JP4405978B2 - Optical signal processor - Google Patents
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Description
本発明は、偏波依存性および偏波に関する温度依存性を抑制した光信号処理器に関する。 The present invention relates to an optical signal processor that suppresses polarization dependency and temperature dependency on polarization.
光通信の長距離・大容量化へのさらなる要求から、波長多重通信は重要な技術となっている。この波長多重通信システムに必要不可欠なデバイスとして、光信号を波長によって合分波するための波長合分波フィルタがある。例えば、シンプルな波長合分波フィルタとしては、光導波路を用いたマッハツェンダ干渉計回路（以下、ＭＺＩ）を用いたものがある（例えば、非特許文献１参照）。 Wavelength multiplexing is an important technology because of further demands for long distance and large capacity optical communication. As an indispensable device for this wavelength division multiplexing communication system, there is a wavelength multiplexing / demultiplexing filter for multiplexing / demultiplexing optical signals according to wavelengths. For example, as a simple wavelength multiplexing / demultiplexing filter, there is one using a Mach-Zehnder interferometer circuit (hereinafter referred to as MZI) using an optical waveguide (for example, see Non-Patent Document 1).
図１に、このＭＺＩの概略図を示す。ＭＺＩ１００は、二つの結合器（１２２，１２４）と、二つの結合器を結ぶアーム導波路（１０６，１０８）とを備え、結合器１２２は二つの入力導波路（１０２、１０４）を、結合器１２４は二つの出力導波路（１１０，１１２）を備える。 FIG. 1 shows a schematic diagram of the MZI. The MZI 100 includes two couplers (122, 124) and an arm waveguide (106, 108) connecting the two couplers. The coupler 122 includes two input waveguides (102, 104). 124 comprises two output waveguides (110, 112).
以下では、マッハツェンダ干渉計の動作原理とその偏波依存性について説明する。 In the following, the operating principle of the Mach-Zehnder interferometer and its polarization dependence will be described.
ＭＺＩ１００において、入力Ｉ１（入力導波路１０２）から出力Ｏ１（出力導波路１１０）へのパスをスルーパス、入力Ｉ１（入力導波路１０４）から出力Ｏ２（出力導波路１１２）へのパスをクロスパスと定義する。このとき、公知の干渉原理によって、各パスの光出力（Ｏthrough、Ｏcross）は下式のように記述できる。（ここでは結合器の結合率は５０％とした。）
In the
尚、Ｉ０は入力光の光強度、ｎは実効屈折率、ΔＬは二本のアーム導波路の長さの差、λは使用波長を示す。 Here, I 0 is the light intensity of the input light, n is the effective refractive index, ΔL is the difference in length between the two arm waveguides, and λ is the wavelength used.
スルーパスは式（１）よりｎΔＬ＝λｍ、クロスパスは式（２）より Through path is nΔL = λm from equation (1), and cross path is from equation (2).
を満たす信号波長において、周期的に光信号が消光し他方のパスへ出力され、波長合分波フィルタとして機能する。 The optical signal is periodically extinguished and output to the other path at a signal wavelength satisfying the above condition, and functions as a wavelength multiplexing / demultiplexing filter.
このようなデバイスに用いられる光導波路の作製方法としては、例えば次のようなものがある。 As a method for manufacturing an optical waveguide used in such a device, for example, the following method is available.
火炎堆積法を用いてシリコン基板上に、ＳｉＯ2を主体とした下部アンダークラッド層およびＳｉＯ2にＧｅＯ2を添加したコア層を順に堆積する。次いで、反応性イオンエッチングを用いてコア層をパターン化する。再び火炎堆積法を用いて、オーバクラッド層を堆積して埋め込み型光導波路を作製する。 On a silicon substrate using flame hydrolysis deposition, depositing a core layer added to GeO 2 lower under-cladding layer consisting mainly of SiO 2 and the SiO 2 in this order. The core layer is then patterned using reactive ion etching. Using the flame deposition method again, an overcladding layer is deposited to produce a buried optical waveguide.
通常、このような光導波路は、コアの形状や、基板とクラッドの熱膨張係数の違いにより発生する応力によって、複屈折を有する。つまり、基板に垂直な偏光方向を有するＴＭ偏波と基板に平行な偏光方向を有するＴＥ偏波の実効屈折率（ｎTE，ｎTM）はそれぞれ異っている。ここで、偏波に依存した光路長差Δ（ＢＬ）は次式で与えられる。 Usually, such an optical waveguide has birefringence due to the stress generated by the shape of the core and the difference in thermal expansion coefficient between the substrate and the clad. That is, the effective refractive index (n TE , n TM ) of TM polarized light having a polarization direction perpendicular to the substrate is different from that of TE polarized light having a polarization direction parallel to the substrate. Here, the optical path length difference Δ (BL) depending on the polarization is given by the following equation.
尚、ｌ1，ｌ2はそれぞれ二本のアーム導波路に沿う線座標である。また、 Here, l 1 and l 2 are line coordinates along the two arm waveguides, respectively. Also,
は複屈折値のアーム導波路に沿う線積分である。 Is the line integral along the birefringent arm waveguide.
偏波に依存した光路長差Δ（ＢＬ）は有限の値を持つため、消光する波長に偏波依存性が発生する。この偏波依存性は偏波依存損失（ＰＤＬ）や偏波依存周波数差（ＰＤｆ）の発生要因となり、信号品質を大きく劣化させる。 Since the optical path length difference Δ (BL) depending on the polarization has a finite value, polarization dependence occurs in the extinction wavelength. This polarization dependence causes generation of polarization dependent loss (PDL) and polarization dependent frequency difference (PDf), and greatly degrades signal quality.
この偏波依存性を解消するための手法として、以下のようなものが知られている。 The following methods are known as methods for eliminating the polarization dependence.
（従来技術の第一例）
二本のアーム導波路の中心を結ぶ直線上に、使用波長の１／２相当の半波長板を、基板面の水平方向（あるいは法線）から主軸が４５度傾くように挿入したマッハツェンダ干渉計回路がある（非特許文献２参照）。
(First example of prior art)
A Mach-Zehnder interferometer in which a half-wave plate equivalent to ½ of the wavelength used is inserted on a straight line connecting the centers of the two arm waveguides so that the principal axis is inclined 45 degrees from the horizontal direction (or normal line) of the substrate surface. There is a circuit (see Non-Patent Document 2).
図２に、従来技術の第一例のＭＺＩの概略図を示す。ＭＺＩ２００は、二つの結合器（２２２，２２４）と、二つの結合器を結ぶ二つのアーム導波路（２０６，２０８）とを備える。さらに、ＭＺＩ２００は、アーム導波路（２０６，２０８）の光路長を二分するように配置された半波長板２３２を備える。また、結合器２２２は二つの入力導波路（２０２，２０４）を、結合器２２４は二つの出力導波路（２１０，２１２）を備える。
FIG. 2 shows a schematic diagram of the MZI of the first example of the prior art. The MZI 200 includes two couplers (222, 224) and two arm waveguides (206, 208) connecting the two couplers. Further, the
ＭＺＩ２００では、光信号が半波長板２３２までＴＥ偏波（もしくはＴＭ偏波）でアーム導波路（２０６，２０８）の半分の距離を伝搬し、半波長板２３２でＴＥ偏波からＴＭ偏波（もしくはＴＭ偏波からＴＥ偏波）に偏波変換される。そして、アーム導波路（２０６，２０８）の残りの半分の距離をＴＭ偏波（もしくはＴＥ偏波）で伝搬する。ＴＥ偏波（もしくはＴＭ偏波）からＴＭ偏波（もしくはＴＥ偏波）へ偏波変換された光信号は、いずれも光路長差
In the
となり、偏波に依存した光路長差Δ（ＢＬ）を解消することができる。 Thus, the optical path length difference Δ (BL) depending on the polarization can be eliminated.
（従来技術の第二例）
偏波に依存した光路長差Δ（ＢＬ）を使用光波長の整数倍（０を含む）としたマッハツェンダ干渉計回路がある（特許文献１参照）。これは、マッハツェンダ干渉計では使用波長λの整数倍の位相差を識別できないことから、見掛け上、ＴＭ偏波の干渉条件とＴＥ偏波の干渉条件とが一致することに着目し、偏波に依存した光路長差Δ（ＢＬ）を整数倍（０を含む）としたものである。
(Second example of prior art)
There is a Mach-Zehnder interferometer circuit in which an optical path length difference Δ (BL) depending on polarization is set to an integral multiple (including 0) of a used light wavelength (see Patent Document 1). This is because the Mach-Zehnder interferometer cannot discriminate a phase difference that is an integral multiple of the wavelength λ used. Therefore, it is apparent that the TM polarization interference condition and the TE polarization interference condition coincide with each other. The dependent optical path length difference Δ (BL) is an integral multiple (including 0).
しかしながら、前述のマッハツェンダ干渉計回路（以下、ＭＺＩ）は以下に述べる問題があった。 However, the aforementioned Mach-Zehnder interferometer circuit (hereinafter referred to as MZI) has the following problems.
従来技術の第一例は、半波長板を用いて、ＴＥ偏波をＴＭ偏波（もしくは、ＴＭ偏波をＴＥ偏波）に完全に偏波変換を行うことが前提である。しかしながら、半波長板の膜厚は作製誤差によって所望の厚さからずれるため、設計波長とは一致しない。この結果、ＴＥ偏波からＴＭ偏波へ完全に偏波変換せず、その一部がＴＥ偏波として残ってしまう。そのような半波長板を使用した場合、従来技術の第一例では、ＴＥ偏波で入射し偏波変換せずにそのまま伝播したＴＥ偏波の光路長差はｎTEΔＬとなる。つまり、偏波に因らず光路長差を The first example of the prior art is based on the premise that the TE polarization is completely converted to TM polarization (or TM polarization is changed to TE polarization) using a half-wave plate. However, since the film thickness of the half-wave plate deviates from a desired thickness due to manufacturing errors, it does not match the design wavelength. As a result, the polarization is not completely converted from the TE polarized wave to the TM polarized wave, and a part thereof remains as the TE polarized wave. When such a half-wave plate is used, in the first example of the prior art, the optical path length difference of TE polarized light that is incident as TE polarized light and propagated without polarization conversion is n TE ΔL. In other words, the optical path length difference
とする目的が達成されず、消光する周波数に偏波依存性が発生してしまう。 The purpose is not achieved, and polarization dependence occurs in the extinction frequency.
例えば、消光する波長の周波数間隔（周期）をＦＳＲ（Frequency Spectral Range)、偏波に依存した消光する波長の差の最大値をＰＤｆ（Polarization Dependent Frequency）と定義した場合、ＦＳＲが１０ＧＨｚの従来技術の第一例のマッハツェンダ干渉計回路においてそのＰＤｆはクロスパスとスルーパスともに０．４ＧＨｚも発生してしまう。信号品質の劣化を避ける目的で、このＰＤｆはＦＳＲの１００分の１以下が要求されており、従来技術では仕様を満たすことは困難であった。 For example, when the frequency interval (period) of the extinction wavelength is defined as FSR (Frequency Spectral Range) and the maximum value of the difference in extinction wavelength depending on the polarization is defined as PDf (Polarization Dependent Frequency), the conventional technology with an FSR of 10 GHz In the first example of the Mach-Zehnder interferometer circuit, the PDf is generated at 0.4 GHz for both the cross path and the through path. In order to avoid deterioration of signal quality, this PDf is required to be 1/100 or less of FSR, and it has been difficult to satisfy the specifications with the conventional technology.
従来技術の第二例では、ＰＤｆが大きな複屈折依存性を有することが問題となる。その結果、ＦＳＲの１００分の１というＰＤｆを満たす事が非常に困難であり、また、温度依存性に対しても大きなＰＤｆ変動を有してしまう。簡単にこの複屈折依存性に関して説明する。 In the second example of the prior art, the problem is that PDf has a large birefringence dependency. As a result, it is very difficult to satisfy the PDf that is 1 / 100th of the FSR, and there is a large PDf fluctuation with respect to the temperature dependence. This birefringence dependency will be briefly described.
スルーパスにおけるＴＥ偏波およびＴＭ偏波の消光する周波数 Quenching frequency of TE polarization and TM polarization in the through path
は次式を満たす。 Satisfies the following equation.
ここで、ｍは次数、ＦＳＲTEおよびＦＳＲTMはそれぞれＴＥ偏波およびＴＭ偏波のＦＳＲ、ｃは光速を示す。上の二式からＰＤｆは次式と変形できる。 Here, m is the order, FSR TE and FSR TM are the TE polarization and TM polarization FSR, and c is the speed of light. From the above two formulas, PDf can be transformed into the following formula.
ここで、 here,
である。実効屈折率を１．４５、消光する周波数を１９３ＴＨｚとしたとき、上式より、ＰＤｆの複屈折に対する変化量は１３３×１０１２となる。これは、複屈折が０．１×１０-4だけ変化した時、ＰＤｆが１．３３ＧＨｚも変化することを意味しており、ＰＤｆが大きな複屈折依存性を有することがわかる。従って、複屈折の高精度な調整が必要となり、ＦＳＲの１００分の１というＰＤｆを満たす事は非常に困難であった。 It is. When the effective refractive index is 1.45 and the extinction frequency is 193 THz, the amount of change of the PDf with respect to birefringence is 133 × 10 12 from the above equation. This means that when birefringence changes by 0.1 × 10 −4 , PDf also changes by 1.33 GHz, and it can be seen that PDf has a large birefringence dependency. Therefore, it is necessary to adjust birefringence with high accuracy, and it is very difficult to satisfy PDf which is 1/100 of FSR.
一方、環境温度によって生じる、基板とクラッドとの熱膨張係数の違いや、回路を接着する放熱基板と回路基板との熱膨張係数の違いによって、導波路に加わる内部応力が変化する。その結果、光弾性効果を介して複屈折の値が変化するため、環境温度によってＰＤｆが変動してしまう。 On the other hand, the internal stress applied to the waveguide varies depending on the difference in the thermal expansion coefficient between the substrate and the clad and the difference in the thermal expansion coefficient between the heat dissipation substrate to which the circuit is bonded and the circuit board, which are caused by the environmental temperature. As a result, the value of birefringence changes via the photoelastic effect, so that PDf varies depending on the environmental temperature.
例えば、従来技術の第二例を用いてＰＤｆを０．３３ＧＨｚまで複屈折を調整した、ＦＳＲが１０ＧＨｚのマッハツェンダ干渉計において、環境温度を−１０℃から８０℃まで変化させた場合、ＰＤｆが６ＧＨｚも変動し問題となっている。 For example, in a Mach-Zehnder interferometer with a FSR of 10 GHz, in which birefringence is adjusted to 0.33 GHz using the second example of the prior art, when the environmental temperature is changed from −10 ° C. to 80 ° C., PDf is 6 GHz The problem has also changed.
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、透過スペクトルの偏波依存性および偏波に関する温度依存性を抑制した光信号処理器を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide an optical signal processor that suppresses the polarization dependency of the transmission spectrum and the temperature dependency of the polarization. .
発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は光信号処理器であって、各々基板上に作製された、二つの結合器および前記二つの結合器を連結する二本のアーム導波路を備えたマッハツェンダ干渉計回路において、水平偏波の光を垂直偏波の光に変換し、垂直偏波の光を水平偏波の光に変換する、光学的主軸が同一の偏波回転器が、前記二本のアーム導波路の各々の光路長を二分する溝に設けられており、前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差を使用光波長で割った値が、２ｍ−０．２から２ｍ＋０．２（ｍはゼロを含む整数）であることを特徴とする。
In order to achieve the above-mentioned object, the invention according to
請求項２に記載の発明は、光信号処理器であって、各々基板上に作製された、二つの結合器および前記二つの結合器を連結する二本のアーム導波路を備えたマッハツェンダ干渉計回路において、水平偏波の光を垂直偏波の光に変換し、垂直偏波の光を水平偏波の光に変換する、光学的主軸が互いに直交する二つの偏波回転器が、前記二本のアーム導波路の各々の光路長を二分する溝にそれぞれ設けられており、前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差を使用光波長で割った値が、（２ｍ−１）−０．２から（２ｍ−１）＋０．２（ｍはゼロを含む整数）であることを特徴とする。
The invention according to
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の前記偏波回転器は、光学的主軸が前記基板の面の法線から４５度傾斜しかつ光信号の伝搬方向と直交するように設置された半波長板であることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, the polarization rotator according to the first aspect is installed such that the optical principal axis is inclined 45 degrees from the normal of the surface of the substrate and is orthogonal to the propagation direction of the optical signal. It is characterized by being a half-wave plate.
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の前記二つの偏波回転器は、光学的主軸が前記基板の面の法線から４５度傾斜しかつ光信号の伝搬方向と直交するように設置された半波長板であって、前記偏波回転器の一方の光学主軸と前記偏波回転器の他方の光学主軸とが直交することを特徴とする。
According to a fourth aspect of the present invention, in the two polarization rotators according to the second aspect, the optical principal axis is inclined 45 degrees from the normal of the surface of the substrate and is orthogonal to the propagation direction of the optical signal. A half-wave plate installed on the polarization rotator, wherein one optical principal axis of the polarization rotator and the other optical principal axis of the polarization rotator are orthogonal to each other.
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の前記結合器は、方向性結合器または多モード干渉型結合器であることを特徴とする。
The invention described in
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の前記二本のアーム導波路少なくとも一方は、導波路幅が部分的に変化する導波路であって、前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差が所望の値となるように複屈折が調整されていることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, at least one of the two arm waveguides according to any one of the first to fifth aspects is a waveguide in which a waveguide width is partially changed. The birefringence is adjusted so that the difference between the values obtained by line-integrating the birefringence in the propagation direction of the optical signal in each of the arm waveguides becomes a desired value.
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の前記二本のアーム導波路少なくとも一方は、部分的にレーザが照射された導波路であって、前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差が所望の値となるように複屈折が調整されていることを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, at least one of the two arm waveguides according to any one of the first to fifth aspects is a waveguide partially irradiated with a laser, and the two arm waveguides The birefringence is adjusted so that the difference between the values obtained by integrating the birefringence in the propagation direction of the optical signal in each of the waveguides becomes a desired value.
請求項８に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の前記二本のアーム導波路少なくとも一方は、両脇の一部に応力開放溝が形成された導波路であって、前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差が所望の値となるように複屈折が調整されていることを特徴とする。
The invention according to claim 8 is a waveguide in which at least one of the two arm waveguides according to any one of
請求項９に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の前記二本のアーム導波路少なくとも一方は、応力付与膜が上面に形成された導波路であって、前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差が所望の値となるように複屈折が調整されていることを特徴とする。 According to a ninth aspect of the present invention, at least one of the two arm waveguides according to any one of the first to fifth aspects is a waveguide having a stress applying film formed on an upper surface thereof. The birefringence is adjusted so that the difference between the values obtained by line-integrating the birefringence in the propagation direction of the optical signal in each of the arm waveguides becomes a desired value.
請求項１０に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の前記二本のアーム導波路少なくとも一方は、応力を変化させるための薄膜ヒータが上部に形成された導波路であって、前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差が所望の値となるように複屈折が調整されていることを特徴とする。 According to a tenth aspect of the present invention, at least one of the two arm waveguides according to any one of the first to fifth aspects is a waveguide in which a thin film heater for changing stress is formed on an upper portion. The birefringence of each of the two arm waveguides is adjusted so that the difference between the values obtained by line integration of the birefringence toward the propagation direction of the optical signal becomes a desired value.
以上説明したように、本発明によれば、透過スペクトルの偏波依存性および偏波に関する温度依存性を抑制した光信号処理器を提供することが可能となる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide an optical signal processor that suppresses the polarization dependence of the transmission spectrum and the temperature dependence of the polarization.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
始めに図３を参照して、半波長板の動作波長が設計波長からずれたとしても、透過スペクトルが偏波無依存となる条件について説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
First, with reference to FIG. 3, a description will be given of conditions under which the transmission spectrum does not depend on the polarization even when the operating wavelength of the half-wave plate is shifted from the design wavelength.
半波長板の動作波長が設計波長からずれた場合に、偏波変換しなかった偏波の光路長差と、偏波変換した偏波の光路長差が一致しないことが問題である。そこで、それらの光路長差を見かけ上同じにすることを考える。 When the operating wavelength of the half-wave plate deviates from the design wavelength, the problem is that the optical path length difference of the polarization that has not undergone polarization conversion does not match the optical path length difference of the polarization that has undergone polarization conversion. Therefore, it is considered to make the optical path length difference apparently the same.
具体的には、ＴＥ偏波で入射し偏波変換せずにそのまま伝播したＴＥ偏波の光路長差ｎTEΔＬと、ＴＭ偏波で入射し半波長板にて偏波変換してＴＥ偏波で伝搬した偏波の光路長差 Specifically, the optical path length difference n TE ΔL of the TE polarized wave that has been incident on the TE polarized wave and propagated as it is without polarization conversion, and the TE polarized wave that has been incident on the TM polarized wave and polarized at the half-wave plate are converted. Difference in optical path length of polarized waves propagated by waves
との差を、ゼロもしくは使用波長の整数倍とし、かつ、ＴＭ偏波で入射し偏波変換せずにそのまま伝播したＴＭ偏波の光路長差ｎTMΔＬと、ＴＥ偏波で入射し半波長板にて偏波変換してＴＭ偏波で伝搬した偏波の光路長差 And the difference between the optical path length n TM ΔL of the TM polarized wave that is incident on the TM polarized wave and propagated as it is without polarization conversion, and the incident on the TE polarized wave and half Optical path length difference of polarized wave that was polarized wave converted by wave plate and propagated as TM polarized wave
との差を、ゼロもしくは使用波長の整数倍とする。
数式を用いて、より具体的に説明する。
The difference between is zero or an integer multiple of the wavelength used.
This will be described more specifically using mathematical expressions.
＜半波長板の主軸が同じ方向／スルーパスの場合＞
二本のアーム導波路の中央に半波長板が挿入されたマッハツェンダ干渉計であり、半波長板の光学主軸の向きが、基板の面に垂直な線（法線）から４５度だけ傾きかつ光信号の伝搬方向と直交しており、それぞれのアーム導波路に挿入された半波長板の光学主軸の向きが同じ方向であるＭＺＩにおいて、Ｉ１、アーム１、およびＯ１を伝搬し出力される光出力は式（７）となる。
<When the main axis of the half-wave plate is in the same direction / through pass>
A Mach-Zehnder interferometer in which a half-wave plate is inserted in the center of two arm waveguides, and the direction of the optical principal axis of the half-wave plate is inclined by 45 degrees from a line (normal line) perpendicular to the surface of the substrate. In MZI, which is orthogonal to the signal propagation direction and the direction of the optical principal axis of the half-wave plate inserted in each arm waveguide is the same direction, the optical output propagated through I1,
ここで、φTEおよびφTMはそれぞれ二本のアーム導波路間のＴＥ偏波およびＴＭ偏波の位相差、Ψは半波長板で与えられる位相差である。尚、結合器の結合率は５０％とし、Ψは波長板が設計波長からずれた場合を仮定するので、πとその整数倍以外を仮定する。また、Ｉ１、アーム２、およびＯ１を伝搬し出力される光出力は式（８）となる。
Here, φ TE and φ TM are the phase differences between the TE polarization and the TM polarization between the two arm waveguides, respectively, and Ψ is the phase difference given by the half-wave plate. It is assumed that the coupling rate of the coupler is 50%, and Ψ is assumed to be other than π and an integral multiple thereof, since it is assumed that the wave plate deviates from the design wavelength. Further, the optical output that propagates and is output through I1,
式（７）および（８）より、スルーパスの光出力は式（９）となる。 From Expressions (7) and (8), the optical output of the through path is Expression (9).
式（９）から、消光する波長において偏波無依存となる条件は From equation (9), the condition for polarization independence at the extinction wavelength is
を満たす時なので、次式を満たせばよい。 Since it is time to satisfy, the following equation should be satisfied.
ここで、ｍ、ｎ、αは整数を示す。従って、次式となる。 Here, m, n, and α are integers. Therefore, the following equation is obtained.
式（１３）を書きかえると式（１５）となる。 When formula (13) is rewritten, formula (15) is obtained.
さらに書き換えて、式（１６）が導出される。 Further rewriting yields equation (16).
これより、偏波に依存した光路長差が消光する波長（使用波長）の偶数次となるとき、偏波無依存となることがわかる。 From this, it can be seen that when the optical path length difference depending on the polarization is an even order of the extinction wavelength (use wavelength), the polarization becomes independent.
一般に、作製誤差のため、導波路の複屈折の値はずれる。しかし、目標とするＦＳＲの１００分の１というＰＤｆを満たすためにはある程度の複屈折のばらつきは許容される。 In general, due to fabrication errors, the value of waveguide birefringence deviates. However, some variation in birefringence is allowed in order to satisfy PDf, which is 1 / 100th of the target FSR.
そこで、目標とするＰＤｆを達成するための複屈折（もしくは、偏波に依存した光路長差の次数）の許容値を求める。 Therefore, an allowable value of birefringence (or the order of the optical path length difference depending on the polarization) for achieving the target PDf is obtained.
ある波長における光出力の最大値、最小値は、ＭＺＩのジョーンズ行列をＭとすると、Ｍの複素共役の転置行列（Ｍ＊）TとＭとの積の固有値を求めることによって導き出せる（非特許文献３参照）。式（９）よりＭＺＩのジョーンズ行列は以下の通り書ける。 The maximum value and minimum value of the optical output at a certain wavelength can be derived by obtaining the eigenvalue of the product of the complex conjugate transpose matrix (M * ) T and M of M, where M is the Jones matrix of MZI (Non-Patent Document). 3). From equation (9), the MZI Jones matrix can be written as:
（Ｍ＊）TＭの固有値を波長（または周波数）に対して計算し、１．５５μｍ付近のスペクトルを計算しＰＤｆを導出した。 The eigenvalues of (M *) T M calculated for a wavelength (or frequency) to derive the calculated PDf the spectrum around 1.55 .mu.m.
図４（ａ）および（ｂ）に、半波長板の動作波長が使用波長からずれた場合のＰＤｆと複屈折の関係を計算した結果を示す。計算では、結合器の結合率は５０％とし、半波長板の動作波長が使用波長から４％ずれた場合を仮定した。これは我々が用いている半波長板の動作波長が、設計波長から４％の誤差（標準偏差）を有するためである。図４（ａ）および（ｂ）より、ＰＤｆをＦＳＲの１００分の１とするためには、複屈折の変動は±０．１×１０-4以下とすればよい。
4 (a) and 4 (b) show the results of calculating the relationship between PDf and birefringence when the operating wavelength of the half-wave plate deviates from the working wavelength. In the calculation, it was assumed that the coupling rate of the coupler was 50%, and the operating wavelength of the half-wave plate was shifted by 4% from the operating wavelength. This is because the operating wavelength of the half-wave plate we are using has an error (standard deviation) of 4% from the design wavelength. 4 (a) and 4 (b), in order to make
図５（ａ）および（ｂ）に、図４（ａ）および（ｂ）に関して、横軸を次数（偏波に依存性した光路長差Δ（ＢＬ）を使用波長で割った値）とした場合のグラフを示す。図５（ａ）および（ｂ）より、許容される次数の変動量は±０．２次となることがわかる。 5 (a) and 5 (b), with respect to FIGS. 4 (a) and 4 (b), the horizontal axis is the degree (the value obtained by dividing the polarization-dependent optical path length difference Δ (BL) by the wavelength used). A graph of the case is shown. 5 (a) and 5 (b), it can be seen that the allowable variation in the order is ± 0.2.
同様に、図４（ａ）および（ｂ）を用いて環境温度変化によるＰＤｆの変化が類推できる。 Similarly, changes in PDf due to environmental temperature changes can be inferred using FIGS. 4 (a) and 4 (b).
図４（ａ）および（ｂ）の太線は本発明における、細線は従来技術の第二例における、ＰＤｆの複屈折依存性を示したものである。本発明のＰＤｆの複屈折依存性が従来技術の第二例に比べて緩和されていることがわかる。つまり、複屈折は環境温度によって変化するため、ＰＤｆの環境温度依存性が緩和されることがわかる。 4 (a) and 4 (b) indicate the birefringence dependence of PDf in the present invention, and the thin line in the second example of the prior art. It can be seen that the birefringence dependence of the PDf of the present invention is relaxed compared to the second example of the prior art. That is, since birefringence changes with environmental temperature, it turns out that the environmental temperature dependence of PDf is eased.
＜半波長板の主軸が同じ方向／クロスパスの場合＞
クロスパスについても同様に、消光する波長において偏波無依存となる条件を計算できる。
Ｉ１、アーム１、およびＯ２を伝搬し出力される光出力は式（１８）となる。
<When the main axis of the half-wave plate is in the same direction / cross path>
Similarly, for the cross path, a condition that does not depend on the polarization at the extinction wavelength can be calculated.
The optical output that propagates through I1,
ここで、φTEおよびφTMはそれぞれ二本のアーム導波路間のＴＥ偏波およびＴＭ偏波の位相差、Ψは半波長板で与えられる位相差である。結合器の結合率は５０％とした。また、Ｉ１、アーム２、およびＯ２を伝播し出力される光出力は式（１９）となる。
Here, φ TE and φ TM are the phase differences between the TE polarization and the TM polarization between the two arm waveguides, respectively, and Ψ is the phase difference given by the half-wave plate. The coupling rate of the coupler was 50%. Further, the optical output that is propagated and output through I1,
上の二式より、クロスパスの光出力は式（２０）と表すことができる。 From the above two equations, the optical output of the cross path can be expressed as equation (20).
式（２０）から、消光する波長において偏波無依存となる条件は From equation (20), the condition for polarization independence at the extinction wavelength is
を満たす時なので次式を満たせばよい。 Since it is time to satisfy, the following equation should be satisfied.
ここで、ｍ、ｎ、αは整数を示す。従って、次式となる。 Here, m, n, and α are integers. Therefore, the following equation is obtained.
さらに書き換えて、式（２６）が導出される。 Further rewriting yields equation (26).
これより、ある消光する波長において偏波に依存した光路長差を偶数次となるとき、偏波無依存となることがわかる。 From this, it can be seen that when the optical path length difference depending on the polarization becomes even order at a certain extinction wavelength, the polarization becomes independent.
＜半波長板の主軸が直交／スルーパスの場合＞
二本のアーム導波路の中央に半波長板が挿入されたマッハツェンダ干渉計であり、二本のアーム導波路に設けられる半波長板の主軸が、基板の面に垂直する線から４５度だけ傾きかつ光信号の伝搬方向と直交しており、それぞれのアーム導波路に挿入された波長板の主軸の向きが直交しているＭＺＩにおいて、Ｉ１、アーム１、およびＯ１を伝搬し出力される光出力は式（２７）となる。
<When the main axis of the half-wave plate is orthogonal / through pass>
A Mach-Zehnder interferometer in which a half-wave plate is inserted in the center of two arm waveguides. The main axis of the half-wave plate provided in the two arm waveguides is inclined by 45 degrees from a line perpendicular to the surface of the substrate. In the MZI, which is orthogonal to the propagation direction of the optical signal and the directions of the principal axes of the wave plates inserted in the respective arm waveguides are orthogonal, the optical output that propagates through I1,
また、Ｉ１、アーム２、およびＯ１を伝搬し出力される光出力は式（２８）となる。
Further, the optical output that is propagated and output through I1,
式（２７）および（２８）より、スルーパスの光出力は式（２９）となる。 From Expressions (27) and (28), the optical output of the through path is Expression (29).
式（２９）から、消光する波長において偏波無依存となる条件は From equation (29), the condition for polarization independence at the extinction wavelength is
を満たす時なので、次式を満たせばよい。 Since it is time to satisfy, the following equation should be satisfied.
ここで、ｍ、ｎ、αは整数である。従って、次式となる。 Here, m, n, and α are integers. Therefore, the following equation is obtained.
さらに書き換えて、式（３５）が導出される。 Further rewriting, Equation (35) is derived.
これより、ある消光する波長において偏波に依存した光路長差を奇数次となるとき、偏波無依存となることがわかる。 From this, it can be seen that when the optical path length difference depending on the polarization becomes an odd order at a certain extinction wavelength, the polarization becomes independent.
＜半波長板の主軸が直交／クロスパスの場合＞
クロスパスについても同様に偏波無依存条件を計算できる。
Ｉ１、アーム１、およびＯ１を伝搬し出力される光出力は式（３６）となる。
<When the main axis of the half-wave plate is orthogonal / cross-pass>
Similarly, the polarization independent condition can be calculated for the cross path.
The optical output that propagates through I1,
ここで、φTEおよびφTMはそれぞれ二本のアーム導波路間のＴＥ偏波およびＴＭ偏波の位相差、Ψは半波長板で与えられる位相差である。結合器の結合率は５０％とした。また、Ｉ１、アーム２、およびＯ１を伝播し出力される光出力は式（３７）となる。
Here, φ TE and φ TM are the phase differences between the TE polarization and the TM polarization between the two arm waveguides, respectively, and Ψ is the phase difference given by the half-wave plate. The coupling rate of the coupler was 50%. Also, the optical output that propagates through I1,
上の二式より、スルーパスの光出力は式（３８）と表すことができる。 From the above two equations, the optical output of the through path can be expressed as equation (38).
式（３８）から、消光する波長において偏波無依存となる条件は From equation (38), the condition for polarization independence at the extinction wavelength is
を満たす時なので次式を満たせばよい。 Since it is time to satisfy, the following equation should be satisfied.
従って、次式となる。 Therefore, the following equation is obtained.
さらに書き換えて、式（４４）が導出される。 Further rewriting yields equation (44).
これより、ある消光する波長において偏波に依存した光路長差を奇数次となるとき、偏波無依存となることがわかる。 From this, it can be seen that when the optical path length difference depending on the polarization becomes an odd order at a certain extinction wavelength, the polarization becomes independent.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
なお、以下では光導波路としてシリコン基板上に形成された石英系光導波路を例にとって説明する。これは、この組み合わせが安定で信頼性に優れた光導波路デバイスを作製するのに適しているからである。しかしながら、本発明はこの組み合わせに限定されるものではなく、シリコンまたは石英ガラスまたはソーダガラスなどの基板上に、石英系光導波路またはシリコン酸化窒化膜（ＳｉＯＮ）などの光導波路、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）系樹脂などの有機系光導波路、シリコン光導波路を用いたものでも無論構わない。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
In the following description, a quartz optical waveguide formed on a silicon substrate as an optical waveguide will be described as an example. This is because this combination is suitable for producing an optical waveguide device which is stable and excellent in reliability. However, the present invention is not limited to this combination. On a substrate such as silicon, quartz glass, or soda glass, an optical waveguide such as a silica-based optical waveguide or a silicon oxynitride film (SiON), PMMA (polymethyl methacrylate). Of course, an organic optical waveguide such as a resin or a silicon optical waveguide may be used.
また、以下では結合器として多モード干渉計型結合器を用いる例をとって説明するが、方向性結合器を用いることもできる。 In the following description, a multimode interferometer type coupler is used as a coupler. However, a directional coupler can also be used.
図６を参照して、本実施形態の導波路作製工程を簡単に説明する。シリコン基板６０２上に火炎堆積法（ＦＨＤ）でＳｉＯ2を主体にした下部クラッドガラス微粒子６０４、およびＳｉＯ2にＧｅＯ2を添加したコアガラス微粒子６０６を順に堆積する（図６（１））。この段階ではガラス微粒子は光を散乱するため白い膜に見える。
With reference to FIG. 6, the waveguide manufacturing process of this embodiment will be briefly described. Flame hydrolysis deposition on the
その後、１０００℃以上の高温でガラス透明化を行う。ガラス微粒子を表面に堆積したシリコン基板を徐々に加熱していくと、ガラス微粒子が溶けて透明なガラス膜が形成される。この時に、下部クラッドガラス層６０４は３０ミクロン厚、コアガラス層６０６は７ミクロン厚となるように、ガラス微粒子の堆積を行っている（図６（２））。
Then, glass transparency is performed at a high temperature of 1000 ° C. or higher. When the silicon substrate on which the glass fine particles are deposited is gradually heated, the glass fine particles are melted to form a transparent glass film. At this time, glass fine particles are deposited so that the lower
引き続き、フォトリソグラフィ技術と反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によってコアガラス層６０６のパターン化を行う（図６（３））。
Subsequently, the
上部クラッドガラス微粒子６０８を火炎堆積法でコア上部に堆積する（図６（４））。最後に高温透明化を行い、埋め込み導波路を作製する（図６（５））。上部クラッドガラス層６０８にはドーパントとして、三酸化ホウ素および五酸化リンを添加してガラス転移温度を下げ、最後の高温透明化の工程でコアが変形しないようにしている。 Upper clad glass fine particles 608 are deposited on the upper portion of the core by flame deposition (FIG. 6 (4)). Finally, high-temperature transparency is performed to produce a buried waveguide (FIG. 6 (5)). Boron trioxide and phosphorus pentoxide are added as dopants to the upper cladding glass layer 608 to lower the glass transition temperature so that the core is not deformed in the final high-temperature transparency step.
図７に本発明の第一の実施例として作製したＭＺＩの概略図を示す。図７に示すＭＺＩ７００は、二つの多モード干渉計型結合器（７２２，７２４）と、二つの多モード干渉計型結合器を結ぶ二つのアーム導波路（７０６，７０８）とを備える。また、ＭＺＩ７００は、アーム導波路７０６の光路長を二分するようにアーム導波路７０６をその中心においてアーム導波路７０６ａとアーム導波路７０６ｂとに、アーム導波路７０８の光路長を二分するようにアーム導波路７０８をその中心においてアーム導波路７０８ａとアーム導波路７０８ｂとに分断するようにして形成された溝に挿入された半波長板７３２を備える。多モード干渉計型結合器７２２は二つの入力導波路（７０２，７０４）を備え、多モード干渉計型結合器７２４は二つの出力導波路（７１０，７１２）を備える。
FIG. 7 shows a schematic diagram of MZI produced as the first embodiment of the present invention. The
偏波回転器としての半波長板７３２はポリイミド波長板であり、光学主軸が伝搬方向と直交し、かつ、基板面の水平方向（あるいは基板面の法線）から４５度傾いており、遅軸と速軸をそれぞれ伝搬する偏波に設計波長の半波長相当の位相差を与える。半波長板７３２は、ＴＭ偏波をＴＥ偏波に、ＴＥ偏波をＴＭ偏波に偏波変換する機能を有する。 The half-wave plate 732 as a polarization rotator is a polyimide wave plate, the optical principal axis is orthogonal to the propagation direction, and is inclined 45 degrees from the horizontal direction of the substrate surface (or the normal of the substrate surface), and the slow axis A phase difference equivalent to half the design wavelength is given to the polarized waves propagating along the fast axis. The half-wave plate 732 has a function of performing polarization conversion from TM polarization to TE polarization and from TE polarization to TM polarization.
本ＭＺＩ７００は、ＦＳＲを１０ＧＨｚとするため、二本のアーム導波路（７０６，７０８）の長さの差（ΔＬ）を２０．７ｍｍとしている。
In the
また、本実施例のＭＺＩ７００は、半波長板７３２の前後においてアーム導波路の一部にＡｒＦ（フッ化アルゴン）レーザを照射することによって、複屈折の調整を行っている。これにより、本ＭＺＩ７００におけるΔ（ＢＬ）をゼロとし偏波依存性の抑制を行っている。
Further, the
Δ（ＢＬ）をゼロとするための手法を具体的に以下で説明する。
アーム導波路１（７０６）において、レーザ照射領域の導波路の長さをＬir 1、レーザ未照射領域の導波路の長さをＬnon 1とする。アーム導波路２（７０８）において、レーザ照射領域の導波路の長さをＬir 2、レーザ未照射領域の導波路の長さをＬnon 2とする。レーザ照射領域の複屈折をＢir、レーザ未照射領域の複屈折をＢnonとする。これらを用いて、Δ（ＢＬ）は式（４５）となる。
A method for setting Δ (BL) to zero will be specifically described below.
In the arm waveguide 1 (706), the length of the waveguide in the laser irradiation region is L ir 1 , and the length of the waveguide in the non- laser irradiation region is L non 1 . In the arm waveguide 2 (708), the length of the waveguide in the laser irradiation region is L ir 2 , and the length of the waveguide in the non- laser irradiation region is L non 2 . The birefringence of the laser irradiation region is B ir and the birefringence of the laser non-irradiation region is B non . Using these, Δ (BL) is expressed by Equation (45).
簡単のため、Ｌir 1＝０とすると、式（４６）となる。 For simplicity, when L ir 1 = 0, Expression (46) is obtained.
ここで、二本のアーム導波路の長さの差を Where the difference between the lengths of the two arm waveguides is
、複屈折の差をΔＢ＝Ｂir−Ｂnonとした。式（４６）が０となる条件は式（４７）となる。 The difference in birefringence was ΔB = B ir -B non. The condition that Equation (46) becomes 0 is Equation (47).
そこで、式（４７）を満たすようにＬir 2を１０ｍｍとし、ΔＢが２．１×１０-4となるようレーザ照射を行った。レーザとしては、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザを用いて、照射パワーはＩＪ／ｃｍ２、パルス繰り返しは５０Ｈｚ、照射時間は５３０ｓｅｃとした。また、金属マスクを用いて、金属マスクが覆われていない半波長板を挟んだ二箇所のレーザ照射領域のみにレーザの照射をおこなった。照射面積は５０μｍ×５ｍｍである。一方、ΔＬは２０．７ｍｍ、Ｂnonは１×１０-4であり、Δ（ＢＬ）はほぼゼロとなった。 Therefore, laser irradiation was performed so that L ir 2 was 10 mm and ΔB was 2.1 × 10 −4 so as to satisfy Equation (47). As the laser, an ArF excimer laser with a wavelength of 193 nm was used, the irradiation power was IJ / cm 2 , the pulse repetition was 50 Hz, and the irradiation time was 530 sec. In addition, using a metal mask, laser irradiation was performed only on two laser irradiation regions sandwiching a half-wave plate not covered with the metal mask. The irradiation area is 50 μm × 5 mm. On the other hand, ΔL was 20.7 mm, B non was 1 × 10 −4 , and Δ (BL) was almost zero.
本実施例によれば波長１．５５μ付近でＰＤｆはクロスパスとスルーパスともに０．０４ＧＨｚまで抑制することができた。第一の従来技術のＭＺＩでは、そのＰＤｆはクロスパスとスルーパスともに０．３５ＧＨｚであった。よって、本発明を用いることによってＰＤｆを抑制することができた。 According to this embodiment, PDf can be suppressed to 0.04 GHz in the vicinity of the wavelength of 1.55 μm for both the cross path and the through path. In the first prior art MZI, the PDf was 0.35 GHz for both the cross path and the through path. Therefore, PDf could be suppressed by using the present invention.
また、環境温度を−１０℃〜８０℃まで変化させた際のＰＤｆの変動はクロスパスとスルーパスともに０．０６ＧＨｚであった。一方、第二の従来技術のＭＺＩでは、そのＰＤｆの変動はクロスパスとスルーパスともに６ＧＨｚであった。よって、本発明を用いることによって、ＰＤｆの温度依存性を低減することができた。 The variation of PDf when the environmental temperature was changed from −10 ° C. to 80 ° C. was 0.06 GHz for both the cross path and the through path. On the other hand, in the second prior art MZI, the fluctuation of the PDf was 6 GHz for both the cross path and the through path. Therefore, the temperature dependence of PDf could be reduced by using the present invention.
尚、ＡｒＦレーザを照射するアーム導波路（７０６，７０８）の部位は、半波長板７３２から離れていても良く、照射量が対称であれば半波長板７３２に対して対称である必要はない。 Note that the portion of the arm waveguide (706, 708) that irradiates the ArF laser may be away from the half-wave plate 732, and need not be symmetrical with respect to the half-wave plate 732 if the irradiation amount is symmetric. .
本実施例では複屈折の調整に波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザを用いた。これは、コアの屈折率変化が波長２４５ｎｍのＧｅＯ2に関連した吸収に起因しており、２４５ｎｍ付近に発振波長を有するレーザを照射することで、効率よく屈折率変化もしくは複屈折変化が可能となるからである。さらには、可視域のレーザでも２光子吸収により同様の変化を誘起することができる。従って、レーザとしてはＡｒＦエキシマレーザに限定されるものではなく、Ｈｅ−Ｃｄレーザ、Ｎ2レーザ、ＫｒＦエキシマレーザやＦ2エキシマレーザなどの各種エキシマレーザ、Ａｒイオンレーザ、Ｎｄ3+：ＹＡＧレーザ、アレキサンドライト（Ｃｒ3+：ＢｅＡｌ2Ｏ3）レーザの第２次、３次、４次高調波、など紫外・可視領域の波長を有するものであればよい。 In this example, an ArF excimer laser having a wavelength of 193 nm was used for adjusting the birefringence. This is because the change in the refractive index of the core is due to absorption related to GeO 2 having a wavelength of 245 nm. By irradiating a laser having an oscillation wavelength near 245 nm, the refractive index can be changed efficiently or the birefringence can be changed. Because it becomes. Furthermore, a similar change can be induced by two-photon absorption even in a visible laser. Therefore, the laser is not limited to the ArF excimer laser, but various excimer lasers such as He-Cd laser, N 2 laser, KrF excimer laser, F 2 excimer laser, Ar ion laser, Nd 3+ : YAG laser, What is necessary is just to have a wavelength of ultraviolet and visible region, such as the second order, the third order, and the fourth harmonic of the alexandrite (Cr 3+ : BeAl 2 O 3 ) laser.
本実施例において、複屈折の調整手法にはＡｒＦレーザ照射を用いたが、例えば以下のような複屈折調整手法を用いて、同様な効果を得ることができる。
（１）応力付与膜を導波路の上部に配置し、導波路に誘起される応力を変化させて複屈折を制御する手法を用いることもできる（非特許文献４参照)。すなわち、応力付与膜（図示しない）をアーム導波路（７０６，７０８）の上部に形成し、二本のアーム導波路の光信号の伝搬方向に向かって複屈折の値を積分したそれぞれの値の差が所望の値となるように、アーム導波路に誘起される応力を調整することもできる。
（２）導波路上部付近に配置した薄膜ヒータを局所的に加熱して恒久的に実効屈折率もしくは複屈折を制御する手法を用いることもできる（特許文献２参照）。すなわち、薄膜ヒータ（図示しない）をアーム導波路（７０６，７０８）の上部付近に形成し、二本のアーム導波路の光信号の伝搬方向に向かって複屈折の値を積分したそれぞれの値の差が所望の値となるように制御することによって、アーム導波路に誘起される応力を調整することもできる。
（３）導波路の両側に応力開放溝を設け、導波路に加わっている応力を緩和することで実効屈折率もしくは複屈折を制御する手法を用いることもできる（特許文献１参照）。すなわち、二本のアーム導波路（７０６，７０８）の各々について、光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差が所望の値となるように、アーム光導波路の両脇の一部に応力開放溝（図示しない）を形成し、複屈折複屈折を調整することもできる。
In this embodiment, ArF laser irradiation is used as the birefringence adjustment method, but the same effect can be obtained by using, for example, the following birefringence adjustment method.
(1) A method of controlling the birefringence by arranging a stress applying film on the waveguide and changing the stress induced in the waveguide can be used (see Non-Patent Document 4). That is, a stress applying film (not shown) is formed on the upper part of the arm waveguides (706, 708), and the birefringence values are integrated in the propagation direction of the optical signal in the two arm waveguides. The stress induced in the arm waveguide can be adjusted so that the difference becomes a desired value.
(2) A method of locally heating a thin film heater disposed near the upper portion of the waveguide to permanently control the effective refractive index or birefringence can be used (see Patent Document 2). That is, a thin film heater (not shown) is formed near the upper part of the arm waveguides (706, 708), and the birefringence values are integrated in the propagation direction of the optical signal in the two arm waveguides. The stress induced in the arm waveguide can be adjusted by controlling the difference to be a desired value.
(3) It is also possible to use a method of controlling the effective refractive index or birefringence by providing stress relief grooves on both sides of the waveguide and relaxing the stress applied to the waveguide (see Patent Document 1). That is, for each of the two arm waveguides (706, 708), the difference between the values obtained by line-integrating the birefringence toward the propagation direction of the optical signal becomes a desired value, so that both sides of the arm optical waveguide are provided. It is also possible to adjust the birefringence birefringence by forming a stress relief groove (not shown) in a part.
図８に本発明の第二の実施例として作製したＭＺＩの概略図を示す。図８に示すＭＺＩ８００は、二つの多モード干渉計型結合器（８２２，８２４）と、二つの多モード干渉計型結合器を結ぶ二つのアーム導波路（８０６，８０８）とを備える。また、ＭＺＩ８００は、アーム導波路８０６の光路長を二分するようにアーム導波路８０６をその中心においてアーム導波路８０６ａとアーム導波路８０６ｂとに、アーム導波路８０８の光路長を二分するようにアーム導波路８０８をその中心においてアーム導波路８０８ａとアーム導波路８０８ｂとに分断するようにして形成された溝に挿入された半波長板８３２を備える。多モード干渉計型結合器８２２は二つの入力導波路（８０２，８０４）を備え、多モード干渉計型結合器８２４は二つの出力導波路（８１０，８１２）を備える。
FIG. 8 shows a schematic view of MZI produced as a second embodiment of the present invention. The
偏波回転器としての半波長板８３２の構成、配置および機能は、第一の実施例における半波長板７３２と同様である。 The configuration, arrangement, and function of the half-wave plate 832 as a polarization rotator are the same as those of the half-wave plate 732 in the first embodiment.
本実施例のＭＺＩ８００では、二つアーム導波路（８０６，８０８）の幅を変化させることによって、複屈折の調整が行われている。導波路幅を変化させることによって、偏波に依存した光路長差Δ（ＢＬ）をゼロにすることが可能となる（特許文献３参照）。
In the
多モード干渉計型結合器（８２２，８２４）近傍ではアーム導波路（８０６，８０８）の幅を７μｍ幅とし、半波長板８３２近傍ではアーム導波路の幅を１２μｍ幅としている。 The width of the arm waveguide (806, 808) is 7 μm in the vicinity of the multimode interferometer coupler (822, 824), and the width of the arm waveguide is 12 μm in the vicinity of the half-wave plate 832.
本ＭＺＩ８００は、二本のアーム導波路（８０６，８０８）の長さの差（ΔＬ）は、第一の実施例における二本のアーム導波路（７０６，７０８）と同様に、２０．７ｍｍとしている。
In this
二つの導波路幅を用いる効果を具体的に数式を用いて説明する。アーム導波路１における、太幅の導波路の長さをＬw 1、細幅の導波路の長さをＬn 1とする。アーム導波路２における、太幅の導波路の長さをＬw 2、細幅の導波路の長さをＬn 2とする。また、太幅の導波路の複屈折をＢw、細幅の導波路の複屈折をＢnとする。これらを用いて、二本のアーム導波路の伝搬方向の複屈折の積分値の差Δ（ＢＬ）は式（４８）となる。
The effect of using two waveguide widths will be specifically described using mathematical expressions. In the
簡単のため、Ｌw 1＝０とすると、式（４９）となる。 For simplicity, when L w 1 = 0, Expression (49) is obtained.
ここで、二本のアーム導波路の長さの差を Where the difference between the lengths of the two arm waveguides is
、複屈折の差をΔＢ＝Ｂir−Ｂnonとした。式（４９）が０となる条件は式（５０）となる。 The difference in birefringence was ΔB = B ir -B non. The condition that Equation (49) becomes 0 is Equation (50).
上式を満たすように考慮してＬw 2を決定した。具体的には、Ｂw＝１．５７×１０-4、Ｂn＝０．８７×１０-4、Ｌw 1＝０．５ｍｍ、Ｌw 2＝２６．２ｍｍとした。 L w 2 was determined in consideration of satisfying the above equation. Specifically, B w = 1.57 × 10 −4 , B n = 0.87 × 10 −4 , L w 1 = 0.5 mm, and L w 2 = 26.2 mm.
ここでΔ（ＢＬ）をゼロにするためだけであれば、アーム導波路１に太い導波路は必要ないが、以下の理由でアーム導波路１にも太い導波路を配置することが望ましい。
・アーム導波路間で、テーパ導波路のある／なしの損失の差を解消する。
・半波長板が分断する導波路の幅を太くすることによって、閉じ込め構造をもたない半波長板にて放射するときの回折損失を抑制する。
Here, if only Δ (BL) is set to zero, a thick waveguide is not necessary for the
• Eliminates the difference in loss between arm waveguides with and without tapered waveguides.
-By increasing the width of the waveguide that the half-wave plate divides, the diffraction loss when radiating with the half-wave plate having no confinement structure is suppressed.
本実施例によれば波長１．５５μ付近でＰＤｆはクロスパスとスルーパスともに０．０５ＧＨｚまで抑制することができた。 According to this embodiment, PDf can be suppressed to 0.05 GHz in the vicinity of a wavelength of 1.55 μm for both the cross path and the through path.
また、環境温度を−１０℃〜８０℃まで変化させた際のＰＤｆの変動はクロスパスとスルーパスともに０．０６ＧＨｚまで抑制することができた。 Moreover, the fluctuation of PDf when the environmental temperature was changed from −10 ° C. to 80 ° C. could be suppressed to 0.06 GHz for both the cross path and the through path.
図９に本発明の第三の実施例として作製したＭＺＩの概略図を示す。図９に示すＭＺＩ９００は、二つの多モード干渉計型結合器（９２２，９２４）と、二つの多モード干渉計型結合器を結ぶ二つのアーム導波路（９０６，９０８）とを備える。また、ＭＺＩ９００は、アーム導波路９０６の導波路長を二分するようにアーム導波路９０６をその中心においてアーム導波路９０６ａとアーム導波路９０６ｂとに、アーム導波路９０８の導波路長を二分するようにアーム導波路９０８をその中心においてアーム導波路９０８ａとアーム導波路９０８ｂとに分断するようにして形成された溝に挿入された半波長板９３２を備える。多モード干渉計型結合器９２２は二つの入力導波路（９０２，９０４）を備え、多モード干渉計型結合器９２４は二つの出力導波路（９１０，９１２）を備える。
FIG. 9 shows a schematic diagram of MZI produced as a third embodiment of the present invention. The
偏波回転器としての半波長板９３２の構成、配置および機能は、第一の実施例における半波長板７３２と同様である。 The configuration, arrangement, and function of the half-wave plate 932 as a polarization rotator are the same as those of the half-wave plate 732 in the first embodiment.
本ＭＺＩ９００は、二本のアーム導波路（９０６，９０８）の長さの差（ΔＬ）は、第一の実施例における二本のアーム導波路（７０６，７０８）と同様に、２０．７ｍｍとしている。 In the present MZI900, the difference in length (ΔL) between the two arm waveguides (906, 908) is 20.7 mm, similar to the two arm waveguides (706, 708) in the first embodiment. Yes.
本構成の特徴は、複屈折の値を１．５×１０-4としたことにある。ここで、上部クラッドガラスの熱膨張係数、軟化温度を変化させることによって複屈折の調整をおこなった。すなわち、上部クラッドガラスは、石英に対して三酸化ホウ素を１０ｍｏｌ％、五酸化リンを１０ｍｏｌ％の割合で添加した。その結果、偏波に依存した光路長差Δ（ＢＬ）は下式より３．１×１０-4となる。 The feature of this configuration is that the birefringence value is 1.5 × 10 −4 . Here, birefringence was adjusted by changing the thermal expansion coefficient and softening temperature of the upper clad glass. That is, the upper cladding glass was added with 10 mol% boron trioxide and 10 mol% phosphorus pentoxide with respect to quartz. As a result, the optical path length difference Δ (BL) depending on the polarization is 3.1 × 10 −4 from the following equation.
この偏波に依存した光路長差Δ（ＢＬ）は、使用波長を１．５５μｍとした時、次数は２となり、式（１６）かつ式（２６）をほぼ満たすこととなる。 The optical path length difference Δ (BL) depending on the polarization is 2 when the wavelength used is 1.55 μm, and the expressions (16) and (26) are substantially satisfied.
本実施例によれば波長１．５５μ付近でＰＤｆはクロスパスとスルーパスともに０．００６ＧＨｚまで抑制することができた。 According to this example, PDf was able to be suppressed to 0.006 GHz for both the cross path and the through path in the vicinity of a wavelength of 1.55 μm.
また、環境温度を−１０℃〜８０℃まで変化させた際のＰＤｆの変動はクロスパスとスルーパスともに０．０６ＧＨｚまで抑制することができた。 Moreover, the fluctuation of PDf when the environmental temperature was changed from −10 ° C. to 80 ° C. could be suppressed to 0.06 GHz for both the cross path and the through path.
図１０および１１に本発明の第四の実施例として作製したＭＺＩの概略図を示す。また、
ＭＺＩ１０００は、シリコン基板１１０２上に作成された、二つの多モード干渉計型結合器（１０２２，１０２４）と、二つの多モード干渉計型結合器を結ぶ二つのアーム導波路（１００６，１００８）とを備える。また、ＭＺＩ１０００は、アーム導波路１００６の導波路長を二分するようにアーム導波路１００６をその中心においてアーム導波路１００６ａとアーム導波路１００６ｂとに、アーム導波路１００８の導波路長を二分するようにアーム導波路１００８をその中心においてアーム導波路１００８ａとアーム導波路１００８ｂとに分断するようにして形成された溝１１２０に挿入された半波長板１０３２を備える。多モード干渉計型結合器１０２２は二つの入力導波路（１００２，１００４）を備え、多モード干渉計型結合器１０２４は二つの出力導波路（１０１０，１０１２）を備える。
10 and 11 are schematic views of MZI prepared as the fourth embodiment of the present invention. Also,
The
図１１に示すように、偏波回転器としての半波長板１０３２は、半波長板１０３２ａおよび半波長板１０３２ｂを備える。半波長板１０３２ａおよび半波長板１０３２ｂは、光学主軸が伝搬方向と直交し、かつ、基板の水平方向（あるいは法線）から４５度傾いており、さらに、半波長板１０３２ａの主軸の向きと半波長板１０３２ｂの主軸の向きが互いに直交している。 As shown in FIG. 11, a half-wave plate 1032 as a polarization rotator includes a half-wave plate 1032a and a half-wave plate 1032b. In the half-wave plate 1032a and the half-wave plate 1032b, the optical principal axis is orthogonal to the propagation direction and is inclined 45 degrees from the horizontal direction (or normal line) of the substrate. The directions of the main axes of the wave plate 1032b are orthogonal to each other.
半波長板１０３２ａおよび半波長板１０３２ｂは、遅軸と速軸をそれぞれ伝搬する偏波に設計波長の半波長相当の位相差を与える。半波長板１０３２は、ＴＭ偏波をＴＥ偏波に、ＴＥ偏波をＴＭ偏波に偏波変換する機能を有する。 The half-wave plate 1032a and the half-wave plate 1032b give a phase difference corresponding to the half wavelength of the design wavelength to the polarized waves propagating along the slow axis and the fast axis, respectively. The half-wave plate 1032 has a function of performing polarization conversion of TM polarization into TE polarization and TE polarization into TM polarization.
本実施例では、上部クラッドガラスに石英に対して三酸化ホウ素を２０ｍｏｌ％、五酸化リンを５ｍｏｌ％の割合で添加し、複屈折の値を０．７７５×１０-4とした。その結果、偏波に依存した光路長差は式（５２）より１．５５×１０-6となる。 In this example, boron trioxide was added to the upper clad glass at a ratio of 20 mol% and phosphorus pentoxide at a ratio of 5 mol%, and the birefringence value was set to 0.775 × 10 −4 . As a result, the optical path length difference depending on the polarization is 1.55 × 10 −6 from the equation (52).
この偏波に依存した光路長差は、使用波長を１．５５μｍとした時、次数は１となり、式（３５）かつ式（４４）をほぼ満たすことができる。 The difference in optical path length depending on the polarization is 1 when the wavelength used is 1.55 μm, and can substantially satisfy the expressions (35) and (44).
本実施例によれば波長１．５５μ付近でＰＤｆはクロスパスとスルーパスともに０．０７ＧＨｚまで抑制することができた。 According to this example, PDf was able to be suppressed to 0.07 GHz for both the cross path and the through path in the vicinity of a wavelength of 1.55 μm.
また、環境温度を−１０℃〜８０℃まで変化させた際のＰＤｆの変動はクロスパスとスルーパスともに０．０６ＧＨｚまで抑制することができた。 Moreover, the fluctuation of PDf when the environmental temperature was changed from −10 ° C. to 80 ° C. could be suppressed to 0.06 GHz for both the cross path and the through path.
上記第一乃至第三の実施例を本実施例に適用して複屈折の値を調整することができることは言うまでもない。 It goes without saying that the birefringence value can be adjusted by applying the first to third embodiments to the present embodiment.
さらに、以上の実施例では、ＦＳＲが１０ＧＨｚのＭＺＩを用いた。その他、２０ＧＨｚ、４０ＧＨｚなど他のＦＳＲであっても同様な効果が期待できる事は明白である。 Furthermore, in the above embodiment, MZI having an FSR of 10 GHz was used. In addition, it is obvious that the same effect can be expected with other FSRs such as 20 GHz and 40 GHz.
１００，２００，３００，７００，８００，９００，１０００ マッハツェンダ干渉計回路
１０６，１０８，２０６，２０８，３０６，３０８，７０６，７０８，８０６，８０８，９０６，９０８，１００６，１００８ アーム導波路
１２２，１２４，２２２，２２４，３２２，３２４，７２２，７２４，８２２，８２４，９２２，９２４，１０２２，１０２４ 結合器
２３２，７３２，８３２，９３２，１０３２ 半波長板
100, 200, 300, 700, 800, 900, 1000 Mach-
Claims (10)
水平偏波の光を垂直偏波の光に変換し、垂直偏波の光を水平偏波の光に変換する、光学的主軸が同一の偏波回転器が、前記二本のアーム導波路の各々の光路長を二分する溝に設けられており、
前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差を使用光波長で割った値が、２ｍ−０．２から２ｍ＋０．２（ｍはゼロを含む整数）であることを特徴とする光信号処理器。 In a Mach-Zehnder interferometer circuit comprising two couplers and two arm waveguides connecting the two couplers, each fabricated on a substrate,
A polarization rotator with the same optical principal axis that converts horizontally polarized light into vertically polarized light and converts vertically polarized light into horizontally polarized light. It is provided in a groove that bisects each optical path length,
For each of the two arm waveguides, a value obtained by dividing the difference obtained by linear integration of birefringence in the propagation direction of the optical signal by the used light wavelength is 2m−0.2 to 2m + 0.2 (m is zero) An optical signal processor.
水平偏波の光を垂直偏波の光に変換し、垂直偏波の光を水平偏波の光に変換する、光学的主軸が互いに直交する二つの偏波回転器が、前記二本のアーム導波路の各々の光路長を二分する溝にそれぞれ設けられており、
前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差を使用光波長で割った値が、（２ｍ−１）−０．２から（２ｍ−１）＋０．２（ｍはゼロを含む整数）であることを特徴とする光信号処理器。 In a Mach-Zehnder interferometer circuit comprising two couplers and two arm waveguides connecting the two couplers, each fabricated on a substrate,
Two polarization rotators that convert horizontally polarized light to vertically polarized light and convert vertically polarized light to horizontally polarized light and whose optical principal axes are orthogonal to each other are the two arms. It is provided in each groove that bisects the optical path length of each waveguide ,
For each of the two arm waveguides, a value obtained by dividing the difference between the values obtained by integrating the birefringence in the propagation direction of the optical signal by the used optical wavelength is (2m−1) −0.2 to (2m−). 1) An optical signal processor characterized in that it is +0.2 (m is an integer including zero).
前記偏波回転器は、光学的主軸が前記基板の面の法線から４５度傾斜しかつ光信号の伝搬方向と直交するように設置された半波長板であることを特徴とする光信号処理器。 The optical signal processor according to claim 1,
The polarization rotator is an optical signal processing characterized in that the optical principal axis is a half-wave plate installed so that the optical principal axis is inclined 45 degrees from the normal of the surface of the substrate and is orthogonal to the propagation direction of the optical signal vessel.
前記二つの偏波回転器は、光学的主軸が前記基板の面の法線から４５度傾斜しかつ光信号の伝搬方向と直交するように設置された半波長板であって、前記偏波回転器の一方の光学主軸と前記偏波回転器の他方の光学主軸とが直交することを特徴とする光信号処理器。 The optical signal processor according to claim 2, wherein
The two polarization rotators are half-wave plates installed so that an optical principal axis is inclined 45 degrees from a normal of the surface of the substrate and is orthogonal to a propagation direction of an optical signal, An optical signal processor characterized in that one optical principal axis of the detector and the other optical principal axis of the polarization rotator are orthogonal to each other.
前記結合器は、方向性結合器または多モード干渉型結合器であることを特徴とする光信号処理器。 The optical signal processor according to any one of claims 1 to 4,
The optical signal processor according to claim 1, wherein the coupler is a directional coupler or a multimode interference coupler.
前記二本のアーム導波路少なくとも一方は、導波路幅が部分的に変化する導波路であって、前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差が所望の値となるように複屈折が調整されていることを特徴とする光信号処理器。 The optical signal processor according to any one of claims 1 to 5,
At least one of the two arm waveguides is a waveguide whose waveguide width is partially changed, and birefringence is linearly integrated in the propagation direction of the optical signal for each of the two arm waveguides. An optical signal processor, wherein birefringence is adjusted so that a difference in values becomes a desired value.
前記二本のアーム導波路少なくとも一方は、部分的にレーザが照射された導波路であって、前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差が所望の値となるように複屈折が調整されていることを特徴とする光信号処理器。 The optical signal processor according to any one of claims 1 to 5,
At least one of the two arm waveguides is a waveguide partially irradiated with a laser, and a value obtained by linearly integrating birefringence in the propagation direction of an optical signal for each of the two arm waveguides. The birefringence is adjusted so that the difference between the two becomes a desired value.
前記二本のアーム導波路少なくとも一方は、両脇の一部に応力開放溝が形成された導波路であって、前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差が所望の値となるように複屈折が調整されていることを特徴とする光信号処理器。 The optical signal processor according to any one of claims 1 to 5,
At least one of the two arm waveguides is a waveguide in which a stress relief groove is formed on a part of both sides, and birefringence of each of the two arm waveguides toward the propagation direction of the optical signal A birefringence is adjusted so that a difference between values obtained by line integration of the two becomes a desired value.
前記二本のアーム導波路少なくとも一方は、応力付与膜が上面に形成された導波路であって、前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差が所望の値となるように複屈折が調整されていることを特徴とする光信号処理器。 The optical signal processor according to any one of claims 1 to 5,
At least one of the two arm waveguides is a waveguide having a stress applying film formed on the upper surface, and birefringence is linearly integrated in the propagation direction of the optical signal for each of the two arm waveguides. An optical signal processor, wherein birefringence is adjusted so that a difference in values becomes a desired value.
前記二本のアーム導波路少なくとも一方は、応力を変化させるための薄膜ヒータが上部に形成された導波路であって、前記二本のアーム導波路の各々について光信号の伝搬方向に向かって複屈折を線積分した値の差が所望の値となるように複屈折が調整されていることを特徴とする光信号処理器。 The optical signal processor according to any one of claims 1 to 5,
At least one of the two arm waveguides is a waveguide on which a thin film heater for changing a stress is formed, and each of the two arm waveguides is compounded in the optical signal propagation direction. An optical signal processor characterized in that birefringence is adjusted so that a difference between values obtained by line integration of refraction becomes a desired value.
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