JP2001091864A - 波長可変光部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 グレーティング構造を有するチューナブルな
波長可変光部品は、ガラスファイバーを使用したものが
開発されているが、応力印加に対する変位が非常に小さ
く、大きな変位を得ようとすると、装置が大型になった
り、ファイバーが切れてしまう等の問題があった。 【解決手段】 本発明は、グレーティングを有する光導
波路をコア長手方向に対して垂直な方向に曲げることに
より、グレーティング部分を伸縮させるようにして、従
来のコア長手方向に対して平行な引っ張りよりも、ブラ
ッグ波長を容易に変化させることができ、且つ小型で簡
便な波長可変光部品を実現したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、波長分割多重光通
信（ＷＤＭ）システム等の光通信分野における波長可変
光源、及び波長可変フィルターなどに用いられるチュー
ナブルな波長可変光部品のうち、グレーティング構造を
有する高分子光導波路を利用した波長可変光部品に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】ＷＤＭ伝送システムは、一本の光ファイ
バー中に波長が異なる複数の光を通して信号を伝送する
ものであり、光通信の容量を高めることができる。最近
では光ファイバー１芯に最大８００波長を多重させ、４
テラビット／秒まで伝送速度を高めた製品も出てきた。
この様な信号が流れる光ファイバーから必要な信号を利
用するには、単一な波長の光信号だけを合波したり、分
波する技術が必要である。ＷＤＭでは、例えば１．５５
μｍ帯の波長において、周波数間隔２００ＧＨｚ、４〜
８チャンネル多重や、周波数間隔１００ＧＨｚ、１６〜
４０チャンネル多重というシステムが一般的であり、こ
れらの波長間隔はそれぞれ、１．６ｎｍ、０．８ｎｍに
相当するため、このような波長信号から特定の波長（チ
ャンネル）を合波したり分波したりするためには、この
間隔より十分狭い透過帯域を持つＱ値の高い波長フィル
ターが必要である。

【０００３】このような狭帯域のＱ値の高い波長フィル
ターの一つにファイバー・ブラッグ・グレーティング
（ＦＢＧ）技術を使用したものがある。ＦＢＧは、光フ
ァイバー中に紫外線照射による屈折率変調グレーティン
グを形成したもので、目的の波長はグレーティングによ
り反射され、外部に設けた光カプラーや光サーキュレー
ター等と組み合わせて光を分離する技術である。しか
し、現在実用化されているＦＢＧ技術を使用した波長フ
ィルターは、ある１つの狭帯域の波長のみにしか適応で
きないものが多いので、多重された数種の波長を分離す
るためには、選択波長の数だけのフィルターが必要であ
る。そこで近年、ある波長帯に多重されたすべての波長
を分離できる、波長可変のフィルターに対する要求が高
まってきている。

【０００４】チューナブルな波長可変光部品として、Ｆ
ＢＧを利用したものが現在最も検討されている。回折格
子はグレーティング周期と導波光に対する導波路内の実
効屈折率により決定される特定の波長（ブラッグ波長）
のみが反射され、他の波長は透過するという波長選択性
を有しており、グレーティング周期と、導波路内の実効
屈折率のいずれかを変化させることで反射中心波長を変
化させることが可能である。ＦＢＧのブラッグ波長を変
化させる具体的な方法としては、グレーティング部分の
温度変化による熱膨張により実効屈折率及び周期を変化
させる方法、機械的な張力を加えてグレーティング部分
を伸縮させ周期を変化させる方法等が用いられている。
このうち、グレーティング部分の温度を変化させる方法
では、ファイバーの主原料である石英の線膨張率の温度
変化が小さく、又、屈折率変化も小さいため、波長１．
５５μｍ帯での変化は両者併せて１．２×１０^-2ｎｍ／
ｄｅｇ程度とわずかであることが報告されており、更に
温度変化を使用するため、安定させるための時間が必要
であり、波長可変による高速な光スイッチング等への適
応が困難である。

【０００５】また、機械的な張力を加えてグレーティン
グ部分の周期を変化させる方法としては、ＦＢＧのグレ
ーティング部分の両端を圧電素子を利用した移動ステー
ジや円筒型の圧電アクチュエーターに固定し、光ファイ
バーの光軸方向への張力又は圧縮力を加える方法や、グ
レーティング・ファイバーのグレーティング部分に超磁
歪合金を貼り付けて、超磁歪合金に磁界を印加してグレ
ーティング部位を引っ張る方法等でグレーティング部分
をコア長手方向に伸ばす方法が一般的であるが、圧電シ
リンダにグレーティング・ファイバーを巻きつけて圧電
シリンダを膨張させることによりグレーティング周期を
変化させる方法も提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＦＢＧ
の主原料である石英ガラスファイバー材料は張力印加に
対する変位が非常に小さく、波長可変の幅が限られてし
まうこと、大きな変位を得ようとすると、駆動用のピエ
ゾ素子には１００Ｖ以上の高電圧をかけねばならず、ま
た装置が大型になったり、取り扱いがやっかい等の問題
があった。更に、ファイバーを２点で固定し引っ張るこ
とにより固定部分に大きな張力がかかり、ファイバーが
切れてしまう等の問題も生じてしまう。従って本発明
は、これらの従来技術の不都合を解決し、ピエゾ素子に
よる張力印加においても低電圧駆動でブラッグ波長を容
易に変化させることができ、且つ小型で簡便な波長可変
光部品を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明者は、グレーティング光導波路に変位を与え
る方向を光導波路のコアの長手方向に対して平行な方向
ではなく、コアの長手方向に対して垂直な方向への曲げ
の応力を加えることにより、グレーティング部分を引っ
張りブラッグ波長を容易に変化させることができ、且つ
小型で簡便な波長可変光部品を実現したものである。更
に、光導波路のグレーティング部分を高分子材料により
構成することにより、従来のファイバーグレーティング
と比較して小さな張力で大きな変位が得られ、更に、前
記高分子光導波路はピエゾアクチュエーターとの一体化
が容易なために、基板を曲げることにより生じるファイ
バーのたわみ、ずれ等の問題が無く、基板の変化が効率
良く安定にグレーティング部分に伝わる。このため、部
品自体の構造が単純で容易に作製可能であり、且つ小型
で低電圧駆動する波長可変光部品を実現できる。

【０００８】

【発明の実施の形態】

【実施例】図１は本発明の波長可変部品の一実施例の構
成を説明図で、（ａ）は斜視平面図、（ｂ）はコア長手
方向に沿った断面図、（ｃ）は曲がりの応力をかけた時
のコア長手方向に沿った断面図を示す。図１において、
５はレリーフ型光導波路グレーティング構造を有する高
分子光導波路で、１はレリーフ型グレーティング、２は
コア、３はクラッドである。１４はフレキシブルな基
板、１５は基板１４に応力を印加すめためのピエゾアク
ュエーター、１２はピエゾアクチュエーター１５の印加
電圧源、１６はベース、１７はベース１６にフレキシブ
ルな基板１４を固定するとめ具である。図１に示すレリ
ーフ型光導波路の作製法について特に限定は無く、スピ
ンコート法による薄膜堆積、フォトリソグラフィー、エ
ッチングなどによるコアリッジ加工による通常の埋め込
み型チャネル導波路を作製するプロセスに準ずる。フレ
キシブルな基板１４上にクラッド３を形成し、その上に
コア２を堆積する。

【０００９】レリーフ型グレーティング１はコア２堆積
後、又はコアリッジ作製後にレジストを塗布し、２光束
干渉露光、位相マスク露光、電子ビーム描画等によりグ
レーティングパターンを書きこみ、現像、エッチング工
程を経ることで作製できる。またコア２の材料としてフ
ォトポリマーを用いた場合は、レジストを使用せず直接
コアに書きこむこともできる。また近年、電子線描画装
置等のマイクロマシング技術を用いて作製した構造を鋳
型に用いて高分子導波路グレーティングを作製する技術
も報告されている。高分子材料としては、薄膜作製が可
能であり、制御温度範囲において安定なものであれば使
用可能である。例としてアクリル系ポリマー、シリコー
ン樹脂、ＵＶ硬化樹脂等が使用可能である。グレーティ
ングの作製後に、その上面にクラッド３を形成して完成
する。

【００１０】フレキシブルな基板１４はその両端をとめ
具１７によりベース１６に固定され、基板１４の下面に
基板１４に曲げ変位を与えるためのピエゾアクチュエー
ター１５が設けられている。ピエゾアクチュエーター１
５は、電圧源１２により電圧を加えることにより、ピエ
ゾアクチュエーター１５を伸張させ、それにより基板１
４に反りを与える構造である。この目的達成のために、
ピエゾアクチュエーター１５には、縦効果型圧電素子が
使用される。縦効果型圧電アクチュエーターは変位方向
の電界を加える、印加電圧が過度に高くなるのを抑える
ため、セラミックコンデンサと同じ製造法で積層構造に
する場合が多い。駆動力と応答性に優れているため、精
密旋盤のダイヤモンド刃先の位置決めや、走査トンネル
顕微鏡の針の駆動などに使用されている。圧電アクチェ
エータの実際の変位量は、アクチュエーターを構成する
ピエゾ物質の層の数、ピエゾの材質そのもの、各層に供
給される電圧に依存するが、消費電力が低く、一定の負
荷が加わったある位置を保持させるにはほとんどエネル
ギーを消費しない。

【００１１】図１において高分子光導波路５は基板１４
の変位方向に対して垂直に形成されている。このため、
アクチュエーター１５に電圧源１２を用いて電圧を印加
すると、フレキシブルな基板１４の両端はとめ具１７に
よりベース１６に固定されているが、中心部はアクチュ
エーター１５によって押し上げられるため、フレキシブ
ルな基板１４は図１の（ｃ）のように曲げられ、これに
より高分子光導波路５のグレーティング部分が引っ張ら
れその周期が変化する。高分子光導波路５を曲げる場合
には、これを直線的に引っ張る場合と比較してグレーテ
ィング部分における各周期の変化率がその位置によって
異なるが、回折格子では、グレーティング部分に刻まれ
た一つ一つの周期における変化率に多少の違いが生じた
としても、それらの平均の値がグレーティング部分全体
としてのの変化率として認識されるため、このように曲
げを介した引っ張りの場合でも、伸び率に応じて一定の
ブラッグ中心波長の変化が得られる。

【００１２】尚、上記の図１の実施例では、フレキシブ
ルな基板１４の両端をベース１６に固定する例について
説明したが、フレキシブルな基板１４は必ずしもその両
端をベース１６に固定する必要はなく、その一端だけを
ベース１６に固定する片持ち梁の方式としても良い。
又、上記の図１の実施例においては、フレキシブルな基
板１４の上に設ける光導波路をレリーフ型光導波路グレ
ーティング構造を有する高分子光導波路５を使用した波
長可変光部品について説明したが、高分子光導波路５に
代えて屈折率変調型グレーティング構造を有する高分子
光導波路や、グレーティング構造を有するファイバー光
導波路を使用することもできる。

【００１３】又、フレキシブルな基板１４を曲げるため
のアクチュエーターにピエゾ素子を使用した例について
説明したが、アクチュエーターはピエゾ素子に限定され
るものではなくフレキシブルな基板１４を曲げるための
力を発生することができるものであればどのようなもの
でも使用することが可能である。又、上記図１の実施例
において、高分子光導波路５を独自に作製し、これにピ
エゾ素子を配したフレキ基板に接着する構成としても、
同様の機能を持った波長可変部品を実現することが可能
である。図１に示した実施例は、グレーティング光導波
路を作りこんだフレキ基板をアクチュエーターを利用し
て曲げることにより波長可変を得る光部品の一例であ
り、光導波路基板をアクチュエーターで曲げる構造のも
のであれば、基板の種類、アクチュエーターの種類、基
板に対するアクチュエーターの取りつけ方法及びその構
造に対して特に制限は無く、色々な構造が提案できる。

【００１４】図２は本発明の波長可変光部品の他の実施
例の構成を説明する図で、（ａ）は透視平面図、（ｂ）
はコア長手方向に沿った断面図、（ｃ）は曲がりの応力
をかけた時のコア長手方向に沿った断面図を示す。図２
において、５はレリーフ型導波路グレーティング構造を
有する高分子光導波路である。１１は高分子光導波路の
基板のピエゾ素子である。１２はピエゾ素子の印加電圧
源である。図２の実施例では、グレーティング構造を有
する高分子光導波路の基板１１にバイモフル型ピエゾ素
子を使用し、ピエゾ素子１１に電圧源１２により電圧を
加えることにより、基板を曲げるアクチュエーターの機
能を持たせたものである。ピエゾ素子１１の材料は、鉛
ジルコニア酸塩チタン酸塩（ＰＺＴ）のよう多結晶セラ
ミックであり、すでに多くの製品が販売されている。ピ
エゾ素子としては、バイモルフ型圧電素子が使用され
る。

【００１５】バイモルフ型圧電素子は２枚の圧電索子を
金属板を挟んで張り合わせ（金属板は無くても良い）、
一方のアクチュエーターが延び、他方のアクチュエータ
ーが縮みになるように電圧をかけて、張り合わせ面に垂
直方向の反りを生じさせる方式のものである。縦効果型
のものに比べて、低い駆動電圧で大きな変位が得られる
ためインクジェットプリンタへの応用や、センサと集積
化した弁、小型自走機械などに使用されている。グレー
ティング構造を有する高分子光導波路５は、ピエゾ素子
１１の基板上に、ピエゾ素子への電圧印加による変位方
向に対して垂直の方向に高分子光導波路グレーティング
が形成されている。

【００１６】図２の構成では、基板１１自体が曲げ基板
となるため、基板１１上に作製された光導波路は基板と
一体に曲げられるので、印加電圧源１２の電圧を制御す
ることによりグレーティング周期を変化させることが可
能になる。ピエゾ素子１１に印加電圧１２を加えた時の
変化の様子は図２（ｃ）に示されている。尚、上記の図
２の実施例では、レリーフ型光導波路グレーティング構
造を有する高分子光導波路５を使用した波長可変光部品
について説明したが、高分子導波路５に代えてグレーテ
ィング構造を有するファイバー光導波路を使用しても同
様の機能を持った波長可変光部品を実現することができ
る。又、上記図２の実施例では、高分子光導波路５をピ
エゾ素子基板１１の上に直接製作する方法について説明
したが、高分子光導波路５を独自に作製しこれをピエゾ
素子の基板に接着する構成としても同様の機能を持った
波長可変部品を実現することができる。

【００１７】図３はに屈折率変調型光導波路を使用した
本発明の波長可変光部品の説明図で、（ａ）は透視平面
図、（ｂ）はコア長手方向に沿った断面図を示す。図３
において、１０は屈折率変調型光導波路で、６は屈折率
変調型グレーティング、７はコア、８はクラッド、９は
屈折率変調型光導波路の基板のバイモフル型ピエゾ素子
である。屈折率変調型光導波路の作製法は、屈折率変調
型光導波路の基板９上にクラッド８を形成し、その上に
コア７を堆積し、その上に更にクラッド８を形成する。
コア７には、光または電子線の照射により屈折率が変化
する材料を用い、２光束干渉露光、位相マスク露光、電
子ビーム描画等によりグレーティングパターンを屈折率
変化として書きこむことで作製できる。例として、アク
リル系ポリマーは電子線照射により屈折率が増大し、ベ
ンゼン環含有シリコーンポリマーはＵＶ照射により屈折
率が低下することから、屈折率変調型グレーティングの
作製に使用可能である。

【００１８】屈折率変調型グレーティング構造を有する
高分子光導波路１０は、ピエゾ素子９の基板上に、ピエ
ゾ素子への電圧印加による変位方向に対して垂直方向に
高分子光導波路グレーティングが形成されている。図３
の実施例では、屈折率変調型グレーティング構造を有す
る高分子光導波の基板９にバイモフル型ピエゾ素子を使
用し、図２と同様にピエゾ素子に電圧源１２により電圧
を加えることにより、基板を曲げるアクチュエーターの
機能を持たせたものである。図３の実施例も図２の実施
例と同様に、基板９自体が曲げ基板となるため、基板９
上に作製された光導波路１０は基板９と一体に曲げられ
るので、印加電圧を制御することによりグレーティング
周期を変化させることが可能になる。尚、上記図３の実
施例では、高分子光導波路１０をピエゾ素子基板９の上
直接制作する方法について説明したが、高分子光導波路
１０を独自に作製しこれをピエゾ素子の基板に接着する
構成としても同様の機能を持った波長可変部品を実現す
ることができる。

【００１９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の波長可変光部品は、グレーティングを有する光導波路
をコア長手方向に対して垂直方向に曲げることにより、
グレーティング部分を伸縮させるため、従来の平行方向
への引っ張りによる変位と比較して、同じ駆動電圧にお
ける変位が大きいため、より低電圧での駆動ができ且つ
小型で簡便な波長可変光部品を実現できる。特に、光導
波路のグレーティング部分を高分子材料により構成する
ことにより、従来のファイバーグレーティングと比較し
て小さな張力で大きな変位が得られ、更に高分子光導波
路はピエゾアクチュエーターとの一体化が容易なため
に、基板を曲げることにより生じるファイバーのたわ
み、ずれ等の問題が無く、基板の変化が効率良く安定に
グレーティング部分に伝わる。このため、部品自体の構
造が単純で容易に作製可能であり、且つ小型で低電圧駆
動する波長可変光部品を実現できる。本発明の波長可変
光部品は、従来技術と比べて小型であり、非常に単純な
構造であることから、合分波器、波長スイッチング素
子、レーザ光源の外部共振器等、広い範囲への利用が期
待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の波長可変部品の一実施例の構成を説明
する図である。

【図２】本発明の波長可変光部品の他の実施例の構成を
説明する図である。

【図３】本発明の波長可変部品の更に他の実施例の構成
を説明する図である。

【符号の説明】

１・・・レリーフ型グレーティング ２・・・レリーフ型グレーティングコア ３・・・レリーフ型グレーティングのクラッド １１，１４・・・レリーフ型光導波路の基板 ５・・・レリーフ型光導波路 １５・・・ピエゾアクチュエータ １６・・・ベース １７・・・とめ具 ６・・・屈折率変調型グレーティング ７・・・屈折率変調型グレーティングコア ８・・・屈折率変調型グレーティングのクラッド ９・・・屈折率変調型光導波路の基板 １０・・・屈折率変調型光導波路 １２・・・ピエゾ素子の電圧源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山盛明日香 長野県小県郡東部町大字滋野乙1382番地１ ミマキ電子部品株式会社内 Ｆターム(参考） 2H041 AA21 AB10 AB38 AC08 AZ03 2H047 KA01 LA02 RA08

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】コア部にグレーティング構造を有する光導
   波路、該光導波路が取り付けられたフレキシブルな基
   板、該フレキシブルな基板に機械的な曲げ力を加える加
   力手段、とを具備し加力手段により光導波路が設けられ
   たフレキシブルな基板を曲げることにより、光導波路の
   グレーティング周期を変化させ波長可変を行う波長可変
   光部品。
2. 【請求項２】請求項１に記載の波長可変光部品におい
   て、機械的な曲げ力を加える加力手段がピエゾ素子を使
   用することを特徴とする波長可変光部品。
3. 【請求項３】請求項１に記載の波長可変光部品におい
   て、フレキシブルな基板にバイモルフピエゾ素子を使用
   することを特徴とする波長可変光部品。
4. 【請求項４】請求項３に記載の波長可変光部品におい
   て、曲げ力を加えられる光導波路が高分子材料からなっ
   ており、該高分子光導波路がバイモルフ型ピエゾ素子基
   板上に、一体化形成された構造を有することを特徴とす
   る波長可変光部品。
5. 【請求項５】請求項４に記載の波長可変光部品におい
   て、高分子光導波路のグレーティングとして、レリーフ
   型のグレーティングを使用したことを特徴とする波長可
   変光部品。
6. 【請求項６】請求項４に記載の波長可変光部品におい
   て、高分子光導波路のグレーティングとして、屈折率変
   調型グレーティングを使用したことを特徴とする波長可
   変光部品。