬領域の少なくとも一方に電界を作用させることにより前記入力用の光導波路の有する屈折率n1 又は前記自由伝搬領域の有する屈折率n2 の少なくとも一方を変化させる装置としたので、光可変減衰器に熱的ダメージを与えることなく、入力用の光導波路と自由伝搬領域の屈折率比の制御を行い、光可変減衰器の性能を向上させることができる。
【0085】
第12の発明によれば、第1ないし第6のいずれか又は第9の発明に係る光可変減衰器において、前記屈折率変調手段を、前記入力用の光導波路又は前記自由伝搬領域の少なくとも一方に機械的な応力を作用させることにより前記入力用の光導波路の有する屈折率n1 又は前記自由伝搬領域の有する屈折率n2 の少なくとも一方を変化させる装置としたので、光可変減衰器に熱的ダメージを与えることなく、入力用の光導波路と自由伝搬領域の屈折率比の制御を行い、光可変減衰器の性能を向上させることができる。
【0086】
第13の発明によれば、第10の発明に係る光可変減衰器を用いると共に、前記屈折率変調手段にヒートシンクを密接させた光可変減衰器モジュールとしたので、高い応答性で屈折率の制御が可能な光可変減衰器モジュールを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る光可変減衰器の一例の概略構成図である。
【図2】第1の実施形態に係る光可変減衰器の概略構成図である。
【図3】モード変換構造を有する第1接続導波路と自由伝搬領域との接続部分の拡大図である。
【図4】第1の実施形態に係る光可変減衰器の薄膜ヒータへの印加電力と減衰量との関係図である。
【図5】第2の実施形態に係る光可変減衰器モジュールの概略外観図である。
【図6】第2の実施形態に係る光可変減衰器モジュールの内部に配設された光可変減衰器チップの概略外観図である。
【図7】第2の実施形態に係る光可変減衰器モジュールにおけるペルチェ印加電力と光可変減衰器モジュールの減衰量との関係図である。
【図8】従来の光可変減衰器の一例の概略構成図である。
【図9】従来の光可変減衰器の減衰量特性の一例を示した特性図である。
【符号の説明】
1 入力導波路
2 第1接続導波路
3 第2接続導波路
4 出力導波路
5 自由伝搬領域
6 屈折率変調器
9 光可変減衰器
10 光可変減衰器
11 入力導波路
12 第1接続導波路
13 第2接続導波路
14 出力導波路
15 自由伝搬領域
16 薄膜ヒータ
17 溝
20 光可変減衰器モジュール
21 筺体
22 入力光ファイバ
23 出力光ファイバ
24 ペルチェ電極
25 ヒートシンク
30 光可変減衰器チップ
31 シリコン基板
32 石英
33 溝
34 シリコーン樹脂
35 ペルチェ
36 入力導波路
37 出力導波路
100 光可変減衰器
101 入力導波路
102 第1光方向性結合器
103 第1アーム導波路
104 第2アーム導波路
105 薄膜ヒータ
106 電流源
107 第2光方向性結合器
108、109 出力導波路
Claims (13)
- 入力用の光導波路と、自由伝搬領域と、出力用の光導波路と、屈折率変調手段とからなり、
前記入力用の光導波路は、前記自由伝搬領域に接続され、前記自由伝搬領域に光波を入力し、
前記屈折率変調手段は、前記入力用の光導波路の有する屈折率n1 又は前記自由伝搬領域の有する屈折率n2 の少なくとも一方を変化させ、
前記自由伝搬領域は、前記入力用の光導波路から入力される光波の伝搬方向を変化させると共に、当該自由伝搬領域に接続される前記出力用の光導波路へ光波の結合効率を変化させて出力することを特徴とする光可変減衰器。 - 請求項1に記載の光可変減衰器において、
前記入力用の光導波路または前記出力用の光導波路の少なくとも一方は、前記自由伝搬領域との開口数が小さくなるモード変換構造を有することを特徴とする光可変減衰器。 - 請求項1又は2に記載の光可変減衰器において、
前記入力用の光導波路から前記自由伝搬領域に光波を入力する際に、入射角θ1(0°≦θ1<90°)で入射するように、前記入力用の光導波路が前記自由伝搬領域に接続されていることを特徴とする光可変減衰器。 - 請求項1ないし3のいずれかに記載の光可変減衰器において、
前記自由伝搬領域は、前記入力用の光導波路と前記出力用の光導波路との間に形成された溝と、前記溝に充填された充填剤とにより構成されることを特徴とする光可変減衰器。 - 請求項1ないし4のいずれかに記載の光可変減衰器において、
前記入力用の光導波路及び前記出力用の光導波路は、石英系光導波路であることを特徴とする光可変減衰器。 - 請求項1ないし5のいずれかに記載の光可変減衰器において、
前記自由伝搬領域は、シリコーン樹脂からなることを特徴とする光可変減衰器。 - 請求項1ないし6のいずれかに記載の光可変減衰器において、
前記入力用の光導波路の有する熱光学定数と、前記自由伝搬領域の有する熱光学定数とが異なることを特徴とする光可変減衰器。 - 請求項1ないし7のいずれかに記載の光可変減衰器において、
前記入力用の光導波路の有する屈折率n1 の電界依存性と、前記自由伝搬領域の有する屈折率n2 の電界依存性とが異なることを特徴とする光可変減衰器。 - 請求項1ないし8のいずれかに記載の光可変減衰器において、
前記入力用の光導波路の有する屈折率n1 の機械的な応力依存性と、前記自由伝搬領域の有する屈折率n2 の機械的な応力依存性とが異なることを特徴とする光可変減衰器。 - 請求項1ないし7のいずれかに記載の光可変減衰器において、
前記屈折率変調手段は、前記入力用の光導波路又は前記自由伝搬領域の少なくとも一方を加熱又は冷却することにより前記入力用の光導波路の有する屈折率n1 又は前記自由伝搬領域の有する屈折率n2 の少なくとも一方を変化させる装置、ヒーター又はペルチェ素子であることを特徴とする光可変減衰器。 - 請求項1ないし6のいずれか又は請求項8に記載の光可変減衰器において、
前記屈折率変調手段は、前記入力用の光導波路又は前記自由伝搬領域の少なくとも一方に電界を作用させることにより前記入力用の光導波路の有する屈折率n1 又は前記自由伝搬領域の有する屈折率n2 の少なくとも一方を変化させることを特徴とする光可変減衰器。 - 請求項1ないし6のいずれか又は請求項9に記載の光可変減衰器において、
前記屈折率変調手段は、前記入力用の光導波路又は前記自由伝搬領域の少なくとも一方に機械的な応力を作用させることにより前記入力用の光導波路の有する屈折率n1 又は前記自由伝搬領域の有する屈折率n2 の少なくとも一方を変化させることを特徴とする光可変減衰器。 - 請求項10に記載の光可変減衰器を有し、前記屈折率変調手段にヒートシンクを密接させたことを特徴とする光可変減衰器モジュール。
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CN115373078A (zh) * | 2022-08-05 | 2022-11-22 | 联合微电子中心有限责任公司 | 光学装置及其制造方法以及光学*** |
WO2024113136A1 (zh) * | 2022-11-29 | 2024-06-06 | 华为技术有限公司 | 一种光衰减器 |
-
2002
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