本発明は、導波路型光干渉計回路に係り、より詳細には導波路を使用する光干渉計を接続し光スイッチ、合分波器等を実現する導波路型光干渉計回路に関する。
現在の通信網では、光スイッチ/合分波器などの各種光部品が使用されている。光スイッチは、通信障害時や需要に応じて柔軟に経路を切り替えるために使用される。合分波器は、一本の光ファイバーに多数のチャンネルを波長多重/分離するために使用され、現在の大容量光通信を支えている。これら光部品を実現する手段には各種の方法があるが、導波路を使用した方法は、小型集積が可能であり、可動部分を持たずに構造的に安定なため信頼性に優れ、またリソグラフィー技術により量産性に優れる、という多くの特徴を有している。
図1に、導波路を使用した光スイッチ100の構成例を示す。光スイッチ100は、2個の50%方向性結合器101,102とこれを連結する短アーム側導波路103と、長アーム側導波路104の2本のアーム導波路からなるマッハツェンダー干渉計(MZI)を基本構成とし、少なくとも一方(図では短アーム側導波路103側)の連結導波路には導波路の屈折率を変化させることで導波光の位相を変化させる移相器105が装備されている。この場合、長アーム側導波路104側に移相器106を装備してもよく、2本の連結導波路103,104の長さは、通常、等長若しくは動作波長λ0の半波長分の光路長差のいずれかで設計される。図1では、後述の実施例との整合性を考えて、半波長分の導波路長差ΔL(=λ0/2neff; neff:導波路の実効屈折率)としている(図では、上側が短アーム側導波路103、下側が長アーム側導波路104として半波長の光路長差を設けている)。入力1からの信号光は、公知の干渉原理により、移相器が未動作時(Off時)に出力1(バー経路)へ導かれ、移相器において半波長分の移相量πを発生させて上記のΔLを打ち消したとき(On時)に出力2(クロス経路)へ導かれる。移相器で発生させる移相量がOn/Offの中間値を取る場合には、各経路の出力(すなわち透過率)は、移相量に応じてアナログ的に変化する。
理論上、スイッチOnOff比(Off時とOn時の透過率比)は無限大となるが、実際に、作製される光スイッチでは製造上の不完全性(位相誤差、偏光変換、散乱光など)に起因して、無限大にはならない。従って、実用に供される導波路型光スイッチでは、高いOnOff比を得るために、多くの場合、スイッチ素子を2個従属接続した2重MZI構成を使用している。
図2に、2重MZI光スイッチの構成を示す(例えば、特許文献1/非特許文献1を参照する)。図2(a)は、主に1×N用またはN×1用の光スイッチ200の構成を示し、図2(b)は、主にN×M用の光スイッチ210の構成を示す。図2(a)および図2(b)は、入出力のポートの位置関係が異なるだけで、入力ポートから出力ポートへの経路(On経路)で、短側導波路203,213と長側導波路204,214とをそれぞれ備える前段MZIスイッチ素子201,211と、短側導波路205,215と長側導波路206,216とをそれぞれ備える後段MZIスイッチ素子202,212との2段のMZIスイッチ素子を通るという接続構成は同じである。本スイッチは、On経路においては、1段目素子からの漏れ光が2段目素子でも遮断されるため、単素子のスイッチと比較すると、デシベル表記で概ね2倍のOnOff比が得られる。一方、Off経路(入力からThr出力への経路やThr入力から出力への経路)では、MZIスイッチ素子は一段分しか通らないので、単素子のスイッチと同じOnOff比となる。
これらの2重MZI光スイッチは、図3に示すような大規模の光スイッチを構成するために、しばしば、基本素子として使用される。図3(a)に示すタップ型の1×Nスイッチ300では、図2(a)に示す光スイッチ200を1入力2出力スイッチ301として使用している。N×1スイッチも入出力を入れ替えた構成で同様に構成され、図2(a)に示すスイッチ素子を2入力1出力スイッチとして使用する。また、図3(b)に示すN×Nスイッチ310では、図2(b)に示す光スイッチ210を2入力2出力スイッチ311,312として使用している。2入力2出力スイッチ311,312は、図3(b)に示すように、互いに上下に反転して配置したものである。これらの大規模スイッチのクロストーク特性は、そこで使用される各スイッチ素子のOn経路でのOnOff比でほぼ決定される。2重MZI光スイッチ素子は、前述のように特にOn経路でのOnOff比が優れるので、これらの大規模スイッチへの適用に非常に合致した構成の1つである。
次に、図4に導波路を使用した合分波器の構成例を示す。図4(a)は、単一の合分波器400の構成を示し、図4(b)は、2段接続した合分波器410の構成を示す。合分波器400は、図1に示す光スイッチとほぼ同じMZI構成であるが、長側導波路401と短側導波路402の差である導波路長差ΔLがスイッチと比べると大きい値が設定される。また、通常、スイッチのような動的な動作は無いので、移相器は省略されることが多い。入力1からの信号光は、公知の干渉原理により、周波数fe(=m・c/(neff・ΔL); c:光速、m:正の整数)の信号光は出力2へ、周波数fo(=(m−0.5)・c/(neff・ΔL))の信号光は出力1へ、分波される。また、入出力を逆にすれば、周波数feの信号光と周波数foの信号光を合波することができる。このように、図4(a)に示す合分波器410は、偶数チャンネルの光feと奇数チャンネルの光foを合分波できるのでインターリーブフィルタとも呼ばれる。
尚、物質の屈折率は、多くの場合、温度依存性すなわち熱光学効果を有する。前述の光スイッチの場合は、この効果を積極的に使用して移相器を実現したりするが、合分波器のように完全にパッシブの部品では、広い温度範囲で特性変動が無いほうが好ましいので、熱光学効果の無い材料を使用するか、又は、等価的に熱光学効果を打ち消す工夫をして温度無依存化を実現することがある。後者の具体例としては、導波路の実行屈折率の温度変動dneff/dTに対して、温度変動の符号が逆の特性である材料を導波路長差ΔLが付加されている側の導波路に導入することで、光路長差の温度変動をキャンセルする方法がある。
さて、合分波器400も製造上の不完全性により、出力2へfoの信号光が、出力1へfeの信号光がある程度漏れこみクロストークが発生してしまう。そこで、光スイッチの場合と同様に低クロストーク特性を得るために、図4(b)に示す合分波器410のように、同一のMZIを2段接続した構成を使用することもある。合分波器の場合は、出力1側も出力2側も特性を向上する必要があるため、2段目には出力1側経路/出力2側経路共に2段構成となるように、長側導波路414と短側導波路415を備える前段MZI分波素子411と、長側導波路416,418と短側導波路417,419とをそれぞれ備える後段MZI分波素子412,413との合計3素子のMZIを接続している。
これらの干渉計光部品は、例えば、シリコン基板上に作製された石英系の導波路で実現される。また、光スイッチには、例えば、薄膜ヒータを使用した熱光学移相器が使用される。尚、製造方法としては、例えば、火炎堆積(FHD)法等のガラス膜堆積技術と反応性イオンエッチング(RIE)等の微細加工技術の組み合わせが使用されている。
具体的には、シリコン基板上に下部クラッド層となるガラス膜を堆積/透明化し、引き続き、屈折率がクラッド層よりもやや高いコア層を堆積する。そして、光導波回路となるコアパターンを微細加工技術によりパターン化し、上部クラッド層となるガラス膜を堆積/透明化することにより埋め込み型の光導波路が得られる。最後に、上部クラッド表面に薄膜ヒータとなる金属を真空蒸着法等で堆積し、これを微細加工技術でパターン化し、熱光学移相器を装荷する。
しかしながら、このような導波路を使用した干渉計をベースとした光スイッチでは、製造上生じる導波路の光路長誤差すなわち位相誤差のために、2重MZI構成を使用しているにも拘らず、しばしば仕様上要求されるOnOff比が得られないという問題があった。同様の理由で合分波器においても、所望の低クロストーク特性が得られない、また、中心波長が所望の範囲の値に収まらないという問題があった。
本発明は、このような問題を鑑みてなされたもので、その目的とするところは、製造誤差に強い導波路型光干渉計回路を提供することにある。
このような目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、それぞれ独立した導波路型光干渉計を少なくとも2段に縦続して接続した導波路型光干渉計回路において、前記導波路型光干渉計は、所望の光路長差を設けた導波路を有し、前記少なくとも2段の導波路型光干渉計の一方の前記光路の長い方の導波路と、それぞれの前記導波路型光干渉計の入力側から出力側に引かれた中心線に対し、前記少なくとも2段の導波路型光干渉計のもう一方の前記光路の長い方の導波路とが反対の方向に配置されて構成されることを特徴とする。
また、請求項2に記載の発明は、前記一方の導波路型光干渉計の数と、前記もう一方の光路の長い方の導波路が反対の方向に配置された導波路型光干渉計の数との差が0または1であることを特徴とする。
また、請求項3に記載の発明は、前記一方の導波路型光干渉計と、前記もう一方の光路の長い方の導波路が反対の方向に配置された導波路型光干渉計が、交互に接続されて構成されることを特徴とする。
また、請求項4に記載の発明は、前記導波路型光干渉計は、実効屈折率の平均的な面内分布に基づいて前記光路長差の値が補正されることを特徴とする。
また、請求項5に記載の発明は、前記導波路型光干渉計の全てに設けられた前記光路長差が前記所望の設計値よりも短く設定されるか、または長く設定されることを特徴とする。
また、請求項6に記載の発明は、前記一方の導波路型光干渉計に設けられた前記光路長差と、前記もう一方の光路の長い方の導波路が反対の方向に配置された導波路型光干渉計に設けられる前記光路長差について、前記光路長差の一方が前記所望の設計値よりも短く設定され、かつ前記光路長差の他方が前記所望の設計値よりも長く設定されることを特徴とする。
また、請求項7に記載の発明は、前記導波路型光干渉計が2本のアーム導波路を有するマッハツェンダー干渉計であり、少なくとも一方のアーム導波路に移相器を備える導波路型光スイッチであることを特徴とする。
また、請求項8に記載の発明は、前記導波路型光干渉計回路が前記導波路型光スイッチを複数個接続して形成される大規模スイッチであって、前記導波路型光スイッチの初段目において光路が長い方の導波路がレイアウトされている方向が、前記導波路型光スイッチの奇数列目と偶数列目で入れ替わり配置される導波路型光スイッチであることを特徴とする。
また、請求項9に記載の発明は、前記導波路型光干渉計がN入力M出力カプラとM入力L出力カプラと、これに挟まれるM本のアーム導波路から成り、k番目のアーム導波路の長さがL=(k−1)・ΔL+L0;L0≧0の任意である導波路型光フィルタであることを特徴とする。
本発明によれば、各導波路型光干渉計の光路長差ΔLが付加された導波路側を、各段で実質的に逆向きにレイアウトすることにより、等方性誤差及び方位依存誤差による位相誤差に対するOnOff比や低クロストーク劣化の確率が小さく、又、方位依存誤差による位相誤差による波長シフトの影響が打ち消し合うため、製造誤差に強い導波路型光干渉計回路を得ることができる。
図5に、本発明の第1の実施形態による導波路型光干渉計回路の一例として2重MZI光スイッチのレイアウト構成を示す。図5(a)および(b)は、それぞれ図2(a)および図2(b)に対応しており、図5(a)は、主に1×N用またはN×1用の光スイッチ500の構成を示し、図5(b)は、主にN×M用の光スイッチ510の構成を示す。本実施形態のレイアウト構成は、概ね従来構成と同じであるが、以下の点で構成が異なる。従来構成では、前段MZIスイッチ201,211と、後段MZIスイッチ202,212共に上側が短側導波路203,213,205,215で、下側が長側導波路204,214,206,216であり、前段/後段で短側導波路と長側導波路の上下配置関係が同方向で揃っていた。しかしながら、本実施形態では、前段MZIスイッチ501,511は、上側が短側導波路503,513で、下側が長側導波路504,514であり、後段MZIスイッチ502,512は上側が長側導波路506,516で下側が短側導波路505,515であり、前段/後段で導波路が中心線に対して対称に配置されている点が異なっている。すなわち、前段MZIスイッチ501,511と後段MZIスイッチ502,512の長アーム/短アームの上下配置方向の相対関係が反転している点が従来構成と大きく異なる。
図6に、本発明の第2の実施形態による導波路型光干渉計回路の一例として2重MZI光スイッチのレイアウト構成を示す。図6(a)および図6(b)に示す光スイッチ600,610は、それぞれ図5(a)および図5(b)に示す光スイッチ500,510にそれぞれ対応する。本実施形態のレイアウト構成は、短側導波路603,613と長側導波路604,614とをそれぞれ備える前段MZIスイッチ601,611と、短側導波路605,615と長側導波路606,616とをそれぞれ備える後段MZIスイッチ602,612が折り返された配置になっている点が第1の実施形態と異なっているが、前段MZIスイッチ601,611と後段MZIスイッチ602,612の長アーム/短アームの上下配置方向の相対関係が反転している点は第1の実施形態と同様である。
これらの本発明が、従来構成と比較して製造誤差に強い回路である理由について、以下に説明する。
導波路の光路長誤差すなわち位相誤差は、材料の屈折率変動、導波路コアサイズの変動、回路パターンの変形等による導波路の物理長そのものの変動等の製造上の様々な要因で発生する。この製造する回路の位相誤差を統計的に分析してみると、誤差は、全く無秩序に発生するのではなく、ある傾向を有する2つの誤差、等方性の誤差δφbaseと、非等方性の誤差δφdirと、傾向を有さない無秩序な誤差δφramの3種類に分類できることが、近年の実験検討により判明した。
1つ目の等方性の位相誤差δφbaseは、ウェハー全体、或いは素子が集積されているチップ内といった領域に限定した見た場合に、どの素子にも一様な値として発生する誤差であり、且つ、方位依存性を有さない。すなわち、あるウェハー、或いはあるチップを取り出したときに、その中に製作された素子のδφbaseは、全て同じ値となる。この誤差をもたらす製造上の要因としては、材料屈折率のずれや、コア膜厚ずれ/コア幅加工ずれ等により発生する実効屈折率の変動がある。実効屈折率の変動δneffは、光路長差の変動をもたらし、δφbase=−2π・δneff・ΔL/λ0の位相誤差をもたらす。また、設計波長λ0に対して実際の使用波長が異なる場合にも、一様な位相誤差が発生するので、等価的に等方性の位相誤差が発生する。例えば、図1に示した半波長分の導波路長差で設計されたMZIスイッチの場合、波長ズレδλに対して、δφbase=−π・(λ0/λ−1)≒π・δλ/λ0の位相誤差が発生する。尚、ΔL=0の干渉計回路では、実効屈折率の変動δneffが発生しても、各導波路で誤差が等量となり各経路の差分として打ち消し合うため、等方性の位相誤差δφbaseは発生しない。
2つ目の非等方性の誤差δφdirは、方位依存性を有する位相誤差であり、ある特定の方位の導波路の光路長が常に長くなる誤差である。例えば、ウェハーのボトム側(オリフラ側)の導波路がトップ側の導波路よりも常に長くなるか、または、ウェハーの中心側の導波路が周囲側の導波路よりも常に長くなるといった類の誤差である。この誤差をもたらす製造上の要因としては、材料屈折率や、コア膜厚/コア幅加工等のウェハー面内分布による実効屈折率の面内分布などがある。この非等方性の誤差δφdirは、導波路の相対的な位置関係で発生する誤差であるため、ΔL=0の干渉計回路でも発生する。
3つ目の無秩序な誤差δφramは、局所的な実効屈折率の揺らぎにより発生する文字通りランダムな誤差で、同一チップ内の近接した干渉計回路間や同一相対位置関係にある干渉計回路間でも無相関に発生する誤差である。
位相誤差δφは、上記のそれぞれの誤差の和として、δφ=δφbase+δφdir+δφramとなるが、説明を簡単にするために、以降の説明では、δφram の項が十分小さいものとして無視する。
図1に示したMZI光スイッチ素子の位相誤差がδφ[rad]である場合、入力1から出力2への経路におけるOff時の透過率Toff[dB]は、以下に示す式(1)となる。なお、スイッチとしてのoffの動作は、移相器に電流ないしは電圧を印加しないときのものである。
また、上述の分布形状の起伏周期に比べて十分近接した干渉計回路では、前段MZIスイッチ素子の誤差δφbaseと後段MZIスイッチ素子の誤差δφbase、及び前段MZIスイッチ素子の誤差δφdirと後段MZIスイッチ素子の誤差δφdirは、それぞれほぼ同じ値になる。従って、図2に示した従来の2重MZI光スイッチでは、短アーム/長アームの上下関係(方向関係)が同じになるので、前段MZIスイッチ素子、後段MZIスイッチ素子、共に位相誤差はδφ=δφbase+δφdirとなり、図2に示した従来の2重MZI光スイッチの入力から出力までの経路におけるOff時の透過率Toff[dB]は、以下に示す式(2)となる。
一方、本発明の2重MZI光スイッチでは、短アーム/長アームの上下関係(方向関係)が反転しているので、前段と後段で方位性位相誤差δφdirの符号が反転する。従って、前段MZIスイッチ素子の位相誤差がδφ=δφbase+δφdirである場合、後段MZIスイッチ素子の位相誤差は、δφ=δφbase−δφdirとなり、図5や図6に示した本発明の2重MZI光スイッチの入力から出力までの経路におけるOff時の透過率Toff[dB]は、以下に示す式(3)となる。
図7に、上記の式で計算した透過率の等方性位相誤差δφbase依存性を、方位性位相誤差δφdirをパラメーターにして示す。図7(a)は、従来技術の構成における結果を示し、図7(b)は、本発明の構成における結果を示す。OnOff比[dB](=Ton−Toff; Ton:On時透過率[dB]で理論上は0dBである)の仕様上の要求値が40dB以上であった場合、すなわちOff時透過率の要求値が−40dB以下であった場合、従来技術の構成では、方位依存位相誤差δφdirが+0.06π[rad]生じると等方性位相誤差δφbaseの+側の余裕が殆どなくなることになる。一方、本発明の構成では、同様の方位依存位相誤差が生じても、等方性位相誤差に対して+側/−側共に0.08π[rad]以上の余裕があるため、等方性位相誤差と方位依存位相誤差が同時に発生してもOff時透過率の要求値を満足する確率が従来技術の構成と比較して高い。
図8は、さらに詳細に各位相誤差δφbase、δφdirによるOnOff比の特性低下を調べるために、図7をOnOff比の等高線図として図示し直したものである。また、図7と同様に、図8(a)は、従来技術の構成における結果を示し、図8(b)は、本発明の構成における結果を示す。各位相誤差δφbase、δφdirは、ほぼ独立事象であると考えられるので、各位相誤差の標準偏差σが0.02π[rad]であるとすると、±3σである半径0.06π[rad]の円の中に、ほぼ全てのケースが分布していることになる。図8(b)に示す本発明の構成では、半径0.06π[rad]の円内において40dBのOnOff比が確保できているのと比較して、図8(a)の従来技術の構成では、一部分(ハッチングして図示している部分)において40dBのOnOff比が確保できていないことが分かる。このように、本発明の構成は、従来技術の構成と比較して、等方性誤差及び方位依存誤差による位相誤差に対する特性低下の確率が小さく、製造誤差に強い構成であるといえる。
尚、動作波長をある程度広く保証する場合に発生する位相誤差(例えば、1480〜1650nm動作保証の場合、前述の計算式により、最大約±0.06π[rad]の位相誤差が原理的に発生することが分かる)が等方性位相誤差の大半を占める場合は、図8の横軸は、この当方性位相誤差の範囲で確実に発生しうる事象になるので、上述の分布は、円ではなく四角(図中一点鎖線)に拡大して考える必要がある。図を見て分かるように、この場合には、図8(a)に示す従来構成では、40dBのOnOff比が確保できていない領域が更に増加するのに対して、図8(b)に示す本発明の構成では、拡大した領域においても所望のOnOff比を確保できている。このように、動作波長領域の拡大という観点からも本発明の構成は有効な構成であることがわかる。
また、On時に移相器で発生させる移相量は、通常πであるが、位相誤差δφがある場合は、その分を加味したδφ+πが透過率最大となる最適移相量となる。従って、従来構成では、前段/後段MZIスイッチ素子、共に最適移相量は、δφbase+δφdir+πとなり、各位相誤差に応じて最適移相量が変化する。これに対し、本発明の構成では、前段MZIスイッチ素子の最適移相量は、δφbase+δφdir+π、後段MZIスイッチ素子の最適移相量は、δφbase−δφdir+πで、その平均値はδφbase+πとなりδφdirの影響を受けないので、平均値における最適移相量の変動が少なくなるというメリットが発生する。
例えば、熱光学移相器を使用した場合、本発明の構成の光スイッチでは従来構成の光スイッチと比較して、移相器での消費電力の平均値変動が少なくなり、デバイスの放熱設計精度を向上させることが可能となる。また、デバイスの構成を簡易化するために前段/後段MZIスイッチの移相器の電気接続配線を直列接続や並列接続し共通駆動することがあるが、この際の最適駆動点は前段/後段MZIスイッチの平均値になるので、消費電力同様、本発明の構成の光スイッチでは、従来構成の光スイッチと比較して、駆動点の変動が少なくなり、定電圧源や定電流源といった駆動デバイスへの駆動範囲の要求を緩和できるというメリットもある。
尚、方位依存位相誤差をもたらす実効屈折率等の面内分布形状は、ウェハー毎に微妙に異なるが、同一回路を同一装置で作り込みをして作製した場合、概ね似た分布になることが多い、従って、平均的な分布形状を基にした設計補正を行うことで、ある程度、方位依存位相誤差の影響を低減することが可能である。このように、ある程度は設計で補正した上で、ウェハー毎に異なる面内分布や設計で補正し切れず残存した面内分布を、本発明の構成でその影響の低減を行うことにより、更に良好な特性を得ることができる。
次に、本願発明の第3の実施形態による導波路型光干渉計回路の一例として2重MZI光スイッチの構成について説明する。基本的な構成は、第1の実施形態又は第2の実施形態と同じであり、前段MZIスイッチと後段MZIスイッチの長アーム/短アームの上下配置の相対関係が反転している構成であるが、これに加えて、半波長分の光路長差に僅かなオフセットを付加している。通常の構成では、半波長分の光路長差、すなわち位相差π、を設けてMZIを構成するが、本実施形態ではこれに僅かなオフセット位相αを付加してMZIを構成する。このとき透過率Toff[dB]は、以下に示す式4となる。
例えば、α=0.04π[rad]とし、半波長分の導波路長差よりもΔLを僅かに長くした場合、OnOff比の等高線図は、図9(a)のようになる。図9(b)は、比較として再掲した第1および第2の実施形態における等高線図である。図9(a)は、図9(b)と比較して、等高線図が右方向に+0.04π[rad]シフトしている。
従って、本実施形態は、誤差に以下のような傾向がある場合に特にメリットが得られる。方位依存位相誤差δφdirの標準偏差σ(δφdir)が等方性位相誤差δφbaseの標準偏差σ(δφbase)よりも大きく、例えば、σ(δφdir)=0.022π[rad]、σ(δφbase)=0.008π[rad]である場合、ほぼ全てのケースが分布すると考えられる領域は、図9中の破線で示したように縦長の楕円の領域になる。図9(a)と図9(b)を比較して分かるように、本実施形態では、40dBのOnOff比が確保できるのに対し、第1および第2の実施形態では、一部分(ハッチングで図示している部分)において40dBのOnOff比が確保できていない。このように、本実施形態は、方位依存位相誤差によるバラツキ(標準偏差)が等方性位相誤差によるバラツキ(標準偏差)よりも大きい場合に有利な構成であるといえる。
尚、上記の説明では、ΔLを長くしてαをプラス値としたが、ΔLを短くしてマイナス値にした場合は、等高線図が左方向にシフトする点だけが異なる。従って、マイナス値の場合も上記同様の利点が得られる。
また、オフセット位相量αの値は、σ(δφdir)とσ(δφbase)の比と要求OnOff比により最適値が決定される。基本的には、要求OnOff比の等高線に、σ(δφdir)とσ(δφbase)の比を縦横比とする楕円が、大きさを適宜調整した上で、図9(a)に示すように3点で接するようなオフセット量が最適値となる。尚、この3点とは、αがプラス値の場合は上下側の等高線及び左側の等高線の3点となり、αがマイナス値の場合は上下側の等高線及び右側の等高線の3点になる。
次に、本願発明の第4の実施形態による導波路型光干渉計回路の一例として2重MZI光スイッチの構成について説明する。基本的な構成は、第3の実施形態と同じであり、第1の実施形態又は第1の実施形態の構成に加えてMZIの半波長分の光路長差に僅かなオフセット位相αを付加しているが、前段MZIスイッチと後段MZIスイッチで付加するオフセット位相の正負の符号が反転している点が、第3の実施形態と異なる。すなわち、前段MZIスイッチに+αのオフセット位相を付加した場合には、後段MZIスイッチには−αのオフセット位相を付加する。このとき透過率Toff[dB]は、以下に示す式(5)となる。
例えば、α=−0.04π[rad]とし、半波長分の導波路長差よりもΔLを前段MZIスイッチについては僅かに短く、後段MZIにスイッチついては長くした場合、OnOff比の等高線図は、図10(a)のようになる。図10(b)は、比較として再掲した第1および第2の実施形態での等高線図である。図10(a)は、図10(b)と比較して、等高線図が下方向に+0.04π[rad]シフトしている。
従って、本実施形態は、誤差に以下のような傾向がある場合に、特にメリットが得られる。等方性位相誤差δφbaseの標準偏差σ(δφbase)が方位依存位相誤差δφdirの標準偏差σ(δφdir)よりも大きく、例えば、σ(δφbase)=0.022π[rad]、σ(δφdir)=0.008π[rad]である場合、ほぼ全てのケースが分布すると考えられる領域は、図10中の破線で示したように横長の楕円の領域になる。図10(a)と図10(b)を比較して分かるように、本実施形態では、40dBのOnOff比が確保できるのに対し、第1および第2の実施形態では一部分(ハッチングで図示している部分)において40dBのOnOff比が確保できていない。このように、本実施形態は、等方性位相誤差によるバラツキ(標準偏差)が方位依存位相誤差によるバラツキ(標準偏差)よりも大きい場合に有利な構成であるといえる。
尚、上記の説明ではαをマイナス値としたが、プラス値にした場合は等高線図が上方向にシフトする点だけが異なる。従って、プラス値の場合も上記同様の利点が得られる。
また、オフセット位相量αの値は、第3の実施形態と同様に、σ(δφdir)とσ(δφbase)の比と要求OnOff比によって最適値が決定される。基本的には、要求OnOff比の等高線に、σ(δφdir)とσ(δφbase)の比を縦横比とする楕円が、大きさを適宜調整した上で、図10(a)に示すように3点で接するようなオフセット量が最適値となる。尚、この3点とは、αがマイナス値の場合は、上側の等高線及び左右側の等高線の3点となり、αがプラス値の場合は、下側の等高線及び左右側の等高線の3点となる。
以上の第1〜第4の実施形態では、半波長分の導波路長差をベースとしたMZIで構成しているが、これは動作波長範囲を広く確保するためである。導波路長差ΔL(=k・{λ0/2neff}; k:整数)の場合、MZIのアーム導波路の位相差Δφは、Δφ=2π・neff・ΔL/λ0であるので、ΔLが大きいほど、λ0の僅かな違いでも位相差Δφが大きく動くので、動作波長範囲が狭くなる。従って、光スイッチとしてはΔLが一番短いk=1のケースである半波長分の導波路長差の設計が望ましい。即ち、光スイッチにおいては、半波長分の光路長差が所望の光路長差となる。しかしながら、単一波長λ0のみの動作で良い等の条件であれば、k=1以外の導波路長差であっても構わない。尚、kが奇数の場合には、Off時にバー動作、kが偶数の場合には、Off時にクロス動作になる。
いずれにしても、半波長分の導波路長差以外であっても、第1および第2の実施形態で示したように前段MZIスイッチと後段MZIスイッチの長アーム/短アームの上下配置方向の相対関係を反転することにより、この構成が等方性誤差及び方位依存誤差による位相誤差に対する特性低下の確率が小さくなり、製造誤差に強い構成になることに変わりは無い。また、等方性位相誤差によるバラツキ(標準偏差)と方位依存位相誤差によるバラツキ(標準偏差)が異なる場合、第3および第4の実施形態で示したオフセット位相を付加することにより、更に位相誤差耐力が最適化できることに変わりは無い。
[16連1×4スイッチ]
第1の実施例として作製した16連1×4スイッチチップ700の構成を図11に示す。16連1×4スイッチチップ700の1×4スイッチ701は、1×2スイッチ素子702をカスケードに4段接続したタップ構成になっている。各1×2スイッチ素子702には、本発明の構成である図5(a)に示した方位反転配置の2重MZI光スイッチ素子500の構成を使用した。2重MZI光スイッチ素子702を構成している前段MZIスイッチ703と後段MZIスイッチ704の各MZIには、半波長分の導波路長差を設け、前段MZIスイッチ703は、上側を短アーム705に下側を長アーム706にし、後段MZIスイッチ704は、上側を長アーム708に下側を短アーム707にしている。今回、EDFAの増幅帯域であるC帯/L帯(動作波長域:1520〜1620nm)での使用を前提として、動作波長中心λ0は1570nmとした。
本スイッチチップは、シリコン基板709上に石英系導波路710にて作製した。導波路710のコア711とクラッド712の比屈折率差は、1.5%である。チップサイズは、65×13mmであった。また、熱光学移相器である薄膜ヒータ713の周辺のクラッド712は、消費電力低減のため微細加工技術により削除し、断熱溝714を形成している。尚、図中には示していないが、各ヒータ713へは、駆動電流を給電するための電気配線パターンが形成されており、OnOffスイッチの為の駆動電流は、短アーム705,707側のヒータ713に給電している。また、On時の消費電力は1MZIあたり約100mWであった。On時の挿入損失は、ファイバー接続損失込みで約2dBであった。
各2重MZI光スイッチ素子702のOnOff比は、動作波長域の1520〜1620nmにおける最悪値で評価した。また、チップ中には、合計64個の2重MZI光スイッチ素子702が集積されているが、チップ出荷時においては、最も特性の悪い素子における値が判定基準となるので、最悪素子における値をチップのOnOff比最悪値として評価した。
図12に、50チップ分のOnOff比最悪値データをまとめたものを示す。図12(a)は、本実施例の結果であり、図12(b)は、比較のために同時に作製した従来の同方向配置構成2重MZI光スイッチ素子によるスイッチチップの結果である。従来構成では、いくつかのチップでOnOff比最悪値が40dBを下回り、中には35dB程度しか得られないチップもあったが、本発明の構成では、全てのチップにおいて43dB以上の特性を安定に得ることができた。
[8×8マトリクススイッチ]
第2の実施例として作製した8×8のマトリクススイッチのレイアウトを図13に示す。8×8のマトリクススイッチ800全体の構成は、基本的に図3(b)に示した構成をN=8に直した構成とし、内部で使用される各2×2スイッチ素子801,802には、本発明の構成である図5(b)に示した方位反転配置の2重MZI光スイッチ素子510の構成を使用した。2重MZI光スイッチ素子を構成している各MZIには、半波長分の導波路長差ΔLを設け、前段MZIスイッチと後段MZIスイッチで、短アーム側/長アーム側を上下反転している。今回、EDFAの増幅帯域であるC帯(動作波長域:1530〜1560nm)での使用を前提として、動作波長中心λ0は、1545nmとし、更に本実施例では、オフセット位相を2%付加した。すなわち、通常のΔLよりも2%長い導波路長差を設けた。
図13中、破線で囲んだ部分がそれぞれ2×2スイッチ素子801,802になっている。図3(b)に示した図よりもやや複雑に見えるが、これは各2×2スイッチ素子801,802の後段MZIスイッチを次列にある2×2スイッチの前段MZIスイッチと同じ段にレイアウトすることで、チップ長を短縮しているためである。尚、図面下部に記載している番号(1)〜(8)は2×2スイッチ素子801,802の各列の番号を表している。
尚、今回の実施例では、奇数列目(1),(3),(5),(7)にある2×2スイッチ素子801の前段MZIスイッチ803は、上側を短アーム805に、後段MZIスイッチ804は、下側を短アーム807とし、偶数列目(2),(4),(6),(8)にある2×2スイッチ素子802の前段MZIスイッチ804は下側を短アーム807に、後段MZIスイッチ803は上側を短アーム805として、奇数列目と偶数列目で前段MZIでの短アーム配置を上下入れ替えている。このような構成A以外に、全ての2×2スイッチ素子の前段MZIスイッチは、上側を短アームに、後段MZIスイッチは、下側を短アームとして、前段MZIでの短アーム配置を統一する構成Bもある。いずれの構成も、前段MZIスイッチ/後段MZIスイッチで、短アーム側/長アーム側を上下反転するという本発明の構成である事に変わりはないが、前者の奇数列目と偶数列目で前段MZIでの短アーム配置を上下入れ替える構成Aの方が、以下の点で有利となる。
位相誤差は、On経路におけるOnOff比の低下をもたらすだけでなく、同時にOff経路における損失の増加も引き起こす。この損失増加は、OnOff比低下に比較すると小さな量なので、多くの場合それ程大きな問題にならないが、本実施例のように通過スイッチ素子数が多い大規模なスイッチでは問題になってくる。構成Bの場合、方位依存誤差により例えば上側アームが長めになったとすると、全ての前段MZIスイッチのΔLはやや短めになり、全ての後段MZIスイッチのΔLはやや長めになる。ΔLがやや短めの場合、動作波長がやや短波よりにシフトするので、Off経路における損失増加は長波側でより顕著になる。ΔLがやや長めの場合は、この逆で短波側の損失増加が顕著になる。例えば、入力2から出力8への経路では、列(1)〜(7)までは前段MZIスイッチ(Off経路となっている)のみを通り、列(8)の2×2スイッチ素子で前段/後段MZIスイッチ両方(On経路となっている)を通るので、構成Bの場合は、長波側の損失増加のみが累積し、損失の波長依存性が大きくなる。
一方、構成Aの場合は、方位依存誤差により、奇数列目(1),(3),(5),(7)の2×2スイッチ素子801の前段MZIスイッチ803のΔLがやや短めになっても、偶数列目(2),(4),(6),(8)の2×2スイッチ素子802の前段MZIスイッチ804のΔLはやや長めになり、ΔLのズレが各列で入れ替わっているため、上記入力2から出力8への経路において、長波側の損失増加のみが累積することはなく、損失の波長依存性が緩和される。このように、奇数列目と偶数列目で前段MZIでの短アーム配置を上下入れ替える構成Aは、方位依存誤差による損失の波長依存性をいずれの経路においても緩和する効果がある。
このことは、本実施例のN×Nマトリクススイッチに特有の問題なのではなく、実施例1の1×Nタップスイッチにおいても同様であることは明確である。Nが大きい大規模な1×Nスイッチでは、本実施例同様に、奇数列目と偶数列目で前段MZIでの短アーム配置を上下入れ替える工夫を盛り込んだ方が望ましい。
本スイッチチップも、実施例1同様にシリコン基板上に石英系導波路にて作製した。導波路のコアとクラッドの比屈折率差は、0.75%である。チップサイズは13×106mmであった。また、熱光学移相器である薄膜ヒータ809の周辺は、消費電力低減のため微細加工技術により削除し、断熱溝810を形成している。On時の消費電力は、1MZIあたり約200mWであった。On時の挿入損失は、ファイバー接続損失込みで約2dBであった。
各2重MZI光スイッチ素子のOnOff比は、実施例1同様に動作波長域(1520〜1560nm)における最悪値で評価した。また、チップ中には合計64個の2重MZI光スイッチ素子が集積されているが、チップ出荷時においては、最も特性の悪い素子における値が判定基準となるので、最悪素子における値をチップのOnOff比最悪値として評価した。
図14に、50チップ分のOnOff比最悪値データをまとめたものを示す。図14(a)は、本実施例の結果であり、図14(b)は、比較のために同時に作製した2%オフセット位相付加が無いチップにおける結果であり、図14(c)は、比較のために同時に作製した従来の同方向配置構成2重MZI光スイッチ素子における結果である。今回の実施例では、動作波長範囲が狭いこともあり、図14(c)の従来構成でもOnOff比最悪値が40dBをかろうじて上回ったが、本発明の構成である図14(a)、図14(b)では、全てのチップにおいて43dB以上の特性を得ることができた。また、本実施例のオフセット位相を付加した構成である図14(a)では最悪値44dB以上が得られ、付加しない構成である図14(b)の43dB以上と比べて、僅かではあるが特性を向上できた。動作波長範囲が狭いことは、等価的に等方性位相誤差が小さくなることを意味するので、今回の実施例ではオフセット位相付加が有効に働いたといえる。
[2×2スイッチ]
第3の実施例として作製した高消光比2×2スイッチチップ900の構成を図15に示す。図2に示す2重MZI光スイッチ200,210は、Thr入力からThr出力への経路は存在しない2入力2出力のスイッチであったが、本実施例の光スイッチ900は、4つのMZIスイッチ素子901,902,903,904で構成し、全ての入出力組み合わせが存在する2×2の光スイッチに、本発明を適用したものである。
各MZIスイッチ素子901,902,903,904には半波長分の導波路長差を設け、前段MZIスイッチ素子901,902は、上側を短アーム905,907に下側を長アーム906,908にし、後段MZIスイッチ素子903,904は、上側を長アーム910,912に下側を短アーム909,911にしている。いずれにしても、前段MZIスイッチと後段MZIスイッチの長アーム/短アームの上下配置方向の相対関係が反転している点は前述の実施例と同じである。実施例1と同様に動作波長域1520〜1620nmでの使用を前提として、動作波長中心λ0は1570nmとした。
本スイッチチップも、実施例1および2と同様にシリコン基板上に石英系導波路にて作製した。導波路のコアとクラッドの比屈折率差は0.75%である。チップサイズは5×20mmであった。今回は、断熱溝を形成しておらず、On時の消費電力は、1MZIあたり約500mWであった。On時の挿入損失は、ファイバー接続損失込みで約1dBであった。
クロス経路(入力1から出力2、及び入力2から出力1)OnOff比は、MZIの位相誤差で決定されるのではなく、主に方向性結合器の50%結合値からのズレで決定されるので、評価項目とはせず、バー経路(入力1から出力1、及び入力2から出力2)のみのOnOff比を実施例1および2と同様に最悪値で評価した。
本構成のチップでは、複数のチップにおいて42dB以上のOnOff比が安定に得られたのに対して、比較のために作製した前段/後段MZIスイッチ共に上側を短アームにした構成のチップでは、35dB程度しか得られないチップが散見された。
[合分波インターリーブフィルタ]
第4の実施例は、本発明を合分波器に適用したものである。図16に本実施例の合分波器1000の構成を示す。合分波器1000は、前述の光スイッチの実施例と基本的な考え方は同じであり、前段MZI分波素子1001は、下側を短アーム1004にし、後段MZI合分波素子1002,1003は、上側を短アーム1006,1008にして、前段MZI合分波素子と後段MZI合分波素子の長アーム/短アームの上下配置方向の相対関係が反転している点が、図4(b)に示す従来の構成である合分波器410と根本的に異なる。
上述の構成とすることにより、スイッチの場合と同様の理由で、等方性誤差及び方位依存誤差による位相誤差に対するクロストーク特性低下の確率が小さくなり、製造誤差に強い構成になる。
また、動作波長に関しても、以下に説明するように、製造誤差による波長シフトを受けにくい構成になっている。方位依存誤差により例えば上側アームが長めになったとすると、前段MZI合分波素子のΔLは、やや短めになり、後段MZI合分波素子のΔLは、やや長めになる。ΔLがやや短めの場合は動作波長がやや短波よりにシフトし、ΔLがやや長めの場合は動作波長がやや長波よりにシフトする。よって、前段MZI合分波素子1001と後段MZI合分波素子1002,1003の動作波長シフトは、キャンセルし合うので、2段トータルで見た時の動作波長中心はシフトしない。一方、従来構成の合分波器では、方位依存誤差による波長シフトが前段MZI合分波素子と後段MZI合分波素子で同じ方向にずれるので、方位依存誤差の影響がそのまま現れてしまう。このように、本実施例の構成は、方位依存誤差による波長シフトを受けにくい構成になっている。
尚、本実施例では、2本のアーム導波路からなる2光束の干渉計において、前段合分波素子と後段合分波素子の長アーム側/短アーム側の上下配置方向の相対関係が反転してレイアウトする構成が、方位依存誤差による波長シフトを受けにくいことを示したが、この考え方は、多数のアーム導波路からなる多光束の干渉計に拡張しても同様に得られることは明らかである。
以上、4つの実施例では、シリコン基板上の石英系導波路をベースとした光回路で実現したが、これは信頼性に優れ、光ファイバーとの接続親和性が高く、また、生産技術としても確立された技術で量産に向くためである。しかしながら、他の材料系の導波路、例えば、シリコン導波路や、LN導波路や高分子導波路等でも本実施例等で示した効果が同様に得られることに変わりは無いことを付記しておく。
また、以上の実施例並びに実施形態では、MZIを構成するカプラに方向性結合器を使用したが、本発明は、これに限定するものではなく、例えば、マルチモード干渉(MMI)カプラを使用しても、もちろん良い。また、1×2カプラや2×1カプラにおいては、1×2分岐器や2×1合流器を使用しても良い。但し、これらを同一のMZI中に混在して使用する場合には、位相特性が方向性結合器と異なるので、その分を光路長差として補正して使用する必要がある。いずれにしても、本発明が、所望の光路長差設計に対して方位依存位相誤差の影響が光学特性に及びにくい構成であることに変わりは無い。
また、以上の実施例並びに実施形態では、2重MZI素子、すなわち2段のMZI素子による光干渉計回路について説明をしてきたが、これは、多くの実用光回路では、2段の素子を使用すれば十分なOnOff比や低クロストークが得られるためである。しかしながら、より高い特性を求める用途においては、この限りではなく、要求特性に応じてより多段の素子を使用することもある。この場合は、短アームが上側にあるMZI素子と短アームが下側にあるMZI素子を対にして考えれば、これまで述べてきた効果が得られることは、明らかである。従って、入力から出力までの間において、短アーム側が上側にあるMZI素子と短アーム側が下側にあるMZI素子が混在するよう配置すれば良く、好ましくは、MZI素子の長アーム/短アームの上下配置方向の数を均衡させる、すなわち、MZI素子の段数が奇数個の場合は差が1、偶数個の場合は差が0になるようにレイアウトすれば良いことが分かる。
尚、対にするMZI素子は、可能な限り近傍にあった方が、実行屈折率の分布形状が同一であると見なせる、すなわち、誤差δφbaseや誤差δφdirは、ほぼ同じ値になる確率が高くなる。従って、各段のMZI素子の長アーム/短アームの上下配置方向の数を単に均衡させるだけでなく、短アームが上側にあるMZI素子と短アームが下側にあるMZI素子を交互に配置して、この対となるMZI素子を近傍に配置した方がより好ましい。
図17、図18に3段以上のMZI素子を使用した導波路型光干渉計回路の配置の例を示す。図17は、それぞれ短アーム1105,1107,1109,1111と長アーム1106,1108,1110,1112とを備えるMZIスイッチ素子1101,1102,1103,1104の4段を接続した光スイッチ1100の構成を示す図であり、図18は、それぞれ短アーム1208,1210,1212,1214,1216,1218,1220と、長アーム1209,1211,1213,1215,1217,1219,1221とを備えるMZI合分波素子1201〜1207の4段を接続した合分波器1200の構成を示す図である。
導波路を使用するマッハツェンダー干渉計(MZI)型光スイッチの構成を示す図である。
従来技術による2重MZI型光スイッチの構成を示す図である。
従来技術による大規模集積光スイッチの構成を示す図である。
従来技術による導波路を使用したMZI型合分波器の構成を示す図である。
本発明の第1の実施形態による導波路型光干渉計回路の一例として2重MZI型光スイッチの構成を示す図である。
本発明の第2の実施形態による導波路型光干渉計回路の一例として2重MZI型光スイッチの構成を示す図である。
従来技術と本発明の第1および第2の実施形態におけるOff時透過率の位相誤差依存性を比較して示す図である。
従来技術と本発明の第1および第2の実施形態における位相誤差に対するOnOff比分布を比較して示す図である。
本発明の第3の実施形態による同位相オフセットを加えた構成とそうでない場合におけるOnOff比分布を比較して示す図である。
本発明の第4の実施形態による逆位相オフセットを加えた構成とそうでない場合におけるOnOff比分布を比較して示す図である。
本発明の実施例1の導波路型光干渉計回路である16連1×4スイッチの構成を示す図である。
本発明の実施例1と従来技術におけるOnOff比の最悪値ヒストグラムを比較して示す図である。
本発明の実施例2の導波路型光干渉計回路である8×8マトリクススイッチの構成を示す図である。
本発明の実施例2と、位相オフセットのない場合と、従来技術におけるOnOff比の最悪値ヒストグラムを比較して示す図である。
本発明の実施例3の導波路型光干渉計回路である高消光比2×2スイッチの構成を示す図である。
本発明の実施例4の導波路型光干渉計回路である合分波インターリーブフィルタの構成を示す図である。
本発明による導波路型光干渉計回路の一例としてMZI素子が3段以上で構成される光スイッチの構成を示す図である。
本発明による導波路型光干渉計回路の一例としてMZI素子が3段以上で構成される光合分波器の構成を示す図である。
符号の説明
500,510,600,610 2重MZI型光スイッチ
501,511,601,611 前段MZIスイッチ素子
502,512,602,612 後段MZIスイッチ素子
503,505,513,515,603,605,613,615 短側導波路
504,506,514,516,604,606,614,616 長側導波路