JP2004145167A

JP2004145167A - Variable optical attenuator and variable optical attenuator module

Info

Publication number: JP2004145167A
Application number: JP2002312098A
Authority: JP
Inventors: Masaya Suzuki; 鈴木　賢哉; Yasuaki Hashizume; 橋詰　泰彰; Yasuyuki Inoue; 井上　靖之
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2002-10-28
Filing date: 2002-10-28
Publication date: 2004-05-20

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a variable optical attenuator in which polarization dependence is resolved. <P>SOLUTION: The variable optical attenuator is constructed with a free propagation region 5, a refractive index modulator 6, an input waveguide 1 and a first connection waveguide 2 which form an input optical waveguide and a second connection waveguide 3 and an output waveguide 4 which form an output optical waveguide. A light wave is inputted from the input optical waveguide to the free propagation region 5 and simultaneously a refractive index n<SB>2</SB>of the free propagation region 5 is varied with the refractive index modulator 6. Thereby a propagation direction θt of the light wave inputted from the first connection waveguide 2 to the free propagation region 5 is varied and the light wave is outputted to the second connection waveguide 3 with varied coupling efficiency of the light wave. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光強度を減衰させる光可変減衰器に関し、例えば、光ファイバ通信に用いられる導波路光部品に適用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
光通信技術の急速な発達により、各種光部品が研究開発されているが、中でも平面基板上の光導波路を基本とした導波路型光部品が最も重要な位置を占めている。これは、フォトリソグラフィ技術および微細加工技術により、光波長以下の精度で再現性良く導波路型光部品を量産することができるという特徴を有するからである。
【０００３】
各種導波路型光部品の中でも、光可変減衰器は波長分割多重通信におけるチャネル間の信号強度のばらつきの補正や光ファイバアンプの利得等化などに用いられ、その低価格化、歩留まり及び量産性の向上が望まれている光部品である。特に、光ファイバアンプの利得等化については、可変減衰量が１５ｄＢ以上、偏波依存性が０．２ｄＢ以下という厳しいスペックが要求されている。
【０００４】
以下に図を用いて従来の光可変減衰器を説明する。図８は従来型の光可変減衰器の概略構成図である。同図に示すように、光可変減衰器１００において、入力導波路１０１より入射した光波は、第１光方向性結合器１０２により、第１アーム導波路１０３および第２アーム導波路１０４へと等強度に２つに分岐される。次に、第１アーム導波路１０３および第２アーム導波路１０４を伝搬した光波は第２方向性結合器１０７により合波され出力導波路１０８および出力導波路１０９から出力される。ここで、第１アーム導波路１０３と第２アーム導波路１０４の長さは等しく設定される。
【０００５】
第１アーム導波路１０３を伝搬する光波の位相は、その上部に配置された薄膜ヒータ１０５から供給される熱によって制御される。すなわち、電流源１０６から薄膜ヒータ１０５に供給される電流Ｉを制御することにより、第１アーム導波路１０３を伝搬する光波の位相を連続的に変化させることができる。
【０００６】
出力導波路１０８における光波の減衰量Ａｔｔ（Δφ）は、第１アーム導波路１０３を伝搬する光波に与えられた位相シフト量Δφにより、入力光強度をＰ０として下記数１に示す式で与えられる。
【０００７】
【数１】

【０００８】
図９は、前述する従来の光可変減衰器を石英系光導波路を用いて作製した場合の減衰量特性の一例を示した特性図である。同図において、横軸は印加電力（Ｗ）であり、縦軸は上記数１に示す式で表される減衰量（ｄＢ）である。光可変減衰器の作製にあたっては、火炎堆積法および反応性イオンエッチングによる一般的な石英系光導波路の作製方法が用いられている。同図に示すように、０．５Ｗの印加電圧で減衰量は最大（すなわち出力強度は最小）の約２５ｄＢであり、良好な特性を示している（例えば、下記非特許文献１参照）。
【０００９】
【非特許文献１】
Ｏｋｕｎｏ　ｅｔ　ａｌ　，“８ｘ８　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｍａｔｒｉｘ　Ｓｗｉｔｃｈ　Ｕｓｉｎｇ　Ｓｉｌｉｃａ−Ｂａｓｅｄ　Ｐｌａｎａｒ　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｃｉｒｃｕｉｔｓ”，ＩＥＩＣＥ　Ｔｒａｎｓ．　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，日本，１９９３年　７月，Ｖｏｌ．Ｅ７−Ｃ，Ｎｏ．７，ｐ１２１５−ｐ１２２３
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光可変減衰器では、減衰量が大きくなるにつれて入力光の偏波依存性も大きくなり、例えば、ＴＭ偏波に対して最大減衰量が得られる条件（図９において印加電力０．５Ｗ）では、ＴＭ偏波とＴＥ偏波とで最大６ｄＢもの差が発生してしまう。これは、第１アーム導波路１０３がＴＭ偏波とＴＥ偏波に対して異なる熱光学定数を有するため、ある電力を薄膜ヒータ１０５に印加した状態において、ＴＭ偏波とＴＥ偏波とで位相シフト量が異なることが原因であった。
【００１１】
したがって、従来の導波路型の光可変減衰器においては、低電力で作動すると共に最大減衰量も十分確保され、良好な光学特性を実現しているものの、偏波依存性が大きいという問題が生じていた。特に、減衰量が大きくなる領域では、偏波依存性も極端に大きくなるため、実際のシステムへ適用する際の大きな障害となっていた。
【００１２】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、偏波依存性を解消した光可変減衰器を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決する第１の発明は、入力用の光導波路と、自由伝搬領域と、出力用の光導波路と、屈折率変調手段とからなり、
前記入力用の光導波路は、前記自由伝搬領域に接続され、前記自由伝搬領域に光波を入力し、
前記屈折率変調手段は、前記入力用の光導波路の有する屈折率ｎ_１又は前記自由伝搬領域の有する屈折率ｎ_２の少なくとも一方を変化させ、
前記自由伝搬領域は、前記入力用の光導波路から入力される光波の伝搬方向を変化させると共に、当該自由伝搬領域に接続される前記出力用の光導波路へ光波の結合効率を変化させて出力することを特徴とする光可変減衰器である。
【００１４】
屈折率変調手段により自由伝搬領域の屈折率を変化させ、自由伝搬領域において、入力用の光導波路から入力される光波の伝搬方向を変化させることにより、出力用の導波路に対する光波の結合効率を変化させ、出力用の導波路から出力される光波の減衰率を変化させる。
【００１５】
前記課題を解決する第２の発明は、第１の発明に係る光可変減衰器において、
前記入力用の光導波路または前記出力用の光導波路の少なくとも一方は、前記自由伝搬領域との開口数が小さくなるモード変換構造を有することを特徴とする光可変減衰器である。
自由伝搬領域との開口数が小さくなるモード変換構造を有する光導波路とすることで、伝搬する光波の広がりを抑え、効果的な光減衰効果を得る。
【００１６】
前記課題を解決する第３の発明は、第１又は第２の発明に係る光可変減衰器において、
前記入力用の光導波路から前記自由伝搬領域に光波を入力する際に、入射角θ１（０°≦θ１＜９０°）で入射するように、前記入力用の光導波路が前記自由伝搬領域に接続されていることを特徴とする光可変減衰器である。
【００１７】
前記課題を解決する第４の発明は、第１ないし第３のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、
前記自由伝搬領域は、前記入力用の光導波路と前記出力用の光導波路との間に形成された溝と、前記溝に充填された充填剤とにより構成されることを特徴とする光可変減衰器である。
【００１８】
例えば、同一の基板上に入力用の光導波路と出力用の光導波路とを作製し、入出力用の光導波路の間に溝を形成すると共に、充填剤を充填して自由伝搬領域を作製することにより、光可変減衰器の製造工程を簡便にする。
【００１９】
前記課題を解決する第５の発明は、第１ないし第４のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、
前記入力用の光導波路及び前記出力用の光導波路は、石英系光導波路であることを特徴とする光可変減衰器である。
【００２０】
前記課題を解決する第６の発明は、第１ないし第５のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、
前記自由伝搬領域は、シリコーン樹脂からなることを特徴とする光可変減衰器である。
【００２１】
入出力用の光導波路を石英系光導波路とし、自由伝搬領域をシリコーン樹脂から形成することにより、両者の屈折率比の制御を容易にする。
【００２２】
前記課題を解決する第７の発明は、第１ないし第６のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、
前記入力用の光導波路の有する熱光学定数と、前記自由伝搬領域の有する熱光学定数とが異なることを特徴とする光可変減衰器である。
【００２３】
入力用の光導波路と自由伝搬領域とを熱光学定数が異なる材料で作製することにより、両者の屈折率比の制御を容易にする。
【００２４】
前記課題を解決する第８の発明は、第１ないし第７のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、
前記入力用の光導波路の有する屈折率ｎ_１の電界依存性と、前記自由伝搬領域の有する屈折率ｎ_２の電界依存性とが異なることを特徴とする光可変減衰器である。
【００２５】
入力用の光導波路と自由伝搬領域とを屈折率の電界依存性が異なる材料で作製することにより、両者の屈折率比の制御を容易にする。
【００２６】
前記課題を解決する第９の発明は、第１ないし第８のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、
前記入力用の光導波路の有する屈折率ｎ_１の機械的な応力依存性と、前記自由伝搬領域の有する屈折率ｎ_２の機械的な応力依存性とが異なることを特徴とする光可変減衰器である。
【００２７】
入力用の光導波路と自由伝搬領域とを屈折率の機械的応力依存性が異なる材料で作製することにより、両者の屈折率比の制御を容易にする。
【００２８】
前記課題を解決する第１０の発明は、第１ないし第７のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、
前記屈折率変調手段は、前記入力用の光導波路又は前記自由伝搬領域の少なくとも一方を加熱又は冷却することにより前記入力用の光導波路の有する屈折率ｎ_１又は前記自由伝搬領域の有する屈折率ｎ_２の少なくとも一方を変化させる装置、ヒーター又はペルチェ素子であることを特徴とする光可変減衰器である。
【００２９】
前記課題を解決する第１１の発明は、第１ないし第６のいずれか又は第８の発明に係る光可変減衰器において、
前記屈折率変調手段は、前記入力用の光導波路又は前記自由伝搬領域の少なくとも一方に電界を作用させることにより前記入力用の光導波路の有する屈折率ｎ_１又は前記自由伝搬領域の有する屈折率ｎ_２の少なくとも一方を変化させることを特徴とする光可変減衰器である。
【００３０】
前記課題を解決する第１２の発明は、第１ないし第６のいずれか又は第９の発明に係る光可変減衰器において、
前記屈折率変調手段は、前記入力用の光導波路又は前記自由伝搬領域の少なくとも一方に機械的な応力を作用させることにより前記入力用の光導波路の有する屈折率ｎ_１又は前記自由伝搬領域の有する屈折率ｎ_２の少なくとも一方を変化させることを特徴とする光可変減衰器である。
【００３１】
前記課題を解決する第１３の発明は、第１０の発明に係る光可変減衰器を有し、前記屈折率変調手段にヒートシンクを密接させたことを特徴とする光可変減衰器モジュールである。
【００３２】
高い応答性で屈折率を制御することができる光可変減衰器とした光可変減衰器モジュールを実現する。
【００３３】
本発明に係る光可変減衰器では、自由伝搬領域の屈折率を変化させることにより、入力用の光導波路から自由伝搬領域に入力される伝搬光の進路を変化させる。このようにして伝搬光の進路を変化させることにより、自由伝搬領域から出力用の光導波路への光の結合効率を変化させ、光可変減衰器としての動作を実現する。また、自由伝搬領域の屈折率を変化させることにより、光導波路と自由伝搬領域の間の開口数を変化させ、光可変減衰器としての動作を実現する。
【００３４】
図１は本発明に係る光可変減衰器の一例の概略構成図であるが、以下の説明は本発明を限定するものではない。同図に示すように、光可変減衰器９は、自由伝搬領域５と、自由伝搬領域５に一定の角度θ１（０°≦θ１＜９０°）をもって接続される第１接続導波路２と、第１接続導波路２に接続される入力導波路１と、自由伝搬領域５の所定の位置に一定の角度θ２（０°≦θ２＜９０°）をもって接続される第２接続導波路３と、第２接続導波路３に接続される出力導波路４と、自由伝搬領域５の直近に配設された屈折率変調器６とからなる。入力導波路１と第１接続導波路２とから「入力用の光導波路」が構成され、出力導波路４と第２接続導波路３とから「出力用の光導波路」が構成される。
【００３５】
光可変減衰器９において、入力導波路１から入射した光波は、第１接続導波路２を経由して自由伝搬領域５へと入射される。このとき、第１接続導波路２と自由伝搬領域５とは、第１接続導波路２と自由伝搬領域５との接続点Ｐ１において、入射角θ１（０°≦θ１＜９０°）の角度をもって接続されている。ここで、入射角θ１とは、入射された光波の光軸と自由伝搬領域５から垂直に引いた仮想線とがなす角度である。
【００３６】
ここで、第１接続導波路２の屈折率をｎ_１、自由伝搬領域５の屈折率をｎ_２とすると、自由伝搬領域５において伝搬する光波の伝搬方向θｔは、θ１（０°＜θ１＜９０°）との関係で、スネルの法則より下記数２に示す式で与えられる。ここで、伝搬方向θｔとは、自由伝搬領域５において伝搬する光波の光軸と自由伝搬領域５から垂直に引いた仮想線とがなす角度である。
【００３７】
【数２】

【００３８】
更に、自由伝搬領域５の直近に配設された屈折率変調手段である屈折率変調器６により、自由伝搬領域５の屈折率ｎ_２を変化させることができるようになっている。屈折率変調器６としては、例えば、温度を変化させて屈折率を変調させるもの、電界をかけて屈折率を変調させるもの、機械的な応力（ひずみ）をかけることで屈折率を変調させるもの等が考えられる。
【００３９】
屈折率変調器６により自由伝搬領域５の屈折率ｎ_２を変化させることにより、上記数２に示す式に基づいて、自由伝搬領域５における光波の伝搬方向θｔを変化させることができる。
【００４０】
ここで、自由伝搬領域５と第２接続導波路３とは、自由伝搬領域５と第２接続導波路３との接続点Ｐ２において、出射角θ２の角度をもって接続されている。また、接続点Ｐ２は、自由伝搬領域５と第２接続導波路３との界面と、初期状態の伝搬方向θｔで自由伝搬領域５内を伝搬する光波とが交差する点に位置している。
【００４１】
なお、初期状態の伝搬方向θｔとは、屈折率変調器６を作動させない状態における自由伝搬領域５の屈折率ｎ_２に基づく伝搬方向のことである。また、図１における自由伝搬領域５には、初期状態の光波の伝搬方向を点線で示してある。この状態においては、入力導波路１から入力された光波は、ほぼ完全な結合効率で出力導波路４から出力されている。
【００４２】
前述する構成を有する光可変減衰器９において、屈折率変調器６を作動させることにより、入力導波路１から入力され自由伝搬領域５を伝搬する光波の接続点Ｐ２における第２接続導波路３への結合効率を変化させることが可能となり、光可変減衰器としての動作を実現することができる。
【００４３】
なお、入射角θ１について０°＜θ１＜９０°の範囲では、上記原理により光強度を減衰させることができるが、θ１＝０°の場合には、上記原理とは異なった原理に基づいて光強度が減衰する。θ１＝０°の場合には、以下の原理に基づく。すなわち、自由伝搬領域５の屈折率を変化させることにより、自由伝搬領域５と第１接続導波路２の間の開口数、もしくは自由伝搬領域５と第２接続導波路３の間の開口数を変化させることができる。開口数を変化させることにより、第１接続導波路２から出射する光波の自由伝搬領域５におけるビームの広がりを変化させることができ、この結果、第２接続導波路３への光波の結合効率を変化させ、光可変減衰器としての動作を実現することができる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下に図面および数値を挙げて本発明の実施形態を詳細に説明するが、以下の実施形態は本発明を限定するものではない。
【００４５】
［第１の実施形態］
図２は、第１の実施形態に係る光可変減衰器の概略構成図である。同図に示すように、第１の実施形態に係る光可変減衰器１０は、自由伝搬領域１５と、自由伝搬領域１５に一定の角度θ１をもって接続される第１接続導波路１２と、第１接続導波路１２に接続される入力導波路１１と、自由伝搬領域１５の所定の位置に一定の角度θ２をもって接続される第２接続導波路１３と、第２接続導波路１３に接続される出力導波路１４と、自由伝搬領域１５の直近に配設された屈折率変調手段である薄膜ヒータ１６とからなる。入力導波路１１と第１接続導波路１２とから「入力用の光導波路」が構成され、出力導波路１４と第２接続導波路１３とから「出力用の光導波路」が構成される。
【００４６】
第１の実施形態に係る光可変減衰器１０では、幅Ｗ１の入力導波路１１を第１接続導波路１２に、第１接続導波路１２を自由伝搬領域１５へと接続した。自由伝搬領域１５は、第１接続導波路１２と角度θ１で交差する幅Ｄｓの溝１７に充填剤としてシリコーン樹脂を充填することで形成した。
【００４７】
更に、第１接続導波路１２と自由伝搬領域１５の接続点から自由伝搬領域１５の長さ方向にＳの距離だけ離れた位置において、自由伝搬領域１５に第２接続導波路１３を接続した。なお、自由伝搬領域１５の長さ方向とは、自由伝搬領域１５において第１接続導波路１２と第２接続導波路１３とが接続される面の間の距離を示す幅Ｄｓに対して直行する方向である。
【００４８】
図３は、第１接続導波路１２と自由伝搬領域１５との接続部分の拡大図である。第１接続導波路１２には、自由伝搬領域１５とのモード不整合により生じる不要損失、すなわち光可変減衰器として動作していないときに生じる損失を低減するためにモード変換構造を設けた。すなわち、同図に示すように、第１接続導波路１２の入力導波路１１側の領域から自由伝搬領域１５側に向かい、長さＬ１にわたって、導波路幅がＷ１からＷ２へと広くなると共に、自由伝搬領域１５との境界まで、長さＬ２にわたって導波路幅Ｗ２を維持するモード変換構造を作製した。本構造により、自由伝搬領域１５に対する導波路の開口数を小さく設定することができ、前述した不要損失を低減することができる。また、第２接続導波路１３に対しても、同様のモード変換構造を作製した。
【００４９】
本実施形態においては、Ｗ１＝６μｍ、Ｗ２＝１０μｍ、Ｌ１＝２５０μｍ、Ｌ２＝２５０μｍ、θ１＝θ２＝６０°、Ｓ＝２１１．５μｍ、導波路コアの厚みＨ＝６μｍ、自由伝搬領域１５である溝１７の幅Ｄｓ＝５０μｍとし、光可変減衰器を作製した。導波路コアとは、入出力導波路１１、１４、第１及び第２接続導波路１２、１３のコアをいう。これらの導波路としては、一般的な火炎堆積法と反応性イオンエッチングにより作製した石英系光導波路とした。
【００５０】
本実施形態に係る光可変減衰器１０において、２５℃における石英系光導波路の屈折率ｎ_１は１．４５２であり、自由伝搬領域１５を形成するシリコーン樹脂の屈折率ｎ_２は１．３９１である。また、石英系光導波路の熱光学定数は　０．００００１／℃であり、シリコーン樹脂の熱光学定数は−０．０００４／℃である。
【００５１】
したがって、温度２５℃の場合には、第１接続導波路１２から自由伝搬領域１５へと入射角θ１で入射された光波は、上記数２に示すスネルの法則により石英系光導波路の屈折率ｎ_１とシリコーン樹脂の屈折率ｎ_２との差に基づき屈折し、θｔ＝６４．７°の角度で自由伝搬領域１５を伝搬し、第２接続導波路１３から出射される。
【００５２】
なお、光波が伝搬方向θｔ＝６４．７°の角度で自由伝搬領域１５を伝搬する状態（温度２５℃における光路）を初期状態とする。図２における自由伝搬領域１５には、初期状態の光波の伝搬方向を点線で示してある。この状態においては、入力導波路１１から入力された光波は、ほぼ完全な結合効率で出力導波路１４から出力されている。
【００５３】
ここで、薄膜ヒータ１６に電力を印加すると、自由伝搬領域１５を形成するシリコーン樹脂の屈折率ｎ_２が温度依存性を有し変化するため、スネルの法則に基づき、自由伝搬領域１５を伝搬する光波の伝搬方向θｔが変化する。ここで、伝搬方向θｔの変化率は、０．０３５°／℃である。
【００５４】
すなわち、光波が自由伝搬領域１５と第２接続導波路の界面に到達する位置は、０．３３μｍ／℃の割合で移動する。この結果、入力導波路１１から入力され自由伝搬領域１５を伝搬する光波の第２接続導波路１３への結合効率を変化させることが可能となり、光可変減衰器としての動作を実現することができる。
【００５５】
なお、薄膜ヒータ１６の加熱により、自由伝搬領域１５だけでなく光導波路も加熱され屈折率が変化してしまう場合がある。この場合には、本実施形態のように両部材を構成する材料について熱光学定数が大きく異なるものを使用することにより、一方のみの屈折率を大きく変化させ、両者の屈折率比を変化させることができる。
【００５６】
図４は、本実施形態に係る光可変減衰器の薄膜ヒータ１６への印加電力と減衰量との関係を測定した結果を示す関係図である。同図に示すように、薄膜ヒータ１６へ０．２３Ｗの電力を印加した場合には、約１８ｄＢの減衰量を得ることができた。また、このとき偏波依存性ＰＤＬは０．１ｄＢと非常に小さく、ＴＭ偏波及びＴＥ偏波共に同等の減衰量を得ることができるという、良好な特性であることが分かった。
【００５７】
従来の光減衰方式においては、干渉計アームにおいて熱光学効果により生じる屈折率の変化には偏波依存性が存在していたため、光可変減衰器としてのＰＤＬが生じていた。すなわち、光可変減衰器としてのＰＤＬが生じるのは、干渉計アームにおいて、基板に対して垂直方向及び水平方向に加わる応力が異なることが原因であった。一方、本実施形態に係る光減衰方式では、自由伝搬領域において熱光学効果により生じる屈折率の変化を利用している。ここで、自由伝搬領域では特定の導波路構造を有しないため垂直方向及び水平方向での応力に差はなく、この結果、本実施形態においては熱光学効果による屈折率変化には偏波依存性を生じない。
【００５８】
以上説明する特性から、本実施形態に係る光可変減衰器は、減衰量１５ｄＢ以上、偏波依存性０．２ｄＢ以下という厳しいスペックが要求される光ファイバアンプの利得等化に対しても十分適用することが可能である。
【００５９】
［第２の実施形態］
図５は、第２の実施形態に係る光可変減衰器モジュールの概略外観図である。また、図６は、第２の実施形態に係る光可変減衰器モジュールの内部に配設された光可変減衰器チップの概略外観図である。なお、図６に示す光可変減衰器チップについては、機能の説明のため、部分的に透視図とした。
【００６０】
図５に示すように、光可変減衰器モジュール２０は、主として筺体２１と、入力光ファイバ２２と、出力光ファイバ２３と、ヒートシンク２５とからなる。また、図６に示すように、光可変減衰器チップ３０は、シリコン基板３１と、シリコン基板３１の上部に形成した石英３２と、石英３２の中央部に形成した溝３３に充填したシリコーン樹脂３４と、石英３２に形成した入出力導波路３６、３７と、シリコン基板３１の下部に密接させた屈折率変調手段であるペルチェ３５とからなる。
【００６１】
入力光ファイバ２２は、そのコアが入力導波路３６に一致するように接続され、出力光ファイバ２３は出力導波路３７に一致するように接続されている。また、自由伝搬領域となるシリコーン樹脂３４を充填した溝３３は、シリコン基板３１が現れる深さまで形成した。また、入出力導波路３６、３７とシリコーン樹脂３４とは接続導波路を介して接続されており、これらの接続部分は第１の実施形態と同様にして接続されている。更に、接続導波路はモード変換構造とした。
【００６２】
筺体２１にはペルチェ電極２４が配線されており、内部の光可変減衰器チップ３０のペルチェ３５に接続され、光可変減衰器チップの温度を制御するようになっている。更に、光可変減衰器モジュール２０の内部においては、光可変減衰器チップ３０のペルチェ３５がヒートシンク２５に密着するように光可変減衰器チップ３０を配置した。
【００６３】
本実施形態においては、ペルチェ電極２４からの給電によりペルチェ３５から発生した熱は、熱伝導に優れたシリコン基板３１を介してシリコーン樹脂３４に伝わる。この結果、第１の実施形態と同様の作用により、シリコーン樹脂の屈折率ｎ_２と導波路の屈折率ｎ_１との比を変化させることができ、光可変減衰器として作動させることができる。なお、第１の実施形態で説明したように、シリコーン樹脂３４と石英３２との熱光学定数が大きく異なるため、本実施形態においても、主としてシリコーン樹脂３４の屈折率を大きく変化させることができる。
【００６４】
更に、本実施形態に係る光可変減衰器モジュール２０のサイズは３ｃｍ（Ｗ）×２ｃｍ（Ｄ）×１ｃｍ（Ｈ）であり、非常に小型のモジュールとすることができた。
【００６５】
本実施形態では、ペルチェ３５の設定温度を変化させることにより光可変減衰器としての効果を実現した。図７は、環境温度が２５℃の場合におけるペルチェ印加電力と光可変減衰器モジュールの減衰量の関係を示した関係図である。同図に示すように、ペルチェ３５へ０．２３Ｗの電力を印加した場合には、約１８ｄＢの減衰量を得ることができた。また、このとき偏波依存性ＰＤＬは０．１ｄＢと非常に小さく、ＴＭ偏波及びＴＥ偏波共に同等の減衰量を得ることができるという、良好な特性であることが分かった。偏波依存性が生じなくなった理由は、第１の実施形態で説明するとおりである。
【００６６】
本発明に係る光可変減衰器は、自由伝搬領域の屈折率ｎ_２と導波路の屈折率ｎ_１との比を変化させて、光減衰機能を発現させている。
【００６７】
例えば、自由伝搬領域の屈折率ｎ_２と導波路の屈折率ｎ_１との比を変化させる手段としては、例えば、温度を変化させて屈折率を変調させるもの（第１の実施形態に係る薄膜ヒータ、第２の実施形態に係るペルチェ等）、電界をかけて屈折率を変調させるもの、機械的な応力（ひずみ）をかけることで屈折率を変調させるもの等が考えられる。
【００６８】
また、自由伝搬領域の屈折率ｎ_２と導波路の屈折率ｎ_１との比を変化させる方法としては、自由伝搬領域の屈折率ｎ_２を一定に保持すると共に導波路の屈折率ｎ_１を変化させる方法、自由伝搬領域の屈折率ｎ_２を変化させると共に導波路の屈折率ｎ_１を一定に保持する方法、自由伝搬領域の屈折率ｎ_２と導波路の屈折率ｎ_１とを共に変化させる方法が考えられる。
【００６９】
また、自由伝搬領域の屈折率ｎ_２と導波路の屈折率ｎ_１との比を変化させるには、それぞれの部材を形成する材料の有する屈折率の環境依存性が大きく異なる方が良い。
【００７０】
例えば、どちらか一方の部材を環境変化により屈折率が大きく変化する材料で形成すると共に、他方を環境変化により屈折率がほとんど変化しない材料で形成する。また、どちらか一方の部材を環境変化によって屈折率が大きくなる材料で形成すると共に、他方を環境変化により屈折率が小さくなる材料で形成する。屈折率の環境依存性とは、前述した温度変化（加熱及び冷却）、電界変化、機械的ひずみ等の環境変化によってその環境下に置かれた材料の屈折率が変化することで、環境変化が温度変化である場合には熱光学定数（屈折率の温度依存性）となる。
【００７１】
また、上記実施形態では、自由伝搬領域の対向する面（図１，２では自由伝搬領域の左右）に入力用の光導波路と出力用の光導波路とを接続したが、本発明はこれに限られず、入出力光導波路を自由伝搬領域の同じ面に接続してもよい。この場合には、入出力光導波路が接続されない面にミラー等を設置し、入力用の光導波路から入射された光波がミラーで反射され出力用の光導波路から出力されるようにすること等が考えられる。更に、複数の波長の光波を一つの光可変減衰器で減衰させたい場合には、複数の入力用の光導波路と出力用の光導波路と接続することで対応することができる。
【００７２】
【発明の効果】
本発明の主たる効果は、大きな減衰量と低い偏波依存性とを両立する光可変減衰器を実現することができるということである。
【００７３】
第１の発明によれば、屈折率変調手段により自由伝搬領域の屈折率を変化させ、自由伝搬領域において、入力用の光導波路から入力される光波の伝搬方向を変化させることにより、出力用の導波路に対する光波の結合効率を変化させ、出力用の導波路から出力される光波の減衰率を変化させることができ、大きな減衰量と低い偏波依存性とを両立させた光可変減衰器を実現することができる。
【００７４】
第２の発明によれば、第１の発明に係る光可変減衰器において、前記入力用の光導波路または前記出力用の光導波路の少なくとも一方を、前記自由伝搬領域との開口数が小さくなるモード変換構造を有することとしたので、伝搬する光波の広がりを抑え、効果的な光減衰効果を得ることができる。
【００７５】
第３の発明によれば、第１又は第２の発明に係る光可変減衰器において、前記入力用の光導波路から前記自由伝搬領域に光波を入力する際に、入射角θ１（０°≦θ１＜９０°）で入射するように、前記入力用の光導波路を前記自由伝搬領域に接続したので、さらに効果的に大きな減衰量と低い偏波依存性とを両立させた光可変減衰器を実現することができる。
【００７６】
第４の発明によれば、第１ないし第３のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、前記自由伝搬領域を、前記入力用の光導波路と前記出力用の光導波路との間に形成された溝と、前記溝に充填された充填剤とにより構成したので、例えば、同一の基板上に入力用の光導波路と出力用の光導波路とを作製し、入出力用の光導波路の間に溝を形成すると共に、充填剤を充填して自由伝搬領域を作製することにより、光可変減衰器の製造工程を簡便にすることができる。
【００７７】
第５の発明によれば、第１ないし第４のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、前記入力用の光導波路及び前記出力用の光導波路を、石英系光導波路としたことにより、一般的な材料系において本発明に係る光可変減衰器を適用することができる。
【００７８】
第６の発明によれば、第１ないし第５のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、前記自由伝搬領域を、シリコーン樹脂から構成したことにより、一般的、かつ安価な材料系において本発明に係る光可変減衰器を適用することができる。
【００７９】
更に、入出力用の光導波路を石英系光導波路とし、自由伝搬領域をシリコーン樹脂から形成することにより、両者の屈折率比の制御を容易にすることができる。
【００８０】
第７の発明によれば、第１ないし第６のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、前記入力用の光導波路の有する熱光学定数と、前記自由伝搬領域の有する熱光学定数とが異なる構成すなわち、入力用の光導波路と自由伝搬領域とを熱光学定数が異なる材料で作製することにより、両者の屈折率比の制御を容易にすることができる。
【００８１】
第８の発明によれば、第１ないし第７のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、前記入力用の光導波路の有する屈折率ｎ_１の電界依存性と、前記自由伝搬領域の有する屈折率ｎ_２の電界依存性とが異なる構成、すなわち、入力用の光導波路と自由伝搬領域とを屈折率の電界依存性が異なる材料で作製することにより、両者の屈折率比の制御を容易にすることができる。
【００８２】
第９の発明によれば、第１ないし第８のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、前記入力用の光導波路の有する屈折率ｎ_１の機械的な応力依存性と、前記自由伝搬領域の有する屈折率ｎ_２の機械的な応力依存性とが異なる構成、すなわち、入力用の光導波路と自由伝搬領域とを屈折率の機械的応力依存性が異なる材料で作製することにより、入力用の光導波路と自由伝搬領域の屈折率比の制御を容易にすることができる。
【００８３】
第１０の発明によれば、第１ないし第７のいずれかの発明に係る光可変減衰器において、前記屈折率変調手段を、前記入力用の光導波路又は前記自由伝搬領域の少なくとも一方を加熱又は冷却することにより前記入力用の光導波路の有する屈折率ｎ_１又は前記自由伝搬領域の有する屈折率ｎ_２の少なくとも一方を変化させる装置、ヒーター又はペルチェ素子としたので、さらに入力用の光導波路と自由伝搬領域の屈折率比の制御を容易にし、光可変減衰器の性能を向上させることができる。
【００８４】
第１１の発明によれば、第１ないし第６のいずれか又は第８の発明に係る光可変減衰器において、前記屈折率変調手段を、前記入力用の光導波路又は前記自由伝搬領域の少なくとも一方に電界を作用させることにより前記入力用の光導波路の有する屈折率ｎ_１又は前記自由伝搬領域の有する屈折率ｎ_２の少なくとも一方を変化させる装置としたので、光可変減衰器に熱的ダメージを与えることなく、入力用の光導波路と自由伝搬領域の屈折率比の制御を行い、光可変減衰器の性能を向上させることができる。
【００８５】
第１２の発明によれば、第１ないし第６のいずれか又は第９の発明に係る光可変減衰器において、前記屈折率変調手段を、前記入力用の光導波路又は前記自由伝搬領域の少なくとも一方に機械的な応力を作用させることにより前記入力用の光導波路の有する屈折率ｎ_１又は前記自由伝搬領域の有する屈折率ｎ_２の少なくとも一方を変化させる装置としたので、光可変減衰器に熱的ダメージを与えることなく、入力用の光導波路と自由伝搬領域の屈折率比の制御を行い、光可変減衰器の性能を向上させることができる。
【００８６】
第１３の発明によれば、第１０の発明に係る光可変減衰器を用いると共に、前記屈折率変調手段にヒートシンクを密接させた光可変減衰器モジュールとしたので、高い応答性で屈折率の制御が可能な光可変減衰器モジュールを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光可変減衰器の一例の概略構成図である。
【図２】第１の実施形態に係る光可変減衰器の概略構成図である。
【図３】モード変換構造を有する第１接続導波路と自由伝搬領域との接続部分の拡大図である。
【図４】第１の実施形態に係る光可変減衰器の薄膜ヒータへの印加電力と減衰量との関係図である。
【図５】第２の実施形態に係る光可変減衰器モジュールの概略外観図である。
【図６】第２の実施形態に係る光可変減衰器モジュールの内部に配設された光可変減衰器チップの概略外観図である。
【図７】第２の実施形態に係る光可変減衰器モジュールにおけるペルチェ印加電力と光可変減衰器モジュールの減衰量との関係図である。
【図８】従来の光可変減衰器の一例の概略構成図である。
【図９】従来の光可変減衰器の減衰量特性の一例を示した特性図である。
【符号の説明】
１　入力導波路
２　第１接続導波路
３　第２接続導波路
４　出力導波路
５　自由伝搬領域
６　屈折率変調器
９　光可変減衰器
１０　光可変減衰器
１１　入力導波路
１２　第１接続導波路
１３　第２接続導波路
１４　出力導波路
１５　自由伝搬領域
１６　薄膜ヒータ
１７　溝
２０　光可変減衰器モジュール
２１　筺体
２２　入力光ファイバ
２３　出力光ファイバ
２４　ペルチェ電極
２５　ヒートシンク
３０　光可変減衰器チップ
３１　シリコン基板
３２　石英
３３　溝
３４　シリコーン樹脂
３５　ペルチェ
３６　入力導波路
３７　出力導波路
１００　光可変減衰器
１０１　入力導波路
１０２　第１光方向性結合器
１０３　第１アーム導波路
１０４　第２アーム導波路
１０５　薄膜ヒータ
１０６　電流源
１０７　第２光方向性結合器
１０８、１０９　出力導波路[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a variable optical attenuator for attenuating light intensity, and can be applied to, for example, a waveguide optical component used for optical fiber communication.
[0002]
[Prior art]
With the rapid development of optical communication technology, various optical components have been researched and developed. Among them, a waveguide type optical component based on an optical waveguide on a flat substrate occupies the most important position. This is because the photolithography technique and the microfabrication technique have a feature that a waveguide-type optical component can be mass-produced with a reproducibility with an accuracy of a light wavelength or less.
[0003]
Among various waveguide-type optical components, the variable optical attenuator is used for correcting the variation in signal strength between channels in wavelength division multiplexing communication and for equalizing the gain of an optical fiber amplifier. It is an optical component for which improvement of the optical performance is desired. In particular, for equalizing the gain of an optical fiber amplifier, strict specifications are required such that the variable attenuation is 15 dB or more and the polarization dependence is 0.2 dB or less.
[0004]
Hereinafter, a conventional variable optical attenuator will be described with reference to the drawings. FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a conventional variable optical attenuator. As shown in the figure, in the variable optical attenuator 100, a light wave incident from an input waveguide 101 is transmitted to a first arm waveguide 103 and a second arm waveguide 104 by a first optical directional coupler 102. It branches into two intensely. Next, the light waves that have propagated through the first arm waveguide 103 and the second arm waveguide 104 are multiplexed by the second directional coupler 107 and output from the output waveguide 108 and the output waveguide 109. Here, the lengths of the first arm waveguide 103 and the second arm waveguide 104 are set equal.
[0005]
The phase of the light wave propagating through the first arm waveguide 103 is controlled by the heat supplied from the thin film heater 105 disposed thereon. That is, by controlling the current I supplied from the current source 106 to the thin film heater 105, the phase of the light wave propagating through the first arm waveguide 103 can be continuously changed.
[0006]
The attenuation amount Att (Δφ) of the light wave in the output waveguide 108 is given by the following expression 1 assuming that the input light intensity is P0 by the phase shift amount Δφ given to the light wave propagating through the first arm waveguide 103. .
[0007]
(Equation 1)

[0008]
FIG. 9 is a characteristic diagram showing an example of an attenuation characteristic when the above-described conventional variable optical attenuator is manufactured using a silica-based optical waveguide. In the figure, the horizontal axis is the applied power (W), and the vertical axis is the attenuation (dB) expressed by the above equation (1). In manufacturing an optical variable attenuator, a general method of manufacturing a silica-based optical waveguide by a flame deposition method and reactive ion etching is used. As shown in the figure, the amount of attenuation is the maximum (that is, the output intensity is minimum) of about 25 dB at an applied voltage of 0.5 W, indicating good characteristics (for example, see Non-Patent Document 1 below).
[0009]
[Non-patent document 1]
Okuno et al, "8x8 Optical Matrix Switch Using Silica-Based Planar Lightwave Circuits", IEICE Trans. Electron. , Japan, July 1993, Vol. E7-C, No. 7, p1215-p1223
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional variable optical attenuator, as the amount of attenuation increases, the polarization dependence of the input light also increases. For example, the condition under which the maximum amount of attenuation is obtained with respect to the TM polarization (in FIG. 5W), a difference of up to 6 dB occurs between the TM polarization and the TE polarization. This is because the first arm waveguide 103 has different thermo-optic constants for the TM polarization and the TE polarization. This was because the shift amounts were different.
[0011]
Therefore, in the conventional waveguide-type variable optical attenuator, although it operates at low power and the maximum attenuation is sufficiently ensured, and good optical characteristics are realized, there is a problem that polarization dependence is large. I was In particular, in a region where the amount of attenuation is large, the polarization dependence becomes extremely large, and this has been a major obstacle in applying to an actual system.
[0012]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an optical variable attenuator in which polarization dependency is eliminated.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
A first invention for solving the above-mentioned problems comprises an input optical waveguide, a free propagation region, an output optical waveguide, and a refractive index modulation unit,
The input optical waveguide is connected to the free propagation region, and inputs a light wave to the free propagation region,
The refractive index modulating means includes a refractive index n of the input optical waveguide. ₁ Or the refractive index n of the free propagation region ₂ Change at least one of
The free propagation region changes the propagation direction of the light wave input from the input optical waveguide, and changes the light wave coupling efficiency to the output optical waveguide connected to the free propagation region to output the light wave. An optical variable attenuator characterized in that:
[0014]
By changing the refractive index of the free propagation region by the refractive index modulation means and changing the propagation direction of the light wave input from the input optical waveguide in the free propagation region, the coupling efficiency of the light wave to the output waveguide is improved. And the attenuation rate of the light wave output from the output waveguide is changed.
[0015]
According to a second aspect of the present invention, there is provided an optical variable attenuator according to the first aspect,
At least one of the input optical waveguide and the output optical waveguide is a variable optical attenuator having a mode conversion structure in which a numerical aperture with the free propagation region is reduced.
By using an optical waveguide having a mode conversion structure in which the numerical aperture with the free propagation region is reduced, the spread of the propagating light wave is suppressed, and an effective light attenuation effect is obtained.
[0016]
According to a third aspect of the present invention, there is provided an optical variable attenuator according to the first or second aspect,
When an optical wave is input from the input optical waveguide to the free propagation region, the input optical waveguide is connected to the free propagation region such that the light wave is incident at an incident angle θ1 (0 ° ≦ θ1 <90 °). An optical variable attenuator characterized in that:
[0017]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an optical variable attenuator according to any one of the first to third aspects,
Wherein the free propagation region is constituted by a groove formed between the input optical waveguide and the output optical waveguide, and a filler filled in the groove. It is a vessel.
[0018]
For example, an optical waveguide for input and an optical waveguide for output are formed on the same substrate, a groove is formed between the optical waveguides for input and output, and a filler is filled to form a free propagation region. This simplifies the manufacturing process of the variable optical attenuator.
[0019]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided an optical variable attenuator according to any one of the first to fourth aspects,
The input optical waveguide and the output optical waveguide are quartz optical waveguides.
[0020]
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided an optical variable attenuator according to any one of the first to fifth aspects,
The free propagation region is a variable optical attenuator made of a silicone resin.
[0021]
Since the input / output optical waveguide is a quartz optical waveguide and the free propagation region is formed of silicone resin, it is easy to control the refractive index ratio between the two.
[0022]
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided an optical variable attenuator according to any one of the first to sixth aspects,
A variable optical attenuator, wherein a thermo-optic constant of the input optical waveguide is different from a thermo-optic constant of the free propagation region.
[0023]
By making the input optical waveguide and the free propagation region from materials having different thermo-optic constants, it is easy to control the refractive index ratio between the two.
[0024]
According to an eighth aspect of the present invention, there is provided an optical variable attenuator according to any one of the first to seventh aspects,
Refractive index n of the input optical waveguide ₁ And the refractive index n of the free propagation region ₂ And a variable optical attenuator characterized by different electric field dependences.
[0025]
By making the input optical waveguide and the free propagation region from materials having different electric field dependences of the refractive index, it is easy to control the refractive index ratio between the two.
[0026]
A ninth invention for solving the above-mentioned problems is a variable optical attenuator according to any one of the first to eighth inventions,
Refractive index n of the input optical waveguide ₁ Stress dependence and the refractive index n of the free propagation region ₂ And an optical variable attenuator characterized by having different mechanical stress dependence.
[0027]
By forming the input optical waveguide and the free propagation region from materials having different mechanical stress dependences of the refractive index, it is easy to control the refractive index ratio between the two.
[0028]
A tenth invention for solving the above-mentioned problems is a variable optical attenuator according to any one of the first to seventh inventions,
The refractive index modulating means heats or cools at least one of the input optical waveguide or the free propagation region to thereby provide a refractive index n of the input optical waveguide. ₁ Or the refractive index n of the free propagation region ₂ Wherein the variable optical attenuator is a device for changing at least one of the above, a heater or a Peltier element.
[0029]
An eleventh invention for solving the above problems is the optical variable attenuator according to any one of the first to sixth or eighth inventions,
The refractive index modulating means is configured to apply an electric field to at least one of the input optical waveguide and the free propagation region to thereby provide a refractive index n of the input optical waveguide. ₁ Or the refractive index n of the free propagation region ₂ Is a variable optical attenuator characterized by changing at least one of the following.
[0030]
A twelfth invention for solving the above-mentioned problems is the optical variable attenuator according to any one of the first to sixth or ninth inventions,
The refractive index modulating means applies a mechanical stress to at least one of the input optical waveguide and the free propagation region to thereby provide a refractive index n of the input optical waveguide. ₁ Or the refractive index n of the free propagation region ₂ Is a variable optical attenuator characterized by changing at least one of the following.
[0031]
A thirteenth invention for solving the above-mentioned problem is a variable optical attenuator module comprising the variable optical attenuator according to the tenth invention, wherein a heat sink is closely attached to the refractive index modulation means.
[0032]
To realize an optical variable attenuator module which is an optical variable attenuator capable of controlling a refractive index with high responsiveness.
[0033]
In the variable optical attenuator according to the present invention, by changing the refractive index of the free propagation region, the path of the propagating light input from the input optical waveguide to the free propagation region is changed. By changing the path of the propagating light in this way, the coupling efficiency of light from the free propagation region to the output optical waveguide is changed, and operation as a variable optical attenuator is realized. Further, by changing the refractive index of the free propagation region, the numerical aperture between the optical waveguide and the free propagation region is changed, and the operation as an optical variable attenuator is realized.
[0034]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an example of an optical variable attenuator according to the present invention, but the following description does not limit the present invention. As shown in the figure, the variable optical attenuator 9 includes a free propagation region 5, a first connection waveguide 2 connected to the free propagation region 5 at a fixed angle θ1 (0 ° ≦ θ1 <90 °), An input waveguide 1 connected to the first connection waveguide 2, a second connection waveguide 3 connected to a predetermined position of the free propagation region 5 at a fixed angle θ2 (0 ° ≦ θ2 <90 °), It comprises an output waveguide 4 connected to the second connection waveguide 3 and a refractive index modulator 6 disposed immediately adjacent to the free propagation region 5. The input waveguide 1 and the first connection waveguide 2 constitute an “input optical waveguide”, and the output waveguide 4 and the second connection waveguide 3 constitute an “output optical waveguide”.
[0035]
In the variable optical attenuator 9, the light wave incident from the input waveguide 1 is incident on the free propagation region 5 via the first connection waveguide 2. At this time, the first connection waveguide 2 and the free propagation region 5 have an angle of incidence θ1 (0 ° ≦ θ1 <90 °) at the connection point P1 between the first connection waveguide 2 and the free propagation region 5. It is connected. Here, the incident angle θ1 is an angle formed between the optical axis of the incident light wave and a virtual line drawn perpendicularly from the free propagation region 5.
[0036]
Here, the refractive index of the first connection waveguide 2 is n ₁ , The refractive index of the free propagation region 5 is n ₂ Then, the propagation direction θt of the light wave propagating in the free propagation region 5 is given by the following equation 2 according to Snell's law in relation to θ1 (0 ° <θ1 <90 °). Here, the propagation direction θt is the angle between the optical axis of the light wave propagating in the free propagation region 5 and a virtual line drawn perpendicularly from the free propagation region 5.
[0037]
(Equation 2)

[0038]
Further, the refractive index n of the free propagation region 5 is changed by a refractive index modulator 6 which is a refractive index modulation means disposed immediately near the free propagation region 5. ₂ Can be changed. The refractive index modulator 6 modulates the refractive index by changing the temperature, modulates the refractive index by applying an electric field, modulates the refractive index by applying a mechanical stress (strain), for example. And so on.
[0039]
The refractive index n of the free propagation region 5 by the refractive index modulator 6 ₂ Is changed, the propagation direction θt of the light wave in the free propagation region 5 can be changed based on the equation shown in the above equation (2).
[0040]
Here, the free propagation region 5 and the second connection waveguide 3 are connected to each other at a connection point P2 between the free propagation region 5 and the second connection waveguide 3 at an emission angle θ2. The connection point P2 is located at a point where the interface between the free propagation region 5 and the second connection waveguide 3 intersects with the light wave propagating in the free propagation region 5 in the initial propagation direction θt.
[0041]
Note that the propagation direction θt in the initial state is the refractive index n of the free propagation region 5 when the refractive index modulator 6 is not operated. ₂ Is the propagation direction based on In the free propagation region 5 in FIG. 1, the propagation direction of the light wave in the initial state is indicated by a dotted line. In this state, the light wave input from the input waveguide 1 is output from the output waveguide 4 with almost perfect coupling efficiency.
[0042]
In the variable optical attenuator 9 having the above-described configuration, by operating the refractive index modulator 6, the light is input from the input waveguide 1 and propagates through the free propagation region 5 to the second connection waveguide 3 at the connection point P <b> 2. Can be changed, and operation as an optical variable attenuator can be realized.
[0043]
When the incident angle θ1 is in the range of 0 ° <θ1 <90 °, the light intensity can be attenuated according to the above principle. However, when θ1 = 0 °, the light intensity is attenuated based on a principle different from the above principle. Strength decreases. When θ1 = 0 °, the following principle is used. That is, by changing the refractive index of the free propagation region 5, the numerical aperture between the free propagation region 5 and the first connection waveguide 2 or the numerical aperture between the free propagation region 5 and the second connection waveguide 3 is changed. Can be changed. By changing the numerical aperture, the spread of the light wave emitted from the first connection waveguide 2 in the free propagation region 5 can be changed, and as a result, the coupling efficiency of the light wave to the second connection waveguide 3 can be improved. The operation as a variable optical attenuator can be realized by changing the variable attenuator.
[0044]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings and numerical values, but the following embodiments do not limit the present invention.
[0045]
[First Embodiment]
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the optical variable attenuator according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the variable optical attenuator 10 according to the first embodiment includes a free propagation region 15, a first connection waveguide 12 connected to the free propagation region 15 at a certain angle θ1, An input waveguide 11 connected to the connection waveguide 12, a second connection waveguide 13 connected to a predetermined position of the free propagation region 15 at a predetermined angle θ2, and an output connected to the second connection waveguide 13; It comprises a waveguide 14 and a thin-film heater 16 which is a refractive index modulation means disposed immediately adjacent to the free propagation region 15. The input waveguide 11 and the first connection waveguide 12 constitute an “input optical waveguide”, and the output waveguide 14 and the second connection waveguide 13 constitute an “output optical waveguide”.
[0046]
In the variable optical attenuator 10 according to the first embodiment, the input waveguide 11 having the width W1 is connected to the first connection waveguide 12, and the first connection waveguide 12 is connected to the free propagation region 15. The free propagation region 15 was formed by filling a groove 17 having a width Ds that intersects the first connection waveguide 12 at an angle θ1 with a silicone resin as a filler.
[0047]
Further, the second connection waveguide 13 was connected to the free propagation region 15 at a position away from the connection point between the first connection waveguide 12 and the free propagation region 15 by the distance S in the length direction of the free propagation region 15. The length direction of the free propagation region 15 is perpendicular to the width Ds indicating the distance between the surfaces of the free propagation region 15 where the first connection waveguide 12 and the second connection waveguide 13 are connected. Direction.
[0048]
FIG. 3 is an enlarged view of a connection portion between the first connection waveguide 12 and the free propagation region 15. The first connection waveguide 12 is provided with a mode conversion structure in order to reduce unnecessary loss caused by mode mismatch with the free propagation region 15, that is, loss caused when not operating as a variable optical attenuator. That is, as shown in the drawing, the waveguide width increases from W1 to W2 over the length L1 from the region of the first connection waveguide 12 on the side of the input waveguide 11 to the side of the free propagation region 15, and A mode conversion structure that maintains the waveguide width W2 over the length L2 up to the boundary with the free propagation region 15 was manufactured. With this structure, the numerical aperture of the waveguide with respect to the free propagation region 15 can be set small, and the unnecessary loss described above can be reduced. Also, a similar mode conversion structure was manufactured for the second connection waveguide 13.
[0049]
In this embodiment, W1 = 6 μm, W2 = 10 μm, L1 = 250 μm, L2 = 250 μm, θ1 = θ2 = 60 °, S = 211.5 μm, waveguide core thickness H = 6 μm, and free propagation region 15. The width Ds of the groove 17 was set to 50 μm, and an optical variable attenuator was manufactured. The waveguide core refers to the core of the input / output waveguides 11 and 14 and the first and second connection waveguides 12 and 13. These waveguides were quartz optical waveguides manufactured by a general flame deposition method and reactive ion etching.
[0050]
In the variable optical attenuator 10 according to the present embodiment, the refractive index n of the silica-based optical waveguide at 25 ° C. ₁ Is 1.452, and the refractive index n of the silicone resin forming the free propagation region 15 is ₂ Is 1.391. The thermo-optic constant of the quartz optical waveguide is 0.00001 / ° C., and the thermo-optic constant of the silicone resin is −0.0004 / ° C.
[0051]
Therefore, when the temperature is 25 ° C., the light wave incident from the first connection waveguide 12 to the free propagation region 15 at the incident angle θ1 is converted into the refractive index n of the silica-based optical waveguide by Snell's law shown in the above equation (2). ₁ And the refractive index n of the silicone resin ₂ The light is refracted based on the difference, and propagates through the free propagation region 15 at an angle of θt = 64.7 °, and is emitted from the second connection waveguide 13.
[0052]
A state where the light wave propagates in the free propagation region 15 at an angle of propagation direction θt = 64.7 ° (optical path at a temperature of 25 ° C.) is defined as an initial state. In the free propagation region 15 in FIG. 2, the propagation direction of the light wave in the initial state is indicated by a dotted line. In this state, the light wave input from the input waveguide 11 is output from the output waveguide 14 with almost perfect coupling efficiency.
[0053]
Here, when power is applied to the thin film heater 16, the refractive index n of the silicone resin forming the free propagation region 15 ₂ Has a temperature dependency and changes, the propagation direction θt of the light wave propagating in the free propagation region 15 changes based on Snell's law. Here, the rate of change of the propagation direction θt is 0.035 ° / ° C.
[0054]
That is, the position where the light wave reaches the interface between the free propagation region 15 and the second connection waveguide moves at a rate of 0.33 μm / ° C. As a result, the coupling efficiency of the light wave input from the input waveguide 11 and propagating through the free propagation region 15 to the second connection waveguide 13 can be changed, and operation as an optical variable attenuator can be realized. .
[0055]
Note that the heating of the thin film heater 16 may heat not only the free propagation region 15 but also the optical waveguide and change the refractive index. In this case, by using materials that have significantly different thermo-optic constants for the materials constituting both members as in the present embodiment, it is possible to greatly change the refractive index of only one and change the refractive index ratio of both. Can be.
[0056]
FIG. 4 is a relationship diagram showing the result of measuring the relationship between the applied power to the thin film heater 16 and the amount of attenuation of the variable optical attenuator according to the present embodiment. As shown in the figure, when a power of 0.23 W was applied to the thin film heater 16, an attenuation of about 18 dB was obtained. Further, at this time, the polarization dependent PDL was as very small as 0.1 dB, and it was found that the characteristics were good, that is, the same attenuation could be obtained for both the TM polarization and the TE polarization.
[0057]
In the conventional optical attenuation method, a change in the refractive index caused by the thermo-optic effect in the interferometer arm has polarization dependency, so that a PDL as an optical variable attenuator has occurred. That is, the reason why the PDL as the optical variable attenuator occurs is that the stress applied to the substrate in the vertical direction and the horizontal direction differs in the interferometer arm. On the other hand, the light attenuation method according to the present embodiment utilizes a change in the refractive index caused by the thermo-optic effect in the free propagation region. Here, since there is no specific waveguide structure in the free propagation region, there is no difference between the stress in the vertical direction and the stress in the horizontal direction. As a result, in this embodiment, the change in the refractive index due to the thermo-optic effect depends on the polarization. Does not occur.
[0058]
From the characteristics described above, the optical variable attenuator according to the present embodiment is sufficiently applicable to gain equalization of an optical fiber amplifier that requires strict specifications of an attenuation of 15 dB or more and a polarization dependence of 0.2 dB or less. It is possible to do.
[0059]
[Second embodiment]
FIG. 5 is a schematic external view of the optical variable attenuator module according to the second embodiment. FIG. 6 is a schematic external view of an optical variable attenuator chip disposed inside the optical variable attenuator module according to the second embodiment. The optical variable attenuator chip shown in FIG. 6 is partially transparent in order to explain the function.
[0060]
As shown in FIG. 5, the variable optical attenuator module 20 mainly includes a housing 21, an input optical fiber 22, an output optical fiber 23, and a heat sink 25. As shown in FIG. 6, the variable optical attenuator chip 30 includes a silicon substrate 31, quartz 32 formed on the top of the silicon substrate 31, and a silicone resin 34 filled in a groove 33 formed in the center of the quartz 32. And input / output waveguides 36 and 37 formed in quartz 32, and a Peltier 35, which is a refractive index modulating means, closely contacted with the lower portion of the silicon substrate 31.
[0061]
The input optical fiber 22 is connected so that its core matches the input waveguide 36, and the output optical fiber 23 is connected so as to match the output waveguide 37. Further, the groove 33 filled with the silicone resin 34 to be a free propagation region was formed to a depth where the silicon substrate 31 appeared. The input / output waveguides 36 and 37 and the silicone resin 34 are connected via a connection waveguide, and these connection portions are connected in the same manner as in the first embodiment. Further, the connection waveguide has a mode conversion structure.
[0062]
A Peltier electrode 24 is wired to the housing 21 and is connected to the Peltier 35 of the variable optical attenuator chip 30 so as to control the temperature of the variable optical attenuator chip. Further, inside the optical variable attenuator module 20, the optical variable attenuator chip 30 is arranged such that the Peltier 35 of the optical variable attenuator chip 30 is in close contact with the heat sink 25.
[0063]
In the present embodiment, heat generated from the Peltier 35 by power supply from the Peltier electrode 24 is transmitted to the silicone resin 34 via the silicon substrate 31 having excellent heat conduction. As a result, by the same operation as in the first embodiment, the refractive index n of the silicone resin ₂ And the refractive index n of the waveguide ₁ Can be changed, and can be operated as a variable optical attenuator. As described in the first embodiment, since the thermo-optical constants of the silicone resin 34 and the quartz 32 are significantly different, also in the present embodiment, the refractive index of the silicone resin 34 can be largely changed.
[0064]
Furthermore, the size of the variable optical attenuator module 20 according to the present embodiment was 3 cm (W) × 2 cm (D) × 1 cm (H), and was a very small module.
[0065]
In the present embodiment, the effect as an optical variable attenuator is realized by changing the set temperature of the Peltier 35. FIG. 7 is a relationship diagram showing the relationship between the Peltier applied power and the attenuation of the variable optical attenuator module when the environmental temperature is 25 ° C. As shown in the figure, when a power of 0.23 W was applied to the Peltier 35, an attenuation of about 18 dB could be obtained. Further, at this time, the polarization dependent PDL was as very small as 0.1 dB, and it was found that the characteristics were good, that is, the same attenuation could be obtained for both the TM polarization and the TE polarization. The reason why the polarization dependence does not occur is as described in the first embodiment.
[0066]
The variable optical attenuator according to the present invention has a refractive index n in the free propagation region. ₂ And the refractive index n of the waveguide ₁ By changing the ratio, a light attenuation function is exhibited.
[0067]
For example, the refractive index n of the free propagation region ₂ And the refractive index n of the waveguide ₁ As a means for changing the ratio with respect to, for example, one that modulates the refractive index by changing the temperature (the thin film heater according to the first embodiment, the Peltier according to the second embodiment, etc.), The one that modulates the refractive index, the one that modulates the refractive index by applying a mechanical stress (strain), and the like can be considered.
[0068]
Also, the refractive index n of the free propagation region ₂ And the refractive index n of the waveguide ₁ As a method of changing the ratio with respect to the refractive index n of the free propagation region, ₂ And the refractive index n of the waveguide ₁ , The refractive index n of the free propagation region ₂ And the refractive index n of the waveguide ₁ , The refractive index n of the free propagation region ₂ And the refractive index n of the waveguide ₁ And a method of changing both.
[0069]
Also, the refractive index n of the free propagation region ₂ And the refractive index n of the waveguide ₁ In order to change the ratio, it is preferable that the materials forming the respective members have largely different environmental dependencies of the refractive indexes.
[0070]
For example, one of the members is formed of a material whose refractive index changes largely due to environmental changes, and the other is formed of a material whose refractive index hardly changes due to environmental changes. Further, one of the members is formed of a material whose refractive index increases due to an environmental change, and the other is formed of a material whose refractive index decreases due to an environmental change. The environmental dependency of the refractive index means that the refractive index of a material placed under the environment changes due to the above-mentioned temperature change (heating and cooling), electric field change, mechanical strain, and other environmental changes. In the case of a temperature change, it becomes a thermo-optic constant (temperature dependence of refractive index).
[0071]
Further, in the above embodiment, the input optical waveguide and the output optical waveguide are connected to the opposing surfaces of the free propagation region (the left and right sides of the free propagation region in FIGS. 1 and 2), but the present invention is not limited to this. Instead, the input and output optical waveguides may be connected to the same surface of the free propagation region. In this case, a mirror or the like may be provided on a surface to which the input / output optical waveguide is not connected so that a light wave incident from the input optical waveguide is reflected by the mirror and output from the output optical waveguide. Conceivable. Further, when it is desired to attenuate light waves of a plurality of wavelengths with one variable optical attenuator, it can be dealt with by connecting a plurality of input optical waveguides and a plurality of output optical waveguides.
[0072]
【The invention's effect】
The main effect of the present invention is that it is possible to realize an optical variable attenuator that achieves both large attenuation and low polarization dependency.
[0073]
According to the first invention, the refractive index of the free propagation region is changed by the refractive index modulation means, and the propagation direction of the light wave input from the input optical waveguide is changed in the free propagation region, whereby An optical variable attenuator that can change the coupling efficiency of a light wave to a waveguide, change the attenuation rate of a light wave output from an output waveguide, and achieve both large attenuation and low polarization dependence. Can be realized.
[0074]
According to a second aspect, in the variable optical attenuator according to the first aspect, at least one of the input optical waveguide and the output optical waveguide has a mode in which a numerical aperture with the free propagation region is small. With the conversion structure, the spread of the propagating light wave can be suppressed, and an effective light attenuation effect can be obtained.
[0075]
According to the third invention, in the variable optical attenuator according to the first or second invention, when a light wave is input from the input optical waveguide to the free propagation region, the incident angle θ1 (0 ° ≦ θ1) <90 °), the input optical waveguide is connected to the free propagation region so that a variable optical attenuator that more effectively achieves both large attenuation and low polarization dependence is realized. can do.
[0076]
According to a fourth aspect, in the variable optical attenuator according to any one of the first to third aspects, the free propagation region is formed between the input optical waveguide and the output optical waveguide. Groove, and a filler filled in the groove, for example, an input optical waveguide and an output optical waveguide are manufactured on the same substrate, and between the input / output optical waveguide. By forming a groove in the groove and filling the filler to form a free propagation region, the manufacturing process of the variable optical attenuator can be simplified.
[0077]
According to a fifth aspect, in the variable optical attenuator according to any one of the first to fourth aspects, the optical waveguide for input and the optical waveguide for output are made of a silica-based optical waveguide. The variable optical attenuator according to the present invention can be applied to a general material system.
[0078]
According to a sixth aspect of the present invention, in the variable optical attenuator according to any one of the first to fifth aspects, the free propagation region is made of a silicone resin. The variable optical attenuator according to the invention can be applied.
[0079]
Further, by using a silica-based optical waveguide as the input / output optical waveguide and forming the free propagation region from a silicone resin, it is possible to easily control the refractive index ratio between the two.
[0080]
According to a seventh aspect, in the optical variable attenuator according to any one of the first to sixth aspects, the thermo-optic constant of the input optical waveguide and the thermo-optic constant of the free propagation region are different. By making different configurations, that is, the input optical waveguide and the free propagation region are made of materials having different thermo-optic constants, it is possible to easily control the refractive index ratio between the two.
[0081]
According to an eighth aspect, in the variable optical attenuator according to any one of the first to seventh aspects, the refractive index n of the input optical waveguide is provided. ₁ And the refractive index n of the free propagation region ₂ By making the input optical waveguide and the free propagation region from materials having different electric field dependencies of the refractive index, it is easy to control the refractive index ratio between the two. it can.
[0082]
According to a ninth aspect, in the variable optical attenuator according to any one of the first to eighth aspects, a refractive index n of the input optical waveguide is provided. ₁ Stress dependence and the refractive index n of the free propagation region ₂ The input optical waveguide and the free propagation region are made of materials having different mechanical stress dependencies of the refractive index, so that the input optical waveguide and the free propagation region are made of materials having different mechanical stress dependencies. Control of the refractive index ratio of the region can be facilitated.
[0083]
According to a tenth aspect, in the variable optical attenuator according to any one of the first to seventh aspects, the refractive index modulation unit heats at least one of the input optical waveguide or the free propagation region. By cooling, the refractive index n of the input optical waveguide ₁ Or the refractive index n of the free propagation region ₂ Since the device, the heater, or the Peltier element is used to change at least one of the above, the control of the refractive index ratio between the input optical waveguide and the free propagation region can be further easily controlled, and the performance of the variable optical attenuator can be improved.
[0084]
According to an eleventh aspect, in the variable optical attenuator according to any one of the first to sixth aspects or the eighth aspect, the refractive index modulating means may include at least one of the input optical waveguide or the free propagation region. The refractive index n of the input optical waveguide by applying an electric field to ₁ Or the refractive index n of the free propagation region ₂ Control the refractive index ratio between the input optical waveguide and the free propagation region without thermally damaging the optical variable attenuator, improving the performance of the optical variable attenuator. Can be done.
[0085]
According to a twelfth aspect, in the optical variable attenuator according to any one of the first to sixth aspects or the ninth aspect, the refractive index modulating means may include at least one of the input optical waveguide and the free propagation region. The refractive index n of the input optical waveguide by applying a mechanical stress to ₁ Or the refractive index n of the free propagation region ₂ Control the refractive index ratio between the input optical waveguide and the free propagation region without thermally damaging the optical variable attenuator, improving the performance of the optical variable attenuator. Can be done.
[0086]
According to the thirteenth aspect, the variable optical attenuator according to the tenth aspect is used, and the optical variable attenuator module is provided with a heat sink closely attached to the refractive index modulating means. The variable optical attenuator module which can perform the above can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an example of a variable optical attenuator according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an optical variable attenuator according to the first embodiment.
FIG. 3 is an enlarged view of a connection portion between a first connection waveguide having a mode conversion structure and a free propagation region.
FIG. 4 is a diagram illustrating the relationship between the power applied to the thin film heater and the amount of attenuation of the variable optical attenuator according to the first embodiment.
FIG. 5 is a schematic external view of an optical variable attenuator module according to a second embodiment.
FIG. 6 is a schematic external view of a variable optical attenuator chip disposed inside a variable optical attenuator module according to a second embodiment.
FIG. 7 is a relationship diagram between Peltier-applied power and attenuation of the optical variable attenuator module in the optical variable attenuator module according to the second embodiment.
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of an example of a conventional variable optical attenuator.
FIG. 9 is a characteristic diagram showing an example of an attenuation characteristic of a conventional variable optical attenuator.
[Explanation of symbols]
1 Input waveguide
2 First connection waveguide
3 Second connecting waveguide
4 Output waveguide
5 Free propagation area
6. Refractive index modulator
9 Optical variable attenuator
10 Optical variable attenuator
11 Input waveguide
12 1st connection waveguide
13 Second connecting waveguide
14 Output waveguide
15 Free propagation area
16 Thin film heater
17 grooves
20 Optical variable attenuator module
21 Housing
22 Input optical fiber
23 Output optical fiber
24 Peltier electrode
25 heat sink
30 Optical Variable Attenuator Chip
31 Silicon substrate
32 quartz
33 grooves
34 silicone resin
35 Peltier
36 input waveguide
37 Output waveguide
100 Optical variable attenuator
101 input waveguide
102 First optical directional coupler
103 1st arm waveguide
104 second arm waveguide
105 Thin film heater
106 current source
107 Second optical directional coupler
108, 109 output waveguide

Claims

An optical waveguide for input, a free propagation region, an optical waveguide for output, and a refractive index modulation unit,
The input optical waveguide is connected to the free propagation region, and inputs a light wave to the free propagation region,
The refractive index modulation means to vary at least one of the refractive index n ₂ with refractive index n ₁ or said free propagation region having the optical waveguide for the input,
The free propagation region changes the propagation direction of the light wave input from the input optical waveguide, and changes the light wave coupling efficiency to the output optical waveguide connected to the free propagation region to output the light wave. An optical variable attenuator, comprising:

The optical variable attenuator according to claim 1,
A variable optical attenuator, wherein at least one of the input optical waveguide and the output optical waveguide has a mode conversion structure in which a numerical aperture with the free propagation region is reduced.

The optical variable attenuator according to claim 1 or 2,
When an optical wave is input from the input optical waveguide to the free propagation region, the input optical waveguide is connected to the free propagation region such that the light wave is incident at an incident angle θ1 (0 ° ≦ θ1 <90 °). A variable optical attenuator, comprising:

The optical variable attenuator according to any one of claims 1 to 3,
Wherein the free propagation region is constituted by a groove formed between the input optical waveguide and the output optical waveguide, and a filler filled in the groove. vessel.

The optical variable attenuator according to any one of claims 1 to 4,
The optical variable attenuator, wherein the input optical waveguide and the output optical waveguide are quartz optical waveguides.

The optical variable attenuator according to any one of claims 1 to 5,
The variable optical attenuator, wherein the free propagation region is made of a silicone resin.

The optical variable attenuator according to any one of claims 1 to 6,
An optical variable attenuator, wherein a thermo-optic constant of the input optical waveguide is different from a thermo-optic constant of the free propagation region.

The optical variable attenuator according to any one of claims 1 to 7,
Wherein the electric field dependence of the refractive index n ₁ having the optical waveguide for input, the optical variable attenuator to the electric field dependence of the refractive index n _2, characterized in that different possessed by the free propagation region.

The optical variable attenuator according to any one of claims 1 to 8,
And mechanical stress dependence of the refractive index n ₁ having the optical waveguide for the input, the optical variable attenuator to the mechanical stress dependence of the refractive index n _2, characterized in that different possessed by the free propagation region .

The optical variable attenuator according to any one of claims 1 to 7,
The refractive index modulation means has a refractive index n having a refractive index n ₁ or said free propagation region having the optical waveguide for the input by heating or cooling at least one optical waveguide or the free propagation region for the input _2. A variable optical attenuator, which is a device for changing at least one of the _two , a heater, or a Peltier element.

The optical variable attenuator according to any one of claims 1 to 6 or claim 8,
The refractive index modulation means has a refractive index n having the optical waveguide or refractive index n ₁ or said free propagation region having the optical waveguide for the input by applying an electric field to at least one of the free propagation region for the input _2. An optical variable attenuator, wherein at least one of the _two is changed.

The optical variable attenuator according to any one of claims 1 to 6 or claim 9,
The refractive index modulation means has refractive index n ₁ or said free propagation region having the optical waveguide for the input by the action of a mechanical stress to at least one of the optical waveguide or the free propagation region for the input variable optical attenuator, wherein the changing at least one of the refractive index n _2.

A variable optical attenuator module comprising the variable optical attenuator according to claim 10, wherein a heat sink is brought into close contact with the refractive index modulation means.