JP2004286830A

JP2004286830A - 導波路型光可変減衰器

Info

Publication number: JP2004286830A
Application number: JP2003075963A
Authority: JP
Inventors: Satoru Hajikawa; 哲櫨川; Naoto Uetsuka; 尚登上塚
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2003-03-19
Filing date: 2003-03-19
Publication date: 2004-10-14

Abstract

【目的】薄膜ヒータと導波路の熱膨張係数の差による熱応力に関係なく、また光減衰器回路を多段に縦列接続した場合でも、光強度の偏波依存性を低減する。
【解決手段】入力光を第１アーム導波路コア２５および第２アーム導波路コア２６の二つの光導波路に分岐し、第２アーム導波路コア２６を伝搬する光の位相を薄膜ヒータによる加熱に伴う熱光学効果を利用して第１アーム導波路コア２５を伝搬する光の位相とずらし、両光導波路２５，２６の光を再び合流することにより入力光の減衰量を可変させて出力光とする光可変減衰回路１１，１２を縦列接続し、一方の光可変減衰回路をＴＥモードの光強度がＴＭモードの光強度より大きい領域で動作させ、他方の光可変減衰器をＴＭモードの光強度がＴＥモードの光強度より大きい領域で動作させるべく薄膜ヒータの加熱制御を行う。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ通信において用いられ、光強度を減衰調整できる導波路型光可変減衰器に係り、特に伝送光の光強度の偏波依存性を低減するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光導波路素子は、石英基板上に導波路コアが形成され、その周りを導波路コアより屈折率の低いクラッドで覆った構造を採っている。
光導波素子上の光回路は、入力導波路、入力導波路から分岐させた２本のアーム導波路、２本後アーム導波路が合流して接続される出力導波路を有し、全体としてマッハツェンダー干渉回路を構成していた。
アーム導波路の直上に配置されているクラッドの表面には、それぞれ薄膜ヒータが形成されており、電極が各薄膜ヒータに電気的に接続できるようにクラッド上に形成されている。
【０００３】
次に光導波路素子の動作原理を説明する。
片方の薄膜ヒータに外部電源より電力を供給すると、薄膜ヒータは加熱され、アーム導波路の屈折率が熱光学効果により変化することとなる。
この結果、屈折率が変化したアーム導波路を伝搬する光と加熱されず屈折率が変化していないアーム導波路を伝搬する光との間で、位相のずれが生じることとなる。従って、出力導波路において再度合流する際に、一部の光が石英基板に放射し、出力導波路より出力される光は入力導波路に入力した光よりも減衰されることとなる。
【０００４】
【非特許文献１】
Ｙ．Ｉｎｏｕｅ，Ｋ．Ｋａｔｏｈ，ａｎｄＭ．Ｋａｗａｃｈｉ， ”Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆａｓｉｌｉｃａｗａｖｅｇｕｉｄｅｔｈｅｒｍｏｏｐｔｉｃｐｈａｓｅｓｈｉｆｔｅｒｆｏｒｐｌａｎａｒｌｉｇｈｔｗａｖｅｃｉｒｃｕｉｔｓ，” ＩＥＥＥＰｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．４，ｐｐ．３６ − ３８，Ｊａｎｕａｒｙ１９９２．
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように光導波路をマッハツェンダー干渉回路として構成した場合、薄膜ヒータに供給した電力と光強度の関係は、ｓｉｎの二乗（若しくはｃｏｓの二乗）の周期関数となる。
ここで、入力導波路に入射する光を基板に対して水平、垂直方向の偏波面（ＴＥモード、ＴＭモード）に分けると、図６に示すように光強度の偏波依存性が生じる。
【０００６】
これは、薄膜ヒータを加熱すると、薄膜ヒータと導波路の線膨張係数の差により、コアに応力がかかるが、コアの水平方向は自由膨張がでいないために水平方向の応力の大きさと垂直方向の応力の大きさとが異なってしまい、コアの水平方向と垂直方向において、光弾性効果で生じる屈折率変化量に差が生じるため、偏波面間（ＴＥモード、ＴＭモード間）で光位相のずれが生じるからである。
光強度の偏波依存性を低減するためには、導波路の線膨張係数に近い線膨張係数を有する薄膜ヒータ材料を用いれば良いが、現実的には適合する薄膜ヒータ材料を探すのは困難である。
【０００７】
また、非特許文献１には、薄膜ヒータが熱膨張しても、導波路に応力がかからないように、図７に示すように、石英ガラス基板５１上に形成された各導波路コア５２、５３を、クラッド５４により覆った後、薄膜ヒータ５５、５６の面側のクラッド５４部分に応力開放溝５７を形成し、導波路を自由膨張させる技術が開示されている。しかしながら、一段構成の光減衰器の場合には、効果が得られるが、４０ｄＢ以上の光減衰量を得ようとする場合には、光減衰器の多段接続が必要となり、多段接続すると応力開放溝があっても各段毎の偏波依存性が加算されて偏波依存性が大きくなってしまうという問題点があった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、薄膜ヒータと導波路の熱膨張係数の差による熱応力に関係なく、また光減衰器回路を多段に縦列接続した場合でも、光強度の偏波依存性を低減できる導波路型光可変減衰器を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、入力光を二つの光導波路に分岐し、一方の光導波路を伝搬する光の位相をヒータによる加熱に伴う熱光学効果を利用して他方の光導波路を伝搬する光の位相とずらし、両光導波路の光を再び合流することにより入力光の減衰量を可変させて出力光とする光可変減衰回路を縦列接続し、縦列接続した前記光可変減衰回路のうち、対応する一対の光可変減衰回路について、一方の光可変減衰回路をＴＥモードの光強度がＴＭモードの光強度より大きい領域で動作させ、他方の光可変減衰器をＴＭモードの光強度がＴＥモードの光強度より大きい領域で動作させるべく前記ヒータの加熱制御を行う加熱制御部を備えたことを特徴としている。
【００１０】
上記構成によれば、一方の光可変減衰回路をＴＥモードの光強度がＴＭモードの光強度より大きい領域で動作させ、他方の光可変減衰器をＴＭモードの光強度がＴＥモードの光強度より大きい領域で動作させているので、各光可変減衰回路の偏波依存性を相殺することとなる。
【００１１】
この場合において、前記加熱制御部は、一方の光可変減衰回路におけるＴＭモードの光強度とＴＥモードの光強度の比が、他方の光可変減衰回路におけるＴＭモードの光強度とＴＥモードの光強度の比のほぼ逆数となる領域で動作させるべく前記ヒータの加熱制御を行うようにしてもよい。
【００１２】
また、前記加熱制御部は、前記一方の光可変減衰回路の減衰量と前記他方の光可変減衰回路の減衰量とをほぼ同一とすべく前記加熱制御を行うようにしてもよい。
【００１３】
さらに、前記導波路型光可変減衰器は、前記光可変減衰回路を２ｎ個（ｎ：自然数）備えるようにしてもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に本発明の好適な実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、実施形態の２段導波路型可変光減衰器の平面図である。
２段導波路型可変光減衰器１０は、大別すると、第１可変光減衰回路１１、第２可変光減衰回路１２を備えている。
第１可変光減衰回路１１の入力端には、入力光が入射され、出力端には、第２可変光減衰回路１２の入力端が光学的に接続されている。
そして、第２可変減衰回路１２の出力端からは入力光の光強度が減衰された出力光が出射されることとなっている。
【００１５】
ここで、可変光減衰回路について説明する。
図２は可変光減衰回路の平面図である。また、図３は、図２のａ−ａ’断面矢視図である。
第１可変光減衰回路１１および第２可変光減衰回路１２は、同一構成であるので、図２においては、第１可変光減衰回路１１のみを表している。
【００１６】
第１可変光減衰回路１１は、大別すると、石英（ＳｉＯ_２）ガラス基板２１、クラッド２２、入力導波路コア２３、第１Ｙ分岐導波路コア２４、第１アーム導波路コア２５、第２アーム導波路コア２６、第２Ｙ分岐導波路コア２７、出力導波路コア２８、第１薄膜ヒータ２９、第２薄膜ヒータ３０、電極３１〜３４、外部可変電源３５を備えている。
【００１７】
石英ガラス基板２１上に形成された各導波路コア２３〜２８は、光入力側から光出力側に向かって、入力導波路コア２３→第１Ｙ分岐導波路コア２４→第１アーム導波路コア２５および第２アーム導波路コア２６→第２Ｙ分岐導波路コア２７→出力導波路コア２８の順番で形成されている。
これらの導波路コア１３〜１８は、すべてクラッド２２により覆われている。
【００１８】
ここで、第２アーム導波路コア２６、第２アーム導波路コア２６に対応する位置に配置されたクラッド２２、第２薄膜ヒータ３０および外部可変電源３５は、位相シフタとして機能している。
【００１９】
次に第１可変減衰回路１１の概要動作を説明する。
入力導波路コア２３を介して入力された信号光である入射光は、第１Ｙ分岐導波路コア２４で第１アーム導波路コア２５および第２アーム導波路コア２６に等分に分配されて伝達される。
第１アーム導波路コア２５に分配された入射光は、そのまま第２Ｙ分岐導波路コア２７に伝達される。
【００２０】
一方、第２アーム導波路コア２６に分配された入射光は、第２薄膜ヒータ３０の加熱状態に応じて異なる状態となる。
すなわち、第２薄膜ヒータ３０によるクラッド２２ひいては第２アーム導波路コア２６の加熱を行っていない場合には、第２アーム導波路コア２６に分配された入射光は、第１アーム導波路コア２５と同様に、そのまま第２Ｙ分岐導波路コア２７に伝達される。そして、第２Ｙ分岐導波路コア２７により第１アーム導波路コア２５を伝達された入射光と結合され、出力導波路コア２８を介して入力導波路コア２３から入力された時の光強度とほぼ同じ光強度で出力される。
【００２１】
一方、第２薄膜ヒータ３０に外部可変電源３５が電力を供給し、クラッド２２ひいては第２アーム導波路コア２６を加熱した場合には、第２アーム導波路コア２６のコアガラスの屈折率およびクラッド２２の屈折率が熱光学効果によって変化する。従って、第２アーム導波路コア２６とクラッド２２との比屈折率差が変化し、第２アーム導波路コアを伝搬伝播する入射光の位相が変化する。この結果、第２Ｙ分岐導波路コア２７で結合された入射光は、入力導波路コア２３から入力された時の光強度よりも光強度が減衰されることとなる。
【００２２】
この場合において、第２アーム導波路コア２６における位相変化量は、第２薄膜ヒータに供給した電力、ひいては、第２薄膜ヒータ３０による加熱量と光強度の関係は、ｓｉｎの二乗（若しくはｃｏｓの二乗）の周期関数となる。
従って、位相変化量は、第２薄膜ヒータに供給した電力量により制御可能であるので、光減衰量（＝出射光光強度／入射光光強度）を制御することが可能となっている。
【００２３】
ところで、第２薄膜ヒータ３０による加熱量と光強度の関係は、図４に示すように、ＴＭモード光とＴＥモード光とでは、異なっており、Ａ領域に相当する加熱量範囲では、ＴＭモードよりもＴＥモードの光強度が常に大きくなる。一方、Ｂ領域に相当する加熱量範囲では、ＴＥモードよりもＴＭモードの光強度が常に大きくなる。
【００２４】
そこで、第１光減衰回路１１をＴＥモードの光強度がＴＭモードの光強度より大きいＡ領域で動作させ、第２光可変減衰回路をＴＭモードの光強度がＴＥモードの光強度より大きいＢ領域で動作させるべくそれぞれに対応する外部可変電源３５を制御して、各薄膜ヒータ３０の加熱制御を行うようにする。
【００２５】
この場合において、外部可変電源３５は、第１光可変減衰回路におけるＴＭモードの光強度とＴＥモードの光強度の比が、第２光可変減衰回路におけるＴＭモードの光強度とＴＥモードの光強度の比のほぼ逆数となる領域で動作させるべく薄膜ヒータ３５の加熱制御を行うようにすれば、より効果的である。すなわち、Ａ領域とＢ領域との境界のヒータ電力量を基準とした対称なヒータ電力領域（例えば、Ｃ近傍領域およびＤ近傍領域）のそれぞれで加熱を行うようにすれば、偏波依存性をほぼキャンセルすることが可能となる。
【００２６】
さらに、第１光光可変減衰回路１１の減衰量と第２光可変減衰回路１２の減衰量とをほぼ同一とすれば、偏波依存性をよりいっそう低減させることができる。具体的には、所望の光減衰量が１０ｄＢである場合に、第１光光可変減衰回路１１の減衰量と第２光可変減衰回路１２の減衰量を５ｄＢづつとすればよい。
【００２７】
この結果、図５に示すように、上記構成の位相調整有りの光可変減衰回路の２段回路構成とすれば、偏波依存損失（ＰＤＬ：ＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＤｅｐｅｎｄｅｎｃｅＬｏｓｓ）は、０．２５ｄＢとなり、従来の光可変減衰回路の１段回路構成（位相調整なし）の０．４７ｄＢと比較して大幅に改善されている。
【００２８】
加えて、導波路型光可変減衰器を構成する光可変減衰回路を２ｎ個（ｎ：自然数）とすれば、１対の光可変減衰回路のそれぞれが偏波依存性をほぼキャンセルするように構成できるため、容易に多段の、ひいては、高減衰量で偏波依存性の影響を受けない導波路型光可変減衰器を構成することが可能となる。
【００２９】
以上の説明のように、本実施形態によれば、薄膜ヒータおよび導波路の材質の影響を受けることなく、光可変減衰回路を多段に接続した場合でも、光強度の偏波依存性を低減することが可能となる。
【００３０】
以上の説明においては、実験あるいは測定用の光モジュールとして用いられる導波路型光可変減衰器について説明したが、これに限られるものではなく、特に波長多重伝送方式の光通信で、偏波依存性を低減しつつ、チャネル毎の光強度レベルを減衰調整することが可能となり、チャネル間の光強度バラツキを抑制することができる。
【００３１】
以上の説明においては、対となる光可変減衰回路が連続して縦列接続されている場合を説明したが、これに限られるものではなく、複数の縦列接続された光可変減衰回路のうち、対となる光可変減衰回路が対応づけられて加熱制御されていれば、物理的に離れた位置に配置されていても同様に適用が可能である。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、薄膜ヒータおよび導波路の材質の影響を受けることなく、光減衰回路を多段に縦列接続して導波路型光可変減衰器を構成した場合でも、光強度の偏波依存性を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の２段導波路型可変光減衰器の平面図である。
【図２】可変光減衰回路の平面図である。
【図３】図２のａ−ａ’断面矢視図である。
【図４】薄膜ヒータによる加熱量と光強度の関係の説明図である。
【図５】実施形態の偏波依存性の軽減状態の説明図である。
【図６】偏波依存性に起因する問題点の説明図である。
【図７】従来例の説明図である。
【符号の説明】
１０２段導波路型可変光減衰器
１１第１可変光減衰回路
１２第２可変光減衰回路
２１石英（ＳｉＯ_２）ガラス基板
２２クラッド
２３入力導波路コア
２４第１Ｙ分岐導波路コア
２５第１アーム導波路コア
２６第２アーム導波路コア
２７第２Ｙ分岐導波路コア
２８出力導波路コア
２９第１薄膜ヒータ
３０第２薄膜ヒータ
３１〜３４電極
３５外部可変電源

Claims

入力光を二つの光導波路に分岐し、一方の光導波路を伝搬する光の位相をヒータによる加熱に伴う熱光学効果を利用して他方の光導波路を伝搬する光の位相とずらし、両光導波路の光を再び合流することにより入力光の減衰量を可変させて出力光とする光可変減衰回路を縦列接続し、
縦列接続した前記光可変減衰回路のうち、対応する一対の光可変減衰回路について、一方の光可変減衰回路をＴＥモードの光強度がＴＭモードの光強度より大きい領域で動作させ、他方の光可変減衰器をＴＭモードの光強度がＴＥモードの光強度より大きい領域で動作させるべく前記ヒータの加熱制御を行う加熱制御部を備えたことを特徴とする導波路型光可変減衰器。
請求項１記載の導波路型光可変減衰器において、
前記加熱制御部は、一方の光可変減衰回路におけるＴＭモードの光強度とＴＥモードの光強度の比が、他方の光可変減衰回路におけるＴＭモードの光強度とＴＥモードの光強度の比のほぼ逆数となる領域で動作させるべく前記ヒータの加熱制御を行うことを特徴とする導波路型光可変減衰器。
請求項２記載の導波路型光可変減衰器において、
前記加熱制御部は、前記一方の光可変減衰回路の減衰量と前記他方の光可変減衰回路の減衰量とをほぼ同一とすべく前記加熱制御を行うことを特徴とする導波路型光可変減衰器。
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の導波路型光可変減衰器において、
前記導波路型光可変減衰器は、前記光可変減衰回路を２ｎ個（ｎ：自然数）備えたことを特徴とする導波路型光可変減衰器。