JP3721565B2 - 光機能導波路、光変調器、アレイ導波路回折格子及び分散補償回路 - Google Patents

光機能導波路、光変調器、アレイ導波路回折格子及び分散補償回路 Download PDF

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Description

本発明は、小型、省エネで高速に光の位相制御又は光路長若しくは波面の調節ができる光機能導波路、光変調器、アレイ導波路回折格子及び分散補償回路に関する。
従来の石英導波路型光変調器は、光導波路近傍にヒータを設けて石英の屈折率を温度変化させる位相変調部を干渉系に具備する構成である。この構成では、石英の屈折率温度係数が１.１×１０-5［１／℃］と低いため、１.５５ミクロン帯の通信波長においてπの位相変化を引き起こすために５０℃の温度変化を許容しても９７０ミクロン程度の導波路長（ヒータ長）が必要であった。温度変化に要する時間は数十ｍｓ必要であり、また、温度上昇に必要なエネルギーは１００ｍＷ以上になり、変調器間の熱的干渉によるクロストークの増大、冷却機構の大型化などの付加的な問題が生じることが課題であった。また、従来の技術で屈折率の温度係数の大きな材料を光導波路中の溝構造に充填し、変調器の消費電力を下げることが報告されている（例えば、非特許文献１参照）。
橋詰泰彰他４名著「２００２年電子情報通信学会総合大会講演論文集」、２００２年３月２７日、Ｃ−３−１０、Ｐ１４２
しかし、ヒータ部位置が溝構造から離れているため、スイッチング時間の速さが十分ではない。また、これらの構造の可変焦点距離の導波路型レンズへの適用及び光偏向型スイッチへの適用は行われていない。
本発明は、上記問題点に鑑み、小型、省エネで高速に光の位相制御又は光路長の調節ができる光機能導波路、光変調器、アレイ導波路回折格子及び分散補償回路を提供することを目的とする。
本発明の光機能導波路は、基板と、該基板上に形成されているクラッドと、該クラッドの中に形成されていて光路となるコアと、光路に沿って所定の間隔を空けて光路を分断するように形成されていて前記コアとは屈折率温度係数が異なる材料が充填されている複数の溝構造と、光路に沿って形成されている該複数の溝構造の間の位置に形成されているヒータ電極とを備える。
また、本発明の光機能導波路は、基板と、該基板上に形成されているクラッドと、該クラッドの中に形成されていて光路となるコアと、光路に沿って所定の間隔を空けて光路を分断するように形成されていて前記コアとは異なる屈折率の材料が充填されており形状がレンズ型である複数の溝構造と、光路に沿って形成されている該複数の溝構造の間の位置に形成されているヒータ電極とを備える。
また、前記複数の溝構造の内の少なくとも１つの端面が光路に垂直な位置から傾いていることで、溝界面から導波路に結合する反射光量を抑制することができる。
また、本発明の光変調器は、上記光機能導波路を備え光の振幅又は位相を変調するものである。
また、本発明のアレイ導波路回折格子は、スラブ導波路中に上記光機能導波路を備える。
また、本発明の分散補償回路は、２つのアレイ導波路回折格子が縦列接続されている接続部近傍に上記光機能導波路を備える。
また、本発明の分散補償回路は、スペクトル面近傍に配置されている導波路内のミラーと、該ミラーの近傍に配置されている上記光機能導波路とを備える。
また、本発明の光機能導波路は、基板と、該基板上に形成されているクラッドと、該クラッドの中に形成されていて光路となるコアと、光路に沿って所定の間隔を空けて光路を分断するように形成されていて前記コアとは異なる屈折率の材料が充填されており形状がくさび型である複数の溝構造と、光路に沿って形成されている該複数の溝構造の間の位置に形成されているヒータ電極とを備える。
本発明による効果は下記の通りである。
第１の効果は、小型で低消費電力、かつ、高速な光変調器等の光機能導波路を構成することが可能な点である。また、同時に付加的な問題である変調間の熱的干渉によるクロストークの低減や冷却機構の小型化も可能になる。
第２の効果は、レンズ形状を持つ溝構造に適用し温度制御することによって可変焦点距離の導波路型レンズが実現され、分散補償回路等、各種光機能導波路を実現可能になる。
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の第１実施の形態による光機能導波路の構成を示す図である。図１(a)は断面図であり、図１(b)は上面図である。本実施の形態の光機能導波路は、基板１１、石英導波路クラッド１２、石英導波路コア１３、溝構造１４、充填材料１５、及びヒータ用電極１６からなる。この光機能導波路は光変調器用の位相変調部として機能する。溝構造１４に充填される充填材料１５は、導波する光の波長領域で透明な材料であり、石英導波路コア１３とは異なる材料又は異なる組成の材料で実現され、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ポリイミド、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等が適当である。また、これらの材料の水素をフッ素で置換した有機材料でも良い。これらの材料の屈折率温度係数は、一般に、石英の１０倍〜１００倍程度である。石英の屈折率温度係数は１.１×１０-5［１／℃］と低いため、１.５５ミクロン帯の通信波長においてπの位相変化を引き起こすために５０℃の温度変化を許容しても９７０ミクロン程度の導波路長（ヒータ長）が必要である。充填する材料の屈折率温度係数が石英の５０倍であると仮定し、温度変化を１０℃とすれば、溝形成部の長さは１８４.３ミクロンで良い。例えば、光導波路の実効屈折率を１.４５、溝幅を平均９.７ミクロン、溝間隔を平均９.７ミクロン、溝数を１０、屈折率変化量を±２.７５×１０-3とすれば、各面で導波路外に反射されることに起因する損失は、０.００００８ｄＢであり無視できる。また、界面で放射モードに結合することに起因する損失は約０.５ｄＢである。本実施の形態ではヒータ用電極１６が、光路に沿って形成されている複数の溝構造１４の間の位置に形成されているために、充填材料１５の温度を少ないエネルギーで高速に大きく変化させることができる。溝構造１４の光伝搬方向の溝幅は、通常３〜２０ミクロン程度に設定されるが、損失を下げるためには狭い方がよい。また、溝構造１４相互の間隔は３〜１００ミクロン程度に設定される。溝幅及び溝間隔は界面で反射する光によって微小共振構造が形成されにくいように、ランダムに変化させることが望ましい。
図２は、本発明の第２実施の形態による光機能導波路の構成を示す図である。図２(a)は断面図であり、図２(b)は上面図である。本実施の形態の光機能導波路は、上から見たときに石英導波路コア１３によって形成される光路の方向に対して溝構造１４を傾けて配置するものである。これによって、溝界面から導波路に結合する反射光量を抑制することができる。
図３は、本発明の第３実施の形態による光機能導波路の構成を示す図である。図３(a)は断面図であり、図３(b)は上面図である。本実施の形態の光機能導波路は、上から見たときに溝構造１４の形を台形にするものである。これによって、やはり溝界面から導波路に結合する反射光量を抑制することができる。
図４は、本発明の第４実施の形態による光機能導波路の構成を示す図である。図４(a)は断面図であり、図４(b)は上面図である。本実施の形態の光機能導波路は、横から見たときに（すなわち、光路に沿った断面図を見たときに）溝構造１４の形を台形にするものである。これによって、やはり溝界面から導波路に結合する反射光量を抑制することができる。
図５は、本発明の第５実施の形態による光機能導波路の構成を示す上面図である。本実施の形態の光機能導波路は、製造時に溝構造１４に充填材料１５を注ぎ込むための充填物注ぎ込み口１７を設けるものである。このように充填物注ぎ込み口１７を光路に対して両側に設けて光路に対して両側から交互に充填材料１５を注ぎ込む構成にすることでヒータ用電極１６を溝構造１４と重ならずに連続的に配置することができる。なお、溝構造１４の上面は平坦ではないためヒータ用電極１６を溝構造１４と重ねて配置することは困難である。
図６は、本発明の第６実施の形態による光変調器の構成を示す図である。本実施の形態の光変調器は、マッハツェンダー干渉型変調器であり、方向性結合部２１、位相変調部２２、及び光導波路２３からなる。位相変調部２２には、第１〜第５実施の形態による光機能導波路を用いる。温度変化が１／５（＝１０℃／５０℃）になるのでスイッチング時間は数分の一に短縮される。また、消費電力は、加熱部分長が約１／５（≒１８４.３ミクロン／９７０ミクロン）になることもあって、１／２０以下に低減される。
図７は、本発明の第７実施の形態による光変調器の構成を示す図である。本実施の形態の光変調器は、他のタイプのマッハツェンダー干渉型変調器であり、位相変調部２２、光導波路２３、及びＹ分岐２４からなる。位相変調部２２には、第１〜第５実施の形態による光機能導波路を用いる。本実施の形態も第６実施の形態と同様の効果がある。
図８は、本発明の第８実施の形態による光機能導波路の構成を示す図である。図８(a)は断面図であり、図８(b)は上面図である。本実施の形態の光機能導波路は、基板１１、石英導波路クラッド１２、石英導波路コア１３、ヒータ用電極１６、溝構造３１、充填材料３２、並びに石英導波路クラッド１２及び石英導波路コア１３による石英スラブ導波路３３からなる。この光機能導波路は、単一モード導波路ではなくスラブ導波路用の位相変調部として機能する。基板１１の温度を制御し、充填材料３２の屈折率を制御する。石英導波路クラッド１２及び石英導波路コア１３の屈折率も変化するが、充填材料３２に比較して変化量が僅かであるため通常は無視することが可能である。ある温度で、石英スラブ導波路３３の実効屈折率と充填材料３２の屈折率が同じであれば、石英スラブ導波路３３を伝搬する光に対してほとんど影響を及ぼさないが、温度を上昇又は下降させると充填材料３２の屈折率が相対的に増加又は減少し、凸レンズ作用又は凹レンズ作用を伝搬光に及ぼす。もちろん、充填材料３２の屈折率の温度係数が負であれば、凹レンズ作用又は凸レンズ作用を及ぼす。また、焦点距離も温度によって制御可能である。これにより、充填材料の温度を制御することによって、スラブ導波路中を伝搬する光の波面を制御できる。すなわち、伝搬光の広がり角を制御することができる。制御範囲は溝構造３１の数を増減させて設計可能である。特に、反射光や共振特性を避ける必要があれば、第２〜４実施の形態と同様に、境界面を光軸に対して傾けることによってかなりの程度まで避けることが可能である。ただし、本実施の形態では上面図における境界面は曲線となるのでこれを傾けても効果的ではなく、断面図において境界面を示す直線を傾けることになる。
図９は、本発明の第９実施の形態による光機能導波路の構成を示す図である。図９(a)は断面図であり、図９(b)は上面図である。本実施の形態の光機能導波路は、基板１１、石英導波路クラッド１２、石英導波路コア１３、ヒータ用電極１６、溝構造４１、充填材料４２、並びに石英導波路クラッド１２及び石英導波路コア１３による石英スラブ導波路３３からなる。本実施の形態では溝構造４１の形状を凹レンズ状にした。この場合は、温度に対するレンズ作用や焦点距離の変化が凸レンズ状の場合の反対になる。
また、平凸レンズ型、平凹レンズ型、及びメニスカスレンズ型など、更に、これらの球面レンズ型、非球面レンズ型、及び場合によっては球面と非球面とを組み合わせたレンズ型などを採用しても良いことは言うまでもない。また、これらのレンズ構造を複数組み合わせても良いことは言うまでもない。
図１０は、本発明の第１０実施の形態による光機能導波路の構成を示す上面図である。本実施の形態の光機能導波路は、石英スラブ導波路３３に溝構造５１及び充填材料５２を二次元並列に配置するものである。ここではヒータ電極の図示を省略している。
図１１は、本発明の第１１実施の形態による分散補償回路の構成を示す上面図である。本実施の形態の分散補償回路は、第１アレイ導波路回折格子６１及び第２アレイ導波路回折格子６５からなり、さらに具体的には、スラブ導波路６２、アレイ導波路６３、スラブ導波路６４、アレイ導波路６６、スラブ導波路６７、溝構造６８、及び充填材料６９からなる。ここでは平凸レンズ形状の溝構造６８をスペクトル面近傍に配置する。第１アレイ導波路回折格子６１に入射した光がスペクトル面上に分光される。スペクトル面が丁度平面になるとき分散補償回路の分散は０になる。溝構造６８の形状、個数、を変えることによって分散値を所望の値に設定することが可能である。また、基板全体の温度を制御して分散量を可変することも可能である。もちろん、溝構造６８の部分のみ局所的に加熱して制御しても良いことは言うまでもない。設定可能な分散量は、第１、第２アレイ導波路回折格子６１、６５の設計パラメータで変化するが、アレイ導波路６３及びアレイ導波路６６における最小光路長と最大光路長の差に対応する時間窓幅が入射光パルス及び出射光パルスの立ち上がり時間及び立ち下がり時間よりも広く、第１、第２アレイ導波路回折格子６１、６５のフリースペクトラルレンジが光信号のスペクトル幅よりも広い条件から決定される。
図１２は、本発明の第１２実施の形態による分散補償回路の構成を示す上面図である。本実施の形態の分散補償回路は、第１１実施の形態と同様の特性を反射型構成で得るものであり、１つのアレイ導波路回折格子７１からなり、具体的には、スラブ導波路７２、アレイ導波路７３、スラブ導波路７４、ミラー７５、溝構造７６、及び充填材料７７からなる。ミラー７５の形状は直線状でも良いが、通常は温度変化無しの場合の分散値を制御するために適当な曲率を持つ円形ミラーを利用する。本実施の形態は第１１実施の形態と比べて損失は増えるがデバイスは小型化され、ミラー曲率によって初期分散値を設定可能となる。
図１３は、本発明の第１３実施の形態による光機能導波路の構成を示す上面図である。本実施の形態の光機能導波路は、ヒータ用電極１６、単一モード入力導波路１０１、テーパ導波路１０２、スラブ導波路１０３、第１単一モード出力導波路１０４ａ、第２単一モード出力導波路１０４ｂ、くさび型、すなわち、台形の溝構造１０５及び充填材料１０６からなる。このくさび型の溝構造１０５はそのくさび型の方向を揃えて配置する。このため本実施の形態は、充填材料１０６の温度制御により光の導波方向を変化させることによって実現される１×２光スイッチである。温度制御によって、単一モード入力導波路１０１に入射した光を第１単一モード出力導波路１０４ａ又は第２単一モード出力導波路１０４ｂの何れから出力するか切り替えることが可能である。出力導波路数を増やすことができることは言うまでもない。出力導波路の位置を遠ざければ、角度変化が僅かで済むので、必要な温度変化量を減らすことが可能である。また、１×２スイッチを組み合わせて２×２スイッチ〜Ｎ×Ｎスイッチを構成することが可能であることも言うまでもない。
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
本発明の第１実施の形態による光機能導波路の構成を示す図である。 本発明の第２実施の形態による光機能導波路の構成を示す図である。 本発明の第３実施の形態による光機能導波路の構成を示す図である。 本発明の第４実施の形態による光機能導波路の構成を示す図である。 本発明の第５実施の形態による光機能導波路の構成を示す上面図である。 本発明の第６実施の形態による光変調器の構成を示す図である。 本発明の第７実施の形態による光変調器の構成を示す図である。 本発明の第８実施の形態による光機能導波路の構成を示す図である。 本発明の第９実施の形態による光機能導波路の構成を示す図である。 本発明の第１０実施の形態による光機能導波路の構成を示す上面図である。 本発明の第１１実施の形態による分散補償回路の構成を示す上面図である。 本発明の第１２実施の形態による分散補償回路の構成を示す上面図である。 本発明の第１３実施の形態による光機能導波路の構成を示す上面図である。
符号の説明
１１ 基板
１２ 石英導波路クラッド
１３ 石英導波路コア
１４ 溝構造
１５ 充填材料
１６ ヒータ用電極
１７ 充填物注ぎ込み口
２１ 方向性結合部
２２ 位相変調部
２３ 光導波路
２４ Ｙ分岐
３１ 溝構造
３２ 充填材料
３３ スラブ導波路
３３ 石英スラブ導波路
４１ 溝構造
４２ 充填材料
５１ 溝構造
５２ 充填材料
６１ 第１アレイ導波路回折格子
６２ スラブ導波路
６３ アレイ導波路
６４ スラブ導波路
６５ 第２アレイ導波路回折格子
６６ アレイ導波路
６７ スラブ導波路
６８ 溝構造
６９ 充填材料
７１ アレイ導波路回折格子
７２ スラブ導波路
７３ アレイ導波路
７４ スラブ導波路
７５ ミラー
７６ 溝構造
７７ 充填材料
８１ 第１溝構造
８２ 第２溝構造
８３ 第３溝構造
９１ 単一モード導波路
９２ テーパ導波路
９３ スラブ導波路
９４ 溝構造
１０１ 単一モード入力導波路
１０２ テーパ導波路
１０３ スラブ導波路
１０４ 単一モード出力導波路
１０５ 溝構造
１０６ 充填材料

Claims (8)

  1. 基板と、
    該基板上に形成されているクラッドと、
    該クラッドの中に形成されていて光路となるコアと、
    光路に沿って所定の間隔を空けて光路を分断するように形成されていて前記コアとは屈折率温度係数が異なる材料が充填されている複数の溝構造と、
    光路に沿って形成されている該複数の溝構造の間の位置に形成されているヒータ電極と
    を備えることを特徴とする光機能導波路。
  2. 基板と、
    該基板上に形成されているクラッドと、
    該クラッドの中に形成されていて光路となるコアと、
    光路に沿って所定の間隔を空けて光路を分断するように形成されていて前記コアとは異なる屈折率の材料が充填されており形状がレンズ型である複数の溝構造と、
    光路に沿って形成されている該複数の溝構造の間の位置に形成されているヒータ電極と
    を備えることを特徴とする光機能導波路。
  3. 前記複数の溝構造の内の少なくとも１つの端面が光路に垂直な位置から傾いていることを特徴とする請求項１又は２記載の光機能導波路。
  4. 請求項１記載の光機能導波路を備え光の振幅又は位相を変調することを特徴とする光変調器。
  5. スラブ導波路中に請求項２記載の光機能導波路を備えることを特徴とするアレイ導波路回折格子。
  6. ２つのアレイ導波路回折格子が縦列接続されている接続部近傍に請求項２記載の光機能導波路を備えることを特徴とする分散補償回路。
  7. スペクトル面近傍に配置されている導波路内のミラーと、
    該ミラーの近傍に配置されている請求項２記載の光機能導波路と
    を備えることを特徴とする分散補償回路。
  8. 基板と、
    該基板上に形成されているクラッドと、
    該クラッドの中に形成されていて光路となるコアと、
    光路に沿って所定の間隔を空けて光路を分断するように形成されていて前記コアとは異なる屈折率の材料が充填されており形状がくさび型である複数の溝構造と、
    光路に沿って形成されている該複数の溝構造の間の位置に形成されているヒータ電極と
    を備えることを特徴とする光機能導波路。
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