JP4161897B2 - 光導波路素子の位相差調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、マッハツェンダー型干渉計を構成する光導波路を備え光通信あるいは光情報処理分野で用いられる光導波路素子（光導波回路）に係り、特に、高精度かつ恒久的に位相差を調整できる光導波路素子の位相差調整方法に関するものである。

近年、電気光学効果ないし熱光学効果を有する結晶質基板上に形成した光導波路によって構成される光導波回路の研究開発が盛んに行われている。特に、マッハツェンダー型干渉計のように２光束（両アーム）の光干渉を用いて、光出力を調整する光強度変調器、光可変光減衰器が実用化されている。

以下、ニオブ酸リチウムで作製した偏波無依存型の光可変光減衰器を例に挙げて具体的に説明する。

まず、図３に示ように基板結晶のＸ軸を法線に持つニオブ酸リチウム基板１１にＴｉを拡散させてＺ軸に平行な光導波路を形成しマッハツェンダー型干渉計３１を構成する。更に、金属蒸着膜によって正電極１５をマッハツェンダー型干渉計３１内の両アーム１３、１４側部に附加すると共に、両アーム１３、１４内に負電極１６を附加する。

そして、上記電極１５、１６に電圧を印加すると、電気光学効果により二つのアーム１３、１４で屈折率が変化する。この屈折率変化をΔｎとすると、

と表される。ここで数式（１）中、Γは光波と電場の重なりを示すパラメータ、Ｖは印加電圧、ｄは電極間距離、ｎは屈折率、ｒは電気光学定数である。また、二つのアーム１３、１４では電場の向きが逆であるため、入力ポート１２から入射した光がアームに差し掛かると位相差が生じ、両アーム間の作り込まれた位相差をδ₀とすると、

と表される。数式（２）で入力パワーおよび出力パワーをそれぞれＰ_input、Ｐ_outputとする。出力側のＹ分岐における二つのアーム１３、１４間の位相差δは、電極の長さ（位相差の生じる区間の長さ）をｌとすると数式（１）の屈折率差Δｎを用いて次のように表される。

数式（１）で分かる通り、Ｅが増加すると比例してΔｎもｒの符号によって増加または減少し、δも増加または減少する。そのため、数式（２）における出力パワーＰ_outputの増減を電圧Ｖの増減によって制御することが可能である。理想的に二つのアーム長ｌが対称であるようなマッハツェンダー型干渉計では、図４に示すように印加電圧が０Ｖ（０ボルト）のとき、出力光強度は最大値をとり、徐々に電圧を上げていくと、出力光強度は徐々に減少し最小値をとる。

これまでのニオブ酸リチウムに代表される電気光学効果を用いた光導波路型の変調器では、光導波回路の作製プロセス誤差によって、駆動電圧を印加していない状態でのマッハツェンダー型干渉計の両アーム間の位相差を一定にできない問題があり、その結果以下のような不具合が発生する。

Ｘ軸を法線に持つニオブ酸リチウム基板表面にＺ軸に平行な光導波路を形成したマッハツェンダー型干渉計においては、電気光学定数ｒは入射する偏光により作用する係数が異なる。基板表面に平行な振動電場を持つ偏光モードはＴＥモードと呼ばれ、基板表面に垂直な振動電場を持つ偏光モードはＴＭモードと呼ばれる。ＴＥの入射偏光に対しては電気光学係数ｒ₁₂、ＴＭモードの偏光に対しては電気光学係数ｒ₂₂が作用する。ｒ₁₂とｒ₂₂は同じ絶対値であるが符号が逆である、すなわち、

である。

ここでＴＥ，ＴＭモード各々の電圧−光出力特性を個別に表すと、

となる。ＴＭモードについては、正の印加電圧領域だけで見れば、電圧印加によって生じる位相差δは数式（３）から、ＴＥモードの偏光とＴＭモードの偏光では見掛け上符号が反対で大きさが同一のように見える。

図５はアーム長ｌが非対称な場合の電圧−光出力特性を示す。アーム長ｌが非対称である理想的でない場合は、印加電圧が０Ｖ（０ボルト）のときに出力光強度は最大とならないばかりでなく、ＴＥモードが入射した場合とＴＭモードが入射した場合では印加電圧に対する出力光強度の変化が異なってくる。具体的には、０Ｖ（０ボルト）付近で現れる光出力極大が逆方向にシフトする。このため、ある印加電圧において、入射光の偏光が変化すると出力光強度が変化するという問題がある。図５に示すように、ある印加電圧でのＴＥ、ＴＭ両モードの出力の差は変調器素子のＰＤＬ（Polarization Dependent Loss：偏波依存損失）をもたらす。偏波依存損失は、光ファイバー通信系内に位置する光部品おいて、受信側でのパワー変動につながるため抑制する必要がある。

作製プロセスのばらつきから生じる光路長誤差を調整する方法として、従来、光導波路の実効屈折率を恒久的に変化させる方法が報告されている。その例として、干渉計の分岐導波路の一方に動作点調整用の膜を装荷し、この膜の長さを調節する方法、あるいは、光導波路上に配置したヒータに直流電流を流すことにより局所的に高温加熱する方法がある（特許文献１参照）。

また、特許文献２においては、マッハツェンダー型干渉計の分岐導波路の一部に、基板材料よりも高屈折率の材料からなる膜体を形成、この膜厚を導波光波長の１/４以下とすることが報告されている。

更に、特許文献３においてはニオブ酸リチウム結晶を基板とする導波路素子において、ＳｉＯ₂バッファー層の一部に開口部分を作り、ここにシアノアクリレート系高分子接着剤を塗布することによる位相差調整の方法が報告されている。

しかし、特許文献１〜３に記載された方法の多くはＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit）と呼ばれる、平面基板上にＳｉＯ₂を主成分とする石英系ガラスから成る石英導波路を形成する方法に適用されたものである。このＰＬＣ導波路素子は光導波路直上にヒータを附加し、熱光学効果により光導波路の実効屈折率若しくは干渉計の位相差を制御することによって駆動する光導波路素子である。一方、電気光学効果を利用した光導波路素子の場合は電流がほとんど流れることなく電圧のみの駆動であるため素子駆動の電力が１ｍＷ以下であることが特徴である。従って、出力５Ｗ程度のヒータを附加することは低消費電力という特徴が生かせず現実的ではない。

また、特許文献１に述べられている動作点調整用の膜を装荷しこの膜の長さを調整する方法では、実際にはレーザ照射によるトリミング、すなわち、膜物質の過熱蒸発によっている。従って、この方法では、装荷された膜と同時に導波路基板材料が損傷を受けて光伝播損失が増大する恐れがある。

同様に、特許文献２においても、膜体の長さを調節する方法としてＹＡＧレーザ照射によるトリミングがなされており、膜体と同時に導波路基板材料が損傷を受けて光伝播損失が増大する恐れがある。

また、特許文献３に記載の方法では、微量の位相差を調節するためには付加すべきシアノアクリレート系高分子接着剤等の塗布量を極めて正確に塗布できなければならない。しかし、特許文献３においては、その塗布方法は記述されておらずこの報告に基づいて結果を再現することは出来ない。
特開平０４−３３７７０７号公報（請求項１、２、段落番号００２３） 特開２００１−１００１６３号公報（請求項１、段落番号００２８） 特開平０７−０２８００６号公報（請求項６、段落番号００３５、００３６）

本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、従来技術の欠点が克服された光導波路素子の位相差調整方法を提供することにある。

そこで、このような課題を解決するため本発明者等が鋭意研究を継続した結果、以下に述べるような現象に着目して本発明を完成するに至っている。すなわち、本発明者等は光導波路から直上の物質に僅かながら光が染み出していることに着目し、光回路素子を構成する光導波路そのものの屈折率を変化させるのではなく、光導波路の直上にある物質の屈折率を変化させ、これにより導波路を伝搬する光波に対する実効的な屈折率が変化することを利用して本発明に係る位相差調整法を見出したものである。

すなわち、請求項１に係る発明は、
結晶質基板と、この基板上に設けられた入力用並びに出力用チャネル光導波路と、これ等入出力用チャネル光導波路間に設けられかつマッハツェンダー型干渉計を構成する光導波路とを備える光導波路素子の位相差調整方法を前提とし、
上記マッハツェンダー型干渉計における少なくとも一方のアームを構成する光導波路の直上を含む領域に、この光導波路を形成する物質よりその屈折率が低い液状の透明樹脂にて構成されかつ塗布後の形態が１０マイクロメーターから２００マイクロメーターの直径を有する円形状若しくはドーム状の液滴を一個ずつ分割して光導波路に沿って塗布し、これにより上記光導波路の実効屈折率が異なる領域を生じさせてマッハツェンダー型干渉計の位相差を調整することを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、
請求項１記載の発明に係る光導波路素子の位相差調整方法を前提とし、
屈折率が１以上２．２以下、２５℃における粘性が５０ｍＰａ・ｓ以上１０００ｍＰａ・ｓ以下である液状の樹脂材料により上記透明樹脂が構成されていることを特徴とし、
請求項３に係る発明は、
請求項１記載の発明に係る光導波路素子の位相差調整方法を前提とし、
ニオブ酸リチウム若しくはタンタル酸リチウムにより上記結晶質基板が構成されていることを特徴とするものである。

本発明に係る光導波路素子の位相差調整方法は、マッハツェンダー型干渉計における少なくとも一方のアームを構成する光導波路の直上を含む領域に、この光導波路を形成する物質よりその屈折率が低い液状の透明樹脂にて構成されかつ塗布後の形態が１０マイクロメーターから２００マイクロメーターの直径を有する円形状若しくはドーム状の液滴を一個ずつ分割して光導波路に沿って塗布し、これにより上記光導波路の実効屈折率が異なる領域を生じさせてマッハツェンダー型干渉計の位相差を調整することを特徴とする。

従って、この位相差調整方法によれば、簡易な方法で、特性の極めて高く、歩留まりのよい可変光減衰器等の光導波路素子を実現できるため、波長多重通信システムに必要な、高機能な光導波路素子を安価に歩留まりよく提供することが可能となる。

以下、本発明を具体的に説明する。

図１はニオブ酸リチウム基板上に光導波路型マッハツェンダー干渉計を形成した強度変調器の概略構成を示している。すなわち、結晶のＸ軸方位でカットされたニオブ酸リチウム基板１１に、この結晶のＺ軸方向に光を伝搬させるようにＴｉ蒸着およびＴｉ拡散によって光導波路の下部アーム部１３および上部アーム部１４を形成した。ここで、マッハツェンダー型干渉計の２つのアーム１３、１４は等しい長さに設計されており、マッハツェンダー型干渉計に印加する電圧が０ボルトのとき、素子出力ポート１７から出射する光の強度が最大となることを目標としている。

更に、電極間ギャップを２８μｍ（マイクロメーター）として上記アーム（光導波路）１３、１４並びに上記ニオブ酸リチウム基板１１のＸ軸に対し垂直な電場を印加するように長さ３０ｍｍのマッハツェンダー型干渉計正電極１５および干渉計負電極１６をＴｉ金属およびＡｕ金属にて形成した。

そして、図１に示す素子の入力ポート１２から波長１．５５μｍ用シングルモードファイバーを用いて、波長１．５５μｍの光を入力ポート１２においてＴＥモード偏光となるように入射させた。その結果、上記干渉計正電極１５および干渉計負電極１６の印加電圧を０から３６ボルトに掃引したとき、図５に示した例と類似して、素子出力ポート１７から出射する光出力の極大値を与える電圧は１．２ボルトとなり、電圧が０ボルトで最大とはならなかった。このずれを電圧と光出力の関係における位相のシフト量であらわすと０．２１ラジアン（ｒａｄ）であった。

ここで、その屈折率が１．４で、粘性係数が２５０ｍＰａ・ｓであるアクリル系の紫外線硬化樹脂を、圧電素子を利用して内径１００μｍのノズルから上部アーム部１４における出力側テーパー部分１８に滴下した。滴下されたアクリル系の紫外線硬化樹脂は直径１２０μｍのドーム型形状を有する液滴となり、出力側テーパー部分１８に塗布を６０μｍの長さづつ塗布した。

そして、塗布を５回行った結果、光導波路直上の塗布領域の長さが増加するに従い、図２のグラフ図において黒丸で示すように位相シフトが徐々に減少し、塗布５回目、すなわち、６０μｍ×５＝３ｍｍの長さに亘り塗布した段階で位相シフトが−０．０３ラジアンとなった。

他方、上記塗布試験の後、塗布した未硬化の樹脂を上部アーム部１４から除去し、上記紫外線硬化樹脂を下部アーム部１３における出力側テーパー部分１９に６０μｍの長さづつ塗布領域を増加させた結果、上記の塗布結果とは反対に、図２のグラフ図において白丸で示すように、位相シフトが徐々に増加し、塗布５回目、すなわち、６０μｍ×５＝３ｍｍの長さに亘り塗布した段階で位相シフトがほぼ０．３９ラジアンとなった。ここで、図２のグラフ図にプロットした位相シフト量を得るため、図５のような電圧−光出力の値を上記数式（５）にフィティングしてＶπおよび位相シフトδ^TEを決めるという方法を採
用した。

この結果から、光導波路の直上に紫外線硬化型樹脂等液状の透明樹脂を約３ｍｍの長さにわたり塗布することにより、位相シフトを約±０．２ラジアン（すなわち、上部アーム部１４における出力側テーパー部分１８では「−０．０３ラジアン−０．２１ラジアン＝−０．２４ラジアン」、下部アーム部１３における出力側テーパー部分１９では「０．３９ラジアン−０．２１ラジアン＝＋０．１８ラジアン」）に亘って制御できることが確認された。このことから、１ｍｍあたり約±０．０７ラジアンの位相シフトを調整できることになる。

尚、滴下される透明樹脂の直径は小さいほど精密な位相調整が可能になるが、直径が１２０μｍと比較的大きくても、対象となる光導波路素子が乗せられたステージを１０μｍづつ移動させ、塗布を繰り返した場合、実質的に１０μｍの分解能で透明樹脂の塗布面積を増やすことができる。すなわち、一滴下あたり約±０．０００７ラジアンの高精度で位相の制御が可能となる。

一方、液滴の厚みムラの影響は、導波路を伝搬する光が導波路基板から上部へ染み出している大きさが０．５μｍ以下であることから、液滴の半径がそれを大きく上回っていれば、液滴における大きさのばらつきは無視できる。尚、上記液状の透明樹脂は、必要とする塗布量が決定された後に硬化される。この場合、液状の透明樹脂が紫外線硬化型樹脂で構成されている場合、紫外線の照射によって硬化収縮を起こすが、この対策として硬化後の収縮率が１０％以下である材料を選択すれば、硬化後の位相ズレはほとんど抑制することができる。更に、硬化に伴う樹脂自身の屈折率変化による影響に関しても、例えば、「塗布／硬化」の工程を２工程に分けることにより抑制することが可能である。すなわち、第一工程では上記液状の透明樹脂を目標とする位相補正量に相当する長さの例えば９０％まで塗布した後に硬化させる。次に、ここまでで達せられる位相値を確認した後、第二工程で残りの位相値分を塗布、硬化させる方法である。尚、これら液状透明樹脂の塗布によって光導波路の損失が増加しないことも確認されている。

そして、本発明に係る位相差調整方法を用いて上述した偏波無依存型の可変光減衰器に対し位相調整を行ったところ、１０ｄＢ減衰時のＰＤＬ（偏波依存損失）は５ｄＢであったが１．５ｄＢに減少し、２０ｄＢ減衰時のＰＤＬは１２.３ｄＢから２．１ｄＢに減少した。

尚、Ｘ−方位結晶上でＺ−方位伝播の変調器を例に挙げて本発明を説明したが、本発明はこの方位および変調器に当然のことながら限定されるものではない。

また、図１のマッハツェンダー型干渉計における入力側と出力側の両方ないし片方のＹ−分岐を方向性結合器型３ｄＢカプラーで置き換えた干渉型素子（バランストブリッジ型変調器とも呼ばれる）においても本発明が有効であることは明らかである。

また、液状の透明樹脂で構成される液滴が塗布される領域として、上述した説明では上部アーム部１４および下部アーム部１３の各出力側テーパー部分１８、１９が例示されているが、入力側のテーパー部分に塗布しても同様の効果が得られ、かつ、電極１５、１６に挟まれたテーパーの付かない領域に塗布しても同様である。

また、液状の透明樹脂として紫外線硬化型樹脂が適用されているが熱硬化型樹脂等の適用も可能である。

本発明に係る光導波路素子の位相差調整方法を説明するための説明図。 本発明に係る光導波路素子の位相差調整方法において液滴の塗布回数と位相シフト量との関係を示すグラフ図。 マッハツェンダー型干渉計を構成する光導波路を備える光導波路素子の説明図。 マッハツェンダー型干渉計を構成する光導波路を備える光導波路素子（光導波路型マッハツェンダー干渉計）における印加電圧と光出力との関係を示すグラフ図。 アーム間に作り込まれた位相差が存在する場合の光導波路型マッハツェンダー干渉計における印加電圧と光出力との関係を示すグラフ図。

符号の説明

１１ ニオブ酸リチウム基板（結晶質基板）
１２ 入力ポート
１３ 下部アーム
１４ 上部アーム
１５ 正電極
１６ 負電極
１７ 出力ポート
１８ 上部アームの出力側テーパー部分
１９ 下部アームの出力側テーパー部分

Claims (3)

1. 結晶質基板と、この基板上に設けられた入力用並びに出力用チャネル光導波路と、これ等入出力用チャネル光導波路間に設けられかつマッハツェンダー型干渉計を構成する光導波路とを備える光導波路素子の位相差調整方法において、
   上記マッハツェンダー型干渉計における少なくとも一方のアームを構成する光導波路の直上を含む領域に、この光導波路を形成する物質よりその屈折率が低い液状の透明樹脂にて構成されかつ塗布後の形態が１０マイクロメーターから２００マイクロメーターの直径を有する円形状若しくはドーム状の液滴を一個ずつ分割して光導波路に沿って塗布し、これにより上記光導波路の実効屈折率が異なる領域を生じさせてマッハツェンダー型干渉計の位相差を調整することを特徴とする光導波路素子の位相差調整方法。
2. 屈折率が１以上２．２以下、２５℃における粘性が５０ｍＰａ・ｓ以上１０００ｍＰａ・ｓ以下である液状の樹脂材料により上記透明樹脂が構成されていることを特徴とする請求項１記載の光導波路素子の位相差調整方法。
3. ニオブ酸リチウム若しくはタンタル酸リチウムにより上記結晶質基板が構成されていることを特徴とする請求項１記載の光導波路素子の位相差調整方法。
   
   

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